JP2003323998A - 高周波誘導結合プラズマ生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ領域の拡大および均一なプラズマの
形成が可能な高周波誘導結合プラズマ生成装置の提供。 【解決手段】 プラズマ室ボディ３および励起コイル６
を囲むように軟磁性体の磁路構造体７を設ける。励起コ
イル６で形成された高周波磁界の磁束線２０は、磁路構
造体７のコア部７Ａの設けられたプラズマ室ボディ３の
上端面からプラズマ室２に導入され、プラズマ室２を交
差した後に側面リターン部７Ｂへと導かれる。磁束線２
０は、帰還経路である側面リターン部７Ｂおよび背面リ
ターン部７Ｃの内部を通ってコア部７Ａへと戻る。その
結果、磁束線２０がプラズマ室２内の広い領域に均一に
分布し、均一なプラズマをより広い空間領域に形成する
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、高周波誘導結合プ
ラズマ生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウェハや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
生成装置の一つとして、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があ
る。誘導結合型プラズマ生成装置では、プラズマ生成室
の近傍に設けられた励起コイルに高周波電流を流してプ
ラズマ生成室内に高周波磁界を生成する。高周波磁界は
プラズマ生成室内に高周波誘導電界を誘起し、この誘導
電界によってプラズマ生成室内のガスをイオン化するこ
とによってプラズマが生成される。

【０００３】図６は従来のプラズマ生成装置の一例を示
したものであり、図６（ａ）は励起コイルとしてソレノ
イド型コイル１００を用いるものであり、図６（ｂ）は
平面型コイル１０４を用いるものである。図６（ａ）の
装置では、ソレノイド型コイル１００を、プラズマ生成
室を構成する管状チャンバ１０３の周囲に巻き付けるよ
うな形態で配置する。ソレノイド型コイル１００には整
合器１０１を介して高周波電源１０２からの高周波電流
が供給され、コイル１００の中心軸に平行な高周波磁界
が管状チャンバ１０３内に形成される。その結果、管状
チャンバ１０３内にプラズマＰが生成される。

【０００４】一方、図６（ｂ）に示す装置では、チャン
バ１０５の上端面に高周波導入窓１０６が設けられ、高
周波導入窓１０６の外側に平面型コイル１０４が配設さ
れている。平面型コイル１０４により形成された高周波
磁界は高周波導入窓１０６からチャンバ１０５に侵入
し、チャンバ１０５内の高周波導入窓１０６に近接した
空間領域にプラズマＰが生成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
プラズマ生成装置が使用される基板処理装置において
は、基板の大口径化が進展しつつあり、プラズマ生成装
置に対しては、より大きなプラズマ領域の生成が要求さ
れている。そのため、図６（ａ）のソレノイド型コイル
１００を用いる装置の場合は、大口径基板に対応するに
はコイル径を大きくするとともに、それに伴って十分な
磁束密度を確保するためにコイル巻き数を多くする必要
がある。

【０００６】しかしながら、コイル形状の拡大はインダ
クタンスの増加と、巻き線の長さの増加による損失抵抗
の増大を伴う。周波数一定であればインダクタンスの増
加は電流阻止リアクタンスとして作用するので、整合器
１０１で整合をとることによりこれを補正することにな
る。しかしながら、この補正は整合器１０１に設けられ
たキャパシターのキャパシタンスＣを小さくすることに
より行われるので、寄生容量の影響を受けやすくなる。
すなわち、整合条件が安定調整域を逸脱する方向に変化
し、プラズマ生成が不安定となりやすい。

【０００７】一方、図６（ｂ）の装置では、巻き数を多
くしてコイル径を大きくしても、コイル中心部分の磁界
強度がより大きくなるだけで、期待したようにプラズマ
領域の拡大を図ることができないばかりか、均一性が低
下するという問題があった。また、平面型コイル１０４
の場合には、コイル下側のチャンバ空間だけでなくコイ
ル上側の空間にも磁界が形成されるため、プラズマへの
エネルギー伝達効率が劣るという欠点があった。

【０００８】本発明の目的は、エネルギー伝達効率の低
下を防止しつつプラズマ領域の拡大が図れるとともに、
均一なプラズマを形成することができる高周波誘導結合
プラズマ生成装置を提供することにある。

