JP5000061B2 - 高周波プラズマ源 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、低圧気体放電（プラズマ）の効率的な励磁のための装置に関する。この装置は、高密度低圧プラズマから抽出される高イオン化されかつ電荷補償されたプラズマビームを提供する。プラズマビームの性質（たとえばイオンエネルギー、イオン電流密度、イオンビームの組成）は、非常に良好にコントロールし、かつ調節することができる。別法として、電子もしくはイオンの選択的抽出のためのシステムと組み合わせて負もしくは正の粒子流を抽出することができる。
【０００２】
プラズマシステムは、先端科学技術における固体材料の製造および処理に非常に重要である。特別の興味は、準中性のプラズマビームを生成するプラズマリアクタにある。このプラズマリアクタ（以下プラズマ源とも呼ぶ）は、プラズマ処理の種々の適用分野で使用することができる。この適用分野には、薄層の析出および成長、散乱、エッチング、クリーニングなどが含まれる。プラズマビームは、同じ部分で正に帯電したイオンと（負に帯電した）電子とからなり、それによって電気的に中性である。イオンの全正電荷は電子の全負電荷に等しく、従って、プラズマ源は全体として電気的に中性である。このプラズマビームの準中性の性質は、付加的なプラズマビームの中性化のための構造を必要とせずに、電気的絶縁材料の成膜および表面処理を可能にする。
【０００３】
最近の適用は、所望の化学的結合の形成を保証するために、しばしば精密に調節可能のイオンエネルギーを有するイオンの高い占有率を必要とする。つまり、ダイヤモンドに類似した炭素（diamond-like carbon、DLC）または立方晶窒化ホウ素からの硬質層の析出のために、約１００ｅＶのイオンエネルギーを有する高イオン化プラズマビームがｓｐ^３結合の占有率を最大化するために必要になる。エネルギー論的な析出プロセスが、核形成閾値の超過のために、また同様に閉鎖した連続的な層の保証のために必要になる。可能な限り高いイオン占有率への要求は、プラズマが低圧で、典型的には１０^−３ｍｂａｒ以下で生成されることを意味する。これは、さらにプラズマ容器の壁部での再結合による損失を防止するために、磁界アシストしたプラズマの励磁を必要とする。プラズマの効率的な励磁は、高いプラズマ密度と高い析出率またはエッチング率のための基本的前提条件であり、それによって短くかつコスト的に有利な処理時間を保証することができる。少なからぬ重要性をもつのは、高効率の経済的な処理を保証するために、プラズマ源の性能が可能な限り大きい基板面積を処理できることである。
【０００４】
プラズマアシストした固体表面の処理のための種々のシステムがある。これらのシステムの一部は、プラズマの生成のための高周波の電気的交番磁界の使用に基づく。これらのシステムの多くは、陰極板と陽極板を有し、高周波電力が容量的に陰極を介してプラズマの中へ供給される。電極の間にバイアス電圧が形成され、このバイアス電圧の大きさは電極面積と印加された高周波振幅とに依存する。イオン衝撃を最大化するために、基板が陰極上に配置される。容量性結合の高周波システムの欠点は、高周波電力の非効率的な結合からプラズマの中へ生じるプラズマ密度が非常に小さいことである。典型的に１０^−３ｍｂａｒの領域におけるプロセス圧力では、基板上に流入する粒子流はエネルギー粒子の僅か約５％を含むにすぎない。これは、エネルギー論的なイオン優勢プロセスを必要とする多くの実用上の使用にとっては不充分である。従来の高周波プラズマ源のその他の欠点は、幅広いイオンエネルギー分布である。さらに、これらのシステムは比較的小さい成長率を有し、電力データがまだ非常に周囲条件に左右されている。
【０００５】
