JPH09199478A

JPH09199478A - プラズマ表面処理装置

Info

Publication number: JPH09199478A
Application number: JP506296A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Shimonishi; 聡下西
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ表面処理装置において、真空容器内壁
が放電にさらされても、前記内壁がスパッタリングされ
るのを抑制し、長寿命で均一な処理を行うことを可能と
する。【解決手段】第１の電極を備えた真空容器と、真空容器
内に所定のガスを導入するガス供給手段と、真空容器内
を減圧下に維持する真空排気手段と、真空容器内に放電
を維持する手段と、真空容器内に磁界を発生する手段
と、第１の電極と対向し前記真空容器の上部内壁からな
る第２の電極とを具備するものであって、前記第１の電
極の上に被処理基体を設置し、前記第２の電極の表面が
磁界と平行になるように構成することを特徴とするプラ
ズマ表面処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マグネトロン放電
を用いたプラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置
などのプラズマを利用したプラズマ表面処理装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のマグネトロンＲＩＥ装置では、単
純な平行平板によって構成された電極が用いられてき
た。このとき処理の均一性を高める目的で、ウェハ表面
における磁界の向きをウェハ表面と平行にすることが不
可欠であった。しかし、装置全体にわたって一様な磁界
を得ることが困難な現状では、ウェハを設置した電極表
面における磁界が電極と平行になるように構成すれば、
ウェハを設置しない側の対向電極の表面において、磁界
が電極表面と垂直な成分を持つことは避けられない。こ
のため局所的に高密度プラズマが生成し、前記高密度プ
ラズマによりウェハを設置しない側の電極のスパッタリ
ングを生じて、内面コーティング等を施した場合でも、
真空容器内壁のスパッタリングを完全に抑制することは
困難であった。

【０００３】また長期的な使用の際に、スパッタリング
によって真空容器の内壁の表面が大きく変化するため
に、定期的な交換が必要であった。この問題を避けるた
めに、ウェハを設置しない側の電極表面において磁界が
平行になるように装置を構成すると、ウェハ表面におけ
る磁界がウェハに対して垂直成分を持つことが避けられ
ない。このため、ウェハ表面での処理が不均一となり、
ウェハ表面のデバイスに与えるダメージが大きくなるた
め、実用には適さなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
マグネトロンＲＩＥ装置では、平行平板電極により装置
を構成しており、ウェハ表面での磁界がウェハに対して
平行となるようにしていたために、処理に際し、真空容
器内壁のスパッタリングを抑制することが困難であっ
た。本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので
あり、真空容器内壁が放電にさらされた場合にも真空容
器内壁のスパッタリングが少なく、均一な処理を行うこ
とができるプラズマ表面処理装置を提供することを目的
としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマ表面処
理装置は、被処理基体を設置する第１の電極と、これと
対向する第２の電極を備え、第１の電極の表面を磁界に
対して平行にすると同時に第２の電極の対向する表面も
平行となるよう、磁界の方向に沿って電極の形状を変化
することを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実
施の形態であるプラズマ表面処理装置の構成を示す略図
である。１は真空容器であり１の上壁（以下天板と呼
ぶ）はアノード電極７となっている。アノード電極７と
対向して、被処理基体３の支持台を兼ねるカソード電極
２が配置されている。カソード電極２は、整合回路８を
介して周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源５に接続さ
れる。真空容器１の周囲には、回転可能なダイポールリ
ングマグネット１０が設けられており、真空容器１の内
部に発生するプラズマに磁界が印加され、電子がプラズ
マ中に閉じこめられる。プラズマは上部電極７と下部電
極２の間に形成される電界により、ガス導入口４から真
空容器内に導入されるガスを放電することによって形成
される。また、真空容器には排気口６が設けられ、真空
容器内を減圧下に保つことが可能となっている。

