JPS6267822A - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はプラズマを利用してガス状物質を分解し試料面
の成膜やエツチング処理を行うプラズマ処理装置に係り
、特に磁場中にマイクロ波を導入して電子サイクロトロ
ン共鳴（ＥＣＲ）によりプラズマを生成させ処理を行う
ＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装置に関する。

〔発明の背景〕 従来のＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装置として、真空
室内に所望の磁場分布および磁界強度の磁場を形成し、
真空室内に導入された所定の圧力の原料ガスにマイクロ
波電力を照射して、マイクロ波電界と上記磁場の相互作
用によるプラズマ放電を発生させて原料ガスを分解せし
め、所定の基体上に薄膜を形成させたりエツチング処理
を行う装置が知られていて、たとえば特開昭５６−１５
５５３５号公報などに記載されている。

第４図は従来の上記公報記載のＥＣＲマイクロ波プラズ
マ処理装置を例示する原理的構成図である。第４図にお
いて、ｌは空胴共振器をなすプラズマ生成室、２は試料
室、３は石英ガラス製のマイクロ波導入窓、４は矩形導
波管で、たとえばマグネトロンで発生した周波数２．４
５ＧＨｚのマイクロ波を導入する。５は磁気コイルで、
プラズマ生成室１内に電子サイクロトロン共鳴条件を満
足する磁場、たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波の場
合には磁束密度８７５Ｇの磁場を形成するとともに、試
料室２内に発散磁界を形成する。６．７は原料ガス導入
口で、ガス導入ロアは成膜処理の場合に必要であるがエ
ツチング処理の場合には不要である。

８はプラズマ引出し窓、９は試料台、１０は試料基板、
１１は排気口で、たとえば成膜時の圧力３Ｘ１０−”〜
５　Ｘ　１Ｏ−５Ｔｏｒｒ程度に減圧するポンプ系に接
続される。１２はＲＦ電源、１３はインピーダンスマツ
チング回路である。

この構成で、ガス導入口６からプラズマ生成室１に導入
された原料ガスはマイクロ波によるプラズマ放電によっ
て分解活性化され、プラズマ引出し窓８から発散磁界に
よって試料室２側に引き出される。ここで成膜処理の場
合にはガス導入ロアから試料室２内に導入された別種の
原料ガスが試料室２内に導入された別種の原料ガスが試
料室２内で上記プラズマ生成室１からの分解ガスと反応
し、試料台９上の試料基板１０の表面に薄膜を形成する
。この場合、基板１０に入射するイオンのエネルギは約
１０〜２０ｅＶであるので、必要に応じてＲＦ電源１２
からインピーダンスマツチング回路１３を介して試料台
９に負のバイアスを印加することも可能である。このよ
うな基板バイアスの試料の異方性エツチング処理を行う
場合に特に重要である。

このような原理によるＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装
置は、（１）ガス圧３Ｘ１０−”〜５Ｘ１０−’１０程
度の低ガス圧で放電可能で、高い電子温度（〜８ｅＶ）
が得られ難い分解性ガスも分解できて広範なガス種を利
用でき、（２）イオンの入射エネルギが低く　（約２０
ｅＶ）　、また必要に応じ試料台９に外部電圧を印加し
て入射イオンの運動エネルギをある程度制御でき、（３
）無電極放電であるので処理膜中に不純物の混入により
汚染が少ないなどの特徴を有し、特にプラズマダメージ
の少ない条件で異方性エツチングが可能であり、また低
温で高品質の薄膜を形成できる利点を有する。

