JP3085155B2

JP3085155B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3085155B2
Application number: JP07223259A
Authority: JP
Inventors: 直樹松本; 隆裕吉識; 博嗣馬渕
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 2000-09-04
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: JPH0969398A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大口径半導体素子
基板、大型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用ガラス基板等
にプラズマを利用してエッチング、アッシング、ＣＶＤ
等の処理を施すプラズマ処理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】反応性ガスのプラズマは、ＬＳＩおよび
ＬＣＤ製造プロセスにおいて広く用いられている。特
に、プラズマを用いたドライエッチング技術は、ＬＳＩ
およびＬＣＤ製造プロセスにとって不可欠な基本技術と
なっている。

【０００３】一般に、プラズマを発生させるための励起
手段として、２．４５ＧＨｚのマイクロ波と１３．５６
ＭＨｚのＲＦ（高周波）が用いられている。マイクロ波
を用いる場合、ＲＦを用いる場合に比べて、低温で高密
度のプラズマが得られ、また電極が不要のため電極から
のコンタミネーションの問題がないなどの利点がある。

【０００４】しかし、マイクロ波を用いたプラズマ処理
装置では、大面積に均一なプラズマを発生させることが
困難であるため、大口径の半導体基板やＬＣＤ用ガラス
基板を均一に処理することが困難である。

【０００５】この点に関し、本出願人は大面積に均一に
マイクロ波プラズマを発生させることが可能なプラズマ
処理装置として、誘電体線路を利用する方式を提案して
いる（特開昭６２−５６００号公報、特開昭６２−９９
４８１号公報）。

【０００６】図５および図６は、上記公報で提案した誘
電体線路を有するプラズマ処理装置の模式的な平面図お
よび部分断面図である。

【０００７】これらの図に示すプラズマ処理装置では、
マイクロ波はマイクロ波発振器２６で発振され、マイク
ロ波導波管２３を介して誘電体線路２１に導入される。
この誘電体線路２１を伝搬するマイクロ波により下方の
中空層２０に電界が形成される。この電界がマイクロ波
導入窓４を透過して反応室２内に供給されて、反応性ガ
スを励起してプラズマが生成される。このプラズマによ
って試料Ｓの表面にプラズマ処理が施される。

【０００８】図７は、誘電体線路を裏返して見たときの
斜視図である。金属板２２に誘電体線路２１は固定され
る。誘電体線路２１は導入部２１１、テーパ型整合部２
１２および平板部２１３からなる。導入部２１１はマイ
クロ波導波管２３に挿入される。

【０００９】テーパ型整合部２１２の幅は、導入部２１
１の幅Ｗ０から平板部２１３の幅Ｗ２に、直線的に変化
させている。テーパ型整合部２１２の厚みは、マイクロ
波の進行方向であるＺ方向には導入部２１１の厚みＴ０
から平板部２１３の厚みＴ１へと直線的に変化させ、ま
た幅方向にはその厚みで一定としている。

【００１０】マイクロ波導波管２３から誘電体線路２１
へのマイクロ波導入は、次のようにして行われる。導入
部２１１において、マイクロ波導波管２３を伝搬してき
たマイクロ波が誘電体線路２１に導入され、矩形ＴＭ₁₁
モードのマイクロ波の表面波が伝搬する。テーパ型整合
部２１２において、この矩形ＴＭ₁₁モードのマイクロ波
が幅方向に拡げられる。拡げられた矩形ＴＭ₁₁モードの
マイクロ波が平板部２１３に導入される。テーパ型整合
部２１２を設けることにより、矩形ＴＭ₁₁モードのマイ
クロ波を、高次モードの発生なしに、大面積の平板部２
１３に導入し伝搬させることができる。

【００１１】この誘電体線路を有するプラズマ処理装置
では、大面積の平板部２１３にマイクロ波を均一に導入
し伝搬させることができるため、この平板部２１３に対
向するマイクロ波導入窓４およびマイクロ波導入口３を
拡げれば、反応室２において大面積のマイクロ波プラズ
マを生成させることができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、誘電
体線路２１は、導入部２１１と、プラズマ発生部に電界
を供給する平板部２１３と、その平板部２１３に高次モ
ードのマイクロ波の発生なしにマイクロ波を導入するテ
ーパ型整合部２１２からなっている。このテーパ型整合
部２１２はプラズマ発生に直接関係しないため、短けれ
ば短いほど、プラズマ処理装置の大きさを小さくできる
ので好ましい。

