JP3208995B2 - プラズマ処理方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理方法及び装
置に係り、特にマイクロ波等の電磁波によってプラズマ
を発生させて均一に試料を処理するのに好適なプラズマ
処理方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術の一例は、例えば電磁波透過
部材として石英放電管を利用した例として日立評論Ｖｏ
ｌ．７１−Ｎｏ．５（１９８９．５）に記載されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】プラズマを利用した半
導体製造プロセスにおいては、被処理物に対してダメー
ジを与えることなく、均一に処理を行う必要がある。従
来の半導体製造装置の一例として、電磁波透過部材とし
て半球状の石英放電管を利用しているものがある。その
ため、導波管中を伝播してきた電磁波は石英放電管の形
状の影響を受けやすく、複雑な反射と屈折を繰り返して
石英放電管の内部に導入される。その結果、電磁波の伝
播モードとしてさまざまなモードが励起され、生成され
るプラズマの状態が不安定になりやすい。また、電磁波
透過部材として平板を利用した例においては空洞共振部
の径よりも小さい径の電磁波透過部材を設けているた
め、電磁波透過部材側側における電磁波の反射が一様と
ならず、即ち中心部と周辺部とで反射が異なり、放電領
域に導入される電磁波のエネルギー分布が不均一になり
やすい。そのため生成されるプラズマの分布が不均一と
なり、被処理物を均一に処理することが困難となる。こ
のように従来の方式は、生成されるプラズマの安定性と
均一性において不利な方式となっている。

【０００４】本発明の目的は、放電領域に導入する電磁
波のモードの遷移を抑え安定なプラズマを生成するとと
もに、放電領域に導入される電磁波のエネルギー分布を
一様にし均一なプラズマを生成することのできるプラズ
マ処理方法及び装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、電磁波を装置内に導入する電磁波導入部と、電磁波
導入部に続き電磁波を伝搬させる空洞部と、空洞部につ
ながり放電領域を形成する真空容器と、空洞部と真空容
器との間に設けられ真空容器の一部を形成し電磁波のエ
ネルギーを真空容器内に略全面で透過させる電磁波透過
部材とから構成し、電磁波透過部材の有効透過部直径と
真空容器の内径とは略同径で、該径を被処理材の直径の
１．７５倍以上とし、電磁波が電磁波透過部材及び放電
領域の境界面と空洞部の電磁波導入側端面との間で反射
を繰り返しＴＥ₀₁モードとなる定在波を形成させ、電磁
波導入部を伝播して来たＴＥ₁₁モードと混在させて放電
領域に導入するように構成した装置とし、空洞部を介し
て電磁波導入部からの電磁波を真空容器の放電領域に伝
播させ真空容器内の被処理物をプラズマ処理する方法に
おいて、電磁波導入部にＴＥ₁₁モードの電磁波を伝播さ
せ、電磁波が電磁波透過部材及び放電領域の境界面と空
洞部の電磁波導入側端面との間で反射を繰り返しＴＥ₀₁
モードとなる定在波を形成させ、電磁波導入部を伝播し
て来たＴＥ₁₁モードの電磁波と混在させて放電領域に導
入し、真空容器内に放電を生じさせる方法としたもので
ある。

【０００６】

【作用】空洞部と真空容器との間に設けられた電磁波透
過部材を介して、電磁波のエネルギーを真空容器内に略
全面で透過させ、電磁波透過部材の有効透過部直径と真
空容器の内径とを略同径で、該径を被処理材の直径の
１．７５倍以上とし、電磁波が電磁波透過部材及び放電
領域の境界面と空洞部の電磁波導入側端面との間で反射
を繰り返しＴＥ₀₁モードとなる定在波を形成させ、電磁
波導入部を伝播して来たＴＥ₁₁モードと混在させて放電
領域に導入するようにすることにより、電磁波透過部材
側の電磁波の反射端の性質が一様となるため、電磁波の
モードの遷移が抑えられ安定なプラズマを生成すること
ができるとともに、空洞部で励起される電磁波のモード
を限定してプラズマを発生させる部分での電磁波のエネ
ルギー分布を均一にすることができる。さらに、被処理
物の直径の１．７５倍以上の真空容器としてそれに接続
する大型排気ダクトを組み合わせることによって、排気
コンダクタンスを大きくすることができ、低圧プロセス
あるいは大流量プロセスを可能にする。