【０００７】図２（ａ）にダイポールリングマグネット
の配置を、また図２（ｂ）に磁石要素３０の形状等を示
す。ダイポールリングマグネットは、円筒状の真空容器
１を同心円状に囲む１６個の磁石要素３０から成り、３
５の方向に着磁された磁石要素３０からθだけ中心軸の
回りに回転した位置にある磁石要素３０′は、着磁方向
３５に対して２０に示す２θだけ回転した３５′の方向
に着磁されており、磁石要素３０から１８０度の位置に
ある磁石要素は、再び着磁方向３５と等しくなるように
環状に配置されている。図３にダイポールリングマグネ
ットによって形成された真空容器１内の磁界分布を示
す。点線で真空容器内面の側壁の位置と、前記側壁と天
板との接する位置をそれぞれ１及び７として示してい
る。

【０００８】図３に示す磁界分布は、図２（ａ）におい
て、円筒状の真空容器１の中心軸を含むＮ−Ｓ断面内の
ものである。図３では前記中心軸をｚ軸として示してい
る。ダイポールリングマグネットの作る磁界分布は、リ
ングマグネットの中心を通る図３のｘ軸と、原点０を通
り紙面に垂直なｙ軸を含むｘ−ｙ面に対して上下に対称
となっている。従ってｘ−ｙ面内では磁界はｚ成分を持
たないが、円筒状チャンバ内壁の天板付近の位置におい
てはｘ−ｙ面と平行な水平面に対して約７°の傾きをも
っている。

【０００９】図４は、ダイポールリングマグネットによ
って形成された磁力線Ｂと、天板の内壁表面及び被処理
基体との関係を、本実施の形態の装置構成と従来の装置
構成とを対比して示したものである。本実施の形態では
図４（ａ）に示すように、天板の内壁表面が磁界と平行
になるように構成されているが、従来は図４（ｂ）に示
すように、天板内面が平面であるため磁界はその周辺部
で前記７°の傾きに対応する垂直成分をもっている。

【００１０】磁力線Ｂと被処理基体の処理面とのなす角
は両者共に平行であり、被処理基体に垂直な軸を中心と
して磁界を回転させても、処理面と磁力線との平行性は
保たれる。しかし本実施の形態では、天板の内壁表面
は、中心軸を含むＮ−Ｓ断面内で磁力線と平行であるば
かりでなく、ドーム状の凹面に加工されていて、ダイポ
ールリングマグネットを中心軸の周りに回転させても、
天板の内壁表面と磁力線との平行性が保たれるように構
成されている。従って本実施の形態では磁界の回転に対
して磁界と処理面、及び天板の内壁表面との平行性が常
に保たれる特徴がある。これに対して図４（ｂ）の従来
の平面天板では、磁界の回転にかかわらず天板周辺部で
磁界は常に約７°の傾きを持つことになる。

【００１１】本実施の形態のプラズマ表面処理装置にお
いて、ガス流量、ＨＢｒ：１５０ｓｃｃｍ、０₂ ：７ｓ
ｃｃｍ、圧力：１００ｍＴｏｒｒ、電極温度：３０℃、
高周波電力：４Ｗ／ｃｍ² の放電条件でプラズマを生成
し、エッチングを行ったところ、天板の内壁表面のエッ
チングが抑制され、金属汚染量が著しく減少することが
わかった。前記磁界と天板の内壁表面の平行性と、前記
天板の内壁表面のエッチングとの関係を、さらに具体的
述べれば次の通りである。

【００１２】従来のように天板を被処理基体と平行な平
面形状にした場合には、天板の内壁表面の外周部分、す
なわち図３で述べたように磁界の方向と天板内面とのな
す角度が約７°となる部分の近傍においてスパッタを生
じていたため、天板は放電時間１０００時間ごとに交換
せざるをえなかったが、本実施の形態の場合には、前記
磁界の方向と天板の内壁表面とのなす角度が１°以下な
るよう、内壁表面をドーム状の凹面に加工することによ
り、内壁表面のプラズマスパッタによるエッチングが減
少し、内面コーティングを施した天板の寿命が放電時間
１００００時間以上と、従来に比べて１０倍以上に達す
ることが確認された。

