(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも反応容器の内部空間の一部を介して互いに平行に向かい合う上部電極と下部電極を備えてなる当該反応容器と、前記上部電極に固定されたターゲットプレートとを備えてなり、前記下部電極の上に搭載された基板がスパッタリングの工程によって処理されるプラズマ処理装置であり、
前記上部電極に接続されかつ周波数がＶＨＦ領域の範囲にある第１のｒｆ電源と、
前記上部電極に接続されかつ周波数が０．５ＭＨｚから５ＭＨｚの範囲にある第２のｒｆ電源とによって構成され、
更に、ＶＨＦの領域で動作する第３のｒｆ電源が前記下部電極に接続されているスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記上部電極は非磁性金属で作られ、複数の磁石が前記上部電極の外側に個々に配列され、前記磁石における前記反応容器の内部に面した極性はＮ極とＳ極のうちから一方になるようにされかつ複数の前記磁石は前記上部電極の内側表面に近い所で閉じた磁束で形成される磁界を生成する請求項１記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記上部電極は平板状の円形または矩形の形状であり、前記磁石は前記上部電極の外側表面に直接に配置される請求項２に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【請求項４】
複数の前記磁石は、隣り合う２つの同じ極性をもつ磁石の間の距離の少なくとも２分の１を可動する請求項２または３記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記反応容器は、円筒形側壁を有し、更に、該側壁の内側表面の近くにカスプ磁界を生成するように該反応容器の内側に向かうＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極の極性を有する複数の棒状マグネットを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記反応容器は、円筒形側壁の表面を有し、更に、該側壁の内側表面の近くにカスプ磁界を生成するように該反応容器の内側に向いたＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極の極性を有する複数のマグネットを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記上部電極は、前記複数の磁石を配置するための複数の溝が形成されており、各溝の間に形成されたスペースに、上部電極を冷却するための冷却通路を設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記複数の磁石の上部表面は各々金属板に連結されており、各金属板の一方の端は、駆動機構によって回転される回転板に結合された他の金属板に連結されており、前記回転板の回転によって、前記磁石の全てが溝の内部で水平に動かされることを特徴とする請求項７記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記ターゲットプレートは、チタン、窒化チタン、又は二酸化珪素であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のスパッタ処理応用のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はスパッタ処理応用のプラズマ処理装置に関し、特に、半導体産業において集積回路を製造する工程の間で金属または誘電体物質のスパッタリング工程に役立つ、ｒｆ電極におけるプラズマイオン密度とイオンエネルギを独立に制御できるように改善されたプラズマ源を備えた、プラズマ支援スパッタリング装置のようなプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体産業での将来の要求に関して、大面積基板を処理するための大面積でかつ高密度のプラズマ源が必要とされる。特に、堆積膜の均一性を高めかつターゲットの利用効率を高めた状態で金属または誘電体物質をスパッリングする工程のための新しいプラズマ源の開発は重要である。これらの事実は図７〜１０に従って２つの従来のプラズマ源を用いて説明され、これらのプラズマ源は、通常、２００ｍｍウェハ、もしくはフラットパネルプラズマ処理装置に用いられる。
【０００３】
図１０〜１２は半導体産業におけるスパッタ応用のために用いられる従来のマグネトロン型のプラズマ源を簡素化した図を示している。反応容器５０は、基本的に、非磁性金属で作られた上部電極５１と、円筒形の側壁５２と、底部プレート５３と、下部電極５９とによって構成されている。上部電極５１と下部電極５９は反応容器５０の少なくとも主要部分（内部空間）を介して互いに平行である。側壁５２と底部プレート５３は例えばステンレス鋼のような金属で作られている。側壁５２の上側部分は絶縁物５４で作られており、その絶縁物５４の上に上部電極５１が配置されている。スパッタされることを必要とされる物質で作られたターゲットプレート５５は上部電極５１の下側表面に固定されている。ターゲットプレート５５は上部電極５１よりも少し小さい寸法を有している。上部電極５１の上側表面の上に中心磁石５６ａと外側磁石５６ｂが同心円的に配置されている。中心磁石５６ａは円形の形状をしたブロックである。外側磁石５６ｂはリング形状をしている。磁石５６ａ，５６ｂの高さと幅は重要な事項ではなく、反応容器の寸法に従って選択され得る。磁石５６ａ，５６ｂは、上部電極５１の上に、反応容器５０の内部に向かう反対の磁極を有するように配置されている。これらの磁石のかかる配置は、図１１に示されるように、中心から周辺に向かうあるいはその逆に向かう磁界５７を生成する。
