(57)【要約】【課題】ウエハ試料に入射するイオンの方向を一様にし、処理形状の均一性を向上させるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマを生成する処理室２と、処理室の壁の一部を構成する真空窓６と、その誘電体の外側に配置された、処理室内にプラズマを生成するための少なくとも２系統以上で構成された誘導アンテナ１１、１２と、誘導アンテナには各系統に独立して電流を流すための高周波電源１３、１５と、各系統の高周波電源の電流の位相、又は電流値を時間的に制御する位相回路１４、１６や制御装置２０などからなる制御部を備える。この制御部は、試料の処理時間内に各系統に流れる電流間の位相差、又は電流値を連続的に時間変調し、プラズマ生成位置を移動させることで、ウエハに入射するイオンの入射角をウエハ面内で一様にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理装置であって、
試料をプラズマ処理する処理室と、
前記処理室を気密に封止する誘電体窓と、
前記誘電体窓の外側に配置され、誘導磁場を生成する複数の誘導アンテナと、
前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、
前記誘導アンテナ各々に流れる高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部とを備える、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記制御部は、前記誘導アンテナの隣りあった２個に流れる高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記誘導アンテナが２個の場合、前記誘導アンテナは、互いに直交しながら交差するように配置される、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記誘導アンテナがｎ個であるとともに前記ｎが３以上の整数の場合、前記誘導アンテナは、ｎ角形を形成しながらそれぞれ交差するように配置される、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記高周波電源は複数であり、
前記制御部は、前記高周波電源各々の周波数を異ならせることによって、隣あった前記誘導アンテナに流れる高周波電流の位相差を周期的に時間変化させる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記制御部は、前記誘導アンテナ各々に時間変調された高周波電流を流すとともに、前記時間変調された高周波電流の位相をそれぞれ異ならせることによって、隣あった前記誘導アンテナ各々に流れる高周波電流の位相差を周期的に時間変化させる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記制御部は、前記試料をプラズマ処理する間、隣あった前記誘導アンテナ各々に流れる高周波電流の位相差を、１Ｈｚから５０ｋＨｚの範囲の周波数で時間変化させる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記誘電体窓は、前記試料と対向し、
前記誘電体窓と前記試料との間の距離は、前記処理室で処理される前記試料の直径より短い、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記高周波電源は複数であり、
前記制御部は、前記高周波電源各々の周波数を異ならせることによって、隣あった前記誘導アンテナに流れる高周波電流の位相差を周期的に時間変化させる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記制御部は、前記誘導アンテナ各々に時間変調された高周波電流を流すとともに、前記時間変調された高周波電流の位相をそれぞれ異ならせることによって、隣あった前記誘導アンテナ各々に流れる高周波電流の位相差を周期的に時間変化させる、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１１】
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
隣りあった前記誘導アンテナは、前記試料に対向する位置で同心円状に配置する、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記誘電体窓の前記誘導アンテナが設置される側に、前記誘導アンテナに流れる高周波電流が誘起する渦電流を抑える電極を設置する、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１３】
