JP4932857B2 - 誘導コイル、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマの発生に用いる誘導コイル、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法に関する。

従来より、半導体製造やプラズマを利用したエッチング処理や表面処理や蒸着処理等を行なう装置にて使用可能なプラズマ発生源（Inductive plasma source:ＩＰＳ）としてのプラズマ発生装置が提供されている。プラズマ発生装置は、例えば円筒形のチャンバを備え、その周囲に螺旋状に誘導コイルを巻いた態様のものが知られている。
また他にも、平面状の渦巻き型の誘導コイルをチャンバ上方に備える態様のプラズマ発生装置が知られている（特許文献１参照）。

上記のようなプラズマ発生装置においては、チャンバ内部に処理用のガスが供給される。また、誘導コイルに高周波電力を供給することにより、チャンバ内部に略環状の渦電流によるプラズマを生成する。
米国特許第４９４８４５８号

ここで、上記のようなプラズマ発生装置にて誘導コイルを使用した多くの場合において問題が生じている。つまり、誘導コイルに高周波を供給した場合、高周波は誘導コイルに沿って流れるためコイル上のそれぞれ各位置において異なる電位が生成され、その結果、電位の異なる各位置間において容量性電流（capacitive current）が発生する。かかる現象は、プラズマ発生装置のチャンバ内において不均一な電力集中を生じさせる。
また図６は、従来用いられてきたプラズマ発生装置の一例を縦断面図により示している。同図では、内部にてプラズマを発生させる円筒形のチャンバ１と、チャンバ１の外周において螺旋状に巻かれた誘導コイル２とを示している。ただし、誘導コイル２についてはその断面位置のみを示し図示を簡略化している。また、チャンバ１の下方にはプラズマ処理用の空間３および空間３内に置かれた基板支持台４を示している。基板支持台４は、プラズマプロセスの対象となる基板５を支持している。同図において、誘導コイル２の両端のうち一端２ａを高周波電源６に接続し、他端２ｂをアースに接続した場合には、これら両端間には電位差が生じ、かつ両端の位置関係に起因して、プラズマ発生用空間としてのチャンバ１内部にある容量性電流が発生する。同図では、チャンバ１内にて生じる全体的な容量性電流（誘導コイル２の各位置から発せられる容量性電流が合わさったもの）をＤとして模式的に表している。
上記のようにして生じる容量性電流は、チャンバ内における電界に不均一性を与え、その結果、チャンバ内にて生成されるプラズマに不均一性（non-uniformity）を与えることとなっていた。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、均一性（uniformity）が極めて高いプラズマを発生させることが可能な誘導コイル、プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、所定の空間中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置に用いられる誘導コイルであって、上記誘導コイルは、水平面で少なくとも二巻き捲回される巻線部位と、二つの端子とを持ち、上記二つの端子間とコイルの長手方向の軸芯とを通過する基準面に対して対称な形状である構成としてもよい。
つまり、当該誘導コイルは、両側の端子の位置・高さも含めた全体の形状が上記基準面の両側において対称となっている。
上記基準面は、上記２つの端子から等距離の点を含み、かつ上記誘導コイルの縦軸に平行な面であると定義することも可能である。
このような誘導コイルの具体的形状は種々考えられるが、一例として、上記誘導コイルは、少なくとも１箇所以上の上記縦軸方向に交差される交差部分を有して、当該縦軸と垂直な面上で環状に形成される巻き線部分と、当該巻き線部分の接近する両端部から当該縦軸方向にそれぞれ延伸された線部分であって、延伸端部に上記端子がそれぞれ連結される端子連結線部分とからなる構成としてもよい。

かかる構成とした場合、巻き線部分において線を交差させる箇所数は一箇所でも二箇所でも、それ以上でもよい。なお、交差する箇所が一箇所である場合は誘導コイルは二巻きのコイルとなるし、交差する箇所が二箇所である場合は誘導コイルは三巻きのコイルとなる。
すなわち、上記コイルと上記基準面との交差部にて、上記巻線部位は少なくとも一つの交差を有する。また、その場合、上記巻線部位は、Ｎ巻き捲回され、上記交差は（Ｎ−１）の数に等しくなる。