【０００４】
処理されるべき基板５８は、絶縁物６０の上に置くことによって、底部プレート５３から電気的に絶縁された下部電極５９の上に搭載される。下部電極５９には、整合回路６４を通してｒｆ電源（高周波電源）６３からｒｆ電力が与えられてもよいし、また与えられなくてもよい。もし下部電極５９にｒｆ電力が供給されるならば、ｒｆ電源６３の周波数は、通常、ＭＦ領域に存在する。ｒｆ電流が下部電極５９に与えられるとき、下部電極５９は負にバイアスされ、それによって基板５８の表面にイオン衝突がもたらされる。イオン衝突は、基板の表面に堆積された膜のエッチングの原因になるが、下部電極５９の自己バイアス電圧は、膜の堆積速度が膜のエッチング速度を越えるように制御される。
【０００５】
上部電極５１は整合回路６２を通してｒｆ電源６１に接続される。ｒｆ電源６１の周波数は通常１３．５６ＭＨｚで作用する。上部電極５１にｒｆ電力が適用されるとき、プラズマは容量結合の機構によって生成される。
【０００６】
図１３に示されるように、他の従来のマグネトロン型スパッタリング源において、レーストラック形状の磁界領域６５が用いられる。中心磁石６６ａと外側磁石６６ｂの形状を除いてすべての他の部分は図１０〜１２に示された部分と同じである。磁石６６ａと磁石６６ｂは丸いコーナを備えた矩形の形状であり、生成されるプラズマは類似の形状となる。それ故に、このプラズマ源を使用する場合には、基板表面の全体にわたって均一な膜堆積を得るため、基板はプラズマ領域を通過させられる必要がある。
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
図１０に示された平行平板プラズマ反応容器は、接近した平行な電極５１，５９による大面積プラズマ、プラズマの容易な放電開始(ignition)、そして電極表面でのプラズマのイオンエネルギの制御可能性というような、いくつかの利点を有する。しかしながら、容量結合プラズマの固有な属性のため、特にもし例えば１３．５６ＭＨｚのような低いｒｆ周波数による励起が使用されるならば、これらのプラズマ源のイオン密度は低くなる。イオン密度は、ｒｆ励起周波数を増大させることによって増大させられる。しかしながら、励起周波数の増大は、イオンエネルギの減少、それによってスパッタリング速度の減少という結果をもたらす自己バイアス電圧の減少の原因となる。このように、このタイプのプラズマ源の主たる欠点の１つは、自己バイアス電圧とプラズマイオン密度を独立に制御することができないということである。
【０００８】
平行平板プラズマ反応容器に関する第２の問題は、上部電極５１に接続されたターゲットプレート５５の不均一なエッチング速度である。プラズマが生成されるとき、２つの磁石５６ａ，５６ｂの間にある電子は磁界５７によって閉じ込められ、プラズマ密度の増大をもたらす。磁界５７はドーナツ形状をした領域に存在するので、より高い密度のプラズマもまた同じ形状を持つ。それ故に、磁石５６ａ，５６ｂの間のターゲップレート５５の材質部分がより高い速度でスパッタされる。対照的に、中心領域と周辺領域でのプラズマ密度が相対的により弱くなり、それ故にこれらの領域に対応するターゲット部分でのスパッタリング速度はより小さくなる。ターゲットプレート５５のこの不均一なスパッタリング速度のため、長時間の動作の後、その断面形状の輪郭は図１２に示されるようになる。ターゲットプレート５５の表面における中心と周辺の間の領域が最初に使えなくなることになる。最も高いエッチング速度の領域がターゲットプレート５５の寿命を決めることとなるので、磁石５６ａ，５６ｂの構成はターゲット材料の利用効率を低下させる。
【０００９】
第３の問題は、ターゲットプレート５５の下側に生成されるプラズマが放射状のラインに沿って高い不均一性を有することである。これはターゲットプレート５５から基板５８へのターゲット材料の不均一な流れの原因となり、このことが基板５８の表面における膜堆積の不均一性をもたらす。スパッタされる材料の均一な流れを得るため基板５８は反応容器５０でさらに下側に取り付けられなければならず、このことが反応容器５０のアスペクト比をさらに高くさせる原因となる。しかしながら、電極の間隔を長くすることは膜堆積速度の低下という結果をもたらす。
【００１０】
第４の問題は、もしプラズマが不均一であるならば、基板の表面上に不均一なイオンの流れを生じさせるということである。このことは、特にもし下部電極５９にｒｆ電力を適用することによって基板５８が負にバイアスされているならば、当該基板の表面上で局地的な電荷蓄積の原因となり、結局は基板５８におけるサブミクロン規模の要素の電気的破損という結果をもたらす。この電荷蓄積による損傷は特に図１３に示された磁石配列での発生が予測される。何故ならば、一般的には基板の一部のみがプラズマにさらされるためである。
【００１１】
従来のスパッタリング装置の第５の問題は、微細なコントクトホールにおける底部被覆の不良である。この問題は、粒子に方向性を持たせた(collimated)スパッタ装置、もしくは互いの電極をさらに離しその間隔を大きくしたロング・スロー・スパッタ装置を用いることによって解決することができるが、この装置は成膜速度を低下させるという問題を作り出す。
