JP2613002B2 - 共振器 - Google Patents

共振器

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JP2613002B2
JP2613002B2 JP5101916A JP10191693A JP2613002B2 JP 2613002 B2 JP2613002 B2 JP 2613002B2 JP 5101916 A JP5101916 A JP 5101916A JP 10191693 A JP10191693 A JP 10191693A JP 2613002 B2 JP2613002 B2 JP 2613002B2
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は共振器に関し、特に集積
回路（ＩＣ）の製造時における半導体ウエハのプラズマ
処理について、最適化されたヘリカル共振器を用いて効
率的な処理を達成するプラズマ処理装置に適用して好適
なものである。
【０００２】
【従来の技術】プラズマ処理は超大規模集積回路（ＶＬ
ＳＩ）を製造する際に不可欠な技術である。プラズマア
シストエツチング技術が化学エツチングに取つて代わ
り、スパツタリングが金属堆積としての蒸着に取つて代
わつた。プラズマエンハンス型化学気相成長（ＰＥＣＶ
Ｄ）は従来の減圧ＣＶＤ技術に代わるものである。反応
性イオンエツチング（ＲＩＥ）装置においては、例えば
シリコンウエハは高周波（ＲＦ）が印加された電極上に
置かれ、チヤンバは接地される。通常、スパツタリング
装置及びＰＥＣＶＤ装置においては、ウエハはチヤンバ
内の回転ターンテーブル上に置かれる。
【０００３】ウエハを処理する際に用いるプラズマを発
生させるために、マグネトロン及び容量性装置を含む多
数の機構が用いられて来た。さらに最近ではヘリカル共
振器（すなわちインダクタ）を用いてプラズマを発生さ
せている。例えば、米国特許第 4,368,092号に開示され
ている。この装置はプラズマ分離型高Ｑヘリカル共振器
を用いてプラズマを発生させ、プラズマを反応室に導入
する。この米国特許第4,368,092号に開示されている装
置の欠点は、プラズマが放射状に対称的でないためワー
クピースのエツチングが不均一となることである。米国
特許第 4,918,031号は高Ｑヘリカル共振器の他の例を開
示し、この特許の一実施例において基板は共振器内に保
持されるので、米国特許第 4,368,092号に開示されてい
る装置が生じさせるエツチングの不均一性を回避する。
しかしながら、高Ｑのためにソース効率は低く、ソース
のウオールスパツタリングが増大するので、反応室に損
傷を与えると共に微粒子を発生させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】回路の直列抵抗に対す
る回路のリアクタンス（誘導性リアクタンス又は容量性
リアクタンス）の比を当該回路のＱ（すなわちＱ値）と
呼ぶ。通常、プラズマを発生するヘリカル共振器は約10
00の無負荷時のＱ（すなわち減衰されたプラズマ）をも
つ高Ｑ装置である。これらの装置は大電圧を生じさせ得
ると共に、低圧力でプラズマを発生し得る。しかしなが
ら、これらの装置にこれと同じ特性をもたせることによ
り、誘導結合モードの代わりに容量結合モードで動作さ
せることができる。容量結合は、低圧力（例えば１〜20
〔mTorr 〕）でプラズマ密度を高くする誘導結合より効
率がかなり悪い。
【０００５】従つて本発明の目的はソース効率及びプラ
ズマ密度を高めることにより半導体ウエハを一段と効率
的に処理する最適化されたヘリカル共振器を提供するこ
とである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】添付図面の図１における
参照数字を用いて説明すると、本発明によるプラズマ処
理システムのための共振器１０においては、プラズマ処
理すべき表面を有する少なくとも１つの被処理物体を支
持する支持板１４及び導入されるプラズマ支援ガスに対
する放電路を規定する側壁１２を含むプラズマ反応室
と、該プラズマ反応室の側壁１２に近接し、該反応室内
にプラズマを維持する磁場を発生させるための約４００
以下の低Ｑを有する高周波ヘリカルコイル１１と、該高
周波ヘリカルコイルに隣接し、該ヘリカルコイルの少な
