JP2007035412A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波の導入方向によるプラズマの不均一性をなくすプラズマ処理装置の提供。
【解決手段】内部が減圧排気される処理室１１４と、処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極１１０と、処理室内にプラズマ発生用電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、処理室内に処理ガスを供給する供給系と、処理室内を排気するための真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、記処理室の中心軸と略同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路１０１と、電磁波を複数の出力ポートに分配する分岐回路１１１と分岐回路の出力ポートに接続され、プラズマ発生用電磁波の導入経路と略同心に設置されたリング状の空洞共振器１０５と、リング状共振器の処理室側に設けたスロットアンテナ１０６を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特にマイクロ波等の高周波電力によりプラズマを発生する装置において、プラズマ処理の均一性に関わるプラズマ分布を安定に制御するのに好適なプラズマ処理装置に関するものである。

プラズマ処理装置において、マイクロ波のような高周波を用いてプラズマを発生するプラズマ処理装置が用いられている。高い周波数を用いたプラズマ処理装置の利点としては、比較的低圧でも高密度のプラズマを発生できるため、プラズマ処理条件を広く取れ、様々な処理に適合したプラズマ処理を行えることが上げられる（例えば、特許文献１参照）。

一般にプラズマ処理装置において、発生するプラズマの分布は、プラズマ処理の均一性を左右する主要な要素の一つである。低い周波数の電磁波でプラズマを発生する場合には、比較的容易に均一なプラズマを発生させることができる。しかしながら、周波数の高い高周波でプラズマを発生させると、高周波電力が偏りやすく、均一なプラズマを生成させることが比較的困難となる傾向にある。これは、電磁波の波長がプラズマ処理装置のサイズに比べて短くなるため、処理装置の内部で様々な電磁波の分布を取り得るようになるためであると解釈できる。

例えば、マイクロ波プラズマ処理装置において広く用いられる周波数である２．４５ＧＨｚの高周波については、自由空間での波長は１２２ｍｍとなる。超ＬＳＩ等の回路素子を作成するために用いられる被処理基板としては直径２００ｍｍから３００ｍｍの物が主流となっている。したがって、２．４５ＧＨｚの高周波の波長は被処理基板の直径に比べて短く、処理装置のサイズより短いことが多い。このように波長の短い高周波がプラズマ処理装置の内部で偏って分布することによって、これに起因したプラズマの発生が不均一となり、プラズマ処理の不均一が問題となることが多い。
特開平９−２７０３８６号公報

上述の従来技術では、空洞共振器等を用いることで、プラズマ発生用電磁波の分布を制御して均一なプラズマ処理を行っている。しかし、例えば特許文献１に記載のプラズマ処理装置のうち、例えば図２４、２５記載のプラズマ処理装置のようにマイクロ波の導入を側面から行う場合、処理条件によっては、マイクロ波導入方向によるプラズマの不均一が発生する場合があった。

また別の課題として、同軸線路を概略、処理室の中心軸付近に接続して、これにより電磁波を導入し、プラズマを発生させるプラズマ処理装置において、処理条件によってはプラズマが中心軸付近に集中して、プラズマの均一性を損なう場合があった。

本発明は、上記問題に鑑み、リング状空洞共振気を用いるプラズマ発生装置を用いたプラズマ処理装置において、マイクロ波の導入方向によるプラズマの不均一性をなくすことを目的とする。

さらに、本発明は、略処理室の中心軸付近に接続して設けた同軸線路から電磁波を導入し、プラズマを発生させるプラズマ処理装置において、処理条件によってプラズマが中心軸付近に集中して、プラズマの均一性が損なわれることをなくすことを目的とする。

上述の特許文献１の図２４、２５に示す実施例では、空洞共振器の励振を１個の方形導波管をリング状空洞共振器の側面に接続して行っていたが、この点に改良を加え、全体として装置の中心軸に対して対称な複数の位置から空洞共振器の励振を行うことで、上記課題は解決できる。

上記第２の課題に対しては、装置の中心軸付近で電界集中を起こさない電磁界分布でプラズマを発生させることで解決できる。また上記第２の課題を解決する他の方法として、装置の略中心軸から放射状に設けた複数のスロットアンテナを用いてプラズマ発生用電磁波を放射することで解決できる。

本発明により、高い均一性とプラズマの安定性を高めたプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明は、内部が減圧排気される処理室と、前記処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、前記処理室内にプラズマ発生用電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と、前記処理室内を排気するための真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、前記処理室の中心軸と略同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路と、該電磁波を複数の出力ポートに分配する分岐回路と、該分岐回路の出力ポートに接続され、該プラズマ発生用電磁波の導入経路と略同心に設置されたリング状の空洞共振器とを備えた。

