JP3820333B2

JP3820333B2 - 放電プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3820333B2
Application number: JP32990899A
Authority: JP
Inventors: 岱二郎内田; 正博伊藤; 秀樹藤本
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: JP2001148300A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラズマを利用して基板、ターゲット等の被処理物にコーティング、エッチング、スパッタリング、CVD 等の処理を行なうようにした放電プラズマ処理装置に関するものである。一層特に、本発明は、磁気中性線放電プラズマを利用して基板、ターゲット等の被処理物にコーティング、エッチング、スパッタリング、CVD 等の処理を行なうようにした磁気中性線放電プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電プラズマ処理の一例として例えばプラズマエッチングは、化学的に活性なガスを、低圧下での放電によってプラズマ状態にし、それにより発生したイオンや中性ラジカル等の活性種と被エッチング材料とを反応させて反応生成物を気相中に脱離させるようにしたものであり、種々の形式のものが知られている。例として真空容器内にエッチングガスを導入し、直流電場と磁場とのマグネトロン放電を利用したもの、ジャイロトロンにより電子サイクロトロン共鳴（ECR)を起させて、低圧下で高電離プラズマを発生させるECR プラズマ源を利用したもの、或いは13.56MHzの高周波電力を印加してプラズマ状態にするもの等がある。
また、RFプラズマ励起によってエネルギの高いプラズマ状態を形成し、これにより反応ガスの化学的結合を分解して活性化された粒子間の反応により膜形成を行なうプラズマCVD も種々の形式のものが提案されている。
【０００３】
従来、このようなプラズマ利用装置においては、ほとんどの場合密度や温度の空間的非一様性や電場による加速に伴う速度空間内の非一様性が存在しており、そのためこれらを用いて基板に目的の作用を行わせる場合に効果の不均一性が生じ易く、特に荷電粒子のみならずラジカル（化学的活性種）が存在し、その振舞いも考慮しなければならないエッチングのようなプロセスでは、希望する分布、例えば均一性の確保は極めて経験的に実現するしかないという問題点があった。
またスパッタリングにおいてはターゲットの使用効率を上げるためカソードの背面側に設けられる電磁石または永久磁石を機械的に変位させてプラズマの位置を変えさせ、エロージョン領域をできるだけ拡く採れるようにしたり、或いは電磁石または永久磁石の構成に工夫をしてエロージョン領域を少しでも拡げることが行われているが、いずれの場合もカソードの使用効率の向上に苦しみ、装置自体が複雑になったり、かさばったりする等の問題点がある。
【０００４】
このような問題点を解決するため本出願人は先に、磁気中性線放電プラズマを利用したこの種の処理装置を種々提案してきた。その一例を図４に示す。
図４に示すプラズマ処理装置では、真空チャンバＡの円筒状周壁の外側には磁場発生手段を成す三つの電磁コイルＢ１、Ｂ２、Ｂ３が設けられ、そして上下の二つの電磁コイルＢ１、Ｂ３には同じ向きの同一定電流が流され、また中間の電磁コイルＢ２には逆向きの電流が流される。それにより、中間の電磁コイルＢ２のレベルでその内側に連続した磁場ゼロの位置ができ、円輪状の磁気中性線Ｃが形成される。
中間のコイルＢ２の内側には電場発生手段を成すコイルＤが設けられ、このコイルにより円輪状の磁気中性線Ｃに沿って高周波誘導電場（例えば13.56MHz）が加えられ、放電プラズマが効果的に生成される。真空チャンバＡの頂部にはガス導入口Ｅが設けられ、このガス導入口ＥからシャワープレートＦを介してプラズマとなるガスを導入するようにされている。
真空チャンバＡの下部には、基板電極Ｇが設けられ、高周波バイアス電源Ｈに接続されている。基板電極Ｇ上には処理すべき基板Ｉが配置され、そしてガス導入口（図示していない）及び排気口Ｊが設けられ、それぞれ適当なガス供給源及び排気ポンプに接続される。
【０００５】