【０００７】プロセスガスの吹き出し口を電磁波透過部
材の近傍に設置することにより真空容器内でのガスの滞
留の影響が軽減され、プラズマを生成する部分における
プロセスガスの分布を一様にすることができる。また、
安定なプラズマを生成し、被処理物を均一に処理するた
めにはプラズマの生成部であるＥＣＲ面の厚さ、及びＥ
ＣＲ面と被処理物との距離、ＥＣＲ面と電磁波透過部材
との距離の適正化を行う必要がある。ＥＣＲ面の厚さは
磁場勾配の関数として表される。ＥＣＲ面における磁場
勾配の値を２０Ｇ／ｃｍ以上、５０Ｇ／ｃｍ以下の範囲
内に設定することにより安定で均一なプラズマを生成す
ることができる。ＥＣＲ面と被処理物との距離、ＥＣＲ
面と電磁波透過部材との距離はプラズマの密度と均一性
に対して大きく効く。ＥＣＲ面と被処理物との距離が小
さすぎるとプラズマの拡散が十分でなく、被処理物に到
達するプラズマ（飽和イオン電流密度）の均一性が悪化
する。また、ＥＣＲ面と電磁波透過部材との距離が小さ
すぎると電磁波の分布の影響を大きく受け、ＥＣＲ面付
近で生成されるプラズマの均一性が悪化するため、被処
理物に到達するプラズマ（飽和イオン電流密度）の均一
性が悪化する。ＥＣＲ面と被処理物との距離を３０ｍｍ
以上、ＥＣＲ面と電磁波透過部材との距離５０ｍｍ以上
とすることにより、電磁波透過部材の消耗を低減し、且
つ、被処理物に到達するプラズマ（飽和イオン電流密
度）を均一にすることができる。このことにより、量産
ラインでの可動率向上，歩留まり向上を図ることができ
る。

【０００８】

【実施例】本発明の一実施例を図１ないし図３によって
説明する。図１は本発明の一実施例を示す。図２は図１
におけるガス導入部の詳細であり、図３は図１における
プラズマ生成部分を拡大した図である。本実施例はプラ
ズマを生成する手段としてマイクロ波と磁界を利用した
例である。１はマイクロ波を発生するマグネトロン、２
はマイクロ波を伝播する導波管、３は円矩形変換導波
管、４は空洞部、４１は空洞部４の天板、５は磁場を発
生するソレノイドコイル、５１は最上段のソレノイドコ
イル、６は電磁波透過部材（例えば石英平板）、７は真
空容器、８は被処理物を搭載するホルダ、９はホルダを
上下に移動させる駆動機構、１０はホルダにエッチング
のためのＲＦバイアス電圧を印加するための高周波電
源、１１はエッチングガスを真空容器７に導入するため
のシャワープレート、１１１はシャワープレート１１に
設けられたガス吹き出し口、１１２はガス導入経路、１
２は真空容器７の圧力の調整を行うバリアブルバルブ、
１３は真空容器７を真空に減圧するためのタ−ボ分子ポ
ンプ、１４は粗引用真空ポンプである。１５は生成され
たプラズマ、１５１はプラズマ１５の境界面即ち電磁波
の反射面（有磁場条件の場合、電子密度＞１×１０¹¹個
／ｃｍ³となる面）を示す。

【０００９】真空容器７の内部はターボ分子ポンプ１３
と粗引用真空ポンプ１４によって減圧されている。試料
を処理する場合、プロセスガスをガス導入経路１１２か
ら電磁波透過部材６とシャワープレート１１の間に導入
し、シャワープレート１１に設けられたガス吹き出し口
１１１から真空容器７に導く。なお、シャワープレート
１１を用いず、電磁波透過部材６の下面の周辺等にガス
吹き出し口を設けても同様な効果が得られる。真空容器
７の内部圧力を調節するためにバリアブルバルブ１２を
設けている。

