JPWO2018173095A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供するために、真空容器１０とその内部に配置されプラズマ１１が形成される処理室４０と、処理室内に配置され試料３が載置される試料台２と、試料台内に配置され試料を吸着するための電力が供給されて異なる極性が形成される膜状の２つの電極１５と、２つの電極と各々の電源１８，１９との間の給電路２２上に配置され２つの電極各々に接続された２つの給電線路が同じ軸回りに並列に巻かれたコイル状部分１７と、コイル状部分と２つ電極との間において２つの給電線路を接続しコンデンサ１６を備えたバイパス線路１６’とを有するプラズマ処理装置とする。

Description

本発明は、真空容器内部の処理室内に配置された半導体ウエハ等の板状の試料を処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置に係り、特に、処理室内に配置された試料台内に配置した電極に電力を供給して試料台上面上に試料を静電吸着して保持しつつ当該試料を処理するプラズマ処理装置に関する。

真空容器等の処理容器内部の処理室に配置した半導体ウエハ等の試料をプラズマを用いてエッチングするドライエッチングに代表されるプラズマ処理は、通常、減圧された処理室内に処理用のガスを導入し、処理室内に電界または磁界を供給して当該ガスの原子または分子を励起してプラズマを形成し、このプラズマを用いて試料を処理する技術である。この技術においては、処理室内で形成されたプラズマを試料の表面に曝し、この表面に予め形成されたマスク層を含む複数の膜層を備えた膜構造のマスク部以外の処理対象の膜層をエッチングすることで所望の形状が得られる。

このようなプラズマが内側で生成され試料が処理される真空容器を含むプラズマ処理装置において、プラズマを形成する技術として、誘導電界によるもの、平行に配置された平板状の電極間の空間の電界によるもの（電極間の電界としてマグネトロンによるもの含む）や所定の空間に放射された電界の波動によるもの（μ波の電界と磁界とによる電子サイクロトロン共鳴を用いるものを含む）が主に用いられている。なお、現在では、誘導結合による方式におけるプラズマの生成に１３．５６ＭＨｚの高周波の電界が用いられるものが一般的である。

また、電子サイクロトロン共鳴（ＥＬｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｃｅ：ＥＣＲ）による方式では、例えば、２．４５ＧＨｚのより高い周波数の電界が用いられる。これら誘導結合および電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを形成するプラズマ処理装置では、通常、プラズマの生成とは別に、試料にイオンを誘引する電位を形成して試料台上に載せられて保持される試料の表面へプラズマ中のイオンを入射させてプラズマと電位を形成する電力とを結合させる。

このような電力の供給により形成された電位に誘引された電荷を有したイオンが試料表面と衝突する際のエネルギーを利用してこの試料表面に予め形成されて配置された処理対象の膜のエッチングを当該衝突の方向に促進することが一般的に行われている。このようなイオンのエネルギーの大きさやイオンの入射の方向を制御して所望の形状が得られるエッチング処理を実現するため、上記プラズマを形成するために供給されるものとは異なる（一般的にはより低い）周波数の高周波電力が試料をプラズマに対して対面させて支持する試料台の内部に配置された電極へその大きさが調節されつつ供給される。

一方、平行平板によるプラズマを用いたプラズマ処理装置では、従来から、１３．５６ＭＨｚの高周波の電界が平板間でのプラズマの生成に用いられてきたが、近年はＶＨＦ帯（例えば、３０ＭＨｚ乃至３００ＭＨｚ）の電界が用いられるようになっている。このようなプラズマを生成するために供給される電界の周波数にＶＨＦ帯が用いられるようになった理由は、プラズマの密度の向上と処理室内の圧力が相対的に低い条件においても処理室内に安定して放電を形成してプラズマを生成できるようにするためである。

また、このような平行平板を用いたプラズマ処理装置においても、先の誘導電界によるものやＥＣＲ等のより高い周波数の電界の波動によるものと同様に、プラズマを生成するためのものとは別に、一方の平板状の電極である試料が載置される試料台の内部に配置された電極に供給する高周波電力の大きさを調節してプラズマから試料の表面に入射するイオンのエネルギーを調節する技術も用いられるようになってきている。

このような試料上面上方にプラズマとの間で形成されるバイアス電位の分布を調節するために試料台内の電極に供給される高周波の電力は、現在は、例えば、数百ｋＨｚから数ＭＨｚの周波数のものが用いられている。このような入射するイオンのエネルギーの調節に用いる高周波の電力も、従来のものより高いＭＨｚ帯またはそれ以上の周波数帯のものが用いられる傾向にある。

なお、このようなプラズマ処理装置では、処理中に試料の温度を処理に適した範囲内の値に制御するために、試料台の内部にその内側を冷媒が循環して通流する冷媒流路を備えて試料台の温度が調節される。さらに、試料が載せられ静電吸着された試料台上面と試料との間の隙間にＨｅガス等の熱伝達性を有する流体が供給され、試料台（または冷媒流路内の冷媒）と試料との間での熱伝達を促進させている。

