JPH10255999A - マイクロ波励起プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロ波出力及び圧力共に広い範囲で安定
したプラズマをプラズマ生成室内に均一に発生すること
が可能なマイクロ波励起プラズマ処理装置を提供するも
のである。 【解決手段】 上部にプラズマ生成室、およびこのプラ
ズマ生成室の下方に形成され、被処理部材が配置される
処理室を有するチャンバと、プラズマ生成室内に処理ガ
スを供給するためのガス供給管と、チャンバの上壁部の
開口に配置された誘電体窓と、誘電体窓を含むチャンバ
の上壁部に配置され、マイクロ波の電界方向に垂直な面
（Ｈ面）が誘電体窓に対向し、マイクロ波の電界方向に
平行な面（Ｅ面）がＨ面に対して垂直方向に伸び、かつ
マイクロ波導入側と反対側にＨ面およびＥ面に対して垂
直に設けられたマイクロ波を反射する反射面を有する矩
形状の導波管とを具備し、誘電体窓は、その厚みをマイ
クロ波の波長の半波長のｎ／２倍（ｎは整数）としたこ
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、半導体装置や液晶
用ガラス基板等の製造におけるエッチングやアッシング
に用いられるマイクロ波励起プラズマ処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロ波励起プラズマ処理装置
としては、特開昭６１ー１３１４５４号公報に記載され
た構造のものが知られている。このプラズマ処理装置
は、円筒状の開口部が多数形成された金属製の拡散板に
より上部にプラズマ生成室、およびこのプラズマ生成室
の下方に形成され、被処理部材が配置される処理室を有
するチャンバと、チャンバの上壁部の開口に配置された
誘電体窓と、誘電体窓を含むチャンバの上壁部に配置さ
れ、マイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）が誘電体
窓に対向し、マイクロ波の電界方向と平行な面（Ｅ面）
がＨ面に対して垂直方向に伸び、かつマイクロ波導入側
と反対側にＨ面およびＥ面に対して垂直に設けられたマ
イクロ波を反射する反射面を有する矩形状の導波管とを
備え、誘電体窓に対向する導波管のＨ面部分にマイクロ
波を誘電体窓を通してプラズマ生成室に導入するための
開口部を設けた構造を有する。

【０００３】上述したマイクロ波励起プラズマ処理装置
において、マイクロ波をプラズマ生成室内に導入してプ
ラズマを発生させる場合は、チャンバ内の気体を真空ポ
ンプ等により真空引きし、処理ガスを供給してチャンバ
内を一定圧力に保つ必要がある。従って、誘電体窓の厚
みは、チャンバ内の気体を真空引きした際に支えきれる
だけの強度が必要であり、その厚みは機械的強度から決
定されていた。

【０００４】また、導波管には、Ｅ面近傍のＨ面に切り
口が垂直な２つのスリットがＥ面に沿って平行もしくは
ほぼ平行にそれぞれ開口され、且つスリットは反射面側
ほど狭い幅を有している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来は、誘電体窓の厚
みを機械的強度から決定しており、マイクロ波の透過性
に関しては考慮されていなかった。このため、誘電体窓
の厚さが透過するマイクロ波の波長の１／４の奇数倍付
近の厚みであると、誘電体窓内部でのマイクロ波の反射
率が大きくなり、結果としてマイクロ波の透過率が低下
してしまう。従って、プラズマ生成室内に導入された処
理ガスを電離させる効率が低下し、エッチングやアッシ
ングなどの処理速度が遅くなるという問題があった。

【０００６】また、拡散板の開口部が円筒状であると、
衝突を繰り返しながらプラズマ生成室から処理室へ輸送
される活性ガスの衝突が、開口部内でさらに激しくな
り、活性ガスが再結合により失活し、加工速度が低下す
るという問題があった。

【０００７】さらに、マイクロ波出力が強すぎた場合な
ど、マイクロ波がプラズマに全て吸収されずに処理室ま
で達してしまい、被処理物に対してダメージを与えてし
まうという不具合もあった。

