JP4482308B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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、特に高周波を電極に印加してプラズマを生成する方式のプラズマ処理技術に関する。

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多く利用されている。従来より、枚葉式のプラズマ処理装置の中では、容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流になっている。

一般に、容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、処理容器または反応室内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極を接地してその上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置し、上部電極に整合器を介して高周波電圧を印加する。この高周波電圧によって生成された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する。ここで、両電極はコンデンサとして作用する。

最近では、製造プロセスにおけるデザインルールの微細化につれてプラズマ処理に低圧下での高密度プラズマが要求されており、上記のような容量結合型平行平板プラズマ処理装置では上部電極に対して従来（一般に２７ＭＨｚ以下）よりも格段に高い高周波数領域（たとえば５０ＭＨｚ以上）の高周波を印加するようになってきている。しかしながら、上部電極に印加する高周波の周波数が高くなると、高周波電源から給電棒を通って電極背面に印加される高周波が表皮効果により電極表面を伝わって電極下面（プラズマ接触面）の中心部に集中し、電極下面の中心部の電界強度が外周部の電界強度よりも高くなって、生成されるプラズマの密度も電極中心部の方が電極外周部より高くなる。さらに、プラズマが径方向で高密度空間から低密度空間へ拡散するため、プラズマ密度はますます電極中心部で相対的に高く電極外周部で相対的に低い分布になってしまう。

この問題を解消するために、上部電極の下面中心部を高抵抗部材で構成するものが知られている（たとえば特許文献１）。この技法は、上部電極の下面中央部を高抵抗部材で構成し、そこでより多くの高周波電力をジュール熱として消費させることで、上部電極の下面（プラズマ接触面）の電界強度を電極外周部よりも電極中心部で相対的に低下させ、上記のようなプラズマ密度の不均一性を補正するものである。
特開２０００−３２３４５６号公報

しかしながら、上記のように上部電極の下面中心部を高抵抗部材で構成するものにおいては、ジュール熱による高周波電力の消費（エネルギー損失）が多くなってしまう可能性がある。また、上部電極に対する給電ラインを構成する給電棒等の誘導性リアクタンス成分の影響がＲＦ周波数を高くするほど大きくなり、給電ラインないし上部電極の不定な箇所で共振ポイントを生じさせ、その共振ポイント付近で異常に大きな電流が流れてしまう可能性も出てくる。

また、最近のプラズマ処理装置では、上部電極が多数のガス通気孔を有し、これらの通気孔から処理ガスを下部電極側に向けて噴射するいわゆるシャワーヘッドを兼ねることが多い。このようなシャワーヘッド兼用型の上部電極は、プラズマからのイオンのアタックを受けてスパッタされるため、消耗品として扱われている。特に、ガス通気孔の吐出口（角部）が電界を集中させるためスパッタされやすく、ガスがラッパ状に広がってしまうと、プラズマを安定に生成することができなくなるため、ガス吐出口のスパッタ進行度（広がり具合）が電極寿命の指標となっている。このようなシャワーヘッド構造の上部電極にあっては、上記のようにプラズマの高密度化を図ろうとすると、電極寿命がますます短くなってしまう可能性がある。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、プラズマ生成用高周波の伝送効率を向上させるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、プラズマ密度の均一化を容易に実現できるようにしたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、プラズマ生成用の高周波が印加される高周波電極の寿命を延ばすようにしたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法ならびにプラズマ処理装置の電極板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、真空可能な処理容器と、前記処理容器内で所定位置に配置される被処理基板と対向するようにリング状に設置される１つまたは複数の第１の上部電極と、前記第１の上部電極の半径方向内側に絶縁して配置される第２の上部電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の上部電極に印加する第１の給電部と、前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の給電部から分岐して前記第２の上部電極に供給する第２の給電部とを有し、前記第１の高周波電源から前記第１の上部電極に印加される高周波電力の値が、前記第１の高周波電源から前記第２の上部電極に印加される高周波電力の値よりも大きく、前記第１の上部電極が、前記基板の外周端よりも径方向外側で前記第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有し、前記第１の給電部が、前記第１の上部電極に周回方向で連続的に接続される第１の筒状導電部材を有し、前記第１の筒状導電部材の径方向外側にグランド電位に接続された第２の筒状導電部材を設ける。
また、本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、真空可能な処理容器と、前記処理容器内で所定位置に配置される被処理基板と対向するようにリング状に設置される１つまたは複数の第１の上部電極と、前記第１の上部電極の半径方向内側に絶縁して配置される第２の上部電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の上部電極に印加する第１の給電部と、前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の給電部から分岐して前記第２の上部電極に供給する第２の給電部と、を有し、前記第１の高周波電源から前記第１の上部電極に印加される高周波電力の値が、前記第１の高周波電源から前記第２の上部電極に印加される高周波電力の値よりも大きく、前記第１の上部電極が、前記基板の外周端よりも径方向外側で前記第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有し、さらに、前記処理容器の内壁と前記第１の上部電極との間に配置される絶縁性部材と、前記第１の高周波が前記突出部および前記絶縁性部材からプラズマ処理空間に供給されるのを防ぐための、前記突出部と前記絶縁性部材を覆うシールド部材とを有する。

また、本発明の第１の観点におけるプラズマ処理方法は、真空可能な処理容器内で所定位置に被処理基板を配置する工程と、前記処理容器内で前記所定位置の前記基板と対向してリング状に設置され、前記基板の外周端よりも径方向外側で前記第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有する１つまたは複数の第１の上部電極に第１の給電部を介して第１の高周波電源からの第１の高周波を印加するとともに、前記第１の上部電極の半径方向内側に絶縁して設置された第２の上部電極に前記第１の給電部から分岐した第２の給電部を介して前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を印加し、前記第１の高周波電源から前記第１の上部電極に印加される高周波電力の値を、前記第１の高周波電源から前記第２の上部電極に印加される高周波電力の値よりも大きくする工程と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する工程と、前記第１の上部電極の直下付近で前記処理ガスをプラズマ化して、生成されたプラズマを拡散させるとともに、前記第２の上部電極の直下付近でも前記処理ガスをプラズマ化する工程と、前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施す工程とを有し、前記第１の給電部として、前記第１の上部電極に周回方向で連続的に接続される第１の筒状導電部材を用い、前記第２の給電部が分岐する箇所から前記第１の上部電極までの区間における前記第１の給電部のインダクタンスが前記第２の給電部のインダクタンスよりも小さく、前記第１の筒状導電部材と前記第１の筒状導電部材の径方向外側に設けられたグランド電位の第２の筒状導電部材とで前記第１の筒状導電部材を導波路とする同軸線路が構成される。
また、本発明の第２の観点におけるプラズマ処理方法は、真空可能な処理容器内で所定位置に被処理基板を配置する工程と、前記処理容器内で前記所定位置の前記基板と対向してリング状に設置され、前記基板の外周端よりも径方向外側で前記第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有する１つまたは複数の第１の上部電極に第１の給電部を介して第１の高周波電源からの第１の高周波を印加するとともに、前記第１の上部電極の半径方向内側に絶縁して設置された第２の上部電極に前記第１の給電部から分岐した第２の給電部を介して前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を印加し、前記第１の高周波電源から前記第１の上部電極に印加される高周波電力の値を、前記第１の高周波電源から前記第２の上部電極に印加される高周波電力の値よりも大きくする工程と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する工程と、前記第１の上部電極の直下付近で前記処理ガスをプラズマ化して、生成されたプラズマを拡散させるとともに、前記第２の上部電極の直下付近でも前記処理ガスをプラズマ化する工程と、前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施す工程とを有し、前記処理容器の内壁と前記第１の上部電極との間に絶縁性部材を配置し、前記第１の高周波が前記突出部および前記絶縁性部材からプラズマ処理空間に供給されるのを防ぐために、前記突出部と前記絶縁性部材とをシールド部材で覆う。

本発明では、主としてリング状の第１の上部電極の直下でプラズマを生成し、生成したプラズマを主に内側または中心側に拡散させることによりプラズマの密度を径方向で均して、下部電極上の基板の被処理面にプラズマを用いた所望の処理を施す。基板に対する第１の上部電極のサイズ、下部電極との電極間距離、プラズマ生成率等を適宜調整することによって、更なるプラズマ密度の均一化をはかることができる。
また、本発明は、第１の上部電極が第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有する構成により、プラズマ生成空間に対して周辺側から半径方向内向きの電界を与え、プラズマを閉じ込めて、プラズマ密度の向上と均一化を効果的に実現することが可能であり、基板のエッジ付近における電子密度分布の均一性を向上させることもできる。さらに、本発明では、第１の上部電極の突出部が基板の外周端よりも径方向外側に位置しているので、これによって電子密度分布の均一性を一層向上させることができる。本発明において、第１の上部電極における突出部の突出量と径方向における基板との相対位置関係は、プラズマ密度の空間分布特性を左右する重要なファクタとなる。好ましくは、突出部の突出量を２５ｍｍ以下に選んでよい。また、基板の外周端よりも半径方向外側に２４ｍｍ〜３０ｍｍ離れた位置に突出部の内径部分を設けるのが好ましい。
さらに、本発明の上記第１の観点によれば、第１の給電部が、第１の上部電極に周回方向で連続的に接続される第１の筒状導電部材を有し、第１の筒状導電部材の径方向外側にグランド電位に接続された第２の筒状導電部材を設ける構成により、第１の筒状導電部材と第２の筒状導電部材との間に前者（第１の筒状導電部材）を導波路とする同軸線路が形成される。導波路（第１の筒状導電部材）の径が大きいために、この同軸線路のインダクタンスは小さく、第２の給電部よりも第１の給電部が第１の高周波を伝搬しやすくなる。これにより、第１の上部電極には第１の高周波を多めに供給してその直下に相対的に強い電界強度を得られ、第２の上部電極には第１の高周波を少な目に供給してその直下に相対的に弱い電界強度が得られる。こうして、第１の上部電極の直下で相対的に強い電界で電子を加速させると同時に、第２の上部電極の直下では相対的に弱い電界で電子を加速させるので、第１の上部電極の直下でプラズマの大部分ないし過半が生成され、第２の上部電極の直下では補助的にプラズマの一部が生成される。そして、第１の上部電極の直下で生成された高密度のプラズマが径方向の内側と外側に拡散することにより、上部電極（第１の上部電極、第２の上部電極）と基板との間のプラズマ処理空間においてプラズマ密度が径方向で均される。
また、本発明の上記第２の観点によれば、処理容器の内壁と第１の上部電極との間に配置される絶縁性部材と、第１の高周波が突出部および絶縁性部材からプラズマ処理空間に供給されるのを防ぐための、突出部と絶縁性部材を覆うシールド部材とを更に有する構成により、突出部の下面および絶縁性部材の下面が第１の高周波の通り道ではなくなり、その直下でのプラズマ生成が大幅に減少するので、プラズマを被処理体直下に閉じ込めて、プラズマ密度の均一性を一層向上させることができるとともに、処理容器への不所望な重合膜の堆積を効果的に防止することができる。

