JPH07130495A

JPH07130495A - マグネトロン型プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH07130495A
Application number: JP5300911A
Authority: JP
Inventors: Jun Hirose; 潤廣瀬; Nobuyuki Okayama; 信幸岡山; Kazuo Eguchi; 和男江口
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Yamanashi Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Tokyo Electron Yamanashi Ltd
Priority date: 1993-11-05
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 1995-05-19

Abstract

(57)【要約】【目的】永久磁石及びその駆動機構をコンパクト化す
ることにより省スペース化を実現し、コスト削減を達成
できるマグネトロン型プラズマ処理装置を提供する。【構成】本マグネトロン型プラズマ処理装置は、処理
室１内に水平に配置された半導体ウエハ３に水平磁場を
印加しながらこの半導体ウエハ３をプラズマ処理する際
に、１２本の棒状の円筒型磁石９を処理室の周囲で点対
称に対を成して立設すると共に、これらの各円筒型磁石
９を同期回転可能に歯車列１３、１４、１７を介してモ
ータ１５に連結したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マグネトロン型プラズ
マ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスを作る際に、従来からプ
ラズマを利用したエッチング装置を用いて半導体ウエハ
を微細加工して配線構造を形成している。ところが最近
の半導体デバイスの高集積化に伴ってハーフミクロン、
クォータミクロンオーダーの超微細構造が必要になって
来ている。そのため、より高い真空雰囲気下で高密度の
プラズマを作り、プラズマによるダメージを極力少なく
し、プラズマを極力有効に利用するエッチング装置が従
来から種々開発されている。このようなエッチング装置
として例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置、
マグネトロン型ＲＩＥ装置が知られている。

【０００３】ＲＩＥ装置は、高周波電力を印加した下部
電極と接地された上部電極との間でエッチングガスのプ
ラズマを発生させ、このプラスマ中の反応性イオンを負
に自己バイアスされた下部電極に向けて照射し、この反
応性イオンにより半導体ウエハ等の被処理体表面の被エ
ッチング成分をエッチングするよう構成されている。し
かし、クォータミクロンレベルの超微細加工になると、
ＲＩＥ装置では反応性イオンなどの活性種の平均自由行
程が短く、反応性イオンの散乱による影響で垂直な微細
加工が難しくなるため、更に高真空にしてイオンの散乱
を抑制する必要がある。そこで、このような超微細加工
にはマグネトロン型ＲＩＥ装置が用いられている。この
マグネトロン型ＲＩＥ装置は、ＲＩＥ装置の場合よりも
より高真空な雰囲気下でプラズマを作り、このプラスマ
中で例えば上下方向に形成される電場に水平方向の磁場
を印加し、この直交電磁場による電子のサイクロイド運
動を利用してプラズマを高密度化するように構成されて
いる。しかし、この場合には電子のサイクロイド運動に
よりプラズマが局所に偏りがちで、全体として必ずしも
均一なプラズマを得ることができない。そのため、従来
から電磁コイルあるいは永久磁石などを用いて回転磁場
を作り、プラズマを均一化するようにしている。電磁石
の場合には複数のコイルに流す電流を変化させて回転磁
場を作るようにし、また永久磁石の場合には永久磁石を
機械的に回転させて回転磁場を作るようにしている。特
に後者の場合には例えばリング状永久磁石を処理室を囲
繞するように配置し、このリング状永久磁石を機械的に
回転させるようにしたものが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、リング
状永久磁石を回転させる従来のマグネトロン型プラズマ
処理装置の場合には、永久磁石自体が重量物であるた
め、そのようなリング状永久磁石を支持する支持構造や
リング状永久磁石を回転駆動させる駆動機構などが構造
的に大掛りになり、しかもこれらの占有面積も広くなっ
てコスト高になるという課題があった。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、永久磁石及びその駆動機構をコンパクト化
することにより省スペース化を実現し、コスト削減を達
成できるマグネトロン型プラズマ処理装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
のマグネトロン型プラズマ処理装置は、処理室内に水平
に配置された被処理体に水平方向の磁場を印加しながら
この被処理体をプラズマ処理するマグネトロン型プラズ
マ処理装置において、複数の円筒型磁石を上記処理室の
周囲で点対称に対を成してそれぞれ立設すると共に、こ
れらの各円筒型磁石を同期回転可能に駆動機構に連結し
て構成されたものである。

【０００７】また、本発明の請求項２に記載のマグネト
ロン型プラズマ処理装置は、請求項１に記載の発明にお
いて、上記各円筒型磁石を上下にそれぞれ２分割して構
成されたものである。

