JP2021119595A

JP2021119595A - Plasma processing device

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Publication number: JP2021119595A
Application number: JP2020013408A
Authority: JP
Inventors: 哲雄川那辺; Tetsuo Kawanabe; 紀彦池田; Norihiko Ikeda; 仁田村; Hitoshi Tamura
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: JP7374006B2

Abstract

To enable highly uniform plasma processing to be realized in a wide pressure range in a plasma processing device.SOLUTION: In a plasma processing device including a microwave source, a waveguide, a cavity chamber, and a plasma processing chamber, a portion connected to a cavity chamber of a waveguide is composed of a circular waveguide with a circular cross section, and a portion connected to the cavity chamber and the plasma processing chamber is separated by a microwave introduction window, and on the side of the cavity chamber of the microwave introduction window, a plurality of conductor plates arranged coaxially with the center of the cavity chamber are arranged, and a cavity resonator is constituted for microwaves transmitted from the waveguide by the cavity chamber and the plurality of conductor plates.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は，エッチング等，真空容器内の処理室内に形成したプラズマを用いて当該処理室内に配置された半導体ウエハ等の基板状試料を処理するプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus for processing a substrate-like sample such as a semiconductor wafer arranged in the processing chamber using plasma formed in the processing chamber in a vacuum vessel such as etching.

半導体デバイス製造においてプラズマエッチング，プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ），プラズマアッシング等のプラズマ処理が広く用いられている。プラズマ処理装置の一つであるエッチング装置においては，デバイス量産性の観点から，一台のエッチング装置で，異方性加工と等方性加工の両立が求められている。 Plasma processing such as plasma etching, plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), and plasma ashing is widely used in semiconductor device manufacturing. In an etching apparatus, which is one of the plasma processing apparatus, from the viewpoint of device mass productivity, it is required to achieve both anisotropic processing and isotropic processing with one etching apparatus.

異方性の加工はウエハに垂直に入射するイオンを主体としたイオンアシスト反応で，等方性の加工には等方的に拡散してウエハに入射するラジカルが主体となる化学反応で実現できる。一般に，低圧ではイオン密度が高くなってイオン主体のエッチングが，高圧ではラジカル密度が高くなってラジカル主体のエッチングができる。したがって，エッチング装置は，０．１Ｐａ程度の低圧から数十Ｐａの高圧までの広範な圧力領域で動作できることが望ましい。更に，デバイス量産性を確保するためには，このような広範な圧力領域において，ウエハ面内で均一にエッチングできることが必要である。 Anisotropic processing can be realized by an ion assist reaction mainly composed of ions vertically incident on the wafer, and isotropic processing can be realized by a chemical reaction mainly composed of radicals that diffuse isotropically and enter the wafer. .. In general, at low pressure, the ion density becomes high and ion-based etching can be performed, and at high pressure, the radical density becomes high and radical-based etching can be performed. Therefore, it is desirable that the etching apparatus can operate in a wide pressure range from a low pressure of about 0.1 Pa to a high pressure of several tens of Pa. Further, in order to ensure mass productivity of the device, it is necessary to be able to uniformly etch in the wafer surface in such a wide pressure region.

プラズマの生成方式としてＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）や誘導結合や容量結合などが知られている。ＥＣＲ方式では誘導結合や容量結合などのプラズマ生成方式では実現困難な１Ｐａ以下の低圧領域においても効率的かつ均一にプラズマを生成できることが特徴の一つである。ＥＣＲとは，電磁波発生源から導入される電磁波周波数と電磁コイルにより形成された磁場による電子のサイクロトロン周波数が一致したときに生じる共鳴現象である。 ECR (Electron Cyclotron Resonance), inductively coupled, and capacitive coupling are known as plasma generation methods. One of the features of the ECR method is that plasma can be efficiently and uniformly generated even in a low voltage region of 1 Pa or less, which is difficult to realize by plasma generation methods such as inductive coupling and capacitive coupling. ECR is a resonance phenomenon that occurs when the electromagnetic wave frequency introduced from the electromagnetic wave source and the cyclotron frequency of the electrons due to the magnetic field formed by the electromagnetic coil match.

プラズマは，ＥＣＲで加速した高エネルギーの電子がガス分子に衝突して電離して生成される。放電室内圧力が比較的低圧であれば，電子の平均自由行程が長いため，電子がＥＣＲで十分に加速してからガス分子と衝突電離し，ＥＣＲの条件を満たす等磁場面の近傍で効率的にプラズマが生成される。 Plasma is generated by high-energy electrons accelerated by ECR that collide with gas molecules and are ionized. If the pressure in the discharge chamber is relatively low, the mean free path of the electrons is long, so the electrons are sufficiently accelerated by the ECR and then impact-ionized with the gas molecules, which is efficient in the vicinity of the magnetic field surface that satisfies the ECR conditions. Plasma is generated in.

通常，ＥＣＲの条件を満たす等磁場面は放電室内に面状に広がるため，プラズマが生成される領域は放電室内で面状あるいはリング状に広がりを持つ。したがって，比較的均一なプラズマ処理が実現できる。しかし，放電室内圧力が高くなれば，電子の平均自由行程が短いため，電磁波からエネルギーを受け取った電子は即座にガス分子と衝突して電離や解離をする。したがって，プラズマの生成領域はＥＣＲの条件を満たす等磁場面近傍ではなく，電磁波の入射するマイクロ波導入窓の直下かつ導波管の直下である放電室中心軸近傍に局在化することとなる。したがって，高圧条件下ではエッチングレートが中心高の分布となり，不均一となりやすい。 Normally, the equimagnetic field surface that satisfies the ECR condition spreads in a planar manner in the discharge chamber, so that the region where plasma is generated has a planar or ring-like spread in the discharge chamber. Therefore, relatively uniform plasma processing can be realized. However, when the pressure in the discharge chamber becomes high, the mean free path of the electrons is short, so the electrons that receive energy from the electromagnetic waves immediately collide with the gas molecules and are ionized or dissociated. Therefore, the plasma generation region is localized not near the equimagnetic field surface that satisfies the ECR condition, but near the central axis of the discharge chamber, which is directly under the microwave introduction window where the electromagnetic wave is incident and directly under the waveguide. .. Therefore, under high pressure conditions, the etching rate is distributed at the center height and tends to be non-uniform.

放電室中心部へのプラズマ生成の局在化を抑制する先行技術として，例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１のＥＣＲ方式を用いたプラズマ処理装置は、放電室と電磁波伝送部との間に配置されたマイクロ波導入窓と、マイクロ波導入窓の下部に配置された電磁波反射板および補助反射板を有している。電磁波反射板と補助反射板との間に形成されたリング状電磁波放射口から電磁波を放電室内に入射させ、ＥＣＲ面にリング状プラズマを生起させることにより、試料を覆う均一なプラズマを形成し、均一性が高いプラズマ処理を実現している。 As a prior art that suppresses the localization of plasma generation in the central part of the discharge chamber, for example, Patent Document 1 can be mentioned. The plasma processing apparatus using the ECR method of Patent Document 1 includes a microwave introduction window arranged between the discharge chamber and the electromagnetic wave transmission unit, and an electromagnetic wave reflector and an auxiliary reflector arranged below the microwave introduction window. have. An electromagnetic wave is incident into the discharge chamber from a ring-shaped electromagnetic wave emitting port formed between the electromagnetic wave reflecting plate and the auxiliary reflecting plate, and a ring-shaped plasma is generated on the ECR surface to form a uniform plasma covering the sample. Achieves highly uniform plasma processing.

また、特許文献２は磁場を用いずにマイクロ波のみでプラズマを生成する方式のプラズマ処理装置に関する。マイクロ波の伝搬する導波管と、処理容器内に導入されるマイクロ波導入窓と、導波管とマイクロ波導入窓との間に配置された円環状のリングスロットと、マイクロ波導入窓の処理容器側に配置され、マイクロ波導入窓を透過したマイクロ波の電界を遮蔽する遮蔽板とを備える。遮蔽板を設けたことで、処理容器内中央部のプラズマ密度を低減し、試料面内のプラズマ処理の不均一を低減している。 Further, Patent Document 2 relates to a plasma processing apparatus of a type that generates plasma only by microwaves without using a magnetic field. A waveguide in which microwaves propagate, a microwave introduction window introduced in the processing container, an annular ring slot arranged between the waveguide and the microwave introduction window, and a microwave introduction window. It is provided on the processing container side and includes a shielding plate that shields the microwave electric field that has passed through the microwave introduction window. By providing the shielding plate, the plasma density in the central portion of the processing container is reduced, and the non-uniformity of plasma processing in the sample surface is reduced.

