JP2009231692A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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】このプラズマ処理装置は、サセプタ１２をサセプタ中心電極１２Ａとサセプタ周辺電極１２Ｂとに半径方向で２分割し、高周波放電またはプラズマ生成のために高周波電源１６より出力される高周波をサセプタ周辺電極１２Ｂ上に下部給電導体１８を介して優先的に供給すると同時に、サセプタ中心電極１２Ａ上にも可変容量結合部２８を介して可変の分配比で該高周波を供給するように構成している。
【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（高周波放電）に好適な比較的高い周波数（通常４０ＭＨｚ以上）を有する第１高周波と基板へのイオンの引き込み（バイアス）に好適な比較的低い周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）を有する第２高周波とを下部電極に同時に印加する下部２周波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。最近のプラズマプロセスでは、使用するガス・圧力の種類・範囲が増加・拡大傾向にあるために、均一性を満足できないケースが増えており、プラズマ分布を自由に変えられる調整ノブが求められている。

また、下部２周波印加方式においては、周波数の高い第１高周波と周波数の低い第２高周波とでは、下部電極の主面上の電界強度分布特性が異なる。しかるに、従来は、第１高周波および第２高周波を同一の給電部材を介して単体の下部電極に印加するので、下部電極に載置される被処理基板上で（第１高周波の電界強度分布特性に依存する）プラズマ密度分布特性と（第２高周波の電界強度分布特性に依存する）自己バイアス電圧分布特性とを同時に最適化することが難しく、たとえば、プラズマ密度の均一性を改善しようとするとそれと引き換えに異方性エッチングの均一性が低下するというトレードオフの問題があった。

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、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。

本発明の別の目的は、プラズマ密度分布特性と自己バイアス電圧分布特性とを同時に最適化できるようにした下部２周波数印加方式の容量結合型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下部中心電極と、前記下部中心電極から電気的に絶縁されて前記下部中心電極の外周を環状に囲む下部周辺電極と、前記下部中心電極および前記下部周辺電極と対向してその上方に配置される上部電極と、前記下部中心電極および前記下部周辺電極と前記上部電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、高周波放電によって前記処理ガスのプラズマを生成するための第１高周波を出力する第１高周波電源と、前記第１高周波電源からの前記第１高周波を前記下部周辺電極上に優先的に供給するために前記下部周辺電極の背面に接続される第１下部給電導体と、前記第１高周波電源からの前記第１高周波の一部を前記下部中心電極上に供給するために、前記第１給電導体および前記下部周辺電極の少なくとも一方と前記下部中心電極とをインピーダンス可変の容量結合で電気的に接続する第１可変容量結合部とを有する。

上記の装置構成においては、第１高周波電源からの第１高周波が第１下部給電導体を介して下部周辺電極上に優先的に供給され、その残りが第１可変容量結合部を介して下部中心電極上に供給される。第１可変容量結合部のインピーダンスを可変することで、第１高周波の下部周辺電極および下部中心電極に分配される割合を可変することができる。これによって、下部周辺電極直上の高周波電界強度と下部中心電極直上の高周波電界強度の比またはバランスを可変し、被処理基板上のプラズマ密度分布を自由かつ容易に制御することができる。

本発明の好適な一態様によれば、第１下部給電導体は、下部中心電極の中心部の直下で鉛直上方に延びて、下部中心電極から離間した位置で終端する第１給電棒と、この第１給電棒の上端部から半径方向外側および上方に延びて下部周辺電極の背面に至る面状の接続部とを有する。第１高周波電源より出力された第１高周波は、第１給電棒の外周面表層を伝わってその上端に至ると、そこから面状接続部の外側面表層を伝って下部周辺電極の外周面から上面に回り込み、下部周辺電極の上面から処理空間へ放出される。

好適な一態様として、第１可変容量結合部は、第１給電棒または面状接続部と下部中心電極との間に設けられる。この場合、下部周辺電極の上面から処理空間へ放出されなかった残りの第１高周波が、下部周辺電極の内周面表層および面状接続部の内側面表層を経由して、第１可変容量結合部を通り、下部中心電極の背面に入る。そして、下部中心電極の外周面から上面に回った第１高周波はそこで処理空間へ放出される。

より具体的な一態様として、第１可変容量結合部は、面状接続部と下部中心電極との間の空間内で円周方向に一定の間隔を置いて配置され、各々が水平な軸を回転中心として回転方向に変位可能に設けられる多数の導体板を有する。この構成においては、導体板と面状接続部との間に可変の隙間を介して下部コンデンサが形成され、導体板と下部中心電極との間に可変の隙間を介して上部コンデンサが形成される。両コンデンサの隙間の大きさを可変することで、第１可変容量結合部のコンデンサ容量ないしインピーダンスを可変することができる。

