JP4408987B2

JP4408987B2 - Plasma processing equipment for sputter processing

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Publication number: JP4408987B2
Application number: JP14495499A
Authority: JP
Inventors: ウィクラマナヤカスニル; 行人中川; 陽一郎沼沢
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2019-05-25
Also published as: JP2000156374A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はスパッタ処理応用のプラズマ処理装置に関し、特に、半導体産業において集積回路を製造する工程の間で金属または誘電体物質のスパッタリング工程に役立つ、ｒｆ電極におけるプラズマイオン密度とイオンエネルギを独立に制御できるように改善されたプラズマ源を備えた、プラズマ支援スパッタリング装置のようなプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体産業での将来の要求に関して、大面積基板を処理するための大面積でかつ高密度のプラズマ源が必要とされる。特に、堆積膜の均一性を高めかつターゲットの利用効率を高めた状態で金属または誘電体物質をスパッリングする工程のための新しいプラズマ源の開発は重要である。これらの事実は図７〜１０に従って２つの従来のプラズマ源を用いて説明され、これらのプラズマ源は、通常、２００ｍｍウェハ、もしくはフラットパネルプラズマ処理装置に用いられる。
【０００３】
図１０〜１２は半導体産業におけるスパッタ応用のために用いられる従来のマグネトロン型のプラズマ源を簡素化した図を示している。反応容器５０は、基本的に、非磁性金属で作られた上部電極５１と、円筒形の側壁５２と、底部プレート５３と、下部電極５９とによって構成されている。上部電極５１と下部電極５９は反応容器５０の少なくとも主要部分（内部空間）を介して互いに平行である。側壁５２と底部プレート５３は例えばステンレス鋼のような金属で作られている。側壁５２の上側部分は絶縁物５４で作られており、その絶縁物５４の上に上部電極５１が配置されている。スパッタされることを必要とされる物質で作られたターゲットプレート５５は上部電極５１の下側表面に固定されている。ターゲットプレート５５は上部電極５１よりも少し小さい寸法を有している。上部電極５１の上側表面の上に中心磁石５６ａと外側磁石５６ｂが同心円的に配置されている。中心磁石５６ａは円形の形状をしたブロックである。外側磁石５６ｂはリング形状をしている。磁石５６ａ，５６ｂの高さと幅は重要な事項ではなく、反応容器の寸法に従って選択され得る。磁石５６ａ，５６ｂは、上部電極５１の上に、反応容器５０の内部に向かう反対の磁極を有するように配置されている。これらの磁石のかかる配置は、図１１に示されるように、中心から周辺に向かうあるいはその逆に向かう磁界５７を生成する。
【０００４】
処理されるべき基板５８は、絶縁物６０の上に置くことによって、底部プレート５３から電気的に絶縁された下部電極５９の上に搭載される。下部電極５９には、整合回路６４を通してｒｆ電源（高周波電源）６３からｒｆ電力が与えられてもよいし、また与えられなくてもよい。もし下部電極５９にｒｆ電力が供給されるならば、ｒｆ電源６３の周波数は、通常、ＭＦ領域に存在する。ｒｆ電流が下部電極５９に与えられるとき、下部電極５９は負にバイアスされ、それによって基板５８の表面にイオン衝突がもたらされる。イオン衝突は、基板の表面に堆積された膜のエッチングの原因になるが、下部電極５９の自己バイアス電圧は、膜の堆積速度が膜のエッチング速度を越えるように制御される。
【０００５】
上部電極５１は整合回路６２を通してｒｆ電源６１に接続される。ｒｆ電源６１の周波数は通常１３．５６ＭＨｚで作用する。上部電極５１にｒｆ電力が適用されるとき、プラズマは容量結合の機構によって生成される。
【０００６】
図１３に示されるように、他の従来のマグネトロン型スパッタリング源において、レーストラック形状の磁界領域６５が用いられる。中心磁石６６ａと外側磁石６６ｂの形状を除いてすべての他の部分は図１０〜１２に示された部分と同じである。磁石６６ａと磁石６６ｂは丸いコーナを備えた矩形の形状であり、生成されるプラズマは類似の形状となる。それ故に、このプラズマ源を使用する場合には、基板表面の全体にわたって均一な膜堆積を得るため、基板はプラズマ領域を通過させられる必要がある。
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
図１０に示された平行平板プラズマ反応容器は、接近した平行な電極５１，５９による大面積プラズマ、プラズマの容易な放電開始(ignition)、そして電極表面でのプラズマのイオンエネルギの制御可能性というような、いくつかの利点を有する。しかしながら、容量結合プラズマの固有な属性のため、特にもし例えば１３．５６ＭＨｚのような低いｒｆ周波数による励起が使用されるならば、これらのプラズマ源のイオン密度は低くなる。イオン密度は、ｒｆ励起周波数を増大させることによって増大させられる。しかしながら、励起周波数の増大は、イオンエネルギの減少、それによってスパッタリング速度の減少という結果をもたらす自己バイアス電圧の減少の原因となる。このように、このタイプのプラズマ源の主たる欠点の１つは、自己バイアス電圧とプラズマイオン密度を独立に制御することができないということである。
【０００８】
平行平板プラズマ反応容器に関する第２の問題は、上部電極５１に接続されたターゲットプレート５５の不均一なエッチング速度である。プラズマが生成されるとき、２つの磁石５６ａ，５６ｂの間にある電子は磁界５７によって閉じ込められ、プラズマ密度の増大をもたらす。磁界５７はドーナツ形状をした領域に存在するので、より高い密度のプラズマもまた同じ形状を持つ。それ故に、磁石５６ａ，５６ｂの間のターゲップレート５５の材質部分がより高い速度でスパッタされる。対照的に、中心領域と周辺領域でのプラズマ密度が相対的により弱くなり、それ故にこれらの領域に対応するターゲット部分でのスパッタリング速度はより小さくなる。ターゲットプレート５５のこの不均一なスパッタリング速度のため、長時間の動作の後、その断面形状の輪郭は図１２に示されるようになる。ターゲットプレート５５の表面における中心と周辺の間の領域が最初に使えなくなることになる。最も高いエッチング速度の領域がターゲットプレート５５の寿命を決めることとなるので、磁石５６ａ，５６ｂの構成はターゲット材料の利用効率を低下させる。
【０００９】
第３の問題は、ターゲットプレート５５の下側に生成されるプラズマが放射状のラインに沿って高い不均一性を有することである。これはターゲットプレート５５から基板５８へのターゲット材料の不均一な流れの原因となり、このことが基板５８の表面における膜堆積の不均一性をもたらす。スパッタされる材料の均一な流れを得るため基板５８は反応容器５０でさらに下側に取り付けられなければならず、このことが反応容器５０のアスペクト比をさらに高くさせる原因となる。しかしながら、電極の間隔を長くすることは膜堆積速度の低下という結果をもたらす。
【００１０】
第４の問題は、もしプラズマが不均一であるならば、基板の表面上に不均一なイオンの流れを生じさせるということである。このことは、特にもし下部電極５９にｒｆ電力を適用することによって基板５８が負にバイアスされているならば、当該基板の表面上で局地的な電荷蓄積の原因となり、結局は基板５８におけるサブミクロン規模の要素の電気的破損という結果をもたらす。この電荷蓄積による損傷は特に図１３に示された磁石配列での発生が予測される。何故ならば、一般的には基板の一部のみがプラズマにさらされるためである。
【００１１】
従来のスパッタリング装置の第５の問題は、微細なコントクトホールにおける底部被覆の不良である。この問題は、粒子に方向性を持たせた(collimated)スパッタ装置、もしくは互いの電極をさらに離しその間隔を大きくしたロング・スロー・スパッタ装置を用いることによって解決することができるが、この装置は成膜速度を低下させるという問題を作り出す。
【００１２】
基板表面に対して平行なイオンの流れを得る他の方法は、基板５８に対してバイアス電圧を与えることである。この工程は、イオン化スパッタリングと呼ばれている。イオン化スパッタリングは、微細なコンタクトホールにおける良好な底部被覆を実現する。この工程において、スパッタされた物質は電荷移動衝突によって電極５１，５９の間でイオン化される。それ故に、より高い成膜速度を達成するため、プラズマにおけるイオン集中が増大させられなければならない。しかしながら、プラズマイオン密度は１３．５６ＭＨｚの放電では低い。さらにこれらのイオンの少部分がターゲットプレート５５によって消費される。それ故に、スパッタされた原子をイオン化するための十分なイオン集中は存在せず、低い成膜速度という結果をもたらす。
【００１３】
本発明の目的は、より高いイオン集中、より良いターゲット利用効率、より高い成膜速度、そしてより良い薄膜の厚み均一性を伴うスパッタ処理応用のためのプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスパッタ処理応用のプラズマ処理装置は、前述の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１５】
プラズマ処理装置は、反応容器の内部空間の少なくとも一部を介して平行に互いに向かい合う上部電極と下部電極を備えてなる当該反応容器と、上部電極に固定されたターゲットプレートとを有している。処理されるべき基板は下部電極の上に搭載され、スパッタ工程によって処理される。さらにプラズマ処理装置は、上部電極に接続されかつ周波数がＶＨＦ領域の範囲にある１つのｒｆ電源（高周波電源）を備え、上部電極に接続されかつ周波数が０．５ＭＨｚから５ＭＨｚの範囲にある他のｒｆ電源（高周波電源）を備え、更に、ＶＨＦの領域で動作する第３のｒｆ電源が下部電極に接続されている。
【００１７】
