JP2020521269A

JP2020521269A - 電極フィラメントを有するプラズマ反応器

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Publication number: JP2020521269A
Application number: JP2019557440A
Authority: JP
Inventors: ケネスエス．コリンズ，; マイケルアール．ライス，; カーティクラーマスワーミ，; ジェームズディー．カルドゥッチ，
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2020-07-16
Anticipated expiration: 2038-04-23
Also published as: KR20190134811A; US20180308666A1; TWI776874B; CN110537242A; US20180308661A1; TW201903819A; KR102505096B1; WO2018200404A1; US11424104B2; JP7051897B2

Abstract

プラズマ反応器が、プラズマチャンバを提供する内部空間を有し天井を有するチャンバ本体、プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、チャンバを排気するためのプラズマチャンバに連結されたポンプ、天井に対面する加工対象物を保持するための加工対象物支持体、絶縁枠及び天井と加工対象物支持体との間でプラズマチャンバを通って側方に延在するフィラメントを含むチャンバ内電極アセンブリであって、フィラメントが、絶縁枠から延在する絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む、チャンバ内電極アセンブリ、並びにチャンバ内電極アセンブリの導体に第１のRF電力を供給するための第１のRF電源を含む。【選択図】図２

Description

本開示は、例えば、半導体ウエハなどの加工対象物上に膜を堆積させ、加工対象物をエッチングし、又は処理するためのプラズマ反応器に関する。

プラズマは、通常、容量結合プラズマ（CCP）源又は誘導結合プラズマ（ICP）源を使用して生成される。基本的なCCP源は、平行板コンデンサに類似した、ガス環境内で小さい距離だけ分離された２つの金属電極を含む。２つの金属電極のうちの一方が、一定の周波数の無線周波数（RF）電源によって駆動されると同時に、他方の電極は、RF接地に接続されており、２つの電極間にRF電界を生成する。生成された電界は、ガス原子をイオン化し、電子を放出する。ガス内の電子は、RF電界によって加速され、直接又は間接に衝突することによってガスをイオン化し、プラズマを生成する。

基本的なICP源は、通常、螺旋又はコイル形状の導体を含む。RF電流が導体を通って流れたときに、導体の周りにRF磁界が生成される。RF磁界は、RF電界に付随して生じ、RF電界は、ガス原子をイオン化しプラズマを生成する。

集積回路の製造において、様々なプロセスガスのプラズマが広く使用されている。例えば、プラズマは、薄膜堆積、エッチング、及び表面処理において使用することができる。

原子層堆積（ALD）は、気相化学プロセスの連続的な使用に基づく、薄膜堆積技法である。あるALDプロセスは、化学反応のために必要な活性化エネルギーを供給するために、プラズマを使用する。プラズマALDプロセスは、プラズマでない（例えば、「熱」）ALDプロセスより低い温度で実行することができる。

一態様では、プラズマ反応器が、プラズマチャンバを提供する内部空間を有し天井を有するチャンバ本体、プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、チャンバを排気するためのプラズマチャンバに連結されたポンプ、天井に対面する加工対象物を保持するための加工対象物支持体、絶縁枠及び天井と加工対象物支持体との間でプラズマチャンバを通って側方に延在するフィラメントを含むチャンバ内電極アセンブリであって、フィラメントが、絶縁枠から延在する絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む、チャンバ内電極アセンブリ、並びにチャンバ内電極アセンブリの導体に第１のRF電力を供給するための第１のRF電源を含む。

実施態様は、以下の特徴のうちの１以上を含み得る。

絶縁シェルは、プラズマチャンバ内で導体の全体を囲み導体の全体に沿って延在する円筒形状シェルであってよい。絶縁シェルは、シリコン、若しくは、酸化物、窒化物、若しくは炭化物材料、又はそれらの組み合わせから形成されてよい。絶縁シェルは、シリカ、サファイア、又は炭化ケイ素から形成されてよい。絶縁シェルは、導体上のコーティングであってよい。円筒形状シェルは、チャネルを形成してよく、導体は、チャネル内で宙吊りにされチャネルを通って延在してよく、又は導体は中空チャネルを有してよい。チャネルを通して流体を循環させるように、流体源が構成されてよい。流体は、非酸化性ガスであってよい。流体から熱を除去し又は流体に熱を供給するように、熱交換器が構成されてよい。

チャンバ内電極アセンブリは、天井と加工対象物支持体との間でプラズマチャンバを通って側方に延在する複数の同一平面にあるフィラメントを有してよい。複数の同一平面にあるフィラメントは、均一に間隔を空けられてよい。同一平面にあるフィラメントと加工対象物支持体の表面との間の面対面の間隔は、２mmから２５mmの範囲内であってよい。複数の同一平面にあるフィラメントは、直線的なフィラメントを含んでよい。複数の同一平面にあるフィラメントは、プラズマチャンバを通って平行に延在してよい。複数の同一平面にあるフィラメントは、均一に間隔を空けられてよい。

シェルは、絶縁枠に融着されていてよい。シェルと絶縁枠は、同じ材料組成であってよい。絶縁枠は、シリカ又はセラミック材料から形成されてよい。

別の一態様では、プラズマ反応器が、プラズマチャンバを提供する内部空間を有し天井及び上端電極を保持するための絶縁支持体を有するチャンバ本体、プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、チャンバを排気するためのプラズマチャンバに連結されたポンプ、上端電極に対面する加工対象物を保持するための加工対象物支持体、上端電極と加工対象物支持体との間でプラズマチャンバを通って側方に延在するフィラメントを備えたチャンバ内電極アセンブリであって、フィラメントが、絶縁枠から延在する絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む、チャンバ内電極アセンブリ、並びにチャンバ内電極アセンブリの導体に第１のRF電力を供給するための第１のRF電源を含む。

実施態様は、以下の特徴のうちの１以上を含んでよい。

上端電極は、シリコン、炭素、又はそれらの組み合わせから形成されてよい。絶縁枠は、酸化物、窒化物、又はそれらの組み合わせであってよい。絶縁枠は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又は窒化ケイ素から形成されてよい。