別の具体的な一態様として、第１可変容量結合部は、同心円状に複数配置され、下部中心電極に電気的に接続された環状の上部フィン導体と、この上部フィン導体に対して半径方向にオフセットして同心円状に複数配置され、第１給電棒または面状接続部に電気的に接続された環状の下部フィン導体と、上部フィン導体と下部フィン導体とを半径方向で対向させた状態で両者を鉛直方向で相対的に変位させるためのフィン導体変位機構とを有する。この構成においては、上部フィン導体と下部フィン導体との間に可変の対向面積を介してコンデンサが形成される。フィン導体変位機構により対向面積を可変し、第１可変容量結合部のコンデンサ容量ないしインピーダンスを可変することができる。

別の好適な一態様において、第１可変容量結合部は、下部中心電極と第１下部給電導体および下部周辺電極の少なくとも一方との間に環状に設けられる中空の誘電体を有し、この中空誘電体の内部に、流動性の誘電性物質を可変量で収容し、あるいは導体板を所定の方向で変位可能に収容する。かかる構成においては、中空誘電体の内部において流動性の誘電性物質の量を可変し、あるいは導体板の位置や向きを可変することで、第１可変容量結合部のコンデンサ容量ないしインピーダンスを可変することができる。この場合、下部周辺電極の上面から処理空間へ放出されなかった残りの第１高周波が、第１可変容量結合部を通って下部中心電極の外周面に入り、そこから下部中心電極の上面に回って処理空間へ放出される。

本発明の好適な一態様においては、主としてプラズマ中のイオンを被処理基板に引き込むための第２高周波を出力する第２高周波電源と、この第２高周波電源からの第２高周波を専らまたは優先的に下部中心電極に供給するために下部中心電極の背面に接続される第２下部給電導体とが設けられる。かかる第２下部給電導体は、好ましくは、中空管に形成された第１給電棒の中を貫通して、下部中心電極の背面の中心部に接続する第２給電棒を有する。あるいは、第１給電棒部の傍らをそれと平行に延びて、下部中心電極の背面の中心部よりも半径方向外側の部位に接続する第２給電棒を有してもよい。また、第２高周波電源からの第２高周波の一部を下部周辺電極に供給するために、第２下部給電導体と第１下部給電導体とをインピーダンス可変の容量結合で電気的に接続する第２可変容量結合部を有する構成も可能である。

このような第２下部給電導体を備え、第１高周波とは独立して、第２高周波を下部中心電極のみに限定して、あるいは下部中心電極と下部周辺電極とに所望の割合で分配することで、第２高周波に基づくイオン引き込み用の直流的電界強度分布を最適化することができる。

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、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。さらには、プラズマ密度分布特性と自己バイアス電圧分布特性とを同時に最適化することもできる。

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、本発明の一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、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、サセプタまたは下部電極１２が高周波電極として水平に配置されている。このサセプタ１２は、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板形のサセプタ中心電極（下部中心電極）１２Ａと、このサセプタ中心電極１２Ａの外周を取り囲むリング形状のサセプタ周辺電極（下部周辺電極）１２Ｂとに半径方向で２分割されている。両電極１２Ａ，１２Ｂの間には、円筒状の絶縁体１４が適当なシール部材（図示せず）を介して気密に挟まっている。両電極１２Ａ，１２Ｂはたとえばアルミニウムからなり、絶縁体１４はたとえば石英またはセラミックからなる。

サセプタ周辺電極１２Ｂの背面（下面）には、高周波電源１６より所望のパワーで出力されるプラズマ生成に適した周波数（たとえば６０ＭＨｚ）の高周波をサセプタ周辺電極１２Ｂに優先的に供給するための下部給電導体１８が接続されている。この下部給電導体１８は、サセプタ中心電極１２Ａの直下に配置されたマッチングユニット２０の出力端子から鉛直上方に延びて、サセプタ中心電極１２Ａより離間した位置で終端する中空の下部給電棒２２と、この下部給電棒２２の上端部から半径方向外側に広がって延びる円板状の水平接続部２４と、この水平接続部２４の外周端から鉛直上方に延びてサセプタ周辺電極１２Ｂの背面に接続する円筒状の垂直接続部２６とを有している。水平接続部２４と垂直接続部２６は一体となってトレー形状の面状接続部２５を形成している。下部給電導体１８の各部は、電気伝導度の高い銅系またはアルミニウム系の金属で構成されてよい。垂直接続部２６は、サセプタ周辺電極１２Ｂの下部延長部分として一体形成されてもよい。

下部給電導体１８とサセプタ中心電極１２Ａとの間の空間には、高周波電源１６からの高周波をサセプタ中心電極１２Ａにも分配するために、下部給電導体１８とサセプタ中心電極１２Ａとをインピーダンス可変の容量結合（たとえば、回路または素子または構造体）で電気的に接続する可変容量結合部２８が設けられている。この可変容量結合部２８の具体的な構成および作用については後に説明する。

上記したサセプタ中心電極１２Ａ、サセプタ周辺電極１２Ｂ、絶縁体１４および下部給電導体１８（特に面状接続部２５）からなる円筒状ないし円柱状の組立体は、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円筒状支持部３０により非接地で支持されている。

