JP2749264B2 - Plasma processing equipment - Google Patents

Plasma processing equipment

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JP2749264B2
JP2749264B2 JP6163551A JP16355194A JP2749264B2 JP 2749264 B2 JP2749264 B2 JP 2749264B2 JP 6163551 A JP6163551 A JP 6163551A JP 16355194 A JP16355194 A JP 16355194A JP 2749264 B2 JP2749264 B2 JP 2749264B2
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flux density
magnetic flux
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discharge tube
plasma
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和夫 鈴木
鈴木  登
正 園部
淳 千葉
直弘 門馬
康弘 望月
茂 高橋
琢也 福田
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Hitachi Engineering and Services Co Ltd
Hitachi Ltd
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Hitachi Engineering and Services Co Ltd
Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【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、マイクロ波放電により生成したプラズマを利
用し、試料表面に薄膜生成、又はエッチング,スパッタ
リング,プラズマ酸化等を行うに好適なプラズマ処理装
置に関する。 【0002】 【従来の技術】通常、磁場中のマイクロ波放電によるプ
ラズマを利用したプラズマ処理装置は、放電空間の一部
である放電管内に、前記磁場とマイクロ波により発生す
る電子サイクロトロン共鳴発生位置を有し、かつ、その
電子サイクロトロン共鳴点から試料室内に設けられた試
料台方向に急激に減少する磁束密度分布となっている。
このため、共鳴点近傍にて生成されたプラズマは、前記
放電管から試料台まで輸送される間に、その密度が1〜
2桁以上減少し、効率的なプラズマ処理ができなかっ
た。 【0003】又、試料室内に上記共鳴位置を配置した従
来例はあるが、放電管内にも共鳴位置を有したミラー磁
場配位のため、大部分のマイクロ波が放電管内の共鳴位
置で吸収され、試料室内の共鳴位置でのプラズマ生成量
が制約された。 【0004】また、仮に、試料室内にある共鳴位置にて
プラズマ生成ができたとしても、その付近の磁場勾配が
試料室から放電管方向を向いているため、大部分のプラ
ズマは放電管方向に戻され、全体として試料台方向へ向
かうプラズマ流量は少なくなり、効率的なプラズマ処理
ができない。 【0005】以下、図を用いて説明する。 【0006】図4は、昭和61年12月3,4日行われ
た第31回半導体集積回路技術シンポジウムの予稿集P
49〜54「ECSプラズマを用いたCVD」(以下、
従来例Aとする)を示したもので、磁場コイル1を外側
に備えた放電管2に導波管3を通してマイクロ波4が入
射窓5から入射され、前記磁場コイル1による磁場中の
電子サイクロトロン運動と前記マイクロ波4が共鳴位置
にて共鳴することにより、プラズマ用ガス6を共鳴電子
が衝突電離してプラズマを生成する。 【0007】そして、前記放電管2と連結され、試料7
を保持する試料台8を備えた試料室9方向に磁場勾配を
利用して生成プラズマを押し出す。このプラズマによ
り、又は、新たに試料室9に導入された材料ガス10を
プラズマにより励起、又は電離し、試料7の表面をプラ
ズマ処理する装置である。 【0008】図5は、図4のマイクロ波入射窓5から試
料台8に至る間の磁束密度分布を示したもので、縦軸が
放電管2と試料室9の境界を0とした軸方向距離,横軸
が磁束密度である。 【0009】この従来例Aの場合、入射マイクロ波4の
周波数(2.45GHz)に相当する電子サイクロトロン
共鳴を起こす磁束密度はBe(875ガウス)であり、
図5では、この位置がマイクロ波入射窓5から軸方向に
約3cmのところにある。このため、プラズマ中のマイク
ロ波の伝播特性とマイクロ波エネルギーの共鳴吸収条件
からプラズマ生成に有効なのは、3cmの領域のみとな
り、この約3cmの領域にて生成されたプラズマが、約3
5cmの間を磁場勾配の力を受け、両極性拡散により試料
台8方向に輸送される。この時、輸送距離が長いこと
と、磁場が急激に減少するため、前記電子サイクロトロ
ン共鳴を起こす共鳴位置付近のプラズマ密度に対し、試
料7表面に輸送されるプラズマの密度は、前記輸送中の
損失により低下する傾向があった。 【0010】図6は昭和61年12月3,4日行われた
第31回半導体集積回路技術シンポジウムの予稿集P6
1〜66「ECRプラズマCVD法によるa−Si:H
膜」(以下、従来例Bとする)を、図7はその磁束密度
分布を示したもので、従来例Aとの差異は、磁束密度分
布が全体的に大きいことである。 【0011】しかも、前記共鳴位置相当の磁束密度の位
置はまだ放電管2内にあり、また、それ以上の磁束密度
がありマイクロ波の共鳴吸収に有効な領域は、最大で放
電管2の2/3程度である。更に、試料台8方向に急激
に磁束密度が減少しているため、従来例Aと同様に前記
共鳴位置近傍にて生成されたプラズマの密度は、試料7
の表面に拡散していく間に損失により低下する傾向があ
った。 【0012】図8は特開昭59−3018号公報(以下、従来
例Cとする)を示し、図9はその磁束密度分布である。 【0013】該図に示す従来例Cは、プラズマ密度を上
げる目的でプラズマ閉じ込め方式として良く用いられる
