JP3646968B2

JP3646968B2 - マグネトロンプラズマ用磁場発生装置

Info

Publication number: JP3646968B2
Application number: JP14067898A
Authority: JP
Inventors: 浩二宮田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: US6377149B1; JPH11329788A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネトロンプラズマエッチングやマグネトロンスパッタリングに好適な均一磁場を発生させるマグネトロンプラズマ用磁場発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気電子工業の分野で行なわれているエッチングやスパッタリングには、従来よりマグネトロンプラズマが利用されている。
マグネトロンプラズマは、マグネトロンプラズマ装置により次のようにして作られる。まず、容器内のプロセスガス（エッチングではハロゲンガス、スパッタリングではアルゴンガスなど）中に電極を挿入して放電することにより気体がイオン化され、二次電子が生じる。
【０００３】
この二次電子も気体分子と衝突して気体はさらにイオン化される。このとき、放電により放出された電子及び二次電子は、マグネトロンプラズマ装置の作る磁場と電場によって力を受け、ドリフト運動をする。
このドリフト運動により電子は、次々と気体分子に衝突して気体をイオン化し、そのイオン化の際にまた新たな電子を生み、その電子も気体分子と衝突して気体をさらにイオン化する。マグネトロンプラズマは、このような過程を繰り返すのでイオン化効率が非常に高い。
【０００４】
これを図３に示した従来のマグネトロン放電装置を用いたエッチング装置の一例に基づいて説明する。（ａ）はエッチング装置の縦断面図であり、（ｂ）はこの装置における電子の運動を示した概略説明図である。
平行な電極板１０と１２の間にウエーハ１６が設けられ電極板１０の裏面（図では上側）にマグネトロンプラズマ用磁場発生装置（以下、磁場発生装置と略称する。）１８が設置されている。
【０００５】
電極板１０と１２の間には通常高周波が印加されるが、図３（ａ）には電極板１０が陽極で電極板１２が陰極になった場合の電場の向きを矢印２０で示した。
この磁場発生装置１８では、ドーナツ状の永久磁石２２の穴の中に円盤状の永久磁石２４が設けられ、それらをヨーク２６でつないでいる。
この磁場発生装置１８の作る磁場が電極板１０を通ってウエーハ１６上に漏洩している様子を磁力線２８ａおよび２８ｂで示す。
【０００６】
漏洩磁場の磁力線２８ａ、２８ｂは、斜視的にみると図３（ｂ）の磁力線３０のようであり、ここで、電場の向きが矢印２０の向きであるとき、電子３２はドリフト運動をしながら無限軌道３４を描く。その結果、電子３２はウエーハ１６の面上付近に束縛され、気体のイオン化を促進する。このため、図３の装置は高密度プラズマを生成することができ、通常の高圧放電方式を用いる場合と比較して２〜３倍の効率が得られるという利点がある。
しかし、電子のドリフト運動に寄与するのは、磁場の電場に垂直な成分である。即ち、図３の場合にはウエーハに対して水平な成分のみが、電子をドリフト運動させて気体をイオン化するのに寄与している。
【０００７】
しかし、磁場の水平成分は、図４のように場所により大きく異なり、水平磁場成分の強い領域ほど高密度プラズマが発生する。従って、ウエーハの一部を集中的にエッチングするなど品質上問題が生ずる。さらに、不均一なプラズマのためにウエーハ面内で電位の分布を生じるために（チャージアップ）、素子の破壊を生ずる。図４の横軸ｒは、プラズマ空間の中心から周辺部へと向かう方向に測った距離、縦軸Ｂは、距離ｒでの水平磁場強度である。
【０００８】
このような点を解決するために、エッチング用の磁場発生装置には、磁場が均一であることと磁場が水平成分のみであることが望まれている。例えば、均一な水平磁場を得るための装置として、図５のような複数の異方性セグメント磁石をリング状に配置したダイポールリング磁石が知られている。
図５の（ａ）は、ダイポールリング磁石の上面図、（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ｂ矢視線に沿う縦断面図である。
【０００９】
