JPH0594899A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロ波を用いたプラズマ処理に関し、
高密度プラズマを生成し、プラズマプロセスに於ける高
速処理化を図る。 【構成】 マイクロ波導波路にマイクロ波の最適のマ
ッチング特性を有する軸方向長さの誘電体を設置する。 【効果】 マッチング特性が最適となる誘電体を設置
することでマイクロ波の反射が抑制され、マイクロ波の
エネルギーが効率よくプラズマに供給される。従ってプ
ラズマ密度が上昇し、活性なイオンが増大しエッチング
・ＣＶＤ等のプラズマプロセスに於て高速処理が可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種薄膜形成装置、表
面処理装置であるところのプラズマ処理、特に電子サイ
クロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用いて径方向に均一なプラ
ズマを発生させ、基板に均一なスパッタリング・ＣＶＤ
・エッチング・イオン注入などのプラズマ処理を可能に
するプラズマ処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体の微細化に伴い、ドライプロセス
が重要な技術となってきている。中でも、マイクロ波を
利用したプラズマ処理技術は重要視されてきている。例
えば、マイクロ波放電による電子サイクロトロン放電
（ＥＣＲ）を用いたプラズマ放電は、低圧力（１０^-5Ｔ
ｏｒｒ）で放電可能なために生成したイオンの方向が揃
うこと、高密度プラズマが発生できること、無電極であ
るため寿命が長く、活性ガスを利用できること、等の優
れた特性により注目されてきている。図８に従来のＥＣ
Ｒ放電を用いたプラズマ生成源とそれを用いたＥＣＲ−
ＣＶＤ装置の基本構成を示す。図示を省略したマイクロ
波源は例えば２．４５ＧＨｚのマグネトロンを用いて構
成される。プラズマ生成室２の寸法は内径２００ｍｍ程
度であり、マイクロ波電力の効率的な投入のためにマイ
クロ波の空洞共振器構造をとっているものが多い。プラ
ズマ生成室２に導入されたマイクロ波電力はプラズマの
生成に消費される。生成されたプラズマ７はプラズマ引
出し窓１２から試料台６に向けて引き出される。プラズ
マ引出し窓１２はプラズマ生成室２の空洞共振器構造の
確保、及び生成したプラズマ７の均一部分の引出しのた
めに設けられる。即ち、マイクロ波の電界強度はプラズ
マ生成室２の周辺部で弱くなり、中心部と周辺部で発生
するプラズマ密度の相違があるため、プラズマ密度が均
一な部分のみ引き出す構造となっている。磁気コイル１
は所謂ＥＣＲ条件を満たす直流磁場（８７５Ｇａｕｓ
ｓ）を達成させるために設けられている。生成したプラ
ズマ７は弱磁界領域である試料台６に向けて効率的に拡
散する。以上のようにして、試料台６に到達したプラズ
マ７によりＣＶＤ、エッチングなどの基板の処理が行え
る。

【０００３】従来技術に於けるマイクロ波プラズマ処理
装置では、マグネトロンにより発生したマイクロ波電力
を導波管３を介してプラズマ生成室２に導入する構造と
なっている。通常マイクロ波のマッチングについてはス
タブチューナ１３によって反射波の発生を抑えている。
しかしながら、この導波管３とプラズマ生成室２との間
には断面積に関し大きな不連続面があるため、マイクロ
波のマッチングがとりにくい。この問題を解決する技術
として、例えば図８に示す特開平１−１１０７７３号公
報に述べられているようにテーパ導波管１０を用いる技
術がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】プラズマ処理装置に於
て、マイクロ波の効率はプラズマの密度に関わり、プラ
ズマ密度は処理速度に関わる。即ちマイクロ波効率を高
めることで処理速度が向上する。

【０００５】従来技術に於て、テーパ導波管１０を用い
て導波管の径を徐々に変化させることで、断面積に関し
ての不連続面は緩和されるものの、媒質の比誘電率に関
しては依然大きな不連続面がある。即ちマイクロ波導入
窓部９に於て、比誘電率が１であるテーパ導波管１０と
比誘電率が約２０であるプラズマが結合している。従っ
てテーパ導波管１０を伝搬してきたマイクロ波の一部は
マイクロ波導入窓部９にて反射され充分にプラズマ生成
室に供給されず、マイクロ波効率が悪いという課題があ
った。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した目的は本発明に
よれば、プラズマ生成室内にマイクロ波を導入してプラ
ズマを生成し、基板に処理を施すマイクロ波プラズマ処
理装置に於て、マイクロ波導波路にマイクロ波の最適の
マッチング特性により軸方向長さを変化させる誘電体を
設置することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置
を提供することにより達成される。

【０００７】

【作用】この発明に於ては、誘電体をマイクロ波導波路
に設けることで、比誘電率に関する不連続面を緩和する
ことができる。

【０００８】マイクロ波の伝搬に関しては、分布常数回
路で表すことができる。従ってマイクロ波のマッチング
特性は、伝搬経路の長さにより著しく変化する。従って
マイクロ波の伝搬経路の一部となる誘電体のマイクロ波
伝搬方向長さを、マッチングが最適となる長さにするこ
とでマイクロ波効率を著しく高め、高密度プラズマを生
成することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の好適実施例を添付の図面につ
いて詳しく説明する。

【００１０】プラズマを誘電体と考えると、ＥＣＲプラ
ズマ系は分布常数回路と考えることができる。従って、
プラズマのインピーダンスを仮定することでＥＣＲプラ
ズマ系の電圧定在波比を求めることができる。以下、そ
の方法について述べる。

