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WO2002058123A1 - Plasma device and plasma generating method - Google Patents

Plasma device and plasma generating method Download PDF

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WO2002058123A1
WO2002058123A1 PCT/JP2002/000294 JP0200294W WO02058123A1 WO 2002058123 A1 WO2002058123 A1 WO 2002058123A1 JP 0200294 W JP0200294 W JP 0200294W WO 02058123 A1 WO02058123 A1 WO 02058123A1
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WO
WIPO (PCT)
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plasma
slot
electromagnetic field
radiation
radiation surface
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2002/000294
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nobuo Ishii
Makoto Ando
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Electron Ltd
Original Assignee
Tokyo Electron Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electron Ltd filed Critical Tokyo Electron Ltd
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Publication of WO2002058123A1 publication Critical patent/WO2002058123A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/3222—Antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the present invention relates to a plasma device and a plasma generation method for generating plasma by using an electromagnetic field supplied into a container using a slosh antenna.
  • plasma devices are frequently used to perform processes such as formation of oxide films, crystal growth of semiconductor layers, etching, and asshing.
  • plasma devices there is a high-frequency plasma device that supplies a high-frequency electromagnetic field into a processing chamber using a slot antenna and generates high-density plasma using the electromagnetic field.
  • This high-frequency plasma apparatus has a feature that it is versatile because it can stably generate plasma even when the plasma gas pressure is relatively low.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a conventional high-frequency plasma device. In this figure, a vertical cross-sectional structure is shown for a part of the configuration.
  • This plasma apparatus has a processing chamber 111 having a bottomed cylindrical shape whose upper part is open.
  • a substrate table 122 is fixed to the bottom of the processing container 111, and a substrate 121 to be processed is disposed on a mounting surface of the substrate table 122.
  • a nozzle 117 for supplying plasma gas is provided on a side wall of the processing container 111, and an exhaust port 116 for vacuum exhaust is provided at a bottom of the processing container 111.
  • the upper opening of the processing container 111 is closed with a dielectric plate 113 so that plasma does not leak outside therefrom. On this dielectric plate 113, a radial antenna, a kind of slot antenna,
  • This radial antenna 130 has two parallel circular conductor plates 13 1 and 13 2 forming a radial waveguide 13 3, and an outer peripheral portion of these conductor plates 13 1 and 13 2. And a conductor ring 1 3 4 to be connected.
  • a high frequency generator 4 inlet i 3 5 for introducing the electromagnetic field F to radial waveguide 1 3 3 supplied through the circular polarization converter 1 4 2 are formed from.
  • the conductor plate 13 1, which is the lower surface of the radial waveguide 13 3, is provided with an electromagnetic field F propagating in the radial waveguide 13 3 via the dielectric plate 1 13 in the processing vessel 1 1 1.
  • a plurality of slots 1 36 are supplied in the circumferential direction as shown in FIG. 8A.
  • This conductor plate 131 serves as a radiation surface of the radial antenna 130. Further, the outer peripheries of the radial antenna 130 and the dielectric plate 113 are covered with an annular shield member 112 so that the electromagnetic field F does not leak outside.
  • the electromagnetic field F introduced from the high-frequency generator 144 to the radial antenna 130 is propagated radially from the center of the radial waveguide 133 to the periphery, while the electromagnetic field F It is radiated little by little from. For this reason, the power density in the radial waveguide 133 gradually decreases from the center to the periphery.
  • the radiation coefficient of the slot 1336 increases gradually as the length L2 of the slot] .36 increases from 0 (zero), and L2 becomes larger in the radial waveguide 1333. The maximum is obtained when the wavelength of the electromagnetic field F is 12 times the length of g.
  • the upper limit of the length L2 of the slot 1336 is set so that the radiation amount of the radial antenna 13 ⁇ is uniform over the entire radiation surface; As shown in B, it gradually increased from the center O of the radiation surface to the periphery.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to improve in-plane uniformity of plasma distribution.
  • plasma is generated.
  • the radiation amount of the electromagnetic field per unit area at the periphery of the radiation surface is the unit area in the middle area between the center and the periphery of the radiation surface.
  • the slot is formed so as to be smaller than the radiation amount of the electromagnetic field per unit.
  • the slot antenna may have a slot formed such that the radiation amount of the electromagnetic field per unit area monotonically decreases from the intermediate area of the radiation surface toward the peripheral edge.
  • the length of each slot of the slot antenna may monotonically increase from the center of the radiation surface toward the intermediate region, and may decrease monotonically from the intermediate region toward the periphery.
  • the number of slots per unit area on the radiation surface may monotonically increase from the center of the radiation surface toward the intermediate region, and may decrease monotonically from the intermediate region toward the periphery.
  • the plasma generation method of the present invention is characterized in that the radiation amount of the electromagnetic field per unit area at the periphery of the radiation surface of the slot antenna is reduced per unit area in the intermediate region between the center and the periphery of the radiation surface.
  • the amount of radiation of the electromagnetic field is made smaller than the above, and the electromagnetic field from this slot antenna is supplied into the container to generate plasma. This suppresses the generation of plasma near the periphery in the container.
  • the radiation amount of the electromagnetic field per unit area on the radiation surface of the slot antenna may be monotonously reduced from the intermediate region of the radiation surface to the peripheral portion.
  • each slot is formed so that the length of each slot of the slot antenna monotonically increases from the center of the radiating surface toward the middle region and decreases monotonically from the middle region toward the periphery.
  • Each slot is formed so that the number of slots per unit area on the radiation surface of the slot antenna increases monotonically from the center of the radiation surface toward the middle region, and decreases monotonically from the middle region to the periphery. By doing so, the radiation amount distribution described above may be realized.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of a plasma device of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view of an example of a radiation surface of the radial antenna of the plasma device shown in FIG.
