JP6889043B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、基板面内におけるエッチング形状の均一化を図ることが可能な、プラズマ処理装置に係る。
誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）は、容量結合プラズマ（Capacitively Coupled Plasma：ＣＣＰ）と比較して低圧で高密度なプラズマが生成可能なことから、ドライエッチング用のプラズマ源として活用されている。しかし、ＩＣＰにおいて、一般的なループ状コイルや螺旋状コイルを使った場合は、図１３に示すように、基板の中央部と外周部の中間地点付近にピークをもつＭ型のプラズマ密度分布となることが公知である（図１３）。図１３において、横軸は対角位置（Diagonal Position）であり、０が基板中心であり、−２０と２０が基板外周部の方向を表わしている。縦軸はプラズマ密度である。符号ｚは、プラズマ密度を測定した、基板上の高さ位置を表わしている。図１３より、プラズマ密度分布は、基板上の高さ位置が小さい（低い）ほど、つまり、基板に近い位置において、Ｍ型の形状をとる傾向がより強いことが読み取れる。
この対策として、アンテナコイルを複数に分割するなどの手法により、プラズマ分布の均一化が試みられてきた。
しかしながら、ドライエッチングでは、混合される各ガスの解離速度が異なるため、プラズマ分布を均一化したとしても、径方向おいて、各成分の比率が異なるため、同一のエッチング形状を得ることができない。
それに対し、基板を載置するステージ側の温度で反応を補正し、エッチング形状の均一化を図る手法が使われてきた。ステージ温度による補正は、エッチング速度の温度依存性に左右されるため、温度依存性の低いプロセスでは、使用することができない。また、基板の熱伝導率が高い場合は、十分な温度差を作り出すことができない。
しかしながら、ドライエッチングでは、混合される各ガスの解離速度が異なるため、プラズマ分布を均一化したとしても、径方向おいて、各成分の比率が異なるため、同一のエッチング形状を得ることができない。
それに対し、基板を載置するステージ側の温度で反応を補正し、エッチング形状の均一化を図る手法が使われてきた。ステージ温度による補正は、エッチング速度の温度依存性に左右されるため、温度依存性の低いプロセスでは、使用することができない。また、基板の熱伝導率が高い場合は、十分な温度差を作り出すことができない。
ＳＦ６とＯ２の混合ガスをプラズマ分解して、Ｓｉの異方性エッチングを行う手法において、ＳＦ６が分解して生成するＦラジカルが、Ｓｉをエッチングする（Ｆ＋Ｓｉ→ＳｉＦ４）。このエッチング反応は、等方性エッチングのため、異方性エッチングを行うためには、側壁に保護膜を付着させ、側壁のエッチング反応を抑制する必要がある。ＳＦ６／Ｏ２の混合ガス系では、Ｏによる側壁の酸化と、エッチング生成物であるＳｉＦ４が再分解されたＳｉとＯの反応によるＳｉＯｘのデポ膜によって側壁が保護される。エッチング生成物であるＳｉＦ４が不足する場合は、ＳｉＦ４をガスとして供給する（図１４）。
このエッチング系において、エッチング形状を均一にするためには必要なことは、エッチングに寄与するＦと側壁保護に寄与するＯの比率を基板面内で均一にすることである。中心部からエッチングガスを導入し、螺旋状のコイルによって誘導放電するプラズマ源において、ＳＦ６が径方向に対してほぼ均一であるのに対し、Ｏは中央部の濃度が高く、外周部に向かって急激に低下する（図１５）。このため、基板の中央部では、側壁が十分に保護されエッチング形状が垂直（ストレート型）となる。これに対して、基板の外周部では、側壁保護が不十分となり、エッチング形状がボーイング（樽型）となる（図１６）。
本発明者らは先に、１つのスパイラル状電極に対して、異なる周波数の２種類の電源を適切な位置で接続する構成を備えることにより、モードジャンプ領域の影響を受けることなく、誘導放電領域における優れたエッチング特性を安定して利用できる、プラズマ処理装置を開発した（特許文献１：図１７、１８）。図１７はプラズマ処理装置の断面図であり、図１８は図１７の装置において、スパイラル状電極に対する２種類の電源の接続位置を示す平面図である。
しかしながら、図１７及び図１８に示したプラズマ処理装置でも、上述した課題、すなわち、基板の中央部と同様に、基板の外周部においても側壁保護を十分に行うことは困難であった。ゆえに、基板面内において、基板の半径方向の位置に依存せず、すなわち、基板の中央部と同様に外周部においても、エッチング形状が垂直（ストレート型）な凹部（ホールやトレンチ等）を安定して作製することが可能な、プラズマ処理装置の開発が期待されていた。
本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、基板面内において、基板の半径方向の位置に依存せず、エッチング形状が垂直（ストレート型）な凹部を安定して作製することが可能な、プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
本発明のプラズマ処理装置は、その内部の減圧が可能で、前記内部で被処理体に対してプラズマ処理されるように構成されるチャンバと、前記チャンバ内に配され、前記被処理体を載置する平板状の第一電極と、前記第一電極に対して、第一の周波数λ１のバイアス電圧が印加されるように構成された第一の電源と、前記チャンバ外に配置され、前記チャンバの上蓋を挟んで、前記第一電極と対向し、かつ、中央部に配置された螺旋状の第二電極、及び、前記第二電極より外周部に配置された螺旋状の第三電極と、前記第二電極に対して、第二の周波数λ２の交流電圧を印加する第二の高周波電源と、前記第三電極に対して、第三の周波数λ３の交流電圧を印加する第三の高周波電源と、前記チャンバ内にフッ素を含有するプロセスガスを導入するガス導入手段と、を備え、前記チャンバ内において、前記チャンバの上蓋側、かつ、前記第一電極と対向する位置に、スパッタリング用の固体ソースを有する、ことを特徴とする。
