JP2001284333A

JP2001284333A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2001284333A
Application number: JP2001027626A
Authority: JP
Inventors: Akira Doi; 昭土居; Manabu Edamura; 学枝村; Masatsugu Arai; 雅嗣荒井; Tsutomu Tetsuka; 勉手束; Kenji Maeda; 賢治前田; Takeshi Yoshioka; 健吉岡; Tsunehiko Tsubone; 恒彦坪根; Saburo Kanai; 三郎金井; Hideyuki Kazumi; 秀之数見; Ryoji Nishio; 良司西尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ生成部を取り囲む非導電性材料ででき
た真空容器壁がプラズマによって削られる量を制御し、
且つプラズマ着火性を向上させる。【解決手段】高周波電源１０が発生した高周波電力をア
ンテナ１に供給することによりプラズマを生成するが、
アンテナのもう一端を電気容量が可変のコンデンサー９
を挟んでアースに接地される。ファラデーシールド８は
アースから電気的に離し、可変コンデンサー９の電気容
量はプラズマ着火後には、壁の削れ量が小さくなるよう
にアンテナの両端の電圧の絶対値が等しく正負が逆にな
るような値に設定する。プラズマ６を着火するときには
コンデンサー９の電気容量を壁の削れ量が最小となる値
よりも大きな値もしくは小さな値となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アンテナに高周波
電界を供給して電界を発生させ、その電界によりプラズ
マを発生し、そのプラズマにより基板のエッチングや薄
膜形成等の表面処理を行うプラズマ処理装置に係わり、
特に被処理物として半導体デバイスを対象とする半導体
処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コイル状のアンテナに電流を流しその誘
導でプラズマを生成する半導体処理装置において、真空
雰囲気を提供するためにプラズマ生成部を取り囲む非導
電性材料でできた真空容器壁がプラズマによって削られ
ることが問題となっている。この問題を解決するため
に、特開平５−５０２９７１号公報に記載されているよ
うに、ファラデーシールドと呼ばれる電界シールドを用
いる方法が考えられている。しかしファラデーシールド
を用いると、プラズマ着火性が悪化し、コイル状のアン
テナの給電部には数十ｋＶにも及ぶ高電圧を供給しなけ
ればプラズマが着火しなくなってしまう。このような装
置では、アンテナとその近傍の導電性の構造物との間で
放電してしまうなどの事故が発生する可能性が高くな
り、その対策として放電を防止するためにアンテナと構
造物との間を絶縁する構造が別途必要になり、装置が複
雑になってしまう。

【０００３】また、ファラデーシールドを用いて壁の削
れ量を小さくした場合、プラズマから壁に異物等が付着
するほうが早くなった場合、壁に異物が付着し異物が出
やすくなってしまう。そのため、プロセスに応じて壁の
削れる量を調整する必要がある。

【０００４】また、プラズマ密度分布は、主として生成
率分布とイオン，電子の輸送の様子で決定される。外部
磁場が無い場合のプラズマの輸送は、各方向に等方に拡
散していく。その際電子は、イオンよりその質量が１／
１０００以下であるため瞬時に真空壁に到達して逃げよ
うとするが、壁近傍にはシース（イオンシース）が形成
され電子を跳ね返す。その結果プラズマ内は常に、電子
密度〜イオン密度の準中性条件が満たされるようにな
り、イオン，電子とも両極性拡散で壁に逃げさるように
なる。この時プラズマ密度、正確にはイオン密度が最大
となる箇所でプラズマの電位が最大となる。この電位を
プラズマポテンシャルＶｐと言い、Ｔｅ，ｍｉ，ｍｅを
電子温度，イオンの質量，電子の質量とすると、Ｖｐ〜
Ｔｅ×ｌｎ（ｍｉ／ｍｅ）程度となる。プラズマ中はこ
のＶｐと壁電位（通常は０Ｖ）で決定されるような電位
分布となり、これに応じて密度分布が決定されることに
なる。この場合、プラズマは自分自信の作る静電場で閉
じ込められているから、密度分布の形は装置の形状と誘
導電界が最大となる場所、及び生成率／両極性拡散フラ
ックスの比で決定されることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】例えば真空容器の上に
数周のコイルのアンテナを巻いた場合、アンテナの作る
磁束は、中央部で最大となるため、誘導電界は中央部で
最大となる。しかも誘導電界はskin depth程度、通常１
cm程度しか、浸透できないため、電離率，解離率共に径
方向（ｒ方向）の中央部、しかも誘電体直下（ｚ方向）
で最大となる。その後プラズマはウエハ側（下流側）に
拡散していく。そのため通常の円筒状の容器の場合、ｒ
方向中央部でプラズマ密度が最大になると共に、下流に
いくに従って中心集中の度合が増し、ウエハ設置部での
プラズマ密度も不均一となってしまう。

