JP3814813B2 - Plasma generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ICやLCDなど高精度の製造工程においてエッチング・成膜・アッシング等のプラズマ処理を効率よく行うときに好適なプラズマ発生装置に関し、詳しくは、電界および磁界を用いてプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、CVDやエッチング,アッシング等のプラズマ処理に用いられるプラズマ発生装置として、電界印加だけのプラズマ発生ではプラズマ密度が不足するので磁界も加えてプラズマを封じることで高密度プラズマ(HDP)を発生させるようにしたMRIE(マグネトロンリアクティブイオンエッチャー)等が知られている。また、特開平3−79025号公報に記載の如く平面状コイルを用いた磁場の一様化によってダメージを防止しようとした装置も知られている。
【0003】
さらに、イオンによる被処理物へのダメージを低減させるとともに発生中の高密度プラズマに被処理物が直接曝されないようにするためにプラズマ空間を互いに連通したプラズマ処理空間とプラズマ発生空間とに分離したECR(電子サイクロトロン共鳴)や特開平4−81324号公報記載のもの等のように両空間を距離的に引き離したもの、ICP(インダクティブカップルプラズマ)等のように強力な磁場で高密度プラズマをプラズマ処理空間に隣接したプラズマ発生空間へ閉じこめるもの、さらにプラズマ処理空間にプラズマ発生空間が隣接している点では同じであるが特開平4−290428号公報記載のもの等のようにリングアンテナからの円偏波電磁波を利用して高密度プラズマを閉じこめるものなども知られている。
【0004】
一方、液晶基板等の処理対象物の大形化そしてプラズマ処理空間の拡張に伴い単一のプラズマ発生空間ではプラズマの均一な供給が難しいことから、特開平8−222399号公報に記載の如く、プラズマ発生空間を複数個配設するとともに、それぞれに制御弁を設けて反応ガス・処理ガスを供給するものもある。この場合、プラズマ発生空間は、複数化しても開口面積が減少しないように縦の円筒状空間に分けられ、それぞれの側面が励起用の高周波コイルで囲まれるとともに、プラズマを封じるための磁気が円筒の上下端面のところから送り込まれるようになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来のプラズマ発生装置では、プラズマ空間をプラズマ発生空間とプラズマ処理空間とに分離してプラズマダメージやチャージアップ低減は図られているが、基板等のプラズマ処理対象物の大形化に対しても十分な適用性があると必ずしも言いきれるわけでは無い。プラズマ発生空間からプラズマ処理空間へ供給されたプラズマは、被処理物に当たるとその表面で横へ拡げられることから、中心・中央等の内側から辺縁・周辺等の外側へ広がりながら流出するので、外側の濃度が薄くなりがちなため、プラズマ処理空間の全域に亘ってプラズマの均一性を確保するのは難しく、大形化するほどその傾向が強まる。かかる不都合は、プラズマ発生空間を複数化して例えプラズマ処理空間へのプラズマ供給が一様になったとしても、それだけでは解消されない。そこで、プラズマ発生空間からプラズマ処理空間へ供給されるプラズマの一様性が損なわれないような構造を案出して、例えプラズマ処理空間が大きくなってもそこの被処理物に均一なプラズマが供給されるようにすることが重要な課題となる。
【0006】
また、従来のプラズマ発生装置では、プラズマ発生空間とプラズマ処理空間との距離があまり離れているとイオン種が必要以上に抑制されてしまう一方、両空間が隣接しているとプラズマ処理空間からプラズマ発生空間へ逆流するガスが多くなる。このような逆流ガスには被処理物の処理によって発生等した早急に排出すべき成分も含まれており、これがプラズマ発生空間に入ると高密度プラズマによって激しく分解・電離させられて汚染物等の不所望なものに変質してしまうことも多いので、不都合である。このことは、プラズマ発生空間を複数化しても、プラズマ発生空間からプラズマ処理空間への開口面積が同じままでは、解消されない。また、プラズマを封じるための静的な磁気バイアスをプラズマ発生空間の上下から印加するために磁石等をプラズマ発生空間とプラズマ処理空間との間に介在させるのでは、高密度プラズマに対して十分な磁力を確保しようとすると、磁性部材の加工や実装などが面倒となる。そこで、プラズマ処理空間からプラズマ発生空間への不所望なガス流入を有効に阻止するとともに、磁性部材の実装等も容易に行うことができるようにプラズマ発生空間の構造等を工夫することも更なる課題となる。
【0007】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、均一なプラズマを供給するプラズマ発生装置を実現することを目的とする。また、この発明は、均一で而も良質なプラズマを供給するプラズマ発生装置であって製造容易なものを実現することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために発明された第1乃至第4の解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。
【0009】
[第1の解決手段]第1の解決手段のプラズマ発生装置は、プラズマ処理空間が形成された第1機構と、前記第1機構に取着して又はそれと一体的に設けられプラズマ発生空間が形成された第2機構とを具え、前記プラズマ発生空間が前記プラズマ処理空間に隣接し且つ連通しているプラズマ発生装置において、前記プラズマ発生空間の開口が、前記第1機構の上方に配置されたアノード部の連通口に重なるように固設されることにより、前記プラズマ発生空間から前記プラズマ処理空間への連通路が分散して形成され、前記アノード部の辺縁・周辺を傾斜させることで、前記連通路のうち外側に位置する前記連通口が内側へ向けて傾斜しているものであることを特徴とする。
【0010】
このような第1の解決手段のプラズマ発生装置にあっては、プラズマ空間の分離および隣接連通という条件を維持することにより、プラズマダメージやチャージアップの低減、及びプラズマにおけるラジカル種の成分とイオン種の成分との比率適正化という基本的要請に応えている。また、プラズマ発生空間からプラズマ処理空間への連通路が分散して形成されていることから、被処理物やプラズマ処理空間が大形化しても、プラズマ発生空間からプラズマ処理空間へ供給されるプラズマを一様なものにすることが容易である。
【0011】
