JP2005303099A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ウエハ外周付近の電位分布の不均一を最小限にとどめ、ウエハ面内のプロセス結果を均一にすることができるプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】 ウエハ７２上のシース・プラズマ界面７４とフォーカスリング８０上のシース・プラズマ界面が平坦であるための物理的条件を明らかにし、その具体的構造の設計手法を確立することによって、プロセスの目的に最適化された、高周波を印加した誘電体あるいは導体や半導体で構成されたフォーカスリングを装備する。フォーカスリングの表面電圧は、ウエハプロセスによる反応生成物が堆積しない為の最低電圧以上とする。フォーカスリング表面に形成されるイオンシース３６の高さがウエハ表面に形成されるイオンシースの高さと同一あるいは適切な許容値の範囲で段差を持つよう、フォーカスリング表面高さ、フォーカスリング表面電圧、およびフォーカスリングの材質と構造を最適化する。さらに、フォーカスリングの消耗による経時変化を考慮し、適切な許容値の設定に基づく構造の最適化を行う。
【選択図】 図１８

Description

本発明は、半導体の製造技術に属する。特に、プラズマを用いて半導体ウエハをエッチング処理する際のエッチング形状に影響するウエハステージの構造に関する。
近年の半導体素子の高集積化にともない回路パターンは微細化の一途をたどっており、要求される加工寸法精度はますます厳しくなってきている。また、半導体素子の製造コスト低減の目的でウエハの口径が３００ｍｍと大口径化してきており、ウエハの中心から外周付近まで広い範囲で均一な加工が要求されている。しかしながら、ウエハ外周付近では静電チャックを保護するためのセラッミックカバーが存在するなど、中心付近に比べて電界が不均一になりやすく、プロセスの不均一の問題が発生しやすい傾向がある。もし、外周付近で電界不均一が発生するとウエハに入射するイオンがウエハに対し垂直でなくなり、形状の垂直性が悪化し歩留まりが低下する問題をひきおこす。同様に、イオンの集中や発散が生じ、エッチングレートなどの加工性能がウエハエッジ付近で急激に変化する。これは製造コスト増加につながるので、大きな問題である。
この問題を解決するため、従来から、ウエハを搭載する電極における電界の乱れを防止する対策が多く提案されている。これを実現するための構造は、フォーカスリングあるいはエッジリングと呼ばれており、ここではフォーカスリングと呼ぶ。例えば、ウエハの外周を取り囲む高さ調整可能なリング補助板を設けたドライエッチング装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ウエハエッジ付近およびその外部のインピーダンスを調整する構造により、ウエハエッジ付近およびその外部に印加される高周波電力（電圧あるいは電界）を調整する手段が提案されている（例えば、特許文献２参照）。同じように、高周波が印加されるフォーカスリングを用いてウエハエッジ近傍の電界を補正する構造物としては、導電性のフォーカスリングを用いたもの（例えば、特許文献３参照）、誘電体のフォーカスリングを用いたものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。さらに、高周波を印加しない場合にウエハ上のシース・プラズマ界面とフォーカスリング上のシース・プラズマ界面を平坦にするための誘電体材料や半導体材料でできた高段差フォーカスリング（エッジリング）、高周波を印加する場合にウエハ上のシース・プラズマ界面とフォーカスリング上のシース・プラズマ界面を平坦にするため誘電体材料や半導体材料あるいは導体でできたウエハと同じ高さにあるフォーカスリング（エッジリング）が提案されている（例えば、特許文献５参照）。また、下部電極とプラズマの間のインピーダンスをウエハ部とフォーカスリング部で同じにして均一なシース電圧を発生させる、誘電体と導電体を組み合わせたフォーカスリングが提案されている（例えば、特許文献６参照）。
また、フォーカスリングのインピーダンスを調整することにより、フォーカスリングを通過する高周波の強度を調整し、処理の均一性を得る方法が提案されている（例えば、特許文献７参照）。さらに、ウエハ面と同一高さのフォーカスリングにより処理の均一性を得る方法が提案されている（例えば、特許文献８参照）。
特開昭６３−２２９７１９号公報 特開平６−１２０１４０号公報 特開平５−３３５２８３号公報 特開平６−１６８９１１号公報 特表２００３−５０３８４１号公報 特表２００３−５１９９０７号公報 特開２００２−１９８３５５号公報 特開２００３−２２９４０８号公報 特開２００２−２０３８３５号公報
しかしながら、これら方法では、フォーカスリング構造の最適化手法が明らかにされておらず、例え実験によって構造を決めたとしても、エッチグプロセスを変更する必要が生じた場合には、そのたびにフォーカスリングの寸法を見直す必要があるという問題がある。通常の生産においては、一台の装置で一種類の放電を行うわけではなく、複数の放電状態を使い分ける。したがって、放電条件ごとにフォーカスリングを交換する必要がある。あるいは、一つのフォーカスリング構造で複数の放電条件に対応できるように、許容値の設定とそれに対応した構造の最適化が必要であるが、これらの方法では、対応できていない。
また、これらのフォーカスリングは反応性のプラズマに晒された状態で高周波電圧がかかるため、イオンによる物理的消耗（スパッタリング等）や化学反応による消耗が生じてその寸法に変化が生じる。このため、これらのフォーカスリングでは経時的にその電界補正機能が変化して失われてゆくという問題がある。したがって、ここでも、許容値の設定とそれに対応した構造の最適化が必要であるが、これらの方法では、対応できていない。
一方、これらのフォーカスリングの表面には、ウエハの処理プロセスに依存することであるが、ウエハ処理による反応生成物や気相中での反応生成物が堆積する場合がある。このフォーカスリング表面の堆積物は、異物となってウエハに付着し、製品欠陥を引き起こす原因となる。また、堆積物が無い状態から十分堆積が進行した状態になる過程で、フォーカスリング表面から放出（再放出）される気相成分が変化するため、プラズマの状態が変化することになる。この場合、ウエハの処理開始直後から経時的にウエハの処理結果が異なるという、経時変化を起こす原因になる。これらの方法では、この堆積物に対する対応方法が規定されていないため、フォーカスリングによりプロセス処理を均一にできても、堆積物が生じてしまう場合は、そのフォーカスリングは実際には使い物にならない。
前に示した、特許文献５で述べられているように、ウエハエッジ部の処理を均一化するためには、ウエハ上のシース・プラズマ界面とフォーカスリング上のシース・プラズマ界面を平坦にすることが重要である。しかし、ウエハに到達するイオンの軌道は、シース・プラズマ界面のみに依存するわけではなく、シース内の電位分布の平坦度にも依存することが重要であり、このことを考慮した構造の最適化が行われていないことが問題である。当然、前記特許文献５でも、許容値の設定とそれに対応した構造の最適化が行われていないという問題がある。これらの最適化の問題は、特許文献５中では、ウエハ上のシース・プラズマ界面とフォーカスリング上のシース・プラズマ界面を平坦にするための、物理的メカニズム、設計手法が提示されていないことに原因がある。物理的メカニズム、設計手法無しに、構造の最適化を行うことは不可能である。喩え実験的に適切な構造が見出せたとしても、このとき、ウエハ上のシース・プラズマ界面とフォーカスリング上のシース・プラズマ界面が平坦であることを示すのは、実験的に困難であり、かつ、保証されるものではない。
前に示した特許文献６の技術の問題点は、下部電極とプラズマの間のインピーダンスをウエハ部とフォーカスリング部で同じにして均一なシース電圧を発生させることが、ウエハ上のシース・プラズマ界面とフォーカスリング上のシース・プラズマ界面を平坦にすることを保証しないことである。ウエハ上のシース・プラズマ界面とフォーカスリング上のシース・プラズマ界面を平坦にすることを保証するためには更なる条件が必要になるが、その条件は上記特許文献６中に提示されていない。
