JPS63293824A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ＣＶＤ、エツチング、スパッタリング、アッ
シング等の各技術における高速処理に好適なマイクロ波
によるプラズマ処理装置に関する。

〔従来の技術〕

低温プラズマを用いた装置を大別すれば、真空中で平行
平板電極の一方に１０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚ程度の高周波
電圧を印加してプラズマを発生させる技術を用いるもの
（半導体研９１８　；　ｐ、　１２１〜１７ｏ、半導体
研究１９　；　Ｐ、　２２５〜２６７）と、２．４５Ｇ
Ｈｚのマイクロ波を真空室へ導入してプラズマを発生さ
せる技術を用いるものがある。従来、これらの内で平行
平板電極による技術が主として用いられてきた。

一方、半導体素子の微細化に伴い、プラズマ処理時に発
生するイオンの衝撃により素子特性が影響を受けること
が問題となってきた。さらに、処理能力の向上のために
処理速度を上げることが要請されている。

処理速度を高める場合、単にプラズマの密度あるいはラ
ジカル（イオン化直前の活性粒子）鑓度を高めるだけで
は不十分である。プラズマ処理によるドライエツチング
や、プラズマＣＶＤでは、イオンのエネルギーがＭ要な
役割を果たしている。

ドライエツチングの場合、イオンのエネルギーが大きす
ぎる七、下地の膜が削られたり結晶構造に影響を与え、
素子特性が劣化する。また、小さすぎると、エツチング
面に形成されるポリマーの除去が十分に行なわれず、エ
ツチング速度が低下する。または、逆をこポリマーによ
る保論膜が形成されず、パターンの側面がエツチングさ
れ、パターンの寸法精度が悪くなるといった問題を発生
する。

プラズマＣＶＤでも、イオンのエネルギーが弱いと膜組
成が粗となり、エネルギーが強いと密になるというよう
にイオンエネルギーが成膜に影響する。

したがって、プラズマの高密度化と、イオンエネルギー
を適正に制御することが今後のプラズマ処理に不可欠で
ある。

これに関連する公知例として、特開昭５６−１３４８０
号、特開昭５６−９６８４１号に示されるようなマイク
ロ波を用いた方式が提案されている。

マイクロ波によりプラズマを発生させる場合、マグネト
ロンにより発生したマイクロ波を低圧にしたプラズマ処
理室に放射しても、マイクロ波の電界強度が十分でない
ため、電子に十分なエネルギーが供給されず、プラズマ
を発生させることは困難である。

マイクロ波によりプラズマを発生させるためには、電子
が磁場と垂直な平面を回転するサイクロトロン周波数と
マイクロ波の周波数を合致させ共鳴状態にして電子にエ
ネルギーを供給する方法と、マイクロ波を空胴共逗器に
放射してマイクロ波の振幅を大きくシ、′電界強度を強
めて電子ｌこエネルギーを供給する方法の二つがある。

前者は特開昭５６−１３４８０号に示されたもので、有
磁場マイクロ波あるいはＥ　ＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ動５ｏｎａｎｃｅ　）法とよばれて
いる。後者は特開昭５６−９６８４１号に示されたもの
である。

マイクロ波により発生したプラズマでは、マイクロ波よ
り電子へ＠接エネルギーが供給されるためｌこ、プラズ
マと試料との間に形成されるシース間電圧はほとんど変
化しない。そこで、特開昭５６−１３４８０号では、試
料を載せる電極に高周波電圧を印加し、シース間電圧を
任意に制御することにより、昼速処理ｌこ必要な菖いプ
ラズマ密度と適正なイオンエネルギーを得ることを提案
している０ 〔発明が解決しようとする問題点〕 プラズマ処理では、イオンの童およびエネルギーが重要
な役割を果すことをさきに述べた。

従来技術の中でＥＣＲ方式では、特開昭５６−１３４８
０号に示されるように、試料を載せた電極に高周波電圧
を印加すると、この電極に対向する側には接地電極がな
いため、高周波電流は周囲の処理室壁との間に流れ、そ
の結果、試料上でのイオンのエネルギーが不均一となる
。また、マイクロ波の電界分布も均一にはなっていない
ので、プラズマｆｆｉ！、すなわちイオン量も不均一と
なり、試料全体を均一に処理することが困難であるとい
う問題点があった。

一方、空胴共振器を使った方式では、共振器の中でプラ
ズマを発生させる構造であるため、プラズマが発生する
と、マイクロ波の波長がプラズマの＠度により変化する
ことから、共振条件が破へプラズマが不安定ζこなると
いう問題点があった。

すなわち、プラズマが発生するまでは、共振条件が満足
されているため、マイクロ波の電界強度が強くなり、プ
ラズマが発生する。しかし、一度プラズマが発生し、密
度が高くなるとマイクロ波の波長が変わるため、共振条
件が破れ、電界強度が小さくなって、エネルギーの供給
が減少し、プラズマ密度も低下する。プラズマ密度が低
下すると、波長が変わって、再び共振条件が満足され、
その結果、再びプラズマ密度が高まる。これらのくり返
しによりプラズマを安定させることが困難であった。こ
のプラズマから試料に入射するイオンのエネルギーを制
御するために、高周波印加電極を空胴発振器内ζこ設け
ると、マイクロ波の反射などが発生し、プラズマはさら
に不安定になるという問題点があった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、安定
で高密度のプラズマを均一な密度で発生させることがで
きるとともに、試料に入射するイオンのエネルギーを試
料全体で均一にできるようなプラズマ処理装置を提供す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

