JPH0729889A

JPH0729889A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH0729889A
Application number: JP19272293A
Authority: JP
Inventors: Kojin Nakagawa; 行人中川
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】同軸導波管の内部に同軸型の２重管からなる
放電管を配置することによって、高密度プラズマを発生
させてアッシングの処理速度を高速化するとともに放電
開始を容易にする。【構成】ガス導入管７０によって酸素を含むガスを放
電管６４に導入する。マイクロ波電源５０から矩形導波
管５２を経て同軸導波管５４にマイクロ波を供給し、マ
イクロ波を同軸モ−ドに変換する。これにより、同軸導
波管５４の外部導体５６と内部導体５８とに囲まれた部
分にマイクロ波を供給し、外部管６６と内部管６８から
なる放電管６４の内部に、プラズマ７４を発生させる。
プラズマ７４の中に存在する活性化された分子または原
子は、真空容器４２内に拡散し、ウェーハ４６の表面の
フォトレジストと反応して、これを除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波放電による
プラズマを利用して被処理基板の表面処理を行うプラズ
マ処理装置に関するものであり、特に被処理基板上に付
着した有機物の除去を行う装置（アッシング装置）に応
用して効果が著しいものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス作製の一つの工程である
フォトレジストの除去工程においては、酸素を主とした
ガスを放電によってプラズマ化し、これによって発生し
た酸素活性種（原子状酸素、オゾン等）を被処理基板
（ウェ−ハ）表面まで導いてフォトレジストと反応させ
る技術、いわゆるアッシングと呼ばれる技術が一般的に
用いられている。ガスをプラズマ化させる手段として
は、高周波やマイクロ波等をエネルギ−源とする無電極
放電が利用されることが多い。中でも、空洞共振器（キ
ャビティ）内に設置された誘電体製の放電管の内部に、
比較的高い圧力（１〜１０Ｔｏｒｒ程度）のガスを流
し、マイクロ波電力によってこのガスをプラズマ化させ
る方式の、いわゆるキャビティ型マイクロ波放電を利用
したアッシング装置（アッシャ−）が実用化されてい
る。

【０００３】図４は、キャビティ型マイクロ波放電を利
用したアッシング装置の従来例の正面断面図である。こ
の装置の利点は、従来広く用いられている誘導結合型の
高周波放電を利用したアッシング装置と比較して、アッ
シング速度が早く、ウェ−ハの枚葉処理を行う装置に容
易に応用できることである。

【０００４】図４において、真空容器１０の上方にはマ
イクロ波プラズマ発生機構がある。マイクロ波電源１２
に矩形断面の導波管１４が接続され、この導波管１４に
導電性の円筒状の管１６が接続されている。導波管１４
の途中にはスリースタブチューナーからなる整合器１５
が設けられている。誘電体製の放電管１８は導電性の管
１６の内部に配置されて、導波管１４を貫通している。
放電管１８の内部に所定のガスを導入して、マイクロ波
電源１２からマイクロ波電力を供給すると、放電管１８
の内部にプラズマ２０が発生する。プラズマ２０によっ
て生成された活性種は、真空容器１０内の被処理基板２
２の表面の有機物膜と反応して、これを除去する。

【０００５】放電管１８は一重管であり、導波管１４の
末端の矩形断面の放電キャビティ２４内を貫通してい
る。キャビティ２４と真空容器１０とは導電性の管１６
で接続され、この導電性の管１６がマイクロ波の漏洩を
防止している。

【０００６】この従来型のマイクロ波プラズマ発生機構
においては、放電開始時と、放電開始後とで、キャビテ
ィ２４内の短絡板２６の位置をそれぞれ調整する必要が
ある。導波管１４にマイクロ波電力を供給すると、図５
に模式的に示すように、導波管の内部にマイクロ波の定
在波２８が発生する。この定在波２８の一方の端は短絡
板２６の位置にあり、他方の端は整合器１５（図４参
照）の位置にある。すなわち、短絡板２６と整合器１５
との間の導波管部分が空洞共振器として作用する。短絡
板２６の位置には定在波の節３０が発生し、この節３０
の部分ではマイクロ波電界の強度が弱くなる。逆に、定
在波の腹３２の部分ではマイクロ波電界の強度が強くな
る。放電管１８の内部に放電を発生させるためには、放
電管１８内にマイクロ波電界の強い部分が位置するよう
に、短絡板２６の位置を調整する必要がある。