米国特許第５，０１７，８３５号は、大面積のイオンビームの生成のための高周波イオン源を記載しており、誘導高周波エネルギーがプラズマの中へ結合される。このイオン源は、支持板と閉鎖板との間に固定された管状のプラズマ容器の中のプラズマの電子サイクロトロン波長共鳴励磁を利用する。同調可能の中間回路は、高周波発生器を負荷回路コイルと接続する。弱い直流磁界がプラズマに重畳される。複数の電極からなるイオン抽出のためのイオン光学システムは、支持板の中に配列されている。
【０００６】
米国特許第５，１５６，７０３号は、表面のアブレーションおよび構造化方法、表面ドーピングの製造方法およびプラズマからの粒子衝撃による表面層の生成方法を記載する。高周波電圧が抽出電極ともう１つの電極との間に低圧プラズマが存在する前記抽出電極ともう１つの電極に印加されることによって、電界および磁界によって生成された低圧プラズマから準中性プラズマビームが抽出される。プラズマと抽出電極との間で降下する高周波電圧の振幅が抽出イオンのエネルギーを決定する。
【０００７】
Ｍ．Ｗｅｉｌｅｒらは、応用物理学書簡集、第６４巻（１９９４年）２７９７〜２７９９頁（Applied Physics Letters Vol. 64(1994), Seiten 2797-2799）および物理評論誌Ｂ、第５３巻（１９９６年）、１５９４〜１６０８頁（Physical Review B, Vol. 53(1996), Seiten 1594-1608）に、高周波（１３．５６ＭＨｚ）の容量性結合した磁界アシストのプラズマ放電を生成するプラズマ源を用いたアモルファス四面体に結合した炭化水素の析出を記載している。このプラズマ源は、大きく移動可能の高周波供給電極と、地電位に接続された小さい網電極とからなる。プラズマに静的な双曲線磁界が重畳される。電極と、プラズマと、接地された網との間に、正のバイアス電圧が形成される。この電極は、垂直にシフトさせることができる。その場合に、この電極の有効面積と、同様に形成されるバイアス電圧とが変化する。それによって、この変化を通して気体圧力または供給された電力を変化させずにイオンのエネルギーを調節することができる。このプラズマ源の場合の刷新は、イオンエネルギーが基板への電圧の印加によってではなく、内部のバイアス電圧によってコントロール可能もしくは調節可能であることである。全ての容量性結合のプラズマ源の場合と同様に、このシステムにおいてもプラズマ密度が１０^−３ｍｂａｒ以下の圧力で非常に小さくなる。
【０００８】
プラズマ源の改良された世代は、Ｍ．Ｗｅｉｌｅｒらが「応用物理学書簡集、第７２巻（１９９８年）、１３１４〜１３１６頁」（Applied Physics Letters Vol. 72(1998), Seiten 1314-1316）に記載している。プラズマビームは、高周波（１３．５６ＭＨｚ）の誘導性結合したプラズマ放電によって直交して重畳する静的磁界で生成される。イオンエネルギーは、プラズマの背後にある電極へ高周波振幅の印加によって変化させることができる。
【０００９】
米国特許第５，８５８，４７７号は、アモルファス四面体結合炭化水素の析出による記憶媒体上の密封保護層の製造のための方法および装置を包含する。これらのシステムの１つは、アンテナがプラズマチャンバを取り囲むと共に、プラズマを高周波によって誘導的に励磁するプラズマ源と、プラズマチャンバに向かう結合電極と、イオンビームを容量性結合によってプラズマから抽出するプラズマチャンバの開口部を介した抽出電極とを記載している。回転する直交磁界の生成のためのコイルは、プラズマビームの均一化のためにプラズマチャンバ周りに配列されている。
【００１０】
