JP3790291B2

JP3790291B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3790291B2
Application number: JP06014696A
Authority: JP
Inventors: 理辻; 利明立田; 博彦中野
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 1996-02-21
Filing date: 1996-02-21
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2016-02-21
Also published as: JPH09228056A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、プラズマ表面処理装置等のプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の高集積化と大面積化の傾向はなお止まる所を知らず、それに対応した加工技術の開発が更に要望されている。また、処理速度の一層の向上も望まれているところである。このような要請に対するプラズマ処理装置側の課題は、プラズマの高密度化と大面積での均一化である。すなわち、微細加工を確実に行なうためには高アスペクト比の加工（垂直加工性）が必要であるが、低圧力下で強い電場や磁場等でイオンの方向性を制御しても、プラズマの密度が十分でないと高速で十分な方向性を持った処理を確保することができない。また同様に、プラズマ生成部において高密度のプラズマを生成しても、均一性を確保するためにそこから被処理物までの距離が長いと、高速、高アスペクト比の加工を行なうことは難しい。
【０００３】
高密度のプラズマの生成には、平行平板状の電極を用いた容量結合型よりも、高周波コイルを用いた誘導結合型プラズマ生成装置が適している。そして、プラズマ生成部から被処理物までの距離を短くするためには、誘導結合型プラズマ生成装置において平面状コイルを用いることが望ましい。平面状の励起コイルを用いたプラズマ生成装置については、既に多くの文献及び特許出願が出されている（例えば、特開平３−７９０２５号公報）。
【０００４】
ところが、平面コイル型プラズマ生成装置において、コイルと被処理物との距離を短くしつつ、しかもコイルを大面積化して、その大面積内でプラズマ密度を均一にすることは非常に難しい。このような課題に対し、２個又はそれ以上の平面コイルを用いて、隣接するコイルが逆位相の高周波磁界を発生するようにさせるという装置が提案されている（特開平７−２４５１９５号公報）。それによると、コイルを複数にし、それらコイルの配置や巻数を変えることにより、高周波磁界の分布を制御して、被処理物を載置する電極の上方の全面にわたって均一なプラズマを発生することができると記載されている（同公報段落００１７）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平７−２４５１９５号公報に記載のプラズマ処理装置でプラズマ密度を均一化しようとするためには、複数のコイルの位置及び各コイルに流す高周波電流・電圧を調整する必要があるが、これは非常に微妙な、時間のかかる作業となる。また、プラズマ密度をより均一化しようとするとコイルの数を多くしなければならないが、コイルの数を多くすると調整すべきパラメータの数が増え、調整作業は実際上著しく困難となる。また、コイルの数が増えると周辺回路もそれに応じて複雑になるため、コスト上昇も問題となる。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、簡単な構成でありながら広い面積でプラズマ密度を均一化することができ、しかも調整が容易なプラズマ処理装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ処理装置は、周辺部から中心部にかけて徐々に被処理物の表面から離れるような渦巻形状を有する励起コイルを備えていることを特徴とするものである。すなわち、従来のこの種の励起コイルは全て図３に示すような平面渦巻形（スパイラル形）であったが、本発明に係るプラズマ処理装置の励起コイルは図２に示すような立体渦巻形（以下、インバーテッド・トルネード形と呼ぶ）となっている。
【０００８】
なお、このような励起コイルの中心部を、被処理物の表面に平行に、垂直に、或いは３次元的に、移動させるための機構を設けるようにしてもよい。
【０００９】
同様に、従来の平面スパイラル形の励起コイルについても、その中心部を被処理物の表面に平行に、垂直に、或いは３次元的に移動させるための機構を設けてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態及び効果】
高周波コイルにより生成されるプラズマの密度は、コイルにより生成される電界の強さに依存する。アンテナの理論より、コイルの或る微小部分を原点とした球座標をとると、位置（ｒ,θ,φ）に生成される電界のθ成分Ｅθは、コイルに流れる電流をＩ₀・exp（ｊ・ω・ｔ）とすると、
Ｅθ＝Ａ・{−１／(ｋ・ｒ)＋ｊ／(ｋ・ｒ)²＋１／(ｋ・ｒ)³}・sinθ …（１）
（Ａは定数、ｋは電磁波の波数）と表わされる。コイル全体によりその位置に生成される電界の大きさは上記式（１）をコイル全体で積分した値になる。式（１）において、右辺の第１項は遠方まで伝播する電磁波に対応し、他の項はコイルの近傍（ｋ・ｒ<<１）に局在する近接場であって、第２項は磁界の時間変化から誘起されるインダクティブな近接場、第３項は電荷により誘起されるキャパシティブな近接場に対応する（菅井秀郎、"低圧力・高密度プラズマの新しい展開"、「応用物理」第６３巻第６号p.560）。励起コイルを被処理物に近接させ、コイルに高周波電流を流すコイル型プラズマ生成装置ではこの第２項が支配的であるため、この項（の積分値）による被処理物近傍の電界Ｅが均等となるようにコイルの形状、巻き方等を調整する必要がある。
【００１１】
