JPS59103341A

JPS59103341A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPS59103341A
Application number: JP17294883A
Authority: JP
Inventors: Takashi Tsuchimoto; 槌本　尚; Kuniyuki Sakumichi; 訓之作道; Keizo Suzuki; 敬三鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-09-21
Filing date: 1983-09-21
Publication date: 1984-06-14

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
ポジションまたは工、ッ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、ｌは
所望物質のガス又は蒸気を放電にエリプラズマ化するプ
ラズマ発生室、２はプラズマ発生室ｌ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されな
い真空排気系により排気される。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１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ｌの内外の密度色ｖｒ＆ら献効徐田ｒ
ｙ　ｒハブ貴ゼヮか襦出番訃　ｒ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に導か幻、プ
ラズマ中のイオン物質を収益体５の上に析出させる。す
なわちプラズマ化さ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
犬きく、収受体５の一定面積に到達するプラズマ量を減
少させるが、磁界強度をある程度以上（例えば２００ガ
ウス以上）Ｋ強くすれば、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ができる。

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
を発生さ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。同図におい
ては、マクネトロン１ＯＴｌｃ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ＧＨ２程度のマイクロ波電力なプラズマ発生部
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単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、ＴＥＭモードのマイ
クロ波を効率工〈放電管に注入することが出き比較的小
さ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ｌσ２〜１♂Ｔｏｒ
ｒ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
る真空槽を大気圧エリ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θ）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エリいチシるしく温度
が上昇するので同軸管の一部に加圧冷却空気導入口１５
を設けてこり、エリ冷却空気を導入し覧放電管と同軸管
の間隙を通じて排気口１６エ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てしるが、その一部に
中空部１８を有する加圧空気導入口１７エリこの中空部
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局には支持台１９．２１を介して同
軸電磁石２０，２２．ｍ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
を長くしてプラズマ１４の電離度を大とすると共に次の
輸送用同軸電磁石２４゜２５の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けマグネ
トロ７１０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（ハ裏うに取
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　−１０Ｔｏｒｒ程度に保
たれる。この処理室へ石英よりなルア”　ラスマ流出管
２９を通じてプラズマ発生室で６る石英放電９１３内に
発生したプラズマ１４が、ブラ′ズマ流３０として導入
される。なお５２８ａ。

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を通
じて、排気系３３［Ｊ：り排気される。

プラズマ処理室の周囲には支持台２３．２５により支持
さ引た同軸電磁石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３ｏ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
整される。なお電磁石２４．２６は図上では互いに離し
て位置させであるが、一般にこの程度（４０ｆｉ）の電
磁石間隙では実用上プラズマをいちじるしく発散させる
ことはなく、目的のプラズマ輸送のさまたげとはならな
い。

半導体基板３５はステンレス等より成る支持台３６にて
保持されるが、これは必要に応じて図示しｆＬｔｎ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に送る。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ができる。

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ねた処理
効果をもつことは、本出願人により出願された特願昭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漸次のような欠点
がありこの１までは充分にその機能を発揮し度ないこと
が判明した。これらの欠点とは下記の３点である。

■）　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
スポット状に加熱され温度が上昇する。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ず円筒
状のプラズマが発生するが、これが充分に拡散して一様
にならず、そのままプラズマ流になるため、中心部の密
度の小さ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犬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。

ｍ＞　　　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、放電管の窪み邪が構造複雑かつ脆弱
であるため窪み耶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、Ｘ９度。

マイクロ波出力の印加状態により出現したり削減したり
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。

本発明が開発した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Ｗ１１および放電管
１３と取付け７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３８の同軸出力を矩形導波管３９に直角に結合させ、
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、。モードのマイクロ波を発生させろこ
とである。この矩形導波管３９は同図に示すごとくテー
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主モードであるＴＥ、、　モー
ドのマイクロ波が励起され、石英放電管４２にマイクロ
波電力が注入さ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−６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エリ放
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っ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、１　モードを用いるため電
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。１だ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
水平成分を少なくすることができる。

■）　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寿命とな
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２．４５ＧＨ２に選べば・円形導波管に関係する
諸常数としては波長は１２，２４５（至）、導波管直径
を１０ｆｉとすると遮断波長は１７．０６（至）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１７．５８６（至）である
。また第３図においては円形導波管１ｃＴＥ、１　モー
ド波を発生さ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。

しかしながら、本発明者が検討したところによると、こ
のような装置では・以下のような問題点があることが明
らかとなった。すなわち、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溝と
の接続部において反射されるが多くはそのまま真空構内
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。

そこで、本発明の一つの目的はプラズマ発生効率の高い
プラズマ処理技術を提供することにある。

本発明の一つの目的は、マイクロ波電力を有効に利用す
るマイクロ波励起技術を提供することにあるＯ上記目的を達成するための本発明の構成は・マイクロ波
励起によりプラズマ処理装置において・マイクロ波導波
部のプラズマ発生部側端にマイクロ波反射手段を設ける
ことにより上記プラズマ発生部で吸収されなかったマイ
クロ波を反射し、再度プラズマ発生部にもって来るよう
にしたものである。

第４図は、本発明の実施例のプラズマ処理装置の要部を
示したものである。同図において、４１は円型導波管、
４２はその内部でプラズマを発生させるための誘電体で
つくらｈた放電管、４５は冷却ガスの出口、４６はマイ
クロ波を反射するための円板％４７は同様にマイクロ波
を反射するための円型導波管よりも細い反射円筒である
。

以上説明した如く、反射手段を導波部材のプラズマ発生
部端に設けることにより、反射波もプラズマ励起に利用
できる為、励起能率を向上することができる。

また、高濃度の励起ガスをつくることかできるため、処
理速度を著しく向上することができる。

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（ＣＦ４）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１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なあけてしま
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
分において管壁かうすぐなり孔があきやすい傾向にあっ
た。

本発明が開発した装置では円形導波管の導入に工り第３
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
のが形成出きるようになったが、更に構造単純化の手段
として第５図に示すように放電管内に内張９４８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
命を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工時間
短縮の効果を生じる。

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ｈＶ
ｃ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図は、本
発明者が開発したプラズマ処理装置のプラズマ発生部の
断面図、第４図は、本発明の実施例のプラズマ処理装置
の要部断面図、第５図は、本発明者が開発した放電管の
断面図である。ｌ・・・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・・・同軸電磁石、
９・・・プラズマ流、工０・・・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、２
ｏ・・・同＠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、２６・・・同軸電磁
石、２７・・・磁気遮蔽板、２８山ガス導入口、２９・
・・プラズマ流出！、３０・・・プラズマ流、３１・・
ブローベ、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％３８川マクネＦ−ロン、３
９・・・矩形導波管、４ｏ・・・テーバ整合部、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。第１図 ρ 第　　４　図第　　５　図

Claims

【特許請求の範囲】１、　　［ａ）　　マイクロ波発生部（ｂＪ　　上記マイクロ波を伝送する導波部（Ｃ１上記
導波部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）　　上記導波部の終端部に設けられたマイクロ波
の反射手段Ｉｅ）　　上記プラズマ発生部で発生したプラズマによ
り被処理体を処理する処理部分よりなるプラズマ処理装
置。