JPH0637055A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁場形成手段より生じる変動磁場による装置
への悪影響を、有効に防止することができるプラズマ処
理装置を提供すること。 【構成】 ウエハ２０はプロセスチャンバー１０内でプ
ラズマ処理される。プロセスチャンバー１０内は、マス
フローコントローラ４０によりガス導入孔１２を介して
処理ガスが導入可能であり、上部電極１６及びＲＦ電極
に接続された下部載置電極２２によりプラズマを生成で
きる。この場合、プロセスチャンバー１０の上方には、
モータ３８により回転可能なマグネット３０が設けら
れ、これにより生じる磁場との相互作用によりプラズマ
密度を高めることができる。この回転するマグネット３
０の周囲には、これを覆うように高透磁性材料で形成さ
れた磁気シールドカバー７０が設けられており、これに
より回転するマグネット３０より生じる変動磁場が、周
囲にある機器、例えばマスフローコントローラ４０に悪
影響を及ぼすのを有効に防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁場形成手段より発生
する変動磁場をシールドする磁気シールド部材を備える
プラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体素子のドライエッチング
装置の１つである磁場アシストのマグネトロンプラズマ
エッチング装置では、平行電極間に形成される電場と直
交する磁場を形成することにより、高密度のプラズマを
発生させている。このようにプラズマを高密度化するこ
とにより、イオンの加速電圧が下がるためイオン衝撃を
低減でき、エッチングレートも上昇させることができる
からである。

【０００３】ところで、この種のマグネトロンプラズマ
エッチング装置では、エッチング特性の改善のため、特
に均一磁場を形成するために、磁場形成手段としてのマ
グネットを回転させている。従って、このマグネットの
回転により、その周囲に大きな変動磁場が生じていた。

【０００４】また、ＥＣＲと呼ばれるエッチング装置で
は、マイクロウエーブと電磁石による磁場との相互作用
により、高密度プラズマを発生させ、これによりイオン
衝撃の低減化、エッチングレートの向上を図っている。
しかし、このＥＣＲエッチング装置の電磁石で発生する
磁場は、プラズマの生成状態の変化による電磁石への供
給電流の変化、プラズマ自体の磁気抵抗の変化などによ
り、大きく変動し、周囲に大きな変動磁場が生じてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような変動磁場の
存在は、この変動磁場を発生させている磁場形成手段の
周囲に配置される各種の機器に、誤動作等の各種の悪影
響を与えていた。特に、処理室に導入される処理ガス例
えばエッチングガスの流量を制御する流量制御手段例え
ばマスフローコントローラが、この変動磁場により大き
な悪影響を受けていることが判明した。

【０００６】つまり、前記したマスフローコントローラ
は、例えばコイル状の温度センサーによりエッチングガ
スの流量を測定し、これにより電磁式バルブの開閉量を
制御することにより、処理室に導入する処理ガスの流量
を制御している。しかし、この電磁式バルブは、内蔵さ
れた電磁石の吸引力によりバルブの開閉量を制御するも
のである。従って、このような大きな変動磁場がある
と、この変動磁場によりバルブの開閉量が変動してしま
い、これにより処理室に導入されるエッチングガスの流
量も変動してしまう。また、前記したコイル状のセンサ
ーに変動磁場が加わると、センサーが誤動作し、これに
より、エッチングガスの流量が変動してしまうという事
態も生じた。

【０００７】ところで、１６ＭＤＲＡＭなどの高集積回
路では、加工技術の微細化に伴い、形成されるパターン
のアスペクト比が次第に増加している。そして、このア
スペクト比の増加は、エッチング速度の低下といった事
態を生じさせる。この場合、エッチング速度の低下の程
度は、エッチングガスの圧力が低いほど小さい。これ
は、エッチングガスの圧力が低ければ、イオンの平均自
由工程が長くなり、これによりイオンの入射角の方向が
揃い、アスペクト比の高いパターンに対しても均等にエ
ッチングができるようになるからである。従って、この
ような微細化プロセスでは、低い圧力のエッチングガス
でエッチング処理を行うことが、大きな技術的課題とな
っている。

