JPH0390577A

JPH0390577A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH0390577A
Application number: JP22737789A
Authority: JP
Inventors: Satoru Todoroki; 轟　悟; Masahiro Tanaka; 政博田中; Kunihiko Watanabe; 邦彦渡辺; Mitsuo Nakatani; 中谷　光雄; Kazuo Suzuki; 和夫鈴木; Tadashi Sonobe; 園部　正
Original assignee: HESCO; Hitachi Ltd
Current assignee: HESCO; Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-04
Filing date: 1989-09-04
Publication date: 1991-04-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はマイクロ波プラズマ処理装置にかかわり、特に
、被処理物の表面に均一な薄膜の形成やエツチング等の
処理を行うのに好適で、しかも簡便な構造を有するマイ
クロ波プラズマ処理装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、アモルファスシリコンや窒化シリコン等の薄膜形
成、シリコン膜エツチング技術の一つとして、電子サイ
クロトロン共鳴（以下、ＥＣＲと記す）現象を利用した
マイクロ波プラズマ技術が登場している。この技術は、
一般に良く知られている高周波プラズマ技術あるいはス
パッタ技術等と比較して、イオンエネルギー分布が２０
〜３０ｅＶと小さく、基板に損傷を与えずに処理ができ
ること、中性ラジカルの生成低減およびイオン化効率の
向上により、低温で高速処理が可能であること等の特長
を有し、半導体プロセスのキーテクノロジーとなりつつ
ある。第３図に、例えば特開昭５６−１５５５３５号公
報に記載されたような、従来のＥＣＲプラズマ装置の概
略構成図を示す。第３図のＥＣＲプラズマ装置を説明す
ると、電磁コイル２のつくる磁場の中に置かれたプラズ
マ生成室１は空胴共振器構造をなし、マグネトロン発振
器（図示せず）から導波管３で運ばれてきたマイクロ波
が、石英ガラス板４を介して中に導入される。

プラズマ生成室１と接続して設けた処理室５の中には、
処理ガス導入口６と裁板７とが配設されており、プラズ
マ生成室１と処理室５とは真空に排気される。この第３
図の装置では、プラズマ生成室１内のイオンは電磁コイ
ル２の形成する発散磁界によって処理室５内へ引き出さ
れ加速される。

そして、途中で、前述の処理ガス導入口６から噴出する
シランなどの処理ガスを解離し、基板７の上に、アモル
ファスシリコンなどを堆積させるものである。しかしな
がら、この装置では、膜厚の分布や膜質の分布など、基
板上の処理の分布に関して十分とはいえず、特にマイク
ロ波導波管の径に対する基板上の堆積面積が大きくなる
と、旦板上の処理が不均一となる傾向は顕著である。こ
れは、以下に説明する２つの理由による。すなわち。

第１の理由は、電磁コイルのつくる発散磁界では、プラ
ズマ中の円運動電子は反磁性を示すために、磁界の強さ
の勾配によって磁界の発散方向である基板方向に向かっ
て加速されるが、プラズマ生成室と基板との間で電気的
中性条件を満たすためにへオンも加速される。ところが
、基板の面上の磁界強度は、基板の周辺方向に向かって
減少し、またそれに対応して負電位も増加するため、基
板表面におけるプラズマの入射速度やプラズマ密度に差
を生じ、これら両者の差による相乗作用によって、基板
の表面処理に大きな差を生じさせることである。また、
第２の理由は、マイクロ波導波管を通してプラズマ生成
室に導入したマイクロ波は、プラズマ生成室の内表面を
伝播するが、導波管とプラズマ生成室またはプラズマ生
成室と真空室の接続部において、マイクロ波による電界
によって異常放電を生じたり、あるいはまた、プラズマ
生成室表面への被処理物の堆積等に起因する表面インピ
ーダンスの変化によって、マイクロ波の伝播モードが変
ったりすることにより、空間的に均一なプラズマ生成に
対し大きな影響を及ぼすことである。

