JP2002176037A - プラズマプロセス用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【技術課題】 基板に損傷や表面汚染を与えることな
く、エッチングや成膜が行え、チャンバや電極等の構造
は同一であるにも拘らず、導入するガスやプラズマ励起
周波数を変えることにより、エッチングや成膜にも応用
可能であり、生産性に優れるとともに、低価格で高性能
なプラズマプロセス用装置を提供すること。 【解決手段】 容器内105に対向するように設けられ夫
々平板状に形成された第１及び第２電極102，104と、プ
ラズマに対して安定な材料から成り第１電極102上を覆
うように設けられる保護部材101と、第２電極104上に被
処理物103を取り付けるための保持手段と、第１電極102
に接続される第１の高周波電源111と、第２電極104に接
続される第２の高周波電源110と、容器105内に所望のガ
スを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、第
１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波
数より高いことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種のプラズマプロセ
ス、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、
プラズマ化学気相堆積（ＰＣＶＤ）等を行うために用い
られる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、低温で各種プロセスを進行させる
ために、減圧された容器内でプラズマを発生させ、該プ
ラズマ雰囲気中で集積回路の基板等の被処理物の各種プ
ロセスを行うようにした装置技術が多く開発されてい
る。例えば、集積回路の各種薄膜（Ａｌ，Ｗ，Ｔａ等の
導電性薄膜、 poly−Ｓｉ，Ｓｉ等の半導体薄膜、ある
いはＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄ ^,Ａｌ₂Ｏ₃等の絶縁薄膜）を、異
方性をもたせてエッチングするようにしたＲＩＥ(React
ive Ion Etching)法、その他Ａｌ（ＣＨ₃）₃，ＡｌＨ
（ＣＨ₃）₂等を原料ガスとし、これをプラズマ中にてＡ
ｌ（ＣＨ₃）₂やＡｌ（ＣＨ₃）に分解し、これを基板に
吸着させた後、表面反応によりＡｌを堆積させるＰＣＶ
Ｄ成膜等がある。

【０００３】前記ＲＩＥ法とは、真空容器内に励起活性
種を生成するもの、例えば、ＣＦ₄Ｆ₂，ＣＣｌ₄，Ｃ
ｌ₂，ＣＦ₂Ｃｌ₂等のガス（以下、励起活性種源ガスと
いう）を導入し、基体の保持手段としてのサセプタに直
流または高周波電力を加え、グロー放電を起こさせてプ
ラズマを発生させ、プラズマ中に生成したイオンと励起
活性種とを同時に被エッチング面に作用せしめ、物理的
かつ化学的にエッチングを行なう方法であり、この方法
によればマスク材料であるホトレジストとの選択比を大
きく保ちながら異方性エッチングを実現できる。

【０００４】高周波入力によるグロー放電でも、基体表
面はプラズマに対し直流的には負にバイアス（これを自
己バイアスという）されるが、この自己バイアス電圧と
プラズマ電位の差の電位によって加速されたイオンが基
体表面に衝突して基体表面に吸着している励起活性種と
の作用により基体の表面をエッチングする。

【０００５】図１２は、従来用いられている代表的なリ
アクティブイオンエッチング装置の断面構造の模式図を
示すものである。５０３は被エッチング面を有する基
体、例えば半導体ウエーハあるいはガラス、石英、金属
等から成る基体、５０４はサセプタ電極である。サセプ
タ電極５０４には整合回路を介して高周波電力が供給さ
れており、真空容器（チャンバ）５０５は通常安全のた
めにアースされている。ここで、高周波電源（ＲＦ電
源）は、その出力周波数が１３．５６ＭＨｚのものを用
いるのが普通である。なお、サセプタ電極５０４の上方
に対向させて平板状電極を設けた構造のものも多い。

【０００６】実際の装置では、上記構成以外に、真空容
器５０５内の真空引き用及びガス排気用の排気ユニッ
ト、真空容器５０５内へのガスの導入口、基体５０３の
出し入れのための機構等を備えているが、同図では説明
を簡略にするため省略されている。

【０００７】半導体ウエーハ等の基体５０３及びサセプ
タ電極５０４の表面は、サセプタ電極５０４に加えられ
たＲＦ電力のためにプラズマに対し直流的に負の自己バ
イアスがかかり、この電圧で加速されたイオンが基体表
面に作用し表面反応を促進して基体の被エッチング面が
エッチングされる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記ＲＩＥ装置の場
合、一般に、エッチング速度を高める場合には、高周波
電力を大きくすることによりプラズマ密度を高める必要
がある。

【０００９】しかし、従来の装置においては、高周波電
力を大きくすると、電極の自己バイアスも大きくなり、
同時にプラズマ電位も高くなる。その結果、基板には、
この大きな自己バイアスとプラズマ電位の差の電圧によ
って加速された大きなエネルギーを有するイオンが照射
される。従って、下記のような問題を生じさせる。

【００１０】照射イオンエネルギーが大きくなるとレ
ジストのエッチングをも行ってしまい、パターン寸法の
変化をもたらし、その結果、微細加工が正確に行えなく
なってしまう。特に、レジストの厚さが、０．５μｍ程
度あるいはそれ以下となるような今後の高集積化素子に
おいてかかる現象は顕著に表われる。

【００１１】大きなエネルギーをもったイオンが照射
されるため、下地材料に損傷（ダメージ）を与え、かか
かる材料により構成された素子の性能及び信頼性の低下
を招来させる。特に、リーク電流増大、耐圧劣化といっ
た重大な障害を引き起こすことになる。

【００１２】プラズマ電位が通常＋５０〜１００Ｖ程
度となるため、チャンバ内表面にプラズマ電位で決まる
イオンが衝突することになり、この高いエネルギーのイ
オン衝突により、チャンバ内表面がスパッタされ、チャ
ンバ構成材料、たとえばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ等が基
板表面を汚染する。すなわち、高エネルギーイオン衝突
による、チャンバ構成材料の基板表面汚染である。基板
表面がこうした重金属で汚染されると、次の高温工程で
基板表面に欠陥を生じたり、リーク電流を大きくしたり
するため、デバイスの特性を著しく劣化させる。

【００１３】また、従来の装置では高周波電源の周波数
として１３．５６ＭＨｚのものを使用しているが、１
３．５６ＭＨｚというようにプラズマ励起周波数が低い
と、チャンバ内ガス圧力や高周波電力が一定でも電極に
生じる直流の自己バイアスは、負で大きくなる。図７
は、対向する電極間隔を３ｃｍ、円板電極直径を１０ｃ
ｍ、Ａｒガス圧力を５×１０^-3Ｔｏｒｒ、高周波電力を
５０Ｗとしたときにおける、電流・電圧特性を示すもの
である。同図において横軸は電極に印加する直流負電
圧、縦軸は電極に流れる電流である。電流が負の値であ
ることは、電子が電極に流れ込むことを意味し、電流が
正であることは、正のイオンが電極に流れ込んでいるこ
とを意味する。電流が０のときの負電圧が、電極の自己
バイアスに相当する。これは、通常、電極にはコンデン
サを介して高周波電力が供給され、直流電流は流れない
からである。

【００１４】図７から理解できるように、電極の自己バ
イアスは、高周波電力の周波数が１４ＭＨｚ，４０．６
８ＭＨｚ，１００ＭＨｚのときに、夫々、−４００Ｖ，
−２６０Ｖ，−９０Ｖとなる。すなわち、電極構造やガ
ス圧力及び電力が一定に保たれても、電極の負の自己バ
イアスは周波数が高くなるにつれて、次第に小さくなっ
ていく。

【００１５】図８はその詳細を示したものである。すな
わち、チャンバ内のＡｒガス圧力が７×１０^-3Ｔｏｒ
ｒ、高周波電力が１００Ｗ、電極間隔が３ｃｍ、電極直
径が１０ｃｍのときに、プラズマ励起の高周波電力の高
周波を１０ＭＨｚから２１０ＭＨｚまで変化させた場
合、電極の自己バイアスがどのように変化するかを示し
たものであり、周波数が高くなると、負の自己バイアス
は急激に小さくなる。図８には、プラズマ電位も同時に
示されており、このプラズマ電位は、周波数が１０ＭＨ
ｚ〜２１０ＭＨｚと変っても、ほとんど＋２０Ｖに保た
れている。

