JP3142408B2

JP3142408B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3142408B2
Application number: JP05026267A
Authority: JP
Inventors: 久雄師岡; 正美小栗山; 英明横田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1993-01-21
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JPH06223997A

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ＣＶＤやプラ
ズマエッチング等のプラズマ処理を行なうプラズマ処理
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンド薄膜やアモルファスＳｉ薄
膜の形成には、プラズマＣＶＤが用いられている。ま
た、半導体素子等の製造に必要とされる微細パターンの
形成にも、プラズマを用いたエッチングが用いられてい
る。

【０００３】プラズマＣＶＤやプラズマエッチングなど
のプラズマ処理におけるプラズマ発生源としては、例え
ば特開昭６４−６５８４３号公報に開示されているよう
な有磁場マイクロ波プラズマ生成、特にエレクトロン・
サイクロトロン・レゾナンス（ＥＣＲ）を利用したプラ
ズマ生成手段や、このほか高周波誘導加熱や直流プラズ
マ等を利用したプラズマ生成手段等が挙げられる。これ
らのうち、高密度の電子が得られて処理速度が高いこと
から、ＥＣＲ等の有磁場マイクロ波を用いるものが注目
されている。

【０００４】ＥＣＲ型プラズマ生成装置は、電界と磁界
との相互作用により共鳴的に電子を加速し、この電子の
衝突によりガスをプラズマ化するものである。また、こ
のように生成したプラズマから、イオン引き出し電極等
の制御電極により所望のイオンを取り出す方法も知られ
ている（特開昭６０−１０３０９９号公報）。

【０００５】プラズマＣＶＤは、このようにして生成さ
れたプラズマ中のイオン、ラジカル等の電離・解離種を
基板上に堆積させることにより成膜を行なうものであ
る。また、特開昭６４−６５８４３号公報に示されるよ
うに、このプラズマから電子を引き出し、引き出された
電子を原料ガスに衝突させてプラズマ化し、発生したイ
オン、ラジカル等を基板上に堆積させることもできる。
プラズマエッチングは、上記のようにして得られたプラ
ズマから、イオン、ラジカル等を被処理体に衝突させて
エッチングを行なうものである。

【０００６】ところで、プラズマ中では、電子は中性粒
子と衝突してもエネルギーをほとんど失わない。また、
イオンや中性粒子は衝突の際、ほとんどのエネルギーを
失うので、イオンおよび中性粒子の温度ＴｉおよびＴｎ
はＴｉ≒Ｔｎの関係となっている。このため衝突周波数
の小さい低気圧放電を行うときには電子温度ＴｅはＴｅ
＞＞Ｔｉとなり、プラズマＣＶＤは生じなくなる。一
方、高気圧放電では、衝突周波数が大きくなるので各粒
子の温度は均等化し、エネルギや速度が増大し、プラズ
マＣＶＤが可能となってくる。

【０００７】実際、ダイヤモンドのプラズマＣＶＤで
は、通常１０⁰ 〜１０² Torrの動作圧力が必要であり、
１０^-2Torr以下ではプラズマＣＶＤは不可能であるとさ
れている。しかし、１０⁰ 〜１０² Torrの高気圧放電で
は、局在化プラズマを使用せざるを得ず、大面積のプラ
ズマ処理は不可能となる。一方、電離・解離種は基板表
面に入射し、基板の熱エネルギを受け取り、化学反応を
起こし、成膜やエッチングが行われるので、基板温度を
高温とすれば低圧としてもＣＶＤは可能となり、若干大
面積化が可能となるが、基板温度の上昇は同時に膜欠陥
も生じ、好ましくない。

【０００８】ところで、プラズマＣＶＤ等のプラズマ処
理を行なう際、プラズマを所定空間内に保持あるいは閉
じ込めておくと、上記処理を効果的に行なうことが知ら
れている。

