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発明の名称 プラズマ処理方法及び装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−251896
公開日 平成6年(1994)9月9日
出願番号 特願平5−310100
出願日 平成5年(1993)12月10日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 斉藤 裕 / 鈴木 康道 / 田村 直行
要約 目的
電子デバイスの製造において、薄膜の形成、薄膜の加工、処理基板上の汚染物や酸化膜の除去等をプラズマを利用して処理する装置に関し、低圧力域で高密度のプラズマを均一かつ安定に形成し、大面積基板を均一で高速にかつダメージ無く処理するプラズマ処理方法及びその装置を提供する。

構成
静磁界とマイクロ波を組み合わせてプラズマを発生させる方法において、マイクロ波発振源19の周波数を4.9GHz以上とし、かつ静磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴を起こさせる強度より低くして左回りの円偏波(L波)を主体として高密度のプラズマを発生させる又はマイクロ波発振源19の周波数を1.22GHz以下とし、かつ静磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴を起こさせる強度以上とし、プロセスで使用するプラズマは右回りの円偏波(R波)を主体として発生させた高密度のプラズマを用いることにより達成する。
特許請求の範囲
【請求項1】真空容器内にガスを導入してプラズマを発生させ、基板上の薄膜を加工又は基板上に膜を形成するプラズマ処理方法であって、プラズマ源としてマイクロ波を用い、プラズマ生成部に磁気回路を設けて前記マイクロ波の伝搬方向と平行となるような磁力線を形成する静磁界を発生させ、かつ、前記マイクロ波周波数と前記静磁界の磁場強度との関係が電子サイクロトロン共鳴を生ずる組合せより弱い組合せに構成して前記プラズマを発生させることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項2】請求項1記載のプラズマ処理方法において、マイクロ波周波数として4.9GHz以上の周波数としたことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項3】真空排気手段とプラズマ処理に必要なガスを供給手段を有する真空容器に、試料基板を載置する基板電極を有し、該基板電極に対向してプラズマ生成手段を設けてなるプラズマ処理装置において、プラズマ生成としてマイクロ波を使用しプラズマ生成部に磁気回路を設け静磁界を発生させ、かつ該静磁界の磁力線と前記マイクロ波の伝搬方向を平行となるようにに設定し該マイクロ波と静磁界とで電子サイクロトロン共鳴を生ずる磁場強度より弱い強度となるマイクロ波周波数と磁気回路の組合せにより構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項4】請求項3記載のプラズマ処理装置において、マイクロ波周波数として4.9GHz以上の周波数としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項5】請求項4記載のプラズマ処理装置において、磁気回路により形成する静磁界の強度を875Gs以下としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項6】真空容器内にガスを導入してプラズマを発生させ、基板上の薄膜を加工又は基板上に膜を形成するプラズマ処理において、プラズマ生成として高周波又はマイクロ波を使用しプラズマ生成部に磁気回路を設け静磁界を発生させかつ該静磁界の磁力線と前記高周波及びマイクロ波の伝搬方向を平行となるようにに設定し該高周波及びマイクロ波と電子サイクロトロン共鳴を起こすのに必要な磁束密度以上を形成する磁気回路を有し、処理中のプラズマ密度として左回りの円偏波がカットオフとなるプラズマ密度を用いた高周波又はマイクロ波周波数と磁気回路の組合せにより構成したことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項7】請求項6記載のプラズマ処理方法において、高周波又はマイクロ波周波数として1.22GHz以下で200MHz以上の周波数としたことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項8】請求項6記載のプラズマ処理方法において、高周波及びマイクロ波周波数としてプラズマ生成室の寸法が使用電磁波の最も低次なモードの波の遮断寸法より大きくかつ該電磁波の波長の2倍未満としたことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項9】真空排気手段とプラズマ処理に必要なガスを供給手段を有する真空容器に、試料基板を載置する基板電極を有し、該基板電極に対向してプラズマ生成手段を設けてなるプラズマ処理装置において、プラズマ生成として高周波又はマイクロ波を使用しプラズマ生成部に磁気回路を設け静磁界を発生させ、かつ該静磁界の磁力線と前記マイクロ波の伝搬方向を平行となるように設定し該高周波又はマイクロ波と電子サイクロトロン共鳴を起こすのに必要な磁束密度以上を形成する磁気回路を有し、処理中のプラズマ密度として左回りの円偏波がカットオフとなるプラズマ密度を用いた高周波又はマイクロ波周波数と磁気回路の組合せにより構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項10】請求項9記載のプラズマ処理装置において、高周波又はマイクロ波周波数として1.22GHz以下で200MHz以上の周波数としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項11】請求項9記載のプラズマ処理装置において、高周波又はマイクロ波周波数としてプラズマ生成室の寸法が使用電磁波の最も低次なモードの波の遮断寸法より大きくかつ該電磁波の波長の2倍未満としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項12】請求項9記載のプラズマ処理装置において、試料基板を載置する基板電極に高周波電力の印加手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項13】請求項9記載のプラズマ処理装置において、試料基板を載置する基板電極に試料基板の静電吸着機構と試料基板の裏面へのガス供給手段と基板電極の温度制御手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項14】請求項12記載のプラズマ処理装置において、試料基板を載置する基板電極に試料基板の静電吸着機構と試料基板の裏面へのガス供給手段と基板電極の冷却手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項15】請求項9記載のプラズマ処理装置において、少なくともチューナから電磁界結合によりプラズマ発生室へマイクロ波導入する部署を同軸管又は同軸線としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項16】請求項15記載のプラズマ処理装置において、電磁界結合によりプラズマ発生室へマイクロ波導入する部署を有する部屋をテーパ形状としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項17】請求項9記載のプラズマ処理装置において、磁気回路手段の電磁コイルに印加する電力を制御手段により任意に制御可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項18】請求項9記載のプラズマ処理装置において、処理基板の下側にも磁気回路手段を設け処理室の磁場としてミラー磁場を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項19】請求項9記載のプラズマ処理装置において、処理基板の下側にも磁気回路手段を設け処理室の磁場としてカスプ磁場を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項20】請求項19記載のプラズマ処理装置において、処理基板がカスプ磁場の中心部に位置するように磁場を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項21】請求項9記載のプラズマ処理装置において、磁気回路手段を永久磁石とヨークの組合せにより形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項22】請求項6記載のプラズマ処理方法において、プラズマ処理がドライエッチングであるプラズマ処理方法。
【請求項23】請求項6記載のプラズマ処理方法において、プラズマ処理がアッシングであるプラズマ処理方法。
【請求項24】請求項6記載のプラズマ処理方法において、プラズマ処理が試料基板表面の酸化膜や金属汚染等の除去処理であるプラズマ処理方法。
【請求項25】請求項24記載のプラズマ処理方法において、プラズマ処理ガスとして、不活性ガス又は反応性ガス、不活性ガスと反応性ガスとの組合せであるプラズマ処理方法。
【請求項26】請求項6記載のプラズマ処理方法において、プラズマ処理がCVDであるプラズマ処理方法。
【請求項27】請求項26記載のプラズマ処理方法において、CVD成膜中に基板にRF電力を印加したCVDであるプラズマ処理方法。
【請求項28】請求項22記載のプラズマ処理方法において、特許請求の範囲第16項記載のプラズマ処理方法と組合せ複数の処理を行うプラズマ処理方法。