くとも一端、例えば下端、に接続されている接地シール
ド１５と、上記高周波ヘリカルコイルの第１のタップ１
６に接続され、該ヘリカルコイルに高周波電力を供給す
る高周波電源１７と、上記高周波ヘリカルコイルの第２
のタップ、例えば非接地端、及び上記接地シールド１５
間に跨って接続され、上記高周波ヘリカルコイルを含む
構造の共振を調節するための可変コンデンサ１９とを具
備することを特徴とする。
【０００７】図２における参照数字を用いて説明する
と、本発明の他の態様によるプラズマ処理システムのた
めの共振器においては、プラズマ処理すべき表面を有す
る少なくとも１つの被処理物体を支持する支持板２４及
び導入されるプラズマ支援ガスに対する放電路を規定す
る側壁２２から成るプラズマ反応室と、該プラズマ反応
室の側壁２２に近接し、該反応室内にプラズマを維持す
るための磁場を発生させるためのフラット螺旋型の高周
波コイル２１と、該フラット螺旋型コイル２１に隣接
し、該コイルの少なくとも一端に接続されている接地シ
ールド２５と、該螺旋型コイルの第１のタップ、例えば
最内周端２６、に接続され、該螺旋型コイルに高周波電
力を供給する高周波電源２７と、上記螺旋型コイルの第
２のタップ、例えば最外周端及び上記接地シールド間に
跨って接続され、上記螺旋型コイルを含む構造の共振を
調節するための可変コンデンサとを具備することを特徴
とする。
【０００８】図３における参照数字を用いて説明する
と、本発明のさらに他の態様によるプラズマ処理システ
ムのための共振器においては、プラズマ処理すべき表面
を有する少なくとも１つの被処理物体を支持する支持板
１３及び導入されるプラズマ支援ガスに対する放電路を
規定する側壁３２から成るプラズマ反応室と、該プラズ
マ反応室の側壁３２に近接し、該反応室内にプラズマを
維持するための磁場を発生させるためのソレノイド型コ
イル３１Ｂ及びフラット螺旋型コイル３１Ａの組み合わ
せから成る高周波ヘリカルコイル３１と、該高周波ヘリ
カルコイル３１に隣接し、該ヘリカルコイルの少なくと
も一端に接続されている接地シールド３５と、上記高周
波ヘリカルコイルの第１のタップ３６に接続され、該ヘ
リカルコイルに高周波電力を供給する高周波電源３７
と、上記高周波ヘリカルコイルの第２のタップ及び上記
接地シールド３５間に跨って接続され、上記高周波ヘリ
カルコイルを含む構造の共振を調節するための可変コン
デンサ３９とを具備することを特徴とする。
【０００９】
【作用】本発明の第１の実施例によると、最適化した構
成を用いてダウンストリーム（down stream ）プラズマ
を発生させる。本発明のこの実施例は集中キヤパシタン
スを用いることにより、ωＬ値を約 200〔Ω〕以下に低
下させる。集中キヤパシタンスの値はコイル及び接地さ
れた反応容器間の漂遊容量を考慮することによつて決定
される。本発明の第２の実施例は単一のウエハを高密度
プラズマで反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）するため
の最適化された構成である。この実施例は低ωＬ値を有
しかつ共振するフラツト螺旋型コイルを 1/2波長共振器
又は 1/4波長共振器として用いる。 1/4波長共振器にお
いては、コイルの一端は接地され、他端は高電圧であ
る。 1/2波長共振器においては、コイルの両端が接地さ
れ、コイルの中央は高電圧である。本発明の第３の実施
例は螺旋型コイル及びソレノイド型コイルの両方をヘリ
カル共振器として用いて第１の実施例及び第２の実施例
の特徴を組み合わせる。
【００１０】
【実施例】以下図面について、本発明の一実施例を詳述
する。
【００１１】図４はガス放電管４２に巻きついた誘導コ
イル４１を含む従来の高Ｑヘリカル共振器４０を示す。
ガス放電管４２の上部端にはプラズマを形成するガスを
通すガス注入口４３がある。ガス放電管４２の下部すな
わちガス放電管４２の終端には処理すべき半導体ウエハ
を支持する電極４４がある。誘導コイル４１の終端は図
４の構成図に示すように接地シールド４５に接続され
る。誘導コイル４１のタツプ４６は第１のＲＦ電源４７
に接続される。タツプ位置を調整することにより、ＲＦ
電源４７及びヘリカル共振器間のインピーダンス整合を
最適にする。高密度プラズマ処理で通常行われるよう
に、第２のＲＦ電源４８によつて、ウエハを支持してい