一般に、導波管または導波管の一種と考えられる空胴共
振器内をマイクロ波が進行する場合、導波管や空胴共振
器の壁面には、電場、磁場に対応した電流が流れる。し
たがって、この電流を横切るように壁面ζこスリットを
設けると、スリットの両端に電荷がたまり、その電荷量
がマイクロ波の進行に伴って変化することから、スリッ
ト両端間の電界が変化し、導波管や空胴発振器の外部に
マイクロ波が放射される。

本発明は、この原理により、端面にマイクロ波を放射す
るスリットを設けた複数個の空胴共振器を、そのスリッ
トを設けた端面をプラズマ処理室に向けて隣接配置し、
それぞれの空胴共振器にマイクロ波発生器から導波管を
通して独立にマイクロ波を送り込む構成とすることで上
記目的を達成したものである。

〔作用〕

従来のＥＣＲ方式では、導波管の開口部より直接マイク
ロ波をプラズマ処理室内に放射する構成となっていた。

この構成でプラズマ処理室と導波管の一口部との間に接
地電極を設置すると、マイクロ波は接地電極で反射され
、プラズマ処理室に供給されなくなってしまう。

本発明では、導波管の端面を閉じて空胴共振器構造とし
、この端面にマイクロ波を放射するスリットを設け、か
つこのような空胴共振器を複数個プラズマ処理室に隣接
して配置する構成としたため、これらの空胴共振器に送
り込むマイクロ波のパワーを独立に調整することにより
、各共振器の端面のスリットから放射されるマイクロ波
によってプラズマ処理室内に均一な密度のプラズマを発
生させ、試料近傍におけるイオン量を均一化することが
できる。さらに、試料に対向している空胴共振器の端面
をアース電位とすることＩこより、試料に印加した高周
波電圧による電流が均一に流わ、その結果、試料に入射
するイオンのエネルギー分布も均一化するこ七ができる
。

上記構成において、プラズマ処理室内のマイクロ波の波
長はプラズマ密度に依存しているので、プラズマ＠度の
値によっては空胴共振器の端面と試料載置電極との間に
定在波がでさ、前述の理由によりプラズマが不安定とな
る場合がある。これを防ぐには、試料載置′開極がマイ
クロ波の反射端ではなく、吸収端となるような構造とす
ればよく、そうすれば定在波はできず、プラズマが不安
定になることはない。試料載ｆ！を電極を吸収端とする
方法としては、メツシュ状の基板載置電極の奥に抵抗体
を設置することが考えられる。メツシュ状電極を透過し
たマイクロ波が抵抗体に侵入すると、抵抗体内部に電流
が流れ、ジュール熱を発生する。

したがって、マイクロ波はここで減挾し、試料載置電極
は吸収端となる。

〔実施例〕

以下、本発明の第１の実施例を第１図、第２図により説
明する。本実施例は、内側共振器５と外側共振器６を同
軸に配置した円筒形の空胴共振器を用いた例であり、こ
の内側共振器５と外側共振器６に、それぞれ第１マイク
ロ波発生器１．第２マイクロ波発生器２により第１導波
管５．第２導波管４を通してマイクロ波を導入する。第
１．第２のマイクロ波発生器１．２は、たとえばマグネ
トロンである。′容共振器で振幅が増大したマイクロ波
は、各共振器の端面を形成するスリット板８に同心円状
に設けられたスリット８ａ、８ｂより隣接したプラズマ
処理室１２内に放射される。プラズマ処理室１２は、排
気口１３を通して図示しない真空ポンプにより排気され
、内部の圧力を１〜１ｏ−３Ｔｏｒｒ　　に制御できる
ようになっている。プラズマ処理室１２と空胴共振器５
，６の間は、マイクロ波を通す石英板７で空間的に隔離
されている。

本実施例のプラズマ処理装置は、第１のマイクロ波発生
器１と第２のマイクロ波発生器２の出力を独立に調榮で
きるので、スリット板８の直下におけるマイクロ波ｌこ
よる電界強度の半径方向分布を均一化することができる
。処理ガスはガス導入管１１を通してプラズマ処理室１
２に導入され、ここでプラズマ化されるが、マイクロ波
による電界強度が均一であるため、プラズマ密度、すな
わちイオン量も均一化できる。

プラズマ処理室１２内の試料（ウェハ）９に入射するイ
オンのエネルギーを制御するため、絶縁体１０により処
理室壁から電気的に浮かせた試料載置電極１４に高周波
硫＃１５から高周波電圧を印加する。

