JPH10189293A

JPH10189293A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH10189293A
Application number: JP9291712A
Authority: JP
Inventors: Uikuramanayaka Suniru; ウィクラマナヤカスニル
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 1998-07-21
Anticipated expiration: 2017-10-08
Also published as: JP3907087B2

Abstract

(57)【要約】【解決手段】プラズマ処理装置のための反応容器1
は、基板処理基板17を処理するプラズマを作るようにプ
ラズマ放電を発生させるソースチャンバ11と、基板ホル
ダ16上に基板17が配置されるプロセスチャンバ12を備え
る。高周波電流が流れる平行な複数の導電性ロッド23
は、ソースチャンバにおける対向する壁の間、または上
部の誘電体スラブ62の中に、配置される。前者の場合、
各導電性ロッドは誘電体材料で作られた円筒型チューブ
21で被覆され、当該円筒型チューブの両端は対向する壁
に気密に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置に
関し、特に、半導体産業において化学的気相成長（ＣＶ
Ｄ）プロセスまたは集積回路におけるミクロン規模の素
子のエッチングプロセスに役立つイオン、電子、中性ラ
ジカル、紫外線、可視光線を供給できる改善されたプラ
ズマ源の構成を持つプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体産業で３００ｍｍの径を持つＳｉ
基板（ウェハ）の出現に伴い、処理されるべき基板表面
の全面にわたって均一なプラズマ密度を有する高密度プ
ラズマが非常に要求されてきている。均一なプラズマ密
度を有する広い範囲のプラズマに関する要求を満たすた
めに、今まで多くの異なるプラズマ源の構成が提案され
てきた。これらのプラズマ源の構成は、処理されるべき
基板が配置された反応容器において、広い領域にわたっ
て高い密度でかつ均一なプラズマを実現することによっ
て、プラズマ処理装置に適用されてきた。

【０００３】図１７、図１８、図１９、図２０に従っ
て、従来のプラズマ源の構成における代表的な例を説明
する。

【０００４】図１７に示された第１例の反応容器２００
は、上部プレート２０１、底部プレート２０２、上部プ
レートと底部プレートの間に位置する円筒型側壁２０３
を備えている。上部プレートと底部プレートは金属で作
られ、これに対して、円筒型側壁は誘電体で作られてい
る。反応容器２００の内部には基板ホルダ２０４が底部
プレート２０２に近い低い位置に配置され、それらは電
気的に絶縁されている。ＣｕまたはＡｌで作られた高周
波（ｒｆ）コイル２０５は円筒型側壁２０３の周りに配
置されている。高周波コイル２０５は高周波電力源２０
６から高周波電力を供給される。一方、上部プレート２
０１と底部プレート２０２は共にアースされている。図
１１に示されるように、反応容器２００の半径は「Ｒ」
として示され、またその軸方向の長さは「Ｌ」として示
される。反応容器２００の構成によれば、基板が配置さ
れた基板ホルダ２０４の上方の空間に、円筒型側壁２０
３を通して高周波コイル２０５によって作られる誘導電
界に基づいて、プラズマが生成される。

【０００５】図１８に示された第２例の反応容器３００
は、同様に、上部プレート３０１、底部プレート３０
２、円筒型側壁３０３を有している。この反応容器３０
０において、円筒型側壁と底部プレートは金属で作ら
れ、これに対して上部プレートは誘電体で作られる。反
応容器３００において、基板ホルダ３０４は底部プレー
ト３０２に近い低い位置に配置され、それらは電気的に
絶縁されている。ＣｕまたはＡｌで作られた平らな渦巻
き型高周波コイル３０５が上部プレート３０１の上に配
置される。平らな渦巻き型高周波コイル３０５は高周波
電力源３０６から高周波電力を供給される。この例にお
いて、底部プレート３０２と円筒型側壁３０３はアース
されている。図１８に示されるように反応容器３００の
半径は「Ｒ」として示され、軸方向の長さは「Ｌ」とし
て示されている。反応容器３００の構成によれば、同様
に、基板ホルダ３０４の上方の空間に、上部プレート３
０１を通して平らな渦巻き型高周波コイル３０５によっ
て作られる誘導電界に基づいて、プラズマが生成され
る。

【０００６】他の構成として、図２０に示されるごと
く、プラズマ発生領域４０１と処理領域４０２を有した
反応容器４００がある。この反応容器４００では、プラ
ズマ発生領域４０１と処理領域４０２の各々の半径はお
互いに異なる。プラズマ発生領域４０１を形作る主チャ
ンバは誘電体で作られ、処理領域４０２を形作る下部チ
ャンバは金属で作られている。高周波電力源４０４に接
続された高周波コイル４０３は、プラズマ発生領域４０
１の円筒側壁の周囲に巻かれている。基板ホルダ４０５
は、処理領域４０２の低い位置に配置される。図２０に
おいて、前述した「Ｌ」と「Ｒ」が同様に示されてい
る。

