JPH0831593A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 導波管１５ａ、１５ｂと、導波管１５ａ、１
５ｂに接続され、誘電体線路１２を形成すべく配置され
た誘電体層１２ａ、１２ｂと、誘電体層１２ａ、１２ｂ
に中空層２４ａ、２４ｂを挟んで対向するマイクロ波導
入板２２ａ、２２ｂと、マイクロ波導入板２２ａ、２２
ｂで上面開口部が気密に封止された金属製反応容器１１
とを具備したプラズマ処理装置において、誘電体層１２
ａ、１２ｂ、中空層２４ａ、２４ｂ及びマイクロ波導入
板２２ａ、２２ｂがマイクロ波導入板支持体１２ｃによ
り分割され、複数の導波管１５ａ、１５ｂが分割された
それぞれの誘電体層１２ａ、１２ｂに接続されているプ
ラズマ処理装置。 【効果】 比較的安価な装置により、大面積の試料に均
一にプラズマ処理を施すことができ、プラズマ処理装置
を連続運転した場合でも、マイクロ波導入板２２ａ、２
２ｂの割れや誘電体線路１２の熱変形等を防止すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理装置に関
し、より詳細には半導体素子基板、液晶ディスプレイ用
ガラス基板等にプラズマを利用してエッチング、アッシ
ング、ＣＶＤ等の処理を施すのに適したプラズマ処理装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】反応ガスに外部から電磁波等のエネルギ
ーを与えた際に発生するプラズマは、ＬＳＩ製造プロセ
ス等において広く用いられている。特にプラズマを用い
たドライエッチング技術は半導体産業において不可欠の
基本技術となっている。

【０００３】一般に、プラズマを発生させるための励起
手段としては、１３．５６ＭＨｚの高周波が用いられて
いるが、マイクロ波を用いる方が低温で高密度のプラズ
マが得られ、装置の構成及び操作が簡単である等の利点
がある。しかし、従来のマイクロ波を用いたプラズマ処
理装置では、大きな面積に均一なプラズマを発生させる
ことが困難であるため、大口径の半導体基板を均一に処
理することが困難であった。

【０００４】これに対して、大きな面積に均一にマイク
ロ波プラズマを発生させることが可能なプラズマ処理装
置として、本出願人が特開昭６２−５６００号公報、及
び特開昭６２−９９４８１号公報において提案した誘電
体線路を利用する方式が知られている。このプラズマ処
理装置は反応容器の上面開口部がマイクロ波の透過が可
能なマイクロ波導入板で封止され、その上方にマイクロ
波が導入される誘電体線路が形成された構成となってい
る。

【０００５】図４はこの種のプラズマ処理装置の一例を
模式的に示した断面図であり、図中、１１は中空直方体
形状の金属製反応容器を示している。この反応容器１１
はステンレス等の金属を用いて形成され、その周囲壁は
二重構造となっており、その内部は冷却水流通室１８と
なっている。そして、装置の作動中はこの冷却水流通室
１８に冷却水が流通して反応容器１１の周囲が冷却され
る。

【０００６】また反応容器１１の上部はプラズマ生成室
２０となっており、プラズマ生成室２０の上部はマイク
ロ波の透過性及び耐熱性を有する石英ガラス、パイレッ
クスガラス、アルミナセラミックス等の誘電体板を用い
て形成されたマイクロ波導入板３４が配設され、このマ
イクロ波導入板３４により反応容器１１の内部が冷却水
流通室１８の上部壁１８ａに配置されたＯリング（図示
せず）を介して気密状態に封止されている。プラズマ生
成室２０の下方にはメッシュ構造の仕切り板１７を介し
て反応室２１が形成されており、反応室２１内にはマイ
クロ波導入板３４と対向する箇所に試料Ｓを載置するた
めの試料台２３が配設されている。また反応室２１の下
部壁には図示しない排気装置に接続された排気口１４が
形成されており、プラズマ生成室２０の一側壁には反応
容器１１内に所要の反応ガスを供給するためのガス供給
管１９が接続されている。