【００１２】
基板表面に対して平行なイオンの流れを得る他の方法は、基板５８に対してバイアス電圧を与えることである。この工程は、イオン化スパッタリングと呼ばれている。イオン化スパッタリングは、微細なコンタクトホールにおける良好な底部被覆を実現する。この工程において、スパッタされた物質は電荷移動衝突によって電極５１，５９の間でイオン化される。それ故に、より高い成膜速度を達成するため、プラズマにおけるイオン集中が増大させられなければならない。しかしながら、プラズマイオン密度は１３．５６ＭＨｚの放電では低い。さらにこれらのイオンの少部分がターゲットプレート５５によって消費される。それ故に、スパッタされた原子をイオン化するための十分なイオン集中は存在せず、低い成膜速度という結果をもたらす。
【００１３】
本発明の目的は、より高いイオン集中、より良いターゲット利用効率、より高い成膜速度、そしてより良い薄膜の厚み均一性を伴うスパッタ処理応用のためのプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスパッタ処理応用のプラズマ処理装置は、前述の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１５】
プラズマ処理装置は、反応容器の内部空間の少なくとも一部を介して平行に互いに向かい合う上部電極と下部電極を備えてなる当該反応容器と、上部電極に固定されたターゲットプレートとを有している。処理されるべき基板は下部電極の上に搭載され、スパッタ工程によって処理される。さらにプラズマ処理装置は、上部電極に接続されかつ周波数がＶＨＦ領域の範囲にある１つのｒｆ電源（高周波電源）を備え、上部電極に接続されかつ周波数が０．５ＭＨｚから５ＭＨｚの範囲にある他のｒｆ電源（高周波電源）を備え、更に、ＶＨＦの領域で動作する第３のｒｆ電源が下部電極に接続されている。
【００１７】
前述のプラズマ処理装置において、上部電極は非磁性金属で作られており、複数の磁石が上部電極の外側に個々に離れて配置されており、当該磁石の反応容器の内側に面する磁極はＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極になるように変化されかつこれらの磁石は上部電極の内側表面の近くで閉じた磁束の磁界を生成する。
【００１８】
前述のプラズマ処理装置において、上部電極は平板状の円形または矩形の形状を有し、磁石は上部電極の表側表面の上に直接に配置されている。
【００１９】
前述のプラズマ処理装置において、複数の磁石は、同じ極性を有する２つの隣り合う磁石の間の距離の少なくとも１／２を動くことができる。
【００２２】
スパッタ処理応用のための前述のプラズマ処理装置において、好ましくは、複数の棒状マグネットが、側壁の内側表面の近くで線状カスプ磁界を生成するように、反応容器の内側に向かうＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極の極性を備えて、反応容器の円筒形側壁の表面の周りにて、すなわち例えば側壁の外側または内側の表面で、あるいはこれらの表面の近傍で間隔をあけて、あるいは側壁の内部に垂直に配置される。
【００２３】
スパッタ処理応用のための前述のプラズマ処理装置において、好ましくは、複数のマグネットが、側壁の内側表面の近くで点状カスプ磁界を生成するように、反応容器の内側に向かうＮ極とＳ極又はＳ極とＮ極の磁極を備えて、反応容器の円筒形側壁の表面の周りにて、すなわち、さらに好ましくは側壁の外側表面で、個々に配置されている
【００２４】
棒状マグネットまたはマグネットを利用した前述のカスプ磁界を生成するための構造によって、当該カスプ磁界は側壁の内側表面との接触によるプラズマ損失を防止できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付された図面を参照して好ましい実施形態が説明される。実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
【００２６】
本発明の第１実施形態は図１に従って説明される。図１は第１実施形態のプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の断面図を示す。このプラズマ処理装置は容量結合型のタイプであり、スパッタ成膜応用に使用される。この反応容器１００は実質的に前述した従来の反応容器５０と同じである。反応容器１００は本質的に上部電極１、円筒形の側壁３、底部プレート２、下部電極２３から構成されている。反応容器１００はまた例えばガス排出ポートを備えている。当該ガス排出ポートは容易化のために図１において示されていない。上部電極１と下部電極２３は、反応容器１００の少なくとも主要部分（内部空間）を介して互いに平行である。側壁３と底部プレート２は例えばステンレス鋼のごとき金属によって作られている。スパッタされるべき必要のある材料で作られたターゲットプレート７は上部電極１の下側面に固定されている。ターゲットプレート７は上部電極１よりも少し小さい寸法を有している。上部電極１はＡｌ（アルミニウム）のような金属で作られており、円筒形側壁の上部部分４の上に配置されている。上部部分４は誘電体物質（あるいは絶縁物質）によって作られている。上部電極１は円形形状あるいは四角形状としてもよい。いずれの形状においてもその寸法は重要なことではなく、処理されるべき必要のある基板の大きさに依存して変化させることができる。上部電極１は反応容器１００の内部に配置され、そのときそれは天井部に組み込まれる部分となる。側壁３と底部プレート２は電気的に接地されている。
