(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造物加工用プラズマ反応装置であって：
加工チャンバーを規定する反応装置囲い；
前記製造物の加工時においてこれを支持するため前記チャンバー内に設置された基板；
前記基板の上空に設置され、前記反応装置囲いを構成する半導体製窓電極であって、電源に接続される半導体製窓電極；
前記チャンバー内にプラズマ反応ガスを導入するためのガス導入システム；
前記半導体製窓電極に接続された電気端子；及び、
前記半導体製窓電極を通じて前記チャンバー内に誘電結合力を導入するために、前記半導体製窓電極の片側に隣接してかつ前記基板に対向して設置された誘電アンテナを備え、
前記半導体製窓電極は前記誘導アンテナと前記反応装置囲い内部のプラズマ処理領域の間に位置する製造物加工用プラズマ反応装置。
【請求項２】
前記製造物が水平基板であり、かつ前記半導体製窓電極が、前記水平基板に対してほぼ平行でかつ上空に位置する前記反応装置囲い天井部からなり、かつ前記誘電アンテナが前記天井部の上部において前記半導体製窓電極を通じて前記水平基板に対向する位置に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応装置。
【請求項３】
前記半導体製製造物が水平基板であり、かつ前記半導体製窓電極が、前記水平基板に対してほぼ垂直にかつ周囲を取り巻くように設置された前記反応装置囲い側壁部からなり、かつ前記誘電アンテナが前記側壁部に隣接して設置されていることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ反応装置。
【請求項４】
前記水平基板と前記半導体製窓電極とがお互いに逆極となるような方法で、前記水平基板及び、前記半導体製窓電極の前記電気端子に接続したバイアスＲＦ電源を、さらに有することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ反応装置。
【請求項５】
前記半導体製窓電極の前記電気端子を接地して、前記水平基板に平行でかつ上部に位置する接地面を形成することを特徴とする請求項４に記載のプラズマ反応装置。
【請求項６】
前記半導体製窓電極の前記電気端子を接地することにより、前記製造物に対する接地面を形成していることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ反応装置。
【請求項７】
前記誘電界に対して電力を供給するために、前記ＲＦ誘電アンテナに接続されたプラズマ源ＲＦ電源；及び、
一方の極側に前記製造物を、逆極側に前記半導体製窓電極の前記電気端子を接続したプラズマバイアスＲＦ電源をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ反応装置。
【請求項８】
前記半導体製窓電極が、複数の副部品に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項９】
前記複数の副部品が、同心状であることを特徴とする請求項８に記載の反応装置。
【請求項１０】
前記副部品が：
半導体製窓中心円盤部；及び、
前記中心円盤部に対して同心状である半導体製窓端部環状部からなり、
１つの電源からＲＦ電力を受信し、かつそれぞれが前記半導体製窓中心円盤部及び半導体製窓端部環状部に接続された一対のＲＦ電力アウトプットを有するＲＦ電力分配器を有することを特徴とする請求項８に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
技術分野：
本発明は、半導体ウエハ等被加工物を間に挟んだ形で設置される一対の平行平板及び、平行平板のうち一方を通じて反応装置内部にＲＦ電力を供給する誘電コイルアンテナを有するプラズマ反応装置に関する。
背景技術：
マイクロエレクトロニクス半導体ウエハの加工時に使用される誘電型プラズマ反応装置、例えばオグルによるＵＳ特許４９４８４５８号に開示されているような装置は、平行平板容量型プラズマ反応装置に比較すると、優れた特長を有する。例えば、誘電型プラズマ反応装置においてはイオン密度が高い（１０11ｉｏｎｓ／ｃｍ3オーダー）。加えて、誘電型プラズマ反応装置においては、製造物又はウェハにバイアスを印加することにより、プラズマイオン密度及びプラズマイオンエネルギーを自在に制御できる。一方、近年一般的に使用されているタイプの容量型プラズマ反応装置はイオン密度が低く（例えば１０10ｉｏｎｓ／ｃｍ3オーダー）、また、イオン密度やイオンエネルギーを制御できない。例えば、二酸化シリコンのエッチングに使用される誘電型プラズマエッチング装置においてはイオンの対ニュートラル密度比が高いので、微小な（例えば０．５ミクロン程度）エッチングを行う際にエッチング異方性、エッチング形状、及びエッチング選択性等の面で優れたエッチング特性を示す。一方、平行平板型容量型プラズマ反応装置においてはイオンの対ニュートラル密度比が低いので通常約０．２５ミクロン程度でエッチング停止が起こってしまい、また、エッチング異方性やエッチング形状も劣っている。
先述のＵＳ特許４９４８４５８号に開示された誘電型プラズマ反応装置はチャンバー天井部の半導体ウエハに対面する位置に水平コイルを設置しており、これによってウエハ表面上のＲＦ誘電界を最適に均質化するものである。チャンバーの減圧シールであるこの天井部は、例えば石英のように、コイルにより生じるＲＦ誘電界を伝達できる材料すなわち絶縁体でなければならない。酸化アルミニウム等他の絶縁体を使用することも可能であるが、石英を使用した場合に比べるとスパッタリングによる汚染を引き起こしやすい。
容量型プラズマ反応装置の特長は、平行平板電極の間隔を狭くすることによりチャンバーの容量をきわめて小さくでき、比較的高い圧力下（例えば２００ｍＴｏｒｒ）において操作が可能であり、プラズマを製造物上に限定して又は集中して照射しやすい点である。一方、誘電型プラズマ反応装置は、ＲＦ誘電界の厚さを確保するためにチャンバーの容量を大きくする必要があり、また、プラズマイオンの再結合によるロスを防ぐために低圧下（例えば１０ｍＴｏｒｒ）で操作し、かつ排気速度をより高める必要がある。上述のＵＳ特許４９４８４５８号の実施形態においては、側壁部面積が大きいためにチャンバー容量を大きくする必要が生じている。（上部コイルにより印加されるＲＦ誘電界を存続させるための絶縁体窓が必要であるから）ＲＦの回帰する接地部はチャンバー側壁部の他にはないので、チャンバー側壁部は導体である必要があり、かつ接地部又はＲＦ回帰面として作用する必要がある。しかし、側壁部にはウエハ出入口のスリットバルブやガス配管口等の不連続部分が多く、接地板としてはあまり適当ではない。このような不連続部は電流分布を不均一化して、ウエハ表面に関与するプラズマイオンの分布をも乱してしまう。
つまり、側壁部へと流れる電流が、ウエハ表面に関与するプラズマイオンの分布を不均一化の原因となるのである。
容量型プラズマ反応装置と誘電型プラズマ反応装置とを組み合わせて使用する一手法として、平行平板型プラズマ反応装置の側壁部周囲に側部コイルを巻き付ける手法が、コリンズらによる欧州特許公報０ ５２０ ５１９ Ａ１に開示されている。サイドコイルによるＲＦ誘電界をチャンバー内に導入するためには、円筒形のチャンバー側壁部は石英等絶縁体でなければならない。このタイプのプラズマ反応装置の主な問題点は、ウエハ表面の加工不均一性を示しがちなことである。例えば、エッチレートはウエハ端部で大きく中心部で小さいのでエッチングプロセスの選択肢が限られてしまう。すなわち、ウエハ端部でエッチングが進行していても中心部付近ではエッチングが停止してしまうのである。チャンバ中心部方向への厚みが比較的小さい（例えば２ｃｍ程度、あるいはＲＦ電力の大半が吸収されうる厚さ）誘電コイルを反応チャンバー側壁部に沿って配置してあること、また、チャンバー内への反応ガスを側面から導入していることにより、エッチャントイオン及びラジカルの生成はチャンバー側壁部付近やウエハ端部付近に限局されている。本明細書に言う「エッチャントイオン及びラジカル」とは、フッ素−水素化炭素イオン及びラジカル並びにフッ素−炭素イオン及びラジカル等、エッチング反応に寄与する種々の化学生成物を指す。選択的エッチングを行う場合には、フリーのフッ素イオン及びラジカルの密度が最小となるように既知の手法により調整を行う。プラズマ電源により生成された活性電子は反応ガスと相互に作用して必要とされるエッチャントイオンやラジカルを生成し、さらに、高精度のエッチングプロセスのポリマー形成反応において必要とされる炭素分子又は原子を生成する。
ウエハの中心部付近におけるエッチングプロセスは、ニュートラルやイオンと衝突・再結合を起こさずにチャンバー側壁部付近からウエハ中心部に到達することのできる活性電子に依存しているため、不均一である。この問題は、エッチングプロセスにおけるポリマー形成反応の役割を考慮するとより分かりやすくなる。バリヤらが「プラズマ重合反応における界面の挙動モデル及びプラズマエッチングへの適用（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｏｃｉｅｔｙ，ｖｏｌｕｍｅ １３７，Ｎｏ．８（Ａｕｇｕｓｔ １９９０），ｐｐ．２５７５−２５８１ ａｔ ｐａｇｅ１）」において記述しているように、フッ素−炭素（ＣXＦX）又はフッ素−水素化炭素化学反応に関するポリマー形成反応は、エッチング異方性又は形状及びエッチング選択性を高める目的で、例えば酸化シリコンの一般的エッチングプロセスにおいて適用される。Ｃ2Ｆ6等のフッ素−炭素又はフッ素−水素化炭素等チャンバー内に導入されるエッチング反応ガスは、プラズマ中の活性電子との非弾性衝突によって分解され、炭素を生成するとともにエッチャントイオン及びラジカルを生成する。上述のように、エッチャントイオン及びラジカルとは例えば、フッ素−炭素又はフッ素−水素化炭素イオン及びラジカル、及びフリーフッ素イオン及びラジカルをさす。例えばポリシリコン等ある種の材料に関して選択的エッチングを行おうとする場合には、フリーのフッ素イオン及びラジカルはスカベンジングにより完全に消失させなければならない。炭素及び、フッ素−炭素又はフッ素−水素化炭素のイオンまたはラジカルの少なくとも一部分は、ポリマー形成物質として作用する。また、プラズマ中に存在するものはニュートラル又は未分解物質、及びエッチング副生成物を励起する作用を持つ。ポリマー形成ラジカル及び炭素は、以下の作用によりエッチング形状を向上させる。エッチング形状の側壁部へのポリマー形成（プラズマによって生じる活性な下方イオン流にによる、垂直面へのポリマー形成）により側壁部のエッチングが阻止され、その結果、異方性を持った（狭くて深い）形状が形成される。
また、ポリマーは通常適正条件下において、エッチングを行おうとする酸化シリコン上には形成されず、一方、前記酸化シリコン層下に存在しておりかつエッチングされずに残されるべきシリコン又はその他の物質上には形成されることから、ポリマー形成イオン及びラジカルが酸化シリコンのエッチング選択性を高める作用をも持つといえる。すなわち、下部にポリシリコン層が存在する酸化シリコン層が完全にエッチングされると、ポリシリコン層に接するプラズマ中のポリマー形成イオン及びラジカルは、ポリマー層を形成してそれ以上のエッチングを阻止する。
エッチングプロセスにおけるこのようなポリマー形成反応は、エッチャントとポリマーとの微妙なバランス調整を必要とし、エッチャントは適切なポリマー形成を妨げないように濃度調整される。その結果、ウエハ端部において調整されたエッチャントイオンとラジカルの比率はウエハ中心部へ移行する間に変化してしまい、ウエハ中心部のエッチイオン濃度が低下してしまう。従って、ウエハ中心部はエッチレートが低下したりエッチング停止が起こったりしてしまう。
ウエハ端部にイオンが多い理由の一つとして、誘電コイルが側壁部上に位置しており、この付近でイオン生成作用を持つ活性電子が生成されること、そしてこの活性電子がウエハ中心部に到達するまでに冷却されたり消費されたりしてしまい、結果としてウエハ中心部付近でエッチャントイオンやラジカルが殆ど生成されなくなることが挙げられる。さらに、側壁部からは反応ガスの供給やプラズマ源電圧の印加を行うので、ここにエッチャントイオンやラジカルが偏在することが挙げられる。側壁部付近（ウエハ端部の上部）で生成されたエッチャントイオン及びラジカルの大半はウエハ中心部に到達するまでに他の物質との衝突により消耗されてしまい、その結果ウエハ中心部のエッチャントイオン密度は低くなってしまう。
（石英製側壁がエッチングされるので、この高価な石英製側壁の定期的交換が必要となり、装置のコストが上昇してしまうことに注意すべきである。）ウエハ中心部のエッチャントイオンが少ないとポリマーの形成が促進され、特に０．５ミクロン以下のエッチングにおいてはエッチング反応をポリマー形成反応が上回ってエッチング停止を起こしてしまう。また、エッチングサイズが大きくても、エッチング深度が大きい場合やエッチング時間が短い場合において同様のことが起こってしまう。
逆に、選択的エッチングを行おうとする場合においてウエハ端部にエッチャントイオン及びラジカルが多いと、ポリマー形成反応が阻害されてエッチング選択性が低下し、ウエハ端部のエッチレート上昇を招くとともに下層を破壊してしまう。また、チャンバー側壁部及びウエハ周辺部付近の活性電子が上述石英側壁部のエッチング時に生じる酸素と結合して活性プラズマイオン生成が促進され、この活性プラズマイオンがウエハ周辺部付近のフォトレジストマスクを腐食してしまう。その結果、フォトレジストにより規定されるコーナー部分がエッチングされて、所定形状よりも先細りになる現象、すなわちファッセッティングを招いてしまう。
従って、ウエハ端部において下層の破壊及びファセッティングを阻止することと、ウエハ中心部においてエッチング停止を阻止することとは表裏一体相反するものであって、ウエハ全表面を均一にエッチングするには厳密なパラメータ制御が必要となる。ウエハ周辺部のオーバーエッチを防ぐには他の物質（例えばポリマー形成イオン又はラジカル及び炭素）と反応するプラズマ中のエッチャントイオン及びラジカルの密度を低くすれば良いが、それは一方でウエハ中心部でのエッチング停止を招いてしまう。
逆にウエハ中心部のエッチング停止を防ぐにはプラズマ中のエッチャントイオンの密度を高くすれば良いが、それは一方でウエハ端部での下層の破壊やファッセッッティングを招いてしまう。従って、ウエハ全表面を均一にエッチングするための条件は非常に厳しいものとなる。
