JP2003086577A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 均一なプラズマが確実に生成できるようにし
た誘導結合型のプラズマ処理装置を提供すること。 【解決手段】 誘導結合型プラズマ処理装置の誘導コイ
ル１２、１３を複数のコイル要素１２Ａ、１３Ａと、こ
れらの間を接続する複数の導線部１２Ｂ、１２Ａに分割
し、コイル要素１２Ａ、１３Ａは、処理チャンバ１内に
設け、導線部１２Ｂ、１３Ｂは外部に配置させたもの
で、処理チャンバ１内にあるコイル要素１２Ａ、１３Ａ
は、分割された結果、短い円弧状になっているので、処
理チャンバ１の中心に対して容易に対称的に配置でき、
均一なプラズマ分布が容易に得られることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エッチングや成膜
などにおけるプラズマ処理に係り、特に半導体デバイス
や液晶ディスプレー用基板など製造に使用するのに好適
なプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスなどの微細化に対応し
て、プラズマプロセスにおいては、ウエハ内で均一な処
理結果が実現できるプロセス条件(プロセスウインドウ)
が年々狭くなってきており、これからのプラズマプ処理
装置には、より完全なプロセス条件の制御が求められて
いる。

【０００３】ところで、これの実現には、プラズマの分
布やプロセスガスの解離、リアクタ内の表面反応などを
極めて高精度に制御できる装置が必要になるが、現在、
このような装置に用いることができるプラズマ源に高周
波誘導結合型プラズマ源がある。

【０００４】この誘導結合型プラズマ処理装置は、例え
ば特開平２−２３５３３２号公報に開示されているよう
に、高周波コイルにより処理チャンバ内に誘導電界を形
成させ、これによりプラズマ中の電子を加速し、処理チ
ャンバ内に導入されたプロセスガスにエネルギーが与え
られるようにし、これによりプラズマの発生と維持が得
られるようにしたものである。

【０００５】上記した高周波コイルは、処理チャンバの
一部を形成している石英などの絶縁材を介して、処理チ
ャンバの外に配置されているが、ここで、これらの高周
波コイルは、一般的にはループ状、コイル状、渦巻(ス
パイラル)状に作られていて、これに周波数が数１００
ｋＨｚから数１００ＭＨｚの高周波電力が供給され、誘
導電界が形成されるようになっている。

【０００６】一方、コイルをチャンバ内に設けた構造の
高周波誘導結合型プラズマ処理装置もあり、例えば、特
開平７−１０６０９５号公報に開示されたプラズマ処理
装置では、高周波誘導コイルとなる渦巻形のコイルを、
チャンバ内で、被処理物である半導体ウエハに対向する
位置に設置している。

【０００７】ここで、これらのプラズマ処理装置は、プ
ラズマ中に誘導電流が生じた結果、電気回路的にはプラ
ズマと高周波コイルが誘導結合した変圧器(高周波コイ
ルを一次コイル、プラズマ中の電流経路を２次コイルと
する変圧器)と見做すことができ、このため、誘導結合
型プラズマ処理装置と呼ばれている。

【０００８】この誘導結合型プラズマ処理装置の利点と
しては、単純なコイルと高周波電源という簡単で安価な
構成により、１０¹¹〜１０¹²(ｃｍ^-3)という比較的高密
度のプラズマが、数ｍトール(Torr)の低圧下で発生でき
る点と、被処理物に対向して平面的にコイルを配置する
ことにより、大面積のプラズマが容易に発生できる点、
それに処理チャンバ内部がシンプルであるがゆえに、処
理中に被処理物上に飛来する異物を少なくできる可能性
がある点などが挙げられる。

【０００９】この誘導結合型プラズマ処理装置によれ
ば、低圧下でも容易に高密度のプラズマを発生させるこ
とができるので、イオンの平均自由行程が大きくなり、
この結果、被処理物に入射するイオンの方向性がよくな
るので、微細加工に適し、且つ高い処理速度が得られる
ことになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には、以
下の問題がある。

【００１１】例えば、特開平２−２３５３３２号公報に
示される誘導結合型プラズマ処理装置(以下、従来技術
１という)においては、高周波コイルは、処理チャンバ
中のプラズマから石英などの絶縁材を介して大気側に配
置されており、従って、この絶縁材には大気圧に耐える
ための十分な強度が必要で、今後、被処理物が大面積化
すると、それに応じて、この絶縁材も厚くする必要があ
る。

【００１２】こうして絶縁材が厚くなると、コイルとプ
ラズマの距離も大きくなるが、そうすると、例えば、次
の Keller らの論文、すなわち、Jounal Of Vacuum Sci
ence A11(5),Sept/Oct 1993 p2487に論じられているよ
うに、コイルとプラズマの結合状態が悪くなり、プラズ
マの生成効率が低下され、この結果、コイルや整合回路
における発熱ロスが大きくなるという問題が生じる。

