JPH09106900A

JPH09106900A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH09106900A
Application number: JP8124351A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yoshioka; 健吉岡; Saburo Kanai; 三郎金井; Tetsunori Kaji; 哲徳加治; Ryoji Nishio; 良司西尾; Manabu Edamura; 学枝村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 1997-04-22
Anticipated expiration: 2016-05-20
Also published as: JP3355926B2

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロ波のプラズマによる装置においては、
大電力のマイクロ波が伝送出来ず、工業的に要求される
レベルの高密度プラズマを生成できないという課題が有
った。また、高周波のプラズマにより処理をする装置に
おいては、異物を生じさせることなく、ウエハ面上に均
一なプラズマを形成できない課題が有った。【解決手段】同軸導波管３で送られてきたマイクロ波を
平行ディスク導波管４で拡大し、拡大同軸部５から放射
する。あるいは、高周波を通じるループアンテナ（３）
と、ループアンテナ（３）をとり囲んで構成された空洞
共振器（４），空度共振器（４）のプラズマに面する側
に２重構造スリット（５）を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理方法
及びプラズマ処理装置に係り、特にマイクロ波や１０〜
１０ＯＭＨｚ帯の高周波を用いてプラズマを発生させ、
該プラズマを用い半導体基板（以下ウェハと略）等の試
料を処理するのに好適なプラズマ処理方法及びプラズマ
処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、マイクロ波を処理室内に導入
し、プラズマを発生させる装置においては、特に試料の
被処理面上でのプラズマ密度分布か均一であることが、
エッチング等処理の均一性を確保する上で重要である。
このためには、従来のプラズマ処理装置としては、例え
ば、文献Ａ．「応用物理学会１９９４秋、１９ｐ−ＺＶ
−４」あるいは、文献Ｂ．「応用物理学会１９９４秋、
１９ｐ−ＺＶ−６」にあるように、マイクロ波を処理室
上面からリング状に放射し、これによりプラズマの発生
をリング状に行うことによって、結果としてウェハ面上
で均一なプラズマ分布を得る方法がある。これは、プラ
ズマが発生場所からウェハ方向に輸送されるに従って拡
散する性質があるためである。又、最終的にはエッチン
グ速度そのものの均一性が要求されるのであるが、その
場合、プラズマ密度分布は均一よりも凹型分布の方が良
好であったり、凸型の方が良好であったりするので、そ
の調整手段を持っていることが望ましい。

【０００３】また、同じくプラズマをリング状に作ろう
とする手段として、例えば特開平６−１１２１６１号公
報記載のものがある。

【０００４】一方において近年、特開平３−７９０２５
号公報に代表される誘導結合ＲＦ（高周波）プラズマ源
は、ＣＶＤやエッチング用のプラズマ源として多用され
ている。これは、コンパクトな構成でありながら、マイ
クロ波ＥＣＲプラズマ源と同等の高密度（１０¹¹〜１０
¹²ｃｍ³）と低圧動作（１〜１０ｍＴｏｒｒ）を可能に
したものである。この方式においても、マイクロ波の場
合と同様にプラズマの均一性を確保する手段が求められ
ると同時に、下記に述べる壁面スパッタによる異物発生
の問題を解決していく必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本項目では、まずマイ
クロ波のプラズマ均一性に関する課題を述べる。上記従
来技術の文献Ａ，文献Ｂは、リング状プラズマ放射手段
を有しており、均一プラズマを作るのに適した構成とな
っているが、到達プラズマ密度が

【０００６】

【数１】

【０００７】と低いレベルに留まっており、工業的に必
要なレベル

【０００８】

【数２】

【０００９】に達していない。これは、両者ともマイク
ロ波の出口部に永久磁石による局所磁場を用いているた
めにマイクロ波の吸収効率が最適ではないこと、大電力
マイクロ波が透過出来るよう、マイクロ波伝送路設計が
最適化されていないことが原因と考えられる。又、従来
技術の文献Ａの例だと、プラズマ処理室内に複雑な三次
元形伏した構造物が導入されることになり、異物発生の
原因となる。また、従来技術の特開平６−１１２１６１
号公報は、同軸線路をテーパー状に開く構成となってお
り、マイクロ波放射部が大型化する構造となっている。

【００１０】つぎに、高周波の場合のプラズマ均一化と
異物制御の課題について述べる。上記従来の方式（特開
平３−７９０２５）は、真空チャンバの内面がイオン衝
撃によりスパッタされ、削れを起こしてしまいウェハに
対する異物の増加や真空チャンバ内部品の交換頻度が大
きい、プラズマがチャンバ内において、中心集中傾向で
プラズマの均一性が充分でない等の問題を有していた。

【００１１】この内壁スパッタは、真空チャンバの外側
に置かれた誘導コイルが、プラズマと本来の目的である
誘導的結合する以外に、部分的に静電結合してしまい、
この静電結合によってイオンが内壁に向かって加速され
スパッタを起すとされている。そこで、このスパッタリ
ングを抑えるために、誘導コイルと真空チャンバとの間
に、ファラデーシールドと呼ぶ、すのこ状導体を導入
し、静電結合成分を除去しようという試みがあるが、そ
の効果は完全ではなく、スパッタによる削れが依然とし
て問題となっている。

