JP2001237099A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のハイブリッド型のプラズマ処理装置で
は，誘導結合アンテナの高周波電源からアノード電極の
高周波電源に高周波電力が流入するのを防止するため
に，誘導結合アンテナとアノード電極との間にファラデ
ーシートを設けたりしていたが，装置構成が複雑になっ
たり電力損が増大するなどの問題があった。 【解決手段】 本発明は，誘導結合アンテナの高周波電
源接続側とは逆端を容量素子を介して接地することによ
り，簡単且つ安価にアノード電極の高周波電源の故障を
防止することを図ったものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，基板を載置するカ
ソード電極と，該カソード電極に対向して配置される誘
導結合アンテナと，前記カソード電極と前記誘導結合ア
ンテナの間に前記カソード電極と対向して配置されるア
ノード電極と，前記カソード電極，アノード電極，及び
誘導結合アンテナそれぞれに高周波電力を供給する高周
波電源とを具備したプラズマ処理装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開平１０−１８９２９６号公報
などには，容量結合型プラズマ源と誘導結合型プラズマ
源とを組み合わせたハイブリッド型プラズマ源を用いた
プラズマ処理装置が記載されている。容量結合型プラズ
マ源は対向電極間に，誘導結合型プラズマ源は誘導結合
アンテナと基板を載置するカソード電極とに，高周波電
力を印加してプラズマを励起する。ハイブリッド型プラ
ズマ源は，誘導結合型プラズマ源の誘導結合アンテナと
カソード電極との間に，前記カソード電極と平行なアノ
ード電極を設けたような構成になる。ハイブリッド型プ
ラズマ源では，例えば誘導結合アンテナ，カソード電
極，及びアノード電極のそれぞれに高周波電力が印加さ
れ，プラズマが励起される。ハイブリッド型プラズマ源
を構成する際の問題の一つは，アノード電極に供給する
高周波電力と誘導結合アンテナに供給する高周波電力と
の干渉が生じる恐れがあることである。誘導結合アンテ
ナの非電源側の一端はそのまま接地され，誘導結合アン
テナの電位はその全長に渡ってほぼ同じ位相で変動す
る。また，接地点までのインピーダンスもあり接地側の
電位は必ずしも零とならない。このため，誘導結合アン
テナの全長に渡る空間的平均電位は０とならず，例えば
１．５ｋＶ程度の高い電位になることもある。誘導結合
アンテナとアノード電極とは静電的に結合し得る状態に
あるため，誘導結合アンテナのアンテナ全長に渡る瞬間
的な平均電位が零近傍にないと，誘導結合アンテナの電
位変動に対応してアノード電極に誘起された電荷が，ア
ノード電極に接続された高周波電源に流入する。このよ
うに２つの高周波電力が干渉すると，電力の流入があっ
た高周波電源が条件によっては故障してしまう。上述の
ような高周波電力の干渉を防止するため，従来，誘導結
合アンテナとアノード電極との間にファラデーシールド
を設けたり，高周波電力の供給路に他方の高周波電源か
らの高周波を取り除くフィルターを配置したりしてい
た。あるいは，上述のような干渉が発生した場合でも，
所定量以上の流入電力がアノード電極の高周波電源に流
入しないようにするため，誘導結合アンテナの高周波電
源にその出力しうる電力自体を制限するリミット機構
や，アノード電極の高周波電源への流入電力を監視して
その流入電力が規定した上限値以上となったとき，誘導
結合アンテナの高周波電源の出力を停止，若しくは低減
するインターロック機構を設けたりしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，誘導結
合アンテナとアノード電極との間にファラデーシールド
を設けると，構造の複雑化が避けられない。また異常放
電を防止するために，各導体間の距離を十分確保する必
要が生じる。そうすると，誘導結合アンテナとプラズマ
発生空間との距離が遠くなって両者のカップリングが弱
くなり，電力を無駄に消費してしまうことになる。ま
た，フィルターにより他の電源からの高周波を有効にカ
ットするためには，各電源からの高周波成分の周波数が
少なくとも１桁程度離れている必要がある。エッチング
用のプラズマ処理装置においては，１３．５６ＭＨｚと
いう周波数が用いられることがあるが，これより１桁多
いとなると，１００ＭＨｚ以上の高周波成分をカットす
るようなフィルターが必要となる。１００ＭＨｚ以上の
フィルターは回路が複雑となるため汎用品がなく装置の
製造コストを増大させる一因となる。また，上記の，誘
導結合アンテナの高周波電源のリミット機構や，インタ
ーロック機構を設ける場合には，やはり構造の複雑化が
避けられない。更には，誘導結合アンテナへ大きな電力
供給を行いたいという要請にも応じられない。本発明
は，このような従来の技術における課題を解決するため
に，プラズマ処理装置を改良し，誘導結合アンテナの高
周波電源接続側とは逆端を容量素子を介して接地するこ
とにより，アノードに電力を供給する高周波電源の故障
を簡単且つ安価に防止することのできるプラズマ処理装
置を提供することを目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに，基板を載置するカソード電極と，該カソード電極
に対向して配置される誘導結合アンテナと，前記カソー
ド電極と前記誘導結合アンテナの間に前記カソード電極
と対向して配置されるアノード電極と，前記カソード電
極，アノード電極，及び誘導結合アンテナそれぞれに高
周波電力を供給する高周波電源とを具備してなるプラズ
マ処理装置において，前記誘導結合アンテナの前記高周
波電源接続側とは逆端を容量素子を介して接地してなる
ことを特徴とするプラズマ処理装置として構成されてい
る。

