JPH084076B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体加工装置であるプラズマ処理装
置、特に電子サイクロトロン共鳴を用いてプラズマを発
生させ、広い領域にわたつて基板に均一なプラズマ処理
が行なえるプラズマ処理装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は、例えば特願昭61−209836号明細書に記載さ
れた従来のプラズマ処理装置を一部ブロツク図で示す断
面構成図である。このプラズマ処理装置はプラズマ発生
部（１）を備える。このプラズマ発生部（１）は、プラ
ズマ発生用容器例えばガラス管（２）と、このプラズマ
発生用ガラス管（２）の周囲に配置されかつ直流電源
（３）に接続されて装置の軸方向に不均一な静磁場を発
生する第１ソレノイドコイル（４）と、プラズマ発生用
ガラス管（２）の周囲にかつ第１ソレノイドコイル
（４）の下方（図面において）に配置され、位相の異な
る電流を順次供給する電源（５）に接続されて回転する
磁場を発生する第２ソレノイドコイル（６）と、プラズ
マ発生用ガラス管の上方に設けられ、軸方向に垂直な高
周波電場を導入する高周波導波管（７）と、駆動電源
（８）に接続されて高周波導波管（７）へ高周波電力を
供給するマグネトロン（９）とを有する。なお、第２ソ
レノイドコイル（６）は複数個例えば４個のコイル（6
a）〜（6d）から成り、各コイルはその中心軸が第１ソ
レノイドコイル（４）の中心軸と異なるのみならずそれ
ぞれの中心軸とも互いに異なるように配置される。ま
た、プラズマ発生用ガラス管（２）へのガスの供給は、
ガス供給管（10）を通して行われる。

プラズマ処理装置は更にプラズマ反応部（11）を備
え、このプラズマ反応部（11）内にステージ（12）が設
けられ、このステージ（12）の上にはプラズマ処理が行
なわれるべき基板（13）が乗せられている。なお、プラ
ズマ反応部（11）の上部には上述したガス供給管（10）
が連結され、またプラズマ反応部（11）の下部には要済
みのガスを排出する排気管（14）が連結されている。

従来のプラズマ処理装置は上述したように構成されて
おり、プラズマの形成は電子サイクロトロン共鳴によつ
て行なわれるが、電子サイクロトロン共鳴は高周波導波
管（７）の高周波電場Erf（ｚ）と、第１ソレノイドコ
イル（４）および第２ソレノイドコイル（６）の合成磁
場Bz（Ｚ）とによつて生じられる。

また、合成磁場Bzが不均一な磁場であれば電子に作用
する軸方向の力Fzは下記の式で表わされる。

ただし、μは磁気モーメント、Ｂは磁束密度、ｚは中
心軸方向の距離、ωｏは電子の円運動のエネルギー、Bo
はプラズマ発生部（１）での磁束密度、ｍは電子の質
量、そしてＭはイオンの質量である。従つて、第５図の
プラズマ発生部（１）内で発生したプラズマ中の電子が
プラズマ反応部（11）に向けて軸方向に加速され、この
ためにプラズマ中にはイオンを加速する電場Eo（ｚ）が
軸方向に形成される。この電場Eo（ｚ）によつてプラズ
マは全体として軸方向に加速されることになり、プラズ
マ反応部（11）に軸方向に沿うプラズマ流（15）が発生
する。第１ソレノイドコイル（４）と第２ソレノイドコ
イル（６）によつてつくられた磁界がプラズマ反応部
（11）ではγ方向成分をもつようになるので、プラズマ
流（13）は磁力線に沿つて発散し、拡がつてゆく。

第６図は従来のプラズマ処理装置に使用された第２ソ
レノイドコイル（６）の４個のコイル（6a）〜（6d）の
配置を示す平面構成図であり、各コイル（6a）〜（6d）
はその中心軸が第１ソレノイドコイル（４）の中心軸と
はｌだけ離れ、また各々90゜ずつ異なつて配置されてい
る。

４個のコイル（6a），（6b），（6c），（6d）に電源
（５）から第７図に示したそれぞれ波形（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ）の電流を流すと、これらコイル
（6a）〜（6d）によつて生じらられる磁場は回転する。
そして第７図の波形の電流をコイル（6a），（6b），
（6c），（6d）に繰返して流すと、磁界は回転し続け
る。磁場の強さはコイル（6a）〜（6d）に流す電流ｉを
変えることによつて制御されるし、磁場の回転半径は距
離ｌによつて変えられる。

