JP2001237216A - プラズマ発生方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、半導体素子等の製造工程における
エッチングやスパッタ蒸着による成膜等の処理に用いる
のに適したプラズマ発生方法とその装置を提供すること
を目的とする。 【解決手段】 エッチング等の真空チャンバに設けられ
たプラズマ発生電極に、電源回路より電圧を印加してプ
ラズマ発生電極にプラズマを発生させるプラズマ発生方
法において、プラズマ発生電極の近傍にプラズマを発生
する際、少なくとも一対のプラズマ発生電極間で電子を
移動すべく電位をフローティングしてプラズマを発生さ
せる点にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の製
造工程におけるエッチングやスパッタ蒸着による成膜等
の処理に用いるのに適したプラズマ発生方法とその装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体のガラス等の基板の表面に微細な
パターンを高精度にエッチングする方法として、従来、
ドライエッチングが広く知られている。このようなドラ
イエッチングに用いられるプラズマ発生装置としては、
石英管よりなる放電部内にガスを供給しマイクロ波電源
を接続して、放電部内のガスを２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波で励起してプラズマ化する。そして、放電部内に発
生したプラズマをエッチング室に導き、試料台上に置か
れた試料にプラズマ活性種を供給するように構成されて
いる。

【０００３】係る装置は、反応空間（チャンバ内）にプ
ラズマを導入することにより気体を活性化して、薄膜を
成膜するものである。

【０００４】ところが、これらのプラズマを用いた装置
は、近年の基板の大型化、即ち大面積化の要求に対し
て、処理能力に限界があり、生産性の向上という点で問
題があった。

【０００５】そこで、これを解決する手段として、特開
平１１−９２９４２号公報に記載の装置が考えられた。
この装置は、図７（イ）に示すように、チャンバ内に設
けられた長尺状のプラズマ発生電極３０にそれぞれ電源
回路３１を連結して構成されている。この電源回路３１
は、マッチングボックス３２を介して連結されたＲＦ電
源と、ＤＣ電源およびそれぞれの電源の位相を制御する
位相シフタ（図示せず）とからなる。

【０００６】そして、位相シフタにより位相を制御しな
がらマッチングボックス３３を介してＲＦ電源よりの電
力を供給することで、その通電時に基板との間で放電を
起こし、これに伴って各プラズマ発生電極３０の近傍に
高密度のプラズマないしラジカルイオンを多量に発生さ
せ、これらのプラズマないしラジカルイオンによって基
板表面をエッチング、スパッタ等するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のプラズマ発生電極では、電流分布がプラズマ発生電
極の近傍部分と先端部分に集中するために、プラズマ発
生電極の両端側と中央部分とでは、プラズマ密度にバラ
ツキが生じる。即ち、例えば、プラズマ発生電極の中央
部分を基準としてエッチングを行うと、同図（イ），
（ロ）に示すように、プラズマ発生電極の中央部分
（Ｂ）では、適切なエッチングが行われているものの、
プラズマ発生電極の近傍部分（Ａ）と先端部分（Ｃ）で
はプラズマ密度が高いために、オーバーエッチッグされ
た状態となり、基板に対してエッチング速度分布にムラ
が生じる。特に、近年需要の高い大型基板に対しては、
このエッチング速度分布のムラが致命的な欠点となる。

【０００８】そこで、プラズマ発生電極をチャンバ内で
上下動するための駆動源をチャンバに設けることで、プ
ラズマ密度の均一化を試みた。しかしながら、駆動源を
取り付けることは装置の大型化を招き、またプラズマ発
生電極個々に電源回路を設けて位相を制御することは配
線の複雑化等大きな問題点があった。

【０００９】そこで、本発明は、装置の大型化等をまね
くことなくエッチング速度分布のムラのない緻密で精度
の良い膜を成膜するのに適し、特に大型の基板に対して
対応することのできるプラズマ発生方法とその装置を提
供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は上記課題
を解決すべくなされたものであり、請求項１に係る発
は、エッチング等の真空チャンバに設けられたプラズマ
発生電極に、電源回路より電圧を印加してプラズマ発生
電極の近傍にプラズマを発生させるプラズマ発生方法に
おいて、プラズマ発生電極の近傍にプラズマを発生する
際、少なくとも一対のプラズマ発生電極間で電子を移動
すべく電位をフローティングした状態としてプラズマを
発生させる点にある。

【００１１】また、請求項２に係る発明は、エッチング
等の真空チャンバに設けられたプラズマ発生電極と、プ
ラズマ発生電極の近傍にプラズマを発生させるべくプラ
ズマ発生電極に電圧を印加する電源回路とからなるプラ
ズマ発生装置において、電源回路が少なくとも一対のプ
ラズマ発生電極に連結され、且つ自励式直列共振回路で
構成された点にある。

