WO2008065745A1

WO2008065745A1 - Appareil de traitement au plasma

Info

Publication number: WO2008065745A1
Application number: PCT/JP2007/001285
Authority: WO
Inventors: Shinji Nakagami; Hirohiko Nakano
Original assignee: Samco Inc.
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2008-06-05
Also published as: CN103347360A; JPWO2008065744A1; JPWO2008065745A1; TW200833180A; JP5277473B2; US20100066251A1; CN101543141A; CN103347360B; JP5561812B2; TWI422287B; US8314560B2; WO2008065744A1; CN101543141B

Description

明細書

プラズマ処理装置

技術分野

[0001 ] 本発明は、プラズマエッチング装置、プラズマ C V D装置、プラズマクリ一ニング処理装置等のプラズマ処理装置に関するものである。

背景技術

[0002] 昨今のプラズマ■ プロセス技術は従来のように半導体分野に限られることなく、ナノテクノロジーに関連する分野、例えば光デバイス（半導体レーザ、ダイオード等）、 MEMS (ジャイロスコープ、センサ等）、力一ボンナノチュ _ブ■医療分野■バイオ技術分野（マイクロメス、滅菌等）をはじめとする多岐に亘る分野において応用されている。

[0003] 応用分野の拡大に伴い、生産性向上の要求も高まっており、プラズマ処理装置の高効率化も当然求められるようになつてきた。この高効率化には試料 (基板やウェハ）の大型化、処理の高速化、高形状制御性などが含まれている。そして、このような要求に応えるべく、これまで誘導結合プラズマ装置には、誘導コイルの大型化、並列化などの様々な改良がなされてきている。とりわけこうした要求のうち、現在プラズマ処理装置側に強く求められている課題は、大型試料に対応するためのプラズマの均一化である。

[0004] プラズマ処理装置において誘導コイルに電流を流すと磁界が誘導され、コィルに電位差を与えたことによって副次的にコイルに静電ポテンシャルが分布し、これが真空中に浮遊する。プラズマに含まれる電子は外部から与えられたポテンシャルをシールドする働きがあるため、コイルとプラズマを隔てている誘電体のポテンシャルの高い部分に集まり、この箇所の電位を下げる作用を及ぼす。これが二次的に正イオンを引きつける要因を作り、遮蔽体のスパッタが生じる。

[0005] しかし、コイルに沿って発生したポテンシャルには対称性が無いため、プラズマ組成は空間的に非対称に分布する。このため、基板処理の際に高い処理均一性を実現することが困難である。このような誘導コイルが副次的に生み出すポテンシャルの問題はコイルの端部効果として知られており、プラズマ装置によって生産されるデバイスの性能を左右する重要な問題として捉えられている。

[0006] このコイルの端部効果を解消するための一つの策として、ファラデーシ一ルドと呼ばれる静電シールドが利用されることがある。これは薄い導電性金属のシートであり、プラズマと誘導コイルの間に、つまり誘電体に隣接するように配置される。ファラデーシールドを配置したブラズマ処理装置におしゝて誘導コィルに電流を供給すると、誘導電磁場はファラデーシールドを透過してプラズマ中に浸透するが、一方ポテンシャルはファラデ一シールドによつて遮蔽され、プラズマ中に及ばないという効果が得られる。

[0007] しかしながらファラデーシールドには、シールド材中に渦電流が生じ、誘導コイルによって与えたエネルギーの損失が発生するという問題がある。これを防止することを目的として、シールド材に小窓を多数設けることによつて渦電流の流路を切断することが行われているが、シールド効果と電力の損失はトレードオフの関係にあるという問題が依然として残る。また、小窓に関して、その開口比や形状の最適化が面倒で労力が掛かるという問題もある

[0008] 端部効果を解消するための他のアプローチとして、端部効果を低減させる効果を狙ったコイルが開発■開示されている。例えば特許文献 1において開示されている誘導コイルは、 2以上の同一形状のコイル要素を回路的に並列に接続して構成されるとともに、その中心が被処理物の中心と一致するように配置され、コイル要素の入力端が 360° をコイル要素の数で割った角度おきに配置され、かつコイル要素が任意の断面形状を有する円環の表面に沿って径方向と高さ方向に立体的な構造を持つものである。特許文献 1によれば、このようなコイル構成によりコイルの周方向のプラズマ均一性が向上するという効果が得られる。

