JPH03162581A - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - 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】 く産業上の利用分野〉 本発明は、プラズマＣＶＤやプラズマエッチング等のプ
ラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関し、特に大
面積のプラズマ処理が可能なプラズマ処理方法およびプ
ラズマ処理装置に関する。

く従来の技術〉 ダイヤモンド薄膜やアモルファスＳＬ薄膜の形成には、
プラズマＣＶＤが用いられている。

また、半導体素子等の製造に必要とされる微細パターン
の形成にも、プラズマを用いたエッチングが用いられて
いる。

プラズマＣＶＤやプラズマエッチングなどのプラズマ処
理におけるプラズマ発生源としては、例えば特開昭６４
−６５８４３号公報に開示されているようなエレクトロ
ン・サイクロトロン・レゾナンス（ＥＣＲ）を利用した
プラズマ生成手段や高周波誘導加熱を利用したプラズマ
生成手段等が挙げられる。　これらのうち、高密度の電
子が得られて処理速度が高いことから、ＥＣＲを用いる
ものが注目されていろ。

ＥＣＲ型プラズマ生成装置は、電界と磁界との相互作用
により共鳴的に電子を加速し、この電子の衝突によりガ
スをプラズマ化するものである。　また、このように生
成したプラズマから、イオン引き出し電極等の制御電極
により所望のイオンを取り出す方法も知られている（特
開昭６０−１０３０９９号公報）。

プラズマＣＶＤは、このようにして生成されたプラズマ
中のイオン、ラジカル等を基板上に堆積させることによ
り成膜を行なうものである。　また、特開昭６４−６５
８４３号公報に示されるように、このプラズマから電子
を引き出し、引き出された電子を原料ガスに衝突させて
プラズマ化し、発生したイオン、ラジカル等を基板上に
堆積させることもできる。

プラズマエッチングは、上記のようにして得られたプラ
ズマから、イオン、ラジカル等を被処理体に衝突させて
エッチングを行なうものである。

ＥＣＲを利用したプラズマ生成手段では、生成したプラ
ズマ中の電子やイオンの平均自由行程を確保するために
、動作圧力は通常１　０−’Ｔｏｒｒ付近とされる。　
このため、プラズマＣＶＤおよびプラズマエッチングの
いずれにおいても、処理速度の向上には限界がある。

また、高周波誘導加熱等の他のプラズマ生成手段では，
動作圧力はＥＣＲプラズマより高いが得られる電子密度
および電子温度が低いために、結果として得られるイオ
ン、ラジカル等の密度がより低くなり、処理速度がかえ
って低下する。

さらに、プラズマ処理においては、電子、イオン、ラジ
カルのうち必要とされるものだけを選択的に被処理体に
到達させることが必要である。　例えば、プラズマＣＶ
Ｄでは、不用な電子およびイオンが被処理基板にダメー
ジを与え、膜の欠陥が生じることがある。　また、膜表
面で不用な反応が生じてラジカルやイオンの反応が抑制
され、或膜速度が低下してしまうこともある。　さらに
、プラズマ生成室で得られる活性種は電子のエネルギー
分布が広がりをもつため、多種類の解離状態のイオンが
生成されてしまう。　このため、このような活性種を例
えば引き出し電極により処理室内に引き出しても、不用
もしくは反応を抑制するイオンも同時に引き出すことに
なり、所望の良質な膜が得られない。

く発明が解決しようとする課題〉 上記したような問題を解決するために、本発明者は特願
平１−１９１１８１号において、処理速度が向上し、し
かも被処理体のダメージ等を防止できるプラズマ処理方
法およびプラズマ処理装置を提案している。

この提案では、好ましくはＥＣＲ型プラズマ生成手段に
より生成されたプラズマから、プラズマ反応室内に電子
ビームを引き出す。　このとき、プラズマ反応室内には
反応ガスの高密度領域が形成されているため、発生する
イオンや活性種の量が多くなり処理速度が向上するもの
である。

しかし、ＥＣＲプラズマ生成手段では、プラズマ生成室
の形状、寸法等がＥＣＲ条件を満たすように限定される
。　引き出される電子ビームの断面積はプラズマ生成室
の断面積に依存するため、ＥＣＲプラズマ生成手段を用
いる場合、処理面積の向上は困難である。

本発明はこのような事情からなされたものであり、処理
速度が高く、被処理体のダメージおよびその表面での不
用な反応を防げ、しかも大面積の処理が可能なプラズマ
処理方法を提供することを目的とする。　また、本発明
は、このようなプラズマ処理を実現するプラズマ処理装
置を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 このような目的は下記（１）〜（１３）の本発明によっ
て達成される。

（１）プラズマ生成手段を有するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室から電子ビームを引き出す電子引き
出し電極と、 周囲に磁石を有し、前記電子引き出し電極により引き出
された電子ビームを拡径する電子ビーム拡径室と、 拡径された電子ビームをほぼ平行な電子ビームとして引
き出す電子ビーム平行化電極と、この電子ビーム平行化
電極から引き出された電子ビームにより反応ガスの活性
化が行なわれるプラズマ反応室と、 このプラズマ反応室に連通し、被処理体のプラズマ処理
が行なわれるプラズマ処理室とを有するプラズマ処理装
置を用いてプラズマ処理を行なう方法であって、 前記プラズマ反応室内において、前記電子引き出し電極
から引き出された電子ビームに対してほぼ垂直方向に反
応ガスの高密度領域を形成することを特徴とするプラズ
マ処理方法。

（２）プラズマ生成手段を有するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室から電子ビームを引き出す電子引き
出し電極と、 この電子引き出し電極から引き出された電子ビームによ
り反応ガスの活性化が行なわれるプラズマ反応室と、 このプラズマ反応室からイオンビームを引き出すイオン
引き出し電極と、 周囲に磁石を有し、前記イオン引き出し電極により引き
出されたイオンビームを拡径するイオンビーム拡径室と
、 拡径されたイオンビームをほぼ平行なイオンビームとし
て引き出すイオンビーム平行化電極と、 このイオンビーム平行化電極により引き出されたイオン
ビームによって被処理体のプラズマ処理が行なわれるプ
ラズマ処理室とを有するプラズマ処理装置を用いてプラ
ズマ処理を行なう方法であって、 前記プラズマ反応室内において、前記電子引き出し電極
から引き出された電子ビームに対してほぼ垂直方向に反
応ガスの高密度領域を形成することを特徴とするプラズ
マ処理方法。

