JPH0831443B2 - Plasma processing device - Google Patents

Plasma processing device

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JPH0831443B2
JPH0831443B2 JP19820087A JP19820087A JPH0831443B2 JP H0831443 B2 JPH0831443 B2 JP H0831443B2 JP 19820087 A JP19820087 A JP 19820087A JP 19820087 A JP19820087 A JP 19820087A JP H0831443 B2 JPH0831443 B2 JP H0831443B2
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plasma
plasma processing
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microwave
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裕 斉藤
俊二 笹部
和博 中島
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は基板にプラズマ処理を行う装置に係り、特
に、高速でかつ基板に損傷を与えないプラズマエッチン
グ処理に好適なプラズマ装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for performing plasma processing on a substrate, and more particularly to a plasma apparatus suitable for high-speed plasma etching processing that does not damage the substrate.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来のプラズマ処理装置である例えばスパッタエッチ
ング装置としては、真空槽内に基板を載置したエッチン
グ電極を設け、該電極に高周波電力を印加し、該高周波
電力により、基板上に発生したプラズマ中のイオンを、
該電極に印加した電力の電界により上記基板に衝突さ
せ、基板をエッチングするものが知られているが、この
ような装置では、基板上に発生したプラズマの密度が高
くないため、スパッタエッチングの速度が遅く、また、
エッチング電極に印加した高周波電力を大きくしてスパ
ッタエッチング速度を早めていくと、電極の電圧が高く
なるので基板に衝突するイオンのエネルギが大きくな
り、基板に損傷が発生することが知られている。このス
パッタエッチングの速度が速くて基板に入射するイオン
のエネルギを低くして基板への損傷を低減する方法とし
て、特開昭60−74436が知られている。この方法は、エ
ッチング電極に印加した高周波電力により発生したプラ
ズマを、フローティング電極および磁石を用いて基板上
に閉じ込め、基板上のプラズマの拡散を防ぐことでプラ
ズマの密度を高め、イオンの数を増すことで、エッチン
グ電極に印加した電力に対し、電極の電圧が高くなるの
を防いでいる。しかし、このプラズマの密度は、該電極
に印加した電力に1対1で正比例はしないので、エッチ
ング速度をさらに上げるために、印加する高周波の電力
を上昇していくと、電極に発生する電圧も大きくなって
しまい、基板に損傷が発生してしまう。
As a conventional plasma processing apparatus, for example, a sputter etching apparatus, an etching electrode on which a substrate is placed is provided in a vacuum chamber, high-frequency power is applied to the electrode, and high-frequency power is applied to the plasma generated on the substrate. Ion,
It is known that the electric field of the electric power applied to the electrode collides with the substrate to etch the substrate. However, in such an apparatus, the density of plasma generated on the substrate is not high, and therefore the rate of sputter etching is high. Is slow and again
It is known that when the high frequency power applied to the etching electrode is increased and the sputter etching rate is increased, the voltage of the electrode increases and the energy of the ions that collide with the substrate increases, causing damage to the substrate. . JP-A-60-74436 is known as a method for reducing damage to the substrate by reducing the energy of ions incident on the substrate due to the high speed of this sputter etching. In this method, the plasma generated by the high-frequency power applied to the etching electrode is confined on the substrate by using the floating electrode and the magnet, the plasma density is increased by preventing the diffusion of the plasma on the substrate, and the number of ions is increased. This prevents the voltage of the electrode from increasing with respect to the electric power applied to the etching electrode. However, since the density of this plasma is not directly proportional to the electric power applied to the electrode in a one-to-one manner, the voltage generated at the electrode also increases as the applied high-frequency power is increased in order to further increase the etching rate. It becomes large and damages the substrate.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

上記従来技術は、プラズマ処理に必要なプラズマの発
生と該プラズマの中のイオンを加速して基板へ衝突させ
る電圧をエッチング電極に印加した高周波電力より得て
おり、プラズマの密度と基板へ衝突するイオンのエネル
ギの個別制御の点について配慮されておらず、上記電極
に印加した高周波電力を上げていくと、プラズマの密度
も上がっていくが基板へ衝突するイオンのエネルギも上
昇し、ある定った電力以上で基板に損傷が発生する問題
があった。
The above-mentioned conventional technique obtains the plasma required for plasma processing and the voltage for accelerating the ions in the plasma to collide with the substrate from the high frequency power applied to the etching electrode. No consideration was given to the point of individually controlling the energy of the ions. When the high frequency power applied to the electrodes was increased, the density of the plasma increased, but the energy of the ions colliding with the substrate also increased. There was a problem that the substrate was damaged by more than the power.

