(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（54）から物質を取り除くために、動的にチューニング可能なプラズマ放電装置であって、該プラズマ放電装置は、縦方向に延在するマイクロウエーブキャビティ（2、82）と、該マイクロウエーブキャビティ（2、82）内を縦方向に貫通して、作動時にガスを閉じ込めるためのプラズマ管（4、84）と、ガスを励起させて、該プラズマ管（4、84）内にプラズマを生成させるように、前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内にマイクロウエーブフィールドを形成する手段（6〜13）と、前記ガスを排出させる前記プラズマ管（4、84）の開口と、該開口に連通され前記基板（54）を収容する処理室（48）と、及び、前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）の少なくとも一端を区画するように前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）と前記プラズマ管（4、84）との間に配設されて、前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内の動的チューニングを形成するように、該マイクロウエーブキャビティ（2、82）内で縦方向位置が調整可能であるマイクロウエーブトラップ（20、22、80）とから構成されており、該マイクロウエーブトラップ（20、22、80）は、マイクロウエーブの漏出を防止するように、マイクロウエーブ電流を０（ゼロ）に減少させることを特徴とする動的チューニング可能なプラズマ放電装置。
【請求項２】
前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）の両端はマイクロウエーブトラップ（20、22、80）により区画されており、また、両方のマイクロウエーブトラップ（20、22、80）の位置は、前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内の動的チューニングを形成するように縦方向に調整可能であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ放電装置。
【請求項３】
前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内にマイクロウエーブフィールドを形成する手段（6〜13）は、マイクロウエーブパワーを提供するマイクロウエーブソース手段（6）と、該マイクロウエーブソース手段（6）から前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）へ前記マイクロウエーブパワーを結合する手段（7〜13）とからなり、ここで、前記結合手段（7〜13）は前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）の外側に取り付けられ、前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内に延在するアンテナ（12）を有し、該アンテナ（12）の前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内への挿入度合いが調整可能であることを特徴とする請求項２記載のプラズマ放電装置。
【請求項４】
前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内にマイクロウエーブフィールドを形成する手段（6〜13）は、前記マイクロウエーブトラップ（20、22、80）の縦方向の位置を調整して、共振円筒状ＴＭ０１２モードのフィールドを形成することを特徴とする請求項２記載のプラズマ放電装置。
【請求項５】
前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内にマイクロウエーブフィールドを形成する手段（6〜13）は、前記マイクロウエーブトラップ（20、22、80）の縦方向の位置を調整するとともに、前記アンテナ（12）の前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内への挿入度合いを調整して、共振円筒状ＴＭ０１２モードのフィールドを形成することを特徴とする請求項３記載のプラズマ放電装置。
