JP5711581B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界及び磁界によってプラズマの密度分布を制御するプラズマ処理装置に関する。

平行に配された円板状の上部電極及び下部電極の間の処理空間においてプラズマを発生させ、該プラズマを用いて基板、例えば、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）に所望の処理を施す、容量結合（Capacitively Coupled Plasma）型のプラズマ処理装置が知られている。この容量結合型のプラズマ処理装置では、上部電極や下部電極の中央部分に対向する処理空間のプラズマの密度が上昇し、処理空間全体におけるプラズマの密度分布が均一にならない傾向にある。

そこで、図１０に示すように、上部電極を内側電極１１０と、該内側電極１１０を取り囲む外側電極１１１に分割し、内側電極１１０及び外側電極１１１のそれぞれに独立して高周波電力を印加し、内側電極に対向する処理空間（以下、「内側空間」という。）の電界と、外側電極に対向する処理空間（以下、「外側空間」という。）の電界とを個別に調整するとともに、永久磁石列１１２〜１１４を上部電極の上面において当該上部電極の中心を中心として同心円状に配置し、これにより、処理空間の所望の位置に磁界を生じさせるプラズマ処理装置１１５が本発明者等によって提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このプラズマ処理装置１１５では、内側空間の電界及び外側空間の電界を個別に調整することによって内側空間におけるプラズマ密度及び外側空間におけるプラズマ密度を個別に制御する。

また、プラズマ処理装置１１５では、永久磁石列１１２，１１３の間、及び永久磁石列１１３，１１４の間にそれぞれ上部電極の中心を中心とする円環状に分布する磁力線１１６，１１７を生じさせ、該磁力線１１６，１１７に起因する磁界を内側空間や外側空間に分布させ、内側空間内や外側空間内の電子をローレンツ力によって各磁力線１１６，１１７に対して垂直な方向にドリフトさせる（図中「●」等は電子のドリフト方向を示す）。このとき、ローレンツ力によってドリフトする電子は、上部電極の中心を中心として上部電極の表面近傍を旋回する。旋回する電子は処理ガスの分子や原子と衝突してプラズマを生成する。その結果、上部電極の中心を中心とする円環状に分布し且つ磁界に対応して分布するプラズマを生成することができる。

このようなプラズマ処理装置１１５では、内側空間におけるプラズマ密度及び外側空間におけるプラズマ密度を個別に制御し、且つ複数の円環状のプラズマを生成させることにより、処理空間全体におけるプラズマ密度分布を制御できる。

特開平１０−１５２７７５号公報

しかしながら、本発明者によるさらなる研究の結果、上記従来技術において、処理空間内に生じる磁界には上部電極及び下部電極に平行な水平成分と、上部電極及び下部電極に垂直な垂直成分が存在し、水平成分は、電界と磁界を独立に制御して処理空間内のプラズマ密度を調整する際に有用であるが、垂直成分は処理空間内の電界及び磁界の関係を複雑にし、ひいては処理空間内のプラズマ密度分布の調整を不可能にするという問題があることが分かってきた。

本発明の課題は、上部電極の上部に磁石を配置して処理空間内のプラズマ密度分布を制御するプラズマ処理装置において、処理空間内に発生する磁界における垂直成分を極力小さくして該垂直成分による悪影響をなくし、これによって処理空間内のプラズマ密度分布を良好に制御することができるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載のプラズマ処理装置は、下部電極と、該下部電極と対向して配置された上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極との間の処理空間においてプラズマを生じさせて前記下部電極に載置された基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記上部電極に関して前記処理空間とは反対側に配置された磁場形成部を有し、前記磁場形成部は、前記上部電極の前記処理空間とは反対側の面において平面視において同心状に配置された一対の環状の磁石列を備えた少なくとも１つの磁力線生成ユニットを有し、前記磁力線生成ユニットにおける前記一対の環状の磁石列は、各磁石列を形成する磁石の軸線によって形成される角度θ１が鋭角となるように配置され、且つ、前記一対の環状の磁石列における前記処理空間側とは反対側の端部が互いに磁界的に接続されて、前記処理空間側の各端部の間において前記処理空間に進入する磁力線を生じさせ、前記磁場形成部によって前記処理空間内に形成される磁場の垂直成分を該磁場の水平成分よりも小さくしたことを特徴とする。

請求項２記載のプラズマ処理装置は、請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記上部電極と前記下部電極との間に直流電源又は高周波電源を接続したことを特徴とする。

請求項３記載のプラズマ処理装置は、請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、前記少なくとも１つの磁力線生成ユニットは、前記処理空間に対して近接及び離脱自在であることを特徴とする。

請求項４記載のプラズマ処理装置は、請求項３記載のプラズマ処理装置において、前記少なくとも１つの磁力線生成ユニットは、複数の磁力線生成ユニットであり、該複数の磁力線生成ユニットは、それぞれ個別に前記処理空間に対して近接及び離脱自在であることを特徴とする。

請求項５記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記少なくとも１つの磁力線生成ユニットを形成する一対の磁石列のうち一方の磁石列が独立して前記処理空間に対して近接及び離脱自在であることを特徴とする。

