JPS6139730B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はプラズマ輸送法を利用したプラズマ
による処理装置に関し、主として半導体基板に対
しプラズマ流によりデポジシヨン又はエツチング
処理をするための処理装置を対象とする。

この発明の基本原理としては、本出願人により
出願し特許されたプラズマ流を用いて所望物質を
所望基板上に輸送し、付着させる技術（特許第
611184号）が公知である。この技術の大要を以下
に説明する。第１図はこのプラズマ輸送法の原理
説明図であつて、１は所望物質のガス又は蒸気を
放電によりプラズマ化するプラズマ発生室、２は
プラズマ発生室１に設けられたプラズマ流出口、
４はプラズマ発生室１に適当な電位を与えるため
の電源、５はプラズマ流の終点たるプラズマ収益
体で、本発明では処理しようとする所望の基板が
対応する。６は収益体５に到達したプラズマ電流
測定用電流計、７はプラズマ発生室１およびプラ
ズマ流通路を真空に保持するための気密囲壁で、
この囲壁内部は図示されない真空排気系により排
気される。８はプラズマ流出口および収受体４を
結ぶプラズマ流経路を軸とする同軸磁界を発生す
る電磁コイルである。

上記構成において、いまプラズマ発生室１に放
電によりプラズマ３を発生させると、このプラズ
マはプラズマ流出口２より発生室１の内外の密度
差に伴う拡散作用によりプラズマを流出させ、こ
れがプラズマ流９として上記電磁コイル８によつ
て発生する同軸磁場によりビーム状に集速させら
れてプラズマ収益体５に導かれ、プラズマ中のイ
オン物質を収益体５の上に析出させる。すなわち
プラズマ化された所望物質をプラズマ発生室１か
ら収益体５まで輸送することで独自の物質輸送方
式をなすものである。

この輸送手段たるプラズマ流の集束度とプラズ
マ密度は、プラズマ発生室のプラズマ密度と同軸
磁界の強さによつて変化するから、磁界が弱いと
プラズマ流の拡がりが大きく、収受体５の一定面
積に到達するプラズマ量を減少させるが、磁界強
度をある程度以上（例えば200ガウス以上）に強
くすれば、プラズマ流９の始点であるプラズマ流
出口２から終点５の収受体までプラズマ密度を殆
んど弱めることなく一定に保つことができる。す
なわち同軸磁界はプラズマ流９に対して磁気的な
パイプを形成しているものとみなすことができ
る。

第２図にこのプラズマ輸送法を実施するための
具体的な構成を断面図として示す。この装置にお
いてはプラズマを発生させるためにマグネトロン
により高周波発振電力を発生させ石英放電管にこ
の発振電力を印加して放電を起しプラズマを発生
する方式を取つている。同図においては、マグネ
トロン１０により同軸管の外側壁１１と同軸管の
中心アンテナ１２によりマグネトロンにて発生せ
る数ＧHz程度のマイクロ波電力をプラズマ発生部
のプラズマ発生室である石英放電管１３に注入す
る。この同軸管によるマイクロ波の伝送は外側壁
の直径と中心アンテナの直径比を適当にとれば、
TEMモードのマイクロ波を効率よく放電管に注
入することが出き比較的小さく放電管を作ること
が出きる。この放電管はその内部圧力が放電に適
当な圧力、すなわち10^-2〜10^-3Torrの圧力に保た
れてあるためマイクロ波電力の注入により放電を
起しプラズマ１４を発生せしめる。この石英放電
管はプラズマ発生のための放電部およびこれに接
続する真空槽を大気圧より気密に保ち導入した目
的物質のガスを放電に適した圧力に保つ役割を有
すると共に、導波管の内外壁よりのプラズマへの
汚染を防ぐもので、本方法の半導体処理の目的に
使用する場合は特に有効である。

この放電管はその管内部の放電によりいちじる
しく温度が上昇するので同軸管の一部に加圧冷却
空気導入口１５を設けてこれより冷却空気を導入
し、放電管と同軸管の間隙を通じて排気口１６よ
り放電管の外側を冷却した空気を排出する。また
中心アンテナ１２は左端においてマグネトロンの
アンテナと結合しているが、その一部に中空部１
８を有する加圧空気導入口１７よりこの中空部に
冷却空気を導入してアンテナ１２の先端部より空
気を噴出せしめ放電管１３の内側の窪も部分を冷
却して排出口１６より排出する。

プラズマ発生部の外周には支持台１９，２１を
介して同軸電磁石２０，２２が位置し、これらの
作る磁界はマイクロ波電力の注入により生じた放
電中の電子の軌道長を長くしてプラズマ１４の電
離度を大とすると共に次の輸送用同軸電磁石２
４，２５の作る同軸磁界と共にプラズマ輸送のた
めの磁気パイプを形成する。２７はマグネトロン
１０に対する磁気遮蔽板で、同軸電磁石による磁
界にマグネトロンの発振特性が影響されないよう
に取付ける。

