JP2010192750A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の被エッチング材料、プロセス条件に対応可能なエッチング特性分布調整手段を提供する。
【解決手段】内部を減圧可能な減圧処理室８と、該減圧処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記減圧処理室内にマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波供給手段１と、前記減圧処理室内に静磁場を生成する磁場生成用コイル１８，１９と、前記減圧処理室内に被処理材である試料を載置して保持する試料載置電極１１と、前記減圧処理室に接続され該減圧処理室内のガスを排気する真空排気手段１４を備え、前記減圧処理室、ガス供給手段の処理室へのガス供給部、マイクロ波供給手段の処理室へのマイクロ波導入部、試料載置電極、および真空排気手段を前記減圧処理室の中心軸に対して同軸上に配置し、前記マイクロ波導入部は、直線偏波のマイクロ波を円偏波のマイクロ波に変換するマイクロ波回転発生器２２を備え、前記磁場生成用コイルに励磁電流を供給する励磁回路には励磁電流を反転して供給する手段３３を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に半導体素子基板等の試料に、プラズマを用いて、エッチング処理等を施すのに好適なプラズマ処理装置に関する。

従来のエッチング用有磁場マイクロ波プラズマ処理装置は、例えば特許文献１に記載のように、マイクロ波を導波管、空洞共振器を通して処理室に導入し、処理室内で磁場との相互作用によりプラズマを生成し、被処理材をエッチング処理していた。

通常、マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚで、マイクロ波は円形ＴＥ１１モ−ドで導波管内を伝播し、処理室内に導入される。この円形ＴＥ１１モードのマイクロ波の電界分布は、非特許文献１に記載されているように楕円分布である。

また真空排気手段は、特許文献１に記載のように、処理室下部に排気ダクトを設け、１方向から排気していた。この場合、処理室上部のシャワ−プレ−トより均等にガスを導入しても、ウエハ上ではガス流れに片寄りが発生していた。

上述したように、円形ＴＥ１１モ−ドのマイクロ波電界強度は楕円分布であるため、プラズマ分布も楕円分布となり、エッチングレ−ト分布も楕円分布になることが想定される。このため特許文献２記載のように、マイクロ波電界を誘電体板を用いて回転させ、また真空排気装置を処理室下部に設けることにより、ウエハ上でのガス流れを軸対称にすることにより、均一性を向上させることが提案されている。

誘電体を用いたマイクロ波回転の原理は、非特許文献２に記載のように、導波管の軸に対する断面で、誘電体板に垂直方向と水平方向にマイクロ波が導入した場合の位相差に、マイクロ波の回転効率が関係することによる。

ところで、半導体デバイスの集積度は向上し、微細加工と加工精度の向上が要求されるとともに、エッチングレ−トの均一性やエッチング加工寸法のＣＤ(Critical Dimension)値のウエハ面内均一性の向上の要求が厳しくなった。被エッチング材料も単層膜から多層膜に変化し、各膜および膜中でエッチング条件を変化させる多段ステップエッチングが多用されるようになり、結果的に多層膜のエッチング完了後でＣＤ値の均一性の要求を達成する必要がある。

エッチングは化学反応であるため、ウエハ温度が重要である。このためウエハ載置用電極の径方向の温度分布を制御し、エッチングレ−ト、エッチング形状、ＣＤ値等エッチング特性の面内分布を制御することが行われている。これらの温度感度は、エッチングガス、流量、圧力、マイクロ波出力および高周波バイアス出力等のプロセス条件、被エッチング材料、エッチングパタ−ン等により異なる。例えばｐｏｌｙ−ＳｉエッチングにおけるＣＤ値では、約１ｎｍ／℃の温度感度がある。しかし対象材料、プロセスによっては、温度感度が上記の半分程度以下のものもある。温度感度が小さいプロセスにおいて、ＣＤ値等のウエハ面内均一性を補正する場合、大きくウエハ面内温度分布を制御する必要があった。