  • FIG. 2B is a graph showing the distribution of the slot length of the radiation surface shown in FIG. 2A.
  • FIG. 2C is a graph showing the distribution of the radiation amount of the electromagnetic field F on the radiation surface shown in FIG. 2A. .
  • FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 3C, and FIG. 3D are diagrams showing examples of slot shapes.
  • Figure 4 shows the distribution of the slot lengths of the radial antenna used in the experiment.
  • FIG. 5 shows the results of the experiment.
  • FIG. 6A is a plan view of an example of a radiation surface of a radial antenna used in the second embodiment of the plasma device of the present invention.
  • FIG. 6B is a graph showing the distribution of the number of slots on the radiation surface shown in FIG. 6A.
  • FIG. 6C is a graph showing the distribution of the radiation amount of the electromagnetic field F on the radiation surface shown in FIG. 6A.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a conventional plasma device.
  • FIG. 8A is a plan view of a radiation surface of a radial antenna used in a conventional plasma device. .
  • FIG. 8B is a graph showing the distribution of the slot lengths of the radiation surface shown in FIG. 8A.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram showing a distribution of plasma generated by the conventional plasma device shown in FIG. '' Best mode for carrying out the invention
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of a plasma device of the present invention. In this figure, a vertical cross-sectional structure is shown for a part of the configuration.
  • This plasma apparatus has a cylindrical processing vessel 11 having a bottom and an open top. I have.
  • This processing container 11 is formed of a conductor such as aluminum.
  • the upper opening of the processing container 1 1, the thickness of 2 0 to 3 O mm approximately quartz glass or ceramic (A 1 2 0 3, A 1 N , etc.) the dielectric plate 1 3 made of are arranged .
  • a sealing member 14 such as an O-ring is interposed at the joint between the processing container 11 and the dielectric plate 13, thereby ensuring airtightness inside the processing container 11.
  • An insulating plate 15 made of ceramic or the like is provided at the bottom of the processing container 11. Further, an exhaust port 16 penetrating the insulating layer 15 and the bottom of the processing vessel 11 is provided, and a vacuum pump (not shown) communicating with the exhaust port 16 allows the inside of the processing vessel 11 to be opened. A desired degree of vacuum can be obtained. Also, the sidewall of the processing chamber 1 1, nozzle I 7 for introducing a process gas such as a plasma gas and CF 4 such as A r to treatment barber device 1 1 is eclipsed ⁇ . This nozzle 17 is formed of a quartz pipe or the like.
  • a columnar substrate table 22 on which a substrate 21 as an object to be processed is arranged on a mounting surface is accommodated.
  • the substrate table 22 is supported by an elevating shaft 23 penetrating the bottom of the processing container 11 and is vertically movable.
  • a high frequency power source 26 for bias is connected to the board base 22 via a matching box 25.
  • the output frequency of the high-frequency power supply 26 is a predetermined frequency in the range of several hundred kHz to more than ten MHz.
  • a bellows 24 is provided between the substrate table 22 and the insulating plate] .5 so as to surround the elevating shaft 23 in order to ensure airtightness in the processing vessel 11.
  • a radial antenna 30 which is a kind of slot antenna is arranged on the dielectric plate 13.
  • the radial antenna 30 is isolated from the processing chamber 11 by the dielectric plate 13 and is protected from plasma generated in the processing chamber 11.
  • the outer peripheries of the radial antenna 30 and the dielectric plate 13 are covered with a shield material 12 arranged annularly on the side wall of the processing vessel 11, so that the electromagnetic field F does not leak outside. Has become.
  • the central part of the radial antenna 30 is connected to a high-frequency generator 4'4 by a cylindrical waveguide 41.
  • the high-frequency generator 44 generates a high-frequency electromagnetic field F having a predetermined frequency within a range of 1 GHz to several GHz.
  • a matching circuit 43 for impedance matching and a circular polarization converter 42 for rotating the main direction of the electric field propagating through the cylindrical waveguide 41 around the tube axis are provided.
  • the radial antenna 30 is composed of two mutually parallel circular conductor plates 31 and 32 forming the radial waveguide 33 and a conductor which connects and shields the outer peripheral portions of these conductor plates 31 and 32.
  • the ring is composed of three and four.
  • the conductor plates 31 and 32 and the conductor ring 34 are formed of a conductor such as copper or aluminum. '' In the center of the conductor plate 32, which is the upper surface of the radial waveguide 33, an inlet 35 for introducing the electromagnetic field F into the radial waveguide 33 is formed. Tube 41 is connected.
  • a conical member 37 protruding toward the inlet 35 is provided at the center of the conductor plate 3.1.
  • the conical portion-37 is also formed of the same conductor as the conductor plates 31, 32 and the like.
  • a plurality of slots 36 for supplying an electromagnetic field F propagating through the radial waveguide 33 to the inside of the processing container 11 are formed in the conductor ⁇ 31 serving as the lower surface of the radial waveguide 33.
  • the conductor plate 31 constitutes a radiation surface of the radial antenna 30.
  • FIG. Figure 2A shows the emission surface
  • FIG. 2B is a plan view showing a configuration example
  • FIG. 2B is a diagram showing the distribution of the length of the slot 36
  • FIG. 2C is a diagram showing the distribution of the radiation amount of the electromagnetic field F.
  • the horizontal axis is the radial distance from the center O of the conductor plate 31 forming the radiation surface
  • the vertical axis is the length L1 of the slot 36.
  • the horizontal axis is the radial distance from the center O of the conductor plate 31, and the vertical axis is the radiation amount of the electromagnetic field F per unit area on the radiation surface.
