(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理するプラズマを作るようにプラズマ放電を発生させる上部分と基板ホルダ上に基板が配置される下部分とを含む反応容器と、
前記基板ホルダの上方に配置されかつ高周波電流が流れる平行な複数の導電性ロッドとから構成され、
平行な複数の前記導電性ロッドは前記上部分における対向する壁の間に配置され、複数の前記導電性ロッドの各々は誘電体材料で作られた円筒型チューブで被覆され、当該円筒型チューブの両端は前記対向する壁に気密に固定されており、さらに前記導電性ロッドは誘電体リングによって前記円筒型チューブに同軸的に設けられる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
平行な複数の前記導電性ロッドは前記上部分の上に配置された頂部誘電体板内に設けられたこと特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
平行な複数の前記導電性ロッドは各々前記頂部誘電体板の内部に形成された円筒孔に挿入され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】
複数の前記導電性ロッドによって定められる平面は前記基板ホルダの上面に対して平行であることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記上部分は非導電性材料を介して前記下部分に結合され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６】
基板を処理するプラズマを作るようにプラズマ放電を発生させる上部分と基板ホルダ上に基板が配置される下部分とを含む反応容器と、
前記基板ホルダの上方に配置されかつ高周波電流が流れる平行な複数の導電性ロッドとから構成され、
前記上部分は非導電性材料を介して前記下部分に結合されることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
平行な複数の前記導電性ロッドは前記上部分における対向する壁の間に配置されることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
平行な複数の前記導電性ロッドは前記上部分の上に配置された頂部誘電体板内に設けられたこと特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
平行な複数の前記導電性ロッドは各々前記頂部誘電体板の内部に形成された円筒孔に挿入されることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記導電性ロッドの各々は誘電体材料で作られた円筒型チューブで被覆され、当該円筒型チューブの両端は前記対向する壁に気密に固定されていることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記導電性ロッドは誘電体リングによって前記円筒型チューブに同軸的に設けられることを特徴とする請求項１０記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
複数の前記導電性ロッドによって定められる平面は前記基板ホルダの上面に対して平行であることを特徴とする請求項６または７記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】
前記上部分は電気的にアースから絶縁されていることを特徴とする請求項１または６記載のプラズマ処理装置。
【請求項１４】
前記下部分はアースされ、アースに対して非導電性材料により電気的に絶縁された前記上部分は浮遊電位になっていることを特徴とする請求項１３記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】
前記上部分は単一のキャパシタと平行共振回路のうちのいずれかの１つを介してアースに接続されることを特徴とする請求項１または６記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】
前記導電性ロッドの数と２つの隣接するロッドの間の距離は各々任意に変り得ることを特徴とする請求項１または６記載のプラズマ処理装置。
【請求項１７】
複数の前記導電性ロッドは前記上部分の外側で直列的に接続されていることを特徴とする請求項１または６記載のプラズマ処理装置。
【請求項１８】
その底面にグルーブを有する他の頂部誘電体板が前記頂部誘電体板の上に配置され、ガスが前記２つの頂部誘電体板の間のグルーブによって形成される空間に導入され、所定の内圧を作ることを特徴とする請求項２または８記載のプラズマ処理装置。
【請求項１９】
前記頂部誘電体板は、設定温度を持つように加熱要素を備えることを特徴とする請求項２または８記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に関し、特に、半導体産業において化学的気相成長（ＣＶＤ）プロセスまたは集積回路におけるミクロン規模の素子のエッチングプロセスに役立つイオン、電子、中性ラジカル、紫外線、可視光線を供給できる改善されたプラズマ源の構成を持つプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体産業で３００ｍｍの径を持つＳｉ基板（ウェハ）の出現に伴い、処理されるべき基板表面の全面にわたって均一なプラズマ密度を有する高密度プラズマが非常に要求されてきている。均一なプラズマ密度を有する広い範囲のプラズマに関する要求を満たすために、今まで多くの異なるプラズマ源の構成が提案されてきた。これらのプラズマ源の構成は、処理されるべき基板が配置された反応容器において、広い領域にわたって高い密度でかつ均一なプラズマを実現することによって、プラズマ処理装置に適用されてきた。