本発明のプラズマ処理装置は、前記第二の周波数λ２と前記第三の周波数λ３が、λ２＞λ３の関係にある場合は、前記ガス導入手段が前記上蓋の中央部に配置されている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、請求項１において、前記第二の周波数λ２と前記第三の周波数λ３が、λ２＜λ３の関係にある場合は、前記ガス導入手段が前記チャンバの側壁部に配置されている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記チャンバ内において、前記固体ソースの配置される領域が、前記第二電極または前記第三電極と重なる位置にあり、かつ、印加する周波数が低い方の電極を少なくとも覆うように配置されており、前記固体ソースが前記チャンバの上蓋と別体として設けられている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記チャンバ内において、前記固体ソースの配置される領域が、前記第二電極および前記第三電極と重なる位置にあり、かつ、両電極を覆うように配置されており、前記固体ソースが前記チャンバの上蓋と別体として設けられている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記チャンバ内において、前記チャンバの上蓋が前記固体ソースから構成されている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記第一電極の外径をＤ、前記第二電極の外径をｄと定義した場合、関係式Ｄ／２≦ｄ≦Ｄを満たす、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記第二電極又は前記第三電極のうち、印加する周波数が低い方の電極には２ＭＨｚを、印加する周波数が高い方の電極には１３．５６ＭＨｚを、それぞれ印加するように、前記第二の高周波電源と前記第三の高周波電源が選択される、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、請求項１において、前記第二の周波数λ２と前記第三の周波数λ３が、λ２＜λ３の関係にある場合は、前記ガス導入手段が前記チャンバの側壁部に配置されている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記チャンバ内において、前記固体ソースの配置される領域が、前記第二電極または前記第三電極と重なる位置にあり、かつ、印加する周波数が低い方の電極を少なくとも覆うように配置されており、前記固体ソースが前記チャンバの上蓋と別体として設けられている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記チャンバ内において、前記固体ソースの配置される領域が、前記第二電極および前記第三電極と重なる位置にあり、かつ、両電極を覆うように配置されており、前記固体ソースが前記チャンバの上蓋と別体として設けられている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記チャンバ内において、前記チャンバの上蓋が前記固体ソースから構成されている、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記第一電極の外径をＤ、前記第二電極の外径をｄと定義した場合、関係式Ｄ／２≦ｄ≦Ｄを満たす、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、前記第二電極又は前記第三電極のうち、印加する周波数が低い方の電極には２ＭＨｚを、印加する周波数が高い方の電極には１３．５６ＭＨｚを、それぞれ印加するように、前記第二の高周波電源と前記第三の高周波電源が選択される、ことが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、チャンバ内において、前記チャンバの上蓋側、かつ、前記第一電極と対向する位置に、スパッタリング用の固体ソースを有することにより、固体ソースからプラズマ中に、不足するたとえば酸素元素が逐次導入される。これにより、被処理体である基板に対して、基板の半径方向において酸素元素が均一に供給されるので、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。ゆえに、本発明によれば、基板面内において、基板の半径方向の位置に依存せず、すなわち、基板の中央部と同様に外周部においても、エッチング形状が垂直（ストレート型）な凹部（ホールやトレンチ等）を安定して作製することが可能となる。
したがって、本発明は、基板サイズや基板形状に依存することなく、エッチング形状が垂直な凹部を基板処理面の全域に亘って作製できる、プラズマ処理装置をもたらす。
したがって、本発明は、基板サイズや基板形状に依存することなく、エッチング形状が垂直な凹部を基板処理面の全域に亘って作製できる、プラズマ処理装置をもたらす。