従来のプラズマ源の問題は、イオンエネルギーとイオン電流密度とが互いに独立して調節できないことである。在来型の高周波源における別の問題は、独立の高周波インピーダンス整合ネットワークを必要とすることである。高周波整合ネットワークは、その場合に高周波発生器の電力をケーブルを介して励磁電極の中へ供給し、そこから多量の電力損失が生じる。さらに、常法のプラズマ源で高周波電圧の振幅ならびに高周波整合ネットワークの中の高周波電流の振幅を互いに独立して調節することができない。したがって、共鳴効果は電子サイクロトロン波長共鳴またはランダウ減衰のように好適な方法で利用することができない。
【００１１】
本発明は、プラズマ源の多面性、機能性および効率を高めること、すなわちイオンエネルギーとイオン電流密度とを互いに独立してコントロール可能にし、同時に高いプラズマ密度ならびに高い解離率もしくはイオン化率を提供し、かつ電力損失を低減することを課題としている。
【００１２】
本発明によれば、準中性のプラズマビームまたはイオンビームの生成のために使用できる高周波プラズマ源が支持体要素からなり、この支持体要素上に直交磁界の生成のための磁界コイル配列と、プラズマチャンバの中への作業ガスの送給のための気体分配システムと、プラズマビームの抽出のためのユニットとが配列されており、プラズマ源の内部には付加的にプラズマの中へ発生器電力の供給のための高周波整合ネットワークがあり、この高周波整合ネットワークが常法により任意かつ可変のコンデンサおよび高周波空芯コイルを有する１次回路と、コンデンサ、高周波空芯コイルおよび少なくとも１つの励磁電極を有する２次回路とからなり、前記両回路が高周波空芯コイルの誘導性フラックスを介して、かつ付加的に互いに容量結合されている。
【００１３】
本発明によるプラズマ源において、イオンエネルギーと、イオン電流密度と、解離率と、イオン化率とが互いに独立して調節可能である。このプラズマ源は、気体放電の励磁のために高周波（典型的に１３．５６ＭＨｚまたは２７．１２ＭＨｚ）を利用する。この場合に、高周波電力は、主に誘導的に電子サイクロトロン波長共鳴またはプラズマの中へのランダウ減衰の機構を介して磁界アシストしたプラズマの中へ供給される。
【００１４】
特に電力損失の低減に利用される高周波整合ネットワークは、プラズマ源の内蔵した構成要素である。すなわち前記高周波整合ネットワークはプラズマ源の内部に配列されており、そのため付加的な整合ネットワークが不要になる。前記高周波整合ネットワークは、イオンエネルギーを幅広い領域にわたってイオン電流密度に関係なく調節することを可能にする。２次回路の中に可変コンデンサを使用すれば、これを連続的に行うことができる。高周波整合ネットワークは、高周波電流振幅および高周波電圧振幅の独立したコントロールと調節可能性とが保証されるように形成されている。これは、励磁機構（ＥＣＷＲまたはランダウ）に必要な条件の精密な選択を可能にし、それによってプラズマをその都度高い効率で励磁させることができる。本発明によるプラズマ源は、１０^１３ｃｍ^３までの非常に高いプラズマ密度を生成し、５０％までの非常に高いイオン化率を提供し、たとえば酸素、窒素または水素のような２原子分子の場合で８０％までにすることができる非常に高い解離率を有する。さらに、イオンエネルギーをイオン電流密度に関係なく１０ｅＶから約１０００ｅＶまでの領域にわたって調節する可能性がある。それによって、本発明によるプラズマ源は、良好に定義されたイオンエネルギー、イオン電流密度およびプラズマビームの組成の特性を有する高イオン化電荷補償プラズマビームを生成する。さらに、プラズマビームの均一性も粒子自由度も保証される。それによって、プラズマ源の長時間安定性と共に、プロセスのコントロール可能性ならびに保守間隔の間の非常に長い耐用期間が保証されている。
【００１５】
このような整合ネットワークは、ＣＣＲＧｍｂＨ成膜技術社の、官庁整理番号第１０００８４８５．０号を有するドイツ特許出願「高周波整合ネットワーク」に詳細に記載されている。
【００１６】