（３）前記プラズマ生成手段が、エレクトロン・サイク
ロトロン・レゾナンス型のプラズマ生戊手段である上記
（１）または（２）に記載のプラズマ処理方法。

（４）前記プラズマ処理がプラズマＣＶＤである上記（
１）ないし（３）のいずれかに記載のプラズマ処理方法
。

（５）前記プラズマ処理がプラズマエッチングである上
記（１）ないし（３）のいずれかに記載のプラズマ処理
方法。

（６）プラズマ生成手段を有するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室から電子ビームを引き出す電子引き
出し電極と、 周囲に磁石を有し、前記電子引き出し電極により引き出
された電子ビームを拡径する電子ビーム拡径室と、 拡径された電子ビームをほぼ平行な電子ビームとして引
き出す電子ビーム平行化電極と、この電子ビーム平行化
電極から引き出された電子ビームにより反応ガスの活性
化が行なわれるプラズマ反応室と、 このプラズマ反応室に連通し、被処理体のプラズマ処理
が行なわれるプラズマ処理室と、前記プラズマ反応室に
連通ずる反応ガス導入路とを有し、 この反応ガス導入路と前記プラズマ反応室との間に、反
応ガスに指向性を付与する指向性付与手段を有すること
を特徴とするプラズマ処理装置。

（７）前記プラズマ反応室と前記プラズマ処理室との境
界に、イオン引き出し電極および／またはイオン阻止電
極を有する上記（６）に記載のプラズマ処理装置。

（８〉プラズマ生戊手段を有するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室から電子ビームを引き出す電子引き
出し電極と、 この電子引き出し電極から引き出された電子ビームによ
り反応ガスの活性化が行なわれるプラズマ反応室と、 このプラズマ反応室からイオンビームを引き出すイオン
引き出し電極と、 周囲に磁石を有し、前記イオン引き出し電極により引き
出されたイオンビームを拡径するイオンビーム拡径室と
、 拡径されたイオンビームをほぼ平行なイオンビームとし
て引き出すイオンビーム平行化電極と、 このイオンビーム平行化電極により引き出されたイオン
ビームによって被処理体のプラズマ処理が行なわれるプ
ラズマ処理室と、 前記プラズマ反応室に連通ずる反応ガス導入路とを有し
、 この反応ガス導入路と前記プラズマ反応室との間に、反
応ガスに指向性を付与する指向性付与手段を有すること
を特徴とするプラズマ処理装置。

（９）前記プラズマ生成手段が、エレクトロン・サイク
ロトロン・レゾナンス型のプラズマ生成手段である上記
（６）ないし（８）のいずれかに記載のプラズマ処理装
置。

（１０）前記指向性付与手段が、複数の貫通孔を有する
薄板である上記（６）ないし（９）のいずれかに記載の
プラズマ処理装置。

（１ｌ）前記複数の貫通孔が、前記電子引き出し電極か
ら引き出された電子ビームに対してほぼ垂直方向に前記
薄板を貫通するものであり、前記貫通孔の長さおよび半
径をそれぞれ℃およびｒとしたとき、Ｑ　／　ｒ　＝　
１〜５００である上記（１０）に記載のプラズマ処理装
置。

（１２）前記プラズマ反応室の前記指向性付与手段と対
向する壁面に、高真空排気口を有する上記（６）ないし
（１ｌ）のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

（１３）前記プラズマ生成室にガス導入口を有する上記
（６）ないし（１２）のいずれかに記載のプラズマ処理
装置。

〈作用〉 本発明の第１の態様では、プラズマ生戊室から引き出さ
れた電子ビームを、磁界の作用により拡径する。　この
ため、電子ビームの断面積はプラズマ生成室の断面積よ
り大きくなり、大面積処理が可能となる。

そして、拡径された電子ビームは、ほぼ平行なビームと
された後、プラズマ反応室内にて反応ガスを活性化する
。　このときプラズマ反応室内には前記電子ビームに対
してほぼ垂直方向に反応ガスの高密度領域が形成されて
いるため、活性化される反応ガスの密度を高くすること
ができ、処理速度が向上する。

この態様において、プラズマ反応室とプラズマ処理室と
の境界にイオン阻止電極および／またはイオン引き出し
電極を有する場合、電子やイオンを選択的に引き出して
プラズマ処理室内の被処理体に到達させることができる
ので、被処理体のダメージを防止することができ、また
、被処理体表面での不用な反応が防げるため処理速度も
向上し、さらにこのため良好な膜が得られる。

また、本発明の第２の態様では、プラズマ生成室から引
き出された電子ビームにより、上記のような高密度領域
にて反応ガスを活性化し、活性化された反応ガスからイ
オンビームを引き出す。　引き出されたイオンビームを
磁界の作用により拡径し、次いでほぼ平行なビームとし
てプラズマ処理室内に引き出し、プラズマ処理を行なう
。

上記各態様において、反応ガスの高密度領域は、反応ガ
スがプラズマ反応室内へ流入する際に指向性付与手段を
通過することにより形成される。

本発明によれば、反応ガスの高密度領域を形成しない場
合と比べ、処理速度を２倍以上、特に３倍以上とするこ
とができる。

そして、プラズマ反応室の指向性付与手段と対向する壁
面に高真空排気口を有する構成とする場合、指向性付与
手段から導入された反応ガスの壁面によるバックスキャ
ッタリングが防止されるため反応ガスの流れが乱される
ことがなく、高密度領域を安定に保つことができる。

く具体的構成〉 以下、本発明の具体的構或について詳細に説明する。

本発明の第１の態様におけるプラズマ処理装置を、第ｌ
図に示す好適実施例の構或図により説明する。

第１図に示すプラズマ処理装置１は、プラズマ生成室２
と、電子引き出し電極３と、電子ビーム拡径室３２と、
電子ビーム平行化電極３１と、プラズマ反応室４１と、
プラズマ処理室４２とを連続して有し、プラズマ反応室
４１に連通して反応ガス導入路５を有する。