【０００３】
図１７、図１８、図１９、図２０に従って、従来のプラズマ源の構成における代表的な例を説明する。
【０００４】
図１７に示された第１例の反応容器２００は、上部プレート２０１、底部プレート２０２、上部プレートと底部プレートの間に位置する円筒型側壁２０３を備えている。上部プレートと底部プレートは金属で作られ、これに対して、円筒型側壁は誘電体で作られている。反応容器２００の内部には基板ホルダ２０４が底部プレート２０２に近い低い位置に配置され、それらは電気的に絶縁されている。ＣｕまたはＡｌで作られた高周波（ｒｆ）コイル２０５は円筒型側壁２０３の周りに配置されている。高周波コイル２０５は高周波電力源２０６から高周波電力を供給される。一方、上部プレート２０１と底部プレート２０２は共にアースされている。図１１に示されるように、反応容器２００の半径は「Ｒ」として示され、またその軸方向の長さは「Ｌ」として示される。反応容器２００の構成によれば、基板が配置された基板ホルダ２０４の上方の空間に、円筒型側壁２０３を通して高周波コイル２０５によって作られる誘導電界に基づいて、プラズマが生成される。
【０００５】
図１８に示された第２例の反応容器３００は、同様に、上部プレート３０１、底部プレート３０２、円筒型側壁３０３を有している。この反応容器３００において、円筒型側壁と底部プレートは金属で作られ、これに対して上部プレートは誘電体で作られる。反応容器３００において、基板ホルダ３０４は底部プレート３０２に近い低い位置に配置され、それらは電気的に絶縁されている。ＣｕまたはＡｌで作られた平らな渦巻き型高周波コイル３０５が上部プレート３０１の上に配置される。平らな渦巻き型高周波コイル３０５は高周波電力源３０６から高周波電力を供給される。この例において、底部プレート３０２と円筒型側壁３０３はアースされている。図１８に示されるように反応容器３００の半径は「Ｒ」として示され、軸方向の長さは「Ｌ」として示されている。反応容器３００の構成によれば、同様に、基板ホルダ３０４の上方の空間に、上部プレート３０１を通して平らな渦巻き型高周波コイル３０５によって作られる誘導電界に基づいて、プラズマが生成される。
【０００６】
他の構成として、図２０に示されるごとく、プラズマ発生領域４０１と処理領域４０２を有した反応容器４００がある。この反応容器４００では、プラズマ発生領域４０１と処理領域４０２の各々の半径はお互いに異なる。プラズマ発生領域４０１を形作る主チャンバは誘電体で作られ、処理領域４０２を形作る下部チャンバは金属で作られている。高周波電力源４０４に接続された高周波コイル４０３は、プラズマ発生領域４０１の円筒側壁の周囲に巻かれている。基板ホルダ４０５は、処理領域４０２の低い位置に配置される。図２０において、前述した「Ｌ」と「Ｒ」が同様に示されている。
【０００７】
上記の反応容器２００，３００，４００で誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）が生成される。誘導結合型プラズマのプラズマ密度（ｎ0 ）の限界は１０11≦ｎ0 ≦１０13ｃｍ-3の範囲にあり、当該プラズマ密度範囲は高密度プラズマの領域に属する。これらのプラズマは、半導体産業で利用されるほとんどのＣＶＤやエッチングにとって重要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記で説明されたように、上記ＩＣＰを生成するための反応容器は、図１７および図２０に示された円筒型構造と呼ばれるコイル構成と、図１８に示された平板型構造と呼ばれるコイル構成の２つの異なるコイル構成が存在する。通常、プラズマ発生チャンバは「ソースチャンバ」と呼ばれ、これに対して、膜の堆積やエッチングに関連する化学的反応が起きるチャンバは「プロセスチャンバ」と呼ばれる。円筒型コイル構成を持つ反応容器２００と平板型コイル構成を持つ反応容器３００は、プラズマ発生領域（ソースチャンバに相当する）から処理領域（プロセスチャンバに相当する）へ拡がる単一のチャンバを持ち、それ故に、ソースチャンバとプロセスチャンバは同一物になっている。一方、反応容器４００はソースチャンバとしてのプラズマ発生領域４０１とプロセスチャンバとしての処理領域４０２を持っている。
【０００９】
上記の各ＩＣＰに関連して、以下に述べられるように、２つの大きな問題が存在する。
【００１０】
ＩＣＰの第１の問題は、図１７に示されているような反応容器２００において半径方向のプラズマ密度の分布が不均一であることである。反応容器２００におけるプラズマは、高周波コイル２０５によって供給される高周波（ラジオ周波）の電磁波がプラズマ中で円筒型側壁２０３から数センチの範囲で衰えるので、円筒型側壁２０３の近傍で生成される。それ故に、例えば、半径Ｒが１５ｃｍを越えて大きくなると、図１９に示されるように、反応容器２００の中央領域と円筒型側壁２０３に近い周縁領域との間でプラズマ密度の差異が大きくなる。このことが、反応容器２００の半径Ｒの増大を制限することになる。
【００１１】
それ故に、反応容器２００では、従来、処理されるべき基板がプラズマ発生領域から下流に数センチ離れた平面の位置に配置され、その場所には拡散の作用によって均一なプラズマ密度が存在する。プラズマ発生領域と下流の均一プラズマ密度の平面との間の距離は反応容器２００の半径Ｒによって決定され、そのため、半径Ｒが大きくなればなるほど、プラズマ生成領域と均一プラズマ密度の平面との間の間隔がより大きくなる。
