JP5116806B2 - 複数の周波数に同時に応答する電極を備えたプラズマ処理装置の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に複数の周波数に同時に応答する電極を備えたプラズマ処理装置に関する。本発明の特定の一態様は、複数の周波数の電力に、１つは複数の周波数に同時に応答する電極であり、もう１つは実質的に基準電位の電極である一対の電極によって拘束された領域を通る実質的に異なる経路を通過させるための構造を有するチャンバを備えた処理装置に関する。本発明の他の態様は、複数の周波数に応答する電極のＤＣバイアス電圧が、複数の周波数のうちの１つの周波数の電力に関連するパラメータを他の周波数の電力に関連するパラメータに対して変更することによって制御される処理装置の動作方法に関する。

典型的には半導体基板、誘電体基板および金属基板であるワークピースへの物質の蒸着およびワークピースからの物質のエッチ除去には真空プラズマ処理装置が使用されている。ワークピースが配置された真空プラズマ処理チャンバにガスが導入される。チャンバ圧の範囲は、通常、０．１ないし１０００トールである。このガスは、ＲＦ電界もしくはＲＦ電磁界に応答して励起領域でＲＦプラズマ中に点火される。このＲＦ界は、一般的には、ＲＦ磁界とＲＦ電界の両方をガスに結合する電極アレイもしくはコイルのいずれかである無効インピーダンス・エレメントによって提供される。無効インピーダンス・エレメントは、比較的高い第１のＲＦ周波数およびガスをプラズマ中に点火するだけの十分な電力を有する第１のＲＦ源に接続されている。第１のＲＦ源と無効インピーダンス・エレメントの間は、通常、第１のＲＦ源に直接接続された比較的長いケーブルで接続されている。通常、ケーブルと無効インピーダンス・エレメントの間に接続された第１の共振整合回路網は、第１のＲＦ源のインピーダンスを該第１のＲＦ源が駆動している負荷に整合させるべく調整された一対の可変リアクタンスを含んでいる。

ガスは、通常、チャンバの頂部からチャンバに導入され、チャンバの底部から除去される。一般的には、チャンバの頂部の電極が一連のガス・バッフルおよび励起領域への開口部に結合され、励起領域に流入するガスにシャワー・ヘッド効果を提供している。

ワークピースは、通常、励起領域の底部の電極上に取り付けられる。いくつかのチャンバの中には、ワークピースを支えている電極（しばしば底部電極と呼ばれている）が、第１のＲＦ周波数が供給される無効インピーダンス・エレメントであり、ワークピースを支えている電極から間隔を隔てた他の電極（しばしば頂部電極と呼ばれている）が基準電位、典型的には接地に接続されているチャンバもある。このような構成の処理装置は、チャンバが１つの電力電極、接地壁構造および接地電極を備えているため、しばしば二極管と呼ばれている。

他の処理装置では、チャンバの頂部電極および底部電極に、比較的高いＲＦ周波数および比較的低いＲＦ周波数の電力がそれぞれ個別に供給され、チャンバ壁構造は接地されている。１０ＭＨｚを超える典型的には２７ＭＨｚの比較的高い周波数がプラズマの密度を制御し、一方、１０ＭＨｚ未満の典型的には２ＭＨｚの比較的低い周波数がプラズマ中のイオンのエネルギーを制御している。プラズマ密度とイオン・エネルギーの独立した制御は、第１のＲＦ源と第２のＲＦ源の電気パラメータ、たとえば電力、電圧および／または電流などを独立して制御することによって提供される。また、しばしば三極管と呼ばれているこの構成のチャンバは、底部電極に確立されるＤＣバイアス電圧の制御を提供している。このＤＣバイアス電圧の制御は、頂部電極および底部電極に近いプラズマと、頂部電極および底部電極に印加されるＲＦ電力に応じて頂部電極および底部電極をプラズマに結合するＲＦ界の相互作用によるものである。パラメータの相対値、たとえば頂部電極および底部電極に印加する電流および／または電圧もしくは電力を変更することにより、底部電極ＤＣバイアス電圧が制御可能に単調に変化するため、高周波電力が低周波電力に対して大きくなるほど、負のＤＣバイアス電圧の大きさが大きくなる。

前述の二極管構成および三極管構成を有するチャンバに、電極と電極の間の領域を含む閉込め領域にプラズマを閉じ込めるための構造を持たせることは知られており、この閉込め構造により、チャンバ接地金属壁構造へのプラズマの入射を阻止し、それによりチャンバ壁構造の実質的な損傷を防止し、かつ、プラズマ特性の制御を向上させている。これについては、たとえばＬｅｎｚらの米国特許５，５３４，７５１を参照されたい。

さらに他のチャンバでは、頂部電極およびチャンバ金属壁が接地（基準電位）に接続され、比較的高いＲＦ周波数の電力と比較的低いＲＦ周波数の電力が底部電極に同時に供給されている。このような二極管構成の真空チャンバ接地金属壁構造は、通常、励起プラズマが存在する外部領域を画定している。詳細には、Ｌｅｎｚの米国特許５，９９８，９３２に、閉込め構造、頂部接地電極および金属壁を備えたチャンバの底部電極への２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの同時供給が開示されている。また、Ｋｕｔｈｉらの米国特許６，１０６，６６３に、頂部接地電極を備えたチャンバの底部電極への２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの同時供給が開示されている。

