JP3787079B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エッチングや成膜などにおけるプラズマ処理に係り、特に半導体デバイスや液晶ディスプレー用基板など製造に使用するのに好適なプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスなどの微細化に対応して、プラズマプロセスにおいては、ウエハ内で均一な処理結果が実現できるプロセス条件(プロセスウインドウ)が年々狭くなってきており、これからのプラズマプ処理装置には、より完全なプロセス条件の制御が求められている。
【０００３】
ところで、これの実現には、プラズマの分布やプロセスガスの解離、リアクタ内の表面反応などを極めて高精度に制御できる装置が必要になるが、現在、このような装置に用いることができるプラズマ源に高周波誘導結合型プラズマ源がある。
【０００４】
この誘導結合型プラズマ処理装置は、例えば特開平２−２３５３３２号公報に開示されているように、高周波コイルにより処理チャンバ内に誘導電界を形成させ、これによりプラズマ中の電子を加速し、処理チャンバ内に導入されたプロセスガスにエネルギーが与えられるようにし、これによりプラズマの発生と維持が得られるようにしたものである。
【０００５】
上記した高周波コイルは、処理チャンバの一部を形成している石英などの絶縁材を介して、処理チャンバの外に配置されているが、ここで、これらの高周波コイルは、一般的にはループ状、コイル状、渦巻(スパイラル)状に作られていて、これに周波数が数１００ｋＨｚから数１００ＭＨｚの高周波電力が供給され、誘導電界が形成されるようになっている。
【０００６】
一方、コイルをチャンバ内に設けた構造の高周波誘導結合型プラズマ処理装置もあり、例えば、特開平７−１０６０９５号公報に開示されたプラズマ処理装置では、高周波誘導コイルとなる渦巻形のコイルを、チャンバ内で、被処理物である半導体ウエハに対向する位置に設置している。
【０００７】
ここで、これらのプラズマ処理装置は、プラズマ中に誘導電流が生じた結果、電気回路的にはプラズマと高周波コイルが誘導結合した変圧器(高周波コイルを一次コイル、プラズマ中の電流経路を２次コイルとする変圧器)と見做すことができ、このため、誘導結合型プラズマ処理装置と呼ばれている。
【０００８】
この誘導結合型プラズマ処理装置の利点としては、単純なコイルと高周波電源という簡単で安価な構成により、１０11〜１０12(ｃｍ-3)という比較的高密度のプラズマが、数ｍトール(Torr)の低圧下で発生できる点と、被処理物に対向して平面的にコイルを配置することにより、大面積のプラズマが容易に発生できる点、それに処理チャンバ内部がシンプルであるがゆえに、処理中に被処理物上に飛来する異物を少なくできる可能性がある点などが挙げられる。
【０００９】
この誘導結合型プラズマ処理装置によれば、低圧下でも容易に高密度のプラズマを発生させることができるので、イオンの平均自由行程が大きくなり、この結果、被処理物に入射するイオンの方向性がよくなるので、微細加工に適し、且つ高い処理速度が得られることになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術には、以下の問題がある。
【００１１】
例えば、特開平２−２３５３３２号公報に示される誘導結合型プラズマ処理装置(以下、従来技術１という)においては、高周波コイルは、処理チャンバ中のプラズマから石英などの絶縁材を介して大気側に配置されており、従って、この絶縁材には大気圧に耐えるための十分な強度が必要で、今後、被処理物が大面積化すると、それに応じて、この絶縁材も厚くする必要がある。
【００１２】
こうして絶縁材が厚くなると、コイルとプラズマの距離も大きくなるが、そうすると、例えば、次の Keller らの論文、すなわち、
Jounal Of Vacuum Science A11(5),Sept/Oct 1993 p2487
に論じられているように、コイルとプラズマの結合状態が悪くなり、プラズマの生成効率が低下され、この結果、コイルや整合回路における発熱ロスが大きくなるという問題が生じる。
【００１３】
一方、近年、被処理物であるウエハの大口径化が進み、この結果、プラズマの分布を自在に制御する必要が生じているが、誘導結合プラズマ装置においては、例えば２系統のコイルのそれぞれに流れる電流及び電流比を変えることにより、プラズマが生成する位置を自在に制御し、ウエハ位置でのプラズマ分布を制御することができる。
【００１４】
しかしながら、次の Collison らによる論文、すなわち、
J.Vac.Sci.Technol. A 16−1,Jan/Feb 1998 p.100
において、実験的にも理論的にも示されているように、２系統のコイルを使っても、プラズマは２個の誘導コイルの中間位置、すなわち、コイルの誘導磁界がもっとも強くなる付近の一箇所に生成するだけである。
【００１５】
このように、１箇所にプラズマが生成されるため、ある程度、ウエハを離して設置しないと、たとえ２系統のコイルによっても、プラズマの均一化は得難く、このため、２箇所でプラズマを生成させようとした場合には、２個のコイルの距離をコイルとプラズマの距離に比較して十分に大きくとってやる必要がある。
【００１６】
しかし、従来技術１のように、大気側にコイルを設置した場合には、コイルとプラズマの距離が或る程度以下にはできないので、２個のコイルの距離を大きくした場合、実質的なチャンバのサイズでそれを実現することは困難になるという問題が生じてしまう。
【００１７】
一方、特開平７−１０６０９５号公報に開示されたプラズマ処理装置(以下、従来技術２という)では、コイルをチャンバ内に設置することによって、前述のコイルとプラズマの結合による問題は解決されるけれども、それとは別の新たな問題が生じる。
【００１８】
まず、第一に、この従来技術２では、高周波コイルは絶縁材料の保護膜により保護されてはいるが、一般に、このような誘導結合プラズマ装置においては、コイルの直近に強いプラズマが生成されるため、特にプラズマエッチング装置のような反応性のガスを用いる装置では、保護膜が受ける損傷は極めて大きくなり、頻繁に補修交換などのメンテナンスが必要になるという問題が生じる。
【００１９】
一方、コイル自身は金属製なので、保護膜が破損した場合は、金属イオンが発生し、半導体ウエハの金属汚染を生じることになるし、この場合、コイルそのものの交換も必要になり、メンテナンスに多大の時間とコストが消費されることになる。
【００２０】
また、この従来技術２では、誘導コイルの背後に冷却プレートが設置されているが、このプレートはコイルに対して絶縁されている必要がある。しかして、このような構造では、冷却プレートとコイルの熱的な結合が得難い。
【００２１】
特に真空中若しくはプラズマ処理中のような低圧下では、構造物の接触面での熱伝達が極めて悪くなるから、冷却プレートを設けたことによるコイルの冷却効果はあまり期待できず、充分な冷却が得られないという問題が生じる。
【００２２】
更に、もう一つの問題は、被処理物とは反対側のコイルの背後にも、被処理物側と同じように高い密度のプラズマが生成されてしまうことで、このコイル背後のプラズマは、被処理物のプラズマ処理には有効に使われないだけではなく、背後のチャンバ壁が強いプラズマに曝されてしまう。
更に、このような誘導結合型のプラズマ処理装置では、従来技術１のように、コイルを大気側に設置したタイプでも、従来技術２のように、真空側に設置したタイプでも、コイルにかかる電圧によって直接電子が加速され、容量結合的にプラズマが生成されるものである。
【００２３】
このとき、上記従来技術では、何れのタイプも、コイルに分布される電位の均一化に配慮がされておらず、均一なプラズマの生成に問題があった。
【００２４】
本発明は、従来技術の問題点に配慮してなされたもので、その目的は、均一なプラズマが確実に生成できるようにした誘導結合型のプラズマ処理装置を提供することにある。
【００２５】
同じく本発明の目的は、従来技術１と対比して、誘導コイルの表面保護と冷却の問題、コイル背後に発生するプラズマによる効率低下の問題を考慮して、プラズマの不均一性についての問題を解決し、自在な場所でプラズマが生成でき、より広い条件下で、安定したプラズマが高い効率で容易に生成することができるようにしたプラズマ処理装置を提供することにあり、更には、信頼性が高く、メンテナンスが容易なプラズマ処理装置を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、処理チャンバの蓋部材に少なくとも実質的に１ターンのコイルからなるプラズマ生成用の誘導コイルを備えた誘導結合型プラズマ処理装置において、前記誘導コイルが、前記処理チャンバの蓋部材の外側の真空中に配置された複数の部分と、前記処理チャンバの蓋部材の大気側に配置された複数の部分に分割されていることにより達成される。
【００２７】
