JPH02194526A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子の製造工程の一つであるドライエ
ツチング及びＣＶＤ等に用いられるプラズマ発生装置に
関するものである。

［従来の技術］ 第８図に於いて従来のフ゛ラズマ発生装置について説明
する。

高周波電源１に直流遮断用のコンデンサ８を介して接続
された平板電極（カソード電価）２と、該平板電極２に
相対して接地電位にある対向電極（アノード電極）３が
設置されている。

前記カソード電極２、アノード電極３は真空容器４に収
納され、カソード電極２は絶縁材５により真空容器４と
絶縁されている。

該真空容器４には反応性ガスを導入する導入系６と真空
容Ｈ４内の圧力を一定に保つ為の排気系７が設けられて
いる。

被処理物、例えばシリコンウェーハ９は、通常前記カソ
ード電極２上に載置される。

前記画電極２，３間に高周波電力、例えば１３□５６Ｍ
Ｈｚを印加して両電極間にプラズマを発生させるとプラ
ズマ内の電子と正イオンの移動速度の大きな違いにより
、高周波電力を印加した側（カソード電極２側）のカソ
ードシースに大きな陰極降下電圧（セルフバイアス）か
発生する。

この陰極降下電圧で反応性ガスイオンは加速されて被処
理物９に垂直に入射し、垂直方向のエツチングが進行す
る。

［発明が解決しようとする課題］ 斯かる装置によりエツチング処理を行う場合、エツチン
グ速度を決定する主な要素として陰極降下電圧（イオン
エネルギ）と被処理物に入射するイオンの数（イオン密
度−プラズマ密度）かある。

エツチング速度を増大させる為には、前記イオンエネル
ギ、プラズマ密度のうち特にプラズマ密度を増大させな
ければならないが、プラズマ密度を増大させるには印加
した高周波電力を増加すればよい。

然し、この高周波電力を増加した場合、必然的に陰極降
下電圧（イオンエネルギ）も増加する。

従って、前記した被処理物が半導体素子製造の為のウェ
ーハである場合、従来のものではエツチング速度を増大
させるとイオンエネルギも増加し、更にイオンエネルギ
が必要以上に増加すると、ウェーハの表面に被膜したマ
スク、更には被エツチング層下の層、或は母材に損傷を
与えるという問題かあった。

本発明は斯かる実情に鑑み、マスク、被エツチング層下
の損傷を防止しつつ且エツチング速度の高速化を実現す
る為のプラズマ発生装置を提供しようとするものである
。

［課題を解決する為の手段］ 本発明は、真空容器内にアノード電極と該アノード電極
に対峙させて、高周波カンード電極を配設し、該高周波
カソード電極は主ｔｔ’Ｉ部と該主電極部と電気的に導
通状態にあり該主電極部の周囲に形成された周辺電極部
とから成り、該周辺電極部には所要の孔を穿設し、又該
周辺電極部に対向させ絶縁状態で直流カソード電極を設
け、前記高周波カソード電極に高周波電源を接続し、該
高周波電源に重畳させた直流電源を＋ｔｉｌ記直流カソ
ード電極に接続したことを特徴とするものであり、又高
周波電源及び直流電源を独立して制御し得る様構成した
ものである。

［作　　用〕 アノード電極と主電極部との間で高周波プラズマが発生
し、周辺電極部と直流カソード電極の間で直流プラズマ
が発生し、直流プラズマの電子か孔を通って補助電子と
して主電極部の陰極降下領域に供給される。

補助電子の供給により陰極降下領域のイオンか中和され
、その結果陰極降下電圧が減少する。

従って、高周波電力を増大させプラズマ密度を高めても
陰極降下電圧を小さくすることができる。又、高周波電
源、直流電源の個別の制御により、プラズマ密度、陰極
降下電圧を独立して制御し得、それぞれ任意の状態に維
持することができる。