しかも、それらの連通路のうち外側に位置するものが内側へ向けて傾斜していることから、辺縁部・周辺部におけるプラズマ発生空間からプラズマ処理空間へのプラズマの吹きだしが内向きになされるので、その内向きの速度成分が、中心・中央等の内側から辺縁・周辺等の外側への速度成分を抑制することとなる。これにより、辺縁・周辺における急速なプラズマの流出を緩和しながらそこへ新たなプラズマの補給がなされるので、プラズマ一様性の破損が防止されて、プラズマ処理空間のプラズマは、辺縁部まで均一なものとなる。したがって、この発明によれば、均一なプラズマを供給するプラズマ発生装置を実現することができる。
【0012】
[第2の解決手段]第2の解決手段のプラズマ発生装置は、上記の第1の解決手段のプラズマ発生装置であって、前記の内向き傾斜の連通路が中心部から見て同一回転の向きへも逸れて傾斜しているものであることを特徴とする。
【0013】
このような第2の解決手段のプラズマ発生装置にあっては、辺縁部・周辺部におけるプラズマ発生空間からプラズマ処理空間へのプラズマの吹きだしが内向きになされる際に、中心・中央の同じところに向けてぶつかるようになされるので無く、中心点や中央部を外してその周りを取り囲んで回転するように而も同じ向きに回転するように行われる。そして、辺縁部・周辺部においては、処理前のプラズマの内向き吹きだしと、処理後のプラズマの外向き流出とが、常に同じ向きの回転方向に従いながら行われることとなる。
【0014】
単に中心・中央へ向けてプラズマを吹き出したのでは乱流に似た状態も幾分か惹起され長期間での平均では均一であっても短期間では流れの状態がランダムに変動して微妙な不確定性・不均一性が残ってしまうところ、上述のように一定の回転力も付与することにより、微視的にもプラズマ流の状態が安定してくることから、空間的にも時間的にも均一性が向上するので、短時間の処理や高精密な処理であっても斑無く均一な処理が行われる。したがって、この発明によれば、一層均一なプラズマを供給するプラズマ発生装置を実現することができる。
【0015】
[第3の解決手段]第3の解決手段のプラズマ発生装置は、上記の第2,第3の解決手段のプラズマ発生装置であって、前記第2機構側に設けられ前記プラズマ発生空間に付された磁性部材を備え、前記プラズマ発生空間および前記磁性部材が前記プラズマ処理空間との隣接面に沿って複数設けられ、それらの一部又は全部が交互に並走しているものであることを特徴とする。
【0016】
ここで、上記の「磁性部材」には、永久磁石の他、直流励磁コイルによって形成されたものも該当する。
【0017】
このような第3の解決手段のプラズマ発生装置にあっては、上述したプラズマ空間の分離および隣接連通という条件に加えて、プラズマ発生空間に付される磁性部材がプラズマ発生空間と同じ第2機構側で共にプラズマ処理空間との隣接面に沿って設けられることから、磁力の強化が可能になるとともに、プラズマ処理空間との連通隣接面さらにはその面に沿ったプラズマ発生空間自身の断面積も、少なくとも磁性部材によって占められた分だけは必然的に、プラズマ処理空間のそれより小さくなる。このように双方空間の面積に差があると、連通隣接面の面積とこれに沿ったプラズマ処理空間の断面積との比を第1比とし連通隣接面の面積とこれに沿ったプラズマ発生空間の断面積との比を第2比として、第1比が1未満で且つ第2比よりも小さいことになる。
【0018】
そして、第1比が1未満の場合、プラズマ処理空間からプラズマ発生空間へ流入するガス量が減少する。一方、第2比が1の場合、プラズマ発生空間からプラズマ処理空間へ流出するガス量は減少しない。また、第2比が1未満で流出ガス量が減少する場合であっても、第2比が第1比より大きければ、減少の程度が小さくて済む。何れにしても、相対的には、プラズマ処理空間からプラズマ発生空間へ流入するガスの割合よりもプラズマ発生空間からプラズマ処理空間へ流出するガスの割合の方が高くなる。これにより、不所望なガスのプラズマ発生空間への流入が抑制されるばかりか、ガスがプラズマ発生空間へ入ってしまったときでもそのガスはプラズマ流とともに速やかにプラズマ処理空間へ出されてしまうので、高密度プラズマによるガス変質を防止・抑制することができる。これにより、プラズマが良質な状態に保たれる。
【0019】
また、複数のプラズマ発生空間および磁性部材の併走により、プラズマ発生空間の分布域が線から面へと広がる。しかも、併走数を増やすことでその面積を幾らでも拡げることが可能となることから、基板等の処理対象物が大形化しても容易に適合させることができるので、拡張性に優れる。さらに、磁性部材が、プラズマ発生空間と同じ第2機構側に設けられることから、プラズマ発生空間とプラズマ処理空間とに介挿する必要が無くなるので、配置設計や、実装作業、さらには後の部品交換等の保守作業も、楽になる。しかも、プラズマ発生空間と磁性部材との交互配設によって磁性部材が両隣のプラズマ発生空間に共用されることから、磁性部材の有効利用がなされるとともに、プラズマ発生空間を密に並べることも可能となるので、プラズマ発生空間の配置設計に際しての自由度も向上する。これにより、実装や製造がかなり容易になる。
【0020】
そこで、この発明によれば、均一で而も良質なプラズマを供給するプラズマ発生装置であって製造容易なものを実現することができる。
【0021】
[第4の解決手段]第4の解決手段のプラズマ発生装置は、上記の第1〜第3の解決手段のプラズマ発生装置であって、前記プラズマ発生空間へは非反応性ガスのみが供給されることを特徴とする。
【0022】
このような第4の解決手段のプラズマ発生装置にあっては、プラズマ用ガスには高密度プラズマの発生に役立ち且つ高密度プラズマとなっても不所望に変質することの無い非反応性ガスのみが用いられ、エッチング処理に必要な反応ガスはプラズマ発生空間を介さずにプラズマ処理空間へ供給されることとなる。これにより、上述したプラズマ処理空間からプラズマ発生空間へのガス流入の阻止と相まって、プラズマ発生空間に反応ガスの入るのを確実に防止することができる。そこで、必要に応じてプラズマ密度を一層高めるとともに大量に生成したとしても、反応ガス等の変質が抑制されるので、反応ガス供給をプラズマ発生空間経由で行った場合に比べて、より質の良いプラズマを提供することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
このような解決手段で達成された本発明のプラズマ発生装置は、一般に適宜の真空チャンバに装着して使用される。そのために、プラズマ処理空間が形成される第1機構やプラズマ発生空間が形成される第2機構などの各機構部は、真空チャンバ内への組み込み等の容易性と真空度の必要性とのバランスを図る等の観点から、別個に形成してから取着されることが多いが、例えば密着して固設されることが多いが、一部又は全部が同一・単一の部材たとえばクラッド材を加工等することで一体的に形成されてもよい。