プラズマ処理室３２は非磁性のステンレス鋼等
により形成され、その内部圧力は10^-5〜10^-7Torr
程度に保たれる。この処理室へ石英よりなるプラ
ズマ流出管２９を通じてプラズマ発生室である石
英放電管１３内に発生したプラズマ１４が、プラ
ズマ流３０として導入される。なお、２８ａ，２
８ｂは目的の原料物質のガスを放電管に導入する
導入部を示す。このプラズマ処理室３２は、排気
口３４を通じて、排気系３３により排気される。
プラズマ処理室の周囲には支持台２３，２５によ
り支持された同軸電磁石２４，２５があり、これ
らにより形成された磁気パイプによつてプラズマ
流は目的の半導体基板３５の上に輸送される。こ
の際プラズマ流３０が基板３５の全面に一様に広
がるように電磁石の磁界強度が調整される。なお
電磁石２４，２６は図上では互いに離して位置さ
せてあるが、一般にこの程度（40cm）の電磁石間
隔では実用上プラズマをいちじるしく発散させる
ことはなく、目的のプラズマ輸送のさまたげとは
ならない。

半導体基板３５はステンレス等より成る支持台
３６にて保持されるが、これは必要に応じて図示
しない加熱機構にて加熱され、またこの支持台を
通じてプラズマ電流が測定されるがその前に設置
したシヤツター３７の開閉により所望の時間だけ
プラズマを基板上に送る。またこの図においてプ
ローベ３１を導入することにより輸送プラズマに
任意の電位を与えることができる。

このように構成されたプラズマ処理装置は半導
体基板へのデポジシヨンエツチングにおいて極め
てすぐれた処理効果をもつことは、本出願人によ
り出願された特願昭50−11976号に詳述した通り
である。しかしながら、この構成にて長時間の動
作を行つた所次のような欠点がありこのままでは
充分にその機能を発揮し度ないことが判明した。
これらの欠点とは下記の３点である。

第２図を参照し同軸管の中心アンテナ１８の
先端と半導体基板３５の間で結合が生じ、半導
体基板表面がスポツト状に加熱され温度が上昇
する。これはアンテナと基板が磁気パイプで一
直線上に結ばれているため特に強く現象として
表われたものである。一般に他の接地部分とも
結合する可能性がある。

放電管内において同軸管であることからまず
円筒状のプラズマが発生するが、これが充分に
拡散して一様にならず、そのままプラズマ流に
なるため、中心部の密度の小さい円筒状のプラ
ズマ流が発生する。また項に関連し中心部に
密度の大なる同軸状のプラズマが発生し、プラ
ズマ流として輸送される。

項と関連して同軸管の中心アンテナに電力
が集中する場合、放電管の窪み部が構造複雑か
つ脆弱であるため窪み部の底部が動作中破損
し、大気圧が放電管に入るような事故がしばし
ば発生する。

これらの現象は放電部の磁場の強さ、真空度、
マイクロ波出力の印加状態により出現したり消滅
したりするが極めて不安定なものであり、本装置
の目的であるデポジシヨン及びエツチングの生産
工程への適用に大きな障害となる。

以下実施例にそつて本発明を詳細に述べる。

第３図に本発明によるプラズマ輸送装置のプラ
ズマ発生部を示す。これは第２図において、同軸
管１１および放電管１３と取付けフランジより左
側の部分に対応する。この第３図の新規なる構成
を特徴づけるものは、マグネトロン３８の同軸出
力を矩形導波管３９に直角に結合させ、いわゆる
同軸線路対矩形導波管変換を行い同軸出力よりの
TEMモードのマイクロ波より矩形導波管３９に
主モードであるTE₁₀モードのマイクロ波を発生
させることである。この矩形導波管３９は同図に
示すごとくテーパー整合部４０を介して円形導波
管４１に連設される。この場合円形導波管には主
モードであるTE₁₁モードのマイクロ波が励起さ
れ、石英放電管４２にマイクロ波電力が注入され
て放電を起し目的のプラズマを生起することにな
る。電力の注入がこのように円筒形の導波管で行
うことができるため、第３図にみられるごとく石
英放電管４２が非常に単純な形状になり、ここに
本発明の特長の一つを有する。またこの石英放電
管を冷却するために圧縮空気導入孔４４と排出口
４５を付した。放電管内に生起したプラズマは外
側部の同軸電磁石により放電で生じた電子の軌道
長を大きくしてプラズマの電離度を大とする作用
をもつと同時に次の同軸電磁石と共にプラズマ輸
送のための磁気パイプを形成する。

以上のような構造を用うることにより前述の欠
点は次のように解決することができる。

円形導波管の採用により、半導体基板、其の
他接地部分との結合の原因を除去できる。

主モードであるTE₁₁モードを用いるため電
気力線が導波管に垂直な直径方向に生じるの
で、円筒の断面上均一なプラズマが生じ密度分
布の均一なプラズマ流を得ることができる。ま
たプラズマ中の電子は磁場方向に対し垂直に加
速されるため、プラズマ流中の電子の水平成分
を少なくすることができる。