上記課題を解決するために、請求項６記載のプラズマ処理装置は、下部電極と、該下部電極と対向して配置された上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極との間の処理空間においてプラズマを生じさせて前記下部電極に載置された基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記上部電極に関して前記処理空間とは反対側に配置された磁場形成部を有し、前記磁場形成部は、前記上部電極の前記処理空間とは反対側の面において平面視において同心状に配置された一対の環状の磁石列と、該一対の環状の磁石列の前記処理空間側の端部にそれぞれ当接された２つのヨークとを備えた複数の磁力線生成ユニットを有し、前記２つのヨークの軸線によって形成される角度θ２は、０°＜θ２≦１８０°であり、前記一対の環状の磁石列において前記処理空間側とは反対側の端部は互いに磁界的に接続され、前記一対の環状の磁石列は、前記処理空間側の端部にそれぞれ当接された２つのヨークの各端部の間において前記処理空間に進入する磁力線を生じさせ、前記複数の磁力線生成ユニットのうちの一の磁力線生成ユニットにおける各磁石列の端部に当接された前記ヨークに、隣接する他の磁力線生成ユニットにおける磁石列の端部に当接されたヨークに向かって突出する突起部を設け、該突起部によって前記隣接する磁力線生成ユニット相互における前記ヨーク相互間の間隔を、前記突起部を形成しない場合の前記ヨーク相互間の間隔よりも小さくし、前記磁場形成部によって前記処理空間内に形成される磁場の垂直成分を該磁場の水平成分よりも小さくしたことを特徴とする。

請求項７記載のプラズマ処理装置は、請求項６記載のプラズマ処理装置において、前記角度θ２は、鋭角であることを特徴とする。

請求項８記載のプラズマ処理装置は、請求項６記載のプラズマ処理装置において、前記角度θ２は、９０°であることを特徴とする。

請求項９記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記一対の環状の磁石列における前記処理空間側とは反対側の端部は平面視において環状のヨークを介して互いに磁界的に接続されていることを特徴とする。

請求項１０記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記一対の環状の磁石列における前記処理空間側とは反対側の端部は空間を介して互いに磁界的に接続されていること、を特徴とする。

請求項１１記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記磁力線生成ユニットを、１つの前記磁石列と、一端が該磁石列の前記処理空間側とは反対側の端部と接続し且つ他端が前記処理空間を指向するヨークとで形成したことを特徴とする。

請求項１２記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記磁力線生成ユニットを、前記処理空間側が開放された断面逆Ｕ字状の永久磁石の列で形成したことを特徴とする。

本発明によれば、上部電極の上面に磁石を配置して処理空間内のプラズマ密度分布を制御するプラズマ処理装置において、処理空間内に発生する磁界における垂直成分を極力小さくして該垂直成分による悪影響をなくし、これによって処理空間内のプラズマ密度分布を良好に制御することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置における各磁力線生成ユニットを処理空間から眺めた底面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置における磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態を模式的に示す斜視図である。 第２の実施の形態の変形例における磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置における磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係るプラズマ処理装置における磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態を模式的に示す斜視図である。 円環状のヨークを示す平面図であって、図７（Ａ）は一体型の円環状ヨークを示す平面図、図７（Ｂ）は半円環状のヨークを組み合わせた円環状のヨークを示す平面図である。 第４の実施の形態の第１の変形例における磁力線生成ユニットの説明図であって、図８（Ａ）は、磁場形成部を構成する一対の磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態の一部を模式的に示す斜視図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）における隣接する一対の磁力線生成ユニット間の対向する磁石列の処理空間側端部に当接されたヨークの一部を示す平面図、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）のＩ−Ｉ線に沿ったヨーク断面に対応する磁力線生成ユニットの断面図である。 第４の実施の形態の第２の変形例を示す説明図であって、図９（Ａ）は、磁場形成部を構成する一対の磁力線生成ユニット間の対向する磁石列の処理空間側端部に当接されたヨークの一部を示す平面図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のII−II線に沿ったヨークの断面に対応する磁力線生成ユニットの断面図である。 従来のプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。本プラズマ処理装置は、基板としての半導体デバイス用のウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）にプラズマエッチング処理を施す。

図１において、プラズマ処理装置１０は、例えば、直径が３００ｍｍのウエハＷを収容する円筒状のチャンバ１１を有し、該チャンバ１１内にはウエハＷを載置する円柱状のサセプタ１２と、サセプタ１２に対向して配置されるシャワーヘッド１３とが配置されている。サセプタ１２及びシャワーヘッド１３はそれらの間に処理空間Ｓを構成する。

プラズマ処理装置１０では、処理空間Ｓにおいてプラズマを生じさせて該プラズマによってサセプタ１２に載置されたウエハＷにプラズマエッチング処理を施す。また、チャンバ１１にはチャンバ１１内のガスを排出する排気管１４が接続されている。排気管１４にはＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）及びＤＰ（Dry Pump）（ともに図示省略）が接続され、これらのポンプはチャンバ１１内を真空引きして減圧する。なお、チャンバ１１内の圧力はＡＰＣバルブ（図示省略）によって制御される。