【０００８】さらに、スリットの切り口がＥ面に対して
垂直であると導波管を構成する板厚によりマイクロ波に
乱れが生じ、安定したプラズマ処理を行うことができな
かった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、マイクロ波を
効率よくプラズマ生成室内に導入して、処理ガスも効率
よく電離させることができ、かつ均一なプラズマを発生
することが可能なマイクロ波励起プラズマ処理装置を提
供しようとするものである。

【００１０】請求項１に記載のマイクロ波励起プラズマ
処理装置は、マイクロ波を発振するマイクロ波発振器
と、上部にプラズマ生成室、及びこのプラズマ生成室の
下方に形成され、被処理部材が配置される処理室を有す
るチャンバと、プラズマ生成室内に処理ガスを供給する
ためのガス供給管と、チャンバの上壁部の開口に配置さ
れた誘電体窓と、誘電体窓を含むチャンバの上壁部に配
置され、マイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）が誘
電体窓に対向し、マイクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ
面）が前記Ｈ面に対して垂直方向に伸び、かつマイクロ
波導入側と反対側にＨ面およびＥ面に対して垂直に設け
られたマイクロ波を反射する反射面を有する矩形状の導
波管とを具備し、誘電体窓は、その厚みをマイクロ波の
波長の半波長のｎ／２倍（ｎは整数）としたことを特徴
とするものである。

【００１１】本発明は、マイクロ波を効率よくプラズマ
生成室内に導入して、処理ガスも効率よく電離させるこ
とができ、かつ均一なプラズマを発生することが可能な
マイクロ波励起プラズマ処理装置を提供しようとするも
のである。

【００１２】また、請求項２に記載のマイクロ波励起プ
ラズマ処理装置では、チャンバ内をプラズマ生成室と処
理室に分ける金属製の拡散板を設け、この拡散板の厚み
方向の開口を、プラズマ生成室側より反応室側で大きく
した。

【００１３】また、請求項３に記載のマイクロ波励起プ
ラズマ処理装置では、処理室内にマイクロ波検知手段を
設け、このマイクロ波検知手段からの信号を基にマイク
ロ波発振器から発振されるマイクロ波出力を制御する制
御手段を設けた。

【００１４】本発明によれば、誘電体窓の厚みを透過す
るマイクロ波の波長の半波長のｎ／２倍（ｎは整数）と
することで、マイクロ波の透過率を向上でき、処理ガス
を効率よく電離させて均一なプラズマを発生させること
で、処理室内に設置された被処理部材のエッチングやア
ッシングなどの処理を良好に行うことができる。

【００１５】また、 請求項４に記載のマイクロ波励起プ
ラズマ処理装置では、導波管のＥ面近傍のＨ面に２つの
スリットをＥ面に沿って平行もしくはほぼ平行に設け、
その切り口を、導波管内側のスリット面積と導波管外側
のスリット面積が異なるように傾斜させている。

【００１６】このような本発明によれば、マイクロ波の
乱れを軽減し、広いマイクロ波出力範囲及び圧力範囲で
安定したプラズマ処理を行うことができる。さらに、請
求項５に記載のマイクロ波励起プラズマ処理装置では、
導波管のチャンバ上に位置する部分を、マイクロ波入射
側から反射面側に向かうにしたがって厚く形成した。

【００１７】このような本発明によれば、プラズマ生成
室内へ導入されるっマイクロ波の電界強度を均一化し、
プラズマの分布を均一にする。また、請求項６に記載の
マイクロ波励起プラズマ処理装置では、チャンバ内部を
表面処理している。このような本発明によれば、活性な
ガスが内壁と反応して腐食することを抑え、さらに活性
なガスを失活させず、処理の経時変化が起きない。

