JP2534219B2 - Microwave discharge reactor - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波放電反応装置
に関し、特にドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ装
置、スパッタリング装置、表面改質装置などに応用する
のに好適なマイクロ波放電反応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 discharge reaction apparatus, and more particularly to a microwave discharge reaction apparatus suitable for application to a dry etching apparatus, a plasma CVD apparatus, a sputtering apparatus, a surface reforming apparatus and the like. .

【０００２】[0002]

【従来の技術】マイクロ波領域の電磁波と磁場との相互
作用である電子サイクロトロン共鳴現象（ＥＣＲ）を利
用したマイクロ波放電反応装置として従来から各種のも
のが提案されている。これらのマイクロ波放電反応装置
では、一般に導波管を用いてマイクロ波を放電室に導入
し、空芯コイルにより発生された磁場との間にＥＣＲを
起こさせる構造を採用している。2. Description of the Related Art Various microwave discharge reactors have been proposed as a microwave discharge reactor utilizing an electron cyclotron resonance phenomenon (ECR) which is an interaction between an electromagnetic wave in a microwave region and a magnetic field. These microwave discharge reaction devices generally employ a structure in which microwaves are introduced into a discharge chamber using a waveguide and an ECR is caused between the microwave and the magnetic field generated by the air-core coil.

【０００３】マイクロ波導入に寸法上の制約の少ない同
軸線路を応用した例として、例えばA.Yonesu et.al.
“Production of a large diameter uniform ECR plas
mawith a Lisitano coil. ”Jpn.J.Appl.Phys.,27(198
9) L1746 等の文献に示されるマイクロ波放電反応装置
がある。このマイクロ波反応装置は、いわゆるリジタノ
コイル型であり、マイクロ波の導入に同軸管を用い、多
数のスリットを有する円筒状の電極をマイクロ波放射用
のアンテナとして用いて大面積の処理を可能とすること
を目的とした装置である。また同様な例としては、特開
平1-159379号公報に示されるように多数のスリットを有
する平板状電極をアンテナとして用いることで、大面積
を均一に処理することが試みられている。As an example of applying a coaxial line with few size restrictions to the introduction of microwaves, for example, A. Yonesu et.al.
“Production of a large diameter uniform ECR plas
mawith a Lisitano coil. ”Jpn.J.Appl.Phys., 27 (198
9) There is a microwave discharge reactor shown in the literature such as L1746. This microwave reactor is a so-called Rigitano coil type, which uses a coaxial tube to introduce microwaves and uses a cylindrical electrode having a large number of slits as an antenna for microwave radiation to enable large-area processing. This is a device for that purpose. As a similar example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-159379, it has been attempted to uniformly process a large area by using a flat plate electrode having a large number of slits as an antenna.

【０００４】[0004]

【発明が解決しようとする課題】半導体デバイス製造に
使用される被処理基板の寸法は近年ますます大きくな
り、直径３０ｃｍ程度の大型基板の均一処理が必要とさ
れつつある。そこで、大面積基板の処理に適した放電反
応装置の開発が急務となっている。ところが、従来の各
種のＥＣＲ装置にはそれぞれ下記のような未解決の課題
が存在する。In recent years, the size of a substrate to be processed used for manufacturing a semiconductor device has become larger and larger, and it is necessary to uniformly process a large substrate having a diameter of about 30 cm. Therefore, there is an urgent need to develop a discharge reactor suitable for processing a large area substrate. However, the various conventional ECR devices have the following unsolved problems, respectively.

【０００５】導波管によるマイクロ波導入と、空芯コイ
ルによる磁場を利用した装置に共通する問題としては、
使用する周波数領域によって導波管の大きさが決まって
いることに起因する装置設計上の制約、マイクロ波導入
用の窓の信頼性に対する不安、空芯コイルが大きいこと
による装置全体の大型化、高コスト化等があった。ま
た、この種の放電反応装置で効率よくプラズマを発生さ
せるには、マイクロ波の波長に依存した放電室の寸法上
の制約があり、また放電室全域に渡る均一性のよい磁場
の発生も困難になるため、マイクロ波放電反応装置の放
電室の寸法を単純に大きくするだけでは不均一になり、
大面積基板の均一性よい処理は困難であった。The problems common to the apparatus utilizing the microwave introduced by the waveguide and the magnetic field produced by the air-core coil are:
Device design restrictions due to the size of the waveguide being determined by the frequency range used, anxiety about the reliability of the window for introducing microwaves, upsizing of the entire device due to the large air core coil, There were higher costs. Further, in order to efficiently generate plasma with this type of discharge reactor, there are restrictions on the dimensions of the discharge chamber depending on the microwave wavelength, and it is difficult to generate a magnetic field with good uniformity over the entire discharge chamber. Therefore, simply increasing the size of the discharge chamber of the microwave discharge reactor will make it non-uniform,
It was difficult to process a large area substrate with good uniformity.

【０００６】また、前述の同軸線路を応用したいくつか
のマイクロ波放電装置においても空芯コイルによる磁場
を応用していることから、導波管型の装置と同じ理由に
よってプラズマの均一性が不十分なものであった。さら
にコイルが大型である欠点に対しては、なんら考慮され
ていなかった。Further, since the magnetic field by the air-core coil is also applied to some of the microwave discharge devices to which the above-mentioned coaxial line is applied, the uniformity of plasma is not uniform due to the same reason as the waveguide type device. It was enough. Further, no consideration has been given to the drawback that the coil is large.