【００２７】
ターゲットプレート７は例えばＴｉ、ＴｉＮあるいはＳｉＯ2 によって作られている。ターゲットプレート７の形状は上部電極１の形状に類似している。もし上部電極１が円形形状であるならば、ターゲットプレート７もまた円形形状である。ターゲットプレート７の寸法は上部電極１よりも小さい。ターゲットプレート７の厚みは通常５〜１０ｍｍである。
【００２８】
ターゲットプレート７の縁は通常シールドプレートと呼ばれる金属板８によって覆われている。ターゲットプレート７とシールドプレート８の間の間隔はおよそ１〜３ｍｍである。シールドプレート８は側壁３に向かって延び、かつ電気的に接地された状態にある。
【００２９】
上部電極１の厚みは重要なことではなく、通常２０〜４０ｍｍである。上部電極１は通常冷却機構に結合されている（図１では示されていない）。上部電極１の冷却工程は重要であり、何故ならば、上部電極１とターゲットプレート７はターゲット材料上へのより高いイオンの流れによる作用の間中加熱されるので、ターゲットプレート７は真空遮蔽を施して上部電極１に固定されなければならない。
【００３０】
プロセスガス、好ましくはＡｒは、側壁３に形成されたガス導入ポート（図示されず）を通して反応容器１００へ供給される。反応容器１００の内部圧力は、ガスの流速とガス排出ポートに配置されたよく知られた可変オリフィス（図示されず）とを調節することによって、制御される。反応容器１００の内部圧力はプラズマプロセスのタイプに依存して１ mTorrから１００ mTorrに至るまで変化させられる。
【００３１】
反応容器１００は高周波（ＨＦ）または超高周波（ＶＨＦ）のｒｆ電源（電力源）１８を備えている。ｒｆ電源１８の周波数はおよそ１０〜１００ＭＨｚの範囲にあり、代表的には１３．５６ＭＨｚあるいは６０ＭＨｚで動作する。ｒｆ電源１８は通常低いインピーダンスを持ち、代表的にはおよそ５０オーム (Ohm)であり、０．５〜５ｋＷのｒｆ電力を作ることができる。当該ｒｆ電源１８の出力は整合回路１９を通して上部電極１へ供給される。
【００３２】
反応容器１００はさらに中間周波（ＭＦ）のｒｆ電源２０を備えている。ＭＦ・ｒｆ電源２０の周波数は０．５〜５ＭＨｚの範囲にあり、代表的に１．６ＭＨｚで動作する。当該ｒｆ電源２０は通常低いインピーダンスを有し、代表的におよそ５０オームであり、０．５〜３ｋＷのｒｆ電力を生成することができる。ｒｆ電源２０の出力は整合回路２１を通して上部電極１に供給される。さらにローパスフィルタ２２が、上部電極１から流れるＨＦあるいはＶＨＦのｒｆ電流がＭＦ・ｒｆ電源２０へ流れるのを遮断するため、上部電極１と整合回路２１の間に加えられる。
【００３３】
下部電極２３は絶縁体２８を介して底部プレート２に固定されている。下部電極２３は電気的に底部プレート２から絶縁されている。基板２７は下部電極２３の上に配置されている。
【００３４】
反応容器１００は、下部電極２３に接続される第３のｒｆ電源を持つこともできるし、持たなくてもよい。図１に示された構成では、反応容器１００は第３のｒｆ電源２４を備えている。もし反応容器１００が第３のｒｆ電源２４を備え、それによってｒｆ電力が下部電極２３に与えられるならば、ｒｆ電力の周波数はＭＦ領域、ＨＦ領域あるいはＶＨＦ領域にある。このｒｆ電源２４は同様にまた低いインピーダンスを持ち、代表的に５０オームであり、１ｋＷまでのｒｆ電力を生成することができる。当該ｒｆ電力は整合回路２５を介して下部電極２３に与えられる。ここでハイパスフィルタ２６の一端は下部電極２３と整合回路２５の間の伝送線に接続される。ハイパスフィルタ２６の他の端は接地されている。ハイパスフィルタを使用する目的は、下部電極２３から到来するＨＦのｒｆ電流の接地通路を作るためである。この方法は、第３のｒｆ電源２４の、ＨＦのｒｆ電流による損傷可能性から保護する。
【００３５】
前述のプラズマ源を備えた反応容器１００におけるプラズマ生成の仕組みが説明される。ｒｆ電源１８とｒｆ電源２０から上部電極１に対してＭＦからＶＨＦの領域で作用するｒｆ電流が与えられるとき、プラズマは、これらのｒｆ電力の容量的結合の機構によって生成される。電子はイオンよりも高い熱速度を持っているので、上部電極１は負にバイアスされる。上部電極１における自己バイアス電圧はプラズマの励起周波数に大きく依存する。プラズマの励起周波数の増大は、自己バイアス電圧の減少とプラズマ密度の増大の原因となる。上部電極１における負のバイアス電圧の値は、同様にまた、アノード面積に対する上部電極の表面面積の比に依存する。ここで、アノード面積は、接地されたすべての表面の全体の表面面積である。アノード面積は、通常、どのようなプラズマ源においても、上部電極（カソード）の表面面積よりもより大きい。このことは上部電極１の負の自己バイアス電圧の原因となる。この負のバイアスのために、プラズマにおけるイオンは上部電極１に向かって加速され、ターゲットプレートの材料をプラズマ中に向けてスパッタリングする原因となる。より高いスパッタリング速度を得るために、イオン密度と上部電極１の自己バイアス電圧は両方とも増大させられなければならない。
【００３６】