【００１２】
上述の事柄が２つの問題を引き起こす。それらの問題の１つは、プラズマの流れに沿ってプラズマ密度が低下することである。プラズマ密度の低下は、(i) 反応容器２００の円筒側壁２０３との衝突、(ii)気相状態における再結合、そして(iii）イオン、電子、中性ラジカルの拡散に起因してに起きる。他の問題は、プラズマ発生領域と基板の間の距離を増大することである。この問題は、プラズマ処理装置におけるより大きなアスペクト比という結果をもたらす。
【００１３】
図２０に示された反応容器４００は、変更されたＩＣＰを作り出すための変更された構成である。この反応容器４００において、プラズマは、より小さい径のソースチャンバ４０１において生成され、そしてより大きな径のプロセスチャンバ４０２へと流れ出す。反応容器４００はまた同様に上記の欠点を含んでいる。すなわち、プロセスチャンバ４０２の半径Ｒの増大に伴って、ソースチャンバ４０１におけるプラズマ発生領域から基板ホルダ４０５までの距離、すなわちＬが、基板ホルダ４０５の広い領域にわたって均一な密度を持つ望ましいプラズマを得るために、同様に増加されなければならない。Ｌの増大は、上記で説明したように、基板ホルダ４０５の平面においてプラズマ密度を減少させる。それ故に、ＣＶＤプロセスおよび／またはエッチングプロセスの効率が低減される。
【００１４】
第２の問題は、誘電体材料で作られた上部プレート３０１を有する反応容器３００で起きる。上部プレート３０１は平らな渦巻き型高周波コイル３０５の下側に存在する。平らな高周波コイル３０５の構成は、平らな高周波コイルの平面に平行な平面において均一なプラズマ密度のプロファイルを与える。しかしながら、大きな面積のプラズマを得るために、円筒型側壁３０３と上部プレート３０１と底部プレート３０２の各半径を増大されなければならない。上部プレート３０１の半径が増大するときには、上部プレートの材質が反応容器３００の内外の圧力差に耐えられる金属ほど強くないので、上部プレートの厚みが同様に増大されなければならない。例えば半径２０ｃｍの上部プレート３０１における大気圧からの印加圧力は１２５６ｋｇである。もし反応容器３００の内部圧力が１０mTorr であり、かつ上部プレート３０１の誘電体材料として石英が用いられる場合には、少なくとも２．６ｃｍの厚みを持つ石英板が上記大気圧に耐えるために要求される。誘電体材料で作られた上部プレート３０１の厚みが増大することは、反応容器３００におけるプラズマ発生効率を低下させる。
【００１５】
上述された円筒型コイル構成と平板型コイル構成を用いて生成されたＩＣＰに関し、上記欠点を避けるためには、次のような２つの事実を考慮しなければならない。第１の事実は、円筒型側壁の近傍の周縁領域に加えて、反応容器の中央領域においてＩＣＰを作る手法である。第２の事実は、反応容器の端部プレートとして平らな誘電体材料を用いることを避ける手法である。
【００１６】
本発明の主たる目的は、それ故に、上記の２つの事実を考慮した誘導結合型機構によって均一なプラズマ密度を持った大きな面積のプラズマを作り出すプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１７】
本発明の目的は、より低いアスペクト比を有する構成を備えるように設計されたプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマ処理装置は、上記の問題を解決するために、上部の位置にソースチャンバ（上部分）と下部の位置にプロセスチャンバ（下部分）を備える反応容器と、さらに電磁的電力供給アンテナとして高周波電流が流れる複数の導電性ロッドとによって構成される。導電性ロッドは基板ホルダの上方に配置されている。より具体的には、導電性ロッドはソースチャンバにおけるソースチャンバの対向する壁部の間に配置されるか、または当該ソースチャンバの上に配置された頂部誘電体板の内部に配置される。ソースチャンバにおいて、基板を処理するプラズマを発生するためにプラズマ放電が作られる。プロセスチャンバにおいて、基板は、基板ホルダ上に配置され、プロセスチャンバへ拡散するプラズマによって処理される。
さらに平行な複数の導電性ロッドはソースチャンバ（上部分）における対向する壁の間に配置され、複数の導電性ロッドの各々は誘電体材料で作られた円筒型チューブで被覆され、当該円筒型チューブの両端は対向する壁に気密に固定されており、さらに導電性ロッドは誘電体リングによって円筒型チューブに同軸的に設けられる、
さらに、本発明に係るプラズマ処理装置は、基板を処理するプラズマを作るようにプラズマ放電を発生させる上部分と基板ホルダ上に基板が配置される下部分とを含む反応容器と、基板ホルダの上方に配置されかつ高周波電流が流れる平行な複数の導電性ロッドとから構成され、上部分は非導電性材料を介して前記下部分に結合されるように構成することもできる。
【００１９】
導電性ロッドがソースチャンバの対向する壁部の間に配置されるとき、導電性ロッドの両端は、対向する壁部に気密に固定されている。導電性ロッドには高周波電流が流れる。
【００２０】
導電性ロッドが頂部誘電体板の内部に配置されるとき、複数の導電性ロッドの各々は、頂部誘電体板に形成された円筒形の孔の中に挿入される。
【００２１】
上記構成において、導電性ロッドの各々は、好ましくは、誘電体材料で作られた円筒型チューブで覆われている。従って、導電性ロッドは円筒型チューブによってプラズマから隔離されている。
【００２２】
さらに、導電性ロッドは円筒型チューブにおいて誘電体リングで同軸状に配置される。
