JPH08181119A

JPH08181119A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH08181119A
Application number: JP6324682A
Authority: JP
Inventors: Isao Motohori; 勲本堀; Toshirou Kizakihara; 稔郎木崎原; Toshitaka Kawashima; 利孝河嶋; Satoshi Sakauchi; 敏坂内; Tomohiro Chiba; 智博千葉
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【目的】チャンバのメインテナンス頻度を低減させる
とともに、均一な処理を行うことができるプラズマ処理
装置を提供すること。【構成】本発明は、反応室２１を構成するチャンバ２
の外側に、マイクロ波の一部をチャンバ２の内壁に沿っ
て伝搬させるための伝搬部材４を設けたり、マイクロ波
を反射させる反射部材５を設けたプラズマ処理装置１で
ある。また、チャンバ２の外側に伝搬部材４および反射
部材５を設けてチャンバ２内壁付近のプラズマ密度を調
整したり、伝搬部材４を分割して配置し、これらを伝搬
するマイクロ波の位相を各々ずらすようにしたプラズマ
処理装置１でもある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、反応室にマイクロ波を
導入してプラズマ密度を増加させるプラズマ処理装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置においては、プラズマ源
を利用してエッチングやデポジション等を行うものが多
数あり、特に近年ではマイクロ波を導入してプラズマ密
度を増加させるプラズマ処理装置が多く利用されてい
る。図１１は従来のプラズマ処理装置１’を説明する模
式図である。このプラズマ処理装置１’は、ウエハ１０
等の被処理体に対して所定の処理を施す反応室２１を構
成するためのチャンバ２と、マイクロ波を反応室２１内
に導くための導波管３とを備える構成となっている。

【０００３】このようなプラズマ処理装置１’におい
て、例えば２．４５ＧＨｚから成るマイクロ波は、導波
管３を伝わって石英製のチャンバ２を透過し、反応室２
１内のプラズマ密度を増加させる。反応室２１内には所
定の反応ガスが導入されており、この反応ガスによるイ
オン等の作用によってウエハ１０に対するエッチングや
デポジションを行うようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなプラズマ処理装置には、次のような問題がある。す
なわち、処理に応じた反応生成物が反応室の内壁に付着
してプロセスが不安定になったり、付着物がダストとな
って反応室内に散乱してウエハへ悪影響を与えるという
不都合が生じている。また、プロセスの終了を検知する
エンドポイントディテクターに反応生成物が付着すると
この感度が低下してしまい、正確なプロセスコントロー
ルを行う上での問題となっている。このような問題を軽
減するためには、定期的にチャンバのクリーニングを行
わなければならず、多くの工数と労力が必要となる。

【０００５】また、近年のウエハー大口径化にともな
い、大型となった反応室内のプラズマ密度均一化および
プラズマ内の荷電粒子の方向性制御をいかに行うかが半
導体装置の信頼性、電気的特性等の向上を図る上で重要
な問題となっている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような課
題を解決するために成されたプラズマ処理装置である。
すなわち、本発明は、反応室を構成するチャンバに対し
て所定のマイクロ波を透過導入して反応室内のプラズマ
密度を増加させるプラズマ処理装置であり、このマイク
ロ波の一部をチャンバの内壁に沿って伝搬させるための
伝搬部材をチャンバの外側に備えている。

【０００７】また、この伝搬部材を分割して反応室の周
囲を囲む状態に配置し、しかも各伝搬部材を伝搬するマ
イクロ波の位相を各々ずらしたり、チャンバ内に導入さ
れたマイクロ波のうちチャンバの外側へ向かうものを内
側へ反射させる反射部材をチャンバの外側に設けたプラ
ズマ処理装置でもある。また、チャンバの外側に伝搬部
材を設け、さらにその外側に反射部材を設けたプラズマ
処理装置でもある。

【０００８】

【作用】本発明では、チャンバの外側に設けられる伝搬
部材によって、チャンバ内に導入されるマイクロ波の一
部がチャンバの内壁に沿って伝搬する状態となる。これ
により、チャンバの内壁付近のプラズマ密度を内部に比
べて高くすることができるようになる。