本発明の目的は、プラズマの発生とプラズマ中のイオ
ンを基板へ衝突させる電圧をおのおの別の電源を用いる
ことにより独立に制御することとし、またプラズマの発
生には高い密度のプラズマが均一に得られ、かつシンプ
ルで信頼性の高い機構とすることでエッチング速度が速
く、基板への損傷のないプラズマ処理装置を得ることに
ある。
An object of the present invention is to independently control the voltage for generating plasma and the voltage for causing ions in the plasma to collide with the substrate by using different power supplies, and to generate plasma, a high density plasma can be uniformly obtained. It is to obtain a plasma processing apparatus that has a high etching rate and does not damage the substrate by using a simple and highly reliable mechanism.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記目的は、真空槽内で基板を載置するプラズマ処理
電極に対向してプラズマ発生手段を設け、このプラズマ
発生にはマイクロ波(例えば、周波数2.45G Hz)を用い
ることで、基板上に高密度のプラズマを発生させ、磁場
発生手段によりプラズマが周囲へ拡散するのを防ぎ、プ
ラズマ中のイオンをプラズマ処理電極に印加した電力に
より発生する電圧で基板に衝突させる構成とすることに
より達成される。
The purpose of the above is to provide a plasma generating means facing the plasma processing electrode on which the substrate is placed in the vacuum chamber, and use microwaves (for example, frequency 2.45 GHz) to generate high plasma on the substrate. This is achieved by generating a high density plasma, preventing the plasma from diffusing to the surroundings by the magnetic field generating means, and causing the ions in the plasma to collide with the substrate by the voltage generated by the electric power applied to the plasma processing electrode. .

上記マイクロ波によるプラズマ発生手段は、マイクロ
波発生源とキャビティとマイクロ波の導入窓とから構成
され、前記キャビティには整合手段を設け、キャビティ
をマイクロ波の空胴共振器とすることができる。また、
キャビティを同軸構造とすることは勿論のこと、キャビ
ティの寸法をマイクロ波のモードが軸対称となる寸法に
することもできる。上記空胴共振器としては、周知の円
形は勿論のこと同軸、矩形いずれのものでもよいが、好
ましくは円形空胴共振器を同軸形にしたものであり、電
極上に密度分布の均一なプラズマが得られ易い。
The microwave plasma generating means includes a microwave generation source, a cavity, and a microwave introduction window. The cavity may be provided with a matching means so that the cavity serves as a microwave cavity resonator. Also,
It is needless to say that the cavity has a coaxial structure, and the cavity can be dimensioned so that the microwave mode is axially symmetric. The cavity resonator may be of a well-known circular shape, coaxial or rectangular shape, but is preferably a coaxial shape of a circular cavity resonator, and the plasma has a uniform density distribution on the electrodes. Is easy to obtain.

本発明の具体的構成につき以下詳述する。 The specific configuration of the present invention will be described in detail below.

本発明プラズマ処理装置の特徴とするところは、ガス
供給手段と真空排気手段とを有する真空槽内に基板を載
置したプラズマ処理電極を設けると共に前記基板に対向
してマイクロ波によるプラズマ発生手段を前記真空槽に
マイクロ波導入窓を介して設け、前記プラズマ処理電極
には前記プラズマ発生手段により発生したプラズマ中の
イオンを前記基板に衝突させるための電圧印加手段が設
けられ、プラズマを発生させるマイクロ波電源と前記プ
ラズマ処理電極へ電圧を印加する電源とをそれぞれ独立
に設けて成る装置において、前記基板と前記マイクロ波
導入窓との間の空間に生ずるプラズマをその周囲から磁
力線で取囲むように前記基板上に磁場を構成する磁気発
生手段を設けたところにある。そしてさらに磁気発生手
段についてその特徴点を以下に列記する。
A feature of the plasma processing apparatus of the present invention is that a plasma processing electrode having a substrate placed therein is provided in a vacuum chamber having a gas supply means and a vacuum exhaust means, and a plasma generating means by microwaves is provided facing the substrate. A microwave applying window is provided in the vacuum chamber, and a voltage applying unit for causing ions in the plasma generated by the plasma generating unit to collide with the substrate is provided at the plasma processing electrode to generate a plasma. In a device in which a microwave power source and a power source for applying a voltage to the plasma processing electrode are independently provided, plasma generated in a space between the substrate and the microwave introduction window is surrounded by magnetic lines of force from its periphery. The magnetic field generating means for forming a magnetic field is provided on the substrate. The characteristic points of the magnetism generating means will be listed below.

(1)前記磁気発生手段として、半径方向に磁化され、
前記磁化の極性が径方向で順次反転するリング状の磁石
としたこと。
(1) The magnetism generating means is magnetized in a radial direction,
A ring-shaped magnet in which the polarity of the magnetization is sequentially reversed in the radial direction.

(2)前記磁気発生手段として、磁石をマイクロ波の導
入窓側とエッチング電極側とにそれぞれ配設し2段階の
リング状磁石としたこと。
(2) As the magnetism generating means, magnets are arranged on the microwave introduction window side and the etching electrode side to form a two-stage ring-shaped magnet.

(3)前記2段階のリング状磁石をコイルで構成したこ
と。
(3) The two-stage ring-shaped magnet is composed of a coil.

(4)前記2段階のリング状コイルにそれぞれ逆向きの
電流を流すこと。
(4) Applying reverse currents to the two-stage ring coils.

(5)前記2段階のリング状コイルにそれぞれ同一方向
の電流を流すこと。
(5) Applying currents in the same direction to the two-stage ring-shaped coils.

(6)前記2段階のリング状磁石を永久磁石で構成した
こと。
(6) The two-stage ring-shaped magnet is a permanent magnet.

(7)前記リング状永久磁石はそれぞれ周方向に、しか
も互に逆方向に磁化されていること。
(7) The ring-shaped permanent magnets are magnetized in the circumferential direction and in the opposite directions.

