(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電圧が印加されるプラズマ励起用アンテナであって、
電磁波を放射できるように構成された複数の部分アンテナと、複数のコンデンサとを有し、
前記部分アンテナと前記コンデンサとが電気的に交互に接続されて構成され、互いに接続されたコンデンサ１個と部分アンテナ１個とで構成される部分的なＬＣ直列回路が、前記印加される高周波電圧の周波数に対し共振状態に置かれるように構成されたことを特徴とするプラズマ励起用アンテナ。
【請求項２】
一端がコンデンサを有するマッチングボックスを介して電源に接続された請求項１記載のプラズマ励起用アンテナであって、
前記複数のコンデンサには、前記マッチングボックス内のコンデンサが含まれることを特徴とするプラズマ励起用アンテナ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のプラズマ励起用アンテナとプラズマ化すべきガスを導入するプラズマ発生槽とを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記プラズマ励起用アンテナを複数有し、各プラズマ励起用アンテナで同じプラズマ発生槽内のガスをプラズマ化するように構成された請求項３記載のプラズマ処理装置であって、
各プラズマ励起用アンテナの固有共振周波数が、互いに１ｋＨｚ以上異なるように構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを発生させる技術に関し、特に、プラズマ発生槽内に導入されたガスに電磁波を放射してプラズマ化させるプラズマ励起用アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エッチング工程や薄膜の形成工程において、所望ガスのプラズマを利用して処理対象物の加工を行う装置が広く用いられている。例えば、図３(ａ)のエッチング装置１００は、プラズマを用いて基板表面の薄膜をエッチングする装置であり、金属で構成された反応槽１０５と、誘電体で構成されたプラズマ発生槽１０６と、ループアンテナ１０２とを有している。
【０００３】
プラズマ発生槽１０６は、反応槽１０５の上部に取り付けられており、ループアンテナ１０２は、同図(ｂ)に示すように、プラズマ発生槽１０６の外周に設けられており、一端がマッチングボックス１１１を介して高周波電源１１０に接続され、他端が接地電位に接続されている。
【０００４】
このエッチング装置１００内に予め基板１０８を配置しておき、図示しない真空ポンプを起動し、反応槽１０５内とプラズマ発生槽１０６内とを高真空状態にした後エッチングガスを導入し、高周波電源１１０を起動してループアンテナ１０２に高周波電圧を印加すると、ループアンテナ１０２から放射される電磁波によってエッチングガスが励起され、エッチングガスプラズマ１０７が発生する。
【０００５】
反応槽１０５とプラズマ発生槽１０６の外部には、電磁石１１４1、１１４2が設けられ、発生したエッチングガスプラズマ１０７がウェハー１０８表面に輸送されるような磁界が形成されており、ウェハー１０８表面がエッチングガスプラズマ１０７に接触すると、薄膜のエッチング加工が行われる。
【０００６】
このようなエッチング装置１００において、ウェハー１０８表面のエッチングばらつきを小さくするためには、エッチングガスプラズマ１０７を均一にする必要がある。そのためにはループアンテナ１０２全体から均一に電磁波が放射されることが望ましいので、ループアンテナ１０２の両端は、符号１１５で示すように、互いに近接させ、ループ状にしておく必要がある。
【０００７】
他方、エッチング処理すべき基板は近年次第に大型化しており、それに対応するために、上述したループアンテナ１０２も大型化し、投入すべき電力も大きくなっている。
【０００８】
ループアンテナ１０２と、高周波電源１１０と、マッチングボックス１１１とは、同図(ｃ)に示すような等価回路を形成しているが、大型化したループアンテナ１０２に大電流を流すために、マッチングボックス１１１を介して印加する高周波電圧Ｖを大きくした場合には、電源側の端子と接地側の端子とが近接した部分１１５において、端子間に放電が発生し、プラズマが不安定になるという問題があった。
【０００９】
