JPS63211631A - Plasma treatment device - Google Patents

Plasma treatment device

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JPS63211631A
JPS63211631A JP1709388A JP1709388A JPS63211631A JP S63211631 A JPS63211631 A JP S63211631A JP 1709388 A JP1709388 A JP 1709388A JP 1709388 A JP1709388 A JP 1709388A JP S63211631 A JPS63211631 A JP S63211631A
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plasma
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ions
energy
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Takashi Tsuchimoto
槌本 尚
Yoshimichi Hirobe
広部 嘉道
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Abstract

PURPOSE:To make ions having aimed effective energy to reach to a substrate by providing a means in which ACs are applied to the substrate. CONSTITUTION:A means in which ACs are applied to a substrate is provided in order to regulate the potential of plasma in a vacuum vessel to the substrate and control energy in which ions in plasma reach to the substrate. The frequency of a low-frequency oscillator 12 is made sufficiently lower than that of a high-frequency oscillator 3, and ions in plasma 9 can follow up enough owing to the changing electric field. High impedance viewed from the high-frequency side such as introduction through an induction coil of an output from the low-frequency oscillator is formed so that high-frequency power does not leak to the low-frequency oscillator side at that time. Accordingly, ions having aimed effective energy can be made to reach to the substrate.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高周波放電によシ発生せしめたプラズマによる
処理装置に関し、主として半導体基板をプラズマにより
デポジションオたはエツチング処理するための処理装置
に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a processing apparatus using plasma generated by high-frequency discharge, and mainly relates to a processing apparatus for performing deposition or etching processing on a semiconductor substrate using plasma.

従来のプラズマ処理装置の問題点を理解するために%ま
ず従来の高周波放電を用いたプラズマによるデポジショ
ンおよびエツチング装置について説明する。
In order to understand the problems of conventional plasma processing apparatuses, a conventional plasma deposition and etching apparatus using high frequency discharge will first be explained.

第1図は高周波放電を用いたプラズマによるデポジショ
ン装置の構成図である。1なる放電管に2なるガス導入
孔により適当圧の材料ガスを導入する。5は真空槽で図
示せざる真空排気系により排気され、デポジションされ
る基板6は、保持板7に保持され、アース電位8に結線
されている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a plasma deposition apparatus using high frequency discharge. Material gas at an appropriate pressure is introduced into the first discharge tube through the second gas introduction hole. A vacuum chamber 5 is evacuated by a vacuum evacuation system (not shown), and a substrate 6 to be deposited is held on a holding plate 7 and connected to a ground potential 8 .

いま高周波発振器3と、これに誘導型に結合した放電コ
イル4によシ放電管1に高周波電力を印加すると、放電
管1内圧力が10−1 Torr程度の適当圧力であれ
ばこの放電管内に無極放電をおこし放電プラズマ9を生
成する。いま放電ガスとして、モノシラン(8iH4)
と窒素(N、)を導入し、基板6を図示せざる加熱手段
により300〜400℃程度に加熱すれば基板上にシリ
コンナイトライド(S’8H4)膜がデポジションする
Now, when high-frequency power is applied to the discharge tube 1 using the high-frequency oscillator 3 and the discharge coil 4 inductively coupled to the high-frequency oscillator 3, if the internal pressure of the discharge tube 1 is an appropriate pressure of about 10-1 Torr, a voltage will be generated inside the discharge tube. A non-polar discharge is generated to generate discharge plasma 9. Monosilane (8iH4) is now used as the discharge gas.
By introducing nitrogen (N) and heating the substrate 6 to about 300 to 400 DEG C. by a heating means (not shown), a silicon nitride (S'8H4) film is deposited on the substrate.

第2図に同じく他の従来のデポジション装置の構成図を
示す。図示せざる真空排気系にて排気される真空槽5に
は発振器3と容量型に結合した電極10.11が導入さ
れ、11は基板6の保持板を兼ねアース電位8に結線さ
れる。ガス導入孔2よシ適当圧力を導入し放電プラズマ
9を発生すれば基板6上に第1図の場合と同様に所望物
質をデポジションすることが出きる。
FIG. 2 similarly shows a configuration diagram of another conventional deposition apparatus. Electrodes 10 and 11 capacitively coupled to the oscillator 3 are introduced into the vacuum chamber 5 which is evacuated by a vacuum evacuation system (not shown), and the electrodes 11 serve as a holding plate for the substrate 6 and are connected to the ground potential 8. By introducing an appropriate pressure through the gas introduction hole 2 and generating discharge plasma 9, a desired substance can be deposited on the substrate 6 in the same manner as in the case of FIG.