る電極４４にバイアスをかけることができる。ＲＦ電源
４７はプラズマ密度を主に制御し、ＲＦ電源４８はイオ
ンエネルギーを主に制御する。
【００１２】通常、図４に示す従来のヘリカル共振器の
Ｑは1000である。一般的に無負荷時のコイルの抵抗は約
0.1〔Ω〕である。プラズマがオン状態にあるとき、コ
イルの抵抗は約１〔Ω〕まで増大し、Ｑは10だけ低下す
る。図４に示す従来の高Ｑヘリカル共振器が有する問題
は、標準型ヘリカル 1/4波長共振器又は 1/2波長共振器
のインダクタンスが大きいと誘導コイル４１を横切る電
圧が大きくなることである。次に誘導コイル４１を横切
る電圧が大きくなると、電力が反応室４２内部のプラズ
マに容量結合する。その結果、誘導コイル４１の電流の
降下がプラズマに誘導結合する電力を制限するのでソー
スの作用効率が低下する。
【００１３】主に誘電結合の場合、放電管内の電力はコ
イルの電流を２乗した値から定数Ａを引いた値に比例す
る。すなわちＰind ∝Ｉ2 −Ａであり、ここでＡは次式
（１）によつて定義される。
【００１４】
【数１】
【００１５】ここでＬc はコイルのインダクタンス、Ｌ
plasmaはプラズマのインダクタンス、ｋはプラズマ及び
コイル間の結合係数、ωは印加周波数２πｆである。主
に容量結合の場合、プラズマ内への電力は電極又はコイ
ルの電圧Ｖを２乗した値に比例する。すなわちＰcap ∝
Ｖ2 であり、ここでＶ2 ＝ω2 Ｌc 2 Ｉ2 である。Ｉ2
【００１６】
【外字１】 Ａであるとき、Ｐcap は次式（２）となる。
【００１７】
【数２】
【００１８】容量結合の場合、放電管内に供給されるほ
とんどの電力が電極のイオン衝撃を起こす。かくして、
高密度プラズマを得るために容量結合及びＬc を低下さ
せることができる。これはヘリカル共振器が一段と低い
Ｑで動作することにより高密度プラズマを達成すること
を意味する。高密度プラズマは理に適つた処理時間を達
成するために単一ウエハのエツチングに必要である。さ
らに、多重極マグネツトと共に、低下したインダクタン
スＬc を用いることによりプラズマを閉じ込めて一段と
プラズマ密度を増大させることができる。さらに、コイ
ルの外側又は内側にマグネツトを設けることによりプラ
ズマを閉じ込めてもよい。単一ウエハのプラズマ処理ツ
ールの基本的な構造については1989年１月25日出願、米
国特許出願第07/301,933号に開示されている。
【００１９】図１は本発明の第１の実施例を示し、ガス
放電管１２に巻きついた誘導コイル１１を含む低Ｑヘリ
カル共振器１０を示す。ガス放電管１２の上部端にはプ
ラズマを形成するガスを通すガス注入口１３があり、ガ
ス放電管１２の下部すなわちガス放電管１２の終端には
処理すべき半導体ウエハを支持する電極１４がある。誘
導コイル１１の一端は図１の構成図に示す接地シールド
１５に接続される。接地シールド１５、従つてコイル１
１の一端は接地に接続される。誘導コイル１１のタツプ
１６は第１のＲＦ電源１７に接続されるが、半導体ウエ
ハを載せる電極１４は第２のＲＦ電源１８に接続され
る。必要であれば、ＲＦ電源１７及び１８は、通常ＲＦ
電源が含んでいるマツチングネツトワークを含んでもよ
い。さらに、可変コンデンサ１９が誘導コイル１１の非
接地端（すなわち「ホツトな」端）及び接地シールド１
５間に接続される。
【００２０】この最適化されたヘリカル共振器において
は、誘導コイル１１の巻数は図４に示す高Ｑコイル４１
に通常用いられる巻数よりもかなり少ない。その結果、
インダクタンスが一段と低くなるのでＱは好適には「 1
50」ないし「200 」の範囲になる。従来のヘリカル共振
器におけるように、プラズマがオン状態にあるとき抵抗
の負荷は約１〔Ω〕まで増加する。しかしながら、最適
化されたヘリカル共振器の場合、従来のヘリカル共振器
のＱが「 100」であつたのとは対照的に約「15」ないし
「20」まで降下する。コンデンサ１９を調整し得るの
で、動作周波数で共振するようにシステムを同調させる
ことができる。
【００２１】図２は本発明の第２の実施例を示す。この
実施例において、コイル２１はその内部端が接地シール
ド２５に接続されたフラツト螺旋型コイルである。コイ
ル３１のタツプ３６は第１のＲＦ電源２７に接続され、
第２のＲＦ電源２８は電極２４に接続される。コンデン
サ２９はコイル２１の非接地端及び接地端間に接続され
