JPH07296990A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は放電管に入射するマイクロ波を制御
する手段を備えたプラズマ処理装置を提供することにあ
る。 【構成】 導波管２と放電管１０の間にバッファ室１２
を設け、その中央部に二次導波管１３を設置し、マイク
ロ波の通過経路として二次導波管内部と二次導波管外部
の複数通りの経路を設ける。二次導波管内部に例えば導
体の仕切りを設け、二次導波管が回転できるように回転
台１４、ベアリング１６、サーボモータ１５等の機構を
設け、回転させることにより二次導波管内部を通過する
マイクロ波の量を調節し、プラズマの生成分布を制御す
る。 【効果】 本発明により、放電室内部のプラズマの生成
分布を制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ生成装置を備
えたプラズマ処理装置に係り、特に半導体素子の微細加
工に好適なプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】有磁場マイクロ波プラズマを用いたドラ
イエッチング装置や化学気相成膜（ＣＶＤ）装置では、
マイクロ波処理装置で発生したマイクロ波を放電管中の
プラズマに照射してマイクロ波のエネルギーによりプラ
ズマを維持し、このプラズマによって容器内部のガスを
活性化しエッチングやＣＶＤを行なう。均一なエッチン
グまたはＣＶＤを行なうために均一なプラズマ分布が必
要となり、プラズマの生成分布は装置内部の磁場分布と
入射マイクロ波の強度分布によって決まるため、従来は
入射マイクロ波の分布を均一化する様々な発明がなされ
てきた。例えば、特開平４−３５５９１５号公報、特開
平５−６７５８６号公報のように容器の形や大きさを工
夫して通過するマイクロ波のモードを限定している発明
や、また、実開平４−１０５５３４号公報の考案ではプ
ラズマの均一化のためにマイクロ波を分割導入してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来の方法にお
いては、次のような課題がある。

【０００４】固定したマイクロ波のモード変換器や、マ
イクロ波分割では、装置内部の定在波のため、プラズマ
の均一化に限度がある。また、実際のプロセスではウエ
ハをクリーニングせずに何枚も連続して処理するため、
放電管の内壁に異物が付着していくことによりプラズマ
も少しずつ変化してしまうことや、放電管内部のクリー
ニング時にはプロセス時と異なるプラズマ分布が好まし
い点などから、プラズマの密度を制御する必要がでてき
ている。

【０００５】本発明の一つの目的は、プラズマへのマイ
クロ波の入射分布を調整可能にし、プラズマ密度分布を
制御することにある。

【０００６】本発明の他の目的は、プラズマへのマイク
ロ波の入射分布を制御しつつも、マイクロ波のモードを
限定し、プラズマの安定化を同時に達成する装置を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、前記目
的を達成するために、マイクロ波発生源と、プラズマを
保持する放電管と、前記マイクロ波発生源で発生したマ
イクロ波を前記放電管に伝える導波管と、前記放電管を
囲み前記導波管と接続されマイクロ波を内部に封じ込め
る外部容器と、前記放電管内部に設置した試料台とを備
えたプラズマ処理装置において、前記外部容器中にマイ
クロ波の伝播状態を変える手段を設置し、この手段を回
転する機構とすることにより前記放電管内部のプラズマ
の分布状態を制御する手段を有することを特徴とするプ
ラズマ処理装置が提供される。

【０００８】また、前記導波管と前記放電管の間にバッ
ファ領域を設け、前記バッファ領域内部に前記のマイク
ロ波の伝播状態を変える手段として二次導波管を設置
し、二次導波管内部に回転すると二次導波管内部のマイ
クロ波の透過率が変動するような手段を設け、さらにマ
イクロ波の放電管への入射経路として二次導波管を通過
するものと、二次導波管と外部容器の間を通過する一つ
以上の経路を設け、二次導波管が回転すると共に前記の
複数の経路を通過するマイクロ波の量が変動することに
より、放電管中のプラズマの分布状態を制御することを
特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

【０００９】

【作用】本発明によれば、マイクロ波発生源で発生し、
導波管によりバッファ領域に導かれたマイクロ波は、バ
ッファ領域内に設けられた二次導波管により複数の経路
に分割され放電管に入射する。二次導波管が回転し、二
次導波管内部のマイクロ波の通過率が変化すると、各経
路を通過するマイクロ波の量も変化する。この回転を制
御することによりプラズマの生成分布を調節できる。

