JP3342575B2 - 電子ビーム励起式プラズマ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体デバイス等の製
造に用いられる電子ビーム励起式プラズマ装置（Ｅlect
ron Ｂeam Ｅxcited Ｐlasma Ｓystem ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム励起式プラズマ装置（以下、
ＥＢＥＰという）においては、電子ビームによって反応
ガスを励起状態としてプラズマを発生させ、このプラズ
マによって半導体ウェハをエッチング、ドーピング、酸
化膜形成、あるいは洗浄処理する。典型的なＥＢＥＰ
は、例えば特開平１−１０５５３９号公報、特開平１−
１０５５４０号公報あるいは特開昭６３−１９０２９９
号公報により開示されている。これら従来のＥＢＥＰに
おいては、アルゴンガス存在下でカソード電極の先端部
とアノード電極又は中間電極との間に放電を生じさせ、
この放電プラズマ中から電子を引き出すようになってい
る。このようなカソード電極は他の電極と同様に中心軸
線上に設けられている。また、カソード電極は、高融点
金属製の初期放電部と、ランタン化合物製の熱電子放出
部とを有する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のＥＢ
ＥＰにおいては、放電時にイオンがカソード電極に衝突
してスパッタリングを起こすことにより生じる金属原子
（以下、スパッタ物）が反応室のなかに侵入し、半導体
ウェハが金属汚染されることがある。このため、ＥＢＥ
Ｐに要求される超微細加工、低損傷、高速プラズマ処理
などの性能を満足することができないという不都合があ
る。

【０００４】また、初期放電部および熱電子放出部のい
ずれもカソード電極の先端部に設けられ、中間電極と向
き合っているので、起動時に熱電子放出部のランタン化
合物がイオンにより大きな衝撃を受けて頻繁に欠損す
る。

【０００５】さらに、ランタン化合物は１０００℃以上
の高温にならないと安定な状態で熱電子を連続放出でき
ない。このため、放電プラズマが不安定であり、プラズ
マが消滅しやすい。また、安定状態を得るまでに長時間
を要するので、イグニッション電極が短寿命である。

【０００６】本発明の目的は、カソード電極からのスパ
ッタ物や欠損片が反応室内に侵入することが少なく、反
応室内の汚染を防止することができるＥＢＥＰを提供す
ることにある。

【０００７】また、本発明の他の目的は、カソード電極
の熱電子放出部が起動時に大きな衝撃を受けず、実質的
に熱電子放出部の欠損を生じなくすることができるＥＢ
ＥＰを提供することにある。さらに、本発明の他の目的
は、短時間で電子放出の安定状態を得ることができるＥ
ＢＥＰを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は前記目的を
達成するために、放電プラズマから電子ビームを引き出
し、これを加速し、加速された電子ビームにより反応ガ
スをプラズマ化し、このプラズマを基板に作用させる電
子ビーム励起式プラズマ装置において、初期放電用の第
１の補助電極と、有孔のアノード電極と、このアノード
電極と前記第１の補助電極との間に設けられ、前記第１
の補助電極との間に初期放電を生じさせ、さらに前記ア
ノード電極との間にプラズマ生成用の放電を生じさせる
有孔のカソード電極と、前記カソード電極と前記アノー
ド電極との間に設けられ、前記カソード電極および前記
アノード電極の間での放電プラズマの生成を補助する有
孔の第２の補助電極と、前記カソード電極および前記ア
ノード電極の間の領域に放電プラズマ生成用ガスを供給
するガス供給手段と、前記カソード電極のところにカス
プ磁界が形成されるように前記放電プラズマ生成領域に
磁場を印加する磁場形成手段と、を有することを特徴と
する。

【０００９】この場合に、カソード電極は、第１の補助
電極との間に放電プラズマを形成するために第１の補助
電極に近接して設けられた高融点金属製のイグニッショ
ン放電部と、第２の補助電極との間に放電プラズマを形
成するために第２の補助電極に近接して設けられたラン
タン化合物製の熱電子放出部と、を有することが望まし
い。

【００１０】高融点金属製のイグニッション放電部には
タンタル、タングステン、モリブデン又はこれらの合金
を用いることが好ましい。ランタン化合物製の熱電子放
出部にはＬａＢ₆ が最適であり、この他にＬａＳ₂ ，Ｌ
ａ₂ Ｓ₃ ，ＬａＳｅ₂ ，Ｌａ₂ Ｓｅ₃ ，ＬａＳｉ₂ を用
いてもよい。