【００１６】ＬＳＩの超微細化・超高集積化が進むと、
コンタクトホールやヴィアホールのアスペクト比は次第
に大きくなって行く。すなわち、細くて深い穴を制御性
よくかつ再現性よくエッチングすることが要求される。
エッチング室のガス圧力を低く（例えば、１０^-3Ｔｏｒ
ｒ台）設定して、分子の平均自由行程を長くすることが
必要である。ガス圧力が低くなった状態でも、十分に高
濃度のプラズマを生成しスループットを高くするために
は、放電励起の周波数は高い方が望ましい。ただし、サ
セプタ電極５０４の直径に比べて放電励起の周波数の波
長が短くなることは望ましくない。高次モードの放電が
起って、電極内に均一な密度のプラズマが励起されず均
一なエッチング性能が得られないからである。

【００１７】すなわち、従来の装置においては、プラズ
マ密度、すなわちイオン照射量及び照射イオンエネルギ
ーを夫々独立にかつ直接的に制御することができず、前
記励起活性種源ガスの圧力、流量、高周波電力等の条件
を適宜組合せて間接的に制御せざるを得ない。

【００１８】さらに、プラズマ中で被処理物以外に損傷
を与えることなく高速度で被処理物の処理を行い得るよ
うに構成すべき装置としては、上記ＲＩＥ装置以外に、
ＰＣＶＤ装置、Ｏ₂プラズマレジストアッシャー、ドラ
イ洗浄装置等が挙げられるが、従来、これらの装置は基
本的な部分で共通の使用条件を有するにも拘らず、各別
に設計され生産されていた。同時に、前述した，，
の欠点を有していた。

【００１９】上記問題点は本発明者によって見い出され
たものであり、本発明者は、従来の装置に生ずる上記問
題点を解決すべく鋭意研究を行ない、その解決手段を見
い出すに至った。

【００２０】本発明は、基板（基体）に損傷や表面汚染
を与えることなく、基板のエッチングや基板上への成膜
が行え、しかも、チャンバや電極等の構造は同一である
にも拘らず、導入するガスやプラズマ励起周波数を変え
ることにより、エッチングや成膜にも応用可能であり、
生産性に優れるとともに、低価格で高性能なプラズマプ
ロセス用装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記損傷及び
表面汚染の回避、高速処理を図りつつ、各種プラズマプ
ロセスに適用可能な汎用性のある装置の提供を行なうべ
く、減圧可能な容器内に設置された二枚の対向する電極
間にプラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の処
理を行うように構成されたプラズマプロセス用装置にお
いて、前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状
に形成された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラ
ズマに対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆
うように設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被
処理物を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極
に接続される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接
続される第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガス
を導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記
第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周
波数より高く設定されたことを特徴とする。

【００２２】

【作用】例えば、ＲＩＥ装置に用いる場合には、被処理
物としての例えば被エッチング薄膜を形成した基板を容
器内の第２の電極上に取付け、該容器内を減圧して所定
のガス供給手段から前記被エッチング薄膜に応じ、塩素
系ガス、フッ素系ガス、これらの混合ガス等を導入す
る。そして、第１の電極には第１の周波数（１００〜２
５０ＭＨｚ）の高周波電力を供給して電極間にプラズマ
を発生させ、前記第２の電極には前記第１の周波数より
低い第２の周波数（１０〜５０ＭＨｚ）の高周波電力を
供給し、第２の電極の自己バイアスを制御する。すなわ
ち、第１の電極に供給される第１の周波数の高周波電力
により、発生するプラズマ密度や基板に照射されるイオ
ン照射量を制御する。

【００２３】一方、第２の電極に供給される第２の周波
数の高周波電力によりその自己バイアスにより、基板表
面に入射するイオンのエネルギーを制御する。第１の電
極に供給される高周波電力はプラズマを発生させる役割
を担うからその電力は通常大きい。しかし、周波数を高
くしてあるから第１の電極の負の自己バイアスは十分小
さくできる。したがって、第１の電極に照射されるイオ
ンエネルギーは十分小さくなって、表面がスパッタされ
ることがなく、基板表面は汚染されない。第２の電極に
誘起される負の自己バイアスは、基板表面に照射される
イオンエネルギーを最適値に制御するから、損傷、汚染
の問題はもちろん伴なわない。

【００２４】また、ＰＣＶＤ装置に用いる場合には、被
処理物たる堆積膜を形成すべき基板を前記第２の電極上
に保持させる。前記第１の周波数と第２の周波数との大
小関係は前記ＲＩＥ装置の場合と同様に設定するが、容
器内に導入されるガスは、例えばＳｉ成膜の場合、Ｓｉ
Ｈ₄，ＳｉＨ₂Ｃｌ₂，Ｓｉ₂Ｈ₆等を、ＳｉＯ₂成膜の場合
ＳｉＨ₄とＯ₂あるいはＳｉ₂Ｈ₆とＯ₂との混合ガス等を
導入する。この場合も、ＲＩＥについて記述したのと同
様な理由で被処理物の基板の損傷回避や被処理物の汚染
等を防止できる。

【００２５】さらに、従来技術では基板表面の損傷、汚
染の問題が不可避であるレジストアッシャーにも適用で
きる。例えば、微細パターン加工に不可欠のホトレジス
トは、通常Ｈ₂ＳＯ₄とＨ₂Ｏ₂の混合液を用いたウェット
工程で剥離されるが、イオン注入用のマスク材として使
用されたときには高エネルギーイオン照射を受けてレジ
ストが硬化するため、通常のウェット工程では剥離でき
ない。そのため、Ｏ₂プラズマを用いてＯ₃やＯラジカル
を発生させ、イオンエネルギーを利用してイオン注入さ
れたレジストを除去する必要があった。

【００２６】レジストアッシャーに用いる場合、先のＲ
ＩＥやＰＣＶＤの説明でも触れたように、基板を第２電
極に設置し、第２の周波数の高周波電力により第２電極
の自己バイアスを制御すれば、基板表面に損傷や汚染を
与えることなくレジストの剥離が行える。

【００２７】このように、使用時に若干の条件設定の変
更はあるものの、各種のプラズマプロセス用の装置に広
く適用できる。

【００２８】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。

【００２９】図１は本発明を基板表面をエッチングする
ためのＲＩＥ装置に適用した場合における第１の実施例
を示すものである。ここでは、半導体基板上に形成され
た薄膜をエッチングする場合について説明する。

【００３０】真空容器（チャンバ）１０５内には、上方
の平板状電極１０７と下方の平板状サセプタ電極１０４
とが対向するように配設されており、該真空容器１０５
は金属から成りアースに接続されている。真空容器１０
５の内表面は、フッ素系あるいは塩素系等の腐食性ガス
のプラズマに対して安定なもの、すなわち該プラズマに
晒されても腐食されないよう酸化膜、チッ化膜あるいは
フッ化膜で覆われている。前記電極１０７は、導電性材
料からなる母材１０２と母材１０２の表面に形成された
ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮなどからなる保
護部材としての保護層１０１とにより構成されている。

【００３１】該保護層１０１は放電により生じたプラズ
マにより母材１０２がエッチングされることを防止する
ためのものであり、例えば、Ｓｉ，ＳｉＯ₂，石英、Ｓ
ｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮその他の材料から成
る。また、略化学量論比を満足するフッ化物よりなる不
動態膜により構成してもよい。この不動態膜は、優れた
耐エッチング特性を示し、その不動態膜の形成は例えば
次のように行えばよい。すなわち、母材（例えばステン
レス、ニッケル、ニッケル合金、アルミニウム合金その
他の金属あるいは合金よりなる母材）を、電解研磨技術
などにより表面を加工変質層を伴なわない鏡面に仕上げ
た後、高純度不活性雰囲気中において所定の温度でベー
キングし、吸着している水分を脱離する。ベーキング
後、高純度フッ素にて所定の温度でフッ化処理し、フッ
化処理後高純度不活性雰囲気中においてフッ化時の温度
よりやや高い温度で熱処理を行うと略化学量論組成比を
満たす不動態膜が母材上に形成される。

