JP4606637B2

JP4606637B2 - マグネトロン型平行平板表面処理装置

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Publication number: JP4606637B2
Application number: JP2001114352A
Authority: JP
Inventors: 由紀香村
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: JP2002313784A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体等の製造装置に係わり、特に、マグネトロン型平行平板表面処理装置の磁場構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から半導体製造プロセス等においてはエッチング、プラズマＣＶＤ(chemical vapor deposition)、アッシング等の表面処理に際して、真空容器内にプラズマを発生させ、被処理基板あるいはウェハの表面に所定の処理を行うように構成された表面処理装置が用いられてきた。
【０００３】
今日ではデバイスの集積度がますます高くなり、またスループットの向上も極めて重要であるため、これらの表面処理装置においては歩留まりの向上はもちろんのこと、微細な処理を高速に実施することがとりわけ重要視されている。更に、アスペクト比の高いコンタクトホールをエッチングする場合、プラズマ密度を上げると後で示す様にシース幅が短くなりシースで中性ガスと衝突して散乱されるイオンの量が減る。そのため、イオンがコンタクトホールの側壁に斜め方向に衝突してコンタクトホールが中膨れのボーイング形状になったり、垂直なホール形状が得られないといった問題が解消出来、垂直な形状のコンタクトホールをエッチング出来る。また、プラズマ密度が高いと高速エッチングが可能になる。
【０００４】
この為、プラズマ密度を上げて基板の高速処理を可能とするとともに、圧力を下けてイオンが加速されるシース中での散乱を防ぐのがエッチングプロセスにおける近年の技術趨勢である。また、アッシングする場合でも圧力が低いと蒸気圧の低い物質が残渣として残ることはなく、プラズマ密度が高いと高速処理か可能になる。プラズマＣＶＤを行う場合には、圧力が低いと気相反応が抑えられダストが発生しない。
【０００５】
以上の説明の根拠の一つとなる前述の、プラズマ密度とシース幅について説明する(出典：Principles of plasma discharges and materials processing, M.A.Liebermaan, A.J.Lichtenberg)。
【０００６】
プラズマのデバイ長は次式で与えられる。
λ_Ｄｅ＝７４３（Ｔ_ｅ／ｎ_ｅ）^０．５
ここに、λ_Ｄｅはｃｍ表記のデバイ長で、Ｔ_ｅはvoltで表した電子温度、ｎ_ｅはｃｍ^３当たりの電子密度である。このデバイ長を使うとプラズマのシース長Ｓはチャイルドの式より次の様になる。
【０００７】
Ｓ＝［（２^１／２）／３］λ_Ｄｅ（２Ｖ_ｏ／Ｔ_ｅ）^３／４
ここで、Ｖ_ｏはシースにかかる電圧である。例えば、Ｔ_ｅ＝３ｅＶ、ｎ_ｅ＝１０^１１個／ｃｍ^３、Ｖ_ｏ＝６００Ｖの場合について計算するとシース幅は０．１７ｃｍ＝１．７ｍｍとなる。ガス圧２ＰａでＡｒ：３００ｓｃｃｍ、Ｃ_４Ｆ_８：１０ｓｃｃｍの標準プロセスでは、Ａｒの平均自由行程は１５ｍｍであるのでシース中でのＡｒの散乱は少ない。しかし、Ｃ_４Ｆ_８のＡｒ中の平均自由行程はＡｒの１／３．５倍程度しかないため，イオン化されたＣ_４Ｆ_８の平均自由行程は４ｍｍ程度となり、シース中での衝突散乱は無視出来ない。実際、距離ｘを無衝突で走る粒子の割合はExp(‐x/λ)で与えられ（ここで、λは平均自由行程、ｘは飛行距離）、これを計算するとExp(‐x/λ)＝０．６５が得られる。従って、シースへ入射するイオン全体の３５％が衝突散乱する事になる。Ｃ_４Ｆ_８のイオン化率はＡｒよりはるかに大きいためこの散乱率は無視出来ない値となる。これが側壁のエッチングを引き起こし中ぶくれのボーイング形状となる原因となる。プラズマ密度を２倍に上げれば、シース長さは０．７倍程度になりボーイング形状を抑える事が出来る。
【０００８】
プラズマ密度を上げるには周波数を上げ高周波電力を増やせばよいが、現在主に用いられているＶＨＦ帯例えば６０ＭＨｚ以上に周波数を上げると、高周波は伝送条件が厳しくなり、プラズマ負荷とうまく結合しなくなる等の問題もあり、平行平板型の表面処理装置に用いるには非常な努力が必要である。また高周波電力を増やすと異常放電を起こしやすいと言った問題もある。
【０００９】
この問題を解決して、プラズマ密度を上げ、圧力を下げるために、磁場を使うマグネトロン型平行平板表面処理装置が有望視されている。
【００１０】
例えば、特開平11−283926号には、図１６に示すプラズマ処理装置が開示されている。図１６に示したプラズマ処理装置は、図１７に示す様なポイントカスプ磁場を発生させるため、小さな矩形状磁石aを対向電極２の裏側に極性を交互に変えて多数配置した装置である。この場合の磁場構造と作用について説明する。図１６において図示しないプロセスガス導入手段により処理室１の内部にプロセスガスを導入し、対向電極２と基板載置電極３の間隙に高周波を導入するとプラズマが発生する。磁石の極性が逆であるため、隣り合う磁石aの間に磁束が発生し、プラズマ中の電子がトラップされ中性粒子を効率よくイオン化し、プラズマ密度が上がる。こうして低いガス圧でプラズマ密度を増加させ、精度良いエッチングが可能になるとしている。
【００１１】
