(57)【要約】【課題】誘導結合型のプラズマ処理においてチャンバ内に形成されるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布を効率よく任意に制御すること。【解決手段】この誘導結合型プラズマ処理装置においては、誘導結合プラズマを生成するために誘電体窓５２の上に設けられるＲＦアンテナ５４が径方向で内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２に分割されている。高周波給電部６６の高周波伝送路上に設けられる第１ノードＮAと第２ノードＮBとの間で、中間コイル６０および外側コイル６２には可変の中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８がそれぞれ電気的に直列接続され、内側コイル５８にはリアクタンス素子が一切接続されない。【選択図】  図２
2015130349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の窓を有する処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、
前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、
前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部と
を具備し、
前記ＲＦアンテナが、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルを有し、
前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される可変の外側コンデンサとが設けられ、
前記内側コイルは、前記第１のノードと前記第２のノードとの間にリアクタンス素子を介さずに接続されている、
プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記内側コイル、前記中間コイルおよび前記外側コイルには、周回方向で同じ向きの電流がそれぞれ流れる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記中間コイルには、前記内側コイルを流れる電流と周回方向で逆向きの電流が流れる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記中間コンデンサは、前記中間コイルと直列共振を起こすときの値よりも小さな値の静電容量を有する、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記外側コイルには、前記内側コイルを流れる電流と周回方向で同じ向きの電流が流れる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記外側コンデンサは、前記外側コイルと直列共振を起こすときの値よりも大きな値の静電容量を有する、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記外側コイルには、前記内側コイルを流れる電流と周回方向で逆向きの電流が流れる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記外側コンデンサは、前記外側コイルと直列共振を起こすときの値よりも小さな値の静電容量を有する、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
誘電体の窓を有する処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、
前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、
前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部と
を具備し、
前記ＲＦアンテナが、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルを有し、
前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記内側コイルと電気的に接続される固定もしくは半固定の内側コンデンサと、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される可変の外側コンデンサとが設けられている、
プラズマ処理装置。
【請求項１０】
誘電体の窓を有する処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、
前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、
前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部と
を具備し、
前記ＲＦアンテナが、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルを有し、
前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記内側コイルと電気的に接続される固定もしくは半固定の内側インダクタと、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される可変の外側コンデンサとが設けられている、
プラズマ処理装置。
【請求項１１】
誘電体の窓を有する処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、
前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、
前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部と
を具備し、
前記ＲＦアンテナが、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルを有し、
前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記内側コイルと電気的に接続される可変の内側コンデンサと、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される固定もしくは半固定の外側コンデンサとが設けられている、
プラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記第２のノードと接地電位の部材との間で接続されている出口側共通コンデンサを有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】
誘電体の窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを有するプラズマ処理装置において前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記ＲＦアンテナを、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルに分割し、
前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記内側コンデンサに接続されるリアクタンス素子を設けずに、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと前記外側コイルと電気的に直列に接続される可変の外側コンデンサとを設け、
前記中間コンデンサおよび前記外側コンデンサの静電容量を選定または可変制御して、前記基板上のプラズマ密度分布を制御する、
プラズマ処理方法。
【請求項１４】
前記中間コンデンサおよび前記外側コンデンサの静電容量の少なくとも一方を直列共振を起こすときの値に近づけることで、前記内側コイルに流れる電流を減少させる、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１５】
前記中間コンデンサおよび前記外側コンデンサの静電容量の少なくとも一方を直列共振を起こすときの値から離すことで、前記内側コイルに流れる電流を増大させる、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１６】
前記被処理基板上のプラズマ密度が径方向で均一になるように、前記中間コンデンサおよび前記外側コンデンサの静電容量を調整する、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１７】
前記中間コンデンサの静電容量を前記中間コイルと直列共振を起こすときの値よりも小さい範囲で可変制御して、前記中間コイルには前記内側コイルを流れる電流と周回方向で逆向きの電流を流す、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１８】
前記中間コンデンサの静電容量を前記中間コイルと直列共振を起こすときの値よりも大きい範囲で可変制御して、前記中間コイルには前記内側コイルを流れる電流と周回方向で同じ向きの電流を流す、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１９】