プラズマ生成室２には、マイクロ波電源（図示せず）と
接続された導波管２１がマイクロ波導入窓２２を介して
設けられており、また、プラズマ生成室の外周には磁石
２３が設けられており、これらがエレクトロン・サイク
ロトロン・レゾナンス（以下、ＥＣＲと略称する。）型
プラズマ生成手段を構成している。

プラズマ拡径室３２の周囲には、磁石３３が設けられる
。

プラズマ反応室４１とプラズマ処理室４２との境界には
、イオン引き出し電極８およびイオン阻止電極９が設け
られる。

プラズマ反応室４１は高真空排気口７を有し、反応ガス
導入路５とプラズマ反応室４ｌとの間には、プラズマ反
応室４１内に導入される反応ガスに指向性を付与する指
向性付与手段６が設けられる。

プラズマ処理室４２には、低真空排気口１０および被処
理体ホルダ１００が設けられ、被処理体ホルダ１００上
に被処理体１０１が載置されている。

プラズマ処理装置ｌによりプラズマ処理を行なうに際し
ては、図示しない油回転ボンブ等に接続されている低真
空排気口１０から装置内の気体を排気して低真空状態と
し、さらに、図示しないターボ分子ボンブ等に接続され
ている高真空排気口７から排気を行なって、装置内を１
　０−６〜１　０−’Ｔｏｒｒ程度の高真空に維持する
。

次いで、反応ガス導入路５からプラズマ反応室４ｌ内に
反応ガスを導入する。　この反応ガスは、拡散によりプ
ラズマ生成室２内に流入する。

プラズマ生成室２では、マイクロ波導入窓２２からマイ
クロ波が導入される。　このとき、プラズマ生成室内部
には磁石２３によりＥＣＲ条件を満たす磁界が付与され
ているため、プラズマ生成室２内の電子は、この磁界と
マイクロ波の電界とにより加速されて反応ガスに衝突し
、プラズマが生成する。　なお、磁石２３はＥＣＲ条件
を満足する磁界を印加できればよく、永久磁石等、いず
れの磁界発生手段を用いてもよい。

生成したプラズマから、電子引き出し電極３によりプラ
ズマ拡径室３２内に電子ビームが弓き出される。　引き
出された電子ビームは、図中右方向に進行するほぼ平行
なビームであり、プラズマ生成室２とほぼ同等の断面積
を有する。

この電子ビームは、磁石３３が発生する磁界により拡径
され、断面積が増大する。

磁石３３は、電子ビーム拡径室３２内に、電子ビーム平
行化電極３１に向かって強度が漸減する磁界を形成する
ものであり、電子ビームは、このような磁界により電子
ビーム拡径室の壁面方向に力をうけ、その径が拡がる。

磁石３３としては、電子ビームにこのような力を及ぼす
ものであれば制限はないが、例えば、第ｌ図に示すよう
に、Ｓ極が電子ビーム平行化電極３ｌ側でＮ極が電子引
き出し電極３側である環状磁石を用いることが好ましい
。　また、この場合、環状の磁石３３のＮ極側に接して
、補助磁石を設けることが好ましい。　この補助磁石は
、磁石３３より小さい内径を有し、内周測がＮ極で外周
測がＳ極である環状とされる。　このような補助磁石を
設けることにより、電子ビーム拡径室内において電子ビ
ーム平行化電極３ｌに向かって強度が漸滅する磁界の存
在範囲が増加し、より有効な拡径を行なうことができる
。

なお、本発明では、第４図に示すように、内周側がＮ極
で外周側がＳ極である環状磁石を用いることもできる。

なお、磁石３３は電子ビーム拡径室３２内に上記のよう
な磁界を形成できればよく、その構成に特に制限はない
。　例えば、複数の磁石を環状に配列してもよく、また
、各種セグメント磁石を用いてもよい。

電子引き出し電極３は、プラズマ生成室２内に生成され
たプラズマから電子を選択的に引き出す作用を有する。

　また、電子ビーム平行化電極３ｌは、磁石３３により
拡がった電子ビームを加速する。　従って、電子ビーム
平行化電極３ｌを通過した電子ビームは図中右方向の速
度成分が増大し、ほぼ平行なビームとなる。

電子引き出し電極３および電子゛ビーム平行化電唖３１
は、対向する２枚の電極板から構成され、プラズマ反応
室４ｌ側の電極板がプラズマ生成室２側の電極板より高
い電位を有する。

なお、これらの電極および後述する各電極の電極板は、
メッシュ状金属板等の通常の電極板であってよい。

電子ビームの拡径率は、電子引き出し電極３への印加電
圧、磁石３３の長さおよび磁力、電子ビーム拡径室３２
の長さ等に依存する。

また、電子ビーム平行化電極３１を通過した電子ビーム
の平行度およびエネルギーは、電子ビーム平行化電極３
１への印加電圧に依存する。

従って、所望の断面積、エネルギー等を有する電子ビー
ムを得るために、これらの電極は、印加電圧を変更可能
に構成することが好ましい。

なお、磁石３３の構成に特に制限はなく、目的に応じて
適当な寸法、磁力等を有するちのを選択すればよい。　
また、構造が簡単になることから、磁石３３には永久磁
石を用いることが好ましい。

電子ビーム平行化電極３１により引き出された指向性を
有する電子ビームは、プラズマ反応室４１内に流入する
。

本発明では、プラズマ反応室４ｌ内に、この電子ビーム
に対してほぼ垂直方向に反応ガスの高密度領域を形成す
る。　電子ビームは、この高密度領域において反応ガス
の活性化を行ない、高密度の活性種を生成する。

なお、この態様では、プラズマ反応室４ｌ内において反
応ガスを必ずしもプラズマ状態とする必要はなく、少な
くとも活性種が生成されていればよい。

このような高密度領域の形成方法に特に制限はないが、
反応ガス導入路５とプラズマ反応室４１との間に、電子
ビームの進行方向に対してほぼ垂直方向の指向性を反応
ガスに与える指向性付与手段６を設けることにより、上
記のような高密度領域を容易に形成することができる。

