JP3932886B2

JP3932886B2 - 誘導結合型プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3932886B2
Application number: JP2001386659A
Authority: JP
Inventors: 正康鈴木; 雅弘上田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: JP2003188153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導結合プラズマ励起法によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ生成装置、および、その誘導結合型プラズマ生成装置で形成されたプラズマを利用してエッチングや成膜等を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスのシリコンウェハや液晶表示デバイスのガラス基板などにエッチング、成膜、スパッタリング等の処理を施す基板処理装置として、プラズマを利用してそれらの処理を行うものがある。これらの基板処理装置に利用されるプラズマ生成装置の一つに、誘導結合方式のプラズマ励起法によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ生成装置がある。図６は従来の誘導結合型プラズマ生成装置のプラズマ励起部の概略構成を示す図である。
【０００３】
図６において、１００はプラズマ生成装置の真空チャンバであり、筒状の真空チャンバ１００の上端面１００ａの外側には平面状の誘導コイル１０１が設けられている。誘導コイル１０１はマッチングユニット１０２を介して高周波電源１０３に接続されている。マッチングユニット１０２は、電気エネルギーがプラズマに効率良く伝達されてプラズマ生成に最適な条件となるようにインピーダンス整合を図るために設けられている。誘導コイル１０１に高周波電圧を印加すると、誘導コイル１０１により高周波の磁界が生じる。真空チャンバ内にはアルゴンガス等が導入されており、高周波磁界により誘導された高周波の電界の働きによって、誘導結合によるプラズマが生成される。
【０００４】
符号１０６は誘導コイル１０１により生成された高周波磁界の磁力線の概略を示したものである。コイル１０１の周囲に形成された磁力線１０６は上端面１００ａの中央付近においてチャンバ外からチャンバ内へと進入し、その後、上端面１００ａの周辺方向へと弧を描くように曲がってチャンバ外へと抜け出ている。生成されたプラズマは磁界によりトラップされ、図６の場合には符号Ｒで示すような断面形状のプラズマ領域が形成される。なお、誘導コイル１０１により生成される磁界は交番磁界なので、図６に示す磁界と逆向きの磁界とが交互に現れる。
【０００５】
このようにして生成されたプラズマは、上述したような各種基板処理に利用される。例えば、イオンビームエッチング装置の場合には、図６の上端面１００ａと対向する位置にプラズマ中のアルゴンイオンを図示下方に引き出すための電極１０４を設けて、イオンビーム１０５を引き出す。エッチング処理能力の向上やエッチングの均一性の向上を図るためには、大口径のビームで基板全体を照射するのが好ましい。イオンビーム１０５のビーム径ｄはプラズマ領域の大きさに依存しているため、よりビーム径ｄの大きなイオンビーム１０５を形成するには、誘導コイル１０１の径を大きくして分布領域の大きなプラズマ領域Ｒを得るようにすればよい。また、イオンビームエッチングに限らずプラズマを利用する基板処理装置では、プラズマ領域が大きいほど処理速度や処理の均一性が向上する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プラズマ領域を拡大する目的で誘導コイル１０１の径を大きくすると、コイル１０１のインダクタンスＬが大きくなりすぎて、マッチングユニットによるマッチングができなくなるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、プラズマ領域を従来よりも大きくすることができる誘導結合型プラズマ生成装置、および、その誘導結合型プラズマ生成装置を用いたプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