【０００６】プラズマ生成部を取り囲む真空容器壁がプ
ラズマによって削られる量を制御することを本発明の第
１の目的としている。プラズマ着火性を向上することを
本発明の第２の目的としている。均一高密度なプラズマ
を実現することを第３の目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、プラズマ生成部に電界を発生するアンテ
ナと、該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源
と、真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を取り
囲む真空容器と、該真空容器の周りに設けられたファラ
デーシールドと、該真空容器内にガスを供給するガス供
給装置と、被処理物を置くための試料台と、該試料台に
高周波電界を印加するための高周波電源を備え、該アン
テナが発生する電界により電子を加速して該ガスを衝突
電離することによりプラズマを発生させ該被処理物を処
理するプラズマ処理装置において、該アンテナのアース
部に負荷を設け、プラズマ着火時には着火が向上するよ
うに該アンテナの平均的な電位を大きくなるようにし、
プラズマ生成後は該真空容器の壁の削り量が小さくなる
ようにアンテナの平均的な電位をアースの電位に近くな
るように該負荷を調整したプラズマ処理装置に特徴があ
る。ここで、アンテナの平均的な電位がアース近くにな
るとは、図４における３０ａ，３０ｂの電位が逆相でほ
ぼ等しいことをいい、つまり、Ｖａ≒−Ｖｂとなること
をいう。図２を用いて，上記課題を解決するための手段
について説明する。図２は一般的な誘導型のプラズマ発
生装置を示しており、この装置を用いてファラデーシー
ルドのアースの取り方と、アンテナのアースの取り方を
変化させ、プラズマ生成部を取り囲む真空容器壁がプラ
ズマによって削られる量を減少させ、プラズマの着火性
を向上する方法を調べた。

【０００８】この装置では、ガス供給装置４よりアルミ
ナ製の真空容器２中に塩素ガスと三塩化ホウ素ガスの混
合ガスを供給し、そのガスを真空容器２の周りに巻かれ
た２ターンのコイル状のアンテナ１により発生する電界
で電離してプラズマ６を生成している。ガスはプラズマ
生成した後に、排気装置７により真空容器外に排気され
る。高周波電源１０により発生した１３.５６ＭＨｚの
高周波電力をアンテナ１に供給することによりプラズマ
生成用の電界を得ているが、電力の反射を押さえるため
にインピーダンス整合器３を用いてアンテナ１のインピ
ーダンスを高周波電源１０の出力インピーダンスに一致
させている。インピーダンス整合器としては一般的な逆
Ｌ型と呼ばれる電気容量が可変のコンデンサーを２個用
いたものを使用している。アンテナのもう一端は、コン
デンサー９を挟んでアースに接地されるが、コンデンサ
ー９を短絡するようにスイッチ２１を設けている。ま
た、真空容器２がプラズマ６により削られるのを防止す
るためのファラデーシールド８をアンテナ１と真空容器
２の間に設置しているが、複数のスイッチ２２を開閉す
ることでファラデーシールドはアースされている状態
と、されていない状態の両方にすることができる。図３
は、ファラデーシールドが設置された状態を示す斜視図
である。ファラデーシールド８には、コイル状アンテナ
１が発生する誘導的な電界１５ａは真空容器中に伝え、
且つ容量的な電界１５ｂは遮断するようにスリット１４
が設けられている。プラズマは容量的な電界１５ｂによ
り主に着火するが、ファラデーシールドがアースに接地
されている場合、アンテナからの容量的な電界はほとん
ど真空容器中に伝わらないためにプラズマの着火性が悪
化する。ファラデーシールドがアースに接地されていな
い場合はアンテナとファラデーシールドが容量的につな
がっていることから、ファラデーシールドの電位がアン
テナの平均的な電位と近くなり、ファラデーシールド８
と電極５の間に容量的な電界が発生するのでプラズマの
着火性はそれほど悪化しないと考えられる。

【０００９】容量的な電界１５ｂは真空容器２の壁に垂
直な電界であり、プラズマ中の荷電粒子が加速されて壁
にぶつかり壁を削ることになる。プラズマが発生する光
１６を分光器２０を用いて観測し、壁のアルミナが削れ
ることでプラズマに存在するアルミニウムの発光量を測
定することで壁が削れる量を同定した。

【００１０】まず初めに図２に示した実験装置におい
て、アンテナのアース部に設置したコンデンサー９の電
気容量を壁の削れ量が小さくなるように最適化する方法
について述べる。以下において、スイッチの両端が導通
の状態をon、遮断の状態をoffと呼ぶことにする。スイ
ッチ２１がoff の状態、つまりコンデンサー９が短絡さ
れていない状態においてコンデンサー９の電気容量の大
きさの最適値を検討する。図２の実験装置の等価回路は
図４のように書けるが、このときアンテナ１がトランス
の１次コイルとして作用し、プラズマ６はその２次コイ
ルとなっている。アンテナ１とプラズマ６は電気容量的
に結合しているがその電気容量をコンデンサー３１ａと
３１ｂで表わしている。コンデンサー９の電気容量Ｃは
アンテナのインダクターンスをＬとしたときに回路上の
点３０ａの位置の電位Ｖａと、点３０ｂの位置の電位Ｖ
ｂとの関係が常にＶａ＝−Ｖｂとなるように決定する。
この条件が成り立つとき、コンデンサー３１ａと３１ｂ
の両端に加わる電位が最小になることから、壁が削れる
量も最小になる。図５は、図４を更に簡略化したもので
アンテナとプラズマをあわせて一つの合成インピーダン
スを持つ素子１７に近似したものである。この素子のイ
ンピーダンスＺ１を実験的に求めるとＺ１＝２.４＋１
１４ｊ(Ω）であった。ここで、ｊは複素数を表す。こ
のようなインピーダンスの測定は、測定対象物に流れる
電流と、その両端の電圧を測定することで簡単に測定で
きる。コンデンサー９が持つインピーダンスＺ２は１
３.５６ＭＨｚに対応する角振動数をωとすると、Ｚ２
＝−(１／ωＣ)ｊとなるので、Ｖａ＝−Ｖｂとなるため
にはＺ１の実部は小さいので無視すると、Ｚ１＋Ｚ２：
Ｚ２＝１：−１の関係が成り立てばよい。よってコンデ
ンサー９の電気容量は計算によると１５０ｐＦ程度でＶ
ａ＝−Ｖｂの関係が成り立つことになる。図６は、点３
０ａ（点線）と点３０ｂ（実線）に発生する電位の振幅
を、計算で求めたものである。横軸がコンデンサー９の
電気容量で、縦軸が発生する電位の振幅である。その結
果、コンデンサー９の電気容量が１５０ｐＦとなる近辺
で発生する電位の振幅が等しくなっており、その時の振
動する電圧の位相が１８０度ずれていたことからＶａ＝
−Ｖｂの関係が成り立っていた。よってこのような決定
法により壁の削れ量がもっとも小さくなるアンテナのア
ース側に入れるコンデンサーの電気容量を決定できる。

