JP2006286536A - プラズマ生成方法、誘導結合型プラズマ源、およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができる誘導結合型プラズマ源を提供する。
【解決手段】誘導結合型プラズマ源は、電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室２と、プラズマ生成室２の内部にプロセスガスを導入するガス導入ポート３と、プラズマ生成室２の壁に沿って配置されたアンテナ２０とを備えている。アンテナ２０の両端部２１，２２の中間点２５は電気的に接地される。誘導結合型プラズマ源は、アンテナ２０の両端部２５に高周波電力を供給してプラズマ生成室２の内部に誘導結合型プラズマＰを生成する高周波電源８を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマ生成方法に係り、特に半導体集積デバイス、液晶ディスプレイやマイクロマシンの作製、半導体基板やガラス基板などに対する微細加工、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems）やＮＥＭＳ（Nano-Electro Mechanical Systems）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などによる基板表面への微小構造物の形成や成膜、ナノテクノロジーやμ−ＴＡＳ（Total Analysis System）に用いられる誘導結合型プラズマを生成する方法に関するものである。また、本発明は、かかる誘導結合型プラズマを生成する誘導結合型プラズマ源に関するものである。さらに、本発明は、かかる誘導結合型プラズマ源を備えたプラズマ処理装置に関するものである。

近年、半導体集積デバイスの高集積化に伴い、微細加工に対する要求が高まってきた。被処理物に対して微細加工を施すためのエッチングや成膜を行うために、プラズマを利用したプラズマ処理装置が多く用いられている。このようなプラズマ処理装置はプラズマを生成するためのプラズマ源を含んでいるが、高速な微細加工の要求に応えるために、高密度プラズマを発生させる技術の研究開発が進展してきた。このような高密度プラズマを発生させるための代表的な技術として、誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma）を生成する方法が知られており、現在、誘導結合型プラズマ源の開発が進んでいる。

誘導結合型プラズマの場合、高周波をプラズマ生成領域（プラズマ生成空間）に伝えるためのアンテナ構造が必要とされる。このようなアンテナ構造は、例えば、石英などの誘電体、すなわち電磁波が透過する材料からなるプラズマ生成室の周りに、中空の空芯コイル（以下、単にコイルという）を巻くだけという単純な構造である。加えて、この誘導結合型プラズマは、従来の容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitance Coupled Plasma）よりも高い密度のプラズマを容易に生成できることから、その研究開発が急速に活発化している。

上述したように、高周波を印加するためのアンテナ構造はコイル状になっているため、本明細書においては、このようなアンテナ構造を、便宜上「コイル」ということとする。したがって、単に「コイル」という場合であっても、高周波を印加するためのコイル状アンテナを意味する。

例えば、従来の誘導結合型プラズマ源を用いた微細加工装置としては、図１に示すような装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この加工装置は、石英などの絶縁物で形成されたプラズマ生成室１０００と、プラズマ生成室１０００の外側に配置された高周波のアンテナとして作用するコイル１０１０と、被処理物１０２０が配置された加工室１０３０とを備えている。コイル１０１０の一端は接地され、他端はマッチングボックス１０４０を介して高周波電源１０５０に接続されている。コイル１０１０は、銅などからなる空芯コイルであり、コイル１０１０の内部には水を流して水冷する場合が多い。

プラズマ生成室１０００の内部は真空排気装置１０６０により真空排気され、ガス供給源１０７０からガス導入ポート１０８０を介して被処理物１０２０の微細加工等に必要な所定のプロセスガスがプラズマ生成室１０００の内部に導入される。このような構成により、プラズマ生成室１０００の内部に導入されたプロセスガスをプラズマ化して、プラズマＰ中のイオンや電気的に中性な活性な分子や原子であるラジカルを被処理物１０２０に照射することができる。このようにして、被処理物１０２０の表面に微細加工を施し、あるいは成膜を行う。

図１の加工装置は、被処理物１０２０を中性粒子により加工する装置に誘導結合型プラズマを応用した例を示している。すなわち、図１に示すように、プラズマ生成室１０００には、電位制御電源１０９０に接続された電位制御電極１１００が配置されており、この電位制御電極１１００にバイアス電圧を印加することで、プラズマＰ中のイオンを加速するようになっている。そして、プラズマ生成室１０００と加工室１０３０との間には、多数の細孔１１１０が形成された平板１１２０が配置されており、この平板１１２０付近においてイオンの電荷交換を行ってイオンを中性化し、中性粒子ビームを処理物１０２０に照射して微細加工を施すようになっている。

図１で示すように、プラズマ生成室１０００は一般に円筒形状をなしており、誘導結合型プラズマ生成用のコイル１０１０は、プラズマ生成室１０００の外部であって軸方向の略中間位置に配置されている。そして、プラズマ生成室１０００の内部の概略コイル１０１０が配置されている軸方向の範囲（プラズマ生成領域）にプラズマＰが生成される。

ところで、半導体産業においては、近年の半導体製造技術の急速な発展に伴い、主として生産性の向上を目的としたウェハの大口径化と高密度プラズマ源の採用が進められている。その結果、径が３００ｍｍ以上という大口径の被処理物を、高密度プラズマ源を有するプラズマ処理装置で処理する必要が生じてきている。高密度プラズマ源としては、構造の単純さなどの理由から、上述した誘導結合型プラズマ源が採用されることが多く、近年のウェハ径の拡大に伴い、必然的にプラズマ源の口径も大きくなってきている。プラズマ源の口径が大きくなると、プラズマ処理装置における誘導結合型プラズマ源のコイル状アンテナの径も大きくなることになる。

ここで、誘導結合型プラズマの生成を電気回路の見地から簡単に考察する。誘導結合型プラズマの生成には、例えば１３．５６ＭＨｚの発振周波数を有する高周波電源を用いる。誘導結合型プラズマを生成するための電気回路は高周波回路とよばれ、上述した周波数（１３．５６ＭＨｚ）のように１ＭＨｚを超える高周波回路の場合は、インピーダンス整合を取る必要がある。

インピーダンスとは交流抵抗のことであり、直流では現れなかった抵抗、すなわち回路内のコイル成分（インダクタンス：Ｌ）とコンデンサ成分（キャパシタンス：Ｃ）が周波数特性を有するために現れてくる抵抗である。インピーダンスの単位は、直流抵抗と同じオーム（Ω）である。一般に、負荷の総インピーダンスＺは、以下の式（１）で表される。
Ｚ＝Ｚ_Ｒ＋Ｚ_Ｌ＋Ｚ_Ｃ （Ω）・・・（１）
ここで、Ｚ_Ｒは周波数依存性のない直流抵抗分（Ω）、Ｚ_Ｌはコイル成分によるインピーダンス（Ω）、Ｚ_Ｃはコンデンサ成分によるインピーダンス（Ω）である。なお、各インピーダンスはベクトル量であるが、ここでは概念的説明にとどめるので、単にスカラーで表すこととする。

Ｚ_Ｒは周波数依存性がないので、直流抵抗分Ｒ（Ω）をそのまま適用することができるが、Ｚ_ＬおよびＺ_Ｃは周波数依存性を有している。高周波の周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、Ｚ_Ｒ、Ｚ_Ｌ、Ｚ_Ｃは、それぞれ以下の式（２）〜式（４）のように表される。
Ｚ_Ｒ＝Ｒ （Ω）・・・（２）
Ｚ_Ｌ＝２πｆＬ （Ω）・・・（３）
Ｚ_Ｃ＝１／２πｆＣ （Ω）・・・（４）
ここで、Ｌはコイルのインダクタンス（単位ヘンリー（Ｈ））、Ｃはコンデンサ容量（単位ファラッド（Ｆ））である。