【請求項６】
前記ガスは、酸素含有ガス及びフッ素含有ガスを含む複数のガスから選択可能であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ放電装置。
【請求項７】
さらに、前記プラズマ或はその残光を利用して基板（54）から物質を取り除く手段を有することを特徴とする請求項２記載のプラズマ放電装置。
【請求項８】
さらに、前記プラズマ或はその残光を利用して基板（54）から物質を取り除く手段を有することを特徴とする請求項５記載のプラズマ放電装置。
【請求項９】
前記マイクロウエーブトラップ（80）は、プラズマ管（84）が貫通する中央開口（93、95）を有することを特徴とする請求項１記載のプラズマ放電装置。
【請求項１０】
前記マイクロウエーブトラップ（80）は、３個の同心状の金属製円筒部材（94、96、99）からなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ放電装置。
【請求項１１】
３個の同心状の金属製円筒部材（94、96、99）は、内側円筒部材（96）と、外側円筒部材（99）と、これらの部材（96、99）の間に配置された中間円筒部材（94）からなり、プラズマ管（84）は内側円筒部材（96）を貫通していることを特徴とする請求項１０記載のプラズマ放電装置。
【請求項１２】
前記マイクロウエーブトラップ（80）により、プラズマ管（84）と内側円筒部材（96）との間のフィールドを０（ゼロ）にすることを特徴とする請求項１１記載のプラズマ放電装置。
【請求項１３】
内側円筒部材（96）及び外側円筒部材（99）は第一ピース（86）の一部であり、また、中間円筒部材（94）は第二ピース（88）の一部であり、第二ピース（88）は第一ピース（86）に挿入されていることを特徴とする請求項１２記載のプラズマ放電装置。
【請求項１４】
前記マイクロウエーブキャビティ（82）内にマイクロウエーブフィールドを形成する手段（6〜13）は、マイクロウエーブパワーを備えたマイクロウエーブソース手段（6）と、該マイクロウエーブソース手段（6）から前記マイクロウエーブキャビティ（82）へマイクロウエーブパワーを結合する手段（7〜13）からなり、該結合手段（7〜13）は前記マイクロウエーブキャビティ（82）の外側に取り付けられ、前記マイクロウエーブキャビティ（82）内に延在するアンテナ（12）を有し、該アンテナ（12）の前記マイクロウエーブキャビティ（82）内への挿入度合いが調整可能であることを特徴とする請求項１３記載のプラズマ放電装置。
【請求項１５】
前記マイクロウエーブキャビティ（82）内にマイクロウエーブフィールドを形成する手段（6〜13）は、前記マイクロウエーブトラップ（80）の縦方向の位置を調整するとともに、前記アンテナ（12）の前記マイクロウエーブキャビティ（82）内への挿入度合いを調整して、共振円筒状ＴＭ０１２モードのフィールドを形成することを特徴とする請求項１４記載のプラズマ放電装置。
【請求項１６】
前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）内にマイクロウエーブフィールドを形成する手段（6〜13）は、マイクロウエーブパワーを備えたマイクロウエーブソース手段（6）と、該マイクロウエーブソース手段（6）から前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）へマイクロウエーブパワーを結合する手段（7〜13）からなり、該結合手段（7〜13）は前記マイクロウエーブキャビティ（2、82）の外側に取り付けられ、前記マイクロウエーブキャビティ（82）内に延在するアンテナ（12）を有し、該アンテナ（12）の前記マイクロウエーブキャビティ（82）内への挿入度合いが調整可能であり、さらに、前記マイクロウエーブトラップ（20、22、80）と前記アンテナ（12）の相対位置を自動的に調整して、反射マイクロウエーブパワーが最小になるようにして、選択された物質を取り除くプロセスを含むことを特徴とする請求項１記載のプラズマ放電装置。
【請求項１７】
さらに、種々の物質を取り除くプロセスにそれぞれ対応させて、マイクロウエーブトラップ（20、22、80）とアンテナ（12）の位置に関するデータを蓄積するデータ蓄積手段（104）を有することを特徴とする請求項１６記載のプラズマ放電装置。
【請求項１８】