【００１２】（例えば、Y.Hikosaka, et, al, “Free R
adicals in an Inductively CoupledEtching Plasma",
Jpn. J. APPl. Phys. Vo133 (1994) pp2157-2163 Part
1, No4B, April 1994）また、特開平３−７９０２５の方式では、プラズマの生
成領域がチャンバ上面の全面にわたるため、上述したプ
ラズマの拡散効果と相まって、試料ウェハ上ではプラズ
マは中央集中となってしまっていた。

【００１３】また、この従来技術（特開平３−７９０２
５）のプラズマ処理装置の別の問題として、プラズマの
着火性と、安定性の問題があった。誘導方式によってプ
ラズマを点火しようとする場合、処理室の上面を誘電体
材料で構成し誘導コイルが作る磁束が処理室内部に入る
ようにしておく必要があるが、このため誘電体材料の肉
厚を厚くする必要があり（真空力をもたせるため）その
結果誘導コイルとプラズマ上面との距離が大きくなって
しまいプラズマの着火性と安定性が急激に悪くなる。

【００１４】第３の問題として、上記厚手誘電体を用い
ざるを得ないことから試料に平行な対向接地電極を持ち
にくい構造となっていることが挙げられる。一般に、エ
ッチャーやＣＶＤでは試料載台置に、高周波バイアスを
印加して処理の高精度化を図るが、試料に平行な対向接
地電極がない場合には、処理が不均一になってしまう。
すなわち、接地電極が、チャンバの側壁にある場合、高
周波バイアス回路のうちプラズマを通る部分の距離が、
ウェハ中央とウェハ外周とで異なってしまいウェハへの
バイアスのかかり方が均等でなくなる。とくに、ウェハ
が大口径（８インチ→１２インチ）にすると、この課題
は顕著になる。

【００１５】第４の問題として、誘導ＲＦコイルは入力
インピーダンスが高く、給電端が高電圧となって異常放
電を起したり、静電結合成分が増えてスパッタリングを
起したり、マッチングがとれにくくなって放電不安定を
起したり、着火性を阻害したりと種々の悪影響がある。

【００１６】本発明の目的は、コンパクトなリング状マ
イクロ波放射手段により、均一プラズマを生成すると同
時に大電力を伝送し、工業的に要求されるレべルの高密
度プラズマを生成でき、かつウェハ面上の均一性が調整
可能なプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供す
ることにある。

【００１７】また、本発明の他の目的は、処理室内に異
物発生の原因となるような構造とせず、かつウェハ面上
の均一性が調整可能なプラズマ処理方法及び装置を提供
することにある。とくに、高周波プラズマの場合問題と
なる４つの課題（１）静電結合成分の除去によるスパッタ信頼性の向上（２）プラズマとＲＦアンテナとの近接（３）対向接地電極の設置（４）コイルの低インピーダンス化を同時に、あるいは部分的に解決できる新しい原理に基
づく電磁結合プラズマ処理装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、試料をプラ
ズマ処理時、該プラズマの密度分布を独立に制御する。
望ましくは、前記プラズマの密度分布をＥＣＲ位置調
節、あるいは磁場勾配により独立制御する。

【００１９】さらに、望ましくは、前記試料の材質に基
づき、前記プラズマの密度分布を制御する。

【００２０】さらに、望ましくは、プラズマ密度分布、
ガス分布、バイアス分布をそれぞれ独立に制御すること
により、試料を均一に処理する。

【００２１】また、上記目的は、マイクロ波導入装置
と、垂直静磁界を発生する磁場コイルと、導入されたマ
イクロ波プラズマを発生する処理室と、処理室にガスを
供給するガス供給装置と、ウエハを保持する試料台と、
処理室を真空排気する真空排気装置から成るプラズマ処
理装置において、前記マイクロ波導入装置は、マイクロ
波を、同軸ＴＥＭモードで伝送することを特徴とする。

【００２２】望ましくはマイクロ波導入装置と垂直静磁
界を発生する磁場コイルと、導入されたマイクロ波プラ
ズマを発生する処理室と、処理室にガスを供給するガス
供給装置と、ウエハを保持する試料台と、処理室を真空
排気する真空排気装置から成るプラズマ処理装置におい
て、前記マイクロ波導入装置は、同軸導波管変換器と、
小径同軸導波管と、平行平板ディスク状導波管と、拡大
同軸導波管と、マイクロ波導入真空窓とで構成される。

【００２３】望ましくは、小径同軸導波管インピーダン
スＺ０（＝６０１ｎ（Ｒ３／Ｒ４））、Ｒ３：同軸管外
導体半径、Ｒ４：同軸管内導体半径）と、ディスク導波
管との接合部におけるディスク導波管側のインピーダン
スＺ１（＝６０ｂ／Ｒ３、ｂ：平行ディスク間距離）と
が一致し、かつ拡大同軸導波管インピーダンスＺ２（＝
６０１ｍ（Ｒ２／Ｒ１）、Ｒ２：同軸管外導体半径、Ｒ
１：同軸管内導体半径）と、ディスクとの接合部におけ
るディスク導波管側のインピーダンスＺ１（＝６０ｂ／
Ｒ１）とが一致するようＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、ｂを
選んだことを特徴とする。

