JPH1174098A

JPH1174098A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH1174098A
Application number: JP9325791A
Authority: JP
Inventors: Akira Doi; 昭土居; Manabu Edamura; 学枝村; Masatsugu Arai; 雅嗣荒井; Tsutomu Tetsuka; 勉手束; Kenji Maeda; 賢治前田; Takeshi Yoshioka; 健吉岡; Tsunehiko Tsubone; 恒彦坪根; Saburo Kanai; 三郎金井; Hideyuki Kazumi; 秀之数見; Ryoji Nishio; 良司西尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 1999-03-16
Anticipated expiration: 2017-11-27
Also published as: JP3175672B2

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ生成部を取り囲む非導電性材料ででき
た真空容器壁がプラズマによって削られる量を制御し、
且つプラズマ着火性を向上させる。【解決手段】高周波電源１０が発生した高周波電力をア
ンテナ１に供給することによりプラズマを生成するが、
アンテナのもう一端を電気容量が可変のコンデンサ−９
を挟んでアースに接地される。ファラデーシールド８は
アースから電気的に離し、可変コンデンサー９の電気容
量はプラズマ着火後には、壁の削れ量が小さくなるよう
にアンテナの両端の電圧の絶対値が等しく正負が逆にな
るような値に設定する。プラズマ６を着火するときには
コンデンサー９の電気容量を壁の削れ量が最小となる値
よりも大きな値もしくは小さな値となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、アンテナに高周波
電界を供給して電界を発生させ、その電界によりプラズ
マを発生し、そのプラズマにより基板のエッチングや薄
膜形成等の表面処理を行うプラズマ処理装置に係わり、
特に被処理物として半導体デバイスを対象とする半導体
処理装置に関する。

【従来の技術】コイル状のアンテナに電流を流しその誘
導でプラズマを生成する半導体処理装置において、真空
雰囲気を提供するためにプラズマ生成部を取り囲む非導
電性材料でできた真空容器壁がプラズマによって削られ
ることが問題となっている。この問題を解決するため
に、特開平５−５０２９７１号公報に記載されているよ
うに、ファラデーシールドと呼ばれる電界シールドを用
いる方法が考えられている。しかしファラデーシールド
を用いると、プラズマ着火性が悪化し、コイル状のアン
テナの給電部には数十ｋＶにも及ぶ高電圧を供給しなけ
ればプラズマが着火しなくなってしまう。このような装
置では、アンテナとその近傍の導電性の構造物との間で
放電してしまうなどの事故が発生する可能性が高くな
り、その対策として放電を防止するためにアンテナと構
造物との間を絶縁する構造が別途必要になり、装置が複
雑になってしまう。また、ファラデーシールドを用いて
壁の削れ量を小さくした場合、プラズマから壁に異物等
が付着するほうが早くなった場合、壁に異物が付着し異
物が出やすくなってしまう。そのため、プロセスに応じ
て壁の削れる量を調整する必要がある。また、プラズマ
密度分布は、主として生成率分布とイオン、電子の輸送
の様子で決定される．外部磁場が無い場合のプラズマの
輸送は、各方向に等方に拡散していく．その際電子は、
イオンよりその質量が1/1000以下であるため瞬時に真空
壁に到達して逃げようとするが、壁近傍にはシース（イ
オンシース）が形成され電子を跳ね返す．その結果プラ
ズマ内は常に、電子密度〜イオン密度の準中性条件が満
たされるようになり、イオン、電子とも両極性拡散で壁
に逃げさるようになる．この時プラズマ密度、正確には
イオン密度が最大となる箇所でプラズマの電位が最大と
なる．この電位をプラズマポテンシャルVpと言い、Te、
mi,meを電子温度、イオンの質量、電子の質量とする
と、Vp〜Te×ln(mi/me)程度となる．プラズマ中はこのV
pと壁電位（通常は0V）で決定されるような電位分布と
なり、これに応じて密度分布が決定されることになる．
この場合、プラズマは自分自信の作る静電場で閉じ込め
られているから、密度分布の形は装置の形状と誘導電界
が最大となる場所、及び生成率／両極性拡散フラックス
の比で決定されることになる．

【発明が解決しようとする課題】例えば真空容器の上に
数周のコイルのアンテナを巻いた場合、アンテナの作る
磁束は、中央部で最大となるため、誘導電界は中央部で
最大となる．しかも誘導電界はskin depth程度、通常1c
m程度しか、浸透できないため、電離率、解離率共に径
方向(r方向)の中央部、しかも誘電体直下(z方向）で最
大となる．その後プラズマはウェハ側（下流側）に拡散
していく．そのため通常の円筒状の容器の場合、r方向
中央部でプラズマ密度が最大になると共に、下流にいく
に従って中心集中の度合が増し、ウェハ設置部でのプラ
ズマ密度も不均一となってしまう．プラズマ生成部を取
り囲む真空容器壁がプラズマによって削られる量を制御
することを本発明の第一の目的としている。プラズマ着
火性を向上することを本発明の第二の目的としている。
均一高密度なプラズマを実現することを第三の目的とし
ている。

