(57)【要約】【課題】  プラズマの大型化や径方向のプラズマ密度分布を制御できる高周波プラズマ装置を提供する。【解決手段】  高周波プラズマ１０となるガスが導入される反応室１と、該反応室１の外部に設けられ磁場を印加する磁石３と、反応室１の端部に設けられるプラズマ発生用アンテナ４と、アンテナ４へ高周波電力を印加する高周波発振器５と、から成る高周波プラズマ装置であって、磁石３により反応室１に形成される磁場３が一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかまたはまたは該磁場のいずれか二種以上の組み合わせから成る。大きな容積でプラズマ密度が高く、径方向のプラズマ密度分布がよく、かつ、制御可能な高周波プラズマ装置を実現できる。【選択図】  図１
2004363090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、該反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、上記反応室の端部に設けられるプラズマ発生用アンテナと、該アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成る高周波プラズマ装置であって、
上記磁石により上記反応室内に形成される磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかまたは該磁場のいずれか二種以上の組み合わせから成ることを特徴とする、高周波プラズマ装置。
【請求項２】
前記磁場が、電磁石、永久磁石のいずれかまたはこれらの組み合わせにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項３】
前記高周波プラズマが誘導性結合型プラズマであることを特徴とする、請求項１に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項４】
前記高周波プラズマがヘリコン波プラズマであることを特徴とする、請求項１に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項５】
前記プラズマ発生用アンテナがスパイラルアンテナであることを特徴とする、請求項１に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項６】
前記高周波発振器と前記アンテナとの間に整合器が配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項７】
前記整合器が、スプリットタンク回路またはπマッチ回路であることを特徴とする、請求項６に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項８】
前記高周波電力の周波数ｆは、前記アンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と反応室の中央部に印加される磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２とに対して、ｆ＜ｆ１及びｆ２の関係にあり、かつ、前記プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項９】
前記アンテナ近傍に電子発生手段を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１０】
高周波プラズマとなるガスが導入される反応室と、該反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、上記反応室の端部に設けられるプラズマ発生用アンテナと、該アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成る高周波プラズマ装置であって、
上記磁石により上記反応室内に形成される磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかまたは該磁場のいずれか二種以上の組み合わせから成り、かつ、
上記反応室内に基板を載置するステージを備えることを特徴とする、高周波プラズマ装置。
【請求項１１】
前記磁場が、電磁石、永久磁石のいずれかまたはこれらの組み合わせにより形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１２】
前記高周波プラズマが誘導性結合型プラズマであることを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１３】
前記高周波プラズマがヘリコン波プラズマであることを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１４】
前記プラズマ発生用アンテナがスパイラルアンテナであることを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１５】
前記高周波発振器と前記アンテナとの間に整合器が配設されていることを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１６】
前記整合器が、スプリットタンク回路またはπマッチ回路であることを特徴とする、請求項１５に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１７】
前記高周波電力の周波数ｆは、前記アンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と反応室の中央部に印加される磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２とに対して、ｆ＜ｆ１及びｆ２の関係にあり、かつ、前記プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも大きいことを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１８】
前記ステージが接地されていることを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項１９】
前記ステージにバイアス用高周波発振器が接続され、前記基板のバイアスが制御されることを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【請求項２０】
前記アンテナ近傍に電子発生手段を備えたことを特徴とする、請求項１０に記載の高周波プラズマ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜の堆積、エッチング、プラズマ・インプランテーション等のプラズマ応用プロセスや宇宙空間推進用のプラズマ発生装置に用いられる高周波プラズマ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波を用いたプラズマ生成には、容量性結合型プラズマ、誘導性結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ、以下、ＩＣＰと称することもある。）、ヘリコン波プラズマなどがある。