【００１１】図２は、ＥＣＲプラズマ系を分布常数回路
のモデルとして示したものである。図２の中で、Ａ点か
らみた負荷側のインピーダンスＺ₂は次式で表される。

【００１２】

【数１】

【００１３】従ってＢ点からみた負荷側のインピーダン
スＺ₁は次式で表される。

【００１４】

【数２】

【００１５】数２で求めたＺ₁より、反射係数Ｓは次式
で表される。

【００１６】

【数３】

【００１７】数３で求めたＳより、電圧定在波比ρは次
式で表される。

【００１８】

【数４】

【００１９】図３は、数３により求めた誘電体長さと電
圧定在波比の関係を示すグラフである。図３に於て、誘
電体として直径φ１５０ｍｍのテフロン（ε＝２）を用
いており、円形導波管の直径はφ１６０ｍｍとしてい
る。図３では誘電体長さが６０ｍｍのとき電圧定在波比
が著しく１に近づく。従って、この長さの誘電体を用い
ることで、反射が抑えられマイクロ波導入効率が向上す
る。

【００２０】図１は、本発明の第１実施例を示したもの
である。図１では直径φ１５０ｍｍ、長さ６０ｍｍの円
筒形の誘電体５ａを円形導波管１１内に設置している。
誘電体５ａはテフロンを用いている。

【００２１】図４は、図１に示した実施例に於て誘電体
の材質及び長さを変化させた場合のイオン電流密度を示
したものである。イオン電流密度はプラズマ密度の指標
となるパラメータである。図４に於て、誘電体５ａの長
さによりイオン電流密度が周期的に変化している。これ
は図３に示したシミュレーション結果と一致するもので
ある。また誘電体の材質（比誘電率）により、ピーク間
の幅が変化しており、誘電体によるマッチング特性の向
上及びそれに伴うプラズマ高密度化が明らかである。

【００２２】図５は、本発明の第２実施例を示したもの
であり、矩型−円形変換器４内に長さ６０ｍｍ、厚さ１
０ｍｍ、幅９６ｍｍの誘電体平板５ｂを設置している。
図５では誘電体として石英（ε＝４）を用いている。矩
型−円形変換器４はＴＥ₁₀□モードで伝搬するマイクロ
波をＴＥ₁₁○モードへ変換する導波管である。マイクロ
波は矩型−円形変換器４内から誘電体５ｂを介してプラ
ズマ生成室へ導入される。

【００２３】図６は、図５に示した実施例に於て誘電体
の長さを変化させた場合のイオン電流密度を示したもの
である。図６では、長さ６０ｍｍの誘電体を用いた場合
に最もプラズマ密度が高くなることを示している。従っ
て、矩形−円形変換器４内に誘電体平板５ｂを設置した
場合に於いても、第１の実施例と同様の効果を得ること
ができる。

【００２４】図７は本発明の第３実施例を示したもので
ある。図７では、誘電体は中心部分と周辺部分の長さが
異なる構造となっており、誘電体中心部と周辺部の長さ
を変化させることでマッチングの状態を制御することが
できる。通常ＥＣＲプラズマは中心部で密度が高くなる
が、図７に示した誘電体を設置することで周辺部のマッ
チングを向上させ、径方向に均一なプラズマを生成する
ことができる。

【００２５】以上のように、マイクロ波導波路に、導波
路の形状及び誘電体の誘電率によって決定される軸方向
長さが最適条件となる誘電体を用いることで、マイクロ
波のマッチング特性を向上させ、高密度のプラズマを生
成することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明により、本発明に関わるプラ
ズマ処理装置では、マイクロ波導波路に軸方向長さがマ
ッチングの最適条件を与える誘電体を設置することで、
高密度のプラズマを生成することができる。このためス
パッタリング・ＣＶＤ・エッチング・イオン注入などの
プラズマ処理に於て大面積で均一な処理を施すことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の第１実施例の基本
構成を示す図である。

【図２】ＥＣＲプラズマ系の分布常数回路のモデル図で
ある。

【図３】電圧定在波比の誘電体軸方向長さ依存性を示す
図である。

【図４】第１実施例に於けるプラズマ密度の特性図であ
る。

【図５】本発明の第２実施例の基本構成を示す図であ
る。

【図６】第２実施例に於けるプラズマ密度の特性図であ
る。

【図７】本発明の第３実施例の基本構成を示す図であ
る。

【図８】従来のＥＣＲプラズマ処理装置の基本構成を示
す図である。

【符号の説明】

１ 磁気コイル ２ プラズマ生成室 ３ 矩形導波管 ４ 矩形−円形変換器 ５ａ、５ｂ、５ｃ 誘電体 ６ 試料台 ７ プラズマ ８ プローブ ９ マイクロ波導入窓部 １０ テーパ導波管 １１ 円形導波管 １２ プラズマ引出し窓 １３ スタブチューナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日高 亮太 北九州市戸畑区大字中原46−59 新日本製 鐵株式会社機械・プラント事業部内 (72)発明者 大久保 尚武 東京都品川区西五反田１−11−８ 大成ビ ル６Ｆ 株式会社アフテイ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ生成室内にマイクロ波を導入
   してプラズマを生成し、基板に処理を施すマイクロ波プ
   ラズマ処理装置に於て、マイクロ波導波路にマイクロ波
   の最適のマッチング特性を有する軸方向長さの誘電体を
   設置することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
   置。