  • 3A to 3D are diagrams showing examples of the shape of the slot 36.
  • the slot 36 is formed in a direction (circumferential direction) along a concentric circle, for example, as shown in ⁇ 2A. In addition, it may be formed in a direction along a spiral from the center toward the peripheral edge. However, it may be formed in the radial direction.
  • the shape of the slot 36 may be a rectangular shape as shown in FIG. 3A or an arc shape as shown in FIG. 3C. Further, the four corners of the slot 36 shown in FIGS. 3A and 3C may be rounded as shown in FIGS. 3B and 3D.
  • the width W1 of the slot 36 is preferably about 2 mm in consideration of the influence on the electromagnetic field F in the radial waveguide 33.
  • the length L1 of the slot 36 is designed so that the radiation amount of the electromagnetic field F per unit area on the radiation surface (hereinafter sometimes simply referred to as radiation amount) has the distribution shown in Fig. 2C.
  • radiation amount the radiation amount of the electromagnetic field F per unit area on the radiation surface
  • Fig. 2C the distribution shown in Fig. 2C.
  • the radiation amount of the slot 36 is determined by the product of the power density in the radial waveguide 33 above the slot 36 and the radiation coefficient of the slot 36.
  • the power density in the radial waveguide 33 gradually decreases from the center to the periphery.
  • the radiation coefficient of the slot 36 gradually increases as the length L 1 of the slot 36 increases from 0 (zero), and L 1 is the wavelength of the electromagnetic field F in the radial waveguide 33. the maximum is obtained when the length of g is 1 to 2. Therefore, the upper limit of L 1 is
  • the length L.1 of the slot 36 monotonically increases from the center A of the conductor plate 31 toward the middle region C, and from the middle region C to the peripheral portion B.
  • the in-plane distribution of radiation amount as shown in Fig. 2C can be obtained.
  • the length L1 of the slot 36 is formed in the range of, for example, ⁇ g / 2 ⁇ L1 ⁇ 34Xg, on the contrary, the length L1 of the slot 36 is By forming a monotonous decrease from the central part A to the intermediate area C and a monotonous increase from the intermediate area C to the peripheral part B, the radiation amount as shown in Fig. 2C The in-plane distribution is obtained.
  • the spacing between adjacent scan port Tsu preparative question in the width direction of to the radial antenna 3 0 may be a radiation type antenna, the distance lg / 2 0 ⁇ ⁇ ⁇ / 3 0 Alternatively, a leak type antenna may be used.
  • the electromagnetic field F introduced into the radial antenna 30 is radiated little by little from the plurality of slots 36 while propagating radially from the center of the radial waveguide 33 to the periphery. Then, the electromagnetic field F which reaches the conductor ring 34 without being radiated from the slot 36 is reflected there and returns to the center again. Thereafter, the electromagnetic field F • is gradually emitted from the plurality of slots 36 while reciprocatingly propagating through the radial waveguide 33.
  • the amount of radiation near the periphery of the radiation surface is relatively smaller than in other regions.
  • the electromagnetic field F radiated from the radial antenna 30 passes through the dielectric plate 13 and is introduced into the processing container 11. And this by the action of the electromagnetic field F with A r of the processing chamber 1 1 'in the ionized CF 4 is dissociated, the plasma is made live in the upper space S of the substrate 2 1.
  • I io 0.6 ⁇ N ; ⁇ e X p [(KT eZmi) 1 , 2 ].
  • FIG. 4 is a diagram showing the distribution of the slot lengths of the radial antennas 1> to ⁇ 4> used in the experiment.
  • the horizontal axis is the radial distance [cm] from the center of the radiation surface, and the vertical axis is the slot length L [cm].
  • the radius of the radiating surface of the radial antennas 1> to ⁇ 4> is 27 cm.
  • FIG. 5 shows the results of the experiment.
  • the horizontal axis is the radial distance [cm] from the center of the plane parallel to the mounting surface of the substrate table in the processing vessel, and the vertical axis is the ion saturation current Ii. Is the current density [mA / cm 2 ].
  • a plasma is generated by supplying an electromagnetic field of 45 GHz, 2 kW, and an ion saturation current. As a result of the measurement, the distribution shown in Fig. 5 (1) was obtained. This indicates that high-density plasma is generated near the periphery of the surface parallel to the mounting surface of the substrate table.
  • the length L of the slot is gradually shortened from the intermediate area of the radiation surface (in this case, 1'2.5 cm from the center) to the periphery, so that the radial antenna 1 When> is used, the power supply to the area where high-density plasma was generated was reduced, and the plasma generation in this area was suppressed, so the plasma distribution is considered to be uniform.
  • the plasma density decreased toward the periphery, and a uniform distribution was not obtained.
  • the radial antenna with the slot pattern shown in Fig. It can be said that in-plane uniformity of plasma distribution can be improved by using tena 30 to generate plasma. By using such plasma, a more uniform plasma treatment can be performed over the entire surface of the substrate 21 than before.
  • FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams of a radial antenna used in the second embodiment of the plasma device of the present invention.
  • 6A is a plan view showing an example of the configuration of the radiation surface
  • FIG. 6B is a diagram showing the distribution of the number of slots 36
  • FIG. 6C is a diagram showing the distribution of the radiation amount of the electromagnetic field F.
  • the horizontal axis represents the radial distance from the center ⁇ of the conductor plate 31 forming the radiation surface
  • the vertical axis represents the number of slots 36 per unit area on the radiation surface.
  • the horizontal axis is the distance in the radial direction from the center O of the conductor plate 31, and the vertical axis is the radiation amount of the electromagnetic field F per unit area on the radiation surface.
  • the slot 36 per unit area on the radiating surface is adjusted so that the radiation amount of the electromagnetic field F per unit area on the radiating surface has the distribution shown in Fig. 6C.
