JP5204476B2 - プラズマ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路素子や液晶表示素子等のマクロエレクトロニクスデバイスの製造工程で用いられるプラズマ処理や微量分析に使用される誘導結合型プラズマ装置に関し、特に、このような誘導結合型プラズマ装置の主要部品である高周波導入部材に関するものである。

半導体集積回路素子や液晶表示素子等のマクロエレクトロニクスデバイスの性能を向上し低コスト化を実現するため、大集積化に耐える高精度かつ高速の微細加工（ドライエッチング等）を大面積の被処理基体の上で実現する要求が高まっている。このような微細加工にはプラズマを利用した処理が適しており、かかるプラズマを形成する技術として誘導結合方式（Inductively coupled system）がある。

誘導結合方式では、一般に、減圧容器の外部に配置したアンテナに高周波を印加し、減圧容器に設けられた高周波導入部材を介して減圧容器の内部に誘導した電磁界によってプラズマ中の電子にエネルギを供給してプラズマを維持する。この方式は、比較的高真空（１０^−３Ｔｏｒｒ程度）で高密度のプラズマを維持することができるという特徴がある。このため、被処理基体に入射するイオンの方向性が良く揃っており、例えばドライエッチングに使用する場合、基体面と加工面の間の垂直性が高く、高頻度の加工を実現できる。また、プラズマ中から多量のイオンを被処理基体に引き込むことが可能なため、高速な加工にも適している。

また、誘導結合型プラズマをドライエッチング技術に応用する場合には、プラズマ形成用の高周波とは別個に、被処理基体に対してイオンを引き込むための高周波バイアスを印加する必要がある。高周波バイアス電流は被処理基体からカソードシースを介してプラズマに、そしてプラズマからアノードシースを介して減圧容器の壁に流れ込む。この時、アノードとなる減圧容器の面積をカソードとなるサセプタ電極の面積に対して、充分（３乃至５倍）大きくすると、プラズマと減圧容器との間の電位差が小さくなる一方で、プラズマとカソードとの間の電位差が相対的に大きくなる。従って、被処理基体上のイオンエネルギが相対的に大きくなり、高いエッチング効率が得られる。一方、アノードシース側の電圧は比較的小さいためにイオンスパッタによる減圧容器の消耗やその生成物による汚染などの悪影響は抑制される。

ところで、誘導電磁界は導体の内部を通過することができないために、従来、誘導結合型プラズマ装置の高周波導入部材としては溶融石英やセラミック等の誘電体（絶縁物）か用いられてきた。この部分には高周波バイアス電流が流れないためアノードの面積に含まれない。従って、高周波導入部材の面積を大きくするほどアノード（アースに接地された減圧容器の内壁の導電性部分）のカソード（被処理基体が載置される電極）に対する面積比率を確保することが困難となる。

特に大面積の被処理基体を処理する場合、処理の均一化のために、従来においては図９に示すように被処理基体３４に対向する位置に半球状の高周波導入部材１１６を配置すると共に、高周波導入部材１１６の外側に螺旋状のコイルアンテナ２８を配置することとしているが、高周波導入部材１１６は誘電体のみから作られているため、側方の僅かな面積の金属製の減圧容器壁１４のみがアノードとなる。この場合、アノードの面積はカソード面積とほぼ同程度となるため、プラズマとカソードとの間の電位差が小さすぎてエッチング速度が低下したり、逆にプラズマとアノードとの間の電位差が上昇してイオンスパッタが激しくなり、減圧容器１２の消耗や被処理基体３４に対する金属汚染が増大する問題があった。

一方、あえて面積比を大きくするために減圧容器１２の高さや半径を大きくすると減圧容器１２の体積が増大する。この場合、大排気容量のポンプが必要であったり、被処理基体３４の搬送機構が大がかりになるなど、装置のコストや設置面積の増大を招く問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その主目的は、高周波バイアスに対する対向電極としても機能しプラズマ装置の設計の自由度向上に寄与し得る高周波導入部材を提供し、かかる高周波導入部材を用いて高性能で被処理基体の大口径化に対応し得る誘導結合型のプラズマ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、減圧容器の外部に配置されたアンテナから放出される高周波電磁界を前記減圧容器内に導入すべく前記減圧容器の一部として設けられる高周波導入部材についてまず検討した。そして、本発明においては、被処理基体を処理するための誘導結合型のプラズマ装置において、
筒状の容器壁と、前記容器壁の上部に取り付けられる高周波導入部材である窓とからなる、内部が減圧される反応容器と、
前記反応容器の内部に配置され、前記窓の下側で被処理基体を上面にて支持するサセプタと、
前記窓の周囲に配置されたコイル状のアンテナと、
インピーダンス整合器を介して前記アンテナに接続された高周波電源と、
前記サセプタに接続された高周波バイアス電源と
を備えるものとし、
前記窓は導電性薄膜を有し、
前記導電性薄膜は、前記アンテナから放出された高周波電磁界を当該導電性薄膜を通して前記反応容器の内部に透過させることのできる透過性を有し、
前記導電性薄膜は、前記窓の全体にわたり形成されているものとした。