次に第3図は高周波放電を用いたプラズマによるエツチ
ング装量の場合の構成図である。真空槽5には、外側に
発振器3と容量型に結合した電極10.11が位置せし
められ、真空槽5の内部の保持板7の上に基板6がおか
れる。ガス導入孔2より1例えば7レオンガス(CF4
)や酸素(0りガスを適当圧に導入し放電プラズマ9を
発生せしめれば弗素イオンによりシリコン基板やシリコ
ン酸化膜がエツチングされる。
Next, FIG. 3 is a block diagram in the case of plasma etching using high frequency discharge. An electrode 10.11 capacitively coupled to the oscillator 3 is placed on the outside of the vacuum chamber 5, and a substrate 6 is placed on a holding plate 7 inside the vacuum chamber 5. For example, 7 Leon gas (CF4
) or oxygen gas at an appropriate pressure to generate discharge plasma 9, the silicon substrate and silicon oxide film will be etched by fluorine ions.

第4図は他の例を示し第3図に似た構成であるが、2枚
の容量型結合の電極10.11が真空槽5内に導入され
ている。一方の電極10に処理基板6が取りつけられて
保持され接地され次一方の電極11゛との間で導入され
た適当圧力のフレオンガスにより放電を起しプラズマ9
を発生せしめる。
FIG. 4 shows another example with a configuration similar to that in FIG. 3, but with two capacitively coupled electrodes 10, 11 introduced into the vacuum chamber 5. A processing substrate 6 is attached to one electrode 10, held and grounded, and then discharge is caused by Freon gas at an appropriate pressure introduced between the electrode 11' and the other electrode 11'.
to occur.

放電は高周波数!(数M〜数+MH2)であQ、かつ一
方の電極がアース電位でプラズマ9に接触しているため
、印加された高周波の波高に相当するエネルギーのイオ
ンが基板6に到着し、このため一般のスパッタリングを
起こすがまた放電ガスが反応性の場合、例えばエネルギ
ーをもった弗素イオンが基板と反応して反応性スパッタ
リングを起こし、基板をエツチングする。この場合の基
板が絶縁物であっても高周波印加のため支障はない。
The discharge is high frequency! Since Q is (several M to several + MH2) and one electrode is in contact with the plasma 9 at ground potential, ions with energy corresponding to the wave height of the applied high frequency arrive at the substrate 6. However, if the discharge gas is reactive, for example, energetic fluorine ions react with the substrate to cause reactive sputtering, etching the substrate. Even if the substrate in this case is an insulator, there is no problem because high frequency is applied.

第5図は以上の第1図より第4図までの各種方式を容量
型結合の場合についてまとめ、特に基板に到達するイオ
ンのエネルギーに着目したものである。
FIG. 5 summarizes the various systems shown in FIGS. 1 to 4 for the case of capacitive coupling, with particular attention paid to the energy of ions reaching the substrate.

第5図において、3なる発振器に電極10と11が容量
型結合しており、電極の一方11は、8に接地しである
ものとする。また真空容器5は絶縁材料により構成され
、図示せざる真空排気系によシ排気され、かつ図示せざ
るガス導入孔より適当圧力ガスが導入され印加せる高周
波電力により放電し、プラズマ9を形成するものとする
In FIG. 5, it is assumed that electrodes 10 and 11 are capacitively coupled to an oscillator 3, and one of the electrodes 11 is grounded to 8. The vacuum container 5 is made of an insulating material, is evacuated by a vacuum exhaust system (not shown), and a suitable pressure gas is introduced through a gas introduction hole (not shown), which is discharged by the applied high-frequency power to form plasma 9. shall be taken as a thing.

第5図(5)は、放電形式としては第3図に相当し2て
いる。真空容器内に形成され次プラズマ9は外界と浮遊
電位にある。したがりてデポジションの場合も、エツチ
ングの場合も、プラズマ9の絶縁容器5に対する電位、
つまり管壁電位とよばれるプラズマ電位のエネルギーに
て、真空容器内に挿入された同じく浮遊電位の基板に到
着する。
FIG. 5 (5) corresponds to FIG. 3 in terms of the discharge format. The plasma 9 formed within the vacuum chamber is at a floating potential with respect to the outside world. Therefore, in both deposition and etching, the potential of the plasma 9 with respect to the insulating container 5,
In other words, the energy of the plasma potential, called tube wall potential, reaches the substrate inserted in the vacuum container, which is also at a floating potential.

第5図(B)Fi放電形式としては第2図および第4図
に相当する。この場合、一方の電極11は、8において
接地されかつプラズマ9に接触しているため、プラズマ
の電位はアース電位よりシースをへだてて、プラズマ電
位Vsに相当する電位となる。したがって第5図(B)
の11のアース側の電極に基板をおくと、デポジション
の場合もエツチングの場合もこのプラズマの電位に相当
するイオンエネルギーVs(通常約数V以下)にてイオ
ンが到着する。
FIG. 5(B) corresponds to FIGS. 2 and 4 as the Fi discharge format. In this case, one electrode 11 is grounded at 8 and is in contact with the plasma 9, so that the plasma potential separates the sheath from the ground potential and becomes a potential corresponding to the plasma potential Vs. Therefore, Figure 5(B)
When a substrate is placed on the ground-side electrode No. 11, ions arrive at an ion energy Vs (usually about several volts or less) corresponding to the potential of this plasma, both in the case of deposition and in the case of etching.