ミラー磁場配位としたもので、試料室9の試料7表面近
くの磁体密度を上げるために補助永久磁石13を備えて
いる。 【0014】この従来例Cでは、入射したマイクロ波4
は、前記共鳴位置よりも大きい磁束密度領域(図9中
(I)領域)を伝播しながら第1の共鳴位置(図9中
イ)近傍でプラズマ中に共鳴吸収される。しかし、さら
に前記共鳴位置を過ぎ、それよりも小さい磁束密度領域
(図9中(II)領域)を伝搬しようとすると、プラズマ
により伝播しにくくなり、伝播したとしても試料7近傍
の第2共鳴位置(図9中ロ)で生成されたプラズマは、磁
場勾配により放電管方向へ力を受け、結果的には試料7
へ入射するプラズマ密度は、前記第1の共鳴位置近傍に
おけるプラズマ密度に比較して、前記従来例A,B同様
低下する傾向があった。 【0015】以上の様に上記従来方式では、マイクロ波
と磁場中の電子サイクロトロン共鳴により生成されるプ
ラズマの密度が、試料表面まで輸送されてくる間に損失
により低下する位置について配慮されていなかった。 【0016】 【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、放電
管から試料台方向のプラズマ密度分布と磁束密度分布の
関係が考慮されておらず、電子サイクロトロン共鳴発生
位置近傍から試料表面へ輸送されるプラズマの密度が低
下する傾向にあるため、プラズマの利用効率が低く良質
の膜が得られず、しかも処理速度が遅く効率的なプラズ
マ処理ができないという問題があった。 【0017】本発明は上述の点に鑑み成されたもので、
その目的とするところは、生成プラズマの利用効率を大
幅に改善することにより処理膜質を改善すると共に、処
理速度を早くし得るプラズマ処理装置を提供するにあ
る。 【0018】 【発明を解決するための手段】上記目的は、放電管のマ
イクロ波導入側の磁束密度を、磁場とマイクロ波による
電子サイクロトロン共鳴の共鳴発生位置の磁束密度より
大きくし、前記放電管から少なくとも試料台の位置まで
はほぼ単調減少する磁束密度分布形状を持つと共に、前
記電子サイクロトロン共鳴は前記磁束密度が同一の面に
形成され、かつ、該電子サイクロトロン共鳴の共鳴発生
位置が、少なくとも一部試料室内に位置するプラズマ処
理装置、また、放電管のマイクロ波導入側の磁束密度
を、磁場とマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の
共鳴発生位置の磁束密度より大きくし、前記放電管から
少なくとも試料台の位置まではほぼ単調減少する磁束密
度分布形状を持つと共に、前記電子サイクロトロン共鳴
は前記磁束密度が同一の面に形成され、かつ、該電子サ
イクロトロン共鳴の共鳴発生位置を少なくとも一部試料
室内に位置させ、磁場発生手段の発生する磁場の磁束密
度よりは弱い磁場を発生する補助磁場発生手段を備えて
いるプラズマ処理装置とすることにより達成される。 【0019】 【作用】一般に、プラズマ中を伝播し、電子サイクロト
ロン共鳴を起こすマイクロ波は、右回り円偏波波であ
り、この波は、前記電子サイクロトロン共鳴を起こすに
必要な磁束密度より小さい磁束密度のプラズマ中では、
カットオフとなり伝播できない。 【0020】このため、本発明では、真空容器のマイク
ロ波入射端の磁束密度を電子サイクロトロン共鳴位置の
磁束密度より大きくし、真空容器のマイクロ波入射端か
ら少なくとも試料台の位置まではほぼ単調減少する磁束
密度分布形状を持つと共に、電子サイクロトロン共鳴は
磁束密度が同一の面に形成され、かつ、前記電子サイク
ロトロン共鳴位置を、少なくとも一部試料室内に位置さ
せることにより、該共鳴磁束密度よりも高磁束密度領域
で高密度プラズマが発生する領域を真空容器内の試料台
近傍まで拡張することができ、かつ、磁場勾配によりプ
ラズマが押し出され試料台まで輸送される距離を0まで
小さくすることができる。 【0021】これにより、該共鳴磁束密度より小さい磁
束密度側で急激に減少するプラズマ密度に対して、該共
鳴位置と試料台間の距離を十分小さくできるため、試料
表面に高密度プラズマを輸送することが可能となる。 【0022】 【実施例】以下、本発明のプラズマ処理装置の一実施例
を図1,図2、及び図3を用いて説明する。 【0023】図1及び図2は、有磁場マイクロ波放電に
より試料表面処理(成膜)を行うプラズマ処理装置に本
発明を適用した例である。 【0024】図1は構成を示し、磁場コイル1を外側に
備えた真空容器を形成する放電管2に導波管3を通して
マイクロ波4が導入され、前記放電管2内に導入された
プラズマ用ガス6を、前記磁場コイル1にて発生する磁
場中の電子サイクロトロン運動と前記マイクロ波4によ
る電子サイクロトロン共鳴により励起、または電離する
ことによりプラズマを生成する。 【0025】そして、前記放電管2と連結され、処理さ
れる試料7を保持する試料台8を備える真空容器を形成
する試料室9方向に前記磁場コイル1にて発生する磁場
の勾配により前記プラズマを押し出し、新たに前記試料
室9内の試料7の前面に導入された材料ガス10を前記
プラズマ流により励起、または電離しながら試料7の表
面に輸送することにより、試料7の表面に前記プラズマ
用ガス6、及び前記材料ガス10による組成の薄膜を生
成するプラズマ処理装置である。 【0026】図2は、本実施例の前記放電管2から試料
台8方向の軸方向の磁束密度分布を示したもので、横軸
が軸方向距離,縦軸が磁束密度を示す。 【0027】本発明では、図2の及びの分布形状と
したことを特徴とし、図2のの曲線が、前記放電管2
と前記試料室9の境界点に前記電子サイクロトロン共鳴
発生磁場位置がある場合の磁束密度分布形状を示してお
り、図2のは、公知例の磁束密度分布例を示してい
る。 【0028】図1において、導波管3により放電管2内
に導入されたマイクロ波(2.45GHz)4は、図2の
の磁束密度分布形状にて前記共鳴位置相当の磁束密度
(Be=875ガウス)の位置が前記試料室9内におけ
る試料台8の近傍に位置しているため(図1のa点)、
放電管2内の上記共鳴位置相当の磁束密度以上の磁束密
度領域を伝播し、試料室9内に入り前記共鳴位置に近づ
くにつれ、電子サイクロトロン共鳴による電離及び励起
が活発化し、それに比例してプラズマ密度も増加し、共
