(57)【要約】 【課題】各コイルの電位の高くなるＲＦ電源をプラズマ領域から遠ざけると同時に、各コイルに発生する磁場強度の低下を抑制すること。【解決手段】誘電体部材により形成された部分を含む真空容器内にプラズマ生成用のガスを導入すると共に、１つ以上のコイルに高周波電力を供給することにより交番磁界を前記誘電体部材を介して前記真空容器内に作用させて前記ガスをプラズマ化し、前記真空容器内に配置された被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記コイルは、ソレノイドコイル部分とスパイラルコイル部分とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体部材により形成された部分を含む真空容器内にプラズマ生成用のガスを導入すると共に、１つ以上のコイルに高周波電力を供給することにより交番磁界を前記誘電体部材を介して前記真空容器内の前記ガスに作用させてプラズマ化し、前記真空容器内に配置された被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記コイルは、ソレノイドコイル部分とスパイラルコイル部分とを含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記コイルは、前記スパイラルコイル部分の中央部に前記ソレノイドコイル部分を設けることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記ソレノイドコイル部分は、直径が前記スパイラルコイル部分の最大直径の２分の１、巻き数が３以上であることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記スパイラルコイル部分は、半径が当該コイルと前記被処理体との間の距離の２分の１以下であることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記コイルは、前記スパイラルコイル部分と前記ソレノイドコイル部分とを直列接続して成ることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、プラズマを利用して、例えばドライエッチング、薄膜形成、表面改質等のプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、例えばドライエッチングによる微細加工、薄膜形成、又は表面改質等の物質の表面処理に広く利用されており、半導体製造等の分野において必要不可欠な技術となっている。半導体分野では、集積回路の微細化が進み、高真空度下で高密度プラズマを生成する必要がある。このことから、プラズマ処理では、コイルに高周波電流を流すことにより減圧下の空間、すなわち真空容器内に誘導磁場を形成し、この真空容器内に導入されているガスをプラズマ化する誘導結合型プラズマ処理装置が広く用いられている。このプラズマ処理装置では、真空容器内においてプラズマが生成されているプラズマ生成部から半導体等の被処理体までの距離を短くし、かつプラズマ生成部において非処理体と対向する面内のプラズマ密度をより均一化するために、平面状のコイルを用いる場合が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３１１４８７３号公報
【特許文献２】特許第４４６９０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなプラズマ処理装置では、コイルは真空容器の誘電体により成る部分を介して誘導磁場を真空容器内に形成し、かつプラズマは真空容器の壁部内面に直接に接して生成されているで、コイルは真空容器の壁を介してプラズマに対して容量的にも結合している。  
このため、真空容器におけるコイルに近い誘電体により成る壁部分は、イオンの衝撃を受ける。プラズマ密度を高くするためにコイルに印加する電力を増す程、又大面積内で均一なプラズマを生成するために平面コイルの直径を大きくする程、誘電体により成る壁部分におけるコイル直下部分の電界が強くなり、当該部分が強くスパッタされてエロージョンが進行することになる。これが原因で、パーティクル起因のパターン欠陥が増加したり、パーツ交換が頻繁になるなどの問題が発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、誘電体部材により形成された部分を含む真空容器内にプラズマ生成用のガスを導入すると共に、１つ以上のコイルに高周波電力を供給することにより交番磁界を前記誘電体部材を介して前記真空容器内に作用させて前記ガスをプラズマ化し、前記真空容器内に配置された被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記コイルは、ソレノイドコイル部分とスパイラルコイル部分とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態のプラズマ処理装置を示す構成図。
【図２】同装置におけるコイルを示す構成図。
【図３】同装置における高周波電源（ＲＦ電源）から接地の間のスパイラルコイルを示す等価回路図。