し実　施　例］ 以下、図面を参照しつつ本発明の一実施例を説明する。

先ず本発明の原理について説明する。

第１図は本発明の基本構成図を示しており、図中第５図
中で示したものと同一のものには同符号を付しである。

前述した様にアノード電極とカソード電極間に高周波電
力を印加してプラズマを発生させた場合、プラズマ内の
電子及びイオンの移動速度に起因し、カソード電極側の
カソードシースに大きな、陰極降下電圧が生ずる。いい
かえれば、カソードシースはイオンの集合（Ｗて゛あり
、イオンと電子のアンバランスな状態によって前記陰極
降下電圧が生じるといえ、カソードシースに電子を別途
供給しイオンを中和すれば、陰極降下電圧を減ぜられる
。

従って、印加する高周波電力を増大させても、充分な電
子をカソードシースに供給する様にすれば、陰極降下電
圧を増大させることなく、プラズマ密度を高めることか
できる。

第１図に示す基本構成では、カソード電極２の電力供給
ラインにフィラメント１１、電源１２から成る電子供結
手段１３を接続している。

カソード電極２とプラズマ１４との間にはカソードシー
ス１０が形成されており、このカソードシース電圧（セ
ルフバイアス）Ｖ３の電位傾斜を模式的に曲線１５で表
わす、ここで、フィラメント１１の電′ｆｉ、１２は高
周波電圧に重畳している。

斯かる系に於いて、補助電子電流（フィラメントからの
エミッション電流）Ｌ、かない場合、カソードシース１
０内に流込む電子電流Ｉ　ａｔとイオン電流ＩＩ＆とは
シース電圧Ｖｓによってバランスしている。

従って、次記式が成立する。

Ｉ　　、、＝　　（Ａ／’４　　）　　ｅ　　ｎｌ　　
ｖ、　　＝　　Ｉ　　＋ａＩ　、、＝　（Ａ／４　）　
ｅ　ｎｏ　ｖ、　ｅ　ｘｐ［−（ｅ／ｋＴ、）Ｘ （Ｖ、　十Ｖ、Ｓｉｎω１）］ Ｉｏ。ｅｘｐ　［−（ｅ／ｋＴ、＞Ｘ （ｖ、　十ｖ、’　）］ Ｉ　１ｍ””　Ｉ　ｍｅ、 Ｉ＋。＝Ｉ−０ｅｘｐ　［−（ｅ／ｋＴ、）ｘ（Ｖ、　
十Ｖ、’　）］より、 ■、について解くと Ｖ、＝　（ｋＴ、／ｅ）Ｉｎ　　［（Ｌ。ｅｘｐ（ｅ　
Ｖ、　’　　／ｋＴ−＞　　！／　Ｉ　　Ｉ−コとなる
。これが外部より電子電流かない時のシース電圧である
。

ここで、 ■、、：カソードシースに流入する電子電流Ｉ０：カソ
ードシースに流入するイオン電流Ａ　：カソード電極の
面積 ｅ　１％何 ｎｌ　：プラズマ内のイオン密度 ｎ、：プラズマ内の電子密度 ■、：イオンの平均速度 ■、：電子の平均速度 ｋ　：ボルツマン定数 Ｔ。：電子温度 ■、：シース電圧 ■、：高周波電圧の振幅 ω　：高周波電圧の角周波数 ｔ　二時間 １、。　：　　（Ａ／４　　ン　ｅ　　ｎ　ａ　　Ｖ　
＠Ｖｐ　　：　Ｖ＃　ｓｌｎ　（Ａｌ　を次に、前記し
た電子供給手段１３によって、カソードシース１０内に
電子電流Ｉ　、ｓを供給すると、Ｉ　、、−１１ｍ＋　
１　、ッより、 ■、。＋Ｉ　５ｓ −４，、ｅｘｐ　（−６Ｖ、／ｋＴ＊　）　・ｅＸＰ　
（−ｅＶ、’／に’ｒ、） これよりＶ、について解くと、 Ｖ、＝（ｋＴ、／ｅ）Ｉｎ　　［（１，。ｅｘｐ（ｅＶ
、　　’　　／ｋＴ−）／　　（Ｉ＋−＋１．−）　　
］となる、これにより、 ［（１，、ｅｘｐ　（−ｅＶ、’　／ｋＴ＊　）／（Ｉ
、。＋ｒ、、）］＝４ となるまでＩ　ａｍを増ずとＶ、＝０とすることができ
る。