前記外側コンデンサの静電容量を前記外側コイルと直列共振を起こすときの値よりも小さい範囲で可変制御して、前記外側コイルには前記内側コイルを流れる電流と周回方向で逆向きの電流を流す、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項２０】
前記外側コンデンサの静電容量を前記外側コイルと直列共振を起こすときの値よりも大きい範囲で可変制御して、前記外側コイルには前記内側コイルを流れる電流と周回方向で同じ向きの電流を流す、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特に誘導結合型のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマがよく利用されている。従来より、この種のプラズマ処理には、ＭＨｚ領域の高周波放電によるプラズマが多く用いられている。高周波放電によるプラズマは、より具体的（装置的）なプラズマ生成法として、容量結合型プラズマと誘導結合型プラズマとに大別される。
【０００３】
一般に、誘導結合型のプラズマ処理装置は、処理容器の壁部の少なくとも一部（たとえば天井）を誘電体の窓で構成し、その誘電体窓の外に設けたコイル形状のＲＦアンテナに高周波電力を供給する。処理容器は減圧可能な真空チャンバとして構成されており、チャンバ内の中央部に被処理基板（たとえば半導体ウエハ、ガラス基板等）が配置され、誘電体窓と基板との間に設定される処理空間に処理ガスが導入される。ＲＦアンテナに流れる高周波電流によって、磁力線が誘電体窓を貫通してチャンバ内の処理空間を通過するような高周波数の交流磁界がＲＦアンテナの周りに発生し、この交流磁界の時間的な変化によって処理空間内で方位角方向に誘導電界が発生する。そして、この誘導電界によって方位角方向に加速された電子が処理ガスの分子や原子と電離衝突を起こし、ドーナツ状のプラズマが生成される。
【０００４】
チャンバ内に大きな処理空間が設けられることによって、上記ドーナツ状のプラズマは効率よく四方（特に半径方向）に拡散し、基板上ではプラズマの密度がかなり均される。しかしながら、通常のＲＦアンテナを用いるだけでは、基板上に得られるプラズマ密度の均一性は大抵のプラズマプロセスにおいて不十分である。プラズマプロセスにおいて、基板上のプラズマ密度の均一性または制御性を向上させることは、プロセスの均一性・再現性ひいては製造歩留まりを左右することから、最重要課題の一つである。
【０００５】
誘導結合型のプラズマ処理装置においては、チャンバ内の誘電体窓付近で生成されるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布特性（プロファイル）が重要であり、そのコアなプラズマ密度分布のプロファイルが拡散後の基板上に得られるプラズマ密度分布の特性（特に均一性）を左右する。
【０００６】
この点に関し、径方向におけるプラズマ密度分布の均一性を向上させる技法として、ＲＦアンテナをコイル径の異なる複数の円環状コイルに分割する方式が幾つか提案されている。この種のＲＦアンテナ分割方式には、複数の円環状コイルを直列に接続する第１の方式（たとえば特許文献１）と、複数の円環状コイルを並列に接続する第２の方式（たとえば特許文献２）とがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５８００６１９号
【特許文献２】米国特許第６１６４２４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような従来のＲＦアンテナ分割方式のうち、上記第１の方式は、ＲＦアンテナの全コイル長が全部のコイルを足し合わせた大きな長さになるため、ＲＦアンテナ内の電圧降下が無視できないほど大きく、さらには波長効果によってＲＦアンテナのＲＦ入力端近くに電流の波節部を有する定在波が形成されやすい。このため、上記第１の方式は、径方向はもちろん周回方向においてもプラズマ密度分布の均一性を得るのは難しく、大口径プラズマを必要とするプラズマプロセスには本質的に適していない。
【０００９】
一方、上記第２の方式は、ＲＦアンテナ内の波長効果や電圧降下は並列に分割された個々のコイル毎にその長さに依存するので、アンテナ内の電圧降下が比較的小さいうえ、波長効果を抑制するのにも有利である反面、径方向におけるＲＦアンテナ内の電流分布ひいてはアンテナ直下のプラズマ密度分布を任意に制御するのが難しい。
【００１０】
このため、上記第２の方式を採る従来のプラズマ処理装置は、ＲＦアンテナを構成する全てのコイルにインピーダンス調整用の可変コンデンサを付加（接続）して、各コイルに流すＲＦ電流の比を調節するようにしている。しかしながら、可変コンデンサは高価であり、ＲＦアンテナ内の全てのコイルに可変コンデンサを充てるのはコスト面で望ましくない。また、可変コンデンサの数が多いと、そのぶん調整対象の静電容量（パラメータ）が多くなって調整作業が面倒である。
【００１１】
他方で、従来方式は、プラズマの密度が径方向の中心部で相対的に高くなる不所望なプロファイルを効率よく解消できていない。特に、低圧のプロセスでは、プラズマの拡散の影響が効いて、プラズマ密度が径方向の中心部で一層高くなりやすく、その解決が困難になっている。また、大口径用のプラズマ処理装置においては、内側コイルと外側コイルとの間でコイル径の差が大きいため、プラズマ密度が径方向の中心部で相対的に高くなる傾向が強く、従来方式はプラズマ密度分布の均一化を効率よく達成するのが困難であった。
【００１２】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布を効率的に任意に制御することが可能であり、特に低圧下のプラズマまたは大口径のプラズマに対して径方向のプラズマ密度分布を効率的かつ多様に任意のプロファイルに制御することができる誘導結合型のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の観点におけるプラズマ処理装置は、誘電体の窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを具備し、前記ＲＦアンテナが、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルを有し、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される可変の外側コンデンサとが設けられ、前記内側コイルは前記第１のノードと前記第２のノードとの間にリアクタンス素子を介さずに接続されている。
【００１４】
本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、誘電体の窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部と  を具備し、前記ＲＦアンテナが、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルを有し、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記内側コイルと電気的に接続される固定もしくは半固定の内側コンデンサと、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される可変の外側コンデンサとが設けられている。
【００１５】
本発明の第３の観点におけるプラズマ処理装置は、誘電体の窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを具備し、前記ＲＦアンテナが、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルを有し、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記内側コイルと電気的に接続される固定もしくは半固定の内側インダクタと、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される可変の外側コンデンサとが設けられている。
【００１６】
本発明のプラズマ処理方法は、誘電体の窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを有するプラズマ処理装置において前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記ＲＦアンテナを、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルに分割し、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記内側コンデンサに接続されるリアクタンス素子を設けずに、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと前記外側コイルと電気的に直列に接続される可変の外側コンデンサとを設け、前記中間コンデンサおよび前記外側コンデンサの静電容量を選定または可変制御して、前記基板上のプラズマ密度分布を制御する。