以上述べた問題は、本発明の具体的実施例に関する記述の中で、さらに詳細に説明する。
以上のような問題点に対し、本発明の第一の目的は、ウエハ外周付近の電位分布の不均一を最小限にとどめ、ウエハ面内のプロセス結果を均一にすることができるウエハステージを備えたエッチング装置とウエハ処理方法を提供することである。
また、本発明の第二の目的は、ウエハ面内のプロセス結果を均一にするための許容値の設定とそれに対応した構造の最適化が行われたウエハステージを備えたエッチング装置とウエハ処理方法を提供することである。
本発明の第一の目的は、高周波を印加した誘電体あるいは導体や半導体のフォーカスリングを装備することによって達成できる。ただし、このとき、フォーカスリングの表面電圧は、ウエハプロセスによる反応生成物が堆積しない為の最低電圧以上であることを特徴とする。さらに、フォーカスリング表面に形成されるイオンシースの高さがウエハ表面に形成されるイオンシースの高さと同一あるいは適切な許容値の範囲で段差を持つよう、フォーカスリング表面高さ、フォーカスリング表面電圧、およびフォーカスリングの材質と構造が最適化されていることを特徴とする。さらに、フォーカスリングの消耗による経時変化を考慮し、適切な許容値の設定に基づく構造の最適化がなされていることを特徴とする。
本発明の第一および第二の目的は、ウエハ上のシース・プラズマ界面とフォーカスリング上のシース・プラズマ界面が平坦であるための物理的条件を明らかにし、その具体的構造の設計手法を確立することにより、達成できる。
より具体的には、本発明は、被処理体を処理ステージの上に搭載し、前記被処理体を囲み、かつ前記処理ステージの上に搭載されているフォーカスリングを備え、前記フォーカスリングおよび前記被処理体は、高周波バイアスを印加されている、プラズマによって前記被処理体を処理するプラズマ処理装置またはこの処理装置８のプラズマ処理方法において、前記フォーカスリングおよび前記処理ステージの構造は、等価電気回路解析による最適化設計手法により最適化した。
本発明は、上記プラズマ処理装置またはプラズマ処理方法において、前記最適化設計手法が、プラズマ・シースモデルに基づくプラズマおよびイオンシースの等価回路変換を含む、または、フォーカスリングにウエハプロセス反応生成物が付着しないように、フォーカスリング表面電位が最適に設計されている、もしくは、フォーカスリング表面に形成されるイオンシースの高さがウエハ表面に形成されるイオンシースの高さと同一、あるいは適切な許容値の範囲で段差を持つよう、フォーカスリング表面高さ、フォーカスリング表面電圧、およびフォーカスリングの材質と構造が最適化されている、もしくは、フォーカスリングの消耗による経時変化を考慮し、適切な許容値の設定に基づく構造の最適化がなされている、もしくは、等価電気回路解析に加え、必要に応じて、二次元プラズマ解析および二次元電場解析によるシーケンシャル連成解析手法により、イオンシース内の等電位面をできるだけ平坦化したことを特徴とする。
さらに、本発明は、上記プラズマ処理装置またはプラズマ処理方法において、前記最適化設計手法が、プラズマ・シース界面平坦化条件が二つ有り、その一つが、前記処理ステージ内の電極から前記被処理体上のプラズマ・シース界面までの高周波電圧の電圧降下量は、前記処理ステージ内の電極から前記フォーカスリング上のプラズマ・シース界面までの高周波電圧の電圧降下量に等しくなければならない、または、前記プラズマ・シース界面平坦化条件の残りの一つが、ある高さの基準点から測った前記被処理体表面高さと前記被処理体上のシース厚さの和が、前記基準点から測った前記フォーカスリング表面高さと前記フォーカスリング上のシース厚さの和と等しくなければならないことを特徴とする。
本発明は、被処理体を処理ステージの上に搭載し、前記被処理体を囲み、かつ前記処理ステージの上に搭載されているフォーカスリングを備え、前記フォーカスリングおよび前記被処理体は、高周波バイアスを印加されている、プラズマによって前記被処理体を処理するプラズマ処理装置のフォーカスリングにおいて、フォーカスリングの材質が比誘電率１０以下であることを特徴とする。
本発明は、被処理体を処理ステージの上に搭載し、前記被処理体を囲み、かつ前記処理ステージの上に搭載されているフォーカスリングを備え、前記フォーカスリングおよび前記被処理体は、高周波バイアスを印加されている、プラズマによって前記被処理体を処理するプラズマ処理装置のフォーカスリングにおいて、材質が比誘電率１０以下での誘電体で形成された第１のフォーカスリングと、前記第１のフォーカスリングを囲む第２のフォーカスリングで構成されていることを特徴とする。
以上のように本発明によれば、等価回路解析、２次元プラズマ解析及び２次元静電界解析とプラズマ・シース界面平坦化条件を用いることにより、ウエハプロセスの目的に応じて、フォーカスリング構造を最適化でき、ウエハエッジ部における形状やプロセスレートの均一性を最も高めることができる。
また、本発明を用いることにより、フォーカスリングへのプロセス反応生成物が堆積を防止し、さらに、フォーカスリング寿命を最も長くすることができる。
以下、本発明に係るプラズマ処理装置の全体構造を、図１に示す概略断面図を用いて説明する。プラズマ処理装置は、アルミニウムなどの導電体によって作られた処理室１を持ち、その内部にアンテナ２、シャワープレート３がそれぞれの支持フランジ５，６で取り付けられている。アンテナ２とシャワープレート３の間には、大気側よりプロセスガス導入管７を経由してガスが供給され、シャワープレート３にあけられた多数の微小孔より処理室１の中に噴出す構造となっている。ここでアンテナ２は当然導体によって形成されているが、シャワープレート３は導体・誘電体あるいは半導体で形成されている場合がある。このシャワープレート３が導体あるいは半導体で形成されている場合、シャワープレート３はプラズマに直接電力を伝達するアンテナとして動作する。プロセスガスは、排気ダクト１０をとおって真空排気装置１１で排気され、プロセスに適切な気圧に保たれている。このアンテナ２に、第１の高周波電源４から所定の周波数の所定の電力の高周波を供給することによって、プロセスに適した特性をもつプラズマ９を生成する。なお、磁石（電磁石）８は、プラズマの特性を制御するために用いられることがあるが、なくてもかまわない。ここで述べた構造は、いわゆる容量結合放電と呼ばれる方式であるが、本発明では、プロセスに適切な特性をもつプラズマが生成できるならば、放電方式はＥＣＲ放電、誘導結合放電などその他の方式であってもかまわない。当然、放電部の構成は放電方式にとって適した構成でなくてはならず、ここで述べた構成にこだわる必要はない。
ウエハ（被処理基板）１２は、この処理室１に大気側より搬入口（図示せず）を通って搬入され、適切な受け渡し装置（図示せず）によって、電極１４上に設置される。電極１４の上面は、適切な特性をもつ静電吸着膜（図示せず）があり、外部よりチョークコイル２２を通じてＤＣ電源２３から印加される電圧により、静電吸着される。また、電極１４は、その内部に冷媒溝１５を持ち、外部から冷媒が供給され（図示せず）、ウエハ１２はプロセスに適した温度に温調される。ウエハ１２の外周部には、フォーカスリング１３があり、また、電極１４をプラズマ９から保護するサセプタ１６がある。電極１４は、絶縁ベース１７と電極ベースフランジ１８を介して、処理室１に取り付けられている。電極１４は適切な上下機構（図示せず）により、昇降させることが可能であり、ウエハ１２とシャワープレート３の間隔を可変できるようにする場合もある。本発明は、この上下機構の有無には関係なく、適用できるものである。電極１４には、絶縁管１９に保護された導体とブロッキングコンデンサ２０を通して、第２の高周波電源２１から高周波電力が印加され、ウエハ１２に高周波バイアスが印加される。前述したように、第１の高周波電源４は、本図の構成に従う必要はなく、例えばその出力が、第２の高周波電源２１と並列にブロッキングコンデンサ２０に印加されても良い。また、第１の高周波電源４がなく、第２の高周波電源２１がプラズマ９の生成とウエハ１２への高周波バイアス印加を兼用してもかまわない。
