JP4486068B2 - プラズマ生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ生成方法に関し、より詳しくは、スロットアンテナを用いて処理容器内に電磁界を供給しプラズマを生成するプラズマ生成方法に関する。

半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ処理装置が多用されている。これらのプラズマ処理装置の一つに、処理容器内に高周波電磁界を供給し、その作用により処理容器内のガスを電離および解離させてプラズマを生成する高周波プラズマ処理装置がある。この高周波プラズマ処理装置は、低圧力で高密度のプラズマを生成できるので、効率のよいプラズマ処理が可能である。

図８は、処理容器内に高周波電磁界を供給するために従来から用いられる電磁界供給装置の一構成例を示す図である。この図に示す電磁界供給装置５１０は、高周波電磁界を発生する高周波発生器５１１と、この高周波発生器５１１に一端が接続された円筒導波管５１２と、この円筒導波管５１２に設けられた円偏波変換器５１３および負荷整合器５１４と、円筒導波管５１２の他端に接続されたラジアルラインスロットアンテナ（以下、ＲＬＳＡと略記する）５１５とから構成されている。

ＲＬＳＡ５１５は、円筒導波管５１２から導入される高周波電磁界を処理容器（図示せず）内に供給するものである。具体的には、ラジアル導波路５２１を形成する互いに平行な２つの円形導体板５２２，５２３と、これら２つの導体板５２２，５２３の外周部を接続し高周波電磁界をシールドする導体リング５２４とを有している。導体板５２２の中心部には、円筒導波管５１２からラジアル導波路５２１に高周波電磁界を導入する開口５２５が形成され、導体板５２３には、ラジアル導波路５２１を伝搬する高周波電磁界を処理容器内に供給するスロット５２６が複数形成されている。導体板５２３とスロット５２６とからアンテナ面５２８が構成される。

高周波発生器５１１で発生した高周波電磁界は、円筒導波管５１２をＴＥ₁₁モードで伝搬し、円偏波変換器５１３により回転電磁界に変換され、ＲＬＳＡ５１５に導入される。ＲＬＳＡ５１５に導入された高周波電磁界は、ラジアル導波路５２１を放射状に伝搬しつつ、スロット５２６を介して処理容器内に供給される。処理容器内では、供給された高周波電磁界によりガスが電離してプラズマが生成され、被処理体に対するプラズマ処理が行われる。
一方、処理容器内に供給されなかった高周波電磁界の一部は、反射電磁界Ｆ１としてＲＬＳＡ５１５から円筒導波管５１３を戻っていく。しかし、負荷整合器５１４により供給側と負荷側とのインピーダンスの整合をとることにより、反射電磁界Ｆ１を負荷整合器５１４により再度反射して、ＲＬＳＡ５１５からの反射電磁界Ｆ１を負荷整合器５１４からＲＬＳＡ５１５へ向かう反射電磁界Ｆ２により打ち消すことができる。

しかしながら、反射電磁界Ｆ１の電力（反射電力）が大きくなると、負荷整合器５１４により反射電磁界Ｆ１の全電力を反射することができず、反射電磁界Ｆ２により反射電磁界Ｆ１を完全に打ち消すことができなくなり、負荷整合器５１４とＲＬＳＡ５１５との間に定在波ができる。その結果、この定在波によってＲＬＳＡ５１５のアンテナ面５２８の中心部に電流が発生し、その部分が局所的に発熱することによりアンテナ面５２８が歪むと、ＲＬＳＡ５１５による高周波電磁界の放射方向が変化し、処理容器内に所望のプラズマ分布を形成できないという問題があった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スロットアンテナからの反射電力を低減することにある。

このような目的を達成するために、本発明のプラズマ生成方法は、アンテナ面に複数形成されたスロットの放射係数が、アンテナ面の径方向で、アンテナ面の中心部から周縁部へ向かう途中の第１の中間部まで単調に増加し、第１の中間部から周縁部へ向けて第１の中間部での値を維持するスロットアンテナを用いることを特徴とする。
また、スロットの放射係数が、アンテナ面の径方向で、アンテナ面の第１の中間部から周縁部へ向かう途中の第２の中間部まで第１の中間部での値を維持し、第２の中間部から周縁部まで単調に減少するスロットアンテナを用いる。