【００１３】一方、近年、被処理物であるウエハの大口
径化が進み、この結果、プラズマの分布を自在に制御す
る必要が生じているが、誘導結合プラズマ装置において
は、例えば２系統のコイルのそれぞれに流れる電流及び
電流比を変えることにより、プラズマが生成する位置を
自在に制御し、ウエハ位置でのプラズマ分布を制御する
ことができる。

【００１４】しかしながら、次の Collison らによる論
文、すなわち、J.Vac.Sci.Technol. A 16−1,Jan/Feb 1
998 p.100において、実験的にも理論的にも示されてい
るように、２系統のコイルを使っても、プラズマは２個
の誘導コイルの中間位置、すなわち、コイルの誘導磁界
がもっとも強くなる付近の一箇所に生成するだけであ
る。

【００１５】このように、１箇所にプラズマが生成され
るため、ある程度、ウエハを離して設置しないと、たと
え２系統のコイルによっても、プラズマの均一化は得難
く、このため、２箇所でプラズマを生成させようとした
場合には、２個のコイルの距離をコイルとプラズマの距
離に比較して十分に大きくとってやる必要がある。

【００１６】しかし、従来技術１のように、大気側にコ
イルを設置した場合には、コイルとプラズマの距離が或
る程度以下にはできないので、２個のコイルの距離を大
きくした場合、実質的なチャンバのサイズでそれを実現
することは困難になるという問題が生じてしまう。

【００１７】一方、特開平７−１０６０９５号公報に開
示されたプラズマ処理装置(以下、従来技術２という)で
は、コイルをチャンバ内に設置することによって、前述
のコイルとプラズマの結合による問題は解決されるけれ
ども、それとは別の新たな問題が生じる。

【００１８】まず、第一に、この従来技術２では、高周
波コイルは絶縁材料の保護膜により保護されてはいる
が、一般に、このような誘導結合プラズマ装置において
は、コイルの直近に強いプラズマが生成されるため、特
にプラズマエッチング装置のような反応性のガスを用い
る装置では、保護膜が受ける損傷は極めて大きくなり、
頻繁に補修交換などのメンテナンスが必要になるという
問題が生じる。

【００１９】一方、コイル自身は金属製なので、保護膜
が破損した場合は、金属イオンが発生し、半導体ウエハ
の金属汚染を生じることになるし、この場合、コイルそ
のものの交換も必要になり、メンテナンスに多大の時間
とコストが消費されることになる。

【００２０】また、この従来技術２では、誘導コイルの
背後に冷却プレートが設置されているが、このプレート
はコイルに対して絶縁されている必要がある。しかし
て、このような構造では、冷却プレートとコイルの熱的
な結合が得難い。

【００２１】特に真空中若しくはプラズマ処理中のよう
な低圧下では、構造物の接触面での熱伝達が極めて悪く
なるから、冷却プレートを設けたことによるコイルの冷
却効果はあまり期待できず、充分な冷却が得られないと
いう問題が生じる。

【００２２】更に、もう一つの問題は、被処理物とは反
対側のコイルの背後にも、被処理物側と同じように高い
密度のプラズマが生成されてしまうことで、このコイル
背後のプラズマは、被処理物のプラズマ処理には有効に
使われないだけではなく、背後のチャンバ壁が強いプラ
ズマに曝されてしまう。更に、このような誘導結合型の
プラズマ処理装置では、従来技術１のように、コイルを
大気側に設置したタイプでも、従来技術２のように、真
空側に設置したタイプでも、コイルにかかる電圧によっ
て直接電子が加速され、容量結合的にプラズマが生成さ
れるものである。

【００２３】このとき、上記従来技術では、何れのタイ
プも、コイルに分布される電位の均一化に配慮がされて
おらず、均一なプラズマの生成に問題があった。

【００２４】本発明は、従来技術の問題点に配慮してな
されたもので、その目的は、均一なプラズマが確実に生
成できるようにした誘導結合型のプラズマ処理装置を提
供することにある。

【００２５】同じく本発明の目的は、従来技術１と対比
して、誘導コイルの表面保護と冷却の問題、コイル背後
に発生するプラズマによる効率低下の問題を考慮して、
プラズマの不均一性についての問題を解決し、自在な場
所でプラズマが生成でき、より広い条件下で、安定した
プラズマが高い効率で容易に生成することができるよう
にしたプラズマ処理装置を提供することにあり、更に
は、信頼性が高く、メンテナンスが容易なプラズマ処理
装置を提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、処理チャン
バに少なくとも１ターンのコイルからなるプラズマ生成
用の誘導コイルを備えた誘導結合型プラズマ処理装置に
おいて、前記誘導コイルが、前記処理チャンバ内に配置
された複数の部分と、前記チャンバの外に配置された複
数の部分に分割されていることにより達成される。