別の一態様では、プラズマ反応器が、プラズマチャンバを提供し天井を有する内部空間を有するチャンバ本体、プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、チャンバを排気するためのプラズマチャンバに連結されたポンプ、加工対象物を保持するための加工対象物支持体、絶縁枠及びフィラメントを含むチャンバ内電極アセンブリであって、フィラメントが、天井から下向きに延在する第１の部分及び天井と加工対象物支持体との間でプラズマチャンバを通って側方に延在する第２の部分を含み、フィラメントが、絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む、チャンバ内電極アセンブリ、並びにチャンバ内電極アセンブリの導体に第１のRF電力を供給するための第１のRF電源を含む。

実施態様は、以下の特徴のうちの１以上を含んでよい。

チャンバ内電極アセンブリは、複数のフィラメントを含んでよい。各フィラメントは、天井から下向きに延在する第１の部分、及び、天井と加工対象物支持体と間でプラズマチャンバを通って側方に延在する第２の部分を含んでよい。複数のフィラメントの第２の部分は、同一平面にあってよい。複数のフィラメントの第２の部分は、均一に間隔を空けられてよい。複数のフィラメントの第２の部分は、直線的であってよい。

支持体は、天井とフィラメントの第２の部分との間の空間を囲む下向きに突出した側壁を含んでよい。側壁は、酸化ケイ素又はセラミック材料から形成されてよい。天井は、絶縁枠を含んでよく、フィラメントは、絶縁枠から延在してよい。シェルは、枠に融着されていてよい。シェル及び支持体は、同じ材料組成を有してよい。絶縁枠は、シリカ又はセラミック材料から形成されてよい。

別の一態様では、プラズマ反応器が、プラズマチャンバを提供する内部空間を有し天井を有するチャンバ本体、プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、チャンバを排気するためのプラズマチャンバに連結されたポンプ、加工対象物を保持するための加工対象物支持体、及びチャンバ内電極アセンブリを含む。チャンバ内電極アセンブリは、絶縁枠、第１の方向に沿って天井と加工対象物支持体との間でプラズマチャンバを通って側方に延在する第１の複数の同一平面にあるフィラメント、及び第１の方向と垂直な第２の方向に沿ってプラズマチャンバを通って平行に延在する第２の複数の同一平面にあるフィラメントを含む。第１及び第２の複数のフィラメントのそれぞれのフィラメントは、絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む。第１のRF電源は、チャンバ内電極アセンブリの導体に第１のRF電力を供給する。

特定の実施態様は、以下の利点のうちの１以上を有し得る。プラズマの均一性が改善され得る。プラズマプロセスの再現性が改善され得る。金属汚染が低減され得る。粒子の生成が低減され得る。プラズマチャージングダメージが低減され得る。プラズマの均一性が、種々のプロセス動作条件にわたり維持され得る。プラズマ電力結合効率が改善され得る。

本発明の１以上の実施形態の詳細が、添付の図面及び以下の記述の中で説明される。本発明の他の特徴、目的及び利点は、これらの記述及び図面から、並びに特許請求の範囲から明らかになろう。

プラズマ反応器の一実施例の概略側面図である。プラズマ反応器の別の一実施例の概略側面図である。図２によるチャンバ内電極アセンブリの一実施例の斜視図である。図４Ａ〜図４Ｃは、チャンバ内電極アセンブリのフィラメントの様々な実施例の概略断面斜視図である。図５Ａは、チャンバ内電極アセンブリの一部分の概略上面図である。図５Ｂ〜図５Ｃは、種々のプラズマ領域状態を有するチャンバ内電極アセンブリの断面概略側面図である。図６Ａ〜図６Ｃは、チャンバ内電極アセンブリ構成の様々な実施例の概略上面図である。

様々な図面における類似の参照符号は、類似した要素を指し示している。

従来のCCP源内のプラズマ均一性は、通常、（１以上の）電極のサイズ及び電極間の距離によって、並びにガス圧力、ガス組成、及び印加されるRF電力によって決まる。より高い無線周波数では、定常波の存在や表皮効果により、更なる効果が著しくなったり、不均一性に影響を及ぼしたりする場合さえある。そのような更なる効果は、より高い周波数及びプラズマ密度でより顕著になる。

従来のICP源内のプラズマ均一性は、通常、（１以上の）ICPコイルの構成（そのサイズ、幾何学的形状、関連するRFウィンドウの位置を含む）によって、並びにガス圧力、ガス組成、及び電力によって決まる。複数のコイル又はコイルセグメントの場合では、（同じ周波数で駆動される場合）電流又は電力分布及びそれらの相対的な位相も、重要な要因となり得る。電力堆積（power deposition）は、表皮効果によりICPコイルの下又はICPコイルに隣接して数センチメートル以内で生じる傾向があり、そのような局所的な電力堆積は、通常、コイルの幾何学的形状を反映したプロセスの不均一性をもたらす。そのようなプラズマの不均一性は、加工対象物にわたる電位差をもたらし、それは、プラズマチャージングダメージ（例えば、トランジスタのゲート誘電破壊）ももたらし得る。

通常、ICP源の均一性を改善するためには、大きな拡散距離が必要である。しかし、通常、厚いRFウィンドウを有する従来のICP源は、低い電力結合のために高いガス圧力で非効率であり、それは、高い抵抗電力損失をもたらす高い駆動電流を引き起こす。対照的に、チャンバ内電極アセンブリは、RFウィンドウを有する必要はないが、円筒形状シェルだけを有する必要がある。これは、より優れた電力結合及びより優れた効率を提供することができる。

移動する加工対象物支持体を有するプラズマチャンバでは、移動する加工対象物支持体が、例えば、回転水銀カプラ、ブラシ、又はスリップリングを介して、DC接地されてよい。しかし、移動する加工対象物支持体は、無線周波数で適切に接地されない恐れがある。RF接地経路は、適切なRF接地になるために、プラズマよりも大幅に低いインピーダンスを有するべきである。RF接地経路を欠いている場合、加工対象物におけるイオンエネルギーを制御することは困難となり、プロセスの再現性を低減させる。

