JPH05335277A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 処理すべき試料の表面に対して従来例に比較
して均一にかつ安定に高い密度のプラズマを照射するこ
とができ、しかも小型・軽量化することができるプラズ
マ処理装置を提供する。 【構成】 内部が真空状態に設定されたプラズマ処理室
１０内でプラズマを発生させて試料に対して所定の処理
を行うプラズマ処理装置において、上記プラズマ処理室
の内部に所定の角速度で回転する回転電界Ｅを発生する
電界発生装置と、上記プラズマ処理室の内部に上記回転
電界Ｅの方向と垂直な方向に磁界Ｂを発生する磁界発生
装置とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマを用いて例え
ばウエハなどの試料に対して、半導体デバイスを形成す
るための所定の処理を行うプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図８に
第１の従来例の高周波プラズマ処理装置を示す。

【０００３】図８に示すように、内部が真空状態に設定
された処理室２００内に互いに対向するように載置され
た２個の電極のうち、一方の電極２０１に高周波信号が
高周波電源２１０からインピーダンス整合器２１１を介
して印加され、他方の電極２０２が接地される。また、
反応ガスを処理室２００内に流入させて、２つの電極２
０１，２０２間でプラズマを発生させることによって、
当該発生されたプラズマを用いて、例えば微細加工処
理、レジスト剥離処理、薄膜堆積処理などの半導体デバ
イスを形成するための種々のプロセスが実行される。

【０００４】上記第１の従来例の高周波プラズマ処理装
置はその構造が簡単であるという利点を有しているが、
印加される高周波信号の角周波数ωは発生する電子プラ
ズマ周波数ωｐｅよりも低いので、高周波信号の電磁波
はプラズマ中を伝搬することができない。従って、当該
プロセスを実行するために設定される処理室２００内の
圧力を高くする必要があり、これによって、プラズマに
よって発生されるイオンがよりランダムな方向に移動す
るので、例えばエッチング処理において、エッチングす
べき層にアンダーカットが発生する。それ故、当該高周
波プラズマ処理装置は、異方性エッチングの処理に適用
することができない。さらに、プラズマ生成用の電極に
試料えお載置しているためにプラズマと試料が接触する
ので、試料表面に発生するイオンシースにより、イオン
が所望するエネルギーの速度以上に加速され、これによ
って、イオンの温度が比較的高くなり、処理すべき試料
３００にしばしば損傷を与えるという問題点があった。

【０００５】図９に、例えば特開昭６３−１００１８０
号公報において開示された第２の従来例のマグネトロン
高周波プラズマ処理装置を示す。なお、図９において、
図８と同一のものについては同一の符号を付している。

【０００６】図９に示すように、第１の従来例と同様
に、内部が真空状態に設定された処理室２００内に互い
に対向するように載置された２個の電極のうち、一方の
電極２０１に高周波信号が高周波電源２１０からインピ
ーダンス整合器２１１を介して印加され、他方の電極２
０２が接地される。また、反応ガスを処理室２００内に
流入させて、２つの電極２０１，２０２間でプラズマを
発生させるとともに、接地電極２０２の下部に設けられ
た永久磁石２０３ａ，２０３ｂによって生じる磁界Ｂを
用いて、上記発生されたプラズマを永久磁石のＮ極２０
３ａとそのＳ極２０３ｂとの間に発生する磁路中であっ
て試料３００の表面上において環状に閉じ込めることに
よって、プラズマの密度をより高くしている。そして、
このように発生されたプラズマを用いて種々のプロセス
が実行される。

【０００７】しかしながら、この第２の従来例のマグネ
トロン高周波プラズマ処理装置においては、発生された
プラズマが上述のように局在するので、プラズマの均一
性が低くなる。従って、例えばエッチング処理のとき
に、処理すべきウエハの直径が大きい場合、試料３００
の径方向においてエッチングの深さが異なるように処理
されるという問題点があった。

【０００８】図１０に、例えば特開昭６１−８６９４２
号公報において開示された第３の従来例の回転磁界型高
周波プラズマ処理装置を示し、図１１にそのプラズマ処
理装置の３個の電磁石４０４，４０５，４０６の配置を
示す。なお、図１０及び図１１において、図８及び図９
と同一のものについては同一の符号を付している。