第１の上部電極の材質は、第１の高周波電源からの第１の高周波電圧に対して電圧降下または電力損失の小さい導電体または半導体が好ましい。また、第１の上部電極の面積は、第２の上部電極の面積の１／４倍〜１倍に選ばれるのが好ましい。

本発明では、第２の給電部に可変コンデンサを設けるのが好ましい。この可変コンデンサのキャパシタンスを調整することで、第１の上部電極付近の電界強度または電力投入量（Ｐ₁）と第２の上部電極付近の電界強度または電力投入量（Ｐ₂）との比率（Ｐ₁：Ｐ₂）を一定条件（Ｐ₁＞Ｐ₂）の下で自在に制御し、それによって第１の上部電極付近のプラズマ生成量（または生成率）と第２の上部電極付近のプラズマ生成量（または生成率）との比率を自在に制御することができる。

本発明でも、第１の高周波電源の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとを第１の整合器を用いて整合させてよい。好ましくは、第１の整合器の出力端子より第１の高周波電圧を第１の給電部と第２の給電部とに分岐させて並列に第１の上部電極と前記第２の上部電極とに供給してよい。この場合、第１の整合器の出力端子からみた第１の高周波電源に対する負荷インピーダンスのリアクタンスを容量性にすることで、負荷回路を構成する導波路内に共振ポイントが発生するのを回避できる。

また、シャワーヘッド方式を採用する場合、好ましくは、被処理基板側からみて第２の上部電極の背部または背後に処理ガス供給手段からの処理ガスを導入するためのガス導入室を設け、第２の上部電極にガス導入室から下部電極に向けて処理ガスを吐出するための多数の通気孔を形成してよい。本発明では、主に第１の上部電極がプラズマ生成に寄与し、第２の上部電極はプラズマイオンから受けるアタックが少ないため、シャワーヘッドを兼用しても電極寿命を延ばすことができる。好ましくは、上記ガス導入室を、環状の隔壁部材により内側の中心ガス室と外側の外周ガス室とに分割し、中心ガス室と外周ガス室とに処理ガスを所望の流量比で導入してよい。これにより、中心部と外周部とでガス吐出流量の比率を任意に調整できるので、ガス分子またはラジカル密度の空間分布を径方向で制御することができる。このようにしてラジカル密度分布を制御する機能を、上記のような第１の上部電極と第２の上部電極との間でプラズマ生成比率を制御してプラズマ密度分布を制御する機能と組み合わせて、プラズマ処理の最適化をはかることもできる。

本発明の好適な一態様によれば、第２の給電部の周囲に、導体部材、好ましくは第２の給電部のインダクタンスを小さくするための誘導電流が流れる導体部材が設けられる。第２の給電手段のインダクタンスを小さくすることで、上記可変コンデンサによる第１および第２の上部電極間の電界強度または投入電力バランス調整のレンジを向上させることができる。インダクタンス低減効果を高めるために、この導体部材を第２の給電部の回りを囲むように環状に、かつ第１の給電部よりも径方向内側に配置するのが好ましい。

本発明の好適な一態様によれば、第２の上部電極が、少なくとも直流を通すローパスフィルタを介してグランド電位に電気的に接続される。このローパスフィルタは、第２の上部電極に生成される直流電位を調節するための抵抗を有する。この抵抗を可変抵抗器で構成する場合は、第１および第２の上部電極の全体に供給される高周波電力の値に応じてその抵抗値を可変するのが好ましい。また、第２の上部電極を可変直流電源を介してグランドに接地し、電源電圧によって第２の上部電極の直流電位を直接制御することも可能である。

本発明によれば、上記のような構成と作用により、上部電極に供給するプラズマ生成用高周波の伝送効率を向上させることができる。また、プラズマ密度の均一化を容易に実現できる。また、プラズマ生成用の高周波が印加される高周波電極の寿命を延ばすこともできる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の第１の実施例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は、容量結合型平行平板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がクーロン力で静電チャック１８に吸着保持され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２４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２６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在する冷媒室２８が設けられている。この冷媒室２８には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管３０ａ，３０ｂ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。

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３２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の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極３４が設けられている。両電極１６，３４の間の空間はプラズマ生成空間である。上部電極３４は、サセプタ（下部電極）１６上の半導体ウエハＷと対向してプラズマ生成空間と接する面つまり対向面を形成する。上部電極３４は、サセプタ１６と所望の間隔を置いて対向配置されているリング形状またはドーナツ形状の外側(outer)上部電極３６と、この外側上部電極３６の半径方向内側に絶縁して配置されている円板形状の内側(inner)上部電極３８とで構成される。これら外側上部電極３６と内側上部電極３８とは、プラズマ生成に関して、前者（３６）が主で、後者（３８）が補助の関係を有している。

図２に、この実施例におけるプラズマエッチング装置の要部の構成を示す。図２に明示するように、外側上部電極３６と内側上部電極３８との間にはたとえば０．２５〜２．０ｍｍの環状ギャップ（隙間）が形成され、このギャップにたとえば石英からなる誘電体４０が設けられる。また、このギャップにセラミック９６を設けることもできる。この誘電体４０を挟んで両電極３６，３８の間にコンデンサが形成される。このコンデンサのキャパシタンスＣ40は、ギャップのサイズと誘電体４０の誘電率に応じて所望の値に選定または調整される。外側上部電極３６とチャンバ１０の側壁との間には、たとえばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなるリング形状の絶縁性遮蔽部材４２が気密に取り付けられている。

外側上部電極３６は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体たとえばシリコンで構成されるのが好ましい。外側上部電極３６には、整合器４４、上部給電棒４６、コネクタ４８および給電筒５０を介して第１の高周波電源５２が電気的に接続されている。第１の高周波電源５２は、１３．５ＭＨｚ以上の周波数たとえば６０ＭＨｚの高周波電圧を出力する。整合器４４は、高周波電源５２の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に高周波電源５０の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。整合器４４の出力端子は上部給電棒４６の上端に接続されている。

給電筒５０は、円筒状または円錐状あるいはそれらに近い形状の導電板たとえばアルミニウム板または銅板からなり、下端が周回方向で連続的に外側上部電極３６に接続され、上端がコネクタ４８によって上部給電棒４６の下端部に電気的に接続されている。給電筒５０の外側では、チャンバ１０の側壁が上部電極３４の高さ位置よりも上方に延びて円筒状の接地導体１０ａを構成している。この円筒状接地導体１０ａの上端部は筒状の絶縁部材５４により上部給電棒４６から電気的に絶縁されている。かかる構成においては、コネクタ４８からみた負荷回路において、給電筒５０および外側上部電極３６と円筒状接地導体１０ａとで前者（３６，５０）を導波路とする同軸線路が形成される。

再び図１において、内側上部電極３８は、多数のガス通気孔５６ａ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５６と、この電極板５６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５８とを有する。電極支持体５８の内部には、たとえばＯリングからなる環状隔壁部材６０で分割された２つのガス導入室つまり中心ガス導入室６２と周辺ガス導入室６４とが設けられている。中心ガス導入室６２とその下面に設けられている多数のガス噴出孔５６ａとで中心シャワーヘッドが構成され、周辺ガス導入室６４とその下面に設けられている多数のガス噴出孔５６ａとで周辺シャワーヘッドが構成されている。

これらのガス導入室６２，６４には、共通の処理ガス供給源６６からの処理ガスが所望の流量比で供給されるようになっている。より詳細には、処理ガス供給源６６からのガス供給管６８が途中で２つに分岐してガス導入室６２，６４に接続され、それぞれの分岐管６８ａ，６８ｂに流量制御弁７０ａ，７０ｂが設けられている。処理ガス供給源６６からガス導入室６２，６４までの流路のコンダクタンスは等しいので、流量制御弁７０ａ，７０ｂの調整により、両ガス導入室６２，６４に供給する処理ガスの流量比を任意に調整できるようになっている。なお、ガス供給管６８にはマスフローコントローラ（ＭＦＣ）７２および開閉バルブ７４が設けられている。このように、中心ガス導入室６２と周辺ガス導入室６４とに導入する処理ガスの流量比を調整することで、中心ガス導入室６２に対応する電極中心部のガス通気孔５６ａつまり中心シャワーヘッドより噴出されるガスの流量Ｆ_Cと周辺ガス導入室６４に対応する電極周辺部のガス通気孔５６ａつまり周辺シャワーヘッドより噴出されるガスの流量Ｆ _E との比率（Ｆ_C／Ｆ_E）を任意に調整できるようになっている。なお、中心シャワーヘッドおよび周辺シャワーヘッドよりそれぞれ噴出させる処理ガスの単位面積当たりの流量を異ならせることも可能である。さらに、中心シャワーヘッドおよび周辺シャワーヘッドよりそれぞれ噴出させる処理ガスのガス種またはガス混合比を独立または別個に選定することも可能である。

内側上部電極３８の電極支持体５８には、整合器４４、上部給電棒４６、コネクタ４８および下部給電筒７６を介して第１の高周波電源５２が電気的に接続されている。下部給電筒７６の途中には、キャパシタンスを可変調整できる可変コンデンサ７８が設けられている。

図示省略するが、外側上部電極３６および内側上部電極３８にも適当な冷媒室または冷却ジャケット（図示せず）を設けて、外部のチラーユニットにより冷媒を介して電極の温度を制御できるように構成してもよい。

チャンバ１０の底部には排気口８０が設けられ、この排気口８０に排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４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の搬入出口を開閉するゲートバルブ８６が取り付けられている。

この実施例のプラズマエッチング装置では、下部電極としてのサセプタ１６に整合器８８を介して第２の高周波電源９０が電気的に接続されている。この第２の高周波電源９０は、２〜２７ＭＨｚの範囲内の周波数、たとえば２ＭＨｚの高周波電圧を出力する。整合器８８は、高周波電源９０の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に高周波電源９０の内部インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

内側上部電極３８には、第１の高周波電源５２からの高周波（６０ＭＨｚ）を通さずに第２の高周波電源９８からの高周波（２ＭＨｚ）をグランドへ通すためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）９２が電気的に接続されている。このローパスフィルタ（ＬＰＦ）９２は、好適にはＬＲフィルタまたはＬＣフィルタで構成されてよいが、１本の導線だけでも第１の高周波電源５２からの高周波（６０ＭＨｚ）に対しては十分大きなリアクタンスを与えることができるので、それで済ますこともできる。一方、サセプタ１６には、第１の高周波電源５２からの高周波（６０ＭＨｚ）をグランドへ通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）９４が電気的に接続されている。

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８６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１６の上に載置する。そして、処理ガス供給源６６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ガス導入室６２，６４に導入し、排気装置８４によりチャンバ１０内の圧力つまりエッチング圧力を設定値（たとえば数mTorr〜１Torrの範囲内）とする。さらに、第１の高周波電源５２よりプラズマ生成用の高周波（６０ＭＨｚ）を所定のパワーで上部電極３４（３６，３８）に印加するとともに、第２の高周波電源９０より高周波（２ＭＨｚ）を所定のパワーでサセプタ１６に印加する。また、直流電源２２より直流電圧を静電チャック１８の電極２０に印加して、半導体ウエハＷをサセプタ１６に固定する。内側上部電極３８のガス通気孔５６ａより吐出されたエッチングガスは上部電極３４（３６，３８）とサセプタ１６間のグロー放電中でプラズマ化し、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の被処理面がエッチングされる。

