JP2008244103A - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】容量結合型のプラズマ処理装置において基板を支持する電極と反対側の対向電極にデポや酸化膜が付くのを効率よく防止してプロセスの安定性や再現性の向上を図る。
【解決手段】サセプタ１６には、下部高周波電源３６より下部整合器４０および下部給電棒４４を介して主としてプラズマの生成に寄与する所定の周波数たとえば４０ＭＨｚの下部高周波ＲＦHが印加されるとともに、下部低周波電源３８より下部整合器４２および下部給電棒４６を介して主としてサセプタ１６上の半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みに寄与する所定の周波数たとえば３．２ＭＨｚの下部低周波ＲＦLBが印加される。上部電極４８には、上部低周波電源６６より上部整合器６８および上部給電棒７０を介して主として上部電極４８に対するイオンの引き込みに寄与する所定の周波数たとえば３８０ｋＨｚの上部低周波ＲＦLTが印加される。
【選択図】 図１
【解決手段】サセプタ１６には、下部高周波電源３６より下部整合器４０および下部給電棒４４を介して主としてプラズマの生成に寄与する所定の周波数たとえば４０ＭＨｚの下部高周波ＲＦHが印加されるとともに、下部低周波電源３８より下部整合器４２および下部給電棒４６を介して主としてサセプタ１６上の半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みに寄与する所定の周波数たとえば３．２ＭＨｚの下部低周波ＲＦLBが印加される。上部電極４８には、上部低周波電源６６より上部整合器６８および上部給電棒７０を介して主として上部電極４８に対するイオンの引き込みに寄与する所定の周波数たとえば３８０ｋＨｚの上部低周波ＲＦLTが印加される。
【選択図】 図１
Description
本発明は、プラズマを利用して被処理基板に所望の微細加工処理を施すプラズマ処理装置に係り、特に処理容器内で基板を支持する電極にプラズマ生成用の高周波を印加する方式のプラズマ処理装置に関する。
半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、アッシング、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマがよく利用されている。従来より、枚葉式のプラズマ処理装置、特にプラズマエッチング装置の中では、容量結合型のプラズマ処理装置が主流となっている。
一般に、容量結合型プラズマ処理装置は、真空チャンバとして構成される処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置し、両電極間に高周波電圧を印加する。この高周波電圧によって両電極間に形成される電界により電子が加速され、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマが発生し、プラズマ中のラジカルやイオンによって基板表面に所望の微細加工たとえばエッチング加工が施される。
基板を支持する側の電極つまり下部電極に高周波を印加する下部カソードタイプの容量結合型プラズマ処理装置においては、下部電極に生じる自己バイアス電圧を利用してプラズマ中のイオンを基板にほぼ垂直に引き込むことにより、方向性にすぐれた異方性エッチングを可能としている。最近は、下部電極にプラズマ生成に適した通常１３．５６ＭＨｚ以上の高周波とイオン引き込みに適した通常１３．５６ＭＨｚ以下の低周波とを重畳的に印加する下部２周波印加方式も多用されてきている。従来の下部２周波印加方式は、概して上部電極をアノード電極として接地する構成を採り、処理容器の天井に直付けで一体に上部電極を組み込むか、あるいは処理容器の天井を上部電極に用いている（たとえば特許文献１参照）。
特開２０００−１５６３７０
一般に、プラズマ処理装置においては、プラズマ処理中に生成される気相の反応生成物あるいは反応副生成物が処理容器内の各部、特にプラズマと直接対面する上部電極やチャンバ側壁に付着し、そこで固化して堆積物（デポジション、以下“デポ”と略称する。）となる。また、上部電極がプラズマにより酸化すると電極表面に酸化膜が形成され、たとえば上部電極の材質がシリコン（Ｓi）の場合は電極表面にＳiＯ2膜が形成される。このようなプラズマと対向する部材の表面に付着したデポや酸化膜が膜剥がれなどで離脱すると、パーティクルとなって、デバイスの歩留まりを悪化させる。そこで、定期的または必要に応じてクリーニングプロセスを実施して、処理容器内の各部材からデポや酸化膜を取り除くようにしている。
しかしながら、上記のような下部２周波印加方式を採る従来の容量結合型プラズマ処理装置においては、接地電位の上部電極に自己バイアスが現れないため、そこに入射（衝突）するイオンのエネルギーは低く、スパッタ効果が弱い。このため、上部電極に多量のデポや酸化膜が付きやすく、これがプロセスの安定性や再現性を下げる原因となっている。また、クリーニングプロセスにプラズマクリーニングが多用されているが、チャンバ側壁のデポを短時間で効率よく取り除くことが困難であった。
