JPH0814026B2 - 高密度プラズマ蒸着およびエッチング装置 - Google Patents

高密度プラズマ蒸着およびエッチング装置

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JPH0814026B2
JPH0814026B2 JP2154989A JP15498990A JPH0814026B2 JP H0814026 B2 JPH0814026 B2 JP H0814026B2 JP 2154989 A JP2154989 A JP 2154989A JP 15498990 A JP15498990 A JP 15498990A JP H0814026 B2 JPH0814026 B2 JP H0814026B2
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antenna
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プラズマ・アンド・マテリアルズ・テクノロジーズ、インコーポレイテッド
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、薄膜を基板上に蒸着させるかまたは膜を基
材から除去（エッチング）するための、プラズマ蒸着ま
たはエッチング法、および種々の装置に関する。
（従来の技術） エッチング プラズマエッチングには、化学的活性原子またはエネ
ルギーイオンの使用により物質を基板から除去すること
が包含される。これは、半導体集積回路の製造において
重要な技術である。しかし、電子サイクロトロン共鳴
（ECR）を利用するマイクロ波プラズマの出現以前は、
従来からのプラズマエッチング技術では、装置充填密度
の増大によって強いられる条件を満足させることが、困
難となっていた。特に、精巧なパターンエッチング（異
方性エッチング）の条件や低損失で高選択性の条件は、
当時ではほとんど満足できないものであった。
蒸着 プラズマ強化・化学蒸着法は、多数の用途において物
質を基板上に蒸着させるのに広範に用いられている技術
である。通常のCVDでは、化学反応は基板の温度により
進行し、ほとんどの反応では高温（800℃以上）であ
る。この基板での必要な高温のため、この方法は、多数
の用途、とくにミクロ電子工学、デイスプレイ、オプテ
ィカル・コーティングなどの用途において使用すること
ができなかった。プラズマの役割りは、化学物質のガス
を分解、活性化し、これにより基板の温度を低下させう
ることである。分解、活性化およびイオン可の速度は、
プラズマ密度に比例する。そのため、できるだけプラズ
マの密度を高くすることが重要である。
スパッタリング スパッタリングも、また硬質膜、化粧膜、ガラス膜な
どの製造等、広範で種々の用途について材料を基板上に
蒸着させる、広範に用いられている方法である。一般
に、プラズマは、スパッター・ターゲット材料において
生成されるが、このスパッター・ターゲットには、約70
0Vの陰電極にバイアスをかける。プラズマイオン類、一
般にはアルゴンは、表面に衝撃を加え、材料をスパッタ
リングし、次いでこれは、中性原子として基板上に輸送
される。反応性ガスは、反応性スパッター蒸着（reacti
ve sputter deposition）と呼ばれる方法で、ホスト基
板においてスパッタリング原子と化学反応するように、
導入できる。速度は、しばしば重要で、そのため、でき
るだけ密度の高いプラズマを生成することが重要であ
る。反応性ガスのイオン化も、また重要で、プラズマを
基板材料の付近で有することにより補助される。また、
スパッタリングは、イオンまたはプラズマガンにより促
進され次いでスパッター・ターゲットに衝撃を加えるイ
オンによってなされる。この場合、ターゲットのバイア
ス電圧は不要である。スパッタリング絶縁材料について
は、RF電圧バイアスを、スパッター・ターゲットに適用
することができる。
従来の方法 現時点では、プラズマ蒸着およびエッチング法とし
て、２つの広範に用いられている方法、平行板反応器お
よびECRプラズマ蒸着システムがある。
平行板反応器（ダイオード） RFダイオードは、蒸着およびエッチングの両方につい
て、広範に使用されている。これは、チャップマン［Ch
apman、「グロー・ディスチャージ・プロセス（Glow Di
scharge Processes）」、ジョン・アンド・サン、1980
年］による書物に詳細に記載されている。これは、RFを
13.56MHzで、一方の電極に容量的に結合すると共に他方
の電極を接地して、使用する。システムの圧力は、代表
的には、１ミリトル〜１トルで、プラズマ密度は、代表
的には1010電子/ccである。蒸着またはエッチングの両
方が生じる速度は、エッチングまたCVD法での蒸着に使
用される、反応性ガスの密度（圧力）とプラズマの密度
に依存する。
エッチングにおいて、放電に必要な高圧は、イオンと
バックグラウンド・ガスとの衝突を引き起こす。これ
は、エッチングイオンまたは原子の通路を無秩序にし、
また非指向的な誘導をもたらし、マスクのアンダーカッ
テイングにつながる。これは、異方性エッチングと呼ば
れる。エッチング原子またはイオンを指向的にさせ、こ
れにより直接的な等方性エッチングを達成できること
が、望ましい。RFダイオード放電に用いられる高圧で
は、等方性エッチングを達成するには、イオンは、高い
