JPH06216073A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ発生時においても電力密度分布が均
一な円偏波マイクロ波を真空容器内に供給することがで
きるプラズマ処理装置を提供する。 【構成】 磁場が印加された真空容器１に導波管路１９
からマイクロ波を供給し，真空容器１内に導入された処
理ガスをプラズマ化する。導波管路１９に設けられた円
偏波変換器８と真空容器１との間に導波管路１９のイン
ピーダンス整合を行う３スタブチューナ１９と，真空容
器１内からの反射波を測定する反射波測定器１６とを設
けて，反射波測定器１６による測定値に応じて３スタブ
チューナ１５を制御する。この構成により，円偏波変換
器８にプラズマからの反射波が戻ることを抑制すること
ができるので，円偏波変換器８は反射波の影響を受ける
ことなく正常に動作して，均一な電力密度分布のマイク
ロ波を真空容器内に供給することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，プラズマにより生成さ
れるプラズマ粒子を被処理物に照射してエッチング，ス
パッタリング，ＣＶＤ等の精密処理を行うプラズマ処理
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ処理装置の代表的な例として電
子サイクロトロン共鳴装置（以下ＥＣＲ装置と呼称す
る）を示すことができる。ＥＣＲ装置は周知の通り，磁
場が印加された真空容器内に高周波電場と処理ガスとを
導入することにより，磁場と高周波電場と処理ガス原子
中の電子との３要素が引き起こす電子サイクロトロン共
鳴によって処理ガスをプラズマ化して，そのときに発生
するイオン，ラジカルを被処理物に照射することによ
り，エッチング，デポジション等の処理を行うことがで
きる。このＥＣＲ装置によって半導体基板に対してエッ
チング処理を行うＥＣＲエッチング装置の従来構成につ
いて説明する。図３に模式図として示すＥＣＲエッチン
グ装置３０は，真空容器１を中心として，該真空容器１
内に磁場を印加するための磁気コイル１０ａ，１０ｂが
真空容器１の中心軸と同心に配置されると共に，真空容
器１の中心軸上の上端にはマイクロ波導入窓２が設けら
れ，マイクロ波電源５からのマイクロ波を真空容器１内
に導入する導波管路１４が接続されている。真空容器１
内に設置された支持台１１上にはエッチング処理するた
めの基板１２が載置されており，真空容器１内は排気ポ
ート４から真空排気されて所定の真空状態に保たれる。
上記真空容器１内に磁場を印加する各磁気コイル１０
ａ，１０ｂには，同一方向に直流励磁電流が流されるの
で，各磁気コイル１０ａ，１０ｂの半径方向に均一な磁
束密度で真空容器１内の中心軸方向に磁場が印加され
る。前記導波管路１４は，マイクロ波電源５から矩形導
波管内を伝播してきたマイクロ波をマイクロ波導入窓２
に導くために，コーナー導波路６，ステップ変換器７，
円偏波変換器（ポーラライザ）８，ホーンアンテナ９を
備えて構成されている。この導波管路１４を伝播するマ
イクロ波は，図４に示すように，直線偏波矩形モードの
マイクロ波（図４ａ−イ）がコーナー導波路６で進行方
向を変えられた後，ステップ変換器７によって直線偏波
円形モード（図４ａ−ロ）に変換され，更に円偏波変換
器８によって円偏波円形モード（図４ａ−ハ）に変換さ
れて，ホーンアンテナ９からマイクロ波導入窓２を通し
て真空容器１内に放射される。

