JPH0831443B2

JPH0831443B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH0831443B2
Application number: JP19820087A
Authority: JP
Inventors: 康道鈴木; 裕斉藤; 俊二笹部; 和博中島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-08-10
Filing date: 1987-08-10
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPS6442130A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は基板にプラズマ処理を行う装置に係り、特
に、高速でかつ基板に損傷を与えないプラズマエッチン
グ処理に好適なプラズマ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のプラズマ処理装置である例えばスパッタエッチ
ング装置としては、真空槽内に基板を載置したエッチン
グ電極を設け、該電極に高周波電力を印加し、該高周波
電力により、基板上に発生したプラズマ中のイオンを、
該電極に印加した電力の電界により上記基板に衝突さ
せ、基板をエッチングするものが知られているが、この
ような装置では、基板上に発生したプラズマの密度が高
くないため、スパッタエッチングの速度が遅く、また、
エッチング電極に印加した高周波電力を大きくしてスパ
ッタエッチング速度を早めていくと、電極の電圧が高く
なるので基板に衝突するイオンのエネルギが大きくな
り、基板に損傷が発生することが知られている。このス
パッタエッチングの速度が速くて基板に入射するイオン
のエネルギを低くして基板への損傷を低減する方法とし
て、特開昭60−74436が知られている。この方法は、エ
ッチング電極に印加した高周波電力により発生したプラ
ズマを、フローティング電極および磁石を用いて基板上
に閉じ込め、基板上のプラズマの拡散を防ぐことでプラ
ズマの密度を高め、イオンの数を増すことで、エッチン
グ電極に印加した電力に対し、電極の電圧が高くなるの
を防いでいる。しかし、このプラズマの密度は、該電極
に印加した電力に１対１で正比例はしないので、エッチ
ング速度をさらに上げるために、印加する高周波の電力
を上昇していくと、電極に発生する電圧も大きくなって
しまい、基板に損傷が発生してしまう。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、プラズマ処理に必要なプラズマの発
生と該プラズマの中のイオンを加速して基板へ衝突させ
る電圧をエッチング電極に印加した高周波電力より得て
おり、プラズマの密度と基板へ衝突するイオンのエネル
ギの個別制御の点について配慮されておらず、上記電極
に印加した高周波電力を上げていくと、プラズマの密度
も上がっていくが基板へ衝突するイオンのエネルギも上
昇し、ある定った電力以上で基板に損傷が発生する問題
があった。

本発明の目的は、プラズマの発生とプラズマ中のイオ
ンを基板へ衝突させる電圧をおのおの別の電源を用いる
ことにより独立に制御することとし、またプラズマの発
生には高い密度のプラズマが均一に得られ、かつシンプ
ルで信頼性の高い機構とすることでエッチング速度が速
く、基板への損傷のないプラズマ処理装置を得ることに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、真空槽内で基板を載置するプラズマ処理
電極に対向してプラズマ発生手段を設け、このプラズマ
発生にはマイクロ波（例えば、周波数2.45G Hz）を用い
ることで、基板上に高密度のプラズマを発生させ、磁場
発生手段によりプラズマが周囲へ拡散するのを防ぎ、プ
ラズマ中のイオンをプラズマ処理電極に印加した電力に
より発生する電圧で基板に衝突させる構成とすることに
より達成される。

上記マイクロ波によるプラズマ発生手段は、マイクロ
波発生源とキャビティとマイクロ波の導入窓とから構成
され、前記キャビティには整合手段を設け、キャビティ
をマイクロ波の空胴共振器とすることができる。また、
キャビティを同軸構造とすることは勿論のこと、キャビ
ティの寸法をマイクロ波のモードが軸対称となる寸法に
することもできる。上記空胴共振器としては、周知の円
形は勿論のこと同軸、矩形いずれのものでもよいが、好
ましくは円形空胴共振器を同軸形にしたものであり、電
極上に密度分布の均一なプラズマが得られ易い。