【請求項29】請求項23記載のプラズマ処理方法及び/又は特許請求の範囲第24項記載のプラズマ処理方法を前処理として設けたことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項30】請求項29記載の薄膜形成方法において、薄膜形成がCVD成膜であることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項31】請求項29記載の薄膜形成方法において、薄膜形成がスパッタリング成膜であることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項32】請求項9記載のプラズマ処理装置において、プラズマ処理がドライエッチングであるプラズマ処理装置。
【請求項33】請求項9記載のプラズマ処理装置において、プラズマ処理がアッシングであるプラズマ処理装置。
【請求項34】請求項9記載のプラズマ処理装置において、プラズマ処理が試料基板表面の酸化膜や金属汚染等の除去処理であるプラズマ処理装置。
【請求項35】請求項34記載のプラズマ処理装置において、プラズマ処理ガスとして、不活性ガス又は反応性ガス、不活性ガスと反応性ガスとの組合せであるプラズマ処理装置。
【請求項36】請求項9記載のプラズマ処理装置において、プラズマ処理がCVDであるプラズマ処理装置。
【請求項37】請求項36記載のプラズマ処理装置において、CVD成膜中に基板にRF電力を印加したCVDであるプラズマ処理装置。
【請求項38】請求項32記載のプラズマ処理装置において、特許請求の範囲第33項記載のプラズマ処理装置と組合せ複数の処理を行うプラズマ処理装置。
【請求項39】請求項33記載のプラズマ処理装置及び/又は特許請求の範囲第34項記載のプラズマ処理装置を前処理として設けたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項40】請求項39記載の薄膜形成装置において、薄膜形成がCVD成膜であることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項41】請求項39記載の薄膜形成装置において、薄膜形成がスパッタリング成膜であることを特徴とする薄膜形成装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路、液晶ディスプレイや回路基板などの電子デバイスの製造において、基板上への薄膜の形成、基板上の薄膜の加工、処理基板上の汚染物や酸化膜の除去等を行う装置に関し、特にプラズマを利用して上記処理を行う装置において、低圧力域で高密度のプラズマを形成し処理基板に入射するイオンの量とエネルギを制御可能としかつ広い面積に均一なプラズマを形成して、大面積基板を均一で高速にかつプラズマによるダメージ無く処理するプラズマ処理方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のマイクロ波を利用したプラズマ処理装置は、特開昭51−71593号公報、特開昭52−126175号公報、特開昭53−96938号公報や特開昭56−155535号公報に記載された方法が知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術はプラズマ発生の方法としてマイクロ波と静磁界を組み合わせ電子サイクロトロン共鳴(ECR)を起こさせることで、高密度のプラズマを発生させている。そして、使用するマイクロ波の周波数は一般に2.45GHzが使用され静磁界として875Gsの磁界を形成していた。
【0004】従って、マイクロ波の電力を印加することで発生したプラズマの密度が7.4×1010/cm3になると入射マイクロ波の左回りの円偏波(L波)はカットオフとなり、さらにマイクロ波電力を上げると右回りの円偏波(R波)によりプラズマ密度が高められ1011/cm3以上のプラズマ密度となる。この時、プラズマ密度は連続的に増加するのでなく不連続的にジャンプすることが知られている(例えば、ジャーナルオブバキュームソサエティー、テクノロジィーB,ボリュウム9、ナンバー2、3月/4月 1991年、第339頁から第347頁(J.Vac.Sci.Technol.B,Vol9,No2,Mar/Apr 1991、pp339−347))。
【0005】上記文献によれば、2.45GHzのマイクロ波を用いてプラズマを発生させた場合、プラズマ密度は5×1010/cm3の低モードから5×1011/cm3の高モードのプラズマ状態にジャンプすることが明らかにされている。
【0006】本発明の目的は、マイクロ波を利用したプラズマ処理装置のマイクロ波の周波数と静磁界の強度の組み合わせを最適化することでプラズマ密度を被処理対象に最適な密度に連続的に可変とすることで、低圧力域で高密度のプラズマを形成し処理基板に入射するイオンの量とエネルギを制御可能としかつ広い面積に均一なプラズマを形成して、大面積基板を均一で高速にかつプラズマによるダメージ無く処理するプラズマ処理方法及びその装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、マイクロ波を利用したプラズマ処理装置のマイクロ波の周波数と静磁界の強度の組み合わせを選択することにより達成できる。
【0008】即ち、静磁界のあるプラズマ中での電磁波は、その電磁波の進行方向と静磁界が平行のとき、電磁波のエネルギはプラズマに効率良く吸収される。この場合、次の2つのモードが存在する。1つは左回りの円偏波(L波)、もう1つは右回りの円偏波(R波)である。