一方第5図(ト))の10の高周波電極は、発振器3に
結線されている之めいまこの発振器の出力電圧波形がV
 o 5ilIωtで表わされるとするとこの電極10
の電位にV o sinωtで変化する。ここでv。
On the other hand, the 10 high-frequency electrodes in FIG.
o 5ilIωt, this electrode 10
The potential changes by V o sin ωt. Here v.

は高周波の波形の最高値、ωは角周波数、tは時間とす
る。この電極10もやはりプラズマ10に接触はしてい
るが、時間平均を取ると、10の電位は接地電位に等し
い。したがって10へのV o sinωtの高周波印
加を行っても、プラズマ9の電位は平均としてVsK止
まる。しかし、現実に電極10はV o sinωtで
変化する之め、電極10とプラズマ9との間のシースが
増減してプラズマと電極の間の電位差を保持する。した
がって電極10の電位が−voになった時最高(Vo+
Vs)のエネルギ〒でプラズマよシイオンが到着する。
is the highest value of the high frequency waveform, ω is the angular frequency, and t is the time. This electrode 10 is also in contact with the plasma 10, but when averaged over time, the potential of the electrode 10 is equal to the ground potential. Therefore, even if a high frequency voltage of V o sin ωt is applied to the plasma 10, the potential of the plasma 9 stops at VsK on average. However, since the electrode 10 actually changes by V o sinωt, the sheath between the electrode 10 and the plasma 9 increases or decreases to maintain the potential difference between the plasma and the electrode. Therefore, when the potential of the electrode 10 becomes -vo, it is the highest (Vo+
Plasma and ions arrive with the energy of Vs).

■。■.

は通常数百ボルトの程度であるため、電極10上に保持
された基板は最高数百ボルトのエネルギーのイオンが衝
突する。したがって普通デポジションをする場合は第2
図のようにアース側の電極に基板を保持せしめてvsの
エネルギーでイオンを到着せしめ、スパッタリングを行
う場合は、高周波側の電極に基板を保持せしめて、(V
s +Vo )のエネルギーでイオンを到着せしめる。
Since the voltage is usually on the order of several hundred volts, the substrate held on the electrode 10 is bombarded with ions having an energy of up to several hundred volts. Therefore, when making a normal deposition, the second
As shown in the figure, when sputtering is performed by holding the substrate on the electrode on the ground side and allowing ions to arrive at the energy of vs, the electrode on the high frequency side should hold the substrate and (V
The ions are allowed to arrive with an energy of s + Vo ).

第5図(qの放電形式は一方の電極11がアース電極と
して真空槽内にあり、プラズマ9と接触し、他方の高周
波電極10は真空槽外に位置せしめられている。
In the discharge type shown in FIG. 5(q), one electrode 11 is placed inside the vacuum chamber as a ground electrode and is in contact with the plasma 9, and the other high-frequency electrode 10 is located outside the vacuum chamber.

第5図の)の場合と同じくプラズマ電位はV、に等しく
、11の電極上へはvsのエネルギーのイオンが到着す
る。他方の高周波電極10をみるとこれは図5(B)の
高周波電極10を、絶縁物で覆い、プラズマと直接に接
触しないようにした場合に等しい。したがってプラズマ
はいわゆる管壁電位■wとなる。この絶縁物の表面電位
はやは!1lvosiIlωtで変化するため最高(V
o+Vw)のエネルギーのイオンが到着し、絶縁物をス
パッタする。これが絶縁物に対する高周波スパッタリン
グの原理である。第4図の構成は第5図(qの構成に類
似したものと考えることができる。
As in the case of ) in FIG. 5, the plasma potential is equal to V, and ions with an energy of vs arrive on the electrode 11. Looking at the other high-frequency electrode 10, this is equivalent to the case where the high-frequency electrode 10 in FIG. 5(B) is covered with an insulator so that it does not come into direct contact with plasma. Therefore, the plasma has a so-called tube wall potential ■w. The surface potential of this insulator is amazing! The maximum (V
Ions with an energy of o+Vw) arrive and sputter the insulator. This is the principle of high frequency sputtering for insulators. The configuration in FIG. 4 can be considered to be similar to the configuration in FIG. 5 (q).

以上のように現在使用されている各種のデポジション装
置およびエツチング装置を考察すると、処理する基板へ
投着するデポジションまたはエツチングのイオンのエネ
ルギーが全くその時の装置条件により決まり、制御の困
難な量になっていることが見られる。例えば第1図、第
2図のデポジションにおいては、デボジシ璽ンエネルギ
ーはプラズマ9の電位vsによりきまシ、この電位は、
印加する高周波電力と放電のガス圧力によってきまる。
Considering the various deposition and etching equipment currently in use as described above, the energy of the deposition or etching ions deposited onto the substrate to be processed is completely determined by the equipment conditions at that time, and is difficult to control. It can be seen that For example, in the depositions shown in FIGS. 1 and 2, the deposition energy depends on the potential of the plasma 9, and this potential is
Determined by the applied high frequency power and discharge gas pressure.