また、特許文献３には処理室内の第一のプラズマに加えて、マイクロ波導入窓内の空間の中央部に第二のプラズマを形成する方法が示されている。第二のプラズマ密度をカットオフ密度以上にすることで第二のプラズマが電磁波反射板のような役割を持つ。また、第二のプラズマを生成しなければ電磁波を透過する機能を持つ。したがって、第二のプラズマ密度を調節することにより、多様な条件でプラズマ処理の不均一を低減している。 Further, Patent Document 3 discloses a method of forming a second plasma in the central portion of the space in the microwave introduction window in addition to the first plasma in the processing chamber. By making the second plasma density equal to or higher than the cutoff density, the second plasma acts like an electromagnetic wave reflector. It also has the function of transmitting electromagnetic waves if it does not generate a second plasma. Therefore, by adjusting the second plasma density, the non-uniformity of plasma processing is reduced under various conditions.

特開平９−１４８０９７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-148097 特開２０１３−２１１２７０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-21270 特開２０１９−１１００２８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-110028

マイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置において、０．１Ｐａ〜数十Ｐａの広範な圧力領域でエッチングレートなどのプラズマ処理の特性のウエハ面内分布均一化は困難である。特に数Ｐａ以上の高圧領域においては、その実現が困難であった。 In a microwave ECR plasma etching apparatus, it is difficult to make the in-plane distribution of plasma processing characteristics such as etching rate uniform in a wide pressure region of 0.1 Pa to several tens of Pa. Especially in the high pressure region of several Pa or more, it has been difficult to realize it.

高圧時にプラズマ処理の均一化が難しい理由として、プラズマ生成の局在化と等方的な拡散が優位になることが挙げられる。放電室内圧力が高くなれば，電子の平均自由行程が短くなるため，電磁波からエネルギーを受け取った電子は即座にガス分子と衝突して電離や解離をする。したがって，プラズマの生成領域は電磁波の入射するマイクロ波導入窓の直下かつ導波管の直下である放電室中心軸近傍に局在化する。 The reason why it is difficult to make the plasma treatment uniform at high pressure is that the localization and isotropic diffusion of plasma generation are dominant. As the pressure in the discharge chamber increases, the mean free path of electrons becomes shorter, so the electrons that receive energy from the electromagnetic waves immediately collide with gas molecules and are ionized or dissociated. Therefore, the plasma generation region is localized near the central axis of the discharge chamber, which is directly below the microwave introduction window where electromagnetic waves are incident and directly below the waveguide.

また、圧力が高くなると、荷電粒子とガス分子との衝突が増加し、等方性の拡散が支配的になっていく。更に、荷電粒子は処理室内の壁面に衝突すると消失するため、等方的な拡散が優位となるとプラズマ密度は壁面より遠い箇所、すなわち放電室中心部にて高くなる。すなわち、ウエハ面内のイオンフラックスは外周部よりも中心部の方が高い凸分布となり、その均一化は困難となる。このような不均一を改善する方法として以下の先行文献があるが、それぞれについて課題がある。 In addition, as the pressure increases, collisions between charged particles and gas molecules increase, and isotropic diffusion becomes dominant. Further, since the charged particles disappear when they collide with the wall surface of the processing chamber, the plasma density becomes high at a place far from the wall surface, that is, at the center of the discharge chamber when isotropic diffusion becomes dominant. That is, the ion flux in the wafer surface has a higher convex distribution in the central portion than in the outer peripheral portion, and it is difficult to make the ion flux uniform. There are the following prior documents as methods for improving such non-uniformity, but each of them has a problem.

特許文献１記載の方法ではマイクロ波導入窓のプラズマ処理室側に電磁波遮蔽板が設置される構成である。本手法では電磁波遮蔽板が高密度プラズマの近傍にあることからスパッタリングによる金属汚染の発生リスクが高い。また、本文献記載のようなマイクロ波導入窓の下部に電磁波遮蔽板の設置方法が非常に困難であり、その実現方法についての記載はない。 In the method described in Patent Document 1, an electromagnetic wave shielding plate is installed on the plasma processing chamber side of the microwave introduction window. In this method, since the electromagnetic wave shielding plate is located near the high-density plasma, there is a high risk of metal contamination due to sputtering. In addition, it is very difficult to install an electromagnetic wave shielding plate under the microwave introduction window as described in this document, and there is no description on how to realize it.

例えば、電磁波遮蔽板をマイクロ波導入窓の下に固定する方法として、接着剤やネジで固定する方法が考えられる。接着剤を用いた場合、接着剤が処理室内のラジカルやイオンにより反応して反応生成物が発生し、被処理基板に入射し、意図しない不具合が発生するリスクが高い。また、誘電体と電磁波遮蔽板の熱膨張差により接着剤はがれなどのリスクがある。また、ネジを使った方法では取付けや取外しの際に物理的にネジとネジ穴が擦られるため、誘電体窓が削られて異物が発生するリスクがある。 For example, as a method of fixing the electromagnetic wave shielding plate under the microwave introduction window, a method of fixing with an adhesive or a screw can be considered. When an adhesive is used, there is a high risk that the adhesive reacts with radicals and ions in the treatment chamber to generate a reaction product, which is incident on the substrate to be treated and causes an unintended defect. In addition, there is a risk of adhesive peeling due to the difference in thermal expansion between the dielectric and the electromagnetic wave shielding plate. Further, in the method using screws, since the screws and the screw holes are physically rubbed during installation and removal, there is a risk that the dielectric window is scraped and foreign matter is generated.

特許文献２記載の方法は磁場を利用しないプラズマ処理装置に関して、円環状のリングスロットからマイクロ波が導入される構成である。本文献記載の方法は磁場を用いない方式であり、磁場を有する方式での検討がなされていない。本発明者らの検討によると、有磁場方式のプラズマ処理装置に単純にリングスロット方式を採用しても、マイクロ波導入窓の中心部にマイクロ波が回り込み、更にプラズマ処理室の中心部において選択的にマイクロ波電力が吸収されてプラズマ分布が局在化することがわかった。これは、プラズマ中の電磁波の分散関係が磁場の有無で大きく異なることに起因すると考えられる。すなわち、磁場を有する方式特有の検討がなされねばならない。 The method described in Patent Document 2 is a configuration in which microwaves are introduced from an annular ring slot in a plasma processing apparatus that does not use a magnetic field. The method described in this document is a method that does not use a magnetic field, and no study has been made on a method that has a magnetic field. According to the study by the present inventors, even if the ring slot method is simply adopted for the magnetic field type plasma processing device, the microwave wraps around the center of the microwave introduction window and is further selected in the center of the plasma processing room. It was found that the microwave power was absorbed and the plasma distribution was localized. It is considered that this is because the dispersion relation of electromagnetic waves in plasma differs greatly depending on the presence or absence of a magnetic field. That is, a study peculiar to the method having a magnetic field must be made.

特許文献３記載の方法ではカットオフ密度以上となった第二のプラズマを電磁波遮蔽板のように用いる。しかし、第二のプラズマの生成にマイクロ波電力が吸収されてしまい、第一のプラズマの効率的生成が困難であった。また、第二のプラズマの生成により、石英窓が削れてしまい、第二のプラズマの生成領域が経時的に拡大することから、第二のプラズマ密度分布が経時的に変化し、結果としてプラズマ処理の特性が経時的に変化してしまうという問題があった。 In the method described in Patent Document 3, a second plasma having a cutoff density or higher is used like an electromagnetic wave shielding plate. However, microwave power is absorbed by the generation of the second plasma, and it is difficult to efficiently generate the first plasma. In addition, the generation of the second plasma scrapes the quartz window and the region where the second plasma is generated expands over time, so that the second plasma density distribution changes over time, resulting in plasma processing. There was a problem that the characteristics of the plasma changed over time.

本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、ＥＣＲプラズマ処理装置において広範な圧力領域において、高均一なプラズマ処理が実現できるプラズマ処理装置を提供するものである。 The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art and provides a plasma processing apparatus capable of realizing highly uniform plasma processing in a wide pressure region in the ECR plasma processing apparatus.

