JP6583926B2 - 高周波プラズマ内のイオン流を制御する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は高周波プラズマ内のイオン流を制御する方法及びその方法を適用するためのシステムに関する。

本発明は、より具体的には、高周波容量結合プラズマ（ＲＦ−ＣＣＰ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）用のリアクタの電極上にイオン流を非対称に生成するための方法に関する。

本発明はまた、本発明のイオン流の制御を使用した基板上のプラズマ処理の方法に関する。

現在、プラズマは産業、特にマイクロエレクトロニクス及び光起電力デバイスの分野で顕著であるが、テキスタイル産業及びプラスチック産業でも盛んに使用されている。

プラズマ処理の方法は概して、蒸着の方法、エッチングの方法、及び基板表面改変の方法に分けることもできる。

本発明はこれらのすべてのタイプのプラズマ蒸着及び、すべての産業に適用され得る。

容量結合高周波プラズマは、半導体の製造又はソーラーパネルの大きな表面の生産などの広範な産業手法に使用される。２つの電極の間で放電が起こされ、第１の電極に高周波電圧が印加され、第２の電極が、リアクタのチャンバ壁と同じ電位の、すなわち接地されたカウンター電極を形成する。

幾何学的に非対称、すなわち表面の異なる２つの電極を有するプラズマリアクタ・チャンバを使用すると、電極上のイオン流を変化させることができるが、イオンのエネルギーの変化が伴う。さらに、この性質は産業用リアクタへ向けた移行の過程で失われることが多く、その理由は、リアクタが大型化することにより構成が幾何学的に対称になるからである。

この問題に対処するために、プラズマの通電源として複数の高周波高調波のコヒーレント加算を使用する。

よって、２００８年８月、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．４１、ｎｏ．１６、１６５２０２頁に発表されたＢ．Ｇ．Ｈｅｉｌ、Ｕ．Ｃｚａｎｅｔｚｋｉ、Ｒ．Ｐ．Ｂｒｉｎｋｍａｎｎ及びＴ．Ｍｕｓｓｅｎｂｒｏｃｋの「Ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍａｋｉｎｇ ａ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ＲＦ−ＣＣＰ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ」と題する論文に、２つの高周波高調波のコヒーレント加算として非正弦波を使用した結果の電気的非対称効果（ＥＡＥ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｓｙｍｍｅｔｒｙ ｅｆｆｅｃｔ）について記載されている。

発明者が上記の著者である欧州特許出願第２２４９３７２Ａ１号に、プラズマに暴露された電極シートの電界間に非対称に振幅を電気誘導するための方法が記載されている。イオンのエネルギーは、少なくとも２つの高調波周波数成分を有する高周波電圧を、両方の周波数成分間の位相を制御しながら印加することにより、片方の電極に対して自己バイアス電圧を発生させることによって調節される。周波数の高い方の成分のうち少なくとも１つは、最も周波数の低い成分の偶数倍である。よって、この方法により、両方の周波数成分間の位相の調節を通してイオンのエネルギーを調節することによって、サイズの大きい基板のプラズマ面を処理することができる。

上記のどちらの文献でも、位相の調節を通して波形が選択されるが、これは電極に到着するイオンのエネルギーを変調するためであり、ある電極上の流れを他の電極との関係においてに変調するために選択されるのではない。

プラズマの高周波通電のためには、台形の電圧波形の使用もまた知られている。

欧州特許出願第２４０７９９８Ａ１号に、基板を収容する容量結合プラズマリアクタの少なくとも１つの電極を通電（ｅｎｅｒｇｉｚｅ）するための方法が記載されている。電極は、台形波形を有する高周波電圧を印加することによって通電される。プラズマの密度、並びに基板との関係におけるイオン及び中性化学種の流量は、台形波形の立ち上がりエッジの期間及び／又は立ち下がりエッジの期間を調節することにより制御される。基板付近のイオン・エネルギーの分布関数は、台形波形の振幅及び上側平坦部と下側平坦部の間の相対期間を調節することにより制御されてもよい。

欧州特許出願第２４０７９９８Ａ１号には、各電極上のイオン流を制御することの可能性については記載されていない。この文献の中には、上側平坦部及び下側平坦部が抑制され、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの期間が異なる、制限された台形波の波形を使用することの利益について記載又は示唆された部分はない。

最終的に、上側平坦部及び下側平坦部が抑制され、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジの期間が異なる、制限された台形波の波形の使用が既に提案されていることに留意すべきである。

例えば、米国特許第６１６２７０９号で、この提案がなされている。

しかし、この文献では、この方法は電極のイオン照射を操作するために行われるものであり、電極上にイオン流を非対称に生成するために行われるのではない。

欧州特許出願第２２４９３７２Ａ１号 欧州特許出願第２４０７９９８Ａ１号 米国特許第６１６２７０９号

Ｂ．Ｇ．Ｈｅｉｌ，Ｕ．Ｃｚａｎｅｔｚｋｉ、Ｒ．Ｐ．Ｂｒｉｎｋｍａｎｎ、及びＴ．Ｍｕｓｓｅｎｂｒｏｃｋ，「Ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍａｋｉｎｇ ａ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ＲＦ−ＣＣＰ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．４１、ｎｏ．１６、１６５２０２頁、２００８年８月

技術的な課題は、所与の幾何学形状を有する容量結合高周波プラズマリアクタ内のイオン流を、対称性及び非対称性に関して恣意的に制御するための方法を提案することであり、この方法はプラズマに注入される電力に無関係に、ある電極上のイオン流を他方の電極との関係において、又はある化学種グループのイオン流を他との関係において相対的に変調できるようにする。

この目標のために、本発明の目的は、容量結合高周波プラズマリアクタ内でイオン流を非対称に生成する方法であり、このプラズマリアクタは１のガス又は混合ガスを全圧Ｐ下で収容し、第１の電極及び第２の電極（２６）を含み、第１の電極は高周波エネルギーを供給される。

この方法は、波形の基本周期Ｔの基本波に相当する下側周波数を有する周期高周波電圧波形Ｖ（ｔ）で第１の電極に通電するステップを有し、この方法は、
ｕを基本周期Ｔに対する時間ｔの比率として定義された標準時間として、時間と振幅で区間［−１；１］に標準化された電圧波形ｆ（ｕ）が、標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ＳＡＷ（ｕ）の一定の近似度の近似波形であることと、
標準化された鋸歯状高周波関数が、第１の勾配ｐ１を有する標準化された電圧の時間推移の第１の線形部分、及びその直後に続く第２の勾配ｐ２を有する標準化された電圧の時間推移の第２の線形部分からなる基本周期Ｔの周期パターンを有し、第１及び第２の勾配の振幅が異なっていて符号が逆であり、パターンの極小点と極大点が同じ単位振幅を有することと、
近似波形の近似度及びガス又は混合ガスの全圧Ｐが、第１の電極におけるイオン流と第２の電極におけるイオン流の間にイオン流の非対称な外観を生じさせるために十分な高さであることと
を特徴とする。

特定の実施例によれば、イオン流を非対称に生成するための方法は、下記の特質のうち１つ又は複数を、単独又は組み合わせとして含む。
１）第１の勾配ｐ１の絶対値と第２の勾配ｐ２の絶対値のうち最小の絶対値が３．８に等しい値以下であり、好ましくは３以下である。
２）周期高周波電圧波形Ｖ（ｔ）が微分可能であり、１以上の整数ｐをパラメータとして下記の式により定義される勾配非対称性係数Ｆによって測られる勾配非対称性を有し、