また、ループアンテナに印加する高周波電圧が大きくなると、ループアンテナ１０２の電源側端子近傍のプラズマ発生槽１０６内壁がスパッタされる場合があり、エッチングガスプラズマ中に不純物として混入してしまうという問題も生じていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたもので、その目的は、小さな印加電圧で大きな電流を流すことができるプラズマ励起用アンテナを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、高周波電圧が印加されるプラズマ励起用アンテナであって、電磁波を放射できるように構成された複数の部分アンテナと、複数のコンデンサとを有し、前記部分アンテナと前記コンデンサとが電気的に交互に接続されて構成され、互いに接続されたコンデンサ１個と部分アンテナ１個とで構成される部分的なＬＣ直列回路が、前記印加される高周波電圧の周波数に対し共振状態に置かれるように構成されたことを特徴とする。
【００１２】
この場合、請求項２記載の発明のように、一端がコンデンサを有するマッチングボックスを介して電源に接続された請求項１記載のプラズマ励起用アンテナであって、前記複数のコンデンサには、前記マッチングボックス内のコンデンサが含まれることを特徴とする。
【００１３】
他方、請求項３記載の発明は、プラズマ処理装置であって、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のプラズマ励起用アンテナと、プラズマ化すべきガスを導入するプラズマ発生槽とを有することを特徴とする。
【００１４】
この請求項３記載の発明については、請求項４記載の発明のように、前記プラズマ励起用アンテナを複数有しており、各プラズマ励起用アンテナで同じプラズマ発生槽内のガスをプラズマ化する場合には、各プラズマ励起用アンテナの固有共振周波数が、互いに１ｋＨｚ以上異なるように構成しておくとよい。
【００１５】
従来、プラズマ励起に用いられていたようなループアンテナでは、周波数ωで電流Ｉを流したい場合、ループアンテナのインダクタンス値をＬ'とすると、
Ｖ ＝ ω・Ｌ'・Ｉ
の大きさの高周波電圧Ｖを印加する必要があった。
【００１６】
大径のループアンテナを用い、高密度のプラズマを発生させたい場合には、周波数ωの値が大きくなり、また、電流Ｉの値も大きくなるため、印加する高周波電圧Ｖの値も大きくなってしまう。
【００１７】
ところが、一般にループアンテナは、高周波電圧を印加する端子間が近接しているため、大きな高周波電圧Ｖを印加した場合には、電源側端子と接地側端子間で放電が生じてしまう。
【００１８】
上述の本発明の構成によれば、ループアンテナを複数の部分アンテナに分割し、各部分アンテナ同士をコンデンサによって電気的に接続している。この場合、合計のインダクタンス値がＬ0であるｎ個の部分アンテナと、ｎ−１個のコンデンサによってプラズマ励起用アンテナを構成した場合、マッチングボックス内のコンデンサを含めて、部分アンテナとコンデンサ各１個で構成されるｎ個の部分的なＬＣ直列回路が形成される。従って、それら部分的なＬＣ直列回路の両端に生じる電圧は全体に印加される電圧の１／ｎになる。
【００１９】
そのような部分アンテナ１個当たりのインダクタンスをＬn、コンデンサ１個当たりのキャパシタンスをＣnとした場合、印加される高周波電圧の周波数ωに対し、 ω2・Ｌ・Ｃ の値を可及的に１に近づけると、部分アンテナとコンデンサの各１個で構成される部分的なＬＣ直列回路を共振状態に置くことができる。
【００２０】
部分的なＬＣ直列回路が共振状態にある場合、その部分のインピーダンスは最も小さくなる。従って、マッチングボックス内のコンデンサを含めて構成されるｎ個の部分的なＬＣ直列回路ができるだけ共振状態に近づくように部分アンテナのインダクタンス値とコンデンサのキャパシタンス値を選択すれば、プラズマ励起用アンテナ全体のインピーダンスが小さくなる。従って、小さな高周波電圧で大きな電流を流すことができるようになるので、大電力を投入した場合であってもプラズマ励起用アンテナの電源側の端子と接地側の端子間の電圧差が小さくなり、放電が生じなくなる。
【００２１】
ところで、プラズマ励起用アンテナをプラズマ発生槽に取り付ける場合、従来ではプラズマ発生槽とプラズマ励起用アンテナ間の間隔を、電源に接続された方を遠く、接地電位に接続された方を近くなるように配置し、プラズマ発生槽内の電界が均一になるようにし、プラズマ中に不純物が混入しないようにしているものがあった。本発明のプラズマ励起用アンテナでは、印加する高周波電圧が低電圧で済むので、プラズマ発生槽との距離を一定にしておいても、プラズマ発生槽内のガスを均一にプラズマ化できる。
【００２２】
本発明のプラズマ励起用アンテナを複数設けたプラズマ発生槽では、各プラズマ励起用アンテナに独立した高周波電源から電圧を印加して一つのプラズマ発生槽内に導入されたガスをプラズマ化する場合、各プラズマ励起用アンテナの固有共振周波数の値が互いに１ｋＨｚ以上異なるようにしておく。その場合、各プラズマ励起用アンテナの部分的なＬＣ直列回路に共振を起こさせるときに、各高周波電源の周波数を異ならせることができるので、プラズマ励起用アンテナ間の相互干渉を防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１を参照し、符号２は、本発明のプラズマ励起用アンテナの一例であるループアンテナであり、５個の部分アンテナ２１〜２５と、４個のコンデンサ７１〜７４とを有している。
