(57)【要約】      （修正有）【課題】アーク放電を抑制し、エッチング均一性が向上したＶＨＦ電極を提供する。【解決手段】階段状ガスシャワーヘッド電極３２４０は、該電極の頂部における供給圧力でプロセスガスを受け入れるガス供給マニホールド３２２０と、各オリフィスの一端部において、該ガス供給マニホールド３２２０から該電極３２４０に対して軸方向に伸びる複数の圧力低下円筒形オリフィス３２２２とを含む。該電極内の径方向ガス分布マニホールド３２２０は、該電極の全域で径方向に伸びている。複数の軸方向に伸びる高コンダクタンスのガスフロー流路は、該複数の圧力低下オリフィス３２２２のそれぞれの対向端部を該径方向ガス分布マニホールド３２２０に結合する。複数の高コンダクタンスの円筒形ガスアウトレット穴３２１４，３２１６は、該電極３２４０のプラズマに面する底部面に形成されており、該径方向ガス分布マニホールド３２２０に対して軸方向に伸びている。【選択図】  図３２
2006210929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマリアクタの真空チャンバ内の支持ペデスタル上の被加工物を処理する前記プラズマリアクタにおける、前記リアクタのシーリングの少なくとも一部を形成する、径方向に伸びるガス分布電極であって、前記リアクタのＲＦプラズマソースパワーアプリケータであり、かつ前記リアクタの処理ゾーンに面する底部面を有するガス分布電極において、
前記電極の頂部において、供給圧力でプロセスガスを受け入れるガス供給マニホールドと、
各オリフィスの一端部において、前記ガス供給マニホールドから前記電極に対して軸方向に伸びる複数の圧力低下円筒形オリフィスと、
前記電極の全域で径方向に伸びる、前記電極内の径方向ガス分布マニホールドと、
前記複数の圧力低下オリフィスのそれぞれの対向端部を前記径方向ガス分布マニホールドに結合する複数の軸方向に伸びる高コンダクタンスのガスフロー流路と、
前記径方向ガス分布マニホールドに軸方向に伸びる前記電極の前記底部面に形成された複数の高コンダクタンスの円筒形のガスアウトレット穴と、を備える、電極。
【請求項２】
前記電極の前記底部面が、
（ａ）湾曲面と、
（ｂ）階段状の面
とのうちの一方を備える非平坦面である、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記非平坦底部面が、中央が高い面である、請求項２に記載の電極。
【請求項４】
前記非平坦底部面が、前記電極の直径の約２０％〜１００%の中央・縁部間の高さの差を有する、請求項３に記載の電極。
【請求項５】
前記底部面を被覆する保護層を更に備え、前記保護層が、プロセスに影響を及ぼさない材料物質で形成されており、前記ガスアウトレット穴が前記保護層を貫通して続いている、請求項３に記載の電極。
【請求項６】
前記保護層が、半導体含有材料物質を備える、請求項５に記載の電極。
【請求項７】
前記半導体含有材料物質が炭化ケイ素を備える、請求項６に記載の電極。
【請求項８】
前記半導体含有材料物質が、
（ａ）シリコン、
（ｂ）炭素、
（ｃ）ゲルマニウム
のうちの少なくとも１種を備える、請求項６に記載の電極。
【請求項９】
前記複数の圧力低下オリフィスが、前記ガスアウトレット流路の直径の５分の１程度である、請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
前記圧力低下オリフィスの直径が、１０ミル程度である、請求項９に記載の電極。
【請求項１１】
前記高コンダクタンスのガスフロー流路が、前記底部面上の前記圧力低下オリフィスの最小軸方向ずれを画成する軸方向長さを有する、請求項１に記載の電極。
【請求項１２】
前記最小ずれが、前記圧力低下オリフィス内でのアーク放電又はプラズマ崩壊を防ぐのに十分である、請求項１１に記載の電極。
【請求項１３】
前記最小ずれが、各オリフィス内の径方向の電界を十分低く保有するのに十分であり、それにより、ガス圧力と、前記オリフィス内の径方向の電界の値の組合せが、プラズマ崩壊に対して不十分である、請求項１１に記載の電極。
【請求項１４】
前記高コンダクタンスのガスフロー流路が、約７０ｍｍ程度の軸方向長さを有する、請求項１に記載の電極。
【請求項１５】
前記圧力低下オリフィスが十分に小さいガスコンダクタンスを有し、前記ガスアウトレット穴が、前記圧力低下オリフィスの各々を介した圧力低下が、前記供給圧力と前記真空チャンバとの間の圧力差の少なくとも８０％であるように、十分に高いガスコンダクタンスを有する、請求項１に記載の電極。
【請求項１６】
前記圧力低下オリフィスが、前記圧力低下オリフィス内の径方向電界が、前記ガスアウトレット穴内の最大径方向電界の１０％よりも小さいように、前記底部面から軸方向に十分ずれている、請求項１５に記載の電極。
【請求項１７】
前記底部面が、平坦な環状周辺部を有する、中央が高い湾曲面を備える、請求項１に記載の電極。
【請求項１８】
プラズマリアクタの低圧処理ゾーンに面する底部面を有する、前記プラズマリアクタのガス分布金属電極であって、
前記電極に対して軸方向に伸び、かつ各オリフィスの一端部において、供給圧力でプロセスガスを受け入れるように結合された、複数の圧力低下円筒形オリフィスと、
前記底部面に形成され、かつ前記圧力低下オリフィスの低圧側に結合されている、複数の軸方向に伸びる高コンダクタンスの円筒形ガスアウトレット穴と、
を備える、電極。
【請求項１９】
前記電極の底部面が、
（ａ）湾曲面、
（ｂ）階段状の面
のうちの一方を備える非平坦面である、請求項１８に記載の電極。
【請求項２０】
前記非平坦底部面が、中央が高い面である、請求項１９に記載の電極。
【請求項２１】
前記非平坦底部面が、前記電極の直径の約２０％〜１００％の、中心・縁部間の高さの差を有する、請求項２０に記載の電極。
【請求項２２】
前記底部面を被覆する保護層を更に備え、前記保護層が、プロセスに影響を及ぼさない材料物質で形成されており、前記ガスアウトレット穴が、前記保護層を貫通して続いている、請求項２１に記載の電極。
【請求項２３】
前記保護層が、半導体含有材料物質を備える、請求項２２に記載の電極。
【請求項２４】
前記半導体含有材料物質が炭化ケイ素を備える、請求項２３に記載の電極。
【請求項２５】
前記半導体含有材料物質が、
（ａ）シリコン、
（ｂ）炭素、
（ｃ）ゲルマニウム
のうちの少なくとも１種を備える、請求項２３に記載の電極。
【請求項２６】
前記複数の圧力低下オリフィスが、前記ガスアウトレット流路の直径の５分の１程度である、請求項１８に記載の電極。
【請求項２７】
前記圧力低下オリフィスの直径が、１０ミル程度である、請求項２６に記載の電極。
【請求項２８】
前記圧力低下オリフィスが、前記底部面に対して低減された径方向電界を有するように、前記底部面から十分に離れて配置されており、また、前記圧力低下オリフィスが、前記チャンバの真空圧力での圧力又は該真空圧力に近い圧力に対して、前記ガスアウトレット穴内の圧力を制限するように十分狭い、請求項１８に記載の電極。
【請求項２９】
前記低減された径方向電界が、前記圧力低下オリフィス内でのアーク放電又はプラズマ崩壊を防ぐように十分小さい、請求項２８に記載の電極。
【請求項３０】
前記圧力低下オリフィスが、十分に小さいガスコンダクタンスを有し、前記ガスアウトレット穴が、前記圧力低下オリフィスの各々を介した圧力低下が、前記供給圧力と前記真空チャンバとの間の圧力差の少なくとも８０％であるように、十分に高いガスコンダクタンスを有する、請求項１８に記載の電極。
【請求項３１】
前記圧力低下オリフィスが、前記圧力低下オリフィス内の径方向電界が、前記ガスアウトレット穴内の最大径方向電界の１０％よりも小さいように、前記底部面から軸方向に十分にずれている、請求項３０に記載の電極。
【請求項３２】
前記底部面が、平坦な環状周辺部を有する、中央が高い湾曲面を備える、請求項１８に記載の電極。
【請求項３３】
真空チャンバと、
前記チャンバのシーリングを形成し、かつ電極リアクタンスを有し、プラズマリアクタの低圧処理ゾーンに面する底部面を有する、ガス分布金属電極であって、
前記電極に対して軸方向に伸び、かつ各オリフィスの一端部において、供給圧力でプロセスガスを受け入れるように結合された、複数の圧力低下円筒形オリフィスと、
前記底部面に形成され、かつ前記圧力低下オリフィスの低圧側に結合された、複数の軸方向に伸びる高コンダクタンスの円筒形ガスアウトレット穴と、
を備えるガス分布金属電極と、
ＶＨＦソースパワー発生器と、
前記発生器を前記電極に結合する固定インピーダンスマッチング要素と、
前記ＶＨＦソースパワー発生器の周波数と同じか又はそれに近いプラズマ共振周波数で、前記チャンバ内のプラズマとの共振を形成するリアクタンスを有するＶＨＦ電極と、
を備えるプラズマリアクタ。
【請求項３４】
前記固定インピーダンスマッチング要素が、前記共振周波数と同じか又はそれに近い共振周波数を有する、請求項３３に記載のリアクタ。
【請求項３５】
前記固定インピーダンスマッチング要素が、チューニング突出部を備える、請求項３４に記載のリアクタ。
【請求項３６】
前記固定インピーダンスマッチング要素が、ストリップライン回路を備える、請求項３４に記載のリアクタ。
【請求項３７】
前記固定インピーダンスマッチング要素の前記共振周波数と、前記ＶＨＦソースパワー発生器の周波数とが、プラズマ共振周波数からオフセットされている、請求項３４に記載のリアクタ。
【請求項３８】
前記電極の底部面が、
（ａ）湾曲面、
（ｂ）階段状の面
のうちの一方を備える非平坦面である、請求項３３に記載の電極。
【請求項３９】
前記非平坦底部面が、中央が高い面である、請求項３８に記載の電極。
【請求項４０】
前記非平坦底部面が、前記電極の直径の約２０％〜１００％の中心・縁部間の高さの差を有する、請求項３９に記載の電極。
【請求項４１】
前記底部面を被覆する保護層を更に備え、前記保護層が、プロセスに影響を及ぼさない材料物質で形成されており、前記ガスアウトレット穴が、前記保護層を貫通して続いている、請求項３３に記載の電極。
【請求項４２】
前記保護層が半導体含有材料物質を備える、請求項４１に記載の電極。
【請求項４３】
前記半導体含有材料物質が炭化ケイ素を備える、請求項４２に記載の電極。
【請求項４４】
前記半導体含有材料物質が、
（ａ）シリコン、
（ｂ）炭素、
（ｃ）ゲルマニウム
のうちの少なくとも１種を備える、請求項４２に記載の電極。
【請求項４５】
前記複数の圧力低下オリフィスが、前記ガスアウトレット流路の直径の５分の１程度である、請求項３３に記載の電極。
【請求項４６】
前記圧力低下オリフィスの直径が、１０ミル程度である、請求項２６に記載の電極。
【請求項４７】
前記圧力低下オリフィスが、前記底部面に対して低減された径方向電界を有するように、前記底部面から十分に離れて配置されており、また、前記圧力低下オリフィスが、前記チャンバの真空圧力における圧力又はそれに近い圧力に対して、前記ガスアウトレット穴内の圧力を制限するように十分狭い、請求項３３に記載の電極。
【請求項４８】
前記低減された径方向電界が、前記圧力低下オリフィス内でのアーク放電又はプラズマ崩壊を防ぐのに十分小さい、請求項４７に記載の電極。
【発明の詳細な説明】
【発明者】
【０００１】
Dｏｕｇｌａｓ  Ａ．Ｂｕｃｈｂｅｒｇｅｒ，Ｊｒ．，Ｄａｎｉｅｌ  Ｊ．Ｈｏｆｆｍａｎ，Ｏｌｇａ  Ｒｅｇｅｌｍａｎ，Ｊａｍｅｓ  Ｃａｒｄｕｃｃｉ，Ｋｅｉｊｉ  Ｈｏｒｉｏｋａ及びＪａｎｇ  Ｇｙｏｏ  Ｙａｎｇによる
【関連出願の相互参照】
【０００２】
[01]この出願は、現在、米国特許第６，５２８，７５１号として発行されている、２０００年３月１７日に出願された、Ｄａｎｉｅｌ  Ｈｏｆｆｍａｎらによる「ＰＬＡＳＭＡ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＯＶＥＲＨＥＡＤ  ＲＦ  ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ  ＴＵＮＥＤ  ＴＯ  ＴＨＥ  ＰＬＡＳＭＡ」というタイトルの米国特許出願第０９／５２７，３４２号の一部継続出願である、２００１年１２月１９日に出願された、Ｄａｎｉｅｌ  Ｈｏｆｆｍａｎらによる「ＰＬＡＳＭＡ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＯＶＥＲＨＥＡＤ  ＲＦ  ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ  ＴＵＮＥＤ  ＴＯ  ＴＨＥ  ＰＬＡＳＭＡ」というタイトルの米国特許出願第１０／０２８，９２２号の一部継続出願である、２００４年１月８日に出願された、Ｄａｎｉｅｌ  Ｊ．Ｈｏｆｆｍａｎらによる「ＰＬＡＳＭＡ  ＲＥＡＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＯＶＥＲＨＥＡＤ  ＲＦ  ＳＯＵＲＣＥ  ＰＯＷＥＲ  ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ  ＷＩＴＨ  ＬＯＷ  ＬＯＳＳ，ＬＯＷ  ＡＲＣＩＮＧ  ＴＥＮＤＥＮＣＹ  ＡＮＤ  ＬＯＷ  ＣＯＮＴＡＭＩＮＡＴＩＯＮ」というタイトルの米国特許出願第１０／７５４，２８０号の一部継続出願であり、これら全ては、本譲受人に譲渡されている。
【背景技術】
【０００３】
[02]多数の小さなガス・インレット・オリフィスを有するオーバーヘッド・ガス・シャワーヘッドは、プラズマ・ソースパワーを容量結合する電極として用いた場合に、プラズマアーク放電を引き起こすことがある。プラズマは、該電極のガス・アウトレット・オリフィスの多くの中に入って、各オリフィス内でアーク放電する傾向がある。該アーク放電は、該電極からの金属原子を溶融又はスパッタして、プラズマ中に汚染物質を生じ、それにより、該プラズマプロセス（例えば、半導体被加工物に対して実行されるプラズマ反応性イオンエッチングプロセス）を失敗させる。また、そのようなアーク放電は、異なるオリフィスを広げて、それにより、該電極表面におけるガスフロー分布をゆがめることにより、該電極にダメージを与える。最終的に、該電極が金属であり、かつ半導体保護層で被覆されている場合には、そのようなアーク放電は、更に、該半導体保護層と該金属製電極との間にある接合剤に破壊作用を及ぼすことにより、該電極にダメージを与え、又は、汚染物質を生成する。プラズマの該ガス・アウトレット・オリフィス内への移動を防ぐために、非常に狭いガス・アウトレット・オリフィス径を用いたが、このことは、実際には、該アーク放電問題を悪化させた。これは、該オリフィスの狭小化によって生じたより大きな圧力が、アーク放電を増進したためである。また、そのような狭いオリフィスは、洗浄するのが困難であるため、該プラズマからの残渣物（例えば、ポリマー）が、該ガス・アウトレット・オリフィス内に蓄積した。
【０００４】
[03]オーバーヘッド・ソースパワー電極／ガス・シャワーヘッド内でのアーク放電を回避するという発明者等の努力は、該オーバーヘッド電極内の該ガス・アウトレット・オリフィスを狭い環として構成するというコンセプトに至り、これは、上記参照文献として引用した親出願に開示されている。該ガス圧力は、径方向に伸びる極端に狭い内部圧力低下オリフィスにより、該ガス・アウトレット・オリフィス上で良好に低下した。各環状ガス・アウトレット・オリフィスの（該電極の平面内における）弓形又は周囲長は、該オリフィス内のガスフローコンダクタンスを強め、これにより、該電極の表面に存在する高電界内のガス圧力が最小化された。この特徴は、該オリフィス内のガスがアーク放電する傾向を低減した。各環状オリフィスの狭い幅は、該狭い圧力低下オリフィスが配置されている、該ガス・アウトレット・オリフィスの底部の近傍で、該電極の上方領域から離れた高電界を制限するように、軸方向の高さの関数として、該オリフィス内で該電界が低下するレートを増加させた。この特徴は、該電極の該上方領域近傍の電界を最小化し、該領域においては、該ガス圧力は、非常に高い圧力から非常に低い圧力へ低下し、それに伴って、アーク放電を良好に抑制するため、同じ位置における高いガス圧力と高い電界の同時発生が回避される。
【０００５】
[04]このような環状のガス・アウトレット・オリフィスは、製造するのに複雑なマッチングを要し、また、湾曲した形態に容易に適合しない。そのため、そのようなガス分布電極は、余分な製造コストを回避するために、平坦な形状に本質的に制限される。このことは、特に、半導体保護層が、該電極の底部表面を被覆しており、該金属電極内及び該半導体保護層内での相互に位置合わせされた環状ガス・アウトレット・オリフィスの形成を要する場合に当てはまる。
【０００６】
[05]発明者等は、図１〜図３０に開示したタイプのリアクタ内において、プラズマイオン密度分布を、ウェハ周辺部では一般的な低プラズマ密度及び低エッチングレートで、中心部をわずかに高くすることができることを見出した。ある場合には、ウェハ縁部におけるプラズマイオン密度は、該ウェハの中心における該プラズマイオン密度の５５％以下になる可能性がある。該エッチングレートは、該ウェハ中心と比較して、該ウェハ縁部において同様に低くなる。プラズマの均一性を改善すると共に、上述した低アーク放電性の利点を維持することが可能なオーバーヘッド・ガス分布ソースパワー電極が必要である。中心部の高いプラズマイオン密度分布を補正する１つの方法は、該電極面を、ドーム形状、又はマルチ放射状のドーム形状等のアーチ形状に構成することである。しかしながら、アーク放電する傾向が低い電極（すなわち、上述した環状形状のガス・アウトレット・オリフィス）を製造に要するマッチング・ステップの複雑性は、アーチ形状、少なくとも、かなりの曲率を有する形状を実現することができない。例えば、３００ｍｍ程度の径の電極においては、中心から縁部まで数ミリ以上の偏差を有する曲率を設けるのは、コスト効率的に良くはないであろう。このような小さな曲率は、プラズマイオン密度の非均一性における５５％の偏差を補正する又は著しく改善するのに不適当であり得る。問題は、アーク放電が、該ガス・アウトレット・オリフィス内で発生する傾向を増加させることなく、該電極にかなりの曲率をどのように設けるかである。
【発明の概要】
【０００７】
[06]プラズマリアクタの天井の少なくとも一部を形成するオーバーヘッド・ガス分布電極は、該リアクタの処理ゾーンに面する底部面を有する。該電極は、該電極の頂部において、供給圧力でプロセスガスを受け入れるガス供給マニホールドと、各オリフィスの一端部で、該電極に対して、該ガス供給マニホールドから軸方向に伸びる複数の圧力低下円筒形オリフィスとを含む。該電極内の放射状のガス分布マニホールドは、該電極の全域で放射状に伸びている。複数の軸方向に伸びる高コンダクタンスのガス流路は、該複数の圧力低下オリフィスのそれぞれの対向端部を該放射状のガス分布マニホールドに結合する。複数の高コンダクタンスの円筒形ガス・アウトレット穴は、該電極のプラズマに面する底部面内に形成されており、該放射状のガス分布マニホールドに対して軸方向に伸びている。
【０００８】
[07]上記底部面は、平面、あるいは、湾曲面又は階段状面のいずれかである非平面とすることができ、また、中心を高くすることができる。該非平面状の底部面は、中心部と縁部とで、該電極の径の約２０％〜１００％の高さの違いを有することができる。
【０００９】
