JP2009123929A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容量結合型のプラズマ処理装置においてプラズマ密度分布の容易かつ自在な制御を可能とし、プラズマプロセスの均一性や歩留まりを向上させる。
【解決手段】サセプタ１２の主面つまり上面は絶縁板３６で覆われ、この絶縁板３６の下（裏側）に絶縁壁３８で画成された気密な空洞４０を有する空洞プラズマ形成部４２が設けられる。空洞４０の中には不活性ガスが封入されており、高周波電源４５からの高周波がヘリカルアンテナ４４に印加されると、空洞４０内で不活性ガスが放電してプラズマが生成される。空洞４０内のプラズマを誘電体として作用させることにより、処理空間ＰＳにおけるプラズマ密度の分布特性を簡単かつ自在に制御できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特に平行平板電極を有する容量結合型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、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では、大口径プラズマを容易に実現できる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、容量結合型の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、両電極間に高周波を印加する。そうすると、両電極の間で高周波電界によって加速された電子、電極から放出された二次電子、あるいは加熱された電子が処理ガスの分子と電離衝突を起こして、処理ガスのプラズマが発生し、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。

プラズマエッチング装置においては、プラズマ生成（放電）に寄与する比較的高い周波数（通常４０ＭＨｚ以上）の高周波と基板へのイオンの引き込み（バイアス）に寄与する比較的低い周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波とを両電極間に同時に印加する２周波重畳印加方式が多用されてきている。

ところで、半導体プロセス技術におけるデバイスの微細化・高集積化に伴い、容量結合型のプラズマ処理装置においては、より高効率・高密度・低バイアスのプラズマプロセスが求められており、そのためにはプラズマ生成に用いる高周波の周波数をなるべく高くするというのが今日のトレンドである。一方で、チップサイズの大面積化、基板の大口径化に伴い、より大きな口径のプラズマが求められており、チャンバ（処理容器）が益々大型化しつつある。

ここで問題となるのは、チャンバの処理空間内（特に半径方向）でプラズマ密度を均一にするのが難しくなることである。すなわち、放電用のＲＦ周波数が高くなると、チャンバ内に定在波が形成される波長効果や電極表面で高周波が中心部に集中する表皮効果等によって、概して基板上で中心部が極大になってエッジ部が最も低くなるようなプロファイルでプラズマの密度が不均一になる。基板上でプラズマ密度が不均一であれば、プラズマプロセスも不均一になり、デバイスの製造歩留まりは下がる。

かかる問題に対しては、これまでも電極構造に様々な工夫が試みられている。たとえば、特許文献１に開示されるプラズマ処理装置は、処理空間と向き合う電極の主面に誘電体を埋め込んで、電極主面より処理空間に放射される高周波に対するインピーダンスを相対的に電極中心部で大きく電極エッジ部で小さくなるようにして、プラズマ密度分布の均一性を向上させるようにしている。
特開２００４−３６３５５２

上記のように電極の主面に誘電体を埋め込む手法は、電極主面上のインピーダンス分布特性が誘電体の材質および形状プロファイルによって固定されており、プラズマ密度分布の均一性制御を保証できるプロセス領域が狭く、多種多様なプロセスあるいはプロセス条件の変更に対してフレキシブルに対応することはできない。

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、プラズマ密度分布の容易かつ自在な制御を可能とし、プラズマプロセスの均一性や歩留まりを向上させ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。

上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を載置する第１電極と、前記処理容器内で前記第１電極と平行に向かい合う第２電極と、前記第１電極と前記第２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、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方に、前記処理ガスのプラズマの生成に寄与する第１の高周波を印加する第１高周波給電部と、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方に設けられた空洞を有し、前記空洞内でガスを放電させてプラズマを形成する空洞プラズマ形成部とを有する。

