JPH0834186B2 - Microwave plasma film deposition equipment - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体分野等に用いられる薄膜を形成する
ためのマイクロ波プラズマ膜堆積装置に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave plasma film deposition apparatus for forming a thin film used in the semiconductor field and the like.
従来の技術 近年マイクロ波プラズマ膜堆積装置は、低温で膜形成
を可能とするため注目されている。そして、マイクロ波
を用いた金属膜堆積装置として、電子サイクロトロン共
鳴プラズマケミカルベーパーデポジション（ECRプラズ
マCVD）とスパッタリングを利用した方法が特開昭57−1
56843号公報に提案されている。2. Description of the Related Art In recent years, microwave plasma film deposition apparatuses have attracted attention because they enable film formation at low temperatures. Then, as a metal film deposition apparatus using microwaves, a method using electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition (ECR plasma CVD) and sputtering is disclosed in JP-A-57-1.
It is proposed in Japanese Patent No. 56843.
以下図面を参照しながら、上述した従来の金属薄膜堆
積装置の一例について説明する。An example of the conventional metal thin film deposition apparatus described above will be described below with reference to the drawings.
第５図は従来のマイクロ波プラズマ膜堆積装置の断面
図を示すものである。同図において、１はプラズマ発生
室、２は試料室、３は石英ガラスよりなるマイクロ波導
入窓である。マイクロ波は方形導波管４よりマイクロ波
導入窓３を介してプラズマ発生室１へ導かれる。プラズ
マ発生室１において、マイクロ波導入窓３と対向してプ
ラズマ引き出し窓５を設け、プラズマ６を試料基板７を
設置した基板載置台８上に導く。試料室２は排気系９に
接続されている。プラズマ発生室１の外周には磁気コイ
ル10を設置するとともに磁気コイル10によって発生する
磁界の強度を、マイクロ波による電子サイクロトン共鳴
（ECR共鳴）の条件がプラズマ発生室１の一部で満足さ
れるように設定してある。ガス導入系としてはプラズマ
発生用のガスを導く第１ガス導入口12と試料室２に原料
ガスを導く第２ガス導入口13との２系統を有している。
またプラズマ発生室１は冷却水を冷却水通路14,15に通
すことによって冷却される。さらにプラズマ６を取り囲
むようにスパッタリング材料16が入ったターゲット電極
17が配置され、スパッタ用電源19に接続されている。FIG. 5 shows a sectional view of a conventional microwave plasma film deposition apparatus. In the figure, 1 is a plasma generation chamber, 2 is a sample chamber, and 3 is a microwave introduction window made of quartz glass. The microwave is guided from the rectangular waveguide 4 to the plasma generation chamber 1 through the microwave introduction window 3. In the plasma generation chamber 1, a plasma extraction window 5 is provided so as to face the microwave introduction window 3, and the plasma 6 is guided onto the substrate mounting table 8 on which the sample substrate 7 is installed. The sample chamber 2 is connected to the exhaust system 9. A magnetic coil 10 is installed on the outer circumference of the plasma generation chamber 1 and the magnetic field intensity generated by the magnetic coil 10 satisfies the condition of electron cycloton resonance (ECR resonance) by microwaves in a part of the plasma generation chamber 1. Is set to. As a gas introduction system, there are two systems, a first gas introduction port 12 for introducing a gas for plasma generation and a second gas introduction port 13 for introducing a raw material gas to the sample chamber 2.
The plasma generation chamber 1 is cooled by passing cooling water through the cooling water passages 14 and 15. Further, a target electrode containing a sputtering material 16 so as to surround the plasma 6
17 is arranged and connected to a power supply 19 for sputtering.
そして、このECRプラズマとスパッタリングを利用し
た金属薄膜の堆積装置は確かにECRプラズマの高真空に
できるという利点を生かしたものである。And, this metal thin film deposition apparatus using ECR plasma and sputtering certainly takes advantage of the high vacuum of ECR plasma.
発明が解決しようとする課題 しかしながら導伝性を持つ薄膜の場合はスパッタター
ゲットからスパッタリングされた金属原子がプラズマ発
生室１内に拡散し、マイクロ波導入窓３に金属薄膜が堆
積し、マイクロ波の伝搬を妨げ、安定した放電が不可能
になるとともに再現性が悪いという課題を有していた。
更に膜堆積は本質的にスパッタリングを用いているため
に、基板７上の段差部に堆積した膜のカバレッジが悪い
という課題も有していた。However, in the case of a conductive thin film, metal atoms sputtered from the sputter target diffuse into the plasma generation chamber 1, and a metal thin film is deposited on the microwave introduction window 3 to prevent the generation of microwaves. It has a problem that it hinders propagation, makes stable discharge impossible, and has poor reproducibility.
Further, since film deposition essentially uses sputtering, there is also a problem that the coverage of the film deposited on the stepped portion on the substrate 7 is poor.
