JP2008270013A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より安定した状態でプラズマが生成できるようにする。
【解決手段】ＥＣＲプラズマ生成のためのマイクロ波を伝搬する矩形導波管１０６の一部に電磁波導入口１１２としての開口部を設け、この開口部より導入した電磁波によりプラズマを生成するための電子を供給するようにする。マイクロ波導入窓１０５を通じてマイクロ波と同時に導入された上記電磁波が、プラズマ生成室１０２内のガス分子、又はプラズマ生成室１０２を構成している固体材料に吸収され、電子が放出される。この電子が、ＥＣＲ条件により加速されプラズマを形成する「火だね」の様な働きをする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ，イオン，及びラジカルの発生源となるプラズマ生成部を備えたプラズマ処理装置に関わり、特に、薄膜形成，エッチング，クリーニング，及び反応促進処理などの加工処理を行うプラズマ処理装置に関するものである。

一般に、高品質な薄膜の形成、極微細加工や高密度のエッチングなどを実現するために、電子サイクロトロン共鳴（electron cyclotron resonance）プラズマが利用されている。このＥＣＲプラズマは、次に示すような優れた特徴を有している。まず、低ガス圧（０．０１〜０．００１Ｐａ）での放電が可能である。また、無電極放電のため、酸化ガスなどの反応ガスが使用可能である。また、各種反応に適当なイオンエネルギー（１０〜３０ｅＶ）での使用が可能であり、ガス圧や磁場によりイオンエネルギーを制御することが容易である。加えて、高密度のプラズマ生成が可能である。

このようなプラズマを用いる装置として、図２６に示すようなＥＣＲプラズマ処理装置がある（特許文献１参照）。この装置は、スパッタ装置であり、まず、処理室２６０１とこれに連通するプラズマ生成室２６０２とを備えている。処理室２６０１は、排気口２６０３を介して図示していない真空排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室２６０２とともに内部が真空排気される。また、処理室２６０１は、Ａｒなどのスパッタガスや反応ガスなどを供給可能とするガス供給部２６１１を備えている。

また、処理室２６０１には、処理対象の基板Ｗが固定される基板ホルダ２６０４が設けられている。基板ホルダ２６０４は、図示しない回転機構により回転可能とされている。また、処理室２６０１内のプラズマ生成室２６０２からのプラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット２６０５が備えられている。ターゲット２６０５は、絶縁体からなる容器２６０５ａ内に載置され、内側の面が処理室２６０１内に露出している。また、ターゲット２６０５には、高周波電源供給部２６２１が接続され、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波が印加可能とされている。

一方、プラズマ生成室２６０２は、石英よりなるマイクロ波導入窓２６０６を介してテーパ導波管２６０７及び矩形導波管２６０８に接続され、矩形導波管２６０８は、マイクロ波発生源２６０９に連通している。矩形導波管２６０８は、矩形導波管である。また、プラズマ生成室２６０２の周囲には、磁気コイル２６１０が備えられている。加えて、プラズマ生成室２６０２は、スパッタガスを供給可能とするガス供給部２６１２を備えている。

しかしながら、上記ＥＣＲプラズマ処理装置を用いて薄膜生成を行う場合、マイクロ波導入窓２６０６が、生成しているプラズマに直接接触しているため、基板Ｗの上に形成される膜と同様の膜が、マイクロ波導入窓２６０６の表面にも形成される。このため、導電性膜を基板Ｗ上に形成する場合、マイクロ波導入窓２６０６にも導電性の膜が付着し、マイクロ波がマイクロ波導入窓２６０６を通過しにくくなり、ＥＣＲプラズマが不安定になり、あるいは、ＥＣＲプラズマが発生しなくなる。

この問題を解決するために、図２７に示すようなＥＣＲプラズマ処理装置が提案されている（特許文献２参照：特許３１３６３８７号公報）。このＥＣＲプラズマ処理装置は、まず、処理室２７０１とこれに連通するプラズマ生成室２７０２とを備えている。処理室２７０１は、排気口２７０３を介して図示していない真空排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室２７０２とともに内部が真空排気される。また、処理室２７０１は、Ａｒなどのスパッタガスや反応ガスなどを供給可能とするガス供給部２７１１を備えている。

処理室２７０１には、処理対象の基板Ｗが固定される基板ホルダ２７０４が設けられている。基板ホルダ２７０４は、図示しない回転機構により回転可能とされている。また、処理室２７０１内のプラズマ生成室２７０２からのプラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット２７０５が備えられている。ターゲット２７０５は、絶縁体からなる容器２７０５ａ内に載置され、内側の面が処理室２７０１内に露出している。また、ターゲット２７０５には、高周波電源供給部２７２１が接続され、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波が印加可能とされている。

一方、プラズマ生成室２７０２は、真空導波管２７０６に連通し、真空導波管２７０６は、真空を維持するための石英製のマイクロ波導入窓２７０７を介して矩形導波管２７０８に接続されている。真空導波管２７０６は、内部でマイクロ波の進行方向が外部磁界に垂直でマイクロ波電界が外部磁界に平行になるように配置されている。矩形導波管２７０８は、マイクロ波発生源２７０９に連通している。マイクロ波発生源２７０９より供給されたマイクロ波電力は、矩形導波管２７０８において一旦分岐し、プラズマ生成室２７０２上部の真空導波管２７０６に、プラズマ生成室２７０２の側方からマイクロ波導入窓２７０７を介して結合させている。

また、図示していないが、マイクロ波のマッチングをとるスリースタブナーの整合器を備える。また、プラズマ生成室２７０２の周囲及びプラズマ生成室２７０２の上部には、磁気コイル２７１０が備えられている。加えて、プラズマ生成室２７０２は、スパッタガスを供給可能とするガス供給部２７１２を備えている。