【０００９】図１０に示すように、第１と第２の従来例
と同様に、内部が真空状態に設定された処理室２００内
に互いに対向するように載置された２個の電極のうち、
一方の電極２０１に高周波信号が高周波電源２１０から
インピーダンス整合器２１１を介して印加され、他方の
電極２０２が接地される。また、反応ガスを処理室２０
０内に流入させて、２つの電極２０１，２０２間でプラ
ズマを発生させる。同時に、永久磁石を回転させて又は
３相交流信号を図１１に示すように配置されたソレノイ
ドコイル４０４，４０５，４０６に印加することによっ
て、２つの電極２０１，２０２間で発生される電界の方
向に対して垂直な方向であって電界の方向を軸を中心と
して右回りの方向４１０で回転する回転磁界Ｂを発生さ
せる。このとき同時に発生する電界Ｅと磁界Ｂとの外積
Ｅ×Ｂの方向でイオンが力を受けて移動するという現象
が発生する、いわゆるＥ×Ｂドリフト効果（以下、Ｅ×
Ｂドリフト効果という。）によって、上記発生されたプ
ラズマを試料３００の表面上で移動させ、この結果、プ
ラズマの照射量を均一化させ、試料３００に対する処理
の度合いを均一化させている。

【００１０】しかしながら、この第３の従来例の回転磁
界型高周波プラズマ処理装置においては、上記Ｅ×Ｂド
リフト効果によって、発生されたプラズマ中のイオンが
試料３００の表面に対して垂直でなく、傾斜した方向で
照射されるので、例えばエッチング処理時においてアン
ダーカットが発生する。従って、当該装置は、第１の従
来例と同様に、異方性エッチング処理などの微細加工に
用いることができないという問題点があった。

【００１１】図１２に、例えば特開昭６２−２５６４３
３号公報において開示された第４の従来例の電子サイク
トロン共鳴プラズマ処理装置（以下、ＥＣＲプラズマ処
理装置という。）を示す。図１２において図８乃至図１
１と同一のものについては同一の符号を付している。

【００１２】図１２に示すように、内部が真空状態に設
定され中心部に試料３００が載置された処理室２００
と、内部が真空状態に設定されたプラズマ発生室２２１
と、マイクロ波伝搬用導波管２２２とが縦続に接続さ
れ、プラズマ発生室２２１の外側に磁界発生用ソレノイ
ドコイル２２０が設けられる。上記ソレノイドコイル２
２０によってプラズマ発生室２２１と処理室２００の各
内部に各室２００，２２１の軸方向と平行な方向に磁界
Ｂが発生され、このとき、当該磁界Ｂと、上記導波管２
２２を伝搬してくるマイクロ波の電界とが直交する。こ
こで、例えば、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用
いるとともに、８７５Ｇｓ（ガウス）の磁界を発生させ
ることによって、プラズマ発生室２２１内の電子がサイ
クトロン共鳴してプラズマが発生され、上記発生された
プラズマを利用して種々のプロセスの処理が実行され
る。

【００１３】しかしながら、８７５Ｇｓの比較的高い磁
界を発生させる必要があるので、ソレノイドコイル２２
０が大型になり、これによって、当該装置全体を小型・
軽量化することがむずかしいという問題点があった。ま
た、プラズマ発生室２２１内にマイクロ波の高次モード
による電界の山と谷が発生するため、発生されたプラズ
マが局在化し、特にプラズマ発生室２２１の径をより大
きくしたとき、均一したプラズマを得ることができず、
第２の従来例と同様の問題点が生じる。

【００１４】図１３に、例えば米国特許４，９９０，２
２９号において開示された第５の従来例のヘリコンプラ
ズマ処理装置を示す。図１３において図８至図１２と同
一のものについては同一の符号を付している。

【００１５】図１３に示すように、内部が真空状態に設
定され電気絶縁材料にてなる円筒状のプラズマ発生室２
３０と、中心部に試料３００が載置される円筒状の処理
室２３１が縦続に接続され、プラズマ発生室２３０の上
部に反応ガス流入パイプ２３２が連結される一方、処理
室２３１の下部に排気パイプ２３３が連結される。ま
た、プラズマ発生室２３０の外周部に高周波結合用アン
テナ２４０が固定されて設けられるとともに、当該アン
テナ２４０の外周部に、プラズマ発生室２３０の軸方向
に磁界Ｂを発生するための磁界発生用ソレノイドコイル
２５０が設けられる。上記アンテナ２４０は、円形状の
上リング部２４１と、円形状の下リング部２４２と、上
リング部２４１の一点とそれに対向する下リング部２４
２の一点とを接続する接続エレメント２４３とから構成
され、上リング部２４１の上記一点に対して上リング２
４１の中心を中心として対向するその他点と、下リング
部２４２の上記一点に対して下リング２４２の中心を中
心として対向するその他点との間に、高周波電源２１０
から出力される高周波信号がインピーダンス整合器２１
１と同軸ケーブル２１２とを介して入力されて、上記ア
ンテナ２４０が励振される。このとき、高周波信号はプ
ラズマ発生室２３０内部で発生するプラズマと結合しか
つ浸透して、これによって、高周波の電磁波が、ヘリコ
ン波として、発生されたプラズマの内部を軸方向の磁界
Ｂに沿ってホイッスラーモードで伝搬し、これによって
電離現象を促進することによって高密度なプラズマを発
生している。