このプラズマエッチング装置では、上部電極３４に対して高い周波数領域（イオンが動けない５〜１０ＭＨｚ以上）の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。

また、上部電極３４において、半導体ウエハＷと真正面に対向する内側上部電極３８をシャワーヘッド兼用型とし、中心シャワーヘッド（６２，５６ａ）と周辺シャワーヘッド（６４，５６ａ）とでガス吐出流量の比率を任意に調整できるので、ガス分子またはラジカル密度の空間分布を径方向で制御し、ラジカルベースによるエッチング特性の空間的な分布特性を任意に制御することもできる。

一方、上部電極３４においては、後述するように、プラズマ生成のための高周波電極として外側上部電極３６を主、内側上部電極３８を副とし、両高周波電極３６，３８より電極直下の電子に与える電界強度の比率を調整可能にしているので、プラズマ密度の空間分布を径方向で制御し、反応性イオンエッチングの空間的な特性を任意かつ精細に制御することができる。

ここで、重要なことは、外側上部電極３６と内側上部電極３８との間で電界強度または投入電力の比率を可変することによって行なわれるプラズマ密度空間分布の制御が、中心シャワーヘッド（６２，５６ａ）と周辺シャワーヘッド（６４，５６ａ）との間で処理ガスの流量やガス密度またはガス混合比の比率を可変することによって行なわれるラジカル密度空間分布の制御に実質的な影響を及ぼさないことである。つまり、中心シャワーヘッド（６２，５６ａ）と周辺シャワーヘッド（６４，５６ａ）より噴出される処理ガスの解離が内側上部電極３８直下のエリア内で行なわれるため、内側上部電極３８と外側上部電極３６との間で電界強度のバランスを変えても、内側上部電極３８内（同一エリア内）の中心シャワーヘッド（６２，５６ａ）と周辺シャワーヘッド（６４，５６ａ）との間のラジカル生成量ないし密度のバランスにはさほど影響しない。このように、プラズマ密度の空間分布とラジカル密度の空間分布とを実質上独立に制御することができる。

また、このプラズマエッチング装置は、外側上部電極３６の直下でプラズマの大部分ないし過半を生成して内側上部電極３８の直下に拡散させる方式である。この方式によると、シャワーヘッドを兼ねる内側上部電極３８においては、プラズマのイオンから受けるアタックが少ないため交換部品である電極板５６のガス吐出口５６ａのスパッタ進行度を効果的に抑制し、電極板５６の寿命を大幅に延ばすことができる。一方、外側上部電極３６は、電界の集中するガス吐出口を有してはいないため、イオンのアタックは少なく、内側上部電極３８の代わりに電極寿命が短くなるようなことはない。

図２は、先に述べたように、このプラズマエッチング装置の要部（特に、プラズマ生成手段を構成する要部）の構成を示している。図中、内側上部電極３８のシャワーヘッド部（５６ａ、６２，６４）の構造を省略している。図３に、プラズマ生成手段の要部の等価回路を示す。この等価回路では各部の抵抗を省略している。

この実施例では、上記のように、コネクタ４８からみた負荷回路において、外側上部電極３６および給電筒５０と円筒状接地導体１０ａとで前者（３６，５０）を導波路Ｊoとする同軸線路が形成される。ここで、給電筒５０の半径（外径）をａ_o、円筒状接地導体１０ａの半径をｂとすると、この同軸線路の特性インピーダンスまたはインダクタンスＬoは下記の式（１）で近似できる。
Ｌo＝Ｋ・Ｉｎ（ｂ／ａ_o） ‥‥‥（１）
ただし、Ｋは導電路の移動度および誘電率で決まる定数である。

一方、コネクタ４８からみた負荷回路において、下部給電棒７６と円筒状接地導体１０ａとの間でも前者（７６）を導波路Ｊiとする同軸線路が形成される。内側上部電極３８も下部給電棒７６の延長上にあるが、直径が違いすぎており、下部給電棒７６のインピーダンスが支配的になる。ここで、下部給電棒７６の半径（外径）をａ_iとすると、この同軸線路の特性インピーダンスまたはインダクタンスＬiは下記の式（２）で近似できる。
Ｌi＝Ｋ・Ｉｎ（ｂ／ａ_i） ‥‥‥（２）

上記の式（１），（２）より理解されるように、内側上部電極３８に高周波を伝える内側導波路Ｊiは従来一般のＲＦシステムと同様のインダクタンスＬiを与えるのに対して、外側上部電極３６に高周波を伝える外側導波路Ｊoは径が大きい分だけ著しく小さなインダクタンスＬoを与えることができる。これにより、整合器４４からみてコネクタ４８より先の負荷回路では、低インピーダンスの外側導波路Ｊoで高周波が伝播しやすく（電圧降下が小さく）、外側上部電極３６に多めの高周波電力Ｐoを供給して、外側上部電極３６の下面（プラズマ接触面）に強い電界強度Ｅoを得ることができる。一方、高インピーダンスの内側導波路Ｊiでは高周波が伝播しにくく（電圧降下が大きく）、内側上部電極３８に外側上部電極３６に供給される高周波電力Ｐoよりも小さい高周波電力Ｐ_iを供給して、内側上部電極３８の下面（プラズマ接触面）に得られる電界強度Ｅ_iを外側上部電極３６側の電界強度Ｅoよりも小さくすることができる。

このように、上部電極３４では、外側上部電極３６の直下で相対的に強い電界Ｅoで電子を加速させると同時に、内側上部電極３８の直下では相対的に弱い電界Ｅiで電子を加速させることとなり、これによって外側上部電極３６の直下でプラズマＰの大部分ないし過半が生成され、内側上部電極３８の直下では補助的にプラズマＰの一部が生成される。そして、外側上部電極３６の直下で生成された高密度のプラズマが径方向の内側と外側に拡散することにより、上部電極３４とサセプタ１６との間のプラズマ処理空間においてプラズマ密度が径方向で均される。

ところで、外側上部電極３６および給電筒５０と円筒状接地導体１０ａとで形成される同軸線路における最大伝送電力Ｐ_maxは、給電筒５０の半径ａ_oと円筒状接地導体１０ａの半径ｂとに依存し、下記の式（３）で与えられる。
Ｐ_max／Ｅ_o ² _max＝ａ_o ²［Ｉｎ（ｂ／ａ_o）］²／２Ｚ_o ‥‥‥（３）
ここで、Ｚ_oは整合器４４側からみた当該同軸線路の入力インピーダンスであり、Ｅ_omaxはＲＦ伝送系の最大電界強度である。

上記の式（３）において、最大伝送電力Ｐ_maxは（ｂ／ａ_o）≒１．６５で極大値となる。このことから、外側導波路Ｊoの電力伝送効率を向上させるには、給電筒５０の径サイズに対して円筒状接地導体１０ａの径サイズの比（ｂ／ａ_o）が約１．６５となるように構成する（給電筒５０および／または円筒状接地導体１０ａの径サイズを選定する）のが最も好ましく、少なくとも１．２〜２．０の範囲内に入るように構成するのが好ましく、１．５〜１．７の範囲内に入るように構成するのがさらに好ましい。

この実施例では、プラズマ密度の空間分布を任意かつ精細に制御するために、外側上部電極３６直下の外側電界強度Ｅo（または外側上部電極３６側への投入電力Ｐo）と内側上部電極３８直下の内側電界強度Ｅi（または内側上部電極３８側への投入電力Ｐi）との比率つまりバランスを調整するための手段として、下部給電棒７６の途中に可変コンデンサ７８を挿入している。この可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈を変えることにより、内側導波路Ｊiのインピーダンスまたはリアクタンスを増減させ、外側導波路Ｊoの電圧降下と内側導波路Ｊiの電圧降下との相対比率を変えることができ、ひいては外側電界強度Ｅo（外側投入電力Ｐo）と内側電界強度Ｅi（内側投入電力Ｐ_i）との比率を調整することができる。

なお、プラズマの電位降下を与えるイオンシースのインピーダンスは一般に容量性である。図３の等価回路では、外側上部電極３６直下におけるシースインピーダンスのキャパシタンスをＣpo、内側上部電極３８直下におけるシースインピーダンスのキャパシタンスをＣpiと仮定（擬制）している。また、外側上部電極３６と内側上部電極３８との間に形成されるコンデンサのキャパシタンスＣ₄₀は、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈と組み合わさって上記のような外側電界強度Ｅo（外側投入電力Ｐo）と内側電界強度Ｅi（内側投入電力Ｐ_i）とのバランスを左右するものであり、可変コンデンサ７８による電界強度（投入電力）バランス調整機能を最適化できるような値に選定または調整されてよい。

ここで、図４および図５に、この実施例の可変コンデンサ７８による電界強度バランス調整機能の検証例（シミュレーションデータ）を示す。図４は、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈をパラメータにして電極の径方向における電界強度（相対値）の分布特性を示す。図５は、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈を変えたときの外側電界強度Ｅoと内側電界強度Ｅiとの相対比率を示す。なお、このシミュレーションでは、半導体ウエハＷの口径を２００ｍｍとし、円板形状の内側上部電極３８の半径を１００ｍｍ、リング形状の外側上部電極３６の内側半径および外側半径をそれぞれ１０１ｍｍ、１４１ｍｍに選んでいる。この場合、半導体ウエハＷの面積（３１４ｃｍ²）に対して、内側上部電極３８の面積は３１４ｃｍ²でウエハＷと同じであり、外側上部電極３６の面積は３０４ｃｍ²でウエハＷよりも幾らか小さい。概して、外側上部電極３６の面積は内側上部電極３８の面積の約１／４倍〜約１倍に選ばれるのが好ましい。

図４に示すように、外側上部電極３６直下の外側電界強度Ｅoの方が内側上部電極３８直下の内側電界強度Ｅiよりも大きく、両電極３６，３８の境界付近で電界強度に大きな段差が生じる。特に、外側上部電極３６直下の外側電界強度Ｅoは内側上部電極３８との境界付近で最大になり、半径方向の外側にいくほど低くなる傾向があることがわかる。この例では、図５に示すように、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈を１８０〜３５０ｐＦの範囲内で変えると、電界強度Ｅi，Ｅoの比率Ｅi／Ｅoを約１０％〜４０％の範囲内で連続的に制御できることがわかる。なお、Ｃ₇₈＝１２５〜１８０ｐＦは負荷回路が共振する領域であり、制御不能となっている。基本的に、安定領域では、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈を大きくするほど、内側導波路Ｊiのリアクタンスを減少させて、内側上部電極３８直下の内側電界強度Ｅiを相対的に増大させ、外側電界強度Ｅoと内側電界強度Ｅiの比率Ｅi／Ｅoを高くする方向に制御できる。