而して、高周波電圧に重畳した回路よりカソードシース
内に補助電子を供給することによってシース電圧を制御
することかできる。

上記基本構成例では電子供給手段は、フィラメントから
のエミッション電流を用いたものであるが、直流放電に
よって生ずる電子を供給する様にしてもよい。

第２図は、直流放電により補助電子を供給する様にした
本発明の他の基本構成図である。

アノード電極１６に対峙させ、スリット、孔を多数穿設
した、或はメ・ｙシュ状の高周波カソード電極１７を配
設し、該高周波カソード電極に対峙させアノード電極１
６の反対側に直流カソード電極１８を配設する。

前記アノード電極１６は接地電極であり、又高周波カソ
ード電極１７は直流阻止コンデンサ８を介して高周波電
源１に接続している。又、該高周波カソード電極１７は
補助直流放電回路１９のアノード電極を兼ねており、直
流電源２０の＋側に接続さノ１、ている。更に、前記直
流カソード電格１８は抵抗２１を介して直流電ａ２０の
一側に接続されている。

而して、アノード電極１６と高周波カソード電極１７間
、及び高周波カソード電極１７と直流カソード電極１８
間にそれぞれ高周波電力及び直流電力を供給することに
より、高周波プラズマ２２、直流グラス７２３力１発生
する。

前記高周波カソード電極１７の高周波プラズマ側に発生
するカソードシース１０には、この直流プラズマ２３側
から高周波カソード電極１７の孔を通−）て補助電子か
供給され、この補助電子の供給により前記シース電圧Ｖ
９か減少する。又、補助電子の供給量については直流電
力を増減することで制御することができる。

従−）て、直流電力の制御でシース電圧■５が制御でき
、プラズマ密度については高周波電力によって制御する
ことができる。

尚、上記した系に於いては、高周波側のプラズマには、
反応性カスを用いたプラズマとし、直流側のプラズマに
は放電が安定なρｊえはアルゴンカス等の不活性カスを
用いたプラズマとすることかできる。

以下第３図に於いて本発明の詳細な説明する。

尚、該実施例は第２図で示される基本構成について具体
化したものである。

真空容器２６の天井面側に円盤状のアノード電ｆ！２７
を設け、該アノード電極２７に対向させ床面側に高周波
カソード電極２８を絶縁物２９を介して設ける。

前記高周波カソード電極２８は第４図に示される様にア
ノード電極２７に対峙する主電極部２８ａと該主電極部
２８ａの周囲に広がり後述する直流カソード電導３１の
アノード電極を兼ねるフランジ電極部２８ｂを有し、該
フランジ電極部２８ｂには円弧状のスリット孔３０が穿
殺しである。

前記した直流カソード電極３１は前記スリブ１〜孔３０
に対向した凹部３２が形成されたリング形状をしており
、絶縁物２９を介在させた状態で高周波カソード電極２
８に取付けられる。而して、高周波カソード電極２８は
コンデンサ８を介して出力電力を制御可能とした高周波
電源１が接続され、直流カソード電極には高周波電圧に
重畳する様に抵抗２１を介して出力電力を制御可能とし
た直流電源２０か接続され、アノード電格２７と高周波
カソード電極２８間に高周波プラズマが発生され、高周
波カソード電極２８と直流カソード電極３１間に直流プ
ラズマが発生される。更に、直流プラズマからはスリッ
ト孔３０を通って高周波プラズマ側へ補助電子か供給さ
れ、シース電圧を制御する。而して、直流電源２０、抵
抗２１に依って構成される補助直流放電回路１９は高周
波電圧に重畳しているので直流プラズマは高周波プラズ
マに完全に同期した理想的な状態で発生される。即ち、
補助電子の供給は高周波電圧の影響を受けずに独立して
制御が可能である。

