JPH11233289A - 高周波放電装置及び高周波処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、プラズマ放電の安定化とアンテナに
よるスパッタの抑制とを両立させるためにアンテナとプ
ラズマとの静電的結合を最適に制御する。 【解決手段】ループ状のアンテナ８の接地側にフローテ
ィングコンデンサ１０を接続し、このフローティングコ
ンデンサ１０の容量Ｃ_f を変化させてアンテナ８上での
高周波電圧分布を変化させ、このアンテナ８とプラズマ
との静電的結合を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ハ上の薄膜素子の製造、或いは粒子ビーム源や分析装置
や加熱装置などのプラズマ源に用いられる高周波放電装
置並びに高周波処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属、半金属、半導体、酸化物、窒化
物、砒素などを構成要素とする薄膜が形成された素子
（以下、薄膜素子と称する）は、ＬＳＩ、磁気記録装
置、光記録装置などの記憶装置、半導体レーザ、光電変
換素子などの通信機器、ＬＣＤなどの平面ディスプレ
イ、固体撮像素子などの表示装置、太陽電池などのエネ
ルギー機器など、多種多様な装置の主要部品に応用され
ており、今後、機器の小型化、高性能化を進展させるた
めの必須部品として技術的発展が期待されている。

【０００３】このような薄膜素子は、その構造の微細
化、高性能化が進んでおり、例えばエッチング、ＣＶＤ
などでプラズマを用いた製造プロセスが重要となつてい
る。そして、製造プロセスで用いる被処理体の基板の面
積も生産性向上の観点から大面積化している。

【０００４】このような製造プロセスを実現するために
誘導結合型の高周波プラズマ装置が注目されている。こ
の誘導結合型の高周波プラズマ装置は、通常、真空容器
の外部にループ状のアンテナが配置され、このアンテナ
に高周波電流を流すことにより誘導電界を真空容器内の
ガスに加え、プラズマを生成するものとなっている。

【０００５】この場合、アンテナにより発生する誘導電
界は、真空容器に設置された誘電体窓を通して真空容器
内のガスに加えられている。このような誘導結合型の高
周波プラズマであれば、アンテナの近傍に誘導電界が発
生するとともに、アンテナに供給される高周波電圧によ
る静電界も同時に発生する。

【０００６】この静電界によるアンテナとプラズマとの
静電的結合は、プラズマ放電の開始や低密度領域でのプ
ラズマ生成に寄与する。これにより、この静電的結合
は、プラズマ放電の安定化に重要な働きをする。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アンテ
ナとプラズマとの静電的結合の結果、アンテナ又はアン
テナ近傍の誘電体には、負の直流セルフバイアス電圧が
発生し、このセルフバイアス電圧によつて放電により生
じたイオンが加速され、誘電体やアンテナの材料がスパ
ッタされる。例えば、アンテナの材料が銅であれば、こ
の銅そのものや電離した銅が真空容器の内壁や被処理体
にスパッタされる。

【０００８】このため、高周波プラズマ装置の劣化を速
めるだけでなく、スパッタされた不純物がエッチングや
ＣＶＤなどのプロセスに悪影響を与える。そこで本発明
は、プラズマ放電の安定化とアンテナによるスパッタの
抑制とを両立させるためにアンテナとプラズマとの静電
的結合を最適に制御できる高周波放電方法及びその装置
を提供することを目的とする。

【０００９】又、本発明は、アンテナとプラズマとの静
電的結合を最適に制御した状態でプラズマを発生させ、
被処理体に対する処理ができる高周波処理装置を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、少く
とも１つのループ状のアンテナに高周波電力を供給して
容器内に誘導電界を発生させることによりプラズマを生
成する高周波放電装置において、１つの前記アンテナの
接地側又は複数のアンテナ間にそれぞれ介装されたコン
デンサ、を備えた高周波放電装置である。

【００１１】請求項２によれば、請求項１記載の高周波
放電装置において、アンテナは、外周側に絶縁被覆が施
されている又は施されていないものである。請求項３に
よれば、請求項１記載の高周波放電装置において、コン
デンサは、可変容量であり、この容量を変化させてアン
テナ上での高周波電圧分布を変化させ、アンテナとプラ
ズマとの静電的結合を制御するものである。