【００２４】望ましくは、拡大同軸導波管の外径Ｒ２
が、マイクロ波真空窓に接続する処理室の内径Ｒ５より
も小さくなるように（Ｒ２＜Ｒ５）したことを特徴とす
る。

【００２５】望ましくは、使用するマイクロ波としては
周波数が５００ＭＨｚから５ＧＨｚの範囲であることを
特徴とする。

【００２６】望ましくは、使用するマイクロ波として、
周波数の異なる複数のマイクロ波源を同時に使用するこ
とを特徴とする。

【００２７】望ましくは、使用するマイクロ波として、
周波数が可変のマイクロ波源を使用することを特徴とす
る。

【００２８】望ましくは、真空窓部のうち、マイクロ波
放射部に相当する部分（Ｒ１＜Ｒ＜Ｒ２）以外の部分の
プラズマに接する部分に、アース導体板あるいはＳｉや
ＳｉＣなどの半導体板を設置したことを特徴とする。

【００２９】望ましくは、マイクロ波放射部に相当する
部分（Ｒ１＜Ｒ＜Ｒ２）以外の部分を利用して磁場コイ
ルあるいは永久磁石を設置したことを特徴とする。

【００３０】望ましくは、平行平板ディスク状導波管
は、小径と大径の二つのリング状開口部を持ちそれぞれ
の閉口部に対して、拡同軸導波管が接続された構成をと
ることを特徴とする。

【００３１】望ましくは、二つ拡大同軸管へのマイクロ
波のパワー配分が可変と出来る手段を有することを特徴
とする。

【００３２】また、上記した第２の目的群、すなわち高
周波誘導プラズマに対する均一性確保と壁面スパッタ除
去手段提供に関しては、本発明では誘導結合型ＲＦコイ
ルに代わって、電磁結合型ＲＦアンテナシステムを用い
る。ＲＦアンテナシステムとは、導体で囲まれた閉じた
空間内に高周波電流を流す中心導体を配し、閉じた空間
のプラズマに面する側には、中心導体プラズマを直視す
ることのないように巧妙に開けられたスリットを有して
いる。中心導体と閉じた空間は、電磁的に共振状態とな
るように、空洞共振器形成している。空洞共振器内か
ら、スリットを介してもれ出した電磁波は、プラズマ中
に伝播しプラズマを発生させる。このような、共振空洞
を用いた電磁結合方式により原理的に従来技術に見られ
たような、静電結合成分の発生は完全に除去することが
出来、スパッタや壁削れ等の問題をなくすことが出来る
と同時に、上記した４つの課題を解決する構造を実現す
ることが出来る。

【００３３】望ましくは、本アンテナシステムは、真空
チャンバを構成する誘導体窓のむこう側ではなく、こち
ら側に設置されることを特徴とする。

【００３４】望ましくは、スリット導体は電位的にフロ
ーティングと接地電位とが切り替えられることを特徴と
する。

【００３５】同軸リング状にマイクロ波を放射し、電子
サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を起こすための静磁場の
強度（マイクロ波２．４５ＧＨｚを用いる場合、Ｂ＝８
７５ｇａｕｓｓ）を調整すれば、プラズマ発生領域（す
なわち電子サイクロトロン共鳴位置）がリング放射源の
直下となり、リング状にプラズマが発生する。プラズマ
は拡散するので、ウェハ上に輸送された時には均一なプ
ラズマ分布となる。

【００３６】同軸リングの直径を変えるかリング放射源
を二重とし、それぞれからのマイクロ波放射強度を変え
れば、ウェハ面上のプラズマ均一度を変えることができ
る。すなわち、二重リングのうち内周側に強くすれば中
心集中寄り、外周側に強くすれば外周集中寄りの分布と
なる。

【００３７】マイクロ波はリング放射器を出たあと、す
ぐにプラズマに吸収されないようにＥＣＲ共鳴位置を下
げれば、マイクロ波強度分布が拡散し、そののちプラズ
マに吸収されるので、ウェハ面上のプラズマ均一性が可
変となる。すなわち、静磁場強度を変えることによって
も均一度を変えることができる。

【００３８】本発明は、リング状マイクロ波放射源を真
空導入窓を介して大気側に設置するので放射源そのもの
に起因する異物発生の懸念はなくなる。

【００３９】リング放射器を用いるので、放射器の中央
部にはウェハ対向電極を設置することができる。すなわ
ち、従来のＥＣＲ型マイクロ波プラズマ処理装置は、ウ
ェハに対向する位置に電極を設置できにくい構造となっ
ており、高周波バイアスが均等にかかりにくかったが、
本発明によればこれを解決することができる。又、この
中央部分には処理ガス吹き出しのためのガス配管や、処
理プラズマ中の過剰なラジカルを吸収するための部材
（例えばフッ素ラジカルに対するＳｉプレートスカベン
ジャ−）を設置することもできる。

【００４０】又、マイクロ波リング放射源をプラズマ処
理室の内壁側壁から離れた位置に設置するようにすれ
ば、プラズマ発生位置が壁に直接触れることがなくな
り、高解離ラジカルの堆積による異物発生や、側壁材料
の損傷を避けることができる。