指向性付与手段６としては、複数の貫通孔を有する薄板
を用いることが好ましい。

そして、反応ガスに上記のような指向性を与えるために
、薄板に設けられた複数の貫通孔は、電子ビーム平行化
電極３１から引き出された電子ビームの進行方向に対し
てほぼ垂直方向に薄板を貫通することが好ましい。

このような指向性付与手段を用いる場合、反応ガスは低
真空の反応ガス導入路５内から薄板の貫通孔を通過して
高真空のプラズマ反応室４ｌ内に流入する際に上記のよ
うな指向性を付与され、プラズマ反応室４１内に高密度
領域を形成する。

より詳述すると、上記したような貫通孔を通過したガス
分子は、貫通孔の軸方向にビーム状分子流を形成し、こ
れが上記高密度領域となる。

このビーム状分子流の形状は、貫通孔の長さと半径との
比、すなわち、貫通孔の長さおよび半径をそれぞれ氾お
よびｒとしたとき、Ｉ２／ｒの値により決定される。

第２ａ図、第２ｂ図および第２ｃ図に、それぞれ１２　
／　ｒが１、４および４０である場合のガス分子の等濃
度曲線を示す。　この曲線は、ビーム状分子流の形状を
示すものである。　なお、これらの図において、貫通孔
の左測が低真空、すなわち反応ガス導入路５であり、右
側が高真空、すなわちプラズマ反応室４１であって、ガ
ス分子は図中矢印方向に流れる。

本発明では、これらの図に示されるような結果から、好
ましくはＱ　／　ｒ　＝　１〜５００、より好ましくは
！２／　ｒ　＝　５〜４００とする。

Ｑ　／　ｒが上記範囲未満であると反応ガスに十分な指
向性を与えることが困難であり、上記範囲を超えると反
応ガスの流量が極度に減少し、プラズマ反応室４１内に
高濃度の反応ガス流を形成することが困難となる。

また、貫通孔の直径は０．０１〜５０００μｍ、特に０
．０３　〜５００ｕｍであることが好ましい。　直径が
上記範囲未満であると反応ガスの流量が極度に減少し、
プラズマ反応室４１内に高濃度の反応ガス流を形成する
ことが困難となる。　直径が上記範囲を超えると、反応
ガス分子間の相互作用により反応ガス流の敗乱が生じ、
第２ａ図〜第２ｃ図に示すような反応ガスの流れを実現
することが困難となる。

また、貫通孔の好ましい配設密度はその直径によっても
異なるが、通常、できるだけ高くすることが好ましく、
例えば１０”個／ｃｍ２以上とすることが好ましい。　
貫通孔の配設密度が高ければ、高密度領域の形成が容易
となる。

薄板の貫通孔が設けられている部分の幅（電子ビーム進
行方向の長さ）に特に制限はないが、処理速度を向上さ
せるためには、３＋ｎｍ以上、特に５ｌｆｆｌｍ以上と
することが好ましい。　また、この幅の上限は特にない
が、発生活性種を制御したい場合には、５０ｒｎＩＩ＋
以下、特に２０ｍｍ以下とすることが好ましい。

そして、プラズマ生成量を増加させて処理速度を向上さ
せるために、これらの貫通孔はプラズマ反応室４ｌの幅
方向（電子ビーム進行方向に対し直角方向）のほぼ全域
に亙って設けられることが好ましい。

なお、薄板の厚さは貫通孔の長さβと同じであり強度が
十分ではないため、メッシュ状の支持板上に薄板を載置
して用いることが好ましい。

薄板の材質に特に制限はなく、ポリカーボネート、ポリ
エステル等の各種樹脂、各種ガラス、各種金属等を用い
ることができる。　貫通孔の形成は、例えば各種樹脂で
は、中性子線等の高エネルギー粒子を照射した後、化学
エッチングを施すことにより行なえばよく、各種金属で
はエッチング等を利用すればよい。　また、ガラスを用
いる場合、例えばガラスチューブの集合体などを用いる
ことができる。

また、指向性付与手段として、市販の各種メンブレンフ
ィルタを用いることもできる。

本発明に好適なメンブレンフィルタとしては、ニュクリ
ボア一■・メンブレンフィルター（ニュクリボアー社製
）が挙げられる。

なお、指向性付与手段とプラズマ反応室との間にイオン
阻止電極を設け、指向性付与手段へのイオンの流入を防
止することもできる。

このような指向性付与手段の複数の貫通孔から噴出した
ビーム状分子流は、全体としてカーテン状の分子流とな
り、この分子流が上記高密度領域を構成する。

この高密度領域内における圧力は、処理速度を向上させ
、しかも高密度領域以外の圧力を適当に保つためには１
０−３〜Ｉ　Ｔｏｒｒ程度であることが好ましい。　高
密度領域における圧力を測定することは困難であるが、
本発明により実現する処理速度の向上から考えると、本
発明によればこのような圧力が実現していると考えられ
る。

プラズマ生成室２内および高密度領域を除くプラズマ反
応室４ｌ内の圧力は、１０−６〜１　０−”Ｔｏｒｒ、
特にｌ　Ｏ−’〜１　０−’Ｔｏｒｒであることが好ま
しい。　この範囲未満であると高い電子密度を得ること
が困難となり、この範囲を超えると高密度領域のガス分
子と残留ガス分子との衝突が無視できなくなり、良好な
イオンビームを得ることが困難となる。

反応ガスの高密度領域内において上記のような圧力を実
現するために必要とされる反応ガス導入路５内とプラズ
マ反応室４１内の差圧および指向性付与手段６を通過す
る反応ガスの流量は、実験的に決定することができる。

　なお、反応ガス導入路５への反応ガスの供給は、図示
しないマスフローコントローラにより調整され、複数の
マスフローコントローラを設けることにより、２種以上
のガスを混合して反応ガスとすることができる。

