JP3804574B2 - 高周波誘導結合プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導結合プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェハやガラス基板などにエッチング、成膜、スパッタリング等の処理を施す基板処理装置として、プラズマを利用してそれらの処理を行うものがある。これらの基板処理装置に利用されるプラズマ生成装置の一つとして、誘導結合プラズマ励起法によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ生成装置がある。誘導結合型プラズマ生成装置では、プラズマ生成室の近傍に設けられた励起コイルに高周波電流を流してプラズマ生成室内に高周波磁界を生成する。高周波磁界はプラズマ生成室内に高周波誘導電界を誘起し、この誘導電界によってプラズマ生成室内のガスをイオン化することによってプラズマが生成される。
【０００３】
図７は従来のプラズマ生成装置の一例を示したものであり、図７（ａ）は励起コイルとしてソレノイド型コイル１００を用いるものであり、図７（ｂ）は平面型コイル１０４を用いるものである。図７（ａ）の装置では、ソレノイド型コイル１００を、プラズマ生成室を構成する管状チャンバ１０３の周囲に巻き付けるような形態で配置する。ソレノイド型コイル１００には整合器１０１を介して高周波電源１０２からの高周波電流が供給され、コイル１００の中心軸に平行な高周波磁界が管状チャンバ１０３内に形成される。その結果、管状チャンバ１０３内にプラズマＰが生成される。
【０００４】
一方、図７（ｂ）に示す装置では、チャンバ１０５の上端面に高周波導入窓１０６が設けられ、高周波導入窓１０６の外側に平面型コイル１０４が配設されている。平面型コイル１０４により形成された高周波磁界は高周波導入窓１０６からチャンバ１０５に侵入し、チャンバ１０５内の高周波導入窓１０６に近接した空間領域にプラズマＰが生成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなプラズマ生成装置が使用される基板処理装置においては、基板の大口径化が進展しつつあり、プラズマ生成装置に対しては、より大きなプラズマ領域の生成が要求されている。そのため、図７（ａ）のソレノイド型コイル１００を用いる装置の場合は、大口径基板に対応するにはコイル径を大きくするとともに、それに伴って十分な磁束密度を確保するためにコイル巻き数を多くする必要がある。
【０００６】
しかしながら、コイル形状の拡大はインダクタンスの増加と、巻き線の長さの増加による損失抵抗の増大を伴う。周波数一定であればインダクタンスの増加は電流阻止リアクタンスとして作用するので、整合器１０１で整合をとることによりこれを補正することになる。この補正は整合器１０１に設けられたキャパシターのキャパシタンスＣを小さくすることにより行われるので、寄生容量の影響を受けやすくなる。すなわち、整合条件が安定調整域を逸脱する方向に変化し、プラズマ生成が不安定となりやすい。
【０００７】
一方、図７（ｂ）の装置では、巻き数を多くしてコイル径を大きくしても、コイル中心部分の磁界強度がより大きくなるだけで、期待したようにプラズマ領域の拡大を図ることができないばかりか、均一性が低下するという問題があった。また、平面型コイル１０４の場合には、コイル下側のチャンバ空間だけでなくコイル上側の空間にも磁界が形成されるため、プラズマへのエネルギー伝達効率が劣るという欠点があった。
【０００８】
本発明の目的は、より大きな領域に均一なプラズマを形成することができる高周波誘導結合プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１〜３および５に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明による高周波誘導結合プラズマ生成装置は、プラズマが形成される筒状のプラズマ生成室２と、高周波磁界を形成する励起コイル６と、分離可能な複数の軟磁性体ブロック７１〜７７で構成され、励起コイル６で形成された高周波磁界の磁束をプラズマ生成室２内に均一に分布させる磁路構造体７と、複数の軟磁性体ブロックで構成される磁路構造体を所定の形状に保持する保持手段３，１３とを備え、ブロックの組み合わせを変更してプラズマ生成室内でのプラズマ分布を変更することを特徴とする。