【０００８】また、本発明の請求項３に記載のマグネト
ロン型プラズマ処理装置は、請求項１または請求項２に
記載の発明において、上記複数対の円筒型磁石の磁場強
度を５０〜１０００ガウスに設定して構成されたもので
ある。

【０００９】また、本発明の請求項４に記載のマグネト
ロン型プラズマ処理装置は、請求項１〜請求項３のいず
れか一つに記載の発明において、上記円筒型磁石の回転
速度を５〜６０ｒｐｍに設定して構成されたものであ
る。

【００１０】

【作用】本発明の請求項１に記載の発明によれば、処理
室内に水平に被処理体に配置した後、処理室内でプラズ
マを発生させると共に、複数対の円筒型磁石から処理室
内に被処理体に平行な磁場を印加すると、この磁場によ
り処理室内にマグネトロンプラズマを形成し、このマグ
ネトロンプラズマの作用により被処理体にプラズマ処理
を施すが、この際、駆動機構を駆動させると、これに連
結された各円筒型磁石がそれぞれ同期回転し、この同期
回転する各円筒型磁石により処理室内の水平磁場が回転
し、この回転水平磁場によりマグネトロンプラズマの局
所的な偏りを均一化することができる。

【００１１】また、本発明の請求項２に記載の発明によ
れば、請求項１に記載の発明において、上記各円筒型磁
石を上下にそれぞれ２分割したため、上下の２段の円筒
型磁石により処理室内の上下で個別に回転水平磁場を形
成し、上下の回転水平磁場に更にマグネトロンプラズマ
を均一化することができる。

【００１２】また、本発明の請求項３に記載の発明によ
れば、請求項１または請求項２に記載の発明において、
上記複数対の円筒型磁石の磁場強度を５０〜１０００ガ
ウスに設定したため、被処理体のプラズマ処理に相応し
いマグネトロンプラズマを得ることができる。

【００１３】また、本発明の請求項４に記載の発明によ
れば、請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の発明
において、上記円筒型磁石を５〜６０ｒｐｍの回転速度
に設定したため、全円筒型磁石を円滑に回転させて被処
理体のプラズマ処理に相応しいマグネトロンプラズマを
得ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、図１〜図６に示すマグネトロン型プラ
ズマエッチング装置（以下、「マグネトロンＲＩＥ装
置」と称する）を参照しながら本発明について説明す
る。本実施例のマグネトロンＲＩＥ装置は、図１に示す
ように、例えばアルミニウム等の導電性材料により円筒
状に形成され処理室１を備えている。この処理室１は気
密構造に構成され、その周面下部に接続された排気管２
を介して図示しない真空ポンプにより真空引きして例え
ば１０^-2Torr以下の真空雰囲気を形成できるように構成
されている。そして、この処理室１内の底面にはアルミ
ニウム等の導電性材料により半導体ウエハ３を載置する
下部電極を兼ねるサセプタ（必要に応じて「サセプタ」
とも称す）４が配設され、この下部電極４上に取り付け
られた静電チャック（図示せず）などにより半導体ウエ
ハ３を保持するように構成されている。そして、このサ
セプタ４の内部には液化窒素等の冷媒を用いる冷却機構
が内蔵され、この冷却機構によりサセプタ４をマイナス
領域の温度まで冷却するように構成されている。更に、
このサセプタ、即ち下部電極４にはブロッキングコンデ
ンサ５を介して高周波電源６が接続され、この高周波電
源６から１３.５６ＭＨzの高周波電圧をブロッキングコ
ンデンサ５を介して下部電極４に印加するように構成さ
れている。また、下部電極４の上方には例えば１５〜２
０ｍｍの間隔を隔てて対向する扁平な中空円盤状に形成
された上部電極７が配設され、この上部電極７はグラン
ド電位を維持するように接地されている。そして、この
上部電極７の上面中央には処理室１上面中央を貫通しエ
ッチングガスの供給源（図示せず）に連通する供給管８
が取り付けられ、この供給管８から供給されたエッチン
グガスを上部電極７を介して処理室１内全体へ均等に噴
出するように構成されている。

