(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマが生成される円筒形状のプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部の外側を巻回するとともに両端が接地されたヘリカルコイルと、前記ヘリカルコイルに高周波電力を供給する高周波電源と、試料が前記プラズマにより処理される処理部とを備えるプラズマ処理装置において、
前記ヘリカルコイルは、第一のヘリカルコイルと第二のヘリカルコイルと第三のヘリカルコイルを具備し、
前記第一のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相と前記第二のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相の差である第一の位相差、前記第二のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相と前記第三のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相の差である第二の位相差および前記第三のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相と前記第一のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相の差である第三の位相差がそれぞれの所定の値となるように前記第一の位相差、前記第二の位相差および前記第三の位相差を制御する位相制御器をさらに備え、
前記第一のヘリカルコイルと前記第二のヘリカルコイルと前記第三のヘリカルコイルは、３本のつる巻き線に沿ってねじ山が作られたねじのように前記プラズマ生成部の外側を巻回し、
前記ヘリカルコイルにおける前記プラズマ生成部の中央付近以外に巻回された箇所は、前記ヘリカルコイルにおける前記プラズマ生成部の中央付近に巻回された箇所より前記プラズマ生成部から離れており、
前記第二のヘリカルコイルの給電端は、前記第一のヘリカルコイルの給電端に対して時計回りの方向に１２０度回転した位置に配置され、
前記第三のヘリカルコイルの給電端は、前記第二のヘリカルコイルの給電端に対して時計回りの方向に１２０度回転した位置に配置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に記載のプラズマ処理装置において、
前記第一の位相差、前記第二の位相差および前記第三の位相差は、全て１２０度であること特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、前記第一のヘリカルコイルと前記第二のヘリカルコイルと前記第三のヘリカルコイルのそれぞれにパルス変調された高周波電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、前記第一のヘリカルコイルと前記第二のヘリカルコイルと前記第三のヘリカルコイルのそれぞれにパルス変調された高周波電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチングやCVDやアッシング、表面改質などのプラズマを用いて被処理物を処理するプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体素子製造や、液晶、太陽電池といった電気素子の製造にプラズマ処理装置は欠くことのできない重要な製造装置である。プラズマを利用した処理装置としては、具体的にアッシング装置、エッチング装置、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)装置が代表的な製造装置である。他にもプラズマを補助的に用いるPEALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)や、表面改質の目的でもプラズマ処理装置は用いられる。
【０００３】
これらプラズマ処理装置では、気体分子の励起手段としてさまざまな手法が用いられる。
これらの手法の中でも、高密度なプラズマが得られる手段としては大きく2種類が多用されている。一つは、特許文献１に開示された、マイクロ波電界と磁場の共鳴現象を利用したECR（Electron Cyclotron Resonance）放電である。また、他の手段としては、特許文献２に開示された、コイル状の電極にRFを流して真空容器の内側に発生する電磁界を利用するICP(Inductive Coupled Plasma)である。このICPの中でも、特に波長にリンクさせて、一定位置にプラズマを形成できる手段として、特許文献３に開示された、プラズマ生成用螺旋共振装置がある。
【０００４】
