JP2010163682A5

JP2010163682A5 -

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Publication number: JP2010163682A5
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Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2029-04-06

Description

現在、これらのプラズマ処理装置に用いられる代表的なプラズマ源として高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma：以下、ＩＣＰと略称する）源がある。ＩＣＰ源では、まず、高周波誘導アンテナに流れる高周波電流Ｉがアンテナの周囲に誘導磁場Ｈを発生させ、この誘導磁場Ｈが誘導電場Ｅを形成する。この時、プラズマを発生させたい空間に電子が存在すると、その電子は誘導電場Ｅによって駆動され、ガス原子（分子）を電離してイオンと電子の対を発生させる。このようにして発生した電子は、元の電子と共に再び誘導電場Ｅによって駆動され、さらに電離が生じる。最終的に、この電離現象が雪崩的に生じることでプラズマが発生する。プラズマの密度が最も高くなる領域は、プラズマを発生させる空間のうち誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）が最も強い空間、つまり、アンテナに最も近い空間である。また、これらの誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）の強度は、高周波誘導アンテナに流れる電流Ｉの線路を中心として距離の２乗で減衰するという特性を持つ。したがって、これらの誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）の強度分布、ひいてはプラズマの分布は、アンテナの形状によって制御できる。

このようなＩＣＰ源は、高周波誘導アンテナの巻き方や形状によってアンテナの作る誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）の強度分布、つまりプラズマの分布を制御できるという利点がある。これに基づき、ＩＣＰ源では種々の工夫が進められてきた。

また、全く同じ複数の高周波誘導アンテナを、一定角度ごとに並列して設置する構造が提案されている。例えば、３系統の高周波誘導アンテナを、１２０°おきに設置することにより、周方向の均一性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この高周波誘導アンテナは、縦に巻かれたり、あるいは平面に巻かれたり、あるいはドームに沿って巻かれたりしている。特許文献２のように、まったく同じ複数のアンテナ要素を、電気回路内に並列に接続すると、複数のアンテナ要素からなる高周波誘導アンテナのトータルインダクタンスが低減されるという利点もある。

さらに、高周波誘導アンテナを、２つ以上の同一形状のアンテナ要素を電気回路内に並列に接続して構成するとともに、アンテナ要素の中心を被処理物の中心と一致するように同心円状、あるいは放射状に配置し、各アンテナ要素の入力端を、３６０°を各アンテナ要素の数で割った角度おきに配置し、かつアンテナ要素が径方向と高さ方向に立体的な構造を持つように構成することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

高周波誘導アンテナを用い、ＥＣＲ現象を利用したプラズマ源もある。これは、ホイスラー波と呼ばれる一種のＥＣＲ現象に伴う波によってプラズマを生成するものである。ホイスラー波はヘリコン波とも呼ばれ、これを利用したプラズマ源はヘリコンプラズマ源とも呼ばれる。このヘリコンプラズマ源の構成は、例えば、円筒状の真空容器の側面に高周波誘導アンテナを巻きつけ、これに比較的低い周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し、さらに磁場を印加する。この時、高周波誘導アンテナは、１３．５６ＭＨｚの一周期のうち半周期では右回りに回転する電子を生成し、残りの半周期では左回りに回転する電子を生成する。この二種類の電子のうち、右回りの電子と磁場の相互作用でＥＣＲ現象が生じる。ただし、このヘリコンプラズマ源では、ＥＣＲ現象が生じる時間は高周波の半周期に限られること、また、ＥＣＲの発生する場所が分散し電磁波の吸収長が長いために長い円筒状の真空容器が必要となりプラズマの均一性が平坦でなく、長い真空容器に加えてプラズマ特性がステップ状に変化するため適切なプラズマ特性（密度とその分布、電子温度やガスの解離など）に制御し難いこと、等いくつかの問題があり、産業用にはあまり適さない。

右回りの電子を生成するために、回転する電場を作り出す方法は複数ある。簡便な方法としては、上記特許文献５記載のようなパッチアンテナの方法が昔から知られており、パッチ状（円形や四角形の小さな面状）のアンテナを円周上にｎ個（例えば４個）並べ、放射したい電磁波の周波数を持つ電圧の位相を２π／ｎ（例えば２π／４）ずつずらしながら供給すると、右円偏波した電磁波を放出させることができる。