(8)前記リング状永久磁石はそれぞれ厚さ方向に、し
かも互に逆方向に磁化されていること。
(8) The ring-shaped permanent magnets are magnetized in the thickness direction and in the opposite directions.

(9)前記リング状永久磁石はそれぞれ半径方向に、し
かも互に逆方向に磁化されていること。
(9) The ring-shaped permanent magnets are magnetized in the radial direction and in the opposite directions.

なお、上記磁気発生手段としてコイルにより磁石を構
成する際には、通常の常電導コイルの代りに超電導コイ
ルを使用することもでき、永久電流を超電流コイル内に
流すことにより、より安定した高い磁場を発生させるこ
とができる。また、プラズマを安定に閉じ込める磁界と
しては、カスプ型がより好ましい。
When forming a magnet with a coil as the magnetism generating means, a superconducting coil can be used instead of the normal conducting coil, and a permanent current is passed through the superconducting coil to provide a more stable and higher magnetic field. A magnetic field can be generated. Further, the cusp type is more preferable as the magnetic field for stably confining the plasma.

また、上記エッチング電極に印加する電源は一般に10
0kHz〜100MHzの高周波電力が用いられるが、被加工物で
ある基板が金属のごとき導体の場合には直流電源でもよ
い。基板が絶縁物の場合には高周波電力が必須となる。
In addition, the power supply applied to the etching electrode is generally 10
A high frequency power of 0 kHz to 100 MHz is used, but a DC power supply may be used when the substrate to be processed is a conductor such as metal. When the substrate is an insulator, high frequency power is essential.

さらにまた、上記マイクロ波の導入窓は真空槽を構成
する隔壁として、またキャビティから真空槽内にマイク
ロ波を放射する窓として機能するものであるため、材質
としては、マイクロ波の吸収の少ない絶縁材で、しかも
真空隔壁を構成する上からもガスを通しにくい不通気性
の材質から選ばれ、例えば石英板、アルミナのごときセ
ラミックス板等が供される。
Furthermore, since the microwave introduction window functions as a partition wall that constitutes the vacuum chamber and as a window that radiates microwaves from the cavity into the vacuum chamber, the material is an insulating material that absorbs less microwaves. The material is selected from impermeable materials which are difficult to allow gas to permeate from the viewpoint of constituting the vacuum partition wall. For example, a quartz plate or a ceramic plate such as alumina is provided.

〔作用〕[Action]

プラズマ発生手段は、マイクロ波発生源と、キャビテ
ィと該キャビティへマイクロ波が有効に入るようにする
整合手段と上記マイクロ波が真空槽内へ導入される通入
窓から構成され、マイクロ波発生源から発振されたマイ
クロ波は導波管によりキャビティへ導かれ、整合手段に
より、該キャビティを上記マイクロ波の空胴共振器とす
ることによって、該キャビティ内には有効にマイクロ波
が導入される。該マイクロ波は通入窓を通って真空槽内
へ導びかれ、ここで該マイクロ波は真空槽内の雰囲気ガ
ス(例えばArガス等)を電離してプラズマを発生する。
ここで、マイクロ波はプラズマ中を伝播しエネルギをプ
ラズマに供給することができるため、2.45G Hzのマイク
ロ波ではプラズマの密度が7.4×1010/cm2程度の高い密
度にすることができる。また、キャビティの形状とし
て、キャビティ内のマイクロ波のモードが軸対称となる
ような寸法又は同軸管形状とすることにより、均一なプ
ラズマ発生が得られる。
The plasma generating means includes a microwave generating source, a cavity, a matching means for allowing the microwave to effectively enter the cavity, and an entrance window through which the microwave is introduced into the vacuum chamber. The microwave oscillated from is guided to the cavity by the waveguide, and the matching means makes the cavity a cavity resonator of the microwave, so that the microwave is effectively introduced into the cavity. The microwaves are guided through the entrance window into the vacuum chamber, where the microwaves ionize atmospheric gas (eg, Ar gas) in the vacuum chamber to generate plasma.
Here, since the microwave can propagate in the plasma and supply energy to the plasma, the density of the plasma can be as high as about 7.4 × 10 10 / cm 2 with the microwave of 2.45 GHz. Moreover, uniform plasma generation can be obtained by forming the cavity so that the microwave mode in the cavity is axially symmetric or in the shape of a coaxial tube.

また、プラズマの周囲には磁気発生手段が配設されて
おり、この磁気発生手段による磁場によりプラズマは基
板上に閉じ込められ、周囲に拡散するのを阻止される。
したがって、プラズマは圧力に関わらず安定して高密度
となる。
Further, a magnetism generating means is disposed around the plasma, and the magnetic field generated by the magnetism generating means traps the plasma on the substrate and prevents the plasma from diffusing to the surroundings.
Therefore, the plasma has a stable and high density regardless of the pressure.

