JPH10107011A

JPH10107011A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH10107011A
Application number: JP8275392A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Ishii; 信雄石井; Kibatsu Shinohara; 己拔篠原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Nihon Koshuha Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Nihon Koshuha Co Ltd
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】処理容器内に２つの振動モードのマイクロ波
を混在させて導入するようにしてプラズマ処理の面内均
一性を高めたプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】マイクロ波発生器６０にて発生したマイ
クロ波を導波管６２内に伝搬させてモード変換器６４に
てモード変換した後に導波管６６内に伝搬させて、これ
より被処理体Ｗにプラズマ処理を施す処理容器内にマイ
クロ波を導入するようにしたプラズマ処理装置におい
て、前記モード変換器のモード変換板６８を、前記マイ
クロ波中に複数の振動モードが混在するように設定す
る。これにより、各振動モードの電界の弱い部分を補完
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波により
アンテナ表面からプラズマ発生用のエネルギを投入し
て、これによりプラズマを発生させるプラズマ処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製品の高密度化及び高微細
化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチ
ング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が
使用される場合があり、特に、０．１〜数１０ｍＴｏｒ
ｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラ
ズマを立てることができることからマイクロ波とリング
状のコイルからの磁場とを組み合わせて高密度プラズマ
を発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向
にある。

【０００３】従来、この種のマイクロ波プラズマ装置と
しては、特開平３−１７２７３号公報に示すような装置
が知られている。この装置にあっては、磁場形成手段を
有するプラズマ発生室にマイクロ波を導入する導波管を
接続し、この導波管より導入したマイクロ波により電子
サイクロトロン共鳴を生ぜしめて高密度のプラズマを生
成するようになっている。図８はこの種の従来のプラズ
マ処理装置の一例を示す概略構成図であり、処理容器２
の天井部にマイクロ波導入窓４を設け、マイクロ波発生
器６にて発生したマイクロ波を例えば矩形状の導波管８
及び円錐状の導波管１０を介してマイクロ波導入窓４ま
で導いて処理容器２内へ導入するようになっている。そ
して、処理容器２内へ導入されたマイクロ波は、処理容
器２の上部外側に設けた磁石１２により発生される垂直
方向の磁界とＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔ
ｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）を生じ、高密度のプラズ
マを発生することになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した装
置例にあっては、矩形導波管８内をＴＥ１０モードで振
動してきたマイクロ波を円錐状の導波管１０にてＴＥ１
１モードに変換して処理容器内に導入していることか
ら、例えば半導体ウエハ上のある断面を見ると、中心部
の電界密度は高く、周辺部に行く程、電界密度が少しず
つ低下している状態となっていることから、膜厚もこの
密度に略比例して形成されるために、スパッタレートや
成膜レートの面内均一が劣化するという問題が発生し
た。特に、ウエハサイズが８インチから１２インチサイ
ズへ大口径化する程、プラズマ密度の均一性を高めるこ
とが困難になり、上記した問題点の解決が強く望まれ
る。

【０００５】このような問題点を解決するために、例え
ば特開平２−１７０５３０号公報に示すように複数の独
立したマイクロ波発生器を設け、これらからのマイクロ
波を処理容器内に別々に導入することも提案されている
が、この場合には、各マイクロ波発生器からのマイクロ
波の位相が、相互に不揃い等の理由で、複数のマイクロ
波発生器を設けた割りにはそれ程プラズマ密度及び膜厚
の面内均一性を高めることはできないし、また、複数の
マイクロ波発生器を有することから装置コストの大幅な
上昇も余儀なくされてしまう、という不都合もあった。
また、他の装置として、例えばＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３）ｐｐ．３００７〜
３０１２の［ＷａｖｅＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｎ
ｄＰｌａｓｍａＵｎｉｆｏｒｍｉｔｙｉｎａｎ
ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎ
ａｎｃｅＰｌａｓｍａＥｔｃｈＲｅａｃｔｏｒ］
に示されるように、マイクロ波を別々に設けた２つのカ
プラに通して一方をＴＥ１１モードで振動させ、他方を
ＴＭ０１モードなどで振動させてこれらを加え合わせ
て、ＴＥ１１モード及びＴＭ０１モードを励振させるよ
うになっている。しかしながら、この装置例にあって
は、カプラや１／４波長の偏向器等を用いることから構
造がかなり複雑化せざるを得ないという問題がある。本
発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解
決すべく創案されたものである。本発明の目的は、処理
容器内に２つの振動モードのマイクロ波を混在させて導
入するようにして、プラズマ処理の面内均一性を高めた
プラズマ処理装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、マイクロ波発生器にて発生したマイク
ロ波を導波管内に伝搬させてモード変換器にてモード変
換した後に導波管内に伝搬させて、これより被処理体に
プラズマ処理を施す処理容器内にマイクロ波を導入する
ようにしたプラズマ処理装置において、前記モード変換
器のモード変換板を、前記マイクロ波中に複数の振動モ
ードが混在するように設定したものである。

