JP2727747B2 - Microwave plasma generator - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体プロセス技術、表面処理技術等のプラ
ズマエッチング、プラズマ酸化を行うマイクロ波プラズ
マ発生装置に関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave plasma generator for performing plasma etching and plasma oxidation such as semiconductor process technology and surface treatment technology.
従来の技術 以下に従来の有磁場マイクロ波プラズマエッチング装
置（特許第1,095,402号）について説明する。2. Description of the Related Art A conventional magnetic field microwave plasma etching apparatus (Japanese Patent No. 1,095,402) will be described below.
第４図は従来のマイクロ波プラズマエッチング装置の
構成図であり、石英でできたベルジャー１にマグネトロ
ン２で発生した2.45GHzのマイクロ波を導波管３で導入
する。そのベルジャー１内で、2.45GHzのマイクロ波に
対して、ECR（Electron Cyclotron resonance）条件
を満足するように、875Gの磁場強度を外部コイル４によ
り印加している。反応ガスとしてSF6等をガス導入口５
をベルジャー１に入れる。ベルジャー１の内部には基板
ホルダー６とその上に基板７が設置してある。ベルジャ
ー１は真空排気室８の上に設置されている。FIG. 4 is a block diagram of a conventional microwave plasma etching apparatus. A microwave of 2.45 GHz generated by a magnetron 2 is introduced into a bell jar 1 made of quartz through a waveguide 3. In the bell jar 1, a magnetic field intensity of 875 G is applied by an external coil 4 to a microwave of 2.45 GHz so as to satisfy an ECR (Electron Cyclotron resonance) condition. Gas inlet 5 such as SF 6 as reaction gas
Into bell jar 1. Inside the bell jar 1, a substrate holder 6 and a substrate 7 thereon are provided. The bell jar 1 is installed on an evacuation chamber 8.
以上のように構成されたマイクロ波プラズマエッチン
グ装置について、以下その動作を説明する。The operation of the microwave plasma etching apparatus configured as described above will be described below.
反応ガスとしてSF6を用い、10-4〜10-3Torrの圧力範
囲でベルジャー１内にプラズマ９を生成する。このとき
基板ホルダー６にRF10（交流:13.56MHz）の電圧を印加
すると、プラズマ９中のイオンがシリコン基板７の表面
に入射して、吸着したフッ素ラジカルと共にシリコン基
板７をエッチングする。A plasma 9 is generated in the bell jar 1 in a pressure range of 10 -4 to 10 -3 Torr using SF 6 as a reaction gas. At this time, when a voltage of RF 10 (AC: 13.56 MHz) is applied to the substrate holder 6, ions in the plasma 9 enter the surface of the silicon substrate 7 and etch the silicon substrate 7 together with the adsorbed fluorine radicals.
発明が解決しようとする課題 しかし、このような構造のものでは磁場発生のために
コイルを使用しているために、装置が大きくなる。また
導波管の一部を放電領域としているためにプラズマの断
面積と均一性に限界がでてくるという問題があった。Problems to be Solved by the Invention However, in such a structure, since a coil is used for generating a magnetic field, the device becomes large. In addition, since a part of the waveguide is used as a discharge region, there is a problem in that the plasma cross-sectional area and uniformity are limited.
そこで本発明は、上記問題に鑑み、磁場発生に大小の
永久磁石を用い小型化を行い、磁場の絞られた周囲から
マイクロ波を放射することにより放電領域の拡大と、PI
G（Penning Ionization Gauge）放電構造を用いること
により高密度のプラズマを発生させることができるマイ
クロ波プラズマ発生装置の提供を目的とする。In view of the above problems, the present invention provides a magnetic field generation using a large or small permanent magnet to reduce the size, radiating microwaves from the surroundings with a reduced magnetic field, expanding the discharge area,
An object of the present invention is to provide a microwave plasma generator capable of generating high-density plasma by using a G (Penning Ionization Gauge) discharge structure.
