JP2018163771A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リング磁石を回転させるためのアクチュエータを不要としたプラズマ処理装置を開示する。【解決手段】プラズマ処理装置１０は、ワーク９０が載置される下部電極３と、下部電極３の上部に配置されている上部電極４と、下部電極３と上部電極４の間に位置する空間を囲む筒状磁石６と、筒状磁石６に囲まれた領域を底面とする仮想的な錐状体であって、筒状磁石の外側に突出する錐状体の頂点に配置されているブロック磁石７を備えている。筒状磁石６の内周面の磁極と、ブロック磁石７の筒状磁石６側の端面の磁極は、反対磁極である。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、ワークをプラズマ処理するプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置は、チャンバ内にセットされたワーク（例えば、半導体基板）をプラズマに曝すことで、ワークを表面処理する。プラズマ処理装置には、ワークの表面をエッチングするプラズマエッチング装置や、ワークの表面にＣＶＤ（chemical vapor deposition）によって薄膜を成長させるプラズマＣＶＤ装置等が含まれる。

プラズマ処理装置について説明する前に、プラズマのドリフト運動について説明する。一般に、電場Ｅと磁場Ｂが存在する空間内のプラズマは、電場Ｅと磁場Ｂの外積方向（以下、「Ｅ×Ｂ方向」と記載）の力を受ける。一般に、このＥ×Ｂ方向の力による運動を「ドリフト運動」と呼ぶ。

例えば、特許文献１のプラズマ処理装置は、プラズマをドリフト運動によって旋回させる。当該文献のプラズマ処理装置は、ワークが載置される下部電極と、下部電極の上部に配置されている上部電極を備える。下部電極と上部電極の間に電圧を印加することによって下部電極と上部電極の間に電場Ｅが発生する。また、プラズマ処理装置は、さらに、下部電極と上部電極の間の空間を囲むダイポールリング磁石を備える。ダイポールリング磁石は、複数のセグメント磁石を環状に配置することにより作られている。複数のセグメント磁石により、ダイポールリング磁石の内側の空間に、ダイポールリング磁石の中心軸に直交する（従って下部電極の上面と上部電極の下面に平行な）磁場Ｂが発生する。下部電極と上部電極の間に存在するプラズマは、電場Ｅと磁場Ｂの双方に直交するＥ×Ｂ方向（下部電極の上面と上部電極の下面に平行な面内にある）の力を受ける。

プラズマ処理装置は、さらに、ダイポールリング磁石をその中心軸の周りに回転させるためのアクチュエータを備える。ダイポールリング磁石が回転することにより、Ｅ×Ｂ方向もダイポールリング磁石の中心軸の周りに回転する。これにより、プラズマは、ダイポールリング磁石の中心軸周りに旋回し、下部電極と上部電極の間の空間内に留まり、下部電極と上部電極の間に存在するプラズマの密度が高められる。

特開２０１０−２３８８１９号公報

特許文献１の技術では、プラズマを旋回させるために、ダイポールリング磁石を回転させるためのアクチュエータを必要とする。本明細書では、磁石を回転させるためのアクチュエータを不要としたプラズマ処理装置を開示する。

本明細書が開示するプラズマ処理装置は、ワークが載置される下部電極と、下部電極の上部に配置されている上部電極と、下部電極と上部電極の間に位置する空間を囲む筒状磁石と、ブロック磁石を備えている。筒状磁石に注目すると、筒状磁石が底面を画定する錐状体であって、頂点が筒状磁石の外側に突出する錐状体を仮想的に描くことができる。ブロック磁石は、その頂点の位置に配置されている。筒状磁石の内周面の磁極と、ブロック磁石の筒状磁石側端面の磁極は、反対磁極とする。すなわち、前者がＮ極であれば後者をＳ極とし、前者がＳ極であれば後者をＮ極とする。
筒状磁石は、円筒形状でもよく、楕円筒形状でもよく、四角形等の多角形筒形状でもよい。仮想する錐状体は、直錐でもよいし、斜錐でもよい。また、ブロック磁石は、筒状磁石の上部に配置されていてもよく、筒状磁石の下部に配置されていてもよい。