【0009】左回りの円偏波(L波)の分散式は、【0010】
【数1】

【0011】また、右回りの円偏波(R波)の分散式は、【0012】
【数2】

【0013】であり、ここで、k:波数、c:光速、ω:入射電磁波周波数、ωp:プラズマ周波数、ωc:電子サイクロトロン周波数である。
【0014】この関係をグラフ化したものを図12に示す。ここで、γ2=ωc2/ω2は電子サイクロトロン周波数と入射電磁波周波数の関係でありγ2=1で入射電磁波周波数と電子サイクロトロン周波数が等しくマイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、ここで静磁界の強度が875Gsを意味する。また、η=ωp2/ω2はプラズマ周波数と入射電磁波周波数の関係でありη=1で入射電磁波周波数とプラズマ周波数が等しくマイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、プラズマ密度が7.4×1010/cm3を意味する。
【0015】以上のことから、R波では、kはω=ωc(γ2=1即ちマイクロ波の周波数が2.45GHzの場合静磁界の強度が875Gs)で無限大なり、電子サイクロトロン共鳴を起こす。そのため、ωp>ωとなり、マイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、プラズマ密度は7.4×1010/cm3(ωp=ω(η=1)となるプラズマ密度)以上となり、1011/cm3以上のプラズマ密度が可能となるが、5×1011/cm3以上にならないとプラズマが安定しない。逆に、L波では、ωp2=ω2+ωωcで与えられ、マイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、プラズマ密度は7.4×1010/cm3(η=1)程度でL波カットオフとなりこれ以上のプラズマ密度は望めない。
【0016】また、2.45GHzのマイクロ波の波長は約120mmと短いため、近年の処理基板の大直径化(半導体のウェハでは直径200mm)により、処理室の寸法は直径300mm以上となるため、静磁界に平行にマイクロ波を入射させても、プラズマ中の電磁波は静磁界に直行する成分が現れプラズマがさらに不安定となる。
【0017】以上で説明したように、静磁界とマイクロ波を組み合わせてプラズマを発生させる場合、静磁界に平行にマイクロ波を入射させると、マイクロ波はL波とR波の2つが存在し、マイクロ波の周波数が2.45GHzではプラズマ密度は5×1010/cm3から5×1011/cm3の所が不安定となる。また、処理室寸法がマイクロ波の波長より大きいため、静磁界に直行する電磁界成分が発生しプラズマの安定性を阻害する。
【0018】以上のように、2.45GHzのマイクロ波を用いたプラズマ処理方法では、マイクロ波はL波とR波の2つが存在しプラズマ密度は5×1010/cm3から5×1011/cm3の所が不安定となり使用出来ない。また、R波を主体として5×1011/cm3以上のプラズマ密度の所を使用すると波長が基板直径の2倍程度のためプラズマ中の電磁波は静磁界に直行する成分が現れ波の腹部の高電界によりプラズマが不均一でかつ不安定となる。次に、L波を主体としてプラズマ発生に使用するとプラズマ密度は7.4×1010/cm3程度でカットオフとなり、プラズマの安定性を考慮すると実用上は5×1010/cm3以下の低密度領域しか使用出来ないためプラズマ処理に必要な密度が得られない。
【0019】そこで、本発明では、マイクロ波の周波数を2.45GHzより高くし、かつ静磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴を起こさせる強度より低くして左回りの円偏波(L波)を主体として用いることで高密度のプラズマを発生させる方法、又はマイクロ波の周波数を低くし、かつ静磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴を起こさせる強度かまたはそれより高くして右回りの円偏波(R波)を主体として用いることで高密度のプラズマを発生させる方法の何れかを採用することにより達成される。
【0020】
【作用】プラズマ処理装置のプラズマ発生に左回りの円偏波(L波)が主体となる場合には、プラズマ発生部の静磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴を起こさせる強度より低くすることで右回りの円偏波(R波)はカットオフとなり電磁波はプラズマ中を伝搬できなくなり、左回りの円偏波(L波)のみが伝搬可能となる。
【0021】また、この時のマイクロ波の周波数を高くすることにより、左回りの円偏波(L波)がカットオフとなる前のプラズマでもプラズマ密度を高くすることができる。例えば、マイクロ波の周波数を10GHzとすると、静磁界の強度によっても異なるがプラズマ密度は1.24×1012/cm3から2×1012/cm3程度の高密度プラズマを連続的に安定に形成できる。