平行平板型プラズマ反応装置においては、反応チャンバー付近又は上部にシリコン等スカベンジング物質を導入することにより、プラズマ中のフリーフッ素密度を制御することができる。物理的エッチング（スパッタリング）又は化学的エッチング又は反応性イオンエッチングによってスカベンジング物質から生じたシリコン原子は、フッ素イオン及びラジカルと結合してプラズマ中のフッ素イオン及びラジカルの密度を低下させる。物理的又は化学的エッチングによって、スカベンジング物質からシリコン原子の生じる速度を制御することにより、プラズマ中のフッ素イオン及びラジカルの量を上述の厳しいエッチング条件に適合させる（例えば減少させる）ことができる。この物理的又は化学的エッチングのエッチレートの制御は、スカベンジング物質の温度及び／又はイオン衝突度の制御により行うことができる。スカベンジング物質表面は、ＲＦ電力又は加熱いずれかによって（プラズマ中にシリコン原子を放出するレベルに）活性化される。スカベンジング物質の温度をポリマー形成反応開始温度以下に保持すると、表面にポリマーが蓄積して自身からのシリコン原子放出を阻害する。凝集温度以上に保持すると、表面にポリマーが無くなってプラズマ中にシリコン原子を放出する。スカベンジング物質の温度を上昇すればするほど、プラズマ中に放出されるシリコン原子の量は多くなる。
スカベンジング物質はＲＦ電圧印加によって活性化されるので、そのイオン衝突度は隣接の上部平行平板電極から印加されるＲＦ電位又はバイアスにより決定される。このようにしてフリーフッ素密度を低下させるとエッチレートを低下させるとともにポリマー中の炭素含有量を高める効果があるので、ウエハ端部のエッチング工程においてポリマーによる下層の破壊防止作用を高めることができるが、一方、ウエハ中心部においてはエッチング停止が起こる可能性が高くなってしまう。逆にフリーフッ素密度を高めるとエッチレートを高めるとともにポリマー中の炭素含有量を低下させてエッチング工程におけるポリマー形成反応の効果を低下させるので、ウエハ中心部におけるエッチング停止は起こりにくいが、一方、ウエハ端部においては下層の破壊に対するポリマーの保護力が低下してしまう。
プラズマ中のポリマー形成イオン及びラジカルの密度を規定する必要上からも、エッチング条件はきわめて厳しいものとなる。すなわちその条件は、ポリマー形成ラジカル及びイオンがチャンバー天井部又は側壁部（又はスカベンジング物質）上へのポリマー形成反応に使用されてプラズマ中から失われる速度、またはポリマー析出物が天井部又は側壁部（又はスカベンジング物質）からスパッタリングにより失われる速度により規定される。天井部へのポリマー形成反応の速度は、天井部の温度をポリマー形成反応開始温度に対して高くするか低くするかによって決定される。また、ポリマー析出物がエッチングされたりプラズマ中へ放出されたりする速度は、以下の要素により決定される。すなわち、天井部電極から供給されるＲＦ電力、温度、チャンバー圧力、ガス流量、誘導電源電圧、及びその他のパラメータによる。
すなわち、エッチングプロセスの厳しい条件を満たすには、チャンバー天井部又は側壁部又はスカベンジング物質（又はその他）の温度、及び／又は上部／天井部平行平板電極から供給されるＲＦ電力を決定して、プラズマ中のフリーフッ素及びポリマー形成イオン及びラジカルの密度を常に制御しなければならない。
従って、円筒形側壁に巻いた誘電コイルを有する平行平板型プラズマ反応装置は、天井部の電極をウエハ全表面上の均一接地板として使用できる長所を有しているが、一方、プラズマイオン生成がチャンバー側壁部付近に偏在しており、プラズマエッチングがウエハ中心部において弱くウエハ端部において強く進行してしまう欠点がある。上部に水平コイルを有するプラズマ反応装置は、ウエハ表面に関与するＲＦ誘電界がより均一でありプラズマイオン生成がウエハ端部に偏在しないという長所を有しているが、ウエハ上部に均一な接地板がないのでプラズマイオン電流が側壁に向かって流れ、プラズマをゆがめてしまう欠点がある。
本発明の目的は、上部に水平誘電コイルアンテナを有する誘電型プラズマ反応装置と平行平板電極型容量型プラズマ反応装置の長所を組み合わせて、上述の欠点及び問題点のないプラズマ反応装置を提供することである。特に、ウエハ全表面に対する均一なプラズマ加工が可能で、その結果チャンバー圧力等のパラメータの選択範囲を広げてプラズマ加工条件をゆるやかなものにすることが可能な誘電−平行平板電極混合型プラズマ反応装置を提供することである。
また、本発明の目的は、ウエハ全表面に対する物理的特性及び／又は電圧の分配がウエハ表面に対して比較的均一で、プラズマイオン生成をチャンバー側壁部付近に偏在せない作用を持つ誘電コイルアンテナを提供すること、及びウエハ全表面近傍に設置されてチャンバー側壁部へのプラズマ電流を阻止する作用を持つ均一接地面を提供することである。
また、プラズマをなるべくウエハ表面上部に接近させてチャンバー側壁部との相互作用をなるべく少なくするような手段で、そのような接地面を使用することを目的とする。
また、本発明の別の目的は、チャンバー側壁部に従来使用されていた石英やセラミックス等消耗部品をなくすあるいは少なくして、チャンバー側壁部付近におけるプラズマイオンの消耗をなくし、かつ高価な部品のエッチングによる消耗を防ぐことである。
また、本発明の別の目的は、上記反応装置において、均一なエッチング及びポリマー生成ガス配合を提供して、ウエハ端部に対するウエハ中心部の加工均一性を向上することである。特に、チャンバー中心部及び／又は端部いずれにしても、ウエハ表面上の加工均一性を高めるような最適な放射位置からガス導入を行うことである。例えば、エッチレートがウエハ中心部で低く端部で高い場合には、天井部の端部ではなく中心部からガス導入を行うのが望ましい。
また、本発明の別の目的は、ウエハ中心部上のＲＦ誘電界をウエハ端部上よりも高める（必要ならば低める）ことにより、ウエハ中心部の加工均一性をウエハ端部よりも高めることである。特に、ウエハ中心部とウエハ端部それぞれのＲＦ誘電界強度を個別に制御してウエハ表面上のＲＦ誘電界放射分布を調整し、ウエハ表面の加工均一性を高めることを目的とする。
半導体ウエハ上の薄膜の選択エッチングに使用される典型的なプラズマ加工チャンバーにおいては、エッチング反応と析出反応が同時進行している。ポリマーは、低温下（ポリマー形成反応開始臨界温度以下）にある表面上、又はイオン衝突が臨界エネルギー（表面上へのポリマー析出を十分に相殺するような臨界イオンエネルギー）以下である表面上に形成される。臨界温度及び臨界イオンエネルギーは、表面の材質により決定される。析出は、加工チャンバー表面と同様にウエハ表面上にも起こる。加工チャンバー表面への析出と同様にウエハ表面上への析出を制御することが、選択エッチングを制御するうえで重要である。反応チャンバー内壁部上へのポリマー析出は、チャンバー壁の材質がウエハの加工と相容れない場合において必要とされる。例えば、チャンバー壁の材質がアルミニウム、加工が二酸化シリコンのプラズマエッチングという場合である。チャンバー壁上へのポリマー析出は、チャンバー壁がプラズマイオンスパッタリングされるのを防いで、プロセスへのアルミニウムの侵入を阻止する。
ポリマー析出を制御する手段は、以下の二つから選択する。：
（１）加工チャンバー表面を臨界温度以下に保持する、あるいはイオンエネルギーを臨界イオンエネルギー以下に保持して、表面上へのポリマー析出を促す
（２）加工チャンバー表面を臨界温度以上に保持する、あるいはイオンエネルギーを臨界イオンエネルギー以上に保持して、表面上へのポリマー析出を阻止する
手法（１）における問題点は、表面に積層したポリマーを手動式（湿式）又はプラズマ方式（乾式）いずれかの手法で定期的に除去する、あるいは汚染された部品を交換する必要があることである。
さもなくば、ポリマー剥離によってチャンバーが汚染されてしまう。反応チャンバーの清掃中は操業を停止するので生産性が損なわれ、また、操業コストが上昇してしまう。プラズマによるクリーニングを行う場合には、生産性を損なうだけでなくチャンバー内の消耗部品や汚染部品にも無駄が生じる。
手法（２）における問題点は、チャンバー表面素地が露出しているためにその部分がエッチングされてしまうことである。一般に、チャンバー表面材質はアルミニウム又は石英である場合が多い。表面材質がアルミニウムである場合、上述のように表面がエッチングされて副生成物が生じ、ウエハのプラズマ加工時の清浄度を低下させてしまう。表面材質が石英の場合には、表面のエッチング速度が非常に大きく部品交換を頻繁に行う必要があるので、コストが非常に上昇するとともに生産時における時間的な無駄が多い。さらに、ポンピングアニュラス等チャンバー内のより低温な表面にも変化が生じてしまう。
従って、本発明のさらなる目的は、反応チャンバーの定期的な清掃を不要とすることである。また、チャンバーの反応領域表面上へのポリマー堆積を阻止することである。また、その表面上におけるエッチレートを制御することである。さらに、プラズマを加工領域内にとどめて、チャンバー内の加工領域における反応を適切に進行させることである。また、ポンピングアニュラス等チャンバー内の加工領域外にある余剰のポリマー形成物質を集積することである。
発明の開示
本発明は、加工チャンバーとして使用される反応槽、及び半導体製窓、及び加工時に製造物を支持するチャンバー内基板、及び反応ガスをチャンバー内に導入するためのガス導入システム、及び半導体製窓を通じてチャンバー内部に誘電結合力を導入するためにその窓に隣接してかつ基板に対向する位置に設置された誘電アンテナ、を有する製造物加工用プラズマ反応装置により実現化される。製造物は平板材が望ましく、また、半導体製窓（及び誘電アンテナ）はチャンバー内部又は外部いずれかに設置する。後者（外部取り付け）の場合、半導体製窓は平板材にほぼ平行に配された天井部とし、その上に、半導体製窓を通じて平板材に対面するような形で誘電アンテナを設置する。または、半導体製窓を、通常平板材の周囲に垂直に配された反応槽側壁部とし、誘電アンテナを側壁部に隣接して設置する。天井部の上に設置された誘導アンテナは、平板材に対してほぼ平行に配された弧状に伸びる導体部を有し、かつその形状が板状あるいは半球状いずれかであることが望ましい。側壁部に隣接して設置された誘電アンテナは、側壁部を周回する導体コイルとする。
半導体製窓に電気端子が接続されている実施形態においては、半導体製窓が誘導アンテナのシールドとしてばかりでなく電極としても働く。このときの半導体窓は、半導体製窓電極と呼ばれる。
また、別の実施形態においては、ＲＦバイアス電源が平板材に接続され、かつ半導体製窓電極の電気端子がバイアスＲＦ電源の逆極となるように例えば接地等の方法で接続され、製造物の上部に均一な接地面を形成している。
また、別の実施形態においては、一方が半導体製窓電極もう一方が平板材に接続される２個のアウトプット、及び一般電源からのインプットを有する電力分配器を配している。また、別の実施形態においては、半導体製窓電極に接続された第一電源、及び平板材に接続された第二電源を配している。
また、別の実施形態においては、誘電アンテナは、平板材中心部の上に位置する内部アンテナ、及び平板材端部の上に位置しかつ内部アンテナとは電気的に絶縁された外部アンテナからなる。この実施形態において、一方が半導体製窓電極もう一方が誘電アンテナに接続された２個のアウトプット、及び一般電極からのインプットを有する電力分配器を配しても良い。または、内部及び外部誘電アンテナにＲＦ電力を分配するＲＦ分配器を配しても良い。
また、本発明における一実施形態において、電力分配器は、一方が平板材に接続されもう一方が誘電アンテナに接続された２個のアウトプット、及び一般電源からのインプットを有する。この場合、半導体製窓電極の電気端子をＲＦ接地する。または、独立したＲＦ電源を半導体製窓電極の電気端子に接続しても良い。
また、一つの反応装置内に、上部に誘電アンテナを有する天井部半導体製窓電極、及び側壁部誘電アンテナを有する側壁部半導体製窓電極を組み込んでもかまわない。
この場合、天井部誘電誘導アンテナに接続されたアウトプット、及び側壁部誘電アンテナに接続されたアウトプット、及び一般電源に接続されたインプットを有する電力分配器を使用することができる。
半導体製窓と製造物とが互いに逆極となるように、別個にＲＦ電力を印加しても良い。これは、半導体製窓に接続される第一周波数ＲＦ電源及び製造物に接続される第二周波数ＲＦ電源、さらに、第一周波数電力を遮断しかつ第二周波数電力を通過させる作用を有し、ＲＦ接地と半導体製窓電極との間に接続される第一接地パスフィルター及び、第二周波数電力を遮断しかつ第一周波数電力を通過させる作用を有し、ＲＦ接地と製造物との間に接続される第二接地パスフィルターにより実現される。またさらに、第二周波数ＲＦ電力を遮断する作用を有する第一整合フィルターを第一ＲＦ電源と半導体製窓電極との間に、第一周波数ＲＦ電力を遮断する作用を有する第二整合フィルターを第二ＲＦ電源と製造物との間に接続してもよい。
また、別の実施形態においては、導体基板が半導体窓外側表面に設置されるとともに電気端子に直接接続されているが、この導体電極は誘電アンテナによる誘電界が貫通できるように複数の孔を有している。導体基板は、開口部により分割される複数の放射状導体分枝を有し、かつ開口部の幅は半導体製窓電極の厚さとほぼ一致することが望ましい。
さらに別の実施形態においては、構造的支持機能を持つ基板が半導体製窓電極外側表面に設置される。半導体製窓電極と前記基板との間には必要に応じて導体基板が設置され、この導体基板を電気端子に直接接続する。構造的支持機能を持つ基板は、誘電アンテナを支持するアンテナ支持部としても良い。アンテナ支持部は、絶縁体又は導体（ただし誘電アンテナに対しては絶縁されていること）いずれでも良い。導体の場合は、半導体製窓電極外側表面上の導体基板として設置することができる。また、誘電アンテナ上にアーチ状の細長い導体を設け、かつ導体製アンテナ支持部上に半導体窓電極に面するアーチ状の細長い溝を設け、両者を嵌合する構造としても良い。また、さらに別の実施形態として、導体製アンテナ支持部の、半導体製窓電極に対する面上に複数の凹部を設け、かつ誘電アンテナ上にはそれに嵌合する複数の導体製ターンを設置しても良い。
また、別の実施形態においては、誘電アンテナは非同心アーチ形状の導体とする。このような誘電アンテナの一例を挙げると、中心導体部、及びここから外部へと放射する複数の螺旋状部を有するものである。また別の一例を挙げると、外周導体部、及びここから内部へと伸びる複数の螺旋状部を有するものである。
また、別の実施形態においては、誘電アンテナは３次元螺旋構造、あるいは２個の螺旋による同心状３次元構造、又は積層螺旋構造等非平面構造を有する。
ガス導入システムは、平板材上部の半導体製窓電極を貫通する一対のガス導入ポートを有することが望ましい。これらガス導入ポートは、ウエハ中心部上に集約され及び／又はウエハ端部に分配される。中央ガス供給部は、半導体製窓電極外側表面でシールされており、中央ガス供給部と半導体製窓電極との間にガス分岐部を形成し、このガス分岐部がガス導入ポートを取り囲むような構造になっている。一実施形態においては、半導体製隔壁をガス分岐部中に配することにより、中央ガス供給部付近とガス導入ポート付近とに分岐する一対の副分岐部を形成し、かつガス導入ポートから分岐して半導体製隔壁間を通過するガス供給通路を形成している。
