JP2010166011A - プラズマ処理装置およびプラズマ生成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】真空処理室1、絶縁体からなりドーム状の真空容器蓋12、ガス導入口3、真空処理室1の外部上方に設けた高周波誘導アンテナ(アンテナ)7、真空処理室1内に磁場を形成する磁場コイル81、82、磁場の分布を制御するヨーク83、アンテナ7に高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源51、前記磁場コイルに電力を供給する電源とを備え、アンテナ7をn個の高周波誘導アンテナ要素7−1(図示せず)、7−2、7−3(図示せず)、7−4に分割し、分割されたアンテナ要素を一つの円周上に縦列に並べ、縦列に配置された各アンテナ要素に遅延手段7−2〜7−4を介して順次高周波電源の波長λ/nずつ遅延させた高周波電流を右回りに順に遅れて流れるようにするとともに、前記磁場コイルより磁場を印加してECR現象を発生させるプラズマ処理装置。
【選択図】図16
Description
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、
(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(基本的に遠方に伝播するので、あちらこちらいろんな所に飛んで行ってしまう)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、アンテナの共振をどのように生じさせるかで決まる。
(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。
ということがいえる。電磁波の周波数fとカットオフ密度ncの関係を図19に示す。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(1016−17m−3)より低いのが一般である。つまり、μ波以下の電磁波は、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。
電場を生成するには、近接場(電場)を発生する積極的な電極が必要であり、パッチ電極(例えば、特許文献5参照)や平行平板型電極などが使える。この場合は、電場(電極に発生する電圧)が強くなければならないので、電極の負荷は高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、プラズマと容量結合するが、接地された部品とは極力結合しないように作成される。つまり、この電極の一部でも接地したり、コンデンサやコイルを接続して接地させたりすることは通常できない。電場は、近接場なので、電極とプラズマ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が、容量結合を強くするために、プラズマに対して十分な面積(大きな静電容量)が必要になる。電極とプラズマとの容量結合を利用するので、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電場(近接場)を発生する電極(容量結合型平行平板プラズマ源の電極と同じ)でも使える。
(A)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。前述のように、このシースは数mmと薄く、表皮深さと比べて桁で短い。この遮蔽を防ぐには、電界に垂直な磁場をかけて電子の動きを制限することで可能になる。別な表現では、電子の動きを制限すると、プラズマ内での電界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、つまり電界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)電子運動による遮蔽現象を記述しているが、これは電極がプラズマと容量結合していることを意味する。この遮蔽を静磁場で解消できるということは、電極がプラズマと容量結合している場合のみ有効な手段である。なぜなら、静磁場で表皮深さを変えることは不可能だからである。高周波誘導磁場は高周波誘導磁場によってのみ打ち消すことができ、静磁場では解消できない。なぜなら、磁場とは加算と減算が可能な物理量だが、静磁場(つまり一定値)により高周波誘導磁場(つまり変動値)を打ち消すことは不可能である。プラズマの表皮効果自体、電磁場が持つ高周波磁場成分の遮蔽効果であり、表皮効果自体をもたらすのはプラズマ内に発生する高周波誘導磁場(電流によって印加した誘導磁場と反対の極性を持つので加算すると電流によって生じた誘導磁場を打ち消す方向に働く)である。
(D−3)特許文献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、誘導電場か次に説明する誘導磁場のどちらかである。
(D−3−1)特許文献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、誘導電場か次に説明する誘導磁場のどちらかである。しかし、電場の場合プラズマとの結合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。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誘導電場も弱い誘導磁場も形成しているが、この場合誘導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波長に対して共振しているとは考えられないこと(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。誘導電場か次に説明する誘導磁場のどちらか。しかし、電場の場合プラズマとの結合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。これは、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。
(A)電極には、位相制御した電流を加えること。
(B)電極には、電流を印加する端子があり、さらに電極から接地部へ積極的に大電流を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こと。
(C)誘導結合した電場は、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こと。
11:真空容器、
12:真空容器蓋(絶縁材)、
13:真空排気手段、
14:電極(試料台)、
2:搬送システム、
21:ゲートバルブ、
3:ガス導入口、
41:バイアス用高周波電源、
42:バイアス用整合器、
51:プラズマ生成用高周波電源、
52:プラズマ生成用整合器、
53:給電点、
54:発信器、
6:遅延手段、
7:高周波誘導アンテナ、
7−1〜7−4:高周波誘導アンテナ要素、
78:給電線、
79:接地線、
81:上磁場コイル、
82:下磁場コイル、
83:ヨーク、
9:ファラデーシールド、
A:給電端、
B:接地端、
W:被処理体(半導体ウェハ)。
Claims (5)
- 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、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個(n≧2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一定方向に順に遅らせて流し、前記磁場コイルに電力を供給して形成した磁場Bの磁力線方向に対して右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場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、前記誘導電場Eと前記磁場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、複数のアンテナと磁場とを構成してプラズマを発生させ、このプラズマにより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。 - 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する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、該複数のアンテナ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象の分布であると同時に、前記複数のアンテナの軸と前記磁場分布の軸が一致し、前記複数のアンテナにより形成される前記回転する誘導電場Eの回転周波数と前記磁場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真空処理室中に形成される誘導電場分布が一定方向に回転するように形成するとともに、前記複数のアンテナにより形成される誘導電場Eと前記磁場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、複数のアンテナと磁場とを構成した
ことを特徴とするプラズマ生成装置。 - 請求項2記載のプラズマ生成装置において、
前記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右回転であるように構成した
ことを特徴とするプラズマ生成装置。 - 請求項2記載のプラズマ生成装置において、
前記複数のアンテナにより形成される前記回転する誘導電場Eの回転周波数と前記磁場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た
ことを特徴とするプラズマ生成装置。 - 請求項2記載のプラズマ生成装置において、
前記磁場Bの変動周波数fBが、Larmor運動の回転周波数(電子サイクロトロン周波数ωc)との間に、2πfB<<ωc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。
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