前述のプラズマ処理装置において、上部電極は非磁性金属で作られており、複数の磁石が上部電極の外側に個々に離れて配置されており、当該磁石の反応容器の内側に面する磁極はＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極になるように変化されかつこれらの磁石は上部電極の内側表面の近くで閉じた磁束の磁界を生成する。
【００１８】
前述のプラズマ処理装置において、上部電極は平板状の円形または矩形の形状を有し、磁石は上部電極の表側表面の上に直接に配置されている。
【００１９】
前述のプラズマ処理装置において、複数の磁石は、同じ極性を有する２つの隣り合う磁石の間の距離の少なくとも１／２を動くことができる。
【００２２】
スパッタ処理応用のための前述のプラズマ処理装置において、好ましくは、複数の棒状マグネットが、側壁の内側表面の近くで線状カスプ磁界を生成するように、反応容器の内側に向かうＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極の極性を備えて、反応容器の円筒形側壁の表面の周りにて、すなわち例えば側壁の外側または内側の表面で、あるいはこれらの表面の近傍で間隔をあけて、あるいは側壁の内部に垂直に配置される。
【００２３】
スパッタ処理応用のための前述のプラズマ処理装置において、好ましくは、複数のマグネットが、側壁の内側表面の近くで点状カスプ磁界を生成するように、反応容器の内側に向かうＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極の磁極を備えて、反応容器の円筒形側壁の表面の周りにて、すなわち、さらに好ましくは側壁の外側表面で、個々に配置されている
【００２４】
棒状マグネットまたはマグネットを利用した前述のカスプ磁界を生成するための構造によって、当該カスプ磁界は側壁の内側表面との接触によるプラズマ損失を防止できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付された図面を参照して好ましい実施形態が説明される。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
【００２６】
本発明の第１実施形態は図１に従って説明される。図１は第１実施形態のプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の断面図を示す。このプラズマ処理装置は容量結合型のタイプであり、スパッタ成膜応用に使用される。この反応容器１００は実質的に前述した従来の反応容器５０と同じである。反応容器１００は本質的に上部電極１、円筒形の側壁３、底部プレート２、下部電極２３から構成されている。反応容器１００はまた例えばガス排出ポートを備えている。当該ガス排出ポートは容易化のために図１において示されていない。上部電極１と下部電極２３は、反応容器１００の少なくとも主要部分（内部空間）を介して互いに平行である。側壁３と底部プレート２は例えばステンレス鋼のごとき金属によって作られている。スパッタされるべき必要のある材料で作られたターゲットプレート７は上部電極１の下側面に固定されている。ターゲットプレート７は上部電極１よりも少し小さい寸法を有している。上部電極１はＡｌ（アルミニウム）のような金属で作られており、円筒形側壁の上部部分４の上に配置されている。上部部分４は誘電体物質（あるいは絶縁物質）によって作られている。上部電極１は円形形状あるいは四角形状としてもよい。いずれの形状においてもその寸法は重要なことではなく、処理されるべき必要のある基板の大きさに依存して変化させることができる。上部電極１は反応容器１００の内部に配置され、そのときそれは天井部に組み込まれる部分となる。側壁３と底部プレート２は電気的に接地されている。
【００２７】
ターゲットプレート７は例えばＴｉ、ＴｉＮあるいはＳｉＯ₂によって作られている。ターゲットプレート７の形状は上部電極１の形状に類似している。もし上部電極１が円形形状であるならば、ターゲットプレート７もまた円形形状である。ターゲットプレート７の寸法は上部電極１よりも小さい。ターゲットプレート７の厚みは通常５〜１０ｍｍである。
【００２８】
ターゲットプレート７の縁は通常シールドプレートと呼ばれる金属板８によって覆われている。ターゲットプレート７とシールドプレート８の間の間隔はおよそ１〜３ｍｍである。シールドプレート８は側壁３に向かって延び、かつ電気的に接地された状態にある。
【００２９】
上部電極１の厚みは重要なことではなく、通常２０〜４０ｍｍである。上部電極１は通常冷却機構に結合されている（図１では示されていない）。上部電極１の冷却工程は重要であり、何故ならば、上部電極１とターゲットプレート７はターゲット材料上へのより高いイオンの流れによる作用の間中加熱されるので、ターゲットプレート７は真空遮蔽を施して上部電極１に固定されなければならない。
【００３０】
プロセスガス、好ましくはＡｒは、側壁３に形成されたガス導入ポート（図示されず）を通して反応容器１００へ供給される。反応容器１００の内部圧力は、ガスの流速とガス排出ポートに配置されたよく知られた可変オリフィス（図示されず）とを調節することによって、制御される。反応容器１００の内部圧力はプラズマプロセスのタイプに依存して１ mTorrから１００ mTorrに至るまで変化させられる。
【００３１】
反応容器１００は高周波（ＨＦ）または超高周波（ＶＨＦ）のｒｆ電源（電力源）１８を備えている。ｒｆ電源１８の周波数はおよそ１０〜１００ＭＨｚの範囲にあり、代表的には１３．５６ＭＨｚあるいは６０ＭＨｚで動作する。ｒｆ電源１８は通常低いインピーダンスを持ち、代表的にはおよそ５０オーム (Ohm)であり、０．５〜５ｋＷのｒｆ電力を作ることができる。当該ｒｆ電源１８の出力は整合回路１９を通して上部電極１へ供給される。
【００３２】
反応容器１００はさらに中間周波（ＭＦ）のｒｆ電源２０を備えている。ＭＦ・ｒｆ電源２０の周波数は０．５〜５ＭＨｚの範囲にあり、代表的に１．６ＭＨｚで動作する。当該ｒｆ電源２０は通常低いインピーダンスを有し、代表的におよそ５０オームであり、０．５〜３ｋＷのｒｆ電力を生成することができる。ｒｆ電源２０の出力は整合回路２１を通して上部電極１に供給される。さらにローパスフィルタ２２が、上部電極１から流れるＨＦあるいはＶＨＦのｒｆ電流がＭＦ・ｒｆ電源２０へ流れるのを遮断するため、上部電極１と整合回路２１の間に加えられる。
【００３３】
下部電極２３は絶縁体２８を介して底部プレート２に固定されている。下部電極２３は電気的に底部プレート２から絶縁されている。基板２７は下部電極２３の上に配置されている。
【００３４】
反応容器１００は、下部電極２３に接続される第３のｒｆ電源を持つこともできるし、持たなくてもよい。図１に示された構成では、反応容器１００は第３のｒｆ電源２４を備えている。もし反応容器１００が第３のｒｆ電源２４を備え、それによってｒｆ電力が下部電極２３に与えられるならば、ｒｆ電力の周波数はＭＦ領域、ＨＦ領域あるいはＶＨＦ領域にある。このｒｆ電源２４は同様にまた低いインピーダンスを持ち、代表的に５０オームであり、１ｋＷまでのｒｆ電力を生成することができる。当該ｒｆ電力は整合回路２５を介して下部電極２３に与えられる。ここでハイパスフィルタ２６の一端は下部電極２３と整合回路２５の間の伝送線に接続される。ハイパスフィルタ２６の他の端は接地されている。ハイパスフィルタを使用する目的は、下部電極２３から到来するＨＦのｒｆ電流の接地通路を作るためである。この方法は、第３のｒｆ電源２４の、ＨＦのｒｆ電流による損傷可能性から保護する。
【００３５】
前述のプラズマ源を備えた反応容器１００におけるプラズマ生成の仕組みが説明される。ｒｆ電源１８とｒｆ電源２０から上部電極１に対してＭＦからＶＨＦの領域で作用するｒｆ電流が与えられるとき、プラズマは、これらのｒｆ電力の容量的結合の機構によって生成される。電子はイオンよりも高い熱速度を持っているので、上部電極１は負にバイアスされる。上部電極１における自己バイアス電圧はプラズマの励起周波数に大きく依存する。プラズマの励起周波数の増大は、自己バイアス電圧の減少とプラズマ密度の増大の原因となる。上部電極１における負のバイアス電圧の値は、同様にまた、アノード面積に対する上部電極の表面面積の比に依存する。ここで、アノード面積は、接地されたすべての表面の全体の表面面積である。アノード面積は、通常、どのようなプラズマ源においても、上部電極（カソード）の表面面積よりもより大きい。このことは上部電極１の負の自己バイアス電圧の原因となる。この負のバイアスのために、プラズマにおけるイオンは上部電極１に向かって加速され、ターゲットプレートの材料をプラズマ中に向けてスパッタリングする原因となる。より高いスパッタリング速度を得るために、イオン密度と上部電極１の自己バイアス電圧は両方とも増大させられなければならない。
【００３６】
ｒｆ電力の増大はプラズマイオン密度を増大させる。しかしながら、もしプラズマ励起周波数がＶＨＦ領域、例えば６０ＭＨｚにある場合には、より高いｒｆ電力であっても、自己バイアス電圧は経済的なスパッタ速度にとって十分ではない。それ故に、他の中間周波数のｒｆ電流が上部電極１に与えられる。プラズマに対するより低い周波数のｒｆ電流の容量的結合は、上部電極のより高い負のバイアス電圧という結果をもたらす。負のバイアス電圧の値はＭＦのｒｆ電流を変化させることによって独立に制御される。それ故に、ＨＦのｒｆ電流とＭＦのｒｆ電流との結合または組み合わせは、プラズマイオン密度とイオンエネルギの独立な制御に対する解決方法を与える。
【００３７】
スパッタされた原子のイオン化率は、ＶＨＦ電流によって生成された高密度プラズマによって増大させられる。イオン化された原子は、ｒｆ電流（第３のｒｆ電源）の応用による下部電極２３上に生成されたバイアスポテンシャルによって基板表面に向かって加速され、運動方向が平行になる。もし下部電極２３に与えられるｒｆ電流がＶＨＦ領域にあるならば、高い密度のプラズマが下部電極２３に接近して生成される。このことは、スパッタされた原子のイオン化率を高め、より高い成膜速度という結果をもたらす。この機構は、成膜速度を劣化させることなく、パターンを形成された基板における良好な底部被覆を作り出す。
【００３８】