本発明は上記課題に鑑み、基板の膜厚再現性が良く、
CVDによるカバレッジの良い膜堆積を可能とするマイク
ロ波プラズマ膜堆積装置を提供するものである。In view of the above problems, the present invention has good reproducibility of the film thickness of the substrate,
A microwave plasma film deposition apparatus that enables film deposition with good coverage by CVD.
課題を解決するための手段 上記目的を達成するため第１の発明は一端部に設けら
れたマイクロ波導入窓を介してマイクロ波を導入する導
波管と、前記導波管の他端と連通して放電ガス導入口を
有するプラズマ発生室と、前記プラズマ発生室と連通し
て反応ガス導入口を有する試料室と、前記プラズマ発生
室の近傍に設けられた磁界印加手段と、前記試料室に設
けられた基板載置台とを有し、前記導波管の長さが前記
プラズマ発生室内の金属イオンの平均自由行程以上であ
り、マイクロ波導入窓の近傍からプラズマ発生室に向か
って金属イオンの平均自由行程λ１の範囲内において、
導波管の断面の小さい方の径を2aとし、電子の質量ｍ
（kg）、電子の電荷をｅ（ｃ）、電子のエネルギーをＴ
（ev）としたとき、前記導波管内での磁界の強さＢ（Te
sla）が であることを特徴とするものである。Means for Solving the Problems To achieve the above object, a first aspect of the present invention communicates a waveguide for introducing microwaves through a microwave introduction window provided at one end with the other end of the waveguide. A plasma generation chamber having a discharge gas introduction port, a sample chamber communicating with the plasma generation chamber and having a reaction gas introduction port, a magnetic field applying means provided in the vicinity of the plasma generation chamber, and the sample chamber And a substrate mounting table provided, the length of the waveguide is equal to or more than the mean free path of the metal ions in the plasma generation chamber, the metal ions of the metal ions from the vicinity of the microwave introduction window toward the plasma generation chamber. Within the range of mean free path λ 1 ,
The diameter of the smaller section of the waveguide is 2a, and the electron mass m
(Kg), electron charge is e (c), electron energy is T
(Ev), the magnetic field strength B (Te
sla) It is characterized by being.
また第２の発明は、第１の発明に加えて導波管の断面
の大きい径をＳとし、導波管内の電子の平均自由行程を
λ２としたとき、前記導波管内の圧力をλ２＞Ｓを満た
す圧力としたものである。In addition, in the second invention, in addition to the first invention, when the large diameter of the cross section of the waveguide is S and the mean free path of electrons in the waveguide is λ 2 , the pressure in the waveguide is λ. The pressure is set to satisfy 2 > S.
作用 第１の発明によれば、プラズマ発生室内で放電した金
属イオンの平均自由行程λ１より導波管の長さの方が長
いため、導波管内に入った金属イオンは、マイクロ波導
入窓に到達する前に、散乱を受け、導波管の側壁に到達
し、付着するとともに、マイクロ波導入窓が磁界の弱い
ところに設けてあるので、その近傍では放電は起こりに
くくなる。Action According to the first aspect of the invention, since the length of the waveguide is longer than the mean free path λ 1 of the metal ions discharged in the plasma generation chamber, the metal ions that have entered the waveguide are not introduced into the microwave introduction window. Before it reaches (1), it is scattered, reaches the side wall of the waveguide and adheres to it, and since the microwave introduction window is provided in a place where the magnetic field is weak, discharge is less likely to occur in the vicinity thereof.
また、第２の発明によれば電子は導入波管の側壁にあ
たり、回転できなくなり、結果として、導波管内で、放
電は起こりにくく、金属イオンがマイクロ波導入窓に到
達することはない。Further, according to the second invention, the electrons hit the side wall of the introduction wave tube and cannot rotate, and as a result, discharge is unlikely to occur in the waveguide, and metal ions do not reach the microwave introduction window.
実施例 以下本発明の第一の実施例のマイクロ波プラズマ膜堆
積装置について、図面を参照しながら説明する。第１図
は、本発明の第一の実施例におけるマイクロ波プラズマ
膜堆積装置の断面図を示すものである。第１図におい
て、真空室20は第１導波管21と、プラズマ発生室22と、
試料室23からなる。プラズマ発生室22には、放電ガス導
入口24を有し、試料室23には、反応ガス導入口25と真空
排気口26と基板27を載置する基板載置台28がある。29は
Ｏリングを介して真空室20を真空に維持するためのマイ
クロ波導入窓で、石英ガラスより構成される。30は第１
導波管21にマイクロ波を伝送するための第２の導波管で
ある。31は、プラズマ発生室22内の軸方向に磁界を印加
するためのマグネットコイルである。32は、第１導波管
21内へのマグネットコイル31の磁界の影響を少なくする
ための強磁性体である。また第１導波管21の長さは、50
0mm、断面形状は縦96mm溝27mmとした。Example A microwave plasma film deposition apparatus according to a first example of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a sectional view of a microwave plasma film deposition apparatus in a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the vacuum chamber 20 includes a first waveguide 21, a plasma generation chamber 22,
It consists of a sample chamber 23. The plasma generation chamber 22 has a discharge gas introduction port 24, and the sample chamber 23 has a reaction gas introduction port 25, a vacuum exhaust port 26, and a substrate mounting table 28 on which a substrate 27 is placed. Reference numeral 29 denotes a microwave introduction window for maintaining the vacuum chamber 20 in vacuum through an O-ring, which is made of quartz glass. 30 is the first
It is a second waveguide for transmitting microwaves to the waveguide 21. Reference numeral 31 is a magnet coil for applying a magnetic field in the axial direction within the plasma generation chamber 22. 32 is the first waveguide
It is a ferromagnetic material for reducing the influence of the magnetic field of the magnet coil 31 into the inside 21. The length of the first waveguide 21 is 50
The cross-sectional shape was 0 mm and the vertical 96 mm groove 27 mm.