【０００７】マイクロ波発生器より発生したマクロ波は
例えば矩形状の導波管内を伝搬した後にモード変換器に
て変換され、更に、導波管内を伝搬してこれより処理容
器内に導入される。モード変換器内においては、モード
変換板が２つの振動モード、例えばＴＭ０１モードとＴ
Ｅ１１モードに対して少しずつ励振するような位置に設
定されているので、このモード変換器より出力されるマ
イクロ波は上記２つの振動モードが混在している。その
ため、処理容器内に導入されるマイクロ波の電界分布
は、両者の振動モードが重ね合わされたような電界分布
となり、処理容器内の平面方向における電界分布、すな
わちプラズマ分布の均一性を向上させることが可能とな
る。

【０００８】また、モード変換器、或いはテーパ導波管
の途中に、一方の振動モード、例えば一方向に強い振動
方向を有するＴＥ１１モードを回転モードに偏向させる
偏波器を設けることにより、電界分布の均一性を一層向
上させることが可能となる。更に、処理容器の外側に、
ＥＣＲ用の磁石を配置することにより、電子サイクロト
ロン共鳴を生ぜしめて、プラズマ密度も高く維持するこ
とが可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るプラズマ処
理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１
は本発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図、図２は
図１に示す装置のモード変換器の部分を主に示す断面
図、図３はマイクロ波の２つの振動モードを示す図であ
る。

【００１０】本実施例においてはプラズマ処理装置をプ
ラズマエッチング装置に適用した場合について説明す
る。図示するようにプラズマ処理装置としてのこのプラ
ズマエッチング装置１４は、例えば側壁や底部がアルミ
ニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形
されると共に上部が段部状に縮径された処理容器１６を
有しており、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成さ
れている。また、この処理空間Ｓの上方が、プラズマ生
成空間Ｓ１として形成される。この処理容器１６内に
は、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載
置する載置台１８が収容される。この載置台１８は、例
えばアルマイト処理したアルミニウム等により中央部が
凸状に平坦になされた略円柱状に形成されており、この
下部は同じくアルミニウム等により円柱状になされた支
持台２０により支持されると共にこの支持台２０は処理
容器１６内の底部に絶縁材２２を介して設置されてい
る。

【００１１】上記載置台１８の上面には、ここにウエハ
を吸着保持するための静電チャックやクランプ機構（図
示せず）が設けられ、この載置台１８は給電線２４を介
してマッチングボックス２６及び例えば１３．５６ＭＨ
ｚのバイアス用高周波電源２８に接続されている。載置
台１８を支持する支持台２０には、プラズマ処理時のウ
エハを冷却するための冷却水等を流す冷却ジャケット３
０が設けられる。上記処理容器１６の側壁であって、処
理空間Ｓを区画する部分には、容器内に例えばエッチン
グガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス
供給ノズル３２が設けられ、このノズル３２はガス供給
路３４によりマスフローコントローラ３６及び開閉弁３
８を介して処理ガス源４０に接続されている。処理ガス
としてのエッチングガスは、ＣＦ₃ 、ＣＨＦ₃ 、ＣＦ
₄ 、Ｃ₄ Ｆ₈ ガス等を単ガスとして或いはこれらと水素
ガスとの混合ガスを用いることができる。また、プラズ
マ生成空間Ｓ１の部分に臨ませて、プラズマガスとして
アルゴン等の不活性ガスを供給するための同じく石英製
のガスノズル４２が設けられており、流量制御されたＡ
ｒガスをここに供給するようになっている。そして、処
理容器１６の段部の外側には、ＥＣＲ用のリング状の磁
石４４が設けられており、プラズマ生成空間Ｓ１にＥＣ
Ｒ発生用の水平回転磁界を印加するようになっている。