平行平板電極を有する容量結合型のプラズマ処理装置においては、第１高周波給電部からの第１の高周波が第１の電極または第２の電極に印加されると、両電極間の高周波放電によって処理空間で処理ガスのプラズマが生成し、プラズマ中のラジカルやイオンによって基板に所望のプラズマ処理が施される。ここで、基板上のプラズマプロセスの均一性はプラズマ密度に依存する。本発明によれば、空洞プラズマ形成部により第１の電極および／または第２の電極の主面に容量インピーダンスを与える誘電体としての空洞プラズマ（プラズマセル）が形成されるので、処理空間に対してプラズマセルの存在する領域とその他の領域とを所望のレイアウトで設定することで、電極主面上の電界強度分布ないしプラズマ密度分布に所望の補正または制御をかけることができる。

本発明の好適な一態様によれば、空洞内の放電用のガスとして消耗劣化の少ない不活性ガスが好適に使用される。

また、好適な一態様においては、空洞の近傍または内部にアンテナまたは第３電極が設けられ、空洞内でガスを放電させるために第３高周波給電部より該アンテナまたは第３電極に第３の高周波が給電される。より具体的な一態様として、空洞の周囲にヘリカルアンテナが設けられ、このヘリカルアンテナに第３高周波給電部より第３高周波が給電され、アンテナの形成する交番磁界により空洞内で誘導結合型のプラズマが生成される。

本発明においては、上記アンテナまたは第３電極に供給する第３高周波の電力を制御して、プラズマセルのプラズマ密度を可変し、ひいてはプラズマ誘電率を可変することができる。

また、好適な一態様によれば、処理空間から空洞内の空間を分離するために当該電極の主面に絶縁体が設けられる。さらに好ましくは、空洞の壁が全て絶縁体で構成されてよい。第１高周波は、絶縁体で囲まれたプラズマセルを一塊の誘電体とみて伝播することになる。

また、好適な一態様によれば、空洞の中に放電用のガスが減圧状態で封入される。この場合は、同一の放電ガスが繰り返しプラズマ生成に用いられる。

別の好適な一態様によれば、外部のガス供給部より空洞の中に放電用ガスが供給されるとともに、外部の排気部により空洞内が所望の圧力で減圧状態に置かれる。この場合は、空洞内の圧力を制御して、空洞内のプラズマの誘電率を可変制御することができる。

本発明においては、典型的には、処理空間内の半径方向におけるプラズマ密度の空間分布特性を制御するために上記の手法で空洞内のプラズマの誘電率が制御される。

本発明の空洞プラズマ形成部においては、プラズマセルのプロファイルを規定する空洞の形状、配置等を様々な観点から多種多様に選択できる。好適な一態様における空洞は、基板よりも小さな口径を有する略円筒状の空間であって、第１電極に載置される基板と略同軸で半径方向に広がる。空洞の電極の主面と直交する方向の厚みを半径方向で変化させる構成、たとえば電極中心部で最も厚くて半径方向外側に向かって次第に薄くなるような構成も可能である。

空洞回りの構成も種種の態様が可能であり、たとえば空洞の周囲に当該電極の主面を覆う環状の誘電体を設ける構成も可能である。

別の好適な一態様として、空洞を複数に分割する構成、たとえば、基板よりも小さな口径を有し、第１電極に載置される基板と略同軸で半径方向に広がる略円筒状の第１空洞部と、第１空洞部の半径方向外側に設けられる環状の第２空洞部とを有する構成も可能である。この場合、第１空洞部および第２空洞部でそれぞれのプラズマセルの誘電率を独立に制御するのが好ましい。

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、平行平板電極を有する容量結合型においてプラズマ密度分布の容易かつ自在な制御を可能とし、プラズマプロセスの均一性や歩留まりを向上させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

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、平行平板電極を有するカソードカップルの容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（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内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が下部電極として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びるたとえばセラミック製の絶縁性筒状支持部１４により非接地で支持されている。この筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成され、この排気路１８の底に排気口２０が設けられている。この排気口２０には排気管２２を介して排気装置２４が接続されている。排気装置２４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内の処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ２６が取り付けられている。

