JP4838736B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被処理体の処理を行うプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの製造において、成膜やエッチング等の工程にプラズマ処理装置が広く用いられている。近年、デバイスの高集積化による回路パターンの微細化やウエハ径の拡大に伴い、プラズマ処理装置に求められる性能もますます厳しくなっている。特に、デバイスの構成材料の多様化に伴って、エッチングレシピも複雑となり長期量産安定稼動は重要な課題となっている。

例えばプラズマ処理装置では、フッ化物や塩化物、さらには臭化物などの反応性ガスのプラズマを用いるために処理室壁面が化学的及び物理的に侵食される。その為ウエハ枚数増加に伴って、処理室内の化学組成や高周波の伝播が徐々に変化し、長期的に安定した処理が不可能となる場合がある。また、侵食された処理室の壁部材とプラズマ中の活性なラジカルが化学反応を起こし、処理室内壁に異物として再付着する場合もある。内壁に再付着した異物はエッチングを繰り返すことで次第に厚さが増し、最悪の場合は異物がウエハ上に剥がれ落ちて製品不良を引き起こすことがある。

このような問題を解決するために、プラズマ処理装置ではプラズマに曝される処理室内部材の表面に、化学的に安定な陽極酸化処理（Ａｌ_２Ｏ_３：アルマイト）を施すことが行われてきた。通常このアルマイト膜は、数十μmである。しかしながら、アルマイトではプラズマに対する耐性が十分ではなく、剥がれ易いことに加え、フッ化物を用いた処理によりＡｌＦが発生する。ＡｌＦは揮発性ガスではないので、クリーニング放電では除去することが難しく異物の原因となる。

プラズマは、中性ガスを放電によって電離させて発生させる為に、発生する負電荷（電子や負イオン）と正電荷（イオン）の電荷の和が常にゼロになるという中性条件が成立している。発生した負電荷と正電荷は真空容器壁まで拡散し、壁表面で再結合をする事により中性に戻る。プラズマを囲う真空容器壁は電磁波の漏洩を防止する為に接地されるのが通常であるが、壁が導電性の場合の再結合では負電荷は壁に電子を放出し、また正電荷は壁から電子を受け取る。つまり負電荷と正電荷が出会うことなく、中性に戻ることができる。

しかし、壁の表面がアルマイトのような絶縁体である場合は、壁にまで拡散した電荷は壁と電子をやり取りすることができなくなる。このため、壁が絶縁体の場合の再結合では、壁表面で正電荷と負電荷が出会う必要が生じる。対の電荷と出会うことができなかった場合、その電荷は絶縁体の表面に蓄積される。これにより正あるいは負の電荷が蓄積された絶縁体表面は、その電位が上昇あるいは下降し、プラズマ内の電位分布を変化させる。この効果によりプラズマ内の電荷の輸送状態を変化させ、同種の電荷がさらに蓄積されることを防止し、かつ対の電荷を引き寄せようとする。最終的に、絶縁体表面は正または負のある電位（絶縁体壁への正の電荷と負の電荷の拡散量が等しくなる）にチャージアップすることになる。

チャージアップしたプラズマに対して、絶縁体表面の突起部からプラズマに向かって電子を放出するという型の異常放電が発生する。

このような、絶縁体壁表面のチャージアップは、有磁場プラズマ源ではより顕著となる。なぜなら、正イオンと電子の質量比が極端に異なる為、磁場を横切る拡散量がまったく異なることにより、絶縁体壁に正電荷と負電荷が等しく拡散できなくなるためである。この場合、絶縁体表面では磁場の効果を打ち消し、絶縁体表面に正電荷と負電荷が等しく拡散するようになるまで、絶縁体表面の電位が上昇しようとする。この時、アルマイトは完全な絶縁体ではなく、チャージアップ電圧が上昇すると、微小リーク電流が発生する。この効果によって、アルマイト表面の電位の上昇はある一定のレベルでとどまる。しかし、この電位上昇が、例えば１００Vを超えるような極端に高い電位になる場合、いくつかの付随した現象が発生する。

まず、プラズマ内の電位分布が変化することにより、プラズマがより拡散し、あたかも、導電性壁を求めてプラズマが広がるような現象が生じる。プラズマが広がることにより、導電性の壁とプラズマが接触し、プラズマの電位上昇が解消される。しかし、プラズマ電位が解消されたとたんプラズマの広がりが解消されて急激に縮小し、再び小さな範囲でプラズマが発生すると同時に、プラズマの電位上昇が再開されてプラズマが広がる、つまり、プラズマの収縮拡大が繰り返される場合も生じる。いわゆるプラズマ不安定性である。