[0009] また、端部効果を低減させるために開発された誘導コイルの他の例として、特許文献 2に示されているものもある。特許文献 2にて開示されている誘導コイルは、一端には R F電源が印加される電源端が形成され、他端には接地された接地端が形成されており、少なくとも 2つのループ型アンテナが電気的に並列に設けられて構成されている。そして、各ループ型アンテナの電源端と接地端は前記アンテナの中心に対して対称位置に配置され、前記各ループ型アンテナの電源端と接地端はチャンバから遠い位置に配置され、各ル —プ型アンテナの中間部はチャンバから近い位置にくるように相互に平行に

、交差して設置されるものである。

[0010] 特許文献 2によれば、上記構成の誘導コイルを使用することにより、誘導コイルの全区域に亘る均一な電圧分布が可能となり、チャンバ内部におけるプラズマの密度分布を回転方向について対称且つ均一に発生させる効果が得られる。

[001 1 ] 特許文献 1 ：特開 2005-303053号公報（図 6)

特許文献 2：特表 2004-537839号公報（図 3)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0012] しかし、特許文献 1や特許文献 2にて開示されているものを含め、これまでに開示されてきたプラズマ処理装置の誘導コィルでは、プラズマの均一性が未だ十分であるとは言えず、改良の余地が残されていた。このような現状を踏まえ、本願発明者は大口径なプラズマを、従来より一層均一に生成可能なプラズマ処理装置に想到した。

課題を解決するための手段

[0013] 上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ処理装置の第一の形態は、

a) 被処理物の上方に配置される、上方に突出する形状のプラズマ生成容器と、

b) 前記プラズマ生成容器の外周に、同一形状を有する n個（nは 2以上）のコィル要素を被処理物の表面の法線を軸とする回転対称に配置して成り、且つ、各コイル要素が電気的に並列に接続されて成る誘導コイルとを備えており、

前記誘電コィルの各コィル要素は、

前記軸に対する略同一の垂線の内側に接地端、外側に給電端が位置するように該プラズマ生成容器を巻回しており、

一端に接地端を備えた所定の幅を有する弧状であり、該弧の中心角が 360° /nである内面部と、

一端に給電端を備えた所定の幅を有する弧状であり、前記内面部より外側に設けられ、該内面部と電気的に接続されてなる給電部と、

を有する

ことを特徴とする。

また、本発明に係るプラズマ処理装置の第二の形態は、

b) 前記プラズマ生成容器の外周に、同一形状を有する n個（nは 2以上）のコィル要素を被処理物の表面の法線を軸とする回転対称に配置して成り、且つ、各コイル要素が電気的に並列に接続されて成る誘導コイルを備えており、

前記誘電コィルの各コィル要素は、

を有しており、

前記誘導コイルは、前記軸に対する略同一の垂線の内側と外側にコイル要素の接地端と他のコィル要素の給電端とが位置するように n個のコィル要素が配置されて成る

ことを特徴とする。ここで、「上方に突出する形状」とは、錘台形状や柱状形状のような形状をいう。

発明の効果

[0015] 本発明に係るプラズマ処理装置によれば、その特徴的なコイルの構成により以下のような効果が達成される。

[0016] まず、複数個のコイル要素が回転対称に配置されているため、コイル全体として電圧降下の影響を避けることができ、プラズマの軸対称性を高く保つことができる。従って、端部効果の影響を低減させることができる。また、このことにより、大口径のプラズマを均一に生成することができるようになる。

[0017] また、各コイル要素において給電端の内側（プラズマ生成容器側）に接地端が来るから、コイル要素の接地端がプラズマとコイルの給電端の間に割つて入る。従って、プラズマとコイルを絶縁している誘電体のスパッタが生じにくいという効果ももたらされる。

更に、各コイル要素の給電端の内側に他のコイル要素が割って入るため、この点からも誘電体のスパッタが生じにくくなる。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1 ]プラズマ処理装置の一実施例である I C Pエッチング装置の概略構成図