エネルギー（1KeV）を有することが必要である。しか
し、イオンの高いエネルギーは、基板、膜材料、ホトレ
ジストなどの損傷をもたらしうる。
プラズマは、カソードのイオン衝撃により放出された
二次電子により保持される。これらの電子は、代表的に
は400〜1000Vのシース横断電圧降下により、加速され
る。この高速電子は、基板に衝撃を与え、これにより、
高い電圧シース降下をもたらす。この高電圧は、イオン
を加速し、基板や膜材料の損傷をもたらす。高い電圧シ
ース降下につながる高エネルギー電子の存在は、望まし
くない。
電子サイクロトロン共鳴プラズマ 2.45GHzのマイクロ波と875ガウスの磁場を用い、電子
サイクロトロン共鳴を利用することの出現により、低圧
で高密度プラズマの生成が可能となった。プラズマエッ
チング用のこの技術の利点は、スズキ［Suzuki、文献
名：マイクロ波プラズマエッチング、34巻、10/11号、1
984年発行］により記載されている。低いガス圧（0.04
〜0.4Pa）および高いプラズマ密度（1.7〜７×1011電子
/cm3）にて高いエッチング速度での等方性エッチングが
達成された。
スズキ（米国特許第4101411号）は、ECRを用いるプラ
ズマエッチング装置を開示し、マツオ（米国特許第4401
054号）は、ECRを用いるプラズマ蒸着装置を記載する。
この技術は、平行板反応器に対し多くの点で望ましい
ものであるが、いくつかの制限がある。必要な磁場が非
常に高く（１〜2KG）、これは、重たく、電力を消費す
る電磁石を使用せねばならないことを意味する。最大密
度は、ある種の形態でのカットオフまたは他の形態での
反射のいずれかにより、１×1012電子/cm3の値に制限さ
れる。マイクロ波の生成・輸送用の電力供給および必要
なハードウエアーについての費用は、高い。均一性（ま
たはプラズマ外形の幅）も、非常に良好ではない。
本発明の目的は、低周波数ホイッスラーを用い、これ
により、前記した方法で可能であったものよりも大きな
密度のプラズマを生成させることである。プラズマ中で
の、ホイッスラー波伝導の物理現象は、以下に説明す
る。
ホイッスラー波 円柱形態では、これらの波は、一般にヘリコン波と呼
ばれる。古典的なヘリコン波は、リーマンおよびトーネ
マンにより調べられ、以下の式により決定される。
∇×Ｅ＝δB/δt,∇×Ｂ＝μ０ ｊ，∇・Ｂ＝０Ｅ ＝ｊ×Ｂ 0/en0,Ez＝ηjz 式中、Ｅは電場、Ｂは磁場、ｊは電流密度、Ｂ ０は真
空磁場、μ０は誘電率、ｅは１つの電子当りの電荷、n0
はプラズマ密度、ηはプラズマの抵抗率、尚、ｚはｚ軸
を示すを意味する。
チェンの導関数によれば、exp（ｉ（ｍ＋kz−wt）形
の摂動が容易にわかり、η＝０である場合、上記式は、
以下のように限定される。
∇２ Ｂ＋α２ Ｂ＝０ ここで、α＝（w/k）（μ0en0/B0） 式中、ｊ＝（α／μ０）・Ｂ、ｗは該波の角周波数、
ｋは波数（２π／λ）、λは波長を意味する。これらの
式は、円柱座標において解くことができ、分散関係式を
得ることができる。
ｍαJm（Ta）＋TkaJ′ｍ（Ta）＝０ 式中、Jmは、第１タイプのベッセル関数、Ｊ′ｍはそ
の独立変数に関する導関数、ａはプラズマの半径、Ｔは
以下の式によって定義される横波の波数である。
T2＝a2−k2 記憶すべき重要なことは、ｍが、Ｂ・exp（ｉ（ｍθ
＋k2z−wt））形の摂動のθ依存性を示すモード数であ
る。尚、k2zは、円柱座標におけるｚ軸方向の波数を無
次元にて示したものである。
J1（Ta）＝０ （ｍ＝０） J1（Ta）＝Tka/2α（J2−J0） （ｍ＝１） これは、簡単な関係式を導く。
［（w/Wc）（Wp2/C2kz2）］２＝１＋（3.83/kg・ａ）２ 式中、ｍ＝０のモードについて、 Wc＝サイクロトロン角周波数 Wp＝プラズマ周波数 Ｃ＝光速 kz＝ｚ軸方向における波数 上記導関数は、所望のモードを励起するためのアンテ
ナの設計方法を知る上で重要である。
理解すべき別の重要なメカニズムは、プラズマによる
波動の減衰である。ボスウエルによる文献によれば、電
子衝突による波動の減衰は、実験的に観察された結果を
説明することができない。しかし、チェンは、ランダウ
の減衰は実験的に観察された大きな減衰については理論
的であったと、決定している。ランダウの減衰は、波動
の相速度とほぼ等しい速度を有するプラズマ粒子によ
る、プラズマの非衝突・波動減衰である。波動によるか
かる粒子の移動では、急速に変動する電場は観察され
ず、したがって、該波動によりエネルギーを有効に変換
することができる。プラズマにおいて、波動よりも速い
電子および波動よりも遅い電子の両方が存在する。しか
し、マックスウエリアンの分布では、速い電子よりも遅
っくりしたものが多く存在し、したがって、逆の場合よ
りも、波動からエネルギーをとる多量の粒子が存在す
る。
ランダウの減衰による減衰速度は、ヘリコン波につい
てチェンにより算出されており（「HELICON WAVE PLASM
A SOURCES Francis F.Chen（ヘリコン波プラズマ源）フ
ランシス チエン著（1987年４月発行）」参照）、以下
のように示すことができる： ここに、ξ＝w/（kzVth） Ｃ＝光速 Wp＝プラズマ周波数 式中、Vthはプラズマ電子の熱速度である。興味深い
ことは、減衰速度のkzの値に対する影響を示すことであ
る。なぜなら、それは、ξの厳格な関数だからである。
例えば、プラズマの密度を1012電子/cm3、電子温度を3e