前記マイクロウエーブトラップ（80）は、内側円筒部材（96）と、外側円筒部材（99）と、これらの部材（96、99）の間に配置された中間円筒部材（94）からなり、プラズマ管（84）は内側円筒部材（94）を貫通していることを特徴とする請求項１７記載のプラズマ放電装置。
【請求項１９】
前記マイクロウエーブトラップ（80）は、前記プラズマ管（84）が貫通する中央開口（93、95）と、前記プラズマ管（84）に関して円筒形状に対称の内側円筒状導電体（96）及び外側円筒状導電体（99）を有していることを特徴とする請求項１記載のプラズマ放電装置。
【請求項２０】
外側円筒状導電体（99）は、内側円筒状導電体（96）よりも長いことを特徴とする請求項１９記載のプラズマ放電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、基板から物質を取り除くための、改良したプラズマ放電装置に関する。
【０００２】
半導体装置を製造する場合、基板から物質を取り除く必要がある。本発明は、例えば、化学的ダウンストリームエッチング（ＣＤＥ）を含む、特殊な処理方法に広く適用できるものである。
【０００３】
（背景技術）
基板から物質を取り除くためにプラズマ放電装置を使用することは公知であり、それらの装置としては「残光」形式でもよいが、完全に取り除くためには、プラズマの残光の方が、プラズマそれ自体よりもむしろよい。プラズマに使用されるガスとして、酸素が多用されているが、重金属重合体などの物質を取り除く場合には、フッソ含有ガスのような異なるガスを使用することができる。
【０００４】
プラズマ放電装置の場合、ガスは、マイクロウエーブキャビティ内に配置されたプラズマ管を通って流れ、マイクロウエーブエネルギによってガス内にプラズマが誘起される。次に、プラズマ、或いは、その残光が、基板から物質を取り除くために使用される。
【０００５】
物質を取り除く、多くのプラズマ放電装置の欠点は、単一のガス、即ち、酸素、或いはフッソ含有ガスだけを使用するように設計されていることである。その結果、異なるガスを使用して、処理しようとする場合、新たな部品を使用しなければならないため、コスト高となってしまう。
【０００６】
（発明の開示）
本発明によれば、広範囲の処理条件で異なる充填ガスを使用することができるプラズマ放電装置が提供される。この装置は広範囲でチューニング可能であるため、異なるガスや異なる作動条件の場合でも、適正な共振マイクロウエーブモードを達成することができる。
【０００７】
本発明の動的チューニングは、マイクロウエーブトラップを備えた、縦方向（長手方向）に延在するマイクロウエーブキャビティの少なくとも一端を区画して、マイクロウエーブトラップの縦方向の位置を調整できるようにすることにより達成される。好適な実施の形態によれば、キャビティの各端部は、マイクロウエーブトラップにより区画され、両方のマイクロウエーブトラップの縦方向の位置が調整できるようにされている。
【０００８】
また、本発明の他の特徴によれば、マイクロウエーブパワーは、キャビティと結合されており、キャビティ内には、キャビティ内への挿入度合いを調整可能としたアンテナが配置されている。これにより、さらにチューニングを調整することが可能となり、動作範囲が広がって、所望のマイクロウエーブモードで結合することができる。
【０００９】
さらに、本発明の他の特徴によれば、トラップとマイクロウエーブキャビティとの間にフィンガーストックを必要としない、移動可能なマイクロウエーブトラップが提供される。
【００１０】
本発明のさらに他の特徴によれば、所定の処理方法に合わせて、トラップとアンテナの位置を、最適な状態に自動的に調整するシステムが提供される。
【００１１】
本発明のさらに他の特徴によれば、キャビティは、マイクロウエーブパワーで共振円筒状ＴＭ012モードに励起される。従来のプラズマ放電装置の場合は、プラズマ管のひび割れを防止するために、方位的に及び縦方向に不均一なマイクロウエーブモードを形成するものであり、サブキャビティを形成するように、マイクロウエーブキャビティを金属製のパーティションで区分に分割する必要があり、このサブキャビティは、このようなモードを維持するためには小さすぎるものであった。円筒状ＴＭ012モードを形成するように、調整可能なキャビティ長を有することにより、キャビティのパーティションは不要となり、方位的に不均一となり、また縦方向にも適度に不均一となる。
【００１２】
（好適な実施の形態）
