JPH07201833A - プラズマ表面処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被処理基体が収容される真空容器内を高真空に
しても、エッチングを行なえる程度の密度のプラズマを
生成できるプラズマエッチング装置を提供すること。 【構成】真空容器１、カソード電極２、アノード電極
７、真空容器１の内壁に形成された溝９、並びにダイポ
ールリングマグネット１０とを備え、カソード電極２と
アノード電極７との間に高周波電源を印加し、通常通り
にプラズマを生成するとともに、溝９でホロカソード放
電を起こして高密度のプラズマを生成し、この高密度の
プラズマをダイポールリングマグネット１０で溝９から
引き出し、被処理基体３上に高密度のプラズマ領域１１
を形成することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマエッチング装
置やプラズマＣＶＤ装置等のプラズマを利用したプラズ
マ表面処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュ−タ−や通信機器の重要
部分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達
成するようにむすびつけ、１チップ上に集積化して形成
した大規模集積回路（ＬＳＩ）が多用されている。この
ため、機器全体の性能は、ＬＳＩ単体の性能と大きく結
び付いている。

【０００３】ＬＳＩ単体の性能向上は、集積度を高める
こと、つまり、素子の微細化により実現できる。このた
め、従来より種々の微細加工技術が開発されているが、
その一つにマグネトロンＲＩＥ（Reactive Ion Etchin
g）がある。

【０００４】図９は、従来のマグネトロンＲＩＥ装置の
概略構成を示す模式図である。図中、８１は真空容器を
示しており、この真空容器８１の上壁はアノード電極８
２となっている。このアノード電極８２の下方には被処
理基体８３の基板支持台の役割を兼ねるカソード電極８
４が対向配置されている。このカソード電極８４はマッ
チング回路８５を介して高周波電源８６に接続され、ア
ノード電極８２とカソード電極８４との間に電界８７を
形成できるようになっている。

【０００５】真空容器８１の外部上方には回転可能なマ
グネット８８が設けられている。これによって真空容器
８１内のプラズマ８９に磁界が与えられ、電子がプラズ
マ８９中に閉じ込められる。この結果、プラズマ密度が
高くなる。

【０００６】このようにマグネトロンＲＩＥ装置は、通
常のＲＩＥ装置に比べて、プラズマ密度を高くできるの
で、エッチング速度を高めることができる。更に、イオ
ンの方向性を高めたり、或いは中性種と被エッチング膜
との反応（等方性の反応）を抑制する目的でガス圧力を
下げた場合においても、ダメージや選択比を低下させる
原因となるイオンエネルギを十分に低く保つことができ
る。

【０００７】しかしながら、従来のマグネトロンＲＩＥ
装置には次のような問題があった。

【０００８】すなわち、今後の素子の微細化のためには
より高精度のエッチング形状制御が必要とされている
が、このためには真空容器８１内の更なる高真空化が必
要である。しかし、従来のマグネトロンＲＩＥ装置で
は、このように更に高真空化した際に、エッチングする
のに十分な密度のプラズマを生成するのが困難になると
いう問題が顕著になってきた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のマ
グネトロンＲＩＥ装置では、より微細な素子を形成する
ために、真空容器内をより高真空にすると、エッチング
に必要な十分な密度のプラズマを生成するのが困難にな
るという問題が顕著になってきった。

【００１０】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、被処理基体が収容され
る処理室内を高真空にしても、エッチング等の表面処理
が可能な程度の密度のプラズマを生成できるプラズマ表
面処理装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のプラズマ表面処理装置は、被処理基体が
収容される処理室と、この処理室内に磁場を形成する手
段と、前記処理室内にプラズマ源ガスを供給する手段
と、前記処理室内を排気する手段と、前記処理室内にホ
ロカソード放電を発生させ、このホロカソード放電によ
り前記プラズマ源ガスをプラズマ化する手段と、前記ホ
ロカソード放電とは別の放電により前記プラズマ源ガス
をプラズマ化する手段とを備えたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明によれば、従来のプラズマ表面処理装置
には無いホロカソード放電により高密度のプラズマが生
成され、これが処理室内の磁場等により被処理基体上に
導れるので、処理室内が従来よりも高真空になっても、
プラズマ表面処理に必要な密度のプラズマを被処理基体
に供給できるようになる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００１４】図１は、本発明の第１の実施例に係わるプ
ラズマエッチング装置の概略構成を示す模式図である。