この構成によれば、主に錐状体の内側に筒状磁石とブロック磁石を結ぶ磁場が得られ、仮想的な錐状体の側面に沿って伸びる磁場Ｂが発生する。この磁場Ｂは、下部電極と上部電極の間に発生する電場Ｅと交差する。例えば、筒状磁石の円筒形状である場合、電場Ｅと直交する平面内において、Ｅ×Ｂ方向は、筒状磁石の中心軸を中心とする円の全周に亘って接線方向と一致する。これにより、プラズマは、電場Ｅと直交する平面内において筒状磁石の中心軸の周りに旋回する。また、筒状磁石が四角形筒形状である場合にも、Ｅ×Ｂ方向は、筒状磁石の中心軸の周りを一巡する。これにより、プラズマは、電場Ｅと直交する平面に沿って、筒状磁石の中心軸の周りを回る。即ち、筒状磁石とブロック磁石の配置の工夫により、筒状磁石を回転させるためのアクチュエータを不要とすることができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のプラズマ処理装置の断面図である。 筒状磁石とブロック磁石の斜視図である。 筒状磁石の上面図である。

図１は、実施例のプラズマ処理装置１０を示している。プラズマ処理装置１０は、ワーク９０に対してプラズマ処理を行う。プラズマ処理装置１０は、プラズマエッチング装置であってもよいし、プラズマＣＶＤ装置であってもよい。

プラズマ処理装置１０は、支持台２を備える。支持台２の上面に、下部電極３が配置されている。下部電極３は、略円板形状を有している。下部電極３は、その中心軸が上下方向に伸びるように支持台２に支持されている。下部電極３には、電圧を印加するための配線３０が接続されている。下部電極３の上面は平坦である。下部電極３の上面は、ワーク９０が載置されるステージである。

支持台２の上面から複数本のピラー４６が上方に延びている。各ピラー４６の上端に上部プレート４４に固定されている。上部プレート４４の下面から複数本のピラー４２が下方に延びている。各ピラー４２の下端に、電極保持部４０が固定されている。電極保持部４０の下面に上部電極４が固定されている。即ち、上部電極４は、ピラー４６、上部プレート４４、ピラー４２、電極保持部４０を介して、支持台２に支持されている。上部電極４は、下部電極３の上部に位置している。
上部電極４の電位は、支持台２の電位、即ち、接地電位である。上部電極４は、略円板形状を有している。上部電極４は、その中心軸が上下方向に伸びるように支持されている。上部電極４は、下部電極３と中心軸が一致するように支持されている。

下部電極３及び上部電極４は、チャンバ５に収容される。チャンバ５の外壁５０は、上壁５０ａと筒状の側壁５０ｂによって構成されている。上壁５０ａには、貫通孔５０ｃが設けられている。後記するようにチャンバ５が下方に移動すると、貫通孔５０ｃは、外壁５０の内側から電極保持部４０によって塞がれる。電極保持部４０から上方に伸びるピラー４２は、貫通孔５０ｃを通過している。上壁５０ａの上面は、接続部材５２を介して可動ピラー５４の下端に接続されている。可動ピラー５４は、上下に伸びる柱状の部品である。可動ピラー５４の上端は、アクチュエータ５６に連結されている。アクチュエータ５６は、上部プレート４４に固定されている。アクチュエータ５６を動作させることで、可動ピラー５４を上下に移動させることができる。可動ピラー５４の上下移動に伴い、外壁５０が上下に移動する。外壁５０を上方に移動させることにより、外壁５０と支持台２の上面の間に隙間が生じ、当該隙間を通じて、ワーク９０を下部電極３に載置することができる。また、外壁５０を下方に移動させることにより、貫通孔５０ｃが電極保持部４０によって塞がれるとともに、外壁５０の下側の開口が支持台２の上面によって塞がれる。即ちチャンバ５が、外壁５０、電極保持部４０及び支持台２により構成される。