【０００５】また，請求項２に係る発明は，前記請求項
１に記載のプラズマ処理装置において，前記アノード電
極に接続された前記高周波電源への許容流入電力を越え
ないように前記容量素子の容量を設定してなることをそ
の要旨とする。

【０００６】また，請求項３に係る発明は，前記請求項
２に記載のプラズマ処理装置において，前記容量素子の
容量を，前記誘導結合アンテナに生じる高周波電位の空
間的平均電位が常に０近傍となるように設定してなるこ
とをその要旨とする。

【０００７】また，請求項４に係る発明は，前記請求項
２に記載のプラズマ処理装置において，前記アノード電
極に高周波電力を供給する前記高周波電源に流入する電
力を測定する流入電力測定手段を備え，前記流入電力測
定手段により測定された電力が最小となるように，前記
容量素子の容量が設定されてなることをその要旨とす
る。

【０００８】また，請求項５に係る発明は，前記請求項
１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置におい
て，前記誘導結合アンテナが，複数のアンテナを直列接
続したものであることをその要旨とする。

【０００９】また，請求項６に係る発明は，前記請求項
５に記載のプラズマ処理装置において，複数のアンテナ
の少なくとも一つに容量素子を並列接続してなることを
その要旨とする。

【００１０】前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の
プラズマ処理装置では，誘導結合アンテナの高周波電源
接続側とは逆端を容量素子を介して接地することによ
り，誘導結合アンテナの全長に渡る空間的な平均電位を
調整して，アノード電極からの電荷の流出を抑えること
が可能となり，アノード電極に電力を供給する高周波電
源の故障を簡単且つ安価に防止することが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下，添付図面を参照して，本発
明の実施の形態につき説明し，本発明の理解に供する。
尚，以下の実施の形態は，本発明の具体的な一例であっ
て，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではな
い。ここに，図１は本発明の実施の形態に係るプラズマ
処理装置の全体構成を示す図である。本発明の実施の形
態に係るプラズマ処理装置は，基板を載置するカソード
電極１と，該カソード電極１に対向して配置される誘導
結合アンテナ２と，前記カソード電極１と前記誘導結合
アンテナ２の間に前記カソード電極１と対向して配置さ
れるアノード電極３と，前記カソード電極１，誘導結合
アンテナ２，及びアノード電極３それぞれに高周波電力
を供給する高周波電源４，５，６とを具備したハイブリ
ッド型のプラズマ源を用いたものである。前記プラズマ
処理装置において，基板を載置する平板状のカソード電
極１は，チャンバ７の内底にチャンバ７とは電気的に絶
縁された状態で配置される。カソード電極１に高周波電
力を供給する高周波電源４には，マッチングボックス４
１を介して接続される。このマッチングボックス４１
は，例えばＬＣ回路であり，カソード電極１の入力端と
高周波電源４の出力端とのインピーダンスを整合させ，
高周波電力の反射を抑える。チャンバ７の上方，カソー
ド電極１と対向する位置には，カソード電極１から近い
順に，アノード電極３と，誘導結合アンテナ２とが配置
される。誘導結合アンテナ２，アノード電極３も，カソ
ード電極１と同様，それぞれの高周波電源５，６とマッ
チングボックス５１，６１を介して接続される。誘導結
合アンテナ２には，例えばループアンテナを用いること
ができる。図１の構成は，複数のループアンテナを，中
心を同一にして直列接続したものである。この誘導結合
アンテナ２に高周波電源５から高周波電力を供給して，
高密度の不活性ガスプラズマを生成する。誘導結合アン
テナ２とカソード電極１との間にあるアノード電極３に
は，カソード電極１と同様平板状のものを用いてもよい
が，本実施の形態では，アノード電極３にリング状の複
数の溝３１が形成されている。この溝３１を設けるの
は，不活性ガスプラズマと反応性ガスプラズマとの生成
を空間的に分離するためである。この溝３１内で不活性
ガスプラズマが生成される。一方，反応性ガスプラズマ
は，アノード電極３とカソード電極１との間のプラズマ
処理空間内で生成される。溝３１から不活性ガスプラズ
マが前記プラズマ処理空間にまで拡散した状態で，反応
性ガスが前記プラズマ処理空間に供給され，高周波電源
４，６からカソード電極１，アノード電極３それぞれに
高周波電力を印加することによって，前記プラズマ処理
空間内に反応性ガスプラズマが生成される。

