JP2011103346A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイル周回に伴い変化するコイル電流を補償し、生成されるプラズマの周方向の均一性を向上させるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】内周コイル１ａ及び外周コイル１ｂとからなる誘導アンテナ１の近傍であって且つ誘導アンテナ１に沿って、それぞれリング状導体８ａ，８ｂを配置している。リング状導体８ａ，８ｂは、装置の中心からの半径及びその導体の断面形状が、コイルの周回角度に応じて異なるという特徴を持つ。リング状導体８ａ，８ｂと誘導アンテナ１との間及びリング状導体８ａ，８ｂとプラズマ間の周方向位置での相互インダクタンスが制御されるので、誘導アンテナ１のコイル周回に伴い変化するコイル電流を補償することができ、生成されるプラズマ上の電流について周方向の均一性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマにより基板のエッチングや薄膜形成等の表面処理を行うプラズマ処理装置、特に誘導結合型プラズマ処理装置に関する。

半導体デバイス製造分野においては、誘導結合型のプラズマ処理装置がエッチングやＣＶＤ装置として利用されている。この誘導結合型プラズマ処理装置は、真空容器の外側に数ターンの誘導コイルを配置し、当該誘導コイルに高周波電流を流すことで、真空容器内に生成されるプラズマにパワーを供給し、そのプラズマを維持する。この誘導コイルは、十分なコイル電流を供給するために、最大数ＫＶの高電圧がコイルに沿って不均一に発生するとともに、誘導コイルとプラズマとの間に存在する無視できない大きさの浮遊容量が存在する。

この高電圧と浮遊容量は、次の二つの問題を引き起こす。一つは、コイル上の高電圧が、プラズマとの間に存在する浮遊容量によって静電的に結合し、コイルとプラズマとの間に存在する誘導窓に対する局所損傷を引き起こすという問題である。もう一つの問題は、コイル上を電流が周回する間に、線路上に存在する浮遊容量の存在によって、コイル電流が一定値でなくなり、生成するプラズマの周方向の均一性を悪化させることである。

前者の問題に対しては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されるように、誘導コイルとプラズマとの間にファラデーシールドを設置することにより解決することができる。
また、後者の問題に対しては、たとえば、非特許文献１に開示されるように、誘導コイルの終端側にカップリングコンデンサを設置することで、周回コイル電流の変動を緩和する方法がよく知られている。しかし、このカップリングコンデンサを導入する方法は、次の点で課題があった。一つは、カップリングコンデンサは、周回電流の不均一を緩和する効果があるが、厳密な意味で均一化することはできない。この点については、定量的な説明を後述する。二つ目の問題点は、運転条件（運転プラズマ密度、圧力、使用ガス条件等）によって、コンデンサの最適値が変わるが、その都度コンデンサを交換することは量産装置では困難である。あるいはコンデンサをバリアブルコンデンサにすることは、制御装置の高コスト化と運転方法の複雑化を招く。三つ目の問題点は、カップリングコンデンサは、数十ＫＶＡの耐圧性能を持つものが必要となり、幾何学的形状が決して小さくはなく、たとえば装置上部に設けるマッチングボックス内に実装しようとすると、マッチングボックスのサイズが大きくなり、実装上の問題が生ずる。

とくに、誘導コイル群を、内周と外周の２系統に分け、それぞれのコイル電流比を可変とすることでプラズマの径方向の均一性を運転条件に応じて調整する装置（特許文献２や特許文献３等）の場合や、ファラデーシールドに印加する電圧を調整して、プラズマとの静電結合の度合いを調整することで真空容器内の内壁状態を安定化させる装置（特許文献２や特許文献４等）の場合には、前記第２及び第３の問題点が顕著であった。

米国特許第５５３４２３１号明細書及び図面 米国特許第６７５６７３７号明細書及び図面 米国特許第５７７７２８９号明細書及び図面 米国特許第５８１７５３４号明細書及び図面

Mark J. Kushner,"A three-dimensional model for inductively coupled plasma etching"J. Appl. Phys. 80, 1337

そこで、コイル電流に周回に伴う不均一があった場合は、それに対する対策を取らなければ生成するプラズマの周方向の均一性が低下することになるので、コイル電流に不均一があっても当該電流の不均一を補償することで、生成するプラズマの周方向の不均一を向上することが望まれる。
本発明の目的は、コイル周回に伴い変化するコイル電流を、補償し、生成されるプラズマの周方向の均一性を向上させるプラズマ処理装置を提供することである。