したがって、以下の特性を有するプラズマ源が所望される。すなわち、加工対象物のサイズにわたり所望の諸特性（プラズマ密度、電子温度、イオンエネルギー、解離など）を有する均一なプラズマを効率的に生成することができ、動作しているウィンドウ（例えば、圧力、電力、ガス組成）にわたり均一性を調整することができ、移動している加工対象物であってさえも安定的であり再現可能な電気性能を有し、過剰な金属汚染又は粒子を生成しない。チャンバ内電極アセンブリは、これらの諸特性のうちの１以上をより適切に提供することができる。

図１は、プラズマ反応器の一実施例の概略側面図である。プラズマ反応器１００は、プラズマチャンバとして使用されるために内部空間１０４を閉じるチャンバ本体１０２を有する。内部空間１０４は、例えば、円形の半導体ウエハを処理するために、円筒形状であってよい。チャンバ本体１０２は、プラズマ反応器１００の天井の近くに位置付けられた支持体１０６を有する。支持体１０６は、上端電極１０８を支持する。上端電極は、内部空間１０４内で宙吊りにされてよく、天井から間隔を空けられ、天井に隣接し、又は天井の一部分を形成してよい。チャンバ本体１０２の側壁のある部分は、上端電極１０８から独立して接地されていてよい。

ガス供給器１１０は、プラズマ反応器１００の天井の近くに位置付けられている。ある実施態様では、ガス供給器１１０が、単一の構成要素として上端電極１０８と一体化される。ガス供給器１１０は、ガス源１１２に連結されている。ガス源１１２は、ガス供給器１１０に１以上のプロセスガスを供給し、１以上のプロセスガスの組成は、実行されるプロセス（例えば、堆積やエッチング）に応じて変更され得る。プラズマ反応器を排気するために、真空ポンプ１１３が内部空間１０４に連結されている。あるプロセスでは、チャンバがTorrの範囲内で動作し、ガス供給器１１０は、アルゴン、窒素、酸素、及び／又は他のガスを供給する。

加工対象物１１５を支持するための加工対象物支持ペデスタル１１４が、プラズマ反応器１００内に位置決めされている。加工対象物支持ペデスタル１１４は、上端電極１０８に対面する加工対象物支持面１１４ａを有する。

ある実施態様では、加工対象物支持ペデスタル１１４が、加工対象物支持ペデスタル１１４の内側に加工対象物支持電極１１６を含む。ある実施態様では、加工対象物支持電極１１６が、接地されていてよく、又は接地されているインピーダンス若しくは回路に接続されていてよい。ある実施態様では、RFバイアス発電機１４２が、インピーダンスマッチ１４４を介して加工対象物支持電極１１６に接続されていてよい。加工対象物支持電極１１６は、静電チャックを更に含んでよく、加工対象物バイアス電圧源１１８が、加工対象物支持電極１１６に接続されていてよい。RFバイアス発電機１４２は、プラズマを生成し、電極電圧若しくは電極シース電圧を制御し、又はプラズマのイオンエネルギーを制御するために使用されてよい。

更に、ペデスタル１１４は、加工対象物１１５を加熱又は冷却するための内部通路１１９を有してよい。ある実施態様では、埋め込まれた抵抗加熱器が、ペデスタルの内側、例えば、内部通路１１９の内側に設けられてよい。

ある実施態様では、加工対象物支持ペデスタル１１４が、底側内部空間１３２内に位置付けられた加熱要素からの輻射加熱及び／若しくは対流加熱を通じて、並びに／又はペデスタル１１４上の若しくはペデスタル１１４内に埋め込まれた抵抗加熱器によって加熱される。

チャンバ内電極アセンブリ１２０は、上端電極１０８と加工対象物支持ペデスタル１１４との間の内部空間１０４内に位置決めされている。この電極アセンブリ１２０は、ペデスタル１１４の支持面１１４ａを覆ってチャンバ内で側方に延在する１以上のフィラメント４００を含む。ペデスタル１１４を覆っている電極アセンブリ１２０のフィラメントの少なくとも一部分は、支持面１１４ａと平行に延在する。上端電極１０８とチャンバ内電極アセンブリ１２０との間に、上側間隙１３０が形成されている。加工対象物支持ペデスタル１１４とチャンバ内電極アセンブリ１２０との間に、底側間隙１３２が形成されている。

電極アセンブリ１２０は、RF電源１２２によって駆動される。RF電源１２２は、１MHzから３００MHzを超える周波数で、電極アセンブリ１２０の１以上のフィラメントに電力を印加することができる。あるプロセスでは、RF電源１２２が、周波数６０MHzで１００Wから２kWを超える全RF電力を供給する。

ある実施態様では、プラズマによって生成されたラジカル、イオン、又は電子を、加工対象物と相互作用させるように、底側間隙１３２を選択することが望ましいだろう。間隙の選択は、用途に依存するものであり、動作レジームに依存する。加工対象物の表面にラジカルフラックス（非常に低いイオン／電子フラックスであるが）を供給することが望ましいある用途では、より大きな間隙及び／又はより高い圧力での動作が選択されてよい。加工対象物の表面にラジカルフラックス及びかなりのプラズマイオン／電子フラックスを供給することが望ましい他の用途では、より小さい間隙及び／又はより低い圧力での動作が選択されてよい。例えば、ある低温プラズマALDプロセスでは、ALD膜の堆積又は処理のために、プロセスガスの自由ラジカルが必要である。自由ラジカルは、不対原子価電子（unpaired valence electron）を持つ原子又は分子である。通常、自由ラジカルは、他の物質に向けて高度な化学反応性を有する。自由ラジカルと他の化学種との反応は、しばしば、膜堆積において重要な役割を演じる。しかし、自由ラジカルは、通常、それらの高度な化学反応性のために短命であり、したがって、それらの寿命の範囲内で非常に遠くまで移動することができない。自由ラジカル源、すなわち、プラズマ源として作用するチャンバ内電極アセンブリ１２０を、加工対象物１１５の表面の近くに配置することにより、その表面に対する自由ラジカルの供給を増加させ、堆積プロセスを改善することができる。