【００１０】なお、真空容器７の内面側には、金属汚染
をさけるため、電極近傍に接地電位の部材であるアース
電極７２を設け、真空容器７の内側に石英，セラミック
などで形成した円筒状の絶縁物カバー７１を設置する。
絶縁物カバーは、この場合、真空容器７の内壁面とアー
ス電極７２とにより形成された溝部に落とし込まれて保
持される。絶縁物カバー７２は強度的におよびメンテナ
ンス周期を考慮し、例えば、５ｍｍ以上の厚さを有する
ようにしてあり、真空容器７とプラズマ１５との電気導
通性を取るために、絶縁物カバー７１を保持する保持部
材を兼ねたアース電極を設けている。また、金属汚染を
裂けるための方法としては、この他に、耐プラズマ性の
ある絶縁体（例えば石英、Ａｌ₂Ｆ₃、ムライト、Ｃｒ₂
Ｏ₃等）や半導体（ＳｉＣ等）で真空容器７内面を被っ
ても良い。なお、ホルダ８に高周波バイアス電力を印加
し、処理する場合には、上記耐プラズマ性のある絶縁物
の厚みは１ｍｍ以下にし、アース効果が得られやすくす
る方が好ましい。

【００１１】マグネトロン１で発生したマイクロ波は導
波管２、円矩形変換導波管３を経由し、空洞部４、電磁
波透過部材６、シャワープレート１１を経て真空容器７
に導かれる。真空容器７の周囲にはソレノイドコイル５
が設けられており、真空容器７の内部では磁界が存在す
る。電子は磁界からローレンツ力を受けて旋回運動を行
う。旋回運動の周期と電磁波の周波数がほぼ一致した場
合、電子は電磁波から効率良くエネルギーを受け取り、
電子サイクロトロン共鳴現象（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙ
ｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ、以下ＥＣＲと略
す）によってプラズマ１５を生成する。装置ではＥＣＲ
を起こす条件を満たす等磁界面（以下ＥＣＲ面と略す）
が真空容器７の内部に存在するように設計されている。
図３に空洞部に導かれたマイクロ波の反射の様子を示
す。装置に導入された電磁波がつくる定在波ａに示すよ
うに空洞部４の天板４１と電磁波透過部材６の上面との
間で反射を繰り返す場合と、定在波ｂに示すように空洞
部４の天板４１とシャワープレート１１もしくは電磁波
透過部材６の下面との間で反射を繰り返す場合と、定在
波ｃに示すように空洞部４の天板４１と生成されたプラ
ズマ１５の境界面１５１との間で反射を繰り返す場合が
考えられる。プラズマ１５の境界面１５１は実際にはあ
る厚みを有するが、以下簡単化して原理を説明する。生
成されたプラズマの密度が一定密度を越えた場合（有磁
場条件の場合、電子密度＞１×１０¹¹個／ｃｍ³）、定
在波ｃが支配的となる。よって空洞部４の高さを変化さ
せた場合、空洞部４の天板４１からプラズマ１５の境界
面１５１までの距離（電磁波に対する等価距離：Ｌ＝∫
√εｒ ｄｘ（[0,l]の積分)，εｒ＝比誘電率、を用い
る）が、あるモードの管内波長の１／２の整数倍となる
時、該モードは共振を起こして定在波として空洞部４の
天板４１からプラズマ１５の境界面１５１の間に存在す
ることが可能であり、上記の条件を満たさないモードは
減衰して空洞部４の天板４１からプラズマ１５の境界面
１５１の間に存在することができなくなる。このように
空洞部分４の高さを適切に選ぶことにより、特定の単一
モードもしくは複数のモードのマイクロ波を、電磁波透
過部材６、シャワープレート１１を経て真空容器７に導
くことが可能となり、均一で安定な高密度のプラズマを
発生させることができる。本実施例においては空洞部４
の直径を４０５ｍｍ、高さを０〜１６０ｍｍの可変とし
た。また電磁波透過部材６の直径を４０４ｍｍ、真空容
器７の直径を３５０ｍｍ、電磁波透過部材６の下面とホ
ルダ８の上面との距離を１７５ｍｍとした。