この実施例においては、給電筒５０により構成される外側導波路Ｊoのリアクタンスを著しく小さくできるため、整合器４４の出力端子からみた負荷回路のインピーダンスのリアクタンスを容量性の負値にすることができる。このことは、整合器４４の出力端子から容量性のイオンシースに至るまでの導波路において、リアクタンスが誘電性の正値から負値に極性反転するような共振ポイントが存在しないことを意味する。共振ポイントの発生を回避することで、共振電流の発生を回避し、高周波エネルギーの損失を低減できるとともにプラズマ密度分布制御の安定性を確保できる。

図６Ａ、図６Ｂおよび図７Ａ、図７Ｂに、この実施例のプラズマエッチング装置において得られる電子密度分布特性およびエッチングレート分布特性の一例（実験データ）を示す。図４および図５の電界強度分布特性と同様に可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈をパラメータにして、プラズマ吸収プローブ（ＰＡＰ）を用いて径方向の各位置における電子密度を測定するとともに、半導体ウエハ上のシリコン酸化膜をエッチングして径方向の各ウエハ位置におけるエッチング速度を測定した。この実験でも、内側上部電極３８の半径を１００ｍｍ、外側上部電極３６の内側半径および外側半径をそれぞれ１０１ｍｍ、１４１ｍｍに選んでいる。主なエッッチング条件は下記のとおりである。
ウエハ口径＝２００ｍｍ
チャンバ内の圧力＝１５ｍTorr、
温度（上部電極／チャンバ側壁／下部電極）＝６０／５０／２０゜Ｃ、
電熱ガス（Ｈeガス）供給圧力（センター部／エッジ部）＝１５／２５Torr、
上部及び下部電極間距離＝５０ｍｍ
プロセスガス（Ｃ₅Ｆ₈／Ａｒ／Ｏ₂）≒流量２０／３８０／２０sccm
高周波電力（６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ）≒２２００Ｗ／１５００Ｗ（Ｃ₇₈＝５００ｐＦ，１０００ｐＦ），１８００Ｗ（Ｃ₇₈＝１２０ｐＦ）

図６Ａおよび図６Ｂにおいて、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈を１２０ｐＦに選んだときは、外側電界強度Ｅoと内側電界強度Ｅiの比率Ｅi／Ｅoを高めに選んだ場合であり、この場合は、電極中心付近が最大で、径方向外側にいくほど単調に減少するような電子密度つまりプラズマ密度の分布特性を得ることができる。これは、主プラズマ生成部である外側上部電極３６の直下におけるプラズマ生成率と副プラズマ生成部である内側上部電極３８の直下におけるプラズマ生成率との差をプラズマの拡散率が上回って、全方向から集まる中心部のプラズマ密度が周りよりも相対的に高くなるものと考えられる。

一方、キャパシタンスＣ₇₈を１０００ｐＦに選んだときは、外側電界強度Ｅoと内側電界強度Ｅiの比率Ｅi／Ｅoを低めに選んだ場合であり、この場合は、径方向でウエハの内側よりも外側の位置（中心から１４０ｍｍの位置付近）で電子密度を極大化させ、ウエハの内側（０〜１００ｍｍ）ではほぼ均一な電子密度分布を得ることができる。これは、内側上部電極３８の直下におけるプラズマ生成率の増大によって半径方向外側への拡散が強まるためと考えられる。いずれにしても、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈を適当な範囲内で細かく可変調整することにより、電子密度つまりプラズマ密度の空間分布特性を自在かつ精細に制御できることがわかる。

また、下部電極１６に高周波バイアス（２ＭＨｚ）を印加した場合（図６Ａ）は、印加しない場合（図６Ｂ）と比較して、各位置の電子密度がある程度増大することと、分布パターンはほとんど変わらないことがわかる。

図７Ａおよび図７Ｂの実験データによれば、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ78を可変調整することで、図６Ａおよび図６Ｂの電子密度空間分布特性に対応するパターンのエッチングレート空間分布特性が得られることがわかる。すなわち、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ78を適当な範囲内で細かく可変調整することにより、ウエハ面内のエッチングレート空間分布特性も自在かつ精細に制御可能できることがわかる。

また、この実施例のプラズマエッチング装置では、上記したように内側上部電極３６のシャワーヘッド機構において中心部と外周部とでガス吐出流量の比率を可変調整する機能により、ラジカルベースでエッチングレート空間分布特性の制御を併せて行うことも可能である。

図８に、本発明の第２の実施例におけるプラズマエッチング装置の構成を示す。図中、上記した第１実施例の装置（図１）におけるもの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ある。

この第２の実施例における特徴の一つは、高周波電源５２からの高周波を外側上部電極３６に伝送するための伝送路つまり給電筒５０に鋳物を用いる構成である。この鋳物の材質は導電性と加工性に優れた金属が好ましく、たとえばアルミニウムでよい。鋳物の利点の一つはコストが低いことであり、板材製のものと比べて１／７以下のコストに抑えることができる。別の利点として、鋳物は一体化が容易で、ＲＦ接面を低減できるため、ＲＦ損失を少なくすることができる。

さらに、給電筒５０を鋳物で構成しても、高周波伝送効率が低下することはない。すなわち、図９Ａ，図９Ｂおよび図１０Ａ，図１０Ｂの実験データに示すように、給電筒５０を板材で構成しても鋳物で構成しても、エッチングレートは殆ど違わないことが確認されている。なお、図９Ａおよび図９Ｂはシリコン酸化膜（ＳiＯ₂）に係るエッチングレートの空間分布特性を示し、図１０Ａおよび図１０Ｂはフォトレジスト（ＰＲ）に係るエッチングレートの空間分布特性を示す。この検証例における主なエッチング条件は下記のとおりである。
ウエハ口径＝３００ｍｍ
チャンバ内の圧力＝２５ｍTorr
温度（上部電極／チャンバ側壁／下部電極）＝６０／６０／２０゜Ｃ
伝熱ガス（Ｈeガス）供給圧力（センター部／エッジ部）＝１５／４０Torr
上部及び下部電極間距離＝４５ｍｍ
プロセスガス（Ｃ₅Ｆ₈／Ａｒ／Ｏ₂）≒流量３０／７５０／５０sccm
高周波電力（６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ）≒３３００Ｗ／３８００Ｗ
測定時間＝１２０秒

この第２の実施例における第２の特徴は、給電筒５０内で給電棒７６の回りにリング状の導体部材１００を設ける構成である。この導体部材１００の主たる役目は、以下に述べるように、給電棒７６回りのインダクタンスを小さくして、可変コンデンサ７８による外側／内側投入電力バランス調整機能のレンジを改善することにある。

このプラズマ処理装置では、上記のように、可変コンデンサ７８のキャパシタンスＣ₇₈を変えることで、外側上部電極３６に対する投入電力Ｐ_oと内側上部電極３８に対する投入電力Ｐ_iの比率を任意に調節することができる。一般に、可変コンデンサ７８におけるキャパシタンスＣ₇₈の可変調整は、ステップモータ等を用いてステップ的に行なわれる。このキャパシタンス可変調整では、上記のように制御不能な共振領域（図５では１２５ｐＦ＜Ｃ₇₈＜１８０ｐＦの領域）を避ける必要があり、上記第１の実施例における実験検証例（図６Ａ，図６Ｂ，図７Ａ，図７Ｂ）では主に共振領域より右側の安定領域（Ｃ₇₈≧１８０ｐＦ）を使用した。しかしながら、右側安定領域は内側投入電力Ｐ_iの比率を上げるのに限界があるうえ、電力の損失も大きいという側面がある。この点、図４および図５からも明らかなように共振領域より左側の領域（Ｃ₇₈≦１２５ｐＦ）は内側投入電力Ｐ_iの比率を上げるのに有利であるうえ、電力損失も少ないという利点がある。ただし、共振領域より左側の領域では内側投入電力Ｐ_iの比率を上げるほど共振領域に近づくため、図１１のＡのような変化率（傾斜）の大きな特性曲線の下では共振領域手前での微調整が非常に難しくなるという側面がある。

これを解決するには、図１１のＢで示すようにキャパシタンス−内側投入電力比率特性曲線において共振領域より左側の領域の変化率（傾斜）を小さくして調整レンジを広げることが有効である。そして、図１１のＢのような傾斜の緩いブロードの特性曲線を得るには、以下に述べるように給電棒７６回りのインダクタンスＬ_iを小さくするのが有効である。

すなわち、このプラズマエッチング装置におけるプラズマ生成用の高周波給電回路を図１２に示すような等価回路で表すと、給電棒７６回りのリアクタンスωＬ_iはコンデンサ７８のリアクタンス１／ωＣ₇₈よりも常に大きい絶対値をとることから、内側導波路Ｊ_iの合成リアクタンスＸは常に誘導性であり、Ｘ＝ωＬ_aと表すことができる。この見かけ上のインダクタンスＬ_aとキャパシタンスＣ₄₀とで形成される並列回路が共振状態になるときは、インダクタンスＬ_aのサセプタンス１／ωＬ_aとキャパシタンスＣ₄₀のサセプタンスωＣ₄₀とが相殺して零になるとき、つまり１／ωＬ_a＝１／（ωＬ_i−１／ωＣ₇₈）＝ωＣ₄₀が成立するときである。ここで、Ｌ_iを小さくするほど、上記共振条件を成立させるＣ₇₈の値が大きくなり、図１１のＢに示すような共振領域の手前で傾斜の緩やかなブロードの特性曲線が得られる。なお、図１２の等価回路では、説明を簡単にするために、外側導波路Ｊ_oのインダクタンスＬ_oを省いている。この等価回路にインダクタンスＬ_oが入っていても原理は同じである。

図１３に、この実施例における導体部材１００の作用を示す。給電棒７６に時間的に変化する電流Ｉが流れるとき、給電棒７６の回りにはループ状の磁束Ｂが生成されるとともに、電磁誘導によって導体部材１００の内部では磁束Ｂと鎖交する誘導電流ｉが流れる。そうすると、この誘導電流ｉによって導体部材１００の内外にループ状の磁束ｂが生成され、導体部材１００の内部では磁束ｂの分だけ磁束Ｂが相殺される。こうして、給電棒７６の回りに導体部材１００を設けることで、給電棒７６回りの正味の磁束発生量を低減してインダクタンスＬ_iを小さくすることができる。

導体部材１００の外観構造は、周回方向に連続した単一のリング形体が好ましいが、複数の導体部材を周回方向に並べて配置する構造であってもよい。また、導体部材１００の内部構造は、図１３に示すようなリング状の空洞を有する中空体でもよいが、図８に示すような内部の埋まったブロック体構造の方がより大きなインダクタンス低減効果を得ることができる。導体部材１００の容積は大きいほど好ましく、理想的には給電筒５０内側の空間を埋め尽くすのが最も好ましい。実用的には、給電筒５０と外側上部電極３６とで囲まれる空間の１／１０〜１／３を導体部材１００で埋めるのが好ましい。導体部材１００の材質は任意の導電材料でよく、たとえばアルミニウムの鋳物でもよい。なお、導体部材１００は、付近の導体すなわち給電棒７６や内側上部電極３８等と電気的に絶縁された状態で配置される。