【００１８】

【実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１は、ウエハ上のレジスト
のアッシングに適用されるダウンフロー型のマイクロ波
励起プラズマ処理装置を示す該略図である。チャンバ１
内は、水平方向に配置したメッシュ状の金属プレートか
らなる拡散板２によりプラズマ生成室３と処理室４とに
上下に区画されている。さらに、チャンバ１内部はフッ
素樹脂で表面処理を施してある。フッ素樹脂による表面
処理の他には、アルマイト処理やダイヤモンドコーティ
ングを施しても良い。拡散板２につき詳述すると、図６
に示すように、従来は円筒状の開口部であったのに対し
て、本実施の形態においては、図７に示すように、プラ
ズマ生成室３側の開口より処理室４側の開口を大きくな
る円錐形状にし、断面がテーパ状をなすように形成して
いる。ガス供給管５は、チャンバ１上部のプラズマ生成
室３の側壁を貫通する形で設けられている。被処理物ホ
ルダ７は、図示しないＲＦ（ラジオ波）バイアスやＨｅ
冷却機構を備えており、それぞれＲＦ発振器、チラーに
接続されている。排気管６は、処理室４が形成されたチ
ャンバ１底部に設けられ、他端は図示しない真空ポンプ
のような排気系が連結されている。

【００１９】石英ガラスからなる誘電体窓９は、チャン
バ１の上壁部に形成された開口部１０に設けられてお
り、開口部１０と誘電体窓９との間は図示しないＯリン
グなどによりシールされる構造となっている。マイクロ
波が導入される矩形波状の導波管８は、誘電体窓９を含
むチャンバ１の上壁部上に配置されている。導波管８
は、図２および図３に示すように誘電体窓９に対向し、
マイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）と、Ｈ面に対
して垂直方向に伸びるマイクロ波の電界方向に平行な面
（Ｅ面）と、マイクロ波導入側と反対側にＨ面およびＥ
面に対して垂直に設けられたマイクロ波を反射する反射
面（短絡面；Ｒ面）とを有する。誘電体窓９と接する側
のＨ面には、２つのスロット１２ａ、１２ｂがＥ面に沿
ってそれぞれ開口されている。

【００２０】誘電体窓９の厚みは、透過するマイクロ波
の波長（λ：１６０ｍｍ）の半波長（λ／２）のｎ／２
倍（ｎ：１）に相当する４０ｍｍとしている。次に、前
述したマイクロ波励起プラズマ処理装置によりレジスト
パターンが表面に形成されたウエハをアッシングする方
法を説明する。

【００２１】まず、処理室４内の被処理物ホルダ７上に
レジストパターンが表面に形成された液晶用ガラス基板
１１を設置する。図示しない真空ポンプを作動してチャ
ンバ１内のガスを排気管６を通して排気する。同時に、
処理ガス例えば酸素ガスと四フッ化炭素との混合ガスを
ガス供給管５を通してチャンバ１上部のプラズマ生成室
３に供給する。チャンバ１内が所定圧力になった時点で
マイクロ波を導波管８内に導入することによって、プラ
ズマ生成室３にプラズマが発生する。発生したプラズマ
は拡散板２によりイオンが除去され、活性種が拡散板２
の開口を通して処理室４に導入される。そして、プラズ
マ中の活性な酸素原子を、処理室４内の被処理物ホルダ
７上に設置された液晶用ガラス基板１１表面のレジスト
パターンと反応させ、レジストパターンを剥離するいわ
ゆるアッシングがなされる。

【００２２】この時、金属製の拡散板２が無い場合は、
プラズマ中に存在する電子、イオンにより電気的なダメ
ージが発生したり、液晶用ガラス基板１１が２００度以
上に加熱され、下地がエッチングされやすくなってしま
うなどの不具合が生じる。このような不具合を防止する
ためにも拡散板２を設け、電子やイオンをカットし、さ
らに熱を遮断する必要があるが、図６に示すような従来
の円筒状の開口部を有する拡散板であると、活性種を失
活させてアッシング速度が遅くなってしまう。そこで本
実施の形態では、プラズマ生成室３側の開口より処理室
４側の開口が大きくなるような円錐状の開口２ａ（断面
テーパ状）とすることで、処理室４側の開口を広げるこ
とで、開口部２ａ中での活性種の失活を極力抑えること
ができるので、アッシング速度を高めることができる。
実際、実用的に用いている３ｍｍの厚みを有する拡散板
２の場合、開口部２ａを円錐状にすることで、アッシン
グ速度を２０％ほど高めることができる。

