JPH08288096A - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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JPH08288096A
JPH08288096A JP7340682A JP34068295A JPH08288096A JP H08288096 A JPH08288096 A JP H08288096A JP 7340682 A JP7340682 A JP 7340682A JP 34068295 A JP34068295 A JP 34068295A JP H08288096 A JPH08288096 A JP H08288096A
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plasma
electrode
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magnet
processing apparatus
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JP7340682A
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Masakazu Taki
正和 滝
Hiroki Odera
廣樹 大寺
Tatsuo Omori
達夫 大森
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32623—Mechanical discharge control means
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266—Magnetic control means

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大面積にわたって均一なプラズマを形成で
き、大口径の試料を均一に処理できるプラズマ処理装置
を提供する。 【解決手段】 被処理物２が載置される第一の電極３に
対向配置された第二の電極４の大気側に周方向に同一の
極性を有するリング状の永久磁石１１を同心円状に複数
配置する。径方向に隣合う磁石１１の極性が逆になるよ
うに配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はプラズマを利用し
て試料の表面に薄膜を形成したり、試料の表面をエッチ
ングするプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１５(ａ)は例えば特開平２−９４５２
号公報に記載された従来のプラズマ処理装置を示す概略
断面構成図である。図において、１は被エッチング試料
２が載置された第一の電極３、及びこの電極に対向配置
された第二の電極４を備えた真空容器である。真空容器
１内にはガス導入口５からエッチングガスが導入され、
排気口６から排気される。第一の電極３にはマッチング
回路８を介して高周波電源７が接続されている。また、
第二の電極４の大気側には永久磁石９が配置されてい
る。１０は冷却機構、Ｅは電界、Ｂは磁石９により誘起
される磁界の第一の電極３に平行な成分である。
【０００３】次に動作について説明する。ガス導入管か
らプラズマ室の真空容器１にエッチングガスを導入する
と、第一の電極３に印加された高周波電力により、第一
の電極３と第二の電極４間にプラズマが生成される。こ
の図１５(ａ)の装置はマグネトロン放電により低圧力で
も高い電子密度を得ることを狙ったもので、第一の電極
３表面の磁束密度が２００Ｇ程度になるように設定され
ている。このとき、シース領域（プラズマが第一の電極
３に接するところ）では、荷電粒子（電子とイオン）は
シース電場と磁場の影響でサイクロイド運動をしながら
Ｅ×Ｂの方向にドリフトしていく。この結果、電子と中
性粒子（原子、分子）との衝突確率が増加し、電離が促
進されるため低圧力でも高密度のプラズマが生成され、
高いエッチング速度が得られる。また、この場合、永久
磁石９による磁界により、プラズマの損失が低減される
ので高密度プラズマが維持され、試料２がエッチングさ
れる。
【０００４】一方、近年の８インチ、１０インチサイズ
の大口径試料を処理するには、大面積に均一なプラズマ
を生成する必要がある。しかし、従来例として示した図
１５(ａ)の装置構成、永久磁石単体の配置では、第二の
電極４表面での横（電極間に平行）方向の磁束密度は、
図１５(ｂ)の説明図に示すように中心が小さく外に向か
って一様に増大する不均一なものとなり、試料近傍に均
一な強度の磁界を形成することが難しい。そのためプラ
ズマの拡散による均一化作用があるものの均一なプラズ
マを生成することが困難であった。なお、図１５(ｂ)は
直径２００mm高さが５０mmで表面磁束密度が３ｋＧで全
て一様な永久磁石を配設した場合の、磁石から３５mm離
れた第二の電極４表面での横方向の磁場分布を示すグラ
フである。縦軸は横方向の磁場強度：Ｂ⊥(Ｇ)、横軸は
中心からの距離：ｒ(mm)を表している。また、第一の電
極３上に置かれた試料表面の磁場分布も不均一となる。
荷電粒子の運動は磁場分布に大きく影響されるため、磁
場分布の不均一を反映して試料表面に入射する荷電粒子
のフラックスも不均一となる。この結果、試料表面の電
荷密度に分布が現れ、加工したデバイスに損傷を与える
という問題点があった。複数の永久磁石を使用しても隣
合う磁石の極性が同じになるように配置した場合は、磁
場分布は上記のような単一の磁石を配設した場合と同様
に不均一になるため、プラズマの拡散による均一化作用
を斟酌しても、プラズマの均一性は不十分であった。
【０００５】さらに、特開平２−９４５２号公報には図
１６(ａ)の概略断面構成図に示すように棒状の永久磁石
を複数個、隣合う磁石の極性を逆にして配置することが
開示されている。極性を交互に変化させた場合、第二の
電極４表面での横方向磁束密度Ｂ⊥の径方向分布は図１