従つて、プラズマ発生部（１）内で発生したプラズマ
は、上述した電場Eo（ｚ）によつてプラズマ反応部（1
1）に引き出されるが、プラズマ反応部（11）ではプラ
ズマ流（15）がコイル（6a）〜（6d）によつて形成され
る磁場の影響を受け、第５図に示したようにプラズマ流
（15）の中心は第１ソレノイドコイル（４）の中心軸か
ら逸脱する。しかしながら、第２ソレノイドコイル
（６）のコイル（6a）〜（6d）によつて形成された磁界
が回転するので、プラズマ流（15）も磁界の回転と同じ
直径，速度でＺ軸を中心に回転する。この動作は、プラ
ズマ流（15）が広い範囲にわたつてプラズマ処理を行な
えることを可能にする。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のプラズマ処理装置では第２ソレノイドコイル
（６）の複数個のコイル（6a），（6b），（6c），（6
d）と基板（13）との距離が第５図に示すようにコイル
毎に異なる。従つて、各コイル（6a）〜（6d）による基
板（13）の付近での磁束密度の大きさも第８図に示すよ
うに異なつてくるため、複数個のコイル（6a）〜（6d）
に位相の異なる電流を順次流すと基板面上である特定の
磁場強度の位置は回転半径を変化しながら運動する。従
つて、基板付近でのプラズマ流（15）が不均一になり、
プラズマ処理の均一性が得られにくいという問題点があ
つた。

この発明は上述したような問題点を解決するためにな
されたもので、大口径の基板にプラズマ処理が均一に行
なえるプラズマ処理装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るプラズマ処理装置は、プラズマ発生用
容器の周囲に配置され、形状と大きさが同一である複数
個の小コイルから成る電磁コイルを少なくとも備え、各
小コイルは複数個の巻線であつてそれぞれの中心軸が互
いに一致しない幾何学的形状に配置されたものを有し、
各小コイルの巻線はプラズマ発生用容器の中心軸に垂直
な面でその幾何学的位置が他の小コイルの巻線と一致す
るように配置され、幾何学的位置が一致する、各小コイ
ル中の巻線を一緒に接続した上で、これら巻線に位相の
異なる電流を順次流す電源を接続したものである。

〔作 用〕

この発明における電磁コイルは、形状と大きさが同一
である複数個の小コイルから成り、各小コイルは複数個
の巻線であつてそれぞれ中心軸が互いに一致しない幾何
学的形状に配置されたものを有し、各小コイルの巻線は
プラズマ発生用容器の中心軸に垂直な面でその幾何学的
位置が他の小コイルの巻線と一致するように配置され、
幾何学的位置が一致する、各小コイル中の巻線を一緒に
接続した上で、これら巻線に位相の異なる電流を順次流
すことにより、軸方向の磁場が均一な大きさで運動し、
プラズマ流は運動磁場と共に直線運動または回転運動し
てプラズマを広い領域に均一に引き出すことができ、プ
ラズマ反応部では大口径でかつ均一なプラズマ処理が行
なえる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を添付図面について説明す
る。

第１図はこの発明のプラズマ処理装置を一部ブロツク
図で示す断面構成図であり、このプラズマ処理装置はプ
ラズマ発生部（1A）並びに第５図に示したのと全く同じ
ガス供給管（10）、ステージ（12）、基板（13）および
排気管（14）を有するプラズマ反応部（11）を備える。
プラズマ発生部（1A）は、第５図に示したのと全く同じ
プラズマ発生用ガラス管（２）、直流電源（３）に接続
された第１ソレノイドコイル（以下、単にソレノイドコ
イルと云う。）（４）、高周波導波管（７）、および駆
動電源（８）に接続されたマグネトロン（９）の他に、
プラズマ発生用ガラス管（２）の周囲にかつソレノイド
コイル（４）の基板側に配置され、位相の異なる電流を
順次供給する電源（5A）に接続されて均一な大きさで回
転する磁場を発生する電磁コイル（17）を有する。

第２図はこの発明の一実施例に使用された電磁コイル
（17）の断面構成図であり、この電磁コイル（17）は形
状と大きさが同一である複数個例えば８個の小コイル
（18）〜（25）から成る。各小コイルは、複数個例えば
６個の巻線（18a）〜（18f），（19a）〜（19f），……
（25a）〜（25f）および絶縁物（26）がら成る。各小コ
イルの複数個の巻線は、それぞれ中心軸が互いに一致し
ない幾何学的形状に配置されている。更に、各小コイル
の巻線は、プラズマ発生用ガラス管（２）の中心軸に垂
直な面でその幾何学的位置が他の小コイルの巻線と一致
するように配置され、幾何学的位置が一致する。各小コ
イル中の巻線は一緒に接続された上で電源（5A）に接続
されている。