チャンバ１１内のサセプタ１２には第１の高周波電源１５が第１の整合器１６を介して接続され、シャワーヘッド１３には第２の高周波電源１７が第２の整合器１８を介して接続されており、第１の高周波電源１５は比較的低い周波数、例えば、２ＭＨｚのイオン引き込み用の高周波電力をサセプタ１２に印加し、第２の高周波電源１７は比較的高い周波数、例えば、６０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力をシャワーヘッド１３に印加する。これにより、サセプタ１２は下部電極として機能し、シャワーヘッド１３は上部電極として機能する。また、第１の整合器１６及び第２の整合器１８はインピーダンスを調整して高周波電力のサセプタ１２やシャワーヘッド１３への印加効率を最大にする。

サセプタ１２の上部周縁部には、該サセプタ１２の中央部分が図中上方へ向けて突出するように、段差が形成される。該サセプタ１２の中央部分の先端には静電電極板１９を内部に有するセラミックスからなる静電チャック２０が配置されている。静電電極板１９には第１の直流電源２１が接続されており、静電電極板１９に正の直流電圧が印加されると、クーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、ウエハＷは静電チャック２０に吸着保持される。

サセプタ１２は内部に冷媒流路からなる冷却機構（図示省略）を有し、該冷却機構はプラズマと接触して温度が上昇するウエハＷの熱を吸収することによってウエハＷの温度が所望の温度以上になるのを防止する。また、サセプタ１２の上部には、静電チャック２０に吸着保持されたウエハＷを囲うように、フォーカスリング２２がサセプタ１２の段差へ載置されている。フォーカスリング２２は珪素（Ｓｉ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）からなり、プラズマの分布域をウエハＷ上だけでなく該フォーカスリング２２上まで拡大してウエハＷの周縁部上におけるプラズマの密度を該ウエハＷの中央部上におけるプラズマの密度と同程度に維持する。

サセプタ１２と処理空間Ｓを挟んで対向するシャワーヘッド１３は、上部電極板２３と、該上部電極板２３を着脱可能に釣支するクーリングプレート２４とを主に有する。上部電極板２３は、導電体又は半導電体の一枚の円板状部材からなり、厚み方向に貫通する多数のガス孔２５を有する。また、クーリングプレート２４の内部にはバッファ室２６が設けられ、このバッファ室２６には処理ガス導入管（図示省略）が接続されている。

プラズマ処理装置１０では、処理ガス導入管からバッファ室２６へ供給された処理ガスがガス孔２５を介して処理空間Ｓへ導入され、該導入された処理ガスは、第２の高周波電源１７からシャワーヘッド１３を介して処理空間Ｓへ印加されるプラズマ生成用の高周波電力によって励起されてプラズマとなる。該プラズマ中の正イオンは、第１の高周波電源１５がサセプタ１２に印加するイオン引き込み用の高周波電力によってウエハＷに向けて引きこまれ、該ウエハＷにプラズマエッチング処理を施す。

本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０は、シャワーヘッド１３に関して処理空間Ｓとは反対側に配置された複数の磁力線生成ユニット２７、２８、２９を有する。磁力線生成ユニット２７、２８、２９は、それぞれ環状、例えば円環状を呈しており磁場形成部を構成する。すなわち、磁力線生成ユニット２７は、同心状、すなわち同心円状に配置された一対の円環状の永久磁石列２７ａ，２７ｂから主として形成され、磁力線生成ユニット２８は、例えば同心円状に配置された一対の永久磁石列２８ａ，２８ｂから主として形成され、磁力線生成ユニット２９は、例えば同心円状に配置された一対の永久磁石列２９ａ，２９ｂから主として形成されている。各磁力線生成ユニット２７、２８、２９はシャワーヘッド１３の処理空間Ｓとは反対側の上面１３ａにおいて、平面視で一の磁力線生成ユニットが１つ内側に配置された磁力線生成ユニットを囲むように、上部電極板２３の中心を中心として同心円状に配置されている。なお、各磁力線生成ユニット２７〜２９を形成する各磁石列は、図１の上下方向に関して必ずしも高さが揃う必要はない。

また、各磁力線生成ユニット２７、２８、２９を形成する一対の磁石列２７ａ及び２７ｂ、２８ａ及び２８ｂ、２９ａ及び２９ｂでは、各永久磁石列の同磁極が隣接するように各永久磁石板が配置されている。例えば、磁石列２７ａ，２８ｂ，２９ａでは、Ｓ極が処理空間Ｓ側に位置するように各永久磁石板が配置され、磁石列２７ｂ，２８ａ，２９ｂでは、Ｎ極が処理空間Ｓ側に位置するように各永久磁石板が配置されている。これによって、各磁力線生成ユニット２７〜２９における一対の磁石列は、それぞれ処理空間Ｓ側に位置する磁極が異なるように構成されている。

また、各磁力線生成ユニット２７〜２９において、磁石列２７ａ及び２７ｂ、２８ａ及び２８ｂ並びに磁石列２９ａ及び２９ｂの処理空間Ｓとは反対側の各端部はそれぞれ鉄等のヨーク２７ｃ〜２９ｃによって互いに接続されている。