この場合、有磁場マイクロ波処理装置では、マイクロ波と磁場が相互作用することにより効率的にプラズマが生成されるＥＣＲ領域のウエハ上からの高さを磁場コイル電流により最適化したり、マイクロ波出力を最適化することによりエッチングレ−トの均一性等を調整することができる。

図１０は、従来のエッチング用プラズマ処理装置を示す図である。この図の例では、マグネトロン１より発振した、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、アイソレータ（図示省略）、パワーモニタ（図示省略）、整合器３を経由して矩形導波管２内を矩形ＴＥ１０モードで伝播し、円矩形変換器２１を経由して、円形導波管４内を円形ＴＥ１１モ−ドで伝播し、空洞共振器５を通過した後、石英板６、石英シャワ−プレ−ト７を介して、処理室８に導入される。

一方、コイル１８、１９、ヨーク２０、直流電源３２からなる磁場生成装置により、処理室８には磁場が生成される。エッチングガスは、マスフローコントロ−ラ（図示省略）を介して、ガス配管９を通り、石英板６と石英シャワープレート７の間を通過して、石英シャワープレート７のガス孔より処理室８に導入される。処理室８に導入されたエッチングガスは、排気速度可変バルブ１０により処理室８内の圧力を調整後、マイクロ波と磁場との相互作用によりプラズマが生成され、ウエハ載置電極１１の横の排気ダクト１２、および開閉バルブ１３、排気速度可変バルブ１０を通過して真空排気装置１４より排気される。

このため、ウエハ１５上のガス流れが排気ダクト１２側に片寄り、また円形ＴＥＩＩモードのマイクロ波電界分布の影響で、一部の極微細加工、多層膜エッチングのプロセス条件で、エッチングレ−ト分布あるいはＣＤ分布が軸対称でなくなり、処理の均一性が劣化することがある。

図１１は、従来のエッチング用プラズマ処理装置の他の例を示す図である。この例では、容器１６、放電管１７および石英板６で区画された処理室８の内部を、排気用開閉バルブ１３を開として真空排気装置１４により減圧する。

エッチングガスは、マスフローコントロ−ラ（図示省略）、ガス配管９、石英板６と石英シャワープレート７の間を通過して、石英シャワープレート７のガス孔より処理室８に導入される。処理室８に導入されたエッチングガスの圧力は、排気速度可変バルブ１０により所望の圧力に調整される。

処理室８は、コイル１８、１９、ヨーク２０および直流電源３２により生成される磁場領域内にある。マグネトロン１から発振された、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、アイソレータ（図示省略）、パワーモニタ（図示省略）、整合器３を経由して矩形導波管２内を矩形ＴＥ１０モードで伝播し、円矩形変換器２１を経由して、円形導波管４内を円形ＴＥ１１モードで伝播する。その後、マイクロ波は、マイクロ波回転装置２２を経由して円形導波管４、空洞共振器５に導入され、石英板６、石英シャワープレート７を透過して処理室８内に入射される。

処理室８内には、導入される２．４５ＧＨｚのマイクロ波と電子サイクロトロン共鳴を生じる磁束密度８７５Ｇａｕｓｓの磁場領域（ＥＣＲ領域）が、処理室８の中心軸およびマイクロ波の導入方向に対し垂直に、また処理室８の中心軸に対する断面方向に対し、全面に形成されている。この２．４５ＧＨｚのマイクロ波と８７５Ｇａｕｓｓの磁場との相互作用により主に生成されたプラズマより、ウエハ載置用電極１１に配置されたウエハ１５がエッチング処理される。ＥＣＲ領域のウエハからの高さは、直流電源３２により制御できるが、磁場（磁力線）の方向は変更できない。

またウエハ１５のエッチング形状を制御するため、ウエハ載置用電極１５には整合器（図示省略）を介して高周波電源２３が接続され、高周波電圧を印加することが可能になっている。またウエハ載置用電極１５には、チラーユニット（図示省略）が接続され、ウエハ１５温度を制御できる。

