(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を放電プラズマによって処理する高周波放電処理装置において、
内部に上記被加工物が設置されるとともにプロセスガスが供給される容器と、
この容器内に露出して設けられるとともに両端部が外部に導出されその一端がアースされたル−プ状アンテナと、
このアンテナの他端に接続されアンテナに高周波電流を流して変動磁界を発生させることで上記プロセスガスを励起してプラズマを生成させる高周波電源と、
この高周波電源と並列に接続され上記アンテナの周囲を覆う磁力線を発生させる直流電源とを具備し、
上記ループ状アンテナは、プラズマ状態が形成される領域に含まれる位置に設けられていることを特徴とする高周波放電処理装置。
【請求項２】
上記ループ状アンテナは巻数が複数であることを特徴とする請求項１記載の高周波放電処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は薄膜素子の製造、粒子ビーム源や分析装置などのプラズマ源に用いられる放電装置を用いた高周波処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属、半金属、半導体、酸化物、窒化物、硼素などを構成要素とする薄膜を具備する素子は、ＬＳＩ、磁気記録素子、光記録素子などの記憶装置、半導体レ−ザ、光電変換素子などの通信機器、平面デイスプレイ、固体撮像素子などの表示装置、太陽電池などのエネルギ−機器など、多種多様な装置の主要部品に応用されており、今後、機器の小型化、高性能化を進展させるための必須部品として技術的発展が期待されている。
【０００３】
上述したような薄膜素子の構造の微細化、高性能化が進むにつれ、その製造方法としては放電プラズマを用いて様々な原料を分解したり、固体材料をスパッタしたりしてＣＶＤやエッチングを行うプラズマプロセスが利用されるようになっている。そのため、プラズマ源として、無磁場や有磁場における誘導結合型の高周波プラズマが脚光を浴びている。
【０００４】
通常、無磁場や有磁場における誘導結合型高周波プラズマは、真空容器の外に置かれたル−プ状アンテナによって生成される。この方式は通常、外部アンテナ方式と呼ばれている。すなわち、この外部アンテナ方式の場合、アンテナを流れる高周波電流がつくる磁界を、真空容器に形成された石英やセラミックなどの誘電体窓を通して上記真空容器内のプロセスガスに印加してプラズマを生成するようになっている。このとき、高周波電力は誘導電磁界を通してプラズマと結合する。
【０００５】
なお、プロセスガスとしては、ＣＶＤの場合には原料ガスが用いられ、エッチングの場合にはエッチング用反応性ガスが用いられる。
しかしながら、上記アンテナの回りには強い静電界も同時に発生し、イオンを加速して誘電体窓の損傷を引き起こす。このことは単に誘電体窓の寿命を短くするだけでなく、上記窓がスパッタされることによって生じた不純物がエッチングやＣＶＤなどのプロセスを劣化させることになる。
【０００６】
このようなアンテナとプラズマとの静電的な結合は、ファラデイ−シ−ルドを施すことによって防止できるが、このシ−ルドはプラズマ生成に最も必要な電磁的結合も弱めてしまうという欠点がある。
【０００７】
上述した誘電体窓を通して電磁的結合を行う外部アンテナ方式には、窓材が金属に比べて機械的に損傷し易いという欠点の他に、導電性材料のプロセスには適用しにくいということがある。
【０００８】
すなわち、前者では機械的強度を劣化させる要因の一つにエッチングなどのプロセスによって消耗し、寿命が限られてしまうということがある。後者は誘電体窓の内面に導電性薄膜が堆積し、その膜内に流れる渦電流によってプラズマ生成に必要な電磁的結合が絶たれるため、放電が停止してしまうことがある。
【０００９】
このような問題を解決する一つの方法として、金属アンテナを真空容器内に直接配置し、これに高周波電流を流す内部アンテナ方式を採用することが考えられる。この場合も上記アンテナの表面に導電膜が堆積するが、もともとアンテナは金属製であるからなんら支障はない。
【００１０】
しかし、この方式ではアンテナが真空容器内で生成されるプラズマに直接触れるため、静電気的結合が原因で電子の損失が増え、プラズマ電位が異常に上昇し、ア−キングが起きて放電が不安定になり、プラズマ密度を上げることができなくなる。
【００１１】
上述したプラズマ電位の異常上昇は、金属アンテナの表面を誘電体で覆って絶縁することで防ぐことが可能である。しかしながら、誘電体で絶縁したアンテナの場合、前述した誘電体窓のときと同じように、イオンがアンテナ表面の誘電体をたたくためにスパッタリングが起こり、不純物の発生とアンテナの短寿命化の問題が生じることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、アンテナを真空容器の外部に設置した場合には窓部材の早期損傷や不純物の発生を招くということがあり、内部に設置した場合にはアンテナがプラズマに直接触れるため、プラズマ電位が異常に上昇してア−キングが生じ、放電が不安定になりプラズマ密度を上げることができなくなる。