る。基本的な磁気的閉込め型円柱構成のこの実施例にお
いては、反応室の周囲に多双極マグネツト３２を配列す
ることによつてプラズマを磁気的に閉じ込める。すなわ
ちマグネツト３２の磁場は内部に向けられ、マグネツト
３２の極性は交互になつている。
【００２２】図３は本発明の第３の実施例を示し、第１
の実施例及び第２の実施例の特徴を組み合わせたもので
ある。さらに詳細に説明すると、コイル３１はフラツト
螺旋部分３１Ａ及びソレノイド部分３１Ｂの形式でな
る。図２の第２の実施例に示すように、フラツト螺旋部
分３１Ａはその内部端に接地シールド３５が接続され
る。コイル３１のタツプ３６は第１のＲＦ電源３７に接
続され、第２のＲＦ電源３８は電極３４に接続される。
タツプ３６はコイルのフラツト螺旋部分３１Ａに示され
るが、タツプを特殊な設計に依存するソレノイド部分３
１Ｂに設けることができることを理解できる。この設計
の規準はＲＦ電源３７と良好にインピーダンス整合する
ことを原則とする。コンデンサ３９はコイル３１の非接
地端及び接地端間に接続される。マグネツト３２は、図
２の実施例のようにプラズマを磁場に閉じ込めるために
用いられる。
【００２３】上述の通り本発明のその最適な実施例に基
づいて図示、説明したが、本発明の精神及び範囲から脱
することなく詳細構成について種々の変更を加えてもよ
い。
【００２４】
【発明の効果】上述のように本発明によれば、ソレノイ
ド型高周波ヘリカルコイルを用いて低Ｑにすることによ
り、ソース効率及びプラズマ密度を格段的に高めること
ができる。
【００２５】また本発明によれば、フラツト螺旋型高周
波ヘリカルコイルを用いかつプラズマ反応室の周囲に多
双極マグネツトを配列してプラズマを磁気的に閉じ込め
ることにより、ソース効率及びプラズマ密度を格段的に
高めることができる。
【００２６】また本発明においては、ソレノイド型高周
波ヘリカルコイル及びフラツト螺旋型高周波ヘリカルコ
イルの両方を用いかつプラズマ反応室の周囲に多双極マ
グネツトを配列してプラズマを磁気的に閉じ込めること
により、ソース効率及びプラズマ密度を格段的に高める
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による最適化されたヘリカル共振
器の第１の実施例の断面図である。
【図２】図２は本発明による最適化されたヘリカル共振
器の第２の実施例の断面図である。
【図３】図３は本発明による最適化されたヘリカル共振
器の第３の実施例の断面図である。
【図４】図４は高Ｑによつて特徴付けられる従来のヘリ
カル共振器の断面図である。
【符号の説明】
１０……低Ｑヘリカル共振器、１１、２１、３１、４１
……誘導コイル、１２、２２……ガス放電管、１３、２
３……ガス注入口、１４、２４、３４、４４……電極、
１５、２５、３５、４５……接地シールド、１６、２
６、３６、４６……タツプ、１７、１８、２７、２８、
３７、３８、４７、４８……ＲＦ電源、２９、３９、４
９……コンデンサ、３２、４２……多双極マグネツト、
４０……高Ｑヘリカル共振器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｐ 7/00 Ａ Ｈ０１Ｐ 7/00 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者 デニス・キース・コウルタス アメリカ合衆国、ニユーヨーク州12533、 ホープウエル・ジヤンクシヨン、オー ク・リツジ・ロード ３番地 (72)発明者 ジヨン・カート・フオースター アメリカ合衆国、ニユーヨーク州12603、 ポウキープシー、マロニー・ロード 11 番地 (72)発明者 ジヨン・エイチ・ケラー アメリカ合衆国、ニユーヨーク州12550、 ニユーバーグ、ダチス・コート ７番地

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プラズマ処理システムのための共振器にお
    いて、 プラズマ処理すべき表面を有する少なくとも１つの被処
    理物体を支持する支持板及び導入されるプラズマ支援ガ
    スに対する放電路を規定する側壁を含むプラズマ反応室
    と、 上記プラズマ反応室の上記側壁に近接し、該反応室内に
    プラズマを維持する磁場を発生させるための約４００以
