JP3574104B2

JP3574104B2 - プラズマ発生のためのマッチング回路を利用したプラズマ発生駆動装置

Info

Publication number: JP3574104B2
Application number: JP2001361162A
Authority: JP
Inventors: 顕弘北畠; 敬治山田
Original assignee: Sanyo Vacuum Industries Co Ltd
Current assignee: Sanyo Vacuum Industries Co Ltd
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: JP2003163099A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマエッチングなどのドライエッチングや、プラズマＣＶＤおよびスパッタリングにおいて、プラズマを発生させるためのマッチング回路およびその駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板に、薄膜を形成する技術として、特開平５−２２２５３１号公報には、マグネトロンスパッタ源を用い、非導電性層を導電性ターゲットから被覆する方法およびその装置が記載されており、スパッタリングにおけるアーク放電を可能な限り消失させる方法が開示されている。
【０００３】
この技術は、図５に示すように、２個の並列に配置したターゲットにそれぞれ導電的に接続されたカソード２０１、２０２、８〜７０ｋＨｚの周波数のＤＣ電圧を供給する中位周波数発生器２１３、変成器２１２、チョークコイル２１４、結合回路網（２０８、２０９、２１６、２１７）、コイル２１９およびコンデンサ２１８からなる発振回路によって構成されている。これらの構成により、ある時点ではカソード２０１がマイナス極、すなわち放電のスパッタ部を形成し、カソード２０２が放電のプラス極を形成する。また、別の時点では、カソード１が放電のプラス極を形成し、カソード２０２がマイナス極、すなわち放電のスパッタ部を形成する。このようなカソードの極性交番は、コイル２１９およびコンデンサ２１８から形成される発振回路が動作周波数よりも５０倍の周波数に調整されていることによるもので、アーク放電を発生しようとするとき、この発振回路の発振により、アーク放電は直ちに消失する構成となっている。この技術はスパッタリングを目的としていることから、８〜７０ｋＨｚの周波数のＤＣ電圧を供給することが条件とされている。
【０００４】
これに対し、例えばプラズマを発生させて、プラズマの反応を用いた基板への薄膜形成を行なう技術やエッチングなどの技術が開発されている。こうした技術に適用されるプラズマ発生装置においても、上記したようなターゲット電極に電圧をかけて、プラズマを得る技術が利用されている。この場合には１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電源が使用される。上記したような二枚の電極に高周波電圧をかける構成とする場合、インピーダンス整合を行なうマッチング回路が組み込まれる。こうしたマッチング回路としては、例えば、図７に示すようなアンバランス型のマッチング回路７００が知られている。このマッチング回路７００は、高周波電源の出力端子４０から、ターゲット電極につながるポート４１にコイル４３及び可変容量４４が直列に接続され、出力端子４０とコイル４３間に可変容量４２が接地されて接続されている。こうしたマッチング回路７００からの出力電圧は、出力端子４５を介してターゲット電極にかかるようになっている。
【０００５】
このアンバランス型のマッチング回路７００を用いた従来のドライエッチング装置の回路模式図を図６に示す。
【０００６】
この装置は、タンク６３に絶縁物６４を介して取り付けた電極６２に、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電流が、図７に示すアンバランス型マッチング回路７００および直流バイアスカット用フィルタ６１を介して供給され、電極６２近傍にプラズマが発生する。この装置はＣＶＤにも適用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の図５に示す技術に適用されている２個の並列に配置したターゲット電極に対し８〜７０ｋＨｚの周波数の電流を供給してスパッタリングを行う場合、上記したようにアーク放電を回避でき、有効であることはすでに述べたが、この装置において、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電流を供給した場合、電極に自己バイアスは発生しないため、こうした高周波電流による高周波放電によってプラズマを発生させる技術には適用できない。