次に第２の実施形態が図２を参照して説明される。第２の実施形態において、上部電極１への電気的接続を除いて、すべての他の構成は前述の第１実施形態で与えられた構成と同じである。
【００３９】
上部電極１は、第１実施形態に類似し、整合回路１９を介してＨＦ領域またはＶＨＦ領域で動作するｒｆ電源１８に接続されている。ｒｆ電源１８の詳細は、第１実施形態で与えられたものと同じである。さらに上部電極１は誘電体（Ｌ）３０を通してＤＣ電圧供給源２９に接続されている。キャパシタ（Ｃ）３１の１つの端子はインダクタ３０と上部電極１の間の伝送線に接続されている。キャパシタ３１の他の端子は接地されている。この電気的接続はＤＣ電圧供給源２９を寄生的なｒｆ電流から保護する。ＤＣ電圧供給源２９は−１０００ボルトまでの電圧を与えることができる。
【００４０】
前述した第２実施形態の構成によれば、ｒｆ電流が上部電極１に与えられたとき、プラズマが容量結合の仕組みによって生成される。与えられたｒｆ電力を制御することによって、プラズマにおけるイオン密度が調整される。第２実施形態における上部電極１は、電気的にＶＨＦ電流に関して接地される。それ故に自己バイアス電圧は、上部電極１に印加されるｒｆ電流により上部電極１上で生じない。その代わりに、ＤＣ電圧供給源２９が上部電極１に負のバイアスを与えるように用いられ、この負のバイアスはターゲットプレート７上へイオンを加速するために必要とされる。上部電極１上への負のＤＣバイアスの重畳はプラズマポテンシャルに対し影響を与えない。従ってプラズマのイオン密度と上部電極１のバイアス電圧は、第１実施形態に類似したこの構成で、独立に制御することができる。第２実施形態の主たる利点は、上部電極１に対しｒｆ電源が１台のみ必要とされるということである。すなわち図１に示されたＭＦのｒｆ電源２０、整合回路２１、そしてローパスフィルタ回路２２を省略することができる。
【００４１】
次に第３の実施形態が図３〜５に従って説明される。図３は第３実施形態の全体の構成を示す。この構成は、上部電極１の上にマグネットを追加したことを除いて、大部分第１実施形態に類似している。図３〜５において、第１実施形態で説明された要素に相当する要素の各々は、同じ参照符号または参照数字を持っている。さらに例えば底部プレート２に２つのガス排出ポート１７が形成されている。複数の磁石５は、上部電極１の外側において、個々に離れて配置されている。複数の磁石５における反応容器１００の内部に面した極性は二者択一的に（Ｎ極とＳ極のうちからいずれか一方になるように）変えられ、かつ磁石５は上部電極１の内側表面に近いところで閉じた磁束を伴う磁界６を生成する。
【００４２】
上部電極１の厚みは重要なことではなく、通常２０〜４０ｍｍが採用される。上部電極１の上側には、磁石５を配置するため複数の溝９が作られている。溝９のコーナ部分は、磁石５の断面形状に依存して四角または円形形状となる。溝９の幅は磁石５の幅よりもおよそ１ｍｍ大きくなるように選択されている。溝９の長さは、同じ極性を持つ隣り合う磁石５の間の距離がｘであるとき、少なくとも(1/2) ×ｘとなるように選択されている。溝９の深さは、磁石の底表面が反応容器１００の内部空間に接近するように、通常上部電極１の厚みよりも短い２〜５ｍｍとして採用されている。しかしながら、磁石の下部表面がターゲットプレート７に接触するかまたはもっと接近するように、上部電極１を貫通する溝を持つようにすることもできる。
【００４３】
複数の磁石５に関する配列は、反応容器１００の内部空間でより高い磁界を作り出す。溝９は、好ましくは、図３に示されるごとく、各２つの溝の線の間にスペースが存在するように、平行な溝の線を持つように作られる。これらのスペースにおいて上部電極１の内部に長い通路が形成され、これらの通路は互いに図５に示されるようにジグザグ形状の通路１０を持つように接続されている。ジグザグ形状の通路１０の断面形状は円形、正方形、あるいは長方形の形状である。このジグザグ形状の通路１０は、出発点と終了点を除いて、上部電極１の中に完全に埋まっている。図５に示されるように、出発点は水取込みポート１１に接続され、終了点は水排出ポート１２に接続される。従って、装置の動作の間、水は、上部電極１を冷却すべく、上部電極１内のジグザク形状通路１０の中を流れる。上部電極１とターゲットプレート７は、装置動作の間、ターゲット材料へのより高いイオン束の照射が原因で加熱されるので、上部電極１の水冷却工程は重要である。上部電極１の温度の上昇は磁石５の磁界強度を減少させる原因となる。上部電極１を冷却するための異なる方法を用いることができるということを注意してほしい。
【００４４】
磁石５の形状は、好ましくは立方体、矩形あるいは円筒形（もしくは円柱形）の形状である。上部電極１上に形成された溝９の各々において磁石５が配置される。複数の磁石は等しい距離で配置され、例えば上部電極１の上に描かれた個々の正方形の角に配置される。複数の磁石の極性は、図４に示されるように、二者択一的に変えられる。磁石５の断面の寸法は重要なことではない。もし断面の形状が円形であるならば、その直径は５〜１５ｍｍの範囲にある。もし断面の形状が正方形であるならば、円形形状のそれの寸法に匹敵するものが採用される。いかなる２つの隣り合う磁石の間の間隔は重要ではなく、１５〜５０ｍｍで変わり得る。次にすべての磁石５の上部表面は共に金属板（strip ：細長い板）１３を用いて連結されている。各金属板１３の一方の端は、電気モータ１６によって回転される回転板１５に引き続いて結合される他の金属板１４に連結されており、この回転板１５の回転によって磁石５のすべてが溝９の内部で水平に動かされる。動く距離は回転板１５の直径を変更することによって変えることができ、一方、移動速度は回転板１５の回転速度を変えることによって選択できる。
【００４５】
この磁石５の配列は、図４に示されるように、上部電極１の下側に磁界カスプを作る。すなわち磁界を表す線６は、反応容器１００の中に深く侵入することなく、隣の磁石に向かって直接的に曲がっている。上部電極１に対して平行な磁界線６は反対の極性を有する２つの磁石の間で強くなっており、こうして電子の閉込めが２つの反対の磁石５の間で強くなっている。磁界線６は同じ極性を持つ２つの間では弱い。すなわち電子の閉込めは同じ極性を持つ２つの磁石の間では弱い。それ故に、反対の極性を持つ２つの磁石の間でトラップされた電子は、同じ極性を持つ２つの磁石の間のスペースを通って逃げることができる。従って、前述した磁石配列は、部分的にのみ電子を閉じ込める。この電子の部分閉込めのため、それら電子は上部電極１に対し衝撃を与えることができ、上部電極１に対し負のバイアス電圧を作り出す。さらに電子の部分的閉込めによって、上部電極１へのより高いイオンの流れが電子によって容易に電気的に中和されて、その結果、安定したプラズマ環境をもたらす。
【００４６】
以下にプラズマの均一性とターゲットの利用効率が説明される。ターゲットプレート７は、第１実施形態に類似して、真空遮蔽を施した状態で上部電極１に固定される。ターゲットプレート７に接して不均一な磁界の故にプラズマは不均一である。しかしながら、複数の磁石５は接近して配列されているので、上記不均一なプラズマは、ターゲットプレート７から短い間隔をおけば均一なプラズマとなる。こうして基板表面にわたって均一なプラズマが存在する。例えばターゲットプレート７における２つの反対の極性の磁石の間、そして同じ極性の磁石の間におけるスパッタ速度が異なっているとしても、それらの領域はお互いに接近して存在する。それ故に、ターゲットプレートからのスパッタされた材料はターゲットプレートから短い距離の範囲内で拡散し、基板２７の表面の上に均一な薄膜を形成する。
【００４７】
ターゲット板７の表面において磁石の間の領域に比較して、磁石の極の近くにおけるエッチング速度が低いまたは０であることが、ターゲットプレートに接近したプラズマの不均一性の結果、観察される。ターゲットプレート７の最も高いエッチング速度は、ターゲットプレート７の表面に直交する磁束の密度が最も少ないところである磁石５の中心で観察される。それ故に、磁石５が固定されているときには、ターゲットプレートにおける均一なエッチング速度を観察することはできない。磁石が(1/2) ×ｘで動かされるとき、磁極は最も高いエッチング速度位置に来る。それ故に、(1/2) ×ｘによる磁石の振動によってターゲット材料の時間平均された均一のエッチング速度が得られる。これはターゲットの利用効率を増大する。
【００４８】
次に図６を参照して第４実施形態を説明する。図６は第４実施形態の断面図を示す。上部電極１に作られた電気的接続の構成を除いて、すべての他の構成は第３実施形態のものと同じである。上部電極１に対して作られる電気的接続は第２実施形態のものに類似している。実際に、第４実施形態は、第２実施形態と第３実施形態の組み合わせに相当する。図６で、第２と第３の実施形態にで説明された構成要素に相当する要素の各々は、同じ参照符号または参照番号を有する。
【００４９】
図６に示された上部電極１は整合回路１９を介してＶＨＦのｒｆ電源１８に接続されている。当該ＶＨＦのｒｆ電源１８の詳細は、第１実施形態において与えられたものと同じである。また上部電極１はインダクタ３０を介してＤＣ電圧供給源２９に接続されている。キャパシタ３１の一方の端子はインダクタ３０と上部電極１の間の伝送線に接続されている。キャパシタ３１の他の端子は接地されている。この電気的接続はＤＣ電圧供給源２９を寄生のｒｆ電流から保護する。ＤＣ電圧供給源２９は−１０００ボルトまでの電圧を供給できる。
【００５０】
この構成によって上部電極１は電気的にｒｆ電流に対して接地されるようになる。それ故、上部電極１に与えられるｒｆ電流のため、負のバイアスを得ることができない。その代わりに、上部電極１に対して負のバイアスを与えるため、ＤＣ電圧供給原２９が用いられる。上部電極１における負のバイアスはターゲットプレート７上ヘイオンを加速する。第４実施形態の主たる利点は、それが上部電極１に対して唯一のｒｆ電源を採用しているということである。すなわち、この構成によって、前述したＭＦのｒｆ電源、ローパスフィルタ回路、整合回路を省略することができる。
【００５１】