（２）請求項２の発明による高周波誘導結合プラズマ生成装置は、プラズマが形成される筒状のプラズマ生成室２と、高周波磁界を形成する励起コイル６と、分離可能な複数の軟磁性体ブロック７１〜７７および軟磁性体ブロック７１〜７７よりも透磁率の小さな少なくとも一つのスペーサブロック８２で構成され、励起コイル６で形成された高周波磁界の磁束をプラズマ生成室２内に均一に分布させる磁路構造体７とを備えて上述の目的を達成する。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の高周波誘導結合プラズマ生成装置において、筒状プラズマ生成室の端面壁部および側面壁部を、高周波磁界が通過可能な部材で形成し、磁路構造体が、端面壁部に沿って配置される第１の構造体７Ａと、側面壁部に沿って配置される第２の構造体７Ｂとを備えるものである。
（４）請求項４の発明によるプラズマ処理装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の高周波誘導結合プラズマ生成装置と、プラズマにより処理される被処理体が収容されるチャンバとを備えたことを特徴とする。
【００１０】
なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による高周波誘導結合プラズマ生成装置の一実施の形態を示す図である。図１はプラズマ生成装置の概略構成を示したものであり、一点鎖線よりも図示上側の部分Ｂがプラズマ生成装置１を構成している。プロセス室である真空チャンバ１２の上部にはプラズマ生成装置１のプラズマ室２を形成するプラズマ室ボディ３が設けられている。プラズマ室ボディ３は従来装置の高周波導入窓と同様にセラミックスなどで形成されており、高周波磁界はプラズマ室ボディ３を通してプラズマ室２内へ侵入する。真空チャンバ１２は排気口１２ａに接続された真空ポンプ（不図示）により真空排気される。
【００１２】
図１に示すプラズマ生成装置１ではプラズマ室ボディ３は円筒形を成しており、プラズマ室ボディ３の外側には、円筒端面に対向するように励起コイル６が設けられている。励起コイル６は２ターンのソレノイド型コイルであり、整合器８を介してＲＦ電源９が接続されている。なお、本実施の形態では、励起コイル６はソレノイド型コイルとしたが、例えば、１ターンの平面型コイルとしても良い。ＲＦ電源９の周波数としては、経済性を考慮して１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度が用いられるが、本実施の形態では１３．５６ＭＨｚの高周波電源が使用される。
【００１３】
整合器８にはインピーダンス整合用のキャパシタが設けられており、このキャパシタのキャパシタンスを調整することにより整合条件の調整を行うことができる。プラズマを生成する際には、アルゴンガス等がプラズマ室２内に導入される。プラズマ室ボディ３の周囲には、プラズマ室ボディ３を覆うように磁路構造体７が設けられている。磁路構造体７は、後述するように励起コイル６で形成された磁束のリターン回路を構成しており、高周波特性の良い、すなわち励振周波数域での損失特性に優れた軟磁性体材料により形成される。例えば、鉄、ニッケル、コバルト等が用いられる。さらに、磁路構造体７は多数の分割ブロックで構成されており、内側のプラズマ室ボディ３と外側に設けられた枠部材１３とにより一定の形状に保たれている。
【００１４】
プラズマ室２と真空チャンバ１２との間には、導電性のグリッド型アパーチャ４が設けられている。アパーチャ４には電源５により電圧Ｖaccが印加されている。このアパーチャ４によりプラズマ室２にプラズマが閉じこめられるとともに、プラズマ中から引き出されたイオンが加速電圧Ｖaccにより図示下方に加速される。その結果、プラズマ生成装置１からイオンビームが引き出され、様々なプロセスに利用される。１０は、プラズマ生成装置１から引き出されたイオンビームの電流密度を計測するためのファラデーカップである。ファラデーカップ１０は真空チャンバ１２内を水平方向に走査可能な構造となっており、ファラデーカップ１０で検出されたイオン電流は、微小電流計１１により計測される。
【００１５】
図２はプラズマ室２に形成される高周波磁界を説明する図である。図２において、（ａ）プラズマ生成装置１における磁束線を示したものであり、（ｂ）は平面型コイルを用いた従来の装置の磁束線を示したものである。また、図２（ｃ）はプラズマ密度の分布を定性的に示したものであり、横軸はプラズマ室の径方向位置を表している。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、磁路構造体７は機能的に３つの部分から成る。第１は、励起コイル６の内部に配置されてコイル中心部分の磁束をまとめるとともに分布を均一化するコア部７Ａである。磁束線２０はこのコア部７Ａの下端面からプラズマ室２内に入り込む。第２は、励起コイル６およびプラズマ室ボディ３の外周部に設けられて、コア部７Ａの端面を出た磁束線２０をプラズマ室ボディ３の側面部分へと導く側面リターン部７Ｂである。プラズマ室ボディ３の側面部分を通過した磁束線２０は円筒状の側面リターン部７Ｂへと入る。第３は、側面リターン部７Ｂに侵入した磁束線２０をコア部７Ａに帰還させる背面リターン部７Ｃである。