絶縁性円筒状支持部３０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円筒状支持部３２とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路３４が形成され、底部に排気ポート３６が設けられている。排気ポート３６には排気管３８を介して排気装置４０が接続されている。排気装置４０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内のプラズマ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の側壁の外には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ４２が取り付けられている。

サセプタ中心電極１２Ａ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円板状の静電チャック４４が設けられている。この静電チャック４４は膜状または板状の誘電体の中にシート状またはメッシュ状の導電体を入れたもので、サセプタ中心電極１２Ａの上面に一体形成または一体固着されており、該導電体にはチャンバ１０の外に配置される直流電源４６がスイッチ４８および給電線（たとえば被覆線）５０を介して電気的に接続されている。直流電源４６より印加される直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷを静電チャック４４上に吸着保持することができる。

静電チャック４４の周囲には、円筒状絶縁体１４の上面にフォーカスリング５２が着脱可能に配置されるとともに、サセプタ周辺電極１２Ｂの上面にカバーリング５４が着脱可能に配置されている。フォーカスリング５２およびカバーリング５４は、たとえばＳi，ＳiＣ，Ｃ，ＳiＯ2等の材質からなり、それぞれ個別の部品でもよく、あるいは一体部品であってもよい。

サセプタ中心電極１２Ａの内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室５６が設けられている。この冷媒室５６には、チャンバ１０の外のチラーユニット（図示せず）より配管（図示せず）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静電チャック４４上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、チャンバ１０の外の伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管（図示せず）およびサセプタ中心電極１２Ａ内に形成されているガス通路５８を介して静電チャック４４および半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

チャンバ１０の天井には、サセプタ中心電極１２Ａおよびサセプタ周辺電極１２Ｂ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６０が設けられている。この上部電極６０は、サセプタ１２と向かい合う電極板６２と、この電極板６２をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体６４とを有し、電極支持体６４の内部にガス室６６を設け、このガス室６６からサセプタ１２側に貫ける多数のガス吐出孔６５を電極支持体６４および電極板６２に形成している。電極板６２とサセプタ中心電極１２Ａおよびサセプタ周辺電極１２Ｂ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６０の上部に設けられるガス導入口６０ａには、処理ガス供給部６８からのガス供給管７０が接続されている。なお、電極板６２はたとえばＳiやＳiＣからなり、電極支持体６４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における主たる特徴は、上記のようにサセプタ１２をサセプタ中心電極１２Ａとサセプタ周辺電極１２Ｂとに半径方向で２分割していることと、高周波放電またはプラズマ生成のために高周波電源１６より出力される高周波をサセプタ周辺電極１２Ｂに下部給電導体１８を介して優先的に供給すると同時に、サセプタ中心電極１２Ａにも可変容量結合部２８を介して可変の分配比で高周波を供給するように構成している点にある。

図２Ａおよび図２Ｂに、一実施例による可変容量結合部２８の具体的構成を示す。この可変容量結合部２８は、下部給電棒２２の上端付近で水平接続部２４とサセプタ中心電極１２Ａとの間に配置された円筒状（または円柱状）の中心絶縁体７２と、この中心円筒状絶縁体７２の外周面と周辺側の円筒状絶縁体１４の内周面との間に円周方向に一定の間隔を置いて放射状に配置された多数の短冊状導体板７４と、これらの短冊状導体板７４を回転変位可能に両円筒状絶縁体７２，１４に取り付けるための水平支持軸７６とを有している。

短冊状導体板７４と水平接続部２４との間、および短冊状導体板７４とサセプタ中心電極１２Ａとの間には、それぞれ可変の隙間ｄを挟んでコンデンサが形成される。下部給電導体１８とサセプタ中心電極１２Ａとは、可変容量結合部２８の上記コンデンサを介してインピーダンス可変の容量結合で電気的に接続される。

図２Ａに示すように、短冊状導体板７４を板面が鉛直になる姿勢にすると、隙間が最小ｄ_minになって、コンデンサの容量が最大になり、可変容量結合部２８のインピーダンスは最小になる。また、図２Ｂに示すように、短冊状導体板７４を水平姿勢にすると、隙間が最大ｄ_MAXになって、コンデンサの容量が最小になり、可変容量結合部２８のインピーダンスは最大になる。図示の例の場合、垂直姿勢（図２Ａ）よりも水平姿勢（図２Ｂ）の方が短冊状導体板７４の下部給電導体１８およびサセプタ中心電極１２Ａと対向する面積（コンデンサ電極面積）は数倍大きくなるが、コンデンサ電極間隔比ｄ_MAX／ｄ_minをたとえば数十倍にすることによって、コンデンサ電極面積比を無視することができる。