【００１２】ところで，誘導結合アンテナ２とアノード
電極３とは静電的に結合し得る状態にある。誘導結合ア
ンテナ２に電位変動があると，その電位変動に応じてア
ノード電極３に電荷が誘起される。アノード電極３に誘
起された電荷は，アノード電極３から高周波電源６側に
移動し，高周波電源５と高周波電源６とが干渉する。高
周波電源５から高周波電源６に流入する高周波電力の大
きさによっては，高周波電源６は故障してしまう。そこ
で，本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置では，
高周波電源６の許容流入電力を越えるような高周波電力
が高周波電源６に流入しないように，高周波電源６の出
力端に電力モニター８が設けられると共に，誘導結合ア
ンテナ２の非電源側が容量可変のコンデンサ９を介して
接地される。コンデンサ９についての説明を簡単にする
ために，誘導結合アンテナ２が１ターンのループ状アン
テナであって，平板状のアノード電極上方に一定のギャ
ップを設けて配置されている場合を考える。この場合，
誘導結合アンテナ２の全長に渡る空間的平均電位が０近
傍にあれば，電荷の移動はアノード電極内のみでほとん
ど行われることになり，高周波電源６の許容流入電力を
越えるような高周波電力は高周波電源６に流入しない。
ここで，図２（ａ）に高周波電源５，誘導結合アンテナ
２，コンデンサ９を含む回路系を，図２（ｂ）に誘導結
合アンテナ２の空間的な電位分布を，図２（ｃ）に誘導
結合アンテナ２の時間的な電位分布をそれぞれ示す。誘
導結合アンテナ２の高周波電源５との接続端Ｐ２とは逆
端Ｐ１にコンデンサ９が接続されていない場合，誘導結
合アンテナ２の空間的な電位分布は図２（ｂ）の一点鎖
線に示すようになる。この場合，誘導結合アンテナ２の
全ての位置に渡って正又は負の同一極性の電位を有する
ことになり，誘導結合アンテナ２の全長に渡る空間的平
均電位は０近傍にならない。この空間的平均電位に対応
した分だけ，アノード電極３から高周波電源６に高周波
電力が流入する。これに対し，誘導結合アンテナ２をコ
ンデンサ９を介して接地すると，コンデンサ９による逆
相成分によって，誘導結合アンテナ２の高周波電源５と
の接続端Ｐ１と逆端Ｐ２との間で定在波を発生させるこ
とができる。この例では，定在波の節ｎが誘導結合アン
テナ２の中間の位置Ｐ３にあれば，図２（ｂ）の実線及
び図２（ｃ）に示す如く，前記接続端Ｐ２と逆端Ｐ１と
の電位は絶対値が同じで極性が逆となり，位置Ｐ３では
常に電位が０となる。このとき，誘導結合アンテナ２の
電位変動によってアノード電極３に電荷は誘起されるも
のの，誘起された電荷の移動はアノード電極３内のみで
ほとんど行われ，アノード電極３から高周波電源６に流
入する高周波電力はほとんど抑えられる。前記定在波の
節ｎの位置は，コンデンサ９の静電容量を変更すること
により調整が可能である。このように，誘導結合アンテ
ナ２をコンデンサ９を介して接地し，そのコンデンサ９
を調整するだけで，高周波電源６に流入する高周波電力
を抑え，高周波電源６の故障を安価且つ簡単に防止する
ことが可能となる。また，干渉によるアノード電極３か
らの高周波電源６への流入電力を大幅に減少することに
より，高周波電源５からの誘導結合アンテナ２へ供給す
る電力を従来より大きいものとすることが可能となる。
具体的には，従来の構成であれば，高周波電源５から誘
導結合アンテナ２へ２ｋＷ程度の電力を供給すると，ア
ノード電極３の高周波電源６への流入電力が許容流入電
力の２００Ｗ以上となり，上記の電力供給が不可であっ
たところ，本発明の構成により，誘導結合アンテナ２へ
の２ｋＷ程度以上の電力の供給が可能となった。