さらに、絶縁体表面と裏面（接地された導体）間の電圧が絶縁体の耐電圧を超える場合、絶縁体膜の中で放電が生じて電気伝導性の経路が形成され、接地された導体壁から電荷を取り込むことにより、チャージアップを解消することがある。これは異常放電と呼ばれる現象の一つで、この放電により、壁材料の飛散や蒸発が生じる。飛散した壁材料は異物になり、また、蒸発した材料により製品が汚染される。このような異常放電は、絶縁体膜の電気的な弱点の部分で生じるが、完全に均質な絶縁体膜を形成することは技術的にほとんど不可能であり、この種の異常放電を管理することは困難である。

異常放電はこれだけでなく、例えば正と負にそれぞれ帯電した絶縁体壁間でも生じるし、プラズマ発生用の高周波との相互作用の結果、絶縁体壁表面で発生する場合もある。

以上説明したようなプラズマの不安定性や異常放電は絶縁体壁の状態によって発生の規模や頻度が異なる為、同じように作った装置を同じ運転条件で動作させた場合でもプラズマの不安定性や異常放電に差が生じる。つまり装置間性能差の原因となり、量産時には問題となる。また装置が経験した履歴によっても壁の状態が異なる為、経時変化の問題としても重要である。

このような放電不安定を改善する方法として、特許文献１には、絶縁体の真空容器内壁の一部を構成している環状導電体に正の電圧を印加する方法が開示されている。この方法は、正の電圧により、導電体表面に電子シースを形成して、プラズマ発生用の電磁波が伝播する範囲を制限することにより、ホローカソード放電等の異常放電を防止するものである。

また、特許文献２には、壁削れが比較的大きいウエハ保持電極に近い位置のプラズマの浮動電位（またはプラズマ密度）よりもプラズマ浮動電位（またはプラズマ密度）が高い位置に導電材からなるＤＣアースを設置したものが開示されている。これにより、効率的に均一なプラズマを形成することができ、プラズマ処理の面内均一性が高く、かつチャージアップダメージが生じ難い容量結合型のプラズマ処理装置を得ることができるとされている。

一方、特許文献３には、プラズマ生成領域Ｒの下端近傍部分に接地部材を設けることで、プラズマ生成領域Ｒのプラズマから接地部材に電流が流れるように構成し、プラズマ密度の均一化を図ったものが開示されている。

さらに、特許文献４に開示された装置では、プラズマ処理チェンバーがプラズマ対向構成部品に連結されるアース手段を有し、このアース手段は、プラズマ対向構成部品とアース端子間の第１の電流経路に配置された第１の抵抗回路を含んでいる。第１の抵抗回路の抵抗値は、基板の処理中プラズマとプラズマ対向構成部品間のアーク放電をほぼ除去できるように選択される。

特開平１１−１８５９９３号公報 特開２００５−１８３８３３号公報 特開２００６−１８６３２３号公報 ＵＳ ７,０８６,３４７ Ｂ２

近年、回路パターンの微細化に伴い、微小異物の歩留りに対する悪影響が無視できなくなり、異物抑制を非常に重視する傾向にある。この為、化学的に安定しているため耐プラズマ性が高く、異物が発生し難い酸化イットリウム（イットリア：Ｙ_２Ｏ_３）が真空処理室内表面材料として用いられるようになってきた。イットリア膜は、通常、金属材料に溶射で形成し、その膜厚は数百μmである。しかしながら、真空処理室内壁をアルマイトからイットアにすることにより、壁の絶縁性はより強化されて直流アース面積が減少することになった。このため、前述のプラズマの不安定性や異常放電などの問題がより顕在化するようになった。

内壁表面のアルマイトからイットリアへの変更による直流アース不足から、プラズマから外への逃げ場が無い為、プラズマのチャージアップを引き起こす。その為、プラズマの空間電位が上昇する。そのことにより放電不安定が起こり、真空容器内壁の耐電圧が弱いところで局所的にアーク放電が発生する。また、イットリアなど酸化物絶縁体は電子放出能が高く、チャージアップしたプラズマに対して絶縁体表面の突起部からプラズマに向かって電子を放出するという型の異常放電も発生する。

以上述べたような絶縁体壁による異常放電やプラズマ不安定性は、従来からあった問題ではあるが、現状ではより深刻な問題となっている。

特許文献１によれば、環状導電体の電位をプラズマ空間電位よりも高くすると良好なプラズマが得られる理由に、「環状導電体の電位がプラズマ空間電位よりも高いと、環状導電体の表面近傍に電子シースが形成され、環状導電体の電位が低い場合に電磁波の伝搬路となっていたイオンシースが消滅する。」ことが挙げられている。しかしながら、電子シースを形成する為には、正の電圧を加えた電極に電子電流を集中させる必要がある。前述した中性条件を満たす為には、対となる正の電荷、つまりイオン電流を集中して流すことのできる導電体が別途必要になる。つまり、特許文献１に開示の方法は、正の電圧を印加する電極に対して、十分なイオン電流を吸収することのできる導電性の壁が存在することが前提の技術である。近年の回路パターンの微細化に伴うプラズマ処理装置の内壁の絶縁性の強化、言い換えれば、直流アース不足による異常放電やプラズマ不安定性の問題とは関係のない技術である。