【００２７】このとき前記プラズマ生成用の誘導コイル
が、前記処理チャンバの中心から同心円状を為して配置
された少なくとも２系統の誘導コイルで構成されている
ようにしても良い。

【００２８】また、更に前記誘導コイルの処理チャンバ
内に配置された複数の部分が、各々前記処理チャンバの
中心に対して同心円の一部を為して配置されるようにし
ても良く、同じく各々前記処理チャンバの中心から始ま
る渦巻の一部を為して配置されているようにしても良
い。

【００２９】更にこのとき、前記誘導コイルと前記処理
チャンバ内のプラズマ発生空間の間に、前記処理チャン
バ内に配置された複数の部分と略直交する方向にスリッ
トを備えた導電板材が設けられているようにしても良
く、或いは前記処理チャンバに磁場印加手段が設けられ
ているようにしても良い。

【００３０】また、同じく前記少なくとも２系統の誘導
コイルは、夫々毎に電力配分制御されるようにしても良
く、前記導電板材は、共通電位に対してゼロ電圧を含む
所定の電圧が印加されているようにしても良い。ここ
で、前記導電板材に、プラズマ着火時とプラズマ着火後
で異なった電圧を印加する手段が設けられているように
しても良い。

【００３１】本発明の実施形態に則して具体的に言え
ば、誘導コイルを複数のコイル要素に分割して絶縁体か
らなるチャンバ窓(蓋部材)の真空側に配置しプラズマと
の結合性を高める。このとき、コイルは、プラズマに対
しては、別の絶縁体とスリット付の導電体を挾んで更に
別の絶縁体カバーによって覆われる。

【００３２】スリット付の導電体は、高周波電源に接続
され、コイルの電圧による容量結合プラズマの生成を防
ぐシールドとして働き、プラズマの周方向の均一性を実
現すると共に、チャンバ内表面へのイオン入射を制御す
る。

【００３３】また、分割された誘導コイルのそれぞれの
要素は大気側で導線部により連結される。各コイル要素
は、若干径方向の成分を持つように配置されており、こ
れにより、プラズマを通常の角方向に加えて、径方向に
誘導することにより、プラズマの生成領域が径方向に広
がると共に、電子の加速距離が短くなり、電子温度が低
下する。

【００３４】これにより、半導体ウエハがプラズマ生成
部に近くても、均一なプラズマ分布が得られるし、複数
系統の誘導コイルを設置することにより、それぞれのコ
イルに対してプラズマを生成し、プラズマやラジカルの
分布を自在に制御することができる。

【００３５】コイル要素の夫々は長さが短く、かつ両端
が大気側に出ているので、アルミニウムなどの高熱伝導
性の金属を用い、大気に出た部分をファンなどで冷却す
ることにより、温度を下げることができ、特に冷媒経路
を真空側にもってくる必要が無くなる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるプラズマ処理
装置について、図示の実施の形態により詳細に説明す
る。

【００３７】なお、本発明は、半導体デバイスの製造の
分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製
造や、各種材料の成膜、表面処理に適用が可能である
が、ここでは、半導体デバイス製造用のプラズマエッチ
ング装置に本発明を適用した場合の一実施形態について
説明する。

【００３８】図１は、本発明の一実施形態で、まず、１
は処理チャンバで、これは、例えば表面をアルマイト処
理したアルミニウム又はステンレスの有底円筒形の真空
容器として作られ、図示のように接地され、共通電位に
保たれている。

【００３９】この処理チャンバ１には、真空排気手段２
と、被処理物である半導体ウエハを搬入出するための搬
送システム４が備えられており、中には、半導体ウエハ
３を載置するためのステージとなる電極装置５が設置さ
れている。

【００４０】この電極装置５の上には半導体ウエハ３が
載置されるが、この半導体ウエハ３は、搬送システム４
により処理チャンバ１中に搬入され、電極装置５上に運
ばれた後、直流電源６に接続された静電チャック７によ
り静電吸着され、電極装置５上に保持される。

【００４１】このため、電極装置５は、全体がアルミニ
ウム、ステンレスなどの金属で作成されているが、その
上部にある静電チャック７は、誘電率が調整されたセラ
ミックなどの絶縁材で作られ、直流電源６から数１００
Ｖ程度の直流電圧が印加されることにより静電気力を発
生し、ウエハ３を吸着する。

【００４２】そして、この電極装置５には、整合回路８
を介して、高周波電源９から数１００ＫＨｚから数１０
ＭＨｚの周波数の高周波電圧が供給され、これによりプ
ラズマ処理中に半導体ウエハ３に入射するイオンのエネ
ルギーを制御するようになっている。

【００４３】また、この電極装置５の中には、図示され
てないが、内部に冷媒の流路が設けられていて、プラズ
マにより処理中のウエハ３の温度がプラズマにより加熱
され上昇してしまうのを抑え、一定の温度に保つように
なっている。