請求項３に記載のプラズマ処理装置であって、
前記誘電体窓の前記誘導アンテナが設置される側の面に、前記誘導アンテナに流れる高周波電流が誘起する渦電流を抑える電極を設置する、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプラズマ処理装置であって、
前記電極は、複数の導体板からなり、複数の前記導体板を、前記誘導アンテナに沿って、２次元状に配列する、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマにより基板のエッチングや薄膜形成等の表面処理を行うプラズマ処理装置、特に誘導結合プラズマ処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造分野においては、微細素子のエッチングや薄膜形成にプラズマ処理装置が広く利用されている。特に誘導結合方式のプラズマ処理装置は、処理室の外側に配置した誘導コイルに高周波電流を流すことでプラズマに誘導電流を誘起しプラズマにパワーを供給する方式で、比較的装置構成が簡易であることから、この方式が一般的に普及している。
【０００３】
プラズマを利用するメリットは、高エネルギー電子による化学反応の促進と、高エネルギーイオンをウエハ表面の加工面に照射することで指向性ある加工が可能になることである。この場合、処理ウエハの全面にわたって均一に処理を行うためには、プラズマ（電子、イオン、反応ガス等）の密度分布を制御する技術が重要になる。
【０００４】
プラズマ密度分布を制御する方法としては、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されているように、プラズマ生成用の複数の高周波アンテナを設けて、各高周波アンテナに供給する高周波の電力又は位相を独立に操作することで、プラズマに供給される高周波の電磁界分布が変化しプラズマ分布が制御可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−０５８２９６号公報
【特許文献２】特開２００６−３１８７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した先行技術にあっては、プラズマ分布に対応して処理ガスが励起、電離し、反応性イオンとラジカルが空間分布を持って生成され、ウエハ表面での化学反応に供される。また、ウエハに入射するイオンは、ウエハに印加される高周波電圧で高エネルギーに加速され、プラズマ分布に対応してウエハに照射される。したがって、プラズマ分布の制御は、ラジカル等による化学反応とイオン照射による処理がウエハ全面で均一になるべく操作される。
【０００７】
しかし、基本的にウエハ上方で生成されたプラズマが処理室壁を境界として密度分布を形成してしまうため、上記のようなプラズマ分布の制御では均一化には限界があり、同時にイオンの入射方向を一様にすることは困難になる。また、プラズマ分布は、処理条件（ガス種、処理ガス圧力、反応生成物等）に依存し変化するため、処理条件毎にプラズマ分布を最適化するのに時間を要する。
【０００８】
プラズマ分布の均一化が不十分であると、一般に、プラズマ分布に対応したプラズマ電位による後で説明する両極性電界でイオンが加速され、イオンの速度方向はウエハに到達するまでに変化する。また、プラズマ周辺部では壁の影響で密度変化が大きく両極性電界が強くなるため、ウエハ中央ではイオンがウエハに垂直に入射するがウエハ外周位置に近づくと入射角が傾斜しウエハに入射する。その場合、イオンの方向に対応してスパッタが進行しエッチングや成膜の形状が影響されウエハ面内で処理形状が変化してしまう。
【０００９】
現在普及しているウエハは、ウエハ径２０ｃｍと３０ｃｍが主流であるが、今後４５ｃｍサイズへの移行が計画されており、ウエハ径の拡大に伴ってプラズマ密度及びイオン入射方向を一様にして均一性を確保することが更に困難になると推測される。