鳴位置でプラズマ生成確率は最大値に達する。しかし、
この領域を越え、前記共鳴位置相当の磁束密度(本実施
例では、875ガウス)よりも小さい磁束密度のプラズ
マ中を前記マイクロ波が伝播しようとすると、この電子
サイクロトロン共鳴を起こす右回り円偏波波の性質から
カットオフとなり伝播できなくなり、プラズマ中に共鳴
吸収されなかったマイクロ波はこの共鳴位置で反射され
ることになる。 【0029】このため前記共鳴位置から試料台8側の低
磁束密度領域ではプラズマ生成がほとんど行われず、試
料7表面へ達するプラズマは、前記共鳴位置から試料台
8方向へ徐々に減少する磁場に添う両極性拡散によって
輸送されたプラズマと、この共鳴位置近傍に導入された
材料ガス10が上記プラズマ流により電離,励起された
原子,分子となる。それ故、前記共鳴位置から試料台8
方向のプラズマ密度分布は急激な減少を示す。 【0030】しかし、本発明により、前記共鳴位置から
試料表面までの距離を略0にまで小さくできるため、プ
ラズマ密度が急激に減少する手前に試料7の表面位置を
配置することが可能となり、試料7表面近傍の電子密度
にほぼ比例する処理速度を落すことなく、膜生成時のち
密性に効果のあるイオン衝撃を与えるイオン密度も適切
に選定することができ、良質で処理速度の速い薄膜を生
成することができる。図3は、本実施例により試料表面
に薄膜を生成した場合の成膜速度を示したもので、膜組
成が一定という条件下で測定したものである。図3の横
軸下段が図2に示した磁束密度分布形状(〜)を、
横軸上段がそれに相当する試料表面上での電子密度を任
意単位で示したもので(電子密度比)、縦軸が成膜速度
を任意単位で示している(成膜速度比)。 【0031】この図からも明らかなように、前記共鳴位
置を試料室9内に位置させ(図3中,)、かつ、試
料7の表面に近づけた方が電子密度が増加し、結果的に
成膜速度が大幅に増加することがわかる。 【0032】図10、及び図11に本発明の他の実施例
を示す。 【0033】図10は、前記電子サイクロトロン共鳴発
生磁場位置を試料室9内に位置させる手段として、試料
室9側に磁場を作る補助磁場発生手段21を前記試料室
9の外側に設けている。図11は、図10の実施例の軸
方向の磁束密度分布を示す。図11中のの破線は、図
10の磁場コイル1のみによる磁束密度分布曲線を示
し、図11中のの破線は、図10の補助磁場発生手段
のみによる磁束密度分布曲線を示す。 【0034】これにより図11中の曲線が、及び
を重畳させたものとなり、共鳴発生磁場位置は、図11
中、矢印で示した方向に引き出され、試料室9内に位置
する。この補助磁場発生手段21で共鳴発生位置を試料
室9内に位置させるには、その磁束密度は概略50ガウ
ス以上であればよい。 【0035】このような本実施例では、前記磁場コイル
1を小さくでき、図1〜図3に示す実施例と同じ効果が
あり、かつ、前記補助磁場発生手段21の調整により、
前記磁場コイル1による放電管2内の磁場分布にあまり
影響を与えずに前記共鳴発生位置を移動調整することが
できると共に、この補助磁場発生手段21により引き出
されたプラズマの流径,密度等も制御できるという効果
がある。 【0036】 【発明の効果】以上説明した本発明のプラズマ処理装置
によれば、放電管のマイクロ波導入側の磁束密度を、磁
場とマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の共鳴発
生位置の磁束密度より大きくし、前記放電管から少なく
とも試料台の位置まではほぼ単調減少する磁束密度分布
形状を持つと共に、前記電子サイクロトロン共鳴は前記
磁束密度が同一の面に形成され、かつ、該電子サイクロ
トロン共鳴の共鳴発生位置が、少なくとも一部試料室内
に位置するプラズマ処理装置、また、放電管のマイクロ
波導入側の磁束密度を、磁場とマイクロ波による電子サ
イクロトロン共鳴の共鳴発生位置の磁束密度より大きく
し、前記放電管から少なくとも試料台の位置まではほぼ
単調減少する磁束密度分布形状を持つと共に、前記電子
サイクロトロン共鳴は前記磁束密度が同一の面に形成さ
れ、かつ、該電子サイクロトロン共鳴の共鳴発生位置を
少なくとも一部試料室内に位置させ、磁場発生手段の発
生する磁場の磁束密度よりは弱い磁場を発生する補助磁
場発生手段を備えているプラズマ処理装置としたもので
あるから、高密度プラズマ生成位置と試料表面間距離が
近づくため、試料表面に高密度プラズマを輸送すること
ができるので、膜質の良い、しかも処理速度の早いプラ
ズマ処理ができ、此種プラズマ処理方法には非常に有効
である。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing apparatus, and more particularly to a plasma processing apparatus using plasma generated by microwave discharge to form a thin film on a sample surface or to perform etching, sputtering, The present invention relates to a plasma processing apparatus suitable for performing plasma oxidation or the like. 2. Description of the Related Art Generally, a plasma processing apparatus utilizing plasma generated by a microwave discharge in a magnetic field includes an electron cyclotron resonance generating position generated by the magnetic field and the microwave in a discharge tube which is a part of a discharge space. And a magnetic flux density distribution that sharply decreases from the electron cyclotron resonance point toward the sample stage provided in the sample chamber.