【００１０】

【実施例】次に本発明の一実施例につき説明する。先ず
図２において、本発明の前提となるプラズマ処理装置の
一例として、従来のＥＣＲ（Electron Cyclotron Reson
ance）プラズマエッチング装置を示す。

【００１１】図２において、装置の中心部にはエッチン
グされる試料８が試料台７の上に設置されている。試料
台は電極を兼ねており、アース電極１１との間に高周波
のバイアス電流を加えることもある。前記試料と試料台
は、例えば石英で作られた円筒型の放電管１０の内部に
設置される。放電管の形状は、半球型のものや、円筒型
のものを用いるなど様々である。放電管内部の放電室９
はガス供給系５とガス排気系６につながっている。放電
管はさらに外部容器３に収納されており、この外部容器
の上部には導波管２を介して、マイクロ波発生源１が取
り付けてある。外部容器の外側にはコイル４が備え付け
てあり、装置内部に電子サイクロトロン（ＥＣＲ）面を
形成している。

【００１２】マイクロ波発生源１で発生した例えば２．
４５ＧＨｚの周波数を持つマイクロ波は、導波管２を伝
播して外部容器３に入る。更に前記マイクロ波は電磁波
を透過する放電管１０を通過し、前記放電室に入射し、
ＥＣＲ面近傍でプラズマに吸収される。この吸収された
エネルギーは放電室９又は処理室内部をガス供給系から
ガス排気系に向かって流れるエッチングガスをプラズマ
化し、生成されたプラズマはさらにエッチングガスを活
性反応種にし、活性反応種とプラズマ中のイオンがウエ
ハに入射することによってエッチングが行われる。

【００１３】次に、図１により本発明の一実施例を説明
する。図１は、本発明を前述した図２に示す半導体ウエ
ハ加工用のＥＣＲプラズマエッチング装置に適用した一
実施例を示すもので、装置の断面図を表す。装置の作用
は基本的には前記図２の装置と同じである。

【００１４】図１の装置は導波管２の出口と放電管１０
の間にバッファ領域１２を設け、バッファ領域内に二次
導波管１３を設置する。二次導波管１３はマイクロ波を
透過する例えば石英板で作製された回転台１４に設置し
てあり、回転台１４はベアリング１６上で回転できるよ
うになっている。この回転台はサーボモータ１５によっ
てその回転を制御される。導波管と二次導波管と回転台
は中心軸が一致するように設置する。

【００１５】二次導波管は、中心軸周りに回転した時に
通過するマイクロ波の量が変化するような形状になって
いる。これは、二次導波管に入射するマイクロ波の電場
ベクトルの方向と二次導波管内部の構造の角度が変化す
ることによる。図１の装置では、導波管と二次導波管は
ＴＥ₁₁モードのマイクロ波のみが通過できるような例え
ば直径７１ｍｍ以上９３ｍｍ以下の導体円筒である。こ
こで、直径７１ｍｍというのは導体円筒管のＴＥ₁₁モー
ドの２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対するカットオフ直
径であり、直径９３ｍｍは同じくＴＭ₀₁モードのカット
オフ直径であり、これ以外のモードのカットオフ直径は
ＴＭ₀₁モードのカットオフ直径よりも大きいため、直径
７１ｍｍ以上９３ｍｍ以下の導体円筒を通過するモード
はＴＥ₁₁モードのマイクロ波だけである。したがって、
二次導波管内部にはＴＥ₁₁モードのマイクロ波が入射す
ることを考慮した電気的に導電性のある仕切りが設けて
あり、例えば図３や図４のような仕切り２０ａ又は２０
ｂが設けられた構造になっている。

【００１６】この外にも、導波管から導入するマイクロ
波のモードに応じて、二次導波管にはマイクロ波の電場
ベクトルと直交するように複数の仕切りを設けてもよ
い。また、図５に示すように前記仕切りの代わりに導体
の棒で構成したスタブを用いてもよい。または、図６の
ように楕円円筒型の二次導波管１３Ｂであってもよい。
図３、４、５、６の二次導波管１３、１３Ｂは全て中心
軸周りに回転させることにより、その内部を通過するマ
イクロ波の量を調節できる。さらに、二次導波管と外部
容器の間に、仕切りを設けることも考えられ、また、こ
れらの仕切りは導体ではなく、誘電率の高い誘電体であ
ってもよい。

