JPH10261496A

JPH10261496A - マイクロ波プラズマ処理方法および装置

Info

Publication number: JPH10261496A
Application number: JP9064158A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kadoya; 誠浩角屋; Seiichi Watanabe; 成一渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】従来、プラズマを安定かつ均一に生成し、再現
性良く、均一なプラズマ処理を行なうことができなかっ
た。【解決手段】真空排気装置が接続され内部を減圧保持さ
れる処理室１と、処理室１内へガスを供給するガス供給
装置とマイクロ波を利用して前記処理室内部にプラズマ
を発生させるプラズマ発生手段からなるマイクロ波プラ
ズマ処理装置において、前記処理室１の一部である誘電
体窓２に、マイクロ波を供給するための同軸線路８を直
角に設け、該同軸線路８の外周に位置し、前記マイクロ
波を伝播させるための導体板１０を誘電体窓２に設置
し、該誘電体窓２上で前記同軸線路８から所定の距離に
プラズマ検出用センサー１５を設置し、前記プラズマ検
出用センサー１５に検出信号処理手段１６を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロ波プラズマ
処理装置に係り、特に半導体素子基板等の試料を、プラ
ズマを用いて表面処理を施すのに好適なマイクロ波プラ
ズマ処理方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロ波を用い、プラズマ生成
のための外部磁場を設けない無磁場マイクロ波プラズマ
処理装置は、特願平7-012306号公報に記載のように矩
形、または円形の断面形状を有する導波管をマイクロ波
が導入される石英等の誘電体窓に対し垂直に配置してい
た。

【０００３】一般に無磁場ではプラズマ中に導入された
角周波数ωのマイクロ波は「プラズマ物理入門」F.F.Ch
en著、内田岱二郎訳、丸善1977に記載のように、次に示
す臨界電子密度n_c以上のプラズマ中を伝播できないこと
が知られている。

【０００４】n_c=mω2/4πe2 ここでω=2πf、fは周波数、mは電子の質量、eは電荷素
量である。周波数2.45GHzのマイクロ波の場合には、7×
107ケ/cm3以上の臨界電子密度n_cを有するプラズマ中で
は伝播することができず、マイクロ波エネルギーはプラ
ズマ表面から数mm程度で吸収される。従って、誘電体窓
を介してマイクロ波を導入し、プラズマを生成した場
合、プラズマは誘電体窓近傍（数mm程度）に生成され
る。

【０００５】従来のように導波管を垂直に配置した構成
の場合には、マイクロ波の電界の波面が、誘電体窓近傍
に生成されたプラズマに対してほぼ平行に、マイクロ波
を導入するようになっていた。またプラズマを生成する
ためのマイクロ波の出力は電源の出力計を読み取ること
により制御していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、導
波管のサイズ及び形状に応じてマイクロ波はある固有モ
ードの定在波を形成し、プラズマの分布はそのモードに
起因して不均一になるという問題があった。また、マイ
クロ波出力を電源に取り付けた出力計より読み取りマグ
ネトロンの出力を制御していたため、経時変化および装
置毎の寸法精度の相違などによりプラズマを含めた立体
回路全体の負荷が変化して、実効的にプラズマに投入さ
れるマイクロ波出力の検出並びに制御の再現性の点で問
題があった。

【０００７】本発明の目的は、プラズマを安定かつ均一
に生成し、再現性良く、均一なプラズマ処理が可能なマ
イクロ波プラズマ処理方法および装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロ波プラ
ズマ処理装置では、処理室の一部である誘電体窓に対
し、マイクロ波を供給するための同軸線路を垂直に設
け、該同軸線路の外周に位置する該誘電体窓上に接触
し、誘電体窓の反処理室側の面を覆って導体板を設置
し、誘電体窓上に、プラズマ検出用センサーを設置した
ものである。該センサーはマイクロ波制御装置に接続さ
れている。

【０００９】同軸線路を介して処理室内に導入されたマ
イクロ波により生成されたプラズマと、誘電体窓上の反
処理室側に設置された導体板によって誘電体窓内に形成
された伝送路内を、マイクロ波が誘電体窓に沿って中央
部から外周部に向かって伝播する。このとき、生成され
たプラズマはマイクロ波の伝送路（導波路）の一部とし
て作用し、マイクロ波は該プラズマを反射端としたある
固有モードの定在波を誘電体窓の処理室側に形成しな
い。従ってマイクロ波のモードによらず安定で均一なプ
ラズマを生成することができ、またプラズマ検出用セン
サーによりプラズマが所定の位置まで広がったかどうか
を検出し、該プラズマを検出するまでプラズマに投入す
る実効的なマイクロ波出力を制御しているので、再現性
良く均一にプラズマ処理を行なうことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例を図
１により説明する。

