JPH06264246A - Plasma treatment of substrate - Google Patents

Plasma treatment of substrate

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Publication number
JPH06264246A
JPH06264246A JP5076231A JP7623193A JPH06264246A JP H06264246 A JPH06264246 A JP H06264246A JP 5076231 A JP5076231 A JP 5076231A JP 7623193 A JP7623193 A JP 7623193A JP H06264246 A JPH06264246 A JP H06264246A
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JP
Japan
Prior art keywords
plasma
substrate
flux density
ions
magnetic flux
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP5076231A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toru Yamaguchi
徹 山口
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP5076231A priority Critical patent/JPH06264246A/en
Publication of JPH06264246A publication Critical patent/JPH06264246A/en
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Abstract

PURPOSE:To execute plasma treatment of a substrate by drawing out only the ions having a specific energy component by divergent magnetic fields and adequately controlling the energy of the ions. CONSTITUTION:The plasma treatment onto the substrate 10 is executed by forming the axial magnetic flux density distribution in a plasma generating section 2 as a Miller field and confining the plasma 7 into this magnetic field. Particularly, the peak value on the side near a treatment chamber 3 of the two peaks of the magnetic flux density distribution is arbitrarily changed, by which the effect of confining the plasma is regulated. As a result, the irradiation with the ions of the energy meeting the content of the plasma treatment is possible. The adequate execution of various kinds of the substrate treatments is thus possible.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電子サイクロトロン共
鳴(ECR)現象を用いてプラズマを発生させ、試料基
板にスパッタリング、CVD、エッチング、イオン注入
などのプラズマ処理を施す方法に関するものであり、特
に基板に照射されるプラズマ中のイオンのエネルギーを
制御して適切な基板処理を行うための新規な基板のプラ
ズマ処理方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for generating plasma using the electron cyclotron resonance (ECR) phenomenon and subjecting a sample substrate to plasma processing such as sputtering, CVD, etching and ion implantation. The present invention relates to a novel plasma processing method for a substrate for controlling the energy of ions in the plasma with which the substrate is irradiated and performing appropriate substrate processing.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、平行平板プラズマなどによるプラ
ズマ処理装置では、基板に照射されるプラズマ中のイオ
ンのエネルギーの制御が困難であり、これを制御するた
めに、基板へのバイアス電圧印加が行われてきた。しか
しながら、基板の処理には、数10eV以下の低エネル
ギーイオンの照射が必要であることが多く、上記従来の
方法によると、装置構成上の問題から、数10eV以下
の低エネルギーイオンの照射が困難であった。
2. Description of the Related Art Conventionally, it has been difficult to control the energy of ions in the plasma with which a substrate is irradiated in a plasma processing apparatus using parallel plate plasma, and in order to control this, a bias voltage is applied to the substrate. I've been told. However, it is often necessary to irradiate low-energy ions of tens of eV or less for processing the substrate, and according to the above-described conventional method, it is difficult to irradiate low-energy ions of tens of eV or less due to problems in the device configuration. Met.

【0003】これに対し、特開昭63−227777号
公報などに於て、プラズマ発生部内で生成されたプラズ
マを、プラズマ発生部から基板に向けて磁束密度が適当
な勾配で弱くなる発散磁界によって引き出し、基板に照
射する技術が提案されている。
On the other hand, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-227777, the plasma generated in the plasma generating portion is diverged from the plasma generating portion toward the substrate by a divergent magnetic field in which the magnetic flux density is weakened with an appropriate gradient. A technique of extracting and irradiating a substrate has been proposed.

【0004】このプラズマ処理装置1を図3に示すが、
図3に於て、2はプラズマ発生部、3は処理室、4は石
英ガラスで形成されたマイクロ波導入窓であり、矩形導
波管5からマイクロ波導入窓4を介してプラズマ発生部
2へ導かれるマイクロ波の周波数は、例えば2.45G
Hzである。
This plasma processing apparatus 1 is shown in FIG.
In FIG. 3, 2 is a plasma generation part, 3 is a processing chamber, 4 is a microwave introduction window made of quartz glass, and the plasma generation part 2 is formed from the rectangular waveguide 5 through the microwave introduction window 4. The frequency of the microwave guided to, for example, 2.45G
Hz.