また、冷媒による温度の調節に加えて、試料台上部の内部に配置されたヒータを用いて試料を加熱することも行われている。上記のような技術の例としては、特開２０１４−０５６７０６号公報（特許文献１）に開示されたものが従来知られていた。本特許文献１には、金属製の円筒型チャンバの内部に配置されて半導体ウエハＷが載置されるサセプタと、このサセプタと各々がマッチングユニットを介して電気的に接続された２つの高周波電源と、サセプタの上方でこれと平行に向かい合って配置されチャンバの天井を構成する上部電極を兼ねたシャワーヘッドと、サセプタ内部に配置された冷媒通路および静電チャック並びにヒータとを備えたプラズマエッチング装置が開示されている。

さらに、本特許文献１が開示するプラズマ処理装置は、サセプタにはプラズマ形成用の２７ＭＨｚ以上の周波数の高周波電力とイオン引き込みに適した１３ＭＨｚ以下の低い周波数の高周波電力とが供給されて、接地電位にされた上部電極との間の処理室の空間に容量結合型のプラズマを生成する陰極結合型のものである。さらに、本従来技術では、サセプタ内の内側（中心部）と外側（周辺部）の領域の各々に配置されたヒータである発熱線と各々のヒータ用の電源とがヒータ回路用フィルタを介して接続され、ヒータ回路用のフィルタは、プラズマの生成やウエハＷに印加される２つの周波数の高周波電力のノイズがヒータ給電回路へ流入することを遮断して抑制しているため、ヒータを用いたウエハＷの温度の制御の正確性やプラズマの生成および高周波電力によるバイアス電位の安定性や再現性が向上する。

特開２０１４−０５６７０６号公報

上記の従来技術は、次の点について考慮が不十分であったために問題が生じていた。

すなわち、上記のプラズマの生成と当該プラズマによる試料の処理中に試料へのイオンの入射エネルギーの各々を異なる高周波電源からの電力を用いて調節する従来の技術において、試料を支持する試料台内部に配置されたヒータや試料の静電吸着用の電極に接続された給電経路を構成するケーブルやその上の回路のインピーダンスの大きさは、プラズマを形成するための高周波電力やバイアス電位形成用の高周波電力がこれら経路や回路に流入することやこれによる悪影響を抑制して所望の処理の結果が得られるような範囲内の適切な値を有している必要がある。このため、一般的に、給電経路を構成するケーブルや給電経路上に配置される回路を構成する各素子や部品は、通常は、それらのインピーダンスが予め設計の際に定められた値を有したものとして当該給電経路上に取り付けられ配置される。

しかしながら、バイアス形成用の電力の大きさが大きくなったり、或いはプラズマの生成にＶＨＦ帯以上の周波数の高周波を用いた場合には、上記ヒータ等の電極及びこれに接続された給電経路や回路を構成する素子の静電容量やインダクタンス等回路定数のばらつきや変化がわずかに生じても、これらの経路や回路に漏洩する高周波電力の大きさが変動してしまう。このようなばらつきは、ケーブルの長さや形状、各素子に固有の性能や特性の差によって生じる。このため、試料表面に形成されるバイアス電位、或いは試料上面上方のプラズマの密度の大きさや分布といったプラズマの生成される状態、曳いては試料の処理結果としての試料表面の処理後の形状のばらつき等処理の再現性に影響を及ぼすことが判明してきた。

また、このようなバラツキは同じ構成を備えた複数の装置同士の間において生起して装置間差を大きくしてしまうという問題が有った。さらに、経路や回路に流入する高周波電力の変化によって、静電吸着の機能や加熱による試料の温度調節の精度が損なわれ処理の歩留まりが損なわれてしまう問題が生じるという点について、上記従来技術では考慮されていなかった。

本発明の目的は、このような問題を考慮して、歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、真空容器内部に配置されその内側でプラズマが形成される処理室と、この処理室内に配置され前記プラズマを用いて処理される試料がその上に載せられる試料台と、この試料台上面を構成してその上に前記試料が載せられる誘電体製の膜内に配置され当該試料を吸着するための電力が供給されて異なる極性が形成される膜状の２つの電極と、当該２つの電極と各々の電源との間の給電路上に配置され前記２つの電極各々に接続された２つの給電線路が同じ軸回りに並列に巻かれたコイル状部分と、このコイル状部分と前記２つ電極との間において前記２つの給電線路を接続しコンデンサを備えたバイパス線路とを備えたプラズマ処理装置により達成される。

本発明により、特に周波数が高いプラズマ生成用の高周波電力が双極型の静電吸着電極の回路へ流入したりその機差を抑制でき、プラズマ生成の変動および再現性の低下や装置間差の発生を抑制することが可能となり、歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示すプラズマ処理装置における静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。 本実施例の比較例に係る静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。