上記した課題を解決するために、本発明では、試料がプラズマ処理される処理室と、導波管および空洞共振部を介してマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、処理室内に磁場を形成する磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、空洞共振部内に配置されたリング状の電磁波導入手段をさらに備えて構成した。 In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, a processing chamber in which the sample is plasma-processed, a high-frequency power source for supplying high-frequency microwave power via a waveguide and a cavity resonance portion, and a magnetic field in the processing chamber are provided. In the plasma processing apparatus including the magnetic field forming means for forming, the ring-shaped electromagnetic wave introducing means arranged in the cavity resonance portion is further provided.

ＥＣＲプラズマ処理装置において広範な圧力領域において、高均一なプラズマ処理が実現できる。 Highly uniform plasma processing can be realized in a wide pressure range in the ECR plasma processing apparatus.

本発明の第一の実施例に係るエッチング装置の概略の構成を示す断面のブロック図である。It is a block diagram of the cross section which shows the schematic structure of the etching apparatus which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第一の実施例に係る空洞部の拡大断面図である。It is an enlarged sectional view of the cavity part which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第一の実施例に係るプラズマ密度分布の計算結果を表形式に示した図である。It is a figure which showed the calculation result of the plasma density distribution which concerns on 1st Example of this invention in a tabular form. 本発明の第二の実施例に係るエッチング装置の概略の構成を示す断面のブロック図である。It is a block diagram of the cross section which shows the schematic structure of the etching apparatus which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第二の実施例に係るリング窓の拡大断面図である。It is an enlarged sectional view of the ring window which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第二の実施例に係るプラズマ密度分布の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the plasma density distribution which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の第三の実施例に係る空洞部周辺の拡大断面図。An enlarged cross-sectional view of the periphery of the cavity according to the third embodiment of the present invention.

本発明は、同軸状にマイクロ波が導入され、空洞共振部を有するマイクロ波プラズマ処理装置において、前記空洞共振部内にて内側導体板と外側導体板を有し、処理室内の圧力に基づいてマイクロ波電力を制御して、プラズマ密度分布を制御するようにしたものである。 In the present invention, in a microwave plasma processing apparatus in which microwaves are introduced coaxially and have a cavity resonance portion, an inner conductor plate and an outer conductor plate are provided in the cavity resonance portion, and the micro is based on the pressure in the processing chamber. The wave power is controlled to control the plasma density distribution.

また、上記構成において、内側導体板と外側導体板と、それらを一体化する手段によって構成される電磁波導入手段と、前記電磁波導入手段を可動させる機構を有し、処理室内の圧力に基づいて前記電磁波導入手段が可動することにより、プラズマ密度分布を制御するようにしたものである。 Further, in the above configuration, the electromagnetic wave introducing means composed of the inner conductor plate and the outer conductor plate, the means for integrating them, and the mechanism for moving the electromagnetic wave introducing means are provided, and the electromagnetic wave introducing means is moved based on the pressure in the processing chamber. The plasma density distribution is controlled by moving the electromagnetic wave introducing means.

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the present embodiment, those having the same function shall be designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted in principle.

ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。 However, the present invention is not construed as being limited to the description of the embodiments shown below. It is easily understood by those skilled in the art that a specific configuration thereof can be changed without departing from the idea or gist of the present invention.

本発明の第一の実施例に係るプラズマ処理装置の例として、エッチング装置の場合について説明する。図１に本発明の第一の実施例に係るエッチング装置１００の断面における概略の構成を示す。 As an example of the plasma processing apparatus according to the first embodiment of the present invention, the case of an etching apparatus will be described. FIG. 1 shows a schematic configuration in a cross section of the etching apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention.

本実施例に係るエッチング装置１００は、真空チャンバ４０を有し、真空チャンバ４０の内部に内筒１６を備えている。真空チャンバ４０の上部は空洞室４１を構成し、空洞室４１には、マイクロ波源１で発生させたマイクロ波を、方形導波管２、アイソレータ３、自動整合器４、円矩形変換器５、円形導波管６を介して空洞室４１の内部の空洞部７に供給する構成となっている。 The etching apparatus 100 according to this embodiment has a vacuum chamber 40, and has an inner cylinder 16 inside the vacuum chamber 40. The upper part of the vacuum chamber 40 constitutes a cavity chamber 41, and in the cavity chamber 41, the microwave generated by the microwave source 1 is subjected to a square waveguide 2, an isolator 3, an automatic matcher 4, a circular rectangle converter 5, and the like. It is configured to supply to the cavity 7 inside the cavity 41 via the circular waveguide 6.

空洞部７には、マイクロ波を反射するための内側導体板８と外側導体板９がマイクロ波導入窓１０の上側に配置され、マイクロ波導入窓１０の下側には少し間隔をおいて複数のガス供給孔４２が形成されたシャワープレート１１が配置されている。内側導体板８の中心とシャワープレート１１の中心には、それぞれプラズマ発光モニタ用の微小な貫通孔３２と３３が形成されている。マイクロ波導入窓１０とシャワープレート１１との間の空間には、ガス供給手段１７からガスが供給される。 In the cavity 7, an inner conductor plate 8 and an outer conductor plate 9 for reflecting microwaves are arranged above the microwave introduction window 10, and a plurality of inner conductor plates 8 and a plurality of outer conductor plates 9 are arranged below the microwave introduction window 10 at a slight interval. The shower plate 11 in which the gas supply hole 42 of the above is formed is arranged. At the center of the inner conductor plate 8 and the center of the shower plate 11, minute through holes 32 and 33 for plasma emission monitoring are formed, respectively. Gas is supplied from the gas supply means 17 to the space between the microwave introduction window 10 and the shower plate 11.

空洞室４１の周囲及び上部には複数の電磁コイル１３が空洞室４１の中心と同軸上に配置され、電磁コイル１３の外側はヨーク１４で覆われている。複数の電磁コイル１３はコイル電源４３と接続している。 A plurality of electromagnetic coils 13 are arranged coaxially with the center of the cavity chamber 41 around and above the cavity chamber 41, and the outside of the electromagnetic coil 13 is covered with a yoke 14. The plurality of electromagnetic coils 13 are connected to the coil power supply 43.

真空チャンバ４０の内部には、被処理基板１８を搭載する基板ステージ兼高周波電極１９が絶縁板２０を介して配置されている。絶縁板２０は、図示していない手段により、真空チャンバ４０に支持されている。また、真空チャンバ４０はコンダクタンス調整バルブ２１を介して、ターボ分子ポンプ２２に接続している。さらに、基板ステージ兼高周波電極１９は、自動整合器２３を介してバイアス電源２４に接続している。 Inside the vacuum chamber 40, a substrate stage / high frequency electrode 19 on which the substrate 18 to be processed is mounted is arranged via an insulating plate 20. The insulating plate 20 is supported by the vacuum chamber 40 by means (not shown). Further, the vacuum chamber 40 is connected to the turbo molecular pump 22 via a conductance adjusting valve 21. Further, the substrate stage and high frequency electrode 19 is connected to the bias power supply 24 via the automatic matcher 23.

真空チャンバ４０の内部で基板ステージ兼高周波電極１９の上部から内筒１６の内部のシャワープレート１１にかけて、プラズマ処理室１２を形成する。 Inside the vacuum chamber 40, a plasma processing chamber 12 is formed from the upper part of the substrate stage / high frequency electrode 19 to the shower plate 11 inside the inner cylinder 16.

空洞室４１及び円矩形変換器５には、プラズマ処理室１２において発生したプラズマ１５の発光をモニタリングするために、受光部２９が取り付けられている。プラズマ処理室１２で発生したプラズマの発光により、シャワープレート１１に形成されたガス供給孔４２のうち中心部から離れ位置に形成されたガス供給孔４２を通り内側導体板８と外側導体板９との間を通過した光を、空洞室４１の上面に取り付けた受光部２９−１で検出する。 A light receiving unit 29 is attached to the cavity chamber 41 and the circular rectangle converter 5 in order to monitor the light emission of the plasma 15 generated in the plasma processing chamber 12. Due to the emission of plasma generated in the plasma processing chamber 12, the inner conductor plate 8 and the outer conductor plate 9 pass through the gas supply hole 42 formed at a position away from the center of the gas supply holes 42 formed in the shower plate 11. The light that has passed through the space is detected by the light receiving unit 29-1 attached to the upper surface of the cavity 41.

