JPH04280430A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ波を用いて
形成したプラズマを、被処理基板への薄膜形成あるいは
エッチング等の処理に利用する装置であって、排気装置
を備え内部に被処理基板が配される円筒状真空容器から
なる成膜室と、プラズマ空間を形成する円筒状真空容器
からなるプラズマ室と，該円筒の周方向に交互に極性を
変えかつそれぞれの磁化方向が該円筒の半径方向と一致
するように配列された永久磁石群からなる磁石ユニット
と，該磁石ユニットで囲まれた空間にマイクロ波を導入
する手段とを備えたプラズマ生成部とを備えてなり、特
に、マイクロ波を用いて形成されるプラズマが電子サイ
クロトロン共鳴　（以下ＥＣＲとも記す）　条件の下で
形成されるプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波と磁界とによる電子サイクロ
トロン共鳴を利用したプラズマ処理装置において、プラ
ズマ発生用ガス分子を効率よく電離し、広い領域で均一
なプラズマを発生させることを目的として、磁場閉じ込
めという方法が知られており、この磁場閉じ込め方法を
適用したプラズマ生成部を有するプラズマ処理装置が、
例えば特開平２−１７３２６８号公報において開示され
ている。図６にかかる従来の磁場閉じ込め構造をもつプ
ラズマ処理装置の概略図を示す。

【０００３】プラズマ室２には、プラズマ発生用のガス
供給手段５とマイクロ波導入手段３とが接続されている
。マイクロ波導入手段は、マイクロ波の伝達路を構成す
る導波管３Ａと，石英あるいはセラミックスからなりプ
ラズマ室２のマイクロ波導入口に気密に取り付けられる
マイクロ波導入窓３Ｂとからなる。また、プラズマ室２
の外周には、複数個の永久磁石１１Ａ　を、円筒状真空
容器からなるプラズマ室２の周方向に交互に極性を変え
かつそれぞれの磁化方向がプラズマ室２の半径方向と一
致するように配列して全体としてリング状に構成された
磁石ユニット１１がある。この磁石ユニット１１により
、同図（ａ）　のＡ−Ａ線に沿う断面を示す同図（ｂ）
　中にあるような磁力線９が発生し、この磁力線により
、プラズマを閉じ込める多重カスプ磁界を形成し、プラ
ズマの周囲への拡散を防止し、プラズマを高密度化する
。カスプ磁場は、互いに向かい合う方向の磁力線がこの
方向と直角の同一方向へ曲がって先端が尖ったアステロ
イド状の領域を形成した磁場であり、図のように、複数
の，交互に極性の異なる磁石が周方向に配列されている
場合には、円筒の内側に磁石と同数のカスプ磁場が形成
される。磁場中の荷電粒子は磁力線に巻き付くようにラ
ーモア運動をするため、磁力線を横切って運動しにくく
、プラズマはこの多重カスプ磁場の内側に閉じ込められ
、プラズマ室２に導入されるプラズマ発生用ガスの流量
による差は生じるものの、プラズマ室内のプラズマは高
密度化する。このとき、プラズマを閉じ込め、かつ周辺
部での電離効率を上げるためにも、プラズマ室２内の磁
束密度の大きさは、ＥＣＲ条件を満たす約８７５ガウス
が適当である。この場合、周辺部では、磁束密度が約９
３０ガウス付近まで８７５ガウスの場合と同程度の高密
度プラズマが得られる。なお、プラズマの磁場閉じ込め
のための永久磁石の配列方法として、上記特開平２−１
７３２６８号公報において、永久磁石の磁化方向をプラ
ズマ室の軸方向と一致させ、かつ軸方向の同側が同極性
となるようにして周方向に配列したものも示されている
が、この配列によるものは本発明の対象としていない。