【００１７】図１の動作原理を説明すると、マイクロ波
発生源１で発生した２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、導
波管２内をＴＥ₁₁モードで伝播し、１２のバッファ領域
に入る。ここでマイクロ波は二次導波管１３の内部と外
部と通過する二つの経路に分かれる。導波管２から二次
導波管１３へと入射するマイクロ波電場と二次導波管が
図７に示すような位置関係にある時には、導体で構成し
た仕切り２０ａが二次導波管に入射するマイクロ波電場
に平行になるため、マイクロ波は二次導波管内部の経路
２２を通過できず、図７に矢印で示したように二次導波
管外部の経路２３を通過し、放電室９の外周部に入射
し、リング状の外側が強いプラズマを生成する。

【００１８】次に、入射するマイクロ波電場と二次導波
管が図８に示すような位置関係にある時には、マイクロ
波電場と導体仕切り２０ａが直交するのでマイクロ波は
二次導波管内部の経路２２を通過し、放電室９の中央部
に強いプラズマを生成する。二次導波管１３を一定速度
で回転させておくとこの二つの状態が交互に現われ、時
間平均で見ると放電管中に均一なプラズマが出来るた
め、均一なプラズマ分布を要求する処理が行なえる。ま
た、図７の状態が図８の状態よりも長い時間現われるよ
うに回転を制御するか、もしくは図７の状態で二次導波
管を静止させれば放電管１０の外周部が強いプラズマが
できる。この様な状態のプラズマを用いれば、放電管１
０の壁付近にプラズマを集中できるために、放電管の壁
のプラズマによるクリーニングを短時間で行うことがで
きる。反対に、図８の状態が図７の状態よりも長い時間
現われるように回転を制御するか、図８の状態で二次導
波管を静止させておけば、放電管の中央部に強いプラズ
マが出来る。

【００１９】これ以外に、導波管に図９に示すようなマ
イクロ波円偏波器２５を設け、二次導波管に入射するマ
イクロ波を円偏波に変換し、二次導波管による制御性を
増すこともできる。

【００２０】また、二次導波管を回転板に対して偏心す
るように設置し、回転の効果を上げることもできる。

【００２１】さらに図１の装置は放電管の汚染によるプ
ロセスの変動を押えるようにも動作できる。

【００２２】図１０に示すようにソレノイドコイル４に
よって生成される磁力線２９のうちウエハを通過するも
のが二次導波管１３の底面に収束するように設定し、ウ
エハのエッチング中はマイクロ波が二次導波管１３を通
過しないように二次導波管の角度を設定すると、エッチ
ング中にウエハから飛び出た電子は磁力線に沿って飛行
し、主に放電管の二次導波管底部を汚染するが、マイク
ロ波はこの部分を通過しないのでエッチングプロセスが
安定して行える。さらに、放電室のクリーニング時には
二次導波管１３がマイクロ波を透過するように回転させ
ることにより、放電管の二次導波管底部の汚染された部
分を効率よくクリーニングできる。

【００２３】図１１は本発明をＥＣＲプラズマエッチン
グ装置に適用したもう一つの実施例である。動作原理は
図１の装置と同様であるが、二次導波管１３を同軸の複
数の導体円筒により構成し、マイクロ波の通過経路をさ
らに分割している。各二次導波管は前述の図３乃至５記
載の仕切りと同様の仕切りを持っており、それぞれ独立
した回転台１４に設置され、各々独立してサーボモータ
１５により回転を制御できるようになっている。これに
より、マイクロ波がそれぞれの同心円状領域に分割導入
され、かつ、それぞれの領域を通過するマイクロ波の量
は各円筒とその内部の仕切りの回転により調節できるた
め、大口径のプラズマの生成分布を調節できる。

【００２４】図１２は本発明をＥＣＲプラズマエッチン
グ装置に適用したもう一つの実施例である。動作原理は
図１の装置と同様であるが、二次導波管の回転機構が異
なる。本実施例では二次導波管は二次導波管支持器１７
によって上方から支持され、二次導波管支持器がサーボ
モータ１５によって回転される。この装置では、二次導
波管の回転機構が図１の装置よりもマイクロ波の伝播に
与える影響が少なく、マイクロ波の制御性がよい。