一方、シャワープレート１１の中央部に形成された微小な貫通孔３３と内側導体板８に中央部に形成された微小な貫通孔３２を透過した光を、円矩形変換器５に取り付けた受光部２９−２で検出する。受光部２９−１と２９−２とで検出して得られたそれぞれの信号は、光ファイバ３０を介して発光分光器３１に送られる。受光部２９−１と２９−２、光ファイバ３０と発光分光器３１とで、発光検出部３５を構成する。なお、言うまでもなく、シャワープレート１１の材料として、透明石英のように光を透過する材料を用いた場合は、必ずしも微小な貫通孔３３は必要ではない。また、このとき、シャワープレート１１のガス供給孔４２を介して光を透過させる必要もない。 On the other hand, the light receiving portion attached to the circular rectangular converter 5 is the light transmitted through the minute through hole 33 formed in the central portion of the shower plate 11 and the minute through hole 32 formed in the central portion of the inner conductor plate 8. Detect at 29-2. Each signal detected and obtained by the light receiving units 29-1 and 29-2 is sent to the light emitting spectroscope 31 via the optical fiber 30. The light receiving units 29-1 and 29-2, the optical fiber 30, and the light emitting spectroscope 31 constitute a light emitting detection unit 35. Needless to say, when a material that transmits light such as transparent quartz is used as the material of the shower plate 11, the minute through hole 33 is not always necessary. Further, at this time, it is not necessary to transmit light through the gas supply hole 42 of the shower plate 11.

マイクロ波源１、ガス供給手段１７、ターボ分子ポンプ２２、バイアス電源２４、発光分光器３１は、それぞれ制御部５０に接続されて制御される。 The microwave source 1, the gas supply means 17, the turbo molecular pump 22, the bias power supply 24, and the emission spectroscope 31 are each connected to the control unit 50 and controlled.

上記した構成において、エッチング装置１００には、制御部５０で制御されたマイクロ波源１からマイクロ波が発振され、方形導波管２とアイソレータ３と自動整合器４と円矩形変換器５を介して円形導波管６に伝送される。本実施例では工業的によく用いられる２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する。アイソレータ３は反射波からマイクロ波源１を保護するために用い、自動整合器４は負荷インピーダンスを調整し、反射波を抑制して効率的に電磁波を供給するために用いる。 In the above configuration, microwaves are oscillated from the microwave source 1 controlled by the control unit 50 in the etching apparatus 100, via the rectangular waveguide 2, the isolator 3, the automatic matcher 4, and the circular rectangle converter 5. It is transmitted to the circular waveguide 6. In this embodiment, 2.45 GHz microwave, which is often used industrially, is used. The isolator 3 is used to protect the microwave source 1 from the reflected wave, and the automatic matcher 4 is used to adjust the load impedance, suppress the reflected wave, and efficiently supply the electromagnetic wave.

円形導波管６より導入されたマイクロ波は空洞室４１の内部の空洞部７に伝搬する。空洞部７を囲む空洞室４１の内壁面は金属で形成されており、マイクロ波導入窓１０の上側に配置された内側導体板８と外側導体板９とにより空洞部７は周囲を導体で囲まれることになり、空洞共振器が構成される。 The microwave introduced from the circular waveguide 6 propagates to the cavity 7 inside the cavity 41. The inner wall surface of the cavity chamber 41 surrounding the cavity 7 is made of metal, and the cavity 7 is surrounded by a conductor by the inner conductor plate 8 and the outer conductor plate 9 arranged above the microwave introduction window 10. Therefore, a cavity resonator is constructed.

この空洞共振器内のマイクロ波の一部は、内側導体板８と外側導体板９との間の開口部を介して、マイクロ波導入窓１０とシャワープレート１１を透過してプラズマ処理室１２に導入される。内側導体板８と外側導体板９は軸対称なマイクロ波伝搬を実現させるために軸対称形状であることが望ましい。本実施例では内側導体板８は円板であり、外側導体板９は内側導体板８の外径よりも大きな開口部を有した円環状の板である。 A part of the microwave in the cavity resonator passes through the microwave introduction window 10 and the shower plate 11 through the opening between the inner conductor plate 8 and the outer conductor plate 9 and enters the plasma processing chamber 12. be introduced. It is desirable that the inner conductor plate 8 and the outer conductor plate 9 have an axisymmetric shape in order to realize axisymmetric microwave propagation. In this embodiment, the inner conductor plate 8 is a disk, and the outer conductor plate 9 is an annular plate having an opening larger than the outer diameter of the inner conductor plate 8.

プラズマ処理室１２から空洞室４１にかけての周囲に配置された複数の電磁コイル１３に制御部５０で制御されたコイル電源４３から電流を供給することにより、プラズマ処理室１２内でＥＣＲに必要な磁束密度を満たすように静磁界を形成する。ヨーク１４は装置外部への磁場の漏洩を防ぐ磁気シールドの役割を持つ。 The magnetic flux required for ECR in the plasma processing chamber 12 by supplying a current from the coil power supply 43 controlled by the control unit 50 to a plurality of electromagnetic coils 13 arranged around the plasma processing chamber 12 to the cavity 41. A static magnetic field is formed to satisfy the density. The yoke 14 has a role of a magnetic shield that prevents the leakage of the magnetic field to the outside of the device.

電磁コイル１３とヨーク１４で形成される磁力線はプラズマ処理室１２の上方から下方に向かって外周方向に広がる拡散磁場となる。２．４５ＧＨｚのマイクロ波の場合、ＥＣＲに必要な磁束密度は８７５Ｇである。制御部５０で制御されたコイル電源４３から複数の電磁コイル１３に印加する電力により静磁界分布を調整して、８７５Ｇの等磁場面（ＥＣＲ面）をプラズマ処理室１２の内部に入るように調整することで、プラズマ１５が効率的に生成される。 The magnetic field lines formed by the electromagnetic coil 13 and the yoke 14 become a diffusion magnetic field that spreads in the outer peripheral direction from above to below in the plasma processing chamber 12. For 2.45 GHz microwaves, the magnetic flux density required for ECR is 875 G. The static magnetic field distribution is adjusted by the electric power applied to the plurality of electromagnetic coils 13 from the coil power supply 43 controlled by the control unit 50, and the isomagnetic field surface (ECR surface) of 875G is adjusted so as to enter the inside of the plasma processing chamber 12. By doing so, the plasma 15 is efficiently generated.

真空チャンバ４０のプラズマ処理室１２に対応する部分の側壁には、真空チャンバ４０の側壁をプラズマから保護するために、内筒１６が設置されている。プラズマ１５の近傍に位置する内筒１６は、プラズマ耐性の高い材料として石英を用いる。あるいはプラズマ耐性が高い材料として、イットリア、アルミナ、フッ化イットリウム、フッ化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いても良い。 An inner cylinder 16 is installed on the side wall of the portion of the vacuum chamber 40 corresponding to the plasma processing chamber 12 in order to protect the side wall of the vacuum chamber 40 from plasma. Quartz is used as a material having high plasma resistance for the inner cylinder 16 located in the vicinity of the plasma 15. Alternatively, yttria, alumina, yttrium fluoride, aluminum fluoride, aluminum nitride and the like may be used as a material having high plasma resistance.

マイクロ波導入窓１０及びシャワープレート１１の材料としては、マイクロ波を透過する材料として石英を用いる。あるいはマイクロ波を透過する材料であれば他の誘電体材料を用いても良い。あるいはプラズマ耐性が高い材料として、イットリア、アルミナ、フッ化イットリウム、フッ化アルミニウム、窒化アルミニウムなどを用いても良い。 As the material of the microwave introduction window 10 and the shower plate 11, quartz is used as a material that transmits microwaves. Alternatively, another dielectric material may be used as long as it is a material that transmits microwaves. Alternatively, yttria, alumina, yttrium fluoride, aluminum fluoride, aluminum nitride and the like may be used as a material having high plasma resistance.