【０００３】上記のように磁場と高周波電場とが印加さ
れた真空容器１内にガス導入ポート３から処理ガスを導
入すると，電子サイクロトロン共鳴によって処理ガスは
ＥＣＲ領域１３においてプラズマ化して，イオン，ラジ
カル等のプラズマ粒子が生成される。このプラズマ粒子
は磁力線の方向に流れて，支持台１１上に載置された基
板１２に照射され，基板１２に対してエッチング処理を
行うことができる。上記ＥＣＲエッチング装置３０によ
り精度よくエッチング処理を行わせるためには，ＥＣＲ
領域１３に発生するプラズマ粒子の時間的，空間的粒子
分布が均一であることが重要となる。この粒子分布が不
均一であると，図５に示すように，真空容器１内に高イ
オン密度領域と低イオン密度領域とが生じて，この間に
電場勾配が生じ，基板１２の処理表面に対して直角方向
の磁力線方向で入射するはずのイオンが電場勾配によっ
て様々な方向性をもって基板１２に到達する結果，磁力
線方向以外にもエッチング反応が促進され，同図に示す
ような内傾方向にエッチングが進行する等の加工精度の
悪化をきたす。また，粒子分布の不均一は，図６に示す
ように，基板１２上のイオン分布密度の差に起因する電
位差を生じさせて，基板１２上に電流が流れ，基板１２
上に形成された素子を破壊する弊害が生じる。上記はＥ
ＣＲ装置をエッチング装置として利用した場合の問題点
であるが，ＥＣＲ装置をＣＶＤ（Chemical Vapor Depos
ition ）装置として利用した場合には，成膜厚の偏りな
どが生じて精度のよい成膜処理がなされない等の問題点
が生じる。上記したプラズマ粒子の密度分布の不均一
は，ＥＣＲ領域１３における磁束密度が均一である場合
にも，ＥＣＲ領域１３に導入されるマイクロ波の電力密
度に比例して発生する。従って，マイクロ波導入窓２か
ら真空容器１内に導入されるマイクロ波の電力密度分布
は均一でなければならない。

【０００４】ところが，マイクロ波の電力分布密度は図
４（ｂ）に示すように，導波管路１４の円偏波変換器８
に入る以前の各部におけるＡ−Ｂ断面，あるいはＡ′−
Ｂ′断面で均一でなく，中心軸付近で大きく管壁に近い
ほど小さくなっている。そこで，図３に示した従来構成
においては，ホーンアンテナ９の直前に円偏波変換器８
を設けて，マイクロ波を円偏波モードに変換してホーン
アンテナ９から真空容器１内に放射するように構成され
ている。円偏波モードは，伝播するとともに直線偏波モ
ードのマイクロ波が中心軸周りに回転するもので，中心
軸周りの円周方向に平均化されて電力密度分布が均一化
される。上記のような円偏波変換器８により電力密度分
布を均一化する先願例として，特開平３−９０５７７号
公報に開示される構成があり，円偏波変換器として図７
に示すような円偏波素子３１が採用されている。同図に
示すように円偏波素子３１は，円形導波管２９内に石英
ガラス等による誘電体板３２をマイクロ波の直線偏波の
方向に対して４５度の角度で配置することにより，誘電
体板３２を長さ方向に透過するマイクロ波の位相が遅れ
るため，誘電体板の長さを適当な寸法に選択すれば，直
線偏波で進行してきたマイクロ波を円偏波に変換するこ
とができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，上記従
来構成になる円偏波変換器は，真空容器内に導入された
マイクロ波が真空容器内で発生しているプラズマによっ
て反射され，導波管路に戻ってくる反射波の影響を考慮
しない理想的な条件で設計されており，プラズマが生成
された実際の稼働状態でのマイクロ波モードの特性につ
いては何ら考慮されていない。真空容器内にプラズマが
発生している状況においては，図７に示したように誘電
体板を直線偏波方向に対して４５度に配設していても，
プラズマ表面からの反射波と入射波とによる定在波が導
波管内に存在し，反射波の変化により前記定在波のモー
ドが変化して円偏波素子が正常な動作をしない。そのた
め，マイクロ波導入窓位置における導波管内部の電力密
度分布は均一な分布を示さず，誘電体板を避けるような
電力集中が起こり，円周方向に不均一な伝播モードを示
すことになる。円偏波変換器の動作の異常は，上記した
ように電力密度分布が不均一なマイクロ波を真空容器内
に導入することになり，プラズマ密度の不均一が発生す
る結果，処理精度の悪化，絶縁膜の破壊等の処理不良を
発生させる原因となる。本発明は上記問題点に鑑みて創
案されたもので，プラズマ発生時においても電力密度分
布が均一な円偏波マイクロ波を真空容器内に供給するこ
とができるプラズマ処理装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が採用する第１の手段は，磁場の印加された真
空容器に導波管路を接続してマイクロ波を供給し，前記
真空容器内に導入された処理ガスをプラズマ化するプラ
ズマ処理装置において，前記導波管路に設けられた前記
真空容器に最も近い伝搬モード変換手段と前記真空容器
との間に，導波管路内のインピーダンスを調整すること
により前記真空容器内と前記導波管路とのインピーダン
ス整合を行う整合手段と，前記真空容器内からの反射波
を測定する反射波測定手段とを設けて，該反射波測定手
段による測定値に応じて前記整合手段を制御して前記導
波管路内のインピーダンスを調整するようにしたことを
特徴とするプラズマ処理装置として構成される。上記整
合手段は，導波管内への突出量が調整自在の導体棒で構
成することができる。また，本発明が採用する第２の手
段は，磁場の印加された真空容器に導波管路を接続して
マイクロ波を供給し，前記真空容器内に導入された処理
ガスをプラズマ化するプラズマ処理装置において，前記
導波管路に設けられた前記真空容器に最も近い伝搬モー
ド変換手段と前記真空容器との間に，前記導波管路に前
記真空容器内からの反射波をマイクロ波供給方向と異な
る方向に設けられた負荷に誘導する反射波抑制手段を設
けたことを特徴とするプラズマ処理装置として構成され
る。上記反射波抑制手段は，所定の１ポートに負荷を接
続した３ポート・サーキュレータで構成することができ
る。