【００１３】
プラズマ密度を上げるために、上記アンテナの表面を誘電体で被覆すると、スパッタリングによって不純物の発生を招いたり、アンテナが早期に損傷するなどのことが生じる。
【００１６】
この発明の目的は、容器内に設けられるアンテナの表面を誘電体で被覆しなくとも、アンテナとプラズマとの静電的結合が原因による電子の損失をなくすことで、プラズマ電位の異常上昇を招くことなく被加工物を処理できるようにした高周波放電処理装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明は、被加工物を放電プラズマによって処理する高周波放電処理装置において、
内部に上記被加工物が設置されるとともにプロセスガスが供給される容器と、
この容器内に露出して設けられるとともに両端部が外部に導出されその一端がアースされたル−プ状アンテナと、
このアンテナの他端に接続されアンテナに高周波電流を流して変動磁界を発生させることで上記プロセスガスを励起してプラズマを生成させる高周波電源と、
この高周波電源と並列に接続され上記アンテナの周囲を覆う磁力線を発生させる直流電源とを具備し、
上記ループ状アンテナは、プラズマ状態が形成される領域に含まれる位置に設けられていることを特徴とする高周波放電処理装置にある。
【００２２】
請求項２に記載された発明は、上記ループ状アンテナは巻数が複数であるあることを特徴とする。
【００２５】
【作用】
請求項１の発明によれば、アンテナを容器内に設けても、不純物の発生やアンテナの早期寿命を招くことなく被加工物をプラズマ処理することができる。
【００２６】
請求項２の発明によれば、アンテナの巻数を複数にすることで、このアンテナによって形成される磁界強度が増強され、イオンがアンテナ表面に衝突する確率が低くなる。
【００２７】
【実施例】
以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。
図２はこの発明の高周波放電処理装置を示し、同図中１はステンレス製の容器である。この容器１の底部には中途部に排気ポンプ２を有する排気管３が接続されている。上記排気ポンプ２が作動することで、上記容器１内が減圧されるようになっている。
【００２８】
上記容器１の上部にはエッチング用の反応性ガスやＣＶＤ用の原料ガスなどのプロセスガスの供給管４が接続されている。この供給管４は図示しないプロセスガスの供給部に連通している。したがって、上記容器１内にはプロセスガスが供給されるようになっている。上記容器１内にはテ−ブル６が設けられ、このテ−ブル６上には後述するごとくエッチグやＣＶＤが行われる被加工物７が載置されている。
【００２９】
さらに、上記容器１内には導電性の材料によってル−プ状に形成されたアンテナ１１が設けられている。この実施例ではアンテナ１１は複数の巻数、たとえば２巻に形成されていて、その両端部は上記容器１の周壁から外部に気密に導出されている。外部に導出されたアンテナ１１の一端はア−スされ、他端は駆動制御部１２に接続されている。
【００３０】
上記駆動制御部１２は図１に示すように高周波電源１３と、磁力発生手段としての直流電源１４とが上記アンテナ１１の他端に並列に接続されてなる。なお、アンテナ１１の巻数はなんら限定されるものでなく、複数でなく１巻であってもよいが、磁界を増強するためには複数の方がよい。
【００３１】
上記高周波電源１３を作動させて上記アンテナ１１の高周波電力を印加すると、その高周波電力によって容器１内に供給されたプロセスガスが励起され、そのガスがプラズマ状態となる。したがって、容器１内の被加工物７には、容器１に供給されるプロセスガスの種類に応じてエッチングやＣＶＤなどのプラズマ加工が行われることになる。
【００３２】
上記直流電源１４を作動させて上記アンテナ１１に直流電力を印加すると、そのアンテナ１１の周囲を後述するごとく磁力線で覆うことができる。そのため、プラズマ中の電子は上記磁力線によって上記アンテナ１１の表面と絶縁されるため、アンテナ１１とイオンとの静電的結合によってプラズマ電位が異常上昇するのが防止されるばかりか、イオンによるスパッタが生じるのも防止できる。
【００３３】
図６はアンテナ１１の周囲を磁力線Ｂ  で覆う場合を説明している。すなわち、プラズマＰ内に置かれた半径ａの直線円柱型のアンテナ１１に沿って高周波電流が流れる場合について考える。
【００３４】
まず、円柱座標系（ｒ、θ、ｚ）を図示のごとくとる。このとき、導体（アンテナ１１）表面には高周波の電荷が現れ、プラズマＰ内の荷電粒子がｒ方向に加速される。電子はイオンに比べて軽いため、より多くの電子がアンテナ１１に吸収され、その結果、プラズマ電位が異常に上昇してしまう。また、アンテナ１１表面は時間平均的に負に帯電し、その負電位に引かれて正イオンがアンテナ１１表面をたたき、金属スパッタリングを起こしてしまう。
【００３５】