Vおよび駆動周波数8MHzとすると、衝突減衰速度は0.065
で、ランダウ減衰速度はkz＝0.25cm-1について0.6、kz
＝0.125cm-1について0.0005である。明白であるが、ラ
ンダウ減衰は重要な減衰メカニズムであり、これは、波
数kzに大きく依存する。
ホイッスラー波のアンテナ励起 プラズマ生成用のホイッスラー波を励起するための直
アンテナ構造を選択するに際し、いくつかの重要なファ
クターがある。
ａ） 励起の頻度 ｂ） 波動モード ｃ） RFパワーのプラズマへのカップリング効率 （ａ）励起の頻度 波動の周波数は、Ωｃ＜ｗ＜Wc（Ωｃはイオンサイク
ロトロン周波数、eB0/Mi、Wcは電子サイクロトロン周波
数eB0/M）を満足するようなものとすべきである。尚、
Ｍは電子の質量を示し、Miはイオンの質量を示す。これ
らの波動は、電子サイクロトロン周波数よりも非常に低
いもので作動する低周波の波動である。市販の適用に関
し、別の重要な考慮は、工業標準周波数（例えば、13.5
6MHz）の使用である。次いで、拘束は磁場強度および用
いたガスのタイプにより決定される。
ｂ）波動モード 重要なことは、波動の電場および磁場のモード構造を
理解し、これによりアンテナ配置の設計を最適にし、RF
パワーを波動励起に効率的にカップリングさせることで
ある。前記したように、２つの最も低いモードとしてｍ
＝０とｍ＝１のモードがある。第１図は、波動の電場
（ｍ＝０モード）を示す。この図は、波動の移動方向
（Ｚ）に沿った種々の位置における環状面129上の電場
ベクトル128を示す。波長内では、電場は、純粋な放射
線128または純粋な方位線130とすることができ、１つの
平面131の電場は時計と逆回りである一方、平面132の電
場は半−波長離れ時計方向に回る。この物理現象の図か
ら、このモードを励起する最良の方法は、２つのループ
が半−波長（π/kz）（kzは前記した分散関係式による
ものと同じ）の間隔で離れていることである。第２図
は、波動電場のモード構造（ｍ＝１モード）を示す。図
示するように、Ｚ方向に沿って波動が移動するにつれ
て、電場および磁場ベクトルに対し自然らせんピッチが
存在し、電場ベクトル133は、Ｚ方向であるB0に沿って
移動するにつれて、右手感覚、すなわち時計方向に回転
する。この図面から、このモードを励起する最良の方法
は、らせん形アンテナが２π/kzのらせんピッチ（kzは
前記分散関係式と同じ）を有することである。
ｃ）RFパワーのプラズマへのカップリング効率 プラズマ生成の効率は、RFエネルギーのプラズマへの
カップリングに依存する。前記したように、RFエネルギ
ー減衰の重要なメカニズムは、ランダウ減衰である。ホ
イッスラー波の相速度はw/kz（kzが該分散関係式と同
じ）により示され、プラズマ密度および真空磁場強度に
依存する。理想的には、波動の相速度は、イオン化した
いガスの最大イオン化電位付近とすべきである。ｍ＝０
モードの前記分散関係式から、以下のように示される。
ｎ＝αB0kz（T2＋kz2）1/2 ここに、ｎ＝αB0kz2（Ｔ＜＜kz） すなわち、kzの値がより高ければ、密度がより高くな
る。しかし、波動の相速度は、w/kzで、したがって、kz
の増加は、波動により促進される電子のエネルギーを減
少させる。kzが高すぎると、電子のエネルギーは、イオ
ン化電位以下に低下する。そのため、kzのコントロール
により密度を増加させかつ電子温度をコントロールでき
ることが、重要である。
稠密プラズマ生成用のホイッスラー波のはじめての使
用は、ボスウエル（Boswell）により記載されている。
この刊行物において励起用に用いたタイプのアンテナを
第3a図に示した。このアンテナの形態は、オブチニコフ
（Ovchinnikov）により使用され、前記したものであ
る。このタイプのアンテナは、ｍ＝１モードを、磁場方
向B0と平行に走る導電体134を流れる電流により励起す
る。励起の周波数は8MHzである。10cmプラズマの密度状
態が、特に高密度に必要な高磁場強度において完全にピ
ークであることが、判明した。
これらの刊行物において、RFエネルギーのプラズマへ
の効率的なカップリングのメカニズムは、説明すること
ができない。チェンは、オーストラリアン・ナショナル
ユニバーシティ・レポート（Australian National Univ
ersity repart）で、そのメカニズムをランダウ減衰と
して説明している。
チェンは、1988年８月に提出の文献で、ホイッスラー
波を用いてアドバンスド・アクセレーターに使用される
稠密プラズマを生成するための装置を開示する。この装
置に使用のタイプのアンテナは、ボスウエルが使用のも
のと、それがｍ＝１モードを励起する点で同じであり、
ナゴヤタイプIIIアンテナとして知られたタイプであ
る。このタイプのアンテナは、ワタリ（Watari（78））
の文献に説明されており、第3b図に示した。励起の周波
数は30MHzである。
（発明の概要） 本発明は、ホイッスラー波の利用により、プラズマエ
ッチング、蒸着およびスパッタリング装置に使用される
高密度のプラズマを生成することからなる。プラズマの
効率的な生成は、用いられるアンテナの形態に大きく依
存する。本発明には、ｍ＝０およびｍ＝１モードを励起
し、また励起した波動の波数をコントロールするように
設計した２つの新規なアンテナ形態が包含される。これ
は、所定の入力電力に対し密度を最大にし、かつプラズ