以上のように構成されたマイクロ波プラズマ膜堆積装
置について、以下第１図を用いて金属（アルミニウム）
膜を堆積する場合について説明する。The microwave plasma film deposition apparatus configured as described above will be described with reference to FIG.
The case of depositing a film will be described.
真空度２は、放電ガス導入口24から水素ガス100SCC
M、反応ガス導入口25からTMA（トリメチルアルミニウ
ム）を30SCCM流した状態で約１×10-3Torrの真空に維持
される。放電ガス導入口24から供給された水素ガスは、
第２導波管30、マイクロ波導入窓29、第１導波管21を伝
送してきた電力300W、周波数2.45G Hzのマイクロ波と、
マグネットコイル31による軸方向磁界（875Gauss）によ
って、電子サイクロトロン共鳴が満足され、プラズマ発
生室22内で放電する。この放電で生じた水素のイオン、
電子及びラジカルは、磁界の作用及び拡散によって試料
室23に到達し、反応ガス導入口25から供給されたトリメ
チルアルミニウムを分解する。Vacuum degree 2 is 100 SCC hydrogen gas from the discharge gas inlet 24
A vacuum of about 1 × 10 −3 Torr is maintained with TMA (trimethylaluminum) flowing from the reaction gas inlet 25 at 30 SCCM. Hydrogen gas supplied from the discharge gas inlet 24 is
The second waveguide 30, the microwave introduction window 29, the microwave having a power of 300 W and a frequency of 2.45 GHz transmitted through the first waveguide 21,
Electron cyclotron resonance is satisfied by the axial magnetic field (875 Gauss) generated by the magnet coil 31, and discharge occurs in the plasma generation chamber 22. Hydrogen ions generated by this discharge,
The electrons and radicals reach the sample chamber 23 by the action and diffusion of the magnetic field and decompose the trimethylaluminum supplied from the reaction gas inlet 25.
また反応を促進するため基板載置台28は200℃に加熱
されており、解離したトリメチルアルミニウムガスは、
基板27上に到達し、アルミニウム膜を堆積する。また、
逆に拡散によってプラズマ発生室22へ移動したトリメチ
ルアルミニウムガスは分解される。プラズマ発生室22か
ら拡散によって第１導波管21の方向へ移動した解離した
ガス分子は、真空度が１×10-3Torrであるため、その平
均自由行程は、約50〜60mmとなる。一方、第１導波管の
長さは500mmである。従って、ガスはマイクロ波導入窓2
9に到達する前に散乱を受け、第１導波管21の壁面に到
達し付着する。更に、第１導波管21内の磁界の強さは、
強磁性体32によって、10Gauss以下に押さえられている
ため、電子サイクトロン運動の回転直径が約27mm以上と
なり、第１導波管21の断面において短い方の長さとほぼ
等しい値となり、電子が回転運動をすることなく、第１
導波管21内の放電を防ぐことができ、結果としてマイク
ロ波導入窓29付近での第１導波管21に付着した金属から
の金属イオンの再発生を防ぐことができる。そのため、
マイクロ波の供給を防げることなく、安定したマイクロ
波を供給でき、再現性良くアルミニウム膜を堆積するこ
とができる。Further, the substrate mounting table 28 is heated to 200 ° C. to accelerate the reaction, and the dissociated trimethylaluminum gas is
The substrate 27 is reached and an aluminum film is deposited. Also,
Conversely, the trimethylaluminum gas that has moved to the plasma generation chamber 22 by diffusion is decomposed. The dissociated gas molecules that have moved from the plasma generation chamber 22 toward the first waveguide 21 due to diffusion have a vacuum degree of 1 × 10 −3 Torr, so the mean free path thereof is about 50 to 60 mm. On the other hand, the length of the first waveguide is 500 mm. Therefore, the gas is the microwave introduction window 2
It is scattered before reaching 9 and reaches the wall surface of the first waveguide 21 and adheres thereto. Furthermore, the strength of the magnetic field in the first waveguide 21 is
Since it is suppressed to 10 Gauss or less by the ferromagnet 32, the rotation diameter of the electron cyclotron motion is about 27 mm or more, which is almost equal to the shorter length in the cross section of the first waveguide 21, and the electrons rotate. First without doing
Discharge in the waveguide 21 can be prevented, and as a result, re-generation of metal ions from the metal attached to the first waveguide 21 near the microwave introduction window 29 can be prevented. for that reason,
A stable microwave can be supplied without preventing the microwave supply, and an aluminum film can be deposited with good reproducibility.