サセプタ１２には、第１および第２の高周波電源２８，３０がマッチングユニット３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。ここで、第１の高周波電源２８は、主としてプラズマの生成に寄与する比較的高い周波数たとえば６０ＭＨｚの第１高周波を出力する。一方、第２の高周波電源３０は、主としてサセプタ１２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比較的低い周波数たとえば２ＭＨｚの第２高周波を出力する。マッチングユニット３２には、第１の高周波電源２８側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための第１の整合器と、第２の高周波電源３０側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための第２の整合器とが収容されている。

サセプタ１２は半導体ウエハＷよりも一回り大きな直径または口径を有している。サセプタ１２の主面つまり上面は、たとえば石英またはセラミックスからなる板状または膜状の絶縁体（以下「絶縁板」と称する。）３６で覆われている。この絶縁板３６の上に半導体ウエハＷが載置される。

絶縁板３６の下（裏側）には、たとえば石英あるいはセラミックスからなる有底円筒形状の絶縁壁３８で画成された気密な空洞４０を有する空洞プラズマ形成部４２がサセプタ１２内部に設けられている。空洞４０は、サセプタ１２と同軸、つまりサセプタ１２上に載置される半導体ウエハＷと同軸で半径方向に円形に広がり、好ましくは半導体ウエハＷよりも小さな口径を有している。

空洞４０の中には、放電用の不活性ガスたとえばＡｒガスが所定の真空圧力（たとえば６６Ｐａ）を保って封入されている。そして、絶縁壁３８の周囲には螺旋状に巻かれたヘリカルアンテナ４４が設けられ、このヘリカルアンテナ４４にチャンバ１０の外に設置されている高周波電源４５が被覆線４６等を介して電気的に接続されている。

高周波電源４５は、空洞４０内で不活性ガスのプラズマを生成させるために一定周波数たとえば１３．５６ＭＨｚの第３高周波を出力する。高周波電源４５からの第３高周波がヘリカルアンテナ４４に印加されると、アンテナ４４を流れる高周波電流によって空洞４０内では、交番磁界が生じて電界が誘導され、この誘導電界あるいはその誘導磁界によって電子が加速され、ガス分子と電離衝突を起こして、プラズマが生成されるようになっている。

図示省略するが、サセプタ１２の内部には温調用の冷媒が流れる冷媒室または冷媒通路が設けられてよい。また、ウエハ温度の精度を一層高めるために、伝熱ガス供給部からの伝熱ガスたとえばＨeガスをサセプタ１２の上面（半導体ウエハＷの裏面）に供給するガス通路も設けられてよく、その場合はサセプタ１２の上面にウエハ吸着用の静電チャックが設けられる。

チャンバ１０の天井には、サセプタ１２と平行に向かい合ってシャワーヘッドを兼ねる接地電位の上部電極４８が設けられている。この上部電極４８は、サセプタ１２と向かい合う電極板５０と、この電極板５０をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体５２とを有し、電極支持体５２の内部にガス室５４を設け、このガス室５４からサセプタ１２側に貫ける多数のガス吐出孔５６を電極支持体５２および電極板５０に形成している。電極板５０とサセプタ１２との間の空間がプラズマ生成空間ないし処理空間ＰＳとなる。ガス室５４の上部に設けられるガス導入口５８には、処理ガス供給部６０からのガス供給管６２が接続されている。なお、電極板５０はたとえばＳiやＳiＣからなり、電極支持体５２はたとえばアルマイト処理されたアルミニウムからなる。

このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２４、高周波電源２８，３０，４５、処理ガス供給部６０等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）は、たとえばマイクロコンピュータからなる制御部（図示せず）によって制御される。