ｒｆ電力の増大はプラズマイオン密度を増大させる。しかしながら、もしプラズマ励起周波数がＶＨＦ領域、例えば６０ＭＨｚにある場合には、より高いｒｆ電力であっても、自己バイアス電圧は経済的なスパッタ速度にとって十分ではない。それ故に、他の中間周波数のｒｆ電流が上部電極１に与えられる。プラズマに対するより低い周波数のｒｆ電流の容量的結合は、上部電極のより高い負のバイアス電圧という結果をもたらす。負のバイアス電圧の値はＭＦのｒｆ電流を変化させることによって独立に制御される。それ故に、ＨＦのｒｆ電流とＭＦのｒｆ電流との結合または組み合わせは、プラズマイオン密度とイオンエネルギの独立な制御に対する解決方法を与える。
【００３７】
スパッタされた原子のイオン化率は、ＶＨＦ電流によって生成された高密度プラズマによって増大させられる。イオン化された原子は、ｒｆ電流（第３のｒｆ電源）の応用による下部電極２３上に生成されたバイアスポテンシャルによって基板表面に向かって加速され、運動方向が平行になる。もし下部電極２３に与えられるｒｆ電流がＶＨＦ領域にあるならば、高い密度のプラズマが下部電極２３に接近して生成される。このことは、スパッタされた原子のイオン化率を高め、より高い成膜速度という結果をもたらす。この機構は、成膜速度を劣化させることなく、パターンを形成された基板における良好な底部被覆を作り出す。
【００３８】
次に第２の実施形態が図２を参照して説明される。第２の実施形態において、上部電極１への電気的接続を除いて、すべての他の構成は前述の第１実施形態で与えられた構成と同じである。
【００３９】
上部電極１は、第１実施形態に類似し、整合回路１９を介してＨＦ領域またはＶＨＦ領域で動作するｒｆ電源１８に接続されている。ｒｆ電源１８の詳細は、第１実施形態で与えられたものと同じである。さらに上部電極１は誘電体（Ｌ）３０を通してＤＣ電圧供給源２９に接続されている。キャパシタ（Ｃ）３１の１つの端子はインダクタ３０と上部電極１の間の伝送線に接続されている。キャパシタ３１の他の端子は接地されている。この電気的接続はＤＣ電圧供給源２９を寄生的なｒｆ電流から保護する。ＤＣ電圧供給源２９は−１０００ボルトまでの電圧を与えることができる。
【００４０】
前述した第２実施形態の構成によれば、ｒｆ電流が上部電極１に与えられたとき、プラズマが容量結合の仕組みによって生成される。与えられたｒｆ電力を制御することによって、プラズマにおけるイオン密度が調整される。第２実施形態における上部電極１は、電気的にＶＨＦ電流に関して接地される。それ故に自己バイアス電圧は、上部電極１に印加されるｒｆ電流により上部電極１上で生じない。その代わりに、ＤＣ電圧供給源２９が上部電極１に負のバイアスを与えるように用いられ、この負のバイアスはターゲットプレート７上へイオンを加速するために必要とされる。上部電極１上への負のＤＣバイアスの重畳はプラズマポテンシャルに対し影響を与えない。従ってプラズマのイオン密度と上部電極１のバイアス電圧は、第１実施形態に類似したこの構成で、独立に制御することができる。第２実施形態の主たる利点は、上部電極１に対しｒｆ電源が１台のみ必要とされるということである。すなわち図１に示されたＭＦのｒｆ電源２０、整合回路２１、そしてローパスフィルタ回路２２を省略することができる。
【００４１】
次に第３の実施形態が図３〜５に従って説明される。図３は第３実施形態の全体の構成を示す。この構成は、上部電極１の上にマグネットを追加したことを除いて、大部分第１実施形態に類似している。図３〜５において、第１実施形態で説明された要素に相当する要素の各々は、同じ参照符号または参照数字を持っている。さらに例えば底部プレート２に２つのガス排出ポート１７が形成されている。複数の磁石５は、上部電極１の外側において、個々に離れて配置されている。複数の磁石５における反応容器１００の内部に面した極性は二者択一的に（Ｎ極とＳ極のうちからいずれか一方になるように）変えられ、かつ磁石５は上部電極１の内側表面に近いところで閉じた磁束を伴う磁界６を生成する。
【００４２】
上部電極１の厚みは重要なことではなく、通常２０〜４０ｍｍが採用される。上部電極１の上側には、磁石５を配置するため複数の溝９が作られている。溝９のコーナ部分は、磁石５の断面形状に依存して四角または円形形状となる。溝９の幅は磁石５の幅よりもおよそ１ｍｍ大きくなるように選択されている。溝９の長さは、同じ極性を持つ隣り合う磁石５の間の距離がｘであるとき、少なくとも(1/2) ×ｘとなるように選択されている。溝９の深さは、磁石の底表面が反応容器１００の内部空間に接近するように、通常上部電極１の厚みよりも短い２〜５ｍｍとして採用されている。しかしながら、磁石の下部表面がターゲットプレート７に接触するかまたはもっと接近するように、上部電極１を貫通する溝を持つようにすることもできる。
【００４３】
複数の磁石５に関する配列は、反応容器１００の内部空間でより高い磁界を作り出す。溝９は、好ましくは、図３に示されるごとく、各２つの溝の線の間にスペースが存在するように、平行な溝の線を持つように作られる。これらのスペースにおいて上部電極１の内部に長い通路が形成され、これらの通路は互いに図５に示されるようにジグザグ形状の通路１０を持つように接続されている。ジグザグ形状の通路１０の断面形状は円形、正方形、あるいは長方形の形状である。このジグザグ形状の通路１０は、出発点と終了点を除いて、上部電極１の中に完全に埋まっている。図５に示されるように、出発点は水取込みポート１１に接続され、終了点は水排出ポート１２に接続される。従って、装置の動作の間、水は、上部電極１を冷却すべく、上部電極１内のジグザク形状通路１０の中を流れる。上部電極１とターゲットプレート７は、装置動作の間、ターゲット材料へのより高いイオン束の照射が原因で加熱されるので、上部電極１の水冷却工程は重要である。上部電極１の温度の上昇は磁石５の磁界強度を減少させる原因となる。上部電極１を冷却するための異なる方法を用いることができるということを注意してほしい。