高周波数および低周波数が底部電極を同時に駆動する構成を有するチャンバを備えた従来技術による処理装置は、高周波パラメータおよび低周波パラメータ、たとえば底部電極に供給する電力の相対値の変更によっては底部電極のＤＣバイアス電圧を制御できない方法で構築されている。ＤＣバイアス電圧は、底部電極に供給される高周波電力および低周波電力の相対量の変化に対して、比較的一定の電圧を維持することが分かっている。本出願人らは、比較的一定のバイアス電圧が維持されるのは、イオン・エネルギー（主として低周波電力によって制御されていると思われる）とイオン密度（主として高周波電力によって制御されていると思われる）が実質的に結合するようにチャンバが構築されていることによるものと考えている。したがって、プラズマ密度と、プラズマ領域の縁とプラズマの縁に近いチャンバの表面との間のシース幅との結合が存在しており、その結果、パラメータ（たとえば電力）の相対値を高周波数および低周波数で変更しても、プラズマ・イオン・エネルギーおよびプラズマ密度に対する所望の独立した制御を得ることはできない。したがって、底部電極に２つの異なる周波数が同時に印加される従来技術による二極管チャンバでは、三極管二重周波数チャンバが達成している水準の底部電極バイアス電圧の制御を達成することは困難である。

本発明の一態様によれば、プラズマ処理装置は、（ａ）チャンバにガスを結合するためのポートと、（ｂ）チャンバ内のガスに電界を印加するための第１の電極と、（ｃ）実質的にＤＣ基準電位の第２の電極と、（ｄ）プラズマが存在する電極と電極の間の領域とを有する真空チャンバを備えている。プラズマ処理装置は、第１の電極に複数の周波数を有する電界を同時にプラズマに供給させるための回路を備えている。チャンバは、異なる周波数の電力に、プラズマが存在する電極と電極の間の領域を通る実質的に異なる経路を通過させるための構造を備えている。

第１の周波数（好ましくは約２ＭＨｚ）が主としてプラズマのイオン・エネルギーを制御し、第２の周波数（好ましくは約２７ＭＨｚ）が主としてプラズマのイオン密度を制御することが好ましい。

チャンバは、第１の周波数の高周波の電力の主な部分を第１と第２の電極の間に結合し、かつ、第２の周波数の高周波の電力の主な部分の第１と第２の電極の間への結合を阻止するようになされていることが好ましい。

このようなチャンバ構造は、上記領域の外側に経路を有する分散パラメータ・フィルタ構造を備えていることが好ましい。上記領域の外側の経路は、電流を第２の電極から基準電位の端子に結合するようになされており、該経路の電位は実質的に基準電位である。この経路は、上記領域の外側の経路の第１の周波数におけるインピーダンスが、第２の周波数におけるインピーダンスより実質的に小さくなるよう、その第１の周波数における電気的長さが、第２の周波数における電気的長さより実質的に短くなっている。上記領域の外側の経路の構造は、第１の周波数における該経路の誘導性インピーダンスが第２の周波数における該経路の誘導性インピーダンスより概ね１桁小さくなるようになっている。

また、分散パラメータ・フィルタ構造は、第２の周波数が上記領域を通って、実質的に壁および第２の電極と同じＤＣ基準電位にあるチャンバ壁延長部分の他の経路まで通過するようになされていることが好ましい。チャンバ壁延長部分の第１の電極までの距離は、第２の電極までの距離より実質的に短くなっている。

この延長部分には、第１の電極の周辺部分を越えた領域が含まれていることが好ましい。第１の電極からこの延長部分までの電気結合は、第２の周波数が上記領域中を、第１の周波数が上記領域中を通過する範囲より広い範囲まで通過するようになされている。この延長部分の他の経路は、誘電体によって第１の電極と間隔を隔てていることが好ましい。

プラズマを閉じ込めるための構造は、領域内のガスの上記領域の外側のチャンバ部分への流れを可能にするようになされた複数のルーバを備えていることが好ましい。ルーバおよびルーバ間の空間は、第２の電極から基準電位への第１の周波数の変位電流の流れを可能にし、かつ、実質的なＤＣ電流の流れを阻止するようになされた材料でできていることが好ましい。

上記領域内のプラズマ圧力のコントローラは、チャンバ内の他の構造に対するルーバの間隔を制御するための構造を備えていることが好ましい。

本発明の他の態様は、第１および第２の周波数の電力が同時に供給される電極を有するプラズマ処理装置を動作させる方法に関している。電極に供給される第１および第２の周波数の電力と電極近傍のプラズマとの間の相互作用に応じてＤＣ電圧バイアスが電極に確立される。このＤＣバイアス電圧の値は、第１の周波数の電力に関連するパラメータを第２の周波数の電力に関連するパラメータに対して変更することによって制御される。

本発明のさらに他の態様は、処理チャンバ内の電極と、第１および第２の周波数の電力を同時に電極に供給するための回路とを備えたプラズマ処理装置に関している。電極に供給される第１および第２の周波数の電力と電極近傍のプラズマとの間の相互作用に応じてＤＣバイアス電圧が電極に確立される。チャンバおよび第１と第２の周波数は、第１の周波数の電力に関連するパラメータを第２の周波数の電力に関連するパラメータに対して変更することによってＤＣバイアス電圧が制御可能に変化するようになされている。