マ中の電子の平均エネルギーまたは電子温度についてコ
ントロールする点で、重要なことが証明された。また、
本発明者らによれば、ｍ＝０のアンテナは、従来からの
設計よりもより均一なプラズマが得られ、かつｍ＝１ア
ンテナのらせんピッチは、他のアンテナと比較して効率
を改善できることが、判明した。多数のエッチングおよ
び蒸着用途における使用に関し、均一なプラズマは重要
である。本発明では、１つまたは多数のプラズマ発生器
を、四方形の磁性バケットと共に用い、四方形基板の被
覆またはエッチング用の大きな四方形域全体に対し均一
な密度が得られる。本発明は磁場の拡大により、大きな
面積全体にわたる蒸着またはエッチングが可能である。
本発明は、直線形態の使用により、大きな基板を被覆ま
たはエッチングすることができる。また、本発明は、プ
ラズマ発生器を、高効率、高イオン電流イオン源として
の静電グリッドと共に使用する。本発明は、プラズマ発
生器を、材料の基板上へのスパッター蒸着用のスパッタ
ー・ターゲットと共に用いる。
（図面の簡単な説明） 第１図は、ｍ＝０モードの電磁波電場ベクトルの斜視
図、第２図は、ｍ＝１モードの電磁波電場ベクトルの斜
視図、第3a図は、従来のアンテナ装置の斜視図、第3b図
は、従来のアンテナ装置のRF電流を示す模式図、第４図
は、本発明の原理（ｍ＝０モード）によりつくられたア
ンテナの操作およびRF電流の原理を示す模式図、第５図
は、本発明の原理によりつくられたアンテナの斜視図で
あり、ｍ＝１モードの励起に用いられる第２形態の操作
原理およびRF電流を示す。第６図は、本発明の原理によ
りつくられたプラズマ蒸着装置またはエッチング装置の
基本的形態を示す模式図、第７図は、第４図に記載のア
ンテナを用い、第６図に示した本発明の磁場強度に対す
るプラズマ密度の関係を示すグラフ、第８図は第４図に
記載のループの分離に対するプラズマ密度の関係を示す
グラフ、第９図は、均一条件が重要な大きな環状域全体
にわたりプラズマ蒸着またはエッチングするために使用
される本発明の第２具体例を示す模式図、第9A図は、第
９図のラインＡ−Ａに沿った断面図、第10図は、均一が
重要な大きな四方形域全体にわたり蒸着またはエッチン
グするための本発明の第３具体例を示す斜視図、第10A
図は、第10図のラインＡ−Ａに沿った断面図、第11図
は、大きな面積の蒸着またはエッチング用の本発明の第
４具体例を示す模式図、第12図はイオンビーム生成用の
本発明の第４具体例、第13図は、スパッター蒸着用の本
発明の具体例の第６具体例を示す模式図、第14図は均一
性が重要な大きな面積の基材全体にわたるスパッター蒸
着用の本発明の第７具体例を示す側面図、第15図は、プ
ラズマ発生器をマグネトロンと共に使用するスパッター
蒸着用の本発明の第８具体例を示す側面図、第16図は、
スパッター蒸着用の本発明の第９具体例を示す模式図で
ある。
（好ましい具体例の記載） 本発明の第１原理の構造は、第４図に示すアンテナ形
態である。RF電流は、２つの循環ループを介し、一方の
ループの該電流が時計方向でもって通過するのに対し他
方のループの電流が反・時計方向でもって通過するよう
な方法で、通電する。これは、内部電極３と接地した他
の電極４の間にRF電圧を印加すること、および２つのル
ープを連結させるための導電体５を用いることにより、
達成される。ループ間の距離Ｌは、以下の分散関係式に
よって示されるようにプラズマ状態をマッチングさせる
べく調節する： ［（w/Wc）（Wp2/C2kz2）］２＝１＋（3.83/kz・ａ）２ Ｃ＝光速 また、Ｌ＝π/kz RF電圧は、RF電力供給源７から50オームのケーブル８
を介しマッチング・ボックス９に印加するが、これは、
２つの可変真空キャパシター10と11からなり、これら
は、アンテナの負荷を50オームに近づけてレフレックス
パワーを最小にするように同調される。
第５図は、アンテナの第２配置を示す。この配置で
は、RF電流路は、電流が２つのらせん形通路12と13を流
れるように、変形される。
第６図は、本発明のプラズマ蒸着またはエッチング装
置の基本形態を示す。プラズマ発生チャンバー14は円柱
形で、石英またはパイレックスのような非導電性材料か
らなる。アンテナ15は図示するように載置され、４図ま
たは５図に記載のようなタイプのものとできる。軸方向
の磁場は、磁場コイル16と17で形成される。プラズマ
は、磁場により別のプロセスチャンバー18に輸送し、プ
ラズマの形状は、磁場コイル19の電流の調節によりコン
トロールすることができる。被覆またはエッチングされ
る基板20は、電気的に分離される基板ホルダー21にのせ
る。基板20を攻撃するプラズマにより、該基板20は10〜
20Vの負の自己バイアスに達する。形成されるある種の
膜については、該膜を、それらが自己バイアスにより得
られるよりも大きなエネルギーのイオンにより攻撃する
ことが有利である。上記膜として、具体的には例えば半
導体プロセスにおけるエピタキシャル層が相当する。こ
の場合、RF電力を第2RF源23から第２マッチング回路24
を介し適用することが必要である。基材ホルダー21は、
銅製ブロックであり、これは、加熱／冷却回路22によ
り、冷却または加熱される。ガスは、２つの位置25と26
に注入する。25は、プラズマ発生チャンバー14に連結さ
れたステンレス・スチール・チューブである。26は、ス
テンレス・スチール・リングで、その直径は、該リング