課題を解決するための手段 上記課題を解決するため、本発明のマイクロ波プラズ
マ発生装置は、マイクロ波発振器と、一端にマイクロ波
発振器が設けられた空洞共振器と、前記空洞共振器のマ
イクロ波発振器が設けられた側とは逆の端に設けられ、
終端が開口のドアノブ型である同軸管と、前記同軸管の
中心導体は空洞共振器の内部の途中まで電界の方向と平
行に挿入された構造で、前記同軸管の途中に配されたマ
イクロ波が通過し真空封じができるガラス板と、ドアノ
ブ部とガス導入口と排気口が取り付けられた真空槽と、
前記中心導体の平坦部に対向し真空槽内に設置されたプ
ラズマ制御板とを備え、前記中心導体に埋め込まれ開口
部の径の1/3から2/3の径を有する円柱形の永久磁石と、
前記プラズマ制御板に埋め込まれ中心導体に埋め込まれ
た永久磁石の径よりも大きな径を有する円柱形の永久磁
石とが相反する磁極となっているマイクロ波プラズマ発
生装置。Means for Solving the Problems To solve the above problems, a microwave plasma generator of the present invention includes a microwave oscillator, a cavity resonator provided with a microwave oscillator at one end, and a microwave resonator of the cavity resonator. It is provided at the end opposite to the side where the oscillator is provided,
A coaxial tube whose end is a doorknob type having an opening, and a center conductor of the coaxial tube is inserted halfway inside the cavity resonator in parallel with the direction of the electric field, and a microwave disposed in the middle of the coaxial tube. A glass plate that can pass through and vacuum seal, a vacuum chamber with a door knob, gas inlet and exhaust port attached,
A plasma control plate installed in a vacuum chamber opposite to the flat portion of the center conductor, and a cylindrical permanent magnet embedded in the center conductor and having a diameter of 1/3 to 2/3 of the diameter of the opening. When,
A microwave plasma generator in which a cylindrical permanent magnet having a diameter larger than that of a permanent magnet embedded in the plasma control plate and embedded in a center conductor is a magnetic pole opposite to the permanent magnet.
またマイクロ波発振器と、一端にマイクロ波発振器が
設けられた空洞共振器と、前記空洞共振器のマイクロ波
発振器が設けられた側とは逆の端に設けられ、終端が開
口のドアノブ型である同軸管と、前記ドアノブ型の中心
の平坦な部分に設置された電極と、前記同軸管の中心導
体は空洞共振器の内部の途中まで、電界の方向と平行に
挿入され先端がＴ字型になっており空洞共振器の側面に
つきでた形状で、前記同軸管の途中に配されたマイクロ
波が通過し真空封じができるガラス板と、ドアノブ部と
ガス導入口と排気口が取り付けられた真空槽と、前記中
心導体の平坦部に対向し真空槽内に設置されたプラズマ
制御板と、前記中心導体に埋め込まれた円柱形の永久磁
石と、前記プラズマ制御板に埋め込まれた円柱形の永久
磁石とが相反する磁極とを備え、電極とプラズマ制御板
に負の電位を印加できる手段を有するマイクロ波プラズ
マ発生装置。Further, a microwave oscillator, a cavity resonator provided with a microwave oscillator at one end, and a door knob type provided at an end opposite to the side provided with the microwave oscillator of the cavity resonator and having an open end. A coaxial tube, an electrode installed in a flat portion at the center of the doorknob type, and a center conductor of the coaxial tube are inserted parallel to the direction of the electric field until the middle of the inside of the cavity resonator, and have a T-shaped tip. A glass plate that is formed on the side surface of the cavity resonator and through which microwaves arranged in the middle of the coaxial tube can pass and can be vacuum-sealed, and a vacuum in which a door knob, a gas inlet, and an exhaust outlet are attached. A chamber, a plasma control plate installed in the vacuum chamber opposite to the flat portion of the center conductor, a columnar permanent magnet embedded in the center conductor, and a columnar permanent magnet embedded in the plasma control plate. Magnets that conflict with magnets Preparative with microwave plasma generating device having means capable of applying a negative potential to the electrode and plasma control plate.