第１の周波数の高周波の電力に関連するパラメータが第１の周波数の高周波の電力量であり、第２の周波数の高周波の電力に関連するパラメータが第２の周波数の高周波の電力量であることが好ましい。また、第１の周波数（好ましくは約２ＭＨｚ）の高周波が主としてプラズマのイオン・エネルギーを制御し、第２の周波数（好ましくは約２７ＭＨｚ）の高周波が主としてプラズマのイオン密度を制御することが好ましい。

ＤＣバイアス電圧の制御を促進するためには、第１の電極と第２の電極の間の領域を含み、かつ、処理装置のチャンバの壁構造が含まれていない領域に第２の周波数の高周波の電力が拘束されることが好ましい。第１の周波数の高周波の電力は、ＤＣバイアス電圧の制御を促進するための上記領域を実質的に除いたチャンバ部分に供給される。プラズマは、通常、第２の周波数の高周波の電力が拘束される領域に閉じ込められる。また、この領域のプラズマ圧力を制御することによって、ＤＣバイアス電圧の制御が促進される。

ＤＣバイアス電圧のより良好な制御の提供を促進するために、第１の電極の周辺部分を越えた領域まで第２の周波数の高周波の拘束領域が延びている。第１の電極の周辺部分を越えた領域は、（１）第１および第２の周波数の高周波の変位電流の流れを可能にし、かつ、実質的なＤＣ電流の流れを阻止する材料、好ましくは真性半導体と、（２）この材料の周辺部分を越えたＤＣ基準電位の表面からなっていることが好ましい。

プラズマを閉じ込めるための構造は、上記領域内のガスの上記領域の外側のチャンバ部分への流れを可能にするようになされた複数のルーバを備えていることが好ましい。ルーバおよびルーバ間の空間は、第２の電極から基準電位への第１の周波数の高周波の変位電流の流れを可能にし、かつ、実質的なＤＣ電流の流れを阻止するようになされた材料でできていることが好ましい。

本発明の追加態様は、基準電位の導電壁を有する真空チャンバを備えた、ワークピースを処理するためのプラズマ処理装置に関している。この導電壁は、チャンバの縦軸と同軸の円形内部周囲を有している。チャンバは、円形ワークピース・ホルダを備えた第１の円形電極を備えており、第１の電極とワークピース・ホルダは、チャンバの縦軸と同軸である。また、チャンバは、チャンバの縦軸と同軸の第２の円形電極を備えており、第２の電極は、チャンバ内でプラズマに変換されるガスの入口を有している。チャンバ内の閉込め構造は、電極と電極の間の領域を含んだ、導電壁へのプラズマの入射を許容しない領域にプラズマを閉じ込めている。プラズマ閉込め構造は、上記領域からのガスの流出を可能にしている。チャンバは、さらに、上記領域から流出するガスのための出口を有している。閉込め領域の下部境界には、（１）第１の電極、（２）チャンバの縦軸と同軸のリング、（３）チャンバの縦軸と同軸の環状表面を有する部材が含まれており、環状表面を有する部材の電位は実質的に基準電位である。リングは、第１の電極と環状表面を有する部材の間に挿入されており、ＲＦ変位電流の流入を可能にし、かつ、実質的な伝導電流の流入を阻止する材料でできている。回路は、複数の周波数の電力を同時に第１の電極に供給している。導電壁は、第２の電極および環状表面を有する部材に電気接続されており、比較的小さいインピーダンスを第１の周波数に提供し、かつ、比較的大きいインピーダンスを第２の周波数に提供するよう、第２の電極と環状表面を有する部材の間に一定の長さを有している。

環状表面を有する部材は、導電部材を覆っている誘電体であることが好ましく、また、リングは真性半導体、たとえばシリコンからなっていることが好ましい。

好ましい実施形態では、プラズマ閉込め構造は、チャンバの縦軸と同軸の内部周囲表面を有する、間隔を隔てた複数のプラズマ閉込めリングを備えており、また、第２の電極は、閉込め領域の上部境界を形成している表面を有している。プラズマ閉込めリングの各々の内部周囲表面は、上部境界領域を形成している第２の電極の表面の周囲と実質的に整列し、また、環状表面を有する部材は、少なくとも、プラズマ閉込めリングの内部周囲表面と整列した円の円周まで延ばして形成されている。

また、チャンバおよび第１と第２の周波数は、第１の周波数の高周波の電力に関連するパラメータを第２の周波数の高周波の電力に関連するパラメータに対して変更することによって、第１の電極に供給される第１および第２の周波数の高周波の電力と第１の電極近傍のプラズマとの間の相互作用に応じて第１の電極に確立されるＤＣバイアス電圧が制御可能に変化するようになされている。

本発明の上記およびさらに他の目的、特徴および利点については、とりわけ添付の図面に照らして行う本発明の特定の実施形態についての以下の詳細な説明を考察することによって明らかになるであろう。

添付の図面の図１を参照すると、縦軸すなわち中心線１２を有するプラズマ処理装置真空チャンバ１０が示されている。プラズマ処理装置真空チャンバ１０は、軸１２と同軸の円形内部周囲を有する導電金属壁１４を備えている。壁１４は接地されており、換言するとＤＣ基準電位にある。

