JPH0765993A

JPH0765993A - 有磁場マイクロ波放電反応装置

Info

Publication number: JPH0765993A
Application number: JP5228331A
Authority: JP
Inventors: Kei Ikeda; 圭池田
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1993-08-20
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】有磁場マイクロ波放電反応装置において放電
を安定させると共に大量の基板を処理する場合に安定性
の高い放電を維持しかつ再現性を高める。【構成】内部が減圧状態に保持され、プラズマ処理室
を含む真空容器１と、この真空容器にガスを導入するガ
ス導入機構と、プラズマ処理室に磁場を生成する磁場発
生機構２，３と、基板を支持する基板支持機構４と、真
空容器の内部にマイクロ波を供給するマイクロ波電力供
給系6,8,9,10,11 を備え、さらに、プラズマ処理室で発
生するプラズマの発光強度を測定するための発光強度測
定手段14と、この発光強度測定手段の出力信号に基づき
発光強度のゆらぎが小さくなるようにマイクロ波電力供
給系におけるマイクロ波導波路の整合状態を調整する制
御手段12,12aとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は有磁場マイクロ波放電反
応装置に関し、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、表面改質装置に適し
た有磁場マイクロ波放電反応装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ波と磁場との相互作用を
応用した薄膜処理装置として各種反応装置が知られる。
ＬＳＩ製造工程におけるウェハの表面処理等の分野で
は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを利用
したマイクロ波放電反応装置が広く用いられるようにな
ってきた。

【０００３】次に、図５を参照して、従来のマイクロ波
放電反応装置の構成例を簡単に説明する。図５は従来の
マイクロ波放電反応装置の要部縦断面図であり、一例と
して前述のＥＣＲプラズマを利用する装置を示す。図５
に示すマイクロ波放電反応装置は、図示しない排気機構
によって排気されること（矢印１５）により内部が減圧
状態に保持されかつ当該内部に基板５を支持する基板支
持機構４を備える真空容器１と、マイクロ波電力供給機
構６と、マイクロ波（μ波）７のパワーモニタ８および
チューナ９と、マイクロ波を真空容器１内に導入する導
波管１０および導入部１１と、真空容器１の内部空間に
磁場を形成する主コイル２および補助コイル３とを備え
る。マイクロ波電力供給機構６により導入されたマイク
ロ波と両コイル２，３により形成された磁場との相互作
用により真空容器１内にプラズマ１６が生成され、この
プラズマ１６によって基板支持機構４上の基板５が処理
される。チューナ９には、パワーモニタ８の出力信号を
入力するチューナ制御機構３１が付設されている。なお
図５では、ガス導入機構、排気機構、マイクロ波のアイ
ソレータ等の図示を、説明の便宜上および本発明の要旨
との関係上、省略している。

【０００４】有磁場のマイクロ波放電反応装置を動作さ
せるには、真空容器１の内部を排気機構により所要の真
空状態にした後、ガス導入機構から所定ガスを真空容器
１内に導入する。このときの圧力は、通常１０^-2〜１０
^-6Ｐａ程度とすることが望ましい。さらに、主コイル２
と補助コイル３に所定の電流を流し、真空容器１内に所
定の磁場を形成する。このような条件の下で真空容器１
内にマイクロ波を供給し、有磁場マイクロ波放電を発生
させる。基板支持機構４に支持された基板５は上記作用
により発生したプラズマ１６により処理される。この
際、供給されるマイクロ波の整合状態はチューナ制御機
構３１およびチューナ９によって反射電力が最小となる
ように調整される。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の有磁場マイクロ波
放電反応装置では、従来、放電状態の制御方法として反
射電力を最小にするように調整を行い、これによりマイ
クロ波電力供給機構６から供給されたマイクロ波の大部
分の電力が真空装置１内に供給されていた。しかしなが
ら、プラズマの安定性を得るためには、単に反射電力が
小さいだけでは不十分であり、主コイル２と補助コイル
３の各電流値とマイクロ波のパワー、および真空容器１
の内部圧力などの諸条件によって放電が不安定になるこ
とがあるという問題があった。さらに大量の基板を処理
することに関しては放電の不安定性のために、再現性に
も影響を及ぼすという問題が生じていた。