したがって、磁力線生成ユニット２７では、磁石列２７ａ及び磁石列２７ｂの処理空間Ｓ側の各端部はヨークによって接続されずに開放され、且つ互いの磁極が異なるので、当該端部間において磁力線２７ｄが生じる。該磁力線２７ｄは磁石列２７ａ，２７ｂの磁力の大きさによってその強さが左右されるが、本実施の形態では、磁力線生成ユニット２７がシャワーヘッド１３の上面１３ａに近接している場合、磁力線２７ｄは処理空間Ｓの上部に進入する。また、磁力線生成ユニット２８では、磁石列２８ａ及び磁石列２８ｂの処理空間Ｓ側の各端部はヨークによって接続されずに開放され、且つ互いの磁極が異なるので、当該端部間において磁力線２８ｄが生じ、磁力線生成ユニット２９では、磁石列２９ａ及び磁石列２９ｂの処理空間Ｓ側の各端部はヨークによって接続されずに開放され、且つ互いの磁極が異なるので、当該端部間において磁力線２９ｄが生じる。磁力線生成ユニット２８及び２９においても、シャワーヘッド１３の上面１３ａに近接している場合、磁力線２８ｄ及び２９ｄは処理空間Ｓの上部に進入する。

一方、シャワーヘッド１３の上部電極板２３と下部電極としてのサセプタ１２との間に第２の直流電源３０が接続されているので、上部電極２３へ負の直流電圧が印加され、これによって、処理空間Ｓ内に電界Ｅが生じる。従って、上部電極板２３の近傍では電界Ｅと磁力線２７ｄ、２８ｄ及び２９ｄに起因する磁界が交差する領域が生じ、この領域においては処理空間Ｓ内の電子が電界Ｅ及び磁界に起因するローレンツ力を受けてドリフトする。

図２は、図１のプラズマ処理装置における各磁力線生成ユニット２７〜２９を処理空間から眺めた底面図である。図２においてシャワーヘッド１３は省略されている。なお、図２において、各磁力線生成ユニットを形成する磁石列は、鉛直線に対して所定角度で傾斜しているので、その状態を表示すると複雑になる。従って、各磁石列における処理空間Ｓ側の端面のみを表示することによって各磁石列の表示に代えている。

図２において、磁力線生成ユニット２７に対向する領域では、磁石列２７ｂから磁石列２７ａへ向かい、磁力線生成ユニット２７の中心から放射状に分布する磁力線２７ｄ（図中破線矢印参照）に起因する磁界が発生する。このとき、磁石列２７ａ及び磁石列２７ｂにおける磁石の軸線によって形成される角度θ１を鋭角、例えば４５°にしたことによって、磁力線２７ｄに起因して発生する磁界の垂直成分Ｂｚは水平成分Ｂｒに比べて十分小さくなる。従って、磁界の垂直成分Ｂｚに起因する悪影響を回避することができる。また、図２において手前から奥へ向かう電界Ｅが発生している。したがって、磁力線生成ユニット２７に対向する領域では、電子が図中反時計回りのローレンツ力を受けて旋回する（図中実線矢印参照）。このとき、旋回する電子は処理空間Ｓ中の処理ガスの分子や原子と衝突してプラズマを生成する。その結果、処理空間Ｓにおいて磁力線生成ユニット２７に対応する円環状のプラズマが発生する。

同様に、磁力線生成ユニット２８に対向する領域では、磁石列２８ａから磁石列２８ｂへ向かい、磁力線生成ユニット２８の中心から放射状に分布する磁力線２８ｄ（図中破線矢印参照）に起因する磁界が発生し、この磁界における垂直成分Ｂｚも水平成分Ｂｒに比べて十分小さくなる。従って、磁界の垂直成分Ｂｚの悪影響をうけることなく、処理空間Ｓ内の磁力線生成ユニット２８に対応する部分に同様に円環状のプラズマが発生する。また、磁力線生成ユニット２９に対向する領域では、磁石列２９ｂから磁石列２９ａへ向かい、磁力線生成ユニット２９の中心から放射状に分布する磁力線２９ｄ（図中破線矢印参照）に起因する磁界が発生し、この磁界における垂直成分Ｂｚも水平成分Ｂｒに比べて十分小さくなる。従って、磁界の垂直成分Ｂｚの悪影響をうけることなく、処理空間Ｓ内の磁力線生成ユニット２９に対応する部分に同様に円環状のプラズマが発生する。

本実施の形態によれば、磁力線生成ユニット２７〜２９における一対の円環状の磁石列２７ａ及び２７ｂ、２８ａ及び２８ｂ、２９ａ及び２９ｂにおける各磁石の軸線によって形成される角度θ１をそれぞれ鋭角、例えば４５°としたので、磁力線形成ユニット２７〜２９によって処理空間Ｓ内に形成される磁界の垂直成分を水平成分に対して十分小さくしてその影響をなくすことができる。従って、処理空間Ｓ内で上部電極２３に向かう電界Ｅを積極的に活用することができ、この電界Ｅと、磁力線生成ユニット２７〜２９に起因して処理空間Ｓ内で発生する磁界の水平成分とに基づくローレンツ力によって、磁力線生成ユニット２７〜２９に対応して旋回する電子流が形成され、該電子流が処理空間Ｓ内の処理ガス中の分子又は原子と衝突し、これによって、磁力線生成ユニット２７〜２９に沿った円環状のプラズマが発生し、もって、その部分におけるプラズマ密度を高めることができ、結果として処理空間Ｓ内のプラズマ密度分布を制御することができる。

本実施の形態において、図示省略した移動機構によって各磁力線生成ユニット２７〜２９を個別に又は特定の組合せで処理空間Ｓに対して図１中、上下方向に移動させて処理空間Ｓに対して近接又は離脱させることによって、処理空間Ｓ内のプラズマ密度を変化させてもよい。これによって、処理空間Ｓにおけるプラズマ密度分布の制御幅を広げることができる。