本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、基板を支持する電極と反対側の対向電極にデポや酸化膜が付くのを効率よく防止してプロセスの安定性や再現性の向上を図る容量結合型のプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
本発明の別の目的は、対向電極側からプラズマ電位の制御あるいはプラズマ密度の制御を行えるようにした容量結合型のプラズマ処理装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の高周波を印加する高周波給電部と、主として前記プラズマから前記第１の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第１の電極に前記高周波よりも低い周波数の第１の低周波を印加する第１の低周波給電部と、主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記第１の低周波よりも低い周波数の第２の低周波を印加する第２の低周波給電部とを有する。
上記の装置構成においては、プラズマ生成ないしプラズマ密度の主たる制御を第１の電極（通常下部電極）に印加する高周波により行い、第１の電極に入射するイオンエネルギーの主たる制御を第１の電極に印加する第１の低周波により行い、第２の電極（通常上部電極）に入射するイオンエネルギーの主たる制御を第２の電極に印加する第２の低周波により行うので、それら高周波および第１，第２の低周波の各周波数およびパワーを適宜選定することで、プラズマ密度特性および各イオンエネルギー特性の同時的な最適化を実現することができる。特に、第２の電極に入射するイオンエネルギーを高めることで、第２の電極にデポや酸化膜が付くのを効率よく防止することができる。
本発明の好適な一態様によれば、第１の低周波がイオンのプラズマ周波数よりも高い周波数に設定され、第２の低周波がイオンのプラズマ周波数よりも低い周波数に設定される。この場合は、プラズマのイオンは、第１の電極に対しては第１の電極に生じる自己バイアス電圧に応じたシースの直流電界により加速されて第１の電極に入射する一方で、第２の電極に対しては第２の低周波のＲＦ電界に追従して半周期毎に第２の電極に入射する。
本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の高周波を印加する高周波給電部と、主として前記プラズマから前記第１の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第１の電極に前記高周波よりも低い周波数の第１の低周波を印加する第１の低周波給電部と、主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記第１の低周波と同じ周波数の第２の低周波を印加する第２の低周波給電部とを有する。
この装置構成においては、第１の電極に印加する第１の低周波と第２の電極に印加する第２の低周波の周波数を同じにすることで、低周波給電部の効率化を図ることができる。特に好ましい一態様として、第１および第２の低周波給電部に共通の低周波電源を用いることができる。この場合、第１および第２の低周波給電部が第１および第２の低周波を個別に増幅するための第１および第２の増幅器をそれぞれ有するのが好ましい。また、第１の低周波給電部が、給電ラインの途中で低周波電源側のインピーダンスと第１の電極側のインピーダンスとのマッチングをとるための第１の整合回路を有してよい。第２の低周波給電部も、給電ラインの途中で低周波電源側のインピーダンスと第２の電極側のインピーダンスとのマッチングをとるための第２の整合回路を有してよい。
また、この装置構成においては、好ましい一態様として、第１の低周波と第２の低周波との間の相対的な位相差を任意に可変制御するための位相差制御部を用いることができる。この場合は、両低周波間の位相差を可変することで、プラズマ電位を可変制御することができる。したがって、たとえば処理容器の内壁に付着した堆積膜を除去するためのプラズマクリーニングを行うときは、位相差を最大またはその近辺の値に設定することで、プラズマ電位を常に高くして、容器内壁に対するイオンスパッタを強め、容器内壁のデポ膜を短時間で効率よく取り除くことができる。
本発明の第３の観点におけるプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の高周波を印加する高周波給電部と、主として前記プラズマから前記第１の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第１の電極に前記高周波よりも低い周波数の第１の低周波を印加する第１の低周波給電部と、主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記第１の低周波よりも高くて前記高周波よりも低い周波数の第２の低周波を印加する第２の低周波給電部とを有する。