【００１１】次に図２において、コンデンサー９の電気
容量を１５０ｐＦに固定した状態で、スイッチ２１とス
イッチ２２をon或いはoff したときに壁の削れ量とプラ
ズマ着火性を調べたのが図１５である。壁の削れ量が大
きい条件は、スイッチ２１をon、スイッチ２２をoff と
したときであるが、その条件でのプラズマ着火性が優れ
ている。その他の条件では、壁の削れ量は少なくできる
が、プラズマの着火性が劣っている。よって、壁の削れ
量が小さく、且つプラズマの着火性に優れた条件はこの
体系では存在しないことが分かった。しかし、プラズマ
着火時においてスイッチ２１をon、スイッチ２２をoff
とした条件でプラズマを着火した後に、壁の削れ量が小
さくなるようにスイッチ２１又はスイッチ２２のどちら
かを操作することで両方の目的を達成する事が可能であ
る。ここで、装置構造を簡素化するためには、スイッチ
２１のみを用いた方が優れている。それは、スイッチ２
２を用いて壁の削れ量を小さくするためには、ファラデ
ーシールドの電位をできるだけゼロにする必要があるの
で、スイッチ２２は複数必要であり、且つファラデーシ
ールドをアースに最短距離で接地する必要があるのでス
イッチ２２はアンテナやファラデーシールドのすぐ側に
設置する必要がある。そのためアンテナやファラデーシ
ールド等が隣接した部分に複数のスイッチを設けると構
造が複雑になってしまう。その点、スイッチ２１はある
程度アンテナから離れたところに置かれるコンデンサー
９の側に１個設置するだけであるので装置が簡素化でき
る。スイッチ２１がoff の状態は、アンテナとアースの
間に１５０ｐＦのコンデンサーが挿入された状態であ
り、スイッチ２１がonの状態はＨＦやＶＨＦなどの高周
波帯域では、コンデンサー９の電気容量が無限大に変化
した事と同値である。このことからコンデンサー９の電
気容量を１５０ｐＦから大きくしていくことで壁の削れ
量が増加することになる。同様にコンデンサー９の電気
容量を１５０ｐＦより小さくしていっても壁の削れ量は
増加していく。よってコンデンサー９の電気容量を変化
する事で壁の削れ量を制御できる。

【００１２】図７に示した装置には、アンテナ１のアー
ス側に設置するコンデンサー９の電気容量を可変とした
ものであるが、コンデンサー９の電気容量を変化する事
でプラズマによる壁の削れ量を調整する事ができる。ま
たプラズマ着火時にはコンデンサー９の電気容量は１５
０ｐＦより十分に大きくするか、小さくする事でプラズ
マの着火性は著しく向上させる事ができる。

【００１３】上述したように、アンテナのアース側に入
れるコンデンサーの電気容量を調節することで、プラズ
マが壁を削れる量を調節でき本発明の第１の目的は達成
できる。また、プラズマの着火時にはアンテナのアース
側に入れるコンデンサーの値を変化させて、着火性に優
れた状態とすることで本発明の第２の目的を達成でき
る。

【００１４】次に、均一なプラズマを生成するための方
法について検討する。コイル状のアンテナを真空容器上
面に置く場合、アンテナの径を変えて誘導電界の強度を
径方向に変化させても、中央部には誘導電界ができ、そ
の結果プラズマ密度分布は中心集中となり、不均一とな
る。また複数のアンテナを配置して各アンテナ誘電体の
距離を変えても、プラズマ密度の中心集中の傾向は変わ
らない。図２１はアンテナを真空容器の上に置いた場合
（図２１（ａ））のプラズマ密度分布を計算した一例で
ある。それによると装置高さＨ／半径Ｒ比（アスペクト
比）が（ｂ）Ｈ／Ｒ＝２０／２５のように大きい場合
は，アンテナ直下（ｚ＝２cm）では、アンテナの存在す
る箇所でプラズマ密度が最大となり、下流側（ｚの増す
方向）に向かうにつれ、密度の絶対値が大きくなり（ｚ
＝１０cm）、基板直上で密度が減少する。この時径方向
には不均一になっているのがわかる。またｚ方向に見る
と装置中心ｚ＝１０cmで密度が最大になる。図２１
（ｃ）のようにアスペクト比を小さくする（Ｈ／Ｒ＝１
５／２５）と、密度分布は本質的には（ｂ）と同じであ
るが基板直上の分布は（ｂ）に比べて緩やかになるが、
中心集中分布である。

【００１５】プラズマ密度分布は、真空容器壁でプラズ
マ密度が０という境界条件と生成率分布すなわちアンテ
ナ位置で決定されるが、図２１（ｄ）に示すようにアン
テナ位置を変化させたり、複数アンテナを置いてパワー
配分を変えても、密度分布の形は変化しない。上面置き
の場合アンテナが作る誘導電界がアンテナ直下で最大と
なるため、下流では中心集中分布に必ずなると考えられ
る。