【００１５】図中、１は真空容器を示しており、この真
空容器１の上壁はアノード電極７となっている。このア
ノード電極７の下方には被処理基体３の基板支持台の役
割を兼ねるカソード電極２が対向配置されている。この
カソード電極２はマッチング回路８を介して高周波電源
５に接続されている。ここで、真空容器１、アノード電
極７、カソード電極２はそれぞれアルミニウムで構成さ
れている。また、真空容器１はステンレスで構成しても
良い。

【００１６】真空容器１の側壁には、図２に示すよう
に、ホロカソード放電部としての直径４ｍｍの複数の溝
９が対向するように形成されている。対向する各二つの
溝９は、点線で示されるように、真空容器１の外部に設
けられたダイポールリングマグネット１０により形成さ
れる平行磁界Ｂの方向に対して、垂直方向に僅かにずれ
ている。

【００１７】真空容器１の上部側壁にはプラズマ源ガス
（反応性ガス）を導入するためのガス導入口４が設けら
れ、一方、真空容器１の下部側壁には真空容器１内を真
空にするための真空ポンプ（不図示）に繋がった排気口
６が設けられている。

【００１８】このように構成されたプラズマエッチング
装置によれば、高周波電源５によりカソード電極２に高
周波電圧を印加することにより、アノード電極７とカソ
ード電極２との間で従来通りの通常の放電を発生できる
とともに、溝９で従来に無いホロカソード放電を発生で
きる。

【００１９】この結果、従来通りにプラズマが発生する
他に、溝９で高密度のプラズマが発生する。この高密度
のプラズマは、ダイポールリングマグネット１０により
形成された平行磁界Ｂによって、溝９を起点として平行
磁界Ｂの方向に沿って引き出される。

【００２０】このようにして被処理基体３上に高密度の
プラズマが導きだされ、被処理基体３上に高密度なプラ
ズマ領域１１が形成される。しかも、対向する各二つの
溝９は、上述したように、平行磁界Ｂの方向に対して垂
直方向に僅かにずれており、これによって、プラズマ領
域１１は被処理基体３の面内において均一性の良いもの
となる。

【００２１】以下に高密度のプラズマ領域１１が形成さ
れる機構について更に詳しく説明する。

【００２２】まず、ホロカソード放電によって、高密度
のプラズマが溝９において形成される。この高密度のプ
ラズマは、拡散して溝９から外に出ようとする。しか
し、平行磁界Ｂが存在するために、拡散しようとして
も、プラズマ中の荷電粒子は磁束の回りを回転運動し、
磁束にトラップされる。

【００２３】このため、磁束にトラップされた荷電粒子
は、他の粒子との衝突がない限り、磁束に沿った方向に
しか拡散できなくなる。とりわけ電子は、陽イオンに比
べ質量が小さいため、ラーモア半径が小さくなり、より
効率良く磁束にトラップされる。この結果、溝９を起点
として磁束に沿った向きに、高密度の荷電粒子（特に電
子）を含むプラズマ領域１１が形成される。

【００２４】以上述べたように本実施例によれば、高密
度のプラズマ領域１１を形成できるので、真空容器１内
の高真空化が進んでも、エッチングに必要な密度のプラ
ズマを被処理基体３に供給でき、より微細な素子を形成
できるようになる。