本実施の形態において、各磁力線生成ユニット２７〜２９を形成する一対の磁石列のうちの一つの磁石列を、それぞれ処理空間Ｓに対して単独で近接及び離脱自在に移動させる移動手段を設け、該移動手段によって各磁力線生成ユニットにおける一方の磁石列だけを処理空間Ｓに対して近接及び離脱させて、処理空間Ｓ内のプラズマ密度を制御するようにしてもよい。これによって、処理空間Ｓにおけるプラズマ密度分布の制御幅をより広げることができる。

本実施の形態において、センター、ミドル、エッジの３つの磁力線生成ユニット２７〜２９を配列した磁場形成部について説明したが、磁力線生成ユニットの配列数は、これに限定されるものではなく、装置の大きさや目的等によって適宜変更される。

本実施の形態において、処理空間Ｓではシャワーヘッド１３に印加されたプラズマ生成用の高周波電力に起因して上部電極板２３に生じるセルフバイアス電位により、上部電極板２３の近傍においてシース（図示しない）が生じ、該シースに対応した処理空間Ｓから上部電極板２３へ向かう電界Ｅが発生するが、処理空間Ｓにおけるプラズマ分布を制御する上では必ずしも十分な電界Ｅを確保できないので、上述のように、シャワーヘッド１３の上部電極板２３と下部電極としてのサセプタ１２との間に第２の直流電源３０が配置されている。なお、シャワーヘッド１３の上部電極板２３と下部電極としてのサセプタ１２との間に配置した第２の直流電源３０に代えて、高周波電源を配置することもできる。

本実施の形態において、磁力線生成ユニットを構成する一対の磁石列における磁石の軸線によって形成される角度θ１を鋭角、例えば４５°としたが、θ１は鋭角に限定されるものではなく、処理空間Sに発生する磁界の垂直成分を水平成分に比べて小さくできる範囲であればよい。従って、磁力線生成ユニットを構成する一対の磁石列における磁石の軸線によって形成される角度θ１は、０°＜θ１≦１８０°であればよい。なお、磁界形成の効率を無視すれば、θ１は２７０°以下であればよい。

本実施の形態において、磁力線生成ユニット２７〜２９を、１つの磁石列と、一端が該磁石列の処理空間Ｓ側とは反対側の端部と接続し且つ他端が処理空間Ｓを指向するヨークとで形成することもできる。また、磁力線生成ユニット２７〜２９を、処理空間Ｓ側が開放された断面逆Ｕ字状の永久磁石の列で形成してもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置における磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態を模式的に示す斜視図である。この磁力線生成ユニットは、一対の磁石列における磁石の軸線によって形成される角度θ１を９０°としたものである。

図３において、磁力線生成ユニット４０は、一対の磁石列４１a及び４１ｂを有し、磁石列４１aの軸線と磁石列４１ｂの軸線のなす角度θ１は、９０°に設定されている。すなわち、複数の永久磁石を円環状に配列した磁石列４１aと、磁極を逆に配置した複数の永久磁石を円環状に配列した磁石列４１ｂが、鉄等のヨーク４２〜４４を用いて磁石列４１aと磁石列４１ｂの磁石の軸線が９０°になるように配置され、且つ処理空間Ｓとは反対側の各端部が互いに接続されている。

このような構成の磁力線生成ユニット４０において、磁石列４１ａ及び磁石列４１ｂの処理空間Ｓ側の各端部はヨークによって接続されずに開放され、且つ互いの磁極が異なるので、当該端部間において磁力線４１ｄが発生する。この磁力線４１ｄは磁石列４１a及び４１ｂの磁力の大きさによってその強さが左右されるが、本実施の形態では、磁力線生成ユニット４０をシャワーヘッド１３の上面１３ａに近接させれば、磁力線４１ｄは処理空間Ｓの上部に進入する。また、このとき磁石列４１aと磁石列４１ｂの磁石の軸線が９０°になるように配置されているので、磁力線４１ｄに起因する磁界の垂直成分Ｂｚは水平成分Ｂｒに比べて十分小さくなる。

一方、直流電源３０によって上部電極２３へ負の直流電圧が印加されるので、処理空間Ｓ内に電界Ｅが生じる（図１参照）。その結果、ローレンツ力によってドリフトする電子は、上部電極の中心を中心として上部電極の表面近傍を旋回する。旋回する電子は処理ガスの分子や原子と衝突して円環状のプラズマを生成する。そして、この円環状のプラズマは、処理空間Ｓにおけるプラズマ全体の密度分布の制御に適用される。

本実施の形態によれば、磁力線生成ユニット４０における磁石列４１ａ及び４１ｂにおける磁石の軸線によって形成される角度θ１を９０°としたので、処理空間Ｓに生じる磁界の垂直成分Ｂｚを水平成分Ｂｒに比べて十分小さくすることができ、垂直成分Ｂｚによる影響をなくすことができる。従って、処理空間Ｓ内のプラズマ密度を直流電源３０に起因する電界Ｅと、磁界形成部を構成する磁力線生成ユニット４０等に起因する水平方向の磁界Ｂｒとによって、処理空間Ｓ内にローレンツ力を受けて旋回する電子流を設け、この電子流に起因するプラズマを発生させて処理空間Ｓ内におけるプラズマ分布を制御することができる。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。