上記式（２）〜式（４）により、式（１）は、以下の式（５）のように書き換えることができる。
Ｚ＝Ｒ＋２πｆＬ＋１／２πｆＣ （Ω）・・・（５）

次に、「インピーダンス整合を取る」とは、高周波回路を形成する上で、インピーダンスが一致しない部分を一致させることを意味するが、具体的に誘導結合型プラズマの生成にあてはめて考えると理解しやすい。プラズマ生成に際しては、高周波電源から高周波電力が供給されるが、この高周波電力は、一般に、５０Ωのインピーダンス（正しくは特性インピーダンスという）を持つコネクターおよびケーブルを介して負荷に供給される。誘導結合型プラズマ生成における負荷は、プラズマ生成用のアンテナのインピーダンスと生成されたプラズマ自身のインピーダンス、およびケーブルやアンテナ、プラズマ自身を介して大地（アース）と形成されるキャパシタンスを含む、これらの総インピーダンスによって決まる。

上述したように、プラズマ生成用の高周波電源から供給された高周波電力は、インピーダンス５０Ωの配線等を介して供給されるが、プラズマ生成用のアンテナのインピーダンスは５０Ωでないことがほとんどである。ましてや、プラズマ等を含めた総インピーダンスが５０Ωでないことは言うまでもない。したがって、高周波電力を供給する高周波電源を直接アンテナに接続した場合、ケーブルとアンテナとの接続部でインピーダンスの不一致が生じることになる。これをインピーダンス不整合という。そして、このようなインピーダンス不整合を電気回路的に解消することを「インピーダンス整合を取る」という。

インピーダンス整合を取らなかった場合は、インピーダンス不整合が生じている場所で電力の反射が生じる。プラズマ処理装置など高出力の高周波電源を用いるような装置や機器においては、インピーダンス不整合により、電源の破壊や回路の焼損、高周波火傷や火災に至ることすらある。このようにインピーダンス不整合は危険であるため、高周波回路を形成するときには必ずインピーダンス整合を取る必要がある。

インピーダンス整合を取るためは、図１に示すように、高周波電源１０５０と負荷との間にマッチングボックス１０４０を挿入する。このマッチングボックス１０４０は、負荷であるプラズマ（図１に示す場合は誘導結合型プラズマＰ）、アンテナ（コイル１０１０）、およびマッチングボックス１０４０を含めたインピーダンス、すなわち総インピーダンスが高周波電源１０５０から見て５０Ωとなるように、真空バリコンを逆Ｌ字接続と呼ばれる結線方法などで結線した整合回路を設けたものである。この整合回路が組み込まれた箱状の回路ボックスをマッチングボックスと呼んでいる。

マッチングボックスには、大きく分けて誘導結合型プラズマ用のマッチングボックスと容量結合型プラズマ用のマッチングボックスとがある。誘導結合型プラズマ用マッチングボックスは、誘導結合型プラズマ生成用コイルのインダクタンスに合わせて設計されている。一般的で安価な誘導結合型プラズマ用マッチングボックスの負荷インダクタンス対応値は、真空バリコンの入手しやすさなどを考慮すると、およそ０.５μＨ〜２μＨ程度の範囲である。本明細書においては、このような範囲にある負荷インダクタンス対応値を有するマッチングボックスのことを「一般的なマッチングボックス」ということとする。負荷のインダクタンスが上述した範囲にない場合には、マッチングボックス内に用いている回路を再設計し、真空バリコンの性能仕様から見直さなければならないため、装置価格の上昇を招くことになる。なお、容量結合型プラズマ用マッチングボックスについては、本出願内容との関連性が低いので、ここでは説明を省略する。

コイルとマッチングボックスとを備えた誘導結合型プラズマ源の場合、負荷の総インピーダンスを決める主たる成分はコイルのインダクタンスである。したがって、実用上は、コンデンサ成分であるＺ_Ｃを無視してもよく、上記式（５）は以下の式（６）のようになる。
Ｚ＝Ｒ＋２πｆＬ （Ω）・・・（６）

この式（６）から、誘導結合型プラズマを生成するために印加する高周波の周波数が高くなればなるほど、コイルのインピーダンスが大きくなることがわかる。誘導結合型プラズマ生成用のアンテナは、単純なコイル状をしているなど、Ｒ成分は非常に小さいことが一般的である。したがって、印加する高周波の周波数が高くなればなるほど、総インピーダンスに占めるコイルのインダクタンスによるインピーダンスの占める割合が大きくなる。

誘導結合型プラズマの生成に用いるコイル状アンテナのインピーダンスは、印加する周波数で変化するだけではなく、コイルの形状によっても変化する。これは、コイルの形状によってコイルのインダクタンスが変化するからである。これを図２および以下の式（７）を用いて説明する。

図２において、誘導結合型プラズマに用いられるコイル状アンテナ１２００のインダクタンスＬ(単位ヘンリー（Ｈ）)は、以下の式（７）で表される。
Ｌ＝Ｋ×μ×π×ａ^２×Ｎ^２÷ｘ ・・・（７）
この式（７）は、長岡公式と呼ばれる経験則を元にした計算式であり（非特許文献１参照）、Ｋは長岡係数（Nagaoka coefficient）、μは透磁率（真空や非磁性体なら４π×１０^−７）、ａはコイル１２００の半径（ｍ）、Ｎはコイル１２００の巻数（回）、ｘはコイル１２００の全長（ｍ）である。

式（７）から、コイル１２００のインダクタンスＬは、コイル１２００の半径ａの自乗およびコイル１２００の巻数Ｎの自乗に比例し、コイル１２００の全長ｘに反比例することがわかる。誘導結合型プラズマは、コイル１２００を構成する巻線を水冷式銅パイプで構成することが多いため、巻線には太さがある。この場合のコイル１２００の半径ａは、コイル１２００の中心から巻線の中心までとして近似する。コイル１２００の全長ｘは、図２に示すように、Ｎ回巻いたコイル１２００の軸方向の長さとする。

ここで、誘導結合型プラズマを生成するためのコイルのインダクタンスを実際に求めてみた。例えば、コイル長が５０ｍｍで、内径が１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、５００ｍｍ、巻数が１、２、３、５、１０のコイルのインダクタンスは、それぞれ表１のように求められた。

次に、例えば３００ｍｍウェハに対応するプラズマ処理装置に誘導結合型プラズマ源を適用する場合を考える。加工均一性、プラズマ生成室の物理的な大きさ、プラズマ生成室と誘導結合型プラズマ生成用コイルとの間隙などを考慮すると、誘導結合型プラズマ源のコイルの内径として５００ｍｍ程度は必要となる。表１から、コイル内径が５００ｍｍで巻数１の場合にはコイルのインダクタンスは１．００μＨであることがわかる。このコイルのインダクタンスは、一般的なマッチングボックスにおける負荷インダクタンスの範囲内である０.５μＨ〜２μＨ程度の範囲にあるため、一般的なマッチングボックスを使用することができる。

プロセスによってはプラズマが生成される領域（空間体積）を大きくしたい場合がある。プラズマ生成室の外径またはコイルの内径を一定とすると、プラズマの生じる空間体積を増加させるためには、プラズマ生成領域をプラズマ生成室の軸心方向に長くするしかない。このため、コイルの巻数を増やすことがある。例えば、内径が５００ｍｍのコイルにおいて巻数を１から２に増やすと、コイルのインダクタンスは４．０１μＨとなり、上述した一般的なマッチングボックスにおける負荷インダクタンスの範囲から大きく外れてしまい、一般的なマッチングボックスを使用することができなくなってしまう。