本発明の具体的構成につき以下詳述する。

本発明プラズマ処理装置の特徴とするところは、ガス
供給手段と真空排気手段とを有する真空槽内に基板を載
置したプラズマ処理電極を設けると共に前記基板に対向
してマイクロ波によるプラズマ発生手段を前記真空槽に
マイクロ波導入窓を介して設け、前記プラズマ処理電極
には前記プラズマ発生手段により発生したプラズマ中の
イオンを前記基板に衝突させるための電圧印加手段が設
けられ、プラズマを発生させるマイクロ波電源と前記プ
ラズマ処理電極へ電圧を印加する電源とをそれぞれ独立
に設けて成る装置において、前記基板と前記マイクロ波
導入窓との間の空間に生ずるプラズマをその周囲から磁
力線で取囲むように前記基板上に磁場を構成する磁気発
生手段を設けたところにある。そしてさらに磁気発生手
段についてその特徴点を以下に列記する。

（１）前記磁気発生手段として、半径方向に磁化され、
前記磁化の極性が径方向で順次反転するリング状の磁石
としたこと。

（２）前記磁気発生手段として、磁石をマイクロ波の導
入窓側とエッチング電極側とにそれぞれ配設し２段階の
リング状磁石としたこと。

（３）前記２段階のリング状磁石をコイルで構成したこ
と。

（４）前記２段階のリング状コイルにそれぞれ逆向きの
電流を流すこと。

（５）前記２段階のリング状コイルにそれぞれ同一方向
の電流を流すこと。

（６）前記２段階のリング状磁石を永久磁石で構成した
こと。

（７）前記リング状永久磁石はそれぞれ周方向に、しか
も互に逆方向に磁化されていること。

（８）前記リング状永久磁石はそれぞれ厚さ方向に、し
かも互に逆方向に磁化されていること。

（９）前記リング状永久磁石はそれぞれ半径方向に、し
かも互に逆方向に磁化されていること。

なお、上記磁気発生手段としてコイルにより磁石を構
成する際には、通常の常電導コイルの代りに超電導コイ
ルを使用することもでき、永久電流を超電流コイル内に
流すことにより、より安定した高い磁場を発生させるこ
とができる。また、プラズマを安定に閉じ込める磁界と
しては、カスプ型がより好ましい。

また、上記エッチング電極に印加する電源は一般に10
0kHz〜100MHzの高周波電力が用いられるが、被加工物で
ある基板が金属のごとき導体の場合には直流電源でもよ
い。基板が絶縁物の場合には高周波電力が必須となる。

さらにまた、上記マイクロ波の導入窓は真空槽を構成
する隔壁として、またキャビティから真空槽内にマイク
ロ波を放射する窓として機能するものであるため、材質
としては、マイクロ波の吸収の少ない絶縁材で、しかも
真空隔壁を構成する上からもガスを通しにくい不通気性
の材質から選ばれ、例えば石英板、アルミナのごときセ
ラミックス板等が供される。

〔作用〕

プラズマ発生手段は、マイクロ波発生源と、キャビテ
ィと該キャビティへマイクロ波が有効に入るようにする
整合手段と上記マイクロ波が真空槽内へ導入される通入
窓から構成され、マイクロ波発生源から発振されたマイ
クロ波は導波管によりキャビティへ導かれ、整合手段に
より、該キャビティを上記マイクロ波の空胴共振器とす
ることによって、該キャビティ内には有効にマイクロ波
が導入される。該マイクロ波は通入窓を通って真空槽内
へ導びかれ、ここで該マイクロ波は真空槽内の雰囲気ガ
ス（例えばArガス等）を電離してプラズマを発生する。
ここで、マイクロ波はプラズマ中を伝播しエネルギをプ
ラズマに供給することができるため、2.45G Hzのマイク
ロ波ではプラズマの密度が7.4×10¹⁰/cm²程度の高い密
度にすることができる。また、キャビティの形状とし
て、キャビティ内のマイクロ波のモードが軸対称となる
ような寸法又は同軸管形状とすることにより、均一なプ
ラズマ発生が得られる。

また、プラズマの周囲には磁気発生手段が配設されて
おり、この磁気発生手段による磁場によりプラズマは基
板上に閉じ込められ、周囲に拡散するのを阻止される。
したがって、プラズマは圧力に関わらず安定して高密度
となる。