【００１６】一方アンテナを真空容器の横に巻いた配置
の場合（図２２（ａ））、誘導電界は容器側面で最大と
なる。容器側面にはシースが形成され、プラズマ密度は
アンテナに最接するシースよりやや内側で最大となる。
この時水平断面で見ると、壁−シース端ではシース端の
方が電位が高く、シース端−プラズマ中心でもシース端
が電位が高くなり、シース端から両側にプラズマが輸送
される。それとともに、この位置から下流にプラズマが
流れるため、この密度最大の所からｚ方向にある程度離
れた水平断面では、密度分布が均一になる箇所が生ず
る。例えば円筒状の装置の場合、装置の径をＲと高さを
Ｈとすると、Ｒ／Ｈの比が大きい場合はウエハ近傍で凹
分布となることもあり、またＲ／Ｈを十分小さくすると
凸分布になる等、プラズマ密度分布をある程度制御する
ことができる（図２２（ｂ））。その際最大の支配因子
はＲ／Ｈの比すなわち装置の形状である。但し、このア
ンテナ側面設置の場合、アンテナ−プラズマの結合面積
が大きいことによる結合効率の低下、密度最大となる箇
所が側面壁近傍であるためプラズマの損失が大きいこと
によってプラズマ密度が低下する。投入パワー，真空容
器の大きさが同じ場合、この場合のプラズマ密度は上述
のアンテナ上面設置の場合よりも小さくなる。そのため
被処理物の加工速度が小さくなるという問題点があっ
た。

【００１７】以上のように誘導結合プラズマは、装置の
形状とアンテナ配置によってプラズマ密度分布が変化す
るが、処理室を構成する真空容器の上面の面積が下面の
面積より小さく、上面が平面状とすることで、本発明の
第３の目的は達成される。

【００１８】また好ましくは上記プラズマ処理装置にお
いて、上面と下面とを結ぶ稜線と上面の法線のなす角度
が５度以上であることを特徴とする。

【００１９】さらに好ましくは上記プラズマ処理装置に
おいて、装置高さ（被処理物から上面までの距離）／下
面の半径の比が１以下であることを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明す
る。図１に、本発明を用いた半導体処理装置の第１の実
施例を示す。本装置では、ガス供給装置４より真空容器
中に半導体の処理に用いる酸素，塩素，三塩化ホウ素等
の原料ガスを供給し、そのガスをコイル状のアンテナ１
により発生する電界で電離してプラズマ６を生成する。
ガスはプラズマ生成した後に、排気装置７により真空容
器外に排気される。１３.５６ＭＨｚ，２７.１２ＭＨ
ｚ，４０.６８ＭＨｚ等の高周波電源１０が発生した高
周波電力をアンテナ１に供給することによりプラズマ生
成用の電界を得ているが、電力の反射を押さえるために
インピーダンス整合器３を用いてアンテナ１のインピー
ダンスを高周波電源１０の出力インピーダンスと一致さ
せている。インピーダンス整合器として逆Ｌ型と呼ばれ
るものを示しているが、周波数やアンテナの構造に応じ
て整合が取り易いものを用いる必要がある。アンテナ１
のもう一端は電気容量が可変のコンデンサー９を挟んで
アースに接地される。また、真空容器２がプラズマ６に
より削られるのを防止するためのファラデーシールド８
をアンテナ１と真空容器２の間に設置しているが、ファ
ラデーシールドは電気的にアースされていない状態とす
る。また、ファラデーシールド８には図３に示したよう
に、コイル状アンテナの巻かれる方向と直交するように
スリットが設けられている。処理される半導体ウエハ１
３は、電極５上に置く。プラズマ中に存在するイオンを
ウエハ１３上に引き込むため、電極５には高周波電源１
２により振動電圧を印加する。可変コンデンサー９の電
気容量は、課題を解決するための手段のところで説明し
たように、壁の削れ量が最小となる電気容量値を取れる
ようにすることが重要である。図１の２９は、恒温槽を
示し、真空容器２の温度を制御する。具体的には、ファ
ンやヒータを備えることで温度を制御する。

【００２１】本実施例では、プラズマ６を着火するとき
にはコンデンサー９の電気容量を壁の削れ量が最小とな
る値よりも大きな値もしくは小さな値となるようにす
る。その時の電気容量の値としては、壁の削れ量が最小
となる電気容量値の二倍程度、又は二分の１程度とする
ことで、数十Ｗの高周波パワーでプラズマを着火する事
ができる。

【００２２】プラズマの着火後は、壁の削れ量を減少さ
せるためコンデンサー９の電気容量を削れ量が最小とな
る値に近づけていくが、異物の観点からある程度壁が削
れたほうがよい場合は、求める壁の削れ量となる値にコ
ンデンサー９の電気容量をセットする。その値の最適値
は、半導体プロセスを繰り返して行って決定する必要が
ある。

【００２３】本発明の第２の実施例を図８に従って説明
する。本実施例の基本的な装置構成は第１の実施例と同
じであるが、本実施例と第１の実施例の違いは、アンテ
ナ１のアース側に設置されるコンデンサーの構造であ
る。本実施例では、アンテナ１のアース側にコンデンサ
ー９ａとコンデンサー９ｂの二つのコンデンサーを並列
に挿入し、コンデンサー９ａは直接アースにつなぎ、コ
ンデンサー９ｂはスイッチ２１を挿入してアースにつな
ぐようにする。