本発明の第５実施形態を図７と図８に従って説明する。図７は第５実施形態の断面図を示し、これは図１に類似しており、図８は図７におけるＡ−Ａ線断面図である。図７と図８に示された構成要素の参照番号は、図１に示されたそれらのものに対応している。マグネットとこの構造に関連する部分とに関する構造を除いて、第５実施形態の残りの構造は、図１に示されたものと同じである。従ってここでは、残りの構造に関する説明は省略される。この実施形態において、反応容器１００の円筒形側壁３はアルミニウムのごとき非磁性金属で作られ、そして複数の（あるいはいくつかの）棒状マグネット３２が、それらは反応容器１００の内側に向かう二者択一の極性（Ｎ極とＳ極のうちのいずれか一方の極性）を持つように、図７に示されるごとく円筒形側壁３の外側表面の周りで垂直方向に配置される。円筒形側壁３を取り囲む棒状マグネット３２の配列は図８に示されている。これらの棒状マグネット３２は、側壁３の外側表面に直接に取り付けられるか、あるいは小さな間隔をあけて外側表面の上に配置される。もし棒状マグネット３２と側壁３の間に間隔が設けられるならば、その間隔は通常１０ｍｍ以下である。
【００５２】
棒状マグネット３２の外側表面は、通常、例えば軟鉄のごとき強磁性金属(ferromagnetic metal) ３３の板によって連結されている。棒状マグネット３２の大きさは重要なことではない。棒状マグネット３２の断面の形状は、通常、正方形または長方形である。もし断面形状が正方形であるならば、その大きさは５×５ｍｍ²から３０×３０ｍｍ²までの範囲に存在する。もし断面形状が長方形であるならば、その大きさは正方形の形状の表面面積に匹敵するような表面面積を持つように選択される。垂直方向における棒状マグネット３２の長さは、通常、シールドプレート８と基板搬入／搬出スロット３６との間の距離に等しい。基板搬入／搬出スロット３６は、基板２７を取り込み、そして取り出すために使用される開口であり、通常、ゲートを備えている。２つの隣り合う棒状マグネット３２の間の間隔は同様にまた重要なことではなく、通常、２０ｍｍから１００ｍｍの範囲にある。通常、棒状マグネット３２は等しい間隔で配置されている。棒状マグネット３２の磁極における磁界の強さは同様にまた重要なことではなく、５００Gauss （ガウス）から１２kGauss（キロガウス）の範囲に選択される。しかしながら、棒状マグネットの磁界の強さ、およびマグネット間の間隔は、磁界の強さが基板２７の表面で無視できるようになる程度に選択されなければならない。棒状マグネット３２の磁界の強さと、隣り合う２つの棒状マグネット３２の間の間隔との関係は、磁界の強さの増大が間隔の減少を促進するというものであり、その逆も成り立つものである。
【００５３】
前述の構造を有するいくつかの棒状マグネット３２が反応容器１００の円筒形側壁３の周りに配置されるとき、カスプ（線状カスプ）磁界３４が円筒形側壁３の内側上、すなわち、図８に示されるように、側壁の内側表面の近くに形成される。これらのカスプ磁界３４は、カスプ磁界３４によって電子をトラッピングすることにより、円筒形側壁３でのプラズマの損失を減少させる。このことは、プラズマにおけるプラズマ密度の増大という結果をもたらし、この結果はスパッタリング効率の増大をもたらす。
【００５４】
図７において、下部電極２３は絶縁体２８を介して底部プレート２に固定されている。しかしながら、固定された下部電極の代わりに移動可能な下部電極を用いることができる。もし移動可能な下部電極が用いられたとすると、基板２７は棒状マグネット３２の下側端部を越える高さまで持ち上げられ、その場所ではプラズマは非常に良い状態で閉じ込められている。この過程は、スパッタされた物質の成膜速度をより高くすることができる。
【００５５】
第５実施形態は第１実施形態で説明されたプラズマ処理装置を用いることによって説明されたが、棒状マグネット３２に関する同じ構造は、前述の実施形態２，３，４で説明されたプラズマ処理装置に、同じ利益を得る目的で応用することができる。
【００５６】
さらに、前述の棒状マグネットの配列を側壁３の内側表面の周りに、すなわち内側に、あるいは側壁３の内側表面上に、あるいは側壁の内部に配置することもできる。しかしながら、側壁の内側での配列の場合には、各棒状マグネットは絶縁部材または非磁性金属によって覆われなければならない。棒状マグネットが側壁３の内側にあるか、あるいは外側にあるかどうかということに拘らず、基板ステージの位置において磁界がゼロになるように、棒状マグネット３２における磁界の強さと、棒状マグネット３２の間の間隔とを調整することが重要である。
【００５７】
本発明の第６実施形態を図９に従って説明する。図９は反応容器１００の円筒形側壁３と側壁の外側における他のマグネット配列を示す外観図である。簡略化のため、図９においてプラズマ処理装置の他の部分は示されていない。さらに、第５実施形態と同様に、反応容器は前述の実施形態１，２，３，４で与えられた同じ構成を持っている。反応容器の側壁３は非磁性金属、例えばアルミニウムのごとき金属で作られている。複数のマグネット３５が、反応容器の内側に向かって二者択一の極性を持ちながら、側壁３の外側表面上に配置されている。磁石３５における反応容器の外側を向いた他の磁極は、例えば軟鉄のごとき強磁性金属板３６によって連結されている。図９では、図を理解しやすいように少数の強磁性金属板３７のみが示されている。マグネット３５の大きさと形は重要なことではない。もし立方体のマグネット３５が用いられるとすれば、その大きさは５×５×５ｍｍ³から２０×２０×２０ｍｍ³の間で変り得る。もし円柱形のマグネットが用いられるならば、その断面の大きさは５ｍｍから２０ｍｍで変わることになり、その高さは５ｍｍから５０ｍｍで変り得る。マグネット３５の磁極における磁界の強さと、マグネットの間の間隔とは、基板ステージおいて磁界がゼロになるように選択される。通常、磁界の強さは５００Gauss から１２KGaussで変えることができ、マグネットの間の間隔は５ｍｍから４０ｍｍで変えることができる。
【００５８】
複数のマグネット３５が図９に示されるごとく配列されるとき、カスプ（点状カスプ）磁界が円筒形側壁３の内側表面上に作られる。何故ならば、磁界の磁束線は、反応容器の内部に深く入ることなく、最も近い反対の磁極に向かって曲がる。プラズマが生成されるとき、電子はこれらの点状カスプ磁界によってトラップされ、その結果、側壁での電子損失の減少という結果をもたらす。このことはプラズマ密度の増加をもたらし、それによって、第１実施形態で説明された例と同様にスパッタ効率の増加をもたらす。
【００５９】
前述のマグネット３５は、棒状マグネット３３と同様に、側壁３の外側表面あるいは内側表面の周りに存する。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によるプラズマ処理装置は、イオン密度とイオンエネルギの独立した制御とターゲット材料の均一なエッチング速度とを伴って、基板の全表面にわたる平面において均一に分散された大きな面積の高密度プラズマを作り出すことができ、かつ低いアスペクト比を有するプラズマ源を実現することができる。
【００６１】
さらに、カスプ磁界を生成するための棒状マグネットまたはマグネットを備えたプラズマ処理で、側壁の内側表面に起因するプラズマ損失を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は、反応容器と、容量性電極およびそれらの電気的接続関係とを示す第１実施形態の断面図である。
【図２】この図は、反応容器と、容量性電極およびそれらの電気的関係とを示す第２実施形態の断面図である。
【図３】この図は、本発明によるプラズマ処理装置の内部と外部の特徴的構造を示す第３実施形態の外観の解説図である。
【図４】この図は、複数の磁石の配列と第３実施形態の内部構造を示す断面図である。
【図５】この図は、磁石を動かすために磁石に取り付けられた金属板を示さない状態での上部電極の平面図である。
【図６】この図は、プラズマ源の内外の構造を示す第４実施形態の断面図である。
【図７】この図は、第５実施形態のプラズマ処理装置の断面図である。
【図８】この図は、図７におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図９】この図は、反応容器の円筒形側壁と側壁の外側におけるマグネット配列を示す外観図である。
【図１０】この図は、プラズマ処理に使用される第１の従来のプラズマ源を示す断面図である。
【図１１】この図は、上記第１の従来のプラズマ源において使用される磁石によって形成される磁界の解説図である。
【図１２】この図は、不均一なエッチングを示す従来のターゲットプレートの断面図である。
【図１３】この図は、プラズマ処理に用いられる第２の従来のプラズマ源における磁石の配列を示す概略図である。
【参照符号の説明】
１上部電極
２底部プレート
３側壁
５磁石
６磁界線
７ターゲットプレート
９溝
１０ジグザグ通路
１３，１４金属板
１５回転板
１６モータ
１８ＨＦまたはＶＨＦのｒｆ電源
２０ＭＦのｒｆ電源
２２ローパスフィルタ
２３下部電極
２４ＭＦのｒｆ電源
２６ハイパスフィルタ
２７基板
２９ＤＣ電源（ＤＣ電圧供給源）
３２棒状マグネット
３３，３６強磁性金属
３４カスプ磁界
３５マグネット[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a plasma processing apparatus for sputter processing applications, and in particular, independently controls the plasma ion density and ion energy at the rf electrode, useful for the sputtering process of metal or dielectric materials during the process of manufacturing integrated circuits in the semiconductor industry. The present invention relates to a plasma processing apparatus, such as a plasma assisted sputtering apparatus, with an improved plasma source.