【0005】プラズマ発生部2に於て、マイクロ波導入
窓4と対向する他端には、プラズマ引出し窓6を設け、
プラズマ発生部2に生成されたプラズマ7から、この引
出し窓6を介してプラズマ流8を引き出し、試料台9上
に載置した基板10に導く。
At the other end of the plasma generator 2 facing the microwave introduction window 4, a plasma extraction window 6 is provided.
A plasma flow 8 is drawn out from the plasma 7 generated in the plasma generator 2 through the drawing window 6 and is guided to the substrate 10 placed on the sample table 9.

【0006】プラズマ発生部2の外周には、電磁コイル
11を周設し、これによって発生する磁界の分布を、マ
イクロ波による電子サイクロトロン共鳴の条件がプラズ
マ発生部2の内部で成立するように定めるものとする。
周波数2.45GHzのマイクロ波に対しては、この条
件は磁束密度875Gaussであるため、電磁コイル11
はこれ以上の最大磁束密度を発生し得るように構成す
る。また、電磁コイル11によって発生する磁界は、プ
ラズマ発生部2に於ける電子サイクロトロン共鳴に供す
るだけでなく、その磁界が処理室3にも及ぶように構成
してあり、プラズマ引き出し窓6から試料台9に向けて
処理室3の磁束密度分布が更に適当な勾配で減少する発
散磁界の形成にも供され、それにより、プラズマ発生部
2から試料台9へのプラズマ流8の引き出しにも用いら
れるものとする。
An electromagnetic coil 11 is provided around the plasma generating portion 2 and the distribution of the magnetic field generated by the electromagnetic coil 11 is determined so that the conditions of electron cyclotron resonance by microwaves are satisfied inside the plasma generating portion 2. I shall.
For the microwave of frequency 2.45 GHz, this condition is the magnetic flux density of 875 Gauss, so the electromagnetic coil 11
Is configured to generate a maximum magnetic flux density higher than this. In addition, the magnetic field generated by the electromagnetic coil 11 is configured not only to be used for electron cyclotron resonance in the plasma generator 2 but also to reach the processing chamber 3 from the plasma extraction window 6 to the sample stage. 9 is also used to form a divergent magnetic field in which the magnetic flux density distribution in the processing chamber 3 is further reduced with an appropriate gradient, and thus is also used to draw the plasma flow 8 from the plasma generating unit 2 to the sample stage 9. I shall.

【0007】電子サイクロトロン共鳴によって高エネル
ギー状態となった円運動電子の磁気モーメントと発散磁
界の磁界勾配との間の相互作用により、電子は試料台9
の方向に円運動しつつ加速される。ところが、試料台9
の表面とプラズマ発生部2とは電気的に絶縁された構成
となっているので、試料台9が負の電位を発生し、プラ
ズマ流8中に電子を減速させ、イオンを加速する電界を
発生し、試料台9上に同数の電子とイオンとが到達する
ような条件が保たれる。即ち、この発散磁界構成によ
り、電子のエネルギーが試料台9へのイオンの入射エネ
ルギーに変換され、適度のイオン衝撃によって効率の良
いプラズマ処理を生じる。この場合のイオンのエネルギ
ーは、5〜30eV程度であり、マイクロ波パワーやガ
ス圧などによってその値を制御することができる。
Due to the interaction between the magnetic moment of the circularly moving electrons and the magnetic field gradient of the divergent magnetic field, which are brought into a high energy state by electron cyclotron resonance, the electrons are moved to the sample stage 9
It is accelerated while moving circularly in the direction of. However, the sample table 9
Since the surface of the plasma generator 2 and the plasma generator 2 are electrically insulated from each other, the sample stage 9 generates a negative potential, decelerates the electrons in the plasma flow 8 and generates an electric field that accelerates the ions. Then, the condition that the same number of electrons and ions reach the sample table 9 is maintained. That is, with this divergent magnetic field configuration, the energy of electrons is converted into the incident energy of ions on the sample table 9, and an efficient plasma treatment is generated by an appropriate ion impact. The energy of the ions in this case is about 5 to 30 eV, and the value can be controlled by microwave power, gas pressure, or the like.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】さて、上記従来技術に
よると、プラズマ発生部2内のプラズマ7を発散磁界の
効果によって引き出すため、イオンのエネルギーは引き
出し方向成分に関してのみ制御可能であり、引き出し方
向に直交する平面内の運動エネルギー成分は制御できな
かった。
According to the above prior art, since the plasma 7 in the plasma generator 2 is extracted by the effect of the divergent magnetic field, the energy of the ions can be controlled only with respect to the extraction direction component, and the extraction direction can be controlled. The kinetic energy component in the plane orthogonal to was not controllable.