  • Numbers are designed. For example, when the lengths L1 of the slots 36 are all the same, as shown in FIG. 6B, the number of the slots 36 arranged in the circumferential direction increases from the center A of the conductive plate 31 to the intermediate area C.
  • the slot 36 By forming the slot 36 so as to monotonically increase toward the center and monotonically decrease from the intermediate region C toward the peripheral portion B, an in-plane distribution of the radiation amount as shown in FIG. 6C is obtained.
  • the position of the intermediate region C where the radiation characteristic changes is determined in accordance with the process conditions and the like, similarly to the radial antenna 30 described with reference to FIGS. 2A to 2C.
  • the in-plane uniformity of the plasma distribution can be improved as in the case of adjusting the length by the length of the slot 36. .
  • This cavity antenna has a cavity resonator that resonates an electromagnetic field supplied from a high-frequency generator in a predetermined mode, and a plurality of slots for radiating the electromagnetic field are formed on the lower surface of the cavity resonator. Ante Na. In the case of a cavity antenna, it is not necessary to provide an electromagnetic field inlet at the center of the top surface of the cavity resonator.
  • the plasma device of the present invention can also be applied to an ECR (electron cyclotron resonance) plasma device. Further, the plasma device of the present invention can be used for an etching device, a plasma CVD device, and the like.
  • ECR electron cyclotron resonance
  • the radiation of the slot antenna the radiation of the electromagnetic field per unit area at the peripheral portion of the surface is calculated as the radiation of the electromagnetic field per unit area in the intermediate region of the radiation surface.
  • the present invention can be used for a plasma processing process which is generally used in a semiconductor device manufacturing site or the like.

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Description

明細書 プラズマ装置及びブラズマ生成方法 技術分野
本発明は、 スロシ トアンテナを用いて容器内に供給した電磁界によりプラズマ を生成するプラズマ装置及びプラズマ生成方法に関する。 背景技術
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、 またアツシングなどの処理を行うために、 プラ ズマ装置が多用されている。 これらのプラズマ装置の中に、 スロットアンテナを 用いて処理容器内に高周波電磁界を供給し、 その電磁界により高密度プラズマを 発生させる高周波プラズマ装置がある。 この高周波プラズマ装置は、 プラズマガ スの圧力が比較的低くても安定してプラズマを生成することができるので、 用途 が広いという特色がある。
図 7は、 従来の高周波プラズマ装置の一構成例を示す図である。 この図では、 一部構成につレ、て縦断面構造が示されている。
このプラズマ装置は、 上部が開口している有底円筒形の処理容器 1 1 1を有し ている。 この処理容器 1 1 1の底部には基板台 1 2 2が固定され、 この基板台 1 2 2,の载置面に被処理体である基板 1 2 1が配置される。 処理容器 1 1 1の側壁 には、 プラズマガス供給用のノズル 1 1 7が設けられ、 処理容器 1 1 1の底部に は、 真空排気用の排気口 1 1 6が設けられている。 処理容器 1 1 1の上部開口は、 そこからプラズマが外部に漏れないように、 誘電体板 1 1 3で塞がれている。 こ'の誘電体板 1 1 3の上に、 スロッ トアンテナの一種であるラジアルアンテナ