【図４】同装置におけるスパイラルコイルの中央部をソレノイドコイル部分に置き換えたコイルやスパイラルコイルのみからの距離に応じた磁場強度を示す図。
【図５】同装置におけるソレノイドコイル部分の中心から離れた円の中心軸上の点に発生する磁場を求めるための図。
【図６】同装置におけるコイルの直径の相違による当該コイルからの距離に対する磁場強度を示す図。
【図７】同装置におけるコイルの直径の相違による当該コイルの最大半径に対するキャップ（Ｇａｐ）空間での磁場強度を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。  
図１は誘導結合型のプラズマ処理装置の構成図を示す。このプラズマ処理装置１は、例えばドライエッチングによる微細加工、薄膜形成、又は表面改質等の物質の表面処理等を行う。このプラズマ処理装置１は、高真空度下に減圧されて所定圧力に保持される真空容器２を備える。この真空容器２内には、プラズマ生成用のガスが導入される。なお、真空容器２には、プラズマ生成用のガスを真空容器２内に導入するためのガス導入機構と、真空容器２内からガスを排気するためのガス排気機構とが設けられている。又、この真空容器２内の下部には、下部電極３が設けられている。この下部電極３上には、例えば半導体基板等の被処理体４が載置されている。
【０００８】
この真空容器２の上部には、誘電体により形成される誘電体窓（誘電体部材）５が設けられている。真空容器２の外部でかつ誘電体窓５の上部には、１つ以上のコイル、例えば４つのコイル６−１〜６−４が設けられている。これらコイル６−１〜６−４は、それぞれ高周波電力の供給により交番磁界を発生し、この交番磁界を誘電体窓５を介して真空容器２内のガスに作用させてプラズマ化する。すなわち、各コイル６−１〜６−４にそれぞれ供給される高周波電流により交番磁界が発生し、この交番磁界が真空容器２内の空間に作用する。これにより、真空容器２内の空間に存在する電子が各コイル６−１〜６−４により発生する磁界を打ち消すような磁界を発生させる方向に移動する。この誘導結合によって電子が移動することにより真空容器２内の気体がプラズマ化する。
【０００９】
これらコイル６−１〜６−４の一端は、共通接続され、インピーダンス整合器７を介して高周波電源（以下、ＲＦ電源と称する）８に接続されている。これらコイル６−１〜６−４の他端は、それぞれ各コンデンサ９−１〜９−４を介して接地されている。換言すれば、各コイル６−１〜６−４は、並列接続されている。  
図２（ａ）（ｂ）は各コイル６−１〜６−４の構成及び作用を示すもので、同図（ａ）は構成図を示し、同図（ｂ）はコイル６−１〜６−４により生じる交番磁場（変動磁場）及びコイル６−１〜６−４の電位を示す。同図（ａ）に示すように各コイル６−１〜６−４は、それぞれソレノイドコイル部分１０とスパイラルコイル部分１１とから成る。このうちソレノイドコイル部分１０は、スパイラルコイル部分１１の中央部に設けられている。これらコイル６−１〜６−４は、それぞれソレノイドコイル部分１０とスパイラルコイル部分１１とを直列接続して成る。
【００１０】
ソレノイドコイル部分１０は、直径ｂがスパイラルコイル部分１１の最大直径２ｂの２分の１、巻き数Ｎ＝ｎ２が例えば３以上（ｎ２≧３）である。  
スパイラルコイル部分１１は、半径（２ｂの２分の１）が当該各コイル６−１〜６−４と被処理体４との間の距離ａの２分の１以下である。このスパイラルコイル部分１１は、巻き数Ｎ＝ｎ１が例えば２以上（ｎ１≧２）である。  
同図（ｂ）に示すように各コイル６−１〜６−４にそれぞれ供給される高周波電流（誘導電流）により交番磁界（変動磁場）が発生し、この交番磁界が誘電体窓５を介して真空容器２内の空間に作用する。これにより、真空容器２内の空間に存在する電子が各コイル６−１〜６−４により発生する磁界を打ち消すような磁界を発生させる方向に移動する。この誘導結合によって電子が移動することにより真空容器２内の気体がプラズマ化する。
【００１１】
以下、各コイル６−１〜６−４をそれぞれソレノイドコイル部分１０とスパイラルコイル部分１１とにより設け、ソレノイドコイル部分１０をスパイラルコイル部分１１の中央部に設ける理由について説明する。
【００１２】
真空容器の上部にスパイラルコイルが設けられたプラズマ処理装置において、真空容器２のスパイラルコイルに近い誘電体窓の部分は、イオン衝撃を受け、スパッタ現象によって誘電体窓がエロージョンされる。この原因は、スパイラルコイルが誘電体窓を介してプラズマと容量的にも結合していることにある。誘電体窓をスパッタする入射イオンのエネルギーは、各スパイラルコイルの電位とプラズマ電位との差によってプラズマと誘電体窓との間に発生する電界強度によって規定される。
【００１３】
プラズマを大きな領域で均一に生成するために、各スパイラルコイルの巻き数（Ｎ）を増加し、各スパイラルコイルの平均半径（ｒ）を大きくすると、次式（１）に示すようにスパイラルコイルのインダクタンスＬも増加する。  
このスパイラルコイルのインダクタンスＬは、  
Ｌ＝ｒ２・Ｎ２／（２ｒ＋２．８ｄ）×１０５      …（１）  
により表される。なお、ｒはスパイラルコイルの平均半径、Ｎは巻き数、ｄはスパイラルコイルの厚さ（コイルの厚さ：外径と内径との差）である。  