ここで、Ｖ’（ｔ）はその波形の時刻ｔにおける微分係数を示し、
Ｆ（ｐ）は、ある閾値以上であり、閾値が整数ｐに依存し、ｐが２に等しいときは０．１に等しい。
３）ガス又は混合ガスの全圧Ｐは閾値圧力値Ｐ_ｓ（ｇａｓ）以上であり、この閾値圧力値Ｐ_ｓ（ｇａｓ）は、ガスの性質によって異なるものであり、標準化された波形が、最も緩い勾配の絶対値が２．５に等しいか波形Ｖ（ｔ）の勾配非対称性係数Ｆ（２）が０．１以上である標準化された鋸歯状関数であるときに、それより上の圧力では前記第１の電極でのイオン流と前記第２の電極でのイオン流の間にイオン流の非対称性が明確に出現する圧力として定義されるものである。
４）ガスが、基板上に材料を蒸着させるため、基板をエッチングするため、及び基板を改変するために適した、アルゴン、二水素、Ｏ_２、Ｃｌ_２、ＨＢｒ、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、ＣＯ、ＳｉＨ_４、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６及び同一構造の炭素鎖、ＳＦ_６、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_ｘＦ_４−ｘ、ＧｅＨ_４、ＧｅＦ_４、ＧｅＨ_ｘＦ_４−ｘ、ＣＣｌ_４、ＣＣｌ_３Ｆ、ＣＣｌ_２Ｆ_２、ＣＦ_３Ｃｌ、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_１２、ＣＨＦ_３、ＢＣｌ_３により構成されるセットに含まれ、ガスがアルゴンである場合は圧力閾値が１００ｍＴｏｒｒに等しい。
５）近似波形の近似度が標準化された近似電圧波形ｆ（ｕ）と標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ｓａｗ（ｕ）を隔てる関数距離ｄの逆数に等しく、その関数距離が、ルベーグの関数距離Ｌ^ｐによって構成されるセットに含まれており、
関数距離ｄが標準化近似波形と標準化された鋸歯状高周波関数を隔てる関数距離ｄ∞であるときに、近似レベルが１．２５以上、好ましくは２以上であり、関数距離ｄ∞が、ｕをｕ＝ωｔ／２πによって定義される標準変数として、解析式

により定義される。
６）ｕを標準化された近似電圧波形の標準時間推移変数として、標準化後の近似電圧波形ｆ（ｕ）が、時間反転によって不変ではない波形、すなわち、ｆ（ｕ）＝ｆ（τ−ｕ）を満たす実定数τが存在しない波形である。
７）標準化された近似電圧波形の、進行指数ｊによって識別される各最大電流について、最大電流の発生時刻ｔ（ｍａｘ（ｊ））を最大電流ｍａ（ｊ）に続く最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の発生時刻ｔ（ｍｉｎ（ｊ））と隔てる期間が、最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の直後の最初の最大電流ｍａｘ（ｊ＋１）の発生時刻ｔ（ｍａｘ（ｊ＋１））を最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の発生時刻ｔ（ｍｉｎ（ｊ））と隔てる期間と異なる。
８）標準化前の近似波形が、ｎを整数として最初のｎ個の高調波周波数に制限された、鋸歯状関数に近似する切り捨て級数展開に等しく、下記の式で表され、

ここで、Ｖ_０は所望のピーク電圧Ｖ_ｐｐを得るために調節される電圧係数であり、級数展開の最初の高調波周波数の数ｎが２以上、ωが基本周波数に対応する角周波数、ｍが０と１の間にある実数パラメータであり、区間［０．５−δ４，０．５＋δ４］に属する値ｍが除外され、δ４が０．１以上、好ましくは０．２以上である。
９）標準化前の近似波形が、ｎを整数として最初のｎ個の高調波周波数に制限された鋸歯状関数に近似する切り捨て級数展開に等しく、下記の式で表され、

ここで、Ｖ_０が所望のピーク電圧Ｖ_ｐｐを得るために調節される電圧係数であり、級数展開の始めの高調波周波数の数ｎが２以上、ωが基本周波数に対応する角周波数であり、
δ３をπ／４以下、好ましくはπ／６以下、さらに好ましくはπ／８以下として、Φが区間

と

との和集合からなる高調波への共通位相シフトである。
１０）標準化前の近似波形が、ｎを整数として最初のｎ個の高調波周波数に制限された、鋸歯状関数に近似する切り捨て級数展開に等しく、下記の式で表され、

ここで、Ｖ_０が所望のピーク電圧Ｖ_ｐｐを得るために調節される電圧係数であり、級数展開の始めの高調波周波数の数ｎが２以上、ωが基本周波数に対応する角周波数であり、
δ２をπ／４以下、好ましくはπ／６以下、さらに好ましくはπ／８以下として、Φが区間

と

との和集合からなる高調波への共通位相シフトである。
１１）標準化前の近似波形が、ｎを整数として最初のｎ個の高調波周波数に制限された、鋸歯状関数に近似する切り捨て級数展開に等しく、高調波の数が３以上、好ましくは４に等しい。
１２）第１及び第２の勾配ｐ１、ｐ２、並びに／又はパラメータｍが、エネルギーを供給される第１の電極で所望の電圧波形を得るために使用されるフィードバック・ループによって調節される。

本発明の目的は、容量結合プラズマクラスタ内での基板のプラズマ処理の方法でもあり、ここで、プラズマリアクタは圧力Ｐ下でガスを収容しており、第１の電極及び第２の電極を含み、第１の電極は高周波エネルギーを供給され、この方法は、第１の電極と第２の電極のうち１つの電極の近傍で処理されるように基板を適位置にセットするステップと、前述したようにイオン流を非対称に生成するステップとを含む。

特定の実施例によれば、基板のプラズマ処理の方法は、下記の特質のうち１つ又は複数を、単独又は組み合わせとして含む。
使用されるガスが、高反応性か、あまり高反応性ではないかのどちらかの、いくつかの化学種を生成する可能性があり、前記化学種が前記基板の処理に有益である場合は、前記反応性化学種の生成を電極に近づけるように移動させるように、また前記化学種の反応性があまり高くなく、且つ前記基板の処理に有害に働く場合は、前記化学種を遠ざけるように移動させるように、通電電圧の波形が調整される。
プラズマ処理方法が、基板上への蒸着のためのプラズマ法、基板をエッチングするためのプラズマ法、及び基板の表面を改変するためのプラズマ法により構成されるセットに含まれる。

本発明の目的はまた、イオン流に非対称性を生成するためのプラズマ処理システムでもあり、このシステムは、
１つのガス又は混合ガスを全圧Ｐ下で収容しており、第１の電極及び第２の電極を含み、第１の電極が高周波エネルギーを供給される、容量結合プラズマリアクタと、
ガス又は混合ガスの全圧Ｐを調節するための手段と、
基本周期Ｔの波形の基本高調波に相当する下側周波数を有する周期高周波電圧波形（Ｖｔ）を生成するために、結合容量を通して第１の電極に接続された電圧波形ジェネレータとを有する。

このプラズマ処理システムは、
ｕを前記基本周期Ｔに対する時間ｔの比率として定義された標準時間として、時間と振幅で区間［−１；１］に標準化された標準化電圧波形ｆ（ｕ）が、標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ＳＡＷ（ｕ）の一定の近似度の近似波形であることと、
標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ＳＡＷ（ｕ）が、第１の勾配ｐ１を有する標準化された電圧の時間推移の第１の線形部分及びその直後に続く第２の勾配ｐ２を有する標準化された電圧の時間推移の第２の線形部分からなる基本周期Ｔの周期パターンを有し、第１及び第２の勾配の振幅が異なっていて符号が逆であり、前記パターンの極小点と極大点が同じ単位振幅を有することと、
近似波形の近似度及びガス又は混合ガスの全圧Ｐが、第１の電極におけるイオン流と第２の電極におけるイオン流の間にイオン流の非対称な外観を生じさせるために十分な高さであることと
を特徴とする。

特定の実施例によれば、このシステムは、下記の特質のうち１つ又は複数を、単独又は組み合わせとして含む。
ガス又は混合ガスの全圧Ｐ及び電圧波形ジェネレータを調節するための手段が、上記に定義されるステップの１つを適用するために構成されている。
第２の電極が接地されているか、又は浮遊電位にセットされている。