通常、自由ラジカルの寿命は、周囲環境の圧力に依存する。したがって、満足のいく自由ラジカル濃度を提供する底側間隙１３２の高さは、動作中に期待されるチャンバ圧力に応じて変化し得る。ある実施態様では、チャンバが１〜１０Torrの範囲内の圧力で動作する場合、底側間隙１３２は１cm未満である。

他の（より）低い温度のプラズマALDプロセスでは、ALD膜の堆積及び処理のために、ラジカルフラックスのみならずイオンフラックス（及び付随する電子フラックス）への曝露が必要であろう。ある実施態様では、チャンバが１〜１０Torrの範囲内の圧力で動作する場合、底側間隙１３２は、５cm未満、例えば２〜２５mm、例えば５mmである。より低い動作圧力は、距離に対するより低い体積再結合率（volume recombination rate）のために、より大きな間隙で動作することを可能にする。エッチングなどの他の用途では、通常、より低い動作圧力（１００mTorr未満）が使用され、間隙が増加されてよい。

底側間隙１３２が小さいような用途では、電極アセンブリ１２０によって生成されるプラズマが、フィラメント間で大幅な不均一性を有する恐れがある。それは、加工対象物の処理均一性に対して有害であるだろう。空間的な不均一性を有するプラズマを通して加工対象物を移動させることによって、プロセスに対するプラズマの空間的な不均一性の効果が、時間平均効果によって軽減され得る。すなわち、プラズマを通る一回の通過の後で加工対象物の任意の与えられた領域によって受け取られる累積的なプラズマは、実質的に同様である。

上側間隙は、チャンバ内電極アセンブリと上端電極（又はチャンバの上端）との間でプラズマが生成されるのに十分な大きさで選択されてよい。ある実施態様では、チャンバが１〜１０Torrの範囲内の圧力で動作する場合、上側間隙１３０は、０．５〜２cm、例えば１．２５cmであってよい。

上側電極１０８は、様々なやり方で構成することができる。ある実施態様では、上端電極が、RF接地１４０に接続されている。ある実施態様では、上端電極が、電気的に孤立している（「浮遊している」）。ある実施態様では、上端電極１０８が、バイアス電圧にバイアスされている。バイアス電圧を使用して、（イオンエネルギーを含む）生成されたプラズマの諸特性を制御することができる。ある実施態様では、上端電極１０８が、RF信号によって駆動される。例えば、接地されてしまった加工対象物支持電極１１６に対して上端電極１０８を駆動することにより、加工対象物１１５におけるプラズマ電位を増加させることができる。プラズマ電位を増加させることにより、イオンエネルギーの増加を所望の値にすることが可能になる。

上端電極１０８は、種々のプロセス対応可能な材料から形成することができる。プロセス対応可能性に対する様々な基準は、プロセスガスによるエッチングに対する材料の耐性及びイオン衝撃からのスパッタリングに対する材料の耐性を含む。更に、材料がエッチングされる場合、プロセス対応可能な材料が、揮発性又はガス状の化合物を好適に生成する。その化合物は、真空ポンプ１１３によって排気されてよく、加工対象物１１５を汚染する可能性がある粒子を生成しない。したがって、ある実施態様では、上端電極がシリコンから作成される。ある実施態様では、上端電極が、炭化ケイ素から作成される。ある実施態様では、上端電極が、炭素ベースの材料から作成される。

ある実施態様では、上端電極１０８を省略することができる。そのような実施態様では、RF接地経路が、加工対象物支持電極によって若しくは電極アセンブリ１２０の同一平面にあるフィラメントのサブセットによって、又はプラズマに通じているチャンバ壁若しくは他の接地基準表面によって設けられてよい。

ある実施態様では、流体供給源１４６が、チャンバ内電極アセンブリ１２０を通して流体を循環させる。ある実施態様では、熱交換器１４８が、流体供給源１４６に連結されて、流体から熱を除去し又は流体に熱を供給する。

チャンバ構成及び供給される処理ガスに応じて、プラズマ反応器１００は、ALD装置、エッチング装置、プラズマ処理装置、プラズマ化学気相堆積装置、プラズマドーピング装置、又はプラズマ表面洗浄装置を設けることができる。

図２は、プラズマ反応器２００の別の一実施例の概略図である。この実施例は、チャンバ内電極アセンブリ１２０が、支持体１０６によって支持されるように湾曲しており、流体供給源１４６が、支持体１０６を通じてチャンバ内電極アセンブリ１２０に連結されてよいということを除いて、上述された図１のものと同じである。対照的に、図１の実施例では、電極アセンブリのフィラメントが、チャンバ本体１０２の側壁から現れ側壁によって支持されてよい。

図３は、図２によるチャンバ内電極アセンブリの一実施例の斜視図である。図３は、支持体１０６、上端電極１０８、上側間隙１３０、及びチャンバ内電極アセンブリ１２０を示している。チャンバ内電極アセンブリ１２０は、プラズマチャンバを通って側方に延在する１以上のフィラメント４００を含む。フィラメントは、ペデスタル１１４（図２参照）を覆って延在する中央部分３１２、及び支持体１０６から支持されるように上向きに湾曲した端部３１４を含む。この構成は、コンパクトな設置、及びプラズマ反応器１００の上側からフィラメントへのアクセス容易性のために設けられ得る。

図４Ａ〜図４Ｃは、チャンバ内電極アセンブリのフィラメントの様々な実施例の概略図である。図４Ａを参照すると、チャンバ内電極アセンブリ１２０のフィラメント４００が示されている。フィラメント４００は、導体４１０、及び導体４１０を囲み導体４１０に沿って延在する円筒形状シェル４２０を含む。チャネル４３０が、導体４１０と円筒形状シェル４２０の間の間隙によって形成されている。円筒形状シェル４２０は、プロセス対応可能な非金属材料から形成されている。ある実施態様では、円筒形状シェルが半導体である。ある実施態様では、円筒形状シェルが絶縁体である。