【００２４】
各部分アンテナ２１〜２５は、電磁波の放射を行うインダクタンス部分３１〜３５をそれぞれ有しており、それらインダクタンス部分３１〜３５の両端には、端子４１a〜４５aと端子４１b〜４５bがそれぞれ設けられている。
【００２５】
インダクタンス部分３１〜３５と端子４１a〜４５a、４１b〜４５bは金属の細板で構成されており、各インダクタンス部分３１〜３５は円弧状に曲げられ、同じ平面内で一つのループ形状(この例では３００ｍｍφ)を成すように配置されている。各端子４２a〜４５a、４１b〜４４b、各インダクタンス部分３１〜３５の位置する面に対して垂直になるように同一方向設けられている。
【００２６】
端子４１bと端子４２a間、端子４２bと端子４３a間、端子４３bと端子４４a間、端子４４bと端子４５a間には、高耐圧用のコンデンサ７１〜７４がそれぞれ配置され、同図(ｂ)に示すように、各コンデンサ７１〜７４の一方の電極７０aは端子４２a〜４５aに固定され、他方の電極７０bは端子４１b〜４４bに固定されている。
【００２７】
このループアンテナ２は、図２(ａ)に示すようなプラズマ発生槽６を有するプラズマ処理装置３に用いられており、プラズマ発生槽６の天井に設けられたガラス窓８上に、スペーサー９１〜９３を介して載置されている。
【００２８】
ループアンテナ２の一端の端子４１aは、同図(ｂ)に等価回路を示すマッチングボックス１１を介して高周波電源に接続されており(マッチングボックスと高周波電源は、この図２(ａ)では省略した。)、他端の端子４５bは接地電位に接続され、高周波電源１０を起動して端子４１a、４５b間に高周波電圧を印加すると、プラズマ発生槽６内に導入されたガスがプラズマ化される。
【００２９】
このループアンテナ２は、同図(ｂ)に示す等価回路の通り、各インダクタンス部分２１〜２５のインダクタンス成分をＬ1〜Ｌ5、各コンデンサ７１〜７４のキャパシタンス成分をＣ2〜Ｃ5、マッチングボックス１１内でループアンテナ２と高周波電源１０との間に接続されているコンデンサ１２のキャパシタンス成分をＣ1で表した場合、各インダクタンス成分Ｌ1〜Ｌ5とキャパシタンス成分Ｃ1〜5とは交互に位置しているので、Ｃ1Ｌ1、Ｃ2Ｌ2、Ｃ3Ｌ3、Ｃ4Ｌ4、Ｃ5Ｌ5の５個の部分的なＬＣ直列回路が形成されている。
【００３０】
コンデンサ１２、７１〜７４に、キャパシタンス成分Ｃ1〜Ｃ5が１０００ｐＦのものを用い、高周波電源１０を起動して、マッチングボックス１１を介して周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加し、ループアンテナ２内の電圧を測定した。その結果得られた、図２(ｂ)に示すＶ0pp〜Ｖ6ppの各測定点の電圧を示す。
【００３１】
Ｖ0pp ＝  ２．３ｋＶ
Ｖ1pp ＝  ４．３ｋＶ
Ｖ2pp ＝  ４．５ｋＶ
Ｖ3pp ＝  ４．４ｋＶ
Ｖ5pp ＝  ４．５ｋＶ
Ｖ6pp ＝  ４．３ｋＶ
最も近接している両端の端子４１a、４５b間の電圧値が２．３ｋＶ(Ｖ0ppの値)と低電圧であり、端子４１a、４５b間には放電は生じなかった。
【００３２】
それに対し、図３のループアンテナ１０２では、上述の場合と同じ周波数で同じ電流が流れるように高周波電圧を印加したところ、ループアンテナ１０２の両端の電圧Ｖは１３．８ｋＶであり、エッチング中、その両端の端子間に放電が生じる場合があった。なお、そのループアンテナ１０２には直径３５０φのものを用い、浮遊容量は２０〜３０ｐＦであった。また、マッチングボックス１１１内のコンデンサには、キャパシタンス値が５００ｐＦのものを用いた。
【００３３】
以上説明したプラズマ処理装置３は、プラズマ励起用アンテナを天井上に配置するものであったが、図３(ｂ)のように、プラズマ発生槽の外周に配置しても良く、その他、プラズマを安定に発生させられれば取付箇所は問わない。
【００３４】
＜エッチング装置＞
上述のループアンテナ２は、直径３００φであり、コンデンサを４個用いていたが、他の実施の形態として、各５００ｐＦの３個のコンデンサを用い、４個の部分インダクタンス(それぞれ約１μＨ)と交互に直列接続して一つのループアンテナを構成した。また、キャパシタンス値が５００ｐＦのコンデンサを用いてマッチングボックスを構成し、そのマッチングボックスを介して１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加し、表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコンウェハー(８インチ)のエッチングを行った。
