JP2901331B2

JP2901331B2 - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2901331B2
Application number: JP26642890A
Authority: JP
Inventors: 政博田中; 邦彦渡邉; 悟轟; 光雄中谷; 和夫鈴木
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1990-10-05
Publication date: 1999-06-07
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: JPH04144128A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体デバイスや、液晶表示素子、ラインセ
ンサ、薄膜磁気ヘッド等の薄膜を応用した電子部品等の
製造に使用するプラズマ処理装置に係り、特に薄膜形成
およびエッチング等のプラズマ処理に好適なプラズマ処
理装置に関する。

〔従来の技術〕

この種のマイクロ波プラズマ処理装置の従来装置とし
ては、例えば特開昭62-122217号公報に示されたものが
知られている。これによる場合、真空室には放電管が設
けられ、これにコイルを取り付けて磁場を印加し、さら
に、導波管を介して電子サイクロトロン周波数と同一の
周波数のマイクロ波を導入し、放電を起こすことによっ
て真空室内に導入された反応ガスを分解し、これにより
真空室内に設置された試料である基板上に化学蒸着を行
ったり、基板上の薄膜をエッチングしたりするようにな
っている。

しかし、大面積基板の処理を行うには大型の放電管を
要し、かつ、マイクロ波も大パワーを投入する必要があ
るが、大型の放電管には大気圧の大きな力が加わり、か
つ、内部のプラズマや通過する大パワーのマイクロ波に
よる加熱を受け、破損する可能性が大きい。また、この
ような放電管方式ではプラズマ密度の分布が放電管の形
を反映して中心部が高く周辺部が低くなる傾向が強い。

また、マイクロ波導波管の端部に設けられたマイクロ
波放射窓を真空容器の隔壁の一部として構成し、この窓
の直下に電子サイクロトロン共鳴条件を満足するように
設定されたプラズマ処理装置も提案されている。この装
置は窓の大きさがプラズマ処理可能な面積を決定するこ
とになるので、大面積の基板を処理する装置の場合に
は、大口径の窓が必要となる。したがって、窓が大きく
なれば厚さを厚くして強度を持たせる必要がある。しか
し、一般に窓の厚みはマイクロ波の吸収を増大させ、電
力損失を引き起こすことから、むやみに厚くすることは
できない。結局は、窓の厚さによる電力損失と窓材の強
度との関係から実用的な窓の大きさと厚さとが定まり、
これまでこの種の装置において大面積の基板をプラズマ
処理できなかった理由はここにある。

一方、異った方法としては特開昭62-254419号公報に
記載のリジターノコイルを用いる方法がある。しかし、
この方法では大面積に高密度のプラズマを発生するため
に必要な大パワーのマイクロ波の導入を行うと、導入部
でスパークをおこし易く実用化が困難であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、従来技術は、大面積基板の均一処理につ
いて考慮されておらず、例えば大型基板を用いる液晶表
示パネル等の処理は困難であり、また、大口径ウェハの
処理も行えない等の問題があった。

