JP4122467B2 - 高周波放電装置及び高周波処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウエハ上の薄膜素子の製造、或いは粒子ビーム源や分析装置や加熱装置などのプラズマ源に用いられる高周波放電装置並びに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、砒素などを構成要素とする薄膜が形成された素子（以下、薄膜素子と称する）は、ＬＳＩ、磁気記録装置、光記録装置などの記憶装置、半導体レーザ、光電変換素子などの通信機器、ＬＣＤなどの平面ディスプレイ、固体撮像素子などの表示装置、太陽電池などのエネルギー機器など、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】
このような薄膜素子は、その構造の微細化、高性能化が進んでおり、例えばエッチング、ＣＶＤなどでプラズマを用いた製造プロセスが重要となつている。そして、製造プロセスで用いる被処理体の基板の面積も生産性向上の観点から大面積化している。
【０００４】
このような製造プロセスを実現するために誘導結合型の高周波プラズマ装置が注目されている。この誘導結合型の高周波プラズマ装置は、通常、真空容器の外部にループ状のアンテナが配置され、このアンテナに高周波電流を流すことにより誘導電界を真空容器内のガスに加え、プラズマを生成するものとなっている。
【０００５】
この場合、アンテナにより発生する誘導電界は、真空容器に設置された誘電体窓を通して真空容器内のガスに加えられている。
このような誘導結合型の高周波プラズマであれば、アンテナの近傍に誘導電界が発生するとともに、アンテナに供給される高周波電圧による静電界も同時に発生する。
【０００６】
この静電界によるアンテナとプラズマとの静電的結合は、プラズマ放電の開始や低密度領域でのプラズマ生成に寄与する。これにより、この静電的結合は、プラズマ放電の安定化に重要な働きをする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アンテナとプラズマとの静電的結合の結果、アンテナ又はアンテナ近傍の誘電体には、負の直流セルフバイアス電圧が発生し、このセルフバイアス電圧によつて放電により生じたイオンが加速され、誘電体やアンテナの材料がスパッタされる。例えば、アンテナの材料が銅であれば、この銅そのものや電離した銅が真空容器の内壁や被処理体にスパッタされる。
【０００８】
このため、高周波プラズマ装置の劣化を速めるだけでなく、スパッタされた不純物がエッチングやＣＶＤなどのプロセスに悪影響を与える。
そこで本発明は、プラズマ放電の安定化とアンテナによるスパッタの抑制とを両立させるためにアンテナとプラズマとの静電的結合を最適に制御できる高周波放電装置を提供することを目的とする。
【０００９】
又、本発明は、アンテナとプラズマとの静電的結合を最適に制御した状態でプラズマを発生させ、被処理体に対する処理ができる高周波処理装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、少なくとも１つのループ状のアンテナに高周波電力を供給して容器内に誘導電界を発生させることによりプラズマを生成する高周波放電装置において、１つのアンテナの接地側又は複数のアンテナ間にそれぞれ介装されたコンデンサを具備し、コンデンサは、可変容量であり、この容量を変化させてアンテナ上での高周波電圧分布を変化させ、アンテナとプラズマとの静電的結合を制御し、コンデンサの容量Ｃは、高周波の周波数をω、回路中のインダクタンスをＬとすると、Ｃ＝２／ω ^２ Ｌの関係を満たす高周波放電装置である。
請求項２によれば、請求項１記載の高周波放電装置において、アンテナは、外周側に絶縁被覆が施されている又は施されていない。
【００１１】
請求項３によれば、プラズマ生成用のガスが供給され、かつ内部に被処理体が配置される真空容器と、高周波電力用の電源と、電源からの高周波電力の供給により真空容器内に誘導電界を発生させてプラズマを生成させ、真空容器内の被処理体に対して処理を行なわせる少なくとも１つのループ状のアンテナと、１つのアンテナの接地側又は複数のアンテナ間にそれぞれ介装されたコンデンサとを具備し、コンデンサは、可変容量であり、この容量を変化させてアンテナ上での高周波電圧分布を変化させ、アンテナとプラズマとの静電的結合を制御し、コンデンサの容量Ｃは、高周波の周波数をω、回路中のインダクタンス成分をＬとすると、Ｃ＝２／ω ^２ Ｌの関係を満たす高周波処理装置である。