６(ｂ)の説明図に示すように波形になる。この図からわ
かるようにＢ⊥は径方向に均一ではないが、ピークの位
置は磁石間隔等を変更することによって制御できる。こ
の磁場配位でプラズマを生成すると、磁場の弱い部分へ
も拡散によってプラズマが広がるため均一化することが
でき、磁場のない場合に比べて損失が低減できるため、
高密度で均一なプラズマができる。しかしながら、例え
ば図１６(ａ)に示すように棒状の永久磁石を複数個平行
配置した場合、Ｂ1，Ｂ2の磁界が形成される。そのた
め、試料近傍の(Ａ)の領域では、電界Ｅと磁界Ｂ1 によ
るＥ×Ｂドリフトにより紙面を貫く方向に、(Ｂ)の領域
では電界Ｅと磁界Ｂ2 により、逆の方向にプラズマがド
リフトして遍在することになる。また、第二の電極４表
面のシース部での荷電粒子の動きを考えると、図１７の
説明図に示すようにＥ×Ｂドリフトによって隣合う磁石
間毎にドリフト方向（矢印で示す）が異なり、ドリフト
方向にプラズマ密度の高い部分ができるために、斜線部
で表される場所が高密度となる。このように、平行配置
ではプラズマ密度に不均一が生じ易く、従ってエッチン
グ速度の均一性も悪くなる。このことは平行配置の根元
的な問題点である。
【０００６】図１８は例えば特開昭５１−８８１８２号
公報に記載されたプラズマ発生室と処理室が別になった
従来のプラズマ処理装置を示す概略構成図である。図に
おいて、２１は処理室で、この処理室２１は主バルブ３
１を介して拡散ポンプ３２と補助の回転ポンプ３３によ
り真空排気される。処理室２１の上方にはプラズマ発生
室２２が設けられている。プラズマ発生室２２には対向
電極１８、１９が設置されており、処理室２１との間は
複数個の孔２０を有する対向電極１９を隔壁として分離
されている。ガス導入管１５には原料ガスボンベ３４が
接続されている。
【０００７】次に動作について説明する。ガス導入管１
５からプラズマ発生室２２にエッチングガスを導入する
と、ガスはプラズマ発生室２２から処理室２１を通って
真空ポンプにより排気される。この時プラズマ発生室２
２と処理室２１との間に設けられた孔２０のコンダクタ
ンスにより、プラズマ発生室２２と処理室２１に圧力差
が生じる。従来例に示されている具体的数値によれば、
孔の直径０.１〜０.８mm、孔数７個、排気系の実効排気
速度１０００L／sec、原料ガス流量５０〜１００cc／mi
n の条件で、プラズマ発生室の圧力が１〜５×１０-1To
rrで、処理室圧力が１×１０-3Torr以下に保たれる。次
に対向電極１８、１９に高周波電源１７より高周波電力
を供給すると、プラズマ発生室２２内にプラズマが発生
する。プラズマは孔２０を通過して処理室２１内に設置
されたテーブル２６に載置される試料２をエッチングす
る。このように構成されたプラズマ処理装置において
は、平行平板高周波放電によりプラズマ発生室２２で生
成されるプラズマ密度はせいぜい５×１０8（個／cm3）
から５×１０9（個／cm3）であった。一方、試料２の処
理速度は試料に入射するプラズマ密度にある程度比例す
る。そのため、生成されるプラズマ密度に限りがある
と、高密度プラズマを処理室２１に導くことができず、
高速で試料を処理することが不可能であった。また、平
行平板型の高周波放電が維持されるプラズマ発生室２２
の圧力は ０.１Torr程度であるので、より高真空の雰囲
気で試料の処理ができないという問題点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のプラズマ処理装
置は以上のように構成されており、例えば図１５のよう
に単一の磁石を配設した場合は磁束密度は中心から外方
に一様に増加し、均一な磁場分布を形成することができ
ないため、プラズマ密度に不均一が生じる。また、図１
６のように複数の磁石を極性を交互に変化させ平行に配
設した場合は、隣合う磁石間毎にドリフト方向が異な
り、ドリフト方向にプラズマ密度の高い部分ができ、プ
ラズマ密度に不均一が生じる。そのため、大面積の試料
を均一にエッチングできないという問題点があった。ま
た、図１８のように構成されたプラズマ発生室と処理室
が分離されたプラズマ処理装置においては、プラズマ発
生室で生成されるプラズマ密度が低く、処理室に高密度
プラズマを導くことができず、高速で処理ができない。
また、プラズマ密度を高めようとすると高真空の雰囲気
で試料の処理ができないという問題点があった。
【０００９】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、大面積にわたって均一なプラズ
マを形成でき、大口径の試料を均一に処理できるプラズ
マ処理装置を提供することを目的とする。また、プラズ
マ発生室で生成されるプラズマ密度を高め、高真空雰囲
気で高速処理ができるプラズマ処理装置を提供すること
を第２の目的とするものである。さらに、大面積にわた
って均一で高密度なプラズマを生成し、高真空雰囲気で
大口径試料の均一高速処理ができるプラズマ処理装置を
提供することを第３の目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明のプラズマ処理
装置の第１の構成は、被処理物が載置される第一の電
極、この第一の電極に対向配置された第二の電極、及び
この第二の電極の上記第一の電極と対向する面の背面側
に配設された磁石を備え、上記磁石を周方向に同一の極
性を有するリング状で、かつ径方向に隣合う極性が逆に
なるように同心円状に配置したものである。
【００１１】第２の構成は第１の構成において、磁石が
作る磁場強度を、第二の電極近傍における最大値が１０
０ガウス以上で、第一の電極近傍では２０ガウス以下と
なるようにしたものである。
【００１２】第３の構成は第１または第２の構成におい
て、リング状の磁石の中心部に磁石を配設したものであ
る。
【００１３】第４の構成は第２の構成において、リング
状の磁石の中心部に配設した磁石の表面磁場強度を上記
リング状の磁石の表面磁場強度より大きくしたものであ
る。
【００１４】第５の構成は第１ないし第４の構成のいず
れかにおいて、対向配置される第一、第二電極間で、上
記両電極を包囲する外周部に、最外側に位置するリング