処理室８、ウエハ１５、ウエハ載置電極１５は、同軸に配置され、エッチングガスを導入する石英シャワープレート７のガス孔領域、真空排気部である排気バルブ１３、排気速度可変バルブ１０、真空排気装置１４も処理室８に対し同軸で配置されている。このため、ウエハ１５上でのガス流れは同軸対称である。磁場を生成するコイル１８、１９、ヨーク２０も処理室８に対し同軸で配置されているため、処理室８内の磁場プロファイル、磁束８７５Ｇａｕｓｓの電子サイクロトロン共鳴領域は処理室８に対し同軸に形成される。また円形導波管４、空洞共振器５も処理室８に対し同軸に配置されているため、処理室８に導入されるマイクロ波も処理室８に対し同軸に導入される。

このように、磁場が処理室８に対し同軸に生成され、マイクロ波も処理室８に対し同軸に導入されるため、磁場とマイクロ波との相互作用によって形成されるプラズマは、処理室８に対し同軸に生成され、プラズマ中の電子やイオンは、ウエハ１５に対し同軸に輸送される。またエッチングガスの流れも処理室８に対し同軸であるため、プラズマにより生成されたラジカルやウエハ１５のエッチングによる反応生成物もウエハ１５に対し同軸に導入、排気される。従って、エッチングレートやエッチング形状等のウエハ面内均一性は、図１０に示す従来方式と比較して、軸対称に近づき、その結果、ウエハ面内均一性が向上する。

特願２００７−３２７３４５号 特開２００８−２１５６３４号 マイクロ波工学（中島将光著、森本出版、1975年、P67） マイクロ波回路（末武、林著、オ−ム社、昭４１年、P217）

上述したように、ウエハ載置用電極の径方向の温度分布を制御することにより、エッチングレ−ト、エッチング形状、ＣＤ値等エッチング特性の面内分布を制御することが行われている。また、磁場コイル電流を調整して、プラズマが生成されるＥＣＲ領域のウエハ面からの高さを最適化したり、マイクロ波出力を最適化することによりエッチングレ−トの均一性等を調整することができる。

本発明は、これらの事情に鑑みてなされたもので、種々の被エッチング材料、プロセス条件に対応可能なエッチング特性分布調整手段を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

内部を減圧可能な減圧処理室と、該減圧処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記減圧処理室内にマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波供給手段と、前記減圧処理室内に静磁場を生成する磁場生成用コイルと、前記減圧処理室内に被処理材である試料を載置して保持する試料載置電極と、前記減圧処理室に接続され該減圧処理室内のガスを排気する真空排気手段を備え、前記減圧処理室、ガス供給手段の処理室へのガス供給部、マイクロ波供給手段の処理室へのマイクロ波導入部、試料載置電極、および真空排気手段を前記減圧処理室の中心軸に対して同軸上に配置し、前記マイクロ波導入部は、直線偏波のマイクロ波を円偏波のマイクロ波に変換するマイクロ波回転発生器を備え、前記磁場生成用コイルに励磁電流を供給する励磁回路には励磁電流を反転して供給する手段を備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、種々の被エッチング材料、プロセス条件に対応可能なエッチング特性分布調整手段を提供することができる。

第１の実施形態にかかる有磁場マイクロ波ドライエッチング装置を説明する図である。 マイクロ波電界分布の回転について説明する図である。 時間的に合成されたマイクロ波電界を説明する図である。 エッチングレートの分布を示す図である。 エッチングレートの分布を示す図である。 エッチングレートの分布を示す図である。 第２の実施形態にかかる有磁場マイクロ波ドライエッチング装置を説明する図である。 第３の実施形態にかかる有磁場マイクロ波ドライエッチング装置を説明する図である。 第４の実施形態にかかる有磁場マイクロ波ドライエッチング装置を説明する図である。 従来のプラズマ処理装置を示す図である。 従来プラズマ処理装置の他の例を示す図である