【００１３】しかしながら、このテーパ型整合部２１２
の長さを単純に短かくすると、基本モードである矩形Ｔ
Ｍ₁₁モードのマイクロ波の表面波が減衰し、高次モード
が発生する。高次モードが発生すると、規則的なマイク
ロ波の電界強度分布となる基本モードマイクロ波の伝搬
と異なり、マイクロ波は複数モードの重ね合わせとなる
ため、マイクロ波の進行方向の電界強度分布は不均一に
なる。その結果、この電界で生成されるプラズマの分布
も不均一になる。このため、テーパ型整合部２１２の長
さを単純に短かくすることができないという問題があっ
た。

【００１４】さらに、半導体基板の大口径化およびＬＣ
Ｄ用ガラス基板の大面積化に伴って、平板部２１３を大
きくする必要があり、これに伴いこのテーパ型整合部２
１２もより大きくする必要があるという問題が生じてき
た。

【００１５】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、装置を不必要に大きくすることなく、誘電体
線路の平板部を伝搬するマイクロ波を進行方向に強度レ
ベルの揃った単一モードのマイクロ波にして、プラズマ
を大面積に均一に生成できるプラズマ処理装置を提供す
ることを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】誘電体線路の平板部を伝
搬するマイクロ波の電界は、開放された誘電体線路下面
から漏洩する。この漏洩した電界がマイクロ波導入窓を
透過し、反応室内でプラズマを生成する。誘電体線路を
伝搬するマイクロ波は定在波となっており、正弦波状の
電界強度分布を示すため、マイクロ波導入窓の近傍では
プラズマの分布はこの電界強度分布を反映したものとな
る。しかし、この生成したプラズマは、マイクロ波導入
窓から離れるに従い拡散により均一化されるため、試料
台付近においては均一なプラズマとなる。

【００１７】プラズマを不均一にするのは、マイクロ波
の進行方向の電界強度のピーク値の減衰であり、これは
高次モードのマイクロ波の発生に起因するものである。

【００１８】このため、テーパ型整合部を設けて高次モ
ードのマイクロ波の発生を抑制し、誘電体線路の平板部
を伝搬するマイクロ波を、進行方向に強度レベルの揃っ
た単一モードのマイクロ波にすることが行われているの
である。

【００１９】テーパ型整合部と高次モードのマイクロ波
の発生について説明する。図１０は、マイクロ波が誘電
体線路を伝搬する状況を示す模式図である。破線はマイ
クロ波の波面を示している。

【００２０】導波管開口面２１２Ｓから導入されたマイ
クロ波のテーパ型整合部の終端位置２１２Ｅでの位相に
ついて考えると、中央部Ａでの位相と端部Ｂでの位相に
ずれが生じる。この中央部Ａでの位相と端部Ｂでの位相
のずれθdif が３π／４（radian）を超えると、高次モ
ードのマイクロ波が発生しやすくなる。

【００２１】この中央部Ａでの位相と端部Ｂでの位相の
ずれθdif は下記の（１）式で表される。ここで、λg
はマイクロ波の誘電体内の伝搬波長であり、∫_Bds2 は
導波管開口面２１２Ｓから端部Ｂまでの積分、∫_Ads1
は導波管開口面２１２Ｓから中央部Ａまでの積分を意味
している。λg は誘電体線路の断面形状の関数であり、
厚みの関数で近似でき、厚みを位置の関数で表せば、λ
g は位置の関数になる。

【００２２】λg をテーパ整合部におけるその平均値で
ある（λg ）avで近似すると、この中央部Ａでの位相と
端部Ｂでの位相のずれθdif は（１）’式で表される。
ｄは、導波管開口面２１２Ｓから中央部Ａまでの距離と
端部Ｂまでの距離の差である。

【００２３】距離の差ｄは（２）式で近似される。Ｗは
誘電体線路の平板部２１３の幅すなわちテーパ型整合部
２１２の終端位置２１２Ｅでの幅、Ｗ０は導波管開口面
２１２Ｓでの幅、Ｌはテーパ型整合部の長さである。距
離の差ｄは誘電体線路の平板部２１３の幅Ｗの２乗にほ
ぼ比例し、テーパ型整合部２１２の長さＬにほぼ反比例
する。また、（２）式から、テーパ型整合部の長さＬは
誘電体線路の幅Ｗの２乗にほぼ比例する。

【００２４】したがって、半導体基板の大口径化および
ＬＣＤ用ガラス基板の大面積化に合わせて、誘電体線路
の平板部２１３の幅Ｗを大きくすると、その２乗に比例
してテーパ型整合部の長さＬを長くする必要がある。