【０００７】一方、放電開始後にあっては、プラズマ２
０（図４参照）によるマイクロ波の吸収が著しい場合に
は、短絡板２６の位置は調整する必要がなくなる場合が
多い。しかし、一般に酸素を含むガスのプラズマにおい
てはマイクロ波電力の一部がプラズマを透過するため、
短絡板２６を節とするマイクロ波の定在波が同様に発生
する。ただし、プラズマ２０が発生するとマイクロ波の
管内波長が変化するので、定在波２８の波長が変化す
る。したがって、放電開始後にも短絡板２６の位置を調
整し直して、放電管１８の内部に定在波の腹３２の部分
がくるようにしなければならない。

【０００８】さらに、放電管１８が実用的な寸法（直径
１〜１０ｃｍ）の場合、放電管１８内のプラズマ発生位
置には、定在波２８の腹３２の部分は通常一つしか存在
せず、電力の利用効率が低い。

【０００９】また、他の従来例として、前記キャビティ
型マイクロ波プラズマ発生機構の放電管を同軸型の二重
管とした装置が知られている。図６は、この装置の概略
正面断面図であり、従来技術文献（Isamu Kato, Kazuo
Noguchi and Kouji Numada″Preparation of silicon n
itride films at room temperature using double-tube
d coaxial line-type microwave plasma chemical depo
sition system.″,J.Appl.Phys., 62(1987)492.）から
引用したものである。このプラズマ発生機構は、キャビ
ティ３４を貫通する誘電体製の放電管３６が同軸の二重
管となっており、その外部管３８と内部管４０で囲まれ
た空間にプラズマを発生させることを特徴としている。
前記文献によれば、このプラズマ発生機構は、シリコン
系の薄膜をプラズマＣＶＤによって堆積させる装置に適
しており、同軸モ−ドによって伝播するマイクロ波によ
ってプラズマが発生するとされている。この装置におい
ては、プラズマが存在する場合だけ、内部管４０が同軸
線路の内部導体として機能する。そして、内部管４０の
内側をガス導入用の通路として用いることで、プラズマ
中に直接的にガスを導入することが可能となる。

【００１０】さらに別の従来例として、図７に示すプラ
ズマ発生機構がある。この従来例は、図４に示す従来例
の変形例であり、放電管１９の長さを短くして、これを
真空容器１０の近くに設置したものである。矩形導波管
１４にはモ−ド変換器２７を介して円筒導波管１６が接
続され、この円筒導波管１６の下方部分の内部に放電管
１９が設置されている。モード変換器には各種の例があ
るが、この例では、矩形導波管１４内のＴＥ₁₀モード
を、円筒導波管１６内のＴＭ₀₁モードに変換している。
このＴＭ₀₁モードは半径方向に振動電界のあるモードで
ある。ところで、円筒導波管の基本モードはＴＥ₁₁モー
ドであり、使用したいＴＭ₀₁モードはＴＥ₁₁モードの高
次モードである。したがって、ＴＭ₀₁モードはＴＥ₁₁モ
ードと混在しうる。モード変換器２７は純粋なＴＭ₀₁モ
ードを発生させるように設計されているが、円筒導波管
１６の内部に放電管１９を配置したり、放電管１９の内
部にプラズマを発生させたりすると、モードの純粋性が
失われる場合が多い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図４に示したキャビテ
ィ型マイクロ波プラズマ発生機構を備えるアッシャ−に
は次のような欠点がある。一つはアッシング速度が不十
分な点である。特に、金属配線膜（一般にアルミニウ
ム）の反応性イオンエッチングを行った後のフォトレジ
ストの除去工程においては、いわゆるアフタ−コロ−ジ
ョンの発生を防止するために、酸素にある種のガスを添
加する必要があるが、この添加ガスにはアッシング速度
を低下させる作用があるため、酸素ガスのみで行ってい
た放電条件と同じにした場合には、十分な処理速度を得
ることができなかった。このことは、連続的に一連のウ
ェ−ハ処理を行うシステムにおいて、装置の総合的なス
ル−プットが、後処理であるアッシャ−によって決定さ
れてしまうことを意味する。したがって、ウェ−ハ処理
システムの処理速度向上のためには、より高速の処理が
可能なアッシャ−の開発が必要とされている。

