JPS59103340A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体基板等に対してプラズマの作用によりデ
ポジションまたはエツチング処理をするための処理装置
を対象とする。

以下では、本発明の背景となったプラズマ輸送法による
プラズマ処理装置を例にとり説明する。

プラズマ輸送方式の基板原理としては、本出願人に゛よ
り出願し特許されたプラズマ流を用いて所望物質を所望
基板上に輸送し、付着させる技術（特許第６１１１８４
号）が公知である。この技術の大要を以下に説明する。

第１図はこのプラズマ輸送法の原理説明図であって、１
は所望物質のガス又は蒸気を放電によりプラズマ化する
プラズマ発生室、２はプラズマ発生室１に設けられたプ
ラズマ流出口、４はプラズマ発生室１に適当な電位を与
えるための電源、５はプラズマ流の終点たるプラズマ収
益体で、本発明では処理しようとする所望の基板が対応
する。６は収益体５に到達したプラズマ電流測定用電流
計、７はプラズマ発生室１およびプラズマ流通路を真空
に保持するための気密囲壁で、この囲壁内部は図示はれ
ない真空排気系により排気式れる。８はプラズマ流出口
および収受体４を結ぶプラズマ流経路を軸とする同軸磁
界を発生する電磁コイルである。

上記構成において、いまプラズマ発生室ｌに放電により
プラズマ３を発生させると、このプラズマはプラズマ流
出口２より発生室１の内外の密度差に伴う拡散作用によ
りプラズマを流出はせ、これがプラズマ流９として上記
電磁コイル８によって発生する同軸磁場によりビーム状
に集速させられてプラズマ収益体５に導かれ、プラズマ
中のイオン物質を収益体５の上に析出式せる。すなわあ
プラズマ化はれた所望物質をプラズマ発生室１から収益
体５まで輸送することで独自の物質輸送方式をなすもの
である。

この輸送手段たるプラズマ流の集束度とプラズマ密度は
、プラズマ発生室のプラズマ密度と同軸磁界の強さによ
って変化するから、磁界が弱いとプラズマ流の拡がりが
大きく、収受体５の一定面積に到達するプラズマ量を減
少尽せるが、磁界強度をある程度以北（例えば２００ガ
ウス以上）に強くすれは、プラズマ流９の始点であるプ
ラズマ流出口２から終点５の収受体までプラズマ密度を
殆んど弱めることなく一定に保つことかできる。

すなわち同軸磁界はプラズマ流９に対して磁気的なパイ
プを形成しているものとみなすことができる。

第′２図にこのプラズマ輸送法を実施するための具体的
な構成を断面図として示す。この装置においてはプラズ
マを発生ζせるためにマグネトロンにより高周波発振電
力を発生させ石英放電管にこの発振電力を印加して放電
を起しプラズマを発生する方式を取っている。同図にか
いては、マグネトロンｌ０ＩＣより同軸管の外側壁１１
と同軸管の中心アンテナ１２によりマグネトロンにて発
生せる数ＧＨｚ程度のマイクロ波電力をプラズマ発生部
のプラズマ発生室である石英放電管１３に注入する。こ
の同軸管によるマイクロ波の伝送は外側壁の直径と中心
アンテナの直径比を適当にとれば、’］”ＥＭモードの
マイクロ波を効率よく放電管に注入することが出き比較
的小式く放電管を作ることが出きる。この放電管はその
内部圧力が放電に適当な圧力、すなわち１０−２〜１０
−”Ｔｏｒｒの圧力に保たれであるためマイクロ波電力
の注入により放電を起しプラズマ１４を発生せしめる。

この石英放電管はプラズマ発生のための放電部およびこ
れに接続する真空槽を大気圧より気密に保ち導入した目
的物質のガスを放電に適した圧力に保つ役割を有すると
共に、導波管の内外壁よりのプラズマへの汚染を防ぐも
ので、本方法の半導体処理の目的に使用する場合は特に
有効である。

この放電管はその管内部の放電によりいちじるしく温度
が十昇するので同軸管の一部に加圧冷却空気導入口１５
を設げてこれより冷却空気を導入し１、放電管と同軸管
の間隙を通じて排気口１６より放電管の外側を冷却した
空気を排出する。また中心アンテナ１２は左端において
マグネトロンのアンテナと結合し℃いるが、その一部に
中空部１８を有する加圧空気導入口１７よりこの中空部
に冷却空気を導入してアンテナ１２の先端部より空気を
噴出せしめ放電管１３の内側の窪み部分を冷却して排出
口１６より排出する。