この装置では、マイクロ波発生源２７０９より生成されたマイクロ波は、矩形導波管２７０８を伝搬する。生成されたマイクロ波は、矩形導波管２７０８に導入されると、まず、図示していない整合器を経由して、分岐箇所まで伝搬する。分岐箇所で２つに分けられたマイクロ波は、これに連通する２つの矩形導波管により等しい距離を進んだ後、各々マイクロ波導入窓２７０７を通過し、真空導波管２７０６の接続部（中央部）に到達する。この接続部では、マイクロ波電界は、逆位相となり打ち消しあい、マイクロ波磁界は同位相となり強め合う。この磁界によりマイクロ波が励起され、プラズマ生成室２７０２に放射される。

磁気コイル２７１０により、プラズマ生成室２７０２内にＥＣＲ条件を満足する磁場（マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚのとき、８７．５ｍＴがＥＣＲ磁場となる）を形成すると共に、真空導波管２７０６内にＥＣＲ磁場より強い磁場を発生させる。プラズマを生成するためのガスをプラズマ生成室２７０２の内部に導入して、ＥＣＲ条件を満足する磁場と、マイクロ波を導入することによりプラズマが生成する。

ここで、ＥＣＲプラズマの生成原理について図２８を用いて説明する。図２８（ａ）に示すように、磁場中の電子２８０１は、磁力線Ｂの回りで半径γの回転運動を行う。このとき回転角周波数ω_cは、磁場強度により決定され、「γ＝ｍν／ｅβ・・・（１）」，「ω_c＝ｅＢ／ｍ・・・（２）」が成り立つ。なお、式（１）及び式（２）において、ｍは電子質量、νは電子の速度、ｅは電子の電荷である。

一方、磁力線Ｂと垂直に電磁波による各周波数ω_μなる交番電界を付与し、この周波数を電子の各周波数と一致させる、つまり、ω_c＝ω_μとすると、図２８（ｂ）に示すように、電子２８０２は共鳴加速されて高速に円運動する。この高速に円運動する電子が、ガス分子と衝突することで、衝突された分子はイオン化（電離）して電子を放出する。このように放出された電子が、前述同様にＥＣＲ条件により高速に回転運動を行い、他のガス分子と衝突し電子を放出（分子を電離）させる。これらの衝突と電子の放出・電離は、連鎖的に起き、電子とイオンの数が級数的に増加し、プラズマが生成されるようになる。

なお、同時に、磁気コイル２７１０は、プラズマ生成室２７０２内から処理室２７０１内にかけて磁場強度が適度な勾配で減少する発散磁界を形成する。生成したプラズマは、この発散磁界によりプラズマ流として基板Ｗに照射され、この上に膜を形成させる。上述した構成では、プラズマ生成室２７０２内部に生成されているプラズマが、直接マイクロ波導入窓２６０６と接触することなく形成される。このため、マイクロ波導入窓２６０６への膜の付着を大きく減少させることができ、安定にプラズマを生成できる。また、真空導波管２７０６内の磁場強度をＥＣＲ磁場より高くすることで、マイクロ波の遮断現象とマイクロ波のプラズマによる減衰を抑え、プラズマ生成室２７０２に対してマイクロ波を高磁場側から導入できる。

特公昭６３−９５８４号公報 特許３１３６３８７号公報

しかしながら、上述したＥＣＲプラズマ処理装置において、プラズマ生成室２７０２内のガス圧条件，磁場条件，マイクロ波条件を，ＥＣＲプラズマが発生するための最適条件としてもプラズマが生成しない場合があった。

このプラズマが生成しない現象は、例えば、タンタルターゲットを用いた酸化膜の形成時や、酸化物ターゲットを用いた酸化膜の形成時に顕著であった。これは、形成しようとしている酸化膜が、プラズマ生成室２７０２及び基板が設置されている処理室２７０１の内壁面を覆うように形成されてしまうために発生する。このように、壁面に形成対象の膜が形成されると、プラズマの発生に必要となる電子の発生が抑制されてしまうためにプラズマが発生しにくい状況と考えられる。

しかし従来では、図２９のフローチャートに示すように、プラズマ生成室を減圧（真空に）する工程Ｓ２９０１と、プラズマ生成室にガスを導入する工程Ｓ２９０２と、プラズマ生成室内に磁場を印加する工程Ｓ２９０３と、プラズマ生成室内にマイクロ波を導入する工程Ｓ２９０４の後に、プラズマが生成したかを確認し（工程Ｓ２９０５）、プラズマが生成していない場合、プラズマが生成するまで磁場の調整（工程Ｓ２９０６）を繰り返し、プラズマが生成した後に所定の処理（工程Ｓ２９０７）を行うようにしていた。しかし、磁場を調整するだけでは、プラズマが生成しない場合が多く、プラズマ処理装置を用いた作業の効率と大きく低下させる原因となっていた。

この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より安定した状態でプラズマが生成できるようにすることを目的とする。

本発明に係るプラズマ処理装置は、電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを発生させるためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生源と、マイクロ波発生源により生成されたマイクロ波を導波する矩形導波管と、矩形導波管とマイクロ波導入窓を介して接続し、内部を排気可能とされてプラズマ引き出し口を備えたプラズマ生成室と、プラズマ生成室のプラズマ引き出し口を備えた面に隣接する面の周囲に配置され、電子サイクロトロン共鳴に必要な磁場をプラズマ生成室の内部に印加する磁場発生部と、プラズマ生成室の内部にプラズマガスを供給するガス供給手段と、矩形導波管の側部に設けられた電磁波導入口と、電磁波導入口より矩形導波管にマイクロ波より高い周波数の高周波を供給する電磁波導入手段とを少なくとも備えたものである。この装置によれば、プラズマ生成室に、マイクロ波より高周波の電磁波が供給可能とされている。

