JP3866590B2

JP3866590B2 - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP3866590B2
Application number: JP2002064450A
Authority: JP
Inventors: イヴァンペトロフガナシェフ
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP2003264099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスガスにマイクロ波を導入することにより生成されるプラズマによって、被処理物の処理を行なうためのプラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用のシリコンウェハや液晶ディスプレイ用ガラス基板といった被処理物に対して、ドライエッチングやアッシング等を施すための装置として、プラズマ処理装置が存在する。このようなプラズマ処理装置としては、被処理物の被処理面の全面にわたって処理速度が均一となるように、生成プラズマの密度分布が均一であることが望ましい。特に、近年では、低コスト化の観点から、半導体ウエハの大口径化が進んでおり、大面積の処理対象に対するプラズマ密度の均一性が強く求められている。
【０００３】
かかる要求に応えるプラズマ処理装置として、マイクロ波プラズマ装置が開発されている。このマイクロ波プラズマ装置は、低圧のプロセスガスを導入した処理室内に、被処理物を収容し、高周波電力をアンテナに供給することにより発生するマイクロ波を、処理室に設けられた導入口から導入するものである。つまり、マイクロ波のプロセスガスへの照射によって生成されるプラズマを利用して、被処理物に対する処理等を施すことができる。このタイプのプラズマ処理装置は、他のプラズマ処理装置のように磁場を用いないため、比較的容易に製作でき、大面積に均一にプラズマを生成できるという利点がある。
【０００４】
ところで、上記のようなマイクロ波プラズマ装置においては、比較的高い電力密度のマイクロ波を導入することにより、マイクロ波入射面付近のプラズマ中の電子密度が、マイクロ波のカットオフ密度よりも大きくなる。従って、マイクロ波は、プラズマ中を伝搬できない状態となり、入射面付近の非常に薄い領域において表面波として伝搬し、そのエネルギーが電子に移行してプラズマが生成される。
【０００５】
以上のように、無磁場で、電子密度がカットオフ密度よりも高いマイクロ波プラズマにおいては、マイクロ波が僅かの深さしか入らず、プラズマが、誘電体との境面に沿って伝搬する表面波により生成される。この表面波には、波長（位相差が２πになる距離）と吸収長（パワーがｅ^２＝２．７１８^２＝７．３８９倍に下がる距離）があり、両方とも電子密度に依存し、吸収長がガス圧力に反比例している。特に、半導体プロセスに使われている低圧プラズマの場合では、吸収長が処理室よりも長いので、表面波が殆ど吸収されずに、発信器側へ反射されるので、パワー吸収率が低い。
【０００６】
但し、特別な電子密度においては、導波体の長さなどの半波長の整数倍となって表面波共振が生じ、パワー吸収率が高くなる。この電子密度（以下、共振密度と呼ぶ）が、パワー吸収率の高い特別なプラズマ密度である。このような特別な共振密度はいくつかあって、それらのプラズマ密度の差は、１０〜５０％になる場合が多い。従って、発振器からのマイクロ波パワーを上げると、プラズマ密度は連続的に上がるのではなく、１０〜５０％の段差で、次々と共振密度へジャンプすることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のマイクロ波プラズマ装置においては、プラズマ密度ジャンプが生じてしまうので、再現性が得られなかったり、放電が不安定になってしまい、被処理物に対して、所望の均一な処理を行なうことが困難となる。
【０００８】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、広いプラズマ密度範囲でマイクロ波吸収率が高く、連続的なプラズマ密度制御を実現して、密度ジャンプを緩和することが可能なプラズマ発生装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、低圧ガスを収容可能な処理室と、プラズマ発生用のマイクロ波を前記処理室内へ導入する誘電体のみからなる導波体とを備えたプラズマ発生装置において、前記導波体は、マイクロ波の入り口から先端までの間のいずれかにおいて、カットオフ状態となるように、マイクロ波の入り口側の断面サイズが、カットオフ断面サイズよりも大きく形成され、入り口から離れるに従って、断面サイズが徐々に小さくなるようにし、端部付近において、カットオフ断面サイズよりも小さく形成されていることを特徴とする。
以上のような請求項１記載の発明では、マイクロ波の入り口から先端までの間のいずれかでカットオフ状態となり、その付近でマイクロ波が吸収される。プラズマ密度を変化させても、マイクロ波の入り口から先端までのいずれかにおいてカットオフ状態となるので、連続的な密度制御ができ、マイクロ波吸収率を高めることができる。
【００１０】