図３につき、この実施形態における下部給電導体１８および可変容量結合部２８の作用（特に高周波給電に関する作用）を説明する。高周波電源１６（図１）より出力された高周波ＲＦは、マッチングユニット２０を抜けると、下部給電棒２２の外周面表層を伝って上方に伝播し、下部給電棒２２の終端（上端）に至るとそこから水平接続部２４の下面表層を伝って放射状に半径方向外側に伝播し、水平接続部２４の終端（外周端）から垂直接続部２６の外周面表層およびサセプタ周辺電極１２Ｂの外周面表層を回ってサセプタ周辺電極１２Ｂの上面に行き着く。ここで、カバーリング５４を介して処理空間ＰＳに面し、サセプタ周辺電極１２Ｂの上面から相当なパワーで高周波ＲＦが処理空間ＰＳに放出される。

そして、残りの高周波ＲＦは、サセプタ周辺電極１２Ｂの内周面表層および垂直接続部２６の内周面表層を伝って水平接続部２４の上面に回り込み、そこから可変容量結合部２８のコンデンサ（短冊状導体板７４，隙間ｄ）を通ってサセプタ中心電極１２Ａの背面（下面）に入り、そこからサセプタ中心電極１２Ａの外周面を迂回して上面に行き着く。ここで、高周波ＲＦは処理空間ＰＳに面し、サセプタ中心電極１２Ａの中心部に向かって電極上面表層を伝播しながら各位置で処理空間ＰＳに向けてＲＦパワーを放出する。

なお、高周波ＲＦの中には、サセプタ周辺電極１２Ｂから絶縁体１４を通り抜けてサセプタ中心電極１２Ａに入るものもあるが、絶縁体１４は静電容量が小さく構成されていることが多いので、絶縁体１４の静電容量が小さい場合わずかであり、無視してよい。

このように、この実施形態のプラズマエッチング装置では、高周波電源１６からの高周波ＲＦが下部給電導体１８を通じてサセプタ周辺電極１２Ｂに先行的かつ優先的に供給されることにより、サセプタ周辺電極１２Ｂから高周波ＲＦが少なくないパワーで処理空間ＰＳに放出される。そして、サセプタ周辺電極１２Ｂで処理空間ＰＳに放出されなかった残りの高周波ＲＦが、可変容量結合部２８を介してサセプタ中心電極１２Ａに供給され、サセプタ中心電極１２Ａから処理空間ＰＳに放出される。可変容量結合部２８のインピーダンスを可変することにより、サセプタ周辺電極１２Ｂの直上とサセプタ中心電極１２Ａの直上との高周波電界強度の比ひいてはプラズマ密度の比を任意に調整することができる。たとえば、可変容量結合部２８のインピーダンスを高めに調整することで、サセプタ周辺電極１２Ｂ直上のプラズマの密度をサセプタ中心電極１２Ａ直上のプラズマの密度よりも高くして、サセプタ周辺電極１２Ｂ側からチャンバ中心側へプラズマを拡散させることにより、サセプタ中心電極１２Ａに載置されているウエハＷ上のプラズマ密度を径方向で均一化することができる。

なお、高周波の周波数を高くすると（波長が短くなると）、サセプタ中心電極１２Ａの上面においては、表皮効果によって高周波が電極中心部に集中し、電極中心部側の高周波電界強度（プラズマ密度）が電極エッジ部側の高周波電界強度（プラズマ密度）よりも相対的に高くなりやすく、上記のようにサセプタ周辺電極１２Ｂ直上の高周波電界強度（プラズマ密度）を十分高くしても完全には補い切れないこともある。そのような場合は、たとえば上記特許文献１に記載の技術を組み合わせてよく、図２Ａ、図２Ｂおよび図３に示すようにサセプタ中心電極１２Ａの上面に中心が最も深くてエッジ部へ向かって次第に浅くなるようなプロファイルで誘電体７８を埋め込むことで、電極中心部の高周波電界強度を緩和し、より一層理想に近いプラズマ密度均一性を実現することができる。

図４Ａおよび図４Ｂに、別の実施例による可変容量結合部２８の具体的構成を示す。この実施例においては、サセプタ中心電極１２Ａの下面に上部フィン支持板８０を介して環状の上部フィン８２が同心円状に多数設けられる。そして、これらの上部フィン８２に対して半径方向にオフセットして同心円状に環状の下部フィン８４が可動の下部フィン支持板８６の上に多数設けられ、上部フィン８２と下部フィン８４とを半径方向で対向させた状態でフィン変位機構８８により下部フィン８４を鉛直方向で上下に変位させるようにしている。

フィン変位機構８８は、下部給電棒２２の外周面に摺動可能に取り付けられる操作部９０と、水平接続部２４に形成された貫通孔９２を通って下部フィン支持板８６と操作部９０とを結合する接続棒９４とを有している。貫通孔９２および接続９４は、サセプタ中心電極１２Ａの中心を通る線の上に重心が位置するように、円周方向に一定の間隔を置いて多数設けられる。操作部９０は、手動またはアクチエータ等により上下に移動し、一定範囲内の任意の高さ位置で固定または保持されるようになっている。

