JP3805808B2 - 高周波放電処理装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は薄膜素子の製造、粒子ビーム源や分析装置などのプラズマ源に用いられる放電装置を用いた高周波処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属、半金属、半導体、酸化物、窒化物、硼素などを構成要素とする薄膜を具備する素子は、LSI、磁気記録素子、光記録素子などの記憶装置、半導体レ−ザ、光電変換素子などの通信機器、平面デイスプレイ、固体撮像素子などの表示装置、太陽電池などのエネルギ−機器など、多種多様な装置の主要部品に応用されており、今後、機器の小型化、高性能化を進展させるための必須部品として技術的発展が期待されている。
【0003】
上述したような薄膜素子の構造の微細化、高性能化が進むにつれ、その製造方法としては放電プラズマを用いて様々な原料を分解したり、固体材料をスパッタしたりしてCVDやエッチングを行うプラズマプロセスが利用されるようになっている。そのため、プラズマ源として、無磁場や有磁場における誘導結合型の高周波プラズマが脚光を浴びている。
【0004】
通常、無磁場や有磁場における誘導結合型高周波プラズマは、真空容器の外に置かれたル−プ状アンテナによって生成される。この方式は通常、外部アンテナ方式と呼ばれている。すなわち、この外部アンテナ方式の場合、アンテナを流れる高周波電流がつくる磁界を、真空容器に形成された石英やセラミックなどの誘電体窓を通して上記真空容器内のプロセスガスに印加してプラズマを生成するようになっている。このとき、高周波電力は誘導電磁界を通してプラズマと結合する。
【0005】
なお、プロセスガスとしては、CVDの場合には原料ガスが用いられ、エッチングの場合にはエッチング用反応性ガスが用いられる。
しかしながら、上記アンテナの回りには強い静電界も同時に発生し、イオンを加速して誘電体窓の損傷を引き起こす。このことは単に誘電体窓の寿命を短くするだけでなく、上記窓がスパッタされることによって生じた不純物がエッチングやCVDなどのプロセスを劣化させることになる。
【0006】
このようなアンテナとプラズマとの静電的な結合は、ファラデイ−シ−ルドを施すことによって防止できるが、このシ−ルドはプラズマ生成に最も必要な電磁的結合も弱めてしまうという欠点がある。
【0007】
上述した誘電体窓を通して電磁的結合を行う外部アンテナ方式には、窓材が金属に比べて機械的に損傷し易いという欠点の他に、導電性材料のプロセスには適用しにくいということがある。
【0008】
すなわち、前者では機械的強度を劣化させる要因の一つにエッチングなどのプロセスによって消耗し、寿命が限られてしまうということがある。後者は誘電体窓の内面に導電性薄膜が堆積し、その膜内に流れる渦電流によってプラズマ生成に必要な電磁的結合が絶たれるため、放電が停止してしまうことがある。
【0009】
このような問題を解決する一つの方法として、金属アンテナを真空容器内に直接配置し、これに高周波電流を流す内部アンテナ方式を採用することが考えられる。この場合も上記アンテナの表面に導電膜が堆積するが、もともとアンテナは金属製であるからなんら支障はない。
【0010】
しかし、この方式ではアンテナが真空容器内で生成されるプラズマに直接触れるため、静電気的結合が原因で電子の損失が増え、プラズマ電位が異常に上昇し、ア−キングが起きて放電が不安定になり、プラズマ密度を上げることができなくなる。
【0011】
上述したプラズマ電位の異常上昇は、金属アンテナの表面を誘電体で覆って絶縁することで防ぐことが可能である。しかしながら、誘電体で絶縁したアンテナの場合、前述した誘電体窓のときと同じように、イオンがアンテナ表面の誘電体をたたくためにスパッタリングが起こり、不純物の発生とアンテナの短寿命化の問題が生じることになる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
このように、アンテナを真空容器の外部に設置した場合には窓部材の早期損傷や不純物の発生を招くということがあり、内部に設置した場合にはアンテナがプラズマに直接触れるため、プラズマ電位が異常に上昇してア−キングが生じ、放電が不安定になりプラズマ密度を上げることができなくなる。
【0013】
プラズマ密度を上げるために、上記アンテナの表面を誘電体で被覆すると、スパッタリングによって不純物の発生を招いたり、アンテナが早期に損傷するなどのことが生じる。
【0016】
この発明の目的は、容器内に設けられるアンテナの表面を誘電体で被覆しなくとも、アンテナとプラズマとの静電的結合が原因による電子の損失をなくすことで、プラズマ電位の異常上昇を招くことなく被加工物を処理できるようにした高周波放電処理装置を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載された発明は、被加工物を放電プラズマによって処理する高周波放電処理装置において、
内部に上記被加工物が設置されるとともにプロセスガスが供給される容器と、
この容器内に露出して設けられるとともに両端部が外部に導出されその一端がアースされたル−プ状アンテナと、
