JP5317424B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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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、特に基板を保持する電極にフォーカスリングを取り付ける容量結合型のプラズマ処理装置に関する。
枚葉式の容量結合型プラズマ処理装置は、チャンバ内でサセプタ（通常は下部電極）上の基板の被処理面に作用させるプラズマの密度の面内均一性（特に基板の半径方向の均一性）をよくするために、サセプタおよび対向電極（上部電極）を基板よりも一回り大きな径サイズに構成している。この場合、基板の半径方向外側にはみ出るサセプタ上面の周辺部分がプラズマに直接晒されると、プラズマからイオンのアタックを受けて損傷劣化してしまう。特に、プラズマエッチング装置においては、サセプタに発生する直流電圧成分または自己バイアス電圧を利用してイオンを加速させて引き込むので、イオンスパッタ効果が大きい。そこで、基板の半径方向外側にはみ出るサセプタ上面の周辺部分を覆うように環状のカバー部材いわゆるフォーカスリングを着脱可能に取り付けて、プラズマからサセプタを保護するようにしている（たとえば特許文献１参照）。
フォーカスリングの材質は、スパッタで付近に放散しても基板上のプラズマ処理に実質的な影響を与えないようなものが使用される。たとえば、酸化膜のプラズマエッチングではＳi，ＳiＣ，Ｃ（カーボン）等が用いられ、ポリシリコンのプラズマエッチングではＳiＯ2が用いられている。
特開２０００−３６４９０
プラズマ処理装置においては、上記のようにプラズマ処理が行われる度にフォーカスリングが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、その消耗量は経時的に増大する。このため、フォーカスリングは消耗部品・交換部品として扱われている。しかしながら、フォーカスリングは高価であり、寿命または交換サイクルが短いほど、ＣＯＣ（Cost Of Consumable）が低下する。
近年は、プラズマ処理で用いる高周波のパワーがプロセス性能の向上や時間短縮化等のために高くなっていることから、プラズマイオンのエネルギーが増し、フォーカスリングの消耗度が大きくなっている。特に、サセプタに２つの高周波を重畳印加して、主として高い方の高周波で高密度のプラズマを生成し、主として低い方の高周波で基板へのイオン引き込みを行う２周波重畳印加方式においては、フォーカスリングをアタックするイオンのエネルギーは一層強大であり、フォーカスリングのＣＯＣ低下が顕著である。
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するものであり、プロセスに実質的な影響を与えることなくフォーカスリングの消耗を効果的に抑えるようにしたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
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、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を載置する第１の電極と、前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、前記第１の電極または前記第２の電極のいずれかに第１の周波数を有する第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、前記第１の電極の内部に形成されている冷媒室に所定温度の冷媒を循環供給する温度制御部と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極の主面の前記基板を載置する基板載置部に設けられる主誘電体と、前記基板載置部よりも外側に位置する前記第１の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第１の電極に取り付けられるフォーカスリングと、前記主誘電体により前記第１の電極と前記基板との間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも小さな単位面積当たりの静電容量を前記第１の電極と前記フォーカスリングとの間に与えるように、前記第１の電極の主面の周辺部の上に設けられる周辺誘電体と、前記第１の電極の主面の周辺部と前記周辺誘電体との接触界面および前記周辺誘電体と前記フォーカスリングとの接触界面に挿入される伝熱シートとを有し、前記第１の電極の主面上で、前記周辺部は前記基板載置部よりも一段低く形成され、前記周辺誘電体と前記主誘電体とが同一の材質からなり、前記周辺誘電体が前記主誘電体よりも大きな厚さを有する。
上記の装置構成においては、周辺誘電体が主誘電体よりも単位面積当たりの静電容量が小さく高インピーダンスであるため、第１の高周波にとっては周辺誘電体およびフォーカスリング側の伝搬経路が相対的に通り難く主誘電体および基板側の伝搬経路が相対的に通りやすくなっている。これにより、フォーカスリング上のイオンシース内に形成される電界が相対的に弱められることとなり、フォーカスリングにアタックするイオンのエネルギーが低減され、フォーカスリングの消耗が抑えられる。
また、第１の電極の主面の周辺部と周辺誘電体との接触界面および周辺誘電体とフォーカスリングとの接触界面に伝熱シートが挿入されるので、冷媒によって冷却される第１の電極とフォーカスリングとの間に良好な熱的結合ないし伝熱性を得ることができる。