イオン引き出し電極８とイオン阻止電極９とは平行な３
枚の電極板から構成され、中央の１枚の電極板を共用す
る。

イオン引き出し電極８を作動させるためには、中央の電
極板に対しプラズマ反応室４１側の電極板が正の電位と
なるように電圧を印加する。　このとき、処理ガスのプ
ラズマ中のイオンは電極内で加速され、逆に電子は速度
を失う。

一方、イオン阻止電極９を作動させるためには、中央の
電極板に対しプラズマ処理室４２側の電極板が正の電位
となるように電圧を印加する。　このとき、処理ガスの
プラズマ中のイオンは電極板間で速度を失い、逆に電子
は加速される。

また、イオン引き出し電極およびイオン阻止電極の両方
を作動させた場合、電子およびイオンの双方が速度を失
い、これらの電極を通過して被処理体１０１測へ移動す
ることが阻止される。　この場合、これらの電極を通過
するのは主としてプラズマ中の中性種だけとなる。

なお、中性種だけをプラズマ処理室４２に流入させる場
合、プラズマ処理室４２にフロー調整用排気口１１を設
け、ここから排気を行なうことにより室内に流れを生じ
させて流入量を増加させることもできる。　この場合、
フロー調整用排気口１１は高真空排気口７と同様にター
ボ分子ボンブ等の高真空用ボンブに接続される。

上記各電極のどれを設けるか、あるいはどれを作動させ
るかは、目的とするプラズマ処理に応じて決定すればよ
く、特に制限はない。

なお、これらの電極は、印加電圧を変更可能に構成する
ことが好ましい。　印加電圧を変更することにより引き
出されるイオンのエネルギーを制御することが可能とな
り、特に２００Ｖ以下の低加速条件では、高エネルギー
イオンによる膜へのダメージが軽減され、良好な膜を得
ることができる。

指向性付与手段６は、これらの電極の近傍に設けること
が好ましい。　このように構成することにより、反応ガ
スのプラズマからの電子やイオンが効率的に電極内に流
入し、処理速度が向上する。

高真空排気口７はプラズマ処理中に装置内を所定の圧力
に保つ作用を有する。　本発明ではこの高真空排気口７
が、プラズマ反応室４１の指向性付与手段６と対向する
壁面に設けられることが好ましい。　このような構或に
より、指向性付与手段６から流入した反応ガスのうちプ
ラズマ化ないし励起されていないガス分子のプラズマ反
応室壁面でのバックスキャッタリングを低減でき、被処
理体１０１へこのようなガス分子が到達する割合を抑え
ることができる。

このため、プラズマＣＶＤにおいては、目的とする合成
反応を阻害する反応を防止でき、良好な膜を得ることが
できる。　また、プラズマエッチングにおいては、上記
と同様な理由により、方向性を有する活性種により良好
な異方性エッチングを高速に行なうことができる。

被処理体ホルダ１００には加熱手段１０２およびバイア
ス電源１０３が接続されている．加熱手段１０２は、例
えばプラズマＣＶＤの際に被処理体１０１を加熱するた
めのものであり、必要に応じて設ければよい。

また、バイアス電源１０３は、被処理体１０１にバイア
ス電圧を印加するためのものである。　バイアス電圧は
、交流または直流のいずれであってもよく、目的に応じ
て設定すればよい。

さらに、被処理体ホルダ１０１は、目的とする処理条件
に応じて分子の平均自由行程内に被処理体を設置するた
めに、前後に移動可能に構成してもよい。

電子ビーム拡径室３２、プラズマ反応室４１およびプラ
ズマ処理室４２の形状に特に制限はなく、直方体状、円
筒状等のいずれであってもよい。

また、これらの寸法にも特に制限はないが、例えば、電
子引き出し電極３と電子ビーム平行化電極３１との距離
は２０〜１５０ｍｍ程度、電子ビーム平行化電極３１と
イオン引き出し電極８との距離は３０〜２００１程度、
イオン阻止電極９と被処理体１０１との距離は１００〜
５０’Ｏｍｍ程度である。

また、この態様における電子ビームの拡径率は１５０％
以上とすることができる。

次に、本発明の第２の態様におけるプラズマ処理装置を
、第３図に示す好適実施例の構成図により説明する。

プラズマ処理装置ｌは、プラズマ生成室２と、電子引き
出し電極３と、プラズマ反応室４ｌと、イオン引き出し
電極８と、イオンビーム拡径室８２と、イオンビーム平
行化電極８１と、プラズマ処理室４２とを連続して有し
、前記プラズマ反応室４１に連通ずる反応ガス導入路５
を有する。

プラズマ生成室２、プラズマ反応室４１およびプラズマ
処理室４２の構成および作用は、上記第１の態様と同じ
である。

そして、この態様では、イオンビーム拡径室８２の周囲
に、磁石８３が設けられる。

この態様では、プラズマ反応室４１内において上記第１
の態様と同様にして高密度のプラズマを生成させ、イオ
ン引き出し電極８によりこのプラズマからイオンビーム
を引き出す。　弓き出されたイオンビームは、図中右方
向に進行するほぼ平行なビームであり、プラズマ反応室
４１とほぼ同等、従ってプラズマ生成室２とほぼ同等の
断面積を有する。

磁石８３は、イオンビーム拡径室８２内に、イオンビー
ム平行化電極８ｌに向かって漸減する磁界を形成するも
のであり、イオンビームは、このような磁界によりイオ
ンビーム拡径室の壁面方向に力をうけ、その径が拡がる
。

磁石８３の構成は、上記のような磁界を発生するもので
あれば特に制限はなく、例えば前記した磁石３３に準じ
るＩｌｌＩ戊とすればよい。　ただし、陽イオンを拡径
する場合、第３図に示すようにイオン引き出し電極８側
がＳ極でイオンビーム平行化電極８ｌ側がＮ極である環
状磁石を用いる。　また、Ｓ極が内周側でＮ極が外周側
である環状磁石を用いてもよい。　なお、陰イオンを拡
径する場合は、磁極の向きを逆にすればよい。　また、
この場合、イオン引き出し電極８およびイオンビーム平
行化電極８ｌの極性は、陽イオン拡径の場合の極性と逆
極性とされる。