[08]保護層は、上記底部面を被覆することができ、また、プロセスに影響を及ぼさない材料物質で形成することができ、上記ガス・アウトレット穴は、該保護層を貫通して続いている。該保護層は、例えば、シリコン又は炭化ケイ素等の半導体含有材料物質とすることができる。
【発明の詳細な説明】
【００１０】
[47]図１について説明すると、プラズマリアクタは、半導体ウェハ１１０を支持する、リアクタチャンバの底部にウェハ支持体１０５を有するリアクタチャンバ１００を含む。半導体リング１１５は、ウェハ１１０を囲んでいる。半導体リング１１５は、絶縁（石英）リング１２０によって、接地されたチャンバボディ１２７上に支持されている。一実施形態において、これは、１０ｍｍの厚さ及び誘電率４からなる。チャンバ１００は、絶縁（石英）シールにより、接地されたチャンバボディ１２７上のウェハ１１０の上に、所定のギャップ長で支持されたディスク状オーバーヘッド・アルミニウム電極によって、該頂部で境界が形成されている。また、オーバーヘッド電極１２５は、その内面を半金属材料物質（例えば、Ｓｉ又はＳｉＣ）で被覆することができる金属（例えば、アルミニウム）であってもよいし、半金属材料物質そのものであってもよい。高周波電源１５０は、高周波電力を電極１２５に印加する。高周波電源１５０からの高周波電力は、高周波電源にマッチングした同軸ケーブル１６２を介して、電極１２５に接続された同軸突出部１３５に結合される。突出部１３５は、特性インピーダンス、共振周波数を有し、また、以下により完全に説明するように、電極１２５と、５０オームの同軸ケーブル１６２又は高周波電源１５０の５０オーム出力とのインピーダンスマッチングを提供できる。上記チャンバボディは、高周波電源１５０のＲＦリターン（ＲＦ接地）に接続されている。オーバーヘッド電極１２５からＲＦ接地までのＲＦ経路は、半導体リング１１５、絶縁リング１２０及び絶縁シール１３０の影響を受ける。ウェハ支持体１０５、ウェハ１１０及び半導体リング１１５は、電極１２５に印加された高周波電力のための一次ＲＦリターン経路を設ける。
【００１１】
[48]ＲＦリターン又は接地に関して測定した電極１２５、絶縁リング１２０及び絶縁シール１３０を含むオーバーヘッド電極アセンブリ１２６のキャパシタンスは、１８０ピコファラッドになる。該電極アセンブリのキャパシタンスは、順に、該電極の面積、該ギャップ長（ウェハ支持体とオーバーヘッド電極との間の距離）、及び、漂遊キャパシタンスに影響を及ぼす要因、特に、シール１３０及び絶縁リング１２０の誘電率値の影響を受け、これらの値も、使用する材料の誘電率及び厚さの影響を受ける。より一般的には、該電極アセンブリのキャパシタンス（符号なし又はスカラー）は、以下に論じるように、特に、ソースパワー周波数、プラズマ密度及び作動圧力において、大きさが、該プラズマの負のキャパシタンス（複素数）と等しいか、又は、ほぼ等しい。
【００１２】
[49]上記の関係に影響を与える多くの要因は、該要因、該ウェハのサイズ、及び、該ウェハ上で、該処理が均一に実行される必要条件によって実行される必要がある該プラズマプロセスの必要条件の実態により、大部分が予め決まっている。したがって、該プラズマキャパシタンスは、プラズマ密度及びソースパワー周波数の関数であり、一方、該電極のキャパシタンスは、ウェハ支持体と電極との間のギャップ（高さ）、電極の径、及び、上記アセンブリの絶縁体の誘電率値の関数である。プラズマ密度、作動圧力、ギャップ及び電極の径は、該リアクタによって実行されるべきプラズマプロセスの必要条件を満たさなければならない。特に、イオン密度は、一定の範囲内でなければならない。例えば、シリコン又は誘電プラズマエッチングプロセスは、一般に、１０９Ｂ１０１２イオン／ｃｃの範囲内のプラズマイオン密度を要する。例えば、該ウェハ・電極間のギャップが約１．２５〜約２．０インチである場合には、該ギャップは、８インチウェハの場合、最適なプラズマイオン分布均一性を提供できる。３００ｍｍ径のウェハの場合、最適なギャップサイズは、約１．２５インチである。該電極の径は、該ウェハの径よりも大きくない限り、少なくともできる限り大きくすることができる。作動圧力は、同様に、典型的なエッチング及び他のプラズマプロセスに対して、実用的な範囲を有する。
【００１３】
[50]しかしながら、上記の関係を達成するために選択することができる他の要因、特に、ソース周波数の選択及びオーバーヘッド電極アセンブリ１２６のためのキャパシタンスの選択が残っていることが見出されている。ソースパワー周波数が、ＶＨＦ周波数になるように選択される場合、及び電極アセンブリ１２６の絶縁構成要素の誘電率が正しく選択される場合、該電極に課せられた上記の寸法上の制約及び該プラズマに課せられた制約（例えば、密度の範囲）の範囲内で、該電極のキャパシタンスを、該プラズマの負のキャパシタンスの大きさにマッチングさせることができる。このような選択は、ソースパワー周波数とプラズマ電極の共振周波数との間のマッチング又はほぼマッチングを達成することができる。
【００１４】
[51]したがって、一態様において、８インチウェハの場合、上記オーバーヘッド電極の径は、おおよそ１１インチであり、上記ギャップは、約２インチであり、上記プラズマ密度及び作動圧力は、上述したようなエッチングプロセスに対して典型的なものであり、シール１３０のための絶縁材料物質は、誘電率が９であり、厚さが１インチ程度であり、リング１１５は、１０インチよりもわずかに大きい内径と、約１３インチの外径とを有し、リング１２０は、誘電率４と、１０ｍｍ程度の厚さとを有し、ＶＨＦソースパワー周波数は、（他のＶＨＦ周波数は、等しく有効にすることができるが）２１０ＭＨｚであり、ソースパワー周波数、プラズマ電極共振周波数及び上記突出部の共振周波数は、全て、マッチング又はほぼマッチングすることができる。３００ｍｍ径のウェハの場合、最適なソースパワー周波数は、プラズマ電極共振周波数及び該突出部の共振周波数をマッチングした、あるいは、１６２ＭＨｚからわずかにオフセットした状態で、１６２ＭＨｚである。
【００１５】
[52]より具体的には、これら３つの周波数は、互いにわずかにオフセットすることができ、ソースパワー周波数が（３００ｍｍウェハに対して最適化した）１６２ＭＨｚの場合、該システムのＱを有利に低減するデチューニング効果を達成するため、電極プラズマ共振周波数は、１６２ＭＨｚよりわずかに下であり、該突出部の共振周波数は、１６２ＭＨｚよりわずかに上である。このようなシステムのＱの低減は、上記リアクタのパフォーマンスを、上記チャンバ内の状態の変化の影響を受けにくくするため、プロセス全体は、かなりより安定的になり、かなり広いプロセスウィンドウに関して実行することができる。
【００１６】
[53]同軸突出部１３５は、システム全体の安定性、その広いプロセスウィンドウ性能及び他の多くの有用な利点に対して更に貢献する特別に構成されたデザインである。該突出部は、内側円筒形コンダクタ１４０と、外側同心円筒形コンダクタ１４５とを含む。例えば、相対誘電率１を有する（図１にクロスハッチングで示す）絶縁体１４７は、内側コンダクタ１４０と外側コンダクタ１４５との間の空間を満たしている。内側コンダクタ１４０及び外側コンダクタ１４５は、ニッケル被覆アルミニウムで形成されている。外側コンダクタ１４５は、約４インチの径を有することができ、内側コンダクタ１４０は、約１．５インチの径を有することができる。上記突出部の特性インピーダンスは、内側コンダクタ１４０及び外側コンダクタ１４５の半径と、絶縁体１４７の誘電率とで決まる。一実施形態の突出部１３５は、３０オームの特性インピーダンスを有する（この場合、ＶＨＦソースパワー周波数は、３００ｍｍウェハ径の場合、１６２ＭＨｚである）。より一般的には、該突出部の特性インピーダンスは、該ソースパワー出力インピーダンスを、約２０％〜４０％だけ、及び、約３０％だけ上回る。突出部１３５は、１６２ＭＨｚのＶＨＦソースパワー周波数（以上の）からわずかなオフセットを有するため、１６２ＭＨｚよりわずかに高い（例えば、１７０ＭＨｚ近く）４分の１波長に対応する軸方向長さを有する。
【００１７】
[54]タップ１６０は、以下に論じるように、高周波電源１５０からの高周波電力を突出部１３５に印加するために、突出部１３５の軸方向長さに沿った特定のポイントに設けられている。高周波電源１５０の高周波電力端子１５０ｂ及びＲＦリターン端子１５０ａは、突出部１３５のタップ１６０において、それぞれ、内側同軸突出部コンダクタ１４０及び外側同軸突出部コンダクタ１４５に接続されている。これらの接続は、周知のやり方で、高周波電源１５０の出力インピーダンス（典型的には、５０オーム）にマッチングする特性インピーダンスを有する高周波電源・突出部間同軸ケーブル１６２を介して作られる。コンダクタ１６５を、突出部１３５の遠端部１３５ａに終端させることは、内側コンダクタ１４０と外側コンダクタ１４５とを短絡させるため、突出部１３５は、その終端部１３５ａで短絡されている。突出部１３５の近端部（短絡されていない端部）１３５ｂにおいて、外側コンダクタ１４５は、環状導電性ハウジング又は支持体１７５を介して上記チャンバボディに接続されており、一方、内側コンダクタ１４０は、導電性シリンダ又は支持体１７６を介して電極１２５の中心部に接続されている。絶縁リング１８０は、導電性シリンダ１７６と電極１２５との間に保持されており、該シリンダと該電極とを分離する。
【００１８】
[55]内側コンダクタ１４０は、プロセスガスや冷却剤等の有用物のための導管を設けることができる。この特徴の第一の利点は、典型的なプラズマリアクタとは違って、ガスライン１７０及び冷却剤ライン１７３が、大きな電位差をクロスしないということである。そのため、これらのラインは、そのような目的のための金属、高価ではないより信頼性のある材料物質で構成することができる。金属製ガスライン１７０は、オーバーヘッド電極１２５内の、又は該電極に隣接するガスインレット１７２にガスを供給し、一方、金属製冷却剤ライン１７３は、オーバーヘッド電極１２５内の冷却剤流路又はジャケット１７４に冷却剤を供給する。
【００１９】
[56]それにより、能動インピーダンスと共振インピーダンスの変換は、高周波電源１５０とオーバーヘッド電極アセンブリ１２６との間の、この特別に構成された突出部のマッチングによって提供でき、また、プラズマ負荷を処理すること、反射電力を最小化すること及び非常に幅広いインピーダンスマッチングスペースを提供することは、負荷インピーダンスの広い変化に適応する。その結果として、これまでは得ることのできなかった電力使用効率と共に、広いプロセスウィンドウ及びプロセスの柔軟性を提供できると共に、典型的なインピーダンスマッチング装置の必要性が最小化又は回避される。上述したように、上記突出部の共振周波数も、システム全体のＱ、システムの安定性、及びプロセスウィンドウ及びマルチプロセス機能を更に高めるために、実際のマッチングからオフセットしている。
【００２０】
電極・プラズマ共振周波数とＶＨＦソースパワー周波数のマッチング
[57]上の概略のように、第一の特徴は、上記電極・プラズマ間の共振周波数におけるプラズマとの共振のために、及び、上記ソースパワー周波数と該電極・プラズマ周波数とのマッチング（又は、ほぼマッチング）のために、オーバーヘッド電極アセンブリ１２６を構成することである。電極アセンブリ１２６は、主に容量性リアクタンスを有し、一方、プラズマリアクタンスは、周波数、プラズマ密度及び他のパラメータの複素関数である。（以下に、更に詳細に説明するように、プラズマは、虚数項を含む複素関数であり、かつ一般に、負のキャパシタンスに対応するリアクタンスに関して解析される。）電極・プラズマ共振周波数は、（キャパシタのリアクタンスと、インダクタのリアクタンスとで決まるキャパシタ／インダクタ共振回路の共振周波数と同様に）電極アセンブリ１２６のリアクタンスと、プラズマのリアクタンスとで決まる。したがって、電極・プラズマ共振周波数は、プラズマ密度次第では、必ずしもソースパワー周波数でなくてもよい。そのため、問題は、プラズマ密度及び電極の寸法の特定の範囲に対する実用的な制限の制約を考慮して、プラズマリアクタンスが、電極・プラズマ共振周波数がソースパワー周波数に等しく又は、ほぼ等しくなるようになるソースパワー周波数を見出すことである。該問題は、（プラズマリアクタンスに影響を及ぼす）プラズマ密度と、（電極キャパシタンスに影響を及ぼす）電極の寸法とが、一定のプロセス制約を満たさなければならないため、更に困難である。具体的には、絶縁及び金属プラズマエッチングプロセスの場合、プラズマ密度は、１０９〜１０１２イオン／ｃｃの範囲内になければならず、これは、プラズマリアクタンスに対する制約である。また、例えば、３００ｍｍ径のウェハを処理するためのより均一なプラズマイオン密度分布は、約１．２５インチのウェハ・電極間のギャップ又は高さと、電極キャパシタンスに対する制約である、該ウェハの径程度又はそれ以上の電極径とによって実現される。他方、異なるギャップ長を、更に大きなウェハを処理するのに用いてもよい。
【００２１】
[58]したがって、上記実施形態の１つの特徴においては、電極キャパシタンスを、プラズマの負のキャパシタンスの大きさにマッチング（又は、ほぼマッチング）することにより、電極・プラズマ共振周波数とソースパワー周波数とは、少なくともほぼマッチングされる。上記列挙した一般的な金属及び絶縁エッチングプロセス条件（すなわち、１０９〜１０１２イオン／ｃｃ間のプラズマ密度、２インチギャップ及びおよそ１１インチ程度の電極径）の場合、該ソースパワー周波数がＶＨＦ周波数であれば、該マッチングは可能である。他の条件（例えば、異なるウェハ径、異なるプラズマ密度等）は、上記リアクタに関するこの特徴を実行する際に、このようなマッチングを実現するために、異なる周波数範囲を規定してもよい。以下に、詳細に説明するように、絶縁及び金属プラズマエッチング及化学気相堆積を含むいくつかの主な用途において、８インチのウェハを処理する好都合なプラズマ処理条件の下で、上記したプラズマ密度を有する典型的な一実施例におけるプラズマキャパシタンスは、−５０〜Ｂ４００ピコファラッドであった。２１０ＭＨｚのソースパワー周波数を用いる実用的な実施形態においては、オーバーヘッド電極アセンブリ１２６のキャパシタンスは、１１インチの電極径、おおよそ２インチのギャップ長(電極・ペデスタル間の間隔、誘電率９及び１インチ程度の厚さを有するシール１３０のための絶縁材料物質の選択、及び、誘電率４及び１０ｍｍ程度の厚さを有するリング１２０のための絶縁材料物質の選択を用いることにより、この負のプラズマキャパシタンスの大きさにマッチングした。３００ｍｍウェハの場合、ソースパワー周波数は、約１６２ＭＨｚとすることができる。
【００２２】
[59]たった今説明したように、電極アセンブリ１２６とプラズマキャパシタンスとがマッチングしていると仮定すれば、該アセンブリとプラズマの組合せは、電極１２５に印加したソースパワー周波数に少なくともほぼマッチングする電極・プラズマ共振周波数で共振する。発明者等は、好都合なエッチングプラズマ処理レシピ、環境及びプラズマの場合、この電極・プラズマ共振周波数及び該ソースパワー周波数は、ＶＨＦ周波数でマッチング又はほぼマッチングすることができること、及び、そのような周波数マッチング又はほぼマッチングを実施することが非常に有利であることを発見した。上記の実施形態において、プラズマの負のキャパシタンスの上記の値に対応する該電極・プラズマ共振周波数は、１６２ＭＨｚよりもわずかに下にすることができる。該ソースパワー周波数は、１６２ＭＨｚであり、以下に論じる他の利点を実現するため、該ソースパワー周波数が、該電極・プラズマ共振周波数よりもわずかに上にオフセットしているほぼマッチングである。該ソースパワー周波数が２１０ＭＨｚである場合には、該プラズマ共振周波数は、２００ＭＨｚとすることができ、また、上記突出部の共振周波数は、２２０ＭＨｚとすることができる。
【００２３】
[60]上記プラズマキャパシタンスは、とりわけ、プラズマ電子密度の関数である。これは、ほぼ１０９〜１０１２イオン／ｃｃの範囲内に保つべき良好なプラズマ処理条件を提供するために必要なプラズマイオン密度に関連する。この密度は、ソースパワー周波数及び他のパラメータと共に、該プラズマの負のキャパシタンスを決めるため、該キャパシタンスの選択は、以下に更に詳細に説明するように、プラズマ処理条件を最適化する必要性により束縛される。しかしながら、上記オーバーヘッド電極アセンブリのキャパシタンスは、多くの物理的要因、例えば、ギャップ長（電極１２５と上記ウェハとの間の間隔）、電極１２５の面積、電極１２５と接地されたチャンバボディ１２７との間の絶縁シール１３０の誘電率の選択、半導体リング１１５と該チャンバボディとの間の絶縁リング１２０の誘電率の選択、及び、シール１３０及びリング１２０からなる絶縁構造体の厚さ及びリング１８０の厚さ及び誘電率によって影響を及ぼされる。このことは、上記オーバーヘッド電極のキャパシタンスに影響を及ぼすこれら及び他の物理的要因の間でなされた選択を介して、該電極アセンブリのキャパシタンスのいくつかの調整を可能にする。発明者等は、この調整の範囲が、該オーバーヘッド電極アセンブリのキャパシタンスと、該負のプラズマキャパシタンスの大きさとの必要な程度のマッチングを達成するのに十分であることを見出した。具体的には、シール１３０及びリング１２０のための絶縁材料物質及び寸法は、所望の誘電率及びその結果として生じる誘電率値を提供できるように選択される。その結果、該電極のキャパシタンスと該プラズマキャパシタンスとのマッチングは、電極のキャパシタンスに影響を与える同じ物理的要因のうちのいくつか、特に、ギャップ長が、次の実用性、すなわち、より大径のウェハを取り扱う必要性、該ウェハの全径に対してプラズマイオン密度の分布の良好な均一性でそれを行う必要性、及び、イオン密度対イオンエネルギの良好な制御を有する必要性により、規定又は制限されるという事実にもかかわらず、達成することができる。
【００２４】
[61]したがって、上記したプラズマエッチングプロセスに好都合なプラズマイオン密度の範囲の場合、及び８インチウェハを処理するのに適したチャンバ寸法の場合、１１インチの電極径、おおよそ２インチのギャップ長、及び誘電率９を有するシール１３０のための材料物質及び誘電率４を有するリング１２０のための材料を用いることにより、−５０〜Ｂ４００ピコファラッドのプラズマキャパシタンスにマッチングした電極アセンブリ１２６のキャパシタンスが達成された。
【００２５】
[62]上記プラズマキャパシタンス及びマッチングオーバーヘッド電極のキャパシタンスに対する上記の範囲を考慮すると、上記電極・プラズマ共振周波数は、２１０ＭＨｚのソースパワー周波数に対して、おおよそ２００ＭＨｚであった。上記の値は、１６２ＭＨｚのソースパワー周波数を用いて、３００ｍｍウェハのためのパフォーマンスを最適化するように調整することができる。
【００２６】
[63]このようにして電極アセンブリ１２６のキャパシタンスを選択すること、及び、上記結果として生じる電極・プラズマ共振周波数とソースパワー周波数とをマッチングすることの大きな利点は、該ソースパワー周波数近傍での該電極とプラズマとの共振が、より幅広いインピーダンスマッチング及びより幅広いプロセスウィンドウ、及び、その結果として、プロセス条件の変化に対するかなり大きな耐性、及びその結果のより大きなパフォーマンスの安定性を提供することである。上記処理システム全体は、作動条件の変動、例えば、プラズマのインピーダンスのシフトに対してあまり敏感でなくなり、またそのため、広範囲のプロセス適応性と共に、より大きな信頼性が得られる。本明細書で後述するように、該電極・プラズマ共振周波数とソースパワー周波数との間の小さなオフセットにより、利点は更に強められる。
