JP2004158272A - 高周波誘導結合プラズマ源および高周波誘導結合プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイル径を抑えつつより大きな外径を有する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源の提供。
【解決手段】プラズマ生成チャンバ２の端面に、プラズマ生成チャンバ２内に突出する突出部３を設ける。突出部３に形成された凹部には、交流磁場を形成する励起コイル４が納められる。突出部３は絶縁体で形成されているため、プラズマＰ１は突出部３の内側領域に侵入することはできず、突出部３とプラズマ生成チャンバ２との間にリング状のプラズマ領域が形成される。そのため、励起コイル４の外径よりも大きなプラズマ領域を有するプラズマ１を形成することができる。
【選択図】 図１

Description

【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源、および、それを用いてエッチング、成膜、スパッタリング等の処理を行う高周波誘導結合プラズマ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波誘導結合プラズマ装置は、高周波誘導結合によりプラズマを生成し、そのプラズマ中からイオンを分離して、シリコンウェハやガラス基板などの加工対象物に対してイオンビームエッチング、イオンビームスパッタ蒸着、イオンビームＣＶＤ等を行うものである。この装置のプラズマを生成する部分は高周波誘導結合プラズマ源と呼ばれ、プラズマ生成室内に高周波磁場を生成する励起コイルが設けられている。励起コイルで生成された高周波磁場はプラズマ生成室内に高周波誘導電場を誘起し、この誘導電場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】
励起コイルはプラズマ生成室内に配置される場合もあるが、励起コイルによる汚染への影響を避けるために励起コイルはプラズマ生成室の外部に配置するのが好ましい。その場合、励起コイルはプラズマ生成室近傍に配置されるが、誘導結合を妨げることがないように、プラズマ生成室を構成している容器の全部または一部はガラスやセラミックス等の絶縁体で形成される。
【０００４】
従来の高周波誘導プラズマ源では、例えば、ガラスで形成した筒状プラズマ生成室の外周にソレノイド型励起コイルを設けている。このような構成のプラズマ源の場合、励起コイルの中心軸がプラズマ生成室内に配置され、中心軸に平行な高周波磁場がプラズマ生成室内に強く分布することになる。
【０００５】
また、筒状プラズマ生成室の端面を絶縁体平板で形成し、その端面近傍に平面型励起コイルを配置する構成の装置も知られている（例えば、特許文献１参照。）。この絶縁体平板は、高周波エネルギーをプラズマ生成室内に導入する通路として機能するので高周波導入窓と呼ばれることがある。励起コイルにより形成された高周波磁場は高周波導入窓からプラズマ生成室内に入り、この高周波導入窓に近接した空間領域にプラズマが生成される。
【０００６】
ところで、他の半導体プロセスと同様に高周波誘電結合プラズマ装置の場合も、基板の大型化に伴ってより大きな空間領域にプラズマを励起することが要求されている。上述したいずれの励起コイルを用いるプラズマ装置の場合であっても、コイルのスケーリングを考慮することによりプラズマ領域を大きくすることができる。すなわち、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方法である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−１２５４９６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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の増大を伴う。インダクタンスが増大した場合には、インピーダンス整合のために励振周波数を下げる必要がある。これは、プラズマの性質を保つというスケーリングの原則から外れてしまうことになる。
【０００９】