このとき前記プラズマ生成用の誘導コイルが、前記処理チャンバの中心から同心円状を為して配置された少なくとも２系統の誘導コイルで構成されているようにしても良い。
【００２８】
また、更に前記誘導コイルの処理チャンバ内に配置された複数の部分が、各々前記処理チャンバの中心に対して同心円の一部を為して配置されるようにしても良く、同じく各々前記処理チャンバの中心から始まる渦巻の一部を為して配置されているようにしても良い。
【００２９】
更にこのとき、前記誘導コイルと前記処理チャンバ内のプラズマ発生空間の間に、前記処理チャンバ内に配置された複数の部分と略直交する方向にスリットを備えた導電板材が設けられているようにしても良く、或いは前記処理チャンバに磁場印加手段が設けられているようにしても良い。
【００３０】
また、同じく前記少なくとも２系統の誘導コイルは、夫々毎に電力配分制御されるようにしても良く、前記導電板材は、共通電位に対してゼロ電圧を含む所定の電圧が印加されているようにしても良い。ここで、前記導電板材に、プラズマ着火時とプラズマ着火後で異なった電圧を印加する手段が設けられているようにしても良い。
【００３１】
本発明の実施形態に則して具体的に言えば、誘導コイルを複数のコイル要素に分割して絶縁体からなるチャンバ窓(蓋部材)の真空側に配置しプラズマとの結合性を高める。このとき、コイルは、プラズマに対しては、別の絶縁体とスリット付の導電体を挾んで更に別の絶縁体カバーによって覆われる。
【００３２】
スリット付の導電体は、高周波電源に接続され、コイルの電圧による容量結合プラズマの生成を防ぐシールドとして働き、プラズマの周方向の均一性を実現すると共に、チャンバ内表面へのイオン入射を制御する。
【００３３】
また、分割された誘導コイルのそれぞれの要素は大気側で導線部により連結される。各コイル要素は、若干径方向の成分を持つように配置されており、これにより、プラズマを通常の角方向に加えて、径方向に誘導することにより、プラズマの生成領域が径方向に広がると共に、電子の加速距離が短くなり、電子温度が低下する。
【００３４】
これにより、半導体ウエハがプラズマ生成部に近くても、均一なプラズマ分布が得られるし、複数系統の誘導コイルを設置することにより、それぞれのコイルに対してプラズマを生成し、プラズマやラジカルの分布を自在に制御することができる。
【００３５】
コイル要素の夫々は長さが短く、かつ両端が大気側に出ているので、アルミニウムなどの高熱伝導性の金属を用い、大気に出た部分をファンなどで冷却することにより、温度を下げることができ、特に冷媒経路を真空側にもってくる必要が無くなる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるプラズマ処理装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３７】
なお、本発明は、半導体デバイスの製造の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や、各種材料の成膜、表面処理に適用が可能であるが、ここでは、半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置に本発明を適用した場合の一実施形態について説明する。
【００３８】
図１は、本発明の一実施形態で、まず、１は処理チャンバで、これは、例えば表面をアルマイト処理したアルミニウム又はステンレスの有底円筒形の真空容器として作られ、図示のように接地され、共通電位に保たれている。
【００３９】
この処理チャンバ１には、真空排気手段２と、被処理物である半導体ウエハを搬入出するための搬送システム４が備えられており、中には、半導体ウエハ３を載置するためのステージとなる電極装置５が設置されている。
【００４０】
この電極装置５の上には半導体ウエハ３が載置されるが、この半導体ウエハ３は、搬送システム４により処理チャンバ１中に搬入され、電極装置５上に運ばれた後、直流電源６に接続された静電チャック７により静電吸着され、電極装置５上に保持される。
【００４１】
このため、電極装置５は、全体がアルミニウム、ステンレスなどの金属で作成されているが、その上部にある静電チャック７は、誘電率が調整されたセラミックなどの絶縁材で作られ、直流電源６から数１００Ｖ程度の直流電圧が印加されることにより静電気力を発生し、ウエハ３を吸着する。
【００４２】
そして、この電極装置５には、整合回路８を介して、高周波電源９から数１００ＫＨｚから数１０ＭＨｚの周波数の高周波電圧が供給され、これによりプラズマ処理中に半導体ウエハ３に入射するイオンのエネルギーを制御するようになっている。
【００４３】
また、この電極装置５の中には、図示されてないが、内部に冷媒の流路が設けられていて、プラズマにより処理中のウエハ３の温度がプラズマにより加熱され上昇してしまうのを抑え、一定の温度に保つようになっている。
【００４４】
更に、ウエハ３と電極装置５の間には、熱伝導の促進のため、例えばヘリウム(Ｈｅ)などの非反応性ガスが、流路５Ａを介して数トール〜１０数トール程度の圧力で導入され、更に電極装置５のウエハ載置面以外の表面には、絶縁材からなるサセプタ１０とカバー１１が設けてあり、これらによりプラズマや反応性ガスから保護される。
【００４５】
次に、処理チャンバ１の上側には、この処理チャンバ１の内部を大気から隔離するため、石英やアルミナセラミックなどの絶縁材で作られた円板からなる蓋部材１７がカバーとして気密状態で載置され、これの内面側に、同じく石英やアルミナセラミックなどの絶縁材で作られている円形の板材１８により挟み込まれた形で、ウエハ３と対向するようにして２系統の誘導コイル１２、１３が設けてあり、これにより本発明が特徴とする高周波コイルシステムが形成されるようになっている。
【００４６】
ここで、各系統の誘導コイル１２、１３は、詳しくは後述するが、図２に示すように、所定のパターンに従って複数の要素に分割して構成され、夫々が電力分岐回路１４と整合回路１５を介して高周波電源１６に接続されている。
【００４７】
なお、この実施形態では、分布の制御性を考慮して、誘導コイルが２系統、設けてあるが、さらに多くの系統にしてもよく、一方、分布制御があまり重要でない場合は、１系統にしてもよい。
【００４８】
各誘導コイル１２、１３をカバーしている板材１８の内側には、金属円板からゆる導電体１９が設置されるが、これには、図２に示すように、複数本のスリット４１が放射状に形成してあり、その中心付近から電力供給ライン１９Ａが蓋部材１７の外側に引き出され、電力分岐回路１４と整合回路１５を介して高周波電源１６に接続されている。
【００４９】
ここで、詳しくは後述するが、この導電体１９が設けられていると、処理チャンバ１内にあるプラズマと誘導コイル１２、１３の間の容量結合が阻害されることになるが、ここで、この容量結合は、プラズマの着火に寄与するので、導電体１９を設けた場合には、プラズマが着火し難くなる。
【００５０】
しかして、この問題は、電力分岐回路１４を制御し、プラズマの点火時には導電体１９に多くの高周波電力を配分させ、プラズマの着火促進を図り、その後、誘導コイル１２、１３に高周波電力を重点的に配分してプラズマを高密度化するという、一連の着火シーケンスを実行させることにより、容易に解決できる。
【００５１】
導電体１９の内側には、絶縁体の板材からなるカバー２０が設けてあり、これにより処理チャンバ１内のプラズマ生成空間から、導電体１９が隔離されるようになっている。
【００５２】
そして、このカバー２０の略中央に、処理ガス配管２１に連通した複数個の吹出口２１Ａが設けてあり、これにより処理チャンバ１内に処理ガスが導入されるようになっている。
【００５３】
また、この実施形態では、処理チャンバ１の外側に空芯コイル４０が設けてあり、これにより、処理チャンバ１内のプラズマに所定の磁場を印加し、プラズマの輸送が制御できるようになっている。しかし、このことは、必ずしも必須の要件という訳ではない。
【００５４】
次に、図２により誘導コイル１２、１３の詳細について説明すると、まず、この図２では、円弧状の太い実線が処理チャンバ１内の真空中にあるコイルの主要部分となる複数個のコイル要素１２Ａ、１３Ａの夫々を表わし、太い破線は外側の大気中にあって、コイル要素間を接続している夫々の導線部１２Ｂ、１３Ｂを表わしており、このとき、各コイル要素１２Ａ、１３Ａの夫々の端部にある黒丸は、内部と外部を結ぶ導線の引出部１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅを表わす。
【００５５】
このときプラズマへの影響を減らすため、これらの導線の引出部は、上記したスリット４１と同じ位置に重ならないことが望ましく、この様子を示すため、図２には、導電体１９に設けてあるスリット４１も一緒に描いてある。
【００５６】