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２６を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、サセプタ１２の上に載置する。その後、処理ガス供給部６０よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比で密閉状態のチャンバ１０内に導入し、排気装置２４によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、高周波電源２８，３０をそれぞれオンにして第１高周波（６０ＭＨｚ）および第２高周波（２ＭＨｚ）を所定のパワーで出力させ、これらの高周波をマッチングユニット３２および下部給電棒３４を介してサセプタ（下部電極）１２に印加または給電する。一方で、高周波電源４５をオンにして第３高周波（１３．５６ＭＨｚ）を所定のパワーで出力させ、この第３高周波をサセプ１２に埋め込まれているヘリカルアンテナ４４に給電する。

両電極１２，４８間の処理空間ＰＳにおいては、上部電極（シャワーヘッド）４８の吐出孔５０より吐出されたエッチングガスが高周波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の主面が所定のパターンにエッチングされる。

この容量結合型プラズマエッチング装置は、サセプタ１２に６０ＭＨｚというプラズマ生成に適した比較的高い周波数の第１高周波を印加することにより、プラズマを好ましい解離状態で高密度化し、より低圧の条件下でも高密度プラズマを形成することができる。それと同時に、サセプタ１２に２ＭＨｚというイオン引き込みに適した比較的低い周波数の第２高周波を印加することにより、サセプタ１２上の半導体ウエハＷに対して選択性の高い異方性のエッチングを施すことができる。

さらに、このプラズマエッチング装置においては、サセプタ１２に設けられている空洞プラズマ形成部４２の働きにより、処理空間ＰＳにおけるプラズマ密度の分布特性を容易かつ自在に制御できるようになっている。以下に、空洞プラズマ形成部４２の作用を説明する。

上記のように、エッチングプロセス中に高周波電源４５より第３高周波がヘリカルアンテナ４４に給電されることで、空洞４０内で不活性ガスのプラズマが発生する。この空洞４０内に形成されるプラズマ（以下「プラズマセル」と称する。）ＰＣは、絶縁板３６により処理空間ＰＳや半導体ウエハＷとは遮断されており、エッチングプロセスに直接関与するものではない。しかし、サセプタ（高周波電極）１２の主面に設けられていることで、サセプタ１２から処理空間ＰＳに放出される高周波、特に周波数の高いプラズマ生成用の第１高周波に対しては有意のインピーダンスを与える誘電体として作用する。

より詳細には、高周波電源２８からの第１高周波が給電棒３４を通ってサセプタ１２に印加されると、表皮効果により表面伝いにサセプタ１２の裏面から側面を経由しておもて面（主面）にＲＦ電流が回りこみ、サセプタ１２主面の表層ではエッジ部から中心部に向かって逆放射状にＲＦ電流が流れ、その途中で各部から絶縁板３８を通り抜けて上部電極４８あるいはチャンバ１０の側壁に向かって処理空間ＰＳにＲＦ電流が放射される。この実施形態では、サセプタ１２の主面中心部に容量性のインピーダンスを与えるプラズマセルＰＣが設けられているので、電極エッジ部から中心部に向かうＲＦ電流はプラズマセルＰＣを通り難く、その手前で絶縁板３６を通り抜けて処理空間ＰＳに放射されるＲＦ電流の割合が増加する。これによって、半導体基板Ｗ上の処理空間ＰＳにおいて基板中心部よりも基板エッジ部側で電離衝突を強めてプラズマ密度を増大させる効果が得られる。

このように、サセプタ１２の主面に設けられるプラズマセルＰＣのインピーダンス作用により、半導体基板Ｗ上の処理空間ＰＳにおけるプラズマ密度の分布プロファイルを補正し、典型的には半径方向で均一化することができる。これによって、プラズマプロセスの歩留まりを上げることができる。

そして、この実施形態における一層重要な特徴は、高周波電源４５より出力される第３高周波のパワーを可変してプラズマセルＰＣの誘電率を簡単かつ迅速に変えられることであり、これによって多種多様なエッチングプロセスに対して、あるいはプロセス条件の変更または切り替えに対して、プラズマセルＰＣのインピーダンス作用をフレキシブルに対応（最適化）させることができる。