図２０は、薄膜の堆積やエッチングに使用されている容量性結合型プラズマ発生装置７０を模式的に示す図である。反応性ガスが封入されているチャンバ７１に、２枚の平行平板電極である高周波印加電極７２と接地電極７３が配設されていて、高周波発振器７４から高周波電力を印加してプラズマ７５を発生させる。高周波発振器７４の一端は、整合器７６と直流阻止コンデンサ７７を介して高周波印加電極７２に接続され、他端は接地電極７３に接続されるとともに接地されている。プラズマ７５を誘電体とみなすと、平行平板電極７２，７３がコンデンサの形状であることから容量性結合型プラズマと呼ばれる。このプラズマは、平行平板電極に形成される電界による放電によって生じる。典型的な放電状態は、ガス圧力が１０〜１０００Ｐａ、電極間隔が１〜１０ｃｍ、高周波電力が１００〜１０００Ｗ程度であり、プラズマ密度は、１×１０16ｍ-3（１×１０10ｃｍ-3）程度である（非特許文献１参照）。
【０００３】
プラズマの高密度化のために、近年、半導体の加工装置として誘導性結合型プラズマ（ＩＣＰ）が利用されている。図２１は、プラズマ処理装置に使用されている誘導性結合型プラズマ発生装置８０を模式的に示す図である。半球状の石英容器を備えた反応室８１の外周に沿って上部から下部に向かって形成される巻線状のヘリカルアンテナコイル８２に、高周波発振器８３から高周波電力を印加するとプラズマが生成する。高周波発振器８３の一端は、整合器８４を介してヘリカルアンテナコイル上部８２ａに接続され、他端は、ヘリカルアンテナコイル下部８２ｂと接続されて、接地されている。反応室８１は真空排気口８５を介して排気系８６により真空排気される。ガスは、ガス導入系８７からガス導入口８８を介して反応室８１上部のシャワーヘッドに導入される。反応室８１内の下部には、ウェハ９０を載置するためのステージ９１が設置されていて、このステージ９１は接地されている。
誘導性結合型プラズマ装置においては、アンテナ電流が作る磁界により放電する。つまり、ファラデーの電磁誘導の法則により磁界の時間変化が電界を誘導し、この電界で電子が加速されてプラズマ放電が維持される。ここで、磁界形放電のためのアンテナとしては、円筒形状のヘリカルアンテナ以外には、渦巻形状のスパイラルアンテナも使用されている。
誘導性結合型プラズマ装置で得られるプラズマは、プラズマ密度として１０17〜１０18ｍ-3、電子温度２〜４ｅＶ、直径３０ｃｍ程度であり、広い圧力範囲（１〜４０Ｐａ）で容易に、大口径の高密度プラズマが得られる（非特許文献１及び特許文献１参照）。
【０００４】
また、最近、プラズマの高密度化のために、磁場中において電子サイクロトロン周波数より十分低い高周波電流をアンテナに流すと、電子が主役となってプラズマ中を伝わる右回り円偏波などにより低圧力でも高密度のプラズマを生成することができ、ヘリコン波プラズマと呼ばれている。
図２２は、ヘリコン波プラズマ装置の一例を模式的に示す図である。ヘリコン波プラズマ装置１００は、石英管１０１を備えた反応室１０２と、ヘリコン波励起用高周波発振器１０３と、サドルアンテナ１０４と、電磁石１０５と、永久磁石１０６と、基板１０７を載置するステージ１０８と、基板バイアス用高周波発振器１０９とから構成されている。電磁石１０５と永久磁石１０６により形成される磁界をＢで示している。石英管１０１に巻かれたサドルアンテナ１０４に高周波発振器からの高周波電力を印加させると、磁場が励起されヘリコン波プラズマ１１０が励起される。ここで、高周波電力は、プラズマ１１０中の波のエネルギーになり、この波の電界により個々の電子が加速や減衰を受けて、最終的に電子の運動エネルギーが増大してプラズマ１１０が維持される。
ヘリコン波プラズマ装置１００で得られるプラズマは、石英管１０１の直径が１０ｃｍ、ヘリコン波励起用電磁石による磁界が０．０１Ｔ（テスラ）、即ち、１００Ｇ（ガウス）、ヘリコン波励起用高周波発振器１０３として１３．５６ＭＨｚ、１ｋＷを使用し、１〜５Ｐａの圧力において１０18〜１０19ｍ-3のプラズマ密度が得られる（非特許文献１参照）。
【０００５】
ヘリコン波または磁場存在下でのＩＣＰは、容量性結合型プラズマに比較して、高密度のプラズマが得られるが、従来のヘリコン波プラズマは、小半径の石英管などの絶縁容器の外側に巻く形の小口径プラズマが主流であり、大面積、大容量のプラズマが得られないという欠点があった。
【０００６】
最近、本発明者らにより、誘導性結合型プラズマでも一部用いられているスパイラル型のアンテナを容器端に設置するＩＣＰ及びヘリコン波による高周波プラズマ装置が報告されている。直径が約４５ｃｍで、長さが１７０ｃｍの円筒状反応室において、Ａｒ（アルゴン）ガス（８．５ｍＴｏｒｒ）のヘリコン波プラズマが得られている。この高周波プラズマの体積は、他所から報告されている高周波プラズマよりも数倍以上大きい約０．２７ｍ3 である。このときの高周波発振器の周波数が７ＭＨｚ、１００Ｗ〜２ｋＷの出力電力で、プラズマ密度として１×１０10〜１×１０13ｃｍ-3という値が得られている（例えば、非特許文献２，３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平７−３０２６９４号（図１、図３）
【非特許文献１】菅井秀郎編集、大江一幸著、「プラズマエレクトロニクス」、株式会社オーム社、平成１２年８月２５日（２０００年）発行、第６章
【非特許文献２】S. Shinohara, S. Takechi and Y. Kawai, "Effects of the     Axial Magnetic Field and Faraday Shield on the Characteristics of RF Produced   Plasma Using a Spiral Antenna", Jpn. J. Appl. Phys., 1996, Vol.35 Pt.1, No.8,   pp. 4503-4508
【非特許文献３】篠原俊二郎、「ヘリコン波による高密度プラズマ生成の最近の話題」、プラズマ・核融合学会誌、２００２年１月、Vol.78、No. 1 、pp.5-18
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＩＣＰやヘリコン波プラズマ装置などの高周波プラズマ装置においては、プラズマを大型化しようとする場合には、例えば、プラズマの軸方向のプラズマ密度分布を平坦・均一にするために、ヘリカルアンテナ部に印加する磁界と、プラズマ容器内の磁界をどのように印加したらよいか、最適な磁場配位が明らかになっていないという課題がある。  
【０００９】
また、半導体装置や液晶表示装置の製造にＩＣＰやヘリコン波プラズマを応用する場合には、プラズマの高密度化と共に、基板が載置される面内での均一性が要求される。しかしながら、基板が載置されるプラズマ容器内の軸方向に対して垂直な面内（以下、径方向と呼ぶ）である径方向プラズマ密度分布は、その制御方法が明確になっていないという課題がある。
【００１０】
また、高周波プラズマを励起するスパイラルアンテナなどを大型化すると、アンテナインピーダンスの実部が非常に低抵抗であるのに対して、その虚部のインダクタンス分が大きくなるため、給電電圧が上昇することや、特に高い周波数領域でインピーダンス整合が取りにくくなるという課題がある。
【００１１】
このように、ＩＣＰやヘリコン波プラズマを用いた高周波プラズマ装置においては、プラズマの大型化や径方向のプラズマ密度分布を考慮した高周波プラズマ装置は知られていない。
【００１２】