次に、図２〜図８を用いて、ウエハ及びフォーカスリングへの高周波バイアス印加がどのように行われ、イオンシースの厚さがその現象とどのように関連付けられるか、さらにこれらの物理現象に対応した等価回路モデルによるフォーカスリング設計手法を説明する。ウエハ表面とフォーカスリング表面への高周波バイアス印加は同じ現象なので、ここでは代表としてウエハを考える。図２は、ウエハ表面のＲＦ電位波形（Ｖｗ）とプラズマ空間電位（Ｖｓ）の関係を示したものである。ＲＦ電位波形のＰｅａｋ−ｔｏ−Ｐｅａｋ電圧Ｖｐｐ及び自己バイアス電圧Ｖｄｃは図中に定義してある。自己バイアス電圧Ｖｄｃは、プラズマからウエハに流れ込む電子電流とイオン電流の和が、高周波１周期の間でちょうどゼロになる電位であり、かつ、ウエハの表面電圧の時間平均値である。一方、プラズマ空間電位は、ＲＦ電圧が十分低い間は一定の値（図２中にＶｓ０と定義した）をとるが、ＲＦ電位がプラズマ空間電位以上になる時、ＲＦ電位に引きずられて上昇し、ＲＦ電位の最大値のところでＲＦ電位とほぼ等しくなる。プラズマ空間電位がＲＦ電位に引きずられて上昇するのは、ＲＦ電位の上昇によってプラズマから多量の電子が引き抜かれるために、プラズマがイオンリッチになるためである。ここで、ＶｄｃとＶｐｐの比率（Ｖｄｃ／Ｖｐｐ）は、高周波の周波数と、ウエハから見たアースのインピーダンスで決まり、プラズマ中の電子のエネルギー分布関数がＭａｘｗｅｌｌ分布の場合、必ず０＜Ｖｄｃ／Ｖｐｐ＜０．５となる。高周波の周波数が高くなれば高くなるほど、また、アース部のインピーダンスが大きくなるほどＶｄｃ／Ｖｐｐは０に近づく。つまり、Ｖｄｃ／Ｖｐｐは装置固有の値であり、装置の設計者はそれらの値を測定、あるいは関連した実験データをシミュレーション等により解析することで容易に知ることができる。いったんその値がわかれば、Ｖｐｐを測定（あるいは回路シミュレーションで計算）すれば、容易にＶｄｃの値を算出できる。ここで図２より、ウエハ表面に形成されるイオンシースにかかる電圧Ｖｓｈ（ｔ）は時間ｔで変動し、下記１式で表すことができる。
Figure 2005303099
次に、シースの厚さについて述べる。シース厚さはＤＣシースでも高周波シースでもデバイ長λｄとシース電圧の関数であらわせる。なぜならデバイ長は荷電粒子による電界遮蔽の基本長さであり、デバイ長の何倍のシースを形成することでシース電圧を維持（ウエハ電圧の遮蔽）できるかが決まるからである。ここで、シースをマトリックスシースとして取り扱うか、チャイルド則シースとして取り扱うかは、あるいは衝突の効果を入れるかは、装置の運転状況によって異なる。ここでは、一例としてチャイルド則シースを用いた場合について記述する。図２からわかるように、シース電圧は高周波の１周期内で変動するため、シース厚さも高周波の１周期内で変動する。しかし、後述する等価回路モデルでフォーカスリングやウエハの表面電圧を求めるには、シース厚さ（後述の３式で示すようにシース厚さはシースのインピーダンスを決定する重要な要素である）の変動は取り扱いを困難にする。そこで、シースの厚さ（インピーダンス）を高周波１周期内で平均することを考える。この場合、シース厚さの平均値ｄｔｈは、下記２式で計算出来る。
Figure 2005303099
 ここで、τ：高周波の１周期の時間、Ｔｅ：電子温度である。
重要なことは、ウエハの表面電圧とシースの厚さを関連付けることでフォーカスリング設計の道具を得ることであって、どのような式で電圧やシース厚さを求めるかは重要ではない。結果として、設計精度が確保できるなら、本発明で用いた式はいくらでも簡略化できるし、逆に複雑化することもできる。
以上の理論を具体的な等価回路モデルに置き換える方法について述べる。簡便のため、本発明における第１の実施例である図３に示した構造を考える。電極３３の上には、例えばアルミナ溶射膜などの方法によって作成された静電吸着用誘電体膜３４が形成されている。その上には、ウエハ３０とフォーカスリング３１が搭載されており、また、電極３３と誘電体膜３４を保護するためのサセプタ３２が装着されている。図示していないが、電極３３には高周波電源と静電吸着用ＤＣ電源が接続されており、ウエハ３０は誘電体膜３４に吸着されているとともに、ウエハ３０とフォーカスリング３１には高周波バイアスが印加されている。
ウエハ３０とフォーカスリング３１の上にはプラズマ領域３７があり、プラズマ・シース界面３５以下は、イオンシース領域３６となっている。ここで、２式で与えたシース厚さｄｔｈとは、ウエハ３０（あるいはフォーカスリング３１）の表面とプラズマ・シース界面３５との距離で、３図中のｄＷあるいはｄＦＲである。一般にウエハ３０は導電体として取り扱うことができる。なぜなら、ウエハ３０上に誘電体の膜が構成されていたとしてもその厚さは非常に薄いため、そのキャパシタンスは、例えば、誘電体膜３４のキャパシタンスと比べて数桁大きくなる。したがって、そのインピーダンスは数桁小さく、全体の回路動作に影響を及ぼさなくなるためである。しかし、もしこの前提条件が崩れるならば、単に、ウエハをより詳細な等価回路に置き換えてその回路定数を決めてやればよいだけである。最も直接的な方法としては、ネットワークアナライザを用いて、電極３３からウエハ３０表面までのインピーダンスを直接測定する方法がある。この方法を用いれば、複雑な等価回路とその回路定数を決定することもなく、単純な等価回路に置き換えるためのインピーダンスの値を得ることができる。いくつかの構造に対してこの測定をしておけば、構造を変えたとしても内挿・外挿により、インピーダンスを決定できる。
フォーカスリング３１の材質は、誘電体・絶縁体あるいは半導体のいずれでも良く、またこれらの材料を組み合わせた複合体であっても良い。これに関しても材料物性値と形状を用い、計算によって等価回路を決定することができる。
また、前述したネットワークアナライザを用いて必要な区間のインピーダンスを直接求めることも可能である。一例として、電極３３からＳｉ製フォーカスリング３１の間の静電容量は、計算値で４４６７ｐＦであった。一方、ネットワークアナライザで実測したインピーダンスから求めた静電容量は４５１３ｐＦであり、良い一致を示した。ウエハ３０とフォーカスリング３１がどのような形状・構造・物性を持っていたとしても、電極３３に印加した高周波電力はウエハ３０とフォーカスリング３１の表面を通過してシース３６、そしてプラズマ３７に伝達されるわけであるから、その間のインピーダンスを求めることは現実的に可能である。フォーカスリング３１が誘電体や半導体の場合は、必要な部分に電極（例えば、アルミニウムや銅薄膜を蒸着などの方法で作成する）を作成すれば測定可能になる。また、サセプタ３２を等価回路に組み入れるか否かは、電極３３とサセプタ３２表面との間のインピーダンスが、ウエハ３０やフォーカスリング３１との間のインピーダンスと比べて無視できるか否かで決定すればよい。
図４に示した回路は、図３に対応した最も簡略化した等価回路の一例である。ここで、高周波電源４０は電極３３に接続されている。電極３３からウエハに向かっては、電極３３の上にある静電吸着用の誘電体膜３４を示すコンデンサ４２（Ｃ１）を通って、ウエハ表面４３（ウエハ３０）に電力が供給される。ウエハ表面４３から見たイオンシース３６及びプラズマ３７を通って接地点までのインピーダンス４４（Ｚｗ）は、いかなるインピーダンスであってもＺｗ＝Ｒｗ＋ｊＸｗと書ける。ここで、Ｒｗは抵抗成分、ｊは虚数単位（ｊ２＝−１）、Ｘｗはインダクタンス成分である。同様に、電極３３からフォーカスリング３１に向かっては、誘電体膜３４を示すコンデンサ４５（Ｃ２）を通って、フォーカスリング表面４７に電力が供給される。図４の例では、フォーカスリングが誘電体でできている場合に対応し、誘電体フォーカスリング３１を示すコンデンサ４６（Ｃ３）を通ってフォーカスリング表面４７に電力が伝播する。フォーカスリング表面４７から見た負荷インピーダンス４８（ＺＦ）は、ウエハ表面４３から見た負荷インピーダンス４４（Ｚｗ）と同様に、ＺＦ＝ＲＦ＋ｊＸＦと書ける。
