JP2534219B2 - マイクロ波放電反応装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波放電反応装置
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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】平板状電極の正面図である。

【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。

【図４】磁気回路の第２実施例を示す断面図である。

【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。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。