導体４１０は、様々な材料から形成されてよい。ある実施態様では、導体４１０が、単線、例えば０．０６３インチの直径を有する単一の単線である。代替的に、導体４１０は、複数の撚り線によって設けられてよい。ある実施態様では、導体が、３本の並列した０．０３２インチの撚り線を含む。複数の撚り線は、表皮効果を介したRF電力損失を低減させることができる。リッツ線は、表皮効果を更に低減させることができる。

（例えば、１０７ジーメンス／mを超える）高導電率を有する材料が使用される。その材料は、抵抗の電力損失を低減させることができる。ある実施態様では、導体４１０が、銅又は銅の合金から作成される。ある実施態様では、導体がアルミニウムから作成される。

望ましくない材料スパッタリング又はエッチングは、プロセスの汚染又は粒子の生成をもたらし得る。チャンバ内電極アセンブリ１２０が、CCP又はICP源として使用される場合、望ましくないスパッタリング又はエッチングが生じ得る。望ましくないスパッタリング又はエッチングは、電極面における過剰なイオンエネルギーによって引き起こされ得る。CCP源として動作するときに、プラズマ放電を駆動するために、円筒形状シェルの周りの振動する電界が必要である。全ての既知の材料が、CCP源の対応する最小動作電圧より低いスパッタリングエネルギー閾値を有するので、この振動は、材料のスパッタリング又はエッチングをもたらす。ICP源として動作するときに、プラズマに対するフィラメント４００の容量結合は、近隣の表面において振動する電界を生成する。それも、材料のスパッタリングをもたらす。望ましくないスパッタリング又はエッチングから生じる問題は、内部空間１０４に曝露されるフィラメント４００の外面（例えば、円筒形状シェル４２０）に対してプロセス対応可能な材料を使用することによって軽減され得る。

ある実施態様では、円筒形状シェル４２０が、シリコン（例えば、高い抵抗性を有するシリコン）、酸化物材料、窒化物材料、炭化物材料、セラミック材料、又はそれらの組み合わせなどの、プロセス対応可能な材料から形成される。酸化物材料の例は、二酸化シリコン（例えば、シリカ、石英）、及び酸化アルミニウム（例えば、サファイア）を含む。炭化物材料の例は、炭化ケイ素を含む。窒化物材料の例は、窒化ケイ素を含む。セラミック材料又はサファイアは、フッ素含有環境又はフッ化炭素含有環境を含む、一部の化学環境に対して望ましいだろう。アンモニア、ジクロロシラン、窒素、及び酸素を含有する化学環境では、シリコン、炭化ケイ素、又は石英の使用が望ましいだろう。

ある実施態様では、円筒形状シェル４２０が、０．１mmから３mm、例えば１mmの厚さを有する。シェル４２０は、２〜４mm、例えば２mmの内径を有してよい。

ある実施態様では、流体がチャネル４３０内に供給される。ある実施態様では、流体が、導体４１０の酸化を軽減するように酸素をパージするための非酸化性ガスである。非酸化性ガスの例は、窒素とアルゴンである。ある実施態様では、残余酸素又は水蒸気を除去するために、例えば流体源１４６によって、非酸化性ガスがチャネル４３０を通して連続的に流される。

導体４１０の加熱は、導体をより酸素による影響を受け易くし得る。流体は、供給されるRF電力から加熱され得る導体４１０に冷却を提供することができる。ある実施態様では、強制される対流による温度制御（例えば、冷却や加熱）を提供するために、例えば流体源１４６によって、流体がチャネル４３０を通して循環される。

ある実施態様では、流体の機能停止を防止するために、流体が大気圧又はそれより上にあってよい。これにより、管内の望ましくないプラズマ生成を防止することができる。チャネル４３０内の圧力は、少なくとも１００Torrであってよい。

図４Ｂを参照すると、フィラメント４００のある実施態様では、導体４１０がコーティング４２０を有する。ある実施態様では、コーティング４２０が、導体を形成する材料の酸化物（例えば、アルミニウム導体上の酸化アルミニウム）である。ある実施態様では、コーティング４２０が酸化ケイ素である。ある実施態様では、コーティング４２０が、例えば、二酸化ケイ素コーティングを形成するためのシラン、水素、及び酸素の反応によって、プラズマ反応器１００内でインシトゥで形成される。インシトゥのコーティングは、有益であるだろう。というのも、そのコーティングは、エッチング又はスパッタリングされるときに補充することができるからである。コーティングは、０．１〜１０ミクロンの厚さであってよい。

図４Ｃを参照すると、フィラメント４００のある実施態様では、導体４１０が中空であり、中空のチャネル４４０が、導体４１０の内側に形成される。ある実施態様では、中空のチャネル４４０が、図４Ａで説明された流体を搬送することができる。導体は、約１〜４mm（例えば、２mm）の外径、０．２５〜１mm（例えば、０．５mm）の壁厚を有する中空の管であってよい。プロセス対応可能な材料のコーティングは、円筒形状シェル４２０を提供するために導体４１０を覆っていてよい。ある実施態様では、コーティング４２０が、導体を形成する材料の酸化物（例えば、アルミニウム導体上の酸化アルミニウム）である。ある実施態様では、中空の導体４１０が、０．５mmの壁厚を伴う、２mmの外径を有する。

図１及び図２を参照すると、フィラメント４００は、枠によって支持され、枠から延在する。枠は、酸化物材料、窒化物材料、炭化物材料、セラミック材料、又はそれらの組み合わせなどの、プロセス対応可能な材料から形成される。酸化物材料の実施例は、二酸化シリコン（例えば、シリカ、石英）、及び酸化アルミニウム（例えば、サファイア）を含む。炭化物材料の例は、炭化ケイ素を含む。ある実施態様では、枠、及びフィラメント４００のシェルは、同じ材料（例えば、石英）から形成される。

フィラメント４００のシェルは、枠に融着されてよい。これにより、プロセスガスが導体に到達することを防止するための流体密封シールを生成することができ、したがって、反応器の寿命を改善することができ、汚染の可能性を低減させることができる。

ある実施態様では、例えば、図１で示されているように、フィラメント４００が、枠から水平に延在する。ある実施態様では、例えば、図２で示されているように、枠が天井の一部分を提供し、フィラメント４００が、枠から下向きに延在する。