【００２４】コンデンサー９ａの電気容量を削れ量が最
小となる値としてやると、プラズマ着火時にはスイッチ
２１をonにしてやる事でアンテナ１のアース側に入る電
気容量は、コンデンサー９ｂの分だけ大きくなったこと
になり、コンデンサー９ｂの電気容量を十分に大きくと
ってやる事でプラズマ着火性は向上する。そしてプラズ
マ着火後は、スイッチ２１をoff にしてやることで、壁
の削れ量が最小になるようになる。また、第１の実施例
と同様に、異物の観点からある程度壁が削れたほうがよ
い場合は、求める壁の削れ量となる値にコンデンサー９
ａの値をセットしておけばよい。

【００２５】本発明の第３の実施例を図９に従って説明
する。本実施例の基本的な装置構成は第２の実施例と同
じであるが、本実施例と第２の実施例の違いは、図８に
おけるコンデンサー９ｂの替わりにインダクター１９を
用いていることである。コンデンサー９の電気容量を
Ｃ、インダクター１９のインダクターンスをＬ、高周波
電源１０が出力する高周波の角振動数をωとすると、ア
ンテナのアース側とアース間のインピーダンスＺは、ス
イッチ２１がoff のとき、Ｚ＝−(１／ωＣ)ｊ、スイッ
チ２１がonのときＺ＝−(１／(ωＣ−１／ωＬ))ｊとな
る。コンデンサー９の電気容量をスイッチ２１がoff の
状態で壁の削れ量が最小になるようにしておくと、スイ
ッチ２１を操作する事でＺの値を変化する事ができプラ
ズマの着火性を向上する事ができる。よってプラズマ着
火時にはスイッチ２１をonにしてプラズマを着火し、プ
ラズマ着火後はスイッチ２１をoff にしてやることで壁
の削れ量が最小にできる。また、第１の実施例と同様
に、異物の観点からある程度壁が削れたほうがよい場合
は、求める壁の削れ量となる値にコンデンサー９の値を
セットしておけばよい。

【００２６】上記第３の実施例において、コンデンサー
とインダクターとスイッチを組み合わせることでアンテ
ナとアースの間に挿入する負荷のインピーダンスを変化
させる方法について記述した。上記実施例以外でも負荷
のインピーダンスの値を変化させる事ができる手段を用
いることで、プラズマ着火性に優れた状態と、壁の削れ
量が小さくなる状態にすることが可能となる。

【００２７】本発明の第４の実施例を図１０に従って説
明する。本実施例の基本的な装置構成は第１，第２，第
３の実施例と同じであるが、本実施例との違いは、導電
性材料でできたファラデーシールド８を非導電性材料で
できた真空容器２の壁の内部に埋め込んだことである。
真空容器２の材料としては、アルミナ，ガラス等が用い
られるが、アルミナには、クロム，アルミニウムなどの
金属が容易に融着することから、アルミナ内部にそれら
のパターンを作成することも容易である。またガラスに
おいても自動車の霜取り用のヒーターのように金属箔を
埋め込む事は可能である。

【００２８】このようにファラデーシールド８を真空容
器２の壁内部に埋め込む事のメリットとして、アンテナ
１とファラデーシールド８間の絶縁構造が不用になるこ
と、真空容器２とアンテナ１の距離を小さくでき装置が
コンパクトにできることである。

【００２９】本発明の第５の実施例を図１１に従って説
明する。本実施例の基本的な装置構成は第４の実施例と
同じであるが、本実施例との違いは、ファラデーシール
ドとしての導電性材料の膜を非導電性材料でできた真空
容器２の壁面にコーティングしたことによる。本実施例
では真空容器の内側のプラズマ側に導電性のファラデー
シールド８をコーティングした例を示しているが、真空
容器の大気側にファラデーシールド８をコーティングし
ても同様な効果が得られる。

【００３０】本実施例ではファラデーシールド８に直接
プラズマ６が接することから、ファラデーシールド８の
スリットの部分では真空容器２の壁がプラズマ６によっ
て削られることになる。プロセスにもよるが、原料ガス
として酸素などを用いた酸化膜エッチングプロセスで
は、アルミナとアルミニウムとの接着性に優れているこ
とを利用して、ファラデーシールド８を導電性のアルミ
ニウム、真空容器２を絶縁性のアルミナとすることで、
絶縁材料に導電性材料をコーティングした構成が達成で
きる。原料ガスに塩素や三塩化ホウ素を用いたメタルプ
ロセスなどの場合は、絶縁材料にアルミナ、導電性材料
にＳｉＣとすることで目的を達成できる。このような組
み合わせは他にも数多く考えられるが、真空容器が高温
になったときにコーティングした導電性材料が剥がれて
しまわないような性能をもち、且つ絶縁材料と導電性材
料ともにプラズマに対して削られにくいものであればど
のような組み合わせでも同様な効果が期待できる。

【００３１】本発明の第６の実施例を図１２に従って説
明する。本実施例の基本的な装置構成は第１，第２，第
３の実施例と同じであるが、本実施例と他の実施例の違
いは、ファラデーシールド８を抵抗１８を用いてアース
に接地していることである。

【００３２】装置の組み替え等の作業時に、人間がファ
ラデーシールド８を触る事もしばしばあると考えられ
る。その時ファラデーシールドが帯電するのを防ぐため
の機構が必要である。本実施例では抵抗１８を用いてフ
ァラデーシールドをアースに接地しているが、この抵抗
の抵抗値はプラズマを生成するための高周波電源１０の
周波数においてファラデーシールド８とアース間の電気
容量が持つインピーダンスより大きなインピーダンスを
持つようにする必要がある。そのためには、ファラデー
シールドとアース間の電気容量をＣとし、接地抵抗１８
の抵抗値をＲ、高周波電源１０が出力する高周波の角振
動数をωとすると、Ｒ＞１／ωＣとなるようにＲを設定
する。つまり、プラズマを生成するための高周波の周波
数において該ファラデーシールドと該アース間の電気容
量がもつインピーダンスより大きなインピーダンスを持
つ負荷で該ファラデーシールドと該アース間とを結合
し、かつ該負荷のインピーダンスが直流においては小さ
くなるようにして運転終了時のファラデーシールドの帯
電を防止している。