減圧容器は内外の気密性を維持し内外の差圧に耐える支持体の役割を果たす。また、金属薄膜等の導電性薄膜は、被処理基体に印加する高周波バイアスを通過させる電極として用いることができる。

導電性薄膜は、適切な厚さ以下に設定することによりアンテナから放出された電磁波の大部分を透過することが可能である。この場合、導電性薄膜の厚さの目安は、アンテナに印加する周波数との関連で与えられる。即ち、導電性薄膜の厚さが高周波の周波数に於ける表皮深さを越えてしまうと、薄膜はより厚さの大きい金属と同程度に高周波を遮断してしまう。導電性薄膜の厚さはこの表皮深さより充分に小さいことが望ましい。

また、表皮深さ以上の厚さの導電性薄膜であっても互いに分割され透過面に沿って配置された複数部分より構成することによって、アンテナから放出された電磁波の大部分を透過することができめる。このような構成とすることによりアンテナからの電磁波に対しては誘電体として作用し、高周波バイアスに対しては導電性の性質を示すようになる。従って、この高周波導入部材を減圧容器の大部分に用いてもアノードの面積は減少しない。

また、本発明によるプラズマ装置は、ドライエッチング装置やＣＶＤ装置等も含む。

以上説明したように、本発明によれば、高周波電磁界に対しては誘電体に類似した性質を示し、高周波バイアス電圧に対しては導体に類似して振る舞う双方の利点を兼ね備えた高周波導入部材を用いることにより、ドライエッチングやＣＶＤ装置などの表面処理工程において、高性能でかつ静電損傷や汚染などの素子に対する悪影響を抑制し、更に反応容器内の部材の消耗の少ないプラズマ装置を提供することができる。

以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を付することとする。

図１は、本発明の第１実施形態となる誘導結合型プラズマを利用したドライエッチング装置１０を示している。このドライエッチング装置１０は内部が減圧される反応容器（減圧容器）１２を備えている。反応容器１２は、ステンレス鋼のような金属材料からなる容器壁１４と、その上部に取り付けられた半球ドーム状の高周波導入部材、いわゆる窓１６とから構成されている。

この窓１６の構成は、図２に明示するように、アルミナからなる窓本体１８を有しており、この窓本体１８の内面全体には、反応容器１２の内部に向けて順に、１００オングストローム厚の窒化チタン薄膜２０、２００オングストローム厚のチタン薄膜２２及び１００オングストローム厚の窒化チタン薄膜２４がスパッタ法等の適宜な方法で形成されている。また、窒化チタン薄膜２４の内面には、プラズマ溶射法によって厚さ３００ミクロンのアルミナ膜２６が被覆されている。チタン薄膜２２は導電性であり、容器壁１４と共に接地されている。また、チタン薄膜２２の上下の窒化チタン薄膜２０，２４は、チタン薄膜２２がアルミナセラミック中の酸素原子と反応して変質することを防止するためのバリヤ層の役割を果たす。なお、このような薄膜２０，２２，２４が積層された本発明による窓（高周波導入部材）１６を、以下、積層窓１６と称することとする。

積層窓１６の外側には、反応容器１２内に高周波を誘導してプラズマ維持のためのエネルギを供給するための高周波アンテナ２８が螺旋コイル状に巻回されている。このアンテナ２９の両端には、インピーダンス整合器３０を介して、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源３２が接続されている。

反応容器１２の内部には、被処理基体であるシリコンウェハ３４を載置するサセプタ３６が配置されている。このサセプタ３６の上面には、シリコンウェハ３４を固定するための静電チャック３８が設けられている。サセプタ３８は電極としても機能し、高周波バイアス電源４０を介して接地されている。従って、接地された容器壁１４及び積層窓１６のチタン薄膜２２に対して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波バイアス電圧が印加され、サセプタ３６がカソードとして機能し容器壁１４及びチタン薄膜２２がアノードとして機能するようになっている。