上記プラズマ発生手段で発生した高密度プラズマの下
に基板を載置したプラズマ処理電極を設け、このプラズ
マ処理電極に高周波電源を接続して高周波電力(一般に
100kHz〜100M Hz)を印加して、この電力によりエッチ
ング電極の基板表面に発生する電圧によりプラズマ中の
イオンを基板に衝突させその結果として基板をスパズマ
処理する。このように、プラズマの発生と基板にイオン
を衝突させる電圧の付与が、別々の電源となり、発生す
るプラズマの密度とプラズマ中のインオが基板へ衝突す
るエネルギが個別に制御でき、また、プラズマの発生は
マイクロ波により高密度化できるため、エッチング速度
が速く基板へ損傷を与えないプラズマ処理が可能とな
る。上記高周波電源は基板のプラズマ処理される材料が
絶縁物の場合は必須であるが、金属のごとき導電性材料
の場合には直流電源でもよいことは先に述べたとおりで
ある。
A plasma processing electrode on which a substrate is placed is provided under the high-density plasma generated by the plasma generating means, and a high frequency power source is connected to the plasma processing electrode to generate high frequency power (generally,
(100 kHz to 100 MHz) is applied, and the voltage generated on the substrate surface of the etching electrode by this power causes ions in the plasma to collide with the substrate, and as a result, the substrate is subjected to spasm treatment. In this way, the generation of plasma and the application of the voltage for causing ions to collide with the substrate serve as different power sources, and the density of the generated plasma and the energy with which the ino in the plasma collide with the substrate can be controlled individually, and the plasma Since the generation can be densified by microwaves, the etching rate is fast and plasma processing without damaging the substrate becomes possible. The high-frequency power source is indispensable when the material to be plasma-treated on the substrate is an insulator, but a DC power source may be used when it is a conductive material such as a metal, as described above.

次に、第1図の構成のプラズマ処理装置の一例として
スパッタエッチング装置を用い、試料として表面に熱酸
化膜(SiO2)が形成されたシリコンウェハを、下記の条
件でスパッタエッチングした結果を比較例として磁気発
生手段を設けない装置の結果と対比して第8図に示す。
同図の縦軸はエッチング速度を、横軸はウェハの中央か
らの距離を示したものである。
Next, a sputter etching apparatus is used as an example of the plasma processing apparatus having the configuration shown in FIG. 1, and a silicon wafer having a thermal oxide film (SiO 2 ) formed on its surface as a sample is subjected to sputter etching under the following conditions. As an example, it is shown in FIG. 8 in comparison with the result of the apparatus without the magnetic generation means.
The vertical axis of the figure shows the etching rate, and the horizontal axis shows the distance from the center of the wafer.

エッチング条件: 試料:熱酸化膜(SiO2)の形成されたシリコンウェハ エッチガス:アルゴン(Ar) 圧力:5×10-3Torr マイクロ波電力:400W 高周波電力:600W (スパッタエッチング電極へ印加) 上記第8図から明らかなように、本件発明の実施例で
ある磁石でプラズマを閉じ込めた曲線81は、ウェハの中
央から周辺にわたり比較的バラツキの少ない平坦なエッ
チング速度を有しており、均一性が改善されていること
を示している。一方、磁石の無い比較例を示した曲線82
は、ウェハの周辺部に行くに従がい速度が低下し、中央
部とは大きなバラツキが生じている。
Etching conditions: Specimen: Silicon wafer with thermal oxide film (SiO 2 ) Etching gas: Argon (Ar) Pressure: 5 × 10 -3 Torr Microwave power: 400W High frequency power: 600W (applied to sputter etching electrode) Above As is clear from FIG. 8, the curve 81 in which the plasma is confined by the magnet, which is the embodiment of the present invention, has a flat etching rate with a relatively small variation from the center to the periphery of the wafer, and the uniformity is uniform. It shows that it has been improved. On the other hand, curve 82 showing a comparative example without a magnet
, The speed decreases as it goes to the peripheral portion of the wafer, and a large variation occurs from the central portion.

第9図は、上記第8図と同一の試料について、エッチ
ング速度とスパッタエッチング電極へ印加した高周波電
力との関係を示したもので、本発明の実施例である磁石
有の場合(曲線91)と無い場合(曲線92)及び、マイク
ロ波によるプラズマ発生手段を持たない従来の平行平板
方式(曲線93)の場合と対比して示した特性曲線図であ
る。この図からも本発明の実施例である曲線91は他の比
較例に対比して著しくエッチング速度が速く改善されて
いるのがわかる。なお、エッチング条件は下記のとおり
である。
FIG. 9 shows the relationship between the etching rate and the high-frequency power applied to the sputter etching electrode for the same sample as in FIG. 8 above, in the case of a magnet with an embodiment of the present invention (curve 91). FIG. 9 is a characteristic curve diagram shown in comparison with the case where there is no (curve 92) and the case of a conventional parallel plate system (curve 93) that does not have plasma generation means by microwaves. From this figure, it can be seen that the curve 91, which is an example of the present invention, has a markedly improved etching rate as compared with the other comparative examples. The etching conditions are as follows.