For this reason, the plasma generated near the resonance point has a density of 1 to 4 while being transported from the discharge tube to the sample stage.
This was reduced by more than two orders of magnitude, and efficient plasma processing could not be performed. Although there is a conventional example in which the above-described resonance position is arranged in the sample chamber, most of the microwaves are absorbed at the resonance position in the discharge tube because of the arrangement of the mirror magnetic field having the resonance position in the discharge tube. In addition, the amount of plasma generated at the resonance position in the sample chamber was restricted. [0004] Even if plasma can be generated at a resonance position in the sample chamber, most of the plasma is generated in the direction of the discharge tube because the magnetic field gradient in the vicinity thereof is directed from the sample chamber to the discharge tube. As a whole, the flow rate of plasma toward the sample stage is reduced, and efficient plasma processing cannot be performed. A description will be given below with reference to the drawings. FIG. 4 is a summary P of the 31st Semiconductor Integrated Circuit Technology Symposium held on December 3 and 1986.
49 to 54 "CVD using ECS plasma" (hereinafter referred to as "CVD using ECS plasma").
A microwave 4 is incident on a discharge tube 2 having a magnetic field coil 1 on the outside through a waveguide 3 from an entrance window 5, and an electron cyclotron in a magnetic field generated by the magnetic field coil 1 is shown. When the motion and the microwaves 4 resonate at the resonance position, resonance electrons collide and ionize the plasma gas 6 to generate plasma. Then, the sample 7 is connected to the discharge tube 2.
The generated plasma is pushed out using a magnetic field gradient in the direction of the sample chamber 9 provided with the sample stage 8 holding the sample. This apparatus excites or ionizes the material gas 10 newly introduced into the sample chamber 9 by the plasma or the plasma to plasma-treat the surface of the sample 7. FIG. 5 shows the magnetic flux density distribution from the microwave entrance window 5 to the sample table 8 in FIG. 4, and the vertical axis is the axial direction with the boundary between the discharge tube 2 and the sample chamber 9 being 0. The distance and the horizontal axis are the magnetic flux density. In the case of the conventional example A, the magnetic flux density causing electron cyclotron resonance corresponding to the frequency (2.45 GHz) of the incident microwave 4 is Be (875 gauss).
