JP2909475B2 - Ｅｃｒプラズマ発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は半導体製造装置におけるECRプラズマ発生装
置にかかわり、特に、プラズマを利用して半導体の加工
を行なう装置、例えばエッチング装置やCVD装置のECRプ
ラズマ発生装置に関する。

（従来の技術） 半導体ウエハ製造工程において、近年、半導体ウエハ
の微細化が益々進行し、特に、微細な加工を低温プラズ
マを利用して加工する様になってきた。更に、微細な加
工を行うに際し、磁束の流れを被加工物例えば、半導体
ウエハ（以下、ウエハと略記する）の表面に垂直な方向
にだけを進行させて他の方向に向けず、加工されたウエ
ハ表面に損傷を与えないためには、色々な条件を満たし
たプラズマが必要である。

即ちガス圧力が低く、プラズマ中のイオンや電子の温
度が低いプラズマである。

又、実用になる半導体製造装置として仕上げるために
は、シリコンウエハーの全面にわたって均一な濃度のプ
ラズマで、更に、実用になる加工速度を確保する必要が
ある。そのためには、プラズマの濃度を濃くすることも
重要な要素である。

この様なプラズマを発生する手段の一つとして、磁場
中でマイクロ波をプラズマガスに与え、プラズマ中の電
子をサイクロトロン運動させるプラズマ発生装置が登場
した。これを一般にはECRプラズマ発生装置と呼んでい
る。（Electron Cyclotron Resonance） ECRの原理説明は既に多くの文献があるのでここでは
省略するが、現在一般の工業用に許されているマイクロ
波は2450メガヘルツであり、この周波数でプラズマ中の
電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場の強さは875ガウ
スである。

第２図は従来より発表されているECRプラズマ発生装
置を使ったシリコンウエハーの加工装置である。

従来のECRプラズマ発生装置を用いた半導体製造装置
での工程は先ず、プラズマ加工を行う真空チャンバー１
内の保持部２にウエハー３を載置し、ソレノイドコイル
４によって上記真空チャンバー１内に磁場を発生させ、
この発生より前に導入口からプラズマガスを上記真空チ
ャンバー１内に導入しておき、さらに、ECRを生じさせ
るマイクロ波６を照射して処理している。

（発明が解決しようとする課題） 従来の半導体製造装置に用いているECRプラズマ発生
装置は、被加工物、例えばウエハー形状が大きくなるに
つれて、大電力が必要となってくる。

即ち、ECR領域で875ガウスの磁場と2450メガヘルツの
マイクロ波が与えられると、この付近の電子が共鳴して
回転を始め、この電子が原料ガスと衝突して電離し、プ
ラズマを発生する。

しかも、生産性を向上させるためウエハーの形状は益
々大きくなり、直径が８インチから10インチになろうと
している。

従って、磁場を発生させるソレノイドコイルの寸法
は、例えば、内直径500ミリ、外直径660ミリ、高さ80ミ
リ、大きな寸法になってしまう。そして、この場合875
ガウスという磁場をECR領域全体にわたって発生させる
ためにソレノイドコイルに流す電流は４万アンペアター
ン以上必要で、要する電力は16KW以上にもなる。

本発明の目的は、磁場発生に必要なこの様に大きな電
力を著しく低減させ、ほとんどゼロに近付けることが可
能な磁場発生装置を提供することにある。例えば、従来
の装置では16KWも必要であった電力を0.2KWくらいまで
低減させることを目的とした磁場発生装置を提供するこ
とにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この様な目的を達成する手段として、本発明における
磁場発生装置は、プラズマ発生空間を有して対向配置さ
れた強磁性体のポールピースを設け、該ポールピースの
対向する面は凹型になっている。また対向配置された２
個の強磁性体のポールピースを一体化し、該強磁性体の
ヨークの一部を、永久磁石で構成することにより、実現
される。

（作 用） この様に構成することにより、対向して配置された強
磁性体のポールピースの対向する面を凹型にすること
で、必要なECR領域内の磁場の強さを一様にならすこと
が可能になる。また磁場の大部分は永久磁石から磁力を
利用することが可能になり、ソレノイドコイルは永久磁
石のばらつきを補正するだけのものになる。