以上説明したように、本発明では、スロットアンテナのスロットの放射係数をアンテナ面の中心部から径方向において単調に増加させ第１の中間部で最大値とし、第１の中間部から周縁部へ向けて最大値を維持させることにより、スロットの放射係数をアンテナ面の中心部から周縁部まで単調に増加させた場合と比較して、スロットアンテナによる放射電力が増大する。したがって、スロットアンテナから放射されずにスロットアンテナ内に残る電力は減少するので、スロットアンテナに高周波電磁界を供給する給電部への反射電力は小さくなる。したがって、反射電力の増大によりアンテナ面が局所的に発熱し歪むことを防止することができる。よって、スロットアンテナによる高周波電磁界の放射方向が変化せず、処理容器内に所望のプラズマ分布を形成することができる。

また、処理容器内の側壁付近でのプラズマ密度がより高密度となる場合は、スロットの放射係数を第２の中間部から周縁部まで単調に減少させ、周縁部付近における高周波電磁界の放射電力を低減することにより、処理容器の側壁付近でのプラズマ生成を抑制し、プラズマが処理容器の側壁内面に接触してスパッターすることによって起こる汚染を低減することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１〜図４を参照し、本発明にかかるプラズマ処理装置の第１の実施の形態について説明する。図１は、この形態の全体構成を示す図である。このプラズマ処理装置は、被処理体である半導体やＬＣＤなどの基板４を収容しこの基板４に対しプラズマ処理を施す処理容器１と、この処理容器１内に高周波電磁界Ｆを供給しその作用により処理容器１内にプラズマＰを生成する電磁界供給装置１０とを有している。

処理容器１は、上部が開口した有底円筒形をしている。この処理容器１の底面中央部には絶縁板２を介して基板台３が固定されている。この基板台３の上面に基板４が配置される。
処理容器１の底面周縁部には、真空排気用の排気口５が設けられている。処理容器１の側壁には、処理容器１内にガスを導入するためのガス導入用ノズル６が設けられている。例えばこのプラズマ処理装置がエッチング装置として用いられる場合、ノズル６からＡｒなどのプラズマガスと、ＣＦ₄ などのエッチングガスとが導入される。

処理容器１の上部開口は、処理容器１内で生成されるプラズマＰが外部に漏れないように、誘電体板７で閉塞されている。この誘電体板７の上に電磁界供給装置１０のＲＬＳＡ１５が配設されている。誘電体板７およびＲＬＳＡ１５の外周は、処理容器１の側壁上に環状に配置されたシールド材８によって覆われ、高周波電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。

電磁界供給装置１０は、ＲＬＳＡ１５とその給電部とから構成されている。給電部はさらに、高周波発生器１１と、この高周波発生器１１とＲＬＳＡ１５との間に接続された円筒導波管１２と、この円筒導波管１２に設けられた円偏波変換器１３および負荷整合器１４とから構成されている。
高周波発生器１１は、周波数が１ＧＨｚ〜十数ＧＨｚの範囲内の所定周波数（例えば２．４５ＧＨｚ）の高周波電磁界Ｆを発生させ、出力するものである。なお、高周波発生器１１は、マイクロ波帯およびそれより低い周波数帯を含む高周波を出力するものであってもよい。
円偏波変換器１３は、円筒導波管１２をＴＥ₁₁モードで伝搬する高周波電磁界Ｆを、その進行方向に対して垂直な面内において、１周期で１回転する回転電磁界に変換するものである。
負荷整合器１４は、円筒導波管１２の供給側（高周波発生器１１側）と負荷側（ＲＬＳＡ１５側）とのインピーダンスの整合をとるものである。