【００１１】第２の発明は上記目的を達成するために、
放電プラズマから電子ビームを引き出し、これを加速
し、加速された電子ビームにより反応ガスをプラズマ化
し、このプラズマを基板に作用させる電子ビーム励起式
プラズマ装置において、初期放電用の第１の補助電極
と、有孔のアノード電極と、このアノード電極と前記第
１の補助電極との間に設けられ、前記第１の補助電極と
の間に初期放電を生じさせ、さらに前記アノード電極と
の間にプラズマ生成用の放電を生じさせる有孔のカソー
ド電極と、前記カソード電極と前記アノード電極との間
に設けられ、前記カソード電極および前記アノード電極
の間での放電プラズマの生成を補助する有孔の第２の補
助電極と、前記カソード電極および前記アノード電極の
間の領域に放電プラズマ生成用ガスを供給するガス供給
手段と、前記カソード電極が位置するところにカスプ磁
界が形成されるように前記放電プラズマ生成領域に磁場
を印加する磁場形成手段と、を具備し、前記カソード電
極は、前記第１の補助電極に近接して設けられた高融点
金属製の小内径リング部と、 この小内径リング部の
内径よりもその内径が大きく、かつ前記第２の補助電極
に近接して設けられた高融点金属製の大内径リング部
と、を有し、前記大内径リング部は、前記小内径リング
部と同軸に、かつ小内径リング部から離れて設けられて
いることを特徴とする。

【００１２】

【作用】第１の発明においては、カソード電極の孔の径
を第２の補助電極の孔の径より大きくしているので、カ
ソード電極からのスパッタ物や欠損片が反応室内に侵入
することが少なくなり、反応室内の汚染防止が図れる。
しかも、カソード電極の位置がカスプ磁界となる磁場配
置構成としているので、そのカソード電極がリング形状
をしていても、中間電極並びにアノード電極との間で容
易に放電して放電ガスをプラズマ化し、微細加工，低損
傷，高速プラズマ処理などの高性能化に大いに寄与でき
るようになる。

【００１３】また、起動時、前記カソード電極の片側の
高融点の金属面が、中間電極と反対側に位置する初期放
電電極との間で最初の放電を行い、これにてカソード電
極のもう片側のランタン化合物が次第に温度上昇して熱
電子放出を行うようになり、これでカソード電極から始
めて中間電極に電流が流れるのに十分なプラズマが発生
し、カソード電極の金属面と前記初期放電電極との間で
発生していた放電が、カソード電極の反対側のランタン
化合物面と中間電極との間に移行し、更にはアノード電
極との間へと移行して安定維持される。従って、起動時
の初期放電でカソード電極の熱電子放出用のランタン化
合物がイオンにより大きな衝撃を受けても欠損しなくな
る。

【００１４】なお、カソード電極が複数本の支持アーム
により放電領域内に支持されているので、このカソード
電極から外部の容器等への熱伝導による放熱が低減さ
れ、このカソード電極が高温を保って熱電子放出を有効
に行うようになる。

【００１５】第２の発明においては、大小内径リング部
は互いに離れており、カソード電極の総表面積が拡大さ
れるので、両リング部相互間の溝状凹所から多量の電子
が放出される。すなわち、電子を引き出すためのプラズ
マ界面の面積に比べてカソード電極の電子放出面積が広
くなるので、比較的低温域（例えば１０００℃以下）に
あるカソード電極から多量の電子が放出される。このた
め、起動から短時間で放電プラズマが安定化する。な
お、カソード電極が昇温すれば、さらに安定に多量の電
子が放出される。

【００１６】小内径リング部は、初期放電にも電子放出
にも用いられるので消耗しやすい。さらに、小内径リン
グ部は、迅速に昇温できるように薄肉化しており、短寿
命であるので、ホルダ部材から取り外しできるように設
けることが望ましい。

【００１７】

【実施例】以下、添付の図面を参照しながら本発明に係
る電子ビーム励起式プラズマ装置の種々の実施例つき説
明する。本実施例では半導体ウエハをプラズマエッチン
グする場合について説明する。

【００１８】図１に示すように、プラズマエッチング装
置１はステンレス鋼製の円筒形ケーシングブロック１
ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを同軸線上に連結してなる密閉容
器である。装置１の後端部はプラズマ発生室２であり、
中間部が電子ビーム加速室３であり、前端部が反応室４
である。

【００１９】プラズマ発生室２内にはリング状のカソー
ド電極２５が設けられ、これより後方に初期放電電極
（第１の補助電極）２６が設けられている。一方、これ
と反対側（前方側）には中間電極（第２の補助電極）７
が設けられている。この中間電極７から更に前方側にア
ノード電極８が設けられている。なお、プラズマ生成用
の放電ガスを噴射する導入孔５ａは初期放電電極２６を
支持するキャップ状の支持体２７の周壁部に形成されて
いる。

【００２０】中間電極７とアノード電極８は、各々の中
央に小径の電子ビーム通過用孔を有し、かつ、これら全
てが初期放電電極２６と共に装置１内の中心軸線（電子
ビームライン）ＢＬ上に配設されている。プラズマ発生
室２の後端部からアノード電極８までが放電プラズマ領
域２１とされている。

【００２１】また、その第１補助電極２６と第２補助電
極７並びにアノード電極８の外周には、後述する磁場形
成のための環状のコイル１１，１２，１３が設けられて
いる。更に、前記プラズマ発生室２の中間室２ａは、開
閉弁１５ａ付き排気ダクト１５が導出され、図示しない
真空ポンプに接続されて、所定の真空圧に維持されるよ
うになっている。

