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 - Google Patents
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Description
【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 (4)
- 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。
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