JP2003188153A - 誘導結合型プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ領域を従来よりも大きくすることが
できる誘導結合型プラズマ生成装置の提供。 【解決手段】 プラズマ生成空間に交番磁界を形成する
平面状誘導コイル７を備えて、誘導結合によりプラズマ
を生成するイオン源２において、プラズマ生成チャンバ
６の周囲にリング状のマグネット１０Ａ，１０Ｂを配設
する。マグネット１０Ａ，１０ＢはＳ極同士が対向する
ように配設されているので、プラズマ生成チャンバ６内
にカスプ磁界が形成される。誘導コイル７による交番磁
界はマグネット１０Ａ，１０Ｂの磁界２０Ａ，２０Ｂと
交互に結合して、複合磁界２１，２２が交互に発生され
る。この複合磁界２１，２２の磁力線密度の高い領域
は、交番磁界の場合よりも大きな領域にリング状に形成
される。その結果、従来のプラズマ領域よりも広い範囲
に分布するリング状プラズマ領域が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導結合プラズマ
励起法によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ生
成装置、および、その誘導結合型プラズマ生成装置で形
成されたプラズマを利用してエッチングや成膜等を行う
プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスのシリコンウェハや液晶
表示デバイスのガラス基板などにエッチング、成膜、ス
パッタリング等の処理を施す基板処理装置として、プラ
ズマを利用してそれらの処理を行うものがある。これら
の基板処理装置に利用されるプラズマ生成装置の一つ
に、誘導結合方式のプラズマ励起法によりプラズマを生
成する誘導結合型プラズマ生成装置がある。図６は従来
の誘導結合型プラズマ生成装置のプラズマ励起部の概略
構成を示す図である。

【０００３】図６において、１００はプラズマ生成装置
の真空チャンバであり、筒状の真空チャンバ１００の上
端面１００ａの外側には平面状の誘導コイル１０１が設
けられている。誘導コイル１０１はマッチングユニット
１０２を介して高周波電源１０３に接続されている。マ
ッチングユニット１０２は、電気エネルギーがプラズマ
に効率良く伝達されてプラズマ生成に最適な条件となる
ようにインピーダンス整合を図るために設けられてい
る。誘導コイル１０１に高周波電圧を印加すると、誘導
コイル１０１により高周波の磁界が生じる。真空チャン
バ内にはアルゴンガス等が導入されており、高周波磁界
により誘導された高周波の電界の働きによって、誘導結
合によるプラズマが生成される。

【０００４】符号１０６は誘導コイル１０１により生成
された高周波磁界の磁力線の概略を示したものである。
コイル１０１の周囲に形成された磁力線１０６は上端面
１００ａの中央付近においてチャンバ外からチャンバ内
へと進入し、その後、上端面１００ａの周辺方向へと弧
を描くように曲がってチャンバ外へと抜け出ている。生
成されたプラズマは磁界によりトラップされ、図６の場
合には符号Ｒで示すような断面形状のプラズマ領域が形
成される。なお、誘導コイル１０１により生成される磁
界は交番磁界なので、図６に示す磁界と逆向きの磁界と
が交互に現れる。

【０００５】このようにして生成されたプラズマは、上
述したような各種基板処理に利用される。例えば、イオ
ンビームエッチング装置の場合には、図６の上端面１０
０ａと対向する位置にプラズマ中のアルゴンイオンを図
示下方に引き出すための電極１０４を設けて、イオンビ
ーム１０５を引き出す。エッチング処理能力の向上やエ
ッチングの均一性の向上を図るためには、大口径のビー
ムで基板全体を照射するのが好ましい。イオンビーム１
０５のビーム径ｄはプラズマ領域の大きさに依存してい
るため、よりビーム径ｄの大きなイオンビーム１０５を
形成するには、誘導コイル１０１の径を大きくして分布
領域の大きなプラズマ領域Ｒを得るようにすればよい。
また、イオンビームエッチングに限らずプラズマを利用
する基板処理装置では、プラズマ領域が大きいほど処理
速度や処理の均一性が向上する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プラズ
マ領域を拡大する目的で誘導コイル１０１の径を大きく
すると、コイル１０１のインダクタンスＬが大きくなり
すぎて、マッチングユニットによるマッチングができな
くなるという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、プラズマ領域を従来より
も大きくすることができる誘導結合型プラズマ生成装
置、および、その誘導結合型プラズマ生成装置を用いた
プラズマ処理装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１，２および５に対応付けて説明する。 （１）請求項１の発明は、高周波電圧を発生する高周波
電源９と、高周波電圧の印加によりプラズマ生成空間に
交番磁界を形成する平面状誘導コイル７とを備え、誘導
結合によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ生成
装置２に適用され、平面状誘導コイル７の中心軸Ｊを軸
とするリング状の第１カスプ部および中心軸Ｊ上の第１
カスプ部Ｃ３を挟む位置に形成される一対の第２カスプ
部Ｃ１，Ｃ２を有し、かつ、平面状誘導コイル７による
交番磁界と結合するカスプ磁界を発生する磁界発生装置
１０を備えて上述の目的を達成する。 （２）請求項２の発明は、請求項１に記載の誘導結合型
プラズマ生成装置において、磁界発生装置１０は、軸方
向に磁化された一対のリング状永久磁石１０Ａ，１０Ｂ
を、同極同士が対向するように平面状誘導コイル７に対
してほぼ平行に配設したものである。 （３）請求項３の発明は、請求項２に記載の誘導結合型
プラズマ生成装置において、リング状永久磁石１０Ａ，
１０Ｂに代えてリング状の電磁石３０Ａ，３０Ｂを用い
たものである。 （４）請求項４の発明によるプラズマ処理装置は、請求
項１〜３のいずれかに記載の誘導結合型プラズマ生成装
置２を備え、誘導結合型プラズマ生成装置２により生成
されたプラズマを利用して基板Ｓの処理を行うものであ
る。

