JP2002173768A - プラズマ密度改良のための埋込み式プラズマ源 - Google Patents

プラズマ密度改良のための埋込み式プラズマ源

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JP2002173768A JP2001247604A JP2001247604A JP2002173768A JP 2002173768 A JP2002173768 A JP 2002173768A JP 2001247604 A JP2001247604 A JP 2001247604A JP 2001247604 A JP2001247604 A JP 2001247604A JP 2002173768 A JP2002173768 A JP 2002173768A
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process gas
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ブルカ ジョゼフ
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Tokyo Electron Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 処理スペース内のプロセス・ガスから１次誘
導結合プラズマを生成して、基板を処理するプラズマ生
成アセンブリを含むプラズマ処理システム内で、プラズ
マの特徴を調整する装置および方法。 【解決手段】 壁付きのエンクロージャを処理スペース
に隣接して設け、自身内のプロセス・ガスから容量結合
プラズマを生成するよう構成する。エンクロージャは、
さらに、容量結合プラズマが処理スペース内に入ること
を可能にする１つまたは複数の出口を含む。容量結合プ
ラズマからの荷電粒子を与えて、誘導結合プラズマ内の
プラズマ密度を変更するか、誘導結合プラズマの生成に
必要な電力を減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は基板のプラズマ処
理、特にプラズマ処理システムのプラズマ密度を改良す
る装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体、つまり集積回路の製造は通常、
複数の別個の処理ステップで構成され、その間、集積回
路の無数の複製が１枚の基板またはウェーハ上に形成さ
れる。概して、製造手順は、半導体基板の表面上および
表面内に複数のパターン化した層を生成し、最終的に電
気的能動領域、受動領域および集積回路を備える相互接
続部を形成する必要がある。
【０００３】集積回路を製造する現代の技術は、プラズ
マ・プロセスを大量に組み込んで、半導体基板の表面を
改変し、複数のパターン化層を生成する。例えば、プラ
ズマ・エッチング・プロセスは、プラズマを使用して基
板表面から異物の層を選択的に除去するか、低エネルギ
ー・イオンの衝突により表面を調整する。別の例とし
て、物理蒸着プロセスは、プラズマを使用して、コーテ
ィング材料の表面から基板表面に蒸着した薄膜の特徴を
制御することができる。コーティング材料の中性原子を
高度にイオン化すると、基板への移行中にコーティング
材料の制御が強化されることが判明している。
【０００４】イオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）は、薄膜ま
たはコーティングを半導体基板の表面に付着させるのに
使用するプラズマ強化蒸着プロセスである。コーティン
グ材料の源を、通常は基板を保持する基板支持体の反対
側で、真空室内に配置する。源は、所望の元素組成を有
する固体ターゲットのスパッタなどによって、コーティ
ング材料の原子または原子クラスタのフラックスを生成
する。基板上に薄膜として蒸着させるため、コーティン
グ材料のフラックスは、源と基板とを分離する処理空間
内に拘束された高密度プラズマを横断しなければならな
い。高密度プラズマは、高周波（ＲＦ）エネルギーを、
処理空間内で作業圧力に維持されたプロセス・ガスに結
合することによって、連成することができる。
【０００５】コーティング材料のフラックスの有意な部
分が、プロセス・ガスのプラス・イオン（ペニング・イ
オン化）と高密度プラズマを構成する自由電子（衝突イ
オン化）との衝突による相互作用によってイオン化され
る。電子密度が１０11ｃｍ-3を上回る高密度プラズマで
は、電子衝突イオン化がＩＰＶＤの支配的プロセスであ
る。コーティング材料のプラス・イオンを優先的に引き
つけるため、基板はマイナスにバイアスをかけることが
できる。マイナスのバイアス電位は、基板支持体が電気
的に浮動状態にある場合、またはバイアス電圧を基板支
持体および基板に直接加えた場合、非接地基板をプラズ
マに浸漬することに伴って生じることがある。マイナス
のバイアス電位は、コーティング材料のプラス・イオン
の軌道を加速させて配向し、したがってイオンは垂直に
近い入射角度で基板の表面に衝突する傾向がある。その
結果、蒸着したコーティング材料は、通路、線、接触穴
およびトレンチなど、アスペクト比が高いミクロン以下
の機構の底部および側壁を、より効果的に覆う。
【０００６】高密度プラズマを生成するＲＦエネルギー
は、真空室の外部または内部に配置したアンテナまたは
励起コイルに作動自在に接続されたＲＦ電源によって供
給される。励起コイルを外部に配置した場合は、真空室
の壁にさらに、コイルからのＲＦエネルギーがプラズマ
を点火して保持でき、コイルがプラズマと直接接触しな
いよう隔離する誘電ウィンドウを設けることができる。
【０００７】誘電ウィンドウは通常、静電遮蔽材によっ
てマスキングし、これは通常、導電性材料で形成されて
真空室に配置され、ファラデー遮蔽および物理的遮蔽と
して機能する。遮蔽材にある複数の開口により、寄生容
量結合の望ましくない成分を抑制しながら、励起コイル
から放射されるＲＦエネルギーをプラズマと誘導結合す
ることができる。物理遮蔽として、遮蔽材は、プラズマ
からウィンドウを遮蔽することにより、コーティング材
料の望ましくない導電層がウィンドウに付着するのを防