さらにこの様に極性が逆のマグネットを交互に並べると対向電極付近では強い磁場が得られるが、少し距離のある基板載置電極付近では磁力が打ち消しあい、磁束はほとんど存在せず、基板付近のプラズマ密度が均一になるとしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には次のような問題が認められる。すなわち、隣り合う磁石aの極性は交互に逆転させているが、磁石aから出た磁束が該磁石の周辺に均一に分布せず、極性が逆の隣の磁石の方に強く集まり、電子がうまく磁束にトラップされずプラズマ密度が十分に上がらないといった問題がある。
【００１３】
この電子トラップがうまく行かない理由は、次に説明するＥｘＢドリフトによる。このＥｘＢドリフト現象は、磁場と電場の両方に垂直な方向に電子やイオンがドリフトしていく事を言う。このため、磁石ａの周辺の極性を異にする４個の磁石の方向にのみ磁場が強く、他の方向では磁場が弱い従来のポイントカスプでは、ＥｘＢドリフトで電子が磁場の弱い部分に逃げ、そこから磁場が更に弱い部分に拡散していく。このため、電子の中性粒子電離効率か下がり、プラズマ密度は大きくは上昇しない。
【００１４】
このポイントカスプによるプラズマ閉じ込めメカニズムを図１６、図１７を用いて説明する。aは矩形状磁石で、電子は磁石aの間の中間線に沿つた方向、図１７で示すＥｘＢドリフト方向に流れていく。すると、電子はゼロ磁場ポイント付近で磁場が弱くなるため、磁場トラップから逃れて磁場のさらに弱い方向へ拡散していく。このＥｘＢドリフト線はいわゆるガイディングセンターで、このガイディングセンター以外に位置する電子は、ガイディングセンターに向って磁力線に巻き付きながらドリフトしていく。このドリフトの理由は、磁石aの付近で磁場が強く、そこから離れるにつれて磁場が弱くなり、磁場の弱い方向に電子が拡散していく力が働くためである。
【００１５】
特に、高周波放電では瞬時的なシース電界は平均シース電界より大きな値を示し、この瞬時電界に追随出来る電子は大きなＥｘＢドリフト速度を得る。例えば、６０ＭＨｚの容量性放電では、面積６００ｃｍ^３の対向電極に電力１８００Ｗを導入すると、２ＰａのＡｒとＣ_４Ｆ_８のガス雰囲気では電圧３００Ｖを示すシース部分にピークツーピーク電圧５ｋＶの約半分の電界が存在する。このため２００Gaussの水平磁場強度で、電子は数百ｅＶと言う高速でＥｘＢドリフトをおこし、６０ＭＨｚの一周期の間に磁場による有効トラップ距離以上を走り、ゼロ磁場で発散し、プラズマ密度を上げるのにあまり有効ではない。
【００１６】
この電子運動について図１７のＡ１−Ａ２断面を示す図１８を用いてより詳しく説明する。
【００１７】
図１８において、Ｂ１は対向電極の手前から出て対向電極の向こうに入る磁束の方向を示し、Ｂ２は対向電極の向こう側から出て対向電極のこちら側に入る磁束の方向を示す。対向電極から出た電子は実線の軌道を取りながら、シース中をサイクロイド運動100aする。磁場がこのまま続くと破線の様に運動し続ける。しかし、実際にはゼロ磁場ポイントに達し、そこで極性が反対方向の磁場に進入する。するとこの部分では、磁束の方向は今までの方向とは逆のため、電子は逆方向のサイクロイド運動1OObを描き、よりバルクプラズマの方向に近づく事になる。なお点線は、Ｂ２磁場と電場Ｅが続いている場合のサイクロイド運動(仮想)を示す。このため、電子はゼロ磁場付近を中心に往復運動し最終的にはゼロ磁場付近でシースを抜けて磁場の無いバルクプラズマの方へ逃げる。磁場の強い所でバルクプラズマに入れば磁場閉じ込めにより効率よくイオン化が起るが、磁場の弱い所でバルクプラズマに入るため電離効率はあまり大きくならない。磁場に閉じ込められたバルクプラズマ中の波乗り電子も同様にＥｘＢドリフト及びシース反射ドリフトにより磁場から逃げる。
【００１８】
この様子を図１９に示す。バルクプラズマ中での電界は小さく、ＥｘＢドリフト速度は比較的小さい。しかし、波乗り効果でシースとバルクプラズマ境界で出来た電離能力の比較的高い高速電子は、シースで図のように反射されて、急速にゼロ磁場ポイントに近づき拡散していく。
【００１９】
本発明はこのような問題点を改善するためになされたものであり、柱状中心マグネットの周辺に極性が逆の筒状周辺マグネットを配置して柱状中心マグネットから出た磁束を筒状周辺マグネットに均一に分布させ、電子のトラップ効果を高め、高いプラズマ密度と低い放電開始圧力を実現出来るマグネトロン型平行平板処理装置を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１の発明によれば、基板載置電極、基板載置電極と対向する対向電極を備え、対向電極内に、柱状中心マグネットと、該柱状中心マグネットに対して同軸に該柱状中心マグネットの周辺に配置され、該柱状中心マグネットとは極性を逆にする筒状周辺マグネットとから構成される同軸状磁石組を、複数配置し、前記基板載置電極及び前記対向電極の少なくとも一方に高周波を供給することを特徴とするマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２１】
本願請求項２の発明によれば、基板載置電極、基板載置電極と対向する対向電極を備え、基板載置電極及び基板載置電極間にプラズマを発生させるマグネトロン型平行平板表面処理装置において、対向電極内に、プラズマ側の極性がＮ極及びＳ極の一方である柱状中心マグネットと、該柱状中心マグネットに対して同軸に該柱状中心マグネットの周辺に配置され、プラズマ側の極性がＮ極及びＳ極の他方である筒状周辺マグネットとから構成される同軸状磁石組と、該同軸状磁石組とプラズマに対する極性を逆にする同軸状磁石組とを、交互に、複数の同軸状磁石組として配置し、前記基板載置電極及び前記対向電極の少なくとも一方に高周波を供給することを特徴とするマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２２】