マイクロ波導入窓１０とシャワープレート１１の間には、制御部５０で制御されたガス供給手段１７からガスが供給される。ガス供給手段１７には図示していないマスフローコントローラによって所望の流量で供給する機能が含まれている。また、ガス供給手段１７から供給するガス種は被処理基板１８に形成された被処理膜等に応じて適宜選択され、複数のガス種を所定の流量で組み合わせて供給することができる。シャワープレート１１にはガス供給孔４２が複数設けられており、ガス供給手段１７によりマイクロ波導入窓１０とシャワープレート１１の間に供給されたガスは、ガス供給孔４２を介してプラズマ処理室１２に供給される。供給されたガスはコンダクタンス調整バルブ２１を介してターボ分子ポンプ２２により真空排気される。 Gas is supplied between the microwave introduction window 10 and the shower plate 11 from the gas supply means 17 controlled by the control unit 50. The gas supply means 17 includes a function of supplying a gas at a desired flow rate by a mass flow controller (not shown). Further, the gas type supplied from the gas supply means 17 is appropriately selected according to the film to be processed formed on the substrate 18 to be processed, and a plurality of gas types can be combined and supplied at a predetermined flow rate. The shower plate 11 is provided with a plurality of gas supply holes 42, and the gas supplied between the microwave introduction window 10 and the shower plate 11 by the gas supply means 17 is supplied to the plasma processing chamber 12 through the gas supply holes 42. Is supplied to. The supplied gas is evacuated by the turbo molecular pump 22 via the conductance adjusting valve 21.

プラズマ処理室１２の下部には被処理基板１８を載置する基板ステージ兼高周波電極１９とその下部には絶縁板２０が備えられており、基板ステージ兼高周波電極１９にはバイアス電力を供給するために自動整合器２３を介してバイアス電源２４が接続されている。バイアス電源２４は、制御部５０で制御される。本実施例ではバイアス電源の周波数として４００ｋＨｚのものを用いた。基板ステージ兼高周波電極１９には図示しない被処理基板１８の吸着機構と温調手段が備えられており、所望のエッチングができるように必要に応じて被処理基板１８の温度が調節される。 A substrate stage / high frequency electrode 19 on which the substrate 18 to be processed is placed is provided below the plasma processing chamber 12, and an insulating plate 20 is provided below the substrate stage / high frequency electrode 19 to supply bias power to the substrate stage / high frequency electrode 19. The bias power supply 24 is connected to the device via the automatic matching unit 23. The bias power supply 24 is controlled by the control unit 50. In this example, a bias power supply frequency of 400 kHz was used. The substrate stage and high-frequency electrode 19 is provided with an adsorption mechanism and temperature control means for the substrate 18 to be processed (not shown), and the temperature of the substrate 18 to be processed is adjusted as necessary so that desired etching can be performed.

エッチング処理は、電磁コイル１３によって形成される磁場と、マイクロ波源１から供給したマイクロ波によってプラズマ処理室１２に導入されるガスをプラズマ化し、そこで生成したイオンやラジカルを被処理基板に照射してなされる。 In the etching process, the magnetic field formed by the electromagnetic coil 13 and the gas introduced into the plasma processing chamber 12 by the microwave supplied from the microwave source 1 are converted into plasma, and the ions and radicals generated there are irradiated to the substrate to be processed. Be done.

次に、空洞室４１の内部の空洞部７の拡大図を図２に示す。内側導体板８はマイクロ波導入窓１０上部の中央部に、外側導体板９は外周部に設置され、円形導波管６と空洞室４１、マイクロ波導入窓１０及び内側導体板８と外側導体板９は、中心軸を共有して軸対称に配置されている。内側導体板８の位置がこの中心軸からずれるとマイクロ波の軸対称な導入が難しくなり、プラズマ処理の均一性に影響を及ぼす。このため、位置ずれ抑制のために、マイクロ波導入窓１０には内側導体板８をはめこむための段差部が形成されている。あるいは段差部を形成せずに、すべりによる位置ずれ抑制のため、内側導体板８とマイクロ波導入窓１０間にゴムシートを設置しても良い。あるいは内側導体板８とマイクロ波導入窓１０を接着する手段を用いても良い。 Next, an enlarged view of the cavity 7 inside the cavity 41 is shown in FIG. The inner conductor plate 8 is installed in the central portion of the upper part of the microwave introduction window 10, and the outer conductor plate 9 is installed in the outer peripheral portion. The plates 9 share a central axis and are arranged axisymmetrically. If the position of the inner conductor plate 8 deviates from this central axis, it becomes difficult to introduce microwaves axisymmetrically, which affects the uniformity of plasma processing. Therefore, in order to suppress the misalignment, the microwave introduction window 10 is formed with a stepped portion for fitting the inner conductor plate 8. Alternatively, a rubber sheet may be installed between the inner conductor plate 8 and the microwave introduction window 10 in order to suppress misalignment due to slipping without forming a step portion. Alternatively, a means for adhering the inner conductor plate 8 and the microwave introduction window 10 may be used.

外側導体板９は前記と同様の理由によりマイクロ波導入窓１０の段差部にはめこまれて設置される。あるいは空洞室４１の側壁面にはめ込む形で設置されても良い。また、外側導体板９の外周面と空洞室４１の側壁面とは必ずしも接触している必要はなく、マイクロ波を透過しない範囲でわずかな隙間があっても良い。 The outer conductor plate 9 is fitted and installed in the stepped portion of the microwave introduction window 10 for the same reason as described above. Alternatively, it may be installed so as to be fitted into the side wall surface of the cavity 41. Further, the outer peripheral surface of the outer conductor plate 9 and the side wall surface of the cavity 41 do not necessarily have to be in contact with each other, and there may be a slight gap within a range in which microwaves are not transmitted.

図２において、Ｄ１は内側導体板８の外径、Ｄ２は円形導波管６の内径、Ｗ１は外側導体板９と内側導体板８間で形成される開口部の幅（内側導体板８の外径と外側導体板９の内径との差の半分）を表す。 In FIG. 2, D1 is the outer diameter of the inner conductor plate 8, D2 is the inner diameter of the circular waveguide 6, and W1 is the width of the opening formed between the outer conductor plate 9 and the inner conductor plate 8 (of the inner conductor plate 8). Half of the difference between the outer diameter and the inner diameter of the outer conductor plate 9).

「発明が解決しようとする課題」の欄において記載したように、プラズマ処理室１２内の圧力が高い場合、マイクロ波がプラズマ処理室１２の中心軸に沿って入射すると、プラズマ生成の局在化につながる要因となる。一見すると、マイクロ波の処理室中心軸への直接的入射を抑制するためには外側導体板９は必要なく、中心軸上に内側導体板８を設置するだけで良いように思われる。しかし、この構成ではマイクロ波導入窓１０内にてマイクロ波が中心部に回り込み、高圧時のプラズマの局在化の抑制が難しいことがわかった。 As described in the column of "Problems to be solved by the invention", when the pressure in the plasma processing chamber 12 is high and the microwave is incident along the central axis of the plasma processing chamber 12, the plasma generation is localized. It becomes a factor leading to. At first glance, it seems that the outer conductor plate 9 is not necessary to suppress the direct incident of microwaves on the central axis of the processing chamber, and it is sufficient to install the inner conductor plate 8 on the central axis. However, in this configuration, it was found that it is difficult to suppress the localization of plasma at high pressure because the microwave wraps around the center in the microwave introduction window 10.

本発明者らの検討の結果、高圧時におけるプラズマの中心軸への局在化抑制のためには、空洞部７内に内側導体板８と外側導体板９を設置し、更に、Ｄ１、Ｄ２、Ｗ１のパラメータを以下の式（１）及び（２）を満足する範囲で選択する必要があることがわかった。ここでλはマイクロ波の波長を表し、マイクロ波電力の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、約１２０ｍｍである。なお、本実施例では、Ｄ２はＴＥ１１モードのマイクロ波を伝送できる直径として９０ｍｍとした。 As a result of the studies by the present inventors, in order to suppress the localization of the plasma to the central axis at high pressure, the inner conductor plate 8 and the outer conductor plate 9 are installed in the cavity 7, and further, D1 and D2 , W1 parameters need to be selected within a range that satisfies the following equations (1) and (2). Here, λ represents the wavelength of the microwave, and when the frequency of the microwave power is 2.45 GHz, it is about 120 mm. In this embodiment, D2 has a diameter of 90 mm that can transmit microwaves in TE11 mode.

ここで、数１に示すように、導波管６の内径（Ｄ２）は、導体８の外径（Ｄ１）より小さくなるように設定する。 Here, as shown in Equation 1, the inner diameter (D2) of the waveguide 6 is set to be smaller than the outer diameter (D1) of the conductor 8.