また、反応容器１２には、ガス供給源（図示せず）から供給されるエッチングガスを内部に導入するためのガス供給口が設けられており、更に、内部の排気を行うための真空ポンプ（図示せず）に接続される排気口４４が設けられている。

次に、このようなドライエッチング装置１０の作用効果について、図９に示した従来構成のドライエッチング装置１００と比較して説明する。なお、従来の装置は、窓１１６がアルミナのみからなり、積層構造となっていない点を除き、図１に示す装置と同一の構成であるとする。また、図１に示すドライエッチング装置１０では、容器壁１４及びチタン薄膜２２に対するサセプタ３６の上面（電極として機能する部分）の面積比は、それぞれ２．０及び４．５とした。

表１は、シリコンウェハ３４上のシリコン酸化膜をドライエッチングすべく高周波アンテナ２８によりプラズマを形成した場合の、シリコンウェハ３４上に発生する自己バイアス電圧Ｖｄｃ（Ｖ）とバイアス電力密度（Ｗ／ｃｍ^２）との関係を示している。この場合、反応容器１２内にシリコン酸化膜の代表的なエッチングガスであるＣＨＦ_３とＡｒの混合ガス（ＣＨＦ_３：Ａｒ＝１：５）を２００ｓｃｃｍ（ｃｃ^３・ａｔｍ／ｍｉｎ）の流量でガス供給口４２から導入しながら内部圧力を１０ｍＴｏｒｒに保持し、アンテナ２８には３ｋＷの高周波電力を印加して、反応容器１２内にプラズマを形成した。

ここで、自己バイアス電圧とは、静電チャック３８の絶縁物を介して容量的にサセプタ（電極）３６に接続されているシリコンウェハ３４の上に発生するバイアス電圧の時間的な平均値をいう。本例のように、比較的低圧力でイオンの散乱をほぼ無視できる場合は、自己バイアス電圧は、プラズマからシリコンウェハ３４に向かって加速されるイオンの平均的なエネルギにほぼ対応する。

シリコン酸化膜のエッチングにおいては、エッチング反応を誘起するため比較的運動エネルギの大きいイオンの衝撃が必要であり、上記の例では６００Ｖの自己バイアス電圧を得る必要がある。従って、誘電体のみからなる窓１１６を用いた従来のドライエッチング装置１００では、表１から、約３Ｗ／ｃｍ^２のバイアス電力密度が必要となることが分る。加工用の電極、即ちサセプタ３６の上面はウェハ３４の面積よりも大きめに設計する必要があるため、２００ｍｍ径のシリコンウェハ３４を加工する場合、サセプタ上面の面積は３００ｃｍ^２〜４００ｃｍ^２となる。従って、サセプタ上面の面積を４００ｃｍ^２とした場合、カソードたるサセプタ３６とアノードたる容器壁１４との間には全体で１．２ｋＷのバイアス電力を投入する必要があることが表１から分る。

このような大電力のバイアス電力を投入した場合、シリコンウェハ３４の温度が異常に上昇したり、エッチングマスクとなるフォトレジスト膜のエッチング速度が上昇して選択比が低下するなどのエッチング特性に対する弊害が生じる。更に、アンテナ２８に対して投入されたエネルギの３０％〜４０％のバイアス電力がプラズマを加熱するため、均一性の悪化や電子温度の増大などの悪影響を与えるおそれがある。

一方で、本発明による積層窓１６を有するドライエッチング装置１０によれば、１．０Ｗ／ｃｍ^２以下のバイアス電力密度で６００Ｖの自己バイアス電圧を発生することができる。従って、サセプタ３６全体に印加する電力も４００Ｗ以下に抑制され、高周波アンテナ２８に投入される電力の１３％に抑制できる。

表２に本発明によるドライエッチング装置１０と従来装置１００のエッチング特性を比較した結果を示す。従来のドライエッチング装置１００においてサセプタ３６に１２００Ｗもの大電力のバイアス電力を印加した場合、エッチング速度は１０５０ｎｍ／ｍｉｎと比較的大きいものの、フォトレジストとシリコンに対する選択比はそれぞれ６．２と１８に過ぎない。これに対し、図１に示すドライエッチング装置１０でサセプタ３６に４００Ｗ程度の小電力のバイアス電力を印加した場合には、エッチング速度はわずかに低下するものの、選択比は２〜３倍に向上することが確認された。