この可変容量結合部２８において、上記の構成部品または部材（８０〜９４）のいずれも導体たとえばアルミニウムからなり、上部フィン８２と下部フィン８４との間にコンデンサ９６が形成される。そして、操作部９０、接続棒９４および下部フィン支持板８６を通じて下部フィン８４の高さ位置を変えることで、上部フィン８２と下部フィン８４とが平行に向かい合う面積（コンデンサ電極面積）を可変し、これによってコンデンサ９６の容量またはインピーダンスを可変できるようにしている。

図４Ａは、可変容量結合部２８のコンデンサ容量を最大にするために、下部フィン８４の高さ位置を上限位置に合わせた場合を示す。図４Ｂは、可変容量結合部２８のコンデンサ容量を最小にするために、下部フィン８４の高さ位置を下限位置に合わせた場合を示している。

図５につき、この実施例における下部給電導体１８および可変容量結合部２８の作用（特に高周波給電に関する作用）を説明する。高周波電源１６（図１）より出力された高周波ＲＦは、マッチングユニット２０を抜けると、下部給電棒２２の外周面表層を伝って上方に伝播し、その途中で高周波ＲＦの一部が操作部９０、接続棒９４を伝ってコンデンサ９６を通り、サセプタ中心電極１２Ａに入る。一方、操作部９０でバイパスせずに下部給電棒２２を通り抜けた高周波ＲＦは、面状接続部２５（水平接続部２４、垂直接続部２６）の外側面表層を伝ってサセプタ周辺電極１２Ｂに入る。サセプタ中心電極１２Ａおよびサセプタ周辺電極１２Ｂのいずれにおいても、高周波ＲＦは電極外周面を経由して電極上面に行き着き、そこで処理空間ＰＳへ放出される。

この実施例では、可変容量結合部２８の支持棒９４のインピーダンスが絶対的に大きいので、可変容量結合部２８においてコンデンサ９６の容量またはインピーダンスを可変しても、サセプタ中心電極１２Ａにバイパスされる高周波ＲＦの割合は決して多くはなく、高周波ＲＦの多くがサセプタ周辺電極１２Ｂに供給される高周波給電構造となっている。図示省略するが、可変容量結合部２８において、可動の下部フィン８４を面状接続部２５の内側面に可撓性の接続導体を介して電気的に接続し、サセプタ周辺電極１２Ｂより放出された高周波ＲＦの残りをサセプタ周辺電極１２Ｂの内周面、面状接続部２５の内側面および該可撓性接続導体を経由してコンデンサ９６を通すように構成することも可能である。その場合は、操作部９０および支持棒９４からなるバイパス路は設けられない。

再び図１において、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば高周波電源１６，排気装置４０、スイッチ４８、処理ガス供給部６８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４２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、静電チャック４４の上に載置する。そして、処理ガス供給部６８よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量で密閉状態のチャンバ１０内に導入し、排気装置４０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１６をオンにして高周波（６０ＭＨｚ）を所定のパワーで出力させ、この高周波をマッチングユニット２０および下部給電導体１８を介してサセプタ１２（１２Ａ，１２Ｂ）に印加する。また、スイッチ４８をオンにし、静電吸着力によって、静電チャック４４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。上部電極（シャワーヘッド）６０のガス吐出孔６５より吐出されたエッチングガスは両電極１２，６０間で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でエッチングされる。

この容量結合型プラズマエッチング装置は、上記のようにサセプタ周辺電極１２Ｂへの供給を優先させる仕方で高周波放電用の高周波を所望の分配比でサセプタ中心電極１２Ａとサセプタ周辺電極１２Ｂとに供給し、サセプタ周辺電極１２Ｂ直上の高周波電界強度とサセプタ中心電極１２Ａ直上の高周波電界強度の比またはバランスを自由に調整できるようにしているので、半導体ウエハＷ上のプラズマ密度を径方向で均一化することも可能かつ容易であり、エッチング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。

図６に第２の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。図中、上記第１の実施形態（図１）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。

このプラズマエッチング装置は、カソードカップルの下部２周波印加方式を採っており、プラズマ生成用の第１高周波電源１６に加えて、イオン引き込み用の第２高周波電源１００を備える。ここで、第２高周波電源１００は、サセプタ中心電極１２Ａ上の半導体ウエハＷにプラズマからイオンを引き込むための直流電界または自己バイアス電圧を生成するのに適した比較的低い周波数（たとえば２ＭＨｚ）の第２高周波を所望のパワーで出力する。

マッチングユニット２０には、第１および第２高周波電源１６，１００用のそれぞれの整合器が一緒に収容されている。その内、第１高周波電源１６用の整合器の出力端子は、上記第１の実施形態と同様に、第１下部給電導体１８の下部給電棒２２に接続されている。一方、第２高周波電源１００用の整合器の出力端子は、下部給電棒２２の内径よりも細い下部給電棒１０２に接続されている。この下部給電棒１０２は、下部給電棒２２の中をまっすぐ鉛直上方に延びて、サセプタ中心電極１２Ａの背面中心部に終端（結合）する。下部給電棒１０２は、イオン引き込み用の第２高周波を専らサセプタ中心電極１２Ａに供給するための第２下部給電導体１０４を構成している。