請求項４によれば、請求項３記載の高周波処理装置において、アンテナは、外周側に絶縁被覆が施されている又は施されていない。
請求項５によれば、請求項３記載の高周波処理装置において、アンテナは、複数であり、かつ真空容器の内部に設けられた。
請求項６によれば、請求項３記載の高周波処理装置において、アンテナは、真空容器の外部に設けられた。
【００１７】
【発明の実施の形態】
(1) 以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の高周波処理装置の構成図である。
真空容器１は、例えば円筒状に形成され、その上部には図２に示すように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２を供給するための供給管３が接続されるとともに、その下部には排気管４が接続されている。なお、真空容器１は、円筒状に限らず、立方体形状に形成されていてもよい。
【００１８】
排気管４には、排気ポンプ５が接続され、この排気ポンプ５の作動によって真空容器１内を減圧するようになっている。
又、真空容器１内には、テーブル６が設けられ、このテーブル６上にエッチング又はＣＶＤ処理が行なわれる被加工物７が載置されている。
【００１９】
さらに、真空容器１内には、ループ状のアンテナ８が配置されている。このアンテナ８は、例えば導電性の材料、例えば銅、アルミニウムにより形成されている。
【００２０】
又、このアンテナ８は、そのアンテナ導体の外周を絶縁材料、例えばガラス繊維で絶縁被覆が施されたもの、又は絶縁被覆を施さずにアンテナ導体の金属無垢の２種類となっている。
【００２１】
このアンテナ８の一端には、図１に示すように高周波電力用の電源９が接続され、かつ他端側の接地との間にはフローティングコンデンサ１０が接続されている。
【００２２】
このフローティングコンデンサ１０は、可変容量であり、その容量Ｃ_f を変化させてアンテナ８上での高周波電圧分布を変化させ、このアンテナ８とプラズマＰとの静電的結合を制御する作用を持っている。
【００２３】
すなわち、図３(a) に示すようにアンテナ８にフローティングコンデンサ１０が接続されていなければ、接地に対するＡ点の電圧は同図(b) に示すように０Ｖとなり、Ａ点とＢ点との間には同図(c) に示すようにアンテナ８のＡ，Ｂ間の電圧に対応した電圧波形が現れる。この波形は、同図(d) に示すように接地に対するＢ点についても同様である。
【００２４】
これに対して図４(a) に示すようにアンテナ８にフローティングコンデンサ１０を接続すると、Ａ点には、このフローティングコンデンサ１０の電圧降下により同図(b) に示すようにＡ点とＢ点との間の電圧位相｛図４(c) ｝と逆位相で２分の１倍の振幅を持つの電圧波形が現れる。
【００２５】
従って、接地からＢ点の電圧は、同図(b) に示すフローティングコンデンサ１０による逆位相の電圧と同図(c) に示すＡ点とＢ点との間の電圧とが重なり合った波形となり、同図(d) に示すような最大値の小さくなった電圧となる。
【００２６】
従って、フローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f を変化させることにより、アンテナ８上の電圧分布を変化させてアンテナ８上の任意の点（例えばＡ点とＢ点との中間点）の電圧を０Ｖに制御できるものとなる。
【００２７】
この中間点での電圧が０Ｖの場合、図４(a) に示す回路を式で表すと、
Ｖ＝｛（ｊωＬ／２）＋ｊ（１／ωＣ_f ）｝・Ｉ …(1)
となる。ここで、Ｌはアンテナ８のインダクタンス、Ｃ_f はフローティングコンデンサの容量、Ｉは回路電流である。
【００２８】
この際には、式変形して
Ｃ_f ＝２／ω² Ｌ …(2)
となる。
【００２９】
この値をとれば、高周波電圧についてコンデンサがない場合に比べて接地からＢ点が半分となり大幅に静電的結合が抑制できる。
ここで、フローティングコンデンサ１０の効果を調べるために、アンテナ８の両端での高周波電圧Ｖ_RF1 、Ｖ_RF2 、アンテナ８の負の直流セルフバイアス電圧Ｖ_DC、電子密度ｎ_e をそれぞれ測定した。
【００３０】
図５及び図６はアンテナ８のセルフバイアス電圧Ｖ_DC（図には絶対値｜Ｖ_DC｜を表示）、アンテナ８の両端の高周波電圧Ｖ_RF1 、Ｖ_RF2 、電子密度ｎ_e に対するフローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f の依存性を示している。
【００３１】
この場合、アンテナ８は、ステンレス製金属無垢のアンテナを用いて例えばアルゴン０．３Ｐａの放電を行なった。