止する。誘導性ＲＦ電界が誘導材料の浸入深さとともに
指数関数的に吸収されるので、励起コイルからのＲＦエ
ネルギーは、もはやプラズマと効率的に結合することが
できない。その結果、プラズマ密度が減少し、蒸着プロ
セスが劣化するか、密度の低下を補償するため、ＲＦ電
力を増加しなければならない。望ましくない導電層の厚
さが、浸入度と呼ばれる周波数依存の閾値を超えると、
有意のＲＦ電力損が発生する。
【０００８】典型的なコーティング材料の源が、標的の
近傍に限定されたプラズマに対してマイナスにバイアス
がかかった、高純度コーティング材料、および真空室の
接地壁などの室の陽極で構成された標的をスパッタす
る。通常、標的は、高密度プラズマからのプラス・イオ
ンを引きつけるためバイアス電位を供給する直流電源に
作動自在に接続される。源は、プラズマを生成し、標的
の付近に制限するため、磁気構造を組み込んだマグネト
ロン設計であることが多い。
【０００９】従来の誘導結合プラズマ処理システムは、
大面積ウェーハ処理への広範な適用を限定する短所およ
び欠陥を有する。誘導結合プラズマ生成アセンブリによ
って生成された高密度プラズマは、プラズマ密度の半径
方向に大きなむらがある。室壁付近の損失のため、処理
スペースにおけるプラズマは、真空室の中心対称軸の周
囲で選択的にピークになり、室壁付近でプラス・イオン
がなくなる。このように半径方向にむらがあるプラズマ
を基板表面のエッチングに使用すると、除去された層
は、エッチング速度を制御するイオン・フラックスの減
少のため、基板の周囲付近で薄くなる。ＩＰＶＤ装置で
は、プラズマ密度の半径方向にむらがある分布は、蒸着
した薄膜の特性および機構の被覆率に影響を与えること
がある。例えば、薄膜の厚さは、標的の幾何学的形状の
ため均一にすることができるが、ステップ・カバレージ
はイオン分布にむらがあるためにウェーハ直径にわたっ
て変化することがある。エッチングまたは蒸着のむら
は、直径が大きい基板で最も顕著である。半導体製造
は、大面積ウェーハに向かう傾向があるので、プラズマ
密度のむらの存在は、ＩＰＶＤシステムおよびプラズマ
・エッチング・システムなど、その後のプラズマ処理シ
ステムでさらに重大になる。
【００１０】誘導結合プラズマ生成アセンブリによって
生成されるプラズマは、誘導結合高密度プラズマを開始
するために供給しなければならないＲＦ電力の量に関し
て、特定の制約を呈する。特定の状況では、ＲＦ電力を
減少させることによって誘導結合プラズマを消去しなけ
ればならない。例えば、真空室へ基板を出し入れするた
めにＲＦ電力を低下させるか、真空室を通気して大気圧
にする場合は、ＲＦ電源を無効にしなければならない。
プラズマの誘導結合成分を再始動するには、ＲＦ電源で
大量のＲＦ電力を提供しなければならない。例えば、誘
導結合高密度プラズマを始動するのに必要な電力は、同
様の室の状態で、容量性結合プラズマを始動するのに必
要な電力を、１桁上回ることがある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】以上の考慮事項および
問題の結果、基板付近のプラズマの一様性を向上させ、
誘導結合プラズマを始動するのに必要なＲＦ電力を減少
させるため、誘導結合プラズマ処理システムの１次高密
度誘導結合プラズマを補うことができる装置および方法
に対する要求がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、誘導結合プラ
ズマ処理システムのプラズマ密度の一様性を向上させる
装置および方法を都合良く提供する。本発明は、さら
に、処理システム内で高密度誘導結合プラズマを始動す
るのに必要なＲＦ電力レベルが低下するよう、補足的な
容量結合プラズマが提供される装置および方法を都合良
く提供する。さらに、本発明は、従来の室の設計を大幅
に変更することなく、現在のプラズマ処理システムに組
み込むことができるプラズマ処理作業のため、より効率
的で効果的な装置および方法を都合良く提供する。
【００１３】本発明の原理によると、１つまたは複数の
中空の陽極アセンブリを、基板の処理に誘導結合高密度
プラズマを使用するプラズマ処理装置の真空室の内側に
配置する。各中空陽極アセンブリは、真空室内にあるプ
ロセス・ガスの一部を受け、容量結合プラズマを自身内
に含むよう動作可能である１つまたは複数のエンクロー
ジャまたは放電キャビティを備える。プロセス・ガスの
プラス・イオンおよび容量結合プラズマからの電子は、
各キャビティに設けた１つまたは複数の出口を通ってそ
こから出て、真空室に入る。
【００１４】真空室は、さらに、誘導結合高密度プラズ
マを生成するため、真空室にエネルギーを送出するよう
構成されたプラズマ生成アセンブリを含む。例示的なプ
ラズマ生成アセンブリは、励起コイルに作動自在に接続
するＲＦ電源を含み、これは各キャビティ内で容量結合
プラズマを始動し、保持するためのエネルギーも提供す
ることができる。
【００１５】エンクロージャは、例えばプラズマ生成ア
センブリの近傍、または基板支持体の近傍に配置してよ
い。しかし、真空室がプラズマ生成アセンブリから離れ
た位置にある場合、結合エネルギーは各キャビティ内に
容量結合プラズマを生成するのに不十分であるか、励起
コイルを改変する必要があり、これは処理システムをさ
らに複雑にする。これらの場合、プラズマ生成アセンブ
リは、さらに、容量結合プラズマを生成するよう作動可
能な補助電源を組み込むことができる。一つの態様で
は、電極を各エンクロージャのキャビティ内に配置し、
作動自在に補助電源に接続することができる。
【００１６】本発明の装置および方法によると、一つの
利点は、追加のプラズマ生成アセンブリを必要とせず
に、各エンクロージャのキャビティで容量結合プラズマ
を開始し、保持できることである。主に処理スペース内
のプロセス・ガスと誘導結合するよう動作可能なプラズ
マ生成アセンブリからのパワーを、プロセス・ガスと容
量結合し、各エンクロージャ内にプラズマを生成するこ
とができる。つまり、エンクロージャは、特定の実施形
態では、電極、追加の電源、または電気的貫通接続を必
要とせずに、プラズマ処理システムの受動要素でよい。
【００１７】本発明の装置および方法の別の利点は、各