図を参照すると、縦方向に延在する円筒状マイクロウエーブキャビティ２が示されており、円筒状プラズマ管４が貫通している。プラズマ管は、使用されるガスに合わせて、クオーツ、サファイア、或いは他の物質から製造されている。
【００１３】
プラズマ管４のガス流をプラズマ状態に誘起するためには、マイクロウエーブ励起を形成する必要がある。マイクロウエーブソース６、即ち、マグネトロンにより、マイクロウエーブパワーを発生させ、カプラー７を介して、互いに直交する部分７及び８を備えたウエーブガイドにマイクロウエーブパワーを供給する。部分９の長さは、適宜の移動可能な短部分１０で制御される。ウエーブガイドを介して、マイクロウエーブガイドとキャビティとをマイクロウエーブパワーで結合するために、金属棒から形成されたアンテナ１２が備えられている。アンテナは、キャビティ壁の円形の開口を通ってキャビティ内に延在しており、挿入の度合いは調整可能である。アンテナ１２にピンにより取り付けられた部材１３を押引することにより、アンテナ１２をキャビティの内外に移動させて調整する。部材１３は、ポリテトラフルオロエチレンなどの低誘電定数の低損失電気絶縁体から製造されており、挿入口を介してマイクロウエーブが漏出するのを防止している。ステップモータを含むスクリュー機構により、アンテナを自動的に入出させることもできる。上述したように、アンテナを調整することにより、キャビティへのフィールドの結合を、特定の最適な作動状態にして、システムの作動ウィンドウを広げる。
【００１４】
図３には、図１に示した同軸構造７０の詳細が示されている。同軸構造は、外側導電体７２と、スリーブからなる内側導電体７４と、フィンガーストック接触リング７６を介してスリーブ７４内をスライドするアンテナ１２から構成されている。図４には、他の実施の形態が示されており、同一の部分は同一の番号で示されている。図４では、同軸構造７０’は、外側導電体７２’と、スリーブ製の内側導電体７４’と、スリーブ内をスライドするアンテナ１２’とから構成されている。図４の実施の形態では、外側導電体７２’の内表面とスリーブ７４’の外表面は、インピーダンスが徐々に変化するように傾斜しており、ウエーブガイド９とキャビティ２との間のインピーダンスをよりよくバランスさせる。
【００１５】
マイクロウエーブキャビティの端部は、マイクロウエーブトラップ２０、２２により区画されている。これらのトラップは、マイクロウエーブの漏出を非常に効果的に防止して、マイクロウエーブ電流をゼロに減少する。トラップは、米国特許第５、４９８、３０８号に開示されている形式のものでも良い。この特許の開示内容は、参考として本発明に含まれる。
【００１６】
本発明の特徴によれば、マイクロウエーブトラップ２０及び２２の縦方向の位置は調整可能である。例えば、トラップとキャビティ壁との間に、圧縮性の突起からなるフィンガーストック２６、２７を配置することにより、マイクロウエーブトラップを縦方向にスライドさせて、容易に調整することができる。
【００１７】
さらに、スクリュー機構により、トラップを効果的に調整することができ、この機構は、頂部トラップ２０に関連させて図示されており、図面では、水平な部材２８、２９と、垂直な部材２３、６５、６０から構成されている。頂部トラップ２０と部材２９は、３本の部材２３で連結されている。マイクロウエーブキャビティの頂部と部材２８は、ナット３０を介して３本の部材６５で連結されている。部材６０は、部材２９の開口に螺着されており、マイクロウエーブトラップ２０を上下させる。所望により、ステップモータを使用して、トラップを上下させることもできる。底部トラップ２２を上下させるために同様の機構を使用することもできる。
【００１８】
キャビティの長さを調整することにより、動的キャビティチューニングを広範囲にして、広範囲の処理条件で異なるガスで作動させる。当業者にはよく知られているように、異なるガスを使用することにより、キャビティの負荷インピーダンスと共振周波数を変えて、また、キャビティの効率を変化させて、チューニングを低下させる。キャビティを共振ＴＭ012モードにするために、スライド可能なトラップの位置を実験により再チューニングすることもできる。その結果、キャビティはＴＭ012モードになり、動的チューニングにより、種々の処理ガスで、共振を維持させる。異なるガスを使用することにより、広範囲の処理条件、即ち、ガス流、圧力、入力パワーなどを調整することができる。
【００１９】