組み合せた誘導性ならびに容量性のプラズマ励磁に利用される励磁電極は、真空の内部にも外部にも配列することができる。この励磁電極は、形状、大きさおよび配列において所望のプラズマビームの幾何学形状に整合させることができる。複数の励磁電極も使用することができ、その場合に好ましくは１０ｍｍおよび１００ｍｍの間の間隔で並列して真空中に配列されている。常法により、この場合には各電極が固有の整合ネットワークと独立の高周波発生器とを介して供給される。つまり、個々のプラズマチャンバの中に様々なプラズマを生成させ、ならびにこれらのプラズマのビーム特性を広範囲に互いに独立してコントロールし、かつ調節する可能性がある。
【００１７】
その巻数がｎ≦１である励磁電極のみが使用される。それによって、励磁電極の誘導性と共に、励磁電極とアースとの間でプラズマを介して降下する高周波振幅が最小化される。それによって、プラズマの中への電力結合が主に誘導的に行われる。連続的に接続可能の容量性の電力結合は、その場合に本発明による整合ネットワークの回路形成を介して行われる。
【００１８】
常法により、励磁電極は管材または線材から製造される。イオンエネルギーがここでプラズマへの容量性結合を利用して、すなわち励磁電極とアースとの間でプラズマを介して印加される付加的な高周波振幅によって増大される場合、それにもかかわらず最大の達成可能のイオンエネルギーが非常に小さくなる。より高いイオンエネルギーは、管材または線材製の励磁電極によって達成することができない。プラズマチャンバの縁面は、通例、接地された高周波導通面からもなる。接地面に対する高周波導通面からの比率が大きくなるほど、最大の達成可能のイオンエネルギーもそれだけ高くなる。励磁電極は、それによって可能な限り多くの接地面が高周波導通面に換えるために套管状または帯状に形成される。その場合に套管の高さは、プラズマチャンバの最大長さに相当する。電極は、板または非閉鎖套管の形状を有することができ、前記套管は断面形状で好ましくは環状、セクタ状、正方形または四角形である。
【００１９】
プラズマの中への電力供給は、高周波によって行われる。この電力供給の効率を高めるために、常法によりプラズマと励磁電極とに共鳴励磁のための直交磁界が重畳される。この磁界は、プラズマチャンバ周りに配列された磁界コイルによって生成することができる。前記磁界コイルは、真空の外部にも内部にも配列することができ、プラズマチャンバの幾何学形状に適合させることができる。コイルが直流で駆動される場合、磁界は静的である。交流で駆動されるときは、時間的にシフトした並列コイルの駆動によって、もしくは位相シフトした電流によってプラズマ源の縦軸周りに磁界の回転を達成することができる。この磁界はその場合に動的になる。
【００２０】
磁界の変化を介して、選択的にプラズマの共鳴励磁を静止波長の生成を介してまたはランダウ減衰のための共鳴条件の履行によって実施することができる。プラズマ空間内の磁界強度の変化を介して、プラズマの屈折率ｎを幅広い領域にわたって、通例５０および５００の間で変化させることができる。ランダウ共鳴条件の履行のために、電磁波の位相速度Ｃ_ＰＬがプラズマ電子の平均速度Ｖ_ｅと一致しなければならない。この位相速度は、屈折率と電子の平均速度とによって電子温度Ｔ_ｅを介して決定される。Ｃ_ＰＬ＝Ｃ_Ｖ／ｎ＝（ｋＴ_ｅ／ｍ_ｅ）^１／２が（式中、ｋはボルツマン定数であり、ｍ_ｅは電子質量である）当てはまらなければならない。
【００２１】