【００１２】アッシング速度の高速化における一つの必
要条件としてプラズマ密度を高くすることが挙げられ
る。しかし、従来のキャビティ型マイクロ波アッシャ−
においては、マイクロ波電力の放電利用効率が低いの
で、プラズマの高密度化を図るためにキャビティに大電
力を投入すると、放電に関与する以外の部分の発熱によ
って装置性能が不安定になったり、装置寿命が短くなっ
たりする等の問題が生じる。

【００１３】さらに、キャビティ型マイクロ波プラズマ
を用いるアッシャ−の別の欠点として、放電開始が確実
でないことが挙げられる。この現象は、特に酸素を含む
ガスの場合に顕著に現れる傾向があり、実用上の問題点
となっている。そのための解決手段としては、放電トリ
ガ−と呼ばれる機構を設置するのが一般的であるが、装
置構造が複雑になることや、動作の確実性に依然として
問題のあること、機構によっては不純物もしくはゴミの
発生源となり得ること、等の欠点がある。

【００１４】また、図６に示したような二重管を用いる
形式のキャビティ型マイクロ波プラズマ発生機構では、
同軸モ−ドで伝播するマイクロ波によってプラズマが維
持されるのは放電が開始してからであり、放電を発生さ
せるための条件は図４に示したような矩形導波管に一重
管の放電管を挿入しただけの場合と全く同じである。し
たがって、前記した放電開始における問題点は図６に示
した二重管構造でも解決されていなかった。

【００１５】また、図７に示すようなプラズマ発生機構
では、上述のように目的のＴＭ₀₁モードにＴＥ₁₁モード
が混在する恐れがあり、また、次のような寸法上の制限
もある。通常の放電装置に用いるマイクロ波の周波数は
２．４５ＧＨｚであり、これを伝播させるためには、円
筒導波管の内径は、ＴＥ₁₁モードにおいては約７２ｍｍ
以上、ＴＭ₀₁モードにおいては約９４ｍｍ以上が必要で
ある。この制限は、装置を設計する上での制約となり得
る。また、プラズマの特性によって伝播モードが変化す
ると、プラズマの放電管半径方向の密度分布が変化する
可能性があり、基板内の処理速度の均一性が要求される
半導体デバイス作製用装置としては使いにくい。

【００１６】本発明の目的は、高密度プラズマの発生に
よって処理速度の高速化を図るとともに放電開始を容易
にでき、かつ、プラズマの放電管半径方向分布が安定な
マイクロ波プラズマ処理装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロ波プラ
ズマ処理装置は、そのプラズマ発生機構に特徴があり、
導電体で形成された同軸型の導波管の内部に、誘電体で
形成された同軸型の２重管を配置して、この２重管の内
部でプラズマを発生させるようにしたものである。同軸
型の導波管は、必ずしもマイクロ波キャビティとして作
用させる（すなわち、導波管の内部で定在波を発生させ
る）必要はないが、キャビティとして作用させるのが好
ましい。

【００１８】

【作用】同軸型の導波管の内部に存在するマイクロ波
は、通常、ＴＥＭモード（Transverse-electromagnetic
mode）となる。このＴＥＭモードとは、電磁波のう
ち、電場も磁場も進行方向に垂直で、完全な横波になっ
ているものをいう。同軸型の導波管の内部にあるＴＥＭ
モードにおいては、同軸の内部導体と外部導体の間に放
射状に電界が存在するため、この部分に放電管を挿入す
ると、電界の強い部分が常に放電管内に存在することに
なり、放電開始が容易になる。また、放電管内のプラズ
マの有無にかかわらず、放電管内の電磁波はＴＥＭモー
ドに維持されるため、放電開始及び放電維持の操作が容
易であり、マイクロ波電力の利用効率も高くできる。さ
らに、同軸導波管においてはマイクロ波の使用周波数の
制限がなく、装置設計上の自由度が大きい。また、放電
管の寸法にかかわらず振動電界が放電管の半径方向に存
在するため、放電状態によってプラズマの半径方向分布
が変化することがなく安定である。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明をアッシング装置に適用した
一実施例の正面断面図である。図１において、真空容器
４２の内部には基板ホルダー４４があり、その上に被処
理ウェーハ４６が置かれる。真空容器４２は排気管４８
を介して排気ポンプ（図示せず）で真空排気される。真
空容器４２の上方にはマイクロ波プラズマ発生機構があ
る。マイクロ波電源５０に矩形断面の導波管５２が接続
され、この導波管５２に、同軸型キャビティを形成する
ための円筒状の同軸導波管５４が接続されている。導波
管５２の途中にはスリースタブチューナーからなる整合
器５３が設けられている。同軸導波管５４は外部導体５
６と内部導体５８とで構成され、外部導体５６は直接矩
形導波管５２に固定され、内部導体５８は絶縁物６０を
介して矩形導波管５２に固定されている。外部導体５６
の下端はフランジ６２によって真空容器４２に固定され
ている。