【００４１】また、高周波型プラズマの場合について下
記に説明する。上記の電磁結合型プラズマ発生の原理
を、図を用いて、より詳細に説明する。

【００４２】図２（ａ）は本発明の原理を示す説明図で
ある。図２（ａ）において、ＲＦ電源１はマッチングボ
ックス２を介して、ループアンテナ本体３に導かれてい
る。ループアンテナは、空洞共振器４で四方をとり囲ま
れており、そのプラズマに面する側の面のみスリット５
があいている。図２（ｂ）には、この縦断両を示すが、
スリット５は二層のスリットが、交互に重ならないよう
に配した構成となっており、これによってアンテナ本体
３がプラズマを直視することなく、かつアンテナが放出
する電磁波成分のみをプラズマ側に伝播させることが出
来るようになっている。この様子をさらに、詳細に説明
する。図２（ａ）（ｂ）を参照して、アンテナ導体には
交流１が流れるとする。戻り電流Ｉ′は、ネジ止めされ
ている空洞共振器の側板および、背板を通って戻る。
（電流は、スリット部には流路形成しないので流れな
い。）このアンテナ電流Ｉと戻り電流Ｉ′によって、交
流磁界Ｈが生成され、その一部が、スリットを介して外
部に漏れ出す。この外部に漏れた磁界が、マックスウェ
ルの電波伝播則に従って、電界Ｅのリングと次の磁界の
リング（図示されていない）を、次々と、互いに直交す
る形で形成されプラズマ６の方向に伝わる。このよう
に、本発明では閉空間のアンテナ室から放射される電磁
波成分のみをプラズマに結合させ、一般にアンテナ単体
から放射され得る静電結合成分などのスプリアス成分を
放射することがないので、異常放電や、イオン異常加速
による構造部材のスパッタリングを防止することが出
来、信頼性のあるプラズマ源を形成することが出来る。

【００４３】この空洞共振器による閉空間構造は、第２
の利点がある。閉空間以外の空間に、金属導体を設置し
ても、電波のプラズマへの放射は影響を本質的に受けな
い。従来技術における誘導コイルは、近傍に導体板を不
用意に置くと磁束がそこでさえぎられてしまい、プラズ
マ発生が出来ない問題があったが、本発明はそれを解決
できる。すなわち、対向接地電極を置きやすい構造とな
る。

【００４４】この空洞共振器による閉空間構造は、第３
の利点がある。アンテナの入力インピーダンスを下げる
ことが出来る。従来誘導コイルのアンテナインピーダン
スは、コイルのインダクタンスＬでほぼ決まり、ｊωＬ
（ωは角周波数）となる。閉空間構造においては、アン
テナモジュールは一種の同軸分布定数線路を形成してお
り、そのインピーダンスは次式で与えられる。

【００４５】

【数３】

【００４６】ここでＣは中心導体と空洞共振器内壁との
間のキャパシタンスであり、構造上の工夫によって、Ｃ
を大きく、したがってインピーダンスを小さくすること
が出来る。同時に、中心導体そのものも偏平な形状にす
ることが可能なので、Ｌの値を小さく、インピーダンス
を小さくすることが出来る。また、本構成は分布定数系
であるのでアンテナ長（実効）と印加周波数を適当に選
べば、終電端のインピーダンスを純抵抗に近づけること
が可能で、インピーダンスマッチングを容易に出来る。
この空洞共振器による閉空間構造によれば、より重要な
第４の利点がある。それは、プラズマの均一性確保によ
り明確な効果を発揮する点にある。これを図を用いて説
明する。図３（ｂ）は、この従来技術を改良し、リング
状プラズマ発生となるようにＲＦコイルの巻き方を、周
辺巻きにした容易に類推可能な改良案、図３（ｃ）は、
本発明の空洞共振型によるものである。

【００４７】すでに述べたように図３（ａ）の従来技術
では、誘導コイル３が生成する磁力線Ｈのパターンが中
央に寄っているため、電磁誘導の法則で形成される誘導
電場Ｅも中央寄りとなって、均一なプラズマが作れな
い。

【００４８】図３（ｂ）のように、コイル３を離して通
電することが容易に思いつくが、これも充分ではない。
コイルを離しても、形成される磁力線Ｈがチャンバ中央
を貫くため、依然として中央付近に強い誘導電場Ｅを形
成する。

【００４９】図３（ｃ）による生成磁力線Ｈは、違った
パターンとなる。アンテナ導体３をとり囲む空洞共振部
４があるため、磁力線Ｈは、空洞共振器の中に閉じ込め
られた形となり、その結果としてプラズマ発生領域はア
ンテナ直下で、リング状となり、試料ウェハ上への等方
拡散の過程で、結局平均化されて均一プラズマとなるこ
とが、期待されるのである。