【０００８】
一方、図６に示したアンバランス型マッチング回路をドライエッチングに適用した場合、電極周辺のプラズマは電極の上下でプラズマ強度が大きく、均一に分布されない問題がある。このため特に、大面積の基板の処理ではバラツキが生じてしまう。また、放電はターゲット及びその周囲で起こり、電子が基板にも入射されるため、高周波スパッタリングの場合、基板の温度上昇が大きくなり、基板のダメージが大きくなるという問題も生じる。
【０００９】
本発明は、高周波電流による高周波放電によってプラズマを均一に発生させるとことができるプラズマ発生のためのマッチング回路を提供するとともに、このマッチング回路を利用して、基板にダメージを与えず、効率よく処理することができ、しかも簡単な回路構成のプラズマ発生駆動装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明に対応するマッチング回路（以下、発明１という）は、二つの電極に対し、それぞれのポートを介して高周波電源から高周波電流を供給してそれぞれ放電を起こすことにより、プラズマを発生させるコイルと可変容量とで構成されるプラズマ発生のためのマッチング回路であって、上記各電極に直列にコイルが接続され、かつ、可変容量がこれらのコイルを挟んでポート間にそれぞれ並列に接続されているとともに、これらの両電極は同電位とされ、上記高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされていることによって特徴付けられている。
【００１１】
また、本発明に対応するマッチング回路（以下、発明２という）は、二つの電極に対し、それぞれのポートを介して高周波電源から高周波電流を供給してそれぞれ放電を起こすことにより、プラズマを発生させるコイルと可変容量とで構成されるプラズマ発生のためのマッチング回路であって、上記二つの電極にそれぞれ接続されるポート間にコイルと可変容量が並列に接続された出力側結合回路と、上記高周波電流を供給する高周波電源に接続された２つのポート間にコイルと可変容量が並列に接続された入力側結合回路とからなり、これらの結合回路により並列共振とされているとともに、上記両電極は同電位とされ、上記高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされていることによって特徴付けられている。
【００１２】
以上の構成のマッチング回路によって、二つの電極には同じポテンシャルの電位がかかり、自己バイアスも現れない。
【００１３】
本発明に対応するプラズマ発生駆動装置（以下、発明３という）は、高周波電源と、二つの電極と、これら二つの電極と上記高周波電源をそれぞれコイルを介して接続する２つのポートと、これらのコイルを挟んでポート間にそれぞれ並列に接続された可変容量とからなり、これらの両電極は同電位とされてなり、上記高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされていることによって特徴付けられる。
【００１４】
本発明に対応するプラズマ発生駆動装置（以下、発明４という）は、高周波電源と、二つの電極と、これら二つの電極と上記高周波電源とを接続する２つのポートと、これらポート間にコイルと可変容量が並列に接続された出力側結合回路と、上記高周波電流を供給する高周波電源に接続された２つのポート間にコイルと可変容量が並列に接続された入力側結合回路とからなり、これらの結合回路により並列共振とされているとともに、上記両電極は同電位とされてなり、上記高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされていることによって特徴付けられる。
【００１５】
以上の構成の発明３および発明４は、ＣＶＤやドライエッチングに適用でき、２つの電極間に均一にプラズマが生成でき、大面積の基板処理が可能になる。
【００１６】
本発明に対応するプラズマ発生駆動装置（以下、発明５という）は、高周波電源と、二つの電極と、これら二つの電極と上記高周波電源をそれぞれ直列に接続されたコイルとブロッキングコンデンサとを介して接続する２つのポートと、これらのコイルを挟んでポート間にそれぞれ並列に接続された可変容量とからなり、上記両電極は同電位とされる高周波回路と；交流電源と、この交流電源に接続された１次コイルおよび２次コイルからなる変成器とからなる交流回路と；２次コイルの出力側にそれぞれ接続され、この２次コイルの出力電流をローパスフィルタを介して上記各ポートに重畳するための重畳用ポートとからなり、上記交流回路の出力電流が上記高周波回路に重畳されてなり、上記高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされていることによって特徴付けられる。