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決し、複数の誘導アンテナを用いる誘導結合プラズマ処理装置において、被処理物である試料に入射するイオンの方向を試料面内で一様にするプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明においては、プラズマ処理装置であって、試料をプラズマ処理する処理室と、処理室を気密に封止する誘電体窓と、誘電体窓の外側に配置され、誘導磁場を生成する複数の誘導アンテナと、誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、誘導アンテナに流れるそれぞれの高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部を備える構成のプラズマ処理装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明にかかるプラズマ処理装置によれば、２系統以上の高周波アンテナに流れる電流間の位相差又は電流値を連続的に時間変化することで、プラズマへの高周波吸収領域を掃引することにより、ウエハに入射するイオン入射角を試料全面において時間平均して一様化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る、プラズマ処理装置の概略を示す断面図である。
【図２】実施例１に係る、プラズマ処理装置の高周波アンテナの構成例と高周波がプラズマに吸収される位置との関係を示す模式図である。
【図３Ａ】実施例１に係る、各高周波アンテナに供給する高周波電流の位相とプラズマに吸収される高周波吸収領域との関係の一例を示す模式図である。
【図３Ｂ】実施例１に係る、各高周波アンテナに供給する高周波電流の位相とプラズマに吸収される高周波吸収領域との関係の他の例を示す模式図である。
【図４Ａ】実施例１に係る、各系統の高周波アンテナに供給する高周波電流の位相差の時間変化を示す模式図である。
【図４Ｂ】実施例１に係る、各系統の高周波アンテナに供給する高周波電流の周波数差に比例した位相差の時間変化を示す模式図である。
【図４Ｃ】実施例１に係る、各系統の高周波アンテナに供給するアンテナ電流の電流値の時間変化を示す模式図である。
【図５】実施例１の変形例に係る、プラズマ処理装置の高周波アンテナの構成例と高周波がプラズマに吸収される位置との関係を示す模式図である。
【図６】実施例１に係る、ウエハに入射するイオン入射角とシース内電場との関係を示す模式図である。
【図７Ａ】従来のイオンが一定の入射角でウエハに入射する場合を模式的に示す図である。
【図７Ｂ】実施例１に係る、イオンの入射方向が時間的に変化する場合を模式的に示す図である。
【図８】実施例２に係る、高周波アンテナの構成例と高周波がプラズマに吸収される位置との関係を示す模式図である。
【図９】実施例３に係る、プラズマ処理装置に用いる電極の構造の一例を示す模式図である。
【図１０Ａ】各実施例に係る、高周波アンテナに供給する高周波電流の位相差の時間変化の一例を示す模式図である。
【図１０Ｂ】各実施例に係る、高周波アンテナに供給する高周波電流の電流値の時間変化の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明によるプラズマ処理装置の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
実施例１として、試料をプラズマ処理する処理室と、処理室を気密に封止する誘電体窓と、誘電体窓の外側に配置され、誘導磁場を生成する複数の誘導アンテナと、誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、誘導アンテナに流れるそれぞれの高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部とを備える構成のプラズマ処理装置の実施例を説明する。
【００１６】
図１は実施例１に係る、プラズマ処理装置の一例を示す断面図である。プラズマ１を生成し閉じ込める処理室２には、上方に例えば、石英、アルミナセラミック等の絶縁材で形成された誘電体窓である真空窓６と、被処理物である試料ウエハ３を載置するウエハ支持台４と、図示を省略した処理ガスを供給するガス供給部と、下方には真空廃棄する排気口５が配置されている。
【００１７】
真空窓６の外側には複数の誘導アンテナである、コイル状の２系統の高周波アンテナ１１と１２が配置されている。そして、各系統の高周波アンテナ１１と１２には、独立に高周波電源１３と１５、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部の一部を構成し、各系統に流れる高周波電流Ｉ１とＩ２の位相を制御する位相回路１４と１６が接続されている。各系統の高周波電源１３と１５、及び位相回路１４と１６は、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部の一部を構成する制御装置２０により操作され、後で詳述するように各系統の電流の位相及び電流量の波形と周期等の時間変化を制御する。