本願請求項３の発明によれば、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記筒状周辺マグネットの磁化量が実質的に同じである事を特徴とする請求項１または２に記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２３】
本願請求項４の発明によれば、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記筒状周辺マグネットの磁化量が実質的に異なる事を特徴とする請求項１または２に記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２４】
本願請求項５の発明によれば、前記複数の同軸状磁石組において、前記柱状中心マグネットの磁化量が相互に同等であり、前記筒状周辺マグネットの磁化量が相互に同等である事を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２５】
本願請求項６の発明によれば、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネット及び前記筒状周辺マグネットの一方を軟磁性体で置換する事を特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２６】
本願請求項７の発明によれば、前記複数の同軸状磁石組の全てまたは一部が電磁石である事を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２７】
本願請求項８の発明によれば、前記柱状中心マグネットと、該柱状中心マグネットとは極性を逆にする前記筒状周辺マグネットとから構成された同軸状磁石組を、該柱状中心マグネットの極性が同方向になるよう複数配置し、複数の同軸状磁石組の筒状周辺マグネットを一体化することを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２８】
本願請求項９の発明によれば、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記筒状周辺マグネットの相互の軸方向位置が調整可能で、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記筒状周辺マグネットの一方が他方より突出する事が出来る構造をしている事を特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００２９】
本願請求項１０の発明によれば、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットの断面形状が正方形、長方形、六角形、菱形等の多角形や、円形、楕円形、扇形等からなり、前記同軸状磁石組の各々の前記筒状周辺マグネットが正方形、長方形、六角形、菱形等の多角形や円形、楕円形、扇形等をくりぬいた形状をしている事を持徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００３０】
本願請求項１１の発明によれば、前記基板載置電極に載置された基板へ流れ込む磁束を吸収し、前記基板に垂直に磁束を入射させる強磁性体または軟磁性体でできた基板マグネットを、前記基板載置電極の裏に配置する事を特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００３１】
本願請求項１２の発明によれば、前記対向電極の外周付近で前記同軸状磁石組の配置を密にしたり、前記同軸状磁石組の磁化量を増やしたり、あるいは前記対向電極の周縁に補強磁石を配置する事を特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００３２】
本願請求項１３の発明によれば、前記対向電極内に配置する前記同軸状磁石組の磁束が前記基板載置電極に載置された基板へ入り込まないよう、前記磁束を反発する基板マグネットを前記基板載置電極の裏に配置する事を特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００３３】
本願請求項１４の発明によれば、前記対向電極内に設けられる前記同軸状磁石組の一部または全部が、前記対向電極のプラズマに接するガス板に開けられた孔や溝に組み込まれる事を特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００３４】
本願請求項１５の発明によれば、前記同軸状磁石組の前記筒状周辺マグネットの一部が周方向に切りかかれている事を特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置が得られる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を表面処理装置の一例であるエッチング装置に適用した場合について以下に説明する。エッチング装置だけでなく、アッシング、Ｐ（プラズマ）−ＣＶＤ、スパッタリング等の表面処理装置でも同様である。
【００３６】
図１を参照すると、本発明の第１の実施例による表面処理装置（エッチング装置）が示されている。図1において、１は処理室、２は対向電極、３は基板載置電極、５は基板４を静電吸着する静電チャック、６は水冷電極、６ａは水冷電極冷却水入口，６ｂは水冷電極冷却水路、６ｃは水冷電極冷却水出口、１２は対向電極用電源である。１３は基板載置電極用電源、１５は静電チャック電極用電源、１０は絶縁体、１１は同軸状磁石組、２１はガス供給系、２２は排気系である。なお、高周波フィルターやブロッキングコンデンサーが電源保護のために設けられている。
【００３７】
