(57)【要約】      （修正有）【課題】加工による透磁率の低下、焼鈍による強度低下および歪発生を抑制し磁性体としての特性向上を図ることのできるヨークを持つプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】静磁場発生装置１１５は、筒状の真空処理室の外側面に円周方向に巻回された第１の励磁コイル２０３と、真空処理室の上面に円周方向に巻回された第２の励磁コイル２０２と、第１の励磁コイル２０３の外周、第１および第２の励磁コイル２０３，２０２の上面、並びに第２の励磁コイル２０２の内周を覆うヨーク２０４を備え、第２の励磁コイル２０２の内周を覆うヨーク２０４ａは、第１の励磁コイル２０３の外周、第１および第２の励磁コイル２０３，２０２の上面を覆うヨーク２０４ｂに分割可能に接合されるとともに焼鈍処理が施されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の真空処理室と、該真空処理室内に配置した基板電極と、前記真空処理室内に静磁場を発生させる静磁場発生装置と、前記真空処理室内に電磁波を供給する電磁波供給手段を備え、供給された電磁波と前記静磁場との間の相互作用により供給された処理ガスをプラズマ化して前記基板電極上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記静磁場発生装置は、
前記筒状の真空処理室の外側面に円周方向に巻回された第１の励磁コイルと、前記真空処理室の上面に円周方向に巻回された第２の励磁コイルと、
前記第１の励磁コイルの外周、第１および第２の励磁コイルの上面、並びに第２の励磁コイルの内周を覆うヨークを備え、
前記第２の励磁コイルの内周を覆うヨークは、前記第１の励磁コイルの外周、第１および第２の励磁コイルの上面を覆うヨークに分割可能に接合されるとともに焼鈍処理が施されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
第２の励磁コイルの内周を覆うヨークと前記第１の励磁コイルの外周並びに第１および第２の励磁コイルの上面を覆うヨークの接合面は平面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記載のプラズマ処理装置において、
第２の励磁コイルの内周を覆うヨークと前記第１の励磁コイルの外周並びに第１および第２の励磁コイルの上面を覆うヨークの接合面は平面であり、該接合面はシート状の磁性材料を介して接合されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
筒状の真空処理室と、該真空処理室内に配置した基板電極と、前記真空処理室内に静磁場を発生させる静磁場発生装置と、前記真空処理室内に電磁波を供給する電磁波供給手段を備え、供給された電磁波と前記静磁場との間の相互作用により供給された処理ガスをプラズマ化して前記基板電極上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の製造方法において、
前記静磁場発生装置は、
前記筒状の真空処理室の外側面に円周方向に巻回された第１の励磁コイルと、前記真空処理室の上面に円周方向に巻回された第２の励磁コイルと、
前記第１の励磁コイルの外周並びに第１および第２の励磁コイルの上面を覆う第１のヨーク、並びに第２の励磁コイルの内周を覆う第２のヨークで構成し、
前記第２のヨークを第１のヨークと分離して焼鈍処理を施した後前記第１のヨークと接合することを特徴とするプラズマ処理装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置にかかり、特に磁界発生装置の特性向上を図ることのできるプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にプラズマとは、ガス分子が電子とイオンに分離し、全体として電気的に略中性となる状態を指す。大規模集積回路等半導体の製造に用いられる装置においては、プラズマ化したガスを用いることにより、例えば成膜処理あるいはエッチング処理において製品の品質やその生産性を高めることができる。
【０００３】
プラズマ処理装置において、プラズマの制御に静磁界を用いる場合がある。プラズマ中を運動する電子は静磁界が存在すると、静磁界に垂直な方向に拡散が抑制されることが知られており、これによりプラズマの拡散を制御することができる。また、プラズマの拡散の制御により、プラズマの密度が向上し、またプラズマの分布を最適化することができる。
【０００４】
プラズマ処理装置においては、プラズマを発生するのに電磁波が用いられる。照射する電磁波の周波数と電子のサイクロトロン周波数を一致させると、電子サイクロトロン共鳴現象が発生し、電磁波が効率よくプラズマに吸収される。この電子サイクロトロン共鳴現象を利用することにより、通常ではプラズマの発生が困難な低圧力下でもプラズマを発生させることが可能となる。すなわち、使用可能なプラズマ処理条件を拡大することができる。また、電子サイクロトロン共鳴現象の発生する場所を制御することによりプラズマ発生する場所を制御して、プラズマの分布を最適化することができる。
