JP4396166B2

JP4396166B2 - 表面波励起プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4396166B2
Application number: JP2003272842A
Authority: JP
Inventors: 正康鈴木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: JP2005033100A

Description

本発明は、表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）を利用してＣＶＤやエッチング等を行う表面波励起プラズマ処理装置に関する。

近年、半導体製造プロセスでは、エッチング処理や成膜処理やアッシング処理などにプラズマを利用して各処理を行うプラズマ処理装置が用いられている。そのようなプラズマ処理装置としては、従来から平行平板プラズマ処理装置やＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance：電子サイクロトロン共鳴）プラズマ処理装置などが使用されている。さらに、近年では、より大面積のプラズマを容易に発生させることができる表面波励起（ＳＷＰ）プラズマ処理装置が利用されるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。

ＳＷＰプラズマ処理装置では、マイクロ波導波管に設けられたスロットアンテナからチャンバ壁に設けられた誘電体を介してマイクロ波電力がチャンバ内に供給され、チャンバ内にプラズマが形成される。マイクロ波は誘電体とプラズマとの境界を誘電体の面方向へと拡がるので、面積の大きなプラズマを得やすい。

特開２０００−３４８８９８号公報

しかしながら、導波管の延在方向と直交する方向の誘電体の幅が約２５ｃｍ以上になると、その幅方向にプラズマが拡がり難くなるという現象が見られる。特にプロセスガスとして窒素ガスや酸素ガスやその他の活性ガス種を使用した場合には、その傾向が顕著である。そのため、誘電体全域に拡がった均一なプラズマを得ることが難しかった。

請求項１の発明による表面波励起プラズマ処理装置は、プラズマを生成するチャンバ内にマイクロ波を導入するための誘電体と、誘電体上に配設され、スロットアンテナを有する複数のスロット導波管と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、３以上のスロット導波管が並列接続され、マイクロ波発生部からのマイクロ波を分岐点において３以上に分岐して前記スロット導波管の各々に伝搬するＴ型分岐導波管とを備え、Ｔ型分岐導波管の分岐点から各スロット導波管の各終端までの長さを、それぞれマイクロ波の管内波長の整数倍に設定したことを特徴とする。
請求項２の発明による表面波励起プラズマ処理装置は、（ａ）プラズマ生成用チャンバの外壁部に隙間を設けて並設された複数の誘電体と、（ｂ）複数の誘電体の各々に設けられ、スロットアンテナを有する複数のスロット導波管を分岐導波管により並列接続して成る導波管ユニットとを具備するプラズマソース部と、複数の導波管ユニット毎に独立して設けられ、分岐導波管にマイクロ波を送出する複数のマイクロ波発生部と、並設された複数の誘電体の各隙間に着脱可能に設けられた表面波反射板とを備え、分岐導波管の分岐点から並列接続された複数のスロット導波管の各終端までの長さを、それぞれマイクロ波の管内波長の整数倍に設定したことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の表面波励起プラズマ処理装置において、複数のスロット導波管の各終端に終端整合器をそれぞれ設けた。

本発明によれば、誘電体の全領域にわたって均一なプラズマを生成することができ、大面積の基板を均一にプラズマ処理することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１〜３は表面波励起プラズマ処理装置の概略構成を説明するための模式図であり、図１は装置の平面図、図２は図１のII−II断面図、図３はIII−III断面図である。図１〜３に示す表面波励起プラズマ処理装置は、ＳＷＰ−ＣＶＤによりＳｉＮｘ膜（シリコン窒化膜）等を形成するＳＷＰ−ＣＶＤ装置を構成している。

１はＣＶＤプロセスが行われるチャンバであり、図２に示すようにチャンバ１内には被成膜対象である基板２が装填される。図示していないが、基板２は基板ホルダ等によって保持されている。チャンバ１の基板２と対向する位置にはプラズマソース部３が設けられている。図１に示すように、プラズマソース部３には導波管４を介してマイクロ波発生部５が接続されている。

マイクロ波発生部５には、マイクロ波電源５０、マイクロ波発振器５１、アイソレータ５２、方向性結合器５３および整合器５４が設けられている。マイクロ波電源５０からマイクロ波発振器５１に電力が供給されると、マイクロ波発振器５１から２．４５ＧＨｚのマイクロ波が出力される。マイクロ波発振器５１と導波管４との間にはアイソレータ５２、方向性結合器５３および整合器５４が設けられており、マイクロ波発振器５１で発生したマイクロ波はこれらを介してプラズマソース部３に送出される。

