JP2650326B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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JP2650326B2 JP63148931A JP14893188A JP2650326B2 JP 2650326 B2 JP2650326 B2 JP 2650326B2 JP 63148931 A JP63148931 A JP 63148931A JP 14893188 A JP14893188 A JP 14893188A JP 2650326 B2 JP2650326 B2 JP 2650326B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、プラズマ処理装置に関し、特にECR(Ele
ctron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)
プラズマCVD法を使用したダイヤモンドやDLC(Diamond
Like Carbon)等の薄膜形成技術に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、ダイヤモンド膜やDLC膜を形成する方法として
は、熱フィラメントCVD法,マイクロ波CVD法等がある。
熱フィラメントCVD法では、真空装置(反応室)内に、
基板ホルダに載置された基板とフィラメントとが設けら
れる。そして、前記反応室内を数十Torrに保持するとと
もに、反応ガスとしてメタンと水素等を導入する。この
後、反応室内を外部から加熱するとともに、前記反応室
内部に設けられたフィラメントにより基板の加熱を行っ
て成膜を行うようにしている。
また、マイクロ波CVD法では、反応室内に前記同様に
して基板を設置するとともに、マイクロ波及び反応ガス
を導入する。そして、このマイクロ波を用いて発生させ
たプラズマにより、前記反応ガス、即ちメタンと水素の
分解を行い、成膜を行うようにしている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、前記のような従来の方法では広い面積の基
板や、複数の基板に均一なダイヤモンド膜等を形成する
ことは困難であり、量産に適していない。即ち、成膜の
高効率化のために複数個のシリコンウェハに対して同時
成膜を行いたい場合等があるが、前記のような従来の方
法では、複数個の基板に対して同時にダイヤモンド膜を
成膜することが非常に困難である。
例えば、前記熱フィラメントCVD法において複数個の
基板に同時にダイヤモンド膜等を形成する場合は、複数
個の基板全部をカバーできるような形状の均一なフィラ
メントを作成し、これを均一に発熱させることが必要で
ある。しかし、このような装置を実現させることは非常
に困難である。またマイクロ波CVD法では、その構造か
らプラズマが起こる部分が限定されるし、さらに高周波
CVD法ではプラズマ状態を制御することが困難である。
またECRプラズマCVD法では、発散磁界を形成して成膜
可能な基板の大面積化を図ることも考えられている。し
かし、ダイヤモンド膜を形成するには特に高いプラズマ
密度が必要となり、前記のような発散磁界を利用して成
膜を行う方式では、ダイヤモンド膜を形成することは非
常に困難である。
この発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、大面
積基板や複数個の基板等に対して、均一なダイヤモンド
膜,DLC膜等の薄膜を、容易に成膜できるプラズマ処理装
置を得ることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係るプラズマ処理装置は、マイクロ波が導
入されてプラズマを生成する空洞共振器であるととも
に、処理すべき試料が収容され反応ガスが導入されるよ
う構成された反応室と、この反応室の周囲に配設され室
内部に電子サイクロトロン共鳴用磁場を形成する磁気回
路とを備え、反応室内にプラズマ領域を形成するように
した装置において、前記反応室を環状に形成するととも
に、この環状反応室の内壁に試料を配置し、該試料の配
置された領域に高密度プラズマ領域を発生させるように
したものである。
〔作用〕