【００１２】更に、請求項３に係る発明は、プラズマ発
生電極がチャンバ内に複数設けられ、それぞれ隣設する
１対のプラズマ発生電極に自励式直列共振回路が連結さ
れた点にある。

【００１３】

【作用】即ち、本発明は、エッチング等の真空チャンバ
に設けられた少なくとも一対のプラズマ発生電極に連結
された自励式直列共振回路より、プラズマ発生電極の電
位をフローティングした状態としてプラズマを発生させ
て、プラズマ発生電極間で電子を移動することにより、
プラズマ発生電極の近傍に均一なプラズマを発生させる
ことができる。このため、大型の基板に対してもエッチ
ング速度分布がムラなく均一となり、しいては緻密で精
度の良い膜を成膜することができる。

【００１４】更に、真空チャンバ内にプラズマ発生電極
を複数設け、それぞれ隣設する１対のプラズマ発生電極
に自励式直列共振回路を連結するだけで、プラズマ発生
電極の近傍に高密度で、均一なプラズマを発生させるこ
とが出来るプラズマ発生装置を簡易に構成することがで
きる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に沿って説明する。図１は本発明のプラズマ発生装置
を示す概略構成図である。この図において、一対の隣設
（実験例約２０〜３０ｃｍ）した長尺状（実験例１．５
〜２．０ｍ）のプラズマ電極１，１が真空チャンバー２
内に吊り下げられた状態で設けられている。

【００１６】このプラズマ電極１，１には、自励式直列
共振回路３（つまり、周波数を自動的に変動（実験例２
００〜４００ＫＨＺ）する）が連結されている。これに
より、電位をフローティング（浮遊状態）にし、プラズ
マ電極１，１間で均一の電子の移動を起こすことができ
るので、プラズマ電極１近傍に均一のプラズマを発生す
ることが可能となる。このため、基板に対するエッチン
グ速度分布をムラなく均一に成膜することが可能とな
る。また、プラズマ電極１，１には、自励式直列共振回
路３が連結されているだけなので、ＲＦ電源、ＤＣ電源
を重畳する場合のように、位相を制御するような複雑な
構成を必要しない。

【００１７】また、プラズマ電極１．１は実施例では一
対に自励式直列共振回路３を接続したが、本発明におい
ては、この実施例に限定されるものでなく、例えば、３
本のプラズマ電極１．１．１に自励式直列共振回路３を
接続して、３本のプラズマ電極１．１．１間の電位をフ
ローティングして３本のプラズマ電極１．１．１間で電
子の移動を起こすことも可能である。

【００１８】プラズマ電極１は、例えば、図２に示すよ
うに、プラズマ発生電極１を、金属棒５の外周に、非磁
性体６によって被覆された円形又は多角形リング状の複
数の永久磁石７を嵌合させるとともに、その嵌合した永
久磁石７、７どうしが相互に反発状態で一定の間隔を開
けて保持されるように、各永久磁石７、７間に金属スペ
ーサ（もしくは磁性体スペーサ）８を配設して構成する
ことができる。上記プラズマ発生電極の構成は、この構
成に限定されるものでなく、長尺状の構成なら特に問う
ものでない。

【００１９】上記プラズマ発生装置を、実施例として、
図３（概略平面図）及び図４（概略側面図）に示すよう
なドライエッチング装置１０に用いる場合について説明
する。

【００２０】このドライエッチング装置１０は、プレー
ト１２上に容器１３を設けてなる略円筒形の真空チャン
バ２を有する。この真空チャンバ２は、プレート１２に
形成された排気口（図示せず）を介して外部の真空ポン
プ（図示せず）と接続されている。真空チャンバ２内に
は、回転テーブル１５が備えら、該回転テーブル１５
は、その周縁部下面側がローラ１６によって受けられて
プレート１２上に支持されているとともに、その周面に
形成されている歯１５ａがプレート１２に取り付けられ
た回転テーブル駆動用モーター１７の歯車１７ａと噛み
合わされており、同モーター１７によって駆動されるこ
とにより、プレート１２上の中心軸１８の回りに所望の
速度で回転されるようになっている。

【００２１】回転テーブル１５上には、その周縁部とそ
こから中心部の方向に所定量だけ寄った部位とに、それ
ぞれ同心円状に複数の基板ホルダ１９が配置され、これ
らの各基板ホルダ１９はそれぞれ絶縁体（図示せず）を
介して回転テーブル１５上に立設されており、各ホルダ
両面に複数のガラス基板ａが取り付けられるようになっ
ている。そして、各基板ホルダ１９には、真空チャンバ
２外に備えられた電源２２が接続されている。