【００２３】
上記の基本構成おいて、複数の導電性ロッドによって定められる平面は基板ホルダの上面に対して平行である。
【００２４】
さらに、ソースチャンバはセラミック部材を介してプロセスチャンバと結合されている。
【００２５】
ソースチャンバはアースに対して電気的に絶縁されている。こうして、望ましいプラズマを発生させることができる。
さらにプロセスチャンバ（下部分）はアースされ、当該アースに対して非導電性材料により電気的に絶縁されたソースチャンバ（上部分）は浮遊電位にされる。
【００２６】
ソースチャンバは、好ましくは、単一のキャパシタまたは平行共振回路によってアースに接続される。この構成はプラズマの特性を改善することができる。
【００２７】
上述された構成において、導電性ロッドの数と２つの隣合う導電性ロッドの間の距離は任意に変化させることができる。
【００２８】
さらに、複数の導電性ロッドはソースチャンバの外側において直列的に接続されている。
【００２９】
上記プラズマ処理装置において、好ましくは、底面にグルーブが形成された他の頂部誘電体板が上記第１の頂部誘電体板の上に配置され、そして、所定の内圧を発生させるため２つの頂部誘電体板の間のグルーブによって形成された空間にガスが導入される。
【００３０】
さらに上記のプラズマ処理装置において、上記第１頂部誘電体板には、設定温度を持つように、加熱要素を備えることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、好ましい発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。これらの実施形態の説明を通して本発明によるプラズマ処理装置の構成、プラズマのパラメータ、動作の原理が明らかにされる。
【００３２】
図１は、プラズマ処理装置の第１の実施形態を示す。
【００３３】
このプラズマ処理装置は反応容器１を備えている。反応容器１は２つの部分から構成される。それらの１つは上側に位置するソースチャンバ１１であり、他の１つは下側に位置するプロセスチャンバ１２である。反応容器１は、反応容器１の底壁を兼ねるベースプレート１３上に配置される。反応容器１の全体は、外部への電磁波の放射の伝播を止めるため、ベースプレート１３上に配置された相対的に大きなシールドケース１４によって覆われている。シールドケース１４は、例えばＡｌまたはステンレス鋼のような金属で作られている。ソースチャンバ１１とプロセスチャンバ１２の各内部空間は、単一の共通な反応容器１の内部空間を作っている。ソースチャンバ１１とプロセスチャンバ１２は、非導電性の材料であるセラミック支持部１５を介して、反応容器１を作るように結合されている。それ故に、ソースチャンバ１１とプロセスチャンバ１２は電気的に分離され、絶縁されている。
【００３４】
ソースチャンバ１１は、例えばステンレス鋼またはＡｌのごとき導電性材料によって作られている。ソースチャンバ１１はアースに対して電気的に絶縁される。ソースチャンバ１１の大きさは、臨界的なものでなく、幅に関し５０〜１００ｃｍ、長さに関し５０〜１００ｃｍ、高さに関し２０〜５０ｃｍの範囲に入るように決められる。ソースチャンバ１１は、例えばＡｌ2 Ｏ3 で作られたセラミック支持部１５上に配置される。プロセスチャンバ１２は、例えばＡｌまたはステンレス鋼のような金属で作られる。プロセスチャンバ１２はセラミック支持部１５の下に配置される。セラミック支持部１５の長さと幅はソースチャンバ１１およびプロセスチャンバ１２のそれらに対応している。セラミック支持部１５の高さは、重要ではなく、１〜５ｃｍの範囲にある。プロセスチャンバ１２は、図７に示されるように、常にアースされている。基板１７が配置された基板ホルダ１６は、プロセスチャンバ１２においてセラミック支持部１５より低い箇所に配置され、プロセスチャンバ１２の周囲壁は、安定なプラズマを維持するためにアースされている。
【００３５】
プラズマ処理装置は、ソースチャンバ１１の上壁に設けられた上流側に位置するガス吹出し口１８を含む作用ガス供給機構を備えており、さらに基板の上側に配置される下流側に位置するガス吹出し口１９を含む反応ガス供給機構を備えている。
【００３６】
複数の円筒型直線状誘電体チューブ２１がソースチャンバ１１において基板ホルダ１６の上方に配置されている。これらのチューブ２１は、相互に平行であって、望ましい所定の間隔で、かつ１つの平面内に存在するように配置されている。チューブ２１はまたソースチャンバ１１における２つの対向する側壁の間に配置され、チューブ２１の各々の両端部は２つの壁の各々に固定されている。
【００３７】
上記の円筒型直線状誘電体チューブ２１はパイレックス（耐熱ガラス）、石英、アルミナ、ホウ素窒化物のいずれかによって作られている。チューブ２１の各々は、２つの対向する側壁に作られた孔を通してソースチャンバ１１に挿入され、図２に示された結合機構２２によってソースチャンバ１１の外壁に気密に固定されている。図１〜図３に示されるように、導電性直線状ロッド（棒状部材）２３がチューブ２１の各々に挿入されている。従って、導電性ロッド２３は、ソースチャンバ１１において生成されたプラズマから隔離する目的で、チューブ２１によって覆われている。さらに、複数の導電性ロッドも同様に平行なパターンにて配置される。外方に延びるチューブ２１は、その長さが可能な限り短くなるように保持される。このことは、導電性ロッド２３の長さを短くするのに役に立つ。図２に示されるように、ＡｌまたはＣｕによって作られた導電性ロッド２３は、チューブ２１の中で、例えばセラミックリング２４のごとき誘電体リングに支持されることにより同軸的に配置される。各導電性ロッド２３の１つの端部はマッチングボックス２６を経由して高周波電力源２５に接続され、これに対してその他の端部はアースされている。