状の磁石と隣合う極が、上記最外側のリング状磁石の極
性と同じになるように磁石を配設したものである。
【００１５】また、第６の構成は、プラズマを生成する
プラズマ発生室と、このプラズマ発生室と複数の孔が開
けられた隔壁板で仕切られ、被処理物が配置される処理
室とを備え、プラズマの生成を高周波電力と磁石の磁場
により行うようにしたものである。
【００１６】第７の構成は第６の構成において、プラズ
マ発生室に隔壁板に対向して配置された電極に高周波電
力を印加し、磁石を上記電極の背面側に、周方向に同一
の極性を有するリング状で、かつ径方向に隣合う極性が
逆になるように同心円状に配置したものである。
【００１７】第８の構成は第７の構成において、隔壁板
に対向配置された電極に第一の高周波電力を、上記隔壁
板に第二の高周波電力を印加するようにしたものであ
る。
【００１８】第９の構成は第６の構成において、隔壁板
に高周波電力を印加し、磁石をプラズマ発生室の上記隔
壁板と対向する位置に、周方向に同一の極性を有するリ
ング状で、かつ径方向に隣合う極性が逆になるように同
心円状に配置したものである。
【００１９】第１０の構成は第６ないし第９の構成のい
ずれかにおいて、プラズマ発生室へのガス供給をパルス
的に行うようにしたものである。
【００２０】第１１の構成は第６ないし第１０の構成の
いずれかにおいて、被処理物が載置されるステージに高
周波電力を印加するようにしたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、この発明のプラズマ処理装
置の実施の形態を、エッチング装置を例に図に基づいて
説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１のプラズ
マエッチング装置の概略構成を上面図とともに示す断面
構成図である。１は処理室であり、被処理物であるエッ
チング試料２を載置した第一の電極３と、第二の電極４
が設置されている。第二の電極４には、エッチングガス
導入口５から導入されたガスを電極間に供給するガス穴
５ａが設けられている。６はガス排気口である。また、
第二の電極４は処理室１に接続され、アース電位になっ
ている。第一の電極３は処理室１とは電気的に絶縁さ
れ、高周波電源７が接続されている。第二の電極４の大
気側にはリング状の永久磁石１１が複数個、この場合３
個、同心円状に配置されている。そして永久磁石１１は
試料の中心に相対する位置に同心があり、各々円周方向
に同一の極性と表面磁場強度を有している。また、磁石
の極性は図に示す上下方向に設定され、隣合う極性は逆
に配置される。永久磁石１１は、ＳｍＣｏ系あるいはＮ
ｄ系のものが使用され、割れや腐食を防止するためニッ
ケルメッキを施したり、樹脂モールドしたものが用いら
れる。また、放電による熱により磁石の特性が変化する
のを防止するため、磁石は冷却して設置するのが望まし
い。
【００２２】さて、上記のように構成されたエッチング
装置においては、ガス導入口５からエッチングガスを導
入すると、ガス穴５ａからガスが導入され、図示しない
排気ポンプにより排気される。この時、第一の電極３に
高周波電源７から高周波電力を印加すると、第二の電極
４間とにプラズマが発生する。そして、従来例と同様に
３個のリング状永久磁石１１が形成する磁場により、プ
ラズマの損失が低減され高密度プラズマが維持される。
また、試料２近傍では、試料２近傍に形成される電界と
磁場によるＥ×Ｂドリフトが生じるが、リング状の永久
磁石１１を同心円状に、隣合う極性が逆になるよう配設
しているので、従来のようなプラズマの遍在は生じな
い。即ち、リング状の永久磁石１１を同心円状に配置し
ているので、試料近傍に形成される磁場の内、試料の口
径に相対する円周方向の磁場成分がなくなり、周方向に
対しては磁場が均一となり、周方向にプラズマが均一に
なる。荷電粒子はドリフトするが、円周方向にドリフト
するため、同じ円周上ではプラズマ密度が均一となる。
プラズマの拡散作用によりプラズマが均一化される。ま
た、リング状の永久磁石１１を径方向に隣合う極性が逆
になるように配置しているので、径方向の磁場分布が波
型となり、プラズマの拡散作用によりプラズマが均一化
される。よって大面積にわたり均一なプラズマが生成さ
れ、均一なエッチングが行われる。なお、波型となる径
方向磁場分布は、リング状の永久磁石１１の表面磁場強
度、配置（間隔）等により、磁場分布の波のピークの高
さや、位置を制御できる。即ち、径方向の磁場強度の差
は磁石の選択、配置等により制御でき、その差をできる
だけ小さくすることにより、プラズマがより均一化でき
る。均一な大口径プラズマを生成することが可能とな
る。磁石配置等を適性化することにより、例えば試料を
駆動する駆動機構等を設けずとも、簡単な装置構成によ
り、ウエハの大口径化にも対応できる。
【００２３】次に、この実施の形態のエッチング装置を
用いて、半導体製造におけるＡｌ配線のエッチングを行
った例について説明する。試料２は６インチの大きさ、
リング状の永久磁石１１の表面磁場強度は３０００ガウ
ス、リング状の永久磁石１１の各々の間隔は５０mm、リ
ング状の永久磁石１１から第一の電極４までの距離は４
０mm、第一の電極３と、第二の電極４間の距離は８０mm
に設定した。エッチングガスとしてＣｌ2／ＢＣｌ3混合
ガスを用い、処理室１の圧力を ５０mTorrに設定してエ
ッチングを行うと、Ａｌのエッチング速度 １０００nm
／min、エッチング速度の均一性（試料全体のエッチン
グ速度に対しての各部分でのずれ、ばらつき）５％が得
られた。
【００２４】また、上記の装置構成と、リング状の永久
磁石１１の表面磁場強度、配置にした場合、第二の電極
４付近では最大値が１００ガウス以上、第一の電極３付
近では２０ガウス以下の磁場強度が形成される。そのた
め、第二の電極４付近では、高磁場によりプラズマの損
失を低減できるので高密度プラズマが維持される。加え
て、試料２付近は低磁場になるので、エッチングダメー
ジが少ない高品質の処理が可能となる。図２のＡｌのエ
ッチング速度と横方向磁場Ｂ⊥との関係を示す特性図に