【００２２】回転テーブル１５の下面側には、電線２３
を介して各基板ホルダ１９に電気的に接続されたテーブ
ル端子２４が設けられ、プレート１２の上面には、電線
２５を介してマッチングボックス２０に接続されたプレ
ート端子２６に摺接しながら中心軸２８の回りを回転
し、その状態で外部の電源２２から各基板ホルダ１９に
所定の電力が印加されることにより、各基板ホルダ１９
の負の電界、つまり周囲の空間に各基板ホルダ１９に向
かう電界を生じさせうるようになっている。

【００２３】また、真空チャンバ２には、その内部の相
対的に内側（中心側）に位置する各基板ホルダ１９と外
周側に位置する各基板ホルダ１９の各回転軌跡に沿っ
て、それぞれその内側及び外側に同心円状に一対づつの
上記プラズマ発生電極１．１が複数設けられ、各プラズ
マ発生電極１．１の間にガス導入管３０が等間隔で配置
されている。

【００２４】これらのプラズマ発生電極１．１及びガス
導入管３０は、いずれも容器１３の天井部を介して真空
チャンバ２外から内部に挿入され、各基板ホルダ１９の
両面に取り付けられた基板ａに対向するように設けられ
ている。ただし、基板ａの出し入れ作業を行う必要上、
真空チャンバ２の周壁に設けられた出入口２ａに対応す
る部分には、プラズマ発生電極１及びガス導入管３０が
配置されていない。

【００２５】ガス導入管３０は、真空チャンバ２内に位
置する管壁部分に多数の吐出口を設けた構成で、その一
端側が真空チャンバ２外のガス供給源（図示せず）に接
続されているとともに、その途中部分に、マイクロ波を
当該ガス導入管３０内に導入するマドネトロンおよび導
波管等からなるマイクロ波導入装置が接続されている。
そして、上記ガス供給源から供給される例えばＣｌ₂ 、
Ｏ₂ 及びＡｒ等の処理ガスが真空チャンバ２外で予めマ
イクロ波導入装置からマイクロ波によりプラズマ化ない
し活性化（ラジカル化）された上でガス導入管３０を通
じて真空チャンバ２内に供給され、そのガス導入管３０
の吐出口から周辺のプラズマ発生電極１の近傍に吐出さ
れるようになっている。

【００２６】次に、このドライエッチング装置によって
液晶基板等の基板の表面をエッチングする場合について
説明する。

【００２７】先ず、真空チャンバ２内の基板ホルダ１９
の表裏両面に基板ａを所定の状態にセットする。次に、
真空チャンバ２の出入口の扉を閉鎖して同チャンバ２を
密閉した後、同チャンバ２内を所定の真空状態にし、そ
の状態で、モータにより回転テーブル１６を回転駆動し
て、同テーブル１６上の各基板ホルダ９およびそれらに
セットされた各基板ａを中心軸の回りに一体的に回転さ
せる。

【００２８】次に、この状態で電源２２から各基板ホル
ダ９に電力を供給して負の電界を印加するとともに、各
プラズマ発生１．１に自励式直列共振回路３を介して電
力を供給する。この際、回路が自励式であるために、周
波数が自動的に変動（実験例２００〜４００ＫＨＺ）す
る（プラズマの共振周波数により決定される。）ことと
なる。また、これと同時に、真空チャンバ２外からその
内部にガス供給管３０を通じて、例えばＣｌ₂ 、Ｏ₂ 及
びＡｒ等の処理ガスを供給するが、その際、ガス導入管
３０の途中にマイクロ波導入装置からマイクロ波を導入
して、処理ガスの一部を予めプラズマ化ないしイオン化
（ラジカル化）しておく。

【００２９】このようにすることで、図５（イ）に示す
ように、各プラズマ発生電極１．１の近傍にガス導入管
３０を通じて予め一部がプラズマ化ないしイオン化され
た処理ガスが供給されるだけでなく、一対のプラズマ発
生電極１．１間で電位がフローティング（浮遊状態）と
なり、プラズマ発生電極１．１間で均一な放電が行われ
るとともに、基板ホルダ９との間に生じる放電により更
に多量のプラズマが同電極１．１の近傍に均一に発生す
る。そして、そのうち、正電荷を帯びた粒子が、基板ホ
ルダ９に印加されている負の電界により同ホルダ９側に
加速されて、同ホルダ９に保持されている基板ａの各面
に均一な状態で衝突することにより、それらの基板ａの
表面が同図（イ），（ロ）に示すように、均一にエッチ
ングされることとなる。