【００１７】
上記第１、第２、第３の観点におけるプラズマ処理装置または上記プラズマ処理方法においては、高周波給電部よりＲＦアンテナに高周波電力を供給すると、ＲＦアンテナの各部つまり内側コイル、中間コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れる高周波電流によって各コイルの周りにＲＦ磁界が発生し、処理容器内に処理ガスの高周波放電つまりドーナツ状プラズマの生成に供する誘導電界が形成される。生成されたドーナツ状プラズマは処理容器内で四方に拡散し、基板上ではプラズマ密度が均される。
【００１８】
内側コイル、中間コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れるコイル電流が周回方向ですべて同じ向きになる場合は、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度は各コイルに対応する位置で極大になる。この場合は、中間コンデンサおよび外側コンデンサの静電容量を可変または調整することにより、内側コイルを流れる内側コイル電流に対して中間コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れる中間コイル電流および外側コイル電流を可変するやり方で、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布ひいては基板上のプラズマ密度分布を制御する。
【００１９】
また、中間コンデンサの静電容量または外側コンデンサの静電容量を調節することにより、中間コイル電流または外側コイル電流を他のコイル電流と逆向きに流すことも可能である。この場合は、ドーナツ状プラズマの中間コイルまたは外側コイルに対応する部分で局所的にプラズマ密度を下げることが可能であり、基板上のプラズマ密度分布制御の自由度を拡張することができる。
【００２０】
本発明の第４の観点におけるプラズマ処理装置は、誘電体の窓を有する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で誘導結合により処理ガスのプラズマを生成するために、前記誘電体窓の外に設けられるＲＦアンテナと、前記処理ガスの高周波放電に適した周波数の高周波電力を前記ＲＦアンテナに供給する高周波給電部とを具備し、前記ＲＦアンテナが、径方向に間隔を開けて相対的に内側、中間および外側にそれぞれ配置され、前記高周波給電部の高周波伝送路に設けられた第１および第２のノードの間で電気的に並列に接続される内側コイル、中間コイルおよび外側コイルを有し、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記内側コイルと電気的に接続される可変の内側コンデンサと、前記中間コイルと電気的に直列に接続される可変の中間コンデンサと、前記外側コイルと電気的に直列に接続される固定もしくは半固定の外側コンデンサとが設けられている。
【００２１】
上記第４の観点におけるプラズマ処理装置においては、高周波給電部よりＲＦアンテナに高周波電力を供給すると、ＲＦアンテナの各部つまり内側コイル、中間コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れる高周波電流によって各コイルの周りにＲＦ磁界が発生し、処理容器内に処理ガスの高周波放電つまりドーナツ状プラズマの生成に供する誘導電界が形成される。生成されたドーナツ状プラズマは処理容器内で四方に拡散し、基板上ではプラズマ密度が均される。
【００２２】
内側コイル、中間コイルおよび外側コイルをそれぞれ流れるコイル電流が周回方向ですべて同じ向きになる場合は、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度は各コイルに対応する位置で極大になる。この場合は、中間コンデンサおよび内側コンデンサの静電容量を可変または調整することにより、外側コイルを流れる外側コイル電流に対して中間コイルおよび内側コイルをそれぞれ流れる中間コイル電流および内側コイル電流を可変するやり方で、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布ひいては基板上のプラズマ密度分布を制御する。
【００２３】
また、中間コンデンサの静電容量の静電容量を調節することにより、中間コイル電流を他のコイル電流と逆向きに流すことも可能である。この場合は、ドーナツ状プラズマの中間コイルまたは外側コイルに対応する部分で局所的にプラズマ密度を下げることが可能であり、基板上のプラズマ密度分布制御の自由度を拡張することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法によれば、上記のような構成および作用により、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布を効率的に制御することが可能であり、特に低圧下のプラズマまたは大口径のプラズマに対して径方向のプラズマ密度分布を効率的かつ多様に任意のプロファイルに制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態における誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】実施形態における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す斜視図である。
【図３】図２の実施例の作用を示すである。
【図４】図２のＲＦアンテナからコンデンサを全部省いた場合の電気的接続図およびその作用を示す図である。
【図５Ａ】実施形態における一実験で用いた可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【図５Ｂ】上記実験において中間コンデンサの静電容量を可変して測定されたコイル電流分布および電子密度分布の変化を示す図である。
【図６Ａ】実施形態の一変形例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａの実施例の作用を説明するための図である。
【図７Ａ】別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【図７Ｂ】別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【図８】別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【図９】別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【図１０】別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【図１１】別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【図１２】別の実施例における可変コンデンサ付きＲＦアンテナのレイアウト構成および電気的接続構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［装置全体の構成および作用］
【００２７】
図１に、本発明の一実施形態における誘導結合型プラズマ処理装置の構成を示す。
【００２８】
このプラズマ処理装置は、平面コイル形のＲＦアンテナを用いる誘導結合型のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は、保安接地されている。
【００２９】
先ず、この誘導結合型プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係しない各部の構成を説明する。
【００３０】
チャンバ１０内の下部中央には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が高周波電極を兼ねる基板保持台として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。
【００３１】
絶縁性筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成され、この排気路１８の上部または入口に環状のバッフル板２０が取り付けられるとともに、底部に排気ポート２２が設けられている。チャンバ１０内のガスの流れをサセプタ１２上の半導体ウエハＷに対して軸対象に均一にするためには、排気ポート２２を円周方向に等間隔で複数設ける構成が好ましい。各排気ポート２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内のプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁の外には、半導体ウエハＷの搬入出口２７を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。
【００３２】