ところで、図３から図８で後述するように、本発明の実施形態としてのプラズマ生成用誘導コイルの分割方法と接続方法には種々のパターンがあるが、この図２は、高周波コイルシステムの好ましい実施形態の一例で、ここでは、２系統のプラズマ生成用誘導コイル１２、１３が、夫々基本的には２ターンのコイルになるように構成され、これを１ターンについて３分割し、各系統毎に６個のコイル要素を用いたものである。
【００５７】
詳しく説明すると、まず、この図２の実施形態における２系統の誘導コイル１２、１３は、円形の蓋部材１７の内周側と外周側に分けて、ほぼ同心円状に配置されている。ここでは、図示のように、内側が誘導コイル１２で、外側が誘導コイル１３になっている。
【００５８】
そして、これらの誘導コイル１２、１３は、上記したように、円弧状の太い実線で描かれている夫々６本のコイル要素１２Ａ、１３Ａと、太い破線で描かれている夫々５本の導線部１２Ｂ、１３Ｂで構成されている。
【００５９】
ここで、各コイル要素１２Ａ、１３Ａは、何れも、内周側から緩やかに外周側に延びる渦巻の一部をなす円弧として形成され、このとき各コイル要素１２Ａ、１３Ａは、夫々が半分の長さにわたって順次重なり合うようにして配置されている。
【００６０】
そして、各コイル要素１２Ａ、１３Ａは、夫々の両端にある引出部１２Ｃ、１３Ｃにおいて蓋部材１７の外側の大気中に導線で引き出され、各導線部１２Ｂ、１３Ｂにより順次接続されるが、このとき、上記した重なり合っている部分で折り返した形で接続され、これにより、上記したように、全体として２ターンのコイルが形成されるようになる。
【００６１】
このとき、各導線部１２Ｂ、１３Ｂは、図１に示されているように、蓋部材１７の上側に離れて配線されるようにし、これにより、処理チャンバ１内のプラズマから充分な距離がとれるようにする。
【００６２】
そして、各コイル要素１２Ａ、１３Ａの中で、最初コイルの端部を夫々引出部１２Ｄ、１３Ｄとし、最後のコイルの端部を夫々引出部１２Ｅ、１３Ｅとした上で、図１に示されているように、一方の引出部１２Ｄ、１３Ｄを夫々電力分岐回路１４に接続し、他方の引出部１２Ｅ、１３Ｅは夫々接地するのである。
【００６３】
ここで、本発明の実施形態における高周波コイルシステムを構成する誘導コイルの分割方法と接続方法には、種々のパターンがあり、コイルをどのように分割し、どのように配置し、どのように接続するかは、使用する周波数、コイルのインダクタンス、コイルに流れる電流と発熱量、生成させたいプラズマの分布などによって変わってくる。
【００６４】
そこで、上記実施形態の動作について説明する前に、本発明の実施形態による種々のパターンによる誘導コイルの分割方法と接続方法について説明すると、まず、図３は、最も基本的なパターンによる実施形態で、この誘導コイルは、基本的には２ターンのコイルである。
【００６５】
そして、この２ターンのコイルを１ターン当り４分割し、合計８個のコイル要素２２Ａとし、これらの端部をそれぞれ導線部２２Ｂで接続して２ターンのコイルとし、一方の端部２２Ｄにより高周波電源１６に接続し、他方の端部２２Ｅは接地したものである。
【００６６】
ここで、コイル要素２２Ａは、処理チャンバ１の中に設けられ、導線部２２Ｂは外側に引き出されていることは言うまでもない。このとき、大気側にある各コイル要素の導線部２２Ｂは、プラズマに影響しないように、プラズマから十分の距離をとることが望ましい。
【００６７】
ここで、従来技術における誘導コイルの場合、その巻き方に由来して対称構造が崩れてしまうので、プラズマの生成に偏りが出てしまうが、この図３の実施形態による高周波コイルシステムの場合、誘導コイルの中で、プラズマと結合する部分となるコイル要素２２Ａだけを処理チャンバ１内に配置させ、導線部２２Ｂは大気中に取り出されている。
【００６８】
ここで、誘導コイルの巻き方で、不均一な構造をもたらしているのは、この実施形態の場合、導線部２２Ｂだけであるが、これらは何れも大気中に配置されていて、各コイル要素２２Ａは、短く分割された結果、全て中心に対して対称的になっている。
【００６９】
従って、この図３の実施形態も含め、この後の図４以降の実施形態によれば、コイルの巻き方に起因するプラズマの偏りが防止でき、均一なプラズマを確実に生成させることができる。
【００７０】
なお、この図３の場合、コイル要素は対称的になっていても、誘導コイル全体で見た場合、これにかかる電圧は高周波電源１６側のコイル要素ほど高く、接地側ではゼロ電圧になるので、コイルの電圧によって直接電子が加速されるという容量結合性のプラズマが生成されてしまうと、電圧が高い部分でプラズマが強くなって、非対称性が生じる。
【００７１】
そこで、この図３以降では図示してないが、図１に示したように、各コイル要素と略直角に交差するようにしたスリット４１が形成され、接地した導電体１９をコイルとプラズマの間に設け、シールドとすることにより、コイルとプラズマとの容量結合を防止し、容量結合による非対称性を抑え、プラズマの軸対称性を完全に得ることができる。
【００７２】
また、このとき、導電体１９を接地する代りに、所定の電圧の電源に接続することにより、導電体１９とプラズマの間に設けられたカバー２０に入射するイオンを制御し、この表面での反応を制御することができる。
【００７３】
次に、図４は、各コイル要素２２Ａを、内周側から緩やかに外周側に延びる渦巻の一部をなす円弧として、つまり円周方向から外して、僅かに斜め方向に配置した場合の一実施形態で、この場合、図３に示したパターンに比較して、各コイル要素２２Ａが重なり合うようにして配置できるため、コイル個数を多くすることができる。
【００７４】
この結果、この図４の実施形態では、円周方向の均一性が更に良好になる点が利点として挙げられ、もう一点、生成されるプラズマの電子温度が低くなるという利点も挙げることができる。
【００７５】
このような場合、通常、電子は誘導コイルによって生成される電界に沿って、円周上で加速される。ここで、最も一般的な例として、１パスカル程度の圧力のもとで、１３.５６ＭＨｚの放電周波数においては、殆ど全ての電子は、中性気体分子やラジカルなど、何等かの粒子に衝突するまで加速される。
【００７６】
一方、図４に示す実施形態の場合、コイルが傾斜しているので、電子は若干径方向に加速されることになって加速電界を逸脱する電子が生じ、この結果、電子温度が低く抑えられるのである。
【００７７】
ここで、このような電子の加速距離による電子温度低下による効果は、例えば下記の論文、すなわち、
に論じられているが、更に、プラズマ生成位置が径方向に広がるので、ウエハ位置がプラズマ生成部に接近していても、均一化が得易いという効果もある。
【００７８】
但し、コイル要素の傾斜が少ない場合、誘導電界は実質的にリング状に電子を加速させるように生じてしまう。従って、どの程度傾斜させるかは、放電の寸法とコイル要素とプラズマのカップリングの程度に大きく左右されるから、注意して決める必要がある。
【００７９】
次に、図５も、各コイル要素２２を円周方向から外して、僅かに斜め方向にした場合の一実施形態であるが、ここでは、更に各コイル要素２２Ａを長くし、周方向に概略５／６ターン(角度では略３００°)の長さになるようにした場合の一実施形態で、こうすることにより、別のターンを構成するコイル要素間の接続距離が短縮されるので、導線部２２Ｂが短くて済み、大気側での接続線の取り回しが合理的になる。
【００８０】
ところで、現在のところ、このようなプラズマ処理装置では、１３.５６ＭＨｚ程度の放電周波数が一般的に用いられているが、この場合、電子温度の低下など放電周波数を高くすることによる様々な効果が報告されており、プロセスによっては、周波数を高くする方が有利である。
【００８１】
ところで、このように放電周波数を高くした場合には、負荷(この場合は誘導コイル)のインダクタンスを下げる必要があるが、次の図６と図７は、このような要望に応えることができるようにした場合の実施形態で、これらは何れも図４の実施形態と同じコイル分割によるものであるが、夫々が各コイル要素の接続を変えた場合の実施形態になっている。
【００８２】
ここで、これら図６と図７の実施形態は、何れも各コイル要素を並列に接続するすることにより、合計したインダクタンスが低く抑えられるようにしたものであり、このとき、図６ではコイル要素２２Ａを２個づつ直列にして３回路のコイルとした上で、これらを並列に接続して３個の並列コイル回路としたもので、図７では６個のコイル要素２２Ａの全てを並列に接続して６個の並列コイル回路としたものである。
【００８３】
なお、このときの直列回路数と並列回路数は、これら図６、図７に示した接続方法に限らず、様々な接続パターンが考えられるが、それらは全て本発明に含まれるものである。
【００８４】
次に、図８は、図３の実施形態と同様なコイル分割形式を用い、更にプラズマの分布制御のため、中心付近に更にもう一系統の誘導コイルを設けた場合の一実施形態で、ここでは、内側の誘導コイルの構成要素については、符号に更にＡを付し、外側には更にＢが付してある。
【００８５】