１，２および５に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明は、高周波電圧を発生する高周波電源９と、高周波電圧の印加によりプラズマ生成空間に交番磁界を形成する平面状誘導コイル７とを備え、誘導結合によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ生成装置２に適用され、平面状誘導コイル７の中心軸Ｊを軸とするリング状の第１カスプ部および中心軸Ｊ上の第１カスプ部Ｃ３を挟む位置に形成される一対の第２カスプ部Ｃ１，Ｃ２を有し、かつ、平面状誘導コイル７による交番磁界と結合するカスプ磁界を発生する磁界発生装置１０を備えて上述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の誘導結合型プラズマ生成装置において、磁界発生装置１０は、軸方向に磁化された一対のリング状永久磁石１０Ａ，１０Ｂを、同極同士が対向するように平面状誘導コイル７に対してほぼ平行に配設したものである。
（３）請求項３の発明は、請求項２に記載の誘導結合型プラズマ生成装置において、リング状永久磁石１０Ａ，１０Ｂに代えてリング状の電磁石３０Ａ，３０Ｂを用いたものである。
（４）請求項４の発明によるプラズマ処理装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の誘導結合型プラズマ生成装置２を備え、誘導結合型プラズマ生成装置２により生成されたプラズマを利用して基板Ｓの処理を行うものである。
【０００９】
なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明によるプラズマ処理装置の一実施の形態を示す図であって、イオンビームエッチング装置の概略構成を示す模式図である。真空チャンバ１内は排気装置Ｐにより真空排気され、真空チャンバ１内にはイオン源２，基板ステージ３が設けられている。イオン源２のプラズマ生成チャンバ６内には、ガス供給源４からプラズマを生成するためのアルゴン（Ａｒ）ガスが供給される。このアルゴンガスの供給量はマスフローコントローラ５により制御される。
【００１１】
プラズマ生成チャンバ６は円筒形状のチャンバであり、その上端面６ａの外側近傍には平面状の誘導コイル７が配設されている。なお、プラズマ生成チャンバ６の形状は円筒出なくても良い。誘導コイル７にはマッチングユニット８を介して高周波電源９が接続されている。高周波電源９には、例えば、一般的に供給されている周波数１３．５６ＭＨｚの電源が用いられる。また、プラズマ生成チャンバ６の側面の周囲には、チャンバ内に静磁界を形成するためのマグネット１０が設けられている。マグネット１０は永久磁石により構成されている。誘導コイル７に高周波電圧を印加すると、誘導結合によりアルゴンガスが励起されてプラズマ生成チャンバ６内にアルゴンイオンを含むプラズマが生成される。
【００１２】
プラズマ生成チャンバ６の上端面６ａと対向する位置には、生成されたプラズマからアルゴンイオンを引き出すためのグリッドＧ１，Ｇ２およびＧ３が設けられている。各グリッドＧ１〜Ｇ３には、グリッド電源１１によりグリッド電圧がそれぞれ印加されている。例えば、グリッドＧ１には８００Ｖ、グリッドＧ２には−４００Ｖの電圧がそれぞれ印加され、グリッドＧ３はアースされて電位＝０Ｖとなっている。このような電圧を各グリッドＧ１〜Ｇ３に印加することにより、イオン源２からアルゴンイオンのイオンビーム１２が引き出され基板ステージ３上の基板Ｓに照射される。
【００１３】
図２（ａ）はイオン源２の誘導コイル７およびマグネット１０の部分の拡大図である。マグネット１０は一組のリング状マグネット１０Ａ，１０Ｂからなり、マグネット１０Ａ，１０Ｂはマグネットホルダ１３に保持されている。マグネット１０Ａ，１０Ｂはそれぞれアキシャル方向（厚さ方向）に磁化されており、マグネット１０Ａは図示上側がＮ極で、下側がＳ極となるように配設されている。一方、マグネット１０Ｂは、Ｓ極がマグネット１０ＡのＳ極と対向するように逆向きに配設されている。なお、Ｎ極同士を対向させても良い。
【００１４】