周囲に等間隔で配置されるホルダー27の径よりも大き
い。この配置は、均一なガス流を基板20に向けさせるよ
なものである。このマッチング回路は、プラズマ内にカ
ップリングさせるパワーを最大にしかつ50オームのケー
ブル29に沿ってRF電力供給源30まで反射して戻るパワー
を最小にするのに、必要である。
この基本形態を用いることにより、1/1013cm3までの
プラズマ密度を生成することができる。７図は、プラズ
マ密度を磁場の関数として示す。この実験では、４図記
載のアンテナを用いた。この場合に励起したモードはｍ
＝０モードである。プラズマ発生器の直径は10cmで、コ
イルの間隔は15cmである。RFは周波数13.56MHzで、市販
のRF電力供給源を用い、マッチングボックスを介して供
給する（４図参照）。この実験で用いたガスはアルゴン
で、圧力は1.5ミリトル（mTorr）である。反射パワー
は、供給電力2.4KWの１％以下に同調した。
波数ｋをコントロールするには、ループ間の間隔が重
要なことが証明された。８図は、所定のRF電力、磁場お
よび圧力に関する。ループ間隔のプラズマ密度依存性を
示す。圧力は２ミリトルで、磁場は650ガウスで、RF電
力は2.75KWである。この実施例では、最適なループ間隔
は約125mmであった。
９図は、大面積について高度な均一性が必要な装置を
示す。プラズマ発生チャンバー31は、円柱形で、石英や
パイレックスのような非導電性材料からなる。アンテナ
32は、図示のごとく載置され、４または５図記載のよう
なタイプとできる。軸方向の磁場は、磁気コイル33と34
で形成する。プラズマは磁場により磁気バケット・チャ
ンバー35に輸送する。
アール、ライムペーチャーおよびケイ・アール、マッ
ケンジー［R.Limpaecher and K.R.Mackenzie、レブ・ス
イック・インストラム（Rev.Sci.Instrum.）、44726
号、1973年］の文献は、マルチカスプ装置における磁気
の使用は、該磁気により閉じ込められた容量の中央域に
おいて非常に均一なプラズマパラメーターが得られる
旨、開示する。円柱体周囲の磁気の装置は、イオン源に
用いられる装置と共通であり、磁気バケットと呼ばれ
る。磁場は、コイル34により得られる軸方向の磁場とバ
ケットの磁場の間で良好なマッチングが得られるように
設計することが重要である。発生器からのプラズマは、
磁場ラインに沿って拡散、伸張して、バケットを満たす
磁気バケット・チャンバー35は、ステンレス・スチール
製で、例えば環状または四辺形断面とすることができ
る。いずれの場合も、バケットの寸法は、プラズマ発生
器の直径よりも大きい。バケット内の磁場は、永久磁石
によって得られ、これらは、バケット・チャンバー表面
に対し垂直な極を有するように配置され、Ｎ（北）極と
Ｓ（南）極は交互に変わる。この装置では、磁場ライン
37はマルチカスプ・パターンに従い、中央域の磁場は非
常に低い。磁石によって得られる磁場パターンは、ライ
ンＡ−Ａで示す。被覆またはエッチングされる基板38
は、基板ホルダー39に載置する。基板ホルダーは、加熱
／冷却回路40により冷却または加熱される銅製ブロック
である。ガスは、２つの位置41と42に注入する。43は、
プラズマ生成チャンバー31に連結されたステンレス・ス
チール・チューブである。ステンレス・スチール・リン
グ44は、該リング44周囲に等しく配置されたホール45の
孔よりも大きい直径を有する。この装置は、均一なガス
流を基板38に向けさせるようなものとする。RF電圧は、
４図に示すような２つの真空キャパシター10と11からな
るマッチング回路46の手段を介し、アンテナ32に適用す
る。このマッチング回路は、電力プラズマ内へのカップ
リングの最大化と、該電力の、50オームのケーブル47を
介するRF電力供給源48までの反射の最小化に、必要であ
る。
10図は、大きな四辺形域にわたる高度な均一性が必要
な場合（例えばディスプレイの被覆の場合）の装置であ
る。プラズマ発生器は前記したタイプで、この装置で
は、多数の発生器を必要なプラズマの寸法に応じ使用す
ることができる。10図では、３つのプラズマ発生器49、
50と51を示す。各プラズマ生成チャンバーは、円柱形
で、石英またはパイレックスのような非導電性材料から
つくられる。各発生器に用いられるアンテナ52、53と54
は、４または５図に示したタイプである。軸方向の磁場
は、磁場コイルイ55、56、57、58、59と60により得られ
る。プラズマは、四辺形磁気バケット・チャンバー61に
磁場により輸送される。プラズマは、磁場ラインに沿っ
て拡散し、伸張してバケットを満たす。バケット・チャ
ンバー61内の磁場は、バケット・チャンバーの表面と垂
直の極を有するように配置された永久磁石により得ら
れ、これらＮ極とＳ極は交互に変化する。磁石によって
得られる磁場パターンは、ラインＡ−Ａで示す。被覆ま
たはエッチングされる基板63は、電気的に分離された基
板ホルダー64に載置する。基板を攻撃するプラズマによ
り、該基板は、10〜30Vの負の自己バイアスに達する。
形成されるある種の膜に関し、ある種のエッチング適用
では、基板63は、活動的なイオンで攻撃することが有利
である。この場合、RF電力を第2RF電力供給源から第２
マッチング回路を介し基板ホルダー64に適用せねばなら
ない。基板ホルダー64は、銅製で、加熱／冷却回路65で
冷却または加熱する。
11図は、大面積基板のエッチングまたは被覆に適した
