JPH06325898A - マイクロ波放電反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロ波放電反応装置において、スリット
アンテナ部へ電力を供給するマイクロ波供給系を改良
し、プラズマの均一性を良好とし、マイクロ波の利用効
率を高めた放電用電極を実現し、実用性の高める。 【構成】 内部を減圧状態に保持する機構10とガスを導
入する機構を備える真空容器１を備え、この真空容器内
に、当該真空容器の内部にマイクロ波を導入してガスを
プラズマ化するプラズマ発生機構２と、このプラズマ発
生機構に対し間隔をあけて対向させた基板保持機構３を
配置するように構成され、さらに、上記のプラズマ発生
機構２は、真空容器内にマイクロ波を放射するスリット
が形成された平板状電極４と、この平板状電極の近傍に
配置された磁場発生手段６と、平板状電極の前記スリッ
トにマイクロ波を供給する円形導波管７とから構成され
る。円形導波管内を伝播するマイクロ波の伝播モード
は、軸対称のＴＭ０１モードまたはＴＥ０１モードが使
用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波放電反応装置
に係り、特に、ドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ
装置、スパッタリング装置、表面改質装置等に応用する
のに好適なマイクロ波放電反応装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特開昭５５−１４１７２９
号公報に開示されるＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）
装置のように、マイクロ波領域の電磁波を利用したキャ
ビティータイプの放電反応装置には各種のものが提案さ
れている。これらの放電反応装置では、通常、導波管を
用いてマイクロ波を放電室に導入している。一般に、マ
イクロ波放電反応装置の放電室（キャビティー）内で効
率良くプラズマを発生させる場合、導波管および放電室
に関しマイクロ波の波長に依存した寸法上の制約が存在
する。また放電室全域にわたって均一性の良い磁場を発
生することは難しいので、放電室を単純に大きくするこ
とだけで、大面積の基板を均一性良く処理することはで
きない。

【０００３】一方、被処理基板の寸法は年々大きくなる
傾向にあり、直径３０cm程度の大型基板の均一処理を行
えることが要求され、大面積基板に適したマイクロ波放
電反応装置の開発が急務となっている。

【０００４】かかる要請に対する試みとして、例えば、
マイクロ波の導入に同軸管を用い、多数のスリットを有
する円筒状の電極をマイクロ波放射用のアンテナとして
用いて、大面積の処理を可能とすることを目指した装置
の開発も行なわれている。本装置は、例えば、下記の文
献に記載される。

【０００５】A.Yonesu et al. "Production of a large
-diameter uniform ECR plasmawith a Lisitano coil"
Jpn.J.Appl.Phys.,27 (1988) L1746.

【０００６】また特開平１−１５９３７９号公報に開示
されるように、多数のスリットを有する平板状の電極を
アンテナとして用いることで、大面積を均一に処理する
ことも試みられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、先に、多
数のスリットを有する平板状の電極と永久磁石を組み合
わせた大面積のプラズマを発生するための電極を提案し
た（特願平２−４００９０４号）。この発明によるマイ
クロ波放電反応装置では、大面積にわたって、均一なプ
ラズマを発生することができ、従来の問題点であったマ
イクロ波電力の有効利用を改善している。しかし、未だ
マイクロ波の有効利用という観点では、改善の余地があ
る。すなわち、上記装置ではマイクロ波伝送系として同
軸型線路を使用しており、マイクロ波電力が相対的に小
さい間はこれでも十分であるが、高密度のプラズマを生
成する目的でマイクロ波電力を大きくすると、電力損失
が大きくなり、マイクロ波伝送系が発熱し、同軸型線路
の真空シール部の信頼性が低下するという不具合を生じ
る。

【０００８】本発明の目的は、スリットアンテナ部へ電
力を供給するマイクロ波供給系を改良し、プラズマの均
一性を良好とし、マイクロ波の利用効率を高めた放電用
電極を実現し、実用性の高いマイクロ波放電反応装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るマイクロ波
放電反応装置は、内部を減圧状態に保持する機構とガス
を導入する機構を備える真空容器を備え、この真空容器
内に、当該真空容器の内部にマイクロ波を導入してガス
をプラズマ化するプラズマ発生機構と、このプラズマ発
生機構に対し間隔をあけて対向させた基板保持機構を配
置するように構成され、さらに、上記のプラズマ発生機
構は、真空容器内にマイクロ波を放射するスリットが形
成された平板状電極と、この平板状電極の近傍に配置さ
れた磁場発生手段と、平板状電極の前記スリットにマイ
クロ波を供給する円形導波管とから構成される。