【０００６】本発明の目的は、大量の基板を処理する場
合に、安定性の高い放電を維持し、かつ再現性のある有
磁場マイクロ波放電反応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】本発明に係るマイクロ波
放電反応装置は、内部が減圧状態に保持され、プラズマ
処理室を含む真空容器と、この真空容器にガスを導入す
るガス導入機構と、プラズマ処理室に磁場を生成する磁
場発生機構と、基板を支持する基板支持機構と、真空容
器の内部にマイクロ波を供給するマイクロ波電力供給系
を備え、さらに、プラズマ処理室で発生するプラズマの
発光強度を測定するための発光強度測定手段と、この発
光強度測定手段の出力信号に基づき発光強度のゆらぎが
小さくなるようにマイクロ波電力供給系におけるマイク
ロ波導波路の整合状態を調整する制御手段とを有する。

【０００８】前記の構成において、好ましくは、制御手
段は、発光強度測定手段で得られる発光強度の振幅に関
する信号を整合度監視光信号として用い、かつパワーモ
ニタで得られる反射電力の振幅を整合度表示信号として
用いて、予め設定した値よりも整合度監視光信号の値が
大きくなったときに自動整合機能を発揮する調整手段を
含む。

【０００９】前記の構成において、好ましくは、発光強
度測定手段のサンプリング周波数が１００Ｈｚから１０
ＭＨｚの範囲（周期では０．１μsec 〜１０msecの範
囲）に含まれることを特徴とする。

【００１０】前記の構成において、好ましくは、プラズ
マを連続して生成している間に、発光強度のゆらぎがあ
る程度以上大きくならないように、マイクロ波導波路の
整合状態を調整する修正手段を有する。

【００１１】

【作用】本発明による有磁場マイクロ波放電反応装置で
は、真空装置内のプラズマ処理室で生成されるプラズマ
の発光強度を測定できる発光強度測定手段を設け、この
発光強度測定手段で測定されるプラズマの発光強度に関
する情報に基づき当該発光強度のゆらぎを小さくするよ
うにマイクロ波導波路の整合状態を微調整するための機
構を有することで、安定した放電を形成することを可能
にする。またその結果、大量の基板を処理する場合にお
いて、再現性のよいプラズマ処理を行うことが可能とな
る。

【００１２】

【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。

【００１３】図１は、本発明による有磁場マイクロ波放
電反応装置の代表的な実施例を示す図である。図１にお
いて、図５で説明した要素と実質的に同一の要素には同
一の符号を付している。１は有磁場マイクロ波放電反応
室として使用される真空容器である。真空容器１は、図
１中、内部構造を明らかにした断面図で示されている。
２は真空容器１の内部空間の全体に磁場を発生させる主
コイル、３は当該磁場の発生を補助する補助コイルであ
る。補助コイル３は、基板の表面近傍の空間の磁場の分
布状態を調整する。４は真空容器１の内部の下側に設置
される基板支持機構であり、基板支持機構４の上には処
理対象である基板５が配置される。６はマイクロ波電力
供給機構であり、ここから出力されるマイクロ波（μ
波）７はパワーモニタ８、チューナ９、マイクロ波導波
管１０、マイクロ波導入部１１を経由して真空容器１の
内部空間に供給される。チューナ９は例えばスリースタ
ブチューナであり、このチューナ９には、演算・制御機
能部を有するチューナ制御機構１２と、３つのスタブを
有しチューナ制御機構１２が出力する制御指令に基づき
チューニングを行うスタブ機構１２ａとが付設されてい
る。パワーモニタ８で検出された入射電力および反射電
力に関する情報はチューナ制御機構１２に供給される。
またマイクロ波導入部１１には、真空容器１内で発生す
るプラズマの発光状態に関する情報を取り出すための発
光取出しポート１３が設けられる。１４は発光取出しポ
ート１３で取り出された発光の強度を測定するための発
光強度測定機構である。