したがって、本発明の目的は、上記従来の問題点を解
消することにあり、大面積にわたり均一なマイクロ波プ
ラズマ処理を安定して行えるマイクロ波プラズマ処理装
置を提供することにある。これにより、マイクロ波プラ
ズマの低圧力、高密度プラズマを利用したプラズマCVD
による成膜やプラズマエッチングを大面積基板の処理に
も応用できるようにし、かつ、装置の連続処理を可能と
し、大量生産に対応可能とする装置を実現するもので、
例えば大型液晶表示素子、ファクシミリのラインセン
サ、感熱ヘッド等における薄膜製造及び薄膜のエッチン
グ処理の性能、部留りの向上、コストの低減に寄与する
ものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明者等は種々実験の
結果、以下に記すような知見を得た。すなわち、マイク
ロ波導波路端部の放射器の構造を例えば電磁ホーン形と
し、マイクロ波を基板の処理面積まで拡大し、大面積の
プラズマを発生する。この際、プラズマを均一化するた
め、マイクロ波をプラズマ領域に導入する部分のマイク
ロ波導入窓は、大面積の例えば石英製の平板として真空
容器の隔壁の一部を構成すると共に基板ホルダと平行さ
せ、また、プラズマ中での反応ガスの分解を均一なもの
とするため上記マイクロ波窓と接近して多孔板を設置
し、多孔板とマイクロ波窓の間に反応ガスを通じ、多孔
板の穴より基板へ向って反応ガスを噴出するように構成
した。そして、マイクロ波放電を起すために上記マイク
ロ波導入窓の直下の多孔板との間に電子サイクロトロン
共鳴条件を満足する点が存在するように構成したことは
勿論である。また、プラズマ発生時に、この大面積のマ
イクロ波窓に導波路側から大気圧がかかると、真空容器
内部が真空のためマイクロ波窓はその圧力差で破損し易
くなるので、このマイクロ波窓の電磁ホーン側（導波路
側）に減圧手段を設け圧力差を低減する構成とした。た
だし、その減圧条件としては、電磁ホーン側、つまり導
波路側に放電が起らないように設定することが重要であ
り、そうすることによってたとえ電磁ホーン側に電子サ
イクロトロン共鳴条件を満足する点ができたとしても放
電を起すようなことはなく、不必要な放電によりマイク
ロ波電力を失うこともない。この放電を起こさない電磁
ホーン側（導波路側）の圧力としては、５〜50kPaもし
くは10^-4Pa以下とすればよいことが判った。電磁ホーン
側（導波路側）を減圧状態にしても、放電が起らない条
件に設定されているためさらに、電磁ホーン内にそのた
めの磁場を印加する必要がなくなりコイルも小型化する
ことができる。また、電磁ホーン側（導波路側）の圧力
として５〜50kPaを選んだ場合には、マイクロ波やプラ
ズマで加熱されるマイクロ波窓に対して気体の熱伝導に
よる冷却効果が生じ、装置を連続使用しても窓が破損し
たり、反応ガスが熱分解をおこすこともなく、実用的で
好ましいという知見を得た。なお、この装置説明では、
マイクロ波導波路端部の放射器の構造を電磁ホーン形と
したものを例に述べたが、これに限られるものでなく要
するにマイクロ波導入窓が真空容器の隔壁の一部を成
し、この窓の直下に電子サイクロトロン共鳴条件を満足
する点が存在するように構成されたマイクロ波プラズマ
処理装置一般に適用できるものである。

本発明は上記知見に基づいて成されたものであり、本
発明の具体的な目的達成手段について以下に説明する。

上記本発明の目的は、（１）．ガス供給手段と、真空排気手段を備えた真空容
器と、前記真空容器内にマイクロ波を導く導波管と、前
記導波管の一端に接続された放射器と、前記放射器の開
口部を封じて、これが前記真空容器の隔壁の一部を構成
するマイクロ波窓と、前記真空容器内のマイクロ波窓直
下で前記マイクロ波の周波数で電子サイクロトロン共鳴
を起こすような磁界の発生手段とを具備して成るマイク
ロ波プラズマ処理装置において、少なくとも前記マイク
ロ波窓の設けられた放射器内を放電の生じない条件下に
減圧する手段を備え、前記真空容器内にマイクロ波を導
入する前記マイクロ波窓に加わる圧力差を低減するよう
に構成し、かつ前記放射器が接続された導波管の減圧部
分と、前記真空容器とを連結する配管を設けると共に、
前記配管の途中に両者の圧力差が上記マイクロ波窓の耐
圧以上になると開放になるような安全弁を接続し、マイ
クロ波窓の破損を防止するように構成したマイクロ波プ
ラズマ処理装置により、達成される。そして、より好ま
しくは、（２）．上記導波管に接続された放射器内の圧力を１×
10^-4Pa以下もしくは５〜50kPaに減圧する手段として成
る上記（１）記載のマイクロ波プラズマ処理装置によ
り、また、（３）．上記導波管に接続された放射器内の圧力を５〜
50kPaとし、かつ、少なくとも前記導波管に接続された
放射器に冷却手段を付加して、前記放射器内の気体の対
流により上記マイクロ波窓を冷却するように構成した上
記（２）記載のマイクロ波プラズマ処理装置により、達
成される。

