JPH07335393A

JPH07335393A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH07335393A
Application number: JP6132033A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Komachi; 恭一小町; Katsuo Katayama; 克生片山; Hirotsugu Mabuchi; 博嗣馬渕; Kenji Akimoto; 健司秋元
Original assignee: NEC Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: NEC Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-06-14
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【構成】マイクロ波発振器７と、マイクロ波を伝送す
る導波管６と、導波管６に接続された誘電体線路４と、
誘電体線路４に対向配置されたマイクロ波導入窓５を有
する反応器１と、反応器１内に設けられた試料保持部２
ａと、試料保持部２ａに高周波電界または直流電界を印
加する手段と、マイクロ波導入窓５と試料保持部２ａと
の間に設けられ、マイクロ透過口１２を有するア−スさ
れた電極手段としての金属板１１とを備えたマイクロ波
プラズマ処理装置において、誘電体線路４上におけるマ
イクロ波の進行方向ｘに対するマイクロ波透過孔１２の
平行方向長さがその垂直方向長さよりも長く設定されて
いるマイクロ波プラズマ処理装置。【効果】マイクロ波の進行方向に対するマイクロ波透
過孔の平行方向長さがその垂直方向長さよりも長く設定
されているので、高密度かつ均一にプラズマを発生させ
ることが可能であり、試料Ｓ表面に高速かつ均一的なプ
ラズマ処理を施すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波プラズマ処理
装置に関し、より詳細には例えば半導体素子基板等のエ
ッチング装置、薄膜形成装置等として用いられるマイク
ロ波プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空容器内に反応ガスとマイクロ波又は
ＲＦを導入し、プラズマを生成させ、このプラズマを基
板表面に照射してエッチングや薄膜形成等の処理を行な
わせるプラズマ処理装置は、高集積半導体素子等の製造
において欠かせないものとなってきている。その中でも
特に、プラズマの生成とプラズマ中におけるイオンの加
速とがそれぞれ独立して制御可能なプラズマ処理装置
は、ドライエッチング技術や薄膜形成における埋め込み
技術にとって不可欠になってきており、その研究開発が
進められている。

【０００３】図６は、試料保持部に高周波を印加した
際、試料表面に安定したバイアス電圧を生じさせること
ができ、プラズマ中におけるイオンエネルギーを適性化
し、かつ試料表面に対してイオンを垂直に照射すること
を目的とし、本出願人が特開平６−１０４０９８号にお
いて提案しているマイクロ波プラズマ処理装置を模式的
に示した断面図である。

【０００４】図中１は中空直方体形状の反応器を示して
おり、マイクロ波導入窓５を除く全体がステンレス等の
金属により形成され、その周囲壁は二重構造となってお
り、冷却水又は温水の通路となる空洞１０が形成されて
いる。また反応器１の上部はマイクロ波導入窓５によっ
て気密状態に封止されており。マイクロ波導入窓５はマ
イクロ波の透過が可能で、誘電損失が小さく、かつ耐熱
性を有する石英ガラス、Ａｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）等の誘
電体板を用いて形成されている。マイクロ波導入窓５の
下面には、ア−スされた電極手段としての金属板１１が
配設されており、金属板１１にはマイクロ波が反応器１
内に進入できるように、マイクロ波透過孔１１ａが複数
個形成されている。この金属板１１は高周波が印加され
る電極を兼ねた試料保持部２ａに対する対向電極とな
り、試料Ｓ表面において安定したバイアス電圧を発生さ
せる機能を有する。試料保持部２ａには、試料Ｓ表面に
バイアス電圧を発生させるための高周波電源３が接続さ
れ電極を兼ねており、また試料Ｓを保持するための静電
チャック等の吸着機構（図示せず）が装備されるととも
に、試料Ｓを冷却するための冷媒等を循環させる冷却機
構（図示せず）が配設されている。反応器１の下部壁に
は、図示しない排気装置に接続された排気管９が形成さ
れており、また反応器１の側壁にはプラズマ生成に必要
な反応ガスを供給するためのガス供給管８が接続されて
いる。

【０００５】一方、反応器１の上方にはマイクロ波導入
窓５と対向し所定の距離を隔ててマイクロ波導入窓５を
覆い得る大きさの誘電体線路４が配設されており、誘電
体線路４はＡｌ等からなる金属板４ｂの下面に、誘電損
失の小さいフッ素樹脂、ポリスチレン、ポリエチレン等
からなる誘電体層４ａが貼着されて形成されている。誘
電体線路４には、マイクロ波発振器７からのマイクロ波
が導波管６を介して導入され、反応器１内にプラズマの
発生に必要な電力が供給されるようになっている。