本発明は上記課題に鑑み、プラズマの大型化や径方向のプラズマ密度分布を制御できる高周波プラズマ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の高周波プラズマ装置は、プラズマとなるガスが導入される反応室と、反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、反応室の端部に設けられるプラズマ発生用アンテナと、アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成る高周波プラズマ装置であって、上記磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかまたは該磁場のいずれか二種以上の組み合わせから成ることを特徴としている。
上記磁場は、好ましくは、電磁石、永久磁石のいずれかまたはこれらの組み合わせにより形成される。上記高周波プラズマは、好ましくは、ＩＣＰ又はヘリコン波プラズマである。
この構成によれば、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかまたは該磁場のいずれか二種以上の組み合わせから成る磁場を反応室内に形成するので、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。
【００１４】
上記プラズマ発生用アンテナは、好ましくはスパイラルアンテナである。上記高周波発振器と上記アンテナとの間には、好ましくは、整合器が配設されている。この整合器は、好ましくは、スプリットタンク回路またはπマッチ回路である。この構成のアンテナによれば、アンテナから反応室のガスへ高周波電力を効率よく励起できるので、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。
【００１５】
また、上記高周波電力の周波数ｆは、好ましくは、アンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と反応室の中央部に印加される磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２とに対して、ｆ＜ｆ１及びｆ２の関係にあり、かつ、プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも大きい。高周波発振器の周波数をこのように選定すれば、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。
【００１６】
また、本発明の高周波プラズマ装置は、プラズマとなるガスが導入される反応室と、反応室の外部に設けられ磁場を印加する磁石と、反応室の端部に設けられるプラズマ発生用アンテナと、アンテナへ高周波電力を印加する高周波発振器と、から成る高周波プラズマ装置であって、上記磁石により反応室内に形成される磁場が、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかまたは該磁場のいずれか二種以上の組み合わせから成り、かつ、反応室内に基板を載置するステージを備えることを特徴とする。
上記磁場は、好ましくは、電磁石、永久磁石のいずれかまたはこれらの組み合わせにより形成される。上記高周波プラズマは、好ましくは、ＩＣＰ又はヘリコン波プラズマである。
この構成によれば、反応室内に形成される磁場が一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかまたは該磁場のいずれか二種以上の組み合わせから成り、アンテナから反応室のガスへ高周波電力を効率よく励起できるので、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。
【００１７】
上記プラズマ発生用アンテナは、好ましくはスパイラルアンテナである。また上記高周波発振器と上記アンテナの間には、好ましくは整合器が配設されている。この整合器は、好ましくは、スプリットタンク回路またはπマッチ回路である。この構成のアンテナによれば、アンテナから反応室のガスへ高周波電力を効率よく励起できるので、大きな容積をもち且つ径方向のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができ、この高周波プラズマを用いて基板を高精度でプラズマ処理することができる。
【００１８】
また、上記高周波電力の周波数ｆは、好ましくは、アンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と反応室の中央部に印加される磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２とに対して、ｆ＜ｆ１及びｆ２の関係にあり、かつ、プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも大きい。高周波発振器の周波数をこのように選定すれば、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。
【００１９】
また好ましくは、上記ステージにバイアス用高周波発振器が接続され、上記基板のバイアスが制御される。これにより、基板の自己バイアス電位を制御できるので、基板を高精度でプラズマ処理できる高周波プラズマ装置を提供できる。
【００２０】
また、本発明の高周波プラズマ装置は、アンテナ近傍に電子発生手段を備えていてもよい。この電子発生手段を備えることにより、低圧力において、大きな容積をもつ高周波プラズマを発生することができると共に、径方向のプラズマ密度分布の均一性のよい高周波プラズマを発生することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高周波プラズマ装置において外部から印加する磁場配位を制御することにより、容積が大きく、径方向のプラズマ密度分布などを制御できる優れた高周波プラズマ装置を提供することができる。
また、プラズマを生成する高周波発振器の出力が低くても、プラズマ密度が高く、かつプラズマ密度分布を制御できる優れた高周波プラズマが得られるので、高周波プラズマ装置を低コストで提供することができる。
したがって、本発明の高周波プラズマ装置を現状の各種プラズマ装置に適用すれば、低コストの高周波プラズマ装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、この発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。
図１は本発明による高周波プラズマ装置２０の第１の実施の形態の構成を模式的に示す図である。高周波プラズマ装置２０は、所定の圧力の気体が導入されてプラズマを発生させる反応室１と、この反応室１の左端の所定位置に配置された石英などの窓２と、反応室１の外部に配設される磁石３と、窓部に接して反応室１外に配設されたプラズマ発生用のアンテナ４と、このアンテナ４へ高周波電力を供給する高周波発振器５と、から構成される。図中の１０は、発生したＩＣＰ（誘導性結合型プラズマ）やヘリコン波による高周波プラズマを示している。
【００２３】
反応室１の左右端部には、それぞれ、放電用ガス導入装置７と真空排気装置８が設けられている。プラズマの放電用ガス導入装置７は、放電用ガスボンベ、ガス流量を調節するためのマスフローコントーラや圧力測定のための圧力計などから構成されている。真空排気装置８は、開閉用のバルブ、油回転ポンプ、ターボ分子ポンプなどから構成される真空ポンプ、真空計などから構成され、放電用ガスを導入する前に反応室１を真空排気する。放電用ガスを導入した後の放電用ガスの導入圧力制御にも、真空排気装置８を使用してもよい。