【００１１】図１は、本発明のマイクロ波プラズマ処理
装置の一実施例である無磁場マイクロ波アッシング装置
を示す。上部が開放された真空容器１aの上部に円板状
の誘電体窓（例えば、石英窓, アルミナセラミックス
窓）、この場合、石英窓２を設置し密封する。これによ
り処理室１が形成される。また真空容器１aには真空排
気装置（図示省略）に接続された真空排気口３、および
ガス供給装置（図示省略）に接続されたガス供給口４が
接続されている。石英窓２の上部には導体板１０が設置
してある。導体板１０はステップ形状を有する整合室９
を介して、石英窓２に対して垂直に設置されている同軸
線路８に接続されている。また同軸線路８の上部には同
軸導波管変換器７が設置されている。同軸導波管変換器
７は矩形導波管６を介してマグネトロン５に接続されて
いる。処理室１下部には温度制御装置１２により温度調
節可能な試料台１３が設置してある。また処理室１内に
は多数の穴の空いた形状を有する分散板１４が、試料台
１３に対向して設置してある。被処理材１１は試料台１
３上に載置可能である。また、導体板１０には該導体板
を貫通して中心からある距離にプラズマ検出用センサ
ー、この場合、光センサー１５が設置されている。光セ
ンサー１５の中心からの距離は被処理材１１の径および
プラズマ処理に必要なラジカル量により決定される。光
センサー１５はマイクロ波出力制御装置１６に接続され
ている。

【００１２】上記のように構成された装置において、処
理室１の内部を真空排気装置（図示省略）により減圧し
た後、ガス供給口４からガス供給装置（図示省略）によ
りアッシングガスを処理室１内に導入し、所望の圧力に
調整する。マグネトロン５より励振された、例えば2.45
GHzのマイクロ波は矩形導波管６内を矩形TE₀₁モードで
伝播し、同軸導波管変換器７を介して同軸線路８に導入
される。同軸線路８内は軸対称な放射状の電界分布を有
する同軸TEMモードで伝播する。同軸線路８および整合
室９を伝播し、石英窓２の中央部を介して処理室１内に
導入されたマイクロ波は石英窓２直下数mmの領域に、臨
界電子密度n_c以上の密度を有する円板状のプラズマ１８
aを生成する。生成されたプラズマ１８aは臨界電子密度
n_cを有しているので、マイクロ波の伝播に対して導体と
しての作用をする。マイクロ波の電界の波面は整合室９
内で一度拡大された後、整合室９の下部エッジを中心と
して９０度曲げられ、マイクロ波は導体板１０とプラズ
マ１８aで形成された領域を伝送路として、石英窓２の
中心から外周に向かって石英窓2内を伝播する。同軸線
路8に導入するマイクロ波出力を増大させると、生成さ
れているプラズマ8aより前方（外周方向）にマイクロ波
が放射され、その放射されたマイクロ波により更にプラ
ズマが生成される。従って、マイクロ波出力の増加とと
もにプラズマ18bは石英窓２に沿って同心円状に拡大さ
れる。このプラズマ18b中の電子によりガスが解離、励
起され活性なラジカルが多量に広範囲で生成される。生
成されたラジカルは分散板１４を通過することにより面
内分布を調整される。温度調節された被処理材１１は、
ラジカルとの反応によってプラズマ処理、この場合、ア
ッシング処理される。一方、マイクロ波出力の増加とと
もにプラズマは拡大されその径が大きくなる。光センサ
ー１５が、光センサー15の位置まで拡大されたプラズマ
18bの発光を検出すると、マイクロ波出力制御装置１６
によりマグネトロン５の出力をそのときの値に固定する
ように作用する。

【００１３】このように本実施例では、生成されるプラ
ズマの分布がマイクロ波の固有モード依存しないことか
ら安定なプラズマを生成でき、また、プラズマ検出セン
サーおよびマイクロ波出力制御装置の作用により、プラ
ズマが必要とする大きさになるまで実効的にプラズマ中
に投入するマイクロ波出力を制御できるので、経時変化
や機差があっても再現性良く同心円状のプラズマを生成
することができる。従ってアッシング処理を再現性良
く、均一に行なうことができるという効果がある。