また、いずれの装置の場合にも、励起されたプラズマはコイル中心位置に対応するプラズマ生成室中央部を中心として分布する。そのため、プラズマ領域の外径を大きくしようとした場合、上述したようにコイル形状の拡大とともにプラズマ生成室自身も大きくする必要があり、装置が大型化するとともに、プラズマ生成室を真空排気する排気装置も大型化するという欠点があった。
【００１０】
本発明は、隔壁を介して励起コイルをプラズマ生成室内に突出させた高周波誘導結合プラズマ源、および、その高周波誘導結合プラズマ源を用いた高周波誘導結合プラズマ装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、励起コイルにより形成した交流磁場をプラズマ生成室内に導入し、そのプラズマ生成室内にプラズマを生成するプラズマ源に適用される。そして、プラズマ生成室内に突出し、プラズマ生成室内部と外部とを隔てる電気絶縁性隔壁を設け、プラズマ生成室内に突出した電気絶縁性隔壁を囲むリング状プラズマが形成されるように、電気絶縁性隔壁の外側凹部に励起コイルを配設たことを特徴とする。
さらに、静磁場をプラズマ生成室内に形成する磁場形成装置を設けたり、軟磁性体から成る透磁コアを励起コイルに設けたりしても良い。
本発明による高周波誘導結合プラズマ装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の高周波誘導結合プラズマ源を備え、プラズマ源で形成されたプラズマ内のイオンを利用して試料に加工処理を施すことを特徴とする。。
【００１２】
【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装置の一実施の形態を示す概略構成図である。図１に示すプラズマ装置はイオンビームエッチング装置を例に示したものであり、プロセスチャンバＰＣ内には試料Ｓが装着されるステージ２０が設けられている。プロセスチャンバＰＣのステージ２０に対向する位置には、高周波誘導結合プラズマ源１が設けられている。エッチング処理時にプロセスチャンバＰＣ内が真空ポンプＶＰに真空排気されると、高周波誘導結合プラズマ源１のプラズマ生成チャンバ２内も真空排気されて減圧状態となる。
【００１３】
プラズマ生成チャンバ２の中央部分には、プラズマ生成チャンバ２内に突出する突出部３が設けられている。突出部３の外側に形成される凹部内には、プラズマ生成チャンバ２内に交流磁場５を形成する励起コイル４が収納されている。突出部３はガラスやセラミックス等の絶縁体で形成されており、励起コイル４で形成された交流磁場をプラズマ生成チャンバ２内に導入するための高周波導入窓としても機能している。励起コイル４はソレノイド型のコイルであり、整合器６を介してＲＦ電源７が接続されている。なお、本実施の形態では、励起コイル４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。
【００１４】
ＲＦ電源７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。整合器６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、ガス供給源８からアルゴンガス等がプラズマ生成チャンバ２内に導入される。
【００１５】
プラズマ生成チャンバ２の外周囲には、プラズマ生成チャンバ２内に静磁場を形成するためのリング状マグネット９ａ，９ｂが設けられている。図１に示す例ではマグネット９ａ，９ｂを電磁石で構成したが、永久磁石により構成しても良い。図２はマグネット９ａ，９ｂにより形成される磁場の様子を示す図である。マグネット９ａ，９ｂはマグネットリングの厚さ方向に磁化され、マグネット９ａ，９ｂの同極同士が対向するように励磁電流が与えられる。図２に示す例では、Ｎ極同士が対向している。
【００１６】
各マグネット９ａ，９ｂにより形成される磁場は、磁力線９１，９２で示すようなカスプ磁場を形成している。励起コイル４に上述したような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、プラズマ生成チャンバ２と突出部３との間のリング状空間にアルゴンイオンを含むプラズマＰ１が生成される。プラズマＰ１中の電子はカスプ磁場によりトラップされ、それによりプラズマの生成が促進されプラズマＰ１を効率良く形成することができる。
【００１７】