以下、第１の実施形態を図１ないし６を参照しながら説明する。図１は、プラズマ処理装置としての、空洞共振器方式の有磁場マイクロ波ドライエッチング装置を説明する図である。エッチング装置は、容器１６、放電管１７および石英板６で区画された処理室８を備え、該処理室の内部を、排気用開閉バルブ１３を開として、真空排気装置１４により減圧する。

エッチングガスは、マスフローコントロ−ラ（図示省略）を介して、ガス配管９、石英板６と石英シャワープレート７の間をそれぞれ通過して、石英シャワープレート７のガス孔より処理室８に導入される。処理室８に導入されたエッチングガスは、排気速度可変バルブ１０により処理室８内の圧力を所望の圧力に調整される。また、処理室８は、コイル１８、１９、ヨーク２０、直流電源３２、接続切替え器３３を備え、前記コイルにより生成される磁場領域内にある。

マグネトロン１から発振された、この場合周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、アイソレータ（図示省略）、パワーモニタ（図示省略）、整合器３を経由して矩形導波管２内を矩形ＴＥ１０モードで伝播し、円矩形変換器２１を経由して、円形導波管４内を円形ＴＥ１１モードで伝播する。その後、マイクロ波はマイクロ波回転装置２２を経由して円形導波管４、空洞共振器５に導入され、石英板６、石英シャワープレート７を透過して処理室８内に入射される。

処理室８内には、導入される２．４５ＧＨｚのマイクロ波と電子サイクロトロン共鳴を生じる磁束密度８７５Ｇａｕｓｓの磁場領域が、処理室８の中心軸およびマイクロ波の導入方向に対し垂直に、また処理室８の中心軸に対する断面方向に対し、全面に形成されている。この２．４５ＧＨｚのマイクロ波と８７５Ｇａｕｓｓの磁場との相互作用により主に生成されたプラズマより、ウエハ載置用電極１１に配置されたウエハ１５がエッチング処理される。

また、ウエハ１５のエッチング形状を制御するため、ウエハ載置用電極１５には整合器（図示省略）を介して高周波電源２３が接続され、高周波電圧を印加することが可能になっている。またウエハ載置用電極１５には、チラーユニット（図示省略）が接続され、ウエハ１５温度を制御できる。

処理室８、ウエハ１５、およびウエハ載置電極１５は、同軸に配置され、エッチングガスを導入する石英シャワープレート７のガス孔領域、真空排気部である排気バルブ１３、排気速度可変バルブ１０、真空排気装置１４も処理室８に対し同軸で配置されている。このため、ウエハ１５上でのガス流れは同軸対称である。磁場を生成するコイル１８、１９、ヨーク２０も処理室８に対し同軸で配置されているため、処理室８内の磁場プロファイル、および磁束８７５Ｇａｕｓｓの電子サイクロトロン共鳴領域は処理室８に対し同軸に形成される。また円形導波管４、空洞共振器５も処理室８に対し同軸に配置されているため、処理室８に導入されるマイクロ波も処理室８に対し同軸に導入される。

磁場が処理室８に対し同軸に生成され、マイクロ波も処理室８に対し同軸に導入されるため、磁場とマイクロ波との相互作用によって形成されるプラズマは、処理室８に対し同軸に生成され、プラズマ中の電子やイオンは、ウエハ１５に対し同軸に輸送される。またエッチングガスの流れも処理室８に対し同軸であるため、プラズマにより生成されたラジカルやウエハ１５のエッチングによる反応生成物もウエハ１５に対し同軸に導入、排気される。従って、エッチングレートやエッチング形状等のウエハ面内均一性は、図１０に示す従来方式と比較して、軸対称に近づき、その結果、ウエハ面内均一性が向上する。

図１０に示す従来方式では、ＴＥ１１モードのマイクロ波を空洞共振器５を経由して処理室１に導入している。しかし、図１に示す第１の実施形態では、ＴＥ１１モードのマイクロ波をマイクロ波回転発生器２２に導入し、ＴＥ１１モードのマイクロ波を回転させた後、円形導波管４、空洞共振器５を経由して処理室１に導入している。