また第3図の構成ではエツチングのイオンのエネルギー
は基板の浮遊電位にょる管壁電位に近い値であり、第4
図の構成ではエツチングのイオンのエネルギーは高周波
発振の高周波電圧v。
In addition, in the configuration shown in Fig. 3, the energy of etching ions is close to the tube wall potential due to the floating potential of the substrate, and
In the configuration shown in the figure, the energy of the etching ions is the high frequency voltage v of high frequency oscillation.

できめられこの高周波電圧は放電のために必要な電圧で
ある。
This high frequency voltage is the voltage required for discharge.

他方、高周波放電によシ形成されたプラズマよυ処理基
板に到着するイオンのエネルギーを制御し得る場合はそ
の効果はいちじるしいものと考えられる。
On the other hand, if it is possible to control the energy of ions arriving at the plasma formed by high-frequency discharge and the υ-treated substrate, the effect is considered to be significant.

デボジシ冒ンの場合を考えると基板に熱運動エネルギー
で投着した場合、単に基板に附着するKすぎない。基板
を加熱すれば、基板よシ運動エネルギーを得て基板上を
移動することが出きるが、デポジションの場合の基板温
度は素子製作上の制限のため出き得る限り低いことが望
まれる。イオンにエネルギーを与えて基板に到着せしめ
た場合、そのエネルギーの多くは単に衝突による熱エネ
ルギーとなるが、一部は(〜数チ)基板上の運動エネル
ギーとなり基板上を運動することが出きる。
Considering the case of deposition, if it is deposited onto a substrate with thermal kinetic energy, it is simply K that is attached to the substrate. If the substrate is heated, it is possible to obtain kinetic energy from the substrate and move on the substrate, but the substrate temperature during deposition is desired to be as low as possible due to limitations in device fabrication. When ions are given energy and made to arrive at the substrate, most of that energy simply becomes thermal energy due to collision, but some (~several inches) becomes kinetic energy on the substrate and can move on the substrate. .

したがって一般のデボジシ冒ンの場合、附着せしめ次膜
は基板上の段差や小孔に対しステップカバレージの良好
な附着膜を作成することが出きる。
Therefore, in the case of general deposition, it is possible to create a deposited film with good step coverage over steps and small holes on the substrate.

また基板と同−材料番デポジションした場合、基板に到
着した原子はこの運動エネルギーにょシ適当な格子点ま
で移動することが出来るため、かなり低り温度で結晶成
長を行うことが出きる。この到着せしめるエネルギーは
、あまりその値が大きいと基板に対し衝突による欠陥を
形成しまたスパッタリングを起したりするので数v〜数
十Vの範囲が適当である。
In addition, if the material number is the same as that of the substrate, the atoms arriving at the substrate can use this kinetic energy to move to an appropriate lattice point, so crystal growth can be performed at a considerably lower temperature. The energy to arrive is suitably in the range of several volts to several tens of volts, since if the value is too large, it may cause defects on the substrate due to collision or sputtering.

またエツチングの場合を考える!4図のような構成では
通常イオンは数百eVのエネルギーで基板に到着するた
めスパッタリングと同時に基板に結晶欠陥を起こす。特
に放電ガスに反応性のガス(フレオン等)を使用し、反
応性スパッタリングを起してエツチングを行う場合、イ
オンのエネルギーは数百■は不要であり、ま友このよう
な高い電圧では局所エツチングを行う場合のマスクがス
パッタによ勺エッチされたシ、また基板温度の上昇をき
良したりして、困難を生じる。
Consider the case of etching again! In the configuration shown in FIG. 4, ions usually arrive at the substrate with an energy of several hundred eV, causing crystal defects in the substrate at the same time as sputtering. In particular, when etching is performed by using a reactive gas (Freon, etc.) as the discharge gas to cause reactive sputtering, ion energy of several hundred square meters is not necessary, and at such a high voltage, local etching cannot be achieved. Difficulties arise when performing this process because the mask is etched by sputtering and the substrate temperature rises.

反応性スパッタを行う場合は、原則的にイオンエネルギ
ーは化学反応を促進せしめる値でよく、その値もまた数
V〜数十Vの程度が望ましb0以上の考察にみられるご
とく、高周波放電を用いてプラズマを生起し、デボジシ
冒ンまタハエッチングを行う装置において、イオンを基
板上に数V〜数十Vの程度の制御されたエネルギーで到
着せしめることが出き得れば、この処理工程に非常な進
歩を生ぜしめることができる。
When performing reactive sputtering, in principle, the ion energy can be set to a value that promotes chemical reactions, and the value is preferably in the range of several volts to several tens of volts.As seen in the considerations above, high-frequency discharge is If it is possible to make the ions arrive on the substrate with a controlled energy of several volts to several tens of volts in an apparatus that generates plasma and performs deposition etching, this processing step will be possible. can bring about great progress.