【００１７】
本発明に対応するプラズマ発生駆動装置（以下、発明６という）は、高周波電源と、二つの電極と、これら二つの電極と上記高周波電源とを接続する２つのポートと、これらポート間にコイルと可変容量が並列に接続された出力側結合回路と、上記高周波電流を供給する高周波電源に接続された２つのポート間にコイルと可変容量が並列に接続された入力側結合回路とからなり、上記両電極は同電位とされる並列共振駆動回路と；交流電源と、この交流電源に接続された１次コイルおよび２次コイルからなる変成器とからなる交流回路と；２次コイルの出力側にそれぞれ接続され、この２次コイルの出力電流をローパスフィルタを介して上記各ポートに重畳するための重畳用ポートとからなり、上記交流回路の出力電流が上記並列共振駆動回路に重畳されてなり、上記高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされていることによって特徴付けられる。
【００１８】
以上の構成の発明５および発明６は、スパッタリングに適用でき、数ｋＨｚの低周波数のスパッタリングに比べ、反応性スパッタにおける反応率が高くなり、その結果、高速スパッタが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は発明１の実施の形態を示すマッチング回路図である。このマッチング回路１００は、高周波電源（図示せず）の出力端子１から分岐した各ポート１５、１６において、コイル１１、１２が直列に接続されている。また、可変容量１３、１４が、コイル１１、１２を挟んでそれぞれ並列に接続されており、可変容量１３は、接続点１５ａと接続点１６ａに接続されており、可変容量１４は、接続点１５ｂと接続点１６ｂに接続されている。容量を可変容量とすることにより、電流の周波数帯域を広げることができる。
【００２１】
図２は発明２の実施の形態を示すマッチング回路図である。このマッチング回路１０１は、高周波電圧を供給する高周波電源（図示せず）に接続された２つのポート２５Ａ，２６Ａ間にコイル２１と可変容量２３が並列に接続された入力側結合回路と、二つの電極（図示せず）にそれぞれ接続されるポート２５Ｂ，２６Ｂ間にコイル２２と可変容量２４が並列に接続された出力側結合回路とからなる。これらの結合回路はコイル２１とコイル２２が対向した形態をとり、並列共振回路を形成する。
【００２２】
以上の実施の形態においては、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数とされている。また、電極に供給される高周波電流の位相差は１８０°とされており、この位相差によって、両電極には常に均一なプラズマ分布が得られる。
【００２３】
さらに、マッチング回路１００、１０１では、いずれも両電極が同電位とされることから、バランス型マッチング回路と称する。従来のアンバランス型マッチング回路をドライエッチングに適用した場合、電極の上下でプラズマ強度が大きくなり、均一に分布されず、また、基板の温度上昇が大きくなるため基板のダメージが大きくなる欠点があった。これに対し、このバランス型マッチング回路は、電極間における放電が効率よく行われることから、基板のダメージを少なくすることができる。
【００２４】
こうしたマッチング回路１００、１０１の構成を、スパッタリング、プラズマＣＶＤ，ドライエッチング、プラズマクリーニングおよびイオンプレーティングに応用した場合、格段の効果を達成できることが判明した。すなわち、従来の装置では、プラズマを均一に分布させることが難しいため、磁石や電極の長さ、ガスの入れ方などを調整することにより分布をとっていたが、バランス型マッチング回路１００、１０１では、両電極を同電位としているので分布をとるのが容易となり、さらに、大面積の基板の成膜を精度よく、効率的に行なうことが可能となった。
【００２５】
次に、発明１のマッチング回路をスパッタリングに適用した場合のプラズマ発生駆動装置の実施の形態について説明する。
【００２６】
図３はこの実施の形態の回路模式図である。
【００２７】
この回路は、高周波電源の出力端子１と、マッチング回路１００と、二つの電極と、これら二つの電極とマッチング回路１００間にそれぞれ直列に接続されたブロッキングコンデンサ１７、１８を備えた高周波回路を備える。マッチング回路１００は、出力端子１から分岐した各ポート１５、１６において、コイル１１、１２が直列に接続されている。また、可変容量１３、１４が、コイル１１、１２を挟んでそれぞれ並列に接続されており、可変容量１３は、接続点１５ａと接続点１６ａに接続されており、可変容量１４は、接続点１５ｂと接続点１６ｂに接続されている。高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされている。