ここで、ＲＦは抵抗成分、ＸＦはインダクタンス成分である。ただし、図４に示した等価回路は、単なる一例であり、どのような構造体も等価回路に置き換えることは現実的に可能であることに注意する必要がある。また、等価回路もここで述べた単純な等価回路ではなく、２次元、３次元のより複雑な等価回路に置き換えることができる。いかなる材料と構造に対しても、回路の要素にはコンデンサとコイルと抵抗しか表れず、回路の数値解析は容易である。また、等価回路の複雑さは、設計精度の必要に応じて決めるべき問題である。また、前述のネットワークアナライザによる直接測定は、精度も高く等価回路も平易になるので非常に良い方法である。
図４において、ウエハ表面４３の表面電圧から見た電流（Ｉｗ）は、図４中に記入してあるように、Ｉｗ＝Ａ＋ｊＢ （Ａ）と書ける。この電流の実数成分Ａは、ウエハ表面４３に流れ込むイオン飽和電流に相当することがわかっている。このイオン飽和電流成分を用いて、プラズマの電子密度と電子温度を決定する方法は、既に提案されている（例えば、特許文献９参照）。つまり、設計者はフォーカスリング構造を最適化したいプロセスに関し、いくつかの実験を行って解析すれば、プラズマの特性を高い精度で決定できる。
図５は、真のイオン飽和電流（ＩＣＦ）を求める実験を行い、解析した結果の一例である。電子温度と電子密度がわかれば、２式のデバイ長λｄは下記３式で簡単に計算でき、２式は計算可能になる。
Figure 2005303099
 ここで、e０：真空の誘電率、ｅ：素電荷、ｎ０：電子密度である。
次に、プラズマとシースの等価回路とそのインピーダンス決定法について説明する。ここで注意しなければならないことは、前記特許文献９に示された方法を用いることにより、設計者はプラズマとシースの総合インピーダンスを複雑な等価回路を組んだり、計算することなく決定できることである。いくつかの適切な実験データを解析し、データベース化することにより、設計者は必要なインピーダンスを内挿・外挿によって決定することもできる。つまり、プラズマを等価回路として取り扱うことが重要であり、どのような等価回路を組むかは重要ではない。単に、結果の精度を満たせるだけの等価回路を組めばよい。
ここでは、図６に示した、簡略化したプラズマ・シース等価回路について説明する。ウエハ（フォーカスリング）表面５０から見た負荷インピーダンスは、ウエハ（フォーカスリング）表面のイオンシースの抵抗成分（Ｒ１）５２とキャパシタンス成分（Ｃ４）５１の並列接続、および、プラズマのインピーダンス成分（Ｚｐ）５３、接地点の表面のイオンシースの抵抗成分（Ｒ２）５５とキャパシタンス成分（Ｃ５）５４の並列接続を、それぞれ直列に接続したもので表すことができる。その他にも、シース抵抗成分をダイオードで表すこともできるし、プラズマ抵抗、プラズマキャパシタンスやプラズマインダクタンスを入れることもできる。前述したように、等価回路化することが重要であり、精度が得られるなら、どのような等価回路を組むかは重要ではない。
ウエハ（フォーカスリング）表面のキャパシタンス成分（Ｃ４）５１は、２式を用いてシース厚さｄｔｈを計算する。このときのシース電圧Ｖｔｈは適度な値を仮定し、後述する収束計算で解を求めることになる。シースの厚さが求まれば、シースのキャパシタンスＣｔｈは下記４式で容易に決まる。
Figure 2005303099
 ここで、Ｓｔｈ：シース（ウエハ、フォーカスリング）表面積である。
次に、ウエハ（フォーカスリング）表面のイオンシースの抵抗成分（Ｒ１）５２であるが、単純に平均的なシース電圧によりイオン飽和電流が流れると考えて、下記５式とすることができる。ＩＣＦは、図５で求めた真のイオン飽和電流である。
Figure 2005303099
この他にも、ウエハやフォーカスリングに流れ込む電子電流やイオン電流の挙動は、ダブルプローブの場合と同じなので、ダブルプローブの理論式を用いる方法がある。発明者の経験によれば、ダブルプローブ理論のほうが精度がよい。また、シングルプローブの理論を用いる方法もあり、どちらを用いても大差ない結果が得られる。接地点表面のイオンシースの抵抗成分（Ｒ２）５５とキャパシタンス成分（Ｃ５）５４も、収束計算の最初は適度な電圧を与えて値を求める。プラズマのインピーダンス（Ｚｐ）５３を評価するかどうかは、用いる高周波の周波数に依存する。シースのインピーダンスより十分小さければ無視してかまわない。以上述べた図６の等価回路の総合インピーダンスが、図４のウエハの負荷インピーダンス４４あるいはフォーカスリングの負荷インピーダンス４８になる。以上述べた方法により、図４の等価回路は完全に数値解析可能になる。
等価回路解析の手順を、図７の等価回路解析の項に記述した。ここでは、初期条件として与えたプラズマ特性とシース電圧に対して収束計算を行う。すなわち、初期条件として必要なプラズマの特性、高周波電力とシース電圧を与える（Ｓ１）。次いで、等価回路のインピーダンスを計算する（Ｓ２）。得られたインピーダンスを用いて等価回路の各部の電圧と電流を計算し、この値を用いてプラズマ特性とシース電圧を計算する（Ｓ３）。ステップＳ１で与えられたプラズマ特性とシース電圧がステップＳ３の計算の結果の得られたプラズマ特性とシース電圧が等しくなったか否かを判断し（Ｓ４）、等しくない場合には、計算であられたプラズマ特性とシース電圧を与え（Ｓ５）、ステップＳ２へ戻ってこの計算結果を用いて等価回路のインピーダンスを計算する。ステップＳ４において、与えられたプラズマ特性とシース電圧が等しい場合には、等価回路解析処理は終了し、この収束計算は簡単に収束する。この結果、ウエハとフォーカスリング表面の電圧及びシース高さが得られる。
もともと、フォーカスリング上のシース高さとウエハ上のシース高さが一致する条件が、最適条件と考えると、本等価回路解析で十分である。しかし、プラズマから入射するイオンはプラズマ・シース界面の状態でその全ての軌道が決まるわけではなく、シース内の電界にも影響を強く受ける。したがって、イオンの軌道を明らかにするためには、この等価回路解析の結果に基づき、二次元プラズマ解析（Ｓ１０）、二次元電場解析（Ｓ２０）の順にシーケンシャル連成解析を行う。必要があれば、二次元プラズマ解析と二次元電場解析の間で、双方向シ−ケンシャル連成解析を行う。これにより、誘電体内部の電界を含め、ウエハとフォーカスリング周辺の電場構造を決定できる。二次元プラズマ解析と二次元電場解析のためのコードは、市販されており、ここでは詳しく述べない。
ここで、ウエハ表面上のプラズマ・シース界面とフォーカスリング表面上のプラズマ・シース界面が平坦になる条件、つまりプラズマ・シース界面平坦化をまとめる。一つ目を図８で説明するが、本図は、図４の等価回路を考えやすいように書き直したものである。つまり、高周波電源４０に接続された電極３３から、電力の伝達経路は二つある。一つ目は、電極３３（電圧Ｖ０）とフォーカスリング表面４７（電圧ＶＦ１）間のインピーダンス６０（ＺＦ１）、フォーカスリング表面４７とフォーカスリング上のプラズマ・シース界面６２（電圧ＶＦ２）の間のインピーダンス６１（ＺＦ２）を通り、プラズマからアースまでの間のインピーダンス６３（ＺＦ３）を通ってアースに至る経路である。二つ目は、電極３３とウエハ表面４３（電圧ＶＷ１）間のインピーダンス６４（ＺＷ１）、ウエハ表面４３とウエハ上のプラズマ・シース界面６６（電圧ＶＷ２）の間のインピーダンス６５（ＺＷ２）を通り、プラズマからアースまでの間のインピーダンス６７（ＺＷ３）を通ってアースに至る経路である。このとき、隣接するフォーカスリングとウエハの間でプラズマ空間電位が等しくならなければならない、つまりＶ０−ＶＷ２＝Ｖ０−ＶＦ２という条件が必要である。このことは、式で書くと、下記６式あるいは７式になる。
Figure 2005303099
Figure 2005303099
この式を別の表現で行うと、電極３３からウエハ上のプラズマ・シース界面６６までの高周波電圧の電圧降下量は、電極３３からフォーカスリング上のプラズマ・シース界面６２までの高周波電圧の電圧降下量に等しくなければならない、ということである。ここで示したＺＦ１およびＶＷ１には、電極３３表面の誘電膜３４のインピーダンスを含んでいる。つまりプラズマ・シース界面平坦化には、誘電体膜３３の材料特性と構造の最適も含まれていることに注意する必要がある。