上記プラズマ発生手段で発生した高密度プラズマの下
に基板を載置したプラズマ処理電極を設け、このプラズ
マ処理電極に高周波電源を接続して高周波電力（一般に
100kHz〜100M Hz）を印加して、この電力によりエッチ
ング電極の基板表面に発生する電圧によりプラズマ中の
イオンを基板に衝突させその結果として基板をスパズマ
処理する。このように、プラズマの発生と基板にイオン
を衝突させる電圧の付与が、別々の電源となり、発生す
るプラズマの密度とプラズマ中のインオが基板へ衝突す
るエネルギが個別に制御でき、また、プラズマの発生は
マイクロ波により高密度化できるため、エッチング速度
が速く基板へ損傷を与えないプラズマ処理が可能とな
る。上記高周波電源は基板のプラズマ処理される材料が
絶縁物の場合は必須であるが、金属のごとき導電性材料
の場合には直流電源でもよいことは先に述べたとおりで
ある。

次に、第１図の構成のプラズマ処理装置の一例として
スパッタエッチング装置を用い、試料として表面に熱酸
化膜（SiO₂）が形成されたシリコンウェハを、下記の条
件でスパッタエッチングした結果を比較例として磁気発
生手段を設けない装置の結果と対比して第８図に示す。
同図の縦軸はエッチング速度を、横軸はウェハの中央か
らの距離を示したものである。

エッチング条件：試料：熱酸化膜（SiO₂）の形成されたシリコンウェハエッチガス：アルゴン（Ar）圧力:5×10^-3Torr マイクロ波電力:400W 高周波電力:600W （スパッタエッチング電極へ印加）上記第８図から明らかなように、本件発明の実施例で
ある磁石でプラズマを閉じ込めた曲線81は、ウェハの中
央から周辺にわたり比較的バラツキの少ない平坦なエッ
チング速度を有しており、均一性が改善されていること
を示している。一方、磁石の無い比較例を示した曲線82
は、ウェハの周辺部に行くに従がい速度が低下し、中央
部とは大きなバラツキが生じている。

第９図は、上記第８図と同一の試料について、エッチ
ング速度とスパッタエッチング電極へ印加した高周波電
力との関係を示したもので、本発明の実施例である磁石
有の場合（曲線91）と無い場合（曲線92）及び、マイク
ロ波によるプラズマ発生手段を持たない従来の平行平板
方式（曲線93）の場合と対比して示した特性曲線図であ
る。この図からも本発明の実施例である曲線91は他の比
較例に対比して著しくエッチング速度が速く改善されて
いるのがわかる。なお、エッチング条件は下記のとおり
である。

エッチング条件：試料：熱酸化膜（SiO₂）の形成されたシリコンウェハエッチガス：アルゴン（Ar）圧力:5×10^-3Torr マイクロ波電力:400W （曲線91及び92の場合）以上の特性曲線図からも明らかなごとく、本発明にお
いては、磁石の挿入によりプラズマの拡散を防止し、特
に周囲のプラズマ密度が増加するため、平均のスパッタ
エッチ速度が増加すると共に、特に従来の問題となって
いた基板周囲のスパッタエッチ速度を増加できるため、
均一性も同時に向上するという効果がある。均一性を示
すバラツキ（中央部と周辺部）を比較すると、現状のデ
ータでは、磁石有の本発明の場合±５％であるのに対
し、磁石無の比較例の場合±20％であった。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第７図により説明
する。

まず、第１図に示す第１の実施例から説明すると、真
空槽１とプラズマ発生手段２と真空排気手段３、ガス供
給手段４から構成され、真空槽１内には基板５を載置し
たプラズマエッチング電極（以下エッチング電極と略
称）６が、前記真空槽１と電気的に絶縁し真空的にシー
ルする機能を有するフランジ７を介して設置され、この
エッチング電極６の端部９には電源８が接続される。ま
た、プラズマ発生手段では、マイクロ波発生源10と導波
管11とキャビティ12と整合手段１と導体棒14およびマイ
クロ波の導入部となる導入窓15で構成される。また、こ
の導入窓15とエッチング電極６で囲まれた空間の周囲に
は磁石16が配設される。