このような不都合を解決するためには、マッチングボックス内の回路定数を変える必要がある。例えば、使用している真空バリコンの容量を変更する必要がある。しかしながら、この方法では、上述したように、真空バリコンの性能仕様から見直しを行う必要が生じ、装置価格の上昇を招くこととなる。さらに、この方法では、コイルの巻数を増やしているためコイルのインダクタンスが大きいままであるので、放電開始電圧および放電維持電圧が高くなり、これに伴う弊害が発生してしまう。

ここでいう弊害とは、以下に示すようなことである。まず、コイルに高周波電力を供給する部分（高周波電力給電部）の電圧が、場合によっては１０ｋＶを超えるなど非常に高くなり、装置の取り扱い上危険となる。また、この高電圧部から人身を保護するための装置やインターロックなど新たな装置仕様の追加による装置のコストアップが懸念される。さらに致命的なことに、コイルの高周波電力給電部の電位が高いために、ここで生じた電場によりプラズマ生成室内に生成されたプラズマ中のイオンが加速され、主に石英を主体とする誘電体で構成されたプラズマ生成室の壁面内側がスパッタされる。そして、このスパッタリングにより生じた飛散物が被処理物の表面に達することによって、被処理物が汚染され、歩留まりの低下が起き、プロセス全体のコストアップを招いてしまう。すなわち、装置のコストのみならず、加工対象である被処理物のコストも割高になってしまう。

あるいは、マッチングボックスの回路定数を変更することなく、コイルに直列にコンデンサを挿入する方法がある。これは、コイルの給電部の電位が高くなることを抑制するために、高周波のアンテナとして働くコイルのインピーダンスを低下させることにより、アンテナ電位を低下させるものである。例えば、コイルと直列にコンデンサを設け、コイルのインダクタンスを変えることなく、アンテナ全体のインピーダンスを低下させることにより、アンテナ電位を低下させる技術が知られている（特許文献２参照）。

しかしながら、この方法で取り付けるコンデンサとしては、大容量、大電力で高耐圧に対応するものが必要となる。このようなコンデンサは、しばしば特別に注文せざるを得ず、高価なものである。ましてや、このようなコンデンサを複数用いる場合には、プラズマ処理装置のコストが高くなり、ひいてはプロセスのコスト高の要因となってしまう。

また、プラズマとコイルの間にできる半径方向の電場を打ち消しあうようにして、被処理物の処理における不均一性を改善する誘導結合型プラズマ源も知られている（特許文献３参照）。この誘導結合型プラズマ源では、プラズマ生成室の周囲側壁に沿って、一端を高周波電源に接続し、他端をアース電位に接続した複数の１ターンのコイルが、プラズマ生成室の軸方向に所定の間隔をもって、しかもそれぞれの１ターンのコイルの一端を相互に周方向に一定の角度だけ変位させて配置されている。この方法によれば、高周波電力給電部の高電圧が互いに打ち消しあうので、プラズマ生成室の内部に生成される誘導結合型プラズマの密度分布を改善することができる。

しかしながら、この方法では、複数の１ターンコイルに対してそれぞれ高価な高周波電源が必要となるため、プラズマ処理装置のコストが高くなり、ひいてはプロセスのコスト高の要因となってしまう。さらに、局所的には高周波電力給電部の高電圧が残っているため、プラズマ生成室の内壁のイオンによるスパッタリングを完全に防ぐことができない。

このような問題点の本質的な解決方法として、コイルのインダクタンスを下げることが考えられる。コイルのインダクタンスを下げる手法としては、以下のような方法が考えられる。

まず、上述した式（７）から明らかなように、巻数を変えないでコイルの全長を長くする方法がある。しかしながら、コイル長の自由度は、装置設計上の制約があるためにそれほど大きくなく、現実的でないことが多い。コイルのインダクタンスを下げるためには、巻数を少なくすることが最も効果的であるが、コイルの内径が、例えば上述の例のように５００ｍｍ程度もある場合には、巻数を１より少なくするほかないが、これはプラズマの均一性の問題から現実的ではない。巻数を０．５回とするなどして対応した場合は、同一のコイルを位相をずらしてプラズマ生成室の外壁に沿って配置すればよいが、高価な高周波電原やマッチングボックスなどを複数台用意しなければならないため、装置のコストアップとなり、結果としてプロセスのコストアップとなってしまう。

その他にも、プラズマ生成用アンテナ（コイル）をプラズマ生成室内に挿入し、アンテナとプラズマとの間で直接電子の授受を行うことで、アンテナのインダクタンスを低減させる方法もあるが、アンテナの材質がスパッタされることによる被処理物の表面汚染が懸念されるため、実用的ではない。

特開２００２−２８９５８３号公報（図４） 特開２００１−２３７９７号公報 特開２００１−５２８９４号公報 Nagaoka, Jour.Coil. Sci. Tokyo 27, 18-33, art. 6 (1909); B. of S. Sci. Paper 169, 64.

上述のように、プラズマ処理装置のプラズマ生成用アンテナであるコイルに高周波を印加する場合、コイルのインダクタンスが大きいと、適合するインダクタンスが０．５μＨから２μＨ程度の一般的で安価なマッチングボックスを用いることができず、回路設計の変更による工数の増加、主要回路部品である高価な真空バリコンの変更などのコストアップが生じる。さらに、アンテナのインピーダンスが高くなるため、アンテナであるコイルの給電部の電位が高くなり、この電場によりプラズマ内部のイオンが加速され、主に石英を主体とする誘電体である放電管内壁がスパッタされるという現象が生じ、この現象により被処理物の表面が汚染されるという問題がある。

上述したように、このような問題を解決するために、コイルに対して直列にコンデンサを配置する方法が提案されているが、この方法では、大容量および大電力に対応するコンデンサが必要となる。このようなコンデンサはしばしば特別に注文せざるを得ず、高価なものである。したがって、プラズマ処理装置のコストが高くなり、ひいてはこのプロセスのコスト高の要因となってしまう。

さらに、上述したように、複数の巻数１のコイル状アンテナを等角度間隔で配置し、複数の高周波電源を用いるという方法が提案されているが、複数の巻数１のコイルに対してそれぞれ高価な高周波電源が必要となるため、プラズマ処理装置のコストが高くなり、ひいてはプロセスのコスト高の要因となってしまう。

また、一般に、プラズマ生成用アンテナを放電管内に挿入することでインピーダンスを低減することができるが、コイルまたはアンテナの材質がスパッタされることによる被処理物の表面汚染が発生しやすく、本発明の属する技術分野においては実用的ではない。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができるプラズマ生成方法を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができる誘導結合型プラズマ源を提供することを第２の目的とする。

さらに、本発明は、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができるプラズマ処理装置を提供することを第３の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができるプラズマ生成方法が提供される。このプラズマ生成方法によれば、電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入し、上記プラズマ生成室の壁に沿って配置されたアンテナの両端部の中間点を電気的に接地する。上記アンテナの両端部に高周波電力を供給して上記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する。

本発明の第２の態様によれば、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができるプラズマ生成方法が提供される。このプラズマ生成方法によれば、電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入し、上記プラズマ生成室の壁に沿って配置されたアンテナの両端部を電気的に接地する。上記アンテナの両端部の中間点に高周波電力を供給して上記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する。

この方法によれば、アンテナのインダクタンスを低減し、該アンテナのインピーダンスを減らすことができる。したがって、上述したようなプラズマ生成用のアンテナの高周波電力給電部の電位が高くなることに起因する問題点をなくすことができる。このため、簡素な構成で、かつ、安価に誘導結合型プラズマを生成することができるとともに、被処理物の歩留まりも向上させることができる。