ポリマー析出によってチャンバー内部表面を不活性化する必要をなくすために、全半導体製の加工領域をチャンバー内に設けても良い。例えば、半導体製窓又は天井部分から下方へと広がる全半導体製のスカートを配置して、ウエハ上部の加工領域にプラズマを囲い込むと良い。加工領域を囲んでいるこの半導体材料は、二酸化シリコンエッチング等のプラズマ加工を阻害しないこと、すなわちチャンバー内のプラズマに接触しても加工プロセス汚染物質を生成しないことが要求される。一実施形態においては、半導体製囲いは、ポリマー析出を避ける目的で温度制御されている。
また、別の実施形態においては、半導体製囲いに適切な電気バイアスを印加してイオン衝突又はスパッタを促進することにより、半導体製囲い上へのポリマー析出を回避している。また、別の実施形態においては、温度調節と、電気バイアスによるスパッタリングとを組み合わせて回避している。スパッタリングは、半導体製囲い上へのポリマー析出を阻止するのに必要な最低温度を低下させる作用を持つ。これら実施形態においては、反応チャンバー内部の定期的清掃が殆ど必要なく、反応装置における生産効率が大幅に上昇する点において、技術革新が見られる。
プラズマが反応領域外に外れてしまわないように、反応領域とポンプアニュラスとの空間にプラズマ制御磁石を設置しても良い。別の実施形態においては、プラズマを反応領域内に導入するためのプラズマ制御磁石はウエハスリットバルブの周囲に配されている。
プラズマ制御磁石に代えてあるいは加えて、狭いあるいは高形状比の通路（例えばウエハの出入りを可能とするような）により、プラズマの漏洩を防ぐことができる。あるいは、又は加えて、そのような通路を曲折したものにし、かつ隔壁を設けることにより、プラズマの漏洩を防ぐことができる。
チャンバー反応領域から（例えばチャンバーのポンピングアニュラス内に）移動してきたポリマー形成物質を制御するためには、反応領域外部の表面（例えばポンピングアニュラス内部表面）をポリマーの凝集及び析出が起こる温度すなわちポリマー凝集温度以下に保持する。その表面は、着脱可能冷却ライナーとしても良い。
そのような表面を持つ領域（例えばポンピングアニュラス）はウエハ上のプラズマ反応領域から隔離されているので、電気バイアス印加、プラズマ加熱印加、広範な温度変化、又はイオン衝突がなく、そこに堆積していたポリマー形成物質は剥落してしまう。その剥落によりプラズマ中へのポリマー再放出が起こり、かつウエハの汚染が起こってしまう。
ウエハ周辺部と中心部との加工不均一性（例えばエッチレートの不均一性）を解消して均一な加工を行うためには、半導体窓をお互いが電気絶縁された内側及び外側（周辺部と中心部または側壁部と天井部）に分割し、特性の異なるプラズマ源電力をそれぞれに供給すると良い。ＲＦ電力は両者に対して分配供給しても、別々に供給してもよい。加えて、ＲＦ誘電コイルについても同様にお互いが電気絶縁された２つのコイルに分割し、プラズマ源電力を個別に供給すると良い。上部ＲＦ誘電コイルと同様、側部誘電コイルをも半導体製スカートに巻き、かつ上部コイルと別個に電力供給を行っても良く、このときの半導体製囲いはＲＦ電力供給電極、及び上部コイルと側部コイルとの誘電結合力の窓として作用する。
ウエハ中心部及び端部それぞれに対してガス供給部を設け、条件を選択して半導体製囲い中心部と端部それぞれに異なる供給速度及び／又は混合比のプラズマ反応ガスを供給することにより、加工均一性を改善することも可能である。端部ガス供給口はウエハ端部上部のプラズマ配合に寄与し、一方、中心部ガス供給口はウエハ中心部上部のプラズマ配合に寄与する。
端部ガス供給口は、ウエハ中心部に面する側壁部からの複数のガス導入口、又はウエハ端部に下向きに対面するようにして天井部に設置された複数のガス導入口、又はウエハ端部に上向きに対面するようにしてウエハ支持部に設置された複数のガス導入口を有する。中心部ガス供給口は、ウエハ中心部上部の１個のガス導入口、又はウエハ中心部上空に分配された複数のガス導入口、又はシャワーヘッドとする。
本発明の別の実施形態においては、半導体製囲いに電気バイアスを全く供給していないが、この場合には囲いが半導体製である必要はない。例えば、窒化シリコン等の絶縁体であっても良い。また、ポリマー凝集温度に関する温度制御を正確に行うためには熱伝導性の高い材料を用いる必要がある。ウエハ支持部周囲の環状部についても、ポリマー堆積を防ぐために温度制御を行う。この環状部は半導体材料製とする。あるいは、窒化シリコン又は石英等絶縁体製とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、水平なシリコン製天井部の上に水平コイルアンテナを設けたプラズマ反応装置の第一の実施形態を示す図である。
図２は、図１のシリコン製窓を送信及び受信ＲＦコイルの間に設置した場合における、送信ＲＦコイルに対する受信ＲＦコイルの電力伝導係数を標準化して示したグラフである。
図３は、シリコン製窓が円筒形である場合の、送信ＲＦコイルに対する受信ＲＦコイルの電力伝導係数を標準化して示したグラフである。
図４は、シリコン製天井部とウエハ支持部とに電力を分配した場合の一実施形態を示す図である。
図５は、ウエハ支持部、上部誘電コイル、及びシリコン製天井部に対して個別にＲＦ電源を設けた場合の一実施形態を示す図である。
図６は、上部誘電アンテナが同心状の内部及び外部コイルに分割し、個別に電力供給を行う場合の一実施形態を示す図である。
図７は、円筒形シリコン製側壁周囲に巻かれた側部誘電コイルを使用する場合の一実施例を示す図である。
図８は、図７に準じ、かつ１個のＲＦ電源からの電力をシリコン製側壁とウエハ支持部とに分配する場合の一実施形態を示す図である。
図９は、シリコン製側壁、ウエハ支持部、及び側部誘電コイルに対して個別にＲＦ電源を設置した場合の一実施形態を示す図である。
図１０は、シリコン製天井部と上部誘電コイル、及びシリコン製側壁と側部誘電コイルを併用する場合の一実施形態を示す図である。
図１１は、図１０に準じ、かつシリコン製側壁とウエハ支持部とに電力を分配する場合の一実施形態を示す図である。
図１２は、シリコン製天井部、シリコン製側壁、上部誘電アンテナ、及び側部誘電アンテナに対して個別にＲＦ電力を供給する場合の一実施形態を示す。
図１３Ａは、図１に準じ、かつ半球状シリコン製天井部を有する場合の一実施形態を示す図である。
図１３Ｂは、図４に準じ、かつ半球状シリコン製天井部を有する場合の一実施形態を示す図である。
図１３Ｃは、図５に準じ、かつ半球状シリコン製天井部を有する場合の一実施形態を示す図である。
図１３Ｄは、図６に準じ、かつ半球状シリコン製天井部を有する場合の一実施形態を示す図である。
図１４は、半球状シリコン製天井部を有し、かつその天井部に配置された同じく半球状の誘電アンテナが、円筒形側壁に巻かれた円筒形部分に接続されている場合の一実施形態を示す図である。
図１５は、図１４に準じ、誘電アンテナの半球状部分と円筒形部分とが絶縁されており、かつ個別にＲＦ電力を供給する場合の一実施形態を示す図である。
図１６は、図６に準じ、かつ一般ＲＦ電源からの電力を内部及び外部誘電アンテナに分配する場合の一実施形態を示す図である
図１７Ａは、図１５に準じ、かつ一般ＲＦ電源からの電力を誘電アンテナの半球状部分と円筒形部分とに分配する場合の一実施形態を示す図である。
図１７Ｂは、半球状の内部及び外部誘電アンテナを有し、一般ＲＦ電源からの電力をそれらに分配する場合の一実施形態を示す図である。
図１８は、図１０に準じ、かつ一般ＲＦ電源からの電力を上部誘電アンテナと側部誘電アンテナとに分配する場合の一実施形態を示す図である。
図１９は、図１に準じ、かつ一般ＲＦ電源からの電力を上部誘電アンテナとシリコン製天井部とに分配する場合の一実施形態を示す図である。
図２０は、図１に準じ、かつ一般ＲＦ電源からの電力を上部誘電アンテナとウエハ支持部とに分配する場合の一実施形態を示す図である。
図２１は、図１３Ａに準じ、かつ半球状天井部を有し、一般ＲＦ電源からの電力を上部誘電アンテナとこの半球状天井部とに分配する場合の一実施形態を示す図である。
図２２は、図１３Ａに準じ、かつ半球状天井部を有し、一般ＲＦ電源からの電力を上部誘電アンテナとウエハ支持部とに分配する場合の一実施形態を示す図である。
図２３は、ウエハ支持部とシリコン製天井部に対して個別にＲＦ電力を供給し、かつこのときお互いの逆極となるようにする場合の一実施形態を示す図である。
図２４は、図２３に準じ、かつシリコン製天井部が半球状である場合の一実施形態を示す図である。
図２５Ａは、導体基板を有するシリコン製天井部の一実施形態を示す側面図である。
図２５Ｂは、導体基板の一実施形態を示す上面図である。
図２５Ｃは、導体基板の別の実施形態を示す上面図である。
図２６は、支持基板と結合されたシリコン製天井部の一実施形態を示す側面図である。
図２７は、図２６に準じ、かつ支持基板が上部誘電アンテナを支持する絶縁体製支持部である場合の一実施例を示す側面図である。
図２８は、アンテナ支持部が導体である場合の一実施例を示す側面図である。
図２９は、図２８に準じ、かつ導体製アンテナ支持部が内部及び外部上部誘電アンテナを内合する一対の同心状開口部を有する場合の一実施形態を示す側面図である。
図３０Ａは、上部誘電アンテナが非同心状である場合の一実施例を示す上面図である。
図３０Ｂ、３０Ｃは、図３０Ａの誘電アンテナがとりうる水平及び半球状形態を示す側面図である。
図３１Ａは、誘電アンテナが非同心状である場合の別の実施形態を示す上面図である。
図３１Ｂ、３１Ｃは、図３１Ａの誘電アンテナがとりうる水平及び半球状形態を示す側面図である。
図３２は、上部誘電アンテナにおける２つの円筒形螺旋構造を示す側断面図である。
図３３は、図１６に示された内部及び外部アンテナを図３２に示される一対の同心状円筒形螺旋構造とした場合の側断面図である。
図３４は、上部誘電アンテナが積層構造である場合の側断面図である。
図３５Ａから図３５Ｅは、シリコン製天井部の中央ガス供給部の一実施形態を示す図である。図３５Ａは中央ガス供給部の底面透視図、図３５Ｂは環状シール部の底面透視図、図３５Ｃは図３５Ｂのシール部側断面図、図３５Ｄはガス供給孔を示すシリコン天井部上面透視図、図３５Ｅは図３５Ｄのシリコン製天井部部分側断面図である。
図３６Ａは、シリコン製天井部の中央ガス供給部が、シリコンウエハ隔壁により分割された一対のガス通路を有する場合の一実施形態を示す断面図である。
図３６Ｂは、図３６Ａに準ずる別の実施形態を示す図である。
図３７Ａは、図１の実施形態におけるファラデーシールドの方法を示す図である。
図３７Ｂは、図３７Ａのファラデーシールドの上面図である。
図３８Ａは、半球状天井部を有する図１０の実施例におけるファラデーシールドの方法を示す図である。
図３８Ｂは、円筒形半導体製窓電極及び誘電アンテナを有する図７−９におけるファラデーシールドの方法を示す図である。
図３９Ａは、本発明における望ましい一形態を示す詳細側断面図である。
図３９Ｂは、上部誘電アンテナに使用される導体の垂直断面図である。
図４０は、半導体製窓及び誘電アンテナをチャンバー内部に設置する場合の一実施形態を示す図である。
図４１Ａは、図４０に準じ、かつ半導体製窓が半球状である場合の一実施形態を示す図である。
図４１Ｂは、図４０に準じ、かつ半導体製窓及び誘電コイルが円筒形である場合の一実施例を示す図である。
図４２及び図４３はそれぞれ、半導体製窓を分割した場合の一実施形態における側面図及び断面図である。
図４４は、図４２に準じ、かつ半導体製窓が半球状である場合の一実施形態を示す図である。
図４５は、半導体製窓電極とそれから分割された側壁部電極とにＲＦ電力を分配する場合の一実施形態を示す図である。
図４６及び図４７は、図４２及び図４４を修正し、分割半導体製窓電極の外側部分を接地し、かつＲＦ電力を分割半導体製窓電極中心部分とウエハ支持部とに分配した場合の一実施形態を示す図である。
図４８Ａは、ウエハ上部の加工領域にプラズマを囲い込む作用を持った全半導体製囲いを有するプラズマ反応装置の一実施形態を示す断面図である。
図４８Ｂは、図４８Ｂに準じ、かつウエハ支持部に対して水平でなく垂直方向にプラズマ分離を行う場合の一実施形態を示す断面図である。
図４８Ｃは、図４８Ａに準じ、かつ周波数が個別に設定される場合の一実施形態を示す図である。
図４９は、図４８Ａに準じ、かつ全半導体製囲いが単一体である場合の一実施形態を示す断面図である。
図５０は、図４８Ａに準じ、かつ半導体製囲いが円盤状中心部及び、円筒形スカート部を有する環状側部に分割されている場合の一実施形態を示す断面図である。
図５１は、図４８Ａに準じ、かつ半導体製囲いが円盤状中心部、環状側部、及び円筒形スカート部に分割されている場合の一実施形態を示す断面図である。
図５２は、図５０に準じ、かつ分割された内部及び外部誘電コイルを有する場合の一実施形態を示す図である。
図５３は、図５１に準じ、かつ分割された内部及び外部誘電コイルを有する場合の一実施形態を示す図である。
図５４は、図４８Ａに準じ、かつ半導体製囲いの円筒形スカート部周囲に巻かれた円筒形誘電コイルを有する場合の一実施形態を示す図である。
図５５は、図４９に準じ、かつ半導体製囲いの円筒形スカート部周囲に巻かれた円筒形誘電コイルを有する場合の一実施形態を示す図である。
図５６は、図５０に準じ、かつ半導体製囲いの円筒形スカート部周囲に巻かれた円筒形誘電コイルを有する場合の一実施形態を示す図である。
図５７は、図５１に準じ、かつ半導体製囲いの円筒形スカート部周囲に巻かれた円筒形誘電コイルを有する場合の一実施形態を示す図である。
図５８は、図４８Ａに準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図５９は、図４９に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６０は、図５０に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６１は、図５１に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６２は、図５２に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６３は、図５３に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６４は、図５４に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６５は、図５５に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６６は、図５６に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６７は、図５７に準じ、かつ半導体製囲いの天井部分が半球状の場合の一実施形態を示す側面図である。
図６８Ａは、図４８−６７の実施形態において必要に応じて使用されるプラズマ制御磁石の第一の形態を示す図である。
図６８Ｂは、図４８−６７の実施形態において必要に応じて使用されるプラズマ制御磁石の第二の形態を示す図である。
図６８Ｃは、図４８−６７の実施形態において必要に応じて使用されるプラズマ制御磁石の第三の形態を示す図である。