【０００９】また、チャンバの外側に設けられる反射部
材によって、チャンバ内に導入されたマイクロ波のうち
チャンバの外側へ向かうものが内側へ反射する状態とな
る。これによって、チャンバの内壁付近のプラズマ密度
を内部に比べて低くすることができるようになる。さら
に、伝搬部材が分割され、各伝搬部材によって反応室の
周囲を囲む状態とし、各伝搬部材を伝搬するマイクロ波
の位相を各々ずらすようにしていることで、チャンバ内
で発生する磁界が時間変化で回転する状態となる。この
回転する磁界により、プラズマが一定方向に広がるとと
もにその回転によって発生する誘起電界でプラズマ内の
荷電粒子の方向が制御されることになる。

【００１０】また、チャンバの外側に設けられる伝搬部
材とその外側に設けられる反射部材とによりマイクロ波
の伝搬および反射が合成され、チャンバの内壁近傍にお
けるプラズマ密度が調節されることになる。

【００１１】

【実施例】以下に本発明のプラズマ処理装置における実
施例を図に基づいて説明する。図１は第１実施例におけ
るプラズマ処理装置を説明する模式図である。第１実施
例におけるプラズマ処理装置１は、ウエハ１０等の被処
理体に対して主にエッチング処理を施すための反応室２
１と、これを構成するためのチャンバ２と、例えば２．
４５ＧＨｚのマイクロ波を反応室２１内に導くための導
波管３とを備えているとともに、チャンバ２の外側に例
えばフッ素系樹脂から成る伝搬部材４を備える構成とな
っている。

【００１２】このプラズマ処理装置１にてエッチング処
理を行うには、ウエハ１０を反応室２１内に配置した状
態で反応室２１を真空引きし、反応ガス（図示せず）を
導入するとともにマイクロ波を導入する。そして、これ
によって生成されたプラズマ内のイオン等の作用によっ
てウエハ１０のエッチング処理を行う。この際、マイク
ロ波は導波管３から石英製のチャンバ２を透過して反応
室２１内に入ることになるとともに、その一部が伝搬部
材４によってチャンバ２の内壁に沿って伝搬する状態と
なる。

【００１３】図２はマイクロ波の伝搬状態を説明する模
式図である。すなわち、導波管３内で完全反射しながら
反応室２１方向へ伝搬してきたマイクロ波は、チャンバ
２を透過した後反応室２１内で広がって内部のプラズマ
密度を増加させる。また、このマイクロ波のうち、伝搬
部材４にぶつかったマイクロ波は伝搬部材４の表面を伝
搬する状態となる。つまり、このマイクロ波はチャンバ
２の内壁に沿う状態で伝搬し、この内壁付近では内部よ
りも高い密度のプラズマが発生する状態となる。

【００１４】さらに、この付近で発生する電界、磁界の
向きが伝搬部材４表面に対して垂直方向となるため、荷
電量子をチャンバ２の内壁方向に向かって加速させるこ
とになる。これによって、チャンバ２の内部よりも内壁
付近のエッチングレートが高まり、反応生成物がチャン
バ２の内壁へ付着するのを抑制できることになる。

【００１５】この伝搬部材４としては、マイクロ波に対
する比誘電率が石英製のチャンバ２よりも高い材質のも
のを用いる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（Ｐ
ＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦ
Ｅ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピ
レン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パ
ーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）
などから成るフッ素系樹脂を用いる。なお、これは一例
であり他の材質のものであってもよい。

【００１６】図３は、第１実施例におけるプラズマ処理
装置１の他の例を説明する模式図である。このプラズマ
処理装置１は、チャンバ２外側における下部のみに伝搬
部材４が設けられているものである。このような構成に
より、反応室２１内に導入されるマイクロ波のうち、チ
ャンバ２の下部に達したものの一部をこの伝搬部材４に
よって伝搬させることができる。つまり、チャンバ２の
内壁のうち、最も反応生成物が付着しやすい部分に対応
して伝搬部材４を設けることで、その部分のプラズマ密
度を高めることができるようになる。また、この例では
チャンバ２の下部のみに伝搬部材４が設けられているこ
とから、チャンバ２の上方から反応室２１内でのプロセ
スの進み具合を監視できるというメリットもある。