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、プラズマ生成部に電界を発生するアンテ
ナと、該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源
と、真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を取り
囲む真空容器と、該真空容器の周りに設けられたファラ
デーシールドと、該真空容器内にガスを供給するガス供
給装置と、被処理物を置くための試料台と、該試料台に
高周波電界を印加するための高周波電源を備え、該アン
テナが発生する電界により電子を加速して該ガスを衝突
電離することによりプラズマを発生させ該被処理物を処
理するプラズマ処理装置において、該アンテナのアース
部に負荷を設け、プラズマ着火時には着火が向上するよ
うに該アンテナの平均的な電位を大きくなるようにし、
プラズマ生成後は該真空容器の壁の削り量が小さくなる
ようにアンテナの平均的な電位をアースの電位に近くな
るように該負荷を調整したプラズマ処理装置に特徴があ
る。ここで、アンテナの平均的な電位がアース近くにな
るとは、図４における３０ａ，３０ｂの電位が逆相でほ
ぼ等しいことをいい、つまり、Ｖａ≒−Ｖｂとなること
をいう。図２を用いて，上記課題を解決するための手段
について説明する．図２は一般的な誘導型のプラズマ発
生装置を示しており、この装置を用いてファラデーシー
ルドのアースの取り方と、アンテナのアースの取り方を
変化させ、プラズマ生成部を取り囲む真空容器壁がプラ
ズマによって削られる量を減少させ、プラズマの着火性
を向上する方法を調べた。この装置では、ガス供給装置
４よりアルミナ製の真空容器２中に塩素ガスと三塩化ホ
ウ素ガスの混合ガスを供給し、そのガスを真空容器２の
周りに巻かれた２ターンのコイル状のアンテナ１により
発生する電界で電離してプラズマ６を生成している。ガ
スはプラズマ生成した後に、排気装置７により真空容器
外に排気される。高周波電源１０により発生した１３．
５６ＭＨzの高周波電力をアンテナ１に供給することに
よりプラズマ生成用の電界を得ているが、電力の反射を
押さえるためにインピーダンス整合器３を用いてアンテ
ナ１のインピーダンスを高周波電源１０の出力インピー
ダンスに一致させている。インピーダンス整合器として
は一般的な逆L型と呼ばれる電気容量が可変のコンデン
サーを２個用いたものを使用している。アンテナのもう
一端は、コンデンサ９を挟んでアースに接地されるが、
コンデンサ９を短絡するようにスイッチ２１を設けてい
る。また、真空容器２がプラズマ６により削られるのを
防止するためのファラデーシールド８をアンテナ１と真
空容器２の間に設置しているが、複数のスイッチ２２を
開閉することでファラデーシールドはアースされている
状態と、されていない状態の両方にすることができる。
図３は、ファラデーシールドが設置された状態を示す斜
視図である。ファラデーシールド８には、コイル状アン
テナ１が発生する誘導的な電界１５ａは真空容器中に伝
え、且つ容量的な電界１５ｂは遮断するようにスリット
１４が設けられている。プラズマは容量的な電界１５ｂ
により主に着火するが、ファラデーシールドがアースに
接地されている場合、アンテナからの容量的な電界はほ
とんど真空容器中に伝わらないためにプラズマの着火性
が悪化する。ファラデーシールドがアースに接地されて
いない場合はアンテナとファラデーシールドが容量的に
つながっていることから、ファラデーシールドの電位が
アンテナの平均的な電位と近くなり、ファラデーシール
ド８と電極５の間に容量的な電界が発生するのでプラズ
マの着火性はそれほど悪化しないと考えられる。容量的
な電界１５ｂは真空容器２の壁に垂直な電界であり、プ
ラズマ中の荷電粒子が加速されて壁にぶつかり壁を削る
ことになる。プラズマが発生する光１６を分光器２０を
用いて観測し、壁のアルミナが削れることでプラズマに
存在するアルミニウムの発光量を測定することで壁が削
れる量を同定した。まず初めに図２に示した実験装置に
おいて、アンテナのアース部に設置したコンデンサー９
の電気容量を壁の削れ量が小さくなるように最適化する
方法について述べる。以下において、スイッチの両端が
導通の状態をon、遮断の状態をoffと呼ぶことにする。
スイッチ２１がoffの状態、つまりコンデンサー９が短
絡されていない状態においてコンデンサ−９の電気容量
の大きさの最適値を検討する。、図２の実験装置の等価
回路は図４のように書けるが、このときアンテナ１がト
ランスの１次コイルとして作用し、プラズマ６はその２
次コイルとなっている。アンテナ１とプラズマ６は電気
容量的に結合しているがその電気容量をコンデンサー３
１ａと３１ｂで表わしている。コンデンサー９の電気容
量ＣはアンテナのインダクタンスをＬとしたときに回路
上の点３０ａの位置の電位Ｖaと、点３０ｂの位置の電
位Ｖbとの関係が常にＶa＝−Ｖbとなるように決定す
る。この条件が成り立つとき、コンデンサ−３１ａと３
１ｂの両端に加わる電位が最小になることから、壁が削
れる量も最小になる。図５は、図４を更に簡略化したも
のでアンテナとプラズマをあわせて一つの合成インピー
ダンスを持つ素子１７に近似したものである。この素子
のインピーダンスＺ1を実験的に求めるとＺ1＝2.4＋114
j(Ω)であった。ここで、ｊは複素数を表す。このよう
なインピーダンスの測定は、測定対象物に流れる電流
と、その両端の電圧を測定することで簡単に測定でき
る。コンデンサー９が持つインピーダンスＺ2は１３．
５６ＭＨｚに対応する角振動数をωとすると、Ｚ２＝−
（１／ωＣ）jとなるので、Ｖa＝−Ｖbとなるためには
Ｚ１の実部は小さいので無視すると、Ｚ1＋Ｚ2：Ｚ2 ＝
１：−１の関係が成り立てばよい。よってコンデンサ
ー９の電気容量は計算によると150pF程度でＶa＝−Ｖb
の関係が成り立つことになる。図６は、点３０ａ（点
線）と点３０ｂ（実線）に発生する電位の振幅を、計算
で求めたものである。横軸がコンデンサー９の電気容量
で、縦軸が発生する電位の振幅である。その結果、コン
デンサー９の電気容量が150ｐFとなる近辺で発生する電
位の振幅が等しくなっており、その時の振動する電圧の
位相が１８０度ずれていたことからＶa＝−Ｖbの関係が
成り立っていた。よってこのような決定法により壁の削