図１４に、この実施例における導体部材１００による上記ブロード効果の実証例を実験データで示す。図１４において、特性曲線Ｂ'はこの実施例の装置構造で得られたものであり、特性曲線Ａ'は導体部材１００を設けない装置構造で得られたものである。これらの特性曲線Ａ'，Ｂ'はそれぞれ図１１の特性曲線Ａ，Ｂを上下にひっくり返したものに対応する。すなわち、この種の平行平板型プラズマ装置では、上部電極３４の中心部への投入電力（内側投入電力Ｐ_i）の比率を上げるほど、サセプタ１６側では基板Ｗ近傍のプラズマ密度が高くなり、これによって（プラズマ密度と反比例する）サセプタ１６側のバイアス周波数のＶ_ppが低くなるという関係がある。この関係から、可変コンデンサ７８のバリコンステップ値（キャパシタンスＣ₇₈の値に比例する制御量）を可変して各ステップ値で得られるＶ _pp の測定値をプロットして得られる特性曲線Ａ'，Ｂ'（図１４）は、図１１の特性曲線Ａ，Ｂを上下にひっくり返したものにそれぞれ対応する。図１４の特性曲線Ｂ' から実証されるように、この実施例によれば、給電棒７６の回りに導体部材１００を設けることで、可変コンデンサ７８による外側／内側投入電力バランス調整において内側投入電力投入電力Ｐ_iの比率を共振領域の手前で可及的に高い値まで安定かつ精細に制御することができる。

この実施例における第３の特徴は、内側上部電極３８とグランド電位との間に接続されるローパスフィルタ９２に係るものである。図１５Ａに示すように、この実施例におけるローパスフィルタ９２は、可変抵抗器９３とコイル９５とを直列接続してなり、プラズマ生成用の高周波（６０ＭＨｚ）を通さず、バイアス用の高周波（２ＭＨｚ）以下の交流周波数と直流とを通すように構成されている。このローパスフィルタ９２によれば、可変抵抗器９３の抵抗値Ｒ₉₃を可変調整することによって、内側上部電極３８の直流電位または自己バイアス電圧Ｖ_dcを調整できる。

より詳細には、図１６に示すように、抵抗器９３の抵抗値Ｒ₉₃を小さくするほど、抵抗器９３の電圧降下が小さくなり、負の直流電位Ｖ_dcは上昇する（グランド電位に近づく）。逆に、抵抗器９３の抵抗値Ｒ₉₃を大きくするほど、抵抗器９３の電圧降下が大きくなり、直流電位Ｖ_dcは下がる。もっとも、直流電位Ｖ_dcが高くなりすぎると（通常は−１５０Ｖよりも高くなると）、プラズマポテンシャルが上昇して、異常放電またはアーキングが発生する。一方、直流電位Ｖ_dcが低くなりすぎると（通常は−４５０Ｖよりも低くなると）、内側上部電極３８へのイオンのアタックが強くなって電極の消耗が早まる。別な見方をすれば、図１７に示すように、直流電位Ｖ_dcには上記のような異常放電および電極消耗のいずれも防止ないし抑制できる適性範囲（−４５０Ｖ〜−１５０Ｖ）があり、この適性範囲に対応する抵抗値Ｒ₉₃の範囲（Ｒ_a〜Ｒ_b）が存在する。したがって、抵抗器９３側から抵抗値Ｒ₉₃を上記範囲（Ｒ_a〜Ｒ_b）内に選定または調整することで、直流電位Ｖ_dcを上記適性範囲（−４５０Ｖ〜−１５０Ｖ）内に調整することができる。また、上部電極３４（外側上部電極３６および内側上部電極３８）全体に印加する高周波電力の値によっても抵抗値Ｒ₉₃の適性範囲（Ｒ_a〜Ｒ_b）が変わる。一例として、３０００Ｗの高周波パワーに対して、下限抵抗値Ｒ_a＝約１ＭΩの実験結果が得られている。

また、図１５Ｂに示すように、内側上部電極３８を可変直流電源９７を介してグランドに接地し、直流電位Ｖ_dcを電源電圧によって直接的に制御することも可能である。可変直流電源９７は、バイポーラ電源で構成するのが好ましい。

この第２の実施例における第４の特徴は、上部電極３４において、外側上部電極３６の下面を内側上部電極３８の下面よりも下方つまりサセプタ１６側に突出させる構成である。図１８に、この特徴部分の構成を拡大して示す。図示の例では、外側上部電極３６を上部電極部材３６Ａと下部電極部材３６Ｂとからなる上下２分割構造としている。本体の上部電極部材３６Ａは、たとえばアルマイト処理されたアルミニウムで構成され、給電筒５０に接続される。交換部品の下部電極部材３６Ｂは、たとえばシリコンで構成され、内側上部電極３８の下面よりも所定値Ｈだけ突出した状態でボルト（図示せず）等により上部電極部材３６Ａに着脱可能に密着して固定される。両電極部材３６Ａ，３６Ｂの間には、熱コンダクタンスを高めるための部材１０２として、シリコーンラバーシート等が設けられる。また、両電極部材３６Ａ，３６Ｂの接触面をテフロン（商品名）でコーティングすることで、熱抵抗を低くすることも可能である。

外側上部電極３６における突出部３６Ｂの突出量Ｈおよび内径（直径）Φは、外側上部電極３６ないし上部電極３４よりプラズマ生成空間に与える電界の強度や方向等を規定し、ひいてはプラズマ密度の空間分布特性を左右する重要なファクタである。

図１９Ａ〜図１９Ｅに、突出部３６Ｂの突出量Ｈおよび内径（直径）Φをパラメータとする電子密度空間分布特性の一例（実験データ）を示す。この実験でもプラズマ吸収プローブ（ＰＡＰ）を用いて半径方向の各位置における電子密度を測定した。ただし、半導体ウエハの口径を３００ｍｍとしている。主たるパラメータΦ，Ｈは、図１９Ａの実験例ではΦ＝３２９ｍｍ、Ｈ＝１５ｍｍ、図１９Ｂの実験例ではΦ＝３２９ｍｍ、Ｈ＝２０ｍｍ、図１９Ｃの実験例ではΦ＝３３９ｍｍ、Ｈ＝２０ｍｍ、図１９Ｄの実験例ではΦ＝３４９ｍｍ、Ｈ＝２０ｍｍ、図１９Ｅの実験例ではΦ＝３５９ｍｍ、Ｈ＝２５ｍｍである。また、副次的なパラメータとして、内側投入電力Ｐ_iと外側投入電力Ｐ_oの比率Ｐ_i／Ｐ_o（ＲＦパワー比）を（３０／７０）、（２７／７３）、（２０／８０）、（１４／８６）の４通りに選んでいる。

図１９Ａ〜図１９Ｅの実験データから、電子密度の急激にドロップする変曲点Ｆが、外側上部電極３６における突出部３６Ｂの内径（直径）Φを大きくするほど半径方向外側へ移動し、突出部３６Ｂの突出量Ｈを大きくするほど上がることがわかる。理想的な特性は、変曲点Ｆがウエハエッジ位置（１５０ｍｍ位置）の真上に位置し、かつ中心部側とのフラットな関係を高い位置で維持している分布特性である。その点では、図１９Ｄの特性（Φ＝３４９ｍｍ、Ｈ＝２０ｍｍ）、特にＲＦパワー比Ｐ_i／Ｐ_oを３０／７０に選んだ場合の特性が最も理想値に近いといえる。

図２０Ａに、Φ，Ｈを二次元パラメータとする電子密度空間分布のトータル均一性Ｕ_Tおよびエッジ均一性Ｕ_Eの特性を示す。ここで、トータル均一性Ｕ_Tとは、図２０Ｂに示すように、ウエハ中心位置（Ｒ₀）からウエハエッジ位置（Ｒ₁₅₀）までの半径方向全区間の面内均一性である。また、エッジ均一性Ｕ_Eは、ウエハエッジ付近の領域たとえば半径１３０ｍｍの位置（Ｒ₁₃₀）からウエハエッジ位置（Ｒ₁₅₀）までの区間における面内均一性である。

図２０Ａの特性から、突出部３６Ｂの突出量Ｈはトータル均一性Ｕ_Tを大きく左右し、エッジ均一性Ｕ_Eに対しても大きな影響力を有することがわかる。一方、突出部３６Ｂの内径（直径）Φは、エッジ均一性Ｅに対して作用するものの、トータル均一性Ｔには殆ど影響しないことがわかる。総じて、突出部３６Ｂの突出量Ｈは、２５ｍｍ以下とするのが好ましく、特に２０ｍｍ付近に選ぶのが最も好ましいといえる。また、突出部３６Ｂの内径（直径）Φは、３４８ｍｍ〜３６０ｍｍの範囲内に選ぶのが好ましく、特に３４９ｍｍ付近に選ぶのが最も好ましいといえる。なお、Φ＝３４８ｍｍ〜３６０ｍｍは、突出部３６Ｂがウエハのエッジよりも半径方向外側に２４ｍｍ〜３０ｍｍ離れた位置に配置されることを意味する。重要なことは、外側上部電極３６の突出部３６Ｂは、プラズマ生成空間に対して周辺側から半径方向内向きの電界を与えることによりプラズマを閉じ込める作用を奏する点であり、このことからプラズマ密度空間分布特性の均一性を図るにはウエハのエッジよりも半径方向外側に位置することが必須といえるほど望ましい。一方で、突出部３６Ｂの径方向の幅サイズは重要ではなく、任意の幅サイズに選んでよい。

図２１に、第３の実施例における特徴部分の構成を示す。特徴以外の部分は、上記第２の実施例のものと同じでよい。この第３の実施例の特徴は、上記第２の実施例における外側上部電極３６の突出部３６Ｂ回りにシールド部材１０４を設ける構成である。

このシールド部材１０４は、たとえば表面をアルマイト処理されたアルミニウム板からなり、処理容器１０の側壁に物理的かつ電気的に結合され、容器側壁から外側上部電極３６の突出部３６Ｂの下までほぼ水平に延びており、突出部３６Ｂおよびリング形遮蔽部材４２の下面を非接触または絶縁状態で覆っている。外側上部電極３６の下部電極部材３６Ｂは断面Ｌ形に構成され、外周側の部分が垂直下方に延びて突出部を形成している。この突出部の突出量Ｈおよび内径Φは上記第２実施例と同様の数値条件で選ばれてよい。

シールド部材１０４の機能は、外側上部電極３６の突出部３６Ｂの下面およびリング形遮蔽部材４２の下面からの高周波放電を遮断また封印して、その直下におけるプラズマ生成を抑制することである。これにより、一次的にはプラズマをウエハ直上に閉じ込める効果を一層高めることができる。