プラズマ生成チャンバ２の開口部には、生成されたプラズマＰ１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１０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、プラズマ源１からアルゴンイオンのイオンビーム１１が図示下方に引き出され、基板Ｓ上にイオンビーム１１が照射される。
【００１８】
図１に示したプラズマ源１では、図１に示すようにプラズマ生成チャンバ２内に絶縁体の突出部３が突出しているので、突出部３が占有する領域にはプラズマＰ１は侵入することができない。その結果、プラズマＰ１は突出部３を避けるように、突出部３とプラズマ生成チャンバ２との間にリング状に分布することになる。
【００１９】
図３（ａ）はプラズマ生成チャンバ２内におけるプラズマ強度分布Ａ１を示す図である。図３（ａ）において、横軸はプラズマ生成チャンバ２の径方向位置を表しており、縦軸のプラズマ強度は任意単位（Ａ．Ｕ．）とした。図３（ａ）に示すように、プラズマ強度分布Ａ１は突出部３の外径Ｄ１とプラズマ生成チャンバ２の内径Ｄ２との間にピークを有しており、突出部３の下側（図１参照）にも若干分布しているが強度は小さい。
【００２０】
一般的に、イオンビームは数度程度の発散角を持っている。そのため、図３（ａ）に示すようなリング状に分布したプラズマＰ１からイオンビームを引き出すと、基板Ｓ上においては、図３（ｂ）に示すような均一なイオンビーム電流密度分布Ａ２を有するイオンビーム１１が得られる。
【００２１】
図４は本発明の高周波誘導結合プラズマ源と対比する高周波誘導結合プラズマ源の一例を示したものである。なお、図４において図１と同一部分には同一の符号を付した。図４の高周波誘導結合プラズマ源１００ではプラズマ生成チャンバ１０２は円筒形状を成しており、上面部１０２ａは絶縁体で形成された高周波導入窓となっている。励起コイル１０４には平面型のコイルが用いられる。プラズマ生成チャンバ１０２内には、励起コイル１０４の中心軸Ｊを中心として分布するプラズマＰ２が形成される。
【００２２】
図３（ａ），（ｂ）に示した分布Ｂ１，Ｂ２は、従来のプラズマ源１００を用いた場合のプラズマ強度分布およびイオンビーム電流密度分布を示したものである。イオンビーム電流密度分布Ｂ２は軸Ｊの位置においてピークを有する分布であるため、イオンビーム１１１では基板Ｓを均一にエッチングするのが難しかった。
【００２３】
一方、本実施の形態のプラズマ源１では、上述したように突出部３が占有する領域にはプラズマＰ１は侵入することができないので、プラズマＰ１は突出部３の外側に押し広げられるように分布することになる。そのため、図３（ａ）に示す分布Ａ１と分布Ｂ１とを比較すると分かるように、プラズマ生成チャンバ２の内径Ｄ２が等しくてもプラズマＰ１の外径を従来のプラズマＰ２の外径よりも大きくすることができる。その結果、より大きな口径を有するイオンビームを得ることができる。
【００２４】
さらに、励起コイル４をプラズマ生成チャンバ２内に突出するような形態で配設しているため、交流磁場を効果的にプラズマ生成チャンバ２内に導入することができるとともに、より小さな径の励起コイル４で大きな径を有するプラズマＰ１を形成することができる。また、励起コイル４の径を従来より小さくできるため、絶縁体から成る高周波導入窓の大きさを小さくすることができ、高周波導入窓の機械的強度の面での向上を図ることができる。
【００２５】
さらにまた、励起コイル４をプラズマ生成チャンバ２の中心位置に配設することにより、カスプ磁場形成用マグネット９ａ，９ｂを、プラズマ生成チャンバ２の外周部に容易に設けることができる。なお、突出部３の外径および突出寸法を調整することにより、図３（ａ）の分布Ａ１の分布形状を調整することができる。
【００２６】
図５はプラズマ源１の変形例を示す図であり、励起コイル４の内側に軟磁性体から成る透磁コア３０を設けた。この透磁コア３０を設けることにより、プラズマ生成チャンバ２内に導入される交流磁場５の強度を大きくすることができ、より大きなプラズマ強度を有するプラズマＰ１を形成することができる。
【００２７】