上記冷却手段として、望ましくは放射器の外周に冷却
用のパイプを配設して、この中に冷媒として例えば水や
空気を循環させ、水冷もしくは空冷して放射器内の気体
と熱交換させる構成とすることである。また、更に好ま
しくは、また、（４）．上記導波管の途中でマイクロ波を通す材料によ
り密閉して、この部分からマイクロ波窓までの間を排気
し減圧する手段を設けて成る上記（１）乃至（３）何れ
か記載のマイクロ波プラズマ処理装置により、また、（５）．上記導波管の途中をマイクロ波を通す材料で密
閉した部分に冷却手段を付加し、前記密閉した部分を冷
却するように構成して成る上記（５）記載のマイクロ波
プラズマ処理装置により、達成される。そして、上記冷
却手段としては、導波管の途中をマイクロ波を通す例え
ば石英板等の材料で密閉した部分の周辺を水冷すると共
に、大気圧に保持された導波管側から前記密閉した材料
に直接圧縮空気を吹きつけ空冷するようにすることが望
ましい。

また、上記導波管の一端に接続された放射器の構造と
しては、真空容器側に広がったものが好ましく、電磁ホ
ーン形放射器とすることが望ましい。

更にまた、上記導波管の一端に接続された放射器の開
口部を封じて前記真空容器の隔壁の一部を構成するマイ
クロ波窓としては、マイクロ波を良く透し、耐熱性があ
り、機械的強度に優れ、しかも化学的に安定な材料であ
ればよく、石英板等は実用的で好ましい。

〔作用〕

マイクロ波放射器を構成する電磁ホーンは、マイクロ
波をホーンの開口径まで拡大する。マイクロ波強度は均
一にはならないが、マイクロ波の投入電力が充分大きけ
ればプラズマ密度は飽和して、プラズマ密度は均一とな
る。基板面と対向して平行に配置した多孔板とマイクロ
波窓の間に反応ガスを通し、多孔板の穴から基板に向っ
て吹き出させることにより、反応ガスのプラズマにより
分解する程度は一定となり、基板表面に対し均一に作用
する。マイクロ波窓は大電力のマイクロ波とプラズマに
露され、加熱や表面損傷を受け易い。ここで従来のよう
に電磁ホーン側（導波路側）を大気圧にすると、マイク
ロ波窓には多大な力が加わり窓は破損され易い。そこ
で、本発明では電磁ホーン側（導波路側）の圧力を減圧
手段により放電の生じない状態に下げ、真空容器との圧
力差を低減しマイクロ波窓に加わる力を軽減し、マイク
ロ波窓の破損を回避している。この場合、電磁ホーン側
（導波路側）の圧力が10^-3Pa〜1kPaでは電磁ホーン内で
マイクロ波放電が起り、マイクロ波電力の損失が大きい
ので、この領域は避けなければならない。10^-4Pa以下の
圧力の低い方を選ぶことも可能であり、放電を起こさな
いようにするためにはこの方が確実であるが、高真空の
排気系が必要となる上に、高真空に排気するためにコン
ダクタンスを大きくとる必要があるが、それはマイクロ
波の導波系に多くの穴をあけることになり、それによる
マイクロ波の伝送効率の低下を招くことになる。一方、
５〜50kPaの圧力の高い方を選んだ場合には、排気系と
して油回転ポンプ程度のものでよく、排気用の穴も小さ
くて済む。加えて、1kPa以上の圧力では気体の対流によ
る熱伝導は大気圧の場合とほとんど変わらず、したがっ
て、この気体の対流による熱伝導はマイクロ波やプラズ
マで加熱されたマイクロ波窓を冷却するように作用する
ので、極めて実用的で好ましい。プラズマCVDを行う場
合等では、反応ガスとしてモノシランやジシランのよう
に熱分解温度が比較的低いガスを用いることが多く、そ
の場合はマイクロ波窓が過熱しているとそこで熱分解が
おこり、反応ガスの損失や、基板に形成した膜の特性劣
化をおこしたりする。しかし、本発明のようにマイクロ
波窓が冷却されていればこのようなマイクロ波窓の過熱
による問題は生じない。