本発明は、もっぱら実例として与えられ、図面を参照しながら下記に記載されるいくつかの実施例の説明を読むことにより、より良く理解される。

容量結合高周波プラズマリアクタを用いた本発明による基板のプラズマ処理方法を適用したシステムのアーキテクチャであって、勾配非対称効果を有する波形ジェネレータによって通電されるシステムのアーキテクチャの概略図である。 第１の実施例によって標準化された第１の波形及び第２の電圧の波形を示す図であり、標準化前の通電電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）が［数１２］の式を満たし、それぞれのΦの値がπ／２及び３π／２に等しい図である。 ガスが圧力４００ｍＴｏｒｒ下のアルゴンであり、波形が図２のΦ＝π／２の波形であり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいプラズマ構成での、プラズマの観測点とエネルギーを供給される電極を隔てる準備距離ｘに対するプラズマの時間平均イオン化率〈Ｋ_ｉｚ〉の空間プロファイルを示す図である。 使用されるガスが４００ｍＴｏｒｒに等しい圧力Ｐ下のアルゴンであり、印加される波形が４つの高調波からなり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しく、［数１４］の式を満たすプラズマ構成での、標準化自己バイアス電圧η／Ｖｐｐ及び、両電極におけるイオン流の比率の、区間［０，２］を示す標準化シフト角Φ（／π）に対応したそれぞれの推移を示す図である。 ガスがアルゴンであり、波形が図２のΦ＝π／２の波形であり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいプラズマ構成での、プラズマの観測点とエネルギーを供給される電極を隔てる分離距離ｘに対するプラズマの時間平均イオン化率の推移の、ガス圧をパラメータとする１組の曲線を示す。 ガスがアルゴンであり、波形が図２のΦ＝π／２の波形であり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいプラズマ構成での、エネルギーを供給される電極に向けたシースの両側の電圧の差と接地された電極に向いたシースの両側の電圧の差の比率ΔＶ_ｐ／ΔＶ_ｇ及び、それらの電極におけるイオン流の比率の絶対値｜Γ_ｉｐ／Γ_ｉｇ｜の、区間［１ｍＴｏｒｒ，８００ｍＴｏｒｒ］を示すガスの圧力に対応した、それぞれの推移を示す図である。 使用されるガスが４００ｍＴｏｒｒに等しい圧力Ｐ下のアルゴンであり、印加される波形がｎ個の高調波からなり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しく、Φ＝π／２とともに［数１７］の式を満たすプラズマ構成での、プラズマの通電波形を形成する高調波の数ｎをパラメータとする、平均電子加熱率〈Ｓ_ｅ〉の、距離ｘに対応した空間プロファイルを示す図である。 使用されるガスが４００ｍＴｏｒｒに等しい圧力Ｐ下のアルゴンであり、印加される波形がｎ個の高調波からなり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しく、Φ＝π／２とともに［数１７］の式を満たすプラズマ構成での、プラズマの通電波形を形成する高調波の数ｎをパラメータとする、平均電子加熱率〈Ｓ_ｅ〉の、距離ｘに対応した空間プロファイルを示す図である。 図７ａ及び図７ｂで使用した構成と同じプラズマ構成での、高調波の数ｎをパラメータとする関数としての標準化イオン流の、距離ｘに対応した空間プロファイルを示す。 標準化前の通電電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）が［数２１］の式を満たす、図２の第１の波形及び４つの高調波からなる最適化波形の、２つの期間での比較図である。 標準化前の通電電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）が［数２４］の式を満たし、０と１の間で変化するパラメータｍをパラメータとする１組の波形であって、区間［０．５−δ４，０．５＋δ４］に属するｍに関連する波形のない、本発明の波形の第３の実施例である波形を示す図である。 ガスがアルゴンで、波形が図１０の波形でピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいプラズマ構成での、エネルギーを供給される第１の電極に向いたシースの両側の電圧の差と接地された第２の電極に向けたシースの両側の電圧の差の比率ΔＶ_ｐ／ΔＶ_ｇ及び、それと同じ電極におけるイオン流の比率｜Γ_ｉｐ／Γ_ｉｇ｜の、パラメータｍに従う推移を示す図である。 ガスが８５０ｍＴｏｒｒの圧力Ｐ下にある二水素であり、波形が、４つの周波数をもち、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しい、図９の最適化されていない波形であるプラズマ構成で、エネルギーを与えられる電極と接地された電極での、流体力学に基づくシミュレーションから計算された、イオンＨ^＋、Ｈ２^＋及びＨ３^＋のイオン流の比率｜Γ_ｉｐ／Γ_ｉｇ｜それぞれの絶対値を示す図である。 ガスが８５０ｍＴｏｒｒの圧力Ｐ下にある二水素で、波形が、４つの周波数をもち、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しい、図９の最適化されていない波形であるプラズマ構成で、エネルギーを与えられる電極と接地された電極での、流体力学に基づくシミュレーションから計算された、Ｈ３^＋とＨ^＋の間及びＨ３^＋とＨ２^＋の間のイオン流の比率を示す図である。 図９の第１の最適化されていない標準化された波形と、関連する標準化された鋸歯状関数を隔てる関数距離を観察することのできる、幾何学表現の図である。

本発明及び図１によれば、イオン流を非対称に生成するためのプラズマ処理システム２が、ガス６又は混合ガスを収容する容量結合高周波プラズマリアクタ４ＣＣＰ、処理対象の基板８、プラズマリアクタ４のためのプログラマブルな通電手段１０、リアクタ４のインレット１４に注入（ｉｎｊｅｃｔ）される電圧波形を測定するための手段１２、プラズマに含まれるガス又は混合ガスの全圧Ｐを調節するための手段１６、基板８の表面状態の処理プロセスに従う手段１８、及び電子コンピュータ２０を有する。

プラズマリアクタ４は処理チャンバ２２、第１の高周波電圧波で高周波エネルギーを供給される第１の電極２４、及び、この実例では２８に接地され、電力供給源をもたない第２の電極２６を有する。

或いは、第２の電極は浮遊電位に設定されるか、又は第２の高周波電圧波でバイアスされる。第２の電極がバイアスされる場合は、第１の電極上の第１の高周波電圧波は基準として外部量を仮定し、これは好ましくは第２の電極のものと同じである。

基板８にはプラズマ処理が施されることが意図され、この実例では説明として、接地された、又は電力供給源のない第２の電極２６上に置かれるものとして示されている。或いは、処理対象の基板８は、高周波エネルギーを供給される第１の電極２４の近傍に配置される。実際には、基板８の配置の選択は、促進又は回避を目指す化学反応次第である。

プログラマブルな通電手段１０は、直列接続されたプログラマブル電圧波形ジェネレータ３２、高周波電力増幅器３４及び結合容量３６を有し、結合容量３６はリアクタ４の第１の電極２４と高周波電力増幅器３４の出力の間に接続されている。波形ジェネレータ３２は入力端子３８を含み、この端子は、生成すべき波形の特性パラメータをコンピュータ２０から受け取るためにコンピュータ２０に接続されている。

リアクタ４のインレット１４に注入される電圧波形を測定するための手段１２は、第１の電極２４に注入される通電電圧を測定するためにリアクタ４のインレット１４に接続された高電圧（ＨＶ）プローブ４２及び、第１の電極２４で測定された通電電圧を瞬間ごとに入力端子４６で受け取るためにプローブから出ているオシロスコープ４４を有する。オシロスコープ４４は出力端子５０を含み、この端子は、インレット１４で測定された通電波形の時間推移信号をコンピュータ２０に配信するためにコンピュータ２０に接続されている。

電子コンピュータ２０は第１の出力端子５２を含み、この端子は、生成する波形の特性パラメータとしてコマンドを波形ジェネレータ３２に与えるために、波形ジェネレータ３２に入力端子３８を通して接続されている。コンピュータ２０は、測定された波形を分析するために、オシロスコープ４４によって提供される、測定された通電電圧の時間的推移信号を受け取るように構成されており、分析は、例えば、測定された波形を適切な信号に基づいて分解し、次に測定された波形と分析結果の波形を本発明による第１の電極２４における所望の波形を使用して比較し、プログラマブルな波形ジェネレータ３２によって生成された波形の特性パラメータを改変することにより、測定された波形を比較結果に応じて補正することによって行われる。

