JP3987033B2 - 誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造 - Google Patents

Description

本発明は，プラズマ発生装置のアンテナ構造に係り，さらに誘導結合型プラズマ発生装置で高電圧の印加とアンテナの全区域に亘る電圧の不均一性による不均一なプラズマ密度分布を均一にできるよう並列アンテナを使用してインピーダンスを下げ，各アンテナは相互対称に設置し電源端と接地端側及びアンテナの中間部を相互平行に交差して設置してチャンバ内部でプラズマ密度分布を回転方向について均一かつ対称に形成されるようにしたものである。

半導体装置を製造する技術分野では，半導体ウエハ，平板表示装置又は同様のものの基板に微細パターンを形成するため，ドライエッチング，化学気相蒸着，スパッタリングなど各種表面処理工程を行うべくプラズマを生成させる。最近はコスト節減及びスループット向上などを達成するために半導体装置用ウエハや平板表示装置用基板のサイズが，例えば３００ｍｍ以上に大型化する傾向を示している。これに伴い大型のウエハや基板を加工するためのプラズマ発生装置が大規模化している。

ところで，プラズマ発生装置のうち幅広く使用されるものとしては，誘導結合プラズマ発生装置，容量結合型プラズマ発生装置などがある。さらに，これらの基本的なプラズマ発生装置に磁場を印加する方法も提案されている。

誘導結合型プラズマ発生装置はプラズマの密度が高いものの，均一度を改善するためには多くの付随要素を必要とする。たとえば中間部を他の部分よりも厚い誘電体を使用したり，ドーム状にアンテナを変形させて使用したりしている。ところが，これらは構造が複雑になるのみならず酸化膜エッチングなどの工程には適用し難い。

上述したような誘導結合型プラズマ発生装置はプラズマが生成されるチャンバを備える。このチャンバには反応ガスを供給するためのガス注入口とチャンバの内部を真空に維持し，反応が終わると反応ガスを排出するための真空ポンプ及びガス排出口が備えられている。また，上記チャンバ内にはウエハ，ガラス基板などの試料を載置するためのチャックが備えられている。上記チャンバ上には高周波電源の接続されたアンテナが設けられる。上記アンテナとチャンバとの間には絶縁板を設けられ，アンテナとプラズマとの容量性結合を減少させることによって，高周波電源からのエネルギが誘導性結合によってプラズマに伝達されることを助ける。

このような構造の誘導結合型プラズマ発生装置は次のように動作する。すなわち，先ずチャンバの内部が真空ポンプによって真空化するよう排気される。次いでガス注入口からプラズマを発生させるための反応ガスが導入され，必要な圧力に維持される。そして上記アンテナに高周波電源からの高周波電力が印加される。

従来の誘導結合型プラズマ発生装置には単一の螺旋型アンテナまたは複数個の分割電極型アンテナが使用されている。このため，ＲＦ（radio frequency）電力が印加されるにつれ，アンテナがなす平面と垂直方向の時間的に変る磁場が形成される。このような経時的に変化する磁場はチャンバの内部に誘導電場を形成する。誘導電場は電子を加熱してアンテナと誘導結合されたプラズマが発生するようになる。このように電子は周辺の中性気体粒子と衝突してイオン及びラジカルなどを生成し，これらはプラズマエッチング及び蒸着に用いられる。さらに，別の高周波電源からチャックに電力が印加されれば，試料に入射するイオンのエネルギを制御することも可能になる。

しかし，螺旋型アンテナを構成する各誘導コイルは直列連結されているので，誘導コイル毎に流れる電流量が一定になる。この場合，誘導電場の分布調節が難しく，チャンバ内壁でイオン，電子は失われる。このため，プラズマの中心部は高い密度を有するようになり，チャンバの内壁に近い箇所ではプラズマの密度が低くなる。従って，プラズマ密度を均一に維持することは極めて困難である。

また，アンテナの各誘導コイルが直列に連結されているため，アンテナによる電圧降下が大きくなるため，プラズマとの容量性結合による影響が高まる。従って，電力効率が低下しプラズマの均一性を維持することも難しくなる。