【０００７】さらに本発明者らは、多数のスリットを有
する平板状の電極と永久磁石を組み合わせた、平面型Ｅ
ＣＲと呼ぶ大面積プラズマ発生用電極を先に提案した
（特願平2-400904号）。このマイクロ波放電反応装置で
は、放射型、星型等の所定の形態を有するスリットを備
える平板状電極を設け、放電室にマイクロ波を効率よく
放射し、同時にＥＣＲ条件を満足する磁場を発生させる
ための手段として同心円上に複数の円筒状磁石を設置し
た。これらの磁石の着磁方向は前記電極に垂直とし、且
つ隣合う円筒状永久磁石の着磁方向が互いに逆になるよ
うに配置した。このときの磁場強度は平板状電極のプラ
ズマが発生する面の近傍でＥＣＲ条件を満たすように設
定され、この構成により、平板状電極の表面近傍のごく
狭い領域にのみにプラズマを発生させることができた。
さらに上記のマイクロ波放電反応装置における磁気回
路、すなわち永久磁石による磁場は、空芯コイルによる
それとは異なり、磁場の及ぶ範囲が平板状電極の近傍の
みに限定されるため、被処理基板を磁場のごく弱いとこ
ろに設置することで磁場の形状に依らない均一性の良好
な表面処理を行うことができた。このように、平板状電
極（スリットアンテナ）と永久磁石を用いた磁気回路と
の組み合わせを利用して大面積にわたって均一性のよい
プラズマを発生させることが可能となった。Furthermore, the present inventors have combined a flat type electrode having a large number of slits and a permanent magnet with a flat type E.
A large-area plasma generation electrode called CR was previously proposed (Japanese Patent Application No. 2-400904). In this microwave discharge reaction device, a flat plate electrode having a slit having a predetermined shape such as a radiation type or a star type is provided, and microwaves are efficiently radiated into the discharge chamber, and at the same time, a magnetic field satisfying ECR conditions is generated. As a means for this, a plurality of cylindrical magnets are installed on a concentric circle. The magnetizing directions of these magnets were perpendicular to the electrodes, and the adjacent cylindrical permanent magnets were arranged so that their magnetizing directions were opposite to each other. The magnetic field strength at this time is set so as to satisfy the ECR condition near the surface of the flat plate electrode where plasma is generated. With this configuration, plasma can be generated only in a very narrow region near the surface of the flat plate electrode. did it.
Further, the magnetic circuit in the above microwave discharge reaction device, that is, the magnetic field by the permanent magnet is different from that by the air-core coil, and since the range of the magnetic field is limited only to the vicinity of the flat electrode, By installing it in a very weak place, it was possible to perform a surface treatment with good uniformity regardless of the shape of the magnetic field. As described above, it becomes possible to generate plasma with good uniformity over a large area by utilizing the combination of the flat electrode (slit antenna) and the magnetic circuit using the permanent magnet.

【０００８】他方、上記の平面型ＥＣＲ装置において
は、ＥＣＲ条件を永久磁石によって満足させているた
め、基板処理面には非常に弱い磁場しか存在せず、プラ
ズマは自由な拡散によって均一化するため、プラズマの
均一性は本質的に良好であるが、プラズマの均一性の良
好な場所はマイクロ波放射用のアンテナからある程度離
れる必要があり、基板処理面において高いプラズマ密度
を得るには大きなマイクロ波電力を投入する必要があっ
た。On the other hand, in the above flat type ECR apparatus, since the ECR condition is satisfied by the permanent magnet, only a very weak magnetic field exists on the substrate processing surface, and the plasma is made uniform by free diffusion. However, the plasma uniformity is essentially good, but the place where the plasma uniformity is good needs to be separated from the antenna for microwave radiation to some extent, and in order to obtain a high plasma density on the substrate processing surface, a large microwave is required. It was necessary to turn on the power.

【０００９】本発明の目的は、先に提案した装置の磁気
回路の構成をさらに改良し、より実用性が高い平面型の
マイクロ波放電反応装置を提供することにある。An object of the present invention is to further improve the structure of the magnetic circuit of the previously proposed apparatus and to provide a planar microwave discharge reaction apparatus having higher practicality.

【００１０】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に係るマイクロ波
放電反応装置は、内部を減圧状態に保持する機構とガス
を導入する機構を備える真空容器と、真空容器内にマイ
クロ波を導入してガスをプラズマ化するプラズマ発生機
構と、このプラズマ発生機構と所定の間隔をおいて対向
して設置される基板保持機構とを備え、前記プラズマ発
生機構は、マイクロ波を真空容器内に導入する同軸型マ
イクロ波伝送路と、マイクロ波を放射する所定の長さと
幅のスリットを少なくとも１本有する平板状電極と、平
板状電極の近傍に軸方向に磁化された複数の円筒状永久
磁石を、隣合うもの同士でその磁化方向が互いに逆にな
るように同心円的に配置してなる磁場発生手段とから構
成され、複数の円筒状永久磁石のそれぞれによる磁場強
度を所望の状態に異ならせるように構成される。A microwave discharge reactor according to the present invention comprises a vacuum container having a mechanism for maintaining a reduced pressure inside and a mechanism for introducing gas, and a microwave container for introducing microwaves into the vacuum container. A plasma generating mechanism for converting gas into plasma and a substrate holding mechanism facing the plasma generating mechanism at a predetermined interval are provided. The plasma generating mechanism is a coaxial device for introducing microwaves into the vacuum container. Type microwave transmission path, a flat plate electrode having at least one slit of a predetermined length and width for radiating microwaves, and a plurality of axially magnetized cylindrical permanent magnets adjacent to the flat plate electrode, It is composed of magnetic field generating means arranged concentrically so that the magnetizing directions of the matching magnets are opposite to each other, and makes the magnetic field strength of each of the plurality of cylindrical permanent magnets into a desired state. Configured to become.

