JP6564556B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

２つの電極の間に高周波を印加することによってプラズマを発生し該プラズマによって基板を処理するプラズマ処理装置がある。このようなプラズマ処理装置は、２つの電極の面積比および／またはバイアスによってスパッタリング装置として動作したり、エッチング装置として動作したりしうる。スパッタリング装置として構成されたプラズマ処理装置は、ターゲットを保持する第１電極と、基板を保持する第２電極とを有し、第１電極と第２電極との間に高周波が印加され、第１電極と第２電極との間（ターゲットと基板との間）にプラズマが生成される。プラズマの生成によってターゲットの表面にセルフバイアス電圧が発生し、これによってターゲットにイオンが衝突し、ターゲットからそれを構成する材料の粒子が放出される。

特許文献１には、平衡不平衡変換器を備えたプラズマ表面処理装置が記載されている。このプラズマ表面処理装置は、高周波電源と、電力増幅器と、インピーダンス整合器と、同軸ケーブルと、真空容器と、放電ガス混合箱と、非接地電極と、接地電極と、トランス型平衡不平衡変器とを備えている。放電ガス混合箱、非接地電極、接地電極およびトランス型平衡不平衡変換器は、真空容器の中に配置されている。非接地電極は、絶縁物支持材および放電ガス混合箱を介して真空容器に設置されている。接地電極は、基板を支持する。また、接地電極は、真空容器に電気的に接続されている。高周波電源の出力は、電力増幅器、インピーダンス整合器、同軸ケーブルおよびトランス型平衡不平衡変換器を介して非接地電極と接地電極との間に供給される。特許文献１によると、接地電極に接続された真空容器の部材を介して流れる同相電流Ｉｘは、トランス型平衡不平衡変換器によって遮断される。

特許文献１に記載されたプラズマ表面処理装置は、接地電極と真空容器とが電気的に接続されているので、接地電極の他、真空容器がアノードとして機能しうる。セルフバイアス電圧は、カソードとして機能しうる部分の状態およびアノードとして機能しうる部分の状態に依存しうる。よって、基板保持電極の他に真空容器もアノードとして機能する場合、セルバイアス電圧は、真空容器のうちアノードとして機能する部分の状態にも依存して変化しうる。セルフバイアス電圧の変化は、プラズマ電位の変化をもたらし、プラズマ電位の変化は、例えば、形成される膜の特性に影響を与えるなど、基板の処理に影響を与えうる。

スパッタリング装置によって基板に膜を形成すると、真空容器の内面にも膜が形成されうる。これによって真空容器のうちアノードとして機能しうる部分の状態が変化しうる。そのため、スパッタリング装置を継続して使用すると、真空容器の内面に形成される膜によってセルフバイアス電圧が変化し、プラズマ電位も変化しうる。よって、従来は、スパッタリング装置を長期にわたって使用した場合において、基板の上に形成される膜の特性を一定に維持することが難しかった。

同様に、エッチング装置が長期にわたって使用された場合においても、真空容器の内面に形成される膜によってセルフバイアス電圧が変化し、これによってプラズマ電位も変化しうるので、基板のエッチング特性を一定に維持することが難しかった。

特開２００９−３０２５６６号公報

本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、長期間の使用においてプラズマ電位を安定させるために有利な技術を提供する。
本発明の１つの側面は、プラズマ処理装置に係り、前記プラズマ処理装置は、第１入力端子、第２入力端子、第１出力端子および第２出力端子を有するバランと、真空容器と、前記真空容器から絶縁され、前記第１出力端子に電気的に接続された第１電極と、前記真空容器から絶縁され、前記第２出力端子に電気的に接続された第２電極と、を備え、前記第２電極は、前記第１電極を全周にわたって取り囲むように配置されている。

本発明の第１実施形態のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図。 バランの構成例を示す図。 バランの他の構成例を示す図。 本発明の第２実施形態のプラズマ処理装置の構成を模式的に示す図。