さらに、第１の電極の主面上で周辺部が基板載置部よりも一段低く形成され、周辺誘電体と主誘電体とが同一の材質からなり、周辺誘電体が主誘電体よりも大きな厚さを有する構成により、たとえば溶射法によって第１の電極上に周辺誘電体を形成する場合に、周辺誘電体を主誘電体と一体的または一緒に形成することができる。
本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、前記第１の電極または前記第２の電極のいずれかに第１の周波数を有する第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極の主面の前記基板を載置する基板載置部に設けられる主誘電体と、前記基板載置部よりも外側に位置する前記第１の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第１の電極に取り付けられるフォーカスリングと、前記主誘電体により前記第１の電極と前記基板との間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも小さな単位面積当たりの静電容量を前記第１の電極と前記フォーカスリングとの間に与えるように、前記第１の電極の主面の周辺部に設けられる周辺誘電体とを有し、前記周辺誘電体が、中空に形成され、その中に容積可変の流動性誘電体物質を含む。
上記の装置構成においては、周辺誘電体内の流動性誘電体物質の容積を可変に制御することで、周辺誘電体全体の静電容量を可変に制御することができる。
本発明の第３の観点におけるプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、前記第１の電極または前記第２の電極のいずれかに第１の周波数を有する第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極の主面の前記基板を載置する基板載置部に設けられる主誘電体と、前記基板載置部よりも外側に位置する前記第１の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第１の電極に取り付けられるフォーカスリングと、前記主誘電体により前記第１の電極と前記基板との間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも小さな単位面積当たりの静電容量を前記第１の電極と前記フォーカスリングとの間に与えるように、前記第１の電極の主面の周辺部に設けられる周辺誘電体とを有し、前記フォーカスリングが、前記主誘電体の外周エッジに隣接して配置される第１の環状体と、前記第１の環状体の外周面に隣接して配置される第２の環状体とを有し、前記第１の電極の前記基板載置部の上に載置される前記基板の外周エッジと前記第２の環状体の内周面との間に形成される隙間が前記第１の環状体の上に位置するように、前記第１の環状体が配置され、前記フォーカスリングに対する静電吸着力を生成するための第２の導電体が前記第２の環状体と対向する位置に限定して前記周辺誘電体の中に設けられる。
上記の装置構成においては、第２の導電体に直流電圧が印加されると、周辺誘電体とフォーカスリングの第１の環状体との間に発生する静電力によって第２の環状体が周辺誘電体に吸着される。このとき、第１の環状体も、第２の環状体によって周辺誘電体に押し付けられので、一緒に固定される。
本発明の好適な一態様においては、基板用の静電チャックを構成するために、主誘電体の中に第１の導電層が設けられ、この第１の導電層に基板に対する静電吸着力を生成するための直流電圧が印加される。また、別の好適な一態様においては、上記伝熱シートが使われない場合に、第１の伝熱ガス供給部により主誘電体と基板との間に伝熱用の不活性ガスが供給され、第２の伝熱ガス供給部により周辺誘電体とフォーカスリングとの間にも伝熱用の不活性ガスが供給される。
また、本発明の好適な一態様においては、第２の高周波給電部より第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波が第１の電極に印加される。この場合は、第１の高周波の周波数（第１の周波数）がプラズマ生成に適した周波数に選ばれ、第２の高周波の周波数（第２の周波数）がイオン引き込みに適した周波数に選ばれてよく、第１の高周波よりも第２の高周波の方で本発明の作用効果が顕著に現れる。すなわち、比較的周波数の低い第２の高周波にとっては、周辺誘電体およびフォーカスリング側のインピーダンスが一層高くなってその経路を一層通り難くなり、フォーカスリングへのイオンのアタックひいてはフォーカスリングの消耗が効果的に抑制される。
本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、プロセスに実質的な影響を与えることなくフォーカスリングの消耗を効果的に抑えることができる。