【０００７】上記の反応容器２００，３００，４００で
誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）が生成される。誘導結合
型プラズマのプラズマ密度（ｎ₀）の限界は１０¹¹≦ｎ
₀≦１０¹³ｃｍ^-3の範囲にあり、当該プラズマ密度範囲
は高密度プラズマの領域に属する。これらのプラズマ
は、半導体産業で利用されるほとんどのＣＶＤやエッチ
ングにとって重要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記で説明されたよう
に、上記ＩＣＰを生成するための反応容器は、図１７お
よび図２０に示された円筒型構造と呼ばれるコイル構成
と、図１８に示された平板型構造と呼ばれるコイル構成
の２つの異なるコイル構成が存在する。通常、プラズマ
発生チャンバは「ソースチャンバ」と呼ばれ、これに対
して、膜の堆積やエッチングに関連する化学的反応が起
きるチャンバは「プロセスチャンバ」と呼ばれる。円筒
型コイル構成を持つ反応容器２００と平板型コイル構成
を持つ反応容器３００は、プラズマ発生領域（ソースチ
ャンバに相当する）から処理領域（プロセスチャンバに
相当する）へ拡がる単一のチャンバを持ち、それ故に、
ソースチャンバとプロセスチャンバは同一物になってい
る。一方、反応容器４００はソースチャンバとしてのプ
ラズマ発生領域４０１とプロセスチャンバとしての処理
領域４０２を持っている。

【０００９】上記の各ＩＣＰに関連して、以下に述べら
れるように、２つの大きな問題が存在する。

【００１０】ＩＣＰの第１の問題は、図１７に示されて
いるような反応容器２００において半径方向のプラズマ
密度の分布が不均一であることである。反応容器２００
におけるプラズマは、高周波コイル２０５によって供給
される高周波（ラジオ周波）の電磁波がプラズマ中で円
筒型側壁２０３から数センチの範囲で衰えるので、円筒
型側壁２０３の近傍で生成される。それ故に、例えば、
半径Ｒが１５ｃｍを越えて大きくなると、図１９に示さ
れるように、反応容器２００の中央領域と円筒型側壁２
０３に近い周縁領域との間でプラズマ密度の差異が大き
くなる。このことが、反応容器２００の半径Ｒの増大を
制限することになる。

【００１１】それ故に、反応容器２００では、従来、処
理されるべき基板がプラズマ発生領域から下流に数セン
チ離れた平面の位置に配置され、その場所には拡散の作
用によって均一なプラズマ密度が存在する。プラズマ発
生領域と下流の均一プラズマ密度の平面との間の距離は
反応容器２００の半径Ｒによって決定され、そのため、
半径Ｒが大きくなればなるほど、プラズマ生成領域と均
一プラズマ密度の平面との間の間隔がより大きくなる。

【００１２】上述の事柄が２つの問題を引き起こす。そ
れらの問題の１つは、プラズマの流れに沿ってプラズマ
密度が低下することである。プラズマ密度の低下は、
(i) 反応容器２００の円筒側壁２０３との衝突、(ii)気
相状態における再結合、そして(iii）イオン、電子、中
性ラジカルの拡散に起因してに起きる。他の問題は、プ
ラズマ発生領域と基板の間の距離を増大することであ
る。この問題は、プラズマ処理装置におけるより大きな
アスペクト比という結果をもたらす。

【００１３】図２０に示された反応容器４００は、変更
されたＩＣＰを作り出すための変更された構成である。
この反応容器４００において、プラズマは、より小さい
径のソースチャンバ４０１において生成され、そしてよ
り大きな径のプロセスチャンバ４０２へと流れ出す。反
応容器４００はまた同様に上記の欠点を含んでいる。す
なわち、プロセスチャンバ４０２の半径Ｒの増大に伴っ
て、ソースチャンバ４０１におけるプラズマ発生領域か
ら基板ホルダ４０５までの距離、すなわちＬが、基板ホ
ルダ４０５の広い領域にわたって均一な密度を持つ望ま
しいプラズマを得るために、同様に増加されなければな
らない。Ｌの増大は、上記で説明したように、基板ホル
ダ４０５の平面においてプラズマ密度を減少させる。そ
れ故に、ＣＶＤプロセスおよび／またはエッチングプロ
セスの効率が低減される。

【００１４】第２の問題は、誘電体材料で作られた上部
プレート３０１を有する反応容器３００で起きる。上部
プレート３０１は平らな渦巻き型高周波コイル３０５の
下側に存在する。平らな高周波コイル３０５の構成は、
平らな高周波コイルの平面に平行な平面において均一な
プラズマ密度のプロファイルを与える。しかしながら、
大きな面積のプラズマを得るために、円筒型側壁３０３
と上部プレート３０１と底部プレート３０２の各半径を
増大されなければならない。上部プレート３０１の半径
が増大するときには、上部プレートの材質が反応容器３
００の内外の圧力差に耐えられる金属ほど強くないの
で、上部プレートの厚みが同様に増大されなければなら
ない。例えば半径２０ｃｍの上部プレート３０１におけ
る大気圧からの印加圧力は１２５６ｋｇである。もし反
応容器３００の内部圧力が１０mTorr であり、かつ上部
プレート３０１の誘電体材料として石英が用いられる場
合には、少なくとも２．６ｃｍの厚みを持つ石英板が上
記大気圧に耐えるために要求される。誘電体材料で作ら
れた上部プレート３０１の厚みが増大することは、反応
容器３００におけるプラズマ発生効率を低下させる。

【００１５】上述された円筒型コイル構成と平板型コイ
ル構成を用いて生成されたＩＣＰに関し、上記欠点を避
けるためには、次のような２つの事実を考慮しなければ
ならない。第１の事実は、円筒型側壁の近傍の周縁領域
に加えて、反応容器の中央領域においてＩＣＰを作る手
法である。第２の事実は、反応容器の端部プレートとし
て平らな誘電体材料を用いることを避ける手法である。