【０００９】このようなプラズマの閉じ込めは、通常、
基板を中心とした同一円周上に周方向に間隔を置かれて
配置された複数の磁石からなり、この複数の磁石によっ
て形成されるマルチカスプ磁界により、発生したプラズ
マを閉じ込めるプラズマ閉じ込め空間を形成するマルチ
カスプ磁界発生装置が使用されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなマルチカスプ磁界発生装置により、プラズマを閉
じ込めておく場合には、処理環境の変化により、処理に
バラツキが発生することがあった。

【００１１】そこで、本発明は、安定して処理を行なう
ことができるプラズマ処理装置を提供することを目的と
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するため、誠意研究を行なったところ、プラズマ
処理の変動は、マルチカスプ磁界発生装置によるプラズ
マ閉じ込め空間の圧力変動によるところが大ききことが
判明し、そしてこの処理の変動は、マルチカスプ磁界発
生装置により発生されるマルチカスプ磁界の半径を制御
することにより補償することができることが判明した。

【００１３】本発明は、この知見に基づくものであり、
上記の目的は、下記（１）〜（６）の本発明により達成
される。

【００１４】（１）プラズマ発生手段と、基板を保持す
る基板保持手段と、前記基板を中心とした同一円周上に
周方向に間隔を置かれて配置された複数の磁石を有し、
発生したプラズマを閉じ込めるプラズマ閉じ込め空間を
形成するマルチカスプ磁界発生手段と、このマルチカス
プ磁界発生手段の各磁石を前記基板を中心として半径方
向に移動させるための移動手段とを備えていることを特
徴とするプラズマ処理装置。（２）前記マルチカスプ磁界発生手段の磁石が永久磁石
である上記（１）のプラズマ処理装置。（３）前記プラズマ閉じ込め空間の圧力を検出する圧力
検出手段を更に備え、前記移動手段は、前記圧力検出手
段で検出された圧力に基づき前記磁石を前記半径方向に
移動させるようになっている上記（１）または（２）の
プラズマ処理装置。（４）前記移動手段は、前記圧力が低くなるにしたがっ
て、前記磁石を前記半径方向外方に移動させるようにな
っている上記（１）ないし（３）のいずれかのプラズマ
処理装置。（５）前記移動手段は、前記マルチカスプ磁界発生手段
の全ての磁石を同期して移動させるようになっている上
記（１）ないし（４）のいずれかのプラズマ処理装置。（６）原料中性粒子ガスの導入手段と、この導入された
ガスを加熱体に衝突させて加速する加速手段とを有し、
前記プラズマ発生手段が、この加速手段により加速され
たガスを電離・解離してプラズマを発生させるものであ
る上記（１）ないし（５）のいずれかのプラズマ処理装
置。（７）前記プラズマ発生手段が、有磁場マイクロ波プラ
ズマ生成手段である上記（１）ないし（６）のいずれか
のプラズマ処理装置。（８）動作圧力が１０^ー1Torr以下である上記（７）のプ
ラズマ処理装置。

【００１５】

【作用および効果】本発明によれば、プラズマ閉じ込め
空間の半径を自由に調節することができ、これにより処
理速度等を制御するこができるようになる。

【００１６】また、プラズマ閉じ込め空間の圧力が変動
した場合には、それに伴ったプラズマ閉じ込め空間の半
径の値の制御を行なうことにより、処理にバラツキが生
じてしまうことを防止することができる。

【００１７】

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。図１および図２には、本発明のプラズマ処
理装置の好適実施例が示される。

【００１８】図１および図２に示されるプラズマ処理装
置１は、真空系８内にプラズマ生成室７を有し、このプ
ラズマ生成室７に連通して原料ガス導入管２を設ける。
プラズマ生成室７には、マイクロ波電源（図示せず）と
接続された導波管９がマイクロ波導入窓を介して設けら
れており、また、プラズマ生成室７の外周には磁石とし
てヘルムホルツ型の電磁石４が設けられており、これら
がエレクトロン・サイクロトロン・レゾナンス（以下、
ＥＣＲ）型等の有磁場マイクロ波プラズマ生成手段を構
成している。また、真空系８内には、真空排気口が設け
られ、所定の動作圧力とすることができる。