図２に示すように、プラズマソース部３は導波管ユニット３１と誘電体板３２を備えている。誘電体板３２には石英やジルコニアなどが用いられる。図４は誘電体板３２上に配設される導波管ユニット３１の外観形状を示す射視図である。導波管ユニット３１は、マイクロ波が導入されるＴ型分岐導波管３１ａと、Ｔ型分岐導波管３１ａに接続された２つのスロット導波管３１ｂ，３１ｃとを有している。一対のスロット導波管３１ｂ，３１ｃは誘電体板３２のｙ方向に並列して配置されており、各スロット導波管３１ｂ，３１ｃは誘電体板３２のｘ方向に沿って延在している。図１，２に示すようにスロット導波管３１ｂ，３１ｃの終端には、終端整合器３４がそれぞれ設けられている。

Ｔ型分岐導波管３１ａに導入されたマイクロ波は、Ｔ型分岐導波管３１ａによって２つに分岐し、分岐した一方はスロット導波管３１ｂへと伝搬し、他方はスロット導波管３１ｃへと伝搬する。図３に示すように誘電体板３２は上壁１ａの内面側に設けられており、導波管ユニット３１は誘電体板３２上に載置されている。誘電体板３２の周囲にはマイクロ波を反射するための反射板３３が配設されている。各スロット導波管３１ｂ，３１ｃのＨ面と呼ばれる底面には、マイクロ波を誘電体板３２側へと放射するためのスロットアンテナ３００がスロット導波管３１ｂ，３１ｃの延在方向に沿って所定間隔で複数形成されている（図２，図３参照）。

図２に示すように、ＳｉＮｘ膜をＣＶＤ成膜する場合には、窒素ガス（Ｎ₂）、水素ガス（Ｈ₂）、アルゴンガス（Ａｒ）およびシランガス（ＳｉＨ₄）がガス供給装置６からチャンバ１内に供給される。６１は窒素ガス（Ｎ₂）、水素ガス（Ｈ₂）、アルゴンガス（Ａｒ）の供給源であり、６２はシランガス（ＳｉＨ₄）の供給源である。成膜時には、成膜用のガスを供給しつつチャンバ１内を排気口１ｂから真空排気することによって、チャンバ１内の圧力を成膜プロセスにとって最適な圧力範囲に保持する。

スロット導波管３１ｂ，３１ｃのスロットアンテナ３００から放射されるマイクロ波を、誘電体板３２を介してチャンバ１内に導入すると、チャンバ１内のガスがマイクロ波によって電離・解離されてプラズマが生成される。そして、プラズマの電子密度がマイクロ波カットオフ密度を越えると、マイクロ波は表面波となってプラズマと誘電体板３２との境界面に沿って伝搬して誘電体板３２の全域に拡がる。

誘電体板３２の周辺まで伝搬した表面波は反射板３３によって反射され、定在波が形成される。その結果、誘電体板３２の直下の全域にわたって、密度の高いプラズマが形成される。ガス供給装置６から供給されたＮ₂ガス、Ｈ₂ガスおよびＡｒガスはプラズマにより分解・励起され、ラジカルが形成される。ＳｉＨ₄ガスはこれらのラジカルにより分解・励起され、ＳｉとＮとが結合してシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ膜）が基板２上に形成される。

次に、スロット導波管３１ｂ、３１ｃの長さ寸法の設定方法について説明する。以下では、導波管内のマイクロ波の波長をλgと表し、図４に示すＴ型分岐導波管３１ａの分岐点をＯと表す。図４において、一点鎖線は各導波管３１ａ〜３１ｃの中心線を示している。スロット導波管３１ｂに関しては、分岐点Ｏからスロット導波管３１ｂの終端Ｂまでの寸法を波長λgの整数倍とする。スロット導波管３１ｃに関しては、分岐点Ｏからスロット導波管３１ｃの終端Ｃまでの寸法を波長λgの整数倍とする。

このようにスロット導波管３１ｂ，３１ｃの長さを波長λgの整数倍とすることによって、Ｔ型分岐導波管３１ａ以降の全てのスロット導波管３１ｂ，３１ｃ内での定在波の位相が等しくなる。その結果、一つの整合器５４（図１参照）で全ての系（スロット導波管３１ｂ，３１ｃ）の整合をとることが可能になる。なお、図４に示す例ではスロット導波管３１ｂ，３１ｃのｘ方向長さを等しくしているが、「波長λgの整数倍」という条件を満たしていれば等しくなくても良い。