【０００７】

【作用】真空容器内にプラズマを生成するためのマイク
ロ波が導波管路から供給されるが，真空容器内にプラズ
マが生成されている状態では，供給されたマイクロ波の
一部がプラズマで反射され，導波管路内に入射波と反射
波とによる定在波が生じる。導波管内にはマイクロ波を
真空容器内に均一な電力密度分布で供給するために円偏
波変換器等の伝播モード変換手段が設けられており，前
記定在波の影響を受けて伝播モード変換手段の正常な動
作が損なわれることが発生する。例えば，誘電体板を導
波管内に４５度の角度で配設して構成される円偏波変換
器の場合では，誘電体板を通過する入射マイクロ波の電
界成分の位相を９０度遅らせることにより直線偏波を円
偏波に変換している。ところが，前記誘電体板に反射波
が影響すると，位相の遅れに異常が生じて円偏波への変
換が正常になされなくなることが発生する。

【０００８】そこで，本発明では伝播モード変換手段に
プラズマからの反射波が戻ることを抑制する手段を講じ
て，伝播モード変換手段の動作を妨げないようにする。
本発明の第１の手段によれば，真空容器と該真空容器に
最も近い伝播モード変換手段との間の導波管内に整合手
段と反射波測定手段とを設けて，反射波測定手段による
測定値が最小になるように整合手段を調整する。整合手
段として導波管内への導体棒の突出量を調整する手段が
採用でき，導波管内と真空容器内とのインピーダンス整
合を行うことにより，反射波の発生を低減させる。ま
た，本発明の第２の手段によれば，真空容器と該真空容
器に最も近い伝播モード変換手段との間の導波管内に反
射波抑制手段を設けて，反射波をマイクロ波供給方向と
異なる方向に導き，負荷で消費させることにより反射波
が伝播モード変換手段に戻ることを抑制する。反射波抑
制手段として所定の１ポートに負荷を接続した３ポート
・サーキュレータを採用することができる。上記本発明
の各手段により，伝播モード変換手段にプラズマからの
反射波が戻ることを抑制することができるので，伝播モ
ード変換手段は反射波の影響を受けることなく正常に動
作して，均一な電力密度分布のマイクロ波を真空容器内
に供給することができる。従って，プラズマの生成密度
分布も均一化され，精度よくプラズマ処理が実施され
る。