以下、マイクロ波導入窓29の近傍で放電が起こらない
理由について説明する。Hereinafter, the reason why discharge does not occur in the vicinity of the microwave introduction window 29 will be described.
一般に2.45G Hzのマイクロ波を使用した場合、導波管
の断面形状として、縦109.2mm、横54.6mmあるいは、縦9
6mm、横27mmが使用される。周波数2.45G Hzの場合、基
本モードが伝搬するためには自由空間で縦の長さが最低
約62mm以上必要である。Generally, when using 2.45 GHz microwave, the cross-sectional shape of the waveguide is 109.2 mm in length, 54.6 mm in width, or 9 mm in length.
6mm and width 27mm are used. At a frequency of 2.45 GHz, a vertical length of at least about 62 mm is required in free space for the fundamental mode to propagate.
また、導波管内の電子の運動を考えるときに、導波管
の軸方向に磁界が存在する。そこで、電磁界中の電荷粒
子の運動は、一様磁界がかかっているとして、半径ｒの
サイクロトロン運動となる。半径をｒとすると、次のよ
うな式で表される。Further, when considering the movement of electrons in the waveguide, a magnetic field exists in the axial direction of the waveguide. Therefore, the motion of the charged particles in the electromagnetic field is a cyclotron motion having a radius r, assuming that a uniform magnetic field is applied. When the radius is r, it is expressed by the following equation.
ここで、m:質量（kg） e:電荷（ｃ） B:磁界（Tesla） T:エネルギー（eV） 通常、ECR放電での電子のエネルギーは10eV前後と考
えられており、今、Ｔ＝10eVとすると、Ｂ＝0.1Tesla
（1000Gauss）で約ｒ＝0.11mmとなる。磁界が0.1Tesla
より小さくなるに従って、電子の回転半径ｒは大きくな
る。例えば、Ｂ＝10Gauss（10-3Tesla）の場合、電子の
回転半径は約11mmとなり、導波管の大きさを96mm×27mm
とした場合導波管内で、電子が回転することができ得る
ほぼ最小の磁界の値となる。したがって、Ｂ＝10Gauss
以下になれば、電子は導波管の側壁に当たり、回転でき
ない。結果として、導波管内で、放電は起こりにくく、
金属イオンがマイクロ波導入窓に到達することはない。 Where m: mass (kg) e: charge (c) B: magnetic field (Tesla) T: energy (eV) Usually, the electron energy in ECR discharge is considered to be around 10 eV, and now T = 10 eV. Then, B = 0.1 Tesla
It becomes about r = 0.11 mm at (1000 Gauss). Magnetic field is 0.1 Tesla
As the radius becomes smaller, the radius r of rotation of the electron becomes larger. For example, when B = 10 Gauss (10 -3 Tesla), the electron turning radius is about 11 mm, and the size of the waveguide is 96 mm × 27 mm.
In that case, the value of the magnetic field is almost the minimum that allows electrons to rotate in the waveguide. Therefore, B = 10 Gauss
If the following occurs, the electrons hit the side wall of the waveguide and cannot rotate. As a result, the discharge is less likely to occur in the waveguide,
Metal ions do not reach the microwave introduction window.
以上のように本実施例によれば、プラズマ発生室22か
らマイクロ波導入窓29を、金属イオンの平均自由行程以
上離すことにより、マイクロ波導入窓29に金属膜が付着
せず、安定したマイクロ波を供給することができる。さ
らに、第１導波管21内の磁界の強さを、10Gauss以下に
することにより、第１導波管21内でプラズマが生ずるこ
となく、そのためマイクロ波導入窓29に金属膜が付着す
る事なく、安定してマイクロ波を供給でき、再現性良く
アルミニウム膜を堆積することができる。As described above, according to the present embodiment, by separating the microwave introduction window 29 from the plasma generation chamber 22 by the mean free path of metal ions or more, a metal film does not adhere to the microwave introduction window 29 and a stable microwave is obtained. Can supply waves. Furthermore, by setting the strength of the magnetic field in the first waveguide 21 to 10 Gauss or less, plasma is not generated in the first waveguide 21, and therefore, the metal film is attached to the microwave introduction window 29. In other words, the microwave can be stably supplied, and the aluminum film can be deposited with good reproducibility.