上記の問題点を解決する方法として１例えば特開昭６３
−４３３２４号公報または特開昭６２−７０５６９　％
公報に記載された方法がある。この方法は、第４図に示
すように、処理室５の周辺部に電磁コイルからなる補助
コイル２ａ（以下、補助コイル）を設け、基板表面上で
の発散磁界による不均一磁界を補正する方法である。い
ずれの方法においても、補助コイル２ａのつくる磁界の
方向が発散磁界の方向と反対になるように、磁界を発生
させる。そして、この補助コイルによる磁界が、基板表
面の中心位置における発散磁界の磁界強度を大きく弱め
、その中心位置から遠ざかるに従って小さく弱めていき
、基板面上における発散磁界の強度を広い範囲に亘って
均一にする。また。

この均一な磁界によって、基板面上の電位も広い範囲に
亘って均一となり、前記した第１の問題点を解決できる
と思われる。しかしながら、第２の問題点、すなわちマ
イクロ波が導波管から真空室へ伝播する過程で発生する
マイクロ波伝播モードの変化に起因する電界強度の不均
一によって起こる膜厚あるいは膜質の不均一に対しては
、むんら考慮されていない。

〔発明が解法しようとする課題〕

上記従来技術は、前述のように、マイクロ波が導波管か
ら真空室へ伝播する過程で発生するマイクロ波伝播モー
ドの変化に起因する電界強度の不均一について配慮がな
されておらず、そのため。

電界強度の不均一による膜厚あるいは膜質の不均一、エ
ツチングの不均一が生じる恐れがあった。

本発明の目的は、被処理物の表面上で均一なマイクロ波
電界を形成し、膜厚および膜質の均一な半導体や絶縁膜
の堆積もしくはエツチングを行うのに好適な、簡便な構
造を有するマイクロ波プラズマ処理装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、マイクロ波を発生
源からプラズマ生成室へ導くマイクロ波導波手段の少な
くとも一部を、誘電体物質を内蔵した円偏波手段で構成
し、マイクロ波の進行方向に垂直な平面内で回転する回
転電界を得るようにしたものである。

〔作用〕

マグネトロン発振器から発生したマイクロ波が中空の円
形導波管内を伝播する場合、マクスウェルの方程式理論
によって、電界と磁界とは互いに垂直であって、マイク
ロ波の伝播方向をなす平面内を進行する。すなわち、−
様な誘電率（−殻間には空気の誘電率Ｅ。）を有する自
由空間を伝播するマイクロ波は、その伝播方向と電界方
向とによって定まる面（偏波面）が時間的に変化しない
直線偏波である。一方、第２図に示すごとく、円形導波
管の内部に、電磁界の方向に対して０／２なる角度で、
空気の誘電率ε。とは異なるＬｉ　ｒ、Ｋ　３＋Ｃεを
有する物質を押入すると、位相が互いにＯだけずれた２
つの直線偏波によってつくられる合成電界を形成するこ
とになる。この合Ｉ戊電界は、θ＝π／２のとき、以下
述べるように、マイクロ波の進行方向に垂直な平面内を
回転する回転電界となる。すなわち、電界、磁界および
その進行方向をそれぞれＸ＋３’およびＺ軸方向にと九
ば、２＝０におけるｘ　−ｚ平面およびｙ−ｚ平面の電
界ｅｘ、ｅ、は、ｅ、＝　１．／Ｔ　Ｅｘ　ｃｏｓ　ωｔｅ、＝Ｊ　Ｅｙ
ｃｏｓ　　（ωｔ−０）となる。ここで、特殊な場合と
して、θ＝π／２で、かつＥｘ＝Ｅｙ＝Ｅｏとすれば、
合成電界は、半径がσＥｏの円を時計方向に回転する円
偏波となる。