次いで，互いに位相が異なる３つの高周波電源にそれぞれ接続された３つの分割電極構造のアンテナにおいては，各分割電極に近い位置ではプラズマの密度が高く，チャンバの中央部のほどプラズマ密度が低くてプラズマ密度の均一性確保に困難を伴い，特に広い面積の試料を処理することが著しく困難になる。また，電源を効率的に使用するためのインピーダンス整合のためには，各分割電極毎に独自的なインピーダンス整合回路を使用すべきであるところ，それぞれ独立的に動作する電源を使用すればコスト高になるという問題点があった。

本出願人はこのような問題点を解消するために，外部アンテナと内部アンテナを独立的に形成される誘導結合型プラズマ発生装置を韓国特許出願第２０００-６５６９６号におて提案した。このプラズマ発生装置では，外部アンテナと内部アンテナの一端にはそれぞれ１次誘導コイルと２次誘導コイルを形成し，この１次誘導コイルと２次誘導コイルが相互誘導作用をなされ得るようにする。これにより，外部アンテナに高周波電力を供給すれば，１次誘導コイルと２次誘導コイルの相互誘導作用によって，２次誘導コイルが形成された内部アンテナにも外部アンテナに供給されたと同様の周波数を有する電力が供給される。内部アンテナに供給される電力は１次誘導コイルと２次誘導コイルとの間の交差率を調節したり，あるいはフェライトコアの軸方向移動したりすることによって調節することができる。

上述したプラズマ発生装置では，ループ型アンテナの構造的な原因によってチャンバ内部におけるプラズマ密度分布が均一でない問題点を有する。すなわち図１に示すように従来のループ型アンテナのＡ-Ａ'線及びＢ-Ｂ'線断面上から見ると，図２に示すように，プラズマ密度がアンテナ１の中間部では相対的にプラズマ密度が高い区域Ｚが形成され，アンテナの電源端及び接地端側のプラズマ密度は相対的に低く現れ，Ａ-Ａ'線及びＢ-Ｂ'線断面上におけるプラズマ密度分布が互いに対称にならず不均一である。

このようなプラズマ密度分布が回転方向について非対称的に発生される原因は，例えばアンテナの電源端側が相対的に高電圧が印加されるため，イオン損失が発生するようになり，よってプラズマ密度の降下がなされるからである。またループ型アンテナの切れた部分，すなわち電源端と接地端との間では電流の流れがゼロ(０)となるので，誘導電場が発生しなくなって，この部分のプラズマ発生が弱くなりプラズマ密度降下が発生するからである。

また，従来のアンテナは，高電圧の印加によって発生するプラズマ内に半導体素子の収率を低下させるダスティパーチクル(dusty particle)が形成される問題点もあった。

本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，プラズマ発生装置におけるアンテナの構造を改善し，高電圧を印加させなくても，ダスティパーチクルの生成を抑制することができるとともに，アンテナの全区域に亘る均一な電圧分布を可能にし，チャンバ内部におけるプラズマ密度分布を回転方向について対称かつ均一に発生させることができ，これにより大口径のウエハまたは大面積の平板表示装置のプラズマ加工を効率よく行うことができるプラズマ発生装置を提供するところにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，一端にＲＦ電源が印加される電源端が形成され，他端は接地される少なくとも二つのループ型アンテナが電気的に並列連結され、一方のアンテナの電源端と他方のアンテナの接地端はアンテナの中心に対して対称位置に配置され、チャンバ上に設置される誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナにおいて，前記各アンテナはほぼ同一面状に配置され，前記各アンテナの電源端と接地端は前記チャンバから遠い位置に配置され，各アンテナの前記各端部を除く中間部は前記チャンバに近い位置にくるよう相互平行に交差設置されることを特徴とする誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造が提供される。

本発明では，アンテナを並列結合させることによってアンテナのインピーダンスを下げることができ，これによって電圧の不均一性問題を解消できると共に，低電圧下でも均一な電圧分布を有するようにすることができる。このため，高電圧の印加による収率の低下を防ぐことができ，並列アンテナを外側と内側に設けてアンテナを広く製作できるため，工程面積を大口径化できる。