図６８Ｄは、図４８−６７の実施形態において必要に応じて使用されるプラズマ制御磁石の第四の形態を示す図である。
図６８Ｅは、図４８−６７の実施形態において必要に応じて使用されるプラズマ制御磁石の第五の形態を示す図である。
図６９は、図４８Ａに準じ、かつ誘電結合部を有する場合の一実施形態を示す側断面図である。
発明の最適な実施形態
発明の基本概念
図１に示されるように、プラズマ反応装置は円筒形側壁部１０５及び円盤状の天井部１１０及び底部基板１１５に囲まれた密封円筒形チャンバー１００を有する。ウエハ支持部１２０は、反応装置内で加工される半導体基板又は製造物１２５を支持している。
ウエハ支持部１２０は、本書参照文中に記されている、１９９５年７月２６日登録、及び特許明細書受託者譲渡、及び出願中のケネス Ｓ．、コリンズらによるＵ．Ｓ．特許明細書Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．０８／「電流密度変動を伴うプラズマ電源」において開示されているように、ウエハ支持部１２０は静電支持部としても良い。バイアスＲＦ電源１３０は、一般的に用いられる形態のインピーダンス整合回路１３５を通じてウエハ支持部１２０にＲＦ電力を供給する。このようなインピーダンス整合回路は、例えばコリンズらによるＵ．Ｓ．パテント５３９２１４８号及び同５１８７４５４号において開示されている。ウエハ支持部付近に設置されたガス導入口１３７は、例えばＣxＦxガスのようなエッチャントガス等加工用ガスを供給する。真空ポンプ１４０は、チャンバー１００が所定の圧力となるように排気を行う。天井部１１０上において絶縁体製アンテナ支持部１４７中に保持される上部誘電コイルアンテナ１４５は、先述とは別のインピーダンス整合回路１５５を通じてプラズマＲＦ電源１５０に接続されており、ＲＦ電力を天井部１０からチャンバー内へと導入する。
ウエハ１２５の全表面上のバイアスＲＦ電力が回帰する均一な回帰接地部を設けて側壁部１０５へ流れる電流をなるべく少なくするために、天井部１１０は接地される。しかし、この実施形態においては、天井部１１０は２つの作用を有していなければならない。すなわち、：（ａ）接地可能な導体としての作用、及び（ｂ）上部コイルアンテナ１４５によるＲＦ誘電界を透過する絶縁体としての作用、である。この２つの作用を満たすために、天井部１１０は例えばシリコン等の半導体製とする。シリコン製天井部１１０は、絶縁体１５８によってチャンバー内の導体製部品と絶縁されている。シリコン製天井部１１０は、半導体製であり、従って電極又は接地面として作用するのに十分な導電性を有していると考えられる。プラズマをウエハ１２５に近接して垂直方向に制御し、かつウエハ１２５上部に（例えば側壁部１０５よりも）近接した位置に接地面を設けて側壁部１０５へのプラズマ電流をなるべく少なくする目的から、シリコン製天井部１１０はウエハに対してその直径よりも短い距離内すなわちウエハ直径の数分の一程度（例えば直径２０ｃｍのウエハに対して数センチ程度）に設置されることが望ましい。具体的には、最大２０ｃｍ、最小１ｃｍ、より望ましくは２〜１０ｃｍの範囲とする。
天井部１１０は、シリコン等半導体材料製の半導体製窓であることが望ましい。しかし、他の一般的な半導体、例えばシリコンカーバイド、ゲルマニウム、ゲルマニウム砒素あるいはインジウム燐等III−Ｖ族半導体、水素カドミウムテルル等II−III−Ｖ族半導体を使用しても良い。シリコン製窓電極の抵抗値を左右する含有不純物の室温における含有許容レベルについては、グローブによるＰｈｉｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ｐａｇｅ１１３ 図４．１４のグラフに記述されている。シリコン製窓１１０の温度は、それが絶縁体として作用する温度よりも高く、かつ導体として作用する温度よりも低くなるよう管理されなければならない。そのような温度範囲は、グローブによるＰｈｉｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ｐａｇｅ１１３ 図４．８の、ｎ−タイプシリコン中へ集中する電子の温度に対する作用を示すグラフに記述されている。このグラフによれば、シリコンは１００Ｋ以下では絶縁体として作用し、６００Ｋ以上では導体として作用する。従って、シリコン製天井部１１０は、キャリヤー電子の集中が一定状態であるような温度範囲、すなわち１００Ｋから６００Ｋの温度範囲に管理されることが望ましい。
図１のプラズマ反応装置は、側壁部に巻かれたコイルを有する従来型の反応装置に比較して、上部コイルアンテナ１４５より生じたプラズマ源電力をウエハ全表面上に均一に分配する点が優れている。従って、プラズマイオン生成が側壁部に偏在せず、プラズマイオンはウエハ表面上に均一に分配される。前述のＵ．Ｓ．パテント４９４８４５８号に開示されているような絶縁体天井部上に上部コイルアンテナを有するプラズマ反応装置においては側壁部への電流が生じるのに対し、本発明のプラズマ反応装置においては接地された天井部電極１１０により側壁部１０５へのプラズマ電流が減少あるいは制限され、プラズマイオンの均一性が高められる。また、ウエハと天井部とを近接して設置することによりウエハとプラズマイオン生成領域との距離が縮められ、プラズマの再結合による損失が減少し、かつチャンバー内圧力が高い状態での操業が可能となる（例えば５０−２００ｍＴｏｒｒの範囲）。チャンバー内圧力がそのように高くなると、加工プロセスにおける各種パラメーターたとえばエッチ選択性等の範囲を広げやすい。図１のプラズマイオン反応装置における（上部コイルアンテナ１４５により達成された）プラズマの均一性は、（ウエハ１２５に近接して設置され、接地されたシリコン製天井部１１０により達成された）チャンバー側壁部への電流の減少によるものであり、ウエハ中心部と端部との加工（例えばエッチング）均一性を高め、加工条件設定範囲の可能性を広げるものである。特に、ウエハ端部におけるオーバーエッチや貫通を起こりにくくし、同時にウエハ中心部における微小サイズエッチング時のエッチング停止を起こりにくくする。また、ウエハ端部におけるエッチング形状劣化の原因となる、フォトレジストマスクエッジ部のファセット及び腐食を防止する。従って、図１のプラズマ反応装置は、わずかな負荷あるいは無負荷状態において、優れたエッチ形状及びエッチ選択性等を有する微小サイズのエッチングをウエハ全表面上に行うことを可能とする。
さらに、側壁部１０５は加工時の反応に関与しないので、反応装置部品の消耗及びそれに伴う操業コストを減少させることができる。従って、本発明は技術上画期的な進歩性を有している。
しかし、図１の反応装置を実現化するためには解決すべき重要な問題が種々存在している。第一に、シリコン製天井部１１０が、上部コイルアンテナ１４５により生じる誘電界のチャンバー１００への透過を妨げるのではないかという点が挙げられる。例えば、シリコン天井部製１１０の誘電率は、ＲＦ誘電界が透過するには大きすぎる恐れがある。この点は、シリコン製天井部１１０に含有される不純物、又はシリコン製天井部１１０の温度に依存すると考えられる。また、シリコン製天井部１１０を透過しようとするＲＦ誘電界の厚さが天井部の厚さ以下であれば、ＲＦ誘電界は天井部を透過することができないのではないかと考えられる。また、チャンバー内のプラズマを透過しようとするＲＦ誘電界の厚さがチャンバーの高さ（例えばウエハの最高部と電極との距離）以上であれば、ＲＦ誘電電力はプラズマと効率的に結合することができないのではないかと考えられる。
第二の問題点は、天井部１１０がウエハ１２５い近接して設置されているので天井部１１０付近のプラズマシースとウエハ付近のプラズマシースとが十分に分離されず、プラズマが上下にショートしてしまう恐れがあることである。また、バイアスＲＦ電源１３０のＲＦ回帰進路中に天井部１１０に使用されているシリコンを挿入すると、ＲＦバイアス電力が過度に損失されてしまう恐れがある。従って、ＲＦ誘電界を過度に損失させたり減衰させたりせず、適切に又は実用的に操業可能な半導体製窓の抵抗値はないと考えられる。
この問題は、以下に記述する解析によって解決又は改善される。
プラズマを透過しようとする誘電界の厚さが十分小さいので、電力はプラズマに効果的に吸収される：
上部コイルアンテナ１４５から生じるＲＦ誘電界の厚さは、天井部とウエハとの距離よりずっと小さい（例えばウエハ直径又はそれ以下）ので、コイルアンテナ１４５から生じる電力はプラズマと効果的に結合する。このときのＲＦ誘電界の厚さには２つの形態があり、まずプラズマ源ＲＦ角周波数がプラズマモーメント伝導弾性衝突周波数よりも小さい場合で衝突厚さと言われるもの、及びプラズマ源ＲＦ角周波数がプラズマモーメント伝導弾性衝突周波数よりも大きい場合で非衝突厚さと言われるものがある。
プラズマを透過しようとするＲＦ誘電界の衝突厚さδｃは、次式により算出される。：
（１）δc＝（２τm／ω）1/2ｃ［（ｅ2ｎe）／（ε0ｍe）］-1/2
ここで、
τm＝１．４・１０7ｓｅｃ-1は、温度３００Ｋ、チャンバー圧力５ｍＴｏｒｒにおけるアルゴンプラズマの電子−ニュートラルモーメント伝導衝突周波数、
ω＝１２．５７・１０6ｒａｄｉａｎｓ／ｓｅｃは、コイルアンテナ用誘電界ＲＦ電源の角周波数、
ｃ＝３・１０8ｍｅｔｅｒｓ／ｓｅｃは、光速、
ｅ＝１．６０２２・１０-19ｃｏｕｌｏｍｂは、電荷、
ｎe＝５・１０17ｍｅｔｅｒｓ-3は、適切な電子密度、
ε0=８．８５・１０-12ｆａｒａｄｓ／ｍｅｔｅｒは自由空間における許容電荷、
ｍe＝９．１０９５・１０-31Ｋｇは、電子質量である。
これらを式１に代入し、：
（２）δc＝１．１ｃｍ
が、衝突厚さとして求められる。
プラズマを透過しようとするＲＦ誘電界の非衝突厚さδpは、次式により算出される。：
（３）δp＝ｃ［（ｅ2ｎe）／（ε0ｍe）］-1/2
前記の各値を式３に代入し、：
（４）δp＝０．８ｃｍ
が、非衝突厚さとして求められる。以上のように、どちらのケースにおいてもＲＦ誘電界の厚さはウエハと天井部との距離に比べてかなり小さいので、ＲＦ源電力はプラズマに効果的に吸収される。
シリコン製の天井部を透過しようとする誘電界の厚さは天井部の厚さよりも十分に大きいので、誘電界は天井部を透過することができる。：
コイルアンテナ１４５より生じるＲＦ誘電界は、シリコン中において、シリコン製天井部の厚さ１インチ（２．５４ｃｍ）よりもはるかに大きい厚さを有している。従って、ＲＦ誘電界は、抵抗による損失が殆どない状態でシリコン製天井部１１０を透過することができる。無限大の水平シリコン板に入射するＲＦ誘電界の厚さδの近似値を次式により算出することができる。：
δ＝［πｆσμ］-1/2
ここで、
ｆ＝２ＭＨｚは、コイルアンテナ１４５に接続されたＲＦ電源１３０の周波数、
μ＝４π・１０-7Ｈｅｎｒｉｅｓ／ｍｅｔｅｒは、シリコン板の透磁率、
σ＝３．３３Ω-1ｍｅｔｅｒｓ-1は、３０Ω−ｃｍの抵抗値を持つシリコン板の誘電率を示す。
上記各値を式に代入して、δ：
δ＝０．１９５ｍ
が得られる。
ＲＦ誘電界の厚さはシリコン天井部１１０の８倍の厚さであり、従って、シリコン製天井部１１０がＲＦ誘電界に対して高い誘電率を有していなくても、ＲＦ誘電界はチャンバー１００内に透過するのに十分な厚さを有している。
シリコン製天井部はＲＦ誘電界に対して低い誘電率を有する：
室温において３０Ω−ｃｍの抵抗値を示し、直径１３．５インチ厚さ１インチの円盤状に成形されたシリコン製天井部１１０を透過しようとするＲＦ誘電界の透過率について、シリコン製天井部の相対する面に２個の誘電コイルを配置し、一方を周波数可変型ＲＦ電源に接続し、もう一方を多チャンネル型アナライザに接続して周波数を１ＫＨｚから１０ＭＨｚの範囲で走査し、室温において測定を行った。多チャンネル型アナライザの出力結果を図２に示す。「マグニチュード」と記された曲線は、縦軸に受信信号と送信信号の強度比をとって上端を基本単位として下方に０．１単位ずつ減少するように目盛をふってあり、横軸に周波数をとって左端を１ＭＨｚ右端を１０ＭＨｚとしている。「フェーズ」と記された曲線は、縦軸に受信信号と送信信号との角位相差をとって上端を２０°として下方に２０°ずつ減少するように目盛りをふってある。図２のグラフは、シリコン板を透過するＲＦ電力が２ＭＨｚ以下の周波数においては全く損失されず、かつ２ＭＨｚ以上の周波数においても殆ど損失されないことを示している。
図２においては円盤状のシリコン板についての結果を示したが、図３に１２．３インチの外径、１センチの壁厚を有する円筒形シリコンについて室温で同様の計測を行った結果を示す。
円筒形シリコンの周囲には、円筒形シリコンに囲まれた部分にＲＦ電力を伝達するために５回巻きの送信コイルが巻かれている。外径２．３インチ、長さ３インチの８回巻き受信コイルを円筒形空間中心部に配置して測定を行った。「マグニチュード」と記された曲線は、縦軸に受信信号と送信信号の強度比をとって上端を基本単位として下方に０．１単位ずつ減少するように目盛をふってあり、横軸に周波数をとって左端を１ＭＨｚ右端を１０ＭＨｚとしている。「フェーズ」と記された曲線は、縦軸に受信信号と送信信号との角位相差をとって上端を２０°として下方に２０°ずつ減少するように目盛りをふってある。図３のグラフは、シリコン板を透過するＲＦ電力が２ＭＨｚ以下の周波数においては全く損失されず、かつ２ＭＨｚ以上の周波数においても殆ど損失されないことを示している。従って、シリコン製天井部１１０は、ＲＦ誘電界に対して透明であると言える。
シリコン製天井部は幅広い温度範囲においてＲＦ誘電界に対して低い誘電率を有する。
図２及び３に示された上述の測定を、シリコンの温度範囲２００℃から２５０℃において行ったところ、結果は同様のものであった。すなわち、シリコン製天井部１１０の温度は必要に応じて、ポリマー析出温度及びフッ素スカベンジングプロセス等に適合する広い温度範囲で設定することが可能であるとわかった。しかし、３００℃以上においては、シリコン製天井部１１０が導体の特性を示すようになり、コイルアンテナ１４５より生じるＲＦ誘電界がチャンバー１００内に到達するのを妨げてしまう。天井部１１０には、高抵抗値を持つシリコン（例えば室温において３０Ω−ｃｍ）を使用することが望ましい。
また、例えば０．０１Ω−ｃｍの抵抗値を持つシリコンを使用する場合には、ＲＦ誘電界の周波数をＫＨｚ領域あるいはそれ以下に落とすことにより誘電界を透過させると良い。また、天井部の厚さを小さくしても良い。
シリコン製天井部は、バイアスＲＦ電源への回帰進路においていかなる損失をも生じさせない
誘電界の厚さがシリコン板の厚さよりもはるかに大きくかつシリコン板の背後に完全な導体製接地面があると仮定して、シリコン板平滑面上の通常電流に対するシリコン板の抵抗値を算出することにより、バイアス電源１３０へのＲＦ回帰進路途中へのシリコン天井部１１０挿入によるＲＦ電力損失の小さいことが明らかとなる。この抵抗値は、ウエハ支持部１２０の作用点におけるＲＦ誘電率に比較してはるかに小さい値であり、従って、シリコン製天井部を挿入してもバイアスＲＦ電力損失は殆ど生じない。