ＲＬＳＡ１５は、円筒導波管１２から導入される高周波電磁界Ｆを、誘電体板７を介して処理容器１内に供給するものである。具体的には、ラジアル導波路２１を形成する互いに平行な２つの円形導体板２２，２３と、これら２つの導体板２２，２３の外周部を接続して高周波電磁界Ｆをシールドする導体リング２４とを有している。導体板２２，２３および導体リング２４は、銅またはアルミニウムなどの導体で形成されている。
ラジアル導波路２１の上面となる導体板２２の中心部には、円筒導波管１２に接続される開口２５が形成され、この開口２５からラジアル導波路２１内に高周波電磁界Ｆが導入される。ラジアル導波路２１の下面となる導体板２３には、ラジアル導波路２１内を伝搬する高周波電磁界Ｆを処理容器１内に供給するスロット２６が複数形成されている。導体板２３とスロット２６とからアンテナ面２８が構成される。

アンテナ面２８上の中心部には、導体または誘電体で形成されたバンプ２７が設けられている。バンプ２７は導体板２２の開口２５に向かって突出する略円錐形に形成された部材である。このバンプ２７により、円筒導波管１２からラジアル導波路２１へのインピーダンスの変化を緩やかにし、円筒導波管１２とラジアル導波路２１との接続部での高周波電磁界Ｆの反射を低減することができる。
なお、ラジアル導波路２１内に遅波材を配置してもよい。この遅波材は比誘電率が１より大きい誘電体からなり、ラジアル導波路２１の管内波長λg が短くなるので、アンテナ面２８の径方向に配置されるスロット２６を増やし、高周波電磁界Ｆの供給効率を向上させることが可能である。

次に、ＲＬＳＡ１５のアンテナ面２８について詳述する。ここでは、スロット２６の長さをラジアル導波路２１の管内波長λg の１／２以下とした場合について説明する。
図２は、アンテナ面２８の一構成例を示す図である。この図において、（ａ）は図１におけるII−II′線方向からみた平面図、（ｂ）はスロット２６の長さの径方向に対する変化を示す図である。図２（ｂ）において、横軸はアンテナ面２８の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸はスロット２６の長さＬである。

図２（ａ）では、周方向にのびるスロット２６が、同心円上に配置されている。
図２（ｂ）に示すように、アンテナ面２８の中心部をＡ、周縁部をＢ、中心部Ａから周縁部Ｂへ向かう途中の所定位置（以下、第１の中間部という）をＣで表すと、アンテナ面２８の径方向において、スロット２６の長さＬは、中心部ＡのＬ１から単調に増加して第１の中間部Ｃで最大長Ｌ２になり、第１の中間部Ｃから周縁部Ｂまで最大長Ｌ２を維持している。したがって、アンテナ面２８の最も内側のスロットから径方向の任意のスロットまで、各スロットの長さがその内側のスロットの長さより長く、前記任意のスロットからアンテナ面２８の最も外側のスロットまで、各スロットの長さが前記任意のスロットの長さと等しくなっている。なお、０＜Ｌ１＜Ｌ２≦λg／２である。

スロット２６の近傍におけるラジアル導波路２１内の高周波電磁界Ｆの電力と、そのスロット２６を介して放射される（またはリークする）高周波電磁界Ｆの電力（放射電力という）との比を、そのスロット２６の放射係数という。すなわち放射係数は、（放射電力）／（ラジアル導波路２１内の電力）で表され、スロット２６の長さＬが０（ゼロ）から長くなるにしたがって徐々に大きくなり、λg／２で極大となる。

したがって、スロット２６の長さＬをアンテナ面２８の径方向に対して上述したように変化させると、スロット２６の放射係数はアンテナ面２８の中心部Ａから径方向において単調に増加して第１の中間部Ｃで最大値となり、第１の中間部Ｃから周縁部Ｂまで最大値を維持する。このようにすると、スロットの放射係数をアンテナ面の中心部から周縁部まで単調に増加させた場合と比較して、高周波電磁界Ｆがラジアル導波路２１の中心部から周縁部まで伝搬する間にＲＬＳＡ１５から放射される（またはリークする）電力が増大する。したがって、ＲＬＳＡ１５から放射されずにラジアル導波路２１内に残る電力は減少するので、ラジアル導波路２１から円筒導波管１２を戻る反射電磁界Ｆ１の反射電力が小さくなる。