よって、第１の電極２４上の所望の波形は、直列接続された一連の要素、すなわち波形ジェネレータ３２、高周波電力増幅器３４、結合容量３６、ＨＶプローブ４２、オシロスコープ４４及びコンピュータ２０によって作られたフィードバック・ループ５４を使用して生成される。

コンピュータ２０はまた、この実例では第２の出力端子５６も含み、この端子は、リアクタ４に収容されたガス６の所望の圧力設定値を提供する目的でガスの圧力Ｐを調節するための手段１６の入力に結合されている。

或いは、リアクタ４に収容されたガス６又は混合ガスの所望の全圧設定値は手動で提供される。

プログラマブルな電圧波形ジェネレータ３２は、その波形の基本高調波に相当する下側周波数、Ｖ_ｍａｘとして示される正の最大振幅、及びＶ_ｍｉｎとして示される負の最小振幅を有する高周波（ＲＦ）電圧波形Ｖ（ｔ）を生成するように構成される。これらの振幅の絶対値Ｖ_ｍａｘ及び−Ｖ_ｍｉｎは、この実例では等しいと仮定されるが、或いは、それらは異なっていてもよい。

振幅と時間で標準化され、ｆ（ｕ）として示される電圧波形は、波形Ｖ（ｔ）から変換によって定められてもよく、その変換ではｕ＝ｔ／Ｔで、Ｖ_ｍａｘとＶ_ｍｉｎにそれぞれ対応するｆ_ｍａｘとｆ_ｍｉｎがｆ_ｍａｘ＝−ｆ_ｍｉｎ＝１である。

振幅と時間で標準化され、ｆ（ｕ）として示される電圧波形は次の式によって定義される。

振幅と時間で標準化される電圧波形ｆ（ｕ）は、振幅と時間で標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ＳＡＷ（ｕ）の、ある近似度での近似波形である。

標準化された鋸歯状高周波関数は、第１の勾配ｐ１を有する標準化された電圧の時間推移の第１の線形部分及びその直後に続く第２の勾配ｐ２を有する標準化された電圧の時間推移の第２の線形部分からなる連続基本周期Ｔの周期パターンを有し、第１及び第２の勾配ｐ１、ｐ２の大きさが異なっていて符号が逆であり、パターンの極小点と極大点は同じ単位振幅を有する。

近似波形の近似度及びガスの圧力Ｐは、第１の電極２４におけるイオン流と第２の電極２６におけるイオン流の間にイオン流の非対称な外観を生じさせるために十分な大きさであるように選択される。

周期的な高周波電圧波形Ｖ（ｔ）は微分可能であり、１以上の整数ｐをパラメータとして下記の式により定義される勾配非対称性係数Ｆによって測られる勾配非対称性を有する。

Ｖ’（ｔ）は時刻ｔにおけるその波形の微分係数を示す。

Ｆ（ｐ）の分子は波形Ｖ（ｔ）の周期パターンにおける正の勾配の第１の平均ｍ＋（ｐ）と波形Ｖ（ｔ）の同じ周期パターンにおける負の勾配の第２の平均ｍ−（ｐ）の間の差を表す。

Ｆ（ｐ）の分母は周期波形の微分係数のノルムの大きさを表す。

この波形は、Ｆ（ｐ）が整数ｐに応じて決まる閾値以上であるときに第１と第２の電極上でイオン流の非対称効果を観察するために十分な、勾配非対称性を有する。

好ましくは、ｐは２に設定される。この場合、波形は、Ｆ（２）が０．１に等しい閾値以上であるときに第１と第２の電極上でイオン流の非対称効果を観察するために十分な、勾配非対称性を有する。

波形が明らかな非対称性を有するための必要不十分条件のうち、下記の２つの必要条件について言及すべきである。

第１の条件に従えば、ｕを標準化された近似電圧波形の標準時間推移変数として、標準化後の近似電圧波形ｆ（ｕ）は、時間反転によって不変ではない波形、すなわち、ｆ（ｕ）＝ｆ（τ−ｕ）を満たす実定数τが存在しない波形でなければならない。

第２の条件に従えば、標準化された近似電圧波形の、進行指数ｊによって識別される各最大電流について、最大電流の発生時刻ｔ（ｍａｘ（ｊ））を最大電流ｍａｘ（ｊ）に続く最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の発生時刻ｔ（ｍｉｎ（ｊ））と隔てる期間は、最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の直後の最初の最大電流ｍａｘ（ｊ＋１）の発生時刻ｔ（ｍａｘ（ｊ＋１））を最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の前記発生時刻ｔ（ｍｉｎ（ｊ））と隔てる期間と異なる。

この両方の条件は、整数ｐがどのような値であっても勾配非対称性係数Ｆ（ｐ）がゼロではないときに満たされる。

また、この両方の条件は、標準化された波形が、逆の符号の勾配ｐ１とｐ２が異なる絶対値を有する鋸歯状関数に十分近いときに満たされる。

図２及び本発明の第１の実施例によれば、第１の曲線１０２は第１の波形をもつ標準化された通電電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）の時間的推移を表し、標準化前の通電電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）は、π／２に等しいΦの特定の値について式

を満たす。

Ｖ_０は電圧係数を指し、ωは角周波数であり、この実例では１３．５６ＭＨｚの周波数ｆｒに対応する（ω＝２πｆｒ）。この実例ではＶ_０は、２００Ｖに等しい所望のピーク間電圧Ｖ_ｐｐを提供するように設定される。

第２の曲線１０４は、第２の波形をもつ標準化された通電電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）の時間的推移を表し、標準化前の通電電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）は、３π／２に等しいΦの値について式

を満たす。

この両方の波形について、電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）の最小値に対する最大値の比率に少なくとも等しい係数αを使用して推定される波形の振幅の非対称性は、１に等しい。よって、この場合、振幅の影響からは非対称性は生じない。

第１の波形１０２は、ある期間にわたり、約２．５に等しい正の勾配ｐ１をもつ第１の傾斜に全体として近い第１の信号上昇部分及び、約−１０に等しい第２の負の勾配ｐ２をもつ第２の傾斜に全体として近い第２の信号低下部分を有する。

同様に、第２の波形１０４は、ある期間にわたり、約−２．５に等しい負の勾配をもつ第１の傾斜に全体として近い第１信号低下部分及び、約１０に等しい第２の正の勾配をもつ第２の傾斜に全体として近い第２の信号上昇部分を有する。

よって、本発明の第１の実施例の第１及び第２の電圧波形は、それ自体をそれぞれ、一定の近似度をもつ第１の高周波鋸歯状関数及び第２の高周波鋸歯状関数の近似波形と考えてもよく、それぞれ振幅で標準化された第１及び第２の高周波鋸歯状関数の傾斜勾配（ｐ１；ｐ２）は、（２．５；−１０）と（−２．５；１０）にそれぞれ等しい。

図３によれば、第３の曲線１１２は、プラズマの観測点とエネルギーを供給される第１の電極を隔てる分離距離ｘに対応したプラズマの時間平均イオン化率〈Ｋ_ｉｚ〉のＰＩＣ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｎ Ｃｅｌｌ：セル内粒子）シミュレーションによるシミュレーションを使用して計算された、空間プロファイルを示す図である。

本明細書では、プロファイルは、ガスが圧力４００ｍＴｏｒｒ下のアルゴンであり、波形が図２のΦ＝π／２の波形であり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいプラズマ構成について計算される。

通電信号が、高エネルギー電子の密度の非対称な空間分布をプラズマ内に生成した。すなわち、１つの電極、ここではＲＦエネルギーを供給される第１の電極２４上の高エネルギー電子の密度が、他方の電極、ここでは接地された第２の電極２６上の密度よりも高くなっている。これにより、ここではアルゴンである、注入されたガスによって異なる化学種の生成率もまた、図３に示される非対称な空間分布を有し、ここでは、プラズマの時間平均イオン化率〈Ｋ_ｉｚ〉は、第１の電極２４では第２の電極２６で観測される値の２倍の大きさである。

これにより、例えば、ある材料の蒸着又はエッチングを高速化できるように、ここでは第１の電極２４である１つの電極に到着する流量を増加させる可能性がある。この、第１の電極２４での流量の増加は、イオンのエネルギーを増加させることなく達成される。