エンクロージャからイオンおよび電子を放出することに
より、処理スペース内にある誘導結合プラズマの密度分
布を効果的に修正できることであり、その結果、プラズ
マ・プロセスが、改善された一様性を有する結果を達成
する。
【００１８】本発明の装置および方法のさらに別の利点
は、処理スペース内で誘導結合プラズマを点火する前
に、各エンクロージャ内で生成した容量結合プラズマか
らの電子およびイオンを提供することにより、処理スペ
ース内で誘導結合プラズマを開始するのに必要な電力を
大幅に低下することである。
【００１９】本発明は、遮蔽構造を改造して１つまたは
複数のエンクロージャを追加するだけで、既存の処理室
に組み込むことができる。したがって、１つまたは複数
のエンクロージャを追加しても、処理室の設計が大幅に
変化せず、プラズマ処理が最適化され、上記の背景で述
べた困難が克服される。
【００２０】本発明の以上およびその他の利点は、図面
に関する以下の詳細な説明から、さらに容易に明白にな
る。
【００２１】
【発明の実施の形態】イオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）用
に構成された、本発明の一つの実施形態によるプラズマ
処理装置１０が、図１に概略的に図示されている。装置
１０は、室壁１４によって境界を画された処理スペース
１３を有する真空室１２を含む。室１２には、１０-8ト
ル以下の超高真空（ＵＨＶ）まで室１２を排気するた
め、真空ポンプ・システム１６を設ける。質量流量制御
装置１８が、ガス供給源１９から室１２へのプロセス・
ガスの流量を制御する。適切なプロセス・ガスは、アル
ゴンなどの不活性ガス、または窒素または酸素などの反
応性ガスを含む。手動または自動真空ロードロック（図
示せず）を設けて、室１２およびロードロック内に適切
な真空を維持しながら、室１２に基板を出し入れするこ
とができる。
【００２２】真空室１２の一方端には基板支持体２０が
位置し、基板バイアス電源２２が作動自在にこれに接続
されて、プラズマ処理のために、基板支持体２０および
その上に支持された半導体ウェーハなどの１つまたは複
数の基板２４にマイナスのバイアスをかける。バイアス
電源２２は、インピーダンス整合回路網を通して接続さ
れた直流バイアス電源またはＲＦバイアス電源を備える
ことができる。
【００２３】室１２の基板支持体２０とは反対側の端部
には、コーティング材料源または陰極アセンブリ２６が
位置する。陰極アセンブリ２６は、所望のコーティング
材料のリング形標的２８を含み、陰極電源３０によって
与えられたバイアス電位に作動自在に接続される。電源
３０は直流電源であることが好ましいが、適切な整合回
路網（図示せず）を通して標的２８に作動自在に接続さ
れたＲＦ電源でもよい。陰極アセンブリ２６は、絶縁体
リング３４によって、室１２の電気的接地表面から絶縁
される。室壁１４は通常は接地電位であり、陽極として
働くことができる。暗部遮蔽材３２は、プラズマが標的
に隣接する構造が浸食またはスパッタされるのを防止す
る。
【００２４】非導電性ウィンドウ４０が、陰極アセンブ
リ２６の中心開口内に同心円上に設けられ、標的２８の
上縁で周方向の密封シールを生成するよう構成される。
ウィンドウ４０は、アルミナまたはクォーツ、好ましく
はアルミナなどの真空適合性の誘電材料で構築され、ほ
ぼ平行で対向する平面の表面または面を有する概ね平面
の構造である。
【００２５】エレメント４２として概略的に図示された
励起コイルが、非導電性ウィンドウ４０の外面に隣接し
て、好ましくはウィンドウ４０のすぐ近傍に配置され
る。コイル４２は、インピーダンス整合回路網４６を通
してＲＦ電源４４に作動自在に接続される。ＲＦ電源４
４は、約２００ｋＨｚから約８０ＭＨｚの範囲で作動可
能であり、約１００Ｗから約１０ｋＷのＲＦ電力を送出
することができる。ウィンドウ４０は非導電性であるの
で、コイル４２から放出されるＲＦ磁気エネルギーは、
ウィンドウ４０を通過して処理スペース１３に入る間、
減衰しない。
【００２６】適切な励起コイル４２は、例えばOgleに対
して発行された米国特許第４，９４８，４５８号、Asht
ianiに対して発行された米国特許第５，６６９，９７５
号、およびJosef Brckaの名前でProcess Apparatus and
Method for Improving Plasma Distribution and Perf
ormance in an Inductively Coupled Plasmaと題した１
９９９年３月２６日出願の米国特許出願第０９／２７
７，５２６号に記載されているように、アンテナから適
応することができる。詳細については、これら文献を参
照されたい。
【００２７】非導電性ウィンドウ４０の内面には隣接す
る遮蔽材４８はファラデー遮蔽と物理遮蔽との組合せた
働きをする。遮蔽材４８は、ウィンドウ４０の内面から
少しの距離に装着する。ファラデー遮蔽として、遮蔽材
４８は、コイル４２と高密度プラズマとの望ましくない
容量結合を減少させながら、励起コイル４２からウィン
ドウ４０を横切り、処理スペース１３に入るエネルギー
の誘導結合を促進する。物理遮蔽として、遮蔽材４８
は、標的２８の表面上にある任意の点とウィンドウ４０
との間の全ての直接的な見通し線をほぼ遮断することに
より、コーティング材料がウィンドウ４０に付着するの
を防止する。遮蔽材４８は、銅またはアルミなど、導電
性の高い材料で構成することが好ましい。
【００２８】遮蔽材４８は複数のスロット４９を含み、
電気的に接地し、伝導熱流のため、室壁１４などの真空
室１２内で隣接する構造と良好な熱接触を維持すること
ができる。複数の幾何学的配置のスロット４９を構成し
て、遮蔽材４８内の渦電流を防止し、ＲＦ磁界が遮蔽材
４８に浸入できるようにする。
【００２９】使用時には、真空ポンプ・システム１６で
真空室１２をベース真空レベルまで排気する。プロセス
・ガスの流れを、ガス供給源１９から室１２へと導入す
る。流量制御装置１８がガス流を計測し、毎分約５から
約１０００標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）の流量