【００２７】
何故、プラズマは、負のキャパシタンスを有するか
[64]プラズマキャパシタンスは、プラズマの電気的誘電率εによって支配され、これは、複素数であり、次式に従った自由空間の電気的誘電率ε０、プラズマ電子周波数Ｔｐｅ、ソースパワー周波数Ｔ及び電子中性子衝突頻度０ｅｎの関数である。
ε＝ε０［１−Ｔｐｅ２／（Ｔ（Ｔ＋ｉ０ｅｎ））］ただし、ｉ＝（−１）１／２
（プラズマ電子周波数Ｔｐｅは、該プラズマ電子密度の単純な関数であり、プラズマ処理に関する周知の出版物で定義されている。）
[65]一実施例において、中性種はアルゴンであり、該プラズマ電子周波数は、約１６２ＭＨｚよりもわずかに下であり、ＲＦソースパワー周波数は、該プラズマ密度が１０９〜１０１２ｃｃ−１になるように、十分な高周波電力を印加して、チャンバ圧力が、５ｍＴ〜１０００ｍＴの範囲内にあるように、約１６２ＭＨｚであった。プラズマエッチングプロセスに有利な条件の典型であるこれらの条件の下で、該プラズマは、上記の式により定義されるその有効な電気的誘電率が負であるため、一般に、負のキャパシタンスを有する。これらの条件の下で、該プラズマは、−５０〜Ｂ４００ピコファラッドの負のキャパシタンスを有した。そこで、上記のことをより一般的な用語で判断すると、プラズマ電子密度（及びソースパワー周波数及び電子中性子衝突頻度）の関数としてのプラズマキャパシタンスは、一般に、ある所望の範囲に対して、絶縁エッチング、金属エッチング及びＣＶＤ等の鍵となる用途に対する好都合なプラズマプロセスの現実性によって制限される傾向があり、また、ＶＨＦソースパワー周波数において、負の値を有する傾向があることを本発明者等は見つけた。プラズマのこれらの特性を利用することにより、該電極のキャパシタンスマッチング及び上記リアクタの周波数マッチング特徴が、これまでは可能ではなかった、プロセスウィンドウの性能及び柔軟性、及び動作の安定性を達成する。
【００２８】
突出部１３５によって提供されるインピーダンス変換
[66]突出部１３５は、高周波電源１５０の５０オームの出力ピンピーダンスと、電極アセンブリ１２６と、上記チャンバ内のプラズマとの組合せにより与えられる負荷インピーダンスとのインピーダンス変換を提供できる。このようなインピーダンスマッチングの場合、該高周波電源と該突出部との接続部において、及び、該突出部と電極との接続部において、高周波電力の反射は、少なくなければならず、あるいは、あってはならない（少なくとも、高周波電源１５０のＶＳＷＲの限界値を超える反射はない）。このことがどのようになされるかを次に説明する。
【００２９】
[67]高周波電源１５０の所望のＶＨＦ周波数において、及び、プラズマエッチングプロセスにとって好都合なプラズマ密度及びチャンバ圧力（すなわち、それぞれ、１０９Ｂ１０１２イオン／ｃｍ３及び５ｍＴ  Ｂ  １０００ｍＴ）において、該プラズマ自体のインピーダンスは、約（０．３＋（ｉ）７）オームであり、この場合、０．３は、該プラズマのインピーダンスｉ＝（−１）１／２の実数部分であり、また、７は、該プラズマのインピーダンスの虚数部分である。上記電極・プラズマの組合せにより与えられる負荷インピーダンスは、このプラズマのインピーダンス及び電極アセンブリ１２６のキャパシタンスの関数である。上述したように、電極アセンブリ１２６のキャパシタンスは、３００ｍｍウェハに対して、約１６２ＭＨｚで、又は、約１６２ＭＨｚよりわずかに低い、電極・プラズマ共振周波数を用いて、電極アセンブリ１２６と該プラズマとの共振を達成するように選択される。該突出部と該電極との境界における高周波電力の反射は、該突出部及び該電極が一緒に少なくともほぼ共振するように、突出部１３５の共振周波数が、該電極・プラズマ共振周波数に、あるいは、該共振周波数近傍に設定されているため、最小化され、又は、回避される。
【００３０】
[68]同時に、上記高周波電源と突出部との境界における高周波電力の反射は、突出部１３５の軸方向長さに沿った、タップ１６０の位置が、タップ１６０において、突出部１３５における定常波電圧と定常波電流との比が、高周波電源１５０の出力インピーダンス又はケーブル１６２の特性インピーダンス（共に、約５０オーム）に近くなるようになっているため、最小化され、又は、回避される。タップ１６０をどのように配置して、このことを達成するかを、次に論じる。
【００３１】
突出部のタップ１６０の軸方向の配置
[69]突出部１３５の軸方向の長さは、上述したように、上記電極・プラズマ共振周波数の近傍である、「突出部」周波数（例えば、１６２ＭＨｚのわずかに上）の４分の１波長の倍数とすることができる。一実施形態において、この倍数は、上記同軸突出部の長さが、該「突出部」周波数の約半波長となるように、２である。
【００３２】
[70]タップ１６０は、突出部１３５の長さに沿った特定の軸方向位置にある。この位置において、高周波電源１５０の出力周波数におけるＲＦ信号の定常波電圧と定常波電流との振幅の比は、高周波電源１５０の出力インピーダンスにマッチングする入力インピーダンス（例えば、５０オーム）に対応する。このことは、図２Ａ及び図２Ｂに図示されており、突出部１３５における電圧及び電流定常波は、それぞれ、短絡した外部突出部端部１３５ａにおいて、ゼロ及びピークを有する。タップ１６０の所望の位置は、該短絡した端部から内側の距離Ａにあり、そこでは、該定常波電圧と定常波電流との比は、５０オームに対応する。この位置は、当業者が、該定常波の比が５０オームであるところを経験的に判断することにより、容易に見出す。上記高周波電源の出力インピーダンス（５０オーム）に対するマッチングを提供できる、タップ１６０の距離又は位置Ａは、この明細書において後述するように、突出部１３５の特性インピーダンスの関数である。タップ１６０が、距離Ａに正確に配置されると、該高周波電源が、３：１の電圧定常波比（ＶＳＷＲ）を超える一定の供給電力を維持することができる典型的な種類である場合、該インピーダンスマッチングスペースは、負荷インピーダンスの実数部の９：１の変化に適応する。
【００３３】
[71]該インピーダンスマッチングスペースは、該負荷インピーダンスの実数部のほぼ６０：１の変化に適応するように、大幅に拡大することができる。この目覚しい結果は、タップ１６０を、位置Ａの正確に５０オームの箇所から、同軸突出部１３５の短絡した外部端部１３５ａの方へわずかにシフトすることにより達成される。このずれは、例えば、波長の５％（すなわち、３０オームの特性インピーダンスに対して、１６２ＭＨｚにおいて約７．５インチ）とすることができる。図３及び図４を参照して、以下に説明するように、このわずかにシフトしたタップ位置において、タップ１６０における高周波電流の貢献が、上記突出部における電流に対して減じられ又は加算され、そのことがプラズマ負荷インピーダンスの変動を補正するのに更に適切になることが、発明者等の発見である。この補正は、負荷インピーダンスの実数部における９：１のスイングに適応するものから６０：１のスイングへマッチングスペースを増加させるのに十分である。
【００３４】
[72]この作用は、上記タップの箇所が位置Ａから離れた場合、電極・プラズマ負荷インピーダンスとのインピーダンスのミスマッチにより敏感になるという、突出部１３５における定常波電流の位相の傾向によるものであると思われる。上述したように、電極アセンブリ１２６は、公称作動条件の下で、プラズマの負のキャパシタンスにマッチングされている。このキャパシタンスは、ＶＨＦソースパワー周波数において、Ｂ５０〜Ｂ４００ピコファラッドである。このキャパシタンスにおいて、該プラズマは、（．３  ＋ｉ７）オームのプラズマインピーダンスを示す。したがって、．３オームは、該システムが、それに対して調整されているプラズマインピーダンスの実数部である。プラズマの状態が変動すると、該プラズマキャパシタンス及びインピーダンスは、それらの公称値から離れて変動する。該プラズマキャパシタンスが、電極１２５がマッチングされている値から変動すると、該電極・プラズマ間の共振の位相が変化し、突出部１３５における電流の位相に影響を及ぼす。該突出部の定常波電流の位相がこのようにシフトした場合、タップ１６０に供給される高周波電源電流は、該位相シフトの方向により、該突出部の定常波電流に加えられるか、又は、該定常波電流から減じられることになる。タップ１６０の、５０オームの位置Ａからのずれは、波長の何十分の一（例えば、５％）に限定される。
【００３５】
[73]図３は、プラズマインピーダンスの実数部が、プラズマの変動により増加した場合の、突出部１３５における定常波電流を図示する。図３において、該電流定常波の振幅は、突出部１３５に沿った軸方向位置の関数としてプロットされている。水平軸上の位置０．１における定常波電流の不連続性は、タップ１６０の位置に対応する。図３のグラフにおいては、プラズマインピーダンスの実数部が高く、すなわち、該システムがそれに対して調整されている公称プラズマインピーダンス（すなわち、該電極キャパシタンスは、その値で、負のプラズマキャパシタンスにマッチングする）より高いため、インピーダンスのミスマッチが生じる。この場合、タップ１６０における電流は、突出部１３５における定常波電流から減じられる。この減算は、図３のグラフにおいて、不連続性又はゼロを引き起こし、供給された電力を低減して、増加した負荷をオフセットする。これは、高い負荷（Ｒ）により、供給された電力（Ｉ２Ｒ）の対応する増加を回避する。
【００３６】
[74]図４は、プラズマインピーダンスの実数部が減少した場合の突出部１３５における定常波電流を図示する。図４において、該電流定常波の振幅は、突出部１３５に沿った軸方向位置の関数としてプロットされている。位置０．１における該定常波電流の振幅における不連続性は、タップ１６０の位置をマークする。図４のグラフにおいて、プラズマインピーダンスの実数部は低く、すなわち、該システムがそれに対して調整されている公称プラズマインピーダンスより低い。この場合、タップ１６０における電流は、突出部１３５における定常波電流に加えられる。この加算は、該減少した負荷Ｒにより、供給される電力Ｉ２Ｒの同時に生ずる減少を避けるために、供給される電力を増加させて、該減少した負荷をオフセットする。このような補正の場合、マッチングスペースを著しく増加させるように、負荷インピーダンスの大幅な変化に適応することができる。
【００３７】
[75]該負荷インピーダンスの実数部における６０：１のスイングに適応する該マッチングスペースのこの拡大は、上記リアクタのプロセスウィンドウ及び信頼性を高める。これは、作動条件が、特定のプロセス又はアプリケーションの間にシフトした場合、あるいは、該リアクタが、異なるアプリケーションのための異なる作動レシピによって作動される場合、該プラズマインピーダンスが変化するため、特に、該インピーダンスの実数部が変化するためである。従来技術においては、そのような変化は、該システムに用いられる従来のマッチング回路の範囲を容易に超える可能性があったため、実用性のあるプロセスをサポートするために、もはや供給される電力を十分に制御することができず、該プロセスが失敗する可能性があった。本リアクタにおいては、供給される電力が、それを超えて所望のレベルで維持することができる負荷インピーダンスの実数部の範囲は、以前はプロセスの失敗につながっているであろうプラズマインピーダンスの変化が、該リアクタのこの態様を用いるリアクタに対して、ほとんど影響がなく、又は、影響が全くないように、増加している。したがって、該リアクタは、特定のプロセス又はアプリケーションの間の作動条件の変化に強く抵抗することができる。別法として、該リアクタを、幅広いプロセス条件、著しい利点を含む、異なる多くのアプリケーションで使用することが可能である。
【００３８】
[76]更なる利点として、この広がったインピーダンスマッチングを提供できる同軸突出部１３５は、従来のインピーダンスマッチング装置には特有のものであった、可変キャパシタ／サーボ又は可変周波数／サーボ等の「可動部」を伴わない単純な受動デバイスである。したがって、該突出部は、差し替えるインピーダンスマッチング装置よりも安価で、はるかに信頼性がある。
【００３９】
動作のデチューニング及びプロセスウィンドウを広げるための共振周波数
[77]別の態様によれば、該システムのＱは、上記突出部の共振周波数、上記電極プラズマ共振周波数及びプラズマソースパワー周波数を互いにわずかにオフセットすることにより、該プロセスウィンドウを広げるように低減される。上述したように、該突出部の共振周波数は、突出部１３５の軸方向長さが半波長である周波数であり、また、電極・プラズマ共振周波数は、電極アセンブリ１２６及びプラズマが共に共振する周波数である。一実施形態において、突出部１３５は、３００ｍｍウェハの場合、その共振周波数が、１６２ＭＨｚよりもわずかに上となる長さにカットされ、ソースパワー高周波電源１５０は、１６２ＭＨｚで作動するように選択され、結果として生じる電極プラズマ共振周波数は、約１６２ＭＨｚよりもわずかに低かった。
【００４０】
[78]プラズマの共振、突出部の共振及びソースパワー周波数に対して、３つ全てに同じ周波数ではなく、３つのこのような異なる周波数を選択することにより、上記システムは、多少「デチューニング」されている。そのため、該システムは、より低い「Ｑ」を有する。より高いＶＨＦソースパワー周波数を用いると、（エッチングに都合のよい作動条件の下で、上記電極及びプラズマキャパシタンスとのマッチングを容易にするのに加えて）Ｑも比例して減少させる。
【００４１】
[79]システムのＱを減少させると、上記システムのインピーダンスマッチングスペースが広がり、そのため、そのパフォーマンスは、プラズマの状態の変化又は製作公差からの逸脱に対してさほど影響を受けない。例えば、該電極・プラズマ間の共振は、プラズマの状態の変動により変動する可能性がある。より小さなＱの場合、（この明細書において既に説明したように）インピーダンスマッチングに必要な突出部１３５と該電極・プラズマの組合せとの間の共振の変化は、該プラズマ電極間の共振の所定の変化に対して、より少ない。その結果として、プラズマ状態の変動は、該インピーダンスマッチングにあまり影響されない。具体的には、プラズマ作用条件の所定の逸脱は、高周波電源１５０の出力において、ＶＳＷＲのより小さな増加をもたらす。したがって、上記リアクタは、幅広い領域のプラズマプロセス条件（圧力、ソースパワーレベル、ソースパワー周波数、プラズマ密度等）で作動することができる。また、製作公差は、コストを節約するために緩和してもよく、また、著しい利点として、同じモデルデザインのリアクタ間で、より均一な性能が達成される。関連する利点は、同じリアクタは、金属エッチング、絶縁エッチング及び／又は化学気相堆積等の異なるプロセスレシピ及び異なるアプリケーションを実施するのに有用となる十分に広いプロセスウィンドウを有してもよいということである。
【００４２】
プロセスウィンドウを広げる為に突出部の特性インピーダンスを最小化すること
[80]調整スペースを広げる、あるいは、該システムのＱを減少させる別の選択は、突出部１３５の特性インピーダンスを減少させることである。しかしながら、該突出部の特性インピーダンスは、適当なマッチングスペースを在続させるために、上記高周波電源の出力インピーダンスを超えることができる。そのため、該システムのＱは、突出部１３５の特性インピーダンスが、その量だけ信号発生器１５０の出力インピーダンスを超える量を低減する限度まで低減することができる。
【００４３】
[81]同軸突出部１３５の特性インピーダンスは、内側及び外側コンダクタ１４０、１４５の半径、及び、該コンダクタ間の絶縁体１４７の誘電率の関数である。該突出部の特性インピーダンスは、プラズマ電源１５０の出力インピーダンスと、電極１３５における入力インピーダンスとの間で必要なインピーダンス変換を提供できるように選択される。この特性インピーダンスは、最小特性インピーダンスと最大特性インピーダンスとの間にある。突出部１３５の特性インピーダンスを変化させると、図２の波形が変化するため、タップ１６０の所望の位置（すなわち、突出部１３５の遠端部からのずれＡ）が変化する。突出部１３５の許容最小特性インピーダンスは、上記定常波電流と定常波電圧との間で５０オーム比を見るために、タップ１６０を、電極１２５の向かい側の、同軸突出部１３５の遠端部１３５ａに配置しなければならなくなるように、図２の距離Ａがゼロになる値である。突出部１３５の許容最小特性インピーダンスは、上記定常波電流と定常波電圧との間で５０オーム比を見るために、タップ１６０を、電極１２５に近接して、同軸突出部１３５の近端部１３５ｂに近づくことになるように、図２の距離Ａが、突出部１３５の長さに等しくなる値である。
【００４４】
[82]最初の実施形態において、上記同軸突出部の特性インピーダンスは、適切なマッチングスペースを提供できるように、高周波電源１５０の出力インピーダンスよりも(約３０％)大きくなるように選択されていた。該突出部のインピーダンスは、インピーダンスマッチング条件が、
Ｚｇｅｎ＝ａ２［Ｚｓｔｕｂ２／ｒｐｌａｓｍａ］
を満たすように、タップ箇所１６０の位置を選択することにより達成されるため、該高周波電源の出力インピーダンスを超えなければならない。
ただし、ａは、該タップ箇所の位置によって決まり、０と１の間で変化する。（数ａは、遠端部１３５ｂとタップ１６０との間の、突出部１３５の何十分の一のインダクタンスと、突出部１３５全体のインダクタンスとの比に対応する。）ａは、１を超えることができないので、該突出部の特性インピーダンスは、上記の等式の解を見出すために、上記高周波電源の出力インピーダンスを超えなければならない。しかしながら、上記システムのＱは、該突出部の特性インピーダンスに直接的に比例するので、該突出部の特性インピーダンスが、該高周波電源の出力インピーダンスを超える量は、該Ｑをできる限り低く保つように、いくらか最小化することができる。例示的な実施形態において、該突出部の特性インピーダンスは、約１５オームだけ該高周波電源の出力インピーダンスを超える。
【００４５】
[83]しかしながら、他の実施形態においては、上記同軸突出部の特性インピーダンスは、インピーダンスマッチングのある程度の低減を伴って、より大きな電力効率を達成するために、上記プラズマ電源（高周波電源）の出力インピーダンスよりも小さくなるように選択してもよい。
【００４６】
突出部のインピーダンス変換によって提供できる増加した電力効率