また，例えば平板型チャンバ上に設けられるアンテナは上下に交差設置され，シリンダ形チャンバ上に設けられるアンテナは同一平面上で内外に交差設置させてチャンバ内に回転方向に均一なプラズマ密度を形成させることができる。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造であって，前記アンテナは，一端にはＲＦ電源が印加される電源端が形成され，他端には接地された接地端が形成され，前記アンテナはそれぞれ，方形よりなる内部アンテナと外部アンテナが並列連結されて構成され，前記内部アンテナは，並列結合された２つの方形ループ型アンテナが２層に対称に重畳設置され，前記外部アンテナは２つの辺を有するＬ字形よりなる並列結合された４つのアンテナが１辺ずつ重畳されるよう２層に対称設置され，前記各アンテナの電源端はチャンバから遠い位置に配置され，前記各アンテナの接地端はチャンバから近い位置にくるように，配置されることを特徴とする誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造が提供される。

以上詳述したように，本発明によれば，アンテナを並列アンテナとして使用し，各アンテナを上下または内外に全体または部分的に重畳するよう交差させる構造にすることによって，アンテナが電気的に並列結合されているため，インピーダンスが低下して低電圧下でも均一な電圧分布が可能である。このため，高電圧の印加によって収率に影響を与えるダスティパーチクルの発生を抑えることができ，複雑な電圧調節を行うことなく，ウエハが加工される円形または方形のチャンバ内部で回転方向についてプラズマ密度分布を対称的に発生させることができる。これにより，プラズマ発生効率を高めて，大口径のウエハや大面積の平板表示装置を加工するのに適したプラズマ発生装置を提供できる効果をそうすることができる。

添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

以下，本発明にかかる誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造について，添付図面に基づき第１の実施形態を説明する。図３は本実施形態にかかるプラズマ発生装置のアンテナ構造の概略構成を示す斜視図であり，図４は図３に示すアンテナが設けられた誘導結合型プラズマ発生装置の概略構成を示す横断面図である。

図３及び図４に示すように，本実施形態におけるアンテナは，一端にＲＦ電源が印加される電源端が形成され，他端の接地端は電気的に接地された誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナにおいて，アンテナは少なくとも二つのループ型アンテナ１０，２０が並列に設置される。各アンテナの電源端Ｐと接地端Ｇはアンテナ１０，２０の中心に対して対称位置に配置され，各アンテナ１０，２０の電源端Ｐと接地端ＧはチャンバＣから遠い位置，すなわち上部に配置され，各アンテナ１０，２０の中間部１０Ａ，２０ＡはチャンバＣから近い位置，すなわち下部にくるように，相互に平行に，互いに途中で交差するように設置されたものである。

前記各アンテナ１０，２０は電気的に並列に連結されているのでアンテナの全体的なインピーダンスは低下し，よって低い電圧の印加が可能になる。

前記各アンテナ１０，２０の上下交差範囲は以下の通りである。すなわち，電源端Ｐと接地端Ｇの属する上部とアンテナ１０，２０の中間部１０Ａ，２０Ａの属する下部が半分ずつ上下に対称に交差されている。これにより，アンテナ１０，２０の中間部１０Ａ，２０Ａに形成されるプラズマ高密度を使用する際に，電源端Ｐ側の高電圧によるイオン損失による密度降下を補償することができ，プラズマ密度分布の均一性を向上させることができる。

図５は図３のＣ-Ｃ'及びＤ-Ｄ'断面上におけるプラズマ密度分布を示したグラフであって，図１に示した既存のプラズマ発生装置と同一な条件下でプラズマ密度分布を測定したものである。図５によれば，本実施形態によるアンテナが設けられた誘導結合型プラズマ発生装置では，Ｃ-Ｃ'及びＤ-Ｄ'断面のようにプラズマの密度分布がチャンバの中心から四方に対称をなしていることを示していることがわかる。

すなわち，本発明でＣ-Ｃ'断面上におけるプラズマ密度分布が中心部について左右にほぼ対称をなしていることを示しているが，これは一側アンテナ１０の電源端Ｐ及び接地端Ｇと他側アンテナ２０の中間部分２０Ａが交差されたＣ位置と，他側アンテナ２０の電源端Ｐ及び接地端Ｇと一側アンテナ１０の中間部分１０Ａが交差されたＣ'位置におけるプラズマ密度がほぼ均一に発生することを示している。