【００１４】真空容器１には、その内部空間を所要の減
圧状態にするための排気機構（図示せず）と、内部空間
でプラズマを生成するのに使用される所定のガスを導入
するためのガス導入機構（図示せず）を備えている。図
１中の矢印１５は、排気の方向を示す。なお図１におい
て、主コイル２および補助コイル３に所定の電流を供給
する電源等の図示を省略している。

【００１５】上記の有磁場マイクロ波放電反応装置を動
作させるには、真空容器１の内部を排気機構によって所
要の真空状態にした後、ガス導入機構から所定のガスを
真空容器１内に導入する。このときのガス圧力は通常１
０^-2〜１０^-6Ｐａ程度とすることが望ましい。さらに、
主コイル２と補助コイル３に所定の電流を流し、真空容
器１内に磁場を形成する。このような条件の下で真空容
器１内にマイクロ波を供給し、有磁場マイクロ波放電を
発生させる。１６は有磁場マイクロ波放電で発生したプ
ラズマを示している。基板支持機構４の上に支持された
基板５はその上方空間に発生したプラズマ１６によって
その表面を処理される。

【００１６】プラズマ１６の発光強度は、発光をマイク
ロ波導入部１１の発光取出しポート１３から光ケーブル
１７を通して取り出すことにより、発光強度測定機構１
４によって測定される。測定される光の波長の範囲は、
２００ｎｍから９００ｎｍの範囲であることが望まし
い。発光強度の測定ために発光強度測定機構１４に設け
られたセンサとしては、例えばフォトダイオードであ
る。なお、発光強度の測定を行うための光ファイバ１７
やセンサの取付け箇所は、真空容器１の外部に限ること
なく、真空容器１の内部に設けることも可能である。

【００１７】発光強度測定機構１４で得られた真空容器
１内のプラズマ１６の発光強度に関する情報は、チュー
ナ制御機構１２に送られ、チューナ９における調整制御
に使用される。制御の内容は、後述される。

【００１８】図２において、プラズマ１６の発光強度に
関し、発光を検出するフォトダイオードの出力信号をオ
シロスコープに取り込んだ時に得られる出力波形の一例
を示す。

【００１９】図２（ａ）は、従来一般的に行われるマイ
クロ波の反射電力が小さくなるように調整した時の出力
波形である。この波形例では、反射電力は小さいにもか
かわらず、プラズマ１６の発光強度にゆらぎが観測され
ており、その割合は、発光強度の最も強いときと弱いと
きの平均値からおよそ±３０％の幅を持っている。この
ことは、反射電力がほとんど零であってもプラズマ１６
が不安定な状態であることを意味する。

【００２０】上記の状態に対し、図２（ｂ）の場合は、
図２（ａ）の場合と同様にマイクロ波の反射波が十分に
小さい条件においてチューナ９を微調整した結果得られ
る発光強度の出力波形の一例を示している。このときの
ゆらぎの割合は通常５％未満で、プラズマ１６は非常に
安定した放電状態を維持することができる。かかる微調
整の方法は、本実施例のごとくチューナ９にスリースタ
ブチューナを使用している場合には、各スタブ（後述す
るスタブＡ，Ｂ，Ｃ）を順番に所定の範囲で微動させ、
各々の動作範囲において最もゆらぎが小さくなるように
微調整を行う。以下において、微調整の手順を図３およ
び図４を参照して詳述する。