この発明では、マイクロ波プラズマCVD法において、
磁場を印加することにより、プラズマをコントロールで
きることを利用している。即ち、第12図に示すように、
反応室内を所定の低圧状態にしておくと、ある一定の磁
束密度において小さい電界強度で放電が生じ、プラズマ
が発生する。従ってこの特性を利用すれば、磁場を利用
して高密度プラズマ領域を所定の領域でのみ発生させる
ことができ、この高密度プラズマ領域では、従来の発散
磁界を利用した成膜方式等に比較してダイヤモンド膜等
を形成することが容易である。
従って、環状反応室の内壁に、例えば複数個の基板を
配置したり、また大面積の基板を配置し、この基板が配
置された部分に前記高密度プラズマ領域を形成すること
により、ダイヤモンド膜等を均一に効率よく形成するこ
とが可能となる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。第1
図は本発明の第1の実施例によるプラズマ処理装置とし
ての成膜装置を示す構成図である。図において、1は反
応室であり、その本体部1cは環状に形成され、その一部
断面を第2図に示す。また、この反応室1は空洞共振器
(キャビティ)構造となっている。前記反応室1には、
マイクロ波源としてのマグネトロン6(周波数2.45GH
z)から導波管4及びマイクロ波導入窓5を介してマイ
クロ波が導入されるとともに、反応ガス供給口1aを介し
て反応ガス(例えばH2,CO,CO2,CH4等メタン系,アルコ
ール系,ケトン類,アミン類)が導入される。
また前記反応室1の内壁には、成膜すべき基板として
シリコンウェハ3が複数個配列されており、これらの各
シリコンウェハ3は前記反応室1の内壁に装着された基
板ホルダ2に装着されている。なお、前記各基板ホルダ
2にはヒータが設けられており、各ヒータは前記反応室
1の外部に設けられたヒータ電源(図示せず)に接続さ
れている。また、前記反応室1には排気口1bが設けら
れ、この排気口1bには真空ポンプ等からなる排気系(図
示せず)が接続されている。
前記反応室1の本体部1c周囲には、磁気回路としての
電磁石7a及び7bが配置されており、この電磁石7a及び7b
による磁界の強度は、マイクロ波による電子サイクロト
ロン共鳴の条件が前記反応室1の内部で成立するように
決定される。ここで、前記周波数2.45GHzのマイクロ波
に対して電子サイクロトロン共鳴を起こすための磁束密
度は875Gであるが、本実施例ではこの約2倍、例えば2k
Gの強度を有する電磁石を用い、第13図に示すように、
前記875Gの位置で磁場勾配をつけるようにしている。
次に動作について説明する。
反応室1内を真空排気後、反応ガスを導入し、圧力を
一定に維持する(30〜0.01Torr)。次にマグネトロン6
からマイクロ波を発生させて、これを導波管4及び導入
窓5を介して前記反応室1内に導入するとともに、電磁
石7a及び7bに電流を流して磁場を形成する。すると、前
記反応室1内にはプラズマ放電が生じる。このとき、プ
ラズマ中又はその近傍に、ヒータにより600〜1000℃程
度に加熱したシリコンウェハ3を置くと、このシリコン
ウェハ3上にダイヤモンド膜が成膜される。
この際、磁場のかけ方によりその放電領域、即ち高密
度プラズマ領域が変化する。いま、圧力を比較的高い状
態(約10Torr以上)に維持している場合について説明す
る。反応室1内に導入されるマイクロ波の周波数は2.45
GHzであるから、電磁石7a及び7bによって印加される磁
場の強さを第3図に示す磁場曲線のようにすると、ECR
条件を満足する875Gのところを中心にして第1図に示す
領域Aにおいてプラズマ放電が生じ、この部分に高密度
プラズマ領域が形成される。そしてこの場合は、他の場
所では放電が起こらない。
従って、前記領域Aがシリコンウェハ3の配置された
部分に生ずるようにすれば、複数個のシリコンウェハ3
に対して、均一にダイヤモンド膜が成膜される。
なお、圧力が低い状態(約10Torr以下)では、前記の
ような明確なプラズマの固まりは見えず、全体に広がっ
たような状態になるが、この場合でも875Gの位置は、プ
ラズマ密度が高く活性な領域であり、この領域に複数の
シリコンウェハ3を配置することにより、各シリコンウ
ェハ3に対して均一な膜形成を行うことが可能となる。
ここで、第3図に示す磁場曲線から明らかなように、