図で示すように、ダイポールリング磁石４１は、複数の異方性セグメント磁石４０が非磁性の架台４２に埋設された構成である。異方性セグメント磁石４０の数は、通常８〜３２個の間で選ばれ、その断面形状は任意であり、例えば円や正方形や長方形や台形でもよいが、本実施例では、正方形を用いた。
異方性セグメント磁石４０の中に描かれた矢印は、この異方性セグメント磁石の磁化の向きを表している。図５のような磁化の向きに配置すると、リング内に矢印４３で示した向きの磁場が生成される。
【００１０】
ダイポールリング磁石４１の内部には電極板３６，３７とウエーハ３８が配置される。
電極板３６と３７には高周波電圧が印加され、ある瞬間では矢印４４の向きに電場が発生する。この電場と磁場との相互作用によって高密度プラズマを発生させる。
このダイポールリング磁石４１を磁場発生装置に用いる場合、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央部の横断面は、プラズマの生成される空間４６の厚さ方向の中央断面Ｃ−Ｄに一致させると良い（図５（ｂ）参照）。
【００１１】
即ち、エッチングの場合にはウエーハ３８の位置を調整してダイポールリング磁石４１の長さ方向の中央断面に合わせる。
これは、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央部における磁場均一性の方が端部での磁場均一性よりも良いためと、長さ方向の中央部では、原理的に磁場の水平成分のみ存在するために、中央部をプラズマの生成される空間とした方が、生成されるプラズマをより均一にできるためである。
【００１２】
図６に上記ダイポールリング磁石４１より成る磁場発生装置（図５）の水平磁場分布を示す。図中の横軸ｒは、プラズマ空間の中心から周辺部へと向かう方向に測った距離、縦軸Ｂは、距離ｒでの水平磁場強度である。また、Ｌは、図５（ｂ）に示すプラズマ空間４６の半径である。
図６と図４を比較すると、従来のものに比べダイポールリング磁石より成る磁場発生装置（図５）の磁場均一性が格段に良いことが分かる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記磁場発生装置では、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央部でプラズマ空間４６に均一磁場を得ることができるが、この磁場の均一性を充分良くするためには、リングの長さ［図５（ｂ）のＲＬ］を長くとる必要がある。
しかし、磁場発生装置にダイポールリング磁石を用いる場合には、エッチング装置などに組み込んで使用するので、水平磁場の発生している部分は、磁場発生装置の端面に近い方が好ましい。
【００１４】
この理由をマグネトロンエッチング装置の一例の全体図を示す、図７に基づいて説明する。
このマグネトロンエッチング装置は、エッチング室（Ａ）、ウエーハを置くカセット室（Ｂ）、カセット室（Ｂ）のウエーハをエッチング室（Ａ）へ搬送するアームのあるロードロック室（Ｃ）からなる。各室は弁４９，４９’によって接続される。
【００１５】
カセット室（Ｂ）に置かれたウエーハ５０の一枚が、ロードロック室（Ｃ）の搬送アーム５４によりエッチング室（Ａ）に運び込まれる。
搬送されたウエーハ５２をエッチング室（Ａ）の電極板５６に配置した後、試料台５８を破線で示すエッチング位置６０まで上昇させる。電極板５６と６２の電界と磁場発生装置の磁界の相互作用によって高密度プラズマを発生させエッチングを行う。このとき入口６６からプロセスガスを注入し、出口６８から排気する。
【００１６】
上記従来のマグネトロンエッチング装置における、従来の磁場発生装置では、均一なプラズマを得るためにダイポールリング磁石６１のリング長さＲＬを長くすると、通常のダイポールリング磁石６１では、エッチング位置６０はダイポールリング磁石６１の中央断面であるので、試料台５８を移動するストロークが長くなり機構コストが上昇するなどの問題が生ずる。
このため、ダイポールリング磁石の長さＲＬをあまり長くすることができず、プラズマ空間における磁場均一性はその分悪くなるという問題があった。
【００１７】
また、ダイポールリング磁石による磁場は、従来の装置（図３）によるドーナツ状磁場とは異なり、一方向のみを向いている水平磁場である。
よって、このままでは電子はドリフト運動を行って一方向に進み無限軌道を描かない。それ故、電子ドリフト運動の向きを変えるためにダイポールリング磁石をリングの周方向に沿って回転させる機構が必要である。