イオンビーム平行化電極８１は、磁石８３により拡がっ
たイオンビームを加速する。　従って、イオンビーム平
行化電極８１を通過したイオンビームは図中右方向の速
度成分が増大し、ほぼ平行なビームとなる。　プラズマ
処理室４２では、このイオンビームにより被処理体１０
１のプラズマ処理が行なわれる。

イオン引き出し電極８およびイオンビーム平行化電極８
ｌは、対向する２枚の電極板から構成され、プラズマ反
応室４ｌ側の電極板がプラズマ処理室４２側の電極板よ
り高い電位を有する。

イオンビームの拡径率は、イオン引き出し電極８への印
加電圧、磁石８３の長さおよび磁力、イオンビーム拡径
室８２の長さ等に依存する。

また、イオンビーム平行化電極８ｌを通過したイオンビ
ームの平行度およびエネルギーは、イオンビーム平行化
電極８１への印加電圧に依存する。

従って、所望の断面積、エネルギー等を有するイオンビ
ームを得るために、これらの電極は、印加電圧を変更可
能に構或することが好ましい。

なお、イオンビーム拡径室８２の周囲に設けられる磁石
８３の構成に特に制限はなく、目的に応じて適当な寸法
、磁力等を有するものを選択すればよい。　また、構造
が簡単になることから、磁石８３には永久磁石を用いる
ことが好ましい。

この態様におけるプラズマ処理装置各部の寸法に特に制
限はなく、処理面積等の目的に応じて適当な寸法を選択
すればよいが、例えば、電子引き出し電極３とイオン引
き出し電極８との距離は３０〜２００ｎａ＋程度、イオ
ン引き出し電極８とイオンビーム平行化電極８１との距
離は２０〜３００ｍｍ程度、イオンビーム平行化電極８
１と被処理体１０１との距離は１００〜５００ｍｍ程度
である。

また、この態様におけるイオンビームの拡径率は１５０
％以上とすることができる。

なお、上記各態様において、プラズマ生成手段に特に制
限はなく、上記したＥＣＲ型のプラズマ生成手段の他、
磁場に平行にマイクロ波を伝播することにより高電子密
度を得る方法等、他の手段を用いてもよい。　ただし、
高い電子密度が得られることから、ＥＣＲ型プラズマ生
成手段または磁場に平行にマイクロ波を伝播する方法を
用いることが好ましい。

本発明のプラズマ処理装置は、プラズマＣＶＤおよびプ
ラズマエッチングに特に好適である． 本発明が適用されるプラズマＣＶＤに制限はなく、アモ
ルファス状のシリコン、ＳｉＣ、カーボン、ＳｉＮｘ、
ＳｉＯｘ等、多結晶状のシリコン、ＳｉＣ，ダイヤモン
ド等、単結晶状態のシリコン、ＳｉＣ、ダイヤモンド等
のいずれの成膜にも本発明は有効である。　これらの成
膜に際して、基板温度等の各種条件に特に制限はなく、
目的に応じて適宜決定すればよい。

これらのプラズマＣＶＤにおいて用いる反応ガスは、ア
モルファスｓｉｓ膜に用いるシランガス、ダイヤモンド
成膜に用いる炭化水素等、通常の反応性ガスであってよ
く、特に制限はない。

また、本発明が適用されるプラズマエッチングにも制限
はなく、本発明はいずれのプラズマエッチングにおいて
も効果を発揮する。　プラズマエッチングに用いる反応
ガスとしては、例えば、塩素ガス等のハロゲンガス、あ
るいは塩化物ガス、フッ化物ガス等のハロゲン化物ガス
などの反応性ガスであってよく、特に制限はない。

また、上記の各反応性ガスに加え、必要に応じて水素、
不活性ガス等を適宜用いることもできる。

なお、本発明では、プラズマ生成室２にガス導入口を設
けてもよい。

指向性付与手段６からだけ反応ガスを導入した場合、プ
ラズマ反応室４１には上記したような反応ガスの高密度
領域が形成され、プラズマ反応室４１の他の領域、プラ
ズマ処理室４２およびプラズマ生成室２における圧力は
、この高密度領域からの拡散によって維持される。　こ
のため、指向性付与手段６からの反応ガスの流入は、プ
ラズマ生成室２内の反応ガスの圧力がプラズマ生成に好
適な値となるように制画される必要がある。

一方、プラズマ生成室２にガス導入口を設け、ここから
も反応ガスを導入する場合、指向性付与手段６からはプ
ラズマ生成室の圧力維持に関係なく反応ガスを導入する
ことができるため、高密度領域形成が容易となる。

また、指向性付与手段６からだけ反応ガスを導入する構
成では、プラズマ生成室２内の反応ガスがプラズマ化す
ることによりマイクロ波導入窓２２および電子引き出し
電極３にデポジションが生じるため、頻繁なクリーニン
グが必要となる。

一方、指向性付与手段６からは反応性ガスだけを導入し
、かつプラズマ生成室２のガス導入口から不活性ガスや
水素などの反応性ガス以外のガスを導入するように構成
すれば、プラズマ生成室２内の反応性ガスの圧力を低下
させることができるので、マイクロ波導入窓２２および
電子引き出し電極３へのデポジションが減少する。　し
かもこの場合、高密度領域での反応性ガスの圧力は変わ
らないため、処理速度が低下することもない。

なお、本発明は、上記のプラズマ処理の他、イオン打ち
込みにも適用することができる。

〈実施例〉 以下、具゛体的実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説
明する。

［実施例１］ 第１図に示すようなプラズマ処理装置１を用いて、プラ
ズマＣＶＤによりダイヤモンド薄膜の或膜を行なった。

プラズマ生成室２は直径１００ｍ＋ｎ、電子ビーム拡径
室３２は直径１７０ｍｍとし、電子引き出し電極３と電
子ビーム平行化電極３ｌとの距離は７０ｍｍ、電子ビー
ム平行化電極３１とイオン引き出し電極８との距離は７
０ｍｍ、イオン阻止電極９と基板（被処理体１０１）と
の距離は１５０１１１１１１とした。

