(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマが形成される筒状のプラズマ生成室と、
高周波磁界を形成する励起コイルと、
前記プラズマ生成室の端面から側面へと前記高周波磁界の磁束線を導き、前記側面から前記端面へと帰還する磁束線の磁路が形成される磁路構造体とを備え、
前記磁路構造体は、（ａ）前記励起コイルの内側に配設されて前記高周波磁界の磁束線を前記端面を通って前記プラズマ生成室内へと導く第１の軟磁性体部材と、（ｂ）前記筒状プラズマ生成室の外側部に配設されて前記プラズマ生成室内へと導かれた前記磁束線を前記側面へと導く第２の軟磁性体部材と、（ｃ）前記第１の軟磁性体部材を挟んで前記端面と反対側に配設されて前記側面へと導かれた磁束線を前記第２の軟磁性体部材を通って前記第１の軟磁性体部材へと帰還させる第３の軟磁性体部材とを有することを特徴とする高周波誘導結合プラズマ生成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高周波誘導結合プラズマ生成装置と、
前記プラズマにより処理される被処理体が収容されるチャンバとを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波誘導結合プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェハやガラス基板などにエッチング、成膜、スパッタリング等の処理を施す基板処理装置として、プラズマを利用してそれらの処理を行うものがある。これらの基板処理装置に利用されるプラズマ生成装置の一つとして、誘導結合プラズマ励起法によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ生成装置がある。誘導結合型プラズマ生成装置では、プラズマ生成室の近傍に設けられた励起コイルに高周波電流を流してプラズマ生成室内に高周波磁界を生成する。高周波磁界はプラズマ生成室内に高周波誘導電界を誘起し、この誘導電界によってプラズマ生成室内のガスをイオン化することによってプラズマが生成される。
【０００３】
図６は従来のプラズマ生成装置の一例を示したものであり、図６（ａ）は励起コイルとしてソレノイド型コイル１００を用いるものであり、図６（ｂ）は平面型コイル１０４を用いるものである。図６（ａ）の装置では、ソレノイド型コイル１００を、プラズマ生成室を構成する管状チャンバ１０３の周囲に巻き付けるような形態で配置する。ソレノイド型コイル１００には整合器１０１を介して高周波電源１０２からの高周波電流が供給され、コイル１００の中心軸に平行な高周波磁界が管状チャンバ１０３内に形成される。その結果、管状チャンバ１０３内にプラズマＰが生成される。
【０００４】
一方、図６（ｂ）に示す装置では、チャンバ１０５の上端面に高周波導入窓１０６が設けられ、高周波導入窓１０６の外側に平面型コイル１０４が配設されている。平面型コイル１０４により形成された高周波磁界は高周波導入窓１０６からチャンバ１０５に侵入し、チャンバ１０５内の高周波導入窓１０６に近接した空間領域にプラズマＰが生成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなプラズマ生成装置が使用される基板処理装置においては、基板の大口径化が進展しつつあり、プラズマ生成装置に対しては、より大きなプラズマ領域の生成が要求されている。そのため、図６（ａ）のソレノイド型コイル１００を用いる装置の場合は、大口径基板に対応するにはコイル径を大きくするとともに、それに伴って十分な磁束密度を確保するためにコイル巻き数を多くする必要がある。
【０００６】
しかしながら、コイル形状の拡大はインダクタンスの増加と、巻き線の長さの増加による損失抵抗の増大を伴う。周波数一定であればインダクタンスの増加は電流阻止リアクタンスとして作用するので、整合器１０１で整合をとることによりこれを補正することになる。しかしながら、この補正は整合器１０１に設けられたキャパシターのキャパシタンスＣを小さくすることにより行われるので、寄生容量の影響を受けやすくなる。すなわち、整合条件が安定調整域を逸脱する方向に変化し、プラズマ生成が不安定となりやすい。
【０００７】
一方、図６（ｂ）の装置では、巻き数を多くしてコイル径を大きくしても、コイル中心部分の磁界強度がより大きくなるだけで、期待したようにプラズマ領域の拡大を図ることができないばかりか、均一性が低下するという問題があった。また、平面型コイル１０４の場合には、コイル下側のチャンバ空間だけでなくコイル上側の空間にも磁界が形成されるため、プラズマへのエネルギー伝達効率が劣るという欠点があった。