【００１７】次に、本発明の第２実施例におけるプラズ
マ処理装置を説明する。図４は第２実施例におけるプラ
ズマ処理装置を説明する模式図である。すなわち、この
プラズマ処理装置１は、反応室２１を構成するチャンバ
２、マイクロ波を伝える導波管３を備える点では第１実
施例と同様であるが、チャンバ２の外側に設けられてい
るものがマイクロ波の反射部材５である点で相違する。

【００１８】つまり、このプラズマ処理装置１で所定の
処理を行う場合、導波管３内を完全反射しながら伝搬す
るマイクロ波は、チャンバ２を透過して反応室２１内に
広がっていく。この際、広がったマイクロ波のうちチャ
ンバ２の外側へ向かうものは反射部材５によって反射し
て内側へ向かうことになる。これによって、チャンバ２
の内壁付近で電界、磁界の打ち消し合いが発生しその部
分でのプラズマ密度が低下する状態となる。

【００１９】エッチング処理を行う場合、反応ガスの種
類やＲＦパワー、マイクロ波パワー等の関係から、石英
製のチャンバ２の内壁がエッチングされる場合がある。
第２実施例におけるプラズマ処理装置１を、このような
場合に適用することで、チャンバ２の内壁付近でのプラ
ズマ密度が低下して内壁のエッチングを抑制することが
可能となる。なお、反射部材５としては、マイクロ波を
効率良く反射できる材質であればよいが、特にこの点で
アルミニウム系金属が望ましい。

【００２０】次に、本発明の第３実施例におけるプラズ
マ処理装置を説明する。図５は第３実施例におけるプラ
ズマ処理装置を説明する部分斜視図であり、チャンバ２
の外側に設けられる伝搬部材４の分割状態を示すもので
ある。チャンバ２の外側に設けられる伝搬部材４は、例
えば４ａ〜４ｆの６つに分割されており、これらの各伝
搬部材４ａ〜４ｆによって反応室２１の周囲を囲む状態
となっている。しかも、各伝搬部材４ａ〜４ｆは、これ
らを伝搬するマイクロ波の位相を各々ずらすことができ
るようになっている。

【００２１】図６は、伝搬距離の差によってマイクロ波
の位相をずらす例を説明する模式図である。例えば、伝
搬部材４ａにおけるマイクロ波の伝搬方向に沿った長さ
がＬ₁＋Ｌ ₂であり、それと対向する伝搬部材４ｄの長
さがＬ₃であるとする。この２つの伝搬部材４ａ、４ｄ
の長さにマイクロ波の波長に基づいた差を設けることで
２つの伝搬部材４ａ、４ｄを伝搬するマイクロ波の位相
を各々ずらすことができるようになる。この場合、伝搬
部材４ａに対して伝搬部材４ｄを伝わるマイクロ波の位
相を１８０°ずらすように長さの差を設ける。なお、他
の伝搬部材４ｂ、４ｃ、４ｅ、４ｆについても同様な考
え方で長さの差を設けマイクロ波の位相を各々ずらすよ
うにしておく。

【００２２】また、図７は、伝搬速度による位相差を発
生させる例を示す模式図である。この例では、各伝搬部
材４ａ〜４ｆ（図５参照）の長さは等しく設けられてい
るが、例えば、伝搬部材４ａにおける全体の誘電率と伝
搬部材４ｄにおける全体の誘電率とに差を設けるため、
伝搬部材４ｄの一部に遅延部材４０を取りつけてある。
これによって、伝搬部材４ａと伝搬部材４ｄとを伝搬す
るマイクロ波の伝搬速度に差が生じ、位相差を発生させ
ることが可能となる。

【００２３】このような伝搬部材４ａ〜４ｆを設けるこ
とで、第３実施例におけるプラズマ処理装置では、反応
室２１のプラズマ内において時間変化で磁界が回転する
状態となる。すなわち、６つに分割し伝搬部材４ａ〜４
ｆのうち相対向するものとの間でマイクロ波の位相を１
８０°ずらし、隣合うものとの間で１２０°づつ位相を
ずらすように設定すれば、３相モータの原理と同様にプ
ラズマ内の磁界が回転するようになる。