上記の装置構成においては、第２の低周波の周波数を高くすることで、第２の電極に生じる自己バイアス電圧は小さくなり、第２の電極に対するイオンスパッタ効果は弱まる反面、第２低周波のプラズマ生成に寄与する度合いは大きくなり、プラズマ密度の向上を図れる。
本発明の第４の観点におけるプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、主として前記プラズマから前記第１の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第１の電極に前記第１の高周波よりも低い周波数の低周波を印加する低周波給電部と、主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記第１の高周波と同じ周波数の第２の高周波を印加する第２の高周波給電部とを有する。
上記の装置構成においては、第２の低周波の周波数を一層高くするので、上記第３の観点における装置構成よりも、第２の電極に対するイオンスパッタ効果は一層弱まる反面、第２の低周波のプラズマ生成に寄与する度合いは一層大きくなる。
本発明の第５の観点におけるプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の高周波を印加する高周波給電部と、主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記高周波よりも周波数の低い低周波を印加する低周波給電部とを有する。
上記の装置構成においても、第１の電極に印加される高周波および第２の電極に印加される低周波により、上記第１の観点によるプラズマ処理装置における上記高周波および上記第２の低周波にそれぞれ相当する作用が得られる。
本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、基板を支持する電極と反対側の対向電極にデポや酸化膜が付くのを効率よく防止してプロセスの安定性や再現性の向上を図ることができる。また、対向電極側からプラズマ電位の制御あるいはプラズマ密度の制御を行うことも可能である。
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、下部２周波／上部１周波印加方式の容量結合型（平行平板型）プラズマエッチング装置として構成されており、たとえば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形の真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。
チャンバ１０の底部には、セラミックなどの絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上にたとえばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、この上に被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷが載置される。
サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートの間に挟み込んだものであり、電極２０には直流電源２２がスイッチ２４を介して電気的に接続されている。直流電源２２からの直流電圧により、半導体ウエハＷをクーロン力で静電チャック１８に吸着保持できるようになっている。静電チャック１８の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの面内均一性を向上させるためのたとえばシリコンからなるフォーカスリング２６が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面にはたとえば石英からなる円筒状の内壁部材２８が貼り付けられている。
サセプタ支持台１４の内部には、たとえば円周方向に延びる冷媒室または冷媒通路３０が設けられている。この冷媒通路３０には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管３２ａ，３２ｂを介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によってサセプタ１６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できるようになっている。さらに、伝熱ガス供給機構（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン３４を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。