まず、右回転の電場を積極的に生成する方法について説明する。積極的なアンテナがある場合、アンテナ周辺には近接場（near field：電場と磁場の両方）と遠方場（far field：電磁波）が形成される。どのような場が強く生成されるか弱く生成されるかは、アンテナの設計と用い方によって異なる。電場には近接場として形成される２種類の電場がある。一つはアンテナ自体に沿った電位分布、(即ち、アンテナの一部と他の部分との間の電位差)あるいはアンテナと異なった電位の近傍部分（例えば、接地された真空室、ファラディシールド、或いはプラズマ）との間の電位分布により形成されるものである。これは、本明細書では、単純に電場と称される。他方は、磁場の形成に付随して形成され、後述する磁場と同等のものである。この磁場は、誘導的に形成され、本明細書では誘導電場と称される。プラズマとアンテナを容量結合させると、プラズマへの電力輸送の主過程は電場（近接場、しかしながらこれは誘導電場ではない）になる。また、プラズマとアンテナを誘導結合させると、プラズマへの電力輸送の主過程は磁場（近接場、これは誘導電場である）になる。積極的に容量結合も誘導結合もさせない場合、プラズマへの電力輸送の主過程は遠方場利用になる。以下、電磁波放射、電場、磁場による右回転電場の生成方法について説明する。

（１）電磁波放射（far field：遠方場）
遠方場とは遠方に伝播する電磁波のことである。この方法では、積極的に右円偏波した電磁場をプラズマの生成空間に放出する場合と、積極的に右円偏波させないが電磁波に含まれる右円偏波成分を利用する場合に分かれる。前述のパッチアンテナをｎ個並べる方法は前者であり、従来のμ波を用いた無電極ＥＣＲ放電は後者の例である。プラズマとアンテナは近接場が邪魔をしないように積極的には結合させない。単に放射した電磁波をプラズマに入射しているだけである。パッチアンテナまたはダイポールアンテナ（特許文献４参照：ただし、この技術は、積極的に電磁場を右回転させているわけではない）等のアンテナ全般が使えることが知られている。すなわち、この方法では、下記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）がいえる。
（Ａ）アンテナ（電極）には電力を加える。電磁場の放射効率を上げるために、積極的にアンテナの共振、即ち、インピーダンスマッチングを利用することが多い。共振を利用しないと電磁波の放射効率が悪いので実用にはなり難い。放射した電磁波が積極的にプラズマに向うわけではない（基本的に遠方に伝わるので、あちらこちらいろんな所に伝搬する）ので、プラズマに良く吸収されるとはならず、大電力輸送には使い難い。大電力輸送には、電磁波の伝播方向が限られる導波管を用いることが多い。ただし、導波管のサイズは電磁波の波長によって決まるため、μ波以下の周波数では導波管サイズが大きくなりすぎるため、導波管を用いる場合は少ない。
（Ｂ）導波管ではなく、電極（アンテナ）を用いる場合には、電極に電力を印加する端子がある。電極を接地する端子は存在しない場合と存在する場合に分かれる。これは、電極（アンテナ）をどのように用いるかで決まる。
（Ｃ）アンテナの有無に関わらず、プラズマに放射された電磁場の浸透限界はカットオフ密度ｎｃ（ｍ^−３）で決まり、この場合電磁波は表皮深さまでプラズマに浸透する。表皮深さは、２００ＭＨｚでプラズマの抵抗率を１５Ωｍとすると１３８ｍｍであり、シース（数ｍｍ以下）より桁で長い。つまり、次に述べる容量結合の場合よりもプラズマ内により深く浸透する。
電磁波の周波数ｆとカットオフ密度ｎｃの関係を図２６に示す。周波数がμ波以下の領域では、カットオフ密度ｎｃは、産業上で用いるプラズマ密度（１０^{１５−１７}ｍ^−３）より低いのが一般である。つまり、μ波以下の周波数の電磁波は、通常のプラズマ中を自由に伝播できず、表皮深さまで浸透する。