チャンバ１０は、しばしば底部電極と呼ばれている第１の円形電極１８を備えた円形ワークピース・ホルダ１６からなる底部アセンブリ１５を備えている。ワークピース・ホルダ１６および電極１８は、軸１２と同軸である。典型的には半導体ウェハであるワークピース２０は、チャンバ１０内の領域２４に閉じ込められたプラズマ２２による処理中、ワークピースが軸１２と同軸になるよう、適切な機構（図示せず）によってホルダ１６の上に置かれている。ワークピース・ホルダ１６は、適切なＤＣチャック電圧源（図示せず）に接続された静電チャックとして構成されていることが好ましい。ワークピース・ホルダ１６は、通常のワークピース持上げピン（図示せず）およびワークピース温度を制御するための構造（図示せず）を備えている。

また、チャンバ１０は、電気的にＤＣ接地された、軸１２と同軸の第２の円形電極２６を備えている。しばしば頂部電極と呼ばれている電極２６は、内部通路（図示せず）および多数のシャワー・ヘッド開口（図示せず）を備えている。内部通路およびシャワー・ヘッド開口は共に、シャワー・ヘッド開口を通って領域２４に流入する１つまたは複数のガスの適切なガス源２８に流量関係で接続されている。領域２４に流入したガスは、そこで処理プラズマ２２に変換される。

プラズマ２２は、垂直方向に積み重ねられた、水晶であることが好ましい４つの誘電体円形リング３１〜３４を備えた下部アセンブリ３０からなる閉込め構造２８を使用して領域２４に閉じ込められている。円形リング３１〜３４は、適切なシャフト構造（図示せず）によって互いに固定接続されている。リング３１〜３４は軸１２と同軸であり、プラズマ閉込め領域２４の最上面を画定している電極２６の直径と実質的に同じ直径を有する整列した内部周囲を備えている。リング３１〜３４の各々は、概ね同じ水平方向延長部分を有しており、上部リング３１は、リング３２〜３４の概ね同じ垂直方向延長部分より実質的に長い垂直方向延長部分を有している。上部リング３１の内部周囲は、頂部電極２６の周囲と接触している。底部リング３４の下面は、通常、下部アセンブリ１５の上面の上方に間隔を隔てている。イオン化されていないガス、つまりプラズマではないガスは、領域２４からルーバ・アセンブリ３０およびリング３４と底部アセンブリ１５の間の空間を通って流れる。チャンバ１０の外部のモータ３５は、チャンバを貫通して延びたシャフト（図示せず）を備えており、底部アセンブリ１５の頂面に対して垂直方向にリング３１〜３４を駆動している。プラズマ閉込め領域２４内のプラズマ２２の圧力を制御するために、モータ３５は、リング３１〜３４を垂直方向に駆動するためのコントローラ３６の出力信号に応答するべく接続されており、それによりリング３４と底部アセンブリ１５の頂面の間の間隔を制御している。リング３４の底面とアセンブリ１５の頂面が接触すると、最大圧力が得られる。

イオン化されていないガスは、領域２４からルーバ・アセンブリ３０を通って、リング３１〜３４の外縁と壁１４の内部周囲の間のチャンバ１０の環状領域３８に流入する。領域２４に閉じ込められているプラズマは、壁１４への入射が阻止されている。領域３８の底に設けられているポート４０が、チャンバ１０の圧力を典型的には１ミリトールと１０００ミリトールの間に維持する適切な真空ポンプ（図示せず）に接続されているため、領域３８中のイオン化されていないガスは、領域３８の底の複数のポート４０を通って流れる。

頂部電極２６は、軸１２と同軸で、かつ、接地に接続された、アルミニウムであることが好ましい金属板４２を備えたアセンブリである。金属板４２は、垂直方向に延びた側縁４４および半径方向に延びたフランジ４６を備えている。フランジ４６は、側縁４４の上部部分から延びており、その外径は、リング３１〜３４の外径と同じであるため、フランジとリングの外部周囲は垂直方向に整列している。側縁４４の外径は、リング３１〜３４の内径と同じであり、したがって側縁４４の周囲とリング３１〜３４の内部周囲は垂直方向に整列している。金属板４２には、軸１２と同軸であり、かつ、側縁４４の直径と同じ直径を有する黒鉛円板４８がボルト止めされており、したがって金属板４２の底面と黒鉛円板４８の頂面は接触している。半導体円板５０の頂面は軸１２と同軸であり、その直径は黒鉛円板４８の直径と同じである。半導体円板５０は、真性シリコンでできていることが好ましい。半導体円板５０は、適切な接着剤で黒鉛円板４８の底面に結合されている。

底部アセンブリ１５は、頂面が保護電気絶縁酸化膜５１で覆われた電極１８、および水晶でできていることが好ましい誘電体円形リング５２を備えている。軸１２と同軸であるリング５２は、電極１８とその上にワークピース２０が正しく配置された場合に整列する直径と実質的に同じ直径を有する円形内部周辺壁表面を有している。アルミニウムであることが好ましい、電気的に接地された金属被覆５４がリング５２の外部円形壁を覆っており、リングの外壁から内側に向かって、リングの内壁およびワークピース２０の周囲表面に向かって延びている。金属被覆５４の内縁は軸１２と同軸の円形であり、リング５２の内壁から間隔を隔てている。水晶であることが好ましい誘電体層５６は、金属被覆５４の側面および上面を覆っており、その電位は、ＤＣ接地金属被覆５４と接しているため、ＤＣ接地電位である。したがって金属被覆５４および誘電体層５６は、ＤＣ接地金属壁１４の延長部分と見なすことができる。