すなわち、第１高周波の周波数をω、プラズマセルＰＣのプラズマ周波数をω_pとすると、プラズマセルＰＣの比誘電率ε_pは次式（１），（２）で表される。
ε_p＝１−ω_p ²／ω² ・・・・（１）
ただし、
ω_p＝（ｅ²ｎ_o／ε_oｍ_e）^1/2 ・・・・（２）
ここで、ｅは電子の電荷、ｎ_oはプラズマ密度、ε_oは真空中の誘電率、ｍ_eは電子の質量である。

この実施形態における空洞プラズマ形成部４２は、高周波電源４５より出力する第３高周波のパワーを可変することにより、プラズマセルＰＣのプラズマ密度ｎ_oを可変し、ひいてはプラズマセルＰＣの誘電率ε_pを可変することができる。このように、プラズマセルＰＣの誘電率ε_pを可変することにより、プラズマセルＰＣのインピーダンス特性を可変することができる。

たとえば、第１高周波の周波数をより高くする方向で変化させたときは、サセプタ１２における表皮効果が一層大きくなるので、第３高周波のパワーを上げてプラズマ密度ｎ_oを大きくして、誘電率ε_pを小さくする方向に変化させればよい。つまり、プラズマセルＰＣの誘電率ε_pを小さくすることで、そのキャパシタンスを小さくして、インピーダンスを増大させ、サセプタ１２主面上で表皮効果によるＲＦ電流の中心部への集中を緩和する作用を一層強めることができる。

なお、プラズマ密度ｎ_oを大きくして、誘電率ε_pが負の値をとる領域でプラズマセルＰＣにインピーダンス機能あるいは高周波シールド機能を持たせてよいことはもちろんである。

通常のエッチングプロセスでは、１枚の半導体ウエハに対する１回の処理の中で複数のステップ（たとえば、表面のマスクをエッチングするステップ、マスクの下の絶縁膜を垂直に削るステップ、さらに下地の膜との選択比を大きくしてオーバーエッチをかけるステップ等）で圧力・パワー・ガスなどのプロセス条件を変えながら連続処理することがよく行われている。この実施形態によれば、そのようなマルチステップのプロセスにおいて、それぞれのステップ毎にプラズマの分布特性が最適になるように、空洞プラズマ形成部４２を機能させることができる。

図２〜図７に、この実施形態における空洞プラズマ形成部４２回りの変形例を幾つか示す。図中、図解の簡略化のため、サセプタ１２にイオン引き込み用の第２高周波を給電する第２の高周波電源３０（図１）を省略している。

図２に示す空洞プラズマ形成部４２は、サセプタ１２の上面に、中心部には半導体ウエハＷよりも小さな口径を有する空洞４４を設け、その周囲にたとえばセラミックスからなる環状の誘電体６４を設け、空洞４４および環状誘電体６４の上面を絶縁板３６で覆っている。環状誘電体６４の外径は、半導体ウエハＷの口径より小さくてよく、あるいは大きくてもよい。環状誘電体６４を上面絶縁板３６と同一材質で一体形成することもできる。

かかる構成において、高周波電源２８からの第１高周波は表皮効果により表面伝いにサセプタ１２の裏面から側面を経由しておもて面（主面）に回り込み、サセプタ１２主面の表層でエッジ部から中心部に向かって逆放射状にＲＦ電流が流れ、その途中で各部から環状誘電体６４および絶縁板３６を通り抜けて、あるいはプラズマセルＰＣおよび絶縁板３６を通り抜けて処理空間ＰＳへ放射される。この場合、環状誘電体（セラミックス）６４の比誘電率は通常３以上であり、プラズマセルＰＣの比誘電率ε_pよりも大きいため、つまり環状誘電体６４の方がプラズマセルＰＣよりもインピーダンスが小さいため、環状誘電体６４を通り抜けて処理空間ＰＳに放射されるＲＦ電流の割合が増加する。これによって、半導体基板Ｗ上の処理空間ＰＳにおいて基板中心部よりも基板エッジ部側で電離衝突を強めてプラズマ密度を増大させる効果が得られる。