【０００６】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用いて例えば試料保持部２ａ上に載置された
試料Ｓ表面にエッチング処理を施す場合、まず排気管９
から排気を行なった後、ガス供給管８から反応器１内に
反応ガスを供給し、反応器１内を所要の圧力に設定す
る。また冷却水を冷却水導入口１５ａから供給し、空洞
１０内を循環させ、冷却水排出口１５ｂから排出する。
次いで、マイクロ波発振器７においてマイクロ波を発振
させ、このマイクロ波を導波管６を介して誘電体線路４
に導入する。すると誘電体線路４下方に電界が形成さ
れ、形成された電界がマイクロ波導入窓５とアースされ
た金属板１１におけるマイクロ波透過孔１１ａを透過
し、反応室１内においてプラズマを生成させる。この
後、高周波電源３を用いて試料保持部２ａに高周波を印
加し、アースされた金属板１１によって試料Ｓ表面に安
定したバイアス電圧を生じさせる。そしてこの安定した
バイアス電圧によってプラズマ中のイオンを試料Ｓ表面
に対して垂直に入射させるとともにそのイオンエネルギ
ーを制御しながらエッチングを行なう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したマイクロ波プ
ラズマ処理装置においては、誘電体線路４から発生した
電界がマイクロ波導入窓５を経て反応器１内に進入可能
であるよう、金属板１１にスリット状または円形状のマ
イクロ波透過孔１１ａが設けられているが、高密度かつ
均一なプラズマを発生させるために望ましいマイクロ波
透過孔１１ａの形状は明らかにされていなかった。

【０００８】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、試料表面に明確なバイアス電圧を生じさせる
ことができると共に、プラズマを高密度かつ均一に発生
させることが可能なア−スされた電極手段が配設されて
いるマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、マイク
ロ波発振器と、マイクロ波を伝送する導波管と、該導波
管に接続された誘電体線路と、該誘電体線路に対向配置
されたマイクロ波導入窓を有する反応器と、該反応器内
に配設された試料保持部と該試料保持部に高周波電界ま
たは直流電界を印加する手段と、前記マイクロ波導入窓
と前記試料保持部の間に設けられ、マイクロ波透過孔を
有するアースされた電極手段とを備えたプラズマ処理装
置において、前記誘電体線路上におけるマイクロ波の進
行方向に対する前記マイクロ波透過孔の平行方向長さが
その垂直方向長さよりも長く設定されていることを特徴
としている。

【００１０】

【作用】マイクロ波による電界により形成されたプラズ
マの照射により、試料表面にエッチングや薄膜形成等の
処理を施すには、マイクロ波導入窓下面のアースされた
電極手段にマイクロ波による電界が十分透過し得る大き
さのマイクロ波透過孔が形成されている必要がある。ま
た、マイクロ波は前記誘電体線路（プラズマ発生面）に
対して平行に進行するので、均一なプラズマを発生させ
るためには反応器のマイクロ波進行方向に直角な断面
（図５）を見た場合、プラズマ発生範囲が常に一定であ
ることが望ましい。このような状態を実現するために
は、ア−スされた電極手段に形成するマイクロ波透過孔
の形状をマイクロ波進行方向に長い長方形にし、かつマ
イクロ波進行方向に並ぶマイクロ波透過孔の数は少ない
方が望ましい。

【００１１】上記構成のマイクロ波プラズマ処理装置に
おいては、マイクロ波の進行方向に対する前記マイクロ
波透過孔の平行方向長さがその垂直方向長さよりも長く
設定されているので高密度かつ均一にプラズマを発生さ
せることが可能である。