上記電磁波導入口の開口径は、マイクロ波の遮断周波数から求められる寸法より小さい値とされていればよい。

また、上記プラズマ処理装置において、プラズマ生成室の一部に設けられた真空導波部を備え、マイクロ波導入窓は、真空導波部の、プラズマ引き出し口を備えた面に隣接する面の側に設けられているようにしてもよい。また、真空導波部は、対向して配置された２つのマイクロ波導入窓を備え、矩形導波管は、マイクロ波発生源に接続する導入部矩形導波管と、この導入部矩形導波管に分岐部で連通する２つの分岐矩形導波管とを備え、２つの分岐矩形導波管は、各々が２つのマイクロ波導入窓に接続しているようにしてもよい。

また、上記プラズマ処理装置において、矩形導波管は、マイクロ波導入窓に直接接続する直線部分と、この直線部分に連続する屈曲部とを備え、電磁波導入口は、屈曲部の外側側面に設けられているようにするとよい。

以上説明したように、本発明によれば、矩形導波管の側部に設けられた電磁波導入口と、電磁波導入口より矩形導波管にマイクロ波より高い周波数の高周波を供給する電磁波導入手段とを備えるようにしたので、より安定した状態でプラズマが生成できるようになるといいう優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下に示す実施の形態は、１つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲で具体的構造の変更あるいは改良を行い得ることは言及するまでもない。また、以下の説明において、１Ｐａ＝０．００７６Ｔｏｒｒである。また、１Ｔ＝１００００ガウスである。さらに、ガス流量を示すsccmという単位は、０℃・１気圧の流体が１分間に１ｃｍ³流れることを示すもので、以下の説明で記載しているガス流量は、窒素ガス換算したものを用いている。また、「周波数」とは、物理学でいう「振動数」の同様の意味で用いている。つまり、等速円運動あるいは単振動などの振動運動や波動が単位時間あたりに繰り返される回数のことである。周波数は、運動の周期の逆数であり、単位はヘルツ（Ｈｚ）である。「周波数」が主に電磁波や振動電流などの電気振動を扱う電気工学・電波工学又は音響工学などで用いられる工学用語であるのに対し、「振動数」は、力学的運動など自然科学・理学における物理現象に用いられることが多い。

図１は、本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。本実施の形態におけるプラズマ処理装置は、まず、処理室１０１とこれに連通するプラズマ生成室１０２とを備えている。処理室１０１とプラズマ生成室１０２とは、プラズマ引き出し口１０３で連通されている。処理室１０１には、排気部１０４が設けられ、排気部１０４によりプラズマ生成室１０２とともに内部が真空排気される。また、処理室１０１は、Ａｒなどのスパッタガスや反応ガスなどを供給可能とするガス供給部１０９を備えている。なお、以下では、プラズマ生成室１０２のプラズマ引き出し口１０３の側を下方とし、磁場発生部１０８の配置側を側方としている。ただし、実際の装置では、プラズマ引き出し口１０３を、プラズマ生成室１０２に対して大地とは反対側に配置する場合もある。

一方、プラズマ生成室１０２は、石英よりなるマイクロ波導入窓１０５を介して矩形導波管１０６に接続され、矩形導波管１０６は、ＥＣＲプラズマを発生させるためのマイクロ波を供給（発生）するマイクロ波発生源１０７に連通している。また、プラズマ生成室１０２のプラズマ引き出口１０３を備えた面に隣接する面（側部）の周囲には、磁気コイルなどの磁場発生部１０８が備えられ、プラズマ生成室１０２の内部に対して磁場の印加を可能としている。また、プラズマ生成室１０２には、スパッタガスを供給可能とするガス供給部（ガス供給手段）１１０を備えている。

本装置は、ＥＣＲプラズマを生成するプラズマ処理装置であり、まず、処理室１０１及びプラズマ生成室１０２内を真空排気した後、ガス供給部１１０より不活性ガスであるＡｒガス又はＸｅガスを導入し、場合によっては、ガス供給部１０９より反応性ガスを導入し、プラズマ生成室１０２内を例えば１０^-5〜１０^-4Ｐａ程度の圧力にする。この状態で、磁場発生部１０８よりプラズマ生成室１０２内に０．０８７５Ｔ（テスラ）の磁場を発生させた後、マイクロ波発生源１０７より発生させた２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、矩形導波管１０６を導波させ、この導波させたマイクロ波をマイクロ波導入窓１０５を介してプラズマ生成室１０２内に導入すれば、一般には、プラズマ生成室１０２内のガスがプラズマ化され、プラズマ生成室１０２内に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマが生成される。ＥＣＲプラズマは、磁場発生部１０８からの発散磁場により、プラズマ引き出し口１０３から処理室１０１の方向へのプラズマ流を形成する。

しかしながら、前述したように、ＥＣＲプラズマが発生するための最適条件としてもプラズマが生成しない場合があった。これを解消するために、本実施の形態のプラズマ処理装置では、前述した基本的な構成に加えて、矩形導波管１０６の側部に電磁波導入口１１２を設け、ここに電磁波導入部１１１を接続し、マイクロ波発生源１０７より供給されるマイクロ波より高周波の電磁波を、矩形導波管１０６内に導入可能とした。電磁波導入部１１１は、導入電磁波制御部１１３の制御により動作する。なお、図１では、よく知られた整合器などのＥＣＲプラズマを生成するために必要な一部の構成要素は省略して図示していない。