作用 本発明のマイクロ波プラズマ発生装置によれば、ドア
ノブ型の同軸管を伝搬してきたマイクロ波が、ドアノブ
の開口に放射される。このとき、中心導体とプラズマ制
御板とに埋め込まれた磁極が相反する一対の永久磁石の
径を制御板のものを中心導体のものよりも大きくするこ
とにより、大口径のプラズマを形成することができる。
また、中心導体の開口部に電極を設け、この電極とプラ
ズマ制御板を負電位にすることにより、PIG（Penning I
onization Gauge）放電が起こる。According to the microwave plasma generator of the present invention, the microwave propagating through the doorknob type coaxial tube is radiated to the opening of the doorknob. At this time, a large-diameter plasma can be formed by making the diameter of the pair of permanent magnets, whose magnetic poles embedded in the center conductor and the plasma control plate are opposite to each other, larger in the control plate than in the center conductor. it can.
In addition, an electrode is provided in the opening of the center conductor, and the electrode and the plasma control plate are set to a negative potential, so that the PIG (Penning I
onization Gauge) discharge occurs.
この結果、低ガス圧でも大口径で高密度なプラズマを
生成することができる。As a result, a large-diameter, high-density plasma can be generated even at a low gas pressure.
実 施 例 以下、本発明の一実施例を添付図面にもとづいて説明
する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
第１図において、マグネトロン11より発振されたたと
えば2.45GHzのマイクロ波は方形空洞共振器12へ導かれ
る。空洞共振器12の一端には可動短絡板13があり、同軸
管14にマイクロ波を導くことができる。同軸管14は円筒
の外部導体14bと、その中心軸と同心の円柱の中心導体1
4aとからなっている。中心導体14aは方形空洞共振器12
の内部に、電界の方向と平行にマイクロ波の波長λ（例
えばλ＝12.5cm）の四分の一だけ挿入されており、第２
図に示すように先端はＴ字型になっており空洞共振器12
の側面につきでている。同軸管の途中からは45度の勾配
管になっており、所望の大きさのプラズマが開放端15に
得られる径の同軸管14′につなぎ合わされている。中心
導体14a′の開放端15には、電気的に絶縁された電極16
がはめ込まれており、また、その下には円柱形の永久磁
石17が埋め込まれている。電極16と永久磁石17は水冷で
きるように中心導体14aの内部に水冷パイプ18が通して
ある。中心導体14aと外部導体14bとの間には真空封じが
できるガラス板19が勾配部の根元に取付けられている。
外部導体14b′の周囲にはフランジ20が設置されてお
り、真空チャンバー21に取付けられている。チャンバー
21にはガス導入口22と排気口23が付けてある。同軸管1
4′の開放端の真上にはチャンバー21に電気的に絶縁さ
れ取り付けられて上下に移動させることができるプラズ
マ制御板24が設置されている。制御板24には永久磁石25
が埋め込まれており、永久磁石17と25は磁極が相反する
ように配設されている。制御板24には永久磁石25が冷却
できるように水冷パイプ26が内蔵されている。制御板24
を移動させることにより磁極中央に於ける磁場強度を10
0から2000ガウスまで変更できる。In FIG. 1, for example, a microwave of 2.45 GHz oscillated from a magnetron 11 is guided to a rectangular cavity resonator 12. A movable short-circuit plate 13 is provided at one end of the cavity resonator 12, and can guide microwaves to the coaxial tube 14. The coaxial tube 14 has a cylindrical outer conductor 14b and a cylindrical center conductor 1 concentric with its center axis.
4a. The center conductor 14a is a rectangular cavity resonator 12.