上記構成において、マイクロ波発生源10によりマイク
ロ波を発振し、マイクロ波を導波管11を通してキャビテ
ィ12へ送る。ここで、整合手段13を調整し、キャビティ
12をマイクロ波の空胴共振条件とすることにより、キャ
ビティ12内のマイクロ波の電界は高まり、導入窓15より
真空槽１内へ導びかれたマイクロ波により、ガス供給手
段４により真空槽１内へ供給された槽内の雰囲気ガスが
電離しプラズマ17を発生する。このプラズマ17の周囲に
設置した磁石16の厚さ方向から見た断面図を第２図に示
す。なお、この実施例では磁石として永久磁石の例を示
しているが、電磁石であってもよいことは云うまでもな
い。リング形状の磁石16は周方向に偶数個に分割し、内
・外周の極性を交互に入れ換えることにより、磁力線19
は内側に凸形状になり（一般に、プラズマを閉じ込める
ための多重カスプ磁場という）、プラズマ17を基板５上
に閉じ込めることができるため、プラズマ17の低圧力域
での安定発生、およびプラズマ17を容易に高密度とする
ことができる。このプラズマ17の密度は前記マイクロ波
がプラズマ17内を伝搬しエネルギを供給できる限界の密
度（例えばマイクロ波の周波数が2.45G Hzならプラズマ
の密度7.4×10¹⁰/cm³）まで、供給するマイクロ波電力
により制御できる。このようにして発生したプラズマ17
中のイオンを、エッチング電極６に接続した電源８（こ
の例では高周波電力を印加）によりエッチング電極６を
介し基板５に発生した電圧により加速し基板に衝突させ
てスパッタエッチングを行う。ここで、キャビティ12の
寸法をキャビティ12内のマイクロ波モードが軸対称とな
る寸法とすることにより基板５上のプラズマ17の密度分
布が均一となる。また、このキャビティ12は、中央に軸
（導体棒14）を有する同軸型であるが、軸のない空胴型
においても同様の効果が得られる。

なお、上記導入窓15としては、石英板を使用したが、
真空槽の隔壁の役目も兼ねているのでガスを通さず（不
通気性）、マイクロ波の吸収の少ない絶縁材、例えばア
ルミナ等のセラミックスでもよいことは前述のとおりで
ある。

第３図は、本発明の第２の実施例を示したもので、真
空槽１、プラズマ発生手段２、真空排気手段３、ガス供
給手段４などの構成は第１の実施例と同一で、プラズマ
発生手段２の磁石16がリング状コイル18に代ったことだ
けが異なる。このような構成でコイル18a、18bを同心状
に２段とし、それぞれ逆向きに電流を流すことにより、
基板５上の周囲で二つのコイルからの磁力線19は閉じる
ようになりプラズマが半径方向に拡散せず、より安定に
閉じ込めることができ、プラズマを効率よく高密度で発
生できる。

第４図、第５図は共に第２の実施例と類似構造のもの
であり、第３図の実施例の２段のコイル18の代りに永久
磁石16に置き換えたものである。第４図は、リングの周
方向にそれぞれ逆向きに磁化された上下１組の永久磁石
16であり、これにより磁力線19は、プラズマ17の周囲で
閉じこのプラズマ17を基板５上で閉じ込める。第５図
は、磁石16の磁化を厚さ方向にそれぞれ逆向きに取った
ものであり、第４図とほぼ同様の磁場が得られ、プラズ
マ17の閉じ込め効果が得られる。

第６図は、本発明の第３の実施例を示したもので、構
成は第３図に示した第２の実施例と同一で、磁場発生手
段としてリング状のコイル18a、18bを載置しているが、
このコイル18a、18bには同一方向の電流を流すことによ
り、このコイル18による磁力線19は基板５上で内方向に
凸形状となりプラズマ17の外周方向への拡散を防止して
いる。

第７図は、本発明の第３の実施例で、構成は第６図と
類似で、第６図のコイル18が磁石16に代っていることが
異なるのみである。磁石16は半径方向に磁化されており
２個の磁石の極性は逆転しているため、磁力線19は第６
図と類似の形状となり、プラズマ17の閉じ込め効果を持
つ。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プラズマは、マイクロ波によるプラ
ズマ発生手段により高密度に発生でき、また、キャビテ
ィ整合手段および同軸等により、キャビティ寸法をマイ
クロ波の軸対称モードの空胴共振器とし、発生したプラ
ズマの周囲の拡散を磁場によって防止することにより、
低圧力で軸対称の安定した高密度プラズマを発生でき、
エッチングの高速化と基板への損傷の低減の効果があ
る。