【００１６】本発明の主たる目的は、それ故に、上記の
２つの事実を考慮した誘導結合型機構によって均一なプ
ラズマ密度を持った大きな面積のプラズマを作り出すプ
ラズマ処理装置を提供することにある。

【００１７】本発明の目的は、より低いアスペクト比を
有する構成を備えるように設計されたプラズマ処理装置
を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマ処
理装置は、上記の問題を解決するために、上部の位置に
ソースチャンバ（上部分）と下部の位置にプロセスチャ
ンバ（下部分）を備える反応容器と、さらに電磁的電力
供給アンテナとして高周波電流が流れる複数の導電性ロ
ッドとによって構成される。導電性ロッドは基板ホルダ
の上方に配置されている。より具体的には、導電性ロッ
ドはソースチャンバにおけるソースチャンバの対向する
壁部の間に配置されるか、または当該ソースチャンバの
上に配置された頂部誘電体板の内部に配置される。ソー
スチャンバにおいて、基板を処理するプラズマを発生す
るためにプラズマ放電が作られる。プロセスチャンバに
おいて、基板は、基板ホルダ上に配置され、プロセスチ
ャンバへ拡散するプラズマによって処理される。

【００１９】導電性ロッドがソースチャンバの対向する
壁部の間に配置されるとき、導電性ロッドの両端は、対
向する壁部に気密に固定されている。導電性ロッドには
高周波電流が流れる。

【００２０】導電性ロッドが頂部誘電体板の内部に配置
されるとき、複数の導電性ロッドの各々は、頂部誘電体
板に形成された円筒形の孔の中に挿入される。

【００２１】上記構成において、導電性ロッドの各々
は、好ましくは、誘電体材料で作られた円筒型チューブ
で覆われている。従って、導電性ロッドは円筒型チュー
ブによってプラズマから隔離されている。

【００２２】さらに、導電性ロッドは円筒型チューブに
おいて誘電体リングで同軸状に配置される。

【００２３】上記の基本構成おいて、複数の導電性ロッ
ドによって定められる平面は基板ホルダの上面に対して
平行である。

【００２４】さらに、ソースチャンバはセラミック部材
を介してプロセスチャンバと結合されている。

【００２５】ソースチャンバはアースに対して電気的に
絶縁されている。こうして、望ましいプラズマを発生さ
せることができる。

【００２６】ソースチャンバは、好ましくは、単一のキ
ャパシタまたは平行共振回路によってアースに接続され
る。この構成はプラズマの特性を改善することができ
る。

【００２７】上述された構成において、導電性ロッドの
数と２つの隣合う導電性ロッドの間の距離は任意に変化
させることができる。

【００２８】さらに、複数の導電性ロッドはソースチャ
ンバの外側において直列的に接続されている。

【００２９】上記プラズマ処理装置において、好ましく
は、底面にグルーブが形成された他の頂部誘電体板が上
記第１の頂部誘電体板の上に配置され、そして、所定の
内圧を発生させるため２つの頂部誘電体板の間のグルー
ブによって形成された空間にガスが導入される。

【００３０】さらに上記のプラズマ処理装置において、
上記第１頂部誘電体板には、設定温度を持つように、加
熱要素を備えることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に、好ましい発明の実施形態
を添付図面を参照して説明する。これらの実施形態の説
明を通して本発明によるプラズマ処理装置の構成、プラ
ズマのパラメータ、動作の原理が明らかにされる。

【００３２】図１は、プラズマ処理装置の第１の実施形
態を示す。

【００３３】このプラズマ処理装置は反応容器１を備え
ている。反応容器１は２つの部分から構成される。それ
らの１つは上側に位置するソースチャンバ１１であり、
他の１つは下側に位置するプロセスチャンバ１２であ
る。反応容器１は、反応容器１の底壁を兼ねるベースプ
レート１３上に配置される。反応容器１の全体は、外部
への電磁波の放射の伝播を止めるため、ベースプレート
１３上に配置された相対的に大きなシールドケース１４
によって覆われている。シールドケース１４は、例えば
Ａｌまたはステンレス鋼のような金属で作られている。
ソースチャンバ１１とプロセスチャンバ１２の各内部空
間は、単一の共通な反応容器１の内部空間を作ってい
る。ソースチャンバ１１とプロセスチャンバ１２は、非
導電性の材料であるセラミック支持部１５を介して、反
応容器１を作るように結合されている。それ故に、ソー
スチャンバ１１とプロセスチャンバ１２は電気的に分離
され、絶縁されている。

【００３４】ソースチャンバ１１は、例えばステンレス
鋼またはＡｌのごとき導電性材料によって作られてい
る。ソースチャンバ１１はアースに対して電気的に絶縁
される。ソースチャンバ１１の大きさは、臨界的なもの
でなく、幅に関し５０〜１００ｃｍ、長さに関し５０〜
１００ｃｍ、高さに関し２０〜５０ｃｍの範囲に入るよ
うに決められる。ソースチャンバ１１は、例えばＡｌ₂
Ｏ₃で作られたセラミック支持部１５上に配置される。
プロセスチャンバ１２は、例えばＡｌまたはステンレス
鋼のような金属で作られる。プロセスチャンバ１２はセ
ラミック支持部１５の下に配置される。セラミック支持
部１５の長さと幅はソースチャンバ１１およびプロセス
チャンバ１２のそれらに対応している。セラミック支持
部１５の高さは、重要ではなく、１〜５ｃｍの範囲にあ
る。プロセスチャンバ１２は、図７に示されるように、
常にアースされている。基板１７が配置された基板ホル
ダ１６は、プロセスチャンバ１２においてセラミック支
持部１５より低い箇所に配置され、プロセスチャンバ１
２の周囲壁は、安定なプラズマを維持するためにアース
されている。