これらの高密度のプラズマを発生できる装置の取り扱いは、非常に技術的なハードルが高い。発生したプラズマの荷電粒子が、チャンバー壁面まで入射して、壁を損傷したり、不純物を発生させたりする機会が増大する。また、極端な場合はチャージアップの発生で、壁面の表面処理した絶縁保護膜を破壊して、異物を発生させる場合がある。実際にデバイス等を垂直に加工性良くエッチング処理しようとしたり、パターンに沿って着きまわりよく純度が高い膜を形成したり、高密度ラジカルを発生させて高速で表面処理を実施したりするには、生産性（処理速度）を維持して、再現性良く処理するための工夫が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭53-096938号公報
【特許文献２】特開平03-079025号公報
【特許文献３】特表2000-501568号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
プラズマ処理における反応速度を大きく保ち、プラズマ処理の再現性を得るためには、一般に高密度プラズマを選択し、低処理圧力、大ガス流量下で処理を実施する。これは、材料やチャンバーからのアウトガスや、表面に付着する反応生成物がプラズマ処理の外乱となり、反応を阻害するためである。このため、高速排気と呼ばれるチャンバーの中のガス気体をできるだけ短い時間の間に入れ替えられるように、低圧、大流量の条件が選ばれる。装置のハード条件としては、チャンバーの容積や表面積をできるだけ減らして、表面の材料を選び、温度制御をして、上述した外乱要因を排除する必要がある。
【０００７】
ところで、特許文献3に開示されたヘリカル型プラズマ源では、円筒形のチャンバーの周囲に印加する高周波の波長を基本とした励起用のコイルを巻きつけるものである。このため、ヘリカル型プラズマ源では、チャンバーの容積や表面積が大きくなるという問題があった。
【０００８】
チャンバーの円筒径を不用意に拡大して、同様にコイルを巻くと、強いプラズマが形成できるリングが完全に周回できず、チャンバーの片側のみに帯状のプラズマが形成され、リング状のプラズマが形成されない。チャンバー径を大きくして、チャンバー高さも低くして容積と表面積を単に減らすことを狙ってもうまくいかない。また、ある程度の大口径のチャンバーが例えば、450mm用の大型基板の処理に必要となるような場合、特許文献3に開示されたヘリカル型プラズマ源では、上述したプラズマリングが形成できないことから、面内処理の不均一を発生させる課題があった。
【０００９】
このようなことから、本発明は、プラズマ処理室の周方向のプラズマ制御性を向上できる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】
【００１０】
本発明は、プラズマが生成される円筒形状のプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部の外側を巻回するとともに両端が接地されたヘリカルコイルと、前記ヘリカルコイルに高周波電力を供給する高周波電源と、試料が前記プラズマにより処理される処理部とを備えるプラズマ処理装置において、前記ヘリカルコイルは、第一のヘリカルコイルと第二のヘリカルコイルと第三のヘリカルコイルを具備し、前記第一のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相と前記第二のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相の差である第一の位相差、前記第二のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相と前記第三のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相の差である第二の位相差および前記第三のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相と前記第一のヘリカルコイルに供給される高周波電力の位相の差である第三の位相差がそれぞれの所定の値となるように前記第一の位相差、前記第二の位相差および前記第三の位相差を制御する位相制御器をさらに備え、前記第一のヘリカルコイルと前記第二のヘリカルコイルと前記第三のヘリカルコイルは、３本のつる巻き線に沿ってねじ山が作られたねじのように前記プラズマ生成部の外側を巻回し、前記ヘリカルコイルにおける前記プラズマ生成部の中央付近以外に巻回された箇所は、前記ヘリカルコイルにおける前記プラズマ生成部の中央付近に巻回された箇所より前記プラズマ生成部から離れており、前記第二のヘリカルコイルの給電端は、前記第一のヘリカルコイルの給電端に対して時計回りの方向に１２０度回転した位置に配置され、前記第三のヘリカルコイルの給電端は、前記第二のヘリカルコイルの給電端に対して時計回りの方向に１２０度回転した位置に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、プラズマ処理室の周方向のプラズマ制御性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のヘリコン波型プラズマ処理装置の概略断面図である。