および約１から約１００ｍトルの作業圧力を確立する。
電源４４を作動させて、整合回路網４６を通して励起コ
イル４２にＲＦ電力を供給する。高密度１次プラズマを
開始し、その後、非導電性ウィンドウ４０および遮蔽材
４８を通してコイル４２から伝達された誘導結合ＲＦエ
ネルギーによって、処理スペース１３内にこれを維持す
る。処理スペースから標的へとプラス・イオンを加速さ
せるため、陰極電源３０によってマイナスのバイアス電
位を供給して、十分に高いエネルギーで衝突させ、コー
ティング材料の原子または原子クラスタをスパッタす
る。スパッタしたコーティング材料の輸送は、熱化した
場合は拡散で実行され、材料フラックスは、基板２４に
到達するために高密度プラズマを通過しなければならな
い。原子または原子クラスタの一部は、高密度プラズマ
内のイオンおよび電子との衝突による相互作用のため、
イオン化される。基板バイアス電源２２によって基板２
４に加えられたマイナスのバイアスが、プラズマから基
板２４へとコーティング材料のプラス・イオンを静電気
で引き寄せて配向し、イオンの軌道は主に表面法線に平
行である。
【００３０】本発明の原理によると、遮蔽材４８の周囲
は、さらに、中空の陽極アセンブリ５０を含み、これは
プロセス・ガスのプラス・イオンおよびその中で生成さ
れた容量結合プラズマからの電子を供給するよう作動可
能である。図１、図２Ａおよび図３を参照すると、中空
陽極アセンブリ５０は、端壁５２および対向して概ね平
行な２つの側壁５４、５６を備え、これは集合的に環状
エンクロージャまたは放電キャビティ５８の境界を画定
する。キャビティ５８は、ほぼ遮蔽材４８の外周に延在
し、これとほぼ同心である。壁５２、５４および５６
は、銅またはアルミなどの電気抵抗が低い材料で構成す
ることが好ましく、遮蔽材４８と同じ組成を有してもよ
い。
【００３１】引き続き図１、図２Ａおよび図３を参照す
ると、中空陽極アセンブリ５０は、さらに、周方向にほ
ぼ等間隔で端壁５２に穴をあける列状の円筒形出口また
は開口６０を含む。各開口６０の縦軸は、概ね室１２の
縦軸に平行に配向される。処理スペース１３内のプロセ
ス・ガスの一部は、各開口６０を通して放電キャビティ
５８内に自由に拡散することができる。中空陽極アセン
ブリ５０は遮蔽材４８によって電磁遮蔽されず、したが
ってＲＦエネルギーが、キャビティ５８内に容量結合プ
ラズマを生成するよう、励起コイル４２から誘導ウィン
ドウ４０を通って容量結合することができる。ＲＦ電力
が所定の初期閾値を超えると、キャビティ５８内で容量
結合プラズマが開始し、その後はＲＦエネルギーの容量
結合によって維持される。
【００３２】放電キャビティ５８内の容量結合プラズマ
からのプラス・イオンおよび電子は、各開口６０を通っ
て処理スペース１３内に広がる。プラズマ技術の技術分
野でよく知られている物理的現象により、開口６０内の
プラズマは、キャビティ５８内、または処理スペース１
３の開口６０に隣接する部分にあるプラズマより密度が
はるかに高い。電子は、キャビティ５８内の容量結合プ
ラズマから、開口６０内のプラズマ密度を向上させるた
め、開口６０内の容量結合プラズマの部分に向かって加
速し、プロセス・ガス原子の強化されたイオン化を生成
する。プロセス・ガスのプラス・イオンおよび電子は、
開口６０から加速し、概ね真空室１２のベースに向かっ
て軸方向に配向された初期軌道を有する。
【００３３】中空陽極アセンブリ５０を軸方向の開口６
０で構成することの利点は、励起コイル４２からのＲＦ
電力が、自身内に誘導結合プラズマを維持する閾値より
下まで低下した場合に、キャビティ５８内で生成され、
処理スペース１３から分離された容量結合プラズマを使
用して、処理スペース１３内に低密度プラズマを維持で
きることである。例えば基板の交換作業中は、コイル４
２へのＲＦ電力を低下させなければならず、処理スペー
ス１３内の誘導結合プラズマをもはや維持することがで
きない。
【００３４】例示により、制限的ではなく、中空陽極キ
ャビティは、放電キャビティ５８の半径方向の寸法が約
１０から３０ｍｍ、好ましくは約１０ｍｍで、軸方向の
寸法が約２０ｍｍになるようなサイズにすることができ
る。各開口６０の直径は、放電キャビティ５８の寸法お
よび端壁５２の厚さに応じて、約１ｍｍから１０ｍｍで
よい。中空陽極の口の断面形状は、円形に制限されず、
長方形または他の幾何学的形状でもよい。
【００３５】本発明の原理により、図１および図２Ａで
説明した構成と同様の参照番号を使用して、図２Ｂは、
遮蔽材４８の周囲に同様に配置された中空陽極アセンブ
リ７０の代替実施形態を示す。中空陽極アセンブリ７０
は端壁７２および２つの側壁７４、７６を有し、これは
環状エンクロージャまたは放電キャビティ７８を画定す
る。側壁７６に１つまたは複数の円筒形出口または開口
８０を設ける。各開口８０の縦軸は、真空室１２（図
１）の縦軸に向かって半径方向内側に配向され、概ね円
形の断面輪郭を有する。図１、図２Ａおよび図３に示す
他中空陽極アセンブリ５０に関して上記で説明したよう
に、容量結合プラズマは、キャビティ７８で受けるプロ
セス・ガスから生成される。キャビティ７８内の容量結
合プラズマからの電子は、容量結合プラズマの一部の密
度を上昇させるため、加速されて各開口８０に入る。プ
ラス・イオンおよび電子は、開口８０内の密集したプラ
ズマから膨張して処理スペース１３（図１）に入る。開
口８０が半径方向に配向されているので、プラス・イオ
ンの初期軌道は、概ね真空室１２の縦軸に向かって半径
方向内側に配向され、遮蔽材４８の内面に隣接する。
【００３６】半径方向に面した開口８０で中空陽極アセ
ンブリを構成することの利点は、誘導結合高密度プラズ
マを開始しようとする前に、容量結合プラズマからのイ
オンおよび電子を使用して、処理スペース１３内に低密
度プラズマを確立できることである。遮蔽材４８の周囲
付近に確立された低密度プラズマが存在すると、誘導結
合プラズマの開始に必要な電力レベルが低下する。
【００３７】プラズマは、ＲＦ電源４４（図１）に非線
形荷重を与え、処理スペース１３内で誘導結合プラズマ
を開始するには、大きい初期ＲＦ電力レベルが必要であ
る。プラズマは通常、装置１０の低いミリトル作業範囲