れ量がもっとも小さくなるアンテナのアース側に入れる
コンデンサ−の電気容量を決定できる。次に図２におい
て、コンデンサー９の電気容量を150pFに固定した状態
で、スイッチ２１とスイッチ２２をon或いはoffしたと
きに壁の削れ量とプラズマ着火性を調べたのが図１５で
ある。壁の削れ量が大きい条件は、スイッチ２１をon、
スイッチ２２をoffとしたときであるが、その条件での
プラズマ着火性が優れている。その他の条件では、壁の
削れ量は少なくできるが、プラズマの着火性が劣ってい
る。よって、壁の削れ量が小さく、且つプラズマの着火
性に優れた条件はこの体系では存在しないことが分かっ
た。しかし、プラズマ着火時においてスイッチ２１をo
n、スイッチ２２をoffとした条件でプラズマを着火した
後に、壁の削れ量が小さくなるようにスイッチ２１又は
スイッチ２２のどちらかを操作することで両方の目的を
達成する事が可能である。ここで、装置構造を簡素化す
るためには、スイッチ２１のみを用いた方が優れてい
る。それは、スイッチ２２を用いて壁の削れ量を小さく
するためには、ファラデーシールドの電位をできるだけ
ゼロにする必要があるので、スイッチ２２は複数必要で
あり、且つファラデーシールドをアースに最短距離で接
地する必要があるのでスイッチ２２はアンテナやファラ
デーシールドのすぐ側に設置する必要がある。そのため
アンテナやファラデーシールド等が隣接した部分に複数
のスイッチを設けると構造が複雑になってしまう。その
点、スイッチ２１はある程度アンテナから離れたところ
に置かれるコンデンサー９の側に１個設置するだけであ
るので装置が簡素化できる。スイッチ２１がoffの状態
は、アンテナとアースの間に１５０pFのコンデンサーが
挿入された状態であり、スイッチ２１がonの状態はHFや
VHFなどの高周波帯域では、コンデンサー９の電気容量
が無限大に変化した事と同値である。このことからコン
デンサー９の電気容量を１５０pFから大きくしていくこ
とで壁の削れ量が増加することになる。同様にコンデン
サー９の電気容量を１５０pFより小さくしていっても壁
の削れ量は増加していく。よってコンデンサー９の電気
容量を変化する事で壁の削れ量を制御できる。図７に示
した装置には、アンテナ１のアース側に設置するコンデ
ンサー９の電気容量を可変としたものであるが、コンデ
ンサー９の電気容量を変化する事でプラズマによる壁の
削れ量を調整する事ができる。またプラズマ着火時には
コンデンサー９の電気容量は１５０pFより十分に大きく
するか、小さくする事でプラズマの着火性は著しく向上
させる事ができる。上述したように、アンテナのアース
側に入れるコンデンサーの電気容量を調節することで、
プラズマが壁を削れる量を調節でき本発明の第一の目的
は達成できる。また、プラズマの着火時にはアンテナの
アース側に入れるコンデンサーの値を変化させて、着火
性に優れた状態とすることで本発明の第二の目的を達成
できる。次に、均一なプラズマを生成するための方法に
ついて検討する。コイル状のアンテナを真空容器上面に
置く場合、アンテナの径を変えて誘導電界の強度を径方
向に変化させても、中央部には誘導電界ができ、その結
果プラズマ密度分布は中心集中となり、不均一となる．
また複数のアンテナを配置して各アンテナー誘電体の距
離を変えても、プラズマ密度の中心集中の傾向は変わら
ない．図２１はアンテナを真空容器の上に置いた場合
（図２１（ａ））のプラズマ密度分布を計算した一例で
ある．それによると装置高さH／半径R比（アスペクト
比）が(ｂ)H/R=20/25のように大きい場合は,アンテナ直
下(z=2cm)では、アンテナの存在する箇所でプラズマ密
度が最大となり、下流側（zの増す方向）に向かうにつ
れ、密度の絶対値が大きくなり(z=10cm)、基板直上で密
度が減少する．この時径方向には不均一になっているの
がわかる．またz方向に見ると装置中心z=10cmで密度が
最大になる．図２１(ｃ)のようにアスペクト比を小さく
する（H/R=15/25）と、密度分布は本質的には(ｂ)と同
じであるが基板直上の分布は(ｂ)に比べて緩やかになる
が、中心集中分布である．プラズマ密度分布は、真空容
器壁でプラズマ密度が0という境界条件と生成率分布す
なわちアンテナ位置で決定されるが、図２１(ｄ)に示す
ようにアンテナ位置を変化させたり、複数アンテナを置
いてパワー配分を変えても、密度分布の形は変化しな
い．上面置きの場合アンテナが作る誘導電界がアンテナ
直下で最大となるため、下流では中心集中分布に必ずな
ると考えられる．一方アンテナを真空容器の横に巻いた
配置の場合（図２２（ａ））、誘導電界は容器側面で最
大となる．容器側面にはシースが形成され、プラズマ密
度はアンテナに最接するシースよりやや内側で最大とな
る．この時水平断面で見ると、壁ーシース端ではシース
端の方が電位が高く、シース端ープラズマ中心でもシー
ス端が電位が高くなり、シース端から両側にプラズマが
輸送される．それとともに、この位置から下流にプラズ
マが流れるため、この密度最大の所からz方向にある程
度離れた水平断面では、密度分布が均一になる箇所が生
ずる．例えば円筒状の装置の場合、装置の径をRと高さ
をHとすると、R/Hの比が大きい場合はウェハ近傍で凹分
布となることもあり、またR/Hを十分小さくすると凸分
布になる等、プラズマ密度分布をある程度制御すること
ができる（図２２（ｂ））．その際最大の支配因子はR/
Hの比すなわち装置の形状である．但し、このアンテナ
側面設置の場合、アンテナープラズマの結合面積が大き
いことによる結合効率の低下、密度最大となる箇所が側
面壁近傍であるためプラズマの損失が大きいことによっ
てプラズマ密度が低下する．投入パワー、真空容器の大
きさが同じ場合、この場合のプラズマ密度は上述のアン
テナ上面設置の場合よりも小さくなる．そのため被処理
物の加工速度が小さくなるという問題点があった．以上
のように誘導結合プラズマは、装置の形状とアンテナ配
置によってプラズマ密度分布が変化するが、処理室を構
成する真空容器の上面の面積が下面の面積より小さく、
上面が平面状とすることで、本発明の第三の目的は達成
される。また好ましくは上記プラズマ処理装置におい
て、上面と下面とを結ぶ稜線と上面の法線のなす角度が
5度以上であることを特徴とする．さらに好ましくは上
記プラズマ処理装置において、装置高さ（被処理物から
上面までの距離）／下面の半径の比が１以下であること
を特徴とする．