【００１２】請求項４によれば、請求項３記載の高周波
放電装置において、コンデンサの容量Ｃは、高周波の周
波数をω、回路中のインダクタンスをＬとすると、 Ｃ＝２／ω² Ｌ の関係を満たすものである。

【００１３】請求項５によれば、プラズマ生成用のガス
が供給され、かつ内部に被処理体が配置される真空容器
と、高周波電力用の電源と、電源からの高周波電力の供
給により真空容器内に誘導電界を発生させてプラズマを
生成させ、真空容器内の被処理体に対して処理を行なわ
せる少くとも１つのループ状のアンテナと、１つのアン
テナの接地側又は複数のアンテナ間にそれぞれ介装され
たコンデンサと、を備えた高周波処理装置である。

【００１４】請求項６によれば、請求項５記載の高周波
処理装置において、アンテナは、外周側に絶縁被覆が施
されている又は施されていないものである。請求項７に
よれば、請求項５記載の高周波処理装置において、アン
テナは、複数であり、かつ真空容器の内部に設けられた
ものである。

【００１５】請求項８によれば、請求項５記載の高周波
処理装置において、アンテナは、真空容器の外部に設け
られたものである。請求項９によれば、請求項５記載の
高周波処理装置において、コンデンサは、可変容量であ
り、この容量を変化させてアンテナ上での高周波電圧分
布を変化させ、アンテナとプラズマとの静電的結合を制
御するものである。

【００１６】請求項１０によれば、請求項９記載の高周
波処理装置において、コンデンサの容量Ｃは、高周波の
周波数をω、回路中のインダクタンス成分をＬとする
と、 Ｃ＝２／ω² Ｌ の関係を満たすものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】(1) 以下、本発明の第１の実施の
形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の
高周波処理装置の構成図である。真空容器１は、例えば
円筒状に形成され、その上部には図２に示すようにエッ
チング用の反応性ガスやＣＶＤ用の原料ガスなどのプロ
セスガス２を供給するための供給管３が接続されるとと
もに、その下部には排気管４が接続されている。なお、
真空容器１は、円筒状に限らず、立方体形状に形成され
ていてもよい。

【００１８】排気管４には、排気ポンプ５が接続され、
この排気ポンプ５の作動によって真空容器１内を減圧す
るようになっている。又、真空容器１内には、テーブル
６が設けられ、このテーブル６上にエッチング又はＣＶ
Ｄ処理が行なわれる被加工物７が載置されている。

【００１９】さらに、真空容器１内には、ループ状のア
ンテナ８が配置されている。このアンテナ８は、例えば
導電性の材料、例えば銅、アルミニウムにより形成され
ている。

【００２０】又、このアンテナ８は、そのアンテナ導体
の外周を絶縁材料、例えばガラス繊維で絶縁被覆が施さ
れたもの、又は絶縁被覆を施さずにアンテナ導体の金属
無垢の２種類となっている。

【００２１】このアンテナ８の一端には、図１に示すよ
うに高周波電力用の電源９が接続され、かつ他端側の接
地との間にはフローティングコンデンサ１０が接続され
ている。

【００２２】このフローティングコンデンサ１０は、可
変容量であり、その容量Ｃ_f を変化させてアンテナ８上
での高周波電圧分布を変化させ、このアンテナ８とプラ
ズマＰとの静電的結合を制御する作用を持っている。

【００２３】すなわち、図３(a) に示すようにアンテナ
８にフローティングコンデンサ１０が接続されていなけ
れば、接地に対するＡ点の電圧は同図(b) に示すように
０Ｖとなり、Ａ点とＢ点との間には同図(c) に示すよう
にアンテナ８のＡ，Ｂ間の電圧に対応した電圧波形が現
れる。この波形は、同図(d) に示すように接地に対する
Ｂ点についても同様である。