では、励起コイル４２と処理スペース１３内のプロセス
・ガスとの誘導結合によって、簡単に開始することがで
きない。誘導結合プラズマを開始するのに必要な閾値Ｒ
Ｆ電力は、真空１２内の真空によって変化するが、典型
的なプラズマ処理システムでは、典型的な作業状態で、
例えば２５０から５００ワットの範囲と測定されてい
る。これに対して、同様の状態で容量結合プラズマを開
始するのに必要な閾値電力は、わずか５０から１００ワ
ットのオーダーである。したがって、容量結合プラズマ
は、プロセス・スペース１３内でＲＦ電力レベルを大幅
に低下させて開始することができる。
【００３８】しかし、遮蔽材４８の存在で、励起コイル
４２と処理スペース１３に入るプロセス・ガスとのエネ
ルギーの容量結合が効果的に防止される。中空陽極アセ
ンブリ５０または７０は、遮蔽されない放電キャビティ
５８または７８を提供し、ここで容量結合プラズマを低
いＲＦ電力レベルで開始し、維持することができる。プ
ロセス・ガスのプラス・イオン、および中空陽極アセン
ブリ５０または７０の開口６０または８０内の容量結合
プラズマから出る電子は、処理スペース１３内で低密度
プラズマを確立するのに寄与し、これにより誘導結合プ
ラズマの開始に必要なＲＦ電力レベルを低下させる。
【００３９】図４および図４Ａは、本発明の原理による
プラズマ処理装置１０の代替実施形態を概略的に示す。
図４および図４Ａを参照し、他の図に関して検討した機
構と同様の参照番号を使用すると、プラズマ処理システ
ム１０は、さらに、真空室１２の内部で周方向かつ同心
に配置されたスパッタ遮蔽材８８、および室壁１４に取
り付けた中空陽極アセンブリ９０を含む。スパッタ遮蔽
材８８は、処理スペース１３内の誘導結合高密度プラズ
マのイオンが室壁１４の内面と相互作用するのを防止す
る再生可能な金属バリアである。
【００４０】中空陽極アセンブリ９０は端壁９２、２つ
の側壁９４、９６およびベース９８を有し、これは集合
的に環状クロージャまたは放電キャビティ１００の境界
を画す。放電キャビティ１００は、真空室１２の内部に
周方向に延在する。室１２の縦軸に対して、中空陽極ア
センブリ９０は基板支持体２２および基板２４に隣接し
て軸方向に配置される。しかし、中空陽極アセンブリ９
０は、処理スペース１３にある他のボリュームのプラズ
マ密度を変更するため、代替位置にあってもよい。
【００４１】端壁９２に１つまたは複数の円筒形出口ま
たは開口１０２を設ける。各開口１０２の縦軸は、室１
２の縦軸に向かって半径方向内側に配向される。処理ス
ペース１３に導入されるプロセス・ガスの一部は、各開
口１０２を通って放電キャビティ１００内へと自由に拡
散することができる。
【００４２】放電キャビティ１００内に電極１０４を設
ける。電極１０４は、アルミまたは銅などの導電性材料
で構成され、概ねキャビティ１００の軸方向寸法と同一
の軸方向寸法を有する。電極１０４の半径方向最外表面
とベース９８の内面との間に非導電性隔離碍子１１６を
挟む。隔離碍子１１６は、電極１０４を接地ベース９８
から電気的に絶縁するため、アルミナなどの電気抵抗が
高い適切な誘電材料で構成する。
【００４３】補助電源１１０は、電気的フィードスルー
１１２を介して電極１０４と作動自在に接続され、これ
は室壁１４とベース９８に設けてある。補助電源１１０
は、ＲＦ電源からのＲＦ電力入力を分割して、送電路
（図示せず）を介して電極１０４に通電し、さらに上述
したように送電路１１４を介して励起コイル４２に通電
する電力分割器（図示せず）を構成してもよい。電極１
０４に供給された電力は、容量結合プラズマを生成する
ため、放電キャビティ１００内のプロセス・ガスと容量
結合する。
【００４４】代替実施形態では、補助電源１１０はＲＦ
電源４４から完全に独立し、電極１０４と作動自在に接
続する別個の電源（図示せず）を備えてもよい。直流電
源または独立した高周波（ＲＦ）電源が、補助電源１１
０として使用するのに適切である。
【００４５】使用時には、電極１０４は、放電キャビテ
ィ１００内の容量結合プラズマを点火するのに十分な電
力レベルで、補助電源１１０から通電される。電極は、
キャビティ１００の容量結合プラズマから各開口１０２
へと引き寄せられ、したがって開口１０２内のプラズマ
密度を上昇させる。電子およびプラス・イオンは、開口
１０２から処理スペース１３へと拡張する。各開口１０
２を出るプラス・イオンおよび電子の初期軌道は、概ね
真空室１２の縦軸に向かって半径方向内側に配向され、
基板２４の周囲に隣接した位置で処理スペース１３内の
高密度プラズマの密度を上昇させるよう働く。
【００４６】中空陽極アセンブリ７０を基板支持体２２
に隣接して配置することの利点は、容量結合プラズマか
ら生じて開口を通って流れ、処理スペース１３に入るプ
ラス・イオンおよび電子が、基板２４の周囲付近でプラ
ズマの密度を上昇させることができることである。処理
スペース１３内のプラズマ密度の一様性は、真空室１２
の幾何学的形状から影響を受け、したがって密度は室１
２の縦軸の周囲でピークになり、室壁１４付近で低下す
る。特に、室壁１４が基板支持体２２に近接すると、基
板２４付近におけるプラズマ密度の半径方向の一様性に
悪影響を与える。プラズマ密度の低下は、壁に最も近い
基板２４の周囲で最大である。したがって、中空陽極ア
センブリ７０からのプラス・イオンおよび電子は、一様
でないプラズマ密度を都合良く補償することができ、し
たがってより一様な厚さおよびその表面の半径方向でよ
り一様なステップ・カバレージを有するコーティング材
料の薄膜が、基板２４に蒸着する。さらに、スパッタお
よび表面調整作業は、プラズマの一様性が向上したた
め、基板２４の表面にわたって、半径方向により一様に
なる。
【００４７】図５を参照すると、本発明の代替実施形態
では、中空陽極アセンブリ１２０は面板１２４、および
室壁１４と一体で設けるか、それに埋め込んだキャビテ
ィ１２６を含む。面板１２４は、キャビティ１２６の半
径方向内側の周に隣接する窪んだレッジ１２８、１３０
で受ける。面板１２４は、列状のガス出口または円筒形
開口１３２で穴をあけ、これはプラス・イオンおよび電
子を対称に注入するよう、面板１２４の周および幅に隔
置される。中空陽極アセンブリ１２０は主に、図１のよ