また、数２に示すように、リング状の導体９の内径から導体８の外径を減じた値を２倍した値（２Ｗ１）は、マイクロ波の波長(λ)より大きく、かつ、マイクロ波の波長(λ)を３倍した値より小さい値に設定する。 Further, as shown in Equation 2, the value (2W1) obtained by doubling the value obtained by subtracting the outer diameter of the conductor 8 from the inner diameter of the ring-shaped conductor 9 is larger than the wavelength (λ) of the microwave and is a microwave. Set to a value smaller than the value obtained by multiplying the wavelength (λ) of.

図３はプラズマ処理室１２内部のプラズマ密度分布について、マイクロ波とプラズマ処理室１２内部の圧力を変えて計算した結果を示す。プラズマ処理室１２内部の圧力を低圧（０．４Ｐａ）：３０１と高圧（４Ｐａ）：３０２ごとに、マイクロ波の電力を低：３０３、中：３０４、高：３０５に切り替えたときの、プラズマ密度分布を示す。内側導体板８と外側導体板９の寸法は式（１）、（２）を満たす範囲で設定し、Ｄ１は１２０ｍｍ、Ｄ２は９０ｍｍ、Ｗ１は１００ｍｍとした。プラズマ密度は、マイクロ波の電磁界モデルとドリフト-拡散モデルの連成計算により見積もった。実際のプラズマ処理では複数種のガスが使われるが、簡単のためにＡｒガスの場合のみ考慮した。 FIG. 3 shows the results of calculation of the plasma density distribution inside the plasma processing chamber 12 by changing the microwave and the pressure inside the plasma processing chamber 12. Plasma density when the pressure inside the plasma processing chamber 12 is switched to low voltage (0.4 Pa): 301 and high voltage (4 Pa): 302, and the microwave power is switched to low: 303, medium: 304, high: 305. Shows the distribution. The dimensions of the inner conductor plate 8 and the outer conductor plate 9 were set within the range satisfying the equations (1) and (2), and D1 was 120 mm, D2 was 90 mm, and W1 was 100 mm. The plasma density was estimated by the coupled calculation of the microwave electromagnetic field model and the drift-diffusion model. Although multiple types of gas are used in actual plasma treatment, only the case of Ar gas was considered for the sake of simplicity.

図３から、プラズマ処理室１２内部の圧力が低圧：３０１の０．４Ｐａに設定した時にマイクロ波電力を低：３０３から中：３０４、または中：３０４から高：３０５に増加させると、プラズマ密度分布３１１乃至３１３が径方向外側に広がることがわかる。すなわち、マイクロ波源１から供給するマイクロ波を調整することにより、プラズマ処理室１２の内部におけるプラズマの径方向の密度分布を調整することができる。 From FIG. 3, when the pressure inside the plasma processing chamber 12 is set to 0.4 Pa of low pressure: 301 and the microwave power is increased from low: 303 to medium: 304, or medium: 304 to high: 305, the plasma density is increased. It can be seen that the distributions 311 to 313 spread outward in the radial direction. That is, by adjusting the microwave supplied from the microwave source 1, the density distribution of the plasma in the radial direction inside the plasma processing chamber 12 can be adjusted.

また、プラズマ処理室１２内部の圧力を４Ｐａの高圧：３０２に設定した時には、マイクロ波を低：３０３から中：３０４、または中：３０４から高：３０５に増加させると、プラズマ密度分布３２１乃至３２３がリング状に広がっていることがわかる。被処理基板１８に向かうにつれてプラズマが拡散していくためにコンター図下部に向かうにつれて径方向に均一なプラズマ分布が得られる。このようなプラズマの分布の傾向は、数十Ｐａ程度の高圧まで得られる。 Further, when the pressure inside the plasma processing chamber 12 is set to a high pressure of 4 Pa: 302, when the microwave is increased from low: 303 to medium: 304, or medium: 304 to high: 305, the plasma density distributions 321 to 323 are increased. Can be seen to spread in a ring shape. Since the plasma diffuses toward the substrate 18 to be processed, a uniform plasma distribution in the radial direction can be obtained toward the lower part of the contour diagram. Such a tendency of plasma distribution can be obtained up to a high pressure of about several tens of Pa.

制御部５０は、受光部２９−１と２９−２とで検出したそれぞれの信号を受けて発光分光器３１で構成される発光検出部３５により得られたプラズマの発光強度の径方向分布情報及びプラズマ処理室１２の内部の圧力の情報（プロセスレシピに基づく設定圧力の情報、又は、図示していない圧力計で計測して得た圧力情報）に基づき、マイクロ波源１から供給するマイクロ波電力、電磁コイル１３による外部磁場を調整し、所望のプラズマの径方向密度分布が得られるように調整する。 The control unit 50 receives the respective signals detected by the light receiving units 29-1 and 29-2, and receives the radial distribution information of the emission intensity of the plasma obtained by the emission detection unit 35 configured by the emission spectroscope 31 and the radial distribution information of the emission intensity of the plasma. Microwave power supplied from the microwave source 1 based on the pressure information inside the plasma processing chamber 12 (the set pressure information based on the process recipe or the pressure information obtained by measuring with a pressure gauge (not shown)). The external magnetic field generated by the electromagnetic coil 13 is adjusted so that a desired radial density distribution of plasma can be obtained.

あるいは、被処理基板１８の被処理膜の表面の反射光と裏面の反射光による干渉光をモニタリングして被処理膜の膜厚分布をモニタリングしても良い。計測した膜厚分布に基づき、マイクロ波電力、外部磁場を調整し、被処理膜が所望の膜厚分布が得られるようにプラズマ処理をしても良い。本実施例では発光を計測する箇所が２か所の場合について説明したが、これに限られることはなく、必要に応じて計測箇所を増やしても良い。 Alternatively, the film thickness distribution of the film to be treated may be monitored by monitoring the interference light due to the reflected light on the front surface of the film to be treated and the reflected light on the back surface of the substrate 18 to be treated. Microwave power and an external magnetic field may be adjusted based on the measured film thickness distribution, and plasma treatment may be performed so that the film to be processed can obtain a desired film thickness distribution. In this embodiment, the case where the light emission is measured at two points has been described, but the present invention is not limited to this, and the number of measurement points may be increased as needed.

本実施例によれば、０．１Ｐａ程度の低圧から数十Ｐａ程度の高圧までの広範な圧力領域において、ウエハ面内で均一なプラズマ処理を実現することができる。 According to this embodiment, uniform plasma treatment can be realized in the wafer surface in a wide pressure region from a low pressure of about 0.1 Pa to a high pressure of about several tens of Pa.

次に第二の実施例に係るエッチング装置２００の構成を図４に示す。第一の実施例で説明したエッチング装置１００と異なる点は、第二の実施例におけるエッチング装置２００では、内側導体板８−１と外側導体板９−１とを誘電体２５−１で接続して一体化し、それらを空洞室４１の内部の空洞部７で上下動させる可動機構２６がシリンダ２８を介して外側導体板９−１に接続された点である。以後、内側導体板８−１と外側導体板９−１と誘電体２５−１を総称してリング窓２７−１と呼ぶ。本実施例におけるエッチング装置２００のうち、第一の実施例で説明したエッチング装置１００と同じ構成には同じ番号を付して、説明を省略する。 Next, the configuration of the etching apparatus 200 according to the second embodiment is shown in FIG. The difference from the etching apparatus 100 described in the first embodiment is that in the etching apparatus 200 in the second embodiment, the inner conductor plate 8-1 and the outer conductor plate 9-1 are connected by a dielectric 25-1. The point is that the movable mechanism 26, which is integrated with each other and moves up and down in the cavity 7 inside the cavity 41, is connected to the outer conductor plate 9-1 via the cylinder 28. Hereinafter, the inner conductor plate 8-1 and the outer conductor plate 9-1 and the dielectric 25-1 are collectively referred to as a ring window 27-1. Of the etching apparatus 200 in this embodiment, the same configuration as the etching apparatus 100 described in the first embodiment is assigned the same number, and the description thereof will be omitted.