なお、アンテナ２８により外部から印加された高周波は窓１１６の内面から２０ｍｍ程度の空間中にあるプラズマで遮蔽される。このため、高周波が消費されプラズマを形成する領域は窓１１６の内面から１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度の領域に限られる。この部分の電子の平均的な運動エネルギは比較的大きく、電子温度に換算して４〜８ｅＶ程度である。しかし、この部分からシリコンウェハ３４までの間には約１００ｍｍの距離が存在する。プラズマ形成領域の電磁界で加熱された電子の平均自由工程は数ｍｍで有るため、一回あたり数ｍｍの距離の酔歩運動を繰り返しながらシリコンウェハ３４近傍のアフタグロー領域に拡散してくる。この間に電子はガス分子との衝撃によるエネルギを失いながら拡散し、低電子温度のプラズマがシリコンウェハ３４に到達することになる。

電子温度の高いプラズマ中の高エネルギ電子は、シリコンウェハ３４に入射する時の方向性のランダム成分が大きいため、狭い溝又は穴の中に入射するときには方向性の比較的揃ったイオンとの間でアンバランスを引き起こし、溝又は穴の底や側壁で帯電を引き起こす。この帯電はエッチング速度のアスペクト比依存性やチャージアップダメージの原因となる。これらの現象に対して、シリコンウェハ３４をアフタグロー領域に配置してシリコンウェハ３４に作用する時点でのプラズマの電子温度を抑制することは極めて有効な手段である。しかし、従来のドライエッチング装置１００では比較的大きなバイアス電力を印加する必要があるため、シリコンウェハ３４の近傍で再度電子の温度が上昇する傾向があった。

これに対し、本発明の積層窓１６が設けられたドライエッチング装置１０を用いた場合には、エッチングに必要なバイアス電力が比較的小さいため再加熱が生じにくい。表３に実測値を示す。

なお、表３から、バイアス電力をサセプタに印加しない状態でも、本実施形態のドライエッチング装置１０の方が小さい電子温度が実現されていることが分る。外部の高周波アンテナ２８の両端には２〜１０ｋＷの比較的高電圧が発生するが、誘電体のみからなる従来の窓１１６では、アンテナ２８により発生する電界は反応容器１２の内部に及ぶ。このため、アンテナ２８の端部に近いプラズマシースに局部的な高電界が発生する。この電界は電子温度を高める要因となる。これに対し、積層窓１６を用いるとチタン薄膜２２の遮蔽効果により電界が反応容器１２の内部に入り込まない。このため、本実施形態のドライエッチング装置１０の方が電子温度が小さくなるのである。更に、バイアス印加時の電子温度も、従来装置１００では４．０ｅＶに対し、本発明の装置１０では２．０ｅＶとなり、１／２に抑制されている。

表３にはＭＯＳ素子に対する静電破壊頻度も示されている。この評価に用いた素子はＰｏｌｙ−Ｓｉ電極型のＭＯＳキャパシタの上にアスペクト比５のレジストパターンを形成したもので、電子とイオンの入射角度分布の影響に敏感な構造となっている。プラズマ処理後のＭＯＳ絶縁膜の耐圧を測定し８ＭＶ／ｃｍ以下のものを不良と判定した。本発明による積層窓１６を用いた場合はバイアスの有無に拘らず不良は発生していないが、誘電体のみからなる従来の窓１１６の場合、バイアス電力の印加に伴って約２０％の不良が発生することが確認された。

また、表３にはコンタクトホールを加工開口し導電不良率を求めた結果が示されている。この試験では、シリコンウェハ３４上に厚さ２．１ｍｍのシリコン酸化膜を堆積した後に、線幅０．４０ｍｍのレジストパターンを焼き付け、エッチング加工後に金属配線層を埋め込んで導通の有無を確認した。テストパターン１個には約１００００個のコンタクトホールが含まれており、互いに直列に接続されたチェーン構造をなしている。従って、テストパターン中の全ての穴が開口している場合に限り、良好と判定される。積層窓１６を用いた場合の不良率は３．１％と小さい値が得られた。不良は主としてシリコンウェハ３４に付着したパーティクルによるものと考えて良いレベルである。これに対して、誘電体のみからなる窓１１６を用いた場合には全てのテストパターンで開口不良が見られた。