【００１８】
真空窓６と高周波アンテナ１１と１２の間には、整合器１９を介して高周波電源１８が接続されており、真空窓６の上面に設置された電極１７に、例えば１３．５６ＭＨｚから１００ＭＨｚの高周波を印加し、電極１７の電位を０Ｖから数１０００Ｖの範囲で制御している。電極１７を設けることで、高周波アンテナ１１と１２の高周波電圧が、プラズマ１に容量的に結合し影響することを遮蔽するとともに、真空窓６のクリーニングを目的に電極１７の高周波電圧によりプラズマのイオンを真空窓６の表面に向かって加速し表面の汚れをスパッタにより取り除く。本実施例のプラズマ処理装置に好適な電極１７の構成例は、実施例３として後で詳述する。
【００１９】
被処理物であるウエハ３には、高周波電源２１が整合器２２を介して接続されており、ウエハ３に例えば、４００ｋＨｚから数１０ＭＨｚの高周波を印加することでプラズマからイオンが引き出されウエハ３を照射する。
【００２０】
また、電極１７及びウエハ３に印加する高周波電源１８と２１の出力は、各系統の電流の時間変化に対応して制御装置２０により連携して操作され、真空窓６のクリーニングとウエハ３の処理特性を総合的に最適化する。
【００２１】
高周波アンテナ１１と１２に高周波が印加され、プラズマ表面に誘導電流が流れることで電子が加熱され、プラズマが生成、維持される。プラズマ表面の誘導電流は、高周波アンテナ１１と１２が誘起する磁界の強度分布に対応しプラズマ表面に流れる。したがって、高周波アンテナ１１と１２の位相によって、誘起される磁界の強度分布を変化することが可能である。例えば２系統の高周波アンテナ１１と１２に流れる電流の位相が同じであれば、各アンテナによる磁界は強め合い各アンテナ間で磁界強度が強くなり、高周波の吸収は吸収領域２６で強くなる。一方、各アンテナに流れる電流の位相が１８０度ずれているとアンテナの中央位置で磁界は打ち消し合い磁界強度はアンテナ直下で強くなり高周波は吸収領域２５で主に吸収される。本実施例のプラズマ処理装置において、制御部を構成する位相回路１４と１６、及び制御装置２０によって、隣あった高周波アンテナ１１と１２に流れるそれぞれの高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる。
【００２２】
図３Ａ，図３Ｂの模式図を用いて、アンテナに流れる電流と磁界との関係を説明する。図３Ａは２系統のアンテナ１１と１２に流れる電流の位相が等しく位相差δφ＝０度の場合、図３Ｂは位相差δφ＝１８０度の場合である。
【００２３】
図３Ａの位相差δφ＝０度場合には、各アンテナの磁力線３５が同方向であり真空窓６を介したプラズマ側での磁力線は各アンテナ間で最大となり、プラズマに誘導電流が強く誘起され高周波吸収領域３６の位置で高周波が吸収される。図３Ｂの位相差δφ＝１８０度の場合には、各アンテナの磁力線方向が逆になるため、各アンテナの中間位置では磁界は打ち消し合い、各アンテナ直下の高周波吸収領域３７a、３７bで高周波が強く吸収される。このように、各系統のアンテナ間に流れる電流に位相差により、各アンテナの磁界の干渉により高周波の吸収領域を変化させることができる。実際の磁界の干渉のパターンはアンテナや真空窓等の形状と配置に依存する。
【００２４】
図１の誘導結合プラズマ方式のプラズマ処理装置の場合、真空窓６からの深さが約２０ｍｍ以下のプラズマの表面に誘導電流が強く誘起され、吸収領域の電子を加熱し、電子衝突による電離で局所的にプラズマが生成される。生成されたプラズマは拡散し処理室２内に広がる。生成されたイオン２７は、プラズマ密度の勾配に比例する両極性電界Ｅで加速されるので密度分布の等高線に直角方向の速度方向２７に加速され広がる。
【００２５】
尚、両極性電界Ｅは次式１で表される。
E=-(kTe/e)∇n/n                    ‐-‐  （１）
ここで、
ｋ : Boltzmann constant (1.3807E-23 J/K)
ｅ : 電子の電荷 (1.6022E-19 C)
Te : 電子温度
ｎ : 電子密度
である。
【００２６】
したがって、各アンテナ電流の位相差によって高周波の吸収領域が移動すると、プラズマ密度分布の変化に伴ってイオンの加速される方向、すなわち、密度勾配の方向が変化する。その結果、各アンテナ電流の位相差を時間的に変化させれば、ウエハ３近傍における、シース（sheath）入射角θ０であるイオンの傾き２９が時間的に変化する。イオンの傾き２９の時間変化の程度は、各アンテナの間隔等の配置と時間変化する位相差を、制御部の制御で調整することで、ウエハ全面に渡ってイオンの傾き２９の処理時間内の時間平均を一様にすることができる。