示すようにエッチング速度は横方向磁場（電極面に平行
な成分）Ｂ⊥の一次関数の形にあらわすことができる。
これは横方向磁場が大きくなると、電極へ向かうプラズ
マの拡散が抑えられるため、電子密度が上昇し、試料
（ウエハ）へのイオンの入射量が増大するためと考えら
れる。上述のようにエッチング速度を大きくするために
はＢ⊥を大きくする必要がある。例えば実用的なエッチ
ング速度である５００nm／min を達成するためにＡｌで
はＢ⊥１００Ｇ以上が必要と考えられる。図２におい
て、縦軸はＡｌのエッチング速度(nm/min)、横軸は磁場
強度(Ｇ)である。特性曲線(ａ)は電極間距離が３７mmの
場合、特性曲線(ｂ)は電極間距離が５７mmの場合のＡｌ
のエッチング速度のＢ⊥依存性を示す。ところが、ウエ
ハ表面付近に強い磁場があると電子やイオンのような荷
電粒子は磁場に影響された運動をするため局所的なチャ
ージアップ現象などが起こり、エッチング時にダメージ
を発生することが知られている。そこで、第一の電極３
付近では低磁場にし、実用的に問題がない２０ガウス以
下まで磁場強度を下げて、エッチングダメージの発生を
防止し、高品質の処理を可能とし、試料に形成されたデ
バイスに対する損傷を防止している。また、永久磁石に
よって磁場を発生しているため、ウエハ上で均一な磁場
を形成するのが困難であり、必然的に不均一な磁場分布
が生じ、磁場強度が大きいとエッチング速度分布に磁場
分布を反映したパターンが現れてしまう。ところが、２
０Ｇ以下と弱い磁場としているため、そのような問題が
生じることもない。
【００２５】図３はこの発明の実施の形態１の他の例の
プラズマエッチング装置の概略構成を上面図とともに示
す断面構成図である。１２は直方体の永久磁石であり、
上記実施の形態１に示したリング状の永久磁石１１にか
えて、第二の電極４の大気側に複数個リング状に配置し
たものを複数環同心円状に配列している。この場合、永
久磁石は、エッチング装置の大きさに合わせて特別に製
作する必要はなく、直方体あるいは円柱で、規格品の安
価な磁石を複数個並べるだけでよい。簡便であり、設計
（仕様）変更等にも速やかに対応できる。
【００２６】さて、上記のように構成されたエッチング
装置においては、直方体の永久磁石１２を複数個リング
状に配置したものを複数同心円状に配列しているので、
試料近傍に形成される磁場の内、試料の口径に相対する
円周方向の磁場成分がほとんどなくなる。従って実施の
形態１に記載したと同様に、プラズマの遍在が少ない均
一なプラズマが生成され、ほぼ実施の形態１と同等のエ
ッチング結果が得られる。なお、磁石の極性は図に示し
た上下方向に限定するものではなく左右方向でもよい。
【００２７】実施の形態２．図４はこの発明の実施の形
態２のプラズマエッチング装置の概略構成を上面図とと
もに示す断面構成図である。実施の形態１と同様に、第
二の電極４の大気側にリング状の永久磁石１１が複数
個、この場合３個、同心円状に配置されており、永久磁
石１１は試料の中心に相対する位置に同心があり、各々
円周方向に同一の極性と表面磁場強度をを有している。
また、磁石の極性は図に示す上下方向に設定され、隣合
う極性は逆になるよう配置されている。この実施の形態
ではさらにリング状の永久磁石１１の中心に円柱の中心
部永久磁石１３が配設されている。そのためガス導入口
５は中心からずらして設けられている。
【００２８】さて、上記のように構成されたこの実施の
形態のエッチング装置においても、実施の形態１と同様
の方法によりエッチングが行われる。この実施の形態の
場合、リング状の永久磁石１１の中心に設置された円柱
の中心部永久磁石１３により、中心付近の磁場強度（磁
場の電極に平行な成分）が増強されるので径方向の磁場
強度がより均一になる。図５はこの実施の形態２のエッ
チング装置における第二の電極４表面での磁場強度の径
方向分布を磁石配置と対応させて実施の形態１の場合と
ともに示した説明図である。リング状の永久磁石１１は
表面磁場強度が３０００ガウスのものを図のように配置
したものを用い測定した。縦軸は第二の電極表面での横
方向磁場強度Ｂ⊥(Ｇ)、横軸は中心からの距離ｒ(mm)で
あり、特性曲線(ａ)は実施の形態１の中心部永久磁石１
３がない場合の磁場分布を、(ｂ)はリング状の永久磁石
１１と同じ表面磁場強度３０００ガウスを持つ円柱の中
心部永久磁石１３を設置した場合の磁場分布を表す。中
心付近で磁場強度が増強され分布が均一化されている。
よって、大面積にわたり均一なプラズマが生成され、均
一なエッチングが行われる。
【００２９】また、特性曲線(ｃ)は中心部永久磁石１３
の表面磁場強度を、リング状の永久磁石１１の表面磁場
強度よりも大きい５０００ガウスとした場合の磁場分布
を、特性曲線(ｄ)は中心部永久磁石１３の表面磁場強度
を７５００ガウスとした場合の磁場分布を表す。中心部
永久磁石１３の表面磁場強度をリング状の永久磁石１１
の表面磁場強度よりも大きくした場合、同じ表面磁場強
度を持つ場合の磁場分布に比べ、より中心付近の磁場強
度が増強された、径方向に均一な磁場が形成される。そ
の結果、より均一なプラズマが生成され、均一なエッチ
ングが行われる。
【００３０】中心部磁石１３とリング状（同心円状）磁
石１１を４０〜５０mm離して配置し、磁石を配置した面
と第二の電極４表面の間隔を３０〜５０mm離して、第二
の電極４表面の磁束密度を１００〜１５０Ｇ程度得よう
とすると、磁石の表面磁束密度としては２〜３ｋＧが必
要となる。このとき、上記のような位置関係で、第二の
電極４表面の中心に近い位置に１００〜１５０Ｇ以上の
ピークができるようにするためには中心部磁石として表
面磁束密度４〜５ｋＧ程度のものが必要である。なお、
現在、容易に入手可能な永久磁石の表面磁束密度の最大
値は５〜６ｋＧ程度である。
【００３１】表１にこの発明の実施の形態の磁石配置
（永久磁石の表面磁場強度と中心からの距離）とエッチ
ング特性の関係を示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】実施の形態３．図６はこの発明の実施の形
態３のプラズマエッチング装置の概略構成を上面図とと