【００１０】前記の構成において、好ましくは、前記円
形導波管にて伝播するマイクロ波のモードは、放射状ス
リットを有する平板状電極の各スリットに有効に電力が
供給できるように、軸対称モードであることを特徴とす
る。

【００１１】前記の構成において、好ましくは、円形導
波管内を伝播するマイクロ波の伝播モードが、ＴＭ０１
モードおよびＴＥ０１モードのうちいずれかである。

【００１２】

【作用】本発明によるマイクロ波放電反応装置では、所
定の形態を有するスリットが形成された平板状電極を設
け、真空容器内の放電室にマイクロ波を効率良く放射
し、同時にＥＣＲ条件を満足する磁場を発生させるため
の手段として同心円の配置上で複数のリング状の永久磁
石を設置する。これらの磁石の着磁方向は前記電極の面
に対して垂直とし、かつ隣合うリング状の永久磁石の着
磁方向が互いに反対になるように配置する。この時の磁
場強度は、前記平板状電極のプラズマが発生する面の近
傍でＥＣＲ条件を満たすように設定される。かかる構成
により、平板状電極の限定された狭い領域のみにプラズ
マを発生させることができる。

【００１３】上記においてマイクロ波電力を供給する伝
送路を、円形導波管を用い、かつ好ましくは軸対称であ
る特定な伝播モードでマイクロ波を伝播させれば、大き
なマイクロ波電力を利用することができ、さらに高密度
のプラズマを効率良く発生させることができる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００１５】図１は本発明に係るマイクロ波放電反応装
置の実施例を示す。図１において、１は真空容器であ
る。真空容器１の形態は任意であり、内部に気密性の部
屋が形成されれば、充分である。真空容器１の内部に
は、プラズマ発生機構２と基板保持機構３が所定の配置
関係にて取り付けられる。プラズマ発生機構２は、真空
容器１内にてマイクロ波を放射し放電を発生させるため
平板状電極４を備える。基板保持機構３の基板取付け面
には処理対象の基板５が配置される。平板状電極４と基
板５は、所定の間隔で、対向した位置関係に配置され
る。また基板保持機構３には、その使用目的に応じて、
加熱機構または冷却機構、あるいは直流や高周波等のバ
イアス電圧を付与する機構を付加することもできる。

【００１６】プラズマ発生機構２において、平板状電極
４の周辺部には所要の磁場を発生するための磁気回路６
が配設される。また平板状電極４には、所要の電場を発
生するための電力を供給する円形導波管７（横断面が円
形の導波管）が設けられる。この円形導波管７はマイク
ロ波供給系の一部でもある。マイクロ波供給系は、前記
の円形導波管７と、真空シールされた、マイクロ波を透
過する窓部と、図示しないマイクロ波電源からマイクロ
波を誘導する立体回路の一部を構成する矩形導波管８
（横断面が矩形の導波管）とから構成される。後述する
如く、必要に応じて円形導波管７内にマイクロ波の管内
波長を縮めるための誘電体が設置される。なお真空容器
１は排気系とガス導入系を備えるが、よく知られている
ので、それらの図示を省略する。ただし、真空容器１に
形成された排気ポート１０のみを示す。