[図 2]第一の形態に係る誘導コィルの概略斜視図 (A-1 )、概略上面図 (A-2)。

[図 3]第一の形態に係る誘導コィルの他の例の概略上面図。

[図 4]第二の形態に係る誘導コイルの概略上面図。

[図 5]コイル要素 2 1の内面部の幅が給電部の幅よりも広いコイル要素の例。

[図 6] (H)コイル要素の巻数が 2周回、（1 ) 1 . 5周回から成る誘導コイルの概略上面図。

[図 7]プラズマ生成容器の外周に 2個の誘導コイルを配置したプラズマ処理装置の概略構成図。

符号の説明 1 0 ■ ■ ■ I C Pエッチング装置

1 1 - • ■反応室

1 2 ■ • ·下部電極

1 3 ■ • ■気体導入口

1 4 ■ ■ ■真空ポンプ

1 5 ■ ■ ■ プラズマ生成容器

1 7 ■ ■ · プラズマ用高周波電源

1 8 ■ ■ ■セルフバイアス用高周波電源

1 9 ■ • ■被処理物

2 0 ■ ■ ■誘導コイル

2 1 - ■ ■ コイル要素

2 2 ■ • ■接続部

2 3 ■ 口电而

2 4 ■ • ■接地端

2 5 ■ „ ■ 立 Ι7

口电

2 6 ■ • ■内面部

発明を実施するための最良の形態

[0020] 図 1は、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例である I C Ρエツチング装置の概略構成図である。図 1の I C Pエッチング装置 1 0は、反応室 1 1、下部電極 1 2、気体導入口 1 3、及び真空ポンプ 1 4等を備える。下部電極 1 2の上には被処理物 1 9が載置される。また、反応室 1 1の上部（外部）には、被処理物 1 9に向かって拡径する円錐台状に形成された石英製のプラズマ生成容器 1 5が載置されている。プラズマ生成容器 1 5の中心軸は、被処理物 1 9の表面の法線 Lと略一致する。

[0021 ] 被処理物の上方で且つプラズマ生成容器 1 5の外周には誘導コイル 2 0が設けられている。誘導コイル 2 0は、給電端がプラズマ用高周波電源 1 7に接続され、接地端が接地される。誘導コイル 2 0の詳細な構成については後述する。また、下部電極 1 2はセルフバイアス用高周波電源 1 8に接続されており、反応室 1 1全体は接地されている。

本発明に係るプラズマ処理装置は、誘導コイル 2 0の構成に特徴を有するものである。そこで以下、誘導コイル 2 0について詳細に説明を行う。

[0022] 本実施例において、誘導コイル 2 0は同一形状を有する複数のコイル要素が組み合わされることにより構成される。本実施例に係る誘導コイル 2 0は、各コィル要素の巻数が一周回のものと巻数が一周回以下のものとの二種類に大別することができる。本明細書では前者を第一の形態（本発明に係るプラズマ処理装置の第一の形態）、後者を第二の形態（本発明に係るプラズマ処理装置の第二の形態）と呼ぶ。

[0023] [第一の形態]

図 2は第一の形態に係る誘導コイル 2 0の例を示している。図 2 (A-1 )は 2 個のコイル要素 2 1が組み合わされて成る誘導コイル 2 0の概略斜視図を、図 2 (A-2)は、図 2 (A-1 )の誘導コイル 2 0の模式図（上面図）である。

[0024] 図 2に示されているように、誘導コイル 2 0は同一形状を有する 2個のコィル要素 2 1力被処理物 1 9の表面の法線 L (以下「軸 L」とも呼ぶ。）を共通の軸として回転対称に配置されている。

コイル要素 2 1は、前記軸 Lに対する略同一の垂線の内側に接地端、外側に給電端が位置するように前記プラズマ生成容器 1 5を一周回している。ここで「略同一の垂線」とは、好ましくは全く同一であるが、複数のコイル要素を組み合わせる際に互いに接することがないように構成する必要があること等の理由から、設計上設けざるを得ない若干のずれも許容するという意味であるものとする。

[0025] コイル要素 2 1は一端が接地端 2 4となる、所定の幅を有する内面部 2 6 を有している。内面部 2 6は弧状であり、図 2 (A-1 )に示される、 2個のコィル要素 2 1が組み合わされて成る誘導コイル 2 0の場合、その中心角は 180° である。

内面部 2 6は接続部 2 2によって、内面部 2 6よりも外周側に設けられた給電部 2 5と電気的に接続されている。給電部 2 5の接続部 2 2と反対側の端部 2 3は上述したように、プラズマ用高周波電源 1 7に接続される。図 2 の例では接続部 2 2は傾斜して描かれているが、本発明において接続部 2 2 の構成は特に問わない。