有利には、他方の電極、ここでは第２の電極２６では、イオンの流量はより少ない。

そのような効果により、第１の電極上で蒸着若しくはエッチング、又は、基板の目的の表面の改変をより迅速に行うことにより、また、それによって、蒸着若しくはエッチング又は目的の表面の改変に要する時間を削減することにより、或いは、第２の電極上での蒸着若しくはエッチング又は目的の表面の改変を減少させることにより、また、それによって第２の電極の洗浄又は交換の保守時間を削減することにより、基板のプラズマ処理プロセスの歩留まりが上がる可能性が得られる。

この勾配非対称性効果を観測するには、ガスの圧力が十分であること、すなわち、ここではアルゴンの圧力が、１００ｍＴｏｒｒ以上であることが必要なことに留意されたい。

ここで、第１の波形を形成する高調波の数は４に等しく、これは鋸歯状信号を近似する能力と通電波形の生成の簡単さの妥協点として適当である。

図４によれば、第１の曲線１２２は、使用されるガスが４００ｍＴｏｒｒに等しい圧力Ｐ下のアルゴンであり、印加される波形が４つの高調波からなり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しく、式

を満たすプラズマ構成でのシミュレーションによって計算された、標準化された自己バイアス電圧η／Ｖｐｐが示す、区間［０，２］の標準化シフト角Φ（／π）に対応した推移を示す。

第２の曲線１２４は、同じプラズマ構成での、電極でのイオン流の比率の、標準化シフト角Φ（／π）に対応した推移を示す。

自己バイアス電圧ηは、位相シフトΦ＝π／２では正で、図２の第１の波形に対応し、Φ＝３π／２では負で、図２の第２の波形に対応する。

電極におけるイオン流の比率｜Γ_ｉｐ／Γ_ｉｇ｜は、ＲＦエネルギーを供給される第１の電極に到着するイオンの流量Γ_ｉｐの接地された第２の電極２６に到着するイオンの流量Γ_ｉｇに対する比率の絶対値として定義され、Φ＝π／２では単位元より大きく、Φ＝３π／２では単位元より小さい。これは、これらの顕著な例における勾配の非対称効果を示している。

これらの波形の両方について、このようにして最小のイオン衝撃エネルギーＩＢＥ（Ｉｏｎ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ Ｅｎｅｒｇｙ）に対する最大のイオン流量を得る。これらの最適解はΦ＝π／２の場合はエネルギーを供給される第１の電極２４に対応し、Φ＝３π／２の場合は接地された第２の電極２６に対応する。

本発明の第２の実施例によれば、曲線１２２及び１２４の両方で、図２に示される両方の関数のクラスを第２の関数項にまで拡大して、それらの２つの同じ非対称鋸歯状関数を図２の第１及び第２の波形に関連する勾配とは異なる勾配に近似することができる。本発明による電圧波形の第２の関数項は、Φ∈［π／２−δ１，π／２＋δ１］∪［３π／２−δ１，３π／２＋δ１］として、式

を満たす。

δ１は、π／４以下、好ましくはπ／６以下、より好ましくはπ／８以下であるように選択される。

図５によれば、それぞれ２０ｍＴｏｒｒ、１００ｍＴｏｒｒ、２００ｍＴｏｒｒ、４００ｍＴｏｒｒ、８００ｍＴｏｒｒに等しいガス圧の値をパラメータとする第１、第２、第３、第４、第５の曲線１３２、１３４、１３６、１３８、１４０は、ガスがアルゴンであり、波形が図２のΦ＝π／２の波形であり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいプラズマ構成での、プラズマの観測点とエネルギーを供給される電極２４を隔てる分離距離ｘに対するプラズマの時間平均イオン化率〈Ｋ_ｉｚ〉の推移の曲線を示す。

第１の曲線１３２は、２０ｍＴｏｒｒに等しい最小の圧力Ｐでは、イオン化がプラズマの中核で発生し、第１の電極と第２の電極を隔てる中心軸の周囲で対象の輪郭を有することを示す。

Ｐが上昇すると、電極の近傍でイオン化率の上昇が起こり、第１の電極２４の側と第２の電極２６の側の間に鮮明な非対称性が出現する。

図６によれば、第１の曲線１４２及び第２の曲線１４４は、ガスが圧力４００ｍＴｏｒｒ下のアルゴンであり、波形が図２のΦ＝π／２のものであり、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいプラズマ構成での、エネルギーを供給される電極に向けたシースの両側の電圧の差と接地された電極に向けたシースの両側の電圧の差の比率ΔＶ_ｐ／ΔＶ_ｇ及び、それらの電極におけるイオン流の比率｜Γ_ｉｐ／Γ_ｉｇ｜の、区間［１ｍＴｏｒｒ，８００ｍＴｏｒｒ］を示すガスの圧力に対応した、それぞれの推移を示す。

図６に示されるように、非常に低い圧力、ここではＰ＝２０ｍＴｏｒｒのアルゴンガスでは、非対称性は現れない。イオン流の最大衝撃エネルギーＩＢＥに関して、非対称性の増加は圧力Ｐの増加に線形に対応しないことに留意されたい。非対称性は、１００ｍＴｏｒｒから検出可能で、約２００ｍＴｏｒｒで急激に増加し、その後、緩やかに増加する。

図５及び図６によれば、ガスがアルゴンで、波形が図２の波形のうちΦ＝π／２のものである場合に、圧力は、ガスの圧力Ｐが１００ｍＴｏｒｒ以上のときにイオン流の非対称性を出現させるために十分であるように推定される。波形が図２の第１の波形に応じた鋸歯状の波形である場合、この閾値圧力値はほぼ同一である。

一般に、圧力Ｐが閾値Ｐ_ｓ（ｇａｓ）以上であるときに、イオン流を非対称に生成するために十分であるようにガス圧力Ｐが推定され、閾値Ｐ_ｓ（ｇａｓ）は、ガスの性質によって異なるものであり、標準化された通電波形が緩勾配の絶対値が２．５に等しい標準化された鋸歯状関数であるときに、それより上の圧力では第１の電極でのイオン流と第２の電極でのイオン流の間にイオン流の非対称性が明確に出現する圧力として定義されるものである。ガスの性質によって異なる閾値圧力値Ｐ_ｓ（ｇａｓ）は、標準化された通電波形が、Φ＝π／２として式

で表されるとき、又は波形の勾配非対称性係数Ｆ（２）が０．１に等しいときに、それより高い圧力では第１の電極でのイオン流と第２の電極でのイオン流の間にイオン流の非対称性が明確に出現する圧力として定義されてもよい。

図７ａによれば、第１、第２、第３、第４、第５の空間プロファイル１５２、１５４、１５６、１５８、１６０は、プラズマの通電波形を形成する高調波の個数である代替可能な１から５の数ｎをそれぞれパラメータとして、使用されるガスが４００ｍＴｏｒｒに等しい圧力下のアルゴンであり、適用される波形がｎ個の高調波からなり、Φ＝π／２として式

を満たし、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいプラズマ構成での、電子加熱率の時間平均〈Ｓ_ｅ〉の距離ｘに対応した変動を示す。

図７ｂによれば、第１、第２、第３、第４、第５の空間プロファイル１６２、１６４、１６６、１６８、１７０は、プラズマの通電波形を形成する高調波の個数である代替可能な１から５の数ｎをそれぞれパラメータとして、図７ａと同じプラズマ構成での、プラズマのイオン化率の時間平均〈Ｋ_ｉｚ〉の距離ｘに対応した変動を示す。

図７ａによれば、高調波の数ｎが増加すると、〈Ｓ_ｅ〉の第１の極大点はＲＦエネルギーを提供される第１の電極に近づくが、第２の極大点は接地された第２の電極２６の方向にはほとんど移動しない。これは、エネルギーを供給される第１の電極２４に向けて配置されたシースでのみ、シースの厚みが減少することを意味する。