このとき、試料載置電極１４に対して接地電極となるス
リット板８を平行に対向配置することができるため、ス
リット板８との間に高周波゛電流が一様に流れ、したが
って、試料９上でのイオンエネルギーの分布が均一とな
る０ 以上のように本実施例によれば、試料近傍でのイオン量
およびイオンエネルギーを均一化できるため、試料全体
の均一な処理が可能となる。

本発明において、プラズマ処理室に隣接して配置する空
力同共振器は同軸の円筒形共振器に限られるものでなく
、第３図、第４図に示すような矩形共振器１９〜２２を
組合わせた構造であってもよい。

次に、本発明の第３の実施例を第５図により説明する。

第１の実施例と同様に、第１．第２のマイクロ波発生器
１．２より放射されたマイクロ波は、第１．第２の導波
管５．４を通して同軸配置された内側共振器５と外側共
振器６にそれぞれ導入され、各共振器で振幅が壇大した
マイクロ波は、スリット板８に設けたスリット８ａ、８
ｂよりプラズマ処理室１２へ放射される。

本実施例では、高周波を源１５から高周波電圧が印加さ
れる試料載置′ｆ４Ｌ極をメツシュ状電極１６で構成す
るととも番こ、その下方に抵抗体１７を設置し、このメ
ツシュ状′成極１６と抵抗体１７を絶縁体１０により処
理室壁から電気的に浮かしである０このようにすれば、
スリット８　ａ　＊　８　ｂより放射されたマイクロ波
は、試料９およびメツシュ状電極１６を透過して抵抗体
１７４こ侵入する。このとき、抵抗体１７の内部にマイ
クロ波による電流が流れてジュール熱を発生し、この熱
は冷却水管１８を流れる冷却水により外部に持ち去られ
る。したがって、マイクロ波はここで減衰し、メツシュ
状電極１６は吸収端となる。

以上のような構成とすることにより、スリット板８とメ
ツシュ状電極１６との間に定在波ができることはあり得
ず、したがって、プラズマ密度と電界強度は無関係とな
り、プラズマは安定する。

〔発明の効果〕

本発明ｌこよれば、複数個の空胴共振器の端面に設けた
スリットよりプラズマ処理案内にマイクロ波を放射し、
それぞれの空胴共振器に送り込むマイ・クロ波のパワー
を独立に調整できる構成としたため、プラズマ処理室内
に安定で、かつ均一な密度のプラズマを発生させ、試料
に入射するイオン量を均一化することができる。

また、イオンエネルギーを制御するため、試料に高周波
電圧を印加する場合、スリットを設けた空胴共振器の端
面を試料載ｆｆ’に極に対する接地電極とすることがで
きるので、試料上でのイオンエネルギーの分布も均一化
できる。以上により、均一で、再現性の良いプラズマ処
理ができるという効果があり、物に歩留り向上のため大
径ウエノ・を処理する場合に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の縦〜■面図、第２図は
第１図のＡ−Ａ線に沿った横断面図、ｗ、６図は第２の
実施例の縦断面図、第４図は第６図のＢ−Ｂ線に沿った
横断面図、第５図は第５の実施例の縦断面図である。 符号の説明 １・・・第１のマイクロ波発生器 ２・・・第２のマイクロ波発生器 ６・・・第１の導波管　　４・・・第２の導波管５・・
・内側共振ｌＴ１６・・・外側共振器７・・・石英板　
　　　　８・・・スリット板８ａ、８ｂ・・・スリット ９・・・試料　　　　　　１０・・・絶縁体１１・・・
ガス導入管　　　１２・・・プラズマ処理室１３・・・
排気口　　　　　１４・・・試料載置電極１５・・・高
周波電源　　　１６・・・メツシュ状電極１７・・・抵
抗体　　　　　１８・・・冷却水管１９〜２２・・・矩
形共振器 代理人　弁理士　小　川　膀　舅 １．２ｚイア０！１１！生器、　　１４　　ｌｉｔ　　
　　　　　Ｓ　　内１’ｌ　％ａ＆乙　　外１り共ｓＸ
　　　７　　石英４艮　　　　　８　スリット、板９　
　　　Ｋｐｒ　　　　　　　　ｔｚ　　　プラズ’ｔｐ
ａｔｖｔ　　　ｔｓ　　ａｍ！り１Ｖ適箔２図 第３図 第４図 ８−８断面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、処理すべき試料を設置するプラズマ処理室と、この
   プラズマ処理室に隣接して配置された複数個の空胴共振
   器と、それぞれの空胴共振器に独立してマイクロ波を送
   り込む複数個のマイクロ波発生器および導波管を備え、
   上記複数個の空胴共振器のプラズマ処理室に向つた端面
   にマイクロ波を放射するスリットを設けたことを特徴と
   するプラズマ処理装置。 ２、上記スリットを設けた空胴共振器の端面を試料表面
   に対し平行に配置したことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のプラズマ処理装置。 ３、試料下部にメッシュ状電極を設け、かつ該メッシュ
   状電極の下部にマイクロ波を吸収する抵抗体を設けたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   のプラズマ処理装置。