【００１６】上記第５の従来例のヘリコンプラズマ処理
装置において、例えばプロセスの種類を変更するために
反応ガスの種類を変更したときに、プロセスのための発
生ガスの密度が変化し、これによって上記ヘリコン波の
波長が変化する。一方、高周波結合用アンテナ２４０が
固定されて設けられているので、発生されたプラズマと
高周波との結合度が低下し、この結果、高周波の電力が
効率良くプラズマに吸収されず、発生されるプラズマの
安定度が低下するという問題点があった。

【００１７】本発明の目的は以上の問題点を解決し、処
理すべき試料の表面に対して従来例に比較して均一にか
つ安定に高い密度のプラズマを発生することができ、し
かも小型・軽量化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。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載のプラズマ処理装置は、内部が真空状態に設定された
プラズマ処理室内でプラズマを発生させて試料に対して
所定の処理を行うプラズマ処理装置において、上記プラ
ズマ処理室の内部に所定の角速度で回転する回転電界を
発生する電界発生手段と、上記プラズマ処理室の内部に
上記回転電界の方向と垂直な方向に磁界を発生する磁界
発生手段とを備える。

【００１９】また、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、さら
に、上記発生される磁界の磁束が集束しミラー磁界が形
成されるように上記磁界発生手段とともに上記プラズマ
処理室の内部に磁界を発生する別の磁界発生手段を備え
たことを特徴とする。

【００２０】さらに、請求項３記載のプラズマ処理装置
は、請求項２記載のプラズマ処理装置において、さら
に、上記試料に所定の交流電圧を印加する電圧印加手段
を備えたことを特徴とする。

【００２１】

【作用】請求項１記載のプラズマ処理装置においては、
例えば半導体デバイスを形成するために所定のプロセス
を行うために必要な反応ガスが、上記プラズマ処理室内
に流入される一方、上記プラズマ処理室の内部が所定の
真空状態に設定される。上記電界発生手段は上記プラズ
マ処理室の内部に所定の角速度で回転する回転電界を発
生し、上記磁界発生手段は上記プラズマ処理室の内部に
上記回転電界の方向と垂直な方向に磁界を発生する。

【００２２】ここで、上記磁界発生手段によって発生さ
れる上記回転電界の方向と垂直な方向の磁界によって、
上記プラズマ処理室内に存在する気体分子の熱運動によ
る衝突分離現象や、例えば光や宇宙線の照射によって生
じる電離現象によって初期電子や初期イオンが発生され
た後、上記プラズマ処理室内の磁界内に存在する電子及
びイオンはそれぞれ図６に示すように、磁力線の周囲を
右回り及び左回りで旋回するいわゆるラーマー運動と呼
ばれる回旋運動を行う。また、上記発生された磁界に対
して垂直方向に、上記電界発生手段によって発生される
回転電界が印加される。従って、電子及びイオンは図７
に示すようにＥ×Ｂドリフト効果によって上記電界と磁
界の両方に対して垂直な方向に回旋運動をしながら移動
し、さらに、上記Ｅ×Ｂドリフト効果による移動方向が
上記所定の角速度で回転する。

【００２３】この結果、電子のα作用による衝突電離
と、上記電界発生手段に対してイオンが入射することに
よって発生するγ作用による２次電子放出が繰り返さ
れ、プラズマ状態に進展する。ここで、上記発生される
回転電界の角速度に対応する周波数が高い場合、γ作用
が生じなくても電離現象が促進される。従って、初期電
子が上述のように回旋運動をしながら移動するために、
上記初期電子が中性粒子と衝突する確率が増大するの
で、衝突電離現象が起こり易くなる。この結果、例えば
１０^-3Ｔｏｒｒ程度の低気圧の状態においても、プラズ
マの生成及び維持が容易となる。

【００２４】上記回転電界による電磁波は磁界が存在し
ている場合、プラズマ表面において遮蔽されることな
く、プラズマ中を伝搬することができる。言い換えれ
ば、上記電磁波はプラズマ中に浸透し、さらに上記磁界
と平行な方向に伝搬して、電子にエネルギーを与えつつ
減衰する。従って、プラズマ中の電子はプラズマ中を伝
搬してきた電磁波の電界によってエネルギーを吸収し、
さらに、電離現象に対して寄与するので、従来例の装置
よりも高い真空状態すなわち低いガス圧状態でプラズマ
を発生することができ、また、プラズマの密度も高くす
ることができる。

【００２５】上述のように上記磁界と上記回転電界によ
って発生されたプラズマは上記磁界の磁力線の方向で搬
送された後、上記試料の表面に対して概ね垂直な方向で
入射する。