また、各スロットアンテナ３００は定在波の強度がピークとなる位置に配置される。例えば、図４に示すように各スロット導波管３１ｂ、３１ｃに５個のスロットアンテナ３００ａ〜３００ｅを設ける場合、分岐点Ｏに最も近いスロットアンテナ３００ａを分岐点Ｏからの経路長ＯＥ，ＯＦが波長λgの整数倍である位置に形成する。この場合、スロット導波管３１ｂ、３１ｃに形成された一対のスロットアンテナ３００ａのｘ位置が等しくなるように、それぞれ波長λgの整数倍に設定するのが好ましい。

残りのスロットアンテナ３００ｂ〜３００ｄは、スロットアンテナ間の間隔がλgとなるように形成する。スロットアンテナ３００ａ〜３００ｅをこのような配置とすることにより、定在波の強度がピークとなる位置とスロットアンテナ３００ａ〜３００ｅの位置とが一致してマイクロ波の放射が効果的に行われる。なお、各スロット導波管３１ｂ、３１ｃの終端に設けられている終端整合器３４を調整することによって、各スロット導波管３１ｂ、３１ｃ内での定在波の微妙な位置ずれを修正することができる。

また、スロット導波管３１ｂ、３１ｃの配列間隔ｄについては、例えば、図５に示すように誘電体のｙ方向寸法Ｄyが６０ｃｍであった場合にはｄ＝３０ｃｍのように設定する。このように配設するとプラズマ中の電子密度は図５に示すような分布となり、誘電体板３２の全面に拡がった均一なプラズマを形成することができる。図６は、従来のようにスロット導波管を一つだけ配設した場合の電子密度を定性的に示したものであり、前述したようにスロット導波管を中心としたｙ方向の幅が２５ｃｍを超えると電子密度が急激に小さくなる。

誘電体板３２の大きさがさらに大きな場合には、図７に示す導波管ユニット７０のようにスロット導波管の配列数を３以上に増加させれば良い。図７は図４と同様の図であり、プラズマソース部を構成する導波管ユニット７０と誘電体板３２とを示したものである。図７の導波管ユニット７０では、４つのスロット導波管７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅが一つのＴ型分岐導波管７０ａに接続されている。なお、図示していないが、各スロット導波管７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅの終端には終端整合器３４が設けられている。

この場合にも、分岐点Ｏを基準とする各スロット導波管７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅの長さは、それぞれ管内波長λgの整数倍に設定される。また、各スロット導波管７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅに形成されるスロットアンテナ３００（不図示）の配設位置も、図４の場合と全く同様は方法で設定される。

図８に示す例は、図４と同様の導波管と誘電体板とのセットを４組用いて、より大面積のプラズマを形成する場合を示したものである。４組の導波管ユニット７１〜７４には、図１に示したマイクロ波発生部５がそれぞれ独立に接続される。図８では、導波管ユニット７１〜７４と４つの誘電体板３２Ａ〜３２Ｄとで一つのプラズマソース部が構成されている。なお、図示していないが、各導波管ユニット７１〜７４に設けられたスロット導波管の終端には、終端整合器３４がそれぞれ設けられている。

このように４つの誘電体板３２Ａ〜３２Ｄを配設した場合にも、例えば、図７に示した導波管ユニット７０の各スロット導波管の長さを延長して、４つの誘電体板３２Ａ〜３２Ｄの上に配設するような構成も可能である。この場合、能力の大きな一つのマイクロ波発生部５から各スロット導波管にマイクロ波を送出することになる。

しかしながら、図８に示すように４つの誘電体板３２Ａ〜３２Ｄを使用して大面積のプラズマを生成する場合には、プラズマの面積が大きくなる分だけ大きなマイクロ波電力を供給する必要がある。そのため、大電力のマイクロ波電源５０を専用に製作するよりも、図８のように構成して汎用のマイクロ波電源５０を使用した方がコスト低減を図ることができる。

さらに、一つのマイクロ波電源５０を用いた場合、８つのスロット導波管に関して一括して一つの整合器５４（図１参照）で整合を取るのは、図８の場合に比べて難しい。図８の場合には、４組の導波管ユニット７１〜７４に関してそれぞれ独立に整合を取ればよいので、より簡単に整合調整を行うことができる。

図８の装置において、４組の導波管ユニット７１〜７４の全てを使用せずに、その内の１〜３組の導波管を用いてプラズマ成膜を行うことも可能である。例えば、導波管ユニット７１だけを使用する場合には、他の導波管ユニット７２〜７４の動作を停止して成膜を行う。そうすることによって、基板２（図１参照）の大きさに応じた面積のプラズマを形成して成膜を行うことができる。