[0002]
[Prior art]
With respect to future demands in the semiconductor industry, a large area, high density plasma source for processing large area substrates is required. In particular, it is important to develop a new plasma source for a process of sputtering a metal or dielectric material with increased uniformity of the deposited film and increased target utilization efficiency. These facts are illustrated using two conventional plasma sources according to FIGS. 7-10, which are typically used in 200 mm wafer or flat panel plasma processing equipment.
[0003]
10-12 show simplified diagrams of a conventional magnetron type plasma source used for sputtering applications in the semiconductor industry. The reaction vessel 50 basically includes an upper electrode 51 made of a nonmagnetic metal, a cylindrical side wall 52, a bottom plate 53, and a lower electrode 59. The upper electrode 51 and the lower electrode 59 are parallel to each other through at least the main part (internal space) of the reaction vessel 50. Sidewall 52 and bottom plate 53 are made of a metal such as stainless steel, for example. The upper portion of the side wall 52 is made of an insulator 54, and the upper electrode 51 is disposed on the insulator 54. A target plate 55 made of a material that needs to be sputtered is fixed to the lower surface of the upper electrode 51. The target plate 55 has a slightly smaller dimension than the upper electrode 51. On the upper surface of the upper electrode 51, a central magnet 56a and an outer magnet 56b are concentrically disposed. The central magnet 56a is a circular block. The outer magnet 56b has a ring shape. The height and width of the magnets 56a, 56b are not critical and can be selected according to the dimensions of the reaction vessel. The magnets 56 a and 56 b are arranged on the upper electrode 51 so as to have opposite magnetic poles directed toward the inside of the reaction vessel 50. Such an arrangement of these magnets generates a magnetic field 57 from the center to the periphery or vice versa, as shown in FIG.
[0004]
The substrate 58 to be processed is mounted on a lower electrode 59 that is electrically insulated from the bottom plate 53 by placing it on the insulator 60. The lower electrode 59 may or may not be supplied with rf power from the rf power source (high frequency power source) 63 through the matching circuit 64. If rf power is supplied to the lower electrode 59, the frequency of the rf power source 63 usually exists in the MF region. When the rf current is applied to the lower electrode 59, the lower electrode 59 is negatively biased, thereby causing ion bombardment on the surface of the substrate 58. Although ion bombardment causes etching of the film deposited on the surface of the substrate, the self-bias voltage of the lower electrode 59 is controlled so that the film deposition rate exceeds the film etching rate.
[0005]
The upper electrode 51 is connected to the rf power source 61 through the matching circuit 62. The frequency of the rf power supply 61 usually operates at 13.56 MHz. When rf power is applied to the upper electrode 51, plasma is generated by a capacitive coupling mechanism.
[0006]
As shown in FIG. 13, a racetrack-shaped magnetic field region 65 is used in another conventional magnetron type sputtering source. Except for the shape of the center magnet 66a and the outer magnet 66b, all other parts are the same as those shown in FIGS. The magnets 66a and 66b have a rectangular shape with round corners, and the generated plasma has a similar shape. Therefore, when using this plasma source, the substrate needs to be passed through the plasma region in order to obtain a uniform film deposition over the entire substrate surface.
[0007]
[Problems to be Solved by the Invention]
The parallel plate plasma reactor shown in FIG. 10 has a large area plasma by the parallel electrodes 51 and 59 that are close to each other, an easy discharge start of the plasma, and a controllability of the ion energy of the plasma on the electrode surface. Has several advantages. However, due to the inherent attributes of capacitively coupled plasmas, the ion density of these plasma sources will be low, especially if excitation with low rf frequencies such as 13.56 MHz is used. The ion density is increased by increasing the rf excitation frequency. However, an increase in excitation frequency causes a decrease in self-bias voltage that results in a decrease in ion energy and thereby a decrease in sputtering rate. Thus, one of the main drawbacks of this type of plasma source is that the self-bias voltage and plasma ion density cannot be controlled independently.
[0008]
A second problem with the parallel plate plasma reactor is the non-uniform etching rate of the target plate 55 connected to the upper electrode 51. When the plasma is generated, the electrons between the two magnets 56a, 56b are confined by the magnetic field 57, resulting in an increase in plasma density. Since the magnetic field 57 exists in the donut shaped region, the higher density plasma also has the same shape. Therefore, the material portion of the target plate 55 between the magnets 56a and 56b is sputtered at a higher speed. In contrast, the plasma density in the central and peripheral regions is relatively weaker, and hence the sputtering rate at the target portion corresponding to these regions is lower. Because of this non-uniform sputtering rate of the target plate 55, after a long period of operation, its cross-sectional profile becomes as shown in FIG. The region between the center and the periphery on the surface of the target plate 55 becomes unusable first. Since the region with the highest etching rate determines the life of the target plate 55, the configuration of the magnets 56a, 56b reduces the utilization efficiency of the target material.
[0009]
A third problem is that the plasma generated under the target plate 55 has a high non-uniformity along radial lines. This causes a non-uniform flow of target material from the target plate 55 to the substrate 58, which results in non-uniform film deposition on the surface of the substrate 58. In order to obtain a uniform flow of the material to be sputtered, the substrate 58 must be attached further down in the reaction vessel 50, which causes the reaction vessel 50 to have a higher aspect ratio. However, increasing the electrode spacing results in a reduced film deposition rate.
[0010]
A fourth problem is that if the plasma is non-uniform, it will cause non-uniform ion flow over the surface of the substrate. This can cause local charge accumulation on the surface of the substrate, eventually if the substrate 58 is negatively biased by applying rf power to the lower electrode 59, eventually in the substrate 58. This results in electrical failure of submicron scale elements. This damage due to charge accumulation is expected to occur particularly in the magnet arrangement shown in FIG. This is because generally only a portion of the substrate is exposed to the plasma.
[0011]
A fifth problem of the conventional sputtering apparatus is a defect in the bottom coating in a fine contact hole. This problem can be solved by using a collimated sputtering apparatus in which particles are oriented, or a long throw sputtering apparatus in which the electrodes are further separated and the distance between them is increased. Creates the problem of reducing the deposition rate.
[0012]
Another way to obtain ion flow parallel to the substrate surface is to apply a bias voltage to the substrate 58. This process is called ionized sputtering. Ionized sputtering achieves good bottom coverage in fine contact holes. In this step, the sputtered material is ionized between the electrodes 51 and 59 by charge transfer collision. Therefore, in order to achieve a higher deposition rate, the ion concentration in the plasma must be increased. However, the plasma ion density is low for a 13.56 MHz discharge. In addition, a small portion of these ions are consumed by the target plate 55. Therefore, there is not enough ion concentration to ionize the sputtered atoms, resulting in a low deposition rate.
[0013]
It is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus for sputter processing applications with higher ion concentration, better target utilization efficiency, higher deposition rate, and better thin film thickness uniformity.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the plasma processing apparatus for sputtering processing according to the present invention is configured as follows.
[0015]
The plasma processing apparatus includes a reaction vessel including an upper electrode and a lower electrode facing each other in parallel via at least a part of the internal space of the reaction vessel, and a target plate fixed to the upper electrode. The substrate to be processed is mounted on the lower electrode and processed by a sputtering process. Furthermore, the plasma processing apparatus is connected to the upper electrode and the frequency is VHF region Including one rf power source (high frequency power source) in the range, and another rf power source (high frequency power source) connected to the upper electrode and having a frequency in the range of 0.5 MHz to 5 MHz, In addition, a third rf power supply operating in the VHF region is connected to the lower electrode. ing.
[0017]
In the above-described plasma processing apparatus, the upper electrode is made of a nonmagnetic metal, a plurality of magnets are individually arranged outside the upper electrode, and the magnetic pole facing the inner side of the reaction vessel of the magnet is N Poles and S poles Or S pole and N pole These magnets produce a magnetic field of magnetic flux that is closed near the inner surface of the upper electrode.
[0018]
In the above plasma processing apparatus, the upper electrode has a flat circular or rectangular shape, and the magnet is disposed directly on the front surface of the upper electrode.
[0019]
In the aforementioned plasma processing apparatus, the plurality of magnets can move at least 1/2 of the distance between two adjacent magnets having the same polarity.
[0022]
In the aforementioned plasma processing apparatus for sputter processing applications, preferably, a plurality of bar magnets are directed to the inside of the reaction vessel so as to generate a linear cusp magnetic field near the inner surface of the sidewall. N pole and S pole or S pole and N pole With polarity, arranged around the surface of the cylindrical side wall of the reaction vessel, i.e. at or near the surface of the side wall or in the vicinity of these surfaces or perpendicular to the inside of the side wall The
[0023]
In the aforementioned plasma processing apparatus for sputter processing applications, preferably a plurality of magnets are directed to the inside of the reaction vessel so as to generate a point cusp magnetic field near the inner surface of the sidewall. N pole and S pole or S pole and N pole With magnetic poles and arranged individually around the surface of the cylindrical side wall of the reaction vessel, i.e. more preferably on the outer surface of the side wall
[0024]
With the above-described structure for generating a cusp magnetic field using a magnet or a magnet, the cusp magnetic field can prevent plasma loss due to contact with the inner surface of the side wall.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. Details of the present invention will be made clear through the description of the embodiments.