上記の条件は、必ずしも、ウエハ表面上のプラズマ・シース界面とフォーカスリング表面上のプラズマ・シース界面が平坦になることを保証せず、もう一つの条件が必要である。これを、図３に示した記号で説明すると、ある高さの基準点３８から測ったウエハ表面高さ（ＨＷ）とウエハ上のシース厚さ（ｄｗ）の和が、同じ高さの基準点３８から測ったフォーカスリング表面高さ（ＨＦＲ）とフォーカスリング上のシース厚さ（ｄＦＲ）の和と等しくなければならない、ということになる。これを式で記述すると下記８式になる。
Figure 2005303099
 以上述べてきた、プラズマ・シースモデル、等価回路解析及びシース平坦化条件を用いれば、実際の構造物の材質と寸法を決定できる。これ以降、実施例に基づき、発明の内容を説明してゆく。
図９は、本発明の第２の実施例であり、静電吸着用の誘電体膜７１を持つ電極７０の上に、ウエハ７２とフォーカスリング７３が搭載されている。ウエハ７２とフォーカスリング７３の上方には平坦なプラズマ・シース界面７４がある。ここで、ウエハ７２とフォーカスリング７３の表面高さは同一である。この条件を満たすには、８式でＨＷ＝ＨＦＲよりｄＷ＝ｄＦＲでなくてはならない。つまり、Ｖ０−ＶＷ１＝Ｖ０−ＶＦ１でなくてはならない。これより、下記９式が得られ、
Figure 2005303099
７式と９式を連立させることにより、下記１０式となる。これが図９におけるプラズマ・シース界面平坦化条件である。
Figure 2005303099
７式、８式に個別の条件を代入すれば、その条件に対応したプラズマ・シース界面平坦化条件を得る。このとき、ウエハとフォーカスリングの間にはギャップ（ＧＷＦ）があり、このギャップはシース内の電界を乱さないという前提条件がある。このため、少なくとも、０＜ＧＷＦ＜ｄＷ＝ｄＦＲが成立していなければならない。これらの条件を満たすならば、電極７０、誘電体膜７１、フォーカスリング７３はいかなる構造もとりうることができる。材料に関しても、電極７０は導電体でなくてはならないが、誘電体膜７１の材質も誘電体ならば何でも良く、フォーカスリング７３はいかなる材料、あるいはいかなる材料の組み合わせでも有り得ることになる。このとき、プラズマ・シース界面７４に入射したイオンは、プラズマ・シース界面７４、つまり、ウエハ７２に向かって垂直に加速される。
ウエハ上に異物が付着して製品欠陥が発生するのを防ぐため、通常、フォーカスリングにはウエハプロセスの結果発生する反応生成物が付着しない条件で運用する。これは、フォーカスリングの表面電圧がある値以上になるように設定し、イオンによるスパッタで反応生成物を除去することで達成される。このことは、フォーカスリング自身もイオンによりスパッタされることを意味している。つまり、フォーカスリングは消耗し、その高さは使用時間と共に減少する。ここで、図９に示したプラズマ・シース界面７４が平坦な状態から使用を開始すると、使用時間と共にフォーカスリング７３の高さが減少し、ウエハエッジにおけるプロセスの均一性は悪化する。プロセス性能を確保しながらフォーカスリングの寿命を延ばすためには、フォーカスリングの高さは、図９のようなプラズマ・シース界面平坦化状態より、高くならなくてはならない。そこで、シース段差ｄｏｆを、下記１１式で定義し、シース段差とウエハエッジ部のエッチレート均一性との関係を実験によって求めた。
Figure 2005303099
結果を図１０に示す。図１０は、横軸にシース段差をとり、縦軸にエッチレート均一性をプロットしたものである。エッチレート均一性ＥＲｏｆの定義は、図１０中に示した。ここで示したように、シース段差とエッチレート均一性はある程度の相関があり、正負それぞれの方向に近似直線を引くことができる。ここで、ウエハエッジ部のエッチレート均一性の許容値を±３％とすると、シース段差の許容値はおよそ＋１．５〜−１．０ｍｍとなる。フォーカスリングの材質が導体の場合、シース段差の許容値はフォーカスリングの厚さを調整することによりその寸法を決定できる。なぜなら、導体の高さが変わっても、表面電圧は変わらないからである。フォーカスリングの材質が誘電体、あるいは半導体の場合、２式を使うことにより、シース段差の許容値をフォーカスリング表面電圧の許容値に変換することができ、等価回路解析でそれぞれ必要なインピーダンス、ひいてはフォーカスリングの構造を算出できる。
フォーカスリングの材質にかかわらず、新規のフォーカスリングを装着時は、本発明の第３の実施例である図１１（ａ）に示すように、ウエハ上のプラズマ・シース界面よりフォーカスリング上のプラズマ・シース界面がシース段差許容値だけ高くなるように、フォーカスリングを厚くする。このとき、図中○部に示すように、プラズマ・シース界面の段差は、ウエハに対し、イオンを発散させる球面レンズとして作用する。図１１（ｂ）に示すように、消耗により、ウエハ上のプラズマ・シース界面よりフォーカスリング上のプラズマ・シース界面が許容値だけ低くなった場合には、フォーカスリングの使用限界となり、交換することになる。このとき、図中○部に示すように、プラズマ・シース界面の段差は、ウエハに対し、イオンを収束させる球面レンズとして作用する。このような設計をすることにより、例えば、図１０のような許容値設定の場合、フォーカスリングの高さの消耗可能量は約２．５ｍｍとなる。一方、図９のような最適状態から使い始める場合、フォーカスリングの高さの消耗可能量は約１ｍｍなので、許容値設定によりフォーカスリングの寿命は約２．５倍になる。この結果、半導体製品の生産時の消耗品代が安くなるという利点が生じる。ただし、この設計の基本量であるプロセスの許容値は、製品の性能確保の観点からプロセス毎に決まるものなので、あらかじめ装置として設計することはできない。量産プロセスが確定した後に設計することになる。
ウエハ表面電圧は、プロセス性能確保の上で非常に重要な量である。一方、フォーカスリング表面電圧は、フォーカスリングの寿命決定や、フォーカスリングのスパッタによるプラズマ気相成分制御において、重要な量となる。また、フォーカスリング表面にプロセスによる反応生成物が堆積するか否かを決定する量でもある。図１２は、Ａｒ／Ｃ５Ｆ８ガス・２．０Ｐａで、電子密度が約８×１０−１６ｍ−３相当のプラズマを生成したとき、石英のフォーカスリング表面電圧（ＶＦ１）とフォーカスリングのエッチング量（ＥＲｄ）の関係を示したものである。ここで、ＥＲｄが負の値の場合は、反応生成物が堆積することを示している。ここでは、約２１０Ｖが反応生成物堆積の閾電圧である。このような条件下で、例えば、フォーカスリングの消耗は最小限に抑え、ウエハには十分高い高周波バイアスを印加したしたい場合を考える。つまり、ウエハ表面電圧（ＶＷ１）とフォーカスリング表面電圧（ＶＦ１）を用いると、ＶＷ１＞ＶＦ１である。このときは、２式より、ｄＷ＞ｄＦＲとなる。ウエハとフォーカスリングはわずか数ｍｍしか離れていないので、この間ではプラズマ特性に差は無く、シース厚さのずれは表面電圧のずれで決まるからである。ここで、８式を変形すると、下記１２式を得る。
Figure 2005303099
この式の示すことは、ウエハ上のシース厚さとフォーカスリング上のシース厚さに差がある時は、ウエハとフォーカスリング高さを調整することでその差を吸収しなければならないことである。これが、ＶＷ１＞ＶＦ１の場合のプラズマ・シース界面平坦化となる。本発明の第４の実施例である図１３は、この状態を示している。当然、前提条件である０＜ＧＷＦ＜ｄＦＲ＜ｄＷは、満たされている必要がある。この図１３の構造に対し、図１０で説明したプロセス変動許容値に対応したフォーカスリング７３の高さを再設計することで、フォーカスリング７３の最終構造が決定できる。