【００２４】これに対して図４(a) に示すようにアンテ
ナ８にフローティングコンデンサ１０を接続すると、Ａ
点には、このフローティングコンデンサ１０の電圧降下
により同図(b) に示すようにＡ点とＢ点との間の電圧位
相｛図４(c) ｝と逆位相で２分の１倍の振幅を持つの電
圧波形が現れる。

【００２５】従って、接地からＢ点の電圧は、同図(b)
に示すフローティングコンデンサ１０による逆位相の電
圧と同図(c) に示すＡ点とＢ点との間の電圧とが重なり
合った波形となり、同図(d) に示すような最大値の小さ
くなった電圧となる。

【００２６】従って、フローティングコンデンサ１０の
容量Ｃ_f を変化させることにより、アンテナ８上の電圧
分布を変化させてアンテナ８上の任意の点（例えばＡ点
とＢ点との中間点）の電圧を０Ｖに制御できるものとな
る。

【００２７】この中間点での電圧が０Ｖの場合、図４
(a) に示す回路を式で表すと、 Ｖ＝｛（ｊωＬ／２）＋ｊ（１／ωＣ_f ）｝・Ｉ …(1) となる。ここで、Ｌはアンテナ８のインダクタンス、Ｃ
_f はフローティングコンデンサの容量、Ｉは回路電流で
ある。

【００２８】この際には、式変形して Ｃ_f ＝２／ω² Ｌ …(2) となる。

【００２９】この値をとれば、高周波電圧についてコン
デンサがない場合に比べて接地からＢ点が半分となり大
幅に静電的結合が抑制できる。ここで、フローティング
コンデンサ１０の効果を調べるために、アンテナ８の両
端での高周波電圧Ｖ_RF1 、Ｖ_RF2 、アンテナ８の負の直
流セルフバイアス電圧Ｖ_DC、電子密度ｎ_e をそれぞれ測
定した。

【００３０】図５及び図６はアンテナ８のセルフバイア
ス電圧Ｖ_DC（図には絶対値｜Ｖ_DC｜を表示）、アンテナ
８の両端の高周波電圧Ｖ_RF1 、Ｖ_RF2 、電子密度ｎ_e に
対するフローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f の依存
性を示している。

【００３１】この場合、アンテナ８は、ステンレス製金
属無垢のアンテナを用いて例えばアルゴン０．３Ｐａの
放電を行なった。図５に示すようにフローティングコン
デンサ１０の容量Ｃ_f を小さくするにつれて、電源９側
の高周波電圧Ｖ_RF1 は小さくなり、フローティングコン
デンサ１０側の高周波電圧Ｖ_RF2 は大きくなり、上記コ
ンデンサ１０の容量Ｃ_f が４００ｐＦとなる付近で大き
さが逆転する。

【００３２】又、セルフバイアス電圧｜Ｖ_DC｜は、上記
コンデンサ１０の容量Ｃ_f を小さくするにつれて初めは
小さくなり、Ｖ_RF1 ＝Ｖ_RF2 となるときに最小となり、
この後に再び高くなる。

【００３３】このことはフローティングコンデンサ１０
の容量Ｃ_f を変化させることにより、静電的結合の強さ
を制御できることを示している。図６はセルフバイアス
電圧｜Ｖ_DC｜が最小となるときに電子密度ｎ_e が最大と
なっている。これはアンテナ８とプラズマＰとの静電的
結合を抑制すると、プラズマＰの生成効率が高くなるこ
とを示している。

【００３４】一方、図７及び図８は上記同様にフローテ
ィングコンデンサ１０の効果を調べるために、絶縁被覆
されたアンテナ８を用いて、このアンテナ８の両端での
高周波電圧Ｖ_RF1 、Ｖ_RF2 、電子密度ｎ_e をそれぞれ測
定した結果である。なお、アンテナ８の負の直流セルフ
バイアス電圧Ｖ_DCは、アンテナ導体でなく、プラズマＰ
中の絶縁物表面に現れるために測定できない。