【０００９】なお、上記課題を解決するための手段の項
では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態
の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態
に限定されるものではない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明によるプラズマ処理装
置の一実施の形態を示す図であって、イオンビームエッ
チング装置の概略構成を示す模式図である。真空チャン
バ１内は排気装置Ｐにより真空排気され、真空チャンバ
１内にはイオン源２，基板ステージ３が設けられてい
る。イオン源２のプラズマ生成チャンバ６内には、ガス
供給源４からプラズマを生成するためのアルゴン（Ａ
ｒ）ガスが供給される。このアルゴンガスの供給量はマ
スフローコントローラ５により制御される。

【００１１】プラズマ生成チャンバ６は円筒形状のチャ
ンバであり、その上端面６ａの外側近傍には平面状の誘
導コイル７が配設されている。なお、プラズマ生成チャ
ンバ６の形状は円筒出なくても良い。誘導コイル７には
マッチングユニット８を介して高周波電源９が接続され
ている。高周波電源９には、例えば、一般的に供給され
ている周波数１３．５６ＭＨｚの電源が用いられる。ま
た、プラズマ生成チャンバ６の側面の周囲には、チャン
バ内に静磁界を形成するためのマグネット１０が設けら
れている。マグネット１０は永久磁石により構成されて
いる。誘導コイル７に高周波電圧を印加すると、誘導結
合によりアルゴンガスが励起されてプラズマ生成チャン
バ６内にアルゴンイオンを含むプラズマが生成される。

【００１２】プラズマ生成チャンバ６の上端面６ａと対
向する位置には、生成されたプラズマからアルゴンイオ
ンを引き出すためのグリッドＧ１，Ｇ２およびＧ３が設
けられている。各グリッドＧ１〜Ｇ３には、グリッド電
源１１によりグリッド電圧がそれぞれ印加されている。
例えば、グリッドＧ１には８００Ｖ、グリッドＧ２には
−４００Ｖの電圧がそれぞれ印加され、グリッドＧ３は
アースされて電位＝０Ｖとなっている。このような電圧
を各グリッドＧ１〜Ｇ３に印加することにより、イオン
源２からアルゴンイオンのイオンビーム１２が引き出さ
れ基板ステージ３上の基板Ｓに照射される。

【００１３】図２（ａ）はイオン源２の誘導コイル７お
よびマグネット１０の部分の拡大図である。マグネット
１０は一組のリング状マグネット１０Ａ，１０Ｂからな
り、マグネット１０Ａ，１０Ｂはマグネットホルダ１３
に保持されている。マグネット１０Ａ，１０Ｂはそれぞ
れアキシャル方向（厚さ方向）に磁化されており、マグ
ネット１０Ａは図示上側がＮ極で、下側がＳ極となるよ
うに配設されている。一方、マグネット１０Ｂは、Ｓ極
がマグネット１０ＡのＳ極と対向するように逆向きに配
設されている。なお、Ｎ極同士を対向させても良い。

【００１４】マグネットホルダ１３は透磁率の大きな磁
性材で形成されており、発生する磁界の効率を上げ、漏
洩磁界をブロードにしないようにするために用いられ
る。各マグネット１０Ａ，１０Ｂのリングの外側に分布
する磁力線は、ほとんどこのマグネットホルダ１３内を
通過してＳ極へと入る。なお、原理的には、磁性材によ
るマグネットホルダ１３を用いなくても良い。この一組
のマグネット１０Ａ，１０Ｂにより形成される磁界は、
磁力線２０Ａ，２０Ｂで示すようなるカスプ（cusp）磁
界となっている。