このプラズマエッチング装置における可変容量結合部１０５は、サセプタ中心電極１２Ａとサセプタ周辺電極１２Ｂとの間の隙間にたとえば石英からなる中空の円筒状誘電体１０６を気密にシールして挟み込み、この中空誘電体１０６の内部に誘電率の高い流動性の誘電性物質たとえばガルデン１０８を可変量で収容する構成を採っており、誘電率が約３のガルデン１０８を介してサセプタ中心電極１２Ａとサセプタ周辺電極１２Ｂとを容量結合で電気的に接続している。

図示の構成例では、チャンバ１０の側壁の外にガルデン貯留用のシリンダ１１０を上下移動可能に配置し、中空誘電体１０６の下部ポートとシリンダ１１０の下部ポートとを可撓性の下部配管１１２を介して接続している。パスカルの原理を利用し、シリンダ１１０の高さ位置を変えることで、中空誘電体１０６内のガルデン１０８の液面高さを可変し、ひいては可変容量結合部１０５のコンデンサ容量ないしインピーダンスを可変できるようにしている。すなわち、シリンダ１１０の位置を高くすると、中空誘電体１０６内のガルデン１０８の液面が上昇し、可変容量結合部１０５のコンデンサ容量が大きくなり、インピーダンスは低くなる。逆に、シリンダ１１０の位置を低くすると、中空誘電体１０６内のガルデン１０８の液面が下がり、可変容量結合部１０５のコンデンサ容量が小さくなり、インピーダンスは高くなる。なお、中空誘電体１０６の上部ポートとシリンダ１１０の上部ポートとを接続している上部配管１１４は、中空誘電体１０６を溢れたガルデン１０８をシリンダ１１０側に回収するためのものである。かかる可変容量結合部１０５は、構成が簡易であり、コンデンサ容量の可変調整を容易に行えるという利点がある。

図７につき、この実施形態における作用、特に第２下部給電導体１０４および可変容量結合部１０５の作用を説明する。第１高周波電源１６（図６）より出力された第１高周波ＲＦ₁は、マッチングユニット２０の出力端子から第１下部給電導体１８へ送られ、下部給電棒２２の外周面表層および面状接続部２５の外側面表層を伝ってサセプタ周辺電極１２Ｂの外周面から上面に回り込む。ここで、つまりサセプタ周辺電極１２Ｂの上面から第１高周波ＲＦ₁の多くが処理空間ＰＳに放出される。そして、残りの第１高周波ＲＦ₁は、サセプタ周辺電極１２Ｂの内周面表層から可変容量結合部１０５のコンデンサ（ガルデン１０８）を通ってサセプタ中心電極１２Ａの外周面に入り、そこからサセプタ中心電極１２Ａの上面に回り込み、電極中心部に向かって電極上面表層を伝播しながら各位置で処理空間ＰＳにＲＦパワーを放出する。

第１高周波ＲＦ₁によってサセプタ周辺電極１２Ｂおよびサセプタ中心電極１２Ａの直上で生成されるプラズマの密度は、可変容量結合部１０５の調整ノブによって可変調整できる。すなわち、サセプタ周辺電極１２Ｂ直上のプラズマ密度を高くしてサセプタ中心電極１２Ａ直上のプラズマ密度を低くするには、可変容量結合部１０５のコンデンサ容量を小さくしてインピーダンスを高くする方向に調整すればよい。反対に、サセプタ周辺電極１２Ｂ直上のプラズマ密度を低くしてサセプタ中心電極１２Ａ直上のプラズマ密度を高くするには、可変容量結合部１０５のコンデンサ容量を大きくしてインピーダンスを低くする方向に調整すればよい

一方、第２高周波電源１００（図６）より出力された第２高周波ＲＦ₂は、マッチングユニット２０の出力端子から第２下部給電導体１０４へ向けられ、下部給電棒１０２の外周面表層を伝ってサセプタ中心電極１２Ａの背面中心部に入り、そこからサセプタ中心電極１２Ａの外周面を経由で上面に行き着く。サセプタ中心電極１２Ａの上面で、第２高周波ＲＦ₂は、電極エッジ部から電極中心部に向かって上面表層を伝播しながら各位置で処理空間ＰＳにＲＦパワーを放出する。この場合、第２高周波ＲＦ₂は、周波数が比較的低いので、表皮効果によってサセプタ中心電極１２Ａの中心部に多く集中することがなく、電極上面の各位置でほぼ均一にＲＦパワーを放出する。

