JP2000349032A - プラズマ処理装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成膜などを行うプラズマ処理装置において、
容器内で発生するプラズマの上下位置での分布電子密度
が変化して均一処理ができなくなるのを防止したプラズ
マ処理装置を提供する。 【解決手段】 容器１と、その周囲に配設されて台座７
上の被処理体の表面に並行な磁場を形成する電磁石８
と、容器１の天井板３の上に配置されて容器１内に電磁
波を入射させるアンテナ１１とを有するプラズマ処理装
置である。容器１内には、電子密度分布計測用プローブ
２０が水平方向に位置を変えてその水平位置における電
子密度分布状態を計測できるようになっている。こうし
て電子密度分布を計測し、均一分布状態の位置を知り、
その位置に被処理体の表面が配置されるよう台座の高さ
を調節してプラズマ処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容器内でプラズマ
を発生させ同容器内に配置された被処理体の表面にエッ
チングや成膜のためのプラズマ処理を施すプラズマ処理
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】容器内でプラズマを発生させ、その容器
内部に配置した基板などの被処理体の表面にエッチング
や成膜などのプラズマ処理を行うことは公知である。従
来のプラズマ処理装置の一例を図９に示してある。この
装置は、磁束が水平に張られた容器内に、上方のアンテ
ナから励起された電磁波を入射させて容器内のガスをイ
オン化させてプラズマを発生させるようにしたものであ
る。

【０００３】図９に基づいてこれを説明すると、１は容
器を示し、容器１は円筒形の周壁２と、円形の天井板３
と、基部４で構成されている。また、容器１には上部に
プラズマ生成室５、下部に反応室６が形成されている。
容器１の中心には台座７が設けられており、この台座７
上にプラズマ処理すべき基板などが配置される。

【０００４】容器１の外周には電磁石８が配設されてい
て、この電磁石８は、基台７上に配置される基板などの
被処理体の表面にほぼ並行で、かつ、容器１の中心軸ま
わりに回転する磁場を生成する。９は回転磁場コイル、
１０は多相インバータである。天井板３の上に高周波ア
ンテナ１１が配置されており、アンテナ１１は容器１内
に電磁波を入射させる。アンテナ１１は図１０に示すよ
うに円形のリングアンテナで、このアンテナ１１には整
合器１２を介して、高周波電源１３が接続されている。

【０００５】容器１内に入射された電磁波は前記したよ
うに容器１内のガスをイオン化してプラズマを発生する
とともに容器１内に張られた電磁石８による磁束に作用
して電子磁気音波（ＥＭＳ，Electron Magneto Sonic W
ave ）を発生し、これがランダウ減衰によりプラズマに
エネルギを移行させるので容器１内に強いプラズマが生
ずる。

【０００６】容器１の周壁２には、シランなどのプロセ
スガスを供給するガス供給ノズル１４と、アルゴンなど
の補助ガスを供給する補助ガス供給ノズル１５が設けら
れている。また、基部４には容器１の内部を排気するた
めの真空排気系（図示していない）へ接続される排気口
１６が設けられている。

【０００７】以上の構成をもつ図９のプラズマ処理装置
において、台座７上に表面処理すべき基板などが配置さ
れるとともに、容器１内にイオン化されるシラン等のプ
ロセスガスが導入される。電磁石８は、台座７上の基板
などの被処理体の表面とほぼ並行で容器１の中心軸まわ
りに回転する磁場を生成する。高周波電源１３から電力
が供給され、アンテナ１１が作動されて電磁波を容器１
内に入射させると、プラズマ生成室５に前記したように
プラズマが生成される。

【０００８】容器１内には電磁石８により基板の被処理
表面に平行な磁場が形成されているので、プラズマ生成
室５に発生されたプラズマは、基板などの被処理体の上
部の容器１内に閉じ込められる。基板などの表面に成膜
を行うプラズマ処理の場合は、前記したように発生され
たプラズマで生じた非イオン化原子（ニュートラル種）
が基板などの表面に付着され成膜が行われる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】プラズマ処理装置で
は、前記したように容器１内でプラズマを発生させて容
器１内に配置された被処理体の表面に対しエッチングや
成膜処理を施こすのであるが、容器１内のプラズマの電
子密度分布は経時的に変化してゆく。これを成膜の場合
について説明すると、成膜を繰り返えしてゆくと容器１
の周壁２にも皮膜が付着し、周壁２の絶縁性が低下する
のでプラズマに対する閉じ込め能力が低下する。