以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。

図１には、本発明の第１実施形態のプラズマ処理装置１の構成が模式的に示されている。第１実施形態のプラズマ処理装置１は、スパッタリングによって基板１１２に膜を形成するスパッタリング装置として動作しうる。プラズマ処理装置１は、バラン（平衡不平衡変換回路）１０３と、真空容器１１０と、第１電極１０６と、第２電極１１１と、基板保持部１３２とを備えている。あるいは、プラズマ処理装置１は、バラン１０３と、本体１０とを備え、本体１０が、真空容器１１０と、第１電極１０６と、第２電極１１１と、基板保持部１３２とを備えるものとして理解されてもよい。本体１０は、第１端子２５１および第２端子２５２を有する。第１電極１０６は、真空容器１１０と協働して真空空間と外部空間とを分離するように（即ち、真空隔壁の一部を構成するように）配置されてもよいし、真空容器１１０の中に配置されてもよい。第２電極１１１は、真空容器１１０と協働して真空空間と外部空間とを分離するように（即ち、真空隔壁の一部を構成するように）配置されてもよいし、真空容器１１０の中に配置されてもよい。

バラン１０３は、第１入力端子２０１、第２入力端子２０２、第１出力端子２１１および第２出力端子２１２を有する。バラン１０３の第１入力端子２０１および第２入力端子２０２の側には、不平衡回路が接続され、バラン１０３の第１出力端子２１１および第２出力端子２１２の側には、平衡回路が接続される。真空容器１１０の少なくとも一部分は、導体で構成されうる。真空容器１１０は、接地された部分を含みうる。一例において、真空容器１１０の少なくとも一部分を構成する導体は、接地されうるが、他の例において、真空容器１１０の少なくとも一部分を構成する導体は、インダクタを介して接地に対して電気的に接続されうる。第１電極１０６および第２電極１１１は、真空容器１１０（の少なくとも一部分を構成する導体）から絶縁されている。図１に示された例では、第１電極１０６および第２電極１１１は、絶縁体１３１によって、真空容器１１０（の少なくとも一部分を構成する導体）から絶縁されている。

第１実施形態では、第１電極１０６は、カソードであり、ターゲット１０９を保持する。ターゲット１０９は、例えば、絶縁体材料または導電体材料でありうる。また、第１実施形態では、第２電極１１１は、アノードである。第１電極１０６は、第１出力端子２１１に電気的に接続され、第２電極１１１は、第２出力端子２１２に電気的に接続されている。第１電極１０６と第１出力端子２１１とが電気的に接続されていることは、第１電極１０６と第１出力端子２１１との間で電流が流れるように第１電極１０６と第１出力端子２１１との間に電流経路が構成されていることを意味する。同様に、この明細書において、ａとｂとが電気的に接続されているとは、ａとｂとの間で電流が流れるようにａとｂとの間に電流経路が構成されることを意味する。

上記の構成は、第１電極１０６が第１端子２５１に電気的に接続され、第２電極１１１が第２端子２５２に電気的に接続され、第１端子２５１が第１出力端子２１１に電気的に接続され、第２端子２５２が第２出力端子２１２に電気的に接続された構成としても理解されうる。

第１電極１０６および第２電極１１１は、基板保持部１３２（基板保持部１３２によって保持される基板１１２）の側の空間に対向するように配置される。第２電極１１１は、第１電極１０６を全周にわたって取り囲むように配置されうる。第２電極１１１は、例えば、筒形状を有しうる。第１電極１０６および第２電極１１１は、同軸構造を有することが望ましい。一例において、第１電極１０６は、仮想軸を中心とする円柱形状を有し、第２電極１１１は、該仮想軸を中心とする円筒形状を有する。

上記のような第１電極１０６および第２電極１１１の構成は、第１電極１０６と第２電極１１１との間のインピーダンスを低下させるために有利であり、これは、バラン１０３の出力側から接地に流れる電流、即ち同相電流を低下させるために有利である。同相電流を低下させることは、真空容器１１０をアノードとして機能させにくくすることを意味する。真空容器１１０の内壁には、基板１１２への膜の形成にともなって意図しない膜が形成されうるが、真空容器１１０をアノードして機能させにくくすることによって、真空容器１１０の内壁の状態に対してプラズマ電位を鈍感にすることができる。これは、プラズマ処理装置１の長期間の使用においてプラズマ電位を安定させるために有利である。他の観点において、第１電極１０６と第２電極１１１との間のインピーダンスは、第１電極１０６と真空容器１１０との間のインピーダンスより小さいことが好ましい。これは、上記の同相電流を低下させるために有利である。