【０００９】

【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および図２に対応付けて説明する。 （１）請求項１の発明による高周波誘導結合プラズマ生
成装置は、プラズマが形成される筒状のプラズマ生成室
３と、高周波磁界を形成する励起コイル６と、プラズマ
生成室３の端面から側面へと高周波磁界の磁束線２０を
導き、前記側面から前記端面へと帰還する磁束線２０の
磁路が形成される磁路構造体７と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に記載の高周波誘導
結合プラズマ生成装置において、磁路構造体７は、
（ａ）励起コイル６の内側に配設されて高周波磁界の磁
束線２０を前記端面を通ってプラズマ生成室３内へと導
く第１の軟磁性体部材７Ａと、（ｂ）筒状プラズマ生成
室３の外側部に配設されてプラズマ生成室３内へと導か
れた磁束線２０を前記側面へと導く第２の軟磁性体部材
７Ｂと、（ｃ）第１の軟磁性体部材７Ａを挟んで前記端
面と反対側に配設されて前記側面へと導かれた磁束線２
０を第２の軟磁性体部材７Ｂを通って第１の軟磁性体部
材７Ａへと帰還させる第３の軟磁性体部材７Ｃとを有す
るものである。

【００１０】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。

【００１１】

【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は本発明による高周波誘導結合
プラズマ生成装置の一実施の形態を示す図である。図１
はプラズマ生成装置の概略構成を示したものであり、一
点鎖線よりも図示上側の部分Ｂがプラズマ生成装置１を
構成している。プロセス室である真空チャンバ１２の上
部にはプラズマ生成装置１のプラズマ室２を形成するプ
ラズマ室ボディ３が設けられている。プラズマ室ボディ
３は従来装置の高周波導入窓と同様にセラミックスなど
で形成されており、高周波磁界はプラズマ室ボディ３を
通してプラズマ室２内へ侵入する。真空チャンバ１２は
排気口１２ａに接続された真空ポンプ（不図示）により
真空排気される。

【００１２】図１に示すプラズマ生成装置１ではプラズ
マ室ボディ３は円筒形を成しており、プラズマ室ボディ
３の外側には、円筒端面に対向するように励起コイル６
が設けられている。励起コイル６は２ターンのソレノイ
ド型コイルであり、整合器８を介してＲＦ電源９が接続
されている。なお、本実施の形態では、励起コイル６は
ソレノイド型コイルとしたが、例えば、１ターンの平面
型コイルとしても良い。ＲＦ電源９の周波数としては、
経済性を考慮して１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度が用いら
れるが、本実施の形態では１３．５６ＭＨｚの高周波電
源が使用される。

【００１３】整合器８にはインピーダンス整合用のキャ
パシタが設けられており、このキャパシタのキャパシタ
ンスを調整することにより整合条件の調整を行うことが
できる。プラズマを生成する際には、アルゴンガス等が
プラズマ室２内に導入される。プラズマ室ボディ３の周
囲には、プラズマ室ボディ３を覆うように磁路構造体７
が設けられている。磁路構造体７は、後述するように励
起コイル６で形成された磁束のリターン回路を構成して
おり、高周波特性の良い、すなわち励振周波数域での損
失特性に優れた軟磁性体材料により形成される。例え
ば、鉄、ニッケル、コバルト等が用いられる。

【００１４】プラズマ室２と真空チャンバ１２との間に
は、導電性のグリッド型アパーチャ４が設けられてい
る。アパーチャ４には電源５により電圧Ｖaccが印加さ
れている。このアパーチャ４によりプラズマ室２にプラ
ズマが閉じこめられるとともに、プラズマ中から引き出
されたイオンが加速電圧Ｖaccにより図示下方に加速さ
れる。その結果、プラズマ生成装置１からイオンビーム
が引き出され、様々なプロセスに利用される。本実施の
形態では、真空チャンバ１２内には走査式のファラデー
カップ１０が設けられており、これを用いてイオンビー
ムの電流密度を計測することができる。イオン電流は微
小電流計１１により計測される。

【００１５】図２は磁路構造体７の具体例を示す図であ
る。図２（ａ）に示すように、磁路構造体７は機能的に
３つの部分から成る。第１は、励起コイル６の内部に配
置されてコイル中心部分の磁束をまとめるとともに分布
を均一化するコア部７Ａである。磁束線２０はこのコア
部７Ａの下端面からプラズマ室２内に入り込む。第２
は、励起コイル６およびプラズマ室ボディ３の外周部に
設けられて、コア部７Ａの端面を出た磁束線２０をプラ
ズマ室ボディ３の側面部分へと導く側面リターン部７Ｂ
である。プラズマ室ボディ３の側面部分を通過した磁束
線２０は円筒状の側面リターン部７Ｂへと入る。第３
は、側面リターン部７Ｂに侵入した磁束線２０をコア部
７Ａに帰還させる背面リターン部７Ｃである。

【００１６】高周波エネルギーは、励起コイル６から誘
導磁界エネルギーとして放射され、プラズマ室２内のプ
ラズマに供給される。なお、図２（ａ）では磁路構造体
７を機能毎に７Ａ，７Ｂ，７Ｃに分けて示したが、必ず
しも３分割されていることを意味するものではなく、磁
路構造体７は一体に形成されていても良い。