図７ａでは、電極の付近の〈Ｓ_ｅ〉の極大点の振幅に見られる差は、わずかなものに過ぎない。

それに対して、図７ｂでは、イオン化率の時間平均〈Ｋ_ｉｚ〉のプロファイル内の２つの極大点の間に鮮明な差が見られる。ｎが４以上の場合、エネルギーを供給される第１の電極２４の付近の〈Ｋ_ｉｚ〉の極大点の値は、接地された第２の電極２６の付近の〈Ｋ_ｉｚ〉の極大点の値の少なくとも２倍よりも大きい。

ｎが２以上のときに〈Ｋ_ｉｚ〉のプロファイルに現れる非対称性の結果、図８に示されるように、イオン流は１つの電極と他方の電極の間で異なる。

図８によれば、１から５まで変化する高調波の数ｎに関連する曲線１７２、１７４、１７６、１７８、１８０によって示されるイオン流はそれぞれ、接地された第２の電極２６で観測されるイオン流との関係において標準化される。第１の電極２４でのイオン流は、接地された第２の電極２６でのイオン流を４０％超えることもある。実際には、高調波の数ｎが１から５まで増えるとき、接地された第２の電極でもわずかにイオン流が増えるが、同時に、エネルギーを与えられる第１の電極でのイオン流はその流れの２倍になる。

本発明の第３の実施例によれば、Φ＝π／２として

と表される電圧波形の式は、この式でΦ＝π／２の値に限定して表される関数のクラスを第３の関数項にまで広げて、同じ２つの非対称鋸歯状関数を、図２の第１及び第２の波形に関連するものよりも常に傾斜させて近似することができる。本発明による電圧波形の第３の関数項は、Φ∈［π／２−δ２，π／２＋δ２］∪［３π／２−δ２，３π／２＋δ２］として、式

を満たす。

δ２は、π／４以下、好ましくはπ／６以下、より好ましくはπ／８以下であるように選択される。

図９によれば、図２の第１の最適化されていない波形１０２を最適化した波形１８２は、第１の最適化されていない波形１０２の最も急峻な２つの立ち上がりエッジを最小化することによって、最適化されていない波形１０２に対応する鋸歯状関数１８４により近づけられている。最適化された波形１８２の式は、

と表される。

ここでＶ_０は電圧係数を指し、ωは角周波数であり、この実例では１３．５６ＭＨｚの周波数ｆに対応する（ω＝２πｆ）。この実例ではＶ_０は、２００Ｖに等しい所望のピーク間電圧Ｖ_ｐｐを得るように設定される。

第３の実施例で行ったのと同様に、本発明の第４の実施例によれば、最適化された波形１８２の式は、Φ＝π／２の値に限定し、高調波の数ｎを４に限定して式

によって表される関数のクラスを第４の関数項まで広げて、同じ２つの非対称鋸歯状関数を、図２の第１及び第２の波形に関連するものよりも常に傾斜させて近似する。本発明による電圧波形の第４の関数項は、式

を満たす。

、
ここでｎは２以上の高調波の個数であり、ΦはΦ∈［π／２−δ３，π／２＋δ３］∪［３π／２−δ３，３π／２＋δ３］となるような高調波中の一様な位相シフト角を指す。

δ３は、π／４以下、好ましくはπ／６以下、より好ましくはπ／８以下であるように選択される

本発明の第５の波形の実施例によれば、式

によって定義される波形のセットを使用することによって放電の非対称性を継続的に変化させることができる。

ここでｎは高調波の数、ｍは、無限個の周波数で波形が構成されるときに、ある期間での小数ｍの位置に波形の極小点がくるようなパラメータである。ｍが０に近づくと、波形は、ある最適化された様式で、ｎ次高調波で切り詰められた上り鋸歯状波形（Φ＝π／２）に近づく。ｍが１に近づくと、波形は図９に示される最適化された様式で、ｎ次で切り詰められた下り鋸歯状波形（Φ＝３π／２）、つまり上り勾配よりも緩やかな下り勾配を有する波形に近づく。ｎ次高調波で切り詰められた対称形の三角形に近いかその三角形である波形に対応する、０．５に近いか０．５に等しいｍの値は除去する必要がある。よって、ｍは次式を満たす必要がある。
Φ∈［０；０．５−δ４］∪［０．５＋δ４；１］

δ４は、０．１以上であるように、好ましくは０．２以上であるように選択される。

図１０によれば、０から１の間で変化するパラメータｍの１１個の異なる値をパラメータとする１１個の波形が、高調波ｎの個数を４として示されている。この場合、標準化前の波形の通電電圧Ｖ_ＡＣ（ｔ）は次式を満たす。

除去すべきｍの値の区間［０．５−，０．５＋］が図１０に描かれ、参照番号２０２で示されている。

図１１は、ガスが４００ｍＴｏｒｒに等しい圧力下にあるアルゴンで、波形が、高調波の個数が４に等しく、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しいとしてパラメータｍによって変調された波形であるプラズマ構成で、ｍの変化が放電の非対称性に及ぼす影響を示す。

第１の曲線２１２は、給電された第１の電極２４に近いシースを通した電圧と、接地された第２の電圧２６に向けたシースを通した電圧の電圧比率ΔＶ_ｐ／ΔＶ_ｇの時間に対応した変化を、パラメータｍの関数として示す。

第２の曲線２１４は、同じ電極でのイオン流の比率の絶対値｜Γ_ｉｐ／Γ_ｉｇ｜の時間に対応した変化を示す。

予想されるように、ｍ’＝１−ｍの効果はｍの効果とは逆である。さらに、ｍが、０．５より低い値又は高い値を通って０．５に近づくと、非対称性が減少する。よって、第５の実施例の波形の式に記載される解析式は、放電の非対称性を継続的に変化させるための手段である。

ｍが０から０．１まで増加するときに非対称性が減少しないことに留意されたい。これは、負の勾配は大きく変化しないが正の勾配は緩くなるために急峻な立ち上がりが制限されることに起因する。よって、０．１＜ｍ＜０．９のとき、効果はほぼ線形である。

図１２によれば、ガスが二水素であり、波形が、ピーク間電圧Ｖｐｐが２００Ｖに等しい、図９の４つの周波数をもつ最適化されていない波形１０２であるプラズマ構成で、エネルギーを与えられる電極と接地された電極でのイオン流の比率｜Γ_ｉｐ／Γ_ｉｇ｜が、イオンＨ^＋、Ｈ_２ ^＋及びＨ_３ ^＋についてそれぞれ示されている。

図１３によれば、図１２のものと同じプラズマ構成で、各電極上の、Ｈ_３ ^＋とＨ^＋の間及びＨ_３ ^＋とＨ_２ ^＋の間のイオン流の比率が示されている。

よって図１２及び図１３は、例えば水素ガスでは化学種Ｈ_２ ^＋、Ｈ_３ ^＋、Ｈ^＋などの、いくつかの化学種がプラズマ内に存在するとき、それらの化学種がどちらも、他の化学種を生成しながら消滅する前に短い距離しか移動できないという意味で反応性が高い場合には、化学種を電極の近くで生成すると有利であり得、また処理プロセスを電極上で行うと有益であり得ることを示す。逆に、後者の反応性があまり高くなく、前述の電極上で行われるプロセスにとって有害になるであろう場合は、化学種を電極から離れた所で生成することのみが有用であり得る。その場合、電極の近傍では化学種の濃度は低くなると推測される。

一般に、圧力Ｐ下のガスを収容し、高周波エネルギーを供給される第１の電極及び接地された第２の電極を含む容量結合高周波プラズマリアクタ内でイオン流を非対称に生成するための、本発明による方法は、波形の基本高調波に相当する下側周波数を有する高周波電圧波形で第１の電極にエネルギーを与えるステップを有する。

振幅及び時間で標準化された電圧波形は、振幅及び時間で標準化された、ある鋸歯状高周波関数の、一定の近似度の近似波形である。

標準化された鋸歯状高周波関数は、第１の勾配ｐ１を有する標準化された電圧の時間推移の第１の線形部分及びその直後に続く第２の勾配ｐ２を有する標準化された電圧の時間推移の第２の線形部分からなる基本周期の周期パターンを有し、第１及び第２の勾配の大きさは異なっていて符号が逆であり、パターンの極小点と極大点は同じ単位振幅を有する。