上記アンテナは、コイル状のアンテナまたは渦巻状のアンテナとすることができる。また、上記中間点は、上記アンテナの両端部から略等距離の位置とすることができる。単純なコイル状のアンテナであれば、上記中間点をコイル全長の真中点とすればよいが、渦巻状のアンテナの場合には、前後のインピーダンスを考慮して中間点を決定することが好ましい。このようにすることで、プラズマ密度の不均一を防止し、被処理物の加工の面内均一性を向上させることができる。

本発明の第３の態様によれば、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができるプラズマ生成方法が提供される。このプラズマ生成方法によれば、電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入し、上記プラズマ生成室の壁に沿って配置された複数のループコイルのそれぞれの一端部を電気的に接地する。上記複数のループコイルのそれぞれの他端部に高周波電力を供給して上記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する。

上述の第１および第２の態様は、アンテナの端部と中間部とにおいてそれぞれ給電または接地される形態であるが、この第３の態様によれば、アンテナは端部でのみ給電または接地される。このような方法によっても、アンテナのインピーダンスを減らすことができるので、上述の第１および第２の態様と同様の効果を奏することができる。

本発明の第４の態様によれば、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができる誘導結合型プラズマ源が提供される。この誘導結合型プラズマ源は、電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室と、上記プラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入するガス導入ポートと、上記プラズマ生成室の壁に沿って配置されたアンテナとを備えている。上記アンテナの両端部の中間点は電気的に接地される。また、上記誘導結合型プラズマ源は、上記アンテナの両端部に高周波電力を供給して上記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する高周波電源を備えている。

本発明の第５の態様によれば、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができる誘導結合型プラズマ源が提供される。この誘導結合型プラズマ源は、電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室と、上記プラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入するガス導入ポートと、上記プラズマ生成室の壁に沿って配置されたアンテナとを備えている。上記アンテナの両端部は電気的に接地される。また、上記誘導結合型プラズマ源は、上記アンテナの両端部の中間点に高周波電力を供給して上記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する高周波電源を備えている。

上記アンテナは、コイル状のアンテナまたは渦巻状のアンテナとすることができる。上記中間点は、上記アンテナの両端部から略等距離の位置とすることができる。

本発明の第６の態様によれば、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができる誘導結合型プラズマ源が提供される。この誘導結合型プラズマ源は、電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室と、上記プラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入するガス導入ポートと、上記プラズマ生成室の壁に沿って配置されるアンテナとを備えている。上記アンテナは、その一端部が電気的に接地された複数のループコイルを有する。また、上記誘導結合型プラズマ源は、上記アンテナの各ループコイルの他端部に高周波電力を供給して上記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する高周波電源を備えている。

このような構成により、大口径化するウェハなどの被処理物に対応することができ、また、安価で安全に、かつ被処理物への汚染が少ない誘導結合型プラズマ源を提供することができる。これによりプロセス全体のコストを低減できる。

上記誘導結合型プラズマ源は、上記誘導結合型プラズマの電位を制御する少なくとも１つの電位制御電極と、上記電位制御電極に電圧を印加する電位制御電源とをさらに備えていることが好ましい。電位制御電極に任意の電圧を印加することで、プラズマ生成室内に生成されたプラズマの電位を任意に制御し、被処理物に照射されるイオンのエネルギーを制御することができる。したがって、被処理物が樹脂のように軟らかく高温に弱い材質のものやガラスなどの絶縁物であっても、損傷が少ない加工を実現することができる。また、多数の小さな孔が形成された電位制御電極をプラズマ生成室内の下部に配置することにより、イオンの電荷交換等を利用して中性化し、中性ビームを得ることもできる。このように、上記電位制御電極により、低ダメージで絶縁物である被処理物の加工を行うことができる。

また、上記高周波電源は、正弦波による連続運転を行ってもよいし、高周波電力の出力に変調を掛けた変調運転を行ってもよい。また、一般に、プラズマ生成用のプロセスガスとして負性ガスを用いる場合には、生成したプラズマ中に負イオンができることが知られている。高周波電源を変調運転して誘導結合型プラズマを生成した場合、負イオンが連続運転の場合よりも著しく増加する。したがって、上記電位制御電極と組み合わせることで、正イオン、負イオン、中性粒子を任意に引き出し、被処理物に応じて選択的に照射し、損傷のない加工を実現することができる。

また、上記電位制御用電源は、直流、交流、または高周波の連続運転を行ってもよいし、交流または高周波の変調運転を行ってもよい。変調運転を行う場合は、基準信号となる変調信号を外部から導入してもよいし、電位制御用電源の内部に基準信号となる変調信号を有していてもよい。あるいは、上述した変調運転が可能な高周波電源から変調信号を得てもよい。また、上記高周波電源と上記電位制御用電源とを同期させるような変調信号であってもよい。高周波電源と電位制御用電源の変調の同期を行った場合には、プラズマ生成用プロセスガスに負性ガスを組み合わせることで、効率的な中性粒子の引き出しが可能になる。

本発明の第７の態様によれば、一般的で安価なマッチングボックスを用いて装置のコストを低く抑えるとともに、被処理物の歩留まりを高く維持することでプロセス全体のコストを下げることができるプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、上述した誘導結合型プラズマ源と、被加工物を保持する保持台と、上記保持台が配置された加工室と、上記プロセスガスを排気する排気装置とを備えている。

近年のウェハ径の拡大に伴い、プラズマ処理用プラズマ源も対応して大きくなった。単純な構成で高密度プラズマが生成できる誘導結合型プラズマ源が活用されてきたが、プラズマ生成用アンテナのインピーダンスが高くなり、次第に対応が困難になってきた。このような問題を解決するために高価な真空バリコンを用いることなどもなされるが、上述した誘導結合型プラズマ源を用いることにより、プラズマ生成用のアンテナのインピーダンスを下げることができる。換言すると、口径３００ｍｍ以上の大口径ウェハに対応したプラズマ処理装置においても、従来からの一般的なマッチングボックスを活用することが可能となるため、装置にかかるコストを低減することができる。さらに、プラズマ生成用アンテナのインピーダンスを低くできるので、プラズマ生成用高周波電力給電部の電位を低く保つことができ、誘電体でできたプラズマ生成室の内壁がイオンによってスパッタされることがなく、被加工物への汚染の心配がなくなる。

本発明によれば、半導体産業などで要請されている、被処理物の表面で汚染が生じず、高速加工可能な微細加工装置を、単純な構成でかつ低コストで提供することが可能となる。

以下、本発明に係る誘導結合型プラズマ源の実施形態について図３から図１６を参照して詳細に説明する。なお、図３から図１６において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る誘導結合型プラズマ源を有するプラズマ処理装置１を示す模式図である。図３に示すように、本実施形態におけるプラズマ処理装置１は、電磁波が透過する材質（例えば石英などの誘電体）で形成された壁を有するプラズマ生成室２と、プラズマ生成室２の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入ポート３と、半導体基板、ガラス、有機物、セラミックなどの被処理物４を保持する保持台５と、保持台５が配置された加工室６とを備えている。

プラズマ生成室２の外周には、プラズマ生成室２内に誘導結合型プラズマＰを生成するためのアンテナとして、低インピーダンスコイル２０が配置されている。このコイル２０は、例えば水冷パイプにより構成される外径８ｍｍ程度のコイルである。本実施形態においては、コイル２０は、プラズマ生成室２の外周に２回巻かれており、その両端部２１，２２はマッチングボックス７と高周波電源８とに接続されている。また、コイル２０の両端部２１，２２からそれぞれコイル２０に沿った長さで等距離にある点（中間点）２５は接地されている。