[0026] 第一の形態において、誘導コイル 2 0を構成するコイル要素 2 1の数は 2 個以上である。第一の形態の他の例として、図 3 (B)には 3個のコイル要素 2 1、図 3 (G)には 4個のコイル要素 2 1から成る誘導コイル 2 0の概略図を示す。図 2 (A-2)及び図 3 (B)、（G)では 1個のコイル要素 2 1のみをハイライトして示す。

n個のコイル要素 2 1を用いる場合、各コイル要素 2 1の内面部 2 6の弧の中心角は 360° / nとする。これにより、 n個のコイル要素を組み合わせた際に、それらの内面部 2 6全体によつて一周が形成され、均一なプラズマ形成が可能となる。

[0027] 図 2及び図 3に示すように、第一の形態では n個のコイル要素 2 1が互いに接することなく組み合わされ、これにより、誘導コイル 2 0全体として、コイル要素 2 1の内面部 2 6と給電部 2 5とが内外に n重に配置された構造となる。

[0028] また、絶縁耐圧を上げて、各コイル要素 2 1の間でスパーク放電を起こさないために、各コイル要素 2 1の間には絶縁体を設けることが望ましい。絶縁体の例としてはテフロン（登録商標）を好適に用いることができる。また、絶縁体は図 2に示すように大気であっても良い。

さらに、組み合わされる各コイル要素 2 1の間の距離（内外方向の距離）はできる限り近い方が好ましい。これによつて、アースシールド効果が誘導結合より強くなるためである。各コイル要素 2 1間の好適な距離は絶縁体の種類によって異なるが、テフロンの場合には 3〜5國、大気の場合には 5〜 10國とするのがよい。

なお、プラズマ用高周波電源 1 7として 13. 56MHzを越える高周波電源を用いる場合には、各コイル要素間の距離が 3國より狭くてもスパーク放電が生じにくくなる傾向がある。 [0029] プラズマ用高周波電源 1 7に一般的な高周波電源（13. 56MHz) を用いる場合には、プラズマが均一に対称性良く発生できる点で一巻きのコイル要素 2 1を用いることが好ましい。一方、 13. 56MHzを越える高周波電源を用いる場合には、コイル要素 2 1の長さを短くしてインダクタンスを下げることでプラズマを均一に対称性良く発生できるため、一巻きより巻き数の少ないコィル要素 2 1を用いることが好ましい。このような構成のコイル要素に関して、以下、第二の形態として説明する。

[0030] [第二の形態]

図 4は第二の形態に係る誘導コイル 2 0の概略図であり、図 4 (D)は 3個のコイル要素、図 4 (E)は 4個のコイル要素 2 1、図 4 (F)は 5個のコイル要素 2 1から成る誘導コイル 2 0の例を示している。図 4は誘導コイル 2 0の上面図であり、各コイル要素は上下方向に所定の幅を有する。

[0031 ] 図 4 (D)に示されているように、誘導コイル 2 0は同一形状を有する 3個のコイル要素 2 1力被処理物 1 9の表面の法線 Lを共通の軸として回転対称に配置されている。

第二の形態においては、誘導コイル 2 0を構成するコイル要素 2 1の数は 2個以上とする。ただし、コイル要素 2 1が 2個の場合の構成は、上記第一の形態の構成に含まれる。コイル要素 2 1は、前記プラズマ生成容器の外周面への投影像が軸 Lを中心とする弧状となる。すなわち、コイル要素 2 1の巻数は一周回以下である。

[0032] 第二の形態におけるコイル要素 2 1も、上記第一の形態における場合と同様に、一端が接地端 2 4となる、所定の幅を有する内面部 2 6を有している。内面部 2 6は弧状であり、その中心角は 360° / nである。すなわち図 4 (D) に示す、 3個のコイル要素 2 1から構成される誘導コイル 2 0の場合には、その中心角は 120° となる。

内面部 2 6は接続部 2 2によって、内面部 2 6より外周側に設けられた給電部 2 5と電気的に接続されている。給電部 2 5の接続部 2 2と反対側の端部 2 3は上述したように、プラズマ用高周波電源 1 7に接続される。 [0033] 第二の形態では、このような n個のコイル要素 2 1を、前記軸 Lに対する略同一の垂線の内側と外側に、各コイル要素 2 1の接地端 2 4と他のコイル要素 2 1の給電端 2 3とが位置するように、それぞれ回転対称となるように配置する。コイル要素が 3個から成る場合（図 4 (D) ) には、各コイル要素 2 1を 120° ずつ回転させて配置することにより、異なるコイル要素 2 1の接地端 2 4と給電端 2 3が略同一垂線上に位置する。なお、この「同一垂線」は、上記第一の形態において述べたものと同じ意味である。