[84]先に論じたように、この明細書において、プラズマエッチングプロセスに好都合なプラズマ作用条件（例えば、プラズマ密度）は、非常に小さな実数（抵抗性）部（例えば、．３オームより小さい）と、小さい虚数（無効）部（例えば、７オーム）とを有するプラズマインピーダンスをもたらす。容量性損失は、上記電極のキャパシタンスが、上記リアクタの該部分における電力潮流に対して支配的なインピーダンスであるため、該システムの電極・プラズマ領域の組合せにおいて、支配的である。そのため、該電極・プラズマの組合せにおける電力損失は、該電極・プラズマの組合せに対する電圧に比例する。対照的に、誘導損失及び抵抗性損失は、突出部１３５のインダクタンス及びレジスタンスが、突出部１３５における電力潮流に対するインピーダンスの支配的な要素であるため、突出部１３５において支配的である。そのため、突出部１３５における電力損失は、該突出部の電流に比例する。該突出部の特性インピーダンスは、該電極・プラズマの組合せによって呈せられるインピーダンスの実数部よりもかなり大きい。そのため、高いインピーダンスの突出部１３５においては、電圧は、電流がより高く、かつ電圧がより低い、より低いインピーダンスのプラズマの場合よりも、高くなり、また、電流はより低くなる。したがって、突出部１３５と該プラズマ・電極の組合せとの間のインピーダンス変換は、突出部１３５において、より高い電圧及びより低い電流（この場合、抵抗性損失及び誘導損失が支配的であり、また、それらの損失は、ここでは最小化される）と、該プラズマ／電極における相応して低い電圧及び高い電流（この場合、容量性損失が支配的であり、また、該損失は、ここでは最小化される）とをもたらす。このようにして、上記システムにおける全体の電力損失は、電力効率が大幅に改善され、著しい利点となるように最小化される。上記の実施形態において、電力効率は、約９５％以上である。
【００４７】
[85]したがって、上述したように構成された突出部１３５は、上記高周波電源及び上記電極・プラズマ間のインピーダンスマッチング又はインピーダンス変換を、非常に幅広い範囲又は作用条件のウィンドウにわたって提供できるように機能するだけでなく、更に、電力効率の著しい改善を提供できる。
【００４８】
クロス接地
[86]上記ウェハ表面におけるイオンエネルギは、プラズマ密度／オーバーヘッド電極の出力に関係なく制御することができる。イオンエネルギのこのような独立した制御は、高周波バイアス電源を該ウェハに印加することにより提供される。この周波数（典型的には、１３．５６ＭＨｚ）は、プラズマ密度を管理する該オーバーヘッド電極に印加されるＶＨＦ電力よりも著しく低い。バイアス電力は、従来のインピーダンスマッチング回路２１０を介してウェハ支持体１０５に結合されたバイアス電力高周波信号発生器２００によって、該ウェハに印加される。該バイアス発生器２００の電力レベルは、該ウェハ表面近傍のイオンエネルギを制御し、また、一般に、プラズマソースパワージェネレータ１５０の電力レベルの関数である。
【００４９】
[87]既に言及したように、同軸突出部１３５は、内側同軸突出部コンダクタ１４０と、外側同軸突出部コンダクタ１４５との間に短絡回路を設ける、該外側突出部における短絡コンダクタ１６５を含む。短絡コンダクタ１６５は、図２に示すように、ＶＨＦ定常波電流のピークと、ＶＨＦ定常波電圧のゼロの位置を確定する。しかしながら、短絡コンダクタ１６５は、ＶＨＦソースパワー周波数に、またはＶＨＦソースパワー周波近傍にある該突出部の共振と該プラズマ／電極の共振との結合のため、該ＶＨＦ印加電力を短絡させない。しかしながら、コンダクタ１６５は、上記ウェハに印加される（高周波バイアス発生器２００からの）高周波バイアス電源のような他の周波数に対する直接的なアースへの短絡のように見える。また、該コンダクタは、プラズマシース内で発生したＶＨＦ電源周波数の高調波等のより高い周波数も短絡させる。
【００５０】
[88]ウェハ１１０及びウェハ支持体１０５、高周波インピーダンスマッチング回路２１０及び該回路に接続された高周波バイアス電源２００の組合せは、非常に低いインピーダンス、又は、オーバーヘッド電極１２５に印加されたＶＨＦ電力に対するアースへのほぼ短絡を提供できる。その結果として、上記システムは、クロス接地であり、該高周波バイアス信号は、オーバーヘッド電極１２５及び短絡した同軸突出部１３５を介してアースへ戻され、また、オーバーヘッド電極１３５上のＶＨＦ電力信号は、（ＶＨＦに対する）非常に低いインピーダンス経路を介して、上記ウェハ、高周波バイアスインピーダンスマッチング２１０及び高周波バイアス電力発生器２００を通ってアースへ戻される。
【００５１】
[89]上記ウェハの面とオーバーヘッド電極１２５の面との間の上記チャンバの側壁の露出部分は、電極１２５の大面積及び比較的短い電極・ウェハ間のギャップのため、オーバーヘッド電極１２５に印加されるＶＨＦ電力のための直接戻り経路としての役割をほとんど果たさず、又は、全く果たさない。実際には、該チャンバの側壁は、磁気絶縁、又は、絶縁被覆、又は、環状絶縁挿入体、又は、可動ライナーを用いて、プラズマから絶縁してもよい。
【００５２】
[90]上記電極・ペデスタル間の垂直経路内で、オーバーヘッド電極１２５から発せられ、かつ上記側壁等の、チャンバ１００の他の部分から出るＶＨＦプラズマソースパワーの電流の流れを制限するために、ウェハ１１０の面内の有効な接地又はリターン電極領域は、該ウェハ又はウェハ支持体１０５の物理的領域を超えて拡大され、そのため、該領域は、オーバーヘッド電極１２５の領域を超える。このことは、一般的にウェハ１１０と同一平面であり、かつ該ウェハを囲んでいる環状半導体リング１１５を設けることにより、達成される、半導体リング１１５は、接地されたチャンバボディに対する漂遊キャパシタンスを提供し、それにより、該オーバーヘッド電極からのＶＨＦ電力信号のために、ウェハ１１０の面内における「リターン」電極の有効半径を拡大する。半導体リング１１５は、絶縁リング１２０によって、該接地されたチャンバボディと絶縁されている。リング１２０の厚さ及び誘電率は、ウェハ１１０を流れるＶＨＦアース電流と、半導体リング１１５を流れるＶＨＦアース電流との所望の比を実現するように選択される。一実施形態において、絶縁リング１２０は、誘電率４及び１０ｍｍの厚さを有する石英であった。
【００５３】
[91]上記ウェハの表面と電極１２５との間の垂直経路内でのバイアス発生器２００からの高周波プラズマバイアス電力からの電流の流れを制限するため、及び、上記チャンバの他の部分（例えば側壁）への電流の流れを回避するため、オーバーヘッド電極１３５は、該ウェハ又はウェハ支持体１０５の領域よりも著しく大きい有効高周波リターン電極領域を設ける。ウェハ支持体１０５の平面内の半導体リング１１５は、該高周波バイアス電力を該チャンバ内に結合する際に、重要な役割を果たさないため、該高周波バイアス電力を結合する該有効電極領域は、該ウェハ及びウェハ支持体１０５の領域に本質的に制限される。
【００５４】
プラズマ安定性の向上
[92]プラズマ安定性は、突出部１３５の後部において、内側コンダクタ１４０と外側コンダクタ１４５とにわたって接続された短絡コンダクタ１６５へのプラズマのＤＣ結合をなくすことによって向上した。このことは、同軸突出部内側コンダクタ１４０と電極１２５との間に、薄い容量性リング１８０を設けることにより成し遂げられる。図１の実施形態において、リング１８０は、底部の電極１２５と、導電性環状内側ハウジング支持体１７６との間に挟まれている。本願明細書において説明した例示的な実施形態において、容量性リング１８０は、選択されたバイアスの周波数、約１３ＭＨｚにより、約１８０ピコファラッドのキャパシタンスを有していた。このようなキャパシタンスの値の場合、容量性リング１８０は、上述したクロス接地という特徴を妨げない。クロス接地という特徴においては、上記ウェハ・ペデスタル上の高周波バイアス信号は、突出部１３５を介して、高周波バイアス発生器１５０の高周波リターン端子へ戻り、一方、電極１２５からのＶＨＦソースパワー信号は、該ウェハ・ペデスタルを介して、ＶＨＦソースパワー発生器１５０の高周波リターン端子へ戻る。
【００５５】
[93]図５は、周波数の関数としての、ＶＨＦ電源とオーバーヘッド電極１２５との間の反射係数を図示するグラフである。このグラフは、該反射係数が、その範囲内で６ｄＢ以下である非常に広帯域の周波数の存在を図示し、これは、上述した極めて有利な低システムＱを指し示す。
【００５６】
[94]図６は、タップ１６０が、上記突出部の短絡された端部から、図２Ｂの距離Ａに置かれている場合の同軸突出部１３５に沿った位置の関数としての定常波電流（実線）を図示する。
【００５７】
[95]図７は、上記リアクタの代替の実施形態を図示し、同軸突出部１３５の内側コンダクタ１４０が先細りになっており、オーバーヘッド電極１２５の近傍で、突出部端部１３５ｂ近傍で大きな半径を有し、該突出部の遠端部１３５ａにおいて、小さな半径を有している。この特徴は、タップ１６０において、同軸突出部１３５によって呈せられる低インピーダンス（例えば、５０オーム）と、オーバーヘッド電極１２５において、同軸突出部１３５によって呈せられるより高いインピーダンス（例えば、６４オーム）との間の遷移を提供する。また、図７に示すように、突出部１３５は、湾曲させる必要はなく、代わりに、直線状にすることができる。
【００５８】
[96]プロセスガスは、望ましくは、オーバーヘッドＶＨＦソースパワー電極を介して導入される。このために、該オーバーヘッド電極には、該オーバーヘッド電極を通る小さなガス注入ノズル又はポートからなるアレイを設けることにより、ガス分布シャワーヘッドの機能が与えられる。該プロセスガスは、同軸チューニング突出部の中心コンダクタを介して、それらの注入ポートに供給される。該中心コンダクタは、該オーバーヘッド電極に結合されているため、該プロセスガス供給は、プラズマから、及び、電界から完全に保護される。
【００５９】
[97]アーク放電及び他の起り得る結果が回避されると共に、特徴の組合せによって、上述した利点の全てが維持され、該特徴のうちの１つは、該オーバーヘッド電極を該ＶＨＦチューニング突出部と容量絶縁することにより、該オーバーヘッド電極を浮遊ＤＣ電位にすることである。このことは、該同軸チューニング突出部と該オーバーヘッド電極との間に、絶縁膜を配置することにより成し遂げられる。この特徴は、ＤＣプラズマ電流が該チューニング突出部を通って該オーバーヘッド電極を介して戻ってくることを防ぎ、それにより、該オーバーヘッド電極内のガス注入穴内でのアーク放電を低減する。
【００６０】
[98]アーク放電を低減する別の特徴は、プラズマと該オーバーヘッド電極との間にキャパシタンスを設けることである。このために、絶縁層が、該プラズマに面する該オーバーヘッド電極の電極面に形成される。このことは、そのような電極面、特に、該電極の上記ガス注入ポートの内部面を陽極酸化することによって行うことができる。この特徴は、該オーバーヘッド電極の該ガス注入ポート内でのプラズマアーク放電を未然に防ぐのに役に立つ。このことの１つの理由は、該陽極酸化した電極面のキャパシタンスが、該プラズマからのＲＦ電流のある程度の電荷が、該電極面に流れるのではなく蓄積されることを可能にする電荷蓄積能力を提供することである。したがって、電荷が、該オーバーヘッド電極の該ガス注入ポートの表面からそれる限り、該ポート内でのプラズマ点火は回避される。
【００６１】
[99]該オーバーヘッド電極の該ガス注入ポート内でのプラズマアーク放電を回避することに加えて、該オーバーヘッド電極を容量絶縁するという特徴は、著しい利点として、該プラズマと該電極との間に、最終的にＤＣ電流を生じさせないため、該電極の耐用期間を延ばす。
【００６２】
[100]上記ガス注入ポート内でのプラズマアーク放電のリスクを更に低減するために、別の特徴、すなわち、上記同軸突出部と、該電極と上記同軸チューニング突出部との間に存在する容量性層との間の金属「フォーム」層が導入される。一実施形態において、該金属フォーム層は、上記オーバーヘッド電極と一般的に同一の広がりをもつ径からなる。該金属フォーム層は、当分野において周知の市販のタイプであり、かつ典型的に、乱雑なセル構造を有するアルミニウムマトリクスからなる。該金属フォーム層の利点は、該層が、該電極の近傍（すなわち、該オーバーヘッド電極の上のプレナム内）の電界を抑制し、それにより、プラズマが、該オーバーヘッド電極の上記ガス注入ポート内でのアーク放電する傾向を低減することである。
【００６３】
[101]また、金属フォーム層は、上記オーバーヘッド電極の上記ガス注入ポートからなるアレイ全域での一様なガス分布を達成するために、入ってくるプロセスガスを調節するのにも用いられる。該オーバーヘッド・シーリングの該ガス注入穴又はポートは、半径方向内側の群と、半径方向外側の群とに分けることができる。一方の金属フォーム層は、第１のガス供給と、該ポートの外側の群との間のガスを調節し、他方の金属フォーム層は、第２のガス供給と、該ポートの内側の群との間のガスを調節する。プロセスガスフローの径方向の分布は、該２つのガス供給のガス流量を独立して調整することにより、調整することができる。
【００６４】
[102]上記同軸チューニング突出部及びオーバーヘッド電極は、ウェハ支持体ペデスタルに印加される高周波バイアス電力のためのアースへの低インピーダンスＲＦリターン経路を与える。しかしながら、ここで、該同軸チューニング突出部と該オーバーヘッド電極との間に挿入された新たな容量性絶縁層を、該オーバーヘッド電極を通る該リターンＨＦ経路を特定の高周波に対してチューニングするのに用いることができることが発見されている。（該オーバーヘッド電極に関する）ＶＨＦソースパワー周波数の選択の１つの利点は、（該オーバーヘッド電極と該チューニング突出部との間の）該容量性層は、広帯域のＶＨＦ周波数にとっては電気的短絡であるため、高周波に対してチューニングした場合、該オーバーヘッド電極に印加されたＶＨＦ信号に影響を及ぼさない。
【００６５】
[103]最初に、上記ＲＦリターン経路が、付加された容量性層によりチューニングされる狭い高周波通過帯域は、上記ウェハ支持体ペデスタルに印加される高周波バイアスソースパワーの周波数の中心にあった。しかしながら、シースが発生させる高調波の問題は、代わりにこのキャパシタンスを選択して、該オーバーヘッド電極を通る該高周波リターン経路を該高周波バイアス電力信号の第二調波に対してチューニングすることにより、解決することができる。この選択の結果は、該オーバーヘッド電極近傍のプラズマシース内で発生した高周波第二調波は、大量のプラズマに著しい影響を及ぼすことができる前に、該オーバーヘッド電極を介してアースへ分流されるということである。エッチングレートは、この特長により、一実施形態において、１０％〜１５％だけ改善されることが見出された。この場合、該高周波バイアス信号の基本波は、上記チャンバ側壁等の他の利用可能なＲＦ経路を通ってアースへ戻ると思われる。
【００６６】
[104]以下に、詳細に説明するように、選択された高周波での共振のための（上記オーバーヘッドと上記チューニング突出部との間の）この付加された容量性層のキャパシタンスの選択は、該オーバーヘッド電極における薄いプラズマシースのキャパシタンスだけではなく、上記ウェハ支持体ペデスタルにおける厚いプラズマシースのキャパシタンスも考慮しなければならない。
【００６７】
[105]本リアクタの高効率のＶＨＦプラズマソースは、定期的に上記チャンバ内部を入念にドライ洗浄するのに用いることができるため、十分高い密度のプラズマを維持することが可能である。「ドライ洗浄」という用語は、この明細書において用いる場合、液状化学物質の塗布は要せず、プラズマの印加のみを要するため、真空エンクロージャを開く必要がない洗浄処置を指す。このようにして、該チャンバをポリマー残留物によって入念に洗浄することができるので、ウェハ処理中のこの表面を、十分高い温度に保って、該チャンバ上のどのようなポリマー堆積物も継続的に蒸発させることができ、その結果、該チャンバは、処理の全体を通して、ポリマー堆積物が少なくともほぼない状態に保たれる。（対照的に、入念に洗浄することができないリアクタの場合、該プロセスの汚染を回避するために、プラズマ状態は、チャンバ壁面上のポリマー堆積物が、除去されるのではなく、堆積し続けるように制御されなければならない。）このために、上記オーバーヘッド電極アセンブリは、該オーバーヘッド電極を加熱又は冷却する流体を導入するための液体流路を含み、該電極の外面の温度制御を可能にしている。一般に、プラズマ状態（イオンエネルギ、壁の温度等）は、処理中に、ポリマーが該チャンバ面に堆積しないようになっている。どのような小さな蓄積物も、洗浄中に、入念に除去される。
【００６８】
[106]このような特徴の１つの利点は、視覚ウィンドウを、該オーバーヘッド電極上、又は、該電極に隣接して設けることができるということであり、なぜなら、該ウィンドウは、処理中に、きれいなままであり、あるいは、ポリマー堆積物がつかないからである。したがって、上記リアクタのパフォーマンスを、視覚的に監視することができる。その結果、該オーバーヘッド電極は、上記チャンバの外部のセンサへの接続のために、光伝達光ファイバケーブルを上方へ伸ばした状態で、視覚ウィンドウを、その中心近傍に含むことができる。該プラズマプロセスの視覚的監視は、終点検知を実行するのに用いることができる。例えば、該視覚的監視は、従来の光学測定技術を用いて、プラズマエッチングプロセスにおける層の厚さの減少、あるいは、プラズマＣＶＤにおける層の厚さの増加を測定してもよい。
【００６９】
[107]プラズマに入り、かつ最終的に該ウェハ又は被加工物に到達する、上記オーバーヘッド電極の露出面の材料物質からの汚染の問題を解決するために、追加的な外側層が、該オーバーヘッド電極の（プラズマに面する）底面に導入される。この追加的な外側層は、実行される特定のプロセスに影響を及ぼさない材料物質で形成される。例えば、二酸化シリコンのエッチングプロセスにおいて、該オーバーヘッド電極上の該外側層は、シリコン又は炭化ケイ素となるであろう。一般に、この外側層の配置の前に、該オーバーヘッド電極のプラズマに面する面は、本願明細書において既に述べたように、陽極酸化される。
【００７０】
[108]本リアクタの別の発見は、プラズマが、当初の予想よりも、より大きな抵抗負荷インピーダンス変動及びより小さな無効負荷インピーダンス変動を呈することができるということである。具体的には、抵抗負荷インピーダンスは、（６０：１どころではなく）１００：１程度も変動する可能性があり、一方、無効負荷インピーダンスは、（３５％どころではなく）２０％しか変化しない可能性がある。この差が、上記同軸チューニング突出部の特性インピーダンスを（上記高周波電源の５０オームの出力インピーダンスよりも高い）６５オームから（該高周波電源の出力インピーダンスよりも低い）３０オームまで低下させる。この低下は、効率のわずかな妥協を伴って、チューニングスペースの比例的増加を達成する。具体的には、上記チューニング突出部によってマッチングすることができるプラズマ抵抗負荷インピーダンスの変動の範囲は、上記同軸突出部の特性インピーダンスの低下により、６０：１から１００：１まで増加する。該同軸突出部の特性インピーダンスは、該突出部の内側コンダクタ及び外側コンダクタの半径によって決まる。
【００７１】
[109]該同軸チューニング突出部の設置面積を低減するために、等価なストリップライン回路が代わりに置き換えられる。該同軸チューニング突出部の該外側コンダクタは、上記リアクタにふたをする金属蓋としての接地平面になり、一方、該同軸チューニング突出部の中心コンダクタは、ストリップラインコンダクタになる。該ストリップラインコンダクタの特性インピーダンスは、該ストリップラインコンダクタと該接地平面（該蓋）との間の間隔を調整することによって調整される。該チューニングデバイスの設置面積は、該同軸チューニング突出部が直線に沿って伸びていると共に、該ストリップラインコンダクタが該蓋の内側に環状にからみつくことができ、それにより、該領域又は設置面積が低減されるため、低減される。該同軸チューニング突出部の全ての特徴は、該ストリップライン回路において維持される。したがって、該ストリップラインコンダクタの長さは、上述したような該同軸チューニング突出部の長さと同じ方法で決められる。また、上記ＶＨＦ発生器に接続された供給ポイント又はタップに対する該ストリップラインコンダクタの長さに沿った配置は、該同軸チューニング突出部に対する該タップの位置と同じである。また、該ストリップラインコンダクタは中空であり、有用物は、有用物が、該同軸チューニング突出部の中心コンダクタを通って供給されるのと同じように、該ストリップラインコンダクタを通って供給される。