本発明では、単に一つのトラップを調整可能にして作動させたり、有利には、両方のトラップを移動可能にすることができる。両方のトラップの位置をアンテナに関連させて、独立して変化させることができるので、有効なチューニングの範囲が広くなる。
【００２０】
プラズマ管４の近傍に、同心的にクオーツ管を配置して、プラズマ管とクオーツ管との間の隙間に圧力空気を供給して空気冷却することができる。或いは、所望により、同心のプラズマ管とクオーツ管との間に、特定のヒート媒体を供給して、液体冷却することもできる。
【００２１】
図１を参照すると、キャビティの頂部に当接させて端部キャップ４０が配設されており、また、プラズマ管にガスを入れる中央オリフィスを備えた装着具４２が端部キャップの中に延在している。プラズマ管の端部は、端部キャップ内でＯリング４４で保持されている。端部部材４６は、底部プレート４７及び処理室４８と適当な間隔をあけて、プラズマ管の他端に配置されており、このプラズマ管の他端は、処理室内に放出するように開口を備えている。
【００２２】
この装置を作動させる場合、酸素含有ガス、フッソ含有ガス、或いは他のガスがガス入り口４２内に供給され、プラズマ管４内に供給される。マイクロウエーブキャビティは、スライド可能なマイクロウエーブトラップ２０及び２２の位置を調整して、共振ＴＭ012モードに達するようにチューニングして、また、プラズマのキャビティインピーダンスと共軸断面の特性インピーダンスは、キャビティ内へのアンテナ１２の挿入度合いを調整して一致させる。ガス内にプラズマが誘起され、プラズマの残光が、プラズマ管の端部の開口から処理室４８内へ放出される。本発明は、物質を取り除くために、プラズマを利用する装置及びプラズマの残光を利用する装置のどちらにもに応用することができるが残光を利用する装置の方が適している。
【００２３】
ＴＭ012フィールド形状が、符号２５で図１に示されている。サファイアプラズマ管のひび割れを防止するためには、プラズマ管の熱が不均等にならないようにする必要があり、フィールド形状が、方位的に及び縦方向に均一にする必要がある。このように、ＴＭ012フィールド形状を利用することにより、プラズマ管のひび割れを回避できることがわかり、また、上述したように、パーティションを使用したキャビティは必要がないことがわかる。
【００２４】
処理室４８は、伸縮自在の支持ピンを有しており、処理するウエハ５４を支持する。処理中に、ウエハに集熱するためのチャックが備えられている。一つ或いはそれ以上のバッフルプレートを、ウエハの上方に配置して、ガスを均等に配分させることもできる。
【００２５】
図１に示すスライド可能なマイクロウエーブトラップの不利な点は、スライド動作をさせるためにマイクロウエーブトラップとマイクロウエーブキャビティとの間に機械的なフィンガーストックを使用することである。フィンガーストックは、マイクロウエーブキャビティを摩耗させて、処理作業を汚染する粒状物を発生し、摩耗して交換する必要があり、省略できることが望ましい。
【００２６】
これは、図５に示した実施の形態により達成することができる。ここでは、特殊なスライドトラップ８０を、プラズマ管８４を備えたマイクロウエーブキャビティ８２に使用している。トラップは、図６に斜視的に示す部材８６と、図７に斜視的に示すと共に図８に断面的に示す部材８８とから構成されている。部材８６には、スリット９０と円形溝９２が形成されている。図５に示すように、部材８８は部材８６に挿入され、部材８８の円筒状フランジ９４が溝９２に装着される。
【００２７】
図１に示した形式及び米国特許第５４９８３０８号に開示された形式は、どちらも二つの同心状のマイクロウエーブサブトラップから電気的に構成されている。図５に示す、円筒部９６及び９４を有する内側サブトラップは、ギャップ９８のマイクロウエーブフィールドをゼロにするが、円筒部９４及び９９を含む外側トラップは、ギャップ１００のフィールドをゼロにする。プラズマ管８４は、部材８６及び８８の中央開口９３及び９５を貫通している。トラップの長さは、ウエーブ長の１/４であり、円筒部９６と９４との間隔と、円筒部９４と９９との間隔は、実質的に等しい。
【００２８】
トラップはマイクロウエーブキャビティと接触していないため、容易にスライド可能であり、マイクロウエーブの漏洩を効果的に阻止している。
【００２９】
さらに、本発明の特徴であるチューニングにより、移動可能なトラップとアンテナの相対位置を、所定の処理に合わせて最適な位置に自動的に調整することができる。このシステムは、図９に示すようにして達成される。