以下では、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置について、図面に基づいて説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明に係る第一実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図である。図２は、図１の装置において、内周側と外周側に２つのスパイラル状電極を配置し、各電極にそれぞれ異なる周波数の電源を接続する位置を示す平面図である。
図１のプラズマ処理装置１０は、たとえば排気手段ＴＭＰにより減圧可能なチャンバ１１内において被処理体Ｓに対してプラズマ処理する装置である。
このプラズマ処理装置１０においては、ガス導入手段が上蓋１３の中央部１５ａ（１５）に配置され、固体ソース２０ａ（２０）の配置される領域が外周側に配された電極［第三電極Ｅ３（アンテナＡＴ３）］と重なる位置に設けられている。
図１は、本発明に係る第一実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図である。図２は、図１の装置において、内周側と外周側に２つのスパイラル状電極を配置し、各電極にそれぞれ異なる周波数の電源を接続する位置を示す平面図である。
図１のプラズマ処理装置１０は、たとえば排気手段ＴＭＰにより減圧可能なチャンバ１１内において被処理体Ｓに対してプラズマ処理する装置である。
このプラズマ処理装置１０においては、ガス導入手段が上蓋１３の中央部１５ａ（１５）に配置され、固体ソース２０ａ（２０）の配置される領域が外周側に配された電極［第三電極Ｅ３（アンテナＡＴ３）］と重なる位置に設けられている。
図１のプラズマ処理装置１０では、チャンバ１１内において、固体ソース２０ａの配置される領域が、第三電極Ｅ３と重なる位置にあり、かつ、印加する周波数が低い方の電極（第三電極Ｅ３）を少なくとも覆うように配置されており、固体ソース２０ａがチャンバ１１の上蓋１３と別体として設けられている。
図１のプラズマ処理装置１０において、第二電極Ｅ２は印加する周波数が高い方の電極であり、第三電極Ｅ３は印加する周波数が低い方である。すなわち、図１のプラズマ処理装置１０では、第二の周波数λ２と第三の周波数λ３が、λ２＞λ３の関係にあり、前記ガス導入手段が上蓋１３の中央部に配置されている
図１のプラズマ処理装置１０において、第二電極Ｅ２は印加する周波数が高い方の電極であり、第三電極Ｅ３は印加する周波数が低い方である。すなわち、図１のプラズマ処理装置１０では、第二の周波数λ２と第三の周波数λ３が、λ２＞λ３の関係にあり、前記ガス導入手段が上蓋１３の中央部に配置されている
プラズマ処理装置１０は、チャンバ１１と、平板状の第一電極（基板の支持手段）１２と、高周波電源Ａと、上蓋１３と、螺旋状の第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）と、螺旋状の第三電極Ｅ３（アンテナＡＴ３）と、ガス導入口Ｇと、ガス導入手段（不図示）と、を備えている。
第一電極（支持手段）１２は、チャンバ１１内に配され、被処理体Ｓを載置する。高周波電源（第一の高周波電源）Ａは、第一電極１２に対して、周波数（第一の周波数）λ１のバイアス電圧を印加可能である。
第一電極（支持手段）１２は、チャンバ１１内に配され、被処理体Ｓを載置する。高周波電源（第一の高周波電源）Ａは、第一電極１２に対して、周波数（第一の周波数）λ１のバイアス電圧を印加可能である。
螺旋状の第二電極Ｅ２と螺旋状の第三電極Ｅ３は何れも、チャンバ１１外に配され、チャンバ１１の上蓋１３を形成する石英板を挟んで、第一電極１２と対向するように配置される。螺旋状の第二電極Ｅ２は上蓋１３に沿って中央部に配置され、螺旋状の第三電極Ｅ３は上蓋１３に沿って第二電極Ｅ２より外周部に配置される。
高周波電源（第二の高周波電源）Ｂは、第二電極Ｅ２に対して、周波数（第二の周波数）λ２の交流電圧を印加可能である（図１）。第二電極Ｅ２は、螺旋状の内周端に配置され、第二の高周波電源Ｂから高周波を印加する第一の部位と、螺旋状の外周端に配置され、アースに接地される第二の部位とを有する（図２）。
高周波電源（第三の高周波電源）Ｃは、第三電極Ｅ３に対して、周波数（第三の周波数）λ３の交流電圧を印加可能である（図１）。第三電極Ｅ３は、螺旋状の内周端に配置され、第三の高周波電源Ｃから高周波を印加する第三の部位と、螺旋状の外周端に配置され、アースに接地される第四の部位とを有する（図２）。
第二の高周波電源Ｂは、第二電極Ｅ２に対して、第二の周波数λ２の交流電圧を印加する。第三の高周波電源Ｃは、第三電極Ｅ３に対して、第三の周波数λ３の交流電圧を印加する。
プラズマ処理装置１０におけるガス導入手段（不図示）は、上蓋１３に配されたガス導入口１５（１５ａ）から、チャンバ１１内にフッ素（Ｆ）を含有するプロセスガスＧを導入する。
プラズマ処理装置１０は、チャンバ１１内において、チャンバ１１の上蓋１３側、かつ、第一電極１２と対向する位置に、スパッタリング用の固体ソース２０を有する。特に、プラズマ処理装置１０では、固体ソース２０の配置される領域が外周側に配された第三電極Ｅ３と重なる位置に設けられている。
プラズマ処理装置１０は、チャンバ１１内において、チャンバ１１の上蓋１３側、かつ、第一電極１２と対向する位置に、スパッタリング用の固体ソース２０を有する。特に、プラズマ処理装置１０では、固体ソース２０の配置される領域が外周側に配された第三電極Ｅ３と重なる位置に設けられている。
上記構成により、プラズマ処理装置１０においては、チャンバ１１内の上蓋１３側に、第二電極Ｅ２によるプラズマＰ２と第三電極Ｅ３によるプラズマＰ３が生じる。そして、プラズマ処理装置１０では、固体ソース２０の配置される領域が外周側に配された第三電極Ｅ３と重なる位置に設けられているので、固体ソース２０は主にプラズマＰ３によってスパッタリングされる。固体ソース２０として酸化シリコンを設けることにより、固体ソース２０からプラズマ（特にプラズマＰ３）の中に、不足するたとえば酸素元素が逐次導入される。