また、特許文献２〜４のように、直流アースを設置したものでは、直流アースを経てプラズマから電流が流れるものの、プラズマの空間電位自体が特定の電位に制御されるわけでない。プラズマ処理装置内壁の絶縁性の強化に伴い、プラズマ空間電位も処理室内の僅かな環境変化にさえ大きく左右される状況になっており、プラズマが直流アースに接触しない場合１００Vを超えるような高い電位になることも容易にありうる。この様な状況に対して、単にＤＣアースを設置したのみでは、プラズマの空間電位の上昇が避けられず、ひいてはプラズマの安定化を図れない。

本発明の目的は、上記ＤＣアース不足による異常放電やプラズマ不安定性の問題を解決し、プラズマの空間電位の上昇を抑え、そのことにより起こる放電不安定を抑制することができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することである。

本発明のプラズマ処理装置は、プラズマと接する壁面に耐プラズマ性保護膜が形成された真空処理室を有し、該真空処理室内にプラズマを生成してウエハを処理するプラズマ処理装置において、前記真空処理室内のプラズマと接する位置に設けられた導体部品と、前記導体部品の電位を前記生成したプラズマの電位未満の電位に制御する電位制御ユニットとを備え、該電位制御ユニットは前記導体部品に接続された直流電源を含み、前記プラズマ電位制御ユニットは、前記導体部品に負の直流電圧を印加する前記直流電源と、前記導体部品からアースに流れる電流を計測する電流モニタと、該電流のモニタ値が０Ａ付近の電流値になるように前記直流電源の電圧を制御する制御系で構成されている、ことを特徴とするプラズマ処理装置。

本発明によれば、真空容器内に接地された導体部品を直流アースとして設置し、導体部品からアースへ流れる電流を０Ａ付近になるように制御することにより、プラズマの空間電位が上昇することによって起こる放電不安定を抑えことが出来る。このことは放電不安定に基づく異常放電の発生や異物の発生を抑えることにつながり、これにより長期量産安定稼動を可能にする効果がある。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例を、図１ないし図５で説明する。
まず、図１に、本発明の第１の実施形態になるプラズマ処理装置の断面図を示す。プラズマ処理装置は、真空処理室１と、この真空処理室内に設けられウエハ３を保持するウエハ載置面を備えた下部電極２と、この下部電極に対向して設けられプラズマと接する部分が導電性材料からなる上部電極９と、この上下の電極に対する高周波電源部と、磁場形成手段と、処理ガス供給系等を有している。下部電極２のウエハ載置面の周縁には、フォーカスリング４が設けられている。磁場形成手段はヨーク５と、コイル６で構成されている。処理ガス供給手段はガス供給系１０と、ガス分散板８とを有している。真空処理室１にはこの真空処理室を減圧排気する真空ポンプが接続されている。高周波電源部は、アンテナ７と、第１高周波電源１１と、第１整合器１２と、第２高周波電源１３と、第２整合器１４と、フィルタ回路１５と、第３高周波電源１６と、第３整合器１７と、位相調節ユニット１８と、アンテナ外周リング１９と、シリコン板支持リング２０と、アンテナ蓋部２１と、フィルタ回路２２と、フィルタ回路２５とを有している。また、下部電極２にはフィルタ回路２３を介して、静電チャック電源２４が接続されている。さらに、真空処理室１には、真空処理室壁部のプラズマ電位を制御するプラズマ電位制御ユニットが設けられている。プラズマと接する真空処理室１の側壁部は内外の二重壁構造となっており、側壁部の外壁は金属材料例えばアルミニウムで構成され、側壁部の内壁は耐プラズマ性保護膜で構成されている。すなわち、内壁は、導体部品（環状導体）２６と、この環状導体を挟んでその上下に配置された絶縁膜３１とで構成されている。プラズマ電位制御ユニットは、この内壁の環状導体２６とアース間に接続され直流アースを構成し、環状導体２６にプラズマ空間電位未満の電圧を与える機能を有している。プラズマ電位制御ユニットは、直流バイアス電源２８と、電流モニタ２９及び制御系３０で構成されている。