第１電極１０６と第２電極１１１との距離（間隙の大きさ）は、デバイ長以下であることが好ましい。これは、第１電極１０６と第２電極１１１との間隙にプラズマが入り込むことを抑制するために効果的である。

第２電極１１１に現れる電圧は、第２出力端子２１２と第２電極１１１との間のインピーダンスに依存しうる。そこで、第２出力端子２１２と第２電極１１１との電気経路長を短くすることが望ましい。あるいは、第１出力端子２１１と第１電極１０６とを接続する電気経路と第２出力端子２１２と第２電極１１１とを接続する電気経路とを同軸構造にすることが望ましい。

第１実施形態では、第１電極１０６と第１出力端子２１１（第１端子２５１）とがブロッキングキャパシタ１０４を介して電気的に接続されている。ブロッキングキャパシタ１０４は、第１出力端子２１１と第１電極１０６との間（あるいは、第１出力端子２１１と第２出力端子２１２との間）を流れる直流電流を遮断する。ブロッキングキャパシタ１０４を設ける代わりに、後述のインピーダンス整合回路１０２が、第１入力端子２０１と第２入力端子２０２との間を流れる直流電流を遮断するように構成されてもよい。あるいは、ブロッキングキャパシタ１０４は、第２電極１１１と第２出力端子２１２との間の電気経路に配置されてもよい。

プラズマ処理装置１は、高周波電源１０１と、高周波電源１０１とバラン１０３との間に配置されたインピーダンス整合回路１０２とを更に備えうる。高周波電源１０１は、インピーダンス整合回路１０２を介してバラン１０３の第１入力端子２０１と第２入力端子２０２との間に高周波（高周波電流、高周波電圧、高周波電力）を供給する。換言すると、高周波電源１０１は、インピーダンス整合回路１０２、バラン１０３およびブロッキングキャパシタ１０４を介して、第１電極１０６と第２電極１１１との間に高周波（高周波電流、高周波電圧、高周波電力）を供給する。あるいは、高周波電源１０１は、インピーダンス整合回路１０２およびバラン１０３を介して、本体１０の第１端子２５１と第２端子２５２との間に高周波を供給するものとしても理解されうる。

真空容器１１０の内部空間には、真空容器１１０に設けられた不図示のガス供給部を通してガス（例えば、Ａｒ、ＫｒまたはＸｅガス）が供給される。また、第１電極１０６と第２電極１１１との間には、インピーダンス整合回路１０２、バラン１０３およびブロッキングキャパシタ１０４を介して高周波電源１０１によって高周波が供給される。これにより、プラズマが生成され、ターゲット１０９の表面にセルフバイアス電圧が発生し、プラズマ中のイオンがターゲット１０９の表面に衝突し、ターゲット１０９からそれを構成する材料の粒子が放出される。そして、この粒子によって基板１１２の上に膜が形成される。

図２Ａには、バラン１０３の一構成例が示されている。図２Ａに示されたバラン１０３は、第１入力端子２０１と第１出力端子２１１とを接続する第１コイル２２１と、第２入力端子２０２と第２出力端子２１２とを接続する第２コイル２２２とを有する。第１コイル２２１および第２コイル２２２は、同一巻き数のコイルであり、鉄心を共有する。

図２Ｂには、バラン１０３の他の構成例が示されている。図２Ｂに示されたバラン１０３は、第１入力端子２０１と第１出力端子２１１とを接続する第１コイル２２１と、第２入力端子２０２と第２出力端子２１２とを接続する第２コイル２２２とを有する。また、図２Ｂに示されたバラン１０３は、第１コイル２２１と鉄心を共有して第１コイル２２１と磁気的に結合された第３コイル２２３と、第２コイル２２２と鉄心を共有して第２コイル２２２と磁気的に結合された第４コイル２２４とを有しうる。第１出力端子２１１と第２出力端子２１２とは、第３コイル２２３および第４コイル２２４からなる直列回路によって接続されている。第１コイル２２１、第２コイル２２２、第３コイル２２３および第４コイル２２４は、同一の巻き数を有するコイルであり、鉄心を共有する。