高周波電源８からは、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧がコイル２０に印加される。このコイル２０と高周波電源８とによってプラズマ生成室２内に誘導結合型プラズマＰが発生する。すなわち、コイル２０に高周波電流を流すことでプラズマ生成室２内に磁界が生じ、磁界の時間変化によって電界が誘導され、その電界で電子が加速されて誘導結合型プラズマＰが発生する。例えば、高周波電源８を変調運転した場合においても、同様にして誘導結合型プラズマＰが生成される。また、例えば、負性ガスであるＳＦ_６を用い、高周波電源８の変調周期を１０ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ（電源出力のＯＮ／ＯＦＦの割合）を５０％とすると、正イオンと同等の数の負イオンを生成することができる。

プラズマ生成室２の上部に設けられたガス導入ポート３は、ガス供給配管（図示せず）を介してガス供給源（図示せず）に接続されている。このガス供給源からガス導入ポート３を通して、ＳＦ_６，ＣＨＦ_３，ＣＦ_４，Ｃｌ_２，Ａｒ，Ｏ_２，Ｎ_２，Ｃ_４Ｆ_８，ＣＦ_３Ｉ，Ｃ_２Ｆ_４などのプロセスガスがプラズマ生成室２に供給される。ガスの供給量は、プロセスに対して最適になるように、例えば５〜５０ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minute：標準状態（０℃、１気圧）における１分間あたりの流量）の流量となるように、マスフローコントローラーなどのガス流量制御装置（図示せず）で制御する。

加工室６に設けられた保持台５の上面には被処理物４が載置され、加工室６にはプロセスガスを排気するための排気装置としての排気ポンプ９が接続されている。この排気ポンプ９の排気量の調整およびプロセスガスの供給量の調整により、加工室６内がプロセスに最適な圧力に制御される。

なお、加工室６と排気ポンプ９との間にはゲートバルブなどのバルブ（図示せず）を配置することが好ましい。また、加工室６内には、被処理物４のエッチング状態を計測してエッチング終点を検出する終点検出器（図示せず）を配置することが好ましい。このような終点検出器としては、例えば四重極質量分析器やレーザ干渉型膜厚計、エリプソメトリなどの膜厚計を用いることができる。

図３に示すように、プラズマ生成室２の上部空間には、プラズマＰの電位を制御するための導電体からなる電位制御電極１０が配置されており、この電位制御電極１０は電位制御電源１１に接続されている。この電位制御電極１０としては、孔が形成されていない金属やシリコン、グラファイトで形成された板を用いることができる。あるいは、多数の孔を形成した板をガス導入ポート３と一体化し、プロセスガスが均一にプラズマ生成室２に導入されるようにしてもよい。

電位制御電源１１に電圧を印加することで、被処理物４が配置され接地された保持台５と電位制御用電極１０との間に所定の電圧を印加することができる。この印加電圧により、プラズマＰ中に生じたイオンを加速するなどして、イオンやラジカルなどの活性種が被処理物４に照射される量や強度を制御することができる。この印加電圧は、直流もしくは１００ＭＨｚまでの高周波であってもよい。また、電位制御電源１１は、直流もしくは１００ＭＨｚまでの発振が可能なバイポーラ電源であってもよい。さらに、電位制御電源１１は、プラズマ生成用の高周波電源８に同期して変調運転を行うことができるものであればより好ましい。

例えば、上述した高周波電源８の変調運転と同様に、電位制御電源１１の変調周波数を１０ｋＨｚ、Ｄｕｔｙを５０％とすれば、電位制御電源１１が直流電源で、電位制御用電極１０の極性が正の場合、正イオンを加速することができ、電位制御用電極１０の極性が負の場合は、負イオンを加速することができる。同様に、電位制御電源１１をバイポーラ電源とし、変調信号に従って電位制御用電極１０に正と負の双方を印加できるようにした場合、電位制御用電極１０の極性が正のときには正イオンが、負のときには負イオンが、それぞれ変調周期に応じて加速され、交互に被処理物４の表面に照射される。このようにすることによって、さらに低ダメージでの加工が可能になる。

次に、このようなプラズマ処理装置の動作について説明する。本実施形態では、一例として半導体基板のシリコン酸化膜上に形成された多結晶シリコンをエッチング（ゲートエッチング）する場合を例に説明する。

まず、排気ポンプ９を作動させることにより、プラズマ生成室２および加工室６の内部を真空排気した後に、ガス導入ポート３から例えばＳＦ_６などのプロセスガスをプラズマ生成室２の内部に導入する。そして、高周波電源８によって、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力をマッチングボックス７を介して低インピーダンスコイル２０に印加する。この高周波電力の印加によってプラズマ生成室２内には高周波電界が形成される。プラズマ生成室２内に導入されたプロセスガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、プラズマ生成室２内に高密度な誘導結合型プラズマＰが生成される。

誘導結合型プラズマＰ生成されたフッ素系イオン（フラグメントイオン）は、電位制御電源１１によって印加される電圧により加速され、被処理物４に照射される。このとき、フッ素系のイオンは、変調された放電電源の出力がＯＦＦのときに、アフターグローにおけるプラズマ消滅過程においてエネルギーを消耗し、その一部または全てが活性化された活性種としてのフッ素系原子や分子になる。すなわち、これらのフッ素系原子や分子は、保持台５に載置された半導体基板などの被処理物４に照射される。

照射されたフッ素系原子や分子は、被処理物４の被処理層（例えば多結晶シリコン層）において、Ｓｉ＋４Ｆ→ＳｉＦ_４↑という熱的化学反応により、ＳｉＦ_４として自発的に昇華する。このようにして、被処理物４の表面のうちマスクで覆われていない部分については多結晶シリコン層エッチングが進行する。ここで、マスクは、例えば有機物から構成されるレジストである。なお、フッ素系のイオンやフッ素系の原子や分子が保持台５に載置された被処理物４に照射されるときに、例えば外部電源１２により直流、交流、または高周波電界を保持台５を介して被処理物４に印加してもよい。

次に、本実施形態における低インピーダンスアンテナとしてのコイル２０についてより詳細に説明する。例えば、内径５００ｍｍ、全長５０ｍｍ、巻数２のプラズマ生成用コイルの場合、そのインダクタンスは、表１から約４μＨである。このままでは、上述した一般的なマッチングボックスを使用することができないため、コイルのインダクタンスを低減する必要がある。

表１は、コイルの全長を５０ｍｍと一定にして求めたものである。コイルの全長を変えずにコイルのインダクタンスを低減したとしても、軸方向のプラズマ生成領域の増大にはほとんど寄与しない。したがって、本実施形態では、コイルの全長を伸ばすことにより、コイルのインダクタンスを低減するとともに、軸方向のプラズマ生成領域を拡大する方法を提案する。

コイルの全長を伸ばすことでコイルのインダクタンスが低減できることは、上記式（７）から明らかである。すなわち、上記式（７）において、コイルのインダクタンスはコイルの全長に反比例している。したがって、上述した内径５００ｍｍ、巻数２のコイルの全長を５０ｍｍから２倍の１００ｍｍにした場合、このコイルのインダクタンスは２分の１の約２μＨとなる。このようにコイルの全長を延ばすことにより、コイルのインダクタンスを低減して上述した一般的なマッチングボックスをそのまま使用することが可能となる。また、同時に、プラズマ生成領域を軸方向に拡大することが可能となる。

図４は、図３に示す誘導結合型プラズマ源の主要部を示す模式図である。この誘導結合型プラズマ源は、プラズマ生成室２（図３参照）の周囲を取り囲むように配置された高周波コイル２０を備えている。例えば、この高周波コイル２０は、内径５００ｍｍ、全長１００ｍｍ、巻数２である。この高周波コイル２０の両端部２１，２２は相互に接続され、その接続部２３にはマッチングボックス７と高周波電源８とが接続されている。高周波コイル２０の両端部２１，２２の中間に位置する点（中間点）２５は接地されている。