空洞共振器５は、マイクロ波電界分布を径方向に拡大し、マイクロ波電界分布を安定化することができる。これによりプラズマ均一性、プラズマ安定性が向上する。ＴＥ１１モードのマイクロ波電界は、楕円分布であるが、ＴＥ１１モードのマイクロ波を時間的に回転させることにより、マイクロ波電界分布を軸対称分布とすることができる。

このように同軸の電界分布を有するマイクロ波を処理室８に導入することにより、生成されるプラズマの分布は同軸分布となり、更にウエハ面内均一性が向上する。マイクロ波モードには、円形ＴＭ０１モード等の同軸の電界分布を有するモードがある。しかし円形ＴＥ１１モードは基本モード(dominant mode)であり、最も安定である。従って円形ＴＥ１１モードのマイクロ波が最も安定にプラズマを生成できる。また、円形ＴＥ１１モードのマイクロ波を回転させることにより、安定かつ均一にプラズマを生成できる。このため、ウエハ１５を高均一に安定してエッチング処理できる。

図２は、マイクロ波電界分布の回転について説明する図である。図２はマイクロ波回転発生器２２の横断面を示すであり、マイクロ波回転発生器２２は、誘電体板２４と導電体で構成された誘電体板ガイド２５を備える。なお、誘電体板２４は石英板（比誘電率３．８）、誘電体板ガイド２５はアルミニウムで構成してある。マイクロ波はマグネトロン１より発振され、矩形導波管２内を矩形ＴＥ１０モードで伝播した後、円矩形変換器２１で円形ＴＥ１１モードに変換される。変換されたマイクロ波の電界２６の主振動方向は、図２に示すように、矩形導波管２内のマイクロ波伝播方向と同じであり、時間的に変化しない（直線偏波）。

ここで、図２に示すように、マイクロ波電界の主振動方向に対し、右４５度に誘電体板２４を設置する。直線偏波のマイクロ波電界２６は、誘電体板２４に平行な電界２７と垂直な電界２８の合成と見なすことができる。誘電体板２４に平行な電界２７は、誘電体板２４の中を大部分が通過するため、誘電体板２４の影響を強く受ける。また誘電体板２４の比誘電率が１以上であるため、誘電体板２４通過時のマイクロ波の波長は短くなる。一方、誘電体板２４に垂直な電界２８は、誘電体板２４の影響は少なく、誘電体板２４通過時のマイクロ波の波長は円形導波管内の波長とほぼ同じである。

ここで、誘電体板２４に直線偏波のマイクロ波２６が入射すると、つまり誘電体板２４に同時に（同位相で）誘電体板２４に平行なマイクロ波電界２７と垂直なマイクロ波電界２８が入射すると、両者の波長が異なるため、誘電体板２４通過後では、両者のマイクロ波電界の位相が異なる。

すなわち、誘電体板２４に平行なマイクロ波電界２７の位相が、垂直なマイクロ波電界２８の位相よりも遅れる。この位相遅れは、誘電体板２４の高さＨに比例する。ここで誘電体板２４のマイクロ波の伝播方向の高さＨを、誘電体板２４に平行なマイクロ波電界２７と垂直なマイクロ波電界２８との位相差が９０度となるように設定する。この場合、誘電体板２４に平行なマイクロ波電界２７と垂直なマイクロ波電界２８の合成されたマイクロ波電界は時間とともに右回りに回転する（円偏波）。このマイクロ波の回転周波数は、マイクロ波の周波数と同じ２．４５ＧＨｚの高速回転であり、時間的に合成されたマイクロ波電界は、図３に示すように同軸対称分布となる。

