JP2515885B2 - Plasma processing device - Google Patents

Plasma processing device

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JP2515885B2
JP2515885B2 JP1146829A JP14682989A JP2515885B2 JP 2515885 B2 JP2515885 B2 JP 2515885B2 JP 1146829 A JP1146829 A JP 1146829A JP 14682989 A JP14682989 A JP 14682989A JP 2515885 B2 JP2515885 B2 JP 2515885B2
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plasma
magnetic field
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plasma processing
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三郎 金井
義直 川崎
誠 縄田
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に半導体素子
基板等の試料をマイクロ波電界と磁界の作用で発生する
プラズマを利用してエッチング等を行なうプラズマ処理
装置に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a plasma processing apparatus, and particularly to etching of a sample such as a semiconductor element substrate using plasma generated by the action of a microwave electric field and a magnetic field. The present invention relates to a plasma processing apparatus for performing.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体素子基板等の試料を少なくともマイクロ波電界
の作用によるプラズマを利用して処理する技術として
は、例えば、特公昭58−13627号公報等に記載のような
ものが知られている。
As a technique for processing a sample such as a semiconductor element substrate using at least plasma generated by the action of a microwave electric field, for example, a technique described in Japanese Patent Publication No. 58-13627 is known.

〔発明が解決しようとする課題〕 例えば、シリコン酸化膜等の絶縁物のエッチング処理
では、プラズマ中のラジカル等の活性中性粒子よりも高
エネルギ粒子であるイオンの寄与度合が大きい。しか
し、イオンエネルギが高過ぎると試料にイオン損傷を与
え好ましくない。従って、プラズマは、処理ガスをイオ
ン化する程度のエネルギが好ましく、処理速度を向上さ
せるためには、イオン化率の向上、つまり、プラズマ密
度向上が必要となる。また、試料の被処理面上でプラズ
マ密度を均一にしないと、試料の処理の均一性を確保で
きない。
[Problems to be Solved by the Invention] For example, in the etching treatment of an insulator such as a silicon oxide film, the contribution of ions that are high-energy particles is larger than that of active neutral particles such as radicals in plasma. However, if the ion energy is too high, the sample is ion-damaged, which is not preferable. Therefore, the plasma is preferably energy enough to ionize the processing gas, and in order to improve the processing speed, it is necessary to improve the ionization rate, that is, the plasma density. Further, if the plasma density is not uniform on the surface to be processed of the sample, the uniformity of processing of the sample cannot be ensured.

上記従来技術においては、試料の被処理面上でのプラ
ズマ中のイオン種を均一にする点についての配慮がされ
ておらず、試料の処理の均一性を確保する上で問題があ
った。
In the above-mentioned prior art, no consideration is given to making the ion species in the plasma uniform on the surface to be processed of the sample, and there is a problem in ensuring the uniformity of processing of the sample.

本発明の目的は、マイクロ波電界と磁場の作用による
プラズマを利用して処理される試料の処理均一性を確保
するとともに処理速度の高いプラズマ処理装置を提供す
ることにある。
An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus which ensures processing uniformity of a sample processed by using plasma generated by the action of a microwave electric field and a magnetic field and has a high processing speed.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的は、プラズマ処理装置を、マイクロ波電界と
磁界との相乗作用によりプラズマが発生されるプラズマ
発生部と、該プラズマ発生部と近接配置され前記発生さ
れるプラズマを利用して試料が処理されるプラズマ処理
部と、該プラズマ処理部への前記磁界を遮へいする手段
とを具備したものとすることにより、達成される。
The above-mentioned object is to use a plasma processing apparatus to process a sample by using a plasma generating part in which plasma is generated by a synergistic effect of a microwave electric field and a magnetic field, and a plasma which is disposed in the vicinity of the plasma generating part and which is generated. And a means for shielding the magnetic field applied to the plasma processing section.

〔作用〕[Action]