図３（ａ）（ｂ）はスパイラルコイルのインダクタンスＬと可変容量成分Ｃとを示し、同図（ａ）はＲＦ電源８から接地の間のスパイラルコイルの等価回路を示し、同図（ｂ）はインダクタンスＬと可変容量成分Ｃとの各インピーダンスＺ＝（ωＬ、１／ωＣ）のそれぞれの変化を示す。なお、ω＝２πｆである。
【００１４】
このスパイラルコイルのインダクタンスＬの増加に伴ってＲＦ電源のコイル電位も高くなり、誘電体窓のエロージョンが促進されるという問題が発生する。  
スパイラルコイル電位−プラズマ電位の差で加速されたイオンが誘電体窓５に入射することでエロージョンが起きるので、コイル電位の高い部分をプラズマ生成領域から遠ざけることで、誘電体窓のエロージョンを抑制することは可能となる。しかし、放電空間からスパイラルコイルが遠ざかることで、プラズマの生成・維持に必要な誘導磁場強度の低下の原因となる。
【００１５】
これに対応するために本実施の形態は、上記の通り、スパイラルコイル部分１１の中心部分（中央部）をソレノイドコイル部分１０に置き換え、当該コイル、すなわち各コイル６−１〜６−４の一端をインピーダンス整合器７を介してＲＦ電源８に接続する。  
これにより、各コイル６−１〜６−４の電位の高くなるＲＦ電源８をプラズマ領域から遠ざけると同時に、各コイル６−１〜６−４の中心軸上に発生する磁場強度の低下を抑制することが可能である。例えば、図２に示すように最大半径２ｂとなる４ターンのスパイラルコイル部分１１の中央部の２ターンを、例えば半径ｂで巻き数Ｎ＝３のソレノイドコイル部分１０（コイル間隔ｂ／３）に置き換えると、放電空間に発生する誘導磁場強度を維持したまま、誘電体窓５の部分における各コイル６−１〜６−４からの電界強度を低減することができる。
【００１６】
図４はスパイラルコイルの中央部をソレノイドコイル部分１０に置き換えた各コイル６−１〜６−４やスパイラルコイルのみのコイルなどからの距離に応じた磁場強度を示す。同図から各コイル６−１〜６−４の中心軸上に発生する磁場強度の低下を抑制できることが分かる。  
又、ＲＦ電源８をソレノイドコイル部分１０の一端に接続するので、電位の高いコイル部分をブラズマ生成領域から遠ざけると共に、磁場強度の低下を抑制できる。
【００１７】
なお、例えばソレノイドコイル部分１０等における１ターンのコイルに流れる電流、すなわち図５に示すように円電流Ｉdsの中心Ｏから距離ｚだけ離れた円の中心軸上の点Ｑに発生する磁場ｄＨcosαは、次式（２）の通り表される。
【数１】
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【００１８】
図６はコイルの直径の相違による当該コイルからの距離に対する磁場強度を示す。放電空間における誘導磁場強度の分布は、各コイル６−１〜６−４の巻き数Ｎ、平均半径に依存して変化する。例えば、半径ｂの小さい各コイル６−１〜６−４ほど当該各コイル６−１〜６−４の近傍に発生する磁場強度が大きくなり、当該各コイル６−１〜６−４から離れた場所での磁場の減衰が大きくなる。  
スパイラルコイル部分１１により発生する誘導磁場は、コイル６−１〜６−４の最大半径の２倍程度に空間に拡がり、それ以上各コイル６−１〜６−４から離れた位置に発生する誘導磁場は極めて小さい。したがって、コイルー処理基板間距離の２分の１程度が、各コイル６−１〜６−４の最大半径となる各コイル６−１〜６−４を用いると、もっとも効率的に放電空間内に誘導磁場を形成することが可能になる。
【００１９】
スパイラルコイル部分１１は、半径（２ｂの２分の１）が当該各コイル６−１〜６−４と被処理体４との間の距離（キャップ：Ｇａｐ）ａの２分の１以下である。このスパイラルコイル部分１１は、Ｎ＝ｎ１が例えば２以上（ｎ１≧２）である。  
図７はコイルの直径の相違による当該コイルの最大半径に対するキャップ（Ｇａｐ）空間での磁場強度を示す。スパイラルコイル部分１１による磁場強度の変動は、当該スパイラルコイル部分１１の半径ｂの２倍程度の空間に広がる。スパイラルコイル部分１１の最大（平均）直径は、誘電体窓５と被処理体４との距離ａの２分の１以下であり、ソレノイドコイル部分１０の直径は、スパイラルコイル部分１１の最大（平均）直径の約２分の１、巻き数（Ｎ）は３巻以上である。
【００２０】
このように実施の形態によれば、各コイル６−１〜６−４をそれぞれソレノイドコイル部分１０とスパイラルコイル部分１１とにより構成し、ソレノイドコイル部分１０をスパイラルコイル部分１１の中央部に設けた。これにより、各コイル６−１〜６−４の電位の高くなるコイル部分をプラズマ領域から遠ざけると同時に、各コイル６−１〜６−４の中心軸上に発生する磁場強度の低下を抑制することが可能である。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２２】
１：プラズマ処理装置、２：真空容器、３：下部電極、４：被処理体、５：誘電体窓（誘電体部材）、６−１〜６−４：コイル、７：インピーダンス整合器、８：ＲＦ電源、９−１〜９−４：コンデンサ、１０：ソレノイドコイル部分、１１：スパイラルコイル部分。
【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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