【００３８】
図２は結合機構の内部構造を示す。ソースチャンバ１１の側壁１１ａには規則正しい間隔で配置された孔を備えており、その孔を通して円筒型直線状誘電体チューブ２１が気密に固定機構によって当該側壁１１ａに固定されている。この固定機構は、ボルト３２とＯリング３３によりチャンバ側壁１１ａに固定されたフランジ部材３１と、フランジ部材３１とチューブ２１の間にあるＯリング３４と金属リング３５と、当該チューブを固定するためフランジ部材３１にねじ結合されるキャップ部材３６より成る。図２に明らかに示されるように、円筒型誘電体チューブ２１と当該チューブ２１の内部空間に配置された導電性ロッド２３との間にはセラミックリング２４が設けられる。
【００３９】
前述の反応容器１におけるプラズマ作用のためのガスや圧力の設定は、以下に説明される。作用ガス(working gas) 、例えばＡｒ，Ｈｅ，Ｏ2 ，Ｎ2 などは、作用ガス供給機構の上流側ガス吹出し孔１８を通ってソースチャンバ１１の中に供給される。反応ガス、例えばＣＦ4 ，ＣＨ2 ，Ｆ2 ，ＳｉＨ4 ，Ｏ2 などは、基板ホルダ１６の上方数センチの位置であって導電性ロッド２３の成す平面より下側に位置する下流側ガス吹出し孔１９を通ってソースチャンバ１１の中に供給される。ソースチャンバ１１とプロセスチャンバ１２の内部は、プロセスチャンバ１２の側壁に設けられた排気ポート２７によって排気される。圧力は５〜５０mTorr の範囲に設定されている。
【００４０】
ここで、プラズマ発生の機構を説明する。ｌを導電性ロッド２３の長さ、ｒをその半径として、ｌ＞＞ｒという条件を備えた導電性ロッド２３を通して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波（ｒｆ）電流が流れるとき、導電性ロッド２３の軸に対して垂直な面内で環状の交番的磁場が生成される。この作用は、上記高周波電流の周波数と等しい周波数を持った交番的電場の生成をもたらす。振動する誘導的電場によってエネルギを得た電子は、導電性ロッド２３の近傍の分子の全部あるいは一部を分解し、ガス分子やガス原子を部分的にイオン化させ、その結果、図３に示されるようにプラズマ４１を生じさせる。
【００４１】
プラズマ４１は、主として、導電性ロッド２３が同軸的に配置された円筒型誘電体チューブ２１の周りに、シースの厚みδの距離を隔てて形成される。図１に示された導電性ロッド２３の構成は、２つの隣合う導電性ロッド２３の間の距離（ｓ）と高周波電流の大きさとにより２つの異なるメカニズムによってプラズマを生成する。
【００４２】
もし上記２つの導電性ロッド２３の間の距離が十分に大きいとき、および／または、高周波電流が十分に小さいとき、誘導される磁場４２のパターンは図４に示されたようになる。変動する磁場４２は、その方向が磁場の方向に垂直である交番的な電場の生成をもたらす。等しい誘導電場を持つ電気力線の大部分は、導電性ロッド２３の周りの円形パターンに存在する。電子は電場によってエネルギを得、上記で説明したようにプラズマを生成する。
【００４３】
もし距離ｓが十分に小さくときおよび／または高周波電流が十分に高いとき、誘導された磁場４２のパターンは図５に示されるようになる。変動する磁場４２に起因する誘導された電場の方向は磁場の方向に垂直である。誘導された電場で等しい電場を持つ電気力線の大部分は、導電性ロッド２３によって定められる平面に平行である。電子は、この電場によってエネルギを得、そして上記で説明されたごとくプラズマ４１を生成する。
【００４４】
ソースチャンバ１１において円筒型誘電体チューブ２１の各々の周りに生成されたプラズマ４１は他の領域に拡散し、反応容器１の壁部によって閉じ込められた大面積のプラズマを形成す。プラズマ４１の下流側であって導電性ロッド２３の成す平面に平行である平面でのプラズマ密度は、図６に示されるように変化する。導電性ロッド２３に近い距離（ｄ）の場所においてプラズマは不均一状態
（Ｇ１）であり、そのことは、すなわち、２つの隣合うロッド２３の中央部とロッド２３に近い領域との間ではプラズマ密度に差異があるということである。しかしながら、距離ｄがさらに下流の方向に増大するとき、均一なプラズマ密度を持つ平面（Ｇ２）を得ることができる。均一なプラズマ密度を持つ平面と導電性ロッドが成す平面との間の距離は、ガスの流れと圧力に依存する。
【００４５】
しかしながら、２つの隣合うロッド２３の中央部とロッド２３に近い領域との間のプラズマ密度の差異は、２つのロッドの距離ｓを減少させることによって減少させることができる。それ故に、均一に分散したプラズマを、導電性ロッド２３の成す平面により近い平面で得ることができ、その結果、より低いアスペクト比を持つソースチャンバを達成することができる。
【００４６】
前述したプラズマ処理装置の構成によれば、反応容器の周りに巻かれた高周波コイルあるいは反応容器の１つの壁として誘電体板を使うことなく、その代わりに、より小さい直径の誘電体チューブで覆われ、かつ反応容器の内部空間に配置された複数の直線的な導電性ロッド２３が使用される。それ故に、反応容器１の大きさ、特にプロセスチャンバ１２を大きくする場合に、大きな面積の均一なプラズマを得ることができる。
【００４７】
導電性ロッド２３の数および２つの隣合うロッド２３の間の間隔は、反応容器１の寸法あるいは要求される他の条件に依存して任意に変化させることができる。結果として、低いアスペクト比の構成を有するプラズマ処理装置を実現することができる。
【００４８】