サセプタ１６には、下部高周波電源３６および下部低周波電源３８がそれぞれ下部整合器４０，４２および下部給電棒４４，４６を介して電気的に接続されている。下部高周波電源３６は、プラズマの生成に主として寄与する所定の周波数たとえば４０ＭＨｚの下部高周波ＲＦHを所定のパワーで出力する。一方、下部低周波電源３８は、サセプタ１６上の半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みに主として寄与する所定の周波数たとえば３．２ＭＨｚの下部低周波ＲＦLBを所定のパワーで出力する。
サセプタ１６の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極４８が設けられている。この上部電極４８は、多数のガス噴出孔５０ａを有するたとえばＳi、ＳiＣなどの半導体材料からなる電極板５０と、この電極板５０を着脱可能に支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体５２とで構成されており、チャンバ１０の上部にリング状の絶縁体５４を介して取り付けられている。この上部電極４８とサセプタ１６との間にプラズマ生成空間または処理空間ＰＳが設定されている。リング状絶縁体５４は、たとえばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）からなり、上部電極４８の外周面とチャンバ１０の側壁との間の隙間を気密に塞いでおり、上部電極４８を非接地で物理的に支持している。
電極支持体５２は、その内部にガスバッファ室５６を有するとともに、その下面にガスバッファ室５６から電極板５０のガス噴出孔５０ａに連通する多数のガス通気孔５２ａを有している。ガスバッファ室５６にはガス供給管５８を介して処理ガス供給源６０が接続されており、ガス供給管５８にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６２および開閉バルブ６４が設けられている。処理ガス供給源６０より所定の処理ガスがガスバッファ室５６に導入されると、電極板５０のガス噴出孔５０ａよりサセプタ１６上の半導体ウエハＷに向けて処理空間ＰＳに処理ガスがシャワー状に噴出されるようになっている。このように、上部電極４８は処理空間ＰＳに処理ガスを供給するためのシャワーヘッドを兼ねている。
上部電極４８には、上部低周波電源６６が上部整合器６８および上部給電棒７０を介して電気的に接続されている。上部低周波電源６６は、上部電極４８に対するイオンの引き込みに主として寄与する所定の周波数たとえば３８０ｋＨｚの上部低周波ＲＦLTを所定のパワーで出力する。
サセプタ１６およびサセプタ支持台１４とチャンバ１０の側壁との間に形成される環状の空間は排気空間となっており、この排気空間の底にはチャンバ１０の排気口７２が設けられている。この排気口７２に排気管７４を介して排気装置７６が接続されている。排気装置７６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０の室内、特に処理空間ＰＳを所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口７８を開閉するゲートバルブ８０が取り付けられている。
このプラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ８０を開状態にし、加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック１８の上に載置する。そして、処理ガス供給源６０より所定の処理ガスつまりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置７６による真空排気でチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、下部高周波電源３６および下部低周波電源３８よりそれぞれ所定のパワーで下部高周波ＲＦH（４０ＭＨｚ）および下部低周波ＲＦLB（３．２ＭＨｚ）を重畳してサセプタ（下部電極）１６に印加し、上部低周波電源６６より所定のパワーで上部低周波ＲＦLT（３８０ｋＨｚ）を上部電極４８に印加する。また、スイッチ２４をオンにし、静電吸着力によって、静電チャック１８と半導体ウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈｅガス）を閉じ込める。シャワーヘッド（上部電極）４８より吐出されたエッチングガスは両電極１６，４８間で高周波の放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面の膜がエッチングされる。このプラズマエッチングにおいて、半導体ウエハＷの主面上で生成される揮発性反応生成物の殆どは排気口７２の外へ排出されるが、一部は上部電極４８の電極板５０やチャンバ１０の側壁などに付着して皮膜またはデポ膜を形成する。また、電極板５０がプラズマの下で酸化すると、電極表面に酸化膜（たとえばＳiＯ2膜）が形成される。
図２につき、このプラズマエッチング装置における下部２周波／上部１周波印加方式の作用を説明する。図２において、Ｃ40，Ｃ42，Ｃ68は整合器４０，４２，６８内にそれぞれ設けられるブロッキング・キャパシタである。