【０００５】
電子サイクロトロン共鳴現象を用いたプラズマ処理装置の例として特許文献１に記載の処理装置がある。この装置では、電子サイクロトロン共鳴を起こす０．０８７５テスラの静磁界をプラズマ処理室内に設定し、周波数２．４５GHｚのマイクロ波を照射してプラズマを処理室内に発生させる構成としている。前記静磁界を調整することでプラズマの発生位置やプラズマの拡散を制御して、処理装置のプラズマ処理特性を制御することができる。
【０００６】
静磁界を用いたプラズマ処理装置においては、静磁界発生装置として、種々のプラズマ処理条件に対応するために、静磁界分布の変更が容易な励磁コイルを用いることが多い。しかし励磁コイルは静磁界分布の制御は容易となる利点がある反面、静磁界の発生に電力が必要となる。永久磁石を用いれば静磁界発生に必要な電力は不要となるが、静磁界分布の制御が困難となる。また超電導コイルを用いる場合は静磁界の発生自体に電力は不要となるが、極低温に冷却する必要がある。このため、通常の励磁コイルを用いた静磁界発生装置を用いることが多い。
【０００７】
大規模集積回路等の半導体装置の製造に用いられる被処理基板の寸法は、生産性を高めるために拡大する傾向にあり、現在は直径２００ｍｍまたは３００mmのシリコン基板が主流となっている。さらなる生産性向上のために、今後は直径４５０mmのシリコン基板が必要との意見もあり、被処理基板の寸法拡大は今後も続く趨勢にある。このため被処理基板を処理するためのプラズマ処理室の寸法も拡大する傾向にある。これに対応して励磁コイル等の静磁界発生装置の拡大も必要となり、使用電力の低減や小型で強力な静磁界を発生できる静磁界発生装置が望まれている。
【０００８】
励磁コイルの小型、高効率化にヨークを用いる方法がある。磁力線は透磁率の高い物質に集中する傾向がある。このため、透磁率の高い物質によりヨークを形成し、所望の位置に磁力線を配置することで、小型で高効率の励磁コイルを構成することができる。ヨークの材質としては透磁率が高く、飽和磁束密度の高い軟磁性体を用いることが望ましい。この観点とコストや素材の入手しやすさから通常は鉄系の材料をヨークとして用いることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２３５３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述したように、静磁界発生装置を用いるプラズマ処理装置においては、静磁界発生装置の電力使用量の低減と小型化が重要である。これらの問題は、ヨークの利用により解決可能であるが、ヨークの材料として鉄系の材料を用いた場合、前記材料をヨークに適した形状に加工する際、加工による影響で透磁率が低下することがある。透磁率低下は焼鈍し処理により回復可能であるが、機械的強度が低下してしまう。また、焼鈍時に自重により歪が生じることがある。
【００１１】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、加工による透磁率の低下、焼鈍による強度低下および歪発生を抑制し磁性体としての特性向上を図ることのできるヨークを持つプラズマ処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１３】
筒状の真空処理室と、該真空処理室内に配置した基板電極と、前記真空処理室内に静磁場を発生させる静磁場発生装置と、前記真空処理室内に電磁波を供給する電磁波供給手段を備え、供給された電磁波と前記静磁場との間の相互作用により供給された処理ガスをプラズマ化して前記基板電極上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記静磁場発生装置は、前記筒状の真空処理室の外側面に円周方向に巻回された第１の励磁コイルと、前記真空処理室の上面に円周方向に巻回された第２の励磁コイルと、前記第１の励磁コイルの外周、第１および第２の励磁コイルの上面、並びに第２の励磁コイルの内周を覆うヨークを備え、前記第２の励磁コイルの内周を覆うヨークは、前記第１の励磁コイルの外周、第１および第２の励磁コイルの上面を覆うヨークに分割可能に接合されるとともに焼鈍処理が施されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以上の構成を備えるため、加工による透磁率の低下、焼鈍による強度低下および歪発生を抑制し磁性体としての特性向上を図ることのできるヨークを持つプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係るプラズマエッチング装置を説明する図である。
【図２】静磁界発生装置としてのヨークの構成を比較して説明する図である。