【００５０】すなわち、本発明の空洞共振方式で始めて
リングプラズマで発生および資料上への均一プラズマ照
射が可能となる。

【００５１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例にて説明す
る。図１は、本発明の一実施例によるマイクロ波プラズ
マ処理装置の一部を縦断面で表わした正面図である。図
１において、マイクロ波は導波管Ａ１より送られてき
て、同軸導波管変換器Ａ２にて同軸ＴＥＭモードに移
り、小径同軸管Ａ３を伝わる。同軸管Ａ３を出たマイク
ロ波は、平行ディスク導波管Ａ４に移り、拡がったあ
と、大口径同軸管部Ａ５に移り、処理室Ａ６内に入る。
処理室周囲には静磁場発生用電磁コイルＡ７があり、Ｅ
ＣＲ面Ａ８を形成している。プラズマ発生部Ａ９はこれ
に対応してリング状となり、ウェハ設置電極Ａ１０上に
至って均一化する。図１にて、Ａ１１は石英等で形成さ
れる真空導入窓である。この体系下でプラズマの発生状
況を測定した結果を図４（（ａ）（ｂ））に示す。図４
（（ａ）（ｂ））は電極上の位置にて飽和イオン電流密
度（ウェハ直上のプラズマ密度に相当）を二次元分布測
定したもので（図４（ａ）はＥＣＲ面：ウェハ上７９ｍ
ｍ、図４（ｂ）はＥＣＲ面：ウェハ上９９ｍｍ）、磁場
条件によって高均一あるいは凹型分布が得られることが
わかる。又、得られた電流密度は、Ｃ₄Ｆ₈プラズマにて
１０ｍＡ／ｃｍ²以上と高く、均等的に要求されるレベ
ルに達する。投入したマイクロ波パワーは１〜２ｋＷで
あったが、導波管部の過熱等はなかった。

【００５２】このようなマイクロ波放射器の寸法諸元に
ついて、図５を参照して述べる。小径同軸管特性インピ
ーダンスＺ０＝５０Ω、平行ディスクインピーダンスＺ
１（Ｒ）、拡大同軸部インピーダンスＺ２を各接合部に
てマイクロ波の反射がおこらないよう一致させる必要が
ある。インピーダンスＺ１は公知文献はなく、新たに導
出した。結果を記せば、

【００５３】

【数４】

【００５４】となる。ここで、ｂ：ディスク間距離、
Ｒ：半径方向位置、７０＝３７７Ω，ｊ：虚数単位、Ｙ
₁２：１次の第２種ハンケル関数、Ｋ＝２π／λ：波
数、入波長である。

【００５５】ＫＲ＞１であれば、Ｚ₁（Ｒ）は漸近的に

【００５６】

【数５】

【００５７】と近似される。

【００５８】拡大同軸部のインピーダンスＺ₂は、

【００５９】

【数６】

【００６０】と表されるので、Ｚ₀：Ｚ₁（Ｒ₃）、Ｚ₂＝
Ｚ₁（Ｒ₁）となるように、諸元Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄、ｂ
を決めれば良い。

【００６１】図６は、本発明の第２の実施例を示すもの
である。プラズマの均一性は、完全に均一より凸型から
凹型にかけて調整可能なことが望まれる。これは、被処
理試料のたとえばエッチングの均一性が、プラズマ均一
性以外に処理ガスや高周波バイアスの均一性によっても
支配され、プラズマの均一性を調整できることによっ
て、他の均一性決定要因の影響をカバーして、最終的な
エッチング均一性を確保することを意味する。図４は、
リング放射部を二重に設け、内周リングと外周リングそ
れぞれからマイクロ波が放射されるようにしたものであ
る。ディスク間隔ｂと、内周リング部開口径ΔＲをかえ
ることによってパワーの配分が変わり、処理室内のマイ
クロ波の分布がかわる。ΔＲを変えるには、ディスク部
品Ａ４１をつけかえるようにする。あるいは、ｂをかえ
るようにして、図７に示すように上からネジ機構Ａ４２
によって変えるようにしても良い。あるいは、図８に示
すように平行ディスクの天井部材Ａ４３をプランジャー
機構によって可変にする。図６の方式は、均一性をかえ
る毎に部品交換が生じる。しかし、導波管路が図７、図
８に比べてシンプルで信頼性にすぐれる。逆に図７、図
８は均一性調整の能率は向上するが、導波管路に可動部
分を持ち込むので、大電力通過時の信頼性が課題とな
る。

【００６２】図９は第３の実施例を示したもので、平行
ディスク下部の処理室Ａに面する側に導電体構造物（Ａ
１等）を導入し、ウェハに対する対向電極Ａ１３を形成
する。これによって高周波バイアスの均一化を図る。
又、この位置の部材をＳｉやＳｉＣにすれば、プラズマ
中の過剰フッ素を吸収し、ＳｉＯ２エッチングプロセス
における対下地（Ｓｉ）選択比を向上させることができ
る。又、本発明では処理ガス吹出し機構Ａ１４を、この
スペースを利用して備えており、処理ガスの流れＡ１５
が中央部から外周部に流れることによって、処理ガスの
均一性が期待できる。又、このスペースには磁石（コイ
ルあるいは永久磁石）又は磁性体Ａ１６を設置すること
が可能であり、磁力線構造Ａ１７を図のように配置する
ことによって、プラズマの均一性を増大することもでき
る。