加えて、図７、図８、図９に示されるように、ソースチャンバ１１は、そこで生成されたプラズマ４１の特性を改善するため変形することが可能である。
【００４９】
図７はソースチャンバ１１がアースケーブル５１によって直接にアースされることを示している。しかしながら、もしソースチャンバ１１が直接にアースされるならば、チャンバ壁部における電子の損失が高くなり、それ故に、プラズマ密度は低減する傾向となる。チャンバ壁部との衝突によって電子やイオンが損失することを最小化するため、ソースチャンバ１１を、キャパシタによって、またはインダクタと可変キャパシタが並列に接続され並列共振をするように構成された回路を含む他の高周波インピーダンス回路によって、浮遊電位状態またはアース状態に置くことが提案される。そこで、図８はソースチャンバ１１がキャパシタ５２によってアースに接続されること、図９はソースチャンバ１１が平行共振回路５３によってアースに接続されることをそれぞれ示している。図９に示された構成は、平行共振回路５３の共振周波数が高周波電力源２５の周波数と等しくなる場合に、振動するプラズマ電位の振幅の増大をもたらす。
【００５０】
上記第１の実施形態の他の変形例として、反応ガスが作用ガスと混合されて同様に上流側ガス吹出し孔１８を通して加えられることが可能である。この変形された構成は、反応ガスのガス吹出し孔１９のシャドー効果を減少させることができる。何故なら、プラズマ処理装置は、これらのガス吹出し孔を持つことなく作られ得るからである。
【００５１】
図１０はプラズマ処理装置の第２の実施形態を示す。この構成において、複数の導電性ロッド２１を接続する外部の回路のみが変更され、これに対してすべての他のハードウェア的な構成要素は第１の実施形態と同じに維持される。導電性ロッドにおける電流の流れのパターンは、第１実施形態の場合のそれと類似している。それ故に、導電性ロッドの数は、ロッド間の間隔を減少させることによって増大させることができる。このことは、導電性ロッドの平面とこの導電性ロッドに近い均一なプラズマ密度を持つ平面との間の距離の減少させる。
【００５２】
前述した実施形態において、プラズマ処理装置は、プラズマ分布を制御するための複数のマグネットロッドを含むことができる。これらのマグネットロッドは好ましくは導電性ロッドの近くに配置される。
【００５３】
図１１、図１２、図１３は本発明の第３の実施形態を示す。第３の実施形態の構成は、実用的なプラズマ処理装置に適したものである。この実施形態のプラズマ処理装置における反応容器６０は円筒形側壁６１を有する。円筒形側壁６１は、金属で作られた第１部分６１ａと第２部分６１ｂと、誘電体で作られた第３部分６１ｃとから構成される。円筒形側壁の第１部分６１ａは上記ソースチャンバ１１を形成し、第２部分６１ｂは上記プロセスチャンバ１２を形成する。第３部分６１ｃは、第１部分と第２部分の間に配置されそれらを電気的に絶縁する上記セラミック支持部１５と実質的に同一である。プロセスチャンバは排気ポート２７を備えたベースプレート１３を有しており、そこには基板ホルダ１６が配置されている。平行な位置関係にあるいくつかの円筒形孔６２ａを有した薄い誘電体スラブ（slab）６２がソースチャンバ１１の上において第１頂部板として配置されている。いくつかの円筒形孔６２ａの中には、いくつかの導電性ロッド２３が互いに平行に配置されている。第１頂部板６２の上にはグルーブ６３ａ（英文明細書には“grove ”と記載されるが、図から明らかなように６３ａは隙間を形成する溝またはくぼみを指しているので、英語技術用語として正しくは“groove”であり、“grove ”が単純な誤記であることは明らかである。ここでは表音を考慮して「グルーブ」という用語に置き換える。「グルーブ」は溝またはくぼみの意味で用いる。）を備えた第２頂部板６３が設けられ、第２頂部板６３は誘電体で作られている。第１および第２の頂部板は、全体として反応容器６０の頂部板を形成する。
【００５４】
上記第１および第２の実施形態と比較して当該第３実施形態における主たる違いは、反応容器の内部空間にいくつか円筒型直線誘電体チューブ２１を分けて配置する代わりに、上記薄い誘電体スラブ６２の中に平行に導電性ロッド２３を配置したことにある。導電性ロッド２３の配置状態が、縦断面図を示す図１２および図１３に示される。加えて上記構成の上面図が図１４に示され、ここでは第２頂部板６３は除かれている。
【００５５】
導電性ロッド２３の直径と長さは、それぞれ２〜６ｍｍと３００〜６００ｍｍの範囲に含まれる。すべての導電性ロッド２３は同じ長さを有しており、同一平面上に平行に存在する。各端部において、すべての導電性ロッド２３は２つの金属ストリップ（metal strip ）に固定されており、これらの金属ストリップは通常では銅（Ｃｕ）で作られている。金属ストリップ６４の１つはマッチングボックスを通して高周波電力源２５に接続され、これに対し他の金属ストリップ６４は接地されている。こうして金属ストリップ６４は、各導電性ロッド２３に均一な電流を流すため、図１４に示される通り、高周波電力源に接続され、接地されている。
【００５６】
これらの導電性ロッド２３は、誘電体スラブ６２を貫通するように形成された円筒形孔６２ａの中に挿入されている。円筒形孔６２ａの内径は導電性ロッド２３の直径よりも１〜２ｍｍ大きくなっている。通常、誘電体スラブ６２として石英が用いられている。しかしながら、他の誘電体物質を同様に用いてもよい。四角形の誘電体スラブ６２の寸法は重要なことではなく、３００ｍｍ×３００ｍｍから６００ｍｍ×６００ｍｍの範囲で変化させることができる。もし円形の誘電体スラブが用いられる場合、その直径は３００ｍｍから６００ｍｍの間で変化させることができる。応用のタイプに依存して誘電体スラブ６２に他の寸法を用いることも可能である。誘電体スラブ６２の厚みはできるだけ小さくされなければならず、通常１０ｍｍから２０ｍｍの範囲に含まれる。