このエッチング装置を動作させるには、先ず、バックポンプ（図示せず）とメーンポンプ（図示せず）で処理室１内部を真空排気した後、図示しないゲートバルブ（図示せず）を開き、基板搬送機構により搬送室（図示せず）から運ばれた基板４を、突き上げピン駆動機構（図示せず）で突き上げピン３１を駆動して受け取り静電チャック5上に載置する。次に、静電チャック電源１５より静電チャック（図示せず）の電極に電圧を印加して基板４を吸着固定して、ガス供給系２１から対向電極２に処理ガスを送り処理室１の内部を一定圧力とする。
【００３８】
その後、対向電極用電源１２からＶＨＦ帯（例えば６０ＭＨｚ）の高周波電力を対向電極２に供給し基板載置電極３に基板載置電極用電源１３からＨＦ帯（例えば１．６ＭＨｚ）の高周波電力を供袷する。そうするとＶＨＦ帯の高周波電力によって比較的高密度のプラズマ及ひエッチャントが生成され、ＨＦ帯の高周波電力によってイオン衝撃エネルギがプラズマ密度とは独立に制御される。ここで、同軸状磁石組１１により生じる均一な磁束１１ａにより、プラズマ中の電子の拡散は抑えられ、電子が中性粒子と何度も衝突して中性粒子をイオン化し、高密度で均一なプラズマを生む。この様にして、目的とする低い圧力で、高密度プラズマが得られ、均一なエッチング処理が実行される。
【００３９】
高密度プラズマは、磁場に閉じ込められているが、高密度プラズマ中の電子の拡散により基板４周辺のプラズマ密度も高くなる。また、プロセスガスの解離やイオン化も進むためエッチングレートが向上する。これは、以下の実施例でも同様である。
【００４０】
次に、図２を参照して、本願発明の主要部分である同軸状磁石組１１の構造と作用について説明する。同軸状磁石組１１は、軸対称な円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃから構成され、該円柱状中心マグネット１１ｂと該円筒状周辺マグネット１１ｃは同軸状に配置されている。
【００４１】
円柱状中心マグネット１１ｂからでた磁束１１ａは、円筒状周辺マグネット１１ｃで終端する。図２の場合には、円柱状中心マグネット１１ｂの磁化量が円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量より大きいため、円柱状中心マグネット１１ｂから出た一部の磁束は円筒状周辺マグネット１１ｃで終端せず、磁束１１ｄとして基板４にまで届く。この様な構造にすると、磁束１１ａに捕捉された濃いプラズマの一部が拡散して基板にまで届き、基板周辺でのプラズマ密度が増大し、基板４の高速エッチングが可能になる。さらに、先に説明したメカニズムにより、シース長が低下し、シース中でのイオン散乱が減りボーイングの無いコンタクトホールエッチングが実現される。磁束１１ｄは基板にまで届くが、基板４にほぼ垂直にほぼ均一に届くため、基板上のンース電界と磁束１１ｄはほぼ同方向であり、ＥｘＢドリフト現象はほとんど起らずプラズマは均一になる。しかしＥｘＢドリフトやプラズマ不均一が問題になる場含には、以下に述べる第２の実施例や第１０の実施例等が有効になる。磁束が均一に届く理由は、同軸状磁石組１１が多数ガス板７の裏面に並べられているためである。
【００４２】
この実施例では、円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃを離している。以後の実施例でもこの実施例のように円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃを離してもよい。
【００４３】
図３を参照すると、本発明の第２の実施例が示されている。第１の実施例（図２）では、円柱状中心マグネノト１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量が異なつていたため、一部の磁束は磁束１１ｄとして円筒状周辺マグネット１１ｃに終端せず基板４にまで届いていた。この様な磁束１１ｄを無くすため、第２の実施例（図３）では、円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量を等しくすると基板４へ届く磁束を大幅に減らす事が出来る。
【００４４】
図４を参照すると、本発明の第３の実施例が示されている。この第３の実施例は、さらに、プラズマ発散による基板４での不均一プラズマを減らすものである。プラズマの閉じ込めをより完全にするには、円柱状中心マグネット１１ｂの磁化を円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化より小さくすればよい。こうすると円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化が均一の時、円筒状周辺マグネット１１ｃの外周から逃げていたプラズマの量が減り、プラズマはより完全に閉し込められる。
【００４５】
この中心磁石１１ｂと周辺磁石１１ｃの磁化量の関係を詳しく説明する。磁束密度は、対向電極２のプラズマ側表面から１ｍｍにおける値を用いる。また、垂直磁場成分とは、対向電極２のプラズマ側表面に垂直な磁場成分の最大値を言う。円柱状中心マグネット１１ｂの垂直成分と円筒状周辺マグネット１１ｃの垂直成分が等しい時、磁場に捕らえられた濃いプラズマが同軸状磁石組１１の外周側から逃げるのをかなり抑える事が出来る。第３の実施例（図４）の閉じ込めを完全にする磁化の値とは、この様な値を言う。円柱状中心マグネット１１ｂの磁化量をこの値より小さくなるようにすればプラズマの閉じ込めはより完全になる。
【００４６】
なお、いずれの図でも円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの大きさは正確に描かれているわけではない。
【００４７】