【００２５】なお、本実施例では、円弧状に溝９を配列
したが、図３に示すように、同心円状に溝９を配列して
も良い。このような配列にすることにより、プラズマ処
理の均一性の向上等を目的として磁界方向を回転させる
場合でも、常に高密度で均一なプラズマを連続的に形成
できるようになる。

【００２６】また、図２の複数の溝９を図４に示すよう
に周方向に細長い溝９ａに置き換えても良い。

【００２７】更にまた、図４のように側壁の中央部に溝
９ａを設ける代わりに、図５に示すように、中央部から
ずれた位置に溝９ｂを設けても良い。このような溝９ｂ
を用いることにより、被処理基体３の中心からずれた位
置に高密度のプラズマ領域１１ａを形成できるようにな
る。

【００２８】このようなプラズマ領域１１ａを形成する
ことにより、磁界を回転させなくても、被処理基体３に
供給されるプラズマの均一化を図れる。すなわち、電子
はシースの電界と磁界Ｂとの外積で規定される力を受け
てドリフトし、被処理基体３上の磁界のＥ方向において
プラズマ密度は低下するが、溝９ｂがＥ方向にずれてい
れば、Ｅ方向のプラズマ密度が高くなるので、Ｅ−Ｗ方
向において均一なプラズマを被処理基体３に供給できる
ようになる。

【００２９】また、以下のような方法でもＥ−Ｗ方向の
均一性を改善できる。すなわち、溝９，９ａの電位を真
空容器１のそれと独立に制御するために、例えば、高周
波電源５とは別個の電源を設ける。また、複数の溝９，
９ａの間でも、別個の電源を設けて、電位を独立に制御
することが可能である。

【００３０】このような電源を設けることにより、溝
９，９ａで生じるプラズマの密度を制御でき、磁場を回
転させなくても、Ｅ−Ｗ方向のプラズマの均一性を容易
に改善できるようになる。

【００３１】また、溝９，９ａ，９ｂと被処理基体３と
の間の距離は、処理内容によって適宜変えることが好ま
しい。

【００３２】また、真空容器１の内壁に形成した溝９，
９ａ等をホロカソード放電部として用いたが、その代わ
りに、例えば、ガス導入口４をホロカソード放電部とし
て利用することもできる。

【００３３】また、ホロカソード放電部としての溝部分
の材料として、例えば、電子の放出確率の高い材料を用
いれば、より高密度のプラズマ領域を形成でき、高速処
理が可能となる。例えば、Ｐｔ，Ｗ，Ｓｎ，Ｔａを用い
ることが可能である。

【００３４】また、真空容器１の側壁にホロカソード放
電部（溝）を設けたが、他の部分、例えば、被処理基体
とアノード電極との間にホロカソード放電部を設置し、
被処理基体に対して垂直に磁界を印加する構造としても
良い。

【００３５】また、印加する磁界の向きを制御できるよ
うにすれば、ホロカソード放電部から引き出す高密度の
プラズマの方向性を制御できるようになる。

【００３６】図６は、本発明の第２の実施例に係わるプ
ラズマエッチング装置の概略構成を示す模式図である。

【００３７】なお、図１のプラズマエッチング装置と対
応する部分には図１と同一符号を付してあり、詳細な説
明は省略する。本実施例のプラズマエッチング装置が先
の実施例のそれと異なる点は、溝９ｃが真空容器１の上
壁に設けられ、平行磁界Ｂ（方向が被処理基体３に対し
て垂直な磁界）を湾曲磁界Ｂａに変えるためのマグネッ
ト１０ａと、湾曲磁界Ｂａを湾曲磁界Ｂｂに変えるため
のマグネット１０ｂとが設けられていることにある。

【００３８】このように構成されたプラズマエッチング
装置によれば、溝９ｃで発生した高密度のプラズマは、
湾曲磁界Ｂａ，Ｂｂによって被処理基体３の全面を覆う
程度の大きさに広がり、且つ湾曲磁界Ｂａ，Ｂｂ内に閉
じ込められる。