一般に、プラズマの密度は誘導によって生じたプラズマ電流で決まるが、その誘導プラズマ電流はコイル自身の電流値とともにコイル・プラズマ間の相互インダクタンスの大きさで決まる。コイル近傍にリング状のパッシブ導体があった場合は、コイル・プラズマ間の前記相互インダクタンスに加えて、リング導体・プラズマ間相互インダクタンス及びリング導体・コイル間相互インダクタンスが発生し、それがプラズマ電流の大きさに影響を与える。このことは、これら相互インダクタンスはプラズマ電流の大きさを制御する要因となり得ることを示している。即ち、コイル電流に周回に伴う不均一があった場合は、その不均一を補償するように、周回に伴い前記相互インダクタンスを角度によって変えてやればよい。本発明では、その具体的方法と、効果の確認結果を開示するものである。

上記目的を達成するために、本発明によるプラズマ処理装置は、内側にプラズマを生成する真空処理室と、前記真空処理室内にガスを導入する手段と、前記真空処理室内に試料を載置する載置台と、前記真空処理室の上部を形成して前記載置台上方のプラズマ生成空間を覆う絶縁性の誘導窓と、前記誘導窓外側に配置され前記真空処理室内の前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するためのコイル状の誘導アンテナと、前記誘導アンテナに電流を供給するための高周波電源とマッチングボックスを備え、前記誘導アンテナの近傍であって且つ前記誘導アンテナに沿って配置された導体を有し、前記導体とアンテナ間及び前記導体とプラズマ間の周方向位置での相互インダクタンスを制御したことを特徴としている。

このプラズマ処理装置において、前記誘導アンテナに沿って配置された前記導体は、前記誘導アンテナとほぼ同心のリング状導体であり、当該リング状導体と前記誘導アンテナ間及び前記リング状導体とプラズマ間の相互インダクタンスが前記リング状導体の周方向への周回に応じて漸化するような形状を有することが好ましい。
導体をリング状導体とした上記のプラズマ処理装置において、前記誘導窓と前記誘導コイル（誘導アンテナ）との間には、その電圧を、前記マッチングボックスを通じて調節可能としたファラデーシールドを配設することができる。また、前記リング状導体は、前記ファラデーシールドに電気的に接しており、複数本の前記誘導コイル（誘導アンテナ）の最外周に配置され、そのリング内周の半径が、リングの周回に応じて漸化する形状であるか、或いは前記リング状導体は、前記ファラデーシールドに電気的に接しており、複数本の前記誘導コイルの最内周に配置され、そのリング外周の半径が、リングの周回に応じて漸化する形状であるとすることができる。
即ち、誘導コイルの近傍にリング状の導体を設置し、そのリング状導体は、装置の中心からの半径及びリング導体の断面形状がコイルの周回角度ごとに異なることとすることができる。

このプラズマ処理装置において、前記誘電窓を平板状形状とすることができる。平板状誘導窓に、平面状誘導コイルを配置して、プラズマ処理装置を構成することができる。

このプラズマ処理装置によれば、誘導アンテナの近傍であって且つ誘導アンテナに沿って配置された導体を有し、この導体と誘導アンテナ間及びこの導体とプラズマ間の周方向位置での相互インダクタンスを制御しているので、コイル周回に伴い変化するコイル電流を補償することができ、生成されるプラズマの周方向の均一性を向上させることができる。