【００１１】前記の構成において、好ましくは、内側の
円筒状永久磁石の磁場強度を弱くし、外側の円筒状永久
磁石の磁場強度を強くしたことを特徴とする。In the above structure, preferably, the magnetic field strength of the inner cylindrical permanent magnet is weakened and the magnetic field strength of the outer cylindrical permanent magnet is strengthened.

【００１２】前記の構成において、好ましくは、内側の
円筒状永久磁石の磁場強度を強くし、外側の円筒状永久
磁石の磁場強度を弱くしたことを特徴とする。In the above structure, preferably, the magnetic field strength of the inner cylindrical permanent magnet is increased and the magnetic field strength of the outer cylindrical permanent magnet is decreased.

【００１３】前記の構成において、好ましくは、中央の
円筒状永久磁石の磁場強度を相対的に弱くしたことを特
徴とする。In the above construction, preferably, the magnetic field strength of the central cylindrical permanent magnet is relatively weakened.

【００１４】前記の各構成において、好ましくは、円筒
状永久磁石の軸方向の長さを変えることによってその磁
場強度を変えるようにする。In each of the above-mentioned constitutions, preferably, the magnetic field strength is changed by changing the axial length of the cylindrical permanent magnet.

【００１５】[0015]

【作用】本発明によるマイクロ波放電反応装置では、プ
ラズマを発生させるための平面状電極の近くに設置され
る磁気回路の構成を工夫することにより、プラズマの均
一性の良好な範囲を従来よりも広い状態から狭い状態ま
で自由に制御できる。またセパラトリクスの形状につい
て所望の磁場を作り出すために、例えば軸方向の長さを
適宜に調整し、目的に応じて最適化された複数の円筒状
永久磁石を設ける。このため、例えばセパラトリクスを
拡大させた磁場は、電極近傍で発生したプラズマを電極
からの距離が短い間に均一性よく拡散する。そのため処
理の均一性を保ったまま被処理基板を電極に近いところ
に設置することが可能となった。電極の近傍でセパラト
リクスを狭くした磁場は、基板の処理に高密度プラズマ
を利用できるので、処理速度の速い表面処理を行うこと
が可能である。In the microwave discharge reactor according to the present invention, the range of good plasma uniformity can be improved as compared with the conventional case by devising the structure of the magnetic circuit installed near the planar electrode for generating plasma. It can be controlled freely from a wide state to a narrow state. Further, in order to create a desired magnetic field for the shape of the separatrix, for example, the axial length is appropriately adjusted, and a plurality of cylindrical permanent magnets optimized according to the purpose are provided. Therefore, for example, the magnetic field in which the separatrix is expanded diffuses the plasma generated near the electrode with good uniformity while the distance from the electrode is short. Therefore, it became possible to install the substrate to be processed near the electrode while maintaining the uniformity of processing. The magnetic field having a narrowed separation in the vicinity of the electrodes can use high-density plasma for processing the substrate, and thus can perform surface processing at a high processing speed.

【００１６】[0016]

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【００１７】図１は、本発明に係るマイクロ波放電反応
装置の内部構造を示す要部断面図、図２は平板状電極の
一例を示す正面図、図３は磁場すなわち磁力線の分布状
態を示す図である。FIG. 1 is a sectional view showing an internal structure of a microwave discharge reactor according to the present invention, FIG. 2 is a front view showing an example of a plate electrode, and FIG. 3 shows a distribution state of magnetic fields, that is, lines of magnetic force. It is a figure.

【００１８】図１において１は真空容器である。真空容
器１の形状は任意であり、真空容器１の内部には気密性
を有する基板処理空間が形成される。真空容器１の内部
にはプラズマ発生機構２、基板保持機構３が設置され
る。基板保持機構３は絶縁体４を用いて真空容器１に固
定される。真空容器１には、さらに、プラズマの生成に
用いられるガスを導入するガス供給機構と、真空容器内
を所要の減圧状態にする排気機構とを備える。ガス供給
機構と排気機構は一般的によく知られているのでその図
示を省略する。In FIG. 1, reference numeral 1 is a vacuum container. The shape of the vacuum container 1 is arbitrary, and an airtight substrate processing space is formed inside the vacuum container 1. A plasma generating mechanism 2 and a substrate holding mechanism 3 are installed inside the vacuum container 1. The substrate holding mechanism 3 is fixed to the vacuum container 1 using an insulator 4. The vacuum container 1 further includes a gas supply mechanism that introduces a gas used for plasma generation, and an exhaust mechanism that brings the inside of the vacuum container into a required reduced pressure state. Since the gas supply mechanism and the exhaust mechanism are generally well known, their illustration is omitted.