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明す
る。図１に、本発明を用いた半導体処理装置の第一の実
施例を示す。本装置では、ガス供給装置４より真空容器
中に半導体の処理に用いる酸素、塩素、三塩化ホウ素等
の原料ガスを供給し、そのガスをコイル状のアンテナ１
により発生する電界で電離してプラズマ６を生成する。
ガスはプラズマ生成した後に、排気装置７により真空容
器外に排気される。１３．５６ＭＨz、２７．１２MHz、
４０．６８MHｚ等の高周波電源１０が発生した高周波電
力をアンテナ１に供給することによりプラズマ生成用の
電界を得ているが、電力の反射を押さえるためにインピ
ーダンス整合器３を用いてアンテナ１のインピーダンス
を高周波電源１０の出力インピーダンスと一致させてい
る。インピーダンス整合器として逆L型と呼ばれるもの
を示しているが、周波数やアンテナの構造に応じて整合
が取り易いものを用いる必要がある。アンテナ１のもう
一端は電気容量が可変のコンデンサ−９を挟んでアース
に接地される。また、真空容器２がプラズマ６により削
られるのを防止するためのファラデーシールド８をアン
テナ１と真空容器２の間に設置しているが、ファラデー
シールドは電気的にアースされていない状態とする。ま
た、ファラデーシールド８には図３に示したように、コ
イル状アンテナの巻かれる方向と直交するようにスリッ
トが設けられている。処理される半導体ウエハ１３は、
電極５上に置く。プラズマ中に存在するイオンをウエハ
１３上に引き込むため、電極５には高周波電源１２によ
り振動電圧を印加する。可変コンデンサー９の電気容量
は、課題を解決するための手段のところで説明したよう
に、壁の削れ量が最小となる電気容量値を取れるように
することが重要である。図１の２９は、恒温槽を示し、
真空容器２の温度を制御する。具体的には、ファンやヒ
ータを備えることで温度を制御する。本実施例では、プ
ラズマ６を着火するときにはコンデンサー９の電気容量
を壁の削れ量が最小となる値よりも大きな値もしくは小
さな値となるようにする。その時の電気容量の値として
は、壁の削れ量が最小となる電気容量値の二倍程度、又
は二分の１程度とすることで、数十Wの高周波パワーで
プラズマを着火する事ができる。プラズマの着火後は、
壁の削れ量を減少させるためコンデンサー９の電気容量
を削れ量が最小となる値に近ずけていくが、異物の観点
からある程度壁が削れたほうがよい場合は、求める壁の
削れ量となる値にコンデンサー９の電気容量をセットす
る。その値の最適値は、半導体プロセスを繰り返して行
って決定する必要がある。本発明の第二の実施例を図８
に従って説明する。本実施例の基本的な装置構成は第一
の実施例と同じであるが、本実施例と第一の実施例の違
いは、アンテナ１のアース側に設置されるコンデンサー
の構造である。本実施例では、アンテナ１のアース側に
コンデンサー９ａとコンデンサー９ｂの二つのコンデン
サーを並列に挿入し、コンデンサ−９ａは直接アースに
つなぎ、コンデンサー９ｂはスイッチ２１を挿入してア
ースにつなぐようにする。コンデンサー９ａの電気容量
を削れ量が最小となる値としてやると、プラズマ着火時
にはスイッチ２１をｏｎにしてやる事でアンテナ１のア
ース側に入る電気容量は、コンデンサー９ｂの分だけ大
きくなったことになり、コンデンサー９ｂの電気容量を
十分に大きくとってやる事でプラズマ着火性は向上す
る。そしてプラズマ着火後は、スイッチ２１をoffにし
てやることで、壁の削れ量が最小になるようになる。ま
た、第一の実施例と同様に、異物の観点からある程度壁
が削れたほうがよい場合は、求める壁の削れ量となる値
にコンデンサー９ａの値をセットしておけばよい。本発
明の第三の実施例を図９に従って説明する。本実施例の
基本的な装置構成は第二の実施例と同じであるが、本実
施例と第二の実施例の違いは、図８におけるコンデンサ
ー９ｂの替わりにインダクタ１９を用いていることであ
る。コンデンサー９の電気容量をC、インダクタ１９の
インダクタンスをL、高周波電源１０が出力する高周波
の角振動数をωとすると、アンテナのアース側とアース
間のインピーダンスZは、スイッチ２１がｏｆｆのと
き、Ｚ＝−（１／ωC）ｊ、スイッチ２１がｏｎのとき
Ｚ＝−（１／（ωC−１／ωＬ））ｊとなる。コンデン
サ−９の電気容量をスイッチ２１がｏｆｆの状態で壁の
削れ量が最小になるようにしておくと、スイッチ２１を
操作する事でＺの値を変化する事ができプラズマの着火
性を向上する事ができる。よってプラズマ着火時にはス
イッチ２１をｏｎにしてプラズマを着火し、プラズマ着
火後はスイッチ２１をoffにしてやることで壁の削れ量
が最小にできる。また、第一の実施例と同様に、異物の
観点からある程度壁が削れたほうがよい場合は、求める
壁の削れ量となる値にコンデンサー９の値をセットして
おけばよい。上記第三の実施例において、コンデンサー
とインダクタとスイッチを組み合わせることでアンテナ
とアースの間に挿入する負荷のインピーダンスを変化さ
せる方法について記述した。上記実施例以外でも負荷の
インピーダンスの値を変化させる事ができる手段を用い
ることで、プラズマ着火性に優れた状態と、壁の削れ量
が小さくなる状態にすることが可能となる。本発明の第
四の実施例を図１０に従って説明する。本実施例の基本
的な装置構成は第一、第二、第三の実施例と同じである