一般的な回転機構として、ダイポールリング磁石をベアリングに載せ回転させる方法があるが、この場合、磁場分布に影響を与えないために非磁性体のベアリングを用いると、通常の磁性ベアリングに比べ３倍から５倍も高価であり、装置のコストアップにつながってしまう。
【００１８】
本発明の目的は、磁場発生装置に、均一な水平磁場を得ることのできるダイポールリング磁石を使い、試料台の移動距離を短くするために、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面より下方の平面で充分均一な水平磁場を得ることのできる磁場発生装置を提供することにあり、さらには、この磁場発生装置においてダイポールリング磁石の回転機構に磁性体のベアリングを使用し、装置コストの低減を図ることにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁場発生装置では、リング状に配置されたダイポールリング磁石の上端面もしくはその近傍に磁性体リングを配置している。
磁性体リングは、ダイポールリング磁石が８〜３２個のセグメント磁石および架台から構成され、該ダイポールリング磁石の上端面に、直接接触させて配置させてもよく、また間隔を開けて若しくは他の部材を介してダイポールリング磁石の上端面近傍に配置させても良い。また、リング状の磁性体リングをベアリングに内蔵して、ダイポールリング磁石の上端面近傍に配置するようにしても良く、このような機構とすることによりダイポールリング磁石の回転機構を兼ねることもできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の磁場発生装置の一実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１の（ａ）は、ダイポールリング磁石の上面図を、（ｂ）は、図１（ａ）のダイポールリング磁石の上端面の近傍に磁性体リングを配置した状態のＡ−Ｂ矢視線に沿う縦断面図である。
本発明の磁場発生装置は、図１に示すように、異方性セグメント磁石８０が非磁性の架台８２に埋設されたダイポールリング磁石８１の上端面の近傍（または接触して）に配置された磁性体リング９０から構成されている。
ダイポールリング磁石に使用される異方性セグメント磁石の数、配置、および断面形状につては通常のダイポールリング磁石（図５）と同様である。
磁性体リング９０は、図２の（ｃ）に示すように、ベアリングに内蔵させて、磁性体ベアリング９１とし、このベアリング９１をダイポールリング磁石の上端面に配置させても良い。
【００２１】
図２を用いて、従来のダイポールリング磁石（図５）と本発明の磁場発生装置（図１）による発生磁場の違いを説明する。
図２の（ａ）は、従来のダイポールリング磁石（図５）のＣ−Ｄ断面での磁束の流れを示しており、破線９２は磁力線を表す。同様に、図２の（ｂ）は、本発明のダイポールリング磁石（図１）を用いた場合の磁力線９４の流れ方を表している。
図２（ａ）からわかるように、従来のダイポールリング磁石（図５）では、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面で水平磁場を得られるため、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面Ｃ−Ｄと、プラズマの生成される空間４６の中央断面とを一致させている。
【００２２】
一方、図２（ｂ）のように、本発明の磁場発生装置（図１）においては、水平磁場を発生する位置がリングの下端面に近づいている。
これは、ダイポールリング磁石の上端部において磁性体リング９０に流れ込む磁束のために、図２（ｂ）の上下で差が生じ、水平磁場を発生する位置がリングの下端面に近づくからである。
図２の（ｃ）は、磁性体リングを内蔵したベアリングを、ダイポールリング磁石の上端面に配置させた例の縦断面図を示す。この場合も、上記図２（ｂ）と同様に、水平磁場を発生する位置がリングの下端面に近づくとともに、ダイポール磁石の回転を支持するベアリングとしても使用できる。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］
図１に示す構成の本発明の磁場発生装置を用いて、水平磁場を発生させた。