もに示す断面構成図である。１１は実施の形態１に示し
たリング状の永久磁石である。１４は第一、第二電極間
に相当する処理室１の周壁に設けられた棒状の永久磁
石、周壁部磁石であり、壁の回りに１２個設置されてい
る。さて、上記のように構成されたエッチング装置にお
いても、実施の形態１と同様の方法によりエッチングが
行われる。この実施の形態３の場合、電極間で生成され
るプラズマは、処理室１の壁周囲に配置した、周壁部磁
石１４の磁場により、壁方向への損失が低減される。そ
のため高密度のプラズマが電極間の大部分に均一に生成
され、均一なエッチングが行われる。なお、この実施の
形態では周壁部磁石１４の極性を上下方向に設置し、図
に示すように、上記リング状の永久磁石１１の最外部に
設置された磁石に隣接する棒状の周壁部磁石１４の極性
を、リング状の永久磁石１１の最外部に設置された磁石
の極性と同じにしており、さらにプラズマ密度の均一性
が向上するので、均一なエッチングが可能となる。ま
た、棒状の周壁部磁石１４は、図７の同断面構成図に示
すように左右方向に極性をもつ磁石であってもよく、同
様にプラズマの壁方向への損失を低減でき、高密度のプ
ラズマが均一に生成され、均一なエッチングが行える。
【００３４】図８は中心部永久磁石１３、リング状の永
久磁石１１、周壁部磁石１４を配設したエッチング装置
における磁場強度の径方向分布を磁石配置と対応させて
示した説明図である。縦軸は横方向磁場強度Ｂ⊥(Ｇ)、
横軸は中心からの距離ｒ(mm)であり、特性曲線(ａ)は第
二の電極表面での磁場分布、特性曲線(ｂ)は第一の電極
表面での磁場分布を示す。
【００３５】実施の形態４．図９はこの発明の実施の形
態４のプラズマエッチング装置の概略構成を上面図とと
もに示す断面構成図である。７ａは第二の電極４に接続
された第二の高周波電源である。ここでは第一の電極３
に接続された第一の高周波電源７と同一仕様のものが用
いられる。また、第二の電極４は処理室１とは電気的に
絶縁されている。さて、上記のように構成されたエッチ
ング装置においては、実施の形態１と同様の方法により
エッチングが行われる。その場合、第二の電極４に高周
波電力を供給すると、第二の電極４付近の電界と磁場に
よるＥ×Ｂドリフトにより、電離が促進される。その結
果高密度プラズマが形成され、試料の処理速度が向上す
る。
【００３６】さらに、この実施の形態４の他の例につい
て説明する。この例では、第二の電極４に接続された第
二の高周波電源７ａの高周波の周波数を例えば１３．５
６ＭＨｚとし、また第一の電極３に接続された第一の高
周波電源７の、高周波の周波数を可変可能として、例え
ば４００ｋＨｚから２ＭＨｚに設定している。そして、
第一の電極３と第二の電極４に異なる高周波電力を供給
するようにしている。
【００３７】さて、上記のように構成されたエッチング
装置においては、実施の形態１と同様の方法によりエッ
チングが行われるが、この場合は、電極間には次のよう
なプラズマが形成される。即ち、第二の電極４付近で
は、１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給されるので、
第二の電極４付近の電界と磁場によるＥ×Ｂドリフトに
より、電離が促進される。その結果高密度プラズマが生
成される。一方、第一の電極３には高周波周波数が可変
できる第一の高周波電源７が接続されているので、試料
の材質、形状等に対応させて周波数を変化させ、エッチ
ングに最適なプラズマ特性を得ることが出来る。例え
ば、周波数を変化させることにより、エッチング特性を
決定する要因の一つである、試料に入射するイオンエネ
ルギーを制御できる。その結果、高速で制御性の良いエ
ッチングが可能となる。さらに、第二の高周波電源７ａ
も可変にすると、上記イオンエネルギーの他、電子密
度、電子温度などをより広範囲に制御することができ
る。
【００３８】実施の形態５．図１０はこの発明の実施の
形態５のプラズマドライエッチング装置の概略構成を示
す断面構成図である。２１は処理室であり、試料２を載
置したステージ２６が設置されている。２２はプラズマ
発生室であり、エッチングガスはガス導入管１５からプ
ラズマ発生室２２に供給される。２３はプラズマ発生室
２２と処理室２１との間に設けられた、孔２４を有する
隔壁板である。１６は排気口であり、図示しない真空ポ
ンプにより処理室２１を真空排気する。処理室２１はプ
ラズマ発生室２２より高真空に保たれる。２５はプラズ
マ発生室２２の隔壁板２３と対向する位置に設置された
電極であり、高周波電源２７より高周波電力が供給され
る。１１は電極２５の大気側に設置されたリング状の永
久磁石である。２８は電極２５をプラズマ発生室２２壁
から高周波的に絶縁する支持部であり、プラズマ発生室
２２壁および電極２５とは真空封止されている。
【００３９】さて、上記のように構成されたドライエッ
チング装置においては、プラズマ発生室２２に導入され
たエッチングガスは、隔壁板２３の孔２４から処理室２
１を経て、排気口５より排気される。この時プラズマ発
生室２２の電極２５に高周波電力が印加されると、電極
２５近傍に配置した永久磁石１１がつくる磁界と電界に
よるＥ×Ｂドリフトにより電離が促進され高密度プラズ
マが生成される。プラズマ発生室２２で生成されたプラ
ズマは隔壁板２３の孔２４から処理室２１に輸送され、
ステージ２６に載置された試料２をエッチングする。以
下、大口径の試料に対応したエッチングを行う場合につ
いて、その装置構成を具体的な数値を用いて説明する。
プラズマ発生室２２の電極２５の大気側には、実施の形
態１の図１に示すように、リング状の永久磁石１１を３
個同心円状に配置した。これにより、電極２５近傍で
は、電極２５近傍に形成される電界と磁場によるＥ×Ｂ
ドリフトが生じるが、プラズマの遍在は生じない。なぜ
ならば永久磁石をリング状に配置しているので、電極２
５近傍に形成される磁場の内、電極２５の円周方向の磁
場成分が零のためである。よって大面積に均一なプラズ
マ生成が可能となる。次に、リング状の永久磁石１１の
表面磁場強度を３０００ガウス、リング状の永久磁石１