Is inserted into the inside of the by a quarter of the wavelength λ of the microwave (for example, λ = 12.5 cm) in parallel with the direction of the electric field.
As shown in the figure, the tip is T-shaped, and the cavity resonator 12
Of the side. A 45-degree gradient tube is formed in the middle of the coaxial tube, and a plasma of a desired size is connected to a coaxial tube 14 ′ having a diameter obtained at the open end 15. The open end 15 of the center conductor 14a 'is connected to an electrically insulated electrode 16
And a columnar permanent magnet 17 is embedded underneath. The electrode 16 and the permanent magnet 17 are provided with a water-cooling pipe 18 inside the center conductor 14a so as to be water-cooled. Between the center conductor 14a and the outer conductor 14b, a glass plate 19 capable of vacuum sealing is attached to the base of the slope.
A flange 20 is provided around the outer conductor 14b 'and is attached to the vacuum chamber 21. Chamber
21 has a gas inlet 22 and an outlet 23. Coaxial tube 1
Immediately above the open end of 4 ', a plasma control plate 24 that is electrically insulated and attached to the chamber 21 and that can be moved up and down is provided. Permanent magnet 25 on control board 24
Are embedded, and the permanent magnets 17 and 25 are arranged so that the magnetic poles are opposite to each other. A water cooling pipe 26 is built in the control plate 24 so that the permanent magnet 25 can be cooled. Control board 24
To reduce the magnetic field strength at the center of the magnetic pole by 10
Can be changed from 0 to 2000 Gauss.
このような構造において、マグネトロン11より発振さ
れた2.45GHzのマイクロ波は、たとえば109mm×54.5mmの
方形空洞共振器12を伝搬して、可動短絡板13の位置を変
化させてインピーダンスを変化させることにより、たと
えば内径18mm、外径42mmの同軸管14に導入され、ガラス
板19を通過して、たとえば径100mmの開放端15に放射さ
れる。このときガス導入口22から酸素ガス等を導入し
て、チャンバー21内のガス圧力を２×10-2Torrにすると
放電が開始される。また、可動短絡板13の位置を適当に
変化させて、マイクロ波の反射波が最小になるようにす
る。このとき、中心導体14a′の永久磁石17の径をたと
えば48mmとする。また、制御板24の永久磁石25の径をた
とえば90mmとし、磁極中央付近での磁界を875ガウスに
するとマイクロ波ECR放電が起こり、10-4Torr台でも高
密度の酸素プラズマを生成することができる。そして、
電極16と制御板24に電源27から、たとえば、−200Vを印
加すると第３図に示したように磁極間に電子が閉じ込め
られ、高密度プラズマを得ることができる。この時、磁
力線29の絞られた部分からマイクロ波30が入射されるた
めに磁極間に均一なプラズマが生成される。例えば、シ
リコン基板28を制御板24上に設置すると、エッチングや
酸化等を高速に行うことができる。In such a structure, the 2.45 GHz microwave oscillated from the magnetron 11 propagates through, for example, a square cavity resonator 12 of 109 mm × 54.5 mm, and changes the position of the movable short-circuit plate 13 to change the impedance. Is introduced into the coaxial tube 14 having an inner diameter of 18 mm and an outer diameter of 42 mm, passes through the glass plate 19, and is emitted to the open end 15 having a diameter of 100 mm, for example. At this time, discharge is started when oxygen gas or the like is introduced from the gas inlet 22 and the gas pressure in the chamber 21 is set to 2 × 10 −2 Torr. Further, the position of the movable short-circuit plate 13 is appropriately changed so that the reflected wave of the microwave is minimized. At this time, the diameter of the permanent magnet 17 of the center conductor 14a 'is, for example, 48 mm. Further, when the diameter of the permanent magnet 25 of the control plate 24 is set to, for example, 90 mm, and the magnetic field near the center of the magnetic pole is set to 875 gauss, microwave ECR discharge occurs, and high-density oxygen plasma can be generated even on the order of 10 -4 Torr. it can. And
When, for example, -200 V is applied from the power supply 27 to the electrode 16 and the control plate 24, electrons are confined between the magnetic poles as shown in FIG. 3, and high-density plasma can be obtained. At this time, since the microwave 30 is incident from the narrowed portion of the magnetic field lines 29, uniform plasma is generated between the magnetic poles. For example, when the silicon substrate 28 is provided on the control plate 24, etching, oxidation, and the like can be performed at high speed.