うに真空室１２に適用するよう意図され、これは図４に
示すスパッタ遮蔽８８がない。開口１３２の形状は円形
に制限されず、長方形またはスロットなどの他の形状で
もよいことが理解される。
【００４８】プロセス・ガスから容量結合プラズマを生
成するよう、補助電源１１０からの励起電力を受けるた
めに、放電キャビティ１２６に電極１３２を設ける。電
極１３４は、網にまたは銅などの導電性材料で構成し、
放電キャビティ１２６の軸方向寸法とほぼ同一である軸
方向寸法を有する。非導電性絶縁碍子１３６を、電極１
３４と室壁１４の間に挟む。絶縁碍子１３６は、電極１
３４を室壁１３４から電気的に隔離するため、アルミナ
などの高い電気抵抗を有する適切な誘電材料で構成す
る。室壁１４および面板１２４は、第２電極を形成する
よう、電気的に接地される。補助電源１１０からの電力
で電極１３４に通電することにより、キャビティ１２６
内で容量結合プラズマを開始すると、容量結合プラズマ
からの電子が各開口１３２内に引きつけられる。その結
果、プラズマ密度は開口１３２で上昇し、その密なプラ
ズマからのプラス・イオンおよび電子が処理スペース１
３内に広がる。
【００４９】図５Ａを参照し、図５で説明した構成と同
様の参照番号を使用すると、中空陽極アセンブリ１２０
は代替的に、放出キャビティ１２６内に配置されて、作
動自在に補助電源１１０と接続する電極１４０を含むこ
とができる。電極１４０はＵ字形の断面輪郭を有し、キ
ャビティ１２６の周に延在する。電極１４０は、概ね真
空室１２の縦軸に平行に配向されたベース１４２を含
む。２つの一体側壁１４４、１４６が、ベース１４２の
対向する端部から半径方向内側へと、図４に示す真空室
１２の中心縦軸に向かって延在する。電極１４０は、ア
ルミまたは銅などの導電性材料で構成される。非導電性
のＵ字形絶縁碍子１４６を電極１４０と室壁１４０の間
に挟む。絶縁碍子１４６は、電極１４０を室壁１４から
電気的に隔離するため、アルミナなどの高い抵抗を有す
る適切な誘電材料で構成する。
【００５０】この電極１４０のＵ字形設計は、図５に示
す電極１３４と比較して、開口１３２を通って高密度プ
ラズマから到着する金属イオンの蒸着をよりよく許容す
る。電極１４０のＵ字形はまた、電子をキャビティ１２
６の中心に都合良く集束させ、ここに開口１３２が配置
され、プロセス・ガスのイオン化の効率を上昇させる。
【００５１】図５Ｂを参照し、図５Ａで説明した構成の
参照番号を使用すると、中空陽極アセンブリ１２０の別
の実施形態は、複数の等間隔のスロット１５０の周囲に
延在し、処理スペース１３（図３）との流体連絡のため
放電キャビティ１２６と接続する面板１４８を含む。ス
ロット１５０は、板１４８の周に延在し、これは窪んだ
レッジ１２８、１３０上で受ける。容量結合プラズマが
キャビティ１２６およびスロット１５０内で生成される
と、スロット１５０内のプラズマからの電子およびプラ
ス・イオンがプロセス・スペース１３０に注入される。
【００５２】電極１０４、１３４または１４０を、それ
ぞれに補助電源１１０からの励起電力を提供した複数の
区画に配置してよいことが理解される。各区画は、別個
の補助電源または１つの補助電源から分割した電力で通
電される。さらに、プラズマ処理の当業者には、キャビ
ティ１００および１２６を複数の個々のサブキャビティ
に配置することができ、１つまたは複数のサブキャビテ
ィに、関連の補助電源１１０から通電された電極１０
４、１３４または１４０などの別個の電極を設けること
ができることも理解される。
【００５３】補助電源１１０をＲＦ電源４４から切り離
した場合、中空陽極アセンブリ９０または１２０は、処
理スペース１３内の高密度プラズマがコイル４２からの
ＲＦ電力の誘導結合によって生成されないプラズマ処理
システムに使用するのに適している。例えば、高密度プ
ラズマは、マイクロ波電源、または従来の平面電極また
は反応性イオン・エッチング・システムのような１対の
板電極によって、処理スペース１３内に生成することが
できる。
【００５４】本発明を、その幾つかの実施形態を説明す
ることによって例示し、これらの実施形態を非常に詳細
に説明してきたが、これはいかなる意味でも添付請求の
範囲をこのような詳細に限定するものではない。追加の
利点および改造が、当業者には容易に明白である。した
がって、本発明は、そのより広い態様では、特定の詳
細、および図示し説明した代表的装置および方法に制限
されない。例えば、本発明の中空陽極アセンブリの用途
に関する説明は、誘導結合プラズマ蒸着システムに関し
て与えられているが、中空陽極アセンブリの使用はこの
ようには制限されず、プラズマ・エッチングまたは反応
性イオン・エッチングなど、当技術分野で知られている
ような他の材料処理用途にも使用することができる。し
たがって、出願人の一般的な本発明の概念の範囲または
精神から逸脱することなく、このような詳細から逸脱す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理による中空陽極アセンブリを組み
込んだプラズマ処理装置の断面図である。
【図２Ａ】図１の中空陽極アセンブリの実施形態を示す
拡大部分断面図である。
【図２Ｂ】図１の中空陽極アセンブリの代替実施形態を
示す図２Ａと同様の拡大部分断面図である。
【図３】図２Ａの線３−３に沿って切り取った遮蔽材お
よび中空陽極アセンブリの断面平面図である。
【図４】本発明の原理による中空陽極アセンブリの代替
実施形態を組み込んだプラズマ処理装置の、図１と同様
の断面概略図である。
【図４Ａ】図４の円で囲んだ区域「４Ａ」の拡大図であ
る。
【図５】図４に示したものと同様の中空陽極アセンブリ
の代替実施形態を示す部分断面図である。
【図５Ａ】中空陽極アセンブリの代替実施形態を示す、
図５と同様の拡大部分断面図である。
【図５Ｂ】中空陽極アセンブリの代替実施形態を示す、
図５Ａと同様の拡大部分断面図である。
【符号の説明】