この構成においても、高周波電源２８より空洞プラズマ形成部４２のヘリカルアンテナ４４に供給する第３高周波のパワーを可変することにより、処理空間ＰＳにおけるプラズマ密度分布のプロファイルを容易かつ自在に制御することができる。

図３の空洞プラズマ形成部４２は、複数の独立した空洞４０Ａ，４０Ｂを有する。図示の構成例は、サセプタ１２の主面において、中心部には半導体ウエハＷよりも小さな口径を有する円形または円筒状の中心空洞４０Ａを設け、その周囲に環状の周辺空洞４０Ｂを設けている。中心空洞４０Ａは有底円筒状の絶縁壁３８Ａで囲まれ、周辺空洞４０Ｂは有底環状の絶縁壁３８Ｂで囲まれており、両空洞４０Ａ，４０Ｂの上面は絶縁板３６で気密に覆われている。

両空洞４０Ａ，４０Ｂの中には独立した真空圧力で放電用の不活性ガスが封入されている。そして、中心空洞４０Ａの周囲で周辺空洞４０Ｂの内側に中心ヘリカルアンテナ４４Ａが配置され、周辺空洞４０Ｂの周囲に周辺ヘリカルアンテナ４４Ｂが配置されている。両ヘリカルアンテナ４４Ａ，４４Ｂには別々の第３高周波電源４５Ａ，４５Ｂより各々独立した周波数およびパワーで第３高周波が給電されてよい。

かかる構成において、一方の第３高周波電源４５Ａからの第３高周波が中心ヘリカルアンテナ４４Ａに印加されることにより、中心空洞４０Ａ内に誘導結合による不活性ガスのプラズマが生成される。また、他方の第３高周波電源４５Ｂからの第３高周波が周辺ヘリカルアンテナ４４Ｂに印加されることにより、周辺空洞４０Ｂ内でも誘導結合による不活性ガスのプラズマが生成される。それぞれの第３高周波のパワーを可変することで、両空洞４０Ａ，４０Ｂ内に生成されるプラズマセルＰＣ_A，ＰＣ_Bの誘電率を個別に可変することができる。

さらに、この構成においては、両ヘリカルアンテナ４４Ａ，４４Ｂの巻き線方向や双方の第３高周波電源４５Ａ，４５Ｂよりそれぞれ出力される第３高周波の位相差を適宜選定することによっても、両プラズマセルＰＣ_A，ＰＣ_B間の誘電率ないしインピーダンスのバランスを適宜可変することができる。

図４の空洞プラズマ形成部４２は、図２の構成に図３の技法を変形して組み合わせたものである。より詳細には、図２の空洞４０の周囲で環状誘電体６４の中に１本または複数本のリング形放電管６６を設け、各放電管６６内で不活性ガスをグロー放電またはアーク放電させてプラズマを生成する構成としている。放電管６６内の電極に給電する交流電源４５Ｃは、グロー放電またはアーク放電に適した比較的低い周波数（たとえば商用周波数ないし１００ｋＨｚ程度の低い周波数）の交流を出力するものでよく、放電管内のプラズマ密度を可変できるようにパワー可変型に構成されてよい。放電管６６に直流放電管を使用することも可能であり、その場合は交流電源４５Ｃを直流電源に置き換えてよい。