以下本発明の第二の実施例のマイクロ波プラズマ膜堆
積装置について、図面を参照しながら説明する。本実施
例は第１の実施例と同じ装置を用いて、真空室の真空度
を変えたものである。また本実施例においては、マイク
ロ波導入窓29近傍のプラズマ発生の有無を観察するた
め、第１導波管21と試料室23に発光分光分析用の観測窓
を設置した。膜堆積条件は第一の実施例と同じで、水素
ガス100SCCM,トリメチルアルミニウムガスは30SCCM,マ
イクロ波電力300Wとし、真空度を１×10-4Torr（0.1mTo
rr）から５×10-2（50mTorr）まで変化させ、第１導波
管21のマイクロ波導入窓29の近傍と試料室23のプラズマ
発生状況を発光分析でHd（水素）の発光強度を調べた結
果を第２図に示す。Hereinafter, a microwave plasma film deposition apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the same apparatus as that of the first embodiment is used and the degree of vacuum of the vacuum chamber is changed. In addition, in this embodiment, in order to observe the presence or absence of plasma generation in the vicinity of the microwave introduction window 29, an observation window for emission spectroscopic analysis was installed in the first waveguide 21 and the sample chamber 23. The film deposition conditions are the same as in the first embodiment, hydrogen gas is 100 SCCM, trimethylaluminum gas is 30 SCCM, microwave power is 300 W, and the vacuum degree is 1 × 10 -4 Torr (0.1 mTo
rr) to 5 × 10 -2 (50 mTorr), and the emission intensity of Hd (hydrogen) is examined by the emission analysis of the plasma generation state in the vicinity of the microwave introduction window 29 of the first waveguide 21 and the sample chamber 23. The results are shown in FIG.
同図において、横軸は真空度で、縦軸は発光強度であ
る。同図において曲線Ａはマイクロ波導入窓29から50mm
離れた位置で第１導波管21側に設けられた観測窓から測
定された値を示すものであり、曲線Ｂは試料室23側で測
定された値を示すものである。In the figure, the horizontal axis represents the degree of vacuum and the vertical axis represents the emission intensity. In the figure, the curve A is 50 mm from the microwave introduction window 29.
The curve B represents the value measured on the sample chamber 23 side, and the curve B shows the value measured from the observation window provided on the first waveguide 21 side at a distant position.
同図より、５×10-3Torr以上の真空度では、マイクロ
波導入窓21近傍でプラズマの発光が観測されることがわ
かった。From the figure, it was found that plasma emission was observed in the vicinity of the microwave introduction window 21 at a vacuum degree of 5 × 10 −3 Torr or higher.
以上、その理由について理論的に説明する一般に放電
を起こさないためには電子と原子が衝突する前に壁面に
到達するようにすれば良い。As described above, the reason therefor is theoretically explained. Generally, in order to prevent electric discharge, it is sufficient that the electrons reach the wall surface before the atoms collide.
そのためには導波管の径より電子の平均自由行程を大
きくする必要があり、導波管の最大径を60mmとし、放電
ガスを水素とした時、導波管の圧力Ｐ となる。For that purpose, it is necessary to make the mean free path of electrons larger than the diameter of the waveguide. When the maximum diameter of the waveguide is 60 mm and the discharge gas is hydrogen, the pressure P of the waveguide is P. Becomes
従って、電子の平均自由行程λを導波管の最大径より
大きくするためには、Ｐ＜６×10-3Torrとなる。Therefore, in order to make the mean free path λ of electrons larger than the maximum diameter of the waveguide, P <6 × 10 −3 Torr.
ここで、λ：平均自由行程 d:分子直径 k:ポルツマン定数 T:絶対温度 である。 Here, λ is the mean free path d: molecular diameter k: Poltzmann constant T: absolute temperature.
従って、導波管の最大径をｓとし、電子の平均自由行
程をλとした時、導波管の圧力がλ＞ｓを満たすように
することにより、導波管内での放電を防止できる。Therefore, when the maximum diameter of the waveguide is s and the mean free path of electrons is λ, the pressure in the waveguide is set to satisfy λ> s, so that the discharge in the waveguide can be prevented.
第３図は実際に真空度を３×10-3Torr、３×10-2Torr
の２つの場合について、同じ条件で膜を堆積した場合の
堆積状態を示したものである。同図において、横軸は第
１導波管21とプラズマ発生室22の境界からの距離で縦軸
は膜厚（μｍ）である。なお、堆積時には第１導波管21
内に一定間隔で別の処理基板を置き堆積後の膜厚を調べ
た。同図より真空度が３×10-3Torr（白丸）の場合は第
１導波管21の前半約150mmのところまでしか膜が堆積し
ていないのに対し真空度が３×10-2Torrのときは、第１
導波管21のプラズマ発生室22から250mmのところまで堆
積するばかりか基板27にはまったく堆積しないことがわ
かった。Fig. 3 shows the actual vacuum level of 3 × 10 -3 Torr and 3 × 10 -2 Torr.
2 shows the deposition state when the film is deposited under the same conditions in the two cases. In the figure, the horizontal axis is the distance from the boundary between the first waveguide 21 and the plasma generation chamber 22, and the vertical axis is the film thickness (μm). In addition, at the time of deposition, the first waveguide 21
Another treated substrate was placed in the chamber at a constant interval and the film thickness after deposition was examined. From the figure, when the vacuum degree is 3 × 10 -3 Torr (white circle), the film is deposited only up to about 150 mm in the first half of the first waveguide 21, whereas the vacuum degree is 3 × 10 -2 Torr. When, the first
It was found that not only the plasma was deposited up to 250 mm from the plasma generation chamber 22 of the waveguide 21, but also the substrate 27 was not deposited at all.