【０００８】しかし、前記したように変動磁場の存在に
より、導入されるエッチングガスの流量が変動してしま
う。そして、この流量の変動は、導入されるエッチング
ガスの流量が少なくなるほど、その影響が大きくなる。
従って、低い圧力のエッチングガスによりエッチング処
理を行うことが非常に困難となるといった事態が生じ
た。

【０００９】そこで、本発明の目的とするところは、磁
場形成手段より生じる変動磁場による装置への悪影響
を、有効に防止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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係るプラズマ処理装置は、被処理体を処
理する処理室と、前記処理室に処理ガスを導入し、プラ
ズマを生成するプラズマ生成手段と、前記処理室の外部
に設けられ、前記プラズマ生成手段との相互作用により
プラズマ密度を高めるための磁場を発生させる磁場形成
手段と、前記磁場形成手段を覆うように設けられた磁気
シールド部材と、を備えることを特徴とする。

【００１１】また、請求項２の発明は、被処理体を処理
する処理室と、前記処理室に処理ガスを導入し、プラズ
マを生成するプラズマ生成手段と、前記処理室の外部に
設けられ、前記プラズマ生成手段との相互作用によりプ
ラズマ密度を高めるための磁場を発生させる磁場形成手
段と、前記処理室に導入される処理ガスの流量を制御す
る流量制御手段と、前記流量制御手段を覆うように設け
られた磁気シールド部材と、を備えることを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】請求項１の発明によれば、磁場形成手段より生
じる変動磁場が、磁場形成手段を覆う磁気シールド部材
の外部に漏洩することを有効に防止することができる。
従って、磁気シールド部材の外部に配置される各種の機
器へ、この変動磁場が悪影響を与えることを有効に防止
することができる。

【００１３】また請求項２においては、磁場形成手段よ
り生じる変動磁場が、流量制御手段を覆う磁気シールド
部材の内部に漏洩することを有効に防止することができ
る。従って、磁気シールド部材の内部に配置される流量
制御手段に、この変動磁場が悪影響を与えることを有効
に防止することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を磁場アシストのマグネトロン
プラズマエッチング装置に適用した第１の実施例につい
て図面を参照して具体的に説明する。

【００１５】まず、磁場アシストのマグネトロンプラズ
マエッチング装置の概略について、図１を参照して説明
する。

【００１６】同図において、ガス排気孔１４により真空
引きが可能であり、かつ、ガス導入孔１２によりエッチ
ングガスの導入が可能なプロセスチャンバー１０内部に
は、ウエハ２０を載置しかつ昇降可能な下部載置電極２
２が設けられている。ここで、プロセスチャンバー１０
は例えば導電性の高いアルミ製材料により形成され、そ
の内側上部には、同じく導電性の高い例えばアルミ製材
料により形成された上部電極１６が設けられている。

【００１７】下部載置電極２２の下部には、ベローズ２
４が設けられ、これにより電極間距離を所定に設定する
ために下部載置電極２２を昇降させても、プロセスチャ
ンバー１０内は外部の大気から気密状態に維持できる。
また、この下部載置電極２２には周波数例えば１３．５
６ＭＨｚ、または４０ＭＨｚの高周波電力を出力するＲ
Ｆ電源２６が接続され、一方前記プロセスチャンバー１
０に設けられた上部電極１６は接地されることで、カソ
ードカップリング（ＲＩＥ）方式の平行平板電極を構成
している。従って、ＲＦ電源２６をＯＮし、かつプロセ
スガスを導入することで、この平行平板電極間で前記ウ
エハ２０に臨んでプラズマを生成することができる。