接地された中間点２５より上側のコイル２０ａおよび下側のコイル２０ｂのインダクタンスは、それぞれ内径５００ｍｍ、全長５０ｍｍ、巻数１のコイルのインダクタンスに相当する。したがって、表１から、コイル２０ａおよびコイル２０ｂのインダクタンスは、それぞれ約１μＨとなる。マッチングボックス７から見ると、コイル２０ａおよびコイル２０ｂは並列に接続されているため、コイル２０ａとコイル２０ｂとを併せたインダクタンスＺ_Ｌは、コイル２０ａのインダクタンスをＺ_Ｌ１、コイル２０ｂのインダクタンスをＺ_Ｌ２として、以下の式（８）により表される。
１／Ｚ_Ｌ＝１／Ｚ_Ｌ１＋１／Ｚ_Ｌ２ ・・・（８）
ここで、Ｚ_Ｌ１とＺ_Ｌ２はともに約１μＨであるから、式（８）の右辺の各項の分母は１μＨとなり、式（８）は、以下の式（９）のように書き改めることができる。
１／Ｚ_Ｌ＝２／（１μＨ） ・・・（９）

したがって、式（９）から、図４のコイル２０のインダクタンスＺ_Ｌは、以下の式（１０）のようになる。
Ｚ_Ｌ＝（１μＨ）／２＝０．５（μＨ） ・・・（１０）

上述したように、内径５００ｍｍ、全長１００ｍｍ、巻数２のコイルのインダクタンスは約４μＨであるが、図４に示すような接続方法を施すだけで、コイル２０のインダクタンスを０．５μＨに低減することができ、コイル２０のインダクタンスを一般的なマッチングボックスで対応できるインダクタンス範囲である０．５μＨ〜２μＨ程度の範囲に入れることができる。

このように、本実施形態では、コイル２０の全長を１００ｍｍ、巻数を２として、プラズマ生成室２内のプラズマ生成領域を軸方向に拡大することができる。したがって、プラズマ生成室２の内部に生成された誘導結合型プラズマＰのプラズマ自身の拡散によってプラズマ密度の均一性を改善し、被処理物４の加工可能な面積を広くすることができる。

本発明に係る誘導結合型プラズマ源は、中性粒子による加工プロセスにも適用することができる。図５は、図４に示す誘導結合型プラズマ源を組み込んだ中性粒子ビーム加工装置を示す模式図である。図５に示すように、この加工装置においては、プラズマ生成室２の下端の被処理物４の直上に中性化電極１３が配置されている。この中性化電極１３は、例えばカーボンなどから構成される電極に多数の小孔が形成されたものである。中性化電極１３は中性化電源１４に接続されており、この中性化電源１４により直流、交流、または高周波電界が中性化電極１３に印加される。

中性化電源１４は、連続運転を行ってもよいが、プラズマ生成用の高周波電源８が変調運転されている場合には、高周波電源８に同期して変調運転を行うことが好ましい。このようにすることで、プラズマ生成室２の上部にある電位制御電極１０とともに、誘導結合型プラズマＰに傾斜電界を印加し、あるときは正イオンを、あるときは負イオンをそれぞれ中性化電極１３に向かって加速することができる。

中性化電極１３に向かって加速された正と負のイオンは、中性化電極１３に形成された小孔を通過し、これらの小孔を通過する際に、正と負のイオンは電荷交換などにより電気的に中性な中性粒子ビームとなって、被処理物４に照射される。そして、上述したようなエッチングプロセスと同様に加工が進行する。この場合において、低エネルギーでなおかつ中性の粒子により加工を行うので、被処理物４に対するダメージが少なく、歩留まりが向上し、プロセスコストを低減することができる。このように中性粒子を用いて加工を行えば、被処理物４の表面でのチャージアップや、電荷による被処理物４に形成された素子へのダメージがないため、良好な加工を実現することができる。なお、装置内に終点検出器を設けた場合には、終点検出器によってエッチングの終点の検出を行うことができるので、過度なエッチングがなされるのを防止することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態における誘導結合型プラズマ源の主要部を示す模式図である。図４に示す例では、コイル２０の中間点２５を接地し、コイル２０の両端部２１，２２を高周波電源８に接続した例を説明したが、本実施形態では、接地点と高周波電源８に接続される点を図４に示すものと逆にしている。すなわち、この誘導結合型プラズマ源は、プラズマ生成室２（図３参照）の周囲を取り囲むように配置された高周波コイル２０を備えており、高周波コイル２０の両端部２１，２２の中間に位置する点（中間点）２５にはマッチングボックス７と高周波電源８とが接続され、高周波コイル２０の両端部２１，２２は接地されている。このような構成によって、上述した第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、図４および図６においては、コイル２０の巻数が２である場合について説明したが、コイル２０の巻数は２に限られるものではなく、プラズマ源の大きさやプロセスの要求に応じて、適宜変更することができる。また、コイル２０の巻数は必ずしも整数である必要はなく、プラズマ源の大きさやプロセスの要求に応じて、例えば３．５回巻きなどとすることもできる。

図７は、本発明の第３の実施形態の誘導結合型プラズマ源の主要部を示す模式図であるが、この誘導結合型プラズマ源においては、巻数４のコイル３０が用いられている。図７では、図４に示す例と同様に、コイル３０の両端部３１，３２を相互に接続して、その接続部３３にマッチングボックス７と高周波電源８とを接続し、コイル３０の両端部３１，３２の中間に位置する点（中間点）３５を接地している。

ここで、コイル３０の内径が５００ｍｍ、全長が１００ｍｍ、巻数が４である場合、接地された中間点３５より上側のコイル３０ａおよび下側のコイル３０ｂのインダクタンスは、それぞれ内径５００ｍｍ、全長５０ｍｍ、巻数２のコイルのインダクタンスに相当し、約４μＨとなる（表１参照）。マッチングボックス７から見ると、コイル３０ａおよびコイル３０ｂは並列に接続されているため、コイル３０全体のインダクタンスは約２μＨとなる。したがって、図７に示す場合においても、一般的で安価なマッチングボックスを用いることができ、かつ、プラズマ生成室２の軸方向に十分な長さを持ったプラズマを生成することができる。このように、本実施形態においても、プラズマ生成室２の内部に生成された誘導結合型プラズマＰのプラズマ自身の拡散によってプラズマ密度の均一性を改善し、被処理物４の加工可能な面積を広くすることができる。

図８は、本発明の第４の実施形態の誘導結合型プラズマ源の主要部を示す模式図である。この誘導結合型プラズマ源は、プラズマ生成室２（図３参照）の周囲を取り囲むように配置された高周波コイル４０を備えている。この高周波コイル４０は、やや複雑な形状をしているが、高周波コイル４０の両端部４１，４２の中間に位置する点（中間点）４５で折り返して、それまでとは逆方向にコイルを巻いた形状となっている。高周波コイル４０の両端部４１，４２は相互に接続され、その接続部４３にはマッチングボックス７と高周波電源８とが接続されている。また、高周波コイル４０の中間点４５は接地されている。

図９は、本発明の第５の実施形態の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。この誘導結合型プラズマ源は、プラズマ生成室２（図３参照）の周囲を取り囲むように配置された高周波コイル４０を備えている。この高周波コイル４０は、高周波コイル４０の両端部４１，４２の中間に位置する点（中間点）４５で折り返して、それまでとは逆方向にコイルを巻いた形状となっている。高周波コイル４０の中間点４５にはマッチングボックス７と高周波電源８とが接続され、高周波コイル４０の両端部４１，４２は接地されている。