【００３２】なお、前記保護層１０１をＳｉにより構成
しておけば、保護層１０１がエッチングされてもサセプ
タ電極１０４上の基板１０３にはＳｉが混入することと
なるので、該基板１０３に与える影響を最小限にするこ
とができる。

【００３３】サセプタ電極１０４には整合回路１０８を
介して第２の周波数ｆ₂の高周波電力を出力する高周波
電源１１０が接続されている。本実施例では１００ＭＨ
ｚの高周波電力を供給する例を示している。サセプタ電
極１０４の電位制御には、望ましくは、前記第２の周波
数ｆ₂は１０〜５０ＭＨｚが適している。また、電極１
０７には整合回路１０９を介して、サセプタ電極１０４
に供給される前記周波数ｆ₂より大きな周波数である第
１の周波数ｆ₁の高周波電力を出力する高周波電源１１
１が接続されている。本実施例では２５０ＭＨｚの高周
波電力を加えた例を示している。なお、後に詳述するが
二つの前記周波数ｆ₁，ｆ₂は整数倍の関係にないことが
望ましい。

【００３４】さらに、電極１０７およびサセプタ電極１
０４にはそれぞれ第１の高周波（本例では２５０ＭＨ
ｚ）、第２の高周波（本例では１００ＭＨｚ）のみがそ
れぞれ入力されるようにバンドエリミネーター（Band E
liminator)１１２，１１３が設けられている。すなわ
ち、第１の高周波ｆ₁はサセプタ電極１０４においては
アースに短絡されており、第２の高周波ｆ₂は電極１０
２においてアースに短絡されている。前記電極１０７及
び１０４に用いられる前記バンドエリミネーター１１
２，１１３は、基本的には、例えば図２に示すタンク回
路１０２ｂのような構成にすればよい。Ｌ₁，Ｃ₁の並列
回路は、ｆ₁＝｛１／２π（Ｌ₁Ｃ₁）^1/2｝の共振周波数
でインピーダンスが最大となり（図３）、それ以外の周
波数に対しては、ほとんど短絡となるため、所定の周波
数（この場合はｆ₁＝２５０ＭＨｚ）の高周波のみ選択
して電極に供給することができる。

【００３５】ここに示した図２の構成はあくまでも基本
的な原理を示すものであり種々の改善のための変更を加
えてもよいことはいうまでもない。例えば、図４は改善
の一例である。

【００３６】前記回路１０２ｂはインダクタンスＬ₁を
介して直流的には接地となっているが、これを直流的に
浮遊状態(floating）としたい場合には、例えば図４の
１０２ｄのようにコンデンサＣ_sを付加し、直流成分を
カットすればよい。この場合、回路１０２ｄの共振周波
数が周波数ｆ₁からずれないようにＣ_sの値は ｆ₁ ・Ｌ₁ ≫１／ｆ₁ Ｃ_s を満たすよう十分大きな値とする必要がある。

【００３７】この場合、ｆ₀＝｛１／２π（Ｌ
₁Ｃ_s）^1/2｝の周波数に対し、Ｌ₁，Ｃ_sの直列回路はイ
ンピーダンスが０となり、周波数f₀の高周波に対し短絡
となる。この周波数ｆ₀をサセプタ電極１０４に加えら
れる周波数ｆ₂に等しくしておくと、電極１０７に周波
数ｆ₂の高周波が重畳するのを有効に防止することがで
きる。すなわち、サセプタ電極１０４に入る高周波電力
の電界が、サセプタ電極１０４から電極１０７に垂直に
終端するようにしても、電極１０７は周波数ｆ₂の高周
波に対してはアースに短絡されているから、電極１０７
の電圧が周波数ｆ₂の電力で変動することはない。

【００３８】以上はバンドエリミネーター１１２につい
て述べたが、バンドエリミネーター１１３についても同
様な構成とすれば、サセプタ電極１０４の電圧が、電極
１０７に供給される周波数ｆ₁によって変動することが
ない。すなわち、図４の回路において、インダクタンス
Ｌ₁をインダクタンスＬ₂，コンデンサＣ₁をコンデンサ
Ｃ₂，コンデンサＣ_SをコンデンサＣ_S2として、 f₂＝１／２π（L₂C₂）^1/2 とし、 f₂L₂≫１／f₂C_S2 とする。

【００３９】また、 f₁＝１／2π（L₂ C_S2）^1/2 とする。

【００４０】プラズマを形成するイオンの生成を行うべ
く、真空容器１０５に導入される前記励起活性種源ガス
の放電は周波数ｆ₁の高周波により行なわれる。イオン
密度を濃くするために、周波数ｆ₁の電力を大きくして
も、サセプタ電極１０４の電圧に影響を与えることはな
い。

【００４１】同様のことが、サセプタ電極１０４に供給
する周波数ｆ₂の高周波電力に関してもいえる。周波数
ｆ₂の高周波電力を変化させても、ｆ₂の電力は電極１０
７においてはアースに短絡されているからである。

【００４２】その一例が図５に示されており、同図に
は、第１の電極と第２の電極の間隔が３ｃｍ、その直径
が１０ｃｍ、ガス圧力が７×１０^-3Ｔｏｒｒの状態で、
ｆ₁＝１００ＭＨｚ、その入力電力を１５０Ｗに一定に
保ち、ｆ₂＝３０，４０，５０ＭＨｚとして、その電力
を変えたときの、第１の電極及び第２の電極の直流の自
己バイアスがプロットされている。第１の電極の自己バ
イアスは、約−２５Ｖで第２の電極に供給される周波数
及び電力に影響されない。第２の電極の電位は、高周波
入力がないときは、約１０Ｖであるが、周波数ｆ₂の高
周波電力が大きくなるにつれ、直線的に低下し、ある電
力以上では負電圧になる。周波数ｆ₂が低いほど、同じ
電力変化に対する自己バイアス電圧の変化は大きい。い
ずれにしろ、対向する電極の電位にまったく影響を与え
ることなく、電極の直流電位（自己バイアス）を高周波
電力及びその周波数により制御できることが、図５で明
白である。

【００４３】以上のような構成とすることにより、電極
１０７、サセプタ電極１０４には、他方に供給させる高
周波が重畳することを有効に防止し、それぞれに供給さ
せるべき高周波のみを供給することができるので、自己
バイアスプラズマ密度、及び照射されるイオンエネルギ
ーの制御を容易かつ正確に行うことが可能となる。

【００４４】なお、電極１０７の裏面に設けられた円筒
状磁石１０６により電極１０７の表面に略々平行な磁界
が生じ、電子はこの磁界にまきついてサイクロトロン運
動をする。前記両電極１０７，１０４の間に垂直な高周
波電界が存在すると、このサイクロトロン運動する電子
に有効にエネルギーが与えられ、高周波電力が有効に高
密度プラズマを発生させる。したがって、本装置では、
入力される二つの高周波電力の電界が殆ど垂直に、それ
ぞれサセプタ電極１０４、電極１０７に終端するように
設定されている。

【００４５】なお、１０６はマグネトロン放電のための
永久磁石である。実際には、強磁性体を用いた電磁石の
方が好ましい。さらに装置には真空容器１０５内を真空
に引く排気ユニットや、ガスを導入する機構、さらに基
板１０３を出し入れする機構が設けられているが、これ
らは説明を簡略化するため省略してある。

【００４６】本実施例の装置では、従来の装置とは異な
り、サセプタ電極１０４の他に電極１０７を設けてある
ため、電極１０７には電力の大きな高周波電源を供給す
ることにより高密度のプラズマを発生させることがで
き、ひいては高速のエッチングを行うことができる。た
だ、電力の大きな高周波を電極１０７に供給すると、自
己バイアスも大きくなり電極をスパッタエッチングする
おそれが生ずる。かかるエッチングを防止するために
は、電極１０７に供給する高周波電源１１１の周波数ｆ
₁を、周波数ｆ₂より大きくし自己バイアスを小さくする
（周波数を大きくすると自己バイアスは小さくなる。図
８参照）と共に、電極１０７の母材１０２の表面には保
護層１０１を設けておく。

【００４７】一方、前記サセプタ電極１０４に生ずる自
己バイアスは、図５に示すように前記高周波電源１１０
の電力および周波数により制御することができるので、
被エッチング薄膜の材料を勘案し、適宜高周波電源１１
０の電力、周波数を選択して、サセプタ電極１０４に供
給すればよい。