【００１５】図２（ｂ）は磁力線２０Ａを誘導コイル７
側から見た図である。Ｊはプラズマ生成チャンバ６およ
び誘導コイル７の中心軸である。マグネット１０ＡのＮ
極から出た磁力線２０Ａは、軸Ｊ方向に進行した後に、
再びマグネット１０Ａ方向に曲がってＳ極に入る。マグ
ネット１０Ｂに関しても全く同様となっており、磁力線
２０Ａと磁力線２０Ｂとは軸Ｊに垂直な面Ｐ１（図２
（ａ））に関して対称になっている。そのため、図２
（ａ）に示すカスプ磁界では、磁力線２０Ａおよび２０
Ｂにより囲まれた領域ＣＲができる。この領域ＣＲは軸
Ｊ上に尖った領域（カスプ）Ｃ１、Ｃ２を有するととも
に、軸Ｊを囲むリング状の尖った領域（カスプ）Ｃ３を
有している。このようなカスプを形成する磁界のことを
カスプ磁界と呼ぶ。

【００１６】本実施の形態の装置では、マグネット１０
Ａ，１０Ｂにより図２（ａ），（ｂ）に示すようなカス
プ磁界を形成しつつ、誘導コイル７による交番磁界を発
生させてプラズマを生成する。図３は誘導コイル７とマ
グネット１０Ａ，１０Ｂとにより形成される磁界の様子
を定性的に示したものである。誘導コイル７による磁界
は交番磁界であって、図３の（ａ）はその磁界が図６に
示したものと同様な場合を示しており、（ｂ）は交番磁
界の磁力線の向きが図６の磁力線１０６とは逆向きの場
合を示している。

【００１７】誘導コイル７により形成される磁界の磁力
線は、図６の磁力線１０６と同様にコイル面と垂直な平
面内でループを描いている。同様に、各マグネット１０
Ａ，１０Ｂによる磁界の磁力線２０Ａ，２０Ｂもコイル
面と垂直な平面内で曲線を描いている。そのため、図３
（ａ）の場合には誘導コイル７の磁界とマグネット１０
Ａの磁界とが結合して、磁力線２１で示すような複合磁
界を形成する。一方、図３（ｂ）の場合には、誘導コイ
ル７の磁界と下側のマグネット１０Ｂの磁界とが結合し
て、磁力線２２で示すような複合磁界を形成する。

【００１８】誘導コイル７の磁力線の向きは時間的に交
互に変化するので、図３（ａ）に示す磁界と図３（ｂ）
に示す磁界とは交互に現れる。そのとき、図４のプラズ
マ生成チャンバ６内の符号２３で示すリング状領域で
は、いずれの場合においても磁力線が密となっており、
プラズマ励起への寄与が他の領域より大きくなる。

【００１９】すなわち、本実施の形態では、マグネット
１０Ａ，１０Ｂの磁界は、軸Ｊを中心軸とするリング状
のカスプＣ３と、軸Ｊ上にあってカスプＣ３を挟むよに
形成されたカスプＣ１，Ｃ２を有するカスプ磁界を形成
し、マグネット１０Ａ，１０Ｂの磁力線は、軸Ｊを含む
面に沿ってＮ極から出てＳ極へと入るので、磁力線が軸
Ｊを含む面に沿ってループを描く誘導コイルの磁界と結
合することができる。その結果、リング状領域２３にお
いてプラズマ密度が高くなり、リング状のプラズマがプ
ラズマ生成チャンバ６内に形成される。

【００２０】図４のＤ１はプラズマ密度の高い領域の直
径、すなわちリング状プラズマの直径を示している。上
述したように、複合磁界２１，２２は誘導コイル７の磁
界とマグネット１０Ａまたはマグネット１０Ｂの磁界と
が結合して形成されたものであり、図４に示すように直
径Ｄ１は誘導コイル７の直径と同程度となる。そのた
め、リング状プラズマ領域の外径は、図６に示した従来
のプラズマ領域Ｒの外径よりも大きくなる。その結果、
ビーム源２は従来よりもビーム径の大きなイオンビーム
を形成することができ、エッチング処理能力の向上やエ
ッチングの均一性の向上を図ることができる。

【００２１】リング状プラズマの直径Ｄ１の大きさは、
マグネット１０Ａ，１０Ｂの磁力の設定や配置を調節す
ることにより変えることができる。なお、マグネット１
０Ａおよび１０Ｂの磁力は等しいとは限らず、適切なプ
ラズマ領域が得られるように互いの磁力のバランスを調
整しても良い。