また，Ｃ-Ｃ'線とＤ-Ｄ'線上におけるプラズマ密度分布もほぼ同一の曲線をなしていてチャンバ内でプラズマの密度分布が回転方向について対称をなしていることが分かる。

図６は本発明の第２の実施形態にかかるアンテナの斜視図である。本実施形態では３つのアンテナ１０，２０，３０が電気的に並列に接続され，各アンテナ１０，２０，３０の電源端Ｐと接地端Ｇはアンテナの中心に対して対称位置に，すなわち相互１２０°角度に離隔配置され，上，中，下部(１０，１０ｂ，１０Ａ)，(２０，２０ｂ，２０Ａ)，(３０，３０ｂ，３０Ａ)の平行な３段に３重交差設置された特徴を有する。

図６に示す３重交差型アンテナは，アンテナの個数と交差回数がさらに高まることによって回転方向に対する対称性向がさらに向上したものであり，本発明の原理によれば交差されるアンテナの個数をさらに多くし，交差間隔を稠密にすることによってさらに低いインピーダンスの確保が可能であり，プラズマ密度分布の回転方向に対する対称性もさらに精巧にすることができる。

図７は本発明の第３の実施形態にかかるアンテナの斜視図であり，図８は本アンテナが設けられたプラズマ発生装置の概略的な断面図である。本実施形態に示されたアンテナはシリンダ形チャンバに設けられるアンテナであって，同一平面上に二つのアンテナ１０，２０が内外に交差設置されたもので，回路的には第１の実施形態のそれと同様である。

図９は本発明の第４の実施形態にかかるアンテナの斜視図である。本実施形態のアンテナも図８に示したようなシリンダ形チャンバに設けられるアンテナであって，同一平面上に３つのアンテナ１０，２０，３０が最外側１０，２０，３０，中間部１０ｂ，２０ｂ，３０ｂ，最内側１０Ａ，２０Ａ，３０Ａの同心円上で３重に交差設置されたものであり，回路的には第２の実施形態のそれと同一である。

図１０は本発明の第５の実施形態にかかるアンテナの設置状態図である。本実施形態では図示していないチャンバ上部の平板型誘電体上部外側と内側にそれぞれ交差設置された並列アンテナ(Ａ，Ｂ;図３または図６に示されたアンテナ)が電気的に相互並列接続されたものである。大口径の半導体を加工しようする場合には，大口径のチャンバ内側と外側のプラズマ密度分布を均一にできるよう並列アンテナを２重または３重に同心円上に配置することによってチャンバ内における回転方向及びチャンバ外郭とチャンバ内側のプラズマ密度分布が均一になるようにする。

なお，上述した各実施形態の図面では円形の半導体ウエハの表面を処理するためのアンテナ構造について説明したが，本発明の概念と原理は後述するＬＣＤ，ＰＤＰ，有機ＥＬなど平板表示装置として使用される方形（例えば長方形）の被加工物をプラズマ処理するもの，例えばチャンバそれ自体を方形（例えば長方形）で製作し，その上に長方形アンテナを設けたプラズマ発生装置にも適用できる。

すなわち，図１１及び図１２はそれぞれ本発明の第６の実施形態にかかるアンテナの斜視図と概略的な平面図である。このアンテナは長方形に形成されており，２層に重畳された構造をなしている。

図１１及び図１２に示す実施形態のアンテナでは，それぞれ長方形よりなる内部アンテナＢと外部アンテナＡをそれぞれ導体である電源ブロックＥと接地ジャンパＤに並列連結する。インダクタンスのマッチングが容易になるように，内部アンテナＢは二つの四角ループ型アンテナＢ１，Ｂ２を２層対称にして重畳設置する。外部アンテナＡは二つの辺を有するＬ字形よりなる四つのアンテナＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を１辺ずつ重畳されるよう２層対称にして設置してインダクタンスのマッチングが容易になるようにする。内外部アンテナＢ，Ａをなす各アンテナＢ１，Ｂ２，Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は，電場効果を減少ささせるために，それぞれの電源端Ｐはチャンバから遠い位置にくるようにし，接地端Ｇはチャンバから近い箇所に配置する。これにより，プラズマの均一度向上及びアンテナとチャンバとの間に設けられた誘電体の内壁に発生する蒸着が少なくなるようにして，洗浄周期を延ばすことができ，装置の使用時間を延ばすことができる。