電子温度が大きいと入射角度分布が拡大しアスペクト比の大きいコンタクトホールの底に電子がたどり着けなくなる。このため、イオンの正電荷を打ち消せなくなる結果、穴の底付近にイオンを押し戻す電界が発生しエッチングを阻害する。本開口不良はこのような原因で穴の底のエッチングが停止してしまった結果である。

以上の結果から、シリコンウェハ３４をプラズマ形成領域から離れた部分、即ちダウンフロー領域に配置する場合のように電子温度を抑制した場合、特に積層窓１６の使用によりバイアス印加に伴う電子温度の再上昇を抑制する効果が得られることが明らかである。また、それに伴いエッチング特性も改善されることが明らかとなった。更に、圧力を変化させてその効果を確認したところプラズマ形成領域とシリコンウェハとの間の距離（Ｌ）及び当該圧力における電子の平均自由工程（ｌ）の間に、以下の関係が存在するときに、この効果が顕著に現れることも確認された。

Ｌ＞１０×ｌ従って、本発明は、シリコンウェハ３４をプラズマのダウンフロー領域に配置する構成でよりその効果が発揮され、また、シリコンウェハ３４とプラズマ形成領域との間の距離が平均自由工程の１０倍以上の場合、特にその効果が顕著となる。

一方、アンテナ２８に印加する高周波を振幅変調したり、その極端な例として断続する技術が知られている。これらの技術の目的は、ウェハ３４をダウンフロー領域に配置する場合と同様に電子温度の低いプラズマを形成することにある。高周波を１０ｍ秒〜１００ｍ秒の間隔で断続又は変調することにより、電子温度を効率良く低減することが可能である。この場合にもバイアス高周波による電子の再加熱を抑制する効果のある本技術は有効である。

また、本発明の積層窓１６を用いることにより積層窓１６や容器壁１４の材料の消耗も抑制される。即ち、積層窓１６や容器壁１４の内面に衝突するイオンのエネルギが大幅に減少する。この理由は以下の２点による。

前述したように、高周波アンテナ２８の両端部分には、数ｋＶ以上の高電圧が発生する。従来の誘電体のみの窓１１６を用いると、この影響でアンテナ２８の端部近傍の窓１１６の内面とプラズマとの間のシースには数十ｋＶ／ｃｍの高電界が発生し、プラズマ中のイオンを当該部分の窓１１６に向かって加速する。アルミナのように化学的に安定な材料でも、エネルギの高いイオンによる物理的なスパッタリングはさけられない。一方、積層窓１６を用いた場合にはアンテナ端部の高電界はチタン薄膜２２によって遮蔽されプラズマの内部に進入しない。従って、積層窓１６の内面とプラズマとの間に発生する電位差はほぼプラズマ電位（Ｖｐ）に等しくなりイオンによるスパッタが抑制される。

２番目の理由は、積層窓１６を用いた場合には容器壁１４と積層窓１６のチタン薄膜２２の双方がバイアス高周波に対してアースに固定されたアース電極として作用するために、プラズマに対するアース電極の面積が増大し、プラズマ電位（Ｖｐ）が直流的にも、また、交流的にも（変動成分も）抑えられることにある。このため、イオンのエネルギは極めて小さくなる。

また、本実施形態によるドライエッチング装置１０は、シリコンウェハ３４に対する金属汚染物を抑制するためにも有効である。Ｓｉ−ＭＯＳデバイスの特性は表面に付着するアルカリ金属や重金属汚染物により著しく阻害される。このため、エッチング処理において表面に付着する汚染量も１ｃｍ^２あたりｌ×１０^１０原子程度に抑制する必要がある。一方、窓本体や容器壁の材料には、これらの汚染源となる金属元素が大量に含まれている。これらの材料が消耗すると、プラズマ中に汚染金属元素が漂う状態となり、そのうちのかなりの部分がウェハ３４の上に付着する。しかし、本発明の積層窓１６を用いると、ＦｅやＣｒ等の重金属及びＮａ等の軽金属による汚染が、いずれも約１／１０に抑制される。

積層窓１６のチタン薄膜２２の厚さの設定に当たっては、透過すべき誘導電磁界の透過率、及びこの窓１６を用いるべきプラズマ装置で印加されるバイアス高周波に対するインピーダンスによって最適の膜厚が選択される。即ち、第１に、外部高周波アンテナ２８からの高周波電磁界の透過率が実用上差し支えない程度に大きいこと、第２に、アンテナ電位などの固定電位に接続したチタン薄膜２２の面内の電位分布が、プラズマに実用上問題となる影響を与えない程度に抵抗値が小さいこと、が厚さ選択の条件となる。なお、以下の考察では、窒化チタン薄膜２０，２４が極めて薄く、高周波電磁界の透過率に影響を与えないことから、窒化チタン薄膜２０，２４は存在しないものとして取り扱っている。