チャンバ５内には、上部電極４の中央に設けられているガス供給口４ａからガス（例えば、エッチングガス、ＣＶＤ用の原料ガス等）が供給される。チャンバ５内に供給されたガスは、下部電極３に配線３０を介して高周波電圧が印加されると、プラズマ化する。プラズマ化したガスがワーク９０と反応することで、ワーク９０が表面処理される。例えば、ガスがエッチングガスである場合には、プラズマ化したエッチングガスとワーク９０とが反応して、ワーク９０の表面が削られる。また、ガスがＣＶＤ用の原料ガスである場合には、プラズマ化した原料ガスがワーク９０の表面で反応して、ワーク９０の表面に膜が成長する。

プラズマ処理装置１０は、さらに、筒状磁石６と、円柱状のブロック磁石７を備える。筒状磁石６が、外壁５０を囲むように配置されている。図２は、筒状磁石６の斜視図を示す。筒状磁石６の略円筒形状であり、水平断面は円形である。筒状磁石６は、円筒状の磁石保持部６０と、磁石保持部６０の内周面の全周に亘って等間隔に配置されている複数のセグメント磁石６２を備える。図２では、複数のセグメント磁石６２のうちの１個に符号が付され、他のセグメント磁石の符号は省略している。各セグメント磁石６２において、Ｎ極が磁石保持部６０の内側を向いており、Ｓ極が磁石保持部６０の外側を向いている。即ち、筒状磁石６において、その内周面の全域がＮ極である。

図１に戻り、説明を続ける。筒状磁石６は、ピラー６４によって支持台２に支持されている。筒状磁石６は、その中心軸が上下方向に伸びるように支持されている。筒状磁石６は、下部電極３及び上部電極４と中心軸が一致するように支持されている。筒状磁石６の上下方向の幅は、下部電極３と上部電極４の間の距離よりも小さい。筒状磁石６は、上下方向において下部電極３と上部電極４の間の高さで、下部電極３の側に片寄って配置される。即ち、筒状磁石６は、下部電極３と上部電極４の間の空間の一部を囲む。

ブロック磁石７は、筒状磁石６の上方に配置されている。図２は、ブロック磁石７の斜視図を示し、図２では、簡略化した下部電極３、上部電極４及び電極保持部４０を２点鎖線で描いている。ブロック磁石７は、電極保持部４０の上面に支持されている。ブロック磁石７は、その中心軸ＣＬが上下方向に伸びるように支持されている。ブロック磁石７は、下部電極３、上部電極４及び筒状磁石６と中心軸ＣＬが一致するように支持されている。

ブロック磁石７の径は、筒状磁石６の内周面の径よりも小さい。図２に示すように、ブロック磁石７は、筒状磁石６の内周面のブロック磁石７の側の縁に囲まれた領域を底面とする仮想的な円錐ＩＣの頂点に配置されている。円錐ＩＣは、筒状磁石６の上部に突出している。円錐ＩＣは、いわゆる直錐である。ブロック磁石７の筒状磁石６の側の端面は、筒状磁石６の内周面の磁極であるＮ極と反対のＳ極である。これにより、筒状磁石６とブロック磁石７を結ぶように、円錐ＩＣの側面に沿う磁場Ｂが主に円錐ＩＣの内側に発生する。別言すれば、磁場Ｂは、筒状磁石６の内周面の全域からブロック磁石７の下側の端面へと集約するように発生する。

また、下部電極３に高周波電圧が印加されることにより、下部電極３と上部電極４の間に電場Ｅが発生する。電場Ｅは、中心軸ＣＬと平行である。電場Ｅは、円錐ＩＣの側面に沿う磁場Ｂと交差する。下部電極３と上部電極４の間の空間に存在するプラズマは、電場Ｅと磁場Ｂの外積方向（以下、「Ｅ×Ｂ方向」と記載）に力を受ける。この力により、プラズマは、Ｅ×Ｂ方向にドリフト運動をする。