しかしながらこの従来装置では、はぼ均一な処理速度が
得られるのは第４図の構成装置の場合にプラズマ生成室
（放電室）径程度の域内であって生産性上の問題が多い
。もし装置規模の拡大により均一処理域を拡げるには、
電子サイクロトロン共鳴に必要な磁束密度を維持するた
めに大がかりな電磁石が必要となり現実的でない。また
処理面積を増大するために複数枚の基板を磁力線方向に
平行に配置してプラズマ処理装置を行うことも考えられ
るが、単に試料をこのように配置しただけでは処理速度
の均一性が著しく悪化し、また成膜処理を行う場合には
膜の緻密性および成膜速度の面でも試料面を磁力線方向
に直角に設置した場合と同等の結果が得られ難いため従
来採用されていない。

また従来装置では、上記の均一処理面積に係る生産性上
の問題点のほかに、性能上の制約として異方性エツチン
グ処理の場合に試料台９にＲＦ電源１２により負バイア
スを印加することが不可欠であるが、ＲＦ電力投入時に
対向電極の役割をはたすのが試料室２の壁面であるため
形成できるバイアス電圧がたかだか１００ｖ程度に限ら
れる。また成膜処理の場合に金属薄膜や高導電性半導体
薄膜を形成しようとすると、マイクロ波導入窓３に導電
性被膜が付着形成しやす（、マイクロ波を遮断しやすく
するため実質的には用途が絶縁膜の形成に限られるなど
の問題点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記した従来技術の問題点を解決し、大
面積複数試料の処理を可能にして生産性を高めるととも
に、性能上も広いバイアス電位範囲でエツチング等処理
を可能にし、高導電性薄膜の成膜処理にも利用可能なＥ
ＣＲマイクロ波プラズマ処理装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明は、従来の試料面を磁力線とほぼ垂直に配置して
いたのと異なり、試料面を磁力線とほぼ平行に配置して
複数枚の試料も処理可能とするとともに、併せて副次的
効果により性能向上を図るので（好ましくは試料設置領
域の磁場勾配を小さくしほぼ均一磁界域を形成して試料
の処理速度を均一化し、さらに必要に応じ試料面と垂直
方向の電界を形成することにより試料面を磁力線とほぼ
平行に配置するさいの特性を向上させ、これにより試料
印加バイアスの制御域を拡大したエツチング処理を可能
にし、また高導電性被膜の形成処理なども可能にしたＥ
ＣＲマイクロ波プラズマ処理装置である。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の実施例を第１図ないし第３図により説明
する。

第１図は本発明によるＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装
置の一実施例を示す原理的構成図である。

第１図において、２１はたとえば内径１００鶴φの石英
ガラス製放電管、２２は試料室（真空室）、２３はたと
えば２．４５Ｇ）Ｉｚのマイクロ波を発生させるマグネ
トロン、２４は円形導波管である。本例では第４図に示
した空胴共振器構造の放電室（プラズマ生成室）を用い
ずにホイスラーモードでマイクロ波を導入しているが、
これに限るものではない。２５は電子サイクロトロン共
鳴条件を満足する磁場を形成するための磁気コイルで、
これによる磁界強度は好ましくはマイクロ波の伝播経路
に沿い放電管２１の先端部では電子サイクロトロン共鳴
条件の磁束密度よりも大きく、放電管２１の出口部分で
ほぼ電子サイクロトロン共鳴条件を満足する磁束密度た
とえば８７５Ｇになるように設定される。２６は放電管
２１側に吹き出す円環状の吹出し口部を有する第１のガ
ス導入口で、導入される原料ガスは放電管２１内でマイ
クロ波によりプラズマ放電にょって分解活性化される。