【図２】本発明のヘリカル型プラズマ源の上面図である。
【図３】本発明に係るヘリカルコイルの図１と異なる巻き方を示す図である。
【図４】本発明に係るヘリカルコイルの図１と異なる巻き方を示す図である。
【図５】本発明に係るヘリカルコイルの図１と異なる巻き方を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係るヘリコン波型プラズマ処理装置の概略断面図である。プラズマ生成部である放電部１は、絶縁チャンバー１１によって囲われた放電空間で形成されている。放電部１の最上部には、放電部１でプラズマ化させるためのガスを供給するガス供給口５が設けられている。放電部１で生成されたプラズマにより、試料台５２に載置された、試料であるウエハ５１を処理する。
【００１５】
また、絶縁チャンバー１１の外側には、ヘリカル型プラズマ源を形成するためのヘリカルコイル８(８ａ)が巻回されている。高周波電源１４(１４ａ)からの高周波電力は、導入端子１５(１５ａ)と銅板１３(１３ａ)を介してヘリカルコイル８(８ａ)の給電端である給電点１２(１２ａ)の位置に供給される。尚、本実施例での高周波電源１４の周波数を２７ＭＨｚとした。
【００１６】
さらに、絶縁チャンバー１１の頂上部に配置された冷却水配管21等とコイル上端アース端９(９ａ)等によりヘリカルコイル８(８ａ)の上端はグランド電位に保たれている。同様に、コイル下端アース端１０(１０a)と、ヘリカルコイル８の冷却水回収リング２２により、コイル下端もグランド電位に保たれている。
【００１７】
このため、絶縁チャンバー１１の中の電界は、コイル上端アース端９とコイル下端アース端１０とヘリカルコイル８の中央の３点がアース電位となる定在波が形成される。このときヘリカルコイル８のコイル上端アース端９とコイル下端アース端１０の接続点間の長さが、印加する高周波の1波長に相当する。このヘリカル型プラズマ源では、この３点のアース位置にプラズマリング１９が形成されるが、このヘリカルコイル８の中央のアース位置に形成されるプラズマリング１９（模式図として、プラズマリング１９を記入）が最も密度が高く、安定なプラズマとして存在できる。
【００１８】
ここで、絶縁チャンバー１１の形状は、半球と円筒を組み合わせたドーム状である。また、従来の円筒型絶縁チャンバーの内部容積は約26リットルであったが、絶縁チャンバー１１の内部容積は約11リットルとなり、半分未満に小さくできた。
【００１９】
さらにこの部分を通過するガスの滞在時間を半減できた。また、従来の円筒型絶縁チャンバーの内部表面積は約0.44m2であったが、絶縁チャンバー１１の内部表面積は約0.24m2となり、概ね半減することができた。このことにより、反応生成物が付着してアウトガスを放出する内部表面積を減らせることができ、再現性の良いプラズマ処理装置とすることができた。
【００２０】
また、ヘリカルコイル８は、図２に示すように、ヘリカルコイル８ａ、ヘリカルコイル８ｂおよびヘリカルコイル８ｃの３系統のコイルからなる。また、ヘリカルコイル８ａ、ヘリカルコイル８ｂおよびヘリカルコイル８ｃは、それぞれ、配置箇所が異なるだけで同一のコイルであり、ドーム状の絶縁チャンバー１１の表面を３条ねじの山部（もしくは溝部）と同じような位置関係のように沿って巻かれている。ここで、３条ねじとは、リードがピッチの３倍である「ねじ」のことである。
【００２１】
さらに、ヘリカルコイル８は、上述したように３系統のコイルからなるため、高周波電源１４もヘリカルコイル８ａ、ヘリカルコイル８ｂおよびヘリカルコイル８ｃにそれぞれ対応した、高周波電源１４ａ、高周波電源１４ｂおよび高周波電源１４ｃの３つの高周波電源からなる。同様に導入端子１５もヘリカルコイル８ａ、ヘリカルコイル８ｂおよびヘリカルコイル８ｃにそれぞれ対応した、導入端子１５ａ、導入端子１５ｂおよび導入端子１５ｃの３つの導入端子からなる。さらに銅板１３もヘリカルコイル８ａ、ヘリカルコイル８ｂおよびヘリカルコイル８ｃにそれぞれ対応した、銅板１３ａ、銅板１３ｂおよび銅板１３ｃの３つの銅板からなる。
【００２２】
また、図２に示すように導入端子１５ａ、導入端子１５ｂおよび導入端子１５ｃは、それぞれ１２０度の間隔になるように配置されている。高周波電源１４ａ、高周波電源１４ｂおよび高周波電源１４ｃのそれぞれと導入端子１５ａ、導入端子１５ｂおよび導入端子１５ｃのそれぞれとの間に高周波回路整合器（図示せず）を設けてもよい。