図３（ａ）は、固体ソース２０を備えた、本発明のプラズマ処理装置１０によって基板に加工された凹部の側面形状を示す写真であり、左側が基板の中央部に位置する凹部を、右側が基板の外周部に位置する凹部を、それぞれ表わしている。
図３（ａ）に示すように、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。ゆえに、本発明によれば、基板面内において、基板の半径方向の位置に依存せず、すなわち、基板の中央部と同様に外周部においても、エッチング形状が垂直（ストレート型）な凹部（ホールやトレンチ等）を安定して作製することが可能となる。
図３（ａ）に示すように、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。ゆえに、本発明によれば、基板面内において、基板の半径方向の位置に依存せず、すなわち、基板の中央部と同様に外周部においても、エッチング形状が垂直（ストレート型）な凹部（ホールやトレンチ等）を安定して作製することが可能となる。
図３（ｂ）は、本発明の装置から固体ソースを除いた場合における、基板に加工された凹部の側面形状を示す写真である。左側が基板の中央部に位置する凹部を、右側が基板の外周部に位置する凹部を、それぞれ表わしている。
図３（ｂ）に示すように、基板の中央部ではエッチング形状が垂直な凹部となるのに対して、基板の外周部では凹部のエッチング形状がボーイング（樽型）となった。図３（ｂ）の場合は、図３（ａ）の場合に比べて、基板の中央部も外周部も、凹部の深さ方向が浅くなることが分かった。
図３（ｂ）に示すように、基板の中央部ではエッチング形状が垂直な凹部となるのに対して、基板の外周部では凹部のエッチング形状がボーイング（樽型）となった。図３（ｂ）の場合は、図３（ａ）の場合に比べて、基板の中央部も外周部も、凹部の深さ方向が浅くなることが分かった。
図３（ｃ）は、従来の装置（図１７）の場合における、基板に加工された凹部の側面形状を示す写真である。左側が基板の中央部に位置する凹部を、右側が基板の外周部に位置する凹部を、それぞれ表わしている。
図３（ｃ）に示すように、基板の中央部ではエッチング形状が垂直な凹部となり、そのエッチング形状は、凹部の深さも含めて、図３（ａ）の場合と同等であった。これに対して、基板の外周部では凹部のエッチング形状がボーイング（樽型）となり、基板の中央部に形成した凹部のエッチング形状とは明らかに異なることが分かった。
図３（ｃ）に示すように、基板の中央部ではエッチング形状が垂直な凹部となり、そのエッチング形状は、凹部の深さも含めて、図３（ａ）の場合と同等であった。これに対して、基板の外周部では凹部のエッチング形状がボーイング（樽型）となり、基板の中央部に形成した凹部のエッチング形状とは明らかに異なることが分かった。
図４は、低周波の電源パワー（LF Power）と、酸素元素（Ｏ）及びフッ素元素（Ｆ）の発光分光強度との関係を示すグラフである。図４より、低周波の電源パワーが特定の閾値（およそ１２００Ｗ）を越えると、酸素元素の発光分光強度が急増することが確認された。すなわち、低周波の電源パワーが特定の閾値より低い場合は、固体ソースがスパッタされないことを示している。
これに対して、フッ素元素の発光分光強度は、低周波の電源パワーが増えるに連れて微増する傾向であり、前記特定の閾値には影響されないことが確認された。
これより、上述した図３（ａ）の結果を得るためには、低周波の電源パワーを、特定の閾値以上に設定することが重要であることが分かった。
これに対して、フッ素元素の発光分光強度は、低周波の電源パワーが増えるに連れて微増する傾向であり、前記特定の閾値には影響されないことが確認された。
これより、上述した図３（ａ）の結果を得るためには、低周波の電源パワーを、特定の閾値以上に設定することが重要であることが分かった。
図５は、基板中心からの距離と、酸素元素（Ｏ）及びフッ素元素（Ｆ）の発光分光強度、並びに比率Ｏ／Ｆとの関係を示すグラフである。高周波（１３．５６ＭＨｚ）の電源パワーを２ｋＷに固定し、低周波（２ＭＨｚ）の電源パワーを０Ｗ〜３ｋＷの範囲で変更した場合を示している。
図５のグラフは、図１及び図２に示すプラズマ処理装置の場合、すなわち、ガス導入手段が上蓋の中央部に配置され、固体ソースの配置される領域が外周側に配された電極と重なる位置に設けられている場合である。
図５のグラフは、図１及び図２に示すプラズマ処理装置の場合、すなわち、ガス導入手段が上蓋の中央部に配置され、固体ソースの配置される領域が外周側に配された電極と重なる位置に設けられている場合である。
図５（ａ）より、酸素元素（Ｏ）の発光分光強度は、基板中心からの距離が０〜７５ｍｍの範囲では、低周波の電源パワー依存性は殆ど見られない。これに対して、基板中心からの距離が７５ｍｍを越えると低周波の電源パワー依存性が強く生じる。すなわち、低周波の電源パワーが０Ｗ〜１．５ｋＷの場合は、酸素元素（Ｏ）の発光分光強度が急激に低下する。逆に、低周波の電源パワーが３ｋＷの場合は、急激に酸素元素（Ｏ）の発光分光強度が急激に増加する。低周波の電源パワーが２ｋＷの場合は、酸素元素（Ｏ）の発光分光強度があまり変化しない。
図５（ｂ）より、フッ素元素（Ｆ）の発光分光強度は、基板中心からの距離が０〜７５ｍｍの範囲と同様に、基板中心からの距離が７５ｍｍを越えても、低周波の電源パワーの大きさに依存せず、ほぼ一定の数値範囲にある。