【００４８】結局、本実施例の装置を用いれば、電極１
０７に供給される高周波電力により高密度のプラズマを
発生させるとともに（プラズマ密度、すなわちイオン密
度は電力により制御される）、基板表面に照射されるイ
オンエネルギーをサセプタ電極１０４に供給する周波数
ｆ₂の高周波電力により所望の値に制御することができ
るため、基板１０３等への損傷を防ぎつつ高速のＲＩＥ
を行うことができることとなる。

【００４９】次に、電極１０７およびサセプタ電極１０
４に供給される高周波電力と周波数の影響について述べ
る。

【００５０】図６は、図１に示す装置を用いて電極１０
４の電流、電圧特性を測定する回路構成を示すものであ
る。前記電極１０４に接続される高周波フィルタ２０３
は、例えば図２に示したバンドエリミネーター１０２ｂ
のように，サセプタ電極１０４に供給される高周波の周
波数ｆ₂の点でだけインピーダンスが高く、その周波数
からずれた周波数に対してはほとんど短絡となるように
構成されており、該高周波フィルタ２０３には直流電源
２０１、電流計２０２が直列に接続されている。そし
て、高周波フィルタ２０３と電流計２０２との接続点に
は、直流電源２０１及び電流計２０２を高周波的には短
絡するために、並列にコンデンサ２０６が接続されてい
る。

【００５１】かかる状態で、例えばＡｒガスを真空容器
１０５内に５×１０^-3Ｔｏｒｒの圧力で導入し、５０Ｗ
の高周波電力で放電を起し、電極１０４に印加する直流
電圧Ｖとその結果流れる電流の関係をグラフにしたもの
が図７である。この場合、高周波電源１１０の周波数は
可変とし、例えば１４ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ及び１
００ＭＨｚの３つの周波数に変化させている。なお、正
電荷を有するイオンが電極１０４に流れ込む電流を正の
値としている。

【００５２】例えば、１００ＭＨｚの特性をみると、前
記直流電圧Ｖが約−９５Ｖ（この値を自己バイアス電圧
Ｖ_SBとする）のとき、直流電流Ｉ＝０となり、Ｖ＞Ｖ_SB
ではＩ＜０，Ｖ＜Ｖ_SBではＩ＞０となっている。前記自
己バイアス電圧Ｖ_SBは、電極１０４がフローティング状
態で高周波放電させたときに発生する直流バイアス電圧
である。すなわち、電極１０４がこの電位にあるとき
は、プラズマから電極１０４に流れ込むイオンと電子の
数が相等しくなるため互いに打ち消し合い直流電流が０
となる。

【００５３】他方、外部から印加した直流バイアス電圧
により電極１０４の電位を制御すると電流が流れる。例
えば前記直流電圧Ｖと自己バイアス電圧Ｖ_SBとの間に、
Ｖ＞Ｖ_SBの関係が成立するとより多くの電子が流れ込み
Ｉ＜０となる。

【００５４】一方、Ｖ＜Ｖ_SBの関係の場合、電子に対す
るポテンシャルバリヤが高くなって電子の流入数が減少
するためイオン電流の方が大きくなり正の電流が流れ
る。さらに、直流電圧Ｖを負の方に大きくすると、Ｖ＝
Ｖ₀で電流値は飽和し、ほぼ一定値となる。これはイオ
ンのみの電流値に等しい。

【００５５】以上のことから、Ｖ＝Ｖ_SB近辺におけるＩ
−Ｖ特性曲線の傾きは電子のエネルギー分布の巾に対応
している。すなわち、傾きが大きいことは電子のエネル
ギーの分布の巾が狭いことを意味している。図７から明
らかなように１４ＭＨｚに比べ、１００ＭＨｚの場合は
エネルギー分布が約１／１０程度に小さくなっている。
一方、イオンのエネルギー分布の巾をΔＥ_ionとし、電
子のエネルギー分布の巾をΔＥ_eとしたとき両者の間に
は略々比例関係があるので、イオンのエネルギー分布の
巾も同様に約１／１０に減少しているといえる。

【００５６】さらに、Ｖ_SBの値も同じ５０Ｗの高周波電
力であるのに１４ＭＨｚの場合の−４００Ｖに対し１０
０ＭＨｚでは約−９５Ｖと絶対値で１／４以下に小さく
なっている。１００ＭＨｚ放電で電力を５Ｗまで下げる
と、Ｖ_SBの値は、−２５Ｖに減少する。すなわち、周波
数と電力を制御することにより、自己バイアスは広範囲
に制御できるのである。

【００５７】従来のＲＩＥ法では、下地基板に損傷が生
じ、デバイスの特性が劣化していたが、これは次の理由
による。

【００５８】従来例では、電極１０７を低い周波数１
３．５６ＭＨｚで放電させていたため、｜Ｖ_sub｜＝４
００Ｖ〜６０００Ｖとなり、この高電圧で加速されたイ
オンが基板に衝突していた。

【００５９】しかるに、本発明の第１実施例では、電極
１０７には２５０ＭＨｚの高周波を用いて放電を行って
いるため、従来の１３．５６ＭＨｚの場合にくらべてΔ
Ｅ_ionは１／２０以下と小さくすることができる。本発
明の装置では放電は電極１０７に加えられる周波数ｆ₁
の高周波電力により維持され、これにより高密度のプラ
ズマを発生させると共に、供給する周波数をサセプタ電
極１０４に供給する周波数ｆ₂より大きな周波数ｆ₁（２
５０ＭＨｚ）としているため、発生した高密度プラズマ
中のイオンエネルギーの分布幅も小さく（平均エネルギ
ーの値とは差のあるエネルギーを有するイオンの数が少
なく）なっている。さらに、後述するように、電極に平
行な方向の磁界強度を可能な限り強くなるように磁気回
路が設計されているので、５０Ｗの高周波電力の入力で
自己バイアス電圧は−３０Ｖ以下であり、プラズマ密度
が略々１０倍以上に改善されている。図５によれば、高
周波電力を１００Ｗとし、ｆ₁＝２１０ＭＨｚで自己バ
イアスは−１０Ｖ程度であるから、ｆ₁＝２５０ＭＨｚ
では、自己バイアスは−５Ｖ以下である。

【００６０】電極１０７の自己バイアスが、−５Ｖ以下
と低いうえに、保護層１０１を有するので電極１０７の
母材１０２はまったくスパッタされない。したがって、
サセプタ電極１０４に印加する高周波の電力ないし周波
数ｆ₂を、自己バイアスが基板に損傷を与えない程度に
小さく制御することがきわめて容易となり、かつ所望の
エッチング速度が得られるように周波数ｆ₁ の電力を設
定しておけば基板表面に損傷を与えるような大きなエネ
ルギーを有するイオンが照射されることがなくなり、薄
膜、レジスト膜あるいは下地基板への損傷を生ずること
なく高速かつ選択性の高いエッチングを行うことが可能
となる。

【００６１】すなわち、前記自己バイアス電圧Ｖ_SBは高
周波電源の周波数が高くなるほどまた、高周波電力が小
さくなるほど低くなる。したがって、薄膜ないし下地基
板の品質を損傷せずに、かつ、高速エッチングに必要な
イオンエネルギー及びイオン照射量になるように周波数
および電力をサセプタ電極１０４に供給するように選択
すればよい。

【００６２】一方、前記電極１０２には周波数２５０Ｍ
Ｈｚの高周波電力が加えられているため、小さな自己バ
イアス電圧が生じており、また、保護層１０１が形成さ
れているため母材１０２がエッチングされるのを防止で
きる。さらに、図１の実施例では永久磁石１０６が装着
されているが、これにより、電極１０７の近傍でマグネ
トロン放電（電子が磁力線に巻きついてサイクロトロン
運動しながら高周波電界からエネルギーを受けて中性の
励起活性種源ガス分子を効率よくイオン化する）が起
り、イオン濃度が高まってさらにエッチング速度を大き
くできる。

【００６３】以上述べたように本発明による２周波励起
ＲＩＥ装置によれば、大きなエッチング速度を維持しつ
つ、基板に損傷を生じない高品質な薄膜や基板のエッチ
ングが高選択比で可能となった。