In FIG. 5, this position is located about 3 cm in the axial direction from the microwave entrance window 5. For this reason, only the region of 3 cm is effective for plasma generation from the propagation characteristics of microwaves in the plasma and the condition of resonance absorption of microwave energy, and the plasma generated in the region of approximately 3 cm is approximately 3 cm.
It is transported in the direction of the sample table 8 by ambipolar diffusion under the force of the magnetic field gradient between 5 cm. At this time, since the transport distance is long and the magnetic field is rapidly reduced, the density of the plasma transported to the surface of the sample 7 is smaller than the plasma density near the resonance position where the electron cyclotron resonance occurs. Tended to decrease. FIG. 6 is a summary P6 of the 31st Semiconductor Integrated Circuit Technology Symposium held on December 3 and 4, 1986.
1-66 "a-Si: H by ECR plasma CVD method"
FIG. 7 shows the magnetic flux density distribution of the “film” (hereinafter referred to as Conventional Example B). The difference from Conventional Example A is that the magnetic flux density distribution is large as a whole. In addition, the position of the magnetic flux density corresponding to the resonance position is still in the discharge tube 2, and the region where the magnetic flux density is higher than that and effective for the resonance absorption of the microwave is a maximum of 2. / 3. Further, since the magnetic flux density decreases rapidly in the direction of the sample stage 8, the density of the plasma generated in the vicinity of the resonance position becomes smaller than that of the sample 7 as in the conventional example A.
Tended to decrease due to loss while diffusing to the surface of. FIG. 8 shows JP-A-59-3018 (hereinafter referred to as Conventional Example C), and FIG. 9 shows the magnetic flux density distribution. The conventional example C shown in FIG. 1 employs a mirror magnetic field configuration which is often used as a plasma confinement method for the purpose of increasing the plasma density, and is used to increase the magnetic body density near the surface of the sample 7 in the sample chamber 9. A permanent magnet 13 is provided. In the conventional example C, the incident microwave 4
Is propagated in a magnetic flux density region (region (I) in FIG. 9) larger than the resonance position and is resonantly absorbed in the plasma near the first resonance position (a in FIG. 9). However, if the magnetic flux density further passes the resonance position and attempts to propagate in a magnetic flux density region (region (II) in FIG. 9) smaller than the resonance position, it becomes difficult for the plasma to propagate. The plasma generated in (b) in FIG. 9 receives a force in the direction of the discharge tube due to the magnetic field gradient.
The density of the plasma incident on the substrate has a tendency to decrease as in the conventional examples A and B, as compared with the plasma density near the first resonance position. As described above, in the above conventional method, no consideration is given to the position where the density of the plasma generated by the electron cyclotron resonance in the microwave and the magnetic field decreases due to the loss while being transported to the sample surface. . In the above prior art, the relationship between the plasma density distribution and the magnetic flux density distribution in the direction from the discharge tube to the sample table is not taken into consideration, and the vicinity of the electron cyclotron resonance generation position to the sample surface is not considered. Since the density of the plasma to be transported tends to decrease, there is a problem that the utilization efficiency of the plasma is low and a high-quality film cannot be obtained, and the processing speed is slow and efficient plasma processing cannot be performed. The present invention has been made in view of the above points,
It is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus capable of improving the quality of a processing film by greatly improving the utilization efficiency of generated plasma and increasing the processing speed. An object of the present invention is to increase the magnetic flux density on the microwave introduction side of a discharge tube to be greater than the magnetic flux density at the position where electron cyclotron resonance occurs due to the magnetic field and the microwave. To at least the sample stage
Has an almost monotonically decreasing magnetic flux density distribution shape,
In the electron cyclotron resonance, the magnetic flux density is on the same surface.