【００２８】
さらに、この高周波回路に重畳するための交流回路１１０を備える。この交流回路１１０は、交流電源３８と、この交流電源３８に接続された巻数の異なる２つのコイル、すなわち１次コイル３１および２次コイル３２からなり、これら１次コイル３１および２次コイル３２の相互誘導作用を利用した変成器３０とからなる。また、２次コイルの出力側にそれぞれ接続され、ローパスフィルタ３３、３４を介して２次コイルの出力電流を高周波回路側の各ポート１５、１６に重畳するための重畳用ポート３５、３６を備える。この重畳用ポート３５、３６はそれぞれ接続点１５ｄ，１６ｄに接続される。交流電源３８は、４０ｋＨｚの周波数の電源とされており、１〜３００ｋＨｚの範囲で設定される。
【００２９】
以上の構成により、交流回路１１０の出力電流が高周波回路に重畳される。
【００３０】
ブロッキングコンデンサ１７、１８は、重畳の際、低周波数の電流をカットするために必要である。このようにして、各電極２、３には、それぞれ接続点１５ｄ，１６ｄを介して電圧がかかるようになっている。この時、各電極２、３に流れる高周波電圧は同電位となり、かつ位相差は１８０°とされている。
【００３１】
このマッチング回路１００のみでは、電極２、３に直流自己バイアスは現れないので、スパッタはされないが、この交流回路１１０と組み合わせることにより、数ｋＨｚの低周波数のスパッタにはみられない、反応率の高い反応性スパッタ、特に、Ａｌ，ＴｉなどからＡｌ_２Ｏ_３，ＡｌＮ，ＴｉＯ_２，ＴｉＮなどを作る反応性スパッタや、低温で比抵抗の小さいＩＴＯのスパッタには有効である。また、結果として、これらのスパッタでは、高速スパッタが実現できる点でも有益といえる。
【００３２】
なお、図３に示す実施の形態では、発明１のマッチング回路を適用したが、これに替えて発明２のマッチング回路を適用できることは言うまでもない。
【００３３】
次に、発明１のマッチング回路をプラズマＣＶＤやドライエッチングに適用した場合のプラズマ発生駆動装置の実施の形態について説明する。
【００３４】
図４はその実施の形態の回路模式図である。
【００３５】
この装置は、タンク６３に絶縁物６４を介して並列に取り付けた電極２００、３００に、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電流が、図１に示すバランス型マッチング回路１００を介して供給された構成となっている。この装置を用いることにより、プラズマは電極２００および電極３００の間に均一に発生するので、プラズマＣＶＤやドライエッチングを、効率よく行うことができる。
【００３６】
なお、図４に示す実施の形態では、発明１のマッチング回路を適用したが、これに替えて発明２のマッチング回路を適用できることは言うまでもない。
【００３７】
以上のように、本発明はプラズマエッチングなどのドライエッチングや、プラズマＣＶＤおよびスパッタリングに応用されるが、これらに限ることなく、例えばプラズマクリーニング、イオンプレーティングなどのプラプラズマを用いた他の処理に広く応用できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかるプラズマ発生駆動装置によれば、高周波電源と、二つの電極と、これら二つの電極と高周波電源をそれぞれ直列に接続されたコイルとブロッキングコンデンサとを介して接続する２つのポートと、これらのコイルを挟んでポート間にそれぞれ並列に接続された可変容量とからなり、両電極は同電位とされる高周波回路と；交流電源と、この交流電源に接続された１次コイルおよび２次コイルからなる変成器とからなる交流回路と；２次コイルの出力側にそれぞれ接続され、この２次コイルの出力電流をローパスフィルタを介して各ポートに重畳するための重畳用ポートとからなり、交流回路の出力電流が高周波回路に重畳されてなり、高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされているので、２つの電極を放電させ、均一なプラズマ分布を得ることができる。また、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数とされた高周波数の電力では、自己バイアスがかかることもないので、効率よくプラズマを利用することができる。また、ＣＶＤやドライエッチングに適用でき、２つの電極間に均一にプラズマが生成でき、大面積の基板処理ができる。さらに、スパッタリングに適用でき、数ｋＨｚの低周波数のスパッタリングに比べ、反応性スパッタにおける反応率が高くなり、その結果、高速スパッタができる。