【００２７】
また、従来は、イオンの傾き２９は全体的なプラズマ分布に対応して、ウエハ中央で傾き２９が小さくウエハ外周ほど外側に向かって傾き２９が大きくなる傾向にあった。一方、図１の実施例の構成では、制御部の制御により、イオンの傾き２９はウエハ全面で時間的に位相差に対応し変化するので、エッチングや薄膜成膜においてイオン入射方向に起因する形状や膜質の指向性がなく一様な処理が可能となる。
【００２８】
図２に、本実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの形状及び配置の好適な一例を示す。図２の構成における隣りあった高周波アンテナ１１と１２の配置は、プラズマ分布をウエハ面内で２次元的に変化させることを目的に２系統の高周波アンテナを直角に交差し、アンテナ間の途中の接続は導体板等の配線３１a、３１ｂを用いた。本実施例において、隣りあった２系統の高周波アンテナ１１と１２は、各高周波アンテナ間の干渉効果を起こすために比較的近接し平行に配置されている。同図において、アンテナ１１a、１１ｂには電流Ｉ１が流れ、アンテナ１２a、１２ｂには電流Ｉ２が流れる。
【００２９】
図２のアンテナ配置形状の場合は、高周波電源１３と１５の高周波電流の流れる方向が、電流方向３０aと３０ｂに示す位相のとき、プラズマ表面での各アンテナの磁界が高周波吸収領域２６で強くなる。各アンテナ間の電流の位相を、制御部を構成する位相回路１４と１６で操作すると、高周波の吸収領域は高周波吸収領域２６から移動しプラズマが強く生成される位置が時間的に真空窓６直下の面内で２次元的に移動する。
【００３０】
図４Ａ−図４Ｃを用いて、２系統のアンテナを例に、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部を用いた、アンテナに流す高周波電流の位相等の操作の方法の一例を説明する。図４Ａに示す例では２系統のアンテナに流す電流の位相差を、位相回路１４、１６、及び制御装置２０からなる制御部により位相差０度から１８０度以上の範囲で時間的に変化させる。時間変化の周期は、少なくとも数秒から数分程度の処理時間の間に１周期以上で、プラズマの分布変化が追随する程度に低周波であることを考慮し最大５０ｋＨz以下が適当である。尚、プラズマ処理条件が複数のステップから構成される場合、上記の処理時間は、最も処理時間が短いステップの処理時間とする。プラズマ分布変化のスピードは、移動速度の遅いイオン速度で制限される。ここで、プラズマ分布の時間変化の特長的時間を簡単に見積もる。
【００３１】
分布変化するときのイオンの速度はボーム速度と呼ばれる次式２で表される。
UB=√(kTe/M)                      ‐-‐  （２）
ここで、
ｋ : Boltzmann constant (1.3807E-23 J/K)
ｅ : 電子の電荷 (1.6022E-19 C)
Te : 電子温度（K）
M  :  イオンの質量（ｋｇ）
イオンの種類をエッチング処理で一般に用いられる塩素（質量数３５）を用い、電子温度として５ｅＶ（５８０００Ｋ）を例に計算すると、ボーム速度はＵＢ＝３７００（ｍ／ｓ）となる。本実施例におけるプラズマ分布が時間的に変化する特長的距離Ｌは約０．１（ｍ）とすると、イオンが移動して分布が変化する特長的時間ＴはＴ＝Ｌ／ＵＢで見積もられＴ＝２７μｓとなり、応答可能な周波数としては３７ｋＨｚ（１／２７μ）となる。
【００３２】
したがって、この周波数より高周波ではイオンが分布変化に追随できないことになる。そのため、プラズマ生成位置を時間的に変化させるためのアンテナに流す電流の位相又は出力の時間変調も数十ｋＨｚ以下にする必要がある。応答する周波数はイオンの種類（質量）に依存するため酸素では５５ｋＨｚとなり、電子温度にも依存するが、応答周波数の限界周波数としては概略５０ｋＨｚと見積もれる。時間変化の波形は、正弦波が基本であるが整合回路の制御が可能な範囲で任意である。
【００３３】
図４Ｂでは、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部により２系統の高周波電源の周波数をずらすことで、周波数差に比例し時間的に位相差が生じる方法を示している。この場合も、周波数差を最大５０ｋＨｚ以下にすることが適当である。また、２系統の高周波電源のそれぞれの周波数を同じにし、出力された周波数を時間変化させることにより、位相差を時間変化させても良い。
【００３４】