【００４４】更に、ウエハ３と電極装置５の間には、熱
伝導の促進のため、例えばヘリウム(Ｈｅ)などの非反応
性ガスが、流路５Ａを介して数トール〜１０数トール程
度の圧力で導入され、更に電極装置５のウエハ載置面以
外の表面には、絶縁材からなるサセプタ１０とカバー１
１が設けてあり、これらによりプラズマや反応性ガスか
ら保護される。

【００４５】次に、処理チャンバ１の上側には、この処
理チャンバ１の内部を大気から隔離するため、石英やア
ルミナセラミックなどの絶縁材で作られた円板からなる
蓋部材１７がカバーとして気密状態で載置され、これの
内面側に、同じく石英やアルミナセラミックなどの絶縁
材で作られている円形の板材１８により挟み込まれた形
で、ウエハ３と対向するようにして２系統の誘導コイル
１２、１３が設けてあり、これにより本発明が特徴とす
る高周波コイルシステムが形成されるようになってい
る。

【００４６】ここで、各系統の誘導コイル１２、１３
は、詳しくは後述するが、図２に示すように、所定のパ
ターンに従って複数の要素に分割して構成され、夫々が
電力分岐回路１４と整合回路１５を介して高周波電源１
６に接続されている。

【００４７】なお、この実施形態では、分布の制御性を
考慮して、誘導コイルが２系統、設けてあるが、さらに
多くの系統にしてもよく、一方、分布制御があまり重要
でない場合は、１系統にしてもよい。

【００４８】各誘導コイル１２、１３をカバーしている
板材１８の内側には、金属円板からゆる導電体１９が設
置されるが、これには、図２に示すように、複数本のス
リット４１が放射状に形成してあり、その中心付近から
電力供給ライン１９Ａが蓋部材１７の外側に引き出さ
れ、電力分岐回路１４と整合回路１５を介して高周波電
源１６に接続されている。

【００４９】ここで、詳しくは後述するが、この導電体
１９が設けられていると、処理チャンバ１内にあるプラ
ズマと誘導コイル１２、１３の間の容量結合が阻害され
ることになるが、ここで、この容量結合は、プラズマの
着火に寄与するので、導電体１９を設けた場合には、プ
ラズマが着火し難くなる。

【００５０】しかして、この問題は、電力分岐回路１４
を制御し、プラズマの点火時には導電体１９に多くの高
周波電力を配分させ、プラズマの着火促進を図り、その
後、誘導コイル１２、１３に高周波電力を重点的に配分
してプラズマを高密度化するという、一連の着火シーケ
ンスを実行させることにより、容易に解決できる。

【００５１】導電体１９の内側には、絶縁体の板材から
なるカバー２０が設けてあり、これにより処理チャンバ
１内のプラズマ生成空間から、導電体１９が隔離される
ようになっている。

【００５２】そして、このカバー２０の略中央に、処理
ガス配管２１に連通した複数個の吹出口２１Ａが設けて
あり、これにより処理チャンバ１内に処理ガスが導入さ
れるようになっている。

【００５３】また、この実施形態では、処理チャンバ１
の外側に空芯コイル４０が設けてあり、これにより、処
理チャンバ１内のプラズマに所定の磁場を印加し、プラ
ズマの輸送が制御できるようになっている。しかし、こ
のことは、必ずしも必須の要件という訳ではない。

【００５４】次に、図２により誘導コイル１２、１３の
詳細について説明すると、まず、この図２では、円弧状
の太い実線が処理チャンバ１内の真空中にあるコイルの
主要部分となる複数個のコイル要素１２Ａ、１３Ａの夫
々を表わし、太い破線は外側の大気中にあって、コイル
要素間を接続している夫々の導線部１２Ｂ、１３Ｂを表
わしており、このとき、各コイル要素１２Ａ、１３Ａの
夫々の端部にある黒丸は、内部と外部を結ぶ導線の引出
部１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅを
表わす。

【００５５】このときプラズマへの影響を減らすため、
これらの導線の引出部は、上記したスリット４１と同じ
位置に重ならないことが望ましく、この様子を示すた
め、図２には、導電体１９に設けてあるスリット４１も
一緒に描いてある。

【００５６】ところで、図３から図８で後述するよう
に、本発明の実施形態としてのプラズマ生成用誘導コイ
ルの分割方法と接続方法には種々のパターンがあるが、
この図２は、高周波コイルシステムの好ましい実施形態
の一例で、ここでは、２系統のプラズマ生成用誘導コイ
ル１２、１３が、夫々基本的には２ターンのコイルにな
るように構成され、これを１ターンについて３分割し、
各系統毎に６個のコイル要素を用いたものである。