Is formed, and the resonance generating position of the electron cyclotron resonance, plasma processing apparatus located at least in part a sample chamber, also the magnetic flux density of the microwave introduction side of the discharge tube, the electron cyclotron resonance by the magnetic field and the microwave Larger than the magnetic flux density at the resonance occurrence position, and from the discharge tube
At least up to the sample stage position, the magnetic flux density decreases almost monotonically
Electron cyclotron resonance
Auxiliary magnetic flux density is formed in the same plane, and is positioned on at least a portion sample chamber resonance generating position of the electron cyclotron resonance, which generates a weak magnetic field than the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnetic field generating means This is achieved by a plasma processing apparatus having a magnetic field generating means. In general, a microwave that propagates in a plasma and causes electron cyclotron resonance is a clockwise circularly polarized wave, and this wave has a magnetic flux smaller than a magnetic flux density necessary for causing the electron cyclotron resonance. In a dense plasma,
Cut off and cannot propagate. For this reason, according to the present invention, the magnetic flux density at the microwave entrance end of the vacuum vessel is made larger than the magnetic flux density at the electron cyclotron resonance position, so that the
Magnetic flux that decreases almost monotonically from the position of at least the sample stage
In addition to having a density distribution shape, electron cyclotron resonance
A magnetic flux density is formed on the same surface, and the electron cyclotron resonance position is at least partially located in the sample chamber, so that a region where high-density plasma is generated in a magnetic flux density region higher than the resonance magnetic flux density is evacuated. It can be extended to the vicinity of the sample stage in the container, and the distance that the plasma is pushed out by the magnetic field gradient and transported to the sample stage can be reduced to zero. With this, the distance between the resonance position and the sample table can be made sufficiently small with respect to the plasma density which rapidly decreases on the magnetic flux density side smaller than the resonance magnetic flux density, so that high-density plasma is transported to the sample surface. It becomes possible. An embodiment of the plasma processing apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1, 2 and 3. FIGS. 1 and 2 show an example in which the present invention is applied to a plasma processing apparatus for performing a sample surface treatment (film formation) by magnetic field microwave discharge. FIG. 1 shows a structure, in which a microwave 4 is introduced through a waveguide 3 into a discharge tube 2 forming a vacuum vessel provided with a magnetic field coil 1 on the outside. The plasma is generated by exciting or ionizing the gas 6 by electron cyclotron motion in the magnetic field generated by the magnetic field coil 1 and electron cyclotron resonance by the microwave 4. Then, the plasma is generated by the gradient of the magnetic field generated by the magnetic field coil 1 in the direction of the sample chamber 9 forming a vacuum vessel provided with a sample stage 8 holding the sample 7 to be processed, which is connected to the discharge tube 2. And the material gas 10 newly introduced into the front surface of the sample 7 in the sample chamber 9 is excited by the plasma flow or transported to the surface of the sample 7 while being ionized. This is a plasma processing apparatus that generates a thin film having a composition using the application gas 6 and the material gas 10. FIG. 2 shows the magnetic flux density distribution in the axial direction from the discharge tube 2 to the sample table 8 in this embodiment. The horizontal axis indicates the axial distance, and the vertical axis indicates the magnetic flux density. The present invention is characterized in that the distribution shape of FIG.
FIG. 2 shows a magnetic flux density distribution shape when the electron cyclotron resonance generated magnetic field position is at the boundary point between the sample chamber 9 and the sample chamber 9. FIG. 2 shows an example of a known magnetic flux density distribution. In FIG. 1, a microwave (2.45 GHz) 4 introduced into the discharge tube 2 by the waveguide 3 has a magnetic flux density (Be = corresponding to the resonance position) in the magnetic flux density distribution shape of FIG. 875 gauss) is located near the sample table 8 in the sample chamber 9 (point a in FIG. 1).
Propagating in the magnetic flux density region equal to or higher than the magnetic flux density corresponding to the resonance position in the discharge tube 2 and entering the sample chamber 9 and approaching the resonance position, ionization and excitation by electron cyclotron resonance are activated, and the plasma is proportionally increased. The density also increases, and the plasma generation probability reaches a maximum value at the resonance position. But,
When the microwave tries to propagate in a plasma having a magnetic flux density smaller than the magnetic flux density (875 gauss in this embodiment) corresponding to the resonance position, the microwave rotates right-handed circularly polarized, causing the electron cyclotron resonance. Due to the nature of the wave, it is cut off and cannot be propagated, and the microwave that has not been resonantly absorbed in the plasma is reflected at this resonance position. For this reason, in the low magnetic flux density region on the sample stage 8 side from the resonance position, almost no plasma is generated, and the plasma reaching the surface of the sample 7 is accompanied by a magnetic field that gradually decreases from the resonance position toward the sample stage 8. The plasma transported by ambipolar diffusion and the material gas 10 introduced in the vicinity of the resonance position become atoms and molecules ionized and excited by the plasma flow. Therefore, the sample table 8 is moved from the resonance position.
The plasma density distribution in the direction shows a sharp decrease. However, according to the present invention, since the distance from the resonance position to the sample surface can be reduced to substantially zero, it is possible to arrange the surface position of the sample 7 before the plasma density sharply decreases. 7 The ion density which gives an ion bombardment which has an effect on the density at the time of film formation can be appropriately selected without reducing the processing speed which is almost proportional to the electron density near the surface. Can be generated. FIG. 3 shows the film formation rate when a thin film is formed on the sample surface according to the present embodiment, and is measured under the condition that the film composition is constant. The lower part of the horizontal axis in FIG. 3 shows the magnetic flux density distribution shape (〜) shown in FIG.