【００７２】
オーバーヘッド電極を介したプロセスガスの導入
[110]ここで、図８及び図９を参照すると、オーバーヘッド電極１２５は、ガス分布シャワーヘッドであり、そのため、被加工物支持体１０５に面するその底部面１２５ａに、多数のガス注入ポート又は小穴３００を有する。例示的な実施形態において、ポート３００は、０．０１〜０．０３インチ径であり、それらの中心は、約３／８インチだけ均一に離間している。図８に図示する実施形態において、円錐形金属ハウジング２９０の環状頂部２９０ａは、同軸突出部の内側コンダクタ１４０の近端部１４０ａを支持し、また、その環状ベース２９０ｂは、アルミニウムオーバーヘッド電極１２５上に載っている。ハウジング２９０の円錐形の形状は、その内部で、様々な有用物を中空同軸内側コンダクタ１４０からオーバーヘッド電極１２５へ供給することができる、オーバーヘッド電極１２５を被覆する大きな開プレナムを画成する。以下に、更に詳細に説明するように、円錐形ハウジングベース２９０ｂは、オーバーヘッド電極１２５の外周部の近傍にあり、オーバーヘッド電極１２５の上面のほぼ全てにアクセス可能にする。
【００７３】
[111]一般に、ポート３００は、０．０２０インチ径のポートからなる半径方向外側の群３０２と、０．０１０インチ径のポートからなる半径方向内側の群３０４とからなる。一般に、ポートからなる半径方向外側の群３０２は、ウェハ周辺における均一なガスフローを保障するために、該ウェハの半径の約半分だけ該ウェハの周辺部を越えて伸びている。この特徴の１つの利点は、プロセスガスフローの半径方向の分布を、図１〜図７のＶＨＦ容量結合リアクタの傾向を補正して、該ウェハの中心上でより大きく、かつ、ウェハ周辺上でより小さいプラズマ密度をもたらすように調整することができるということである。オーバーヘッド電極１２５内の半径方向外側の金属フォーム層３１０は、ポート３０２の上に重なっている。外側フォーム層３１０の上に重なっている半径方向外側のガス分布マニホールド又はプレナム３１５は、軸方向ガス流路３２０を介して、同軸チューニング突出部１３５の内部コンダクタ１４０を通過するガス供給ライン３２５に結合されている。オーバーヘッド電極１２５内の半径方向内側のアルミニウムフォーム層３３０は、ポート３０４の上に重なっている。内側のフォーム層３３０に重なっている半径方向内側のガス分布マニホールド又はプレナム３３５は、軸方向ガス流路３４０を介して、同軸チューニング突出部１３５の内部コンダクタ１４０を通過するガス供給ライン３４５に結合されている。アルミニウムフォーム層３１０及び３３０は、入ってくるプロセスガスを調節する。プロセスガス流量の半径方向分布は、ガス供給ライン３２５及び３４５の各々の内部のプロセスガス流量の独立した選択によって調整される。
【００７４】
ガス注入ポート内でのアーク放電の抑制
[112]アーク放電を低減する手段として、プラズマと上記オーバーヘッド電極との間にある程度のキャパシタンスを設けるために、オーバーヘッド電極の底部面１２５ａは、絶縁層で被覆されている。一実施形態において、オーバーヘッド電極１２５はアルミニウムであり、該絶縁被膜は、電極底部面１２５ａを陽極酸化することにより形成される。このような陽極酸化は、平坦な底部面１２５ａにだけではなく、ガス注入ポート３００の内部面にも、非常に薄い絶縁被膜を形成する。この特徴は、オーバーヘッド電極１２５に流れるＲＦプラズマ電流を補正することができる電荷蓄積能力を提供することにより、該ガス注入ポート内でのアーク放電を抑制する傾向がある。図１０は、ガスインレットポート３００のうちの１つの近くの結果として生じる微細構造を図示する、図８に対応する拡大部分図である。特に、陽極酸化により形成された酸化アルミニウム層３５０が電極の底部面１２５ａを被覆しており、また、ガス注入ポート３００の内部面を被覆している。
【００７５】
[113]オーバーヘッド電極１２５近傍の電界を抑制するために、オーバーヘッド電極１２５の頂部面１２５ｂは、アルミニウムフォームからなる比較的厚い（０．２５インチ）層３５５で被覆されている。厚いアルミニウムフォーム３５５は、軸（垂直）方向において、該オーバーヘッド電極近傍の電位を一定に保つ傾向があり、それにより、該付近での電界を抑制し、これは、別の方法でガス注入ポート３００内でのプラズマアーク放電に貢献することになるであろう。
【００７６】
[114]上記オーバーヘッド電極を通って同軸突出部の中心コンダクタ１４０に流れるＤＣプラズマ電流を防ぐために、薄い絶縁層３６０が、オーバーヘッド電極１２５と、オーバーヘッド電極１２５を同軸中心コンダクタ１４０に接続する導電性ハウジング２９０のベース２９０ｂとの間に置かれている。この特徴は、該オーバーヘッド電極のＤＣ電位を浮かせることを可能にする。それにより、コンデンサが、オーバーヘッド電極１２５と導電性ハウジングベース２９０ｂとの間に形成される。このコンデンサのキャパシタンスは、ベース２９０ｂの面積により、及び、薄い絶縁層３６０の厚さ及び誘電率により決まる。このコンデンサのキャパシタンスは、特定の高周波数で、狭い共振又は低インピーダンス路を提供できるように、及び、ＶＨＦ帯域の全域でＲＦ短絡を提供できるように、選択することができる。このように、オーバーヘッド電極１２５は、ウェハ支持体ペデスタル１０５に印加される高周波バイアス電力のための戻り経路を設けるが、ＶＨＦソースパワー周波数におけるオーバーヘッド電極１２５の作用には影響を及ぼさない。このように、別の方法で該オーバーヘッド電極に流れるであろうＤＣプラズマ電流を防ぐことにより、ガス注入ポート３００内でのプラズマアーク放電は、そのようなＤＣ電流がアーク放電に貢献するため、抑制される。
【００７７】
[115]要約すると、ガス注入ポート３００内でのプラズマアーク放電は、絶縁層３５０を、オーバーヘッド電極１２５の底部及びガス注入ポート３００の内部面に形成することにより、アルミニウムフォーム層３５５をオーバーヘッド電極１２５の頂部に設けることにより、及び、薄い絶縁層３６０を、オーバーヘッド電極１２５と導電性ハウジング２９０との間に置くことにより抑制される。
【００７８】
プラズマシースが発生させる高調波の抑制
[116]薄い絶縁層３６０は、ウェハ支持体ペデスタル１０５に印加される高周波バイアス信号のプラズマシースが発生させる高調波を抑制する際に、重要な役割を果たすことができる。そのような高調波の存在は、プロセスパフォーマンスを減少させ、具体的には、エッチングレートを減少させる。絶縁層３６０のキャパシタンス決定特性（すなわち、誘電率及び厚さ）を選択することにより、プラズマからオーバーヘッド電極１２５及び同軸内側コンダクタ１４０を通る戻り経路は、特定の高周波で共振(及びそのため、非常に高いアドミタンスを有)するようにチューニングされる。この共振周波数のための１つの選択は、ウェハ支持体ペデスタル１０５に印加される高周波バイアス信号の基本波になり、それは、この共振が、該バイアス信号の第２調波になるように選択することにより、エッチングレートが１０％〜１５％改善されるという上記リアクタの発見である。このような好都合な結果は、該プラズマシースによって呈せられる非線形負荷により生成された高調波が、容量性層３６０によって、該オーバーヘッド電極及び同軸中心コンダクタ１４０により呈せられる低インピーダンス路を通ってアースへ速やかに戻るので、達成される。
【００７９】
[117]オーバーヘッド電極１２５を通る戻り経路を特定の高周波に対してチューニングするためのコンデンサ層３６０の厚さの選択は、オーバーヘッド電極１２５における薄いプラズマシースのキャパシタンス、ウェハ支持体ペデスタル１０５における厚いプラズマシースのキャパシタンス及びプラズマ自体のキャパシタンスを含む多くの要因に影響を受ける。当業者は、試行錯誤を含む、特定のプラズマ作動条件を考慮して、選択された高周波における共振を達成するためのコンデンサ層３６０の正しい厚さを見出すために、多くの従来の技法を容易に用いることができる。
【００８０】
電極表面温度の制御
[118]酸化エッチングリアクタにおいては、ポリマー堆積物は、プロセスガスが、シリコン酸化物質と、エッチングされない他の材料物質との間で適当なエッチング選択性を達成するために、被加工物上の非酸化物含有面を被覆してポリマー層を形成することができなければならないため、重大な問題である。フロン系ガスを使用するプラズマ処理の間、単純なフッ素イオン及びラジカルがエッチングを実行し、一方、カーボンリッチな活性種は、該被加工物上の全ての非酸素含有材料物質及び上記リアクタのチャンバの全ての内部面を被覆してポリマーを堆積させる。チャンバ内面からプラズマ中に落ちてくるポリマー粒子による該被加工物の汚染を回避するために、それらの面は、十分に低い温度に保たなければならず、また、該プラズマの電子エネルギは、該チャンバ内部面のそのような堆積物の引き剥がしを回避するために、十分に低く保たなければならない。別法として、該チャンバの真空、及びそのような堆積物を除去するために実行される化学的洗浄工程、すなわち、該リアクタの生産性を大幅に低減させる工程は、中断しなければならない。
【００８１】
[119]図１を参照して説明した容量結合ＶＨＦソースは高効率であり、またそのため、ウェハ処理中に堆積したいかなるポリマー残留物も該チャンバ内部面から入念に除去するのに十分高いプラズマ密度を、非化学的洗浄工程中にもたらすことが可能である。このような洗浄工程中に、通常のプラズマプロセスガスを、より揮発性のガス（例えば、非常に高い遊離型フッ素含有量を有するプラズマをもたらす傾向のガス）と置換してもよい。液状化学物質を上記チャンバ内に導入する必要がないので、該チャンバは、閉じたままであり、その結果、該洗浄工程を迅速かつ定期的に実行して、該チャンバを、ポリマー堆積物がない状態に保つことができる。そのため、図８のリアクタの１つの作動モードは、該チャンバの表面温度及びプラズマイオン密度は、該内部チャンバ面へのポリマーの蓄積を回避するのに十分大きい。
【００８２】
[120]このために、図８のリアクタは、（熱伝導流体のための）流路６７０をオーバーヘッド電極１２５上に含む。図８の実施においては、流体流路６７０は、上方アルミニウムフォーム層３５５と、オーバーヘッド電極１２５の上面との間に形成されている。別法として、このような流路は、完全にオーバーヘッド電極１２５内部に形成してもよい。温度制御流体又はガスは、中空内側同軸コンダクタ１４０を通過する流体供給ライン６７５から流体流路６７０に供給される。したがって、オーバーヘッド電極１２５の温度を正確に制御することができる。このように電極温度を制御することにより、及び、プラズマイオンエネルギ等の他のプラズマプロセスパラメータを制御することにより、上記リアクタは、（該表面が、ポリマーを蓄積させるのに十分冷たい）堆積モード、又は、（該表面が、プラズマイオンを該表面から引き剥がし、それによりポリマーの蓄積を回避することができるように十分熱い）消耗モードのいずれかで作動することができる。１つの好ましいモードは、このモードが粒子汚染を回避するため、該消耗モードである。
【００８３】
プラズマプロセスの視覚的監視
[121]図８のリアクタは、上記チャンバの内部面にポリマー堆積物がないように作動させることができるため、視覚ウィンドウ６８０は、オーバーヘッド電極１２５の底部面に設けることができる。光ファイバ又は光パイプ６８５等の光学的チャネルは、一端が視覚ウィンドウ６８０に接続されており、中空内側同軸コンダクタ１４０を通過する。光パイプ６８５は、その外側端が従来の光検出器６８７に接続されている。
【００８４】
[122]この特徴を用いて、終点検知及び他の測定を、そのような光検出器を用いて実行することができる。具体的には、検出器６８７は、周知の光技法を用いて、被加工物又は半導体ウェハ１１０上の選択した層の厚さを測定する。例えば、エッチングプロセスの間に、該プロセスは、検出器６８７によって測定した場合、エッチングされる材料物質の厚さが所定の厚さまで減った後に停止される。
【００８５】
汚染の防止
[123]上記チャンバの内部面は、ポリマー堆積物がない状態に保有することができるため、該内部面は、プラズマにさらされたままである。特に、アルミニウムオーバーヘッド電極１２５の底部面は、プラズマによる化学的作用を継続的に受け続け、また、そのため、プラズマ中へのアルミニウム活性種に貢献しやすく、該被加工物の汚染及びプロセスの失敗につながる。このような問題を防ぐために、陽極酸化してもよいオーバーヘッド電極１２５の底部面は、シリコン又は炭化ケイ素等のプロセスの作用に影響を及ぼさない材料物質で被覆される。したがって、図１０及び図１１に示すように、薄い炭化ケイ素膜６９０は、アルミニウムオーバーヘッド電極１２５の底部陽極酸化面を被覆する。薄いシリコン又は炭化ケイ素膜６９０は、プラズマが電極１２５のアルミニウム材料物質に化学的作用を及ぼすことを防止する。プラズマが、シリコン含有膜６９０から材料物質を除去するまで、該プラズマ中にそのように導入された活性種は、そのような活性種（シリコン及び炭素）が既に、該プラズマ及び／又は被加工物中に存在しており、そのため、該プロセスの作用に影響を及ぼさないため、該プロセスを汚染することができない。シリコンは、シリコン酸化物がエッチングされるプラズマ中に存在している。炭素は、フロン系ガスがプロセスエッチングガスとして用いられるプラズマ中にある。
【００８６】
[124]代替の実施形態においては、上記オーバーヘッド電極は陽極酸化されておらず、また、炭化ケイ素膜６９０は、電極１２５の純粋なアルミニウム面を被覆して形成されている。
【００８７】
同軸突出部のチューニングスペースを増加させること
[125]プラズマは、より大きな抵抗負荷インピーダンスの変動及びより小さな無効負荷インピーダンスの変動を呈することができる。具体的には、該プラズマの抵抗負荷インピーダンスは、（６０：１どころではなく）１００：１程度変化する可能性があり、一方、該無効負荷インピーダンスは、（３５％どころではなく）たった２０％しか変化しない可能性がある。この差は、上記同軸チューニング突出部の特性インピーダンスを、６５オーム（すなわち、上記高周波電源の５０オームの出力インピーダンスより高い）から３０オーム（すなわち、該高周波電源の出力インピーダンスより低い）へ低減させることを可能にする。この低減は、少しだけ効率に欠けるが、チューニングスペースの比例的増加を達成する。具体的には、該チューニング突出部によってマッチングすることができるプラズマ抵抗負荷インピーダンスの変動の範囲は、同軸突出部の特性インピーダンスの低減により、６０：１から１００：１まで増加する。該同軸突出部の特性インピーダンスは、その内側及び外側コンダクタの半径によって決まる。
【００８８】
結果
[126]したがって、上記リアクタは、作動条件の変化及び／又は製作公差の変動に対して、はるかに敏感ではない。作動条件に対する敏感性の欠乏、すなわち、インピーダンスマッチングに対する幅広いチューニングまたは周波数スペースを含むこれらの大きな利点は、たいていの所望の処理プラズマイオン密度において、プラズマの負のキャパシタンスの大きさにマッチングする、または、ほぼマッチングするキャパシタンスを有するオーバーヘッドリアクタ電極と、プラズマ・電極間の共振周波数にマッチングする、または、ほぼマッチングするＶＨＦソースパワー周波数の使用、すなわち、該ＶＨＦソースパワー周波数、該プラズマ・電極間の共振周波数及び該突出部共振周波数の密な関係と、該プラズマ・電極間の共振周波数、該突出部の共振周波数及び該ソースパワー周波数を互いにオフセットすることと、例えば、ソースパワー入力タップ１６０を理想のマッチング位置からわずかにオフセットした状態で、ソースパワーを該オーバーヘッド電極に結合する共振突出部マッチングの利用とを含む、協働して作用する多数のリアクタの特徴の貢献であると思われる。
【００８９】
[127]該プラズマ、突出部及びソースパワー周波数をオフセットすることは、上記システムを実質的にデチューニングすることにより、該システムのチューニングスペースを広げるものと思われる。突出部マッチングを用いることは、幅広い周波数範囲にわたってマッチングすることにより、該チューニングスペースを広げる。上記突出部のタップ箇所１６０を理想のマッチングポイントからオフセットすることは、この特徴が、供給される電力が別の方法で低下した場合に、電流を加算するという効果、及び、供給される電力が別の方法で増加した場合に、電流を減算するという効果を有するため、該チューニングスペースを広げるように、該システムを更に最適化する。より高い（ＶＨＦ）ソースパワー周波数を用いると、システムＱの減少、又は、ソースパワー周波数の増加に比例したチューニングスペースの増加を提供できる。更に重要なことには、この選択は、上記電極・プラズマ間の共振を、エッチングプロセスに有利なプラズマ密度で該ソースパワー周波数にマッチングさせることを可能にする。
【００９０】
[128]上記リアクタは、幅広いプロセスウィンドウに関して、プロセス条件の変化に対して実質的に反応を示さないため、該リアクタは、（ａ）広範囲のプロセス条件の偏差に関して有効であり、（ｂ）幅広い範囲の用途（異なるプロセスレシピ）に対して有用であり、及び、（ｃ）そのパフォーマンスは、広範囲の製作公差に関して、実質的に影響を及ぼされないため、リアクタ間の特性が均一であるという、リアクタの３部からなる利点を提供できる。
【００９１】
[129]その結果として、優れた結果が獲得された。具体的には、上記システムのＱは、同じモデルの異なるリアクタ間で、特性及びパフォーマンスに関して優れた一定の均一性を維持するように、及び、プロセスウィンドウを増大させるように、場合によっては、約５まで最小化されてきている。１０１２イオン／ｃｃ程度の高プラズマ密度は、たった２ｋＷのソースパワーで常に達成されてきた。該システムは、１０Ｗぐらいの低いソースパワーレベルの遷移を伴わずに、１０ｍＴ〜２００ｍＴの圧力範囲でプラズマを持続した。上記ＶＨＦプラズマ周波数及びソースパワー周波数近傍で共振する短絡したインピーダンスマッチング同軸突出部は、寄生ＶＨＦプラズマシース高調波を短絡させると共に、９５％を超える電力効率を実現した。該システムは、６０：１のプラズマ抵抗負荷の変動及び１．３〜．７５の無効負荷変動に適応すると共に、３：１以下でソースパワーＳＷＲを保有した。
【００９２】