[0026]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a plasma source used in the plasma processing apparatus of the first embodiment. This plasma processing apparatus is of a capacitive coupling type and is used for sputter deposition applications. The reaction vessel 100 is substantially the same as the conventional reaction vessel 50 described above. The reaction vessel 100 is essentially composed of an upper electrode 1, a cylindrical side wall 3, a bottom plate 2, and a lower electrode 23. The reaction vessel 100 is also provided with a gas exhaust port, for example. The gas exhaust port is not shown in FIG. 1 for ease. The upper electrode 1 and the lower electrode 23 are parallel to each other via at least the main part (internal space) of the reaction vessel 100. The side walls 3 and the bottom plate 2 are made of a metal such as stainless steel. A target plate 7 made of a material that needs to be sputtered is fixed to the lower surface of the upper electrode 1. The target plate 7 has a slightly smaller dimension than the upper electrode 1. The upper electrode 1 is made of a metal such as Al (aluminum) and is disposed on the upper portion 4 of the cylindrical side wall. The upper portion 4 is made of a dielectric material (or insulating material). The upper electrode 1 may be circular or square. The dimensions of any shape are not critical and can vary depending on the size of the substrate that needs to be processed. The upper electrode 1 is disposed inside the reaction vessel 100, and at that time, it becomes a part to be incorporated in the ceiling. Side wall 3 and bottom plate 2 are electrically grounded.
[0027]
The target plate 7 is, for example, Ti, TiN or SiO ₂ Is made by. The shape of the target plate 7 is similar to the shape of the upper electrode 1. If the upper electrode 1 is circular, the target plate 7 is also circular. The size of the target plate 7 is smaller than that of the upper electrode 1. The thickness of the target plate 7 is usually 5 to 10 mm.
[0028]
The edge of the target plate 7 is covered with a metal plate 8 usually called a shield plate. The distance between the target plate 7 and the shield plate 8 is approximately 1 to 3 mm. The shield plate 8 extends toward the side wall 3 and is electrically grounded.
[0029]
The thickness of the upper electrode 1 is not important and is usually 20 to 40 mm. The upper electrode 1 is usually coupled to a cooling mechanism (not shown in FIG. 1). The cooling process of the upper electrode 1 is important because the upper electrode 1 and the target plate 7 are heated during the action due to the higher ion flow onto the target material, so that the target plate 7 has a vacuum shielding. It must be applied and fixed to the upper electrode 1.
[0030]
Process gas, preferably Ar, is supplied to the reaction vessel 100 through a gas introduction port (not shown) formed in the side wall 3. The internal pressure of the reaction vessel 100 is controlled by adjusting the gas flow rate and a well-known variable orifice (not shown) located at the gas discharge port. The internal pressure of the reaction vessel 100 can be varied from 1 mTorr to 100 mTorr depending on the type of plasma process.
[0031]
The reaction vessel 100 includes a high frequency (HF) or very high frequency (VHF) rf power source (power source) 18. The frequency of the rf power supply 18 is in the range of approximately 10 to 100 MHz, and typically operates at 13.56 MHz or 60 MHz. The rf power supply 18 typically has a low impedance, typically around 50 ohms, and can produce rf power of 0.5-5 kW. The output of the rf power source 18 is supplied to the upper electrode 1 through the matching circuit 19.
[0032]
The reaction vessel 100 further includes an intermediate frequency (MF) rf power source 20. The frequency of the MF / rf power source 20 is in the range of 0.5 to 5 MHz, and typically operates at 1.6 MHz. The rf power supply 20 typically has a low impedance, typically about 50 ohms, and can generate rf power of 0.5-3 kW. The output of the rf power source 20 is supplied to the upper electrode 1 through the matching circuit 21. Further, a low-pass filter 22 is added between the upper electrode 1 and the matching circuit 21 in order to block the flow of rf current of HF or VHF flowing from the upper electrode 1 to the MF / rf power source 20.
[0033]
The lower electrode 23 is fixed to the bottom plate 2 via an insulator 28. The lower electrode 23 is electrically insulated from the bottom plate 2. The substrate 27 is disposed on the lower electrode 23.
[0034]
The reaction vessel 100 may or may not have a third rf power source connected to the lower electrode 23. In the configuration shown in FIG. 1, the reaction vessel 100 includes a third rf power source 24. If the reaction vessel 100 is equipped with a third rf power source 24 so that rf power is applied to the lower electrode 23, the frequency of the rf power is in the MF region, HF region or VHF region. This rf power supply 24 also has a low impedance, typically 50 ohms, and can generate rf power up to 1 kW. The rf power is applied to the lower electrode 23 through the matching circuit 25. Here, one end of the high pass filter 26 is connected to a transmission line between the lower electrode 23 and the matching circuit 25. The other end of the high pass filter 26 is grounded. The purpose of using the high-pass filter is to create a ground path for the HF rf current coming from the lower electrode 23. This method protects the third rf power supply 24 from possible damage due to the HF rf current.
[0035]
A mechanism of plasma generation in the reaction vessel 100 including the above-described plasma source will be described. When an rf current acting in the region of MF to VHF is applied from the rf power source 18 and the rf power source 20 to the upper electrode 1, plasma is generated by the mechanism of capacitive coupling of these rf powers. Since the electrons have a higher heat rate than the ions, the upper electrode 1 is negatively biased. The self-bias voltage at the upper electrode 1 greatly depends on the plasma excitation frequency. An increase in plasma excitation frequency causes a decrease in self-bias voltage and an increase in plasma density. The value of the negative bias voltage at the upper electrode 1 also depends on the ratio of the surface area of the upper electrode to the anode area. Here, the anode area is the total surface area of all the grounded surfaces. The anode area is usually larger than the surface area of the upper electrode (cathode) in any plasma source. This causes a negative self-bias voltage of the upper electrode 1. Due to this negative bias, ions in the plasma are accelerated toward the upper electrode 1 and cause sputtering of the target plate material into the plasma. In order to obtain higher sputtering rates, both the ion density and the self-bias voltage of the upper electrode 1 must be increased.
[0036]
Increasing the rf power increases the plasma ion density. However, if the plasma excitation frequency is in the VHF region, for example 60 MHz, the self-bias voltage is not sufficient for an economical sputtering rate, even at higher rf power. Therefore, another intermediate frequency rf current is applied to the upper electrode 1. The capacitive coupling of the lower frequency rf current to the plasma results in a higher negative bias voltage on the top electrode. The value of the negative bias voltage is independently controlled by changing the MF rf current. Therefore, the combination or combination of HF rf current and MF rf current provides a solution to independent control of plasma ion density and ion energy.
[0037]
The ionization rate of the sputtered atoms is increased by the high density plasma generated by the VHF current. The ionized atoms are accelerated toward the substrate surface by the bias potential generated on the lower electrode 23 by application of the rf current (third rf power source), and the movement directions become parallel. If the rf current applied to the lower electrode 23 is in the VHF region, a high density plasma is generated close to the lower electrode 23. This increases the ionization rate of the sputtered atoms, resulting in a higher deposition rate. This mechanism creates a good bottom coating on the patterned substrate without degrading the deposition rate.
[0038]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In the second embodiment, except for the electrical connection to the upper electrode 1, all other configurations are the same as those given in the first embodiment.
[0039]
Similar to the first embodiment, the upper electrode 1 is connected to an rf power source 18 that operates in the HF region or the VHF region via a matching circuit 19. The details of the rf power supply 18 are the same as those given in the first embodiment. Further, the upper electrode 1 is connected to a DC voltage supply source 29 through a dielectric (L) 30. One terminal of the capacitor (C) 31 is connected to a transmission line between the inductor 30 and the upper electrode 1. The other terminal of the capacitor 31 is grounded. This electrical connection protects the DC voltage source 29 from parasitic rf currents. The DC voltage source 29 can provide voltages up to -1000 volts.
[0040]
According to the configuration of the second embodiment described above, when the rf current is applied to the upper electrode 1, plasma is generated by the mechanism of capacitive coupling. By controlling the applied rf power, the ion density in the plasma is adjusted. The upper electrode 1 in the second embodiment is electrically grounded with respect to the VHF current. Therefore, no self-bias voltage is generated on the upper electrode 1 due to the rf current applied to the upper electrode 1. Instead, a DC voltage source 29 is used to apply a negative bias to the upper electrode 1, which is required to accelerate ions onto the target plate 7. The superposition of the negative DC bias on the upper electrode 1 does not affect the plasma potential. Therefore, the plasma ion density and the bias voltage of the upper electrode 1 can be independently controlled with this configuration similar to the first embodiment. The main advantage of the second embodiment is that only one rf power source is required for the upper electrode 1. That is, the MF rf power source 20, the matching circuit 21, and the low-pass filter circuit 22 shown in FIG. 1 can be omitted.
[0041]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows the overall configuration of the third embodiment. This configuration is almost similar to the first embodiment except that a magnet is added on the upper electrode 1. 3 to 5, elements corresponding to those described in the first embodiment have the same reference numerals or reference numerals. Further, for example, two gas discharge ports 17 are formed in the bottom plate 2. The plurality of magnets 5 are arranged separately from each other outside the upper electrode 1. The polarities of the plurality of magnets 5 facing the inside of the reaction vessel 100 can be changed alternatively (so that one of the N pole and the S pole becomes one), and the magnet 5 is located inside the upper electrode 1. A magnetic field 6 with a closed magnetic flux is generated near the surface.