【００６４】また、図６に示すようにサセプタ電極１０
４に直流バイアス電圧を加えることによってサセプタ電
極１０４に流入するイオンのエネルギーを制御すること
も可能である。かかる直流バイアス電圧を印加してサセ
プタ電極１０４の電位を制御し、結果として基板の表面
電位を制御する方法は、エッチングする薄膜や基板（基
体）が導電性材料である場合に有効である。

【００６５】以上、電極１０７及びサセプタ電極１０４
に供給する高周波電力の周波数を夫々１００ＭＨｚ，２
５０ＭＨｚに設定する場合についてのみ述べたが、周波
数の選定はこれに限られないことは言うまでもない。

【００６６】要するに、ＲＩＥ装置の場合、電極１０７
に供給される第１の周波数ｆ₁をサセプタ電極１０４に
供給される第２の周波数ｆ₂に比べて高くすればよい。
実際の値はそれぞれの目的に応じて異るものであり、必
要とすべきエッチング速度や形成された膜の段差部での
被覆形状等を考慮して決めればよい。また、エッチング
すべき材料も絶縁物に限ることなく、導電性材料でもよ
い。

【００６７】また、電極１０７の裏面に設置した磁石１
０６は図１に示した構成に限られるものではない。例え
ば図９は、本発明の第２の実施例を示すものであるが、
本実施例の場合、強力な競争路形磁石４０９を設け、磁
界の均一性を上げるために走査を行なう構成にしてい
る。この場合、磁石４０９の走査系４１０を真空容器１
０５の外部に設けておけば、反応系が機械的な動作から
生じる発塵により汚染されるのを防ぐことができて好都
合である。

【００６８】さらに、サセプタ電極１０４側にも磁石を
設置してＲＩＥの効率を上げるようにしてもよい。ま
た、ここで使う磁石は、図１に示す磁石１０６のように
静止して取り付けられていてもよく、また、前記走査系
４１０に取付られた磁石４０９のように移動可能なもの
であってもかまわない。

【００６９】また、基板１０３への損傷をさらに小さく
するため例えば次のような方法をとることも可能であ
る。例えば、Ｓｉなどの基板１０３の表面に形成された
ＳｉＯ ₂などの絶縁膜をエッチングする場合、まず数μ
ｍ程度の膜が形成されている間はサセプタ電極１０４に
供給するＲＦ電力を大きくして高速でエッチングし、基
板１０３の表面が露出し始める寸前から、ＲＦ電力を小
さく切りかえる方式である。こうすれば基板１０３が露
出し始めてからは十分に低い自己バイアス状態でエッチ
ングを行えるため基板表面への損傷をほとんど０とする
ことが可能である。

【００７０】基板１０３の表面に照射するイオンの運動
エネルギーが大きすぎれば如何なる材料でも損傷を生じ
る。材料に損傷が生じ始めるのは、各材料の原子間結合
力に関連して決まる損傷発生の臨界エネルギーに比べ照
射イオンの運動エネルギーが若干大きくなったときであ
る。原子間結合力は、通常絶縁物の方が半導体より大き
い。基板１０３や、絶縁物の材料の性質を考慮した上で
照射イオンのエネルギーを決めればよい。

【００７１】図１０は第３の実施例を示すもので基板１
０３への損傷を無くし、且つ基板１０３の表面に照射す
るイオンのエネルギーを自由に選択できる方法を示して
いる。図１の第１の実施例と比較して異る点は、サセプ
タ電極１０４に対し、ｆ₂，ｆ₃という２つの異る周波数
を切り換えて入力できるようになっている点であり、そ
れに応じてバンドエリミネーター４０１も変更して構成
されている。４０２及び４０３はＬＣの共振回路であ
り、それぞれｆ₂，ｆ₃の共振周波数を有している。

【００７２】 f₂＝１／２π（L₂C₂）^1/2 f₃＝１／２π（L₃C₃）^1/2 ２つの共振回路４０２，４０３を直列に接続したバンド
エリミネーター４０１は、ｆ₂，ｆ₃の２つの周波数に対
してのみインピーダンスが大きくなり、これ以外の周波
数に対しては実質的に短絡となっているため、これら２
種類の高周波に対してのみ選択的にサセプタ電極１０４
に電力を供給する機能をもっている。

【００７３】例えば、ｆ₁＝２５０ＭＨｚとし、ｆ₂＝１
００ＭＨｚ、ｆ₃＝４０ＭＨｚとする。そして、例えば
まず最初の数０．５〜１μｍ程度の膜が形成されている
間は、サセプタ電極１０４に加える高周波の周波数をｆ
₃（４０ＭＨｚ）とすると、自己バイアスは図５に示す
ように０〜−１００Ｖと大きくなり、大きなエッチング
効果が得られる。表面が１００Å程度になった時点で周
波数をｆ₃（１００ＭＨｚ）に切り換えて薄い膜（例え
ば１０Å〜１００Å）をエッチングする。このようにす
れば基板表面が露出し始めたときは１００ＭＨｚに対応
する小さな自己バイアス値（約−１０〜−２０Ｖ）で基
板表面をイオンが照射するため基板の損傷はほとんど生
じない。

【００７４】このような方法は、ＲＩＥ法により堆積し
た薄膜の表面形状の平担度をコントロールする場合特に
重要になってくる。なぜなら周波数を変化させることに
より最も有効なエッチング用のイオンのエネルギーをコ
ントロールでき、最適のエネルギー値で基板１０３の損
傷を生じさせることなく選べるからである。

【００７５】ここではｆ₂，ｆ₃の２つの異る周波数の場
合についてのみ述べたが、例えばｆ ₂，ｆ₃，ｆ₄という
３つの値を用いてもよいことはいうまでもない。ただ
し、この場合、最初に印加する周波数ｆ₄はｆ₄＞ｆ₂，
ｆ₃として、後になるほど最も高周波のものを用い損傷
を小さくすることが重要である。

【００７６】また、複数の周波数を用いる場合、これら
は放電励起用の周波数ｆ₁ も含め、ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃ ^,・・
・・は互いに高調波の関係にないように選ぶのが望まし
い。放電空間は非線型であり、従ってｆ₁，ｆ₂，ｆ₃，
・・・・の高調波が放電条件によっては全く違った状態
で重畳してしまうことがあり条件の設定が一義的でなく
なるからである。

【００７７】なお、図１０における共振回路４０２，４
０３に代えて、図１１に示す共振回路を用いても同様の
作用をもたらすことができる。ただ、図１１においては Ｃ_S ≫Ｃ₂ ，Ｃ₃ とする必要がある。

【００７８】次に、上述したＲＩＥ装置の基本的構成部
分である対向する平行平板電極間にプラズマを作って行
う、各種のプロセスにも共通する高性能化の概念を説明
する。

【００７９】放電プラズマプロセス高性能化の必要条件
は、（１）基体表面にダメージ（損傷）を与えないこ
と、（２）真空容器や電極材料のスパッタによる基板表
面への汚染がないことの２要件である。もちろん、その
ほかにも高速エッチング，高速成膜が行えること、でき
るだけ少ない高周波電力で、できるだけ高密度のプラズ
マを実現すること等、具体的なエッチング，成膜高性能
化の要求があることはいうまでもない。

【００８０】要件（１），（２）が実現されるために
は、放電により形成されるプラズマのプラズマ電位が、
真空容器や電極材料がスパッタされない程度の値、すな
わち＋３０Ｖ以下、望ましくは＋２０Ｖ以下であること
が要求される。真空容器は通常接地された状態で使用さ
れるが、真空容器内表面に入射するイオンのエネルギー
は、プラズマ電位程度のエネルギーになる。電極１０２
やサセプタ電極１０４は、通常高周波電力の供給により
直流的には負電圧が加わるので、正電荷を持ったイオン
が入射するが、そのエネルギーはそれぞれ所要の目的を
持ったエネルギー値に制御される。いずれにしても、対
向電極間に形成されるプラズマ電位が＋５〜＋２０Ｖ程
度の範囲に抑え込まれていることが不可欠の条件にな
る。基板表面を照射する個々のイオンのエネルギーに
は、エッチング、成膜の目的に応じて基板表面材料に対
してそれぞれ最適値が存在する。個々のイオンエネルギ
ーをそれぞれの材料の最適値に調整するのは、サセプタ
電極１０４に供給される周波数ｆ ₂の高周波電力を調整
して、サセプタ電極１０４の自己バイアス電圧−Ｖ
_s（Ｖ)を、Ｖ_OP＝Ｖ_P ＋Ｖ_S となるように設定すればよ
い。プラズマから基板表面の間でイオンが衝突しなけれ
ば、基板表面照射イオンエネルギーは、プラズマ電位と
基板表面電位の差のポテンシャルで決まるからである。