【００２０】外部導体５６と内部導体５８の直径の比は
特性インピーダンスが５０Ωとなるように設計するのが
一般的である。ただし、プラズマが存在する場合には特
性インピーダンスが変化するため、常に５０Ωに維持さ
れるわけではない。

【００２１】円筒状の放電管６４は、石英ガラスやアル
ミナセラミックス等の誘電損失の少ない誘電体で形成さ
れ、外部管６６と内部管６８とで構成されていて二重管
構造となっている。外部管６６の外側には同軸導波管の
外部導体５６が配置され、内部管６８の内側（大気圧
側）には同軸導波管の内部導体５８が挿入されている。
すなわち、同軸導波管５４で形成される同軸型キャビテ
ィの内部に二重管構造の放電管６４が配置されている。
また、放電管６４にはガス導入管７０が接続されてい
る。外部管６６と内部管６８はその上端で結合されてい
て一体構造になっている。内部管６８の下端は閉じてい
る。放電管６４の内部は真空容器４２の内部と連通して
おり、真空容器４２と一緒に真空排気される。

【００２２】真空容器４２内のウェーハ４６の上方には
導電性の網７２が配置されていて、この網７２で荷電粒
子を捕捉することができる。

【００２３】次に、このアッシング装置の動作を説明す
る。除去すべきフォトレジストが付着しているウェーハ
４６を基板ホルダー４４に載せて、真空容器４２及び放
電管６４の内部を真空排気する。次に、ガス導入管７０
によって酸素もしくは酸素を主体とする混合ガスを放電
管６４内に導入して、圧力を０．１〜数十Ｔｏｒｒの判
内で調節する。次に、マイクロ波電源５０から矩形導波
管５２を経て同軸導波管５４にマイクロ波を供給し、マ
イクロ波を同軸モ−ドに変換する。これにより、外部導
体５６と内部導体５８とに囲まれた部分にマイクロ波が
供給され、放電管６４の内部に、マイクロ波による放電
が発生し、プラズマ７４が発生する。プラズマ７４の中
に存在する活性化された分子または原子は、真空容器４
２内に拡散し、ウェーハ４６の表面のフォトレジストと
反応して、これを除去する。一方、プラズマ７４から真
空容器４２に向かう荷電粒子は、導電性の網７２に捕捉
されるので、荷電粒子入射によるウェーハ４６への電気
的ダメ−ジを防ぐことができる。

【００２４】この実施例の装置においては、図２に示す
ような形で定在波７６が発生する。この図においては、
マイクロ波はプラズマを一回通過するのみでは完全に吸
収されない状態を示しており、導電性の網７２の位置に
定在波７６の節７７が発生している。プラズマは放電管
の外部管６６と内部管６８の間に発生するが、このプラ
ズマ発生領域には、定在波７６の腹７８が軸方向に複数
個存在する。このため、マイクロ波電力の利用効率が向
上する。また、従来問題であった放電開始時において
も、プラズマが存在しないときの（放電開始時の）定在
波の状況が、放電中の図２に示す状態と同様となる。し
たがって、最も電界の強い（すなわち放電開始がしやす
い）定在波の腹７８の位置は、プラズマ発生中の腹７８
の位置とほぼ同じである。そのため、酸素等を含むガス
に対しても、短絡板の位置を放電開始前後で変更したり
放電トリガ−を用いたりする必要がなく、プラズマを容
易に発生させることが可能となった。これによって、装
置構造及び装置動作の簡略化が達成された。