図５に示すようにフローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f を小さくするにつれて、電源９側の高周波電圧Ｖ_RF1 は小さくなり、フローティングコンデンサ１０側の高周波電圧Ｖ_RF2 は大きくなり、上記コンデンサ１０の容量Ｃ_f が４００ｐＦとなる付近で大きさが逆転する。
【００３２】
又、セルフバイアス電圧｜Ｖ_DC｜は、上記コンデンサ１０の容量Ｃ_f を小さくするにつれて初めは小さくなり、Ｖ_RF1 ＝Ｖ_RF2 となるときに最小となり、この後に再び高くなる。
【００３３】
このことはフローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f を変化させることにより、静電的結合の強さを制御できることを示している。
図６はセルフバイアス電圧｜Ｖ_DC｜が最小となるときに電子密度ｎ_e が最大となっている。これはアンテナ８とプラズマＰとの静電的結合を抑制すると、プラズマＰの生成効率が高くなることを示している。
【００３４】
一方、図７及び図８は上記同様にフローティングコンデンサ１０の効果を調べるために、絶縁被覆されたアンテナ８を用いて、このアンテナ８の両端での高周波電圧Ｖ_RF1 、Ｖ_RF2 、電子密度ｎ_e をそれぞれ測定した結果である。なお、アンテナ８の負の直流セルフバイアス電圧Ｖ_DCは、アンテナ導体でなく、プラズマＰ中の絶縁物表面に現れるために測定できない。
【００３５】
この絶縁被覆されたアンテナ８を用いた場合でも、上記同様に、アンテナ８の両端の高周波電圧Ｖ_RF1 、Ｖ_RF2 は、フローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f が４００ｐＦとなる付近でＶ_RF1 ＝Ｖ_RF2 となり、かつ電子密度ｎ_e が最大となるという同じ傾向を持っている。
【００３６】
これはアンテナ８に絶縁被覆を施してもフローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f を変えることにより、アンテナ８とプラズマＰとの静電的結合が制御できることを示している。
【００３７】
なお、アンテナ８を真空容器１の外部に配置した場合でも、アンテナ８とプラズマＰとが誘電体を介して結合されている点では、アンテナ８を真空容器１の内部に配置した場合と変わらないので、アンテナ８を真空容器１の外部に配置した場合でもフローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f を変えることによりアンテナ８とプラズマＰとの静電的結合が制御できる。
【００３８】
このような高周波処理装置での処理は、真空容器１の内部に配置されたループ状のアンテナ８に対して電源９から高周波電流が流すことにより誘導電界が真空容器１内の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２に加えられ、これによりプラズマＰが生成され、被処理体７に対するエッチング又は薄膜形成などの処理が行なわれる。
【００３９】
このように上記第１の実施の形態においては、アンテナ８の接地側にフローティングコンデンサ１０を接続し、このフローティングコンデンサ１０の容量Ｃ_f を変化させてアンテナ８上での高周波電圧分布を変化させ、このアンテナ８とプラズマＰとの静電的結合を制御するようにしたので、プラズマＰ放電の安定化とアンテナ８によるスパッタの抑制とを両立させるためにアンテナ８とプラズマＰとの静電的結合を最適に制御できる。
【００４０】
これにより、負の直流セルフバイアス電圧によつてイオンが加速され、例えば、アンテナの材料が真空容器１の内壁や被処理体７にスパッタされることが抑制され、高周波プラズマ装置を長寿命化でき、エッチングやＣＶＤなどのプロセスに悪影響を与えることはなくなる。
(2) 次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００４１】
図９は高周波処理装置の構成図である。
真空容器１の内部には、径の異なる複数のループ状のアンテナ、例えば２つのアンテナ２０、２１が配置されている。
【００４２】
これらアンテナ２０、２１は、例えば導電性の材料、例えば銅、アルミニウムにより形成されている。
又、これらアンテナ２０、２１は、そのアンテナ導体の外周を絶縁材料、例えばガラス繊維で絶縁被覆が施されたもの、又は絶縁被覆を施さずにアンテナ導体の金属無垢の２種類となっている。
【００４３】