【００８１】ただし、Ｖ_OP：イオンの最適照射電位，Ｖ
_P：プラズマ電位，−Ｖ_S：サセプタ電極の自己バイアス
である。

【００８２】なお、かかる設定条件は、対向電極間に形
成されるプラズマの電位が低い正電圧に抑えられている
ときに限り適用できる。すなわち、Ｖ_P ＜Ｖ_OPが成立し
ていなければならない。サセプタ電極１０４に高周波電
力を印加して実現される自己バイアスは常に負電圧方向
に作用するからである。従って、Ｖ_SP＞Ｖ_P ，Ｖ_OP＞Ｖ
_P が満足されるような、低い正電圧にプラズマ電位Ｖ_P
を設定するのである。ただし、Ｖ_SPは真空容器や電極材
料のスパッタ開始電圧である。

【００８３】上述の結論として、プラズマ応用装置の高
性能化は、プラズマ電位を低い正電圧（Ｖ_SP＞Ｖ_P ，Ｖ
_OP＞Ｖ_P ）に設定することにある。プラズマ電位が正電
圧で高くなる理由は、主としてプラズマ空間から、質量
がイオンにくらべて軽い負電荷を持った電子が逃げてし
まい、正電荷を持ったイオンが過剰になり、プラズマが
正電荷を持つことに依存する。換言すれば、プラズマ電
位を正の低い電位に保つには、プラズマ空間から電子が
できるだけ逃げないようにする必要がある。同時に、高
周波電力によりできるだけ有効に放電・イオン化が起る
ことが重要である。

【００８４】次に、こうした条件を実現する直流磁場分
布及び高周波電界分布について、図１３を用いて説明す
る。図１３（ａ）は、対向する平板状電極１０７、サセ
プタ電極１０４に対する直流磁界分布６０１（点線）、
高周波電界分布（実線）６０２を示す。図１３（ａ）に
は、理想状態の一例が示されている。すなわち、対向す
る両電極１０７，１０４の極板に平行に直流磁界が存在
し、極板間に垂直に高周波電界が存在する。極板間に存
在する電子は、直流磁界に巻きついて円運動（サイクロ
トロン運動）する。円運動する電子の運動方向に高周波
電界が存在するから、電界から効率よく電子の運動へエ
ネルギーが変換される。エネルギーを得た電子は、極板
間にサイクロトロン運動することによって閉じ込められ
ているから、中性の分子や原子と効率よく衝突し、その
分子や原子をイオン化する。電極１０７、サセプタ電極
１０４は高周波入力により、通常自己バイアスは負電圧
となる。したがって、負電荷を持った電子は両電極に入
射することはない。したがって、垂直方向に対しては電
子は両電極間に閉じ込められることになる。しかし、両
電極の平行な方向の端部は単なる空間であるから、該端
部からは電子が外部に流れ出す。この横方向の電子の逃
げを抑えるには、図１３（ｂ）のように直流磁界Ｂの強
度を分布させればよい。すなわち、直流磁界Ｂの強度は
極板の中心から極板端部近傍までは距離ｒに対し一定に
なるようにし、端部近傍で磁界強度を強くする。これに
より、磁界強度が強くなった部分で、電子は反射され
て、一定磁界強度部分に閉じ込められるのである。

【００８５】図１４は、図１３に示された考え方を適用
した第４の実施例を示すものである。なお、図１に示す
第１の実施例の構成部分と同一のものは同じ番号を付し
て重複した説明を省略する。

【００８６】電極間に放電を励起させるための周波数ｆ
₁の高周波電力は、同軸コネクタ７１０を通して供給さ
れる。７１６は電極１０２まで高周波電力を導く内導体
であり、７１２はテーパ状に形成された同軸ケーブルの
外導体でありＡｌ合金、ステンレス、Ｔｉ等の金属製真
空容器１０５に接続されている。図１に示す第１の実施
例では、直流磁界は永久磁石１０６により形成させてい
たが、図１４の第２実施例では電磁石により形成させて
いる。７１５は、電磁石を構成する透磁率μ及び飽和磁
束密度の高い磁性体、７１４は直流電流を供給する電線
である。電磁石は、内導体７１６と電極の母材１０２に
より完全に囲われているため、高周波の周波数ｆ₁の電
界や磁界に晒されることはない。

【００８７】サセプタ電極１０４の自己バイアスを制御
する周波数ｆ₂の高周波電力は、同軸コネクタ７１１を
介して供給される。７１７は同軸ケーブルの内導体、７
１３は外導体である。なお、インダクタンスＬ₁及びコ
ンデンサＣ₁の直列回路、インダクタンスＬ₂及びコンデ
ンサＣ₂の直列回路は、夫々周波数ｆ₁，ｆ₂の高周波を
短絡するための回路である。

【００８８】７０８，７０９は、これら短絡回路を構成
する絶縁物基板であり、例えばテフロン（登録商標）含
浸絶縁物から成る。内導体７１６，７１７と外導体７１
２，７１３を短絡する回路は、円筒同軸の構成に適合す
るように、円錐状に形成されている。図１５（ａ），
（ｂ）は前記短絡回路の例を示すものである。前記短絡
回路１，２は、中央部に内導体７１６，７１７を挿通す
るための穴８０５，８０６を設け、基板はテフロン含浸
絶縁物により円板状に形成されている。図１５に示す例
では、４個の直列共振回路が互いに９０度の角度間隔で
放射状に配置された例が示されている。８０１，８０３
はインダクタンス、８０２，８０４は積層セラミックな
どの高周波コンデンサである。斜線部は前記絶縁物の基
板に残されたＣｕ薄膜である。該薄膜は、通常３５〜７
０μｍ程度の厚さである。絶縁物基板の厚さは、高周波
電力にもよるが、１〜３ｍｍ程度である。図１５（ａ）
では、インダクタンス８０１は直線の線を有するインダ
クタンスが使われており、コンデンサはチップコンデン
サである。図１５（ｂ）では、インダクタンス８０３は
電線を所要巻数だけ巻回して成るコイルが用いられ、コ
ンデンサ８０４は平板コンデンサを用いている。

【００８９】説明を図１４に戻す。高周波電力、特に電
極間に放電を形成する周波数ｆ₁の電力が、効率よく電
極間に閉じ込められるために、電極１０２、サセプタ電
極１０４は絶縁物のセラミック７０６，７０７により、
夫々真空容器１０５から浮いた状態で構成されている。
電極間隔に比し電極から真空容器までの距離は遠く離間
している。これは電極１０２に入射した周波数ｆ₁の高
周波電力の電界を、殆どサセプタ電極１０４に終端させ
るためである。周波数ｆ₁の高周波電流は、サセプタ電
極１０４に終端した後、内導体７１７、短絡回路
（Ｌ₁，Ｃ₁）、真空容器１０５を介して外導体７１２に
流れ出す。

【００９０】電極間隔は、ガス圧力にもよるが通常２〜
１０ｃｍ程度である。電極面積は、基板１０３より大き
く設定されるから、基板１０３としてのウエハの直径が
６インチ，８インチ，１０インチであれば、少なくと
も、電極の直径は夫々２０ｃｍ，２５ｃｍ，３０ｃｍよ
り大きなものにする必要がある。

【００９１】図１６は、第５の実施例を示すもので比較
的実際の構造に近いものである。本実施例の場合、両電
極１０７，１０４の間隔が狭くなっているので、高周波
電界の殆どが対向する電極間に閉じ込められることにな
る。

