JPH07122396A - プラズマ装置へのマイクロ波導入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数のマイクロ波電源からのマイクロ波によ
ってプラズマ装置内に大口径で均一なプラズマを発生さ
せるマイクロ波導入装置を提供する。 【構成】 マイクロ波の進行方向に設けられた複数のス
ロットアンテナ５，６，７の開口面積をマイクロ波進行
方向に徐々に変化させることによって，真空容器３内へ
のマイクロ波導入の均等化とマイクロ波導入量分布の制
御とを図る。開口面積をマイクロ波進行方向に変化させ
ることにより，各スロットアンテナ５，６，７からのマ
イクロ波放射量が均等化又は調節ができ，これによって
発生するプラズマの密度分布の均一化又は制御がなされ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，半導体製造プロセス等
に使用されるプラズマ装置に係り，マイクロ波を用いて
プラズマを発生させるプラズマ装置にマイクロ波を供給
するためのマイクロ波導入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記マイクロ波を用いたプラズマ装置
は，半導体製造プロセス等に用いられるプラズマ処理装
置を構成するのに有効である。マイクロ波を用いたプラ
ズマによりプラズマ処理を行う上記プラズマ処理装置
は，図６に概略図として示すように，プラズマ処理する
試料３１が配置される真空容器３０内にマイクロ波を導
入して，該真空容器３０内に導入された処理ガスを上記
マイクロ波によってプラズマ化し，このプラズマによっ
て上記試料３１に対して所要の処理をなすよう構成され
ている。上記真空容器３０内へのマイクロ波の導入は，
真空容器３０内の気密性を保ちながらマイクロ波が透過
できるようにするために，石英ガラス等の誘電体で形成
されたマイクロ波導入窓３２から導入される。図外マイ
クロ波電源から導波管３４で伝送されてきたマイクロ波
を上記マイクロ波導入窓３２から真空容器３０内に放射
させるための一手段として，導波管３４の誘電体窓３２
との接続位置にスロットアンテナ３６が形成される。マ
イクロ波を用いたプラズマ装置では，マイクロ波の真空
容器３０内への導入状態によって発生するプラズマの密
度分布が影響される。上記したような半導体製造プロセ
スに採用されるプラズマ処理装置では，上記プラズマ密
度分布の均一性，あるいはプラズマ密度分布の制御が特
に重要である。プラズマ密度分布が偏ると，プラズマ処
理される試料面にも処理度合いの偏りが生じ，特に高密
度集積回路等の半導体製品の製造に不具合が発生する。
従来，上記のようにスロットアンテナにより真空容器内
にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるとき，そ
のプラズマの発生範囲を広く，且つ密度分布を均一化さ
せるべく，図７に示すように，導波管３７のマイクロ波
進行方向にマイクロ波波長の１／２の間隔で２つのスロ
ットアンテナ３８ａ，３８ｂを形成したものが知られて
いる。しかし，この構成によるプラズマ密度分布は，同
図に示すようにスロットアンテナ３８ａ，３８ｂの直下
でピークが発生し，均一な密度分布が得られない。更
に，スロットアンテナの数をマイクロ波周波数の１／４
波長毎等の間隔で列設させた構成も提案されているが，
上記と同様にプラズマ密度分布を均一化することができ
ない。