シリンダ２８は空洞部７内のマイクロ波電界の軸対称性を確保するために、空洞室４１の側壁近傍にあることが望ましい。また、可動機構２６はステッピングモータやエアシリンダなど任意の駆動機構を選べばよい。本構成により、可動機構２６によってリング窓２７を上下させることにより、プラズマ処理室１２へのマイクロ波の導入位置を調整することができる。 The cylinder 28 is preferably located near the side wall of the cavity 41 in order to ensure the axisymmetry of the microwave electric field in the cavity 7. Further, as the movable mechanism 26, an arbitrary drive mechanism such as a stepping motor or an air cylinder may be selected. With this configuration, the position where microwaves are introduced into the plasma processing chamber 12 can be adjusted by moving the ring window 27 up and down by the movable mechanism 26.

図５（Ａ）にリング窓２７−１を拡大した図を示す。内側導体板８−１、外側導体板９−１、リング状の誘電体２５−１にはそれぞれ図５（Ａ）に示すような段差部が形成され、一体となっている。 FIG. 5A shows an enlarged view of the ring window 27-1. The inner conductor plate 8-1, the outer conductor plate 9-1, and the ring-shaped dielectric 25-1 each have a stepped portion as shown in FIG. 5A, and are integrated with each other.

一方、図５（Ｂ）は図５（Ａ）で説明したリング窓２７−１とは別の構成を有するリング窓２７−２を示している。リング窓２７−２は、外側導体９−２の上に段差部を有する円板状の誘電体２５−２が載り、誘電体２５−２の上部に内側導体８−２が設置されている。 On the other hand, FIG. 5 (B) shows a ring window 27-2 having a configuration different from that of the ring window 27-1 described in FIG. 5 (A). In the ring window 27-2, a disk-shaped dielectric 25-2 having a stepped portion is placed on the outer conductor 9-2, and the inner conductor 8-2 is installed on the upper part of the dielectric 25-2.

内側導体板８−１と外側導体板９−１を誘電体２５−１で一体化できる構成であれば、誘電体２５−１の形は円形やリング状に限らなくても良い。また、内側導体板８−１、外側導体板９−１と誘電体２５−１は段差部にはめ込む構成としたが、可動機構２６でリング窓２７が可動した際に位置がずれる場合があるので、接着剤やネジ等で固定しても良い。 The shape of the dielectric 25-1 does not have to be limited to a circle or a ring as long as the inner conductor plate 8-1 and the outer conductor plate 9-1 can be integrated with the dielectric 25-1. Further, the inner conductor plate 8-1, the outer conductor plate 9-1 and the dielectric 25-1 are configured to be fitted in the stepped portion, but the position may shift when the ring window 27 is moved by the movable mechanism 26. , It may be fixed with an adhesive or a screw.

図６に本実施例における構成を用いたときのプラズマ密度分布の計算結果を示す。本計算は、プラズマ処理室１２内部の圧力を０．４Ｐａの低圧条件にて行った。図６（Ａ）はリング窓２７−１がマイクロ波導入窓１０の上に設置された状態におけるプラズマ密度分布３３１であり、実施例１とほぼ同等の構成である。図６（Ｂ）は可動機構２６により、リング窓２７−１をマイクロ波導入窓１０に対して上方に移動させた状態におけるプラズマ密度分布３３２である。 FIG. 6 shows the calculation result of the plasma density distribution when the configuration in this example is used. This calculation was performed under a low pressure condition of 0.4 Pa for the pressure inside the plasma processing chamber 12. FIG. 6A shows a plasma density distribution 331 in a state where the ring window 27-1 is installed on the microwave introduction window 10, and has almost the same configuration as that of the first embodiment. FIG. 6B shows a plasma density distribution 332 in a state where the ring window 27-1 is moved upward with respect to the microwave introduction window 10 by the movable mechanism 26.

被処理基板１８に近い方（図６（Ａ）及び（Ｂ）において下側の部分）において、図６（Ｂ）のプラズマ密度分布３３２は、図６（Ａ）のプラズマ密度分布３３１に比べて、径方向外側に広がることがわかる。すなわち、リング窓２７−１を上下させることにより、プラズマ密度の径方向分布を制御することができる。すなわち、第一の実施例に比べてより広範にプラズマ密度の径方向分布を調整でき、プラズマ処理に要求される均一性が得やすくなる。 The plasma density distribution 332 of FIG. 6 (B) is closer to the substrate 18 to be processed (lower portion in FIGS. 6 (A) and 6 (B)) than the plasma density distribution 331 of FIG. 6 (A). , It can be seen that it spreads outward in the radial direction. That is, the radial distribution of the plasma density can be controlled by moving the ring window 27-1 up and down. That is, the radial distribution of the plasma density can be adjusted more widely than in the first embodiment, and the uniformity required for plasma processing can be easily obtained.

また、プラズマ処理室１２内部の圧力を高圧に設定した場合には、実施例１の場合と同様に、マイクロ波を増加させると、プラズマ密度分布がリング状に広がり、被処理基板１８に向かうにつれてプラズマが拡散していくために被処理基板１８に近い領域で径方向に均一なプラズマ分布が得られる。このようなプラズマの分布の傾向は、数十Ｐａ程度の高圧まで得られる。 Further, when the pressure inside the plasma processing chamber 12 is set to a high pressure, as in the case of the first embodiment, when the microwave is increased, the plasma density distribution spreads in a ring shape, and as it approaches the substrate 18 to be processed. Since the plasma is diffused, a uniform plasma distribution in the radial direction can be obtained in a region close to the substrate 18 to be processed. Such a tendency of plasma distribution can be obtained up to a high pressure of about several tens of Pa.

本実施例においても、プラズマ１５の発光をモニタリングするために、円矩形変換器５及び空洞部７上方には受光部２９−１と２９−２とを備え、検出信号が光ファイバ３０を介して発光分光器３１に送られる。制御部５１は、発光分光器３１で得られたプラズマの発光強度の径方向分布の情報、及びプラズマ処理室１２の内部の圧力の情報（プロセスレシピに基づく設定圧力の情報、又は、図示していない圧力計で計測して得た圧力情報）に基づき、マイクロ波源１から供給するマイクロ波電力、リング窓２７−１の上下位置、電磁コイル１３による外部磁場を調整し、所望のプラズマの径方向密度分布が得られるように調整する。 Also in this embodiment, in order to monitor the light emission of the plasma 15, the light receiving portions 29-1 and 29-2 are provided above the circular rectangular converter 5 and the cavity portion 7, and the detection signal is transmitted via the optical fiber 30. It is sent to the emission spectroscope 31. The control unit 51 shows information on the radial distribution of the emission intensity of the plasma obtained by the emission spectroscope 31 and information on the pressure inside the plasma processing chamber 12 (information on the set pressure based on the process recipe, or illustrated. Based on the pressure information obtained by measuring with a pressure gauge, the microwave power supplied from the microwave source 1, the vertical position of the ring window 27-1, and the external magnetic field by the electromagnetic coil 13 are adjusted, and the desired plasma radial direction is adjusted. Adjust so that a density distribution is obtained.

あるいは、被処理基板１８の被処理膜の表面の反射光と裏面の反射光による干渉光をモニタリングして被処理膜の膜厚分布をモニタリングしても良い。計測した膜厚分布に基づき、マイクロ波電力、リング窓２７の上下位置、外部磁場を調整し、被処理膜が所望の膜厚分布が得られるようにプラズマ処理をしても良い。本実施例では発光を計測する箇所が２か所の場合について説明したが、これに限られることはなく、必要に応じて計測箇所を増やしても良い。 Alternatively, the film thickness distribution of the film to be treated may be monitored by monitoring the interference light due to the reflected light on the front surface of the film to be treated and the reflected light on the back surface of the substrate 18 to be treated. Based on the measured film thickness distribution, the microwave power, the vertical position of the ring window 27, and the external magnetic field may be adjusted, and plasma treatment may be performed so that the film to be processed has a desired film thickness distribution. In this embodiment, the case where the light emission is measured at two points has been described, but the present invention is not limited to this, and the number of measurement points may be increased as needed.

本実施例によれば、広範にプラズマ密度の径方向分布を調整でき、広範な圧力領域において、より均一なプラズマ処理を実現することができる。 According to this embodiment, the radial distribution of plasma density can be adjusted in a wide range, and more uniform plasma treatment can be realized in a wide pressure region.