１の各々の間隔を５０mm、リング状の永久磁石１１から
電極２５までの距離を４０mm、電極２５と隔壁板２３間
の距離を８０mmに設定する。また、プラズマ発生室２２
の体積は１０リットル、処理室２１の体積は５０リット
ル、実効真空排気速度は１０００リットル／秒、隔壁板
２３の孔２４の総面積は約７.０cm2に構成する。エッチ
ングガスとして Ｃｌ2ガスを用い、プラズマ発生室の圧
力を５mTorrに設定すると、処理室２１の圧力は約１mTo
rrの雰囲気になる。この状態で放電を行うとプラズマ発
生室２２のプラズマ密度は、５×１０9 （個／cm3）か
ら５×１０10（個／cm3）程度と磁場がないものと比べ
１桁程高密度のものが得られる。また、処理室２１は高
真空に保たれており、微細パターンが形成できる。以上
のように構成したエッチング装置を用いて、半導体製造
におけるゲート回路のポリシリコン材料のエッチングを
行ったところ、６インチの大きさの試料２をエッチング
速度１００nm／min、均一性５％で処理できた。実施の
形態２の図４に示すようにリング状の永久磁石１１の同
心円の中心に円柱状の永久磁石１３を配置することによ
り、さらにエッチング速度の均一性を向上させることが
できる。この場合、円柱状の永久磁石の表面磁場強度
は、リング状の永久磁石の表面磁場強度３０００ガウス
より高く、あるいは低く設定することにより磁場の均一
性を調整できる。その結果均一なプラズマがプラズマ発
生室で生成されるので均一なエッチング行われる。ま
た、上記の装置サイズと、リング状の永久磁石１１の表
面磁場強度を用いると、プラズマ発生室２２で１００ガ
ウス以上、処理室２１のステージ２６近傍で２０ガウス
以下の磁場強度が形成される。その結果、プラズマ発生
室２２の電極２５付近では、高磁場によりプラズマの生
成が促進され高密度プラズマが維持され、加えて試料２
付近は低磁場になるので、高速かつエッチングダメージ
が少ない高品質の処理が可能となる。
【００４０】実施の形態６．図１１はこの発明の実施の
形態６のプラズマエッチング装置の概略を示す断面構成
図である。２３ａはプラズマ発生室２２に設置された隔
壁板であり、高周波的に絶縁された支持部２８ａに固定
されている。隔壁板２３ａには第二の高周波電源２７ａ
から高周波が供給される。１１はプラズマ発生室２２の
隔壁板２３と相対する側に配置したリング状の磁石であ
る。
【００４１】さて、上記のように構成されたエッチング
装置においても、実施の形態５と同様の方法によりエッ
チングが行われる。この場合プラズマ発生室２２内で
は、隔壁板２３ａに印加された高周波により、隔壁板２
３ａの近傍でプラズマの生成が行われる。また、高周波
放電は隔壁板２３ａのプラズマ発生室２２側と処理室２
１側で行われることになるが、プラズマ発生室２２の圧
力が処理室２１に比べて大きいので、処理室２１側での
放電は少ない。さらに、プラズマ発生室２２の隔壁板２
３ａと相対する側に配置した磁石１１により、プラズマ
発生室２２壁へのプラズマの拡散が抑制される。その結
果、隔壁板２３ａ近傍で生成されたプラズマの大部分
は、損なわれることなく速やかに隔壁板２３ａから処理
室２１へ輸送されることになる。その結果、高密度プラ
ズマにより試料２が高速でエッチングされる。
【００４２】実施の形態７．図１２はこの発明の実施の
形態７のプラズマエッチング装置の概略を示す断面構成
図である。プラズマ発生室２２に設置された隔壁板２３
ａは高周波的に絶縁された支持部２８ａに固定され、第
二の高周波電源２７ａから高周波が供給される。プラズ
マ発生室２２の隔壁板２３ａと相対する側に配置され、
高周波的に絶縁された支持部２８に固定された電極２５
には第一の高周波電源２７から高周波が供給される。電
極２５の大気側にはリング状の磁石１１が配設されてい
る。
【００４３】さて、上記のように構成されたエッチング
装置においても、実施の形態５と同様の方法によりエッ
チングが行われる。この場合、プラズマ発生室２２での
プラズマの生成は、第一の高周波電源２７による電界と
電極２５近傍の磁石１１によるＥ×Ｂドリフトにより電
離が促進され、高密度プラズマが生成されるとともに、
第二の高周波が印加された隔壁板２３ａの近傍でも生成
が行われる。その結果、実施の形態５に比べより高密度
のプラズマが生成されるので試料２が高速でエッチング
される。
【００４４】実施の形態８．図１３はこの発明の実施の
形態８のプラズマエッチング装置の概略を示す断面構成
図である。エッチングガスはガス導入管１５から、駆動
装置３０により動作するパルスガス供給手段であるパル
スガスバルブ２９を介して、プラズマ発生室２２に供給
される。
【００４５】さて、上記のように構成されたエッチング
装置においては、実施の形態５と同様の方法によりエッ
チングが行われる。この場合、パルスガスバルブ２９は
駆動装置３０からの信号によりＯＮ、ＯＦＦ動作する。
パルスガスバルブ２９がＯＮ状態で開いている間はガス
が導入され、ＯＦＦ状態で閉じている間はガスの供給が
ストップされる。真空排気能力が一定であれば、パルス
ガスバルブ２９の動作に伴って、プラズマ発生室２２と
処理室２１の圧力が時間的に変化することになる。即
ち、ガスが導入されるとプラズマ発生室２２の圧力は一
時的に上昇し、処理室２１との圧力差が大きくなる。従
って、実施の形態５に示した定常的なガス供給に比べる
と、プラズマ発生室２２と処理室２１との圧力差をより
大きく保つことができる。例えば、実施の形態５に示し
た構成を用いて、エッチングガスの供給をパルス的に行
うと、プラズマ発生室２２の時間平均圧力を５mTorr に
設定した場合、処理室２１の時間平均圧力は約０.５mTo
rrの雰囲気になり、一桁以上の圧力差が得られる。よっ
て、大口径の試料に対応して、大面積のプラズマを処理
室２１に導くために、隔壁板２３の孔２４を大きくし
て、且つ広い範囲に多数設けた場合でも、所定の圧力差
を維持することができる。また、処理室２１の雰囲気を
高真空に維持できるので、プラズマ粒子の衝突、ランダ
ムな動きが少なくなり、方向性の揃った粒子を試料に照
射できる。試料面に垂直な方向成分を有するプラズマに