エッチング条件: 試料:熱酸化膜(SiO2)の形成されたシリコンウェハ エッチガス:アルゴン(Ar) 圧力:5×10-3Torr マイクロ波電力:400W (曲線91及び92の場合) 以上の特性曲線図からも明らかなごとく、本発明にお
いては、磁石の挿入によりプラズマの拡散を防止し、特
に周囲のプラズマ密度が増加するため、平均のスパッタ
エッチ速度が増加すると共に、特に従来の問題となって
いた基板周囲のスパッタエッチ速度を増加できるため、
均一性も同時に向上するという効果がある。均一性を示
すバラツキ(中央部と周辺部)を比較すると、現状のデ
ータでは、磁石有の本発明の場合±5%であるのに対
し、磁石無の比較例の場合±20%であった。
Etching conditions: Specimen: Silicon wafer with thermal oxide film (SiO 2 ) Etching gas: Argon (Ar) Pressure: 5 × 10 -3 Torr Microwave power: 400W (for curves 91 and 92) Above characteristic curves As is clear from the figure, in the present invention, the insertion of the magnet prevents the diffusion of the plasma, and in particular, the plasma density of the surroundings increases, so that the average sputter etching rate increases and the conventional problem is particularly encountered. Because the sputter etch rate around the substrate can be increased,
The uniformity is also improved at the same time. Comparing the variation showing the uniformity (central part and peripheral part), in the present data, it is ± 5% in the case of the present invention with a magnet, whereas it is ± 20% in the comparative example without a magnet. .

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例を第1図〜第7図により説明
する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

まず、第1図に示す第1の実施例から説明すると、真
空槽1とプラズマ発生手段2と真空排気手段3、ガス供
給手段4から構成され、真空槽1内には基板5を載置し
たプラズマエッチング電極(以下エッチング電極と略
称)6が、前記真空槽1と電気的に絶縁し真空的にシー
ルする機能を有するフランジ7を介して設置され、この
エッチング電極6の端部9には電源8が接続される。ま
た、プラズマ発生手段では、マイクロ波発生源10と導波
管11とキャビティ12と整合手段1と導体棒14およびマイ
クロ波の導入部となる導入窓15で構成される。また、こ
の導入窓15とエッチング電極6で囲まれた空間の周囲に
は磁石16が配設される。
First, the first embodiment shown in FIG. 1 will be described. It comprises a vacuum chamber 1, a plasma generating means 2, a vacuum exhausting means 3 and a gas supplying means 4, and a substrate 5 is placed in the vacuum chamber 1. A plasma etching electrode (hereinafter abbreviated as an etching electrode) 6 is installed via a flange 7 having a function of electrically insulating and vacuum-sealing from the vacuum chamber 1, and a power source is provided at an end 9 of the etching electrode 6. 8 are connected. Further, the plasma generating means includes a microwave generation source 10, a waveguide 11, a cavity 12, a matching means 1, a conductor rod 14 and an introduction window 15 which serves as a microwave introduction portion. A magnet 16 is arranged around the space surrounded by the introduction window 15 and the etching electrode 6.

上記構成において、マイクロ波発生源10によりマイク
ロ波を発振し、マイクロ波を導波管11を通してキャビテ
ィ12へ送る。ここで、整合手段13を調整し、キャビティ
12をマイクロ波の空胴共振条件とすることにより、キャ
ビティ12内のマイクロ波の電界は高まり、導入窓15より
真空槽1内へ導びかれたマイクロ波により、ガス供給手
段4により真空槽1内へ供給された槽内の雰囲気ガスが
電離しプラズマ17を発生する。このプラズマ17の周囲に
設置した磁石16の厚さ方向から見た断面図を第2図に示
す。なお、この実施例では磁石として永久磁石の例を示
しているが、電磁石であってもよいことは云うまでもな
い。リング形状の磁石16は周方向に偶数個に分割し、内
・外周の極性を交互に入れ換えることにより、磁力線19
は内側に凸形状になり(一般に、プラズマを閉じ込める
ための多重カスプ磁場という)、プラズマ17を基板5上
に閉じ込めることができるため、プラズマ17の低圧力域
での安定発生、およびプラズマ17を容易に高密度とする
ことができる。このプラズマ17の密度は前記マイクロ波
がプラズマ17内を伝搬しエネルギを供給できる限界の密
度(例えばマイクロ波の周波数が2.45G Hzならプラズマ
の密度7.4×1010/cm3)まで、供給するマイクロ波電力
により制御できる。このようにして発生したプラズマ17
中のイオンを、エッチング電極6に接続した電源8(こ
の例では高周波電力を印加)によりエッチング電極6を
介し基板5に発生した電圧により加速し基板に衝突させ
てスパッタエッチングを行う。ここで、キャビティ12の
寸法をキャビティ12内のマイクロ波モードが軸対称とな
る寸法とすることにより基板5上のプラズマ17の密度分
布が均一となる。また、このキャビティ12は、中央に軸
(導体棒14)を有する同軸型であるが、軸のない空胴型
においても同様の効果が得られる。
In the above structure, the microwave generation source 10 oscillates a microwave and sends the microwave to the cavity 12 through the waveguide 11. Now adjust the alignment means 13 to
By setting 12 as a microwave cavity resonance condition, the electric field of the microwave in the cavity 12 is increased, and the microwave introduced into the vacuum chamber 1 through the introduction window 15 causes the gas chamber 4 to supply the vacuum chamber 1 with the microwave. The atmospheric gas in the tank supplied into the chamber is ionized to generate plasma 17. FIG. 2 shows a sectional view of the magnet 16 installed around the plasma 17 as seen from the thickness direction. In this embodiment, a permanent magnet is shown as the magnet, but it goes without saying that it may be an electromagnet. The ring-shaped magnet 16 is divided into an even number in the circumferential direction, and the magnetic field lines 19
Has a convex shape inward (generally referred to as a multiple cusp magnetic field for confining the plasma), and the plasma 17 can be confined on the substrate 5, so that the plasma 17 can be stably generated in a low pressure region and the plasma 17 can be easily generated. It can be highly dense. The density of the plasma 17 is supplied up to a limit density at which the microwave propagates in the plasma 17 and can supply energy (for example, if the microwave frequency is 2.45 GHz, the plasma density is 7.4 × 10 10 / cm 3 ). It can be controlled by wave power. Plasma 17 generated in this way
The ions inside are accelerated by a voltage generated on the substrate 5 through the etching electrode 6 by a power source 8 (in this example, high-frequency power is applied) connected to the etching electrode 6 to collide with the substrate to perform sputter etching. Here, by making the dimensions of the cavity 12 such that the microwave mode in the cavity 12 is axisymmetric, the density distribution of the plasma 17 on the substrate 5 becomes uniform. Further, the cavity 12 is a coaxial type having a shaft (conductor rod 14) in the center, but the same effect can be obtained in a hollow type without a shaft.