図２２Ａおよび図２２Ｂに、シールド部材１０４によるプラズマ閉じ込め効果の実証例（実験データ）を示す。シールド部材１０４を設けない場合は、図２２Ｂに示すように、半径方向においてプラズマ電子密度がウエハエッジ位置（１５０ｍｍ）の外側でいったんドロップしてから再び上昇して山を形成している。これは、外側上部電極３６の突出部３６Ｂの下面およびリング形遮蔽部材４２の下面から垂直下方に高周波電力が放出されることにより、その直下でもプラズマが生成され、電子やイオンが存在しているためである。このように、ウエハエッジ位置より径方向外側に相当離れた空間内に相当量のプラズマが存在することにより、そのぶんウエハ直上のプラズマ密度が薄められている。

これに対して、この実施例のようにシールド部材１０４を設けた場合は、図２２Ａに示すように、電子密度（プラズマ密度）はウエハエッジ位置（１５０ｍｍ）の外側では半径方向外側に向って実質的に単調減少し、逆にウエハ直上では全体的に増大している。これは、シールド部材１０４の存在により、外側上部電極３６の突出部３６Ｂの下面およびリング形遮蔽部材４２の下面が高周波の通り路ではなくなり、その直下でのプラズマ生成が大幅に減少するためである。また、高周波電源５２のＲＦパワーを大きくするほど、シールド部材１０４によるプラズマ閉じ込め効果なしプラズマ拡散防止効果も大きくなることがわかる。

さらに、二次的効果として、上記のようにシールド部材１０４によりウエハエッジ位置の外側でプラズマ生成を大幅に弱められることにより、その付近でのラジカルやイオン等のエッチング種も少なくし、不所望な重合膜が容器内の各部（特にシールド部材１０４付近）に付着するのを効果的に防止することができる。たとえば、従来より、Low-k膜（低誘電率層間絶縁膜）のエッチング加工では、プラズマエッチングの後に同一チャンバ内でＯ₂ガスを用いてアッシング（レジスト除去）を行う際、先のプラズマエッチングで容器内にポリマーの形態で付着していた反応種（たとえばＣＦ，Ｆ等）がプラズマ中の活性な酸素原子により誘起されてLow-k膜のビアホールをボーイング形状に削ったり膜内に侵入してｋ値を変える等のダメージ（Low-kダメージ）を生ずることがあった。しかし、この実施例によれば、プラズマエッチングにおける反応種の不所望な堆積をシールド部材１０４で効果的に抑止できるため、上記のようなLow-kダメージの問題も解決することができる。なお、シールド部材１０４は、任意の導電材または半導体（たとえばシリコン）を材質とすることが可能であり、異なる材質を組み合わせて構成してもよい。

図２１では、上部電極３４（３６，３８）に冷媒通路１０６，１０８を設ける構成も示している。これらの冷媒通路１０６，１０８にはそれぞれ配管１１０，１１２を介してチラー装置（図示せず）より温調された冷却媒体が循環供給される。外側上部電極３６においては、上部電極部材３６Ａに冷媒通路１０６が設けられる。下部電極部材３６Ｂは、熱コンダクタンスを高めるコーティングまたはシート１０２によって上部電極部材３６Ａに結合されているため、冷却機構による冷却を効果的に受けることができる。

なお、高周波電源５２，９０をオフにしている間も、各電極には冷媒が供給される。従来より、この種のプラズマ処理装置において、たとえばガルデン等の絶縁性の冷媒を使用する場合は、冷媒が冷媒通路を流れる際に摩擦で発生する静電気によって電極が異常な高電圧状態となり、高周波電源オフ中のメンテナンス等で人の手が触れると感電するおそれがあった。しかし、本発明のプラズマ処理装置においては、ローパスフィルタ９２（図８）内の抵抗器９３を通して内側上部電極３８に発生した静電気をグランドに逃がすことが可能であり、感電の危険性を防止できる。

上記第３の実施例におけるプラズマエッチング装置（図８、図２１）を使用し、シリコン酸化膜（ＳiＯ₂）に開口径（Φ）０．２２μｍの孔を形成するエッチングにおいて、外側上部電極３６および内側上部電極３８に対するＲＦ電力の投入比率（Ｐ_i／Ｐ_o）をパラメータにしてエッチング特性（特にエッチングレート）を実験で評価した。他のエッチング条件は下記のとおりであり、図２３〜図２５に実験結果のデータを示す。
ウエハ口径＝３００ｍｍ
チャンバ内の圧力＝２０ｍTorr
温度（上部電極／チャンバ側壁／下部電極）＝２０／６０／６０゜Ｃ
伝熱ガス（Ｈeガス）供給圧力（センター部／エッジ部）＝２０／３５Torr
上部及び下部電極間距離＝４５ｍｍ
外側上部電極の突出量（Ｈ）＝１５ｍｍ
プロセスガス（Ｃ₅Ｆ₈／ＣＨ₂Ｆ₂／Ｎ₂／Ａｒ／Ｏ₂）≒１０／２０／１１０／５６０／１０sccm
高周波電力（６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ）≒２３００Ｗ／３５００Ｗ
エッチング時間＝１２０秒

図２３に示すように、内側投入電力Ｐ_iの比率を１４％、１８％、３０％と上げていくと、電子密度つまりプラズマ密度は、ウエハ中心部付近ではＰ_iの比率に比例して高くなる一方で、ウエハエッジ部付近ではそれほど変わらない。このことから、ＲＦ電力の投入比率（Ｐ_i／Ｐ_o）を可変することで、径方向におけるプラズマ密度の空間分布特性を制御できることがわかる。

図２４は、ＲＦ電力の投入比率（Ｐ_i／Ｐ_o）を可変したときにラジカル密度の受ける影響をみるために、ラジカル密度と比例関係にある反応生成物や反応種で形成される重合膜の堆積速度を半径方向の各位置で測定した結果を示す。なお、重合膜を堆積させるサンプル基板にベアシリコンウエハを用いた。図２４の実験データから、ＲＦ電力の投入比率（Ｐ_i／Ｐ_o）を可変しても、重合膜の堆積速度つまりラジカル密度の空間分布特性に与える影響は非常に少ないことが確認された。

図２５は、上記ＳiＯ₂のエッチングにおいてウエハ上の半径方向の各位置で測定したエッチング深さを示す。図示のように、内側投入電力Ｐ_iの比率を１４％、１８％、３０％と上げていくと、エッチング深さは、ウエハ中心部付近ではＰ_iの比率に比例して大きくなる一方で、ウエハエッジ部付近ではそれほど変わらない。つまり、電子密度（図２４）と同様の傾向を示す。

このように、図２３〜図２５の実験データから、本発明においては、外側上部電極３６および内側上部電極３８に対するＲＦ電力の投入比率（Ｐ_i／Ｐ_o）を可変することで、ラジカル密度の空間分布特性に実質的な影響を及ぼすことなく、つまりラジカル密度の空間分布制御から独立して、径方向におけるプラズマ密度の空間分布を制御し、それによってエッチング深さつまりエッチングレートの均一性を改善できることが確認された。なお、上記第１または第２の実施例におけるプラズマエッチング装置（図１、図８、図１８）を使用しても、上記と同様の実験結果が得られることは明らかである。

上記第３の実施例のプラズマエッチング装置（図８、図２１）でＣＦ系の処理ガスを使用するシリコン酸化膜（ＳiＯ₂）のエッチングにおいて、中心シャワーヘッド（６２，５６ａ）より噴射される処理ガスの流量Ｆ_Cと周辺シャワーヘッド（６４，５６ａ）より噴射される処理ガスの流量Ｆ_Eとの比率（Ｆ_C／Ｆ_E）をパラメータにして、各ラジカルまたは各反応生成物の分布をシミュレーションで評価した。このシミュレーションでは、ウエハ表面では反応が起こらず反応生成物や反応種の吸着も生じないものとし、ブランケットＳiＯ₂膜上で単純に下記の反応が起きているものと仮定した。
２ＣＦ₂＋ＳiＯ₂→ＳiＦ₄＋２ＣＯ

他の主なエッチング条件は下記のとおりであり、図２６〜図３０に各ラジカルまたは各反応生成物についてのシミュレーション結果を示す。図３１には、主エッチングガス（Ｃ₄Ｆ₈）の分子から段階的な解離によって生成されるラジカルの種類と発生率（括弧内％数字）を示している。
ウエハ口径＝２００ｍｍ
チャンバ内の圧力＝５０ｍTorr
温度（上部電極／チャンバ側壁／下部電極）＝２０／６０／６０゜Ｃ
伝熱ガス（Ｈeガス）供給圧力（センター部／エッジ部）＝１０／３５Torr
上部及び下部電極間距離＝３０ｍｍ
外側上部電極の突出量（Ｈ）＝１５ｍｍ
プロセスガス（Ｃ₄Ｆ₈／Ｎ₂／Ａｒ）≒５／１２０／１０００sccm
高周波電力（６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ）≒１２００Ｗ／１７００Ｗ

図２６に示すように、主たる反応種であるＣＦ₂の密度分布特性は、中心／周辺ガス流量比率（Ｆ_C／Ｆ_E）に大きく左右される。すなわち、中心ガス流量Ｆ_Cの比率を上げるほどウエハ中心部付近のＣＦ₂密度は高くなる一方で、ウエハエッジ部付近のＣＦ₂密度は殆ど変わらない。図２８に示すように、ＣＯラジカルの密度分布特性も中心／周辺ガス流量比率（Ｆ_C／Ｆ_E）に対して同様の変化を示す。もっとも、図２７に示すように、Ａｒラジカルの密度分布特性は中心／周辺ガス流量比率（Ｆ_C／Ｆ_E）に対して殆ど変化しない。

反応生成物についてみると、図２９および図３０に示すように、ＳiＦ₄密度およびＣＯ密度のいずれも中心／周辺ガス流量比率（Ｆ_C／Ｆ_E）に大きく左右される。より詳細には、中心ガス流量Ｆ_Cの比率を下げるほどウエハ中心部付近のＳiＦ₄，ＣＯの密度は高くなる一方で、ウエハエッジ部付近では殆ど変わらない。中心ガス流量Ｆ_Cと周辺ガス流量Ｆ_Eを同じ（Ｆ_C／Ｆ_E＝５０／５０）にしても、ウエハ中心部付近の方がウエハエッジ部付近よりも高くなる。このように中心部側に反応生成物が溜まりやすいのは、上方からの新鮮なガス流で反応生成物が側方へ押しのけられる作用が周辺部よりも弱いためである。ウエハ上で反応生成物が不均一に分布すると、各位置の処理ガス供給率や化学反応の均一性に影響するだけでなく、エッチング形状や選択性等が直接影響を受けることもある。この実施例では、図２９および図３０からわかるように、中心ガス流量Ｆ_Cを周辺ガス流量Ｆ_Eよりも多めに（図示の例ではＦ_C／Ｆ_E＝７０／３０近辺に）設定することで、反応生成物の空間密度分布を均一化することができた。なお、上記第１または第２の実施例におけるプラズマエッチング装置（図１、図８、図１８）を使用しても、上記と同様のシミュレーション結果が得られる。