なお、図８および図９においては、コイル４０の巻数が２である場合について説明したが、コイル４０の巻数は２に限られるものではなく、コイルの巻数が３以上の場合でも、その中間点で折り返し、この中間点を接地することにより、あるいは中間点に高周波電源８を接続することができる。また、コイル４０の巻数は必ずしも整数である必要はなく、プラズマ源の大きさやプロセスの要求に応じて、例えば３．５回巻きなどとすることもできる。すなわち、被処理物４を最適に処理するために最適なプラズマを発生するために、コイルの巻数を選択することができる。

また、接地点または高周波電源８を接続する点は、コイルの両端部からの距離（コイルの配線に沿った距離）が同一である真中点であることが好ましいが、図４、図６、および図７に示すように、コイルの形状が単なる空芯ソレノイド状ではない場合は、真中点である必要はない。単純な空芯ソレノイド状のコイルであっても、接地点または高周波電源８を接続する点を真中点よりコイルの一方の端部（高周波電源８を接続する点または接地点）に近づけてもよい。なお、例えば、単純な空芯ソレノイド状のコイルの場合には、真中点、すなわちコイルの両端部からコイルに沿って等しい長さの位置で接地すれば、例えば上下のコイルに印加される高周波電力の不均一がなくなる。したがって、単純な空芯ソレノイド状のコイルの場合には、生成された誘導結合型プラズマＰの軸方向密度分布をなくし、プラズマの均一性を向上させる上で、真中点で接地することがより好ましい。

上述したプラズマ生成方法においては、石英など主として誘電体で形成されたプラズマ生成室２の外側に、プラズマ生成室２と略同一径かそれよりも若干大きな径のコイルを配置することができるが、プラズマ生成室２の形状などによってはプラズマ生成室２と略同一径でなくてもよい。また、真空容器であるプラズマ生成室２の上面、すなわち図３におけるガス導入ポート３の周囲に渦巻状のアンテナを配置してもよい。

図１０は、本発明の第６の実施形態の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。本実施形態では、ガス導入ポート３の周囲に渦巻状の高周波アンテナ５０を電気的に絶縁された状態で配置している。この高周波アンテナ５０の両端部５１，５２は相互に接続され、その接続部５３にはマッチングボックス７と高周波電源８とが接続されている。高周波アンテナ５０の両端部５１，５２の中間に位置する点（中間点）５５は接地されている。

図１０に示す場合には、接地位置である中間点５５は、以下のように決めるとよい。すなわち、中間点５５でアンテナ５０を２つに分けて、中間点５５よりも内側のアンテナ５０ａと外側のアンテナ５０ｂとを考える。アンテナ５０ａとアンテナ５０ｂは、形状や寸法が大きく異なるため、図４から図９で説明したような各コイルのインダクタンスを同一にする幾何学的な中間点を設定することが困難である。したがって、図１０に示すアンテナ５０の場合、内側アンテナ５０ａと外側アンテナ５０ｂのインダクタンスが、それぞれの端部５１，５２からコイルに沿った中間点５５までの間で相互に同一になるように、中間点５５を決めることが好ましい。

このため、アンテナ５０に沿った全長の半分の位置が中間点として最適ではない場合がある。図１０に示すように、アンテナ５０に沿って径や形状が変化するような場合には、インダクタンスを考慮した上で最適な中間点５５を決めるか、あるいは、インダクタンスが同一になるようにアンテナ５０を設計する必要がある。これらの点を考慮すると、接地点または高周波電源８を接続する点は、アンテナ５０のそれぞれの端部５１，５２からアンテナ５０に沿って略等距離の位置とするのが適切であると考える。

図１１は、本発明の第７の実施形態の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。図１１に示す例は、図１０に示す例における接地点と高周波電源８に接続される点とを入れ替えたものであり、インダクタンスの低減やプラズマの発生などについての考え方および効果は、図１０に示す例と同様である。

図１２は、本発明の第８の実施形態の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。ここで、巻数１、全長０ｍｍのコイルをループということとする。図１２に示すように、本実施形態における誘導結合型プラズマ源は、２つのループ７０，８０を並列接続したアンテナ６０ａを備えている。このように、複数のループを用いて構成されたプラズマ生成用コイル状アンテナ（以下、ループコイルという）によっても、アンテナのインダクタンスを低減し、すなわちインピーダンスを低減することができる。

図１２に示すように、各ループ７０，８０の両端部は相互に接続されている。すなわち、上側ループ７０の一端部７１と下側ループ８０の一端部８１とが接続され、上側ループ７０の他端部７２と下側ループ８０の他端部８２とが接続されている。図１２に示す例では、ループ７０，８０の端部のうち互いに隣り合う端部同士が接続されている。上側ループ７０の端部７１と下側ループ８０の端部８１との接続部６３にはマッチングボックス７と高周波電源８とが接続されており、上側ループ７０の端部７２と下側ループ８０の端部８２との接続部６４は接地されている。

ここで、各ループ７０，８０の接続部６３，６４における位相は、互いに一致させることが好ましい。これは、位相をずらすことによって余分な配線が必要となり、その余分な配線により新たなインダクタンスが発生するからである。ただし、上述の結線方法によって低下したインダクタンスが一般的なマッチングボックスの適用範囲外となった場合に、このようにして発生した余分なインダクタンスによって一般的なマッチングボックスの適用範囲内に調整する目的であれば、各ループ７０，８０の接続部６３，６４における位相をずらしてもよい。

図１３は、本発明の第９の実施形態の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。本実施形態における誘導結合型プラズマ源は、２つのループ７０，８０を接続したアンテナ６０ｂを備えている。本実施形態では、図１２に示す例と同様に、２つのループ７０，８０の両端部は相互に接続されているが、上側ループ７０の端部７１と下側ループ８０の端部８２とが接続され、上側ループ７０の端部７２と下側ループ８０の端部８１とが接続されている。すなわち、図１３に示す例では、ループ７０，８０の端部のうち互いに離れた方の端部同士（対角線上にある端部同士）が接続されている。上側ループ７０の端部７１と下側ループ８０の端部８２との接続部６５にはマッチングボックス７と高周波電源８とが接続されており、上側ループ７０の端部７２と下側ループ８０の端部８１との接続部６６は接地されている。

図１２に示す例では、ある瞬間に各ループ７０，８０に流れる電流の向きは同じであるが、図１３に示す例では、各ループ７０，８０に流れる電流の向きは互いに逆になる。いずれの結線方法でも同等な効果を得ることができるが、図１３に示す例では、上側ループ７０で生じたコイル上の電界と、下側ループ８０で生じた電界とが打ち消しあう効果がある。したがって、図１３に示す誘導結合型プラズマ源は、インダクタンスを低減する効果に加えて、各ループ７０，８０に生じる電界を打ち消すことによって、主として石英などの誘電体で構成されたプラズマ生成室２の内壁をイオンがスパッタして被処理物４を汚染することをさらに防止することができる。

例えば、図１２および図１３において、内径５００ｍｍの２つのループ７０，８０を有するループコイルのインダクタンスは、約０．７μＨとなる。これは以下のようにして導くことができる。まず、内径５００ｍｍのループのインダクタンスＬ_ＬＰ（μＨ）は、ループの平均半径をＲ（ｃｍ）、ループを構成する配線の線径をｒ（ｃｍ）とすると、次式（１１）により求められる（小林、広瀬監訳「コンパクト物理学ハンドブック」初版、丸善株式会社、ｐ．３０）。
Ｌ_ＬＰ＝０．０１２５７×Ｒ［ｌｎ（８Ｒ／ｒ）−１．７５］（μＨ） ・・・（１１）
ここで、ループの平均半径Ｒとは、ループを構成する配線に有限の太さがあるため、その配線の中心からループの幾何学的中心までの距離をいう。