【図３】静磁界発生装置の移動機構の概略を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係るプラズマエッチング装置を説明する図である。図１において、マイクロ波源１０１で発生したマイクロ波は方形導波管１０３を伝播し、方形円形導波管変換器１０４を介して円形導波管１０５に達する。自動整合機１０２はマイクロ波源からみた負荷インピーダンスを調整して反射波を自動的に抑制する。
【００１７】
なお、マイクロ波源としては発振周波数２．４５GHｚのマグネトロンを用い、また、マイクロ波源保護のためにアイソレータ１１９を用いた。
【００１８】
前記円形導波管１０５は空洞共振部１０６に接続され、空洞共振部１０６はマイクロ波電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する。空洞共振部１０６の下部には、マイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８を介してプラズマ処理室１１０が設けられる。
【００１９】
シャワープレート１０８は、プラズマ処理室１１０に発生するプラズマに直接曝されるため、プラズマ耐性が高く、かつプラズマ処理に悪影響を及ぼさない材質が望ましい。また、マイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８の材質としてはマイクロ波を効率よく透過し、プラズマ処理室を気密に保持する材料が望ましい。このため、マイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８の材質としては石英が用いられる。
【００２０】
マイクロ波導入窓１０７とシャワープレート１０８の間には、図示しない微小な間隙が設けられており、この間隙には、プラズマ処理に用いる処理ガスの供給系１０９より供給されるガスが供給される。また、シャワープレート１０８には図示しない微細なガス供給孔が複数設けられ、前記間隙に供給されたガスは前記ガス供給孔を介してプラズマ処理室１１０にシャワー状に供給される。
【００２１】
プラズマ処理室１１０内には被処理基板１１１を戴置するための基板電極１１２が設置されている。基板電極１１２には、被処理基板１１１にバイアス電力を供給するためのバイアス電源１１４が自動整合機１１３を介して接続されている。バイアス電源の周波数として４００ｋHzのものが用いられる。
【００２２】
処理室１１０には、バルブ１１６、圧力制御機構１１７を介して真空排気系１１８が接続されている。さらに処理室圧力を測定するための圧力計１２０が処理室１１０に接続されている。圧力制御機構１１７により真空排気系１１８の排気速度を制御することができる。これにより、処理ガスの供給系１０９より供給される処理ガスの排気速度を制御して、処理室１１０の圧力を制御することができる。
【００２３】
プラズマ処理室１１０の周囲には静磁界発生装置１１５が設けられ、プラズマ処理室１１０内に静磁界を加えることができる。電子サイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数が一致した場合にマイクロ波の電力が電子に共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴現象を用いると、通常はプラズマの発生が困難な高真空領域でもプラズマの発生が可能となり、プラズマ処理可能な領域が拡大する。
【００２４】
また、静磁界をプラズマ処理室に加えることで、プラズマの損失を抑制しプラズマの着火性を高めることができる。また、静磁界の分布を調整することでプラズマの発生領域や拡散を制御してプラズマの分布を制御することができる。プラズマ分布の制御により、被処理基板１１１に施すプラズマ処理の均一性を制御することができる。
【００２５】
マイクロ波の周波数が２．４５GHｚの場合、電子サイクロトロン共鳴を起こす静磁界の大きさは０．０８７５テスラとなる。すなわち、電子サイクロトロン共鳴現象を活用するにはプラズマ処理室内に０．０８７５テスラの静磁界を発生させる必要があり、処理室内の任意の場所にこの大きさの静磁界を発生させることができる静磁界発生装置を用いることが望ましい。本実施形態では、静磁界の発生装置として多段の励磁コイルを用いた。多段の励磁コイルを用いることにより静磁界分布の調整が励磁コイルに流す電流により容易に制御できる。
【００２６】
図２は、静磁界発生装置としての励磁コイルの構成（３種類）を比較して説明する図である。図２（ａ）に示すように、静磁界発生装置はリング状の励磁コイル２０２，２０３およびヨーク２０１を備える。ヨーク２０１の材質として鉄系のＳＳ４００を用いた。
【００２７】
図２（ａ）は初期のプラズマ処理装置に用いられた静磁界発生装置を示す図である。図２（ａ）に示す静磁界発生装置では、ヨーク２０１の断面は逆L字である。前述のように、電子サイクロトロン共鳴現象を満足する０．０８７５テスラの領域を処理室内の任意の場所に発生させることが望ましいが、このヨーク形状では中心軸付近からの磁束の漏れが大きく、所望の磁束密度を得るのに大きな電流値が必要で電力消費量が多いことが判明した。  そこで、ヨーク形状を検討した結果、図２（ｂ）に示すように励磁コイル２０２の内部にまでヨーク部分を延長したヨーク２０４を用いた。すなわち、励磁コイル２０２、２０３の外周、励磁コイル２０２，２０３の上面を覆うヨーク、および励磁コイル２０２の内周を覆うヨークを用いる。これによると、励磁コイル２０２，２０３に同じ電流値を通電しても、磁束の漏れが抑制でき、処理室内の磁束密度を約１．６倍に向上できることが判明した。