以下、図１〜図１５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の実施形態によるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、カソードカップルの容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（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内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が下部電極として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなる本体またはベース１２ａとこのベース１２ａの底面に固着されている導電性のＲＦプレート１２ｂとを有し、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。この筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成され、この排気路１８の底に排気口２０が設けられている。この排気口２０には排気管２２を介して排気装置２４が接続されている。排気装置２４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内の処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。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２６が取り付けられている。
サセプタ１２には、第１および第２の高周波電源２８，３０がマッチングユニット３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。ここで、第１の高周波電源３０は、主としてプラズマの生成に寄与する所定の周波数たとえば４０ＭＨｚの第１高周波を出力する。一方、第２の高周波電源２８は、主としてサセプタ１２上の半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みに寄与する所定の周波数たとえば２ＭＨｚの第２高周波を出力する。マッチングユニット３２には、第１の高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための第１の整合器と、第２の高周波電源２８側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための第２の整合器とが収容されている。
サセプタ１２は半導体ウエハＷよりも一回り大きな直径または口径を有している。サセプタ１２の主面つまり上面は、ウエハＷと略同形状（円形）かつ略同サイズの中心領域つまりウエハ載置部と、このウエハ載置部の外側に延在する環状の周辺部とに２分割されており、ウエハ載置部の上には処理対象の半導体ウエハＷが載置され、環状周辺部の上に半導体ウエハＷの口径よりも僅かに大きな内径を有するフォーカスリング３６が取り付けられる。このファーカスリング３６は、半導体ウエハＷの被エッチング材に応じて、たとえばＳi，ＳiＣ，Ｃ，ＳiＯ2等の材質からなり、通常の形状を有するものでよい。
サセプタ１２上面の上記ウエハ載置部には、ウエハ吸着用の静電チャック３８が設けられている。この静電チャック３８は、膜状または板状の誘電体３８ａの中にシート状またはメッシュ状の導電体３８ｂを入れたもので、サセプタ１２のベース１２ａ上に一体形成または一体固着されており、導電体３８ｂにはチャンバ１０の外に配置される直流電源４０が配線およびスイッチ４２を介して電気的に接続されている。直流電源４０より印加される直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷを静電チャック３８上に吸着保持することができる。
サセプタ１２上面の上記周辺部には、フォーカスリング３６の下面と直接接触する環状の周辺誘電体４２が設けられている。この周辺誘電体４２も、サセプタ１２のベース１２ａ上に一体に形成または固着されている。図示の構成例では、周辺誘電体４２の中にシート状またはメッシュ状の導電体４４が入っており、この導電体４４も直流電源４０に電気的に接続されている。直流電源４０より導電体４４に直流電圧を印加することによって、フォーカスリング３６をクーロン力で周辺誘電体４２上に吸着保持できるようになっている。このように、周辺誘電体４２および導電体４４は、フォーカスリング３６を吸着するための周辺静電チャック４５を構成している。
サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室４６が設けられている。この冷媒室４６には、チラーユニット（図示せず）より配管４８，５０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静電チャック３８上の半導体ウエハＷの温度さらには周辺静電チャック４５上のフォーカスリング３６の温度を制御できる。さらに、ウエハ温度およびフォーカスリング温度の精度を一層高めるために、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５２およびサセプタ１２内部のガス通路５４を介して主静電チャック３８と半導体ウエハＷとの間および周辺静電チャック４５とフォーカスリング３６との間に供給される。
チャンバ１０の天井には、サセプタ１２と平行に向かい合って接地電位の上部電極を兼ねるシャワーヘッド５６が設けられている。このシャワーヘッド５６は、サセプタ１２と向かい合う電極板５８と、この電極板５８をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体６０とを有し、電極支持体６０の内部にガス室６２を設け、このガス室６２からサセプタ１２側に貫ける多数のガス吐出孔６１を電極支持体６０および電極板５８に形成している。電極板５８とサセプタ１２との間の空間がプラズマ生成ないし処理空間となる。ガス室６２の上部に設けられるガス導入口６２ａには、処理ガス供給部６４からのガス供給管６６が接続されている。なお、電極板５８はたとえばＳiやＳiＣからなり、電極支持体６０はたとえばアルマイト処理されたアルミニウムからなる。
このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２４、高周波電源２８，３０、直流電源４０のスイッチ４２、チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）および処理ガス供給部６４等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）は、たとえばマイクロコンピュータからなる制御部（図示せず）によって制御される。
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２６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、静電チャック３８の上に載置する。そして、処理ガス供給部６４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チャンバ１０内に導入し、排気装置２４によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１および第２の高周波電源３０、２８をオンにして第１高周波（４０ＭＨｚ）および第２高周波（２ＭＨｚ）をそれぞれ所定のパワーで出力させ、これらの高周波をマッチングユニット３２および給電棒３４を介してサセプタ１２に印加する。また、スイッチ４２をオンにし、静電吸着力によって、主静電チャック３８と半導体ウエハＷとの間の接触界面および周辺静電チャック４５とフォーカスリング３６との接触界面に伝熱ガス（Ｈeガス）を閉じ込める。シャワーヘッド５６より吐出されたエッチングガスは両電極１２，５６間で高周波の放電によってプラズマ化し、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の主面がエッチングされる。
この容量結合型プラズマエッチング装置は、サセプタ１２に４０ＭＨｚというプラズマ生成に適した比較的高い周波数の第１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。それと同時に、サセプタ１２に２ＭＨｚというイオン引き込みに適した比較的低い周波数の第２高周波を印加することにより、サセプタ１２の上方の半導体ウエハＷに対して選択性の高い異方性のエッチングを施すことができる。
次に、この実施形態のプラズマエッチング装置における特徴部分の構成および作用を詳細に説明する。
図２に、サセプタ１２の上面におけるフォーカスリング３６周りの構造を拡大して示す。図示のように、周辺静電チャック４５の誘電体４２が主静電チャック３８の誘電体３８ａよりも一段大きな厚みを有している。ここで、両誘電体４２，３８ａの材質は同じものでも違うものでもよく、たとえばどちらもアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）からなる。図示の構成例は、主静電チャック３８上に載置される半導体ウエハＷの上面とフォーカスリング３６の上面とが略面一になるようにしており、主静電チャック３８に対して周辺静電チャック４５が一段低い位置に設けられている。溶射法によって主静電チャック３８を形成する場合は、周辺静電チャック４５をそれと一体的または一緒に形成することができる。
上記のような両誘電体４２，３８ａの構造上（特に厚み）の違いから、主誘電体３８ａによりサセプタ１２と半導体ウエハＷとの間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも、周辺誘電体４２によりサセプタ１２とフォーカスリング３６との間に与えられる単位面積当たりの静電容量の方が相対的に小さい構成となっている。したがって、第１および第２の高周波電源３０、２８からの高周波（４０ＭＨｚ，２ＭＨｚ）に対して、主誘電体３８ａよりも周辺誘電体４２の方が高いインピーダンスを与える構成となっている。特に、相対的に低い周波数の第２高周波（２ＭＨｚ）に対して主誘電体３８ａよりも周辺誘電体４２が一段高いインピーダンスを与える点が重要である。
エッチング加工が行われる時、高周波電源３０，２８からの第１高周波（４０ＭＨｚ）および第２高周波（２ＭＨｚ）は、サセプタ１２、両静電チャック３８，４５、半導体ウエハＷ、フォーカスリング３６を通って上方へ抜け、エッチングガスをプラズマ励起する。ここで、プラズマ処理空間における電子−イオン対の発生（電離）には第１高周波（４０ＭＨｚ）が支配的に作用し、イオンをサセプタ１２側に加速させて引き込む電界の形成には第２高周波（２ＭＨｚ）が支配的に作用する。
こうして、エッチング加工中は、半導体ウエハＷの上方だけでなくフォーカスリング３６の上方でもプラズマが生成され、半導体ウエハＷに対してだけでなくフォーカスリング３６にもイオンが引き込まれる。このプラズマエッチング装置においては、上記のように周辺誘電体４２が主誘電体３８ａよりも単位面積当たりの静電容量が小さく高インピーダンスであるため、両高周波の中でも特に周波数の低い第２高周波（２ＭＨｚ）にとっては周辺誘電体４２およびフォーカスリング３６側の伝搬経路が相対的に通り難く主誘電体３８ａおよび半導体ウエハＷ側の伝搬経路が相対的に通りやすくなっている。これにより、フォーカスリング３６上に形成されるイオンシース内の電界が相対的に弱められることとなり、フォーカスリング３６にアタックするイオンのエネルギーが低減され、フォーカスリング３６の消耗が抑えられる。一方で、半導体ウエハＷ上に形成される電界が相対的に強められることにより、エッチング加工の垂直性（異方性）が向上し、エッチングレートも向上する。また、第１高周波（４０ＭＨｚ）にとっても、相対的には周辺誘電体４２が主誘電体３８ａよりも通り難くはなっているが、第２高周波（２ＭＨｚ）の１／２０のインピーダンスなので、それほどではない。