上記のように構成された装置において、真空処理室１の内部を減圧した後、ガス供給系１０によりエッチングガスを真空処理室内に導入し所望の圧力に調整する。磁場形成手段のコイル６とヨーク５により真空処理室１内の下部電極２と上部電極９間には磁場が形成される。そして、高周波電源部の第１高周波電源１１により発振された、例えば周波数２００ＭＨｚの高周波電力を、アンテナ７及びアンテナ外周リング１９を介して真空処理室１に導入する。処理室内１に導入された高周波電力による電界は、処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。特に、電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば、プラズマ生成用の高周波電源の周波数が２００ＭＨｚの場合は約７０Ｇ）を処理室内の下部電極２と上部電極９間に形成した場合、効率良く高密度のプラズマを生成することが出来る。

本構成の装置では、２００ＭＨｚの第１高周波電源１１によって主としてプラズマを生成し、第３高周波電源１６によってプラズマ組成あるいはプラズマ分布を制御し、第２高周波電源１３によってプラズマ中のイオンがウエハへ入射するエネルギーを制御している。プラズマ電位制御ユニットにより、環状導体２６の電位をプラズマ空間電位未満の電圧に調整し、プラズマからアースへ流れる電流を０Ａ付近になるように制御することで、プラズマの空間電位を安定化させている。

図示しない搬送系によりウエハ３をウエハ載置用下部電極２のウエハ載置面上に載置し、上述のようにプラズマを生成した後、第３高周波電源１６より上部電極９へ、第２高周波電源１３よりウエハ載置用下部電極２へ、それぞれ高周波電力が供給されウエハ３にエッチング処理がされる。

このとき位相調整ユニット１８により第２高周波電源１３と第３高周波電源１６の位相は逆位相になるように制御される。また、静電チャック電源２４により直流電圧が数百Vかけられることによりウエハをウエハ載置面に静電吸着させる。

真空処理室１の側壁表面（内壁表面）は、絶縁膜３１で覆われている。絶縁膜３１は絶縁体であれば何でもよいがＹ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳｉC、ボロンカーバイト、アルマイト等の炭化物、酸化物もしくは窒化物等の絶縁体セラミックが望ましい。

ウエハ処理中は上部電極９とウエハ載置用下部電極２に印加する高周波バイアスは位相調整ユニット１８により逆位相になるよう制御され、交流電流によるプラズマの空間電位の上昇を抑えている。
図２に示すように、プラズマからの直流電流が真空処理室１の側壁を経て直流アースに流入するのを可能にするために、環状導体２６は処理室内のプラズマと直接接触する位置に設置される。

環状導体２６には、電流モニタ２９を介して直流バイアス電源２８から制御された直流バイアス電力が印加される。直流バイアス電源２８の電位Ｅ_ｃは電流モニタ２９からの出力値に基づいて、制御系３０によって制御される。これにより、環状導体２６の電位はプラズマ空間電位未満の電圧になるように制御される。

本発明では、プラズマからアースまで直流電流が流れることにより、プラズマのチャージアップが解消されプラズマ空間電位の上昇を抑制する。

プラズマのチャージアップを解消するためには、プラズマから環状導体２６を介してアースへチャージアップをもたらす余剰電流が直流電流度なって流れればよい。上述のように直流電流を流すためには、プラズマの空間電位より環状導体２６の電位が低くければ良い。

図３は、本発明によるプラズマ処理装置の磁場印加時における、環状導体２６の設置位置と磁力線の関係を表す模式図である。環状導体２６は、磁場形成手段により形成された磁力線、好ましくは磁力線群の中の磁力の大きな主要部（以下、単に磁力線の主要部）Ｆｍ上であって、しかも、この磁力線が真空処理室１内で上部電極９から環状導体２６までの間、他の部品に遮られることのない位置に設置されている。一例として、環状導体２６の設置位置は、下部電極２と上部電極９の間の側方、より具体的にはフォーカスリング４の側方より若干下側である。

図４に、プラズマに接した環状導体２６の電流−電圧特性を示す。図４に示すように、浮動電位Ｖ_ｆからプラズマ空間電位Ｖ_ｓにかけて、電子電流Ｉ_ｅは指数関数的に上昇して大電流が流れる。プラズマ空間電位Ｖ_ｓ以上のプラズマ電位では電子電流が飽和電流Ｉ_ｅｓの領域となる。電子電流Ｉ_ｅの飽和電流Ｉ_ｅｓで使用すると上記大電流により環状導体２６に負荷がかかることや、大電流に対応する為の電源及び配線が必要になる等の問題が発生する。その為、環状導体２６の電位は、電子電流が指数関数領域以下となるプラズマ空間電位Ｖ_ｓ未満、より好ましくは浮動電位Ｖ_ｆ付近以下が適当である。浮動電位Ｖ_ｆ付近であれば、プラズマからアースに流れる電流は低い値に抑えられる。浮動電位Ｖ_ｆより低い電位の領域の電流は、図４より分かるように０Ａ付近の電流領域である。０Ａ付近の電流値の目安としてはイオン飽和電流Ｉ_ｉｓの絶対値を用いる。