内径５００ｍｍのループを構成する配線として直径８ｍｍの配線を使用した場合には、Ｒ＝２５ｃｍ、ｒ＝０．４ｃｍを式（１１）に代入すると、ループのインダクタンスＬ_ＬＰは、１．４０（μＨ）と求められる。

このようなループが２つ並列に接続されているため、式（８）〜式（１０）で説明したのと同様の方法により、２つのループで構成されるループコイルのインダクタンスＬ_ＬＣは、以下の式（１２）により求められる。
Ｌ_ＬＣ＝Ｌ_ＬＰ／２
＝１．４０／２
＝０．７（μＨ） ・・・（１２）
このように、内径５００ｍｍのループを２つ並列に接続したループコイルのインダクタンスは約０．７μＨとなるので、上述した一般的なマッチングボックスで対応することができる。

なお、図１２および図１３においては、ループコイルが２つのループ７０，８０により構成される例を説明したが、ループコイルのループ数は２つに限られるものではない。

図１４は、本発明の第１０の実施形態の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。図１４に示すように、本実施形態における誘導結合型プラズマ源は、３つのループ１００，１０２，１０４を並列接続したループコイル９０を備えている。このような構成の場合、さらにループコイル９０のインダクタンスが低減されて０．４７μＨとなる。したがって、さらに大口径の被処理物（ウェハ）を対象とするプラズマ処理装置、あるいは小口径の被処理物（ウェハ）を一度に複数枚処理するようなプラズマ処理装置、すなわちプラズマ生成用コイル状アンテナの内径が５００ｍｍを超えるようなプラズマ処理装置におけるプラズマ源に好適に用いることができる。

図１５は、本発明の第１１の実施形態の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。図１５に示すように、本実施形態における誘導結合型プラズマ源は、図１２に示すループコイル６０ａ，６０ａを直列に２組接続したものである。図１５に示す例では、ループコイル６０ａ，６０ａを２つ直列に接続しているが、これらを並列に接続してもよい。また、図１３に示すループコイル６０ｂ，６０ｂ同士を組み合わせてもよいし、図１２に示すループコイル６０ａと図１３に示すループコイル６０ｂとを組み合わせてもよい。

図１６は、本発明の第１２の実施形態の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。図１６に示すように、本実施形態における誘導結合型プラズマ源は、図１２に示すループコイル６０ａと、１つのループ１０６とを直列に接続したものである。図１６に示す例では、図１２に示すループコイル６０ａと１つのループ１０６とを直列に接続しているが、これらを並列に接続してもよい。また、複数または単数のループからなるループコイルを任意に組み合わせて、これらを並列または直列に接続してもよい。

上述したように、本発明によれば、半導体集積デバイス、液晶ディスプレイやマイクロマシンの作製、半導体基板やガラス基板などに対する微細加工、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems)やＮＥＭＳ（Nano-Electro Mechanical
Systems）、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などによる基板表面への微小構造物の形成や成膜、ナノテクノロジーやμ−ＴＡＳ（Total Analysis System）に用いられる誘導結合型プラズマを効果的に生成することができる。また、本発明によれば、特殊なマッチングボックスを必要としない簡単な構成の誘導結合型プラズマ源により、安価に誘導結合型プラズマを生成することができる。また、安全性が高く、被処理物の歩留まりを向上することができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

従来の誘導結合型プラズマ源を用いた加工装置を示す模式図である。 従来の誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る誘導結合型プラズマ源を有するプラズマ処理装置を示す模式図である。 図３に示す誘導結合型プラズマ源の主要部を示す模式図である。 図４に示す誘導結合型プラズマ源を有する中性粒子ビーム加工装置を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第６の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第７の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第８の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第９の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第１０の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第１１の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。 本発明の第１２の実施形態における誘導結合型プラズマ源を示す模式図である。

符号の説明

１ プラズマ処理装置
２ プラズマ生成室
３ ガス導入ポート
４ 被処理物
５ 保持台
６ 加工室
７ マッチングボックス
８ 高周波電源
９ 排気ポンプ
１０ 電位制御電極
１１ 電位制御電源
２０，３０，４０，５０ アンテナ（コイル）
６０ａ，６０ｂ，９０ ループコイル
７０，８０，１００，１０２，１０４，１０６ ループ

Claims (15)

1. 電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入し、
   前記プラズマ生成室の壁に沿って配置されたアンテナの両端部の中間点を電気的に接地し、
   前記アンテナの両端部に高周波電力を供給して前記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成することを特徴とするプラズマ生成方法。
2. 電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入し、
   前記プラズマ生成室の壁に沿って配置されたアンテナの両端部を電気的に接地し、
   前記アンテナの両端部の中間点に高周波電力を供給して前記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成することを特徴とするプラズマ生成方法。
3. 前記アンテナは、コイル状のアンテナまたは渦巻状のアンテナであることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ生成方法。
4. 前記中間点は、前記アンテナの両端部から略等距離の位置にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のプラズマ生成方法。
5. 電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入し、
   前記プラズマ生成室の壁に沿って配置された複数のループコイルのそれぞれの一端部を電気的に接地し、
   前記複数のループコイルのそれぞれの他端部に高周波電力を供給して前記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成することを特徴とするプラズマ生成方法。
6. 電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室と、
   前記プラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入するガス導入ポートと、
   前記プラズマ生成室の壁に沿って配置され、その両端部の中間点が電気的に接地されたアンテナと、
   前記アンテナの両端部に高周波電力を供給して前記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する高周波電源と、
   を備えたことを特徴とする誘導結合型プラズマ源。
7. 電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室と、
   前記プラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入するガス導入ポートと、
   前記プラズマ生成室の壁に沿って配置され、その両端部が電気的に接地されたアンテナと、
   前記アンテナの両端部の中間点に高周波電力を供給して前記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する高周波電源と、
   を備えたことを特徴とする誘導結合型プラズマ源。
8. 前記アンテナは、コイル状のアンテナまたは渦巻状のアンテナであることを特徴とする請求項６または７に記載の誘導結合型プラズマ源。
9. 前記中間点は、前記アンテナの両端部から略等距離の位置にあることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の誘導結合型プラズマ源。
10. 電磁波を透過する材質で形成された壁を有するプラズマ生成室と、
    前記プラズマ生成室の内部にプロセスガスを導入するガス導入ポートと、
    前記プラズマ生成室の壁に沿って配置され、その一端部が電気的に接地された複数のループコイルを有するアンテナと、
    前記アンテナの各ループコイルの他端部に高周波電力を供給して前記プラズマ生成室の内部に誘導結合型プラズマを生成する高周波電源と、
    を備えたことを特徴とする誘導結合型プラズマ源。
11. 前記誘導結合型プラズマの電位を制御する少なくとも１つの電位制御電極と、
    前記電位制御電極に電圧を印加する電位制御電源と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載の誘導結合型プラズマ源。
12. 前記電位制御電源は、連続運転可能または変調運転可能に構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の誘導結合型プラズマ源。
13. 前記高周波電源は、連続運転可能または変調運転可能に構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の誘導結合型プラズマ源。
14. 前記電位制御用電源は、前記高周波電源と同期可能に構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の誘導結合型プラズマ源。
15. 請求項６から１４のいずれか一項に記載の誘導結合型プラズマ源と、
    被加工物を保持する保持台と、
    前記保持台が配置された加工室と、
    前記プロセスガスを排気する排気装置と、
    を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。

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