【００１７】図２（ａ）に示す例では、側面リターン部
７Ｂの上端面を背面リターン部７Ｃの下端面に密着させ
ているが、必ずしも密着させる必要はない。例えば、図
７（ｂ）のように離れていても良い。軟磁性体である磁
路構造体７の透磁率は空気の透磁率よりもはるかに大き
いため、側面リターン部７Ｂの上端面を出た磁束線２０
はほぼ全てが背面リターン部７Ｃへと入る。

【００１８】図３は、本実施の形態のプラズマ生成装置
１における高周波磁界の様子を、平面型コイルを用いた
従来の装置と比較して示した図である。図３（ａ）は図
２（ａ）と同様の図である。上述したように、本実施の
形態のプラズマ生成装置１では、側面リターン部７Ｂを
設けてコア部７Ａの下端面を出た磁束線２０を側面リタ
ーン部７Ｂ方向に導くことにより、プラズマ室２の全体
に強度的に一様な磁界を形成することができる。一方、
図３（ｂ）は、従来の平面型コイルを用いた場合の磁束
線の状況を示したものである。コイル２１で形成される
高周波磁界は磁束線２２で示すように、プラズマ室２３
の内部だけでなく、外部空間にも大きく分布している。

【００１９】このように、図３（ａ）に示す本実施の形
態では、コア部７Ａの下端面を出た磁束線２０はほとん
どが側面リターン部７Ｂに入り、それらは側面リターン
部７Ｂおよび背面リターン部７Ｃの内部を通ってコア部
７Ａの他端面に入る。すなわち、磁束線２０はプラズマ
空間以外は磁路構造体７の内部にあって、図３（ｂ）に
示す従来の装置のように装置外の空間に磁界は形成され
ない。そのため、プラズマへのエネルギー伝達効率が向
上する。

【００２０】さらに、側面リターン部７Ｂにより磁束線
２０をプラズマ室側面方向に導くことにより、プラズマ
室２内の磁束密度が均一となる。その結果、プラズマ室
２内の広い領域にわたって均一なプラズマを形成するこ
とができる。図３（ｃ）はプラズマ密度の分布を定性的
に示したものであり、横軸はプラズマ室の径方向位置を
表している。本実施の形態の場合には、上述した理由か
ら曲線Ｌ１で示すように均一な分布が得られる。一方、
図３（ｂ）の平面型コイルを用いた装置では、コイル中
心部分の磁界強度が大きいためにＬ２で示すように中心
部分の分布が他の部分よりも大きくなり、均一性に劣っ
ている。

【００２１】磁路構造体７を設けたことにより、励起コ
イル６で形成された高周波磁界の磁束線２０は、プラズ
マ空間を通って磁路構造体７の側面リターン部７Ｂ方向
に導かれる。そのため、要求されるプラズマ領域の大き
さに応じて励起コイル６の径を大きくしなくても、磁束
線２０をプラズマ領域の全体と交差させることができ
る。励起コイル６の径を変えなくても良いということ
は、コイルの巻き線の長さに起因するリアクタンスの変
化や、抵抗損失を避けることができ、インピーダンス整
合が不安定となるのを防止することができる。

【００２２】本実施の形態のプラズマ生成装置１の特徴
をまとめると以下のようになる。 （ａ）磁路構造体７を設けたことにより、プラズマ領域
に誘導される磁界強度を高めることができる。すなわ
ち、プラズマに対する高周波エネルギーの誘導結合効率
が向上し、単位投入電力当たりのプラズマ活性度が増大
する。 （ｂ）平面型コイルだけで形成される誘導磁界はコイル
面に対して対称であるが、磁路構造体７を設けることに
より、図３（ａ）に示すようなコイル６だけでは作るこ
とができない非対称な空間磁界分布を励振することがで
きる。すなわち、高周波エネルギーの利用効率が向上
し、電磁波の不要な輻射および排出熱量が低減される。 （ｃ）ソレノイド型コイルにおいて、コイル６がプラズ
マ領域を囲むような構成でなくても、磁路構造体７を設
けることによりプラズマ領域全域に誘導磁界を励振する
ことができる。すなわち、磁路構造体７が誘導磁界強度
分布（すなわち、プラズマ活性度分布）に対して支配的
となり、プラズマ活性度分布の均一性を容易に制御でき
る。

【００２３】（実施例）図４はプラズマ生成装置１の具
体的な実施例を示す図であり、プラズマ生成装置の各部
の寸法を示したものである。各部の寸法は以下のように
なっている。 (1)プラズマ室ボディ３の内径＝２２０(mm) (2)励起コイル径＝２００(mm) (3)コア部７Ａの外径＝１８０(mm) (4)アパーチャ４のグリッド開口部の径＝２１０(mm) (5)アパーチャ４とファラデーカップ１０との間の距離
＝３００(mm)