図５を参照すると、本発明の第４の実施例が示されている。第２の実施例（図３）では、円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化を同じとして、大きな弧を描いて分布する大弧磁束（第１の実施例（図２）の１１ｄ）が基板にまで届くことを防ぐようにしたが、この第２の実施例（図３）の場合でも前記大弧磁束（図２の１１ｄ）が基板にまで届くことを完全に防ぐことができなかった。これを防ぐため、第４の実施例（図５）では、同軸状磁石組１１とそれに隣接する隣接同軸状磁石組１１ｆの極性を図５に示す様に逆にすると大弧磁束１１ｅは隣接同軸状磁石組１１ｆで終端し、基板４にまで届く量を減少させる事が出来る。
【００４８】
この隣接する同軸状磁石組１１の極性を逆にする方式は、円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量が等しく無い場合に、より効果がある。
【００４９】
図６を参照すると、本発明の第５の実施例が示されている。図６において、同軸状磁石組１１の円柱状中心マグネット１１ｂは磁性体であるが、円筒状周辺マグネット１１ｃは軟磁性体に置換されている。軟磁性体自身は磁場を発生させないが、磁力線を吸収する能力があるため、軟磁性体が円柱状中心マグネット１１ｂから出た磁束を終端する。
【００５０】
別の同軸状磁石組１１の片方をなす軟磁性体を全てつなげ、一体物とすれば、装置は簡便になる。もちろん他の実施例の外周マグネット１１ｃを全てつなげて一体物にしてもよい。
【００５１】
以上は円筒状周辺マグネット１１ｃ全てを軟磁性体に置換したが、一部を置換する事も可能である。この置換の理由は次による。軟磁性体は、永久磁石(強磁性体)の様に熱履歴により減磁する事はない。ところてプラズマに曝されるガス板７（図１）は温度が上昇し、ガス板７裏側から表へと噴出すプロセスガスはガス板７とガス板７裏側で衝突し熱を吸収する。強磁性体がこの温度の上昇したガスに触れるとキュリー温度以上になったり、それ以下でも長時間繰り返し温度が上昇すると次第に減磁する。さらにガス板７（図１）と直接接触し温度上昇する可能性もある。これに対し、強磁性体で出来た円柱状中心マグネットや円筒状周辺マグネットの先端に軟磁性体を追加すると、高熱部分が軟磁性体に置き換わり、熱履歴による強磁性体の保持力が減少する事を防げ、磁場の径時変化を軽減する事が出来る。特に、強磁性体と軟磁性体を完全に接触させず小さなギャップを設けたり、ボンディングやロウ付けせず、ネジ止めや把持機構での単なる機械的接触にするとより効果がある。
【００５２】
図７を参照すると、本発明の第６の実施例が示されている。図７において、同軸状磁石組１１の円柱状中心マグネット１１ｂは軟磁性体で置き換えられ、該軟磁性体周辺に電流を流すコイル１１ｇが巻かれ、電磁石とされている。円筒状周辺マグネット１１ｃは強磁性体である。こうすれば、コイル１１ｇに流す電流により円柱状中心マグネット（軟磁性体）１１ｂの磁化量と円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量の比率や磁場の強さ自体を変える事が出来る。両方を軟磁性体にしたり、この軟磁性体にした外側マグネット１１ｃにもコイルを巻いたり、磁石と軟磁性体を円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃで逆にしてもよい。また、磁石にコイルを巻く事も可能である。コイル１１ｇを軟磁性体や強磁性体に巻かずに、コイル１１ｇのみにしてもよい。
【００５３】
図８を参照すると、本発明の第７の実施例が示されている。図８において、同軸状磁石組を構成する円柱状中心マグネット１１ｂは上下に移動可能で、円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの相対位置が調整可能な構造になっている。この移動と固定は、ネジ（図示せず）等で行っても、円柱状中心マグネット移動機構（図示せず）で行ってもよい。この様にすれば、磁場が基板におよぶ程度を調整出来る。図８では円柱状中心マグネット１１ｂが円筒状周辺マグネット１１ｃの面より引っ込んた状態を示している。この状態ては円柱状中心マグネット１１ｂの磁力効果が弱くなり、プラズマの拡散が少なくなる。円柱状中心マグネット１１ｂが円筒状周辺マグネット１１ｃの表面より突き出る様に設置すると、円柱状中心マグネット１１ｂの磁力効果が強まりプラズマが拡散する状態に設定出来る。
【００５４】
円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃのプラズマとは反対側を、軟磁性体でつなげば磁力は大幅に増える。円柱状中心マグネット１１ｂが移動する時には、円筒状周辺マグネット１１ｃのプラズマとは反対側に軟磁性体をつけ、円柱状中心マグネット１１ｂのプラズマと反対側に長めの軟磁性体をつける。そして円柱状中心マグネット１１ｂが移動しても、軟磁性体同士がわずかなギャップを介して接触しているようにすれば、円柱状中心マグネット１１ｂが移動しても、磁力が増大した状態を維持させる事が出来る。
【００５５】
軟磁性体を使い磁力を増大させる方法は、他の実施例にも適用可能である。
【００５６】
次に、図９を参照して、本発明の第８の実施例について説明する。円柱状中心マグネット１１ｂの断面形状は、円形ではなくても良い。すなわち、図９（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）に示すように、柱状中心マグネット１１ｂの断面形状は、六角形、正方形、及び扇形の断面形状であっても良い。この場合、筒状周辺マグネット１１ｃは、図９（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）に示すように、六角形、正方形、及び扇形をくりぬいた形状であれば良い。この様にすれば、対向電極２の全面をマグネット組で覆いつくす事が出来る。対向電極2周辺で同軸状磁石組１１の全体形状を対向電極周辺形状と同じ形状になるようにする事も出来る。また個々の同軸状磁石組１１を互いに離してもよい。また、図９（Ｄ）に示すように、筒状周辺マグネット１１ｃを一体化する事も出来る。一体化した場合も、柱状中心マグネットと筒状周辺マグネットの磁化量の比率を選んで、プラズマの拡散と閉じ込めを制御したり、基板中心と周辺での磁場の強度や磁力線の基板への入射角を制御する事が出来る。