【００５７】詳しく説明すると、まず、この図２の実施
形態における２系統の誘導コイル１２、１３は、円形の
蓋部材１７の内周側と外周側に分けて、ほぼ同心円状に
配置されている。ここでは、図示のように、内側が誘導
コイル１２で、外側が誘導コイル１３になっている。

【００５８】そして、これらの誘導コイル１２、１３
は、上記したように、円弧状の太い実線で描かれている
夫々６本のコイル要素１２Ａ、１３Ａと、太い破線で描
かれている夫々５本の導線部１２Ｂ、１３Ｂで構成され
ている。

【００５９】ここで、各コイル要素１２Ａ、１３Ａは、
何れも、内周側から緩やかに外周側に延びる渦巻の一部
をなす円弧として形成され、このとき各コイル要素１２
Ａ、１３Ａは、夫々が半分の長さにわたって順次重なり
合うようにして配置されている。

【００６０】そして、各コイル要素１２Ａ、１３Ａは、
夫々の両端にある引出部１２Ｃ、１３Ｃにおいて蓋部材
１７の外側の大気中に導線で引き出され、各導線部１２
Ｂ、１３Ｂにより順次接続されるが、このとき、上記し
た重なり合っている部分で折り返した形で接続され、こ
れにより、上記したように、全体として２ターンのコイ
ルが形成されるようになる。

【００６１】このとき、各導線部１２Ｂ、１３Ｂは、図
１に示されているように、蓋部材１７の上側に離れて配
線されるようにし、これにより、処理チャンバ１内のプ
ラズマから充分な距離がとれるようにする。

【００６２】そして、各コイル要素１２Ａ、１３Ａの中
で、最初コイルの端部を夫々引出部１２Ｄ、１３Ｄと
し、最後のコイルの端部を夫々引出部１２Ｅ、１３Ｅと
した上で、図１に示されているように、一方の引出部１
２Ｄ、１３Ｄを夫々電力分岐回路１４に接続し、他方の
引出部１２Ｅ、１３Ｅは夫々接地するのである。

【００６３】ここで、本発明の実施形態における高周波
コイルシステムを構成する誘導コイルの分割方法と接続
方法には、種々のパターンがあり、コイルをどのように
分割し、どのように配置し、どのように接続するかは、
使用する周波数、コイルのインダクタンス、コイルに流
れる電流と発熱量、生成させたいプラズマの分布などに
よって変わってくる。

【００６４】そこで、上記実施形態の動作について説明
する前に、本発明の実施形態による種々のパターンによ
る誘導コイルの分割方法と接続方法について説明する
と、まず、図３は、最も基本的なパターンによる実施形
態で、この誘導コイルは、基本的には２ターンのコイル
である。

【００６５】そして、この２ターンのコイルを１ターン
当り４分割し、合計８個のコイル要素２２Ａとし、これ
らの端部をそれぞれ導線部２２Ｂで接続して２ターンの
コイルとし、一方の端部２２Ｄにより高周波電源１６に
接続し、他方の端部２２Ｅは接地したものである。

【００６６】ここで、コイル要素２２Ａは、処理チャン
バ１の中に設けられ、導線部２２Ｂは外側に引き出され
ていることは言うまでもない。このとき、大気側にある
各コイル要素の導線部２２Ｂは、プラズマに影響しない
ように、プラズマから十分の距離をとることが望まし
い。

【００６７】ここで、従来技術における誘導コイルの場
合、その巻き方に由来して対称構造が崩れてしまうの
で、プラズマの生成に偏りが出てしまうが、この図３の
実施形態による高周波コイルシステムの場合、誘導コイ
ルの中で、プラズマと結合する部分となるコイル要素２
２Ａだけを処理チャンバ１内に配置させ、導線部２２Ｂ
は大気中に取り出されている。

【００６８】ここで、誘導コイルの巻き方で、不均一な
構造をもたらしているのは、この実施形態の場合、導線
部２２Ｂだけであるが、これらは何れも大気中に配置さ
れていて、各コイル要素２２Ａは、短く分割された結
果、全て中心に対して対称的になっている。

【００６９】従って、この図３の実施形態も含め、この
後の図４以降の実施形態によれば、コイルの巻き方に起
因するプラズマの偏りが防止でき、均一なプラズマを確
実に生成させることができる。

【００７０】なお、この図３の場合、コイル要素は対称
的になっていても、誘導コイル全体で見た場合、これに
かかる電圧は高周波電源１６側のコイル要素ほど高く、
接地側ではゼロ電圧になるので、コイルの電圧によって
直接電子が加速されるという容量結合性のプラズマが生
成されてしまうと、電圧が高い部分でプラズマが強くな
って、非対称性が生じる。

【００７１】そこで、この図３以降では図示してない
が、図１に示したように、各コイル要素と略直角に交差
するようにしたスリット４１が形成され、接地した導電
体１９をコイルとプラズマの間に設け、シールドとする
ことにより、コイルとプラズマとの容量結合を防止し、
容量結合による非対称性を抑え、プラズマの軸対称性を
完全に得ることができる。