この発明のプラズマ処理装置では、直流電源（３）に
接続されたソレノイドコイル（４）が軸方向に不均一な
静磁場を発生し、電源（5A）に接続された電磁コイル
（17）が均一な大きさで回転する磁場を発生し、駆動電
源（８）に接続されたマグネトロン（９）によつて高周
波電力が供給されると高周波導波管（７）は軸方向に垂
直な高周波電尋を導入し、そしてガスはガス供給管（1
0）を通してプラズマ発生用ガラス管（２）へ供給され
る。

従来装置と同様に、プラズマの形成は電子サイクロト
ロン共鳴によつて行なわれるが、電子サイクロトロン共
鳴は高周波導波管（７）の高周波電場Erf（ｚ）と、ソ
レノイドコイル（４）および電磁コイル（17）の合成磁
場Bz（Ｚ）とによつて生じられる。

また、合成磁場Bzが不均一な磁場であれば、電子に作
用する軸方向の力Fzは、従来装置の場合と同様に、下記
の式で表わされる。

たゞし、μは磁気モーメント、Ｂは磁束密度、ｚは中
心軸方向の距離、ωｏは電子の円連動のエネルギー、Bo
はプラズマ発生部（1A）での磁束密度、ｍは電子の質
量、そしてＭはイオンの質量である。従つて、第１図の
プラズマ発生部（1A）で発生したプラズマ中の電子がプ
ラズマ反応部（11）に向けて軸方向に加速され、このた
めにプラズマ中にはイオンを加速する電場Eo（ｚ）が軸
方向に形成される。この電場Eo（ｚ）によつてプラズマ
は全体として軸方向に加速されることになり、プラズマ
反応部（11）に軸方向に沿うプラズマ流（15）が発生す
る。

第３図は第２図中の６個の巻線（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），（ｅ）および（ｆ）の配置を示す平面
構成図であり、 ただし、 （ａ）；巻線（18a），（19a）……（25a）の総称 （ｂ）；巻線（18b），（19b）……（25b）の総称 （ｃ）；巻線（18c），（19c）……（25c）の総称 （ｄ）；巻線（18d），（19d）……（25d）の総称 （ｅ）；巻線（18e），（19e）……（25e）の総称 （ｆ）；巻線（18f），（19f）……（25f）の総称 である。６個の巻線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），
（ｅ）および（ｆ）はその中心軸がソレノイドコイル
（７）の中心軸とはｌだけ離れ、また各々60゜ずつ異な
つつて配置されている。

６個の巻線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），
（ｅ），（ｆ）による基板（13）の付近での磁束密度の
大きさをそれぞれBa,Bb,Bc,Bd,Be,Bfとすると、各巻線
と基板（13）との平均距離はそれぞれほぼ等しいので、
近似的に Ba＝Bb＝Bc＝Bd＝Be＝Bf となる。

６個の巻線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），
（ｅ），（ｆ）に電源（5A）から第４図に示したそれぞ
れ波形（ia），（ib），（ic），（id），（ie），（i
f）の電流を流すと、これら巻線（ａ），（ｂ），
（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）によつて生じられる磁
場は均一な大きさで回転する。そして第４図の波形の電
流を巻線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），
（ｆ）に繰返して流すと、磁界は回転し続ける。磁場の
強さは巻線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），
（ｆ）に流す電流ｉを変えることによつて制御される
し、磁場の回転半径は距離ｌによつて変えられる。

従つて、プラズマ発生部（１）内で発生したプラズマ
は、上述した電場Eo（ｚ）によつてプラズマ反応部（1
1）に引き出されるが、プラズマ反応部（11）ではプラ
ズマ流（15）が巻線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），
（ｅ），（ｆ）によつて形成される磁場の影響を受け、
第１図に示したようにプラズマ流（13）の中心はソレノ
イドコイル（４）の中心軸から逸脱する。しかしなが
ら、巻線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），
（ｆ）によつて形成された磁界が均一な大きさで回転す
るので、プラズマ流（15）も磁界の回転と同じ直径，速
度でＺ軸を中心に回転する。この動作は、プラズマ流
（15）が広い範囲にわたつてプラズマ処理を行なえるこ
とを可能にし、また均一なプラズマ処理を行なうことを
可能にする。