【００２３】マイクロ波の導波管８内への導入におい
て、図２および図３に示すように、図示しないマイクロ
波発振器に接続された導波管８のＨ面には、幅を反射面
（Ｒ面）に向かって狭くなるように階段状に変化した形
状を有する２つのスリット１２ａ、１２ｂが開口されて
おり、各スリット１２ａ、１２ｂにおいては、導波管８
の反射面（Ｒ面）で反射される反射波と入射波との合成
波が均一化されマイクロ波の電力を均一にしている。

【００２４】マイクロ波は、誘電体窓９を透過してプラ
ズマ生成室３内において供給されたガスを活性化してプ
ラズマを発生するが、マイクロ波出力が強いと全てのマ
イクロ波がプラズマが吸収されず、処理室４へ供給され
液晶用ガラス基板１１に対してダメージを与えてしまう
ことがある。そこで、処理室４内の例えば被処理物ホル
ダ７にマイクロ波検知手段を設け（図示せず）、検知し
たマイクロ波が所定値以上に達した場合は、接続された
マイクロ波制御手段（図示せず）を介してマイクロ波発
振器の出力を制御するようにしている。こうすること
で、液晶用ガラス基板１１へのダメージを極力抑えるこ
とができる。

【００２５】本実施の形態において、誘電体窓９の厚み
は以下のようにして決定している。まず、導波管８のＨ
面に設けられたスリット１２ａ、１２ｂから放射された
マイクロ波の波長をλｇとすると、誘電体窓９中のマイ
クロ波の波長λは

【００２６】

【数１】 で表される。ここでεは誘電体窓９の比誘電率とする。
そして、誘電体窓９の厚みは誘電体窓９中のマイクロ波
波長λの半波長λ／２のｎ／２倍（ｎは整数）付近の厚
み、例えば石英ガラスであれば約４０ｍｍ、アルミナセ
ラミックスであれば約２５ｍｍに設定している。このよ
うに、誘電体窓９の厚みを誘電体窓９中のマイクロ波波
長λの半波長（λ／２）のｎ／２倍（ｎは整数）とする
と、マイクロ波を効率よく透過させることができ、プラ
ズマへの吸収を効率よく行え、広い圧力範囲に亘って安
定したプラズマを発生させることができる。

【００２７】事実、次のような実験により本発明のマイ
クロ波励起プラズマ処理装置が従来のマイクロ波励起プ
ラズマ処理装置に比べて広い圧力範囲に亘って安定した
プラズマを発生し、かつ均一なプラズマをプラズマ生成
室内に発生できることを確認した。

【００２８】（実験例１）誘電体窓９として石英ガラス
を用い、圧力が１４Ｐａ，２０Ｐａ、４０Ｐａ，６０Ｐ
ａの場合それぞれに対して、石英ガラスの厚みを波長λ
の１／４（λ／４：２０ｍｍ）と波長λの１／２（λ／
２：４０ｍｍ）とした場合で、マイクロ波反射電力をマ
イクロ波入射電力を変化させて測定した。その結果を図
４に示す。厚み２０ｍｍの場合（図４（ａ））はどの圧
力においても反射波が大きく発生するが、厚み４０ｍｍ
の場合（図４（ｂ））はどの圧力においても反射波がほ
とんど発生しておらず、広い圧力範囲において安定した
放電状態を得ることができることが分かる。