【００１０】従って、容器１内でアンテナ１１の直下に
発生したプラズマが次第に拡散して均一になる位置に台
座７上の被処理体表面が来るようにして成膜を行って
も、成膜を重ねるにつれプラズマ分布が均一で成膜にと
って好適な位置は次第に低下して行き、最初に成膜すべ
き被処理体の表面が配置された位置でのプラズマ分布は
不均一になって来て均一な膜厚をもつ所望の成膜ができ
なくなってゆく。

【００１１】その状態を図６に示してある。図６には、
最初の成膜によって得られる成膜の膜厚分布の状態から
９回目の成膜によって得られる膜厚分布状態を示してあ
る。図６から明白なように次第に外周部での膜厚が厚く
なってゆく。このような膜厚の均一性が成膜回数によっ
てどのように変化するかをグラフで示したのが図７であ
る。また、容器１内での被処理体の表面位置を最適位置
から５０mm上下させて成膜したときの膜厚変化の様子を
図８に示してある。

【００１２】図７から明らかなように、成膜を５回繰り
返えすと膜厚の均一性は成膜品質上好ましくない５％を
越える状態となって了う。このように成膜を５回行った
ら、容器１内にＮＦ₃ ガスを入れてプラズマを発生させ
容器１の周壁２に付着したＳｉＯ₂ 、ＳｉＮなどの膜を
除去するなどの処置が必要となる。

【００１３】本発明は、容器内でプラズマを発生させ、
その容器内に配置された基体などの被処理体の表面にプ
ラズマ処理を施すようにしたプラズマ処理装置におい
て、容器内での発生プラズマの電子密度が変化して基体
表面に対する均一処理ができなくなるのを防止したプラ
ズマ処理装置を提供することを課題としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、表面をプラズマ処理すべき被処理体が配置
される台座を内部に配置された容器と、同容器の周囲に
配設されて前記台座上の被処理体の処理すべき表面に実
質的に並行な磁場を形成する磁石と、前記容器の天井板
の上に配設され同容器内にプラズマを発生させるための
電磁波を前記容器の内部に向けて入射させるアンテナ
と、を有するプラズマ処理装置において、容器の内部に
プラズマ電子密度分布測定用のプローブを設置するとと
もに、そのプローブで検知されたプラズマ電子密度分布
に応じて台座の高さを調節して被処理体の処理表面にお
けるプラズマ電子密度が一定になるよう台座の上下位置
を調節する手段を設けたプラズマ処理装置を提供する。

【００１５】本発明のプラズマ処理装置においては、プ
ラズマ電子密度分布測定用のプローブを、水平位置変更
可能に前記容器に取り付け、プラズマ電子密度分布が均
一な位置をそのプローブで検出し、その位置に台座上の
被処理体の表面を位置させるようにプラズマ処理装置を
制御するのが好ましい。

【００１６】本発明によるプラズマ処理装置では、容器
内部に設置されたプローブによってプラズマ電子密度分
布を測定し、プラズマ電子密度分布が均一になる位置に
台座上に配置された被処理体の処理表面に来るよう、そ
の上下位置を調節することにより、容器内のプラズマ電
子密度分布が変化しても、基体の処理表面は常に均一な
プラズマ電子密度分布のところに位置されるので、被処
理体の表面に対し常に所望のプラズマ処理を施すことが
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるプラズマ処理
装置及びその制御方法の実施の態様について図１〜図５
を用いて具体的に説明する。本発明の実施の態様を示す
図１〜図５において、図９及び図１０に示した従来のプ
ラズマ処理装置と実質同一の構成部分には、同一の符号
を付してあり、それらについての重複する説明は省略
し、相違点を中心に説明する。

【００１８】（第１実施形態）まず図１〜図３により第
１実施形態について説明する。図１において、２０は電
子密度分布計測用のプローブであって、容器１の周壁２
を貫通して水平方向に移動可能で、容器１内のその水平
面内でのプラズマ電子密度分布を計測できるようになっ
ている。この電子密度分布計測用のプローブ２０の構造
の一例が図２に示してある。

【００１９】図２において、２１はプローブ胴体部で、
このプローブ胴体部２１内を熱シールド管２２が軸方向
に摺動自在となっている。熱シールド管２２内には、絶
縁管２３に埋め込まれた電極（タングステン）が内装さ
れている。２５は電磁シールド管で、熱シールド管２２
と絶縁管２３の間に介在されている。その他の構造は、
図９に示した従来のプラズマ処理装置の構造と実質同一
である。