【００１４】次に本発明の第２の実施例を図２により説
明する。本図において図１と同符号は同一部材とし、説
明を省略する。本図が図１と異なる点は、プラズマ検出
用センサーとして金属製棒１７を用いている点である。
金属製棒１７はマイクロ波出力制御装置１６に接続され
ている。マイクロ波出力の増加とともにプラズマ径は拡
大し、プラズマ１８から流れ込んでくる電流を金属製棒
１７が検出すると、マイクロ波出力制御装置１６により
マグネトロン５の出力をその時の値に固定するように作
用する。従って本実施例では、第１の実施例と同様の作
用により安定に、また再現性良く同心円状のプラズマを
生成することができるので、アッシング処理を再現性良
く均一に行なうことができるという効果がある。

【００１５】次に本発明の第３の実施例を図３により説
明する。本実施例もアッシング処理に適応した例であ
る。上部に穴のあいた真空容器１bの上部に円筒状の誘
電体管（例えば、石英管,アルミナセラミックス管）、
この場合、石英管２０を設置し密封する。これにより処
理室１が形成される。また真空容器１bには真空排気装
置（図示省略）に接続された真空排気口３が接続されて
いる。また石英管２０の上部にはガス供給装置（図示省
略）に接続されたガス供給口４aが接続されている。ま
た、石英管２０はテーパ形状を有する同軸導波管変換器
１９を垂直に貫くように設置されている。また、石英管
20の外周部には、外部導体２２が設置されている。同軸
導波管変換器１９は矩形導波管６を介してマグネトロン
５に接続されている。処理室１下部には温度制御装置１
２により温度調節可能な試料台１３が設置してある。被
処理材１１は試料台１３上に載置可能である。また処理
室１内には多数の穴の空いた形状を有する分散板１４が
試料台１３に対向して設置してある。外部導体２２の側
面のある位置にプラズマ検出用センサーが石英管２０上
に設けてある。この場合光センサー１５aが設置されて
いる。光センサー１５aの設置位置はプラズマ処理に必
要なラジカル量により決定される。また光センサー１５
aはマイクロ波出力制御装置１６に接続されている。

【００１６】上記のように構成された装置において、処
理室１の内部を真空排気装置（図示省略）により減圧し
た後、ガス供給口４aからガス供給装置（図示省略）に
よりアッシングガスを石英管２０内および処理室１内に
導入し、所望の圧力に調整する。マグネトロン５より励
振された例えば2.45GHzのマイクロ波は矩形導波管６内
を矩形TE₀₁モードで伝播し、同軸導波管変換器１９を介
して石英管２０内に導入され、プラズマ１８cを形成す
る。生成されたプラズマ１８cは臨界電子密度n_cを有し
ているので、マイクロ波の伝播にたいして導体壁として
の作用をする。従って同軸導波管変換器１９でマイクロ
波は進行方向を９０度曲げられ、プラズマ１８cと外部
導体２２で形成された領域を伝送路として石英管２０に
沿って装置上から下方向に伝播する。導入するマイクロ
波出力を増大させると、生成されているプラズマより前
方にマイクロ波が放射され、その放射されたマイクロ波
により更にプラズマが生成される。従って、マイクロ波
出力の増加とともに、プラズマ18dは石英管２０に沿っ
て縦方向に拡大する。このプラズマ18d中の電子により
ガスが解離、励起され活性なラジカルが多量に生成され
る。生成されたラジカルは分散板１４を通過することに
より面内分布を調整される。温度調節された被処理材１
１は、ラジカルとの反応によりプラズマ処理、この場
合、アッシング処理される。一方、マイクロ波出力の増
加とともにプラズマは拡大し、光センサー１５aがプラ
ズマ18dの発光を検出すると、マイクロ波出力制御装置
１６によりマグネトロン５の出力をその値に固定するよ
うに作用する。

【００１７】従って本実施例では、第１の実施例と同様
の作用により安定に、また再現性良く同じ長さのプラズ
マを生成することができるので、アッシング処理を再現
性良く、均一に行なうことができるという効果がある。