周辺静電チャック４５は、周辺誘電体４２の中に導電層４４を有することによって、上記のようにクーロン力でフォーカスリング３６を吸着して、冷媒ガスを介したサセプタ１２とフォーカスリング３６との間の熱結合を可及的に高めることができる。もっとも、図３に示すように、周辺誘電体４２から導電体４４を省いて、周辺誘電体４２とサセプタ１２あるいはフォーカスリング３６との接触界面にたとえばシリコーンラバーシート等からなる伝熱シート６８を挿入する構成も可能である。
上記のように、この実施形態のプラズマエッチング装置においては、周辺誘電体４２の厚みを大きくするほど、つまりサセプタ１２とフォーカスリング３６との間の静電容量を小さくするほど、フォーカスリング３６への入熱を低減することができる。
図４〜図６に、サセプタ１２とフォーカスリング３６との間の静電容量を変えたときの本発明の効果の検証例を示す。この検証例は、図４に示すようにフォーカスリング３６をサセプタ１２から上に０．８ｍｍ離して（浮かして）設置した場合と、図５に示すようにフォーカスリング３６をサセプタ１２に密着させた場合（離間距離＝０ｍｍ）とで、イオンの引き込みに支配的に作用する第２高周波（２ＭＨｚ）のパワーとフォーカスリング３６における入熱量との関係を測定したものであり、測定結果を図６に示す。ここで、フォーカスリング３６における入熱量は温度上昇率から求めるものであり、スパッタエネルギーないしスパッタ量に比例する。なお、主静電チャック３８の厚みは０．６ｍｍである。
図６の測定データから、フォーカスリング３６を全然浮かさない場合（図５）に比べて０．８ｍｍ浮かした場合（図４）は、フォーカスリング３６における入熱量が約２／３に低減することが判り、このことからフォーカスリング３６におけるスパッタ量が約２／３に低減することが推定され、ひいてはフォーカスリング３６の寿命が約１．５倍延びることが予測できる。
なお、図４の構成例では、浮かしたフォーカスリング３６を支持するために、円周方向に所定の間隔（たとえば１２０°間隔）を置いてフォーカスリング３６とサセプタ１２との間に高さ０．８ｍｍのガラス製スペーサ（図示せず）を挿入している。
ところで、図４の構成例において、フォーカスリング３６とサセプタ１２との間のギャップ空間７０は比誘電率１の真空である。このギャップ空間７０を周辺誘電体４２に置き換える場合、周辺誘電体４２の比誘電率がたとえば９（アルミナ）であるとすると、周辺誘電体４２の厚みを７．２ｍｍ（０．８ｍｍ×９）に選ぶと、上記ギャップ空間７０と等価な静電容量が得られる。つまり、同一材質の主静電チャック３８と周辺誘電体４２との関係では、主静電チャック３８の厚みに比して周辺誘電体４２の厚みが１２倍（７．２ｍｍ／０．６ｍｍ）であるときに、図４の構成例と等価な静電容量が得られる。
このように、周辺誘電体４２の厚みを大きくするほど、好ましくは主静電チャック３８の厚みの約１０倍以上にすることで、フォーカスリング３６の寿命を大きく延ばすことができる。もっとも、周辺誘電体４２の厚みが大きすぎると、第１高周波（４０ＭＨｚ）も通り難くなって、フォーカスリング３６上方のプラズマ生成が弱められ、ひいては半導体ウエハＷ上のプラズマ密度分布にも悪影響が出てくる。したがって、周辺誘電体４２の厚みは、無制限に大きくするのもよくなく、主静電チャック３８の厚みを基準にして、通常はその２０倍以下に選定するのが好ましい。
次に、図７〜図１３につき、この実施形態のプラズマエッチング装置における本発明の応用例を説明する。
図７の応用例は、フォーカスリング３６を半径方向で内側フォーカスリング３６Ａと外側フォーカスリング３６Ｂとに２分割している構成を特徴としている。より詳細には、内側フォーカスリング３６Ａが主静電チャック３８の外周エッジに隣接して配置され、外側フォーカスリング３６Ｂが内側フォーカスリング３６Ａの外周面に隣接して配置される。そして、主静電チャック３８に保持される半導体ウエハＷの外周エッジと外側フォーカスリング３６Ｂの内周面との間に形成される隙間７２が内側フォーカスリング３６Ａの上に位置するように、内側フォーカスリング３６Ａが配置される。さらに、内側フォーカスリング３６Ａと外側フォーカスリング３６Ｂとの間の隙間７４がラビリンス構造となっている。
一般に、フォーカスリングはその上面から次第に消耗していくが、特に被処理基板の外周エッジと隣接する内周側の部分が最も強くイオンスパッタされ最も早く消耗する。図７のような２分割方式においては、内側フォーカスリング３６Ａの方が外側フォーカスリング３６Ｂよりも早く消耗する。ここで、両リング３６Ａ，３６Ｂは分離可能な別体で個別に交換可能となっている。内側フォーカスリング３６Ａの寿命が限界に達したときは、それだけを新品と交換すればよく、外側フォーカスリング３６Ｂはそのまま継続使用することができる。
また、内側フォーカスリング３６Ａと外側フォーカスリング３６Ｂとの間の隙間７４にイオンが入ってきてもラビリンスの壁にアタックするので、周辺チャック４５または周辺誘電体４２に達するおそれはない。
なお、周辺静電チャック４５においては、上記ラビリンス構造の接触面を通じて外側フォーカスリング３６Ｂが内側フォーカスリング３６Ａを下に押し付けるので、導電体４４は外側フォーカスリング３６Ｂの直下に限定して設けるだけでよい。