発明の効果 本発明のマイクロ波プラズマ発生装置によれば、開放
端径70mm、電極間距離50mm（−100V）、中央磁場強度1K
gアルゴンガス圧力１×10-3Torrの時、中央でのプラズ
マ径120mm、プラズマ密度約1010/cm3の円柱プラズマを
発生させることができ、この装置によりシリコン等のエ
ッチングや酸化を低ガス圧でも迅速に行うことができ
る。According to the microwave plasma generator of the present invention, the open end diameter is 70 mm, the distance between the electrodes is 50 mm (−100 V), the central magnetic field strength is 1 K
g At an argon gas pressure of 1 × 10 -3 Torr, a columnar plasma with a plasma diameter of 120 mm at the center and a plasma density of about 10 10 / cm 3 can be generated. It can be done quickly with pressure.
第１図は本発明の第一の実施例のマイクロ波ブラズマ発
生装置の正面断面図、第２図は同側面断面図、第３図は
本発明の動作を示すための図、第４図は従来のマイクロ
波プラズマエッチング装置の断面図である。 11……マグネトロン、12……共振器、13……可動短絡
板、14……同軸管、15……開放端、16……電極、17……
永久磁石、18……水冷パイプ、19……ガラス板、20……
フランジ、21……チャンバー、22……ガス導入口、23…
…排気口、24……プラズマ制御板、25……永久磁石。FIG. 1 is a front sectional view of a microwave plasma generating apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side sectional view of the same, FIG. 3 is a view showing the operation of the present invention, and FIG. It is sectional drawing of the conventional microwave plasma etching apparatus. 11 ... magnetron, 12 ... resonator, 13 ... movable short-circuit plate, 14 ... coaxial tube, 15 ... open end, 16 ... electrode, 17 ...
Permanent magnet, 18 ... water cooling pipe, 19 ... glass plate, 20 ...
Flange, 21 ... Chamber, 22 ... Gas inlet, 23 ...
... Exhaust port, 24 ... Plasma control plate, 25 ... Permanent magnet.
Claims (9)
振器が設けられた空洞共振器と、前記空洞共振器のマイ
クロ波発振器が設けられた側とは逆の端に設けられ、終
端が開口のドアノブ型である同軸管と、前記同軸管の中
心導体は空洞共振器の内部の途中まで電界の方向と平行
に挿入された構造で、前記同軸管の途中に配されたマイ
クロ波が通過し真空封じができるガラス板と、ドアノブ
部とガス導入口と排気口が取り付けられた真空槽と、前
記中心導体の平坦部に対向し真空槽内に設置されたプラ
ズマ制御板とを備え、前記中心導体に埋め込まれ開口部
の径の1/3から2/3の径を有する円柱形の永久磁石と、前
記プラズマ制御板に埋め込まれ中心導体に埋め込まれた
永久磁石の径よりも大きな径を有する円柱形の永久磁石
とが相反する磁極となっているマイクロ波プラズマ発生
装置。1. A microwave oscillator, a cavity resonator provided with a microwave oscillator at one end, and a cavity resonator provided at an end of the cavity resonator opposite to a side provided with the microwave oscillator, and having a termination having an opening. A doorknob-type coaxial tube and the center conductor of the coaxial tube are inserted halfway inside the cavity resonator in parallel with the direction of the electric field. A glass plate capable of being sealed, a vacuum chamber provided with a door knob, a gas inlet and an exhaust port, and a plasma control plate installed in the vacuum chamber opposite to the flat portion of the central conductor, wherein the central conductor A cylindrical permanent magnet embedded in the plasma control plate and having a diameter larger than the diameter of the permanent magnet embedded in the central conductor and embedded in the plasma control plate and having a diameter of 1/3 to 2/3 of the diameter of the opening Magnetic poles that conflict with the permanent magnet Tsu and are microwave plasma generating device.