【００１８】次に本発明の第４の実施例を図４により説
明する。本図において図３と同符号は同一部材とし、説
明を省略する。本図が図３と異なる点を以下に説明す
る。上部が開放された真空容器１cの上部にドーナツ状
の形状を有する誘電体窓（例えば、石英窓,アルミナセ
ラミックス窓）、この場合、石英窓２１と円筒状の形状
を有する誘電体管（例えば、石英管,アルミナセラミッ
クス管）、この場合、石英管２０を設置し密封する。こ
れにより処理室１が形成される。また石英管20の外周部
には、外部導体２２が設置されている。また石英窓２１
上、外部導体２２外周には導体板１０aが設置されてい
る。また、導体板１０aの中心からある距離にプラズマ
検出用センサー、この場合、光センサー１５が設置され
ている。光センサー１５の中心からの距離は被処理材１
１の径およびプラズマ処理に必要なラジカル量により決
定される。光センサー１５はマイクロ波出力制御装置１
６に接続されている。

【００１９】上記のように構成された装置において、第
３の実施例と同様に生成されたプラズマ１８eは、さら
にマイクロ波出力を増大すると、石英管２０の下端に達
する。マイクロ波はプラズマ１８fと導体板１０aで形成
された領域を伝送路として石英窓２１に沿って、装置中
央から外周に向かって伝播する。従ってマイクロ波出力
の増加とともにプラズマ１８fは石英窓２１に沿って同
心円状に拡大する。マイクロ波出力の増加とともにプラ
ズマ径が拡大し、光センサー１５がプラズマ18gの発光
を検出すると、マイクロ波出力制御装置１６によりマグ
ネトロン５の出力をその時の値に固定するように作用す
る。

【００２０】従って本実施例では、第3の実施例と同様
の作用により安定に、また再現性良く同心円状のプラズ
マを生成することができるので、アッシング処理を再現
性良く、均一に行なうことができるという効果がある。

【００２１】また上記各実施例では、アッシング装置に
ついて述べたが、プラズマの生成方法および装置、プラ
ズマ検出用センサーおよびその制御装置によるプラズマ
の制御方法及び装置は、その他のエッチング装置、プラ
ズマCVD等のプラズマ処理装置にも使用可能であり、例
えば、図１において分散板１４を取り外し、試料台１３
に高周波電圧印加用電源を接続する等の改良を加えるこ
とでエッチング装置として使用することができる。また
光源、イオン源、ラジカル源等に用いられるプラズマ源
についてもセンサーを設けることにより同様の効果が得
られる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、誘電体窓の反処理室側
マイクロ波を供給するための同軸線路を誘電体窓に対し
て垂直に設置し、該同軸線路の外周の誘電体窓の反処理
室側の面を覆うように導体板を設置し、生成されるプラ
ズマの表面をマイクロ波の伝送路の一部として、導体板
とプラズマとの間で誘電体窓を介してマイクロ波を誘電
体窓に沿って中心から外周方向に伝播させ、円板状に拡
大したプラズマを生成する。該拡大されたプラズマを直
接センサーにより検出するまで、マイクロ波の出力を増
大するようにマイクロ波出力制御装置によりマグネトロ
ンの出力を制御することにより、実効的に一定のマイク
ロ波出力をプラズマに供給できるので再現性良くプラズ
マを生成でき、また生成されるプラズマ分布はマイクロ
波の固有モードに依存することがないので安定で均一に
プラズマを生成することができる。これによって再現性
良く均一にプラズマ処理を行なうことができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の第１の
実施例であるアッシング装置を示す縦断面図である。

【図２】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の第２の
実施例であるアッシング装置を示す縦断面図である。

【図３】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の第３の
実施例であるアッシング装置を示す縦断面図である。