リング５２の頂面には、シリコンであることが好ましい真性半導体でできたリング５８が取り付けられている。リング５８は、ワークピース２０の外径と金属被覆５４および誘電体層５６の整列した内縁との間に挿入するように寸法化され、かつ、配置されている。リング５８は、リング５８の外縁と金属被覆５４および誘電体層５６の内縁が接触し、かつ、ワークピースがワークピース・ホルダ１６上に正しく配置された場合に、リング５８の内縁とワークピース２０がほぼ接触するようにリング５２の上に取り付けられている。真性半導体でできているリング５８は、金属被覆５４および誘電体層５６を備えた接地電極の延長部分を含む、底部電極１８と接地電極２６の間を流れるＲＦ変位電流に経路を提供しているが、リング５８の真性半導体材料は、延長部分を含む電極１８と２６の間を流れることになるＤＣ電流に導電経路を提供していないため、金属被覆５４と電極１８もしくはワークピース２０との間のリング５８の両端間には実質的なＤＣ電流は流れない。

金属壁１４は、それぞれ半径方向を内側に軸１２に向かって延びた上部金属部分６０および下部金属部分６２を備えている。上部金属部分６０の内縁は、下向きに垂れ下がったフランジ６４によってアルミニウム板４２に電気的かつ機械的に接続されており、一方、下部金属部分６２の内縁は、金属被覆５４に電気的かつ機械的に接続されている。開口すなわち通路４０を備えた金属リング６６は軸１２と同軸であり、導電率の大きい非磁気金属、たとえば銅あるいはアルミニウムでできていることが好ましい。リング６６の下面は、金属ストラップ６８によって接地に接続され、リング６６の上面は、下部金属部分６２および金属被覆５４に接続されている。したがって金属被覆５４は、ＤＣ接地に抵抗（すなわち導電もしくはＤＣ）接続され、壁１４の電位と実質的に同じＤＣ接地電位を維持している。

上部金属部分６０および下部金属部分６２を備えた壁１４は、低ＲＦ周波数（たとえば２ＭＨｚ）におけるインピーダンスが比較的小さく、かつ、高ＲＦ周波数（たとえば２７ＭＨｚ）におけるインピーダンスが比較的大きい分散パラメータ誘導子と見なすことができる。したがって壁１４は、低ＲＦ周波数を通過させ、高ＲＦ周波数を実質的に阻止する分散パラメータ低域通過フィルタと見なすことができる。

回路７０は、複数のＲＦ周波数の電力を同時に電極１８に供給している。ＲＦ周波数は、２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚであることが好ましく、それぞれプラズマ２０中のイオンのエネルギーおよび密度を主として制御している。したがって２ＭＨｚの電力の量が変化すると、プラズマ２２のイオン・エネルギーが変化し、また、２７ＭＨｚの電力の量が変化すると、プラズマ２２の密度が変化することになる。チャンバ１０の構成により、２ＭＨｚの電力を２７ＭＨｚの電力に対して変化させ、あるいは２７ＭＨｚの電力を２ＭＨｚの電力に対して変化させることにより、プラズマと、回路２０が電極１８に供給する２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電力に応答して電極１８をプラズマに結合する２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電界との間の相互作用によって電極１８に確立されるＤＣバイアス電圧が制御可能に変化する。本出願人らは、チャンバ１０のこの構成によって、２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電力の相対量と電極１８のＤＣバイアス電圧の間の単調な関係を達成することができることを見出した。２７ＭＨｚの電力の量に対する２ＭＨｚの電力の量が増加すると、電極１８の負のＤＣバイアス電圧が大きくなる。したがって、図１に示す二極管構成の電極１８に供給される２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電力の相対量を制御することにより、異なる周波数の電力が頂部電極および底部電極に個別に供給され、かつ、チャンバ壁が接地される三極管構成によって得られる結果と幾分か同様の結果が提供される。

図１に示す二極管構成は、２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電力が底部電極を同時に駆動する従来技術による典型的な二極管構成とは異なっている。図１に示す二極管チャンバ１０の場合、電極１８に印加される高周波２７ＭＨｚ電力のうちの実質的な割合の電力が、電極１８と金属被覆５４が形成している接地延長部分とを含み、電極２６を含まない経路を有している。それとは対照的に、電極１８に印加される低周波２ＭＨｚ電力のうちの実質的な割合の電力が、電極１８と接地電極２６とを含み、金属被覆５４を含まない経路を有している。壁１４は、２７ＭＨｚにおける壁の誘導性インピーダンスが大きいため、電極２６への実質的な量の２７ＭＨｚ電力の到達を阻止している。壁１４の２ＭＨｚにおける誘導性インピーダンスは、２７ＭＨｚにおける壁の誘導性インピーダンスより１桁以上小さく、したがって２ＭＨｚ電力の壁を通した実質的な循環が存在する。電極２６と金属被覆５４の間の壁１４の長さは、２７ＭＨｚにおける壁１４の電気的長さが概ね１波長であり、かつ、２ＭＨｚにおける電気的長さが波長の１／１０未満であるようになっている。