本発明の別の具体例である。２つのプラズマ発生器66と
67は、円柱状プロセス・チャンバー68の各端部において
共通の軸に沿って載置する。各プラズマ発生器は、前記
と同じで、４または５図のアンテナを使用できる。磁場
コイル69、70と71は、プロセス・チェンバー68の軸に沿
った均一な軸方向磁場を形成する。各発生器内の生成プ
ラズマは、磁場ラインに沿って拡散するが、プラズマ電
子の高い移動度のため、密度は、プロセス・チェンバー
の長さに沿って均一となる。プロセス・チェンバーのプ
ラズマの寸法は、磁場コイル69、70と71の電流を変化さ
せることにより該プロセス・チェンバーの磁場を調節す
ることで、コントロールまたは変化させることができ
る。プロセス・チェンバー内の磁場を発生器内よりも弱
めると、プラズマ72は、膨張し、発生器よりもプロセス
・チェンバーの方が大きい直径を有することができる。
基板73は、基板ホルダー上に載置し、プロセス・チェン
バーの円周の周囲に位置する。
12図は、本発明の別の具体例である。プラズマ発生器
チャンバー74は、円柱形で、石英またはパイレックスの
ような非導電性材料からつくられる。アンテナ75は、図
示のごとく載置し、４または５図のタイプのものとでき
る。軸方向磁場は、磁場コイル76と77で得られる。プラ
ズマは、磁場により磁気バケット・チャンバー78に輸送
する。磁場は、コイル77により得られる軸方向の磁場と
バケットの磁場の間で良好なマッチングが得られるよう
に設計することが重要である。発生器からのプラズマ
は、磁場ラインに沿って拡散、膨張してバケットを満た
す。磁気バケット・チャンバー78は、ステンレス・スチ
ールからつくられ、環状または四辺形断面とできる。い
ずれの場合も、バケットの直径は、プラズマ発生器の直
径よりも大きい。バケット内の磁場は、Ｎ極とＳ極が交
互に変わる該バケットの表面に垂直な極となるように、
配置する。この装置では、磁場ライン80は、マルチカス
プ・パターンに従い、中央域の磁場強度は、非常に低
い。一連の電極81、82および83は、イオンビームの磁気
バケットのプラズマからの抽出に使用される。各電極
は、絶縁体84、85と86により電気的に分離される。
13図は、基板上にスパッター蒸着するのに適した本発
明の別の具体例である。プラズマ発生器87は、プロセス
・チェンバー95の側面に載置する。プラズマ発生器は、
前記と同じで、４または５図のようなアンテナ98を使用
できる。磁場コイル88と89により、発生器内の軸方向磁
場を得る。磁場コイル90と91は、コイル88と89にマッチ
ングされるプロセス・チェンバー95内の軸方向磁場を形
成する。プラズマ93は、スパッタリング用の負電圧にバ
イアスすることができるスパッター・ターゲット92への
プラズマ発生器87からの磁場ラインに従う。プラズマ
は、磁場コイル99と、コイル90および91の協働作用によ
り、ターゲット92に適合する。材料は、ターゲット92か
ら、電力源100からの負電圧を該ターゲットにかけてス
パッタリングし、次いで基板94に蒸着させる。電力供給
源100は、金属ターゲット用のDCまたは誘電体用のRFと
できる。バッフル96は、ガス流量のコントロール用に導
入できる。各蒸着プロセスにおいて、各ガスは、別々の
ガス注入システムを介し97により導入することができ
る。
14図は、本発明のRFプラズマ発生システムをスパッタ
ー・ターゲットと共に用いるのに適した、本発明の別の
具体例を示す。プラズマ発生器101、そのアンテナ102、
その磁場コイル105と106は、前記と同じであるが、プラ
ズマ発生システムは、10図に記載のように、１またはそ
れ以上である。プラズマ生成チャンバーは、円柱形で、
石英またはパイレックスのような非導電性材料からつく
られる。アンテナは、４または５図に記載のタイプとで
きる。プラズマは、磁場に沿って磁気バケット・プロセ
ス・チェンバー105内に輸送するが、チャンバー105は、
ステンレス・スチール製で、10図に記載のように環状ま
たは四辺形とできる。磁場は、コイル104により得られ
る軸方向の磁場とバケットの磁場の間に良好なマッチン
グが得られるように設計することが重要である。いずれ
の場合も、バケットの直径はプラズマ発生器の直径より
も大きいものとする。バケット内の磁場は、Ｎ極とＳ極
が交互に変わるバケット・チャンバー面と垂直な極でも
って配置する。磁気バケット・チャンバー内には、基板
ホルダー108上に載置された基板107が位置する。プラズ
マは、バケットを実質的に均一に満たし、反応性ガスの
ような他のガスは、109においてリング110により導入す
ることができる。また、バケット内には、環状または四
辺形スパッター・ターゲット111が位置する。バイアス
電圧をターゲットに印加する場合、バケットのプラズマ
からのイオンは、ターゲットに適用した電圧と等しいエ
ネルギーで、ターゲットを攻撃する。スパッター材料
は、該材料が109から導入したガスおよび／またはプラ
ズマ発生器112からのガスと反応する基板197に蒸着す
る。
15図は、14図の具体例と実質的に同様な本発明の別の
具体例を示す。ただし、14図のスパッター・ターゲット
111は、15図のマグネトロン・スパッター・ターゲット1
13と置換した。プラズマ発生器114から出るプラズマ
は、磁気バケット・プロセス・チャンバー115内に入
り、該チャンバーを満たす。スパッター・ターゲット11