【００２３】
導入端子１５ａ、導入端子１５ｂおよび導入端子１５ｃのそれぞれの近傍に配置された位相検出器（図示せず）からの信号を位相制御器（図示せず）に送られて位相制御器が高周波電源１４ａ、高周波電源１４ｂおよび高周波電源１４ｃのそれぞれの位相を制御し、3相高周波を形成している。
【００２４】
基本的には高周波電源１４ａ、高周波電源１４ｂおよび高周波電源１４ｃのそれぞれの位相の差を120度とするが、高周波電源１４ａ、高周波電源１４ｂおよび高周波電源１４ｃのそれぞれの位相の差を120度から若干ずらし、かつ高周波電源１４ａ、高周波電源１４ｂおよび高周波電源１４ｃのそれぞれの出力を若干変えることにより、プラズマの位置や面内の均一性を微調性できる。このような制御を行うことにより、３つの帯び状のプラズマベルト１９ａ、１９ｂ、１９ｃを形成することによって絶縁チャンバー１１の周方向の一周に亘ってプラズマリングを形成する。
【００２５】
また、高周波電源１４ａ、高周波電源１４ｂおよび高周波電源１４ｃのそれぞれから供給される高周波電力を例えばパルス変調させることにより、チャンバー内のプラズマ帯を順次励起させて、あたかも絶縁チャンバー１１内に生成されたプラズマの強い位置を旋回させるように制御できる。こうすることで、電子の偏り(回転電場)を発生させて意図的にイオンの方向性を乱すことも可能となる。
【００２６】
次に絶縁チャンバーへのヘリカルコイルの巻き方における他の例を図３ないし５に示す。図３における絶縁チャンバー１１ａへのヘリカルコイルの巻き方は、図３に示すように電流値がピークとなる絶縁チャンバー１１ａの中央付近は、絶縁チャンバー１１ａの壁面近くに配置し、絶縁チャンバー１１ａの中央付近以外は、絶縁チャンバー１１ａの中央付近に配置されたヘリカルコイルより絶縁チャンバー１１ａの壁面から離れて配置された巻き方である。尚、絶縁チャンバー１１ａの形状は円筒状である。また、６１は、単なる水冷コイルであり、高周波電力は印加されていない。
【００２７】
次に図４における絶縁チャンバー１１ｂへのヘリカルコイルの巻き方は、絶縁チャンバー１１ｂは、図４に示すように上部が他の箇所に比べて絶縁チャンバー１１ｂの直径が大きい形状であり、図４に示すような絶縁チャンバー１１ｂの形状の壁に沿って配置された巻き方である。尚、20は石英やアルミナなどの絶縁物の部材である。
【００２８】
さらに図５における絶縁チャンバー１１ｃへのヘリカルコイルの巻き方は、図５に示すようにコイル上端アース端子９およびコイル下端アース端子１０付近は、絶縁チャンバー１１ｃの壁より離れて配置され、コイル上端アース端子９およびコイル下端アース端子１０付近以外は、絶縁チャンバー１１ｃの壁に沿って配置された巻き方である。尚、絶縁チャンバー１１ｃの形状は、円筒状であり、ヘリカルコイルの両端は、グランドに囲まれている。また、32はアルミ等の金属の部材である。
【００２９】
また、図３ないし５に示されたヘリカルコイルも絶縁チャンバーへ３条ねじのように巻かれ、３つの帯び状のプラズマベルト１９ａ、１９ｂ、１９ｃを形成することによって絶縁チャンバーの周方向の一周に亘ってプラズマリングを形成する。
【００３０】
本発明により、ヘリカル型プラズマ源を用いてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、大面積で、より高速排気条件下で反応速度を保ち、均一に処理され、外乱要因の受け難い安定した処理が実現できる。
【００３１】
以上、説明した本実施例に係る本発明により、プラズマ処理室の周方向のプラズマ制御性を向上できる。また、本発明は、ヘリカルコイルの巻き方、チャンバー形状の工夫により、放電部の容積や表面積を小さくして、ガスの置換率を向上させるとともに、一方で複数のヘリカルコイルを用いて、大面積のプラズマの周回方向の制御を行うことができる。さらに高周波を順に印加することで、プラズマを旋回させたりすることもできる。
【符号の説明】
【００３２】
１  放電部
３  シールドカバー
４  天板
５  ガス供給口
６  絶縁カバー
８  ヘリカルコイル
９  コイル上端アース端子
１０  コイル下端アース端子
１１  絶縁チャンバー
１２  給電点
１４  高周波電源
１５  導入端子
１９  プラズマリング
２６  絶縁
３２  ベースフランジ
４３  底板
４４  排気口
４５  ウエハ搬送路
４６  コイル冷却パイプ
５１  ウエハ
５２  試料台
５３  絶縁カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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