【００２４】図６は位相差による磁界の回転を説明する
模式図である。図６（ａ）に示すように伝搬部材４が一
体型の場合にはマイクロ波が同相で伝わるため、チャン
バ２の水平断面上において法線方向に向けた磁界が発生
する。このため、チャンバ２の中心部分では打ち消し合
う状態となる。一方、図６（ｂ）に示すように分割型の
伝搬部材４ａ〜４ｆから成る場合には、相対向する伝搬
部材４ａ〜４ｆとの間でマイクロ波の伝搬による位相に
１８０°のずれが生じているため、例えば伝搬部材４ａ
と４ｄとの間での磁界が一方向に合成させることにな
る。

【００２５】そして、この一方向に合成された磁界は、
マイクロ波の周波数に応じて回転する状態となる。磁界
が回転することで、プラズマはローレンツ力によって一
定方向に広がって回転するようになる。この回転によっ
てプラズマ密度の均一化を図ることが可能となる。さら
に、磁界が高周波で回転しているため、マックスウェル
の方程式で示される誘起電界が発生する。

【００２６】図９はプラズマ中の荷電粒子に働く力を説
明する模式図である。図９（ａ）に示すように、プラズ
マ中においては先に説明したような回転磁界（Ｂ）が発
生している。この回転磁界（Ｂ）の周りにはマックスウ
ェルの方程式で示される誘起電界（Ｅ2 ）が発生してい
る。プラズマのシース中の荷電粒子には、電極に印加さ
れる電界（Ｅ1 ）とこの誘起電界（Ｅ2 ）と、荷電粒子
の速度ｖに対するｖ×Ｂの３つの力が働くことになる。
すなわち、図９（ｂ）に示すように、荷電粒子に働く力
Ｆは、Ｆ＝ｑＥ1 ＋ｑＥ2 ＋ｖ×Ｂとなる。なお、ここ
でｑは電荷量を示す。つまり、この電界（Ｅ1 ）や誘起
電界（Ｅ2 ）を制御することで、シース中の荷電粒子の
運動方向を制御することができるようになる。

【００２７】従来の異方性エッチングでは、ウエハ１０
に対して略垂直な方向にのみエッチングが進行していた
が、第３実施例におけるプラズマ処理装置を用いること
で、斜め方向を含むエッチングを行うことが可能とな
る。なお、第３実施例におけるプラズマ処理装置では、
エッチング処理のみならずデポジション処理であっても
同様である。

【００２８】次に、本発明の第４実施例におけるプラズ
マ処理装置を説明する。図１０は第４実施例におけるプ
ラズマ処理装置１を説明する模式図である。すなわち、
このプラズマ処理装置１は、反応室２１を構成するチャ
ンバ２、マイクロ波を伝える導波管３を備える点で第１
〜第３実施例と同様であるが、チャンバ２の外側にマイ
クロ波の伝搬部材４が設けられ、さらにその外側にマイ
クロ波の反射部材５が設けられている点で相違する。

【００２９】このプラズマ処理装置１においては、マイ
クロ波は導波管３からチャンバ２を透過して反応室２１
内へ広がっていくとともに、チャンバ２の内側から外側
に向かうマイクロ波は反射部材５によって反射されるこ
とになる。ただし、チャンバ２と反射部材５との間には
伝搬部材４があるため、反射部材５のみの場合ほど反射
せず、伝搬部材４に沿って伝搬するものもある。つま
り、この伝搬部材４の厚さによって、チャンバ２の内側
へ反射するマイクロ波の量を調整することができるよう
になる。

【００３０】例えば、アルミニウム系金属から成る反射
部材５を数μｍ〜数ｍｍの厚さで形成し、フッ素系樹脂
から成る伝搬部材４を０．数ｍｍ〜１０ｍｍ程度の間で
厚さを調整して形成する。このように伝搬部材４の厚さ
を調整することにより、チャンバ２の内壁付近でのプラ
ズマ密度を適宜設定することが可能となり、処理条件等
によって変わる反応生成物の付着量やチャンバ２のエッ
チング量に対応した最適なプラズマ密度を生成すること
が可能となる。つまり、処理条件等に応じて伝搬部材４
の厚さを設定することでチャンバ２の内壁付近のプラズ
マ密度を調整することができ、これによってチャンバ２
内壁に与える影響を低減することが可能となる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のプラズマ
処理装置によれば次のような効果がある。すなわち、チ
ャンバの外側にマイクロ波の伝搬部材を設けることでチ
ャンバの内壁付近のプラズマ密度が高まり、エッチング
処理を行う際の反応生成物がチャンバ内壁に付着するの
を抑制できることになる。また、チャンバの外側にマイ
クロ波を反射させる反射部材を設けることで、チャンバ
の内壁付近のプラズマ密度を低下させ、エッチング処理
を行う際にチャンバ内壁がエッチングさせるのを防止で
きるようになる。しかも、チャンバの外側に伝搬部材と
反射部材とを設け、この伝搬部材の厚さを調整すること
によりチャンバ内壁付近のプラズマ密度を調整でき、処
理条件等に応じたチャンバへの影響を低減できることに
なる。これらによって、チャンバのクリーニング期間や
寿命が伸び、メインテナンス頻度を大幅に低減させるこ
とが可能となる。