サセプタ１２には、ＲＦバイアス用の高周波電源３０が整合器３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。この高周波電源３０は、半導体ウエハＷに引き込まれるイオンのエネルギーを制御するのに適した一定周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波ＲＦLを可変のパワーで出力できるようになっている。整合器３２は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主にサセプタ、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路を収容している。その整合回路の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
【００３３】
サセプタ１２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック３６が設けられ、静電チャック３６の半径方向外側に半導体ウエハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング３８が設けられる。静電チャック３６は導電膜からなる電極３６ａを一対の絶縁膜３６ｂ，３６ｃの間に挟み込んだものであり、電極３６ａには高圧の直流電源４０がスイッチ４２および被覆線４３を介して電気的に接続されている。直流電源４０より印加される高圧の直流電圧により、静電力で半導体ウエハＷを静電チャック３６上に吸着保持することができる。
【００３４】
サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室または冷媒流路４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット（図示せず）より配管４６，４８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水ｃｗが循環供給される。冷却水ｃｗの温度によって静電チャック３６上の半導体ウエハＷの処理中の温度を制御できる。これと関連して、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５０を介して静電チャック３６の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。また、半導体ウエハＷのローディング／アンローディングのためにサセプタ１２を垂直方向に貫通して上下移動可能なリフトピンおよびその昇降機構（図示せず）等も設けられている。
【００３５】
次に、この誘導結合型プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係する各部の構成を説明する。
【００３６】
チャンバ１０の天井または天板はサセプタ１２から比較的大きな距離間隔を隔てて設けられており、この天板としてたとえば石英板からなる円形の誘電体窓５２が気密に取り付けられている。この誘電体窓５２の上には、チャンバ１０内に誘導結合のプラズマを生成するためのＲＦアンテナ５４を外部から電磁的に遮蔽して収容するアンテナ室５６がチャンバ１０と一体に設けられている。
【００３７】
ＲＦアンテナ５４は、誘電体窓５２と平行で、好ましくは誘電体窓５２の上面に載って、径方向に間隔を開けて内側、中間および外側にそれぞれ配置される内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２を有している。これらのコイル５８、６０，６２は、互いに同軸（より好ましくは同心状）に配置されるとともに、チャンバ１０またはサセプタ１２に対しても同軸に配置されている。
【００３８】
なお、本発明において「同軸」とは、軸対称の形状を有する複数の物体間でそれぞれの中心軸線が互いに重なっている位置関係であり、複数のコイル間に関してはそれぞれのコイル面が軸方向で互いにオフセットしている場合だけでなく同一面上で一致している場合（同心状の位置関係）も含む。
【００３９】
内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２は、電気的には、プラズマ生成用の高周波給電部６６からの高周波給電ライン６８と接地電位部材に至る帰線ライン７０との間（２つのノードＮA，ＮBの間）で並列に接続されている。ここで、帰線ライン７０は接地電位のアースラインであり、電気的に接地電位に保たれる接地電位部材（たとえばチャンバ１０または他の部材）に接続されている。
【００４０】
アースライン７０側のノードＮBと中間コイル６０および外側コイル６２との間には、可変のコンデンサ８６，８８がそれぞれ電気的に直列に接続（挿入）されている。これらの可変コンデンサ８６，８８は、主制御部８４の制御の下で容量可変部９０により一定範囲内でそれぞれ独立かつ任意に可変されるようになっている。以下、ノードＮA，ＮBの間で、内側コイル５８と直列に接続されるコンデンサを「内側コンデンサ」と称し、中間コイル６０と直列に接続されるコンデンサを「中間コンデンサ」と称し、外側コイル６２と直列に接続されるコンデンサを「外側コンデンサ」と称する。
【００４１】
高周波給電部６６は、高周波電源７２および整合器７４を有している。高周波電源７２は、誘導結合の高周波放電によるプラズマの生成に適した一定周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波ＲＦHを可変のパワーで出力できるようになっている。整合器７４は、高周波電源７２側のインピーダンスと負荷（主にＲＦアンテナ、プラズマ）側のインピーダンスとの間で整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路を収容している。
【００４２】
チャンバ１０内の処理空間に処理ガスを供給するための処理ガス供給部は、誘電体窓５２より幾らか低い位置でチャンバ１０の側壁の中（または外）に設けられる環状のマニホールドまたはバッファ部７６と、円周方向に等間隔でバッファ部７６からプラズマ生成空間に臨む多数の側壁ガス吐出孔７８と、処理ガス供給源８０からバッファ部７６まで延びるガス供給管８２とを有している。処理ガス供給源８０は、流量制御器および開閉弁（図示せず）を含んでいる。
【００４３】
主制御部８４は、たとえばマイクロコンピュータを含み、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２６、高周波電源３０，７２、整合器３２，７４、静電チャック用のスイッチ４２、可変コンデンサ８６，８８、処理ガス供給源８０、チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）を制御する。
【００４４】
この誘導結合型プラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック３６の上に載置する。そして、ゲートバルブ２８を閉めてから、処理ガス供給源８０よりガス供給管８２、バッファ部７６および側壁ガス吐出孔７８を介してエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、高周波給電部６６の高周波電源７２をオンにしてプラズマ生成用の高周波ＲＦHを所定のＲＦパワーで出力させ、整合器７４，ＲＦ給電ライン６８および帰線ライン７０を介してＲＦアンテナ５４の内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２に高周波ＲＦHの電流を供給する。一方、高周波電源３０をオンにしてイオン引き込み制御用の高周波ＲＦLを所定のＲＦパワーで出力させ、この高周波ＲＦLを整合器３２および給電棒３４を介してサセプタ１２に印加する。また、伝熱ガス供給部より静電チャック３６と半導体ウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈeガス）を供給するとともに、スイッチ４２をオンにして静電チャック３６の静電吸着力により伝熱ガスを上記接触界面に閉じ込める。
【００４５】
チャンバ１０内において、側壁ガス吐出孔７８より吐出されたエッチングガスは、誘電体窓５２の下の処理空間に拡散する。ＲＦアンテナ５４の各コイル５８，６０，６２を流れる高周波ＲＦHの電流によってそれらのコイルの周りに発生する磁力線（磁束）が誘電体窓５２を貫通してチャンバ１０内の処理空間（プラズマ生成空間）を横切り、処理空間内で方位角方向の誘導電界が発生する。この誘導電界によって方位角方向に加速された電子がエッチングガスの分子や原子と電離衝突を起こし、ドーナツ状のプラズマが生成される。
【００４６】
このドーナツ状プラズマのラジカルやイオンは広い処理空間で四方に拡散し、ラジカルは等方的に降り注ぐようにして、イオンは直流バイアスに引っぱられるようにして、半導体ウエハＷの上面（被処理面）に供給される。こうして半導体ウエハＷの被処理面にプラズマの活性種が化学反応と物理反応をもたらし、被加工膜が所望のパターンにエッチングされる。
【００４７】
ここで「ドーナツ状のプラズマ」とは、チャンバ１０の径方向内側（中心部）にプラズマが立たず径方向外側にのみプラズマが立つような厳密にリング状のプラズマに限定されず、むしろチャンバ１０の径方向内側より径方向外側のプラズマの体積または密度が大きいことを意味する。また、処理ガスに用いるガスの種類やチャンバ１０内の圧力の値等の条件によっては、ここで云う「ドーナツ状のプラズマ」にならない場合もある。