【００１３】このように良好な結果が得られた理由は、
天板の内壁表面をドーム状の凹面とすることにより内壁
表面全体が磁界と平行になるように構成したからであ
る。すなわち、プラズマがある面に接する場合に、面と
プラズマとの間に電界が生じ、面はプラズマに対して負
の直流バイアスＶｄｃを帯びる。このとき磁界が存在す
れば、面に対して磁界が平行の場合、面とプラズマとの
間に生じる直流バイアスＶｄｃが最も小さくなる。面に
対して磁界が垂直成分を持つ場合には、これよりも大き
なＶｄｃが生ずる。したがって、天板の内壁表面と磁界
とが平行になるように構成することにより、天板内壁表
面とプラズマとの間に生じるＶｄｃが最小となるため、
天板内壁表面のプラズマスパッタによるエッチングを極
力抑制することが可能となったのである。

【００１４】また、天板内面のスパッタを抑制すること
により、処理の際に生じていたウェハ表面の金属汚染を
抑制することができる。具体的には、従来の平面天板の
場合には１×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ² 以上のＡｌ汚染
が発生していたが、天板をドーム形状とし、磁界の方向
と天板の内壁表面とのなす角度が天板の内壁表面全体に
わたって１°以下となるよう構成することにより、Ａｌ
汚染量を７×１０¹¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ² 以下と大幅に抑
制することが可能となった。

【００１５】これは従来の装置では、天板の内壁表面が
エッチングされ難いように表面処理を施しても、前記磁
界との平行性が保たれないため局所的にスパッタエッチ
ングされやすい部分が存在していたためである。表面処
理がスパッタエッチングによりなくなれば天板の材料で
あるＡｌ面が露出する。表面処理のないＡｌ面は更にス
パッタエッチングを生じやすく、反応性のガスやラジカ
ルとの反応も生じやすい。従って、Ａｌ面が露出すれば
Ａｌのスパッタエッチングが急速に進行し、ウエハ表面
にスパッタされたＡｌが堆積してＡｌ汚染を生ずること
は避けられなかった。また、チャンバ内に導入したガス
との反応等により生成された反応生成物等がウェハ表面
に堆積するため、これによってもウェハ表面のＡｌ汚染
が進行していた。

【００１６】本実施の形態に示すように、天板の内壁表
面を磁界と平行に構成することにより、天板内面に生じ
るＶｄｃが小となり、これに伴い天板内壁表面でのスパ
ッタエッチングが抑制され、金属汚染の抑制を達成する
ことができた。またクリーニング放電を行った場合の天
板内面のクリーニングも均一になり、堆積物を均一にし
かも効果的にとることが可能となった。なお本実施の形
態では、円筒状の真空容器の中心軸を含む断面において
天板内面が磁界と平行になるように構成したが、中心軸
と平行な他の断面において、天板内面と磁界とが平行に
なるように構成しても良い。

【００１７】本実施の形態では磁石を回転させるため、
前記中心軸を含む断面内において天板の内壁表面が磁界
と平行になるように構成したが、磁石を回転させない場
合には、天板内面の全面について磁界と平行になるよう
に構成し、かつ処理の均一性を高めるために処理基板を
回転することも可能である。この場合には、天板の内面
全面において磁界と平行になるために、Ｖｄｃは天板内
面の全面で均一となる。このため、天板に付着する堆積
物も天板全面で均一となる。従って処理特性も、天板の
堆積物による多少の影響をも受けることなく、均一な処
理を行うことが可能となる。また、天板表面付近でのプ
ラズマ密度の不均一も抑制されるため、均一な処理を行
うことが可能となる。

【００１８】本実施の形態では内面にアルマイトコーテ
ィング処理をした電極の場合について、天板の内壁表面
が磁界と平行となるように構成することを述べたが、処
理を施していない電極、又はアルマイトコーティング以
外の処理を施した電極、あるいは内面のスパッタを抑制
する目的で石英等の絶縁材料を取り付けた場合等、放電
空間にある全ての材料について同じ構成が適用できる。
例えば図５に示すように石英等の絶縁材料１１で構成さ
れたチャンバ・ウオールの、天板７に近接する部分の内
壁の表面７´を、磁界の分布形状に合わせてドーム状の
凹面に加工し、天板７の内壁表面が磁界と平行になるよ
うに配置することにより、チャンバ・ウオールのスパッ
タを抑制することが可能である。