本発明は、所定の空間中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置に用いられる誘導コイルであって、上記誘導コイルは、一続きの電線の両端に第一端子と第二端子とを有し、第一端子と第二端子とは同じ高さに設けられ、第一端子と第二端子との各々から延伸する当該電線は、当該誘導コイルの軸と平行に所定長さ延伸し、当該所定長さ延伸した各位置から互いに逆向きに当該軸に垂直な面に環状のカーブを形成し、それぞれ環を略半周し、それぞれ当該軸方向における位置を同じだけ変化させながら、電線上における第一端子と第二端子との中間点および当該軸を含む基準面を通過する箇所において交差し、交差後に再び当該軸に垂直な面に環状のカーブをそれぞれ形成し、基準面を通過する箇所における電線の交差部を一つ以上有する、形状としている。
上記のように形状に特徴を有する誘導コイルを搭載したプラズマ発生装置というものも、当然に考えることができる。
そこで、上記誘導コイルと、上記誘導コイルが所定位置に配置される処理容器（プロセスチャンバ）とを備え、上記誘導コイルに高周波電力が供給されて上記処理容器内にプラズマを発生させる構成としても良い。
この場合においても、上記基準面は上記二つの端子間とコイルの長手方向の軸芯とを通過する面である。また、言い換えれば、上記基準面は、上記２つの端子から等距離の点を含み、かつ上記誘導コイルの縦軸に平行な面とすることができる。

上記誘導コイルを搭載したプラズマ発生装置はより具体的には、一方の面に少なくとも一つのプラズマ発生用空間としての環状溝が形成され、他方の面に少なくとも一つの環状溝が上記一方の面に形成された環状溝と同心状に形成された壁部材を備え、上記他方の面に形成された環状溝に上記誘導コイルを収容する構成とすることができる。

また、実体のある装置というカテゴリーだけでなく、上記誘導コイルを用いたプラズマ発生方法という視点でも発明を捉えることができる。
つまり、誘導コイルを使用して所定の空間中にプラズマを発生させるプラズマ発生方法であって、上記所定の空間にプラズマ発生用のガスを供給し、上記誘導コイルに高周波電力を供給することにより上記所定の空間にプラズマを発生させる方法発明を把握することも可能である。
また、仮想円柱表面を捲回するように形成される誘導コイルを用いた誘導型のプラズマ発生方法であって、上記誘導コイルは、それぞれ巻き初めと巻き終わりとなる第一端子と第二端子と、これらの第一端子と第二端子とを接続してコイル部分を形成する電線とからなり、第一端子側から捲回される電線と、第二端子側から捲回される電線は、上記仮想円柱表面に沿って対称な位置となるように捲回され、互いに半周した位置で絶縁状態で交差し、再度、上記仮想円柱表面に沿って対称な位置となるように捲回され、これを繰り返した後に接続するように形成されている、としてもよい。
かかる構成を採用した状態で、第一端子には高周波電源を接続して高周波電力を供給するとともに、第二端子には可変コンデンサを接続し、同可変コンデンサの働きによって誘導コイルの両端を同電位としつつ、上記電線の中間点の電位が略０となるようにすることにより、容量性電流によるプラズマの電位を対称とさせつつ、当該誘導コイルに供給した電力により、同誘導コイルの内側に磁場を生成させ、同磁場の作用によりプラズマを生成させる。

本発明によれば、誘導コイルは、２つの端子間の基準面で対称な形状であるため、両端子の電位が同電位となるように外部から高周波電力の供給を受けた場合、両端子からそれぞれ配分される容量性電流も対称性を持つ。その結果、生じるプラズマも、均一性の極めて高いものとなる。

誘導コイルの一例を示した斜視図。 誘導コイルの上面図。 誘導コイルの他の例を示した斜視図。 プラズマ発生装置の主要部の構成の一例を示した一部縦断面図。 本発明にかかるプラズマ発生装置によって発生させたプラズマを用いたスパッタリングの結果を示した図。 従来におけるプラズマ発生装置の概略図。