【０００４】このように構成されたプラズマ処理装置に
おける成膜は、導波管３Ａとマイクロ波導入窓３Ｂとか
らなるマイクロ波導入手段３を通してマイクロ波をプラ
ズマ室２内に導入するとともに、プラズマ生成用ガスと
して例えばＮ２　Ｏガスを導入し、このガスをＥＣＲ条
件を満たす磁場領域で効率よくプラズマ化しつつ成膜室
１内へ押し出し、このプラズマにより、ガス導入手段４
を通して成膜室１内へ導入された反応ガスである，　例
えばＳｉＨ４　ガスを分解，　活性化するとともに、基
板台１２に載置された基板にＯ＋　を注入して基板表面
を反応活性化して基板表面にＳｉＯ２　分子を堆積させ
ることにより行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来装置における磁場
閉じ込め方法には永久磁石を使用しているため、プロセ
ス条件開発上の適正なカスプ磁場を得るための調整機構
がなかった。また、電磁石によってこの磁石ユニットを
構成しようとすれば、プラズマ室内に約８７５ガウスの
磁場を円弧状に発生させる必要から、電磁石同志を近接
して配置することができず、このために円弧状の磁路の
長さも必然的に長くなり、この磁路に約８７５ガウスの
磁束密度を発生させるためには、電磁石に必要とする起
磁力も大きくなり、電磁石コイルの断面が大きく、コイ
ルの巻数によっては電流が大きくなってしまい、特に直
径が６インチあるいは８インチ基板に成膜する装置にお
いては構成が困難であるという問題があった。

【０００６】この発明の課題は、カスプ磁場の形成位置
を調整可能なプラズマ処理装置の構成を提供することで
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、排気装置を備え内部に被処理基
板が配される円筒状真空容器からなる成膜室と、プラズ
マ空間を形成する円筒状真空容器からなるプラズマ室と
，該円筒の周方向に交互に極性を変えかつそれぞれの磁
化方向が該円筒の半径方向と一致するように配列された
永久磁石群からなる磁石ユニットと，該磁石ユニットで
囲まれた空間にマイクロ波を導入する手段とを備えたプ
ラズマ生成部とを備え、プラズマ室に導入されプラズマ
化されたガスを用いて成膜室内の被処理基板に薄膜形成
等の処理を施すプラズマ処理装置を、前記プラズマ生成
部の磁石ユニットを取り囲むように周方向に交互に極性
を変えかつそれぞれの磁化方向がプラズマ室の半径方向
と一致するように配列されて互いに一体化された永久磁
石群からなる第２の磁石ユニットと、該第２の磁石ユニ
ットをプラズマ生成部の磁石ユニットの周りに回転させ
る駆動機構とを備えた装置とするものとする。

【０００８】この場合、プラズマ生成部の磁石ユニット
　（以下第１の磁石ユニットという）は、被処理基板の
直径などを勘案して、プラズマ室の外側または内側に配
するものとする。

【０００９】また、第１の磁石ユニットを構成する永久
磁石は周方向等間隔に配列するとともに、第２の磁石ユ
ニットを構成する永久磁石は個数を第１の磁石ユニット
の永久磁石と同数として周方向等間隔に、強磁性板材か
らなるリングの内側に固設した構造とすれば好適である
。

【００１０】そして、第２の磁石ユニットを構成するリ
ングを、外周面が、該第２の磁石ユニットをプラズマ生
成部の磁石ユニットの周りに回転駆動させる回転駆動力
の伝達面として形成されたリングとすればさらに好適で
ある。