【0022】また、静磁界の強度を小さくすることにより、電子の磁場による閉じ込め効果を低減できるため電子が拡散しやすくなり大面積にわたり均一なプラズマの形成が容易となる。
【0023】更に、プラズマ発生には、左回りの円偏波(L波)が主体となるためプラズマ密度がジャンプしたり両者間を変動したりすること無く安定した高密度プラズマの形成が可能となり、高速でダメージのないプラズマ処理が実現できる。
【0024】このように、左回りの円偏波(L波)が主体となる場合には、マイクロ波の周波数は従来の2倍の4.9GHzでプラズマ密度は約3×1011/cm3が得られ、プロセスに必要な密度が得られており、マイクロ波の周波数としては4.9GHz以上の周波数を選択することが望ましい。
【0025】次に、プラズマ処理装置のプラズマ発生に右回りの円偏波(R波)が主体となる場合には、プラズマ発生部の静磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴を起こさせる強度又はそれ以上の強度とすることで右回りの円偏波(R波)はプラズマ密度に関係無く高密度プラズマ中を伝搬しプラズマを生成する。
【0026】このような状態(ωp>ω)では左回りの円偏波(L波)はカットオフとなり電磁波はプラズマ中を伝搬できなず、右回りの円偏波(R波)のみが伝搬可能となる。また、この時のマイクロ波の周波数を低くすることにより、左回りの円偏波(L波)がカットオフとなるプラズマ密度を低くすることができ、L波モードのプラズマ発生からR波モードのプラズマ発生にジャンプする領域をプロセスに使用しない低密度領域にすることができる。例えば、マイクロ波の周波数を500MHzとすると、左回りの円偏波(L波)がカットオフとなるプラズマ密度は3×109/cm3と低密度プラズマ領域となり、プロセスで使用する領域のプラズマ発生は右回りの円偏波(R波)が主体となる。
【0027】また、静磁界の強度は、マイクロ波の周波数を500MHzとすると179Gs以上と、2.45GHzの875Gsに比較し相当弱くでき、また、マイクロ波の波長は約600mmとなり、円形導波管の最も低次のモード(TE11波)の波を遮断する管径はd=λ/1.706で与えられ500MHzのマイクロ波では350mmとなる。従って、処理室の直径を350mmよりは大きくかつ波長と同程度の寸法以内にすれば静磁界に直行する電磁界成分が発生することがない。
【0028】また、静磁界の強度を小さくすることにより、電子の磁場による閉じ込め効果を低減できるため電子が拡散しやすくなり大面積にわたり均一なプラズマの形成が容易となる。また、プラズマ発生には、右回りの円偏波(R波)が主体となるためプラズマ密度がジャンプしたり両者間を変動したりするのはプロセスに使用しない低密度プラズマ領域であり、かつ静磁界に直行する電磁界成分が無く安定した高密度プラズマの形成が可能となり、高速でダメージのないプラズマ処理が実現できる。
【0029】また、半導体集積回路、液晶ディスプレイや回路基板などの電子デバイスでは基板寸法は大型化され、半導体集積回路では直径200mmのウェハが主流になりつつあり、処理室の寸法も直径300mm以上になりつつある。そこで、右回りの円偏波(R波)が主体となる場合には、マイクロ波の周波数としては、波長が約300mmとなる1GGHz以下の周波数でかつ処理室に対し円形導波管の最も低次のモード(TE11波)の波が遮断されない周波数を選択することが望ましい。
【0030】
【実施例】図1に本発明の第1の一実施例を示す。本実施例は、プラズマ処理装置のマイクロ波を利用したプラズマ発生に左回りの円偏波(L波)を主体とするプラズマ発生法をプラズマ処理特にドライエッチングに適用した場合の例を示す。
【0031】図1において、処理室1には処理基板2を載置し、該処理基板2の処理中の温度制御を行うための冷却手段3とこの冷却が効率よく行われるための静電吸着機能4と処理基板2と静電吸着面との熱伝達効率を良くするためのガス(例えばヘリウムガス等)供給手段5と処理基板2に高周波バイアスを印加するための高周波電源6を具備した基板電極7が上下に移動可能となるよう上下駆動機構8を有し伸縮自在でかつ真空保持可能なベローズフランジ9によって処理室1に設置されている。
【0032】また、処理室1には、処理基板2が出入りするための開口部10と該開口部10が必要なときだけ開口となるようなゲートバルブ11と処理室1の真空排気と処理ガスの排気のための排気手段12が排気管13を介して設置されている。また、処理室1の上面には開口があり、ここにプラズマ発生機構14が設置されている。
【0033】プラズマ発生機構14は、マイクロ波は伝播し真空は保持する材料(例えば石英、アルミナセラミック等)より成るマイクロ波導入部15を有するプラズマ発生室16とマイクロ波を該プラズマ発生室16へ導入するためのマイクロ波発振源19を有する導入手段17と該プラズマ発生室16内にマイクロ波の導入方向と並行な磁界を形成する磁気回路手段18で構成される。ここで、マイクロ波は、マイクロ波導入部15をを介して大気から真空中へ電磁界結合により伝播し、マイクロ波導入部15は各種アンテナ(例えば、ロッドアンテナ、スロットアンテナ、平面アンテナ及びこれらアンテナの集合体等)でもよい。