【０００８】
本発明の目的は、エネルギー伝達効率の低下を防止しつつプラズマ領域の拡大が図れるとともに、均一なプラズマを形成することができる高周波誘導結合プラズマ生成装置およびプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１および図２に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明による高周波誘導結合プラズマ生成装置は、プラズマが形成される筒状のプラズマ生成室２と、高周波磁界を形成する励起コイル６と、プラズマ生成室２の端面から側面へと高周波磁界の磁束線２０を導き、側面から端面へと帰還する磁束線の磁路が形成される磁路構造体７とを備え、磁路構造体７は、（ａ）励起コイル６の内側に配設されて高周波磁界の磁束線２０を端面を通ってプラズマ生成室２内へと導く第１の軟磁性体部材７Ａと、（ｂ）筒状プラズマ生成室２の外側部に配設されてプラズマ生成室２内へと導かれた磁束線２０を側面へと導く第２の軟磁性体部材７Ｂと、（ｃ）第１の軟磁性体部材７Ａを挟んで端面と反対側に配設されて側面へと導かれた磁束線２０を第２の軟磁性体部材７Ｂを通って第１の軟磁性体部材７Ａへと帰還させる第３の軟磁性体部材７Ｃとを有することを特徴とする。
（２）請求項２の発明によるプラズマ処理装置は、請求項１に記載の高周波誘導結合プラズマ生成装置と、プラズマにより処理される被処理体が収容されるチャンバ１２とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による高周波誘導結合プラズマ生成装置の一実施の形態を示す図である。図１はプラズマ生成装置の概略構成を示したものであり、一点鎖線よりも図示上側の部分Ｂがプラズマ生成装置１を構成している。プロセス室である真空チャンバ１２の上部にはプラズマ生成装置１のプラズマ室２を形成するプラズマ室ボディ３が設けられている。プラズマ室ボディ３は従来装置の高周波導入窓と同様にセラミックスなどで形成されており、高周波磁界はプラズマ室ボディ３を通してプラズマ室２内へ侵入する。真空チャンバ１２は排気口１２ａに接続された真空ポンプ（不図示）により真空排気される。
【００１２】
図１に示すプラズマ生成装置１ではプラズマ室ボディ３は円筒形を成しており、プラズマ室ボディ３の外側には、円筒端面に対向するように励起コイル６が設けられている。励起コイル６は２ターンのソレノイド型コイルであり、整合器８を介してＲＦ電源９が接続されている。なお、本実施の形態では、励起コイル６はソレノイド型コイルとしたが、例えば、１ターンの平面型コイルとしても良い。ＲＦ電源９の周波数としては、経済性を考慮して１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度が用いられるが、本実施の形態では１３．５６ＭＨｚの高周波電源が使用される。
【００１３】
整合器８にはインピーダンス整合用のキャパシタが設けられており、このキャパシタのキャパシタンスを調整することにより整合条件の調整を行うことができる。プラズマを生成する際には、アルゴンガス等がプラズマ室２内に導入される。プラズマ室ボディ３の周囲には、プラズマ室ボディ３を覆うように磁路構造体７が設けられている。磁路構造体７は、後述するように励起コイル６で形成された磁束のリターン回路を構成しており、高周波特性の良い、すなわち励振周波数域での損失特性に優れた軟磁性体材料により形成される。例えば、鉄、ニッケル、コバルト等が用いられる。
【００１４】
プラズマ室２と真空チャンバ１２との間には、導電性のグリッド型アパーチャ４が設けられている。アパーチャ４には電源５により電圧Ｖaccが印加されている。このアパーチャ４によりプラズマ室２にプラズマが閉じこめられるとともに、プラズマ中から引き出されたイオンが加速電圧Ｖaccにより図示下方に加速される。その結果、プラズマ生成装置１からイオンビームが引き出され、様々なプロセスに利用される。本実施の形態では、真空チャンバ１２内には走査式のファラデーカップ１０が設けられており、これを用いてイオンビームの電流密度を計測することができる。イオン電流は微小電流計１１により計測される。
【００１５】