【０００３】上記従来構成の欠点を改良すべく，本願発
明者は，図８に示すように２つのマイクロ波電源を用い
たプラズマ装置へのマイクロ波導入の構成を考案した。
この構成は，同図に示すように２つの図外マイクロ波電
源からの同一周波数のマイクロ波をそれぞれ導波管４３
ａ，４３ｂで真空容器４１に導き，真空容器４１のマイ
クロ波導入窓４２の部分で各導波管４３ａ，４３ｂを接
続し，この接続位置に形成した複数のスロットアンテナ
４０ａ〜４０ｆからマイクロ波を導入する。このように
複数のマイクロ波を合成すると，通常工業的に使用され
ているマグネトロンによる発振では，２つのマイクロ波
電源の発振周波数が所定の中心周波数に対して許容範囲
内（３０ＭＨｚ程度）で周波数変動する変動幅を有して
いることを利用して，その変動幅での干渉による定在波
を導波管内に発生させ，この定在波の位置が上記周波数
変動に伴って変化するため，複数のスロットアンテナ４
０ａ〜４０ｆを形成する開口部の設置位置の自由度が高
くなる。従って，広範囲にほぼ一定のマイクロ波が真空
容器４１内に放射され，大口径で均一なプラズマの発生
が見込まれていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，複数の
スロットアンテナからマイクロ波を導入する構成では複
数のマイクロ波を合成した場合でも，真空容器内へのマ
イクロ波の放射は常にマイクロ波進行方向の上流側のス
ロットアンテナから多く放射されことになり，その結
果，発生するプラズマの密度分布は，図９に示すように
マイクロ波の放射量が多いマイクロ波進行の上流側で高
くなり，この構成によっても均一なプラズマ生成が達成
されない問題点があった。そこで，本発明は上記問題点
を解決して，複数のマイクロ波電源からのマイクロ波に
よってプラズマ装置内に大口径で均一なプラズマを発生
させ得るプラズマ装置へのマイクロ波導入装置を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【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手段は，マイクロ波電源と接続され
た導波管を真空容器に設けられたマイクロ波導入窓の部
分で接続し，上記マイクロ波電源から各導波管を経て伝
播するマイクロ波を上記マイクロ波導入窓部分の各導波
管に形成された複数のスロットアンテナから上記真空容
器内に導入するプラズマ装置へのマイクロ波導入装置に
おいて，上記複数のスロットアンテナの開口面積を，上
記マイクロ波の進行方向上流側から下流側に向けて徐々
に変化させたことを特徴とするプラズマ装置へのマイク
ロ波導入装置として構成されている。上記構成におい
て，複数のスロットアンテナの開口面積が徐々に広くな
るように構成する，あるいは，複数のスロットアンテナ
の開口面積が徐々に狭くなるように構成することができ
る。

【０００６】

【作用】導波管に設けた複数のスロットアンテナから真
空容器内にマイクロ波を導入させるとき，従来構成にお
いて示した通り，マイクロ波の進行方向の上流側のスロ
ットアンテナから多くのマイクロ波が導入される。これ
は，真空容器内に発生させたプラズマへのマイクロ波導
入がマイクロ波に対して導波管中の抵抗として作用して
いることを意味する。従って，同一のスロットを複数設
けた場合では上流側のスロットアンテナから多くのマイ
クロ波が真空容器内に吸収されるため，マイクロ波進行
方向に対数的にマイクロ波出力が弱まることになる。こ
れに対処するためには，複数のスロットアンテナのそれ
ぞれに形成される抵抗成分をマイクロ波の進行方向の上
流側ほど小さく，順次対数的に大きくなるように複数の
スロットアンテナを設けることで解決できる。本発明で
は，マイクロ波の進行方向に設けられた複数のスロット
アンテナの開口面積をマイクロ波進行方向に徐々に変化
させることによって，真空容器内へのマイクロ波導入の
均等化とマイクロ波導入量分布の制御とを達成させた。
上記開口面積がマイクロ波進行方向に徐々に広くなるよ
うに形成すると，各スロットアンテナからのマイクロ波
放射量が均等化でき，これによって発生するプラズマの
密度分布の均一化がなされる。逆に上記開口面積をマイ
クロ波進行方向に徐々に狭くなるように形成すると，マ
イクロ波放射量はマイクロ波進行方向上流側で多くなる
ことが助長され，プラズマの密度分布が周辺部で大きく
なる。このような密度分布のプラズマは，ＣＶＤ（Chem
ical Vapor Deposition ）処理等のプラズマで発生する
ラジカルを利用した処理で有効な場合があり，このよう
に複数のスロットアンテナの開口面積の変化によって，
プラズマの密度分布を制御することが可能となる。