〔実施例〕

実施例１以下、図面にしたがって本発明の一実施例を説明す
る。

第１図は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の概
略要部縦断面図を示したものである。

マイクロ波発生源１からマイクロ波導波系２を通し、
放射器を構成する電磁ホーン４に2.45GHzのマイクロ波
を導く構成とした。

マイクロ波導波系２の導波管2aの途中に石英板３を挟
んで真空シールを施し、これより電磁ホーン内を排気ポ
ンプ16により10kPaの減圧となるようにバルブ15を用い
て調節しながら排気した。

電磁ホーン４の開口部にはマイクロ波窓として厚さ5m
mの石英製仕切板８を置き、これにより真空容器を構成
する反応室６と電磁ホーン４の間を密封している。磁場
は電磁コイル５に電流を通じて発生させ、電子サイクロ
トロン共鳴点は、仕切板８の直下の石英製の多孔板９と
基板ホルダ11に載置された基板10との間の空間領域に存
在するように設定した。

反応ガスはガス導入口7aから反応ガスバッファ７に送
り込まれ、仕切板８と多孔板９との間の0.3mmのすき間
を通って多孔板９の穴より反応室６内に噴出される。

導波管2aの途中に挟んだ石英板３は高密度のマイクロ
波が通過するため加熱されるので、そのそフランジ部に
れ冷却手段として冷却水配管19を設け冷却すると共に、
石英板３に向って圧縮空気を、大気圧に保持された導波
管側に設けられたノズル18より吹き出して空冷も行って
いる。

また、仕切板８、多孔板９はマイクロ波と、反応室６
内のプラズマとによって加熱されるので、これの冷却手
段として次のような構成を採用した。すなわち、電磁ホ
ーン４の外周には熱交換器として冷却水を流す配管20を
設け、これにより電磁ホーン４内の圧力10kPaの空気の
対流による熱伝導により間接的に冷却している。

電磁ホーン４の開口径は400mmで、仕切板（マイクロ
波窓）８、多孔板９ともに直径420mmであるが、その中
心温度はこの冷却効果により、投入マイクロ波電力4kW
で窒素プラズマを連続的に発生させた場合で、約200℃
でつり合い一定となる。

石英板３が破損した場合や反応室６がリークした場合
等、円形電磁ホーン４側と反応室６側とに圧力差がで
き、仕切板８が破損するのを防ぐために連通管21を介し
て安全弁17を設けている。この安全弁17は20kPaの圧力
差で開放となり、それ以上の圧力が仕切板８に加わらな
いように構成されている。

なお、図中の12はコンダクタンス調整バルブ、13はタ
ーボ分子ポンプ、14は排気ポンプ、22は導波管に設けら
れたチューナを示す。

本実施例の仕切板８は、直径420mm、厚さ5mmの石英製
であるが、導波路に接続された電磁ホーン４内を減圧状
態としているため、仕切板８に加わる圧力が低減され、
この程度の厚みでも十分に安定してプラズマ処理が可能
である。しかし、従来装置のように電磁ホーン４内が大
気圧に保持されたのの場合には、安心してプラズマ処理
のできるマイクロ波窓８の厚みは、本実施例の約６倍の
30mmは最低必要とされ、更に３倍の安全率をみると45mm
は必要となる。このように窓の厚みが増大すると、マイ
クロ波の吸収による電力損失が著しく増大し、もはや実
用的な装置は不可能となる。

また、本発明において重要なのは、導波路に接続され
た放射器（電磁ホーン）４内を単に減圧状態にするので
はなく、減圧してもマイクロ波放電が起らない減圧下と
することである。

以上、装置構成につき説明したが、次にこの装置を用
いた実際のプラズマ処理例につき代表的な３例を紹介す
る。

実施例２先ず第１の例は、この装置で窒化シリコン膜を形成し
た場合について述べる。

基板10としては、直径300mmのガラス円板を用い、こ
れを基板ホルダ11上に載置した。

反応ガスはモノシランを毎分40cm³、窒素ガスを毎分4
00cm³ほど反応ガスバッファ７を通じて多孔板９の穴よ
り流し、ターボ分子ポンプ13により排気した。反応室６
の圧力はコンダクタンス調整バルブ12により0.4Paに調
整した。4kWのマイクロ波を５分間投入し、プラズマを
発生させたところ基板中心で0.60μｍ、端部で0.55μｍ
の窒化シリコン膜が形成された。