【００１９】また、プラズマ生成室７の下方の真空系８
には、基板５を保持する基板ホルダ６が上下報告に移動
可能に設けられており、所定の基板温度に加熱した状態
で、真空系８の所定の位置に配置できるようにされてい
る。

【００２０】上記真空系８の周囲には、マルチカスプ磁
界発生装置１０が配置されている。このマルチカスプ磁
界発生装置１０は、上記基板５を中心とした同一円周上
に、周方向に等間隔で配置された多数の永久磁石１１か
らなるものである。図示した実施例においては、１６極
のものを示した。なお、隣合った磁石同士の極性は交互
に反転されている。

【００２１】上記マルチカスプ磁界発生装置１０は、上
記の構造によって図３および図４に示したようなマルチ
カスプ磁界１０ａを発生を発生し、このマルチカスプ磁
界発生装置１０ａ中にプラズマを閉じ込める。なお、図
５には、磁石断面寸法２０×２０ｍｍ直径２６５ｍｍ極数１６極材質Ｎｂ系金属磁石の構造を持つマルチカスプ磁界発生装置１０によって形
成されるマルチカスプ磁界の磁場強度の等高線を示し
た。この図５において、等高線Ｅ１〜Ｅ１２は、それぞ
れ０．０×１０^-1、０．２×１０^-1、０．４×１０^-1、
０．６×１０^-1、０．８×１０^-1、１．０×１０^-1、
１．２×１０^-1、１．４×１０^-1、１．６×１０^-1、
１．８×１０^-1、２．０×１０^-1、２．２×１０
^-1（Ｔ）を示し、最高磁場強度が９．７９８９×１０^-1
（Ｔ）であった。

【００２２】上記マルチカスプ磁界発生装置１０の各磁
石１１は、上記基板５を中心とした半径方向に延びる案
内部材１２に支持され、モータや歯車等から構成された
駆動装置１３により、上記案内部材１２に沿って移動さ
れるようになっている。

【００２３】上記の駆動装置１３は、それぞれマイクロ
コンピュータ等から構成される制御回路１４によりその
作動が制御されるようになっている。例えば、この制御
回路１４は、全ての駆動装置１３を同期して同じ量だけ
作動するようになっている。

【００２４】上記真空系８には、その空間の圧力を測定
するための圧力センサ１５が配置されており、真空系８
の圧力に応じた圧力信号Ｓ１を発生するようになってい
る。上記圧力センサ１５は上記制御回路１４に接続され
ており、上記圧力信号Ｓ１を該制御回路１４に出力する
ようになっている。

【００２５】制御回路１４は、真空系８空間内圧力と、
必要磁場強度の等高線が配置されるべき半径値に相当す
る磁石１１位置の半径値Ｒとの関係を示す制御マップを
予め記憶しており、圧力センサ１５から入力した圧力信
号Ｓ１を上記制御マップＭに照らして磁石１１の位置を
演算し、上記駆動装置１３を駆動して、磁石１１を所定
位置に配置するようになっている。

【００２６】上記制御マップは、次の原理に基づいて予
め作製される。

【００２７】まず、この制御マップは、真空系８内圧力
が変動したときの基板面内でのエッチング、成膜などの
プラズマ処理の処理むらを抑制することを目的とするも
のである。真空系８内の圧力が変動すると、プラズマ密
度、およびプラズマの基板面内での均一性が変動する
が、処理むらを抑制するには、プラズマの基板面内での
均一性の変動の抑制を行なえばよい。上記圧力が高い時
には、粒子同士の衝突により、粒子の運動方向がランダ
ムになることにより、プラズマ密度の均一化が行なわれ
ていたのに対し、圧力が低くなると、粒子同士の衝突が
減少してしまい、マルチカスプ磁界発生装置１０が発生
する磁力線による閉じ込め効果が増大しすぎてしまい、
磁力線により粒子あるいはプラズマの偏在化が生じてし
まう。これにより、プラズマ処理にむらが生じてしまう
と考えられる。そこで、本発明の発明者らは、圧力が低
下したとき、磁石１１の上記半径値Ｒを増大し、マルチ
カスプ磁界発生装置１０によるプラズマの閉じ込め効果
の強度を低下させることにより、基板面におけるプラズ
マ分布の均一化を図るようにした。