【００６３】つぎに高周波プラズマ系に関する一連の本
発明を実施例にて説明する。図１０は本発明の第５の実
施例を示す説明図である。図１０において、処理室１０
は、円筒状側壁１１と石英天板１２および試料載置台１
３で構成されている。アンテナモジュール９は、石英天
板１２上にリングにして置かれている。アンテナモジュ
ール９は、ループアンテナ３と、空洞共振器４、スリッ
ト５等で構成されている。空洞共振器４より出た電波１
４は、図中矢印の如く放射されプラズマ６が発生する。
これが拡散によって拡がり、試料載置台１３に達すると
きには、試料全面にわたって均一なプラズマとなる。

【００６４】図１０（ｂ）は、アンテナモジュール９の
下面から見たものである。二層になったスリット５を一
部とり除き、中のアンテナ本体３が見れるようにしてあ
る。

【００６５】図１１は、本発明の第６の実施例を示す説
明図である。一般に、電極結合されたプラズマは、アン
テナモジュールとプラズマの距離が接近している方が、
プラズマの着火性の点で望ましい。しかし従来の技術に
おいては、同時に静電結合成分が増大し、イオン異常加
速が問題となり、アンテナとプラズマは近づけることが
出来なかった。

【００６６】本発明では、静電結合成分を発生させるこ
とがないので、アンテナとプラズマを充分に接近させ、
着火性を高めることが出来る。図１２では、空洞共振器
４を真空バウンダリ−と兼用することにし、Ｏリング１
５にて、処理室本体１０と、接合する。アンテナモジュ
ール前面は、直接プラズマが重金属にさらされることの
ないようカバー１６（石英あるいは、アルミナセラミッ
クスあるいはサファイヤなど）が装着される。空洞共振
器は、真空となり共振器内にプラズマが点火してしまう
ことを避けるため、別途排気口１７を設け、差動排気す
ることによって、高真空に維持し、空洞内放電をさけ
る。

【００６７】本発明第６の実施例においては、他の副次
的かつ重要な効果が生じる。一般に、プラズマ処理装置
をエッチングあるいは、スパッタＣＶＤ装置に応用する
際には、試料載置台にプラズマ生成とは別系統の高周波
１９を印加し試料に自己バイアスを印加して、プラズマ
中のイオンを試料の表面に垂直に引き込むようにして、
試料の加工精度や加工速度を向上させる。しかるに、従
来の技術においては、この第２高周波１９の回路の接地
対向電極となるべき導体が、処理室の内壁側壁１２であ
ったためプラズマを介した高周波回路が試料中央から
と、試料端部とからでは距離が異なるため、インピーダ
ンスが同一ではなく処理に不均一が生じていた。処理の
不均一が生ないためには、試料に対向する位置に平行平
板状に接地電極を設置出来ればよいが、従来の誘導結合
高周波プラズマにおいては、誘導磁束をさえぎってして
しまうため、それが不可能であった。本発明の第２の実
施例においては、アンテナモジュールおよび、アンテナ
モジュールの内壁の金属天板部分１８が、充分薄いカバ
ー１６を介してプラズマに面しており、試料全面に対し
て平行に設置された対向アース電極として機能出来るた
め、処理の均一性が向上する。（高周波回路としては、
カバー１６か薄ければ容量性コンデンサー素子としての
インピーダンスは充分に小さく、導体１８を接地電極と
して機能させることが出来る。たとえば、１３．５６Ｍ
Ｈｚの高周波を第２高周波１９として用いる場合、カバ
ーとしては３ｍｍ厚以下の石英であれば充分である。）
図１２は、本発明の第７の実施例である。本一実施例
は、アンテナ本体３と、アンテナ出口５との間に、石英
あるいはアルミナセラミックス等で出来た絶縁スペーサ
２０を挿入したものである。このスペーサは共振器本体
４との間で、封着あるいはＯリングによって真空封じさ
れている。この結果、図３で述べた一実施例のような差
動排気の必要はな〈なり、構造がシンプル化する。

【００６８】本実施例では、別の副次的効果が生じる、
作用のところで述べた如くアンテナは、分布の定数回路
を構成しており、その線路のインピーダンスを下げるこ
とが、電流を多く電圧を低くする上で望ましい。電流を
多くすることでプラズマとの結合性を高め電圧を低くす
ることでアンテナ周りでの異常放電を妨げるからであ
る。線路のインピーダンスは、線路の特性インダクタン
スＬと、特性キャパシタンスＣとで決り次式で与えられ
る。

【００６９】

【数３】

【００７０】Ｃはアンテナ本体３と、スリット導体５と
の間のキャパシタンスで決まるので、アンテナ本体３と
スリット導体５の間を、放電破壊を起こさない範囲内で
近づけ、かつアンテナ本体３とスリット導体５間の比誘
電率を高くするのが、Ｃを大きくひいてはＺを小さくす
るのに良い。これには、アンテナ本体３とスリット導体
５の間に石英あるいはアルミナ等で出来た誘電スペーサ
２０を入れるのが良い。

【００７１】図１３は、本発明の第８の実施例を示す図
である。本発明では、空洞共振器４のうちのスリット部
分５を、２枚のカバーガラス１６ａと１６ｂとで置き換
え、それぞれのカバーガラスには、ＡｌあるいはＡｕの
蒸着１６ｃによってスリットパターンを形成した。これ
によって、図１１，図１２のようなスリット導体を廃す
ることが出来、スリット周辺の複雑な構造が図１１，図
１２に比べて単純化され信頼性が向上する。