図３に示す例において、磁力線が処理室８上部（マイクロ波の導入方向）から下部（ウエハ１５設置方向）に向かって形成されるように、コイル１８，１９の電流の向きを設定し、磁場を生成する。この場合、電子は磁力線の周りを右回りに回転し、図２に示すマイクロ波回転発生器２２により生成される右回り回転のマイクロ波電界の回転方向と一致する。一方、図２において、マイクロ波回転発生器２２の誘電体板２４を−４５度の方向に設置すると、マイクロ波電界は左回りに回転するため、電子の回転方向と逆になる。このためプラズマ中におけるマイクロ波の伝播特性が右回り回転のマイクロ波と左回り回転のマイクロ波で異なる。具体的にはプラズマの屈折率が、右回り回転のマイクロ波と左回り回転のマイクロ波で異なる。この点は、「プラズマ物理入門」Francis F. Chen著、内田岱二郎訳、丸善、１９７７年、Ｐ１０１に、詳述されている。

一方、接続切替え器３３を切り替えて、磁力線が下部（ウエハ１５設置方向）から処理室８上部（マイクロ波の導入方向）に向かって形成されるように、コイル１８，１９の電流の向きを反転して設定する。この場合、電子は磁力線の方向に磁力線の周りを右回りに回転するが、磁力線の向きが反転しているため、第４図に示すマイクロ波回転発生器２２により生成される右回り回転のマイクロ波電界の回転方向とは逆になる。

また、図２において、マイクロ波回転発生器２２の誘電体板２４を−４５度の方向に設置すると、マイクロ波電界は左回りに回転するため、この場合の電子の回転方向と一致する。

すなわち、図２に示すようにマイクロ波回転発生器２２の誘電体板２４を４５度の方向に設置し、図１に示すように、コイル１８、１９と直流電源３２を接続切替え器３３を介して接続し、正負電圧の接続を切替え、コイル電流の向きを逆転させることにより、マイクロ波電界の回転方向と電子の回転方向を一致あるいは逆にすることができ、マイクロ波の伝播特性を変化させることができる。つまり、上述のようにマイクロ波回転発生器２２の誘電体板２４の向きの変更等のハードを変更することなく、励磁回路の切り替えるのみで、エッチング特性の分布の調整を高信頼度で再現性よく実現することができる。

図４，５，６は、それぞれ、プロセスＡ、プロセスＢ、プロセスＣにおいて、マイクロ波電界を右回り回転とし、磁力線が処理室８上部（マイクロ波の導入方向）から下部（ウエハ１５設置方向）に向かって形成されるように、磁場を生成した場合（右回り回転）と、磁力線が下部（ウエハ１５設置方向）から処理室８上部（マイクロ波の導入方向）に向かって形成されるように、コイル１８，１９の電流の向きを上記とは反転し、磁場を生成した場合（右回り回転＋磁場逆転）のエッチングレ−ト分布を示す図である。

第６図に示すプロセスＡの場合は、（１）右回り回転では凸分布、（２）右回り回転＋磁場逆転ではフラット分布、第７図に示すプロセスＢの場合は、（１）右回り回転ではフラット分布、（２）右回り回転＋磁場逆転では凹分布、第８図に示すプロセスＣの場合は、（１）右回り回転では小さい凹分布、（２）右回り回転＋磁場逆転では大きい凹分布である。

いずれの場合も、（１）右回り回転よりも（２）右回り回転＋磁場逆転の方が外周が高い分布となっている。これは上述したように、磁場逆転によりプラズマ中のマイクロ波の伝播特性、即ちプラズマの屈折率は、（１）右回り回転と（２）右回り回転＋磁場逆転で異なる影響をうけるものと推定できる。つまり（１）右回り回転の場合は、マイクロ波が中央部に集まり易く、（２）右回り回転＋磁場逆転の場合は、マイクロ波が外周部に広がり易いためと推定できる。

このように、マイクロ波回転発生器２２と磁場反転機構を組み合わせることにより、エッチングレート分布を容易に変化させることができる。一般にエッチングレート分布は、ＣＤ値分布に関係するため、ＣＤ値のウエハ面内分布をマイクロ波回転発生器２２と磁場反転機構の組み合わせにより制御できる。