【００１５】また本実施例では、永久磁石により形成さ
れた円筒型磁石９が図２に示すように処理室１の周囲全
周に亘って周方向等間隔を隔てて複数例えば１２本配設
されている。しかも、１２本の円筒型磁石９は、処理室
１を挟み点対称に対を成して配置され、これらの円筒型
磁石９により処理室１内に水平方向即ちサセプタ４上の
半導体ウエハ３に平行な水平磁場Ｂを印加するように構
成されている。尚、図２では手前の５本の円筒型磁石９
は省略して示してある。そして、処理室１の周壁１０に
は例えば図３、図４に示すように各円筒型磁石９に対応
させた円筒空間１１が形成され、これらの円筒空間１１
内に円筒型磁石９がそれぞれ収納されている。各円筒型
磁石９の上下端にはそれぞれ軸が取り付けられ、これら
の軸によって円筒型磁石９が周壁１０の円筒空間１１内
に回転自在に軸支されている。また、各円筒型磁石９の
下端の軸１２にはそれぞれ歯車１３が取り付けられてい
る。また、処理室１のやや下方にはその外径に見合った
大きさに形成されたリング状の大径歯車１４が配設さ
れ、この大径歯車１４の内側には全周に亘って内歯１４
Ａが形成され、この内歯１４Ａで円筒型磁石９下端の歯
車１３に噛合している。更に、図４に示すように、ある
１箇所の円筒型磁石９、９の歯車１３、１３間にはモー
タ１５が配設されており、このモータ１５の回転軸１６
に固定された歯車１７が円筒型磁石９の歯車１３と同様
に大径歯車１４の内歯１４Ａに噛合している。

【００１６】従って、モータ１５の歯車１７は、モータ
の回転力を大径歯車１４を介して全歯車１３に伝達し、
これにより全円筒型磁石９をそれぞれ同方向（時計方
向）へ同期回転させ、図３に示すように処理室１内の水
平磁場Ｂを実線矢印から破線矢印の方向へ徐々に回転さ
せるように構成されている。そして、本実施例ではモー
タ１５及び歯車列１７、１４、１３によって円筒型磁石
９の駆動機構が構成されていることになる。尚、モータ
１５の回転軸を一つの円筒型磁石９に直接連結したもの
であっても上述した場合と同様に全円筒型磁石９を同期
回転させることができる。

【００１７】全円筒型磁石９によって印加される水平磁
場の強度は５０〜１０００ガウスに設定することが好ま
しく、１００〜７００ガウスに設定することがより好ま
しい。この磁場強度が５０ガウス未満ではマグネトロン
効果を得難くなり、また、１０００ガウスを超えると磁
石自体がコスト高になり不経済でありそれに見合ったマ
グネトロン効果を得ることができず好ましくない。この
円筒型磁石９に用いられる永久磁石の材料は、特に制限
されないが、例えば、Ｆｅ-Ｃｒ-Ｃｏ系等の合金磁石、
フェライト磁石などが好ましく用いられる。また、円筒
型磁石９の回転速度は５〜６０ｒｐｍに設定することが
好ましく、１５〜２５ｒｐｍに設定することがより好ま
しい。この回転速度が５ｒｐｍ未満では水平磁場Ｂの回
転が十分でなくプラズマ密度の均一化が難しく、また、
６０ｒｐｍを超えてもそれ以上の均一化が期待できず、
しかも歯車列の各歯車１７、１４、１３の摩耗が激しく
なり好ましくない。

【００１８】また、円筒型磁石９の回転機構は図５に示
すように構成したものであっても図３、図４に示すもの
と同様の作用効果を期することができる。即ち、図５に
示す円筒型磁石９は、回転駆動機構を異にする以外は図
３、図４に示したものと同様に構成されている。そこ
で、回転駆動機構についてのみ説明する。この場合に
は、同図に示すように、各円筒型磁石９の軸１２の下端
に上下の２箇所にスプロケット１８、１８が取り付けら
れ、隣合う円筒型磁石９、９のスプロケット１８、１８
間にはチェーン１９が巻回され、各チェーン１９を介し
て各円筒型磁石９がそれぞれ同期して回転するように構
成されている。そして、一つの円筒型磁石９の軸１２の
下端には図５に示すように更に１個のスプロケット２０
が取り付けられている。また、このスプロケット２０の
外側にはモータ２１が配設され、このモータ２１の回転
軸２２上端にはスプロケット２３に取り付けられてい
る。そして、このモータ２１のスプロケット２３と円筒
型磁石９のスプロケット２０にはチェーン２４が巻回さ
れ、このチェーン２４を介してモータ２１の回転力を円
筒型磁石９へ伝達するように構成されている。そのた
め、この円筒型磁石９は例えばモータ２１が同図に示す
ように時計方向に回転駆動することによりスプロケット
２３、チェーン２４、及びスプロケット２０を介してや
はり時計方向へ回転するように構成されている。残りの
円筒型磁石９はモータ２１に連結された一つの円筒型磁
石９を介してそれぞれ上述のように時計方向へ同期回転
するように構成されている。