また、本発明は、上記プラズマ処理装置において、処理室の中心軸と略同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路が同軸線路によって構成される。さらに、本発明は、上記プラズマ処理装置において、前記リング状共振器の処理室側にスロットアンテナを設け、該スロットアンテナにより処理室内に電磁波を放射してプラズマを発生させる。さらに、本発明は、上記プラズマ処理装置において、前記スロットアンテナを前記リング状空洞共振器の中心軸に対し同心円状に設けた。そして、本発明は、上記プラズマ処理装置において、リング状空洞共振器とプラズマ処理室の間に空洞部を備えた。

図１を用いて本発明の第１の実施例を説明する。図１に本発明を用いたプラズマ処理装置としてエッチング装置を示す。高周波電源１１７により発生した電磁波が導波管１１９によりアイソレータ１２１、自動整合機１２０を介して同軸導波管変換器１１８で同軸線路１０１に伝送される。高周波電源１１７の発振周波数としては２．４５ＧＨｚのものを用いた。さらに同軸線路１０１中を電磁波は伝送され、導体１０２と誘電体板１０３からなる分岐回路１１１によりリング状の空洞共振器１０５にもたらされる。

リング状の空洞共振器１０５の下部にはスロット１０６が設けられ、誘電体窓１０７、シャワープレート１０８を介して処理室１１４に放射される。スロット１０６は円環状に設けられている。誘電体窓１０７およびシャワープレート１０８の材質としては石英を用いた。シャワープレート１０８は誘電体窓１０７とシャワープレート１０８の間の微小な間隙を介して図示しない処理ガスの供給系から供給される処理ガスを処理室１１４内にシャワー状に供給できるように図示しない微小なガス供給孔が多数設けられている。また処理室１１４には図示しない真空排気系が接続され、処理室１１４内を真空排気すると共に、処理室内を処理に適した所定の圧力に保持する働きをもつ。

処理室１１４内には、被処理基板１０９を戴置するための基板電極１１０が設置されている。基板電極１１０にはバイアス電源１１５が自動整合機１１６を介して接続され、被処理基板１０９にバイアス電位を与えることができる。バイアス電源１１５の周波数としては４００ｋＨｚのものを用いた。

処理室１１４の周囲には静磁界の発生手段１１２が設けられ、処理室１１４内に静磁界を加えることができる。処理室１１４内に電子サイクロトロン共鳴となる静磁界（周波数２．４５ＧＨｚの場合、０．０８７５テスラ）を発生させることで、高真空域でもプラズマの発生を容易にし、広い圧力範囲でのプラズマ処理を可能にすることができる。また静磁界の分布を調整することで、前記電子サイクロトロン共鳴を起こす位置やプラズマの拡散を制御して、プラズマの分布を調整することができる。

図２を用いて、分岐回路１１１とリング状共振器１０５を説明する。図２−ａは分岐回路１１１とリング状共振器１０５を上から見た図である。リング状共振器１０５と同心に同軸線路１０１が接続され、同軸線路１０１は分岐回路１１１で等方に４分岐される。図２−ｂに導体１０２の上面での水平断面を示す。分岐回路１１１の内部は誘電体板１０３上に導体１０２が配置され、いわゆるマイクロストリップ線路の構造をとっている。リング状共振器１０５の底にはリング状空洞共振器１０５の中心軸に対し同心円状の円環状のスロット１０６が設けられ、電磁波を放射する。

模式図である図３を用いて、リング状共振器１０５内部の電界分布と表面電流の関係を説明する。図３において、色の濃い部分が電界の強い部分を示す。前述の特許文献１の記述方法ではＴＥ４１となるモードである。このモードではリング状共振器の高さ方向に高さが全体の１／２の位置で電界が極大値を取り、図３にはこの位置での電界分布を示している。電界ベクトルの方向は図３においてリングの中心軸に対して放射状であり、紙面に平行な成分のみを持つ。図３にはＴＥ４１モードとして電界定在波の腹、節が８個ある例を示したが、同様にＴＥ５１モード、ＴＥ６１モード等を用いても良い。

表１に周波数２．４５ＧＨｚで共振器内部の媒質が空気の場合に各モードの寸法を求めた例を示す。寸法の算出方法や共振器の寸法例等は、前記特許文献１に記載されている。

リング状空洞共振器内部の表面電流は図３の矢印のように流れる。この表面電流を遮るようにスロットを設けるとスロットより効率よく電磁波が放射されることが知られている。本実施例ではスロット１０６を円環状に設けて表面電流を遮ったが、必ずしも円環状にする必要は無く、表面電流を遮るように設ければよい。またスロット１０６を複数、例えば二重の円環状に設けても良いし、ＴＥ４１モードの腹節の数８個に分割してもよい。

ＴＥ５１、ＴＥ６１等、他のモードを用いる場合にスロットを分割する場合には、各モードの腹節の数に対応して分割すればよい。ＴＥ５１モードでは１０個、ＴＥ６１モードでは１２個の腹節が存在する。