図４は、第２の実施の形態の変形例における磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態を模式的に示す斜視図である。この磁力線生成ユニットは、一対の磁石列のうち一方の磁石列を単独で移動可能に構成したものである。

図４において、磁力線生成ユニット５０が、図３の磁力線生成ユニット４０と異なるところは、ヨーク４３とヨーク４４とを接続しないで所定の間隔で分離し、ヨーク４４に接続された磁石列４１ｂを、図示省略した移動機構によって磁石列４１ａとは無関係に単独でその位置を高さ方向に移動自在に構成した点である。

本実施の形態の変形例によれば、ヨーク４４に接続された磁石列４１ｂを磁石列４１ａとは無関係に単独でその位置を高さ方向に移動してシャワーヘッド１３の上面１３ａから離脱させることができ、これによって、磁力線生成ユニット５０の磁石列４１ａ及び４１ｂの先端部間に生じる磁力線の一部を処理空間Ｓ外に移動させることができる。従って、磁力線生成ユニット５０に対応する処理空間Ｓ内の磁界強度を弱めて、発生する電子流、ひいてはプラズマ密度分布を調整することができ、これによって制御幅を広げることができる。

本実施の形態において、磁石列４１ａと磁石列４１ｂは、ヨーク４３とヨーク４４との間の空間を介して磁界的に接続されている。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置における磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態を模式的に示す斜視図である。

図５において、この磁力線生成ユニット６０が図３の磁力線生成ユニット４０と異なる点は、対をなす磁石列６１ａ及び６１ｂにおける磁石の軸線によって形成される角度θ１を１８０°にした点である。

本実施の形態によれば、対をなす磁石列６１ａ及び６１ｂにおける磁石の軸線によって形成される角度θ１を１８０°にしたので、磁力線生成ユニット６０に起因して処理空間Ｓ内に生じる磁界の垂直成分を限りなく零にすることができる。従って、磁界の垂直成分による影響をほぼなくすことができるので、処理空間Ｓ内のプラズマ密度分布をより正確に制御することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。

図６は、本発明の第４の実施の形態に係るプラズマ処理装置における磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態を模式的に示す斜視図である。この磁力線生成ユニットは、互いに平行に配置された２つの磁石列の処理空間Ｓ側の端部にそれぞれヨークを当接し、該２つのヨークの軸線の角度θ２を１８０°にしたものである。

図６において、磁力線生成ユニット７０は、複数の永久磁石が円環状に配列された磁石列７１aと、該磁石列７１ａとは磁石の磁極の向きを逆にして複数の磁石が円環状に配列された磁石列７１ｂを有し、該磁石列７１a及び７１ｂの処理空間Ｓ側の端部にそれぞれヨーク７５及びヨーク７６が当接されている。ヨーク７５の端部とヨーク７６の端部とは所定の間隔、例えば２０ｍｍだけ離れており、且つヨーク７５の軸線とヨーク７６の軸線のなす角度θ２は１８０°に設定されている。また、磁石列７１ａと７１ｂとの反処理空間Ｓ側の端部は、円環状のヨーク７３によって磁界的に接続されている。

このような構成の磁力線生成ユニット７０において、磁石列７１ａ及び磁石列７１ｂの処理空間Ｓ側の各端部は接続されずに開放され、且つヨーク７５及び７６における磁極は異なるので、当該ヨーク７５及びヨーク７６の端部間において磁力線７１ｄが生じる。該磁力線７１ｄは磁石列７１a及び７１ｂの磁力の大きさによってその強さが左右されるが、磁力線生成ユニット７０をシャワーヘッド１３の上面１３ａに近接させれば、磁力線７１ｄは処理空間Ｓの上部に進入する。ヨーク７５の軸線とヨーク７６の軸線のなす角度θ２は１８０°に設定されているので、磁力線７１ｄの垂直成分Ｂｚは限りなく零に近づき、水平成分Ｂｒに比べて十分小さくなる。

一方、直流電源３０によって上部電極２３へ負の直流電圧が印加されるので、処理空間Ｓ内に電界Ｅが生じる（図１参照）。その結果、処理空間Ｓにおけるプラズマ全体の密度分布の制御に、磁力線生成ユニット７０に対応して形成される円環状のプラズマを確実に寄与させることができる。

本実施の形態によれば、磁力線生成ユニット７０における磁石列７１ａ及び７１ｂにそれぞれ当接するように配置されたヨーク７５及びヨーク７６の軸線によって形成される角度θ２を１８０°としたので、磁力線生成ユニット７０に起因して処理空間Ｓに生じる磁界の垂直成分Ｂｚを限りなく零にして水平成分Ｂｒに比べて十分小さくすることができ、これによって、垂直成分Ｂｚの影響をなくすことができる。従って、処理空間Ｓ内のプラズマ密度を直流電源３０に起因する電界Ｅと、磁界形成部を構成する磁力線生成ユニット７０等に起因する水平方向の磁界Ｂｒとを利用してローレンツ力によってドリフトする電子流を発生させ、これによって磁力線生成ユニット７０等に対応する円環状のプラズマを発生させ、もって処理空間Ｓ内のプラズマ密度を良好に制御することができる。