本発明では、電流モニタ２９で環状導体２６から直流アースに流れる電流をモニタし、この電流が指数関数領域以下、より好ましくはイオン飽和電流Ｉ_ｉｓの絶対値以内になるように、制御系３０により直流バイアス電源２８の電位Ｅ_ｃをプラズマ空間電位Ｖ_ｓ未満、望ましくは浮動電位Ｖ_ｆ付近のイオン飽和電流Ｉ_ｉｓの絶対値以下の電位（＝Ｅ_ｃｂ）に制御する。イオン飽和電流Ｉ_ｉｓの絶対値については、制御系３０にて設定する。

もし、環状導電体２６の電位がプラズマ空間電位よりも高いと、特許文献１にも記載されているように、環状導電体の表面近傍に電子シースが形成され、その結果、例えば１００Vを超えるような空間電位の上昇が生じた場合、プラズマからアースに大電力の電流が流れる。このような事態が発生する可能性がある場合、プラズマ空間電位を不安定にすると共に、予め直流アースが大電流、大電力に耐えうる構成にしておく必要がある。本発明では、直流アースを流れる電流は常に０Ａ付近の小さな電流値に制御されるので、安価な装置で構成し得るにもかかわらずこのような不具合は発生しない。

上部電極９と環状導体２６は、障害物に遮られることなく磁力線、好ましく磁力線の主要部で接続されているのが望ましい。

本発明では、磁場を印加する場合、環状導体２６はプラズマからの直流電流が流入可能であるように、環状導体２６が直接プラズマと接触し、そのうえ導電性の上部電極９から磁力線、好ましくは磁力線の主要部で接続される位置に設置する。

磁力線がある場合の電流の流れを図５に示す。矢印及び添え数字は電流の流れの方向を示す。プラズマ内の電荷の移動は磁力線を横切る方向には主にイオンが移動し磁力線に沿っては電子が移動することで行われる。電子は環状導体26から供給され、磁力線に沿って電流の流れとは逆方向に流れる。すなわち、プラズマから上部電極９に直流電流が流れ、次に上部電極９から環状導体２６へ磁力線を伝って直流電流が流れる。そして環状導体２６からバイアス電源２８を介してアースに電流が流れる。チャージアップが生じた場合これによりプラズマ中の電子とイオンの差が仮称される。たとえばイオンが電子に対して多く存在するアンバランスな状態の場合、従来例であればプラズマの空間電位が大きく上昇する可能性があるが、本実施例によれば電子が環状導体26から電子が供給され磁力線を伝って電流の流れとは逆にスムーズにプラズマに流れるので、電子とイオンのアンバランスは瞬時に解消される。これにより、プラズマの空間電位は上昇が抑制され、プラズマの空間電位Vp未満に維持される。すなわち、プラズマの空間電位の大幅間上昇が避けられひいては異常放電の低減及びプラズマの安定化が図れる。

この場合においても、環状導体２６からアースに流れる電流は、電流モニタ２９でモニタされ、この電流が０Ａから負の電流領域になるように制御系３０により直流バイアス電源２８の電位Ｅ_ｃが制御される。

直流バイアス電源２８の電位Ｅ_ｃを制御することで、プラズマからアースまで直流電流が流れ、プラズマのチャージアップが解消され、空間電位の上昇を確実に抑制できる。

ここで、環状導体２６に代えて、導体部品として非環状の形状の導体を用いても良い。例えば、導体を複数に分割しそれらを全体として環状に配置しても良い。導体を分割して環状的に配置した方がコストパフォーマンスとしては望ましい。

また、環状導体２６等の導体部品の幅は出来る限り広いほうが、スパッタが集中し難くなるので、幅は出来る限り広いほうが望ましい。加えて導体部品の材料は、導電性材料ならば何でもよいが、Ｓｉ、ＳｉC、導電性セラミック、Aｌ、Aｌ化合物、が望ましい。

また、コストパフォーマンスを考慮した場合、導体部品は交換可能な構造とすることが望ましい。

本実施例によれば、真空容器の内壁一部を構成する接地された導体を直流アースとして設置し、導体からアースへ流れる電流を０Ａ付近になるように制御することにより、プラズマの空間電位が上昇することによって起こる放電不安定を抑えことが出来る。このことは放電不安定に基づく異常放電の発生や異物の発生を抑えることにつながり、これによりプラズマ処理装置を、長期にわたり量産できかつ安定して稼動できるようにする効果がある。

次に、第１の実施例を改良したプラズマ処理装置の第２の実施例を、図８、図９で説明する。
まず、第１の実施例の課題について説明する。図６、図７に示すように環状導体２６等の導体部品を導入することにより、導体部品付近のイオンシースの厚みが変化する。これには、図６のように導体部品に対するイオンシースが壁に対するイオンシースに対して厚くなる場合と、図７のように薄くなる場合がある。