尚、上記した直流カソード電極３１は凹部３２の形成に
よって、ホロー電極構造となっており、ホロー陰極放電
か行われ、低電■でも高密度のプラズマか得られる。

又、前記スリット孔３０は同一円周上に配した多数の孔
であってもよく、四部３２も連続した講であっても、多
数の穴であってもよい。更に補助電子供給手段としては
ホ・ソ１−フィラメント、電子銃等種々のものを採用し
得ることは勿論である。

次に、第５図は本発明の他の実施例を示すものて゛あり
、該実施例では前記実施例中のフランジ電極部２８ｂを
主電極部２８ａに対して同心円筒形状とした円筒電極部
２８ｂ゛を形成し、該円筒電極部２８ｂ゛に対し直流カ
ソード電極３１゛を同心多重に配設したものである。

該実施例に於いても前記実施例と同様な作用、効果を奏
することは言うまでもない。

更に、第６図、第７図は本発明の他の実施例を示すもの
であり、該実施例では真空容器２６自体を接地電位とし
てアノード電極とし、又高周波カソードな横２８を以下
の如くしたらのである。

即ち、高周波カソード電極２８を円形平板状とし、該高
周波カン−１ｚ電極２８を放射状に延びる孔３０″の列
で区画し、該区画した部分にウェーハ等の処理物を載置
可能としてこの部分を主電極部２８ａ　”とし、該主電
極部２８ａ　”の周辺及び孔３０″の列を含む部分を周
辺電極部として構成したものである。

尚、図中３１″は高周波カソード電極２８にχ・ｊ峙さ
せた直流カソード電極である。

尚、本発明は主電極部とその周辺に形成されるフランジ
電極部等周辺電極部とを別体に形成して電気的に接続す
る等種々変更し得るしのであり、上記した実施例の電極
形状、構造に囮定されるものではないことは勿論である
。

Ｅ発明の効果Ｊ 以上述べた如く本発明によｈば、高周波プラズマに隣接
して発生させた直流プラズマから高周波電極の陰極降下
領域に電子を供給することによってカソードドース電圧
を制御することかでき、高周波電力の制御と合せ、カソ
ードシース電圧を所望の状態に維持して、プラズマ密度
を自在に制御することができるという優れた効果を発揮
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す基本構成図、第２１１ａは
他の基本構成図、第３図は本発明の一実施例を示す説明
図、第４図は該実施例中の高周波カソード電極の形状を
示す斜視図、第５図は他の実施例を示す説明図、第６図
は更に他の実施例を示す説明図、第７図は該実施例の高
周波力・メート電極の平面図、第８図は従来例の基本構
成図である。 １は高周波電源、１３は電子供給手段、１６．２７はア
ノード電極、１７．２８は高周波カソード電極、１８．
３１は直流カソード電極、１９は補助直流放電回路、２
０は直流電源を示す６ 第１図 第３図 第２図 第４ 図 第°６ 図 第７ 図 第５図 手 続 補 正 書（自発） 平成１年 ５月２４日 平成１年特許願第１３５１９号 ２、発明の名称 プラズマ発生装置 ３、　’４ＴＥをする者 事件との関係 特 許 出 願 人 居所 東京都狛江市西野川２ 氏名 菅 原 實 （外１名） ４３代 理 人 明細書の発明の詳細な説明の欄、図面 「第５図」 を 「第８図コ と補正する。 ＋１１図面の補正 第６図を添付図面の如く補正する。 添付書類の目録 図　　　　面 １通 第６

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空容器内にアノード電極と該アノード電極に対
   峙させて、高周波カソード電極を配設し、該高周波カソ
   ード電極は主電極部と該主電極部と電気的に導通状態に
   あり該主電極部の周囲に形成された周辺電極部とから成
   り、該周辺電極部には所要の孔を穿設し、又該周辺電極
   部に対向させ絶縁状態で直流カソード電極を設け、前記
   高周波カソード電極に高周波電源を接続し、該高周波電
   源に重畳させた直流電源を前記直流カソード電極に接続
   したことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. （２）直流カソード電極をホロー陰極構造とした請求項
   第１項記載のプラズマ発生装置。
3. （３）高周波電源、直流電源を個別に制御し得る様構成
   した請求項第１項記載のプラズマ発生装置。