プラズマ処理が行われる時は、高周波電源３６からの下部高周波ＲＦH（４０ＭＨｚ）がサセプタ１６に印加され、サセプタ１６より高周波電流ｉが処理空間ＰＳに供給されることで、処理ガスの分子・原子が解離・電離を起こしてプラズマＰＲが生成される。プラズマＰＲ中のラジカルは拡散してサセプタ１６上の半導体ウエハＷの表面に到達すると、被加工材の原子と反応し、反応生成物は揮発する。また、下部低周波電源３８からの下部低周波ＲＦLB（３．２ＭＨｚ）がサセプタ１６に印加されることで、この下部低周波ＲＦLBの印加電圧の振幅値に応じた大きさの自己バイアス電圧ＶDBがサセプタ１６に生じる。プラズマＰＲ中の正イオンは、イオンのプラズマ周波数（通常１〜２ＭＨｚの範囲内）よりも高い周波数に設定される下部低周波ＲＦLB（３．２ＭＨｚ）のＲＦ電界には追従できないが、サセプタ１６とプラズマＰＲとの間のシースＳＨBに生じる直流の電圧差または電界により加速されて半導体ウエハＷの表面に衝突し（図２中の矢印Ｊ）、表面反応ないし反応生成物の離脱を促進させる。また、イオン衝撃で発生した二次電子は、シースＳＨBの直流電界により加速されてプラズマＰＲに撃ち込まれる。
一方、上部低周波電源６６からの上部低周波ＲＦLT（３８０ｋＨｚ）が上部電極４８に印加されることで、この上部低周波ＲＦLTの印加電圧の振幅値に応じた大きさの自己バイアス電圧ＶDTが上部電極４８に生じる。プラズマＰＲ中の正イオンは、イオンのプラズマ周波数よりも低い周波数に設定される上部低周波ＲＦLT（３８０ｋＨｚ）の電界に追従して半周期毎に上部電極４８の表面に衝突して（図２中の矢印Ｋ）、上部電極４８表面のデポ膜または酸化膜をスパッタ（除去）する。また、正イオンが上部電極４８の表面に衝突した際に発生した二次電子は、上部電極４８とプラズマＰＲとの間のシースＳＨTで直流電界により加速されてプラズマＰＲに撃ち込まれる。さらに、半周期毎に上部電極４８よりプラズマＰＲに電子電流が供給される。
上記のように、この実施形態の下部２周波／上部１周波印加方式においては、主に下部高周波（４０ＭＨｚ）に応じた両電極１６，４８間の高周波放電によりプラズマＰＲが生成・維持されるが、上部低周波ＲＦLT（３８０ｋＨｚ）も下部低周波ＲＦLB（３．２ＭＨｚ）と共にプラズマ密度の向上に寄与する。そして、サセプタ１６上の半導体ウエハＷに対しては主に下部高周波ＲＦH（４０ＭＨｚ）のパワーで律速されるラジカルエッチングおよび主に下部低周波ＲＦLB（３．２ＭＨｚ）のパワーで律速されるイオンアシストエッチングが行われる一方で、上部電極４８に対しては主に上部低周波ＲＦLT（３８０ｋＨｚ）のパワーで律速されるスパッタリングが行われる。
上部低周波ＲＦLT（３８０ｋＨｚ）は、周波数が低いために、比較的小さなパワーでも十分大きなイオンエネルギーを発生することができる。このため、上部低周波電源６６には小型・低コストの電源を用いることができる。
上記のように、上部電極４８は、プラズマ処理中にスパッタされることにより、デポ付着や酸化膜形成の無いまたは非常に少ないきれいな電極表面を保つことができる。これにより、プロセスが安定化し、プロセスの再現性も向上する。
また、電極板５０の材質がＳiを含む場合、レジストマスクをエッチングする余分なＦラジカルを捕獲して反応生成物のＳiＦ4を処理空間へ返す作用がある。電極表面をクリーンに保つことで、このＦラジカル捕獲作用を促進し、選択比を向上させることができる。
図３に、本発明の第２の実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す。図中、上記第１の実施形態における構成要素と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。
この第２の実施形態は、下部２周波／上部１周波印加方式において下部低周波と上部低周波を同一の周波数に設定し、両低周波間の位相差を任意に可変制御できるようにしている。共通の低周波発振器（電源）８２より出力される一定周波数（たとえば２ＭＨｚ）の低周波は、下部低周波ＲＦLBとして下部低周波給電ライン８４のパワーアンプ８６、下部整合器８８、ローパス・フィルタ（ＬＰＦ）９０、下部給電棒４６を介してサセプタ１６に印加されると同時に、上部低周波ＲＦLTとして上部低周波給電ライン９２の位相推移器（フェーズ・シフタ）９４、パワーアンプ９６、上部整合器９８、ローパス・フィルタ（ＬＰＦ）１００、上部給電棒７０を介して上部電極４８に印加される。
下部低周波給電ライン８４において、パワーアンプ８６は、低周波発振器８２から伝送されてくる下部低周波ＲＦLBのパワーをたとえば数ｍＷから数１００Ｗまで増幅する。ＬＰＦ９０は、下部整合器８８からの下部低周波ＲＦLBをサセプタ１６側へ通し、サセプタ１６を経由して下部低周波給電ライン８４に入ってきた高周波ノイズ（４０ＭＨｚ）を遮断する。