（実施例） 以下、本発明の主要部の実施例を第１図にもとづいて
説明する。

第１図はエッチング装置や、CVD装置等の半導体製造
装置に使用するプラズマ発生装置の主要部の一実施例で
ある。

先ず、構成について述べる。

強磁性体のポールピース20、21間には所定のプラズマ
が発生するようにプラズマ空間が形成されている。

即ち、上記ポールピース（上記ポールピース）21と他
のポールピース（下部ポールピース）20とが所定空間を
有して対向するように設けられている。この対向する面
をそれぞれ上部ポールピース21の面と下部ポールピース
20の面と称する。この上記ポールピース（上部ポールピ
ース）21面と、他のポールピース（下部ポールピース）
20面とが凹形に形成されている。

即ち、上記ポールピース（上部ポールピース）21面の
中心領域から生ずる磁束の流れ方向が上記ポールピース
（下部ポールピース）20面の中心領域に流れるが、上記
ポールピース21面の外周領域から発する磁速の流れ方向
が、下部ポールピース20面の外周領域から飛び出させな
い構造にするため凹形に形成されている。

言い換えれば、上記ポールピース21から生じた磁速の
流方向がウエハーの中心、外周円を問わず、ウエハー領
域から飛び出さないように形成されている。

上記ポールピース20、21の凹形面と反対側のポールピ
ース20、21の部分にはポールピース20、21径より小さい
径の導電体（ポールピースの一部）が形成されている。
この導電体の外周には、プラズマ空間での磁場の強さを
制御する制御手段、例えばソレノイドコイル22、23が配
設されている。

さらに、上記ポールピース（上部ポールピース）21の
凹面と上記ポールピース（下部ポールピース）20の凹面
とが所定の空間部、即ちプラズマ空間が保持可能に固定
されている。この固定は固定具によっておこなわれてい
る。この固定具は前述した上記ポールピース21の導電体
（ポールピースの一部である）が継鉄24を介して、磁場
発生用の永久磁石25に電気的、機械的に設けられてい
る。

さらに、上記永久磁石25は、前述した上記ポールピー
ス20の導電体（ポールピースの一部である）と電気的、
機械的に設けた継鉄26に固定されている。

この様に形成した固定具はＣ形構造になっている。こ
のＣ形構造の開口には、ウエハー処理用の真空チャンバ
ー27が所定位置に配置可能とし、さらに上記凹形面と平
行に移動し、所定の位置に戻るように構成されている。

上記真空チャンバー27の内部には被処理体、例えばウ
エハー29が配設されている。

即ち、上記真空チャンバー27の中央に設けられた保持
部（チャックともいう）28にウエハー29を載置し、真空
チャンバー27内を負圧にし、上記真空チャンバーの一側
壁からECRを生じさせるマイクロ波31が入力されるよう
に構成されている。

さらに前述したように、プラズマ空間の磁速の流れ32
を生じさせるように構成している。

即ち、上記ポールピース（下部ポールピース）20→下
部ポールピース側の継鉄26→永久磁石25→上部ポールピ
ース側の継鉄24→上記ポールピース21方法に磁速の流れ
34を生じさせ、上部ポールピース21と下部ポールピース
20間に磁速の流れ32を生じさせている。

次に動作について述べる。

先ず、ECR領域33で、875ガウスの磁場と2450メガヘル
ツのマイクロ波が与えられると、この付近の電子が共鳴
して回転を始め、この電子が原料ガスと衝突して電離
し、プラズマを発生する。

永久磁石25の発する磁速は多くの矢印34で示す磁気回
路を一周しており、磁気回路は閉じている。磁気回路の
開口部が真空チャンバー27を含むECR領域であり、この
部分の磁速密度は、ウエハー29の表面近傍の全域にわた
って875ガウスになっている。そして、この条件を実現
しているのが、強磁性体のポールピース20、21の対向す
る表面の凹面形状と、制御用のソレノイドコイル22、23
である。凹面形状の形は、ポールピースの間隔、直径、
永久磁石の位置、等によっていくらかの変更はあるが、
ウエハー29の表面全域にわたって等しい磁速密度を実現
するための形状が一意的に存在することをコンピュータ
ーシミュレーションで確認できた。