その結果、比率Ｏ／Ｆは、上述した図５（ａ）と同様の傾向となる。すなわち、基板中心からの距離が７５ｍｍ付近を境として、低周波の電源パワー依存性が生じる。低周波の電源パワーが２ｋＷの場合には、比率Ｏ／Ｆが、ほぼ一定の数値範囲にある。
その結果、比率Ｏ／Ｆは、上述した図５（ａ）と同様の傾向となる。すなわち、基板中心からの距離が７５ｍｍ付近を境として、低周波の電源パワー依存性が生じる。低周波の電源パワーが２ｋＷの場合には、比率Ｏ／Ｆが、ほぼ一定の数値範囲にある。
上述した結果より、以下の点が明らかとなった。
（Ａ１）図１のプラズマ処理装置は、チャンバ内において、前記チャンバの上蓋側、かつ、前記第一電極と対向する位置に、スパッタリング用の固体ソースを有することにより、固体ソースからプラズマ中に、不足するたとえば酸素元素が逐次導入される。
（Ａ２）上記（Ａ１）の作用により、被処理体である基板に対して、基板の半径方向において酸素元素が均一に供給されるので、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
（Ａ３）ゆえに、図１のプラズマ処理装置によれば、基板面内において、基板の半径方向の位置に依存せず、すなわち、基板の中央部と同様に外周部においても、エッチング形状が垂直（ストレート型）な凹部（ホールやトレンチ等）を安定して作製することが可能となる。
ゆえに、図１のプラズマ処理装置は、基板サイズや基板形状に依存することなく、エッチング形状が垂直な凹部を、基板処理面の全域（基板の中央部から外周部）に亘って作製することに寄与する。
（Ａ１）図１のプラズマ処理装置は、チャンバ内において、前記チャンバの上蓋側、かつ、前記第一電極と対向する位置に、スパッタリング用の固体ソースを有することにより、固体ソースからプラズマ中に、不足するたとえば酸素元素が逐次導入される。
（Ａ２）上記（Ａ１）の作用により、被処理体である基板に対して、基板の半径方向において酸素元素が均一に供給されるので、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
（Ａ３）ゆえに、図１のプラズマ処理装置によれば、基板面内において、基板の半径方向の位置に依存せず、すなわち、基板の中央部と同様に外周部においても、エッチング形状が垂直（ストレート型）な凹部（ホールやトレンチ等）を安定して作製することが可能となる。
ゆえに、図１のプラズマ処理装置は、基板サイズや基板形状に依存することなく、エッチング形状が垂直な凹部を、基板処理面の全域（基板の中央部から外周部）に亘って作製することに寄与する。
図６は、図１のプラズマ処理装置において、基板を載置する第一電極１２（外径Ｄ）と、固体ソース２０と重ならない内周側の第二電極Ｅ２（外径ｄ）との関係を追記した断面図である。
図７は、基板中心からの距離と、Ｏ及びＦの発光分光強度との関係を示すグラフであり、図７（ａ）はＯの発光分光強度、図７（ｂ）はＦの発光分光強度である。図７のグラフは、図６のプラズマ処理装置において、基板の支持手段（基板ステージ）である第一電極１２の直径Ｄ［ｍｍ］は４００に固定し、第二電極（アンテナ２）の直径ｄ［ｍｍ］を１５０、３００、４００に変更した結果である。
ここで、符号Ａは、高周波を印加した第二電極Ｅ２（アンテナ２）のみ使用した場合である。符号Ｂは、高周波を印加した第二電極Ｅ２（アンテナ２）と、低周波を印加した第二電極Ｅ３（アンテナ３）とを併用した場合である。
図７は、基板中心からの距離と、Ｏ及びＦの発光分光強度との関係を示すグラフであり、図７（ａ）はＯの発光分光強度、図７（ｂ）はＦの発光分光強度である。図７のグラフは、図６のプラズマ処理装置において、基板の支持手段（基板ステージ）である第一電極１２の直径Ｄ［ｍｍ］は４００に固定し、第二電極（アンテナ２）の直径ｄ［ｍｍ］を１５０、３００、４００に変更した結果である。
ここで、符号Ａは、高周波を印加した第二電極Ｅ２（アンテナ２）のみ使用した場合である。符号Ｂは、高周波を印加した第二電極Ｅ２（アンテナ２）と、低周波を印加した第二電極Ｅ３（アンテナ３）とを併用した場合である。
図６及び図７より、以下の点が明らかとなった。
（Ｂ１）第二電極（アンテナ２）の直径ｄが、基板の支持手段（基板ステージ）である第一電極１２の直径Ｄに対して１／２以下の場合は、外周部のプラズマ密度が低下し、Ｆラジカルの生成量が著しく低下する。このため、基板の外周部が、基板の中央部と同様にエッチングを行うことができない［図７（ａ）］。
（Ｂ２）第二電極（アンテナ２）の直径ｄが、基板の支持手段（基板ステージ）である第一電極１２の直径Ｄの１．３倍以上の場合は、第二電極Ｅ３（アンテナ３）に低周波を印加し、固体ソース２０から酸素元素を供給しても、基板から遠いため、基板外周部に効果が及ばない。
以上の結果より、本発明のプラズマ処理装置において、固体ソース２０から酸素元素を供給する効果は、関係式Ｄ／２≦ｄ≦Ｄを満たすことより得られることが分かった。
（Ｂ１）第二電極（アンテナ２）の直径ｄが、基板の支持手段（基板ステージ）である第一電極１２の直径Ｄに対して１／２以下の場合は、外周部のプラズマ密度が低下し、Ｆラジカルの生成量が著しく低下する。このため、基板の外周部が、基板の中央部と同様にエッチングを行うことができない［図７（ａ）］。
（Ｂ２）第二電極（アンテナ２）の直径ｄが、基板の支持手段（基板ステージ）である第一電極１２の直径Ｄの１．３倍以上の場合は、第二電極Ｅ３（アンテナ３）に低周波を印加し、固体ソース２０から酸素元素を供給しても、基板から遠いため、基板外周部に効果が及ばない。
以上の結果より、本発明のプラズマ処理装置において、固体ソース２０から酸素元素を供給する効果は、関係式Ｄ／２≦ｄ≦Ｄを満たすことより得られることが分かった。