【００１７】プラズマ発生機構２の部分をさらに詳しく
示すと、図２に示す如くなる。１１は真空シールされ
た、マイクロ波を透過する窓部である。平板状電極４
は、正面形状が円形であり、例えば図６に示す如き形状
を有するマイクロ波を放射するためのスリット３１が形
成されている。スリット３１は４個形成され、それぞ
れ、放射状部分３１ａと円周部分３１ｂを有する。平板
状電極４は金属等の導電性部材で作られる。平板状基板
４は裏板３２を有し、平板状電極４と裏板３２は金具３
３で固定される。平板状電極４と裏板３２との間には所
定の隙間が形成される。この隙間は、平板状電極４のス
リット３１に対しマイクロ波を伝播させるために必要で
ある。この隙間部分には、誘電体を充填させることもで
きる。また前記金具３３はマイクロ波が漏洩するのを防
止する作用をも有する。裏板３２には径を異ならせた複
数の円筒状またはリング状の永久磁石からなる磁気回路
６が同心円状配置関係にて固定されている。磁気回路６
において、端面に磁極を有する円筒状永久磁石は隣合う
同士でその磁極が逆になるように配置される。なお真空
シールを目的とした前記のマイクロ波用窓部１１は、石
英、アルミナ等で作製される。

【００１８】本発明の特徴的構成は、マイクロ波を導入
する伝送路として、同軸線路ではなく、円形導波管７ま
たはこれに類似する導波管を用いた点である。

【００１９】上記のマイクロ波放電反応装置の動作を説
明する。図示しない真空ポンプで真空容器１の内部を排
気し、その後、図示しないガス導入装置でガスを所要の
圧力まで導入する。導入するガスには、例えばエッチン
グに用いる場合には、ハロゲンを含むガスを用いる。ま
た圧力は、この装置の場合には一般に１０^-4〜１０^-2To
rr程度に設定される。

【００２０】次に、マイクロ波電源で発生したマイクロ
波を、立体回路を経由してプラズマ発生機構２に供給す
る。マイクロ波は、プラズマ発生機構２において、円形
導波管７を通り、窓部１１を透過して平板状電極４のス
リット３１から真空容器１内に放射される。マイクロ波
による電界と、前述の磁気回路６による磁場とは相互に
作用し、導入ガスをプラズマ化して、基板５の表面を処
理する。立体回路には図示された構成のものに加えて、
アイソレータ、電力モニタ、チューナ等が含まれる。な
お矩形導波管８と円形導波管７との間には、接続部１３
が設けられる。この接続部１３の形態は円形導波管７内
でのマイクロ波の伝播モード（例えば軸対称モードまた
は非軸対称モード）に応じて異なる形状に作られる。こ
の接続部１３の詳細については、伝播モードとの関連に
おいて、後述される。

【００２１】さて、円形導波管７を用いて真空容器１内
にマイクロ波を導入するに当たっては、マイクロ波の伝
播モードを考慮する必要がある。ここで、円形導波管７
におけるマイクロ波の伝播モードについて説明する。

【００２２】円形導波管の基本モード（カットオフ周波
数の最も低いモード）はＴＥ１１と呼ばれるモードであ
る。ＴＥ１１モードが発生した円形導波管の横断面内に
おける電場分布を、図３に示す。２１は一般的な円形導
波管、２２は電気力線の分布を示し、電場生成状態を表
している。この図から明らかなように円形導波管２１の
ＴＥ１１モードは軸対称ではない。そのため、ＴＥ１１
モードを本実施例の円形導波管７に適用すると、発生す
るプラズマの均一性を損なうおそれがある。またＴＥ１
１モードではマイクロ波電力が円形導波管７の中央部に
集中し、中央部の電場強度が一番強くなる。このこと
は、円形導波管７の中央部が、マイクロ波を放射する効
率が最大になる部分であることを意味する。一方、図６
を参照して先に説明した通り、平板状電極４に形成され
たスリット３１は放射状部分が領域的に主たる部分とな
る。つまり、マイクロ波放電反応装置のアンテナである
平板状電極４の中心部にスリットを集中的に形成するこ
とは、困難である。

【００２３】そこで、本実施例では、円形導波管７にお
けるマイクロ波の伝送において、軸対称モードであるＴ
Ｍ０１モードまたはＴＥ０１モードのいずれかが適用さ
れるように構成される。