【００４８】
この誘導結合型プラズマエッチング装置は、ＲＦアンテナ５４をコイル径の異なる内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２に分割してＲＦアンテナ５４内の波長効果や電位差（電圧降下）を効果的に抑制または低減し、さらには内側コイル５８を除いて中間コイル６０および外側コイル６２に可変コンデンサ８６，８８を直列に接続する構成により、半導体ウエハＷ上のプラズマ密度分布を簡単かつ効率的に制御できるようにしている。
［ＲＦアンテナの基本的な構成及び作用］
【００４９】
図２および図３に、この誘導結合型プラズマエッチング装置におけるＲＦアンテナ５４のレイアウトおよび電気的接続（回路）の基本構成を示す。
【００５０】
図２に示すように、内側コイル５８は、間隙または切れ目Ｇiを挟んで一周する半径一定の単巻き円環状コイルからなり、径方向においてチャンバ１０の中心寄りに位置している。内側コイル５８の一方の端つまりＲＦ入口端５８inは、上方に延びる接続導体９２および第１ノードＮAを介して高周波給電部６６のＲＦ給電ライン６８に接続されている。内側コイル５８の他方の端つまりＲＦ出口端５８outは、上方に延びる接続導体９４および第２ノードＮBを介してアースライン７０に接続されている。
【００５１】
中間コイル６０は、間隙または切れ目Ｇmを挟んで一周する半径一定の単巻き円環状コイルからなり、径方向において内側コイル５８よりも外側でチャンバ１０の中間部に位置している。中間コイル６０の一方の端つまりＲＦ入口端６０inは、径方向で内側コイル５８のＲＦ入口端５８inに隣接しており、上方に延びる接続導体９６および第１ノードＮAを介して高周波給電部６６のＲＦ給電ライン６８に接続されている。中間コイル６０の他方の端つまりＲＦ出口端６０outは、径方向で内側コイル５８のＲＦ出口部５８outに隣接しており、上方に延びる接続導体９８および第２ノードＮBを介してアースライン７０に接続されている。
【００５２】
外側コイル６２は、間隙または切れ目Ｇoを挟んで一周する半径一定の単巻き円環状コイルからなり、径方向において中間コイル６０よりも外側でチャンバ１０の側壁寄りに位置している。外側コイル６２の一方の端つまりＲＦ入口端６２inは、径方向で中間コイル６０のＲＦ入口端６０inに隣接しており、上方に延びる接続導体１００および第１ノードＮAを介して高周波給電部６６のＲＦ給電ライン６８に接続されている。外側コイル６２の他方の端つまりＲＦ出口端６２outは、径方向で中間コイル６０のＲＦ出口端６０outに隣接しており、上方に延びる接続導体１０２および第２ノードＮBを介してアースライン７０に接続されている。
【００５３】
図２に示すように、ＲＦアンテナ５４の上方に延びる接続導体９２〜１０２は、アンテナ室５６（図１）内で誘電体窓５２から十分大きな距離を隔てて（相当高い位置で）横方向の分岐線または渡り線を形成しており、各コイル５８，６０，６２に対する電磁的な影響を少なくしている。
【００５４】
上記のようなＲＦアンテナ５４内のコイル配置および結線構造において、高周波電源７２からＲＦ給電ライン６８、ＲＦアンテナ５４およびアースライン７０を通って接地電位部材まで廻った場合、より端的には第１ノードＮAから第２ノードＮBまでＲＦアンテナ５４を構成する各コイル５８，６０，６２の高周波分岐伝送路を廻った場合に、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２をそれぞれ通るときの向きはいずれも図２で反時計回りであり、周回方向で同じである。
【００５５】
この実施形態の誘導結合型プラズマエッチング装置においては、高周波給電部６６より供給される高周波の電流がＲＦアンテナ５４内の各部を流れることにより、ＲＦアンテナ５４を構成する内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２の周りにはアンペールの法則にしたがってループ状に分布する高周波数の交流磁界が発生し、誘電体窓５２の下には比較的内奥（下方）の領域でも処理空間を半径方向に横断する磁力線が形成される。
【００５６】
ここで、処理空間における磁束密度の半径方向（水平）成分は、チャンバ１０の中心と周辺部では高周波電流の大きさに関係なく常に零であり、その中間の何処かで極大になる。高周波数の交流磁界によって生成される方位角方向の誘導電界の強度分布も、径方向において磁束密度と同様の分布を示す。つまり、径方向において、ドーナツ状プラズマ内の電子密度分布は、マクロ的にはＲＦアンテナ５４内の電流分布にほぼ対応する。
【００５７】
この実施形態におけるＲＦアンテナ５４は、その中心または内周端から外周端まで旋回する通常の渦巻コイルとは異なり、アンテナの中心部に局在する円環状の内側コイル５８とアンテナの中間部に局在する円環状の中間コイル６０とアンテナの周辺部に局在する円環状の外側コイル６２とからなり、ＲＦアンテナ５４内の電流分布は各コイル５８，６０，６２の位置に対応した同心円状の分布になる。
【００５８】
ここで、内側コイル５８には、そのループ内で一様または均一な高周波の電流（以下「内側コイル電流」と称する。）Ｉiが流れる。中間コイル６０には、そのループ内で一様または均一な高周波の電流（以下「中間コイル電流」と称する。）Ｉmが流れる。外側コイル６２には、そのループ内で一様または均一な高周波の電流（以下「外側コイル電流」と称する。）Ｉoが流れる。
【００５９】
こうして、チャンバ１０の誘電体窓５２の下（内側）に生成されるドーナツ状プラズマにおいては、図３に示すように、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２のそれぞれの直下の位置付近で電流密度（つまりプラズマ密度）が極大になる。このように、ドーナツ状プラズマ内の電流密度分布は径方向で均一ではなく凹凸のプロファイルとなる。しかし、チャンバ１０内の処理空間でプラズマが四方に拡散することによって、サセプタ１２の近傍つまり基板Ｗ上ではプラズマの密度が均される。
【００６０】
この実施形態においては、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２のいずれも円環状コイルであり、コイル周回方向で一様または均一な高周波電流が流れるので、コイル周回方向では常にドーナツ状プラズマ内はもちろんサセプタ１２の近傍つまり基板Ｗ上でも略均一なプラズマ密度分布が得られる。
【００６１】
また、径方向においては、後述するように中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ86，Ｃ88を所定の範囲内で適切な値に可変ないし選定することにより、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６０をそれぞれ流れる電流Ｉi，Ｉm，Ｉoのバランスを調節して、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布を自在に制御することができる。このことによって、サセプタ１２の近傍つまり基板Ｗ上のプラズマ密度分布を自在に制御することが可能であり、プラズマ密度分布の均一化も高い精度で容易に達成することができる。
【００６２】
この実施形態においては、ＲＦアンテナ５４内の波長効果や電圧降下は個々のコイル５８，６０，６２毎にその長さに依存する。したがって、個々のコイル５８，６０，６２で波長効果を起こさないように、各コイルの長さを選定することによって、ＲＦアンテナ５４内の波長効果や電圧降下の問題を全て解決することができる。波長効果の防止に関しては、各コイル５８，６０，６２の長さを高周波ＲＦHの１／４波長よりも短くすることが望ましい。
【００６３】
このコイル長に関する１／４波長未満条件は、コイルの径が小さいほど、巻数が少ないほど、満たされやすい。したがって、ＲＦアンテナ５４内でコイル径の最も小さい内側コイル５８は、複数巻きの構成を容易に採り得る。他方、コイル径の最も大きい外側コイル６２は、複数巻きよりは単巻きの方が望ましい。中間コイル６０は、半導体ウエハＷの口径、高周波ＲＦHの周波数等にも依存するが、通常は外側コイル６２と同様に単巻きが望ましい。
［ＲＦアンテナに付加されるコンデンサの機能］
【００６４】
この実施形態における主要な特徴は、ＲＦアンテナ５４を径方向においてコイル径の異なる３つのコイル５８，６０，６２に並列に分割するとともに、中間コイル６０および外側コイル６２には可変の中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８をそれぞれ電気的に直列接続する一方で、内側コイル５８にはリアクタンス素子（特にコンデンサ）を一切接続していない構成にある。
【００６５】
ここで、図４に示すようにＲＦアンテナ５４の何処にもコンデンサを付加しない場合を考える。この場合、内側コイル５８の直下には中間コイル６０および外側コイル６２の直下よりも著しく濃いプラズマが生成される。その理由は、次のとおりである。すなわち、コイル導線の太さ（半径）がａ、コイル径（半径）がｒの単巻き円環状コイルの自己インダクタンスＬは次の式（１）で表わされる。
【数１】