以上のように目的とするイオンをプラズマ中よ多制御し
て特定のエネルギーVTにて基板に到着せしめるために
、放″r!1電極に目的の正の電位を加えるか、あるい
はプラズマ中にプローベを挿入し、プラズマに特定の正
の電位を与え、制御せるエネルギーにて基板にイオンを
到着せしめる発明が特開昭53−68171号に記述さ
れている。この方法はプラズマ電位の制御において非常
に有効であることが見出されているが、一方下記のよう
な場合用途が制限されることが数多くの実験において判
明している。
As described above, in order to control the number of target ions in the plasma and make them arrive at the substrate at a specific energy VT, a target positive potential is applied to the emission r!1 electrode, or a probe is inserted into the plasma. JP-A-53-68171 describes an invention in which ions are inserted into the plasma, given a specific positive potential to the plasma, and are made to arrive at the substrate with controlled energy.This method is very effective in controlling the plasma potential. Although it has been found to be effective, it has been found in numerous experiments that its use is limited in the following cases.

(1)  デポジションを行う場合において、デボクシ
1ン物質の絶縁物の場合、膜厚が増加するにしたがいデ
ポジション膜の表面に電荷が集積する友め、イオンのエ
ネルギーが有効に作用しなくなる。したがって絶縁物の
厚膜のデポジションには、この電位の印加が有効でない
(1) When performing deposition, in the case of an insulating material such as deboxing material, as the film thickness increases, charges accumulate on the surface of the deposition film, and the energy of ions no longer acts effectively. Therefore, application of this potential is not effective for depositing thick films of insulators.

(2)エツチングの場合、対象物が厚い絶縁物膜の場合
は、上記デポジションと同一の現象が起る。
(2) In the case of etching, if the object is a thick insulating film, the same phenomenon as the above-mentioned deposition occurs.

ま九エツチング基板を周囲の汚染より保護するため、上
下の放電電極を石英板で覆ったり、また化学反応を促進
させる理由の九め基板を4弗化エチレンの板の上にのせ
たりして、基板をアース電位より絶縁する方法が近時性
われるように一&った、このような場合も電位の印加が
有効でない。
In order to protect the maku-etched substrate from surrounding contamination, the upper and lower discharge electrodes were covered with quartz plates, and the maku-etched substrate, which promotes chemical reactions, was placed on a tetrafluoroethylene plate. Recently, methods of insulating the substrate from ground potential have been developed, and in such cases, applying a potential is also not effective.

つまシ構成的には第5回置のようになり、このような場
合、プラズマに直流的に電位を与えても基板がアース電
位と絶縁されているため基板全体が正に帯電し、プラズ
マ電位と基板電位が接近し、イオンは目的のエネルギー
で基板に到着せず、プラズマと、絶縁管壁との間に生ず
る電位、つまり管壁電位Vwにて基板に到着する。この
管壁電位は一般に数eV以下であるため、目的の電位よ
りかなり低い値になる。
The configuration of the tab is as in the fifth position, and in such a case, even if a DC voltage is applied to the plasma, the substrate is insulated from the ground potential, so the entire substrate will be positively charged, and the plasma potential will increase. The ions approach the substrate potential, and the ions do not arrive at the substrate with the desired energy, but instead arrive at the potential generated between the plasma and the insulating tube wall, that is, the tube wall potential Vw. Since this tube wall potential is generally several eV or less, it has a value considerably lower than the target potential.

本発明はこれらの従来の方法を改善し、基板に目的の有
効なエネルギーにてイオンを到着せしめるために発明さ
れたものである。
The present invention has been devised to improve upon these conventional methods and to allow ions to arrive at a substrate at a targeted and effective energy.

本発明のプラズマ処理装置によれば、絶縁材料から成り
、放電用ガスを封入するための真空容器と、前記真空容
器内にプラズマを発生させる九めに、前記真空容器の外
側から該真空容器を通して高周波電力を印加する手段と
、前記真空容器内に処理すべき基板を配置する手段と、
前記真空容器内のプラズマの電位を前記基板に対し規制
しプラズマ中のイオンが前記基板に到着するエネルギー
を制御するために、前記基板に交流を印加する手段とを
具備して成ることを特徴とする。
According to the plasma processing apparatus of the present invention, there is provided a vacuum container made of an insulating material for sealing a discharge gas, and a device for generating plasma in the vacuum container, which is passed through the vacuum container from outside the vacuum container. means for applying high frequency power; means for placing a substrate to be processed in the vacuum container;
and means for applying an alternating current to the substrate in order to regulate the potential of the plasma in the vacuum container with respect to the substrate and control the energy with which ions in the plasma reach the substrate. do.

第6図は、本発明の実施例を示す。これは第5図(5)
K新たに制御のための低周波の発振器12を結線し之構
成である。この低周波発振器12の周波数は3なる高周
波発振器の周波数より充分に低くて、その変化する電場
のため、第6図の9なるプラズマ中のイオンが充分追従
できるものとする。
FIG. 6 shows an embodiment of the invention. This is Figure 5 (5)
The configuration is such that a low frequency oscillator 12 for control is newly connected. It is assumed that the frequency of this low frequency oscillator 12 is sufficiently lower than the frequency of the high frequency oscillator 3, and the ions in the plasma 9 in FIG. 6 can sufficiently follow its changing electric field.