【００５７】
上記した第８の実施例の手段を他の実施例にも用いる事が出来る。もちろん、第８の実施例だけでなく全ての実施例を組み合わせる事が出来る。今まで、同軸状磁石組１１の円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃは、軸を共有するとしてきたが、本実施例では必ずしもその必要はない。
【００５８】
図１０を参照すると、本発明の第９の実施例が示されている。この図１０は、円柱状中心マグネット１１ｂの磁化量が円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量より多いため、磁束１１ｄが基板４にまで伸びる状態を示している。円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量が等しくないと、磁束１１ｄは基板４の中心から外へと押し出されるようにして、基板４に斜めに入射する。磁束が基板４に斜め入射すると、基板付近でプラズマの不均一が起る。
【００５９】
これを防ぐため、磁束１１ｄが基板に垂直に入るよう、円柱状中心マグネット１１ｂと逆の極性が面するように、基板マグネット１１ｈが設置されている。この様にすると基板４の中心から外側に向っていた磁束１１ｄは、基板マグネット１１ｈに吸収され、基板４に垂直に入射する。基板マグネット１１ｈは、軟磁性体でもよい。
【００６０】
また、磁束１１ｄに磁束密度の差がある場合でも、基板マグネット１１ｈにより磁束密度の差は相対的に小さくなり、補正出来る。円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量の差が同じである場合にも、この基板マグネット１１ｈを設けると、同軸状磁石組１１によるプラズマ密度の差を軽減する事が出来る。また、円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量の方が大きい場合、基板マグネット１１ｈの極性を円筒状周辺マグネット１１ｃと同じにすると、磁束１１ｄは基板４に垂直に入射する。
【００６１】
非収束磁束１１ｄの基板入射角が基板平面に対しちょうど９０°となるよう、基板マグネットの磁化の方向を調整すると、より効果がある。
【００６２】
図１１を参照すると、本発明の第１０の実施例が示されている。円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃの磁化量に差がある場合、磁束１１ｄは、基板４から外の方へと流れ出す。これを防ぐ為、図１１のように、同軸状磁石組１１の集まりの外側に補強磁石１１１を設けると、磁束１１ｄを基板４に垂直に入射させる事が出来る。対向電極２の外周部にある同軸状磁石組１１の磁化量を大きくしても同様の効果がある。
【００６３】
なお、第９の実施例（図１０）及び第１０の実施例（図１１）では円柱状中心マグネット１１ｂと円筒状周辺マグネット１１ｃに磁化量の差があるとしたが、磁化量の差か無くても磁束は磁束密度の低い方へ流れる傾向があり、第９の実施例（図１０）及び第１０の実施例（図１１）の方法は磁化量の差が無い場合にも有効である。
【００６４】
また、プロセスガスや冷媒を、複数の同軸状磁石組１１間の隙間や円柱状中心マグネット１１ｂ及び円筒状周辺マグネット１１ｃ間の隙間から流したり、磁性体自身に孔を開けて流す事が出来る。また、同軸状磁石組（同心円マグネット）１１自体をガス板７（図１）と冷媒ジャケット８との間の熱伝達物質として使う事が出来る。
【００６５】
図１２を参照すると、本発明の第１１の実施例が示されている。この図１２の実施例は、第９の実施例（図１０）の基板マクネット１１ｈの極性を逆にしたものである。基板マグネット１１ｈから出た反発磁束１１ｋにより、磁束１１ａの一部で基板マグネット１１ｈがなければ基板４に入射していた被反発磁束１１ｊは基板４から追いやられる。この様にすると、磁束１１ａの濃いプラズマが被反発磁束１１ｊに導かれて基板４に到達し、基板４の上でプラズマ密度が変化する事も無くなる。
【００６６】
図１３を参照すると、本発明の第１２の実施例が示されている。ガス板７の同軸状磁石組１１に対応する位置に孔がうがたれ、切り欠き７ｂが形成されて、同軸状磁石組１１がプラズマに近づき、プラズマ中により強い磁場を形成する。この様にすると、ガス板７付近に強い磁場が出来、基板４付近の磁場は同じ程度の強さのままとどまる。
【００６７】
次に、図１４を参照して、本発明の第１３の実施例について説明する。図１４（Ａ）において、１１ｍは、筒状周辺マグネット１１ｃの一部を欠落させた切り欠きである。この様にするとプラズマが異なる同軸状磁石組１１間を行き来する。また、磁場が弱まるため、磁場の弱い基板４（図１）の側に拡散していく効果もある。図１４（Ｂ）のように等周配で切り欠く事も出来る。この場合は、柱状中心マグネット１１ｂの周りの筒状周辺マグネット１１ｃを6個所切り欠いたが、切り欠き個数は任意で良い。
【００６８】
図１５を参照して、プラズマの閉込めについて、改めて説明する。上方のガス板７の表面から１ｍｍ下方での磁場を測つた結果を、同軸状磁石組に対応する位置に表示している。磁場強度単位は、任意単位にしてある。図において、ｂはガス板７の表面に対する垂直磁場成分で、円筒状周辺マグネット１１ｃの垂直成分最大値がｂ１で、円柱状中心マグネット１１ｂの垂直成分最大値がｂ２である。ｃは水平磁場成分で、ｃ１は垂直磁場成分がゼロとなる点の水平磁場成分で、この場合は２００Gauss程度である。円筒状周辺マグネット１１ｃの垂直成分ｂ１が小さいと、磁力線に巻き付いて動く電子が跳ね返されず、磁場から電子が拡散していく。この為、ｂ１／ｂ２の値、及びｂ１の絶対値がプラズマ閉じ込めに大きく影響する。スパッタリングを行う場合には、閉じ込め効率が高い方が良いが、エッチングを行う場合には、濃いプラズマが適度に基板に向って拡散される事が好ましい。２００Gaussで２ｍｍ程度の回転半径が得られるため、１００Gauss以上出来れば２００Gauss以上の水平磁場強度である事が好ましい。