ある実施態様では、例えば、図２及び図３で示されているように、枠が、支持体１０６によって設けられ得る。他の実施態様では、枠が、個別の本体、例えば、天井又は側壁１０２に取り付けられた本体である。ある実施態様では、枠が、チャンバの側壁によって設けられる。チャンバ壁は、導電性であってよいが、絶縁シェルが、導体をチャンバ壁から絶縁することができる。

図１で示されているように、フィラメント４００が枠から水平に突出する場合、枠は、上側間隙１３０を囲むように下向きに延在する本体１０５であってよい。代替的に、例えば、図３で示されているように、フィラメントが天井から下向きに延在する場合、支持体１０６は、上側間隙１３０を囲む下向きに突出する壁１０７含んでよい。本体１０５又は壁１０７は、流体密封シールを提供するために、支持体１０６と一体的に形成され又は支持体１０６に融着されてよい。

図５Ａは、チャンバ内電極アセンブリの一部分の概略図である。チャンバ内電極アセンブリ５００は、支持体５０２に取り付けられた複数のフィラメント４００を含む。電極アセンブリ５００は、電極アセンブリ１２０を提供し、フィラメント４００は、電極アセンブリ１２０のフィラメントを提供することができる。ある実施態様では、フィラメントが、互いに平行に延在する。

フィラメント４００は、フィラメント間隔５１０だけ互いから分離している。フィラメント間隔５１０は、表面と表面との距離であってよい。平行なフィラメントでは、間隔がフィラメントの長手軸と垂直に測定されてよい。間隔５１０は、プラズマの均一性に影響を与える場合がある。間隔が大き過ぎる場合、フィラメントは、シャドーイング及び不均一性を生成する可能性がある。他方、間隔が小さ過ぎる場合、プラズマが上側間隙１３０と底側間隙１３２との間で移動することができず、不均一性が増大し、又はイオン密度若しくは自由ラジカル密度が低減されることになる。ある実施態様では、フィラメント間隔５１０が、アセンブリ５００の全体にわたり均一である。

フィラメント間隔５１０は、３から２０mm（例えば、８mm）であってよい。高い圧力（例えば、N₂が２〜１０Torr）では、フィラメント間隔が２０mmから３mmであってよい。圧力範囲にわたる妥協点は、５〜１０mmであってよい。より低い圧力及びより長い加工対象物までの距離は、より長い間隔が効果的に使用され得ることを可能にする。

図５Ｂ〜図５Ｃは、種々のプラズマ領域状態を有するチャンバ内電極アセンブリの断面概略図である。図５Ｂを参照すると、プラズマ領域５１２が、フィラメント４００を囲んでいる。プラズマ領域５１２は、上側プラズマ領域５１４及び下側プラズマ領域５１６を有する。上側プラズマ領域５１４は、上側間隙１３０に位置付けられ、下側プラズマ領域５１６は、底側間隙１３２に位置付けられる。図５Ｂで示されているように、上側プラズマ領域５１４及び下側プラズマ領域５１６は、フィラメント４００間の間隙を通じて接続され、連続プラズマ領域５１２を生成する。プラズマ領域５１２のこの連続性は望ましい。というのも、領域５１４と領域５１６は、プラズマの交換を介して互いに「通じている」からである。特に（全てのフィラメントが同じ電源に接続されている）単極駆動であり、且つ上端電極が主接地経路として接地されている場合、プラズマの交換は、２つの領域の電気的なバランスを保つ助けとなり、プラズマの安定性と再現性を支援する。

フィラメントが一部の他の接地に対して駆動され、（加工対象物が接地されているなどして）上端接地がない単極駆動の場合、フィラメントの上方にプラズマが生成される必要がない。また、（例えば、電源出力の両側にフィラメントを交互に接続する）差動駆動（differential drive）の場合、フィラメント間にプラズマを生成することができるので、フィラメントの上方のプラズマは必要ない。しかし、これらの場合、接地された上端電極は、有害であるはずがないだろう。

図５Ｃを参照すると、この状態では、上側プラズマ領域５１４と下側プラズマ領域５１６は、互いに接続されていない。プラズマ領域５１２のこの「ピンチング（pinching）」は、プラズマ安定性にとって望ましくない。プラズマ領域５１２の形状は、プラズマ領域の不連続性を除去し又はプラズマ均一性を改善するために、様々な要因によって変更することができる。

一般に、領域５１２、５１４、及び５１６は、広い範囲のプラズマ密度を有してよく、必ずしも均一ではない。更に、図５Ｃで示されている上側プラズマ領域５１４と下側プラズマ領域５１６の間の不連続は、２つの領域に対して大幅に低いプラズマ密度を表しており、必ずしも間隙内にプラズマを完全に欠いているわけではない。

上側間隙１３０は、プラズマ領域の形状に影響を与える要因である。上端電極１０８が接地されているときに、圧力に応じて、上側間隙１３０を低減させると、通常、上側プラズマ領域５１４内のプラズマ密度の低減がもたらされる。上側間隙１３０に対する特定の値は、プラズマチャンバのコンピュータモデリングに基づいて決定されてよい。例えば、上側間隙１３０は、３mmから８mm、例えば４．５mmであってよい。

底側間隙１３２は、プラズマ領域の形状に影響を与える要因である。加工対象物支持電極１１６が接地されているときに、圧力に応じて、底側間隙１３２を低減させると、通常、下側プラズマ領域５１６内のプラズマ密度の低減がもたらされる。底側間隙１３２に対する特定の値は、プラズマチャンバのコンピュータモデリングに基づいて決定されてよい。例えば、底側間隙１３２は、３mmから９mm、例えば４．５mmであってよい。

隣接するフィラメント４００を駆動するRF信号の位相は、プラズマ領域の形状に影響を与える要因である。隣接するフィラメントを駆動する２つのRF信号の位相差が、０度（「単極」又は「シングルエンド（singled-ended）」）に設定されているときに、プラズマ領域は、フィラメント４００の間の間隙から押し出されて、不連続又は不均一をもたらす。隣接するフィラメントを駆動するRF信号の位相差が、１８０度（「差動」）に設定されているときに、プラズマ領域は、フィラメント４００の間により強く留められる。０と３６０度の間の任意の位相差が使用されて、プラズマ領域５１２の形状に影響を与えることができる。