図７は、第２の実施形態にかかる空洞共振器方式の有磁場マイクロ波ドライエッチング装置を説明する図である。本実施形態では、コイル１８、１９にバイポーラ直流電源３４を接続している。バイポーラ直流電源３４は、正電圧から負電圧まで連続して出力することができる。このため、磁力線の向きを逆転することができる。したがって第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、接続切替え器３３を用いないので、長期信頼性が向上する。

図８は、第３の実施形態である空洞共振器方式の有磁場マイクロ波ドライエッチング装置を説明する図である。この図の例では、図８に示すように、ウエハ載置用電極１１の内周側と外周側に独立に冷媒溝３０とチラーユニット（図示省略）を、更に設けることにより、ウエハ１５面内の温度分布を制御することができる。この場合、冷媒溝３０等の電極構造は、ウエハ１５の温度分布が同軸対称となるように構成する。

前述のように、ウエハ１５上のガス流れとマイクロ波電界分布を同軸対称分布とすることにより、ＣＤ値等のエッチング特性の分布を同軸対称分布とすることができる。またウエハ温度分布も同軸対称分布として、ウエハ面内の径方向分布を制御することができる。 このため、あらかじめ適用プロセス条件、被エッチング材料に応じてＣＤ値等のエッチング特性の温度感度を調べておけば、ウエハ１５の径方向温度分布を２つのチラーユニット（図示省略）で制御することにより、ＣＤ値等のエッチング特性をウエハ面内でより均一となるように改善し、高均一なエッチング特性を得ることができる。

エッチングプロセスも塩素系ガス、ＨＢｒ系ガス、フロン系ガス、希ガスおよびこれらの混合ガスがあり、被エッチング材料もＢＡＲＣ等の有機系材料、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、Ｈｉｇｈ−ｋ等の絶縁膜材料、αＣ（アモルファスカーボン）、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、Ｓｉ基板やメタル材料等、多種多様である。このためＣＤ値に対する温度感度は、エッチングガス、流量、圧力、マイクロ波出力および高周波バイアス出力等のプロセス条件、被エッチング材料、エッチングパタ−ン等により異なる。例えばｐｏｌｙ−ＳｉエッチングにおけるＣＤ値では、約１ｎｍ／℃の温度感度がある。しかし対象材料、プロセスによっては、温度感度が上記の半分程度以下のものもある。温度感度が小さいプロセスにおいて、ＣＤ値等のウエハ面内均一性を補正する場合、大きくウエハ面内温度分布を制御する必要があった。

しかし、本実施形態の場合、上記ウエハ面内温度分布による制御とは別に、マイクロ波回転発生器２２と磁場反転機構により、エッチングレート分布、ＣＤ値分布をを変化させることができるので、温度感度が小さいプロセスにおいても容易にＣＤ値分布を制御できる。言い換えると、ウエハ載置用電極１１は、ハード制約上、実現できるウエハ面内温度差には限界がある。しかし、マイクロ波回転発生器２２と磁場反転機構により、エッチングレート分布、ＣＤ値分布を変化させることができるので、ＣＤ値制御に必要なウエハ面内温度差を軽減することができ、ウエハ載置用電極１１のハード構造簡易化することができる。

図９は、第４の実施形態である空洞共振器方式の有磁場マイクロ波ドライエッチング装置を示す図である。本実施形態では、ウエハ１５の温度分布が同軸対称となるように、ウエハ載置用電極１１に複数のヒータ３１を埋設し、各々にヒータ電源（図示省略）を接続する。なお、ウエハ載置用電極１１には冷媒溝（図示省略）を設け、チラーユニット（図示省略）を接続している。これにより、前記第３の実施形態の奏する効果に加えて、ウエハ温度の時間応答性を向上させることができる。また、多層膜エッチング等において、各膜に対応してエッチング条件を切替えるステップエッチングの場合、各々のステップでウエハ１５の径方向温度分布や絶対温度を最適化し、ＣＤ値等のエッチング特性のウエハ１５面内均一性を更に容易に改善し、高均一のエッチング特性を得ることができる。