【００２４】円形導波管７におけるＴＭ０１モードの電
場分布を図４に示す。４１は電場分布を表す電気力線
で、電場の方向を示す。ＴＭ０１モードの電場分布は、
図４で明らかなように、軸対称に分布が形成される。従
って、プラズマの均一性を維持できる。また使用される
平板状電極４に形成されるスリットは、図６に示される
ような、スリット３１である。さらに図６に示される４
２は、円形導波管７の壁部分の対応する位置を、平板状
電極４と関連させて示している。かかる構成によれば、
円形導波管７で伝送されるＴＭ０１モードのマイクロ波
の電場において、最も強い部分がスリット３１の円周部
分３１ｂと重なり、電場４１により誘起された平板状電
極上での表面電流がスリット部分３１ｂを切ることにな
るため、スリット部分３１ｂからはマイクロ波が真空室
内に放射される。さらに、スリット部分３１ｂに発生し
た強い電場は放射状のスリット部分３１ａにも伝播し、
このため平板状電極４から真空室内に均一にマイクロ波
が放射され、均一性の良いプラズマを発生させることが
できる。

【００２５】図８は矩形導波管８と円形導波管７との間
の接続部１３の構造およびマイクロ波の伝播モードを示
している。接続部１３は、ＴＥ１１に基づいて円形導波
管７でのＴＭ０１モードを発生させるためのモード変換
器として機能する。円形導波管７は、矩形導波管８の末
端近傍において、その軸方向が矩形導波管８の軸方向に
直角になるように連結される。円形導波管７の中心位置
は、矩形導波管８の末端８ａから、マイクロ波の矩形導
波管内波長の１／４の位置であるように選択される。円
形導波管７と矩形導波管８との接続部１３の中心には、
図８および図９に示す如く、結合孔１３ａが形成され
る。この結合孔１３ａの開口面積の大きさは、実験を行
うことにより、決定される。以上の構成によって、図８
で示すように、円形導波管７においてＴＭ０１モードの
電場分布４１が発生させることができる。

【００２６】因みに図１０は同軸線路の基本伝播モード
であるＴＥＭモードの電場分布を示している。図１０に
て、５１は外部伝送路、５２は内部伝送路、５３が電気
力線である。図４と図１０の比較で明らかなように、Ｔ
Ｍ０１モードとＴＥＭモードは類似しているので、従来
において同軸線路を使用していたマイクロ波放電反応装
置の平板状電極（アンテナ）を、本実施例において、そ
のまま使用することができる。換言すれば、同軸線路を
使用していた従来のマイクロ波放電反応装置において、
当該同軸線路の代わりに、円形導波管を使用することに
より、本実施例によるマイクロ波放電反応装置を実現す
ることができる。

【００２７】マイクロ波の伝播モードとしては、前述し
た他方のＴＥ０１モードを用いても前記のＴＭ０１モー
ドと同様な効果を得ることができる。図５は、円形導波
管７の内部におけるＴＥ０１モードによる電場分布６１
を示す。図５から明らかなように、ＴＥ０１モードは、
ＴＭ０１モードと同様に、円形導波管７の軸に関して軸
対称なモードである。マイクロ波の伝播モードとしてＴ
Ｅ０１モードを使用する場合には、図７に示されるスリ
ット６２を備えた平板状電極４が用いられる。スリット
６２は、放射状部分のみが一定の角度間隔で複数個形成
され、各スリット６２は、その内側の先端が円形導波管
の壁部分４２の内側まで延設される。

【００２８】円形導波管７における伝播モードとして、
前記のＴＭ０１モードとＴＥ０１モードのうちいずれか
を使用するかについては、マイクロ波放電反応装置の構
成、または製作の容易さに依存して決定される。基本的
にいずれの伝播モードを選択しても、プラズマ発生の観
点では同様な効果が発揮される。一方、実用性の観点か
ら選択すると、ＴＭ０１モードが、次の理由により望ま
しい。第１に、カットオフ周波数がＴＭ０１モードの方
が低いため、所定のマイクロ波周波数に対してＴＭ０１
は伝播するが、ＴＥ０１モードは伝播しない状態を作る
ことができる。第２に、ＴＥ０１モードはＴＭ１１モー
ドと縮退しているため、純粋なＴＥ０１モードを発生さ
せるためには、技術的な困難性を有している。