1 3 0が配置されている。 このラジアルアンテナ 1 3 0は、 ラジアル導波路 1 3 3を形成する互いに平行な 2枚の円形導体板 1 3 1， 1 3 2と、 これらの導体板 1 3 1 , 1 3 2の外周部を接続する導体リング 1 3 4とから構成されている。 ラ ジアル導波路 1 3 3の上面となる導体板 1 3 2の中心部には、 高周波発生器 1 4 4から円偏波変換器 1 4 2を介して供給される電磁界 Fをラジアル導波路 1 3 3 内に導入する導入口 i 3 5が形成されている。 また、 ラジアル導波路 1 3 3の下 面となる導体板 1 3 1には、 ラジアル導波路 1 3 3内を伝搬する電磁界 Fを誘電 体板 1 1 3を介して処理容器 1 1 1内に供給するスロット 1 3 6力';、 図 8 Aに示 すように周方向に複数形成されている。 この導体板 1 3 1がラジアルアンテナ 1 3 0の放射面となる。 さらに、 ラジアルアンテナ 1 3 0及び誘電体板 1 1 3の外 周は環状のシールド材 1 1 2によって覆われ、 電磁界 Fが外部に漏れない構造に なっている。
高周波発生器 1 4 4からラジアルアンテナ 1 3 0に導入.された電磁界 Fは、 ラ ジアル導波路 1 3 3の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬しながら、 複数 のスロット 1 3 6から少しずつ放射されてゆく。 このため、 ラジアル導波路 1 3 3内の電力密度は、 中心部から周縁部にゆくほど徐々に低下してゆく。 一方、 ス ロッ ト 1 3 6の放射係数は、 スロッ ト ]. 3 6の長さ L 2が 0 (ゼロ） から長くな るにしたがって徐々に大きくなり、 L 2がラジアル導波路 1 3 3内における電磁 界 Fの波長え g の 1 2の長さのときに極大となる。 このため、 従来は、 ラジア ルアンテナ 1 3◦の放射量が放射面全域で均一になるように、 スロッ ト 1 3 6の 長さ L 2の上限が; I gZ 2の場合、 L 2を図 8 Bに示すように放射面の中心部 O から周縁部に向かって徐々に長く していた。
し力 し、 このようにスロッ ト 1 3 6の長さ L 2が設計されたラジアルアンテナ 1 3 0を用いてプラズマを生成すると、 基 台 1 2 2の載置面に平行な面内にお けるプラズマ分布は図 9に示すように均一にはならず、 周縁部付近で高密度のプ ラズマが発生してしまう。 このような不均一なプラズマで処理を行うと、 プラズ マが高密度となっている下の領域ほど基板 1 2 1に対する処理が速く進行し、 処 理量にばらつきが発生する。 発明の'開示
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、 プラズマ分布の面内均一性を改善することにある。
このような目的を達成するために、 本発明のプラズマ装置では、 プラズマが生 成される容器内に電磁界を供給するスロットアンテナは、 放射面の周縁部におけ る単位面積あたりの電磁界の放射量が放射面の中心部と周縁部との問の中間領域 における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくなるようにスロットが形 成されていることを特徴とする。 これにより、 容器内の周縁部付近におけるブラ ズマ生成が抑制される。
ここで、 スロットアンテナは、 単位面積あたりの電磁界の放射量が放射面の中 問領域から周縁部へ向かって単調減少するようにスロッ卜が形成されていてもよ レ、。
具体的には、 スロッ トアンテナの各スロッ トの長さは、 放射面の中心部から中 間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かつて単調減少していても よい。
また、 スロッ トアンテナは、 放射面における単位面積あたりのスロッ ト数が放 射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって 単調減少していてもよい。
また、 本発明のプラズマ生成方法は、 スロットアンテナの放射面の周縁部にお ける単位面積あたりの電磁界の放射量を放射面の中心部と周縁部との間の中間領 域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さく し、 このスロットアン テナからの電磁界を容器内に供給しプラズマを生成することを特徴とする。 これ により、 容器内の周縁部付近におけるプラズマ生成が抑制される。
ここで、 スロッ トアンテナの放射面における単位面積あたりの電磁界の放射量 を放射面の中間領域から周縁部へ向かって単調減少させるようにしてもよい。 具体的には、 スロッ トアンテナの各スロットの長さが放射面の中心部から中聞 領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に'向かって単調減少するように各 スロットを形成することにより、 上述した放射量分布を実現してもよい。
また、 スロッ トアンテナの放射面における単位面積あたりのスロッ ト数が放射 面の中心部から中間領域に向かつて単調増加し中問領域から周縁部に向かって単 調減少するように各スロットを形成することにより、 上述した放射量分布を実現 してもよレヽ。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明のプラズマ装置の第 1の実施の形態の構成図である。
図 2 Aは、 図 1に示したプラズマ装置のラジアルアンテナの放射面の一例の平 面図である。
図 2 Bは、 図 2 Aに示した放射面のスロッ トの長さの分布を示すグラフである。 図 2 Cは、 図 2 Aに示した放射面の電磁界 Fの放射量の分布を示すグラフであ る。 . .
図 3 A, 図 3 B , 図 3 C， 図 3 Dは、 スロットの形状の例を示す図である。 図 4は、 実験に用いたラジアルアンテナのスロットの長さの分布を す図 である。