【図４】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の第４の
実施例であるアッシング装置を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１…処理室、１a,１b,１c…真空容器、２…石英窓、３
…真空排気口、４,４a…ガス導入口、５…マグネトロ
ン、６…矩形導波管、７…同軸導波管変換器、８…同軸
線路、９…整合室、１０,１０a…導体板、１１…被処理
材、１２…温度制御装置、１３…試料台、１４…分散
板、１５,１５a…光センサー、１６…マイクロ波出力制
御装置、１７…金属製棒、１８a〜g…プラズマ、１９…
同軸導波管変換器、２０…石英管、２１…石英窓、２２
…外部導体。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 ＨＢ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスが供給されるとともに内部が減圧保持
される処理室内にマイクロ波を利用してプラズマを発生
させ、該プラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理
方法において、前記試料に対向する誘電体に沿って内側
から外側に向かって同心円状に広がるプラズマを生成
し、前記プラズマの広がりを検出することを特徴とする
マイクロ波プラズマ処理方法。
【請求項２】ガスが供給されるとともに内部が減圧保持
される処理室内にマイクロ波を利用してプラズマを発生
させ、該プラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理
方法において、誘電体管に沿って円柱状のプラズマを生
成し、前記プラズマの長さを検出することを特徴とする
マイクロ波プラズマ処理方法。
【請求項３】ガスが供給されるとともに内部が減圧保持
される処理室内部にマイクロ波を利用してプラズマを発
生させ、該プラズマを用いて試料を処理するプラズマ処
理方法において、誘電体管および誘電体窓に沿って円柱
状および同心円状のプラズマを生成し、前記プラズマの
長さおよび広がりを検出することを特徴とするマイクロ
波プラズマ処理方法。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズ
マ処理方法において、プラズマ検出信号によりマイクロ
波出力制御装置を用いて、マイクロ波出力を制御するこ
とを特徴とするマイクロ波プラズマ処理方法。
【請求項５】真空排気装置が接続され内部を減圧可能な
処理室と、前記処理室内へガスを供給するガス供給装置
とマイクロ波を利用して前記処理室内部にプラズマを発
生させるプラズマ発生手段からなるマイクロ波プラズマ
処理装置において、前記処理室の一部である誘電体窓
に、マイクロ波を供給するための同軸線路を直角に設
け、該同軸線路の外周に位置し、前記マイクロ波を伝播
させるための導体板を誘電体窓上に設置し、該誘電体窓
上で前記同軸線路から所定の距離にプラズマ検出用セン
サーを設置し、前記プラズマ検出用センサーに検出信号
処理手段を接続したことを特徴とするマイクロ波プラズ
マ処理装置。
【請求項６】請求項５記載のマイクロ波プラズマ処理装
置において、前記プラズマ検出用センサーとして、光セ
ンサーを用いたことを特徴とするマイクロ波プラズマ処
理装置。
【請求項７】請求項５記載のマイクロ波プラズマ処理装
置において、前記プラズマ検出用センサーとして、金属
製棒を用いたことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理
装置。
【請求項８】請求項５記載のマイクロ波プラズマ処理装
置において、前記検出信号処理手段は、マイクロ波発生
装置に接続されマイクロ波の出力を制御することを特徴
とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項９】真空排気装置が接続され内部を減圧可能な
処理室と、前記処理室内へガスを供給するガス供給装置
と、マイクロ波を利用して前記処理室内部にプラズマを
発生させるプラズマ発生手段からなるマイクロ波プラズ
マ処理装置において、前記処理室の一部である誘電体管
を矩形導波管内の該矩形導波管長軸に対し直角に設け、
該矩形導波管の下側でかつ、誘電体管周囲にマイクロ波
を伝播させるための導体管を設置し、該矩形導波管から
下の所定の距離にプラズマ検出用センサーを設置したこ
とを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１０】請求項９記載のマイクロ波処理装置にお
いて、前記プラズマ検出用センサーとして、光センサー
を用いたことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
置。
【請求項１１】請求項９記載のマイクロ波処理装置にお
いて、前記プラズマ検出用センサーとして、金属製棒を
用いたことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１２】真空排気装置が接続され内部を減圧可能
な処理室と、前記処理室内へガスを供給するガス供給装
置とマイクロ波を利用して前記処理室内部にプラズマを
発生させるプラズマ発生手段からなるマイクロ波プラズ
マ処理装置において、前記処理室の一部である円筒状の
誘電体窓の内側開口部に接続された誘電体管を矩形導波
管内の該矩形導波管長軸に対して直角に設け、該矩形導
波管下、誘電体管周囲にマイクロ波を伝播させるための
導体管を設置し、前記誘電体窓上の導体管外周部にマイ
クロ波を伝播させるための導体板を設置し、装置中心よ
りある距離にプラズマ検出用センサーを設置したことを
特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１３】請求項１２記載のマイクロ波処理装置に
おいて、前記プラズマ検出用センサーとして、光センサ
ーを用いたことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
置。
【請求項１４】請求項１２記載のマイクロ波処理装置に
おいて、前記プラズマ検出用センサーとして、金属製棒
を用いたことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
置。
【請求項１５】請求項１２記載のマイクロ波処理装置に
おいて、前記プラズマ検出用センサーを、矩形導波管か
ら下のある距離の外部導体側面に設置したことを特徴と
するマイクロ波プラズマ処理装置。