静止直交磁界は、プラズマチャンバを介して均一にならない。そこから、プラズマチャンバの中の局所的に異なる励磁効率が生じ、局所的に異なるプラズマ密度を引き起こす。抽出されたプラズマビームは、それによっても不均一である。最終的に、たとえば高い層厚変動を有する成膜が生じる。直交磁界の不均一性は、それによって基板上に模写される。励磁の均一性は、動的磁界が使用されることによって最適化することができる。２つの磁界コイル（固定）の代わりに、そこで少なくとも３つの磁界コイルがプラズマチャンバ周りに配列される。コイルの駆動のために、交流（ｆ＜１００Ｈｚ）を、しかも電流が、２つの並列（または前後）におかれるコイルの中で相互に位相シフトされるように使用することができる。それによって、プラズマ源の縦軸周りの磁界の回転が達成される。この磁界の回転は、回転サイクルに渡って積分もしくは加算されてプラズマの均一な励磁に導く。付加的に、プラズマの均一性改善の連続混合が行われる。
【００２２】
抽出されたプラズマビームの均一性の付加的な改善は、最内部のコイル位置の上方に、第２位置からのコイルの中心が最内部の位置からのコイル対の末端の上方に配置されるように第２位置が配列される場合に達成される。
【００２３】
理想的には、高周波プラズマ源の中に磁界コイル、励磁電極および気体流入システムが空間的および幾何学的に相互に調整される。
【００２４】
プラズマから帯電粒子（通例イオンおよび／または電子）の抽出のために、プラズマビーム抽出ユニット（抽出システムとも呼ぶ）をプラズマチャンバの開口部に配列することができる。最も簡単な場合では、シャッターすなわち開口部を有する平板を使用することができ、それによってプラズマの流出が保証されている。変形は、地電位にある格子、網または線網状体の使用である。プラズマ源から流出するイオンのエネルギーは、それによってプラズマ電位および地電位の差から生じる。プラズマ電位は、励磁電極に印加される電気的な交番磁界の高周波振幅によって変化させることができる。それによって、イオンの運動エネルギーを高周波電圧振幅によって変化させることができる。
【００２５】
以下、本発明は例として図面を利用して具体的に示す。
図１はプラズマ源の概略的構造である。
図２ａ〜ｊは励磁電極の可能な形状および配列である。
図３ａ〜ｃは励磁電極の断面図である。
図４ａ〜ｎは磁界コイルの可能な形状および配列である。
図５はランダウ減衰共鳴の表示のための磁界強度の関数としてのイオン電流密度である。
図６ａ、ｂはプラズマビーム抽出システムの種々の配列である。
【００２６】
プラズマ源の原理的構造は、図１に示している。プラズマ源は、種々の主構成要素から構成される。このプラズマ源は支持体要素（１）からなり、前記支持体要素上に、直交磁界の生成のための複数の磁界コイル（４）の配列、プラズマビーム抽出ユニット（５）および気体分配システム（６）が配列されている。さらに、プラズマ源の内部には、同様に支持体要素（１）と接続された、プラズマの生成のための付属の励磁電極（３）を有するインピーダンス整合のための高周波整合ネットワーク（２）がある。励磁電極（３）は、真空中に配列されており、真空電流フィードスルー（９）を介して整合ネットワークの主部と接続されている。作業ガスは、気体配分システム（６）を介してプラズマ源を通してプラズマチャンバの中へ流入される。プラズマ源は、組み合わされた状態で、全構成要素の調整後に真空容器（７）のハウジング壁に固定することができるコンパクトなユニットである。電力供給のために、その周波数が１３．５６ＭＨｚになる高周波発生器（８）が必要である。磁界コイル（４）の駆動は、回転磁界が生成されるように行われる。
【００２７】
図２に、励磁電極の種々の形状と配列を示している。励磁電極の形状および大きさは、所望のプラズマビームの断面に適合される。セクタ状の励磁電極（図２ａ）は、丸形のビームプロフィールを生成し、正方形の励磁電極（図２ｂ）は正方形のビームプロフィールを生成する。四角形の励磁電極（図２ｃ）ならびに帯状体（図２ｄ）として形成された励磁電極は、線形のビームプロフィールを生成する。例として記載した励磁電極は、多様な方法で１０ｍｍから１００ｍｍまでの小さい間隔でのみ並列して配置することができる（図２ｅ〜ｊ）。
【００２８】