本実施の形態によるプラズマ処理装置は、ＥＣＲプラズマ生成のためのマイクロ波を伝搬する矩形導波管１０６の一部に電磁波導入口１１２としての開口部を設け、後述するように、この開口部より導入した電磁波によりプラズマを生成するための電子を供給するようにしたものである。このように、矩形導波管１０６の一部に電磁波導入部１１１を設けることで、プラズマ源となるプラズマ生成室１０２に近く、また、電磁波導入部１１１が、装置の真空側ではなく大気中（外側）に存在しているため、プラズマ生成室１０２の内部に発生したプラズマに大きな影響を与えることなく、効率よくプラズマの生成を行うことが可能となる。

電子供給の手段として、例えば、処理室１０１やプラズマ生成室１０２に電子銃を入れてプラズマ生成に必要となる電子を供給することも可能である。しかし、この場合、電子源としてタングステンの加熱による電子の供給が考えられるが、クリーニング，スパッタによる成膜、エッチングのプラズマ処理を行う同じ真空中で電子源の動作を行わざるを得ない。このため、電子源からのコンタミ発生や放電など好ましくない影響が多少なりとも発生し、高精度なプロセスが求められる場合には適用することが容易ではなかった。

また、大気中に電磁波発生源を置き、処理室１０１などの覗き穴（ビューポートという）から減圧されている（真空排気されている）処理室１０１内部に向かってレーザなどの電磁波を導入する場合がある。しかし、この場合、ＥＣＲプラズマを発生するＥＣＲポイントから電磁波発生源の距離が離れてしまうため、大出力の電磁波発生源が必要となる。例えば、テスラコイルをビューポートに近づけてプラズマを発生させる場合、プラズマが発生する強度にすると、発生させている電磁波が周辺のコンピュータやモニタに影響して装置の制御できなくなることがあった。また、短波長レーザなどのレーザ光源を用い、ビューポートから電磁波としてのレーザを導入する場合がある。しかし、この場合も、大出力レーザが必要となり、装置そのものが大がかりとなって高額となってしまった。

以上のことに対し、本実施の形態のプラズマ処理装置のように、マイクロ波導入窓１０５付近の矩形導波管１０６の側面に電磁波導入口１１２を設け、電磁波導入口１１２から電磁波を導入することにより、より効率的に安価に、安定したプラズマの生成を行うことが可能となる。マイクロ波導入窓１０５を通じてマイクロ波と同時に導入された上記電磁波が、プラズマ生成室１０２内のガス分子、又はプラズマ生成室１０２を構成している固体材料に吸収され、電子が放出される。この電子が、ＥＣＲ条件により加速されプラズマを形成する「火だね」の様な働きをする。

物質が電磁波を吸収した際には、物質内部の電子が励起され、電子が飛び出し、また、光伝導や光起電力が現れることがある。この現象は光電効果と呼ばれ、励起された電子は光電子と呼ばれる。この励起による光電子が、物質の表面から放出される現象を外部光電効果と呼ばれる。

上述した光電効果には、以下に示す特徴がある。
（１）電子の放出は、ある一定以上の大きな周波数の電磁波で発生し、周波数の小さな電磁波（長波長の電磁波）の照射では電子の放出は起きない。
（２）周波数の大きい電磁波を照射すると、電子１つ１つのエネルギーは変わるが、飛び出す電子の数に変化はない。つまり、光のエネルギーはプランク定数ｈと光の振動数μの積なので、光の周波数が多くなれば、光子一個あたりのエネルギーも、照射される光の周波数に応じて大きくなる。しかし、この場合、周波数を上げただけなので、電子の量は変化しない。
（３）強い電磁波を入射すると、多くの電子が飛び出すが、電子一個あたりのエネルギーに変化はない。つまり、強い光を照射する場合は、多くの光子が物質に当たっているため、はじき出される電子の数は多くなるが、入射する光子は、ｈνという一定のエネルギーしか持っていないので、電子一個あたりのエネルギーは変わらない。
（４）光電子の放出は、物質に一定の周波数以上の電磁波を照射したときに発生する。この時の周波数を限界振動数ν₀という。また、照射により光電子が発生する電磁波の波長を限界波長λ₀という。これらの値は物質の種類によって決まり、入射する電磁波の強度にはよらない。この現象の起こりやすさは、物質の仕事関数（ψ）で表すことができ、限界振動数ν₀は、「ｈν₀＝ｃｈ／λ₀＝ｅψ・・・（３）」と表される。

ここで、本発明に用いられる電磁波とは、マイクロ波発生源１０７から発生するマイクロ波よりも周波数が大きい電磁波、つまり、短い波長を持つ電磁波を意味する。一般的にＥＣＲプラズマを生成するためのマイクロ波発生源は、２．４５ ＧＨｚを用いるので、これよりも波長が短い、つまり、周波数の高いマイクロ波（２．５ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）、ミリ波（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）、テラヘルツ波（３００ＧＨｚ〜３ＴＨｚ）、赤外線（３ＴＨｚ〜４００ＴＨｚ）、可視光（４００ＴＨｚ〜７９０ＴＨｚ）、紫外線（７９０ＴＨｚ〜３０ＰＨｚ）、 Ｘ線（３０ＰＨｚ〜３ＥＨｚ）、ガンマ線（３ＥＨｚ〜）が対応する。