【００２９】（実験例２）誘電体窓９としてアルミナを
用い、圧力が３５Ｐａ、５０Ｐａ，６５Ｐａの場合それ
ぞれに対して、負荷反射係数とアルミナ窓厚との関係を
調べ、その結果を図５に示す。この図５を見て明らかな
ように、アルミナの厚みを波長λの１／２にほぼ相当す
る２５ｍｍの場合に負荷反射係数が小さくなっており、
安定した放電を得ることができることが分かる。

【００３０】従って、本発明のマイクロ波プラズマ処理
装置においては、広い圧力範囲において安定した放電状
態を得ることができる。上記実施の形態では、マイクロ
波検知手段を被処理物ホルダ７に設けたが、処理室内で
あれば良い。

【００３１】次に、本発明の第２の実施の形態につき図
７を参照しながら説明する。本実施の形態と上記第１の
実施の形態で異なるところはスリットである。本実施の
形態では、図７に示すようにスリット２１の導波管８内
側の面積が導波管８外側の面積より小さくなるようにス
リット２１の切り口に傾斜を設けた点である。

【００３２】このように、スリット２１の切り口に導波
管８内側から外側に向けて広がるような傾斜を設けるこ
とで、放射されるマイクロ波に乱れを生じさせることを
極力抑え、広い出力範囲及び圧力範囲において安定した
プラズマ処理を行うことが可能となる。

【００３３】さらに、本発明の第３の実施例につき図８
を参照しながら説明する。本実施の形態と上記第１の実
施例の形態とで異なるところは導波管である。本実施の
形態では、図８に示すように、チャンバ１上に位置する
導波管８ａの厚みを、マイクロ波導入側（図中左側）か
ら反射面側（図中右側）に向かって厚くしている点であ
る。このような形状にすることで、放射されるマイクロ
波の量をプラズマ生成室４内で均一にすることができ
る。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１に係わる
マイクロ波励起プラズマ処理装置によれば、マイクロ波
出力および圧力共に広い範囲で安定したプラズマをプラ
ズマ生成室内に発生でき、かつ均一なプラズマを前記プ
ラズマ生成室内に発生でき、ひいてはアッシングやエッ
チングを効率よく行うことができるなど顕著な効果を奏
する。

【００３５】また、請求項２に係わる発明では、活性種
の失活を極力抑え、処理速度を高めることが可能とな
る。また、請求項３に係わる発明では、マイクロ波の透
過率を向上でき、処理ガスを効率よく電離させて均一な
プラズマを発生させ、エッチングやアッシングなどの処
理を良好に行うことが可能となる。

【００３６】また、 請求項４に係わる発明では、マイク
ロ波の乱れを軽減し、広いマイクロ波出力範囲及び圧力
範囲で安定したプラズマ処理を行うことができる。さら
に、請求項５に係わる発明では、プラズマ生成室内へ導
入されるマイクロ波の電界強度を均一化し、プラズマの
分布を均一にする。また、請求項６にかかる発明では、
活性なガスが内壁と反応して腐食することを抑え、さら
に活性なガスを失活させず、処理の経時変化が起きな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のダウンフロー型の
マイクロ波励起プラズマ処理装置を示す該略図。