この方法では、以下のことが言える。
（Ａ）電極には電圧を印加する。特に右円偏波を積極的に発生させる場合は、電極には位相制御した電圧を加える。
（Ｂ）電極には電圧を印加する端子のみがあり、その他の端子、例えば電極を接地する端子は存在しない。
（Ｃ）容量結合した電場は、電子の集団運動（シース）で遮蔽される。この遮蔽の作用は、シースの電場に垂直な静的（ＤＣ）な磁場をかけて電子の自由な動きを制限することで減らすことができる。別な表現では、電子の自由な動きを制限すると、プラズマ内での電場の波長が延びるとも言える。
（Ｄ）特許文献５の技術では、以下の議論により、プラズマと容量結合する電極を使っていると結論できる。
（Ｄ−１）高周波信号として電圧を利用していること。これは高周波のエネルギーが電圧、つまり電場に直接変換されてプラズマに伝送されていることを意味する。このことは、電極がプラズマと容量結合していることを示す。ちなみに、誘導結合を利用する場合、高周波として電流を利用しなければならない。誘導結合は誘導磁場によって行われるが、誘導磁場は電圧ではなく高周波電流によって発生するからである。
（Ｄ−２）特許文献５は、電子運動による遮蔽現象があること、及びその遮蔽は静磁場によって解消できることを記述しているが、遮蔽の解消は電極がプラズマと容量結合している場合のみ有効である。プラズマには二種類の遮蔽現象がある。一つは電気容量として動作するシースの電場遮蔽である。他方は、表皮効果による高周波磁場（これには、高周波誘導磁場と同等の高周波誘導電場が含まれる）遮蔽である。静磁場が電子の自由な集団運動を妨害することによって、（電場遮蔽効果を減少させるために、）シースの厚さを増加させることが可能である。これに対して、高周波誘導磁場は高周波磁場によってのみ減少させることができる。なぜなら、静磁場で表皮深さを変えること（高周波磁場による遮蔽効果を減らすこと）は不可能だからである。なぜなら、磁場とは加算と減算が可能な物理量であり、それゆえ、静磁場（つまり時間的に一定値）により高周波誘導磁場（つまり時間変動値）を打ち消すことは不可能である。
（Ｄ−３）引用文献５に使われている電極は、アンテナではないと記述している。これは、使われている電極が近接場を主に利用していることにしかならない。すなわち、電場（容量結合）か誘導磁場（誘導結合）のどちらかである。
（Ｄ−３−１）引用文献５では、図に電磁波を放射する効率が悪い小面積のパッチ状電極を使うことが示されている。これは、使われている電極が近接場を主に利用していることにしかならず、電場（容量結合）か誘導磁場（誘導結合）のどちらかである。しかし、電場の場合プラズマとの容量結合効率を強くするためには面積（静電容量）が必要になるのに対して、磁場の場合はトランス（誘導結合）を実現するために電流を流す線路をプラズマに平行に細長く引く必要がある。特許文献５では、電極の形より、容量結合しているとしかならない。パッチ状電極を接地させるという記述も図も無い。（Ｄ−３−２）で述べるように、このパッチ状電極の大きさは高周波の波長より短く、パッチ状電極に発生する電圧も電流も印加高周波の周波数により変動するものの、瞬間的に見れば電極全体に波長の影響の無い一様な電圧が発生しており、また、一様な電流が流れ込んでいることになる。パッチ電極は近接場として強い電場も弱い誘導磁場も形成しているが、この場合電場がプラズマと強く容量結合する面積を持っているが、パッチ状電極がプラズマと強くトランス結合するだけの線路長を持っていない。
（Ｄ−３−２）１３．５６ＭＨｚを使用する例を引いているが、１３．５６ＭＨｚの波長は約２２ｍであり、図のパッチ状電極がこの長い波長に対して共振しているとは考えられない（もし、共振しているならば電極の大きさは波長の１／２とか１／４とかの大きさが必要だし、例えば特許文献４のように積極的に共振する手法を用いなくては、共振など起こらない。また、アンテナではないと記述していることからも、このパッチ状電極は共振していることにはならない）。また、このような巨大な電極を必要とする半導体デバイスを形成させるための所定の処理を行うプラズマ処理装置は無い。これは、使われている電極が近接場を主に利用していることにしかならない。電場か誘導磁場のどちらか。しかし、電場の場合プラズマとの容量結合効率を強くするためには広い面積（大きな静電容量）が必要になるのに対して、磁場の場合はトランス（誘導結合）を実現するために電流を流す線路をプラズマに平行に細長く引く必要がある。電極の形はパッチ状でありプラズマとトランス結合するための電流線路はほとんど無い。つまりこのパッチ状電極は、容量結合しているとしかならない。
（Ｄ−３−３）パッチ状電極を接地させるという記述も図も無い。従って、パッチ状電極を流れる電流はプラズマを介してアースに流れ込むことになる。つまり、プラズマがこのパッチ状電極の負荷であり、生成するプラズマのインピーダンスによって電流値が大きく変わる。良く知られているように、誘導結合プラズマでは、基本的に、プラズマと誘導結合する線路の一端に電流を供給し、他端を接地する。これは、線路に流れる電流が主に直接接地（アース）に流れ込み、接地（負荷の低インピーダンス化）による大電流を発生させる。この大電流で誘導磁場を生成して、効率的にプラズマに電力を輸送できるようにしたものである。もちろん、接地端をアースから切り離してそこにコンデンサを挿入することは行われるが、電気回路的な工夫により、大電流を発生するとともに、その大電流で強い誘導磁場を生成して、効率的にプラズマに電力を輸送できるようにしたものであることには変わりは無い。つまり、パッチ状電極を接地させるという記述も図も無いことは、このパッチ状電極がプラズマと主に容量結合していることにしかならない。