しかし、前述した限界振動数ν₀が存在するため、周波数が低い電磁波では、光電効果の影響は小さいと考えられる。この光電効果現象の起こり易さは、上記式（３）にあるように、電磁波を当てる材料の仕事関数ψで決まり、一義的には決まらず、効率よく電子を発生させるためには、一般的に可視光よりも短い波長の光を当てる必要がある。例えば、Ｘ線やガンマ線などを使用することで、容易に電子を供給することが可能となるが、これらの発生源の容積が大きいことが一般的であり、運転時の安定性を確保するのが難しくなる。以上のことを勘案すると、用いる電磁波としては、紫外線が適当である。

また、図２に示すように、屈曲した矩形導波管２０６の屈曲部（屈曲部の外側）に電磁波導入口１１２を設け、ここに、電磁波導入部１１１を配置するとよりよい。矩形導波管２０６は、マイクロ波導入窓１０５に直接接続する直線部分２０６ａと、この直線部分２０６ａに連続する屈曲部２０６ｂとを備え、電磁波導入口１１２は、屈曲部２０６ｂの外側側面に設けられている。このような構成では、電磁波導入部１１１の電磁波（紫外線）出射部より、マイクロ波導入窓１０５を見込めるようになり、出射された電磁波（紫外線）が、直接にマイクロ波導入窓１０５を介してプラズマ生成室１０２に導入されるようになるので、さらに効率よくプラズマを生成することが可能となる。

ここで、前述した電磁波導入部１１１との比較のために、図３に示すように、矩形導波管１０６の側部に設けた開口部に電子導入部３１１を接続し、制御部３１３の制御により、上記開口部より電子を導入することで、プラズマの発生（プラズマの点火）を試みた。しかしながら、導入した電子は、マイクロ波導入窓１０５を通過することができず、プラズマ生成室１０２に、プラズマが生成することがなかった。

以上に説明した、マイクロ波を導入するための矩形導波管１０６の側面（側部）に設けた電磁波導入口１１２から電磁波を導入することによる安定したプラズマ発生の動作について、図４のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ４０１の工程で、プラズマ生成室１０２の内部を所定の圧力にまで減圧（真空排気）し、ステップＳ４０２の工程でプラズマ生成室１０２の内部に所定のガス（プラズマガス）を導入する。次に、ステップＳ４０３での工程で、プラズマ生成室１０２内にＥＣＲ条件を満足する磁場を印加するとともに、ステップＳ４０４の工程で、プラズマ生成室１０２内に矩形導波管１０６を通じてマイクロ波を導入する。次に、ステップＳ４０５の工程で、電磁波導入部１１により電磁波導入口１１２から電磁波を導入する。ここで、ステップＳ４０６で、電磁波の導入によるプラズマの生成を確認し、プラズマが生成していない場合は、ステップＳ４０５の電磁波導入の工程を繰り返す。このようにしてプラズマが生成した後、ステップＳ４０７の工程で、生成したプラズマを用いた所定の処理を開始する。

次に、矩形導波管に電磁波を導入する電磁波導入部について説明する。例えば、光線状の電磁波を用いる場合、図５（ａ）に示すように、電磁波導入部１１１は、電磁波を発生する電磁波発生源５０２と発生した電磁波を導入する電磁波導入管５０１とから構成されていればよい。本例では、電磁波発生源５０２が、電磁波導入管５０１の内部に収容できない場合を示している。これに対し、図５（ｂ）に示すように、電磁波導入管５０１に収容可能な大きさの電磁波発生源５０３を用いて電磁波導入部１１１を構成しても良い。

次に、矩形導波管の構成例について説明する。例えば、図６（ａ）に示すように、矩形導波管１０６が、テーパ矩形導波管１０６ａを介してマイクロ波導入窓１０５に接続している場合、電磁波導入管５０１を矩形導波管１０６の側に接続するようにしても良い。また、図６（ｂ）に示すように、テーパ矩形導波管１０６ａの方に、電磁波導入管５０１を接続するようにしても良い。テーパ矩形導波管１０６ａに電磁波導入管５０１を接続する場合、電磁波導入管５０１の電磁波出射端（電磁波導入口）が、マイクロ波導入窓１０５を見込めるような配置となり、マイクロ波導入窓１０５を介したプラズマ生成室への電磁波の導入をより効率的に行えるようになる。

また、図７（ａ），図７（ｂ）に示すように、電磁波導入部の電磁波導入管５０１とともに、プラズマ観測管７０１を設け、ここに、プラズマ発生の状態を監視するためのフォトディテクタなどの光検出部を設けるようにしても良い。図７（ａ）では、電磁波導入管５０１とともに、矩形導波管１０６にプラズマ観測管７０１を設け、図７（ｂ）では、テーパ矩形導波管１０６ａにプラズマ観測管７０１を設けている。プラズマが発生していない場合、プラズマ観測管７０１の観測口の様子は、図７（ｃ）に示すように、暗状態である。これに対し、プラズマが発生している場合、プラズマ観測管７０１の観測口の様子は、図７（ｄ）に示すように、明状態である。

また、図２を用いた説明と同様に、図８に示すように、屈曲した矩形導波管８０６を用い、この屈曲部の外側に電磁波導入管５０１を設けるようにすると、電磁波導入管５０１よりマイクロ波導入窓１０５（プラズマ生成室）が直接見込めるようになり、より高い効率で電磁波の導入が可能となる。

また光線状の電磁波を導入する場合には、図９に示すように、電磁波導入管５０１に電磁波発生源として短波長レーザ発信器５０２ａなどを設置すればよい。さらに、図１０（ａ）に示す世に、屈曲した矩形導波管８０６の屈曲部に開口部を設け、プラズマ観測管７０１設け、この観測口の様子を確認し、図１０（ｂ）に示す暗状態、もしくは図１（ｃ）に示す明状態のいずれかを確認することで、プラズマの発生が確認可能である。