近似波形の近似度及びガス圧力Ｐは、第１の電極におけるイオン流と第２の電極におけるイオン流の間にイオン流の非対称な外観を生じさせるために十分なものである。

第１の勾配ｐ１の絶対値と第２の勾配ｐ２の絶対値のうち最も小さい絶対値は、３．８に等しい値以下、好ましくは２．５以下、より好ましくは２以下である。

近似波形の近似度は、標準化された近似電圧波形と標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ｓａｗ（ｕ）を隔てる関数距離ｄの逆数に等しく、関数距離はルベーグの関数距離Ｌ^ｐによって構成されるセットに含まれる。

標準化された近似波形と標準化された鋸歯状高周波関数を隔てる関数距離ｄ１及び関数距離ｄ∞はそれぞれ、次の解析表現により定義される。

ここでｕは、ｕ＝ωｔ／２πによって定義される標準化変数であり、ｆ（ｕ）は近似波形の標準化された表現であり、ｆ_ＳＡＷ（ｕ）は関連する鋸歯状関数の標準化された表現である。

距離ｄ∞が使用される場合、ｄ∞（ｆ（ｕ）；ｆ_ＳＡＷ（ｕ））は０．８以下、好ましくは０．５以下であり、近似波形及び関連する鋸歯状関数がそれぞれ、図９の標準化後の第１の最適化されていない波形１０２及び、図９の標準化後の関連する鋸歯状関数１８４である場合は、この距離は０．４に等しい。したがって、近似度は１．２５以上、好ましくは２以上である。

距離ｄ１が使用される場合、ｄ１（ｆ（ｕ）；ｆ_ＳＡＷ（ｕ））は０．５以下、好ましくは０．２以下である。

図１４は、図９の標準化後の第１の最適化されていない波形１０２と図９の標準化後の関連する標準化された鋸歯状関数１８４を隔てる関数距離ｄ１を観察できる例である。

第１の最適化されていない標準化波形１０２と標準化された鋸歯状関数１８４を隔てる関数距離ｄ１は、次の解析表現によって定義される。

ここでｕは、ｕ＝ωｔ／２πによって定義される標準化変数、ｆ（ｕ）は第１の最適化されていない波形の標準化された表現、ｆ_ＳＡＷ（ｕ）は関連する鋸歯状関数の標準化された表現である。

この場合、ｕが単位長さにわたって変化するとき、斜線でハッチングされた曲線１０２と１８４の間にある区域２９２、２９４、２９６、２９８の差分面積の和が、距離ｄ１（ｆ（ｕ）；ｆ_ＳＡＷ（ｕ））を表す。

図９を参照すると、この幾何学的表現では、第１の最適された波形が第１の最適化されていない波形よりも鋸歯状関数に近いことが明確に示されていることが観察され得る。

よって、１つはアルゴンのプラズマに関係し、もう１つは水素のプラズマに関係する、２つの異なる化学種について、本発明による方法の効果がプラズマのシミュレーションによって示された。

他方で、両方の形式の信号を使用することによりプラズマ経路を介して行ったシリコン蒸着の実験では、それらの実験に関しては、この方法の実現性が証明された。

基板上の蒸着について、好成績の基準は、
基板上の蒸着が迅速である、すなわちイオン流量が大きいこと、
基板に到着するイオンの衝撃エネルギーが低いこと、及び
洗浄頻度を下げてガスを有効利用するために、基板に近い電極の逆側の電極での蒸着率が低いことである。

本発明による方法によって、従来のプラズマ蒸着方法とは異なり、これらの基準を満たす可能性が得られる。

実際は、高周波だけを使用すると、両方の電極のそれぞれのレベルで確実に蒸着率を上げることができるが、蒸着率の上がり方は同じである。振幅の非対称性を使用すれば基板上のイオン衝撃エネルギーを確実に下げることができるが、他方の電極、すなわち基板に近い電極の逆側の電極での方が蒸着率が高くなる。

プラズマによる表面エッチング又は処理についても、蒸着率をエッチング率又は表面処理率に置き換えることによって、それぞれ同じ特徴的な利益が得られる。

Claims (19)

1. 容量結合高周波プラズマリアクタ（４）内でイオン流を非対称に生成するための方法であって、
   前記プラズマリアクタ（４）が、１のガス又は複数の混合ガス（６）を全圧Ｐ下で収容しており、且つ、高周波エネルギーを供給される第１の電極（２４）、及び第２の電極（２６）を含み、
   前記方法が、周期高周波電圧波形Ｖ（ｔ）で第１の電極（２４）に通電するステップを有し、前記周期高周波電圧波形Ｖ（ｔ）が、該波形の基本周期Ｔの基本高調波に相当する下側周波数を有している
   イオン流を非対称に生成するための方法において、
   時間と振幅で区間［−１，１］に亘って標準化された前記電圧波形ｆ（ｕ）が、標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ＳＡＷ（ｕ）の一定の近似度の近似波形であり、ここでｕは、前記基本周期Ｔに亘る時間ｔの比率として定義された標準時間であり、
   前記標準化された鋸歯状高周波関数が、第１の勾配ｐ１を有する前記標準化された電圧の時間推移の第１の線形部分及びその直後に続く第２の勾配ｐ２を有する前記標準化された電圧の時間推移の第２の線形部分からなる基本周期Ｔの周期パターンを有し、前記第１及び第２の勾配の大きさが異なっていて符号が逆であり、前記パターンの極小点と極大点が同じ単位振幅を有し、
   前記近似波形の前記近似度、及び前記ガス又は前記混合ガスの前記全圧Ｐが、前記第１の電極におけるイオン流と前記第２の電極におけるイオン流の間にイオン流の非対称な外観を生じさせるように十分に高い
   ことを特徴とする、イオン流を非対称に生成するための方法。
2. 前記第１の勾配ｐ１の絶対値と前記第２の勾配ｐ２の絶対値のうち最小の絶対値が３．８に等しい値以下であり、好ましくは３以下である、請求項１に記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
3. 前記周期高周波電圧波形Ｖ（ｔ）が微分可能であり、１以上の整数ｐによってパラメータ化され且つ下記の式により定義される勾配非対称性係数Ｆによって評価される勾配非対称性を有し、
   
   ここで、Ｖ’（ｔ）が前記波形の時刻ｔにおける微分係数を示し、また
   Ｆ（ｐ）が、ある閾値以上であり、前記閾値が整数ｐに依存し、ｐが２に等しいときは０．１に等しい、
   請求項１又は２に記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
4. 前記ガス又は前記混合ガスの全圧Ｐは閾値圧力値Ｐ_ｓ（ｇａｓ）以上であり、前記閾値圧力値Ｐ_ｓ（ｇａｓ）は、ガスの性質に依存しており、且つ、前記標準化された波形が、最も緩い勾配の絶対値が２．５に等しいか前記波形Ｖ（ｔ）の勾配非対称性係数Ｆ（２）が０．１以上である標準化された鋸歯状関数であるときに、それより上の圧力では前記第１の電極（２４）でのイオン流と前記第２の電極（２６）でのイオン流の間にイオン流の非対称性が明確に出現する圧力として定義される、
   請求項１から３までのいずれか一項に記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
5. 前記ガスが、基板上に材料を蒸着させるため、基板をエッチングするため、及び基板を改変するために適したガスであって、アルゴン、二水素、Ｏ_２、Ｃｌ_２、ＨＢｒ、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、ＣＯ、ＳｉＨ_４、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＦ_４、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６及び同じ構造の炭素鎖、ＳＦ_６、Ｓｉ_２Ｈ_６、ＳｉＨ_ｘＦ_４−ｘ、ＧｅＨ_４、ＧｅＦ_４、ＧｅＨ_ｘＦ_４−ｘ、ＣＣｌ_４、ＣＣｌ_３Ｆ、ＣＣｌ_２Ｆ_２、ＣＦ_３Ｃｌ、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_１２、ＣＨＦ_３、ＢＣｌ_３により構成されるセットに含まれるガスであり、前記ガスがアルゴンである場合は前記圧力閾値が１００ｍＴｏｒｒに等しい、
   請求項１から４までのいずれか一項に記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
6. 前記近似波形の前記近似度が、前記標準化された近似電圧波形ｆ（ｕ）と前記標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ｓａｗ（ｕ）を隔てる関数距離ｄの逆数に等しく、前記関数距離が、ルベーグの関数距離Ｌ^ｐによって構成されるセットに含まれ、
   前記関数距離ｄが前記標準化近似波形と前記標準化された鋸歯状高周波関数を隔てる関数距離ｄ∞であるときに、前記近似度が１．２５以上、好ましくは２以上であり、前記関数距離ｄ∞が、解析式
   