【００２０】このように構成された図１のプラズマ処理
装置において、プラズマを発生させ電子密度分布計測用
プローブ２０を容器１内に挿し込んで行って、その水平
位置でのプラズマ電子密度を計測しその分布状況を知
る。計測されたプラズマ電子密度の状態から、容器１内
におけるプラズマ電子密度の均一分布位置を経験的に推
定し、その均一分布位置に被処理体の表面が来るよう台
座７の高さを調節し、被処理体の表面に対しプラズマ処
理を行う。

【００２１】そのプラズマ密度分布計測とプラズマ処理
のやり方のフローチャートが図３に示してある。図３に
おいて、Ｘは成膜回数で、既に説明したように成膜回数
５回迄は実際上支障のない均一性の膜厚をもつ成膜が可
能であるから、Ｘ＝５になったときに始めてプローブ２
０によるプラズマ密度分布計測を行う。

【００２２】そして計測されたプラズマ電子密度分布か
ら、容器１内においてプラズマ密度分布が均一な位置を
推定し、その位置に台座７の高さを調整し、Ｘ＝０にリ
セットする。こうして容器１内でプラズマ電子密度が均
一分布となっている位置に被処理材の表面を位置よせて
プラズマ処理を繰り返えす。

【００２３】しかし、プラズマ処理を２０回繰り返えす
（Ｙ＝２０）と、容器１の周壁２の内面にはかなりの皮
膜が付着して了うので、容器１内にＮＦ₃ ガスを入れて
プラズマを発生させ、その皮膜を除去する操作（ＮＦ₃
クリーニング）を行い、容器１の周壁２の内面をきれい
にし周壁２の絶縁性を復活させる。ＮＦ₃ クリーニング
を行うとＹ＝０にリセットされ、以後２０回の成膜をＮ
Ｆ₃ クリーニングなしに行う。このようにして許容範囲
の均一性の膜厚をもつ成膜が行われる。

【００２４】（第２実施形態）上記第１実施形態では、
電子密度分布計測用のプローブ２０を容器１内で均一な
プラズマ電子密度分布が得られる高さに取り付け、その
水平位置のみでのプラズマ電子密度分布を計測し、その
分布の変化状態から均一分布位置を推定するようにして
いるが、電子密度分布計測用のプローブを上下位置調節
可能に取付け、プラズマ電子密度分布が均一となってい
る高さをプローブによって直接検知可能に構成したのが
第２実施形態である。これを図４、図５により説明す
る。

【００２５】図４及び図５において、台座７には上下方
向に複数個の孔２６が貫通されており、その孔２６のそ
れぞれには、その孔２６に沿って上下方向に変位可能に
電子密度分布計測用プローブ２０が挿入されている。２
７は各プローブ２０に接続されたプローブ用ケーブルで
ある。２８はプローブ上下機構で、プローブ２０を台座
７の孔２６に沿って上下方向に所定量変位させるための
駆動機構である。プラズマ処理装置のその他の構成は図
１に示したものと変わらない。

【００２６】図４及び図５に示した装置は以上の構成を
有しており、プラズマ生成室５内における電子密度分布
を計測する時は、図５のようにプローブ上下機構２８を
作動させて電子密度分布計測用プローブ２０を台座７の
孔２６から突出させた状態にして台座７を上下させて、
電子密度分布が均一となっている位置を検知する。電子
密度分布が均一な位置に台座７を位置決めして図４のよ
うに電子密度分布計測用プローブ２０をプローブ上下機
構によって台座７の孔２６内に収納させ、台座７の上に
基板を載せてプラズマ処理を行う。

【００２７】以上、本発明を図示した実施形態に基づい
て具体的に説明したが、本発明がこれらの実施形態に限
定されず特許請求の範囲に示す本発明の範囲内で、その
具体的構造、構成に種々の変更を加えてよいことはいう
までもない。

【００２８】例えば、上記実施形態では、電子密度分布
計測用のプローブ２０を容器１内の同一高さで水平位置
を変えてプラズマ電子密度分布を計測したり（図１の場
合）、同一水平位置で高さを変えてプラズマ電子密度分
布を計測している（図４、図５の場合）が、電子密度分
布計測用のプローブを上下位置及び水平面内での位置を
共に調節可能に取付け、プラズマ電子密度分布が均一な
高さをプローブによって計測可能に構成してもよい。