図４Ｃでは、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部により各系統の出力である電流値を時間変化させる方式で、各系統のアンテナに流す電流値である電流強度を、位相をずらせて時間変化させている。このアンテナの電流値の時間変化の波形は、図示のようなパルス波形など、任意の波形で電流値である電流強度を変調することで、アンテナ直下の高周波の吸収領域を時間的に移動可能である。
【００３５】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃでは２系統を例に説明したが、３系統以上のｎ（ｎは３以上の整数）系統の場合も同様に、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部により、隣合ったアンテナ間各系統間の位相差の時間変化のタイミングを３６０/ｎ度ずらして時間変化させることで、高周波の吸収位置が順次時間変化する。また、アンテナ電流の強度に関しても、３系統以上のｎ系統の場合でも隣合ったアンテナ間の強度変調の時間変化のタイミングを３６０/ｎ度ずらせば良い。
【００３６】
次に、実施例１の変形例として、ｎ系統として３系統のアンテナを用い誘導結合プラズマ方式のプラズマ処理装置の実施例を説明する。図５を用いて、３系統のアンテナの場合のアンテナ形状及び配置について説明する。同図に見るように、３系統のアンテナ６３ａ、６３ｂ、６３ｃは、各系統のアンテナが約６０度で交差し、ウエハ３の領域全面に三角形を形成する。高周波電源６１ａ、６１ｂ、６１ｃの出力は、整合器６２ａ、６２ｂ、６２ｃを介して各アンテナへ供給される。各アンテナの終端部の回路構成は、図示を省略しているが、各アンテナの端子間電圧を調整するために接地部とアンテナ終端間にコンデンサとコイル等で構成される回路が設けてある。
【００３７】
図示を省略した、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部を構成する制御装置２０による各高周波電源の制御により、各系統への高周波印加の電流強度を時間変調させる場合を例に説明すると、例えば高周波電源６１ａが出力する電流Ｉ１が最大になるタイミングには図の高周波吸収領域６４で高周波が強く吸収されプラズマ生成が主に起こる。電流強度の時間変化が１２０度進めば高周波電源６１ｂの系統のアンテナ６３ｂに沿ってプラズマ生成が強まり、更に電流強度の時間変化が１２０度進むとアンテナ６３ｃに沿った領域でのプラズマ生成が強まる。このように、電流強度を変調する場合には、プラズマ生成領域が時間的に移動する。その結果、プラズマ密度分布の時間変化に対応してウエハ３に向かうイオンの方向がウエハ面内で一様に時間変化する。一般に、ウエハには、プラズマからイオンを引き込むために高周波を印加する手法が利用されている。
【００３８】
図６を用いて、以上説明した実施例１の構成において、ウエハに高周波を印加した場合の、ウエハへの入射角について説明する。ウエハ３に高周波電源２１からの、周波数４００ｋＨｚから数１０ＭＨｚの高周波出力を電力数１０Ｗから数ｋＷを印加すると、ウエハ３とプラズマ１との間のシース領域５１に電界が生じ、電子に比べて質量が大きなイオンは主に電界の直流電圧成分Ｖｄｃ（Ｖ）で加速される。実際にイオンが応答する電界は、印加する高周波の周波数に依存し数１００ｋＨｚであれば高周波成分の電界にも多少応答するが、一般的な１３．５６ＭＨｚの高周波電源の場合には直流電圧成分Ｖｄｃ（Ｖ）で加速される。
【００３９】
電位差Ｖｄｃでウエハ方向５３に加速されるイオン速度Ｕは、次式３で示される。
Ｕ=√（2eＶdc/Ｍ）              ‐-‐  （３）
ここで、
ｅ : 電子の電荷 (1.6022E-19 C)
Ｍ : イオン質量
である。
【００４０】
したがって、ウエハ３に入射するときの角度５６（θin）は、シースへの入射するイオンの入射角５５（θ0）と入射速度５２（Ｕ０）のとき次式４で表わされる。
θin＝tan-1(Ｕ0tanθ0/Ｕ)        ‐-‐  （４）
その結果、シースへの入射角５５（θ0）をウエハ面内で一様に時間的に変化させることで、ウエハに入射する角度を式４に従って制御され一様化される。
【００４１】