高周波電磁界の透過率を与える指針の一つは金属の表皮深さであり透過すべき誘導電磁界の周波数、及び、金属薄膜の抵抗率、透磁率で与えられる。表皮深さ（ｄ）は以下の式で表される。
ｄ＝（２／ωμσ）^１／２
ここで、ω、μ、σはそれぞれ高周波の角振動数、金属薄膜の透磁率、伝導度である。

一般に電磁波は充分に厚い導体の中には進入できない。特に、金属薄膜の厚さが表皮深さを越えると電磁波はより厚い膜とほぼ同等に遮蔽され透過できなくなる。従って、表皮深さは積層窓１６におけるチタン薄膜２２の上限の厚さを示す指標となる。損失が無視できる程度（１〜１０％）の透過率を得るためには、表皮深さの１／１０００〜１／１００程度の厚さ以下にすることが望ましい。

チタンの場合、表皮深さは例えば１３．５６ＭＨｚの高周波に対しては約３０ミクロンの値を持つ。一方で、薄膜面内の電位分布は高周波バイアスの電流値や積層窓１６の形状と、アースに対する接続方法等に依存する。大まかな目安としては表面抵抗値が１００ｋＷ以下であればその効果が発揮される。チタンの場合４オングストローム以上の厚さであればこの条件を満足する。従って、チタンの場合、４〜３０００オングストローム程度の厚さの薄膜とすれば、これらの条件を満たす。但し、このような薄膜状態での抵抗率は製膜手段に依存して、バルクの抵抗値より大きくなる場合があるため、１０〜３０００オングストローム程度の範囲で適宜選択して用いることができる。

一方、最も内面側のアルミナ膜２６はエッチングガスに含まれるフッ素や塩素等のハロゲン含有ガス、もしくは酸素や二酸化窒素等の酸化性ガスなど腐食・エッチング性の高い活性種からチタン薄膜２２を保護するために設けられたものである。アルミナ膜２６はこれらの活性種に対してほとんど化学的に反応することが無く、保護膜の材料として適している。

一方で、アルミナ膜２６は誘電体であるためにチタン薄膜２２とプラズマとの間に挟まれた容量抵抗として働く。従って、アルミナ膜２６の厚さが不必要に大き過ぎる場合には高周波バイアスに対する抵抗が大きく、チタン薄膜２２を挿入した効果を相殺する恐れがある。

しかし、プラズマと積層窓１６との間に形成されるプラズマシースの容量に対して、このアルミナ膜２６の容量が同等かそれ以上であれば効果は失われない。通常のエッチング処理で用いられる１×１０^９／ｃｍ^３〜１×１０^１１／ｃｍ^３程度の密度の低温プラズマの場合、プラズマシースの厚さは１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度となる。従って、アルミナ膜２６の厚さＴは、この厚さＴを誘電率εで割った実効的な厚さがこれらの値より小さくなるように設定されるのがよい。この関係を示したのが表４である。

なお、保護膜としてはアルミナ膜２６に限定されない。同一のプラズマ条件の場合、誘電率のより大きい材料を用いることにより内部の保護膜の厚さを大きく設定できる。特に、厚さが１ｍｍを越える場合は焼結により成形されたセラミックを保護膜として用いることもできる。更に、厚さが１０ｍｍを越える場合にはこの部分だけで反応容器内外の圧力差を保持することも可能となる。このような場合、チタニア等の高誘電体セラミック膜を保護膜とし、その外面、即ち窓本体側にチタン薄膜を形成してもよい。

図３は、本発明に従って構成されたドライエッチング装置の別の実施形態を示す概略図である。この実施形態では、積層窓２１６が半球状ではなく、切頭円錐形をなしており、その円錐面の外側にアンテナ２８が巻かれている点を除き、図１に示す装置１０と実質的に同様である。

この積層窓２１６においては、窓本体２１８と保護膜２２６の誘電体材料として、微量のチタンを添加したアルミナ焼結体が用いられている。主成分のアルミナにチタンを添加することで、誘電率を高めることができる。