これは、イオンシースの厚みが導体部品と浮動電位の比の３／４乗に比例して変化するためである。前者、後者の場合においても導体部品とその周辺はイオンによりスパッタされる。特にシースが薄くなる図６の場合において、入射するイオンの軌道がより周辺方向に拡散するように曲げられるため、導体部品の周辺は広範囲にスパッタされる。

そのためスッパタされる導体部品の周辺はチャンバー内壁と別部品とし、交換可能としたほうが望ましい。

そこで、第１の実施例を改良した第２の実施例として、図８、図９のように、チャンバー内壁と別部品であり交換可能な環状絶縁体２７を、環状導体２６等の導体部品の上下に設置し、さらにその上下に絶縁膜３１を設置する。

本実施例でも、導体部品付近のイオンシースの厚みが変化したことに伴い導体部品とその周辺はイオンによりスパッタされる。導体部品の周囲に交換可能な環状絶縁体２７を配置したことで、絶縁膜３１はそのままとし、導体部品及び環状絶縁体２７のみを交換することで、スパッタに対処することができる。なお、導体部品２６と環状絶縁体２７は、交換すべき時期が異なる場合が多いので、個別に交換可能な構造とするのが良い。

環状絶縁体２７の材料は絶縁体であれば何でもよいが、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉC、ボロンカーバイト、アルマイト等の炭化物、酸化物もしくは窒化物等の絶縁セラミックが望ましい。

この場合、例えばプラズマの電子密度を１０^１１cm^-３、プラズマの電子温度を３ｅＶ、導体部品２６に印加する電圧を−１００Ｖとすると、シース厚さは０．５mm程度となる。また、環状絶縁体２７の幅は、シースの１０倍〜4０倍あれば入射するイオンが発散する範囲を覆うことができる。そのため、環状絶縁体２７の上下の幅は、５〜2０ｍｍ程度でよいと思われる。

また、導体部品の形状が環状でなく、環状的に導体を配置する構造になっている場合においても同様にその周辺に交換可能な絶縁体を環状に配置した方が望ましい。

導体部品周辺をチャンバー内壁と別部品とし交換可能としたことで、真空処理室のプラズマと接する壁面に耐プラズマ性保護膜が形成されたプラズマ処理装置を、長期にわたり量産できかつ安定して稼動できるようにする効果がある。

本発明のプラズマ処理装置の第３の実施例を、図１０で説明する。図１０は本発明の第３の実施形態を示すプラズマ処理装置の断面模式図である。
上記各実施例では導体部品を真空処理室の側壁に設けたが、導体部品の設置位置はこれに限定されるものではない。導体部品の位置は、プラズマと接触する位置にあれば良い。処理中に磁場が印加される場合、導体２６は上部電極９と障害物に遮られることなく磁力線で繋がれている位置にあれば良い。その為、必ずしも真空容器内の側壁面に設置する必要はない。

例えば、真空容器内のプラズマと接触する天井面でも良い。あるいは、図１０の本実施例のように下部電極２の外周部、例えばフォーカスリング４の外側でかつプラズマと接触する位置に導体２６を設置しても良い。この場合も、導体２６は上部電極９と障害物に遮られることなく磁力の大きな磁力線で繋がれているのが望ましい。

特に、磁場が印加される状況において、磁力線の発散が少ない場合や、上部電極と下部電極との距離が狭い場合においては、真空容器内壁に比べて、電極の外周部に設置した方が上部電極と導体を障害物無く磁力線でつなぎやすい為、下部電極の外周部に設置したほうが望ましい。

本実施例によれば、真空容器の内壁一部を構成する接地された導体を直流アースとして設置し、導体からアースへ流れる電流を０Ａ付近になるように制御することにより、プラズマの空間電位が上昇することによって起こる放電不安定を抑えことが出来る。このことは放電不安定に基づく異常放電の発生や異物の発生を抑えることにつながり、これによりプラズマ処理装置を、長期にわたり量産できかつ安定して稼動できるようにする効果がある。

次に、本発明のプラズマ処理装置の第４の実施例を説明する。
既に述べた各実施例は、試料の処理中に磁場が印加されるプラズマ処理装置を前提としていたが、本発明はこれに限定されるものではない。無磁場の装置においても、プラズマと接触する位置に導体部品を設置すれば、プラズマの空間電位の上昇を抑制する効果は得られる。すなわち、本発明は、真空容器内にガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内に電磁波を放射することによって真空容器内にプラズマを発生させ、真空容器内の電極に載置されたウエハを処理するプラズマ処理装置全般において、真空容器の内壁等の一部に接地された導体部品を直流アースとして設け、この導体部品からアースへ流れる電流を０Ａ付近になるように制御するものである。