【００６９】
なお、ガス板７付近で高密度プラズマが発生するため、ガス板７をＳｉやＳｉＯ_２等のスカベンジャー材で作る事が好ましい。また高周波の伝播という点からは、ガス板７を絶縁物、ドーピングされた半導体、金属にする事も可能である。
【００７０】
以上の実施例ではエッチング装置を例にとって説明したが、同様の方法がプラズマＣＶＤ、アッシング、スパッタ（特にイオン化スパッタ）を行う表面処理装置にも適用できることは明らかである。
【００７１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明を用いると、プラズマ密度が高く圧力が低い状態を実現可能である。従つて、イオンが加速されるシース中でのイオン散乱が減り、例えば基板をエッチングする場合にイオンの斜め入射量が減り、アスペクト比が高いコノタクトホールにおいてもボーイングの無い望ましいエッチング形状が得られるという効果がある。
【００７２】
また、密度が高いプラズマであるにもかかわらず、低圧であるため、気相中での分子の相互衝突が少なく、それに従い不必要な重合反応が減り、ダストの発生も減る。プラズマＣＶＤでは膜質の改善、エッチングやアッシングでは残渣の減少が期待できる。この様に、本発明を使用すると、低圧で高密度な、使いよく信頼性の高い表面処理装置を提供することができる。
【００７３】
しかも基板上の磁場強度を大幅に下げられるため、基板上のプラズマ密度が不均―になる事も無い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による表面処理装置の断面図である。
【図２】図１の表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図６】本発明の第５の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図７】本発明の第６の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図８】本発明の第７の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図９】本発明の第８の実施例による表面処理装置の種々の同軸状磁石組（Ａ）〜（Ｄ）の正面図である。
【図１０】本発明の第９の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図１１】本発明の第１０の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図１２】本発明の第１１の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図１３】本発明の第１２の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図１４】本発明の第１３の実施例による表面処理装置の種々の同軸状磁石組（Ａ）及び（Ｂ）の正面図である。
【図１５】本発明の第１４の実施例による表面処理装置の主要部分の断面図である。
【図１６】従来のプラズマ処理装置の斜視図である。
【図１７】図１６のプラズマ処理装置の動作を説明するための正面断面図である。
【図１８】図１６のプラズマ処理装置の動作を説明するための断面図である。
【図１９】図１６のプラズマ処理装置の動作を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１処理室
２対向電極
３基板載置電極
４基板
５静電チャック
６水冷電極
６ａ水冷電極冷却水入口
６ｂ水冷電極冷却水路
６ｃ水冷電極冷却水出口
７ガス板
１１同軸状磁石組
１１ｂ円柱状中心マグネット（或いは、柱状中心マグネット）
１１ｃ円筒状周辺マグネット（或いは、筒状周辺マグネット）
１１ｈ基板マグネット

Claims

基板載置電極、基板載置電極と対向する対向電極を備え、対向電極内に、柱状中心マグネットと、該柱状中心マグネットに対して同軸に該柱状中心マグネットの周辺に配置され、該柱状中心マグネットとは極性を逆にする筒状周辺マグネットとから構成される同軸状磁石組を、複数配置し、前記基板載置電極及び前記対向電極の少なくとも一方に高周波を供給するマグネトロン型平行平板表面処理装置であって、
前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットの断面形状が多角形からなり、前記同軸状磁石組の各々の前記筒状周辺マグネットが、前記柱状中心マグネットの多角形と相似形で該多角形よりも大きい多角形をくりぬいた形状をしており、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記同軸状磁石組の各々の前記筒状周辺マグネットとが互いにスペースを置いて配置され、
前記複数の同軸状磁石組のうち一つの同軸状磁石組及びそれに隣接する別の一つの同軸状磁石組の筒状周辺マグネットに、前記一つの同軸状磁石組の前記スペースと前記別の一つの同軸状磁石組の前記スペースとを連通させるように切り欠きを設けたことを特徴とするマグネトロン型平行平板表面処理装置。