【0009】本発明は、このような従来技術の不都合を
改善するべく案出されたものであり、その主な目的は、
特定のエネルギー成分をもつイオンのみを発散磁界によ
って引き出し、イオンのエネルギーを好適に制御し得る
基板のプラズマ処理方法を提供することにある。
The present invention was devised in order to improve such disadvantages of the prior art, and its main purpose is to:
It is an object of the present invention to provide a plasma processing method for a substrate, in which only ions having a specific energy component are extracted by a divergent magnetic field, and the energy of ions can be controlled appropriately.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】このような目的は、プラ
ズマ発生部および該プラズマ発生部に結合された処理室
を備えた真空チャンバと、プラズマ発生部の周囲に配置
された電磁コイルと、マイクロ波導入窓を介してプラズ
マ発生部に結合された導波管とを備えたプラズマ処理装
置により、プラズマ発生部内で軸方向磁束密度分布をミ
ラー磁場としてプラズマの磁場閉じ込めを行った上で、
基板へのプラズマ処理を行うものとすることによって達
成される。特に磁束密度分布の2つのピークのうち、処
理室に近い側のピーク値を任意に変更してプラズマの閉
じ込め効果を調整できるようにすると良い。
The object is to provide a vacuum chamber provided with a plasma generator and a processing chamber coupled to the plasma generator, an electromagnetic coil arranged around the plasma generator, and a micro-chamber. By the plasma processing apparatus including a waveguide coupled to the plasma generation unit through the wave introduction window, after confining the magnetic field of the plasma in the plasma generation unit using the axial magnetic flux density distribution as a mirror magnetic field,
This is achieved by performing a plasma treatment on the substrate. In particular, among the two peaks of the magnetic flux density distribution, it is advisable to arbitrarily change the peak value on the side closer to the processing chamber so that the plasma confinement effect can be adjusted.

【0011】[0011]

【作用】本発明の構成によれば、プラズマ発生部内のミ
ラー磁場効果によってプラズマの閉じ込めを行い、特定
のエネルギー成分をもつイオンのみを引き出すことが可
能となり、従来に比してより一層厳密にイオンエネルギ
ーの制御を行うことができる。
According to the structure of the present invention, it is possible to confine the plasma by the mirror magnetic field effect in the plasma generating part and to extract only the ions having a specific energy component. Energy can be controlled.

【0012】[0012]

【実施例】以下に添付の図面を参照して本発明の一実施
例について詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

【0013】図1は、本発明のプラズマ処理方法の一実
施例の概略構成図であり、図3に示した装置に対応する
部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
FIG. 1 is a schematic block diagram of an embodiment of the plasma processing method of the present invention. The parts corresponding to those of the apparatus shown in FIG. 3 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

【0014】電磁コイル11によって発生する磁束密度
は、図1に示すように、プラズマ発生部2内の軸方向に
関し、2つのピークを有することができる。上流側ピー
ク12は、前述のように、875Gauss以上の磁束密度
とし、下流側ピーク13は、任意に設定してプラズマ発
生部2内にミラー磁場を形成する。
As shown in FIG. 1, the magnetic flux density generated by the electromagnetic coil 11 can have two peaks in the axial direction within the plasma generating section 2. As described above, the upstream peak 12 has a magnetic flux density of 875 Gauss or more, and the downstream peak 13 is arbitrarily set to form a mirror magnetic field in the plasma generating unit 2.