符号の説明

１０，２０…誘導コイル
１０ａ，２０ａ…電線
１１ａ，２１ａ…第一端子
１１ｂ，２１ｂ…第二端子
３０…プラズマ発生装置
３１…上壁
３２…上面
３２ａ…環状溝
３２ｂ…ガス供給孔
３３…下面
３３ａ…環状溝（プラズマ発生用空間）
３７…電源
３８…可変コンデンサ

以下の順序に従って、本発明の実施形態を説明する。
（１）誘導コイルの形状
（２）プラズマ発生装置の例
（３）実例

（１）誘導コイルの形状
図１は、本実施形態にかかる誘導コイルの形状例であって、二巻タイプの誘導コイル１０を示している。
同図に示すように、誘導コイル１０は、電線１０ａの両端に第一端子１１ａおよび第二端子１１ｂを設けている。誘導コイル１０は、第一端子１１ａおよび第二端子１１ｂから等距離の中間点Ｍ１および交差点Ｃ１を含む面であって軸Ｚ（縦軸）に平行な面で左右対称な形状である。上記面が本発明の基準面に相当する。
図２では、誘導コイル１０の上面図を示している。誘導コイル１０の巻き線部分は円環状であり、軸Ｚは誘導コイル１０の円環の中心位置、つまり円環状に形成された電線１０ａ上の各位置から等距離の位置を通過する。図２においては、電線１０ａ上の各位置から軸Ｚまでの距離Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が全て等しいことを示している。軸Ｚは図２の紙面に垂直な方向を向いている。本実施形態では、第一端子１１ａと第二端子１１ｂは、一方を電源から高周波電力の供給を受けるための端子とし、他方を可変コンデンサ（variable capacitor）と接続するための端子としている。第一端子１１ａと第二端子１１ｂは互いに接近し、かつ同じ高さに設けられている。第一端子１１ａから延伸する電線１０ａと第二端子１１ｂから延伸する電線１０ａは、それぞれ略平行な状態で誘導コイル１０の軸Ｚ方向に同じ距離進んだ位置（Ｐ１，Ｐ２）で、軸Ｚに対して垂直な方向かつ互いに反対方向を向き、そこから高さを変えずに、軸Ｚと垂直な面上に環状のカーブを描きながら延伸する。このとき、共通の環を反対方向に向かって描く。なお特に断らない限り、本実施形態において高さの変化と言った場合には、軸Ｚ方向における変化を言うものとする。

軸Ｚおよび、第一端子１１ａと第二端子１１ｂの中間点Ｍ１及び交差点Ｃ１を含む上記面（基準面）を想定したとき、上記のように第一端子１１ａから延伸する電線１０ａと第二端子１１ｂから延伸する電線１０ａは、基準面を通過する箇所において、それぞれに同じだけ高さを下げながら交差する（図の交差点Ｃ１を参照）。当該交差の後は、第一端子１１ａから延伸する電線１０ａと第二端子１１ｂから延伸する電線１０ａは、再び高さを変えずに環状のカーブを描きながら延伸し、次に基準面と出会う箇所で繋がる。この繋がる箇所が誘導コイル１０の中間点Ｍ１である。

すなわち、誘導コイル１０は上記基準面を挟んで左右対称の形状をしている。
基準面の定義に関しては、これに限定されるものではなく、例えば、上記二つの端子間とコイルの長手方向の軸芯とを通過する面を基準面とし、この基準面に対して上記誘導コイル１０が対称な形状であるともいえる。
この場合、上記誘導コイル１０は、巻線部位としての電線１０ａと上記基準面との交差部にて、交差点（Ｃ１）を有するといえる。
また、上記巻線部位としての電線１０ａが、Ｎ巻き捲回されれば、上記交差は（Ｎ−１）の数に等しくなる。
このような、略全ての部位が上記基準面を挟んで左右対称の形状をしたコイルの例は、図１に示した形状に限られない。