【００３９】このため、先の実施例と同様に、溝９ｃか
ら引き出される高密度のプラズマによって、被処理基体
３上に高密度のプラズマ領域が形成される。

【００４０】更に、マグネット１０ａ，１０ｂによっ
て、湾曲磁界Ｂａ，Ｂｂの広がりを制御することによ
り、被処理基体３の任意の領域だけに高密度のプラズマ
を照射できるようになる。

【００４１】例えば、被処理基体３がウエハであれば、
マグネット１０ａ，１０ｂによって、湾曲磁界Ｂａ，Ｂ
ｂによって広がる高密度のプラズマの大きさを、ちょう
どウエハ上の１チップの大きさとなるようにすれば、ウ
エハ上の１チップのみをプラズマ処理することができ
る。

【００４２】また、平行磁界Ｂの広がりを変化させるこ
とにより、異なる大きさのチップに対しても対応するこ
とが可能となり、適切な処理を行なうことが可能とな
る。

【００４３】また、マグネット１０ａ，１０ｂを用いな
くても、溝９ｃの位置を可変、若しくは被処理基体３の
位置を可変できるようにすれば、高密度のプラズマを照
射する位置を制御することができる。

【００４４】これにより、例えば、被処理基体３がウエ
ハであれば、１チップの処理毎にウエハの位置を変え、
これを繰り返すことにより、ウエハ上の全チップを処理
できるようになる。

【００４５】また、上記方法を応用すれば、チップ毎に
処理条件を変えることができる。すなわち、従来法の場
合、ウエハ上で一括して処理を行なうので、ウエハ上に
形成された薄膜の膜厚がチップによって異なっている
と、一部の薄膜しか最適な処理がなされない。しかし、
上記方法を利用すれば、チップ毎に異なる膜厚に対し、
最適な条件で処理を行なうことが可能となる。

【００４６】また、チップ毎に大きさや、処理条件が異
なる場合においても、上記方法を用いることにより、細
かく対応することができる。

【００４７】また、上記方法は、１ウエハ上のチップを
処理する場合に限らず、ウエハ間でチップの大きさや処
理条件が異なる場合等にも、対応することが可能であ
る。

【００４８】以上述べたように本実施例によれば、湾曲
磁界Ｂａ，Ｂｂの広がりを制御することにより、ホロカ
ソード放電により発生した高密度のプラズマの照射領域
を制御でき、これによって例えば従来では不可能であっ
たチップ毎の適切な処理を行なえるようになる。

【００４９】また、溝９ｃに交流電圧または直流電圧を
真空容器１とは独立に印加できるようにすることによ
り、溝９ｃにおける電子の放出確率を制御することが可
能となる。これによって、溝９ｃで形成されるプラズマ
の密度を制御でき、被処理基体３の処理条件を細かく制
御することが可能となる。

【００５０】図７は、本発明の第３の実施例に係わるス
パッタリング装置の概略構成を示す模式図である。

【００５１】図中、１３はターゲットを示しており、こ
のターゲット１３と被処理基体３との間には、コリメー
タ１２が設けられている。このコリメータ１２には、図
８に示すように、スパッタ粒子の方向性を揃えるととも
に、ホロカソード放電部としての機能を果たす複数の円
筒状の開口部１４が形成されている。また、磁界がター
ゲット１３に対して垂直な方向に印加されている。

【００５２】このように構成されたスパッタリング装置
によれば、コリメータ１２によって被処理基体３に入射
するスパッタ粒子の方向性を制御できる。

【００５３】更に、コリメータ１２の開口部１４におけ
るホロカソード放電によって生成された高密度のプラズ
マが磁界Ｂにより引き出されてターゲット１３に照射さ
れるので、ターゲット１３のスパッタ効率が大幅に向上
し、成膜速度を速めることができる。