【0015】ここで2つのピークの谷間14にある荷電
粒子を考える。この荷電粒子は、磁力線を中心に円運動
速度V1(磁力線に直交する方向にVv1、平行な方向に
Vpl)を有している。プラズマ中の荷電粒子の円運動磁
気モーメントμは、磁束密度をBとおくと、 μ=(1/2・mVv12)/B で表されるが、このμは一定値である。従って、このこ
とにより、磁束密度が増加するに連れてVv2が増加
し、ついにはある磁束密度でVp=0となり、荷電粒子
が磁束密度の弱い方に反射されることになる。谷間14
及び下流ピーク13に於ける荷電粒子の磁気モーメント
は変化しないので、 (1/2・mVv12)/B=(1/2・mVv22)/B が成立する。
Now consider a charged particle in the valley 14 of two peaks. This charged particle has a circular motion velocity V1 (Vv1 in the direction orthogonal to the magnetic force line and Vpl in the parallel direction) about the magnetic force line. The circular motion magnetic moment μ of charged particles in plasma is represented by μ = (1 / 2mVv1 2 ) / B, where B is the magnetic flux density, and this μ is a constant value. Therefore, as a result of this, Vv 2 increases as the magnetic flux density increases, and finally Vp = 0 at a certain magnetic flux density, and the charged particles are reflected to the weaker magnetic flux density. Valley 14
And the magnetic moment of the charged particles at the downstream peak 13 does not change, so that (1 / 2mVv1 2 ) / B = (1 / 2mVv2 2 ) / B holds.

【0016】もとの粒子の運動方向が、磁力線に対して
θ1の方向であるとすると、 Vv1=V1sinθ1 Vv2=V2sinθ2 より、両ピーク12・13間の谷間14の磁束密度をB
1、下流側ピーク13の磁束密度をB2とおくと、 sin2θ1/B1=sin2θ2/B2 となる。荷電粒子の反射点では、Vp=0でθ=90°
であることから、 B2=B1/sin2θ1 となる。即ち、 sin2θ1=B1/B2 で与えられるθ1について、谷間14でこれよりも小さ
い角度(磁力線に対して)の方向に運動する粒子以外
は、下流側ピーク13よりも上流側に閉じ込められるこ
とになる。
Assuming that the original particle movement direction is θ1 with respect to the magnetic field lines, Vv1 = V1sinθ1 Vv2 = V2sinθ2 From the above, the magnetic flux density in the valley 14 between both peaks 12 and 13 is B
1. If the magnetic flux density of the downstream peak 13 is B2, then sin 2 θ1 / B1 = sin 2 θ2 / B2. At the reflection point of the charged particles, Vp = 0 and θ = 90 °
Therefore, B2 = B1 / sin 2 θ1. That is, for θ1 given by sin 2 θ1 = B1 / B2, particles other than particles moving in the direction of a smaller angle (relative to the magnetic field line) in the valley 14 should be confined upstream of the downstream peak 13. become.

【0017】このことにより、下流側ピーク13の磁束
密度B2を制御することで、プラズマ発生部2から引き
出してプラズマ処理を行うイオンの方向性を揃えること
が可能となる。
Thus, by controlling the magnetic flux density B2 of the peak 13 on the downstream side, it is possible to align the directionality of the ions extracted from the plasma generating section 2 and subjected to the plasma processing.

【0018】図1に於ては、谷間14の磁束密度が30
0Gauss、下流側ピーク13の磁束密度が900Gaussで
あることから、 sin2θ1=B1/B2=300/900=0.333 を満たすθ1は約30°となり、磁力線に対して30°
よりも小さい角度の方向に運動するイオン以外は、下流
側ピーク13よりも上流側に閉じ込められる。
In FIG. 1, the magnetic flux density in the valley 14 is 30.
Since 0 Gauss and the magnetic flux density of the downstream peak 13 are 900 Gauss, θ1 that satisfies sin 2 θ1 = B1 / B2 = 300/900 = 0.333 is about 30 °, which is 30 ° with respect to the magnetic field line.
Except for ions that move in the direction of a smaller angle, they are confined upstream of the downstream peak 13.