【００２２】電子ビーム加速室３には、この前端寄り部
位に電子加速電極９が設けられている．この電子加速電
極９も中間電極７やアノード電極８と同様に中央に小径
な電子ビーム通過用孔を有し、中心軸線ＢＬ上に設けら
れている。そのアノード電極８から電子加速電極９まで
が電子加速領域２２とされている。

【００２３】また、この電子加速電極９の外周には磁場
形成のための環状のコイル１４が設けられている。更
に、電子ビーム加速室３からはダンパ１６ａ付き排気ダ
クト１６が導出され、ダクト１６は真空ポンプ（図示せ
ず）に連通している。

【００２４】反応室４内には半導体ウエハＷを保持する
ためのウエハホルダ１０が設けられると共に、この反応
室４内に反応ガスを導入するためのガス導入管４ａが設
けられている。この反応室４からもダンパ１７ａ付き排
気ダクト１７が導出され、ダクト１７は真空ポンプ（図
示せず）に連通している。

【００２５】ここで、カソード電極２５の内径は、約２
０mmであり、他の電極７，８，９の内径より大きい。カ
ソード電極２５は、孔の中心が中心軸線ＢＬに位置する
ように複数の支持アーム４０により支持されている。カ
ソード電極２５の支持手段としては、支持アーム４０の
他に、リング状板を用いてもよい。ここではカソード電
極２５から部材１ａへの伝熱量を可能な限り小さくし、
カソード電極２５を迅速に昇温させるために、できるだ
け細い支持アーム４０でカソード電極２５を支持するこ
とが望ましい。

【００２６】カソード電極２５の一方側（軸方向後側）
にはタンタル製のイグニッション部２５ａが設けられ、
この他方側（軸方向前側）にはＬａＢ₆ 製の熱電子放出
部２５ｂが設けられている。

【００２７】カソード電極２５の軸方向前方には中間電
極７が設けられ、さらに中間電極７の前方にはアノード
電極８が設けられている。一方、カソード電極２５の軸
方向後方には初期放電電極２６が設けられている。この
初期放電電極２６は、カソード電極２５のイグニッショ
ン部２５ａと対面しており、ドーム状の緩やかな曲面か
らなる表面を有する。

【００２８】図２及び図３に示すように、カソード電極
２５の厚み中心Ｃから等距離に１対のソレノイド１１，
１２が対称配置されている。その後方の電磁コイル１１
はカソード電極２５の周囲から中心後方へ向かう磁界を
形成し、逆に前方の電磁コイル１２はカソード電極２５
の周囲から中心前方へ向かう磁界を形成する。これら反
対向きの１対の磁界が合成されることによりカスプ磁界
が形成される。カソード電極２５はカスプ磁界の形成領
域に位置する。

【００２９】カソード電極２５と初期放電電極２６とを
結ぶ回路には抵抗Ｒ₁ が設けられ、カソード電極２５と
中間電極７とを結ぶ回路には抵抗Ｒ₂ が設けられてい
る。放電プラズマのインピーダンスをＲｐとしたとき
に、これらの抵抗値は下記の不等式（１），（２）に示
す関係にある。

【００３０】 Ｒ₁ ＞Ｒ₂ ＞Ｒｐ、 …（１） Ｒ₁ −Ｒ₂ ＞＞Ｒｐ …（２） なお、カソード電極２５には安定化抵抗Ｒｓが設けられ
ている。

【００３１】図２に示すように、プラズマ発生室２の基
端から中間電極７までは一つのユニットとして組立てら
れている。ステンレス鋼製のフランジ付き円筒形ケーシ
ングブロック４１ａ，４１ｂの相互間には絶縁リング４
２ａ，４２ｂ及び水冷ジャケット４３が設けられてい
る。ケーシングブロック４１ａ，４１ｂと絶縁リング４
２、ａ，４２ｂと水冷ジャケット４３とで囲まれた空間
の周面にはセラミック製の耐熱壁材４４が設けられてい
る。その耐熱壁材４４の内側空間の略中央にカソード電
極２５が支持アーム４０によって支持されている。ケー
シングブロック４１ａ内には中間電極７が嵌着固定され
ている。後方のケーシングブロック４１ｂ内にはキャッ
プ状の支持体２７が嵌着され、その先端に初期放電電極
２６が取付けられている。支持体２７にはガス導入孔５
ａが形成され、ガス供給源（図示せず）からアルゴンガ
スがプラズマ発生室２内に導入されるようになってい
る。また、前後のケーシングブロック４１ａ，４１ｂの
外周には電磁コイル１１，１２が装着されている。

【００３２】次に、上記ＥＢＥＰの動作について説明す
る。まず、ソレノイド１１，１２によりカソード電極２
５の位置にカスプ磁界を形成する。カスプ磁界の強さは
カソード電極２５のところで約１５０ガウスであり、１
００〜２００ガウスであることが望ましい。また、ソレ
ノイド１３，１４により中間室２ａから電子ビーム加速
室３にかけて前方へ向う軸方向磁界を形成する。前方へ
向う軸方向磁界の強さは電子ビーム加速室３のところで
約４００ガウスであり、３００〜５００ガウスであるこ
とが望ましい。