【０００９】

【実施例】以下，添付図面を参照して，本発明を具体化
した実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，
以下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定するものではない。ここに，図１
はプラズマ処理装置の一例であるＥＣＲ装置により乾式
エッチングを行うＥＣＲエッチング装置の第１実施例構
成を示す模式図，図２はＥＣＲエッチング装置の第２実
施例構成を示す模式図である。尚，従来例と同一の要素
には同一の符号を付して，その説明は省略する。図１に
おいて，ＥＣＲエッチング装置２０は，真空容器１内に
磁気コイル１０ａ，１０ｂにより磁場を印加すると共
に，マイクロ波導入窓２からマイクロ波を供給して，ガ
ス導入ポート３から導入した処理ガスをプラズマ化し，
プラズマにより生成されるイオン，ラジカルを支持台１
１上に載置された被処理物である基板１２に照射して，
エッチング処理を行うことができるように構成されてい
る。

【００１０】真空容器１の所定位置に設けられたマイク
ロ波導入窓２から真空容器１内にマイクロ波を供給する
ために，マイクロ波電源５からマイクロ波導入窓２まで
の間に導波管路１９が形成されている。マイクロ波電源
５で発生した直線偏波矩形モードのマイクロ波は，自動
整合器１７が配置された矩形導波管１８からコーナー導
波路６で進行方向を直角方向に変え，ステップ変換器７
によって直線偏波円形モードに変換される。更に，次段
の円偏波変換器（真空容器に最も近い伝播モード変換手
段）８によって円偏波円形モードに変換された後，マイ
クロ波導入窓２に接続されたホーンアンテナ９から真空
容器１内に供給される。上記導波管路１９中に配置され
た円偏波変換器８は，先に図７に示したように円形導波
管２９内に石英ガラス等により形成された誘電体板３２
が直線偏波の電界方向に対して４５度の角度で配設され
て構成されている。誘電体板３２の長さは，誘電体板３
２内を長さ方向に通過したマイクロ波が，誘電体板３２
外を通過したマイクロ波より９０度位相が遅れるよう
に，誘電体板３２を形成する材料の誘電率を勘案して決
定される。このように構成された円偏波変換器８を導波
管路１９中に配置することにより，ホーンアンテナ９か
ら真空容器１内に供給されるマイクロ波は，円周方向に
均一化された電力密度分布として放射される。上記円偏
波変換器８により直線偏波のマイクロ波を円偏波に変換
して，円周方向に均一化された電力密度分布のマイクロ
波を真空容器１内に供給するためには，真空容器１内に
生成されるプラズマから反射する反射波が前記円偏波変
換器８に戻らないようにすることを要する。そのため
に，図１に示すようにホーンアンテナ９に反射波測定器
（反射波測定手段）１５と３スタブ・チューナー（整合
手段）１６とが配置されている。３スタブ・チューナー
１６は，３本の導体棒のホーンアンテナ９内への突出量
を調整して，導波管路１９のインピーダンスを真空容器
１内のインピーダンスに整合させるもので，インピーダ
ンス整合により真空容器１内からの反射波を低減させる
作用をなす。