１０ プラズマ処理装置 １２ 真空室 １３ 処理スペース １４ 室壁 １６ 室壁 １６ 真空ポンプ・システム １８ 質量流量制御装置 １９ ガス供給源 ２０ 基板支持体 ２２ 電源 ２４ 基板 ２６ 陰極アセンブリ ２８ 標的 ３０ 電源 ３２ 遮蔽材 ３４ 絶縁材リング ４０ ウィンドウ ４２ 励起コイル ４４ ＲＦ電源 ４６ インピーダンス整合回路網 ４８ 遮蔽材 ４９ スロット ５０ 中空陽極アセンブリ ５２ 端壁 ５４ 側壁 ５６ 側壁 ５８ キャビティ ６０ 開口 ７０ 中空陽極アセンブリ ７２ 端壁 ７４ 側壁 ７６ 側壁 ７８ 放電キャビティ ８０ 開口 ８８ スパッタ遮蔽材 ９０ 中空陽極アセンブリ ９２ 端壁 ９４ 側壁 ９６ 側壁 ９８ ベース １００ 放電キャビティ １０２ 開口 １０４ 電極 １１０ 補助電源 １１２ 電気的フィードスルー １１４ 送電路 １１６ 絶縁碍子 １２０ 中空陽極アセンブリ １２４ 面板 １２６ キャビティ １２８ レッジ １３０ レッジ １３２ 開口 １３４ 電極 １４０ 電極 １４４ 側壁 １４６ 側壁 １５０ スロット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョゼフ ブルカ アメリカ合衆国 アリゾナ、ギルバート、 ダブリュ、ローレル アベニュ 914 Ｆターム(参考） 4K029 BD01 CA05 CA06 CA13 DC12 DC29 EA06 5F103 AA02 BB09 RR01

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラズマで基板を処理する装置であっ
    て、 自身内に処理スペースを画定し、中心の縦軸を有する室
    壁を有する真空室と、 基板を支持するために処理スペースに配置された基板支
    持体と、 真空室と流体連絡するプロセス・ガス供給源とを備え、
    前記ガス供給源は、選択的にプロセス・ガスを前記処理
    スペースに提供し、さらに、 処理スペース内のプロセス・ガスを励起してプラズマを
    生成するよう作動可能なプラズマ生成アセンブリと、 前記真空室内に配置されたエンクロージャとを備え、前
    記エンクロージャが、プラズマ生成アセンブリからの容
    量結合エネルギーによって維持されるプラズマの一部を
    含むよう作動可能な少なくとも１つのキャビティを画定
    するよう構成され、エンクロージャが、前記処理スペー
    スと流体連絡するよう構成された少なくとも１つの出口
    を含み、したがって各キャビティおよび各出口内の容量
    結合プラズマが処理スペースに入ることができる装置。
  2. 【請求項２】 エンクロージャが前記プラズマ処理アセ
    ンブリに隣接して配置される、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 少なくとも１つの出口が、真空室の中心
    縦軸に向かって半径方向内側に配向される、請求項２に
    記載の装置。
  4. 【請求項４】 少なくとも１つの出口が、真空室の中心
    縦軸に平行に配向される、請求項２に記載の装置。
  5. 【請求項５】 少なくとも１つのエンクロージャが、前
    記基板支持体に隣接して配置される、請求項１に記載の
    装置。
  6. 【請求項６】 少なくとも１つのエンクロージャが、真
    空室の内側の周囲に配置される、請求項１に記載の装
    置。
  7. 【請求項７】 前記プラズマ生成アセンブリが、さら
    に、エンクロージャの各キャビティ内のプロセス・ガス
    を励起するよう構成された補助プラズマ生成アセンブリ
    を備える、請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記補助プラズマ生成アセンブリが、エ
    ンクロージャの各キャビティ内に配置された電極、およ
    びプロセス・ガスを励起してキャビティ内に容量結合プ
    ラズマを生成するため、前記電極に作動自在に接続され
    た補助電源を備える、請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記補助電源が、前記電極と作動自在に
    接続する補助高周波電源を備える、請求項８に記載の装
    置。
  10. 【請求項１０】 前記補助電源が、前記電極と作動自在
    に接続する直流電源を備える、請求項８に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記補助電源が、プラズマ生成アセン
    ブリからの高周波電力の一部を再配向するインピーダン
    ス整合電力分割器を備え、前記電力分割器が前記電極と
    作動自在に接続する、請求項８に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記電極がＵ字形の断面輪郭を有す
    る、請求項８に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 プラズマ生成アセンブリが、 高周波電源と、 高周波電源と作動自在に接続し、プロセス・ガスを励起
    して処理スペース内に誘導結合プラズマを生成するよ
    う、真空室に隣接して配置される励起コイルとを備え
    る、請求項１に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 さらに、前記室壁に配置された誘電ウ
    ィンドウを備え、前記励起コイルが前記誘電ウィンドウ
    に隣接して配置される、請求項１３に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 さらに、真空室の内側で誘電ウィンド
    ウと処理スペースとの間に配置された遮蔽材を備え、遮
    蔽材が、励起コイルから処理スペースへの高周波電力の
    効果的な結合を可能にするよう構成される、請求項１４
    に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 少なくとも１つのエンクロージャが前
    記遮蔽材に取り付けられる、請求項１５に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 さらに、コーティング材料で構成され
    た標的を含むコーティング材料源、および前記標的から