【００３３】プラズマ発生室２と電子ビーム加速室３と
反応室４とを排気してそれぞれ所定の内圧とする。例え
ば、プラズマ発生室２の内圧を約１トル、中間室２ａの
内圧を約６ミリトル（３〜８ミリトル）、ビーム加速室
３の内圧を約１ミリトル（０．５〜３ミリトル）、反応
室４の内圧を約１ミリトル（０．５〜３ミリトル）とす
る。

【００３４】こうした状態で、カソード電極２５と初期
放電電極（第１の補助電極）２６との間に電圧Ｖ₁ を印
加するとともに、中間電極（第２の補助電極）７並びに
アノード電極８との間にも電圧Ｖ₁ を印加する。この起
動時の印加電圧Ｖ₁ は数百ボルトとする。このとき、イ
グニッション部２５ａと第１補助電極２６との相互間距
離が、熱電子放出部２５ｂと第２補助電極７との相互間
距離より短いので、前者２５ａ，２６の間で最初の放電
（初期放電）が生じる。

【００３５】この初期放電により熱電子放出部２５ｂが
加熱され、熱電子放出部２５ｂと第２補助電極７との間
に放電プラズマが発生する。なお、抵抗Ｒ₁ のほうが抵
抗Ｒ₂ よりもはるかに大きいので、両電極２５ｂ，７の
間に放電プラズマが生じた後は、両電極２５ａ，２６の
間の初期放電は消滅する。カソード電極２５から放出さ
れる熱電子はカスプ磁界の磁力線に沿って移動する。放
電プラズマが安定した後は、スイッチＳ1 ，Ｓ2 をＯＦ
Ｆにすると共に、電圧Ｖ1 を数十ボルトとする。なお、
抵抗Ｒ₁ のほうを抵抗Ｒ₂ よりもはるかに大きくしてい
れば、スイッチＳ1 ，Ｓ2 は設けなくともよい。また、
上記の不等式（１）及び（２）に示すように、抵抗Ｒ₁
及び抵抗Ｒ₂ をプラズマのインピーダンスＲｐよりもは
るかに大きくしていれば、スイッチＳ1 ，Ｓ2 がない場
合でもカソード電極２５から第２補助電極７およびアノ
ード電極８への放電が容易に生じる。

【００３６】図３を参照しながら放電プラズマと磁界と
の関係について説明する。ソレノイド１１により生じさ
せた中心磁界は、ソレノイド１２により生じさせた中心
磁界に対して反対向きである。これら反対向きの１対の
磁界が重なり合うことによりカソード幅中心線Ｃの位置
にカスプ磁界が形成される。このカスプ磁界によってカ
ソード２５から他電極への放電が容易になる。

【００３７】ビーム加速室３の加速電極９に電圧Ｖ₂ を
印加すると、熱電子は加速室３に引き出され、さらに加
速され、反応室４内に飛び込む。電子ビームは、反応室
４内に導入された塩素ガス（ＣＩ）やアルゴン（Ａｒ）
ガスに照射され、ガスが電離あるいは励起されて高密度
のプラズマが発生する。そして、ウエハホルダ１０に電
圧Ｖ₃ を印加すると、プラズマ中の反応種（反応ガス、
イオン及び電子）がウエハＷに作用してウェハ表面がエ
ッチングされる。

【００３８】上記実施例によれば、初期放電を金属製の
イグニッション部２５ａで生じさせ、ＬａＢ₆ 製の熱電
子放出部２５ｂでは初期放電を生じさせないので、熱電
子放出部２５ｂが衝撃破損しない。また、第１補助電極
２６は起動時にはアノードとして働くのでイオンによる
スパッタは生じない。しかもカソード電極の孔２５ｃが
大きいので、カソード電極２５からのスパッタ物や欠損
片が反応室４のほうに侵入することがほとんどない。と
くに、ビームラインＢＬを垂直に立てた縦形プラズマ装
置においては、カソード電極からのスパッタ物や破片が
反応室までストレートに落下することが少なくなる。

【００３９】次に、図４及び図５を参照しながら第２の
実施例について説明する。第２の実施例が上記第１実施
例と共通する部分は説明を省略する。第２の実施例のＥ
ＢＥＰ５０は特殊形状のカソード電極５４を有する。カ
ソード電極５４は、蓋５７に固定され、その後面が初期
放電領域８０に面し、その前面が放電プラズマ領域８１
に面している。カソード電極５４のところにカスプ磁界
が形成されるように、１対のソレノイド１１，１２がホ
ルダ６３によって保持されている。

【００４０】カソード電極５４の後面側には小内径リン
グ５４ａが設けられ、カソード電極５４の前面側には大
内径リング５４ｂが設けられている。小内径リング５４
ａから第１補助電極５１までの最短距離は約４．６mmで
あり、３〜６mmであることが望ましい。回路９１の直流
電源Ｖ１により両電極５１，５４ａ間に電圧を印加する
と、初期放電が生じるようになっている。大内径リング
５４ｂから第２補助電極７までの最短距離は約１２mmで
あり、６〜５０mmであることが望ましい。回路９１の直
流電源Ｖ１により両電極７，５４ｂ間に電圧を印加する
と、電子放出のための放電が生じるようになっている。
電子は、第１段階では大小内径リング５４ａ，５４ｂの
各内周端部から第２補助電極７に向けて放出され、第２
段階では大小内径リング５４ａ，５４ｂの各内周端部か
らアノード電極８に向けて放出される。