【００２８】実際には、上記プラズマ分布の均一化は、
原料ガス等の条件によって大幅に異なっているので、上
記制御マップは、一意的には定まらない。そこで、圧力
と上記磁石１１の半径値Ｒを変動させること以外は同一
条件として、基板面におけるプラズマ密度の偏差が例え
ば±５％となる圧力と半径値の関係を予め実験で得てお
き、このデータを制御マップとして上記制御回路１４に
予め記憶させておく。ただし、ここで言えることは、一
般に材料ガス等の変化に係わらず、全ての制御におい
て、圧力が低下したとき、上記半径値Ｒを増大させる傾
向となっている。プラズマ密度は、例えば静電プローブ
により基板の半径に沿った電子密度を測定することによ
り測定することができる。

【００２９】なお、図６の（ｂ）および図７の（ｂ）の
ラインＬ１〜８は、上記した構造のマルチカスプ磁界発
生装置１０を用い、磁石１１の半径値Ｒを１４．２５、
１５．５０、１６．７５、１８．００ｃｍとしたときの
図６の（ａ）および図７の（ａ）の半径Ｒに沿う磁場強
度の分布を示すものである。

【００３０】原料ガス導入管２の先端開口には、加熱管
３が接続されており、導入された原料中性粒子ガスは、
加熱管３の内壁に衝突するように構成される。加熱管３
の内壁は７００Ｋ以上、特に１６００〜２０００Ｋの温
度とされており、ガス粒子はこの内壁に実質的に弾性衝
突して、粒子速度（運動エネルギー）を増大する。

【００３１】このような場合、加熱管３の他、加速手段
としての加熱体の構造やガスの衝突のさせ方等について
特に制限はなく、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ等の管に発熱体をらせ
ん状に巻いたり、ハニカム型ヒータを用いたりする等が
可能であるが、加速効率を高めるためには図８に示され
るような加熱管３を用いることが好ましい。図示例で
は、例えばＷ、Ｔａ等の内径０．７〜１．４mm、肉厚
０．１〜０．２mm、長さ１５〜４０mmの管体３１の両端
に、一対の電極３５を接続し、印加電圧を変化させなが
ら直接通電加熱を行い、所定の温度とする構造とされて
いる。この他、加熱手段としては、抵抗加熱、誘導加熱
等いずれであってもよく、管体３１の材質についても特
に制限はない。

【００３２】ガス導入管２からこの加熱管３を介してプ
ラズマ生成室７内に原料中性粒子ガスを導入し、粒子速
度を増大させる。このとき、原料中性粒子ガスは、通
常、約０．０２５eVの運動エネルギーと約６３０m/sec
の粒子速度をもって導入されるが、加熱体により原料中
性粒子ガスは０．０６eV以上、特に０．１１〜０．２１
eVの運動エネルギーと１３００〜１７８０m/sec （１３
００〜２４００Ｋ）の粒子速度を与えられる。

【００３３】プラズマ生成室７では、マイクロ波導入窓
からマイクロ波が導入されており、同時に、プラズマ生
成室内部には電磁石４により、好ましくはＥＣＲ条件を
満たす磁界が付与されている。このため、プラズマ生成
室７内の電子は、この磁界とマイクロ波の電界とにより
加速されて加速ガス粒子に衝突し、プラズマが生成す
る。

【００３４】そして、１０^-1Torr以下、特に１０^-4〜１
０^-3Torrの動作圧力でプラズマＣＶＤやプラズマエッチ
ングが可能となり、３インチ平方以上、特に４〜６イン
チ平方の大面積での処理が可能である。また基板温度も
通常より低温化することが可能となる。このように、動
作圧力が低いときには、圧力のマイナス側への変動によ
ってプラズマの偏在化が促進されてしまうので本発明の
磁界発生装置の上記の制御は特に有効である。