【００４４】
磁石５の形状は、好ましくは立方体、矩形あるいは円筒形（もしくは円柱形）の形状である。上部電極１上に形成された溝９の各々において磁石５が配置される。複数の磁石は等しい距離で配置され、例えば上部電極１の上に描かれた個々の正方形の角に配置される。複数の磁石の極性は、図４に示されるように、二者択一的に変えられる。磁石５の断面の寸法は重要なことではない。もし断面の形状が円形であるならば、その直径は５〜１５ｍｍの範囲にある。もし断面の形状が正方形であるならば、円形形状のそれの寸法に匹敵するものが採用される。いかなる２つの隣り合う磁石の間の間隔は重要ではなく、１５〜５０ｍｍで変わり得る。次にすべての磁石５の上部表面は共に金属板（strip ：細長い板）１３を用いて連結されている。各金属板１３の一方の端は、電気モータ１６によって回転される回転板１５に引き続いて結合される他の金属板１４に連結されており、この回転板１５の回転によって磁石５のすべてが溝９の内部で水平に動かされる。動く距離は回転板１５の直径を変更することによって変えることができ、一方、移動速度は回転板１５の回転速度を変えることによって選択できる。
【００４５】
この磁石５の配列は、図４に示されるように、上部電極１の下側に磁界カスプを作る。すなわち磁界を表す線６は、反応容器１００の中に深く侵入することなく、隣の磁石に向かって直接的に曲がっている。上部電極１に対して平行な磁界線６は反対の極性を有する２つの磁石の間で強くなっており、こうして電子の閉込めが２つの反対の磁石５の間で強くなっている。磁界線６は同じ極性を持つ２つの間では弱い。すなわち電子の閉込めは同じ極性を持つ２つの磁石の間では弱い。それ故に、反対の極性を持つ２つの磁石の間でトラップされた電子は、同じ極性を持つ２つの磁石の間のスペースを通って逃げることができる。従って、前述した磁石配列は、部分的にのみ電子を閉じ込める。この電子の部分閉込めのため、それら電子は上部電極１に対し衝撃を与えることができ、上部電極１に対し負のバイアス電圧を作り出す。さらに電子の部分的閉込めによって、上部電極１へのより高いイオンの流れが電子によって容易に電気的に中和されて、その結果、安定したプラズマ環境をもたらす。
【００４６】
以下にプラズマの均一性とターゲットの利用効率が説明される。ターゲットプレート７は、第１実施形態に類似して、真空遮蔽を施した状態で上部電極１に固定される。ターゲットプレート７に接して不均一な磁界の故にプラズマは不均一である。しかしながら、複数の磁石５は接近して配列されているので、上記不均一なプラズマは、ターゲットプレート７から短い間隔をおけば均一なプラズマとなる。こうして基板表面にわたって均一なプラズマが存在する。例えばターゲットプレート７における２つの反対の極性の磁石の間、そして同じ極性の磁石の間におけるスパッタ速度が異なっているとしても、それらの領域はお互いに接近して存在する。それ故に、ターゲットプレートからのスパッタされた材料はターゲットプレートから短い距離の範囲内で拡散し、基板２７の表面の上に均一な薄膜を形成する。
【００４７】
ターゲット板７の表面において磁石の間の領域に比較して、磁石の極の近くにおけるエッチング速度が低いまたは０であることが、ターゲットプレートに接近したプラズマの不均一性の結果、観察される。ターゲットプレート７の最も高いエッチング速度は、ターゲットプレート７の表面に直交する磁束の密度が最も少ないところである磁石５の中心で観察される。それ故に、磁石５が固定されているときには、ターゲットプレートにおける均一なエッチング速度を観察することはできない。磁石が(1/2) ×ｘで動かされるとき、磁極は最も高いエッチング速度位置に来る。それ故に、(1/2) ×ｘによる磁石の振動によってターゲット材料の時間平均された均一のエッチング速度が得られる。これはターゲットの利用効率を増大する。
【００４８】
次に図６を参照して第４実施形態を説明する。図６は第４実施形態の断面図を示す。上部電極１に作られた電気的接続の構成を除いて、すべての他の構成は第３実施形態のものと同じである。上部電極１に対して作られる電気的接続は第２実施形態のものに類似している。実際に、第４実施形態は、第２実施形態と第３実施形態の組み合わせに相当する。図６で、第２と第３の実施形態にで説明された構成要素に相当する要素の各々は、同じ参照符号または参照番号を有する。
【００４９】
図６に示された上部電極１は整合回路１９を介してＶＨＦのｒｆ電源１８に接続されている。当該ＶＨＦのｒｆ電源１８の詳細は、第１実施形態において与えられたものと同じである。また上部電極１はインダクタ３０を介してＤＣ電圧供給源２９に接続されている。キャパシタ３１の一方の端子はインダクタ３０と上部電極１の間の伝送線に接続されている。キャパシタ３１の他の端子は接地されている。この電気的接続はＤＣ電圧供給源２９を寄生のｒｆ電流から保護する。ＤＣ電圧供給源２９は−１０００ボルトまでの電圧を供給できる。
【００５０】