2015130349.tif 000003
ただし、μoは真空の透磁率である。また、コイル径（半径）ｒは、コイル内周の半径とコイル外周の半径との中間値である。
【００６６】
上式（１）から、自己インダクタンスＬはコイル半径ｒに略線形的に比例する。このような円環状コイルのインピーダンスＺは、高周波の周波数をｆとすると、Ｚ＝２πｆＬであり、自己インダクタンスＬに比例する。したがって、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２のコイル半径をたとえば５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍとすると、内側コイル５８には中間コイル６０を流れる中間コイル電流Ｉmの約２倍、外側コイル６２を流れる外側コイル電流Ｉoの約３倍の内側コイル電流Ｉiが流れる。円環状コイルによって生成されるプラズマの密度は、半径が小さいほど若干効率は低くなるものの、おおよそ半径に依らずコイル電流の電流量に依存する。このため、内側コイル５８の直下には中間コイル６０や外側コイル６２の直下よりも数倍濃いプラズマが生成される。これによって、サセプタ１２の近傍つまり半導体ウエハＷ上のプラズマ密度分布は、径方向の中心部が突出して高くなるようなプロファイルとなる。
【００６７】
ところで、コイルは正のリアクタンスを有し、コンデンサは負のリアクタンスを有する。したがって、コイルにコンデンサを接続すると、コイルの正のリアクタンスをコンデンサの負のリアクタンスが打ち消すため、合成リアクタンスはコイルのリアクタンスよりも低くなる。したがって、内側コイル５８にコンデンサを接続して内側コイル電流Ｉiの電流量を増やすのは、プラズマ密度分布の均一化には効かず、むしろ逆効果になる。
【００６８】
このことは、各コイル５８，６０，６２をそれぞれＮi，Ｎm，Ｎoターンのスバイラル状コイルで構成した場合も同じである。すなわち、各コイルのインダクタンスはターン数（巻数）に比例するため、それぞれのインピーダンスもターン数に比例する。よって、内側コイル５８と外側コイル６２をそれぞれ流れるコイル電流Ｉi，Ｉoの比は、Ｉi：Ｉo＝ｒo＊Ｎo＊Ｎi：ｒi＊Ｎi＊Ｎo＝ｒo：ｒiとなる。一方、両コイル５８，６２の直下にそれぞれ生成されるプラズマの密度ｎi，ｎoはコイル電流×ターン数で決まる。よって、内側コイル５８および外側コイル６２の直下に生成されるプラズマの密度ｎi，ｎoの比は、ｎi：ｎo＝ｒo＊Ｎo＊Ｎi：ｒi＊Ｎi＊Ｎo＝ｒo：ｒiとなり、この場合も半径の比で決まる。内側コイル５８と中間コイル６０との間でも同様である。このように、内側コイル５８の直下には、中間コイル６０および外側コイル６２の直下よりも常に濃いプラズマが生成される。
【００６９】
現実には、整合器７４の出口から当該コイルまでの配線のインピーダンスも無視できない。整合器７４の出口からＲＦアンテナ５４までの高さ方向で配線の長さが決まるので、配線の長さは内側・中間・外側の間で同程度と仮定してよく、配線インピーダンスは内側・中間・外側で等しいとする。そうすると、たとえば外側コイル６２および内側コイル５８がそれぞれ７５Ω、２５Ωのインビーダンスを有する場合に、配線インピーダンスをおおよそ１０Ωとすると、Ｉi：Ｉo＝（７５＋１０）：（２５＋１０）＝８５：３５＝２．４１：１となり、依然として２倍以上の開きがある。
【００７０】
圧力が比較的高く（通常１００mTorr以上）、プラズマの拡散の影響が効きにくい場合には内側と外側とで上記のようなバランスになるが、圧力が低くなって拡散の影響が効いてくると中心部のプラズマ密度は更に突出して高くなる。
【００７１】
このように、どのような条件の下でも、電気的に並列に接続されたコイル径の異なる複数のコイルの間では最も内側のコイルの直下でプラズマ密度が相対的に高くなるという法則が成り立つ。
【００７２】
この実施形態では、上記の知見に基づいて、ＲＦアンテナ５４の両端子間（第１および第２ノードＮA，ＮB間）で、内側コイル５８にはコンデンサを一切付加（接続）せずに、中間コイル６０および外側コイル６２には可変コンデンサ８６，８８を直列接続し、それら可変コンデンサ８６，８８の静電容量Ｃ86，Ｃ88を合成リアクタンスを下げる方向に調節することにより、中間コイル６０および外側コイル６２をそれぞれ流れるコイル電流Ｉm，Ｉoの電流量を適度に増やして、コイル電流Ｉi，Ｉm，Ｉoを略同じ大きさに揃えることも、あるいは内側コイル電流Ｉiよりも中間コイル電流Ｉmおよび／または外側コイル電流Ｉoを大きくすることも可能にしている。ここで、可変コンデンサ８６，８８によるコイル電流Ｉm，Ｉoの増加分はすべて中間コイル６０および外側コイル６２を流れてプラズマ生成に寄与するので、高周波パワーの無駄を生じない。
【００７３】
通常、径方向中心部でプラズマ密度が突出して高くなるプロファイルを是正するには、大まかには、内側コイル５８を流れる内側コイル電流Ｉiと外側コイル６２を流れる外側コイル電流Ｉoとの比（バランス）を調節するのが効率的である。この実施形態では、両コイル電流Ｉi，Ｉoの比を調節するには、外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88のみを可変すればよい。
【００７４】
この場合、様々な条件下でプラズマ密度分布を均一化するうえで、外側コイル電流Ｉoと外側コイル６２のターン数ｎoの積Ｉo＊ｎoの可変範囲が内側コイル電流Ｉiと内側コイル５８のターン数ｎiの積Ｉi＊ｎiよりも小さい下限値と大きい上限値をもつことが望ましい。内側コイル電流Ｉiと外側コイル電流Ｉoの比が内側コイル５８のインピーダンス（以下「内側インピーダンス」と称する。）と外側コイル６２および外側コンデンサ８８の合成インピーダンス（以下「外側合成インピーダンス」と称する。）の逆数の比に比例することから、内側インピーダンス（固定値）をＺi、外側合成インピーダンス（可変値）の最小値および最大値をそれぞれＺo(min)，Ｚo(max)とすると、このコイル電流×ターン数に関する上記の条件は、次のように表わされる。
【数２】
2015130349.tif 000004
・・・（２）
【００７５】
さらに、内側インピーダンスＺiおよび外側合成インピーダンスＺoは、結線部を除けばそれぞれの平均コイル半径に依存する。結線部の影響は無視できないが支配的な影響ではないので、上記の条件を次のように表わすこともできる。
【数３】
2015130349.tif 000005
・・・（３）
【００７６】
ここで、Ｃo(min)は、調整可能範囲の中で外側合成インピーダンスＺoを最小にするときの外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88の値である。Ｃo(max)は、調整可能範囲の中で外側合成インピーダンスＺoを最大にするときの外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88の値である。なお、Ｃo(min)，Ｃo(max)は、必ずしもＣ88の可変範囲の最小値および最大値に一致するものではない。外側合成インピーダンスＺoが最小になるのは、外側コイル６２と外側コンデンサ８８が直列共振を起こすときであり、Ｃo(min)はそのときの外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88の値である。また、外側合成インピーダンスＺoが最大になるのは、その直列共振点から外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88を可変範囲の上限あるいは下限まで離していったときのどちらか一方であり、Ｃo(max)はそのときの外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88の値である。
【００７７】
このように、内側コイル５８にはコンデンサを接続しないで、外側コイル６２に外側コンデンサ８８を直列に接続し、外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88を可変することにより、内側コイル電流Ｉiと外側コイル電流Ｉoの比を任意に調整し、ＲＦアンテナ５４の直下で生成されるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布の大まかなプロファイル（特に中心部と周辺部のバランス）を任意に制御することができる。
【００７８】
この実施形態では、更に、内側コイル５８と外側コイル６２との間に中間コイル６０を配置し、この中間コイル６０にも可変の中間コンデンサ８６を直列に接続している。これは、ドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布（特に中間部）をより精細に制御するためであり、低圧下のプラズマまたは大口径のプラズマを生成する場合に特に有用である。
【００７９】
中間コイル６０を設ける代わりに、たとえば外側コイル６２をスパイラル状に形成してアンテナ５４の中間部の領域を外側コイル６２でカバーする構成も考えられる。しかし、その場合は、外側コイル６２の全ての区間で同一のコイル電流Ｉoが流れるために、アンテナ中間部の直下でプラズマ密度が相対的に高くなりやすく、たとえば径方向で均一なプロファイルにするのが難しくなる。