前記電磁石7a及び7bによるもう一方の875GのA′点は、
反応室1外にあるので、前記の高密度プラズマ領域は反
応室内部では1ヵ所のみに限定される。さらに、磁場の
効果が小さくなる高い圧力(第12図の曲線(30Torr))
においても、反応室1内の磁場勾配は常にマイクロ波導
入側が高くなっているので、この場合も高密度プラズマ
領域は常に1ヵ所に限定される。
このような本実施例では、反応室1内壁に複数個のシ
リコンウェハ3を配列するとともに、このシリコンウェ
ハ3を配置された位置に高密度プラズマ領域を形成する
ようにしたので、前記複数個のシリコンウェハ3に対し
て、一度に、かつ容易に均一なダイヤモンド膜を形成す
ることができる。
また、第3図に示すように、875Gの位置で磁場勾配を
形成するようにしているので、マイクロ波のエネルギが
前記高密度プラズマ領域となる所定領域で集中して変換
されることとなり、シャープな高密度プラズマ領域を形
成でき、特にダイヤモンド膜の形成が容易になる。
次に本発明の第2の実施例を第4図に基づいて説明す
る。図において、第1図と同一符号は同一又は相当部分
を示す。本実施例の反応室1の本体部1cは円筒形状に構
成されており、その内壁には、第5図の断面で示すよう
に、成膜すべき基板としてシリコンウェハ3が複数列に
わたって配設されている。そして各シリコンウェハ3は
前記反応室1の内壁に装着された基板ホルダ2に装着さ
れており、各基板ホルダ2にはヒータ13が設けられてい
る。
また、前記反応室1の本体部1c周囲には、前記実施例
と同様に磁気回路としての電磁石7a及び7bが配置されて
おり、この電磁石7a及び7bは、ともに移動台8に載置固
定され、電磁石移動機構によって移動可能となってい
る。前記電磁石移動機構は、前記移動台8に固定された
ラック8a,このラック8aに噛み合うピニオン9,及び該ピ
ニオン9をベルト11を介して回転駆動するモータ10から
構成されている。
なお、マイクロ波周波数,磁束密度等の諸条件は前記
実施例と同様であり、また2kGの強度を有する電磁石を
用い、第13図に示すように、前記875Gの位置で磁場勾配
をつけるようにしているのも同様である。第6図に装置
に印加される磁場特性を示す。
次にこの第2の実施例の動作について説明する。高密
度プラズマ領域を形成するまでの動作は前記実施例と同
様である。そして、高密度プラズマ領域が第4図のA
(第6図のAに対応)で示す領域で形成された状態で、
モータ10を作動させ、ピニオン9及びラック8aにより移
動台8を移動させて、電磁石7a及び7bを図中右方(二点
鎖線で示す)に移動させる。すると875Gの移動とともに
放電領域も移動し、高密度プラズマ領域を第4図のB
(第6図のBの対応)の位置まで持ってくることが可能
となる。
このようにして電磁石7a及び7bを移動することによ
り、反応室1内壁に配列された複数列のシリコンウェハ
3上を高密度プラズマ領域が走査することとなり、各シ
リコンウェハ3に対して一度に均一なダイヤモンド膜が
形成されることとなる。
なお、圧力が低い状態(約10Torr以下)についても前
記と同様であり、高密度プラズマ領域を移動させて、各
シリコンウェハ3に対して均一な膜形成を行うことが可
能となる。
この実施例では、反応室1内の所定位置に形成された
高密度プラズマ領域を移動可能としたので、複数列にわ
たって配置されたシリコンウェハ3に対して、一度に、
かつ容易に均一なダイヤモンド膜を形成することがで
き、成膜の高効率化を図ることが可能となる。
また、この実施例では高密度プラズマ領域の移動に際
しても磁場勾配は変化せず、成膜に関するコントロール
を安定して行うことができる。
次に本発明の第3の実施例を第7図に基づいて説明す
る。この第3の実施例は、前記第2の実施例における電
磁石移動機構の変形例である。即ち、この実施例では、
高密度プラズマ領域を移動させるために、電磁石を機械
的に移動させるのではなく、電気的に移動させている。
図において、第1図と同一符号は同一のものを示す。
反応室1の本体部1cの外周には、多数の電磁石7c〜7iが
配設されている。そして、この各電磁石7c〜7iに供給す
る電流を調整することにより、第8図の実線(C)及び
破線(D)で示すように磁場特性(875Gの位置)を移動
させ、反応室1内に形成される高密度プラズマ領域を移
動させるようにしている。