【００１９】本実施の形態ではカソード電極を被処理基
体を載置する電極として用いたが、アノード電極を被処
理基体を載置する電極として用いることも可能である。
この場合には、カソード電極内面を磁力線に対して平行
となるように構成する。また、被処理基体をカソード電
極、アノード電極とは異なる第３の電極上に載置し、カ
ソード電極とアノード電極の両方を磁界に対して平行と
なるように構成することもできる。またカソード電極、
アノード電極に個々に高周波、あるいは直流電力を供給
してもよい。また他の実施の形態として図６にに示すよ
うに、第１の電極を磁界とほぼ平行なメッシュ状の金属
電極１４として、前記ドーム状の第２の電極と対向させ
ることにより、プラズマ１２を前記第１及び第２の電極
の間に発生させ、被処理体３を載置する電極２を第３の
電極として、これに図に１５で示すように適切な電位Ｖ
を与えることにより、前記プラズマからダウンフローす
る活性種１３を用いて被処理体３の処理を行うことがで
きる。

【００２０】本実施の形態では真空容器内に磁場を形成
する手段として、ダイポールリングマグネットを用いた
が、磁界強度勾配をもたせたダイポールリングマグネッ
トや、電磁石など他の手段で実現してもよい。また本実
の形態では磁石要素が１６個からなるダイポールリング
マグネットを用いたが、磁石要素の数は磁界の均一性等
を考慮してこれ以外の数で構成してもよい。磁界強度は
各プロセスに応じて異なるが、数ガウス以上が好まし
い。より高密度のプラズマ形成を目的として，磁界強度
の大きい磁石を用いる場合でも均一なプラズマの形成が
可能であり、処理の高速化を図ることができる。

【００２１】本実施の形態では高周波電力の周波数とし
て１３．５６ＭＨｚを選んだが、エッチングする材料に
応じて、例えば高めのイオンエネルギが必要な酸化膜系
の材料をエッチングする場合には、１００ｋＨｚから１
ＭＨｚ程度の比較的低い周波数が有効である。一方燐を
添加した多結晶シリコン、あるいはアルミニウム合金の
エッチング等のように下地基板に対して選択性が要求さ
れ、比較的低いイオンエネルギが必要な場合には、２０
ＭＨｚから数１００ＭＨｚ程度の高い周波数が有効であ
る。いずれも磁界強度との組み合わせにより、加工に適
したイオンエネルギ、プラズマ密度、その他のプラズマ
パラメータを制御する。エッチングに使用するガスは、
エッチングする材料に合わせて適宜選択すればよい。さ
らに不活性ガス、水素ガス、窒素ガス、酸素ガスなどを
添加してもよい。

【００２２】本実施の形態ではプラズマエッチング装置
について述べたが、マグネトロン放電を用いたプラズマ
ＣＶＤ装置、スパッタリング装置、ＥＣＲ装置のような
成膜装置についても適用することができる。この他プラ
ズマ、電子、中性活性種のソースとして利用する装置な
ど、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して適用
することができる。以上述べたように、本発明によれば
電極等の材料表面とプラズマとの接触状態を均一にでき
るので、良好なプラズマ表面処理を行うことができる。

【００２３】

【発明の効果】上述したように本発明のプラズマ表面処
理装置によれば、真空容器内壁が放電にさらされても、
前記内壁がスパッタリングされるのが抑制され、長寿命
で均一な処理を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す略図。

【図２】ダイポールリング磁石の構成を示す図。

【図３】ダイポールリング磁石において形成される磁界
分布を示す図。

【図４】磁力線と天板内面との関係を示す図。

【図５】絶縁材料によるスパッタ防止法を示す図。

【図６】本発明の他の実施の形態を示す図。

【符号の説明】

１真空容器２被処理基体の支持台３被処理基体４ガス導入口５高周波電源６真空排気口７第２の電極７´ 絶縁材料からなる天板部分８整合回路１０ダイポールリング磁石１１スパッタ防止用絶縁材料１２プラズマ生成部１３プラズマから発生した活性種１４メッシュ状電極１５直流電源２０隣接する磁石要素間の着磁方向の回転角３０磁石要素３０′ 磁石要素３５磁石要素によって形成される磁界３５′ 磁石要素によって形成される磁界