このように構成された放電プラズマ処理装置においては、磁場発生手段の空間的構成または磁場発生手段を成すコイルに流す励磁電流を変えることにより基板に対して磁気中性線すなわち磁場ゼロの位置または形状（例えば輪の大きさ）を任意に変えることができると共に、輪状に形成されるプラズマの位置を任意に変位させることができ、また磁気中性線の部分に密度の高いプラズマを形成することができるという優れた特徴があり、これらの特徴を生かしてエッチング装置やCVD装置を種々提案してきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来、このようなプラズマ利用装置において、共通する課題として、装置の運転中に真空チャンバの側壁に付着物が堆積し、それが剥がれて処理している基板に付着したり、真空チャンバの側壁に堆積している異物がプラズマによってたたかれ、基板を汚すという問題がある。そのため、装置を予定の間隔でクリーニングしてこのような異物による汚染の影響を避ける必要がある。当然、クリーニング中は装置本来の処理動作は休止され、装置の稼動が低下することになる。
ところで本出願人は、磁気中性線放電プラズマを利用した処理装置において、磁気中性線の形成位置を比較的大きな自由度で移動できることを応用して、装置の真空チャンバの内壁、特に側壁をセルフクリーニングできるように構成したものも既に提案している（特開平０９−３０２４８４号公報参照）。
しかし、近年微細加工や素子の高密度化が進む状況下においては、製品の品質維持の観点から異物による汚染の影響は増々重要なファクターとなっており、そのため真空チャンバ内壁への異物の付着防止及び付着した異物や側壁からの異物の基板への混入防止をより効果的に達成できることが要望されるようになった。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決して、装置の運転中におけるプラズマ処理室の壁への付着物の堆積やそこからの異物の混入を実質的に避けることができるように構成した放電プラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、真空チャンバ内でプラズマを利用して被処理物を処理するようにした放電プラズマ処理装置において、
プラズマを利用して被処理物の処理の行われる真空チャンバの空間の側方周囲に補助真空チャンバを一体的に連通させて設け、補助真空チャンバの内壁における付着物が真空チャンバの上記空間内へ入り込むのを引き戻すように構成したことを特徴としている。
【０００９】
また本発明の別の特徴によれば、真空チャンバ内に連続して存在する磁場ゼロの位置からなる磁気中性線を形成するようにした磁場発生手段と、この磁場発生手段によって真空チャンバ内に形成された磁気中性線に沿って電場を印加してこの磁気中性線に放電プラズマを発生させる電場発生手段とを有し、真空チャンバ内でプラズマを利用して被処理物を処理するようにした磁気中性線放電プラズマ処理装置において、
プラズマを利用して被処理物の処理の行われる真空チャンバの空間の側方周囲に補助真空チャンバを一体的に連通させて設け、補助真空チャンバの内壁における付着物が真空チャンバの上記空間内へ入り込むのを引き戻すように構成される。
【００１０】
本発明によるこれらの装置において、真空チャンバの空間の側方周囲に設けられた補助真空チャンバは、装置の軸線方向に沿って真空チャンバの空間の上下距離より長い上下方向広がりをもつように構成され得る。
また、好ましくは、真空チャンバ内空間の側方周囲に設けられた補助真空チャンバの半径方向広がりは真空チャンバの空間の上下距離より大きく構成され得る。
さらに、真空チャンバ内空間の側方周囲に設けられた補助真空チャンバは真空排気系に接続され得る。
【００１１】
加えて、本発明の別の特徴による磁気中性線放電プラズマ処理装置においては、磁場発生手段は真空チャンバの空間の上下壁の外側に分けて配置される。
また、真空チャンバの上下壁は少なくとも部分的に誘電体材料で構成され、誘電体材料から成る真空チャンバの上下壁の部分の外側に電場発生手段が設けられ得る。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下添付図面の図１〜図３を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１には本発明の一つの実施の形態によるプラズマ処理装置を示し、１は円筒状の真空チャンバで、上部壁２及び下部壁３によって処理室を画定している。この真空チャンバ１の側方周囲は、一体的に連通して設けられた補助真空チャンバ４によって包囲されている。補助真空チャンバ４は真空チャンバ１の容積に比べて実質的に大きな容積をもちしかも真空チャンバ１の上下の壁２、３の間の距離を越えて装置の長手方向軸線に沿ってのびるように構成されている。
【００１３】