また、磁石３３には、長さ４０ｍｍの環状永久磁石を用
いた。

指向性付与手段６としては貫通孔を有するボリカーボネ
ート薄板をメッシュ状の支持板上に載置して用いた。

貫通孔の形成部分の寸法は、電子ビーム方向を１０＋ｎ
ｍ，電子ビームに対し直角方向を１６０ｍｍとし、貫通
孔の配設密度は２Ｘ１０’個／ｃＩｎ２とした。

また、貫通孔の長さ（Ｉ２）は１１μｍ、半径（ｒ）は
１μｍであり、６／ｒ＝１１であった。

まず、低真空排気口１０からプラズマ処理装置内の気体
を排気して低真空状態とし、さらに、高真空排気口７か
ら排気を行なって、装置内の圧力を１　０−’Ｔｏｒｒ
とした。

次いで、指向性付与手段６を介して、反応ガス導入路５
からプラズマ反応室４ｌ内に反応ガスを導入した。　反
応ガスには、ＣＨ４　：Ｈ２　＝１　：　１００の混合
ガスを用い、その流量は１５０ＳＣＣＭとした。

なお、反応ガス導入の際、プラズマ生成室２およびプラ
ズマ処理室４２の圧力が４ＸＩＣＭ’Ｔｏｒｒとなるよ
うに、高真空排気口から排気を続けた。

次いで、プラズマ生成室２においてＥＣＲプラズマを発
生させ、また、電子引き出し電極３、電子ビーム平行化
電極３１およびイオン引き出し電極８に電圧を印加し、
プラズマＣＶＤを行なった。

基板には９００℃に加熱した直径６インチのシリコンウ
エハーを用い、この基板上に１μｍ厚の膜を成膜した。

なお、基板の表面のチャージアップ防止のために、バイ
アス電源１０３により交流バイアス電流を印加した。

得られた膜に対してＸ線回折およびラマン分光分析を行
なったところ、ダイヤモンドであることが確認された。

　また、走査型電子顕微鏡により観察したところ、自形
面が殆ど観察されず、基板表面の全面にムラなく均一に
成膜されていることが確認された。

なお、比較のために指向性付与手段を外してプラズマＣ
ＶＤを行なった。　このときのプラズマ反応室、プラズ
マ処理室およびプラズマ生成室の圧力は、上記したプラ
ズマ生成室の圧力と同じとした。

指向性付与手段を用いた場合と外した場合のそれぞれに
ついて、イオン引き出し電極８の近傍におけるイオン濃
度を、発光分光分析で測定した。　この結果、指向性付
与手段を用いた場合、イオン濃度が８０倍に向上してい
ることが確認された。

また、これらのそれぞれについて成膜レートを比較した
ところ、指向性付与手段を用いた場合は成膜レートが３
倍に向上した。

［実施例２］ 実施例１と同じ装置を用い、プラズマＣＶＤによりアモ
ルファスシリコン膜を成膜した。

反応ガスとしてＳｉＨ−　：Ｈｉ　＝Ｌ　：５０の混合
ガスを流量１５０ＳＣＣＭにて用い、基板温度を２００
℃とした他は、実施例１と同様の条件とした。

得られた膜は、Ｘ線回折およびラマン分光分折により、
アモルファスシリコンであることが確認された。　また
、走査型電子顕微鏡により、基板表面の全面にムラなく
均一に成膜されていることが確認された。

さらに、指向性付与手段を用いた場合と外した場合のそ
れぞれについて、イオン引き出し電極８の近傍における
イオン濃度を測定したところ、実施例１と同等以上の結
果が得られた。

さらに、これらの成膜レートの比率も、実施例１と同等
以上であった。

［実施例３］ 実施例ｌと同じ装置を用い、プラズマエッチングを行な
った。

反応ガスには、ＳＦ．を用いた。

なお、反応ガス導入の際、プラズマ生成室２およびプラ
ズマ処理室４２の圧力が４ＸＩＯ−’Ｔｏｒｒとなるよ
うに、高真空排気口から排気を続けた。

被処理体には、石英基板上の１μｍ厚のアモルファスシ
リコン膜上にレジストで線幅１μｍのパターニングを施
したものを用いた。　アモルファス膜の直径は、実施例
１の基板直径と同じとした。

エッチング後の被処理体は、サイドエッチングがなく良
好な断面形状が得られていることが確認された。　また
、走査型電子顕微鏡により、膜表面の全面がムラなく均
一にエッチングされていることが確認された。

さらに、指向性付与手段を用いた場合と外した場合のそ
れぞれについて、イオン引き出し電極８の近傍における
イオン濃度を測定したところ、実施例１と同様な結果で
あった。　さらに、これらについてエッチングレート比
較したところ、指向性付与手段を用いた場合はエッチン
グレートが６倍に向上した。

［実施例４］ 第３図に示すようなプラズマ処理装置ｌを用いて、実施
例１〜３と同様なプラズマ処理を行なった。

プラズマ生成室２の寸法、プラズマ反応室４ｌの長さお
よびプラズマ処理室４２の寸法は上記各実施例と同じと
し、イオンビーム拡径室８２の外径は上記各実施例の電
子ビーム拡径室３２の外径と同じとした。　また、イオ
ン引き出し電極８とイオンビーム平行化電極８ｌとの距
離は、１５０＋＋＋＋ｎとした。　指向性付与手段６等
の他の構成は、上記実施例と同様とした。