【００２６】本発明に係る装置において、上述のように
回転電界を発生しているので、プラズマ中の電子及びイ
オンは外積Ｅ×Ｂの方向で移動しかつ上記Ｅ×Ｂドリフ
ト効果による移動方向が上記所定の角速度で回転するの
で、プラズマが偏ることを防止することができ、これに
よって、上記試料の表面に対して均一にプラズマを照射
することができる。

【００２７】また、請求項２記載のプラズマ処理装置に
おいては、上記別の磁界発生手段は、上記発生される磁
界の磁束が集束しミラー磁界が形成されるように上記磁
界発生手段とともに上記プラズマ処理室の内部に磁界を
発生する。これによって、いわゆるミラー磁界を発生さ
せることができ、試料の表面に入射するプラズマの入射
角度が試料の概ね全体にわたって垂直となり、当該プラ
ズマ処理装置を異方性エッチング処理に適用することが
できる。

【００２８】さらに、請求項３記載のプラズマ処理装置
においては、上記電圧印加手段は、上記試料に所定の交
流電圧を印加する。このとき、印加される交流電圧を変
更することによって、プラズマ中のイオンが試料に入射
する量を制御することができる。これによって、例えば
半導体デバイスを形成するときに、より精密な処理を行
うことができる。

【００２９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る実施例に
ついて説明する。

【００３０】図１は本発明に係る一実施例であるプラズ
マ処理装置の斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線に
ついての縦断面図であり、図３は図１のプラズマ処理装
置のＢ−Ｂ’線についての横断面図である。図１乃至図
３において図８乃至図１３と同一のものについては同一
の符号を付している。

【００３１】本実施例のプラズマ処理装置は、内部が真
空状態に設定された円筒形状のプラズマ処理室１０の外
周部に６個の電界発生用電極ＥＲ１乃至ＥＲ６を互いに
６０度の角度だけ離れるように設けて、互いにπ／３だ
け異なる位相を有する高周波信号を各電極ＥＲ１乃至Ｅ
Ｒ６に印加することによってプラズマ処理室１０の円筒
の軸方向（以下、Ｚ軸方向という。）に対して垂直な方
向であって上記円筒の軸を中心Ｏとして右回りで回転す
る電界Ｅを発生させるとともに、電極ＥＲ１乃至ＥＲ６
の外周部に磁界発生用ソレノイドコイル２０を設けて当
該ソレノイドコイル２０に所定の直流電圧を印加するこ
とによってＺ軸方向に平行であって試料３００に向かう
方向で磁界を発生させ、これによって、プラズマを発生
させ、このとき、発生されたプラズマ中を上記回転電界
を発生させる高周波信号の電磁波が伝搬し、上記プラズ
マを処理室１０内に載置された試料３００の上表面に対
して照射することを特徴とする。

【００３２】図１乃至図３に示すように、例えばアルミ
ナ又は石英ガラスなどの電気絶縁材料にてなり円筒形状
のプラズマ処理室１０の底面に、電気絶縁材料にてなる
試料支持台３０が固定され、当該試料支持台３０上に、
例えば半導体デバイスのウエハである試料３００がその
表面がＺ軸と垂直となるように載置される。ここで、プ
ラズマ処理室１０の上面には、反応ガス輸送パイプ１
１、バルブ１５、バリアブルリーク１４ａ，１４ｂを介
して、それぞれ所定の反応ガスを貯蔵するガスボンベ１
３ａ，１３ｂが連結される一方、プラズマ処理室１０の
底面には、排気パイプ１２及び圧力調整バルブ１６を介
して真空ポンプ１７に連結される。

【００３３】試料支持台３０よりも上側の位置であるプ
ラズマ処理室１０の外周部に、それぞれ直方体形状を有
する６個の電極ＥＲ１乃至ＥＲ６が、プラズマ処理室１
０の円筒の軸を中心Ｏとして互いにθ₁＝６０度の角度
だけ離れて、かつプラズマ処理室１０の上部から見て左
回りで電極ＥＲ１，ＥＲ２，…，ＥＲ６の順で設けられ
る。ここで、各電極ＥＲ１乃至ＥＲ６に、それぞれ角周
波数ωと互いにπ／３だけ異なる位相を有して次式で表
される高周波信号Ｖ₁乃至Ｖ₆が印加される。

【００３４】

【数１】Ｖ₁＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ）

【数２】Ｖ₂＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ＋π／３）

【数３】Ｖ₃＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ＋２π／３）

【数４】Ｖ₄＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ＋π）

【数５】Ｖ₅＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ＋４π／３）

【数６】Ｖ₆＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ＋５π／３）

【００３５】なお、電極ＥＲ１乃至ＥＲ６の形状を、好
ましくは、プラズマ処理室１０の外周部に沿って湾曲さ
せるように形成してもよい。これによって、プラズマ処
理室１０の内部において電界Ｅはより均一となり、電界
Ｅが一箇所に集中することを防止することができる。