【００９２】サセプタ電極１０４に供給される周波数ｆ
₁の高周波電力に対する短絡が不十分な場合には、図１
７に示す第６の実施例のように、サセプタ電極１０４と
真空容器１０５との間に直接的に短絡回路を設ければよ
い。本実施例の構成の要点は、対向する２枚の電極間
に、可能な限り強い磁界を設ける点にある。

【００９３】図１６、図１７に示す実施例のように、コ
イル７２２と磁性体７１５で構成される電磁石である
と、その磁力線分布は図１８に示すように下方向に拡が
った分布になる。

【００９４】図１９に示す第７の実施例のように、両電
極１０４，１０７の裏面にそれぞれ完全反磁性を示す超
伝導体あるいは超伝導薄膜７３１，７３２を設けると、
磁力線はこの超伝導体７３１，７３２の外側には漏れな
いから、両電極間にのみ存するようになる。

【００９５】基板１０３を冷却する必要があるときは、
例えば液体窒素温度で超伝導現象を示す酸化物超伝導体
を電極裏面に１μｍ程度以上スパッタ成膜等でコーティ
ングすることにより極めて大きな磁界閉じ込め効果を生
じさせ得る。図２０に示す第８の実施例はかかる磁界閉
じ込め効果を示すものである。

【００９６】同様に、両電極間に磁界を閉じ込めて強い
平行方向の磁界を発生させるには、電極１０２側だけで
はなく、サセプタ電極１０４側にもまったく同様に電磁
石（７２１，７２３）を設ければよい。図２１はかかる
原理に基づいて構成された第９の実施例を示すものであ
る。電磁石（７１５，７２２），（７２１，７２３）
は、いずれも高周波電力供給用の内導体７１６，７１７
により実質的に囲われている。コイル７２２，７２３に
電流を供給するための電線は、内導体７１６，７１７を
貫通して外部に引き出されている。

【００９７】本第９の実施例において、電極１０２，１
０４に完全反磁性体の超伝導体をコーティングすればさ
らに好ましいものになる。本実施例は放電プラズマが形
成される真空容器は、容器本体７０６，７０７がセラミ
ックにて形成され、外部容器１０５’が金属で形成され
ている。外部容器１０５’は、アースと高周波電流を流
す役割をはたす。このように構成すれば、第１，９，１
０図に示す各実施例の装置に見られた、電極１０２と真
空容器間の放電が無くなり、高周波電力は電極１０２，
１０４間に殆ど閉じ込められることになり、少ない高周
波電力で高密度のプラズマを電極間に形成することがで
きる。

【００９８】内導体７１６，７１７に囲われる電磁石を
永久磁石により形成して差し支ないことはいうまでもな
い。永久磁石を構成する材料は通常比透磁率が低く、４
〜５以下である。

【００９９】したがって、図２１に示す第９の実施例
で、コイル７２２，７２３を除去し、図２２に示す第１
０実施例のようにドーナツ状の完全反磁性超伝導体７５
１，７５２をはめ込むとよい。この場合、超伝導体７５
１，７５２をはめ込んだ磁性体７１５，７２１は永久磁
石から成る。

【０１００】以上、チャンバ材料のスパッタ汚染を完全
に抑え、基板にいっさい損傷を生じないＲＩＥ装置につ
いて説明したが、真空容器内に導入されるガスは、エッ
チングされる材料によって異り、塩素系（Ｃｌ₂，Ｓｉ
Ｃｌ₄，ＣＨ₂Ｃｌ₂，ＣＣｌ₄等）、フッ素系（Ｆ₂，Ｃ
Ｈ₂Ｆ₂，ＣＦ₄，ＳｉＦ₄等）および混合ガス系（ＣＦ₂
Ｃｌ₂等）が用いられ、キャリアガスＡｒ，Ｈｅ，添加
ガスＨ₂，Ｏ₂が加えられる。

【０１０１】高周波放電に使う高周波電源の出力周波数
ｆ₁の波長は、少なくともウエーハの直径の２倍より大
きいことが均一エッチングの立場から要求される。望ま
しくは周波数ｆ₁は、１００ＭＨｚ（波長３ｍ）〜１Ｇ
Ｈｚ（波長３０ｃｍ）程度である。

【０１０２】しかし、例えば、２．４５ＧＨｚのような
マイクロ波を用いたような場合には電磁波の波長が基板
たるウエーハ径にくらべて小さくなり、エッチング量の
バラツキの原因となることがあるため好ましくない。

【０１０３】以上本発明の実施例は主としてＳｉＯ₂や
Ｓｉ膜のエッチングについて述べてきたが、これに限る
必要はもちろんない。例えば、ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、
ＡＳＧ膜、シリコン窒化膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜、ＡｌＮ膜、Ａ
ｌ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉあるいはこれらの合金等より
なる膜及び基板のエッチングに用いてもよい。

【０１０４】また、励起活性種源ガスは被エッチング薄
膜の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、poly−
Ｓｉ薄膜の場合、Ｃｌ₂，ＣＣｌ₄，ＣＣｌ₂Ｆ₂，Ｃｌ₂
等を、Ｓｉ薄膜の場合、Ｃｌ₂，ＣＣｌ₂Ｆ₂，ＣＦ₄等
を、ＳｉＯ₂薄膜の場合、ＣＦ₄／Ｈ₂，Ｃ₂Ｆ₆等を、Ａ
ｌ薄膜の場合、ＣＣｌ₄，ＳｉＣｌ₄，ＢＣｌ₃，Ｃｌ₂等
を、Ｍｏ薄膜、Ｗ薄膜、Ｔｉ薄膜、Ｔａ薄膜等の場合は
Ｆ₂，Ｃｌ₂，ＣＦ₄等を適宜用いればよい。また、Ｈ₂，
Ｏ₂，Ｎ₂を添加ガスとして加えることも有効である。

【０１０５】また、これらが形成される基板１０３も、
絶縁性のものに限らず、導電性のものあるいは半導体で
もよい。

【０１０６】さらに、例えばポリイミド膜やレジストな
どの高分子材料のエッチングについても適用できること
はいうまでもない。また、エッチングを行なう基板も半
導体ウエーハに限らないことはいうまでもない。また、
リアクティブイオンエッチング以外のスパッタエッチン
グにも利用できる。

【０１０７】次に、上記各実施例の構成を有する装置
は、上記ＲＩＥだけではなく、ＰＣＶＤ、ドライ洗浄、
レジストアッシング、レジストのドライ現像等にも、使
用条件の一部の変更により容易に使用できる。

【０１０８】まず、プラズマＣＶＤ（ＰＣＶＤ）である
が、Ｓｉ成膜には、ＳｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆，ＳｉＨ₂Ｃｌ₂
等の原料ガスをあるいはこれに、Ａｒ，Ｈｅ，Ｈ₂等の
ガスを加えて、Ａｌ成膜には、Ｈ₂＋Ａｌ（ＣＨ₃）₃，
Ｈ₂＋ＡｌＨ（ＣＨ₃）₂等のガスを、ＳｉＯ₂成膜には、
ＳｉＨ₄＋Ｏ₂，ＳｉＨ₂Ｃｌ₂＋Ｏ₂等を、Ｓｉ₃Ｎ₄成膜
には、ＳｉＨ₄＋ＮＨ₃＋Ｈ₂等のガスを供給する。第
１，７，９，１０，１２，１４，１５図に示す実施例
で、こうした原料ガスを高周波電源ｆ₁により放電させ
プラズマ状態にする。高密度のプラズマが電極間に形成
されるが、高周波ｆ₁が１５０〜２５０ＭＨｚと高く保
たれているから、電極１０２に現われる自己バイアス
は、−１０〜−２Ｖと低く電極がスパッタされることは
ない。さらに、成膜に必要な基板表面照射イオンエネル
ギーは、ｆ₁より低い周波数ｆ₂（例えば、１０〜８０Ｍ
Ｈｚ）の高周波電力で制御される。照射イオンエネルギ
ーは成膜に必要な最適値にｆ₂の電力により制御され、
照射イオン密度は、ｆ₁の電力により制御される。例え
ば、Ｓｉ成膜の場合、（Ａｒ＋ＳｉＨ₄）を供給するガ
スとすると、ＡｒとＳｉＨ₄の混合比を調節することが
重要である。特に、室温から４００℃程度の低温で、高
品質なＳｉ成膜を行うためには、イオン照射によるＳｉ
表面の活性化が決め手になるからである。たとえば、１
個のＳｉ原子が正規の格子位置におさまる間に、最適の
エネルギーを持った照射イオンの数が、通常１個以上は
必要だからである。たとえば、Ｓｉ原子１個に１０個の
イオン照射あるいは５０個のイオン照射ということにな
るからである。通常は、Ａｒ量の方がＳｉＨ ₄よりは十
分多く設定される。他の成膜の時も、まったく同様であ
る。基板表面を照射するイオンは、成膜に直接寄与する
原子あるいは分子である必要はない。成膜に寄与する原
子、分子と基板表面照射イオンは、まったく別のもので
ある方が、イオンによる基板照射量と成膜速度を独立に
制御できて、高品質成膜に適している。