【００１８】プロセスチャンバー１０には処理ガスを導
入するためのガス導入孔１２が接続されている。本装置
では、処理ガスとして例えばＣＦ4 、ＮＦ3 、ＣＨＦ3
、Ｏ2 、Ｎ2 等の計５種類のガスが導入可能であり、
それぞれの流量を調整するためのマスフローコントロー
ラ４０ａ〜４０ｅが設けられている。また、プロセスチ
ャンバー１０は所定の真空雰囲気に維持されるようにガ
ス排気孔１４が接続されている。このガス排気孔１４の
途中には、排気圧力を調整する圧力コントローラ（図示
せず）が接続されている。

【００１９】ここで、上部電極１６には複数のガス噴出
孔１８が設けられている。従って、ガス導入孔１２より
導入されたプラズマ生成ガスは、この複数のガス噴出孔
１８より均等に噴出されることとなり、上部電極１６の
下方において均一なプラズマを安定して生成することが
できる。

【００２０】さらに、この装置では均一でかつ異方性の
高いエッチングを行うために、前記ウエハ２０の近傍に
て電界と直交する水平磁場を形成するためのマグネット
３０が、前記プロセスチャンバー１０の上方に設けられ
ている。

【００２１】このマグネット３０は、マグネット保持プ
レート３２により保持されている。そして、このマグネ
ット保持プレート３２は、連結ロッド３４ａに連結され
た偏心軸３４に接続されている。また、この連結ロッド
３４ａは、回転軸３６に接続され、この回転軸３６は、
モータ３８により回転駆動可能となっている。従って、
モータ３８により回転軸３６を回転させると、マグネッ
ト３０はウエハ２０の上方で偏心回転することとなり、
これにより、ウエハ２０の全面にて均一な水平磁場を形
成できることとなる。

【００２２】このように、本装置では、強力な磁場を形
成するマグネット３０を偏心回転運動させている。従っ
て、このマグネット３０の周辺には、非常に大きな変動
磁場が必然的に形成されることとなる。このような大き
な変動磁場の存在は、この変動磁場の発生源の周囲にあ
る各種の機器、例えば制御ユニットに内蔵された基板、
制御センサー、配線などに悪影響を与え、装置の誤動作
等の原因となっていた。特に、この強力な変動磁場の存
在は、前記したマスフローコントローラ４０に大きな悪
影響を与えていることが判明した。この様子が、図５、
図６に示される。ここで、図５は、マスフローコントロ
ーラ４０の内部構造の一例を示すものであり、図６は、
この変動磁場の存在による処理ガス流量の変動状態につ
いての実験結果を示すものである。

【００２３】マスフローコントローラ４０による流量調
整は、例えば以下のようにして行われる。図５にて、ガ
ス導入孔４４より導入された処理ガスは、センサー部５
０とバイパス５２とに分流される。ここで、センサー部
５０には、２つの自己発熱体からなるセンサー５４がコ
イル状に巻かれている。そして、センサー部５０にガス
が流れると、熱の移動にともなって、ブリッジ回路５６
のバランスがくずれ、これにより流量に比例した出力信
号が、制御回路５８に出力される。

【００２４】制御回路５８は、前記したブリッジ回路５
６からの出力信号に応じて、電磁式のニードルバルブ６
０の開閉量を制御して、ガス排気孔４６から流出する処
理ガスの流量を制御するものである。この場合、電磁式
のニードルバルブ６０は、例えばニードル状の鉄心の周
囲に電磁石を配置して、電磁石による吸引力と、ニード
ル状の鉄心に取り付けられたバネの復元力により、バル
ブの開閉量を制御している。従って、このニードルバル
ブ６０の周囲に変動磁場が存在すると、この電磁石によ
る磁場が変動してしまい、ニードルバルブ４０の開閉
量、つまりガス排気孔４６から流出される処理ガスの流
量も変動してしまうこととなる。更に、センサー５４は
前記したようにコイル状に形成されているため、このセ
ンサー５４を貫通する磁場が変動することにより、セン
サー５４が誤った値を検出してしまい、これによっても
処理ガスの流量が変動してしまうこととなる。この様子
が図６に示される。