【００２４】
磁石３は、例えば電磁石や永久磁石からなっている。磁場を最適化するために、磁石３は、例えば主磁石３ａと副磁石３ｂとの複数の磁石から構成されることが好ましい。磁石が電磁石の場合には、主磁石３ａと副磁石３ｂの巻線を同一方向として、反応室１の周囲を巻回する。電磁石３は直流電源により励磁され、後述する磁場分布（磁場配位）を反応室１に印加する。
【００２５】
アンテナ４は、一例としてスパイラルアンテナなどを用いることができる。以下、アンテナ４にスパイラルアンテナを用いたものとして説明する。スパイラルアンテナ４は、基本的に磁場に沿った端に配設する。即ちアンテナ面に対して法線方向が磁力線（図１のＺ方向参照）と平行になるようにすればよい。スパイラルアンテナ４は、図示するように反応室１の外に石英板などの窓２を介して置くか、反応室１内の図１にて左端に置いてもよい。この場合には、スパイラルアンテナの電界成分が生じないようにスパイラルアンテナ４の周囲に絶縁物を設けるか、ファラディーシールドを設置するのが望ましい。このようなスパイラルアンテナ４は、整合器６を介して高周波発振器５と接続されている。ここで、スパイラルアンテナ４は、平面状にスパイラル状に丸型や矩形型に巻けばよい。千鳥型や梯子型でもよい。スパイラルアンテナの外径サイズは、プラズマサイズと印加磁場配位に応じて設計すればよい。スパイラルアンテナ４は、例えば、銅管などで作製される。図示しないがスパイラルアンテナ４が銅管で構成されている場合には、管内部に冷却水を循環させて冷却することが好ましい。スパイラルアンテナ４と兼用の冷却パイプに接続した絶縁体の冷却パイプは長くして、アンテナの高周波による高電圧の影響を給水点に与えないようにする必要がある。スパイラルアンテナ４や整合器６内にこの絶縁体パイプを数周、例えば１０ｍ程度巻けばよい。
【００２６】
本発明の高周波プラズマ装置２０を構成する磁石３，高周波発振器５，ガス導入装置７，真空排気装置８などは、制御装置９によりそれらの動作が制御されてもよい。制御装置９は、例えばパーソナルコンピュータにより構成され、反応室１に設けられる真空計、プラズマの各パラメータを検出する探針である所謂ラングミュアプローブ、磁界センサなどからの信号が入力されて、上記構成部品を制御することができる。
【００２７】
本発明の特徴は、高周波プラズマ装置において、容積の大きいプラズマを得るために効率のよい磁場配位を提供することにあり、以下詳しく説明する。
従来、効率のよい磁場配位は知られておらず、本発明者らが、高周波プラズマ装置における各種磁場配位とアンテナの検討を行い、プラズマの解析を行うことにより見出したものである。
図２は、本発明の高周波波プラズマ装置に用いる電磁石により反応室に生じる磁束密度分布の一例を示す図である。図２において、横軸が円筒形反応室の中心軸に於けるＺ軸方向の距離を示し、縦軸が磁束密度を示している。図１に示すＸＹＺ座標において、横軸のＺ＝０が図１の反応室の左端のスパイラルアンテナの設置場所であり、Ｚ＝Ｌが反応室の右端部を示している。
本発明の高周波プラズマ装置における磁束密度分布は、Ｚ＝０からＺ＝Ｌ１まで、磁束密度がＢ１からＢ２まで徐々に増加し、軸方向の中心部（Ｌ１〜Ｌ２）がほぼ平坦で値がＢ２の磁束密度を有し、Ｚ＝Ｌ２からＺ＝Ｌまで、磁束密度がＢ２からＢ３まで徐々に減少し、Ｚ＝ＬでＢ３の磁束密度である。
【００２８】
図２に示す磁束密度分布は、反応室１左端のスパイラルアンテナ４から見ると、Ｚ＝０〜Ｚ＝Ｌ１までが発散磁場、Ｚ＝Ｌ１〜Ｌ２が一様磁場、Ｚ＝Ｌ２〜Ｌまでが収束磁場の組み合わせともいえる。このような磁場は、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれかにより形成することができる。また、この磁場は、例えば、スパイラルアンテナ４近傍を発散磁場又は収束磁場として、他の部分を一様磁場として形成してもよい。従って、磁場は、一様磁場、発散磁場、収束磁場、カスプ磁場のいずれか二種以上の組み合わせから形成してもよい。
【００２９】
図３はＺ方向の磁場を模式的に説明する図であり、それぞれ、（ａ）一様磁場、（ｂ）発散磁場、（ｃ）収束磁場、（ｄ）カスプ磁場である。
図示するように、（ａ）の一様磁場はＺ方向の磁場が同じである。（ｂ）の発散磁場はＺ方向の磁場が増大し、（ｃ）の収束磁場はＺ方向の磁場が減少する。また、（ｄ）のカスプ磁場は、発散磁場と収束磁場の組合わせであり、スパラルアンテナ４の近傍に極大値を有している磁場である。
磁石３が電磁石の場合、主電磁石３ａと副電磁石３ｂの巻線数、巻線間隔、通電する直流電流の大きさの変更などにより、所望の磁場配位が得られるようにすることができる。所望の磁場配位を得るには、永久磁石による主磁石３ａと副磁石３ｂの極性を変えた場合、または、主電磁石３ａと副電磁石３ｂの方向が同じ場合で印加する直流電流の向きを互いに反対方向にした場合に生じるカスプ磁界を利用してもよい。
以上、説明したように、図２及び図３で説明した磁場配位などは、これらの一様磁界、収束磁界、発散磁界、カスプ磁界のいずれか又はこれらの磁場の二種以上の組み合わせであればよい。
【００３０】
次に、磁場強度及び高周波発振器の周波数ｆの選定について説明する。
本発明の高周波プラズマ装置における、磁場の強度は、一例として、イオンサイクロトロン周波数より十分大きく、電子サイクロトロン周波数より十分小さい領域の高周波の周波数となるように選択する。すなわち、図２の磁場分布を例にすると、高周波電力の周波数ｆは、スパイラルアンテナ近傍の磁場により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ１と、反応室１の中央部に印加される磁場Ｂ２により決まる電子サイクロトロン周波数ｆ２に対して、ｆをｆ１及びｆ２よりも低くし（ｆ＜ｆ１，ｆ２）、かつ、プラズマガス成分によるイオンサイクロトロン周波数よりも高くなるようにする。具体例としては、高周波発振器５の周波数はイオンサイクロトロン周波数の１０倍以上で、かつ、電子サイクロトロン周波数ｆ１及びｆ２よりも１／１０以下とすればよい。
【００３１】
一方、印加する磁束密度Ｂ（ガウス）と電子サイクロトロン周波数ｆc （ＭＨｚ）は、ｆc ＝２．８０×Ｂの関係がある。
一例として図２の磁場分布において、高周波発振器５の周波数ｆは、スパイラルアンテナ近傍の磁場Ｂ１及び平坦部分の磁場Ｂ２で決まる電子サイクロトロン周波数よりも十分に低い値とすることにより、ＩＣＰやヘリコン波プラズマなどの高周波プラズマを効率よく励起することができる。
ここで、例えばＢ１を３０、６０ガウスとした場合のｆc は、それぞれ、８４ＭＨｚ、１６８ＭＨｚとなるので、効率良くプラズマを励起させるためには、高周波発振器のｆはこれらのｆc の約１／１０の値である１０ＭＨｚ以下とすることが望ましい。
また、高周波発振器の周波数ｆを例えば１０ＭＨｚとした場合には、スパイラルアンテナ近傍の磁場Ｂ１は、少なくとも電子サイクロトロン周波数が１００ＭＨｚ以上となる磁場を印加することが望ましいことになる。この際、平坦部のＢ２を１００，１５０，２００ガウスとした場合のｆc は、それぞれ、２８０ＭＨｚ，４２０ＭＨｚ，５６０ＭＨｚとなるので、上記の高周波発振器のｆが例えば約１０ＭＨｚでは、ｆ≪ｆc となり、ヘリコン波プラズマを効率よく励起することができる。
【００３２】