【００１３】ただし，誘導結合アンテナ２の構成が複雑
になると，誘導結合アンテナ２とアノード電極３との間
の静電的な結合に空間的な分布が生じるため，コンデン
サ９の静電容量の設定が難しくなる。このため，本実施
の形態では，電力モニター（流入電力測定手段に対応）
８により高周波電源６に流入する高周波電力を測定し，
その流入電力が最小となるようにコンデンサ９の静電容
量を設定する構成になっている。流入電力が最小となる
ようにコンデンサ９の静電容量を設定することにより，
流入電力が高周波電源６の許容流入電力を越えるのを防
止し，且つ高周波電源６の負担を軽減する。高周波電源
５，６の出力波長が異なる場合には，電力モニター８に
は高周波電源６の周波数成分の電圧又は電流をサンプリ
ングする回路を用いることが必要となるが，出力波長が
両者で同じ，あるいは同じとまではいかずとも，両者の
相違が一方の波長の約５％程度までの範囲におさまるも
のであれば，高周波電源に一般的に備えられている反射
波の電力モニターを用いることも可能であり，この場合
には実質的にコンデンサ９のみを追加すればよいから，
さらにコストを低減することができる。尚，誘導結合ア
ンテナ２が実質的に複数のアンテナからなる場合には，
それらは直列に接続した方が好ましい。複数の１ターン
ループアンテナを同心円状に多重配置した場合，中心に
近いアンテナの直径が小さくなり，そのインダクタンス
は外側にあるアンテナと較べてかなり小さくなる。この
ため，誘導結合アンテナ２全体としてのインダクタンス
が小さくなる。その場合，誘導結合アンテナ２に連結さ
れた高周波電源５からみると，誘導結合アンテナ２のイ
ンダクタンスと誘導結合アンテナ２とアノード電極３と
の間の静電容量との和で表されるインピーダンスが小さ
くなるから，アノード電極３側へより電力が流入しやす
くなる。これに対し，複数のアンテナを直列接続してお
けば，このようなインピーダンスの低下がなく，高周波
電力の流入をより抑えることが可能となる。ただし，複
数のアンテナを直列に接続すると，各アンテナを流れる
相対的な電流分布が一義的にその位置により決まってし
まう。プラズマを平均的に均一にするには，各アンテナ
に流れる電流を回路的に微調整できることが望ましい。
そこで，例えば図３に示す如く，少なくとも一つのアン
テナ２１（又はアンテナ２２）に可変コンデンサ１０を
接続する。可変コンデンサ１０を接続しておけば，部分
的に電流量を調整することも可能となる。なお，前記実
施の形態では，電力モニター８を用いてコンデンサ９の
静電容量を調整したが，プラズマの負荷特性が変わらな
いような使用状態では，必ずしも必要なく，手動でコン
デンサの静電容量を調整するようにしてもよい。

【００１４】

【発明の効果】以上説明した通り，前記請求項１〜６の
いずれか１項に記載のプラズマ処理装置では，誘導結合
アンテナの高周波電源接続側とは逆端を容量素子を介し
て接地することにより，誘導結合アンテナの全長に渡る
空間的な平均電位を調整して，アノード電極からの電荷
の流出を抑えることが可能となり，アノード電極に電力
を供給する高周波電源の故障を簡単且つ安価に防止する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置
の概略構成を示す図。

【図２】 誘導結合アンテナの電位分布を説明するため
の図。

【図３】 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の要
部構成を示す図。

【符号の説明】

１…カソード電極 ２…誘導結合アンテナ ３…アノード電極 ４，５，６…高周波電源 ９，１０…コンデンサ ８…電力モニター

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 FA01 HA07 KA14 KA30 5F004 BA04 BA20 CA03 5F045 AA08 BB08 DP02 EH02 EH14 EH20

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を載置するカソード電極と，該カソ
   ード電極に対向して配置される誘導結合アンテナと，前
   記カソード電極と前記誘導結合アンテナの間に前記カソ
   ード電極と対向して配置されるアノード電極と，前記カ
   ソード電極，アノード電極，及び誘導結合アンテナそれ
   ぞれに高周波電力を供給する高周波電源とを具備してな
   るプラズマ処理装置において，前記誘導結合アンテナの
   前記高周波電源接続側とは逆端を容量素子を介して接地
   してなることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記アノード電極に接続された前記高周
   波電源への許容流入電力を越えないように前記容量素子
   の容量を設定してなる請求項１に記載のプラズマ処理装
   置。
3. 【請求項３】 前記容量素子の容量を，前記誘導結合ア
   ンテナに生じる高周波電位の空間的平均電位が常に０近
   傍となるように設定してなる請求項２に記載のプラズマ
   処理装置。
4. 【請求項４】 前記アノード電極に高周波電力を供給す
   る前記高周波電源に流入する電力を測定する流入電力測
   定手段を備え，前記流入電力測定手段により測定された
   電力が最小となるように，前記容量素子の容量を設定し
   てなる請求項２に記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 前記誘導結合アンテナが，複数のアンテ
   ナを直列接続したものである請求項１〜４のいずれか１
   項に記載のプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 複数のアンテナの少なくとも一つに容量
   素子を並列接続してなる請求項５に記載のプラズマ処理
   装置。