このように、この第２の実施形態の下部２周波印加方式においては、プラズマ生成用の第１高周波ＲＦ₁が第１下部給電導体１８および可変容量結合部１０５を介してサセプタ中心電極１２Ａとサセプタ周辺電極１２Ｂとに所望の分配比で給電されるとともに、イオン引き込み用の第２高周波ＲＦ₂が第２下部給電導体１０４の下部給電棒１０２を介して専らサセプタ中心電極１２Ａに給電される。これにより、上記下部１周波印加方式（図１）と同様に第１高周波ＲＦ₁に基づくサセプタ周辺電極１２Ｂ直上の高周波電界強度とサセプタ中心電極１２Ａ直上の高周波電界強度のバランスを任意に調整してプラズマ密度分布を自由に制御できると同時に、半導体ウエハＷを載置するサセプタ中心電極１２Ａ上の第２高周波ＲＦ₂に基づく直流的電界強度（セルフバイアス電圧）を最適化することも容易に行える。このことにより、エッチングプロセスの均一性や歩留まりを大きく向上させることができる。

図８に、上記した第２の実施形態のプラズマエッチング装置（図６）において、第２下部給電導体１０４に係る一変形例の構成を示す。この変形例のように、第２下部給電導体１０４の下部給電棒１０２を第１下部給電導体１８の傍ら（外）でそれと平行に設けることも可能である。この場合、下部給電棒１０２は、サセプタ中心電極１２Ａの中心を通る線の上に重心が位置するように、円周方向に一定の間隔を置いて複数設けられてよい。

図９に、第３の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。このプラズマエッチング装置も下部２周波印加方式を採っており、特徴部分は２つある。１つは、可変容量結合部１０５の構成を変形している点である。図示のように、中空誘電体１０６の環状空洞内にガルデンの代わりにリング状の導体板１２０を上下移動可能に収容し、チャンバ１０の下に配置したアクチエータ１２２によってリング状導体板１２０の高さ位置を可変し、可変容量結合部１０５のコンデンサ容量を可変できるようにしている。すなわち、リング状導体板１２０の位置を高くすると可変容量結合部１０５のコンデンサ容量が大きくなり、インピーダンスは低くなる。逆に、リング形導体板１２０の位置を低くすると可変容量結合部１０５のコンデンサ容量が小さくなり、インピーダンスは高くなる。別の変形例として、リング状導体板１２０を円周方向に一定の間隔を置いて配置される多数の短冊状導体板に置き換えて、それらの短冊状導体板を鉛直軸を回転中心とする回転方向で変位させる構成も可能である。

他の特徴部分は、第２高周波電源１００より出力されるイオン引き込み用の第２高周波をサセプタ中心電極１２Ａに優先的に供給しつつもサセプタ周辺電極１２Ｂにも一部分配して供給するように、第２下部給電導体１０４を構成している点である。図示の構成例は、第１下部給電導体１８とサセプタ中心電極１２Ａとの間に形成される空間の中で第２下部給電棒１０２の外周を環状に囲み、かつ第１下部給電導体１８の面状接続部２５（特に水平接続部２４）と容量結合で電気的に接続可能な位置まで半径方向外側に延びる面状導体板１２４を設けている。たとえばチャンバ１０の底面に取り付けた昇降アクチエータ１２６により面状接続部２５を上下方向に移動させることができる。面状導体板１２４を水平接続部２４に近接させると、両者の間にコンデンサが形成される。第２下部給電棒１０２を伝って伝播してきた第２高周波の一部がこのコンデンサ（１２４，２４）を通って第１下部給電導体１８に分流し、サセプタ周辺電極１２Ｂの内周面を伝って上面へ回り込み、処理空間ＰＳへ放出される。コンデンサの容量ないしインピーダンスを可変することで、第１下部給電導体１８に分配される第２高周波の割合を可変することができる。

このように、イオン引き込み用の第２高周波をサセプタ中心電極１２Ａだけでなくサセプタ周辺電極１２Ｂにも可変の分配比で供給する方式も可能である。たとえば、サセプタ中心電極１２Ａ上に載置される半導体ウエハＷのエッジがサセプタ周辺電極１２Ｂの直上または近傍に位置している場合には、この方式を好適に用いることができる。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは決してなく、種々の変形が可能である。特に、下部給電導体（１８，１０４）および可変容量結合部（２８，１０５）の構成については装置内の他の機構と最適に組み合わさるように種々の選択・変形を行うことができる。

たとえば、上記第２、第３の実施形態において説明した下部給電導体１０４の構成を第１の実施形態に適用してもよい。逆な見方をすれば、第１の実施形態の可変容量結合部２８の構成を第２、第３の実施形態の可変容量結合部１０５の構成に代えて、第２、第３の実施形態に適用してもよい。

また、本発明は、上記実施形態のような下部１周波印加方式や下部２周波印加方式への適用に限定されるものではなく、たとえばサセプタ（下部電極）にさらに異なる第３周波数を印加する下部３周波印加方式にも好適に適用可能である。