3は、環状または四辺形とでき、また水平または角度を
つけることができる。バイアス電圧をかけた場合、スパ
ッターリングは、ターゲットで増大し、スパッターリン
グした材料は、基板115に蒸着する。15図における全て
残りのシステムは、14図に表示したものと同じである。
16図は、本発明の別の具体例である。プラズマ発生器
チャンバーは、円柱形で、石英またはパイレックスのよ
うな非導電性材料からなる、アンテナ117は、前記と同
じで、４または５図に記載のタイプとできる。軸方向の
磁場は、磁場コイル118、119、120および121により得ら
れる。プラズマ124は、プラズマ発生器からプロセス・
チェンバー122に輸送し、磁場に沿って高い負電圧を
（約700V）にバイアスしたスパッター・ターゲット81に
流れる。プラズマの直径は、磁場のコントロールにより
ターゲットの直径と適合するようなものとする。ターゲ
ットからスパッターリングした材料は、基板125に蒸着
する。バッフル126は、基板付近のガス圧をコントロー
ルするのに用い、他のガスは、基板付近に出口127を介
し導入することができる。基板は、基板ホルダー上に載
置し、スパッター・ターゲット上方に位置する。基板ホ
ルダーは、プラズマを磁場に沿ってプラズマ発生器から
スパッター・ターゲットに適合させるようなホールを有
する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ｍ＝０モードの電磁波電場ベクトルの斜視
図、第２図は、ｍ＝１モードの電磁波電場ベクトルの斜
視図、第3a図は、従来のアンテナ装置の斜視図、第3b図
は、従来のアンテナ装置のRF電流を示す模式図、第４図
は、本発明の原理（ｍ＝０モード）によりつくられたア
ンテナの操作およびRF電流の原理を示す模式図、第５図
は、本発明の原理によりつくられたアンテナの斜視図で
あり、ｍ＝１モードの励起に用いられる第２形態の操作
原理およびRF電流を示す。第６図は、本発明の原理によ
りつくられたプラズマ蒸着装置またはエッチング装置の
基本的形態を示す模式図、第７図は、第４図に記載のア
ンテナを用い、第６図に示した本発明の磁場強度に対す
るプラズマ密度の関係を示すグラフ、第８図は第４図に
記載のループの分離に対するプラズマ密度の関係を示す
グラフ、第９図は、均一条件が重要な大きな環状域全体
にわたりプラズマ蒸着またはエッチングするために使用
される本発明の第２具体例を示す模式図、第9A図は、第
９図のラインＡ−Ａに沿った断面図、第10図は、均一が
重要な四方形域全体にわたり蒸着またはエッチングする
ための本発明の第３具体例を示す斜視図、第10A図は、
第10図のラインＡ−Ａに沿った断面図、第11図は、大き
な面積の蒸着またはエッチング用の本発明の第４具体例
を示す模式図、第12図はイオンビーム生成用の本発明の
第４具体例、第13図は、スパッター蒸着用の本発明の具
体例の第６具体例を示す模式図、第14図は均一性が重要
な大きな面積の基材全体にわたるスパッター蒸着用の本
発明の第７具体例を示す側面図、第15図は、プラズマ発
生器をマグネトロンと共に使用するスパッター蒸着用の
本発明の第８具体例を示す側面図、第16図は、スパッタ
ー蒸着用の本発明の第９具体例を示す模式図である。 図面中、主な符号はつぎのものを意味する。 ケーブル:8、マッチング・ボックス:9、可変真空キャパ
シター:10および11、らせん形通路:12および13、プラズ
マ発生チャンバー:14、アンテナ:15、磁場コイル:16お
よび17、プロセスチャンバー:18、磁場コイル:19、基
板:20、基板ホルダー:21、加熱／冷却回路:22、RF源:2
3、マッチング回路:24、位置:25と26、ホルダー:27、ケ
ーブル:29、RF電力供給源:30、プラズマ発生チャンバ
ー:31、アンテナ:32、磁気コイル:33と34、磁気バケッ
ト・チャンバー:35、磁場ライン:37、基板:38、基板ホ
ルダー:39、加熱／冷却回路:40、位置:41と42、ステン
レス・スチール・リング:44、ホールド:45、マッチング
回路:46、ケーブル:47、プラズマ発生器:49、50と51、
アンテナ52、53と54、磁場コイル:55、56、57、58、59
と60、磁気バケット・チャンバー:61、基板:63、基板ホ
ルダー64、加熱／冷却回路:65、プラズマ発生器:66と6
7、プロセス・チャンバー:68、磁場コイル:69、70と7
1、プラズマ:72、プラズマ発生器チャンバー:74、アン
テナ:75、磁場コイル:76と77、磁気バケット・チャンバ
ー:78、磁場ライン:80、電極:81、82および83、絶縁体:
84、85と86、プラズマ発生器:87、プロセス・チェンバ
ー:95、アンテナ:98、磁場コイル:99、電力供給源:10
0、プラズマ発生器:101、アンテナ:102、磁場コイル:10
5と106、基板:107、基板ホルダー:108、リング:110、ス
パッター・ターゲット:111、マグネトロン・スパッター
・ターゲット:113、プラズマ発生器:114、磁気バケット
・プロセス・チャンバー:115、アンテナ:117、磁場コイ
ル:118、119、120および121、プラズマ:124、基板:12
5、バッフル:126、出口:127
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０５Ｈ 1/46 9216−2Ｇ (72)発明者 ショウジ タツオ 愛知県名古屋市瑞穂区陽明町105番 (56)参考文献 特表 昭62−502786（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガスをプラズマ発生器チャンバー内に導入