これらアンテナ２０、２１は、直列に接続され、かつその各間にはそれぞれ各フローティングコンデンサ２２、２３が接続されている。
これらフローティングコンデンサ２２、２３は、それぞれ可変容量であり、その各容量Ｃ_f を変化させて各アンテナ２０、２１上での高周波電圧分布を変化させ、各アンテナ２０、２１とプラズマＰとの静電的結合を制御する作用を持っている。
【００４４】
すなわち、上記第１の実施の形態と同様に、各フローティングコンデンサ２２、２３の各容量Ｃ_f を変化させることにより、各アンテナ２０、２１での電圧分布を任意に制御してアンテナ上の任意の点を０Ｖにできるとともに、接地から各アンテナ２０，２１までの電圧を小さくすることができる。
【００４５】
このような高周波処理装置での処理は、真空容器１の内部に配置された２つのループ状のアンテナ２０、２１に対して電源９から高周波電流が流すことにより誘導電界が真空容器１内の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２に加えられ、これによりプラズマＰが生成され、被処理体７に対するエッチング又は薄膜形成などの処理が行なわれる。
【００４６】
このように上記第２の実施の形態においては、２つのアンテナ２０、２１の各間にフローティングコンデンサ２２、２３を接続してその各容量Ｃ_f を変化させて２つのアンテナ２０、２１上での高周波電圧分布を変化させ、これらアンテナ２０、２１とプラズマＰとの静電的結合を制御するようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、プラズマＰ放電の安定化とアンテナ２０、２１によるスパッタの抑制とを両立させるためにアンテナ２０、２１とプラズマＰとの静電的結合を最適に制御できるという効果を奏することは言うまでもない。
(3) 次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００４７】
図１０は高周波処理装置の構成図である。
真空容器１の外周には、複数のループ状のアンテナ、例えば３つのアンテナ３０、３１、３２が配置されている。
【００４８】
これらアンテナ３０、３１、３２は、例えば導電性の材料、例えば銅、アルミニウムにより形成されている。
又、これらアンテナ３０、３１、３２は、絶縁被覆を施さずにアンテナ導体の金属無垢となっている。
【００４９】
これらアンテナ３０、３１、３２は、直列に接続され、かつその各間にはそれぞれ各フローティングコンデンサ３３、３４、３５が接続されている。
これらフローティングコンデンサ３３、３４、３５は、それぞれ可変容量であり、その各容量Ｃ_f を変化させて各アンテナ３０、３１、３２上での高周波電圧分布を変化させ、各アンテナ３０、３１、３２とプラズマＰとの静電的結合を制御する作用を持っている。又、アンテナ３０，３１，３２は、真空容器の一部をなす例えば石英部材３６に巻かれている。
【００５０】
すなわち、上記第１の実施の形態と同様に、各フローティングコンデンサ３３，３４，３５の各容量Ｃ_f を変化させることにより、各アンテナ３０，３１，３２での電圧分布を任意に制御してアンテナ上の任意の点を０Ｖにできるとともに、接地から各アンテナ３０，３１，３２までの電圧を小さくすることができる。
【００５１】
このような高周波処理装置での処理は、真空容器１の内部に配置された２つのループ状のアンテナ３０、３１、３２に対して電源９から高周波電流を流すことにより誘導電界が真空容器１内の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２に加えられ、これによりプラズマＰが生成され、被処理体７に対するエッチング又は薄膜形成などの処理が行なわれる。
【００５２】
このように上記第３の実施の形態においては、３つのアンテナ３０、３１、３２の各間にフローティングコンデンサ３３、３４、３５を接続してその各容量Ｃ_f を変化させて３つのアンテナ３０、３１、３２上での高周波電圧分布を変化させ、これらアンテナ３０、３１、３２とプラズマＰとの静電的結合を制御するようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、プラズマＰ放電の安定化とアンテナ３０、３１、３２によるスパッタの抑制とを両立させるためにアンテナ３０、３１、３２とプラズマＰとの静電的結合を最適に制御できるという効果を奏することは言うまでもない。
【００５３】