【００２５】図１３は本発明をＥＣＲプラズマエッチン
グ装置に適用したもう一つの実施例である。動作原理は
図１の装置と同様であるが、本装置では二次導波管１３
自体は回転せず、内部に設置した導体で構成した仕切り
１８がサーボモータ１５によって回転軸１９の周りで回
転される。この仕切り１８は二次導波管の中心軸と垂直
になる時には蓋になり二次導波管を通過するマイクロ波
を遮断する。一方、仕切り１８が二次導波管の中心軸と
平行になる時には入射するマイクロ波の電場と垂直にな
るように設置し、したがってマイクロ波は二次導波管内
部を通過する。このため、図１の装置と同様にプラズマ
の生成分布が制御できる。

【００２６】図１４は本発明をＥＣＲプラズマエッチン
グ装置に適用したもう一つの実施例である。この装置で
は、マイクロ波の通過経路を制御するのに回転する二次
導波管は用いず、かわりに内部の水量が調整できる水槽
２６を二次導波管として用いている。水槽内部の水量は
給水口２７からの注水量と排水口２８からの排水量のバ
ランスで決まる。導波管からバッファ領域に入射したマ
イクロ波は水槽内に水が無ければそのまま中心部を進行
し、放電管に入射して中心部の強いプラズマを生成す
る。一方、水槽に水が入っていればその量に応じて水に
吸収されまた反射されて水槽の外側を主に通って放電管
に入射し、外部の強いリング状プラズマを生成する。し
たがって、水槽内部の水量を調整することによりプラズ
マの分布を制御することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、マ
イクロ波のプラズマへの入射分布を調整することにより
プラズマの生成分布を制御することができ、様々なプロ
セスや放電管のクリーニングに対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ処理装置の一実施例の縦
断面図、

【図２】従来のマイクロ波プラズマエッチング装置の斜
視断面図、

【図３】図１のプラズマ処理装置における二次導波管を
示す平面図、

【図４】図１のプラズマ処理装置における二次導波管の
他の例を示す平面図、

【図５】図１のプラズマ処理装置における二次導波管の
もう一つの例を示す平面図、

【図６】図１のプラズマ処理装置における二次導波管の
更に他の例を示す平面図、

【図７】図１のプラズマ処理装置の実施例の動作原理を
表す摸式図、

【図８】図１のプラズマ処理装置の実施例の動作原理を
表すもう一つの摸式図、

【図９】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例の
縦断面図、

【図１０】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
の縦断面図、

【図１１】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
の縦断面図、

【図１２】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
の縦断面図、

【図１３】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
の縦断面図、

【図１４】本発明によるプラズマ処理装置の他の実施例
の縦断面図。

【符号の説明】

１−−−マイクロ波発生源、２−−−導波管、３−−−
外部容器、４−−−コイル、５−−−ガス供給系、６−
−−ガス排気系、７−−−試料台、８−−−試料、９−
−−放電室、１０−−−放電管、１１−−−アース電
極、１２−−−バッファ室、１３、１３Ｂ−−−二次導
波管、１４−−−回転台、１５−−−サーボモータ、１
６−−−ベアリング、１７−−−二次導波管支持器、１
８−−−回転仕切り、１９−−−回転軸、２０ａ・２０
ｂ−−−仕切り、２０ｃ−−−スタブ、２１−−−電気
力線、２２−−−二次導波管内部経路、２３−−−二次
導波管外部経路、２５−−−マイクロ波円偏波器、２６
−−−水槽、２７−−−給水口、２８−−−排水口、２
９−−−磁力線