【００３５】プラズマ処理装置は、ソースチャンバ１１
の上壁に設けられた上流側に位置するガス吹出し口１８
を含む作用ガス供給機構を備えており、さらに基板の上
側に配置される下流側に位置するガス吹出し口１９を含
む反応ガス供給機構を備えている。

【００３６】複数の円筒型直線状誘電体チューブ２１が
ソースチャンバ１１において基板ホルダ１６の上方に配
置されている。これらのチューブ２１は、相互に平行で
あって、望ましい所定の間隔で、かつ１つの平面内に存
在するように配置されている。チューブ２１はまたソー
スチャンバ１１における２つの対向する側壁の間に配置
され、チューブ２１の各々の両端部は２つの壁の各々に
固定されている。

【００３７】上記の円筒型直線状誘電体チューブ２１は
パイレックス（耐熱ガラス）、石英、アルミナ、ホウ素
窒化物のいずれかによって作られている。チューブ２１
の各々は、２つの対向する側壁に作られた孔を通してソ
ースチャンバ１１に挿入され、図２に示された結合機構
２２によってソースチャンバ１１の外壁に気密に固定さ
れている。図１〜図３に示されるように、導電性直線状
ロッド（棒状部材）２３がチューブ２１の各々に挿入さ
れている。従って、導電性ロッド２３は、ソースチャン
バ１１において生成されたプラズマから隔離する目的
で、チューブ２１によって覆われている。さらに、複数
の導電性ロッドも同様に平行なパターンにて配置され
る。外方に延びるチューブ２１は、その長さが可能な限
り短くなるように保持される。このことは、導電性ロッ
ド２３の長さを短くするのに役に立つ。図２に示される
ように、ＡｌまたはＣｕによって作られた導電性ロッド
２３は、チューブ２１の中で、例えばセラミックリング
２４のごとき誘電体リングに支持されることにより同軸
的に配置される。各導電性ロッド２３の１つの端部はマ
ッチングボックス２６を経由して高周波電力源２５に接
続され、これに対してその他の端部はアースされてい
る。

【００３８】図２は結合機構の内部構造を示す。ソース
チャンバ１１の側壁１１ａには規則正しい間隔で配置さ
れた孔を備えており、その孔を通して円筒型直線状誘電
体チューブ２１が気密に固定機構によって当該側壁１１
ａに固定されている。この固定機構は、ボルト３２とＯ
リング３３によりチャンバ側壁１１ａに固定されたフラ
ンジ部材３１と、フランジ部材３１とチューブ２１の間
にあるＯリング３４と金属リング３５と、当該チューブ
を固定するためフランジ部材３１にねじ結合されるキャ
ップ部材３６より成る。図２に明らかに示されるよう
に、円筒型誘電体チューブ２１と当該チューブ２１の内
部空間に配置された導電性ロッド２３との間にはセラミ
ックリング２４が設けられる。

【００３９】前述の反応容器１におけるプラズマ作用の
ためのガスや圧力の設定は、以下に説明される。作用ガ
ス(working gas) 、例えばＡｒ，Ｈｅ，Ｏ₂，Ｎ₂など
は、作用ガス供給機構の上流側ガス吹出し孔１８を通っ
てソースチャンバ１１の中に供給される。反応ガス、例
えばＣＦ₄，ＣＨ₂，Ｆ₂，ＳｉＨ₄，Ｏ₂などは、基
板ホルダ１６の上方数センチの位置であって導電性ロッ
ド２３の成す平面より下側に位置する下流側ガス吹出し
孔１９を通ってソースチャンバ１１の中に供給される。
ソースチャンバ１１とプロセスチャンバ１２の内部は、
プロセスチャンバ１２の側壁に設けられた排気ポート２
７によって排気される。圧力は５〜５０mTorr の範囲に
設定されている。

【００４０】ここで、プラズマ発生の機構を説明する。
ｌを導電性ロッド２３の長さ、ｒをその半径として、ｌ
＞＞ｒという条件を備えた導電性ロッド２３を通して例
えば１３．５６ＭＨｚの高周波（ｒｆ）電流が流れると
き、導電性ロッド２３の軸に対して垂直な面内で環状の
交番的磁場が生成される。この作用は、上記高周波電流
の周波数と等しい周波数を持った交番的電場の生成をも
たらす。振動する誘導的電場によってエネルギを得た電
子は、導電性ロッド２３の近傍の分子の全部あるいは一
部を分解し、ガス分子やガス原子を部分的にイオン化さ
せ、その結果、図３に示されるようにプラズマ４１を生
じさせる。

【００４１】プラズマ４１は、主として、導電性ロッド
２３が同軸的に配置された円筒型誘電体チューブ２１の
周りに、シースの厚みδの距離を隔てて形成される。図
１に示された導電性ロッド２３の構成は、２つの隣合う
導電性ロッド２３の間の距離（ｓ）と高周波電流の大き
さとにより２つの異なるメカニズムによってプラズマを
生成する。