【００１２】なお、以下に述べる図４〜図８の傾向は上
に述べた寸法に限定されるものではない。電磁波によっ
てプラズマを発生させて試料を処理する装置において、
電磁波を装置内に導入する電磁波導入部と、放電領域を
形成する真空容器と、電磁波を伝搬させる空洞部とから
構成され、該空洞部から前記放電領域を気密に分離する
部材であって、前記空洞部での電磁波エネルギーを前記
放電領域に略全面で透過させる部材とを備え、該部材は
前記試料の被処理面を覆い、電磁波の進行方向に対して
略垂直方向面を有することを特徴とする装置であれば共
通してもっている性質である。

【００１３】図４に空洞部４の高さを変化させたときに
被処理物に到達するイオン電流密度の大きさと均一性
を、図５にそのときのマイクロ波の反射波の挙動の一例
を示す。図４及び図５から空洞部４の寸法を変化させる
ことにより、飽和イオン電流密度の大きさ、均一性及び
マイクロ波の反射波が変化することが判る。ここで図４
において飽和イオン電流密度が大きく、均一性が良好な
上部空洞寸法の条件（ｌ₁〜ｌ₂の範囲）を図５にあては
めると、反射波が０となる条件にも、最大となる条件に
もなっておらず、両条件の中間部分、即ちある程度の反
射波が返っている条件となっている。このときのマイク
ロ波は単一モードと言うよりは複数モードの合成になっ
ていると考えられる。なお、導波管２あるいは円矩形変
換導波管３の部分にスタブチューナ等の整合手段をも設
けることにより、図５で反射波の大きい所でも電磁波を
有効にプラズマに入力することができる。

【００１４】図６にＥＣＲ面と被処理物を搭載するホル
ダ８との距離を一定として電磁波透過部材６とＥＣＲ面
の距離を変化させたときに被処理面に到達する飽和イオ
ン電流密度の大きさと均一性を、図７に電磁波透過部材
６とＥＣＲ面の距離を一定としてＥＣＲ面と被処理物を
搭載するホルダ８との距離を変化させたときに被処理面
に到達する飽和イオン電流密度の大きさと均一性を示
す。図６から電磁波透過部材６とＥＣＲ面の距離を離す
に従って飽和イオン電流密度分布の均一性が向上するこ
とが判る。別の実験によれば飽和イオン電流密度の均一
性を１０％以下にするためには電磁波透過部材６とＥＣ
Ｒ面の距離は５０ｍｍ以上必要であることが判明した。
また図７からＥＣＲ面と被処理物を搭載するホルダ８と
の距離を離すに従って飽和イオン電流密度分布の均一性
が向上することが判る。別の実験によればＥＣＲ面と被
処理物を搭載するホルダ８との距離を３０ｍｍよりも小
さくすると均一性が急に悪くなるため、飽和イオン電流
密度分布の均一性を１０％以下にするためにはＥＣＲ面
と被処理物を搭載するホルダ８との距離は３０ｍｍ以上
必要であることが判明した。