【００１２】また、容器側壁の外周には、この内部に対
してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ
４６が設けられる。また、容器底部には、図示されない
真空ポンプに接続された排気口４８が設けられており、
必要に応じて処理容器１６内を所定の圧力まで真空引き
できるようになっている。一方、処理容器１６の天井部
には、この容器内にマイクロ波を導入するために、載置
台１８の直径と略同じ大きさの、或いはこれより僅かに
大きい開口５０が形成されており、この開口５０に、Ｏ
リング等のシール部材５２を介して例えば石英製のマイ
クロ波透過窓５４が気密に設けられている。

【００１３】一方、上記マイクロ波導入口５８に対して
マイクロ波を供給するマイクロ波発生器６０は例えば
２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するものであり、こ
れらは、当初は矩形導波管６２を介してマイクロ波を伝
送し、途中でモード変換器６４を介設してこれにより伝
送形態を変換している。そして、このモード変換器６４
には、導波管として例えば円錐形状になされたテーパ導
波管６６を接続し、この下端部側に前記マイクロ波透過
窓５４が接続されて、マイクロ波を処理容器１６内へ導
入し得るようになっている。尚、この導波管６６として
は円錐状になされたテーパ導波管に限定されず、円筒
管、或いは他の断面形状の導波管を用いてもよい。従っ
て、モード変換器６４にてモード変換されたマイクロ波
は、テーパ導波管６６を介して処理容器１６内へ導入さ
れるようになっている。

【００１４】上記モード変換器６４のテーパ導波管６６
の取付け方向と反対側面、すなわち図１中においてモー
ド変換器６４の天井面は導電性材料により形成して、こ
れをモード変換板６８として構成されており、矩形導波
管６２内を伝搬してきた例えばＴＥ１０モードのマイク
ロ波は、モード変換器６４を通って直接円錐状のテーパ
導波管６６へ伝搬するものと、反対側のモード変換板６
８に反射した後にテーパ導波管６６へ伝搬するものとが
混在する。ここで、矩形導波管６２からテーパ導波管６
６へ直接伝搬するマイクロ波とモード変換板６８を反射
して伝搬するマイクロ波とはある程度干渉することにな
るが、ここではＴＭ０１モードの振動波とＴＥ１１モー
ドの振動波が混在状態となるように、モード変換板６８
と矩形導波管６２の中心軸６２Ａとの間の距離Ｌ１を設
定している。

【００１５】例えば、あるマイクロ波の管内波長をλｇ
であるとすると、矩形導波管６２から出たマイクロ波が
モード変換板６８まで行って反射して戻ってくるまでに
１８０度の位相差が生じるように距離Ｌ１を略λｇ／４
に設定すると、マイクロ波がモード変換板で反射する際
にも１８０度の位相差を生じることから、結果的に３６
０度の位相差となり、共振が生じる。所望する共振モー
ドの略１／４波長の長さ及びそれに略１／２波長の整数
倍を加えた長さに距離Ｌ１を一般的には設定していたの
であるが、ここではＴＥ１１モードの振動の波長λ₁₁か
らＴＭ０１モードの振動の波長λ₀₁までの間の長さの１
／４に距離Ｌ１を設定している。すなわち、距離Ｌ１
は、ＴＥ１１モードの波長λ₁₁の方が短いことから、λ
₁₁／４＜Ｌ１＜λ₀₁／４となるように設定する。具体的
には、λ₁₁／４とλ₀₁／４の略中間値を距離Ｌ１として
設定する。これにより、モード変換板６８での反射波
は、ＴＭ０１モードとＴＥ１１モードに少しずつ共振す
ることになり、テーパ導波管内には、両モードの振動波
が混在することになる。

【００１６】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、ゲートバルブ４６を介し
て半導体ウエハＷを搬送アームにより処理容器１６内に
収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることに
よりウエハＷを載置台１８の上面の載置面に載置する。
そして、処理容器１６内を所定のプロセス圧力、例えば
０．１〜数１０ｍＴｏｒｒの範囲内に維持して、処理ガ
ス供給ノズル３０から例えばＣＦ₄ 等のエッチングガス
を流量制御しつつ供給し、また、ガスノズル４２からプ
ラズマガスとしてＡｒガスを供給する。尚、このＡｒガ
スを供給しない場合もある。同時にマイクロ波発生器６
０からのマイクロ波を、矩形導波管６２、モード変換器
６４及びテーパ導波管６６を介してプラズマ生成空間Ｓ
１及び処理空間Ｓに導入して、この空間に電界を形成
し、これによりプラズマを発生させ、エッチング処理を
行う。この際、処理容器１６の外側に配置した磁石４４
からの回転磁界によりプラズマは電子サイクロトロン共
鳴を生じ、プラズマ密度は高くなる。