上記第３の実施例のプラズマエッチング装置（図８、図２１）を使用し、ＢＡＲＣ（反射防止膜）のエッチングにおいて中心／周辺ガス流量比率（Ｆ_C／Ｆ_E）をパラメータにしてエッチング形状と選択性を評価した。図３２Ａに評価サンプルを示す。マスク開口径（Φ）０．１２μｍ、フォトレジストの膜厚３５０ｎｍ、ＢＡＲＣの膜厚８０ｎｍ、ＳiＯ₂の膜厚７００ｎｍであり、選択性の評価項目として「オキサイドロス」と「レジスト残量」を測定し、エッチング形状または寸法精度の評価項目として「ボトムＣＤ」を測定した。図３２ＢにＦ_C／Ｆ_E＝５０／５０に設定したときの各評価項目の測定値を示し、図３２ＣにＦ_C／Ｆ_E＝７０／３０に設定したときの各評価項目の測定値を示す。測定ポイントの「センター」はウエハの中心点の位置であり、「エッジ」はウエハのノッチ端から中心点に向って５ｍｍの位置である。主なエッチング条件は下記のとおりである。
ウエハ口径＝３００ｍｍ
チャンバ内の圧力＝１５０ｍTorr
伝熱ガス（Ｈeガス）供給圧力（センター部／エッジ部）＝１０／２５Torr
上部及び下部電極間距離＝３０ｍｍ
外側上部電極の突出量（Ｈ）＝１５ｍｍ
プロセスガス（ＣＦ₄）≒２００sccm
高周波電力（６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ）≒５００Ｗ／６００Ｗ
エッチング時間＝３０秒

このＢＡＲＣエッチングの評価項目において、「オキサイドロス」はＢＡＲＣエッチングの延長として下地膜のＳiＯ₂を削った深さであり、この値は小さいほど好ましいが、それ以上にウエハ上のばらつき（特にセンターとエッジ間のばらつき）が小さいほど好ましい。「レジスト残量」はエッチングの終了後に残っているフォトレジストの厚さであり、この値は大きいほど好ましく、やはりばらつきが小さいほど好ましい。「ボトムＣＤ」はＢＡＲＣに形成された孔の底の直径であり、この値はマスク径Φに近いほど好ましいが、やはりばらつきが小さいほど好ましい。

図３２Ｂに示すように、中心ガス流量Ｆ_Cと周辺ガス流量Ｆ_Eとを同量（５：５）に設定したときは、全ての評価項目において、センターとエッジ間のばらつきが大きく、特に「レジスト残量」のばらつきが大きい。これに対して、中心ガス流量Ｆ_Cを周辺ガス流量Ｆ_Eよりも多め（７：３）に設定した場合は、図３２Ｃに示すように、全ての評価項目が良好な値で均一に安定し、選択性およびエッチング形状が著しく改善されている。

このように、処理容器１０内で、特に上部電極３４と下部電極１６との間に設定されたプラズマ生成空間において、上部電極３４の内側上部電極３８に設けられた中心シャワーヘッド（６２，５６ａ）より噴射される処理ガスの流量Ｆ_Cと周辺シャワーヘッド（６４，５６ａ）より噴射される処理ガスの流量Ｆ_Eとの比率（Ｆ_C／Ｆ_E）を調整することで、ラジカル密度の空間分布を制御し、ラジカルベースによるエッチング特性（選択性、エッチング形状等）の均一化を達成することができる。なお、上記第１または第２の実施例におけるプラズマエッチング装置（図１、図８、図１８）を使用しても、上記と同様の測定結果が得られる。

上記第３の実施例のプラズマエッチング装置（図８、図２１）を使用し、ＳiＯ₂膜のエッチングにおいて中心／周辺ガス流量比率（Ｆ_C／Ｆ_E）をパラメータにしてエッチング形状を評価した。図３３Ａに評価サンプルを示す。マスク開口径（Φ）０．２２μｍ、フォトレジストの膜厚５００ｎｍ、ＢＡＲＣの膜厚１００ｎｍ、ＳiＯ₂の膜厚１μｍであり、エッチング形状の評価項目として「エッチング深さ」、「トップＣＤ」、「ボトムＣＤ」を測定した。図３３ＢにＦ_C／Ｆ_E＝５０／５０に設定したときの各評価項目の測定値を示し、図３３ＣにＦ_C／Ｆ_E＝１０／９０に設定したときの各評価項目の測定値を示す。主なエッチング条件は下記のとおりである。
ウエハ口径＝３００ｍｍ
チャンバ内の圧力＝２０ｍTorr
温度（上部電極／チャンバ側壁／下部電極）＝２０／６０／６０゜Ｃ
伝熱ガス（Ｈeガス）供給圧力（センター部／エッジ部）＝２０／３５Torr
上部及び下部電極間距離＝４５ｍｍ
外側上部電極の突出量（Ｈ）＝１５ｍｍ
プロセスガス（Ｃ₅Ｆ₈／ＣＨ₂Ｆ₂／Ｎ₂／Ａｒ／Ｏ₂）≒１０／２０／１１０／５６０／１０sccm
高周波電力（６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ）≒２３００Ｗ／３５００Ｗ
ＲＦパワー比（内側投入電力Ｐ_i／外側投入電力Ｐ_o）＝３０：７０
エッチング時間＝１２０秒

このＳiＯ₂エッチングの評価項目において、「エッチング深さ」は、エッチング時間（１２０秒）の間にＳiＯ₂膜に形成された孔の深さであり、エッチング速度に相当する。「トップＣＤ」および「ボトムＣＤ」は、ＳiＯ₂膜に形成された孔の上端および下端（底）の直径であり、両者の値が近いほど垂直形状性（異方性）にすぐれている。もちろん、いずれの評価項目も、「センター」と「エッジ」との間でばらつきが小さいほど好ましい。

図３３Ｂに示すように、中心ガス流量Ｆ_Cと周辺ガス流量Ｆ_Eとを同量（５：５）に設定したときは、「エッチング深さ」のばらつきがあるだけでなく各位置でボトムＣＤ／トップＣＤ比が小さくテーパ化の傾向が大きい。これに対して、中心ガス流量Ｆ_Cを周辺ガス流量Ｆ_Eよりも少なめ（１：９）に設定した場合は、図３３Ｃに示すように、「エッチング深さ」つまりエッチング速度が均一化されるとともに、垂直形状性の向上と均一化も図れた。

このように、この実施例でも、内側ガス流量Ｆ_Cと外側ガス流量Ｆ_Eの比率（Ｆ_C／Ｆ_E）を調整することで、ラジカル密度の空間分布を制御し、ラジカルベースによるエッチング特性（特にエッチング形状）の均一化を達成できることが確認された。なお、上記第１または第２の実施例におけるプラズマエッチング装置（図１、図８、図１８）を使用しても、上記と同様の測定結果が得られる。

上記のように、処理容器１０内に設定されたプラズマ生成空間においてプラズマ密度分布の制御とラジカル密度分布の制御とを独立に行える。このことにより、たとえば図３４のマップに示すように多種多用なプラズマ処理のアプリケーションに２系統の独立制御で好適に対応することができる。

以上に述べた実施の形態および実施例は、本発明の技術思想に基づいて種々の変形が可能である。

たとえば、第１の高周波電源５２からの高周波を整合器４４や給電筒５０等を介して外側上部電極３６だけに供給し、内側上部電極３８には供給しない構成も可能である。その場合でも、内側上部電極３８はシャワーヘッドとして機能したり、第２の高周波電源９０からの高周波をグランドへ流すための電極として機能することができる。あるいは、内側上部電極３８を電極機能を有しない専用のシャワーヘッドに置き換えることも可能である。また、上記した実施形態では外側上部電極３６を１つまたは単体のリング状電極で構成したが、全体でリング状に配置される複数の電極で構成することも可能である。また、外側上部電極３６の内径を非常に小さくする構成や、外側上部電極３６を円盤形状に構成することも可能である。また、第２の高周波電源９０を省くことができる。本発明は、プラズマエッチングに限らず、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種々のプラズマ処理に適用可能である。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の実施例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１のプラズマエッチング装置の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施例におけるプラズマ生成手段の要部の等価回路を示す回路図である。 実施例における電界強度バランス調整機能による電界強度（相対値）分布特性を示す図である。 実施例における電界強度バランス調整機能による電界強度比率特性を示す図である。 実施例における電子密度の空間分布特性を示す図である。 実施例におけるエッチングレートの空間分布特性を示す図である。 第２の実施例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。 実施例におけるエッチングレートの空間分布特性を示す図である。 実施例におけるエッチングレートの空間分布特性を示す図である。 実施例における可変キャパシタンス−内側投入電力特性を示す図である。 実施例におけるプラズマ生成用の高周波給電回路の等価回路を示す回路図である。 実施例において上部給電棒の回りに設けられる導体部材の作用を示す図である。 実施例で得られる可変キャパシタンス−ボトム自己バイアス電圧特性を示す図である。 実施例におけるローパスフィルタの回路構成を示す図である。 実施例におけるローパスフィルタ内の抵抗の作用を示す図である。 実施例におけるローパスフィルタ内の抵抗値の最適範囲を示す図である。 第３の実施例におけるプラズマエッチング装置の要部の構成を示す縦断面図である。 実施例における上部電極突出部の内径および突出量をパラメータとする電子密度空間分布特性を示す図である。 実施例における上部電極突出部の内径および突出量を二次元パラメータとする電子密度均一性の特性曲線を示す図である。 第４の実施例におけるプラズマエッチング装置の要部の構成を示す縦断面図である。 実施例におけるシールド部材の作用を実証するための電子密度の空間分布特性を示す図である。 実施例において内側／外側投入パワー比をパラメータとする電子密度の空間分布特性を示す図である。 実施例において内側／外側投入パワー比をパラメータとする重合膜堆積速度の空間分布特性を示す図である。 実施例において内側／外側投入パワー比をパラメータとするエッチング深さの空間分布特性を示す図である。 実施例において中心／周辺ガス流量比をパラメータとするＣＦ₂ラジカル密度の空間分布特性を示す図である。 実施例において中心／周辺ガス流量比をパラメータとするＡｒラジカル密度の空間分布特性を示す図である。 実施例において中心／周辺ガス流量比をパラメータとするＮ₂ラジカル密度の空間分布特性を示す図である。 実施例において中心／周辺ガス流量比をパラメータとするＳiＦ₄反応生成物の空間分布特性を示す図である。 実施例において中心／周辺ガス流量比をパラメータとするＣＯ反応生成物の空間分布特性を示す図である。 実施例のシミュレーションにおけるラジカル生成（解離）の仕組みを示す図である。 実施例におけるＢＡＲＣエッチングの評価モデルおよび測定データを示す図である。 実施例におけるＳiＯ₂エッチングの評価モデルおよび測定データを示す図である。 プラズマ密度分布およびラジカル密度分布の２系統独立制御の適用例をマップ形式で示す図である。