が、本実施例との違いは、導電性材料でできたファラデ
ーシールド８を非導電性材料でできた真空容器２の壁の
内部に埋め込んだことである。真空容器２の材料として
は、アルミナ、ガラス等が用いられるが、アルミナに
は、クロム、アルミニウムなどの金属が容易に融着する
ことから、アルミナ内部にそれらのパターンを作成する
ことも容易である。またガラスにおいても自動車の霜取
り用のヒーターのように金属箔を埋め込む事は可能であ
る。このようにファラデーシールド８を真空容器２の壁
内部に埋め込む事のメリットとして、アンテナ１とファ
ラデーシールド８間の絶縁構造が不用になること、真空
容器２とアンテナ１の距離を小さくでき装置がコンパク
トにできることである。本発明の第五の実施例を図１１
に従って説明する。本実施例の基本的な装置構成は第四
の実施例と同じであるが、本実施例との違いは、ファラ
デーシールドとしての導電性材料の膜を非導電性材料で
できた真空容器２の壁面にコーティングしたことによ
る。本実施例では真空容器の内側のプラズマ側に導電性
のファラデーシールド８をコーティングした例を示して
いるが、真空容器の大気側にファラデーシールド８をコ
ーティングしても同様な効果が得られる。本実施例では
ファラデーシールド８に直接プラズマ６が接することか
ら、ファラデーシールド８のスリットの部分では真空容
器２の壁がプラズマ６によって削られることになる。プ
ロセスにもよるが、原料ガスとして酸素などを用いた酸
化膜エッチングプロセスでは、アルミナとアルミニウム
との接着性に優れていることを利用して、ファラデーシ
ールド８を導電性のアルミニウム、真空容器２を絶縁性
のアルミナとすることで、絶縁材料に導電性材料をコー
ティングした構成が達成できる。原料ガスに塩素や三塩
化ホウ素を用いたメタルプロセスなどの場合は、絶縁材
料にアルミナ、導電性材料にＳiCとすることで目的を達
成できる。このような組み合わせは他にも数多く考えら
れるが、真空容器が高温になったときにコーティングし
た導電性材料が剥がれてしまわないような性能をもち、
且つ絶縁材料と導電性材料ともにプラズマに対して削ら
れにくいものであればどのような組み合わせでも同様な
効果が期待できる。本発明の第六の実施例を図１２に従
って説明する。本実施例の基本的な装置構成は第一、第
二、第三の実施例と同じであるが、本実施例と他の実施
例の違いは、ファラデーシールド８を抵抗１８を用いて
アースに接地していることである。装置の組み替え等の
作業時に、人間がファラデーシールド８を触る事もしば
しばあると考えられる。その時ファラデーシールドが帯
電するのを防ぐための機構が必要である。本実施例では
抵抗１８を用いてファラデーシールドをアースに接地し
ているが、この抵抗の抵抗値はプラズマを生成するため
の高周波電源１０の周波数においてファラデーシールド
８とアース間の電気容量が持つインピーダンスより大き
なインピーダンスを持つようにする必要がある。そのた
めには、ファラデーシールドとアース間の電気容量をC
とし、接地抵抗１８の抵抗値をR、高周波電源１０が出
力する高周波の角振動数をωとすると、R＞１／ωCとな
るようにRを設定する。つまり、プラズマを生成するた
めの高周波の周波数において該ファラデーシールドと該
アース間の電気容量がもつインピーダンスより大きなイ
ンピーダンスを持つ負荷で該ファラデーシールドと該ア
ース間とを結合し、かつ該負荷のインピーダンスが直流
においては小さくなるようにして運転終了時のファラデ
ーシールドの帯電を防止している。本発明の第七の実施
例を図１３に従って説明する。本実施例の基本的な装置
構成は第六の実施例と同じであるが、本実施例と第六の
実施例の違いは、真空容器２を導電性材料で作ることで
ファラデーシールドの効果を持たせたことによる。ファ
ラデーシールド兼用の真空容器には、図３で説明したよ
うに誘導的な電界を遮断させるためのスリットを設ける
ことができないため、導電性の真空容器の壁の厚さを調
整することで誘導的な電界を通過できるように必要が有
る。ここで、真空容器は絶縁フランジ２４により電気的
にアースから浮かせた構造である。本実施例によれば、
ファラデーシールドを真空容器の周りに設ける作業が不
要のため、作業性が良くなる。本実施例でアンテナ１の
平均的な電位をアース近辺およびアースより絶対値とし
て大きくするように調整する回路は、第六の実施例と同
じである。図１４は本実施例において真空容器に流れる
渦電流の様子を示した斜視図である。図３で説明した誘
導的な電界１５ａを真空容器２中に伝わるのを打ち消す
ための渦電流は矢印２５のように円筒形の真空容器２の
周方向にながれる。この渦電流の流路における抵抗を
Ｒ、インダクタンスをＬ、高周波電源１０が出力する高
周波の角振動数をωとすると、 R＞ωＬの関係が成り立
つようにすれば抵抗による渦電流減衰が大きくなり、真
空容器中に誘導的な電界が伝わるようになる。真空容器
２の材質としては、第五の実施例と同様にプラズマに直
接面していることから、プラズマにより削られにくいも
のである必要が有る。また、真空容器の壁の厚さは通常
２ｃｍ程度であるので、たとえば周波数１３．５６ＭH
ｚにおいてその程度の表皮厚さとするには、０．０２Ω
ｍ程度の電気抵抗率の材料を用いればよいことになる。
真空容器２は、アースと絶縁するために絶縁フランジ２