【0024】
【実施例】
本発明のプラズマ発生装置の第1実施例について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図1は、その縦断面図であり、図2は、そのプラズマ発生チャンバ周りの縦断面斜視図であり、図3は、その中の一のプラズマ発生空間についての拡大図である。
【0025】
このプラズマ発生装置は、概ね、プラズマ処理空間を確保するための第1機構と、プラズマ発生空間を確保するための第2機構およびその付加部と、各プラズマに電界又は磁界を印加するための印加回路部とで構成されている。IC用シリコンウエハ等の丸形の被処理物1を処理するために、第1機構,第2機構は共に主要部がほぼ円板・円筒形状に形成される(図2参照)。
【0026】
第1機構は、金属製のアノード部11が上方に配置され、液晶基板等の被処理物1を乗載するために上面の絶縁処理された金属製カソード部12が下方に配置されて、これらに挟まれたところに低温プラズマ10用のプラズマ処理空間13が形成されるものとなっている。また、アノード部11は、予め、多数の連通口14が貫通して穿孔されるとともに、プラズマ処理空間13へ向けて開口した処理ガス供給口15も形成されたものとなっている(図1,図3参照)。この例では、連通口14の横断面積とプラズマ処理空間13の有効な横断面積との比すなわち第1比が0.05になっている。なお、処理ガス供給口15を介してプラズマ処理空間13へ供給される処理ガスBとしては、CF系ガスやシランガス等の反応ガスに適量の希釈ガスを混合させたもの等が供給されるようにもなっている。
【0027】
第2機構は、セラミック等の絶縁物製のプラズマ発生チャンバ21が主体となっており、このプラズマ発生チャンバ21には、プラズマ発生空間22となる複数の(図では7個の)環状溝が同心に彫り込まれて形成されている。これにより、プラズマ発生空間22が分散等したものとなっている。そして、プラズマ発生チャンバ21は、プラズマ発生空間22の開口側(図では下面)をアノード部11の上面に密着した状態で固設される。その際、プラズマ発生空間22の開口がアノード部11の連通口14に重なるように位置合わせがなされる。これにより、プラズマ発生空間22とプラズマ処理空間13とが互いに隣接し且つ連通したものとなり、さらに、プラズマ発生空間22からプラズマ処理空間13への連通路14が分散して形成されたものとなる。この例では、連通口14の横断面積とプラズマ発生空間22の横断面積との比すなわち第2比が0.5になっている。なお、これらの比の値は大小関係が逆転しない限り自由に変えてよいものである。
【0028】
また、プラズマ発生チャンバ21は、プラズマ発生空間22のさらに奥(縦断面図では上方)に取着されたガス配給部材21aによってプラズマ用ガス送給路23がやはり環状に形成され、両者が多数の小穴で連通されていて、プラズマ発生空間22は底部(縦断面図では上方)からプラズマ発生用ガスAの供給を受けて高密度プラズマ20を発生させ連通口14を介してプラズマ処理空間13へそれを送り込むものとなっている。プラズマ発生用ガスAにはアルゴン等の不活性で化学反応しないものが用いられるようにもなっている。
【0029】
さらに、プラズマ発生チャンバ21は、プラズマ発生空間22を囲む側壁と底部とを残すようにしてプラズマ発生空間22開口側の裏の面(縦断面図では上面)が削り取られる。そして、そこに、一方の永久磁石25(縦断面図中下方)とコイル24と他方の永久磁石25(縦断面図中上方)とが順に重ねて詰め込まれる。各永久磁石25は、環状の一体物あるいは環状に並べられた多数の小片からなるものである。これにより、磁性部材25は、第2機構側に設けられてプラズマ発生空間22に付され、プラズマ発生空間22と共にプラズマ発生空間22とプラズマ処理空間13との隣接面に沿って配置されたものとなっている。しかも、最外周を除いて内側に設けられた複数(図では6対)の永久磁石25と複数(図では5個)のプラズマ発生空間22とが交互に同心で配設されて並走しているものとなっている。
【0030】
ここで除かれた最外周のプラズマ発生空間22は、ガス配給部材21aが外周側(図では左右端)へ移るように90゜未満の所定角度だけ傾けられる。これはプラズマ発生チャンバ21やアノード部11のうち辺縁部や周辺部を一周内側のプラズマ発生空間22との隣接部分から傾斜させることで行われ、これに伴って、該当個所の連通口14も同角度だけ傾けられる(図1参照)。これにより、このプラズマ発生装置は、連通路14のうち外側に位置するものが内側へ向けて傾斜したものとなっている。なお、最外周のプラズマ発生空間22とその一周内側のもの22との距離も広がってしまうので、この最外周のプラズマ発生空間22に対しては内外の両側壁それぞれに一対の永久磁石25及びコイル24が付加されて、総てのプラズマ発生空間22がコイル24及び永久磁石25で有効に挟まれたものにもなっている。
【0031】
永久磁石25は、その一対にコイル24を加えた高さがプラズマ発生空間22のそれにほぼ等しくされ、且つ横のプラズマ発生空間22方向へ磁極が向くようにされる(図3の縦断面参照)。詳述すると、図中上方の永久磁石25のほぼ下半分から図中横に出た磁束線26はコイル24の近くを通って図中反対側の横に戻ることから、図中上方の永久磁石25のほぼ下端を頂上とする磁気の山ができる。図中下方の永久磁石25の上端のところにもほぼ同様の磁気の山ができる。永久磁石25はプラズマ発生空間22を挟んで両側に付設されているので、プラズマ発生空間22の周りには磁気の山が4つできる。そこで、プラズマ発生空間22には、磁気の山に囲まれた言わば磁気の盆地ができる。そして、ここに電子が捕捉されることとなる。なお、ポテンシャル場風に説明したが実際はベクトル場なので正確に述べると複雑になるが、要するに全体としては環状のプラズマ発生空間22の中でドーナツ状に電子が封じられるようになっているのである。また、磁極が上下になった永久磁石をコイル24の上下に並べることによっても(図4参照)プラズマ発生空間22の断面を囲む4つの磁気の山を作ることが可能である。前者はプラズマの高密度化に適しており、後者はプラズマ密度の均一化に適している。なお、図示は割愛したが、5つ以上の磁気の山で囲むようにしてもよい。
【0032】
印加回路部は、RF電源31を中心とする第1印加回路と、RF電源32を中心とする第2印加回路とに分かれる。RF電源31は、その出力パワーが可変のものであり、接地されたアノード部との間に交番電界を印加するとともにバイアス電圧も発生させるために、その出力はブロッキングキャパシタを介してカソード部12へ送給される。また、これには、周波数500KHz〜2MHzのものがよく用いられる。これにより、第1印加回路は、低温プラズマ10の強化に或る程度寄与する電界をプラズマ処理空間13に印加するものとなっている。