【００１９】プラズマ発生機構２の要部は、平板状電極
５と、磁気回路６と、磁気回路６を固定するための裏板
７によって構成される。平板状電極５は、真空容器１内
で電場を形成し磁気回路６による磁場との相互作用でプ
ラズマ放電を発生させる機能を有し、金属等の導電性物
質で形成される板材である。磁気回路６は軸方向に磁化
された例えば３つの円筒状（またはリング状）の永久磁
石８からなる。３つの永久磁石８はそれぞれ径が異な
り、平板状電極５のマイクロ波供給点（中心点）を中心
として同心円の位置に配置され、裏板７に固定される。
裏板７は導電性の板材であって接地電位に保持される。
各永久磁石８は、円筒の端面にＮまたはＳの極性が形成
される。そして、３つの永久磁石の極性の配置は、隣合
うもの同士で互いに逆になるように設定される。例え
ば、裏板７に接触する永久磁石８の端面において、最も
径の小さい内側の永久磁石の極性がＳ、中間の径の永久
磁石の極性がＮ、最も径の大きい外側の永久磁石の極性
がＳとして配置される。かかる配置に従えば、中間位置
に存在する永久磁石の端面からその内側およびその外側
の永久磁石のそれぞれの端面に向かって磁力線が形成さ
れる。このため、平板状電極５の表面には比較的に表面
に近い空間でほぼ垂直の磁力線の分布が形成される。The main part of the plasma generating mechanism 2 is composed of a flat plate electrode 5, a magnetic circuit 6, and a back plate 7 for fixing the magnetic circuit 6. The plate electrode 5 has a function of forming an electric field in the vacuum container 1 and generating a plasma discharge by interaction with a magnetic field by the magnetic circuit 6, and is a plate material made of a conductive material such as metal. The magnetic circuit 6 is composed of, for example, three cylindrical (or ring-shaped) permanent magnets 8 magnetized in the axial direction. The three permanent magnets 8 have different diameters, are arranged in concentric circles around the microwave supply point (center point) of the plate electrode 5, and are fixed to the back plate 7.
The back plate 7 is a conductive plate material and is held at the ground potential.
Each permanent magnet 8 has an N or S polarity formed on the end surface of the cylinder. The polar arrangements of the three permanent magnets are set so that adjacent magnets are opposite to each other. For example, on the end surface of the permanent magnet 8 that contacts the back plate 7, the innermost permanent magnet with the smallest diameter has the polarity S, the permanent magnet with the middle diameter has the polarity N, and the outermost permanent magnet with the largest diameter has the polarity. It is arranged as S. According to this arrangement, lines of magnetic force are formed from the end faces of the permanent magnet existing at the intermediate position toward the respective end faces of the inner magnet and the outer permanent magnet. Therefore, on the surface of the flat plate-shaped electrode 5, a distribution of almost perpendicular magnetic force lines is formed in a space relatively close to the surface.

【００２０】円筒形状の各永久磁石８の軸方向の長さに
ついては適当に決めることができ、この実施例では、例
えば最内側と最外側の永久磁石の長さが中間位置の永久
磁石の長さよりも長く、ほぼ２倍になるように設計され
る。図１に示された例で明らかなように、最内側と最外
側の永久磁石は、軸方向の長さについて中間位置の永久
磁石を２つ分の長さで設けることにより、軸方向の長さ
を２倍にしている。従って、最内側と最外側の永久磁石
によって形成される磁場強度は、中間位置の永久磁石の
磁場強度の２倍になっている。The axial length of each of the cylindrical permanent magnets 8 can be appropriately determined. In this embodiment, for example, the innermost and outermost permanent magnets have intermediate lengths. It is designed to be almost twice as long and longer than that. As is clear from the example shown in FIG. 1, the innermost and outermost permanent magnets are provided with two permanent magnets at intermediate positions with respect to the axial length, so that the axial length can be increased. Is doubled. Therefore, the magnetic field strength formed by the innermost and outermost permanent magnets is twice the magnetic field strength of the intermediate permanent magnets.

【００２１】各永久磁石８の厚みや永久磁石間の間隔
は、適用されるマイクロ波放電反応装置の大きさに応じ
て、またはその他の条件を考慮して実験的にそのつど定
められる。平板状電極５と裏板７の間には必要な寸法の
隙間が設けられる。この寸法も実験的に決められる。当
該隙間は、平板状電極７の表面に一定の強さの磁場を発
生させる必要上あまり大きくすることはできず、反対に
あまり小さくすると、マイクロ波の伝播に支障をきた
す。そこで通常１〜１０mm程度に設定される。The thickness of each permanent magnet 8 and the interval between the permanent magnets are experimentally determined in accordance with the size of the microwave discharge reactor to be applied or in consideration of other conditions. A gap having a required size is provided between the plate electrode 5 and the back plate 7. This dimension is also determined experimentally. The gap cannot be made too large in order to generate a magnetic field having a constant strength on the surface of the flat plate electrode 7. On the contrary, if it is made too small, the microwave propagation is hindered. Therefore, it is usually set to about 1 to 10 mm.

【００２２】平板状電極５の正面形状の一例を図２に示
す。９は平板状電極５の前面空間に電場を形成するアン
テナとして設けられたスリットである。スリット９は複
数形成される。スリット９には種々の形状が考えられる
が、本発明によるプラズマ均一性の向上の効果はスリッ
トの形状に依存しない。スリット形状は主としてマイク
ロ波電力の利用効率に影響するものであるため、ここで
はスリット形状には言及しないものとする。設定された
条件の下で平板状電極５の中心点１０にマイクロ波電力
が供給されると、スリット９の上には定在波が形成され
る。この定在波による電場は、磁気回路６による磁場と
相互に作用し合い、プラズマを生成することができる条
件を作る。FIG. 2 shows an example of the front shape of the plate electrode 5. Reference numeral 9 is a slit provided as an antenna for forming an electric field in the front space of the flat electrode 5. A plurality of slits 9 are formed. Although various shapes can be considered for the slit 9, the effect of improving the plasma uniformity according to the present invention does not depend on the shape of the slit. Since the slit shape mainly affects the utilization efficiency of microwave power, the slit shape will not be mentioned here. When microwave power is supplied to the center point 10 of the plate electrode 5 under the set conditions, a standing wave is formed on the slit 9. The electric field generated by the standing wave interacts with the magnetic field generated by the magnetic circuit 6 to create a condition in which plasma can be generated.