プラズマ発生部の外周には支持台１９．２１を介して同
軸電磁石２０．２２が位置し、これらの作る磁界はマイ
クロ波電力の注入により生じた放電中の電子の軌道長を
長＜Ｌ、”Ｃ−プラズマ１４の電離匪を大とすると共に
次の輸送用同軸電磁石２４゜２５０作る同軸磁界と共に
プラズマ輸送のための磁気パイプを形成する。２７はマ
グネトロン１０に対する磁気遮蔽板で、同軸電磁石によ
る磁界にマグネトロンの発振特性が影響されないように
取付ける。

プラズマ処理室３２は非磁性のステンレス鋼等により形
成され、その内部圧力は１０〜１Ｏ−７Ｔｏｒｒ程度に
保たれる。この処理室へ石英よりなるプラズマ流出管２
９を通じてプラズマ発生室である石英放電管１３内に発
生したプラズマ１４が、プラズマ流３０として導入でれ
る。なお、２８ａ。

２８ｂは目的の原料物質のガスを放電管に導入する導入
部を示す。このプラズマ処理室３２は、排気口３４な通
じて、排気系３３により排気σれる。

プラズマ処理室の周囲には支持台２３．２５ＶＣより支
持された同軸電磁石２４，２５があり、これらにより形
成された磁気パイプによってプラズマ流は目的の半導体
基板３５の上に輸送される。この際プラズマ流３０が基
板３５の全面に一様に広がるように電磁石の磁界強度が
調整でれる。ブｒお電磁石２４．２６は図十では互いに
離して位許させであるが、一般にこの程度（４０ｃｍ）
の電磁石間隔では実用−トプラズマをいちじるしく発散
ζせることはなく、目的のプラズマ輸送のζまたげとは
ならない。

半導体基板３５はステンレス等より成る支持台３６にて
保持はれるが、これは必要に応じて図示しない加熱機構
にて加熱され、またこの支持台を通じてプラズマ電流が
測定されるがその前に設置したシャッター３７の開閉に
より所望の時間だけプラズマを基板上νこ活る。またこ
の図においてプローベ３１を導入することにより輸送プ
ラズマに任意の電位を与えることかできる。

このように構成されたプラズマ処理装置は半導体基板へ
のデポジションエツチングにおいて極めてすぐれた処理
効果をもつことは、本出願人により出願式れた特願昭５
０−１１９７６号に詳述した通りである。しかしながら
、この構成にて長時間の動作を行った所次のような欠点
かありこのままでは充分にその機能を発揮し得ないこと
が判明した。

これらの欠点とは下記の３点である。

Ｉ）第２図を参照し同軸管の中心アンテナ１８の先端と
半導体基板３５０間で結合が生じ、半導体基板表面がス
ポット状に加熱芒し温間が上昇する。

これはアンテナと基板が磁気パイプで一直線上に結ばれ
ているため特に強く現象として表われたものである。一
般に他の接地部分とも結合する可能性がある。

■）放電管内において同軸管であることからます円筒状
のプラズマが発生ずるが、これが充分に拡散して一様に
ならす、そのままプラズマ流になるため、中心部の密度
の小はい円筒状のプラズマ流が発生する。またＩ）項に
関連し中心部に密度の大なる同軸状のプラズマが発生し
、プラズマ流として輸送される。

また、このような発生部に近接してウェハ処理部を設け
た場合など、大口径のウェハを均一に処理することは困
難である。

１）Ｉ）項と関連して同軸管の中心アンテナに電力が集
中する場合、放電管の窪み部が構造複雑かつ脆弱である
ため窪み部の底部が動作中破損し、大気圧が放電管に入
るような事故がしばしば発生する。

これらの現象は放電部の磁場の強さ、真空度。

マイクロ波出力の印加状態により出現したり消滅したり
するが極めて不安定なものであり、本装置の目的である
デポジション及びエツチングの生産工程への適用に大き
な障害となる。

本発明は上記した欠点を除去するべ（なされたものであ
り、その目的とするところは、導波管を用いたマイクロ
波放電によるプラズマ源の使用により、プラズマ発生機
構をより簡単化し、長時間の安定した動作を行なうこと
ができ、かつ、ＴＥモードのマイクロ波によりプラズマ
の励起を効率的に行なうことができる装置を提供するこ
とにある。