なおこの場合高周波電力が低周波発振器側に洩れないよ
う、低周波発振器の出力を誘導コイルを通じて行う等の
高周波側よシみて高インピーダンスにする必要がある。
In this case, in order to prevent high frequency power from leaking to the low frequency oscillator side, it is necessary to make the output of the low frequency oscillator high impedance from the high frequency side, such as by passing the output through an induction coil.

第7図面の簡単な説明例として、低周波発振器12によ
り図のように矩形波を印加せるとき、これに対応する第
6図の6の基板の電位変化を定性的に示す。この例に、
おいて、説明の簡略化のため、プラズマと絶縁容器間の
いわゆる管壁電位は無視する。第7図のようKABCの
+Voの矩形電位を加えると、第6図の10の電極が+
voになるため、基板6の電位はプラズマよりのイオン
による荷電のため、点線に示すようにAKと上昇し、K
にて電極の電位の+voと等しくなる。この場合、プラ
ズマも基板と同じ<+Voの電位まで上昇する。この電
位はKCの間つソき、次いで電極の電位がCDEと−■
oに反転すると、基板はプラズマ中よりの電子の流入の
ため負の荷電をうけてCLMと−Votで急激に降下し
、MEの間−■oがつソ〈。次に再び電極電位が−vo
より+vo″1でEFGと変化すると、基板の電位はE
NPと+Voまで上昇をつyけ、+VoはPGの間つソ
く。以下この繰り返しである。
As a simple explanatory example of FIG. 7, when a rectangular wave is applied as shown in the figure by the low frequency oscillator 12, the corresponding potential change of the substrate 6 in FIG. 6 will be qualitatively shown. In this example,
Here, to simplify the explanation, the so-called tube wall potential between the plasma and the insulating container will be ignored. When the +Vo rectangular potential of KABC is applied as shown in Figure 7, the 10 electrodes in Figure 6 become +
vo, the potential of the substrate 6 rises to AK as shown by the dotted line due to charging by ions from the plasma, and becomes K.
becomes equal to +vo of the potential of the electrode. In this case, the plasma also rises to the same potential as the substrate, <+Vo. This potential is between KC and then the potential of the electrode is CDE and -■
When the substrate is reversed to 0, the substrate becomes negatively charged due to the influx of electrons from the plasma and rapidly drops at CLM and -Vot, and during ME -■o becomes so. Then the electrode potential is -vo again
When +vo''1 changes to EFG, the potential of the substrate becomes E
Increase to NP and +Vo, and +Vo to low during PG. This is repeated below.

したがって基板へのイオン到着は、例えばMEの間充分
に電子忙よシミ荷をうけて−voの値を示している電極
の電位が、EFGと+Voに反転し、BNPと一■oよ
り+■oに上昇中の間のみ行われる。したがって到着す
るイオンのエネルギーは、電極の電位である+VoとE
NPにそって上昇する基板の電位の差となる。したがっ
て基板に到着するイオンのエネルギーはBNPO間に、
2Voより0電子ボルトと変化する。
Therefore, when ions arrive at the substrate, for example, during ME, the potential of the electrode, which has been sufficiently charged with electrons and stains and exhibits a value of -vo, is reversed to EFG and +Vo, and from BNP and one This is done only while ascending to o. Therefore, the energy of the arriving ions is +Vo, which is the potential of the electrode, and E
This is the difference in potential of the substrate that rises along the NP. Therefore, the energy of the ions arriving at the substrate is between the BNPO and
It changes from 2Vo to 0 electron volt.

第8図に矩形波の代りにAl3CDEFGHIと正弦波
を加え穴場台を示す。基板の電位は前記と同様の論理に
よりA B’ C’ D’ E’ F/αH/I’と少
しく周期のずれた形の正弦波形で変化する。基板に到着
するイオンを考えると例えば電極電位が、−Moよシ+
Voに変化するDEFにそってD′E/ F’の間にエ
ネルギーが2VoよりO電子ボルトにて到着する。
Fig. 8 shows a hidden gem by adding Al3CDEFGHI and a sine wave instead of the rectangular wave. The potential of the substrate changes in a sine waveform of A B'C'D'E'F/αH/I' with a slightly shifted period based on the same logic as described above. Considering the ions arriving at the substrate, for example, the electrode potential is -Mo to +
Along DEF changing to Vo, energy arrives at O electron volts from 2Vo between D'E/F'.

このように第7図においてはENPの間が、第8図にお
いてはl)/ p、/ p/の間が基板に対し、イオン
が流入する、そうして、このイオンは基板に対しOより
2Voの量変化する。以上の議論において前述のように
プラズマが絶縁物である管壁に対して有するいわゆる管
壁電位■wを無視した。この7wの効果を入れると基板
はvwより(2V。
In this way, ions flow into the substrate between ENP in Figure 7 and between l)/p and /p/ in Figure 8, and these ions flow into the substrate from O The amount of 2Vo changes. In the above discussion, we have ignored the so-called tube wall potential ■w that the plasma has with respect to the tube wall, which is an insulator, as described above. When this 7W effect is included, the board becomes more than VW (2V).