【００３０】
前述したように、本発明の利点は、動的チューニング特性により、特定の処理範囲を越えて使用できることである。各々異なる処理、即ち、異なる充填ガス及び/またはパワーレベルにおいて、トラップとアンテナの位置を、反射パワーが最小である最適作動となるような唯一の位置に調整する。
【００３１】
図９を参照すると、ＲＯＭ即ちソフトウエア形式のルックアップテーブル１０２を具備している。ルックアップテーブルには、トラップ及びアンテナの位置を最適な位置にする値がプログラムされている。ルックアップテーブル１０２のデータは、特定のプロセスを確立するように、以下のステップを実行する。
ａ）アンテナ位置を選択して、処理が実行されている間、トラップを所定範囲移動させて、各位置の組み合わせに関する反射パワーを記録し、
ｂ）アンテナの位置を徐々に移動させて、再度トラップを所定範囲移動させ、各位置の組み合わせに関する反射パワーを記録し、また、
ｃ）トラップとアンテナの組み合わせに関する反射パワーの値を決定するまでステップｂを繰り返す。これらの値により、ルックアップテーブルを構成する。
【００３２】
図９のシステムを使用する場合、オペレータは、ルックアップテーブル１０２にアクセスするプロセッサ１０４に実行させる所望のプロセスを確認する。プロセッサは、反射パワーの値が最小となるトラップとアンテナの位置の組み合わせを選択するようにプログラムされている。これらの情報はプロセッサにフィードバックされ、トラップステッピングモータ１０６とアンテナステッピングモータ１０８を制御して、指示された位置にトラップとアンテナを移動させる。低反射パワー、即ち、５％以下の反射パワーとなるトラップとアンテナ位置の組み合わせが少ない場合は、全ての位置を提供するようにプロセッサをプログラムして、経験に基づいて試すこともできる。
【００３３】
図１０には、本発明のプラズマ放電装置用のマイクロウエーブ供給部が示されている。マグネトロン１１０が、アンテナ１１６を駆動するサーキュレータ１１２とウエーブガイド１１４に連結されている。カップラー１１８は、反射パワーソース１１８として具備されている。ウエーブガイド１１４は、装置をコンパクトにできるようなツイスト１２０を有している。
【００３４】
図１及び図２の実施の形態では、マグネトロンの周波数は２４４３メガヘルツ（ＭＨｚ）、マイクロウエーブキャビティの内径は５．４３インチであり、マイクロウエーブトラップを具備してできるだけ長くキャビティを製造すると、長さはほぼ８.２５インチとなる。頂部マイクロウエーブトラップは、キャビティの長さを約３．５インチ短くできるように移動させることができ、また、底部マイクロウエーブトラップは、約０．５インチ移動させることができる。重合体を取り除く場合、プラズマ管を、内径１．３７インチのサファイアから製造して、フッソ含有ガスをプラズマ管内に流す。マイクロウエーブパワーは、約２０００ワット（Ｗａｔｔ）であり、また、パワー密度は、約１１．８ワット/ｃｃである。
【００３５】
図示した実施の形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明の範囲は、請求の範囲だけに限定されるものではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、プラズマ放電装置の断面図である。
【図２】  図２は、図１のプラズマ放電装置の一部省略斜視図である。
【図３】  図３は、アンテナの形状に関する構造を示す拡大図である。
【図４】  図４は、他のアンテナの形状に関する構造を示す図である。
【図５】  図５は、スライド可能なマイクロウエーブトラップを示す図である。
【図６】  図６は、スライド可能なトラップの構成部品を示す図である。
【図７】  図７は、スライド可能なトラップの構成部品を示す図である。
【図８】  図８は、スライド可能なトラップの構成部品を示す図である。
【図９】  図９は、移動可動なトラップとアンテナの位置を自動的に調整するシステムのブロック図である。
【図１０】  図１０は、プラズマ放電装置にマイクロウエーブを供給する実施の形態を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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