【００３０】また、この時、プラズマ化ないしイオン化
によりラジカル状態となった処理ガス（塩素ラジカルＣ
ｌ^* や酸素ラジカルＯ^* ）は、基板ａの表面に存在する
分子ないし原子と化学反応を起こすから、これによって
化学的なエッチングが促進される。しかも、この場合、
自励式直列共振回路３に連結された各一つのプラズマ発
生電極１．１が基盤ａの回転軌跡に沿ってその両側に配
置された状態であるため、各基板ａに対する物理的およ
び化学的なエッチング速度分布が均一となり、基板ａに
対するエッチング速度分布をムラなく均一に精度の高い
成膜することができる。また、装置の大型化を招くこと
なく、大型の基板にグレードの高かいエッチングを行う
ことができるとともに、一度に多量にエッチング処理す
ることが可能となる。

【００３１】上記実施例では、円筒形のチャンバ２に設
けられたドライエッチング装置（いわゆるカルーセル型
ドライエッチング装置）について説明したものである
が、例えば、図６に示すように直線型、いわゆるインラ
イン型のドライエッチング装置に適用することも可能で
ある。

【００３２】即ち、インライン型のドライエッチング装
置５１によると、搬入室５３で基板ホルダ５２に基板ｂ
をセットした後、これを搬送コンベアによってエッチン
グ室５４に送って両側のプラズマ発生電極５８間を通過
させつつエッチングし、更にアッシング室５５に送って
同室５５でアッシングを行うことができるから、エッチ
ングからアッシングまでの工程を連続的に行うことがで
きる。

【００３３】

【発明の効果】このように、本発明によるプラズマ発生
装置は、プラズマ発生電極の近傍で、高密度で、均一な
プラズマを発生させることで、エッチング速度分布にム
ラを生じさせることなく、均一で精度の良い膜を成膜す
ることができる。このため、大型の基板に対して特に分
布密度の良い膜を成膜することができるという顕著な効
果がある。

【００３４】さらに、従来の電極回路（他励式…投入電
力が大きくなり位相の制御が必要になる）に比し、自励
式の直列共振回路であるために、位相の制御等がいらな
いために、多数のプラズマ発生電極を設けた場合、特に
その装置の構成が簡易となり、コストの低減等を図るこ
とが可能となる。

【００３５】また、上記構成により、連続的に精度の良
い膜を成膜することができるために大量生産に適すると
いう効果を奏するに至った。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明のプラズマ発生装置の一実施例を示
す概略側面図。

【図２】は、プラズマ発生電極を示す拡大概略構成図。

【図３】は、プラズマ発生装置を設けたエッチング装置
を示す概略側面図。

【図４】は、図３のエッチング装置の概略平面図。

【図５】は、プラズマ発生電極間のプラズマ発生状況を
示す概略説明図、（ロ）はエッチングによる被膜状態を
示す概略説明図、（ハ）はその被膜状態の断面図。

【図６】は、プラズマ発生装置を設けた他実施例を示す
概略平面図。

【図７】は、従来のプラズマ発生電極間のプラズマ発生
状況を示す概略説明図、（ロ）はエッチングによる被膜
状態を示す概略説明図、（ハ）はその被膜状態の断面
図。

【符号の説明】

１…プラズマ発生電極 ２…チャンバ ３…自励式直列共振回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エッチング等の真空チャンバに設けられ
   たプラズマ発生電極に、電源回路より電圧を印加してプ
   ラズマ発生電極の近傍にプラズマを発生させるプラズマ
   発生方法において、プラズマ発生電極の近傍にプラズマ
   を発生する際、少なくとも一対のプラズマ発生電極間で
   電子を移動すべく電位をフローティングしてプラズマを
   発生させることを特徴とするプラズマ発生方法。
2. 【請求項２】 エッチング等の真空チャンバに設けられ
   たプラズマ発生電極と、プラズマ発生電極の近傍にプラ
   ズマを発生させるべくプラズマ発生電極に電圧を印加す
   る電源回路とからなるプラズマ発生装置において、電源
   回路が少なくとも一対のプラズマ発生電極に連結され、
   且つ自励式直列共振回路で構成されてなることを特徴と
   するプラズマ発生装置。
3. 【請求項３】 プラズマ発生電極がチャンバ内に複数設
   けられ、それぞれ隣設する１対のプラズマ発生電極に自
   励式直列共振回路が連結されている請求項２記載のプラ
   ズマ発生装置。