ＶＷ１＝ＶＦ１の場合は、図９で説明した内容がプラズマ・シース界面平坦化であり、図１１が最終構造となる。次に、ＶＷ１＜ＶＦ１の場合を考える。これは、例えば、フォーカスリングには十分な高周波バイアスを印加して、フォーカスリング表面反応あるいはフォーカスリングからの反応生成物による気相反応により、プラズマ中の気相成分を積極的に操作する時、ウエハにはあまり高周波バイアスを印加したくない場合に相当する。この場合でも、１２式は有効であり、ウエハ上のシース厚さとフォーカスリング上のシース厚さに差がある時は、ウエハとフォーカスリング高さを調整することでその差を吸収しなければならない。これが、ＶＷ１＜ＶＦ１の場合のプラズマ・シース界面平坦化となる。本発明の第５の実施例である図１４は、この状態を示している。当然、前提条件である０＜ＧＷＦ＜ｄＷ＜ｄＦＲは、満たされている必要がある。この図１４の構造に対し、図１０で説明したプロセス変動許容値に対応したフォーカスリング７３の高さを再設計することで、フォーカスリング７３の最終構造が決定できる。
本発明の第６の実施例である図１５について説明する。この実施例では、静電吸着用の誘電体膜７１を持つ電極７０の上に、ウエハ７２と導体でできたフォーカスリング７６が搭載されている。ただし、フォーカスリング７６と誘電体膜７１の間には、誘電体層７５が設置されている。ウエハ７２とフォーカスリング７６の上方には平坦なプラズマ・シース界面７４がある。したがって、本実施例は７式および８式ならびに１２式の条件を満たしており、ＶＷ１＞ＶＦ１が成立した設計となっている。また、前提条件である０＜ＧＷＦ＜ｄＷ＜ｄＦＲも、満たされている。ここで、図７で説明した２次元プラズマ解析及び２次元電場解析を行い、イオンシースや誘電体内部の電場構造まで解析した。ここで、等電位面の例としてＶｓ＝ＶＷ２＝ＶＦ２＜Ｖ＜ＶＦ１を満たすＶの第１の等電位面７７とＶＷ１＞Ｖ＞ＶＦ１を満たすＶの第２の等電位面７８を対象とする。第１の等電位面７７は、ウエハ７２およびフォーカスリング７６の上方で、プラズマ・シース界面７４の下を通るが、その面はほぼ平坦であった。しかし、第２の等電位面７８は、ウエハ７２のエッジ部で急激に曲がってウエハ裏面に廻りこむ。これは、フォーカスリング７６が導体でできており、フォーカスリング７６のいたるところの電圧が、ＶＦ１に等しいからである。
この結果、第２の等電位面７８は、ウエハ７２の裏面とフォーカスリング７６のわずかな隙間を通過し、さらに、フォーカスリング７６と誘電体膜７１の間を通って、誘電体層７１に進入していることがわかった。この結果、図１５中に○印で示したように、この部分に侵入したイオンは第１の等電位面７７まではウエハに垂直に加速されるが、第２の等電位面７８付近に達するとウエハ中心方向にも加速されるようになる。つまり、ウエハエッジ付近でシース内電場によるイオン収束が行なわれていることを示している。このイオン収束が、ウエハエッジ付近でのプロセス均一性に影響するか否かは、プロセスに依存することであるが、シース内電場構造も含めて更なる最適化が必要であることを示している。当然、この図１５の構造に対し、図１０で説明したプロセス変動許容値に対応したフォーカスリング７６の高さを再設計することで、フォーカスリング７６の最終構造が決定できる。
第６の実施例を改良した、本発明の第７の実施例である図１６について説明する。この実施例と図１５の実施例の差異は、フォーカスリング７６と誘電体層７５の形状が異なっていることである。その他は、条件も含めて同一設計である。ここで、第６の実施例と同じように２次元プラズマ解析及び２次元電場解析を行い、イオンシースや誘電体内部の電場構造まで解析した。この結果、第１の等電位面７７は、第６の実施例と同じく、その面はほぼ平坦であった。第２の等電位面７８は、ウエハ７２のエッジ部で誘電体層７１に進入していることがわかった。この結果、図１６中に○印で示したイオン収束は、第６の実施例よりわずかに改善された。当然、この図１５の構造に対し、図１０で説明したプロセス変動許容値に対応したフォーカスリング７６の高さを再設計することで、フォーカスリング７６の最終構造が決定できる。
第６の実施例を改良した、本発明の第８の実施例である図１７について説明する。この実施例と図１５の実施例の差異は、フォーカスリング８０が誘電体で構成されていること、および導体層７９が設置されていることである。その他は、条件も含めて同一設計である。ここで、第６の実施例と同じように２次元プラズマ解析及び２次元電場解析を行い、イオンシースや誘電体内部の電場構造まで解析した。この結果、第１の等電位面７７は、第６の実施例と同じく、その面はほぼ平坦であった。第２の等電位面７８は、ウエハ７２のエッジ部で誘電体のフォーカスリング８０に進入していることがわかった。この結果、ウエハエッジにおける第２の等電位面の屈曲はさらに弱まり、図１７中に○印で示したイオン収束は、第６の実施例よりかなり改善された。当然、この図１７の構造に対し、図１０で説明したプロセス変動許容値に対応したフォーカスリング８０の高さを再設計することで、フォーカスリング７６の最終構造が決定できる。
第７および第８の実施例を改良した、本発明の第９の実施例である図１８について説明する。この実施例と図１６の実施例の差異は、フォーカスリング８０が誘電体で構成されていること、および導体層７９が設置されていることである。その他は、条件も含めて同一設計である。ここで、第６の実施例と同じように２次元プラズマ解析及び２次元電場解析を行い、イオンシースや誘電体内部の電場構造まで解析した。この結果、第１の等電位面７７は、第６の実施例と同じく、その面はほぼ平坦であった。第２の等電位面７８は、ウエハ７２のエッジ部で誘電体のフォーカスリング８０に進入しており、ウエハエッジにおける第２の等電位面の屈曲は図１７と比べてもさらに平坦に近づいた。この結果、図１７中に○印で示したイオン収束は、第７および第８の実施例よりさらに改善された。当然、この図１８の構造に対し、図１０で説明したプロセス変動許容値に対応したフォーカスリング８０の高さを再設計することで、フォーカスリング７６の最終構造が決定できる。ここで、第２の等電位面は完全に平坦にすることは不可能である。完全に平坦になるためには、図１８のＡで示した第２の等電位面より上部にある誘電体フォーカスリングの材質は、比誘電率が１である必要があり、このような特性を持つ固体の誘電体は入手できないからである。第２の等電位面が完全に平坦になるのは、図９の構造及びこれに対するプラズマ・シース界面平坦化が満たされた時のみである。
図１７、１８に示したように、フォーカスリングに誘電体を用いることは別の利点を生じる。導体のフォーカスリングを考えると、その表面電圧ＶＦ１は、導体のいたるところで同じ値となる。このことは、導体のフォーカスリングの高さが、消耗によって、例えば、２ｍｍ低くなると、フォーカスリング上のプラズマ・シース界面も、２ｍｍ低下することを意味する。つまり、フォーカスリングの消耗量が直接シースの段差ｄｏｆに反映される。しかし、フォーカスリングが誘電体の場合、フォーカスリングの高さが消耗により低下すると、その表面電圧ＶＦ１は上昇する。このため、シース厚さが厚くなり、フォーカスリング上のプラズマ・シース界面の低下はフォーカスリングの高さ低下より小さくなる。これがより顕著になるのは、誘電体内部での電圧降下が大きい材料、つまり、低い比誘電率を持つ誘電体が有利であることを意味する。
これを等価回路で解析し、フォーカスリングの消耗量とシース段差ｄｏｆの関係を調べた。この結果を図１９に示す。ここで、比誘電率e＝∞は、完全導体を意味する。図１０で説明したシース段差の許容値が、例えば２ｍｍと仮定する。導体のフォーカスリングの場合、フォーカスリングの消耗許容量は２ｍｍになる。しかし、比誘電率e＝３の誘電体の場合、フォーカスリングの消耗許容値は３．４ｍｍに達する。フォーカスリングの消耗速度は、材料と適用するプロセスによって異なるため、一概には言えないが、比誘電率がわずかでも低いほうが有利になることを理解して設計をすることにより、構造の最適化の程度をより高度にできる。導体のフォーカスリングを用いるより、比誘電率１０の誘電体のフォーカスリングを用いることで、フォーカスリングの消耗許容量は約１０％多くなることが本図から読み取れる。わずか、１０％といっても、フォーカスリングの消耗品代は半導体製品の生産上、消耗品代の中の主要な値であるため、生産性の向上に確実に寄与できる。