図２は磁路構造体７の具体例を示す図である。図２（ａ）に示すように、磁路構造体７は機能的に３つの部分から成る。第１は、励起コイル６の内部に配置されてコイル中心部分の磁束をまとめるとともに分布を均一化するコア部７Ａである。磁束線２０はこのコア部７Ａの下端面からプラズマ室２内に入り込む。第２は、励起コイル６およびプラズマ室ボディ３の外周部に設けられて、コア部７Ａの端面を出た磁束線２０をプラズマ室ボディ３の側面部分へと導く側面リターン部７Ｂである。プラズマ室ボディ３の側面部分を通過した磁束線２０は円筒状の側面リターン部７Ｂへと入る。第３は、側面リターン部７Ｂに侵入した磁束線２０をコア部７Ａに帰還させる背面リターン部７Ｃである。
【００１６】
高周波エネルギーは、励起コイル６から誘導磁界エネルギーとして放射され、プラズマ室２内のプラズマに供給される。なお、図２（ａ）では磁路構造体７を機能毎に７Ａ，７Ｂ，７Ｃに分けて示したが、必ずしも３分割されていることを意味するものではなく、磁路構造体７は一体に形成されていても良い。
【００１７】
図２（ａ）に示す例では、側面リターン部７Ｂの上端面を背面リターン部７Ｃの下端面に密着させているが、必ずしも密着させる必要はない。例えば、図７（ｂ）のように離れていても良い。軟磁性体である磁路構造体７の透磁率は空気の透磁率よりもはるかに大きいため、側面リターン部７Ｂの上端面を出た磁束線２０はほぼ全てが背面リターン部７Ｃへと入る。
【００１８】
図３は、本実施の形態のプラズマ生成装置１における高周波磁界の様子を、平面型コイルを用いた従来の装置と比較して示した図である。図３（ａ）は図２（ａ）と同様の図である。上述したように、本実施の形態のプラズマ生成装置１では、側面リターン部７Ｂを設けてコア部７Ａの下端面を出た磁束線２０を側面リターン部７Ｂ方向に導くことにより、プラズマ室２の全体に強度的に一様な磁界を形成することができる。一方、図３（ｂ）は、従来の平面型コイルを用いた場合の磁束線の状況を示したものである。コイル２１で形成される高周波磁界は磁束線２２で示すように、プラズマ室２３の内部だけでなく、外部空間にも大きく分布している。
【００１９】
このように、図３（ａ）に示す本実施の形態では、コア部７Ａの下端面を出た磁束線２０はほとんどが側面リターン部７Ｂに入り、それらは側面リターン部７Ｂおよび背面リターン部７Ｃの内部を通ってコア部７Ａの他端面に入る。すなわち、磁束線２０はプラズマ空間以外は磁路構造体７の内部にあって、図３（ｂ）に示す従来の装置のように装置外の空間に磁界は形成されない。そのため、プラズマへのエネルギー伝達効率が向上する。
【００２０】
さらに、側面リターン部７Ｂにより磁束線２０をプラズマ室側面方向に導くことにより、プラズマ室２内の磁束密度が均一となる。その結果、プラズマ室２内の広い領域にわたって均一なプラズマを形成することができる。図３（ｃ）はプラズマ密度の分布を定性的に示したものであり、横軸はプラズマ室の径方向位置を表している。本実施の形態の場合には、上述した理由から曲線Ｌ１で示すように均一な分布が得られる。一方、図３（ｂ）の平面型コイルを用いた装置では、コイル中心部分の磁界強度が大きいためにＬ２で示すように中心部分の分布が他の部分よりも大きくなり、均一性に劣っている。
【００２１】
磁路構造体７を設けたことにより、励起コイル６で形成された高周波磁界の磁束線２０は、プラズマ空間を通って磁路構造体７の側面リターン部７Ｂ方向に導かれる。そのため、要求されるプラズマ領域の大きさに応じて励起コイル６の径を大きくしなくても、磁束線２０をプラズマ領域の全体と交差させることができる。励起コイル６の径を変えなくても良いということは、コイルの巻き線の長さに起因するリアクタンスの変化や、抵抗損失を避けることができ、インピーダンス整合が不安定となるのを防止することができる。
【００２２】
本実施の形態のプラズマ生成装置１の特徴をまとめると以下のようになる。
（ａ）磁路構造体７を設けたことにより、プラズマ領域に誘導される磁界強度を高めることができる。すなわち、プラズマに対する高周波エネルギーの誘導結合効率が向上し、単位投入電力当たりのプラズマ活性度が増大する。
（ｂ）平面型コイルだけで形成される誘導磁界はコイル面に対して対称であるが、磁路構造体７を設けることにより、図３（ａ）に示すようなコイル６だけでは作ることができない非対称な空間磁界分布を励振することができる。すなわち、高周波エネルギーの利用効率が向上し、電磁波の不要な輻射および排出熱量が低減される。