なお、上記導入窓15としては、石英板を使用したが、
真空槽の隔壁の役目も兼ねているのでガスを通さず(不
通気性)、マイクロ波の吸収の少ない絶縁材、例えばア
ルミナ等のセラミックスでもよいことは前述のとおりで
ある。
Although a quartz plate was used as the introduction window 15,
As described above, an insulating material that does not allow gas to pass therethrough (impermeable) and has a small microwave absorption, for example, ceramics such as alumina, since it also serves as a partition wall of the vacuum chamber.

第3図は、本発明の第2の実施例を示したもので、真
空槽1、プラズマ発生手段2、真空排気手段3、ガス供
給手段4などの構成は第1の実施例と同一で、プラズマ
発生手段2の磁石16がリング状コイル18に代ったことだ
けが異なる。このような構成でコイル18a、18bを同心状
に2段とし、それぞれ逆向きに電流を流すことにより、
基板5上の周囲で二つのコイルからの磁力線19は閉じる
ようになりプラズマが半径方向に拡散せず、より安定に
閉じ込めることができ、プラズマを効率よく高密度で発
生できる。
FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention, in which the structure of the vacuum chamber 1, the plasma generation means 2, the vacuum exhaust means 3, the gas supply means 4, etc. is the same as that of the first embodiment. The only difference is that the magnet 16 of the plasma generating means 2 is replaced by a ring coil 18. With such a configuration, the coils 18a and 18b are concentrically arranged in two stages, and currents are passed in opposite directions, respectively.
The lines of magnetic force 19 from the two coils are closed around the periphery of the substrate 5, the plasma is not diffused in the radial direction, and the plasma can be more stably confined, so that the plasma can be efficiently generated with high density.

第4図、第5図は共に第2の実施例と類似構造のもの
であり、第3図の実施例の2段のコイル18の代りに永久
磁石16に置き換えたものである。第4図は、リングの周
方向にそれぞれ逆向きに磁化された上下1組の永久磁石
16であり、これにより磁力線19は、プラズマ17の周囲で
閉じこのプラズマ17を基板5上で閉じ込める。第5図
は、磁石16の磁化を厚さ方向にそれぞれ逆向きに取った
ものであり、第4図とほぼ同様の磁場が得られ、プラズ
マ17の閉じ込め効果が得られる。
4 and 5 both have a structure similar to that of the second embodiment, in which the two-stage coil 18 of the embodiment of FIG. 3 is replaced by a permanent magnet 16. FIG. 4 shows a pair of upper and lower permanent magnets magnetized in opposite directions in the circumferential direction of the ring.
16 so that the magnetic field lines 19 close around the plasma 17 and confine the plasma 17 on the substrate 5. In FIG. 5, the magnetization of the magnet 16 is taken in opposite directions in the thickness direction, and a magnetic field almost the same as in FIG. 4 is obtained, and the confinement effect of the plasma 17 is obtained.

第6図は、本発明の第3の実施例を示したもので、構
成は第3図に示した第2の実施例と同一で、磁場発生手
段としてリング状のコイル18a、18bを載置しているが、
このコイル18a、18bには同一方向の電流を流すことによ
り、このコイル18による磁力線19は基板5上で内方向に
凸形状となりプラズマ17の外周方向への拡散を防止して
いる。
FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. The structure is the same as that of the second embodiment shown in FIG. 3, and ring-shaped coils 18a and 18b are mounted as magnetic field generating means. But
By supplying currents in the same direction to the coils 18a and 18b, the magnetic force lines 19 formed by the coil 18 have a convex shape inward on the substrate 5 to prevent diffusion of the plasma 17 in the outer peripheral direction.