[0042]
The thickness of the upper electrode 1 is not important, and usually 20 to 40 mm is employed. On the upper side of the upper electrode 1, a plurality of grooves 9 are formed for arranging the magnets 5. The corner portion of the groove 9 is square or circular depending on the cross-sectional shape of the magnet 5. The width of the groove 9 is selected to be approximately 1 mm larger than the width of the magnet 5. The length of the groove 9 is selected to be at least (1/2) × x when the distance between adjacent magnets 5 having the same polarity is x. The depth of the groove 9 is usually set to 2 to 5 mm shorter than the thickness of the upper electrode 1 so that the bottom surface of the magnet approaches the internal space of the reaction vessel 100. However, it is also possible to have a groove through the upper electrode 1 so that the lower surface of the magnet contacts or is closer to the target plate 7.
[0043]
The arrangement with respect to the plurality of magnets 5 creates a higher magnetic field in the internal space of the reaction vessel 100. The grooves 9 are preferably made to have parallel groove lines so that there is a space between each two groove lines, as shown in FIG. In these spaces, long passages are formed inside the upper electrode 1, and these passages are connected to each other so as to have a zigzag passage 10 as shown in FIG. The cross-sectional shape of the zigzag passage 10 is circular, square, or rectangular. This zigzag-shaped passage 10 is completely buried in the upper electrode 1 except for the start point and the end point. As shown in FIG. 5, the starting point is connected to the water intake port 11 and the end point is connected to the water discharge port 12. Thus, during the operation of the device, water flows in a zigzag passage 10 in the upper electrode 1 to cool the upper electrode 1. Since the upper electrode 1 and the target plate 7 are heated during the operation of the apparatus due to the irradiation of the higher ion flux to the target material, the water cooling process of the upper electrode 1 is important. An increase in the temperature of the upper electrode 1 causes a decrease in the magnetic field strength of the magnet 5. Note that different methods for cooling the upper electrode 1 can be used.
[0044]
The shape of the magnet 5 is preferably a cubic, rectangular or cylindrical (or columnar) shape. A magnet 5 is disposed in each of the grooves 9 formed on the upper electrode 1. The magnets are arranged at equal distances, for example, at the corners of individual squares drawn on the upper electrode 1. The polarity of the plurality of magnets can be changed alternatively as shown in FIG. The cross-sectional dimensions of the magnet 5 are not important. If the cross-sectional shape is circular, its diameter is in the range of 5-15 mm. If the cross-sectional shape is square, one that is comparable to that of the circular shape is adopted. The spacing between any two adjacent magnets is not critical and can vary from 15 to 50 mm. Next, the upper surfaces of all the magnets 5 are connected together using a metal plate (strip) 13. One end of each metal plate 13 is connected to another metal plate 14 that is subsequently coupled to a rotating plate 15 that is rotated by an electric motor 16, and the rotation of the rotating plate 15 causes all of the magnets 5 to be grooves. 9 is moved horizontally inside. The moving distance can be changed by changing the diameter of the rotating plate 15, while the moving speed can be selected by changing the rotating speed of the rotating plate 15.
[0045]
This arrangement of the magnets 5 creates a magnetic field cusp on the lower side of the upper electrode 1 as shown in FIG. That is, the line 6 representing the magnetic field is bent directly toward the adjacent magnet without penetrating deeply into the reaction vessel 100. The magnetic field lines 6 parallel to the upper electrode 1 are strong between the two magnets having opposite polarities, and thus the electron confinement is strong between the two opposite magnets 5. The magnetic field line 6 is weak between two having the same polarity. That is, electron confinement is weak between two magnets having the same polarity. Hence, electrons trapped between two magnets of opposite polarity can escape through the space between two magnets of the same polarity. Therefore, the magnet arrangement described above confines electrons only partially. Because of this partial confinement of electrons, they can impact the upper electrode 1 and create a negative bias voltage for the upper electrode 1. Furthermore, due to the partial confinement of electrons, the higher ion flow to the upper electrode 1 is easily electrically neutralized by the electrons, resulting in a stable plasma environment.
[0046]
The plasma uniformity and target utilization efficiency are described below. Similar to the first embodiment, the target plate 7 is fixed to the upper electrode 1 in a state where vacuum shielding is applied. The plasma is non-uniform because of the non-uniform magnetic field in contact with the target plate 7. However, since the plurality of magnets 5 are arranged close to each other, the non-uniform plasma becomes a uniform plasma if a short interval is provided from the target plate 7. There is thus a uniform plasma over the substrate surface. For example, even though the sputter rates between two opposite polarity magnets on the target plate 7 and between the same polarity magnets are different, the regions exist close to each other. Therefore, the sputtered material from the target plate diffuses within a short distance from the target plate, forming a uniform thin film on the surface of the substrate 27.
[0047]
A low or zero etch rate near the poles of the magnet compared to the area between the magnets on the surface of the target plate 7 is observed as a result of the non-uniformity of the plasma approaching the target plate. The highest etching rate of the target plate 7 is observed at the center of the magnet 5 where the density of magnetic flux orthogonal to the surface of the target plate 7 is the smallest. Therefore, when the magnet 5 is fixed, a uniform etching rate on the target plate cannot be observed. When the magnet is moved at (1/2) × x, the pole is at the highest etch rate position. Therefore, time-averaged uniform etching rate of the target material is obtained by vibration of the magnet by (1/2) × x. This increases the utilization efficiency of the target.
[0048]
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a cross-sectional view of the fourth embodiment. Except for the configuration of electrical connection made in the upper electrode 1, all other configurations are the same as those of the third embodiment. The electrical connection made to the upper electrode 1 is similar to that of the second embodiment. Actually, the fourth embodiment corresponds to a combination of the second embodiment and the third embodiment. In FIG. 6, each of the elements corresponding to the components described in the second and third embodiments has the same reference number or reference number.
[0049]
The upper electrode 1 shown in FIG. 6 is connected to a VHF rf power source 18 via a matching circuit 19. The details of the VHF rf power supply 18 are the same as those given in the first embodiment. The upper electrode 1 is connected to a DC voltage supply source 29 via an inductor 30. One terminal of the capacitor 31 is connected to a transmission line between the inductor 30 and the upper electrode 1. The other terminal of the capacitor 31 is grounded. This electrical connection protects the DC voltage source 29 from parasitic rf currents. The DC voltage supply source 29 can supply a voltage up to -1000 volts.
[0050]
With this configuration, the upper electrode 1 is electrically grounded with respect to the rf current. Therefore, a negative bias cannot be obtained due to the rf current applied to the upper electrode 1. Instead, a DC voltage source 29 is used to apply a negative bias to the upper electrode 1. A negative bias in the upper electrode 1 accelerates the ions on the target plate 7. The main advantage of the fourth embodiment is that it employs a single rf power supply for the upper electrode 1. That is, with this configuration, the above-described MF rf power source, low-pass filter circuit, and matching circuit can be omitted.
[0051]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows a sectional view of the fifth embodiment, which is similar to FIG. 1, and FIG. 8 is a sectional view taken along line AA in FIG. The reference numerals of the components shown in FIGS. 7 and 8 correspond to those shown in FIG. Except for the structure related to the magnet and the parts related to this structure, the remaining structure of the fifth embodiment is the same as that shown in FIG. Therefore, the description regarding the remaining structure is abbreviate | omitted here. In this embodiment, the cylindrical side wall 3 of the reaction vessel 100 is made of a non-magnetic metal such as aluminum, and a plurality (or several) of rod-shaped magnets 32 are alternatively selected toward the inside of the reaction vessel 100. As shown in FIG. 7, they are arranged vertically around the outer surface of the cylindrical side wall 3 so as to have one polarity (the polarity of either one of the N pole and the S pole). The arrangement of the bar magnets 32 surrounding the cylindrical side wall 3 is shown in FIG. These bar magnets 32 are attached directly to the outer surface of the side wall 3 or are arranged on the outer surface with a small spacing. If a space is provided between the bar magnet 32 and the side wall 3, the space is usually 10 mm or less.
[0052]
The outer surfaces of the bar magnets 32 are usually connected by a plate of a ferromagnetic metal 33 such as soft iron. The size of the bar magnet 32 is not important. The cross-sectional shape of the bar magnet 32 is usually a square or a rectangle. If the cross-sectional shape is square, its size is 5x5mm ² To 30 × 30mm ² Exists in the range. If the cross-sectional shape is rectangular, its size is selected to have a surface area comparable to that of a square shape. The length of the bar magnet 32 in the vertical direction is usually equal to the distance between the shield plate 8 and the substrate loading / unloading slot 36. The substrate loading / unloading slot 36 is an opening used for taking in and taking out the substrate 27 and usually includes a gate. The spacing between two adjacent bar magnets 32 is likewise not important and is usually in the range of 20 mm to 100 mm. Usually, the bar magnets 32 are arranged at equal intervals. The strength of the magnetic field at the magnetic poles of the bar magnet 32 is likewise not critical and is selected in the range of 500 Gauss to 12 kGauss. However, the strength of the magnetic field of the bar-shaped magnet and the interval between the magnets must be selected to such an extent that the strength of the magnetic field can be ignored on the surface of the substrate 27. The relationship between the strength of the magnetic field of the bar-shaped magnet 32 and the distance between two adjacent bar-shaped magnets 32 is that an increase in the strength of the magnetic field promotes a decrease in the distance, and vice versa. .
[0053]
When several bar magnets 32 having the above-described structure are arranged around the cylindrical side wall 3 of the reaction vessel 100, a cusp (linear cusp) magnetic field 34 is formed on the inside of the cylindrical side wall 3, that is, in FIG. As shown, it is formed near the inner surface of the sidewall. These cusp magnetic fields 34 trap the electrons by the cusp magnetic field 34, thereby reducing the plasma loss in the cylindrical side wall 3. This results in increased plasma density in the plasma, which results in increased sputtering efficiency.
[0054]
In FIG. 7, the lower electrode 23 is fixed to the bottom plate 2 via an insulator 28. However, a movable lower electrode can be used instead of the fixed lower electrode. If a movable lower electrode is used, the substrate 27 is lifted to a height beyond the lower end of the bar magnet 32 where the plasma is confined in very good condition. This process can increase the deposition rate of the sputtered material.