【００２５】

【数１】

【００２６】本発明者は、位相のずれθdif を小さくす
るためには、前記（１）式に基づき、導波管開口面２１
２Ｓから端部Ｂまでの経路上での伝搬波長λg と、導波
管開口面２１２Ｓから中央部Ａまでの経路上での伝搬波
長λg を異ならせれば良いことに着目した（図１０参
照）。また、この伝搬波長λg を変化させるにはその位
置での誘電体の厚みを変えれば良い、すなわち厚くすれ
ば伝搬波長λg は短かくでき、薄くすれば伝搬波長λg
は長くできることに着目して、本発明を完成させた。

【００２７】本発明のプラズマ処理装置によれば、誘電
体線路２１のテーパ型整合部２１２の幅方向の厚みに関
して、中央を厚く、端を薄くしている。こうすることに
より、誘電体線路２１のテーパ型整合部２１２の中央部
を伝搬するマイクロ波の伝搬波長λg を端部を伝搬する
マイクロ波の伝搬波長λg に比べて短かくする。この結
果、Ａ点とＢ点での位相を揃え、位相のずれθdif を抑
えることができる。

【００２８】こうすることにより、誘電体線路２１のテ
ーパ型整合部２１２を長くすることなしに、テーパ型整
合部２１２における高次モードのマイクロ波の発生を抑
え、進行方向に強度レベルの揃った単一モードのマイク
ロ波を減衰なく伝搬させることができる。この結果、電
界強度分布は強度の揃った正弦波状の一様分布となり、
反応室内の試料台付近においては均一なプラズマを生成
させることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のプラズマ処理装置
の例を図面に基づいて説明する。

【００３０】図１はこのプラズマ処理装置の一例を模式
的に示した断面図である。

【００３１】マイクロ波発振器２６はマイクロ波導波管
２３を介して誘電体線路２１に接続されている。誘電体
線路２１にはテフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂が
用いられる。金属板２２にはアルミニウム等が用いられ
る。

【００３２】このマイクロ波導波路２３の途中には、マ
イクロ波の整合（マッチング）をとるためのチューナー
２４およびマイクロ波の反射波をとり除くアイソレータ
２５が設けられる。

【００３３】マイクロ波発振器２６で発振されたマイク
ロ波は、マイクロ波導波管２３を介して誘電体線路２１
に導入される。マイクロ波は、前述したように、導入部
２１１でマイクロ波導波管２３から誘電体線路２１中に
導入され、テーパ型整合部２１２において幅方向に拡げ
られて、平板部２１３に導入される。こうして、平板部
２１３において、高次モードの発生なしにマイクロ波を
均一に伝搬させる。

【００３４】反応容器１は、アルミニウム（Ａｌ）等の
金属により中空直方体に作製される。反応容器１の内部
には反応室２が設けられる。反応容器１の上部にはマイ
クロ波導入口３が開口され、このマイクロ波導入口３は
マイクロ波導入窓４にて反応容器１の上部壁との間にＯ
リング９を挟持して気密に封止される。マイクロ波導入
窓４は、耐熱性とマイクロ波透過性を有しかつ誘電損失
が小さい誘電体、例えば石英ガラス（ＳｉＯ₂）、アル
ミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等、で形成される。

【００３５】反応室２内にはマイクロ波導入窓４とは対
向する位置に、試料Ｓを載置する試料台７が配設され
る。反応ガスを導入するためのガス導入孔５および排気
装置（図示しない）に接続される排気口６が設けられ
る。反応容器１の周囲壁には溶媒通流路８が形成され、
この溶媒通流路８に所定の温度の溶媒を循環させること
により、反応容器１を所定の温度に保持できる。反応容
器１の側壁には、試料Ｓを反応室２に搬入、搬出するゲ
ートバルブ（図示しない）が設けられる。

【００３６】このプラズマ処理装置を用いて試料台上に
載置された試料Ｓの表面にプラズマ処理を施す方法につ
いて説明する。

【００３７】排気口６から排気を行って反応室２を所要
の圧力まで排気した後、ガス導入孔５から反応ガスを供
給して反応室２を所定の圧力とする。

【００３８】マイクロ波発振器２６でマイクロ波を発振
させ、マイクロ波導波管２３を介して、誘電体線路２１
に導入する。誘電体線路２１を伝搬するマイクロ波によ
り、下方の中空層２０に電界が形成される。この電界が
マイクロ波導入窓４を透過して反応室２に供給されて、
プラズマが生成される。このプラズマによって試料Ｓの
表面にプラズマ処理が施される。