【００１１】真空容器１内のインピーダンスは，プラズ
マの状態により変化するので，反射波測定器１５により
反射波を測定し，その測定値が最小になるようにコント
ローラ２５により３スタブ・チューナー１６の導体棒の
ホーンアンテナ９内への突出量を調整する。この調整に
より反射波が低減される結果，円偏波変換器８に戻る反
射波が抑制され，円偏波変換器８の動作が妨げられるこ
とが防止できる。次に，本発明の第２実施例について説
明する。尚，上記第１実施例と同一の構成については，
その説明を省略する。図２において，ＥＣＲエッチング
装置２３は，導波管路２４中の円偏波変換器８とホーン
アンテナ９との間に３ポート・サーキュレータ（反射波
抑制手段）２１が配設されており，該３ポート・サーキ
ュレータ２１の１ポートにはダミー・ロード（負荷）２
２が取り付けられている。この３ポート・サーキュレー
タ２１は，マイクロ波導波系における非可逆回路の一種
で，円偏波変換器８から伝播してきたマイクロ波（入射
波）はホーンアンテナ９方向に通過させて，真空容器１
内にマイクロ波を供給することができるが，真空容器１
内からの反射波は円偏波変換器８方向に伝播させず，ダ
ミー・ロード２２が取り付けられたポートに伝播させる
ので，反射波はダミー・ロード２２で吸収される。従っ
て，反射波は円偏波変換器８に影響を及ぼさないので，
円偏波変換器８の動作を妨げることがなく，入射マイク
ロ波は正常に円偏波に変換される結果，均一な電力密度
分布で真空容器１内に供給される。尚，以上の説明で
は，ＥＣＲエッチング装置を例にとって説明したプラズ
マ処理装置において，円偏波変換手段として誘電体板を
導波管内に配置した構成を示したが，他の構成になる円
偏波変換手段を用いても同様に構成することができる。

【００１２】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，プラ
ズマからの反射波が導波管路内に配置した伝播モード変
換手段に戻ることを抑制することができるので，反射波
による伝播モード変換手段の動作が妨げられることがな
く，真空容器内へのマイクロ波供給は設計通りになされ
る結果，プラズマの状態に関わらず安定したマイクロ波
供給がなされ，プラズマの生成密度は均一化され，放射
されるプラズマ粒子が均等に被処理物上に照射され，加
工精度のよいプラズマ処理装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係るＥＣＲエッチング
装置の構成を示す模式図。

【図２】 本発明の第２実施例に係るＥＣＲエッチング
装置の構成を示す模式図。

【図３】 従来例に係るＥＣＲエッチング装置の構成を
示す模式図。

【図４】 導波管内の各部におけるモード（ａ）と各部
の電力密度分布の状態を示すグラフ。

【図５】 マイクロ波の電力密度分布の偏りによる処理
精度の悪化状態を示す説明図。

【図６】 マイクロ波の電力密度分布の偏りによる被照
射物の破壊状態を示す説明図。

【図７】 従来例に係る円偏波変換器の断面構造を示す
模式図。

【符号の説明】

１…真空容器 ８…円偏波変換器（伝播モード変換手段） １０ａ，１０ｂ…磁気コイル １５…反射波測定器（反射波測定手段） １６…３スタブ・チューナー（整合手段） １９…導波管路（導波管） ２０…ＣＲエッチング装置 ２１…３ポート・サーキュレータ（反射波抑制手段） ２２…ダミー・ロード（負荷）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁場の印加された真空容器に導波管路を
   接続してマイクロ波を供給し，前記真空容器内に導入さ
   れた処理ガスをプラズマ化するプラズマ処理装置におい
   て，前記導波管路に設けられた前記真空容器に最も近い
   伝搬モード変換手段と前記真空容器との間に，導波管路
   内のインピーダンスを調整することにより前記真空容器
   内と前記導波管路とのインピーダンス整合を行う整合手
   段と，前記真空容器内からの反射波を測定する反射波測
   定手段とを設けて，該反射波測定手段による測定値に応
   じて前記整合手段を制御して前記導波管路内のインピー
   ダンスを調整するようにしたことを特徴とするプラズマ
   処理装置。
2. 【請求項２】 上記整合手段が，導波管内への突出量が
   調整自在の導体棒で構成されたことを特徴とする請求項
   １記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 磁場の印加された真空容器に導波管路を
   接続してマイクロ波を供給し，前記真空容器内に導入さ
   れた処理ガスをプラズマ化するプラズマ処理装置におい
   て，前記導波管路に設けられた前記真空容器に最も近い
   伝搬モード変換手段と前記真空容器との間に，前記導波
   管路に前記真空容器内からの反射波をマイクロ波供給方
   向と異なる方向に設けられた負荷に誘導する反射波抑制
   手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 上記反射波抑制手段が，所定の１ポート
   に負荷を接続した３ポート・サーキュレータで構成され
   たことを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。