【0034】導入手段17は、マイクロ波発振源19に矩形導波管20を介してアイソレータ21、パワーモニタ22、チューナ23が接続され、次に変換導波管24により矩形から円形に変換し、更にプラズマ発生室16と接続するための導波管25構成される。ここで、上記の構成において特に必要がなければ、パワーモニタ22、チューナ23等は省略してもよい。
【0035】磁気回路手段18は、プラズマ発生室内の磁場の形状を制御可能とするため複数の電磁コイル26a、b、c等で構成される。ここで、電磁コイルの個数は1個でも2個でもまた4個以上でも良く、1個の電磁コイルで必要な磁場のプロファイルを形成するように巻線を工夫したものでもよい。更に、処理のためのガス導入手段27がプラズマ発生室16のマイクロ波導入部15の近くに設置され処理のガスが処理基板2の上部から供給される。上記ガス導入手段は、必要に応じ複数個とする。
【0036】以上の構成において、本発明ではマイクロ波発振源19の周波数に対し磁気回路手段18で形成する磁場の強度を該マイクロ波発振源19からのマイクロ波とプラズマ発生室16内のプラズマ中の電子が電子サイクロトロン共鳴(ECR)となる磁場強度未満とし、プラズマ発生室16内に導入されるマイクロ波が左回りの円偏波(L波)のみと成るようにする。また、マイクロ波発振源19の周波数を2.45GHzの2倍以上となる4.9GHz以上とし、少なくとも従来のECR方式のマイクロ波プラズマ処理が得ていたプラズマ密度と同程度以上とする。
【0037】すなわち、マイクロ波発振源19の周波数を4.9GHzとすればプラズマ密度は3×1011/cm3、6.3GHzとすればプラズマ密度は5×1011/cm3、そして10GHzとすることで1.24×1012/cm3のプラズマ密度が最低でも得られる。ここで、磁場強度はマイクロ波発振源19の周波数を4.9GHzとすれば1752Gs未満、6.3GHzとすれば2252Gs未満、そして10GHzでは3575未満とすればよく、周波数によって磁場強度を変える必要は特になく磁場強度も従来用いられていたマイクロ波の周波数2.45GHzのときのECR条件の磁場強度である875Gsでも良いし、これより低くてもよい。得られるプラズマ密度は磁場強度が高いほど高くなる。
【0038】しかし、上記のプラズマ密度、4.9GHzで3×1011/cm3、6.3GHzで5×1011/cm3、そして10GHzで1.24×1012/cm3は磁場強度が数ガウスから数十ガウスで得られる値であり、磁場強度はプラズマの拡散をある程度防止する強度があれば良く、あまり強いのは試料基板2に印加する高周波バイアスの均一な印加の妨げになり好ましくない。すなわち、ECRを形成する必要がなく弱い磁場強度でよくプラズマが拡散しやすく広い面積に均一なプラズマを形成しかつ基板に印加した高周波電力が大面積の基板でも均一に印加でき、大面積基板を均一処理可能となる。
【0039】以上の様に本発明では、左回りの円偏波(L波)を主体として高密度のプラズマを所定のプラズマ密度の所でジャンプすることなく安定に発生でき高速でダメージのないプラズマ処理が実現できる。
【0040】図2に本発明の第2の一実施例を示す。本実施例は、、プラズマ処理装置でマイクロ波又は高周波を利用したプラズマ発生に左回りの円偏波(L波)主体とするプラズマ発生法をプラズマ処理特にドライエッチングに適用した場合の例を示す。図2において、処理室1には処理基板2を載置し、該処理基板2の処理中の温度制御を行うための冷却手段3とこの冷却が効率よく行われるための静電吸着機能4と処理基板2と静電吸着面との熱伝達効率を良くするためのガス(例えばヘリウムガス等)供給手段5と処理基板2に高周波バイアスを印加するための高周波電源6を具備した基板電極7が上下に移動可能となるよう上下駆動機構8を有し伸縮自在でかつ真空保持可能なベローズフランジ9によって処理室1に設置されている。
【0041】また、処理室1には、処理基板2が出入りするための開口部10と該開口部10が必要なときだけ開口となるようなゲートバルブ11と処理室1の真空排気と処理ガスの排気のための排気手段12が排気管13を会して設置されている。また、処理室1の上面には開口があり、ここにプラズマ発生機構14が設置されている。プラズマ発生機構14は、マイクロ波は伝播し真空は保持する材料(例えば石英、アルミナセラミック等)より成るマイクロ波導入部15を有するプラズマ発生室16とマイクロ波を該プラズマ発生室16へ導入するためのマイクロ波発振源19を有する導入手段17と該プラズマ発生室16内にマイクロ波の導入方向と並行な磁界を形成する磁気回路手段18で構成される。
【0042】ここで、マイクロ波は、マイクロ波導入部15をを介して大気から真空中へ電磁界結合により伝播し、マイクロ波導入部15は各種アンテナ(例えば、ロッドアンテナ、スロットアンテナ、平面アンテナ及びこれらアンテナの集合体等)でもよい。導入手段17は、マイクロ波発振源19に矩形導波管20を介してアイソレータ21、パワーモニタ22、チューナ23が接続され、次に変換導波管24により矩形から円形に変換し、更にプラズマ発生室16と接続するための導波管25構成される。ここで、上記の構成において特に必要がなければ、パワーモニタ22、チューナ23等は省略してもよい。