上部低周波給電ライン９２において、位相推移器（フェーズ・シフタ）９４は、たとえばボリューム抵抗または可変コンデンサを含むＲＣ回路からなり、低周波発振器８２から送られてくる上部低周波ＲＦLTの位相を制御部１０２の制御の下でたとえば０°〜１８０°の範囲内で任意に変えることができる。パワーアンプ９６は、上部低周波ＲＦLTのパワーをたとえば数ｍＷから数１０Ｗまで増幅する。ＬＰＦ１００は、上部低周波ＲＦLTを上部電極４８側へ通し、上部電極４８側から上部低周波給電ライン９２に入ってくる高周波ノイズ（４０ＭＨｚ）を遮断する。
なお、下部高周波給電ラインに設けられるハイパス・フィルタ（ＨＰＦ）１０４は、整合器４０からの下部高周波ＲＦH（たとえば４０ＭＨｚ）をサセプタ１６側へ通し、サセプタ１６を経由して入ってきた低周波ノイズ（２ＭＨｚ）を遮断するためのものである。既述した第１の実施形態においても各フィルタ（ＨＰＦ１０４、ＬＰＦ９０，ＬＰＦ１００）を用いることができる。
この実施形態においては、位相推移器９４を用いて上部低周波ＲＦLTおよび下部低周波ＲＦLBとの間の位相差を可変することにより、上部電極４８およびサセプタ１６にそれぞれ生じる自己バイアス電圧ＶDT，ＶDBおよびプラズマＰＲの電位（プラズマポテンシャル）Ｖpを可変制御することができる。
図４に、このプラズマエッチング装置において両自己バイアス電圧ＶDT，ＶDBおよびプラズマ電位Ｖpに関係する部分の等価回路を示す。この等価回路において、ＺBは、サセプタ１６とプラズマＰＲとの間に形成されるシースＳＨBのインピーダンスであり、コンデンサＣBとダイオードＤBの並列回路で表される。ＺTは、上部電極４８とプラズマＰＲとの間に形成されるシースＳＨTのインピーダンスであり、コンデンサＣTとダイオードＤTの並列回路で表される。ＺWは、チャンバ１０の側壁とプラズマＰＲとの間に形成されるシースＳＨWのインピーダンスであり、コンデンサＣWとダイオードＤWの並列回路で表される。この等価回路の電源は、下部電極１６側に下部低周波ＲＦLBを与える電源８２と、上部電極４８側に上部低周波ＲＦLTを与える電源（８２，９４）とで構成されている。自己バイアス電圧やプラズマ電位に対する高周波ＲＦHの作用（影響）は相対的に小さく無視できるので、高周波電源３６を省いている。
図５に、上部低周波ＲＦLTと下部低周波ＲＦLB間の位相差を零にした場合の各部の電位または電位変化を示す。この場合は、両低周波ＲＦLT，ＲＦLBの電圧が上部電極４８および下部電極１６に同位相でそれぞれ印加されることにより、プラズマ電位Ｖpが接地電位（０Ｖ）付近の最小値とそれより相当高い最大値ＶMAXとの間で大きく振動する。
この場合、両低周波ＲＦLT，ＲＦLBの印加電圧が正極性のピーク値に達する時にその時の（最大値ＶMAXになっている）プラズマ電位Ｖpに最も近くなり、電子電流がプラズマＰＲから両電極４８，１６へ供給される。また、両低周波ＲＦLT，ＲＦLBの印加電圧が負極性の値をとる期間中は、プラズマ電位Ｖpが数１０Ｖまで下がっている。プラズマＰＲ中の正イオンは、各シースＳＨT，ＳＨB，ＳＨWの電圧降下に応じた加速度で両電極４８，１６およびチャンバ１０側壁に衝突または入射する。
この位相差零（同位相）のモードにおいては、プラズマポテンシャルＶpの最大値ＶMAXは大きく、最小値ＶMINは小さい。すなわち、Ｖpが高いときと低いときとがあるので、平均的にチャンバ１０側壁へのスパッタ力は小さくなる。
図６に、上部低周波ＲＦLTと下部低周波ＲＦLB間の位相差を最大（１８０°）にした場合の各部の電位または電位変化を示す。この場合は、両低周波ＲＦLT，ＲＦLBの電圧が上部電極４８および下部電極１６に逆位相で印加されることにより、プラズマ電位Ｖpが最大値ＶMAXとそれと殆ど違わない最小値ＶMINとの間で極僅かに振動する。
この位相差最大（逆位相）のモードにおいては、両低周波ＲＦLT，ＲＦLBの印加電圧がそれぞれ正極性のピーク値に達する時にプラズマ電位Ｖpは最大となり、プラズマＰＲから高速電子の電子電流が正電位の電極４８または電極１６へ流入する。また、両低周波ＲＦLT，ＲＦLBのどちらかが負極性になっている時は、シースＳＨTまたはＳＨBには大きな自己バイアス電圧ＶDT，ＶDBが得られ、プラズマＰＲ中の正イオンが電極４８または電極１６に非常に強い衝撃で入射する。一方、プラズマ電位Ｖpは常に（ＲＦLTが正の時、ＲＦLBが正の時）どちらかの電極より持ち上げられているので、チャンバ１０側壁付近のシースＳＨWの電圧降下は大きく、プラズマＰＲからチャンバ１０側壁に入射するイオンのエネルギーは高い。このように、プラズマポテンシャルＶpの最大値ＶMAXは大きく、最小値ＶMINも大きい。すなわち、Ｖpが相対的に高いままであるので、平均的にチャンバ１０側壁へのスパッタ力は大きくなる。
上記のような位相差零（同位相）と位相差最大（逆位相）のモードは両極端であり、その間（０°〜１８０°）で位相差を任意に調節することにより所望のバランスで両極端モードの中間の作用効果を得ることができる。