    のコーティング材料をスパッタするよう、標的に隣接し
    て処理スペース内にプラズマの一部を閉じ込めるよう構
    成される陰極アセンブリを備え、前記遮蔽材が、さら
    に、処理スペース内に存在するプラズマから誘電ウィン
    ドウを物理遮蔽するよう構成される、請求項１６に記載
    の装置。
  18. 【請求項１８】 少なくとも１つの出口が、真空室の中
    心縦軸に向かって半径方向内側に配向される、請求項１
    ７に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 少なくとも１つの出口が、真空室の中
    心縦軸に平行に配向される、請求項１７に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 イオン化物理蒸着装置であって、 内部に処理スペースを画定する室壁を有する真空室と、 基板を支持するために処理スペース内に配置された基板
    支持体と、 真空室と流体連絡するプロセス・ガス供給源とを備え、
    前記ガス供給源が前記処理スペースにプロセス・ガスを
    選択的に提供し、さらに、 処理スペースの基板支持体とは反対側に配置されたコー
    ティング材料の源と、前記室壁に配置された誘電ウィン
    ドウと、 誘電ウィンドウに隣接して配置された励起コイルと、 通電された場合に、処理スペース内に誘導結合プラズマ
    を形成するため、真空室への高周波電力を誘電結合する
    よう、励起コイルに作動自在に接続された高周波電源
    と、 前記真空室内に配置されたエンクロージャとを備え、 前記エンクロージャが、励起コイルからの容量結合エネ
    ルギーによって維持されるプラズマの一部を収容すべく
    作動可能な少なくとも１つのキャビティを画定するよう
    構成され、エンクロージャが、前記処理スペースと流体
    連絡するよう構成された少なくとも１つの出口を含み、
    したがって、各キャビティおよび各出口の容量結合プラ
    ズマが前記処理スペースに入ることができるイオン化物
    理蒸着装置。
  21. 【請求項２１】 さらに、真空室の内部で誘電ウィンド
    ウと処理スペースとの間に遮蔽材を備え、遮蔽材が、励
    起コイルから処理スペースへの高周波電力の効果的な結
    合を可能にし、誘電ウィンドウが処理スペースのプラズ
    マと相互作用しないよう物理遮蔽するよう構成される、
    請求項２０に記載のイオン化物理蒸着装置。
  22. 【請求項２２】 エンクロージャが前記遮蔽材に取り付
    けられる、請求項２１に記載のイオン化物理蒸着装置。
  23. 【請求項２３】 コーティング材料源が、コーティング
    材料と、標的からのコーティング材料をスパッタするよ
    う標的に隣接する処理スペース内にプラズマの一部を制
    約するよう構成される陰極アセンブリとを備える、請求
    項２１に記載のイオン化物理蒸着装置。
  24. 【請求項２４】 プラズマ処理装置のプラズマの分布を
    向上させる方法であって、 真空室内にプロセス・ガスを設けるステップを含み、前
    記真空室は、内部に処理スペースを画定する室壁を有
    し、さらに、 プロセス・ガスを励起して処理スペース内にプラズマを
    生成するよう作動可能な、プラズマ生成アセンブリを設
    けるステップと、 前記真空室内に配置されたエンクロージャを設けるステ
    ップとを含み、エンクロージャは、プラズマ生成アセン
    ブリからの容量結合エネルギーによって維持されるプラ
    ズマの一部を収容するべく作動可能な少なくとも１つの
    キャビティを画定するよう構成され、エンクロージャ
    が、前記処理スペースと流体連絡するよう構成された少
    なくとも１つの出口を含み、さらに、 エンクロージャの各キャビティおよび各出口に容量結合
    プラズマを生成するため、前記プラズマ生成アセンブリ
    に通電するステップと、 容量結合プラズマからのイオンおよび電子を、各出口を
    通して前記処理スペースへと送出するステップとを含む
    方法。
  25. 【請求項２５】 さらに、イオンを放出するステップの
    後、真空室の処理スペース内に誘導結合プラズマを生成
    するため、前記プラズマ生成アセンブリに通電するステ
    ップを含む、請求項２４に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 さらに、真空室の室壁に誘電ウィンド
    ウを設けるステップを含む、プラズマ生成アセンブリを
    設けるステップが、さらに、 前記ウィンドウに隣接
    して配置された励起コイルを設けるサブステップと、 ウィンドウを通して高周波電力を処理スペース内のプロ
    セス・ガスと誘導結合し、高周波電力を少なくとも１つ
    のエンクロージャ内のプロセス・ガスと容量結合するた
    め、前記励起コイルと作動自在に接続する高周波電源を
    設けるサブステップとを含む、請求項２４に記載の方
    法。
  27. 【請求項２７】 プラズマで基板を処理する装置であっ
    て、 処理スペースを有する真空室を備え、前記処理スペース
    がプロセス・ガスで充填され、さらに、 プロセス・ガスを励起してプラズマを生成する手段を備
    え、前記プラズマ励起手段が、真空室の処理スペース内
    に誘導結合プラズマを維持するよう選択的に作動可能で
    あり、さらに、 真空室内に配置されたエンクロージャを備え、前記エン
    クロージャが、プラズマ生成手段からの容量結合エネル
    ギーによって生成されたプラズマの一部を収容すべく作
    動可能な少なくとも１つのキャビティを画定するよう構
    成され、エンクロージャが、前記処理スペースと流体連
    絡するよう構成された少なくとも１つの出口を含み、し
    たがって各キャビティおよび各出口の容量結合プラズマ
    が処理スペースに入ることができる装置。
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