【００７２】図１４は、本発明の第９の実施例を示す図
である。本発明では、アンテナモジュール９をドーム状
の石英ベルジャー２１上に載置した。ドーム状ベルジャ
ーを用いる理由は、構造強度上ベルジャーを薄く出来る
ためであり、ベルジャーを薄く出来る結果、アンテナモ
ジュールと、プラズマとの結合がよくなり、プラズマの
着火性が向上するためである。

【００７３】図１５の第９の実施例では、アンテナモジ
ュール９を円心円状に２つ並べ、それぞれ別系統の高周
波源１９１、１９２に接続した。各アンテナ９２、９６
に流れる電流の大きさ、および相対位相をそれぞれのア
ンテナをドライブする高周波電源から制御することによ
りプラズマの発生する位置を制御出来、ひいては試料上
へ到達するイオン量の分布を調節することが出来る。

【００７４】図１６の第１１の実施例では、シルクハッ
ト状の石英ベルジャー２１を設けアンテナモジュールを
ベルジャーの側面に設置するようにした。シルクハット
状のベルジャーとすることにより、少なくともベルジャ
ー側面の肉厚を薄くとることが出来、プラズマとの結合
性を高めることが出来る。

【００７５】

【発明の効果】以上、説明した如く、本発明によれば、
シンプルな構成にてプラズマ処理室に要求される様々な
要求（プラズマの均一性、均一性の制御性、対向アース
電極の設置など）を満たす方法および装置機造を提供す
ることができる。

【００７６】さらに、本発明によれば、（１）アンテナとプラズマの静電結合による異常放電や
スパッタリングを起すことがなく、異物低減，装置の長
期信頼向上に資する。

【００７７】（２）アンテナとプラズマの距離を近づけ
ることが出来るため、放電の着火性や安定性を向上させ
ることが出る。

【００７８】（３）アンテナインピーダンスを少なくす
ることが出来るためマッチングがとりやすくなり安定性
が増すと同時に、アンテナ高電圧に起因する異常放電結
合をなくすことが出来る。

【００７９】（４）アンテナモジュールで囲まれる空間
にも導体を置くことが出来るため、試料に平行な接地電
極を形成出来、処理の均一性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す説明図である。

【図２】本発明の原理を示す図である。

【図３】本発明の原理を示す図である。

【図４】本発明によるプラズマ試験の結果を示す説明図
である。

【図５】本発明の寸法関係を示す説明図である。

【図６】本発明の第２の実施例（１）を示す説明図であ
る。

【図７】本発明の第２の実施例（２）を示す説明図であ
る。

【図８】本発明の第２の実施例（３）を示す説明図であ
る。

【図９】本発明の第３の実施例を示す説明図である。

【図１０】本発明の第４の実施例を示す説明図である。

【図１１】本発明の第５の実施例を示す説明図である。

【図１２】本発明の第６の実施例を示す説明図である。

【図１３】本発明の第７の実施例を示す説明図である。

【図１４】本発明の第８の実施例を示す説明図である。

【図１５】本発明の第７の実施例を示す説明図である。

【図１６】本発明の第１０の実施例を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１…高周波源、２…マッチングボックス、３…ループア
ンテナ、４…空洞共振器、５…スリット、６…プラズ
マ、８…第２高周波、９…アンテナモジュール、１０…
処理室、１１…側壁、１２…天板、１３…試料載置台、
１４…電波、１５…Ｏリング、１６…カバー、１７…排
気口、１８…対向電極、１９…高周波、２０…スペー
サ、２１…石英ベルジャ。