上記したように、誘導磁場で作り出した積極的に右回転する誘導電場を用いてＥＣＲ現象を起こす技術は開発されていない。誘導磁場は電流によって発生するので、電場利用とは全く逆の設計が必要となる。すなわち、誘導磁場の利用では、強い近接場（誘導磁場）を発生する積極的な電極が必要であり、電流が強くなければならないので、電極の負荷は低インピーダンスにする必要がある。つまり、ここで使われる電極は、プラズマと誘導結合（トランス結合）するが、積極的に接地したり、コンデンサやコイルを接続して接地したりすることが必要となる。誘導磁場の利用は、近接場なので、プラズマとの位置関係を工夫することで、大電力を効率良くプラズマに輸送できる。この方法では、プラズマとの誘導結合（トランス結合）を強くするために、十分な線路長（コイル長さ）が必要になる。ここで、アンテナ（電磁波放射する電極）だけでなく、電磁波を放射する能力が弱くても単なる磁場（近接場）を発生する電極（コイル）でも使える。この方法によれば、以下のことがいえる。
（Ａ）電極には、位相制御した電流を加える。
（Ｂ）電極には、電流を印加する端子があり、さらに電極から積極的に大電流を接地させて流すための別の端子が存在する。この端子は接地されるか、コンデンサやコイルを通じて接地される。
（Ｃ）誘導結合した磁場は、遠方場と同様、表皮効果で遮蔽される。静磁場でこの遮蔽を防ぐことは不可能である。

ＩＣＰ源では、高周波電流Ｉが高周波誘導アンテナを周回するうちに、浮遊容量を介してプラズマやアースに流れ込み損失を生じる。これが原因となり、誘導磁場Ｈが周方向で強弱の分布を持ち、結果として周方向のプラズマの均一性が損なわれる現象が顕著になる場合がある。この現象は、高周波誘導アンテナ周囲の空間の誘電率だけでなく透磁率にも影響を受け、反射波効果や表皮深さ効果などとして現れてくる波長短縮現象である。この現象は、同軸ケーブルのような通常の高周波伝送ケーブルでも発生する一般的現象であるが、高周波誘導アンテナがプラズマと誘導結合していることでその波長短縮効果がより顕著に現れるというものである。また、ＩＣＰ源だけではなく、ＥＣＲプラズマ源や平行平板型容量結合プラズマ源のような一般的なプラズマ源では、高周波を放射するアンテナやその周辺の空間に、アンテナや真空容器内部に向う進行波と返ってくる反射波が重なって定在波が発生する。これは、アンテナ端部やプラズマ、さらに高周波が放射される真空容器内の多くの部分から反射波が帰ってくるためである。この定在波も、波長短縮効果に大きく関与する。これらの状況下では、ＩＣＰ源の場合、例えＲＦ電源の周波数として波長が約２２ｍと長い１３．５６ＭＨｚを使っていても、高周波誘導アンテナ長が２．５ｍ程度を超えると、アンテナループ内に波長短縮効果を伴う定在波が発生する。したがって、アンテナループ内での電流分布が不均一となって、プラズマ密度分布が不均一になるという問題が発生する。