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。

本発明の第１の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。 第１実施例による可変容量結合部の具体的構成例を示す断面図であって、コンデンサ容量を最大に調整した場合を示す図である。 第１実施例による可変容量結合部の具体的構成例を示す断面図であって、コンデンサ容量を最小に調整した場合を示す図である。 図１のプラズマエッチング装置における下部給電導体および第１実施例の可変容量結合部の作用を模式的に説明するための図である。 第２実施例による可変容量結合部の具体的構成例を示す断面図であって、コンデンサ容量を最大に調整した場合を示す図である。 第２実施例による可変容量結合部の具体的構成例を示す断面図であって、コンデンサ容量を最小に調整した場合を示す図である。 図１のプラズマエッチング装置における下部給電導体および第２実施例の可変容量結合部の作用を模式的に説明するための図である。 第２の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。 図６のプラズマエッチング装置における下部給電導体および可変容量結合部の作用を模式的に説明するための図である。 図６のプラズマエッチング装置における第２下部給電導体の一変形例を示す縦断面図である。 第３の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。

符号の説明

１０ チャンバ（処理容器）
１２ サセプタ（下部電極）
１２Ａ サセプタ中心電極（下部中心電極）
１２Ｂ サセプタ周辺電極（下部周辺電極）
１４ 絶縁体
１６ （第１）高周波電源
１８ （第１）下部給電導体
２２ （第１）下部給電棒
２４ 水平接続部
２５ 面状接続部
２６ 垂直接続部
２８ 可変容量結合部
４０ 排気装置
７４ 短冊状導体板
８２ 上部フィン
８４ 下部フィン
９０ 操作部
１００ 第２高周波電源
１０２ 第２下部給電棒
１０４ 第２下部給電導体
１０６ 中空誘電体
１０８ ガルデン
１２０ リング状導体板

Claims (11)

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下部中心電極と、
   前記下部中心電極から電気的に絶縁されて前記下部中心電極の外周を環状に囲む下部周辺電極と、
   前記下部中心電極および前記下部周辺電極と対向してその上方に配置される上部電極と、
   前記下部中心電極および前記下部周辺電極と前記上部電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   高周波放電によって前記処理ガスのプラズマを生成するための第１高周波を出力する第１高周波電源と、
   前記第１高周波電源からの前記第１高周波を前記下部周辺電極上に優先的に供給するために前記下部周辺電極の背面に接続される第１下部給電導体と、
   前記第１高周波電源からの前記第１高周波の一部を前記下部中心電極上に供給するために、前記第１下部給電導体および前記下部周辺電極の少なくとも一方と前記下部中心電極とをインピーダンス可変の容量結合で電気的に接続する第１可変容量結合部と
   を有するプラズマ処理装置。
2. 前記第１下部給電導体は、
   前記下部中心電極の中心部の直下で鉛直上方に延びて、前記下部中心電極から離間した位置で終端する第１給電棒と、
   前記第１給電棒の上端部から半径方向外側および上方に延びて前記下部周辺電極の背面に至る面状の接続部と
   を有する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１可変容量結合部は、前記第１給電棒または前記面状接続部と前記下部中心電極との間に設けられる請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第１可変容量結合部は、前記面状接続部と前記下部中心電極との間の空間内で円周方向に一定の間隔を置いて配置され、各々が水平な軸を回転中心として回転方向に変位可能に設けられる多数の導体板を有する請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第１可変容量結合部は、
   同心円状に複数配置され、前記下部中心電極に電気的に接続された環状の上部フィン導体と、
   前記上部フィン導体に対して半径方向にオフセットして同心円状に複数配置され、前記第１給電棒または前記面状接続部に電気的に接続された環状の下部フィン導体と、
   前記上部フィン導体と前記下部フィン導体とを半径方向で対向させた状態で両者を鉛直方向で相対的に変位させるためのフィン導体変位機構と
   を有する請求項３に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第１可変容量結合部は、前記下部中心電極と前記第１下部給電導体および前記下部周辺電極の少なくとも一方との間に環状に設けられる中空の誘電体を有し、前記中空誘電体の内部に流動性の誘電性物質を可変量で収容する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記第１可変容量結合部は、前記下部中心電極と前記第１下部給電導体および前記下部周辺電極の少なくとも一方との間に環状に設けられる中空の誘電体を有し、前記中空誘電体の内部に導体板を所定の方向で変位可能に収容する請求項１記載のプラズマ処理装置。
8. 主として前記プラズマ中のイオンを前記被処理基板に引き込むための第２高周波を出力する第２高周波電源と、
   前記第２高周波電源からの前記第２高周波を専らまたは優先的に前記下部中心電極に供給するために前記下部中心電極の背面に接続される第２下部給電導体と
   を有する請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記第２下部給電導体が、中空管に形成された前記第１給電棒の中を貫通して、前記下部中心電極の背面の中心部に接続する第２給電棒を有する請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記第２下部給電導体が、前記第１給電棒部の傍らをそれと平行に延びて、前記下部中心電極の背面の中心部よりも半径方向外側の部位に接続する第２給電棒を有する請求項８に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記第２高周波電源からの前記第２高周波の一部を前記下部周辺電極に供給するために、前記第２下部給電導体と前記第１下部給電導体とをインピーダンス可変の容量結合で電気的に接続する第２可変容量結合部を有する請求項８〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

Images