図８に示す応用例は、フォーカスリング３６をサセプタ１２に対して上方に離間可能とし、かつその高さ位置を可変調整できる構成を特徴としている。フォーカスリング３６の真下でサセプタ１２に鉛直方向の貫通孔７２が形成され、この貫通孔７２に擦動可能に通される支持棒７５の先端がフォーカスリング３６の下面に結合される。支持棒７５の基端部は、チャンバ１０の外に配置されているアクチエータ７６に結合または支持されている。アクチエータ７６は、支持棒７５を上下に移動させてフォーカスリング３６の高さ位置を任意に調整できる。貫通孔７２にはＯリング等のシール部材７８が設けられる。図示の構成例は、フォーカスリング３６を内側フォーカスリング３６Ａと外側フォーカスリング３６Ｂとに２分割しており、外側フォーカスリング３６Ｂの高さ位置を可変としている。なお、貫通孔７２、支持棒７５、アクチエータ７６は、円周方向に所定の間隔を置いて複数個所（たとえば３箇所）に設けられる。
かかる構成においては、フォーカスリング３６Ｂとサセプタ１２との間に形成される真空ギャップ８０が静電容量を与える絶縁部として働く。真空ギャップ８０は、比誘電率が非常に小さいので、ギャップ幅（厚み）が小さくても、静電容量を下げる効果は大きい。さらに、主静電チャック３８に吸着保持される半導体ウエハＷの主面（上面）に対してフォーカスリング３６Ｂの上面を適度に高くすることで、図９Ａに示すように、半導体ウエハＷおよびフォーカスリング３６に沿って形成されるイオンシースのシース／バルクプラズマ境界面８２を段差のない水平面に揃え、イオンシース内の電界ベクトルの向きつまりイオン引き込み方向を鉛直方向に揃えることができる。このように半導体ウエハＷとフォーカスリング３６Ｂとの境界付近でイオンの引き込みを鉛直方向に揃えることにより、半導体ウエハＷのエッジ付近におけるエッチング加工の垂直性を保障するとともにウエハの周面に対するイオンアタックを効果的に抑制することができる。
因みに、図９Ｂに示すように、半導体ウエハＷの上面とフォーカスリング３６Ｂの上面とが略同じ高さ（面一）になっていると、両者（Ｗ，３６）の境界上方でシース／バルクプラズマ境界面８２に段差または傾斜が形成され、半導体ウエハＷのエッジ付近に斜め上方からアタックするイオンが増加する懸念がある。
なお、イオンシースが半導体ウエハＷの直上よりもフォーカスリング３６Ｂの直上で薄いのは、上記のように本発明によりフォーカスリング３６Ｂ側で高周波 の伝搬性が抑制され、電子電流が低減するためである。
図１０に示す応用例は、フォーカスリング３６とサセプタ１２との間に設ける周辺誘電体４２を中空リングに形成し、その中にたとえばガルデンあるいはフロリナート等の高誘電率を有する誘電性液体Ｑを容積可変に収容する構成を特徴としている。より詳細には、周辺誘電体４２内の液体Ｑの容積を可変するために、チャンバ１０の外に配置するタンク８４に誘電性液体Ｑを貯留し、このタンク８４と中空リング型周辺誘電体４２とを連通管８６およびベント管８８で接続している。連通管８６を介してタンク８４内の液面と中空リング型周辺誘電体４２内の液面とが同一になるので、タンク８４の高さ位置を調整することで中空リング型周辺誘電体４２内の液面の高さひいては誘電性液体Ｑの容積を可変することができる。そして、周辺誘電体４２内の液体Ｑの容積を可変することで、周辺誘電体４２全体の静電容量を可変することができる。周辺誘電体４２の中、たとえばその上壁部の内部に、静電チャック用の導電体（図示せず）を設けることも可能である。
図１１の応用例は、フォーカスリング３６とサセプタ１２との間にハード的またはメカニカルに静電容量を可変するための機構を設けている。より詳細には、サセプタ１２主面の外周部に環状の凹所９０を形成するとともに、この凹所９０の上にギャップ９２を隔てて環状の導体９４を配置し、この導体９４の上に周辺誘電体４２とフォーカスリング３６を積み重ねている。そして、環状の凹所９０および環状導体９４の（半径方向）外側に環状または円弧状の可変容量結合部材９６を上下に変位可能に配置する。可変容量結合部材９６の高さ位置を調整することで、この部材９６と環状導体９４との間の対向面積ひいては静電容量を可変し、ひいてはサセプタ１２の凹所９０とフォーカスリング３６との間の静電容量を可変することができる。
上記のような容積可変の誘電性液体Ｑあるいはハード的な可変容量結合部材９６を用いる静電容量可変機構に代えて、図示省略するが、一般の可変コンデンサをサセプタ１２とフォーカスリング３６との間に電気的に接続する構成も可能である。
上記のような静電容量可変機構あるいは可変コンデンサを用いてフォーカスリング３６とサセプタ１２間の静電容量を可変することにより、半導体ウエハＷ上およびフォーカスリング３６上のイオンシース分布やプラズマ密度分布を任意に制御することができる。
図１２および図１３に、サセプタ構造に係る応用例を示す。これらの応用例は、サセプタ１２を、主静電チャック３８と略同じ口径を有する円板状の主サセプタ１２Ａと、この主サセプタ１２Ａから電気的に絶縁して主サセプタ１２Ａの外周を囲むように環状に延びる周辺サセプタ１２Ｂとに２分割している構成を特徴とする。図１２は、ＲＦプレート１２ｂ上に周辺サセプタ１２Ｂ、周辺静電チャック４５または周辺誘電体４２、フォーカスリング３６を重ねる構成としている。図１３は、ＲＦプレート１２ｂと周辺サセプタ１２Ｂとの間に環状の周辺誘電体１００を挟んでいる。この場合、下部周辺誘電体１００の静電容量と上部周辺誘電体４２の静電容量とが電気的に直列に接続され、その直列コンデンサ回路の合成容量が全体の静電容量となる。