（第二実施形態）
図８は、本発明に係る第二実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第一実施形態の変形例である。
図８のプラズマ処理装置は、ガス導入手段が上蓋１３の中央部に配置され、固体ソース２０ｂ（２０）の配置される領域が２つの電極［第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）、第三電極Ｅ３（アンテナＡＴ３）］と重なる位置にある点のみ、図１のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図１のプラズマ処理装置と同一である。
すなわち、図８の構成からなるプラズマ処理装置においては、チャンバ１１内において、固体ソース２０ｂの配置される領域が、第二電極Ｅ２および第三電極Ｅ３と重なる位置にあり、かつ、両電極を覆うように配置されており、固体ソース２０ｂがチャンバ１１の上蓋１３と別体として設けられている。
図８は、本発明に係る第二実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第一実施形態の変形例である。
図８のプラズマ処理装置は、ガス導入手段が上蓋１３の中央部に配置され、固体ソース２０ｂ（２０）の配置される領域が２つの電極［第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）、第三電極Ｅ３（アンテナＡＴ３）］と重なる位置にある点のみ、図１のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図１のプラズマ処理装置と同一である。
すなわち、図８の構成からなるプラズマ処理装置においては、チャンバ１１内において、固体ソース２０ｂの配置される領域が、第二電極Ｅ２および第三電極Ｅ３と重なる位置にあり、かつ、両電極を覆うように配置されており、固体ソース２０ｂがチャンバ１１の上蓋１３と別体として設けられている。
この構成により、図８のプラズマ処理装置における固体ソース２０ｂ（２０）は、低周波プラズマＰ３において、優先的に、スパッタリングされる。ゆえに、被処理体である基板Ｓに対して、基板Ｓの半径方向において酸素元素が増加するように供給される。
したがって、図８のプラズマ処理装置においても、図１のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
したがって、図８のプラズマ処理装置においても、図１のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
（第三実施形態）
図９は、本発明に係る第三実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第二実施形態の変形例である。
図９のプラズマ処理装置は、チャンバ内において、チャンバの上蓋が固体ソース２０ｃ（２０）から構成されている点のみ、図８のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図８のプラズマ処理装置と同一である。
図９は、本発明に係る第三実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第二実施形態の変形例である。
図９のプラズマ処理装置は、チャンバ内において、チャンバの上蓋が固体ソース２０ｃ（２０）から構成されている点のみ、図８のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図８のプラズマ処理装置と同一である。
これにより、図９のプラズマ処理装置は、図８のプラズマ処理装置と同様の作用・効果が得られる。これに加えて、図９のプラズマ処理装置においては、チャンバの上蓋それ自体が固体ソースであることから、チャンバ内に固体ソースを保持する手段が不要となる。また、チャンバの上蓋が固体ソースから構成されているので、チャンバ内におけるプラズマＰ２、Ｐ３の放電状態を一段と安定したものとすることができる。
したがって、図９のプラズマ処理装置においても、図１のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
したがって、図９のプラズマ処理装置においても、図１のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
（第四実施形態）
図１０は、本発明に係る第四実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第一実施形態の変形例である。
図１０のプラズマ処理装置は、ガス導入手段がチャンバ１１の側壁部１５ｂ（１５）に配置され、固体ソース２０ｄ（２０）の配置される領域が内周側の電極［第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）］と重なる位置にある。
図１０のプラズマ処理装置１０では、第二電極Ｅ２は印加する周波数が低い方の電極であり、第三電極Ｅ３は印加する周波数が高い方である。すなわち、図１０のプラズマ処理装置１０では、第二の周波数λ２と第三の周波数λ３が、λ２＜λ３の関係にあり、前記ガス導入手段がチャンバ１１の側壁部１５ｂ（１５）に配置されている。
図１０のプラズマ処理装置は、以上の点のみ、図１のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図１のプラズマ処理装置と同一である。