    下の低Ｑを有する高周波ヘリカルコイルと、 上記高周波ヘリカルコイルに隣接し、該ヘリカルコイル
    の少なくとも一端に接続されている接地シールドと、 上記高周波ヘリカルコイルの第１のタップに接続され、
    該ヘリカルコイルに高周波電力を供給する高周波電源
    と、 上記高周波ヘリカルコイルの非接地端を含む第２のタッ
    プ及び上記接地シールド間に跨って接続され、上記高周
    波ヘリカルコイルを含む構造の共振を調節するための可
    変コンデンサと、 を具備することを特徴とする共振器。
  2. 【請求項２】上記高周波ヘリカルコイルはソレノイド型
    であることを特徴とする請求項１に記載の共振器。
  3. 【請求項３】プラズマ処理システムのための共振器にお
    いて、 プラズマ処理すべき表面を有する少なくとも１つの被処
    理物体を支持する支持板及び導入されるプラズマ支援ガ
    スに対する放電路を規定する側壁を含むプラズマ反応室
    と、 上記プラズマ反応室の上記側壁に近接し、該反応室内に
    プラズマを維持する磁場を発生させるためのフラット螺
    旋型の高周波ヘリカルコイルと、 上記高周波ヘリカルコイルに隣接し、該ヘリカルコイル
    の少なくとも一端に接続されている接地シールドと、 上記高周波ヘリカルコイルの第１のタップに接続され、
    該ヘリカルコイルに高周波電力を供給する高周波電源
    と、 上記高周波ヘリカルコイルの第２のタップ及び上記接地
    シールド間に跨って接続され、上記高周波ヘリカルコイ
    ルを含む構造の共振を調節するための可変コンデンサ
    と、 を具備することを特徴とする共振器。
  4. 【請求項４】上記高周波ヘリカルコイルは約 400以下の
    低Ｑを有することを特徴とする請求項３に記載の共振
    器。
  5. 【請求項５】さらに、上記プラズマ反応室の周囲に配列
    された複数の多双極マグネツトを具え、上記複数の多双
    極マグネツトの磁場は上記プラズマ反応室の内部に向け
    られかつその極性を交互にすることにより、上記プラズ
    マ反応室にプラズマを磁気的に閉じ込めることを特徴と
    する請求項３に記載の共振器。
  6. 【請求項６】プラズマ処理システムのための共振器にお
    いて、 プラズマ処理すべき表面を有する少なくとも１つの被処
    理物体を支持する支持板及び導入されるプラズマ支援ガ
    スに対する放電路を規定する側壁を含むプラズマ反応室
    と、 上記プラズマ反応室の上記側壁に近接し、該反応室内に
    プラズマを維持する磁場を発生させるためのソレノイド
    型コイル及びフラット螺旋型コイルの組み合わせから成
    る高周波ヘリカルコイルと、 上記高周波ヘリカルコイルに隣接し、該ヘリカルコイル
    の少なくとも一端に接続されている接地シールドと、 上記高周波ヘリカルコイルの第１のタップに接続され、
    該ヘリカルコイルに高周波電力を供給する高周波電源
    と、 上記高周波ヘリカルコイルの第２のタップ及び上記接地
    シールド間に跨って接続され、上記高周波ヘリカルコイ
    ルを含む構造の共振を調節するための可変コンデンサ
    と、 を具備することを特徴とする共振器。
  7. 【請求項７】上記高周波ヘリカルコイルは約 400以下の
    低Ｑを有することを特徴とする請求項６に記載の共振
    器。
  8. 【請求項８】さらに、上記プラズマ反応室の周囲に配列
    された複数の多双極マグネツトを具え、上記複数の多双
    極マグネツトの磁場は上記プラズマ反応室の内部に向け
    られかつその極性を交互にすることにより、上記プラズ
    マ反応室にプラズマを磁気的に閉じ込めることを特徴と
    する請求項６に記載の共振器。
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US07/879663 1992-05-06
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JPH07296992A JPH07296992A (ja) 1995-11-10
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