【００４２】もし上記２つの導電性ロッド２３の間の距
離が十分に大きいとき、および／または、高周波電流が
十分に小さいとき、誘導される磁場４２のパターンは図
４に示されたようになる。変動する磁場４２は、その方
向が磁場の方向に垂直である交番的な電場の生成をもた
らす。等しい誘導電場を持つ電気力線の大部分は、導電
性ロッド２３の周りの円形パターンに存在する。電子は
電場によってエネルギを得、上記で説明したようにプラ
ズマを生成する。

【００４３】もし距離ｓが十分に小さくときおよび／ま
たは高周波電流が十分に高いとき、誘導された磁場４２
のパターンは図５に示されるようになる。変動する磁場
４２に起因する誘導された電場の方向は磁場の方向に垂
直である。誘導された電場で等しい電場を持つ電気力線
の大部分は、導電性ロッド２３によって定められる平面
に平行である。電子は、この電場によってエネルギを
得、そして上記で説明されたごとくプラズマ４１を生成
する。

【００４４】ソースチャンバ１１において円筒型誘電体
チューブ２１の各々の周りに生成されたプラズマ４１は
他の領域に拡散し、反応容器１の壁部によって閉じ込め
られた大面積のプラズマを形成す。プラズマ４１の下流
側であって導電性ロッド２３の成す平面に平行である平
面でのプラズマ密度は、図６に示されるように変化す
る。導電性ロッド２３に近い距離（ｄ）の場所において
プラズマは不均一状態（Ｇ１）であり、そのことは、す
なわち、２つの隣合うロッド２３の中央部とロッド２３
に近い領域との間ではプラズマ密度に差異があるという
ことである。しかしながら、距離ｄがさらに下流の方向
に増大するとき、均一なプラズマ密度を持つ平面（Ｇ
２）を得ることができる。均一なプラズマ密度を持つ平
面と導電性ロッドが成す平面との間の距離は、ガスの流
れと圧力に依存する。

【００４５】しかしながら、２つの隣合うロッド２３の
中央部とロッド２３に近い領域との間のプラズマ密度の
差異は、２つのロッドの距離ｓを減少させることによっ
て減少させることができる。それ故に、均一に分散した
プラズマを、導電性ロッド２３の成す平面により近い平
面で得ることができ、その結果、より低いアスペクト比
を持つソースチャンバを達成することができる。

【００４６】前述したプラズマ処理装置の構成によれ
ば、反応容器の周りに巻かれた高周波コイルあるいは反
応容器の１つの壁として誘電体板を使うことなく、その
代わりに、より小さい直径の誘電体チューブで覆われ、
かつ反応容器の内部空間に配置された複数の直線的な導
電性ロッド２３が使用される。それ故に、反応容器１の
大きさ、特にプロセスチャンバ１２を大きくする場合
に、大きな面積の均一なプラズマを得ることができる。

【００４７】導電性ロッド２３の数および２つの隣合う
ロッド２３の間の間隔は、反応容器１の寸法あるいは要
求される他の条件に依存して任意に変化させることがで
きる。結果として、低いアスペクト比の構成を有するプ
ラズマ処理装置を実現することができる。

【００４８】加えて、図７、図８、図９に示されるよう
に、ソースチャンバ１１は、そこで生成されたプラズマ
４１の特性を改善するため変形することが可能である。

【００４９】図７はソースチャンバ１１がアースケーブ
ル５１によって直接にアースされることを示している。
しかしながら、もしソースチャンバ１１が直接にアース
されるならば、チャンバ壁部における電子の損失が高く
なり、それ故に、プラズマ密度は低減する傾向となる。
チャンバ壁部との衝突によって電子やイオンが損失する
ことを最小化するため、ソースチャンバ１１を、キャパ
シタによって、またはインダクタと可変キャパシタが並
列に接続され並列共振をするように構成された回路を含
む他の高周波インピーダンス回路によって、浮遊電位状
態またはアース状態に置くことが提案される。そこで、
図８はソースチャンバ１１がキャパシタ５２によってア
ースに接続されること、図９はソースチャンバ１１が平
行共振回路５３によってアースに接続されることをそれ
ぞれ示している。図９に示された構成は、平行共振回路
５３の共振周波数が高周波電力源２５の周波数と等しく
なる場合に、振動するプラズマ電位の振幅の増大をもた
らす。

【００５０】上記第１の実施形態の他の変形例として、
反応ガスが作用ガスと混合されて同様に上流側ガス吹出
し孔１８を通して加えられることが可能である。この変
形された構成は、反応ガスのガス吹出し孔１９のシャド
ー効果を減少させることができる。何故なら、プラズマ
処理装置は、これらのガス吹出し孔を持つことなく作ら
れ得るからである。

【００５１】図１０はプラズマ処理装置の第２の実施形
態を示す。この構成において、複数の導電性ロッド２１
を接続する外部の回路のみが変更され、これに対してす
べての他のハードウェア的な構成要素は第１の実施形態
と同じに維持される。導電性ロッドにおける電流の流れ
のパターンは、第１実施形態の場合のそれと類似してい
る。それ故に、導電性ロッドの数は、ロッド間の間隔を
減少させることによって増大させることができる。この
ことは、導電性ロッドの平面とこの導電性ロッドに近い
均一なプラズマ密度を持つ平面との間の距離の減少させ
る。