【００２３】上記のプラズマ発生機構２に対しマイクロ
波を供給するための手段は同軸線路（同軸管）である。
この同軸線路は、外部導体１１と、内部導体１２と、真
空封止をするための同軸窓１３と、真空容器１の外部に
配置されマイクロ波電源からマイクロ波電力を導くため
の矩形導波管１４と、この矩形導波管１４と前記同軸線
路を接続する同軸導波管変換器１５とによって構成され
る。外部導体１１は裏板７に接続され、内部導体１２は
平板状電極５に接続される。A means for supplying microwaves to the plasma generating mechanism 2 is a coaxial line (coaxial tube).
This coaxial line includes an outer conductor 11, an inner conductor 12, a coaxial window 13 for vacuum sealing, and a rectangular waveguide arranged outside the vacuum container 1 for guiding microwave power from a microwave power supply. 14 and a coaxial waveguide converter 15 that connects the rectangular waveguide 14 and the coaxial line. The outer conductor 11 is connected to the back plate 7, and the inner conductor 12 is connected to the plate electrode 5.

【００２４】上記のマイクロ波放電反応装置で基板処理
を行うためには、まず真空容器１内を排気ポート１６か
ら、図示しない排気機構（真空ポンプで構成される）を
用いて所定の圧力まで排気した後、図示しないガス供給
機構を用いて放電反応装置で用いるガスを所定の圧力ま
で導入する。In order to perform the substrate processing by the above microwave discharge reaction apparatus, first, the inside of the vacuum container 1 is exhausted from the exhaust port 16 to a predetermined pressure by using an exhaust mechanism (not shown) (composed of a vacuum pump). After that, the gas used in the discharge reactor is introduced to a predetermined pressure by using a gas supply mechanism (not shown).

【００２５】基板保持機構３は基板ホルダ１７を含み、
例えば基板ホルダ１７は固定軸１８によって真空容器１
の内部に設置される。固定軸１８は、真空容器１の上壁
に絶縁体４を介して取り付けられる。絶縁体４は真空封
止の機能を有し、かつ基板保持機構３を浮遊電位とす
る。基板ホルダ１７と固定軸１８の内部には、基板を冷
却または加熱するための機構を設けることもできる。真
空容器１内で実施されるプロセスの内容に応じて、図示
しない電源を用いて基板ホルダ１７に直流または高周波
等のバイアス電圧を印加することもできる。処理される
基板１９は、基板ホルダ１７の上に配置される。基板１
９の処理面は、プラズマ発生機構２の平板状電極５の正
面に対向している。マイクロ波電源から平板状電極５に
マイクロ波電力を供給することでスリット９上の定在波
による電場、および磁気回路６による磁場の相互作用
で、平板状電極５と基板ホルダ１７の間にプラズマが生
成され、基板１９の表面に所定の放電反応を起こすこと
ができる。このときに、磁気回路６で形成される磁場の
強度が、平板状電極５の表面よりも基板１９側の箇所に
おいて、平板状電極５に供給されるマイクロ波の周波数
に対して電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の条件を満
たしていれば、プラズマ発生効率を非常に高いものとす
ることができる。なお基板１９を搬入または搬出する機
構の図示は省略している。The substrate holding mechanism 3 includes a substrate holder 17,
For example, the substrate holder 17 is fixed to the vacuum container 1 by the fixed shaft 18.
Installed inside the. The fixed shaft 18 is attached to the upper wall of the vacuum container 1 via the insulator 4. The insulator 4 has a vacuum sealing function, and makes the substrate holding mechanism 3 have a floating potential. A mechanism for cooling or heating the substrate may be provided inside the substrate holder 17 and the fixed shaft 18. A bias voltage such as a direct current or a high frequency can be applied to the substrate holder 17 by using a power source (not shown) according to the content of the process performed in the vacuum container 1. The substrate 19 to be processed is placed on the substrate holder 17. Board 1
The processing surface 9 faces the front surface of the flat plate-shaped electrode 5 of the plasma generating mechanism 2. By supplying microwave power from the microwave power source to the flat plate-shaped electrode 5, the electric field generated by the standing wave on the slit 9 and the magnetic field generated by the magnetic circuit 6 interact with each other to generate plasma between the flat plate-shaped electrode 5 and the substrate holder 17. Are generated, and a predetermined discharge reaction can occur on the surface of the substrate 19. At this time, the intensity of the magnetic field formed by the magnetic circuit 6 is at a portion closer to the substrate 19 than the surface of the flat plate electrode 5 with respect to the frequency of the microwave supplied to the flat plate electrode 5 by electron cyclotron resonance ( If the condition of ECR) is satisfied, the plasma generation efficiency can be made extremely high. A mechanism for loading or unloading the substrate 19 is not shown.

【００２６】なお図１に示された構成は概念的なもので
あり、具体的な同軸線路の結合構造や磁気回路の取付け
構造によって作用が等価な任意の構造を採用することが
できる。The configuration shown in FIG. 1 is conceptual, and any structure having an equivalent action can be adopted depending on the specific coupling structure of the coaxial lines and the mounting structure of the magnetic circuit.

【００２７】最近の半導体製造に用いられるマイクロ波
放電反応装置では、低いガス圧力において高密度かつ均
一性のよいプラズマを発生させ、被処理基板の表面処理
を行う必要がある。かかる処理には、前記構成を有する
本発明のマイクロ波放電反応装置が適している。それ
は、本発明による磁気回路６が、均一性の特に優れたプ
ラズマの生成に適しているためである。In the recent microwave discharge reactor used for semiconductor manufacturing, it is necessary to generate high-density and highly uniform plasma at a low gas pressure to carry out the surface treatment of the substrate to be treated. The microwave discharge reaction device of the present invention having the above configuration is suitable for such treatment. This is because the magnetic circuit 6 according to the present invention is suitable for generating a plasma with particularly excellent uniformity.