表面を流れる通常電流に対するシリコン板の抵抗値Ｒslabは、次式により算出される。：
Ｒslab＝Γｔ（ｄ／２）-2/π
ここで、
ｔ＝０．０２５４ｍは、シリコン板の厚さ、
ｄ＝０．３１８ｍは、シリコン板において電流に影響する範囲の直径、
Γ＝０．３０Ω−ｍは室温において３０Ωの抵抗値を持つシリコンの誘電率を示す。
上記各値を上式に代入してＲslabの値が求められる。：
Ｒslab＝０．０９６Ω
ウエハ支持部１２０の作用点における誘電率Ｚを、図１に示される典型的平行電極型プラズマ反応装置を用いて（コイルアンテナから生じる２．０ＭＨｚプラズマ電源ＲＦ誘電界、及びウエハ支持部に供給された１．８ＭＨＺのＲＦバイアスにより）測定した結果、角度５０．１°において３８．７Ωであった。
作用点における真の誘電率は、：
Ｒｅ（ｚ）＝３８．７Ωｃｏｓ（５０．１°（１８０／π））〜２４Ω
シリコン製天井部の挿入により生じるＲＦ電力の損失比は、：
Ｒslab／Ｒｅ（ｚ）＝０．０９６／２４＝０．００４
であり、ごく微量である。従って、ＲＦバイアス電源１３０へのＲＦ回帰進路中にシリコン板を挿入しても、抵抗値は殆ど増加しない。
プラズマＤＣシースの厚さは天井部とウエハとのショートを回避するのに十分なだけ小さい。
プラズマの周辺部には、イオン密度がプラズマイオン密度から急激に０になる場所、すなわちシースが存在する。仮にウエハ表面上のシースがチャンバー天井部のシースと接触すると、チャンバー内にはプラズマが存在しなくなる。高電圧プラズマＤＣシースの厚さＳは次式により算出される。：
Ｓ＝（２1/2／３）［（ε0・Ｔe）／（ｅ・ｎe）］1/2（２・Ｖ0／Ｔe）3/4
ここで、
ε0＝８．８５・１０-14ｆａｒａｄｓ／ｃｍは、自由空間における電子許容量、
Ｔe＝５ｅＶは、マックスウェル分布を仮定した場合における電子の平均温度、
ｅ＝１．６０２２・１０-19ｃｏｕｌｏｍｂは、電荷、
ｎe＝５・１０11ｃｍ-3は、シース近傍におけるプラズマ中の平均電子密度、
Ｖ0＝３００Ｖｏｌｔｓは、プラズマシース上のＤＣ電圧を示す。
上記各値を上述の式に代入し、：
Ｓ＝０．０４ｃｍ
を得る。従って、プラズマシースの厚さは、ウエハと天井部との距離に対して極めて小さく、上部と下部のショートは殆ど起こり得ない。
透過するＲＦ電力の減衰が小さくなるような半導体製窓電極抵抗値の範囲は広い。：
半導体製窓を透過するＲＦ誘電界の減衰による損失が少なくなるような半導体窓の抵抗値の範囲を特定するためには、半導体製窓の厚さ、ＲＦ誘電界の周波数、及び半導体製窓の厚さに対するＲＦ誘電界厚さの最小比を特定しなければならない。第一の実施例として、半導体製窓の厚さＴ＝０．０２５４ｍｅｔｅｒ、ＲＦ周波数ｆは２・１０6ｓ-1、半導体製窓の厚さに対するＲＦ厚さの最小比はｒ＝５とする。このときの半導体製窓の最小抵抗値は、
μ＝４π・１０-7Ｈｅｎｒｉｅｓ／ｍｅｔｅｒが半導体製窓の透磁率であり、
Ｓ＝ｒ・Ｔが半導体製窓におけるＲＦ誘電界の厚さであると仮定して算出される。従って、最小抵抗値Γminは次式により算出される。：
Γmin＝Ｓ2・π・ｆ・μ
上記各値を上式に代入し、最小抵抗値：
Γmin＝１２．７３５Ω−ｃｍ
を得る。
次に、上記と同じ実施例における最大抵抗値を算出する。以下の解析を行うに当たって、半導体製窓の背後にはＲＦ誘電界を透過するような水平接地面が存在すると仮定する。また、ＲＦバイアスプラズマ負荷誘電率における実測値の計算値に対する比、最低限許容できる損失量Ｌ、及びプラズマと有効に作用しうる半導体製窓直径ｄを規定しなければならない。この実施例におけるＲＦバイアスプラズマ誘電率実測値の比Ｒは、：
Ｒ＝−２５、
許容可能な損失量は（１００％＝１として）
Ｌ＝０．０１
プラズマと有効に作用しうる半導体製窓の直径は、プラズマが有効に作用する範囲ＡがＡ＝π（ｄ／２）2により算出されることから、
ｄ＝０．３１８
である。
最大抵抗値Γmaxは次式により算出される。：
Γmax＝Ｌ・Ｒ・Ａ／Ｔ
上記各値を上式に代入し、：
Γmax＝７８．１７２Ω−ｃｍ
を得る。
従って、本実施例において半導体製窓に許容される抵抗値の範囲は１２．７３５Ω−ｃｍから７８．１７２Ω−ｃｍである。
第二の実施例では、半導体製窓の厚さを１０分の１のＴ＝０．００２５４ｍｅｔｅｒｓとする。このとき、Γminは０．１２７Ω−ｃｍに減少し、かつΓmaxは７８１．７１９Ω−ｃｍに増大する。
第三の実施例は、第二の実施例に準じるが、ＲＦ誘電界の周波数を１００ＫＨｚ（ｆ＝０．１・１０6ｓ-1）とする。このとき、Γminは０．００６Ω−ｃｍに減少するが、Γmaxは７８１．７１９Ω−ｃｍで（第二の実施例と）変わらない。
第四の実施例は、第一の実施利に準じるが、誘電界の周波数を１０ＭＨｚ（ｆ＝１０・１０6ｓ-1）とする。このとき、Γminが６３．６７５Ω−ｃｍに増大する一方でΓmaxが７８．１７２Ω−ｃｍに減少し、他の実施例に比較して抵抗値の許容範囲が狭くなる。
上述のように、抵抗値の許容範囲は広いことがわかった。半導体製窓が厚さ２．５４ｃｍのシリコン板で、かつＲＦ誘電界のＲＦ周波数が２ＭＨｚの場合において、望ましい抵抗値は３０Ω−ｃｍである。
発明の別の実施形態
図１の実施形態においてはシリコン製天井部１１０が接地されていたが、図４の実施形態においてはＲＦ電源１３０より出力された電力が電力分配器１６０によってウエハ支持部１２０とシリコン製天井部１１０とに分配されている。接地回帰進路を設けるために、側壁部１０５は接地された導体とする。図５においては、シリコン製天井部１１０はウエハ支持部１２０のものとは別個に設けられたＲＦ電源１６５により、インピーダンス整合回路１７０を通じて制御される。また、図１の実施形態においては単独のコイルが誘電アンテナ１４５として作用しているが、図６においては誘電アンテナ１４５がウエハ中心部上の内部コイル１７５及びウエハ端部上の外部コイル１８０からなり、かつ個別に制御される複数個（この場合２個）の誘電コイルにより形成されている。図６の実施形態においては、内部及び外部コイル１７５、１８０は、それぞれ別個のプラズマ源ＲＦ電源１８５、１９０により制御される水平な同心状のコイルである。２個のＲＦ電源１８５、１９０を異なる特性を持つ電力で作動させることにより、チャンバー１００内のプラズマにバリエーションを持たせることができる。図６の実施形態の代表例においては、内部及び外部コイルはそれぞれ９回巻きとしている。平行直列コンデンサ１９５、２００をそれぞれ内部コイル１７５の入力側、出力側端部に接続し、かつ平行直列コンデンサ２００、２１０をそれぞれ外部コイル１８５の入力側、出力側端部に接続することにより、一定のインピーダンス整合が実現される。
一実施例においては、プラズマ源ＲＦ電源１５５は２．０ＭＨｚ、２６００Ｗａｔｔ、バイアスＲＦ電源１３０は１．８ＭＨｚ、１６００Ｗａｔｔを出力し、C2F6ガスは１００ｃｃのアルゴンとともに３０ｓｃｃｍでチャンバー１００内に供給され、チャンバー１００内の圧力は６．５ｍＴｏｒｒ、シリコン製天井部１１０の温度は２００℃に管理される。この条件下において、内部コイル１７５に接続された平行直列コンデンサ１９５、２００はそれぞれ８．１９６９９ｎａｎｏＦａｒａｄｓ、２．１２６３１ｎａｎｏＦａｒａｄｓの電気容量を有し、一方、外部コイル１８０に接続された平行直列コンデンサ２０５、２１０はそれぞれ４．４５５７２ｎａｎｏＦａｒａｄｓ、１．０９０８５ｎａｎｏＦａｒａｄｓの電気容量を有する。
内部あるいは外部コイルのどちらか一方をショートさせることにより、もう一方の入力側インピーダンスを計測することができる。上記の条件下において計測を行った結果、、内部コイル１７５における複合インピーダンスは複合平面角−１２°において５１Ω、外部コイル１８０における複合インピーダンスは複合平面角−８．６°において５１．８Ωであった。従って、これらインピーダンスはＲＦ電源１８５及び１９０の出力部における規定値５０Ωにほぼ整合されている。
図７の実施形態においては、側壁部１０５はシリコン製側壁部２１５に代えられており、その周囲に巻かれかつインピーダンス整合回路１５５′を通じてプラズマ源電源１５０′に接続された誘電コイル２１５により誘電結合を行っている。また、シリコン製側壁部２１５は接地されている。図４、図８の実施形態において示されるように、バイアス電源１３０より生じるＲＦ電力を電力分配器１６０によりウエハ支持部１２０とシリコン製側壁部２１５とに分配しても良い。また、図５、図９の実施形態においては、シリコン製側壁部２１５に対して、整合回路１７０を通じて専用のＲＦ電源１６５から電力供給を行う。また、図１０の実施形態においては、図１におけるシリコン製天井部１１０及び上部コイルアンテナ１４５と、図７におけるシリコン製側壁部２１５及び側部コイルアンテナ２２０とを併設する。また、図１１の実施形態においては、図８に示されたものと同様の電力分配器１６０を図１０において適用し、バイアス電源１３０より供給された電力を側壁部２１５とウエハ支持部１２０に分配する。図１２の実施形態は、図９の実施形態に対して図１の実施形態における上部コイルアンテナ１４５及びシリコン製天井部１１０を適用したものである。
図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ及び１３Ｄはそれぞれ図１、４、５、及び６の実施形態において、水平シリコン製天井部１１０及び水平誘電コイルアンテナ１４５を半球状シリコン製天井部２３０及び半球状コイルアンテナ２３５に置き換えた場合を示している。
一実施形態において、半球状コイルアンテナ２３５は螺旋状に巻かれた形状である。図１４は、半球状コイルアンテナ２３５を半球状天井部２３０頂点部付近から順に巻いていき、半球状天井部２３０の底部に達した後引き続き側壁部１０５周囲にも巻いている実施形態を示す。この実施形態においては、少なくともコイルアンテナ２３５に巻かれる側壁部１０５は、石英等絶縁体製あるいはシリコン等半導体製でなければならない。図１５は、図１０の実施形態における水平シリコン製天井部１１０及び水平コイルアンテナ１４５を図１３Ａに示されるような半球状シリコン製天井２３０及び半球状コイルアンテナ２３５に代えた場合の実施形態を示す。
図１６は、プラズマ源ＲＦ電源１５０より生じた電力を、図６の実施形態における内部及び外部コイルアンテナ１７５、１８０に対して電力分配器２５０により分配する場合を示している。ＲＦ電力分配器は、コリンズらによりＵ．Ｓ．特許５３４９３１３号に開示されている。上記参照文のコリンズらによる出願中特許明細書において開示されているように、内部及び外部コイルアンテナ１７５、１８０間の電力比をコントローラー２６０により変化させ、ウエハ中心部上とウエハ端部上のプラズマイオン密度を均一化することができる。図１７Ａは、図１５の実施形態に準じ、かつプラズマ源電源１５０から生じるＲＦ電力を電力分配器２５０により側部コイル２２０と半球状上部コイル２３５とに分配する場合の実施形態を示している。図１７Ｂは、内部（上部）半球状コイル２７０及び外部（下部）半球状コイル２８０を半球状シリコン製天井部２３０上に配した場合の実施形態を示す。電力分配器２５０により、プラズマ源電源１５０から生じるＲＦ電力を内部及び外部コイル２７０、２８０に分配している。
図１７Ｂにおけるシリコン製天井部２３０及びウエハ支持部１２０は、図１３Ａ、１３Ｂ、又は１３Ｃのいずれかの実施形態と同様に配線されるものとする。図１８は、プラズマ源ＲＦ電源から生じる電力を電力分配器２５０により図１０における上部コイルアンテナ１４５と側部コイルアンテナ２２０とに分配する場合の実施形態を示している。
図１９は、プラズマ源ＲＦ電源１５０から生じる電力を電力分配器２５０により上部コイルアンテナ１４５とシリコン製天井部１１０とに分配する場合の実施形態を示している。図１９の実施形態においてウエハ支持部１２０は、接地される、あるいはインピーダンス整合回路１３５を通してバイアスＲＦ電源１３０に接続される、のいずれかの形態を取りうる。図２０は、プラズマ源ＲＦ電源１５０から生じる電力を電力分配器２５０により上部コイルアンテナ１４５とウエハ支持部１２０とに分配する場合の実施形態を示している。図２０の実施形態においてシリコン製天井部１１０は、接地される、あるいは整合回路１３５を通して、独立して設けられたＲＦ電源１３０に接続される、のいずれかの形態を取りうる。図２１は図１９に準じるが、図１９における水平シリコン製天井部１１０及び水平コイルアンテナ１４５の代わりに半球状シリコン製天井部２３０及び半球状コイルアンテナ２３５を使用する場合の実施形態を示している。図２２は図２０に準じるが、図２０における水平シリコン製天井部１１０及び水平コイルアンテナ１４５の代わりに半球状製シリコン天井部２３０及び半球状コイルアンテナ２３５を使用する場合の実施形態を示している。
図２３は、シリコン製天井部１１０及びウエハ支持部１２０がお互いにＲＦ接地回帰部として作用し合っている場合の実施形態を示している。天井部１１０及びウエハ支持部１２０はそれぞれＲＦ周波数ｆ1、ｆ2のＲＦ電源３００、３０５によりインピーダンス整合回路２８０、２９０を通して制御され、かつそれぞれＲＦフィルター３２０、３２５を通して接地されている。
分離フィルター３１０、３１５は、ＲＦ電源３００、３０５のそれぞれについて、一方から生じるＲＦ電力が他方に伝達するのを防ぐ作用を有する。ＲＦ接地フィルター３２０、３２５は、天井部１１０及びウエハ支持部１２０のそれぞれについて一方からチャンバー１００内に放射されるＲＦ電力を他方に接地回帰させる作用を有する。また同時にＲＦ接地フィルター３２０、３２５は、天井部１１０及びウエハ支持部１２０のそれぞれについて供給されたＲＦ電力が直接接地部にショートするのを防ぐ作用を有している。また特に、シリコン製天井部１１０とＲＦ周波数ｆ1のＲＦ電源３００との間に接続されている分離フィルター３１０は、周波数ｆ1のＲＦ電力を通過させ周波数ｆ2のＲＦ電力を阻止する作用を有している。ウエハ支持部１２０とＲＦ周波数ｆ2のＲＦ電源３０５との間に接続されている分離フィルター３１５は、周波数ｆ2のＲＦ電力を通過させ周波数ｆ1のＲＦ電力を阻止する作用を有している。シリコン製天井部１１０と接地部との間に接続されている接地フィルター３２０は、周波数ｆ2のＲＦ電力を通過させ周波数ｆ1のＲＦ電力を阻止する作用を有している。ウエハ支持部１２０と接地部との間に接続されている分離フィルター３２５は、周波数ｆ1のＲＦ電力を通過させ周波数ｆ2のＲＦ電力を阻止する作用を有している。
インピーダンス整合回路２８０、２９０は前述のとおり一般的なタイプのものであり、電流電圧センサー、又は実際の入力インピーダンスを一般的方法で計測することが可能なインピーダンス整合変換器（図示せず）を使用している。ＲＦ電源３００、３０５の一方から生じるＲＦ電力が他方のインピーダンス整合回路の作用を阻害しないようにするために、インピーダンス整合変換器とインピーダンス整合回路２８０、２９０への入力部との間に整合分離フィルター３３０、３３５をそれぞれ接続する。ｆ1整合回路２８０の入力部に設置された整合分離フィルター３３０は、周波数ｆ1のＲＦ電力を通過させ周波数ｆ2のＲＦ電力を阻止する作用を有している。ｆ2整合回路２９０の入力部に接続された整合分離フィルター３３５は、周波数ｆ2のＲＦ電力を通過させ周波数ｆ1のＲＦ電力を阻止する作用を有している。