【００２１】図３はチューナ９を調整する場合の構成を
概念的に示したブロック図である。図３において、前述
のマイクロ波電力供給機構６はマイクロ波電源６Ａとア
イソレータ６Ｂを含む。マイクロ波電源６Ａから出力さ
れたマイクロ波は、アイソレータ６Ｂ、前述のパワーモ
ニタ８とチューナ９等を通って真空容器１の内部に供給
される。図３中、⊥はマイクロ波の伝播方向を示す。か
かるマイクロ波電力の供給系統に対して、前述のチュー
ナ制御機構１２および発光強度測定機構１４が設けられ
る。図３において、⌒はパワーモニタ８から入射電力お
よび反射電力の値がチューナ制御機構１２へ与えられる
ことを示し、∂は真空容器１内のプラズマ１６の発光が
発光強度測定機構１４に取り込まれることを示し、∇は
発光強度測定機構１４から発光強度振幅の値に関する情
報が与えられることを示し、≡はパワーモニタ８および
発光強度測定機構１４から送られた各信号に基づいてチ
ューナ９を制御するための信号が与えられることを示
す。なお、通常、スリースタブチューナを調整する場合
において、整合状態（マッチング）の調整はステッピン
グモータを介してスタブの位置を移動させることにより
行われる。

【００２２】図４（ａ）は、スタブの位置とマイクロ波
の反射電力の関係の一例を示し、図４（ｂ）は、反射電
力が最小になるように３つのスタブＡ，Ｂ，Ｃを調整
し、そのときの基準位置（反射電力が最も小さくなる位
置）を点線位置で揃えた場合の各スタブの移動距離と反
射電力との関係を示したものである。

【００２３】マイクロ波電力供給機構６の出口部分の導
波管部に設けられたパワーモニタ８では、進行波および
反射波の電力計が設けられる。反射電力の表示に関する
電圧値を整合表示の検出信号に用いる。スリースタブチ
ューナ９による自動整合は、図４に示すような反射電力
表示電圧とスタブ位置の相関性を利用して、次のように
行われる。

【００２４】図４（ａ）に示すように、例えば、スタブ
における位置ｘ１において、スタブを微小振幅Δｘで振
動させると、これに対応した反射電力振幅出力ΔＶが得
られる。スタブの微小振幅中心位置をｘ１からｘ２の方
向へ移動させると反射電力表示振幅がほとんど零とな
り、整合が取れる。スタブの微小振幅の中心位置をさら
にｘ２からｘ３の方向へゆっくり移動させると、これに
対応して反射電力表示振幅が次第に大きくなり、系が整
合状態から遠ざかっていることが判定できる。このよう
に、反射電力表示振幅ΔＶは系の整合状態を示すので、
ここで「整合度表示信号」と定義する。この整合度表示
信号が予め定められた値よりも小さくなるようにスタブ
の微小振幅の中心位置を移動させ、これによって自動整
合が行われる。

【００２５】通常スタブを移動させた場合、各々のスタ
ブの移動距離に対する反射電力の生じ方は、図４（ｂ）
に示されるようにスタブごとに異なっているのが普通で
ある。従って、整合状態の微調整を行う場合、あるいは
一度整合がとれた状態から微調整を行う場合には、反射
電力が生じにくいスタブから移動、調整を行うのが望ま
しい。すなわち図４（ｂ）においては、スタブＣ→スタ
ブＢ→スタブＡの順序で調整を行うのが望ましい。

【００２６】自動整合の機能は、常時動作させる必要は
ない。整合状態からのずれが予め設定された値を超えた
場合に自動整合の機能が働くように構成することが望ま
しい。このために、本実施例の構成では、プラズマにお
ける発光強度のゆらぎを監視するようにした。図２に示
すような発光強度の時間的変動スペクトルを利用して、
サンプリング周波数が１００Ｈｚ以上１０ＭＨｚ以下の
範囲に含まれる成分の振幅を監視信号として用いる。発
光強度振幅とスタブの中心位置の相関性は、図４に示す
整合度表示信号とスタブの中心位置の相関性に非常に類
似している。ただし、整合度表示信号ΔＶは、スタブの
微小振動によって得られるのに対して、発光強度振幅は
スタブの微小振動の有無と関係なく監視できる。そこ
で、本実施例では、発光強度振幅に関する信号を「整合
度監視光信号」と定義する。そして、この整合度監視光
信号の値が予め設定した値を越えた場合に、先に述べた
場合と同様に自動整合の機能を動作させる。