【００３５】ここで、制御回路１４は、圧力センサ１５
からの圧力信号Ｓ１を受けて、圧力信号Ｓ１を上記のよ
うに設定・記憶された制御マップに照らし、マルチカス
プ磁界発生装置１０における磁石１１の上記半径値Ｒを
演算し、駆動装置１３をして磁石１１を好ましい位置に
移動させ、プラズマが基板において均一に分布するよう
に制御している。

【００３６】上記の場合、加熱管３等の加熱体は、基板
５の好ましくは垂直上方に設けることが好ましく、加速
粒子は基板面にほぼ垂直に差し向けられ、その間プラズ
マ中にて電離・解離を行うことが好ましい。これにより
処理効率が向上する。

【００３７】本発明が適用されるプラズマＣＶＤに制限
はなく、ダイヤモンド、アモルファス状のシリコン、Ｓ
ｉＣ、カーボン、ＳｉＮ_x 、ＳｉＯ_x 等、多結晶状のシ
リコン、ＳｉＣ、ｃ−ＢＮ、ダイヤモンド等、単結晶状
態のシリコン、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ｃ−ＢＮ等のい
ずれの成膜にも本発明は有効である。

【００３８】これらの成膜に際して、基板温度等の各種
条件に特に制限はなく、目的に応じて適宜決定すればよ
い。これらのプラズマＣＶＤにおいて用いる原料ガス
は、ダイヤモンド成膜に用いる炭化水素、アモルファス
Ｓｉ成膜に用いるシランガス等、通常の反応性ガスであ
ってよく、特に制限はない。

【００３９】また、本発明が適用されるプラズマエッチ
ングにも制限はなく、本発明はいずれのプラズマエッチ
ングにおいても効果を発揮する。プラズマエッチングに
用いる原料ガスとしては、例えば、塩素ガス等のハロゲ
ンガス、あるいは塩化物ガス、フッ化物ガス等のハロゲ
ン化物ガスなどの反応性ガスであってよく、特に制限は
ない。また、上記の各原料ガスに加え、必要に応じて水
素、不活性ガス等を適宜用いることもできる。

【００４０】

【実施例】以下、具体的実施例を挙げ、本発明をさらに
詳細に説明する。

【００４１】実施例１図１、図２に示されるようなプラズマ処理装置１を用い
て、プラズマＣＶＤによりダイヤモンド薄膜の成膜を行
なった。すなわち、装置内のホルダ６に基板をセット
し、図１の状態とした。基板としてはＳｉ（１００）を
用いた。次いで、系内を１×１０^-5Torrに排気し、基板
温度を６００℃に上昇させ、さらに排気を行った。

【００４２】次いで、中性粒子の加速源である加熱管３
を通電加熱した。放射温度計で温度をモニタしたとこ
ろ、２０００k であった。加熱管３のサイズは内径０．
７mm、肉厚０．１mm、長さ４０mmとした。ＣＨ₄ の平均
速度Vave（８kT／πmCH₄）_1/2は１６２５m/sec と推定
される。

【００４３】この後、原料ガスを導入した。原料ガスは
容量比でＣＨ₄ ／Ｈ₂ ＝１／９９、流量ＣＨ₄ ：１scc
m、Ｈ₂ ：９９sccmである。マイクロ波および電磁石の
電源を入れ、プラズマを生成させた。プラズマはキャビ
ティのプラズマ生成室７内に一様に広がっていることが
確認された。

【００４４】２．４５GHz 、５００W のマイクロ波を投
入し、印加磁界８７５Ｇ、基板温度６００℃で１×１０
^-3Torrの動作圧力で所定時間成膜を行った。この際、加
熱管３は基板５の垂直上方５０nmの位置に基板面に開口
して配置した。