この結果、上記各実施例と同様に、ムラなく均一なプラ
ズマ処理が実現した。

以上の実施例の結果から、本発明の効果が明らかである
。

く発明の効果〉 本発明によれば、処理速度が極めて速く、しかも大面積
のプラズマ処理が可能なプラズマ処理装置が実現する。

また、プラズマ処理の際に被処理体のダメージを防止で
き、特にプラズマＣＶＤを行なう場合に、ダメージが少
なくしかも純度の高い膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図および第４図は、本発明のプラズマ処理
装置の好適実施例を表わす構或図である。 第２ａ図、第２ｂ図および第２ｃ図は、それぞれ指向性
付与手段により形戊されるビーム状分子流の説明図であ
る。 符号の説明 １・・・プラズマ処理装置 ２・・・プラズマ生成室 ２１・・・導波管 ２２・・・マイクロ波導入窓 ２３・・・磁石 ３・・・電子引き出し電極 ３ｌ・・・電子ビーム平行化電極 ３２・・・電子ビーム拡径室 ３３・・・磁石 ４１・・・プラズマ反応室 ４２・・・プラズマ処理室 ５・・・反応ガス導入路 ６・・・指向性付与手段 ７・・・高真空排気口 ８・・・イオン引き出し電極 ８１・・・イオンビーム平行化電極 ８２・・・イオンビーム拡径室 ８３・・・磁石 ９・・・イオン阻止電極 １０・・・低真空排気口 １ｌ・・・フロー調整用排気口 １００・・・被処理体ホルダ １０１・・・被処理体 １０２・・・加熱手段 １０３・・・バイアス電源 願 理 同 人　ティーディーケイ株式会社 人　弁理士　　石　井　陽

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ生成手段を有するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室から電子ビームを引き出す電子引き
   出し電極と、 周囲に磁石を有し、前記電子引き出し電極により引き出
   された電子ビームを拡径する電子ビーム拡径室と、 拡径された電子ビームをほぼ平行な電子ビームとして引
   き出す電子ビーム平行化電極と、この電子ビーム平行化
   電極から引き出された電子ビームにより反応ガスの活性
   化が行なわれるプラズマ反応室と、 このプラズマ反応室に連通し、被処理体のプラズマ処理
   が行なわれるプラズマ処理室とを有するプラズマ処理装
   置を用いてプラズマ処理を行なう方法であって、 前記プラズマ反応室内において、前記電子引き出し電極
   から引き出された電子ビームに対してほぼ垂直方向に反
   応ガスの高密度領域を形成することを特徴とするプラズ
   マ処理方法。
2. （２）プラズマ生成手段を有するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室から電子ビームを引き出す電子引き
   出し電極と、 この電子引き出し電極から引き出された電子ビームによ
   り反応ガスの活性化が行なわれるプラズマ反応室と、 このプラズマ反応室からイオンビームを引き出すイオン
   引き出し電極と、 周囲に磁石を有し、前記イオン引き出し電極により引き
   出されたイオンビームを拡径するイオンビーム拡径室と
   、 拡径されたイオンビームをほぼ平行なイオンビームとし
   て引き出すイオンビーム平行化電極と、 このイオンビーム平行化電極により引き出されたイオン
   ビームによって被処理体のプラズマ処理が行なわれるプ
   ラズマ処理室とを有するプラズマ処理装置を用いてプラ
   ズマ処理を行なう方法であって、 前記プラズマ反応室内において、前記電子引き出し電極
   から引き出された電子ビームに対してほぼ垂直方向に反
   応ガスの高密度領域を形成することを特徴とするプラズ
   マ処理方法。
3. （３）前記プラズマ生成手段が、エレクトロン・サイク
   ロトロン・レゾナンス型のプラズマ生成手段である請求
   項１または２に記載のプラズマ処理方法。
4. （４）前記プラズマ処理がプラズマＣＶＤである請求項
   １ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
5. （５）前記プラズマ処理がプラズマエッチングである請
   求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
6. （６）プラズマ生成手段を有するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室から電子ビームを引き出す電子引き
   出し電極と、 周囲に磁石を有し、前記電子引き出し電極により引き出
   された電子ビームを拡径する電子ビーム拡径室と、 拡径された電子ビームをほぼ平行な電子ビームとして引
   き出す電子ビーム平行化電極と、この電子ビーム平行化
   電極から引き出された電子ビームにより反応ガスの活性
   化が行なわれるプラズマ反応室と、 このプラズマ反応室に連通し、被処理体のプラズマ処理
   が行なわれるプラズマ処理室と、前記プラズマ反応室に
   連通する反応ガス導入路とを有し、 この反応ガス導入路と前記プラズマ反応室との間に、反
   応ガスに指向性を付与する指向性付与手段を有すること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
7. （７）前記プラズマ反応室と前記プラズマ処理室との境
   界に、イオン引き出し電極および／またはイオン阻止電
   極を有する請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. （８）プラズマ生成手段を有するプラズマ生成室と、 このプラズマ生成室から電子ビームを引き出す電子引き
   出し電極と、 この電子引き出し電極から引き出された電子ビームによ
   り反応ガスの活性化が行なわれるプラズマ反応室と、 このプラズマ反応室からイオンビームを引き出すイオン
   引き出し電極と、 周囲に磁石を有し、前記イオン引き出し電極により引き
   出されたイオンビームを拡径するイオンビーム拡径室と
   、 拡径されたイオンビームをほぼ平行なイオンビームとし
   て引き出すイオンビーム平行化電極と、 このイオンビーム平行化電極により引き出されたイオン
   ビームによって被処理体のプラズマ処理が行なわれるプ
   ラズマ処理室と、 前記プラズマ反応室に連通する反応ガス導入路とを有し
   、 この反応ガス導入路と前記プラズマ反応室との間に、反
   応ガスに指向性を付与する指向性付与手段を有すること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
9. （９）前記プラズマ生成手段が、エレクトロン・サイク
   ロトロン・レゾナンス型のプラズマ生成手段である請求
   項６ないし８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
10. （１０）前記指向性付与手段が、複数の貫通孔を有する
    薄板である請求項６ないし９のいずれかに記載のプラズ
    マ処理装置。
11. （１１）前記複数の貫通孔が、前記電子引き出し電極か
    ら引き出された電子ビームに対してほぼ垂直方向に前記
    薄板を貫通するものであり、前記貫通孔の長さおよび半
    径をそれぞれｌおよびｒとしたとき、ｌ／ｒ＝１〜５０
    ０である請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
12. （１２）前記プラズマ反応室の前記指向性付与手段と対
    向する壁面に、高真空排気口を有する請求項６ないし１
    １のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
13. （１３）前記プラズマ生成室にガス導入口を有する請求
    項６ないし１２のいずれかに記載のプラズマ処理装置。