【００３６】図４に図１のプラズマ処理装置の電極印加
信号発生回路を示す。図４に示すように、高周波信号発
生器５０は角周波数ωの正弦波の基準高周波信号Ｖ_０を
発生し、ＰＬＬ回路５１ａと増幅器５２ａとインピーダ
ンス整合器５３ａとを介して電極ＥＲ１に出力する。こ
こで、ＰＬＬ回路５１ａは位相検波器７１と低域通過フ
ィルタ（ＬＰＦ）７２と電圧制御発振器７３とから構成
され、電極ＥＲ１に印加される高周波信号Ｖ_１が位相検
波器７１に帰還され、ＰＬＬ回路５１ａによって基準高
周波信号Ｖ_０と高周波信号Ｖ₁との位相差がゼロになる
ように制御される。後述するＰＬＬ回路５１ｂ，５１
ｃ，５１ｄ，５１ｅ，５１ｆもＰＬＬ回路５１ａと同様
に構成され、同様の動作を行う。

【００３７】また、上記基準高周波信号Ｖ₀は、位相π
／３だけ移相させる移相器６０ｂとＰＬＬ回路５１ｂと
増幅器５２ｂとインピーダンス整合器５３ｂとを介して
電極ＥＲ２に印加され、このとき、電極ＥＲ２に高周波
信号Ｖ₂が印加される。さらに、上記基準高周波信号Ｖ₀
は、位相２π／３だけ移相させる移相器６０ｃとＰＬＬ
回路５１ｃと増幅器５２ｃとインピーダンス整合器５３
ｃとを介して電極ＥＲ３に印加され、このとき、電極Ｅ
Ｒ３に高周波信号Ｖ₃が印加される。またさらに、上記
基準高周波信号Ｖ₀は、位相πだけ移相させる移相器６
０ｄとＰＬＬ回路５１ｄと増幅器５２ｄとインピーダン
ス整合器５３ｄとを介して電極ＥＲ４に印加され、この
とき、電極ＥＲ４に高周波信号Ｖ₄が印加される。ま
た、上記基準高周波信号Ｖ₀は、位相４π／３だけ移相
させる移相器６０ｅとＰＬＬ回路５１ｅと増幅器５２ｅ
とインピーダンス整合器５３ｅとを介して電極ＥＲ５に
印加され、このとき、電極ＥＲ５に高周波信号Ｖ₅が印
加される。さらに、上記基準高周波信号Ｖ₀は、位相５
π／３だけ移相させる移相器６０ｆとＰＬＬ回路５１ｆ
と増幅器５２ｆとインピーダンス整合器５３ｆとを介し
て電極ＥＲ６に印加され、このとき、電極ＥＲ６に高周
波信号Ｖ₆が印加される。

【００３８】以上のように、高周波信号Ｖ₁乃至Ｖ₆がそ
れぞれ電極ＥＲ１乃至ＥＲ６に印加されるとき、Ｚ軸方
向に対して垂直な方向であって上記円筒の軸を中心Ｏと
して右回りで上記高周波信号の角周波数ωの角速度で回
転する電界Ｅが発生される。

【００３９】さらに、磁界発生用ソレノイドコイル２０
が、電極ＥＲ１乃至ＥＲ６の外周部に、電極ＥＲ１乃至
ＥＲ６から所定の距離だけ離れて設けられる。当該ソレ
ノイドコイル２０に所定の直流電圧を印加することによ
って、プラズマ処理室１０内で、Ｚ軸に平行であって試
料３００に向かう方向で磁界Ｂが発生される。

【００４０】以上のように構成されたプラズマ処理装置
において、例えば半導体デバイスを形成するために所定
のプロセスを行うために必要な反応ガスが、ガスボンベ
１３ａ，１３ｂからバリアブルリーク１４ａ，１４ｂを
介して所定の成分及び所定の混合比で混合されて生成さ
れた後、生成後の混合ガス５００がバルブ１５及び反応
ガス輸送パイプ１１を介してプラズマ処理室１０内に流
入される。一方、ポンプ１７を駆動したとき、プラズマ
処理室１０内のガス５１０は排気パイプ１２及び圧力調
整バルブ１６を介してポンプ１７に排気され、圧力調整
バルブ１６を用いることによって、プラズマ処理室１０
内が所定の真空状態に設定される。本実施例において
は、好ましくは、１０^-3Ｔｏｒｒ以下の状態に設定され
る。