【００２４】また、磁路構造体７を構成する軟磁性体材
料の比透磁率は１００、励起コイル６の総合的な自己イ
ンダクタンスは２．０（μＨ）、高周波電源１１の周波
数は１３．５６（ＭＨｚ）、入力高周波電力は５００
（Ｗ）、電源５の加速電圧はＶacc＝１．０(kV)、アル
ゴンガスの流量は５０(sccm)とした。

【００２５】上述した構成において、ファラデーカップ
１０を径方向（図示左右方向）に走査して、プラズマ室
２から引き出されるイオンビーム電流密度の分布プロフ
ァイルを計測した。図５は、計測により得られた分布プ
ロファイルＬ３を示す図である。図５において、縦軸は
イオンビーム電流密度を表しており、単位は任意単位
（Ａ．Ｕ．）である。また、横軸は、励起コイル６の中
心（プラズマ室２の中央）を原点とした、径方向位置を
示している。

【００２６】分布プロファイルＬ３のピーク部分の強度
を１００％としたときに、相対強度９０％以上の範囲の
直径は１７０(mm)であった。また、相対強度が５０％と
なる半値幅で直径＝１９０(mm)が得られた。すなわち、
コア部７Ａの径をほぼ同じ径を有する均一なイオンビー
ムを得ることができた。例えば、このプラズマ生成装置
をイオンビームエッチング装置に用いれば、基板上の直
径がほぼ１７０(mm)の領域全体に同時にかつ均一にイオ
ンビームを照射することができ、エッチング処理速度を
格段に向上させることができる。

【００２７】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、プラズマ室ボディ３はプラズ
マ生成室を、コア部７Ａは第１の軟磁性体部材を、側面
リターン部７Ｂは第２の軟磁性体部材を、背面リターン
部７Ｃは第３の軟磁性体部材をそれぞれ構成する。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
磁路構造体を設けたことにより、磁束線をプラズマ生成
室内の広い領域に均一に分布させることができ、より大
きな領域にプラズマを形成することができる。また、プ
ラズマ生成室以外の不必要な空間に磁束線を分布させる
ことなくプラズマ生成室内に集中的に磁束線を分布させ
ることができるので、プラズマ生成室内に誘導される磁
界強度を高めることが可能となり、プラズマに対する高
周波エネルギーの誘導結合効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高周波誘導結合プラズマ生成装置
の一実施の形態を示す図である。

【図２】磁路構造体７の具体例を示す図であり、（ａ）
は第１の例を、（ｂ）は第２の例を示している。

【図３】本発明によるプラズマ生成装置１の高周波磁界
の様子を従来の装置と比較して示した図であり、（ａ）
は本実施の形態の高周波磁界を、（ｂ）は従来の平面型
コイルの高周波磁界を、（ｃ）はプラズマ密度分布を示
す図である。

【図４】プラズマ生成装置の具体例を示す図である。

【図５】図４のプラズマ生成装置により得られるイオン
ビームの分布プロファイルを示す図である。

【図６】従来のプラズマ生成装置を示す図であり、
（ａ）はソレノイド型コイルを用いる装置、（ｂ）は平
面型コイルを用いる装置である。

【符号の説明】

１ プラズマ生成装置 ２，２３ プラズマ室 ３ プラズマ室ボディ ４ グリッド型アパーチャ ６ 励起コイル ７ 磁路構造体 ７Ａ コア部 ７Ｂ 側面リターン部 ７Ｃ 背面リターン部 ８ 整合器 ９ ＲＦ電源 １２ 真空チャンバ ２０，２２ 磁束線

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5C030 DD01 DE07 5F004 AA01 BA20 BB07 BB13 BD04 BD05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマが形成される筒状のプラズマ生
   成室と、 高周波磁界を形成する励起コイルと、 前記プラズマ生成室の端面から側面へと前記高周波磁界
   の磁束線を導き、前記側面から前記端面へと帰還する磁
   束線の磁路が形成される磁路構造体とを備えたことを特
   徴とする高周波誘導結合プラズマ生成装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の高周波誘導結合プラズ
   マ生成装置において、 前記磁路構造体は、（ａ）前記励起コイルの内側に配設
   されて前記高周波磁界の磁束線を前記端面を通って前記
   プラズマ生成室内へと導く第１の軟磁性体部材と、
   （ｂ）前記筒状プラズマ生成室の外側部に配設されて前
   記プラズマ生成室内へと導かれた前記磁束線を前記側面
   へと導く第２の軟磁性体部材と、（ｃ）前記第１の軟磁
   性体部材を挟んで前記端面と反対側に配設されて前記側
   面へと導かれた磁束線を前記第２の軟磁性体部材を通っ
   て前記第１の軟磁性体部材へと帰還させる第３の軟磁性
   体部材とを有することを特徴とする高周波誘導結合プラ
   ズマ生成装置。