かかる積層窓２１６を製造する場合、まず、誘電率が５０のアルミナ焼結体から厚さ３ｍｍの保護膜２２６を形成する。次いで、この保護膜２２６の円錐形の外周面上に窒化チタン薄膜、チタン薄膜及び窒化チタン薄膜の多層膜２５０を順次、製膜する。そして、その更に外面に厚さ１０ｍｍのアルミナ焼結体２１８を接合して、図３に示す形態の積層窓２１６とする。

図示実施形態の場合、積層窓２１６の頂上部分はアルミナ焼結体のみから構成し、外側の窓本体２１８の頂上部分に空隙を設けることにより、加工時に生じる公差を上下のずれにより吸収し、また、接合の際に隙間に残る空気やガスを逃がす構造とすることで、気泡の形成や接着部の剥がれを防止している。

この製法は、プラズマに接する内面を組成の制御や加工の容易な焼結体で形成できる特徴があり、平板状の積層窓を形成する場合に特に適している。

図４は、本発明による積層窓の第３の実施形態を示している。この積層窓３１６は、誘電体材料としてチタニア焼結体を用いている。この窓３１６の製作にあたっては、まずプラズマにさらされる側に、誘電率８０、厚さ１５ｍｍのチタニア焼結体３２６を形成する。これは、保護膜として機能するが、チタン薄膜等の金属薄膜を支持する窓本体としても機能するものである。次に、チタニア焼結体３２６の外面に窒化チタン薄膜３２４、チタン薄膜３２２及び窒化チタン薄膜３２０を製膜する。これらの外面には、空気中の水分や酸素から保護するための珪酸ガラス塗布層３５０が形成されている。

この構造はプラズマに接する内面を組成や純度の制御しやすい焼結体で形成できる上、比較的簡単であるために多様な構造に成形することができる特徴がある。また、この構造は、使用できるプラズマ密度領域が限られることから、大電力を投入して高密度のプラズマを形成する必要のない表面処理に対して特に適している。

図５は、本発明の積層窓４１６の第４実施形態を示している。この積層窓４１６は円筒形をなしており、アンテナ２８はこの円筒形の積層窓４１６を取り巻くように配置されている。積層窓４１６の構成自体は図１に示したものと実質的に同じであり、図６に示すように、円筒形のアルミナからなる窓本体４１８と、その内面に配置された窒化チタン薄膜４２０、チタン薄膜４２２及び窒化チタン薄膜４２４からなる多層膜４５０と、その内側に配置されたアルミナからなる保護膜４２６とから構成されている。ここで多層膜４５０は、全周にわたり連続的に延びるものではなく、一定の間隔をおいて分割されている。例えば、各多層膜４５０は、長辺が５０ｍｍ、短辺が１０ｍｍの長方形とされ、長辺方向がアンテナ２８の電流方向に対してほぼ直交するように互いに対して０．５ｍｍの間隔をおいて配列されるのがよい。

このように分割した構成を用いると、３０μｍ程度の比較的厚いチタン薄膜４２２を用いても高周波の透過率の減少を抑制することが可能となる。また、電極面積の減少も５％程度であり、バイアス電流に対しても充分な効果が得られる。

また、この積層窓４１６の下端面には、窒化チタン薄膜４６０、チタン薄膜４６２及び窒化チタン薄膜４６４からなる別の多層膜４７０が付着され、その内側縁部は多層膜４５０の下端部に重なり合うような形で配置されている。更に、この多層膜４７０を覆うようにして薄い珪酸ガラス膜４８０が塗付されている。この多層膜４７０は、多層膜４５０との間でキャパシタを形成し反応容器壁と容量的に接続されるのを可能とする。

図７及び図８は更に別の実施形態を示している。この実施形態による積層窓５１６では、平面円盤上のアルミナやチタニア等のセラミック製の窓本体５１８の片面に窒化チタン薄膜５２０をスパッタ法で堆積した後、スクリーン印刷により厚さ５０μｍの金薄膜５２２のパターンを形成している。金薄膜５２２は、円形の窓本体５１８の中心から周辺部に向かって放射状に延び、約１ｍｍの幅を有する線状パターンをなしている。更に、この金薄膜５２２は塗布型の珪酸ガラス層５２６で被覆されている。アンテナ２８はこれらのパターンを形成した側とは反対の側に配置され、螺旋状の構造をなしている。