図 5は、 実験結果を示す図である。
図 6 Aは、 本発明のブラズマ装置の第 2の実施の形態で使用されるラジアルア ンテナの放射面の一例の平面図である。
図 6 Bは、 図 6 Aに示した放射面のスロッ卜の数の分布を示すグラフである。 図 6 Cは、 図 6 Aに示した放射面の電磁界 Fの放射量の分布を示すグラフであ る。
図 7は、 従来のプラズマ装置の一構成例を示す図である。
図 8 Aは、 従来のプラズマ装置で¾用されるラジァルアンテナの放射面の平面 図である。 .
図 8 Bは、 図 8 Aに示した放射面のスロッ トの長さの分布を示すグラフである。 図 9は、 図 7に示した従来のプラズマ装置によって生成されたプラズマの分布 を示す概念図である。 ' 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して、 本発明の実施の形態を詳細に説明する。
(第 1の実施の形態）
図 1は、 本発明のプラズマ装置の第 1の実施の形態の構成図である。 この図で は、 一部構成について縦断面構造が示されている。
このプラズマ装置は、 上部が開口している有底円筒形の処理容器 1 1を有して いる。 この処理容器 1 1は、 アルミニウムなどの導体で形成されている。 処理容 器 1 1の上部開口には、 厚さ 2 0〜3 O mm程度の石英ガラス又はセラミック (A 1 203, A 1 Nなど） などからなる誘電体板 1 3が配置されている。 処理容 器 1 1と誘電体板 1 3との接合部には Oリングなどのシール部材 1 4を介在させ ており、 これにより処理容器 1 1内部の気密性を確保している。
処理容器 1 1の底部には、 セラミックなどからなる絶縁板 1 5が設けられてい る。 また、 この絶縁扳 1 5及び処理容器 1 1底部を貫通する排気口 1 6が設けら れており、 この排気口 1 6に連通する真空ポンプ （図示せず） により、 処理容器 1 1内を所望の真空度にすることができる。 また、 処理容器 1 1の側壁には、 処 理容器 1 1内に A rなどのプラズマガスや C F 4などのプロセスガスを導入する ためのノズル I 7が^けられている。 このノズル 1 7は石英パイプなどで形成さ れている。
処理容器 1 1内には、 被処理体である基板 2 1が載置面上に配置される円柱状 の基板台 2 2が収容されている。 この基板台 2 2は、 処理容器 1 1の底部を遊貫 する昇降軸 2 3によって支持されており、 上下動自在となっている。 また、 基板 台 2 2には、 マッチングボックス 2 5を介してバイアス用の高周波電源 2 6が接 続されている。 この高周波電源 2 6の出力周波数は数百 k H z〜十数 MH zの範 囲内の所定周波数とする。 なお、 処理容器 1 1内の気密性を確保するため、 基板 台 2 2と絶縁板]. 5と.の間に、 昇降軸 2 3を囲むようにべローズ 2 4が設けられ ている。
また、 誘電体板 1 3の上に、 スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ 3 0が配置されている。 このラジアルアンテナ 3 0は、 誘電体板 1 3によって処 理容器 1 1から隔離されており、 処理容器 1 1内で生成されるプラズマから保護 されている。 ラジアルアンテナ 3 0及び誘電体板 1 3の外周は、 処理容器 1 1の 側壁上に環状に配置されたシールド材 1 2によつて覆われ、 電磁界 Fが外部に漏 れなレ、構造になっている。
ラジアルアンテナ 3 0の中央部は、 円筒導波管 4 1によって高周波発生器 4 '4 に接続されている。 この高周波発生器 4 4は、 1 G H z'〜~ h数 G H zの範囲内の 所定周波数の高周波電磁界 Fを発生するものである。 円筒導波管 4 1の途中には、 インピーダンスマッチングを図るためのマッチング回路 4 3と、 円筒導波管 4 1 を伝搬する電界の主方向を管軸を中心にして回転させる円偏波変換器 4 2が設け られている。
次に、 ラジアルアンテナ 3 0の構成について更に説明する。
ラジアルアンテナ 3 0は、 ラジアル導波路 3 3を形成する互いに平行な 2枚の 円形導体板 3 1 , 3 2と、 これらの導体板 3 1 , 3 2の外周部を接続してシール ドする導体リング 3 4とから構成されている。 導体板 3 1 , 3 2及び導体リング 3 4は、 銅又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 3 3の上面となる導体板 3 2の中心部には、 ラジアル導波路 3 3内に電磁界 Fを導入する導入口 3 5が形成され、 この導入口 3 5に円筒導波管 4 1が接続されている。
ラジアル導波路 3 3の内部において、 導体板 3. 1の中心部には、 導入口 3 5に 向かって突出する円錐部材 3 7が設けられている。 この円錐部お- 3 7も導体板 3 1， 3 2等と同じ導体で形成されている。 この円錐部材 3 7により、 円筒導波管 4 1を伝搬してきた電磁界 Fをラジアル導波路 3 3内へ良好に導波することがで きる。
ラジアル導波路 3 3の下面となる導体扳 3 1には、 ラジアル導波路 3 3内を伝 搬する電磁界 Fを処理容器 1 1内に供給するスロッ ト 3 6が複数形成されている。 この導体板 3 1がラジアルアンテナ 3 0の放射面を構成する。
図 2 A〜図 2 Gは、 ラジアルアンテナ 3 0の説明図である。 図 2 Aは放射面の
—構成例を示す平面図であり、 図 2 Bはスロット 3 6の長さの分布を示す図であ り、 図 2 Cは電磁界 Fの放射量の分布を示す図である。 なお、 図 2 Bにおいて、 横軸は放射面をなす導体板 3 1の中心 Oから径方向の距離であり、 縦軸はスロッ ト 3 6の長さ L 1である。 また、 図 2 Cにおいて、 横軸は同じく導体板 3 1の中 心 Oから径方向の距離であり、 縦軸は放射面における単位面積あたりの電磁界 F の放射量である。 また、 図 3 A〜図 3 Dは、 スロット 3 6の形状の例を示す図で ある。