【００１１】

【作用】このように、第１の磁石ユニットを囲む第２の
磁石ユニットを備えた装置とし、かつ第２の磁石ユニッ
トを回転可能に構成することにより、第２の磁石ユニッ
トの回転位置により、プラズマ室内部に形成される円弧
状磁場の強度が変わり、同一強度の磁場により囲まれる
領域の最小内径が変わる。従って、この磁場強度を、プ
ラズマが最も効率的に発生するＥＣＲ条件を満たす磁場
強度とし、その最小内径を小さく形成すれば、プラズマ
室の中央部領域のプラズマ密度が高くなるとともに、プ
ラズマ室の内壁面に沿って磁場強度の強いカスプ磁場が
形成されるから、プラズマ室内全体としても密度の高い
プラズマが形成される。また、ＥＣＲ条件を満たす等磁
場曲線の最小内径を大きく形成すれば、プラズマ室内壁
面近傍のプラズマ密度が中央部より高くなり、高プラズ
マ密度領域が広がる一方、プラズマ室内壁面に沿ったカ
スプ磁場の強度が小さくなるので、プラズマがカスプ磁
界を横切って拡散する割合が大きくなり、プラズマ室全
体としてプラズマ密度が低下する。従って、被処理基板
の直径，　目的とする膜厚，膜質分布や成膜速度等と関
連してプラズマ室内に最適なプラズマ密度分布を形成す
ることが可能になる。

【００１２】この場合、第１の磁石ユニットをプラズマ
室の外側に配した装置とすれば、装置の構成が簡易化さ
れ、また、内側に配した構成とすれば、小型の磁石ユニ
ットによりプラズマ室の中央部領域に高密度プラズマを
閉じ込めることができ、より小径の基板処理に経済的に
対応することができる。もちろん、この場合には、磁石
ユニットを構成する永久磁石は、プラズマ室と同一材で
表面をコーティングし、磁石の材質中に含まれる汚染物
質のプラズマ熱による蒸発を防止するようにする。

【００１３】また、第１の磁石ユニットを構成する永久
磁石を周方向等間隔に配列するとともに、第２の磁石ユ
ニットを構成する永久磁石の個数を第１の磁石ユニット
と同数として周方向等間隔に、強磁性板材からなるリン
グの内側に固設した構造とすれば、第２の磁石ユニット
を構成する各永久磁石相互間の間隔が、第１の磁石ユニ
ットを構成する各永久磁石相互間の間隔よりも、プラズ
マ室中心からの距離に比例して大きくなることから、第
２の磁石ユニット最外側の各永久磁石磁極相互間の磁路
の磁気抵抗が、該各磁極間を強磁性板材のリングで結合
しない場合と比べて著しく小さくなり、回転角を変えた
ときの第１の磁石ユニットから出るプラズマ室内磁束量
の変化の割合を大きくすることができる。

【００１４】そして、第２の磁石ユニットのリング外周
面を回転駆動力の伝達面，　例えば歯車の歯面に形成す
ることにより、駆動機構が著しく簡易化され、かつ装置
をさほど大きくすることなく、第２の磁石ユニットを回
転駆動可能な装置とすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を、実施例の図を用いて説明す
る。図１は本発明の第１の実施例によるプラズマ処理装
置の概略図である。円筒状のプラズマ室２を取り囲んで
周方向に交互に極性を変えかつそれぞれの磁化方向がプ
ラズマ室２の半径方向と一致するように、かつ等間隔に
配列された永久磁石群からなる，従来構成の第１の磁石
ユニット６の外側に、該第１の磁石ユニット６を取り囲
んで第２の磁石ユニット７が配されている。この第２の
磁石ユニット７は、強磁性板材からなるリング７Ａの内
側に、第１の磁石ユニット６と同数の永久磁石を、周方
向に交互に極性を変えかつそれぞれの磁化方向がプラズ
マ室２の半径方向と一致するように、かつ等間隔に配置
してリング７Ａに固設してなり、ここには特に図示して
いないが、リング７Ａの下端面を、ボールを用いたスラ
ストベアリングで支承するとともに、リング７Ａの外周
面の一部の軸方向長さ範囲を、内壁面に摩擦係数の小さ
い材料，例えば四弗化エチレンからなるライナを有する
リング状のプレーンベアリングで案内させている。また
、リング７Ａの外周面の別の一部の軸方向長さ範囲は歯
車の歯面に形成され、これと噛み合う小径の歯車８Ａを
、減速機構を備えたモータ８Ｂにより回転駆動すること
により第２の磁石ユニット７が第１の磁石ユニット６の
周りを回転する。このときの回転角は、図示されない制
御装置内にあらかじめ設定され、所定の回転角回転した
時点でモータ８Ｂが停止する。