次に、マイクロ波が伝搬している矩形導波管に設ける電磁波導入口の開口広さについて説明する。まず、周波数が２ＧＨｚ以下のＵＨＦ帯以下の電磁波の伝搬では、伝送線路としては、同軸ケーブルが一般的に用いられる。しかし、上記周波数以上のマイクロ波回路においては、同軸ケーブルでは伝送損失が大きくなるため、損失が少なく、大電力にも使用可能な矩形導波管が用いられる。矩形導波管１０６、同軸線路の誘電体損失の原因となっている誘電体を空気にし、導体損失の原因となっている中心導体を取り除いたもので、図１１（ａ）に一部を示すように、中空の金属管の構造となっている。形状としては、断面形状が長方形の矩形導波管が一般的に用いられる。導波路の損失が少ないということは、長距離伝送ができるだけでなく、損失による発熱量も少ないため大電力の伝送も可能となる。

導波路は、ある周波数以上でなければ、伝送することができない。図１１（ａ）では、断面の長辺がａ，短辺がｂの矩形導波管１０６を示している。電磁波は、波長λが２倍のａより小さい場合は、ｂ面を反射しながら伝送することができる。しかし、波長λが２ａに近づくにつれて、一定区間の反射の数が多くなり、損失が急激に増加する。さらに、λ＝２ａの条件では、ｂ面を反射するだけで伝搬することができなくなる。この時の波長（λ）を遮断周波数λ_cという。

市販されている２．４５ＧＨｚのマイクロ波に用いられる導波管の寸法は、ａ＝９６ ｍｍで、ｂ＝２７ｍｍである。この場合、２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長から遮断周波数λ_cは、６１ｍｍである。従って、図１１（ｂ）に示すように、矩形導波管１１６の側面に直径Ｄの電磁波導入口１１２を開ける場合、この径がＤ＝６１ｍｍ以下では、原理的にマイクロ波が伝搬できない。従って、上記寸法の矩形導波管１０６においては、電磁波導入口１１２の径は、６１ｍｍ以下としておけばよい。言い換えると、電磁波導入口１１２の開口径は、マイクロ波の遮断周波数から求められる寸法より小さい値とされていればよい。実際には、他に存在する伝搬モードが存在し、マイクロ波が電磁波導入口１１２から洩れることを考慮して、Ｄ＝２０ｍｍ程度として安全を確保するとよい。

次に、具体的な電磁波導入部について説明する。図１２は、電磁波導入部として水銀ランプ５０３ａを用いるようにした場合を示している。図１２（ａ）に示すように、水銀ランプ５０３ａを電磁波導入管５０１に収容し、水銀ランプ５０３ａ発光させることで、矩形導波管１０６内に電磁波（紫外線）を導入する。この時の水銀ランプ５０３ａのスペクトルを図１２（ｂ）に示す。２５０ｎｍに強い紫外線のピークが得られ、これにより効率の良いプラズマ生成が期待できる。

また、図１３に示すように、近赤外ファイバレーザ光源１３０１より得られる赤外線を、非線型光学結晶の強誘電体結晶の多層膜１３０２を用いて短波長のレーザとし、これらを電磁波導入部として用いても良い。多層膜１３０２に長波長の赤外線を入射すると、非線型光学効果による疑似位相整合により二次高調波が発生し、短波長の出力光が得られる。この出力光を電磁波として矩形導波管の電磁波導入口を介してプラズマ生成室に導入することで、プラズマを効率的に発生することができる。多層膜１３０２の場合、紫外域の波長において、数ｍＷ程度の低出力から数Ｗを超える高出力のコヒーレント光を、理論限界に近い波長変換効率で発生できる。多層膜１３０２を構成する強誘電体材料としては、ＬｉＮｂＯ₃が一般的である。

二次高調波の短波長レーザを発生する電磁波源を使用する場合、図１４（ａ）に示すように、電磁波導入部１１１を、上記構成の電磁波発生源５０２ｂを電磁波導入管５０１の一端に接して配置し、電磁波導入管５０１の他端を矩形導波管に接続することで、発生された短波長レーザ光を、矩形導波管に導入すればよい。また、図１４（ｂ）に示すように、電磁波導入管５０１に短波長レーザを発生する強誘電体結晶の多層膜からなる電磁波発生源５０３ｂを収容して用いるようにしても良い。この場合、必要となるスペースが少なくなりよい。

さらに、電磁波発生源として、テスラコイルを用いても良い。図１５（ａ）に示す等価回路を用いて、大気放電部１５０１に小さな放電を発生させる。また、テスラコイルによる大気放電を発生させる構造として、図１５（ｂ）に示す等価回路を用いても良い。これらの等価回路で示すテスラコイルを用いた大気放電部１５０１からの放電の中には、電子，イオンの他に、電離放電から発生する紫外線などの波長の短い電磁波が含まれている。従って、このようにして発生した電磁波を、矩形導波管の電磁波導入口を介してプラズマ生成室に導入すれば、前述同様に、より安定した状態でプラズマを生成させることが可能となる。

また、図１６（ａ）の等価回路に示すように、スパークギャップを回路中に導入することにより、大出力の放電も可能となる。なお、図１５（ａ）、図１５（ｂ）、及び図１６（ａ）の等価回路に示されているコイル部は、例えば、図１６（ｂ）及び図１６（ｃ）に示すような一次コイルと二次コイルとを備えたコイルである。図１７（ａ）に示すように、一次コイル１７０１と二次コイル１７０２を形成し、これらに配線１７０３により電圧を印加することにより、二次コイル１７０２の上部に放電状態１７０４が形成され、ここより電磁波が発生する。例えば、図１７（ｂ）に示すように、電磁波導入管１７１４の中に上記構成のテスラコイルを収容し、放電状態１７０４を形成させることで、電磁波を矩形導波管の中に導入できる。ただし、テスラコイルを用いる場合、条件によっては装置を破損する程度の大出力となる場合があり、出力を導入電磁波制御部で制御することが重要となる。