【0033】
RF電源32は、やはり出力パワーが可変のものであり、プラズマ発生空間22を挟む両コイル24を駆動してプラズマ発生空間22に交番磁界を印加するようになっている。その最大出力パワーは大きく、その周波数は13MHz〜100MHzとされることが多い。これにより、第2印加回路は、高密度プラズマ20の発生および強化に寄与する磁界をプラズマ発生空間22に印加するものとなっている。
【0034】
この実施例のプラズマ発生装置について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図5R>5は、真空チャンバへの装着状態を示す断面図であり、図6は、低温プラズマ10の密度分布を示すグラフ例である。
【0035】
使用に先だって、プラズマ発生装置のカソード部12は、上が解放した箱状の真空チャンバ本体部2の中央に設置される。真空チャンバ本体部2は、上部に真空チャンバ蓋部3が開閉可能に取着され、底部または側部には真空圧制御用の可変バルブ4を介在させてターボポンプ等の真空ポンプ5が接続されている。真空チャンバ本体部2は、プラズマ発生チャンバ21やアノード部11が取着され、水冷も可能であり、これを閉めると、真空チャンバ本体部2の内部さらにはプラズマ処理空間13及びプラズマ発生空間22も密閉される。そして、真空ポンプ5を作動させるとともに、プラズマ用ガス送給路23を介するプラズマ用ガスAの供給,さらに処理ガス供給口15を介する処理ガスBの供給などを適宜に開始すると、カソード部12上に乗載された被処理物1に対するプラズマ処理の準備が調う。
【0036】
次に、RF電源32を作動させると、プラズマ発生空間22内にコイル24を介してRF電磁界が印加され、プラズマ用ガスAの電子が激しく運動させられる。このとき、電子は、永久磁石片25による磁気回路の働きによってプラズマ発生空間22に長く留まり、環状空間内を螺旋運動しながら飛び回ってプラズマ用ガスAを励起させる。こうして、高密度プラズマ20が発生するが、プラズマ発生空間22に封じられた電子にはイオン種生成に大きく寄与する10〜15eV以上の高いエネルギーのものが多く含まれているので、高密度プラズマ20はイオン種成分の比率が高い。そして、プラズマ発生空間22で膨張した高密度プラズマ20は、特にそのラジカル種およびイオン種成分は、膨張圧力によって速やかにプラズマ処理空間13へ運ばれる。
【0037】
このとき、アノード部11のほぼ全面に亘って分散形成された連通口14から一様に高密度プラズマ20がプラズマ処理空間13へ向いて吹き出てから外周方向へ向きを変えて流出するが、その外周部・辺縁部に対して最外周のところに位置する連通口14からは内向きにも高密度プラズマ20が流れ込む。こうして、従来薄くなりがちであった辺縁部のプラズマ密度が(図6の破線グラフ参照)、補充・補強されて中央部と同じ程度の濃度になり(図6の実線グラフ参照)、プラズマ処理空間13のほぼ全面に亘って低温プラズマ10が均一化される。
【0038】
また、RF電源31を作動させると、プラズマ処理空間13にもアノード部11及びカソード部12を介してRF電界が印加される。こちらには電子を封じ込める磁気回路等がないので、処理ガスB等が励起されても高密度プラズマができないで、低温プラズマ10となる。RF電源31からのパワーだけの場合、低温プラズマ10は、10〜15eV以上のエネルギーを持った電子が少ないので、ラジカル種成分の比率が高くなる。もっとも、この装置における低温プラズマ10の場合は、上述の高密度プラズマ20が混合されるので、実際のラジカル種成分とイオン種成分との比率は、両者の中間における何れかの比率となる。
【0039】
そして、RF電源32の出力をアップさせると、プラズマ発生空間22内における10〜15eV以上の電子が増える。そして、高密度プラズマ20の生成量が増加する。その混合の結果、低温プラズマ10は、イオン種成分の割合が引き上げられる。一方、RF電源32の出力をダウンさせると、プラズマ発生空間22内における10〜15eV以上の電子が減ってくる。そして、高密度プラズマ20の生成量が減少する。その混合の結果、低温プラズマ10は、イオン種成分の割合が引き下げられる。
【0040】
さらに、RF電源31の出力をアップさせる一方でRF電源32の出力を少しダウンさせると、次のようになる。先ずRF電源31の出力アップによってプラズマ処理空間13における電子密度が高密度および高エネルギー側に移行し、プラズマ処理空間13内の低温プラズマが増える。これによってそこのラジカル濃度が上がるのだが、同時にイオン比率も少し上がる。次に、RF電源32の出力ダウンによってプラズマ発生空間22における電子密度が低密度および低エネルギー側に移行し、プラズマ発生空間22内の高密度プラズマが少し減る。これによってそこのラジカル濃度およびイオン比率が下がるが、こちらは高エネルギー成分が元々大きいので少しの出力ダウンであってもイオン比率が大きく下がる。そして、このような高密度プラズマ20がプラズマ処理空間13内の低温プラズマ10に混合されると、イオン比率の増減が概ね相殺される一方ラジカル濃度は増加する。すなわち、低温プラズマ10は、ラジカル種成分とイオン種成分との比率があまり変わらずにプラズマ濃度が引き上げられる。同様にして、RF電源31,32の出力を逆方向にアップ・ダウンさせると、低温プラズマ10のプラズマ濃度が引き下げられる。
【0041】
こうして、低温プラズマ10は、容易にラジカル種成分とイオン種成分との比率が広範囲に亘って可変制御される。しかも、何れの比率に制御しても、低温プラズマ10は辺縁部まで均一な状態が維持される。また、この装置では、プラズマ発生空間22の断面積がプラズマ処理空間13の断面積よりも遥かに小さくなっていて、第1比が第2比より桁違いに小さいことから、高密度プラズマ20がプラズマ発生空間22からプラズマ処理空間13へ速やかに送り出されるうえに、そもそもプラズマ処理空間13からプラズマ発生空間22へ逆流して入り込むガス量が少ないので、処理ガスBが高密度プラズマ20で直接に励起されて不所望なまで分解・電離するということはほとんど無くなる。
【0042】
さらに、傾斜している最外周のプラズマ発生空間22は別として、これを除く内側の多重環のプラズマ発生空間22に添えてその側壁間に永久磁石25及びコイル24を並べることで、単純にプラズマ発生空間22内外の両側に永久磁石25等を配置したときに必要とされるのよりも磁性部材が少なくなっているので、プラズマ処理装置の製造容易化や原価低減にも貢献することができる。