【００２５】図６は、プロセスチャンバー１０に流入さ
せる処理ガスの流量の変動を示す実験結果であり、図６
（ａ）には、マグネット３０の回転速度が２０ｒｐｍで
ある場合について、図６（ｂ）には、マグネット３０の
回転速度が６０ｒｐｍである場合について示している。
同図に示されるように、流量の変動の周期は、マグネッ
ト３０の回転周期に比例している。つまり、この流量の
変動は、回転するマグネット３０より発生する変動磁場
（この実験の場合、マスフローコントローラは約５ガウ
ス／ｐ−ｐの磁場変動環境下）により生じたものである
ことが、この実験結果より明らかになった。この場合、
この流量の変動は、例えば流量を４０ｓｃｃｍに設定し
た場合に、約１ｓｃｃｍの変動幅で変動していることが
判明した。

【００２６】ところで、１６ＭＤＲＡＭなどの高集積回
路では、プロセス技術の微細化に伴い、より低い圧力の
処理ガスで、プロセスチャンバー１０内の圧力を微少制
御する必要がある。その主な理由は、プロセスの微細化
に伴うアスペクト比の増加によるエッチング速度の低下
といった事態を、効果的に防止するためである。つま
り、処理ガスの圧力が低ければ、イオンの平均自由工程
が長くなり、これによりイオンの入射角の方向が揃い、
アスペクト比の高いパターンに対しても均等にエッチン
グができるようになるからである。

【００２７】ところが、前記した処理ガスの流量の変動
量は、ニードルバルブ６０の変動量、つまり変動磁場の
大きさに比例するものである。従って、処理ガスの流量
を例えば１０ｓｃｃｍとしても、その変動量は例えば１
ｓｃｃｍのままであり、全流量の１０％の変動となって
しまう。従って、前記したようなプロセス技術の微細化
に伴う、低圧の処理ガスによる圧力の微少制御が事実上
不可能となるといった事態が生じていた。

【００２８】本第１実施例では、このような変動磁場に
よる悪影響を防止すべく、プロセスチューブの上部に、
回転するマグネット３０を覆うよう磁気シールドカバー
７０を設けている。この磁気シールドカバー７０は高透
磁性材料例えばパーマロイ、ケイ素鋼板等で、例えば一
方が開口した箱体の形状に形成される。ここで、パーマ
ロイとは、ニッケルを３５〜８０％含んだ鉄ーニッケル
合金、及びこれにＭｏ、Ｃｕ、Ｃｒなどを添加した高透
磁性材料の総称である。

【００２９】この場合、パーマロイ、ケイ素鋼板は加工
性が悪く、箱体に屈曲形成すると破断してしまうおそれ
がある。従って、例えばＳＵＳ等のステンレスを用い
て、あらかじめ一方が開口した箱体を形成しておき、こ
れにパーマロイ、ケイ素鋼板を例えば表層面に張り付け
る２重構造としてもよい。このようにすれば、パーマロ
イ、ケイ素鋼板等の加工性の悪い材質を用いても、容易
に破断しない高剛性の磁気シールドカバーを形成するこ
とができることとなる。

【００３０】以上のようなパーマロイを用いた磁気シー
ルドカバー７０を設けた場合の、処理ガスの流量の変動
の状態が図７に示される。ここで、図７（ａ）には、マ
グネット３０の回転速度が２０ｒｐｍである場合につい
て、図７（ｂ）には、マグネット３０の回転速度が６０
ｒｐｍである場合についての流量の変動状態の実験結果
が、図６に対応して示されている。

【００３１】本実験結果より明らかなように、磁気シー
ルドカバー７０を設けることにより、変動磁場による流
量の変動量を、大幅に低減させることに成功した。この
場合、本実験では、磁気シールドカバー７０の厚さとし
て、約０．５ｍｍのものを使用している。そして、これ
により変動量は約６分の１程度になった。従って、例え
ば流量を４０ｓｃｃｍと設定した場合に、変動量を約
０．１７ｓｃｃｍ程度におさえることが可能となった。
この結果、例えば１０ｓｃｃｍ程度の処理ガスの流量に
よりプロセスチャンバー１０内の圧力を微少に制御する
場合も、処理ガスの変動量を２％以下という非常に少な
い変動量に抑えることができる。従って、１６ＭＤＲＡ
Ｍ等の高集積回路などで用いられる低圧力の処理ガスに
よるプロセスに対応することが可能となった。