【０１０９】一方、レジスト剥離は上述したように通常
は、混合液（Ｈ₂ＳＯ₄＋Ｈ₂Ｏ₂）を用いたウェットプロ
セスで行われるが、イオン注入工程を経たレジストは混
合液（Ｈ₂ＳＯ₄＋Ｈ₂Ｏ₂）には溶解しない。そのため、
酸素（Ｏ₂）プラズマ中で、強力な酸化反応により除去
している。

【０１１０】ただし、従来の装置では、高エネルギーイ
オン照射による損傷、およびチャンバ内表面のスパッタ
による基板表面の金属汚染の問題が存在し、レジスト剥
離を有名無実化していた。

【０１１１】しかし、本発明の装置（第１，７，９，１
０，１２，１４，及び１５図に示すもの）を適用すれば
酸素プラズマを完全に制御でき、無損傷、金属汚染のな
い、レジスト剥離が実現される。Ｏ₂中に若干のＣｌ₂を
加えておけば、レジスト中に含まれる金属成分も同時に
除去される。レジスト剥離時に、Ｓｉ表面がＯ₂プラズ
マで薄く酸化されるが、該薄い酸化膜は、Ｎ₂，Ａｒ中
に０．６％程度のＨＦガスを混入させた気相エッチング
で容易に除去できる。酸化膜が除去されたＳｉ表面はフ
ッ素によりターミネイトされているが、このフッ素は、
２〜１０ｅＶ程度に加速された（Ａｒ＋Ｈ₂）プラズマ
で簡単に除去される。

【０１１２】次に、ドライ洗浄であるが、有機物汚染は
１〜１５ｅＶ程度に加速されたＯ₂イオンやＯ₃により洗
浄される。ベア・シリコンの表面に形成される薄い酸化
膜（ＳｉＯ₂）は、前述したように、Ｎ₂，Ａｒ中０．５
〜０．６％程度のＨＦガスで除去できる。金属成分は、
１〜１５ｅＶに加速されたＣｌ₂イオンにより除去でき
る。本発明の装置が十分適用できる。

【０１１３】

【発明の効果】本発明によれば、減圧可能な容器内にプ
ラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の処理を行
うように構成されたプラズマプロセス用装置において、
前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状に形成
された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラズマに
対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆うよう
に設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被処理物
を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極に接続
される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接続され
る第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガスを導入
するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記第１の
高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数よ
り高く設定されたことを特徴とするもので、ＲＩＥ、プ
ラズマ化学気相堆積、レジストアッシャー、ドライ洗浄
等の各種プラズマプロセスを、被処理物の基体等への損
傷や汚染を与えることなく、また、処理雰囲気の汚染を
生じさせることなく行うことができ、高品質の半導体装
置を提供できる。

【０１１４】また、構造上の基本的な構成部分は変更す
ることなく、特定の設定条件、例えば高周波電源の出力
周波数の大きさ、導入するガスの種類等わずかな仕様を
変更するだけで各種プラズマプロセスの装置に適用でき
るので、各装置の規格化が可能となり、半導体装置製造
の一貫した統一性のある操業の実現を可能にする。

【０１１５】さらに、各装置が共通の構成部分を有する
ことにより、構成部品の製造、管理、保守等が容易にな
ると共に、装置全体の高性能化に貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す装置の概略構成模
式図である。

【図２】図１のバンドエリミネータの例を示す回路図で
ある。

【図３】図２のバンドエリミネータの共振特性を示すグ
ラフである。

【図４】図２のバンドエリミネータの他の例を示す回路
図である。

【図５】第２の電極への高周波電力に対する第１，第２
の電極の電位の変化を示すグラフである。

【図６】電極の電流電圧特性を測定するための装置を示
す概略構成模式図である。

【図７】電極の電流、電圧特性の実験例を示すグラフで
ある。

【図８】周波数の変化に対する自己バイアス電圧の変化
を示すグラフである。

【図９】第２の実施例を示す概略構成模式図である。

【図１０】第３の実施例を示す概略構成模式図である。

【図１１】バンドエリミネーターの他の例を示す回路図
である。

【図１２】従来例の概略構成を示す模式図である。

【図１３】（ａ）は平行平板電極構造であり、（ｂ）は
高周波電界及び直流磁界の分布図である。

【図１４】本発明の第４の実施例を示す要部断面図であ
る。

【図１５】（ａ）短絡回路の例を示す回路図であり、
（ｂ）は短絡回路の他の例を示す回路図である。

【図１６】本発明の第５の実施例を示す断面図である。

【図１７】本発明の第６の実施例を示す断面図である。

【図１８】磁界分布（磁力線）図である。

【図１９】本発明の第７の実施例を示す断面図である。

【図２０】第８の実施例を示すもので電極裏面に超伝導
薄膜が設けた場合のられたときの磁力線分布図である。

【図２１】本発明の第９の実施例を示す断面図である。

【図２２】本発明の第１０の実施例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０１…保護層（保護部材）、 １０２…母材、 １０３…基板（被処理物）、 １０４…サセプタ電極（第２の電極）、 １０５…真空容器、 １０７…電極（第１の電極）、 １１０…第２の高周波電源、 １１１…第１の高周波電源。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年９月２５日（２００１．９．２
５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、減圧可能な容
器内にプラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の
処理を行うように構成されたプラズマプロセス用装置に
おいて、前記容器内に対向するように設けられ夫々平板
状に形成された第１及び第２の電極と、前記第２の電極
上に被処理物を取り付けるための保持手段と、前記第１
の電極に接続される第１の高周波電源と、前記第２の電
極に接続される第２の高周波電源と、前記容器内に所望
のガスを導入するためのガス供給手段とを少なくとも備
えたプラズマプロセス装置において、前記第１の高周波
電源は、同軸コネクタを介して、第１の内導体により前
記第１の電極に接続されるとともに、同軸コネクタを介
して、中空円錐状の第１の外導体により前記容器に接続
され、前記第１の内導体と前記第２の外導体とは第１の
短絡回路により接続されていることを特徴とするプラズ
マ装置である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｍ Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｃ Ｆターム(参考） 4G075 AA24 AA30 AA61 BC01 BC04 BC06 BD14 CA13 CA15 CA65 DA01 EB01 EB42 EC21 FB02 FB04 FC09 FC11 4K030 FA01 JA18 KA30 4K057 DA02 DA16 DA20 DB05 DB06 DB08 DD01 DD03 DE01 DE02 DE04 DE06 DE07 DE08 DE20 DG15 DM05 DM06 DM09 DM18 DM24 DM33 DN01 5F004 AA06 BA07 BA08 BA09 BB08 BB18 BB29 BB30 BD05 CA02 CA03 CA06 DA01 DA04 DA05 DA06 DA13 DA15 DA22 DA23 DA24 DA26 DB01 DB02 DB03 DB07 DB13 5F045 AA06 AB02 AB32 AB33 AC01 AC05 AC12 AC16 AC17 BB14 DP02 DQ10 EB03 EC05 EH08 EH14 EH16

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧可能な容器内にプラズマを発生さ
   せ、該プラズマ中で被処理物の処理を行うように構成さ
   れたプラズマプロセス用装置において、 前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状に形成
   された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラズマに
   対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆うよう
   に設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被処理物
   を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極に接続
   される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接続され
   る第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガスを導入
   するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記第１の
   高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数よ
   り高いことを特徴とするプラズマプロセス用装置。