図３は、本実施形態にかかる誘導コイルの形状例であって、三巻タイプの誘導コイル２０を示している。誘導コイル１０と誘導コイル２０との違いは、電線が交差する箇所の数にある。誘導コイル１０においては電線が交差するのは１箇所であるが、誘導コイル２０においては２箇所で電線が交差する。
すなわち誘導コイル２０も、第一端子２１ａおよび第二端子２１ｂから等距離の中間点Ｍ２および交差点Ｃ１、Ｃ２を含む軸Ｚに平行な面（基準面）で左右対称の形状となっている。なお、誘導コイル２０の軸Ｚも誘導コイル１０の軸Ｚと同様に、環状に形成された電線２０ａ上の各位置から等距離の位置を通過する。誘導コイル２０は、誘導コイル１０と同様に電線２０ａの両端に第一端子２１ａおよび第二端子２１ｂを設けている。第一端子２１ａと第二端子２１ｂは、一方が電源から高周波電力の供給を受けるための端子であり、他方が可変コンデンサと接続するための端子である。誘導コイル２０の電線２０ａは、上記誘導コイル１０の中間点Ｍ１に相当する箇所においては、繋がることなくさらに高さを下げながら交差し（図の交差点Ｃ２を参照）、当該交差の後は、第一端子２１ａから延伸する電線２０ａと第二端子２１ｂから延伸する電線２０ａは高さを変えずに環状のカーブを描きながら延伸し、次に基準面と出会う箇所（交差点Ｃ１の下方位置）で繋がる。この繋がる箇所が誘導コイル２０の中間点Ｍ２となる。

ここで、誘導コイル１０（２０）を形成する電線１０ａ（２０ａ）のうち、環状に形成されている部分が巻き線部分に該当し、巻き線部分を構成する複数の環のうち最上段（あるいは最下段）の環上において接近する２点（Ｐ１，Ｐ２）から軸Ｚと略平行に延伸し、延伸した先端（延伸端部）にそれぞれ第一端子１１ａ（２１ａ）と第二端子１１ｂ（２１ｂ）とを設けた電線１０ａ（２０ａ）の部分が端子連結線部分に該当する。むろん本発明にかかる誘導コイルは、略全ての部位が、両端の端子間の基準面で対称な形状となっていれば図１，２に示した形状に限られない。以下では、上記誘導コイル１０を用いた場合を例に説明を続けるが、誘導コイル１０を用いる場面の全てにおいて、誘導コイル２０など他の対称形状のコイルを代用可能である。
また、別の表現で説明するとすれば、上記誘導コイル１０（２０）は、それぞれ巻き初めと巻き終わりとなる第一端子１１ａ（２１ａ）と第二端子１１ｂ（２１ｂ）と、これらの第一端子１１ａ（２１ａ）と第二端子１１ｂ（２１ｂ）とを接続してコイル部分を形成する電線１０ａ（２０ａ）とからなり、
第一端子１１ａ（２１ａ）側から捲回される電線１０（２０）と、第二端子１１ｂ（２１ｂ）側から捲回される電線は、上記（仮想）円柱表面に沿って対称な位置となるように捲回され、互いに半周した位置で絶縁状態で交差（交差点Ｃ１，Ｃ２）し、再度、上記（仮想）円柱表面に沿って対称な位置となるように捲回され、これを繰り返した後に接続するように形成されているといえる。
なお、誘導コイル１０，２０の素材としては、銅を始めとして加工に適した各種金属部材が考えられる。また誘導コイル１０，２０は、その断面が電線によって埋められていてもよいし、全長に渡って内部に中空を形成するものであってもよい。

（２）プラズマ発生装置の例
次に、誘導コイル１０を用いたプラズマ発生装置について説明する。
図４は、プラズマ発生装置３０の主要部を一部縦断面図により示している。
プラズマ発生装置３０は、処理容器である真空チャンバの上壁３１を備える。上壁３１は、例えば、シリコン、セラミック、サファイア、クオーツ、その他の誘電体によって形成された周囲が略円筒形の平板状部材である。上壁３１の上面３２には、少なくとも一つ以上（同図においては三つ）の環状溝３２ａが同心円状に形成されている。また、上壁３１の下面３３には、上面３２の各環状溝３２ａよりも平板上部材の中心側の各位置に環状溝３３ａが環状溝３２ａと同心円状に形成されている。つまり上壁３１においては、円盤の外側から中心に向かって、環状溝３２ａと環状溝３３ａとが交互に形成されている。下面３３に形成した各環状溝３３ａはプラズマ発生用空間に該当する。