真空チャンバ１の上下の壁２、３はそれぞれアルミナや石英のようなセラミック材料から成る環状誘電体壁部分2a、3aを備え、また真空チャンバ１の下部壁３の中央には基板電極組立体５を収容する凹部3bが設けられている。基板電極組立体５は、装置の長手方向軸線に沿って上下方向に可動に設けられ、そしてコンデンサ６を介してバイアス用の高周波電源７に接続されている。真空チャンバ１の上部壁２には対向電極８が設けられ、その周囲にはプラズマ生成用のガスを導入するシャワープレート９が設けられている。対向電極８やシャワープレート９の内面特にプラズマに晒される部分は、特にエッチング装置として適用する場合にはエッチングに悪影響を及ぼさないＳｉＯ_２、Ｓｉ、Ｃ、ＳｉＣなどの物質で構成するか又は覆うのが好ましい。
真空チャンバ１は下部壁３の中央の凹部3bに設けた排気口1aを介して図示していない排気系に接続され、また補助真空チャンバ４は下部壁に好ましくは等間隔に設けた複数の排気口4aを介して図示していない排気系に接続される。
【００１４】
円筒状の真空チャンバ１の上下の壁２、３の周辺部の外側には装置の長手方向軸線に沿って磁場発生手段を成す四つの環状の電磁コイルが10〜13が配置され、そして図示したように外側の二つの電磁コイル10、13には同じ向きの同一定電流が流され、また内側の二つの電磁コイル11、12には外側の二つの電磁コイル10、13に流す電流と逆向きの電流がそれぞれ流される。それにより真空チャンバ１内に、連続した磁場ゼロの位置ができ、円輪状の磁気中性線14が形成される。この円輪状の磁気中性線14の形成される位置及び大きさは、外側の二つの電磁コイル10、13に流す電流と内側の電磁コイル11、12に流す電流との間の比を変えることによって適宜設定することができる。
内側の二つの電磁コイル11、12の内側で環状誘電体壁部分2a、3aに相対した位置には電場発生手段を成すループ状の金属製コイル15、16が設けられ、これらのコイルは高周波電源17に接続することにより、円輪状の磁気中性線14に沿って高周波誘導電場（例えば13.56MHz）が加えられる。これにより、放電プラズマを効果的に生成させることができるようになる。
また、図１には示されていないが、真空チャンバ１内に処理用ガスを導入するガス導入口が設けられている。
【００１５】
このように構成した装置の動作においては、真空チャンバ１内に形成された磁気中性線14内にコイル15、16によって生じられた高周波放電プラズマは、基板電極組立体５に装着された基板の処理に用いられる。この場合高周波を用いているので、磁気中性線14内より常にプラズマが生成され、湧きでてくることになる。そして外側の二つの電磁コイルに流す電流と内側の電磁コイルに流す電流とをそれぞれ制御することにより、円輪状の磁気中性線14の径や基板との距離が変化するので、基板の表面上への均一な処理が可能となる。
そしてこの場合、装置の動作中、補助真空チャンバ４の内周壁に付着した物質が剥れても補助真空チャンバ４の底部から真空ポンプで排気されるので、真空チャンバ１の空間へ入り込むことなく引き戻される。
【００１６】
また、対向電極８やシャワープレー９に付着した付着物は、電磁コイルに流す電流を制御することにより磁気中性線14の径を変えて、それらの壁をたたけるようにすることによってクリーニングすることができる（特開平０９−３０２４８４号公報参照）。
【００１７】
このように構成した図示装置はエッチング装置として適用でき、その場合、例えばＳｉＯ_２のエッチングおいては高周波電源17からコイル15、16への投入電力は１ｋＷ、基板バイアス高周波電源７の電力は300 Ｗ、補助ガスとしてアルゴン、エッチング主ガスとしてＣ４Ｆ８が導入され、ガス圧力は0.3Pa に設定され、またエッチング処理すべきウエハは直径200、真空チャンバ１の電極間距離は50〜60mm、補助真空チャンバ４の高さは150 〜250mm 、横方向幅50〜100mm 、外側の二つの電磁コイル10、13の起磁力は2000Ａ、内側の二つの電磁コイル11、12の起磁力は700 〜1000Ａ、ループ状の金属製コイル15、16の径は250mm に設計され得る。この条件でエッチング処理するこにより、付着物の混入なしに非常に高均一な高均質のエッチング分布が得られ得る。
【００１８】
図２には、本発明の別の実施の形態を示し、図１に示す装置と対応した部分は同じ符号で示す。図２に示す実施の形態では、真空チャンバ１の上下の壁２、３全体が石英などの誘電体材料で構成され、また補助真空チャンバ４の外周にはヒータ18が設けられ、このヒータ18は、補助真空チャンバ４の内周壁に装置の運転時に付着物が堆積するの防止する働きをする。
【００１９】