放電管の構造が簡単になり丈夫なものを作る
ことができ、かつ電界集中による破損がないの
で長寿命となる。

いま例えばマグネトロンの発振周波数を市販品
で入手の容易な5.45GHzに選べば、円形導波管に
関係する諸常数としては波長は12.245cm、導波管
直径を10cmとすると遮断波長は17.06cmとなり、
遮断波長より発振の波長が短かいため直径10cmの
円形導波管にてマイクロ波電力を導入することが
できる。なおこの場合の管内波長は17.586cmであ
る。また第３図においては円形導波管にTE₁₁モ
ード波を発生させるためテーパー整合部を使用す
る例を示したが、この他にステツプ変換器や直交
変換器を用いても同様の目的が達成できる。

この円形導波管に注入されたマイクロ波電力は
放電管においてマイクロ波放電として消費される
が、放電に消費されなかつたマイクロ波は放電管
を通過し、一部は導波管とこれに接続する真空槽
との接続部において反射されるが多くはこのまま
真空槽内に入り拡散する。これは注入マイクロ波
電力の無効部分となる。それで第４図に示すよう
に導波管の次に開口の直径が遮断波長より小さい
円板４６または円筒４７を付して放電管内で吸収
されずに進行してきたマイクロ波を反射し、再び
放電管内のプラズマの中を再通過させて吸収効率
を向上させることができる。

一般にこのプラズマ輸送装置はプラズマ発生部
において、デポジシヨンのためのプラズマ、また
はエツチングのためのプラズマを発生して、デポ
ジシヨンまたはエツチング処理の機能を持つこと
が可能である。このエツチングの場合、主とし
て、弗化エチレン系のガス、例えばフレオン
（CF₄）のマイクロ波放電を行う。この際発生する
弗素イオンはプラズマ流として輸送され半導体基
板をエツチングするが、同時に石英放電管の管壁
をもエツチングして長時間の使用に対し放電管に
孔をあけてしまうおそれがある。

特に第２図に示すような同軸管結合の放電管で
はその構造が窪み部を持つた複雑な形状であるた
め、この窪み部分において管壁がうすくなり孔が
あきやすい傾向にあつた。

本発明では円形導波管の導入により第３図に示
すごとく放電管の構造が単純化され均一肉厚のも
のが形成出きるようになつたが、更に構造単純化
の手段として第５図に示すように放電管内に内張
り４８を挿入することができる。この内張りは例
えばボロンナイトライド（BN）のように弗素イ
オンに侵されにくい性質を用いると放電管の寿命
をいちじるしく伸ばすことができる。またデポジ
シヨンの場合でもデポジシヨン物質がこの内張り
に附着するため放電管の清掃にあたり内張りを交
換するだけで直ちに次の作業に移ることが出きる
ので装置の手入れ上時間短縮の効果を生じる。

以上実施例で述べたごとく、たとえばプラズマ
輸送装置に円形導波管を用いたプラズマ発生部を
用いることによりその構成を単純化ならしめ、従
来の同軸管を用いた場合の諸欠点を解消し、前記
目的を達成することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマ輸送法によりプラズマ流を用
いて物質を輸送する一般的原理説明図、第２図は
第１図で示した原理を用いてデポジシヨン及びエ
ツチングを行なうためのプラズマ輸送装置の一例
を示す断面図、第３図乃至第５図は本発明による
各実施例においてプラズマ輸送装置の要部をそれ
ぞれ示す断面図である。 １……プラズマ発生室、２……プラズマ流出
口、３……発生プラズマ、４……電源、５……収
受体、６……電流計、７……真空槽、８……同軸
電磁石、９……プラズマ流、１０……マグネトロ
ン、１１……同軸管外側、１２……同軸管アンテ
ナ、１３……放電管、１４……発生プラズマ、１
５……冷却空気入口、１６……冷却空気出口、１
７……冷却空気入口、１８……中空部、１９……
電磁石支持台、２０……同軸電磁石、２１……電
磁石支持台、２２……同軸電磁石、２３……電磁
石支持台、２４……同軸電磁石、２５……電磁石
支持台、２６……同軸電磁石、２７……磁気遮蔽
板、２８……ガス導入口、２９……プラズマ流出
管、３０……プラズマ流、３１……プローベ、３
２……真空槽、３３……排気系、３４……排気
口、３５……収受体、３６……収受体支持台、３
７……シヤツタ、３８……マグネトロン、３９…
…矩形導波管、４０……テーパ整合部、４１……
円形導波管、４２……放電管、４３……支持フラ
ンジ、４４……冷却空気入口、４５……冷却空気
出口、４６……マイクロ波反射円板、４７……マ
イクロ波反射円筒、４８……内張り。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ プラズマ流出口を有するプラズマ発生室と、
   その内部に設置された半導体基板にデポジシヨン
   又はエツチング処理を行なうプラズマ処理室と、
   プラズマ発生室で発生したプラズマをプラズマ流
   出口から半導体基板まで輸送する磁場とを具備し
   たプラズマ処理装置において、前記プラズマ発生
   室内にプラズマを発生させるために円形導波管に
   注入されるマイクロ波を用いたことを特徴とする
   プラズマ処理装置。