図１は、本発明のプラズマ処理装置の断面図である。 図２は、本発明の第一の実施例を示す図である。 図３は、従来技術における、誘導コイル上の電流分布を示す図である。 図４は、従来技術における誘導コイルとプラズマ回路をモデル化した等価回路図である。 図５は、従来技術におけるプラズマ電流の分布を示す図である。 図６は、従来技術におけるプラズマの真空容器内の拡散の様子を解析した図である。 図７は、従来技術におけるウエハ上のプラズマ密度の実測結果、ＳｉＯ２エッチングレート実測結果、及びウエハ上のプラズマ密度の計算結果を示す図である。 図８は、従来技術における誘導コイル終端に最適カップリングコンデンサを挿入した場合のコイル電流の分布を示す図である。 図９は、本発明のリング状導体を挿入したときのコイル電流の分布、プラズマ電流の分布及び導体リング上の電流分布を示す図である。 図１０は、本発明のリング状導体、誘導コイルとプラズマ回路をモデル化した等価回路図 図１１は、本発明のリング状導体の他の実施例を示す図である。 図１２は、本発明のリング状導体グのもうひとつの他の実施例を示す図である。 図１３は、本発明の第２の実施例の装置構成を示す図である。 図１４は、第２の実施例において、本発明のリング状導体を用いない場合のコイル電流分布、プラズマ電流分布を示す図である。 図１５は、第２の実施例において、本発明のリング状導体８aを用いた場合のコイル電流分布、プラズマ電流分布を示す図である。 図１６は、第２の実施例において、本発明のリング状導体８bを用いた場合のコイル電流分布、プラズマ電流分布を示す図である。

以下、本発明によるプラズマ処理装置の実施例について図面を用いて説明する。
第一の実施例は、特許文献２に開示される誘導結合型エッチング装置を例にするものであり、この誘導結合型エッチング装置を例に採って、コイル周回電流の不均一防止について説明する。

図１は本発明によるプラズマ処理装置の断面図を示す。真空容器２は、内部に、プラズマ生成部を形成する絶縁材料（例えば、Ａｌ2 Ｏ3 セラミック等の非導電性材料）で成る放電窓２ａと、被処理物である試料１２を搭載するための電極５が配置された処理部２ｂとを備えている。放電窓２ａの外側にはコイル状の誘導結合アンテナ１が配置されている。誘導結合アンテナ１は、それぞれが２ターンの内周コイル１ａと外周コイル１ｂの２系統に分かれており、後述のマッチングボックス３の内部の可変コンデンサＶＣ４の制御によって、通電電流を系統毎に制御できるようになっている。また、放電窓２ａの外側には、プラズマ６と静電容量的に結合する円錐台状のファラデーシールド８が設けられている。誘導結合アンテナ１とファラデーシールド８は、整合器（マッチングボックス）３を介して第一の高周波電源１０に直列に接続されている。また、ファラデーシールド８と並列に、インピーダンスの大きさが可変な回路（ＶＣ３、Ｌ３) がアースに接地してあり、ファラデーシールド８への印加電圧を制御できるようになっている。

真空容器２内にはガス供給装置４から処理ガスが供給される一方で、排気装置７によって所定の圧力に減圧排気される。ガス供給装置４より真空容器２内に処理ガスを供給し、該処理ガスを誘導結合アンテナ１とファラデーシールド８により発生する電界の作用によってプラズマ化する。電極５には第二の高周波電源１１が接続されている。また、第一の高周波電源１０により発生する、例えば、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、２ＭＨｚ等のＨＦ帯の高周波電力を誘導結合アンテナ１とファラデーシールド８に供給することによりプラズマ生成用の電界を得ているが、電力の反射を抑えるために整合器（マッチングボックス）３を用いて、誘導結合アンテナ１のインピーダンスを第一の高周波電源１０の出力インピーダンスに一致させている。整合器（マッチングボックス）３は、一般的に逆Ｌ型と呼ばれる、静電容量を可変可能な可変コンデンサ９ａ，９ｂを用いたものを使用している。また、プラズマ６中に存在するイオンを試料１２上に引き込むために電極５に第二の高周波電源１１によりバイアス電圧を印加する。

ファラデーシールド８は、縦縞状のスリットを有する金属導体で構成されており、セラミック製の真空容器２に重なる形で配置されている。ファラデーシールド８への電圧は、図１のＶＣ３で表される可変コンデンサで調節できるようになっている。ファラデーシールド８は、内外周のコイル１ａ，１ｂが持つ不均一高電圧に起因したプラズマへの局所的静電結合によるセラミック放電窓２ａの局所損傷を防止する機能や、積極的に制御された大きさの均一な静電結合をプラズマに与えることで、プラズマ内壁を最適状態に保つ機能を有する。