[130]負荷変動に適応するこの増加した性能及び拡大したプロセスウィンドウは、大部分が、（ａ）上述したように、電極１２５とその導電性支持体との間の誘電率値の適切な選択、及び、ＶＨＦソースパワー周波数の適切な選択によりなされた、デザイン作動条件下での該電極キャパシタンスとプラズマキャパシタンスとのマッチングと、（ｂ）それにより上記タップ電流が、低負荷条件下で該突出部電流に加算され、高負荷条件下で該突出部電流から減算される、最適なタップ位置決めによって特別に構成された同軸突出部とによるものであると思われる。非常に高い電力効率は、大部分が、抵抗損失が支配的である、該同軸突出部における低電流及び高電圧を実現し、かつ容量性損失が支配的である、該電極／プラズマにおける高電流低電圧を実現する最適なタップ位置決めと共に、突出部共振周波数と電極・プラズマ間共振周波数とのマッチングを得ることにより、上記高周波電源接続部及び該電極接続部における反射損を最小化する、該同軸突出部により提供できるインピーダンス変換によるものであると思われる。更に、これら全ての恩恵が提供されると共に、従来のインピーダンスマッチング装置の必要性が回避され、又は最小化される。
【００９３】
[131]シリコン及び金属エッチングに適合された上記リアクタの実施形態を詳細に説明してきたが、該リアクタは、異なるイオン密度、異なるプラズマソースパワーレベル、異なるチャンバ圧力を含む、上述した条件以外のプラズマ作動条件の選択に対しても利点がある。これらのバリエーションは、異なるプラズマキャパシタンスを生じ、異なる電極キャパシタンス及び異なる電極・プラズマ間共振周波数を要し、そのため、上述したのとは異なるプラズマソースパワー周波数及び突出部共振周波数を要することになる。また、異なるウェハ径、及び、化学気相堆積等の異なるプラズマプロセスは、ソースパワー及びチャンバ圧力に対して、異なる作動領域を有する可能性がある。更に、これらの様々な用途において、上記リアクタは、一般に、上述した実施形態と同様に、該プロセスウィンドウ及び安定性を向上させることになると思われる。
【００９４】
コンパクトなＶＨＦ固定チューニング要素
[132]図１及び図８の同軸チューニング突出部は、図１〜図７を参照して説明したように、大きなチューニングスペースに関してインピーダンスマッチングを提供できる固定チューニング要素である。しかしながら、その細長い線形デザインのため、その設置面積は、実際には、該プラズマリアクタチャンバの設置面積よりも大きくなる。この態様が不利であると分かった状況においては、図１及び図８の該同軸チューニング突出部は、図１２、図１３及び図１４に図示したような等価なストリップライン回路と置換される。ＶＨＦ発生器の５０オームの同軸出力コネクタの中心コンダクタは、ストリップラインコンダクタ７００に接続されており、一方、ＶＨＦ発生器の５０オームの同軸出力コネクタの外側コンダクタは、該リアクタの頂部を被覆するハウジング７１５の金属シーリング７１０に接続されている。導電性シーリング７１０は、ストリップラインコンダクタ７００が面する接地面として機能する。ストリップラインコンダクタ７００は、一般に、その境界面が接地面シーリング７１０に面した状態で、断面が長円形である。該ストリップラインコンダクタの特性インピーダンスは、接地面シーリング７１０からの間隔によって決まる。ストリップラインコンダクタ７００は、その全長に沿って、接地面シーリング７１０から均一に離間させることができる。
【００９５】
[133]例示的な実施形態において、該ストリップラインコンダクタは、高さが０．１２５インチで、幅が２．５インチで、接地面シーリング７１０の下に０．５インチだけずれている。ストリップラインコンダクタ７００の幅広の方（２．５インチ）の面が接地面シーリング７１０に面することにより、電流が、ストリップラインコンダクタ７００の２．５インチ幅の全域でより多く分布され、それにより、ほとんどの電流が発生する外側面における抵抗損失が低減される。ストリップラインコンダクタ７００の長さは、図１を参照して詳細に説明したように、同軸チューニング突出部１３５の長さと同じように決められる。更に、ストリップラインコンダクタ７００の長さに沿ったＲＦタップの位置も、図１を参照して説明したように、同軸突出部１３５の長さに沿った該ＲＦタップの位置と同じように決められる。最終的に、オーバーヘッド電極１２５から最も遠くの図１２のストリップラインコンダクタ７００の端部は、図１の同軸突出部内側コンダクタ１４０の対応する端部と同様に、アースに短絡される。ストリップラインコンダクタ７００の場合、該アースへの短絡は、図１３に示すように、遠端部７００ａにおける接地面シーリング７１０への接続により達成される。
【００９６】
[134]図１〜図８の同軸チューニング突出部１３５と同様に、ストリップラインコンダクタ７００は、上記固定チューニング要素の共振周波数の４分の１波長に等しい長さを有し、この場合、該ストリップライン回路は、ストリップラインコンダクタ７００と上記接地面シーリングとを備える。そのため、ストリップラインコンダクタ７００の長さの選択は、図１〜図７を参照して説明されている同軸チューニング突出部１３５の長さの選択と同様に厳密である。一実施形態において、この長さは、約２９インチであった。図１２のＲＦタップ１６０は、図１のＲＦタップ１６０が、同軸チューニング突出部１３５の長さに沿った対応する接続部を形成するのと同様に、ストリップラインコンダクタ７００に沿った特定の箇所において、上記ＶＨＦ発生器を該ストリップライン回路に接続する。図１２の場合、該ＶＨＦ発生器の出力同軸コネクタの中心コンダクタは、タップ１６０において、該ストリップラインコンダクタに接続され、一方、該ＶＨＦ発生器の出力同軸コンダクタの外側コンダクタは、該ストリップラインコンダクタに対する該タップ接続部の上にある箇所において、上記接地面シーリングに接続されている。図１２のタップ箇所１６０のストリップラインコンダクタ７００の長さに沿った配置は、図１に関して詳細に上述したように、該同軸突出部の長さに沿った図１における該タップの配置と同じように決められる。インピーダンスマッチングスペースが、タップ箇所１６０を理論上最適な箇所からわずかにオフセットすることにより、負荷抵抗の１００：１程度の変動に適応することができる、図１に関して説明した特徴を含みながら、この特徴を用いて、ストリップラインコンダクタ７００及び該接地面シーリングを備える該ストリップライン回路は、図１の同軸チューニング突出部１３５と同じように機能する。図１を参照して上述したように、タップ１６０の理論上最適な位置は、定常波電圧と定常波電流との比が、そこで、上記ＶＨＦ発生器の出力インピーダンス又は該発生器と該タップとの間に接続された同軸ケーブルの特性インピーダンスに等しい、チューニング突出部１３５の長さに沿った（又は、同等に、図１２のストリップラインコンダクタ７００の長さに沿った）箇所である。図１を参照して説明したこの発見は、インピーダンスマッチングスペースが、タップ１６０を、理論的に最適な位置から約５％だけオフセットすることにより、驚くほど拡大されるということである。したがって、図１２のストリップラインコンダクタ回路は、図１の同軸チューニング突出部の全ての利点及び機能を提供でき、更に、コンパクト性という利点も加わる。
【００９７】
[135]図８の同軸突出部の内側コンダクタ１４０と同様に、図１２のストリップラインコンダクタ７００は、電極１２５に接続された有用物ラインを収容するために中空であり、また、円錐形ハウジング２９０の頂面２９０ａに接続されている。（図１及び図８の同軸チューニング突出部に優る）ストリップラインコンダクタ７００の利点は、該コンダクタに要する長さを、上記リアクタチャンバの「設置面積」を超えて伸びることなく実現することができるように、ストリップラインコンダクタ７００が、ハウジング７１５内で円形状に伸びることができるということである。
【００９８】
[136]該ストリップラインコンダクタの長さは、図１を参照して上述したように、上記同軸チューニング突出部が決められるのと同様に決められる。ストリップラインコンダクタ７００のインピーダンスは、接地面シーリング７１０からのずれを調整することにより決められる。上述したように、このインピーダンスは、約３０オームになるように、又は、上記ＶＨＦ発生器の出力インピーダンスよりも低いように最良に選択される。タップ１６０の、ストリップラインコンダクタ７００の長さに沿ったＶＨＦ発生器１５０からの位置は、図１を参照して上述したような上記同軸チューニング突出部上のＲＦタップ１６０の位置と同様に決められる。ストリップラインコンダクタ７００は、接地面シーリング７１０と共に、図１又は図８の同軸チューニング突出部と同じ機能を実行し、かつ、図１を参照して上述したような同じパフォーマンスの利点を提供できる。
【００９９】
[137]図１３の上面図は、ストリップラインコンダクタ７００が（丸みの付いた角部を有する)ほぼ四角形の経路に沿って巻回されている実施形態を示すが、図１４は、ストリップラインコンダクタ７００が、円形に巻回されている別の実施形態を図示する。
【０１００】
チューニング要素を介した有用物の供給
[138]図８及び図１２に関して上述したように、図８の同軸突出部内側コンダクタ１４０及び図１２のストリップラインコンダクタ７００は、様々な有用物を上記オーバーヘッド電極へ運ぶラインを収容するために、共に中空である。したがって、図８及び図１２の両方に図示するように、外部ガス供給ライン３２５は、外部ガス流量コントローラ８００に接続されており、内部ガス供給ライン３４５は、内部ガス流量コントローラ８１０に接続されており、光ファイバ又は光パイプ６８５は、光検出器６８７に接続されており、加熱／冷却ライン６７５は、加熱／冷却源コントローラ８３０に接続されている。
【０１０１】
[139]固定チューニング要素１３５は、（図１及び図８の実施形態の場合のような）同軸チューニング突出部又は（図１２及び図１４の実施形態の場合のような）ストリップライン回路のいずれかである。アンテナの設計者は、上記高周波電源の５０オームの特性出力インピーダンスと、上記電極／プラズマの組合せのインピーダンスとのインピーダンスマッチングを提供にする際に、該固定チューニング要素に関する両実施形態により実行される同等の機能を認識する。該固定チューニング要素（又は、同等に、固定インピーダンスマッチング要素）に関する両実施形態は、中心コンダクタ（図１２の接地面シーリング又は図８の内側同軸コンダクタのいずれか）及び接地されたコンダクタ（図１２のストリップラインコンダクタ又は図８の接地された外側同軸コンダクタのいずれか）の使用を含む構造上の特徴を共通して共有する。どちらの場合においても、該インピーダンスマッチング要素の特性インピーダンスは、該２つのコンダクタ間の間隔によって決まり、一方、該インピーダンスマッチング要素に対する入力インピーダンスは、該高周波電源への接続部の中心コンダクタに沿った位置によって決まる。また、該中心コンダクタは中空であり、そのため、ガス供給ライン及び熱伝導性流体供給ラインのためのＲＦシールド導管として機能する。そして、最も重要な共通の特徴は、該インピーダンスマッチング要素に関する両実施形態は、物理的に固定された構造であり、そのため、可動部又はインテリジェントコントローラを必要としないということであり、これは著しい利点である。他の関連する利点は、既に説明されている。したがって、両実施形態の固定インピーダンスマッチング要素は、一般的に、中空中心コンダクタを有する固定２コンダクタインピーダンスマッチング要素と呼んでもよい。
【０１０２】
ＲＦ損失が不変で、アーク放電が抑えられた、低汚染性の被覆シーリング電極
[140]上記シーリング電極内のガス分布流路におけるアーク放電の問題は、次の特徴、すなわち、（ａ）良好なガスフロー又はコンダクタンスを有する傾向があるが、ガス流路の軸方向長さに沿った電界分布を生じる傾向もあり、該電界強度が、該電極の底部面における最大強度から、該電極の頂部近傍における最小強度まで減少する、ガス流路形状と、（ｂ）ガス供給圧力と、上記リアクタチャンバの真空レベルとの全圧力差をほぼ表す圧力低下を有するように十分損失の多い上述したガス流路を与えるオリフィスであって、該ガス流路の電界分布における最小電界強度の領域内又は該領域の上に配置されているオリフィスと、を組み合わせることによって解決される。その結果は、実質的に全ての圧力低下が最小電界強度の領域内で発生すると共に、全ての電界低下が、ほぼゼロの圧力低下の領域内で発生するということである。その結果として、上記シーリング電極の軸方向長さに沿った全ての位置におけるガス圧力及び電界強度の組合せは、一般的に、アーク放電が発生することが可能な範囲の外側にある。この範囲は、以下に詳細に論じるように、パッシェン曲線によって画成される。該ガス流路の断面形状の選択、上記の結果を成し遂げるための該オリフィスのオリフィス径及び位置を、以下に詳細に説明する。
【０１０３】
[141]上記シーリング電極内部面の保護半導体被覆におけるＲＦ損失の広い変動の問題は、上記リアクタに係る該半導体被覆の電気的特性の特定の選択により解決される。該半導体被覆又は半導体層によるＲＦ吸収の広い変動は、電極温度の比較的小さな偏位、電極の厚さ及び不純物濃度によって引き起こされる。この問題は、本リアクタにおいては、ＲＦ吸収が、該材料物質の損失正接の変化に対して、少なくともほぼ不変である範囲内に、該半導体層の損失正接を置くレベルに対する該半導体層のドーパント濃度を選択することにより解決される。（損失正接は、該材料物質の複素誘電率の実数成分と虚数成分との比である。）損失正接は、ドーパント又は固有不純物濃度によって決まり、また、温度によって変化する。また、損失正接の変動に対する該材料物質におけるＲＦ吸収の敏感性または変動は、該層の厚さに影響を受ける。その結果として、損失正接の変化に対して、ＲＦ電力吸収の最小変化の範囲内にある半導体被覆又は半導体層の損失正接を選択すると、該ＲＦ電力吸収が、温度、層の厚さ及び層の組成（例えば、不純物濃度）の変化に対してほぼ鈍感になる。
【０１０４】
[142]本シーリング電極の一態様は、上記半導体層が、ガス注入流路が層中に形成されており、かつ金属電極ベースの底部面に直接接合されている単一のモノリシック層である高度に単純化された構造である。最適な接合を達成するための該接合層の厚さは重要であり、比較的大面積に、処理チャンバに対して露出される接合材を残すと、汚染につながる。この問題は、該接合層を独立し離間したゾーンに分け、上に重なる金属電極ベースから下方へ伸びる縁、又は（別法として）下にある半導体層から上方へ伸びる縁のいずれかによって各ゾーンを囲むことにより、該接合層の厚さを低減することなく、解決される。該縁は、上記チャンバ内でのプロセスガスの汚染を低減又は防止するために、該接合層の露出した厚みを、少なくとも部分的に被覆する。別の態様は、非常に小さなガス抜け特性を有する非常に優良な接着剤を用いることである。
【０１０５】
[143]次に、図１５を参照する。図１５は、図８のシーリング電極１２５が図１５のシーリング電極９００と置換されていることを除いて、図８と同様のプラズマリアクタを図示する。シーリング電極９００は、図１５において、その断面が示されており、ウェハ支持体ペデスタル１０５に面する底部面を有する金属（例えば、アルミニウム）ベース９０１と、金属ベース９０１の底部面に接合された保護層（又は、シャワーヘッド）９０２とからなる。該保護層は、プロセスに影響を及ぼさない材料物質の化学気相堆積により、巨大なセラミック部材として形成することができる。このようなプロセスに影響を及ぼさない材料物質は、例えば、この明細書において後述するある特徴にしたがって、該材料物質を半導電性にする不純物をドープすることができる、炭化ケイ素等のセラミックとすることができる。シーリング電極９００は更に、金属ベース９０１の頂面に重なっている加熱プレート９０３と、加熱プレート９０３の頂面に重なっている冷却プレート９０４とを含む。図１５に概略的に指し示すように、加熱流体供給ライン６７５ａ及びリターンライン６７５ｂは、加熱プレート９０３内での循環のための加熱流体を供給し、一方、冷却流体供給ライン６７５ｃ及びリターンライン６７５ｄは、冷却プレート９０４内での循環のための冷却流体を供給する。熱電対９０１は、ベース９０１の温度の測定値をプロセスコントローラ９０６に提供する。
【０１０６】
[144]図１６は、穴９０７からなるアレイの配置を示す金属ベース９０１の平面図であり、各穴９０７は、ベース９０１を通って軸方向に伸びている。図１７は、上記シャワーヘッドを軸方向を通って伸びる弓形スロット９０８のペアからなるアレイの配置を示す、上記半導体保護層又はシャワーヘッド９０２の平面図である。図１８の拡大図に図示するように、弓形スロット９０８の各ペアは、円環のほぼ半円形部分を形成する、対向する「Ｃ」字状形状９０８ａ、９０８ｂとすることができるが、他の適当な形状を代わりに用いてもよい。
【０１０７】
[145]図１９の拡大図を参照すると、金属電極ベース９０１は、２つの個別の構成要素、すなわち、複数の下方に伸びる円筒形ポスト９２３を有する上部プレート９０１ａと、ポスト９２３が環状ガス流路９１４を形成するようにその中に入れ子状に収まる、複数の円筒形穴９２２を有する下部プレート９０１ｂとで形成されている。複数のガス分布マニホールド９０９（そのうちの１つが図１９の拡大図に示されている）は、ベース９０１の頂部の空間として形成されている。穴９０７は、マニホールド９０９のそれぞれの底部から上部プレート９０１ａを完全に通って、かつ下部プレート９０１ｂを部分的に通って伸びている。プラグ９１０は、上部プレート９０１ａ及び下部プレート９０１ｂの両方に接触するように、各穴９０７内に圧入されている。複数の圧入プラグ９１０が上部プレート９０１ａ及び下部プレート９０１ｂを一緒に保持している。各圧入プラグ９１０は、マニホールド９０９に対して開いている中心軸方向開口９１１と、上部プレート９０１ａ内で、軸方向開口９１１から径方向空間９１３の方へ伸びる４つの径方向オリフィス９１２とを有する。空間９１３は、ベース９０１の底部面に達する、ベース９０１内の環状流路９１４内に開いている。環状流路９１４は、半導体保護層９０２の弓形スロット９０８と一般的に位置合わせされている。各垂直流路９１４は、保護層９０２の対向する「Ｃ」字状スロット９０８の対応するペアの対称軸と同軸の円形（環状）弓形スロットである。ガスは、マニホールド９０９から下方へ流れ、軸方向プラグ開口９１１を通って、オリフィス９１２の径方向外側を通り、そこから環状垂直流路９１４を下方を通り、ベース９０１と保護層９０２との間の径方向スロット９１５の径方向を通り、弓形スロット９０８を通って上記チャンバ内へ流れる。
【０１０８】
[146]スロット状流路９０８、９１４は、該スロットの方位角長さに比例する高ガスコンダクタンスを提供するが、スロット９０８及び環９１４の幅の逆関数である割合で、該スロット内の電界を低下させる。その結果として、流路９０８、９１４を通った、すなわち、保護層９０２の底部面から上方の径方向空間９１３までの圧力差はほとんどない。同時に、スロット９０８、９１４は、保護層９０２の底部面と径方向空間９１３との間の距離の範囲内で、そのピークの大きさの少なくとも半分（好ましくは、それ以上）だけ電界が低下するように、十分狭い（例えば、約．０１２インチ程度）。
【０１０９】
[147]オリフィス９１２は、円筒形であり、ガスマニホールド９０９の高圧と、シーリング電極９００の下の上記チャンバの真空圧との間のほぼ全圧力差が、各オリフィス９１２の長さにわたって低下するように、十分小さな直径（例えば、約．０１０程度）を有する。例えば、該圧力は、各オリフィス９１２の長さにわたって、１０倍低下する可能性がある。以下に更に詳細に説明するように、その結果として、最高の電圧低下（電界）は、最低圧力の領域で（すなわち、スロット９０８、９１４の軸方向長さに沿って）発生し、全体の圧力低下は、最小電界の領域で（すなわち、径方向オリフィス９１２内で）発生する。この特徴は、以下に更に詳細に説明するように、シーリング電極９００を、アーク放電に対してほとんど鈍感にする。