【００２８】ここで本発明者らの研究により判明した磁
気回路の構成とプラズマ均一性との関連について簡単に
述べる。本発明者らは、プラズマの均一性を決定する要
因を研究した結果、 S.Iizuka et.al. “ Production
of large diameter uniformplasma for material proc
essing”Proc. 9th.Symp.plasma Processing (1992)32
7. に示されるように、プラズマの拡散状態は非常に弱
い磁場によっても影響を受けることを見い出した。例え
ば前記磁気回路６において３つの円筒状永久磁石８のそ
れぞれの軸方向の長さがすべて同じである場合におい
て、この磁気回路によって形成される磁力線分布では、
外側に位置する２つの円筒状永久磁石（中央と最外側の
永久磁石）で形成される磁力線と内側に位置する２つの
円筒状永久磁石（中央と最内側の永久磁石）で形成され
る磁力線との間に形成される境界面（セパラトリクスと
いう）の位置と、プラズマ浮遊電位の極小値の位置とが
対応しており、かつ、プラズマ密度の均一性はこの浮遊
電位極小部にとりかこまれた内側で良好であることが判
明した。この知見に基づいて、プラズマ密度の均一性が
良好である部分を大きくするには、磁力線の境界面すな
わちセパラトリクスが外側に広がるように磁気回路を構
成することが有効であることが結論された。そこで本発
明では、上記実験結果に鑑み、磁気回路の構成を工夫す
ることにより、プラズマ均一性の良好な平面ＥＣＲ型マ
イクロ波放電反応装置を提案するもので、その１つの実
施例として前述の構成が提案される。Here, the relationship between the configuration of the magnetic circuit and the plasma uniformity found by the study of the present inventors will be briefly described. The present inventors have studied the factors that determine the uniformity of plasma, and as a result, S.Iizuka et.al.
of large diameter uniform plasma for material proc
essing ”Proc. 9th.Symp.plasma Processing (1992) 32
As shown in 7., we have found that the plasma diffusion state is affected by a very weak magnetic field. For example, in the case where the axial lengths of the three cylindrical permanent magnets 8 are all the same in the magnetic circuit 6, the magnetic field distribution formed by this magnetic circuit is as follows:
Magnetic field lines formed by two cylindrical permanent magnets located outside (center and outermost permanent magnets) and magnetic field lines formed by two cylindrical permanent magnets located inside (center and innermost permanent magnets) The position of the boundary surface (called separatrix) that is formed between the two and the position of the minimum value of the plasma floating potential correspond to each other, and the uniformity of the plasma density is the inside of this floating potential minimum part. It turned out to be good. Based on this finding, it was concluded that it is effective to configure the magnetic circuit so that the boundary surface of the magnetic field lines, that is, the separatorix, spreads outward in order to increase the portion where the uniformity of the plasma density is good. In view of the above experimental results, the present invention proposes a planar ECR type microwave discharge reactor with good plasma uniformity by devising the structure of the magnetic circuit. One of the examples is the above-mentioned structure. Is proposed.

【００２９】次に磁気回路６の構造決定方法について述
べる。発明者らの研究結果によるとプラズマの均一性を
決定する最も重要な要因は、前記したように磁力線の境
界部すなわちセパラトリクスの形状である。セパラトリ
クスがなるべく外側に向くように磁気回路を設計すれ
ば、電極に近い部分、すなわちプラズマ密度の大きい部
分で広い範囲に均一性のよいプラズマの発生が可能であ
る。Next, a method of determining the structure of the magnetic circuit 6 will be described. According to the results of research conducted by the inventors, the most important factor that determines the uniformity of plasma is the shape of the boundary portion of the magnetic field lines, that is, the separatrix, as described above. If the magnetic circuit is designed so that the separation is directed to the outside as much as possible, it is possible to generate plasma with good uniformity in a wide range in a portion close to the electrode, that is, a portion having a high plasma density.

【００３０】前記実施例で説明した磁気回路６は最適設
計の一例である。ここでは説明の便宜上、磁気回路６を
構成する円筒状永久磁石を、内側から１列目、２列目、
３列目と呼ぶことにする。図３には図１に示した磁気回
路６によって発生する磁力線２０を計算により求めた結
果を示す。図３において２１は平板状電極５を概念的に
表しているものとする。同一の軸方向長さを有する従来
の３つの円筒状永久磁石を用いた場合に発生する磁力線
の形状の計算結果によれば、セパラトリクスは磁気回路
の２列目と３列目の間から比較的垂直に近い形で立ち上
がり、電極から離れた位置で外側に発散する。これに対
して、磁気回路６によれば、図３に示すようにセパラト
リクス２２は外側に向って大きく広がるという特徴を有
する。このセパラトリクスの形状に対応してプラズマ特
性の測定結果も均一性の良好な部分が大きく広がってお
り、マイクロ波放電反応装置として良好な特性を有する
ことが明らかとなる。The magnetic circuit 6 described in the above embodiment is an example of optimum design. Here, for convenience of explanation, the cylindrical permanent magnets forming the magnetic circuit 6 are arranged in the first row, second row,
We will call it the third column. FIG. 3 shows the result of calculation of the magnetic force lines 20 generated by the magnetic circuit 6 shown in FIG. In FIG. 3, reference numeral 21 conceptually represents the plate electrode 5. According to the calculation result of the shape of the lines of magnetic force generated when the conventional three cylindrical permanent magnets having the same axial length are used, the separatorix is relatively large between the second and third rows of the magnetic circuit. It rises in a nearly vertical fashion and diverges outwards away from the electrodes. On the other hand, according to the magnetic circuit 6, as shown in FIG. 3, the separatrix 22 has a feature that it spreads widely toward the outside. Corresponding to the shape of the separatrix, the measurement result of the plasma characteristics shows that the portion with good uniformity is widely spread, and it is clear that the microwave discharge reactor has good characteristics.