磁場発生装置に使用した、ダイポールリング磁石８１は、長さＲＬが１１０ｍｍ、一辺４０ｍｍの角柱状Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石からなる１６個の異方性セグメント磁石８０を用い、ダイポールリング磁石８１の上端面には、リング状の外径φ５６０ｍｍ、内径φ５１０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの鉄製の磁性体リング９０を接触状に配置して作動させた。
このとき、ダイポールリング磁石８１の上部端面に、磁性体リング９０を配置しない場合と比べ、水平磁場を得ることができる面が、ダイポールリング磁石の中央断面より５ｍｍ下になった。
【００２４】
［実施例２］
実施例１と同じ装置を用い、磁性体リング９０に代えて、この磁性体リング９０と同じ重量の鉄を内蔵した外径φ５６０ｍｍ、内径φ５１０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの鉄製の磁性体ベアリング９１を、ダイポールリング磁石８１の上端面に配置させて作動させた。
このとき、水平磁場を得ることができる面は、ダイポールリング磁石の中央断面より５ｍｍ下になった。また、磁性体ベアリング９１は、ダイポールリング磁石の回転機構のベアリングとして、問題なく使用できた。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の磁場発生装置によれば、マグネトロンプラズマ用磁場発生装置に発生させる均一磁場の位置を従来のものと比べて下方に移すことができ、また、ダイポールリング磁石の回転機構として磁性体リングを内蔵したベアリングを使用できるので、本発明の磁場発生装置を、エッチングあるいはスパッタリング装置に使用した場合、搬送系と回転機構のコストダウンが図れるという大きな利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るダイポールリング磁石のよりなる磁場発生装置の説明図であり、（ａ）は、ダイポールリング磁石の上面図を、（ｂ）は、図１（ａ）のダイポールリング磁石の上端面の近傍に磁性体リングを配置した状態のＡ−Ｂ矢視線に沿う縦断面図である。
【図２】ダイポールリング磁石が発生する磁力線図を示す図であり、（ａ）は、従来のダイポールリング磁石（図５）のＣ−Ｄ断面での磁束の流れを示し、（ｂ）は、本発明のダイポールリング磁石を用いた場合の磁力線の流れ方を示している。また（ｃ）は、磁性体リングを内蔵したベアリングをダイポールリング磁石の上端近傍に配置した例の縦断面図を示す。
【図３】従来の磁場発生装置から成るマグネトロンプラズマ装置を説明するため概略説明図であり、（ａ）はエッチング装置の縦断面図、（ｂ）はこの装置における電子の運動を示した概略説明図である。
【図４】図３の従来の磁場発生装置が発生する水平磁場の強度分布を表すグラフ。
【図５】通常のダイポールリング磁石のより成る磁場発生装置を説明するための概略説明図であり、（ａ）は、ダイポールリング磁石の上面図、（ｂ）は、図５（ａ）をＣ−Ｄ矢視線に沿う横断面図である。
【図６】ダイポールリング磁石を用いた磁場発生装置が発生する磁場分布を表す図。
【図７】マグネトロンプラズマエッチング装置の概略説明図。
【符号の説明】
１０，１２，３６，３７，５６，６２，７６，７７電極板
１６，３８，５０，７８ウエーハ
１８磁場発生装置２０，４４，８４電場の向き
２２，２４永久磁石２６ヨーク
２８ａ，２８ｂ，３０，９２，９４磁力線
３２電子３４電子の無限軌道
４０，８０異方性セグメント磁石
４１，６１，８１ダイポールリング磁石
４２，８２架台４３，８３磁化の向き
４６，８６プラズマ空間５４搬送アーム
４９，４９’ 弁５８試料台
６０エッチング装置６６入口
６８出口８０異方性セグメント磁石
９０磁性体リング９１磁性体ベアリング

Claims

複数の柱状の異方性セグメント磁石が、リング状に配置されたダイポールリング磁石を備えたマグネトロンプラズマ用磁場発生装置であって、ダイポールリング磁石が８〜３２個のセグメント磁石および架台から構成され、該ダイポールリング磁石の上端面もしくはその近傍に磁性体リングを配置したことを特徴とするマグネトロンプラズマ用磁場発生装置。
前記磁性体リングがベアリングに内蔵されてなる請求項１記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置。