【０１１０】
[148]図２０を参照すると、ベース９０１と保護層９０２との間の複数のスペーサ又はポスト９１６は、ギャップ９１７の幅を固定し、保護層９０２をベース９０１に固着するために、接合接着剤９１８が配置されている。ギャップ９１７の幅は、最適な接合を保障するのに十分である。この幅は、比較的大きく、そのため、接合接着剤９１８のかなりの領域を、径方向流路９１５内のプロセスガスにさらし、このことが、接合接着剤層９１８からのガス抜きにより、汚染を促進する。この問題は、ギャップ９１７の幅のいかなる低減も要することなく、解決される。その代わりに、接着剤層９１８は、図１９に示す複数の離間したゾーン又はアイランド９１８ａ、９１８ｂ、９１８ｃ等に分けられ、各アイランドは、各接合接着剤アイランド９１８ａ、９１８ｂ、９１８ｃ等の別に露出した垂直面９２１の（全部ではないが）約半分を被覆する、軸方向に伸びる縁９２０によって囲まれている。各縁９２０は、各接合接着剤層ゾーンの垂直面９２１の全体を被覆するか、又は、径方向流路９１５内のプロセスガスにさらされる、該ゾーンのほんの一部のみを残している。縁９２０は、径方向流路９１５の幅を、ギャップ９１７の幅以下まで低減する。プロセスガスにさらされる接合接着剤アイランド９１８ａ、９１８ｂ、９１８ｃの表面積を低減する（又はなくす）ことにより、各縁９２０は、該接着接合材からのガス抜きによる、上記チャンバ内での汚染を低減する（あるいは、なくす）。各縁９２０は、金属ベース９０１から、すなわち、ベース９０１のプラグ９２３から下方へ伸びる（その結果、プラグ９２３と一体形成される）か、あるいは、保護層９０２から上方へ伸びてもよい。図２０の描画においては、縁９２０は、プラグ９２３から下方へ伸び、かつプラグ９２３と一体形成されている。
【０１１１】
[149]接着接合層９１８からの汚染を更に低減するためには、ガス抜きする極微の傾向を有するにすぎない、極めて優良な接合接着材を層９１８に用いる。接着剤層９１８に対する好適な接合材は、Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより製作されているＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ・スペースグレード低揮発性接着剤９３−５００である。
【０１１２】
[150]図２１は、冷却流体がその中を循環する冷却剤流体ジャケット９２７を示す、冷却プレート９０４の平面図である。図２２は、加熱流体がその中を循環する加熱流体ジャケット９２８を示す加熱プレート９０３の平面図である。
【０１１３】
[151]図２３、図２４及び図２５は、図１５〜図１９のシーリング電極における上記ガス流路及びオリフィスの形状を、該シーリング電極内でのアーク放電を防ぐために、どのように選択することができるかを図示するグラフである。図２３は、該シーリング電極により上記チャンバ内に注入されたプロセスガスの場合のパッシェン曲線を表し、垂直軸は電界に対応し、水平軸はガス圧力に対応する。図２３の曲線上の領域は、該ガス発生中で、アーク放電又は電気的放電が発生する電界強度・圧力空間の位置を表す。図２３の曲線下では、アーク放電は発生せず、１つの目的は、該シーリング電極の軸（高さ）に沿った全てのポイントにおいて、図２３の曲線の下に、圧力と電界強度との組合せを保つことである。図２４は、該シーリング電極における軸方向ガス流路に沿った高さの関数としてのガス圧力を図示する。図２４の点線は、小さな円筒形状のガス流路に対応し、図２４の実線のほぼ水平区分は、図１５〜図１９の該シーリング電極におけるスロット状ガス流路９０８、９１４に対応する。図２３の実線のほぼ垂直部分は、圧入プラグ９１０の小さな径方向穴９１２における圧力分布に対応する。図２５は、高さの関数としての、スロット状ガス分布流路９０８、９１４における電界分布を図示する。「．０２０」及び「．０４０」と標示された図２５の曲線は、それぞれ、０．０２０及び０．０４０インチのスロット幅（ギャップ）に対応する。図１９の弓形スロット状ガス流路９０８、９１４に適用した場合、「幅」という用語は、該スロットの小さい方の寸法を指し、一方、「長さ」という用語は、該スロットの大きい方の寸法を指す。一般に、図１９において、該長さは、ほぼ該幅以上の大きさである。
【０１１４】
[152]図２５は、上記スロット状ガス流路の電界が、該スロットの幅によって決まる比における高さによって減少することを示す。そのため、ガス流路９０８、９１４の組み合わせた長さに沿って該電界低下を増加させることにより、ガス流路９１４の頂部における電界強度を最小化するのに、比較的狭いスロット幅（例えば、０．０１０インチ）が用いられる。例えば、ガス流路９１４の頂部における電界は、保護層９０２の底部面における電界の１０分の１（又はそれ以下）とすることができる。ガス流路９０８、９１４の組合わせた長さに沿った電界低下は、ベース９０１と保護層９０２との組み合わせた厚さにわたる電界低下のほとんど（例えば、８０％又はほとんど全て）である。径方向オリフィス９１２の軸方向位置は、該オリフィスが、図２５の電気分布における最小電界の領域内に位置するように十分高い。径方向オリフィス９１２の各々の径は、該ガス流路の高さの頂部近傍で、図２４の曲線の急勾配部分によって表される、各径方向オリフィス９１２にわたる非常に高い圧力低下を達成するように、十分小さい（例えば、０．０１０インチ）。各径方向オリフィス９１２の長さに沿った圧力低下は、ベース９０１と保護層９０２との組み合わせた厚さにわたる圧力低下のほとんど（例えば、８０％又はほとんど全て）を表す。各オリフィス９１２の径方向は、上記電極の軸方向厚さにわたる電界に対して直行するため、各オリフィス９１２の長さに沿って電界低下が最小になる。その結果として、（最大高さに位置する）径方向オリフィス９１２内で、該圧力は、（少なくとも、各オリフィス９１２の径方向内側部分近傍において）非常に高く、一方、該電界は、スロット状ガス流路９０８、９１４の狭さにより、最小（又は、ゼロ）である。高圧と低電界強度との組合せは、図２３の位置９３０に対応し、これは、アーク放電しきい値の十分下である。軸方向弓形スロット９０８、９１４内で、該圧力は非常に低く（図２４の曲線の浅い部分）、一方、該電界は、該底部近傍でその最大値（図２５の曲線のピーク）に近づく。したがって、軸方向ガス流路９０８、９１４において、図２３の位置９３１に対応して、電界は高いが、圧力は非常に低く、これもアーク放電しきい値よりも十分下である。この結果を達成するため、ガス流路９０８、９１４のスロットの長さは、ガス流路９０８、９１４の組み合わせた長さに沿った圧力低下を、電極９００の頂部と底部の間の圧力低下の何十分の一まで最小化するように、十分大きくなければならない。その結果として、ほぼ全ての圧力低下は、上述したように、各径方向オリフィス９１２の長さに沿って発生する。該スロットの長さ（例えば、該アークの長さ）は、０．０７０インチ程度とすることができ、一方、該スロットの幅は、約０．０１０インチ程度とすることができる。
【０１１５】
[153]次に、保護層９０２におけるＲＦ損失を、様々な変動プロセス条件（温度、層の厚さ、不純物含有量）下でほぼ不変にする方法について説明する。図２６は、特定のＲＦソースパワー周波数（すなわち、例えば、１６２ＭＨｚ、又は、２１０ＭＨｚのプラズマ・電極共振周波数における、該共振周波数近傍における）、特定の温度（例えば、９０℃の作動温度）における炭化ケイ素材の損失正接の関数としての、保護層９０２の炭化ケイ素バージョンにおけるＲＦソースパワーの損失を図示するグラフである。該損失正接は、該材料物質の複素誘電率の実数成分と虚数成分との比であり、該材料物質が吸収するＲＦ電力の量を決める。損失正接は、該材料物質の実数の誘電率と該ＲＦ周波数との積で該材料物質の伝導率を割ったものである。損失正接は、半導体材料物質中のドーパント不純物の濃度を変化させることにより調整することができる。図２６に図示されている、炭化ケイ素等の半導体材料物質の作用は、様々なドーパント不純物濃度（ゆえに、異なる損失正接）からなる炭化ケイ素層の損失正接を測定し、該層各々に吸収されたＲＦ電力を測定することにより、容易に導出される。このような測定は、Ｋｉｎｇ，Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｉｎｅ  Ｔｈｅｏｒｙ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９５５年、８頁及び２８５〜２８６頁に記載されている原理にしたがって、当業者によって容易に実施される。図２７のグラフは、炭化ケイ素層９０２におけるＲＦ損失又は吸収が、損失正接１でピークをつけ、このピークから、該損失正接の増加又は減少のいずれかを伴って減っていくことを示す。
【０１１６】
[154]誘電体の損失正接は、一般に、温度と共に増加し、そのため、温度変動は、ＲＦ電力吸収の変動を引き起こすことになる。損失正接１におけるピークＲＦ損失近傍で、ＲＦ電力は、損失正接の小さな変動だけで非常に劇的に失われる。保護層９０２の厚さを増加させた場合、損失正接の変化に伴うＲＦ損失の変動は、より一層顕著になる。このことは、薄い層の作用を表す図２６の実線の曲線と、より厚い層を表す図２６の点線の曲線との比較によって図示される。すなわち、図２６のいずれかの曲線のピーク近傍（すなわち、損失正接１において）で、ＲＦ電力は、温度又は層の厚さのいずれかの小さな変化だけで、大幅に失われる。該ピークから離れると（すなわち、１０以上、又は、０．１以下の損失正接値において）、該点線の曲線は、該実線の曲線とほぼ重なり、その結果、層の厚さの差が、ＲＦ電力損失のごくわずかな変化を引き起こす。また、ＲＦ電力損失は、該損失正接が１０以上、又は、０．１以下の場合、損失正接値の幅広い範囲にわたってほぼ一定であり、その結果、損失正接値のそれらの範囲に対応する温度変動は、ＲＦ電力損失のごくわずかな変化を引き起こす。そのため、保護層９０２におけるＲＦ電力損失は、作動温度において、１０を超えるか、又は、０．１未満の損失正接に対して、該材料物質をドープすることにより、温度、層の厚さ及び不純物濃度の変化に関して、ほぼ不変となる。一実施形態において、０．１以下の損失正接は、比較的高価なほぼ真性の半導体材料物質を要するため、該損失正接は、コストを節約するために、作動温度において、１０以上になるように選択される。１０以上の損失正接値の選択は、該半導体層におけるＲＦ損失のわずかな測定可能な変動を伴って、又は、該変動を伴わずに、約１０以上の損失正接値に対応する温度偏位を可能にする。温度制御、層の厚さ及びドーパント濃度に対するデザイン上の許容範囲は、（図２６で「最適範囲」と標示したバーによって図示するように）１０から非常に高い値まで及ぶ損失正接値の範囲に対応して、非常に広い。この選択は、損失正接に対する、ＲＦ電力吸収（図２６の垂直軸）の微分係数を低減（ほぼ最小化）する。以下を見て分かるように、このような選択の結果は、温度、厚さ及び不純物濃度に対する該ＲＦ電力吸収の微分係数を低減（ほぼ最小化）することになる。
【０１１７】
[155]図２７は、電力損失（垂直軸）が、異なる損失正接値に対して、温度の変化によってどのように変化するかを図示する。「ｔａｎδピーク」と標示された図２８の一方の曲線は、図２６の損失正接値１に対応し、所定の温度範囲に関するＲＦ電力損失の非常に大きな変化を指し示す。「ｔａｎδ１０」と標示された図２７の他方の曲線は、１０を超える損失正接値に対応し、同じ温度範囲に関するＲＦ電力損失の非常に小さな又はゼロの変化を指し示す。図２８は、電力損失（垂直軸）が、厚さの範囲に関して、（保護層９０２の）層厚の変化によってどのように変動するかを図示する。「ｔａｎδピーク」と標示された図２８の一方の曲線は、図２６の損失正接値１に対応し、所定の厚さの範囲に関して、ＲＦ電力損失の非常に大きな変化を指し示す。「ｔａｎδ１０」と標示された図２８の別の曲線は、１０を超える損失正接値に対応し、同じ厚さの範囲に関して、ＲＦ電力損失の非常に小さな又はゼロの変化を指し示す。したがって、図２７及び図２８は、図２６に図示した作用の結果、及び、上記リアクタによる損失正接範囲の正しい選択が、温度制御及び層の厚さの両方に対して、デザインウィンドウをどのように広げるかを示す。
【０１１８】
[156]したがって、一般に、処置は、保護層９０２のための半導体（又は、他のプロセスに影響を及ぼさない）材料物質を選択して、選択したＲＦソースパワー周波数で、ＲＦ損失が該材料物質の損失正接値の範囲に関してどのように作用するかを判断することである。具体的には、該材料物質における最大ＲＦ損失に対応する損失正接値が見出される。このことは、分析的に、又は、異なる不純物濃度を有する同じ材料物質の異なるサンプルを用いて、一連のＲＦ損失測定を実行することにより行える。一旦、ピークＲＦ損失の損失正接値が見出されると、該ピーク損失における損失正接値より大きな（又は小さい）損失正接値が選択される。そして、該材料物質は、該材料物質において選択された損失正接値を出す不純物濃度レベルまでドープされた後、保護層９０２を形成するのに使用される。上記シーリング電極の温度は、少なくとも、ピークＲＦ吸収の損失正接値よりも大きい（又は小さい）損失正接値を保有するように制御される。炭化ケイ素においては、損失正接値１０以上に対するこの温度範囲は、室温から２５０℃以上に及ぶ。
【０１１９】
[157]図２０を参照して上述したように、それぞれの接着接合アイランド９１８の露出した垂直面９２１を被覆する各縁９２０の特徴は、接着接合層９１８の厚さを、該接合接着材に付随する汚染の増加を伴うことなく、最大強度の接合に対してかなり大きくすることを可能にする。しかしながら、接合接着層９１８の厚さに関わらず、発明者等は、通常の使用中、特に、洗浄中に、シーリング電極９００に起きる温度偏位が、アセンブリ９００を、金属ベース９０１と保護層９０２との熱膨張率の差によって生じるせん断力により破壊することを見出した。このような温度偏位を、図２９のグラフに９４０で標示した曲線で図示する。接着接合層９１８が約３０℃の温度で硬化すると仮定すると、上記シーリング電極の温度は、プラズマ処理中に、約９０℃まで上昇する。この温度の増加は、金属ベース９０１及び保護層９０２を、それぞれの熱膨張率にしたがって、異なる速度で膨張させる。このことが、せん断力（図２９の垂直軸）を発生させ、該せん断力は、シーリング電極９００の温度が９０℃の作動温度に達するまで、該電極温度によって増加する。該問題は、シーリング電極９００を、該作動温度をかなり上回って、例えば、約１５０℃の焼成温度までよく加熱することを要するが、上記リアクタの焼成プロセスが実行されるときに悪化する。図２９に示すように、該シーリング電極に関するせん断力は、該温度が作動温度から焼成温度まで増加したときに、ほぼ倍増する。シーリング電極９００が破壊される傾向があるのは、（せん断力がほぼ倍増する）この後者の温度偏位の間である。
【０１２０】
[158]この問題は、接着接合層９１８を、高温で、好ましくは、該シーリング電極が受ける、最大及び最小温度極値間の約中間の温度で硬化することにより解決される。図２９に図示する場合において、該接合接着層は、９０℃の作動温度に近い高温で硬化される。図２９に９４５で標示した曲線によって図示するように、接着接合層９１８を中間温度で硬化させることにより、シーリング電極９００が受ける最大せん断力は、約２倍低減され、すなわち、室温で負のせん断力まで、あるいは、焼成温度で正のせん断力まで低減され、そのどちらもほぼ同じであるが、逆方向であり、また、どちらも、該接合接着層が低温で硬化する、９４０で標示した曲線の場合で生成される最大せん断力の約半分よりも大きくない。
【０１２１】
[159]接着接合層９１８をそのような中間温度で硬化させる方法は、破壊の問題を解決するだけではなく、接着接合層９１８からガス抜きすることによる汚染を防ぐ、又は、低減する、上記リアクタの別の方法を実行することも可能にする。この後者の方法によれば、接着接合層９１８が硬化して冷却された後で、シーリング電極９００がプラズマ処理に使用される前に、該電極は、接着接合層９１８からの高揮発性の生成物の全てを少なくともほぼ煮沸又は蒸発させるために、十分長い時間、可能な限り高い温度（例えば、１５０℃の焼成温度）まで加熱される。この蒸発方法の一実施形態においては、該シーリング電極は、製品ウェハのプラズマ処理に用いられる前に、少なくとも８時間、１５０℃に保持された。この焼成プロセスは、該シーリング電極の寿命の間に一度だけ実行されるため、該接着層は、最大ストレスを一度だけ受け、それにより、該シーリング電極の寿命の間、該接着層のせん断応力疲労が回避される。
【０１２２】
[160]上記リアクタの１つの特徴は、その構造が、長時間のウェハ処理中に蓄積された全ての汚染を除去する定期的なウェット洗浄処置の影響を受けやすくするということである。この特徴は、該シーリング電極の寿命を延ばし、その寿命が、収益性の高い用途により、製作コストを回収するのに十分であるという意味で、商売上実用的になる。この特徴の下にある構造上の特徴は、次のこと、すなわち、
該ウェット洗浄プロセスが、該接合層の全域で、最小（又はゼロ）せん断応力という条件下で実行されるような、上記接着接合層の、ウェット洗浄プロセスに適した高温での硬化と、
ＣＦポリマーを除去し、アルコールで洗い流し、１１０℃まで加熱する溶液中での浸漬の影響を受けやすい、上記シーリング電極を構成するセラミック炭化ケイ素／アルミニウム材料物質と、
シリコン又はシリコン酸化物を除去するために、（ＨＦ及び／又はＨ２ＮＯ３等の）酸に浸漬することができ、あるいは、そのような酸できれいにすることができる巨大なセラミック炭化ケイ素層と、
ガス流路を通る高圧ガスパージが、捕捉した残留物を少しも残すことなく、全ての汚染材料物質を最終的に除去できるような、該シーリング電極を完全に通って伸びるフロースルー式再入不可のガス流路とを含む。
【０１２３】
[161]ウェット洗浄プロセスは、該シーリング電極の上記プラズマリアクタからの取外し、及び、以下に説明する固定具への設置によって始まる。そして、該シーリング電極全体は、該シーリング電極に蓄積した全てのフッ素樹脂を除去するのに十分な時間、室温で、アセトン等の溶剤に浸漬される。次の工程は、該シーリング電極のセラミック炭化ケイ素層（のみ）を、該シーリング電極に蓄積した全てのシリコン酸化物又はシリコン材料物質を除去するのに十分な時間、ＨＦ又は硝酸又はそれら両方の混合物等の酸にさらすことである。このことは、該セラミック層をきれいにすることにより、又は、該シーリング電極の該セラミック部分のみを酸に浸漬することにより、実行することができる。この工程も室温で実行される。該シーリング電極は、該シーリング電極の一方の面を加圧すると共に、ガスが該シーリング電極の他方の面から抜けることを可能にすることにより、室温で、窒素又は乾燥空気を用いてパージされる。最後に、全ての水分が該シーリング電極から蒸発するまで、該シーリング電極を上記接着層のおおよその硬化温度まで加熱することにより、水分が該シーリング電極から除去される。この最後の工程は、該温度（１００℃）は、せん断応力がおおよそゼロである、該接着層の硬化温度であるため、該接着層の全域で、最少量のせん断応力を発生させる。その結果として、該ウェット洗浄プロセスは、該接着層に対して、ごくわずかな量のせん断応力のみを与え、またそのため、該シーリング電極の寿命を大幅に損なうことなく、又は、該接着層を過度に疲労させることなく、該シーリング電極の寿命の間、該プロセスを何度も繰り返すことができる。