【００３９】
また、本発明にかかるプラズマ発生駆動装置によれば、高周波電源と、二つの電極と、これら二つの電極と高周波電源とを接続する２つのポートと、これらポート間にコイルと可変容量が並列に接続された出力側結合回路と、高周波電流を供給する高周波電源に接続された２つのポート間にコイルと可変容量が並列に接続された入力側結合回路とからなり、両電極は同電位とされる並列共振駆動回路と；交流電源と、この交流電源に接続された１次コイルおよび２次コイルからなる変成器とからなる交流回路と；２次コイルの出力側にそれぞれ接続され、この２次コイルの出力電流をローパスフィルタを介して各ポートに重畳するための重畳用ポートとからなり、交流回路の出力電流が並列共振駆動回路に重畳されてなり、高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされているので、上記した効果と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
発明３および発明４のプラズマ発生駆動装置によれば、発明１および発明２のマッチング回路を備えた構成としたから、ＣＶＤやドライエッチングに適用でき、２つの電極間に均一にプラズマが生成するので、大面積の基板処理を効率的に行うことができる。
【００４１】
発明５および発明６のプラズマ発生駆動装置によれば、発明１および発明２のマッチング回路を備えた高周波回路に、それぞれ交流回路の出力電流が上記高周波回路に重畳された構成としたので、数ｋＨｚの低周波による放電では得られない放電効果、すなわち、両電極間で均一なプラズマを発生させることができ、反応性スパッタリングに適用することが可能となる。この場合、数ｋＨｚの低周波数のスパッタリングに比べ、反応率が高くなり、その結果、高速スパッタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明１の実施の形態を示すマッチング回路図を有するプラズマ発生回路を示す図
【図２】発明２の実施の形態を示すマッチング回路図を有するプラズマ発生回路を示す図
【図３】発明１のマッチング回路をスパッタリングに適用した場合のプラズマ発生駆動装置の実施の形態の回路模式図
【図４】発明１のマッチング回路をプラズマＣＶＤやドライエッチングに適用した場合のプラズマ発生駆動装置の実施の形態の回路模式図
【図５】従来における基板の被覆装置の回路模式図
【図６】従来におけるドライエッチング装置の回路模式図
【図７】アンバランス型のマッチング回路図
【符号の説明】
１‥‥高周波電源の出力端子
２、３、２００、３００‥‥電極
１１、１２、２１、２２‥‥コイル
１３、１４、２３、２４‥‥可変容量
１５、１６、２５Ａ、２５Ｂ、２６Ａ、２６Ｂ‥‥ポート
１７、１８‥‥ブロッキングコンデンサ
３０‥‥変成器
３１‥‥１次コイル
３２‥‥２次コイル
３８‥‥交流電源
１００、１０１‥‥マッチング回路

Claims

高周波電源と、二つの電極と、これら二つの電極と上記高周波電源をそれぞれ直列に接続されたコイルとブロッキングコンデンサとを介して接続する２つのポートと、これらのコイルを挟んでポート間にそれぞれ並列に接続された可変容量とからなり、上記両電極は同電位とされる高周波回路と；交流電源と、この交流電源に接続された１次コイルおよび２次コイルからなる変成器とからなる交流回路と；２次コイルの出力側にそれぞれ接続され、この２次コイルの出力電流をローパスフィルタを介して上記各ポートに重畳するための重畳用ポートとからなり、上記交流回路の出力電流が上記高周波回路に重畳されてなり、
上記高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされていることを特徴とするプラズマ発生駆動装置。
高周波電源と、二つの電極と、これら二つの電極と上記高周波電源とを接続する２つのポートと、これらポート間にコイルと可変容量が並列に接続された出力側結合回路と、上記高周波電流を供給する高周波電源に接続された２つのポート間にコイルと可変容量が並列に接続された入力側結合回路とからなり、上記両電極は同電位とされる並列共振駆動回路と；交流電源と、この交流電源に接続された１次コイルおよび２次コイルからなる変成器とからなる交流回路と；２次コイルの出力側にそれぞれ接続され、この２次コイルの出力電流をローパスフィルタを介して上記各ポートに重畳するための重畳用ポートとからなり、上記交流回路の出力電流が上記並列共振駆動回路に重畳されてなり、
上記高周波電源は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数の電源とされていることを特徴とするプラズマ発生駆動装置。