本発明によるプラズマ処理装置に用いられる特有の形状をしたリング状導体８ａ及び８ｂは、図１において図示の場所に設置される。即ち、リング状導体８ａは、２系統誘導コイルのうち内周用誘導コイル１ａを流れるコイル電流に周回に伴って生じる不均一を補償するもので、誘導コイル１ａの内側（円錐台状のファラデーシールド８の上底場所に設置される）。リング状導体８ｂは、外周用誘導コイル１ｂを流れるコイル電流に周回に伴って生じる不均一を補償するものであり、誘導コイル１ｂの外側で円錐台の裾部に設置される。

リング状導体８ａ及び８ｂのリング形状の一例を図２に示す。図２（ａ）は図１に示すプラズマ処理装置に用いられるリング状導体の第一の実施例を示す図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すリング状導体のうち外側リング状導体について示す図である。リングのメカニズムについては後述するが、コイル終端にカップリングコンデンサを挿入しない場合、一般に、電源がつながっている給電端（入り口側）で、コイル電流が（したがって、プラズマ電流も）弱く、終端（出口側）に向かって徐々にコイル電流が増加する（したがって、プラズマ電流も増加する）という傾向を持つ。図１に示した例では、内側コイル１ａがそうしたコイルに相当する。そこで、内側コイル補償用のリング状導体８ａは、厚さは均一であるが、内周コイル１ａ入り口近傍では導体の径方向幅が小さくなるように、逆に内周コイル１ａの出口近傍では導体内半径は変わらないが導体外半径を大きくすることで径方向幅が広くなるような形状としている。こうすることによって、リング状導体８ａの径方向幅が小さい周方向位置（給電端）ではリング状導体８ａとプラズマ及び内周コイル１ａとの相互インダクタンスが小さくなり、誘導されるプラズマ電流は大きくなる方向となる。逆にリング状導体８ａの径方向幅が大きい周方向位置（終端）ではプラズマ・コイル１ａとリング状導体８ａとの相互インダクタンスが大きくなって、リング状導体８ａに電流が食われる結果、プラズマ電流は小さくなる傾向となる。したがって、もともとあるコイル電流の周回に伴うプラズマ電流の不均一を補償することができる。

一方、外側リング状導体８ｂは、厚さは均一であるが、外側コイル１ｂの入り口近傍では導体外半径は変わらないが導体内半径を小さくすることで導体の径方向幅が小さくなるように、逆に外側コイル１ｂの出口近傍では導体外半径は変わらないが導内外半径を大きくすることで径方向幅が狭くなるような形状としている。こうすることによって、リング状導体８ｂの径方向幅が大きい周方向位置（給電端）ではリング状導体８ｂとプラズマ及びコイル１ｂとの相互インダクタンスが大きくなり、リング状導体８ｂに電流が食われる結果、誘導されるプラズマ電流は小さくなる方向となる。逆にリング状導体８ｂの径方向幅が小さい周方向位置（終端）ではプラズマ・コイル１ｂとリング状導体８ｂとの相互インダクタンスが小さくなって、プラズマ電流は大きくなる傾向となる。したがって、もともとあるコイル電流の周回に伴うプラズマ電流の不均一を補償することができる。

以下、本発明によるプラズマ処理装置に用いられるリング状導体を、より定量的に説明するとともに、機能の妥当性を検証するための、シミュレーションと実験の結果を述べる。

まず現状の従来技術における、コイル電流の不均一、それに起因するプラズマ電流の不均一、及びエッチング結果の不均一について、シミュレーションと実験データを用いて説明する。ここで、従来技術としては、図１又は図２において、導体リング８ａ，８ｂが無い場合、又は円周方向に内半径、外半径が一定のリングが存在した場合のものと定義する。

図３は、コイルに沿ってコイル電流を求めたものである。図３の（ａ）は、内周コイル１ａに対するもの、（ｂ）は外周コイル１ｂに対するものである。図の縦軸は、コイル電流の平均値で規格化したコイル電流を表す。横軸のＬ０，Ｌ１〜Ｌ９のうち、Ｌ０とＬ９はそれぞれコイルの給電ライン（給電端）と戻りラインの縦シャフト部分（終端）を表す。Ｌ１，Ｌ２〜Ｌ８は、コイルを８分割（９０°毎、２ターン分）したときのそれぞれの９０°円弧を、給電側から順になぞったものである。なお、これらのコイル電流は、後述する図４に示す等価回路から計算したものである。このときの計算条件としては、図２に示したＶＣ３＋Ｌ３の合成インピーダンスがゼロになる条件とした。すなわち、ファラデーシールド８が接地された運転条件である。また、コイル１ａと１ｂに流れる電流比を調整するためのＶＣ４は１００ｐＦとした。これは、［内周コイル１ａの電流］／［外周コイル１ｂの電流］＝１／２としたことに相当する。