図７に、この実施形態による位相可変制御方式を好適に適用できる一例を示す。このエッチング加工は、レジスト１１０をマスクにして反射防止膜１１２、シリコン酸化膜（ＳiＯ2）１１４、下地膜１１６をこの順にマルチステップで連続的にエッチングしてビアホール１１８を形成するものであり、各ステップ毎にエッチング条件を切り換える。その際、エッチング条件の１つに上部低周波ＲＦLTと下部低周波ＲＦLB間の位相差を含めてよく、各ステップ毎に位相差を切り換えてよい。もっとも、いずれのステップにおいても、低イオンエネルギーでのエッチング処理を行う場合は、位相差を最小（同位相）寄りに設定するのが好ましく、これによって半導体ウエハＷへのイオンの入射エネルギーを下げることができる。そして、全ステップの終了後に処理済の半導体ウエハＷをチャンバ１０から搬出してプラズマクリーニングを実施する際には、位相差を最大（逆位相）またはその近辺に設定するのが好ましく、これによってプラズマ電位Ｖpを高くしてチャンバ１０側壁に対するイオンのスパッタを強め、チャンバ１０側壁からデポを効果的に短時間で除去することができる。また、チャンバ１０側壁の母材を保護するために適度な膜厚のデポを残しておくのが好ましい場合も、位相差の調整によりデポ膜の最適制御を容易に行うことができる。
図８および図９に、上記した第２の実施形態における一変形例の装置構成を示す。図８の装置構成は、低周波電源８２より出力される低周波パワーを中間タップ接地が可変の変圧器１１８で分圧し、変圧器１１８の二次側端子より互いに逆相の上部低周波ＲＦLTおよび下部低周波ＲＦLBを上部電極４８および下部電極１６にそれぞれ可変パワーで印加するようにしたものである。図示の構成例では、変圧器１１８において、タップ位置ＴをＬ側に近づけるほど相対的に上部低周波ＲＦLTのパワーが増し、反対にタップ位置ＴをＨ側に近づけるほど相対的に下部低周波ＲＦLBのパワーが増す。なお、整合器１２０は一次側に１つだけ設ければよい。
図９の装置構成は、低周波電源８２より出力される低周波を独立した２つの変圧器１２２，１２４で個別に分圧し、両変圧器１１８の二次側端子より互いに同相の上部低周波ＲＦLTおよび下部低周波ＲＦLBを上部電極４８および下部電極１６にそれぞれ印加するようにしたものである。
図示省略するが、別の実施形態として、上部低周波ＲＦLTを下部低周波ＲＦLBよりも高くて下部高周波ＲＦLBよりも低い周波数に設定することも可能である。一例として、ＲＦLT＝２７ＭＨｚ、ＲＦLB＝３．２ＭＨｚ、ＲＦH＝４０ＭＨｚである。この場合、上部低周波ＲＦLTの周波数が比較的高くなっているので、上部電極４８に生じる自己バイアス電圧ＶDBは小さくなる。しかも、プラズマＰＲ中の正イオンは上部低周波ＲＦLTのＲＦ電界には追従できない。このため、上部電極４８に対するイオンスパッタは弱くなる。反面、上部低周波ＲＦLTのプラズマ生成に寄与する度合いは大きくなり、プラズマ密度の向上を図れる。
この発展型として、図示省略するが、上部電極４８に下部高周波ＲＦHBと同じ周波数の高周波ＲＦHTを印加する形態も可能である。この一例は、ＲＦHT＝４０ＭＨｚ、ＲＦLB＝３．２ＭＨｚ、ＲＦHB＝４０ＭＨｚである。この場合は、上部電極４８に対するイオンスパッタが一層弱まる反面、プラズマ密度の一層の向上を図れる。
また、別の実施形態として、図示省略するが、下部電極１６に低周波ＲＦLBと高周波ＲＦHBを重畳させて印加し、上部電極４８にも低周波ＲＦLTと高周波ＲＦHTを重畳させて印加する形態も可能である。その一例は、ＲＦLT＝３８０ｋＨｚ、ＲＦHT＝６０ＭＨｚ、ＲＦLB＝３．２ＭＨｚ、ＲＦHB＝４０ＭＨｚである。この場合は、プラズマ密度の向上を図れると同時に上部電極４８に対するイオンスパッタの強化も図れる。
また、別の実施形態として、図示省略するが、下部電極１６に単一周波数で高周波ＲＦHBのみを印加し、上部電極４８には単一周波数で低周波ＲＦLTのみを印加する形態も可能である。その一例は、ＲＦLT＝３８０ｋＨｚ、ＲＦHB＝４０ＭＨｚである。
また、上記した実施形態において、上部電極４８または下部電極１６に印加する各低周波または各高周波の周数数を連続的または段階的に可変制御または切換制御する構成も可能である。
本発明は、プラズマエッチングに限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、アッシング、スパッタリングなどの他のプラズマ処理を行う装置にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。
１０ チャンバ（処理容器）
１２ 絶縁板
１６ 下部電極（サセプタ）
３６ 下部高周波電源
３８ 下部低周波電源
４８ 上部電極（シャワーヘッド）
６０ 処理ガス供給源
６６ 上部低周波電源
７６ 排気装置
８２ 低周波発振器（電源）
８８，９８ 整合器
９４ 位相推移器
１０２ 制御部
１１８，１２２，１２４ 変圧器
１２ 絶縁板
１６ 下部電極（サセプタ）
３６ 下部高周波電源
３８ 下部低周波電源
４８ 上部電極（シャワーヘッド）
６０ 処理ガス供給源
６６ 上部低周波電源
７６ 排気装置
８２ 低周波発振器（電源）
８８，９８ 整合器
９４ 位相推移器
１０２ 制御部
１１８，１２２，１２４ 変圧器
Claims (11)