図６は、略矩形のイオンビームを得ることができる高周波誘導結合プラズマ源５０を示す図であり、（ａ）は図１の場合と同様の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。なお、図６（ａ），（ｂ）では、プラズマ生成チャンバ５２、突出部５３、励起コイル５４、マグネット５９ａ，５９ｂのみを示し、その他の構成は省略した。プラズマＰ３はプラズマ生成チャンバ５２と突出部５３との間に形成され、その形状は図示左右方向に細長いリング状となる。この場合も、プラズマＰ３の形状はリング状であるが、基板上のイオンビーム電流密度分布に関しては中央部分も均一な略矩形状の分布となる。
【００２８】
なお、上述した実施の形態では、プラズマ生成チャンバ２，５２の壁面の一部を絶縁体隔壁で形成し、その隔壁をプラズマ生成チャンバ２，５２に突出させるようにしたが、図７に示すような突出部６３としても良い。図７に示す高周波誘導結合プラズマ源６０では、円筒状のプラズマ生成チャンバ６２の端面内側に突出部６３を設け、突出部６３の内側空間に励起コイル４を収容するようにした。励起コイル４が収容されている空間は、突出部６３の隔壁によってプラズマ生成チャンバ空間から遮断されているので、プラズマ生成チャンバ２内が汚染されることはない。
【００２９】
以上説明した実施の形態の高周波誘導結合プラズマ装置においては、イオンビームエッチング装置を例に説明したが、例えば、イオンビームスパッタ蒸着、イオンビームＣＶＤ等のようにプラズマ源で生成されたプラズマを利用して加工処理を行うプラズマ装置であれば、本発明を適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ生成室内に電気絶縁性隔壁を突出させてその外側凹部に励起コイルを配設したので、隔壁がプラズマ生成室内に突出することによりプラズマ分布領域が外側に広げられ、励起コイルの径よりも大きな外径を有するプラズマを容易に形成することができる。
【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装置の一実施の形態を示す図である。
【図２】マグネット９ａ，９ｂにより形成される磁場の様子を示す図である。
【図３】（ａ）はプラズマ生成チャンバ２内におけるプラズマ強度分布Ａ１を示す図、（ｂ）は基板Ｓ上におけるイオンビーム１１のイオンビーム電流密度分布Ａ２を示す図である。
【図４】本発明の高周波誘導結合プラズマ源と対比する高周波誘導結合プラズマ源１００を示す図である。
【図５】高周波誘導結合プラズマ源１の変形例を示す図である。
【図６】高周波誘導結合プラズマ源５０を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
【図７】高周波誘導結合プラズマ源６０を示す図である。
【符号の説明】
１，５０，６０，１００ 高周波誘導結合プラズマ源
２，５２，６２，１０２ プラズマ生成チャンバ
３，５３，６３ 突出部
４，５４ 励起コイル
６ 整合器
７ ＲＦ電源
９ａ，９ｂ マグネット
１０ グリッド電源
１１，１１１ イオンビーム
２０ ステージ
３０ 透磁コア
Ｇ１〜Ｇ３ グリッド
Ｐ１〜Ｐ３ プラズマ
ＰＣ プロセスチャンバ
Ｓ 基板

Claims (4)

1. 励起コイルにより形成した交流磁場をプラズマ生成室内に導入し、そのプラズマ生成室内にプラズマを生成するプラズマ源において、
   前記プラズマ生成室内に突出し、前記プラズマ生成室内部と外部とを隔てる電気絶縁性隔壁を設け、
   前記プラズマ生成室内に突出した前記電気絶縁性隔壁を囲むリング状プラズマが形成されるように、前記電気絶縁性隔壁の外側凹部に前記励起コイルを配設たことを特徴とする高周波誘導結合プラズマ源。
2. 請求項１に記載の高周波誘導結合プラズマ源において、
   静磁場を前記プラズマ生成室内に形成する磁場形成装置を設けたことを特徴とする高周波誘導結合プラズマ源。
3. 請求項１または２に記載の高周波誘導結合プラズマ源において、
   前記励起コイルに軟磁性体から成る透磁コアを設けたことを特徴とする高周波誘導結合プラズマ源。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高周波誘導結合プラズマ源を備え、
   前記プラズマ源で形成されたプラズマ内のイオンを利用して試料に加工処理を施すことを特徴とする高周波誘導結合プラズマ装置。

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