図１に示すプラズマ処理装置における静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。 本実施例の比較例に係る静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。 図１に示すプラズマ処理装置における静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置における空芯巻きインダクタンスの構造説明図である。

本発明の実施例を図面を用いて以下説明する。

本発明の実施例を図１乃至７を用いて説明する。

まず、図１を用いて本実施例の構成の概要を説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

図１に示すプラズマ処理装置は、側壁が円筒形を有した真空容器１０とその外周を囲み及び上面を覆って配置された電磁コイル１、真空容器１０下方でその下部と接続された管路である排気口２７及びこれと連結されて真空容器１０下方に配置されたターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示せず）を備えている。さらに、真空容器１０の内部には、処理対象の試料３が配置されてプラズマが形成される空間である処理室４０が配置されている。

本実施例のプラズマ処理装置では、処理室４０には試料３がその上面に載せられてこれを支持する試料台２が配置されている。さらに、試料台２の上方であって真空容器１０の円筒形の内側側壁に周囲を囲まれた空間の上下方の箇所には、真空容器１０内部に配置された円板状の上部電極４と試料台２の内部に配置された円板形状を有した金属製の下部電極２’とが各々対向して備えられている。

即ち、円筒形を有した空間である処理室４０上方には、半導体ウエハ等の円形またはこれと同等な形状を有した基板状の試料３がその上面上に載置される試料台２の当該上面上方でこれに対向して配置され円板形状を有した上部電極４が配置されている。さらに、当該上部電極４下面下方の試料３の側には当該下面を覆って隙間を開けて配置されたシャワープレート５が配置されている。

上部電極４とシャワープレート５との間に配置された隙間は、ガス導入ライン６の一端部と連結されこれを構成する配管内部と隙間とが連通されて配置される。ガス導入ライン６の配管の他端側には、図示していないが、内部に処理室４０より高圧にされたガスが貯留された容器を備えたガス源及びこのガス源と他端部との間の配管上に配置されて配管内をガス源から隙間に向けて流れるガスの流量を増減して調節するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）が配置されている。

この構成により、ガス源の貯留部から配管を通ってＭＦＣにより流量が調節されたガスが、上部電極４とシャワープレート５との間の隙間に導入されて当該隙間内を拡散して充満する。その後、ガスはシャワープレート５の中央部に配置された複数の貫通孔であるガス導入孔を通って試料台２の上方から下方に向けて処理室４０に導入される。

本実施例において、上部電極４は導電性材料であるアルミまたはステンレス等で形成されている。その内部には通路が配置されその内部にチラー等の温度調節器を含む上部電極温度制御手段７において所定の範囲内の温度にされた冷媒が循環して供給される。このことにより、上部電極４の温度は、試料３の処理中にその処理に適した範囲内の値になるように調節される。

本実施例のシャワープレート５は、石英やシリコン等の誘電体材料から構成された円板形状を有した部材である。シャワープレート５は、処理室４０の天井面の中央部を構成して、処理室４０下部において円筒形を有した試料台２の上面またはこれに載せられた円板形状を有した試料３と対向して、その中心軸を試料台２、試料３の載置面または処理室４０の上下方向の中心軸と位置を合致またはこれと見做せる程度に近似した同等の位置に配置されている。さらに、シャワープレート５の外周側であって真空容器１０の内周壁面との間には、シャワープレート５の外周を囲んで石英等の誘電体材料から構成され上部電極４またはシャワープレート５を真空容器１０から絶縁するためのリング状の部材である、絶縁リング１３が配置されている。

本実施例の上部電極４、下部電極２’各々は、真空容器１０の外部に配置され異なる周波数の電力を出力する各々の高周波電源と電気的に接続されている。本実施例では、試料３の処理中には、各々の高周波電源から出力された高周波電力が上部電極４及び下部電極２’に供給されると共に、電磁コイル１で磁場が生起され、処理室内４０に電界と磁界とが並行して供給される。

すなわち、上部電極４は放電用高周波電源８と同軸ケーブル等の給電経路を通して電気的に接続され、放電用高周波電力整合器９を介して所定の周波数の高周波電力が供給される。本実施例では、放電用高周波電力として２００ＭＨｚの高周波帯の周波数が用いられる。また、真空容器１０の蓋を構成する上部の内部に配置される上部電極４は、その上方および周囲が石英、テフロン（登録商標）および空間等で形成される上部電極絶縁体１２により囲まれて内蔵され、上部電極４が真空容器１０から電気的に絶縁される。

試料台２内部の下部電極２’は、試料台２に載せられた試料３上面上方にバイアス電位を形成するための所定の周波数（本実施例では４ＭＨｚ）の高周波電力を出力するバイアス用高周波電源２０と同軸ケーブル等の給電経路２９を通して電気的に接続されている。試料３の処理中に、バイアス用高周波電源２０からバイアス用高周波電力整合器２１を介してバイアス用の４ＭＨｚの高周波電力が下部電極２’に供給される。

試料３が試料台２上面に載せられて保持され、処理室４０が真空容器１０の側壁外側に対して密封された状態で、処理室４０の上部電極４及び下部電極２’の間の円筒形の空間には、ＭＦＣによりその供給される流量または速度が調節されつつシャワープレート５のガス導入孔からガスが導入されると共に、試料台２下方の処理室４０の底面に配置された排気用の開口と連通された排気口２７から処理室４０内のガスの原子、分子等の粒子が、排気口２７内に配置されてその流路断面積を当該流路を横切る軸回りに板状のフラップを回転させて増減する排気調節バルブ２６によって排気の流量または速度を調節されつつ排気される。この状態で、図示されない制御装置からの指令信号に基いてＭＦＣ及び排気調節バルブ２６の動作が調節され、上記処理室４０へのガスの供給と排気との流量または速度のバランスにより、処理室４０内の圧力がプラズマ１１の放電とその維持あるいは試料３の処理に適した範囲内の値にされる。

この状態で、上記ガスの原子または分子を解離あるいは電離させて放電を生起可能にその出力が調節されて供給された高周波電力によって形成された電界及び電磁コイル１による磁界が供給され、これら電界および磁界とによるＥＣＲが生起されて処理室４０内にプラズマ１１が形成される。このように、本実施例のプラズマ処理装置は、電界とともに磁界を供給する（有磁場の）平行平板型のプラズマ処理装置である。

次に、試料台２の構成について説明する。本実施例の試料台２の基材である下部電極２’の円形の上部上面には、アルミナあるいはイットリア等のセラミクス材料から構成された誘電体製の静電吸着膜１４が配置されている。静電吸着膜１４の内部には、各々が直流電源１９と電気的に接続された複数の膜状のタングステン電極１５が配置され内蔵されている。なお、符号２３は絶縁体、符号２４はサセプタ、符号２８は試料設置手段の保持機構を示す。

試料台２の下部電極２’の内部には、その上下方向の中心軸回りに多重の円弧状または螺旋状に配置された冷媒通路２５が配置されている。当該冷媒通路２５は、試料台２の冷媒通路２５の出口入口の各々に接続された配管２５’を挟んで、本実施例のプラズマ処理装置が配置された建屋の床面下方の階に配置されたチラー等の温度調節器を含む温度制御用冷媒導入機構に連結されている。試料３の処理中に温度制御用冷媒導入機構において予め定められた範囲内の温度に調節され配管２５’に供給された冷媒は、試料台２に流入して冷媒通路２５に供給されて熱交換して試料台２の出口に接続された配管２５’を通り再度温度制御用冷媒導入機構に戻り循環することで、下部電極２’あるいは試料台２が処理に適した許容範囲内の温度にされる。

また、静電吸着膜１４上面には、少なくとも１つの開口とこれに連通して静電吸着膜１４を貫通する管路であって内部に伝熱性ガスが供給される伝熱ガス供給路３０’が配置されている。伝熱ガス供給路３０’は、上端部が開口である伝熱ガス供給孔と連通し、下端部は内部が高圧にされたヘリウム等の伝熱ガスが貯留された容器を含むヘリウム導入機構３０と連通し、その途中の試料台２外側において伝熱ガスの通流量あるいは圧力を調節する調節バルブ（図示せず）が配置されている。この構成により、ヘリウム導入機構３０から試料台２の静電吸着膜１４上面とその上方に載せられた試料３裏面との間に、調節バルブにより圧力が調整され試料台２と試料３との間の熱伝達量を大きくする伝達ガスが供給されて、これらの熱伝達の効率が高められ試料３の温度の制御の応答性や精度が向上される。

タングステン電極１５には、これに直流電力を供給する直流電源１９が接続されている。これらの間を接続する給電線路２２上には、試料台２の下方において、タングステン電極１５に近い順に、少なくともコンデンサ１６、空芯巻きインダクタンス１７、さらには低域通過フィルタ１８が接続されている。

本実施例において、静電吸着膜１４内部に複数配置されたタングステン電極１５には、試料３が静電吸着膜１４上面上方に載せられた状態で、各々が接続された直流電源１９からの直流電力によって異なる極性が形成されこれらの極性によって試料３を静電吸着膜１４に吸着する静電気力が形成される、所謂双極性を備えた電極（双極型の電極）である。また、本実施例に示された複数のタングステン電極１５の試料台２上方から見た平面形あるいはその平面形の静電吸着膜１４上面へ投影された形状は、これらの異なる極性、つまり正負電位各々が付与される部分は、同じまたはこれと見做せる程度に近似した面積を有したものに形成されている。

タングステン電極１５各々の給電線路２２のタングステン電極１５と空芯巻きインダクタンス１７との間の箇所は、コンデンサ１６をその上に備えたバイパス線路１６’によって接続されている。コンデンサ１６をその上に含むバイパス線路１６’は、異なる極性を具備したタングステン電極１５と直流電源１９との間各々を接続する給電線路２２同士の間を交流的に短絡してそれぞれの電極間の交流電位差を抑制する役割を有する。本実施例の給電線路２２は、バイパス線路１６’と２つの給電線路２２各々との接続部分と２つのタングステン電極１５及び空芯巻きインダクタンス１７との間には接地電極あるいは接地電位にされる箇所を有していない。

本実施例では、コンデンサ１６に１０００ｐＦの容量のものが用いられる。このコンデンサ１６は、特にプラズマ生成用の高周波電力（本実施例では２００ＭＨｚ）の高周波電力に対して、表面に異なる極性の電位が形成されたタングステン電極１５間の電位差を抑制できる作用を奏するように配置されている。

低域通過フィルタ１８は、バイアス用高周波電源２０から下部電極２’に供給される諸体の周波数（本実施例では４ＭＨｚが用いられる）の高周波電力がタングステン電極１５に接続された給電線路２２上を通過すること抑制または遮断するために配置される。これら直流を通過する特性を有する低域通過フィルタ１８が配置されることで、バイアス形成用の高周波電力が直流電源１９に流入することが抑制される。

正負の電位各々にされる複数のタングステン電極１５のうちの２つに接続され直流電圧を供給する給電線路２２上に配置された２つの空芯巻きインダクタンス１７は、各々が絶縁性を備えた材料から構成された被膜とこれにより被覆され相互に直流的に絶縁されたコイル状の導体材料から構成され、各々のコイル状の線路が同じ方向の軸の周りに当該軸を共通にして巻かれて形成されている。本実施例では、図１中に示す空芯巻きインダクタンス１７の大きさは、各々がコイル形状部分の径は４０ｍｍ、巻き数は５、長さは７０ｍｍに形成され、各々のインダクタンスの大きさは０．７〜０．９μＨにされている。

これら空芯巻きインダクタンス１７は、プラズマ生成用の高周波電力が静電吸着膜１４内のタングステン電極１５を通して給電線路２２へ流入するのを阻止する目的で配置されている。処理室４０内にプラズマ１１が形成されている状態で、プラズマ生成用の高周波電力は、上部電極４からプラズマ１１を介して試料台２の静電吸着膜１４に内蔵されたタングステン電極１５に流入する。

タングステン電極１５に流入した高周波電力はこれに接続された給電線路２２に流入する。この流入の量が大きいと、給電線路２２上の寄生容量やその後段に配置される低域通過フィルタ１８の特性のバラツキにより、試料台２上方の処理室４０内に形成されるプラズマ１１の密度や強度の大きさ或いはその分布の試料３上面の半径方向または周方向のバラツキの大きさが大きくなってしまう。

このため、給電線路２２へのプラズマ形成用の高周波電力が流入する量を小さく抑制する必要がある。このためには、タングステン電極１５から見た直流電源１９の側におけるプラズマ生成用の２００ＭＨｚの高周波電力に対するインピーダンスを十分以上に高くする必要がある。

本実施例の空芯巻きインダクタンス１７は、試料台２の下部電極２’下面下方において給電線路２２と接続されたタングステン電極１５に近い位置に配置されることで、当該給電線路２２の寄生インピーダンスの影響を小さく抑制しながら、給電線路２２のプラズマ生成用高周波に対するインピーダンスを高めることができる。

すなわち、本実施例では、プラズマ生成用高周波電力の周波数として２００ＭＨｚが用いられており、また空芯巻きインダクタンス１７は０．７〜０．９μＨにされているため、タングステン電極１５から見た給電線路２２のプラズマ生成用の高周波電力に対するインピーダンスは約１０００Ω程度にされる。この空芯巻きインダクタンス１７により、プラズマ生成用の高周波電力が給電線路２２を流れることが抑制され、給電線路２２の寄生容量や後段の低域通過フィルタ１８の特性のばらつきに起因する静電吸着膜１４上方の処理室４０におけるプラズマの生成の状態、強度や分布の変化やバラツキを抑制できる。

次に、コンデンサ１６と空芯巻きインダクタンス１７の組み合わせについて説明する。前記のようにコンデンサ１６は、双極型の静電吸着用の複数（図１上は２つ）のタングステン電極１５と各々用の可変電力供給可能に構成された直流電源１９との間を接続して電流が内部を流れるバイパス線路１６’同士の間を空芯巻きインダクタンス１７よりタングステン電極１５に近い位置で接続する線路上に配置されている。このコンデンサ１６をその上に備えたバイパス線路１６’により、給電線路２２同士は当該線路を流れる交流の電流に対しては（交流的に）短絡される。

図２，４，６は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置における静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。図２では、本実施例において、双極性静電吸着電極であるタングステン電極１５の正負各々の極性を有した電極各々に同一方向かつ同量の高周波電力の電流（高周波電流）３１，３２が流入した場合を示す。符号３１は正電位にされたタングステン電極１５とこれに接続された給電線路を流れる高周波電流を、符号３２は負電位にされたタングステン電極１５とこれに接続された給電線路を流れる高周波電流を示す。

この図において、空芯巻きインダクタンス１７は、各々が同じように動作して当該高周波電力がコイル状部分の線路の内部を流れるとインピーダンスを発現し当該高周波電力の電流が流れることを遮るように起電力が発生し、高周波電力の電流が流れて直流電源１９へ向かうことを抑制する作用を奏する。さらに、本実施例のように、正負各々の極性を有した２つのタングステン電極１５に接続された給電線路２２上の２つの空芯巻きインダクタンス１７は、そのコイル状部分の線路の巻の軸が共通にされた（共通巻きにした）構成を備えている。この構成により、共通巻きにされた２つのコイル状部分に同じまたは同等の大きさの高周波電流が流れた結果、特性が揃えられたインダクタンスが２つの空芯巻きインダクタンス１７のコイル状の部分に生起され、直流電源１９に流れ込む高周波電流の量の線路ごとでのバラつきが低減される。

一方、図３は、本実施例の比較例に係る静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。本比較例では、図２に示す構成と異なり、コンデンサ１６は２つのタングステン電極１５に各々接続された給電線路２２の間を交流的に接続する線路上に配置されていない。

例えば、プラズマ生成用の高周波電力がＶＨＦ帯（本実施例では３０乃至３００ＭＨｚ）以上の超高周波帯の電界である場合には、プラズマ中の定在波分布により正極および負極に流入する高周波の位相が異なった結果、２つの給電線路２２を流れる高周波電流３１，３２の向きが異なる場合がある。図３に示す例では、正電位にされたタングステン電極１５およびこれに接続された給電線路２２を流れる高周波電流３１は直流電源１９に向けて、負電位にされたタングステン電極１５およびこれに接続された給電線路２２を流れる高周波電流３２はタングステン電極１５に向けて流れている状態を示している。

図３に示す比較例の構成では、コンデンサ１６が空芯巻きインダクタンス１７とタングステン電極１５との間の給電線路２２同士を接続して、謂わば空芯巻きインダクタンス１７の前段に交流的に配置されていない。この際には、図３に示す各々の給電線路２２に高周波電流３１、３２が逆向きに流れる場合には、これらの給電線路２２に接続された２つの共通巻きの空芯巻きインダクタンス１７のコイル状部分に生じるインダクタンスによる起電力は互いに相殺し合うことになる。このため、空芯巻きインダクタンス１７を備えていても図２に示したような特性が揃えられたインダクタンスによる高周波電流のバラつきを低減する作用が損なわれ、図２の実施例が備える高いインピーダンスの効果の奏功が阻害される。

さらに、図４は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置における静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。本図では、図３と同様に、正電位にされたタングステン電極１５およびこれに接続された給電線路２２を流れる高周波電流３１は直流電源１９に向けて、負電位にされたタングステン電極１５およびこれに接続された給電線路２２を流れる高周波電流３２はタングステン電極１５に向けて流れている状態を示している。

この図において、高周波電流３１は正電位にされたタングステン電極１５と空芯巻きインダクタンス１７との間の給電線路２２に接続されたバイパス線路１６’をコンデンサ１６を介してバイパス電流３３として通り、給電線路２２上を通して負電位にされたタングステン電極１５に接続された給電線路２２に流入する。このため、コンデンサ１６及びバイパス線路１６’が接続されたことにより、高周波電流３１がバイパスされるため、一方の空芯巻きインダクタンス１７のコイル状部分に高周波電流３２の流れている状態で位相の異なる高周波電流３１が他方の空芯巻きインダクタンス１７のコイル状部分に流入することが抑制される。このことにより、位相の異なる高周波電流が共通巻きのコイル状部分に流れることでインダクタンスの作用が相殺されたり損なわれたりすることが抑制される。

一方、正負電位の各々にされたタングステン電極１５の各々に流入する高周波電流はそれらの向きが同じでその大きさ、例えば振幅に差（電位差）がある場合においても、本実施例の構成では上記と同様の作用を奏することができる。

図５は、本実施例の比較例に係る静電吸着電極、直流電源及びこれらの間の給電線路の構成とその上を流れる電流とを模式的に示す図である。本図では、図３と同様に、コンデンサ１６及びバイパス線路１６’が２つの給電線路２２同士の間を接続しておらず、正負電位の各々にされたタングステン電極１５及びこれら各々に接続された給電線路２２を流れる高周波電力はその位相が同じにされる一方でその振幅が異なり電位差がある場合を示している。各タングステン電極１５と空芯巻きインダクタンスとの間の給電線路を流れる高周波電流３１，３２の流れる向きは図２と同じで高周波電流３１の振幅が高周波電流３２のものより大きくされている。