図３には、本発明の第２実施形態のプラズマ処理装置１の構成が模式的に示されている。第２実施形態として説明しない事項は、第１実施形態に従いうる。第２実施形態のプラズマ処理装置１は、基板１１２をエッチングするエッチング装置として動作しうる。第２実施形態では、第１電極１０６は、カソードであり、基板１１２を保持する。また、第２実施形態では、第２電極１１１は、アノードである。真空容器１１０の少なくとも一部分は、導体で構成されうる。真空容器１１０は、接地された部分を含みうる。一例において、真空容器１１０の少なくとも一部分を構成する導体は、接地されうる。他の例において、真空容器１１０の少なくとも一部分を構成する導体は、インダクタを介して接地に対して電気的に接続されうる。第１電極１０６および第２電極１１１は、真空容器１１０（の少なくとも一部分を構成する導体）から絶縁されている。図３に示された例では、第１電極１０６および第２電極１１１は、絶縁体１３１によって、真空容器１１０（の少なくとも一部分を構成する導体）から絶縁されている。

第２実施形態のプラズマ処理装置１では、第１電極１０６と第１出力端子２１１とがブロッキングキャパシタ１０４を介して電気的に接続されうる。換言すると、第２実施形態のプラズマ処理装置１では、ブロッキングキャパシタ１０４が第１電極１０６と第１入力端子２１１との電気的な接続経路に配置されうる。ブロッキングキャパシタ１０４を設ける代わりに、インピーダンス整合回路１０２が、第１入力端子２０１と第２入力端子２０２との間を流れる直流電流を遮断するように構成されてもよい。あるいは、ブロッキングキャパシタ１０４は、第２電極１１１と第２出力端子２１２との間に配置されてもよい。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

１：プラズマ処理装置、１０：本体、１０１：高周波電源、１０２：インピーダンス整合回路、１０３：バラン、１０４：ブロッキングキャパシタ、１０６：第１電極、１０７、１０８：絶縁体、１０９：ターゲット、１１０：真空容器、１１１：第２電極、１１２：基板、１３２：基板保持部、２０１：第１入力衡端子、２０２：第２入力端子、２１１：第１出力端子、２１２：第２出力端子、２５１：第１端子、２５２：第２端子、２２１：第１コイル、２２２：第２コイル、２２３：第３コイル、２２４：第４コイル、

Claims (10)

1. 高周波が供給される第１入力端子、接地された第２入力端子、第１出力端子および第２出力端子を有するバランと、
   真空容器と、
   前記真空容器から絶縁され、前記第１出力端子に電気的に接続された第１電極と、
   前記真空容器から絶縁され、前記第２出力端子に電気的に接続された第２電極と、を備え、
   前記第２電極は、筒形状を有し、前記第１電極を全周にわたって取り囲むように配置され、前記第１電極および前記第２電極は、同軸構造を構成するように配置され、
   前記第１出力端子と前記第１電極とがブロッキングキャパシタを介して電気的に接続され、
   前記第２出力端子と前記第２電極とは、キャパシタを介することなく電気的に接続され、前記第２電極は、前記第２入力端子が接地された前記バランを介して接地されている、
   前記第１電極は、基板またはターゲットである部材を保持するように構成され、前記筒形状を有する前記第２電極は、内径が前記部材より大きい、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記第１電極は、前記部材を保持する面を有する円柱形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１電極と前記第２電極との距離がデバイ長以下である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記真空容器は、接地された部分を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第１電極は、カソードであり、前記第２電極は、アノードである、
   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. 前記第１電極と前記第２電極との間のインピーダンスが前記第１電極と前記真空容器との間のインピーダンスより小さい、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記部材の表面にセルフバイアス電位が発生する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記第１電極は、基板を保持し、
   前記プラズマ処理装置は、前記第１電極によって保持される基板をエッチングするエッチング装置として構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
9. 基板を保持する基板保持部を更に備え、前記第１電極および前記第２電極は、前記基板保持部によって保持される前記基板の側の空間に対向するように配置され、
   前記第１電極は、ターゲットを保持し、
   前記プラズマ処理装置は、前記ターゲットのスパッタリングによって前記基板に膜を形成するスパッタリング装置として構成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
10. 高周波電源と、
    前記高周波電源と前記バランとの間に配置されたインピーダンス整合回路と、
    を更に備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

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