- 真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の高周波を印加する高周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第１の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第１の電極に前記高周波よりも低い周波数の第１の低周波を印加する第１の低周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記第１の低周波よりも低い周波数の第２の低周波を印加する第２の低周波給電部と
を有するプラズマ処理装置。 - 前記第１の低周波がイオンのプラズマ周波数よりも高い周波数であり、前記第２の低周波がイオンのプラズマ周波数よりも低い周波数である請求項１記載のプラズマ処理装置。
- 真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の高周波を印加する高周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第１の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第１の電極に前記高周波よりも低い周波数の第１の低周波を印加する第１の低周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記第１の低周波と同じ周波数の第２の低周波を印加する第２の低周波給電部と
を有するプラズマ処理装置。 - 前記第１および第２の低周波給電部が共通の低周波電源を有する請求項３に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第１および第２の低周波給電部が前記第１および第２の低周波を個別に増幅するための第１および第２の増幅器をそれぞれ有する請求項４に記載のプラズマ処理装置。
- 前記第１の低周波給電部が、給電ラインの途中で前記低周波電源側のインピーダンスと前記第１の電極側のインピーダンスとのマッチングをとるための第１の整合回路を有し、
前記第２の低周波給電部が、給電ラインの途中で前記低周波電源側のインピーダンスと前記第２の電極側のインピーダンスとのマッチングをとるための第２の整合回路を有する請求項４または請求項５に記載のプラズマ処理装置。 - 前記第１の低周波と前記第２の低周波との間の相対的な位相差を任意に可変制御するための位相差制御部を有する請求項４〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記処理容器の内壁に付着した堆積膜を除去するためのプラズマクリーニングを行うときは、前記位相差を最大またはその近辺の値に設定する請求項７に記載のプラズマ処理装置。
- 真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の高周波を印加する高周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第１の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第１の電極に前記高周波よりも低い周波数の第１の低周波を印加する第１の低周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記第１の低周波よりも高くて前記高周波よりも低い周波数の第２の低周波を印加する第２の低周波給電部と
を有するプラズマ処理装置。 - 真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第１の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第１の電極に前記第１の高周波よりも低い周波数の低周波を印加する低周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記第１の高周波と同じ周波数の第２の高周波を印加する第２の高周波給電部と
を有するプラズマ処理装置。 - 真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、
前記処理容器に絶縁物を介して取り付けられ、前記処理容器内で前記第１の電極と平行に向かい合う第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
主として前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記第１の電極に所定周波数の高周波を印加する高周波給電部と、
主として前記プラズマから前記第２の電極に入射するイオンのエネルギーを制御するために、前記第２の電極に前記高周波よりも周波数の低い低周波を印加する低周波給電部と
を有するプラズマ処理装置。
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