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の電極を備えた真空容器と、前記真
空容器内に所定のガスを導入するガス供給手段と、前記
真空容器内を減圧下に維持する真空排気手段と、前記真
空容器内に放電を維持する手段と、前記真空容器内に磁
界を発生せしめる磁界発生手段と、前記第１の電極と対
向し前記真空容器の上部内壁からなる第２の電極とを具
備するものであって、前記第１の電極の上に被処理基体
を設置し、前記第２の電極の表面が磁界と平行になるよ
うに構成することを特徴とするプラズマ表面処理装置。
【請求項２】前記被処理基体の処理表面が磁界と平行
となるように前記第１の電極を配置し、前記第２の電極
の表面を磁界の分布形状に合わせて凹面状に加工し、前
記第２の電極の表面が磁界と平行になるように配置する
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ表面処理装
置。
【請求項３】前記第１の電極はカソード電極であっ
て、前記第２の電極はアノード電極であることを特徴と
する請求項１又は請求項２記載のプラズマ表面処理装
置。
【請求項４】前記第１の電極はアノード電極であっ
て、前記第２の電極はカソード電極であることを特徴と
する請求項１又は請求項２記載のプラズマ表面処理装
置。
【請求項５】第１の電極を備えた真空容器と、前記真
空容器内に所定のガスを導入するガス供給手段と、前記
真空容器内を減圧下に維持する真空排気手段と、前記真
空容器内に放電を維持する手段と、前記真空容器内に磁
界を発生せしめる磁界発生手段と、前記第１の電極と対
向し前記真空容器の上部内壁からなる第２の電極とを具
備するプラズマ表面処理装置において、前記第１の電極の上に被処理基体を設置し、前記被処理
基体の処理表面が磁界と平行となるように前記第１の電
極を配置し、かつ前記真空容器の内壁に近接して石英を
材料とする壁面を設け、前記壁面の前記第２の電極に近
接する部分の内壁の表面を、磁界の分布形状に合わせて
加工し、前記第２の電極に近接する部分の内壁の表面が
磁界と平行になるように配置することを特徴とするプラ
ズマ表面処理装置。
【請求項６】前記被処理基体の処理は、前記放電を維
持させる手段により発生した活性種を用いて、表面をエ
ッチングするものであることを特徴とする請求項１又は
請求項２又は請求項５記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項７】前記被処理基体の処理は、前記放電を維
持させる手段により発生した物質を、前記被処理基体の
表面に堆積するものであることを特徴とする請求項１又
は請求項２又は請求項５記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項８】前記第１、第２の電極の対向する表面
は、共に磁界の分布形状に合わせて凹面状に加工するこ
とにより、共に前記表面が磁界と平行になるように構成
されたものであり、前記被処理基体は前記第１、第２の
電極の間に設けた第３の電極の上に設置し、前記被処理
基体の処理表面が磁界と平行となるように、前記第３の
電極を配置することを特徴とする請求項１記載のプラズ
マ表面処理装置。
【請求項９】前記第１の電極は金属メッシュからなる
電極であり、かつ前記電極の前記メッシュで構成される
面内で磁界と平行になるように配置されたものであり、
前記被処理基体は前記第１の電極を介して前記第２の電
極と対向する第３の電極の上に設置することを特徴とす
る請求項１記載のプラズマ表面処理装置。
【請求項１０】前記磁界は、前記被処理基体の処理面
に垂直な軸のまわりに回転することを特徴とする請求項
１乃至請求項９の何れかに記載のプラズマ表面処理装
置。
【請求項１１】前記磁界は静止したものであり、前記
被処理基体を処理面に垂直な軸の周りに回転することを
特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載のプラ
ズマ表面処理装置。