記載のマイクロ波プラズマ発生装置。2. The cavity resonator according to claim 1, further comprising a movable short-circuit plate.
The microwave plasma generator according to the above.
いる請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。3. The microwave plasma generating apparatus according to claim 1, wherein the root of the door knob of the coaxial tube is opened at 45 degrees.
より磁気ギャップの距離を変化させることができる請求
項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。4. The microwave plasma generator according to claim 1, wherein the distance of the magnetic gap can be changed by moving the plasma control plate up and down.
0.1〜２キロガウスである請求項４記載のマイクロ波プ
ラズマ発生装置。5. The magnetic gap is 20 mm to 80 mm and the central magnetic field is
5. The microwave plasma generator according to claim 4, wherein the pressure is 0.1 to 2 kGauss.
のマイクロ波プラズマ発生装置。6. The microwave plasma generator according to claim 1, wherein the microwave has a frequency of 2.45 GHz.
先端がＴ字型になっており空洞共振器の側面につきでて
いる請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。7. The microwave plasma generator according to claim 1, wherein the tip of the center conductor inserted inside the cavity resonator has a T-shape, and is located on the side surface of the cavity resonator.
振器が設けられた空洞共振器と、前記空洞共振器のマイ
クロ波発振器が設けられた側とは逆の端に設けられ、終
端が開口のドアノブ型である同軸管と、前記ドアノブ型
の中心導体の平坦な部分に設置された電極と、前記同軸
管の中心導体は空洞共振器の内部の途中まで、電界の方
向と平行に挿入され先端がＴ字型になっており空洞共振
器の側面につきでた形状で、前記同軸管の途中に配され
たマイクロ波が通過し真空封じができるガラス板と、ド
アノブ部とガス導入口と排気口が取り付けられた真空槽
と、前記中心導体の平坦部に対向し真空槽内に設置され
たプラズマ制御板と、前記中心導体に埋め込まれた円柱
形の永久磁石と、前記プラズマ制御板に埋め込まれた円
柱形の永久磁石とが相反する磁極とを備え、電極とプラ
ズマ制御板に負の電位を印加できる手段を有するマイク
ロ波プラズマ発生装置。8. A microwave oscillator, a cavity resonator provided with a microwave oscillator at one end, and provided at an end of the cavity resonator opposite to the side provided with the microwave oscillator, and having a termination having an opening. A doorknob-type coaxial tube, an electrode installed on a flat portion of the doorknob-type central conductor, and a center conductor of the coaxial tube which is inserted parallel to the direction of the electric field up to halfway inside the cavity resonator, and Has a T-shape, is formed on the side surface of the cavity resonator, and is provided with a glass plate through which microwaves arranged in the middle of the coaxial waveguide can pass and vacuum sealed, a door knob portion, a gas inlet and an exhaust outlet. , A plasma control plate installed in the vacuum chamber facing the flat portion of the center conductor, a columnar permanent magnet embedded in the center conductor, and a plasma control board embedded in the plasma control plate. With cylindrical permanent magnet And a conflicting pole, a microwave plasma generating device having means capable of applying a negative potential to the electrode and plasma control plate.
イプが通してある請求項８記載のマイクロ波プラズマ発
生装置。9. The microwave plasma generator according to claim 8, wherein the central conductor is a cavity, and a transmission line and a cooling pipe are passed through the cavity.
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| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |