JP6891123B2 - 電子ビームプラズマリアクタおよびワークピース処理方法 - Google Patents

電子ビームプラズマリアクタおよびワークピース処理方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年３月１７日に出願された、Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｓ． Ｃｏｌｌｉｎｓらによる「イオン−イオンプラズマ原子層エッチングプロセス及びリアクタ」と題する米国特許出願第１４／６６０，５３１号の優先権を主張する。
背景
（技術分野）
本開示は、オーバーヘッド電子ビーム源を使用してワークピース（例えば、半導体ウェハ）を処理するためのプラズマリアクタに関する。
（背景議論）
ワークピースを処理するためのプラズマ源は、プラズマリアクタの円筒対称軸に対して横方向にあるビーム経路を有する電子ビーム源を有することができる。そのような横方向配置は、処理に非対称性を導入する可能性があり、それに対して、そのような非対称性を避けるためには、特別な構成がリアクタ内で必要とされる可能性がある。
固有の非対称性がない電子ビームプラズマ源を有するプラズマリアクタが必要である。
概要
電子ビームプラズマリアクタは、（１）上側プラズマチャンバであって、（ａ）側壁と、（ｂ）上部電極支持体であって、電気的に絶縁された静電チャックと、前記上部電極支持体に結合された熱制御装置とを含む上部電極支持体と、（ｃ）前記上部電極支持体に熱的に結合され、上部電極面を有する上部電極と、（ｄ）前記上部電極に又は前記上部電極支持体に又は前記上側チャンバの内部に結合されたＲＦソース電力発生器と、前記電気的に絶縁された静電チャックに結合されたＤ．Ｃ．チャッキング電圧源と、（ｅ）ガス分配器と、（ｆ）前記上部電極面に面するグリッドフィルタとを含む上側プラズマチャンバを含む。電子ビームプラズマリアクタは、（２）下側プラズマチャンバであって、前記グリッドフィルタは、前記上側プラズマチャンバを前記下側プラズマチャンバから分離し、前記下側プラズマチャンバは、（ａ）処理領域を囲む真空チャンバ本体と、（ｂ）ワークピース支持台であって、前記ワークピース支持台に結合され、前記グリッドフィルタに面するワークピース支持面を有する、電気的に絶縁された静電チャック及び熱制御装置を含むワークピース支持台とを含む下側プラズマチャンバを更に含む。
一実施形態では、リアクタは、ワークピース支持台に結合されたバイアス電圧発生器を更に含む。
一実施形態では、前記上部電極は、珪素、炭素、炭化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、又は酸化ジルコニウムのうちの１つを含む。
一実施形態では、前記ＲＦソース電力発生器は、ＶＨＦ周波数の第１のＲＦ電力発生器と、ＶＨＦ未満の周波数の第２のＲＦ電力発生器とを含む。
一実施形態では、前記グリッドフィルタは導電性であり、前記グリッドフィルタは、（ａ）電気的に浮いているか、（ｂ）固定電位にあるかのいずれかである。
プラズマリアクタの一実施形態は、前記第１のＲＦ電力発生器と前記上部電極との間に結合された折り畳み共振器を更に含む。一実施形態では、前記折り畳み共振器は、前記側壁と同軸である。
一実施形態では、前記ＲＦソース電力発生器は、第１のＶＨＦ周波数を有する低ＶＨＦ周波数発生器と、前記第１のＶＨＦ周波数より大きい第２のＶＨＦ周波数を有する高ＶＨＦ周波数発生器とを含む。
一実施形態では、前記グリッドフィルタは、互いに対向する第１及び第２のグリッドを含み、前記プラズマリアクタは、前記第１及び第２のグリッドのうちの１つに接続された加速電圧源を更に含む。
一実施形態は、各々が円形に形作られ、前記チャンバの周りにそれぞれの軸方向位置に配置された前記上部及び下側チャンバのうちの１つに隣接する第１の磁石を更に含む。後者の実施形態では、リアクタは、第２の磁石を更に含み、前記第１及び第２の磁石は、前記上側及び下側チャンバのそれぞれに隣接しており、前記第１及び第２の磁石は、円形に形作られ、前記チャンバの周りのそれぞれの軸方向位置に配置され、前記第１及び第２の磁石は、（ａ）前記上側チャンバ内で主に軸方向であり、前記下側チャンバ内で主に半径方向であるカスプ形状の磁場、又は（ｂ）軸方向磁場のうちの１つを生成する。後者の実施形態では、リアクタは、第３の磁石を更に含み、前記第１及び第２の磁石は、前記上側チャンバにカスプ面を有する第１のカスプ形状の磁場を生成し、前記第２及び第３の磁石は、前記下側チャンバにカスプ面を有する第２のカスプ形状の磁場を生成する。
一実施形態では、リアクタは、前記下側チャンバ内で横方向に磁場を有する磁石を更に含む。
一実施形態では、リアクタは、前記側壁内の窓と、前記窓の周りのコイルアンテナと、前記コイルアンテナに結合されたＲＦ発生器とを更に含む。
一実施形態では、リアクタは、前記チャンバに結合された出力を有するリモートプラズマ源を更に含む。
更なる一実施形態によれば、電子ビームプラズマリアクタ内のワークピースを処理する方法は、グリッドフィルタによって前記リアクタのチャンバを上側チャンバと下側チャンバに分割し、前記下側チャンバ内のワークピースを軸に沿って前記グリッドフィルタに面する前記ワークピースの表面によって支持する工程と、前記チャンバ内にガスを供給する工程と、ＲＦソース電力を前記上側チャンバ内に又は前記上側チャンバの電極に結合して、前記上側チャンバ内でビーム電子を含むプラズマを生成して、前記軸に対応するビーム伝搬方向を有する電子ビームを生成する工程と、前記上側チャンバから前記下側チャンバへの非ビーム電子及びプラズマイオンの少なくとも一部の流れを阻止しながら、前記上側チャンバから前記下側チャンバへの前記ビーム電子の少なくとも一部の流れを許容する工程と、前記電子ビームから前記下側チャンバ内でプラズマを生成工程とを含む。
一実施形態では、本方法は、実質的に不活性なガスを前記上側チャンバに供給し、分子プロセスガスを前記下側チャンバに供給する工程を更に含む。
一実施形態では、前記プラズマを生成する工程は、前記上側チャンバの天井の下にあるプラズマソース電極にＲＦ電力を印加する工程を含み、前記方法は、前記プラズマソース電極を前記天井に静電チャックすることによって前記電極を支持する工程を更に含む。
一実施形態では、本方法は、前記天井の内部に熱伝導媒体を循環させることによって前記プラズマソース電極の温度を制御する工程を更に含む。
一実施形態では、前記方法は、前記ワークピースにバイアス電圧を結合する工程を更に含む。
一実施形態では、前記プラズマソース電極は、珪素、炭素、炭化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムのうちの１つを含む。
一実施形態では、前記プラズマを生成する工程は、前記上側チャンバの天井の下にあるプラズマソース電極にＲＦソース電力を印加する工程を含み、前記ＲＦソース電力は、第１の周波数のＲＦ電力及び第２の周波数のＲＦ電力を含む。
一実施形態では、本方法は、永久磁石又は電磁石のいずれかを含む第１の磁石から前記チャンバ内に磁場を提供する工程を更に含む。一実施形態では、本方法は、第２の磁石を提供する工程を更に含み、前記第１及び第２の磁石は、カスプ磁場又は軸方向磁場のうちの１つを生成する。
一実施形態では、前記プラズマを生成する工程は、上側チャンバの側壁内の窓の周りのコイルアンテナにＲＦソース電力を印加する工程を更に含む。
更に別の一実施形態では、処理チャンバ内で電子ビームプラズマ源を用いて原子層エッチングを行う方法は、グリッドフィルタによって前記処理チャンバを上側及び下側チャンバに分割する工程と、前記上側チャンバは天井電極を有し、エッチングされる表面層を有する前記下側チャンバ内にワークピースを配置する工程と、前記チャンバに分子プロセスガスを供給する工程と、（Ｉ）パッシベーションプロセスを実施する工程であって、（Ａ）次のうちの少なくとも１つの工程を実施する工程であって、（ａ）高電力レベルのＶＨＦ電力を前記上側チャンバ又は前記天井電極に結合する工程、又は（ｂ）高レベルの誘導結合電力を前記上側チャンバに結合する工程のうちの少なくとも１つを実行する工程と、（Ｂ）前記ワークピースの前記表面層をエッチングするために前記ワークピース上のバイアス電圧をゼロ又は閾値以下に維持して、パッシベーションプロセスの間に表面層のエッチングを低減又は防止する工程とを含むパッシベーションプロセスを実施する工程と、（ＩＩ）エッチングプロセスを実施する工程であって、（Ａ）以下のうちの少なくとも１つを実施する工程であって、（ａ）高レベルの低周波ＲＦ電力を前記天井電極に印加する工程、又は（ｂ）（１）前記ＶＨＦ電力又は（２）前記誘導結合電力のうちの少なくとも１つの電力レベルを低減又は削減する工程のうちの少なくとも１つを実施する工程と、（Ｂ）前記表面層をエッチングするために前記ワークピース上のバイアス電圧を閾値以上に維持する工程とを含むエッチングプロセスを実施する工程と、（ＩＩＩ）前記パッシベーションプロセス及びエッチングプロセスを交互に連続して繰り返す工程とを含む。
一実施形態では、分子プロセスガスを前記チャンバに供給する前記工程は、前記分子プロセスガスを前記下側チャンバ内に供給する工程を含む。この後者の実施形態では、本方法は、不活性ガスを前記上側チャンバ内に供給する工程を更に含むことができる。
一実施形態では、分子プロセスガスを前記チャンバに供給する前記工程は、前記分子プロセスガスを前記上側チャンバ内に供給する工程を含む。この後者の実施形態では、前記パッシベーションプロセスは、前記上側チャンバ内に不活性ガスを供給する工程を更に含むことができる。
一実施形態では、前記方法は、前記表面層の材料の選択された深さのパッシベーションに対応する期間の間、前記パッシベーションプロセスを実行する工程を更に含む。一実施形態では、前記選択された深さは、１原子層である。
一実施形態では、前記分子プロセスガスは、パッシベーション種を含む。
一実施形態では、前記エッチングプロセスの間に、前記解離を減少させる工程は、前記ワークピースの前記表面層のパッシベーションを実質的に停止又は減少させる。
一実施形態では、前記パッシベーションプロセスの間、前記解離を増強させる工程は、前記上側チャンバから前記下側チャンバに伝播する電子ビームを前記天井電極のイオン衝撃によって生成する工程を含む。
一実施形態では、（ａ）前記高レベル電力の前記ＶＨＦ電力は３００〜１００００ワットの範囲内にあり、（ｂ）前記高レベルの誘導結合電力は、３００〜１００００ワットの範囲内にあり、（ｃ）前記高レベルの前記低周波ＲＦ電力は、３００〜１００００ワットの範囲内にある。
本発明の例示的な実施形態が達成される方法を詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約された本発明のより詳細な説明は、添付の図面に図示されるその実施形態を参照することによって行うことができる。本発明を不明瞭にしないために、いくつかの周知のプロセスは本明細書で論じられていないことを理解すべきである。
第１の実施形態に係るプラズマリアクタを示す。 一対のグリッドを有する図１のプラズマリアクタの変形例を示す。 第２の実施形態に係るプラズマリアクタを示す。 図２の実施形態で使用されるＶＨＦ共振器の部分的に切り取った立面図である。 図３に対応する平面図である。 図３のＶＨＦ共振器の第２の実施形態の正投影図である。 図５Ａに対応する平面図である。 図５Ａの一部の拡大図である。 磁気フィルタとしてカスプ型磁場を有する一実施形態を示す。 電子ビームを閉じ込めるための軸方向磁場を有する一実施形態を示す。 磁気フィルタとして横方向磁場を有する一実施形態を示す。 天井電極の近くにプラズマを閉じ込めるための上部カスプ型磁場と、磁気フィルタとしての下部カスプ型磁場とを有する一実施形態を示す。 一実施形態に係る方法を示すブロック図である。 一実施形態に係る原子層エッチング方法を示すブロック図である。
理解を促進するために、図面に共通する同一の要素を示す際には可能な限り同一の参照番号を使用している。一実施形態の要素及び構成を更なる説明なしに他の実施形態に有益に組み込んでもよいと理解される。しかしながら、添付図面は本発明の例示的な実施形態を示しているに過ぎず、したがってこの範囲を制限していると解釈されるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を含み得ることに留意すべきである。
詳細な説明
図１を参照すると、電子ビームプラズマリアクタは、円筒状の側壁１０２を含むチャンバ１００を画定する真空チャンバ本体を有する。チャンバ１００は、グリッドフィルタ１０４によって上側チャンバ１００ａと下側チャンバ１００ｂに分割される。下側チャンバ１００ｂは、バイアス電圧が印加されていないときに実質的な電界が内部にないため、ドリフト空間である。上側チャンバ１００ａの上に天井１０６があり、電極１０８を支持している。一実施形態では、電極１０８は、プロセス適合性材料（例えば、珪素、炭素、珪素炭素化合物、又は酸化珪素化合物）で形成される。代替の一実施形態では、電極１０８は、金属酸化物（例えば、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、又は酸化ジルコニウム）で形成される。天井１０６及び電極１０８は、ディスク形状とすることができる。電極１０８の底面は、グリッドフィルタ１０４と対向しており、上側チャンバ１００ａの内部に露出している。一実施形態では、絶縁体又は誘電体リング１０９が電極１０８を取り囲んでいる。
下側チャンバ１００ｂ内でワークピース１１１を支持するワークピース支持台１１０は、グリッドフィルタ１０４に面するワーク支持面１１０ａを有し、リフトサーボ（昇降サーボ）１１２によって軸方向に移動可能とすることができる。一実施形態では、ワークピース支持台１１０は、ワークピース支持面１１０ａを形成する絶縁パック３０２と、絶縁パック３０２の内部のワークピース電極３０４と、ワークピース電極３０４に接続されたチャック電圧供給源３０５とを含む。更に、絶縁パック３０２の下にあるベース層３０６は、熱媒体（例えば、液体）を循環供給源３１０から循環させるための内部流路３０８を有する。循環供給源３１０は、ヒートシンク又はヒートソース（熱源）として機能することができる。
ＶＨＦ周波数（例えば、１６０ＭＨｚ）を有するＲＦ電力発生器１２０及びＶＨＦ範囲未満又はＨＦ範囲未満（例えば、ＭＦ又はＬＦ範囲、例えば、２ＭＨｚ）の周波数を有する低周波ＲＦ電力発生器１２２は、ＲＦ給電導体１２３を介してインピーダンス整合器１２４を介して電極１０８に結合される。一実施形態では、インピーダンス整合器１２４は、ＲＦ電力発生器１２０及び１２２の異なる周波数でのインピーダンス整合並びに電力発生器を互いに隔離するためのフィルタリングを提供するように適合される。ＲＦ電力発生器１２０、１２２の出力電力レベルは、コントローラ１２６によって独立して制御される。以下で詳細に説明されるように、ＲＦ電力発生器１２０、１２２からの電力は、電極１０８に結合される。一実施形態では、天井１０６は導電性であり、電極１０８と電気的に接触しており、インピーダンス整合器１２４からの電力は、天井１０６を通って電極１０８に伝導される。一実施形態では、側壁１０２は金属で形成され、接地される。一実施形態では、上側チャンバ１００ａ内の接地された内面の表面積は、少なくとも電極１０８の表面積の２倍である。一実施形態では、チャンバ１００内の接地された内面は、プロセス適合性材料（例えば、珪素、炭素、珪素炭素化合物、または酸化珪素化合物）でコーティングされてもよい。代替の一実施形態では、チャンバ１００内の接地された内面は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、又は酸化ジルコニウムなどの材料でコーティングされてもよい。
一実施形態では、ＲＦ電力発生器１２０は、別個に制御される２つのＶＨＦ電力発生器１２０ａ及び１２０ｂで置き換えてもよい。ＶＨＦ発生器１２０ａは、ＶＨＦ帯の下部（例えば、３０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚ）の出力周波数を有し、一方、ＶＨＦ発生器１２０ｂは、ＶＨＦ帯の上部（例えば、１５０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）の出力周波数を有する。コントローラ１２６は、ＶＨＦ発生器１２０ａ及び１２０ｂの出力電力レベル間の比を選択することによって、プラズマイオン密度を制御することができる。２つのＶＨＦ電力発生器１２０ａ及び１２０ｂにより、上側チャンバ１００ａのギャップ（電極１０８とグリッドフィルタ１０４との間の距離）を選択することによって、上側チャンバ１００ａ内の半径方向のプラズマ均一性を制御することができ、これによってそれ自体により下部ＶＨＦ周波数が上側チャンバ１００ａ内でプラズマイオン密度のエッジ高の半径方向分布を生成し、それ自体により上部ＶＨＦ周波数がプラズマイオン密度の中心高の半径方向分布を生成する。このような選択により、２つのＶＨＦ電力発生器１２０ａ、１２０ｂの電力レベルは、その後、プラズマイオン密度の半径方向分布の均一性が最適化される比率に設定される。
一実施形態では、天井１０６は、電極１０８のための支持体であり、電極１０８に面するチャッキング電極１５２を含む絶縁層１５０を含む。電極１０８を天井１０６に静電的にクランプするために、Ｄ．Ｃ．チャッキング電圧源１５４が給電導体１５５を介してチャッキング電極１５２に結合される。Ｄ．Ｃ．阻止コンデンサ１５６が、インピーダンス整合器１２４の出力と直列に接続されてもよい。コントローラ１２６は、Ｄ．Ｃ．チャッキング電圧供給源１５４を制御することができる。一実施形態では、インピーダンス整合器１２４からのＲＦ給電導体１２３は、電極１０８に直接接続されるのではなく、電極支持体又は天井１０６に接続されてもよい。そのような一実施形態では、ＲＦ給電導体１２３からのＲＦ電力は、電極支持体から電極１０８に容量結合することができる。
一実施形態では、上部ガスインジェクタ１３０は、第１バルブ１３２を介してプロセスガスを上側チャンバ１００ａ内に供給する。一実施形態では、下部ガスインジェクタ１３４は、第２バルブ１３６を介してプロセスガスを下側チャンバ１００ｂ内に供給する。プロセスガス供給源１３８のアレイから、（例えば、第１及び第２バルブ１３２及び１３６を含むことができる）バルブ１４０のアレイを通って、ガスが供給される。一実施形態では、上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂ内へのガス種及びガス流量は、独立して制御可能である。コントローラ１２６は、バルブ１４０のアレイを制御することができる。一実施形態では、不活性ガスが上側チャンバ１００ａ内に供給され、プロセスガスが下側チャンバ１００ｂ内に供給される。不活性ガスの流量は、下側１００ｂから上側チャンバ１００ａ内へのガスの対流又は拡散を実質的に防止するように選択され、上側チャンバ１００ａの実質的な化学的隔離を提供してもよい。
一実施形態では、プラズマは、上部電子放出電極１０８の内面の高エネルギーイオン衝突を含む様々なバルク及び表面プロセスによって上側チャンバ１００ａ内で生成することができる。電極１０８のイオン衝撃エネルギー及びプラズマ密度は、両方のＲＦ電力発生器１２０及び１２２の関数である。電極１０８のイオン衝撃エネルギーは、ＲＦ電力発生器１２２からの低周波電力によって実質的に制御することができ、上側チャンバ１００ａ内のプラズマ密度は、ＲＦ電力発生器１２０からのＶＨＦ電力によって実質的に制御する（増強する）ことができる。高エネルギー二次電子が、電極１０８の内面から放出される可能性がある。放出面からの高エネルギー電子の束は、電子ビームを含むことができ、電極１０８の内面に対して実質的に垂直な方向を有することができ、ビームエネルギーは、電極１０８のほぼイオン衝撃エネルギーであり、これは典型的には、約１０ｅＶ〜５０００ｅＶの範囲とすることができる。異なるプロセスの衝突断面は、電子エネルギーに依存する。低エネルギーでは、励起（及び分子ガス中の解離）のための断面は、イオン化の場合よりも大きく、高エネルギーの場合はその逆が成り立つ。ＲＦ電力レベルは、様々な非弾性電子衝突プロセスを対象とするように有利に選択されてもよい。
オプションのＲＦソース発生器１７４及びコイルアンテナ１７２を有する別の一実施形態では、上側チャンバ１００ａ内のプラズマ密度は、ＲＦ電力発生器１７４からのＲＦ電力によって実質的に制御（増強）することができる。
一実施形態では、グリッドフィルタ１０４は平らなディスク形状であり、側壁１０２と同軸であってもよい。グリッドフィルタ１０４は、複数の開口部１０４−１のアレイによって形成される。一実施形態では、グリッドフィルタ１０４の軸方向厚さＴ及び複数の開口部１０４−１の直径ｄは、グリッドフィルタ１０４を通して非ビーム（低エネルギー）の電子及びプラズマイオンの流れを妨げながら、高エネルギーの指向性ビーム電子のグリッドフィルタ１０４を通る流れを促進するように選択され、グリッドフィルタの穴の面積の全グリッドフィルタ面積に対する比は、最大化することができる。高エネルギー電子束（電子ビーム）は、グリッドフィルタ１０４を通過して下側チャンバ１００ｂに到達することができ、下側チャンバ１００ｂ内での様々な電子衝突プロセスによってプラズマを生成することができる。
下側チャンバ１００ｂ内で電子ビームによって生成されたプラズマは、上側チャンバ１００ａ内のプラズマとは異なる特性を有することができる。グリッドフィルタ１０４は、上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂを互いに実質的に電気的に絶縁するためのフィルタとして機能することができる。一実施形態では、グリッドフィルタ１０４は、導電性材料又は半導電性材料で形成され、グランドに接続されてもよく、又は電気的に浮いていてもよい。別の一実施形態では、グリッドフィルタ１０４は、非導電性材料で形成される。一実施形態では、グリッドフィルタ１０４は、プロセス適合性材料（例えば、珪素、炭素、珪素炭素化合物、又は酸化珪素化合物）でコーティングしてもよい。代替の一実施形態では、グリッドフィルタ１０４は、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、又は酸化ジルコニウムなどの材料でコーティングしてもよい。一実施形態では、上側チャンバ１００ａ内で生成されたプラズマは、高い電子密度及び／又は高い電子温度を有し、電極１０８に衝突する高エネルギーイオンを有することができる。
電極表面の高エネルギーイオン衝撃により電極１０８から放出された二次電子束から構成される電子ビームの少なくとも一部は、グリッドフィルタ１０４を通って下側チャンバ１００ｂ内に伝搬し、ビームエネルギー及びビーム束並びに他の要因（例えば、圧力及びガス組成）に依存するプラズマ密度を有する低電子温度のプラズマを下側チャンバ１００ｂ内に生成する。高エネルギービーム電子は、下側チャンバ１００ｂのプラズマ領域を離れると、ワークピース１１１又はワークピース支持台１１０に衝突する可能性がある。残されたプラズマは、電子ビーム束によって引き起こされる結果的に生じる表面電荷を容易に放電することができる。
一実施形態では、電気陰性又は電子付着性ガス（例えば、塩素）がチャンバ内に供給され、ＲＦ及び／又はＶＨＦ電力が電極１０８に印加され、オプションでＲＦ電力がコイルアンテナ１７２に印加され、オプションでリモートプラズマ源（ＲＰＳ）２８０にＲＰＳ電力が印加され、上側チャンバ１００ａ内にプラズマが生成され、グランドに対して及びプラズマに対して加速電圧が電極１０８上に発生する。結果として得られる電極１０８の高エネルギーイオン衝突は、電極表面からの二次電子放出を生成し、これは電極表面からの電子ビーム束を構成する。グリッドフィルタ１０４は、電子ビームの少なくとも一部を、グリッドフィルタ１０４を通って下側チャンバ１００ｂ内に伝播させ、一方、非ビーム電子及びプラズマイオンの少なくとも一部がグリッドフィルタ１０４を通過することを防止し、下側チャンバ１００ｂ内に低電子温度のプラズマを生成する。下側チャンバ１００ｂ内において電気陰性ガス（例えば、塩素）中で得られた低電子温度のプラズマは、電子密度及び正イオンの近づいている密度よりもはるかに高い負イオン密度を有する高い電気的陰性のプラズマを生成することができる。そのようなプラズマは、一般的にイオン−イオンプラズマと呼ばれる。
電子ビームに実質的に平行な実質的に軸方向に向けられた磁場がオプションとして使用され、これによって電子ビームを誘導するのを助け、上側チャンバ１００ａ、グリッドフィルタ１０４、及び／又は下側チャンバ１００ｂを通るビーム輸送を改善することができる。低周波バイアス電圧又は低繰返し周波数の任意の波形をワークピース支持台１１０に（例えば、ワークピース電極３０４に）印加して、これによって選択的に又は交互に前記プラズマから正及び／又は負のイオンを抽出し、これらのイオンを所望のエネルギーレベルに加速し、これによってエッチング、洗浄、堆積、又は他の材料改質のためにワークピース１１１の表面に衝突することができる。（ａ）上側チャンバ１００ａ内で、（ｂ）下側チャンバ１００ｂ内で電子ビームによって、（ｃ）ワークピース支持台１１０へのバイアス電圧の印加によって、又は（ｄ）リモートプラズマ源（ＲＰＳ）２８０によって生成されたラジカルは、ワークピース１１１に対流又は拡散して、ワークピース表面上での反応に関与することができる。
別の一実施形態では、比較的不活性なガス（例えば、ヘリウム又はアルゴン）が上側チャンバ１００ａ内に供給され、電気陰性又は電子付着性のガス（例えば、六フッ化硫黄）が下側チャンバ１００ｂに流入され、ＲＦ及び／又はＶＨＦ電力が電極１０８に印加され、オプションでＲＦ電力がコイルアンテナ１７２に印加され、オプションでＲＰＳ電力がＲＰＳ２８０に印加され、プラズマが上側チャンバ１００ａ内で生成され、加速電圧がグランド及びプラズマに対して電極１０８上に生成される。結果として得られる電極１０８の高エネルギーイオン衝突は、電極表面からの二次電子放出を生成し、これは電極表面からの電子ビーム束を構成する。グリッドフィルタ１０４は、非ビーム電子及びプラズマイオンの少なくとも一部がグリッドフィルタ１０４を通過するのを防止しながら、グリッドフィルタ１０４を通って下側チャンバ１００ｂ内に電子ビームの少なくとも一部を伝搬させ、下側チャンバ１００ｂ内に低電子温度プラズマを生成する。
下側プラズマチャンバ内において電気的陰性ガス（例えば、六フッ化硫黄）中で結果として得られた低電子温度プラズマは、電子密度及び正イオンの近づいている密度よりもはるかに高い負イオン密度を有する高い電気的陰性のプラズマを生成することができ、一般的にイオン−イオンプラズマと呼ばれる。電子ビームに実質的に平行な実質的に軸方向に向けられた磁場がオプションとして使用され、これによって電子ビームを誘導するのを助け、上側チャンバ１００ａ、グリッドフィルタ１０４、及び／又は下側チャンバ１００ｂを通るビーム輸送を改善することができる。低周波バイアス電圧又は低繰返し周波数の任意の波形をワークピース支持台１１０に印加して、これによって選択的に又は交互にプラズマから正及び／又は負のイオンを抽出し、イオン種を所望のエネルギーレベルに加速し、これによってエッチング、洗浄、堆積、又は他の材料改質のためにワークピース表面に衝突することができる。（ａ）上側チャンバ１００ａ内で、（ｂ）下側チャンバ１００ｂ内で電子ビームによって、（ｃ）ワークピース支持台１１０へのバイアス電圧の印加によって、又は（ｄ）ＲＰＳ２８０によって生成されたラジカルは、ワークピース１１１に対流又は拡散して、ワークピース表面上での反応に関与することができる。
一実施形態では、グリッドフィルタ１０４は、内部ガス流路１０５ａ及びガス噴射出口１０５ｂを有するガス分配プレートである。内部ガス流路１０５ａは、バルブ１４０のアレイに結合することができる。
一実施形態では、ＲＦバイアス電力発生器１４２は、インピーダンス整合器１４４を介してワークピース支持台１１０のワークピース電極３０４に結合される。更なる一実施形態では、波形調整プロセッサ１４７が、インピーダンス整合器１４４の出力とワークピース電極３０４との間に接続されてもよい。波形整形プロセッサ１４７は、ＲＦバイアス電力発生器１４２によって生成された波形を所望の波形に変える。ワークピース１１１の近くのプラズマのイオンエネルギーは、波形調整プロセッサ１４７によって制御される。一実施形態では、波形整形プロセッサ１４７は、各ＲＦサイクルの特定の部分の間、所望のイオンエネルギーレベルに対応するレベルに振幅が保持される波形を生成する。コントローラ１２６は、波形調整プロセッサ１４７を制御することができる。
一実施形態では、磁石１６０がチャンバ１００を取り囲む。一実施形態では、磁石は、上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂにそれぞれ隣接する一対の磁石１６０−１、１６０−２を含む。一実施形態では、一対の磁石１６０−１、１６０−２は、上側チャンバ１００ａから下側チャンバ１００ｂに伝播している電子ビームを閉じ込めるのに適した軸方向磁場を提供する。
一実施形態では、側壁１０２内の側部窓１７０は、上側チャンバ１００ａに面し、それを通してＲＦ電力が誘導結合可能な材料（例えば、石英又は酸化アルミニウム）で形成される。誘導コイルアンテナ１７２は、側部窓１７０を囲み、インピーダンス整合器１７６を介してＲＦ電力発生器１７４によって駆動される。リモートプラズマ源２８０は、プラズマ種を下側チャンバ１００ｂ内に導入することができる。
一実施形態では、ワークピース１１１への高エネルギー電子の流れは、グリッドフィルタ１０４とワークピース１１１との間の領域において、主に半径方向の成分（すなわち、電子ビームの流れ方向に対して横方向）を有する磁場によって阻止される。この磁場は、磁石１６０−１又は１６０−２のうちの１つによって、又は別の磁石又は磁石の組によって生成されてもよい。
一実施形態では、天井１０６の内部に熱伝導性液体又は媒体を導くための内部流路１７８が、熱媒体循環供給源１８０に接続される。熱媒体循環供給源１８０は、ヒートシンク又はヒートソースとして機能する。電極１０８と天井１０６との間の機械的接触は、電極１０８と天井１０６との間の高い熱コンダクタンスを維持するのに十分である。図１の実施形態では、機械的接触の力は、Ｄ．Ｃ．チャッキング電圧供給源１５４によって提供される静電クランプ力によって調整される。
図１Ａに示される一実施形態では、グリッドフィルタ１０４は、互いに離間した２つのグリッド、すなわち上側グリッドフィルタ１０４Ａ及び下側グリッドフィルタ１０４Ｂによって置き換えられる。一実施形態では、上部及び下部グリッドフィルタ１０４Ａ、１０４Ｂは導電性であり、異なる電圧に保持されてもよい。例えば、上側グリッドフィルタ１０４Ａは接地させることができ、一方、加速電圧供給源３００は下部グリッドフィルタ１０４Ｂに接続させることができる。
代替の一実施形態では、ＲＦ駆動コイルアンテナ２９０を天井１０６の上に設けてもよい。
図２は、図１の実施形態の変形例を示しており、（ＲＦ発生器１２０からの）ＶＨＦ電力と（ＲＦ発生器１２２からの）より低い周波数の（低周波）ＲＦ電力とが別々の経路を介して電極１０８に供給される。図２の実施形態では、ＲＦ発生器１２０は、電極１０８の端部の上にある折り畳み共振器１９５を介して電極１０８に結合される。より低い周波数のＲＦ発生器１２２は、ＲＦインピーダンス整合器１９４を介してＲＦ給電導体１２３を介して電極１０８に結合される。Ｄ．Ｃ．チャッキング電圧供給源１５４は、天井１０６内の通路を通って延びる給電導体１５５を介してチャッキング電極１５２に結合される。
図２の折り畳み共振器１９５の一実施形態は、ここで図３及び図４を参照して説明する。折り畳み同軸共振器１９５は、天井電極１０８と同軸の内側導電性中空円筒２００を含む。内側導電性中空円筒２００は、天井電極１０８の上面に電気的に接触する円形底端部２００ａを有する。折り畳み同軸共振器１９５は、電極１０８の周囲を取り囲む誘電体リング１０９の上面に接触する円形底端部２０５ａを有する外側導電性中空円筒２０５を更に含む。誘電体リング１０９は、絶縁支持リング１０９ａと、絶縁支持リング１０９ａの下の絶縁クランプリング１０９ｂからなることができる。内側及び外側導電性円筒２００、２０５は、少なくともほぼ同じ軸方向長さであり、これによってそれらの円形上端部２００ｂ、２０５ｂは天井電極１０８の上方で同じ高さにある。折り畳み同軸共振器１９５はまた、内側及び外側導電性中空円筒２００、２０５の円形上端部２００ｂ、２０５ｂ上に載置され、電気的に接続される平坦な導電性環帯２１０を含む。折り畳み同軸共振器１９５は、内側及び外側中空導電性円筒２００、２０５と同軸であり、それらの間に位置する中央導電性中空円筒２１５を更に含む。好ましくは、中央導電性中空円筒２１５の半径は、内側及び外側中空導電性円筒２００、２０５の半径の幾何平均とすることができる。中央導電性中空円筒２１５は、電極１０８の上面に載置され、電気的に接触される円形底端部２１５ａを有する。
ＶＨＦ電力カプラ２２０は、ＲＦ発生器１２０から中央中空導電性円筒２１５へＶＨＦ電力を導く。したがって、中央中空導電性円筒２１５は、折り畳み同軸共振器１９５のＲＦ給電導体であり、一方、平面導電性環帯２１０と共に内側及び外側中空導電性円筒２００、２０５は、簡単な同軸共振器の接地された外側導体に類似している。円形底端部２００ａ、２１５ａの天井電極１０８への電気的接続は、簡単な（折り畳まれていない）同軸チューニングスタブの端部のＤ．Ｃ．ショートに相当する必要なＤ．Ｃ．ショートを提供する。
ＶＨＦ電力カプラ２２０は、中空内側円筒２００の上部を貫通して中空内側円筒２００の外側の上端部２２２ａから内側円筒２００の内部の底端部２２２ｂまで延びる軸方向導体２２２を含む。第１のスポーク導体２２４ａは、軸方向導体の底端部２２２ｂから内側円筒２００内の穴２２６ａを通って中央円筒２１５まで半径方向に延びている。図４に示されるように、軸方向導体底端部２２２ｂから内側円筒２００内のそれぞれの穴２２６ａ、２２６ｂ、２２６ｃを通って、それらの外端部が電気的に接続されている中央円筒２１５まで対称配置され半径方向に延びる複数のスポーク導体２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃがある。図示の実施形態では、１２０度の間隔で配置された３つのスポーク導体２２４があるが、任意の適切な数ｎのスポーク導体２２４が３６０／ｎ度の間隔で設けられてもよい。
一実施形態では、ＶＨＦ電力カプラ２２０は、軸方向導体２２２及び各々のスポーク導体２２４が、ＲＦホットである中央導体を含む同軸伝送線であり、接地された外側導体又はシールドにより取り囲まれている同軸構造として提供される。この同軸構造は、図５Ａ及び図５Ｂに示されており、内側中空導電性円筒２００の内部の無磁場環境に適合している。図５Ａ及び図５Ｂの実施形態では、軸方向導体２２２は、ＶＨＦ発生器１２０の出力に接続された中央軸方向導体２２２−１と、中央軸方向導体２２２−１を取り囲む接地された外側軸方向導体２２２−２とからなる。図５Ｃは、軸方向導体２２２の断面図を示す。
図５Ａ〜図５Ｃの実施形態では、スポーク導体２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃの各々は、同軸伝送線構造を具現化する。したがって、スポーク導体２２４ａは、中央スポーク導体２２４ａ−１と、中央スポーク導体２２４ａ−１を取り囲む外側スポーク導体２２４ａ−２とからなる。中央スポーク導体２２４ａ−１は、軸方向中央導体２２２−１から半径方向に延び、中央円筒２１５で終端を迎え、中央円筒２１５に電気的に接続されている。中央スポーク導体２２４ａ−１は、軸方向中央導体２２２−１へのその接続のためにＲＦホットである。外側スポーク導体２２４ａ−２は、接地された軸方向外側導体２２２−２から延び、内側円筒２００で終端を迎え（内側円筒２００に電気的に接続され）る。中央スポーク導体２２４ａ−１は、（内側導電性円筒２００に接触することなく）穴２２６ａを通過し、中央導電性円筒２１５に接触する。
スポーク導体２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃの各々の構造は同じである。したがって、スポーク導体２２４ｂは、中央スポーク導体２２４ｂ−１と、中央スポーク導体２２４ｂ−１を取り囲む外側スポーク導体２２４ｂ−２とからなる。中央スポーク導体２２４ｂ−１は、軸方向中央導体２２２−１から半径方向に延び、中央円筒２１５で終端を迎える。中央スポーク導体２２４ｂ−１は、軸方向中央導体２２２−１へのその接続のためにＲＦホットである。外側スポーク導体２２４ｂ−２は、接地された軸方向外側導体２２２−２から延び、内側円筒２００で終端を迎え（内側円筒２００と電気的に接続され）、一方、中央スポーク導体２２４ｂ−１は、（内側導電性円筒２００に接触することなく）穴２２６ｂを通過し、中央導電性円筒２１５に接触する。
同様に、スポーク導体２２４ｃは、中央スポーク導体２２４ｃ−１と、中央スポーク導体２２４ｃ−１を取り囲む外側スポーク導体２２４ｃ−２とからなる。中央スポーク導体２２４ｃ−１は、軸方向中央導体２２２−１から半径方向に延び、中央円筒２１５で終端を迎える。中央スポーク導体２２４ｃ−１は、軸方向中央導体２２２−１へのその接続のためにＲＦホットである。外側スポーク導体２２４ｃ−２は、接地された軸方向外側導体２２２−２から延び、内側円筒２００で終端を迎え（内側円筒２００と電気的に接続され）、一方、中央スポーク導体２２４ｃ−１は、（内側導電性円筒２００に接触することなく）穴２２６ｃを通過し、中央導電性円筒２１５に接触する。
複数のスポーク中央導体２２４ａ−１、２２４ｂ−１、２２４ｃ−１は、軸方向中央導体２２２−１から半径方向に延びて中央導電性円筒２１５に電気的に接触する。この接触領域は、円形平面を画定する。この円形平面の軸方向の位置は、この位置における電気的インピーダンス又はＲＦインピーダンスが、ＲＦ発生器１２０のＶＨＦ周波数における２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃの特性インピーダンスとそれぞれ一致するように選択される。個々のスポーク導体２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃの特性インピーダンスは、接合部（２２２ｂ）におけるそれらの全インピーダンスが、ＶＨＦ発生器１２０の周波数におけるＶＨＦ発生器１２０の出力インピーダンスと一致するように選択される。
図６は、一実施形態において磁石１６０−１及び１６０−２によって生成されるカスプ形状の磁場を示す。カスプ形状の磁場は、下側チャンバ１００ｂ内で主に放射状（半径方向）であり、したがって、電子がワークピース１１１に到達するのをそらす。カスプ形状の磁場は、中心の小さな領域において軸方向である。中心部での磁場の主に軸方向の形態に起因する磁場の中心部を通る高エネルギー電子の漏れを回避するために、中心シールド又はブロッカ４００が設けられてもよい。
図７は、別の一実施形態における磁石１６０−１及び１６０−２によって生成される軸方向形状の磁場を示す。軸方向の磁場は、軸方向の経路に沿って電子ビームを閉じ込めるために有効である。
図８は、電子がワークピース１１１に到達するのをそらすために、磁石１６１によって下側チャンバ１００ｂ内に生成される横方向磁場Ｍを示す。磁石１６１は、例えば、ハルバッハ配列として実装することができる。磁石１６１は、電磁石の円形アレイであってもよく、これによって、横方向磁場Ｍがチャンバ１００の円筒対称軸の周りを電気的に回転し、処理の均一性を高めることができる。
図９は、上側チャンバ１００ａ内の磁石１６０−１及び１６０−２によって生成される上側カスプ形状磁場５００と、下側チャンバ１００ｂ内の磁石１６０−２及び１６０−３によって生成される下側カスプ形状磁場５０４とを含む磁場を示す。上側及び下側カスプ形状磁場５００、５０４は、グリッドフィルタ１０４の上下にそれぞれ対称面５０６、５０８をそれぞれ有する。上側カスプ形状磁場５００は、電極１０８の近くにプラズマを閉じ込めるのを助ける。下側カスプ形状磁場５０４は、下側チャンバ１００ｂ内において主に放射状であり、したがって、電子がワークピース１１１に到達するのをそらす。カスプ磁場は、中心の小さな領域内では軸方向である。中心部での磁場の主に軸方向の形態に起因する磁場の中心部を通る高エネルギー電子の漏れを回避するために、中心シールド又はブロッカ４００が下側チャンバ１００ｂ内に設けられてもよい。
図１、図１Ａ、又は図２の電子ビームプラズマリアクタのいずれか１つを用いて、電子ビームプラズマリアクタ内でワークピースを処理する以下の方法を実行することができる。ここで図１０を参照すると、グリッドフィルタ１０４が提供され、チャンバ１００を上側チャンバ１００ａと下側チャンバ１００ｂに分割し（図１０のブロック６１０）、同時にグリッドフィルタ１０４と対向する下側チャンバ１００ｂ内のワークピース１１１を支持する。上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂのうちの少なくとも１つにガスが供給される（図１０のブロック６１２）。上側チャンバ１００ａ内へ又は電極１０８へＲＦソース電力を導入して、上側チャンバ１００ａ内でビーム電子を含むプラズマを生成して、対称軸に対応するビーム伝播方向を有する電子ビームを生成する（図１０のブロック６１４）。本方法は、グリッドフィルタ１０４を通して上側チャンバ１００ａから下側チャンバ１００ｂへのビーム電子の少なくとも一部の流れを可能にし（図１０のブロック６１６）、同時に上側チャンバ１００ａから下側チャンバ１００ｂへの非ビーム電子及びプラズマイオンの少なくとも一部のグリッドフィルタ１０４を通る流れを阻止する（図１０のブロック６１８）ことを更に含む。本方法は、電子ビームが下側チャンバ１００ｂ内にプラズマを生成可能とすることを更に含む（図１０のブロック６２０）。本方法は、上側チャンバ１００ａ内に実質的に不活性なガスを供給し、下側チャンバ１００ｂ内に分子プロセスガスを供給することを更に含むことができる（図１０のブロック６２２）。本方法は、バイアス電圧をワークピース１１１に結合することを更に含むことができる（図１０のブロック６２４）。
（原子層エッチング）
図１、図１Ａ、又は図２のリアクタを使用して、原子層エッチングプロセスを実行することができる。一例では、ワークピース１１１は、半導体バルク層（例えば、単結晶シリコン）、上層（例えば、シリコンの酸化物）、及び表面層（例えば、多結晶シリコン）を含み、これらは部分的にマスクすることができる。このプロセスでは、ガス供給源１３８のうちの１つは、エッチング種（例えば、アルゴンガス）の前駆体を含み、一方、ガス供給源１３８のうちの別の１つは、パッシベーション種（例えば、塩素ガス）の前駆体を含む。パッシベーション種は、パッシベーション前駆体種（例えば、塩素ガス）の（プラズマ中での）解離によって生成される。パッシベーションは、ワークピース１１１をパッシベーション種に曝露することによって行われる。一般的に、ワークピース１１１の表面層は、選択されたエネルギーのエッチング種によって容易にエッチングされない（又はエッチングの影響を受けない）。パッシベーションは、ワークピースの表面層をエッチング種によってエッチングしやすいようにする。表面層のパッシベーションされた部分の深さは、パッシベーション種への曝露時間によって決定される。このプロセスでは、パッシベーション種への曝露の時間は、１原子層がパッシベーションされる期間に設定される。次に、ワークピース１１１をエッチング種に曝露させ、１原子層を除去する。その後、前述のシーケンスを繰り返して、次の原子層を除去する。このサイクルは、表面層の所望の部分（例えば、１００％）が除去されるまで、一度に１原子層ずつ繰り返される。このように、プロセスはパッシベーションとエッチングの交互のフェーズからなる。
ここで図１、図１Ａ、又は図２を参照すると、一実施形態では、不活性ガス（例えば、アルゴン）が上側チャンバ１００ａに供給され、分子プロセスガス（例えば、塩素）が下側チャンバ１００ｂに供給される。図１を参照して上述したように、プラズマは、プラズマイオンによる電極１０８の高エネルギーイオン衝突を含む、様々なバルク及び表面プロセスによって維持される。プラズマの密度は、主として、ＲＦ電力発生器１２０からのＶＨＦ電力の電力レベルによって、又はオプションのＲＦコイルアンテナ１７２に電力を供給するＲＦ電力発生器１７４の電力レベルによって制御され、一方、電極１０８へのイオン衝撃エネルギー、したがって得られた二次電子ビームエネルギーは、主として、ＲＦ電力発生器１２２からの低周波電力の電力レベルによって制御される。パッシベーションフェーズの間、ＲＦ電力発生器１２０（又はオプションとして、オプションのＲＦコイルアンテナ１７２に電力を供給するＲＦ電力発生器１７４）からのＶＨＦ電力の３００〜１００００ワットの範囲内の高電力レベルは、上側チャンバ１００ａ内にプラズマを生成する。
高出力レベルの上記の例は、直径２００ｍｍ〜３００ｍｍのワークピースを処理するリアクタ用であり、より大きな基板はより高い出力レベルを使用する。ＶＨＦ電力発生器１２０ｂから電極１０８へのＲＦ電力の付加的な印加によってオプションとして増加させることができる電極１０８の電圧は、グリッドフィルタ１０４を通って下側チャンバ１００ｂ内に伝搬する電子ビームを加速し、下側チャンバ１００ｂ内にプラズマを生成する。下側チャンバ１００ｂ内における高磁束、低エネルギー、電子ビーム条件は、分子塩素の少なくとも一部の原子塩素ラジカル、電子、及びイオンへの解離を促進させる。低電子温度プラズマのために、ワークピースバイアスが印加されていない場合、イオンエネルギーは、シリコンをエッチングするための閾値未満であり、ワークピース表面のパッシベーションは著しいエッチングなしに生じる。次に、エッチングフェーズにおいて、（Ａ）高レベルの低周波ＲＦ電力（３００〜１００００ワットの範囲内）を電極１０８に印加するか、又は（Ｂ）低いＶＨＦ電力を電極１０８に印加するか又はＶＨＳ電力を印加しないか、又は（Ｃ）低いＲＦ電力をコイルアンテナ１７２に印加するか又はＲＦ電力を印加しないかのうちの少なくとも１つである。この場合の低い電力は、３００ワット未満の範囲にある。高出力レベルの前述の例は、直径２００ｍｍ〜３００ｍｍのワークピースを処理するリアクタ用であり、より大きな基板はより高い出力レベルを使用する。電極１０８のより高い電圧は、より高いエネルギーの電子ビームを加速し、これはグリッドフィルタ１０４を通って下側チャンバ１００ｂ内に伝播し、下側チャンバ１００ｂ内にプラズマを生成する。下側チャンバ１００ｂ内の高エネルギー電子ビーム条件は、イオン化を促進し、分子塩素の原子塩素ラジカル、電子、及びイオンへの解離を減少させる。更に、グリッドフィルタ１０４を通って下側チャンバ１００ｂに流入したアルゴンニュートラルは、ビーム電子によってイオン化される可能性がある。表面塩素パッシベーション種の存在下でシリコンをエッチングするのに十分であるが、パッシベーション種の非存在下でシリコンをエッチングするには不十分であるエネルギーに対応する電圧でエッチングフェーズ中にバイアス電圧をオンにして（ワークピース支持台１１０に印加して）、イオン性エッチャント種（アルゴン又は塩素イオン）が抽出され、ワークピース表面に加速され、エッチングを促進することができる。その後、このサイクルが繰り返される。
代替的又は追加的に、リモートプラズマ源（ＲＰＳ）２８０が、パッシベーションラジカルを提供してもよい。上記に詳細に説明した実施形態の一変形例では、塩素が上側チャンバ１００ａに供給され（オプションとして、アルゴンが上側及び／又は下側チャンバ１００ａ、１００ｂに供給され）、ＲＦ電力発生器１２０からの高出力レベルのＶＨＦ電力（又はオプションとして、オプションのＲＦコイルアンテナ１７２に電力を供給するＲＦ電力発生器１７４からの高出力レベル）の印加によって、塩素ラジカルが上側チャンバ１００ａ内で生成される。電極１０８への高いＶＨＦ電力又はコイルアンテナ１７２へのオプションの電力は、パッシベーションの間に使用されるが、一方、電極１０８への低周波ＲＦ電力（ＶＨＦ電力又はコイル電力が低いか又はない）をエッチングフェーズの間、ワークピースバイアス電圧と共に使用する。
上述のエッチングフェーズの間に、電極１０８に結合されるＲＦ電力は、低周波ＲＦ電力とすることができるか、又は周波数は、より高い周波数（例えば、ＶＨＦ）とすることができる。
図１、図１Ａ、又は図２を参照して上述したタイプの電子ビームプラズマリアクタを用いて原子層エッチングを行う方法が提供される。本方法は、図１１に示されている。図１１を参照すると、グリッドフィルタ１０４が処理チャンバ１００を上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂに分割し、ワークピースを下側チャンバ１００ｂ内に配置する（図１１のブロック６３２）。分子プロセスガスがチャンバ１００に供給される（図１１のブロック６３４）。パッシベーションプロセスが実行され（図１１のブロック６３６）、パッシベーションプロセスは、（Ａ）（ａ）高出力レベルのＶＨＦ電力を前記上側チャンバ１００ａ内に又は電極１０８に結合する（図１１のブロック６３８）、又は（ｂ）高レベルの誘導結合電力を上側チャンバ１００ａ内に結合する（図１１のブロック６４０）のうちの少なくとも１つを実行することと、（Ｂ）ワークピースのバイアス電圧をゼロ又は前記ワークピースの前記表面層をエッチングするための閾値未満に維持してパッシベーションプロセス中に表面層のエッチングを低減又は防止すること（図１１のブロック６４２）からなる。
パッシベーションプロセスの後、以下のようにしてエッチングプロセスが実行される（図１１のブロック６４４）：（Ａ）以下のうちの少なくとも一方を実行する（ａ）前記天井電極に高レベルの低周波ＲＦ電力を印加する（図１１のブロック６４６）又は（ｂ）（１）前記ＶＨＦ電力又は（２）前記誘導結合電力のうちの少なくとも１つの出力レベルを低減又は除去する（図１１のブロック６４８）、及び（Ｂ）前記表面層をエッチングするための閾値を超えて前記ワークピースのバイアス電圧を維持する（図１１のブロック６５０）。
その後、本方法は、パッシベーションプロセス及びエッチングプロセスを交互に連続して繰り返すことからなる（図１１のブロック６５２）。
分子プロセスガスは、下側チャンバ１００ｂ内に供給されてもよい。更に、本方法は、不活性ガスを上側チャンバ１００ａ内に供給することを更に含むことができる。あるいはまた、分子プロセスガスを上側チャンバ１００ａに供給してもよい。
（利点）