エッチングガスにはＣＨＦ3を用いた。流量５０SCCM、圧力０．１Ｐａ、ループアンテナへの投入電力は１ｋＷにした。基板へは周波数１３．５６ＭＨｚで２００Ｗの電力を投入した。
【００３５】
１カセット２５枚ずつ、合計１００枚のウェハーを処理したところ、ウェハー面内のシリコン酸化膜のエッチングばらつきは±３％以内であった。
【００３６】
同様の条件で、従来のループアンテナ１０２を用いてエッチングを行ったところ、１カセット２５枚中、６枚のウェハーがエッチング不足となった。
【００３７】
以上説明した本発明のプラズマ励起用のループアンテナは、各部分アンテナを円形ループ形状に配置していたが、本発明のプラズマ励起用アンテナには、各部分インダクタンスが四角ループ形状に配置されたループアンテナも含む。
【００３８】
四角ループ状に配置したプラズマ励起用アンテナの一例として、各５００ｐＦの１０個のコンデンサと１１個の部分インダクタンスとを用い、各コンデンサと部分インダクタンスとを、４００ｍｍ×５００ｍｍの矩形形状に交互に配置したものを用意した。
【００３９】
マッチングボックス内でループアンテナと直列接続されるコンデンサには５００ｐＦのものを用い、矩形形状の基板表面に形成されたＩＴＯ膜のエッチングを行った。各部分アンテナのインダクタンスの値は約０．１５μＨであった。
【００４０】
エッチングガスにはＳｉＣｌ4ガスとＣｌ2ガスとの混合ガスを用い、流量１００SCM、圧力１．０Ｐａにした。プラズマ励起用アンテナへは周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加し、５ｋＷの電力を投入した。基板へは、周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加し、２００Ｗの電力を投入した。
【００４１】
その結果、１５００Å／ｍｉｎという高速なエッチング速度が得られた。このときの基板面内のエッチングバラツキは±８％以下であり、エッチングの均一性は良好であった。
従来技術のループアンテナを用い、同じ電力を投入してエッチングを行おうとしたが、電源電圧側の端部と接地電位側の端部との間で放電してしまい、安定なエッチングを行えなかった。
【００４２】
＜プラズマＣＶＤ＞
次に、各５００ｐＦの５個のコンデンサと６個の部分アンテナを用いてループアンテナを構成し、プラズマＣＶＤ装置に適用して基板表面へのシリコン酸化膜の形成を行った。原料ガスとして流量１００SCCMのＴＥＯＳガスと流量６００SCCMのＯ2ガスの混合ガスを用い、圧力５Ｐａ、マッチングボックス内でループアンテナと直列接続されるコンデンサに５００ｐＦのものを用い、投入電力は５００Ｗにした。
【００４３】
高周波電圧の周波数は、１３．５６ＭＨｚと４０．１ＭＨｚの２種類を印加し、成膜速度の比較を行った。いずれの場合でも原料ガスのプラズマは安定に発生し、それぞれ１８０ｍｍ／ｍｉｎ、５６０ｍｍ／ｍｉｎという高速な成膜速度が得られた。
従来技術のループアンテナでは、４０．１ＭＨｚの場合はプラズマが安定せず、シリコン酸化膜を形成することはできなかった。
【００４４】
【発明の効果】
大きな高周波電流を流す場合でも印加する高周波電圧の値は小さいので、端子間に放電が生じることがなくなる。また、印加する高周波電圧の値が小さいので、プラズマ発生槽を構成する物質がスパッタリングされることがなく、プラズマ中に不純物が混入することがなくなる。
【００４５】
高い周波数の電圧を印加することができるので、高密度プラズマを効率よく生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明のプラズマ励起用アンテナの一例を示す斜視図
(ｂ)：その部分アンテナとコンデンサとの接続を説明するための図
【図２】(ａ)：本発明のプラズマ励起用アンテナをプラズマ発生槽上に配置した状態を説明するための図
(ｂ)：本発明のプラズマ励起用アンテナの等価回路を説明するための図
【図３】(ａ)：従来技術のループアンテナを用いたエッチング装置の一例
(ｂ)：そのループアンテナの斜視図
(ｃ)：そのループアンテナの等価回路を説明するための図
【符号の説明】
２……プラズマ励起用アンテナ    ３……プラズマ処理装置
２１〜２５……部分アンテナ    ３１〜３５……インダクタンス部分
１２、７１〜７４……コンデンサ
【図１】
0003646901.tif 000002
【図２】
0003646901.tif 000003
【図３】
0003646901.tif 000004