このアンテナの他端に接続されアンテナに高周波電流を流して変動磁界を発生させることで上記プロセスガスを励起してプラズマを生成させる高周波電源と、
この高周波電源と並列に接続され上記アンテナの周囲を覆う磁力線を発生させる直流電源とを具備し、
上記ループ状アンテナは、プラズマ状態が形成される領域に含まれる位置に設けられていることを特徴とする高周波放電処理装置にある。
【0022】
請求項2に記載された発明は、上記ループ状アンテナは巻数が複数であるあることを特徴とする。
【0025】
【作用】
請求項1の発明によれば、アンテナを容器内に設けても、不純物の発生やアンテナの早期寿命を招くことなく被加工物をプラズマ処理することができる。
【0026】
請求項2の発明によれば、アンテナの巻数を複数にすることで、このアンテナによって形成される磁界強度が増強され、イオンがアンテナ表面に衝突する確率が低くなる。
【0027】
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。
図2はこの発明の高周波放電処理装置を示し、同図中1はステンレス製の容器である。この容器1の底部には中途部に排気ポンプ2を有する排気管3が接続されている。上記排気ポンプ2が作動することで、上記容器1内が減圧されるようになっている。
【0028】
上記容器1の上部にはエッチング用の反応性ガスやCVD用の原料ガスなどのプロセスガスの供給管4が接続されている。この供給管4は図示しないプロセスガスの供給部に連通している。したがって、上記容器1内にはプロセスガスが供給されるようになっている。上記容器1内にはテ−ブル6が設けられ、このテ−ブル6上には後述するごとくエッチグやCVDが行われる被加工物7が載置されている。
【0029】
さらに、上記容器1内には導電性の材料によってル−プ状に形成されたアンテナ11が設けられている。この実施例ではアンテナ11は複数の巻数、たとえば2巻に形成されていて、その両端部は上記容器1の周壁から外部に気密に導出されている。外部に導出されたアンテナ11の一端はア−スされ、他端は駆動制御部12に接続されている。
【0030】
上記駆動制御部12は図1に示すように高周波電源13と、磁力発生手段としての直流電源14とが上記アンテナ11の他端に並列に接続されてなる。なお、アンテナ11の巻数はなんら限定されるものでなく、複数でなく1巻であってもよいが、磁界を増強するためには複数の方がよい。
【0031】
上記高周波電源13を作動させて上記アンテナ11の高周波電力を印加すると、その高周波電力によって容器1内に供給されたプロセスガスが励起され、そのガスがプラズマ状態となる。したがって、容器1内の被加工物7には、容器1に供給されるプロセスガスの種類に応じてエッチングやCVDなどのプラズマ加工が行われることになる。
【0032】
上記直流電源14を作動させて上記アンテナ11に直流電力を印加すると、そのアンテナ11の周囲を後述するごとく磁力線で覆うことができる。そのため、プラズマ中の電子は上記磁力線によって上記アンテナ11の表面と絶縁されるため、アンテナ11とイオンとの静電的結合によってプラズマ電位が異常上昇するのが防止されるばかりか、イオンによるスパッタが生じるのも防止できる。
【0033】
図6はアンテナ11の周囲を磁力線B で覆う場合を説明している。すなわち、プラズマP内に置かれた半径aの直線円柱型のアンテナ11に沿って高周波電流が流れる場合について考える。
【0034】
まず、円柱座標系(r、θ、z)を図示のごとくとる。このとき、導体(アンテナ11)表面には高周波の電荷が現れ、プラズマP内の荷電粒子がr方向に加速される。電子はイオンに比べて軽いため、より多くの電子がアンテナ11に吸収され、その結果、プラズマ電位が異常に上昇してしまう。また、アンテナ11表面は時間平均的に負に帯電し、その負電位に引かれて正イオンがアンテナ11表面をたたき、金属スパッタリングを起こしてしまう。
【0035】
しかしながら、アンテナ11表面をθ方向に磁力線B で覆うと、電子eはロ−レンツ力で矢印で示すように曲げられるため、アンテナ11の表面に到達しにくくなる。すなわち、電子は磁力線B が作る磁界に絶縁されるため、電子がアンテナ11に吸収されてプラズマ電位が異常に上昇するのが防止される。また、アンテナ11表面が負に帯電しないから、正イオンがアンテナ11表面をたたくスパッタリングも生じにくい。
【0036】
上記磁力線B が有効に機能するための条件は、磁力線B がアンテナ11表面と鎖交しないことであり、図6の場合、磁力線B はz方向であってもよく、あるいはアンテナ11を囲むヘリカル状であってもよい。
【0037】
図1に示す実施例では高周波電流IRFに直流電流IDCを重畳させてアンテナ11に流すようにしているが、図5に示すようにアンテナ11の近傍に永久磁石や電磁石などの磁石21を配置するようにしてもよい。磁石21はそのものが高周波の電位で変動し、線状のカプス磁場を伴うので、その磁力線B によって上記アンテナ11の周囲を絶縁することが可能である。
【0038】
すなわち、アンテナ11の使用形態等に応じて磁力線を発生させる手段を直流電源14にしたり、磁石21にすればよい。