【００７２】また、このとき、導電体１９を接地する代
りに、所定の電圧の電源に接続することにより、導電体
１９とプラズマの間に設けられたカバー２０に入射する
イオンを制御し、この表面での反応を制御することがで
きる。

【００７３】次に、図４は、各コイル要素２２Ａを、内
周側から緩やかに外周側に延びる渦巻の一部をなす円弧
として、つまり円周方向から外して、僅かに斜め方向に
配置した場合の一実施形態で、この場合、図３に示した
パターンに比較して、各コイル要素２２Ａが重なり合う
ようにして配置できるため、コイル個数を多くすること
ができる。

【００７４】この結果、この図４の実施形態では、円周
方向の均一性が更に良好になる点が利点として挙げら
れ、もう一点、生成されるプラズマの電子温度が低くな
るという利点も挙げることができる。

【００７５】このような場合、通常、電子は誘導コイル
によって生成される電界に沿って、円周上で加速され
る。ここで、最も一般的な例として、１パスカル程度の
圧力のもとで、１３.５６ＭＨｚの放電周波数において
は、殆ど全ての電子は、中性気体分子やラジカルなど、
何等かの粒子に衝突するまで加速される。

【００７６】一方、図４に示す実施形態の場合、コイル
が傾斜しているので、電子は若干径方向に加速されるこ
とになって加速電界を逸脱する電子が生じ、この結果、
電子温度が低く抑えられるのである。

【００７７】ここで、このような電子の加速距離による
電子温度低下による効果は、例えば下記の論文、すなわ
ち、 Shindo et al “Appl. Phys. Lett.” Vol.76, No.10, 6 March 2000 p.1247 に論じられているが、更に、プラズマ生成位置が径方向
に広がるので、ウエハ位置がプラズマ生成部に接近して
いても、均一化が得易いという効果もある。

【００７８】但し、コイル要素の傾斜が少ない場合、誘
導電界は実質的にリング状に電子を加速させるように生
じてしまう。従って、どの程度傾斜させるかは、放電の
寸法とコイル要素とプラズマのカップリングの程度に大
きく左右されるから、注意して決める必要がある。

【００７９】次に、図５も、各コイル要素２２を円周方
向から外して、僅かに斜め方向にした場合の一実施形態
であるが、ここでは、更に各コイル要素２２Ａを長く
し、周方向に概略５／６ターン(角度では略３００°)の
長さになるようにした場合の一実施形態で、こうするこ
とにより、別のターンを構成するコイル要素間の接続距
離が短縮されるので、導線部２２Ｂが短くて済み、大気
側での接続線の取り回しが合理的になる。

【００８０】ところで、現在のところ、このようなプラ
ズマ処理装置では、１３.５６ＭＨｚ程度の放電周波数
が一般的に用いられているが、この場合、電子温度の低
下など放電周波数を高くすることによる様々な効果が報
告されており、プロセスによっては、周波数を高くする
方が有利である。

【００８１】ところで、このように放電周波数を高くし
た場合には、負荷(この場合は誘導コイル)のインダクタ
ンスを下げる必要があるが、次の図６と図７は、このよ
うな要望に応えることができるようにした場合の実施形
態で、これらは何れも図４の実施形態と同じコイル分割
によるものであるが、夫々が各コイル要素の接続を変え
た場合の実施形態になっている。

【００８２】ここで、これら図６と図７の実施形態は、
何れも各コイル要素を並列に接続するすることにより、
合計したインダクタンスが低く抑えられるようにしたも
のであり、このとき、図６ではコイル要素２２Ａを２個
づつ直列にして３回路のコイルとした上で、これらを並
列に接続して３個の並列コイル回路としたもので、図７
では６個のコイル要素２２Ａの全てを並列に接続して６
個の並列コイル回路としたものである。

【００８３】なお、このときの直列回路数と並列回路数
は、これら図６、図７に示した接続方法に限らず、様々
な接続パターンが考えられるが、それらは全て本発明に
含まれるものである。

【００８４】次に、図８は、図３の実施形態と同様なコ
イル分割形式を用い、更にプラズマの分布制御のため、
中心付近に更にもう一系統の誘導コイルを設けた場合の
一実施形態で、ここでは、内側の誘導コイルの構成要素
については、符号に更にＡを付し、外側には更にＢが付
してある。

【００８５】この図８の実施形態の場合、図１に示した
電力分岐回路１４によって、外側の誘導コイルと内側の
誘導コイルに対する高周波電力の配分を変え、これによ
り、プラズマの分布を自在に制御することができる。

【００８６】また、この図８の場合、外側の誘導コイル
と内側の誘導コイルの距離を、これらのコイルとプラズ
マとの距離に対して十分大きくとることにより、夫々コ
イルにより別個の位置にプラズマを生成させることがで
き、従って、この場合、電力分岐回路１４により外側と
内側のコイルの電力配分を変えてやれば、更に広範囲に
プラズマの分布を制御することができる。