【００３２】なお、処理ガスの流量が１０ｓｃｃｍ以下
のより低圧のプロセスに対応するには、この磁気シール
ドカバー７０の厚さを更に厚いものとするか、または、
磁気シールドカバーを複重構造にすればよい。

【００３３】次に図２、図３を用いて、本発明の第２、
第３の実施例について説明する。

【００３４】図２、図３に示す実施例は、前記した変動
磁場の存在が、特にマスフローコントローラ４０などの
流量制御手段に大きな悪影響を与えているということに
着目してなされたものである。

【００３５】図２に示す第２の実施例は、それぞれのマ
スフローコントローラ４０ａ、４０ｂ等を個別に磁気シ
ールドカバー８０により覆い、プラズマ処理装置より生
ずる変動磁場をシールドして、これによる悪影響を防止
しようとするものである。

【００３６】この磁気シールドカバー８０には、ガス導
入孔４４及びガス排気孔４６を挿通させるための挿通孔
８６が設けられている。また、マスフローコントローラ
４０の制御信号端子４２に、制御信号、電源等を供給す
る制御信号線（図示せず）を挿通させるための挿通孔
（図示せず）も設けられている。

【００３７】また、この磁気シールドカバー８０は、前
述したものと同様に、高透磁性材料例えばパーマロイ、
ケイ素鋼板等で形成される。そして、その形状は例えば
一方が開口した箱体状の上カバー８２及び下カバー８４
を嵌合させることにより形成される構造となっている。
この様子が図４に示される。図４では、上カバー８２及
び下カバー８４は、例えばＳＵＳ等のステンレスを用い
て、あらかじめ一方が開口した箱体を裏層部材９０とし
て形成しておき、これにパーマロイ、ケイ素鋼板を表層
部材８８として外側面に張り付ける２重構造としてい
る。このような構造としたのは、前記したように、パー
マロイ、ケイ素鋼板は加工性が悪く、箱体に屈曲形成す
ると破断してしまうおそれがあるからである。

【００３８】また、上カバー８２と下カバー８４は、図
４に示すように、上カバー８２の外側面の端部９２が、
下カバー８４の裏層面に接触するようにして嵌合させる
ことが望ましい。このような嵌合構造とすれば、上カバ
ー８２及び下カバー８４の弾性変形を利用して嵌合でき
るため、嵌合部分での磁気シールドをより確実に行うこ
とができるからである。この場合、上記構造とは逆に、
下カバー８４の端部が上カバー８２の裏層面に接触する
ような構造としてもよい。

【００３９】図３に示す第３の実施例は、マスフローコ
ントローラ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ等を全て一つの高透
磁性材料の磁気シールドカバー１００により覆うもので
ある。これにより、加工性の悪いパーマロイ、ケイ素鋼
板等の高透磁性材料を、それぞれのマスフローコントロ
ーラ４０ごとに形成する必要がない。従って、特に、多
数のマスフローコントローラ４０を用いて処理するプラ
ズマ処理装置において、加工費用等のコスト面において
有利なものとなる。

【００４０】ここで、この磁気シールドカバー１００に
は、第２の実施例と同様に、ガス導入孔４４及びガス排
気孔４６を挿通させるための挿通孔１０６ａ、１０６
ｂ、１０ｃ、また、制御信号線（図示せず）を通すため
の挿通孔（図示せず）も設けられている。更に、この磁
気シールドカバー１００も、加工性を上げるために、前
記したようなステンレス等との２重構造とすることが望
ましい。