図１１は本発明の第４の実施形態を示すプラズマ処理装置の断面模式図である。図１１の例では、環状の導体部品からなるプラズマ接触導電体４０が真空処理室内の可動下部電極２の外方に設置されている。

この実施例でも、プラズマ接触導電体４０の電位を制御するプラズマ電位制御ユニットは、直流バイアス電源２８と、電流モニタ２９及び制御系３０で構成されており、その機能は既に述べた実施例のものと同じである。すなわち、電流モニタ２９でプラズマ接触導電体４０から直流アースに流れる電流をモニタし、この電流が指数関数領域以下、より好ましくはイオン飽和電流Ｉ_ｉの絶対値以内になるように、制御系３０により直流バイアス電源２８の電位Ｅ_ｃをプラズマ空間電位Ｖ_ｓ未満、望ましくは浮動電位Ｖ_ｆ付近のイオン飽和電流Ｉ_ｉｓの絶対値以下の電位（＝Ｅ_ｃｂ）に制御する。

本実施例では、電子が磁力線に拘束されず自由な動きをするが、電子はプラズマに接した直流アースに流れ、電子とイオンのアンバランスは早期に解消される。これにより、プラズマの空間電位の上昇が抑制され、プラズマ空間電位Ｖ_ｓ未満に維持される。すなわち、プラズマの空間電位の大幅な上昇が避けられ、ひいては異常放電の低減及びプラズマの安定化が図れる。

本発明のプラズマ処理装置の第５の実施例を、図１２で説明する。図１２は本発明の第５の実施形態を示すプラズマ処理装置の断面模式図である。
図１２の例では、環状の導体部品からなるプラズマ接触導電体４０が真空処理室内の下部電極２の側部外方に設置されている。プラズマ電位制御ユニットの構成、機能は、前記実施例のものと同じである。本実施例でも、電子が直流アースに流れ、電子とイオンのアンバランスが解消されることでプラズマの空間電位の上昇が抑制され、プラズマ空間電位Ｖ_ｓ未満に維持される。すなわち、プラズマの空間電位の大幅な上昇が避けられ、ひいては異常放電の低減及びプラズマの安定化が図れる。

本発明のプラズマ処理装置の第６の実施例を、図１３で説明する。図１３は本発明の第６の実施形態を示すプラズマ処理装置の断面模式図である。
図１３の例では、環状の導体部品からなるプラズマ接触導電体４０が真空処理室の内壁に設置されている。プラズマ電位制御ユニットの構成、機能は、前記実施例のものと同じである。第２の実施例で述べたと同様に、交換可能な絶縁体を環状の導体部品の周囲に設けても良い。本実施例でも、電子が直流アースに流れ、電子電子とイオンのアンバランスが解消されることでプラズマの空間電位の上昇が抑制され、プラズマ空間電位Ｖ_ｓ未満に維持される。すなわち、プラズマの空間電位の大幅な上昇が避けられ、ひいては異常放電の低減及びプラズマの安定化が図れる。

本発明によるプラズマ処理装置の第１の実施形態を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態における環状導体の設置位置を表す模式図である。 本発明の第１の実施形態になるプラズマ処理装置の、磁場印加時における環状導体の設置位置を表す模式図である。 本発明によるプラズマ処理装置の、環状導体の電流−電圧特性曲線グラフである。 本発明の第１の実施形態になるプラズマ処理装置の、磁場印加時におけるプラズマからアースへの電流の流れを表す模式図である。 本発明の第１の実施形態のプラズマ処理装置の、環状導体近傍を表す第１の模式図である。 本発明の第１の実施形態のプラズマ処理装置の、環状導体近傍を表す第２の模式図である。 本発明の第２の実施形態になるプラズマ処理装置の、環状導体及び環状絶縁体近傍を表す第１の模式図である。 本発明の第２の実施形態になるプラズマ処理装置の、環状導体及び環状絶縁体近傍を表す第２の模式図である。 本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施形態を示す断面模式図である。 本発明の第４の実施形態を示すプラズマ処理装置の断面模式図である。 本発明の第５の実施形態を示すプラズマ処理装置の断面模式図である。 本発明の第６の実施形態を示すプラズマ処理装置の断面模式図である。

符号の説明

１…真空処理室、２…ウエハ載置用下部電極、３…ウエハ、４…フォーカスリング、５…ヨーク、６…コイル、７…アンテナ、８…ガス分散板、９…上部電極、１０…ガス供給系、１１…第１高周波電源、１２…第１整合器、１３…第２高周波電源、１４…第２整合器、１５…フィルタ回路、１６…第３高周波電源、１７…第３整合器、１８…位相調整ユニット、１９…アンテナ外周リング、２０…シリコン板支持リング、２１…アンテナ蓋部、２２…フィルタ回路、２３…フィルタ回路、２４…静電チャック電源、２５…フィルタ回路、２６…環状導体、２７…環状絶縁体、２８…直流バイアス電源、２９…電流モニタ、３０…制御系、３１…絶縁膜、４０…プラズマ接触導電体。