【０００７】一方、反応容器１１の上方には誘電体線路
３２が配設されており、誘電体線路３２の上部にはアル
ミニウム（Ａｌ）等を用いて形成された金属板３２ａが
配設され、金属板３２ａ下面には誘電体層３２ｂがボル
ト等で固定されている。この誘電体層３２ｂは誘電損失
の小さいフッ素樹脂、ポリエチレンあるいはポリスチレ
ン等を用いて形成されている。金属板３２ａ及び誘電体
層３２ｂからなる誘電体線路３２には導波管１５を介し
てマイクロ波発振器１６が連結されており、マイクロ波
発振器１６からのマイクロ波が導波管１５を介して誘電
体線路３２に導入されるようになっている。

【０００８】このように構成されたプラズマ処理装置を
用い、例えば試料台２３上に載置された半導体基板等の
試料Ｓ表面にアッシング処理やエッチング処理等を施す
場合、まず排気口１４から排気を行なって反応容器１１
内を所要の真空度に設定した後、ガス供給管１９からプ
ラズマ生成室２０内にＯ₂ 、Ａｒ、ＣＦ₄ 等の反応ガス
を供給する。また装置の作動中は、冷却水を冷却水流通
室１８に流して反応容器１１周辺を冷却する。次いで、
マイクロ波発振器１６を作動させてマイクロ波を発振さ
せ、このマイクロ波を導波管１５を介して誘電体線路３
２に導入する。これにより誘電体線路３２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板３４を通
過してプラズマ生成室２０内に導入される。一方、ガス
供給管１９から供給されたガスは、プラズマ生成室２０
内に導入され、マイクロ波の照射によりプラズマ化され
る。このプラズマのうち電気的に中性のラジカルが主に
メッシュ状の仕切り板１７を透過して反応室２１内に広
がり、試料台２３に載置された試料Ｓの表面に到達して
アッシング処理やエッチング処理等が行なわれることに
なる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
プラズマ処理装置において、さらに大面積（例えば５０
０ｍｍ×５００ｍｍ）にプラズマを発生させる場合、誘
電体線路３２の面積を単純に大きくするだけでは、マイ
クロ波のパワー密度が誘電体線路３２の面積に反比例し
て小さくなってしまう。そこで、例えばプラズマ発生面
積を２倍にする場合、エッチング等の処理において同じ
処理速度を得ようとすれば、マイクロ波のパワーも２倍
にする必要がある。そして、このような構成の装置とす
ることにより同じマイクロ波のパワー密度を得ることが
でき、エッチング処理速度も同じになる。しかし、マイ
クロ波の電源を２倍の容量にするためには、マイクロ波
発振器自体を改造する必要があり、これにより装置が非
常に高価なものとなり、装置自体も大きくなってしまう
という課題があった。

【００１０】また前述したように、大面積のプラズマを
発生させるには、誘電体線路３２を大きくする必要があ
るが、それに伴い、マイクロ波導入板３４や試料台２３
の面積も大きくする必要があり、反応容器１１の体積も
大きくする必要がある。特に、液晶ディスプレイの製造
用として用いる場合には、処理基板の面積が４００ｍｍ
×４００ｍｍ以上になる場合が多く、誘電体線路３２や
マイクロ波導入板３４等もそれ以上の面積が必要とな
る。この場合は、以下のような点について問題があっ
た。

【００１１】まず、誘電体線路３２が大面積化されると
誘電体層３２ｂが重くなるため、誘電体線路３２上部の
金属板３２ａと誘電体層３２ｂとの接着が容易ではなく
なり、マイクロ波パワーを印加した場合、誘電体層３２
ｂに不均一な温度分布が発生し易くなる。そのため、誘
電体線路３２の変形やプラズマ処理速度の不安定化が生
じ易くなるという課題があった。