【００３１】さらに本発明による磁気回路の設計によれ
ば、プラズマの発散の制御にも使用可能である。図４に
は３列目の永久磁石の軸方向の長さを１列目および２列
目の長さに比較して２倍とした場合の磁気回路の第２実
施例を示す。図５には図４に示す磁気回路６によって発
生する磁力線を示す。この実施例においてはセパラトリ
クス２２は、平板状電極５から離れる方向に向かって一
旦せばまってから広がる傾向を示しており、プラズマ均
一性の良好な範囲もこれに対応していることがわかる。
またこの実施例例においては、プラズマの均一性の良好
な範囲は狭いが、中心軸上の密度は前記実施例よりも大
きく、プラズマの発散が抑制されているためにプラズマ
損失の小さいことを示している。Furthermore, the design of the magnetic circuit according to the invention can also be used to control the divergence of plasma. FIG. 4 shows a second embodiment of the magnetic circuit in which the axial length of the permanent magnets in the third row is doubled compared with the lengths in the first and second rows. FIG. 5 shows lines of magnetic force generated by the magnetic circuit 6 shown in FIG. In this example, the separatrix 22 has a tendency to be once held in the direction away from the plate electrode 5 and then spread, and it can be seen that the range of good plasma uniformity also corresponds to this.
Further, in this example, although the range of good plasma uniformity is narrow, the density on the central axis is larger than that in the above example, and it is shown that plasma loss is small because plasma divergence is suppressed. ing.

【００３２】前記実施例で明らかなように、本発明によ
れば従来より広い範囲に均一性の良好なプラズマを発生
すること可能となった。磁気回路の構成を決定する有力
な方法として磁力線の計算が挙げられる。この計算は、
例えば有限要素法などによって簡単に実行することがで
きる。計算結果と、実際のプラズマの密度分布とがよく
一致することは、本発明らの実験結果から明らかである
が、実験的に結果を確信するには、例えばラングミュア
プローブ等の方法が有効である。As is apparent from the above-mentioned embodiment, according to the present invention, it becomes possible to generate a plasma with good uniformity over a wider range than in the past. Calculation of magnetic field lines is one of the most effective methods for determining the configuration of a magnetic circuit. This calculation is
For example, it can be easily executed by the finite element method. It is clear from the experimental results of the present invention that the calculated results and the actual plasma density distribution are in good agreement, but in order to be convinced of the experimental results, a method such as Langmuir probe is effective. .

【００３３】上記のごとく、磁気回路の構造を工夫する
ことによりプラズマの均一性の良好な範囲を広げること
が可能となり、容易に大面積基板の処理を達成でき、マ
イクロ波放電反応装置として利用すれば、従来よりも格
段に優れた結果を得ることができる。また使用目的に応
じて磁気回路の構成を変化させることで、より狭い範囲
により高速の処理を施すことも可能であり、表面処理装
置としての応用の可能性が広くなる。As described above, by devising the structure of the magnetic circuit, it becomes possible to widen the range of favorable plasma uniformity, and it is possible to easily achieve the treatment of a large area substrate and use it as a microwave discharge reactor. Thus, it is possible to obtain a result that is far superior to the conventional one. Further, by changing the configuration of the magnetic circuit according to the purpose of use, it is possible to perform high-speed processing in a narrower range, and the possibility of application as a surface processing apparatus is widened.

【００３４】前記各実施例では、円筒状永久磁石の軸方
向の長さを変えることで各永久磁石の磁場強度を変える
ように構成したが、磁石の磁化の程度や材質を変えるこ
とで磁場強度を変えることもできる。In each of the above-mentioned embodiments, the magnetic field strength of each permanent magnet is changed by changing the axial length of the cylindrical permanent magnet. However, the magnetic field strength is changed by changing the magnetization degree and material of the magnet. Can be changed.

【００３５】[0035]

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、マイクロ波放電反応室である真空容器に、所定の
形態を有したスリットを備える平板状電極とこの電極に
対して上記スリットの長さ方向と同一方向の磁場を発生
する磁気回路を備える電極装置において、前記磁気回路
は複数の円筒状永久磁石を同心円的に配置して形成し、
かつ各永久磁石の磁場強度を必要に応じて適宜に変更
し、磁場に形成されるセパラトリクスを望ましい形状に
なるように形成したため、プラズマ密度の均一性の範囲
を拡大すること、または目的に応じてプラズマ密度の均
一性の範囲を縮小して密度を高め処理速度を向上するこ
とができる。プラズマ密度を拡大することにより大面積
基板の処理を実現することができる。またマイクロ波放
電反応装置を簡単な構成で小型かつ安価に製作すること
ができ、実用性の高い装置を実現できる。As is apparent from the above description, according to the present invention, a vacuum vessel which is a microwave discharge reaction chamber is provided with a flat plate-like electrode provided with a slit having a predetermined shape, and the slit for the electrode. In an electrode device including a magnetic circuit that generates a magnetic field in the same direction as the length direction of the magnetic circuit, the magnetic circuit is formed by concentrically arranging a plurality of cylindrical permanent magnets,
And since the magnetic field strength of each permanent magnet was changed appropriately as necessary, and the separatorix formed in the magnetic field was formed to have a desired shape, it is possible to expand the range of the uniformity of the plasma density, or according to the purpose. The range of plasma density uniformity can be reduced to increase density and improve processing speed. By increasing the plasma density, processing of large area substrates can be realized. Further, the microwave discharge reaction device can be manufactured in a small size at a low cost with a simple structure, and a highly practical device can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明に係るマイクロ波放電反応装置の内部構
造を示す縦断面図である。FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the internal structure of a microwave discharge reaction device according to the present invention.