マグネットホルダ１３は透磁率の大きな磁性材で形成されており、発生する磁界の効率を上げ、漏洩磁界をブロードにしないようにするために用いられる。各マグネット１０Ａ，１０Ｂのリングの外側に分布する磁力線は、ほとんどこのマグネットホルダ１３内を通過してＳ極へと入る。なお、原理的には、磁性材によるマグネットホルダ１３を用いなくても良い。この一組のマグネット１０Ａ，１０Ｂにより形成される磁界は、磁力線２０Ａ，２０Ｂで示すようなるカスプ（cusp）磁界となっている。
【００１５】
図２（ｂ）は磁力線２０Ａを誘導コイル７側から見た図である。Ｊはプラズマ生成チャンバ６および誘導コイル７の中心軸である。マグネット１０ＡのＮ極から出た磁力線２０Ａは、軸Ｊ方向に進行した後に、再びマグネット１０Ａ方向に曲がってＳ極に入る。マグネット１０Ｂに関しても全く同様となっており、磁力線２０Ａと磁力線２０Ｂとは軸Ｊに垂直な面Ｐ１（図２（ａ））に関して対称になっている。そのため、図２（ａ）に示すカスプ磁界では、磁力線２０Ａおよび２０Ｂにより囲まれた領域ＣＲができる。この領域ＣＲは軸Ｊ上に尖った領域（カスプ）Ｃ１、Ｃ２を有するとともに、軸Ｊを囲むリング状の尖った領域（カスプ）Ｃ３を有している。このようなカスプを形成する磁界のことをカスプ磁界と呼ぶ。
【００１６】
本実施の形態の装置では、マグネット１０Ａ，１０Ｂにより図２（ａ），（ｂ）に示すようなカスプ磁界を形成しつつ、誘導コイル７による交番磁界を発生させてプラズマを生成する。図３は誘導コイル７とマグネット１０Ａ，１０Ｂとにより形成される磁界の様子を定性的に示したものである。誘導コイル７による磁界は交番磁界であって、図３の（ａ）はその磁界が図６に示したものと同様な場合を示しており、（ｂ）は交番磁界の磁力線の向きが図６の磁力線１０６とは逆向きの場合を示している。
【００１７】
誘導コイル７により形成される磁界の磁力線は、図６の磁力線１０６と同様にコイル面と垂直な平面内でループを描いている。同様に、各マグネット１０Ａ，１０Ｂによる磁界の磁力線２０Ａ，２０Ｂもコイル面と垂直な平面内で曲線を描いている。そのため、図３（ａ）の場合には誘導コイル７の磁界とマグネット１０Ａの磁界とが結合して、磁力線２１で示すような複合磁界を形成する。一方、図３（ｂ）の場合には、誘導コイル７の磁界と下側のマグネット１０Ｂの磁界とが結合して、磁力線２２で示すような複合磁界を形成する。
【００１８】
誘導コイル７の磁力線の向きは時間的に交互に変化するので、図３（ａ）に示す磁界と図３（ｂ）に示す磁界とは交互に現れる。そのとき、図４のプラズマ生成チャンバ６内の符号２３で示すリング状領域では、いずれの場合においても磁力線が密となっており、プラズマ励起への寄与が他の領域より大きくなる。
【００１９】
すなわち、本実施の形態では、マグネット１０Ａ，１０Ｂの磁界は、軸Ｊを中心軸とするリング状のカスプＣ３と、軸Ｊ上にあってカスプＣ３を挟むよに形成されたカスプＣ１，Ｃ２を有するカスプ磁界を形成し、マグネット１０Ａ，１０Ｂの磁力線は、軸Ｊを含む面に沿ってＮ極から出てＳ極へと入るので、磁力線が軸Ｊを含む面に沿ってループを描く誘導コイルの磁界と結合することができる。その結果、リング状領域２３においてプラズマ密度が高くなり、リング状のプラズマがプラズマ生成チャンバ６内に形成される。
【００２０】
図４のＤ１はプラズマ密度の高い領域の直径、すなわちリング状プラズマの直径を示している。上述したように、複合磁界２１，２２は誘導コイル７の磁界とマグネット１０Ａまたはマグネット１０Ｂの磁界とが結合して形成されたものであり、図４に示すように直径Ｄ１は誘導コイル７の直径と同程度となる。そのため、リング状プラズマ領域の外径は、図６に示した従来のプラズマ領域Ｒの外径よりも大きくなる。その結果、ビーム源２は従来よりもビーム径の大きなイオンビームを形成することができ、エッチング処理能力の向上やエッチングの均一性の向上を図ることができる。
【００２１】
リング状プラズマの直径Ｄ１の大きさは、マグネット１０Ａ，１０Ｂの磁力の設定や配置を調節することにより変えることができる。なお、マグネット１０Ａおよび１０Ｂの磁力は等しいとは限らず、適切なプラズマ領域が得られるように互いの磁力のバランスを調整しても良い。
【００２２】
また、上述した実施の形態ではマグネット１０Ａ，１０Ｂに永久磁石を用いたが、図５（ａ）のように、空芯コイルの電磁石３０Ａ，３０Ｂを使用しても良い。電磁石３０Ａの電流の流れる方向は矢線３１Ａ方向で、電磁石３０Ｂの電流は逆向きの矢線３１Ｂ方向となる。この場合、電磁石３０Ａ，３０Ｂの電流の大きさおよびバランスを調整することにより、容易にプラズマ領域を調整することができる。