プラズマ２２、半導体リング５８および誘電体リング５２の頂面上および外面壁上の接地金属被覆５４を介して電極１８から接地に結合される２ＭＨｚの電力に対するチャンバ１０の容量性インピーダンスは、同じ経路、つまりプラズマ２２、半導体リング５８および金属被覆５４を通る経路を介して結合される２７ＭＨｚの電力に対する容量性インピーダンスより実質的に大きくなっている。リング５８は、容量分および抵抗分を有する分散インピーダンス・コンポーネントと見なすことができる。プラズマ２２は、主として分散抵抗と見なすことができる。プラズマ２２と閉込め領域２４の表面、すなわちワークピース２０の頂面、リング３１〜３４の表面、半導体円板５０の底面、誘電体層５６の頂面および半導体リング５８の頂面との間にはシースが存在している。電極１８のＤＣバイアス電圧が変化すると、シースの厚さおよびシースと結合した容量が変化する。このシースは、主として容量分を有する分散インピーダンスと見なすことができる。したがって電力が供給される底部電極１８から接地金属ストラップ６８へ流れるＲＦ電流は、先ず底部アセンブリ１５の直ぐ上のシースの容量性インピーダンスを通って流れ、そこから抵抗性プラズマ２２を通って流れる。

プラズマ２２を通って流れるＲＦ電流の第１の経路は、頂部電極アセンブリ２６の直ぐ下のシースの容量性インピーダンスを通り、そこから壁１４およびリング６６を通って接地ストラップ６８に到る経路である。プラズマ２２を通って流れるＲＦ電流の第２の経路は、底部電極１８の上方のシースの容量性インピーダンスを通って容量性および抵抗性半導体リング５８に入り、そこから誘導性被覆５４を経由してストラップ６８に到る経路である。プラズマ２２を通って流れるＲＦ電流の第３の経路は、底部アセンブリ１５の上方のシースの容量性インピーダンスを通って層５６の容量性インピーダンスに入り、そこから誘導性被覆５４を経由してストラップ６８に到る経路である。シース、層５６およびリング５８の容量性インピーダンスは、底部電極１８から接地ストラップ６８へ流れる２７ＭＨｚの電流に対するインピーダンスの方が、２ＭＨｚの電流に対するインピーダンスより１桁小さい。また、リング５２の頂面の誘導性被覆５４の面積は、コンデンサ電極と同様に機能するため、第３の経路のインピーダンスは、２７ＭＨｚの励起に対するインピーダンスの方が、２ＭＨｚの励起に対するインピーダンスより小さい。コンデンサの値は、コンデンサの電極の面積に正比例し、また、コンデンサのインピーダンスは、コンデンサに印加される周波数とコンデンサの値の積に反比例しているため、リング５２のインピーダンスは、２７ＭＨｚに対するインピーダンスの方が２ＭＨｚに対するインピーダンスよりはるかに小さい。２７ＭＨｚでは、プラズマ２２、誘電体リング５２の頂面の金属被覆５４および半導体リング５８を介した電極１８から接地ストラップ６８までのインピーダンスの方が、プラズマ２２、電極２６および壁１４を介した電極１８から接地ストラップ６８までの経路のインピーダンスよりはるかに小さい。

実際の実験から、閉込め領域２４（電極２６と、誘電体リング５２の頂面の金属被覆５４を備えたその延長部分を含む）を本質的に制限している接地電極の面積を、電力が供給される電極１８の面積に対して広くすることにより、電極１８に供給される２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの相対電力の変化によって生じるＤＣバイアス電圧の制御量が実質的に増加することが分かっている。図２に示す好ましい一実施形態では、接地電極の面積と電力が供給される電極の面積の比率は、２．７：１である。

図１に示す実施形態の回路７０は、それぞれ整合回路網７６および７８を駆動している可変電力２ＭＨｚ源７２および可変電力２７ＭＨｚ源７４を備えている。整合回路網７６および７８は、それぞれ２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚに同調されている。ハイブリッド結合器８０は、それぞれ整合回路網７６および７８のＲＦ出力に応答するべく接続された第１および第２の入力部を有しており、整合回路網の出力を線形結合した出力を駆動している。結合器８０の出力は、結合コンデンサ８２を介して電極１８に供給されており、したがって電極は、２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電力によって同時に駆動される。

整合回路網７６および７８の各々は、コントローラ３６によってその値が制御される一対の可変リアクタンスを備えている。コントローラ３６は、整合回路網７６のリアクタンスを制御するべく、プローブ信号（図示せず）に応答して、整合回路網７６が２ＭＨｚ源７２に向けて反射する２ＭＨｚエネルギーの電圧、電流および位相角を示す信号を引き出している。また、コントローラ３６は、整合回路網７８のリアクタンスを制御するべく、プローブ信号（図示せず）に応答して、整合回路網７８が２７ＭＨｚ源７４に向けて反射する２７ＭＨｚエネルギーの電圧、電流および位相角を示す信号を引き出している。回路網７６、７８およびＲＦ源７２、７４は、場合によっては損傷の可能性のある２７ＭＨｚ電力の２ＭＨｚ源７２への結合を防止し、かつ、場合によっては損傷の可能性のある２ＭＨｚ電力の２７ＭＨｚ源７４への結合を防止するべく、十分に大きいＱ（Ｑ値）を有している。ＲＦ源７２および７４によって電極１８に供給される相対電力は、プラズマ中のイオン・エネルギーとプラズマ中のイオン密度の独立した制御を提供し、かつ、底部電極１８のＤＣバイアス電圧を制御するべく制御されている。