図７Ａ，図７Ｂを用いて、ウエハに入射するイオンの入射角を時間的に変化させたときのエッチング処理に対する効果を説明する。図７Ａは従来のイオン４１が一定の入射角でウエハに入射する場合、図７Ｂは本実施例に対応し、イオンの入射方向が時間的に変化する場合を模式的に示した。図７Ａでは、マスク膜４５をカバーとして被エッチング膜４３がエッチングされる。ウエハ３には高周波電源２１を用いて高周波が印加されており、イオン４１が高周波による電界でウエハ方向のイオン速度４２で被エッチング膜４６に入射しエッチングが進行する。このとき、イオン速度４２の方向はウエハ位置によって大凡一定であるため、エッチング領域の側壁部４０はテーパー形状になる。テーパー形状になる理由は、イオン４１の側壁部４０への入射角θｘにイオンによるスパッタ効率が依存するためで、一般に、入射角θｘが９０度に近づくとスパッタ効率が急激に低下しテーパー形状でエッチングが進行する。
【００４２】
本実施例に対応する図７Ｂでは、イオン４１の被エッチング膜への入射角４８（θ１）が時間的に変化し傾くため側壁部が垂直（９０度）近くになっても側壁への入射角θｘが９０度より入射角θ１小さくなり、エッチング形状が垂直近くまで進行することができる。
【００４３】
以上、実施例１にかかるプラズマ処理装置を誘導結合プラズマエッチング装置に適用した例について説明したが、本発明の実施例に限定されない。例えば、本実施例ではアンテナを交差させて平面的にプラズマ生成位置を時間的に変化させたが、イオンの入射角が径方向だけに分布を持つ場合にはアンテナを径方向だけに配置して生成位置を径方向に時間変化さても良い。
【実施例２】
【００４４】
実施例２として、複数のアンテナを径方向だけに配置した場合のプラズマ処理装置の実施例を示す。図８において、真空窓６の中央部の試料ウエハに対抗する位置に同心円状で４本のアンテナ７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄを配置している。各アンテナ７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄへの給電は、２系統の高周波電源７１ａと７１ｂを用いて、高周波電源７１ａからは位相回路７２ａを介して高周波の電流を制御した後、アンテナ７３ａからアンテナ７３ｃに繋がり高周波電流が流れる。高周波電源７１ｂからは位相回路７２ｂを介して高周波の電流を制御した後、アンテナ７３ｂからアンテナ７３ｄに高周波電流が流れる。本実施例において、アンテナ７３ａと７３ｂ、アンテナ７３ｃと７３ｄが各々隣り合った誘導アンテナを構成し、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部により、隣り合った誘導アンテナ各々の高周波電流の位相差を、周期的に時間変化させる。
【００４５】
なお、各アンテナの終端は、図示されていなインピーダンス回路等を介して配線７５によりアースに繋がっている。該インピーダンス回路はコンデンサ又はインダクタンスで構成されており各アンテナ７３の終端部の高周波電位を操作することができる。各アンテナ系統の電流Ｉ１及びＩ２の位相は、高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部を構成する位相回路７２ａ、７２ｂで制御され、電流Ｉ１及びＩ２が図示された矢印の方向に流れる位相の場合には各系統のアンテナ間の高周波吸収領域７４で高周波電力が強く吸収される。位相回路７２ａ、７２ｂにより電流の位相が矢印の方向から変化各系統の電流位相差が１８０度になると、高周波が強く吸収される領域は各アンテナ７３の直下に移動する。本実施例の構成においては、試料ウェハの径方向においてイオンの入射角を一様にすることができる。
【実施例３】
【００４６】
次に、実施例３として上述した誘導結合方式のプラズマ処理装置の電極の構造の一例を示す実施例を説明する。
【００４７】
図９は、実施例１に係るプラズマ処理装置で用いた電極の一構成例を模式的に示す平面図である。図１の装置において、電極１７は、アンテナ１２の高電圧が容量結合によりプラズマに不必要に印加されることを防ぐ目的と、電極１７に繋げた高周波電源１８の高周波電圧を制御することで真空窓６に付着する汚れイオンスパッタを利用しクリーニングすることを目的としている。
【００４８】
図９に示す電極１７は、アンテナに流れる高周波電流が誘起する渦電流を抑えるために小型の導体板８１を２次元的の配列し真空窓６を覆っている。各導体板８１間の配列は、アンテナ導体８０に沿って導体板８１を配列することでアンテナ導体８０に沿った方向に流れる誘導電流が導体板８１間の隙間で遮断される。各導体板８１の結線は、アンテナ導体８０の方向と交差する位置の導体板８１を配線８２及び交差部配線８３で繋げることで渦電流に対するインダクタンスを大きくし渦電流を抑えている。各導体板８１は、インピーダンス回路又は高周波電源８４を用いて、導体板８１に誘導される高周波をインピーダンス回路を介して接地するか、又は高周波電源で高周波を印加し真空窓のクリーニングを行うことができる。