【００１２】また、大面積のマイクロ波導入板３４で反
応容器１１内部を真空に保持するために十分な機械的強
度を有するものを作製しようとすれば、マイクロ波導入
板３４の厚さをかなり厚くしなければならず、この場合
にマイクロ波導入板３４自体がかなり重くなり、かつ高
価になる。さらに、マイクロ波導入板３４が厚くなる
と、反応容器１１内部のガスプラズマと接する面は、こ
のガスプラズマにより加熱されるために温度上昇が大き
いが、大気に接する側の面ではあまり温度は上がらな
い。これは、通常マイクロ波導入板３４の熱伝導率が小
さいからであるが、このようなマイクロ波導入板３４の
両面での大きな温度差により、マイクロ波導入板３４に
大きな歪が発生し、割れ等が生じ易くなるという課題が
あった。

【００１３】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、液晶ディスプレイ用ガラス基板のように大面
積の基板を均一にプラズマ処理することができ、長期の
連続運転が可能であり、かつ比較的安価なプラズマ処理
装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波導入路
と、該マイクロ波導入路に接続され、マイクロ波導波路
を形成すべく配置された誘電体層と、該誘電体層に中空
層を挟んで対向するマイクロ波導入板と、該マイクロ波
導入板で上面開口部が気密に封止された金属製反応容器
とを具備したプラズマ処理装置において、前記誘電体
層、前記中空層及び前記マイクロ波導入板が金属板によ
り分割され、複数のマイクロ波導入路が分割されたそれ
ぞれの誘電体層に接続されていることを特徴としてい
る。

【００１５】

【作用】本発明に係るプラズマ処理装置によれば、誘電
体層、中空層及びマイクロ波導入板が金属板により分割
され、複数のマイクロ波導入路がそれぞれ分割された誘
電体層に接続されている。このため、分割された１個当
たりの誘電体層の面積が小さくて済むので、上部の金属
板との接着が容易となり、動作時の誘電体層の温度分布
も発生しにくくなる。また、マイクロ波導入板に関して
も、分割された１枚当たりのマイクロ波導入板の面積が
小さくなるので、反応容器内部の真空に耐え得る機械的
強度が小さくて済み、そのためにマイクロ波導入板の厚
さを薄くすることができる。これにより、マイクロ波導
入板のプラズマ生成室側面の温度と中空層側面の温度と
の差が小さくなり、マイクロ波導入板に加わる熱ひずみ
も小さくなるため、熱歪により割れが発生する虞れがな
くなる。

【００１６】プラズマを発生させる場合、個々のマイク
ロ波発振器より発生したマイクロ波はマイクロ波導入路
を介して、誘電体層を含むマイクロ波導波路内に導入さ
れる。本発明に係るプラズマ処理装置では、誘電体層、
中空層及びマイクロ波導入板は、金属板により複数個に
分割されており、マイクロ波はこの金属板により遮断さ
れるので、個々のマイクロ波発振器から導入されたマイ
クロ波は混合されることなく、それぞれのマイクロ波導
波路内で電界が形成され、それぞれのマイクロ波導入板
を通過して金属製反応容器内のガスをプラズマ化する。
この場合、マイクロ波導入板等を分割している金属板の
真下のごく近い部分ではプラズマは発生しないが、マイ
クロ波導入板から離れるに従ってプラズマが横方向にも
拡散し、マイクロ波導入板よりある程度離れた領域で
は、十分均一なイオン電流密度分布を有するプラズマが
生成される。また従来の構成のプラズマ処理装置を単純
に大きくすると、マイクロ波発振器、マイクロ波導入板
等の個々の部品が非常に高価になるが、本発明のような
装置の構成とすれば、個々のマイクロ波導入板等の価格
自体が安価になり、装置のトータルの価格が低く抑えら
れる。

【００１７】このように、上記構成のプラズマ処理装置
によれば、個々のマイクロ波導入板、マイクロ波導波路
等の面積を大きくすることなく大面積のプラズマを発生
させることができ、比較的安価な装置で大面積の基板に
均一にプラズマ処理が施こされる。また、長期の連続運
転に対しても、マイクロ波導入板の割れ等の故障が生じ
にくくなる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係るプラズマ処理装置の実施
例を図面に基づいて説明する。