次に、本発明の高周波プラズマ装置において、容積の大きい高周波プラズマを得るためにスパイラルアンテナのインダクタンスを減少させる方法について説明する。図４は、スパイラルアンテナ４の形状を示す平面図である。図示するように、４巻のスパイラルアンテナ４の端部４ａと４ｂに整合回路を介して高周波発振器が接続される。この際、スパイラルアンテナのインピーダンスは、実数部は低抵抗であるのに対して、虚数部はスパイラルアンテナの巻線によるインダクタンス成分となり高周波発振器４の周波数ｆとしたときに２πｆＬの大きさを有する。スパイラルアンテナのインピーダンスはできるだけインダクタンス成分が小さいほど、後述する高周波発振器とのインピーダンス整合が容易となるが、反応室の直径を大きくするとスパイラルアンテナのインダクタンスが大きくなり、プラズマへ十分な高周波電力を供給できなくなる。
【００３３】
図１に示すように、本発明の高周波プラズマ装置に用いるスパイラルアンテナは、円筒状の反応室１の左端部の窓２の部分に結合している。高周波プラズマの容積を大きくするには、反応室の軸方向を長くする場合と、円筒の断面を大きくする場合がある。円筒断面を大きくする場合には、ある程度円筒の直径に応じてスパイラルアンテナを大きくしないと、ＩＣＰやヘリコン波プラズマを効率よく発生させることができない。
図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、スパイラルアンテナ４のインダクタンスを低減させるためのスパイラルアンテナ４の巻線の構成を示す断面図であり、それぞれ（ｂ）は２本の銅管１２を１つの巻線とし、（ｃ）は扁平な銅管１３を１つの巻線とすることでインダクタンスの低減化を行う例を示している。さらに、スパイラルアンテナ４のインダクタンス成分の影響を低減する方法として、高周波発振器の周波数ｆを低減化すればよい。
【００３４】
次に、本発明の高周波プラズマ装置における、スパイラルアンテナと高周波発振器の整合について説明する。
市販の高周波発振器５のインピーダンスは通常５０Ωや７５Ωであるので、スパイラルアンテナ４を高周波発振器に直接接続するとインピーダンス不整合となることから、スパイラルアンテナ４と高周波発振器５との間に整合回路６を挿入して、インピーダンス整合をとる必要がある。ここで、スパイラルアンテナ４のインピーダンスの実部は低いので、基本的には、ローインピーダンスから５０Ωのハイインピーダンスへ変換する整合回路を使用し、Ｌを打ち消してインピーダンス変換できる回路が好ましい。
【００３５】
図５は、本発明の高周波プラズマ装置に用いるスパイラルアンテナ用の整合回路の一例を示し、図５（ａ）はスプリットタンク回路、図５（ｂ）はπマッチ回路である。図において、高周波発振器の出力インピーダンスをＺ0 、スパイラルアンテナ４はＲとＬの直列回路で示している。図５（ａ）のスプリットタンク回路は２つの可変容量コンデンサであるＣ１、Ｃ２（１４、１５）からなり、図５（ｂ）のπマッチ回路は２つの可変容量コンデンサＣ３、Ｃ４（１６、１７）とインダクタンスＬｐ１８と、から構成されている。
ここで、図５（ａ）のスプリットタンク回路の整合条件は、高周波発振器の角周波数をωとした場合には、Ｃ１、Ｃ２は、下記の（１）式及び（２）式で与えられる。
Ｃ１＝１／Ｚ0 ＊１／ω＊（（Ｚ0 ／Ｒ）−１）0.5             （１）
Ｃ２＝１／ω＊１／（−（Ｒ＊（Ｚ0 −Ｒ））0.5 ＋ωＬ）      （２）
さらに、必要に応じて高圧側と低圧側に直列に高周波発振器５の周波数ｆにおいて、十分に容量性インピーダンスの低い直流阻止用コンデンサを接続して、直流カットを行ってもよい。
【００３６】
次に、本発明の高周波プラズマ装置２０によるプラズマ放電をさせる手順について説明する。
反応室１を真空排気装置８で所定の圧力となるまで真空排気した後に、図２で示したような磁場を印加するために磁石３に所定の電流を印加する。磁石３が永久磁石の場合にはこの操作は不要である。次に、高周波プラズマを発生させるために所定の圧力のガスをガス導入装置７より反応室１へ導入し一定の圧力となるように真空排気装置８と共に制御する。そして、スパイラルアンテナ４に整合器６を介して高周波発振器５から高周波電力を供給することにより、ＩＣＰやヘリコン波プラズマによる高周波プラズマ１０を発生することができる。
高周波発振器５の出力電力が低い場合にはＩＣＰを容易に発生でき、また、高周波発振器５の出力電力が高い場合にはヘリコン波プラズマを発生できる。ここで、ＩＣＰからヘリコン波プラズマへは、高周波発振器５の出力電力の増加だけで移行できる場合もある。  
【００３７】
この際、導入ガス圧力及びその流量は、必要とする高周波プラズマプロセスに応じて選べばよい。ガス圧力が高くなり、電子衝突周波数（イオンと中性粒子）が高周波発振器５の励起周波数ｆより大きくなると、ヘリコン波プラズマから磁場存在下の誘導性結合型プラズマに次第に移行する。また、ガス圧力が低い場合には、電子の中性粒子との衝突周波数が小さくなってプラズマの生成が困難となる。アルゴンガスを用いたときは、典型的な圧力として、０．１ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒ程度においてヘリコン波プラズマを発生させることができる。また、高周波発振器５の出力電力は、必要なプラズマ密度に応じて印加すればよく、この出力電力と共に密度は上昇する。
このように、本発明の高周波プラズマ装置では、例えば円筒形の反応室１の長軸方向の磁場配位を、スパイラルアンテナ近傍の磁場をゼロとしないで、高周波発振器の周波数ｆの１０倍程度大きい電子サイクロトロン周波数となる磁場とし、さらに、軸方向中心部の最大磁場における電子サイクロトロン周波数が高周波発振器の周波数ｆの３０倍から数十倍と十分に高くすればよい。
この構成によれば、反応管の外部に設けた磁石３により発生させた磁場配位により、大きな容積の高周波プラズマを効率よく発生させることができる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態の高周波プラズマ装置を説明する。
図６は本発明の高周波プラズマ装置３０の第２の実施の形態を模式的に示す図である。高周波プラズマ装置３０は、比較的大きな直径を有するＳｉ基板や液晶のガラス基板などの基板２１に、プラズマエッチングやプラズマ堆積を行う高周波プラズマ装置である。図示するように、基板２１は、ステージ２２に載置されるように、図１の高周波プラズマ装置２０を９０°回転した構成としている。他の構成は図１と同じであるので、説明は省略する。
ステージ２２は例えば、円板形状のステンレスを用いることができる。ステージ２２のスパッタリングなどによる基板２１の汚染防止のためには、ステージ２２を石英板などで被覆するとよい。また、必要に応じて、ステージ２２は、基板２１の過熱防止のために冷却してもよい。ここで、ステージ２２は、例えば反応室１の外部で接地しているので、ヘリコン波プラズマ装置３０により高周波プラズマを発生させた場合には、基板２１は、プラズマ中のイオンによる、所謂浮遊電位効果により直流電圧が発生する。
【００３９】
図７は、本発明による高周波プラズマ装置の第２の実施形態の変形例を模式的に示す図である。高周波プラズマ装置３５は、基板２１のバイアス電圧を制御できる高周波プラズマ装置である。図示するように、高周波プラズマ装置３５のステージ２２は高周波バイアス用発振器２３を介して接地されている以外は図５と同じ構成である。