プラズマ発生部では、マイクロ波電界と磁界との相乗
作用によりプラズマが発生させられる。該プラズマは、
プラズマ発生部に近接配置されたプラズマ処理部に入
り、該プラズマを利用して試料はここでエッチング処
理,成膜処理等処理される。この場合、プラズマ処理部
への磁界は、磁界遮へい手段により遮へいされる。つま
り、プラズマ発生部でのプラズマは、磁界が印加されて
いるため、プラズマ中の荷電粒子は、磁力線を中心に回
転運動を行うと共に、磁気勾配に沿ってプラズマは移動
する。一方、磁界遮へい手段によりプラズマ処理部に
は、磁界が印加されていないため、プラズマ処理部のプ
ラズマ中の荷電粒子は自由に拡散し、これにより、プラ
ズマ処理部は、均一なプラズマで満たされる。
In the plasma generation part, plasma is generated by the synergistic action of the microwave electric field and the magnetic field. The plasma is
The sample enters the plasma processing unit disposed in the vicinity of the plasma generating unit, and the sample is subjected to an etching process, a film forming process, or the like using the plasma. In this case, the magnetic field to the plasma processing unit is shielded by the magnetic field shield means. That is, since the magnetic field is applied to the plasma in the plasma generation unit, the charged particles in the plasma make a rotational motion around the magnetic lines of force and the plasma moves along the magnetic gradient. On the other hand, since the magnetic field is not applied to the plasma processing unit by the magnetic field shielding means, the charged particles in the plasma of the plasma processing unit are freely diffused, whereby the plasma processing unit is filled with uniform plasma.

〔実 施 例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

第1図で放電空間70を形成する手段は、この場合放電
管10である。放電管10の形状は、この場合、一端が半球
状閉鎖端で、他端が円形開口の開放端の形状であり、石
英等の絶縁物で形成される。
The means for forming the discharge space 70 in FIG. 1 is the discharge tube 10 in this case. In this case, the discharge tube 10 has a hemispherical closed end at one end and an open end with a circular opening at the other end, and is formed of an insulator such as quartz.

マイクロ波発振手段であるマグネトロン20からのマイ
クロ波は、マイクロ波伝播手段である導波管30,31を介
して放電管10へ伝播される。前記放電管10の外周には磁
場印加手段である空芯コイル40,41がこの場合、2段に
設けてある。試料保持手段は表面に試料設置面を有する
試料台50であり、前記放電管10の鉛直下方に試料を水平
に載置できるよう配置してある。
Microwaves from the magnetron 20 which is microwave oscillating means are propagated to the discharge tube 10 via the waveguides 30 and 31 which are microwave propagating means. In this case, air core coils 40 and 41 as magnetic field applying means are provided in two stages on the outer circumference of the discharge tube 10. The sample holding means is a sample table 50 having a sample mounting surface on its surface, and is arranged below the discharge tube 10 so that the sample can be horizontally mounted.

第1図で、容器60はその頂壁が開放させられており、
放電管10の開放端に合致させている。
In FIG. 1, the container 60 has an open top wall,
It is fitted to the open end of the discharge tube 10.

容器60の底壁には前記試料台50が設けてあり、試料台
軸51は容器60と気密絶縁されて(図示なし)容器60外へ
突出されており、試料台へのバイアス電源、この場合、
高周波電源80が接続されている。
The sample table 50 is provided on the bottom wall of the container 60, and the sample table shaft 51 is airtightly insulated from the container 60 (not shown) and protrudes out of the container 60. ,
A high frequency power supply 80 is connected.

また容器60には真空排気装置100が排気管101を介して
接続されている。ここで、試料空間90は容器60で囲まれ
た試料台50と放電管10の下端との空間を呼ぶ。この試料
空間90の上部には、容器60の外部から処理ガス導入装置
(図示なし)、処理ガス導入管110を介して処理ガスが
供給される。
A vacuum exhaust device 100 is connected to the container 60 via an exhaust pipe 101. Here, the sample space 90 refers to the space between the sample table 50 surrounded by the container 60 and the lower end of the discharge tube 10. A processing gas is supplied to the upper portion of the sample space 90 from the outside of the container 60 via a processing gas introduction device (not shown) and a processing gas introduction pipe 110.

磁場印加手段である上部空芯コイル40および下部空芯
コイル41は放電管10とほぼ対応した位置にあり、磁場遮
へい手段である純鉄等の磁気シールド120〜122により、
上部コイル40の上面、下部コイル41の下面および上部コ
イル40,下部コイル41の外周面を遮へいしており、放電
管10の球形頂部から開放端に向って磁場強度が弱まるよ
う考慮され、その強度は放電管内で電子サイクロトロン
共鳴条件が存在するよう設定されており、特に下部コイ
ル41の下面の磁気シールド122により試料空間90には磁
場が加わらない構造となっている。
The upper air-core coil 40 and the lower air-core coil 41, which are magnetic field applying means, are located at positions substantially corresponding to the discharge tube 10, and by the magnetic shields 120 to 122 such as pure iron that are magnetic field shielding means,
The upper surface of the upper coil 40, the lower surface of the lower coil 41, and the outer peripheral surfaces of the upper coil 40 and the lower coil 41 are shielded, and the magnetic field strength is considered to weaken from the spherical top of the discharge tube 10 toward the open end. Is set so that an electron cyclotron resonance condition exists in the discharge tube, and in particular, the magnetic field is not applied to the sample space 90 by the magnetic shield 122 on the lower surface of the lower coil 41.