図１０は、本発明に係る第四実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第一実施形態の変形例である。
図１０のプラズマ処理装置は、ガス導入手段がチャンバ１１の側壁部１５ｂ（１５）に配置され、固体ソース２０ｄ（２０）の配置される領域が内周側の電極［第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）］と重なる位置にある。
図１０のプラズマ処理装置１０では、第二電極Ｅ２は印加する周波数が低い方の電極であり、第三電極Ｅ３は印加する周波数が高い方である。すなわち、図１０のプラズマ処理装置１０では、第二の周波数λ２と第三の周波数λ３が、λ２＜λ３の関係にあり、前記ガス導入手段がチャンバ１１の側壁部１５ｂ（１５）に配置されている。
図１０のプラズマ処理装置は、以上の点のみ、図１のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図１のプラズマ処理装置と同一である。
図１０のプラズマ処理装置では、図５や図７に示したグラフにおける横軸が、「基板中心からの距離」から「基板外周端からの距離」に変更したものとなる。
すなわち、ガス導入手段がチャンバ１１の側壁部１５ｂ（１５）に配置される場合は、基板中心において不具合な状況が発生する傾向にある。そこで、図１０のプラズマ処理装置においては、固体ソース２０ｄ（２０）を内周側の電極［第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）］と重なる位置に配置した。これにより、図１のプラズマ処理装置において基板外周部に対する作用・効果が、図１０のプラズマ処理装置では、基板中心部に対して得られる。
したがって、図１０のプラズマ処理装置においても、図１のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
すなわち、ガス導入手段がチャンバ１１の側壁部１５ｂ（１５）に配置される場合は、基板中心において不具合な状況が発生する傾向にある。そこで、図１０のプラズマ処理装置においては、固体ソース２０ｄ（２０）を内周側の電極［第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）］と重なる位置に配置した。これにより、図１のプラズマ処理装置において基板外周部に対する作用・効果が、図１０のプラズマ処理装置では、基板中心部に対して得られる。
したがって、図１０のプラズマ処理装置においても、図１のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
（第五実施形態）
図１１は、本発明に係る第五実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第四実施形態の変形例である。
図１１のプラズマ処理装置は、ガス導入手段がチャンバ１１の側壁部１５ｂ（１５）に配置され、固体ソース２０ｅ（２０）の配置される領域が２つの電極［第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）、第三電極Ｅ３（アンテナＡＴ３）］と重なる位置にある点のみ、図１０のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図１０のプラズマ処理装置と同一である。
すなわち、図１０の構成からなるプラズマ処理装置においては、チャンバ１１内において、固体ソース２０ｅの配置される領域が、第二電極Ｅ２および第三電極Ｅ３と重なる位置にあり、かつ、両電極を覆うように配置されており、固体ソース２０ｅがチャンバ１１の上蓋１３と別体として設けられている。
図１１は、本発明に係る第五実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第四実施形態の変形例である。
図１１のプラズマ処理装置は、ガス導入手段がチャンバ１１の側壁部１５ｂ（１５）に配置され、固体ソース２０ｅ（２０）の配置される領域が２つの電極［第二電極Ｅ２（アンテナＡＴ２）、第三電極Ｅ３（アンテナＡＴ３）］と重なる位置にある点のみ、図１０のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図１０のプラズマ処理装置と同一である。
すなわち、図１０の構成からなるプラズマ処理装置においては、チャンバ１１内において、固体ソース２０ｅの配置される領域が、第二電極Ｅ２および第三電極Ｅ３と重なる位置にあり、かつ、両電極を覆うように配置されており、固体ソース２０ｅがチャンバ１１の上蓋１３と別体として設けられている。
この構成により、図１１のプラズマ処理装置における固体ソース２０ｅ（２０）は、低周波プラズマＰ２において、優先的に、スパッタリングされる。ゆえに、被処理体である基板Ｓに対して、基板Ｓの半径方向において酸素元素が増加するように供給される。
したがって、図１１のプラズマ処理装置においても、図１０のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
したがって、図１１のプラズマ処理装置においても、図１０のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
（第六実施形態）
図１２は、本発明に係る第六実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第五実施形態の変形例である。
図１２のプラズマ処理装置は、チャンバ内において、チャンバの上蓋が固体ソース２０ｆ（２０）から構成されている点のみ、図１１のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図１１のプラズマ処理装置と同一である。