以上に説明した、電磁波導入部（電磁波導入管，電磁波発生源）及び導入電磁波制御部よりなる電磁波導入機構を、実際のＥＣＲプラズマ処理装置に適用した場合についてより詳細に説明する。

例えば、図１８に示すように、矩形導波管１８０８の側部に、電磁波導入機構１８３０を備えればよい。なお、このＥＣＲプラズマ処理装置は、処理室１８０１とこれにプラズマ引き出し口で連通するプラズマ生成室１８０２とを備えている。処理室１８０１は、排気口１８０３を介して図示していない真空排気装置（排気部）に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室１８０２とともに内部が真空排気される。また、処理室１８０１には、処理対象の基板Ｗが固定される基板ホルダ１８０４が設けられている。基板ホルダ１８０４は、図示しない回転機構により回転可能とされている。また、処理室１８０１は、Ａｒなどのスパッタガスや反応ガスなどを供給可能とするガス供給部１８１１を備えている。

一方、プラズマ生成室１８０２は、石英よりなるマイクロ波導入窓１８０６を介してテーパ導波管１８０７及び矩形導波管１８０８に接続され、矩形導波管１８０８は、マイクロ波発生源１８０９に連通している。また、プラズマ生成室１８０２の周囲には、磁気コイル１８１０が備えられている。加えて、プラズマ生成室１８０２は、スパッタガスを供給可能とするガス供給部１８１２を備えている。

また、上述同様の構成としたＥＣＲプラズマ処理装置において、図１９に示すように、テーパ導波管１８０７の側部に、電磁波導入機構１９３０を備えるようにしても良い。また、図２０に示すように、屈曲した矩形導波管２００８を用い、この屈曲部の外側に電磁波導入機構２０３０を設けるようにしても良い。この場合、電磁波導入機構２０３０から導入される電磁波が、直接にマイクロ波導入窓１８０６に照射され、ここを通じてプラズマ生成室１８０２に導入されるので、電磁波の導入の効率がより上昇する。

また、図２１に示すように、プラズマ生成室１８０２の上部（一部）に真空導波管（真空導波部）となるマイクロ波導入室１８０２ａを設け、マイクロ波導入室１８０２ａの側部にマイクロ波導入窓１８０６を設け、ここに、屈曲した矩形導波管２１０８を設け、この屈曲部の外側に電磁波導入機構２１３０を設けるようにしても良い。本装置では、マイクロ波導入室１８０２ａの上部にも、磁気コイル２１１０を備えている。この場合においても、電磁波導入機構２１３０から導入される電磁波が、直接にマイクロ波導入窓１８０６に照射され、ここを通じてプラズマ生成室１８０２に導入されるので、電磁波の導入の効率がより上昇する。また、この構成では、マイクロ波導入室１８０２ａは、プラズマ生成室１８０２のプラズマ引き出し口を備えた面に隣接する面の側に、マイクロ波導入窓１８０６を備えていることになる。このため、マイクロ波導入窓１８０６が、プラズマ生成室１８０２に生成されるプラズマに直接接触することがない。

また、図２２に示すように、分岐部を備える矩形導波管２２０８の屈曲部の外側側部に、電磁波導入機構２２３０を備えるようにしてもよい。このＥＣＲプラズマ処理装置は、まず、処理室２２０１とこれに連通するプラズマ生成室２２０２とを備えている。処理室２２０１は、排気口２２０３を介して図示していない真空排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室２２０２とともに内部が真空排気される。処理室２２０１には、処理対象の基板Ｗが固定される基板ホルダ２２０４が設けられている。基板ホルダ２２０４は、図示しない回転機構により回転可能とされている。また、処理室２２０１は、Ａｒなどのスパッタガスや反応ガスなどを供給可能とするガス供給部２２１１を備えている。

一方、プラズマ生成室２２０２は、真空導波管（真空導波部）２２０６に連通し、真空導波管２２０６は、真空を維持するための石英製のマイクロ波導入窓２２０７を介して矩形導波管２２０８に接続されている。真空導波管２２０６は、対向して配置された２つのマイクロ波導入窓２２０７を備える。また、真空導波管２２０６は、プラズマ生成室２２０２のプラズマ引き出し口を備えた面に隣接する面の側に、２つのマイクロ波導入窓２２０７を備えている。真空導波管２２０６は、内部でマイクロ波の進行方向が外部磁界に垂直でマイクロ波電界が外部磁界に平行になるように配置されている。矩形導波管２２０８は、マイクロ波発生源２２０９に連通している。マイクロ波発生源２２０９より供給されたマイクロ波電力は、矩形導波管２２０８において一旦分岐し、プラズマ生成室２２０２上部の真空導波管２２０６に、プラズマ生成室２２０２の側方からマイクロ波導入窓２２０７を介して結合している。

また、図示していないが、本装置は、マイクロ波のマッチングをとるスリースタブナーの整合器を備える。また、プラズマ生成室２２０２の周囲及びプラズマ生成室２２０２の上部には、磁気コイル２２１０が備えられている。加えて、プラズマ生成室２２０２は、スパッタガスを供給可能とするガス供給部２２１２を備えている。