【００３９】図２は本発明のプラズマ処理装置の誘電体
線路の一例であって、それを裏返して見たときの斜視図
である。この例の誘電体線路のテーパ型整合部２１２の
平板部２１３との接続部は、中央部は厚みＴ２で平坦で
あり、端部は厚みＴ１であり中央部から端部との間の厚
みは直線的に変化している。もちろんＴ２＞Ｔ１であ
る。この厚みの変化のさせ方は曲線的であっても良い。
中央部の幅Ｗ１は導入部２１１の幅Ｗ０と異なっても良
い。

【００４０】

【実施例】

（実施例）以下、本発明のプラズマ処理装置の実施例に
ついて説明する。本実施例のプラズマ処理装置は図１に
示したものであり、その誘電体線路は図２に示したもの
である。

【００４１】本実施例の誘電体線路はテフロン（比誘電
率ε＝２．１）で作製した。その寸法は以下の通りであ
る。矩形導波管に接続される導入部２１１の幅Ｗ０は９
６ｍｍ、厚みＴ０は２７ｍｍ。テーパ型整合部２１２の
終端における中央部の幅Ｗ１は９６ｍｍ、厚みＴ２は２
７ｍｍ、テーパ型整合部２１２の終端における端部の厚
みＴ１は１５ｍｍ、長さＬ１は１５０ｍｍ。平板部の幅
Ｗ２は３００ｍｍ、中央部の幅Ｗ１は９６ｍｍ、厚みＴ
２は２７ｍｍ、端部の厚みＴ１は１５ｍｍ、長さＬ２は
３８０ｍｍである。

【００４２】このとき、周波数２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波により発生する表面波の基本モードである矩形ＴＭ
₁₁モードに対して、テーパ型整合部２１２の終端位置で
の中心線上の位相と端部での導波管開口面からの位相の
ずれθdif はπ／４となる。

【００４３】本実施例の誘電体線路の開放面から漏洩す
る電界強度を測定した。測定は誘電体線路のテーパ型整
合部２１２の終端をゼロ点としマイクロ波の進行方向で
あるＺ方向について、ループアンテナを走査させて行っ
た。測定位置は誘電体面から２５ｍｍの位置とした。測
定範囲はＺ方向に３３０ｍｍとした。

【００４４】図３は、本発明の誘電体線路の電界強度｜
Ｅｘ｜²のＺ方向の分布を示すグラフである。なお、電
界強度｜Ｅｘ｜²はその最大値で規格化した。電界強度
｜Ｅｘ｜²がマイクロ波進行方向であるＺ方向に対して
正弦波状に分布しており、Ｚ方向に対する減衰が余りな
かった。このときのマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨ
ｚ、マイクロ波電力は４０ｍＷであった。

【００４５】次に、この誘電体線路を備えたプラズマ処
理装置においてイオン電流密度分布の測定を行った。測
定位置はマイクロ波導入窓４から６０ｍｍの位置とし
た。このときの反応容器のマイクロ波導入口３は幅２８
０ｍｍ、長さは３２０ｍｍであった。マイクロ波導入窓
４は幅３６０ｍｍ×３８０ｍｍで厚みが２０ｍｍの石英
板とした。

【００４６】プラズマ発生の条件は以下の通りである。
反応ガスは、Ａｒ：３０ｓｃｃｍ、圧力は１０ｍＴｏｒ
ｒ、マイクロ波電力：１ｋＷである。

【００４７】図４は、プラズマ発生領域のイオン電流密
度のＺ方向の分布を示すグラフである。プラズマ発生領
域はＺ＝２０ｍｍからＺ＝３４０ｍｍの領域である。こ
の領域でほぼ均一なイオン電流密度分布が得られた。

【００４８】（比較例）図５、図６および図７に示した
従来の装置について、電界強度分布とイオン電流分布の
測定を行った。

【００４９】本実施例の誘電体線路の寸法は以下の通り
である。矩形導波管の導入部２１１の幅Ｗ０は９６ｍ
ｍ、厚みＴ０は２７ｍｍ。テーパ型整合部２１２の長さ
Ｌ１は１５０ｍｍ。平板部２１３の幅Ｗ２は３００ｍ
ｍ、厚みＴ１は２０ｍｍ、長さＬ２は３５０ｍｍであ
る。テーパ型整合部２１２の厚みは幅方向に一定であ
り、マイクロ波の進行方向であるＺ方向については、終
端部で平板部２１３の厚みＴ１となるように直線的に減
少する。