【０００７】又，本発明では複数のマイクロ波電源から
のマイクロ波を伝送する導波管に，それぞれ複数のスロ
ットアンテナを設けると共に，各導波管を真空容器のマ
イクロ波導入窓部分で接続した構成に，上記スロットア
ンテナの開口面積を変化させる手段を併せ構成してい
る。そのため，各マイクロ波電源からのマイクロ波が合
成され，各電源の周波数変動による定在波の位置変化が
生じるので，スロットアンテナの形成位置設定の自由度
が高くなり，プラズマの密度分布を制御しやすいスロッ
トアンテナの位置が選択できる。更に，マイクロ波電源
と導波管の数を増やすことにより，大面積のプラズマ発
生が容易になると共に，小電力マイクロ波電源からのマ
イクロ波の合成となるため，高価な大電力電源を必要と
しない利点に併せ，各電源出力の制御によりプラズマ密
度分布の均一化がより容易となる。

【０００８】

【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。本実施例は，主
として高集積回路等の半導体回路素子の製造プロセスに
用いられるプラズマ処理装置を構成したもので，プラズ
マを発生させる手段としてマイクロ波を用いると共に，
永久磁石による磁場を作用させて，真空容器内にマイク
ロ波と磁場とによるＥＣＲ（Electron Cyclotron Reson
ance）条件を与え，より効率的にプラズマ発生を促すこ
とができるＥＣＲプラズマ処理装置を構成した実施例で
ある。上記真空容器内へのマイクロ波導入の均等化がプ
ラズマの密度分布に与える影響は，マイクロ波単独によ
るプラズマ発生の場合と同様である。ここに，図１は実
施例に係るプラズマ処理装置とこれにマイクロ波を供給
するマイクロ波導入装置の構成を示す模式図，図２はス
ロットアンテナの形状を示す平面図，図３はプラズマ密
度分布を示すグラフ，図４はマイクロ波導入装置の別実
施例構成を示す平面図，図５はスロットアンテナの別実
施例形状を示す平面図である。

【０００９】図１において，気密封止されると共に排気
ポート９から真空排気できるように真空容器３が構成さ
れており，該真空容器３は一側に石英ガラス等の誘電体
材料で形成されたマイクロ波導入窓４が設けられ，真空
容器３の気密構造を保つと共にマイクロ波が該マイクロ
波導入窓４から真空容器３内に導入できるよう構成され
ている。上記マイクロ波導入窓４に接して，図外マイク
ロ波電源からのマイクロ波をそれぞれ伝送する導波管２
ａ，２ｂが配置され，各導波管２ａ，２ｂは真空容器３
の中心線１０の位置で接続されている。各導波管２ａ，
２ｂのマイクロ波導入窓４側の面には，それぞれスロッ
トアンテナ５ａ，６ａ，７ａ及び５ｂ，６ｂ，７ｂが形
成され，各導波管２ａ，２ｂで伝送されてきた各マイク
ロ波がマイクロ波導入窓４を通して真空容器３内に導入
される。真空容器３内には上記マイクロ波に併せて永久
磁石８からの磁場が印加され，マイクロ波と磁場とによ
るＥＣＲ条件により，真空容器３内に導入される処理ガ
スをプラズマ化させる。このプラズマにより真空容器３
内の真空容器３と電気的に絶縁された試料台１１上に載
置した試料１２に対して所要のプラズマ処理がなされ
る。上記スロットアンテナ５ａ，６ａ，７ａ及び５ｂ，
６ｂ，７ｂは，図２（ａ）に平面図として示すように，
マイクロ波の進行方向に開口面積を変化させて形成され
ている。