本実施の形態において、ヨーク７５及びヨーク７６の間隔を調整することによって、処理空間Ｓで発生する磁界の強度、ひいては発生するプラズマ密度を制御することもできる。

本実施の形態において、ヨーク７５及びヨーク７６の軸線によって形成される角度θ２を１８０°としたが、角度θ２は、１８０°に限定されるものではなく、０°＜θ２≦１８０°の範囲内であればよい。また、磁界形成の効率を無視すれば、θ２は２７０°以下であればよい。

本実施の形態において、磁石列７１ａ及び磁石列７１ｂの処理空間Ｓ側の先端部に当接されるヨークは、環状、例えば円環状であるが、半円環状のヨークを２つ形成し、これを当接又は所定の隙間を設けて組合せて円環状のヨークとしてもよい。

図７は、円環状のヨークを示す説明図であって、図７（Ａ）は、一体型の円環状ヨークを示す平面図、図７（Ｂ）は、半円環状のヨークを組み合わせた円環状のヨークを示す平面図である。

図７（Ｂ）のように、半円環状のヨーク７２を2つ組み合わせて円環状のヨークとすることによって、図７（Ａ）の円環状のヨーク７１と比較して製造、組み立て及びその後の取り扱いが容易となる。

次に本実施の形態における変形例について説明する。

図８は、第４の実施の形態の第１の変形例における磁力線生成ユニットの説明図であって、図８（Ａ）は、磁場形成部を構成する一対の磁力線生成ユニットを縦方向に切断した状態の一部を模式的に示す斜視図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）における隣接する一対の磁力線生成ユニット間の対向する磁石列の処理空間側端部に当接されたヨークの一部を示す平面図、図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）のＩ−Ｉ線に沿ったヨーク断面に対応する磁力線生成ユニットの断面図である。

この磁場形成部は、図６で説明した磁力線生成ユニット７０と同様の構成の磁力線生成ユニットを２つ同心円状に配置したものである。

図８において、互いに平行に配置された２つの磁石列の処理空間Ｓ側の端部にそれぞれヨークを当接し、該２つのヨークの軸線の角度θ２を１８０°にした磁力線生成ユニット９０ａ及び９０ｂが隣接して同心円状に配置されている。磁力線生成ユニット９０ａの磁石列９１ｂの先端部に当接されたヨーク９６ａと、磁力線生成ユニット９０ｂの磁石列９２ａの先端部に当接されたヨーク９５ｂに、それぞれ対向するヨークに向かって突出する突起部９７ａ及び９７ｂが設けられており、突起部９７ａと突起部９７ｂは正対している。

本実施の形態の変形例によれば、隣接配置された２つの磁力線生成ユニット９０ａ及び９０ｂにおける対向するヨーク９６ａとヨーク９５ｂに、それぞれ突起部９７ａ及び突起部９７ｂを正対するように設けたので、ヨーク９６ａとヨーク９５ｂとの間の隙間が狭くなり、ヨーク９６ａとヨーク９５ｂとの間に磁場が形成され、もって、磁力線生成ユニット９０ａ及び９０ｂ間の磁力が増大し、処理空間Ｓ内における磁力線生成ユニット９０ａ及び９０ｂ間に対応する部分に電子流、ひいてはプラズマを発生させることができる。従って、処理空間Ｓ内のプラズマ密度の制御幅を広げることができる。

次に、本実施の形態の第２の変形例について説明する。

図９は、第４の実施の形態の第２の変形例を示す説明図であって、図９（Ａ）は、磁場形成部を構成する一対の磁力線生成ユニット間の対向する磁石列の処理空間側端部に当接されたヨークの一部を示す平面図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のII−II線に沿ったヨークの断面に対応する磁力線生成ユニットの断面図である。

本実施の形態の変形例における磁力線生成ユニット９０ａ及び９０ｂは、図示省略した回転移動手段を用いて、一方を他方に対して同心円状に配置された中心軸を中心に回動させて突起部９７ａと突起部９７ｂが正対しないようにしたものである。

図９において、磁力線生成ユニット９０ａが、磁力線生成ユニット９０ｂに対して図９（Ａ）中、矢印Ａ方向に僅かに回転されており、ヨーク９６ａにおける突起部９７ａとヨーク９５ｂにおける突起部９７ｂとが正対せず、その間隔は図８（Ｂ）に比べて広がっている。これによって、突起部９７ａと突起部９７ｂとが正対することによって隣接する磁力線生成ユニット９０ａ及び９０ｂ間で発生していた磁場は消滅し、これに伴って処理空間Ｓ内における対応する部分の電子流、ひいてはプラズマは消滅する。

本実施の形態の変形例によれば、隣接する磁力線生成ユニット９０ａ及び９０ｂにおける対向するヨーク９６ａ及び９５ｂに、それぞれ突起部９７ａ及び９７ｂを設け、一方の磁力線生成ユニットを他方の磁力線生成ユニットに対して回動させたので、その回転幅を調整することによって、対応する処理空間Ｓ内に形成される電子流、ひいてはプラズマの生成を調整することができ、もって処理空間Ｓ内のプラズマ密度の制御幅を広げることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて詳細に説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