しかしながら、アンテナ１１表面をθ方向に磁力線Ｂ  で覆うと、電子ｅはロ−レンツ力で矢印で示すように曲げられるため、アンテナ１１の表面に到達しにくくなる。すなわち、電子は磁力線Ｂ  が作る磁界に絶縁されるため、電子がアンテナ１１に吸収されてプラズマ電位が異常に上昇するのが防止される。また、アンテナ１１表面が負に帯電しないから、正イオンがアンテナ１１表面をたたくスパッタリングも生じにくい。
【００３６】
上記磁力線Ｂ  が有効に機能するための条件は、磁力線Ｂ  がアンテナ１１表面と鎖交しないことであり、図６の場合、磁力線Ｂ  はｚ方向であってもよく、あるいはアンテナ１１を囲むヘリカル状であってもよい。
【００３７】
図１に示す実施例では高周波電流ＩRFに直流電流ＩDCを重畳させてアンテナ１１に流すようにしているが、図５に示すようにアンテナ１１の近傍に永久磁石や電磁石などの磁石２１を配置するようにしてもよい。磁石２１はそのものが高周波の電位で変動し、線状のカプス磁場を伴うので、その磁力線Ｂ  によって上記アンテナ１１の周囲を絶縁することが可能である。
【００３８】
すなわち、アンテナ１１の使用形態等に応じて磁力線を発生させる手段を直流電源１４にしたり、磁石２１にすればよい。
つぎに、この発明の実験結果について説明する。アンテナ１１を直径約１０cmの１回巻の銅製ル−プアンテナとしてステンレス製の容器１１内に設置し、このアンテナ１１に１３．５６ＭＨｚの高周波電流を流すと同時に、直流電流ＩDCを流した。放電用のプロセスガスとしては水素を用い、容器１内の圧力が0.6mTorrと、２mTorr の場合とで、それぞれ高周波電力を４０Ｗ一定に維持して直流電流ＩDCを変化させたときのプラズマ電位Ｖｐを測定した。
【００３９】
その結果を図３に示す。この図の縦軸のプラズマ電位Ｖｐはアンテナ１１面から３cm離れた位置で測定した値である。直流電流ＩDCが100A以下で磁界が弱いとき、プラズマ電位Ｖｐが高く、ア−クが頻発して放電が不安定になることが確認された。しかし、直流電流ＩDCを増すにつれて図から明らかなようにプラズマ電位Ｖｐが低下する。それによって、プラズマ密度の上昇を確認することができた。
【００４０】
図４は水素のガス圧をパラメ−タとし、高周波電力Ｗと直流電流ＩDCとの関係を測定した。この実験からは、高周波電力Ｗが高くなると、放電を安定化するのに必要な最低の直流電流ＩDCが増大することが分かった。すなわち、図３に基づいて説明したように直流電流ＩDCを増すにつれてプラズマ電位Ｖp が低下して放電の安定化が図れるが、図４から分かるように放電の安定化を図るためにはガス圧力が高いほど、大きな直流電流ＩDCが必要となる。このことは、電子に対する磁界の効果が衝突によって弱められるからであると考察できる。磁界を増強するにはアンテナ１１に流す直流電流ＩDCを増大したり、アンテナ１１の巻数を多くすればよい。
【００４１】
すなわち、直流電源１４によりアンテナ１１に直流電流ＩDCを流すことで上記アンテナ１１の周囲に磁界を形成すれば、プラズマ電位Ｖｐを低くすることができる。プラズマ電位Ｖｐが低くなれば、アンテナ１１に対してイオンが与える衝撃も低減されるから、上記アンテナ１１が損傷するのが防止される。
【００４２】
しかも、直流電流ＩDCを流すことでプラズマ電位が低下すると、プラズマ密度が上昇する。そのため、従来のようにガス圧を上昇させずにプラズマ密度を高くすることができるから、高周波放電の低圧化を図ることができ、しかもプラズマ密度を高くすることができれば、大口径化も可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、アンテナの早期損傷や不純物の発生を招くことなく、被加工物を放電処理することができる高周波放電処理装置を提供することができる。
【００４８】
請求項２の発明によれば、ループ状アンテナの巻数を複数にすることで、磁力線によって上記アンテナの周囲に形成される磁界を増強して放電の安定化を図ることができるから、容器内の被加工物に対する放電処理を精密に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の高周波放電装置の概略図。
【図２】上記高周波放電装置を用いた高周波放電処理装置の概略図。
【図３】直流電源を変化させたときのプラズマ電位との関係を示したグラフ。
【図４】ガス圧をパラメ−タとして高周波電力と直流電流との関係を示したグラフ。
【図５】アンテナの周囲に磁石によって磁力線を発生させる説明図。
【図６】アンテナの周囲に磁力線を発生させたときの磁力線と電子の動きとの関係を説明した説明図。
【符号の説明】
１…容器、
７…被加工物、
１１…アンテナ、
１２…駆動制御部、
１３…高周波電源、
１４…直流電源、
２１…磁石
【図１】
0003805808.tif 000002
【図２】
0003805808.tif 000003
【図３】
0003805808.tif 000004
【図４】
0003805808.tif 000005
【図５】
0003805808.tif 000006
【図６】
0003805808.tif 000007