上述の種々のＲＦフィルター３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５は、受容型リアクタンス素子（コンデンサ及び誘電素子）を使用して既知の技術により製作すれば良い。周波数ｆ1、ｆ2に大きな開き（例えば１オクターブ）がある場合には、種々のＲＦフィルター３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５は、周波数を適正な範囲にカットする作用を持ったハイパス及びロウパスフィルターとして作用する。逆に、周波数ｆ1、ｆ2の開きが小さい場合には、種々のＲＦフィルター３１０、３１５、３２０、３２５、３３０、３３５は、適切な周波数を中心とする周波数帯のバンドパス又はバンド遮断フィルターとして作用する。
図２４は図２３に準じるが、図２３における水平シリコン製天井部１１０及び水平コイルアンテナ１４５の代わりに半球状シリコン製天井部２３０及び半球状コイルアンテナ２３５を使用する場合の実施形態を示している。
図２５Ａは、シリコン製天井部１１０の上部表面又は下部表面上に導体基板４００を設置する場合の実施形態を示している。シリコン製天井部１０の下部表面の電流分布を均一にするために、シリコン製天井部１１０に印加される電位（接地、又はＲＦ電源のアウトプットのいずれか）が直接導体基板４００にも印加される。導体基板４００は、例えばアルミニウムや銅など電気伝導度の大きい材料により製作することが望ましい。さらに、上部コイルアンテナ１４５のＲＦ誘電界により渦電流が生じてＲＦ誘電界が導体基板４００を透過できなくなってしまうことを防ぐために、導体基板４００には十分な開口部を設けなければならない。例えば、図２５Ｂの上面図において示されるように、導体基板４００を、中心導体部４１０から放射状に伸びる複数の導体アーム部４０５を有する星型の形状とすれば良い。導体アーム部４０５間の空間又は開口部４１５の幅は、シリコン製天井部１１０の厚さに応じて決定するのが望ましい。
このような形状により、電流分布を均一にするとともに、シリコン製天井部１１０を透過する垂直電流を生じさせることができる。図２５Ｂに示された導体アーム部は、製作を容易にする目的からセラミックス上にラミネートしたシリコン製ケースに封入するのが望ましい。図２５Ｃは導体基板４００が導体環状部４２０及びそこから中心点４３０に向かって伸びる複数の導体アーム部４２５からなる先とは別の実施形態を示している。導体アーム部４２５間の開口部４３５の幅は、図２５Ｃに示されるように、シリコン製天井部１１０の厚さに応じて決定される。電気的接触は、環状部４２０全体にわたってなされることが望ましい。また、導体環状部４２０は、ＲＦ誘電界の有効放射領域外に設置することが望ましい。
構造を完全なものにして１０以上に及ぶ破壊防止安全因子を確立するためには、直径１３インチ（３２ｃｍ）のウエハに対してシリコン製天井部１１０は厚さ１インチ（２．５４ｃｍ）とすることが望ましい。しかし、シリコン製天井部１１０の厚さを大幅に小さく（例えば数分の一インチ）するために、図２６において、シリコン製天井部１１０及び導体基板４００とセラミックス板等の支持基板５００とを接着する方法が示されている。上部誘電コイルアンテナ支持部１４７は、支持基板５００上に設置されている。シリコン製天井部１００の温度制御を行うために、ヒーター層５１０がアンテナ支持部１４７上に、さらに冷却板５２０がヒーター層５１０上に設置されている。図２７は、セラミックス等高強度の材料を用いてアンテナ支持部１４７を製作し、かつシリコン製天井部１１０及び導体基板４００を直接アンテナ支持部１４７に接着することにより、支持基板５００とアンテナ支持部１４７の機能を１つにまとめる方法を示している。
図２８は、例えばアルミニウム又は銅等の導体からなる、アンテナ支持部１４７′による一実施形態を示している。この実施形態においては、絶縁体材料１４６が誘電コイルアンテナ１４５巻部と導体製アンテナ支持部１４７′との間に配されている。コイルアンテナ１４５により生じるＲＦ誘電界が導体製アンテナ支持部１４７′によって妨げられるのを防ぐために、導体製アンテナ支持部１４７′の下面１４７ａに溝型開口部５５０を設け、そこにアンテナ１４５の各ターンを入れ込むようにする。図２８における導体製アンテナ支持部１４７′は、シリコン製天井部１１０の支持基板及び導体基板として使用しても良く、この場合にはシリコン製天井部１１０を直接図２８における導体製アンテナ支持部１４７′に接着する。しかし、図２８におけるシリコン製天井部１１０と導体製アンテナ支持部１４７′との間に星型形状の導体基板４００を挿入する方が、より望ましい。図２９は、図６又は１６に示された内部及び外部コイルアンテナ１７５、１８０それぞれを入れ込むために、２つの広幅同心環状開口部５６０、５６５を有する導体製アンテナ支持部１４７′による別の実施形態を示している。環状開口部５６０、５６５は、アンテナ支持部の下面１４７ａに開口しているので、ＲＦ誘電界が妨げられることはない。この実施形態においては、図２８のように、導体製アンテナ支持部は、シリコン製天井部１１０の導体基板として（星型形状導体基板４００の代わりに）、かつシリコン製天井部１００の支持基板として（支持基板５００の代わりに）使用することができる。しかし、導体製アンテナ支持部１４７′とシリコン製天井部１１０との間に星型形状の導体基板４００を挿入し、これをシリコン製天井部１１０とともに導体アンテナ支持部１４７′に接着する方が、より望ましい。
これまでは、上部コイルアンテナ１４５を、１個の同心状螺旋巻、あるいは内部及び外部同心状螺旋巻１７５、１８０からなるものとして述べてきた。図３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃは、上部コイルアンテナ１４５がとりうる非同心状巻形状を示している。特に、図３０Ａにおいては、周囲全般が等電位となるような低誘電率かつ低抵抗の外部環状導体部６００を設けている。外部環状導体部６００から内部方向に、複数の螺旋状導体部６１０が伸びており、中心点６２０において連結している。（ＲＦ電源１５０より生じる）プラズマ源ＲＦ電力が、外部導体６００と中心点６２０とに供給されている。図３０Ｂにおける螺旋状導体部６１０は水平平板状であるが、図３０Ｃに示されるように、螺旋状導体部６１０が半球状になっている半球状天井部２３０を使用してもかまわない。本明細書開示の種々の実施形態において示される半球形状は、非線形、又は半球、又は円錐、又は円錐の一部分のように数種の弧を反復したもの、又は２つの異なる輻射線の組み合わせのいずれであっても（本明細書においてすでに述べたように）かまわない。
図３１Ａ、３１Ｂ及び３１Ｃは、非同心状上部コイルアンテナの別の実施形態を示している。図３１Ｂは水平板状の場合、図３１Ｃは半球状の場合を示している。複数のアーチ状導体アーム部７１０が外部環状導体部７００から内部方向に、エンド７１５ａ、７１５ｂ、７１５ｃまで伸びている。また、複数のアーチ状導体アーム部７３０が中心点７２０から外部方向に、エンド７４０ａ、７４０ｂ、７４０ｃまで伸びている。図１６の実施形態において行われていたように、分配器２５０の一方の出力からのＲＦ電力は外部環状導体部７００とエンド７１５とに供給され、もう一方の出力からのＲＦ電力は中心点７２０とエンド７４０とに供給される。
誘電アンテナの導体部は、適切な３次元形状を選択して形成する。例えば、図３２は、コイルアンテナ１４５の非水平又は３次元形状の一実施形態として、同一の導体材料からなる外部円筒形螺旋８００及び内部円筒形螺旋８１０と呼ばれる二重同心円筒形螺旋巻を示している。図３３は、図３２に示された内部二重同心円筒形螺旋巻８２０及び外部二重同心円筒形螺旋巻８３０からなる二重同心円筒形螺旋巻を、図１６の実施形態において、内部及び外部水平コイル１７０、１８０に代えて上部誘電アンテナとして使用する方法を示している。
図３４は、図１における誘電アンテナ１４５における非水平形状の別の実施形態として、積層部８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃからなる螺旋巻８５０を示している。
上述のように、ウエハ中心部とウエハ端部におけるプラズマエッチ加工不均一性を高めてしまう因子の一つとして、プラズマ反応ガス分布の不均一性が挙げられる。そのようなガス分布不均一性は、ガス導入口１３７からウエハ支持部脇にガス導入を行っているためにウエハ周辺部付近で比較的エッチャントガスが多く、一方、ウエハ中心部で比較的エッチャントガス少ないことに起因するものである。この問題に関しては、図３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ及び３５Ｅの実施形態において、シリコン製天井部１１０に中央ガス供給システムを設け、ウエハ中心部に対してウエハ上部よりエッチガスを導入することにより解決をはかっている。
図３５Ｄにおいては、厚さ１インチのシリコン製天井部１１０の上部表面に、深さ約０．３３インチ、直径３．５インチの開口部９００が形成されている。図３５Ｅに示されるように、開口部９００の上部表面には、直径０．２０インチ、深さがシリコン天井部１１０厚さの８０％の孔９１０が２２個対称的配置のもとに形成されることが望ましい。また、孔９１０と同心状で直径０．０３０インチの小孔９２０が、シリコン製天井部１１０の下部表面にレーザードリルによって形成されている。図３５Ａ及び３５Ｂに示されるように、円盤形状のガス供給部９３０は、シリコン製天井部１１０上部表面に形成された開口部９００にぴったりと嵌合する構造となっている。ガス供給部９３０の下部表面には、ガス供給管を形成する深さ０．０１インチ直径３．３インチの開口部９４０が形成されている。中央ガス供給口９５０は、ガス供給部９３０の中心部を通って開口部９４０側に貫通している。ガス供給部の下部表面端部コーナー部分には、深さ０．１４３インチ中心方向への幅０．０７５インチのステップ９６０が形成されている。ステップ９６０は、その形状に合うように形成された環状テフロンシール９７０を嵌合する環状溝部となっている。テフロンシール９７０は、図３５Ｃに示されるようなＵ型の断面形状であるものが望ましい。またテフロンシール９７０中に環状鉄線強化材９７５を設けることにより、テフロンシール９７０が強化される。
図３５Ａ−Ｅの中央ガス供給シリコン製天井部１１０は、電気制御装置２６０により電力分配器２５０を通じてそれぞれ制御及び調整される内部及び外部誘電コイルアンテナ１７５、１８０との併用により、図１６の実施形態におけるシリコン製天井部１１０に適用することが可能である。この方法の利点は、図３５Ａ―Ｅの中央ガス供給シリコン製天井部１１０からウエハ表面全体に供給されるエッチャントガスの均一分布によって反応装置中心部と端部のエッチ均一性が向上すること、また、さらなるエッチ不均一性についても、上述コリンズらの出願に開示されている方法で制御装置２６０を使用して内部及び外部コイルアンテナ１７５、１８０への供給電力比率を適宜調整することによって大いに改善されることである。
その結果、微小寸法エッチングにおいてエッチング形状、エッチング選択性、及びエッチレートを損なわずに、ウエハ中心部−周辺部エッチ均一性をかつてない水準に高めることができる。
図３６Ａは、中央ガス供給シリコン製天井部１１０について、プラズマから保護するためにより望ましい実施形態を示している。この実施形態においては、シリコン製天井部１１０の開口部９００の環状エッジ部分に沿って、ショルダー９８０が配置されている。ショルダー９８０上にはシリコンウエハ９８５が配置され、このシリコンウエハ９８５がシリコン天井部１１０上部の開口部９００とガス供給部９３０下部の開口部９４０の２つにチャンバーを分割している。シリコンウエハ９８５は、シリコン製天井部１１０のガス供給孔９１０の脇に配置された複数の貫通ガス供給孔９８６を有している。このようにシリコンウエハ９８５を挿入することにより、チャンバー内のプラズマイオンが孔９２０を通過して上方に拡散しガス供給部９３０に至る直通路を除去することができる。すなわち、ガス供給部９３０をプラズマの攻撃から保護するのに適している。ガス供給部９３０は、半導体、又はＲＦ誘電界を余り減衰させないような絶縁体、又はその直径が誘電アンテナの空間部の直径よりもかなり小さい場合にはステンレス鋼等導体いずれかにより製作する。図３５Ａ−Ｅ及び図３６Ａの実施形態においては、ガス供給孔９１０、９２０は天井部１１０の中心部付近にまとめられている。しかし、必要に応じて孔９１０、９２０を中心部から端部へと配置、あるいは中心部でなく端部にまとめて配置する実施形態をとってもかまわない。
ガス供給孔９１０、９２０が天井部１１０の端部付近に配置されている実施形態は、図３６Ｂに示されている。
図３７Ａは、例えば図１等水平シリコン製天井部１１０を使用している実施形態に対して、上部誘電アンテナ１４５とシリコン製天井部１１０との間に、絶縁及び接地されたファラデーシールド９９０を挿入する場合の実施形態を示している。ファラデーシールドは、図３７Ｂの上面図に示されるような最も一般的な形状で、従来、誘電アンテナ１４５とプラズマとの誘電結合を減少させるのに使用されてきたものを使用する。図３８Ａは、例えば図１３Ａ等半球状シリコン製天井部２３０を使用している実施形態に対して、上部誘電アンテナ１４５とシリコン製天井部２３０との間に、絶縁及び接地されたファラデーシールド９９０を挿入する場合の実施形態を示している。図３８Ｂは、円筒形側壁半導体窓電極２１５及び円筒形側部誘電アンテナ２２０を使用している図７−９の実施形態に対して、誘電アンテナ２２０と円筒形側壁半導体窓電極２１５との間に、円筒形ファラデーシールド９９０′を挿入する場合の実施形態を示している。
図３９Ａは、上記プラズマエッチング反応装置各部品について、その望ましい配置を示したものである。図３９Ｂは、上部コイルアンテナとしての作用を有し、かつ水等クーラントで内部を満たしているチューブ形状の導体の断面図である。
上記各実施形態においては、半導体窓をＲＦ電源又は接地部等電位を有する部分と接続し、半導体製窓を電極として使用していた。しかし、そのような電気接続及び、半導体製窓の電極としての使用は、必ずしも必要なわけではない。
事実、半導体製窓は、電極として使用されずに電気的接続のない状態に置かれてもかまわないのである。しかし必要なしといえども、電極として使用する場合には確実に利点がある。まず第一の利点は、半導体製窓の半導体材料（例えばシリコン）は、従来の典型的プラズマ装置の天井部に使用されてきた他の材料（例えば石英又はアルミニウム）に比べて汚染源になりにくいということである。第二の利点は、半導製体窓がフッ素のスカベンジャーとして作用することである。すなわち、半導体製窓は誘電アンテナのシールドとして作用すると同時にフッ素のスカベンジャーとして作用するものである。