【００２７】フォトダイオードを発光強度測定機構１４
の中に含む構成例では、フォトダイオードの出力電圧が
上記の整合度監視光信号として用いられる。また単に整
合状態を調整した段階では、反射電力の値は小さくて
も、発光強度のゆらぎが大きく、安定した放電が得られ
るとは限らない。そこで放電は安定かつ低反射電力の状
態に調整を行うためには、整合度監視光信号に基づき、
発光強度振幅が発光強度の平均値と比較して通常５％以
内を目標として微調整を行う必要がある。

【００２８】整合度監視光信号の値が予め設定した値を
越えた場合、最初にスタブＣの移動により調整を行う。
移動範囲は、通常反射電力が投入電力の５％を超えない
範囲とし、初めに移動させる方向は、移動距離に対する
反射電力の生じ方が小さい側（図４（ａ）の場合、基準
位置より右側）とする。反射電力が５％を超えても目標
に達しなければ、移動させる方向を反転させ、目標を満
足するスタブＣの位置を探す。満足できる範囲が見つか
った場合には、最も発光強度振幅の小さい位置に移動す
ることが望ましい。もしも、スタブＣの移動によって目
標が満足されない場合は、スタブＣは前ステップで移動
させた範囲の中で最も発光強度振幅が小さくなるところ
に移動させ、次に前述のスタブＣと同様の移動方法でス
タブＢを移動させる。目標を満足する位置が見つかった
場合、スタブＢはその場所に固定した状態で、スタブＣ
を再度移動させ、さらに発光強度振幅が小さくなる位置
を探し、より安定な放電状態へと調整を行う。

【００２９】さらに、スタブＣおよびスタブＢの移動で
目標に達しない場合は、スタブＣは前々ステップの移動
範囲において最も発光強度振幅の小さかった位置に、ま
たスタブＢは、前ステップの移動範囲において最もゆら
ぎが小さくなるところに移動させ、前ステップと同様に
スタブＡ→スタブＢ→スタブＣの順序で、発光強度振幅
が小さくなるように調整を行う。

【００３０】このような手順により、反射電力が十分小
さくかつゆらぎが非常に小さくなるような安定した放電
状態を確保することができる。また一連の操作は、各ス
タブの位置と、反射電力の値や発光強度振幅の値を記憶
する手段を用いて、効率化を図ることも可能である。

【００３１】なおここでは、発光強度の測定にフォトダ
イオードを利用した例を示したが、分光器等による発光
強度測定においても同様の手続きにより処理できる。

【００３２】また長期にわたって大量の基板を処理する
場合には、チューナ制御機構１２の中に修正手段を設け
るようにする。この修正手段は、以下のようにフィード
バックをかけることにより、大量の基板を再現性よく処
理することを可能にする。すなわち、フォトダイオード
の出力電圧の最大値と最小値をモニタし、発光強度振幅
が発光強度の平均値に対して通常５％を超えた場合、微
調整を行う。微調整の具体的な方法は、前述と同様の方
法による。もし、ショットノイズのような突発的な変動
が多く観測される場合においては、最大値と最小値の値
をスムージングした値より求めることが望ましい。

【００３３】上記実施例で明らかなように、整合状態の
微調整を行う結果、非常に安定した放電を維持すること
が可能である。また上記手法により、基板を処理するご
とにプラズマ１６の発光強度のゆらぎをモニタし、必要
に応じて修正手段を設けこれによってチューナ９にフィ
ードバックをかけることにより、大量の基板を再現性よ
く処理することが可能となる。

【００３４】

【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、基板処理時に真空容器内に発生するプラズマの発
光強度を測定できる発光強度測定機構を備え、かつ発光
強度のゆらぎを小さくするようにプラズマ発生機構にお
けるマイクロ波導波路の整合状態を微調整する機構を付
加するようにしたため、安定したプラズマ放電を形成す
ることができる。また大量の基板を処理する場合に、修
正手段を用いるようにしたため、再現性のよいプラズマ
処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の代表的な実施例を示す一部断面構成図
である。