【００１７】
本実施の形態のプラズマ生成装置１では、側面リターン部７Ｂを設けてコア部７Ａの下端面を出た磁束線２０を側面リターン部７Ｂ方向に導くことにより、プラズマ室２の全体に強度的に一様な磁界を形成することができる。高周波エネルギーは、励起コイル６から誘導磁界エネルギーとして放射され、プラズマ室２内のプラズマに供給される。
【００１８】
一方、図２（ｂ）は、従来の平面型コイルを用いた場合の磁束線の状況を示したものである。コイル２１で形成される高周波磁界は磁束線２２で示すように、プラズマ室２３の内部だけでなく、外部空間にも大きく分布している。これに対して、図２（ａ）に示したプラズマ生成装置１では、コア部７Ａの下端面を出た磁束線２０はほとんどが側面リターン部７Ｂに入り、それらは側面リターン部７Ｂおよび背面リターン部７Ｃの内部を通ってコア部７Ａの他端面に入る。すなわち、磁束線２０はプラズマ空間以外は磁路構造体７の内部にあって、図２（ｂ）に示す従来の装置のように装置外の空間に磁束線２０は漏れ出ない。そのため、プラズマへのエネルギー伝達効率が向上する。
【００１９】
さらに、側面リターン部７Ｂにより磁束線２０をプラズマ室側面方向に導くことにより、プラズマ室２内の磁束密度が均一となる。その結果、プラズマ室２内の広い領域にわたって均一なプラズマを形成することができる。図２（ｃ）はプラズマ密度の分布を定性的に示したものであり、横軸はプラズマ室の径方向位置を表している。本実施の形態の場合には、上述した理由から曲線Ｌ１で示すように均一な分布が得られる。一方、図２（ｂ）の平面型コイルを用いた装置では、コイル中心部分の磁界強度が大きいためにＬ２で示すように中心部分の分布が他の部分よりも大きくなり、均一性に劣っている。
【００２０】
また、磁路構造体７を設けたことにより、励起コイル６で形成された高周波磁界の磁束線２０は、プラズマ空間を通って磁路構造体７の側面リターン部７Ｂ方向に導かれる。そのため、要求されるプラズマ領域の大きさに応じて励起コイル６の径を大きくしなくても、磁束線２０をプラズマ領域の全体に導くことができる。励起コイル６の径を変えなくても良いということは、コイルの巻き線の長さに起因するリアクタンスの変化や、抵抗損失を避けることができ、インピーダンス整合が不安定となるのを防止することができる。
【００２１】
《磁路構造体７の詳細説明》
次に、磁路構造体７の詳細構造について説明する。前述したように、磁路構造体は多数の分割ブロックで構成されており、図３にその一例を示す。図３に示す磁路構造体７の場合には、７種類の軟磁性ブロック７１〜７７で構成されている。図３において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図３（ａ）に示すように、中心部分の円筒形ブロック７５の周囲には６つの扇形ブロック７４が周方向に配設されている。ブロック７５，７４は厚さが等しく、図３（ｂ）に示すように上下方向にそれぞれ４層設けられている。
【００２２】
ブロック７４の外側には周方向に配設される６つの円弧状ブロック７３が配設され、ブロック７３の外側には周方向に配設される６つの円弧状ブロック７２が配設され、さらにブロック７２の外側には周方向に配設される６つの円弧状ブロック７１が配設されている。各ブロック７３，７２，７１は半径方向に配設され、それらの厚さはブロック７５，７４と等しく、各ブロック７３，７２，７１は２層だけ設けられている。ブロック７２の下側には、平面視が同一で厚みの厚い円弧状ブロック７７が３層配設されている。また、ブロック７１の下側には、平面視が同一で厚みの厚い円弧状ブロック７６が３層配設されている。ブロック７７，７６の厚さはブロック７２，７１の２倍に設定されている。
【００２３】
ブロック７４とブロック７７との間にはブロックは配設されておらず、リング状の空間８０が形成されている。空間８０には２ターンの励起コイル６が配設されている。これらのブロック７１〜７７で構成される磁路構造体７は、プラズマ室ボディ３と枠部材１３とによりその形状が保持されている。各ブロック７１〜７７は軟磁性体材料で形成されており、枠部材１３の材料には非磁性材料であるセラミックスやプラスチックスなどが用いられる。
【００２４】
このように、本実施の形態では、磁路構造体７を小さなブロック７１〜７７で構成したことにより、一部のブロックを取り除いたり、材質の異なるブロックで置き換えることにより、磁束の分布、すなわち、プラズマの分布を微妙に変更することができる。各ブロック７１〜７７は軟磁性体材料で形成されているので、ブロックの配置が変更されて磁路構造体７の形状が変わると、磁束分布も変化するからである。