【００１６】次に、このように第１，　第２の磁石ユニ
ットを備えたプラズマ処理装置のプラズマ室２内に形成
されるカスプ磁場の調整方法を、図３，　図４，　図５
を用いて説明する。それぞれの図中、破線で示す等磁場
曲線１０は、強度が８７５ガウスのカスプ磁場を示す。 図３のように、第１の磁石ユニット６の磁石と第２の磁
石ユニット７の磁石とがいずれもプラズマ室の同一半径
の延長線上で対向し、かつ対向面の極性が異なる場合に
は、８７５ガウスの等磁場曲線は、プラズマ室内壁面か
ら最も離れた位置に形成され、プラズマがこの等磁場曲
線上で最も効率よく発生することから、高密度のプラズ
マ領域の面積は最も小さくなる。駆動機構を用いて第２
の磁石ユニット７を回転させると、第１，　第２の磁石
ユニットのそれぞれ対向する磁石の磁極とその相対位置
とにより、図４に示されるように等磁場曲線１０がプラ
ズマ室内壁面に接近し、図５のように、プラズマ室の同
一半径延長線上で対向する磁極の極性が同じとき、等磁
場曲線１０はプラズマ室内壁面に最も接近し、効率よく
発生したプラズマも外方へ拡散しやすくなり、プラズマ
室内で閉曲線を形成する，より強度の小さい磁場により
形成された低密度のプラズマとともに、全体として密度
がより小さいプラズマが室内に閉じ込められる。

【００１７】図２は本発明の第２の実施例によるプラズ
マ処理装置の概略図である。図１に示す第１の実施例と
異なる所は、第１の磁石ユニット６がプラズマ室２の内
側に配されている点であり、このように装置を構成する
ことにより、同じ大きさのプラズマ室を用いてＥＣＲ条
件を満たす等磁場曲線の最小内径を小さくすることがで
き、より小径の基板への成膜をより高速に行うことがで
きる。もちろん、この場合には、第１の磁石ユニット６
の各磁石は、その構成材のプラズマ熱による蒸発により
形成膜を汚染することのないよう、プラズマ室と同一材
を用いて表面がめっき等の手段によりコーティングされ
る。

【００１８】

【発明の効果】本発明では、プラズマ処理装置を以上の
ように構成したので、以下に記載する効果が得られる。

【００１９】請求項１の装置では、第２の磁石ユニット
とその駆動機構とによってプラズマ室内部の等磁場曲線
の内径を変化できるようになるため、プラズマ領域の面
積やプラズマ室内壁での電子の消失する割合を変化させ
て、プラズマ領域の面積や均一性の調節が可能となる。 その結果、プロセス条件開発上最適なプラズマ領域を絞
り込むことが可能となり、また、プラズマ領域の面積や
均一性を変化させることのできるパラメータが、第２の
磁石ユニットの回転角位置として多数存在することによ
り、多様なプロセスに対応できるようになる。

【００２０】請求項２の装置では装置の構成が簡易化さ
れ、かつプラズマ室内の全面積をプラズマ領域の面積と
プラズマ密度の均一性の調節に利用することができる。

【００２１】請求項３の装置では、同じ大きさのプラズ
マ室を用いてより小形の磁石ユニットによりプラズマ室
の中央部領域に高密度のプラズマを閉じ込めることがで
き、より小径の基板処理に経済的に対応することができ
る。

【００２２】請求項４の装置では、第２の磁石ユニット
の各磁石間磁路の磁気抵抗が大幅に低減され、第２の磁
石ユニットの回転角を変えたときの第１の磁石ユニット
から出るプラズマ室内磁束量の変化割合を大きくするこ
とができ、より広い領域でのプラズマ密度均一性の調節
が可能になる。