その場合、図９に示すように誘電体板３２Ａ〜３２Ｄの間の隙間に、金属製の反射板７５を着脱可能に設けるようにしても良い。誘電体板３２Ａの表面を図示左方向に伝搬した表面波は反射板７５によって反射され、隣接する誘電体板３２Ｂに拡がらない。その結果、誘電体板３２Ａに対向する空間にプラズマが形成され、マイクロ波エネルギーが効率的に利用される。また、導波管ユニット７２も動作させる場合には、反射板７５を外せば良い。

反射板７５は、図４に示すような導波管ユニット３１にも適用することができる。すなわち、誘電体板３２をスロット導波管３１ｂ、３１ｃの間で２つに分割し、その分割した隙間部分に反射板７５を着脱可能に設ける。そして、一方のスロット導波管だけを用いる場合には、他方の導波管の入り口を塞いだり、終端整合器３４を調整して定在波が形成されなくなるようにすれば良い。

上述したように、本発明では誘電体板３２上にＴ型分岐導波管３１ａで接続した複数のスロット導波管３１ｂ，３１ｃを設けたことにより、誘電体板３２の全域にわたる均一なプラズマを形成することができる。その結果、大面積基板の全域にわたって均一にプラズマ処理、例えば、プラズマ成膜を行うことができる。その場合、Ｔ型分岐導波管の分岐点を基準としたスロット導波管の長さをマイクロ波の管内波長λgの整数倍とし、図４で説明したようにスロットアンテナ３００を配設することによって、プラズマ密度の均一化を図ることができる。

上述した実施の形態において、スロット導波管を平行に並べて配設したが平行でなくても良い。さらに、各スロット導波管の長さについても、管内波長λgの整数倍という条件を満たしていれば互いに異なっていても良い。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明による表面波励起プラズマ処理装置の概略構成を示す平面図である。図１のII−II断面図である。図１のIII−III断面図である。スロット導波管３１ｂ、３１ｃの長さ寸法の設定方法について説明する図であり、スロット導波管３１ｂ、３１ｃと誘電体板３２の斜視図である。図４のスロット導波管３１ｂ、３１ｃを用いた場合の、プラズマの電子密度分布を定性的に示す図である。ロット導波管を一つしか使用しない場合の、プラズマの電子密度分布を定性的に示す図である。スロット導波管が４つ並列接続された導波管７０を示す斜視図である。導波管と誘電体板のセットを４組用いる場合のプラズマソース部を示す斜視図である。反射板７５を用いた場合のプラズマソース部を示す断面図である。

符号の説明

１チャンバ
２基板
３プラズマソース部
４，３１，７０〜７４導波管
５マイクロ波発生部
６ガス供給装置
３１，７０〜７４導波管ユニット
３１ａ，７０ａＴ型分岐導波管
３１ｂ，３１ｃ，７０ａ〜７０ｅスロット導波管
３２，３２Ａ〜３２Ｄ誘電体板
３４終端整合器
３３，７５反射板
３００，３００ａ〜３００ｅスロットアンテナ
Ｏ分岐点

Claims

プラズマを生成するチャンバ内にマイクロ波を導入するための誘電体と、
前記誘電体上に配設され、スロットアンテナを有する３以上のスロット導波管と、
マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
前記３以上のスロット導波管が並列接続され、前記マイクロ波発生部からのマイクロ波を分岐点において３以上に分岐して前記スロット導波管の各々に伝搬するＴ型分岐導波管とを備え、
前記Ｔ型分岐導波管の分岐点から前記各スロット導波管の各終端までの長さを、それぞれマイクロ波の管内波長の整数倍に設定したことを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
（ａ）プラズマ生成用チャンバの外壁部に隙間を設けて並設された複数の誘電体と、（ｂ）前記複数の誘電体の各々に設けられ、スロットアンテナを有する複数のスロット導波管を分岐導波管により並列接続して成る導波管ユニットとを具備するプラズマソース部と、
前記複数の導波管ユニット毎に独立して設けられ、前記分岐導波管にマイクロ波を送出する複数のマイクロ波発生部と、
前記並設された複数の誘電体の各隙間に着脱可能に設けられた表面波反射板とを備え、
前記分岐導波管の分岐点から前記並列接続された複数のスロット導波管の各終端までの長さを、それぞれマイクロ波の管内波長の整数倍に設定したことを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
請求項１または２に記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
前記複数のスロット導波管の各終端に終端整合器をそれぞれ設けたことを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。