【0043】
図7に縦断面図を示した本発明のプラズマ発生装置の第2実施例について説明する。これが上述した第1実施例と相違するのは、辺縁部ばかりでなく内側のプラズマ発生空間22も少し傾斜させられて、第2機構全体およびアノード部11が扁平なドーム状になっている点である。この場合、辺縁部におけるほど顕著ではないが中央部から辺縁部へかけて徐々にプラズマ密度が薄くなることについても、かなり改善することができる。
【0044】
図8に縦断面図を示した本発明のプラズマ発生装置の第3実施例について説明する。これが上述した第1実施例と相違するのは、アノード部11の辺縁部を厚くしてそこの連通口14だけを傾斜させることで、プラズマ発生空間22自体については傾斜させるのを回避している点である。この場合、第1実施例について上述した利点を維持しながら、永久磁石25等の共用化による部材数の削減を更に進めることができる。
【0045】
図9に縦断面図および平面図を示した本発明のプラズマ発生装置の第3実施例について説明する。これが上述した第2実施例と相違するのは、斜め孔の加工を楽にするためアノード部11がプラズマ発生チャンバ21の取着される平板部分と連通口14のうち斜めの連通口14aが多数穿孔されるアノード辺縁環11aに分けて製造される点と、これらの連通口14aが中心点を左に見て進む方向へも傾斜して形成されている点である。これにより、このプラズマ発生装置は、内向き傾斜の連通口14aが中心部から見て同一回転の向きへも逸れて傾斜したものとなっている。この場合、低温プラズマ10は反時計回りに少し回転しながら高気圧に似た安定な状態で流れる。
【0046】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の第1の解決手段のプラズマ発生装置にあっては、辺縁・周辺における急速な流出を緩和しながらそこへ新たなプラズマを補給するようにしたことにより、均一なプラズマを供給するプラズマ発生装置を実現することができたという有利な効果が有る。
【0047】
また、本発明の第2の解決手段のプラズマ発生装置にあっては、内向きのプラズマ吹き出しに回転力も付与するようにしたことにより、空間的にも時間的にも均一性が向上して、一層均一なプラズマを供給するプラズマ発生装置を実現することができたという有利な効果を奏する。
【0048】
さらに、本発明の第3の解決手段のプラズマ発生装置にあっては、プラズマ発生空間と磁性部材との形状や配置をも工夫したことにより、プラズマ処理空間からプラズマ発生空間へのガスの流入を阻止するとともに、拡張性や配置自由度も向上させ、その結果、均一で而も良質なプラズマを供給するプラズマ発生装置であって製造容易なものを実現することができたという有利な効果が有る。
【0049】
また、本発明の第4の解決手段のプラズマ発生装置にあっては、反応ガスが直接に高密度プラズマに曝されることの無いようにしたことにより、より質の良いプラズマを提供することができるようになったという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマ発生装置の第1実施例について、その縦断面図である。
【図2】そのプラズマ発生空間周りの縦断面斜視図である。
【図3】そのうち一のプラズマ発生空間についての拡大図である。
【図4】磁気回路の変形例である。
【図5】真空チャンバへの装着状態を示す断面図である。
【図6】低温プラズマの密度分布を示すグラフである。
【図7】本発明のプラズマ発生装置の第2実施例について、その縦断面図である。
【図8】本発明のプラズマ発生装置の第3実施例について、その縦断面図である。
【図9】本発明のプラズマ発生装置の第4実施例について、その縦断面図および平面図である。
【符号の説明】
1 被処理物
2 真空チャンバ本体部
3 真空チャンバ蓋部
4 可変バルブ
5 真空ポンプ
10 低温プラズマ
11 アノード部(第1機構;第1印加回路)
11a アノード辺縁環(第1機構;第1印加回路)
12 カソード部(第1機構;第1印加回路)
13 プラズマ処理空間
14 連通口(連通路)
14a 連通口(連通路)
15 処理ガス供給口
20 高密度プラズマ
21 プラズマ発生チャンバ(第2機構)
21a ガス配給部材(第2機構)
22 プラズマ発生空間
23 プラズマ用ガス送給路
24 コイル(第2印加回路)
25 永久磁石(磁気回路用の磁性部材)
26 磁束線(磁気回路)
31 RF電源(第1印加回路)
32 RF電源(第2印加回路)
A アルゴンガス(非反応性ガス、プラズマ生成用ガス)
B CF系ガス(反応性ガス、処理ガス)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma generation apparatus suitable for efficiently performing plasma processing such as etching, film formation, and ashing in high-precision manufacturing processes such as ICs and LCDs, and more specifically, generates plasma using an electric field and a magnetic field. The present invention relates to a plasma generator.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a plasma generator used for plasma processing such as CVD, etching, ashing, etc., plasma generation is insufficient when only plasma is applied to an electric field. Therefore, a high-density plasma (HDP) is generated by sealing the plasma by applying a magnetic field. MRIE (magnetron reactive ion etcher) and the like are known. There is also known an apparatus which attempts to prevent damage by uniformizing a magnetic field using a planar coil as described in JP-A-3-79025.