上述の実施形態の中には、半導体製窓電極及び上部コイル誘電体をチャンバー内部に設置するように修正を加えることのできるものがある。この場合、半導体製窓電極はチャンバーの囲いの一部ではなく、囲いの天井部の下に設置されるものである。図４０は、図１、４−１２、１６、１８−２０、２３及び３７Ａの実施形態において示された水平半導体製窓電極の代わりに、チャンバー１００内部において、チャンバー天井部１０６から分離する形でその直下に水平半導体窓電極１１０及び水平誘電アンテナ１４５を設置する場合の実施形態を示している。図４１Ａは、図１３Ａ−１５、１７Ａ、１７Ｂ、２１、２２、２４及び３８の実施形態において示された半球状半導体製窓電極の代わりに、チャンバー１００内部において、チャンバー天井部１０６から分離する形でその直下に半球状半導体製窓電極２３０及びそれに一致する形状の誘電アンテナ２３５を設置する場合の実施形態を示している。図４１Ｂは、図７−９の実施形態において示された円筒形半導体製窓電極の代わりに、チャンバー１００内部に円筒形半導体製窓電極２３０′及び円筒形誘電アンテナ２３５′を設置する場合の実施形態を示している。
上記実施形態における半導体製窓は単一構造体として示されていたが、複数の部品に分割してもかまわない。特に、図４２及び４３においては、（例えば図１又は４０に示された水平半導体製窓電極１１０に準じる）水平半導体製窓電極１１０′が中心円盤部１１０ａ及び円盤部１１０ａの周囲に同心状に配置された端部環状部１１０ｂから成り立っている。円盤部１１０ａ及び環状部１１０ｂは、シリコン又はその他上述の半導体等、同一半導体材料で製作するのが望ましい。一実施形態として円盤部１１０ａ及び環状部１１０ｂに対して適宜異なるレベルのＲＦ電力を供給することにより、中心部と端部のエッチング性の比が改善される。この方法は、１つのＲＦ電源１５０から分配器１６０に電力を供給し、そこから円盤部１１０ａ及び環状部１１０ｂにＲＦ電力を分配することにより実現される。この方法においては、ＲＦ接地部（図４２には図示せず）に接続された導体側壁部等、第３の端子（例えば接地された電極）が必要となる。一例として、ウエハ中心部付近のエッチレートがウエハ端部付近に対して大きい場合、電力分配器１６０は半導体製電極の中心円盤部１１０ａに対してより多くの電力を供給し、一方、周辺環状部１１０ｂに対しては電力供給を少なくする。さらに、中心部と端部のエッチ性を改善するためには、図６、１３Ｄ、１６又は１７Ｂにおける分割内部及び外部誘電アンテナ部品が分割半導体製窓電極１１０ａ、１１０ｂにそれぞれ接続されることが望ましい。特に図４２においては、図１６において示された内部及び外部誘電アンテナ１７５、１８０を半導体製窓電極の中心円盤部１１０ａ及び端部環状部１１０ｂに接続せる実施形態を示している。図１６において示されるように、電力分配器２５０は、内部及び外部誘電アンテナ１７５、１８０にそれぞれ接続たＲＦ電力アウトプットを有する。
図４４は、図４２に準じ、かつ分割型半導体製窓電極が弧状あるいは半球状の形状である場合の実施形態を示している。図４４において、半導体製窓電極中心円盤部１１０ａに相当するものは半球状部中心部品であり、周辺環状部１１０ｂがに相当するものは半球状部外部部品及びそれと一体の円筒形基底部である。図４５は図４４の実施形態を修正したもので、半球部の曲率を小さくしたために中心円盤部１１０ａが事実上水平となり、環状部１１０ｂが事実上円筒形側壁となっている。
以上、図４２−４５の電力分配器に必要とされる第３の端子を接地された側壁としてきたが、これを半導体製窓の周辺環状部１１０ｂとし、ＲＦ電力を半導体製窓の中心円盤部１１０ａとウエハ支持部１２０等他の物体とに分配するように変更を行っても良い。図４６及び４７はそれぞれ図４２および図４４にこのような修正を加えた場合を示している。図４５の実施形態に対してこのような修正を加えた場合には、図１３Ｂの実施形態と同様のものになる。図４６及び４７の実施形態においては、電力分配器２５０のＲＦ電力アウトプットが半導体製窓の中心円盤部１１０ａ及びウエハ支持部１２０にそれぞれ接続され、半導体製窓の周辺環状部１０ｂが接地されている。
半導体製窓電極におけるプラズマ相互作用有効領域は、半導体製窓とウエハ／ウエハ支持部とのプラズマ相互作用有効領域比を変化させることにより調整可能である。この領域比には３種類が存在する。：
（１）対称形：プラズマ相互作用有効領域がほぼ同じ（領域比が約１）であり、ウエハと半導体製窓電極は同一のプラズマＲＦ電流密度及び、ＲＦ及びＤＣシース電圧を有する；
（２）半対称形：領域比が１から因子により２及び４までの範囲であり、小領域電極における電流密度及び、ＲＦ及びＤＣシース電圧が大領域電極のものより大きく、その差は領域比の増大に伴ってますます広がっていく。；
（３）完全非対称形：領域比が２から４の範囲を超えており、電流密度及び、ＲＦ及びＤＣシース電圧は領域比が増大しても殆ど変化せず、飽和状態に達している。
最後のケース（ケース３）においては、半導体製窓電極又はウエハ／ウエハ支持部のいずれか、プラズマ相互作用有功領域の小さい方に、より大きなシース電圧降下及びＲＦ電流密度が見られる。ＲＦ電流密度及びシース電圧降下が大きくなると、相互作用領域が減少した方の部品（半導体窓又はウエハ／ウエハ支持部）に印加されるＲＦバイアスも増大する。半導体製窓に関してそのような現象が起こると、スカベンジャー物質のプラズマ中へのスパッタリング速度及び、半導体製電極表面上へのポリマー形成速度に影響を及ぼす。また、ウエハ／ウエハ支持部に関してそのような現象が起こると、通常バイアスＲＦ電力により影響される加工パラメータ、例えばエッチレート、エッチ形状、及びエッチ選択性等に影響を及ぼす。
２以上の電極を有する反応装置内において、プラズマ相互作用有功領域比を調整する場合にも同様の原理が適用される。例えば図２３及び２４の実施形態において実際に、４個の電極を、１つの周波数において操作されかつ接地されている２個の電極に置き換えている。作動／接地電極は、先の段落において概説したような作用を有する領域比を変更することにより、それぞれ解析される。
また別の例として、円筒形側壁部等第３の電極が接地部あるいは別個のＲＦ電源等に接続されている図４−１２の実施形態においても、接地電極（例えば円筒形側壁部）とＲＦ電源に接続された他の端子との接地回帰電流配分が、それら端子間の位相差及びプラズマ相互作用有功領域比等動的因子により決定される場合を除けば、同様の解析が適用される。２つのＲＦ作動電極間において決定された位相差を一定に持続するためには、ケネスＳ、コリンズらによるＵ．Ｓ．特許５３４９３１３号に開示された発明を適用するとよい。
一対のＲＦ作動要素（電極あるいは誘電アンテナ）間において必要とされる位相関係を確立することにより、それらにＲＦ電力を分配することが可能となる。例えば、分割された誘電アンテナ部品を有する図１６、１７Ａ、１７Ｂ及び１８の実施形態においては、２つのアンテナ部品間の電力分配を、それぞれに印加するＲＦ電圧を変化させることにより調整可能であることは上述のとおりである。しかし、電力分配はアンテナ部品それぞれに印加するＲＦ電圧の位相角を変化させることによっても調整可能である。同様に、分割された半導体製窓部品を有する図４２−４７の実施形態においては、２つの半導体製窓部品間の電力分配は、それらにそれぞれ印加するＲＦ電圧を変化させることにより調整可能であることは上述のとおりである。しかし、電力分配は半導体製窓部品それぞれに印加するＲＦ電圧の位相角を変化させることによっても調整可能である
図４８Ａは、図１に類似であるが、上部半導体製窓電極の概念を発展させて円盤状半導体製天井部１０２０から下方に広がる半導体製スカート１０１０としたプラズマ反応装置であり、半導体製スカート１０１０と天井部１０２０とは絶縁体製の絶縁リング１０２２によりお互いに絶縁されるとともに、反応チャンバー内の加工領域１０３５内にプラズマを囲い込む作用を持つ全半導体製囲いを構成している。図１の実施形態と同様に、コイル誘電体１０４０が半導体製窓１０２０上に設置されている。スカート１０１０は円筒形としても良い。円筒形スカート１０１０と一体成形され、その基底部から内側に放射状に伸びている環状半導体脚部１０１１を随意に設けても良い。環状部１０５０は、脚部１０１１の内側放射エッジ部付近から、加工用ウエハ１０６５のウエハ支持部１０６０へと達し、両者間に複雑形状の高形状比溝を形成している。ウエハ支持部１０６０は静電支持部を有することが望ましい。環状部１０５０を設置する目的の一つは、ウエハ支持部１０６０付近のプラズマが狭い（高形状比）溝又は通路１０５１を通過して加工領域１０３５からポンピングアニュラス１０７に到達するまでに、通路に沿った壁面に再結合させることである。別の実施形態として、環状部１０５０を重なり隔壁構造として溝１０５１を複雑な曲がった形状とすることにより、ポンピングアニュラス１０７０に移動するプラズマイオンをそれに沿って流動させるようにすることができる。
ポンピングアニュラス１０７０は、ウエハスリットバルブ１０７５を貫通して加工領域１０３５へと通じており、また、ポンプ１０８０により吸引される。スリットバルブ１０７５からのプラズマ漏洩を防止してプラズマイオンと内部表面との再結合を促進するために、スリットバルブ１０７５の形状は、可能な限り狭い開口部を有する高形状比のものにする。
図４８Ａに示される望ましい一実施形態においては、半導体製囲い１０３０はチャンバーの真空境界となっている。また、金属製真空囲いの中にそのような半導体製囲いを設置し、半導体製囲いそれ自身は真空境界となさない方法をとることも可能である。後者の実施形態は、従来技術における反応チャンバーに適用すると有効であろう。
図４８Ａの全半導体製加工チャンバー囲いを使用すると、いくつかの利点がある。第一に、加工領域１０３５を囲っている全半導体製表面は、ポリマー堆積による保護の必要性がなく、プラズマ加工中において露出したままでかまわない点が挙げられる。なぜならば、プラズマと半導体表面との相互作用によりウエハのプラズマ加工に対する有害物質が生成されることがないためである。また、この相互作用による副生成物は揮発性で、ポンプ１０８０によって容易に排気される。加工領域１０３５を囲っている全半導体製表面を保護する必要性がないということは、表面清掃のために反応装置操業を中止する必要性がないということであり、これは大きな利点である。
加工領域１０３５を囲っている表面上へのポリマー堆積を防ぐには、２つの方法がある。第一の方法は、この表面をポリマー凝集開始温度よりも高い温度に保持する方法である。そのために、天井部１０２０及びスカート１０１０は、例えば半導体等、比較的高い熱伝導率を有する材料で製作する。または半導体以外の材料、例えば窒化シリコン、窒化アルミニウム、石英、又はアルミナ等絶縁体としても良い。半導体材料を使用する実施形態においてはシリコンを使用することが望ましいが、シリコンカーバイド等他の半導体材料を使用してもかまわない。
シリコンの化学反応を含むプラズマ加工（例えば二酸化シリコンのエッチング）に対してはシリコンの使用が望ましい。なぜならば、その工程においてシリコン製窓１０３０は、ウエハのエッチレートに比較してごくゆっくりとしたペースでエッチングされる（ウエハ表面において二酸化シリコンが１μｍエッチングされる間にシリコン製囲いは約３Åエッチングされる）からである。つまり、シリコン製囲い１０３０表面がある程度の量（例えば１ｍｍ）エッチングされるまでには、約３５０００枚のウエハ加工が可能である。半導体製窓１０３０のエッチング許容量は、２つの因子によって決定される。：（ａ）装置構造強度上要求される囲い１０３０の厚さ、及び（ｂ）コイルアンテナより生じてチャンバー内に導入されるＲＦ誘電界に対して影響を及ぼすような厚さ変化量、である。もし本明細書上述の半導体材料選択指針に従うならば、厚さ変化量が１０％以下の場合にはウエハの加工に影響を及ぼすようなＲＦ誘電界の変化は生じないと考えられる。
アルミニウム又はポリシリコンのプラズマエッチ加工のように塩素化学反応を含む加工において、シリコン製壁は非常に速く（その速度はプラズマ加工の基本的パラメータ制御方法によって決定される）エッチングされるので、このような場合には、シリコン又は半導体材料を適用することが最善策とはいえない。しかし、発明の実行に当たっては（もしそれ自身にＲＦ電位が印加されていなければ）加工領域囲い１０３０に対して必ずしも半導体材料を使用する必要はなく、窒化シリコン等、高強度な非半導体材料を代わりに使用しても良い。
半導体天井部１０２０の温度を（例えばポリマー析出を防止するための）設定温度に保持する目的から、接触型又は非接触型の温度制御装置を設置しても良い。
図面には非接触型温度装置が示されているが、この装置は、天井部１０２０上の誘電コイル１０４０を内包する絶縁層１１１２の上に設置されたヒーター層１１１０、及び断熱エアギャップ１１１４を隔ててヒーター層１１１０上に設置された冷却板１１２０を有している。ヒーター層１１１０は従来型の電気加熱素子（図４８Ａには図示せず）を有し、一方、冷却板１１２０は内蔵水冷ジャケット１１２２を有している。冷却板１１２０の冷却能力は天井部１０２０のプラズマ加熱を冷却するのに十分なものであり、ヒーター層１１１０の加熱能力は冷却板１１２０による冷却を相殺するのに十分なものとする。また、従来型の温度センサー／制御装置（図４８Ａには図示せず）により、ヒーター層１１１０の抵抗加熱素子に流れる電流の制御を行う。
半導体製スカート１０１０の温度を（例えばポリマー析出を防止するための）設定温度に保持する目的から、接触型又は非接触型の温度制御装置を設置しても良い。図面には接触型温度装置が示されているが、この装置は、スカート１０１０の周回上に、必要に応じて設置された絶縁層１１１２ａを通じて、接触するように設置されたヒーターリング１１１０ａを有している。また、冷却リング１１２０ａがスカート１０１０に接触して設置されている。必要に応じて、冷却リング１１２０ａとスカート１０１０の間に絶縁層を設けても良い。ヒーターリング１１１０ａは従来型の電気加熱素子１１１０ｂを有し、一方、冷却リング１１２０ａは内蔵水冷ジャケット１１２２ａを有している。冷却リング１１２０ａの冷却能力はスカート１０１０のプラズマ加熱を冷却するのに十分なものであり、ヒーターリング１１１０ａの加熱能力は冷却リング１１２０ａによる冷却を相殺するのに十分なものである。
また、従来型の温度センサー／制御装置（図４８Ａには図示せず）により、ヒーターリング１１１０ａの抵抗加熱素子に流れる電流の制御を行う。
加工領域１０３５を囲う表面上へのポリマー析出を防ぐ第二の手段は、プラズマ中イオンと表面とのイオン衝突を十分に増大させるためのＲＦ電位をその表面に印加することである。このときのイオン衝突力は、表面上からのポリマー離脱が析出を上回るのに十分なものでなければならない。そのためには円盤状天井部１０２０及び円筒形スカート１０１０が、供給されるＲＦ電力に対して電極として作用するだけの導電性を有していなければならない。従って、天井部１０２０及びスカート１０１０は半導体とすることが望ましい。一方、金属製とすると、加工領域１０３５中のプラズマに暴露されて、チャンバー及びウエハを汚染する副生成物を生じてしまうので、好ましくない。また、天井部１０２０中の導体が、誘電コイル１０４０により生じたＲＦプラズマ源電力の天井部１０２０透過を妨げることからも、天井部１０２０及びスカート１０１０に対しては導電性（金属）材料よりも半導体を使用することが望ましい。