ＩＣＰ源において、アンテナに流れる高周波電流Ｉは、周期的に位相つまり流れる方向が逆転し、これに従って、誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）の向き、つまり電子の駆動方向が逆転するという問題がある。つまり、印加する高周波の半周期毎に、電子は一旦停止し、逆方向に加速されることを繰り返す。このような状態において、高周波のある半周期において電子の雪崩現象による電離が不十分な場合、電子が一旦停止した時点で十分に高い密度のプラズマが得られ難いという問題が生じる。この理由は、電子が減速されて一旦停止する間、プラズマの生成効率が落ちるからである。一般に、ＩＣＰ源は、ＥＣＲプラズマ源や容量結合型平行平板型プラズマ源よりもプラズマの着火性が悪いが、これには上記のような原因による。なお、高周波の半周期毎にプラズマの生成効率が悪くなるのは、位相制御をしていない誘導結合を用いたヘリコンプラズマ源も同じである。

上記課題を解決するための第1ステップとして、本発明では、試料を収容し得る真空処理室を構成する真空容器と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室外に設けられた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場形成用コイルに電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、さらに磁場を印加して、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記真空処理室は、前記真空容器の上部に気密に固定される真空処理室蓋を具備し、該真空処理室蓋は誘電体からなるとともに平板状または中空の半球状または台形の回転体状もしくは有底円筒状のいずれかの形状を有し、前記高周波誘導アンテナをｎ（ｎ≧３の整数）個の高周波誘導アンテナ要素に分割し、該分割されたそれぞれの高周波誘導アンテナ要素を円周上に縦列に並べ、縦列に配置された各高周波誘導アンテナ要素に順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を磁力線方向に対して一定方向に順に遅れて流れるようにする。これにより、前記磁場形成用コイルに電力を供給して形成した磁束密度Ｂの磁力線方向に対して常に右回りの一定方向に回転する回転誘導電場Ｅを前記高周波電流により形成し、この回転誘導電場Ｅによりプラズマ中の電子を前記磁力線方向に対して常に右回りの一定方向に回転させる。この時、前記回転誘導電場Ｅ回転周波数と前記磁束密度Ｂによる電子サイクロトロン周波数を一致させるように構成するとともに、前記回転誘導電場Ｅと前記磁束密度Ｂの間にＥ×Ｂ≠０の関係が任意のところで満たされるように、前記複数の高周波誘導アンテナと前記磁場形成用コイルとを構成してプラズマを発生させることにより、上記課題は達成される。

さらに、本発明は、プラズマ生成装置を、真空処理室と、該真空処理室外に設けられ高周波が流れる複数の高周波誘導アンテナを有し、該複数の高周波誘導アンテナが真空処理室中に形成する誘導電場分布が、有限の値を持つ磁場中で、常に右回りの一定方向に回転するように構成した。

本発明は、プラズマ処理装置を、真空処理室と、該真空処理室外に設けられ高周波が流れる複数の高周波誘導アンテナを有し、該複数の高周波誘導アンテナが軸対称に配置され、かつ、磁場分布が軸対象の分布であると同時に、前記複数の高周波誘導アンテナの軸と前記磁場分布の軸が一致し、真空処理室中に形成される誘導電場分布が常に右回りの一定方向に回転するように構成した。

本発明は、上記プラズマ生成装置において、前記常に右回りの一定方向に回転する前記誘導電場分布の回転方向が、前記磁場の磁力線の方向に対して常に右回りの一定方向の右回転であるように構成した。

本発明は、上記プラズマ処理装置において、前記複数の高周波誘導アンテナにより形成される誘導電場Ｅと前記磁束密度Ｂの間にＥ×Ｂ≠０の関係が満たされるように、複数の高周波誘導アンテナと磁場形成用コイルとを構成した。

本発明は、上記プラズマ生成装置において、前記複数の高周波誘導アンテナにより形成される前記回転する誘導電場Ｅの回転周波数ｆと前記磁束密度Ｂによる電子サイクロトロン周波数ω_ｃを２πｆ＝ω_ｃとなるように一致させるように構成した。