図５の空洞プラズマ形成部４２は、空洞４０に放電用の不活性ガスを出入り可能とし、空洞４０内の圧力を可変できることを特徴としている。図示の構成例では、空洞４０の底の両端にガス導入口４０ａおよび排気口４０ｂを形成している。そして、チャンバ１０の外に設置される放電用ガス供給部６８よりガス供給管７０およびガス導入口４０ａを介して放電用の不活性ガスを可変の流量で空洞４０に導入し、チャンバ１０の外に設置される真空ポンプ内蔵の排気部７２により排気口４０ｂおよび排気管７４を介して空洞４０内を可変の排気速度で排気する。こうして、空洞４０内を所望かつ可変の真空圧力に設定して不活性ガスのプラズマを生成することができる。このように、空洞４０内の圧力を可変することによっても、プラズマセルＰＣのプラズマ密度ｎ_oを可変し、ひいてはプラズマ誘電率ε_pを可変することができる。もちろん、空洞４０内の圧力制御と第３高周波のパワー制御とを併用することも可能である。

図６の空洞プラズマ形成部４２は空洞４０の形状プロファイルに変化をつけるものであり、たとえば図示のように絶縁壁３８の底面を凹面に形成することで、空洞４０の厚さ（高さ）を中心部で最も大きくし、半径方向外側に向かって次第に減少するように構成している。

図７の空洞プラズマ形成部４２は、放電用アンテナの一変形例を示すものであり、たとえば図示のように空洞４０の底下に平面型スパイラルアンテナ７６を設ける構成も可能である。

図８および図９に、実施形態における空洞プラズマ形成部４２を上部電極に設ける場合の構成例を示す。

図８は、図１と同様に下部２周波重畳印加方式を採るプラズマエッチング装置において、接地電位の上部電極４８に空洞プラズマ形成部４２を設ける構成例を示している。この場合、空洞プラズマ形成部４２は、サセプタ１２上に載置される半導体ウエハＷと同軸でその直上に位置する。空洞４０の底壁の下面は処理空間ＰＳに曝されてスパッタされやすいので、底壁の内側を絶縁体７８で構成し、底壁の外側にたとえばＳiやＳiＣからなる電極板８０を着脱可能に設ける構成が好ましい。もっとも、絶縁体７８および電極板８０の２層構造に代えて石英の一層構造にすることも可能である。その他、空洞プラズマ形成部４２において上記した図３〜図７と同様の変形を施すことができる。

図９は、プラズマ生成用の第１高周波を上部電極４８に印加する方式を採る場合である。この場合、上部電極４８は環状の絶縁部材８２を介してチャンバ１０に電気的にフローティング状態で取り付けられる。第１高周波を出力する高周波電源２８は整合器３２Ａおよび上部給電棒３４Ａを介して上部電極４８に電気的に接続される。空洞プラズマ形成部４２自体は図８のものと同様の構成を有してよい。また、空洞プラズマ形成部４２を上部電極４８および下部電極１２の双方に設ける構成も可能である。

なお、図８および図９の構成例は、処理ガス供給部６０からのガス供給管６２をチャンバ１０の側壁に接続し、処理空間ＰＳに処理ガスを横から導入している。しかし、空洞プラズマ形成部４２の周囲に、あるいは空洞プラズマ形成部４２の底壁も含めて、シャワーヘッドを設けることも可能である。また、イオン引き込み用の第２高周波をサセプタ１２に給電する高周波電源３０を省くことも可能である。

上記した実施形態では、空洞プラズマ形成部４２の放電用ガスに消耗劣化の少ない不活性ガスを好適に使用した。しかし、必要に応じて反応性のガスを使用または混合・添加することも可能である。

また、上記した実施形態は、空洞プラズマ形成部４２において空洞４０内のガスを放電させるために専用の高周波（第３高周波）を用いた。しかし、本来の処理空間でプラズマを生成するために高周波電極（第１電極または第２電極）に印加している高周波を空洞プラズマ形成部４２におけるプラズマセルの生成に利用することも可能であり、その場合は第３高周波電源（４５）やアンテナ（４４，７６）等を省くことができるという利点がある。

本発明は、プラズマエッチング装置に限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理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。