４を用いて絶縁しているが、第六の実施例と同様に帯電
を防ぐための抵抗１８を設けている。抵抗１８の抵抗値
は第六の実施例で説明したように、プラズマを生成する
ための高周波電源１０の周波数においてファラデーシー
ルドとアース間のインピーダンスより大きなインピーダ
ンスを持つようにする必要がある。また、半導体処理に
おいて高周波電源１２により電極５にバイアス電圧を印
加しているが、プラズマがアースに対して電気的に浮い
ているとバイアス電圧がプラズマと電極の間で強く発生
しなくなってしまう。それを防ぐためには、プラズマを
アースにできるだけ接触させてプラズマの電位を低くし
てやる必要があるが、抵抗１８の抵抗値を高周波電源１
２の周波数帯において、ファラデーシールドとアース間
のインピーダンスより小さなインピーダンスを持つよう
にしてやることで達成できる。本実施例は、真空容器全
体が導電性材料でできた場合についてであるが、他の実
施例においてファラデーシールドにスリットを無くし
て、本実施例と同様に導電性材料の厚みのみを調整する
ことで同様な効果が得られるようになる。上記した実施
例では、真空容器２の形状が、円筒形のものについて説
明したが、真空容器２の側面形状に傾斜をもたせ、断面
を台形上にした真空容器２にコイル、ファラデーシール
ドを設けるようにしても、上記した実施例を同様に適用
できる。本発明の第八の実施例を図１６に従って説明す
る．本実施例の基本的な装置構成は第一、第二、第三の
実施例と同じであるが、本実施例と他の実施例の違い
は、真空容器上面（被処理物を電極５より遠い方）２a
が真空容器下面の面積が小さいことを特徴とする．また
好ましくは上面が平面状であることである．上記のよう
に構成した本発明においては、アンテナの配置、アンテ
ナの巻数、アンテナー真空容器の距離等によって、プラ
ズマとアンテナの結合の度合や位置を変化させることが
できる．例えばアンテナを横に１巻した場合は、図２３
(ａ)に示す様に、そのアンテナの上下によって、結合す
る場所が変化する．複数巻の場合はアンテナの上下位
置、各巻線と真空容器の距離によって、結合の状態を変
化させることができる（図２３(ｂ)）．これによって中
央部の密度を上昇させようとすると、アンテナを上方に
移動させ、逆に周辺高分布にする場合はアンテナを下方
に移動させれば良い．結合の位置を変えることができる
のは上面の面積が小さく下面の面積が大きいことによっ
て、装置形状が傾いているためである．また誘導結合プ
ラズマの場合、電子・イオンは両極性拡散で等方的に容
器壁に向かって拡散するため、その分布は容器形状の影
響を受ける．そのため上面が平面状であればプラズマ分
布も平坦化しやすくなる．アンテナ配置と特徴的な装置
形状によりプラズマ密度分布を制御し易くなる．またア
ンテナ１による静電界のため、アンテナ近傍ではプラズ
マー真空容器壁２の相互作用で発生する異物や反応生成
物が多くなるが、下面の面積が大きいことから、容器壁
ー排気系７に沿って流路ができ、壁に沿って流れ易くな
っているため、ウエハ１３の方向に向かう量が低減で
き、良好な処理が実現できる．図１６の１９1は、コイ
ルの位置を移動させる手段であり、プラズマ密度分布を
調節するために、コイルの高さを調節できる。本発明の
第九の実施例を図１７に示す。本実施例の基本的な装置
構成は第八の実施例と同じであるが、本実施例と他の実
施例の違いは、真空容器２の上面２aと下面２bとを結ぶ
稜線と上面の法線との成す角度が5度以上であることを
特徴とする．図２４は本発明による真空容器の形状、例
えば上面の半径Ru：下面の半径Rdの半径＝４：５時の被
処理物表面に入射するイオン電流密度分布を示したもの
である．真空容器高さH=13cmの時φ300(r=15cm)までイ
オン電流は平坦である．またHを増加させると中央部が
やや高い分布となる．またHをこれより小さくすると周
辺高になることも確認している．tan-1{(Rd-Ru)/H}≧５
度であれば平坦、中心高、周辺高の分布が実現できる．
図１８は本発明の第十の実施例を示す．本実施例の基本
的な装置構成は第八の実施例と同じであるが、本実施例
と他の実施例の違いは、真空容器２の高さH(電極５から
上面２aまでの距離）と真空容器２の径、つまり、下面
の半径RdとがH/Rd≦１の関係を満たすことを特徴とす
る．例えば図２４に示した真空容器形状はこの関係を満
たしている．図１９は本発明の第十一の実施例を示す．
本実施例の基本的な装置構成は第八の実施例と同じであ
るが、本実施例と他の実施例の違いは、真空容器１の外
側に磁場発生手段２6を備えたことを特徴とする．磁場
存在時の基板直上のプラズマ密度ｎの分布を図２５に示
す．それによると、磁場を増加させるに従って、プラズ
マ密度分布が周辺高となり、分布制御できる補助手段で
あることが判る．図２５において、パラメータとなって
いるＤｌは、磁力線方向の拡散係数を表し、Ｄｐは、磁
力線に垂直な方向の拡散係数を表す、図２０は本発明の
第十二の実施例を示す．本実施例の基本的な装置構成は
第八の実施例と同じであるが、本実施例と他の実施例の
違いは、電極５に対向する面、真空容器の上面２aの内
側に導体、もしくは半導体で構成される板２7を置いた
ことを特徴とする．また好ましくは板２7に高周波電圧
印加手段２8を接続し、高周波を印加する．ここで言う
高周波はパルス状の直流電圧でも良い．また板２7を接
地してもよい．