以上のように真空度を５×10-3Torr以下に保つことに
より、第１導波管21内のプラズマ発生を押えることがで
き、マイクロ波導入窓には金属膜を堆積することく、安
定してマイクロ波を供給することができ、再現性良くア
ルミニウム膜を堆積することができることが証明され
た。As described above, by maintaining the degree of vacuum at 5 × 10 −3 Torr or less, plasma generation in the first waveguide 21 can be suppressed, and a metal film is not deposited on the microwave introduction window, which is stable. It was proved that the microwave can be supplied to the aluminum film and the aluminum film can be deposited with good reproducibility.
以下本発明の第三の実施例のマイクロ波プラズマ膜堆
積装置について、第４図を参照しながら説明する。同図
は、本発明の第三の実施例におけるマイクロ波プラズマ
膜堆積装置の断面図を示すものである。本実施例におけ
る構成は第一の実施例とほぼ同じであるが、第１導波管
21が屈曲部33を有することが第１の実施例と異なるとこ
ろである。また、プラズマ発生室22から屈曲部までの距
離は200mmとした以下の第４図を用いて金属（アルミニ
ウム）膜を堆積する場合について説明する。真空室20
は、放電ガス導入口24から水素ガス100SCCM、反応ガス
導入口25からTMA（トリメチルアルミニウム）を30SCCM
流した状態で約１×10-3Torrの真空に維持される。放電
ガス導入口24から供給された水素ガスは、第２導波管3
0、マイクロ波導入窓29、第１導波管21を伝送してきた
マイクロ波と、マグネットコイル31による軸方向磁界
（875Gauss）によって電子サイクロトロン共鳴が満足さ
れ、プラズマ発生室22内で放電する。この放電で生じた
水素のイオン、電子及びラジカルは、磁界の作用及び拡
散によって、試料室23に到達し、反応ガス導入口25から
供給されたトリメチルアルミニウムガスを分解する。ま
た反応を促進するため基板載置台28は200℃に加熱され
ており、解離したトリメチルアルミニウムガスは、基板
27上に到達し、アルミニウム膜を堆積する。また逆に、
プラズマ発生室22へ拡散によって移動したトリメチルア
ルミニウムガスは分解される。そして、第１導波管21の
方向に移動したトリメチルアルミニウムガス分子から生
ずるイオン電子あるいはラジカルは、軸方向磁界による
両極性拡散あるいは、通常の拡散によって、第１導波管
21の軸方向に移動する。真空度が１×10-3Torrであるた
め、金属イオンの平均自由行程は数十mmと考えられる。
一方、屈曲部33までの長さは200mmである。従って、第
１導波管21の屈曲部33に到達する前に散乱を受け、第１
導波管21の側壁面に到達し付着する。また、仮に金属イ
オンの一部が屈曲部33まで到達しても、屈曲部33側壁に
付着し、マイクロ波導入窓29まで移動することはない。The microwave plasma film deposition apparatus of the third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. The figure shows a sectional view of a microwave plasma film deposition apparatus in a third embodiment of the present invention. The configuration of this embodiment is almost the same as that of the first embodiment, except that the first waveguide
21 differs from the first embodiment in that it has a bent portion 33. Further, the case where the metal (aluminum) film is deposited will be described with reference to FIG. 4 below in which the distance from the plasma generating chamber 22 to the bent portion is 200 mm. Vacuum chamber 20
Is 100 SCCM of hydrogen gas from the discharge gas inlet 24 and 30 SCCM of TMA (trimethylaluminum) from the reaction gas inlet 25.
A vacuum of about 1 × 10 -3 Torr is maintained under flow. The hydrogen gas supplied from the discharge gas introduction port 24 is supplied to the second waveguide 3
Electron cyclotron resonance is satisfied by 0, the microwave introduction window 29, the microwave transmitted through the first waveguide 21, and the magnetic field (875 Gauss) in the axial direction by the magnet coil 31, and discharge occurs in the plasma generation chamber 22. The hydrogen ions, electrons, and radicals generated by this discharge reach the sample chamber 23 by the action and diffusion of the magnetic field, and decompose the trimethylaluminum gas supplied from the reaction gas inlet 25. In addition, the substrate mounting table 28 is heated to 200 ° C. to accelerate the reaction, and the dissociated trimethylaluminum gas is discharged onto the substrate.
Reach 27 and deposit an aluminum film. On the contrary,
The trimethylaluminum gas that has moved to the plasma generation chamber 22 by diffusion is decomposed. The ionic electrons or radicals generated from the trimethylaluminum gas molecules that have moved in the direction of the first waveguide 21 are ambipolarly diffused by the magnetic field in the axial direction, or are diffused normally, so that the first waveguide
Move along the 21 axis. Since the degree of vacuum is 1 × 10 -3 Torr, the mean free path of metal ions is considered to be several tens mm.