【００２５】同軸導波管に発生するＴＥＭモードは、放
電管内の電界強度が円周方向に均一なので、均一性の良
いプラズマ生成が可能である。また、放電管の寸法にか
かわらず振動電界が放電管の半径方向に存在するため、
放電状態によってプラズマの半径方向分布が変化するこ
とがなく安定である。

【００２６】図３は本発明の別の実施例の正面断面図で
ある。この実施例では、同軸導波管８５の外部導体８６
が、マイクロ波電源９４に近い位置にある小径部分８８
と、マイクロ波電源９４に遠い位置にある大径部分９０
とからなる。小径部分８８は、矩形導波管９２につなが
っている。この小径部分８８の直径は、図１の装置の外
部導体５６の直径と同じである。大径部分９０の内側に
は放電管８０の外部管８２が配置されている。この外部
管８２の外径は、外部導体８６の小径部分８８の外径よ
りも大きくなっている。なお、同軸導波管８５の内部導
体９４と放電管８０の内部管８４は、図１に示すのと同
じ寸法のままである。その他の部分の構造は図１に示す
実施例と同じである。

【００２７】この実施例においては大径部分９０におい
てプラズマの体積が大きくなり、これによってプラズマ
の損失の割合が小さくなり、結果的にプラズマ密度を高
めることができる。また、放電管８０の処理室４２への
開口面積が大きくなるので、ウェーハ４６の処理面積を
広くすることができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明のマイクロ波プラズマ処理装置
は、同軸導波管の内部に同軸の二重放電管を配置したこ
とにより、放電開始が容易で、かつ高密度のプラズマを
発生させることができる。また、プラズマの半径方向分
布が変化することがなく安定である。本発明は、特に高
速性を要求される枚葉式のレジストアッシング装置に応
用して、その効果が最も著しい。また、各種ガスを利用
して高密度の中性活性種を被処理基板表面に導くことが
可能であるため、表面改質装置やＣＶＤ装置にも応用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の正面断面図である。

【図２】図１の装置におけるマイクロ波の定在波の状態
を示す拡大正面断面図である。

【図３】本発明の別の実施例の正面断面図である。

【図４】従来のアッシング装置の正面断面図である。

【図５】図４の装置におけるマイクロ波の定在波の状態
を示す拡大正面断面図である。

【図６】従来のマイクロ波プラズマ処理装置の別の例の
正面断面図である。

【図７】従来のマイクロ波プラズマ処理装置のさらに別
の例の正面断面図である。

【符号の説明】

４２…真空容器４４…基板ホルダー４６…ウェーハ５０…マイクロ波電源５２…矩形断面の導波管５４…同軸導波管５６…外部導体５８…内部導体６４…放電管６６…外部管６８…内部管７０…ガス導入管７２…網７４…プラズマ７６…定在波７７…節７８…腹

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波放電によるプラズマによって
生成された活性種を用いて被処理基板を処理するマイク
ロ波プラズマ処理装置において、プラズマ発生機構が、内部管と外部管の間に放電空間が
形成された誘電体製の二重管と、前記内部管の内側に挿
入された内部導体と、前記外部管の外側に配置された筒
状の外部導体とを含み、前記内部導体と外部導体とから
なる導波管にマイクロ波電力を供給して前記放電空間内
に放電によるプラズマを発生させることを特徴とするマ
イクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】前記外部導体が、マイクロ波電源に近い
位置にある小径部分と、マイクロ波電源から遠い位置に
ある大径部分とから構成され、大径部分の内側に前記外
部管が配置され、この外部管の直径が前記小径部分の直
径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のマイク
ロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】マイクロ波放電によるプラズマによって
生成された活性種を用いて被処理基板を処理するマイク
ロ波プラズマ処理装置において、プラズマ発生機構として、導電体で形成された同軸型の
マイクロ波キャビティの内部に、誘電体で形成された同
軸型の２重管を配置し、この２重管の内部でプラズマを
発生させることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
置。
【請求項４】前記マイクロ波プラズマ処理装置がアッ
シング装置であることを特徴とする請求項１または３に
記載のマイクロ波プラズマ処理装置。