【００１９】図１は実施例に係るプラズマ処理装置を模
式的に示した縦断面図であり、図２はその平面図であ
る。

【００２０】図１及び図２に示した実施例に係るプラズ
マ処理装置において、前記装置を構成する各部品の基本
的な材質、機能、動作等は、従来の技術で説明したプラ
ズマ処理装置と同様であるので、ここでは個々の構成部
品についての詳しい説明は省略し、従来のプラズマ処理
装置と異なる箇所についてのみ説明する。

【００２１】実施例に係るプラズマ処理装置は２個のマ
イクロ波発振器（図示せず）を備えており、それぞれの
マイクロ波発振器はマイクロ波導入路である導波管１５
ａ、１５ｂを介してマイクロ波導波路である誘電体線路
１２に接続されている。この誘電体線路１２を構成する
誘電体層１２ａ、１２ｂは金属製のマイクロ波導入板支
持体１２ｃにより２つに分割されており、同様に中空層
２４ａ、２４ｂ、マイクロ波導入板２２ａ、２２ｂもマ
イクロ波導入板支持体１２ｃによりそれぞれ２つに分割
されている。そして、分割されたそれぞれのマイクロ波
導入板２２ａ、２２ｂは、冷却水流通室１８の上部壁１
８ａ及びマイクロ波導入板支持体１２ｃに配置されたＯ
リング（図示せず）を介して気密状態に封止されてい
る。

【００２２】次に、このように構成されたプラズマ処理
装置の動作について説明する。反応容器１１内の試料台
２３上に半導体基板等の試料Ｓを載置し、反応容器１１
内のガスを排気して反応容器１１内を所定の圧力に設定
した後、ガス供給管１９ａ、１９ｂからＣＦ₄ 、Ｏ₂ 、
Ａｒ等のガスを供給する。このとき同時に、２つのマイ
クロ波発振器から導波管１５ａ、１５ｂ、誘電体線路１
２（誘電体層１２ａ、１２ｂ）、マイクロ波導入板２２
ａ、２２ｂを介してマイクロ波をプラズマ生成室２０内
に導入する。誘電体層１２ａ、１２ｂ等を分割している
マイクロ波導入板支持体１２ｃは金属製であり、マイク
ロ波を遮断するので、個々のマイクロ波発振器より発振
されたマイクロ波は互いに混合されることはなく、別々
にプラズマ生成室２０内に導入され、ガスプラズマを発
生させる。プラズマ生成室２０内のマイクロ波導入板支
持体１２ｃにごく近い部分においては、プラズマは殆ど
発生しないが、マイクロ波導入板２２ａ、２２ｂから離
れるに従ってプラズマは横方向にも拡散するので、試料
台２３を適切な位置に配設すれば、試料Ｓに均一にプラ
ズマ処理を施すことができる。

【００２３】次に、上記構成のプラズマ処理装置で発生
させたプラズマの均一性を評価するために、反応容器１
１内のプラズマのイオン電流密度分布を測定した。な
お、前記プラズマ処理装置において、マイクロ波導入板
支持体１２ｃのマイクロ波導入板２２ａ、２２ｂを支持
している部分の幅は８０ｍｍであり、石英ガラス製のマ
イクロ波導入板２２ａ、２２ｂの寸法は２５０ｍｍ×５
００ｍｍ×２０ｍｍであった。従って、２つのマイクロ
波導入板２２ａ、２２ｂの総面積は５００×５００ｍｍ
であった。また、誘電体層１２ａ、１２ｂは、３００ｍ
ｍ×５００ｍｍ×２０ｍｍの寸法のフッ素樹脂を用い
た。

【００２４】このような構成のプラズマ処理装置で、プ
ラズマガスとしてＡｒをガス供給管１９ａ、１９ｂから
導入し、反応容器１１内の圧力を１０ｍＴｏｒｒ、マイ
クロ波電力３ｋＷに設定して、両方からプラズマを発生
させた。