ここで、高周波バイアス用発振器２３の周波数は、高周波発振器５により発生する高周波プラズマに対して影響がないような周波数に設定し、その出力電力を適宜に調整することで、基板２１が載置されているステージ２２の電位を浮遊電位ではなく、任意のバイアス電位となるように制御できる。例えば、高周波バイアス用発振器２３の周波数は、高周波数の発振器５の周波数の１／１０から１／１００程度の周波数とすればよい。これにより、高周波プラズマ装置３０，３５において、基板の電位を浮遊バイアス電位または任意のバイアス電位となるように制御することにより、プラズマプロセスを高精度で処理できる高周波プラズマ装置を実現できる。
【００４０】
次に、本発明の高周波プラズマ装置の第３の実施の形態を説明する。
図８は本発明の第３の実施の形態の高周波プラズマ装置４０を模式的に示す図である。この高周波プラズマ装置４０は、高周波プラズマ放電が低圧力で電離しにくい場合に、電子発生部２５を備えることにより予備電離を行い、高周波プラズマを効率よく生起させることができる。予備電離のための電子発生部２５は、反応室１の左端のアンテナに対向しない反応室１の壁寄りに設けられており、Ｗ（タングステン）などの電子発生用ヒータ２６と、引き出し電極と、ヒータ加熱用電源２８と、電子引き出し用電源２９から構成されている。電子発生部２５は、高周波プラズマの起動時以外は、反応室１の所定の場所に設ける予備室１Ａに退避できる構造となっている。プラズマに用いるガスに腐食性ガスが含まれている場合には、このような予備室１Ａを設けることが望ましい。他の構成は図１と同じであるので、説明は省略する。
【００４１】
ここで、本発明の第１の実施の形態で説明した高周波プラズマの発生方法において、反応室１の所定のプラズマガスを導入した後で、電子発生部２５から電子を発生させ、次に高周波発振器５から高周波出力を印加することにより、低圧力のガスにおいて、容易にＩＣＰやヘリコン波プラズマなどの高周波プラズマの発生させることができる。この際、一度高周波プラズマが発生したら、電子発生部分２５を停止しても、高周波プラズマの放電は持続する。
この電子発生部２５は、本発明の第１の実施の形態で説明したヘリコン波プラズマ装置２０だけでなく、本発明の第２の実施の形態で説明したヘリコン波プラズマ装置３０及び３５にも適用できる。
この構成の電子発生手段を備えることにより、低圧力ガスにおいて高周波プラズマが容易に発生でき、かつ大きな容積を有して径方向分布のプラズマ密度分布が制御できるＩＣＰやヘリコン波による高周波プラズマ装置を実現できる。
【実施例１】
【００４２】
次に、上述した本発明の高周波プラズマ装置の実施例１を示す。
高周波プラズマ装置は図１に示した構成であり、円筒状の反応室１は、外径が７５ｃｍで、軸方向長さが４８６ｃｍ、容積は約２ｍ3 である。磁石３は主磁石と３ａと副磁石３ｂから構成される電磁石を用いた。窓２は石英ガラスである。アンテナ４としては、スパイラルアンテナの外径が２３ｃｍで、６巻のものを使用し、整合回路６はスプリットタンク回路を用いた。高周波発振器５は周波数７ＭＨｚで最大出力が１ｋＷである。ここで、スパイラルアンテナ４への給電は、その外側端部４ｂを高電位側、内側端部４ａを低電位側とした（図４（ａ）参照）。
なお、反応室１内に設けた磁場センサ、ラングミュアプローブ、窓部などにより、磁場やプラズマ密度、励起高周波（７ＭＨｚ）の磁場の空間計測、プラズマ発光などの測定を行った。
【００４３】
図９は実施例１の磁石３により形成される反応室１内の磁束密度分布を示す図である。主磁石３ａの電流が５０Ａのときに、副磁石３ｂの電流が、それぞれ、（ａ）は０Ａ、（ｂ）は１０Ａ、（ｃ）は２０Ａの場合を示している。図において、横軸は、反応室の軸方向長さ（ｍ）を示し、スパイラルアンテナの位置が０である。縦軸は磁束密度（ガウス）である。
図９（ａ）に示すように、主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが０Ａのときに形成される磁束密度分布は、スパイラルアンテナ近傍（Ｚ＝０）が１０ガウス程度であり、中央付近の平坦部で約１４０ガウス、反応室１の他端において数ガウスとなっている。
図９（ｂ）に示すように、主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが１０Ａのときに形成される磁束密度分布は、スパイラルアンテナ近傍が３０ガウス以外は、副磁石３ｂに電流を流さないときとほぼ同様に、中央付近の平坦部で約１４０ガウス、反応室の他端において数ガウスとなっている。
図９（ｃ）に示すように、主電磁石３ａが５０Ａ、副電磁石３ｂが２０Ａのときに形成される磁束密度分布は、スパイラルアンテナ近傍が５０ガウス以外は、図９（ａ）や図９（ｂ）と同様な磁束密度分布である。
【００４４】
次に、反応室１にＡｒガスを２ｍＴｏｒｒの圧力で満たしたときの高周波プラズマの発生について説明する。
図１０〜図１３は、実施例１の高周波発振器の出力電力と得られたプラズマ密度の関係を示す図である。図において、横軸は高周波発振器の出力電力である高周波電力（Ｗ）を示し、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）である。主電磁石３ａの電流を５０Ａと一定にし、副電磁石の電流値を変化させている。副磁石３ｂの電流は、それぞれ、図１０が印加しない０Ａ、図１１が５Ａ、図１２が１０Ａ、図１３が１５Ａである。また、図中の●（黒丸）はＺ＝３７ｃｍ、▲（三角）はＺ＝１５０ｃｍ、■（四角）はＺ＝３７０ｃｍの位置のプラズマ密度を示している。
いずれの場合も、高周波発振器の出力電力の増加と共にプラズマ密度が向上する、所謂ジャンプ現象が観察されている。
図１０に示すように、副磁石３ｂの電流が０Ａの場合には、高周波発振器の出力電力が約７０Ｗ以上ではプラズマ密度のジャンプが生起し、約６００Ｗでプラズマ密度が１×１０12ｃｍ-3となっていることが分かる。
【００４５】
図１１に示すように、副電流が５Ａの場合には、高周波発振器の出力電力が約１７０Ｗ以上ではプラズマ密度が急増し、約２２０Ｗで１×１０12ｃｍ-3を越えるプラズマ密度が得られた。このとき反応室の中央付近のＺ＝１５０ｃｍでプラズマ密度が最大となっているが、Ｚ＝３７ｃｍとＺ＝３７０ｃｍでほぼ同程度の値が得られ、プラズマ密度が非常に均一な高周波プラズマが得られた。
【００４６】
また、図１２に示すように、副電流１０Ａの場合には、高周波発振器の出力電力が約２２０Ｗ以上ではプラズマ密度が急増し、約３００Ｗで２×１０12ｃｍ-3を越えるプラズマ密度が得られた。このときＺ方向のプラズマ密度分布は、副電流５Ａの場合と同様であった。
【００４７】
さらに、図１３に示すように、副電流が１５Ａの場合には、高周波発振器の出力電力が約３００Ｗ以上ではプラズマ密度が急増し、約３９０Ｗで２×１０12ｃｍ-3以上のプラズマ密度が得られた。
ここで、プラズマ密度分布と励起高周波（７ＭＨｚ）の磁場の空間計測などの計測により、ジャンプ現象が観測される出力電力以下のプラズマはＩＣＰ、ジャンプ現象が観測される出力電力以上のプラズマはヘリコン波による高周波プラズマと推定できた。さらに、ジャンプ現象が生起する前においては、高周波電力に対してプラズマ密度が連続的に変化した。また、ジャンプ現象が生起した後も、高周波電力の増加と共に高いプラズマ密度が得られる。そして、この場合には高周波電力の増加に対するプラズマ密度の変化が大きくなるので、所望のプラズマ密度を得るためには高周波電力の正確な制御が必要であることが分かる。なお、ジャンプの前後の状態は、プラズマ密度分布と、励起高周波の磁場の空間計測、反応室に設けたプラズマ観察用窓からのプラズマ発光強度の観測などの測定により容易に判別することができる。
【００４８】