符号の説明

１０ チャンバ（処理容器）
１６ サセプタ（下部電極）
３４ 上部電極
３６ 外側上部電極
３６Ａ 上部電極部材
３６Ｂ 下部電極部材
３８ 内側上部電極
４０ 誘電体
４４ 整合器
４８ コネクタ
５０ 給電筒
５２ 第１の高周波電源
５６ 電極板
５８ 電極支持板
６０ 環状隔壁部材
６２ 中心ガス導入室
（６２，５６ａ） 中心シャワーヘッド
６４ 周辺ガス導入室
（６４，５６ａ） 周辺シャワーヘッド
６６ 処理ガス供給源
６８ ガス供給管
７０ａ，７０ｂ 流量制御弁
８４ 排気装置
９０ 第２の高周波電源
９２ ローパスフィルタ
９３ 可変抵抗器
９４ ハイパスフィルタ
１００ 導体部材
１０２ シールド部材

Claims (38)

1. 真空可能な処理容器と、
   前記処理容器内で所定位置に配置される被処理基板と対向するようにリング状に設置される１つまたは複数の第１の上部電極と、
   前記第１の上部電極の半径方向内側に絶縁して配置される第２の上部電極と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、
   前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の上部電極に印加する第１の給電部と、
   前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の給電部から分岐して前記第２の上部電極に供給する第２の給電部と
   を有し、
   前記第１の高周波電源から前記第１の上部電極に印加される高周波電力の値が、前記第１の高周波電源から前記第２の上部電極に印加される高周波電力の値よりも大きく、
   前記第１の上部電極が、前記基板の外周端よりも径方向外側で前記第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有し、
   前記第１の給電部が、前記第１の上部電極に周回方向で連続的に接続される第１の筒状導電部材を有し、
   前記第１の筒状導電部材の径方向外側にグランド電位に接続された第２の筒状導電部材を設ける、
   プラズマ処理装置。
2. 前記第１の筒状導電部材の径サイズに対する第２の筒状導電部材の径サイズの比が１．２〜２．０の範囲内に選ばれる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記径サイズの比が１．５〜１．７の範囲内に選ばれる、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第１の筒状導電部材と前記第１の上部電極とで囲まれる空間の１／１０〜１／３を埋める導体部材を有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記処理容器の内壁と前記第１の上部電極との間に配置される絶縁性部材を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第１の高周波が前記突出部および前記絶縁性部材からプラズマ処理空間に供給されるのを防ぐための、前記突出部と前記絶縁性部材を覆うシールド部材を有する、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 真空可能な処理容器と、
   前記処理容器内で所定位置に配置される被処理基板と対向するようにリング状に設置される１つまたは複数の第１の上部電極と、
   前記第１の上部電極の半径方向内側に絶縁して配置される第２の上部電極と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、
   前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の上部電極に印加する第１の給電部と、
   前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の給電部から分岐して前記第２の上部電極に供給する第２の給電部と
   を有し、
   前記第１の高周波電源から前記第１の上部電極に印加される高周波電力の値が、前記第１の高周波電源から前記第２の上部電極に印加される高周波電力の値よりも大きく、
   前記第１の上部電極が、前記基板の外周端よりも径方向外側で前記第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有し、
   さらに、前記処理容器の内壁と前記第１の上部電極との間に配置される絶縁性部材と、前記第１の高周波が前記突出部および前記絶縁性部材からプラズマ処理空間に供給されるのを防ぐための、前記突出部と前記絶縁性部材を覆うシールド部材とを有する、
   プラズマ処理装置。
8. 前記シールド部材が導体または半導体で構成される、請求項６または請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記シールド部材が前記第１の上部電極の下から前記処理容器の内壁まで延びる、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記シールド部材が、前記突出部から電気的に分離し、グランドに接地されている前記処理容器に電気的に接続される、請求項６〜９のいずれか一項記載のプラズマ処理装置。
11. 前記第１の上部電極が導電体または半導体で構成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記第１の上部電極が前記第２の上部電極の１／４倍〜１倍の面積を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記第１の上部電極が、前記第１の給電部に接続される第１の電極部材と、前記基板と対向するように前記第１の電極部材の下面に着脱可能に固着される第２の電極部材とを有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記第１の電極部材が冷媒を通すための冷媒通路を有する、請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記第１の電極部材と前記第２の電極部材との間に熱抵抗を低くするための膜またはシートを設ける、請求項１３または請求項１４に記載のプラズマ処理装置。
16. 前記第２の給電部が分岐する箇所から前記第１の上部電極までの区間における前記第１の給電部のインダクタンスが前記第２の給電部のインダクタンスよりも小さくなるように構成する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記第１の上部電極が１つのリング形電極で構成される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
18. 前記第２の給電部が可変コンデンサを有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
19. 前記第１の高周波電源の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させるために前記第１の高周波電源の出力端子に接続される第１の整合器を有し、前記第１の整合器の出力端子からみた前記第１の高周波電源に対する負荷インピーダンスのリアクタンスが容量性である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
20. 前記第１の上部電極と前記第２の上部電極との間に形成される隙間に誘電体が設けられる、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
21. 前記第２の給電部の周囲に導体部材を設ける、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
22. 前記第２の給電部の周囲に、前記第２の給電部のインダクタンスを小さくするための誘導電流が流れる導体部材を設ける、請求項２１に記載のプラズマ処理装置。
23. 前記導体部材が、前記第２の給電部の周囲で、前記第２の給電部を流れる電流によって生成される磁束と鎖交する閉回路を形成する、請求項２２に記載のプラズマ処理装置。
24. 前記導体部材が、前記第２の給電部の回りを囲むように環状に配置される、請求項２３に記載のプラズマ処理装置。
25. 前記導体部材が１つのリング形導体で構成される、請求項２４に記載のプラズマ処理装置。
26. 前記第１の上部電極における前記突出部の突出量が２５ｍｍ以下に選ばれる、請求項１〜２５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
27. 前記第１の上部電極における前記突出部の内径部分が、前記所定位置に配置される前記基板の外周端よりも半径方向外側に２４ｍｍ〜３０ｍｍ離れた位置に設けられる、請求項１〜２６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
28. 前記所定位置に配置される前記基板側からみて前記第２の上部電極の背部または背後に前記処理ガス供給部からの前記処理ガスを導入するためのガス導入室が設けられ、前記第２の上部電極に前記ガス導入室から前記基板に向けて前記処理ガスを噴出するための多数のガス噴出孔が形成される、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
29. 前記第２の上部電極が、少なくとも直流を通す第１のローパスフィルタを介してグランド電位に電気的に接続される、請求項１〜２８のいずれか一項記載のプラズマ処理装置。
30. 前記第１のローパスフィルタが、前記第２の上部電極に生成される直流電位を調節するための抵抗を有し、前記抵抗が可変抵抗器を含む、請求項２９記載のプラズマ処理装置。
31. 前記第２の上部電極が、可変直流電源を介してグランド電位に接続される、請求項１〜３０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
32. 前記処理容器内の前記所定位置で前記基板を載置するために前記第１および第２の上部電極と対向して配置される下部電極が設けられ、
    前記下部電極に、前記第１の高周波よりも周波数の低い第２の高周波電源からの第２の高周波が印加され、
    前記第２の上部電極が、前記第１の高周波を通さずに前記第２の高周波を通す第２のローパスフィルタを介してグランド電位に電気的に接続される、
    請求項１〜３１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
33. 真空可能な処理容器内で所定位置に被処理基板を配置する工程と、
    前記処理容器内で前記所定位置の前記基板と対向してリング状に設置され、前記基板の外周端よりも径方向外側で前記第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有する１つまたは複数の第１の上部電極に第１の給電部を介して第１の高周波電源からの第１の高周波を印加するとともに、前記第１の上部電極の半径方向内側に絶縁して設置された第２の上部電極に前記第１の給電部から分岐した第２の給電部を介して前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を印加し、前記第１の高周波電源から前記第１の上部電極に印加される高周波電力の値を、前記第１の高周波電源から前記第２の上部電極に印加される高周波電力の値よりも大きくする工程と、
    前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する工程と、
    前記第１の上部電極の直下付近で前記処理ガスをプラズマ化して、生成されたプラズマを拡散させるとともに、前記第２の上部電極の直下付近でも前記処理ガスをプラズマ化する工程と、
    前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施す工程と
    を有し、
    前記第１の給電部として、前記第１の上部電極に周回方向で連続的に接続される第１の筒状導電部材を用い、
    前記第２の給電部が分岐する箇所から前記第１の上部電極までの区間における前記第１の給電部のインダクタンスが前記第２の給電部のインダクタンスよりも小さく、
    前記第１の筒状導電部材と前記第１の筒状導電部材の径方向外側に設けられたグランド電位の第２の筒状導電部材とで前記第１の筒状導電部材を導波路とする同軸線路が構成される、
    プラズマ処理方法。
34. 前記第２の給電部に可変コンデンサを設け、前記第１の高周波電源から前記第１および第２の上部電極にそれぞれ供給される電力の比率を調整する、請求項３３に記載のプラズマ処理方法。
35. 前記第２の給電部の周囲に導体部材が設けられ、前記第２の給電部のインダクタンスを小さくする誘導電流が前記導体部材で流れる、請求項３３または請求項３４に記載のプラズマ処理方法。
36. 真空可能な処理容器内で所定位置に被処理基板を配置する工程と、
    前記処理容器内で前記所定位置の前記基板と対向してリング状に設置され、前記基板の外周端よりも径方向外側で前記第２の上部電極の下面よりも下方に突出する突出部を有する１つまたは複数の第１の上部電極に第１の給電部を介して第１の高周波電源からの第１の高周波を印加するとともに、前記第１の上部電極の半径方向内側に絶縁して設置された第２の上部電極に前記第１の給電部から分岐した第２の給電部を介して前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を印加し、前記第１の高周波電源から前記第１の上部電極に印加される高周波電力の値を、前記第１の高周波電源から前記第２の上部電極に印加される高周波電力の値よりも大きくする工程と、
    前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する工程と、
    前記第１の上部電極の直下付近で前記処理ガスをプラズマ化して、生成されたプラズマを拡散させるとともに、前記第２の上部電極の直下付近でも前記処理ガスをプラズマ化する工程と、
    前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施す工程と
    を有し、
    前記処理容器の内壁と前記第１の上部電極との間に絶縁性部材を配置し、
    前記第１の高周波が前記突出部および前記絶縁性部材からプラズマ処理空間に供給されるのを防ぐために、前記突出部と前記絶縁性部材とをシールド部材で覆う、
    プラズマ処理方法。
37. 前記第２の上部電極が、可変直流電源を介してグランド電位に接続される、請求項３３〜３６のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
38. 前記第２の上部電極を抵抗を介してグランド電位に接続し、前記第２の上部電極に生成される直流電位が高すぎることによる前記処理容器内の異常放電を防止し、かつ前記直流電位が低すぎることによる前記第２の上部電極の消耗を抑制するように、前記抵抗の抵抗値を選定または調整して前記直流電位の値を適切な範囲内に設定する、請求項３３〜３７のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。

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