【００４１】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。

【００４２】本発明が適用されるプラズマ処理装置とし
ては、上述した磁場アシストのマグネトロンプラズマエ
ッチング装置に限らず、少なくとも磁場形成手段による
磁場アシストによりプラズマを生成するプラズマエッチ
ング装置であれば適用可能である。従って、例えばＥＣ
Ｒエッチング装置などのマイクロウエーブと磁場との相
互作用を利用したプラズマ処理装置などにも適用でき
る。さらに処理の種類としてもエッチングに限らず、例
えばＣＶＤなどの成膜装置の他のプラズマ処理装置にも
同様に適用することも可能である。

【００４３】また、磁気シールドカバー７０、８０、１
００の形状は、本実施例に示すような一方が開口した箱
体の形状に限られるものではなく、少なくとも変動磁場
を十分にシールドできる形状であればよい。また、磁気
シールドカバーの構造としては、上カバーと下カバーを
嵌合させる構造としてもよいし、これらを一体にして形
成する構造としてもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、磁場形成手段より生じる変動磁場が、変動磁場の
発生源を覆う磁気シールドの外部にある機器等に悪影響
を与えることを有効に防止することができる。

【００４５】また請求項２においては、磁気シールド部
材の内部に配置される流量制御手段に、変動磁場が悪影
響を与えることを有効に防止することができる。従っ
て、特に低圧の処理ガスにより被処理体を処理するプロ
セスにおいて有効なプラズマ処理装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を磁場アシストのマグネトロンプラズマ
処理装置に適用した第１の実施例を説明するための概略
説明図である。

【図２】それぞれのマスフローコントローラを磁気シー
ルドカバーにより個々に覆った本発明の第２の実施例を
説明するための概略説明図である。

【図３】複数のマスフローコントローラを磁気シールド
カバーにより覆った本発明の第３の実施例を説明するた
めの概略説明図である。

【図４】本発明の第２の実施例において、上カバーと下
カバーの嵌合状態について説明するための概略断面図で
ある。

【図５】マスフローコントローラの内部構造について示
す概略説明図である。

【図６】従来の処理ガスの変動量を示す実験結果であ
り、図６（ａ）は、マグネットの回転速度が２０ｒｐｍ
の場合、図６（ｂ）は、マグネットの回転速度が６０ｒ
ｐｍの場合について示している。

【図７】本発明を適用した場合の処理ガスの変動量の一
例を示す実験結果であり、図７（ａ）は、マグネットの
回転速度が２０ｒｐｍの場合、図７（ｂ）は、マグネッ
トの回転速度が６０ｒｐｍの場合について示している。

【符号の説明】

１０ プロセスチャンバー １２ ガス導入孔 １４ ガス排気孔 １６ 上部電極 ２０ ウエハ ２２ 下部載置電極 ２６ ＲＦ電源 ３０ マグネット ３６ 回転軸 ３８ モータ ４０ａ〜４０ｅ マスフローコントローラ ４４ ガス導入孔 ４６ ガス排気孔 ５０ センサー部 ６０ ニードルバルブ ７０ 磁気シールドカバー ８０ 磁気シールドカバー ８２ 上カバー ８４ 下カバー １００ 磁気シールドカバー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理体を処理する処理室と、 前記処理室に処理ガスを導入し、プラズマを生成するプ
   ラズマ生成手段と、 前記処理室の外部に設けられ、前記プラズマ生成手段と
   の相互作用によりプラズマ密度を高めるための磁場を発
   生させる磁場形成手段と、 前記磁場形成手段を覆うように設けられた磁気シールド
   部材と、 を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 被処理体を処理する処理室と、 前記処理室に処理ガスを導入し、プラズマを生成するプ
   ラズマ生成手段と、 前記処理室の外部に設けられ、前記プラズマ生成手段と
   の相互作用によりプラズマ密度を高めるための磁場を発
   生させる磁場形成手段と、 前記処理室に導入される処理ガスの流量を制御する流量
   制御手段と、 前記流量制御手段を覆うように設けられた磁気シールド
   部材と、 を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。