上記各実施の形態は、半導体デバイス用のウエハＷにプラズマエッチング処理を施すプラズマ処理装置１０だけでなく、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を含むＦＰＤ（Flat Panel Display）等に用いる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等へ所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置にも適用することができる。例えば、上記各実施の形態では、上部電極板２３が円板状を呈するが、ＦＰＤを処理するプラズマ処理装置では、上部電極板が矩形を呈する。この場合、各磁石列や各磁力線生成ユニットは多重の矩形を描くように配置されるのが好ましい。すなわち、各磁石列や各磁力線生成ユニットは上部電極板の外形と同じ形状を呈するように配置されるのが好ましい。

また、上述した各実施の形態や変形例は互いに組み合わせて用いることもできる。例えば、磁力線生成ユニット２７を処理空間Ｓに対して近接及び離脱自在に構成するとともに、磁石列２７ａが単独で処理空間Ｓに対して近接及び離脱自在に構成されてもよい。

また、上述した各実施の形態では、全ての磁力線生成ユニットがシャワーヘッド１３の上面１３ａに配置されたが、処理空間Ｓに対向可能な場所であれば、いずれの場所に磁力線生成ユニットを配置してもよい。

Ｅ 電界
Ｓ 処理空間
Ｗ ウエハ
１０ プラズマ処理装置
１２ サセプタ
１３ シャワーヘッド
１３ａ 上面
２３ 上部電極板
２７，２８，２９，４０，５０，６０，７０ 磁力線生成ユニット
２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ，４１ａ，４１ｂ 磁石列
２７ｃ，２８ｃ，２９ｃ，４２，４３、４４ ヨーク
３０ 第２の直流電源

Claims (12)

1. 下部電極と、該下部電極と対向して配置された上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極との間の処理空間においてプラズマを生じさせて前記下部電極に載置された基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記上部電極に関して前記処理空間とは反対側に配置された磁場形成部を有し、
   前記磁場形成部は、前記上部電極の前記処理空間とは反対側の面において平面視において同心状に配置された一対の環状の磁石列を備えた少なくとも１つの磁力線生成ユニットを有し、
   前記磁力線生成ユニットにおける前記一対の環状の磁石列は、各磁石列を形成する磁石の軸線によって形成される角度θ１が鋭角となるように配置され、且つ、前記一対の環状の磁石列における前記処理空間側とは反対側の端部が互いに磁界的に接続されて、前記処理空間側の各端部の間において前記処理空間に進入する磁力線を生じさせ、
   前記磁場形成部によって前記処理空間内に形成される磁場の垂直成分を該磁場の水平成分よりも小さくしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記上部電極と前記下部電極との間に直流電源又は高周波電源を接続したことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記少なくとも１つの磁力線生成ユニットは、前記処理空間に対して近接及び離脱自在であることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記少なくとも１つの磁力線生成ユニットは、複数の磁力線生成ユニットであり、該複数の磁力線生成ユニットは、それぞれ個別に前記処理空間に対して近接及び離脱自在であることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記少なくとも１つの磁力線生成ユニットを形成する一対の磁石列のうち一方の磁石列が独立して前記処理空間に対して近接及び離脱自在であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 下部電極と、該下部電極と対向して配置された上部電極とを有し、前記下部電極と前記上部電極との間の処理空間においてプラズマを生じさせて前記下部電極に載置された基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記上部電極に関して前記処理空間とは反対側に配置された磁場形成部を有し、
   前記磁場形成部は、前記上部電極の前記処理空間とは反対側の面において平面視において同心状に配置された一対の環状の磁石列と、該一対の環状の磁石列の前記処理空間側の端部にそれぞれ当接された２つのヨークとを備えた複数の磁力線生成ユニットを有し、
   前記２つのヨークの軸線によって形成される角度θ２は、０°＜θ２≦１８０°であり、
   前記一対の環状の磁石列において前記処理空間側とは反対側の端部は互いに磁界的に接続され、前記一対の環状の磁石列は、前記処理空間側の端部にそれぞれ当接された２つのヨークの各端部の間において前記処理空間に進入する磁力線を生じさせ、
   前記複数の磁力線生成ユニットのうちの一の磁力線生成ユニットにおける各磁石列の端部に当接された前記ヨークに、隣接する他の磁力線生成ユニットにおける磁石列の端部に当接されたヨークに向かって突出する突起部を設け、該突起部によって前記隣接する磁力線生成ユニット相互における前記ヨーク相互間の間隔を、前記突起部を形成しない場合の前記ヨーク相互間の間隔よりも小さくし、
   前記磁場形成部によって前記処理空間内に形成される磁場の垂直成分を該磁場の水平成分よりも小さくしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 前記角度θ２は、鋭角であることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
8. 前記角度θ２は、９０°であることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
9. 前記一対の環状の磁石列における前記処理空間側とは反対側の端部は平面視において環状のヨークを介して互いに磁界的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記一対の環状の磁石列における前記処理空間側とは反対側の端部は空間を介して互いに磁界的に接続されていること、を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記磁力線生成ユニットを、１つの前記磁石列と、一端が該磁石列の前記処理空間側とは反対側の端部と接続し且つ他端が前記処理空間を指向するヨークとで形成したことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記磁力線生成ユニットを、前記処理空間側が開放された断面逆Ｕ字状の永久磁石の列で形成したことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

Images