【００４１】また、上記発生される回転電界Ｅによっ
て、電極間に存在する気体分子の熱運動による衝突分離
現象や、例えば光や宇宙線の照射によって生じる電離現
象によって初期電子や初期イオンが発生された後、プラ
ズマ処理室１０内の電界Ｅ内に存在する電子及びイオン
は電界Ｅの方向に角周波数ωで振動し、α作用による衝
突電離と、電極に対してイオンが入射することによって
γ作用による２次電子放出が繰り返され、プラズマ状態
に進展する。ここで、印加される高周波信号の周波数が
高い場合、電子が電極に達するまでに極性が反転するた
めに、γ作用が生じなくても電離現象は促進されるの
で、電極ＥＲ１乃至ＥＲ６をプラズマ処理室１０の外側
に載置しても、又は電極ＥＲ１乃至ＥＲ６を電気絶縁物
で被覆しても放電現象が生じる。本実施例のように電極
ＥＲ１乃至ＥＲ６をプラズマ処理室１０の外側に載置す
ることによって、電極ＥＲ１乃至ＥＲ６の構成物質の混
入の無い、すなわち不純物の全く無いプラズマを発生す
ることができる。

【００４２】図１乃至図３に示すように、プラズマ処理
室１０の円筒の軸方向と平行であるＺ軸方向に磁界Ｂが
発生されるので、電子及びイオンはそれぞれ図６に示す
ように、磁力線の周囲を右回り及び左回りでいわゆるラ
ーマー運動と呼ばれる螺旋運動を行う。また、上述のよ
うに、Ｚ軸方向に対して垂直な方向を有する磁界Ｂに対
して垂直な電界Ｅが発生されるので、初期電子は、図７
に示すように、上記Ｅ×Ｂドリフト効果によって電界Ｅ
と磁界Ｂの両方に対して垂直な方向で回旋運動しながら
移動し、さらに、移動方向が印加された高周波信号の周
波数に対応する角速度で回転する。この結果、初期電子
が中性粒子と衝突する確率が増大するので、衝突電離現
象が起こりやすくなる。この結果、例えば１０^-3Ｔｏｒ
ｒ程度の低気圧の状態においても、プラズマの生成及び
維持が容易となる。

【００４３】例えば磁界Ｂが全く無い状態でプラズマに
対して回転電界Ｅを印加した場合に、回転電界Ｅの回転
の角周波数ωが電子プラズマ周波数ωｐｅ（≒１０
⁴（ｎ_e）^1/2Ｈｚ（ここで、ｎ_eは電子の密度であ
る。））以下のときに、当該回転電界Ｅはプラズマの表
面で電子の集団運動によって遮蔽され、電界Ｅはプラズ
マ内部に浸透することができない。しかしながら、ソレ
ノイドコイル２０によってプラズマに磁界が印加される
と、電子の運動が束縛されるので、周波数の低い電磁波
もプラズマ中を伝搬することが可能となる。例えば４．
９Ｇｓ以上の磁界Ｂを印加した場合、印加される高周波
信号の角周波数ωが電子サイクロトロン角周波数ωｃｅ
よりも低く、例えば角周波数ωの周波数が１３．５６Ｍ
Ｈｚであるとき、高周波信号の電磁波はプラズマ中を伝
搬することができる。言い換えれば、４．９Ｇｓ以上の
磁界ＢがＺ軸方向に印加されているとき、印加される１
３．５６ＭＨｚの周波数を有する高周波信号の電磁波は
プラズマ中に浸透し磁界Ｂと平行な方向に伝搬して、電
子にエネルギーを与えつつ減衰する。従って、プラズマ
中の電子はプラズマ中を伝搬してきた電磁波の電界によ
ってエネルギーを吸収し、さらに、電離現象に対して寄
与するので、第１の従来例の高周波プラズマ処理装置よ
りも高い真空状態すなわち低いガス圧状態でプラズマを
発生することができ、また、プラズマの密度も高くする
ことができる。

【００４４】上述のように磁界Ｂと回転電界Ｅによって
発生されたプラズマは磁界Ｂの磁力線の方向すなわちＺ
軸方向で搬送された後、試料３００の上表面に対して概
ね垂直な方向で入射して照射される。

【００４５】本実施例においては、上述のように回転電
界Ｅを発生しているので、プラズマ中の電子及びイオン
は外積Ｅ×Ｂの方向で移動し、さらにその移動方向が角
速度ωで回転するので、プラズマが偏ることを防止する
ことができ、これによって、試料３００の表面に対して
均一にプラズマを照射することができるという利点があ
る。

【００４６】本実施例において、第２の従来例のマグネ
トロンプラズマ処理装置のように、プラズマの閉じ込め
を行わなわず、上記発生された磁界Ｂによってプラズマ
を輸送するので、プラズマを均一に試料３００に照射す
ることができる。