【００４１】大小内径リング５４ａ，５４ｂの両者は導
電性ホルダ５５によって着脱可能に保持され、互いに電
気的に導通している。導電性ホルダ５５は第１補助電極
５１及び第２補助電極７から絶縁部材によってそれぞれ
絶縁されている。小内径リング５４ａの厚さは大内径リ
ング５４ｂのそれより薄い。小内径リング５４ａの厚さ
は０．５〜２mmであり、大内径リング５４ｂの厚さは２
〜６mmであることが望ましい。小内径リング５４ａの内
径は５〜２５mmであり、大内径リング５４ｂの内径は１
０〜３０mmであることが望ましい。大小内径リング５４
ａ，５４ｂは、同軸に、かつ互いに離れて設けられてい
る。大小内径リングの相互間隙５６は約１．５mm程度で
あり、１〜６mmであることが望ましい。なお、カソード
電極５４、第１補助電極５１および第２補助電極７はタ
ンタル又はタンタル系合金でつくられている。

【００４２】初期放電領域８０には通路５２を介してガ
ス供給源５３からアルゴンガスが導入されるようになっ
ている。なお、通路５２は蓋５７を貫通し、第１補助電
極５１の先端部で開口している。アルゴンガスは初期放
電領域８０からカソード孔５４ｃを通って第１放電プラ
ズマ領域８１に流れるようになっている。カソード電極
５４は初期放電領域８０と第１放電プラズマ領域８１と
の間に設けられている。第２補助電極７は第１放電プラ
ズマ領域８１と第２放電プラズマ領域８２との間に設け
られている。

【００４３】第２放電プラズマ領域８２は第１放電プラ
ズマ領域８１よりも大容積である。第２放電プラズマ領
域８２は排気通路８２ａを介して排気されるようになっ
ている。

【００４４】加速領域８３にはアノード電極８および加
速電極６７を備えたシリンダユニット６４，６５が設け
られている。アノード電極８は電磁コイル１３によって
バックアップされ、加速電極６７は電磁コイル１４ａに
よってバックアップされている。アノード電極８および
加速電極６７は回路９２に接続されている。電子加速回
路９２には直流可変電源により電圧Ｖ₂ が印加されるよ
うになっている。

【００４５】反応領域８４にはウェハホルダ１０及びユ
ニットホルダ７１，９５が設けられている。チャンバ６
１にはガス導入通路６１ａ及び排気通路７０が設けら
れ、ガス導入通路６１ａを介して反応領域８４にエッチ
ングガス（塩素ガス等のハロゲン系ガス）が導入され、
排気通路７０を介して反応領域８４が排気されるように
なっている。

【００４６】ウェハホルダ１０はウェハＷを保持するた
めの静電チャック機構（図示せず）を有する。ウェハホ
ルダ１０にはＲＦ回路９３が接続されている。ウェハホ
ルダ１０に保持されたウェハＷはユニットホルダ７１と
対面している。ユニットホルダ７１は支持部材７９によ
りチャンバ６１に支持固定されている。ユニットホルダ
７１にはリング状の電磁コイル７３が内蔵され、電子ビ
ームを拡散させるための磁場が形成されるようになって
いる。

【００４７】また、ユニットホルダ９５は電子引き込み
手段９６を内蔵している。電子引き込み手段９６は同軸
に設けられた大小２つの電磁コイル９６ａ，９６ｂを有
する。大小２つの電磁コイル９６ａ，９６ｂは、電子を
ウェハＷの周縁部に引き込むために、互いに反対向きの
磁場を形成するようになっている。

【００４８】上記実施例のＥＢＥＰによれば、大小内径
リング５４ａ，５４ｂの相互間隙５６から多量の電子が
安定に放出される。これは大小内径リング５４ａ，５４
ｂを持つことによりカソード電極５４の表面積が大きく
なるためである。

【００４９】小内径リング５４ａは、電子放出のための
プラズマ放電用電極としてだけでなく、初期放電用電極
としても機能するので、消耗しやすい。このため、小内
径リング５４ａのほうが大内径リング５４ｂよりも短寿
命であり、頻繁に交換する必要がある。そこで、小内径
リング５４ａはホルダ５５から容易に取り外せるように
している。