天井へのＶＨＦ及びＲＦ電力の流れの円筒対称性及び円形ワークピース上の電子ビーム分布の円筒対称性は、加工における方位角方向の均一性を最適化する。ＲＦ又はＶＨＦ給電電極は、電子ビームを生成するためのプラズマ源を提供し、電極又はグランドリターンのための非絶縁面を必要としない。電極１０８は、特定のプラズマプロセスで消耗する可能性があり、こうして静電チャックを含むことができる支持構造は、プロセス安定性にとって重要な繰り返し可能な電気的及び熱的電極性能を確保しつつ、高速な電極交換及びチャンバのメンテナンス回復を可能にする。グリッドフィルタ１０４は、上側チャンバ１００ａのプラズマ源環境とは無関係に、下側チャンバ１００ｂ内でのワークピース処理環境の制御を可能にする、上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂ間の分離を提供する。上部及び下部ガスインジェクタ１３０及び１３４は、上側及び下側チャンバ１００ａ、１００ｂへの異なるガス又はガス種の独立した分配を可能にする。例えば、上側チャンバ１００ａ内で所望の種を生成するのに特に有用な１つのガス（例えば、「ソース」ガス）が上側チャンバ１００ａ内に注入され、一方、ワークピース１１１を処理するために必要な別のガス（例えば、「プロセス」ガス）が下側チャンバ１００ｂ内に注入される。グリッドフィルタ１０４のガス噴射口１０５ｂを介してガスを噴射してもよい。例えば、グリッドフィルタ１０４のガス噴射口１０５ｂから不活性ガスを噴射して、これによって下側チャンバ１００ｂ内のプロセスガスが、上側チャンバ１００ａ内に対流又は拡散するのを実質的に防止することができる。分子ガスが上側チャンバ１００ａに供給される一実施形態では、上側チャンバ１００ａ内での種の解離は、より高いＶＨＦ電力を電極１０８に印加することによって、又は誘導コイルアンテナ１７２にＲＦ電力を印加することによって高めることができ、ワークピース１１１を高いイオン密度を有するプラズマに曝す必要はない。電子ビームエネルギー及び磁束は、相対的な解離及びイオン化プロセスを制御するように調整することができる。不活性ガスを上側チャンバ１００ａ内に流し、分子ガスを下側チャンバ１００ｂ内に流す一実施形態では、電極１０８へのＲＦ及び／又はＶＨＦ電力及び／又はコイルアンテナ１７２へのＲＦ電力を調整して、下側チャンバ１００ｂ内での解離プロセス及びイオン化プロセスの相対的制御のために、下側チャンバ１００ｂへの電子ビームエネルギー及び磁束を調整することができる。ラジカル又は解離した種の数（集団）は、リモートプラズマ源２８０によって増強することができる。低電子温度プラズマが連続的に生成されない（パルスＤＣ又はＲＦ ＣＣＰ／ＩＣＰ放電のオフ時間の間に断続的に生成される）可能性のある一般的に使用される直流放電、ＲＦ容量結合プラズマ、又は誘導結合プラズマとは異なり、上記の実施形態は、下側チャンバ１００ｂ内でワークピース１１１上に低電子温度プラズマを高い均一性で連続的に生成することができる。更に、電気陰性ガスを用いて、電子不足の高い電気陰性度の「イオン−イオン」プラズマをワークピース上に高い均一性で連続的に生成することができ、ワークピース支持台１１０に印加される低周波バイアス電圧又は低繰り返し周波数の任意の電圧波形の印加により、正及び／又は負イオンをプラズマから選択的に又は交互に抽出し、エッチング、洗浄、堆積、又は他の材料改質プロセスのためにワークピース表面内に所望のエネルギーレベルで加速させることができる。
上記は本発明の実施形態を対象としているが、他の及び更なる実施形態は本発明の基本的範囲を逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (13)

  1. 電子ビームプラズマリアクタであって、
    （１）上側プラズマチャンバであって、
    （ａ）側壁と、
    （ｂ）上部電極支持体であって、電気的に絶縁された静電チャックと、前記上部電極支持体に結合された熱制御装置とを含む上部電極支持体と、
    （ｃ）前記上部電極支持体に熱的に結合され、上部電極面を有する上部電極と、
    （ｄ）前記上部電極に又は前記上部電極支持体に又は前記上側プラズマチャンバの内部に結合されたＲＦソース電力発生器と、前記電気的に絶縁された静電チャックに結合されたＤ．Ｃ．チャッキング電圧源と、
    （ｅ）ガス分配器と、
    （ｆ）前記上部電極面に面するグリッドフィルタと、
    （ｇ）前記ＲＦソース電力発生器と前記上部電極との間に結合された折り畳み共振器とを含む上側プラズマチャンバと、
    （２）下側プラズマチャンバであって、前記グリッドフィルタは、前記上側プラズマチャンバを前記下側プラズマチャンバから分離し、前記下側プラズマチャンバは、
    （ａ）処理領域を囲む真空チャンバ本体と、
    （ｂ）ワークピース支持台であって、前記ワークピース支持台に結合され、前記グリッドフィルタに面するワークピース支持面を有する、電気的に絶縁された静電チャック及び熱制御装置を含むワークピース支持台とを含む下側プラズマチャンバとを含む電子ビームプラズマリアクタ。
  2. ワークピース支持台に結合されたバイアス電圧発生器を含む、請求項１記載の電子ビームプラズマリアクタ。
  3. 前記上部電極は、珪素、炭素、炭化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムのうちの１つを含む、請求項１記載の電子ビームプラズマリアクタ。
  4. 前記ＲＦソース電力発生器は、第１の周波数を有する第１のＲＦ電力発生器と、第２の周波数を有する第２のＲＦ電力発生器とを含む、請求項１記載の電子ビームプラズマリアクタ。
  5. 前記グリッドフィルタは、互いに対向する第１及び第２のグリッドを含み、前記電子ビームプラズマリアクタは、前記第１及び第２のグリッドのうちの１つに接続された加速電圧源を更に含む、請求項１記載の電子ビームプラズマリアクタ。
  6. 前記上側プラズマチャンバ及び前記下側プラズマチャンバのうちの１つに隣接する第１の電磁石又は永久磁石を含む、請求項１記載の電子ビームプラズマリアクタ。
  7. 前記側壁内の窓と、
    前記窓の周りのコイルアンテナと、
    前記コイルアンテナに結合されたＲＦ発生器とを含む、請求項１記載の電子ビームプラズマリアクタ。
  8. 電子ビームプラズマリアクタ内でワークピースを処理する方法であって、前記方法は、
    グリッドフィルタによって前記電子ビームプラズマリアクタのチャンバを上側チャンバと下側チャンバに分割し、前記下側チャンバ内のワークピースを軸に沿って前記グリッドフィルタに面するワークピース支持面を有するワークピース支持台によって支持する工程と、
    前記チャンバ内にガスを供給する工程と、
    折り畳み共振器を介してより高い周波数のＲＦソース電力を、ＲＦインピーダンス整合器を介してより低い周波数のＲＦソース電力を、共に前記上側チャンバ内に又は前記上側チャンバの電極に又は電極支持体に結合して、前記上側チャンバ内でビーム電子を含むプラズマを生成して、前記軸に対応するビーム伝搬方向を有する電子ビームを生成する工程と、
    前記上側チャンバから前記下側チャンバへの非ビーム電子及びプラズマイオンの少なくとも一部の流れを阻止しながら、前記上側チャンバから前記下側チャンバへの前記ビーム電子の少なくとも一部の流れを許容する工程と、
    前記下側チャンバ内で前記電子ビームがプラズマを生成することを可能にする工程とを含む方法。
  9. 実質的に不活性なガスを前記上側チャンバに供給し、分子プロセスガスを前記下側チャンバに供給する工程を含む、請求項８記載の方法。
  10. 前記ワークピースにバイアス電圧を結合する工程を含む、請求項８記載の方法。
  11. 前記電極は、珪素、炭素、炭化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウムのうちの１つを含む、請求項８記載の方法。
  12. 永久磁石又は電磁石のいずれかを含む第１の磁石から前記チャンバ内に磁場を提供する工程を含む、請求項８記載の方法。
  13. 前記プラズマを生成する工程は、上側チャンバの側壁内の窓の周りのコイルアンテナにＲＦソース電力を印加する工程を更に含む、請求項８記載の方法。
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