なお、上記の説明では高周波を用いた処理装置について述べたが、高周波加熱装置のような常圧容器中での被処理体（例えば金属など）の加熱に用いる高周波放電装置も提供できる。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、アンテナの接地側又は複数のアンテナ間にそれぞれ介装されたコンデンサの容量を変化させてアンテナ上での高周波電圧分布を変化させ、アンテナとプラズマとの静電的結合を制御することによってプラズマ放電の安定化とアンテナによるスパッタの抑制とを両立させるためにアンテナとプラズマとの静電的結合を最適に制御できる高周波放電装置を提供できる。
【００５５】
又、本発明によれば、アンテナの接地側又は複数のアンテナ間にそれぞれ介装されたコンデンサの容量を変化させてアンテナ上での高周波電圧分布を変化させ、アンテナとプラズマとの静電的結合を制御することによってアンテナとプラズマとの静電的結合を最適に制御した状態でプラズマを発生させ、被処理体に対する処理ができる高周波処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる高周波処理装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】同装置における真空容器内の構成図。
【図３】フローティングコンデンサが無いときのアンテナ上の高周波電圧分布を説明するための図。
【図４】フローティングコンデンサを接続したときのアンテナ上の高周波電圧分布を説明するための図。
【図５】金属無垢のアンテナを用いた場合のアンテナのセルフバイアス電圧Ｖなどに対するフローティングコンデンサの容量の依存性を示す図。
【図６】金属無垢のアンテナを用いた場合のアンテナのセルフバイアス電圧などに対するフローティングコンデンサの容量の依存性を示す図。
【図７】絶縁被覆されたアンテナを用いた場合のアンテナのセルフバイアス電圧Ｖなどに対するフローティングコンデンサの容量の依存性を示す図。
【図８】絶縁被覆されたアンテナを用いた場合のアンテナのセルフバイアス電圧Ｖなどに対するフローティングコンデンサの容量の依存性を示す図。
【図９】本発明に係わる高周波処理装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図１０】本発明に係わる高周波処理装置の第３の実施の形態を示す構成図。
【符号の説明】
１：真空容器、
２：プロセスガス、
７：被加工物、
８，２０，２１，３０，３１，３２：ループ状のアンテナ、
９：高周波電力用の電源、
１０，２２，２３，３３，３４，３５：フローティングコンデンサ。

Claims (6)

1. 少なくとも１つのループ状のアンテナに高周波電力を供給して容器内に誘導電界を発生させることによりプラズマを生成する高周波放電装置において、
   １つの前記アンテナの接地側又は複数の前記アンテナ間にそれぞれ介装されたコンデンサを具備し、
   前記コンデンサは、可変容量であり、この容量を変化させて前記アンテナ上での高周波電圧分布を変化させ、前記アンテナと前記プラズマとの静電的結合を制御し、
   前記コンデンサの容量Ｃは、高周波の周波数をω、回路中のインダクタンスをＬとすると、
   Ｃ＝２／ω ^２ Ｌの関係を満たす、
   ことを特徴とする高周波放電装置。
2. 前記アンテナは、外周側に絶縁被覆が施されている又は施されていないことを特徴とする請求項１記載の高周波放電装置。
3. プラズマ生成用のガスが供給され、かつ内部に被処理体が配置される真空容器と、
   高周波電力用の電源と、
   前記電源からの高周波電力の供給により前記真空容器内に誘導電界を発生させてプラズマを生成させ、前記真空容器内の前記被処理体に対して処理を行なわせる少なくとも１つのループ状のアンテナと、
   １つの前記アンテナの接地側又は複数の前記アンテナ間にそれぞれ介装されたコンデンサと、
   を具備し、
   前記コンデンサは、可変容量であり、この容量を変化させて前記アンテナ上での高周波電圧分布を変化させ、前記アンテナと前記プラズマとの静電的結合を制御し、
   前記コンデンサの容量Ｃは、高周波の周波数をω、回路中のインダクタンス成分をＬとすると、
   Ｃ＝２／ω ^２ Ｌの関係を満たす、
   ことを特徴とする高周波処理装置。
4. 前記アンテナは、外周側に絶縁被覆が施されている又は施されていないことを特徴とする請求項３記載の高周波処理装置。
5. 前記アンテナは、複数であり、かつ前記真空容器の内部に設けられたことを特徴とする請求項３記載の高周波処理装置。
6. 前記アンテナは、前記真空容器の外部に設けられたことを特徴とする請求項３記載の高周波処理装置。

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