２７は試料室２２側に吹き出す円環状の吹出し口を有す
る第２のガス導入口で、成膜処理時に導入される別種の
原料ガスが放電管２工からの分解ガスと試料室２２内で
反応する。２８゜２９は磁気コイル２５による磁場とと
もに試料室２２内にほぼ均一な磁界強度の領域を形成す
るための並列的に配置された磁気コイルで、本例では磁
気コイル２５により磁界と同極性の磁界を磁気コイル２
９によって形成するとともに、磁気コイル２８によって
逆極性の磁界を形成することにより、磁気コイル２９の
付近の試料室２２内の領域に磁界強度のほぼ均一なたと
えば磁束密度が約１５０Ｇの領域を形成する。３０は排
気口で、油拡散ポンプおよび油回転ポンプよりなる排気
系に接続される。３１は複数の試料基板、３２は基板ホ
ルダで、試料基板３１は試料室２２内の磁界強度がほぼ
均一な領域で磁力線方向とほぼ平行に設置される。３３
は基板ホルダ（電極）３２との電極間隔がたとえば３０
ｍの対向電極、３４はＲＦ電源（発振器）、３５はイン
ピーダンスマツチング回路で、基板ホルダ３３と対向電
極３３０間にＲＦ電源３４からインピーダンスマツチン
グ回路３５を介して負バイアスを印加することにより、
試料基板３１の表面に垂直な電界を形成できる。

この構成の装置を用いて、たとえば放電管２１側への第
１のガス導入口２６から酸素を導入するとともに、試料
室２２側への第２のガス導入口２７からシランを導入し
て、成膜圧約１　ｍ　Ｔｏｒｒで３インチのシリコンウ
ェハ（試料基板）３１へ２酸化けい素を成膜させる。こ
のさい基板ホルダ３２へたとえば１３．５ＭＨｚのＲＦ
波（ラジオ波）を投入して、膜厚均一性±５％で屈折率
１．４６の２酸化けい素の成膜が得られ、試料基板面を
磁力線にほぼ垂直に配置した場合と同等の成膜が可能で
ある。これは従来の発散磁界によるイオン加速効果を電
界によって代替えした効果によるものと考えられ、投入
するラジオ波電力は２０〜３０Ｖの負バイアスが印加で
きる程度で十分に効果的である。なお本実施例では試料
基板３１側に負バイアスがかかり易いように試料ホルダ
３２側にラジオ波を投入したが、単に成膜処理を行う場
合には必要バイアスが小さいので対向電極３３側にラジ
オ波を投入して試料ホルダ３２側を接地することも可能
である。またラジオ波周波数も１３．５ＭＨｚに限定さ
れるものでなく、導電性試料の場合には直流でもよい。

さらに試料ホルダ３２に投入するラジオ波電力を増大さ
せると、試料基板３１表面の酸素イオンによるスパッタ
リングを行うことも可能となるが、このような従来装置
では不可能であった１００Ｖ程度の負バイアスが本装置
では制御性よく印加可能である。こうした広範囲の負バ
イアスの制御性は本装置を用いて異方性エツチング処理
をする場合に特に有効で、たとえば第２のガス導入口２
７を閉じて第１のガス導入口２６からＳＦ、ガスを導入
し、シリコンウェハ（試料基板３１）のエツチングを行
うと良好な異方性エツチングが可能である。

第２図は第１図の第２のガス導入口２７の試料室２２側
へのガス吹出し口を対向電極３３の電極表面に設けた他
の実施例を示す原理的構成図である。第２図において、
３６は試料ホルダ３２上の試料基板３１表面に対向する
電極表面に吹出し口を有する対向電極で、他の構成は第
１図と同一である。このように本装置では第１図で説明
のとおり試料基板３１表面を磁力線にほぼ平行に配置し
て処理可能であるため、プラズマ成膜を行う場合に試料
室２２側への導入ガスがマイクロ波導入部方向へ拡散し
にくいように第２のガス導入口２７のガス吹出し口を配
置することが可能である。この構成の装置を用いて、た
とえば放電管２１側への第１のガス導入口２６にアルゴ
ンガスを導入してマイクロ波によりプラズマ励起せしめ
るとともに、試料室２２側への第２のガス導入口２７の
試料基板３１に対向する吹出し口付き対向電極３６の表
面からシランガスを導入し、ガラス基板（試料基板３１
）上へアモルファスシリコン膜を形成する。この場合に
は石英ガラス製放電管２１への付着成膜が著しく少ない
条件で試料基板３１への成膜が可能となり、したがって
従来装置では困難であった導電性薄膜の成膜処理にも適
用可能である。