したがって、負荷整合器１４によるインピーダンスの整合が容易となり、反射電磁界Ｆ１の全電力を負荷整合器１４により再度反射し、ＲＬＳＡ１５からの反射電磁界Ｆ１を負荷整合器１４からＲＬＳＡ１５へ向かう反射電磁界Ｆ２により完全に打ち消すことができる。このため、負荷整合器１４とＲＬＳＡ１５との間に定在波ができず、ＲＬＳＡ１５のアンテナ面２８が局所的に発熱し歪むこともないので、ＲＬＳＡ１５による高周波電磁界Ｆの放射方向が変化せず、処理容器１内に所望のプラズマ分布を形成することができる。

ここでは、スロット２６の長さＬをラジアル導波路２１の管内波長λg の１／２以下とした場合について説明したが、スロット２６の長さＬが式（４）の範囲であるときも、スロット２６の長さＬが（Ｎ／２＋１／４）×λg から長くなるにしたがって徐々に大きくなり、（Ｎ＋１）×λg／２で極大となるので、スロ
ット２６の長さＬを同様に形成することにより、ラジアル導波路２１から円筒導波管１２を戻る電力を小さくすることができる。
（Ｎ／２＋１／４）×λg ≦Ｌ≦（Ｎ＋１）×λg／２ ・・・（４）
ただし、Ｎは自然数である（以下同じ）。

一方、スロット２６の長さＬが式（５）の範囲の場合、スロット２６の放射係数は、スロット２６の長さＬが（Ｎ／２＋１／４）×λg から短くなるにしたがって徐々に大きくなり、Ｎ×λg／２で極大となるので、スロット２６の長さＬ
を、アンテナ面２８の径方向において、中心部Ａから第１の中間部Ｃまで単調に減少させ、第１の中間部Ｃから周縁部Ｂまで第１の中間部Ｃでの長さ（Ｌの最小長）を維持させる。この場合、アンテナ面２８の最も内側のスロットから径方向の任意のスロットまで、各スロットの長さがその内側のスロットの長さより短く、前記任意のスロットからアンテナ面２８の最も外側のスロットまで、各スロットの長さが前記任意のスロットの長さと等しくなっている。
Ｎ×λg／２≦Ｌ≦（Ｎ／２＋１／４）×λg ・・・（５）

このようにスロット２６の長さＬを変化させることにより、スロット２６の放射係数がアンテナ面２８の中心部Ａから径方向において単調に増加して第１の中間部Ｃで最大値となり、第１の中間部Ｃから周縁部Ｂまで最大値を維持することとなるので、このようなＲＬＳＡを用いることにより、ラジアル導波路２１から円筒導波管１２を戻る電力を小さくすることができる。

なお、図２（ｂ）では、スロット２６の長さＬはＡＣ間で一次関数的に変化しているが、これに限られるものではない。また、第１の中間部Ｃの位置は、プロセス条件などに応じて適切な位置が選ばれる。
図２（ａ）には、周方向にのびるスロット２６が同心円上に配置されている例を示したが、スロット２６を渦巻き線上に配置してもよいし、径方向にのびるスロット２６を形成してもよい。
また、径方向に隣り合うスロット２６の間隔をλg 程度として、ＲＬＳＡ１５を放射型アンテナとしてもよいし、λg／３〜λg／４０程度としてリーク型アンテナとしてもよい。