+Vw)の間のエネルギーのイオンの到着をうける。し
たがって、いt、VT以上のエネルギーのイオンが目的
の基板に対する反応などく有効であるとすれば(VT 
) Vw )の場合、(2Vo+vw−vT)のエネル
ギーの粒子が基板のプラズマ処理の特定目的に対し有効
である。このエネルギーは無制限に大であってはならず
、基板の損傷や反応の断面積を考えた場合、最大値vM
以下でなければならない。したがって、 VM ) 2 Vo +Vw > VT       
 ”(1)が成立し、このように加える矩形波て正弦波
の交流のピーク値■oをプラズマを作る放電のための高
周波と独立に選ぶことが出きる。
+Vw). Therefore, if ions with energy greater than t, VT are effective in reacting with the target substrate, (VT
) Vw ), particles with an energy of (2 Vo + vw - vT) are useful for the specific purpose of plasma processing of substrates. This energy must not be infinitely large, and when considering substrate damage and reaction cross-section, the maximum value vM
Must be less than or equal to Therefore, VM ) 2 Vo +Vw > VT
``(1) holds true, and the peak value o of the rectangular wave and sine wave alternating current applied in this way can be selected independently of the high frequency for the discharge that creates plasma.

いま第7図において、電極に加わる矩形波の電位がDM
の−voよりFGの+■oに変化した時前述のごとく基
板電位がENPと上昇する間にイオンが基板に到着する
。この場合2Voの電位差により形成されるイオンシー
スの厚さをdoイオンの質量をMoイオンの荷電をeと
すると、シースの端のプラズマよりイオンが基板に到着
する時間tけ次式にて与えられる。
Now in Figure 7, the potential of the square wave applied to the electrode is DM
When the potential changes from -vo to +■o of FG, ions arrive at the substrate while the substrate potential rises to ENP as described above. In this case, if the thickness of the ion sheath formed by the potential difference of 2Vo is do, the mass of the ion is and the charge of the Mo ion is e, then the time for the ions to arrive at the substrate from the plasma at the edge of the sheath is given by the following equation: .

いま2 V O=50 v* dO”’ 0.5 Cm
 g e=L 6X 10−10クーロンで質量数40
のM、を仮定すると、t=6.4X10−丁(秒)とな
る。第7図においてPGは、イオンの基板到着には無効
であるからこれを0とすると、このtは、印加する矩形
波の周期Tの1/2になるようにすると効率がよい。一
方到着するイオンのエネルギーは2V。
Now 2 V O=50 v* dO"' 0.5 Cm
g e=L 6X 10-10 coulombs and mass number 40
Assuming M, then t=6.4×10-tons (seconds). In FIG. 7, since PG is ineffective for the arrival of ions to the substrate, it is set to 0, and it is efficient to set t to 1/2 of the period T of the applied rectangular wave. On the other hand, the energy of the arriving ions is 2V.

と0の間であるため、基板に到着するイオンのうち77
以上のエネルギーのイオン、つまり基板の電位Vが Vく2Vo  VT          ・・・(3)
の間に到着するイオンだけがこの発明の目的として有効
に作用する。いま2■0=50v、vT=20Vと仮定
すると、第3式により基板電位が30Vになるまで有効
に作用する。したがって、第7図のように矩形波を加え
た場合、上記の例では基板にイオンが到着するENPの
間の約1/2位よりこの場合有効でないが、これはVT
とv。
and 0, so 77 of the ions arriving at the substrate
Ions with energy above, that is, the potential V of the substrate is V×2Vo VT...(3)
Only ions that arrive during this period will be effective for purposes of this invention. Assuming that 2.0=50V and vT=20V, the third equation effectively acts until the substrate potential reaches 30V. Therefore, if a square wave is applied as shown in FIG.
and v.

の相対的な値により、つま#)vTが小さく、V。Due to the relative value of , VT is small and V.

が大きい場合有効に使用できる領域を大きくとることが
できる。このイオンを作用させる電場として第8図のよ
うな正弦波形を加えた場合も全く同様の議論であり、第
8図において、D’E’F’の基板にイオンが到着する
期間のうち第3式の関係によりVTとvoの相対的な値
により使用出きる領域がきまる。
If is large, a large area can be effectively used. The argument is exactly the same when a sinusoidal waveform as shown in Figure 8 is added as an electric field that acts on these ions. The usable area is determined by the relative values of VT and vo according to the relationship in the equation.

第7図、第8図に$−いて矩形波と正弦波についてのべ
たが、この他に3角波や他の交流を加えても議論は同一
である。
Although we have discussed rectangular waves and sine waves in Figures 7 and 8, the discussion is the same even if triangular waves and other alternating currents are added.