図１は、本発明が適用されるプラズマ処理装置の構成の概要を説明する縦断面図である。図２は、本発明の第１の実施例にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図３は、本発明における高周波誘導アンテナに供給される電流の位相とこれによる誘導電場の向きの関係を説明する図である。図４は、従来の高周波誘導アンテナによって生成される誘導電場強度の分布を説明する図である。図５は、本発明の高周波誘導アンテナによって生成される誘導電場強度の分布を説明する図である。図６は、本発明の第１の実施例にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法の変形例を説明する図である。図７は、本発明の第２の実施例にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図８は、本発明の第３の実施例にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図９は、本発明の第４の実施例にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図１０は、本発明の第５実施例にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図１１は、本発明の第６の実施例にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図１２は、本発明の第７の実施例にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図１３は、本発明にかかるプラズマ処理装置における真空容器の蓋の形状の様々な変形例を説明する図である。図１４は、本発明にかかるプラズマ処理装置における真空容器の蓋の形状を中空の半球体状とした例を説明する図である。図１５は、本発明にかかるプラズマ処理装置における真空容器の蓋の形状を回転する台形の回転体状とした例を説明する図である。図１６は、本発明にかかるプラズマ処理装置における真空容器の蓋の形状を有底円筒形とした例を説明する図である。図１７は、本発明において形成される等磁場面（ＥＣＲ面）と磁力線の関係を説明する図である。図１８は、本発明において真空容器蓋の形状に対応するＥＣＲ面とプラズマ生成領域の関係を説明する図である。図１９は、本発明の第８の実施例にかかる複数組の高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図２０は、本発明の第９の実施例にかかる複数組の高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図２１は、本発明の第１０の実施例にかかる複数組の高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図２２は、本発明の第１１の実施例にかかる複数組の高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図２３は、本発明にかかるプラズマ処理装置における真空容器の蓋の形状の様々な変形例に対応した複数組の高周波誘導アンテナ要素の配置を説明する図である。図２４は、本発明の第１２の実施例にかかる矩形状に配置した複数組の高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図２５は、本発明の第１３の実施例にかかる矩形状に配置した複数組の高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。図２６は、電磁波の周波数ｆとカットオフ密度ｎｃの関係を説明する図である。図２７は、一つのアンテナ要素の中で定在波が無視できない状態のとき、このアンテナ要素に発生する電圧と電流の定在波の分布を説明する図である。

この磁力線に垂直な平面に等磁場面が形成される。等磁場面は無数にあるが、図１７にその一例を示した。ここで、前記一定方向に回転する誘導電場分布の回転周期を１００ＭＨｚとすると、（３）式より、約３５．７ガウス等磁場面がＥＣＲ放電を起こす磁場強度面である。これをＥＣＲ面と呼ぶ。この例では、ＥＣＲ面は下に凸の形をしているが、平面状でも、上に凸状でもかまわない。本発明では、プラズマ生成部にＥＣＲ面を作ることは必須であるが、ＥＣＲ面の形状は任意である。このＥＣＲ面は、上下磁場コイル８１、８２に流す直流電流を可変することで上下に移動させることが可能であり、また、その面形状もより下に凸状にもできるし、平面状にも、上に凸状にもできる。

次に、ＥＣＲ面と真空容器蓋形状のバリエーションを組み合わせるとどのような効果が発生するかについて、図１８を用いて説明する。図１８（Ａ）は図１３（Ａ）と全く同じで、磁場が無いときのプラズマの生成領域（チェック模様の領域）とその拡散方向を模式的に示したものである。この図１３（Ａ）に対してＥＣＲ面を形成したときの一例を図１８（Ｂ）に示す。ここで、まず重要なことは、（１）ＥＣＲによるプラズマ生成領域は、ＥＣＲ面に沿って存在するということである。これだけでも、磁場が無いときとＥＣＲ面を形成したときを比べると、プラズマ中のイオンとラジカルの発生領域が異なることが定性的に理解できる。次に、（２）放電の強さは、磁場が無いときは誘導電場Ｅの大きさに従って強くなるが、ＥＣＲ放電ではＥ×Ｂの大きさに従って強くなることである。さらに、（３）ＥＣＲにおいて電子は共鳴的に電場のエネルギーを吸収するので、同じ誘導電場Ｅであっても、磁場が無いときと比べてＥＣＲでは放電の強さが圧倒的に強いことである。これら（２）（３）も、磁場が無いときとＥＣＲ面を形成したときを比べると、プラズマ中のイオンとラジカルの発生領域が異なることを原理的に示している。もちろん、図１に示した実施例では、上下磁場コイル８１、８２に流す直流電流とヨーク８３の形状を変更することにより、ＥＣＲ面の面形状とＥＣＲ面の真空容器蓋に対する上下位置を大きく変えることができるので、磁場が無いときとＥＣＲ面を形成したときを比べると、プラズマ中のイオンとラジカルの発生領域を大幅に変更することが可能になる。