図２０は、本発明による第１０の実施例である。この実施例の特徴は、誘電体でできた第１のフォーカスリング８１と第２のフォーカスリング８２を装着していることである。第２のフォーカスリングの材質は、導体・半導体・誘電体のいずれでもかまわない。この構造の目的は、第２のフォーカスリング８２の表面電圧を、第１フォーカスリング８１の表面電圧より、高く（あるいは低く）することである。図２０は、高くした時の状態を示している。この構造の設計は以下の手順で行う。まず、高周波の電力が通過する３つの経路を考える。第１の経路８３は、ウエハ７２を通るものであり、図４と図８に記載されている内容と同じである。第２の経路８４は、第１のフォーカスリング８１のみを通過するものであり、これも第１の経路８３と同様、図４と図８に記載されている内容と同じである。第３の経路８５は第２のフォーカスリング８２を通過するものであり、これがこの設計において初めて導入された電力の経路になる。
この３つの経路に対応した等価回路を、図２１に示す。ここに書かれたすべての要素のインピーダンスは、これまで述べてきたように、計算あるいは実測により、現実的に決定可能であり、数値解析できる。この時、プラズマ・シース界面平坦化は、ウエハ７２上と第１のフォーカスリング８１上のプラズマ・シース界面が平坦であれば良いので、７・８式がそのまま適用できる。このとき、第１のフォーカスリング８１と第２のフォーカスリング８２の境界の上方のプラズマ・シース界面には、図２０中のＢで示した、シース段差が発生する。このシース段差Ｂによる電界の歪みが、図２０中のＣで示したウエハ７２エッジ部の電界に影響を与えないようにする必要がある。このための条件は、第２のフォーカスリング８２上のシース厚さｄＦ２は第１のフォーカスリング８１上のシース厚さより厚いことより、ＷＦ１＞ｄＦ２である。ＷＦ１は、第１のフォーカスリング８１表面の幅であり、図２０にその定義を示した。この条件を守ることにより、第２のフォーカスリング８２の表面電位及び、その高さ（図２０では第１のフォーカスリング８１の表面高さと第２のフォーカスリング８２の表面高さは同じにしてある）は、解析解の存在する範囲で任意に設計できる。以上述べた等価回路解析と、プラズマ・シース界面平坦化を適用して設計を行うことにより、ウエハエッジ部の電界の乱れを平坦化でき、プロセスの均一性を向上することができる。当然、この図２０の構造に対し、図１０で説明したプロセス変動許容値に対応したフォーカスリング８１の高さを再設計することで、フォーカスリング８１の最終構造が決定できる。
本発明は、最適化手法が、フォーカスリングにウエハプロセス反応生成物が付着しないように、フォーカスリング表面電位を最適に設計する。
以上において、本発明では、プラズマによるウエハのエッチングプロセスを主に例として挙げて説明した。しかし、本発明は、プラズマを使う基板処理及び処理装置全般に適用することができる。このような処理装置と処理とは、プラズマＣＶＤ装置とＣＶＤプロセス、プラズマアッシング装置とアッシングプロセス、プラズマスパッタ装置とスパッタプロセスなどである。また、本発明は、プラズマ発生手段によらず、適用することができる。このようなプラズマ発生手段とは、誘導結合型プラズマ発生装置、容量結合型プラズマ発生装置、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ型プラズマ発生装置、Ｈｅｌｉｃｏｎ型プラズマ発生装置、表面波放電型プラズマ発生装置、マグネトロン型プラズマ発生装置を含む。また、被処理基板とは、半導体ウエハ、石英に代表される誘電体ウエハ、ＬＣＤ基板やＡｌＴｉＣに代表される導電性ウエハを含んでいる。
本発明にかかわるプラズマ処理装置の全体構造を示す概略断面図。 高周波電位、プラズマ空間電位とシース電圧の関係を示すグラフ。 本発明の第１の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 本発明の第１の実施例に対する最も簡略化された等価回路図。 実験により真のイオン飽和電流を求めた例を示すグラフ。 イオンシースとプラズマの等価回路。 等価回路解析方法等を示すフローチャート。 プラズマ・シース界面平坦化条件を導くための変形した等価回路図。 本発明の第２の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 プロセス変動許容値とシース段差許容値の関係を示すグラフ。 本発明の第３の実施例であり、プロセス変動許容値を考慮したフォーカスリング構造の最終構造（ａ）及びプロセス変動許容値を考慮したフォーカスリング構造の最終構造においてフォーカスリング寿命がきた時の状態を示す構造図（ｂ）。 フォーカスリング表面電圧とフォーカスリングの削れ、あるいは、フォーカスリングへのプロセス反応生成物堆積の関係を示すグラフ。 本発明の第４の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 本発明の第５の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 本発明の第６の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 本発明の第７の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 本発明の第８の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 本発明の第９の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 フォーカスリング消耗量とシース段差の関係の比誘電率依存性を示すグラフ。 本発明の第１０の実施例にかかるプラズマ処理装置のフォーカスリング付近の拡大断面図。 本発明の第１０の実施例に対応した等価回路図。
符号の説明
１ 処理室
２ アンテナ
３ シャワープレート
４ 第１の高周波電源
５ シャワープレート支持フランジ
６ アンテナ支持フランジ
７ プロセスガス導入管
８ 磁石（電磁石）
９ プラズマ
１０ 排気ダクト
１１ 真空排気装置
１２ 被処理基板（ウエハ）
１３ フォーカスリング
１４ 電極
１５ 冷媒溝
１６ サセプタ
１７ 絶縁ベース
１８ 電極ベースフランジ
１９ 絶縁管
２０ ブロッキングコンデンサ
２１ 第２の高周波電源
２２ チョークコイル
２３ ＤＣ電源
３０ ウエハ
３１ フォーカスリング
３２ サセプタ
３３ 電極
３４ 誘電体膜
３５ プラズマ・シース界面
３６ イオンシース領域
３７ プラズマ領域
３８ 高さの基準点
４０ 高周波電源
４２ ウエハ下の誘電体膜を示すコンデンサＣ１
４３ ウエハ表面
４４ ウエハ表面から見たプラズマのインピーダンス
４５ フォーカスリング下の誘電体膜を示すコンデンサＣ２
４６ 誘電体のフォーカスリングを示すコンデンサＣ３
４７ フォーカスリング表面
４８ フォーカスリング表面から見たプラズマのインピーダンス
５０ ウエハもしくはフォーカスリングの表面
５１ ウエハもしくはフォーカスリングの表面に発生したイオンシースのキャパシタンス成分Ｃ４
５２ ウエハもしくはフォーカスリングの表面に発生したイオンシースの抵抗成分Ｒ１
５３ プラズマのインピーダンスＺｐ
５４ 接地点の表面に発生したイオンシースのキャパシタンス成分Ｃ５
５５ 接地点の表面に発生したイオンシースの抵抗成分Ｒ２
６０ 電極とフォーカスリングの間のインピーダンス
６１フォーカスリング表面上のシースのインピーダンス
６２ フォーカスリング上のプラズマ・シース界面
６３ フォーカスリングから見た負荷インピーダンスの内、プラズマ及び対向アースまでのインピーダンス
６４ 電極とウエハの間のインピーダンス
６５ ウエハ表面上のシースのインピーダンス
６６ ウエハ上のプラズマ・シース界面
６７ ウエハから見た負荷インピーダンスの内、プラズマ及び対向アースまでのインピーダンス
７０ 電極
７１ 誘電体膜
７２ ウエハ
７３ フォーカスリング
７４ プラズマ・シース界面
７５ 誘電体層
７６ 導体でできたフォーカスリング
７７ Ｖｓ ＝ＶＷ２ ＝ＶＦ２ ＜Ｖ＜ＶＦ１ を満たすＶを示す第１の等電位面
７８ ＶＷ１ ＞Ｖ ＞ＶＦ１ を満たすＶを示す第２の等電位面
７９ 導体または半導体層
８０ 誘電体でできたフォーカスリング