加工対象物支持電極１１６の接地は、プラズマ領域の形状に影響を与える要因である。隣接するフィラメントを駆動するRF信号の間の位相差が０度であり、電極１１６のRF接地が不完全である場合、プラズマ領域は、上側間隙に向けて押される。しかし、隣接するフィラメント、例えばフィラメント４０２と４０４が、１８０度の位相差を有するRF信号を用いて駆動される場合、結果として生じるプラズマ分布は、電極１１６の不完全なRF接地に対してより鈍感である。任意の特定の理論に束縛されることなしに、これは、駆動信号の差動特性（differential nature）により、RF電流が隣接する電極を通って戻るためである。

ある実施態様では、チャンバ内電極アセンブリ５００が、フィラメント４００の第１の群及び第２の群を含んでよい。第１の群及び第２の群は、第１の群と第２の群との間でフィラメントが交互になるように、空間的に配置され得る。例えば、第１の群はフィラメント４０２を含んでよく、第２の群はフィラメント４００及び４０４を含んでよい。第１の群は、RF電源５２２の第１の端子５２２ａによって駆動されてよく、第２の群は、RF電源５２２の第２の端子５２２ｂによって駆動されてよい。RF電源５２２は、端子５２２ａにおいて第１のRF信号を提供し、端子５２２ｂにおいて第２のRF信号を提供するように構成されてよい。第１及び第２のRF信号は、互いに同じ周波数及び安定した位相関係を有してよい。例えば、位相関係は、０度及び１８０度を含んでよい。ある実施態様では、RF電源５２２によって提供される第１及び第２のRF信号の間の位相関係が、０と３６０の間で調整可能であってよい。ある実施態様では、RF電源５２２が、互いに位相ロックされた２つの個別のRF電源を含んでよい。

図６Ａ〜図６Ｃは、チャンバ内電極アセンブリ構成の様々な実施例の概略図である。図６Ａを参照すると、チャンバ内電極アセンブリ６００は、第１の互いに組み合わせる電極サブアセンブリ６２０、及び第２の互いに組み合わせる電極サブアセンブリ６３０を含む。サブアセンブリ６２０及び６３０は、それぞれ、一端においてバス６５０によって接続された複数の平行なフィラメント４００を有する。ある実施態様では、フィラメント４００を接続するバス６５０が、内部空間１０４の外側に位置付けられている。ある実施態様では、フィラメント４００を接続するバス６５０が、内部空間１０４内に位置付けられている。第１の互いに組み合わせる電極サブアセンブリ６２０と第２の互いに組み合わせる電極サブアセンブリ６３０は、サブアセンブリ６２０及び６３０のフィラメントが互いに平行になるように、互いと平行に配向される。

図６Ｂを参照すると、チャンバ内電極アセンブリ６０２は、サブアセンブリ６２２及び６３２が、ゼロではない角度で、例えば互いに直交して延在するような、第１の電極サブアセンブリ６２２と第２の電極サブアセンブリ６３２を含む。

チャンバ内電極アセンブリ６０２は、様々なやり方でRF信号を用いて駆動されてよい。ある実施態様では、サブアセンブリ６２２とサブアセンブリ６３２が、RF接地に対して同じRF信号を用いて駆動される。ある実施態様では、サブアセンブリ６２２とサブアセンブリ６３２が、差動RF信号を用いて駆動される。ある実施態様では、サブアセンブリ６２２が、RF信号を用いて駆動され、サブアセンブリ６３２が、RF接地に接続されている。

図６Ｃを参照すると、チャンバ内電極アセンブリ６０４は、重ね合わされた第１の電極サブアセンブリ６２４及び第２の電極サブアセンブリ６３４を含む。第１の電極サブアセンブリ６２４と第２の電極サブアセンブリ６３４は、それぞれ、両端でバス６６０及び６６２によって接続された複数の平行なフィラメント４００を有する。第１の電極サブアセンブリ６２４と第２の電極サブアセンブリ６３４は、サブアセンブリ６２４、６３４のフィラメントが交互パターンで配置された状態で、サブアセンブリ６２４及び６３４のフィラメントが互いに平行になるように構成されている。

チャンバ内電極アセンブリ６０４は、様々なやり方でRF信号を用いて駆動されてよい。ある実施態様では、サブアセンブリ６２４とサブアセンブリ６３４が、RF接地に対して同じRF信号を用いて駆動される。ある実施態様では、サブアセンブリ６２４とサブアセンブリ６３４が、差動RF信号を用いて駆動される。ある実施態様では、サブアセンブリ６２４が、RF信号を用いて駆動され、サブアセンブリ６３４が、RF接地に接続されている。

ある実施態様では、チャンバ内電極アセンブリ６０４は、中央給電（center-feed）６４０を使用して、RF信号を用いて、シングルエンド方式で駆動される。中央給電６４０は、中央においてＸ形状電流スプリッター６４２に接続されている。サブアセンブリ６２４及び６３４の４つの角部は、垂直フィード構造を使用して、Ｘ形状電流スプリッター６４２に接続されている。

一般的に、サブアセンブリ６２０、６２２、６２４及びそれぞれのサブアセンブリ６３０、６３２、６３４の差動駆動は、適切なRF接地（例えば、回転水銀カプラ、ブラシ、又はスリップリングを介したRF接地）が提供できないときに、プラズマ均一性又はプロセス再現性を改善することができる。

本発明の特定の実施形態を説明してきた。しかし、他の実施形態も可能である。例えば、
加工対象物は、プラズマチャンバ内で静止した状態で保持することができる。
加工対象物がプラズマチャンバ内で移動するように、プラットフォームは、直線的に移動又は回転することができる。