【００１０】本実施例では，上記各導波管２ａ及び２ｂ
は，断面高さ１０mm，幅９５mmのＴＥ１０モード矩形導
波管で形成されている。この各導波管２ａ，２ｂを中心
線１０で接続し，該中心線１０の対称位置にスロットア
ンテナ５ａ，６ａ，７ａ及び５ｂ，６ｂ，７ｂをマイク
ロ波進行方向の幅をそれぞれ２mm，４mm，１０mmの開口
部として形成した。上記スロットアンテナ５ａ，６ａ，
７ａ及び５ｂ，６ｂ，７ｂは，図２（ｂ）に示すよう
に，幅を一定にして長さを２０mm，４０mm，８０mmとし
て形成しても，開口面積を変化させることができ，マイ
クロ波導入を均等化することができる。上記構成になる
プラズマ処理装置１において，各マイクロ波電源からの
マイクロ波をスロットアンテナ５ａ，６ａ，７ａと５
ｂ，６ｂ，７ｂとから真空容器３内に導入し，永久磁石
８からの磁場を作用させて真空容器３内にＥＣＲ条件を
与え，真空容器３内に導入された処理ガスをプラズマ化
させた。真空容器３の内径は２００mmで，この真空容器
３内のマイクロ波導入窓４から１００mm下に設置された
試料台１１上に載置した試料に対し，上記プラズマによ
り所要のプラズマ処理を行った。このときのプラズマの
電子密度は，図３に示すように，ほぼ均一な分布を示す
ことが確認された。これはスロットアンテナ５ａ，６
ａ，７ａと５ｂ，６ｂ，７ｂを各マイクロ波の進行方向
に開口面積を変化させて形成したことにより，マイクロ
波の真空容器３内への導入が均等化されていることを証
明している。上記実施例構成では，一対のマイクロ波電
源，導波管，スロットアンテナによりマイクロ波導入装
置を構成しているが，上記マイクロ波電源，導波管，ス
ロットアンテナの組み合わせの数を増加させることがで
きる。例えば，図４に示すように，真空容器３の中心軸
に対して放射状にマイクロ波電源（図示せず），導波管
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，ス
ロットアンテナ５ａ，６ａ，７ａ〜５ｈ，６ｈ，７ｈを
配置することができる。このように組み合わせる数を増
加させると，マイクロ波導入がより均等化されると共
に，大面積のプラズマ発生をなすことができる。又，導
入されるマイクロ波は各マイクロ波電源からのマイクロ
波の合成となるので，それぞれのマイクロ波電源は小電
力の電源でよく，大面積高密度のプラズマを生成するた
めに，高価な大電力電源を必要としない。更に，このよ
うな小電力電源の組み合わせで構成すると，各電源出力
を個々に調節できるので，マイクロ波導入を均等化する
のに有利である。本変形例では，異なる電源によるマイ
クロ波の共振モードを整えるためのメッシュ板１３が入
れてあるのが，必ずしも必要ではない。

【００１１】上記マイクロ波電源として通常マグネトロ
ンが使用されるが，この発振周波数（２．４５ＧＨｚ）
は中心周波数に対して３０ＭＨｚ程度の周波数変動幅が
あることが知られている。そのため，複数のマイクロ波
電源からのマイクロ波を１か所で合成すると定在波が発
生し，上記周波数変動により定在波の位置が移動する。
従って，スロットアンテナを形成する位置の自由度が高
く，マイクロ波導入を均等化できるスロットアンテナ形
成位置の選定が容易となる利点がある。以上の説明で
は，プラズマの密度分布を均一化させるべく，マイクロ
波を均等な分布で導入することに意を注いできたが，プ
ラズマによりＣＶＤ処理を行う場合などではプラズマに
より発生するラジカルを利用する場合は，イオンの入射
が膜質を悪くすることがあり，必ずしも均一なプラズマ
密度分布がよいとは限らない。プラズマの周辺部ほど高
密度なプラズマが必要な場合がある。このような場合に
は，上記スロットアンテナの開口面積は，マイクロ波の
進行方向に小さく形成して，マイクロ波が進行方向から
順に多く真空容器内に導入されるように構成する。又，
スロットアンテナの形状は，図２に示したような矩形形
状に限定されず，図５に示すように，導波管２ａ，２ｂ
が中心線１０で接続された位置で各導波管２ａ，２ｂに
形成されるスロットアンテナを連結した変形開口部とし
て構成することもできる。図５（ａ）は均一なプラズマ
密度分布を得るための形状，図５（ｂ）は周辺部でプラ
ズマ密度分布を大きくしたい場合の形状の例である。