【００２３】
さらに、リング状のマグネット１０Ａ，１０Ｂに代えて、図５（ｂ）に示すように複数の永久磁石３２Ａ，３２Ｂをプラズマ生成チャンバ６の周囲にリング状に配設しても良い。なお、図５（ｂ）ではマグネットホルダ１３の図示を省略したが、上側の永久磁石３２Ａはマグネットホルダ１３の上段の溝内に配設され、下側の永久磁石３２Ｂはマグネットホルダ１３の下段の溝内に配設される。
【００２４】
上述した実施の形態では、イオンビームエッチング装置を例に説明したが、本発明は、プラズマＣＶＤ，イオンビームミリング，イオンビームスパッタリング等のプラズマを利用した処理装置にも適用することができる。
【００２５】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、イオン源２は誘導結合型プラズマ生成装置を、尖った領域Ｃ３は第１カスプ部を、尖った領域Ｃ１，Ｃ２は第２カスプ部を、マグネット１０は磁界発生装置をそれぞれ構成する。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平面状誘導コイルが形成する交番磁界と磁界発生装置が発生するカスプ磁界とにより複合磁界が形成され、プラズマ領域を従来よりも大きくすることができる。特に、請求項３の発明では磁界発生装置が電磁石により構成されるので、電磁石の電流を調整することによりプラズマ領域を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の一実施の形態を示す図であり、イオンビームエッチング装置の概略構成を示す図である。
【図２】カスプ磁界を説明する図であり、（ａ）はイオン源２の誘導コイル７およびマグネット１０の部分の拡大図であり、（ｂ）は磁力線２０Ａａを誘導コイル７側から見た図である。
【図３】複合磁界を説明する図であり、（ａ）は誘導コイル７の磁界とマグネット１０Ａの磁界とが結合した場合を、（ｂ）は誘導コイル７の磁界とマグネット１０Ｂの磁界とが結合した場合を示す。
【図４】本実施の形態におけるプラズマ領域を説明する図である。
【図５】マグネット１０Ａ，１０Ｂの他の例を示す図であり、（ａ）は電磁石３０Ａ，３０Ｂを用いた場合を示し、（ｂ）は複数の永久磁石をリング状に並べた場合を示す。
【図６】従来の誘導結合型プラズマ生成装置のプラズマ励起部の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１真空チャンバ
２イオン源
３基板ステージ
６プラズマ生成チャンバ
７誘導コイル
８マッチングユニット
９高周波電源
１０，１０Ａ，１０Ｂマグネット

Claims

高周波電圧を発生する高周波電源と、前記高周波電圧の印加によりプラズマ生成空間に交番磁界を形成する平面状誘導コイルとを備え、誘導結合によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ生成装置において、
平面状誘導コイルの中心軸を軸とするリング状の第１カスプ部および前記中心軸上の前記第１カスプ部を挟む位置に形成される一対の第２カスプ部を有し、かつ、前記平面状誘導コイルによる交番磁界と結合するカスプ磁界を発生する磁界発生装置を備えたことを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
請求項１に記載の誘導結合型プラズマ生成装置において、
前記磁界発生装置は、軸方向に磁化された一対のリング状永久磁石を、同極同士が対向するように前記平面状誘導コイルに対してほぼ平行に配設したものであることを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
請求項２に記載の誘導結合型プラズマ生成装置において、
前記リング状永久磁石に代えてリング状の電磁石を用いたことを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の誘導結合型プラズマ生成装置を備え、前記誘導結合型プラズマ生成装置により生成されたプラズマを利用して基板の処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。