The upper part of the horizontal axis shows the corresponding electron density on the sample surface in an arbitrary unit (electron density ratio), and the vertical axis shows the film forming rate in arbitrary units (film forming rate ratio). As is clear from this figure, when the resonance position is located in the sample chamber 9 (in FIG. 3) and closer to the surface of the sample 7, the electron density increases, and as a result, It can be seen that the film forming speed is greatly increased. FIGS. 10 and 11 show another embodiment of the present invention. FIG. 10 shows that an auxiliary magnetic field generating means 21 for generating a magnetic field on the sample chamber 9 side is provided outside the sample chamber 9 as means for positioning the position of the electron cyclotron resonance generated magnetic field in the sample chamber 9. FIG. 11 shows the magnetic flux density distribution in the axial direction of the embodiment of FIG. The broken line in FIG. 11 shows a magnetic flux density distribution curve obtained only by the magnetic field coil 1 in FIG. 10, and the broken line in FIG. 11 shows a magnetic flux density distribution curve obtained only by the auxiliary magnetic field generating means in FIG. As a result, the curve in FIG. 11 becomes a superposition of and, and the position of the resonance generating magnetic field is
It is pulled out in the direction indicated by the arrow in the middle, and is located in the sample chamber 9. In order for the auxiliary magnetic field generating means 21 to position the resonance generating position in the sample chamber 9, the magnetic flux density may be approximately 50 gauss or more. In this embodiment, the size of the magnetic field coil 1 can be reduced, the same effect as that of the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 can be obtained, and by adjusting the auxiliary magnetic field generating means 21,
The resonance generation position can be moved and adjusted without significantly affecting the magnetic field distribution in the discharge tube 2 due to the magnetic field coil 1, and the flow diameter, density, etc., of the plasma extracted by the auxiliary magnetic field generation means 21 can be adjusted. There is an effect that it can be controlled. According to the plasma processing apparatus of the present invention described above, the magnetic flux density on the microwave introduction side of the discharge tube is larger than the magnetic flux density at the position where the electron cyclotron resonance occurs due to the magnetic field and the microwave. And less from the discharge tube
Magnetic flux density distribution almost monotonically decreasing up to the sample stage
And the electron cyclotron resonance has the shape
It is formed on the magnetic flux density the same surface, and the resonance generating position of the electron cyclotron resonance, plasma processing apparatus located at least in part a sample chamber, also the magnetic flux density of the microwave introduction side of the discharge tube, and a magnetic field The magnetic flux density at the position where the electron cyclotron resonance is generated by microwaves is made larger than the magnetic flux density, and at least the position from the discharge tube to the position of the sample stage is almost
It has a monotonously decreasing magnetic flux density distribution shape and the electron
In cyclotron resonance, the magnetic flux density is formed on the same plane.
Is, and is positioned on at least a portion sample chamber resonance generating position of the electron cyclotron resonance, plasma processing apparatus comprising an auxiliary magnetic field generating means for generating a weak magnetic field than the magnetic flux density of the magnetic field generated by the magnetic field generating means Because the distance between the high-density plasma generation position and the surface of the sample is reduced, high-density plasma can be transported to the sample surface, and plasma processing with good film quality and high processing speed can be performed. It is very effective for the seed plasma processing method.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例を示す有磁場マイクロ波放電
プラズマ処理装置の断面図である。 【図2】図1の装置における軸方向磁束密度分布を示す
特性図である。 【図3】図1の装置により成膜した場合の成膜速度比と
磁束密度分布形状、及びそれに伴う電子密度比の関係を
示す特性図である。 【図4】従来例Aのプラズマ処理装置を示す断面図であ
る。 【図5】図4の装置における軸方向磁束密度分布を示す
特性図である。 【図6】従来例Bのプラズマ処理装置を示す断面図であ
る。 【図7】図6の装置における軸方向磁束密度分布を示す
特性図である。 【図8】従来例Cのプラズマ処理装置を示す断面図であ
る。 【図9】図8の装置における軸方向磁束密度分布を示す
特性図である。 【図10】本発明の他の実施例を示す断面図である。 【図11】図10の装置における軸方向磁束密度分布図
である。 【符号の説明】 1…磁場コイル、2…放電管、3…導波管、4…マイク
ロ波、5…入射窓、6…プラズマ用ガス、7…試料、8
…試料台、9…試料室、10…材料ガス、11a,11b
…冷却水、12…真空排気。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional view of a magnetic field microwave discharge plasma processing apparatus showing one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a characteristic diagram showing an axial magnetic flux density distribution in the apparatus of FIG. FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a film forming speed ratio, a magnetic flux density distribution shape, and a corresponding electron density ratio when a film is formed by the apparatus of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a plasma processing apparatus of Conventional Example A. FIG. 5 is a characteristic diagram showing an axial magnetic flux density distribution in the device of FIG. FIG. 6 is a sectional view showing a plasma processing apparatus of Conventional Example B. FIG. 7 is a characteristic diagram showing an axial magnetic flux density distribution in the device of FIG. 6; FIG. 8 is a sectional view showing a plasma processing apparatus of Conventional Example C. FIG. 9 is a characteristic diagram showing an axial magnetic flux density distribution in the apparatus of FIG. FIG. 10 is a sectional view showing another embodiment of the present invention. 11 is an axial magnetic flux density distribution diagram in the device of FIG. [Description of Signs] 1 ... magnetic field coil, 2 ... discharge tube, 3 ... waveguide, 4 ... microwave, 5 ... incident window, 6 ... plasma gas, 7 ... sample, 8