【００２５】
図４（ａ）は、図３に示した磁路構造体７の場合のイオンビーム電流密度の分布を示したものである。一方、図４（ｂ）は、図３に示した磁路構造体７において、４層になっているブロック７５の内の４層目のブロックＤ（７５）を除いた場合のイオンビーム電流密度の分布を示したものである。図４において、縦軸はイオンビーム電流密度であり単位は任意単位（Ａ．Ｕ．）としている。また、横軸はプラズマ室２の中央からの位置を表している。なお、これらの分布は、図１のファラデーカップ１０を図示左右方向に走査してイオンビーム電流を検出することにより得られる。
【００２６】
図４（ａ）に示す分布の場合には中央部にピークＰ１があり、中央部で電流密度が最も大きくなる。そして、中央から離れるにつれて電流密度は徐々に小さくなり、領域Ｅの外側では急激に小さくなる。一方、ブロックＤを取り除いた図４（ｂ）の場合には、中央部から離れた対称位置にピークＰ２，Ｐ３がある。中央部の電流密度はピークＰ２，Ｐ３の電流密度よりも小さくなっている。領域Ｅ内における電流値の幅をそれぞれΔＩ１，ΔＩ２とすると、ΔＩ２＜ΔＩ１となっており、図４（ｂ）の場合の方がプラズマ分布の均一性が良いことがわかる。
【００２７】
このように、磁路構造体７を複数のブロック７１〜７７で構成したので、ブロックを組み替えることで容易にプラズマ分布の調整を行うことができる。なお、ブロックＤ（７５）を抜いたことにより磁束分布が変化して整合パラメータが変化するが、そのような整合パラメータの変化は整合器８でマッチングを取ることにより対応できる。また、ブロックＤ（７５）を抜いた部分に非磁性体のスペーサブロックを配設することにより、形状維持を確実に図るようにしてもよい。スペーサブロックの材料としては非磁性であれば良く、例えば、金属であればアルミや銅、非金属であればＰＴＦＥ等のフッ素樹脂やセラミックスなどを用いることができる。
【００２８】
また、プラズマ生成装置１を構成する各部品を全て軸対称に構成するのは現実的に困難であり、そのような場合には磁路構造体７の非対称形状とならざるを得ず磁束分布に非対称性が生じ易い。本実施の形態では、軟磁性体ブロックを非磁性のスペーサブロックと置き換えることによって、磁路構造体７を実質的に対称形状とすることができる。
【００２９】
例えば、励起コイル６は電力供給のための配線を磁路構造体７の外側に引き出さねばならず、引き出し部分の穴等を磁路構造体７に形成するために対称性が崩れてしまう。図５は励起コイル６を磁路構造体７の上方に引き出した場合の図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＧ−Ｇ断面図である。図５に示すように、励起コイル６の外部への引き出し部分では符号Ｆの部分のブロック７２が２層分取り除かれている。この場合には、符号Ｆを付した部分と軸対称な位置にある３カ所のブロック７２（２層分）をスペーサブロック８２で置き換える。この置き換えにより、磁路構造体７の対称性を保つことができ、磁束密度分布が対称となる。スペーサブロック８２の材料には、空間Ｆの透磁率とほぼ等しい透磁率を有するものを用いれば良い。なお、スペーサブロック８２との置き換えではなく、スペーサブロック８２の部分をブロックを配設しない空隙としても良い。
【００３０】
また、同一設計のプラズマ生成装置１であっても、現実的には装置毎に微妙な差が生じる。そのような装置毎のばらつきもブロックの構成を変えることにより調整することができる。そのような場合には、単に非磁性のスペーサブロック８２を用いるだけでなく、スペーサブロック８２の材料として透磁率の異なる磁性体材料を用いても良い。
【００３１】
さらに、磁路構造体７を分割ブロック構造にしたことによる他の利点としては、同一のプラズマ生成装置１を種々の基板処理装置に搭載することが可能となることである。すなわち、基板処理装置毎にプラズマ条件が異なっていても、ブロックの構成を変えることにより磁路構造体７の実質的な形状を変えられるので、それぞれの条件に対応することが可能となる。その結果、プラズマ生成装置を基板処理装置毎に設計・製作する必要がなくなり、プラズマ生成装置の共通化によるコストダウンや製作日数の短期間化などを図ることができる。
【００３２】