よる、垂直なエッチングと、マイクロローディング効果
の少ない微細加工が可能となる。
【００４６】実施の形態９．図１４はこの発明の実施の
形態９のプラズマエッチング装置の概略を示す断面構成
図である。２７ｂは処理室２１から高周波的に絶縁され
たステージ２６に接続した第三の高周波電源である。
【００４７】さて、上記のように構成されたエッチング
装置においては、実施の形態５と同様の方法によりエッ
チングが行われる。この場合プラズマ発生室２２で生成
されたプラズマは処理室２１に輸送され、試料２をエッ
チングする。ここで、ステージ２６に高周波が印加され
ると、試料２近傍のプラズマ諸量が変化することにな
る。即ち、試料２に高周波が印加されると、エッチング
特性を決定する要因の一つであるプラズマ中のイオンエ
ネルギーが変化することになる。その結果、ステージ２
６に印加する高周波を変えることにより試料の材質にあ
わせてエッチング特性を最適化することができる。
【００４８】また、上記実施の形態ではエッチング装置
について説明したが、プラズマＣＶＤ装置、プラズマス
パッタ装置、に適用しても同様の効果が得られる。例え
ば、ＣＶＤガスとしてシラン系のＳｉＨ4を導入する
と、ガスが放電により分解されて試 料上にシリコン堆
積膜を形成することができる。
【００４９】
【発明の効果】以上のように、この発明のプラズマ処理
装置の第１の構成によれば、被処理物が載置される第一
の電極と対向配置された第二の電極の背面側に、磁石を
周方向に同一の極性を有するリング状で、かつ径方向に
隣合う極性が逆になるように同心円状に配置したので、
試料近傍に形成される磁場の内、試料の口径に相対する
円周方向の磁場成分がなくなり、周方向に対しては磁場
が均一となり、また径方向の磁場分布が波型となり、磁
場強度の差が小さくなり、径方向の磁場分布も均一化さ
れるため、プラズマが均一化される。大面積にわたり均
一なプラズマを生成することができ、大口径の被処理物
を均一に処理することができる。
【００５０】第２の構成によれば第１の構成において、
磁石が作る磁場強度を第二の電極付近では最大値が１０
０ガウス以上と高磁場としているので、プラズマの損失
を低減でき、高密度プラズマが維持できる。しかも、第
一の電極付近では２０ガウス以下と低磁場としているの
で、エッチングダメージが少ない高品質の処理が可能
で、被処理物に形成されたデバイスに対する損傷を防止
できる。大口径の被処理物を均一、かつ損傷を与えずに
処理できる。
【００５１】第３の構成によれば第１または第２の構成
において、リング状の磁石の中心部に、例えば直方体あ
るいは円柱の磁石を配設したので、リング状の磁石の中
心部分の磁場強度が増強され、径方向の磁場強度がより
均一化される。より均一なプラズマが生成でき、大口径
の被処理物を均一に処理できる。
【００５２】第４の構成によれば第２の構成において、
リング状の磁石の中心部に配設した磁石の表面磁場強度
を上記リング状の磁石の表面磁場強度より大きくしたの
で、リング状の磁石の中心部分の磁場強度がさらに増強
される。径方向の磁場強度がさらに均一化される。さら
に均一なプラズマが生成でき、大口径の被処理物を均一
に処理できる。
【００５３】第５の構成によれば第１ないし第４の構成
のいずれかにおいて、対向配置される第一、第二電極間
で、上記両電極を包囲する外周部に、最外側に位置する
リング状の磁石と隣合う極が、上記最外側のリング状磁
石の極性と同じになるように磁石を配設したので、径方
向のプラズマの壁方向への損失を低減できるとともに、
さらにプラズマ密度の均一性を向上でき、均一な処理が
可能となる。
【００５４】また、第６の構成によれば、プラズマを生
成するプラズマ発生室と、被処理物が配置される処理室
とを複数の孔が開けられた隔壁板で分離して設け、プラ
ズマの生成を高周波電力と磁石の磁場により行うように
したので、生成されるプラズマ密度を高めることがで
き、高真空雰囲気の処理室で被処理物を高速で処理でき
る。
【００５５】また、第７の構成によれば、第６の構成に
おいて、プラズマ発生室に隔壁板に対向して配置された
電極に高周波電力を印加し、磁石を上記電極の背面側
に、周方向に同一の極性を有するリング状で、かつ径方
向に隣合う極性が逆になるように同心円状に配置したの
で、高密度プラズマを大面積にわたり均一に生成でき、
高真空雰囲気で大口径被処理物の均一高速処理が可能に
なる。
【００５６】第８の構成によれば第９の構成において、
隔壁板に対向配置された電極に第一の高周波電力を、上
記隔壁板に第二の高周波電力を印加するようにしたの
で、第二の高周波が印加された隔壁板の近傍でも生成が
行われ、生成されるプラズマ密度をより高めることがで
きるので、被処理物が高速で処理ができる。
【００５７】第９の構成によれば第６の構成において、
隔壁板に高周波電力を印加し、磁石をプラズマ発生室の
隔壁板と対向する位置に、周方向に同一の極性を有する
リング状で、かつ径方向に隣合う極性が逆になるように
同心円状に配置したので、高密度プラズマを大面積にわ
たり均一に生成でき、高真空雰囲気で大口径被処理物の
均一高速処理が可能になる。
【００５８】第１０の構成によれば、第６ないし第９の
構成のいずれかにおいて、プラズマ発生室へのガス導入
をパルス的に行うようにしたので、所定のプラズマ発生
室と処理室の圧力差を維持したまま、大面積のプラズマ
を処理室に輸送することができ、大口径被処理物の処理
ができる。
【００５９】第１１の構成によれば、第６ないし第１０
の構成のいずれかにおいて、被処理物に印加した高周波
により、被処理物に入射するイオンのエネルギー、プラ
ズマ諸量を制御できるので、被処理物の材質にあわせて
エッチング特性を最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１のプラズマエッチン
グ装置を示す断面構成図である。
【図２】 この発明に係わるＡｌのエッチング速度と横
方向磁場との関係を示す特性図である。
【図３】 この発明の実施の形態１の他の例のプラズマ
エッチング装置を示す断面構成図である。
【図４】 この発明の実施の形態２のプラズマエッチン