この図の場合には、空芯巻きインダクタンス１７を流れた振幅が大きな高周波電流３１によって、線路間容量を介して逆向き電流３４が生じる。この逆向き電流３４により、振幅が小さな高周波電流３２が流れる空芯巻きインダクタンス１７の作用が抑制され、空芯巻きインダクタンス１７でのインピーダンスが低下して高周波電流３１または高周波電流３２が流れる量を増加させてしまう。

一方で、図６に示すように、本実施例では、コンデンサ１６を備えるバイパス線路１６’が空芯巻きインダクタンス１７の前段で２つの給電線路２２同士の間で接続されて配置されており、振幅が大きな高周波電流３１の一部はバイパス線路１６’にバイパス電流３３として分かれて回路を流れて、さらに負電位にされたタングステン電極１５に接続された給電線路２２とバイパス線路１６’との接続部から高周波電流３２と合流して空芯巻きインダクタンス１７、低域通過フィルタ１８及び直流電源１９に向けて流れることになる。このため、バイパス線路１６’のコンデンサ１６の分だけ２つの給電線路２２間の電位差が低減される。

このことにより、空芯巻きインダクタンス１７に流入する高周波電流の量はこれらの差が小さくされて同等のものに近づけられる。このため、空芯巻きインダクタンス１７の特性が揃えられたインダクタンスが２つの空芯巻きインダクタンス１７のコイル状の部分に生起され、これらを流れて直流電源１９に流れ込む高周波電流の量の線路ごとでのバラつきが低減されるという作用・効果が、２つの給電線路２２を流れる高周波電力の電流の振幅に差がある、或いは高周波電力の電位差がある場合でも、奏される。

以上述べてきたように、コンデンサ１６を空芯巻きインダクタンス１７の前段に配置することで、正負それぞれのタングステン電極１５に流入する高周波電流の位相や振幅が相互に異なっていても、空芯巻きインダクタンス１７のインピーダンスが損なわれることが抑制される。このことによって、静電吸着用の電極へ流入するプラズマ形成用の高周波電力の量の変動により、試料台２の静電吸着膜１４上面上方に形成されるプラズマ１１の密度や強度の大きさやその分布が、バラつきが変動することが抑制され、試料の処理の歩留まりが損なわれることが抑制される。

上記実施例では、双極型の静電吸着用の電極である複数（図２，４，６では２つ）のタングステン電極１５の正負電位にされた各々に接続された給電線路２２上に各々の線路が共通の軸回りに巻かれた（共通巻きとした）コイル状部分を備えた２つの空芯巻きインダクタンス１７が配置されている。高周波電流が流れるコイル状部分のインダクタンスは、その内側の芯の部分にフェライト等透磁率が真空の空間または大気より高い材料の部材を用いることで高めることが可能である。一方で、プラズマ生成用の高周波電力として周波数がＶＨＦ帯またはそれより高いものが使用される場合では、このような高い透磁率の材料の部材が抵抗体として作用して高周波電力の損失が大きくなってしまい、結果としてより高いインピーダンスとこれによる作用が損なわれてしまう虞がある。

このことから、本実施例では上記静電吸着用の電極に接続された給電経路上に配置される素子として空芯巻きインダクタンス１７を備えている。また、空芯巻きインダクタンス１７の特性安定化や個体差を抑制するために、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の損失の小さい樹脂等の材料をコイル状の線路内側の芯または線路の固定ジグとして用いても良い。

図７は、図１に示す実施例の空芯巻きインダクタンスの構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本実施例では、図７に示すように、空芯巻きインダクタンス１７は、複数の給電線路２２のうち正電位にされるタングステン電極１５に接続された給電線路（正極側線路）３５と負電位にされるタングステン電極１５に接続された給電線路（負極側線路）３６の一部が、これらを対として隣接して並べられて円筒形を有した固定ジグ３７の上下方向の軸周りに上下の一方から他方に向けて円筒面に沿って巻きつけられて構成されている。プラズマ形成用の高周波電力の電流は、タングステン電極１５を通してこのような構成を有するコイル状の部分の２つの給電線路３５，３６を共通の芯の部材である固定ジグ３７の周囲に並行して流れることで、特性が揃えられたインダクタンスが形成され高周波電流の量の線路ごとでのバラつきが低減される。

本実施例の給電線路３５，３６は、ＰＴＦＥを材料として構成された円筒形を有した固定ジグ３７の円筒面上で上下方向軸回りに上下方向に延びて配置された螺旋状の溝の内側に挿入され、当該溝に沿って固定ジグ３７に巻きつけられている。また、本例において、給電線路３５と給電線路３６とは銅芯線３８の表面を絶縁性を有する樹脂等の材料で構成された絶縁被膜３９で被覆されている。