【００１９】次に、動作について説明する。真空引きさ
れた処理室１内の下部電極４に半導体ウエハ３を載置
し、静電チャックのクーロン力により半導体ウエハ３を
下部電極４上に保持する。次いで、供給管８からのエッ
チングガスを上部電極７を介して処理室１内へ供給し、
エッチングガスのガス圧を例えば１０^-2Torr以下の真空
度に設定する。その後、高周波電源６から下部電極４に
１３.５６ＭＨzの高周波電圧を印加しエッチングガスを
介して下部電極４と上部電極７間で真空放電させると、
プラズマを発生する。この時、プラズマ中の電子は反応
性イオン、ラジカルと比較して遥かに軽いため、下部電
極４へ優先的に流入し、これによりブロッキングコンデ
ンサ５を介して下部電極４が負に自己バイアスされる。
この下部電極４の自己バイアス電位とプラズマ電位間で
電位差が生じ、この電位差によりこれら両者間に上下方
向の電場Ｅを形成する。一方、処理室１の周囲には１２
本の円筒型磁石９が点対称に対を成して配置されている
ため、これらの全円筒型磁石９によって処理室１内に例
えば６００ガウスの水平磁場Ｂを印加し、この水平磁場
Ｂが上下方向に形成された電界Ｅに直交して直交電磁界
を形成し、直交電磁界の作用によりプラズマ中の電子が
下部電極４の近傍でサイクロイド運動をし、プラズマ中
の反応性イオン等を活性種を更に活性化して高密度化な
マグネトロンプラズマを発生する。

【００２０】この時、モータ１５が駆動し、その回転力
をその歯車１７、大径歯車１４及び歯車１３を介してへ
伝達しているため、全円筒型磁石９は時計方向へ同期回
転している。全円筒型磁石９の同期回転により処理室１
内の水平磁場Ｂ全体が図３に示すように実線で示した矢
印位置から破線で示した矢印位置へ例えば２０ｒｐｍの
回転速度で回転しているため、電子のサイクロイド運動
の方向もこの回転に伴って変って処理室１内のプラズマ
を万遍無く均一化して均一なプラズマ密度を有するマグ
ネトロンプラズマを発生する。従って、プラズマ中の反
応性イオンが処理室１内で均一化し、下部電極４上の半
導体ウエハ３全面で均一なイオン照射が行なわれ、半導
体ウエハ３全面に均一な反応性イオンエッチングなどの
プラズマ処理を施すことができる。

【００２１】一方、水平磁場Ｂを印加する永久磁石は従
来のようにリング状永久磁石によって処理室１の周囲を
囲む構造ではなく、１２本の円筒型磁石９によって処理
室１の周囲を囲むようにしたため、全円筒型磁石９の重
量がリング状の永久磁石と比較してかなり軽量になり、
軽量化した分だけ歯車列１３、１４、１７及びモータ１
５に掛る負荷を軽減することができる。

【００２２】以上説明したように本実施例によれば、水
平磁場Ｂを印加する永久磁石を１２本の円筒型磁石９に
よって構成したため、従来のリング状永久磁石と比較し
て永久磁石をコンパクトで且つ軽量なものにすることが
でき、もって駆動機構としてのモータ１５及び歯車列１
３、１４、１７に掛る負荷を従来と比較して格段に軽量
化できる。従って、円筒型磁石９、モータ１５及び歯車
列１３、１４、１７を全体的にコンパクト化でき、装置
全体の設置スペースを削減でき、設置コストの削減を図
ることができる。また、必要に応じて円筒型磁石９の本
数を増減することにより水平磁場強度を適宜変更するこ
とができ、その設定上の自由度を得ることができる。ま
た、本実施例によれば、１２本の円筒型磁石９によって
印加される処理室１内の水平磁場強度を５０〜１０００
ガウスに設定したため、プラズマ処理に好適なマグネト
ロンプラズマを容易に得ることができ、また、各円筒型
磁石９の同期回転速度を５〜６０ｒｐｍに設定したた
め、モータ１５に過度な負担を掛けるとなく均一なマグ
ネトロンプラズマを容易に得ることができる。

【００２３】また、本発明に用いられる円筒型磁石９
は、図６に示すように上下で２分割したものであっても
良い。この場合には、例えば上記実施例と同様に上下で
一対の短小円筒型磁石９Ａ、９Ｂをそれぞれ連結棒２５
で連結し、その他は上記各実施例と同様に構成すること
ができる。このように各円筒型磁石９をそれぞれ上下の
短小円筒型磁石９Ａ、９Ｂによって構成することによ
り、上下で水平磁場が個別に形成され、処理室１内に印
加される全体の水平磁場Ｂは強度が低下する反面、上下
の水平磁場の相互作用によって全体として一層均一な水
平磁場Ｂを形成し、プラズマ処理の均一性をより一層向
上させることができる。