内部アンテナＢと外部アンテナＡをなす各アンテナＢ１，Ｂ２，Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４も並列回路をなしているため，内部アンテナＢのインダクタンスの和が外部アンテナＡのインダクタンスの和より大きい。これによって電流は相対的にインダクタンスが小さい外部アンテナＡに多く供給されるため，チャンバの外側と中心部とのプラズマ密度を均一に制御できる。外部アンテナＡは，４つに分割された略Ｌ字形のアンテナＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を１辺ずつ上下に交差するように配置する。これにより，外部アンテナＡ自体のインダクタンスが大きくなることを防止できる。内部アンテナＢは電源端と接地端が相互対称の位置に配置されている。このため，回転方向についても均一なプラズマを発生させることができる。

以上詳述したように，本発明によれば，アンテナを並列アンテナとして使用し，各アンテナを上下または内外に全体または部分的に重畳するよう交差させる構造にすることによって，アンテナが電気的に並列結合されているため，インピーダンスが低下して低電圧下でも均一な電圧分布が可能である。このため，高電圧の印加によって収率に影響を与えるダスティパーチクルの発生を抑えることができ，複雑な電圧調節を行うことなく，ウエハが加工される円形または方形のチャンバ内部で回転方向についてプラズマ密度分布を対称的に発生させることができる。これにより，プラズマ発生効率を高めて，大口径のウエハや大面積の平板表示装置を加工するのに適したプラズマ発生装置を提供できる効果をそうすることができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造に適用可能である。

従来のプラズマ発生装置のアンテナ構造を示した平面図である。 図１のＡ-Ａ'及びＢ-Ｂ'断面上におけるプラズマ密度分布を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態にかかるプラズマ発生装置に使用されるアンテナの概略構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態にかかるアンテナが設けられた誘導結合型プラズマ発生装置の断面図である。 図２に対応するグラフであって，本発明の第１の実施形態にかかるアンテナが設けられたプラズマ発生装置において図３に示すＣ-Ｃ'及びＤ-Ｄ'断面上におけるプラズマ密度分布を示す図である。 本発明の第２の実施形態にかかるアンテナの斜視図である。 本発明の第３の実施形態にかかるアンテナの斜視図である。 図７に示すアンテナが設けられた誘導結合型プラズマ発生装置の断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかるアンテナの斜視図である。 本発明の第５の実施形態にかかるアンテナの設置状態図である。 本発明の第６の実施形態にかかるＬＣＤ，ＰＤＰまたは有機ＥＬなどの長方形大面積被加工物の処理に使用できるよう長方形構造で製作したアンテナを示す斜視図である。 図１１に示すアンテナの平面図である。

符号の説明

１０ アンテナ
２０ アンテナ
３０ アンテナ
Ａ 外部アンテナ
Ａ１〜Ａ４ Ｌ字形アンテナ
Ｂ１，Ｂ２ 長方形ループ型アンテナ
Ｂ 内部アンテナ
Ｃ チャンバ
Ｄ 接地ジャンパ
Ｅ 電源ブロック
Ｇ 接地端
Ｐ 電源端

Claims (4)

1. 一端にＲＦ電源が印加される電源端が形成され，他端は接地される少なくとも二つのループ型アンテナが電気的に並列連結され、一方のアンテナの電源端と他方のアンテナの接地端はアンテナの中心に対して対称位置に配置され、チャンバ上に設置される誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナにおいて，
   前記各アンテナはほぼ同一面状に配置され，前記各アンテナの電源端と接地端は前記チャンバから遠い位置に配置され，各アンテナの前記各端部を除く中間部は前記チャンバに近い位置にくるよう相互平行に交差設置されることを特徴とする誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造。
2. 前記各ループ型アンテナは，上下に交差設置されることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造。
3. 前記各ループ型アンテナは，内外に同心円上で交差して設置されることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造。
4. 誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造であって，
   前記アンテナは，一端にはＲＦ電源が印加される電源端が形成され，他端には接地された接地端が形成され，
   前記アンテナはそれぞれ，方形よりなる内部アンテナと外部アンテナが並列連結されて構成され，
   前記内部アンテナは，並列結合された２つの方形ループ型アンテナが２層に対称に重畳設置され，
   前記外部アンテナは２つの辺を有するＬ字形よりなる並列結合された４つのアンテナが１辺ずつ重畳されるよう２層に対称設置され，
   前記各アンテナの電源端はチャンバから遠い位置に配置され，前記各アンテナの接地端はチャンバから近い位置にくるように，配置されることを特徴とする誘導結合型プラズマ発生装置のアンテナ構造。

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