以上の実施形態では、マイクロ波電界の右回り回転と磁場反転機構の組合せで説明したが、マイクロ波電界の左回り回転と磁場反転機構の組合せでも同様の作用効果がある。有磁場マイクロ波放電を利用したドライエッチング装置を例に説明したが、他のマイクロ波を利用したプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置等についても同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、有磁場マイクロ波放電を利用したプラズマ処理装置において、導入されるマイクロ波電界を回転する機構および磁場（磁力線）の方向を反転させる機構を設けたので、すなわち、ウエハ面内温度分布による制御とは別に、マイクロ波回転発生器２２と磁場反転機構により、エッチングレート分布、ＣＤ値分布を変化させることができる機構を設けたので、温度感度が小さいプロセスにおいても容易にＣＤ値分布を制御することができる。また、磁場（磁力線）の方向を反転させる機構としては、磁場コイルと直流電源の正負電圧の接続を切替える接続切替え機あるいはバイポーラ直流電源等を用いることにより磁場コイルの電流方向を反転させる機構を用いることができる。これにより、エッチング加工形状およびエッチング加工寸法のウエハ面内均一性（CD均一性）を広い制御範囲に渡って、安定、かつ確実に実現することができる。

１ マグネトロン
２ 矩形導波管
３ 整合器
４ 円形導波管
５ 空洞共振器
６ 石英板
７ 石英シャワープレート
８ 処理室
９ ガス配管
１０ 排気速度可変バルブ
１１ ウエハ載置電極
１２ 排気ダクト
１３ 開閉バルブ
１４ 真空排気装置
１５ ウエハ
１６ 容器
１７ 放電管
１８ コイル
１９ コイル
２０ ヨーク
２１ 円矩形変換器
２２ マイクロ波回転発生器
２３ 円形導波管
２４ 誘電体板
２５ 誘電体板ガイド
２６ 直線偏波のマイクロ波電界
２７ 誘電体板に平行なマイクロ波電界
２８ 誘電体板に垂直なマイクロ波電界
３０ 冷媒溝
３１ ヒータ
３２ 直流電源
３３ 接続切替え器
３４ バイポ−ラ直流電源

Claims (5)

1. 内部を減圧可能な減圧処理室と、
   該減圧処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
   前記減圧処理室内にマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波供給手段と、
   前記減圧処理室内に静磁場を生成する磁場生成用コイルと、
   前記減圧処理室内に被処理材である試料を載置して保持する試料載置電極と、
   前記減圧処理室に接続され該減圧処理室内のガスを排気する真空排気手段を備え、
   前記減圧処理室、ガス供給手段の処理室へのガス供給部、マイクロ波供給手段の処理室へのマイクロ波導入部、試料載置電極、および真空排気手段を前記減圧処理室の中心軸に対して同軸上に配置し、
   前記マイクロ波導入部は、直線偏波のマイクロ波を円偏波のマイクロ波に変換するマイクロ波回転発生器を備え、前記磁場生成用コイルに励磁電流を供給する励磁回路には励磁電流を反転して供給する手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記励磁電流を反転して供給する手段は、供給する励磁電流の極性を反転させる接続切替器であることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記励磁電流を反転して供給する手段は正または負の直流電圧を発生するバイポーラ電源であることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記試料載置電極は、温度調整された冷媒を流す冷媒流路および前記試料載置電極の試料載置面を加熱するヒータを備え、前記試料載置電極の試料載置面の温度分布を前記中心軸に対して軸対称となるように制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記マイクロ波回転発生器は、矩形状の誘電体板と、該誘電体板を嵌入して保持するための溝を形成した円筒状の誘電体板ガイドを備え、入力されるマイクロ波の偏波面を右まわり方向または左まわり方向に回転させることを特徴とするプラズマ処理装置。