[0003]
Furthermore, the plasma space is separated into a plasma processing space and a plasma generation space that communicate with each other in order to reduce damage to the object due to ions and prevent the object from being directly exposed to the high-density plasma being generated. Plasma with high-density plasma in a strong magnetic field such as ECR (Electron Cyclotron Resonance) or those in which both spaces are separated from each other, such as those described in JP-A-4-81324, ICP (Inductive Coupled Plasma), etc. It is the same in that the plasma generation space is confined to the plasma generation space adjacent to the processing space and the plasma generation space is adjacent to the plasma processing space. There are also known devices that confine high-density plasma using polarized electromagnetic waves.
[0004]
On the other hand, since it is difficult to uniformly supply plasma in a single plasma generation space as the processing target such as a liquid crystal substrate is enlarged and the plasma processing space is expanded, as described in JP-A-8-222399, In some cases, a plurality of plasma generation spaces are provided, and a control valve is provided for each of them to supply reaction gas and processing gas. In this case, the plasma generation space is divided into vertical cylindrical spaces so that the opening area does not decrease even if the number of plasma generation spaces is increased. Each side surface is surrounded by a high-frequency coil for excitation, and the magnetism for sealing the plasma is cylindrical. It is sent from the upper and lower end surfaces.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in these conventional plasma generators, the plasma space is separated into a plasma generation space and a plasma processing space to reduce plasma damage and charge-up. However, the plasma processing object such as a substrate is increased in size. However, it cannot always be said that there is sufficient applicability. Since the plasma supplied from the plasma generation space to the plasma processing space spreads laterally on the surface when it hits the object to be processed, it flows out while spreading from the inside of the center / center to the outside of the edge / periphery, etc. Since the outside concentration tends to be thin, it is difficult to ensure the uniformity of plasma over the entire plasma processing space, and the tendency increases as the size increases. Such inconvenience is not solved even if the plasma generation space is made plural and the plasma supply to the plasma processing space becomes uniform. Therefore, a structure that does not impair the uniformity of the plasma supplied from the plasma generation space to the plasma processing space is devised, and even if the plasma processing space becomes large, uniform plasma is supplied to the object to be processed there. This is an important issue.
[0006]
In the conventional plasma generation apparatus, if the distance between the plasma generation space and the plasma processing space is too large, ion species are suppressed more than necessary. More gas flows back into the generation space. Such a backflow gas also contains components that should be discharged immediately, such as those generated by processing the object to be processed. When this gas enters the plasma generation space, it is violently decomposed and ionized by the high-density plasma, causing contamination, etc. It is inconvenient because it often changes to an undesirable one. This is not solved even if the plasma generation space is made plural, if the opening area from the plasma generation space to the plasma processing space remains the same. Further, it is sufficient for high-density plasma to interpose a magnet or the like between the plasma generation space and the plasma processing space in order to apply a static magnetic bias for sealing the plasma from above and below the plasma generation space. If it is going to secure magnetic force, processing and mounting of a magnetic member will become troublesome. Therefore, the structure of the plasma generation space can be further devised so that unwanted gas inflow from the plasma processing space to the plasma generation space can be effectively prevented and the magnetic member can be mounted easily. It becomes a problem.
[0007]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to realize a plasma generator that supplies uniform plasma. Another object of the present invention is to realize a plasma generating apparatus that supplies uniform and high-quality plasma and that can be easily manufactured.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
About the 1st thru | or 4th solution means invented in order to solve such a subject, the structure and effect are demonstrated below.
[0009]
[First Solution] The plasma generator of the first solution is , A first mechanism formed with a plasma processing space; and a second mechanism attached to or integrated with the first mechanism to form a plasma generation space, the plasma generation space being the plasma processing space. In a plasma generator adjacent to and communicating with a space, By fixing the opening of the plasma generation space so as to overlap the communication port of the anode portion disposed above the first mechanism, Communication paths from the plasma generation space to the plasma processing space are formed in a dispersed manner. By tilting the periphery / periphery of the anode part, Located outside of the communication path The communication port Is characterized in that it is inclined inward.
[0010]
In such a plasma generator of the first solution, by maintaining the conditions of separation of the plasma space and adjacent communication, plasma damage and charge-up are reduced, and the radical species component and ion species in the plasma are reduced. We are responding to the basic request of optimizing the ratio with other ingredients. In addition, since the communication path from the plasma generation space to the plasma processing space is formed in a dispersed manner, the plasma supplied from the plasma generation space to the plasma processing space even if the workpiece or the plasma processing space is enlarged. Is easy to make uniform.