次に、作用を説明する。第1図において、放電空間70
および試料空間90は、真空排気装置100により減圧排気
され、処理ガス供給装置から所定の処理ガス、例えばエ
ッチングガスが所定流量で導入される。放電空間70およ
び試料空間90に導入されたガスの一部は、真空排気装置
100により排気され、これにより前記空間70,90の圧力は
所定のエッチング圧力に調節される。一方、試料台50の
試料設置面には、試料130が被処理面上向き姿勢で設置
される。マグネトロン20で発振されたマイクロ波は、導
波管31,30により放電管10に伝播され、空芯コイル40,41
によって発生した磁界との相互作用により放電管10内に
あるエッチングガスはプラズマ化される。生成されたプ
ラズマ中の荷電粒子は放電空間70内の強い磁場作用によ
り、磁場と直角方向への拡散が抑制され、磁場の弱い放
電管10の開放端側へ拡散してゆく。放電空間70に生成す
るプラズマは、導波管30の寸法で決まるマイクロ波の電
界モード分布に近い密度の不均一が発生しており、上述
理由により密度不均一のプラズマが放電管10の開放端か
ら試料空間90へ放出される。一方、試料空間90は磁気シ
ールド122により磁場が存在しないため、試料空間90へ
放出されたプラズマは、試料空間90内で速やかに拡散が
進行し、均一化されたプラズマが試料台50に載置された
試料130の被処理面上を覆い、試料130の被処理面は該プ
ラズマにより均一性良くエッチング処理される。この
時、高周波電源80から試料台50に高周波バイアス電圧を
印加することにより、プラズマ中のイオン種は、高周波
バイアスの負の周期に試料130へ吸引されてその処理面
上に入射させられ、均一なイオンエッチングを行なうこ
とができる。また、放電空間と処理空間とが異っている
ため、放電空間において放電エネルギの異ったプラズ
マ、つまり、イオン種やラジカル種を変化させたプラズ
マを処理空間に影響なく発生させることができる。
Next, the operation will be described. In FIG. 1, the discharge space 70
The sample space 90 is decompressed and evacuated by the vacuum evacuation device 100, and a predetermined process gas, for example, an etching gas is introduced from the process gas supply device at a predetermined flow rate. A part of the gas introduced into the discharge space 70 and the sample space 90 is a vacuum exhaust device.
It is evacuated by 100, so that the pressure of the spaces 70, 90 is adjusted to a predetermined etching pressure. On the other hand, the sample 130 is installed on the sample installation surface of the sample table 50 with the surface to be processed facing upward. The microwave oscillated by the magnetron 20 is propagated to the discharge tube 10 by the waveguides 31 and 30, and the air-core coils 40 and 41.
The etching gas in the discharge tube 10 is turned into plasma due to the interaction with the magnetic field generated by. Due to the strong magnetic field action in the discharge space 70, the generated charged particles in the plasma are suppressed from diffusing in the direction perpendicular to the magnetic field, and diffuse to the open end side of the discharge tube 10 where the magnetic field is weak. The plasma generated in the discharge space 70 has a non-uniform density close to the electric field mode distribution of the microwave determined by the dimensions of the waveguide 30. For the above reason, the non-uniform density plasma causes the open end of the discharge tube 10. To the sample space 90. On the other hand, since the magnetic field does not exist in the sample space 90 due to the magnetic shield 122, the plasma emitted to the sample space 90 rapidly diffuses in the sample space 90, and the uniformed plasma is placed on the sample table 50. The processed surface of the sample 130 thus formed is covered, and the processed surface of the sample 130 is uniformly etched by the plasma. At this time, by applying a high-frequency bias voltage from the high-frequency power source 80 to the sample stage 50, the ion species in the plasma are attracted to the sample 130 at a negative cycle of the high-frequency bias and made incident on the processing surface thereof, and are uniformly Ion etching can be performed. Further, since the discharge space and the processing space are different, it is possible to generate plasma having different discharge energy in the discharge space, that is, plasma in which ion species and radical species are changed, without affecting the treatment space.

上記一実施例では、プラズマ処理装置としてエッチン
グ装置を例により説明したが、その他に、例えばCVD装
置においても同様に適用できる。
In the above-described one embodiment, the etching apparatus has been described as an example of the plasma processing apparatus, but the invention can be similarly applied to, for example, a CVD apparatus.