計算結果を示した図３の記載から、内周コイル１ａは周回に伴って、コイル電流値が上昇することが、一方、外周コイル１ｂは周回に伴ってコイル電流値が減少することが判る。本実施例で取り上げた例では、内周コイル１ａについては給電端及び終端にコンデンサがなく、外周コイル１ｂについては内周／外周コイル電流比を調整して径方向の均一性を確保するために終端にバリアブルコンデンサＶＣ４が付いている。このため、図３（ａ）と（ｂ）とで、コイル電流の増加・減少傾向が互いに逆になる。この現象が起こる理由について、以下で説明する。

コイル１ａ，１ｂとプラズマとファラデーシールド８との間の等価回路は、図４のように表される。ここで、図４は外周コイル１ｂ（又は内周コイル１ａ）に対応している。ただし、内周コイル１ａの場合はＶＣ４＝∞（短絡）、外周コイル１ｂの場合はＶＣ４＝１００ｐＦとする。Ｌ０，Ｌ９はコイルの給電ラインと戻りラインの縦シャフト部分のインダクタンス、Ｌ１，Ｌ２，…，Ｌ８は、コイルを８分割（９０°毎、２ターン分）したときのそれぞれの９０°円弧の自己インダクタンスをあらわす。またＣ１〜Ｃ９は、コイル１ａ，１ｂとファラデーシールド８間の浮遊容量を表す。なお、この浮遊容量は、ファラデーシールド８を有さない装置においても、コイル１ａ，１ｂとプラズマ間の浮遊容量が存在するので、以下説明する状況はほぼ同じとなる。Ｌｐ１〜Ｌｐ２はプラズマ内を流れる誘導電流リングの自己インダクタンスを表し、それぞれ１／４周毎に分割してある。２ターンのコイルと１ターンのプラズマ電流とは、誘導的に結合しており、たとえば、プラズマのＬｐ１と、コイルのＬ１とＬ５は、相互インダクタンスＭ１ｐ１，Ｍ５ｐ１を通じて結合している。
なお、回路計算に用いた自己インダクタンスＬ、相互インダクタンスＭ、及び浮遊容量Ｃの表式は、
Ｌ＝μ_０ Ｒ_ａ （ Ｌｏｇ（８Ｒ_ａ ／ａ）−２）
Ｍ＝μ_０ （Ｒ_ａ Ｒ_ｂ ）^０．５ ＊［（２／ｋ−ｋ）Ｋ（ｋ）−２／ｋＥ（ｋ）］
ｋ＝［４Ｒ_ａ Ｒ_ｂ ／（（Ｒ_ａ ＋Ｒ_ｂ ）^２ ＋ｄ^２ ）］^０．５
ｄ＝（（Ｒ_ａ −Ｒ_ｂ ）^２ ＋（Ｚ_ａ −Ｚ_ｂ ）^２）^０．５
Ｃ＝２πε_０εＬ／ｌｎ（２ｈ／ａ）
を用いた。ここで、
μ_０：真空透磁率、
Ｒ_ａ／ｂ：コイルａ／ｂの主半径、
ａ：コイルａの小半径、
Ｚ_ａ／ｂ：コイルａ／ｂの高さ方向位置、
Ｋ（ｋ），Ｅ（ｋ）：第１種、第２種完全楕円積分、
ε_０：真空誘電率、
ε：比誘電率、
Ｌ：コイル周長、
ｈ：コイル・ファラデーシールド間距離又はコイル・プラズマ間距離（ファラデーシールドのない場合）である。

また、装置として使用した具体的寸法は、内周コイル１ａに関しては、ａ＝３．２ｍｍ，Ｒａ／ｂ＝７１ｍｍ，８６ｍｍ，Ｚａ／ｂ＝８０ｍｍ，６８ｍｍ，外周コイル１ｂに関しては、Ｒａ／ｂ＝１３７ｍｍ，１５３ｍｍ，Ｚａ／ｂ＝２７ｍｍ，１５ｍｍ，プラズマに関してはａ＝２０ｍｍ，Ｒａ＝６０ｍｍ（図２−６ａ）及び１２５ｍｍ（図２６ｂ）, Ｚａ＝５５ｍｍ（図２−６ａ），及び０ｍｍ（図２６ｂ）とした。また、ｈ＝１２．５ｍｍ，Ｌ＝２πＲa ，ε＝１とした。