以上述べたように、本発明は、（１）アンテナ構造、（２）絶縁体からなる真空容器蓋１２の構造、そして（３）磁場という、プラズマの生成と拡散・消滅を調整するための仕掛けを３種類持っている。このような特徴は、従来のＩＣＰ源やＥＣＲプラズマ源、平行平板型等のプラズマ源では容易には得られなかった特長である。特に、磁場はアンテナ構造や絶縁体からなる真空容器蓋１２の形状などの装置構造を決めた後でも、上下磁場コイル８１、８２に流す直流電流を可変することで、プラズマの発生領域やその拡散をよりダイナミックに制御できるという特徴を持つ。

次の実施例は、図９と図７の実施例を組み合わせたもので、これを図１０に示す。図１０では、図９と同じ発信器５４に接続された二台の高周波電源５１−１、５１−２を用いるが、その位相は発信器５４の出力部で一方の高周波電源５１−２側にλ／４遅延手段６−２を挿入して位相をλ／４ずらすとともに、高周波誘導アンテナ要素７−１、７−２は給電端Ａと接地端Ｂを図９と同様に設定し、高周波誘導アンテナ要素７−３、７−４は給電端Ａと接地端Ｂを図７と同様に高周波誘導アンテナ要素７−１、７−２と逆方向に（反転させて）設定したものである。この出力の位相の基準をＩ_１の位相とすると、Ｉ_１とI_３は同相の電流となるが、Ｉ_３の向き（給電端Ａと接地端Ｂ）が図２と比べて反転しているため、Ｉ_１とＩ_３が形成する誘導電場Ｅは図２と同じになる。また、Ｉ_２とＩ_４はＩ_１と比べて位相がλ／４遅れており、Ｉ_２とＩ_４も同相の電流となるが、Ｉ_４の向き（給電端Ａと接地端Ｂ）が図２と比べて反転しているため、Ｉ_２とＩ_４が形成する誘導電場Ｅは図２と同じになる。結果として、図１０に示した実施例は、図２とは構成が異なるが、図２と同じ誘導電場Ｅを形成する。

すなわち、この実施例は、試料を収容し得る真空処理室を構成する真空容器と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室外に設けられた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場形成用コイルに直流電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、特に、前記高周波誘導アンテナをｓ（ｓは正の偶数）個の高周波誘導アンテナ要素に分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導アンテナ要素を円周上に縦列に並べ、縦列に配置された前記高周波誘導アンテナ要素に、ｓ／２個の各高周波電源よりあらかじめλ（高周波電源の波長）／ｓずつ遅延させた高周波電流を、１番目の高周波誘導アンテナ要素からｓ／２番目までの高周波誘導アンテナ要素まで順次高周波誘導アンテナ要素に供給し、さらに、ｓ／２＋１番目の高周波誘導アンテナ要素からｓ番目までの高周波誘導アンテナ要素までは順次その高周波誘導アンテナ要素が対向する１番目からｓ／２番目までの高周波誘導アンテナ要素と同じ位相の高周波電流を供給するが、前記高周波誘導アンテナ要素を流れる電流の向きが逆になるように該高周波誘導アンテナ要素を構成し、一定方向に回転する電場を形成して試料をプラズマ処理するように構成することにより、前記磁場形成用コイルに直流電力を供給して形成した磁場の磁力線方向に対して右回りに順に遅らせて流し、特定方向に回転する電場を形成してプラズマを発生させて試料をプラズマ処理するように構成したものである。