次に、添付の図面の図２を参照すると、図１に略図で示す構造の機械横断面図が示されている。閉込め領域２４内の上部接地電極２６の表面積を若干広くするために、黒鉛円板４８および半導体円板５０の下面は、テーパが施された、電極２６の中心および周辺部分からそれぞれ下向きに領域２４へ延びた表面８０および８２を備えている。円板４８および５０は、テーパが施された表面８０と８２の間に位置し、かつ、底部電極１６の上面に平行に延びた平らな表面８４を備えている。

図１にリング５２の頂面の金属被覆５４で示されている接地電極の延長部分は、図２では、水晶リング５２の頂面に結合された金属（たとえばアルミニウムもしくは銅）リング８６で提供されている。リング８６は、水晶リング５２内の垂直方向のシリンダを貫通して延びた複数の金属（たとえばアルミニウムもしくは銅）ポスト８８によって励起回路７０の接地端子に電気接続されている。ポスト８８は、リング５２の周りに数度毎に等間隔で配置されている。ポスト８８の各々の上面は、たとえばはんだによって機械的かつ電気的にリング８６の下面に結合されている。ポスト８８の各々の下端は、水晶リング５２の下面の下を延びており、励起回路９０の接地端子が接続されている接地金属（たとえばアルミニウムもしくは銅）電気接触リング９０のシリンダの側壁と機械的かつ電気的に係合している。したがってポスト８８およびリング９０は、図１に示すリング５２上の金属被覆５４の側壁および金属ストラップ６８の機能と同じ機能を提供している。リング９０およびポスト８８は、チャンバ壁１４の水平方向に延びた金属板９２に機械的かつ電気的に接続されている。金属板９２は、図１に示す下部壁部分６２およびリング６６の等価物である。

電力が供給される底部電極１８の周囲とリング８６の内部円周の間に挿入されている半導体リング５８は、熱膨張に備えるべく半径方向に互いに間隔を隔てた２つの相互嵌合い剛直セグメント９２および９４を備えている。

図２に示すように、壁１４は観察窓９５を備えている。金属リング９８は、壁１４および金属板４２に機械的かつ電気的に接続され、図１に示す上部壁部分６０の機能を果たしている。

実際に構築された、図２に示す構成を有するチャンバ１０の一例では、円板５０の直径は１１ １／２”であり、電極５１の直径は７ １／４”で、その縁と縁の間で半導体セグメント９２と接触している。リング８６の内径と外径の間の間隔は１”である。リング５８は、セグメント９２および９４によって形成され、その内径と外径の間の間隔は３／４”である。窓９６の部分の壁１４の直径は１２ ３／４”であり、電極１６および２６の平らな面と面の間の軸１２に沿った間隔は３／８”である。これらの寸法により、接地電極と閉込め領域２４内の電力が供給される電極との面積比率２．７：１が得られる。接地電極の面積は、シリコン円板５０の底面と金属リング８６の上面からなり、一方、電力が供給される電極の面積は、電極１８の上面からなっている。

次に、添付の図面の図３を参照すると、図２に示す構造の他のデバイスと比較した性能を示す一連のプロットが示されている。図３では、回路７０によって電極１６に供給される２ＭＨｚと２７ＭＨｚの電力の比率に対する、電極１８と結合したＤＣバイアス電圧がプロットされている。

プロット１００は、従来技術による、底部電極に２ＭＨｚの電力が印加され、頂部電極に２７ＭＨｚの電力が印加され、かつ、チャンバ壁が接地されている三極管チャンバに印加された電力比率に対するＤＣバイアス電圧の単調関数である。プロット１００は、比較的大きい負の勾配を有しており、頂部電極および底部電極に供給する電力の比率を変更することにより、底部電極のＤＣバイアス電圧に対する有意な制御が提供されることを示している。つまり、頂部電極に供給する２７ＭＨｚの電力に対する底部電極に供給する２ＭＨｚの電力の比率を変化させることにより、底部電極のＤＣバイアス電圧が有意に変化する。

それとは対照的に、プロット１０２は、２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電力が同時に底部電極に供給され、かつ、頂部電極およびチャンバ壁が接地されている典型的な従来技術による二極管チャンバの性能を示している。プロット１０２は単調関数ではなく、極めて緩やかな勾配を有している。プロット１０２の勾配は、２７ＭＨｚの電力が２ＭＨｚの電力の少なくとも２倍大きい電力比率に対しては負の勾配である。プロット１０２は、２７ＭＨｚの電力の量が２ＭＨｚの電力の量の約２倍未満の電力比率に対して正の勾配を有している。したがってプロット１０２で示す結果を生成するべく構成されたチャンバでは、底部電極のＤＣバイアス電圧に対する有意な制御を得ることはできない。