なお、コンデンサ１６および空芯巻きインダクタンス１７は、タングステン電極１５からなるべく近い距離に配置されることが望ましい。コンデンサ１６および空芯巻きインダクタンス１７の箇所とタングステン電極１５との間の給電線路２２の長さが高周波電流の波長以上になると、当該給電線路２２の寄生インピーダンスが流れる高周波電流の特性に影響を与えて変動が大きくなり試料台２上方の処理室４０内に形成されるプラズマ１１の密度や強度及びその分布の変動が大きくなって処理の再現性が損なわれてしまう虞がある。そこで、プラズマ生成用の高周波電力の周波数が２００ＭＨｚであるので、タングステン電極１５からコンデンサ１６および空芯巻きインダクタンス１７までの給電線路２２の長さを高周波電力の電流の波長（１．５ｍ）以下に、特には０．３ｍとされている。

空芯巻きインダクタンス１７は、コイル状部分の寄生インピーダンス或いは寄生キャパシタンスに伴う自己共振特性を有し、通常インダクタンスとキャパシタンスの並列回路であらわせるインピーダンス特性を有している。給電線路２２或いは給電線路３５，３６を流れる高周波電力の周波数が自己共振周波数と同じまたはこれに近い場合には並列共振が生じてしまい空芯巻きインダクタンス１７においてインピーダンスが生起する。

しかしながら、このような共振によるインピーダンスは、コイル状部分を含む素子の構造や流れる高周波電力の周波数から受ける影響が大きく、これらの僅かな変動に対して急激に変化してしまう。このため本実施例では、空芯巻きインダクタンス１７の自己共振周波数をプラズマ生成用の高周波電力のものに対して１．１倍以上または０．９倍以下とすることが好ましい。例えば、本実施例は、高周波電力の周波数が２００ＭＨｚであるため空芯巻きインダクタンス１７の自己共振周波数を２４０ＭＨｚ近辺となるように構成することが望ましい。

以上本実施例によれば、周波数が高いプラズマ生成用の高周波電力が双極型の静電吸着電極の回路へ流入したりその機差を抑制でき、プラズマ生成の変動および再現性の低下や装置間差の発生を抑制することが可能となり、歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、半導体装置の製造装置、特にリソグラフィー技術によって描かれたパタンをマスクに半導体材料のエッチング処理を行うプラズマエッチング装置に関する。本発明では、広域圧力でのプラズマ生成特性で優位なＶＨＦ帯以上の高周波にてプラズマを生成する場合に、プラズマ生成用高周波が試料設置手段内に設けられる静電吸着機能部への流入を効果的に阻止するフィルタを実現する。本発明の効果により、ＶＨＦ帯以上の高周波をプラズマ生成に用いるプラズマ処理装置におけるプロセス再現性低下や装置間差の発生を大幅に抑制が実現できる。

１…電磁コイル、２…試料台、２’…下部電極、３…試料、４…上部電極、５…シャワープレート、６…ガス導入ライン、７…上部電極温度制御手段、８…放電用高周波電源、９…放電用高周波電力整合器、１０…真空容器、１１…プラズマ、１２…上部電極絶縁体、１３…絶縁リング、１４…静電吸着膜、１５…タングステン電極、１６…コンデンサ、１６’…バイパス線路、１７…空芯巻きインダクタンス、１８…低域通過フィルタ、１９…直流電源、２０…バイアス用高周波電源、２１…バイアス用高周波電力整合器、２２…給電線路、２３…絶縁体、２４…サセプタ、２５…冷媒通路、２５’…配管、２６…排気調節バルブ、２７…排気口、２８…試料設置手段の保持機構、２９…給電経路、３０…ヘリウム導入機構、３０’…伝熱ガス供給路、３１…高周波電流、３２…高周波電流、３３…バイパス電流、３４…逆向き電流、３５…給電線路（正極側線路）、３６…給電線路（負極側線路）、３７…ＰＴＦＥ製の空芯巻きインダクタンス固定ジグ、３８…銅芯線、３９…絶縁被膜、４０…処理室。

Claims (5)

1. 真空容器内部に配置されその内側でプラズマが形成される処理室と、この処理室内に配置され前記プラズマを用いて処理される試料がその上に載せられる試料台と、この試料台上面を構成してその上に前記試料が載せられる誘電体製の膜内に配置され当該試料を吸着するための電力が供給されて異なる極性が形成される膜状の２つの電極と、当該２つの電極と各々の電源との間の給電路上に配置され前記２つの電極各々に接続された２つの給電線路が同じ軸回りに並列に巻かれたコイル状部分と、このコイル状部分と前記２つ電極との間において前記２つの給電線路を接続しコンデンサを備えたバイパス線路とを備えたプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
   前記処理室内に前記プラズマを形成する電界を形成する高周波電力を供給する高周波電源を有し、前記高周波電力の周波数が３０乃至３００ＭＨｚの範囲内であるプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記コイル状部分が内部に芯を有さないプラズマ処理装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記コイル状部分が前記２つの給電線路上であって当該線路の前記２つ電極からの距離が前記高周波電力の１波長以内に配置されたプラズマ処理装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記２つの給電線路上の前記コイル状部分と前記各々の電源との間に配置され前記高周波電力を濾過するフィルタを備えたプラズマ処理装置。

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