グ装置を示す断面構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態２と実施の形態１のエ
ッチング装置における磁場強度の径方向分布を磁石配置
と対応させて示す説明図である。
【図６】 この発明の実施の形態３のプラズマエッチン
グ装置を示す断面構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態３の他の例のプラズマ
エッチング装置を示す断面構成図である。
【図８】 この発明の参考例のエッチング装置における
磁場強度の径方向分布を磁石配置と対応させて示す説明
図である。
【図９】 この発明の実施の形態４のプラズマエッチン
グ装置を示す断面構成図である。
【図１０】 この発明の実施の形態５のプラズマエッチ
ング装置を示す断面構成図である。
【図１１】 この発明の実施の形態６のプラズマエッチ
ング装置を示す断面構成図である。
【図１２】 この発明の実施の形態７のプラズマエッチ
ング装置を示す断面構成図である。
【図１３】 この発明の実施の形態８のプラズマエッチ
ング装置を示す断面構成図である。
【図１４】 この発明の実施の形態９のプラズマエッチ
ング装置を示す断面構成図である。
【図１５】 従来例のプラズマ処理装置を示す断面構成
図である。
【図１６】 他の従来例のプラズマ処理装置を示す断面
構成図である。
【図１７】 他の従来例のプラズマ処理装置におけるプ
ラズマのドリフトを説明する説明図である。
【図１８】 従来のプラズマ処理装置のドライエッチン
グ装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
２ 被処理物、３ 第一の電極、４ 第二の電極、７
高周波電源、１１ リング状の永久磁石、１２ リング
状に配設された直方体の永久磁石、１３ 中心部永久磁
石、１４ 周壁部永久磁石、２１ 処理室、２２ プラ
ズマ発生室、２３，２３ａ 隔壁板、２４ 孔、２５
電極、２６ ステージ、２７ 高周波電源、２７ａ 第
二の高周波電源、２７ｂ 第三の高周波電源 ２９ パ
ルスガスバルブ、３０ 駆動装置。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被処理物が載置される第一の電極、この
    第一の電極に対向配置された第二の電極、及びこの第二
    の電極の上記第一の電極と対向する面の背面側に配設さ
    れた磁石を備えたプラズマ処理装置において、上記磁石
    を周方向に同一の極性を有するリング状で、かつ径方向
    に隣合う極性が逆になるように同心円状に配置したこと
    を特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 【請求項２】 磁石が作る磁場強度は、第二の電極近傍
    における最大値が１００ガウス以上で、第一の電極近傍
    では２０ガウス以下であることを特徴とする請求項１記
    載のプラズマ処理装置。
  3. 【請求項３】 リング状の磁石の中心部に磁石を配設し
    たことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処
    理装置。
  4. 【請求項４】 リング状の磁石の中心部に配設した磁石
    の表面磁場強度が上記リング状の磁石の表面磁場強度よ
    り大きいことを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理
    装置。
  5. 【請求項５】 対向配置される第一、第二電極間で、上
    記両電極を包囲する外周部に、最外側に位置するリング
    状の磁石と隣合う極が、上記最外側のリング状磁石の極
    性と同じになるように磁石を配設したことを特徴とする
    請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ処理装
    置。
  6. 【請求項６】 プラズマを生成するプラズマ発生室と、
    このプラズマ発生室と複数の孔が開けられた隔壁板で仕
    切られ、被処理物が配置される処理室とを備えたプラズ
    マ処理装置において、プラズマの生成を高周波電力と磁
    石の磁場により行うようにしたことを特徴とするプラズ
    マ処理装置。
  7. 【請求項７】 プラズマ発生室に隔壁板に対向して配置
    された電極に高周波電力を印加し、磁石を上記電極の背
    面側に、周方向に同一の極性を有するリング状で、かつ
    径方向に隣合う極性が逆になるように同心円状に配置し
    たことを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
  8. 【請求項８】 隔壁板に対向配置された電極に第一の高
    周波電力を、上記隔壁板に第二の高周波電力を印加する
    ようにしたことを特徴とする請求項７記載のプラズマ処
    理装置。
  9. 【請求項９】 隔壁板に高周波電力を印加し、磁石をプ
    ラズマ発生室の上記隔壁板と対向する位置に、周方向に
    同一の極性を有するリング状で、かつ径方向に隣合う極
    性が逆になるように同心円状に配置したことを特徴とす
    る請求項６記載のプラズマ処理装置。
  10. 【請求項１０】 プラズマ発生室へのガス供給をパルス
    的に行うようにしたことを特徴とする請求項６ないし９
    のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  11. 【請求項１１】 被処理物が載置されるステージに高周
    波電力を印加するようにしたことを特徴とする請求項６
    ないし１０のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
JP7340682A 1995-02-13 1995-12-27 プラズマ処理装置 Pending JPH08288096A (ja)

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