次に第三の実施例を図７に示す。図７は空洞室４１とその周辺構造の拡大断面図である。本実施例において、内側導体板８−３と外側導体板９−３とを誘電体２５−３で接続して一体化し、それらを空洞室４１の内部の空洞部７で上下動させる可動機構２６がシリンダ２８を介して外側導体板９−３に接続されている構成は実施例２と同様であるが、内側導体板８−３と外側導体板９−３には無数の開口部４４が形成されている点が異なる。 Next, a third embodiment is shown in FIG. FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the cavity 41 and its peripheral structure. In this embodiment, the inner conductor plate 8-3 and the outer conductor plate 9-3 are connected by a dielectric 25-3 to be integrated, and the movable mechanism 26 moves them up and down in the cavity 7 inside the cavity 41. Is connected to the outer conductor plate 9-3 via the cylinder 28 in the same manner as in the second embodiment, but innumerable openings 44 are formed in the inner conductor plate 8-3 and the outer conductor plate 9-3. The point that is done is different.

内側導体板８−３と外側導体板９−３はマイクロ波を反射する必要があるため、開口部４４を透過してマイクロ波が伝搬しないように、開口部４４の開口径Ｄは、マイクロ波電力の波長に対して十分小さく設定される。例えば開口径Ｄは１ｍｍ以下であれば十分である。これにより、円形導波管６から空洞室４１に供給されたマイクロ波電力は、内側導体板８−３と外側導体板９−３を透過することができないが、プラズマ１５からの紫外光や可視光領域の光は開口部４４を通すことができる。あるいは、マイクロ波を反射し、光を透過する目的を満たすならば、内側導体板８−３と外側導体板９−３はＩＴＯ電極等の透明導電膜であっても良い。このとき、透明電極の厚みは、マイクロ波が透過しないような表皮深さ以上の厚みにする必要がある。 Since the inner conductor plate 8-3 and the outer conductor plate 9-3 need to reflect microwaves, the opening diameter D of the opening 44 is set to microwave so that the microwave does not propagate through the opening 44. It is set sufficiently small for the wavelength of power. For example, it is sufficient if the opening diameter D is 1 mm or less. As a result, the microwave power supplied from the circular waveguide 6 to the cavity 41 cannot pass through the inner conductor plate 8-3 and the outer conductor plate 9-3, but is visible or ultraviolet light from the plasma 15. Light in the light region can pass through the opening 44. Alternatively, the inner conductor plate 8-3 and the outer conductor plate 9-3 may be transparent conductive films such as ITO electrodes as long as they satisfy the purpose of reflecting microwaves and transmitting light. At this time, the thickness of the transparent electrode needs to be at least the skin depth so that microwaves do not pass through.

プラズマ１５の発光をモニタリングするために、円矩形変換器５及び空洞部７の上方には受光部２９−１と２９−２が設けられ、それぞれの検出信号が光ファイバ３０を介して発光分光器３１に送られる。発光分光器３１で得られたプラズマの発光強度の径方向分布情報は、図示していない制御部に送られる。それ以降の処理は実施例２の場合と同様であって、プラズマ処理で用いるマイクロ波電力、リング窓２７の上下位置、電磁コイル１３による外部磁場を調整し、所望のプラズマの径方向密度分布が得られるように調整する。 In order to monitor the light emission of the plasma 15, light receiving parts 29-1 and 29-2 are provided above the circular rectangular converter 5 and the hollow part 7, and the respective detection signals are transmitted through the optical fiber 30 to the light emitting spectroscope. Sent to 31. The radial distribution information of the emission intensity of the plasma obtained by the emission spectroscope 31 is sent to a control unit (not shown). Subsequent processing is the same as in the case of Example 2, and the microwave power used in the plasma processing, the vertical position of the ring window 27, and the external magnetic field by the electromagnetic coil 13 are adjusted to obtain a desired plasma radial density distribution. Adjust to obtain.

あるいは、被処理基板１８の被処理膜の表面の反射光と裏面の反射光による干渉光をモニタリングして被処理膜の膜厚分布をモニタリングしても良い。計測した膜厚分布に基づき、マイクロ波電力、リング窓２７の上下位置、外部磁場を調整し、被処理膜が所望の膜厚分布が得られるようにプラズマ処理をしても良い。本実施例では発光を計測する箇所が２か所しかないが、必要に応じて計測箇所を増やしても良い。 Alternatively, the film thickness distribution of the film to be treated may be monitored by monitoring the interference light due to the reflected light on the front surface of the film to be treated and the reflected light on the back surface of the substrate 18 to be treated. Based on the measured film thickness distribution, the microwave power, the vertical position of the ring window 27, and the external magnetic field may be adjusted, and plasma treatment may be performed so that the film to be processed has a desired film thickness distribution. In this embodiment, there are only two points for measuring light emission, but the number of measurement points may be increased as needed.

本発明は，半導体ウエハ等の基板上の試料をエッチング等で処理するプラズマ処理装置に適用可能である。 The present invention can be applied to a plasma processing apparatus that processes a sample on a substrate such as a semiconductor wafer by etching or the like.

１マイクロ波源
７空洞部
８内側導体板
９外側導体板
１０マイクロ波導入窓
１１シャワープレート
１２プラズマ処理室
１３電磁コイル
１４ヨーク
１７ガス供給手段
１８被処理基板
１９基板ステージ兼高周波電極
２０絶縁板
２２ターボ分子ポンプ
２４バイアス電源
２６可動機構
２７−１，２７−２リング窓
２８・・・シリンダ
２９−１，２９−２受光部
３１発光分光器
３５発光検出部
４０真空チャンバ
４１空洞室
５０，５１制御部 1 Microwave source
7 Cavity
8 Inner conductor plate
9 Outer conductor plate
10 Microwave introduction window
11 Shower plate
12 Plasma processing room
13 Electromagnetic coil
14 York
17 Gas supply means
18 Substrate to be processed
19 Substrate stage and high frequency electrode
20 Insulation plate
22 turbo molecular pump
24 Bias power supply
26 Movable mechanism
27-1, 27-2 Ring window
28 ... Cylinder
29-1, 29-2 Light receiving part
31 Luminescent spectroscope
35 Light emission detector
40 vacuum chamber
41 Cavity chamber
50,51 Control unit

Claims

試料がプラズマ処理される処理室と、導波管および空洞共振部を介してマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
前記空洞共振部内に配置されたリング状の電磁波導入手段をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。 In a plasma processing apparatus including a processing chamber in which a sample is plasma-processed, a high-frequency power source for supplying high-frequency microwave power via a waveguide and a cavity resonance portion, and a magnetic field forming means for forming a magnetic field in the processing chamber. ,
A plasma processing apparatus further comprising a ring-shaped electromagnetic wave introducing means arranged in the cavity resonance portion.

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電磁波導入手段は、導体と前記導体の外側に配置されたリング状の導体を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 1,
The electromagnetic wave introducing means is a plasma processing apparatus including a conductor and a ring-shaped conductor arranged outside the conductor.

請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記導波管の内径は、前記導体の外径より小さいことを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 2,
A plasma processing apparatus characterized in that the inner diameter of the waveguide is smaller than the outer diameter of the conductor.

請求項２または請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
前記リング状の導体の内径から前記導体の外径を減じた値を２倍した値は、前記マイクロ波の波長より大きく、かつ、前記マイクロ波の波長を３倍した値より小さいことを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 2 or 3.
The value obtained by doubling the value obtained by subtracting the outer diameter of the conductor from the inner diameter of the ring-shaped conductor is larger than the wavelength of the microwave and smaller than the value obtained by multiplying the wavelength of the microwave by three. Plasma processing equipment.

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電磁波導入手段を可動させる可動手段と、
所望のプラズマ密度となるように前記可動手段を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 1,
Movable means for moving the electromagnetic wave introducing means and
A plasma processing device further comprising a control device for controlling the movable means so as to obtain a desired plasma density.

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電磁波導入手段を可動させる可動手段と、
前記処理室内の圧力を基に前記可動手段を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 1,
Movable means for moving the electromagnetic wave introducing means and
A plasma processing device further comprising a control device that controls the movable means based on the pressure in the processing chamber.

請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記電磁波導入手段を可動させる可動手段と、
所望のプラズマ密度となるように前記可動手段を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 2,
Movable means for moving the electromagnetic wave introducing means and
A plasma processing device further comprising a control device for controlling the movable means so as to obtain a desired plasma density.

請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記電磁波導入手段を可動させる可動手段と、
前記処理室内の圧力を基に前記可動手段を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。 In the plasma processing apparatus according to claim 2,
Movable means for moving the electromagnetic wave introducing means and
A plasma processing device further comprising a control device that controls the movable means based on the pressure in the processing chamber.