基板載置電極、基板載置電極と対向する対向電極を備え、基板載置電極及び基板載置電極間にプラズマを発生させるマグネトロン型平行平板表面処理装置において、対向電極内に、プラズマ側の極性がＮ極及びＳ極の一方である柱状中心マグネットと、該柱状中心マグネットに対して同軸に該柱状中心マグネットの周辺に配置され、プラズマ側の極性がＮ極及びＳ極の他方である筒状周辺マグネットとから構成される同軸状磁石組と、該同軸状磁石組とプラズマに対する極性を逆にする同軸状磁石組とを、交互に、複数の同軸状磁石組として配置し、前記基板載置電極及び前記対向電極の少なくとも一方に高周波を供給するマグネトロン型平行平板表面処理装置であって、
前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットの断面形状が多角形からなり、前記同軸状磁石組の各々の前記筒状周辺マグネットが、前記柱状中心マグネットの多角形と相似形で該多角形よりも大きい多角形をくりぬいた形状をしており、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記同軸状磁石組の各々の前記筒状周辺マグネットとが互いにスペースを置いて配置され、
前記複数の同軸状磁石組のうち一つの同軸状磁石組及びそれに隣接する別の一つの同軸状磁石組の筒状周辺マグネットに、前記一つの同軸状磁石組の前記スペースと前記別の一つの同軸状磁石組の前記スペースとを連通させるように切り欠きを設けたことを特徴とするマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記筒状周辺マグネットの磁化量が実質的に同じである事を特徴とする請求項１または２に記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記筒状周辺マグネットの磁化量が実質的に異なる事を特徴とする請求項１または２に記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記複数の同軸状磁石組において、前記柱状中心マグネットの磁化量が相互に同等であり、前記筒状周辺マグネットの磁化量が相互に同等である事を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネット及び前記筒状周辺マグネットの一方を軟磁性体で置換し、前記軟磁性体の周辺に電流を流すコイルが巻かれている事を特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記柱状中心マグネットと、該柱状中心マグネットとは極性を逆にする前記筒状周辺マグネットとから構成された同軸状磁石組を、該柱状中心マグネットの極性が同方向になるよう複数配置し、複数の同軸状磁石組の筒状周辺マグネットを一体化することを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記筒状周辺マグネットの相互の軸方向位置が調整可能で、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記筒状周辺マグネットの一方が他方より突出する事が出来る構造をしている事を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記基板載置電極に載置された基板へ流れ込む磁束を吸収し、前記基板に垂直に磁束を入射させる強磁性体または軟磁性体ででき、前記柱状中心マグネットと逆の極性が面する基板マグネットを、前記基板載置電極の裏に配置する事を特徴とする請求項１，３〜８のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記対向電極の外周付近で前記同軸状磁石組の配置を密にしたり、前記同軸状磁石組の磁化量を増やしたり、あるいは前記対向電極の周縁に補強磁石を配置する事を特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記対向電極内に配置する前記同軸状磁石組の磁束が前記基板載置電極に載置された基板へ入り込まないよう、前記磁束を反発する前記柱状中心マグネットと同じ極性が面する基板マグネットを前記基板載置電極の裏に配置する事を特徴とする請求項１，３〜８のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
前記対向電極内に設けられる前記同軸状磁石組の一部または全部が、前記対向電極のプラズマに接するガス板に開けられた孔や溝に組み込まれる事を特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のマグネトロン型平行平板表面処理装置。
基板載置電極、基板載置電極と対向する対向電極を備え、対向電極内に、柱状中心マグネットと、該柱状中心マグネットに対して同軸に該柱状中心マグネットの周辺に配置され、該柱状中心マグネットとは極性を逆にする筒状周辺マグネットとから構成される同軸状磁石組を、複数配置し、前記基板載置電極及び前記対向電極の少なくとも一方に高周波を供給するマグネトロン型平行平板表面処理装置であって、
前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットの断面形状が多角形からなり、前記同軸状磁石組の各々の前記筒状周辺マグネットが、前記柱状中心マグネットの多角形と相似形で該多角形よりも大きい多角形をくりぬいた形状をしており、前記同軸状磁石組の各々の前記柱状中心マグネットと前記同軸状磁石組の各々の前記筒状周辺マグネットとが互いにスペースを置いて配置され、
前記柱状中心マグネットと、該柱状中心マグネットとは極性を逆にする前記筒状周辺マグネットとから構成された同軸状磁石組を、該柱状中心マグネットの極性が同方向になるよう複数配置し、複数の同軸状磁石組の筒状周辺マグネットを一体化し、
一体化された筒状周辺マグネットには、一つの同軸状磁石組とその周囲にありそれに隣接する複数の隣接同軸状磁石組との間の位置に、前記一つの同軸状磁石組の前記スペースと前記複数の隣接同軸状磁石の前記スペースとを連通させる複数の切り欠きを設けたことを特徴とするマグネトロン型平行平板表面処理装置。