上記目的を達成するための本発明の構成は、プラズマ処
理装置において、プラズマ生成手段として円形導波管に
より注入されるマイクロ波電力にヨリ生成これるマイク
ロ波、放電を用いるプラズマ源を用いることを要旨とす
る。

以下実施例にそって本発明を詳細に述べる。

第３図に本発明によるプラズマ輸送装置のプラズマ発生
部を示す。これは第２図において、同軸管１１および放
電管１３と取付はフランジより左側の部分に対応する。

この第３図の新規なる構成を特徴づけるものは、マグネ
トロン３Ｂの同軸出力を矩形導波管３９に直角に結合ジ
せ、いわゆる同軸線路対矩形導波管変換を行い同軸出力
よりのＴＥＭモードのマイクロ波より矩形導波管３９に
主モードであるＴＥ、ｏモードのマイクロ波を発生ζせ
ることである。この矩形導波管３９は同図に示すととく
テーパー整合部４０を介して円形導波管４１に連設され
る。この場合円形導波管には生モードであるＴＥ、、モ
ードのマイクロ波が励起これ、石英放電管４２にマイク
ロ波電力が注入はれて放電を起し目的のプラズマを生起
することになる。電力の注入がこのように円筒形の導波
管で行うことができるため、第３図にみられるごとく石
英放電管４２が非常に単純な形状になり、ここに本発明
の特長の一つを有する。またこの石英放電管を冷却する
ために圧縮空気導入孔４４と排出口４５を付した。放電
管内に生起したプラズマは外側部の同軸電磁石により放
電で生じた電子の軌道長を大きくしてプラズマの電離度
を大とする作用をもつと同時に次の同軸電磁石と共にプ
ラズマ輸送のための磁気パイプを形成する。

以上のような構造を用うることにより前述の欠点は次の
ように解決することができる。

■）円形導波管の採用により、半導体基板、其の他接地
部分との結合の原因を除去できる。

■）主モードであるＴＥ＋＋モードな用いるため電気力
線が導波管に垂直な直径方向に生じるので、円筒の断面
上均一なプラズマが生じ密度分布の均一なプラズマ流を
得ることができる。またプラズマ中の電子は磁場方向に
対し垂直に加速されるため、プラズマ流中の電子の水平
成分を少な（することができる。

■）放電管の構造が簡単になり丈夫なものを作ることが
でき、かつ電界集中による破損がないので長ガ命となる
。

いま例えばマグネトロンの発振周波数を市販品で入手の
容易な２．４５　ＧＨｚに選べば、円形導波管に関係す
る諸常数としては波長は１２．２４５ｃｍ、導波管直径
を１．Ｏｃｍとすると遮断波長は１７．０６ｃｍとなり
、遮断波長より発振の波長が短かいため直径１０ｃｍの
円形導波管にてマイクロ波電力を導入することができる
。なおこの場合の管内波長は１７．５８６ｃｍである。

また第３図におい壬は円形導波管にＴＥ、、モード波を
発生づせるためテーパー整合部を使用する例を示したが
、この他にステップ変換器や直交変換器を用いても同様
の目的が達成できる。

この円形導波管に注入されたマイクロ波電力は放電管に
おいてマイクロ波放電として消費されるが、放電に消費
されなかったマイクロ波は放電管を通過し、一部は導波
管とこれに接続する真空槽との接続部において反射され
るが多くはそのまま真空槽内に入り拡散する。これは注
入マイクロ波電力の無効部分となる。それで第４図に示
すように導波管の次に開口の直径が遮断波長より小さい
円板４６または円筒４７を付して放電管内で吸収されず
に進行してきたマイクロ波ケ反射し、再び放電管内のプ
ラズマの中を再通過させて吸収効率を向上はせることが
できる。

一般にこのプラズマ輸送装置はプラズマ発生部において
、デポジションのためのプラズマ、またはエツチングの
ためのプラズマを発生して、デポジションまたはエツチ
ング処理の機能を持つことが可能である。このエツチン
グの場合、主として、弗化エチレン系のガス、例えばフ
レオン（ＯＦ４）のマイクロ波放電を行う。この際発生
する弗素イオンはプラズマ流として輸送され半導体基板
をエツチングするが、同時に石英放電管の管壁をもエツ
チングして長時間の使用に対し放電管に孔をあけてしま
うおそれがある。