【図２】本発明に係る有磁場マイクロ波放電反応装置で
測定された発光強度測定結果の一例を示すオシロスコー
プの出力図である。

【図３】本発明のおけるチューナに関する制御構成のブ
ロック図である。

【図４】チューニングの微調整を行う場合のスタブの移
動距離と反射電力との関係を示す図である。

【図５】従来装置の一例を示す一部断面構成図である。

【符号の説明】

１真空容器２主コイル３補助コイル４基板支持機構５基板６マイクロ波電力供給機構７マイクロ波８パワーモニタ９チューナ１０マイクロ波導波管１１マイクロ波導入部１２チューナ制御機構１３発光取出しポート１４発光強度測定機構１６プラズマ

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【手続補正書】

【提出日】平成６年１月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】図３はチューナ９を調整する場合の構成を
概念的に示したブロック図である。図３において、前述
のマイクロ波電力供給機構６はマイクロ波電源６Ａとア
イソレータ６Ｂを含む。マイクロ波電源６Ａから出力さ
れたマイクロ波は、アイソレータ６Ｂ、前述のパワーモ
ニタ８とチューナ９等を通って真空容器１の内部に供給
される。図３中、はマイクロ波の伝播方向を示す。か
かるマイクロ波電力の供給系統に対して、前述のチュー
ナ制御機構１２および発光強度測定機構１４が設けられ
る。図３において、はパワーモニタ８から入射電力お
よび反射電力の値がチューナ制御機構１２へ与えられる
ことを示し、は真空容器１内のプラズマ１６の発光が
発光強度測定機構１４に取り込まれることを示し、は
発光強度測定機構１４から発光強度振幅の値に関する情
報が与えられることを示し、はパワーモニタ８および
発光強度測定機構１４から送られた各信号に基づいてチ
ューナ９を制御するための信号が与えられることを示
す。なお、通常、スリースタブチューナを調整する場合
において、整合状態（マッチング）の調整はステッピン
グモータを介してスタブの位置を移動させることにより
行われる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部が減圧状態に保持され、プラズマ処
理室を含む真空容器と、この真空容器にガスを導入する
ガス導入機構と、前記プラズマ処理室に磁場を生成する
磁場発生機構と、基板を支持する基板支持機構と、前記
真空容器の内部にマイクロ波を供給するマイクロ波電力
供給系を備え、発生したプラズマで前記基板を処理する
有磁場マイクロ波放電反応装置において、前記プラズマ処理室で発生する前記プラズマの発光強度
を測定するための発光強度測定手段と、この発光強度測
定手段の出力信号に基づき前記発光強度のゆらぎが小さ
くなるように前記マイクロ波電力供給系におけるマイク
ロ波導波路の整合状態を調整する制御手段とを有するこ
とを特徴とした有磁場マイクロ波放電反応装置。
【請求項２】請求項１記載の有磁場マイクロ波放電反
応装置において、前記制御手段は、発光強度測定手段で
得られる前記発光強度の振幅に関する信号を整合度監視
光信号として用い、かつパワーモニタで得られる反射電
力の振幅を整合度表示信号として用いて、予め設定した
値よりも前記整合度監視光信号の値が大きくなったとき
に自動整合機能を発揮する調整手段を含むことを特徴と
する有磁場マイクロ波放電反応装置。
【請求項３】請求項１記載の有磁場マイクロ波放電反
応装置において、前記発光強度測定手段のサンプリング
周波数が１００Ｈｚから１０ＭＨｚの範囲に含まれるこ
とを特徴とする有磁場マイクロ波放電反応装置。
【請求項４】請求項３記載の有磁場マイクロ波放電反
応装置において、プラズマを連続して生成している間
に、前記発光強度のゆらぎがある程度以上大きくならな
いように、前記マイクロ波導波路の整合状態を調整する
修正手段を有することを特徴とする有磁場マイクロ波放
電反応装置。