この図８の実施形態の場合、図１に示した電力分岐回路１４によって、外側の誘導コイルと内側の誘導コイルに対する高周波電力の配分を変え、これにより、プラズマの分布を自在に制御することができる。
【００８６】
また、この図８の場合、外側の誘導コイルと内側の誘導コイルの距離を、これらのコイルとプラズマとの距離に対して十分大きくとることにより、夫々コイルにより別個の位置にプラズマを生成させることができ、従って、この場合、電力分岐回路１４により外側と内側のコイルの電力配分を変えてやれば、更に広範囲にプラズマの分布を制御することができる。
【００８７】
次に、図９も、図８とほぼ同様の構成であるが、更にＡが付された外側のコイルとＢが付された内側のコイルに流れる電流の向きを反転させた場合の一実施形態で、この場合、外側のコイルの各コイル要素２２ＡＡと内側のコイル要素ＡＢの間では誘導磁場が打ち消し合うようになる。
【００８８】
従って、この図９の実施形態の場合は、外側のコイルと内側のコイルの距離を図８の実施形態の場合よりも近くしても、夫々のコイルの近傍毎に完全に２箇所分けてプラズマを生成することができる。但し、このとき、内外各々のコイルに供給される高周波電力について、それらの位相を合わせておく必要があることは言うまでもない。
【００８９】
ここで、これら図８と図９の実施形態は、誘導コイルを２系統設け、各々の系統でコイルの電力配分を変え、プラズマ分布を制御するものであるが、次の図１０も同じく２系統のコイル配置による実施形態である。
【００９０】
そして、この図１０の実施形態は、図４と図５に示した、円周方向からコイル要素を斜めに逸らしたタイプの誘導コイルを２系統設けた場合の本発明の一実施形態であり、従って、これが図２の実施形態に相当する。
【００９１】
従って、図１と図２の実施形態によれば、コイルの巻き方に起因するプラズマの偏りが防止でき、均一なプラズマを確実に生成させることができる。
【００９２】
次に、同じく図１と図の実施形態によれば、接地した導電体１９をコイルとプラズマの間に設けてあるので、コイルとプラズマとの容量結合を防止し、容量結合による非対称性を抑え、プラズマの軸対称性を完全に得ることができる。
【００９３】
また、同じく図１と図２の実施形態によれば、各コイル要素１２Ａ、１３Ａが夫々重なり合うようにして配置できるため、コイル個数を多くすることができ、この結果、円周方向の均一性が更に良好になり、生成されるプラズマの電子温度を低く抑えることができる。
【００９４】
ところで、以上の実施形態では、何れの場合もコイル要素１２Ａ、１３Ａ、２２Ａの両端が大気側に引き出されており、しかも何れも１ターン以下の比較的短い長さに抑えられている。
【００９５】
従って、上記した本発明の実施形態によれば、各コイル要素１２Ａ、１３Ａ、２２Ａをアルミニウムなどの比較的熱伝導性のよい材料で形成してやれば、各コイル要素の熱が大気側に伝達されるので、各コイル要素の発熱による温度上昇を容易に抑えることができ、この結果、上記実施形態によれば、処理チャンバの温度管理が容易になり、構成の簡略化を図ることができる。
【００９６】
このとき、必要に応じて、導線部による放熱が更に促進されるようにしても良く、図１１は、導線部での放熱促進が図れるようにした本発明の一実施形態で、図示のように、例えばコイル要素２２Ａの大気中での導線部２２Ｂとして、冷却用のフィンを備えた導電体３０を設けたものである。
【００９７】
このとき、導電体３０は、大気に対して広い伝熱面積を与え、コイル要素２２Ａから伝達された熱を効率的に放散させる働きをするので、雰囲気温度に応じた所定の冷却機能が得られることになる。なお、必要に応じでファンなどによる強制空冷を適用しても良い。
【００９８】
この図１１では、分かり易くするため、コイル要素以外の部品が図示されてないが、実際には導電体３０は大気側で、コイル要素２２Ａは真空側にある。そして、この場合、冷却を考えると、各コイル要素の長さは短いほうがよく、願わくば１ターン未満であることが望ましい。
【００９９】
ここで、以上の説明では、本発明を半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置に適用した場合の実施形態を例としていたが、本発明は、上記したプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、プラズマＣＶＤ装置、プラズマアッシング装置、プラズマスパッタ装置などにも適用可能であり、更には半導体デバイスの処理のみならず、液晶ディスプレイ基板の処理や、その他、表面処理全般に適用が可能であることは言うまでもない。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、処理チャンバ内でのプラズマ生成領域が広い範囲にわたって均一化できると共に、電子の加速距離が短くなるので、電子温度の低下が得られる。
【０１０１】
これにより、ウエハがプラズマ生成部に近くても、均一なプラズマ分布が得られると共に、低電子温度化によりチャージアップダメージが低減できるという効果が得られる。
【０１０２】
また、本発明によれば、複数の系統の誘導コイルを設置することにより、それぞれのコイルに対してプラズマを生成し、プラズマやラジカルの分布を自在に制御することができる。
【０１０３】
更に、本発明によれば、コイルを分割し、大気側で接続することにより、プラズマ分布の均一性と共に、コイルが真空側にあっても、コイルの冷却が効率的に得られるという効果が得られる。
【０１０４】
そして、以上の結果、全体としてのプラズマ処理性能と装置の稼働率が向上でき、ハイスループットのもとでの微細なエッチング加工や、高品質の成膜加工、表面処理などを可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を示す平面図である。
【図３】本発明に係る誘導コイルの第１の実施形態を示すパターン説明図である。
【図４】本発明に係る誘導コイルの第２の実施形態を示すパターン説明図である。
【図５】本発明に係る誘導コイルの第３の実施形態を示すパターン説明図である。
【図６】本発明に係る誘導コイルの第４の実施形態を示すパターン説明図である。
【図７】本発明に係る誘導コイルの第５の実施形態を示すパターン説明図である。
【図８】本発明に係る誘導コイルの第６の実施形態を示すパターン説明図である。
【図９】本発明に係る誘導コイルの第７の実施形態を示すパターン説明図である。
【図１０】本発明に係る誘導コイルの第８の実施形態を示すパターン説明図である。
【図１１】本発明に係る誘導コイルの第９の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 処理チャンバ
１Ａ プラズマ処理室
２ 真空排気手段
３ 半導体ウエハ
４ 搬送システム
５ 電極装置(ステージ)
６ 直流電源
７ 静電チャック
８ 整合回路
９ 高周波電源
１０ サセプタ
１１ カバー
１２ 誘導コイル
１２Ａ コイル要素
１２Ｂ 導線部
１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ 引出部
１３ 誘導コイル
１３Ａ コイル要素
１３Ｂ 導線部
１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ 引出部
１４ 電力分岐回路
１５ 整合回路
１６ 高周波電源
１７ 蓋部材
１８ 板材
１９ 導電体
２０ カバー
２２ 処理ガス配管
２１Ａ 吹出口
２２Ａ コイル要素
２２Ｂ 導線部
２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ 引出部
３０ フィンを備えた導電部
４０ 空芯コイル
４１ スリット。
【発明の属する技術分野】
本発明は、エッチングや成膜などにおけるプラズマ処理に係り、特に半導体デバイスや液晶ディスプレー用基板など製造に使用するのに好適なプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスなどの微細化に対応して、プラズマプロセスにおいては、ウエハ内で均一な処理結果が実現できるプロセス条件(プロセスウインドウ)が年々狭くなってきており、これからのプラズマプ処理装置には、より完全なプロセス条件の制御が求められている。
【０００３】
ところで、これの実現には、プラズマの分布やプロセスガスの解離、リアクタ内の表面反応などを極めて高精度に制御できる装置が必要になるが、現在、このような装置に用いることができるプラズマ源に高周波誘導結合型プラズマ源がある。
【０００４】
この誘導結合型プラズマ処理装置は、例えば特開平２−２３５３３２号公報に開示されているように、高周波コイルにより処理チャンバ内に誘導電界を形成させ、これによりプラズマ中の電子を加速し、処理チャンバ内に導入されたプロセスガスにエネルギーが与えられるようにし、これによりプラズマの発生と維持が得られるようにしたものである。
【０００５】