スロット 3 6は、 例えば囡 2 Aに示すように、 同心円に沿う方向 （周方向） に 形成される。 なお、 中心から周縁部に向かう螺旋に沿う方向に形成されてもよい し、 径方向に形成されてもよい。
スロッ ト 3 6の形状は、 図 3 Aに示すような矩形状でも、 図 3 Cに示すような 円弧状でもよい。 また、 図 3 A, 図 3 Cに示すスロッ ト 3 6の 4つの角を、 図 3 B , 図 3 Dに示すように丸めてもよい。
スロッ ト 3 6の幅 W 1は、 ラジアル導波路 3 3内の電磁界 Fへの影響などを考 慮して、 2 mm程度とするとよい。
スロッ ト 3 6の長さ L 1は、 放射面における単位面積あたりの電磁界 Fの放射 量 （以下、 単に放射量という場合がある） が図 2 Cに示すような分布をもつよう に設計される。 すなわち、 導体板 3 1の中心部を A、 周縁部の B、 それらの間の 所定の領域 （以下、 中間領域という） を Cで表すと、 中心部 Aから中間領域 Cま での領域における放射量がほぼ均一となり、 中間領域 Cから周縁部 Bへ向かって 放射量が単調減少するように、 スロッ ト 3 6の長さ L 1が設計される。 なお、 放 射特性の変化点となる中間領域 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。
スロシト 3 6の放射量は、 そのスロッ ト 3 6上部のラジアル導波路 3 3内の電 力密度と、 そのスロット 3 6の放射係数との積によって決まる。 ラジアル導波路 3 3内の電力密度は、 中心部から周縁部にゆくほど徐々に低下してゆく。 また、 スロッ ト 3 6の放射係数は、 スロッ ト 3 6の長さ L 1が 0 (ゼロ） から長くなる にしたがって徐々に大きくなり、 L 1がラジアル導波路 3 3内における電磁界 F の波長; g の 1ノ 2の長さのときに極大となる。. したがって、 L 1の上限が
/ 2の場合、 図 2 Bに示すように、 スロッ ト 3 6の長さ L .1が導体板 3 1の中心 部 Aから中間領域 Cに向かって単調增加し、 中間領域 Cから周縁部 Bに向かって 単調減少するように形成することにより、 図 2 Cに示したような放射量の面内分 布が得られる。 '
なお、 スロッ ト 3 6の長さ L 1を例えば λ g/ 2≤ L 1 ^ 3 4 X g の範囲 で形成する場合には、 逆に、 スロッ ト 3 6の長さ L 1が導体板 3 1の中心部 Aか ら中問領域 Cに向かって単調減少し、 中間領域 Cから周縁部 Bに向'かつて単調増 加するように形成することにより、 図 2 Cに示したような放射量の面内分布が得 られる。 スロッ ト 3 6の幅方向における隣接ス口ット問の間隔をえ g程度として、 ラジ アルアンテナ 3 0を放射型のアンテナとしてもよいし、 上記間隔を l g/ 2 0〜 λ β/ 3 0として、 リーク型のアンテナとしてもよい。
次に、 図 1に示したプラズマ装置の動作を説明する。
基板 2 1を基板台 2 2の載置面に置いた状態で、 処理容器 1 1内を例えば 0 ·
0 1〜1 9 P a程度の真空度にする。 この真空度を維持しつつ、 ノズル 1 7から プラズマガスとして A rを、 またプロセスガスとして C F 4を供給する。 この状 態で、 髙周波発生器 4 4からの電磁界 Fを円偏波変換器 4 2で円偏波に変換して、 ラジアルアンテナ 3 0に供給する。
ラジアルアンテナ 3 0に導入された電磁界 Fは、 ラジアル導波路 3 3の中心部 から周縁部に向かって放射状に伝搬しながら、 複数のスロット 3 6から少しずつ 放射されてゆく。 そして、 スロット 3 6から放射されずに導体リング 3 4に至つ た電磁界 Fはそこで反射され、 再度中心部に向かうことになる。 以後、 電磁界 F • はラジアル導波路 3 3を往復伝搬しながら、 複数のスロット 3 6から,徐々に放射 されてゆく。 ただし、 放射面の周縁部付近の放射量は、 他の領域よりも相対的に 小さくなつている。
ラジアルアンテナ 3 0から放射された電磁界 Fは、 誘電体板 1 3を透過し、 処 理容器 1 1内に導入される。 そして、 この電磁界 Fの作用により処理容器 1 1 '内 の A rが電離すると共に C F 4が解離し、 基板 2 1の上部空間 Sにプラズマが生 成される。 このプラズマは、 基板台 2 2に印加されたバイアス電圧によってエネ ルギーや異方性がコントロールされ、 基板 2 1上に付着したラジカル C F X ( x = 1 , 2 , 3 ) と共にプラズマ処理に利用される ρ
次に、 図 1に示したプラズマ装置についての実験結果を示す。 実験は、 スロッ トパターンが ¾なる 4種類'のラジアルアンテナく 1〉〜< 4〉を用いてプラズマ を生成し、 それぞれのイオン飽和電流 I i。の分布を計測した。 イオン飽和電流 I t。は次式に示すようにプラズマ密度 に比例するので、 イオン飽和電流 。の分 布を調べることにより、 プラズマ分布を知ることができる。
I io= 0 . 6 · N;■ e X p [ ( K T eZmi) 1,2] . S
Te：電子温度， mi ： イオン質量， S ：プロ 表面積 図 4は、 実験に用いたラジアルアンテナく 1 > ~< 4 >のスロットの長さしの 分布を示す図である。 横軸は放射面の中心から径方向の距離 [ c m] であり、 縦 軸はスロッ トの長さ L [ c m] である。 なお、 ラジアルアンテナく 1〉〜< 4 > の放射面の半径は 2 7 c mである。 図 5は、 実験結果を示す図である。 横軸は処 理容器内において基板台の載置面に平行な面の中心から径方向の距離 [ c m] で あり、 縦軸はイオン飽和電流 I i。の電流密度 [mA/ c m2] である。
まず、 スロッ卜の長さ Lが放射面の中心部から周縁部に向かって徐々に長くな るラジアルアンテナく 1 >について実験を行なった。 このラジアルアンテナく 1 〉は、 図 8 Aに示した従来のラジアルアンテナ 1 3 0に相当する。 処理容器内の 圧力を 4 P aにした状態で、 ラジアルアンテナ < 1 >を用いて処理容器内に 2 .