図１４は、図１０〜図１３に示した副磁石３ｂの電流に対するプラズマ密度とジャンプ現象が生起するときの高周波電力の関係を示す図である。図において、横軸は副磁石３ｂの電流（Ａ）を示し、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）及びジャンプ現象が生起するときのしきい値高周波電力（Ｗ）を示している。主電磁石３ａの電流は５０Ａと一定である。また、図中の○（白丸）と●（黒丸）はＺ＝３７ｃｍ、△（白三角）と▲（黒三角）はＺ＝１５０ｃｍ、□（白四角）と■（黒四角）はＺ＝３７０ｃｍの位置における、ジャンプ現象の生起前後のプラズマ密度及びジャンプが生起するときの高周波電力を示している。
図から明らかなように、ジャンプ現象が生起するときのしきい値高周波電力は、副磁石電流の増加と共に増加した。また、ジャンプ現象が生起する前と生起した後のプラズマ密度も副磁石電流の増加と共に増加することが分かる。
【００４９】
図１５は図１３におけるＺ軸の中心軸に沿う方向のプラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸はＺ軸方向距離（ｃｍ）を、縦軸はプラズマ密度（１×１０12ｃｍ-3）を示している。ここで、副磁石電流は１５Ａであり、高周波発振器５の出力電力は３９０Ｗであり、また、Ｚ＝０がスパイラルアンテナ４の位置である。図１５に示すように、スパイラルアンテナ４から反応室の内部に向かってプラズマ密度が増加し、ほぼＺ＝５０ｃｍ以上では一定となっていることが分かる。なお、図示しないが、反応室の他端もほぼ同様の傾向を示している。Ｚ軸方向のプラズマ密度の測定によれば、Ｚ軸方向の中心部のプラズマ密度分布は、反応室１の全長４８６ｃｍの内、約３５０ｃｍ程度は平坦なプラズマ密度分布となった。
【００５０】
図１６は、図１０〜図１３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。径方向のプラズマ密度分布はＺ＝１５０ｃｍでの測定値であり、図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）を、縦軸はプラズマ密度の最大値で規格化した規格化プラズマ密度を示している。また、副磁石３ｂの電流は、図中の■（黒四角）が０Ａ、○（白丸）が５Ａ、□（四角）が１０Ａ、▲（黒三角）が１５Ａの場合を示している。
副磁石３ｂに電流を流さない場合は、高周波電力が４２Ｗで４．４×１０10ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布のプラズマ密度が５０％に低下する半値幅としては、約２２ｃｍである。一方、副磁石電流が５Ａ〜１５Ａのときの高周波発振器５の出力電力は、６９Ｗ〜１６８Ｗで、プラズマ密度の最大値が５．９〜９．９×１０10ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、このときのプラズマ密度分布の半値幅としては、副磁石電流を５Ａ〜１５Ａと変化させた場合に、約３４ｃｍ〜２９ｃｍ程度が得られた。これから、副磁石電流を０から増加させるにしたがい、径方向のプラズマ密度分布とその半値幅が変化することが分かる。
【実施例２】
【００５１】
アンテナ４としてスパイラルアンテナの外径が４３ｃｍで、４巻を用いた以外は、実施例１と同じ高周波プラズマ装置を用いた。ここで、スパイラルアンテナ４への給電は、その外側端部４ｂを高電位側、内側端部４ａを低電位側とした（図４（ａ）参照）。
図１７は、実施例２における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）を示し、縦軸はプラズマ密度（ｃｍ-3）を示している。主磁石３ａの電流は５０Ａであり、副磁石３ｂの電流は、図中の○（白丸）が０Ａ、●（黒丸）が１６Ａの場合を示している。また、Ａｒガスは０．５ｍＴｏｒｒの圧力であり、Ｚ＝１５０ｃｍである。
副磁石３ｂに電流を流さない場合は、高周波電力が５２０Ｗで、１．７×１０12ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約１６ｃｍである。一方、副磁石電流が１６Ａの場合は、高周波電力が５６１Ｗで、８．５×１０11ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約３８ｃｍである。
副磁石３ｂに電流を流さない場合は、高周波電力が５２０Ｗで、１．７×１０12ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約１６ｃｍである。一方、副磁石電流が１６Ａの場合は、高周波電力が５６１Ｗで、８．５×１０11ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約３８ｃｍである。
副磁石電流が１６Ａの場合のように、比較的プラズマ密度分布が平坦となるのは、ヘリコン波プラズマにおいてはＡｒガス圧力が低い程、またＩＣＰプラズマの状態において顕著である。これから、副磁石電流を０から増加させ、スパイラルアンテナ４近傍の磁場を増加させることにより、径方向のプラズマ密度分布が変化し、半値幅が変化することが分かる。これは、副磁石３ｂの電流増加により、スパイラルアンテナ４近傍の磁場が収束分布の収束度が弱くなり、一様分布に近くなることに拠る。
【００５２】
次に、主磁石３ａの電流を変えたときの径方向のプラズマ密度分布について説明する。  図１８は、実施例２における主磁石３ａの電流を変えたときの径方向のプラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）を示し、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。図中の●（黒丸）及び□（四角）の主磁石３ａの電流は、それぞれ、２８６Ａ、５０Ａであり、副磁石３ｂの電流は１６Ａで同じ値である。主磁石３ａの電流が２８６ＡのときのＺ軸方向の中央付近の平坦部における磁束密度は８００ガウスであり、主磁石３ａの電流が５０Ａのそれは１４０ガウスである。
図から明らかなように、主磁石３ａの電流が２８６Ａ及び副磁石３ｂの電流が１６Ａの場合には、高周波電力が５４９Ｗで、２．５×１０12ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約１３ｃｍである。一方、主磁石３ａ電流が５０Ａ及び副磁石３ｂ電流が１６Ａの場合は、高周波電力が２９５Ｗで、４×１０11ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約３０ｃｍである。主磁石３ａ電流を５０Ａから２８６Ａに増大させると、プラズマ密度が増加すると共に、半値幅が低減した。
【実施例３】
【００５３】
アンテナ４としてスパイラルアンテナの外径が４３ｃｍで、４巻として、内側の２巻だけを用いた以外は、実施例１と同じ高周波プラズマ装置を用いた。
スパイラルアンテナ４は、その内側２巻の内、その端部４ａを高電位側として高周波電力を給電した（図４（ａ）参照）。
図１９は実施例３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。図において、横軸は０を軸中心とする径方向距離（ｃｍ）を示し、縦軸はプラズマ密度（×１０12ｃｍ-3）を示している。主磁石３ａの電流は５０Ａであり、副磁石３ｂの電流は、図中の■（黒四角）が０Ａ、□（白四角）が１６Ａの場合を示している。また、Ａｒガスは０．５ｍＴｏｒｒの圧力であり、Ｚ＝１５０ｃｍである。