【００３３】本発明の第７の実施例を図１３に従って説
明する。本実施例の基本的な装置構成は第６の実施例と
同じであるが、本実施例と第６の実施例の違いは、真空
容器２を導電性材料で作ることでファラデーシールドの
効果を持たせたことによる。

【００３４】ファラデーシールド兼用の真空容器には、
図３で説明したように誘導的な電界を遮断させるための
スリットを設けることができないため、導電性の真空容
器の壁の厚さを調整することで誘導的な電界を通過でき
るようにする必要が有る。ここで、真空容器は絶縁フラ
ンジ２４により電気的にアースから浮かせた構造であ
る。

【００３５】本実施例によれば、ファラデーシールドを
真空容器の周りに設ける作業が不要のため、作業性が良
くなる。本実施例でアンテナ１の平均的な電位をアース
近辺およびアースより絶対値として大きくするように調
整する回路は、第６の実施例と同じである。

【００３６】図１４は本実施例において真空容器に流れ
る渦電流の様子を示した斜視図である。図３で説明した
誘導的な電界１５ａを真空容器２中に伝わるのを打ち消
すための渦電流は矢印２５のように円筒形の真空容器２
の周方向にながれる。この渦電流の流路における抵抗を
Ｒ、インダクターンスをＬ、高周波電源１０が出力する
高周波の角振動数をωとすると、Ｒ＞ωＬの関係が成り
立つようにすれば抵抗による渦電流減衰が大きくなり、
真空容器中に誘導的な電界が伝わるようになる。

【００３７】真空容器２の材質としては、第５の実施例
と同様にプラズマに直接面していることから、プラズマ
により削られにくいものである必要が有る。また、真空
容器の壁の厚さは通常２cm程度であるので、たとえば周
波数１３.５６ＭＨｚにおいてその程度の表皮厚さとす
るには、０.０２Ωｍ程度の電気抵抗率の材料を用いれ
ばよいことになる。

【００３８】真空容器２は、アースと絶縁するために絶
縁フランジ２４を用いて絶縁しているが、第６の実施例
と同様に帯電を防ぐための抵抗１８を設けている。抵抗
１８の抵抗値は第６の実施例で説明したように、プラズ
マを生成するための高周波電源１０の周波数においてフ
ァラデーシールドとアース間のインピーダンスより大き
なインピーダンスを持つようにする必要がある。また、
半導体処理において高周波電源１２により電極５にバイ
アス電圧を印加しているが、プラズマがアースに対して
電気的に浮いているとバイアス電圧がプラズマと電極の
間で強く発生しなくなってしまう。それを防ぐために
は、プラズマをアースにできるだけ接触させてプラズマ
の電位を低くしてやる必要があるが、抵抗１８の抵抗値
を高周波電源１２の周波数帯において、ファラデーシー
ルドとアース間のインピーダンスより小さなインピーダ
ンスを持つようにしてやることで達成できる。

【００３９】本実施例は、真空容器全体が導電性材料で
できた場合についてであるが、他の実施例においてファ
ラデーシールドにスリットを無くして、本実施例と同様
に導電性材料の厚みのみを調整することで同様な効果が
得られるようになる。

【００４０】上記した実施例では、真空容器２の形状
が、円筒形のものについて説明したが、真空容器２の側
面形状に傾斜をもたせ、断面を台形上にした真空容器２
にコイル，ファラデーシールドを設けるようにしても、
上記した実施例を同様に適用できる。

【００４１】本発明の第８の実施例を図１６に従って説
明する。本実施例の基本的な装置構成は第１，第２，第
３の実施例と同じであるが、本実施例と他の実施例の違
いは、真空容器上面（被処理物を電極５より遠い方）２
ａが真空容器下面の面積が小さいことを特徴とする。ま
た好ましくは上面が平面状であることである。上記のよ
うに構成した本発明においては、アンテナの配置，アン
テナの巻数，アンテナ−真空容器の距離等によって、プ
ラズマとアンテナの結合の度合や位置を変化させること
ができる。例えばアンテナを横に１巻した場合は、図２
３（ａ）に示す様に、そのアンテナの上下によって、結
合する場所が変化する。複数巻の場合はアンテナの上下
位置，各巻線と真空容器の距離によって、結合の状態を
変化させることができる（図２３（ｂ））。これによっ
て中央部の密度を上昇させようとすると、アンテナを上
方に移動させ、逆に周辺高分布にする場合はアンテナを
下方に移動させれば良い。結合の位置を変えることがで
きるのは上面の面積が小さく下面の面積が大きいことに
よって、装置形状が傾いているためである。また誘導結
合プラズマの場合、電子・イオンは両極性拡散で等方的
に容器壁に向かって拡散するため、その分布は容器形状
の影響を受ける。そのため上面が平面状であればプラズ
マ分布も平坦化しやすくなる。アンテナ配置と特徴的な
装置形状によりプラズマ密度分布を制御し易くなる。ま
たアンテナ１による静電界のため、アンテナ近傍ではプ
ラズマ−真空容器壁２の相互作用で発生する異物や反応
生成物が多くなるが、下面の面積が大きいことから、容
器壁−排気系７に沿って流路ができ、壁に沿って流れ易
くなっているため、ウエハ１３の方向に向かう量が低減
でき、良好な処理が実現できる。図１６の１９１は、コ
イルの位置を移動させる手段であり、プラズマ密度分布
を調節するために、コイルの高さを調節できる。