上記した高周波コイルは、処理チャンバの一部を形成している石英などの絶縁材を介して、処理チャンバの外に配置されているが、ここで、これらの高周波コイルは、一般的にはループ状、コイル状、渦巻(スパイラル)状に作られていて、これに周波数が数１００ｋＨｚから数１００ＭＨｚの高周波電力が供給され、誘導電界が形成されるようになっている。
【０００６】
一方、コイルをチャンバ内に設けた構造の高周波誘導結合型プラズマ処理装置もあり、例えば、特開平７−１０６０９５号公報に開示されたプラズマ処理装置では、高周波誘導コイルとなる渦巻形のコイルを、チャンバ内で、被処理物である半導体ウエハに対向する位置に設置している。
【０００７】
ここで、これらのプラズマ処理装置は、プラズマ中に誘導電流が生じた結果、電気回路的にはプラズマと高周波コイルが誘導結合した変圧器(高周波コイルを一次コイル、プラズマ中の電流経路を２次コイルとする変圧器)と見做すことができ、このため、誘導結合型プラズマ処理装置と呼ばれている。
【０００８】
この誘導結合型プラズマ処理装置の利点としては、単純なコイルと高周波電源という簡単で安価な構成により、１０11〜１０12(ｃｍ-3)という比較的高密度のプラズマが、数ｍトール(Torr)の低圧下で発生できる点と、被処理物に対向して平面的にコイルを配置することにより、大面積のプラズマが容易に発生できる点、それに処理チャンバ内部がシンプルであるがゆえに、処理中に被処理物上に飛来する異物を少なくできる可能性がある点などが挙げられる。
【０００９】
この誘導結合型プラズマ処理装置によれば、低圧下でも容易に高密度のプラズマを発生させることができるので、イオンの平均自由行程が大きくなり、この結果、被処理物に入射するイオンの方向性がよくなるので、微細加工に適し、且つ高い処理速度が得られることになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術には、以下の問題がある。
【００１１】
例えば、特開平２−２３５３３２号公報に示される誘導結合型プラズマ処理装置(以下、従来技術１という)においては、高周波コイルは、処理チャンバ中のプラズマから石英などの絶縁材を介して大気側に配置されており、従って、この絶縁材には大気圧に耐えるための十分な強度が必要で、今後、被処理物が大面積化すると、それに応じて、この絶縁材も厚くする必要がある。
【００１２】
こうして絶縁材が厚くなると、コイルとプラズマの距離も大きくなるが、そうすると、例えば、次の Keller らの論文、すなわち、
Jounal Of Vacuum Science A11(5),Sept/Oct 1993 p2487
に論じられているように、コイルとプラズマの結合状態が悪くなり、プラズマの生成効率が低下され、この結果、コイルや整合回路における発熱ロスが大きくなるという問題が生じる。
【００１３】
一方、近年、被処理物であるウエハの大口径化が進み、この結果、プラズマの分布を自在に制御する必要が生じているが、誘導結合プラズマ装置においては、例えば２系統のコイルのそれぞれに流れる電流及び電流比を変えることにより、プラズマが生成する位置を自在に制御し、ウエハ位置でのプラズマ分布を制御することができる。
【００１４】
しかしながら、次の Collison らによる論文、すなわち、
J.Vac.Sci.Technol. A 16−1,Jan/Feb 1998 p.100
において、実験的にも理論的にも示されているように、２系統のコイルを使っても、プラズマは２個の誘導コイルの中間位置、すなわち、コイルの誘導磁界がもっとも強くなる付近の一箇所に生成するだけである。
【００１５】
このように、１箇所にプラズマが生成されるため、ある程度、ウエハを離して設置しないと、たとえ２系統のコイルによっても、プラズマの均一化は得難く、このため、２箇所でプラズマを生成させようとした場合には、２個のコイルの距離をコイルとプラズマの距離に比較して十分に大きくとってやる必要がある。
【００１６】
しかし、従来技術１のように、大気側にコイルを設置した場合には、コイルとプラズマの距離が或る程度以下にはできないので、２個のコイルの距離を大きくした場合、実質的なチャンバのサイズでそれを実現することは困難になるという問題が生じてしまう。
【００１７】
一方、特開平７−１０６０９５号公報に開示されたプラズマ処理装置(以下、従来技術２という)では、コイルをチャンバ内に設置することによって、前述のコイルとプラズマの結合による問題は解決されるけれども、それとは別の新たな問題が生じる。
【００１８】
まず、第一に、この従来技術２では、高周波コイルは絶縁材料の保護膜により保護されてはいるが、一般に、このような誘導結合プラズマ装置においては、コイルの直近に強いプラズマが生成されるため、特にプラズマエッチング装置のような反応性のガスを用いる装置では、保護膜が受ける損傷は極めて大きくなり、頻繁に補修交換などのメンテナンスが必要になるという問題が生じる。
【００１９】
一方、コイル自身は金属製なので、保護膜が破損した場合は、金属イオンが発生し、半導体ウエハの金属汚染を生じることになるし、この場合、コイルそのものの交換も必要になり、メンテナンスに多大の時間とコストが消費されることになる。
【００２０】
また、この従来技術２では、誘導コイルの背後に冷却プレートが設置されているが、このプレートはコイルに対して絶縁されている必要がある。しかして、このような構造では、冷却プレートとコイルの熱的な結合が得難い。
【００２１】
特に真空中若しくはプラズマ処理中のような低圧下では、構造物の接触面での熱伝達が極めて悪くなるから、冷却プレートを設けたことによるコイルの冷却効果はあまり期待できず、充分な冷却が得られないという問題が生じる。
【００２２】
更に、もう一つの問題は、被処理物とは反対側のコイルの背後にも、被処理物側と同じように高い密度のプラズマが生成されてしまうことで、このコイル背後のプラズマは、被処理物のプラズマ処理には有効に使われないだけではなく、背後のチャンバ壁が強いプラズマに曝されてしまう。
更に、このような誘導結合型のプラズマ処理装置では、従来技術１のように、コイルを大気側に設置したタイプでも、従来技術２のように、真空側に設置したタイプでも、コイルにかかる電圧によって直接電子が加速され、容量結合的にプラズマが生成されるものである。
【００２３】
このとき、上記従来技術では、何れのタイプも、コイルに分布される電位の均一化に配慮がされておらず、均一なプラズマの生成に問題があった。
【００２４】
本発明は、従来技術の問題点に配慮してなされたもので、その目的は、均一なプラズマが確実に生成できるようにした誘導結合型のプラズマ処理装置を提供することにある。
【００２５】
同じく本発明の目的は、従来技術１と対比して、誘導コイルの表面保護と冷却の問題、コイル背後に発生するプラズマによる効率低下の問題を考慮して、プラズマの不均一性についての問題を解決し、自在な場所でプラズマが生成でき、より広い条件下で、安定したプラズマが高い効率で容易に生成することができるようにしたプラズマ処理装置を提供することにあり、更には、信頼性が高く、メンテナンスが容易なプラズマ処理装置を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、処理チャンバの蓋部材に少なくとも実質的に１ターンのコイルからなるプラズマ生成用の誘導コイルを備えた誘導結合型プラズマ処理装置において、前記誘導コイルが、前記処理チャンバの蓋部材の外側の真空中に配置された複数の部分と、前記処理チャンバの蓋部材の大気側に配置された複数の部分に分割されていることにより達成される。
【００２７】
このとき前記プラズマ生成用の誘導コイルが、前記処理チャンバの中心から同心円状を為して配置された少なくとも２系統の誘導コイルで構成されているようにしても良い。
【００２８】
また、更に前記誘導コイルの処理チャンバ内に配置された複数の部分が、各々前記処理チャンバの中心に対して同心円の一部を為して配置されるようにしても良く、同じく各々前記処理チャンバの中心から始まる渦巻の一部を為して配置されているようにしても良い。
【００２９】
更にこのとき、前記誘導コイルと前記処理チャンバ内のプラズマ発生空間の間に、前記処理チャンバ内に配置された複数の部分と略直交する方向にスリットを備えた導電板材が設けられているようにしても良く、或いは前記処理チャンバに磁場印加手段が設けられているようにしても良い。
【００３０】
また、同じく前記少なくとも２系統の誘導コイルは、夫々毎に電力配分制御されるようにしても良く、前記導電板材は、共通電位に対してゼロ電圧を含む所定の電圧が印加されているようにしても良い。ここで、前記導電板材に、プラズマ着火時とプラズマ着火後で異なった電圧を印加する手段が設けられているようにしても良い。
【００３１】
本発明の実施形態に則して具体的に言えば、誘導コイルを複数のコイル要素に分割して絶縁体からなるチャンバ窓(蓋部材)の真空側に配置しプラズマとの結合性を高める。このとき、コイルは、プラズマに対しては、別の絶縁体とスリット付の導電体を挾んで更に別の絶縁体カバーによって覆われる。