上面３２の環状溝３２ａには誘導コイル１０を収容する。図では、三つある環状溝３２ａのうち真ん中の環状溝３２ａに誘導コイル１０を収容する様子を示しているが、他の環状溝３２ａにも、それぞれコイル径を対応する環状溝３２ａに適合させた誘導コイル１０を収容する。一つの上壁３１の全ての環状溝３２ａに同一形状の誘導コイル１０または誘導コイル２０を収容してもよいし、環状溝３２ａ毎に、誘導コイル１０と誘導コイル２０とのいずれかを任意に選択して収容してもよい。
各環状溝３３ａの底に対応する上面３２の各位置には、上面３２から環状溝３３ａまでを貫通するガス供給孔３２ｂが複数形成されている。つまり、図示しないガス供給系をガス供給孔３２ｂに接続することにより、ガス供給孔３２ｂを介して各環状溝３３ａ（プラズマ発生用空間）にプラズマ発生用のガスを供給する仕組みとなっている。

下面３３の下方には、下面３３から所定距離離れた位置に、基板支持台としてのカソード部３５が配置されている。カソード部３５は、プラズマプロセス（アッシングや、エッチングや、スパッタリング等の各種プラズマプロセス）の対象となるウェハ等の基板を載置するための台であり、下面３３とカソード部３５とによって挟まれた空間がプラズマ処理空間３４となる。カソード部３５に対しては、その出力パワーが独立して可変される電源３６が接続されており、電源３６からカソード部３５に対して高周波電力が供給される。

上記のような構成において、本実施形態では、上壁３１に収容した誘導コイル１０の第一端子１１ａには電源３７を接続して高周波電力を供給するとともに、第二端子１１ｂには可変コンデンサ３８を接続する。この可変コンデンサ３８の働きによって誘導コイル１０の両端を同電位とする。その結果、誘導コイル１０の両端の中間点Ｍ１の電位が０となることにより、容量性電流によるプラズマの電位が左右対称になる。誘導コイル１０に電力を供給することにより、上壁３１近辺に磁場が生成される。そして、当該磁場の作用により、各環状溝３３ａ内にプラズマが生成されることとなる。

このようにして発生させたプラズマを作業媒体として使用することにより、上述した各種プラズマプロセスを行うことができる。ここで、各種プラズマプロセスを実行する上では、上記発生させるプラズマはその分布が均一であることが望まれる。
すなわち、真空チャンバの上壁に収容されて、その両端の電位が調整される誘導コイルとして、上述したような対称形状の誘導コイル１０または誘導コイル２０を用いることにより、極めて均一性の高いプラズマを発生させることができる。

（３）実例
図５（ａ）は、プラズマ発生装置３０によって発生させたプラズマを作業媒体として実施したプラズマプロセスの結果の一例をグラフにより示している。
同グラフにおいては、プラズマ発生装置３０によって発生させたプラズマによるスパッタリング量の変化率を縦軸に示している。一方、同グラフの横軸には、基板Ｗ上における位置を示している。
具体的には、図５（ｂ）に示すように、基板Ｗ上に上壁３１と同軸の円Ｃを想定し、この円上のある位置を基準位置Ｐ０（０度）とし、基準位置Ｐ０から円Ｃ上を一定方向に回ったときの角度Φ（０〜３６０度）によって基板Ｗ上の各位置を定義している。

図５（ａ）においては、上壁３１に誘導コイル１０（symmetrical type）を収容して処理を行なったときのスパッタリング量の変化率を線Ｂで示し、上壁３１に誘導コイル１０の代わりに、通常の螺旋状の誘導コイル（asymmetrical type）を収容して処理を行なったときのスパッタリング量の変化率を線Ａで示している。同図によれば、通常の螺旋状の誘導コイル（asymmetrical type）を用いたときのスパッタリング量は、基板Ｗ上の各位置において大きく変動しているのに対し、誘導コイル１０（symmetrical type）を用いたときのスパッタリング量は、基板Ｗ上の各位置においてほとんど変動していないことが判る。具体的には、通常の螺旋状の誘導コイル（asymmetrical type）によるスパッタリング量の変化率は約１４％であるのに対し、誘導コイル１０（symmetrical type）によるスパッタリング量の変化率は約４％である。