コイル１ａ，１ｂとファラデーシールド８は、直列Ｌと並列Ｃのトランスミッションラインを構成しており、一般に、終端が短絡の場合には終端に向かって電流が増加し、終端開放（又はコンデンサ終端）の場合には終端に向かって電流が減少することが知られている。（例えば、上記の非特許文献１）。図３（ａ），（ｂ）は、この原理に相当する。図３に示したコイル電流の分布は、図４に示した回路をコイル電流に関して解くことによって求めている。

図５は、コイル電流に上記した不均一があった場合に、プラズマ電流の周方向分布を図４に示した回路で求めたものである。コイル電流の不均一に応じて、プラズマ電流にも不均一が現れ、レンジで約５％の周方向不均一となることが解る。

プラズマは、真空容器２のコイル直近で生成され、容器２内を拡散して、試料台である電極５の表面に到達する。拡散・到達の過程でプラズマ生成分布の不均一は、ある程度緩和されるが、試料表面上で周方向不均一状態が残る。この様子を計算で求めたものが図６であり、プラズマ密度Ｎに関する拡散方程式∇・Ｄ∇Ｎ＝Ｓを真空容器２内で、３次元有限要素法で求めたものである。ここでＳはプラズマの発生分布であり、図５に示したプラズマ電流の二乗に発生分布が比例するとして、コイル直下の領域（図２における６ａ，６ｂ・・・「図２に６ａ，６ｂは示されていない」）に与えた。プラズマは生成部から、下流方向に拡散して、試料表面に到達する様子が示されており、結果として、試料表面でのプラズマ密度の不均一は、この場合５％となり、エッチングレートの不均一に影響する。図６の例では、内周コイル１ａの平均電流を外周コイル１ｂの平均電流の２倍となるような運転条件で計算しており、この場合、ウエハ上のプラズマ密度分布は、外周コイル１ｂの周方向不均一を主として反映した分布となり、給電端より左半面で密度が高く、右半面で密度が低くなる分布となる。

図７は、試料表面に、マルチプローブを設置して、プラズマ密度を実測したときの結果と、被エッチング材料としてのＳｉＯ_２ 薄膜を、Ｃｌ２／ＢＣｌ３ガスでエッチングしたときの結果を、上記図６で示した計算結果と並べて示したものである。三者の不均一の方向がほぼ一致しており、上記下コイル電流の不均一が、エッチング性能に影響を与えていることがわかる。

なお、本装置体系に、公知例で示される終端に最適値コンデンサを挿入した場合について示す。本実施例の場合は、外周コイルの給電端から見た入力インダクタンスは、Ｌ＝１．１μＨであるので、最適挿入コンデンサの値は、容量値でＣ＝２／ω^２ ／Ｌ＝２００ｐＦとなる。（ωは角周波数で、２π＊１３. ５６ＭＨｚ) 。この場合のコイル電流は、図８に示すように、入力端と終端が同一電流値となり、コイルに沿った不均一は大分緩和されるが、それでもコイル中間部で電流が最大となるため、不均一は完全には制御できない。本実施例のように、２ターンで一組をなす誘導コイルの場合は、２ターン分の平均化効果が加わってプラズマ電流はある程度均一化され得るが、例えば装置大口径化に伴い、複数の１ターンコイルの並列接続のようなコイル構成を採る場合は、終端コンデンサを用いても、コイル中腹部の極値が残ることになる。

次に、本発明によるプラズマ処理装置において形状可変型のリング状導体を装着した場合について説明する。この場合、本実施例の図２の場合は、ウエハ上のプラズマ密度不均一に強い影響を持つのは外周コイルであるので、外周コイルの挙動について主として説明する。