【００３５】この絶縁被覆されたアンテナ８を用いた場
合でも、上記同様に、アンテナ８の両端の高周波電圧Ｖ
_RF1 、Ｖ_RF2 は、フローティングコンデンサ１０の容量
Ｃ_fが４００ｐＦとなる付近でＶ_RF1 ＝Ｖ_RF2 となり、
かつ電子密度ｎ_e が最大となるという同じ傾向を持って
いる。

【００３６】これはアンテナ８に絶縁被覆を施してもフ
ローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f を変えることに
より、アンテナ８とプラズマＰとの静電的結合が制御で
きることを示している。

【００３７】なお、アンテナ８を真空容器１の外部に配
置した場合でも、アンテナ８とプラズマＰとが誘電体を
介して結合されている点では、アンテナ８を真空容器１
の内部に配置した場合と変わらないので、アンテナ８を
真空容器１の外部に配置した場合でもフローティングコ
ンデンサ１０の容量Ｃ_f を変えることによりアンテナ８
とプラズマＰとの静電的結合が制御できる。

【００３８】このような高周波処理装置での処理は、真
空容器１の内部に配置されたループ状のアンテナ８に対
して電源９から高周波電流が流すことにより誘導電界が
真空容器１内のエッチング用の反応性ガスやＣＶＤ用の
原料ガスなどのプロセスガス２に加えられ、これにより
プラズマＰが生成され、被処理体７に対するエッチング
又は薄膜形成などの処理が行なわれる。

【００３９】このように上記第１の実施の形態において
は、アンテナ８の接地側にフローティングコンデンサ１
０を接続し、このフローティングコンデンサ１０の容量
Ｃ_fを変化させてアンテナ８上での高周波電圧分布を変
化させ、このアンテナ８とプラズマＰとの静電的結合を
制御するようにしたので、プラズマＰ放電の安定化とア
ンテナ８によるスパッタの抑制とを両立させるためにア
ンテナ８とプラズマＰとの静電的結合を最適に制御でき
る。

【００４０】これにより、負の直流セルフバイアス電圧
によつてイオンが加速され、例えば、アンテナの材料が
真空容器１の内壁や被処理体７にスパッタされることが
抑制され、高周波プラズマ装置を長寿命化でき、エッチ
ングやＣＶＤなどのプロセスに悪影響を与えることはな
くなる。 (2) 次に、本発明の第２の実施の形態について説明す
る。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付し
てその詳しい説明は省略する。

【００４１】図９は高周波処理装置の構成図である。真
空容器１の内部には、径の異なる複数のループ状のアン
テナ、例えば２つのアンテナ２０、２１が配置されてい
る。

【００４２】これらアンテナ２０、２１は、例えば導電
性の材料、例えば銅、アルミニウムにより形成されてい
る。又、これらアンテナ２０、２１は、そのアンテナ導
体の外周を絶縁材料、例えばガラス繊維で絶縁被覆が施
されたもの、又は絶縁被覆を施さずにアンテナ導体の金
属無垢の２種類となっている。

【００４３】これらアンテナ２０、２１は、直列に接続
され、かつその各間にはそれぞれ各フローティングコン
デンサ２２、２３が接続されている。これらフローティ
ングコンデンサ２２、２３は、それぞれ可変容量であ
り、その各容量Ｃ_f を変化させて各アンテナ２０、２１
上での高周波電圧分布を変化させ、各アンテナ２０、２
１とプラズマＰとの静電的結合を制御する作用を持って
いる。

【００４４】すなわち、上記第１の実施の形態と同様
に、各フローティングコンデンサ２２、２３の各容量Ｃ
_f を変化させることにより、各アンテナ２０、２１での
電圧分布を任意に制御してアンテナ上の任意の点を０Ｖ
にできるとともに、接地から各アンテナ２０，２１まで
の電圧を小さくすることができる。

【００４５】このような高周波処理装置での処理は、真
空容器１の内部に配置された２つのループ状のアンテナ
２０、２１に対して電源９から高周波電流が流すことに
より誘導電界が真空容器１内のエッチング用の反応性ガ
スやＣＶＤ用の原料ガスなどのプロセスガス２に加えら
れ、これによりプラズマＰが生成され、被処理体７に対
するエッチング又は薄膜形成などの処理が行なわれる。