ところで、図示実施例においては、補助真空チャンバ４は真空チャンバ１と共に実質的に縦断面形状がＨ形になるように構成されているが、補助真空チャンバ４は、真空チャンバ１の電極間距離に対して十分な広がりをもてば任意の断面形状に構成することができ、例えば図３に示すような形状にすることができる。また代わりに、補助真空チャンバ４は円形または三角錐形の断面形状をもつようにすることもできる。
【００２０】
また、電場発生手段として図示実施の形態ではコイルは真空チャンバ１の上下外側に設けているが、代わりに補助真空チャンバ４又は真空チャンバ１内に設けることもでき、その場合には一つのコイルで構成することができ、またコイルの表面にアウトガスの少ないセラミック等のようなアウトガスの少ない絶縁体で被覆することによって、コイルに電流を流す回路と発生したプラズマとを電気的に絶縁することができ、取扱いが容易となる。
【００２１】
そしてまた、コイル１１及び同１２を一体にして一つのコイルとし、補助真空チャンバ４内もしくは外周の外に同心的に設置することにより、図４に示す従来型の３コイル式磁気中性線放電プラズマ処置装置と同様の様式で行うこともできる。
【００２２】
また、磁場発生手段は真空チャンバの側壁に設けるのではなく補助真空チャンバの外部に設けることもできる。
また、本発明は、スパッタリング装置、エッチング装置、ＣＶＤＣ装置等プラズマを利用するプロセス装置に適用することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、プラズマ処理室を構成する真空チャンバの側方周囲を囲んで一体的に補助真空チャンバを設け、プラズマ処理室の側壁を実質的になくすことにより、補助真空チャンバの側壁に付いた付着物の剥離や再離脱物が基板へ入り込むのを引き戻し、クリーンなプラズマ処理が可能となる。
また本発明を、磁場発生手段により発生された連続して存在する磁場ゼロの位置から成る磁気中性線に沿って電場発生手段により放電を起させ、プラズマを発生するように構成した磁気中性線放電プラズマ処理装置に適用した場合には、磁場発生手段に対する励磁電流を制御するだけで形成される磁気中性線の位置及び大きさを随意に調整でき、従ってプラズマの発生位置を容易に変位させることができ、その結果付着物の影響なしに均質均一なプロセス処理を行うことができるようになるたけでなく、処理室内のクリーニングも容易に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態による磁気中性線放電プラズマ処理装置の構成を示す概略縦断面図。
【図２】本発明の別の実施の形態による磁気中性線放電プラズマ処理装置の構成を示す概略縦断面図。
図１の装置における磁場の形成状態を示す概略図。
【図３】本発明のさらに別の実施の形態による磁気中性線放電プラズマ処理装置の全体形状を示す概略図。
【図４】先に提案した磁気中性線放電プラズマ処理装置の構成を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
１：真空チャンバ
２：上部壁
2a：環状誘電体壁部分
３：下部壁
3a：環状誘電体壁部分
４：補助真空チャンバ
５：基板電極組立体
６：コンデンサ
７：高周波電源
８：対向電極
９：シャワープレート
10〜13：環状の電磁コイル
14：磁気中性線
15、16：ループ状の金属製コイル

Claims

真空チャンバ内に連続して存在する磁場ゼロの位置からなる磁気中性線を形成するようにした磁場発生手段と、この磁場発生手段によって真空チャンバ内に形成された磁気中性線に沿って電場を形成してこの磁気中性線に沿って放電プラズマを発生させる電場発生手段とを有し、真空チャンバ内でプラズマを利用して被処理物を処理するようにした磁気中性線放電プラズマ処理装置において、
プラズマを利用して被処理物の処理の行われる真空チャンバの空間の側方周囲に補助真空チャンバを一体的に連通させて設け、補助真空チャンバの内壁における付着物が真空チャンバの上記空間内へ入り込むのを引き戻すように構成すると共に、磁場発生手段に対する励磁電流を制御して形成される磁気中性線の位置及び大きさを調整できように構成したこと
を特徴とする磁気中性線放電プラズマ処理装置。
真空チャンバ内空間の側方周囲に設けられた補助真空チャンバの外周に、補助真空チャンバ４の内周壁に装置の運転時に付着物が堆積するの防止するヒータを設けたことを特徴とする請求項1に記載の磁気中性線放電プラズマ処理装置。
磁場発生手段を真空チャンバの上記空間の上下壁の外側に分けて配置したことを特徴とする請求項1に記載の磁気中性線磁気中性線放電プラズマ処理装置。
真空チャンバの上下壁を少なくとも部分的に誘電体材料で構成し、誘電体材料から成る真空チャンバの上下壁の部分の外側に電場発生手段を設けたことを特徴とする請求項1に記載の磁気中性線放電プラズマ処理装置。