以上、本発明の好適な実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態のものに限られないことはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、本発明を主としてドライエッチング装置に適用した場合について述べたが、本発明はプラズマＣＶＤ装置等の他のプロセス装置に適用した場合にも同等の効果が期待できる。特に、反応容器の消耗の抑制やこれに起因して発生する汚染物の抑制は半導体や液晶表示素子など全てのマイクロエレクトロニクス製造技術に共通の課題である。また、誘導結合型プラズマは質量分析や発光分析などの極微量化学分析にも用いられている。これらの機器に本発明の高周波導電部材を用いれば反応容器から放出される妨害元素の量が低減されるため、最低検出純度を向上させる事も可能となる。

更に、上記実施形態では、高周波導入部材（積層窓）に用いられる金属薄膜の材料としてチタン及び金を掲げているが、他の金属材料や導電性材料を適宜用いることも可能である。また、誘電体材料についても上記以外のものを用いることも可能である。

本発明の第１実施形態のドライエッチング装置を示す概略断面図である。 図１のＡ部を概略的に示す拡大断面図である。 本発明の第２実施形態のドライエッチング装置を示す概略断面図である。 本発明による高周波導入部材（積層窓）の他の実施形態を概略的に示す拡大断面図である。 本発明による高周波導入部材（積層窓）の更に他の実施形態を概略的に示す斜視図である。 図５のＢ−Ｂ線に沿っての断面図である。 本発明による高周波導入部材（積層窓）の別の実施形態を概略的に示す平面図である。 図７のＣ−Ｃ線に沿っての断面図である。 従来のドライエッチング装置を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１０…ドライエッチング装置（プラズマ装置）、１２…反応容器（減圧容器）、１４…容器壁、１６…積層窓（高周波導入部材）、１８…窓本体（高周波導入部材本体）、２０…窒化チタン薄膜、２２…チタン薄膜（導電性薄膜）、２４…チタン薄膜、２６…アルミナ膜（保護膜）、２８…アンテナ、３２…高周波電源、３４…シリコンウェハ（被処理基体）、３６…サセプタ（電極）、４０…高周波バイアス電源。

Claims (11)

1. 被処理基体を処理するための誘導結合型のプラズマ装置であって、
   筒状の容器壁と、前記容器壁の上部に取り付けられる高周波導入部材である窓とからなる、内部が減圧される反応容器と、
   前記反応容器の内部に配置され、前記窓の下側で被処理基体を上面にて支持するサセプタと、
   前記窓の周囲に配置されたコイル状の高周波アンテナと、
   インピーダンス整合器を介して前記高周波アンテナに接続された高周波電源と、
   前記サセプタに接続された高周波バイアス電源とを備え、
   前記窓は導電性薄膜を有し、
   前記導電性薄膜は、前記高周波アンテナから放出された高周波電磁界を当該導電性薄膜を通して前記反応容器の内部に透過させることのできる透過性を有し、
   前記導電性薄膜は、前記窓の全体にわたり形成されている、プラズマ装置。
2. 前記窓の前記導電性薄膜は接地されている、請求項１に記載のプラズマ装置。
3. 前記容器壁は導電性であり、前記窓の前記導電性薄膜が前記容器壁に電気的に接続されている、請求項１又は２に記載のプラズマ装置。
4. 前記窓は、更に、前記導電体薄膜上に積層された誘電体材料の薄膜を備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
5. 前記導電性薄膜はチタン薄膜であり、
   前記導電性薄膜の厚さは、前記高周波アンテナから放出される高周波電磁界についての、該導電性薄膜を構成する金属の表皮深さの１／１０００〜１／１００の範囲内であり、もって、前記窓が、前記高周波アンテナから放出される高周波電磁界に対して９０％〜９９％の透過率となっている、請求項４に記載のプラズマ装置。
6. 前記導電性薄膜及び窓が円形であり、前記導電性薄膜が、全周にわたり、複数に分割されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
7. 前記導電性薄膜はチタン薄膜であり、
   前記導電体薄膜の厚さが４オングストローム〜３０００オングストロームである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
8. 前記窓と前記高周波アンテナは互いに同等の形状である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
9. 前記窓と前記高周波アンテナは半球ドーム状である、請求項８に記載のプラズマ装置。
10. 前記誘電体材料の薄膜は、前記導電性薄膜の前記チャンバの内側である内面に積層されている、請求項４に記載のプラズマ装置。
11. 前記窓は、前記導電性薄膜の外面上の窒化チタン薄膜を有している、請求項１０に記載のプラズマ装置。

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