【００２２】また、上述した実施の形態ではマグネット
１０Ａ，１０Ｂに永久磁石を用いたが、図５（ａ）のよ
うに、空芯コイルの電磁石３０Ａ，３０Ｂを使用しても
良い。電磁石３０Ａの電流の流れる方向は矢線３１Ａ方
向で、電磁石３０Ｂの電流は逆向きの矢線３１Ｂ方向と
なる。この場合、電磁石３０Ａ，３０Ｂの電流の大きさ
およびバランスを調整することにより、容易にプラズマ
領域を調整することができる。

【００２３】さらに、リング状のマグネット１０Ａ，１
０Ｂに代えて、図５（ｂ）に示すように複数の永久磁石
３２Ａ，３２Ｂをプラズマ生成チャンバ６の周囲にリン
グ状に配設しても良い。なお、図５（ｂ）ではマグネッ
トホルダ１３の図示を省略したが、上側の永久磁石３２
Ａはマグネットホルダ１３の上段の溝内に配設され、下
側の永久磁石３２Ｂはマグネットホルダ１３の下段の溝
内に配設される。

【００２４】上述した実施の形態では、イオンビームエ
ッチング装置を例に説明したが、本発明は、プラズマＣ
ＶＤ，イオンビームミリング，イオンビームスパッタリ
ング等のプラズマを利用した処理装置にも適用すること
ができる。

【００２５】以上説明した実施の形態と特許請求の範囲
の要素との対応において、イオン源２は誘導結合型プラ
ズマ生成装置を、尖った領域Ｃ３は第１カスプ部を、尖
った領域Ｃ１，Ｃ２は第２カスプ部を、マグネット１０
は磁界発生装置をそれぞれ構成する。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
平面状誘導コイルが形成する交番磁界と磁界発生装置が
発生するカスプ磁界とにより複合磁界が形成され、プラ
ズマ領域を従来よりも大きくすることができる。特に、
請求項３の発明では磁界発生装置が電磁石により構成さ
れるので、電磁石の電流を調整することによりプラズマ
領域を調整することができる。

【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の形態
を示す図であり、イオンビームエッチング装置の概略構
成を示す図である。

【図２】カスプ磁界を説明する図であり、（ａ）はイオ
ン源２の誘導コイル７およびマグネット１０の部分の拡
大図であり、（ｂ）は磁力線２０Ａａを誘導コイル７側
から見た図である。

【図３】複合磁界を説明する図であり、（ａ）は誘導コ
イル７の磁界とマグネット１０Ａの磁界とが結合した場
合を、（ｂ）は誘導コイル７の磁界とマグネット１０Ｂ
の磁界とが結合した場合を示す。

【図４】本実施の形態におけるプラズマ領域を説明する
図である。

【図５】マグネット１０Ａ，１０Ｂの他の例を示す図で
あり、（ａ）は電磁石３０Ａ，３０Ｂを用いた場合を示
し、（ｂ）は複数の永久磁石をリング状に並べた場合を
示す。

【図６】従来の誘導結合型プラズマ生成装置のプラズマ
励起部の概略構成を示す図である。

【符号の説明】 １ 真空チャンバ ２ イオン源 ３ 基板ステージ ６ プラズマ生成チャンバ ７ 誘導コイル ８ マッチングユニット ９ 高周波電源 １０，１０Ａ，１０Ｂ マグネット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 FA04 KA30 LA15 5F004 BA11 BB07 BB18 5F045 AA08 EH11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波電圧を発生する高周波電源と、前
   記高周波電圧の印加によりプラズマ生成空間に交番磁界
   を形成する平面状誘導コイルとを備え、誘導結合により
   プラズマを生成する誘導結合型プラズマ生成装置におい
   て、 平面状誘導コイルの中心軸を軸とするリング状の第１カ
   スプ部および前記中心軸上の前記第１カスプ部を挟む位
   置に形成される一対の第２カスプ部を有し、かつ、前記
   平面状誘導コイルによる交番磁界と結合するカスプ磁界
   を発生する磁界発生装置を備えたことを特徴とする誘導
   結合型プラズマ生成装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の誘導結合型プラズマ生
   成装置において、 前記磁界発生装置は、軸方向に磁化された一対のリング
   状永久磁石を、同極同士が対向するように前記平面状誘
   導コイルに対してほぼ平行に配設したものであることを
   特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の誘導結合型プラズマ生
   成装置において、 前記リング状永久磁石に代えてリング状の電磁石を用い
   たことを特徴とする誘導結合型プラズマ生成装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の誘導結
   合型プラズマ生成装置を備え、前記誘導結合型プラズマ
   生成装置により生成されたプラズマを利用して基板の処
   理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。