図１２または図１３のサセプタ構造は図１４および図１５の応用例にも利用できる。この応用例は、下部２周波重畳印加方式において、高い方の第１高周波（４０ＭＨｚ）を主サセプタ１２Ａと周辺サセプタ１２Ｂとに印加し、低い方の第２高周波（２ＭＨｚ）を主サセプタ１２Ａだけに印加することを特徴としている。より詳細には、図１４の構成においては、第１高周波電源３０の出力が上記マッチングユニット３２を介して主サセプタ１２Ａに印加されるとともに、整合器１０２を介して周辺サセプタ１２Ｂに印加される。ここで、整合器１０２は、第１高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（周辺サセプタ１２Ｂ、周辺静電チャック４５、フォーカスリング３６、ブラズマ、チャンバ１０等）側のインピーダンスとを整合するように働く。また、図１５の構成においては、マッチングユニット３２の出力端子が、主サセプタ１２Ａに電気的に接続されるとともに、フィルタ１０４を介して周辺サセプタ１２Ｂにも電気的に接続される。フィルタ１０４は、第２高周波（２ＭＨｚ）を遮断して第１高周波（４０ＭＨｚ）を通すハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタでよい。周辺誘電体４２の厚さはそれほど大きくなくてもよく、極端には主静電チャック３８の誘電体３８ａと同等の厚さでもよい。
このように、第２高周波（２ＭＨｚ）を主サセプタ１２Ａに限定して印加し、周辺サセプタ１２Ｂに印加しない構成においては、イオン引き込みに作用する強い電界を主サセプタ１２Ａ上に限定して形成し、周辺サセプタ１２Ｂ上には実質的に形成しないようにすることができる。これによって、半導体ウエハＷではプラズマからイオンを引き込んで異方性エッチングを行い、フォーカスリング３６ではイオンからのアタックを著しく抑制ないし緩和することができる。
一方、第１高周波（４０ＭＨｚ）は、主サセプタ１２Ａ側の経路と周辺サセプタ１２Ｂ側の経路とを分流して処理空間へ流れ、半導体ウエハＷ上方と同等にフォーカスリング３６上方でもエッチングガスをプラズマ励起する。このように、半導体ウエハＷ上方だけでなくフォーカスリング３６上方でもプラズマの生成が良好に行われるので、半導体ウエハＷ上のプラズマ密度分布特性を向上させることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
たとえば、上記した実施形態のプラズマエッチング装置は、サセプタ１２に第１高周波（４０ＭＨｚ）と第２高周波（２ＭＨｚ）とを重畳して印加する下部２周波重畳印加方式を採っている。上記実施形態で使用した第１および第２の高周波のそれぞれの周波数は一例であり、プロセスに応じて任意の周波数を使用できる。通常、プラズマの生成に主として寄与する第１高周波の周波数は１３．５ＭＨｚ以上の値に選ばれ、基板へのイオン引き込みや上部電極へのイオン引き込みに主として寄与する第２高周波の周波数は１３．５６ＭＨｚ以下の値に選ばれてよい。また、本発明は、下部２周波重畳印加方式に限定されず、サセプタ１２に適当な周波数を有する１つの高周波のみ印加する下部１周波印加方式、サセプタ１２と上部電極５６とに異なる周波数の高周波を別々に印加する上部／下部２周波印加方式などにも適用可能である。
本発明は、プラズマエッチングに限定されず、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の他のプラズマ処理にも適用可能である。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。
本発明の一実施形態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。 実施形態の要部（サセプタ上面におけるフォーカスリング回りの構造）を拡大して示す部分拡大断面図である。 実施形態の要部の一変形例を示す部分拡大断面図である。 本発明の効果を検証するために用いた一モデルの要部の構成を示す部分拡大断面図である。 本発明の効果を検証するために用いた別のモデルの要部の構成を示す部分拡大断面図である。 検証結果として高周波パワーとフォーカスリング入熱量との関係を示すグラフである。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 図８の構成の作用を説明するための部分拡大断面図である。 図８の構成の作用を説明するための部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。 実施形態における一応用例の要部の構成を示す部分拡大断面図である。
符号の説明
１０ チャンバ（処理容器）
１２ サセプタ（下部電極）
１２ａ サセプタ本体（ベース）
１２ｂ ＲＦプレート
１２Ａ 主サセプタ
１２Ｂ 周辺サセプタ
２４ 排気装置
２８ 第２の高周波電源
３０ 第１の高周波電源
３２ マッチングユニット
３６ フォーカスリング
３６Ａ 内側フォーカスリング
３６Ｂ 外側フォーカスリング
３８ 主静電チャック
３８ａ 主誘電体
３８ｂ 導電体
４０ 直流電源
４２ 周辺誘電体
４４ 導電体
４５ 周辺静電チャック
５４ 伝熱ガス通路
７５ 支持棒
７６ アクチタエータ
８４ タンク
９６ 可変容量結合部材
１０２ 整合器
１０４ フィルタ

Claims (9)

  1. 真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板を載置する第１の電極と、
    前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、
    前記第１の電極または前記第２の電極のいずれかに第１の周波数を有する第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、