【００５２】前述した実施形態において、プラズマ処理
装置は、プラズマ分布を制御するための複数のマグネッ
トロッドを含むことができる。これらのマグネットロッ
ドは好ましくは導電性ロッドの近くに配置される。

【００５３】図１１、図１２、図１３は本発明の第３の
実施形態を示す。第３の実施形態の構成は、実用的なプ
ラズマ処理装置に適したものである。この実施形態のプ
ラズマ処理装置における反応容器６０は円筒形側壁６１
を有する。円筒形側壁６１は、金属で作られた第１部分
６１ａと第２部分６１ｂと、誘電体で作られた第３部分
６１ｃとから構成される。円筒形側壁の第１部分６１ａ
は上記ソースチャンバ１１を形成し、第２部分６１ｂは
上記プロセスチャンバ１２を形成する。第３部分６１ｃ
は、第１部分と第２部分の間に配置されそれらを電気的
に絶縁する上記セラミック支持部１５と実質的に同一で
ある。プロセスチャンバは排気ポート２７を備えたベー
スプレート１３を有しており、そこには基板ホルダ１６
が配置されている。平行な位置関係にあるいくつかの円
筒形孔６２ａを有した薄い誘電体スラブ（slab）６２が
ソースチャンバ１１の上において第１頂部板として配置
されている。いくつかの円筒形孔６２ａの中には、いく
つかの導電性ロッド２３が互いに平行に配置されてい
る。第１頂部板６２の上にはグルーブ６３ａ（英文明細
書には“grove ”と記載されるが、図から明らかなよう
に６３ａは隙間を形成する溝またはくぼみを指している
ので、英語技術用語として正しくは“groove”であり、
“grove ”が単純な誤記であることは明らかである。こ
こでは表音を考慮して「グルーブ」という用語に置き換
える。「グルーブ」は溝またはくぼみの意味で用い
る。）を備えた第２頂部板６３が設けられ、第２頂部板
６３は誘電体で作られている。第１および第２の頂部板
は、全体として反応容器６０の頂部板を形成する。

【００５４】上記第１および第２の実施形態と比較して
当該第３実施形態における主たる違いは、反応容器の内
部空間にいくつか円筒型直線誘電体チューブ２１を分け
て配置する代わりに、上記薄い誘電体スラブ６２の中に
平行に導電性ロッド２３を配置したことにある。導電性
ロッド２３の配置状態が、縦断面図を示す図１２および
図１３に示される。加えて上記構成の上面図が図１４に
示され、ここでは第２頂部板６３は除かれている。

【００５５】導電性ロッド２３の直径と長さは、それぞ
れ２〜６ｍｍと３００〜６００ｍｍの範囲に含まれる。
すべての導電性ロッド２３は同じ長さを有しており、同
一平面上に平行に存在する。各端部において、すべての
導電性ロッド２３は２つの金属ストリップ（metal stri
p ）に固定されており、これらの金属ストリップは通常
では銅（Ｃｕ）で作られている。金属ストリップ６４の
１つはマッチングボックスを通して高周波電力源２５に
接続され、これに対し他の金属ストリップ６４は接地さ
れている。こうして金属ストリップ６４は、各導電性ロ
ッド２３に均一な電流を流すため、図１４に示される通
り、高周波電力源に接続され、接地されている。

【００５６】これらの導電性ロッド２３は、誘電体スラ
ブ６２を貫通するように形成された円筒形孔６２ａの中
に挿入されている。円筒形孔６２ａの内径は導電性ロッ
ド２３の直径よりも１〜２ｍｍ大きくなっている。通
常、誘電体スラブ６２として石英が用いられている。し
かしながら、他の誘電体物質を同様に用いてもよい。四
角形の誘電体スラブ６２の寸法は重要なことではなく、
３００ｍｍ×３００ｍｍから６００ｍｍ×６００ｍｍの
範囲で変化させることができる。もし円形の誘電体スラ
ブが用いられる場合、その直径は３００ｍｍから６００
ｍｍの間で変化させることができる。応用のタイプに依
存して誘電体スラブ６２に他の寸法を用いることも可能
である。誘電体スラブ６２の厚みはできるだけ小さくさ
れなければならず、通常１０ｍｍから２０ｍｍの範囲に
含まれる。

【００５７】図１５に示されるように、誘電体スラブ６
２の上面には、誘電体スラブ６２を加熱するために加熱
コイル６５がジグザグに配置される。加熱コイル６５は
第２頂部板６３の下側表面に同様に配置することもでき
る。加熱コイル６５はＡＣ電源（１００Ｖ，５０／６０
Ｈｚ）または直流電源のいずれかに接続される。加え
て、熱電対６６が図１１、図１２、図１５に示されるよ
うに誘電体スラブ６２の中に挿入される。熱電対６６と
加熱コイル６５は誘電体スラブ６２を設定温度に維持す
るために温度制御ユニットに接続される。温度制御ユニ
ットとＡＣ電源またはＤＣ電源とは、において示されて
いない。