また、プラズマ発生はマイクロ波電力で、基板へ衝突
するイオンのエネルギはプラズマ処理電極へ印加した第
２の電力、例えば高周波電力で別々に制御できるので、
エッチング速度とそのときのイオンの衝突エネルギが個
別制御できるため、基板に合わせて最適条件が選択で
き、プラズマ処理の歩留向上の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のスパッタエッチング装置の
縦断面図、第２図は第１図の磁石部分の横断面図、第３
図、第４図、第５図、第６図及び第７図はそれぞれ異な
る本発明実施例のスパッタエッチング装置の縦断面図、
第８図、第９図はそれぞれ本発明装置でSiO₂膜をエッチ
ングした実施例を比較例と対比して示した特性曲線図で
ある。図において、１……真空槽、２……プラズマ発生手段３……真空排気手段、４……ガス供給手段５……基板、６……エッチング電極７……フランジ、８……電源９……端部、10……マイクロ波発生源 11……導波管、12……キャビティ 13……整合手段、14……導体棒 15……導入窓、16……磁石 17……プラズマ、18……コイル 19……磁力線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中島和博東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所コンピュータ事業部デバイス開発センタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス供給手段と真空排気手段とを有する真
空槽内に基板を載置したプラズマ処理電極を設けると共
に前記基板に対向してマイクロ波によるプラズマ発生手
段を前記真空槽にマイクロ波導入窓を介して設け、前記
プラズマ処理電極には前記プラズマ発生手段により発生
したプラズマ中のイオンを前記基板に衝突させるための
電圧印加手段が設けられ、プラズマを発生させるマイク
ロ波電源と前記プラズマ処理電極へ電圧を印加する電源
とをそれぞれ独立に設けて成る装置において、前記基板
と前記マイクロ波導入窓との間の空間に生ずるプラズマ
をその周囲から磁力線で取囲むように前記基板上に磁場
を構成する磁気発生手段を設けたことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項２】前記プラズマ処理電極に高周波電力を印加
したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラ
ズマ処理装置。
【請求項３】前記マイクロ波によるプラズマ発生手段が
マイクロ波発生源とキャビティとマイクロ波の導入窓と
から構成されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
もしくは第２項記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記プラズマ発生手段のキャビティに整合
手段を設け、キャビティをマイクロ波の空胴共振器とし
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項もし
くは第３項記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記プラズマ発生手段のキャビティを同軸
構造としたことを特徴とする特許請求の範囲第３項もし
くは第４項のプラズマ処理装置。
【請求項６】前記プラズマ発生手段のキャビティの寸法
をマイクロ波のモードが軸対称となる寸法にしたことを
特徴とする特許請求の範囲第４項もしくは第５項記載の
プラズマ処理装置。
【請求項７】前記マイクロ波の導入窓が、真空槽を構成
する隔壁とキャビティからのマイクロ波を前記真空槽内
に放射することの両機能を有するマイクロ波吸収の少な
い絶縁材から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１
項、第２項、第３項、第４項、第５項もしくは第６項記
載のプラズマ処理装置。
【請求項８】前記絶縁材が石英またはセラミックスのい
ずれか一方から成ることを特徴とする特許請求の範囲第
７項記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】前記磁気発生手段として、半径方向に磁化
され、前記磁化の極性が径方向で順次反転するリング状
の磁石としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】前記磁気発生手段として、磁石をマイク
ロ波の導入窓側とエッチング電極側とにそれぞれ配設し
２段階のリング状磁石としたことを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】前記２段階のリング状磁石をコイルで構
成したことを特徴とする特許請求の範囲第10項記載のプ
ラズマ処理装置。
【請求項１２】前記２段階のプラズマ状コイルにそれぞ
れ逆向きの電流を流すことを特徴とする特許請求の範囲
第11項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】前記２段階のリング状コイルにそれぞれ
同一方向の電流を流すことを特徴とする特許請求の範囲
第11項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１４】前記２段階のリング状磁石を永久磁石で
構成したことを特徴とする特許請求の範囲第10項記載の
プラズマ処理装置。
【請求項１５】前記リング状永久磁石はそれぞれ周方向
に、しかも互に逆方向に磁化されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第14項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】前記リング状永久磁石はそれぞれ厚さ方
向に、しかも互に逆方向に磁化されていることを特徴と
する特許請求の範囲第14項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１７】前記リング状永久磁石はそれぞれ半径方
向に、しかも互に逆方向に磁化されていることを特徴と
する特許請求の範囲第14項記載のプラズマ処理装置。