【発明の効果】本実施例を用いることで、プラズマ生成
部を取り囲む真空容器壁がプラズマによって削られる量
を制御でき、且つプラズマ着火性を向上することができ
る。また、アンテナの配置、アンテナの巻数、アンテナ
ー真空容器の距離等によって、プラズマとアンテナの結
合の度合や位置を変化させることで、プラズマの分布を
制御する事ができ、均一なプラズマを得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図である。

【図２】本発明を検証するために用いた実験体系を示す
構成図である。

【図３】ファラデーシールドが設置された状態を示す斜
視図である

【図４】本発明を検証するために用いた実験体系の等価
回路図である。

【図５】本発明を検証するために用いた実験体系の等価
回路図である。

【図６】アンテナ両端に発生する電位の振幅を示したも
のである。

【図７】本発明を検証するために用いた実験体系の構成
図である。

【図８】本発明の第２の実施例を示す構成図である。

【図９】本発明の第３の実施例を示す構成図である。

【図１０】本発明の第４の実施例を示す構成図である。

【図１１】本発明の第５の実施例を示す構成図である。

【図１２】本発明の第６の実施例を示す構成図である。

【図１３】本発明の第７の実施例を示す構成図である。

【図１４】本発明の第７の実施例における渦電流の流れ
を示した斜視図である。

【図１５】スイッチ２１、２２と真空容器の壁の削れ量
とプラズマの着火に必要なＲＦパワーについてまとめた
図である。

【図１６】本発明の第八の実施例によるプラズマ処理装
置である．

【図１７】本発明の第九の実施例によるプラズマ処理装
置である．

【図１８】本発明の第十の実施例によるプラズマ処理装
置である．

【図１９】本発明の第十一の実施例によるプラズマ処理
装置である．

【図２０】本発明の第十二の実施例によるプラズマ処理
装置である．

【図２１】アンテナ上置きの場合のプラズマ密度分布を
示す図である。

【図２２】アンテナ側面置きの場合の基板入射イオン電
流密度分布を示す図である。

【図２３】本発明の原理を示す摸式図である。

【図２４】本発明の場合の基板入射イオン電流密度分布
を示す図である。

【図２５】本発明の第４の実施例の効果を示す図であ
る．

【符号の説明】

１…アンテナ、２…真空容器、２a…真空容器上面、２b
…真空容器、２c…真空容器の稜線、３…インピーダン
ス整合器、４…ガス供給装置、５…電極、６…プラズ
マ、７…ガス排気装置、８…ファラデーシールド、９…
コンデンサー、１０…高周波電源、１１…電界シール
ド、１２…高周波電源、１３…ウエハー、１４…スリッ
ト、１５ａ…誘導的な電界、１５ｂ…容量的な電界、１
６…プラズマが発生する光、１７…合成インピーダンス
を持つ素子、１８…ファラデーシールドの接地抵抗、１
９…インダクタ、２０…分光器、２１…スイッチ、２２
…スイッチ、２３…スイッチ、２４…絶縁フランジ、２
５…渦電流の流れ。２6…磁場発生手段、２7…板、２8
…高周波電圧印加手段、２９…恒温曹。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者手束勉茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者前田賢治茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者吉岡健山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者坪根恒彦山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者金井三郎山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内 (72)発明者数見秀之茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者西尾良司茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ生成部に電界を発生するアンテナ
と、該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、
真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を取り囲む
真空容器と、該真空容器の周りに設けられたファラデー
シールドと、該真空容器内にガスを供給するガス供給装
置と、被処理物を置くための試料台と、該試料台に高周
波電界を印加するための高周波電源を備え、該アンテナ
が発生する電界により電子を加速して該ガスを衝突電離
することによりプラズマを発生させ該被処理物を処理す
るプラズマ処理装置において、該アンテナのアース部に
負荷を設け、プラズマ着火時には着火が向上するように
該アンテナの平均的な電位を大きくなるようにし、プラ
ズマ生成後は該真空容器の壁の削り量が小さくなるよう
にアンテナの平均的な電位をアースの電位に近くなるよ
うに該負荷を調整したことを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項２】請求項１において、該アンテナがコイルで
あることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項１または２において、該アンテナの
アース側に挿入する負荷として電気容量可変のコンデン
サー、又はインダクタンス可変のインダクタ−を用いて