図３ａは、幅５ｍｍおよび高さ５０ｍｍの套管形状の励磁電極の断面表示である。図３ｂは励磁電極の一変形であり、配管（１０）が前記励磁電極と接続されている。図３ｃは、励磁電極の別の変形であり、前記励磁電極自体は中空（１２）を具備している。冷却のために、配管（１１）の内部もしくは中空（１２）を流動性の媒体、好ましくは水で洗出することができる。
【００２９】
図４は、直交磁界の生成のための磁界コイルの可能な形状および配列である。
【００３０】
図５は、磁界コイル電流の関数としてのイオン電流密度の表示によるプラズマ源の共鳴特性である。
【００３１】
図６は、抽出システムの種々の変形である。最も簡単な場合では、開口部（１３）を有する平板を使用することができる（図６ａ）。図６ｂは、地電位にある線網状体（１４）である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 プラズマ源の概略的構造である。
【図２】 励磁電極の可能な形状および配列である。
【図３】 励磁電極の断面図である。
【図４】 磁界コイルの可能な形状および配列である。
【図５】 ランダウ減衰共鳴の表示のための磁界強度の関数としてのイオン電流密度である。
【図６】 プラズマビーム抽出システムの種々の配列である。
【符号の説明】
１ 支持体要素
２ 高周波整合ネットワーク
３ 励磁電極
４ 磁界コイル配列
５ プラズマビーム抽出ユニット
６ 気体分配システム
７ 真空容器のハウジング壁
８ 高周波発生器
９ 真空電流フィードスルー
１０ 配管
１１ 配管の内部
１２ 励磁電極の中空
１３ アパーチャ
１４ 格子、網または線網状体

Claims (5)

1. − 支持体要素（１）
   − 前記支持体要素上に配列された磁界コイル配列（４）であって、プラズマチャンバの周りに配置された少なくとも３つのコイルを含む磁界コイル配列（４）、
   − 前記支持体要素上に配列された気体分配システム（６）であって、プラズマ源を通してプラズマチャンバに作業ガスを導入するための気体分配システム（６）、
   − 前記支持体要素上に配列されたプラズマビーム抽出ユニット（５）、及び
   − 高周波電力をプラズマに誘導するための高周波整合ネットワーク（２）であって、第１可変コンデンサおよび第１高周波空気芯コイルを有する１次回路と、第２可変コンデンサ、第２高周波空気芯コイルおよび少なくとも１つのプラズマチャンバの内側に配置された励磁電極（３）を有する２次回路とからなり、前記１次回路と２次回路は前記第１と第２高周波空気芯コイルの誘導性フラックスを介して結合された高周波整合ネットワーク（２）
   を含む高周波プラズマ源であって、
   前記第２可変コンデンサを調節することにより、イオンエネルギーをイオン電流密度と関係なく調節できることを特徴とする高周波プラズマ源。
2. 励磁電極（３）が非閉鎖套管の形状を有することを特徴とする、請求項１記載の高周波プラズマ源。
3. 複数の励磁電極（３）が１０ｍｍ〜１００ｍｍの間隔で並列して真空中に配列されていることを特徴とする、請求項１または２記載の高周波プラズマ源。
4. 動的磁界および／または回転磁界を生成するように、前記磁界コイル配列（４）のコイルが交流電流で駆動されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項記載の高周波プラズマ源。
5. プラズマビーム抽出ユニット（５）がアパーチャ（１３）、格子または網もしくは線網状体（１４）であること、およびプラズマビーム抽出ユニット（５）がプラズマチャンバの開口部の前に配列されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項記載の高周波プラズマ源。

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