【００５４】以上述べたように本実施例によれば、ホロ
カソード放電を行なえるコリメータ１２を用いることに
より、方向性の良い成膜を高速で行なえるようになる。

【００５５】なお、コリメータ１２のうちホロカソード
放電部の作用を兼ねる部分の材料として、例えば、前述
したような電子の放出確率の高い材料を用いれば、ホロ
カソード放電によって生成されるプラズマの密度をより
高密度のものとすることができる。

【００５６】また、ホロカソード放電部の作用を兼ねる
部分の材料として、ターゲット材料を用いた場合には、
多量の成膜粒子を含んだプラズマを形成することがで
き、これを磁界によって引き出すことにより、より高速
な成膜を行なえるようになる。

【００５７】また、コリメータ１２の印加電圧を制御で
きるようにすれば、ホロカソード放電によって生成され
るプラズマの密度を制御できるようになる。

【００５８】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、真空容器の
内壁にホロカソード放電部としての溝（窪み）を設けた
が、筒状若しくはスリット状の突起を設けても良い。

【００５９】また、ホロカソード放電を発生させるため
に必要な筒状若しくはスリット状の突起或は溝は、独立
に設ける必要はなく、チャンバ側壁、或は上部電極の一
部としてもよい。

【００６０】また、ホロカソード放電部は真空容器の内
壁等を加工して作成したものではなく、大きさや形状等
を変えることができる別個のものであっても良い。この
ようにすれば、処理内容や処理状況に応じて大きさや形
状等を変えることで、適正なホロカソード放電を発生で
きるようになる。

【００６１】また、上記実施例では、エッチング装置、
スパッタリング装置の場合について説明したが、本発明
はプラズマＣＶＤ装置などの他のプラズマを利用した装
置にも適用できる。

【００６２】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。

【００６３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ホ
ロカソード放電により高密度のプラズマを生成できるの
で、処理室内が高真空になっても、プラズマ表面処理に
必要な高密度のプラズマを被処理基体に供給でき、良好
なプラズマ処理を行なえるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わるプラズマエッチ
ング装置の概略構成を示す模式図

【図２】図１のプラズマエッチング装置のホロカソード
放電部（溝）を説明するための平面図

【図３】ホロカソード放電部の変形例を示す平面図

【図４】ホロカソード放電部の他の変形例を示す平面図

【図５】第１の実施例の変形例を説明するための平面図

【図６】本発明の第２の実施例に係わるプラズマエッチ
ング装置の概略構成を示す模式図

【図７】本発明の第３の実施例に係わるスパッタリング
装置の概略構成を示す模式図

【図８】図７のスパッタリング装置のコリメータの平面
図

【図９】従来のマグネトロンＲＩＥ装置の概略構成を示
す模式図

【符号の説明】

１…真空容器 ２…カソード電極 ３…被処理基体 ４…ガス導入口 ５…高周波電源 ６…排気口 ７…アノード電極 ８…マッチング回路 ９…溝 １０…ダイポールリングマグネット １１…プラズマ領域 １２…コリメータ １３…ターゲット １４…開口部

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【手続補正書】

【提出日】平成６年４月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のプラズマ表面処理装置は、被処理基体が
収容される処理室と、前記処理室内に原料ガスを供給す
る手段と、前記処理室内を排気する手段と、前記処理室
内にホロカソード放電を発生させ、このホロカソード放
電により前記原料ガスをプラズマ化する手段と、前記処
理室内に磁場を形成する手段とを備えたことを特徴とす
る。

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/205

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理基体が収容される処理室と、 この処理室内に磁場を形成する手段と、 前記処理室内にプラズマ源ガスを供給する手段と、 前記処理室内を排気する手段と、 前記処理室内にホロカソード放電を発生させ、このホロ
   カソード放電により前記プラズマ源ガスをプラズマ化す
   る手段と、 前記ホロカソード放電とは別の放電により前記プラズマ
   源ガスをプラズマ化する手段とを具備してなることを特
   徴とするプラズマ表面処理装置。