【００２４】尚、上記実施例では円筒型磁石９を処理室
１の周壁１０に形成した円筒空間１１内に埋め込んだ構
造について説明したが、円筒型磁石は処理室の周囲に支
持部材を介して配設したものであっても良いことが言う
までもない。また、円筒型磁石９を駆動する駆動機構
は、円筒型磁石９を同一方向に同期回転させることがで
きる機構であれば良く、例えば、モータの駆動力を伝達
する伝達機構は上記実施例の歯車列１３、１４、１７あ
るいはチェーン及びスプロケット機構の他、遊星歯車、
プーリ及びベルトなどによりモータの回転力を全円筒型
磁石へ伝達してこれらを同期回転させるようにしても良
い。また、本発明はマグネトロン型プラズマ処理装置で
あれば、エッチング装置の他、ＣＶＤ装置などについて
も広く適用することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
記載の発明によれば、複数の円筒型磁石を上記処理室の
周囲で対を成して点対称に立設すると共に、これらの各
円筒型磁石を同期回転可能に駆動機構に連結したため、
永久磁石及びその駆動機構をコンパクト化することによ
り省スペース化を実現し、コスト削減を達成できるマグ
ネトロン型プラズマ処理装置を提供することができる。

【００２６】また、本発明の請求項２に記載の発明によ
れば、請求項１に記載に発明において、各円筒型磁石を
上下にそれぞれ２分割したため、処理室内に一層均一な
水平磁場を印加して被処理体に一層均一なプラズマ処理
を施すことができるマグネトロン型プラズマを提供する
ことができる。

【００２７】また、本発明の請求項請求項３に記載の発
明によれば、請求項１または請求項２に記載に発明にお
いて、上記複数対の円筒型磁石の磁場強度を５０〜１０
００ガウスに設定したため、プラズマ処理に好適なマグ
ネトロンプラズマを容易に得ることができるマグネトロ
ン型プラズマを提供することができる。

【００２８】また、本発明の請求項請求項３に記載の発
明によれば、請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載
に発明において、上記円筒型磁石の回転速度を５〜６０
ｒｐｍに設定したため、駆動機構に過度な負担を掛ける
となく均一なマグネトロンプラズマを容易に得ることが
できるマグネトロン型プラズマを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマグネトロン型プラズマ処理装置の一
実施例の構成を示す断面図である。

【図２】図１に示すマグネトロン型プラズマ処理装置の
円筒型磁石によって印加される磁場と半導体ウエハとの
関係を概念的に示す斜視図である。

【図３】図１に示すマグネトロン型プラズマ処理装置の
円筒型磁石と駆動機構との関係を示す平面図である。

【図４】図１に示すマグネトロン型プラズマ処理装置の
円筒型磁石と駆動機構との関係を示す要部断面図であ
る。

【図５】本発明のマグネトロン型プラズマ処理装置の他
の実施例を示す図４に相当する示す断面図である。

【図６】本発明のマグネトロン型プラズマ処理装置の更
に他の実施例の構成を示す図１に相当する断面図であ
る。

【符号の説明】

１処理室３半導体ウエハ（被処理体）４下部電極７上部電極９円筒型磁石９Ａ短小円筒型磁石（２分割した円筒型磁石の一つ）９Ｂ短小円筒型磁石（２分割した円筒型磁石の一つ）１３歯車（駆動機構）１４大径歯車（駆動機構）１５モータ（駆動機構）１７歯車（駆動機構）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/3065 (72)発明者江口和男山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の１東京エレクトロン山梨株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理室内に水平に配置された被処理体に
水平方向の磁場を印加しながらこの被処理体をプラズマ
処理するマグネトロン型プラズマ処理装置において、複
数の円筒型磁石を上記処理室の周囲で点対称に対を成し
てそれぞれ立設すると共に、これらの各円筒型磁石を同
期回転可能に駆動機構に連結したことを特徴とするマグ
ネトロン型プラズマ処理装置。
【請求項２】上記各円筒型磁石を上下にそれぞれ２分
割したことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン
型プラズマ処理装置。
【請求項３】上記複数対の円筒型磁石の磁場強度を５
０〜１０００ガウスに設定したことを特徴とする請求項
１または請求項２に記載のマグネトロン型プラズマ処理
装置。
【請求項４】上記円筒型磁石の回転速度を５〜６０ｒ
ｐｍに設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３の
いずれか一つに記載のマグネトロン型プラズマ処理装
置。