【００２８】
さらに検討を進めた結果、ヨーク内の磁束密度が、ヨークの材料である鉄の飽和磁束密度である２テスラ程度となっていることが判明した。そこでヨーク２０４を焼鈍処理することで、透磁率等の磁気特性の向上を検討したが、巨大な焼鈍設備が必要で、さらに焼鈍に際して自重により歪が生じる可能性もあることが判明した。
【００２９】
そこで、ヨーク内の磁束密度分布を検討した結果、ヨーク中央付近の磁束密度が高いことが判った。このためヨーク全体を焼鈍処理するのでなく、図２（ｃ）に示すように、ヨークを、励磁コイル２０２、２０３の外周、励磁コイル２０２，２０３の上面を覆うヨーク（外周部ヨーク２００４ｂ）、および励磁コイル２０２の内周を覆うヨーク（中央部ヨーク２０４ａ）に分割し、磁束密度が高く磁気飽和の可能性の高いヨークの中央部分、すなわち励磁コイル２０４の内周を覆う中央部ヨーク２０４ａを分離可能な別ピースとして製作し、別ピースとして製作された中央部ヨーク２０４ａのみを焼鈍処理することにした。
【００３０】
一般にヨーク部品を分割すると、分割されたヨーク部品間は互いに密着して接続しないと磁束漏れが生じる。このためヨーク部品間の接続面は平面とし、さらに接続面にシート状の磁性体板を挟み込むことにより磁束の漏れを防止した。
【００３１】
なお、図２の例では、リング状の励磁コイルを２段（コイル２０２，２０３）用いた例を示したが、さらに多段のコイルを用いてもよいし、１段のコイルでも良い。
【００３２】
静磁界発生装置１１５は、処理室全体に静磁界を印加するために大きくならざるを得ず、重量も数百ｋｇ程度と重くなる。エッチング装置の保守作業時には静磁界発生装置１１５を取り外す必要が生じる場合があるが、人力での移動は困難なため、静磁界発生装置１１５の移動機構を設けた。
【００３３】
図３は、静磁界発生装置１１５の移動機構の概略を説明する図である。静磁界発生装置１１５を構成するヨーク２０４の側面に治具３０１を取り付け、この治具を支柱３０２に取り付ける。支柱３０２は移動機構３０３により上下方向への駆動、および支柱３０２を中心とした回転駆動が可能である。
【００３４】
治具３０１とヨークの接続部には静磁界発生装置１１５の全荷重がかかるので、強度の確保は重要である。前述のようにヨーク全体を焼鈍処理した場合には強度が低下するが、大きな荷重のかからない中央部ヨークのみの焼鈍処理を行うため、励磁コイルの保持に問題は生じない。なお、静磁界発生装置１１５の移動機構あるいは保持構造は同様な機能を有する他の構造で代替可能である。
【００３５】
前述のように、ヨーク部材を複数の部材で構成する場合、ヨーク部材間の接続面が密着していないと、接続面での磁気抵抗が大きくなり、磁束の漏れが発生しやすくなる。磁束の漏れを防止するのに、加工精度を高めて接続面の密着性を高めることが有効である。しかし、接続面の形状が複雑であると、接続面間を密着させることが困難となるほか、分割したヨーク部材の組立ても困難となる。このため、接続面を平面とし、さらに接続面間に柔軟なシート状の磁性体挟み込むことにより、密着性と組立て容易性の両立を図ることができる。なお、前記シート状の磁性体として純鉄の箔などを用いることができる。
【００３６】
焼鈍の温度は素材毎に決まるキュリー温度以上の温度で行うことが望ましい。鉄のキュリー温度は７７０℃である。本実施形態では、鉄製のヨーク部材を８５０℃で３時間、酸化を防止するため窒素雰囲気で保持することにより焼鈍を行った。また、ヨーク部材の材料としてＳＳ４００を用いたが、他の軟磁性体を用いても良い。例えば、鉄やコバルト、ニッケルを成分とする合金を用いても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１０１  マイクロ波源
１０２  自動整合機
１０３  方形導波管
１０４  方形円形導波管変換機
１０５  円形導波管
１０６  空洞共振部
１０７  マイクロ波導入窓
１０８  シャワープレート
１０９  ガス供給機構
１１０  プラズマ処理室
１１１  被処理基板
１１２  基板電極
１１３  自動整合機
１１４  バイアス電源
１１５  静磁界発生装置
１１６  バルブ
１１７  圧力制御機構
１１８  真空排気系
１１９  アイソレータ
１２０  圧力計
２０１  ヨーク
２０２  コイル
２０３  コイル
２０４  ヨーク
２０４ａ  中央部ヨーク
２０４ｂ  外周部ヨーク
３０１  治具
３０２  支柱
３０３  移動機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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