このような実施例によっても前記実施例と同様の効果
が得られるとともに、機械的な移動機構が不要となり、
構成を簡単にすることができる。また、この実施例では
前記各電磁石に供給する電流を調整することにより、第
8図の二点鎖線Eで示すように、磁場勾配を緩くするこ
ともでき、このような磁場勾配にすれば、磁場曲線C,D
と異なり、やや広がったプラズマ領域を形成することも
できる。
さらに第9図に本発明の第4の実施例を示す。この実
施例では、磁場の移動を電磁石7a及び7bに与える電流の
増減のみで行うようにしたものである。この実施例で
は、第10図のF,Gに示すように、磁場特性の勾配は変化
するが、電磁石7a及び7bを機械的に移動するための構成
も、また電気的に移動するための制御回路も不要とな
り、構成が非常に簡単になる。
なお、前記各実施例ではダイヤモンド膜,DLC膜の成膜
について述べたが、例えばH2だけ、又はO2だけを使用し
て、前記実施例と同様の動作により基板に付着した不純
物(例えばグラファイト,アモルファスカーボン)等を
エッチングし、除去することも可能である。また、試料
としては、前記各実施例のようなシリコンウェハに限定
されるものではなく、例えばモリブデン(Mo)板等の板
材14を、第11図に示すようなヒータ15上に設定して、こ
の板材14上に成膜することも可能である。
また、前記第2〜第4の実施例では磁場により高密度
プラズマ領域を可変としたが、例えば反応ガスの供給方
式あるいはマイクロ波の導入方式などの他のパラメータ
により高密度プラズマ領域を可変としてもよい。
また、前記実施例では反応室を共振器構造としたが、
例えばテーパを付けて一方を開放型にしたような反応室
にも本発明は適用できる。
さらに本発明は、マイクロ波を使用し、無電極放電を
行う成膜装置について広く適用できるものである。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、特にダイヤモンド
膜,DLC膜を、広い面積にわたって、あるいは多数の基板
等の試料に対して、均一に、かつ安定して形成すること
ができ、ダイヤモンド膜等の成膜の高効率化を図ること
ができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例によるプラズマ処理装置
の断面構成図、第2図はその反応室の一部断面構成図、
第3図は前記プラズマ処理装置に印加する磁場特性を示
す図、第4図は本発明の第2の実施例によるプラズマ処
理装置の断面構成図、第5図はその反応室の断面構成
図、第6図は前記第4図に示したプラズマ処理装置に印
加する磁場特性を示す図、第7図は本発明の第3の実施
例によるプラズマ処理装置の一部断面構成図、第8図は
該装置に印加する磁場特性を示す図、第9図は本発明の
第4の実施例によるプラズマ処理装置の一部断面構成
図、第10図は該装置に印加する磁場特性を示す図、第11
図は試料の変形例を示す図、第12図は磁場の強さと圧力
及び放電開始時の電界強度の関係を示す図、第13図は本
発明の装置に印加する磁場の一般的特性を示す図であ
る。 1……反応室、3……シリコンウェハ(試料)、6……
マグネトロン、7a〜7i……電磁石(磁気回路)。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マイクロ波が導入されてプラズマを生成す
    る空洞共振器であるとともに、処理すべき試料が収容さ
    れ反応ガスが導入されるよう構成された反応室と、この
    反応室の周囲に配設され室内部に電子サイクロトロン共
    鳴用磁場を形成する磁気回路とを備え、反応室内にプラ
    ズマ領域を形成するようにした装置において、前記反応
    室を環状に形成するとともに、この環状反応室の内壁に
    前記試料を配置し、該試料の配置された領域に高密度プ
    ラズマ領域を形成するようにしたことを特徴とするプラ
    ズマ処理装置。
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JPH0650724B2 (ja) * 1984-11-15 1994-06-29 株式会社日立製作所 低温プラズマ電磁界制御機構
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