【００５７】
図１５に示されるように、誘電体スラブ６２の上面には、誘電体スラブ６２を加熱するために加熱コイル６５がジグザグに配置される。加熱コイル６５は第２頂部板６３の下側表面に同様に配置することもできる。加熱コイル６５はＡＣ電源（１００Ｖ，５０／６０Ｈｚ）または直流電源のいずれかに接続される。加えて、熱電対６６が図１１、図１２、図１５に示されるように誘電体スラブ６２の中に挿入される。熱電対６６と加熱コイル６５は誘電体スラブ６２を設定温度に維持するために温度制御ユニットに接続される。温度制御ユニットとＡＣ電源またはＤＣ電源とは、において示されていない。
【００５８】
導電性ロッド２３が挿入された誘電体スラブ６２の上には第２頂部板６３があり、第２頂部板６３は、誘電体スラブ６２に向かう側に作られた大きなグルーブ６３ａを有している。このグルーブ６３ａは円形形状を有し、その直径は円筒形側壁６１の内径に等しく、当該円筒形側壁６１ではプラズマが生成され、維持される。グルーブ６３ａの深さは２ｍｍから３０ｍｍの範囲で変化させることができる。誘電体の第２頂部板６３は誘電体スラブ６２の上に配置され、グルーブ６３ａによって形成される狭い空間を真空にするため、両者の間には真空シールが設けられる。第２頂部板６３では、グルーブ６３ａにつながるガス導入ポート６７とガス排出ポート６８が設けられる。ガス排出ポート６８はグルーブ６３ａの内部圧力を制御するために、可変オリフィスを介して真空ポンプに接続されている。可変オリフィスと真空ポンプの図示は省略されている。
【００５９】
第２頂部板６３を用いる目的は、容量結合による高周波電流の損失を最小化することにある。何故ならば、図１６に示されるように、もし導電性ロッド２３に接近した位置に接地された金属板６９があるとすると、この金属板と導電性ロッドの間の容量結合によって高周波電流が損失する。このことは、不均一なプラズマをもたらす、導電性ロッドに沿った電流傾斜の原因となる。それ故に、導電性ロッドに接近していかなる導電性平面があってもいけない。この要求を満足させるために、第２頂部板６３は誘電体で作られている。
【００６０】
薄い誘電体スラブを選択する理由は、誘電体スラブの全体を通して均一な温度を維持することにある。半導体処理において、反応容器の加熱された（あるいは冷却された）壁面を用いることが必要とされ、反応容器内で生成されたプラズマは当該壁面に直接に接触する。それ故に、その下側表面がプラズマに接触するので、誘電体スラブ６２に対し最小の厚みを選択することが重要である。より厚い誘電体スラブは、大抵、加熱方法に拘らず、その表面に渡って均一な温度を作り出さない。
【００６１】
しかしながら、薄い誘電体スラブが用いられる場合、圧力差に対する誘電体スラブの強さは大きな問題である。この問題を解決するために、薄い誘電体スラブの上に、下側表面にグルーブ６３ａを有した第２頂部板６３を置くことにより、第２頂部板６３と薄い誘電体スラブの間に薄い空気ギャップまたは狭い空間が作られる。グルーブ６３ａによって作られる狭い空間の内部圧力は、差圧に起因する誘電体スラブ６２での引っ張り（strain）を最小にするため、反応容器６０の圧力と等しくなるように維持される。
【００６２】
不活性ガス、通常Ａｒ（アルゴン）が、グルーブ６３ａによって作られた狭い空間を通して流される。この場合、グルーブ６３ａの深さは可能な限り短くされ、通常約２ｍｍである。さもなくば、当該グルーブの中にプラズマが生成される。もしグルーブがより大きな深さ、例えば５ｍｍより大きいものが用いられる場合、グルーブの内部圧力は反応容器６０の内部圧力よりも、より小さく低減されなければならない。この場合には、プラズマはグルーブ内で生成されない。通常Ａｒガスについて１０-5Torrよりも小さい圧力では、プラズマは生成されない。グルーブの深さに５ｍｍよりも大きな深さが用いられる場合、第２頂部板６３は誘電体の代わりに金属で作られる。
【００６３】
上述したように、円筒形側壁６１は、ソースチャンバ１１としての第１部分６１ａから成る上部チャンバと、プロセスチャンバ１２としての第２部分６１ｂから成る下部チャンバとに分けられる。上部チャンバ、下部チャンバ、そして第３部分６１ｃの各々の直径は同じである。プロセスチャンバとしての下部チャンバは、第１および第２の実施形態で述べたように、常に接地されている。上部チャンバの電気的状態は、第１実施形態において説明されたように、変化させることができる。上部チャンバの高さと下部チャンバの高さは重要な事項ではない。例えば、下部チャンバの高さは、第３部分６１ｃを省略することによって誘電体スラブ６２の所まで延長させることができる。しかしながら、反対に、上部チャンバをベースプレート１３に向かって下方へ延長することは、上部チャンバが浮動状態にあるとき、プラズマの安定性にとって適切ではない。
【００６４】
図１３に示されるように、反応ガスがいくつかのノズル７０を通して反応容器６０のソースチャンバ１１に供給され、これらのノズルは円筒形側壁６１の第１部分６１ａに形成されている。最初、反応ガスまたはガス混合体は円筒形側壁６１の第１部分の６１ａに作られた円形通路７１に供給される。それから、反応ガスまたはガス混合体は、ノズル７０を通して円形通路７１から内部空間へ向かい、ソースチャンバの中へ導入される。
【００６５】