また、図３（ａ）に示すように、一方のスロット２６Ａの延長線が、他方のスロット２６Ｂ上またはその延長線上で交差する所謂ハの字スロット、または、図３（ｂ）に示すように、互いに長さが異なる２本のスロット２６Ｃ，２６Ｄが互いの中心で交差するクロススロットを、アンテナ面２８に複数形成し、処理容器１内に円偏波を放射するようにしもよい。
スロット２６の平面形状は、図４（ａ）に示すような矩形でもよいし、図４（ｂ）に示すような平行二直線の両端を円弧などの曲線でつないだ形状であってもよい。また、図４（ｃ）または図４（ｄ）に示すように、図４（ａ）の矩形の長辺または図４（ｂ）の平行二直線を円弧状にした形状でもよい。スロットの長さＬとは、図４（ａ）では矩形の長辺の長さであり、図４（ｂ）では平行二直線の長さである。なお、スロット２６の幅Ｗは、ラジアル導波路３３内の高周波電磁界Ｆへの影響およびその管内波長などを考慮して、２ｍｍ程度とするとよい。

（第２の実施の形態）
次に、図５を参照し、本発明にかかるプラズマ処理装置の第２の実施の形態について説明する。図５は、この形態で用いられるＲＬＳＡのアンテナ面の一構成例を示す図である。この図において、（ａ）は図２（ａ）に対応する平面図、（ｂ）はスロットの長さの径方向に対する変化を示す図である。この図では、図２と同一部分または相当部分を同一符号で示しており、その説明を適宜省略する。

図５に示すように、アンテナ面１２８の第１の中間部Ｃから周縁部Ｂへ向かう途中の所定位置（以下、第２の中間部という）をＤで表すと、アンテナ面１２８の径方向において、スロット１２６の長さＬは、中心部ＡのＬ１から単調に増加して第１の中間部Ｃで最大長Ｌ２になり、第１の中間部Ｃから第２の中間部Ｄまで最大長Ｌ２を維持し、第２の中間部Ｄから周縁部Ｂまで単調に減少している。したがって、アンテナ面１２８の最も内側のスロットから径方向の第１の中間部Ｃのスロットまで、各スロットの長さがその内側のスロットの長さより長く、第１の中間部Ｃのスロットから径方向の第２の中間部Ｄのスロットまで、各スロットの長さが第１の中間部Ｃのスロットの長さと等しく、第２の中間部Ｄのスロットから径方向の最も外側のスロットまで、各スロットの長さがその内側のスロットの長さより短くなっている。

スロット１２６の長さＬをラジアル導波路２１の管内波長λg の１／２以下とした場合、アンテナ面１２８の周縁部付近で、中心部Ａから第１の中間部Ｃまでとは逆にスロット１２６の長さＬを単調に減少させることにより、スロット１２６の放射係数も単調に減少し、周縁部付近における高周波電磁界Ｆの放射電力が低減される。その結果、処理容器１の側壁付近の電界強度が弱まり、プラズマガスの電離によるプラズマ生成が抑制される。したがって、処理容器１内の側壁付近でのプラズマ密度が高密度となる場合には、これを低下させ、プラズマＰが処理容器１の側壁に接触して金属表面をスパッターすることによって起こる処理容器１内の汚染を低減することができる。

ここでは、スロット１２６の長さＬをラジアル導波路２１の管内波長λg の１／２以下とした場合について説明したが、スロット１２６の長さＬを上記式（４）の範囲で形成する場合でも同様である。

一方、スロット１２６の長さＬを上記式（５）の範囲で形成する場合には、逆に、アンテナ面１２８の径方向において、スロット１２６の長さＬが、中心部Ａから第１の中間部Ｃまで単調に減少させ、第１の中間部Ｃから第２の中間部Ｄまで第１の中間部Ｃでの長さ（Ｌの最小長）を維持させ、第２の中間部Ｄから周縁部Ｂまで単調に増加させる。この場合、アンテナ面１２８の最も内側のスロットから径方向の第１の中間部Ｃのスロットまで、各スロットの長さがその内側のスロットの長さより短く、第１の中間部Ｃのスロットから径方向の第２の中間部Ｄのスロットまで、各スロットの長さが第１の中間部Ｃのスロットの長さと等しく、第２の中間部Ｄのスロットから径方向の最も外側のスロットまで、各スロットの長さがその内側のスロットの長さより長くなる。このようにスロット１２６の長さＬを変化させることにより、アンテナ面１２８の周縁部付近で、スロット１２６の放射係数が単調に減少するので、処理容器１内の汚染を低減することができる。