【００５８】導電性ロッド２３が挿入された誘電体スラ
ブ６２の上には第２頂部板６３があり、第２頂部板６３
は、誘電体スラブ６２に向かう側に作られた大きなグル
ーブ６３ａを有している。このグルーブ６３ａは円形形
状を有し、その直径は円筒形側壁６１の内径に等しく、
当該円筒形側壁６１ではプラズマが生成され、維持され
る。グルーブ６３ａの深さは２ｍｍから３０ｍｍの範囲
で変化させることができる。誘電体の第２頂部板６３は
誘電体スラブ６２の上に配置され、グルーブ６３ａによ
って形成される狭い空間を真空にするため、両者の間に
は真空シールが設けられる。第２頂部板６３では、グル
ーブ６３ａにつながるガス導入ポート６７とガス排出ポ
ート６８が設けられる。ガス排出ポート６８はグルーブ
６３ａの内部圧力を制御するために、可変オリフィスを
介して真空ポンプに接続されている。可変オリフィスと
真空ポンプの図示は省略されている。

【００５９】第２頂部板６３を用いる目的は、容量結合
による高周波電流の損失を最小化することにある。何故
ならば、図１６に示されるように、もし導電性ロッド２
３に接近した位置に接地された金属板６９があるとする
と、この金属板と導電性ロッドの間の容量結合によって
高周波電流が損失する。このことは、不均一なプラズマ
をもたらす、導電性ロッドに沿った電流傾斜の原因とな
る。それ故に、導電性ロッドに接近していかなる導電性
平面があってもいけない。この要求を満足させるため
に、第２頂部板６３は誘電体で作られている。

【００６０】薄い誘電体スラブを選択する理由は、誘電
体スラブの全体を通して均一な温度を維持することにあ
る。半導体処理において、反応容器の加熱された（ある
いは冷却された）壁面を用いることが必要とされ、反応
容器内で生成されたプラズマは当該壁面に直接に接触す
る。それ故に、その下側表面がプラズマに接触するの
で、誘電体スラブ６２に対し最小の厚みを選択すること
が重要である。より厚い誘電体スラブは、大抵、加熱方
法に拘らず、その表面に渡って均一な温度を作り出さな
い。

【００６１】しかしながら、薄い誘電体スラブが用いら
れる場合、圧力差に対する誘電体スラブの強さは大きな
問題である。この問題を解決するために、薄い誘電体ス
ラブの上に、下側表面にグルーブ６３ａを有した第２頂
部板６３を置くことにより、第２頂部板６３と薄い誘電
体スラブの間に薄い空気ギャップまたは狭い空間が作ら
れる。グルーブ６３ａによって作られる狭い空間の内部
圧力は、差圧に起因する誘電体スラブ６２での引っ張り
（strain）を最小にするため、反応容器６０の圧力と等
しくなるように維持される。

【００６２】不活性ガス、通常Ａｒ（アルゴン）が、グ
ルーブ６３ａによって作られた狭い空間を通して流され
る。この場合、グルーブ６３ａの深さは可能な限り短く
され、通常約２ｍｍである。さもなくば、当該グルーブ
の中にプラズマが生成される。もしグルーブがより大き
な深さ、例えば５ｍｍより大きいものが用いられる場
合、グルーブの内部圧力は反応容器６０の内部圧力より
も、より小さく低減されなければならない。この場合に
は、プラズマはグルーブ内で生成されない。通常Ａｒガ
スについて１０^-5Torrよりも小さい圧力では、プラズマ
は生成されない。グルーブの深さに５ｍｍよりも大きな
深さが用いられる場合、第２頂部板６３は誘電体の代わ
りに金属で作られる。

【００６３】上述したように、円筒形側壁６１は、ソー
スチャンバ１１としての第１部分６１ａから成る上部チ
ャンバと、プロセスチャンバ１２としての第２部分６１
ｂから成る下部チャンバとに分けられる。上部チャン
バ、下部チャンバ、そして第３部分６１ｃの各々の直径
は同じである。プロセスチャンバとしての下部チャンバ
は、第１および第２の実施形態で述べたように、常に接
地されている。上部チャンバの電気的状態は、第１実施
形態において説明されたように、変化させることができ
る。上部チャンバの高さと下部チャンバの高さは重要な
事項ではない。例えば、下部チャンバの高さは、第３部
分６１ｃを省略することによって誘電体スラブ６２の所
まで延長させることができる。しかしながら、反対に、
上部チャンバをベースプレート１３に向かって下方へ延
長することは、上部チャンバが浮動状態にあるとき、プ
ラズマの安定性にとって適切ではない。

【００６４】図１３に示されるように、反応ガスがいく
つかのノズル７０を通して反応容器６０のソースチャン
バ１１に供給され、これらのノズルは円筒形側壁６１の
第１部分６１ａに形成されている。最初、反応ガスまた
はガス混合体は円筒形側壁６１の第１部分の６１ａに作
られた円形通路７１に供給される。それから、反応ガス
またはガス混合体は、ノズル７０を通して円形通路７１
から内部空間へ向かい、ソースチャンバの中へ導入され
る。

【００６５】第３実施形態において円筒形状をした上部
チャンバと下部チャンバは反応容器として用いられるけ
れども、第１実施形態で与えられたように、四角形の上
部チャンバおよび下部チャンバを用いてもよい。この場
合に、第１および第２の頂部板とそのグルーブの形状
は、同様に、相対的寸法を有した矩形形状になる。もし
円筒形側壁が用いられる場合には、プラズマが直接接触
する表面領域は最小になる。このことはパーティクル汚
染を最小にすることを導く。