【００１５】図８にＥＣＲ面の中心における磁場勾配を
変化させたときに被処理物に到達する飽和イオン電流密
度の大きさと均一性を示す。図８から磁場勾配の値を変
化させたとき、５０Ｇ／ｃｍ、４０Ｇ／ｃｍ、３０Ｇ／
ｃｍに設定した場合の放電安定性に大きな差は無いが、
２０Ｇ／ｃｍに設定した場合、やや放電が安定しない傾
向が出はじめる。別の実験によれば磁場勾配を１５Ｇ／
ｃｍ以下に設定した場合、放電が安定しないことが判明
した。また、図８から磁場勾配の値を上げていった場
合、飽和イオン電流密度の試料内での平均値に大差は無
いが、均一性が悪化する傾向がある。以上のことから、
安定かつ均一な高密度のプラズマを得るためにはＥＣＲ
面の中心における磁場勾配の値を２０Ｇ／ｃｍ以上、５
０Ｇ／ｃｍ以下の範囲内に設定することが有効である。
さらに均一なプラズマを得るにはＥＣＲを起こす条件を
満たす等磁界面を被処理物の処理面に対して略平坦面と
する必要がある。なお、図１に示す様に、上段ソレノイ
ドコイル５１の内径もしくはヨークの内径（Ｄｙ）は被
処理物や電磁波透過部材６の直径より小さくすることに
より、中心軸上の磁場強度を容易に強くすることがで
き、磁場勾配２０Ｇ／ｃｍ以上、５０Ｇ／ｃｍ以下でか
つ被処理物の表面に平行な面内で平坦な磁場を容易に得
ることができる。また、真空容器７の直径としては、被
処理物の直径に対して＋５０ｍｍ以上にすれば１０％以
下の均一性を確保することが可能であった。このように
制御するために、主磁束用電磁コイルと制御用電磁コイ
ルを大きな空隙を設けることなく配置してある。

【００１６】本発明の第２の実施例を図９に示す。本実
施例はプラズマを生成する手段として電磁波のみを利用
した例である。本図において図１と同符号は同一部材を
示し説明を省略する。

【００１７】本実施例では磁場が無いため、電子密度が
７×１０¹⁰個／ｃｍ³を超えるとマイクロ波がプラズマ
中に入らない点のみが前記一実施例と異なる点である
が、マイクロ波の反射端がプラズマ１５の境界面１５１
となるため、磁場に起因する物理現象以外の作用は前記
一実施例の場合と同じである。

【００１８】これまでは、マイクロ波（例えば２．４５
ＧＨｚ）を用いた実施例を示してきたが、何らこれに限
定されるものではない。電磁波によってプラズマを発生
させて試料を処理する方法において、電磁波を装置内に
導入する電磁波導入部、放電領域となる真空容器、電磁
波を共振させる空洞部分から構成され、空洞部から放電
領域を気密に分離する部材であって、空洞部での電磁波
エネルギーを放電領域に略全面で透過させる該部材を備
え、該部材は試料の被処理面を覆い、電磁波の進行方向
に対して略垂直方向面を有する装置であれば同様な効果
が期待できる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればプ
ラズマを発生させる部分における電磁波のエネルギー分
布を一様にすることができ、均一なプラズマを生成する
ことが可能となるとともに、真空容器内でのプラズマに
よる金属汚染を防止することができる。従って、半導体
製造装置に本発明を適用することによって大口径のウエ
ハを均一，歩留まり良く処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す有磁場マイクロ波プラ
ズマエッチング装置の構成図である。

【図２】図１の装置におけるガス導入部の詳細を示す詳
細図である。

【図３】図１の装置におけるプラズマ生成部分の拡大図
である。

【図４】図１の装置における空洞部の寸法を変化させた
ときの被処理物に到達するイオン電流密度の大きさおよ
び均一性を示した図である。

【図５】図１の装置における空洞部の寸法を変化させた
ときのマイクロ波の反射波を示す図である。

【図６】図１の装置における電磁波透過部材とＥＣＲ面
との距離を変化させたときの被処理物に到達するイオン
電流密度の大きさおよび均一性を示した図である。

【図７】図１の装置におけるＥＣＲ面と被処理物を搭載
するホルダとの距離を変化させたときの被処理物に到達
するイオン電流密度の大きさおよび均一性を示した図で
ある。