この構成によって上部電極１は電気的にｒｆ電流に対して接地されるようになる。それ故、上部電極１に与えられるｒｆ電流のため、負のバイアスを得ることができない。その代わりに、上部電極１に対して負のバイアスを与えるため、ＤＣ電圧供給原２９が用いられる。上部電極１における負のバイアスはターゲットプレート７上ヘイオンを加速する。第４実施形態の主たる利点は、それが上部電極１に対して唯一のｒｆ電源を採用しているということである。すなわち、この構成によって、前述したＭＦのｒｆ電源、ローパスフィルタ回路、整合回路を省略することができる。
【００５１】
本発明の第５実施形態を図７と図８に従って説明する。図７は第５実施形態の断面図を示し、これは図１に類似しており、図８は図７におけるＡ−Ａ線断面図である。図７と図８に示された構成要素の参照番号は、図１に示されたそれらのものに対応している。マグネットとこの構造に関連する部分とに関する構造を除いて、第５実施形態の残りの構造は、図１に示されたものと同じである。従ってここでは、残りの構造に関する説明は省略される。この実施形態において、反応容器１００の円筒形側壁３はアルミニウムのごとき非磁性金属で作られ、そして複数の（あるいはいくつかの）棒状マグネット３２が、それらは反応容器１００の内側に向かう二者択一の極性（Ｎ極とＳ極のうちのいずれか一方の極性）を持つように、図７に示されるごとく円筒形側壁３の外側表面の周りで垂直方向に配置される。円筒形側壁３を取り囲む棒状マグネット３２の配列は図８に示されている。これらの棒状マグネット３２は、側壁３の外側表面に直接に取り付けられるか、あるいは小さな間隔をあけて外側表面の上に配置される。もし棒状マグネット３２と側壁３の間に間隔が設けられるならば、その間隔は通常１０ｍｍ以下である。
【００５２】
棒状マグネット３２の外側表面は、通常、例えば軟鉄のごとき強磁性金属(ferromagnetic metal) ３３の板によって連結されている。棒状マグネット３２の大きさは重要なことではない。棒状マグネット３２の断面の形状は、通常、正方形または長方形である。もし断面形状が正方形であるならば、その大きさは５×５ｍｍ2 から３０×３０ｍｍ2 までの範囲に存在する。もし断面形状が長方形であるならば、その大きさは正方形の形状の表面面積に匹敵するような表面面積を持つように選択される。垂直方向における棒状マグネット３２の長さは、通常、シールドプレート８と基板搬入／搬出スロット３６との間の距離に等しい。基板搬入／搬出スロット３６は、基板２７を取り込み、そして取り出すために使用される開口であり、通常、ゲートを備えている。２つの隣り合う棒状マグネット３２の間の間隔は同様にまた重要なことではなく、通常、２０ｍｍから１００ｍｍの範囲にある。通常、棒状マグネット３２は等しい間隔で配置されている。棒状マグネット３２の磁極における磁界の強さは同様にまた重要なことではなく、５００Gauss （ガウス）から１２kGauss（キロガウス）の範囲に選択される。しかしながら、棒状マグネットの磁界の強さ、およびマグネット間の間隔は、磁界の強さが基板２７の表面で無視できるようになる程度に選択されなければならない。棒状マグネット３２の磁界の強さと、隣り合う２つの棒状マグネット３２の間の間隔との関係は、磁界の強さの増大が間隔の減少を促進するというものであり、その逆も成り立つものである。
【００５３】
前述の構造を有するいくつかの棒状マグネット３２が反応容器１００の円筒形側壁３の周りに配置されるとき、カスプ（線状カスプ）磁界３４が円筒形側壁３の内側上、すなわち、図８に示されるように、側壁の内側表面の近くに形成される。これらのカスプ磁界３４は、カスプ磁界３４によって電子をトラッピングすることにより、円筒形側壁３でのプラズマの損失を減少させる。このことは、プラズマにおけるプラズマ密度の増大という結果をもたらし、この結果はスパッタリング効率の増大をもたらす。
【００５４】
図７において、下部電極２３は絶縁体２８を介して底部プレート２に固定されている。しかしながら、固定された下部電極の代わりに移動可能な下部電極を用いることができる。もし移動可能な下部電極が用いられたとすると、基板２７は棒状マグネット３２の下側端部を越える高さまで持ち上げられ、その場所ではプラズマは非常に良い状態で閉じ込められている。この過程は、スパッタされた物質の成膜速度をより高くすることができる。
【００５５】
第５実施形態は第１実施形態で説明されたプラズマ処理装置を用いることによって説明されたが、棒状マグネット３２に関する同じ構造は、前述の実施形態２，３，４で説明されたプラズマ処理装置に、同じ利益を得る目的で応用することができる。
【００５６】
さらに、前述の棒状マグネットの配列を側壁３の内側表面の周りに、すなわち内側に、あるいは側壁３の内側表面上に、あるいは側壁の内部に配置することもできる。しかしながら、側壁の内側での配列の場合には、各棒状マグネットは絶縁部材または非磁性金属によって覆われなければならない。棒状マグネットが側壁３の内側にあるか、あるいは外側にあるかどうかということに拘らず、基板ステージの位置において磁界がゼロになるように、棒状マグネット３２における磁界の強さと、棒状マグネット３２の間の間隔とを調整することが重要である。
【００５７】