実施例３第２の例は、この装置で窒化シリコン膜をエッチング
した場合について述べる。

上記実施例２で窒化シリコン膜を形成した直径300mm
のガラスの基板10上に、マスクとして厚さ0.5μｍのア
ルミニウム膜を３μｍのラインアンドスペースにパター
ニングしたものを基板として用いた。

反応ガスは、酸素を３％含む四フッ化炭素を毎分90cm
³ほど多孔板９の穴より流し、ターボ分子ポンプ13によ
り排気した。ECR点（電子サイクロトロン共鳴点）は基
板10から20mm上方として、2.5kWのマイクロ波を投入し
た。その結果、ほぼ均一なプラズマが発生し、アルミニ
ウムのパターンをレジストとして窒化シリコンのエッチ
ングが起った。エッチングレートは、毎分0.08〜0.085
μｍであり、全面にわたりほぼ均一であった。

実施例４第３の例は、この装置を酸素アッシャーとして用いた
例を示す。

直径300mmのガラス円板からなる基板10上に、厚さ1.5
μｍのポリイミド塗布し、その上に0.2μｍの酸化シリ
コン膜を形成し、マスクパターンとして直径２μｍの穴
パターンをこの酸化シリコン膜に形成したものを基板10
として用いた。

酸素ガスを導入口7aより、ガスバッハ７を介して毎分
100cm³流し、反応室６内の圧力1Pa、マイクロ波電力2kW
を投入してプラズマを発生させた。

その結果、ポリイミドのエッチングレートは毎分約１
μｍで全面にわたり、ほぼ一定であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、大面積にわたり、均一にマイクロ波
プラズマによる処理ができ、大面積の素子の製作におい
て高密度なマイクロ波プラズマによる高速処理が可能と
なる。また、マイクロ波窓の破損や過熱の問題もなく、
連続的に大量の基板を処理することができる。コイルも
この種の装置としては処理面積の割合に小型化でき電力
消費も軽減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例となるマイクロ波プラズマ
処理装置の概略要部縦断面図である。＜符号の説明＞１……マイクロ波発生源、２……マイクロ波導波系、３
……石英板、４……電磁ホーン（放射器）、５……電磁
コイル、６……反応室（真空容器室）、７……反応ガス
バッファ、８……仕切板（マイクロ波窓）、９……多孔
板、10……基板、11……基板ホルダ、12……コンダクタ
ンス調整バルブ、12……ターボ分子ポンプ、14、16……
排気ポンプ、15……バルブ、17……安全弁、19、20……
冷却水配管、21……連通管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者轟悟神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者中谷光雄神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者鈴木和夫茨城県日立市会瀬町２丁目９番１号株式会社日立エンジニアリングサービス内 (56)参考文献特開昭62−31112（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−264623（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−60530（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−216334（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−197847（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/302

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス供給手段と、真空排気手段を備えた真
空容器と、前記真空容器内にマイクロ波を導く導波管
と、前記導波管の一端に接続された放射器と、前記放射
器の開口部を封じて、これが前記真空容器の隔壁の一部
を構成するマイクロ波窓と、前記真空容器内のマイクロ
波窓直下で前記マイクロ波の周波数で電子サイクロトロ
ン共鳴を起こすような磁界の発生手段とを具備して成る
マイクロ波プラズマ処理装置において、少なくとも前記
マイクロ波窓の設けられた放射器内を放電の生じない条
件下に減圧する手段を備え、前記真空容器内にマイクロ
波を導入する前記マイクロ波窓に加わる圧力差を低減す
るように構成し、かつ前記放射器が接続された導波管の
減圧部分と、前記真空容器とを連結する配管を設けると
共に、前記配管の途中に両者の圧力差が上記マイクロ波
窓の耐圧以上になると開放になるような安全弁を接続
し、マイクロ波窓の破損を防止するように構成したマイ
クロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】上記導波管に接続された放射器内の圧力を
１×10^-4Pa以下もしくは５〜50kPaに減圧する手段とし
て成る請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】上記導波管に接続された放射器内の圧力を
５〜50kPaとし、かつ、少なくとも前記導波管に接続さ
れた放射器に冷却手段を付加して、前記放射器内の気体
の対流により上記マイクロ波窓を冷却するように構成し
た請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。