本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 実施形態における空洞プラズマ形成部の一変形例を示す図である。 実施形態における空洞プラズマ形成部の別の変形例を示す図である。 実施形態における空洞プラズマ形成部の別の変形例を示す図である。 実施形態における空洞プラズマ形成部の別の変形例を示す図である。 実施形態における空洞プラズマ形成部の別の変形例を示す図である。 実施形態における空洞プラズマ形成部の別の変形例を示す図である。 実施形態におけるプラズマエッチング装置および空洞プラズマ形成部の一変形例を示す図である。 実施形態におけるプラズマエッチング装置および空洞プラズマ形成部の別の変形例を示す図である。

符号の説明

１０ チャンバ（処理容器）
１２ サセプタ（下部電極）
２４ 排気装置
２８，３０ 高周波電源
４０ 空洞
４０Ａ 中心空洞部
４０Ｂ 周辺空洞部
４２ 空洞プラズマ形成部
４４ ヘリカルアンテナ
４５，４５Ａ，４５Ｂ 高周波電源
４５Ｃ 交流電源
４８ 上部電極
６０ 処理ガス供給部
６４ 環状誘電体
６６ リング形放電管
６８ 放電用ガス供給部
７２ 排気部
７６ 平面型スパイラルアンテナ
７８ 絶縁体
８０ 電極板

Claims (17)

1. 真空排気可能な処理容器と、
   前記処理容器内で被処理基板を載置する第１電極と、
   前記処理容器内で前記第１電極と平行に向かい合う第２電極と、
   前記第１電極と前記第２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、
   前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方に、前記処理ガスのプラズマの生成に寄与する第１の高周波を印加する第１高周波給電部と、
   前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方に設けられた空洞を有し、前記空洞内でガスを放電させてプラズマを形成する空洞プラズマ形成部と
   を有するプラズマ処理装置。
2. 前記空洞内の放電用のガスが不活性ガスである請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方に、前記処理空間からプラズマ中のイオンを前記被処理体に引き込むための第２の高周波を印加する第２高周波給電部を有する請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記空洞の近傍または内部に設けられたアンテナまたは第３電極と、
   前記空洞内で前記ガスを放電させるために前記アンテナまたは第３電極に第３の高周波を給電する第３高周波給電部と
   を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記アンテナは前記空洞の周囲に設けられたヘリカルアンテナであり、前記空洞内で誘導結合型のプラズマを生成する請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記空洞内のプラズマの誘電率を制御するために前記アンテナまたは第３電極に供給する前記第３の高周波の電力を制御する請求項４に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記処理空間から前記空洞内の空間を分離するために当該電極の主面に設けられた絶縁体を有する請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記空洞の壁を全て絶縁体で構成する請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記空洞の中に前記放電用のガスを減圧状態で封入する請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記空洞の中に前記放電用ガスを供給するためのガス供給部と、前記空洞内を所望の圧力で減圧状態にするための排気部とを有する請求項１〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記空洞内のプラズマの誘電率を制御するために前記空洞内の圧力を制御する請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記処理空間内の半径方向におけるプラズマ密度の空間分布特性を制御するために前記空洞内のプラズマの誘電率を制御する請求項６または請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記空洞が、前記基板よりも小さな口径を有する略円筒状の空間であって、前記第１電極に載置される前記基板と略同軸で半径方向に広がる請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記空洞の前記電極の主面と直交する方向の厚みが半径方向で変化する請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記空洞の周囲で当該電極の主面を覆う環状の誘電体を有する請求項１〜１４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
16. 前記空洞が、
    前記基板よりも小さな口径を有し、前記第１電極に載置される前記基板と略同軸で半径方向に広がる略円筒状の第１空洞部と、
    前記第１空洞部の半径方向外側に設けられる環状の第２空洞部と
    を有する請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記第１空洞部および前記第２空洞部でそれぞれ生成されるプラズマの誘電率を独立に制御する請求項１６に記載のプラズマ処理装置。

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