なお、磁路構造体７を多数のブロックに分割するときの分割形状は図３，５に示すのものに限定されず、例えば、図６のようなブロックを用いて構成しても良い。図６に示す例では、軟磁性ブロックを全て同一の円柱形状としている。この場合には、枠部材１３内に円柱状の軟磁性ブロック８３を敷き詰めて磁路構造体７を形成する。このような軟磁性ブロック８３を用いた場合には、種々の形状の磁路構造体７に対応しやすくなるとともに、ブロック８３が全て同一形状であるため、ブロック８３の製造コストを低減することができる。さらに、一部を円柱状スペーサブロックと置き換える場合にも、より細かく置き換えることができるという利点を有している。
【００３３】
上述した実施の形態では、ブロックからなる磁路構造体７に対して枠部材１３を設けることにより磁路構造体７の形状を保持するようにしたが、保持方法はこれに限定されない。また、ブロックの組み替え易さに難点は有るが、ブロック同士を接着剤により接着して固定しても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、磁路構造体を設けたことにより、磁束をプラズマ生成室内の広い領域に均一に分布させることができ、より大きな領域にプラズマを形成することができる。さらに、磁路構造体を分離可能な複数のブロックで構成したので、軟磁性体ブロックの一部を取り外したりスペーサブロックと交換したりすることで磁束分布の微調整が可能となり、所望の磁束分布をより精度良く形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高周波誘導結合プラズマ生成装置の一実施の形態を示す図である。
【図２】高周波磁界の様子を従来の装置と比較して示した図であり、（ａ）は本実施の形態の高周波磁界を、（ｂ）は従来の平面型コイルの高周波磁界を、（ｃ）はプラズマ密度分布を示す図である。
【図３】磁路構造体７の詳細構造を示す図であり、（ａ）は磁路構造体７の平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図４】イオンビーム電流密度の分布を示す図であり、（ａ）は図３の磁路構造体７の場合の分布を示し、（ｂ）は図３の磁路構造体から４層目のブロックＤ（７５）を取り外した場合の分布を示す。
【図５】ブロック７１〜７７の一部をスペーサブロック８２で置き換えた場合の磁路構造体７を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図６】軟磁性ブロックとして同一形状の円柱状ブロック８３を多数用いた場合の斜視図である。
【図７】従来のプラズマ生成装置を示す図であり、（ａ）はソレノイド型コイルを用いる装置、（ｂ）は平面型コイルを用いる装置である。
【符号の説明】
１ プラズマ生成装置
２，２３ プラズマ室
３ プラズマ室ボディ
４ グリッド型アパーチャ
６ 励起コイル
７ 磁路構造体
７Ａ コア部
７Ｂ 側面リターン部
７Ｃ 背面リターン部
８ 整合器
９ ＲＦ電源
１２ 真空チャンバ
１３ 枠部材
２０，２２ 磁束線
７１〜７７，８３ 軟磁性ブロック
８２ スペーサブロック

Claims (4)

1. プラズマが形成される筒状のプラズマ生成室と、
   高周波磁界を形成する励起コイルと、
   分離可能な複数の軟磁性体ブロックで構成され、前記励起コイルで形成された高周波磁界の磁束を前記プラズマ生成室内に均一に分布させる磁路構造体と、
   前記複数の軟磁性体ブロックで構成される前記磁路構造体を所定の形状に保持する保持手段とを備え、前記ブロックの組み合わせを変更して前記プラズマ生成室内でのプラズマ分布を変更することを特徴とする高周波誘導結合プラズマ生成装置。
2. プラズマが形成される筒状のプラズマ生成室と、
   高周波磁界を形成する励起コイルと、
   分離可能な複数の軟磁性体ブロックおよび前記軟磁性体ブロックよりも透磁率の小さな少なくとも一つのスペーサブロックで構成され、前記励起コイルで形成された高周波磁界の磁束を前記プラズマ生成室内に均一に分布させる磁路構造体とを備えたことを特徴とする高周波誘導結合プラズマ生成装置。
3. 請求項１または２に記載の高周波誘導結合プラズマ生成装置において、
   前記筒状プラズマ生成室の端面壁部および側面壁部を、高周波磁界が通過可能な部材で形成し、
   前記磁路構造体は、前記端面壁部に沿って配置される第１の構造体と、前記側面壁部に沿って配置される第２の構造体とを備えることを特徴とする高周波誘導結合プラズマ生成装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の高周波誘導結合プラズマ生成装置と、
   プラズマにより処理される被処理体が収容されるチャンバとを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。

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