なお、図５（ｂ）では、スロット１２６の長さＬは、ＤＢ間で一次関数的に変化しているが、これに限られるものではない。また、スロット１２６の長さＬは、周縁部ＢでＬ１まで減少しているが、必ずしもＬ１まで減少させる必要はない。また、第２の中間部Ｄの位置は、プロセス条件などに応じて適切な位置が選ばれる。

図１，２，５において、アンテナ面２８，１２８は平板状であるが、図６に示すように、アンテナ面２２８Ａが円錐面状をしていてもよい。円錐面状をしたアンテナ面２２８Ａから放射される（またはリークする）高周波電磁界Ｆは、平板状をした誘電体板７によって規定されるプラズマ面に対して斜め方向から入射されることになる。このため、プラズマＰによる高周波電磁界Ｆの吸収効率が向上するので、アンテナ面２２８Ａとプラズマ面との間に存在する定在波を弱め、プラズマ分布の均一性を向上させることができる。
アンテナ面２２８Ａは、上に凸の円錐面状をしているが、図７に示すように下に凸の円錐面状をしたアンテナ面２２８Ｂを用いることもできる。また、アンテナ面２２８Ａ，２２８Ｂは、円錐面状以外の凸形状であってもよい。

本発明のプラズマ装置は、エッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、アッシング装置などに利用することができる。

本発明にかかるプラズマ処理装置の第１の実施の形態の全体構成を示す図である。 ラジアルラインスロットアンテナのアンテナ面の一構成例を示す図である。 ハの字スロットおよびクロススロットの一例を示す図である。 アンテナ面に形成されるスロットの形状の例を示す図である。 本発明にかかるプラズマ処理装置の第１の実施の形態で用いられるスロットアンテナのアンテナ面の一構成例を示す図である。 上に凸の円錐面状をしたアンテナ面を有するラジアルラインスロットアンテナの構成を示す図である。 下に凸の円錐面状をしたアンテナ面の構成を示す斜視図である。 従来の電磁界供給装置の一構成例を示す図である。

符号の説明

１…処理容器、２…絶縁板、３…基板台、４…基板（被処理体）、５…排気口、６…ガス導入用ノズル、７…誘電体板、８…シールド材、１０…電磁界供給装置、１１…高周波発生器、１２…円筒導波管、１３…円偏波変換器、１４…負荷整合器、１５，２１５…ラジアルラインスロットアンテナ、２１，２２１…ラジアル導波路、２２，２３，２２２，２２３Ａ，２２３Ｂ…円形導体板、２４，２２４…リング部材、２５，２２５…開口、２６，２６Ａ〜２６Ｄ，１２６，２２６…スロット、２７…バンプ、２８，１２８，２２８…アンテナ面、Ａ…中心部、Ｂ…周縁部、Ｃ，Ｄ…中間部、Ｆ…高周波電磁界、Ｆ１，Ｆ２… 反射電磁界
、Ｌ…スロットの長さ、Ｐ…プラズマ、Ｗ…スロットの幅。

Claims (1)

1. スロットアンテナのアンテナ面に複数形成されたスロットから処理容器内に電磁界を供給しプラズマを生成するプラズマ生成方法において、
   前記スロットの放射係数が、前記アンテナ面の径方向で、前記アンテナ面の中心部から周縁部へ向かう途中の第１の中間部まで単調に増加し、前記第１の中間部から前記周縁部へ向けて前記第１の中間部での値を維持し、
   前記スロットの放射係数が、前記アンテナ面の径方向で、前記アンテナ面の前記第１の中間部から前記周縁部へ向かう途中の第２の中間部まで前記第１の中間部での値を維持し、前記第２の中間部から前記周縁部まで単調に減少するスロットアンテナを用いることを特徴とするプラズマ生成方法。

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