【0043】磁気回路手段18は、プラズマ発生室内の磁場の形状を制御可能とするため複数の電磁コイル26a、b、c等で構成される。ここで、電磁コイルの個数は1個でも2個でもまた4個以上でも良く、1個の電磁コイルで必要な磁場のプロファイルを形成するように巻線を工夫したものでもよい。更に、処理のためのガス導入手段27がプラズマ発生室16のマイクロ波導入部15の近くに設置され処理のガスが処理基板2の上部から供給される。上記ガス導入手段は、必要に応じ複数個とする。
【0044】以上の構成において、本発明では、マイクロ波発振源19の周波数を低くし、かつ磁気回路手段18で形成されるプラズマ発生室内の磁場強度をプラズマ中の電子が電子サイクロトロン共鳴(ECR)を起こす磁場強度以上の磁界を発生させる構造とする。ここで、マイクロ波発振源19の周波数を従来のマイクロ波ECR方式のプラズマ処理に用いられていた2.45GHzの1/2以下の1.22GHz以下とする。
【0045】これにより、プラズマ発生室で左回りの円偏波(L波)がカットオフとなるプラズマ密度は1.85×1010/cm3と低密度プラズマ領域となり、500MHzとするとプラズマ密度は3×109/cm3となりプロセスで使用する領域のプラズマ発生は右回りの円偏波(R波)が主体となる。また、プラズマ発生室16の寸法に対し、該プラズマ発生室16に導入されるマイクロ波発振源19のマイクロ波の波長がプラズマ発生室の直径の2倍以内になるような周波数とし、プラズマ発生室内に磁気回路手段18により形成された磁界に直行する電磁波成分を発生しづらくする。また、磁場強度もマイクロ波発振源19の周波数を1.12GHzとすると436Gsより高ければよく、従来の1/2と小さくなるため処理基板2に印加する高周波バイアスが均一に印加でき、大面積基板の均一処理が可能となる。
【0046】図3に本発明をプラズマ処理特にドライエッチングに適用した場合の第3の一実施例を示す。図3は、図1、図2の一実施例とはプラズマ発生室が異なり、マイクロ波は伝播し真空は保持する材料(例えば石英、アルミナセラミック等)より成るマイクロ波導入部15aがプラズマ発生室を形成し、かつ導波管25aが処理室1の上面まで達している。
【0047】このような構成にすることで、プラズマ発生部は石英等で覆われ金属が露出しないため、処理中にプラズマによりプラズマ発生室壁面から金属等がスパッタされて飛び出し処理基板を汚染することがない。しかし、本実施例では、処理のためのガス導入手段27はプラズマ発生室でなく処理室1に設置しなければならない。このため、処理のためのガスが処理基板2の下から導入され排気手段12により下から排気されるため、処理基板2に対し不均一な流れとなる問題が起きやすくなる。
【0048】これを解決するのが、図4の第4の一実施例で、図1、図2のプラズマ発生室16の内側を石英リング28で覆うことで、処理のためのガスは図1、図2の実施例と同様に上部から導入し、プラズマ発生部は石英リング28で覆うことによりプラズマ発生室壁面から金属等がスパッタされて飛び出し処理基板を汚染することがない。
【0049】図5は、本発明をプラズマ処理特にドライエッチングに適用した場合の第5の一実施例を示す。第5図は、第2図の一実施例とはマイクロ波の導入手段が異なり、マイクロ波の周波数の低いところである500MHz付近や更に周波数の低い数百MHzの高周波を用いる場合に適している。
【0050】高周波(マイクロ波も含む)導入手段40は、高周波発振源41と整合装置43が高周波伝達手段42で接続され、整合装置43からは同軸導波管44により導波管45に接続されている。ここで、同軸導波管44の中心導体46は負荷であるプラズマとの整合を良くするため導波管45の内部に所定の長さ入ることがある。
【0051】以上の構成により、100MHzオーダの周波数で矩形導波管を用いた場合は、矩形導波管の幅が300から400mmと大きくなるが同軸導波管とすることで100mm程度以内の直径で良く、小型化できる。また、高周波発振源41の周波数を500MHzとすると、プラズマ発生室16内の遮断寸法は直径352mmであり、直径360mm程度のプラズマ発生室とすることでマイクロ波のモードを単一にできる。従って、静磁界に直行する電磁界成分が発生することがなく、かつ単一モードの電磁波により安定したプラズマ発生が実現できる。
【0052】また、静磁界の強度を小さくすることにより、電子の磁場による閉じ込め効果を低減できるため電子が拡散しやすくなり大面積にわたり均一なプラズマの形成が可能となる。また、プラズマ発生には、右回りの円偏波(R波)が主体となるためプラズマ密度がジャンプしたり両者間を変動したりするのはプロセスに使用しない低密度プラズマ領域であり、かつ静磁界に直行する電磁界成分が無く安定した高密度プラズマの形成が可能となり、高速でダメージのないプラズマ処理が実現できる。