【図２】平板状電極の正面図である。FIG. 2 is a front view of a flat electrode.

【図３】第１実施例の磁気回路による磁力線分布状態を
示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a magnetic field line distribution state by the magnetic circuit of the first embodiment.

【図４】磁気回路の第２実施例を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the magnetic circuit.

【図５】第２実施例の磁気回路による磁力線分布状態を
示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a magnetic field line distribution state by the magnetic circuit of the second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 真空容器 ２ プラズマ発生機構 ３ 基板保持機構 ５ 平板状電極 ６ 磁気回路 ７ 裏板 ８ 永久磁石 ９ スリット １１ 外部導体 １２ 内部導体 １４ 導波管 １５ 同軸導波管変換器 １６ 排気ポート １７ 基板ホルダ １９ 基板 ２０ 磁力線 ２２ セパラトリクス 1 Vacuum Container 2 Plasma Generation Mechanism 3 Substrate Holding Mechanism 5 Flat Electrode 6 Magnetic Circuit 7 Back Plate 8 Permanent Magnet 9 Slit 11 Outer Conductor 12 Inner Conductor 14 Waveguide 15 Coaxial Waveguide Converter 16 Exhaust Port 17 Substrate Holder 19 Substrate 20 Magnetic field lines 22 Sepatrix

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯塚 哲 宮城県仙台市太白区郡山６丁目５−10− 201 (72)発明者 中川 行人 東京都府中市四谷５丁目８番１号 日電 アネルバ株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−182785（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−345990（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−13198（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−57457（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Satoshi Iizuka 6-5-10-Koriyama, Taichiro-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture (72) Yukio Nakagawa 5-8-1 Yotsuya, Fuchu-shi, Tokyo NIDEC ANELVA CORPORATION (56) Reference JP-A-5-182785 (JP, A) JP-A-5-345990 (JP, A) JP-A-6-13198 (JP, A) JP-A-6-57457 (JP, A)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 内部を減圧状態に保持する機構とガスを
導入する機構を備える真空容器と、この真空容器内にマ
イクロ波を導入して前記ガスをプラズマ化するプラズマ
発生機構と、このプラズマ発生機構と所定の間隔をおい
て対向して設置される基板保持機構とを備えるマイクロ
波放電反応装置において、 前記プラズマ発生機構は、前記マイクロ波を前記真空容
器内に導入する同軸型伝送路と、前記マイクロ波を放射
する所定の長さと幅のスリットを少なくとも１本有する
平板状電極と、前記平板状電極の近傍に軸方向に磁化さ
れた複数の円筒状永久磁石を、隣合うもの同士でその磁
化方向が互いに逆になるように同心円的に配置してなる
磁場発生手段とから構成され、前記複数の円筒状永久磁
石のそれぞれによる磁場強度を異ならせることを特徴と
するマイクロ波放電反応装置。1. A vacuum container provided with a mechanism for maintaining a depressurized state inside and a mechanism for introducing gas, a plasma generation mechanism for introducing microwave into the vacuum container to convert the gas into plasma, and the plasma generation. In a microwave discharge reaction device comprising a mechanism and a substrate holding mechanism installed facing each other at a predetermined interval, the plasma generation mechanism, a coaxial transmission line for introducing the microwave into the vacuum container, A flat plate electrode having at least one slit having a predetermined length and width for radiating the microwave, and a plurality of cylindrical permanent magnets magnetized in the axial direction in the vicinity of the flat plate electrode are adjacent to each other. Magnetic field generating means arranged concentrically so that the magnetization directions are opposite to each other, and the magnetic field strengths of the plurality of cylindrical permanent magnets are made different. Microwave discharge reaction device comprising. 【請求項２】 請求項１記載のマイクロ波放電反応装置
において、内側の前記円筒状永久磁石の磁場強度を弱く
し、外側の前記円筒状永久磁石の磁場強度を強くしたこ
とを特徴とするマイクロ波放電反応装置。2. The microwave discharge reactor according to claim 1, wherein the magnetic field strength of the inner cylindrical permanent magnet is weakened and the magnetic field strength of the outer cylindrical permanent magnet is strengthened. Wave discharge reactor. 【請求項３】 請求項１記載のマイクロ波放電反応装置
において、内側の前記円筒状永久磁石の磁場強度を強く
し、外側の前記円筒状永久磁石の磁場強度を弱くしたこ
とを特徴とするマイクロ波放電反応装置。3. The microwave discharge reactor according to claim 1, wherein the magnetic field strength of the inner cylindrical permanent magnet is increased and the magnetic field strength of the outer cylindrical permanent magnet is decreased. Wave discharge reactor. 【請求項４】 請求項１記載のマイクロ波放電反応装置
において、中央の前記円筒状永久磁石の磁場強度を相対
的に弱くしたことを特徴とするマイクロ波放電反応装
置。4. The microwave discharge reactor according to claim 1, wherein the magnetic field strength of the cylindrical permanent magnet in the center is relatively weakened. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載のマ
イクロ波放電反応装置において、前記円筒状永久磁石の
軸方向の長さを変えることによってその磁場強度を変え
るようにしたことを特徴とするマイクロ波放電反応装
置。5. The microwave discharge reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the magnetic field strength is changed by changing the axial length of the cylindrical permanent magnet. Characteristic microwave discharge reactor.