【0019】これを速度空間で考えると、図2示すよう
に、磁力線に対して30°よりも小さい速度成分を持つ
イオン、即ち斜線で示す範囲のイオンのみが下流側に引
き出され、結果として引き出されたイオンの運動方向
は、±30°以内の均一性を有するものとなる。
Considering this in the velocity space, as shown in FIG. 2, only ions having a velocity component smaller than 30 ° with respect to the magnetic field lines, that is, ions in the range shown by diagonal lines are extracted to the downstream side, and as a result, they are extracted. The moving directions of the generated ions have uniformity within ± 30 °.

【0020】なお、プラズマ引出し窓6は、必要に応じ
て使用しないことも可能である。
The plasma extraction window 6 may not be used if necessary.

【0021】[0021]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるプラ
ズマ処理方法によれば、プラズマのミラー磁場閉じ込め
により、特定のエネルギー成分を有するイオンのみをプ
ラズマ発生部から引き出すことができるため、厳密なイ
オンエネルギの制御が可能となる。これにより、プラズ
マ処理内容に応じたエネルギーのイオン照射が可能とな
り、半導体ウェーハの異方性エッチングや新素材材料薄
膜形成などを始めとして、種々の基板処理を適切に行う
ことが可能となる。
As described above, according to the plasma processing method of the present invention, by confining the mirror magnetic field of the plasma, only ions having a specific energy component can be extracted from the plasma generating portion, so that strict ion It becomes possible to control energy. As a result, it becomes possible to perform ion irradiation with energy according to the content of plasma processing, and various substrate processing such as anisotropic etching of semiconductor wafers and thin film formation of new material material can be appropriately performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のプラズマ処理装置の縦断面とその中心
軸上の磁束密度分布を表す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a vertical cross section of a plasma processing apparatus of the present invention and a magnetic flux density distribution on its central axis.

【図2】本発明のプラズマ処理装置の縦断面とイオン閉
じ込め効果を表す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a longitudinal section of a plasma processing apparatus of the present invention and an ion confinement effect.

【図3】従来のプラズマ処理装置を表す縦断面図であ
る。
FIG. 3 is a vertical sectional view showing a conventional plasma processing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 プラズマ処理装置 2 プラズマ発生部 3 処理室 4 マイクロ波導入窓 5 矩形導波管 6 プラズマ引出し窓 7 プラズマ 8 プラズマ流 9 試料台 10 基板 11 電磁コイル 12 上流側ピーク 13 下流側ピーク 14 ピーク間谷間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma processing apparatus 2 Plasma generation part 3 Processing chamber 4 Microwave introduction window 5 Rectangular waveguide 6 Plasma extraction window 7 Plasma 8 Plasma flow 9 Sample stage 10 Substrate 11 Electromagnetic coil 12 Upstream peak 13 Downstream peak 14 Peak valley

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プラズマ発生部および該プラズマ発生部
に結合された処理室を備えた真空チャンバと、前記プラ
ズマ発生部の周囲に配置された電磁コイルと、マイクロ
波導入窓を介して前記プラズマ発生部に結合された導波
管とを備えたプラズマ処理装置による基板の処理方法に
於て、 前記プラズマ発生部内で軸方向磁束密度分布をミラー磁
場としてプラズマの磁場閉じ込めを行った上で、基板へ
のプラズマ処理を行うことを特徴とする基板のプラズマ
処理方法。
1. A vacuum chamber provided with a plasma generating part and a processing chamber coupled to the plasma generating part, an electromagnetic coil arranged around the plasma generating part, and the plasma generating via a microwave introduction window. In a method of processing a substrate by a plasma processing apparatus including a waveguide coupled to a portion, the magnetic field of the plasma is confined in the plasma generation portion using a magnetic flux density distribution in the axial direction as a mirror magnetic field, A plasma processing method for a substrate, characterized in that the plasma processing is performed.
【請求項2】 前記磁束密度分布の2つのピークのう
ち、前記処理室に近い側のピーク値を任意に変更してプ
ラズマの閉じ込め効果を調整することを特徴とする請求
項1に記載の基板のプラズマ処理方法。
2. The substrate according to claim 1, wherein among the two peaks of the magnetic flux density distribution, the peak value on the side closer to the processing chamber is arbitrarily changed to adjust the plasma confinement effect. Plasma treatment method.
JP5076231A 1993-03-09 1993-03-09 Plasma treatment of substrate Withdrawn JPH06264246A (en)

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