[0055]
Although the fifth embodiment has been described by using the plasma processing apparatus described in the first embodiment, the same structure relating to the bar magnet 32 is the same as that of the plasma processing apparatus described in the second, third, and fourth embodiments. Can be applied for the same benefit.
[0056]
Furthermore, the arrangement of the aforementioned bar magnets can be arranged around the inner surface of the side wall 3, i.e. inside, on the inner surface of the side wall 3, or inside the side wall. However, in the case of the arrangement inside the side wall, each bar magnet must be covered with an insulating member or a nonmagnetic metal. Regardless of whether the bar-shaped magnet is inside or outside the side wall 3, the magnetic field strength in the bar-shaped magnet 32 and the distance between the bar-shaped magnets 32 so that the magnetic field becomes zero at the position of the substrate stage. It is important to adjust the interval.
[0057]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is an external view showing the cylindrical side wall 3 of the reaction vessel 100 and another magnet arrangement on the outside of the side wall. For simplicity, other parts of the plasma processing apparatus are not shown in FIG. Furthermore, as in the fifth embodiment, the reaction vessel has the same configuration as given in the first, second, third, and fourth embodiments. The side wall 3 of the reaction vessel is made of a nonmagnetic metal, for example a metal such as aluminum. A plurality of magnets 35 are arranged on the outer surface of the side wall 3 while having an alternative polarity toward the inside of the reaction vessel. The other magnetic poles of the magnet 35 facing the outside of the reaction vessel are connected by a ferromagnetic metal plate 36 such as soft iron. In FIG. 9, only a small number of ferromagnetic metal plates 37 are shown for easy understanding of the drawing. The size and shape of the magnet 35 is not important. If a cubic magnet 35 is used, its size is 5x5x5mm ^Three To 20 × 20 × 20mm ^Three Can vary between. If a cylindrical magnet is used, its cross-sectional size will vary from 5 mm to 20 mm, and its height can vary from 5 mm to 50 mm. The strength of the magnetic field at the magnetic pole of the magnet 35 and the distance between the magnets are selected so that the magnetic field is zero on the substrate stage. Usually, the strength of the magnetic field can be varied from 500 Gauss to 12 KGauss, and the spacing between the magnets can be varied from 5 mm to 40 mm.
[0058]
When a plurality of magnets 35 are arranged as shown in FIG. 9, a cusp (dot cusp) magnetic field is created on the inner surface of the cylindrical side wall 3. This is because the magnetic flux lines of the magnetic field bend toward the nearest opposite magnetic pole without going deep inside the reaction vessel. When the plasma is generated, the electrons are trapped by these point cusp fields, resulting in reduced electron loss at the sidewalls. This results in an increase in plasma density, thereby increasing the sputtering efficiency as in the example described in the first embodiment.
[0059]
Similar to the rod-shaped magnet 33, the magnet 35 described above exists around the outer surface or inner surface of the side wall 3.
[0060]
【The invention's effect】
The plasma processing apparatus according to the present invention produces a large area, high density plasma that is uniformly distributed in a plane across the entire surface of the substrate, with independent control of ion density and ion energy and a uniform etch rate of the target material. And a plasma source having a low aspect ratio can be realized.
[0061]
Further, plasma loss due to the inner surface of the side wall can be prevented by the plasma treatment including a bar magnet or a magnet for generating a cusp magnetic field.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment showing a reaction vessel, capacitive electrodes, and their electrical connection relationships.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a second embodiment showing a reaction vessel, capacitive electrodes and their electrical relationship.
FIG. 3 is an explanatory view of the appearance of a third embodiment showing the internal and external characteristic structures of the plasma processing apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the arrangement of a plurality of magnets and the internal structure of the third embodiment.
FIG. 5 is a plan view of the upper electrode without showing the metal plate attached to the magnet for moving the magnet.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a fourth embodiment showing the internal and external structures of a plasma source.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a plasma processing apparatus according to a fifth embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 9 is an external view showing a cylindrical side wall of the reaction vessel and a magnet arrangement on the outside of the side wall.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a first conventional plasma source used for plasma processing.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a magnetic field formed by a magnet used in the first conventional plasma source.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional target plate showing non-uniform etching.
FIG. 13 is a schematic view showing an arrangement of magnets in a second conventional plasma source used for plasma processing.
[Explanation of reference signs]
1 Upper electrode
2 Bottom plate
3 Side walls
5 Magnet
6 Magnetic field lines
7 Target plate
9 groove
10 Zigzag passage
13,14 Metal plate
15 Rotating plate
16 motor
18 HF or VHF rf power supply
20 MF rf power supply
22 Low-pass filter
23 Lower electrode
24 MF rf power supply
26 High-pass filter
27 Substrate
29 DC power supply (DC voltage supply source)
32 Bar magnet
33, 36 Ferromagnetic metal
34 Cusp magnetic field
35 Magnet

Claims

少なくとも反応容器の内部空間の一部を介して互いに平行に向かい合う上部電極と下部電極を備えてなる当該反応容器と、前記上部電極に固定されたターゲットプレートとを備えてなり、前記下部電極の上に搭載された基板がスパッタリングの工程によって処理されるプラズマ処理装置であり、
前記上部電極に接続されかつ周波数がＶＨＦ領域の範囲にある第１のｒｆ電源と、
前記上部電極に接続されかつ周波数が０．５ＭＨｚから５ＭＨｚの範囲にある第２のｒｆ電源とによって構成され、
更に、ＶＨＦの領域で動作する第３のｒｆ電源が前記下部電極に接続されているスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。A reaction vessel comprising an upper electrode and a lower electrode facing each other in parallel via at least a part of the internal space of the reaction vessel; and a target plate fixed to the upper electrode; Is a plasma processing apparatus in which a substrate mounted on the substrate is processed by a sputtering process,
A first rf power source connected to the upper electrode and having a frequency in the range of the VHF region ;
A second rf power source connected to the upper electrode and having a frequency in the range of 0.5 MHz to 5 MHz;
Further, the plasma processing apparatus of the sputter processing applications first 3 rf power which operates in the region of the VHF is connected for the lower electrode.

前記上部電極は非磁性金属で作られ、複数の磁石が前記上部電極の外側に個々に配列され、前記磁石における前記反応容器の内部に面した極性はＮ極とＳ極のうちから一方になるようにされかつ複数の前記磁石は前記上部電極の内側表面に近い所で閉じた磁束で形成される磁界を生成する請求項１記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。The upper electrode is made of a nonmagnetic metal, and a plurality of magnets are individually arranged outside the upper electrode, and the polarity of the magnet facing the inside of the reaction vessel is one of an N pole and an S pole. 2. The plasma processing apparatus for sputtering application according to claim 1, wherein the plurality of magnets generate a magnetic field formed by a magnetic flux closed at a position close to an inner surface of the upper electrode.

前記上部電極は平板状の円形または矩形の形状であり、前記磁石は前記上部電極の外側表面に直接に配置される請求項２に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus for sputtering application according to claim 2, wherein the upper electrode has a flat circular or rectangular shape, and the magnet is disposed directly on an outer surface of the upper electrode.

複数の前記磁石は、隣り合う２つの同じ極性をもつ磁石の間の距離の少なくとも２分の１を可動する請求項２または３記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。 4. The plasma processing apparatus for sputtering application according to claim 2, wherein the plurality of magnets move at least one half of a distance between two adjacent magnets having the same polarity.

前記反応容器は、円筒形側壁を有し、更に、該側壁の内側表面の近くにカスプ磁界を生成するように該反応容器の内側に向かうＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極の極性を有する複数の棒状マグネットを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。The reaction vessel has a cylindrical side wall, and further has polarities of N and S poles or S and N poles directed toward the inside of the reaction vessel so as to generate a cusp magnetic field near the inner surface of the side wall. The plasma processing apparatus for sputtering processing according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a plurality of bar-shaped magnets.

前記反応容器は、円筒形側壁の表面を有し、更に、該側壁の内側表面の近くにカスプ磁界を生成するように該反応容器の内側に向いたＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極の極性を有する複数のマグネットを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。The reaction vessel has a cylindrical side wall surface and further has an N-pole and an S-pole or an S-pole and an N-pole facing inward of the reaction vessel so as to generate a cusp magnetic field near the inner surface of the side wall. A plasma processing apparatus for sputtering processing according to any one of claims 1 to 5 , comprising a plurality of magnets having the following polarity.

前記上部電極は、前記複数の磁石を配置するための複数の溝が形成されており、各溝の間に形成されたスペースに、上部電極を冷却するための冷却通路を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。The upper electrode is formed with a plurality of grooves for arranging the plurality of magnets, and a cooling passage for cooling the upper electrode is provided in a space formed between the grooves. A plasma processing apparatus for sputtering treatment according to any one of claims 1 to 6 .

前記複数の磁石の上部表面は各々金属板に連結されており、各金属板の一方の端は、駆動機構によって回転される回転板に結合された他の金属板に連結されており、前記回転板の回転によって、前記磁石の全てが溝の内部で水平に動かされることを特徴とする請求項７記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。The upper surfaces of the plurality of magnets are each connected to a metal plate, and one end of each metal plate is connected to another metal plate coupled to a rotating plate rotated by a driving mechanism, and the rotation The plasma processing apparatus for sputtering processing according to claim 7 , wherein all of the magnets are moved horizontally within the groove by the rotation of the plate.

前記ターゲットプレートは、チタン、窒化チタン、又は二酸化珪素であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。The plasma processing apparatus for sputtering processing according to any one of claims 1 to 8 , wherein the target plate is titanium, titanium nitride, or silicon dioxide.