【００５０】このとき、周波数２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波の基本モードである矩形ＴＭ₁₁モードに対して、テ
ーパ型整合部２１２の終端位置での中心線上の位相と端
部での導波管開口面からの位相のずれθdif は３π／４
となる。

【００５１】本比較例の誘電体線路の開放面から漏洩す
る電界強度を測定した。測定法および測定位置は先の実
施例と同じである。

【００５２】図８は、本発明の誘電体線路の電界強度｜
Ｅｘ｜²のＺ方向の分布を示すグラフである。電界強度
｜Ｅｘ｜²はその最大値で規格化した。電界強度｜Ｅｘ
｜²はマイクロ波進行方向であるＺ方向に対して定在波
の波長による減衰とは異なる全体的な減衰を示した。こ
のときのマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ、マイク
ロ波電力は４０ｍＷであった。

【００５３】次に、この誘電体線路を備えたプラズマ処
理装置においてイオン電流密度分布の測定を行った。測
定位置はマイクロ波導入窓から６０ｍｍの位置とした。
このときの反応容器のマイクロ波導入口３は幅２８０ｍ
ｍ、長さは３２０ｍｍであった。マイクロ波導入窓４は
幅３６０ｍｍ×３８０ｍｍで厚みが２０ｍｍの石英板と
した。

【００５４】プラズマ発生の条件は以下の通りである。
反応ガスは、Ａｒ：３０ｓｃｃｍ、圧力は１０ｍＴｏｒ
ｒ、マイクロ波電力：１ｋＷである。

【００５５】図９は、プラズマ発生領域のイオン電流密
度のＺ方向の分布を示すグラフである。プラズマ発生領
域はＺ＝２０ｍｍからＺ＝３４０ｍｍの領域である。イ
オン電流密度分布に減衰の傾向が見られた。

【００５６】上記の結果から、誘電体線路のテーパ型整
合部の厚みを幅方向に変化させ、テーパ型整合部の終端
位置での中心点Ａの位相に対する端点Ｂでの導波管開口
面からの位相のずれθdif を小さくすることにより、電
界強度分布を強度の揃った正弦波状の一様分布とし、プ
ラズマを均一に生成することができた。

【００５７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明のプラズマ処
理装置にあっては、誘電体線路を伝搬するマイクロ波の
電界を強度レベルの揃った単一モードの電界にし、プラ
ズマを均一に生成できる。こうして、大口径の半導体基
板、ＬＣＤ用ガラス基板を均一にプラズマ処理すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の一例を模式的に示
した断面図である。

【図２】本発明のプラズマ処理装置の一例の誘電体線路
を裏返して見たときの斜視図である。

【図３】本発明のプラズマ処理装置の誘電体線路の一例
の電界強度｜Ｅｘ｜²のＺ方向の分布を示すグラフであ
る。

【図４】本発明のプラズマ処理装置の一例のイオン電流
密度のＺ方向の分布を示すグラフである。

【図５】従来のプラズマ処理装置を模式的に示した平面
図である。

【図６】従来のプラズマ処理装置を模式的に示した断面
図である。

【図７】従来のプラズマ処理装置の誘電体線路を裏返し
て見たときの斜視図である。

【図８】従来のプラズマ処理装置の電界強度｜Ｅｘ｜²
のＺ方向の分布を示すグラフである。

【図９】従来のプラズマ処理装置のイオン電流密度のＺ
方向の分布を示すグラフである。

【図１０】マイクロ波が誘電体線路を伝搬する状況を示
す模式図である。

【符号の説明】

Ｓ試料１反応容器２反応室３マイクロ波導入口４マイクロ波導入窓５ガス導入孔６排気口７試料台８溶媒通流路９Ｏリング２１誘電体線路２２金属板２３マイクロ波導波管２４チューナー２５アイソレータ２６マイクロ波発振器２１１導入部２１２テーパ型整合部２１３平板部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 C23C 16/50 C23F 4/00 H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波発振器と、マイクロ波導波管
と、このマイクロ波導波管に接続されるテーパ型整合部
を有する誘電体線路と、この誘電体線路に対向配置され
るマイクロ波導入窓と、このマイクロ波導入窓によって
マイクロ波導入口が気密に封止される金属製反応容器と
を備えたプラズマ処理装置において、前記誘電体線路の
テーパ型整合部の幅方向の厚みを中央で厚く、端で薄く
したことを特徴とするプラズマ処理装置。