つぎに、この発明の実験結果について説明する。アンテナ11を直径約10cmの1回巻の銅製ル−プアンテナとしてステンレス製の容器11内に設置し、このアンテナ11に13.56MHzの高周波電流を流すと同時に、直流電流IDCを流した。放電用のプロセスガスとしては水素を用い、容器1内の圧力が0.6mTorrと、2mTorr の場合とで、それぞれ高周波電力を40W一定に維持して直流電流IDCを変化させたときのプラズマ電位Vpを測定した。
【0039】
その結果を図3に示す。この図の縦軸のプラズマ電位Vpはアンテナ11面から3cm離れた位置で測定した値である。直流電流IDCが100A以下で磁界が弱いとき、プラズマ電位Vpが高く、ア−クが頻発して放電が不安定になることが確認された。しかし、直流電流IDCを増すにつれて図から明らかなようにプラズマ電位Vpが低下する。それによって、プラズマ密度の上昇を確認することができた。
【0040】
図4は水素のガス圧をパラメ−タとし、高周波電力Wと直流電流IDCとの関係を測定した。この実験からは、高周波電力Wが高くなると、放電を安定化するのに必要な最低の直流電流IDCが増大することが分かった。すなわち、図3に基づいて説明したように直流電流IDCを増すにつれてプラズマ電位Vp が低下して放電の安定化が図れるが、図4から分かるように放電の安定化を図るためにはガス圧力が高いほど、大きな直流電流IDCが必要となる。このことは、電子に対する磁界の効果が衝突によって弱められるからであると考察できる。磁界を増強するにはアンテナ11に流す直流電流IDCを増大したり、アンテナ11の巻数を多くすればよい。
【0041】
すなわち、直流電源14によりアンテナ11に直流電流IDCを流すことで上記アンテナ11の周囲に磁界を形成すれば、プラズマ電位Vpを低くすることができる。プラズマ電位Vpが低くなれば、アンテナ11に対してイオンが与える衝撃も低減されるから、上記アンテナ11が損傷するのが防止される。
【0042】
しかも、直流電流IDCを流すことでプラズマ電位が低下すると、プラズマ密度が上昇する。そのため、従来のようにガス圧を上昇させずにプラズマ密度を高くすることができるから、高周波放電の低圧化を図ることができ、しかもプラズマ密度を高くすることができれば、大口径化も可能となる。
【0047】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、アンテナの早期損傷や不純物の発生を招くことなく、被加工物を放電処理することができる高周波放電処理装置を提供することができる。
【0048】
請求項2の発明によれば、ループ状アンテナの巻数を複数にすることで、磁力線によって上記アンテナの周囲に形成される磁界を増強して放電の安定化を図ることができるから、容器内の被加工物に対する放電処理を精密に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の高周波放電装置の概略図。
【図2】上記高周波放電装置を用いた高周波放電処理装置の概略図。
【図3】直流電源を変化させたときのプラズマ電位との関係を示したグラフ。
【図4】ガス圧をパラメ−タとして高周波電力と直流電流との関係を示したグラフ。
【図5】アンテナの周囲に磁石によって磁力線を発生させる説明図。
【図6】アンテナの周囲に磁力線を発生させたときの磁力線と電子の動きとの関係を説明した説明図。
【符号の説明】
1…容器、
7…被加工物、
11…アンテナ、
12…駆動制御部、
13…高周波電源、
14…直流電源、
21…磁石
Claims (2)
- 被加工物を放電プラズマによって処理する高周波放電処理装置において、
内部に上記被加工物が設置されるとともにプロセスガスが供給される容器と、
この容器内に露出して設けられるとともに両端部が外部に導出されその一端がアースされたル−プ状アンテナと、
このアンテナの他端に接続されアンテナに高周波電流を流して変動磁界を発生させることで上記プロセスガスを励起してプラズマを生成させる高周波電源と、
この高周波電源と並列に接続され上記アンテナの周囲を覆う磁力線を発生させる直流電源とを具備し、
上記ループ状アンテナは、プラズマ状態が形成される領域に含まれる位置に設けられていることを特徴とする高周波放電処理装置。 - 上記ループ状アンテナは巻数が複数であることを特徴とする請求項1記載の高周波放電処理装置。
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JP06119295A JP3805808B2 (ja) | 1995-03-20 | 1995-03-20 | 高周波放電処理装置 |
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JP06119295A Expired - Lifetime JP3805808B2 (ja) | 1995-03-20 | 1995-03-20 | 高周波放電処理装置 |
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-
1995
- 1995-03-20 JP JP06119295A patent/JP3805808B2/ja not_active Expired - Lifetime
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