以上の考察においてのべたごとく、主放電のための高周
波電源とこの放電により生じたプラズマ中のイオンに有
効な制御せるエネルギーを与えるための制御のための電
源を加え、この制御のための電源の周波数を、プラズマ
中のイオンが追従出きるように低周波にすれば、第6図
に示すように電極や真空槽構成物質の汚染より保護する
ため、またある種の化学反応を目的とするため基板を完
全に絶縁物容器中に位置せしめ、この中に放電ガスを入
れた構造において、基板上に特定のエネルギーのイオン
を到着せしめ、基板を処理することが出来る。すなわち
、本発明によれば真空槽容器を石英などの不純物の少な
い絶縁物で形成し、この外部にプラズマ発生用の電力を
印加するための電極を使用することができるので、被処
理基板に対する電極材料または真空槽材料からの汚染を
防止するとともに、逆に、真空槽内に発生する生成物が
電極に付着するのを防止することができる。
As mentioned in the above discussion, we add a high-frequency power source for the main discharge and a control power source to give effective control energy to the ions in the plasma generated by this discharge. If the frequency is set to a low frequency that the ions in the plasma can follow, it can be used to protect the electrodes and vacuum chamber constituents from contamination, as shown in Figure 6, or for the purpose of certain chemical reactions. In a structure in which the substrate is completely placed in an insulating container and a discharge gas is introduced into the container, ions of a specific energy can be caused to arrive on the substrate to process the substrate. That is, according to the present invention, the vacuum chamber container is formed of an insulating material with few impurities such as quartz, and an electrode for applying power for plasma generation can be used externally. Contamination from the material or the vacuum chamber material can be prevented, and conversely, products generated within the vacuum chamber can be prevented from adhering to the electrodes.

また、基板上に絶縁物の膜が存在し、または絶縁物の膜
が処理中に堆積するため釦、従来の方式では、制御せる
イオンエネルギー忙て処理が困難な場合においても、こ
の方式は極めて有効に作用することは前記の考察より明
確である。
In addition, this method is extremely effective even in cases where an insulating film exists on the substrate or the insulating film is deposited during processing, making processing difficult due to the ion energy that can be controlled using conventional methods. It is clear from the above consideration that it works effectively.

またこの方式は第6図に示されるような平行平板方式の
プラズマ処理装置にのみ適用が限定されるものではない
Further, the application of this method is not limited to a parallel plate type plasma processing apparatus as shown in FIG.

また加えるべき低周波の交流は、プラズマを作る放電が
高周波の場合、この高周波の電圧の分割や周波数の変換
等により発生せしめることが可能である。
In addition, when the plasma-generating discharge has a high frequency, the low-frequency alternating current to be applied can be generated by dividing the high-frequency voltage, converting the frequency, or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図、第2図は従来の高周波放電によるプラズマを用
いたデポジション装置の構成図、第3図、第4図は従来
の高周波放電によるプラズマを用いたエツチング装置の
構成図、第5回置、 (B) 、 (C)は第1図より
第4図までめ構成を動作原理より説明を行うため3種に
分類した動作原理の説明のための構成図、 第6図は、本発明の適用のための構成図、第7図Fi第
6図の構成に印加すべき低い周波数の矩形波と、これを
印加した時生ずる電極と基板の電位変化の説明図、 第8図は同じく第6図の構成に印加すべき低い周波数の
正弦波とこれを印加した時生ずる電極と基板の電位変化
の説明図。
Figures 1 and 2 are configuration diagrams of a conventional deposition apparatus using plasma generated by high-frequency discharge, and Figures 3 and 4 are configuration diagrams of a conventional etching apparatus using plasma generated by high-frequency discharge. (B) and (C) are configuration diagrams for explaining the operating principles classified into three types in order to explain the configuration from the operating principle from Fig. 1 to Fig. 4. Fig. 7 is an explanatory diagram of the low frequency rectangular wave to be applied to the configuration of Fig. 6, and the potential change between the electrode and the substrate that occurs when this is applied. FIG. 6 is an explanatory diagram of a low frequency sine wave to be applied to the configuration shown in FIG. 6 and potential changes between the electrode and the substrate that occur when the sine wave is applied.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1、絶縁材料から成り、放電用ガスを封入するための真
空容器と、前記真空容器内にプラズマを発生させるため
に、前記真空容器の外側から該真空容器を通して高周波
電力を印加する手段と、前記真空容器内に処理すべき基
板を配置する手段と、前記真空容器内のプラズマの電位
を前記基板に対し規制しプラズマ中のイオンが前記基板
に到着するエネルギーを制御するために、前記基板に交
流を印加する手段とを具備して成ることを特徴とするプ
ラズマ処理装置。
1. a vacuum container made of an insulating material and for sealing discharge gas; means for applying high frequency power from outside the vacuum container through the vacuum container in order to generate plasma in the vacuum container; means for placing a substrate to be processed in a vacuum vessel; and an alternating current applied to the substrate in order to regulate the potential of the plasma in the vacuum vessel with respect to the substrate and to control the energy with which ions in the plasma arrive at the substrate. 1. A plasma processing apparatus comprising: means for applying .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006274390A (en) * 2005-03-30 2006-10-12 Yamaguchi Prefecture SiNxOyCz FILM, AND THIN FILM DEPOSITION METHOD

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