【００２９】また通常使用されるマイクロ波周波数であ
る2.45MHz に対して、必要とされる円形導波管の大きさ
を設計すると、ＴＭ０１モードを利用する場合、ＴＭ０
１モードが伝播可能で、ＴＥ０１モードが伝播不可能な
円形導波管の内径の範囲は、93.4mm〜144.9mm と求めら
れる。この設計には、参考書として、中島将光著「マイ
クロ波工学」森北出版 1975年を利用した。

【００３０】またマイクロ波放電反応装置の設計の都合
上、円形導波管７の内径として上記の範囲の値を用いる
ことができず、より細い導波管を使用したい場合があ
る。この場合には、図２に示す如く、円形導波管７の内
部に誘電体１２を充填する。誘電体１２の比誘電率をε
とすると、導波管７内のマイクロ波の波長は１／εとな
るため、より細く導波管を使用することが可能となる。
誘電体１２の材質として、マイクロ波領域における誘電
損失の小さいもの、例えばテフロンやアルミナ等が使用
される。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、放電反応室である真空容器において、所定形態の
スリットが形成される平板状電極と、この電極に所定の
磁場を与える磁気回路とからなる電極装置を設け、電極
に対して円形導波管によって軸対称モードのマイクロ波
を給電し、磁気回路による磁場との相互作用によりプラ
ズマを生成するようにしたため、同軸線路を使用した従
来のマイクロ波放電反応装置に比較し、高いマイクロ波
電力を供給することができ、マイクロ波の利用効率が高
くなり、放電反応装置としての信頼性を高めることがで
きる。

【００３２】また簡単な構成で小型かつ安価に製作する
ことができ、均一性の良好なプラズマを生成できる。プ
ラズマの生成効率は極めて良好であり、そのため、大き
な面積を有する基板に対して均一な処理を行うことがで
き、実用性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロ波放電反応装置の内部構
造の一実施例を示す平面図である。

【図２】マイクロ波放電反応装置のプラズマ発生機構を
詳細に示す構成図である。

【図３】円形導波管の基本伝播モード（ＴＥ１１）の電
場分布を示す説明図である。

【図４】円形導波管のＴＭ０１モードの電場分布を示す
説明図である。

【図５】円筒導波管のＴＥ０１モードの電場分布を示す
説明図である。

【図６】ＴＥ０１モードに用いる平板状電極を示す正面
図である。

【図７】ＴＥ０１モードに用いる平板状電極の正面図で
ある。

【図８】矩形ＴＥ０１モードから円形ＴＭ０１モードへ
の変換を行う接続部の説明図である。

【図９】接続部の結合孔を示す正面図である。

【図１０】同軸線路での基本伝播モード（ＴＥＭ）の電
場分布を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ プラズマ発生機構 ３ 基板保持機構 ４ 平板状電極 ５ 基板 ６ 磁気回路 ７ 円形導波管 ８ 矩形導波管 １１ 窓部 １２ 誘電体 １３ 接続部 ３１ スリット ３１ａ 放射状部分 ３１ｂ 円周部分 ３２ 裏板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部を減圧状態に保持する機構とガスを
   導入する機構を備える真空容器と、前記真空容器内にマ
   イクロ波を導入して前記ガスをプラズマ化するプラズマ
   発生機構と、このプラズマ発生機構に対し所定位置関係
   にて設置される基板保持機構を備えるマイクロ波放電反
   応装置において、前記プラズマ発生機構は、前記真空容
   器内にマイクロ波を放射するスリットが形成された平板
   状電極と、この平板状電極の近傍に配置された磁場発生
   手段と、前記平板状電極の前記スリットにマイクロ波を
   供給する円形導波管とから構成されることを特徴とする
   マイクロ波放電反応装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のマイクロ波放電反応装置
   において、前記円形導波管にて伝播するマイクロ波のモ
   ードは軸対称モードであることを特徴とするマイクロ波
   放電反応装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のマイクロ波放電反応装置
   において、前記円形導波管内を伝播するマイクロ波の伝
   播モードは、ＴＭ０１モードおよびＴＥ０１モードのう
   ちの少なくともいずれかであることを特徴とするマイク
   ロ波放電反応装置。