... sample stage, 9 ... sample room, 10 ... material gas, 11a, 11b
... cooling water, 12 ... evacuation.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/3065 H01L 21/31 C 21/31 21/302 B (72)発明者 園部 正 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 千葉 淳 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 門馬 直弘 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 望月 康弘 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 高橋 茂 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 福田 琢也 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−134423(JP,A) 特開 昭61−125133(JP,A) 特開 昭57−79621(JP,A)──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 21/3065 H01L 21/31 C 21/31 21/302 B (72) Inventor Tadashi Sonobe 3-chome, Saimachi, Hitachi-shi, Ibaraki Pref. No. 1 Hitachi, Ltd. Hitachi Plant (72) Inventor Atsushi Chiba 3-1-1, Sakaimachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Ltd.Hitachi Plant (72) Inventor Naohiro Kadoma 4026 Kujicho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Address Hitachi, Ltd.Hitachi Laboratory (72) Inventor Yasuhiro Mochizuki 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd.Hitachi Laboratory (72) Inventor Shigeru Takahashi 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Hitachi, Ltd. In the laboratory (72) Inventor Takuya Fukuda 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd.Hitachi Research Laboratory (56) References JP-A-60-1 34423 (JP, A) JP-A-61-125133 (JP, A) JP-A-57-79621 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を形
成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生す
る磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイクロ
波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、処
理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料室
とを備えたプラズマ処理装置において、 前記放電管の前記マイクロ波導入側の磁束密度を、磁場
とマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の共鳴発生
位置の磁束密度より大きくし、前記放電管から少なくと
も前記試料台の位置まではほぼ単調減少する磁束密度分
布形状を持つと共に、前記電子サイクロトロン共鳴は前
記磁束密度が同一の面に形成され、かつ、該電子サイク
ロトロン共鳴の共鳴発生位置が、少なくとも一部前記試
料室内に位置することを特徴とするプラズマ処理装置。 2.放電ガスが導入されると共に、放電空間の一部を形
成する放電管と、該放電管の放電空間内に磁場を発生す
る磁場発生手段と、前記放電管の放電空間内にマイクロ
波を導入する手段と、前記放電管に連結され、かつ、処
理されるべき試料を保持する試料台が配置される試料室
とを備えたプラズマ処理装置において、 前記放電管の前記マイクロ波導入側の磁束密度を、磁場
とマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の共鳴発生
位置の磁束密度より大きくし、前記放電管から少なくと
も前記試料台の位置まではほぼ単調減少する磁束密度分
布形状を持つと共に、前記電子サイクロトロン共鳴は前
記磁束密度が同一の面に形成され、かつ、該電子サイク
ロトロン共鳴の共鳴発生位置を少なくとも一部前記試料
室内に位置させ、前記磁場発生手段の発生する磁場の磁
束密度よりは弱い磁場を発生する補助磁場発生手段を備
えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
(57) [Claims] A discharge gas is introduced, a discharge tube forming a part of the discharge space, a magnetic field generating means for generating a magnetic field in the discharge space of the discharge tube, and a microwave introduced into the discharge space of the discharge tube. Means, and a plasma processing apparatus comprising: a sample chamber connected to the discharge tube, and a sample stage for holding a sample to be processed is disposed, wherein the magnetic flux density on the microwave introduction side of the discharge tube is Larger than the magnetic flux density at the position where the electron cyclotron resonance occurs due to the magnetic field and the microwave, and at least from the discharge tube.
The magnetic flux density component that decreases almost monotonically up to the position of the sample stage
It has a cloth shape and the electron cyclotron resonance is
Serial magnetic flux density is formed in the same plane, and, a plasma processing apparatus resonance generation position of the electron cyclotron resonance, characterized in that located in at least part the sample chamber. 2. A discharge gas is introduced, a discharge tube forming a part of the discharge space, a magnetic field generating means for generating a magnetic field in the discharge space of the discharge tube, and a microwave introduced into the discharge space of the discharge tube. Means, and a plasma processing apparatus comprising: a sample chamber connected to the discharge tube, and a sample stage for holding a sample to be processed is disposed, wherein the magnetic flux density on the microwave introduction side of the discharge tube is Larger than the magnetic flux density at the position where the electron cyclotron resonance occurs due to the magnetic field and the microwave, and at least from the discharge tube.
The magnetic flux density component that decreases almost monotonically up to the position of the sample stage
It has a cloth shape and the electron cyclotron resonance is
Serial magnetic flux density is formed in the same plane, and a resonance generating position of the electron cyclotron resonance is located at least partially said sample chamber, to generate a weak magnetic field than the magnetic flux density of the generated magnetic field of the magnetic field generating means A plasma processing apparatus comprising an auxiliary magnetic field generating means.
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JPH0693447B2 (en) * 1983-12-23 1994-11-16 株式会社日立製作所 Microwave plasma processing equipment
JPS61125133A (en) * 1984-11-22 1986-06-12 Hitachi Ltd Low temperature plasma electromagnetic field control structure

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