    して、上記プラズマ発生器チャンバーを取り囲むアンテ
    ナにより形成したRF電場および磁場コイルにより形成し
    た軸方向の磁場の作用によって上記ガスをプラズマに変
    換し、次いで得られたプラズマを、該磁場に沿って別の
    プロセス・チャンバー内へ次いで基体上に輸送し、ここ
    において、膜を形成するかまたは存在する膜をエッチン
    グして取り去るプラズマ蒸着またはエッチング装置にお
    いて、 上記アンテナに電磁波エネルギーを、上記アンテナの実
    質的に平面の第１循環ループ内で第１角度方向に流す手
    段と、 上記アンテナに上記電磁波エネルギーを、上記アンテナ
    の実質的に平面の第２循環ループ内で上記第１角度方向
    と反対の第２角度方向に流す手段と、 をさらに備え、上記アンテナの上記第１循環ループは上
    記アンテナの上記第２循環ループに実質的に平行であ
    り、上記アンテナの上記第１及び第２循環ループは上記
    プラズマ発生器チャンバーの長手方向軸に垂直であり、
    上記アンテナの上記第１循環ループは上記アンテナの上
    記第２循環ループから距離Ｌ離れ、上記Ｌはπ/kzにて
    定義され,kzは以下の式を満足するように定義される、
    プラズマ蒸着またはエッチング装置： ［（w/Wc）（Wp2/C2kz2）］２＝１＋（3.83/kz・ａ）２ ここで、w:角周波数、Wc:サイクロトロン角周波数、 Wp:プラズマ周波数、C:光速、kz:z軸方向における波
    数、 a:プラズマ半径。
  2. 【請求項２】RFパワーを上記アンテナに適用するための
    手段と、 上記プラズマ発生器チャンバーに連結し真空ポンプで排
    気し基体・載置用の電気的に絶縁された基体ホルダーを
    収納する、プロセス・チャンバーと、 ガスを上記プロセス・チャンバー内に放出するためのガ
    ス注入装置と、 上記プラズマ発生器チャンバーの軸方向磁場を形成する
    ための磁気コイル手段、および該発生器チャンバーのプ
    ラズマを上記プロセス・チャンバー内へ次いで上記基体
    に輸送するための付加的な磁気コイルと、 をさらに備えた、請求項１記載のプラズマ蒸着またはエ
    ッチング装置。
  3. 【請求項３】上記プラズマ発生器チャンバーに隣接して
    プラズマからイオンを抽出するためのイオン抽出電極を
    備えた、請求項１記載のプラズマ蒸着またはエッチング
    装置。
  4. 【請求項４】流体を上記プラズマ発生器チャンバー内に
    導入し、これによりプラズマを上記プラズマ発生器チャ
    ンバー内で生成する第１流体インゼクターと、 上記軸方向の磁場を形成する磁場発生器と、 上記磁場によりプラズマを輸送するプロセス・チャンバ
    ーと、 流体を上記プロセス・チャンバーに導入する第２流体イ
    ンゼクターと、 上記磁場発生器の電流をコントロールし、これによりプ
    ラズマの形状をコントロールする電流コントローラー
    と、 プロセス・チャンバー内に位置する基体ホルダーと、お
    よび 上記基体ホルダー上に載置され、これにより該基体はプ
    ラズマにさらされる基体と、 をさらに備えた、請求項１記載のプラズマ蒸着またはエ
    ッチング装置。
  5. 【請求項５】（ａ）プラズマ発生器チャンバーを取り囲
    むアンテナから電磁波エネルギーを上記プラズマ発生器
    チャンバー内へ照射し、 （ｂ）上記アンテナに電磁波エネルギーを、上記アンテ
    ナの実質的に平面の第１循環ループ内で第１角度方向に
    流し、 （ｃ）上記アンテナに上記電磁波エネルギーを、上記ア
    ンテナの実質的に平面の第２循環ループ内で上記第１角
    度方向と反対の第２角度方向に流し、ここで上記アンテ
    ナの上記第１循環ループは上記アンテナの上記第２循環
    ループに実質的に平行であり、上記アンテナの上記第１
    及び第２循環ループは上記プラズマ発生器チャンバーの
    長手方向軸に垂直であり、上記アンテナの上記第１循環
    ループは上記アンテナの上記第２循環ループから距離Ｌ
    離れ、上記Ｌはπ/kzにて定義され,kzは以下の式を満足
    するように定義され、 ［（w/Wc）（Wp2/C2kz2）］２＝１＋（3.83/kz・ａ）２ ここで、w:角周波数、Wc:サイクロトロン角周波数、 Wp:プラズマ周波数、C:光速、kz:z軸方向における波
    数、 a:プラズマ半径、 （ｄ）第１ガスを照射プラズマ発生器チャンバー内に注
    入し、これによりプラズマを生成し、 （ｅ）可変磁場をプラズマ発生器チャンバー付近に生成
    し、該可変磁場によりプラズマを操作し、 （ｆ）得られたプラズマを隣接プロセス・チャンバーに
    輸送し、 （ｇ）第２ガスをプロセス・チャンバーに注入し、次い
    で （ｈ）プロセス・チャンバー内の基体をプラズマで攻撃
    し、これにより該プラズマで上記基体を被覆するかまた
    はエッチングする、 工程を備えたプラズマ処理方法。
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