【００４６】このように上記第２の実施の形態において
は、２つのアンテナ２０、２１の各間にフローティング
コンデンサ２２、２３を接続してその各容量Ｃ_f を変化
させて２つのアンテナ２０、２１上での高周波電圧分布
を変化させ、これらアンテナ２０、２１とプラズマＰと
の静電的結合を制御するようにしたので、上記第１の実
施の形態と同様に、プラズマＰ放電の安定化とアンテナ
２０、２１によるスパッタの抑制とを両立させるために
アンテナ２０、２１とプラズマＰとの静電的結合を最適
に制御できるという効果を奏することは言うまでもな
い。(3) 次に、本発明の第３の実施の形態について説明
する。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付
してその詳しい説明は省略する。

【００４７】図１０は高周波処理装置の構成図である。
真空容器１の外周には、複数のループ状のアンテナ、例
えば３つのアンテナ３０、３１、３２が配置されてい
る。

【００４８】これらアンテナ３０、３１、３２は、例え
ば導電性の材料、例えば銅、アルミニウムにより形成さ
れている。又、これらアンテナ３０、３１、３２は、絶
縁被覆を施さずにアンテナ導体の金属無垢となってい
る。

【００４９】これらアンテナ３０、３１、３２は、直列
に接続され、かつその各間にはそれぞれ各フローティン
グコンデンサ３３、３４、３５が接続されている。これ
らフローティングコンデンサ３３、３４、３５は、それ
ぞれ可変容量であり、その各容量Ｃ_f を変化させて各ア
ンテナ３０、３１、３２上での高周波電圧分布を変化さ
せ、各アンテナ３０、３１、３２とプラズマＰとの静電
的結合を制御する作用を持っている。又、アンテナ３
０，３１，３２は、真空容器の一部をなす例えば石英部
材３６に巻かれている。

【００５０】すなわち、上記第１の実施の形態と同様
に、各フローティングコンデンサ３３，３４，３５の各
容量Ｃ_f を変化させることにより、各アンテナ３０，３
１，３２での電圧分布を任意に制御してアンテナ上の任
意の点を０Ｖにできるとともに、接地から各アンテナ３
０，３１，３２までの電圧を小さくすることができる。

【００５１】このような高周波処理装置での処理は、真
空容器１の内部に配置された２つのループ状のアンテナ
３０、３１、３２に対して電源９から高周波電流を流す
ことにより誘導電界が真空容器１内のエッチング用の反
応性ガスやＣＶＤ用の原料ガスなどのプロセスガス２に
加えられ、これによりプラズマＰが生成され、被処理体
７に対するエッチング又は薄膜形成などの処理が行なわ
れる。

【００５２】このように上記第３の実施の形態において
は、３つのアンテナ３０、３１、３２の各間にフローテ
ィングコンデンサ３３、３４、３５を接続してその各容
量Ｃ_f を変化させて３つのアンテナ３０、３１、３２上
での高周波電圧分布を変化させ、これらアンテナ３０、
３１、３２とプラズマＰとの静電的結合を制御するよう
にしたので、上記第１の実施の形態と同様に、プラズマ
Ｐ放電の安定化とアンテナ３０、３１、３２によるスパ
ッタの抑制とを両立させるためにアンテナ３０、３１、
３２とプラズマＰとの静電的結合を最適に制御できると
いう効果を奏することは言うまでもない。

【００５３】なお、上記の説明では高周波を用いた処理
装置について述べたが、高周波加熱装置のような常圧容
器中での被処理体（例えば金属など）の加熱に用いる高
周波放電装置も提供できる。

【００５４】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、プ
ラズマ放電の安定化とアンテナによるスパッタの抑制と
を両立させるためにアンテナとプラズマとの静電的結合
を最適に制御できる高周波放電装置を提供できる。

【００５５】又、本発明によれば、アンテナとプラズマ
との静電的結合を最適に制御した状態でプラズマを発生
させ、被処理体に対する処理ができる高周波処理装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる高周波処理装置の第１の実施の
形態を示す構成図。