【0053】図6は、図5の一実施例の導波管を変更した第6の一実施例を示すもので図5の導波管45は同軸導波管44と導波管45が異なる内径で階段上に接続されるため導波管の接合効率が悪くなることがある。そこで、図6に示すように、導波管45aをテーパ形状とし同軸導波管44と導波管45aの接続部の内径を同一とし、ここでの反射を小さくし導波管の接合効率が向上される。
【0054】図7は、図4の一実施例の磁気回路手段18の電磁コイル26a、26b、26cの電源として各々50a、50b、50cを設け、これら電源の出力を制御装置51で制御する第7の一実施例を示すもので、これにより静磁界の磁場のプロファイル及び磁場強度を任意に変更可能となり、電磁波のプラズマへの吸収効率及び基板上でのプラズマ密度を制御可能となる。
【0055】図8は、図7の一実施例のプラズマ処理装置の処理室1の下側に電磁コイル52を設けこれに制御装置51に接続された電源53を接続した第8の一実施例を示すものである。この構成において、電磁コイル26a、26b、26cと電磁コイル52が同方向の極となる様な電流を電源50、53により印加し、ミラー磁場を形成するもので、これによりプラズマ中の電子の閉じ込め効果が向上しより高密度のプラズマ発生が可能となる。
【0056】図9は、図7の一実施例のプラズマ処理装置の処理室1の下側に電磁コイル52を設けこれに制御装置51に接続された電源53を接続し、電磁コイル26a、26b、26cと電磁コイル52が相反する極(カスプ磁場)となる様な電流を電源50、53により印加し、カスプ磁場形成する第9の一実施例を示すものである。本実施例においてもプラズマ中の電子の閉じ込め効果が向上しより高密度のプラズマ発生が可能となり、また基板上での磁場強度が小さいため基板上の電子が拡散しゃすく基板上のプラズマの均一性がより向上する。
【0057】図10は、図4の一実施例の磁気回路手段18の電磁コイル26a、26b、26cを永久磁石55と上側ヨーク56、下側ヨーク57で置き換えた第10の一実施例を示すもので、永久磁石とヨークを組み合わせても静磁界を作ることができ電源が不要となり、プラズマ処理装置を安価に製作できる。
【0058】図11は、本発明のプラズマ処理装置をゲートバルブ11を介して、処理基板を大気から真空へ導入するロードロック室30及び処理後の基板を真空から大気へ取り出すアンロード室31を有し、かつこれら各室に処理基板を搬入出するための搬送手段32を有し、該搬送手段を収納した搬送室33は前記ゲートバルブ11を介して複数個のプラズマ処理装置34を接続可能な構造となっている。これにより、必要なプラズマ処理が自動で処理でき、また複数の異なった処理とか同一の処理を並行して処理でき処理の高速化、及び効能率化が図れる。上記実施例では、処理室が2つであったが必要に応じ処理室は1つでも3つ以上でもよい。
【0059】また、以上の実施例では、主にドライエッチングに適用した場合について説明してきたが、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマを利用したドライ処理ならなんでも良く、例えば、酸素ガスを主体としたレジストのアッシング処理、成膜処理前の基板の表面の酸化膜や金属汚染の除去を行うプラズマクリーニング処理や反応性のガスをプラズマで活性化し基板上に成膜するプラズマCVDへの適用にも適する。しかし、プラズマCVDに適用する場合は基板電極7に設置された冷却手段3は加熱手段となることが必要である。
【0060】また、上記の処理室の異なる処理室を複数個設置し、例えばドライエッチング処理とアッシング処理の組合せ又はこれらの処理にプラズマCVDの組合せ出も良く、またアッシング処理又はプラズマクリーニング処理とプラズマCVDの組合せ出も良い。また、処理室として薄膜を形成するCVD成膜やスパッタリング成膜に本発明のプラズマクリーニング処理やアッシング処理を組み合わせても成膜前の処理基板表面がダメージなく高清浄にでき高品質な薄膜が形成できる。
【0061】
【発明の効果】本発明によれば、プラズマ処理を高密度のプラズマでかつ処理に使用するプラズマ密度の範囲でプラズマ密度がジャンプしたり両者間を変動したりすること無く安定した高密度プラズマの形成が可能となり、また静磁界に直行する電磁界成分が発生することがなく、かつ単一モードの電磁波により安定したプラズマ発生が可能となるため、高速でダメージのないプラズマ処理が実現できる。また、プラズマ密度を被処理対象に最適な密度に連続的に可変とすることで、低圧力域で高密度のプラズマを形成し処理基板に入射するイオンの量とエネルギを制御可能としなる。また、プラズマ発生に用いる静磁界の強度は、ECR状態を形成しない場合及びECR状態を形成する場合でも磁場強度が従来の半分以下と弱い磁場強度でよくプラズマが拡散しやすく広い面積に均一なプラズマを形成しかつ基板に印加した高周波電力が大面積の基板でも均一に印加でき、大面積基板を均一で高速にかつプラズマによるダメージ無く処理するプラズマ処理が実現できる。




 

 


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