【００６６】第３実施形態におけるプラズマ生成機構
は、前述の実施形態で説明されたものと同じである。

【００６７】第３実施形態の構成に従えば、ソースチャ
ンバ１１において導電性ロッド２３とチューブ２１に邪
魔されることなく、プラズマを生成することができ、一
方において、導電性ロッド２３を生成されたプラズマか
ら保護することができ、何故ならば、導電性ロッドが第
１頂部板となる薄い誘電体スラブ６２の中に配置される
からである。

【００６８】

【発明の効果】本発明によるプラズマ処理装置は、処理
平面において、均一に分布した大きな面積の高密度のプ
ラズマを生じさせることができ、より低いアスペクト比
を持つ構成を実現することができ、反応容器の強度を改
善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の内部の構造を示す概
念的な図である。

【図２】誘電体チューブをソースチャンバに固定する構
造と、誘電体チューブの真中に導電性ロッドを維持させ
る構造を示した断面図である。

【図３】誘電体チューブの周りに生成されたプラズマの
断面図である。

【図４】２つの隣合う導電性ロッドの間の距離が大きい
場合にプラズマ生成のメカニズムを示すための断面図で
ある。

【図５】２つの隣合う導電性ロッドの距離が小さい場合
にプラズマ生成プロセスのメカニズムを示す断面図であ
る。

【図６】導電性ロッドの成す平面に平行な下流側平面に
おけるプラズマ密度の変化を示すための概念的な図であ
る。

【図７】ソースチャンバがアースされている時のプラズ
マ処理装置の断面図である。

【図８】ソースチャンバがキャパシタを介してアースさ
れている時のプラズマ処理装置の断面図である。

【図９】ソースチャンバが可変キャパシタと誘導コイル
を含む平行共振回路を介してアースされている時におけ
るプラズマ処理装置の断面図である。

【図１０】導電性ロッドの他の配列を持った第２の実施
形態を示す平面図である。

【図１１】本発明の第３の実施形態によるプラズマ処理
装置の全体構造と内部構造を示す概略構成図である。

【図１２】内部構造を示すプラズマ処理装置の垂直断面
図である。

【図１３】内部構造を示すプラズマ処理装置の他の垂直
断面図である。

【図１４】誘電体スラブの上面図である。

【図１５】加熱コイルを備えた誘電体スラブを示す上面
図である。

【図１６】導電性ロッドに接近した接地された金属プレ
ートがある場合の、電流の減衰を示す解説図である。

【図１７】円筒型構成を持つ誘導型駆動プラズマ源を示
した概念図である。

【図１８】平板型構成を持った誘導型駆動プラズマ源を
示した概念図である。

【図１９】誘導型駆動プラズマ源の径方向のプラズマ密
度の変化を示すグラフである。

【図２０】プラズマが小さい直径のソースチャンバで生
成され、より大きい直径のプロセスチャンバに送られる
ようにした誘導型駆動プラズマ源を示す概念図である。

【符号の説明】

１反応容器１１ソースチャンバ１２プロセスチャンバ１３ベースプレート１４シールドケース１５セラミック支持部１６基板ホルダ１７基板２１誘電体チューブ２３導電性ロッド２５高周波電力源６１円筒形側壁６１ａ第１部分６１ｂ第２部分６１ｃ第３部分６２薄い誘電体スラブ６３第２頂部板６３ａグルーブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を処理するプラズマを作るようにプ
ラズマ放電を発生させる上部分と基板ホルダ上に基板が
配置される下部分とを含む反応容器と、前記基板ホルダの上方に配置されかつ高周波電流が流れ
る平行な複数の導電性ロッドとから構成されることを特
徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記平行な導電性ロッドは前記上部分に
おける対向する壁の間に配置されることを特徴とする請
求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記平行な導電性ロッドは前記上部分の
上に配置された頂部誘電体板内に設けられたこと特徴と
する請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記平行な複数の導電性ロッドは各々前
記頂部誘電体板の内部に形成された円筒孔に挿入される
ことを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記導電性ロッドの各々は誘電体材料で
作られた円筒型チューブで被覆され、当該円筒型チュー
ブの両端は前記対向する壁に気密に固定されていること
を特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】前記導電性ロッドは誘電体リングによっ
て前記円筒型チューブに同軸的に設けられることを特徴
とする請求項５記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】複数の前記導電性ロッドによって定めら
れる平面は前記基板ホルダの上面に対して平行であるこ
とを特徴とする請求項２または３記載のプラズマ処理装
置。
【請求項８】前記上部分はセラミックス部材を介して
前記下部チャンバに結合されることを特徴とする請求項
１記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】前記上部分は電気的にアースから絶縁さ
れていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理
装置。
【請求項１０】前記上部分は単一のキャパシタと平行
共振回路のうちのいずれかの１つを介してアースに接続
されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１１】前記導電性ロッドの数と２つの隣接す
るロッドの間の距離は各々任意に変り得ることを特徴と
する請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】複数の前記導電性ロッドは前記上部分
の外側で直列的に接続されていることを特徴とする請求
項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】その底面にグルーブを有する他の頂部
誘電体板が前記頂部誘電体板の上に配置され、ガスが前
記２つの頂部誘電体板の間のグルーブによって形成され
る空間に導入され、所定の内圧を作ることを特徴とする
請求項３または４記載のプラズマ処理装置。
【請求項１４】前記頂部誘電体板は、設定温度を持つ
ように加熱要素を備えることを特徴とする請求項３また
は４記載のプラズマ処理装置。