特に、導波体の入り口の断面が、カットオフ断面サイズよりも大きく、端部の断面がカットオフ断面サイズよりも小さく作られているので、カットオフ点が導波体の長さ方向に沿ってシフトする。このように、電子密度の変化によりカットオフ断面サイズが変っても、入り口から端部までの間のいずれかの箇所でカットオフとなり、高い吸収率を得られる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のプラズマ発生装置において、前記導波体は、マイクロ波のプラズマ吸収長よりも長いことを特徴とする。
以上のような請求項２記載の発明では、導波体の長さがマイクロ波吸収長よりも長いので、マイクロ波の反射が抑制され、パワー吸収率が高くなる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のプラズマ発生装置において、前記導波体は、複数設けられていることを特徴とする。
以上のような請求項３記載の発明では、複数の導波体によって、処理対象に応じた所望の分布のプラズマが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態（以下、実施形態と呼ぶ）について図面を参照して具体的に説明する。
〔１．実施形態の構成〕
本実施形態のプラズマ処理装置は、図１に示すように、処理室１、マイクロ波導入口２、導波誘電体３を備えている。処理室１は、円筒形の容器であり、その内部に低圧のプロセスガスを導入可能に設けられている。また、図示はしないが、処理室１内には、被処理物を載置する処理台が設けられている。マイクロ波導入口２は、処理室１の側壁上部に形成されており、マイクロ波の発信器に接続されている。
【００１４】
導波誘電体３は角筒形状であり、処理室１の内壁に沿って螺旋状に形成されている。導波誘電体３の長さは以下のように設定する。まず、目標の電子密度、ガス圧力範囲、導波体の種類、断面寸法を参考にして、計算若しくは実験により最長のマイクロ波吸収長を求める。そして、このマイクロ波吸収長よりも、導波誘電体３を長く形成する。
【００１５】
また、導波誘電体３の断面は、カットオフを考慮して、以下のように設定する。まず、前提として、カットオフ断面サイズについて説明する。すなわち、同じ材料で形成した導波体であれば、断面が十分に大きい場合にはマイクロ波が通れるが、断面があるサイズよりも小さくなるとマイクロ波が通れなくなる。この制限断面サイズは、カットオフ断面サイズと呼ばれ、通常の導波管は、その全長にわたってカットオフ断面サイズよりも大きく形成されている。
【００１６】
一方、本実施形態における導波誘電体３は、マイクロ波の入り口側の断面サイズを、カットオフ断面サイズよりも十分大きく形成して、入り口から離れるに従って、断面サイズが徐々に小さくなるようにし、導波誘電体３の端部付近においては、カットオフ断面サイズよりも十分小さく形成する。
【００１７】
〔２．実施形態の作用〕
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、図２に示すように、処理台上に被処理物Ｂを載置し、処理室１内に低圧のプロセスガスを導入する。そして、マイクロ波発信器からのマイクロ波Ｗを、マイクロ波導入口２から導入する。このとき、例えば、マイクロ波が導入される導波管が、単純に全長にわたってカットオフ断面サイズであった場合には、これにより高い吸収率を実現することはできない。その理由の第１は、カットオフ状態での導波体インピーダンスは、通常の導波体インピーダンスと大きく異なり、通常の導波体からカットオフ状態の導波体へマイクロ波を直接導入することはできないことにある。つまり、通常の状態からカットオフ状態への滑らかな変換が必要となる。理由の第２は、プラズマを含む場合では、導波体のカットオフ断面サイズはそのプラズマの電子密度に依存するので、ある決まった電子密度だけでカットオフになる。従って、連続的な密度制御はできない。
【００１８】
一方、本実施の形態においては、導波誘電体３の入り口側は、カットオフ断面サイズよりも大きく形成されているので、マイクロ波Ｗが反射せずに導波体に導入される。そして、導波誘電体３の断面サイズは、入り口から離れるに従って徐々に小さくなってカットオフ断面サイズに近づいて行き、端部においてはカットオフ断面サイズよりも小さくなる。このため、導波誘電体３の入り口から端部までの間のいずれかにおいて、カットオフ断面サイズとなっている。カットオフ状態の特徴の一つは、マイクロ波吸収率が非常に高くなることにある。従って、そのカットオフ断面サイズとなった付近で、カットオフ状態となり、マイクロ波が吸収される。つまり、カットオフ断面でマイクロ波Ｗが導波誘電体３から漏れ、漏れた表面の付近で電子を加速し、加速された電子によるイオン化を起こし、プラズマＰが生成される。
【００１９】
なお、プラズマＰの電子密度が変わると、カットオフ断面サイズが変化する。しかし、本実施形態においては、導波誘電体３の入り口の断面が、カットオフ断面サイズよりも十分に大きく、端部の断面がカットオフ断面サイズよりも十分に小さく作られているので、上記のカットオフ点が導波誘電体３の長さ方向に沿ってシフトする。これを模式的に示した図が、図３である。図３において、Ｃはカットオフ断面、Ｚはマイクロ波吸収領域を示す。このように、電子密度の変化によりカットオフ断面サイズが変っても、入り口から端部までの間のいずれかの箇所でカットオフとなり、高い吸収率を得られる。例えば、本実施形態について行なったシミュレーションでは、マイクロ波パワー吸収率が９０％よりも大きくなるという結果が得られた。