【００２９】また、プラズマ処理のやり方として、前記
実施形態ではＸ＝５、Ｙ＝２０としてプラズマ処理を繰
り返す場合について説明したが、このＸ、Ｙはこの数値
になんら限定されるものではなく、この数値は適宜選択
してよい。

【００３０】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
表面をプラズマ処理すべき被処理体が配置される台座を
内部に配置された容器と、同容器の周囲に配設されて前
記台座上の被処理体の処理すべき表面に実質的に並行な
磁場を形成する磁石と、容器の天井板の上に配設され同
容器内にプラズマを発生させるための電磁波を容器の内
部に向けて入射させるアンテナと、を有するプラズマ処
理装置において、その容器の内部にプラズマ電子密度分
布測定用のプローブを設置するとともに、同プローブで
検知されたプラズマ電子密度分布に応じて台座の高さを
調節して被処理体の処理表面におけるプラズマ電子密度
が一定になるよう台座の上下位置を調節する手段を設け
たプラズマ処理装置を提供する。

【００３１】本発明によるプラズマ処理方法では、プラ
ズマ電子密度分布測定用のプローブで容器内のプラズマ
電子密度分布を計測して、その密度分布が均一なレベル
を知り、その位置に被処理体の表面を配置させるので、
その被処理体の表面に対し均一なプラズマ電子密度の位
置で所望のプラズマ処理を施こすことができる。

【００３２】本発明によってプローブの水平位置を変更
可能に構成したものでは、そのプローブによってプラズ
マ電子密度分布の均一な水平位置を知り、その位置に被
処理体の表面を位置させることで、均一で所望の厚さの
成膜やエッチングが可能となる。以上のようにして、本
発明によれば被処理体に対し望みどおりのプラズマ処理
を施こすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態によるプラズマ処理装置
の構造を示す縦断面図。

【図２】図１の装置におけるプラズマ電子密度測定用の
プローブの構造を示す平面図。

【図３】本発明によるプラズマ処理方法における成膜ス
テップの一例を示すフローチャート。

【図４】本発明の第２実施形態によるプラズマ処理装置
による成膜時における台座の構造を示す縦断面図。

【図５】図４のプラズマ処理装置におけるプラズマ電子
密度測定時の台座の作動状態を示す図４と同様の縦断面
図。

【図６】成膜回数によって、被処理体の表面における膜
厚分布がどのように変化してゆくかを示す線図である。

【図７】成膜回数と膜厚の均一性の関係を示した線図。

【図８】被処理体の上下位置の変化が膜厚に与える影響
を示した線図。

【図９】従来のプラズマ処理装置の構造を示す縦断面
図。

【図１０】図１の装置に用いられている高周波アンテナ
の構造を示す平面図。

【符号の説明】

１ 容器 ２ 周壁 ３ 天井板 ４ 基部 ５ プラズマ生成室 ６ 反応室 ７ 台座 ８ 電磁石 ９ 回転磁場コイル １０ 多相インバータ １１ アンテナ １２ 整合器 １３ 高周波電源 １４ ガス供給ノズル １５ 補助ガス供給ノズル １６ 排気口 ２０ 電子密度分布計測用プローブ ２１ プローブ胴体部 ２２ 熱シールド管 ２３ 絶縁管 ２４ 電極 ２５ 電磁シールド管

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F004 AA01 BA20 BB07 BB14 CA05 CB06 DA17 5F045 AA09 AC02 BB01 DP04 EB06 EH02 EH16 EM10 GB08 GB11

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面をプラズマ処理すべき被処理体が配
   置される台座を内部に配置された容器と、同容器の周囲
   に配設されて前記台座上の被処理体の処理すべき表面に
   実質的に並行な磁場を形成する磁石と、前記容器の天井
   板の上に配設され同容器内にプラズマを発生させるため
   の電磁波を前記容器の内部に向けて入射させるアンテナ
   と、を有するプラズマ処理装置において、前記容器の内
   部にプラズマ電子密度分布測定用のプローブを設置する
   とともに、同プローブで検知されたプラズマ電子密度分
   布に応じて前記台座の高さを調節して前記被処理体の処
   理表面におけるプラズマ電子密度が一定になるよう前記
   台座の上下位置を調節する手段を設けたことを特徴とす
   るプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記プラズマ電子密度分布測定用のプロ
   ーブを、水平位置変更可能に前記容器に取り付けたこと
   を特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置の制御
   方法。