特に第２図に示すような同軸管結合の放電管ではその構
造が窪み部を持った複雑な形状であるため、この窪み部
分において管壁がうす（なり孔があきやすい傾向にあっ
た。

本発明では円形導波管の導入により第４図に示すごとく
放電管の構造が単純化され均一肉厚のものが形成量きる
ようになったが、更に構造単純化の手段として第５図に
示ずように放電管内に内張り４８を挿入することができ
る。この内張りは例えばボロンナイトライド（ＢＮ）の
ように弗素イオンに侵されにくい性質を用いると放電管
の寿命ケいちじるしく伸ばすことができる。またデポジ
ションの場合でもデポジション物質がこの内張りに耐着
するため放電管の清掃にあたり内張りを交換するだけで
直ちに次の作業に移ることが出きるので装置の手入れ上
時間短縮の効果を生じる。

以上実施例で述べたごとく、たとえば、プラズマ輸送装
置に円形導波管を用いたプラズマ発生部を用いることに
よりその構成を単純化ならしめ、従来の同軸管を用いた
場合の諸欠点を解消し、前記目的を達成することができ
た。

本願明細書においては、主にプラズマ輸送方式によるプ
ラズマ処理装置を例にとり説明したが、本発明はそれに
限定されるものではなく、他のプラズマ処理装置へも適
用できることは、いうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマ輸送法によりプラズマ流を用いて物質
を輸送する一般的原理説明図、第２図は第１図で示した
原理を用いてデポジション及びエツチングを行なうため
のプラズマ輸送装置の一例を示す断面図、第３図乃至第
５図は本発明による各実施例においてプラズマ輸送装置
の要部をそれぞれ示す断面図である。 １・・・プラズマ発生室、２・・・プラズマ流出口、３
・・・発生プラズマ、４・・・電源、５・・・収受体、
６・・・電流計、７・・・真空槽、８・・・同ＩＩ！ｌ
ｌ］電磁ｈ、９−・・プラズマ流、１０・・・マグネト
ロン、１１・・・同軸管外側、１２・・・同軸管アンテ
ナ、１３・・・放電管、１４・・・発生プラズマ、１５
・・・冷却空気入口、１６・・・冷却空気出口、１７・
・・冷却空気入口、１８・・・中空部、１９・・・電磁
石支持台、２０・・・同軸電磁石、２１・・・電磁石支
持台、２２・・・同軸電磁石、２３・・・電磁石支持台
、２４・・・同軸電磁石、２５・・・電磁石支持台、２
６・・・同軸電磁石、２７・・・磁気遮蔽板、２８・・
・ガス導入口、２９・・・プラズマ流出管、３０・・・
プラズマ流、３１・・・プローベ、３２・・・真空槽、
３３・・・排気系、３４・・・排気口、３５・・・収受
体、３６・・・収受体支持台、３７・・・シャッタ、３
８・・・マグネトロン、３９・・・矩形導波管、４０・
・・テーパ整合部、４１・・・円形導波管、４２・・・
放電管、４３・・・支持フランジ、４４・・・冷却空気
入口、４５・・・冷却空気出口、４６・・・マイクロ波
反射円板、４７・・・マイクロ波反射円筒、４８・・・
内張り。 代理人　弁理士　　高　橋　明　夫乙 第　　１　　図 〃 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　（ａｌ　　マイクロ波発生部 （ｂ）ＴＥモードのマイクロ波を伝播するようにした導
   波管 （Ｃ）　　上記導波管の一部または終端部近傍に設けら
   れたプラズマ発生部 （ｄ）　　上記プラズマ発生部で発生したプラズマによ
   り被処理板状物を処理する処理部 よりなるプラズマ処理装置。 ２、（ａ）　　マイクロ波発生部分 子ｂ）　　管状の断面を有する導波路 （Ｃｌ　　上記導波路の一部または終端部近傍に設けら
   れたマイクロ波励起部 （ｄｉ　　導波領域とマイクロ波励起部を気密分離する
   分離部材 ｔｅｌ　　上記導波路内にガスを流して、上記分離部材
   を冷却するようにした冷却機構 （ｆ）　　上記励起部に又発生した励起気体を用いて被
   処理体を処理する処理部 よりなるプラズマ処理装置。