    前記第１の電極の内部に形成されている冷媒室に所定温度の冷媒を循環供給する温度制御部と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記第１の電極の主面の前記基板を載置する基板載置部に設けられる主誘電体と、
    前記基板載置部よりも外側に位置する前記第１の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第１の電極に取り付けられるフォーカスリングと、
    前記主誘電体により前記第１の電極と前記基板との間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも小さな単位面積当たりの静電容量を前記第１の電極と前記フォーカスリングとの間に与えるように、前記第１の電極の主面の周辺部の上に設けられる周辺誘電体と、
    前記第１の電極の主面の周辺部と前記周辺誘電体との接触界面および前記周辺誘電体と前記フォーカスリングとの接触界面に挿入される伝熱シートと
    を有し、
    前記第１の電極の主面上で、前記周辺部は前記基板載置部よりも一段低く形成され、
    前記周辺誘電体と前記主誘電体とが同一の材質からなり、前記周辺誘電体が前記主誘電体よりも大きな厚さを有する、
    プラスマ処理装置。
  2. 前記周辺誘電体は、前記主誘電体の１０〜２０倍の厚さを有する、請求項１に記載のプラスマ処理装置。
  3. 真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、
    前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、
    前記第１の電極または前記第２の電極のいずれかに第１の周波数を有する第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記第１の電極の主面の前記基板を載置する基板載置部に設けられる主誘電体と、
    前記基板載置部よりも外側に位置する前記第１の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第１の電極に取り付けられるフォーカスリングと、
    前記主誘電体により前記第１の電極と前記基板との間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも小さな単位面積当たりの静電容量を前記第１の電極と前記フォーカスリングとの間に与えるように、前記第１の電極の主面の周辺部に設けられる周辺誘電体と
    を有し、
    前記周辺誘電体が、中空に形成され、その中に容積可変の流動性誘電体物質を含む、プラスマ処理装置。
  4. 真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、
    前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、
    前記第１の電極または前記第２の電極のいずれかに第１の周波数を有する第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記第１の電極の主面の前記基板を載置する基板載置部に設けられる主誘電体と、
    前記基板載置部よりも外側に位置する前記第１の電極の主面の周辺部を覆うように、前記第１の電極に取り付けられるフォーカスリングと、
    前記主誘電体により前記第１の電極と前記基板との間に与えられる単位面積当たりの静電容量よりも小さな単位面積当たりの静電容量を前記第１の電極と前記フォーカスリングとの間に与えるように、前記第１の電極の主面の周辺部に設けられる周辺誘電体と
    を有し、
    前記フォーカスリングが、前記主誘電体の外周エッジに隣接して配置される第１の環状体と、前記第１の環状体の外周面に隣接して配置される第２の環状体とを有し、
    前記第１の電極の前記基板載置部の上に載置される前記基板の外周エッジと前記第２の環状体の内周面との間に形成される隙間が前記第１の環状体の上に位置するように、前記第１の環状体が配置され、
    前記フォーカスリングに対する静電吸着力を生成するための第２の導電体が前記第２の環状体と対向する位置に限定して前記周辺誘電体の中に設けられる、
    プラスマ処理装置。
  5. 前記主誘電体の中に第１の導電体が設けられ、前記第１の導電体に前記基板に対する静電吸着力を生成するための直流電圧が印加される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  6. 前記主誘電体と前記基板との間に伝熱用の不活性ガスを供給するための第１の伝熱ガス供給部を有する請求項５に記載のプラスマ処理装置。
  7. 前記周辺誘電体の中に第２の導電体が設けられ、前記第２の導電体に前記フォーカスリングに対する静電吸着力を生成するための直流電圧が印加される、請求項３〜６のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
  8. 前記周辺誘電体と前記フォーカスリングとの間に伝熱用の不活性ガスを供給するための第２の伝熱ガス供給部を有する請求項７に記載のプラスマ処理装置。
  9. 前記第１の電極に前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波を印加する第２の高周波給電部を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラスマ処理装置。
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