図９は、コイル電流、リング電流、及びプラズマ電流の周方向の分布を、リング状導体８ｂを入れた場合について示したものである。リング状導体のない図３（ｂ）、図５（ｂ）に比較して、コイル電流自体の不均一性は変わらないが、図２に示したように、リング状導体の内半径が周方向の位置に応じて変えてあり、その結果、プラズマ、コイル、リング状導体間の相互インダクタンスが変わる結果、プラズマが感じる誘導磁場が結果として一様となり、図９（ｂ）に示したようにプラズマ電流の分布は均一になっている。また図９（ｃ）に見るように、リング状導体には、コイル電流の不均一を補うべく周方向で分布した電流が結果として流れている。リング状導体を周回する電流が一定でない分の余剰電流（もしくは不足電流）は、ファラデーシールドの桟部分を通じて流れることで、全体の電流保存を満たしているが、この桟部分の電流は、プラズマへの誘導電流には影響することはない。

この結果は、図１０に示すリング状導体を導入した場合の等価回路モデルから求めたものである。Ｌｆ１〜Ｌｆ４で示されるリング状導体回路が、図４の等価回路に対して加わった形となっており、またリング状導体の存在によって、プラズマ、コイル間と相互インダクタンスが、例えば辺要素Ｌｆ１に関しては、Ｍｐ１ｆ１，Ｍ１ｆ１，Ｍ５ｆ１等が新たに加わっている。プラズマ電流の均一性が改善された結果として、ウエハ表面のプラズマ密度均一性が改善される。なお、可変半径のリング状導体の各位置における実際の半径寸法は、図２の右下部に示したように、Ｌｆ１，Ｌｆ２，Ｌｆ３, Ｌｆ４の順番で、１６３、１５９、１５７、１５５（単位：ｍｍ）であった。この寸法は、図１０の回路計算を繰り返し計算することで、最適値を求めた。
本実施例では、内周コイルの電流不均一がエッチング均一性に及ぼす影響は大きくないため、計算詳細は提示しなかったが、内周コイルの不均一を補償するには、例えば、図３に示したリング状導体８ａを用い、同様の原理で、内周コイルが生成するプラズマ電流部分を均一化することができる。

本実施例では、図３に示した形状のリング状導体にて説明したが、例えばリング状導体は本体と調整リングとに分割されており、調整リングを交換容易なように設計しておけば、実機運転状況に応じた調整や、装置間での機差に対する調整にも便利である。

本実施例では、リング状導体は、内半径又は外半径が周回に応じて変化する平板状リングを例に説明したが、リングの辺要素と、コイル要素及びプラズマ要素との間の相互インダクタンスが周回に応じて可変である形状であれば、本発明の原理によるプラズマ均一化が可能である。たとえば、外側のリング状導体８ｂについて、図１１に示すような半径と幅が一定な単純リングであって、その高さ方向位置が周回に応じて変わるような形状であっても良い。また、図１２に示すように、テーパー状の放電窓２ａのテーパー面に沿って、シート状のリング状導体を配してもよい。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例は、石英製の平板状誘導窓に、平面状誘導コイルを配置した場合の実施例についてである。

図１３に、その全体構造を示す。図１３（ａ）は第２の実施例の平面図、図１３（ｂ）はその側面断面図である。平板誘導窓２ａの上に、２ターンの誘導コイル１ａを配置している。また、補償リングは、リング状導体８ａ又は８ｂのような形状のもののどちらかを用いる。ただし、外周にある補償リング８ｂの場合は、コイル室全体を取り囲む導体カバー１３に電気的に接続されているものとする。また、この実施例の場合、実施例１で示したようなファラデーシールドは有さない。この場合、等価回路としては、図４並びに図１０に示したものと同じものを用いることができるが、コイルとファラデーシールドとの浮遊容量（Ｃ１〜Ｃ９）をコイルとプラズマとの間の浮遊容量と定義を変えて計算すればよい。

まず、補償用リング状導体がない場合のコイル上の電流分布、及びプラズマ上の電流分布を、図１４に示す。この実施例での、コイル電流やプラズマ電流の不均一さは、第１の実施例に示したコイル電流（図３（ａ））やプラズマ電流分布図５（ａ）に比して大きくなっている。これは、たまたま、例に取り上げた図１３の体系において、コイル１ａを誘導窓２ａに対してほぼ密着して配置したため、コイルとプラズマ間の浮遊容量が大きくなっていることによる。即ち、第１の実施例において、内周コイルとファラデーシールドとの浮遊容量は、約３０ｐＦであるのに対して、第２の実施例の場合コイルとプラズマ間の浮遊容量が誘電体窓２ａを挟む関係上、約１００ｐＦと大きくなる。