On the other hand, the length up to the bent portion 33 is 200 mm. Therefore, it is scattered before reaching the bent portion 33 of the first waveguide 21,
It reaches and adheres to the side wall surface of the waveguide 21. Further, even if some of the metal ions reach the bent portion 33, they are attached to the side wall of the bent portion 33 and do not move to the microwave introduction window 29.
以上のように本実施例によれば、プラズマ発生室22か
ら、マイクロ波導入窓29を離し、かつその間の第１導波
管21に屈曲部33をもたせることにより、マイクロ波導入
窓29には、アルミニウム膜が堆積することがなく、安定
してマイクロ波を供給することができる。結果として再
現性のあるアルミニウム膜を堆積することができる。As described above, according to the present embodiment, the microwave introduction window 29 is separated from the plasma generation chamber 22 and the first waveguide 21 between them is provided with the bent portion 33. The microwave can be stably supplied without the aluminum film being deposited. As a result, reproducible aluminum films can be deposited.
さらに、プラズマ発生室から金属イオンの平均自由行
程λ以上の位置で、導波管が屈曲を有する場合、プラズ
マ発生室から導波管の軸方向に両極性拡散で金属イオン
が移動しても、散乱を受けて屈曲部にはほとんど到達し
ない。たとえ平均自由行程λの地点に到達しても、この
部分で屈曲を有しているため、導波管の屈曲部の壁面に
到達し付着する。そのため、マイクロ波導入窓まで金属
イオンが到達することがなく、安定してマイクロ波を供
給することができ、結果として、再現性良く金属膜を堆
積することができる。Further, when the waveguide has a bend at a position equal to or more than the mean free path λ of the metal ions from the plasma generation chamber, even if the metal ions move from the plasma generation chamber in the axial direction of the waveguide by bipolar diffusion, Due to scattering, it hardly reaches the bend. Even if it reaches the point of the mean free path λ, since it has a bend in this portion, it reaches and adheres to the wall surface of the bent portion of the waveguide. Therefore, the metal ions do not reach the microwave introduction window, the microwave can be stably supplied, and as a result, the metal film can be deposited with good reproducibility.
なお、本実施例においてはプラズマ発生室22から屈曲
部33までの距離を金属イオンの平均自由行程λより大き
い200mmとしたが、金属イオンの平均自由行程λより小
さくしてもある程度の効果はある。In the present embodiment, the distance from the plasma generation chamber 22 to the bent portion 33 is set to 200 mm, which is larger than the mean free path λ of metal ions, but there is some effect even if it is smaller than the mean free path λ of metal ions. .
また、本実施例においては屈曲部31は１ヵ所としたが
２ヵ所以上設ければ効果はさらにある。また各実施例に
おいて、アルミニウム膜を堆積する場合について説明し
たが、タングステン、モリブデン、窒化ケイ素等の膜堆
積についても応用できる。Further, in this embodiment, the bent portion 31 is provided at one place, but it is more effective if it is provided at two or more places. Further, although the case where the aluminum film is deposited has been described in each of the embodiments, the film deposition of tungsten, molybdenum, silicon nitride or the like can be applied.
また、放電ガスとしてはアルゴン等の不活性ガスを、
マグネットコイル31の代りに永久磁石を用いてもよい。Further, as the discharge gas, an inert gas such as argon,
A permanent magnet may be used instead of the magnet coil 31.
また、各実施例においては、第１導波管21、第２導波
管30は方形導波管を用いたが、同軸導波管でもよい。Further, in each of the embodiments, the first waveguide 21 and the second waveguide 30 are rectangular waveguides, but they may be coaxial waveguides.
更に、各実施例においてマイクロ波導入窓29は石英ガ
ラスとしたが、セラミックス等の絶縁物でもよいことは
いうまでもない。Further, in each of the embodiments, the microwave introduction window 29 is made of quartz glass, but it goes without saying that it may be an insulator such as ceramics.
発明の効果 以上のように本発明によれば、以上のような効果を有
する。Effects of the Invention As described above, according to the present invention, the following effects are obtained.
（１） 導波管の長さを金属イオンの平均自由行程λ以
上とすることにより、マイクロ波導入窓に金属が付着す
ることなく安定してマイクロ波を供給することができる
再現性良く膜を堆積することができる。(1) By setting the length of the waveguide to be equal to or longer than the mean free path λ of metal ions, it is possible to stably supply microwaves without depositing metal on the microwave introduction window and form a film with good reproducibility. Can be deposited.
（２） 導波管内の磁界の強さを弱くすることによりマ
イクロ波導入窓を金属が付着することなく安定してマイ
クロ波を供給することができ再現性良く膜を堆積するこ
とができる。(2) By weakening the strength of the magnetic field in the waveguide, microwaves can be stably supplied without metal adhering to the microwave introduction window, and a film can be deposited with good reproducibility.