【００４２】本発明の第９の実施例を図１７に示す。本
実施例の基本的な装置構成は第８の実施例と同じである
が、本実施例と他の実施例の違いは、真空容器２の上面
２ａと下面２ｂとを結ぶ稜線と上面の法線との成す角度
が５度以上であることを特徴とする。図２４は本発明に
よる真空容器の形状、例えば上面の半径Ｒｕ：下面の半
径Ｒｄの半径＝４：５時の被処理物表面に入射するイオ
ン電流密度分布を示したものである。真空容器高さＨ＝
１３cmの時φ３００（ｒ＝１５cm）までイオン電流は平
坦である。またＨを増加させると中央部がやや高い分布
となる。またＨをこれより小さくすると周辺高になるこ
とも確認している。tan −１{(Ｒｄ−Ｒｕ)／Ｈ}≧５度
であれば平坦，中心高，周辺高の分布が実現できる。

【００４３】図１８は本発明の第１０の実施例を示す。
本実施例の基本的な装置構成は第８の実施例と同じであ
るが、本実施例と他の実施例の違いは、真空容器２の高
さＨ（電極５から上面２ａまでの距離）と真空容器２の
径、つまり、下面の半径ＲｄとがＨ／Ｒｄ≦１の関係を
満たすことを特徴とする。例えば図２４に示した真空容
器形状はこの関係を満たしている。

【００４４】図１９は本発明の第１１の実施例を示す。
本実施例の基本的な装置構成は第８の実施例と同じであ
るが、本実施例と他の実施例の違いは、真空容器１の外
側に磁場発生手段２６を備えたことを特徴とする。磁場
存在時の基板直上のプラズマ密度ｎの分布を図２５に示
す。それによると、磁場を増加させるに従って、プラズ
マ密度分布が周辺高となり、分布制御できる補助手段で
あることが判る。図２５において、パラメータとなって
いるＤｌは、磁力線方向の拡散係数を表し、Ｄｐは、磁
力線に垂直な方向の拡散係数を表す。

【００４５】図２０は本発明の第１２の実施例を示す。
本実施例の基本的な装置構成は第８の実施例と同じであ
るが、本実施例と他の実施例の違いは、電極５に対向す
る面、真空容器の上面２ａの内側に導体、もしくは半導
体で構成される板２７を置いたことを特徴とする。また
好ましくは板２７に高周波電圧印加手段２８を接続し、
高周波を印加する。ここで言う高周波はパルス状の直流
電圧でも良い。また板２７を接地してもよい。

【００４６】

【発明の効果】本実施例を用いることで、プラズマ生成
部を取り囲む真空容器壁がプラズマによって削られる量
を制御でき、且つプラズマ着火性を向上することができ
る。また、アンテナの配置，アンテナの巻数，アンテナ
−真空容器の距離等によって、プラズマとアンテナの結
合の度合や位置を変化させることで、プラズマの分布を
制御する事ができ、均一なプラズマを得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図である。