第7図は、本発明の第3の実施例で、構成は第6図と
類似で、第6図のコイル18が磁石16に代っていることが
異なるのみである。磁石16は半径方向に磁化されており
2個の磁石の極性は逆転しているため、磁力線19は第6
図と類似の形状となり、プラズマ17の閉じ込め効果を持
つ。
FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention, which is similar to that of FIG. 6 except that the coil 18 of FIG. 6 is replaced by the magnet 16. Since the magnet 16 is magnetized in the radial direction and the polarities of the two magnets are reversed, the magnetic field line 19 is
The shape is similar to that in the figure, and has the effect of confining the plasma 17.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、プラズマは、マイクロ波によるプラ
ズマ発生手段により高密度に発生でき、また、キャビテ
ィ整合手段および同軸等により、キャビティ寸法をマイ
クロ波の軸対称モードの空胴共振器とし、発生したプラ
ズマの周囲の拡散を磁場によって防止することにより、
低圧力で軸対称の安定した高密度プラズマを発生でき、
エッチングの高速化と基板への損傷の低減の効果があ
る。
According to the present invention, the plasma can be generated at a high density by the plasma generating means by the microwave, and the cavity size is made the cavity resonator of the axisymmetric mode of the microwave by the cavity matching means and the coaxial etc. By preventing diffusion around the plasma by the magnetic field,
It is possible to generate stable, high-density axisymmetric plasma at low pressure.
It has the effect of speeding up the etching and reducing damage to the substrate.

また、プラズマ発生はマイクロ波電力で、基板へ衝突
するイオンのエネルギはプラズマ処理電極へ印加した第
2の電力、例えば高周波電力で別々に制御できるので、
エッチング速度とそのときのイオンの衝突エネルギが個
別制御できるため、基板に合わせて最適条件が選択で
き、プラズマ処理の歩留向上の効果がある。
Further, since the plasma generation is microwave power and the energy of the ions colliding with the substrate can be separately controlled by the second power applied to the plasma processing electrode, for example, high frequency power,
Since the etching rate and the ion collision energy at that time can be individually controlled, optimum conditions can be selected according to the substrate, and the yield of plasma processing can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例のスパッタエッチング装置の
縦断面図、第2図は第1図の磁石部分の横断面図、第3
図、第4図、第5図、第6図及び第7図はそれぞれ異な
る本発明実施例のスパッタエッチング装置の縦断面図、
第8図、第9図はそれぞれ本発明装置でSiO2膜をエッチ
ングした実施例を比較例と対比して示した特性曲線図で
ある。 図において、 1……真空槽、2……プラズマ発生手段 3……真空排気手段、4……ガス供給手段 5……基板、6……エッチング電極 7……フランジ、8……電源 9……端部、10……マイクロ波発生源 11……導波管、12……キャビティ 13……整合手段、14……導体棒 15……導入窓、16……磁石 17……プラズマ、18……コイル 19……磁力線
1 is a longitudinal sectional view of a sputter etching apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a lateral sectional view of a magnet portion of FIG. 1, and FIG.
FIG. 4, FIG. 5, FIG. 5, FIG. 6 and FIG. 7 are vertical cross-sectional views of different sputter etching apparatuses of the present invention.
FIG. 8 and FIG. 9 are characteristic curve diagrams showing examples in which the SiO 2 film was etched by the device of the present invention, in comparison with comparative examples. In the figure, 1 ... vacuum tank, 2 ... plasma generating means 3 ... vacuum exhausting means, 4 ... gas supply means 5 ... substrate, 6 ... etching electrode 7 ... flange, 8 ... power supply 9 ... End, 10 ... Microwave source 11 ... Waveguide, 12 ... Cavity 13 ... Matching means, 14 ... Conductor rod 15 ... Introduction window, 16 ... Magnet 17 ... Plasma, 18 ... Coil 19 ... Magnetic field lines

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中島 和博 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所コンピュータ事業部デバイス開発セ ンタ内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Kazuhiro Nakajima 2326 Imai, Ome-shi, Tokyo Hitachi, Ltd. Computer Division Device Development Center