第３実施形態において円筒形状をした上部チャンバと下部チャンバは反応容器として用いられるけれども、第１実施形態で与えられたように、四角形の上部チャンバおよび下部チャンバを用いてもよい。この場合に、第１および第２の頂部板とそのグルーブの形状は、同様に、相対的寸法を有した矩形形状になる。もし円筒形側壁が用いられる場合には、プラズマが直接接触する表面領域は最小になる。このことはパーティクル汚染を最小にすることを導く。
【００６６】
第３実施形態におけるプラズマ生成機構は、前述の実施形態で説明されたものと同じである。
【００６７】
第３実施形態の構成に従えば、ソースチャンバ１１において導電性ロッド２３とチューブ２１に邪魔されることなく、プラズマを生成することができ、一方において、導電性ロッド２３を生成されたプラズマから保護することができ、何故ならば、導電性ロッドが第１頂部板となる薄い誘電体スラブ６２の中に配置されるからである。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によるプラズマ処理装置は、処理平面において、均一に分布した大きな面積の高密度のプラズマを生じさせることができ、より低いアスペクト比を持つ構成を実現することができ、反応容器の強度を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の内部の構造を示す概念的な図である。
【図２】誘電体チューブをソースチャンバに固定する構造と、誘電体チューブの真中に導電性ロッドを維持させる構造を示した断面図である。
【図３】誘電体チューブの周りに生成されたプラズマの断面図である。
【図４】２つの隣合う導電性ロッドの間の距離が大きい場合にプラズマ生成のメカニズムを示すための断面図である。
【図５】２つの隣合う導電性ロッドの距離が小さい場合にプラズマ生成プロセスのメカニズムを示す断面図である。
【図６】導電性ロッドの成す平面に平行な下流側平面におけるプラズマ密度の変化を示すための概念的な図である。
【図７】ソースチャンバがアースされている時のプラズマ処理装置の断面図である。
【図８】ソースチャンバがキャパシタを介してアースされている時のプラズマ処理装置の断面図である。
【図９】ソースチャンバが可変キャパシタと誘導コイルを含む平行共振回路を介してアースされている時におけるプラズマ処理装置の断面図である。
【図１０】導電性ロッドの他の配列を持った第２の実施形態を示す平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態によるプラズマ処理装置の全体構造と内部構造を示す概略構成図である。
【図１２】内部構造を示すプラズマ処理装置の垂直断面図である。
【図１３】内部構造を示すプラズマ処理装置の他の垂直断面図である。
【図１４】誘電体スラブの上面図である。
【図１５】加熱コイルを備えた誘電体スラブを示す上面図である。
【図１６】導電性ロッドに接近した接地された金属プレートがある場合の、電流の減衰を示す解説図である。
【図１７】円筒型構成を持つ誘導型駆動プラズマ源を示した概念図である。
【図１８】平板型構成を持った誘導型駆動プラズマ源を示した概念図である。
【図１９】誘導型駆動プラズマ源の径方向のプラズマ密度の変化を示すグラフである。
【図２０】プラズマが小さい直径のソースチャンバで生成され、より大きい直径のプロセスチャンバに送られるようにした誘導型駆動プラズマ源を示す概念図である。
【符号の説明】
１                    反応容器
１１                  ソースチャンバ
１２                  プロセスチャンバ
１３                  ベースプレート
１４                  シールドケース
１５                  セラミック支持部
１６                  基板ホルダ
１７                  基板
２１                  誘電体チューブ
２３                  導電性ロッド
２５                  高周波電力源
６１                  円筒形側壁
６１ａ                第１部分
６１ｂ                第２部分
６１ｃ                第３部分
６２                  薄い誘電体スラブ
６３                  第２頂部板
６３ａ                グルーブ
【図１】
0003907087.tif 000002
【図２】
0003907087.tif 000003
【図３】
0003907087.tif 000004
【図４】
0003907087.tif 000005
【図５】
0003907087.tif 000006
【図６】
0003907087.tif 000007
【図７】
0003907087.tif 000008
【図８】
0003907087.tif 000009
【図９】
0003907087.tif 000010
【図１０】
0003907087.tif 000011
【図１１】
0003907087.tif 000012
【図１２】
0003907087.tif 000013
【図１３】
0003907087.tif 000014
【図１４】
0003907087.tif 000015
【図１５】
0003907087.tif 000016
【図１６】
0003907087.tif 000017
【図１７】
0003907087.tif 000018
【図１８】
0003907087.tif 000019
【図１９】
0003907087.tif 000020
【図２０】
0003907087.tif 000021