【００８７】次に、図９も、図８とほぼ同様の構成であ
るが、更にＡが付された外側のコイルとＢが付された内
側のコイルに流れる電流の向きを反転させた場合の一実
施形態で、この場合、外側のコイルの各コイル要素２２
ＡＡと内側のコイル要素ＡＢの間では誘導磁場が打ち消
し合うようになる。

【００８８】従って、この図９の実施形態の場合は、外
側のコイルと内側のコイルの距離を図８の実施形態の場
合よりも近くしても、夫々のコイルの近傍毎に完全に２
箇所分けてプラズマを生成することができる。但し、こ
のとき、内外各々のコイルに供給される高周波電力につ
いて、それらの位相を合わせておく必要があることは言
うまでもない。

【００８９】ここで、これら図８と図９の実施形態は、
誘導コイルを２系統設け、各々の系統でコイルの電力配
分を変え、プラズマ分布を制御するものであるが、次の
図１０も同じく２系統のコイル配置による実施形態であ
る。

【００９０】そして、この図１０の実施形態は、図４と
図５に示した、円周方向からコイル要素を斜めに逸らし
たタイプの誘導コイルを２系統設けた場合の本発明の一
実施形態であり、従って、これが図２の実施形態に相当
する。

【００９１】従って、図１と図２の実施形態によれば、
コイルの巻き方に起因するプラズマの偏りが防止でき、
均一なプラズマを確実に生成させることができる。

【００９２】次に、同じく図１と図の実施形態によれ
ば、接地した導電体１９をコイルとプラズマの間に設け
てあるので、コイルとプラズマとの容量結合を防止し、
容量結合による非対称性を抑え、プラズマの軸対称性を
完全に得ることができる。

【００９３】また、同じく図１と図２の実施形態によれ
ば、各コイル要素１２Ａ、１３Ａが夫々重なり合うよう
にして配置できるため、コイル個数を多くすることがで
き、この結果、円周方向の均一性が更に良好になり、生
成されるプラズマの電子温度を低く抑えることができ
る。

【００９４】ところで、以上の実施形態では、何れの場
合もコイル要素１２Ａ、１３Ａ、２２Ａの両端が大気側
に引き出されており、しかも何れも１ターン以下の比較
的短い長さに抑えられている。

【００９５】従って、上記した本発明の実施形態によれ
ば、各コイル要素１２Ａ、１３Ａ、２２Ａをアルミニウ
ムなどの比較的熱伝導性のよい材料で形成してやれば、
各コイル要素の熱が大気側に伝達されるので、各コイル
要素の発熱による温度上昇を容易に抑えることができ、
この結果、上記実施形態によれば、処理チャンバの温度
管理が容易になり、構成の簡略化を図ることができる。

【００９６】このとき、必要に応じて、導線部による放
熱が更に促進されるようにしても良く、図１１は、導線
部での放熱促進が図れるようにした本発明の一実施形態
で、図示のように、例えばコイル要素２２Ａの大気中で
の導線部２２Ｂとして、冷却用のフィンを備えた導電体
３０を設けたものである。

【００９７】このとき、導電体３０は、大気に対して広
い伝熱面積を与え、コイル要素２２Ａから伝達された熱
を効率的に放散させる働きをするので、雰囲気温度に応
じた所定の冷却機能が得られることになる。なお、必要
に応じでファンなどによる強制空冷を適用しても良い。

【００９８】この図１１では、分かり易くするため、コ
イル要素以外の部品が図示されてないが、実際には導電
体３０は大気側で、コイル要素２２Ａは真空側にある。
そして、この場合、冷却を考えると、各コイル要素の長
さは短いほうがよく、願わくば１ターン未満であること
が望ましい。

【００９９】ここで、以上の説明では、本発明を半導体
デバイス製造用のプラズマエッチング装置に適用した場
合の実施形態を例としていたが、本発明は、上記したプ
ラズマエッチング装置に限定されるものではなく、プラ
ズマＣＶＤ装置、プラズマアッシング装置、プラズマス
パッタ装置などにも適用可能であり、更には半導体デバ
イスの処理のみならず、液晶ディスプレイ基板の処理
や、その他、表面処理全般に適用が可能であることは言
うまでもない。

【０１００】

【発明の効果】本発明によれば、処理チャンバ内でのプ
ラズマ生成領域が広い範囲にわたって均一化できると共
に、電子の加速距離が短くなるので、電子温度の低下が
得られる。

【０１０１】これにより、ウエハがプラズマ生成部に近
くても、均一なプラズマ分布が得られると共に、低電子
温度化によりチャージアップダメージが低減できるとい
う効果が得られる。