【００１７】ここで、マイクロ波発生器６０にて発生し
た例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、ＴＥ１０モー
ドで矩形導波管６２内を伝搬されてモード変換器６４に
てＴＭ０１モードの振動とＴＥ１１モードの振動が混在
するマイクロ波となってテーパ導波管６６内を伝搬され
て行く。すなわち、矩形導波管６２の中心軸６２Ａとモ
ード変換器６４のモード変換板６８との間の距離Ｌ１
は、両モードの波長λ₁₁、λ₀₁の略中間値の１／４の値
に設定されているので、両振動モードが混在した状態に
モード変換されてテーパ導波管６６内を伝搬し、処理容
器１６内へ供給されることになる。

【００１８】図３は２つの振動モードの電界の状態を示
す図であり、図３（Ａ）はＴＥ１１モードの電界状態を
示し、図３（Ｂ）はＴＭ０１モードの電界状態を示す。
図３（Ａ）に示すようにＴＥ１１モードでは一方向、図
中上下方向に強い電界が形成され、側部に行く程、電界
強度は低下している。これに対して、図３（Ｂ）に示す
ようにＴＭ０１モードでは、中心より半径方向に対して
放射状に電界が発生し、中心部ではその強度は落ちてい
る。さて、上記したように２つの振動モードを合成した
場合、その時の電界の分布は、図４に示されている。図
４（Ａ）は図３においてＡ方向（上下方向）へ切断した
時の電界の分布状態を示し、図４（Ｂ）は図３において
Ｂ方向（横方向）へ切断した時の電界の分布を示してい
る。図中、一点鎖線は、両振動モードの合成電界を示
す。

【００１９】図から明らかなように、図４（Ａ）におい
てはＴＥ１１モードの電界の両側での落ち込みはその特
性上、非常に少ないが、図４（Ｂ）においてはグラフの
両側においてかなり激しく落ち込んでいる。これに対し
て、ＴＭ０１モードの電界は図４（Ａ）及び図４（Ｂ）
共に同じ傾向を示し、ウエハ中心部ではやや落ち込みが
あるが、周辺部において２つのピークを有している。従
って、両モードの合成電界は、それぞれの電界の落ち込
みを補完し合うように作用し、結果的に平坦な、すなわ
ち平面方向において略均一な電界分布を得ることが可能
となる。

【００２０】このように、処理容器１６内のプラズマ生
成空間Ｓ１或いは処理空間Ｓにおいて、面方向において
略均一な電界を得ることができるのでプラズマ分布を均
一化させてプラズマ処理の面内均一性を向上させること
が可能となる。従って、ウエハの面内方向に亘って略均
一な、高い密度のプラズマを形成できることから、プラ
ズマ処理、ここでは面内に亘って均一なエッチング処理
を行なうことができる。また、プラズマのスパッタ成膜
を行なう場合には、同様に面内に亘って均一な成膜を施
すことが可能となる。実際の装置例においては、矩形導
波管６２の中心軸６２Ａとモード変換板６８との間の距
離Ｌ１は例えば管内波長の略１／４程度に設定される
が、これに限定されず、プロセス条件に応じていずれか
一方の振動モード側に、やや偏るように設定しても良
い。

【００２１】また、上記実施例においては、一方向に強
い電界を有するＴＥ１１モード（図３（Ａ）参照）のマ
イクロ波をそのままテーパ導波管６６内側へ供給するよ
うにしたが、モード変換器６８内或いはテーパ導波管６
６内に、このＴＥ１１モードの振動を回転モードに偏向
させる偏波器を設けるようにしてもよい。図５及び図６
はこのような偏波器７０を用いた構成を示しており、図
示例においてはテーパ導波管６６の途中に偏波器７０を
設けている。図６（Ａ）はテーパ導波管７０の断面図を
示している。この偏波器７０は、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ 、Ａ
ｌＮ等よりなる誘電体により長い８面体状に成型されて
おり、図６（Ａ）に示すようにその長手方向を、ＴＥ１
１モードの最も電界強度が強い方向７２に対してθ＝４
５°の角度を形成するように設置されている。また、こ
の偏波器７０のマイクロ波伝搬方向の厚みＤ１は、この
マイクロ波の管内波長λ₁₁の１／４の位相差が生ずるよ
うな厚みに設定されている。