【００２５】図３は、反応容器１１内の所定位置におけ
るイオン電流密度分布を示したグラフである。図３に示
されている面内位置とは、マイクロ波導入板２２ａ、２
２ｂに平行な面で、マイクロ波導入板２２ａ、２２ｂよ
り試料台２３の方向に１００ｍｍ離れた面内の位置を示
しており、図２に示したＰ点を原点に、Ｐ点よりそれぞ
れｘ軸方向及びｙ軸方向（同じく図２に示す）に所定の
距離離れた位置を示している。図３に示されている結果
からも明らかなように、マイクロ波導入板支持体１２ｃ
から１００ｍｍ離れた面においては、プラズマは十分に
拡散され、マイクロ波導入板支持体１２ｃの影響はなく
なり、均一なイオン電流密度分布となり、試料Ｓに均一
にエッチング処理、又はアッシング処理を施すことがで
きる。

【００２６】次に、プラズマの発生条件を前記条件と同
様に設定し、プラズマ処理装置の運転を、５分放電、１
分停止を１サイクルとして２５回繰り返したが、マイク
ロ波導入板２２ａ、２２ｂに割れが発生するようなこと
はなく、温度分布も均一で処理速度も安定する。

【００２７】このように、実施例に係るプラズマ処理装
置にあっては、反応容器１１内のプラズマ処理が可能な
面において、約４８０×４８０ｍｍの広い領域で均一な
イオン電流密度分布が得られ、液晶ディスプレイ用ガラ
ス基板等の大面積の基板にも十分均一にエッチング処理
等のプラズマ処理を施すことができることが確認され
た。

【００２８】なお、上記実施例においては、誘電体層１
２ａ、１２ｂ等が二つに分割され、マイクロ波発振器等
を２個備えたプラズマ処理装置について説明したが、別
の実施例では誘電体層等が３つ以上に分割され、分割さ
れた数と同数のマイクロ波発振器等を備えたものであっ
てもよい。また上記実施例においては、２個のマイクロ
波発振器及び導波管１５ａ、１５ｂが誘電体線路１２を
挟んで一直線上に並んだ構成となっているが、さらに別
の実施例では２個のマイクロ波発振器及び導波管１５
ａ、１５ｂが隣接して２つの平行線上に配設されたもの
であってもよい。

【００２９】そして、このような構成のプラズマ処理装
置とすることにより、プラズマ処理可能なトータルの面
積は増大し、より大面積の基板等に均一にエッチング処
理等を施すことができる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るプラズ
マ処理装置にあっては、マイクロ波導入路と、該マイク
ロ波導入路に接続され、マイクロ波導波路を形成すべく
配置された誘電体層と、該誘電体層に中空層を挟んで対
向するマイクロ波導入板と、該マイクロ波導入板で上面
開口部が気密に封止された金属製反応容器とを具備した
プラズマ処理装置において、前記誘電体層、前記中空層
及び前記マイクロ波導入板が金属板により分割され、複
数のマイクロ波導入路が分割されたそれぞれの誘電体層
に接続されているので、比較的安価な装置により、大面
積の試料に均一にプラズマ処理を施すことができる。ま
た前記プラズマ処理装置を連続運転した場合において
も、マイクロ波導入板の割れや誘電体線路の熱変形等の
故障の発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置を模式
的に示した縦断面図である。

【図２】実施例に係るプラズマ処理装置を模式的に示し
た平面図である。

【図３】反応容器内のイオン電流密度分布を示したグラ
フである。

【図４】従来のプラズマ処理装置の一例を模式的に示し
た断面図である。

【符号の説明】

１１ 反応容器 １２ 誘電体線路 １２ａ、１２ｂ 誘電体層 １２ｃ マイクロ波導入板支持体 １５ａ、１５ｂ 導波管 ２２ａ、２２ｂ マイクロ波導入板 ２４ａ、２４ｂ 中空層

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/3065

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波導入路と、該マイクロ波導入
   路に接続され、マイクロ波導波路を形成すべく配置され
   た誘電体層と、該誘電体層に中空層を挟んで対向するマ
   イクロ波導入板と、該マイクロ波導入板で上面開口部が
   気密に封止された金属製反応容器とを具備したプラズマ
   処理装置において、前記誘電体層、前記中空層及び前記
   マイクロ波導入板が金属板により分割され、複数のマイ
   クロ波導入路が分割されたそれぞれの誘電体層に接続さ
   れていることを特徴とするプラズマ処理装置。