【００３２】また、チャンバの外側に分割した伝搬部材
を配置し、各伝搬部材を伝搬するマイクロ波の位相を各
々ずらすようにすることで、プラズマ内の磁界が回転し
て誘起電界が発生し、これによりプラズマ密度の均一化
およびプラズマ内の荷電粒子の方向制御を行うことが可
能となる。つまり、ウエハ等の被処理体に対して均一な
処理および略垂直な方向のみならず斜め方向への加工を
施すことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を説明する模式図である。

【図２】マイクロ波の伝搬状態を説明する模式図であ
る。

【図３】他の例を説明する模式図である。

【図４】本発明の第２実施例を説明する模式図である。

【図５】本発明の第３実施例を説明する部分斜視図であ
る。

【図６】伝搬距離による位相差を説明する模式図であ
る。

【図７】伝搬速度による位相差を説明する模式図であ
る。

【図８】位相差による磁界の回転を説明する模式図で、
（ａ）は一体型、（ｂ）は分割型である。

【図９】荷電粒子に働く力を説明する模式図で、（ａ）
はプラズマ中の磁界、（ｂ）は荷電粒子に働く力を示し
ている。

【図１０】本発明の第４実施例を説明する模式図であ
る。

【図１１】従来例を説明する模式図である。

【符号の説明】

１プラズマ処理装置２チャンバ３導波管４伝搬部材５反射部材１０ウエハ２１反応室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｂ 9216−2Ｇ // Ｃ２３Ｃ 14/35 Ｆ (72)発明者坂内敏東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者千葉智博東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応室を構成するチャンバに対して所定
のマイクロ波を透過導入して該反応室内のプラズマ密度
を増加させるプラズマ処理装置であって、前記マイクロ波の一部を前記チャンバの内壁に沿って伝
搬させるための伝搬部材を前記チャンバの外側に備えて
いることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記伝搬部材はフッ素系樹脂から成るこ
とを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記伝搬部材が分割されているとともに
その各伝搬部材によって前記反応室の周辺を囲む状態と
なっており、しかも各伝搬部材を伝搬するマイクロ波の
位相を各々ずらしていることを特徴とする請求項１また
は請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記分割された各伝搬部材は、前記マイ
クロ波の伝搬方向に沿った長さが各々異なっていること
を特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記分割された各伝搬部材は、全体の誘
電率が各々異なっていることを特徴とする請求項３記載
のプラズマ処理装置。
【請求項６】反応室を構成するチャンバに対して所定
のマイクロ波を透過導入して該反応室内のプラズマ密度
を増加させるプラズマ処理装置であって、前記チャンバ内に導入されたマイクロ波のうち該チャン
バの外側へ向かうものを内側へ反射させるための反射部
材を該チャンバの外側に備えていることを特徴とするプ
ラズマ処理装置。
【請求項７】前記反射部材はアルミニウム系金属から
成ることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装
置。
【請求項８】反応室を構成するチャンバに対して所定
のマイクロ波を透過導入して該反応室内のプラズマ密度
を増加させるプラズマ処理装置であって、前記チャンバの外側に設けられ前記マイクロ波の一部を
伝搬させるための伝搬部材と、前記伝搬部材の外側に設けられ前記マイクロ波の一部を
反射させるための反射部材とを備えていることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項９】前記伝搬部材の厚さに応じて前記チャン
バの内壁近傍におけるプラズマ密度が設定されているこ
とを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理装置。