【００２２】このように構成することにより、ＴＥ１１
モードのマイクロ波が偏波器７０の部分を通過する時、
この電界の最も強い方向の成分は、図６（Ｂ）に示すよ
うに真空中、或いは空気中を通る電界成分７４Ａとこれ
に直交して偏波器７０の長さ方向に振動する電界成分７
４Ｂとに分かれ、偏波器７０を通過した時には両成分間
には１／４波長の位相差が存在するので円偏波となる。
従って、先の実施例の場合よりも、平面方向の電界分布
の均一性を更に向上させることが可能となる。このよう
な偏波器７０は、前述のようにモード変換器６４内に設
置するようにしてもよい。

【００２３】また、以上の実施例においては、モード変
換板６８は、モード変換器６４のケーシングと兼用して
固定的に設置した場合を例にとって説明したが、図７に
示すように導電性材料よりなるモード変換板６８を、ケ
ーシング天井部７４をスライド自在に貫通したスライド
ロッド７６の先端で支持するようにしてもよい。そし
て、このスライドロッド７６に形成したラック７８にピ
ニオン８０を歯合させ、このピニオン８０を駆動モータ
８２で回転させることにより、モード変換板６８を位置
調整可能とし、モード変換器６４内の所望の位置で停止
させるようにする。これによれば、２つの振動モードの
混在状態を任意に設定することができ、プロセスの種類
等に対応させて種々の電界分布状態を設定することが可
能となる。

【００２４】尚、上記実施例においては、プラズマエッ
チング処理を例にとって説明したが、プラズマ成膜処
理、プラズマスパッタ処理、プラズマアッシング処理等
にも適用できるのは勿論である。更には、被処理体とし
て半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板
等にも適用し得る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のプラズマ
処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮す
ることができる。複数の振動モードが混在したマイクロ
波を処理容器内へ導入することにより面内均一性の優れ
た電界を処理容器内に形成でき、大面積に亘ってプラズ
マ密度の均一化を図ることができる。従って、プラズマ
処理の面内均一性の向上を図ることができる。また、モ
ード変換器内、或いはテーパ導波管内に偏波器を設けて
一部の振動モードを回転モードに変換することにより、
電界の面内均一性を一層向上させることができる。更
に、モード変換板を位置調整可能とすることにより、プ
ラズマ処理の種類に対応させて所望のプラズマ密度の分
布状態を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図で
ある。

【図２】図１に示す装置のモード変換器の部分を主に示
す断面図である。

【図３】マイクロ波の２つの振動モードを示す図であ
る。

【図４】２つの振動モードの合成電界の分布を示す図で
ある。

【図５】偏波器を設けたテーパ導波管を示す図である。

【図６】偏波器の設置方向とこの作用を説明するための
図である。

【図７】モード変換板を可動にした時の状態を示す図で
ある。

【図８】従来のプラズマ処理装置の一例を示す概略構成
図である。

【符号の説明】

１４プラズマ処理装置１６処理容器１８載置台４４ＥＣＲ用の磁石５４マイクロ波透過窓６０マイクロ波発生器６２矩形導波管６４モード変換器６６テーパ導波管６８モード変換板７０偏波器Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発生器にて発生したマイクロ
波を導波管内に伝搬させてモード変換器にてモード変換
した後に導波管内に伝搬させて、これより被処理体にプ
ラズマ処理を施す処理容器内にマイクロ波を導入するよ
うにしたプラズマ処理装置において、前記モード変換器
のモード変換板を、前記マイクロ波中に複数の振動モー
ドが混在するように設定したことを特徴とするプラズマ
処理装置。
【請求項２】前記複数の振動モードは、ＴＭ０１モー
ドとＴＥ１１モードであることを特徴とする請求項１記
載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記モード変換器、或いはテーパ導波管
の途中に、前記複数の振動モードの内の１つの振動モー
ドを回転させるように偏向させる偏波器を設けるように
構成したことを特徴とする請求項１または２記載のプラ
ズマ処理装置。
【請求項４】前記処理容器の外側には、ＥＣＲ用の磁
石を設けていることを特徴とする請求項１乃至３記載の
プラズマ処理装置。