プロット１０４および１０６は、それぞれ１２０ミリトールおよび６７ミリトールの圧力に対する図２に示すチャンバの性能を示している。プロット１０４および１０６は、いずれも単調関数であり、底部電極に印加される２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電力の相対量の変化に応じて底部電極１８のＤＣバイアス電圧の制御を可能にするだけの十分な負の勾配を有している。たとえばプロット１０４は、電極１８に２ＭＨｚの電力ではなく、１０００ワットの電力が２７ＭＨｚで印加された場合、底部電極１８のＤＣバイアス電圧は−５９０ボルトであることを示している。２ＭＨｚの電力が増加し、２ＭＨｚの電力および２７ＭＨｚの電力が共に１０００ワットになると、電極１８のＤＣバイアス電圧は約−６３０ボルトになる。２ＭＨｚの電力がさらに増加し、２ＭＨｚの電力が２０００ワット、２７ＭＨｚの電力が１０００ワットになると、電極１８のＤＣバイアス電圧はさらに減少して約−６７０ボルトになる。２ＭＨｚの電力が４０００ワット、２７ＭＨｚの電力が１０００ワットになると、底部電極１８のＤＣバイアス電圧はさらに減少して約−７２５ボルトになる。したがって図２に示す構成を有するチャンバの場合、底部電極１８に印加する２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚの電力の相対量を変化させることにより、底部電極のＤＣバイアス電圧の実質的な制御が提供され、プラズマ密度およびイオン・エネルギーが独立して制御される。プロット１０６で示す６７ミリトールの圧力の場合も、同様の結果が提供される。

以上、本発明の特定の実施形態について説明し、かつ、図に示したが、とりわけ図に示し、かつ、説明した実施形態の詳細に、特許請求の範囲で定義されている本発明の真の精神および範囲を逸脱することなく変更を加えることができることは明らかであろう。

本発明の好ましい実施形態によるプラズマ処理装置の好ましい実施形態の部分略図である。 図１に略図で示すプラズマ処理装置真空チャンバの好ましい実施形態の横断面図である。 図２に示すチャンバの底部電極に供給される２つのＲＦ周波数の電力の関数として制御されるＤＣバイアス電圧の様子を示すグラフである。

Claims (12)

1. 第１の電極と該第１の電極の周縁外側に配置された接地電極とを有し、前記第１の電極上の第１の領域と前記第１の電極と前記接地電極との間の第２の領域にプラズマを発生するプラズマ処理装置を動作させる方法であって、
   前記第１の領域に第１の周波数の高周波の電圧を印加することにより、第１の周波数の高周波の電力を供給すると同時に前記第２の領域に前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の高周波の電圧を印加することにより、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の高周波の電力を供給するステップと、
   前記第１および第２の周波数の高周波の電力と前記第１の電極近傍のプラズマとの間の相互作用に応じて前記第１の電極に直流バイアス電圧を確立するステップと、
   いずれか一方の前記周波数の高周波の電力に関連するパラメータをもう一方の前記周波数の高周波の電力に関連するパラメータに対して変更することによって前記第１の電極の直流バイアス電圧の値を制御するステップとを含む方法。
2. 第１の電極と該第１の電極に対向して配置された所定のＤＣ基準電位の第２の電極と前記第１の電極の周縁外側に配置された接地電極とを有するプラズマ処理装置を動作させる方法であって、第１の周波数の高周波の電力および該第１の周波数よりも高い第２の周波数の高周波の電力を前記第１の電極に同時に供給するステップと、前記第１の周波数の高周波を前記第１の電極と前記第２の電極とこれら第１及び第２の電極の間の領域とを含む領域を通過して前記第２の電極に至る経路を通過させるステップと、前記第２の周波数の高周波を前記領域を通過して前記接地電極に至る経路を通過させるステップと、前記第１の電極に供給される前記第１および第２の周波数の高周波の電力と前記第１の電極近傍のプラズマとの間の相互作用に応じて前記第１の電極にＤＣバイアス電圧を確立するステップと、いずれか一方の前記周波数の高周波の電力に関連するパラメータをもう一方の前記周波数の高周波の電力に関連するパラメータに対して変更することによって前記第１の電極のＤＣバイアス電圧の値を制御するステップとを含む方法。
3. いずれか一方の前記周波数の電力に関連する前記パラメータが、前記第１の電極に印加される前記第１の周波数の高周波の電力量であり、前記第２の周波数の高周波の電力に関連する前記パラメータが前記第２の周波数の高周波の電力量である、請求項１又は２に記載の方法。
4. １０ＭＨｚよりも低い前記第１の周波数の高周波が主として前記プラズマのイオン・エネルギーを制御し、１０ＭＨｚよりも高い前記第２の周波数の高周波が主として前記プラズマのイオン密度を制御する、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１および第２の周波数がそれぞれ２ＭＨｚおよび２７ＭＨｚである、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１および第２の周波数の高周波の電力を、前記第１の電極と第２の電極の間の領域を含む領域に集中させるステップと、前記第１の電極に印加される前記第１および第２の周波数の高周波の主な部分の電力を前記領域内に異なる経路を持たせるステップとをさらに含む、請求項３に記載の方法。
7. 前記第１の周波数の前記経路が前記第１および第２の電極を含み、前記第２の周波数の前記経路が前記第２の電極を含まない、請求項６に記載の方法。
8. 前記処理装置が、前記第２の電極のＤＣ電位と同じＤＣ電位の、前記第２の電極よりも前記第１の電極の方に近い他の経路を備え、前記第２の周波数の前記経路が前記第１の電極および前記他の経路を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記プラズマを前記領域に閉じ込めるステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記領域内のプラズマの圧力を制御するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記第２の電極の電位がＤＣ基準電位である、請求項６乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記第２の周波数の高周波の電力量と前記第１の周波数の高周波の電力量の比率を変化させると前記第１の電極のＤＣバイアス電圧の値が前記電力量の比率に対して単調関数で変化するように前記真空チャンバが構成されている、請求項３に記載の方法。