【図２】図１の要部断面図。

【図３】図１の導波管を示す部分切欠斜視図。

【図４】（ａ）は実験例１における石英ガラスを２０ｍ
ｍとした場合の結果を示す図で、（ｂ）は４０ｍｍの場
合の結果を示す図。

【図５】実験例２における結果を示す図。

【図６】（ａ）は従来技術における拡散板を示す図で、
（ｂ）は本発明における拡散板を示す図。

【図７】本発明の第２の実施の形態を示すマイクロ波励
起プラズマ処理装置の一部拡大断面図。

【図８】本発明の第３の実施の形態を示すマイクロ波励
起プラズマ処理装置の該略図。

【符号の説明】

１・・チャンバ、２・・拡散板、３・・プラズマ生成
室、４・・処理室、５・・ガス供給管、６・・排気管、
７・・被処理物ホルダ、８・・導波管、９・・誘電体
窓、１０・・開口部、１１・・液晶用ガラス基板。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波を発振するマイクロ波発振器
   と、 上部にプラズマ生成室、およびこのプラズマ生成室の下
   方に形成され、被処理部材が配置される処理室を有する
   チャンバと、 前記プラズマ生成室内に処理ガスを供給するためのガス
   供給管と、 前記チャンバの上壁部の開口に配置された誘電体窓と、 前記誘電体窓を含む前記チャンバの上壁部に配置され、
   マイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）が前記誘電体
   窓に対向し、マイクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ面）
   が前記Ｈ面に対して垂直方向に伸び、かつマイクロ波導
   入側と反対側に前記Ｈ面およびＥ面に対して垂直に設け
   られたマイクロ波を反射する反射面を有する矩形状の導
   波管と、を具備し、 前記誘電体窓は、その厚みをマイクロ波の波長の半波長
   のｎ／２倍（ｎは整数）としたことを特徴とするマイク
   ロ波励起プラズマ処理装置。
2. 【請求項２】前記チャンバ内を前記プラズマ生成室と前
   記処理室に分ける金属製の拡散板を設け、この拡散板の
   厚み方向の開口を、プラズマ生成室側より反応室側で大
   きくすることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波励
   起プラズマ処理装置。
3. 【請求項３】前記処理室内に設けられたマイクロ波を検
   知するためのマイクロ波検知手段と、 このマイクロ波検知手段からの信号を基に前記マイクロ
   波発振器から発するマイクロ波を制御するマイクロ波制
   御手段を有することを特徴とする請求項１乃至２のいず
   れかに記載のマイクロ波励起プラズマ処理装置。
4. 【請求項４】マイクロ波を発振するマイクロ波発振器
   と、 上部にプラズマ生成室、およびこのプラズマ生成室の下
   方に形成され、被処理部材が配置される処理室を有する
   チャンバと、 前記プラズマ生成室内に処理ガスを供給するためのガス
   供給管と、 前記チャンバの上壁部の開口に配置された誘電体窓と、 前記誘電体窓を含む前記チャンバの上壁部に配置され、
   マイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）が前記誘電体
   窓に対向し、マイクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ面）
   が前記Ｈ面に対して垂直方向に伸び、かつマイクロ波導
   入側と反対側に前記Ｈ面およびＥ面に対して垂直に設け
   られたマイクロ波を反射する反射面を有する矩形状の導
   波管と、を具備し、 前記導波管は、前記Ｅ面近傍の前記Ｈ面に２つのスリッ
   トが前記Ｅ面に沿って平行もしくはほぼ平行にそれぞれ
   開口し、前記導波管内側のスリット面積と前記導波管外
   側のスリット面積が異なるように切り口を傾斜させるこ
   とを特徴とするマイクロ波励起プラズマ処理装置。
5. 【請求項５】マイクロ波を発振するマイクロ波発振器
   と、 上部にプラズマ生成室、およびこのプラズマ生成室の下
   方に形成され、被処理部材が配置される処理室を有する
   チャンバと、 前記プラズマ生成室内に処理ガスを供給するためのガス
   供給管と、 前記チャンバの上壁部の開口に配置された誘電体窓と、 前記誘電体窓を含む前記チャンバの上壁部に配置され、
   マイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）が前記誘電体
   窓に対向し、マイクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ面）
   が前記Ｈ面に対して垂直方向に伸び、かつマイクロ波導
   入側と反対側に前記Ｈ面およびＥ面に対して垂直に設け
   られたマイクロ波を反射する反射面を有する矩形状の導
   波管と、を具備し、 前記導波管の前記チャンバ上に位置する部分は、マイク
   ロ波入射側から前記反射面側に向かうにしたがって厚く
   形成したことを特徴とするマイクロ波励起プラズマ処理
   装置。
6. 【請求項６】上記チャンバ内部を表面処理したことを特
   徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のマイクロ波
   励起プラズマ処理装置。