この装置では、マイクロ波発生源２２０９より生成（発生）されたマイクロ波は、矩形導波管２２０８を伝搬する。生成されたマイクロ波は、矩形導波管２２０８に導入されると、まず、導入部の矩形導波管及び図示していない整合器を経由して、分岐箇所まで伝搬する。分岐箇所で２つに分けられたマイクロ波は、これに連通する２つの分岐矩形導波管により等しい距離を進んだ後、各々マイクロ波導入窓２２０７を通過し、真空導波管２２０６の接続部（中央部）に到達する。この接続部では、マイクロ波電界は、逆位相となり打ち消しあい、マイクロ波磁界は同位相となり強め合う。この磁界によりマイクロ波が励起され、プラズマ生成室２２０２に放射される。本装置においては、マイクロ波導入窓２２０７が見込める矩形導波管２２０８の屈曲部に電磁波導入機構２２３０を備えればよい。この構成では、マイクロ波が、真空導波管２２０６において再び結合するので、ここで、マイクロ波磁場が強め合うことになり、より安定したプラズマが発生できる。

また、図２２を用いて説明したＥＣＲプラズマ処理装置は、図２３に示すように、スパッタ装置に適用することができる。このスパッタ装置では、処理室２３０１内のプラズマ生成室２３０２からのプラズマが導入される開口領域（プラズマ引き出し口）において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット２３０５を備える。ターゲット２３０５は、絶縁体からなる容器２３０５ａ内に載置され、内側の面が処理室２３０１内に露出している。また、ターゲット２３０５には、高周波電源供給部２３２１が接続され、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波が印加可能とされている。

プラズマ生成室２２０２でＥＣＲプラズマを生成してこれを処理室２２０１の側に引き出している状態で、ターゲット２３０５に高周波電荷を印加することで、引き出されているＥＣＲプラズマ流中のイオンを引き込み、スパッタリング現象を起こす。スパッタリングされた原料を基板ホルダ２２０４に設置されている基板Ｗの表面上に形成することで薄膜を形成する。

また、図２４に示すように、プラズマ生成室２２０２，真空導波管２２０６，マイクロ波導入窓２２０７，矩形導波管２２０８，マイクロ波発生源２２０９，磁気コイル２２１０，電磁波導入機構２２３０，及びガス供給部２２１２を含むＥＣＲプラズマ発生部が、基板ホルダ２２０４に対して斜めに配置されているようにしてもよい。この装置では、基板ホルダ２２０４（基板Ｗ）の法線に対してプラズマ源の中心線が傾斜するように、上記構成のプラズマ源を処理室２４０１に接続している。このようにすることで成膜の均一性を高めることが可能となる。

また、図２５に示すように、基板ホルダ２２０４に対して斜めに配置された複数（２つ）のプラズマ源を処理室２５０１に設けるようにしても良い。各プラズマ源のプラズマ生成室２２０２ごとに、異なるターゲット２３０５，２５０５を設け、複数のプラズマスパッタ源により多層膜を形成することが可能となる。

なお、上述では、電磁波発生源として短波長レーザ及びテスラコイルを例に説明したが、これに限るものではなく、他の電磁波発生源を用いても良い。

本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 プラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置を用いた処理方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の一部構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 従来よりあるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 従来よりあるプラズマ処理装置の構成を示す構成図である。 ＥＣＲプラズマの生成原理を説明するための説明図である。 従来よりあるプラズマ処理装置を用いた処理方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０１…処理室、１０２…プラズマ生成室、１０３…プラズマ引き出し口、１０４…排気部、１０５…マイクロ波導入窓、１０６…矩形導波管、１０７…マイクロ波発生源、１０８…磁場発生部、１０９，１１０…ガス供給部（ガス供給手段）、１１１…電磁波導入部、１１２…電磁波導入口、１１３…導入電磁波制御部。

Claims (5)

1. 電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを発生させるためのマイクロ波を発生するマイクロ波発生源と、
   前記マイクロ波発生源により生成されたマイクロ波を導波する矩形導波管と、
   前記矩形導波管とマイクロ波導入窓を介して接続し、内部を排気可能とされてプラズマ引き出し口を備えたプラズマ生成室と、
   前記プラズマ生成室の前記プラズマ引き出し口を備えた面に隣接する面の周囲に配置され、電子サイクロトロン共鳴に必要な磁場を前記プラズマ生成室の内部に印加する磁場発生部と、
   前記プラズマ生成室の内部にプラズマガスを供給するガス供給手段と、
   前記矩形導波管の側部に設けられた電磁波導入口と、
   前記電磁波導入口より前記矩形導波管に前記マイクロ波より高い周波数の高周波を供給する電磁波導入手段と
   を少なくとも備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記電磁波導入口の開口径は、前記マイクロ波の遮断周波数から求められる寸法より小さい値とされている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、
   前記プラズマ生成室の一部に設けられた真空導波部を備え、
   前記マイクロ波導入窓は、前記真空導波部の、前記プラズマ引き出し口を備えた面に隣接する面の側に設けられている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
   前記真空導波部は、対向して配置された２つの前記マイクロ波導入窓を備え、
   前記矩形導波管は、
   前記マイクロ波発生源に接続する導入部矩形導波管と、
   この導入部矩形導波管に分岐部で連通する２つの分岐矩形導波管と
   を備え、
   ２つの前記分岐矩形導波管は、各々が２つの前記マイクロ波導入窓に接続している
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、
   前記矩形導波管は、前記マイクロ波導入窓に直接接続する直線部分と、この直線部分に連続する屈曲部とを備え、
   前記電磁波導入口は、前記屈曲部の外側側面に設けられている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。