[0034] 第二の形態の他の例として、図 4 (E)にはコイル要素が 4個、図 4 (F)にはコイル要素 2 1が 5個から成る誘導コイル 2 0の概略図を示す。図 4に示されている例では、誘導コイル 2 0は内面部 2 6と給電部 2 5とを含めた二重構造となっているが、第二の形態に係る誘導コイル 2 0は二重構造に限定される必要はなく、三重構造や四重層構造等の多重層構造にすることができる

[0035] なお、第二の形態においても、上記第一の形態において説明したのと同様に、各コイル要素 2 1間に絶縁体を設け、各コイル要素 2 1間の距離を出来る限り近くすることが望ましい。

[0036] 以上、本発明に係るプラズマ処理装置の第一の形態及び第二の形態について説明を行ったが、上記は例に過ぎない。以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の他の形態を挙げる。なお、以下の形態は、上記第一の形態及び第二の形態の誘導コイル 2 0のいずれにも適用可能である。

[0037] (変形例 1 ) コイル要素 2 1の内面部 2 6の幅（軸方向への厚み）を、給電部 2 5の幅よりも広くする。図 5に、この構成を有するコイル要素 2 1の一例を示す。この構成により、一層均一なプラズマを生成することが可能となり、さらに大口径の試料を処理することが実現可能となる。

[0038] (変形例 2 ) 各コイル要素 2 1の巻数を 1周回より大きくする。図 6に、この構成を有するコイル要素 2 1の例を示す。図 6 (H)はコイル要素 2 1を 2周回、図 6 ( I )はコイル要素 2 1を 1 . 5周回とした誘導コイル 2 0の概略図を示す。これらの図では、 1個のコイル要素 2 1のみをハイライトして示している。

図 6 (H)の例では、各コイル要素の接地端と給電端とが、前記軸 Lに対する略同一の垂線の内側と外側に位置する。図 6 ( I )の例では、各コイル要素の接地端と他のコイル要素の給電端とが前記軸 Lに対する略同一の垂線の内側と外側に位置する。

[0039] (誘導コイルの配置）

誘導コイル 2 0は、本発明に係るプラズマ処理装置において上下複数段に亘つて設けられてもよい。図 7のプラズマ処理装置では、 2個の誘導コイル 2 0が上下 2段に配置されている。なお、図 7ではプラズマ用高周波電源 1 7や接地の構成については省略してある。

[0040] また、他の改良例として、誘電コイルの各コイル要素は、円錐台形状のプラズマ生成容器の外周面に沿つて傾斜して配置することもできる。

更に、本発明は円錐台形状以外の、例えば四角錐台形状や六角錘台形状のプラズマ生成容器を備えたプラズマ処理装置にも適用できる。

Claims

請求の範囲

b) 前記プラズマ生成容器の外周に、同一形状を有する n個（nは 2以上）のコィル要素を前記被処理物の表面の法線を軸とする回転対称に配置して成り、且つ、各コイル要素が電気的に並列に接続されて成る誘導コイルとを備えており、

前記誘電コィルの各コィル要素は、

前記軸に対する略同一の垂線の内側に接地端、外側に給電端を有するように該プラズマ生成容器を巻回しており、

を有する

ことを特徴とするプラズマ処理装置。

b) 前記プラズマ生成容器の外周に、同一形状を有する n個（nは 2以上）のコィル要素を前記被処理物の表面の法線を軸とする回転対称に配置して成り、且つ、各コイル要素が電気的に並列に接続されて成る誘導コイルを備えており、

前記誘電コィルの各コィル要素は、

を有しており、前記誘導コイルは、前記軸に対する略同一の垂線の内側と外側にコイル要素の接地端と他のコィル要素の給電端とが位置するように n個のコィル要素が配置されて成る

ことを特徴とするプラズマ処理装置。

[3] 前記プラズマ生成容器が、被処理物に向かって拡径する錘台形状であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載のプラズマ処理装置。

[4] 誘導コイルを構成する各コイル要素間に絶縁体が設けられており、各コィル要素が互いに絶縁されていることを特徴とする請求項 1〜 3のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

[5] 前記各コイル要素の内面部の幅が給電部の幅よりも広いことを特徴とする請求項 1〜 4のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

[6] 前記プラズマ生成容器の外周面に前記誘導コイルが複数段設けられていることを特徴とする請求項 1〜 5のいずれかに記載のプラズマ処理装置。