【００４７】本実施例において、試料３００の上表面近
傍におけるイオンシースによって発生される電界Ｅの方
向と磁界Ｂとのなす角度がほぼ０度であるので、上記Ｅ
×Ｂドリフト効果の現象が発生しないため、試料３００
の表面に対して垂直であるので、試料３００に入射する
イオン及び電子の試料３００に対する角度が９０度とな
る。従って、例えばエッチング処理を行ったときに、第
３の従来例の回転磁界型高周波プラズマ処理装置より
も、より正確に試料３００の表面に対して垂直な方向で
エッチング処理を行うことができるので、アンダーカッ
トが少なく、本実施例の装置を異方性エッチング処理に
適用することができるという利点がある。

【００４８】第４の従来例のＥＣＲプラズマ処理装置に
おいては、例えば高周波信号の周波数が２．４５ＧＨｚ
のときにプラズマを発生するために８７５Ｇｓの磁界Ｂ
を発生する必要があるが、本実施例の装置では、例えば
５Ｇｓ程度以下の磁界Ｂを発生すればよく、第４の従来
例に比較して２桁のオーダーだけ小さい磁界Ｂを発生す
るだけでよいので、磁界発生用ソレノイドコイル２０の
大きさを大幅に小型化することができ、これによって、
当該プラズマ処理装置を小型・軽量化することができ
る。

【００４９】また、一般にプラズマ処理室１０の直径は
数ｍ程度以下であり、本実施例で印加される高周波信号
の周波数は１３．５６ＭＨｚであるので、印加される高
周波信号の波長はプラズマ処理室１０の直径よりも極め
て大きい。従って、第４の従来例のＥＣＲプラズマ処理
装置のように、高次モードによる電界の谷と山による局
在が発生しない。従って、第４の従来例に比較してより
大きな面積でより均一なプラズマを発生することができ
る。

【００５０】さらに、第５の従来例のように、アンテナ
２４０を使用しないので、高周波信号の電磁界とプラズ
マとの結合度の低下によってプラズマの発生が不安定に
なることがない。さらに、ヘリコン波を伝搬させるため
のアンテナ２４０を設ける必要がないので、当該装置を
第５の従来例よりも小型化することができる。

【００５１】以上の実施例において、１個の磁界発生用
ソレノイドコイル２０を用いているが、本発明はこれに
限らず、図５に示すように、ソレノイドコイル２０の下
側であってプラズマ処理室１０の外周部に、別のソレノ
イドコイル２１を、試料支持台３０上に形成された円板
形状の電極３１上に載置された試料３００の処理すべき
最上層の面Ｓ１００がソレノイドコイル２０の底面とソ
レノイドコイル２１の上面との間の距離２Ｌの中間の位
置に位置するように設け、当該ソレノイドコイル２１に
ソレノイドコイル２０と同一の極性を有する直流電圧を
同一の電流値で印加する。これによって、１個のソレノ
イドコイル２０だけでは発散していた磁束を当該ソレノ
イドコイル２１によって集束することによって、いわゆ
るミラー磁界を発生させる。これによって、試料３００
の上表面に入射するプラズマの入射角度が試料３００の
概ね全体にわたって垂直となり、当該プラズマ処理装置
を異方性エッチング処理に適用することができる。

【００５２】図５の変形例においては、別のソレノイド
コイル２１を、面Ｓ１００がソレノイドコイル２０の底
面とソレノイドコイル２１の上面との間の距離２Ｌの中
間の位置に位置するように設けているが、これに限ら
ず、ソレノイドコイル２１の位置を、ソレノイドコイル
２０，２１に印加する電流値を制御することによってミ
ラー磁界が形成されるように設定してもよい。

【００５３】またさらに、図５に示すように、バイアス
信号発生器３２から電極３１に対して、高周波信号など
のバイアス交流信号を印加しその信号の電圧を制御する
ことによって、プラズマ中のイオンが試料３００に入射
する量を制御してもよい。これによって、例えば半導体
デバイスを形成するときに、より精密な処理を行うこと
ができる。

【００５４】以上の実施例において、高周波信号を用い
ているが、本発明はこれに限らず、低周波信号を含む交
流信号であってもよい。

【００５５】以上の実施例において、６個の電極ＥＲ１
乃至ＥＲ６を用いているが、本発明はこれに限らず、３
個以上の自然数ｎ個の電極ＥＲｋ（ｋ＝１，２，…，
ｎ）を用いて当該各電極にそれぞれ次式で表される高周
波信号Ｖ_kを印加することによって、回転電界を発生さ
せるようにしてもよい。

【数７】Ｖ_k＝Ｖ・ｓｉｎ｛ωｔ＋（ｋ−１）２π／
ｋ｝，ｋ＝１，２，…，ｎ また、プラズマ処理室１０の外周部でＺ軸を中心として
電極を回転させて、回転電界を発生させるようにしても
よい。また、回転電界の回転方向は右回りに限らず、左
回りでもよい。