従来の平面スパイラル形コイルにより励起される磁場の強さは、当然、隣接する部分の無い周辺部において弱く、中央部において強い。これを補償して磁場を均一にするためには、周辺部においてスパイラル線の巻き密度を高くし、中心部において巻き密度を低くするような形状としなければならないが、磁場の強さが均一になるようにスパイラル各部の巻き密度を調整する作業が難しい上、たとえそのような調整作業ができたとしても、金属線から成り弾性を有するスパイラルの巻き密度を周辺部と中央部とで違え、それを固定することは非常に難しい。
【００１２】
本発明に係るプラズマ処理装置では励起コイルをインバーテッド・トルネード形とすることにより、励起コイルの下部の平面において、中心部における磁場の強さを周辺部よりも相対的に弱くする。その強弱の調整は中心部の高さを変化させるだけでよく、スパイラルの各部の巻き密度の調整よりはずっと容易である。また、調整後のコイル形状の固定も、弾性による高さの戻りを考慮するだけでよいため、巻き密度を変化させた状態で固定しなければならない場合よりも遙かに容易である。
【００１３】
以上述べたのは、励起コイルの形状をインバーテッド・トルネード形に固定しておく場合であるが、さらに、その中心部を水平、垂直或いは３次元的に移動させるための機構をプラズマ処理装置に設けることにより、実作業時に生じる種々の変動要因をその場で補償して、被処理物近傍のプラズマ密度の均一性を更に高めることができるようになる。
【００１４】
従来の平面スパイラル形の励起コイルに対して、その中心部を水平、垂直或いは３次元的に移動させるための機構を設けた場合も同様である。
【００１５】
以上の説明から十分理解される通り、本発明に係る原理はエッチング、ＣＶＤ、プラズマ表面処理等の処理内容に拘らないものである。従って、最初に述べたように本発明はこれらいずれのプラズマ処理装置についても適用可能である。
【００１６】
【実施例】
本発明の一実施例として、プラズマエッチング装置１０を図１に示す。密閉された反応室１１中には平板状の下部電極１２が設けられ、下部電極１２はバイアス用交流電源１３に接続されている。反応室１１の上面は石英板１４で構成され、その直上（反応室１１の外部）には励起コイル１５が配置されている。励起コイル１５は上記のインバーテッド・トルネード形コイルである。コイル１５は銅管により構成され、その両端は、コイル１５に高周波電流を流すための高周波回路１６と、コイル１５内部に冷却水を流通させるための冷却水供給装置１７とに接続されている。コイルに冷却水を流通させることにより、上記（１）式の右辺第３項を低減することができる。なお、図１に示した高周波回路１６は一例であり、その他種々の励起回路を用いることができる。
【００１７】
本実施例のプラズマエッチング装置１０を使用する際は、まず下部電極１２の上面に被処理物２０を載置し、反応室１１内の空気を排出する。その後、反応室１１内に、被処理物２０に対して反応性のガスを所定圧力となるまで入れ、コイル１５に高周波電流（通常、１３．５６ＭＨｚ）を流す。これにより、反応室１１内の被処理物２０の上部にシート状のプラズマ雲２１が形成され、下部電極１２に印加されたバイアス電圧により、プラズマ２１中のイオンが被処理物２０の表面に衝突する。このバイアス電圧を制御することにより、イオンの衝突エネルギーの最適化を行なう。
【００１８】
本実施例のプラズマエッチング装置１０では、予備処理により被処理物２０全面各部のエッチングの度合いを調べ、その結果に基づいてインバーテッド・トルネード形コイル１５の中央部の高さ及び水平方向の位置を決定することにより、被処理物２０全面において均一なエッチングレートを得ることができる。
【００１９】
このような調整を更に容易にするために、インバーテッド・トルネード形コイル１５の中心部を３次元的に移動させるための機構を設けてもよい。図４にその一例を示すが、この機構３０では、ベース３１に対してヘッド３２が上下移動及び回転移動を行ない、コイル１５の中心部を保持するビーム３３がヘッド３２から伸縮するようになっている。
【００２０】
なお、このような３次元移動に加え、コイル１５の中心部をねじるための機構を設けてもよい。これは丁度ゼンマイバネを巻くのと同様であり、コイル１５の中心部をねじることにより渦巻（平面スパイラル形の場合及びインバーテッド・トルネード形の場合ともに）の巻き込みが強く或いは弱くなり、コイル１５を構成する線の分布密度を中心部と周辺部との間で変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるプラズマエッチング装置の概略構成図。
【図２】本発明に係るプラズマ処理装置で用いられるインバーテッド・トルネード形励起コイルの斜視図。
【図３】従来の誘導結合型プラズマ処理装置で用いられている平面スパイラル形励起コイルの斜視図。
【図４】本発明の別の実施例であるプラズマ処理装置の概略構成図。
【符号の説明】
１０…プラズマエッチング装置
１１…反応室
１２…下部電極
１３…バイアス用交流電源
１４…石英板
１５…励起コイル
１６…高周波回路
１７…冷却水供給装置
２０…被処理物
２１…プラズマ雲
３０…コイル中心部移動機構

Claims

周辺部から中心部にかけて徐々に被処理物の表面から離れるような渦巻形状を有する励起コイルを備えたプラズマ処理装置において、該励起コイルの中心部をコイル周辺部の固定位置に対して被処理物の表面に平行に及び／又は垂直に移動させるための機構を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
被処理物の表面に平行な平面渦巻状の励起コイルを有するプラズマ処理装置において、該励起コイルの中心部をコイル周辺部の固定位置に対して被処理物の表面に平行に及び／又は垂直に移動させるための機構を備えたプラズマ処理装置。
周辺部から中心部にかけて徐々に被処理物の表面から離れるような渦巻形状又は平面渦巻形状の励起コイルを備えたプラズマ処理装置において、該励起コイルの中心部をコイル周辺部に対してねじるための機構を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
該励起コイルの両端の間に高周波電流を供給する高周波回路を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
該励起コイル内部に冷却水を流通させるための冷却水供給装置を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。