リング状共振器の高さとリング幅の関係は、表１に示す例では幅（外側の半径と内側の半径の差）が５５ｍｍ程度、高さが１０９ｍｍとしている。高さに比べて幅が大きくなると他の共振モードが混入しやすいため、高さに比べて幅が小さいほうが望ましい。また表１に示す例では高さが１０９ｍｍの場合について求めた例を示しているが、高さはこれに限定されるものではない。

プラズマ処理装置の中心と略同心に同軸線路を設けてこれにより電磁波を投入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、プラズマ処理室の中心軸上に電界が集中して、プラズマの均一性を悪化させる等の不具合を生じさせる場合がある。これはプラズマ処理室の中心軸上で中心軸に沿った高周波電界成分が集中するために起きる現象である。しかし、本プラズマ処理装置ではプラズマ処理室の中心軸付近で電界の大きさを小さくできるため、このような現象を起こすことはない。また比較的軸対称性の高いプラズマを発生させることができ、プラズマ処理の均一性を高めるのに有利である。

図４を用いて、本発明の第２の実施例を説明する。第２の実施例と第１の実施例の違いはリング状空洞共振器を二重にしたことである。その他の共通する部分の説明については省略する。リング状空洞共振器の二重化により、プラズマの均一性がより向上する効果がある。内側のリング状空洞共振器４０１を第１の実施例と同様の方法で励振している。外側のリング状空洞共振器４０２と内側のリング状空洞共振器４０１の間には複数の短い同軸線路４０３が設けられ、これにより外側のリング状空洞共振器４０２を励振している。また各リング状空洞共振器の内側には第２の静磁界の発生手段４０４が設けられており、第１の静磁界の発生手段１１２と組み合わせて用いることで、静磁界の分布をより広い範囲で調整することができる。

内側のリング状空洞共振器４０１と外側のリング状空洞共振器４０２の共振モードは、本実施例の場合は同一のモードとしている。しかし外側のリング状空洞共振器用の分岐回路を設けて励振することで、別の共振モードを用いても良い。

模式図である図５を用いてリング状共振器１０５内部の電界分布と表面電流の関係を説明する。図５において、内側のリング状空洞共振器４０１に発生される電界のモードは図３に示したモードＴＥ４１と同じ例である。外側のリング状空洞共振器４０２には、ＴＥ８１モードが形成される。このモードではリング状共振器の高さ方向に高さが全体の１／２の位置で電界が極大値を取り、図５にはこの位置での電界分布を示している。電界ベクトルの方向は図５において、内側および外側でも、リングの中心軸に対して放射状であり、紙面に平行な成分のみを持つ。

以上述べたように、本発明によれば、より高い均一性とプラズマの安定性を高めたプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明を用いたプラズマ処理装置の一実施例を示す断面図。 本発明で用いる分岐回路を説明するための断面図。 本発明で用いるリング状共振器内の電界強度の分布、表面電流を模式的に示す説明図。 本発明を用いたプラズマ処理装置の第２の実施例を説明する断面図。 本発明の第２の実施例で用いるリング状共振器内の電界強度の分布、表面電流を模式的に示す説明図。

符号の説明

１０１・・・同軸線路
１０２・・・導体
１０３・・・誘電体板
１０５・・・リング状の空洞共振器
１０６・・・スロット
１０７・・・誘電体窓
１０８・・・シャワープレート
１０９・・・被処理基板
１１０・・・基板電極
１１１・・・分岐回路
１１２・・・静磁界の発生手段
１１４・・・処理室
１１５・・・バイアス電源
１１６・・・自動整合器
１１７・・・高周波電源
１１８・・・同軸導波管変換器
１１９・・・導波管
１２０・・・自動整合器
１２１・・・アイソレータ
４０１・・・内側のリング状空洞共振器
４０２・・・外側のリング状空洞共振器
４０３・・・短い同軸線路
４０４・・・第２の静磁界の発生手段

Claims (5)

1. 内部が減圧排気される処理室と、
   前記処理室内に設けられ被処理基板が配置される基板電極と、
   前記処理室内にプラズマ発生用電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、
   前記処理室内に処理ガスを供給する供給系と、
   前記処理室内を排気するための真空排気系とを有するプラズマ処理装置において、
   前記処理室の中心軸と略同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路と、
   該電磁波を複数の出力ポートに分配する分岐回路と、
   該分岐回路の出力ポートに接続され、該プラズマ発生用電磁波の導入経路と略同心に設置されたリング状の空洞共振器とを備えた
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   処理室の中心軸と略同心に設置されたプラズマ発生用電磁波の導入経路が同軸線路によって構成された
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記リング状共振器の処理室側にスロットアンテナを設け、
   該スロットアンテナにより処理室内に電磁波を放射してプラズマを発生させる
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
   前記スロットアンテナが前記リング状空洞共振器の中心軸に対し同心円状に設けられた
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、
   リング状空洞共振器とプラズマ処理室の間に空洞部を備えた
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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