上記の構成により、被処理物表面での電界分布がマイク
ロ波の伝播する導体表面の不連続性等によって不均一と
なり、その結果、被処理物表面での処理に不均一を生じ
るような場合でも、前記回転電界によって修正され、被
処理物の表面上でのマイクロ波電界の均一性を得ること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は該実施例のマイクロ波プラズマ処理装置の構成
の概略を示したもので、マイクロ波発生手段↓１から放
射されたマイクロ波（周波数２．４５Ｃ；）Ｉｚ）は、
円形導波管１２を伝播する。前記マイクロ波は、前記円
形導波管１２に接続して設けた、誘電体物質、例えばフ
ン素樹脂板または石英ガラス板を内蔵した円偏波手段１
３を通り、石英ガラスでつくられた甲板状または半球状
または円錐状の放電管１４を介して放電室１５の中に導
入される。放電室１５の外側には、均一な磁場を放電室
１５の内部に形成する磁場印加手段１６か共備されてお
り、マイクロ波と磁場とによる電子サイクロトロン共鳴
を利用して放電ガス０（結目１７から導入した放電ガス
、例えば水素ガス、窒素ガス、酸素ガス等のプラズマを
、放電室１５内に形成する。前記放電室１５に接続して
設けたｆ〔空室１８内には、シランヤホスフィンなどの
原料ガスを導入するための原料ガス供給口１９と、被処
理物２０を支持するホルダ２１が配設されている。１）
ｆ記放電室１５で生成された放電ガスのプラズマは、磁
場印加手段１６によって形成された発散磁界により、ホ
ルダ２１の方向に輸送される。

そして、途中で、前記原料ガス４Ｊ（結目１９から導入
された原料ガスを分解し、被処理物２０の表面を処理す
る。なお、前記真空室１８内は、あらかじめ、図示して
いないターボ分子ポンプ等の排気手段により、０．１〜
１０ｍＴｏｒｒ程度の高真空に排気されている。

ところで、円偏波手段１３の内部には、訪電１．ｉがさ
なる物質２２、例えばフッ素樹脂板または石英ガラス板
が、ｎ、　２−ｙ　（ここで、ｎ：整数、λｇ：εによ
り決まるマイクロ波の波長）の長さで、マイクロ波の進
行方向に、かつ、第２図に示すごとく、雷磁界方向に対
してπ／４の角度（つまり、θ＝７）をもって配置しで
ある。前述のように１円偏波手段１３を伝播するマイク
ロ波の′磁界は１位相が互いに０だけずれた２つの直線
偏波の合成された偏波面をもつ。電界、磁界およびその
進行方向をそれぞれＸ＋ｙおよびＺ軸方向にとれば、２
＝０におけるＸ−Ｚ平面およびｙ−ｚ平面の電界は、ａ
ｘ＝　Ｊ”Ｅ　Ｅｘ　ｃｏｓ　（１１ｔ　。

ｅ、＝−ＪＸ　Ｅｙ■Ｓ　（ωを一部）となるが、特殊
な場合として、Ｅｘ＝Ｅｙ＝Ｅｏ、θ＝π／２とすれば
、合成電界は半径ｆｉ　Ｅ　ｏの円が時計方向に回転す
る円偏波となる。従って、上記のように、物質２２をπ
／４の角度をもって配置することにより、回転電界を得
ることができる。

ところで、円偏波手段１３の径を、マイクロ波（波長２
４．５ＧＨｚ）のしゃ断層波数で決まる径程度、例えば
９３ｍｍ、とすれば、マイクロ波はＴＥ□□基本モード
のみが伝播する。しかしながら、円形導波管１２のわず
かな変形、または円形導波管１２と円偏波手段１３との
接続不連続、または円偏波手段１３と放電室１５もしく
は真空室１８との間の不連続、またはそれらの壁面にお
ける伝播インピーダンスの変化が存在すると、前記ＴＥ
１□基本モード以外のモードが発生し、各々独立に伝播
することになる。このような場合、従来技術では被処理
物２０の表面における電界分布は不均一となり、被処理
物２０に堆積する膜の膜厚や膜質に大きな影響を及ぼす
ことになる。しかし、本実施例では、上述した円導波手
段１３による回転電界の形成により、マイクロ波のＴＥ
よ、基本モードについては勿論、発生した基本モード以
外のモードについても、電界が回転運動をしながら被処
理物方向に伝播する。その結果、被処理物表面での電界
分布はこれらすべての伝播モードについての電界の平均
化されたものとなり、電界分布の均一性が改善される。