4 5 G H z , 2 k Wの電磁界を供給してプラズマを生成し、 イオン飽和電流 。 の計測したところ、 図 5のく 1〉で示すような分布が得られた。 これより、 基板 台の载置面に平行な面の周縁部付近に、 高密度のプラズマが発生していることが 分かる。
次に、 スロッ トの長さ Lが放射面の中心部から周縁部に向かって一旦長くなつ たあと再度短くなるラジアルアンテナく 2〉について実験を行なった。 このラジ アルアンテナく 2 >は、 図 2 Aに示したラジアルアンテナ 3 0に相当する。 ラジ アルアンテナく 2〉を用いて同様の計測を行つたところ、 図 5のく 2 >で示すよ うに、 く 1〉よりも均一な分布が得られた。 ラジアルアンテナく 2 >では、 放射 面の中間領域 （この場合、 中心から 1' 2 . 5 c mの位置） から周縁部に向かって スロットの長さ Lを徐々に短くすることにより、 ラジアルアンテナく 1 >を用い たときに高密度のプラズマが発生した領域への電力供給が減少し、 この領域での プラズマ生成が抑制されたため、 プラズマ分布が均一化されたと考えられる。 なお、 スロッ トの長さ Lがー様であるラジアルアンテナく 3〉と、 スロッ トの 長さ Lが放射面の中心部から周縁部に向かって徐々に短くなるラジアルアンテナ く 4 >についても同様の実験を行なったが、 その結果は図 5のく 3 >およびく 4 >で示すように周縁部にゆくほどプラズマ密度が低下し、 均一な分布が得られな かった。
以上の実験結果により、 図 2 Aに示したスロッ トパターンをもつラジアルアン テナ 3 0を用いてプラズマを生成することにより、 プラズマ分布の面内均一性を 改善でき といえる。 このようなプラズマを用いることにより、 基板 2 1表面の 全域で従来よりも均一なプラズマ処理を行うことができる。
(第 2の実施の形態）
図 6 A , 図 6 Bは、 本発明のプラズマ装置の第 2の実施の形態で使用されるラ ジァルアンテナの説明図である。 図 6 Aは放射面の一構成例を示す平面図であり、 図 6 Bはスロッ ト 3 6の数の分布を示す図であり、 図 6 Cは電磁界 Fの放射量の 分布を示す図である。 なお、 図 6 Bにおいて、 横軸は放射面をなす導体板 3 1の 中心〇から径方向の距離であり、 縦軸は放射面における単位面積あたりのスロッ ト 3 6の数である。 また、 図 6 Cにおいて、 横軸は同じく導体板 3 1の中心 Oか ら径方向の距離であり、 縦軸は放射面における単位面積あたりの電磁界 Fの放射 量である。
図 6 Aに示すラジアルアンテナ 3 O Aでは、 放射面における単位面積あたりの 電磁界 Fの放射量が図 6 Cに示すような分布をもつように、 放射面における単位 面積あたりのスロッ ト 3 6の数が設計される。 例えばスロット 3 6の長さ L 1が すべて同じ場合には、 図 6 Bに示すように、 周方向に配列されるスロッ ト 3 6の 数が導体板 3 1の中心部 Aから中間領域 Cに向かって単調増加し、 中間領域 Cか ら周縁部 Bに向かって単調減少するようにスロット 3 6を形成することにより、 図 6 Cに示したような放射量の面内分布が得られる。 放射特性の変化点となる中 間領域 Cの位置が、 プロセス条件などに応じて決定されることは、 図 2 A〜図 2 Cを参照して説明したラジアルアンテナ 3 0と同様である。
このように、 スロット 3 6の数の分布で放射量を調整しても、 スロ ッ ト 3 6の 長さ 1で調整した場合と同様に、 プラズマ分布の面内均一性を改善することが できる。
以上ではスロットアンテナの一例としてラジアルァ,ンテナを用いて説明してき たが、 これに限ることはなく、 他のスロッ トアンテナ、 例えばキヤビティーアン テナを用いても同様の効果を得られる。 このキヤビティーアンテナとは、 高周波 発生器から供給された電磁界を所定のモードで共振させる空洞共振器を有し、 こ の空洞共振器の下面に電磁界を放射するためのスロットが複数形成されたアンテ ナである。 なお、 キヤビティーアンテナでは、 空洞共振器の上面中心部に電磁界 導入口を設ける必要はなレ、。
また、 本発明のプラズマ装置は、 E C R (electron cyclotron resonance) プ ラズマ装置にも適用することができる。 また、 本発明のプラズマ装置は、 エッチ ング装置、 プラズマ C V D装置などに利用することができる。
以上説明したように、 本発明では、 スロットアンテナの放射:面の周縁部におけ る単位面積あたりの電磁界の放射量を、 上記放射面の中問領域における単位面積 あたりの電磁界の放射量よりも小さくすることにより、 容器内の周縁部付近での プラズマ生成が抑制されるので、 プラズマ分布の面内均一性を改善することがで きる。
なお、 今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であつて制限的なもの ではない。 本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示さ れ、 特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものであ る。 産業上の利用可能性
本発明は、 半導体装置の製造現場などにおいて一般的に用いられているプラズ マ装置ゃプラズマ処理工程に利用可能である。

Claims

請求の範囲
1 . 放射面にスロ ットが複数形成されたスロ ットアンテナを用いて容器内に電磁 界を供給しプラズマを生成するプラズマ装置であって、
前記ス口ットアンテナは、 前記放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁 界の放射量が前記放射面の中心部と周縁部との間の中間領域における単位面積あ たりの電磁界の放射量よりも小さくなるように前記ス口ットが形成されている、 プラズマ装置。
2 . 前記スロットァンテナは、 単位面積あたりの電磁界の放射量が前記放射面の 中間領域から周縁部へ向かって単調減少するように前記スロットが形成されてい る、 請求項 1.に記載のプラズマ装置。
3 . 前記スロッ トアンテナの各スロッ トの長さは、 前記放射面の中心部から中間 領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少している、 請 求項 1または 2に記載のプラズマ装置。
4 . 前記スロッ トアンテナは、 前記放射面における単位面積あたりのスロ ッ ト数 が前記放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周緣部に 向かって単調減少している、 請求項 1または 2に記載のプラズマ装置。
5 . スロッ トアンテナを用いて容器内に電磁界を供給しプラズマを生成するプラ ズマ生成方法であって、
前記ス口ットアンテナの放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放 射量を前記放射面の中心部と周縁部との間の中間領域における単位面積あたりの 電磁界の放射量よりも小さくする、 プラズマ生成方法。
6 . 前記スロットアンテナの放射面における単位面積あたりの電磁界の放射量を 前記放射面の中間領域から周縁部へ向かって単調減少させる、 請求項 5に記載の プラズマ生成方法。
7 . 前記スロットアンテナの各ス πットの長さが前記放射面の中心部から中間領 域に向かつて単調増加し中間領域から周縁部に向かつて単調減少するように各ス ロッ トを形成することを特徴とする、 請求項 5または 6に記載のプラズマ生成方 法。
8 . 前記スロットアンテナの放射面における単位面積あたりのスロット数が前記 放射面の中心部から中問領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かつ て単調減少するように各ス口ッ 卜を形成する、 請求項 5または 6に記載のブラズ マ生成方法。
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