【図８】図１の装置における磁場勾配を変化させたとき
の被処理物に到達するイオン電流密度の大きさおよび均
一性を示した図である。

【図９】本発明の他の実施例を示す無磁場マイクロ波プ
ラズマエッチング装置の構成図である。

【符号の説明】

１…マグネトロン、２…導波管、３…円矩形変換導波
管、４…空洞部、４１…空洞部天板、５…ソレノイドコ
イル、５１…ソレノイドコイル、６…電磁波透過部材、
７…真空容器、８…ホルダ、９…駆動機構、１０…高周
波電源、１１…シャワ−プレ−ト、１１１…ガス吹き出
し口、１１２…ガス導入経路、１２…バリアブルバル
ブ、１３…ターボ分子ポンプ、１４…粗引用真空ポン
プ、１５…プラズマ、１５１…プラズマ境界面、７１…
絶縁物カバー、７２…アース電極。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−74592（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−104096（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−222446（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−190501（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−266992（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−53170（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−302429（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−190501（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空洞部を介して電磁波導入部からの電磁波
   を真空容器の放電領域に伝播させ前記真空容器内の被処
   理物をプラズマ処理する方法において、前記電磁波導入
   部にＴＥ₁₁モードの電磁波を伝播させ、前記電磁波が前
   記電磁波透過部材及び前記放電領域の境界面と前記空洞
   部の電磁波導入側端面との間で反射を繰り返しＴＥ₀₁モ
   ードとなる定在波を形成させ、前記電磁波導入部を伝播
   して来たＴＥ₁₁モードの電磁波と混在させて前記放電領
   域に導入し、前記真空容器内に放電を生じさせることを
   特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】請求項１記載において、前記空洞部での電
   磁波を前記放電領域に略全面に透過させるプラズマ処理
   方法。
3. 【請求項３】請求項１記載において、前記放電は電磁波
   と磁界とを用い、前記磁場における電子のラーマー旋回
   運動の周期と前記電磁波の周波数を一致させて電子を加
   速する電子サイクロトロン共鳴現象を利用するプラズマ
   処理方法。
4. 【請求項４】電磁波を装置内に導入する電磁波導入部
   と、前記電磁波導入部に続き前記電磁波を伝搬させる空
   洞部と、前記空洞部につながり放電領域を形成する真空
   容器と、前記空洞部と前記真空容器との間に設けられ前
   記真空容器の一部を形成し前記電磁波のエネルギーを前
   記真空容器内に略全面で透過させる電磁波透過部材とか
   ら構成し、前記電磁波透過部材の有効透過部直径と前記
   真空容器の内径とは略同径で、該径を被処理材の直径の
   １．７５倍以上とし、前記電磁波が前記電磁波透過部材
   及び前記放電領域の境界面と前記空洞部の電磁波導入側
   端面との間で反射を繰り返しＴＥ₀₁モードとなる定在波
   を形成させ、前記電磁波導入部を伝播して来たＴＥ₁₁モ
   ードと混在させて前記放電領域に導入するよう構成した
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】請求項４記載において、前記放電は電磁波
   と磁界のＥＣＲ作用を用いた手段とし、前記磁場はソレ
   ノイドコイルを用いて発生させ、前記ソレノイドコイル
   の内径もしくはコイルケ−スのヨ−クの内径を、被処理
   物及び前記電磁波透過部材の径よりも小さくしたプラズ
   マ処理装置。
6. 【請求項６】請求項５記載において、前記電磁波透過部
   材と前記ＥＣＲ面との距離を５０ｍｍ以上としたプラズ
   マ処理装置。
7. 【請求項７】請求項５記載において、前記ＥＣＲ面と前
   記被処理物との距離を３０ｍｍ以上としたプラズマ処理
   装置。
8. 【請求項８】請求項５記載において、前記ＥＣＲ面にお
   ける磁場勾配の値を２０Ｇ／ｃｍ以上、５０Ｇ／ｃｍ以
   下の範囲内に設定したプラズマ処理装置。
9. 【請求項９】請求項４記載において、前記真空容器内へ
   のプロセスガスの吹き出し口を前記電磁波透過部材の近
   傍で被処理物と平行に分散して設置したプラズマ処理装
   置。