【図２】同装置における真空容器内の構成図。

【図３】フローティングコンデンサが無いときのアンテ
ナ上の高周波電圧分布を説明するための図。

【図４】フローティングコンデンサを接続したときのア
ンテナ上の高周波電圧分布を説明するための図。

【図５】金属無垢のアンテナを用いた場合のアンテナの
セルフバイアス電圧Ｖなどに対するフローティングコン
デンサの容量の依存性を示す図。

【図６】金属無垢のアンテナを用いた場合のアンテナの
セルフバイアス電圧などに対するフローティングコンデ
ンサの容量の依存性を示す図。

【図７】絶縁被覆されたアンテナを用いた場合のアンテ
ナのセルフバイアス電圧Ｖなどに対するフローティング
コンデンサの容量の依存性を示す図。

【図８】絶縁被覆されたアンテナを用いた場合のアンテ
ナのセルフバイアス電圧Ｖなどに対するフローティング
コンデンサの容量の依存性を示す図。

【図９】本発明に係わる高周波処理装置の第２の実施の
形態を示す構成図。

【図１０】本発明に係わる高周波処理装置の第３の実施
の形態を示す構成図。

【符号の説明】

１：真空容器、 ２：プロセスガス、 ７：被加工物、 ８，２０，２１，３０，３１，３２：ループ状のアンテ
ナ、 ９：高周波電力用の電源、 １０，２２，２３，３３，３４，３５：フローティング
コンデンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戸野谷 純一 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少くとも１つのループ状のアンテナに高
   周波電力を供給して容器内に誘導電界を発生させること
   によりプラズマを生成する高周波放電装置において、 １つの前記アンテナの接地側又は複数の前記アンテナ間
   にそれぞれ介装されたコンデンサ、 を具備したことを特徴とする高周波放電装置。
2. 【請求項２】 前記アンテナは、外周側に絶縁被覆が施
   されている又は施されていないことを特徴とする請求項
   １記載の高周波放電装置。
3. 【請求項３】 前記コンデンサは、可変容量であり、こ
   の容量を変化させて前記アンテナ上での高周波電圧分布
   を変化させ、前記アンテナと前記プラズマとの静電的結
   合を制御することを特徴とする請求項１記載の高周波放
   電装置。
4. 【請求項４】 前記コンデンサの容量Ｃは、高周波の周
   波数をω、回路中のインダクタンスをＬとすると、 Ｃ＝２／ω² Ｌ の関係を満たすことを特徴とする請求項３記載の高周波
   放電装置。
5. 【請求項５】 プラズマ生成用のガスが供給され、かつ
   内部に被処理体が配置される真空容器と、 高周波電力用の電源と、 前記電源からの高周波電力の供給により前記真空容器内
   に誘導電界を発生させてプラズマを生成させ、前記真空
   容器内の前記被処理体に対して処理を行なわせる少くと
   も１つのループ状のアンテナと、 １つの前記アンテナの接地側又は複数の前記アンテナ間
   にそれぞれ介装されたコンデンサと、を具備したことを
   特徴とする高周波処理装置。
6. 【請求項６】 前記アンテナは、外周側に絶縁被覆が施
   されている又は施されていないことを特徴とする請求項
   ５記載の高周波処理装置。
7. 【請求項７】 前記アンテナは、複数であり、かつ前記
   真空容器の内部に設けられたことを特徴とする請求項５
   記載の高周波処理装置。
8. 【請求項８】 前記アンテナは、前記真空容器の外部に
   設けられたことを特徴とする請求項５記載の高周波処理
   装置。
9. 【請求項９】 前記コンデンサは、可変容量であり、こ
   の容量を変化させて前記アンテナ上での高周波電圧分布
   を変化させ、前記アンテナと前記プラズマとの静電的結
   合を制御することを特徴とする請求項５記載の高周波処
   理装置。
10. 【請求項１０】 前記コンデンサの容量Ｃは、高周波の
    周波数をω、回路中のインダクタンス成分をＬとする
    と、 Ｃ＝２／ω² Ｌ の関係を満たすことを特徴とする請求項９記載の高周波
    処理装置。