[0011]
In addition, since those outside the communication passages are inclined inwardly, the plasma is blown inward from the plasma generation space to the plasma processing space at the edge and peripheral portions. Therefore, the inward speed component suppresses the speed component from the inside such as the center / center to the outside such as the edge / periphery. As a result, the plasma is replenished while relaxing the rapid outflow of the plasma at the edge / periphery, so that the plasma uniformity is prevented from being damaged. Until it becomes uniform. Therefore, according to the present invention, a plasma generator that supplies uniform plasma can be realized.
[0012]
[Second Solution] The plasma generator of the second solution is as follows. , In the plasma generating apparatus of the first solving means described above, the inwardly inclined communication path is inclined so as to be deviated in the same rotation direction as viewed from the center.
[0013]
In such a plasma generator of the second solution, when the plasma is blown inward from the plasma generation space to the plasma processing space at the edge and periphery, the center and the center are the same. Rather than hitting it toward the place, it is done so that it rotates in the same direction as it rotates around the periphery of the center point and the center part. Then, in the peripheral and peripheral portions, the inward blowing of the plasma before the processing and the outward outflow of the plasma after the processing are performed while always following the rotation direction in the same direction.
[0014]
If the plasma is simply blown out toward the center or the center, a state similar to turbulent flow is also caused, and even if the average over the long term is uniform, the state of the flow varies randomly in the short period and is subtle. Where uncertainty and non-uniformity remain, applying a constant rotational force as described above stabilizes the state of the plasma flow microscopically, so spatially and temporally. Since the uniformity is improved, uniform processing can be performed without spots even in short-time processing or high-precision processing. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a plasma generator that supplies a more uniform plasma.
[0015]
[Third Solution] The plasma generator of the third solution is as follows. , The plasma generating apparatus of the second and third solving means described above, comprising a magnetic member provided on the second mechanism side and attached to the plasma generating space, wherein the plasma generating space and the magnetic member are the plasma. A plurality of them are provided along a surface adjacent to the processing space, and a part or all of them are alternately running in parallel.
[0016]
Here, the above-mentioned “magnetic member” corresponds to a permanent magnet and a DC excitation coil.
[0017]
In the plasma generating apparatus of the third solving means, in addition to the above-described conditions of the separation of the plasma space and the adjacent communication, the second mechanism in which the magnetic member attached to the plasma generating space is the same as the plasma generating space. Since both sides are provided along the adjacent surface to the plasma processing space, the magnetic force can be strengthened, and the adjacent surface communicating with the plasma processing space and the cross-sectional area of the plasma generation space along the surface can also be provided. At least the portion occupied by the magnetic member is necessarily smaller than that of the plasma processing space. If there is a difference between the areas of the two spaces in this way, the ratio of the area of the communication adjacent surface and the cross-sectional area of the plasma processing space along this is the first ratio, and the area of the communication adjacent surface and the plasma generation space along this area. The first ratio is less than 1 and smaller than the second ratio, where the ratio of the cross-sectional area is the second ratio.
[0018]
When the first ratio is less than 1, the amount of gas flowing from the plasma processing space into the plasma generation space decreases. On the other hand, when the second ratio is 1, the amount of gas flowing out from the plasma generation space to the plasma processing space does not decrease. Further, even when the second ratio is less than 1 and the amount of outflow gas decreases, if the second ratio is greater than the first ratio, the degree of decrease may be small. In any case, the ratio of the gas flowing out from the plasma generation space into the plasma processing space is relatively higher than the ratio of the gas flowing into the plasma generation space from the plasma processing space. This not only suppresses the flow of undesired gas into the plasma generation space, but even when the gas enters the plasma generation space, the gas is quickly discharged into the plasma processing space together with the plasma flow. , Gas alteration due to high-density plasma can be prevented and suppressed. Thereby, the plasma is maintained in a good quality state.
[0019]
In addition, due to the parallel running of the plurality of plasma generation spaces and the magnetic member, the distribution area of the plasma generation space is expanded from the line to the surface. In addition, since the area can be increased by increasing the number of parallel runs, it can be easily adapted even if the processing target such as a substrate is enlarged, and thus has excellent expandability. Furthermore, since the magnetic member is provided on the same side as the plasma generation space on the second mechanism side, there is no need to interpose the plasma generation space and the plasma processing space, so that the layout design, mounting work, and subsequent components are eliminated. Maintenance work such as replacement is also easier. Moreover, since the magnetic members are shared by the plasma generation spaces adjacent to each other by alternately arranging the plasma generation spaces and the magnetic members, the magnetic members can be used effectively and the plasma generation spaces can be arranged closely. Therefore, the degree of freedom in designing the arrangement of the plasma generation space is also improved. This makes it much easier to mount and manufacture.
[0020]
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a plasma generating apparatus that supplies uniform and high-quality plasma and that can be easily manufactured.
[0021]
[Fourth Solution] The plasma generator of the fourth solution is as follows. , In the plasma generating apparatus according to the first to third solving means, only the non-reactive gas is supplied to the plasma generating space.
[0022]
In such a plasma generator of the fourth solution, only non-reactive gas that is useful for generating high-density plasma and that does not undesirably deteriorate even if it becomes high-density plasma is used as the plasma gas. The reaction gas necessary for the etching process is supplied to the plasma processing space without passing through the plasma generation space. Thereby, it is possible to reliably prevent the reaction gas from entering the plasma generation space in combination with the above-described prevention of gas inflow from the plasma processing space to the plasma generation space. Therefore, even if the plasma density is further increased as necessary, even if a large amount of plasma is generated, the quality of the reaction gas is suppressed, so that the quality of the reaction gas is better than when the reaction gas is supplied via the plasma generation space. A plasma can be provided.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The plasma generator of the present invention achieved by such a solution is generally used by being mounted in an appropriate vacuum chamber. For this purpose, each mechanism such as the first mechanism in which the plasma processing space is formed and the second mechanism in which the plasma generation space is formed has a balance between the ease of incorporation into the vacuum chamber and the necessity of the degree of vacuum. In many cases, it is attached separately after being formed from the standpoint of, for example, but it is often fixed in close contact, for example, but part or all of the same or a single member such as a clad material is used. It may be integrally formed by processing or the like.