Claims (15)

1. プラズマと接する壁面に耐プラズマ性保護膜が形成された真空処理室を有し、該真空処理室内にプラズマを生成してウエハを処理するプラズマ処理装置において、
   前記真空処理室内のプラズマと接する位置に設けられた導体部品と、
   前記導体部品の電位を前記生成したプラズマ空間電位未満の電位に制御するプラズマ電位制御ユニットとを備え、
   該プラズマ電位制御ユニットは前記導体部品に接続された直流電源を含み、
   前記プラズマ電位制御ユニットは、前記導体部品に負の直流電圧を印加する前記直流電源と、前記導体部品からアースに流れる電流を計測する電流モニタと、該電流のモニタ値が０Ａ付近の電流値になるように前記直流電源の電圧を制御する制御系で構成されている、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１において、前記プラズマ電位制御ユニットは、前記導体部品の電位を前記生成したプラズマの浮動電位以下の電位に制御する機能を有する、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１において、前記プラズマ電位制御ユニットは、前記導体部品をアースに接続する直流アースを構成する、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１において、前記プラズマ電位制御ユニットは、飽和イオン電流Ｉｉの飽和領域Ｉｉｓの絶対値を用い、前記０Ａ付近の電流値が該絶対値以下になるように前記直流電源の電圧を制御する、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記真空処理室の耐プラズマ性保護膜が形成された側壁に、前記導体部品を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記真空処理室に設けられたウエハ載置用の下部電極を有し、該下部電極の外周部に前記導体部品を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記真空処理室に設けられたウエハ載置用の下部電極を有し、該下部電極の外周部と前記真空処理室の側壁との間に前記導体部品を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 側壁にイットリア保護膜が形成された真空処理室と、プラズマと接する部分が導電性材料からなる上部電極と、下部電極と、前記下部電極にウエハを静電吸着する静電吸着電源とを有し、前記真空処理室内にプラズマを生成してウエハを処理するプラズマ処理装置において、
   前記真空処理室の側壁でかつプラズマと接する位置に設けられた導体部品と、
   前記導体部品の電位を前記プラズマ空間電位未満の電位に制御するプラズマ電位制御ユニットとを備え、
   該プラズマ電位制御ユニットは前記導体部品に負の直流電圧を印加する直流電源を含み、
   前記プラズマ電位制御ユニットは、前記導体部品からアースに流れる電流を計測する電流モニタと、該電流のモニタ値が０Ａ付近の電流値になるように前記直流電源の電圧を制御する制御系で構成されている、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項８において、前記プラズマ電位制御ユニットは、前記導体部品の電位を前記プラズマの浮動電位以下の電位に制御する機能を有する、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 請求項８のプラズマ処理装置において、
    前記側壁に設けられた前記導体部品を挟んで上下に絶縁体部品を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
11. 側壁にイットリア保護膜が形成された真空処理室と、プラズマと接する部分が導電性材料からなる上部電極と、下部電極と、前記下部電極に載置されたウエハを静電吸着する静電吸着電源と、磁場形成手段と、前記真空処理室内にプラズマを生成してウエハを処理するプラズマ処理装置において、
    前記真空処理室の側壁でかつプラズマと接する位置に設けられた導体部品と、前記導体部品に負の直流電圧を印加する直流電源とを有し、
    前記導体部品を、前記磁場形成手段により形成された磁力線上であって、かつ、前記磁力線が前記上部電極から前記導体部品までの間、他の部品に遮られることのない位置に設置し、
    前記プラズマ電位制御ユニットは、前記導体部品からアースに流れる電流を計測する電流モニタと、該電流のモニタ値が０Ａ付近の電流値になるように前記直流電源の電圧を制御する制御系で構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 請求項１１において、
    前記導体部品の電位を前記プラズマ空間電位未満の電位に制御する電位制御ユニットを備え、
    該電位制御ユニットは前記導体部品に負の直流電圧を印加する前記直流電源を含む、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
13. 請求項１１において、前記プラズマ電位制御ユニットは、前記導体部品の電位を前記プラズマの浮動電位以下の電位に制御する、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
14. 請求項１２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記導体部品の周辺に、前記側壁がイオンによりスパッタされるのを低減するための絶縁体部品を有する、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
15. 請求項１４に記載のプラズマ処理装置において、
    前記導体部品の材料は、Ｓｉ、ＳｉC、導電性セラミック、Al、Al化合物のいずれかであり、
    前記絶縁体部品の材料は、Ｙ２Ｏ３、ＳｉC、ボロンカーバイト、アルマイトのいずれかである、ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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