従って、発散磁界と回転電界との相互作用により、被処
理物２０の広い範囲に亘って、均一な膜厚および膜質の
薄膜を形成することができる。

なお、上記実施例では、処理として薄膜を形成する場合
について説明したが、エツチング等の他の処理にも本発
明を適用して、同様な原理を利用した処理ができること
は勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、マイクロ波導波手段の少なくとも一部
を、誘電体物質を内蔵した円偏波手段とすることにより
、被処理物の表面上で均一なマイクロ波電界が得られる
ので、被処理物表面の広い範囲に亘り、均一性の良いプ
ラズマ処理が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の一
実施例の概略構成図、第２図は本発明で用いる円導波手
段の説明図、第３図は従来のマイクロ波プラズマ処理装
置の概略構成図、第４図は従来の別のマイクロ波プラズ
マ処理装置の概略構成図である。１１・・・マイクロ波発生手段、１２・・・円形導波管、１３・・・円導波手段、１４・・・放電管、１５・・・放電室、１６・・・磁場印加手段、１７・・・放電ガス４Ｊ（結目。１８・・・真空室、１９・・・原料ガス供給口、２０・・・被処理物。２１・・・ホルダ。２２・・・誘電率さなる物質。第Ｉ図７ｒ：１フィクロ浪Ｚ生ヶＰ更１２：円わ導：Ｘ管１３；円偏退午殴／４：狡東曹／タ：族を笠／６：應場ｆ四〇ケ杖放電σλ企胎口員堂！、矛、イ千η゛スイん袷口ａ嬰遁物爪ルフ゛乃図ま／３馬偏ｓｉ手殴Ｚ誘電子εＴＪる狗實拓図 ↓ １：　プラス゛マ生成室− ２：宅ぶ露フイＪし３：碑浪管４：　１石英ノＴフス不入５：拠王里！６：　スみチ里、η゛ス４へ口基坏瓦策図、３２閃孝渇肋コＡル

Claims

【特許請求の範囲】

１．　電子サイクロトロン共鳴を利用して放電ガス供給
口から導入した放電ガスのプラズマ放電を行い、プラズ
マを発生させるプラズマ放電室と、該プラズマ放電室内
に均一磁場を形成する磁場印加手段と、マイクロ波を発
生するマイクロ波発生手段と、発生したマイクロ波を前
記プラズマ放電室に導き放射するマイクロ波導波手段と
を備え、前記プラズマ放電室と接続して設けた真空室内
の被処理物を、原料ガス供給口から導入した原料ガスを
分解してプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置
において、前記マイクロ波導波手段の少なくとも一部が
、誘電体物質を内蔵した円偏波手段で構成されたことを
特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
２．　請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置に
おいて、円偏波手段が、誘電体物質として板状のものを
用い、これをマイクロ波の進行方向に、かつ電磁界方向
に対してπ／４の角度をなして配置したものであること
を特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
３．　請求項１または２に記載のマイクロ波プラズマ処
理装置において、被処理物の処理が、該被処理物表面へ
の薄膜の堆積であることを特徴とするマイクロ波プラズ
マ処理装置。
４．　請求項１または２に記載のマイクロ波プラズマ処
理装置において、被処理物の処理が、該被処理物表面へ
のエッチングであることを特徴とするマイクロ波プラズ
マ処理装置。