【００３２】
スリット付の導電体は、高周波電源に接続され、コイルの電圧による容量結合プラズマの生成を防ぐシールドとして働き、プラズマの周方向の均一性を実現すると共に、チャンバ内表面へのイオン入射を制御する。
【００３３】
また、分割された誘導コイルのそれぞれの要素は大気側で導線部により連結される。各コイル要素は、若干径方向の成分を持つように配置されており、これにより、プラズマを通常の角方向に加えて、径方向に誘導することにより、プラズマの生成領域が径方向に広がると共に、電子の加速距離が短くなり、電子温度が低下する。
【００３４】
これにより、半導体ウエハがプラズマ生成部に近くても、均一なプラズマ分布が得られるし、複数系統の誘導コイルを設置することにより、それぞれのコイルに対してプラズマを生成し、プラズマやラジカルの分布を自在に制御することができる。
【００３５】
コイル要素の夫々は長さが短く、かつ両端が大気側に出ているので、アルミニウムなどの高熱伝導性の金属を用い、大気に出た部分をファンなどで冷却することにより、温度を下げることができ、特に冷媒経路を真空側にもってくる必要が無くなる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるプラズマ処理装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３７】
なお、本発明は、半導体デバイスの製造の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や、各種材料の成膜、表面処理に適用が可能であるが、ここでは、半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置に本発明を適用した場合の一実施形態について説明する。
【００３８】
図１は、本発明の一実施形態で、まず、１は処理チャンバで、これは、例えば表面をアルマイト処理したアルミニウム又はステンレスの有底円筒形の真空容器として作られ、図示のように接地され、共通電位に保たれている。
【００３９】
この処理チャンバ１には、真空排気手段２と、被処理物である半導体ウエハを搬入出するための搬送システム４が備えられており、中には、半導体ウエハ３を載置するためのステージとなる電極装置５が設置されている。
【００４０】
この電極装置５の上には半導体ウエハ３が載置されるが、この半導体ウエハ３は、搬送システム４により処理チャンバ１中に搬入され、電極装置５上に運ばれた後、直流電源６に接続された静電チャック７により静電吸着され、電極装置５上に保持される。
【００４１】
このため、電極装置５は、全体がアルミニウム、ステンレスなどの金属で作成されているが、その上部にある静電チャック７は、誘電率が調整されたセラミックなどの絶縁材で作られ、直流電源６から数１００Ｖ程度の直流電圧が印加されることにより静電気力を発生し、ウエハ３を吸着する。
【００４２】
そして、この電極装置５には、整合回路８を介して、高周波電源９から数１００ＫＨｚから数１０ＭＨｚの周波数の高周波電圧が供給され、これによりプラズマ処理中に半導体ウエハ３に入射するイオンのエネルギーを制御するようになっている。
【００４３】
また、この電極装置５の中には、図示されてないが、内部に冷媒の流路が設けられていて、プラズマにより処理中のウエハ３の温度がプラズマにより加熱され上昇してしまうのを抑え、一定の温度に保つようになっている。
【００４４】
更に、ウエハ３と電極装置５の間には、熱伝導の促進のため、例えばヘリウム(Ｈｅ)などの非反応性ガスが、流路５Ａを介して数トール〜１０数トール程度の圧力で導入され、更に電極装置５のウエハ載置面以外の表面には、絶縁材からなるサセプタ１０とカバー１１が設けてあり、これらによりプラズマや反応性ガスから保護される。
【００４５】
次に、処理チャンバ１の上側には、この処理チャンバ１の内部を大気から隔離するため、石英やアルミナセラミックなどの絶縁材で作られた円板からなる蓋部材１７がカバーとして気密状態で載置され、これの内面側に、同じく石英やアルミナセラミックなどの絶縁材で作られている円形の板材１８により挟み込まれた形で、ウエハ３と対向するようにして２系統の誘導コイル１２、１３が設けてあり、これにより本発明が特徴とする高周波コイルシステムが形成されるようになっている。
【００４６】
ここで、各系統の誘導コイル１２、１３は、詳しくは後述するが、図２に示すように、所定のパターンに従って複数の要素に分割して構成され、夫々が電力分岐回路１４と整合回路１５を介して高周波電源１６に接続されている。
【００４７】
なお、この実施形態では、分布の制御性を考慮して、誘導コイルが２系統、設けてあるが、さらに多くの系統にしてもよく、一方、分布制御があまり重要でない場合は、１系統にしてもよい。
【００４８】
各誘導コイル１２、１３をカバーしている板材１８の内側には、金属円板からゆる導電体１９が設置されるが、これには、図２に示すように、複数本のスリット４１が放射状に形成してあり、その中心付近から電力供給ライン１９Ａが蓋部材１７の外側に引き出され、電力分岐回路１４と整合回路１５を介して高周波電源１６に接続されている。
【００４９】
ここで、詳しくは後述するが、この導電体１９が設けられていると、処理チャンバ１内にあるプラズマと誘導コイル１２、１３の間の容量結合が阻害されることになるが、ここで、この容量結合は、プラズマの着火に寄与するので、導電体１９を設けた場合には、プラズマが着火し難くなる。
【００５０】
しかして、この問題は、電力分岐回路１４を制御し、プラズマの点火時には導電体１９に多くの高周波電力を配分させ、プラズマの着火促進を図り、その後、誘導コイル１２、１３に高周波電力を重点的に配分してプラズマを高密度化するという、一連の着火シーケンスを実行させることにより、容易に解決できる。
【００５１】
導電体１９の内側には、絶縁体の板材からなるカバー２０が設けてあり、これにより処理チャンバ１内のプラズマ生成空間から、導電体１９が隔離されるようになっている。
【００５２】
そして、このカバー２０の略中央に、処理ガス配管２１に連通した複数個の吹出口２１Ａが設けてあり、これにより処理チャンバ１内に処理ガスが導入されるようになっている。
【００５３】
また、この実施形態では、処理チャンバ１の外側に空芯コイル４０が設けてあり、これにより、処理チャンバ１内のプラズマに所定の磁場を印加し、プラズマの輸送が制御できるようになっている。しかし、このことは、必ずしも必須の要件という訳ではない。
【００５４】
次に、図２により誘導コイル１２、１３の詳細について説明すると、まず、この図２では、円弧状の太い実線が処理チャンバ１内の真空中にあるコイルの主要部分となる複数個のコイル要素１２Ａ、１３Ａの夫々を表わし、太い破線は外側の大気中にあって、コイル要素間を接続している夫々の導線部１２Ｂ、１３Ｂを表わしており、このとき、各コイル要素１２Ａ、１３Ａの夫々の端部にある黒丸は、内部と外部を結ぶ導線の引出部１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅを表わす。
【００５５】
このときプラズマへの影響を減らすため、これらの導線の引出部は、上記したスリット４１と同じ位置に重ならないことが望ましく、この様子を示すため、図２には、導電体１９に設けてあるスリット４１も一緒に描いてある。
【００５６】
ところで、図３から図８で後述するように、本発明の実施形態としてのプラズマ生成用誘導コイルの分割方法と接続方法には種々のパターンがあるが、この図２は、高周波コイルシステムの好ましい実施形態の一例で、ここでは、２系統のプラズマ生成用誘導コイル１２、１３が、夫々基本的には２ターンのコイルになるように構成され、これを１ターンについて３分割し、各系統毎に６個のコイル要素を用いたものである。
【００５７】
詳しく説明すると、まず、この図２の実施形態における２系統の誘導コイル１２、１３は、円形の蓋部材１７の内周側と外周側に分けて、ほぼ同心円状に配置されている。ここでは、図示のように、内側が誘導コイル１２で、外側が誘導コイル１３になっている。
【００５８】
そして、これらの誘導コイル１２、１３は、上記したように、円弧状の太い実線で描かれている夫々６本のコイル要素１２Ａ、１３Ａと、太い破線で描かれている夫々５本の導線部１２Ｂ、１３Ｂで構成されている。
【００５９】
ここで、各コイル要素１２Ａ、１３Ａは、何れも、内周側から緩やかに外周側に延びる渦巻の一部をなす円弧として形成され、このとき各コイル要素１２Ａ、１３Ａは、夫々が半分の長さにわたって順次重なり合うようにして配置されている。
【００６０】
そして、各コイル要素１２Ａ、１３Ａは、夫々の両端にある引出部１２Ｃ、１３Ｃにおいて蓋部材１７の外側の大気中に導線で引き出され、各導線部１２Ｂ、１３Ｂにより順次接続されるが、このとき、上記した重なり合っている部分で折り返した形で接続され、これにより、上記したように、全体として２ターンのコイルが形成されるようになる。