【００５０】次に、図６〜図９を参照しながら第３の実
施例について説明する。第３実施例が上記第１および第
２実施例と共通する部分は説明を省略する。図６に示す
ように、第３実施例のＥＢＥＰ３００は縦型であり、電
子ビームは上方の放電プラズマ領域３８１，３８２から
加速領域３８３を経て反応領域３８４内に導入されるよ
うになっている。ＥＢＥＰ３００の上部は３つのシリン
ダ３０１，３０２，３０３からなり、ＥＢＥＰ３００の
下部は反応室６１，ロードロック室３２１からなる。第
１シリンダ３０１には上蓋３５７が被せられている。上
蓋３５７の内面には第１補助電極２６が取り付けられて
いる。ガス供給通路５２が第１補助電極２６の先端部で
開口し、ガス供給源５３からアルゴンガスが初期放電領
域３８０内に導入されるようになっている。

【００５１】カソード電極２５が複数本のアームホルダ
４０によって第１シリンダ３０１に支持固定されてい
る。カソード電極２５はイグニッション部２５ａ及び電
子放出部２５ｂを有する。イグニッション部２５ａは第
１補助電極２６と近接するように初期放電領域３８０の
側に設けられている。イグニッション部２５ａはタンタ
ル又はタンタル合金でつくられている。電子放出部２５
ｂは第２補助電極７と近接するように放電プラズマ領域
３８１の側に設けられている。電子放出部２５ｂはＬａ
Ｂ₆ でつくられている。なお、イグニッション部２５ａ
及び電子放出部２５ｂには第１実施例と同様の直流回路
が接続されている。

【００５２】イグニッション部２５ａから第１補助電極
２６までの最短距離は４〜５mmであることが好ましい。
電子放出部２５ｂから第２補助電極７までの最短距離は
１０〜５０mmであることが好ましい。カソード電極２５
の中央孔２５ｃは第２補助電極７の中央孔７ｃよりも径
が大きい。孔２５ｃの径は１０〜３０mmであることが好
ましく、孔７ｃの径は２〜６mmであることが好ましい。

【００５３】１対のソレノイド１１，１２がカソード電
極２５のところにカスプ磁界が形成されるように設けら
れている。これらのソレノイド１１，１２はユニット部
材３６３によって保持されている。

【００５４】第２放電プラズマ領域３８２は、第２補助
電極７の中央孔７ｃを介して第１放電プラズマ領域３８
１に連通している。第２シリンダ３０２には排気装置
（図示せず）に連通する通路３０６が設けられ、この排
気通路３０６を介して第２放電プラズマ領域３８２内が
排気されるようになっている。

【００５５】加速領域３８３は、アノード電極８の中央
孔８ｃを介して第２放電プラズマ領域３８２に連通して
いる。電子加速用電極６７は加速領域３８３の下部に設
けられている。アノード電極８および電子加速用電極６
７は１つの電磁コイル１３ａによってバックアップされ
ている。

【００５６】反応領域３８４は、通路７０を介して排気
装置（図示せず）により排気され、ガスシャワーユニッ
ト７１の多数の通路７５を介してガス供給源７８から反
応性ガスが供給されるようになっている。反応室６１の
下部にはサセプタ１０が設けられ、サセプタ１０の上面
にウェハＷが載置されるようになっている。サセプタ１
０は静電チャックを有し、ウェハＷが吸着保持されるよ
うになっている。サセプタ１０の下端部は駆動装置３３
１の軸に連結され、装置３３１によりサセプタ１０が昇
降および回転されるようになっている。サセプタ１０の
下部外周とチャンバ６１の壁との間には軸受３０８が設
けられている。

【００５７】ロードロック室３２１がゲートバルブ３２
２を介して反応室６１の側部に連結されている。ロード
ロック室３２１内には移載装置（図示せず）が設けら
れ、移載装置によりウェハＷがカセット（図示せず）か
らサセプタ１０に移載されるようになっている。ロード
ロック室３２１は管３２３を介して排気装置３２４に連
通している。なお、ゲートバルブ３２２、排気装置３２
４、並びに駆動機構３３１は制御器３３０によりそれぞ
れ制御されるようになっている。

【００５８】反応室６１内にはディスク状のガスシャワ
ーユニット７１が設けられている。図８に示すように、
ガスシャワーユニット７１は、サセプタ１０上のウェハ
Ｗに対面するように、３本のアーム７９により支持され
ている。図９に示すように、ガスシャワーユニット７１
のケース７４には電磁コイル７３が収納されている。こ
の電磁コイル７３の内側にはガス溜り７６及び通路７５
が形成されている。ガス溜り７６の上部は管７７を介し
てガス供給源７８に連通している。一方、ガス溜り７６
の下部は多数の通路７５に連通している。ガス溜り７６
にガスを供給すると、多数の通路７５から反応領域３８
４へガスが吹出すようになっている。

【００５９】上記実施例の縦型ＥＢＥＰ３００によれ
ば、カソード電極の孔２５ｃが第２補助電極の孔７ｃよ
りかなり大きいので、カソードからの欠損物が下方の反
応室６１まで落下せず、ウェハＷが汚染されない。

【００６０】また、ロードロック室３２１を設けている
ので、反応室６１内のウェハＷはさらに汚染されない。
さらに、ガスシャワーユニット７１を用いてウェハＷの
近傍に反応性ガスを供給するので、ウェハＷのエッチン
グレートを高めることができる。