負荷の大きさを変化させたことを特徴とするプラズマ処
理装置。
【請求項４】請求項１または２において、該アンテナの
アース側に挿入する負荷として電気容量固定のコンデン
サ−又はインダクターと、スイッチを組み合わて負荷の
値を２種類以上の負荷の値を持つようにしたことを特徴
としたプラズマ処理装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、プラ
ズマ生成後においてもアンテナ全体の平均的な電位の大
きさを制御して、壁の削れ量を制御することを特徴とす
るプラズマ処理装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかにおいて、ファ
ラデーシールドを非導電性材料でできた真空容器壁中に
埋め込んだことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】請求項１乃至５のいずれかにおいて、真空
容器壁表面に導電性材料をコーティングすることでファ
ラデーシールドの効果を持たせたことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項８】請求項７において、該導電性材料を真空容
器壁のプラズマに接する面にコーティングし、かつ該導
電性材料をプラズマに削られにくい材料とすることで壁
削れ量を小さくしたことを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項９】請求項１乃至４のいずれかにおいて、プラ
ズマを生成するための高周波の周波数において該ファラ
デーシールドと該アース間の電気容量がもつインピーダ
ンスより大きなインピーダンスを持つ負荷で該ファラデ
ーシールドと該アースとの間を結合し、かつ該負荷のイ
ンピーダンスが直流においては小さくなるようにして運
転終了時のファラデーシールドの帯電を防止したことを
特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】プラズマ生成部に電界を発生するアンテ
ナと、該アンテナに高周波電力を供給するための高周波
電源と、真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を
取り囲む真空容器と、該真空容器内にガスを供給するガ
ス供給装置と、被処理物を置くための試料台と、該試料
台に高周波電界を印加するための高周波電源を備え、ア
ンテナが発生する電界により電子を加速してガスを衝突
電離することによりプラズマを発生させるプラズマ処理
装置において、該真空容器の材質を導電性の材料とし、
該真空容器の電位をアースから電気的に浮かせた構造と
し、導電性の真空容器の壁の厚さを調節して、該アンテ
ナが発生する容量的な電界が真空容器中に伝わらないよ
うにし、かつ誘導的な電界は伝わるようにしたことを特
徴とする半導体処理装置。
【請求項１１】プラズマ生成部に電界を発生するアンテ
ナと、該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源
と、真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を取り
囲む真空容器と、該真空容器の周りに設けられたファラ
デーシールドと、該真空容器内にガスを供給するガス供
給装置と、被処理物を置くための試料台と、該試料台に
高周波電界を印加するための高周波電源を備え、該アン
テナが発生する電界により電子を加速して該ガスを衝突
電離することによりプラズマを発生させ該被処理物を処
理するプラズマ処理装置において、該ファラデーシール
ドの電位をプラズマ生成前とプラズマ生成後とで変える
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１２】プラズマ生成部に電界を発生するアンテ
ナと、該アンテナに高周波電力を供給する高周波電源
と、真空雰囲気を形成するためにプラズマ生成部を取り
囲む真空容器と、該真空容器の周りに設けられたファラ
デーシールドと、該真空容器内にガスを供給するガス供
給装置と、被処理物を置くための試料台と、該試料台に
高周波電界を印加するための高周波電源を備え、該アン
テナが発生する電界により電子を加速して該ガスを衝突
電離することによりプラズマを発生させ該被処理物を処
理するプラズマ処理装置において、上記真空容器の上面
の面積が下面の面積より小さくまた上面が平面であるこ
とを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１３】真空容器上面が円形断面であり、下面と
上面を結ぶ稜線と上面の法線のなす角度が５度以上であ
ることを特徴とする請求項１２記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１４】上記プラズマ処理装置において、真空容
器高さ（被処理物から上面までの距離）と真空容器の下
面の半径の比が１以下であることを特徴とする請求項１
２記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】真空容器の外側に磁場発生手段を備えた
ことを特徴とする請求項１２記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】上記プラズマ処理装置において真空容器
の上面の内側に導体、もしくは半導体で構成される板を
置いたことを特徴とする、また好ましくはこの板に高周
波電圧印加手段を接続し、高周波を印加する、もしくは
この板を接地することを特徴とする請求項１２記載のプ
ラズマ処理装置。