【０１０２】また、本発明によれば、複数の系統の誘導
コイルを設置することにより、それぞれのコイルに対し
てプラズマを生成し、プラズマやラジカルの分布を自在
に制御することができる。

【０１０３】更に、本発明によれば、コイルを分割し、
大気側で接続することにより、プラズマ分布の均一性と
共に、コイルが真空側にあっても、コイルの冷却が効率
的に得られるという効果が得られる。

【０１０４】そして、以上の結果、全体としてのプラズ
マ処理性能と装置の稼働率が向上でき、ハイスループッ
トのもとでの微細なエッチング加工や、高品質の成膜加
工、表面処理などを可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を
示す断面図である。

【図２】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を
示す平面図である。

【図３】本発明に係る誘導コイルの第１の実施形態を示
すパターン説明図である。

【図４】本発明に係る誘導コイルの第２の実施形態を示
すパターン説明図である。

【図５】本発明に係る誘導コイルの第３の実施形態を示
すパターン説明図である。

【図６】本発明に係る誘導コイルの第４の実施形態を示
すパターン説明図である。

【図７】本発明に係る誘導コイルの第５の実施形態を示
すパターン説明図である。

【図８】本発明に係る誘導コイルの第６の実施形態を示
すパターン説明図である。

【図９】本発明に係る誘導コイルの第７の実施形態を示
すパターン説明図である。

【図１０】本発明に係る誘導コイルの第８の実施形態を
示すパターン説明図である。

【図１１】本発明に係る誘導コイルの第９の実施形態を
示す説明図である。

【符号の説明】

１ 処理チャンバ １Ａ プラズマ処理室 ２ 真空排気手段 ３ 半導体ウエハ ４ 搬送システム ５ 電極装置(ステージ) ６ 直流電源 ７ 静電チャック ８ 整合回路 ９ 高周波電源 １０ サセプタ １１ カバー １２ 誘導コイル １２Ａ コイル要素 １２Ｂ 導線部 １２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ 引出部 １３ 誘導コイル １３Ａ コイル要素 １３Ｂ 導線部 １３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ 引出部 １４ 電力分岐回路 １５ 整合回路 １６ 高周波電源 １７ 蓋部材 １８ 板材 １９ 導電体 ２０ カバー ２２ 処理ガス配管 ２１Ａ 吹出口 ２２Ａ コイル要素 ２２Ｂ 導線部 ２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ 引出部 ３０ フィンを備えた導電部 ４０ 空芯コイル ４１ スリット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉岡 健 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 (72)発明者 牧野 昭孝 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 Ｆターム(参考） 4K030 CA04 CA12 FA04 JA16 JA17 KA15 KA30 KA34 KA41 5F004 AA01 AA05 AA06 AA16 BA20 BB13 BB18 BB25 BB29 BB32 BD04 CA03 5F045 AA08 BB01 BB08 BB16 DP03 DQ10 EH11 EH19 EJ02 GB15

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理チャンバに少なくとも１ターンのコ
   イルからなるプラズマ生成用の誘導コイルを備えた誘導
   結合型プラズマ処理装置において、 前記誘導コイルが、前記処理チャンバ内に配置された複
   数の部分と、前記チャンバの外に配置された複数の部分
   に分割されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の発明において、 前記プラズマ生成用の誘導コイルが、前記処理チャンバ
   の中心から同心円状を為して配置された少なくとも２系
   統の誘導コイルで構成されていることを特徴とするプラ
   ズマ処理装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の発明において、 前記誘導コイルの処理チャンバ内に配置された複数の部
   分が、各々前記処理チャンバの中心に対して同心円の一
   部を為して配置されていることとを特徴とするプラズマ
   処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の発明において、 前記誘導コイルの処理チャンバ内に配置された複数の部
   分が、各々前記処理チャンバの中心から始まる渦巻の一
   部を為して配置されていることとを特徴とするプラズマ
   処理装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜請求項４に記載の何れかの発
   明において、 前記誘導コイルと前記処理チャンバ内のプラズマ発生空
   間の間に、前記処理チャンバ内に配置された複数の部分
   と略直交する方向にスリットを備えた導電板材が設けら
   れていることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜請求項５に記載の何れかの発
   明において、 前記処理チャンバに磁場印加手段が設けられていること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 請求項２に記載の発明において、 前記少なくとも２系統の誘導コイルは、夫々毎に電力配
   分制御されるように構成されていることを特徴とするプ
   ラズマ処理装置。
8. 【請求項８】 請求項５に記載の発明において、 前記導電板材は、共通電位に対してゼロ電圧を含む所定
   の電圧が印加されていることを特徴とするプラズマ処理
   装置。
9. 【請求項９】 請求項５に記載の発明において、 前記導電板材に、プラズマ着火時とプラズマ着火後で異
   なった電圧を印加する手段が設けられていることを特徴
   とするプラズマ処理装置。