【００８０】
また、実際のプロセスでは、アンテナ中間部の直下でドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度を強制的に下げた方が径方向全体で望ましい（たとえばフラットな）プロファイルが得られることもある。特に、周辺部のプラズマ密度を所望のレベルまで引き上げるために外側コイル電流Ｉoの電流量を強めに増やした場合に、このような状況になりやすい。
【００８１】
このような場合に、中間コンデンサ８６を効果的に機能させることができる。すなわち、中間コイル６０と中間コンデンサ８６の合成リアクタンス（以下「中間合成リアクタンス」と称する。）Ｘmが負の値になるように、中間コンデンサ８６の静電容量Ｃ86を直列共振点の値よりも低い領域で可変する。これによって、中間コイル電流Ｉmを周回方向で逆向きに、しかも任意の電流量で流し（特に殆ど０の状態から僅かに増やすことも可能であり）、それによって中間コイル６０の直下におけるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度を局所的に自在に制御し、ひいてはサセプタ１２の近傍つまり半導体ウエハＷ上で径方向全体のプラズマ密度分布を自在に制御することができる。
【００８２】
上記のような中間コンデンサ８６の機能は、図５に示すような実験で確かめられている。この実験では、図５Ａに示すように、ＲＦアンテナ５４において、内側コイル５８を直径１００ｍｍで２回巻き（２ターン）に形成し、中間コイル６０および外側コイル６２をそれぞれ直径２００ｍｍ、３００ｍｍで単巻き（１ターン）に形成した。主なプロセス条件として、高周波ＲＦHの周波数は１３．５６ＭＨｚ、ＲＦパワーは１５００Ｗ、チャンバ１０内の圧力は１００mTorr、処理ガスはＡｒとＯ2の混合ガス、ガスの流量はＡｒ／Ｏ2＝３００／３０sccmであった。
【００８３】
この実験において、外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88を５６０ｐＦに固定して、中間コンデンサ８６の静電容量Ｃ86を１３ｐＦ，４０ｐＦ，６４ｐＦに可変すると、図５Ｂに示すように中間コイル電流Ｉmが−０．４Ａ，−５．０Ａ，−１１．２Ａと変化し、中間コイル６０の直下付近で電子密度（つまりプラズマ密度）Ｎeを局所的かつ任意に下げられることが確認できた。なお、内側および外側コイル電流Ｉi，Ｉoは、Ｃ86＝１３ｐＦのときはそれぞれ１６．４Ａ，１８．３Ａであり、Ｃ86＝４０ｐＦのときはそれぞれ１７．４Ａ，１９．４Ａであり、Ｃ86＝４０ｐＦのときはそれぞれ１９．０Ａ，２０．１Ａであった。逆向きに流れる中間コイル電流Ｉmの電流量を増やしていくと、順方向に流れる内側コイル電流Ｉiおよび外側コイル電流Ｉoの電流量もそれにつられて幾らか増えるが、両コイル電流Ｉi，Ｉoの比（バランス）は殆ど変化しないことがわかる。
【００８４】
この実施形態のＲＦアンテナ５４における他の機能として、外側コイル６２と外側コンデンサ８８の合成リアクタンス（以下「外側合成リアクタンス」と称する。）Ｘoが負の値になるように、外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88を直列共振点の値よりも低い領域で可変し、これによって外側コイル電流Ｉ0を逆向きに流すことも可能である。たとえば、プラズマが径方向外側に広がりすぎてチャンバ１０の内壁がダメージを受けやすい場合に、外側コイル６２に逆向きのコイル電流Ｉoを流すことにより、プラズマを外側コイル６２の内側に閉じ込め、チャンバ１０内壁のダメージを抑制することができる。この機能は、たとえば径方向に間隔を空けてコイル径の異なる複数の中間コイル６０を配置する場合、あるいは外側コイル６２をサセプタ１２よりも径方向外側に配置する場合に、特に有用である。
【００８５】
また、この実施形態においては、中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ86，Ｃ88の少なくとも一方を直列共振を起こすときの値に近づけることで、内側コイル５８に流れる内側コイル電流Ｉiを減少させることが可能である。また、中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ86，Ｃ88の少なくとも一方を直列共振を起こすときの値から離すことで、内側コイル電流Ｉiを増大させることも可能である。すなわち、内側コイル電流Ｉiと中間コイル電流Ｉmと外側コイル電流Ｉoとの間には、Ｉi：Ｉm：Ｉo＝（１／Ｚi）：（１／Ｚm）：（１／Ｚo）の関係がある。したがって、Ｃ86および／またはＣ88を直列共振を起こすときの値に近づけると、Ｚmおよび／またはＺoが直列共振に近づくほど小さな値になり、それによって、相対的にＩmおよび／またはＩoが大きくなり、相対的にＩiが小さくなる。また、Ｃ86および／またはＣ88を直列共振を起こすときの値から離すと、Ｚmおよび／またはＺoが直列共振から離れるほど大きな値になり、それによって、相対的にＩmおよび／またはＩoが小さくなり、相対的にＩiが大きくなる。
［ＲＦアンテナに関する他の実施例または変形例］
【００８６】
上記実施形態では、プラズマ密度分布を制御するうえで（特に均一化するうえで）、内側コイル電流Ｉiの電流量を増やす方向に可変する必要はないとの観点から内側コイル５８にはコンデンサを付けなかった。
【００８７】
しかし、内側コイル電流Ｉiの電流量を積極的または強制的に制御することが有用である場合もある。たとえば、チャンバ１０内の圧力が低い場合は、プラズマは径方向中心部に集まりやすい傾向がある。この問題に対しては、上記のように外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88を可変して内側コイル電流Ｉiと外側コイル電流Ｉoの比を調整することにより大方対処できるが、それでも対処しきれない場合がある。
【００８８】
そこで、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ＲＦアンテナ５４において、第１ノードＮAと第２ノードＮBとの間に内側コイル５８と電気的に直列に固定または半固定の内側コンデンサ１０４を接続する。この構成においても、内側コイル５８と内側コンデンサ１０４の合成リアクタンス（以下「内側合成リアクタンス」と称する。）Ｘiが所望の値になるように、内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ104を適度な値に選定または調整することが可能である。このように固定または半固定の内側コンデンサ１０４と可変の外側コンデンサ８８を設ける場合も、各コイルのターン数や外側コンデンサ８８の静電容量Ｃ88の可変制御に関して上記と同様の条件式（２），（３）が当てはまる。
【００８９】
また、プラズマ密度分布制御の自由度ないし精度をある程度犠牲にするが、コスト低減のために図７Ａおよび図７Ｂに示すように内側コンデンサ１０４に可変コンデンサを用いて外側コンデンサ８８に固定または半固定コンデンサを用いる構成も可能であり、あるいは図示省略するが中間コンデンサ８６に固定または半固定コンデンサを用いる構成であり、さらには中間コンデンサ８６を省く構成も可能である。
【００９０】
このように固定または半固定の外側コンデンサ８８と可変の内側コンデンサ１０４を設ける場合は、様々な条件下でプラズマ密度分布を均一化するうえで、内側コイル電流Ｉiと内側コイル５８のターン数ｎiの積Ｉi＊ｎiの可変範囲が外側コイル電流Ｉoと外側コイル６２のターン数ｎoの積Ｉ0＊ｎoよりも小さい下限値と大きい上限値をもつことが望ましい。内側コイル電流Ｉiと外側コイル電流Ｉoの比が内側コイル５８および内側コンデンサ１０４の合成インピーダンス（内側合成インピーダンス）と外側コイル６２および外側コンデンサ８８の合成インピーダンス（外側合成インピーダンス）の逆数の比に比例することから、外側インピーダンス（固定値）をＺ0、内側合成インピーダンス（可変値）の最小値および最大値をそれぞれＺi(min)，Ｚi(max)とすると、このコイル電流×ターン数に関する上記の条件は、次のように表わされる。
【数４】
2015130349.tif 000006
・・・（４）
【００９１】
さらに、内側合成インピーダンスＺiおよび外側合成インピーダンスＺoは、結線部を除けばそれぞれの平均コイル半径に依存する。結線部の影響は無視できないが支配的な影響ではないので、上記の条件を次のように表わすこともできる。
【数５】
2015130349.tif 000007
・・・（５）
ここで、Ｃi(min)は、調整可能範囲の中で内側合成インピーダンスＺiを最小にするときの内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ104の値である。Ｃi(max)は、調整可能範囲の中で内側合成インピーダンスＺiを最大にするときの内側コンデンサ１０４の静電容量の値である。なお、Ｃi(min)，Ｃi(max)は、必ずしもＣ104の可変範囲の最小値および最大値に一致するものではない。内側合成インピーダンスＺiが最小になるのは、内側コイル５８と内側コンデンサ１０４が直列共振を起こすときであり、Ｃi(min)はそのときの内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ104の値である。また、内側合成インピーダンスＺiが最大になるのは、その直列共振点から内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ104を可変範囲の上限あるいは下限まで離していったときのどちらか一方であり、Ｃi(max)はそのときの内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ104の値である。