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者西尾良司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)発明者枝村学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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料をプラズマにより処理する方法におい
て、前記プラズマの密度分布を独立に制御することを特
徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】試料をプラズマにより処理する方法におい
て、前記プラズマの密度分布をＥＣＲの位置調節あるい
は磁場勾配により、独立に制御することを特徴とするプ
ラズマ処理方法。
【請求項３】試料をプラズマにより処理する方法におい
て、前記試料の材質に基づき、前記プラズマの密度分布
を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】試料をプラズマにより処理する方法におい
て、プラズマ密度分布、ガス分布、バイアス分布をそれ
ぞれ独立に制御することにより、試料を均一に処理する
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項５】マイクロ波導入装置と、静磁界を発生する
磁場コイルと、導入されたマイクロ波でプラズマを発生
する処理室と、処理室にガスを供給するガス供給装置
と、ウェハを保持する試料台と、処理室を真空排気する
真空排気装置から成るプラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入装置は、マイクロ波を同軸ＴＥＭモ
ードで伝送するように構成したことを特徴とするプラズ
マ処理装置。
【請求項６】マイクロ波導入装置と、垂直静磁界を発生
する磁場コイルと、導入されたマイクロ波でプラズマを
発生する処理室と、処理室にガスを供給するガス供給装
置と、ウエハを保持する試料台と、処理室を真空排気す
る真空排気装置から成るプラズマ処理装置において、前記マイクロ波導入装置は、同軸導波管変換器と、小径
同軸導波管と、平行平板ディスク状導波管と、拡大同軸
導波管と、マイクロ波導入真空窓とを具備したことを特
徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】前記小径同軸導波管は、小径同軸導波管イ
ンピーダンスＺＯ（＝６０１ｎ（Ｒ３／Ｒ４）、Ｒ３：
同軸管外導体半径、Ｒ４：同軸管内導体半径）と、ディ
スク導波管との接合部におけるディスク導波管側のイン
ピーダンスＺ１（＝６０ｂ／Ｒ３、ｂ：平行ディスク間
距離）とが一致し、かつ拡大同軸導波管インピーダンス
Ｚ２（＝６０１ｍ（Ｒ２／Ｒ１）、Ｒ２：同軸管外導体
半径、Ｒ１：同軸管内導体半径）と、ディスク導波管と
の接合部におけるディスク導波管側のインピーダンスＺ
１（＝６０ｂ／Ｒ１）とが一致するようＲ１、Ｒ２、Ｒ
３、Ｒ４、ｂを選んだ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】前記拡大同軸導波管は、拡大同軸導波管の
外径Ｒ２が、マイクロ波真空窓に接続する処理室の内接
Ｒ５よりも小さくなるように（Ｒ２＜Ｒ５）したことを
特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】前記マイクロ波は、使用するマイクロ波と
しては周波数が５００ＭＨｚから５ＧＨｚの範囲である
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１０】前記マイクロ波は、周波数の異なる複数
のマイクロ波源を同時に使用す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１１】前記マイクロ波は、周波数が可変のマイ
クロ波源を使用す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１２】前記マイクロ波導入真空窓は、真空窓部
のうち、マイクロ波放射部に相当する部分（Ｒ１＜Ｒ＜
Ｒ２）以外の部分のプラズマに接する部分に、アース導
体板あるいはＳｉやＳｉＣなどの半導体板を設置したこ
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１３】前記マイクロ波導入真空窓は、真空窓部
のうち、マイクロ波放射部に相当する部分（Ｒ１＜Ｒ＜
Ｒ２）以外の部分を利用して、処理ガス導入手段を設置
した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１４】前記マイクロ波導入真空窓は、マイクロ
波放射部に相当する部分（Ｒ１＜Ｒ＜Ｒ２）以外の部分
を利用して磁場コイルあるいは永久磁石を設置したこと
を特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】前記平行平板ディスク状導波管は、小径
と大径の二つのリング状開口部を持ちそれぞれの開口部
に対して、拡同軸導波管が接続された構成をとることを
特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】前記拡大同軸導波管は、二つの拡大同軸
管へのマイクロ波のパワー配分が可変と出来る手段を有
す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１７】処理室、および試料載置手段、装置室へ
のガス導入手段、プラズマ発生手段を有するプラズマ処
理装置において、高周波を通じるループアンテナ、ループアンテナをとり
囲むように構成された空洞共振器、空洞共振器のプラズ
マに面する側にスリットで構成されるアンテナモジュー
ルを設けたことを特徴とする電磁結合プラズマ処理装
置。
【請求項１８】請求項１７において、前記アンテナモジ
ュールがリング形状であり、円筒状処理室の上面に載置
したことを特徴とする電磁結合プラズマ処理装置。
【請求項１９】請求項１７のアンテナモジュールにおい
て、前記ループアンテナと、スリット導体との間に、誘
電材料スペーサを挿入したことを特徴とする電磁結合プ
ラズマ処理装置。
【請求項２０】請求項１７において、前記処理室とし
て、ドーム状石英ベルジャを用い、その上にアンテナモ
ジュールを載置したことを特徴とする電磁結合プラズマ
処理装置。
【請求項２１】請求項１７において、前記アンテナモジ
ュールとして、複数の直線状アンテナモジュールを用い
たことを特徴とする電磁結合プラズマ処理装置。
【請求項２２】請求項１７において、前記アンテナモジ
ュール内部を差動排気とし、アンテナモジュールと処理
室との境界に薄い誘電体材料を設置すると同時に、リン
グ状アンテナモジュールのリング内に接地導体を設置
し、かつ資料載置台に第２の高周波を印加出来る構造と
したことを特徴とする電磁結合プラズマ処理装置。
【請求項２３】請求項１７において、前記リングアンテ
ナモジュールを円心円状に二系統配し、それぞれ別高周
波電源に接続したことを特徴とした電磁結合プラズマ処
理装置。
【請求項２４】請求項１７において、前記処理室とし
て、ミルクハット型石英ベルジャを用い、アンテナモジ
ュールをベルジャ側面に配したことを特徴とした電磁結
合プラズマ処理装置。
【請求項２５】請求項１９において、前記スリット導体
の代わりに、薄手誘電体板に、スリットパターンを金属
蒸着したものを二枚重ねた構造と、スペーサと空洞共振
器間を封着あるいはＯリングによって気密構造としたこ
とを特徴とする電磁結合プラズマ処理装置。
【請求項２６】請求項１７内至２５のいずれかにおい
て、アンテナモジュールが真空を構成する処理室内の内
側に設置されることを特徴とするプラズマ処理装置。