又、制御用ソレノイドコイル22、23は、永久磁石25及
び全ての磁気回路の製作誤差を補正するためのものであ
る。22及び23で示す制御用ソレノイドコイル22、23に流
れる電流を調整することで、ウエハー29の表面全域の磁
速密度を正確に875ガウスに合せることが可能になる。

この様に22及び23で示す制御用ソレノイドコイルは、
全ての磁気回路構成部品の製作誤差を調整するだけのも
のであるから、その消費電力は極くわずか（例えば、0.
2KWくらい）でよい。

本発明の別の例として、永久磁石25を使用せず、制御
用ソレノイド22、23が発する磁力だけで目的を達するこ
とも可能である。

一例として、強磁性体のポールピース20、21の対向す
る間隔が20cm、直径が30cm、22及び23で示すソレノイド
コイルの内直径17cm、外直径25cm、高さ4cmのものを、
２個使用したとき、875ガウスの磁速密度を発生するた
めにコイルに必要な電流量は約14000アンペアターンで
ある。しかしコイルの体積が従来のものに比較してはる
かに少ないため、コイル２個が消費する電力はわずか1.
6KWにすぎない。

この様に本発明になる磁気回路を使用すれば、永久磁
石を無理に使用しなくても、必要な磁場を充分実用にな
る範囲で提供することができる。

又、将来ウエハーの直径が250mmから300mmに巨大化し
たときに於いても、コイルの寸法はそれほど大きくなら
ない。

〔発明の効果〕

本発明の特徴は、従来技術で大量の電力を必要とし
た、磁場発生部の構造を図面で明らかな様に全く違う構
造にしたことである。

従来技術のものが、なぜ空芯のソレノイドコイル（第
１図の４で示す）を使用するかと言うと、この様な空芯
コイルは理論上その中心部の磁速密度が半径方向の場所
にかかわらず等しいためである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ECRプラズマ発生装置の一実施例を示し
たもので、このECRプラズマ発生装置の主要部を説明す
るための断面説明図、第２図は従来のECRプラズマ発生
装置の主要部を説明するための断面説明図である。 図において、 １……プラズマ加工を行なう真空チャンバーの外壁、 ２……加工を受けるシリコンウエハー、 ３……ウエハー２を支える保持部、 ４……磁場を発生させるためのソレノイドコイル、 ５……加工を行なうプラズマの原料ガスの導入口、 ６……ECRを起こさせるマイクロ波、 ７……加工のためのプラズマを作る原料ガス、 ８……マイクロウエーブの真空チャンバーへの導入口、 ９……チャンバーの真空排出口、 10……ECR現象が起こっているECR領域、 11……磁速の流れ、 20、21……プラズマ空間を挟んで対向して配置された強
磁性体のポールピース、（ポールピース） 22、23……プラズマ空間の磁場の強さを制御するための
ソレノイドコイル、（ソレノイドコイル） 24、26……磁気回路を閉じるための継鉄、 25……磁場発生用の永久磁石、 27……プラズマ加工を行なうための真空チャンバーの外
壁、 29……加工を受けるウエハー、 28……ウエハー29を支える保持部、 30……マイクロウエーブの真空チャンバーへの導入口、 31……ECRを起こさせるためのマイクロ波、 32……磁速の流れを示す矢印、 34……永久磁石25から発生する磁速の流れを示す矢印、 33……ECR現象が起こっているECR領域、 である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波の周波数と磁場の強さを、ある
   条件に一致させて、電子サイクロトロン共鳴を起こさせ
   ることにより高密度のプラズマを発生させるECRプラズ
   マ発生装置において、プラズマ発生空間を有して対向し
   て配置された強磁性体のポールピースを有し、該ポール
   ピースの対向する面が凹型にしたことを特徴とするECR
   プラズマ発生装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲（１）のECRプラズマ発生
   装置において、対向配置された２個の強磁性体のポール
   ピースを結合し該強磁性体のヨークの一部が、永久磁石
   で構成したことを特徴とするECRプラズマ発生装置。