【００６１】
このとき、各導線部１２Ｂ、１３Ｂは、図１に示されているように、蓋部材１７の上側に離れて配線されるようにし、これにより、処理チャンバ１内のプラズマから充分な距離がとれるようにする。
【００６２】
そして、各コイル要素１２Ａ、１３Ａの中で、最初コイルの端部を夫々引出部１２Ｄ、１３Ｄとし、最後のコイルの端部を夫々引出部１２Ｅ、１３Ｅとした上で、図１に示されているように、一方の引出部１２Ｄ、１３Ｄを夫々電力分岐回路１４に接続し、他方の引出部１２Ｅ、１３Ｅは夫々接地するのである。
【００６３】
ここで、本発明の実施形態における高周波コイルシステムを構成する誘導コイルの分割方法と接続方法には、種々のパターンがあり、コイルをどのように分割し、どのように配置し、どのように接続するかは、使用する周波数、コイルのインダクタンス、コイルに流れる電流と発熱量、生成させたいプラズマの分布などによって変わってくる。
【００６４】
そこで、上記実施形態の動作について説明する前に、本発明の実施形態による種々のパターンによる誘導コイルの分割方法と接続方法について説明すると、まず、図３は、最も基本的なパターンによる実施形態で、この誘導コイルは、基本的には２ターンのコイルである。
【００６５】
そして、この２ターンのコイルを１ターン当り４分割し、合計８個のコイル要素２２Ａとし、これらの端部をそれぞれ導線部２２Ｂで接続して２ターンのコイルとし、一方の端部２２Ｄにより高周波電源１６に接続し、他方の端部２２Ｅは接地したものである。
【００６６】
ここで、コイル要素２２Ａは、処理チャンバ１の中に設けられ、導線部２２Ｂは外側に引き出されていることは言うまでもない。このとき、大気側にある各コイル要素の導線部２２Ｂは、プラズマに影響しないように、プラズマから十分の距離をとることが望ましい。
【００６７】
ここで、従来技術における誘導コイルの場合、その巻き方に由来して対称構造が崩れてしまうので、プラズマの生成に偏りが出てしまうが、この図３の実施形態による高周波コイルシステムの場合、誘導コイルの中で、プラズマと結合する部分となるコイル要素２２Ａだけを処理チャンバ１内に配置させ、導線部２２Ｂは大気中に取り出されている。
【００６８】
ここで、誘導コイルの巻き方で、不均一な構造をもたらしているのは、この実施形態の場合、導線部２２Ｂだけであるが、これらは何れも大気中に配置されていて、各コイル要素２２Ａは、短く分割された結果、全て中心に対して対称的になっている。
【００６９】
従って、この図３の実施形態も含め、この後の図４以降の実施形態によれば、コイルの巻き方に起因するプラズマの偏りが防止でき、均一なプラズマを確実に生成させることができる。
【００７０】
なお、この図３の場合、コイル要素は対称的になっていても、誘導コイル全体で見た場合、これにかかる電圧は高周波電源１６側のコイル要素ほど高く、接地側ではゼロ電圧になるので、コイルの電圧によって直接電子が加速されるという容量結合性のプラズマが生成されてしまうと、電圧が高い部分でプラズマが強くなって、非対称性が生じる。
【００７１】
そこで、この図３以降では図示してないが、図１に示したように、各コイル要素と略直角に交差するようにしたスリット４１が形成され、接地した導電体１９をコイルとプラズマの間に設け、シールドとすることにより、コイルとプラズマとの容量結合を防止し、容量結合による非対称性を抑え、プラズマの軸対称性を完全に得ることができる。
【００７２】
また、このとき、導電体１９を接地する代りに、所定の電圧の電源に接続することにより、導電体１９とプラズマの間に設けられたカバー２０に入射するイオンを制御し、この表面での反応を制御することができる。
【００７３】
次に、図４は、各コイル要素２２Ａを、内周側から緩やかに外周側に延びる渦巻の一部をなす円弧として、つまり円周方向から外して、僅かに斜め方向に配置した場合の一実施形態で、この場合、図３に示したパターンに比較して、各コイル要素２２Ａが重なり合うようにして配置できるため、コイル個数を多くすることができる。
【００７４】
この結果、この図４の実施形態では、円周方向の均一性が更に良好になる点が利点として挙げられ、もう一点、生成されるプラズマの電子温度が低くなるという利点も挙げることができる。
【００７５】
このような場合、通常、電子は誘導コイルによって生成される電界に沿って、円周上で加速される。ここで、最も一般的な例として、１パスカル程度の圧力のもとで、１３.５６ＭＨｚの放電周波数においては、殆ど全ての電子は、中性気体分子やラジカルなど、何等かの粒子に衝突するまで加速される。
【００７６】
一方、図４に示す実施形態の場合、コイルが傾斜しているので、電子は若干径方向に加速されることになって加速電界を逸脱する電子が生じ、この結果、電子温度が低く抑えられるのである。
【００７７】
ここで、このような電子の加速距離による電子温度低下による効果は、例えば下記の論文、すなわち、
【００７８】
但し、コイル要素の傾斜が少ない場合、誘導電界は実質的にリング状に電子を加速させるように生じてしまう。従って、どの程度傾斜させるかは、放電の寸法とコイル要素とプラズマのカップリングの程度に大きく左右されるから、注意して決める必要がある。
【００７９】
次に、図５も、各コイル要素２２を円周方向から外して、僅かに斜め方向にした場合の一実施形態であるが、ここでは、更に各コイル要素２２Ａを長くし、周方向に概略５／６ターン(角度では略３００°)の長さになるようにした場合の一実施形態で、こうすることにより、別のターンを構成するコイル要素間の接続距離が短縮されるので、導線部２２Ｂが短くて済み、大気側での接続線の取り回しが合理的になる。
【００８０】
ところで、現在のところ、このようなプラズマ処理装置では、１３.５６ＭＨｚ程度の放電周波数が一般的に用いられているが、この場合、電子温度の低下など放電周波数を高くすることによる様々な効果が報告されており、プロセスによっては、周波数を高くする方が有利である。
【００８１】
ところで、このように放電周波数を高くした場合には、負荷(この場合は誘導コイル)のインダクタンスを下げる必要があるが、次の図６と図７は、このような要望に応えることができるようにした場合の実施形態で、これらは何れも図４の実施形態と同じコイル分割によるものであるが、夫々が各コイル要素の接続を変えた場合の実施形態になっている。
【００８２】
ここで、これら図６と図７の実施形態は、何れも各コイル要素を並列に接続するすることにより、合計したインダクタンスが低く抑えられるようにしたものであり、このとき、図６ではコイル要素２２Ａを２個づつ直列にして３回路のコイルとした上で、これらを並列に接続して３個の並列コイル回路としたもので、図７では６個のコイル要素２２Ａの全てを並列に接続して６個の並列コイル回路としたものである。
【００８３】
なお、このときの直列回路数と並列回路数は、これら図６、図７に示した接続方法に限らず、様々な接続パターンが考えられるが、それらは全て本発明に含まれるものである。
【００８４】
次に、図８は、図３の実施形態と同様なコイル分割形式を用い、更にプラズマの分布制御のため、中心付近に更にもう一系統の誘導コイルを設けた場合の一実施形態で、ここでは、内側の誘導コイルの構成要素については、符号に更にＡを付し、外側には更にＢが付してある。
【００８５】
この図８の実施形態の場合、図１に示した電力分岐回路１４によって、外側の誘導コイルと内側の誘導コイルに対する高周波電力の配分を変え、これにより、プラズマの分布を自在に制御することができる。
【００８６】
また、この図８の場合、外側の誘導コイルと内側の誘導コイルの距離を、これらのコイルとプラズマとの距離に対して十分大きくとることにより、夫々コイルにより別個の位置にプラズマを生成させることができ、従って、この場合、電力分岐回路１４により外側と内側のコイルの電力配分を変えてやれば、更に広範囲にプラズマの分布を制御することができる。
【００８７】
次に、図９も、図８とほぼ同様の構成であるが、更にＡが付された外側のコイルとＢが付された内側のコイルに流れる電流の向きを反転させた場合の一実施形態で、この場合、外側のコイルの各コイル要素２２ＡＡと内側のコイル要素ＡＢの間では誘導磁場が打ち消し合うようになる。
【００８８】
従って、この図９の実施形態の場合は、外側のコイルと内側のコイルの距離を図８の実施形態の場合よりも近くしても、夫々のコイルの近傍毎に完全に２箇所分けてプラズマを生成することができる。但し、このとき、内外各々のコイルに供給される高周波電力について、それらの位相を合わせておく必要があることは言うまでもない。
【００８９】
ここで、これら図８と図９の実施形態は、誘導コイルを２系統設け、各々の系統でコイルの電力配分を変え、プラズマ分布を制御するものであるが、次の図１０も同じく２系統のコイル配置による実施形態である。