第2図は、本発明の第2の実施例を示すもので、上記
一実施例を示す第1図と異なる点は、容器60′を磁気遮
へい材で形成した点である。つまり、この場合、第1図
での磁気シールド120〜122は不用である。なお、第2図
で、その他第1図と同一装置,部品等は同一符号で示し
説明を省略する。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. The difference from FIG. 1 showing the above-mentioned one embodiment is that the container 60 'is formed of a magnetic shield material. That is, in this case, the magnetic shields 120 to 122 in FIG. 1 are unnecessary. Note that, in FIG. 2, the same devices and parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

本実施例では、上記一実施例での作用と同様の作用が
生じ、同様の効果が得られる。
In the present embodiment, the same operation as that of the above-described one embodiment occurs, and the same effect can be obtained.

第3図は、本発明の第3の実施例を示すもので、上記
一実施例を示す第1図とる点は、試料130を囲み試料台5
0に磁気遮へい材で成された多孔円筒123が配設されてい
る点である。なお、第3図で、その他第1図と同一装
置,部品等は同一符号で示し説明を省略する。
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention. The point shown in FIG.
0 is that a porous cylinder 123 made of a magnetic shielding material is arranged. Note that, in FIG. 3, the same devices and parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

本実施例でも、上記一実施例での作用,効果と同様の
作用,効果を奏し得る。なお、本実施例での多孔円筒に
替えてメッシュ状円筒等を用いても良く、また、必ずし
も円筒である必要はない。
Also in this embodiment, the same operation and effect as those of the above-described one embodiment can be obtained. It should be noted that a mesh cylinder or the like may be used instead of the perforated cylinder in the present embodiment, and the cylinder is not necessarily required.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、磁場とマイクロ波の相互作用による
高密度プラズマを発生させ、その密度分布を均一化でき
るので、プラズマ処理される試料の処理の高速化と均一
性を確保できる効果がある。
According to the present invention, since high-density plasma can be generated by the interaction between a magnetic field and microwaves and its density distribution can be made uniform, there is an effect that the processing speed of a sample to be plasma-processed and uniformity can be secured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、本発明の一実施例のプラズマ処理装置の構成
図、第2図は、本発明の第2の実施例のプラズマ処理装
置の構成図、第3図は、本発明の第3の実施例のプラズ
マ処理装置の要部構成図である。 10……放電管、20……マグネトロン、30,31……導波
管、40,41……空芯コイル、50……試料台、60,60′……
容器、80……高周波電源、100……真空排気装置、110…
…処理ガス導入管、120〜122……磁気シールド、123…
…多孔円筒
FIG. 1 is a configuration diagram of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of a plasma processing apparatus according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a third embodiment of the present invention. FIG. 3 is a configuration diagram of main parts of the plasma processing apparatus of the embodiment. 10 ...... Discharge tube, 20 ...... Magnetron, 30, 31 ...... Waveguide, 40, 41 ...... Air core coil, 50 ...... Sample stage, 60, 60 '......
Container, 80 ... High frequency power supply, 100 ... Vacuum exhaust device, 110 ...
… Processing gas introduction pipe, 120-122 …… Magnetic shield, 123…
… Perforated cylinder

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】マイクロ波を発信する手段と、 該マイクロ波を伝播する手段と、 該手段が連結される閉止壁端を有する導波管と、 該導波管内に設けられ前記発信されたマイクロ波の電界
と磁界との相乗作用によりプラズマが発生されるプラズ
マ発生部と、 該プラズマ発生部と近接配置され、前記発生されるプラ
ズマを利用して試料が処理されるプラズマ処理部と、 該プラズマ処理部への前記磁界を遮へいする手段と、 前記プラズマ発生部に連通し前記プラズマ処理部が設け
られる空間を減圧排気する手段と、 前記減圧空間に処理ガスを供給する手段と を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
1. A means for transmitting a microwave, a means for propagating the microwave, a waveguide having a closed wall end to which the means is connected, and a microwave provided in the waveguide for transmitting the microwave. A plasma generating part for generating plasma by the synergistic action of the electric field and magnetic field of the wave; a plasma processing part which is disposed in the vicinity of the plasma generating part and which processes a sample using the generated plasma; A means for shielding the magnetic field to the processing part, a means for decompressing and exhausting a space communicating with the plasma generating part where the plasma processing part is provided, and a means for supplying a processing gas to the decompressed space. Characteristic plasma processing device.
【請求項2】前記磁界を遮へいする手段は、前記磁界の
印加領域を前記プラズマ発生部に限定可能なように、前
記磁界を発生する手段に磁気シールド部材を設けたこと
を特徴とする第1請求項に記載のプラズマ処理装置。
2. The means for shielding the magnetic field comprises a magnetic shield member for the means for generating the magnetic field so that the application region of the magnetic field can be limited to the plasma generating portion. The plasma processing apparatus according to claim.
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