【００４５】このとき、上記の圧力センサ１５によりプ
ラズマ閉じ込め空間内の圧力を測定し、この圧力に応じ
てマルチカスプ磁界発生装置１０の磁石１１の半径値Ｒ
を調節制御した。この調節制御は、上記制御マップを利
用して行なった。

【００４６】成膜終了後、冷却し基板を取り出し、Ｘ線
回折（ＸＲＤ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、ラマン
により分析を行ったところ、均一なダイヤモンドが４イ
ンチウェハー上に成膜できた。これとは別に比較のた
め、上記磁石１１の半径値Ｒを制御しないで実験を行っ
たところ、成膜はできたが、約１０％以上の膜厚のバラ
ツキが生じてしまった。

【００４７】なお、上記した実施例では、マルチカスプ
磁界発生装置の磁石の移動手段として、歯車等を用いた
同期構造のものを説明したが、この移動手段は、上記磁
石を好ましい状態で移動できるものであるなら、どのよ
うな構造のものであってもよく、例えば流体圧力を使用
するシリンダ装置等も用いることができる。また、基板
の配置は、上記の他、プラズマ生成室７に配置してもよ
い。このとき、マルチカスプ磁界発生装置１０は、電磁
石４の内側に配置される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマ処理装置の好適実施例を表す
構成図である。

【図２】図１に示したプラズマ処理装置の水平断面図で
ある。

【図３】マルチカプス磁界発生装置によるマルチカスプ
磁界を示す概念図である。

【図４】図３に示したマルチカスプ磁界の一部を示す拡
大図である。

【図５】上記マルチカスプ磁界の磁場強度の等高線を示
す図である。

【図６】マルチカスプ磁界発生装置の磁石の位置を変動
させたときの磁場強度分布をしめすグラフ図である。

【図７】マルチカスプ磁界発生装置の磁石の位置を変動
させたときの磁場強度分布をしめすグラフ図である。

【図８】用いる加熱管を示す斜視図である。

【符号の説明】

１プラズマ処理装置２原料ガス導入管３加熱管３１管体３５電極４電磁石５基板６基板ホルダ７プラズマ生成室８真空系９マイクロ波導波管１０マルチカスプ磁界発生装置１１磁石１２案内部材１３駆動装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−211099（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05H 1/46 H05H 1/11 H01L 21/3065 C23C 16/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ発生手段と、基板を保持する基
板保持手段と、前記基板を中心とした同一円周上に周方
向に間隔を置かれて配置された複数の磁石を有し、発生
したプラズマを閉じ込めるプラズマ閉じ込め空間を形成
するマルチカスプ磁界発生手段と、このマルチカスプ磁
界発生手段の各磁石を前記基板を中心として半径方向に
移動させるための移動手段とを備えていることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項２】前記マルチカスプ磁界発生手段の磁石が
永久磁石である請求項１のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記プラズマ閉じ込め空間の圧力を検出
する圧力検出手段を更に備え、前記移動手段は、前記圧
力検出手段で検出された圧力に基づき前記磁石を前記半
径方向に移動させるようになっている請求項１または２
のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記移動手段は、前記圧力が低くなるに
したがって、前記磁石を前記半径方向外方に移動させる
ようになっている請求項１ないし３のいずれかのプラズ
マ処理装置。
【請求項５】前記移動手段は、前記マルチカスプ磁界
発生手段の全ての磁石を同期して移動させるようになっ
ている請求項１ないし４のいずれかのプラズマ処理装
置。
【請求項６】原料中性粒子ガスの導入手段と、この導
入されたガスを加熱体に衝突させて加速する加速手段と
を有し、前記プラズマ発生手段が、この加速手段により
加速されたガスを電離・解離してプラズマを発生させる
ものである請求項１ないし５のいずれかのプラズマ処理
装置。
【請求項７】前記プラズマ発生手段が、有磁場マイク
ロ波プラズマ生成手段である請求項１ないし６のいずれ
かのプラズマ処理装置。
【請求項８】動作圧力が１０^ー1Torr以下である請求項
７のプラズマ処理装置。