第３図は第１図の試料室２２内に均−磁場域を形成する
ための磁場コイル２５．２８．２９と別の実施例を示す
原理的構成図である。第３図において、３７は磁気コイ
ル２５を包み試料室２２側に延長された高透磁率板で、
他の構成は第１図の磁気コイル２８がないほか第１図と
同様である。このように第１図の装置では試料室２２内
の均一磁界を３組の磁気コイル２５．２８．２９により
形成したが、本装置では図示するように磁気コイル２５
を包み試料室２２側に延長された高透磁率板３７と磁気
コイル２９によって形成することも可能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明のＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装
置によれば、従来装置で困難であった複数試料の同時処
理を可能にして生産性を著しく向上させるとともに、性
能上でも大幅に拡大した試料バイアス制御域でのエツチ
ング処理や高導電性薄膜の成膜処理が容易になるなどの
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマ処理装置の一実施例を示
す構成図、第２図は第１図の第２のガス導入口のガス吹
出し口を有する対向電極の他の実施例を示す構成図、第
３図は第１図の試料室内に均一磁場を形成する磁気コイ
ルの別の実施例を示す構成図、第４図は従来のプラズマ
処理装置を励磁する構成図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空室と、該真空室にマイクロ波電力を供給する手
   段と、上記真空室内の少なくとも一部に磁場を形成する
   手段と、上記真空室内に放電ガスを導入する手段と、上
   記真空室内に試料を保持する手段とを備え、放電プラズ
   マを利用して試料の成膜処理またはエッチング処理を行
   うプラズマ処理装置において、上記真空室内に上記磁場
   の磁束密度が磁力線方向にほぼ均一な領域を形成し、該
   領域に上記磁力線方向とほぼ平行に試料面がなるように
   少なくとも１個以上の試料を保持するようにしたプラズ
   マ処理装置。 ２、上記真空室内に形成される磁場は磁界強度が上記マ
   イクロ波の伝播経路に沿って電子サイクロトロン共鳴条
   件を満足する磁界強度より大きな領域から減少して電子
   サイクロトロン共鳴条件を満足する磁界強度の領域を経
   て電子サイクロトロン共鳴条件を満足する磁界強度より
   小さくなった領域で磁界強度がほぼ均一となり、ここに
   上記磁場の磁束密度が磁力線方向にほぼ均一な領域を形
   成するようにした特許請求の範囲第１項のプラズマ処理
   装置。 ３、上記真空室内に形成される磁場は上記マイクロ波の
   伝播経路に沿って並列的に配置された少なくとも３個の
   磁場発生装置を使用し、かつそのうち少なくとも１個の
   磁場発生装置で逆極性磁界を発生して形成するようにし
   た特許請求の範囲第１項または第２項記載のプラズマ処
   理装置。 ４、上記試料面に垂直な電界を形成するようにした特許
   請求の範囲第１項または第２項または第３項記載のプラ
   ズマ処理装置。 ５、上記電界は試料面に対向させた電極により形成する
   ようにした特許請求の範囲第４項記載のプラズマ処理装
   置。 ６、上記真空室内の上記マイクロ波の伝播経路に沿って
   磁場の磁界強度がより大きな部分に上記放電ガスの第１
   のガス吹出し口を配し、上記磁界強度のより小さな部分
   に第２のガス吹出し口を配して、試料表面への成膜処理
   を行うようにした特許請求の範囲第１項または第２項ま
   たは第３項または第４項または第５項記載のプラズマ処
   理装置。 ７、上記試料面に対向させた電極に上記放電ガスの上記
   第２のガス吹出し口を有する特許請求の範囲第５項また
   は第６項記載のプラズマ処理装置。