従つて、例えばガス供給管（10）に導入するガスをSi
H₄とすると、電子サイクロトロン共鳴によりSi⁺,SiH⁺,S
iH₂ ⁺,SiH₃ ⁺などのイオンおよびSi^＊,SiH_X ^＊などのラジ
カルがプラズマ発生部（１）内に生じ、そのプラズマは
上述した電場Eo（Ｚ）によつて軸方向に加速され、さら
に回転磁場によりプラズマ流（15）は回転するので、プ
ラズマ反応部（11）では大口径の基板（13）の上に均一
な膨厚分布をもつたアモルフアス・シリコン膜が形成さ
れる。

第１図に示したプラズマ処理装置は、プラズマエツチ
ング，プラズマCVD,プラズマ酸化をはじめとする各種表
面処理に応用でき、広範囲に均一な処理を行なうことが
できる。

なお、上述した実施例では電磁コイル（17）を８個の
小コイル（18）〜（25）で構成したが小コイルの個数は
複数個であればよい。また、回転磁場を発生させるのに
６個の巻線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），
（ｆ）に第４図に示した電流ｉを流した例を示したが、
巻線の個数も複数個であればよい。たゞし、２個の場合
は軸方向の磁場は直線運動し、３個以上の場合は磁場が
回転運動する。

電流の波形も第４図に示した波形以外に、台形波、三
角波またはパルス波にしても、上述した実施例と同様の
効果を奏する。

また、上記実施例では、ソレノイドコイル（４）の基
板側に電磁コイル（17）を設けたことにより、ソレノイ
ドコイル（４）には大きな電流を流し、電磁コイル（1
7）に小さな電流を流してプラズマ流（15）を制御しや
すくしていたが、ソレノイドコイル（４）を設け、電磁
コイル（17）のみで、プラズマの発生，制御を行なうよ
うにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、プラズマ発生用容
器の周囲に配置され、形状と大きさが同一である複数個
の小コイルから成る電磁コイルを少なくとも備え、各小
コイルは複数個の巻線であつてそれぞれの中心軸が互い
に一致しない幾何学的形状に配置されたものを有し、各
小コイルの巻線はプラズマ発生用容器の中心軸に垂直な
面でその幾何学的位置が他の小コイルの巻線と一致する
ように配置され、幾何学的位置が一致する、各小コイル
中の巻線を一緒に持続した上で、これら巻線に位相の異
なる電流を順次流す電源を接続したので、プラズマ流を
均一に直線運動または回転運動させることができ、大口
径の基板にも均一なプラズマ処理が行なえる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を一部ブロツク図で示す断
面構成図、第２図はこの発明の一実施例に使用された電
磁コイルの断面構成図、第３図は電磁コイルの巻線の配
置を示す平面構成図、第４図は電磁コイルに流す電流を
示す波形図、第５図は従来のプラズマ処理装置を一部ブ
ロツク図で示す断面構成図、第６図は従来のプラズマ処
理装置に使用された第２ソレノイドコイルの配置を示す
平面構成図、第７図は第２ソレノイドコイルに流す電流
を示す波形図、第８図は従来のプラズマ処理装置による
基板付近での磁束密度の分布を示す分布図である。 （1A）……プラズマ発生部、（２）……プラズマ発生用
ガラス管、（３）……直流電源、（４）……ソレノイド
コイル、（5A）……電源、（13）……基板、（15）……
プラズマ流、（17）……電磁コイル、（18）〜（25）…
…複数個の小コイル、（18a）〜（18f），（19a）〜（1
9f），……（25a）〜（25f）……複数個の巻線である。 なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子サイクロトロン共鳴を用いてプラズマ
   を発生させ、これにより基板をプラズマ処理するプラズ
   マ処理装置であつて、上記プラズマを発生させるプラズ
   マ発生用容器の周囲に配置され、形状と大きさが同一で
   ある複数個の小コイルから成る電磁コイルを少なくとも
   備え、各小コイルは複数個の巻線であつてそれぞれの中
   心軸が互いに一致しない幾何学的形状に配置されたもの
   を有し、各小コイルの巻線は上記プラズマ発生用容器の
   中心軸に垂直な面でその幾何学的位置が他の小コイルの
   巻線と一致するように配置され、幾何学的位置が一致す
   る、各小コイル中の巻線を一緒に接続した上で、これら
   巻線に位相の異なる電流を順次流す電源を接続したプラ
   ズマ処理装置。
2. 【請求項２】プラズマ発生用容器の周囲にはソレノイド
   コイルも配置されており、しかもこのソレノイドコイル
   は電磁コイルに対して基板とは反対側に配置されている
   特許請求の範囲第１項記載のプラズマ処理装置。