   により定義され、
   ここで、ｕが、ｕ＝ωｔ／２πによって定義される標準変数である、
   請求項１から５までのいずれか一項に記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
7. 標準化後の前記近似電圧波形ｆ（ｕ）が、時間反転によって不変ではない波形、すなわちｆ（ｕ）＝ｆ（τ−ｕ）を満たす実定数τが存在しない波形であり、ここでｕは前記標準化された近似電圧波形の標準時間推移変数である、
   請求項１から６までのいずれか一項に記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
8. 前記標準化された近似電圧波形の、進行指数ｊによって識別される各最大電流について、前記最大電流の発生時刻ｔ（ｍａｘ（ｊ））を前記最大電流ｍａｘ（ｊ）に続く最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の発生時刻ｔ（ｍｉｎ（ｊ））と隔てる期間が、前記最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の直後の最初の最大電流ｍａｘ（ｊ＋１）の発生時刻ｔ（ｍａｘ（ｊ＋１））を前記最初の最小電流ｍｉｎ（ｊ）の前記発生時刻ｔ（ｍｉｎ（ｊ））と隔てる期間と異なる、
   請求項１から７までのいずれかに記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
9. 標準化前の前記近似波形が、整数ｎ個の最初の高調波周波数に制限された前記鋸歯状関数に近似する切り捨て級数展開に等しく、且つ下記の式で表され、
   
   ここで、Ｖ_０が所望のピーク電圧Ｖ_ｐｐを得るために調節される電圧係数であり、前記級数展開の最初の高調波周波数の数ｎが２以上であり、ωが基本周波数に対応する角周波数であり、ｍが０と１の間にある実数パラメータであり、区間［０．５−δ４，０．５＋δ４］に属する値ｍが除外され、δ４が０．１以上、好ましくは０．２以上である、
   請求項１から８までのいずれかに記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
10. 標準化前の前記近似波形が、整数ｎ個の最初の高調波周波数に制限された前記鋸歯状関数に近似する切り捨て級数展開に等しく、且つ下記の式で表され、
    
    ここで、Ｖ_０が所望のピーク電圧Ｖ_ｐｐを得るために調節される電圧係数であり、前記級数展開の始めの高調波周波数の数ｎが２以上であり、ωが前記基本周波数に対応する角周波数であり、また
    Φが、区間
    
    と
    
    との和集合からなる高調波への共通位相シフトであり、ここでδ３がπ／４以下、好ましくはπ／６以下、さらに好ましくはπ／８以下である、
    請求項１から８までのいずれかに記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
11. 標準化前の前記近似波形が、整数ｎ個の最初の高調波周波数に制限された鋸歯状関数に近似する切り捨て級数展開に等しく、且つ下記の式で表され、
    
    ここで、Ｖ_０が所望のピーク電圧Ｖ_ｐｐを得るために調節される電圧係数であり、前記級数展開の始めの高調波周波数の数ｎが２以上であり、ωが前記基本周波数に対応する角周波数であり、また
    Φが、区間
    
    と
    
    との和集合からなる高調波への共通位相シフトであり、ここで、δ２がπ／４以下、好ましくはπ／６以下、さらに好ましくはπ／８以下である、
    請求項１から８までのいずれかに記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
12. 標準化前の前記近似波形が、整数ｎ個の最初の高調波周波数に制限された前記鋸歯状関数に近似する切り捨て級数展開に等しく、且つ高調波の数が３以上、好ましくは４に等しい、
    請求項１から１１までのいずれかに記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
13. 前記第１及び第２の勾配ｐ１、ｐ２、並びに／又は前記パラメータｍが、エネルギーを供給される前記第１の電極（２４）で前記所望の電圧波形を得るために使用されるフィードバック・ループによって調節される、
    請求項１から１２までのいずれかに記載のイオン流を非対称に生成するための方法。
14. 容量結合プラズマリアクタ内の基板のためのプラズマ処理方法であって、前記プラズマリアクタが圧力Ｐ下でガスを収容しており、また高周波エネルギーを供給される第１の電極（２４）、及び第２の電極（２６）を含む、プラズマ処理方法において、
    前記第１の電極と前記第２の電極のうち１つの電極の近傍で処理されるように基板を適位置にセットするステップと、
    請求項１から１３までのいずれか一項により定義されるとおりにイオン流を非対称に生成するステップと
    を含むプラズマ処理方法。
15. 前記使用されるガス（６）が、高反応性である又はあまり高反応性ではないいくつかの化学種を生成する可能性があり、
    前記化学種が前記基板の処理に有益である場合は前記反応性化学種の生成を電極のより近くに移動させるように、或いは反応性があまり高くなく且つ前記基板の処理に有害に働く前記化学種は遠ざけるように、前記通電電圧の波形が調整される、
    請求項１４に記載の基板のプラズマ処理方法。
16. 基板上への蒸着のためのプラズマ法、基板をエッチングするためのプラズマ法、及び基板の表面を改変するためのプラズマ法により構成されるセットに含まれる、
    請求項１３から１５までのいずれかに記載の基板のプラズマ処理方法。
17. イオン流を非対称に生成するためのプラズマ処理システムであって、
    １のガス（６）又は混合ガスを全圧Ｐ下で収容しており、且つ高周波エネルギーを供給される第１の電極（２４）、及び第２の電極（２６）を含む容量結合高周波プラズマリアクタ（４）と
    前記ガス又は前記混合ガスの前記全圧Ｐを調節するための手段（１６）と、
    基本周期Ｔの波形の基本高調波に相当する下側周波数を有する周期高周波電圧波形（Ｖｔ）を生成するために、結合容量（３６）を通って前記第１の電極（２４）に接続された電圧波形ジェネレータ（３２）と
    を有するプラズマ処理システムにおいて、
    区間［−１；１］について時間と振幅で標準化された電圧波形ｆ（ｕ）が、標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ＳＡＷ（ｕ）の一定の近似度の近似波形であり、ここでｕは、前記基本周期Ｔに亘る時間ｔの比率として定義された標準時間であり、
    前記標準化された鋸歯状高周波関数ｆ_ＳＡＷ（ｕ）が、第１の勾配ｐ１を有する前記標準化された電圧の時間依存変化の第１の線形部分及びその直後に続く第２の勾配ｐ２を有する前記標準化された電圧の時間依存変化の第２の線形部分からなる基本周期Ｔの周期パターンを有し、前記第１及び第２の勾配の大きさが異なっていて符号が逆であり、前記パターンの極小点と極大点が同じ単位振幅を有し、また
    前記近似波形の前記近似度、及び前記ガス又は前記混合ガスの前記全圧Ｐが、前記第１の電極におけるイオン流と前記第２の電極におけるイオン流の間にイオン流の非対称な外観を生じさせるのに十分である
    ことを特徴とするプラズマ処理システム。
18. 前記ガス又は前記混合ガスの前記全圧Ｐ及び前記電圧波形ジェネレータ（３２）を調節するための手段（１６）が、請求項２から１３までのいずれか一項によって定義されるステップの１つを適用するために構成される、
    請求項１７に記載のイオン流を非対称に生成するためのプラズマ処理システム。
19. 前記第２の電極が接地され、又は浮遊電位にある、
    請求項１７又は１８に記載のイオン流を非対称に生成するためのプラズマ処理システム。