フロントページの続き (72)発明者 渡辺成一 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 渡辺克哉 山口県下松市東豊井794番地 株式会社日 立製作所笠戸工場内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波発生源と、プラズマを保持す
   る放電管と、前記マイクロ波発生源で発生したマイクロ
   波を前記放電管に伝える導波管と、前記放電管を囲み前
   記導波管と接続されマイクロ波を内部に封じ込める外部
   容器と、前記放電管内部に設置した試料台とを備え、該
   試料台上の試料を処理するプラズマ処理装置において、 前記外部容器中に設置されマイクロ波の伝播状態を変え
   る伝播状態可変手段と、該伝播状態可変手段を回転する
   機構を有し前記放電管内部のプラズマの分布状態を可変
   にする分布状態可変手段とを具備することを特徴とする
   プラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記導波管と前記放電管の間にバッファ領域を設け、前
   記バッファ領域内部に前記のマイクロ波の伝播状態を変
   える手段として二次導波管を設置し、二次導波管内部に
   回転することにより二次導波管内部のマイクロ波の通過
   量を変動する手段を設け、さらにマイクロ波の放電管へ
   の入射経路として二次導波管を通過するものと、二次導
   波管と外部容器の間を通過する一つ以上の経路を設け、
   二次導波管が回転すると共に前記の複数の経路を通過す
   るマイクロ波の量が変動することにより、放電管中のプ
   ラズマの分布状態を可変にすることを特徴とするプラズ
   マ処理装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記導波管と前記放電管の間にバッファ領域を設け、前
   記バッファ領域に１つ以上の区画に分割した水槽を設
   け、前記水槽に液体を循環させる手段を設けることによ
   りプラズマ分布を可変にする手段を有することを特徴と
   するプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記導波管にマイクロ波円偏波器を設けたことを特徴と
   するプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 請求項２記載のプラズマ処理装置におい
   て、 各経路を通過するマイクロ波のモードを制限し、二次導
   波管を静止している時の静止位置を調節することによ
   り、放電管に制御された複数のモードのマイクロ波を導
   入し、放電管中のプラズマの分布状態を制御することを
   特徴とするプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 請求項２記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記二次導波管として導体で構成した円筒を用い、前記
   円筒内部に仕切りを設け、前記円筒を中心軸周りに回転
   させる手段を設けることを特徴とするプラズマ処理装
   置。
7. 【請求項７】 請求項６記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記円筒の直径をＴＥ₁₁モードのマイクロ波のカットオ
   フ半径以上かつＴＭ₀₁モードのマイクロ波のカットオフ
   半径以下にすることを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 【請求項８】 請求項６記載のプラズマ処理装置におい
   て、 前記円筒の中心軸と直径を含むように導体板で構成した
   仕切りを設置することを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 【請求項９】 請求項６記載のプラズマ処理装置におい
   て、 棒状のスタブを一つまたは複数個円筒内部に設置するこ
   とを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 【請求項１０】 請求項６記載のプラズマ処理装置にお
    いて、 円筒を複数個同心円状に設置することを特徴とするプラ
    ズマ処理装置。
11. 【請求項１１】 請求項６記載のプラズマ処理装置にお
    いて、 前記円筒を前記マイクロ波保持容器に接するように設置
    し、前記放電管に対して磁場を加える手段を設け、前記
    試料台を通過する磁力線が前記円筒と前記マイクロ波保
    持容器とが接する部分に収束するように磁場を加える手
    段を配置することを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 【請求項１２】 請求項２記載のプラズマ処理装置にお
    いて、 前記二次導波管として導体で構成した楕円型筒を用い、
    前記楕円型筒を中心軸周りに回転させる手段を設けるこ
    とを特徴とするプラズマ処理装置。
13. 【請求項１３】 マイクロ波発生源と、プラズマを保持
    する放電管と、前記マイクロ波発生源で発生したマイク
    ロ波を前記放電管に伝える導波管と、前記放電管を囲み
    前記導波管と接続されマイクロ波を内部に封じ込める外
    部容器と、前記放電管内部に設置した試料台とを備えた
    プラズマ処理装置において、 前記放電管に入射するマイクロ波の通過経路を複数設
    け、複数経路の内の少くとも一つ以上の経路のマイクロ
    波の通過量を可変にすることにより、放電管中のプラズ
    マの分布状態を可変にすることを特徴とするプラズマ処
    理装置。
14. 【請求項１４】 マイクロ波発生源で発生したマイクロ
    波を導波管を介してプラズマを保持する放電管に伝え、
    該放電管を囲む外部容器内に設けた伝播状態可変手段に
    よりマイクロ波の伝播状態を変え、放電管内部のプラズ
    マの分布状態を可変にするプラズマ処理装置を用い、放
    電管内部の試料の処理中と放電管のクリーニング中で異
    なるプラズマ分布を生成し、放電管のクリーニング時間
    を短縮するようにしたことを特徴とするプラズマ処理方
    法。