他の実施形態が、下記の特許請求の範囲内にある。

Claims

プラズマチャンバを提供する内部空間を有し天井を有するチャンバ本体、
前記プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、
前記チャンバを排気するための前記プラズマチャンバに連結されたポンプ、
前記天井に対面する加工対象物を保持するための加工対象物支持体、
絶縁枠及び前記天井と前記加工対象物支持体との間で前記プラズマチャンバを通って側方に延在するフィラメントを備えたチャンバ内電極アセンブリであって、前記フィラメントが、前記絶縁枠から延在する絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む、チャンバ内電極アセンブリ、並びに
前記チャンバ内電極アセンブリの前記導体に第１のRF電力を供給するための第１のRF電源を備える、プラズマ反応器。
前記絶縁シェルが、前記プラズマチャンバ内で前記導体の全体を囲み前記導体の全体に沿って延在する円筒形状シェルを備える、請求項１に記載のプラズマ反応器。
前記絶縁シェルが、シリコン、若しくは、酸化物、窒化物、若しくは炭化物材料、又はそれらの組み合わせから形成されている、請求項１に記載のプラズマ反応器。
前記絶縁シェルが、シリカ、サファイア、又は炭化ケイ素から形成されている、請求項３に記載のプラズマ反応器。
前記円筒形状シェルがチャネルを形成し、前記導体が前記チャネル内で宙吊りにされ前記チャネルを通って延在し、又は前記導体が中空チャネルを備える、請求項１に記載のプラズマ反応器。
前記チャネルを通して流体を循環させるように構成された流体源を更に備える、請求項５に記載のプラズマ反応器。
前記流体が、非酸化性ガスを含む、請求項６に記載のプラズマ反応器。
前記流体から熱を除去し又は前記流体に熱を供給するように構成された熱交換器を備える、請求項６に記載のプラズマ反応器。
前記チャンバ内電極アセンブリが、前記天井と前記加工対象物支持体との間で前記プラズマチャンバを通って側方に延在する複数の同一平面にあるフィラメントを備える、請求項１に記載のプラズマ反応器。
前記複数の同一平面にあるフィラメントが、均一に間隔を空けられている、請求項９に記載のプラズマ反応器。
前記複数の同一平面にあるフィラメントが、直線的なフィラメントを備える、請求項９に記載のプラズマ反応器。
前記複数の同一平面にあるフィラメントが、前記プラズマチャンバを通って平行に延在する、請求項１１に記載のプラズマ反応器。
前記シェルが、前記絶縁枠に融着されている、請求項１に記載のプラズマ反応器。
前記シェルと前記絶縁枠が、同じ材料組成である、請求項１に記載のプラズマ反応器。
前記絶縁枠が、シリカ又はセラミック材料から形成されている、請求項１のプラズマ反応器。
プラズマチャンバを提供し天井を有する内部空間を有するチャンバ本体、
前記プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、
前記チャンバを排気するための前記プラズマチャンバに連結されたポンプ、
加工対象物を保持するための加工対象物支持体、
絶縁枠及びフィラメントを備えたチャンバ内電極アセンブリであって、前記フィラメントが、前記天井から下向きに延在する第１の部分及び前記天井と前記加工対象物支持体との間で前記プラズマチャンバを通って側方に延在する第２の部分を含み、前記フィラメントが、絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む、チャンバ内電極アセンブリ、並びに
前記チャンバ内電極アセンブリの前記導体に第１のRF電力を供給するための第１のRF電源を備える、プラズマ反応器。
前記チャンバ内電極アセンブリが複数のフィラメントを備え、各フィラメントが、前記天井から下向きに延在する第１の部分、及び、前記天井と前記加工対象物支持体と間で前記プラズマチャンバを通って側方に延在する第２の部分を備える、請求項１６に記載のプラズマ反応器。
前記複数のフィラメントの前記第２の部分が同一平面にある、請求項１６に記載のプラズマ反応器。
前記支持体が、前記天井と前記フィラメントの前記第２の部分との間の空間を囲む下向きに突出した側壁を備える、請求項１６に記載のプラズマ反応器。
前記側壁が、酸化ケイ素又はセラミック材料から形成されている、請求項１９に記載のプラズマ反応器。
前記天井が絶縁枠を備え、前記フィラメントが前記絶縁枠から外に延在する、請求項１９に記載のプラズマ反応器。
前記シェルが、前記枠に融着されている、請求項２１に記載のプラズマ反応器。
前記シェルと前記支持体が、同じ材料組成である、請求項２１に記載のプラズマ反応器。
プラズマチャンバを提供する内部空間を有し天井及び上端電極を保持するための絶縁支持体を有するチャンバ本体、
前記プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、
前記チャンバを排気するための前記プラズマチャンバに連結されたポンプ、
前記上端電極に対面する加工対象物を保持するための加工対象物支持体、
前記上端電極と前記加工対象物支持体との間で前記プラズマチャンバを通って側方に延在するフィラメントを備えたチャンバ内電極アセンブリであって、前記フィラメントが、前記絶縁枠から延在する絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む、チャンバ内電極アセンブリ、並びに
前記チャンバ内電極アセンブリの前記導体に第１のRF電力を供給するための第１のRF電源を備える、プラズマ反応器。
プラズマチャンバを提供する内部空間を有し天井を有するチャンバ本体、
前記プラズマチャンバに処理ガスを供給するガス供給器、
前記チャンバを排気するための前記プラズマチャンバに連結されたポンプ、
加工対象物を保持するための加工対象物支持体、
チャンバ内電極アセンブリであって、絶縁枠、第１の方向に沿って前記天井と前記加工対象物支持体との間で前記プラズマチャンバを通って側方に延在する第１の複数の同一平面にあるフィラメント、及び前記第１の方向と垂直な第２の方向に沿ってプラズマチャンバを通って平行に延在する第２の複数の同一平面にあるフィラメントを備え、前記第１及び第２の複数のフィラメントのそれぞれのフィラメントが、絶縁シェルによって少なくとも部分的に囲まれた導体を含む、チャンバ内電極アセンブリ、並びに
前記チャンバ内電極アセンブリの前記導体に第１のRF電力を供給する第１のRF電源を備える、プラズマ反応器。