本発明の第６実施形態を図９に従って説明する。図９は反応容器１００の円筒形側壁３と側壁の外側における他のマグネット配列を示す外観図である。簡略化のため、図９においてプラズマ処理装置の他の部分は示されていない。さらに、第５実施形態と同様に、反応容器は前述の実施形態１，２，３，４で与えられた同じ構成を持っている。反応容器の側壁３は非磁性金属、例えばアルミニウムのごとき金属で作られている。複数のマグネット３５が、反応容器の内側に向かって二者択一の極性を持ちながら、側壁３の外側表面上に配置されている。磁石３５における反応容器の外側を向いた他の磁極は、例えば軟鉄のごとき強磁性金属板３６によって連結されている。図９では、図を理解しやすいように少数の強磁性金属板３７のみが示されている。マグネット３５の大きさと形は重要なことではない。もし立方体のマグネット３５が用いられるとすれば、その大きさは５×５×５ｍｍ3 から２０×２０×２０ｍｍ3 の間で変り得る。もし円柱形のマグネットが用いられるならば、その断面の大きさは５ｍｍから２０ｍｍで変わることになり、その高さは５ｍｍから５０ｍｍで変り得る。マグネット３５の磁極における磁界の強さと、マグネットの間の間隔とは、基板ステージおいて磁界がゼロになるように選択される。通常、磁界の強さは５００Gauss から１２KGaussで変えることができ、マグネットの間の間隔は５ｍｍから４０ｍｍで変えることができる。
【００５８】
複数のマグネット３５が図９に示されるごとく配列されるとき、カスプ（点状カスプ）磁界が円筒形側壁３の内側表面上に作られる。何故ならば、磁界の磁束線は、反応容器の内部に深く入ることなく、最も近い反対の磁極に向かって曲がる。プラズマが生成されるとき、電子はこれらの点状カスプ磁界によってトラップされ、その結果、側壁での電子損失の減少という結果をもたらす。このことはプラズマ密度の増加をもたらし、それによって、第１実施形態で説明された例と同様にスパッタ効率の増加をもたらす。
【００５９】
前述のマグネット３５は、棒状マグネット３３と同様に、側壁３の外側表面あるいは内側表面の周りに存する。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によるプラズマ処理装置は、イオン密度とイオンエネルギの独立した制御とターゲット材料の均一なエッチング速度とを伴って、基板の全表面にわたる平面において均一に分散された大きな面積の高密度プラズマを作り出すことができ、かつ低いアスペクト比を有するプラズマ源を実現することができる。
【００６１】
さらに、カスプ磁界を生成するための棒状マグネットまたはマグネットを備えたプラズマ処理で、側壁の内側表面に起因するプラズマ損失を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は、反応容器と、容量性電極およびそれらの電気的接続関係とを示す第１実施形態の断面図である。
【図２】この図は、反応容器と、容量性電極およびそれらの電気的関係とを示す第２実施形態の断面図である。
【図３】この図は、本発明によるプラズマ処理装置の内部と外部の特徴的構造を示す第３実施形態の外観の解説図である。
【図４】この図は、複数の磁石の配列と第３実施形態の内部構造を示す断面図である。
【図５】この図は、磁石を動かすために磁石に取り付けられた金属板を示さない状態での上部電極の平面図である。
【図６】この図は、プラズマ源の内外の構造を示す第４実施形態の断面図である。
【図７】この図は、第５実施形態のプラズマ処理装置の断面図である。
【図８】この図は、図７におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図９】この図は、反応容器の円筒形側壁と側壁の外側におけるマグネット配列を示す外観図である。
【図１０】この図は、プラズマ処理に使用される第１の従来のプラズマ源を示す断面図である。
【図１１】この図は、上記第１の従来のプラズマ源において使用される磁石によって形成される磁界の解説図である。
【図１２】この図は、不均一なエッチングを示す従来のターゲットプレートの断面図である。
【図１３】この図は、プラズマ処理に用いられる第２の従来のプラズマ源における磁石の配列を示す概略図である。
【参照符号の説明】
１                    上部電極
２                    底部プレート
３                    側壁
５                    磁石
６                    磁界線
７                    ターゲットプレート
９                    溝
１０                  ジグザグ通路
１３，１４            金属板
１５                  回転板
１６                  モータ
１８                  ＨＦまたはＶＨＦのｒｆ電源
２０                  ＭＦのｒｆ電源
２２                  ローパスフィルタ
２３                  下部電極
２４                  ＭＦのｒｆ電源
２６                  ハイパスフィルタ
２７                  基板
２９                  ＤＣ電源（ＤＣ電圧供給源）
３２                  棒状マグネット
３３，３６            強磁性金属
３４                  カスプ磁界
３５                  マグネット
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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