【００６１】なお、上記実施例では、この発明のＥＢＥ
Ｐを半導体ウエハのプラズマエッチングに用いる場合に
ついて説明したが、これ以外に、例えばＣＶＤ装置やス
パッタ装置やその他の電子ビーム励起式の各種のプラズ
マ装置にも適用することができる。また、処理対象とな
る基板は、半導体ウエハのみに限られることなく、ＬＣ
Ｄ基板であってもよい。

【００６２】

【発明の効果】本発明のＥＢＥＰによれば、カソード電
極からのスパッタ物や破損片が反応室内に侵入すること
が少ない。反応室内における基板の汚染が実質的に防止
されるので、微細加工，低損傷エッチング，高速プラズ
マ処理などに利用することができる。

【００６３】また、本発明のＥＢＥＰによれば、カソー
ド電極の熱電子放出用のランタン化合物が起動時に大き
な衝撃を受けるのを防止することができるので、そのラ
ンタン化合物が欠損しなくなり、カソード電極の寿命延
長を図ることができる。

【００６４】さらに、本発明のＥＢＥＰによれば、カソ
ード電極の表面積を拡大しているので、起動から短時間
で放電プラズマが安定し、１０００℃以下の温度域でカ
ソードから多量の電子を放出させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るＥＢＥＰの全体を模
式的に示す縦断面概要図。

【図２】第１実施例の放電ユニットを示す縦断面図。

【図３】放電プラズマ生成用電極及び回路、並びに磁場
生成用ソレノイドを模式的に示すモデル図。

【図４】本発明の第２実施例に係るＥＢＥＰの全体を模
式的に示す縦断面概要図。

【図５】第２実施例に係るＥＢＥＰの初期放電領域およ
び放電プラズマ領域の部分を拡大して示す部分拡大断面
図。

【図６】本発明の第３実施例に係るＥＢＥＰの全体を模
式的に示す縦断面概要図。

【図７】第３実施例に係るＥＢＥＰの初期放電領域およ
び放電プラズマ領域の部分を拡大して示す部分拡大断面
図。

【図８】反応室内のガスシャワーユニットを示す平面
図。

【図９】ガスシャワーユニットを示す縦断面図である。

【符号の説明】

２…プラズマ発生室、 ３…電子ビーム加速室、
４…反応室、４ａ…反応ガス導入孔、 ５ａ…放電ガ
ス導入孔、 ７…第２補助電極（中間電極）、 ８…ア
ノード電極、 ２１…放電プラズマ領域、 ２２…
電子加速領域、 ２３…プラズマ処理領域、 ２５，５
４…カソード電極、 ２５ａ…イグニッション部（高
融点の金属）、 ２５ｂ…熱電子放出部（ランタン化合
物）、 ２６，５１…第２補助電極（初期放電電極）、
５４ａ…小内径リング、 ５４ｂ…大内径リング Ｗ…基板（半導体ウエハ）、 ＢＬ…中心軸線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00 H01J 37/073