【００９２】
このように、内側コイル５８には可変の内側コンデンサ１０４を接続し、外側コイル６２には固定または半固定の外側コンデンサ８８を直列に接続し、内側コンデンサ１０４の静電容量Ｃ104を可変することにより、内側コイル電流Ｉiと外側コイル電流Ｉoの比を任意に調整し、ＲＦアンテナ５４の直下で生成されるドーナツ状プラズマ内のプラズマ密度分布の大まかなプロファイル（特に中心部と周辺部のバランス）を任意に制御することができる。
【００９３】
また、変形例として、内側コイル電流Ｉiの電流量を積極的または強制的に減らすために、図８に示すように、第１ノードＮAと第２ノードＮBとの間に内側コイル５８と電気的に直列に好ましくは可変のインダクタ１０６を接続する構成も可能である。この場合、中間コンデンサ８６も別の可変インダクタに置き換える構成、あるいはコスト低減のために外側コンデンサ８８を省く構成等が可能である。
【００９４】
この実施形態のＲＦアンテナ５４を構成する各コイル５８，６０，６２のループ形状は円形に限るものではなく、被処理体の形状等に応じて、たとえば図９に示すような四角形であってもよい。このようにコイル５８，６０，６２のループ形状が多角形である場合でも、中間コイル６０および外側コイル６２には可変の中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８をそれぞれ電気的に直列接続する一方で、内側コイル５８にはコンデンサを一切接続しない構成を好適に採ることができる。
【００９５】
なお、２辺の長さがそれぞれａ，ｂで、巻線の太さが半径ｄの長方形コイルのインダクタンスＬは次の式（６）で表わされる。
【数６】
2015130349.tif 000008
・・・（６）
この式（６）から分かるように、長方形コイルのインダクタンスＬはおおよそ２つの辺ａ，ｂの長さに比例する。よって、円形コイルの場合と同様に、内側コイル５８にはコンデンサを設けなくても、中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８によってプラズマ密度分布を簡便かつ任意に制御することができる。
【００９６】
図１０には、ＲＦアンテナ５４を構成するコイル（内側コイル５８／中間コイル６０／外側コイル６２）の各々が空間的かつ電気的に並列な関係にある一対のスパイラルコイルからなる例を示す。波長効果がそれほど問題にならない場合は、このようなスパイラルコイルを使用してもよい。
【００９７】
図示の構成例において、内側コイル５８は、周回方向で１８０°ずらして並進する一対の複数ターン（図示の例ではそれぞれ２ターン）のスパイラルコイル５８ａ，５８ｂからなる。これらのスパイラルコイル５８ａ，５８ｂは、高周波電源７２側のノードＮAよりも下流側に設けられたノードＮCとアースライン７０側のノードＮBよりも上流側に設けられたノードＮDとの間で電気的に並列に接続されている。
【００９８】
中間コイル６０は、周回方向で１８０°ずらして並進する一対の複数ターン（図示の例ではそれぞれ２ターン）のスパイラルコイル６０ａ，６０ｂからなる。これらのスパイラルコイル６０ａ，６０ｂは高周波電源７２側のノードＮAよりも下流側に設けられたノードＮEとアースライン側のノードＮBよりも（さらには中間コンデンサ８６よりも）上流側に設けられたノードＮFとの間で電気的に並列に接続されている。
【００９９】
外側コイル６２は、周回方向で１８０°ずらして並進する一対の複数ターン（図示の例ではそれぞれ２ターン）のスパイラルコイル６２ａ，６２ｂからなる。これらのスパイラルコイル６２ａ，６２ｂは高周波電源７２側のノードＮAよりも下流側に設けられたノードＮGとアースライン７０側のノードＮBよりも（さらには外側コンデンサ８８よりも）上流側に設けられたノードＮHとの間で電気的に並列に接続されている。
【０１００】
このように、内側コイル５８、中間コイル６０および外側コイル６２をそれぞれｋi，ｋm，ｋo個のスパイラルコイルに並列に分割した場合、ＲＦアンテナ５４にコンデンサが一切付かないとすると、各コイル５８，６０，６２の直下に生成されるプラズマの密度ｎi，ｎm，ｎoの比は、次の近似式（７）のようになる。
ｎi：ｎm：ｎo≒（ｋi／ｒｉ）：（ｋm／ｒｉ）：（ｋo／ｒｉ）  ・・・（７）
【０１０１】
したがって、図示の例のように、分割数ｋi，ｋm，ｋoが同じ（２つ）である場合は、内側コイル５８の直下で生成されるプラズマつまり中心部のプラズマの密度が相対的に高くなってしまう。このような場合は、内側コイル５８にはコンデンサを接続しないで、中間コイル６０および外側コイル６２に可変の中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８をそれぞれ直列に接続する構成が最も望ましい。
【０１０２】
また、別の変形例として、図１１に示すように、中間コンデンサ８６および外側コンデンサ８８を高周波電源７２側の第１ノードＮAと中間コイル６０および外側コイル６２のＲＦ入口端６０in，６２inとの間にそれぞれ接続する構成も可能である。このように、インピーダンス調整用のコンデンサまたはインダクタを第１ノードＮAと各コイルとの間に接続する構成は、他の実施例または変形例（図６Ａ，図８，図９，図１０）にも適用可能である。
【０１０３】
図１２に、ＲＦアンテナ５４の終端側で、つまり第２ノードＮBとアースライン７０との間（あるいはアースライン７０上）にＲＦアンテナ５４内のすべてのコイル５８，６０，６２と電気的に直列に接続される出側の共通コンデンサ１０８を備える構成を示す。この出側（終端）の共通コンデンサ１０８は、通常は固定コンデンサであってよいが、可変コンデンサであってもよい。
【０１０４】
出側（終端）共通コンデンサ１０８は、ＲＦアンテナ５４の全体のインピーダンスを調整する機能を有するだけでなく、ＲＦアンテナ５４の全体の電位を接地電位から直流的に引き上げて、天板または誘電体窓５２が蒙るイオンスパッタを抑制する機能を有する。
【０１０５】
図示省略するが、ＲＦアンテナ５４において、内側コイル５８の径方向内側および／または外側コイル６２の径方向外側に更に別のコイルを配置し、全体で４つ以上のコイルを径方向に間隔を空けて配置し、かつ電気的に並列接続する構成も可能である。
【０１０６】
上述した実施形態における誘導結合型プラズマエッチング装置の構成は一例であり、プラズマ生成機構の各部はもちろん、プラズマ生成に直接関係しない各部の構成も種種の変形が可能である。
【０１０７】
たとえば、ＲＦアンテナの基本形態として、平面型以外のタイプたとえばドーム型等も可能である。処理ガス供給部においてチャンバ１０内に天井から処理ガスを導入する構成も可能であり、サセプタ１２に直流バイアス制御用の高周波ＲＦLを印加しない形態も可能である。
【０１０８】
さらに、本発明による誘導結合型のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法は、プラズマエッチングの技術分野に限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマプロセスにも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。
【符号の説明】
【０１０９】
１０    チャンバ
１２    サセプタ
２６    排気装置
５２    誘電体窓
５４    ＲＦアンテナ
５８    内側コイル
６０    中間コイル
６２    外側コイル
６６    高周波給電部
７０    アースライン
７２    プラズマ生成用の高周波電源
７４    整合器
８０    処理ガス供給源
８４    主制御部
８６    中間コンデンサ
８８    外側コンデンサ
９０    容量可変部  
【図１】
2015130349.tif 000009
【図３】
2015130349.tif 000010
【図４】
2015130349.tif 000011
【図５Ａ】
2015130349.tif 000012
【図５Ｂ】
2015130349.tif 000013
【図６Ａ】
2015130349.tif 000014
【図６Ｂ】
2015130349.tif 000015
【図７Ａ】
2015130349.tif 000016
【図７Ｂ】
2015130349.tif 000017
【図８】
2015130349.tif 000018
【図９】
2015130349.tif 000019
【図１１】
2015130349.tif 000020
【図１２】
2015130349.tif 000021
【図２】
2015130349.tif 000022
【図１０】
2015130349.tif 000023