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ガス供給手段と真空排気手段とを有する真
空槽内に基板を載置したプラズマ処理電極を設けると共
に前記基板に対向してマイクロ波によるプラズマ発生手
段を前記真空槽にマイクロ波導入窓を介して設け、前記
プラズマ処理電極には前記プラズマ発生手段により発生
したプラズマ中のイオンを前記基板に衝突させるための
電圧印加手段が設けられ、プラズマを発生させるマイク
ロ波電源と前記プラズマ処理電極へ電圧を印加する電源
とをそれぞれ独立に設けて成る装置において、前記基板
と前記マイクロ波導入窓との間の空間に生ずるプラズマ
をその周囲から磁力線で取囲むように前記基板上に磁場
を構成する磁気発生手段を設けたことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
1. A plasma processing electrode on which a substrate is mounted is provided in a vacuum chamber having a gas supply unit and a vacuum exhaust unit, and a plasma generating unit for generating microwaves is introduced into the vacuum chamber facing the substrate. The plasma processing electrode is provided through a window, and the plasma processing electrode is provided with voltage applying means for causing ions in the plasma generated by the plasma generating means to collide with the substrate, and a microwave power source for generating plasma and the plasma processing electrode. In a device comprising a power source for applying a voltage to the substrate and a power source for independently applying a voltage to the substrate, a magnetic field is formed on the substrate so that plasma generated in the space between the substrate and the microwave introduction window is surrounded by magnetic lines of force. A plasma processing apparatus, characterized in that it is provided with a magnetism generating means.
【請求項2】前記プラズマ処理電極に高周波電力を印加
したことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のプラ
ズマ処理装置。
2. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein high frequency power is applied to the plasma processing electrode.
【請求項3】前記マイクロ波によるプラズマ発生手段が
マイクロ波発生源とキャビティとマイクロ波の導入窓と
から構成されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項
もしくは第2項記載のプラズマ処理装置。
3. The plasma processing according to claim 1 or 2, wherein the plasma generation means by the microwave includes a microwave generation source, a cavity and a microwave introduction window. apparatus.
【請求項4】前記プラズマ発生手段のキャビティに整合
手段を設け、キャビティをマイクロ波の空胴共振器とし
たことを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項もし
くは第3項記載のプラズマ処理装置。
4. The method according to claim 1, wherein the cavity of the plasma generating means is provided with a matching means, and the cavity is a microwave cavity resonator. Plasma processing equipment.
【請求項5】前記プラズマ発生手段のキャビティを同軸
構造としたことを特徴とする特許請求の範囲第3項もし
くは第4項のプラズマ処理装置。
5. The plasma processing apparatus according to claim 3 or 4, wherein the cavity of said plasma generating means has a coaxial structure.
【請求項6】前記プラズマ発生手段のキャビティの寸法
をマイクロ波のモードが軸対称となる寸法にしたことを
特徴とする特許請求の範囲第4項もしくは第5項記載の
プラズマ処理装置。
6. The plasma processing apparatus according to claim 4, wherein the cavity of the plasma generating means is dimensioned such that the microwave mode is axially symmetric.
【請求項7】前記マイクロ波の導入窓が、真空槽を構成
する隔壁とキャビティからのマイクロ波を前記真空槽内
に放射することの両機能を有するマイクロ波吸収の少な
い絶縁材から成ることを特徴とする特許請求の範囲第1
項、第2項、第3項、第4項、第5項もしくは第6項記
載のプラズマ処理装置。
7. The microwave introduction window is made of an insulating material that absorbs microwaves from the partition walls and cavities that form the vacuum chamber into the vacuum chamber and that absorbs less microwaves. What is claimed is: Claim 1
The plasma processing apparatus according to item 2, item 3, item 3, item 4, item 5, or item 6.
【請求項8】前記絶縁材が石英またはセラミックスのい
ずれか一方から成ることを特徴とする特許請求の範囲第
7項記載のプラズマ処理装置。
8. The plasma processing apparatus according to claim 7, wherein the insulating material is made of either quartz or ceramics.
【請求項9】前記磁気発生手段として、半径方向に磁化
され、前記磁化の極性が径方向で順次反転するリング状
の磁石としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載のプラズマ処理装置。
9. The plasma processing according to claim 1, wherein the magnetism generating means is a ring magnet magnetized in a radial direction and the polarity of the magnetization is sequentially reversed in the radial direction. apparatus.
【請求項10】前記磁気発生手段として、磁石をマイク
ロ波の導入窓側とエッチング電極側とにそれぞれ配設し
2段階のリング状磁石としたことを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載のプラズマ処理装置。
10. The magnet as the magnetism generating means is a two-stage ring-shaped magnet in which magnets are arranged on the microwave introduction window side and the etching electrode side, respectively. Plasma processing equipment.
【請求項11】前記2段階のリング状磁石をコイルで構
成したことを特徴とする特許請求の範囲第10項記載のプ
ラズマ処理装置。
11. The plasma processing apparatus according to claim 10, wherein the two-stage ring-shaped magnet is composed of a coil.
【請求項12】前記2段階のプラズマ状コイルにそれぞ
れ逆向きの電流を流すことを特徴とする特許請求の範囲
第11項記載のプラズマ処理装置。
12. The plasma processing apparatus according to claim 11, wherein currents of opposite directions are respectively supplied to the two-stage plasma coils.
【請求項13】前記2段階のリング状コイルにそれぞれ
同一方向の電流を流すことを特徴とする特許請求の範囲
第11項記載のプラズマ処理装置。
13. The plasma processing apparatus according to claim 11, wherein currents in the same direction are applied to the two-stage ring-shaped coils.
【請求項14】前記2段階のリング状磁石を永久磁石で
構成したことを特徴とする特許請求の範囲第10項記載の
プラズマ処理装置。
14. The plasma processing apparatus according to claim 10, wherein the two-stage ring-shaped magnet is a permanent magnet.
【請求項15】前記リング状永久磁石はそれぞれ周方向
に、しかも互に逆方向に磁化されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第14項記載のプラズマ処理装置。
15. The plasma processing apparatus according to claim 14, wherein the ring-shaped permanent magnets are magnetized in the circumferential direction and in mutually opposite directions.
【請求項16】前記リング状永久磁石はそれぞれ厚さ方
向に、しかも互に逆方向に磁化されていることを特徴と
する特許請求の範囲第14項記載のプラズマ処理装置。
16. The plasma processing apparatus according to claim 14, wherein the ring-shaped permanent magnets are magnetized in the thickness direction and in opposite directions to each other.
【請求項17】前記リング状永久磁石はそれぞれ半径方
向に、しかも互に逆方向に磁化されていることを特徴と
する特許請求の範囲第14項記載のプラズマ処理装置。
17. The plasma processing apparatus according to claim 14, wherein the ring-shaped permanent magnets are magnetized in radial directions and in opposite directions to each other.
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