【０１２４】
[162]上記焼成方法及びウェット洗浄方法のいずれか一方又は両方を実行する固定具を図３０に図示する。密閉チャンバ９５０は、側壁９５４に支持されたリング９５２を有し、リング９５２は、シーリング電極９００を収容して固着することができる。加熱流体源９５５及び（任意の）冷却流体源９５６は、該電極温度を約１５０℃に保有する温度制御を実行するために、加熱及び冷却流体を、シーリング電極９００の加熱及び冷却プレート９０３、９０４に供給する。ガス供給部９５８は、シーリング電極９００の頂部に、すなわち、シーリング電極９００のガス分布マニホールド９０９内に高いガス圧力を発生させるポンプ９５９にガスを供給する。排気ポート９６０は、シーリング電極９００の底部を通って注入されたガスを除去する。
【０１２５】
[163]図３１は、一般的に平坦なオーバーヘッド電極を有する、図１６〜図２０に開示したタイプのリアクタにおけるウェハ支持ペデスタル上に保持されたウェハの表面にわたる半径の関数としてのプラズマイオン密度を図示する。該イオン密度（垂直軸）は、任意の倍率を使用してプロットされており、酸化プロセスにおけるアッシングレートから推測された。図３１のグラフは、該ウェハの縁部におけるプラズマイオン密度が、該ウェハの中心部におけるイオン密度の５５％以下であることを示している。
【０１２６】
[164]（該縁部よりも該中心部においてより高い階段状形状を有する）図３２、又は、(該縁部よりも該中心部においてより高い湾曲形状を有する)図３３に図示するタイプのガス分布オーバーヘッドソースパワーシーリング電極は、イオン分布の非均一性を約２倍だけ低減する（該均一性を改善する）ことができる。このことは、図３２の階段状シャワーヘッド電極によってもたらされる、半径方向の位置の関数としての該ウェハ表面におけるエッチングレートを示す図３４のグラフに示されている。図３４におけるエッチングレートは、パワー密度分布から推測した。同様のエッチングレート分布は、図３３の湾曲したシャワーヘッド電極によってもたらされる。図３２又は図３３の湾曲又は階段状のシャワーヘッド電極において、エッチングレートの中心・縁部間の偏差は、２０％まで低減され、それは、上記平坦な電極によってもたらされる、偏差（５５％）の半分よりも小さい。これは、図３２及び図３３の階段状又は湾曲した中心部が高いシャワーヘッド電極が、該中心部よりも該ウェハ縁部において、より小さなウェハ・シーリング間のギャップ内にプラズマを閉じ込め、それにより、該縁部近傍において、プラズマイオン密度を高めるためである。このような結果は、該電極の底部面において、比較的高い曲率又は急勾配の階段状部分を要する。例えば、図３２の階段状電極の１つの実施においては、直径が約３００ｍｍであり、該ウェハ縁部におけるウェハ・シーリング間ギャップは２５ｍｍであり、これは、約１２ｍｍの中心部・縁部間のギャップ差である。図３３の湾曲したシーリングの１つの実施においては、該中心部・縁部間のギャップ差は、１５ｍｍである。このような高い曲率又は急勾配の階段状部分によって、図１６〜図２０のガスシャワーヘッド電極を製造することは、実用的ではない。特に、多数の図１８の狭い環状ガス注入開口部９０８の製造、及び、多数の圧入プラグを用いる図１９の複雑なアセンブリの製造は、極端に高いコストを必要とするであろう。
【０１２７】
[165]本リアクタは、アーク放電の問題を解決するために、図１６〜図２０のアプローチから外れる。アーク放電を抑えるために、各開口部における径方向の電界が高さを伴って低下する割合を高めるために、図１８の各ガス開口部の狭い環状形状が必要であったことが思い出されるであろう。本リアクタにおいて、発明者等は、非常に小さなオリフィスにおける供給・真空間のガス圧力低下が、高い径方向電界の領域の上の十分な高さに達成されるのであれば、単純な円筒形穴内の径方向電界の低下は、アーク放電を抑えるのに十分であることを見出した。そのため、本リアクタは、（実質的に全ての供給・真空間のガス圧力低下が、高い径方向電界の領域の上で発生するように）ガス出口穴のかなり上流で、非常に小さな圧力低下オリフィスによって供給される（プラズマ近傍の高い径方向電界の領域において、高いガス圧力を回避するために）該電極表面に、比較的大きな円筒形ガスアウトレット穴を用いる。（図１８の環状ガスアウトレットの代わりに）円筒形穴ガスアウトレットを用いる利点は、円筒形穴を、図３２の階段状電極の底部面や図３３の湾曲電極の底部面等のかなり湾曲又は急勾配の階段状面に容易に製造することができることである。
【０１２８】
[166]各アウトレット穴内でのアーク放電又はプラズマ放電を抑制する際に助けとなる特徴は、（１）プラズマ又はプラズマ近傍の高い径方向電界領域内での高い圧力を回避するための（大径の）該ガスアウトレット穴の高コンダクタンスと、（２）ガスが該ガスアウトレット穴に達する前に、ガス圧力を供給圧力からチャンバ真空圧力まで低下させるための、（小径の）該圧力低下オリフィスの低コンダクタンスと、（３）該圧力低下オリフィス内の径方向電界を最小化するための、該プラズマが面する電極面の上の該圧力低下オリフィスの十分な軸方向高さとを含む。この軸方向高さは、ガス圧力及び径方向の電界強度の組合せが、図２３のパッシェン曲線によって画成されるアーク放電しきい値を超えるのを防ぐのに十分である。具体的には、該圧力低下オリフィス内で、該プラズマが面する電極面上の軸方向高さは、圧力・電界の組合せが図２３のパッシェン曲線の下の高圧力・低電界位置９３０に対応する各オリフィス内でそのような低い径方向電界を発生させるのに十分である。該圧力低下オリフィスのこの軸方向高さは、高レベルのプラズマＲＦ又はＶＨＦソースパワー、典型的には、数千ワットでの条件を満たすのに十分である。該圧力低下オリフィスに要する軸方向高さは、約５０〜７０ｍｍ程度とすることができ、この場合、該電極は、主として、例えば、アルミニウム等の金属で形成される。（図２３のパッシェン曲線は、水平軸に「圧力」のディメンションを使用し、これは、ガス穴全体の長さに沿って均一な径を有するガス穴に便利である。しかしながら、このディメンションは、実際には、その径が該穴の長さに沿って変化する穴に対する「圧力時間径」である。
【０１２９】
[167]図３２は、図１５のリアクタの変更例を図示し、該オーバーヘッド電極は、プラズマに面している中央の高い階段状面をプラズマを有する。図３２の図面においては、図１５の加熱及び冷却プレート９０３、９０４は、単純化のため省ほぼされている。次に、図３２を参照すると、階段状ガスシャワーヘッド電極３２１０のプロセスゾーンに面する面は、円筒形の中心平坦面３２１０ａと中心平坦面３２１０ａの高さから連続的に下がっていく平坦な環状外側面３２１０ｂ、３２１０ｃとを含む。３つの階段状面は、図３２の実施形態に用いられているが、いかなる適切な数も用いることができる。階段状面３２１０ａ、３２１０ｂは、環状斜行及び弓形遷移面３２１２ａによって円滑につながっている。階段状面３２１０ｂ、３２１０ｃは、環状斜行及び弓形遷移面３２１２ｂによって円滑につながっている。
【０１３０】
[168]これらの面の各々は、該面内に穿孔された多数のガスアウトレット穴３２１４を有し、それらの穴の径は比較的大きく、約５０ミル（千分の５０インチ）程度である。次に、図３５の拡大断面図を参照すると、各アウトレット穴３２１４は、より大きな上方穴３２１６内に伸びている。再び図３２について説明すると、薄い内側及び外側プレナム３２１８−１、３２１８−２は、電極３２１０の内側及び外側環状ゾーンの径方向にわたって伸びている。内側及び外側プレナム３２１８−１、３２１８−２は、ガスフローを該内側及び外側プレナムに対して別々に調整することにより、ガスフローの径方向分布を調整することができるように、ガスアウトレットポートの内側群と外側群とを分けるように、（以下に説明するようなやり方で）結合されている。図３５の拡大図は、内側プレナム３２１８−１のみを示す。総合して、内側及び外側プレナム３２１８−１、３２１８−２は、電極３２１０の上方部分３２１０−１と下方部分３２１０−２との間の境界を画成すると考えることができる。再び図３５の拡大図を参照すると、上方電極部分３２１０−１の頂部のガスマニホールド３２２０は、約２００〜３００ミルの大径を有する高コンダクタンス流路３２２４を通って、径方向に拡がるプレナム３２１８に結合されている非常に小さな圧力低下オリフィス３２２２にガスを供給する。圧力低下オリフィス３２２２は、小さく細長い軸方向に伸びる円筒形穴である。１つの実施において、１０ミル程度であったそれらの直径は、下方電極区分３２１０−２におけるアウトレット穴３２１４、３２１６を通ったガスコンダクタンスが十分大きいとすれば、ガス圧力を、供給圧力から、少なくともほぼ該リアクタチャンバ内の真空圧力まで低下させるのに十分小さい。このため、ガスアウトレット穴３２１４、３２１６は、約５０ミル程度の比較的大径である。同様に、径方向に拡がる薄いプレナム３２１８−１、３２１８−２の各々は、（該オーバーヘッド電極の面積の半分程度の面積を有する）十分大きな平坦領域を有し、その結果、各プレナム３２１８−１、３２１８−２の小さな高さにもかかわらず、各プレナム３２１８−１、３２１８−２内のガスコンダクタンスは、該プレナム内での圧力勾配を回避するのに、同様に高い。
【０１３１】
[169]小さなオリフィス３２２２の高圧領域とプラズマとの間の軸方向の分離を確実にするために、圧力低下オリフィス３２２２は、中央内側電極面３２１０ａの上で、約７０ｍｍ程度である。この軸方向のずれ（図３５のＤ）は、電極３２１０の階段状構成により、該ウェハ縁部近傍の外側電極面３２１０ｃにおいてかなり大きくなっている。階段状面３２１０ａ、３２１０ｂ、３２１０ｃの各々の異なる軸方向高さに適応するために、中間のガス穴３２１６の軸方向長さは、径方向位置の関数として、最外面３２１０ｃにおける最大長から内側又は中央面３２１０ａにおける最小長の範囲で変化する。該電極のプラズマに面する面の上の圧力低下オリフィス３２２２の十分な最小軸方向ずれを保障するために、オリフィス３２２２によってガスが供給される大きなガス流路３２２４は、ガスアウトレット３２１４内でのアーク放電又はプラズマ崩壊を防ぐ、上述した条件を満たすのに要する最小ずれとほぼ同程度の軸方向長さを有する。この距離は、約７０ｍｍである。この距離のもっとも望ましい選択は、該電極に印加されるＲＦ又はＶＨＦソースパワーレベルにより、及び、該真空チャンバ内のガス圧力により、変えてもよい。
【０１３２】
[170]電極３２１０は、例えば、アルミニウム等の金属で形成することができる。図３５に示す薄い炭化ケイ素保護層９０２’は、電極３２１０の底部面に付着させることができる。炭化ケイ素保護層９０２’は、図３５の炭化ケイ素保護層９０２’が環状ガスアウトレット（図１８）を有さず、代わりに、電極３２１０のガスアウトレット穴３２１４に合い、かつ該穴と見当合わせされているガスアウトレットのための円筒形状穴３３１０を有していることを除いて、図２０の炭化ケイ素保護層９０２に対応する。炭化ケイ素保護層９０２’のガスアウトレット穴３３１０の単純な円筒形状は、図３２の急勾配の階段状部分又は図３３の鋭い曲率によって炭化ケイ素保護層９０２’を製造することを実際的にするものである。急勾配の又は鋭いという用語は、比較的大きな中心・縁部間のギャップ差を指し、該ギャップ差は、図３２及び図３３の実施例においては、３００ｍｍ径に関して１２ｍｍ程度、又は、約４％であった。
【０１３３】
[171]図３６を参照すると、炭化ケイ素保護層９０２’は、図２０を参照して論じたタイプの接着材料物質３３１５によって、電極３２１０の底部面（すなわち、下方電極区分３２１０−２の底部面）に接合されている。軸方向ポスト３３２０は、該電極の底部から伸びており、また、電極３２１０と保護層９０２’との間の間隔を決める高さを有する。電極３２１０は、該底部から下方へ突出し、かつ接着剤３３１５をプラズマから少なくとも部分的に保護するように各ガスアウトレット３２１４を囲む、軸方向に伸びる肩部３３２５を有することができる。
【０１３４】
[172]図３３は、図３３のオーバーヘッド電極の底部面３２１０ａ’が階段状ではなく、中央が高い曲率を有する連続的な弓形面であることを除いて、図３２のリアクタと同様のリアクタを図示する。図３７のグラフに示すように、図３３の電極を構成する際には、異なる曲率を用いてもよい。図３７は、Ａ及びＢで標示された２つの異なる実施形態のミリメートルで表した半径の関数としての（炭化ケイ素保護層９０２’の底部で測定した）ミリメートルで表した電極の高さを描写するグラフである。Ａで標示された曲線は、一定の曲率半径を有する実施形態を描写する。他の実施形態は、多種な半径のドームとすることができる。Ｂで標示された曲線は、該電極の最外の１０％が平坦である実施形態を描写する。図３８は、半径の関数としてのエッチングレートを描写するグラフである。図３８のＣで標示された曲線は、図３７の湾曲した電極構成Ａによって得られた結果を表し、一方、Ｄで標示された曲線は、平坦な縁部環を有する、図３７の湾曲した電極構成Ｂによって得られた結果を表す。図３８は、平坦化された電極縁部デザイン（図３７のＢ）が、該ウェハ縁部近傍のエッチングレートの非均一性を低減することを指し示す。図３７の両構成Ａ及びＢの曲率は、中心・縁部間の高さの差が、該電極の直径の約２７％であるようになっている。この高さの差は、例えば、該電極の直径の約２０％〜１００％の範囲とすることができる。
【０１３５】
[173]リアクタを、特に好ましい実施形態に関して詳細に説明してきたが、該リアクタの真の趣旨及び範囲を逸脱することなく、変形例及び変更例が実施可能であることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】プラズマリアクタの一部側面断面図である。
【図２Ａ】図１の同軸突出部を図示する図である。
【図２Ｂ】同軸突出部に沿った位置の関数としての電圧及び電流の定常波振幅を図示する図である。
【図３】より大きなマッチングスペースにおいて、より一定の供給されたＶＨＦパワーレベルを保有するための高プラズマ負荷インピーダンスに応じて発生する、同軸突出部上の入力パワーのタップポイントにおける電流の減算を図示する。
【図４】より大きなマッチングスペースにおいて、より一定の供給されたＶＨＦパワーレベルを維持するための高プラズマ負荷インピーダンスに応じて発生する、同軸突出部上の入力パワーのタップポイントにおける電流の加算を図示する。
【図５】図１の実施形態の周波数の関数としての低Ｑ反射係数を図示するグラフである。
【図６】同軸突出部上の入力パワータップポイントにおける電流貢献と、突出部長に沿った定常波電流及び電圧との相互作用を図示するグラフである。
【図７】図１の同軸突出部の代替の実施形態を図示する。
【図８】更なる実施形態を図示する。
【図９】図８に対応する拡大図である。
【図１０】図９の拡大図である。
【図１１】図８の別の拡大図である。
【図１２】また別の実施形態を図示する。
【図１３】図１２に対応する上面図である。
【図１４】図１３のリアクタの代替の実施形態に対応する上面図である。
【図１５】図８と同様であるが、天井電極が、比較的不変のＲＦ損失を伴う保護半導体被覆を有し、かつアーク放電に対して耐性があるプラズマリアクタを図示する。
【図１６】図１５の天井電極のベースの平面図である。
【図１７】図１５の天井電極の保護半導体層の平面図である。
【図１８】天井電極内のガス分布流路として機能するアーチ形スロットを図示する、図１５の天井電極の一部の拡大図である。
【図１９】図１５の天井電極の一部の側面拡大断面図である。
【図２０】図１９の拡大図である。
【図２１】図１５の天井電極の冷却プレートの平面図である。
【図２２】図１５の天井電極の加熱プレートの平面図である。
【図２３】電界強度と、図１５の天井電極の内部ガス流路内でのプロセスガスのアーク放電を可能にする圧力レベルとの組合せしきい値を描写する曲線を含むグラフである。
【図２４】図１５の天井電極のアーチ形スロット又はガス流路内での軸方向高さの関数としての圧力降下を図示する。
【図２５】図１５の天井電極のアーチ形スロット又はガス流路内での軸方向高さの関数としての電界分布を図示する
【図２６】保護半導体層の異なる厚さに対する該半導体層の損失正接の関数としての図１５の天井電極の保護半導体層におけるＲＦ電力損失を図示するグラフである。
【図２７】半導体層の損失正接の異なる値に対する温度の変動を伴う保護半導体層におけるＲＦ電力損失の変動を描写するグラフである。
【図２８】半導体層の損失正接の異なる値に対する該半導体層の厚さの変動を伴う保護半導体層におけるＲＦ電力損失の変動を描写するグラフである。
【図２９】異なる温度で硬化した接合層に対する温度の関数としての、せん断力方向と、電極ベースと保護半導体層との間の接合層にわたる大きさとを描写するグラフである。
【図３０】図１５の天井電極を洗浄し、清浄化する装置を図示する。
【図３１】平面を有する、図１〜図３０を参照して開示したタイプのオーバーヘッドＶＨＦガス分布電極を用いて得られた、半導体ウェハ上のエッチングレートの径方向分布を図示するグラフである。
【図３２】階段状面を有するオーバーヘッドガス分布電極の一実施形態を描写する。
【図３３】湾曲面を有するオーバーヘッドガス分布電極の一実施形態を描写する。
【図３４】図３２及び図３３の成形電極を使用して得られたエッチングレートの径方向分布を図示するグラフである。
【図３５】図３２又は図３３のいずれかの電極の一部の拡大断面図である。
【図３６】図３５の一部の拡大断面図である。
【図３７】図３３による成形電極の異なる実施形態に対する電極面の高さの径方向の分布を図示するグラフである。
【図３８】図３７で表したそれぞれの実施形態を用いて得られたエッチングレートの径方向分布を図示するグラフである。
【符号の説明】
【０１３７】
１００…リアクタチャンバ、１１０…半導体ウェハ、１２５…オーバーヘッド電極、１３５…同軸突出部、１４０…内側円筒形コンダクタ、１４５…外側同心円筒形コンダクタ、１５０…高周波電源、１６０…タップ。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006210929.tif 000008
【図６】
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【図７】
2006210929.tif 000010
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006210929.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
2006210929.tif 000031
【図２９】
2006210929.tif 000032
【図３０】
2006210929.tif 000033
【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【外国語明細書】
2006210929000001.pdf