【図２】本発明を検証するために用いた実験体系を示す
構成図である。

【図３】ファラデーシールドが設置された状態を示す斜
視図である。

【図４】本発明を検証するために用いた実験体系の等価
回路図である。

【図５】本発明を検証するために用いた実験体系の等価
回路図である。

【図６】アンテナ両端に発生する電位の振幅を示したも
のである。

【図７】本発明を検証するために用いた実験体系の構成
図である。

【図８】本発明の第２の実施例を示す構成図である。

【図９】本発明の第３の実施例を示す構成図である。

【図１０】本発明の第４の実施例を示す構成図である。

【図１１】本発明の第５の実施例を示す構成図である。

【図１２】本発明の第６の実施例を示す構成図である。

【図１３】本発明の第７の実施例を示す構成図である。

【図１４】本発明の第７の実施例における渦電流の流れ
を示した斜視図である。

【図１５】スイッチ２１，２２と真空容器の壁の削れ量
とプラズマの着火に必要なＲＦパワーについてまとめた
図である。

【図１６】本発明の第８の実施例によるプラズマ処理装
置である。

【図１７】本発明の第９の実施例によるプラズマ処理装
置である。

【図１８】本発明の第１０の実施例によるプラズマ処理
装置である。

【図１９】本発明の第１１の実施例によるプラズマ処理
装置である。

【図２０】本発明の第１２の実施例によるプラズマ処理
装置である。

【図２１】アンテナ上置きの場合のプラズマ密度分布を
示す図である。

【図２２】アンテナ側面置きの場合の基板入射イオン電
流密度分布を示す図である。

【図２３】本発明の原理を示す模式図である。

【図２４】本発明の場合の基板入射イオン電流密度分布
を示す図である。

【図２５】本発明の第４の実施例の効果を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…アンテナ、２，２ｂ…真空容器、２ａ…真空容器上
面、２ｃ…真空容器の稜線、３…インピーダンス整合
器、４…ガス供給装置、５…電極、６…プラズマ、７…
ガス排気装置、８…ファラデーシールド、９…コンデン
サー、１０，１２…高周波電源、１１…電界シールド、
１３…ウエハ、１４…スリット、１５ａ…誘導的な電
界、１５ｂ…容量的な電界、１６…プラズマが発生する
光、１７…合成インピーダンスを持つ素子、１８…ファ
ラデーシールドの接地抵抗、１９…インダクター、２０
…分光器、２１，２２，２３…スイッチ、２４…絶縁フ
ランジ、２５…渦電流の流れ、２６…磁場発生手段、２
７…板、２８…高周波電圧印加手段、２９…恒温槽。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 ＲＨ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者荒井雅嗣茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者手束勉茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者前田賢治茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者吉岡健山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者坪根恒彦山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者金井三郎山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者数見秀之茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者西尾良司茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ生成部に電界を発生するアンテナ
と、該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、
真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を取り囲む
真空容器と、該真空容器の周りに設けられたファラデー
シールドと、該真空容器内にガスを供給するガス供給装
置と、被処理物を置くための試料台と、該試料台に高周
波電界を印加するための高周波電源を備え、該アンテナ
が発生する電界により電子を加速して該ガスを衝突電離
することによりプラズマを発生させ該被処理物を処理す
るプラズマ処理装置において、該アンテナのアース部に
負荷を設け、プラズマ着火時には着火が向上するように
該アンテナの平均的な電位を大きくなるようにし、プラ
ズマ生成後は該真空容器の壁の削り量が小さくなるよう
にアンテナの平均的な電位をアースの電位に近くなるよ
うに該負荷を調整したことを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項２】請求項１において、該アンテナがコイルで
あることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項１または２において、該アンテナの
アース側に挿入する負荷として電気容量可変のコンデン
サー、又はインダクターンス可変のインダクターを用い
て負荷の大きさを変化させたことを特徴とするプラズマ
処理装置。
【請求項４】請求項１または２において、該アンテナの
アース側に挿入する負荷として電気容量固定のコンデン
サー又はインダクターと、スイッチを組み合わて負荷の
値を２種類以上の負荷の値を持つようにしたことを特徴
としたプラズマ処理装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、プラ
ズマ生成後においてもアンテナ全体の平均的な電位の大
きさを制御して、壁の削れ量を制御することを特徴とす
るプラズマ処理装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかにおいて、ファ
ラデーシールドを非導電性材料でできた真空容器壁中に
埋め込んだことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】請求項１乃至５のいずれかにおいて、真空
容器壁表面に導電性材料をコーティングすることでファ
ラデーシールドの効果を持たせたことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項８】請求項７において、該導電性材料を真空容
器壁のプラズマに接する面にコーティングし、かつ該導
電性材料をプラズマに削られにくい材料とすることで壁
削れ量を小さくしたことを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項９】請求項１乃至４のいずれかにおいて、プラ
ズマを生成するための高周波の周波数において該ファラ
デーシールドと該アース間の電気容量がもつインピーダ
ンスより大きなインピーダンスを持つ負荷で該ファラデ
ーシールドと該アースとの間を結合し、かつ該負荷のイ
ンピーダンスが直流においては小さくなるようにして運
転終了時のファラデーシールドの帯電を防止したことを
特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】プラズマ生成部に電界を発生するアンテ
ナと、該アンテナに高周波電力を供給するための高周波
電源と、真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を
取り囲む真空容器と、該真空容器内にガスを供給するガ
ス供給装置と、被処理物を置くための試料台と、該試料
台に高周波電界を印加するための高周波電源を備え、ア
ンテナが発生する電界により電子を加速してガスを衝突
電離することによりプラズマを発生させるプラズマ処理
装置において、該真空容器の材質を導電性の材料とし、
該真空容器の電位をアースから電気的に浮かせた構造と
し、導電性の真空容器の壁の厚さを調節して、該アンテ
ナが発生する容量的な電界が真空容器中に伝わらないよ
うにし、かつ誘導的な電界は伝わるようにしたことを特
徴とする半導体処理装置。
【請求項１１】プラズマ生成部に電界を発生するアンテ
ナと、該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源
と、真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を取り
囲む真空容器と、該真空容器の周りに設けられたファラ
デーシールドと、該真空容器内にガスを供給するガス供
給装置と、被処理物を置くための試料台と、該試料台に
高周波電界を印加するための高周波電源を備え、該アン
テナが発生する電界により電子を加速して該ガスを衝突
電離することによりプラズマを発生させ該被処理物を処
理するプラズマ処理装置において、該ファラデーシール
ドの電位をプラズマ生成前とプラズマ生成後とで変える
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１２】プラズマ生成部に電界を発生するアンテ
ナと、該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源
と、真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を取り
囲む真空容器と、該真空容器の周りに設けられたファラ
デーシールドと、該真空容器内にガスを供給するガス供
給装置と、被処理物を置くための試料台と、該試料台に
高周波電界を印加するための高周波電源を備え、該アン
テナが発生する電界により電子を加速して該ガスを衝突
電離することによりプラズマを発生させ該被処理物を処
理するプラズマ処理装置において、上記真空容器の上面
の面積が下面の面積より小さくまた上面が平面であるこ
とを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１３】真空容器上面が円形断面であり、下面と
上面を結ぶ稜線と上面の法線のなす角度が５度以上であ
ることを特徴とする請求項１２記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１４】上記プラズマ処理装置において、真空容
器高さ（被処理物から上面までの距離）と真空容器の下
面の半径の比が１以下であることを特徴とする請求項１
２記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】真空容器の外側に磁場発生手段を備えた
ことを特徴とする請求項１２記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】上記プラズマ処理装置において真空容器
の上面の内側に導体、もしくは半導体で構成される板を
置いたことを特徴とする、また好ましくはこの板に高周
波電圧印加手段を接続し、高周波を印加する、もしくは
この板を接地することを特徴とする請求項１２記載のプ
ラズマ処理装置。