【００９０】
そして、この図１０の実施形態は、図４と図５に示した、円周方向からコイル要素を斜めに逸らしたタイプの誘導コイルを２系統設けた場合の本発明の一実施形態であり、従って、これが図２の実施形態に相当する。
【００９１】
従って、図１と図２の実施形態によれば、コイルの巻き方に起因するプラズマの偏りが防止でき、均一なプラズマを確実に生成させることができる。
【００９２】
次に、同じく図１と図の実施形態によれば、接地した導電体１９をコイルとプラズマの間に設けてあるので、コイルとプラズマとの容量結合を防止し、容量結合による非対称性を抑え、プラズマの軸対称性を完全に得ることができる。
【００９３】
また、同じく図１と図２の実施形態によれば、各コイル要素１２Ａ、１３Ａが夫々重なり合うようにして配置できるため、コイル個数を多くすることができ、この結果、円周方向の均一性が更に良好になり、生成されるプラズマの電子温度を低く抑えることができる。
【００９４】
ところで、以上の実施形態では、何れの場合もコイル要素１２Ａ、１３Ａ、２２Ａの両端が大気側に引き出されており、しかも何れも１ターン以下の比較的短い長さに抑えられている。
【００９５】
従って、上記した本発明の実施形態によれば、各コイル要素１２Ａ、１３Ａ、２２Ａをアルミニウムなどの比較的熱伝導性のよい材料で形成してやれば、各コイル要素の熱が大気側に伝達されるので、各コイル要素の発熱による温度上昇を容易に抑えることができ、この結果、上記実施形態によれば、処理チャンバの温度管理が容易になり、構成の簡略化を図ることができる。
【００９６】
このとき、必要に応じて、導線部による放熱が更に促進されるようにしても良く、図１１は、導線部での放熱促進が図れるようにした本発明の一実施形態で、図示のように、例えばコイル要素２２Ａの大気中での導線部２２Ｂとして、冷却用のフィンを備えた導電体３０を設けたものである。
【００９７】
このとき、導電体３０は、大気に対して広い伝熱面積を与え、コイル要素２２Ａから伝達された熱を効率的に放散させる働きをするので、雰囲気温度に応じた所定の冷却機能が得られることになる。なお、必要に応じでファンなどによる強制空冷を適用しても良い。
【００９８】
この図１１では、分かり易くするため、コイル要素以外の部品が図示されてないが、実際には導電体３０は大気側で、コイル要素２２Ａは真空側にある。そして、この場合、冷却を考えると、各コイル要素の長さは短いほうがよく、願わくば１ターン未満であることが望ましい。
【００９９】
ここで、以上の説明では、本発明を半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置に適用した場合の実施形態を例としていたが、本発明は、上記したプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、プラズマＣＶＤ装置、プラズマアッシング装置、プラズマスパッタ装置などにも適用可能であり、更には半導体デバイスの処理のみならず、液晶ディスプレイ基板の処理や、その他、表面処理全般に適用が可能であることは言うまでもない。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、処理チャンバ内でのプラズマ生成領域が広い範囲にわたって均一化できると共に、電子の加速距離が短くなるので、電子温度の低下が得られる。
【０１０１】
これにより、ウエハがプラズマ生成部に近くても、均一なプラズマ分布が得られると共に、低電子温度化によりチャージアップダメージが低減できるという効果が得られる。
【０１０２】
また、本発明によれば、複数の系統の誘導コイルを設置することにより、それぞれのコイルに対してプラズマを生成し、プラズマやラジカルの分布を自在に制御することができる。
【０１０３】
更に、本発明によれば、コイルを分割し、大気側で接続することにより、プラズマ分布の均一性と共に、コイルが真空側にあっても、コイルの冷却が効率的に得られるという効果が得られる。
【０１０４】
そして、以上の結果、全体としてのプラズマ処理性能と装置の稼働率が向上でき、ハイスループットのもとでの微細なエッチング加工や、高品質の成膜加工、表面処理などを可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を示す平面図である。
【図３】本発明に係る誘導コイルの第１の実施形態を示すパターン説明図である。
【図４】本発明に係る誘導コイルの第２の実施形態を示すパターン説明図である。
【図５】本発明に係る誘導コイルの第３の実施形態を示すパターン説明図である。
【図６】本発明に係る誘導コイルの第４の実施形態を示すパターン説明図である。
【図７】本発明に係る誘導コイルの第５の実施形態を示すパターン説明図である。
【図８】本発明に係る誘導コイルの第６の実施形態を示すパターン説明図である。
【図９】本発明に係る誘導コイルの第７の実施形態を示すパターン説明図である。
【図１０】本発明に係る誘導コイルの第８の実施形態を示すパターン説明図である。
【図１１】本発明に係る誘導コイルの第９の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 処理チャンバ
１Ａ プラズマ処理室
２ 真空排気手段
３ 半導体ウエハ
４ 搬送システム
５ 電極装置(ステージ)
６ 直流電源
７ 静電チャック
８ 整合回路
９ 高周波電源
１０ サセプタ
１１ カバー
１２ 誘導コイル
１２Ａ コイル要素
１２Ｂ 導線部
１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ 引出部
１３ 誘導コイル
１３Ａ コイル要素
１３Ｂ 導線部
１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ 引出部
１４ 電力分岐回路
１５ 整合回路
１６ 高周波電源
１７ 蓋部材
１８ 板材
１９ 導電体
２０ カバー
２２ 処理ガス配管
２１Ａ 吹出口
２２Ａ コイル要素
２２Ｂ 導線部
２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ 引出部
３０ フィンを備えた導電部
４０ 空芯コイル
４１ スリット。
Claims (9)
- 処理チャンバの蓋部材に少なくとも実質的に１ターンのコイルからなるプラズマ生成用の誘導コイルを備えた誘導結合型プラズマ処理装置において、
前記誘導コイルが、前記処理チャンバの蓋部材の真空側に配置された複数の部分と、前記処理チャンバの蓋部材の外側の大気中に配置された複数の部分に分割されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１に記載の発明において、
前記プラズマ生成用の誘導コイルが、前記処理チャンバの中心から同心円状を為して配置された少なくとも２系統の誘導コイルで構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１に記載の発明において、
前記誘導コイルの処理チャンバ内に配置された複数の部分が、各々前記処理チャンバの中心に対して同心円の一部を為して配置されていることとを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１に記載の発明において、
前記誘導コイルの処理チャンバ内に配置された複数の部分が、各々前記処理チャンバの中心から始まる渦巻の一部を為して配置されていることとを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１〜請求項４に記載の何れかの発明において、
前記誘導コイルと前記処理チャンバ内のプラズマ発生空間の間に、前記処理チャンバ内に配置された複数の部分と略直交する方向にスリットを備えた導電板材が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１〜請求項５に記載の何れかの発明において、
前記処理チャンバに磁場印加手段が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項２に記載の発明において、
前記少なくとも２系統の誘導コイルは、夫々毎に電力配分制御されるように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項５に記載の発明において、
前記導電板材は、共通電位に対してゼロ電圧を含む所定の電圧が印加されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項５に記載の発明において、
前記導電板材に、プラズマ着火時とプラズマ着火後で異なった電圧を印加する手段が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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