【００１２】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，マイ
クロ波の進行方向に設けられた複数のスロットアンテナ
の開口面積をマイクロ波進行方向に徐々に変化させるこ
とによって，真空容器内へのマイクロ波導入の均等化と
マイクロ波導入量分布の制御とを達成させる。上記開口
面積がマイクロ波進行方向に徐々に広くなるように形成
すると，各スロットアンテナからのマイクロ波放射量が
均等化でき，これによって発生するプラズマの密度分布
の均一化がなされる。逆に上記開口面積をマイクロ波進
行方向に徐々に狭くなるように形成すると，マイクロ波
放射量はマイクロ波進行方向上流側で多くなることが助
長され，プラズマの密度分布が周辺部で大きくなる。こ
のように複数のスロットアンテナの開口面積の変化によ
って，プラズマの密度分布を制御することも可能とな
る。又，本発明では複数のマイクロ波電源からのマイク
ロ波を伝送する導波管に，それぞれ複数のスロットアン
テナを設けると共に，各導波管を真空容器のマイクロ波
導入窓部分で接続した構成に，上記スロットアンテナの
開口面積を変化させる手段を併せ構成している。そのた
め，各マイクロ波電源からのマイクロ波が合成され，各
電源の周波数変動による定在波の位置変化が生じるの
で，スロットアンテナの形成位置設定の自由度が高くな
り，プラズマの密度分布を制御しやすいスロットアンテ
ナの位置が選択しやすくなる。更に，マイクロ波電源と
導波管の数を増やすことにより，大面積のプラズマ発生
が容易になると共に，小電力マイクロ波電源からのマイ
クロ波の合成となるため，高価な大電力電源を必要とし
ない利点に併せ，各電源出力の制御によりプラズマ密度
分布の均一化がより容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例に係るプラズマ処理装置とこれにマイ
クロ波を供給するマイクロ波導入装置の構成を示す模式
図。

【図２】 実施例に係るスロットアンテナの形状を示す
平面図。

【図３】 実施例構成によるプラズマ密度分布を示すグ
ラフ。

【図４】 マイクロ波導入装置の別実施例構成を示す平
面図。

【図５】 スロットアンテナ別実施例形状を示す平面
図。

【図６】 スロットアンテナによるマイクロ波導入装置
を備えたプラズマ処理装置の従来構成を示す模式図。

【図７】 従来例に係るマイクロ波導入装置によるプラ
ズマ密度分布を示すグラフ。

【図８】 従来例に係るマイクロ波導入装置を備えたプ
ラズマ処理装置の模式図。

【図９】 図８の構成におけるプラズマ密度分布のグラ
フ。

【符号の説明】

１…プラズマ処理装置 ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ…導
波管 ３…真空容器 ４…マイクロ波導入窓 ５，６，７…スロットアンテナ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波電源と接続された複数の導波
   管を真空容器に設けられたマイクロ波導入窓の部分で接
   続し，上記マイクロ波電源から各導波管を経て伝播する
   マイクロ波を上記マイクロ波導入窓部分の各導波管に形
   成された複数のスロットアンテナから上記真空容器内に
   導入するプラズマ装置へのマイクロ波導入装置におい
   て， 上記複数のスロットアンテナの開口面積を，上記マイク
   ロ波の進行方向上流側から下流側に向けて徐々に変化さ
   せたことを特徴とするプラズマ装置へのマイクロ波導入
   装置。
2. 【請求項２】 上記複数のスロットアンテナの開口面積
   が徐々に狭くなるようにした請求項１記載のプラズマ装
   置へのマイクロ波導入装置。
3. 【請求項３】 上記複数のスロットアンテナの開口面積
   が徐々に広くなるようにした請求項１記載のプラズマ装
   置へのマイクロ波導入装置。