【実施例４】
【００４９】
次に、実施例４として誘導結合方式のプラズマ処理装置の高周波電源の位相差又は出力を時間変化させるに好適な高周波電流の位相差又は電流値を周期的に時間変化させる制御部の一構成例を示す実施例を説明する。図１０Ａは、２系統の電源間の電流の位相差を制御する制御部の一実施例、図１０Ｂは電源出力である電流値を制御する制御部の一実施例を模式的に示す図である。
【００５０】
図１０Ａの電流の位相差を制御する制御部の場合は、装置全体を制御する制御装置２０から波形発信器９１を操作し、目的とする位相差の時間変化に対応した時間変化電圧波形Ｖ０（ｔ）を発生させ位相シフター９２に入力する。位相シフター９２の機能は、入力信号である電圧波形Ｖ０（ｔ）に比例して電源制御装置９４により高周波電源９３の電流位相を制御することができる。このとき高周波電源９３ｂの位相を基準の位相として一定で、高周波電源９３ａの位相を時間変化させれば２系統間の電流の位相がＶ０（ｔ）に比例して時間変化させることができる。電流の位相を制御する方法としては、図１０Ａの構成以外に、高周波電源本体に位相を制御する機能を備えた電源も利用可能であり、その場合には波形発信器９１の出力を各高周波電源に制御信号として入力することで各系統の電流位相を時間変化させることもできる。
【００５１】
図１０Ｂの電源出力を制御する制御部の場合では、波形発信器９１からの例えば矩形波形を位相シフター９２で位相差を与える。位相シフター９２の出力は電源制御装置９４の出力を操作する入力信号として入力する。ここで位相シフター９２による矩形信号の位相差を操作することで各系統間の高周波電源が交互に出力するよう時間変化させることができる。波形発信器９１の波形は、矩形波だけでなく三角波、パルス状、正弦波等が可能であり、本手法により各系統のアンテナに流れる電流の強度及び位相差を時間変化させることができる。
【００５２】
以上説明した各実施例において、誘導アンテナの各系統に供給する高周波の電流出力又は位相の時間変化は、位相差又は前記電流強度を周期的に変化させ処理時間の間に１周期から周波数１ＭＨｚ以下の範囲にすることが好ましい。また、電流間の位相差は、各系統の前記高周波電源の電流位相を時間変調すべく、各系統の高周波電源の周波数を１ＭＨｚ以下の範囲で周波数差を設けることができる。更に、試料と対向する誘電体窓と試料との距離は、イオン入射角の一様化の観点から、試料の直径よりも短かい距離であることが好ましい。
【００５３】
以上詳述してきた本発明のプラズマ処理装置によれば、複数系統の高周波アンテナに流れる電流間の位相差又は電流値を連続的に時間変化することで、プラズマへの高周波吸収領域を掃引することにより、ウエハに入射するイオン入射角を試料全面において時間平均して一様化することが可能になる。
【００５４】
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のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の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。
【符号の説明】
【００５５】
１  プラズマ
２  処理室
３  被処理物であるウエハ
４  ウエハ支持台
５  排気口
６  真空窓
１１、１２、６３、７３  アンテナ
１３、１５、１８、２１、６１、７１、８４、９３  高周波電源
１４、１６、７２  位相回路
１７  電極
１９、２２、６２  整合器
２０  制御装置
２５、２６  高周波吸収領域
２７  イオン
２８  イオン速度方向
２９  シースへの入射角
３０a、３０b  電流の方向
３１a、３１b、７５，８２  配線
３５  磁力線
３６、３７a、３７ｂ、６４、７４  高周波吸収領域
４０  側壁部
４３  側壁部への入射角
４５  マスク材
４６  被エッチング膜
５１  シース領域
５２  シースへの入射速度
５３  シース電界の方向
５４  ウエハへの入射速度
５５  シースへの入射角
５６  ウエハへの入射角
６１  高周波電源
６２  整合器
６３  アンテナ
６４  高周波吸収領域
８０  アンテナ導体
８１  導体板
８３  交差部配線
９１  波形発信器
９２  位相シフター
９４  電流制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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