【００１２】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るマイクロ波プ
ラズマ処理装置の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、従来例と同一の機能を有する構成部品には同一の符
号を付すこととする。図１は実施例に係るマイクロ波プ
ラズマ処理装置を模式的に示した断面図であり、図中１
は中空直方体形状の反応器を示しており、マイクロ波導
入窓５を除く全体がステンレス等の金属により形成さ
れ、その周囲壁は二重構造となっており、冷却水又は温
水の通路となる空洞１０が形成されている。また反応器
１の上部はマイクロ波導入窓５によって気密状態に封止
されており。マイクロ波導入窓５はマイクロ波の透過が
可能で、誘電損失が小さく、かつ耐熱性を有する石英ガ
ラス、Ａｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）等の誘電体板を用いて形
成されている。マイクロ波導入窓５の下面には、ア−ス
された電極手段としての金属板１１が配設されており、
金属板１１にはマイクロ波が反応器１内に進入できるよ
うに、図２に示すようなマイクロ波進行方向に長い長方
形形状のマイクロ波透過孔１２が複数個形成されてい
る。本実施例においては金属板１１の材料としてＡｌ
（アルミニウム）を用い、マイクロ波透過孔１２の寸法
は30mm×300mm とした。この金属板１１は試料保持部２
ａに対する対向電極となり、試料Ｓ表面において安定し
たバイアス電圧を発生させる機能を有する。また、反応
器１内における金属板１１と対向する箇所には試料Ｓを
保持するための試料保持部２ａとこれが載置される試料
台２とが配設されており、試料保持部２ａには、試料Ｓ
表面にバイアス電圧を発生させるための高周波電源３が
接続され、また試料Ｓを保持するための静電チャック等
の吸着機構（図示せず）が装備されるとともに、試料Ｓ
を冷却するための冷媒等を循環させる冷却機構（図示せ
ず）が配設されている。反応器１の下部壁には、図示し
ない排気装置に接続された排気管９が形成されており、
また反応器１の側壁にはプラズマ生成に必要な反応ガス
を供給するためのガス供給管８が接続されている。

【００１３】一方、反応器１の上方にはマイクロ波導入
窓５と対向し所定の距離を隔ててマイクロ波導入窓５を
覆い得る大きさの誘電体線路４が配設されており、誘電
体線路４はＡｌ等からなる金属板４ｂの下面に、誘電損
失の小さいフッ素樹脂、ポリスチレン、ポリエチレン等
からなる誘電体層４ａが貼着されて形成されている。誘
電体線路４には、マイクロ波発振器７からのマイクロ波
が導波管６を介して導入され、反応器１内にプラズマの
発生に必要な電力が供給されるようになっている。

【００１４】このように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置を用いて例えば試料保持部２ａ上に載置された
試料Ｓ表面にエッチング処理を施す場合、まず排気管９
から排気を行なった後、ガス供給管８から反応器１内に
反応ガスを供給し、反応器１内を所要の真空度に設定す
る。また冷却水を冷却水導入口１５ａから供給し、空洞
１０内を循環させ、冷却水排出口１５ｂから排出する。
次いで、マイクロ波発振器７においてマイクロ波を発振
させ、このマイクロ波を導波管６を介して誘電体線路４
に導入する。すると誘電体線路４下方に電界が形成さ
れ、形成された電界がマイクロ波導入窓５とアースされ
た金属板１１におけるマイクロ波透過孔１２を透過し、
反応室１内においてプラズマを生成させる。この後高周
波電源３を用いて試料保持部２ａに高周波を印加し、ア
ースされた金属板１１によって試料Ｓ表面に安定したバ
イアス電圧を生じさせる。そしてこの安定したバイアス
電圧によってプラズマ中のイオンを試料Ｓ表面に対して
垂直に入射させるとともにそのイオンエネルギーを制御
しながらエッチングを行なう。

【００１５】以下に、図１に示した装置を用いてシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）のエッチングを行った結果につ
いて説明する。この場合、試料Ｓとして８インチのシリ
コンウエハ上に 1μm のＳｉＯ₂ 膜が形成されたものを
使用し、放電用ガスとしてＣＦ₄ を約30sccm、ＣＨＦ₃
を約30sccm及びＡｒを約100sccm の割合で供給し、反応
器１内のガス圧力を約 30mTorrに設定した。またマイク
ロ波は周波数が2.45GHz のものを用い、１．３Ｗの電力
によりプラズマを生成させた。さらに試料保持部２ａに
は周波数が400kHzの高周波を600 Ｗの電力で供給した。
比較例として、図３、図４に示すマイクロ波透過孔が形
成されたア−スされた金属板１３、１４を用いた実験も
行なった。図３は図２における金属板１１が90°回転さ
れ、マイクロ波進行方向に対しマイクロ波透過孔１３ａ
の長手方向が垂直になるように配設されたものであり、
図４は金属板１４上の中心点から点対称位置に直径30mm
のマイクロ波透過孔１４ａが28個形成されたものであ
る。結果として、図２に示した金属板１１を備えた装置
では、ＳｉＯ₂ 膜の平均エッチレートが４５０ｎｍ／ｍ
ｉｎ、８インチのシリコンウエハにおけるエッチレート
の均一性は、±３％であった。これに対し、図３に示し
た金属板１３を備えた装置では、ＳｉＯ_２膜の平均エ
ッチレートが400nm/min 、８インチのシリコンウエハに
おけるエッチレートの均一性が±15% であり、図４に示
した金属板１４を備えた装置では、ＳｉＯ₂ 膜の平均エ
ッチレートが360nm/min 、エッチレ−トの均一性が±5%
であった。