【００５６】以上の実施例において、電極ＥＲ１乃至Ｅ
Ｒ６をプラズマ処理室１０の外周部に設けているが、本
発明はこれに限らず、プラズマ処理室１０内に設けても
よい。また、磁界発生用ソレノイドコイル２０，２１を
プラズマ処理室１０内に設けてもよい。

【００５７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、内
部が真空状態に設定されたプラズマ処理室内でプラズマ
を発生させて試料に対して所定の処理を行うプラズマ処
理装置において、上記プラズマ処理室の内部に所定の角
速度で回転する回転電界を発生する電界発生手段と、上
記プラズマ処理室の内部に上記回転電界の方向と垂直な
方向に磁界を発生する磁界発生手段とを備える。

【００５８】従って、上記回転電界の電磁波は上記磁界
によってプラズマの内部に伝搬するので、第１の従来例
に比較してより真空度を高くし、すなわちプラズマ処理
室内のガス圧が低くくしながらも、プラズマの密度を大
幅に高くすることができる。また、第２の従来例のよう
にプラズマの閉じ込めを行わなわず、さらに、上記回転
電界を発生して、プラズマ中の電子及びイオンは電界Ｅ
と磁界Ｂとの外積Ｅ×Ｂの方向で移動し、さらにその移
動方向が上記所定の角速度で回転するので、プラズマが
偏ることを防止することができる。また、上記発生され
たプラズマを上記磁界によって輸送するので、上記試料
の表面に対して均一にプラズマを照射することができ
る。ここで、例えば上記磁界の方向を試料の表面に垂直
な方向にとれば、上記試料に対して正確に垂直な方向で
プラズマを照射することができる。

【００５９】また、第４の従来例のＥＣＲプラズマ処理
装置に比較して上記発生される磁界は極めて小さいの
で、上記磁界発生手段を構成する例えば磁界発生用ソレ
ノイドコイルの大きさを大幅に小型化することができ、
これによって、当該プラズマ処理装置を小型・軽量化す
ることができるという利点がある。さらに、第５の従来
例のようにアンテナ２４０を用いないので、上記回転電
界の電磁波とプラズマとの結合はプラズマの発生に関係
せず、これによって、第５の従来例に比較してプラズマ
をより安定に発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る一実施例であるプラズマ処理装
置の斜視図である。

【図２】 図１のプラズマ処理装置のＡ−Ａ’線につい
ての縦断面図である。

【図３】 図１のプラズマ処理装置のＢ−Ｂ’線につい
ての横断面図である。

【図４】 図１のプラズマ処理装置の電極印加信号発生
回路を示すブロック図である。

【図５】 本発明に係る変形例であるプラズマ処理装置
の縦断面図である。

【図６】 電子及びイオンのラーマー運動を示す斜視図
である。

【図７】 初期電子が電界Ｅと磁界Ｂとの外積の方向で
螺旋運動しながらドリフト移動することを示す斜視図で
ある。

【図８】 第１の従来例の高周波プラズマ処理装置の縦
断面図である。

【図９】 第２の従来例のマグネトロン高周波プラズマ
処理装置の縦断面図である。

【図１０】 第３の従来例の回転磁界型高周波プラズマ
処理装置の縦断面図である。

【図１１】 図１０の回転磁界型高周波プラズマ処理装
置の３個の電磁石の配置を示す平面図である。

【図１２】 第４の従来例のＥＣＲプラズマ処理装置の
縦断面図である。

【図１３】 第５の従来例のヘリコンプラズマ処理装置
の縦断面図である。

【符号の説明】

１０…プラズマ処理室、 １１…反応ガス輸送パイプ、 １２…排気パイプ、 ２０，２１…磁界発生用ソレノイドコイル、 ３０…試料支持台、 ３２…バイアス信号発生器、 ５０…基準高周波信号発生器、 ６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅ，６０ｆ…移相器、 ３００…試料、 ＥＲ１乃至ＥＲ６…回転電界発生用電極、 Ｅ…回転電界、 Ｂ…磁界。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部が真空状態に設定されたプラズマ処
   理室内でプラズマを発生させて試料に対して所定の処理
   を行うプラズマ処理装置において、 上記プラズマ処理室の内部に所定の角速度で回転する回
   転電界を発生する電界発生手段と、 上記プラズマ処理室の内部に上記回転電界の方向と垂直
   な方向に磁界を発生する磁界発生手段とを備えたことを
   特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 上記プラズマ処理装置はさらに、 上記発生される磁界の磁束が集束しミラー磁界が形成さ
   れるように上記磁界発生手段とともに上記プラズマ処理
   室の内部に磁界を発生する別の磁界発生手段を備えたこ
   とを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 上記プラズマ処理装置はさらに、 上記試料に所定の交流電圧を印加する電圧印加手段を備
   えたことを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装
   置。