【００２０】
〔３．実施形態の効果〕
以上のような本実施形態によれば、導波誘電体３の長さがマイクロ波吸収長よりも長いので、マイクロ波の反射が抑制され、パワー吸収率が高くなる。特に、導波誘電体３は螺旋状に形成されているので、処理室１の寸法にかかわらず、長さを確保することができる。
【００２１】
また、プラズマ密度を変化させても、導波誘電体３の入り口から先端までの間のいずれかにおいて、カットオフ状態となるので、その付近でマイクロ波が吸収される。従って、連続的な密度制御を行なっても密度ジャンプを生じることがなく、マイクロ波の吸収率を高めることができる。
【００２２】
〔４．他の実施形態〕
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではなく、各部材の形状、数、配置、材質、大きさ等は適宜変更可能である。すなわち、誘電体の形状は螺旋形には限定されない。例えば、図４に示すように、蛇行形状の導波誘電体３であってもよい。また、誘電体の数は一本には限定されない。例えば、請求項３記載の発明に対応する実施形態として、図５に示すように、複数の螺旋形の導波誘電体３を設けたり、図６に示すように、曲げのない形の導波誘電体３を多数設けてもよい。さらに、導波体の断面形状も自由に設定可能であり、また、必ずしも処理室の内壁に沿わせる必要はない。例えば、図７に示すように、円筒形、半円筒形、角形等、種々の導波誘電体３を設けることができる。
【００２３】
導波体の材質はどのようなものであってもよい。特に、外側が誘電体であれば、その中は何であってもよい。ただし、材料、寸法等によって吸収長は異なる。例えば、図８に示すように、外側を導波誘電体３として、その中を別材料３ａとしてもよい。別材料の例としては、空気、ガス、金属、他の誘電体、液体、冷却媒体等どのようなものであってもよく、真空としてもよい。
【００２４】
また、上記の実施形態のように、マイクロ波の入り口と先端とで導波体の断面の大きさを変えるのではなく、断面の形状や材質（誘電率の異なるもの）を変えることによって、導波体長のいずれかで、カットオフ状態を実現できるように構成し、マイクロ波を吸収させるようにしてもよい。また、処理室の形状やマイクロ波導入口の位置等も自由である。さらに、本発明による処理対象となる被処理物は特定のものには限定されず、処理を担うプラズマ中のイオンやラジカル等は被処理物に応じて最適化される。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、広いプラズマ密度範囲でマイクロ波吸収率が高く、連続的なプラズマ密度制御を実現して、密度ジャンプを緩和することが可能なプラズマ発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ発生装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１の実施形態におけるマイクロ波によるプラズマ生成状態を示す縦断面図である。
【図３】誘電体におけるカットオフ断面のシフト状態を示す模式図である。
【図４】本発明のプラズマ発生装置の導波誘電体を蛇行形状とした一実施形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明のプラズマ発生装置の導波誘電体を、複数とした一実施形態を示す縦断面図である。
【図６】本発明のプラズマ発生装置の導波誘電体を、複数とした一実施形態を示す縦断面図である。
【図７】本発明のプラズマ発生装置における導波誘電体の形状の例を示した断面図であり、（ａ）は円筒形、（ｂ）は半円筒形、（ｃ）（ｄ）は角筒形の例を示す。
【図８】本発明のプラズマ発生装置における導波誘電体の形状及び材質の例を示した断面図であり、（ａ）は円筒形、（ｂ）は半円筒形、（ｃ）（ｄ）は角筒形の例を示す。
【符号の説明】
１…処理室
２…マイクロ波導入口
３…導波誘電体
３ａ…別材料
Ｂ…被処理物
Ｐ…プラズマ
Ｗ…マイクロ波
Ｚ…マイクロ波吸収領域

Claims

低圧ガスを収容可能な処理室と、プラズマ発生用のマイクロ波を前記処理室内へ導入する誘電体のみからなる導波体とを備えたプラズマ発生装置において、
前記導波体は、マイクロ波の入り口から先端までの間のいずれかにおいて、カットオフ状態となるように、マイクロ波の入り口側の断面サイズが、カットオフ断面サイズよりも大きく形成され、入り口から離れるに従って、断面サイズが徐々に小さくなるようにし、端部付近において、カットオフ断面サイズよりも小さく形成されていることを特徴とするプラズマ発生装置。
前記導波体は、マイクロ波のプラズマ吸収長よりも長いことを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
前記導波体は、複数設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ発生装置。