[0024]
【Example】
A specific configuration of the plasma generator according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a longitudinal sectional view thereof, FIG. 2 is a longitudinal sectional perspective view around the plasma generation chamber, and FIG. 3 is an enlarged view of one plasma generation space therein.
[0025]
This plasma generator generally includes a first mechanism for securing a plasma processing space, a second mechanism for securing a plasma generation space, and an additional portion thereof, and an application for applying an electric field or a magnetic field to each plasma. And a circuit part. In order to process a round workpiece 1 such as an IC silicon wafer, the first mechanism and the second mechanism both have a substantially disk / cylindrical shape (see FIG. 2).
[0026]
In the first mechanism, a
[0027]
The second mechanism is mainly composed of a
[0028]
The
[0029]
Further, the back surface (upper surface in the longitudinal sectional view) of the
[0030]
The outermost
[0031]
The
[0032]
The application circuit unit is divided into a first application circuit centered on the
[0033]
The
[0034]
The use mode and operation of the plasma generator of this embodiment will be described with reference to the drawings. 5R> 5 is a cross-sectional view showing a mounting state in the vacuum chamber, and FIG. 6 is a graph example showing a density distribution of the low-
[0035]
Prior to use, the
[0036]
Next, when the
[0037]
At this time, the high-
[0038]
When the
[0039]
When the output of the
[0040]
Furthermore, when the output of the
[0041]
Thus, in the
[0042]
Further, apart from the inclined outermost
[0043]
A second embodiment of the plasma generator of the present invention, whose longitudinal cross-sectional view is shown in FIG. 7, will be described. This differs from the first embodiment described above in that not only the edge portion but also the inner
[0044]
A third embodiment of the plasma generator of the present invention, whose longitudinal cross-sectional view is shown in FIG. 8, will be described. This is different from the first embodiment described above in that the edge of the
[0045]
A third embodiment of the plasma generating apparatus of the present invention, whose longitudinal sectional view and plan view are shown in FIG. 9, will be described. This differs from the second embodiment described above in that the
[0046]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the plasma generating apparatus of the first solving means of the present invention, new plasma is supplied to the plasma generating apparatus while mitigating rapid outflow at the periphery / periphery. Thus, there is an advantageous effect that a plasma generator that supplies uniform plasma can be realized.
[0047]
Further, in the plasma generating apparatus of the second solving means of the present invention, since the rotational force is also applied to the inward plasma blowing, the uniformity in space and time is improved, There is an advantageous effect that a plasma generator that supplies more uniform plasma can be realized.
[0048]
Furthermore, in the plasma generating apparatus of the third solving means of the present invention, the inflow of gas from the plasma processing space to the plasma generating space can be achieved by devising the shape and arrangement of the plasma generating space and the magnetic member. It has an advantageous effect of being able to realize a plasma generator that supplies uniform and high-quality plasma and that can be easily manufactured as a result. .
[0049]
Further, in the plasma generating apparatus of the fourth solving means of the present invention, it is possible to provide a higher quality plasma by preventing the reactive gas from being directly exposed to the high density plasma. There is an advantageous effect that it has become possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a plasma generator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional perspective view around the plasma generation space.
FIG. 3 is an enlarged view of one of the plasma generation spaces.
FIG. 4 is a modified example of the magnetic circuit.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where the vacuum chamber is mounted.
FIG. 6 is a graph showing the density distribution of low-temperature plasma.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of a second embodiment of the plasma generator of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a third embodiment of the plasma generating apparatus of the present invention.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view and a plan view of a fourth embodiment of the plasma generating apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Workpiece
2 Vacuum chamber body
3 Vacuum chamber lid
4 Variable valve
5 Vacuum pump
10 Low temperature plasma
11 Anode section (first mechanism; first application circuit)
11a Anode edge ring (first mechanism; first application circuit)
12 Cathode (first mechanism; first application circuit)
13 Plasma processing space
14 Communication port (communication passage)
14a Communication port (communication passage)
15 Processing gas supply port
20 High density plasma
21 Plasma generation chamber (second mechanism)
21a Gas distribution member (second mechanism)
22 Plasma generation space
23 Gas supply path for plasma
24 Coil (second application circuit)
25 Permanent magnet (Magnetic member for magnetic circuit)
26 Magnetic flux lines (magnetic circuit)
31 RF power supply (first application circuit)
32 RF power supply (second application circuit)
A Argon gas (non-reactive gas, plasma generating gas)
B CF gas (reactive gas, processing gas)
Claims (3)
前記プラズマ発生空間の開口が、前記第1機構の上方に配置されたアノード部の連通口に重なるように固設されることにより、前記プラズマ発生空間から前記プラズマ処理空間への連通路が分散して形成され、前記アノード部の辺縁・周辺を傾斜させることで、前記連通路のうち外側に位置する前記連通口が内側へ向けて傾斜している
ものであることを特徴とするプラズマ発生装置。A first mechanism formed with a plasma processing space; and a second mechanism attached to or integrated with the first mechanism to form a plasma generation space, the plasma generation space being the plasma processing space. In a plasma generator adjacent to and communicating with a space,
Since the opening of the plasma generation space is fixed so as to overlap the communication port of the anode portion disposed above the first mechanism, the communication path from the plasma generation space to the plasma processing space is dispersed. The plasma generating apparatus is characterized in that the communication port located outside of the communication path is inclined inward by inclining the edge / periphery of the anode part. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP25011297A JP3814813B2 (en) | 1997-09-01 | 1997-09-01 | Plasma generator |
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Publications (2)
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