図３を参照して、プラズマのドリフト運動について説明する。図３は、筒状磁石６の上面図であり、図２の平面III上に存在するプラズマのドリフト運動を説明するための図である。電場Ｅは、紙面の裏面から表面に向かう方向に発生する。一方、磁場Ｂは、平面視において、筒状磁石６の内周面の縁から筒状磁石６の中心軸ＣＬが通過する点に向かって発生する。Ｅ×Ｂ方向は、中心軸ＣＬが通過する点を中心とする円の全周に亘って当該円の接線方向に一致する。中心軸ＣＬが通過する点を中心とする円上に存在するプラズマは、当該円の全周に亘って接線方向に力を受けて、当該円に沿って旋回する。これにより、プラズマが、下部電極３と上部電極４の間の空間に留まり、高密度のプラズマを得ることができる。

本実施例の効果を説明する。従来のプラズマ処理装置は、ブロック磁石７を備えず、その内側に水平方向の磁場Ｂを発生させるダイポールリング磁石と、当該ダイポールリング磁石をその軸周りに回転させるアクチュエータを備える。プラズマは、磁場Ｂと平行な平面内において、電場Ｅと磁場Ｂの双方に直交するＥ×Ｂの方向に力を受ける。ダイポールリング磁石が回転することにより、プラズマは、当該回転の全周に亘ってＥ×Ｂの方向（即ち、円の接線方法）の力を受け、当該円に沿って旋回する。即ち、従来のプラズマ処理装置では、プラズマを旋回させるためにダイポールリング磁石を回転させるアクチュエータが必要であった。これに対して、本実施例のプラズマ処理装置１０は、筒状磁石６とブロック磁石７の配置の工夫により、プラズマの旋回を実現する。本実施例の技術により、磁石を回転させるためのアクチュエータを不要とすることができる。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。ブロック磁石７は、下部電極３の下部に配置されてもよい。この場合、筒状磁石６は、上部電極４の側に片寄って配置され、ブロック磁石７は、筒状磁石６の下部に突出している仮想的な円錐ＩＣの頂点に配置されてもよい。また、ブロック磁石７は、下部電極３と上部電極４の間に配置されてもよい。

また、ブロック磁石７の中心軸は、筒状磁石６の中心軸と一致しなくてもよい。即ち、ブロック磁石７は、筒状磁石６の内周面のブロック磁石７の側の縁に囲まれた領域を底面とする仮想的な斜錐の頂点に配置されていてもよい。

また、筒状磁石６の水平断面は、楕円形でもよく、四角形等の多角形でもよい。例えば、筒状磁石６の断面が四角形である場合、電場Ｅと直交する平面上において、Ｅ×Ｂ方向は、筒状磁石６の中心軸の周りを一巡する。プラズマは、中心軸の周りを旋回する。

筒状磁石６の内周面がＳ極であって、ブロック磁石７の筒状磁石６の側の端面がＮ極であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：支持台
３ ：下部電極
４ ：上部電極
４ａ ：ガス供給口
５ ：チャンバ
６ ：筒状磁石
７ ：ブロック磁石
１０ ：プラズマ処理装置
３０ ：配線
４０ ：電極保持部
４２ ：ピラー
４４ ：上部プレート
４６ ：ピラー
５０ ：外壁
５０ａ ：上壁
５０ｂ ：側壁
５０ｃ ：貫通孔
５２ ：接続部材
５４ ：可動ピラー
５６ ：アクチュエータ
６０ ：磁石保持部
６２ ：セグメント磁石
９０ ：ワーク

Claims (1)

1. ワークをプラズマ処理する装置であり、
   前記ワークが載置される下部電極と、
   前記下部電極の上部に配置されている上部電極と、
   前記下部電極と前記上部電極の間に位置する空間を囲む筒状磁石と、
   前記筒状磁石に囲まれた領域を底面とする仮想的な錐状体であって、前記筒状磁石の外側に突出する錐状体の頂点に配置されているブロック磁石を備え、
   前記筒状磁石の内周面の磁極と、前記ブロック磁石の前記筒状磁石側端面の磁極が反対磁極であることを特徴とするプラズマ処理装置。

Images