図１２は、本発明に係る第六実施形態のプラズマ処理装置を示す断面図であり、第五実施形態の変形例である。
図１２のプラズマ処理装置は、チャンバ内において、チャンバの上蓋が固体ソース２０ｆ（２０）から構成されている点のみ、図１１のプラズマ処理装置と異なり、他の点は、図１１のプラズマ処理装置と同一である。
これにより、図１２のプラズマ処理装置は、図１１のプラズマ処理装置と同様の作用・効果が得られる。これに加えて、図１２のプラズマ処理装置においては、チャンバの上蓋それ自体が固体ソースであることから、チャンバ内に固体ソースを保持する手段が不要となる。また、チャンバの上蓋が固体ソースから構成されているので、チャンバ内におけるプラズマＰ２、Ｐ３の放電状態を一段と安定したものとすることができる。
したがって、図１２のプラズマ処理装置においても、図１１のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
したがって、図１２のプラズマ処理装置においても、図１１のプラズマ処理装置と同様に、基板の中央部から外周部に亘る全域において、基板に加工される凹部の側面形状が、凹部の深さ方向において略直線状に保たれる。
以上、本発明のプラズマ処理装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
本発明は、プラズマ処理装置に広く適用可能である。
Ａ 高周波電源（第一の高周波電源）、Ｂ 高周波電源（第二の高周波電源）、Ｃ 高周波電源（第三の高周波電源）、Ｅ２ 第二電極（アンテナＡＴ２）、Ｅ３ 第三電極（アンテナＡＴ３）、Ｇ プロセスガス、Ｍ／Ｂ マッチングボックス、Ｓ 被処理体（基板）、ＴＭＰ 排気手段、λａ 周波数（第一の周波数）、λｂ 周波数（第二の周波数）、λｃ 周波数（第三の周波数）、１０ プラズマ処理装置、１１ チャンバ、１２ 第一電極（支持手段）、１３ 上蓋、２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ） 固体ソース。
Claims (8)
- プラズマ処理装置であって、
その内部の減圧が可能で、前記内部で被処理体に対してプラズマ処理されるように構成されるチャンバと、
前記チャンバ内に配され、前記被処理体を載置する平板状の第一電極と、
前記第一電極に対して、第一の周波数λ１のバイアス電圧が印加されるように構成された第一の電源と、
前記チャンバ外に配置され、前記チャンバの上蓋を挟んで、前記第一電極と対向し、かつ、中央部に配置された螺旋状の第二電極、及び、前記第二電極より外周部に配置された螺旋状の第三電極と、
前記第二電極に対して、第二の周波数λ２の交流電圧を印加する第二の高周波電源と、 前記第三電極に対して、第三の周波数λ３の交流電圧を印加する第三の高周波電源と、 前記チャンバ内にフッ素を含有するプロセスガスを導入するガス導入手段と、を備え、 前記チャンバ内において、前記チャンバの上蓋側、かつ、前記第一電極と対向する位置に、スパッタリング用の固体ソースを有する、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記第二の周波数λ２と前記第三の周波数λ３が、λ２＞λ３の関係にある場合は、
前記ガス導入手段が前記上蓋の中央部に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載プラズマ処理装置。 - 前記第二の周波数λ２と前記第三の周波数λ３が、λ２＜λ３の関係にある場合は、
前記ガス導入手段が前記チャンバの側壁部に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載プラズマ処理装置。 - 前記チャンバ内において、前記固体ソースの配置される領域が、前記第二電極または前記第三電極と重なる位置にあり、かつ、印加する周波数が低い方の電極を少なくとも覆うように配置されており、
前記固体ソースが前記チャンバの上蓋と別体として設けられている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載プラズマ処理装置。 - 前記チャンバ内において、前記固体ソースの配置される領域が、前記第二電極および前記第三電極と重なる位置にあり、かつ、両電極を覆うように配置されており、
前記固体ソースが前記チャンバの上蓋と別体として設けられている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載プラズマ処理装置。 - 前記チャンバ内において、前記チャンバの上蓋が前記固体ソースから構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載プラズマ処理装置。
- 前記第一電極の外径をＤ、前記第二電極の外径をｄと定義した場合、
関係式Ｄ／２≦ｄ≦Ｄを満たす、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載プラズマ処理装置。 - 前記第二電極又は前記第三電極のうち、印加する周波数が低い方の電極には２ＭＨｚを、印加する周波数が高い方の電極には１３．５６ＭＨｚを、それぞれ印加するように、前記第二の高周波電源と前記第三の高周波電源が選択される、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載プラズマ処理装置。
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