つまり、本発明にかかる誘導コイル１０を使用して発生させたプラズマによるスパッタリング量が、上記グラフの如く基板Ｗ上の全角度に渡って僅かしか変動していないということは、上記誘導コイル１０を使用して発生させたプラズマが誘導コイル１０の全ての径方向において高い均一性を保っていることの証となる。

Claims (5)

1. 所定の空間中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置に用いられる誘導コイルであって、
   上記誘導コイルは、
   両端に第一端子と第二端子とを有する一続きの一本の電線からなり、
   第一端子と第二端子とは同じ高さに設けられ、
   第一端子と第二端子との各々から延伸する当該電線は、当該誘導コイルの軸と平行に所定長さ延伸し、当該所定長さ延伸した各位置から円周方向において互いに逆向きに当該軸に垂直な面に環状のカーブを形成し、それぞれ環を略半周し、それぞれ当該軸方向における位置を同じだけ変化させながら、電線上における第一端子と第二端子との中間点および当該軸を含む基準面を通過する箇所において交差し、交差後に再び当該軸に垂直な面に環状のカーブをそれぞれ形成し、
   基準面を通過する箇所における電線の交差部を一つ以上有する、形状であることを特徴とする誘導コイル。
2. 誘導コイルであって、
   両端に第一端子と第二端子とを有する一続きの一本の電線からなり、
   第一端子と第二端子とは同じ高さに設けられ、
   第一端子と第二端子との各々から延伸する当該電線は、当該誘導コイルの軸と平行に所定長さ延伸し、当該所定長さ延伸した各位置から円周方向において互いに逆向きに当該軸に垂直な面に環状のカーブを形成し、それぞれ環を略半周し、それぞれ当該軸方向における位置を同じだけ変化させながら、電線上における第一端子と第二端子との中間点および当該軸を含む基準面を通過する箇所において交差し、交差後に再び当該軸に垂直な面に環状のカーブをそれぞれ形成し、
   基準面を通過する箇所における電線の交差部を一つ以上有する、形状である誘導コイルと、
   上記誘導コイルが所定位置に配置される処理容器と、を備え、
   上記誘導コイルに電力が供給されて上記処理容器内にプラズマを発生させることを特徴とするプラズマ発生装置。
3. 上記処理容器は、一方の面に少なくとも一つのプラズマ発生用空間としての環状溝が形成され、他方の面に少なくとも一つの環状溝が上記一方の面に形成された環状溝と同心状に形成された壁部材を備え、
   上記他方の面に形成された環状溝に上記誘導コイルを収容することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生装置。
4. 誘導コイルを使用して所定の空間中にプラズマを発生させるプラズマ発生方法であって、
   上記誘導コイルは、
   両端に第一端子と第二端子とを有する一続きの一本の電線からなり、
   第一端子と第二端子とは同じ高さに設けられ、
   第一端子と第二端子との各々から延伸する当該電線は、当該誘導コイルの軸と平行に所定長さ延伸し、当該所定長さ延伸した各位置から互いに円周方向において逆向きに当該軸に垂直な面に環状のカーブを形成し、それぞれ環を略半周し、それぞれ当該軸方向における位置を同じだけ変化させながら、電線上における第一端子と第二端子との中間点および当該軸を含む基準面を通過する箇所において交差し、交差後に再び当該軸に垂直な面に環状のカーブをそれぞれ形成し、
   基準面を通過する箇所における電線の交差部を一つ以上有する、形状であり、
   上記所定の空間にプラズマ発生用のガスを供給し、上記誘導コイルに電力を供給することにより上記所定の空間にプラズマを発生させることを特徴とするプラズマ発生方法。
5. 上記第一端子には電源を接続して高周波電力を供給するとともに、第二端子には可変コンデンサを接続し、同可変コンデンサの働きによって第一端子および第二端子を同電位としつつ、上記電線の中間点の電位が略０となるようにすることにより、容量性電流によるプラズマの電位を対称とさせつつ、当該誘導コイルに供給した高周波電力により、同誘導コイルの内側に磁場を生成させ、同磁場の作用によりプラズマを生成させることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ発生方法。

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