Claims (26)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放電プラズマから電子ビームを引き出
   し、これを加速し、加速された電子ビームにより反応ガ
   スをプラズマ化し、このプラズマを基板に作用させる電
   子ビーム励起式プラズマ装置において、 初期放電用の第１の補助電極と、 有孔のアノード電極と、 このアノード電極と前記第１の補助電極との間に設けら
   れ、前記第１の補助電極との間に初期放電を生じさせ、
   さらに前記アノード電極との間にプラズマ生成用の放電
   を生じさせる有孔のカソード電極と、 前記カソード電極と前記アノード電極との間に設けら
   れ、前記カソード電極および前記アノード電極の間での
   放電プラズマの生成を補助する有孔の第２の補助電極
   と、 前記カソード電極および前記アノード電極の間の領域に
   放電プラズマ生成用ガスを供給するガス供給手段と、 前記カソード電極の近傍にカスプ磁界が形成されるよう
   に前記放電プラズマ生成領域に磁場を印加する磁場形成
   手段と、 を有することを特徴とする電子ビーム励起式プラズマ装
   置。
2. 【請求項２】 カソード電極は、第１の補助電極との間
   に放電プラズマを形成するために第１の補助電極に近接
   して設けられた高融点金属製のイグニッション放電部
   と、第２の補助電極との間に放電プラズマを形成するた
   めに第２の補助電極に近接して設けられたランタン化合
   物製の熱電子放出部と、を有することを特徴とする請求
   項１記載のプラズマ装置。
3. 【請求項３】 さらに、カソード電極を放電プラズマ生
   成領域内で支持する複数本の支持アームを有することを
   特徴とする請求項１記載のプラズマ装置。
4. 【請求項４】 第１の補助電極は滑らかなドーム状の放
   電面を持つことを特徴とする請求項１記載のプラズマ装
   置。
5. 【請求項５】 ガス供給手段は、背面側から第１の補助
   電極を回り込むように放電プラズマ生成用ガスを供給す
   ることを特徴とする請求項１記載のプラズマ装置。
6. 【請求項６】 ガス供給手段は、第１の補助電極に形成
   された通路を介して放電プラズマ生成用ガスを供給する
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ装置。
7. 【請求項７】 さらに、第２の補助電極とアノード電極
   との間の領域を排気する排気手段を有することを特徴と
   する請求項１記載のプラズマ装置。
8. 【請求項８】 カソード電極の孔の径は、第２の補助電
   極の孔の径より大きいことを特徴とする請求項１記載の
   プラズマ装置。
9. 【請求項９】 アノード電極の孔の径は、第２の補助電
   極の孔の径より大きいことを特徴とする請求項１記載の
   プラズマ装置。
10. 【請求項１０】 第２の補助電極の孔の径は、カソード
    電極の孔およびアノード電極の孔のいずれの径よりも小
    さいことを特徴とする請求項１記載のプラズマ装置。
11. 【請求項１１】 第２の補助電極の孔の径は２〜６mmで
    あることを特徴とする請求項８，９，１０のいずれかに
    記載のプラズマ装置。
12. 【請求項１２】 カソード電極の孔の径は１０〜３０mm
    であることを特徴とする請求項８記載のプラズマ装置。
13. 【請求項１３】 カソード電極のイグニッション放電部
    はタンタル又はタンタル系合金でつくられ、熱電子放出
    部はＬａＢ₆ でつくられていることを特徴とする請求項
    ２記載のプラズマ装置。
14. 【請求項１４】 カソード電極のイグニッション放電部
    は第１の補助電極に近接し、熱電子放出部は第２の補助
    電極に近接していることを特徴とする請求項２記載のプ
    ラズマ装置。
15. 【請求項１５】 磁場形成手段は、互いに離れて同軸に
    設けられた１対のソレノイドを有することを特徴とする
    請求項１記載のプラズマ装置。
16. 【請求項１６】 放電プラズマから電子ビームを引き出
    し、これを加速し、加速された電子ビームにより反応ガ
    スをプラズマ化し、このプラズマを基板に作用させる電
    子ビーム励起式プラズマ装置において、 初期放電用の第１の補助電極と、 有孔のアノード電極と、 このアノード電極と前記第１の補助電極との間に設けら
    れ、前記第１の補助電極との間に初期放電を生じさせ、
    さらに前記アノード電極との間にプラズマ生成用の放電
    を生じさせる有孔のカソード電極と、 前記カソード電極と前記アノード電極との間に設けら
    れ、前記カソード電極および前記アノード電極の間での
    放電プラズマの生成を補助する有孔の第２の補助電極
    と、 前記カソード電極および前記アノード電極の間の領域に
    放電プラズマ生成用ガスを供給するガス供給手段と、 前記カソード電極の近傍にカスプ磁界が形成されるよう
    に前記放電プラズマ生成領域に磁場を印加する磁場形成
    手段と、 を具備し、 前記カソード電極は、 前記第１の補助電極に近接して設けられた高融点金属製
    の小内径リング部と、 この小内径リング部の内径よ
    りもその内径が大きく、かつ前記第２の補助電極に近接
    して設けられた高融点金属製の大内径リング部と、を有
    し、 前記大内径リング部は、前記小内径リング部と同軸に、
    かつ小内径リング部から離れて設けられていることを特
    徴とする電子ビーム励起式プラズマ装置。
17. 【請求項１７】 さらに、カソード電極はホルダ部材を
    有しており、このホルダ部材に対して前記大小内径リン
    グ部がそれぞれ着脱可能に保持されていることを特徴と
    する請求項１６記載のプラズマ装置。
18. 【請求項１８】 小内径リング部の肉厚のほうが大内径
    リング部の肉厚よりも薄いことを特徴とする請求項１６
    記載のプラズマ装置。
19. 【請求項１９】 小内径リング部の肉厚は０．５〜２mm
    であり、大内径リング部の肉厚は２〜６mmであることを
    特徴とする請求項１８記載のプラズマ装置。
20. 【請求項２０】 大小内径リング部の相互間隔は、実質
    的に一様であり、１〜６mmであることを特徴とする請求
    項１６記載のプラズマ装置。
21. 【請求項２１】 大内径リング部の内径は１０〜３０mm
    であることを特徴とする請求項１６記載のプラズマ装
    置。
22. 【請求項２２】 小内径リング部の内径は５〜２５mmで
    あることを特徴とする請求項１６記載のプラズマ装置。
23. 【請求項２３】 小内径リング部の内端部は第１の補助
    電極から３〜６mm離れ、大内径リング部の内端部は第２
    の補助電極から６〜５０mm離れていることを特徴とする
    請求項１６記載のプラズマ装置。
24. 【請求項２４】 さらに、大小内径リング部のそれぞれ
    は、タンタル又はタンタル系合金でつくられていること
    を特徴とする請求項１６記載のプラズマ装置。
25. 【請求項２５】 磁場形成手段は、互いに離れて同軸に
    設けられた１対のソレノイドを有することを特徴とする
    請求項１６記載のプラズマ装置。
26. 【請求項２６】 大小内径リング部の内周縁部により囲
    まれた電子の主放出部が、アノード電極の孔のほうに向
    いていることを特徴とする請求項１６記載のプラズマ装
    置。