８１ 誘電体でできた第１のフォーカスリング
８２ 第２のフォーカスリング
８３ ウエハを通過する高周波電力の第１の経路
８４ 第１のフォーカスリングを通過する高周波電力の第２の経路
８５ 第２のフォーカスリングを通過する高周波電力の第３の経路
８６ 電極と第１のフォーカスリングの間のインピーダンス
８７ 第１のフォーカスリング表面
８８ 第１のフォーカスリング表面上のシースのインピーダンス
８９ 第１のフォーカスリング上のプラズマ・シース界面
９０ 第１のフォーカスリングから見た負荷インピーダンスの内、プラズマ及び対向アースまでのインピーダンス
９１ 電極と第２のフォーカスリングの間のインピーダンス
９２ 第２のフォーカスリング表面
９３ 第２のフォーカスリング表面上のシースのインピーダンス
９４ 第２のフォーカスリング上のプラズマ・シース界面
９５ 第２のフォーカスリングから見た負荷インピーダンスの内、プラズマ及び対向アースまでのインピーダンス

Claims (18)

  1. 被処理体を処理ステージの上に搭載し、前記被処理体を囲み、かつ前記処理ステージの上に搭載されているフォーカスリングを備え、前記フォーカスリングおよび前記被処理体は、高周波バイアスを印加されている、プラズマによって前記被処理体を処理するプラズマ処理装置において、
    前記フォーカスリングおよび前記処理ステージの構造は、等価電気回路解析を用いた最適化設計手法により最適化されている事を特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記最適化設計手法は、プラズマ・シースモデルに基づくプラズマおよびイオンシースの等価回路変換を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記の最適化設計手法は、フォーカスリングにウエハプロセス反応生成物が付着しないように、フォーカスリング表面電位を最適に設計することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記最適化設計手法は、フォーカスリング表面に形成されるイオンシースの高さがウエハ表面に形成されるイオンシースの高さと同一、あるいは適切な許容値の範囲で段差を持つよう、フォーカスリング表面高さ、フォーカスリング表面電圧、およびフォーカスリングの材質と構造とを最適化することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記最適化設計手法は、フォーカスリングの消耗による経時変化を考慮し、適切な許容値の設定に基づく構造の最適化をするることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記最適化設計手法は、等価電気回路解析に加え、必要に応じて、二次元プラズマ解析および二次元電場解析によるシーケンシャル連成解析手法により、イオンシース内の等電位面をできるだけ平坦化することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記最適化設計手法は、プラズマ・シース界面平坦化条件を二つ有し、その一つが、前記処理ステージ内の電極から前記被処理体上のプラズマ・シース界面までの高周波電圧の電圧降下量は、前記処理ステージ内の電極から前記フォーカスリング上のプラズマ・シース界面までの高周波電圧の電圧降下量に等しくなければならないことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記最適化設計手法の前記プラズマ・シース界面平坦化条件の残りの一つが、ある高さの基準点から測った前記被処理体表面高さと前記被処理体上のシース厚さの和が、前記基準点から測った前記フォーカスリング表面高さと前記フォーカスリング上のシース厚さの和と等しくなければならないことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  9. 被処理体を処理ステージの上に搭載し、前記被処理体を囲み、かつ前記処理ステージの上に搭載されているフォーカスリングを備え、前記フォーカスリングおよび前記被処理体は、高周波バイアスを印加されているプラズマによって前記被処理体を処理するプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、
    等価電気回路解析を用いた最適化設計手法により最適化された構造をもつ前記フォーカスリングおよび前記処理ステージを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
  10. 前記最適化設計手法は、プラズマ・シースモデルに基づくプラズマおよびイオンシースの等価回路変換を含むことを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理方法。
  11. 前記最適化設計手法は、フォーカスリングにウエハプロセス反応生成物が付着しないように、フォーカスリング表面電位を最適に設計することを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理方法。
  12. 前記最適化設計手法は、フォーカスリング表面に形成されるイオンシースの高さがウエハ表面に形成されるイオンシースの高さと同一、あるいは適切な許容値の範囲で段差を持つよう、フォーカスリング表面高さ、フォーカスリング表面電圧、およびフォーカスリングの材質と構造とを最適化することを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理方法。
  13. 前記最適化設計手法は、フォーカスリングの消耗による経時変化を考慮し、適切な許容値の設定に基づく構造の最適化をすることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理方法。
  14. 前記最適化設計手法は、等価電気回路解析に加え、必要に応じて、二次元プラズマ解析および二次元電場解析によるシーケンシャル連成解析手法により、イオンシース内の等電位面をできるだけ平坦化することを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理方法。
  15. 前記最適化設計手法は、プラズマ・シース界面平坦化条件を二つ有し、その一つが、前記処理ステージ内の電極から前記被処理体上のプラズマ・シース界面までの高周波電圧の電圧降下量は、前記処理ステージ内の電極から前記フォーカスリング上のプラズマ・シース界面までの高周波電圧の電圧降下量に等しくなければならないことを特徴とする、請求項９に記載のプラズマ処理方法。
  16. 前記最適化設計手法の前記プラズマ・シース界面平坦化条件の残りの一つが、ある高さの基準点から測った前記被処理体表面高さと前記被処理体上のシース厚さの和が、前記基準点から測った前記フォーカスリング表面高さと前記フォーカスリング上のシース厚さの和と等しくなければならないことを特徴とする、請求項９に記載のプラズマ処理方法。
  17. 被処理体を処理ステージの上に搭載し、前記被処理体を囲み、かつ前記処理ステージの上に搭載されているフォーカスリングを備え、前記フォーカスリングおよび前記被処理体は、高周波バイアスを印加されている、プラズマによって前記被処理体を処理するプラズマ処理装置のフォーカスリングにおいて、
    フォーカスリングの材質が比誘電率１０以下であることを特徴とするフォーカスリング。
  18. 被処理体を処理ステージの上に搭載し、前記被処理体を囲み、かつ前記処理ステージの上に搭載されているフォーカスリングを備え、前記フォーカスリングおよび前記被処理体は、高周波バイアスを印加されている、プラズマによって前記被処理体を処理するプラズマ処理装置のフォーカスリングにおいて、
    材質が比誘電率１０以下での誘電体で形成された第１のフォーカスリングと、前記第１のフォーカスリングを囲む第２のフォーカスリングで構成されていることを特徴とするフォーカスリング。
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