図１５に、補償用リング状導体のうち、内側のリング状導体８ａのみを付加した場合のコイル電流分布、プラズマ電流分布及び補償用のリング状導体の外周に流れる電流の分布を示す。コイル電流自体の分布の不均一性は図１４に比して改善はされないが、プラズマ電流分布は均一になっていることが解る。また、補償用のリング状導体８ａの外周には、周方向で分布した電流が流れていることが解る。これは、外周径が、周回に応じて異なる補償用のリング状導体８ａを配したため、各場所での補償用リング状導体、誘導コイル、及びプラズマの三者間の、相互誘導インダクタンスが変わり、その結果として、プラズマ電流を均一にしているものである。

図１６に、補償導体リングのうち、外側導体リング８ｂのみを設置した場合のコイル電流分布、プラズマ電流分布及び補償導体リングの内周に流れる電流の分布を示す。図１５の例と同様に、コイル電流自体の分布の不均一性は図１４に比して改善はされないが、プラズマ電流分布は均一になっていることが解る。また、補償導体リング８ｂの内周には、周方向で分布した電流が流れていることが解る。これも、図１で説明したのと同様の原理、即ち各場所によって相互インダクタンスが変わることがプラズマ電流分布の均一化に貢献している。

以上説明したごとく、本発明によれば、誘導コイルの持つ浮遊容量の存在による、プラズマ電流の周方向不均一性をコイル近傍に置いた補償導体リングにて、大きく改善させることができる。

１…アンテナ ２…真空容器
３…インピーダンス整合器 ４…ガス供給装置
５…電極 ６…プラズマ
７…ガス排気装置 ８…ファラデーシールド
８ａ…補償導体リング ８ｂ…補償導体リング
９…バリコン １０…高周波電源
１１…高周波電源 １２…試料
１３…コイル室カバー

Claims (9)

1. 内側にプラズマを生成する真空処理室と、
   前記真空処理室内にガスを導入する手段と、
   前記真空処理室内に試料を載置する載置台と、
   前記真空処理室の上部を形成して前記載置台上方のプラズマ生成空間を覆う絶縁性の誘導窓と、
   前記誘導窓の外側に配置され前記真空処理室内の前記プラズマ生成空間にプラズマを生成するためのコイル状の誘導アンテナと、
   前記誘導アンテナに電流を供給するための高周波電源とマッチングボックスを備え、
   前記誘導アンテナの近傍であって且つ前記誘導アンテナに沿って配置された導体を有し、前記導体とアンテナ間及び前記導体とプラズマ間の周方向位置での相互インダクタンスを制御したこと
   を特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘導アンテナに沿って配置された前記導体は、前記誘導アンテナとほぼ同心のリング状導体であり、当該リング状導体と前記誘導アンテナ間及び前記リング状導体とプラズマ間の相互インダクタンスが前記リング状導体の周方向への周回に応じて漸化するような形状を有すること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘導窓と前記誘導アンテナとの間には、その電圧を、前記マッチングボックスを通じて調節可能としたファラデーシールドが配設されていること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
   前記リング状導体は、前記ファラデーシールドに電気的に接しており、複数本の前記誘導アンテナの最外周に配置され、そのリング内周の半径が、リングの周回に応じて漸化する形状であること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
   前記リング状導体は、前記ファラデーシールドに電気的に接しており、複数本の前記誘導アンテナの最内周に配置され、そのリング外周の半径が、リングの周回に応じて漸化する形状であること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘電窓は、円錐台の形状をしており、
   前記リング状導体は、前記ファラデーシールドに電気的に接しており、前記円錐台の下部から前記円錐台のテーパー部に沿って配置されており、かつそのリング導体幅がリングの周回に応じて漸化する形状であること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記誘電窓が、平板状形状であること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
   前記リング状導体は、複数本の前記誘導アンテナの最外周に配置され、そのリング内周の半径がリングの周回に応じて漸化する形状であり、かつ前記リング状導体は、前記誘導アンテナが配置された室を覆う導体カバーと電気的に接触していること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
   前記リング状導体は、複数本の前記誘導アンテナの最内周に配置され、そのリング外周の半径がリングの周回に応じて漸化する形状であること
   を特徴とするプラズマ処理装置。

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