副磁石３ｂに電流を流さない場合は、高周波電力が２５５Ｗで、約４×１０11ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約２３ｃｍである。一方、副磁石３ｂに１６Ａの電流を流した場合は、高周波電力が４３７Ｗで、約５．５×１０11ｃｍ-3のプラズマ密度が得られ、プラズマ密度分布の半値幅は、約３６ｃｍである。
このように、副磁石３ｂに電流を流した場合には、実施例２（図１７参照）と同様に、電流を流さない場合に比較してプラズマ密度分布の半値幅が広くなった。
上記実施例においては、磁場分布を主電磁石３ａと副磁石電流３ｂにより変化させたが、所望の磁場分布を１つの電磁石により実現してもよい。
【００５４】
実施例１乃至実施例３で説明したように、磁場分布、高周波電力、スパイラルアンテナの形状などを変えることにより、種々のプラズマ密度分布を有する高周波プラズマが得られた。これらの実施例から、プラズマ密度分布は、高周波電力の増加に従い増加することが分かる。また、ＩＣＰからヘリコン波プラズマになると推定できる所謂ジヤンプ現象が生起する高周波電力は、副磁石３ｂの電流を変える、即ち、磁場分布により変化することが分かる。
これから、本発明の高周波プラズマ装置において、例えば図９に示すような磁場配位を使用することにより、２ｍ3 の大きな容積の高周波プラズマ装置において、約３００Ｗという低電力で１×１０12ｃｍ-3のプラズマ密度が得られた。また、スパイラルアンテナ４近傍の磁場強度を増すにつれて、プラズマ密度が増加し、かつ、径方向のプラズマ密度分布の半値幅などを制御することができることが分かる。
【００５５】
以上説明したように、実施例で得られた高周波プラズマ容積は約２ｍ3 であり、本発明者らによる従来例の約７倍も容積が大きい。また、径方向のプラズマ密度分布の均一性が改善できる。これにより、本発明によれば、容積が大きく径方向のプラズマ密度分布がよく、かつ、制御可能なＩＣＰやヘリコン波による高周波プラズマが得られる。
【００５６】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。所望の磁場分布を与える磁石、反応室の形状、アンテナなどの形状は、プラズマの目的に応じて、適宜設計できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による高周波プラズマ装置の第１の実施の形態の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の高周波波プラズマ装置に用いる電磁石により反応室に生じる磁束密度分布の一例を示す図である。
【図３】Ｚ方向の磁場を模式的に説明する図であり、それぞれ、（ａ）一様磁場、（ｂ）発散磁場、（ｃ）収束磁場、（ｄ）カスプ磁場を示す。
【図４】スパイラルアンテナの形状を示す平面図及び断面図である。
【図５】本発明の高周波プラズマ装置に用いるスパイラルアンテナ用の整合回路の一例を示し、（ａ）はスプリットタンク回路、（ｂ）はπマッチ回路である。
【図６】本発明による高周波プラズマ装置の第２の実施の形態の構成を模式的に示す図である。
【図７】本発明による第２の実施の形態の変形例の構成を模式的に示す図である。
【図８】本発明による高周波プラズマ装置の第３の実施の形態の構成を模式的に示す図である。
【図９】実施例１の磁石により形成される反応室内の磁束密度分布を示す図である。
【図１０】実施例１の高周波発振器の出力電力と副磁石電流が０Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１１】実施例１の高周波発振器の出力電力と副磁石電流が５Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１２】実施例１の高周波発振器の出力電力と副磁石電流が１０Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１３】実施例１の高周波発振器の出力電力と副磁石電流が１５Ａのときに得られたプラズマ密度の関係を示す図である。
【図１４】図１０〜図１３に示した副磁石の電流に対するプラズマ密度とジャンプ現象が生起するときの高周波電力の関係を示す図である。
【図１５】図１３におけるＺ軸の中心軸に沿う方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図１６】図１０〜図１３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図１７】実施例２における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図１８】実施例２における主磁石の電流を変えたときの径方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図１９】実施例３における径方向のプラズマ密度分布を示す図である。
【図２０】薄膜の堆積、エッチング等に使用される一般的な容量性結合型プラズマ発生装置を模式的に示す図である。
【図２１】プラズマ処理装置に使用される一般的な誘導性結合型プラズマ発生装置を模式的に示す図である。
【図２２】従来のヘリコン波プラズマ装置の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１    反応室
２    窓
３    磁石
３ａ    主磁石
３ｂ    副磁石
４    アンテナ（スパイラルアンテナ）
４ａ，４ｂ  スパイラルアンテナ端部
５    高周波発振器
６    整合器
７    ガス導入装置
８    真空排気装置
９    制御装置
１０    高周波プラズマ
１２，１３    銅管
１４，１５，１６，１７    可変容量コンデンサ
１８    インダクタンス
２０，３０，３５，４０      高周波プラズマ装置
２１    基板
２２    ステージ
２３    高周波バイアス用発振器
２５    電子発生部
２６    電子発生用ヒータ
２７    引き出し電極
２８    ヒータ加熱用電源
２９    電子引き出し用電源  
【図１】
2004363090.tif 000003
【図２】
2004363090.tif 000004
【図３】
2004363090.tif 000005
【図４】
2004363090.tif 000006
【図５】
2004363090.tif 000007
【図６】
2004363090.tif 000008
【図７】
2004363090.tif 000009
【図８】
2004363090.tif 000010
【図９】
2004363090.tif 000011
【図１０】
2004363090.tif 000012
【図１１】
2004363090.tif 000013
【図１２】
2004363090.tif 000014
【図１３】
2004363090.tif 000015
【図１４】
2004363090.tif 000016
【図１５】
2004363090.tif 000017
【図１６】
2004363090.tif 000018
【図１７】
2004363090.tif 000019
【図１８】
2004363090.tif 000020
【図１９】
2004363090.tif 000021
【図２０】
2004363090.tif 000022
【図２１】
2004363090.tif 000023
【図２２】
2004363090.tif 000024