図１においては、磁場の構成要件として、二つの電磁石である上磁場コイル８１と下磁場コイル８２およびヨーク８３を示している。しかし、本発明にとって必須であることは、前記必要十分条件を満たす磁場を実現することだけであり、ヨーク８３も、二個の電磁石も必須の構成ではない。例えば、上磁場コイル８１（あるいは下磁場コイル８２）だけであっても、前記必要十分条件を満たせばよい。磁場の発生手段としては、電磁石でも固定磁石も良く、さらに、電磁石と固定磁石の組み合わせでも良い。

Claims

試料を収容し得る真空処理室を構成する真空容器と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室内に誘導電場を形成する高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場形成用コイルに電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、前記真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記真空処理室は、前記真空容器の上部に気密に固定される誘電体からなる真空処理室蓋を具備し、
前記高周波誘導アンテナは、ｎ個（ｎ≧３の整数）の高周波誘導アンテナ要素に分割し、該分割されたそれぞれの高周波誘導アンテナ要素を縦列に並べ、縦列に配置された各高周波誘導アンテナ要素の組を複数組備え、それぞれの組の各高周波誘導アンテナの高周波誘導アンテナ要素に順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を一定方向に順に遅らせて流し、前記磁場形成用コイルに電力を供給して形成した磁束密度Ｂの磁力線方向に対して常に右回りの一定方向に回転する回転誘導電場Ｅを前記高周波電流により形成し、前記回転誘導電場Ｅの回転周波数と前記磁束密度Ｂによる電子サイクロトロン周波数を一致させるように構成するとともに、前記回転誘導電場Ｅと前記磁束密度Ｂの間にＥ×Ｂ≠０の関係が任意のところで満たされるように、複数組（組数：ｍ≧1の自然数）の前記高周波誘導アンテナと前記磁場形成用コイルとを構成してプラズマを発生させ、このプラズマにより前記試料をプラズマ処理するように構成した
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記真空処理室蓋は、平板状または中空の半球状または台形の回転体状もしくは有底円筒状のいずれかの形状を有し、
前記複数の組の高周波誘導アンテナ要素の組のそれぞれが前記真空処理室蓋の外部に配置される
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
絶縁体からなる真空処理室蓋を上部に有する真空処理室と、該真空処理室内に誘導電場を形成する高周波が流れる複数の高周波誘導アンテナ要素の組を複数組（組数：ｍ≧1の自然数）有し、該複数の高周波誘導アンテナ要素の組のそれぞれの複数の高周波誘導アンテナ要素が同一平面上でこの平面に直交する軸に対して対称に配置され、かつ、磁場分布が前記平面に交差しかつ前記平面に直交する軸に対して対称の分布であるとともに、前記複数の高周波誘導アンテナ要素の組の複数の組のそれぞれの軸と前記磁場分布の軸が一致し、前記複数の高周波誘導アンテナ要素の組の複数の組により形成される回転する前記誘導電場Ｅの回転周波数と前記磁場分布による磁束密度Ｂによる電子サイクロトロン周波数を一致させるように構成して前記真空処理室中に形成される誘導電場分布が前記磁束密度Ｂの磁力線方向に対して常に右回りの一定方向に回転するように形成するとともに、前記複数の高周波誘導アンテナ要素の組の複数の組により形成される前記回転する誘導電場Ｅと前記磁束密度Ｂの間にＥ×Ｂ≠０の関係が任意のところで満たされるように、複数の前記高周波誘導アンテナと前記磁場分布とを構成した
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
請求項３記載のプラズマ生成装置において、
前記真空処理室蓋が、平板状、台形の回転体、中空の半球状、有底円筒状のいずれかの形状を有し、
前記複数の組の高周波誘導アンテナ要素の組のそれぞれが前記真空処理室蓋の外部に配置される
ことを特徴とするプラズマ生成装置。
請求項３記載のプラズマ生成装置において、
前記磁場分布による磁束密度Ｂの変動周波数ｆ _Ｂが、Larmoｒ運動の回転周波数（電子サイクロトロン周波数ω _ｃ）との間に、２πｆ _Ｂ＜＜ω _ｃの関係を満たすように構成した
ことを特徴とするプラズマ生成装置。