（ｃ）ソレノイド型コイルにおいて、コイル６がプラズマ領域を囲むような構成でなくても、磁路構造体７を設けることによりプラズマ領域全域に誘導磁界を励振することができる。すなわち、磁路構造体７が誘導磁界強度分布（すなわち、プラズマ活性度分布）に対して支配的となり、プラズマ活性度分布の均一性を容易に制御できる。
【００２３】
（実施例）
図４はプラズマ生成装置１の具体的な実施例を示す図であり、プラズマ生成装置の各部の寸法を示したものである。各部の寸法は以下のようになっている。
(1)プラズマ室ボディ３の内径＝２２０(mm)
(2)励起コイル径＝２００(mm)
(3)コア部７Ａの外径＝１８０(mm)
(4)アパーチャ４のグリッド開口部の径＝２１０(mm)
(5)アパーチャ４とファラデーカップ１０との間の距離＝３００(mm)
【００２４】
また、磁路構造体７を構成する軟磁性体材料の比透磁率は１００、励起コイル６の総合的な自己インダクタンスは２．０（μＨ）、高周波電源１１の周波数は１３．５６（ＭＨｚ）、入力高周波電力は５００（Ｗ）、電源５の加速電圧はＶacc＝１．０(kV)、アルゴンガスの流量は５０(sccm)とした。
【００２５】
上述した構成において、ファラデーカップ１０を径方向（図示左右方向）に走査して、プラズマ室２から引き出されるイオンビーム電流密度の分布プロファイルを計測した。図５は、計測により得られた分布プロファイルＬ３を示す図である。図５において、縦軸はイオンビーム電流密度を表しており、単位は任意単位（Ａ．Ｕ．）である。また、横軸は、励起コイル６の中心（プラズマ室２の中央）を原点とした、径方向位置を示している。
【００２６】
分布プロファイルＬ３のピーク部分の強度を１００％としたときに、相対強度９０％以上の範囲の直径は１７０(mm)であった。また、相対強度が５０％となる半値幅で直径＝１９０(mm)が得られた。すなわち、コア部７Ａの径をほぼ同じ径を有する均一なイオンビームを得ることができた。例えば、このプラズマ生成装置をイオンビームエッチング装置に用いれば、基板上の直径がほぼ１７０(mm)の領域全体に同時にかつ均一にイオンビームを照射することができ、エッチング処理速度を格段に向上させることができる。
【００２７】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、プラズマ室ボディ３は容器を、コア部７Ａは第１の軟磁性体部材を、側面リターン部７Ｂは第２の軟磁性体部材を、背面リターン部７Ｃは第３の軟磁性体部材をそれぞれ構成する。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、磁路構造体を設けたことにより、磁束線をプラズマ生成室内の広い領域に均一に分布させることができ、より大きな領域にプラズマを形成することができる。また、プラズマ生成室以外の不必要な空間に磁束線を分布させることなくプラズマ生成室内に集中的に磁束線を分布させることができるので、プラズマ生成室内に誘導される磁界強度を高めることが可能となり、プラズマに対する高周波エネルギーの誘導結合効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高周波誘導結合プラズマ生成装置の一実施の形態を示す図である。
【図２】磁路構造体７の具体例を示す図であり、（ａ）は第１の例を、（ｂ）は第２の例を示している。
【図３】本発明によるプラズマ生成装置１の高周波磁界の様子を従来の装置と比較して示した図であり、（ａ）は本実施の形態の高周波磁界を、（ｂ）は従来の平面型コイルの高周波磁界を、（ｃ）はプラズマ密度分布を示す図である。
【図４】プラズマ生成装置の具体例を示す図である。
【図５】図４のプラズマ生成装置により得られるイオンビームの分布プロファイルを示す図である。
【図６】従来のプラズマ生成装置を示す図であり、（ａ）はソレノイド型コイルを用いる装置、（ｂ）は平面型コイルを用いる装置である。
【符号の説明】
１  プラズマ生成装置
２，２３  プラズマ室
３  プラズマ室ボディ
４  グリッド型アパーチャ
６  励起コイル
７  磁路構造体
７Ａ  コア部
７Ｂ  側面リターン部
７Ｃ  背面リターン部
８  整合器
９  ＲＦ電源
１２  真空チャンバ
２０，２２  磁束線
【図１】
0004175021.tif 000002
【図２】
0004175021.tif 000003
【図３】
0004175021.tif 000004
【図４】
0004175021.tif 000005
【図５】
0004175021.tif 000006
【図６】
0004175021.tif 000007