【００１６】図２と図３に示した装置の結果を比較する
と、平均エッチレート、エッチレ−トの均一性共に図２
に示した金属板１１を備えた装置の結果が良好であり、
特にエッチレートの均一性に関して効果の差が大きい。
また、図２と図４に示した装置の結果を比較すると、平
均エッチレート、エッチレ−トの均一性共に図２に示し
た金属板１１を備えた装置の結果が良好であり、特に平
均エッチレートに関して効果の差が大きい。

【００１７】上記結果から明らかなように、実施例に係
る装置の方が比較例のものよりも速く、しかも安定して
均一にシリコンウエハをエッチングすることができる。
このように本実施例に係るマイクロ波プラズマ処理装置
では、誘電体線路４上におけるマイクロ波の進行方向ｘ
対するマイクロ波透過孔１２の平行方向長さがその垂直
方向長さよりも長く設定されているので、高密度かつ均
一にプラズマを発生させることができ、試料Ｓ表面に高
速かつ均一的なプラズマ処理を施すことができる。

【００１８】なお、誘電体線路４上におけるマイクロ波
の進行方向ｘに対するマイクロ波透過孔１２の平行方向
長さがその垂直方向長さよりも長いという条件を満たし
ていれば複数個の長方形状スリットがマイクロ波透過孔
として形成されていても同様の効果を期待することがで
きるが、プラズマ発生の均一性という観点からは、マイ
クロ波進行方向ｘに対するマイクロ波透過孔の数は少な
い方が望ましい。また、小さな円形状のマイクロ波透過
孔を多数形成することにより、疑似的に同様の状態にす
ることも考えられるが、比較例図４からも明らかなよう
に、マイクロ波による電界は小さなマイクロ波透過孔１
４ａを透過するときに大きく減衰してしまい、処理効率
は低下する。

【００１９】なお、本実施例においてはマイクロ波プラ
ズマ処理装置をエッチング装置として使用した場合につ
いて説明したが、なんらこれに限定されるものではな
く、例えば薄膜形成装置等としても本発明に係るマイク
ロ波プラズマ処理装置を同様に使用することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るマイク
ロ波プラズマ処理装置にあっては、反応器内のア−スさ
れた電極手段に、マイクロ波の進行方向に対する平行方
向長さがその垂直方向長さよりも長く設定されたマイク
ロ波透過孔が形成されているので、高密度かつ均一にプ
ラズマを発生させることが可能であり、試料Ｓ表面に高
速かつ均一的なプラズマ処理を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の実
施例を模式的に示した断面図である。

【図２】実施例に係るアースされた電極手段を模式的に
示した正面図である。

【図３】比較例に係るア−スされた電極手段を模式的に
示した正面図である。

【図４】比較例に係るア−スされた電極手段を模式的に
示した正面図である。

【図５】実施例に係るマイクロ波プラズマ処理装置をマ
イクロ波の進行方向に対して垂直に断面した場合を示す
断面図である。

【図６】従来のマイクロ波プラズマ処理装置を模式的に
示した断面図である。

【符号の説明】

１反応器２ａ試料保持部３高周波電源４誘電体線路５マイクロ波導入窓６導波管７マイクロ波発振器１１金属板（アースされた電極手段）１２マイクロ波透過孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者馬渕博嗣大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (72)発明者秋元健司東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発振器と、マイクロ波を伝送
する導波管と、該導波管に接続された誘電体線路と、該
誘電体線路に対向配置されたマイクロ波導入窓を有する
反応器と、該反応器内に配設された試料保持部と該試料
保持部に高周波電界または直流電界を印加する手段と、
前記マイクロ波導入窓と前記試料保持部との間に設けら
れ、マイクロ波透過孔を有するアースされた電極手段と
を備えたプラズマ処理装置において、前記誘電体線路上
におけるマイクロ波の進行方向に対する前記マイクロ波
透過孔の平行方向長さがその垂直方向長さよりも長く設
定されていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理
装置。