【００２３】請求項５の装置では、駆動機構が著しく単
純化され、かつ装置をさほど大型化することなく回転駆
動機能を有する装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるプラズマ処理装置
の構成を示す図であって、同図（ａ）　は装置要部の縦
断面図、同図（ｂ）　は第１および第２の磁石ユニット
の構成を示す平面図

【図２】本発明の第２の実施例によるプラズマ処理装置
の構成を示す図であって、同図（ａ）　は装置要部の縦
断面図、同図（ｂ）　は第１および第２の磁石ユニット
の構成を示す平面図

【図３】本発明のプラズマ処理装置において、ＥＣＲ条
件を満たす等磁場曲線の最小内径が最小となる第１およ
び第２の磁石ユニットの相対位置を示す説明図

【図４】
本発明によるプラズマ処理装置において、ＥＣＲ条件を
満たす等磁場曲線が形成する多重カスプ磁場における各
カスプ磁場の実質的な頂点がプラズマ室内壁面上に位置
するときの第１および第２の磁石ユニットの相対位置を
示す説明図

【図５】本発明によるプラズマ処理装置において、ＥＣ
Ｒ条件を満たす等磁場曲線が形成する多重カスプ磁場に
おける各カスプ磁場の実質的な頂点がプラズマ室内壁面
より外側に位置するときの第１および第２の磁石ユニッ
トの相対位置を示す説明図

【図６】従来のプラズマ処理装置の構成を示す図であっ
て、同図（ａ）　は装置要部の縦断面図、同図（ｂ）　
は磁石ユニットの構成を示す平面図

【符号の説明】

１　　　　成膜室 ２　　　　プラズマ室 ３　　　　マイクロ波導入手段 ５　　　　ガス導入手段 ６　　　　第１の磁石ユニット ７　　　　第２の磁石ユニット ７Ａ　　リング ８　　　　駆動機構 １１　　　　磁石ユニット １１Ａ　　永久磁石

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気装置を備え内部に被処理基板が配され
   る円筒状真空容器からなる成膜室と、プラズマ空間を形
   成する円筒状真空容器からなるプラズマ室と，該円筒の
   周方向に交互に極性を変えかつそれぞれの磁化方向が該
   円筒の半径方向と一致するように配列された永久磁石群
   からなる磁石ユニットと，該磁石ユニットで囲まれた空
   間にマイクロ波を導入する手段とを備えたプラズマ生成
   部とを備え、プラズマ室に導入されプラズマ化されたガ
   スを用いて成膜室内の被処理基板に薄膜形成等の処理を
   施すプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成部の
   磁石ユニットを取り囲むように周方向に交互に極性を変
   えかつそれぞれの磁化方向がプラズマ室の半径方向と一
   致するように配列されて互いに一体化された永久磁石群
   からなる第２の磁石ユニットと、該第２の磁石ユニット
   をプラズマ生成部の磁石ユニットの周りに回転させる駆
   動機構とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載のプラズマ処理装置に
   おいて、プラズマ生成部の磁石ユニットがプラズマ室の
   外側に配されていることを特徴とするプラズマ処理装置
   。
3. 【請求項３】請求項第１項に記載のプラズマ処理装置に
   おいて、プラズマ生成部の磁石ユニットがプラズマ室の
   内側に配されていることを特徴とするプラズマ処理装置
   。
4. 【請求項４】請求項第１項に記載のプラズマ処理装置に
   おいて、プラズマ生成部の磁石ユニットを構成する永久
   磁石は周方向等間隔に配列されるとともに、第２の磁石
   ユニットを構成する永久磁石は個数を前記プラズマ生成
   部の磁石ユニットと同数として周方向等間隔に、強磁性
   板材からなるリングの内側にそれぞれ固設されているこ
   とを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】請求項第４項に記載のプラズマ処理装置に
   おいて、第２の磁石ユニットを構成するリングは、外周
   面が、該第２の磁石ユニットをプラズマ生成部の磁石ユ
   ニットの周りに回転駆動させる回転駆動力の伝達面とし
   て形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。