（３） 真空室内の真空層を高め、導波管の長径より電
子の平均自由行程の方を長くすれば、導波管内での放電
を抑制することができるマイクロ波導入窓に金属が付着
することなく、安定してマイクロ波を供給でき、再現性
良く膜を堆積することができる。(3) If the vacuum layer in the vacuum chamber is increased and the mean free path of electrons is made longer than the major axis of the waveguide, metal adheres to the microwave introduction window that can suppress discharge in the waveguide. The microwave can be stably supplied, and the film can be deposited with good reproducibility.
第１図は本発明の第一、第二の実施例におけるマイクロ
波プラズマ膜堆積装置の断面図、第２図はマイクロ波導
入窓近傍と試料室側における真空度に対する発光強度特
性図、第３図はプラズマ発生室からの距離の変化におけ
る基板への堆積膜厚の関係を示す図、第４図は本発明の
第３の実施例におけるマイクロ波プラズマ膜堆積装置の
断面図、第５図は従来のマイクロ波プラズマ膜堆積装置
の断面図である。 20……真空室、21……第１導波管、22……プラズマ発生
室、23……試料室、24……放電ガス導入口、25……反応
ガス導入口、26……真空排気口、27……基板、28……基
板載置台、29……マイクロ波導入窓、30……第２導波
管、31……マグネットコイル。FIG. 1 is a cross-sectional view of a microwave plasma film deposition apparatus according to the first and second embodiments of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing emission intensity characteristics with respect to vacuum degree in the vicinity of a microwave introduction window and a sample chamber side, FIG. 4 is a diagram showing the relationship of the deposited film thickness on the substrate when the distance from the plasma generation chamber is changed, FIG. 4 is a sectional view of the microwave plasma film deposition apparatus in the third embodiment of the present invention, and FIG. It is sectional drawing of the conventional microwave plasma film deposition apparatus. 20: vacuum chamber, 21: first waveguide, 22: plasma generation chamber, 23: sample chamber, 24 ... discharge gas inlet, 25 ... reaction gas inlet, 26 ... vacuum outlet , 27 ... substrate, 28 ... substrate mounting table, 29 ... microwave introduction window, 30 ... second waveguide, 31 ... magnet coil.
Claims (2)
してマイクロ波を導入する導波管と、前記導波管の他端
と連通して放電ガス導入口を有するプラズマ発生室と、
前記プラズマ発生室と連通して反応ガス導入口を有する
試料室と、前記プラズマ発生室の近傍に設けられた磁界
印加手段と、前記試料室に設けられた基板載置台とを有
し、前記導波管の長さが前記プラズマ発生室内の金属イ
オンの平均自由行程以上であり、マイクロ波導入窓の近
傍からプラズマ発生室に向かって金属イオンの平均自由
行程λ１の範囲内において、導波管の断面の小さい方の
径を2aとし、電子の質量ｍ（kg）、電子の電荷をｅ
（ｃ）、電子のエネルギーをＴ（ev）としたとき、前記
導入波管内での磁界の強さＢ（Tesla）が であるマイクロ波プラズマ膜堆積装置。1. A waveguide for introducing microwaves through a microwave introduction window provided at one end, and a plasma generation chamber communicating with the other end of the waveguide and having a discharge gas introduction port,
The sample chamber has a reaction gas introduction port communicating with the plasma generation chamber, a magnetic field applying unit provided in the vicinity of the plasma generation chamber, and a substrate mounting table provided in the sample chamber. The length of the waveguide is equal to or longer than the mean free path of the metal ions in the plasma generation chamber, and the waveguide is in the range of the mean free path λ 1 of the metal ions from the vicinity of the microwave introduction window toward the plasma generation chamber. The smaller diameter of the cross section is 2a, the electron mass is m (kg), and the electron charge is e.
(C), where the electron energy is T (ev), the magnetic field strength B (Tesla) in the guided wave tube is Is a microwave plasma film deposition apparatus.
波管内の電子の平均自由行程をλ２としたとき、前記導
波管内の圧力がλ２＞Ｓを満たす圧力である請求項１記
載のマイクロ波プラズマ膜堆積装置。Wherein towards the larger diameter of the cross section of the waveguide and S, when the mean free path of electrons in the waveguide and the lambda 2, the pressure of the waveguide is at a pressure that satisfies the lambda 2> S The microwave plasma film deposition apparatus according to claim 1.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP63244906A JPH0834186B2 (en) | 1988-09-29 | 1988-09-29 | Microwave plasma film deposition equipment |
| US07/384,699 US5125358A (en) | 1988-07-26 | 1989-07-25 | Microwave plasma film deposition system |
| KR1019890010571A KR910003773A (en) | 1988-07-26 | 1989-07-26 | Microwave Plasma Membrane Depositing Device |
| US07/809,119 US5180436A (en) | 1988-07-26 | 1991-12-18 | Microwave plasma film deposition system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
| JPH0291935A JPH0291935A (en) | 1990-03-30 |
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Families Citing this family (2)
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Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6424346A (en) * | 1987-07-20 | 1989-01-26 | Nippon Telegraph & Telephone | Ion source |
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1988
- 1988-09-29 JP JP63244906A patent/JPH0834186B2/en not_active Expired - Fee Related
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