発明の実施に当っては、ポリマー析出を防ぐ２つの手段（温度制御、及び窓電極へのＲＦ電位印加によるスパッタリングの促進）を併用することが望ましい。半導体製囲い１０３０へのＲＦ電位印加によって表面へのイオン衝突又はスパッタリングを促進すると、好都合なことに、表面へのポリマー析出阻止に必要な温度を低める効果がある。例えば、従来技術においてポリマー析出阻止のために通常必要とされていた温度は２６５℃であったが、高バイアス電圧によって１００℃にまで低下することができる、すなわち本発明により、従来よりも低温での操業が可能となり、かつ加工領域１０３５中の表面へのポリマー析出を防ぐことが可能となる。
逆に、半導体製囲い１０３０の表面温度を上昇することにより、表面へのポリマー析出を防ぐために必要なイオン衝突力又はスパッタリング度数を低下することができる、とも言える。例として、半導体製囲い１０３０を２００℃に保持した場合には、半導体製天井部１０２０に印加されるＲＦ電力が０．１ＭＨｚにおいて５００Ｗ、ウエハ支持部１０６０に印加されるバイアス電力が１．８ＭＨｚにおいて１４００Ｗ、コイルアンテナ１０４０に印加される電力が２．０ＭＨｚにおいて３０００Ｗとなる。本発明におけるこの最良の実施形態においては、誘電アンテナとしてコイルアンテナ１０４０を使用しているが、他の型のアンテナを使用しても良く、必ずしもコイルアンテナに限定されない。
上述したように、ウエハ支持部１０６０におけるプラズマ漏洩は、環状部１０５０すなわち高形状比の開口部及び／又は複雑形状通路を配することによって防がれる。また、上述のように、スリットバルブ１０７５の形状についても、同様の目的から高形状比の開口部とする。側壁部とウエハ支持部との間にあり環状部１０５０に覆われている隙間、のみならず加工ガス注入口等他の種類の通路をも含めて、そのような高形状比の開口部は、プラズマイオン漏洩を自ずと防いでいる。しかしスリットバルブ１０７５は、半導体ウエハ１０６５の出入りが簡便な大きさとする必要があり、その結果そこからのプラズマイオン漏洩を引き起こしやすい。そこで、プラズマが加工領域１０３５からスリットバルブ１０７５等大きな隙間を通って漏洩してくるのを防ぐために、スリットバルブ１０７５界面上の対向しあう位置に磁性リング２１３０、２１３５等磁石を必要に応じて設置して、スリットバルブ開口部を横切る磁束を生じさせている。スリットバルブ１０７５に接近するプラズマイオン、電子又は荷電粒子は、通常磁束線に沿ってかつそれ自身の速度に応じて加速され、その結果、スリットバルブ１０７５中で進路から外れて側壁部に衝突し、ポンピングアニュラス１０７０へと到達するまでに再結合によって消滅してしまう。
このような現象により、イオンがスリットバルブ１０７５を通過する確率は磁石２１３０、２１３５の磁束密度、イオン及び粒子の電荷、重量及び速度に応じて低下する。複数の磁石を使用すると、開口部を横切る磁束を最大化するとともにチャンバー内をウエハ１０６５へと進行する磁束を最小化できる利点がある。磁石２１３０、２１３５はプラズマ中の最重量イオンに効果を及ぼすに十分な磁力を有していることが望ましい。開口部を横切る磁束密度は、例えば、プラズマ中の電子エネルギー、プラズマイオンエネルギー、プラズマ反応チャンバーの圧力、及びその他各種のプラズマ加工パラメーターにもよるが、約５０ガウス又はそれ以上とする。一例を挙げると、チャンバーの圧力５〜１０ｍＴ、電子密度１〜５×１０11ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ／ｃｍ3において開口部に１００〜２００ガウスの磁束密度を付与すると、磁石から２ｃｍの距離におけるイオン飽和電流は約７５％低下する。磁石は１００℃又は少なくともキュリー温度以下に冷却されること、及び例えば高強度材料（窒化シリコン等）内に封入されてプラズマから遮断されることが望ましい。磁石２１３０、２１３５の別の実施形態について、本明細書の以下において説明する。
磁石２１３０、２１３５は、荷電−ニュートラルポリマー形成物質を含めた荷電−ニュートラルラジカル及び粒子がスリットバルブ１０７５を通過することを妨げない。従って、ポンピングアニュラス１０７０内にはポリマーが積層すると考えられる。ポンピングアニュラス１０７０内のそれらポリマーを捕獲及び制御するためには、スリットバルブ１０７５を通過してきたポリマー形成物質の析出温度よりも、ポンピングアニュラス１０７０を低温に保持しなければならない。
アルミニウム、陽極化アルミニウム、又はシリコンをプラズマスプレーしたアルミニウム等で製作されており、かつ冷却槽２１５５と熱的に結合されている着脱可能冷却ライナー２１５０により、ポンピングアニュラス１０７０が覆われていることが望ましい。この形態の特長は、ポンピングアニュラス１０７０の冷却ライナー２１５０上に積層しているポリマーがプラズマイオンによって破壊されず、プラズマ加熱に影響されず、かつスパッタされてチャンバー１０３０内に汚染物質を生じることがない点である。従って、冷却ライナー２１５０上に厚いポリマー析出層が形成されてもチャンバー汚染の危険はないと考えられる。その結果、冷却ライナー２１５０はごく長い周期でしか清掃、又は交換の必要がなく、この点に大きな利点がある。ポリマー析出速度がきわめて小さく、ポンピングアニュラス表面に積層したポリマーについて、ウエハ３００００〜４００００枚の加工に対して１回以下の除去しか必要ない場合には、冷却ライナー２１５０は必ずしも必要ではない。
環状部１０５０表面上へのポリマー積層を防ぐためには、環状部１０５０と熱伝導状態にある加熱槽２１７０及び冷却槽２１７５を含む従来型温度制御装置によって環状部１０５０の温度をポリマー析出温度以上に保持する。
本発明の別の実施形態によれば、それぞれ天井部１０２０の中心部及び端部に設置された中心部及び端部ガス供給口２２００、２２１０は、独立して設置されたガス供給部２２２０、２２２５からプラズマ反応ガスを供給される。この形態においては、ウエハ中心部及びウエハ端部におけるガス流量及びガス混合比をそれぞれ調整することにより、ウエハ中心部とウエハ端部との加工不均一性を解消する。
すなわち、例えばガス供給部２２２０がウエハ中心部に対してある組成のプラズマ反応ガスをある流量において供給し、一方、ガス供給部２２２５はウエハ端部に対して別の組成のプラズマ反応ガスを別の流量において供給するものである。図面においてはガス供給部２２２０がウエハ中心部上部にある１本のガス導入管２２２０と接続されているが、ウエハ中心部上部に設置された分枝状ガス導入管あるいはシャワーヘッドを接続することによりウエハ中心部上のガス流を制御してもよい。また図面においては、ガス供給部２２２５が、側壁部又はスカート１０１０を貫通してウエハ端部へと放射状に広がる分枝状ガス導入管に接続されているが、天井部１０２０を通過してウエハ端部へと下方にあるいは環状部１０５０を貫通してウエハ端部上空へと伸びるガス導入管に接続することによりウエハ端部上のガス流を制御してもよい。
プラズマ源ＲＦ電力は、コイル端子２３１０、２３２０を通じて誘電コイル１０４０に供給される。バイアスＲＦ電力は、支持部端子２３３０を通じてウエハ支持部１０６０に供給される。ＲＦ電力又は接地電位は、端子２３４０を通じて（円盤状天井部１０２０及び円筒形スカート１０１０を含む）半導体製囲い電極１０３０に供給される。本明細書においては、（例えば図１、５、１９、又は２３において示されたように）半導体製窓囲い１０３０、誘電コイル１０４０、及びウエハ支持部１０６０に対して個別にＲＦ電力を供給するための種々の手段、又は（例えば図４、１８、１９、又は２０において示されたように）一般ＲＦ電源によるＲＦ電力を分配して供給するための種々の手段を開示してきたが、これらはすべて図４８Ａの実施形態に対して適用することが可能である。さらに、本明細書においては、（例えば図３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３２、３３、又は３４において示されたように）種々の誘電コイル形状を開示してきたが、これらはすべて図４８Ａの実施形態に対して適用することが可能である。
このように、図４８Ａの実施形態は、３つの独立した電極、（ａ）ウエハ支持部１６０、（ｂ）半導体製天井部１０２０、及び（ｃ）半導体製スカート１０１０を有するものである。これら３つの「電極」はそれぞれ、その「電極」とプラズマとの必要とされる相互作用に応じて他の２つの電極よりも有効領域を大きくしても小さくしてもかまわない。そのようにして、３つの「電極」のうち１つの有効領域を他の２つに対して増大あるいは減少することにより、その電極におけるプラズマイオン流及びエネルギーは他の２つに対して異なる割合で配分することができる。特に、電極の有功領域を他の２つに対して小さくすると、そのプラズマイオン流及びエネルギーは他の２つに対して大きくなる。このようにして電極とプラズマとの相互作用を制御するための別の手段を得ることができ、例えば望ましい電極−プラズマ相互作用を実現するために必要なＲＦバイアス電力又は温度条件を緩和することができる。本発明の一実施形態における電極−プラズマ相互作用の望ましい一例として、２つの半導体製電極（例えばスカート１０１０及び天井部１０２０）を含めて半導体製囲い内側表面上への材料析出を防ぐことが望ましい。このようにして半導体製電極に汚染物質（例えばポリマー形成物質）が析出しない状態を保つと、電極から剥落した析出物によるウエハの汚染が防がれるとともに、電極が被覆されていない状態におかれているのでプラズマ加工化学反応への関与に際しても好都合である。例えば、電極がシリコン含有材料であり、かつプラズマ加工がフッ素含有加工ガスを使用する酸化シリコンエッチング加工である場合には、スパッタされたシリコン材料が電極からプラズマ中に供給され、フッ素をスカベンジすることができる。いずれの場合においても、必要なＲＦバイアス電力又は必要な電極温度は、ある「電極」に関する以下の３つのパラメーターのうち１つ、あるいはいくつか、あるいはすべてを調整することによって条件が緩和される。：（ａ）ある電極に供給されるＲＦバイアス電力、（ｂ）その電極の温度、及び（ｃ）他の電極の有効領域に対するある電極の有効領域。すなわち、ある電極の温度をできるだけ低下し、かつその電極に供給するＲＦバイアス電力を最小とし、にもかかわらずその電極上への（ポリマー形成物質のような）材料析出を防ぎたい場合には、その電極の有効領域を縮小して電極のプラズマイオン流及びエネルギーを増大させることによってそれを達成すれば良い。この手段を用いれば、有効領域を設定することにより必要なＲＦバイアス電力及び温度を緩和して電極とプラズマとの適切な相互作用を実現することが可能である。
図４８Ａの実施形態において、誘電コイル１０４０をお互いが電気絶縁された内部及び外部誘電コイルに分割しても良い。例えば、そのような内部及び外部誘電コイルは、図５２において内部及び外部誘電コイル２４１０及び２４２０として示されている。そのような内部及び外部誘電コイルを半導体製電極と併用しつつそれぞれ別個に操作するための種々の手段を（例えば図６，１６に示されるように）本明細書上記に開示してきたが、それらはすべて図４８Ａの実施形態を実行する場合に適用可能である。ウエハと天井部との距離が小さいような特殊な場合において外部コイルアンテナ２４２０を独自に制御すると、例えば外部誘電コイル２４２０に供給するＲＦプラズマ源電力を内部誘電コイル２４１０よりも減少させることにより、ウエハと天井部との距離が短いことに起因してウエハ端部に比べて小さくなっていたウエハ中心部上部のプラズマ密度が増大されるような点が有利である。
図４８Ａの実施形態においてはポンピングアニュラス１０７０の側部に位置する加工領域１０３５について種々検討を行ったが、図４８Ｂにおいては円筒形スカート１０１０中心軸に平行でポンプ１０８０方向に対して下向きに位置する加工領域について検討を行っている。必要に応じて設置される環状磁石２１３０ａ、２１３５ａは、加工領域１０３５からポンピングアニュラスへの下向きのプラズマ漏洩を防ぐ。図４８Ａの実施形態においては、プラズマ漏洩をより一層防ぐために開口部１０７５を比較的高形状比としていたので、漏洩したプラズマイオン又は電子は通路を完全に通過するまでに開口部１０７５の内部表面に衝突及び吸収されていた。プラズマ漏洩を減少させる別の手段としては、開口部１０５１を貫通し、かつ環状部１０５０とスカート１１０底部との間に形成された複雑な形が挙げられる。図に示されるように、環状部１０５０とスカート１１１０底部とは重なり合った階層構造---重なり合った隔壁構造---をとっているので、そこを通過するプラズマは複雑形状通路に沿ってギャップ１０５１を通過することになり、その結果、プラズマが表面に衝突する確率が上昇する。
図４８Ａにおいては、円筒形スカート１０１０は円盤状天井部１２０と電気絶縁されているが、両者をそれぞれ端子２３４０及び２３４０ａを通じて別個のＲＦ電源に接続しても良い。そうすると、円筒形スカート１０１０の端子２３４０ａに対してＲＦ電位を印加することによりウエハ端部付近のプラズマ状態を制御し、かつそれとは別に、円盤状天井部１０２０の端子２３４０に別個のＲＦ電位を印加することによりウエハ中心部付近のプラズマ状態を制御することができる。半導体製窓囲いにおけるお互いに電気絶縁された２つの部品のＲＦ電位を制御するために本明細書中上記に開示してきた（例えば図４２、４６、１０、１１、又は１２において示されるような）種々の手段は、すべて図４８Ａの実施形態を実行する際に適用可能である。
スカート１０１０、天井部１０２０、及びウエハ支持部１０６０は別個の電極として使用することができるので、そのうちの１つを他の２つに対して電気的に接地し、接地されない２つについては同一の又は別個の電源により作動させることができる。例えば、図４８Ｃに示されるように、周波数ｆ１の第一ＲＦ電源３０１０は半導体製天井部電極１０２０に接続され、また、フィルター３０２０及び３０３０がそれぞれ周波数ｆ２及びｆ３の結合ＲＦ電力のインピーダンス整合回路３０３５への還流を防いでいる。周波数ｆ２の第二ＲＦ電源３０４０は半導体製天井部スカート１０１０に接続され、また、フィルター３０５０及び３０６０がそれぞれ周波数ｆ１及びｆ３の結合ＲＦ電力のインピーダンス整合回路３０６５への還流を防いでいる。周波数ｆ３の第三ＲＦ電源３０４０はウエハ支持部１０６０に接続され、また、フィルター３０８０及び３０９０がそれぞれ周波数ｆ１及びｆ２の結合ＲＦ電力のインピーダンス整合回路３０９５への還流を防いでいる。図４８Ｃの実施形態は、必要に応じて３つの素子１２０、１０１０、又は１０６０のいずれか１つを接地することにより実現される。
半導体製囲い１０３０を２つのシリコン製部品１０１０、１０２０により製作すると製作が容易になる利点があり、より一層望ましい。
図４９は図４８Ａに準じるが、スカート１０１０と天井部１０２０とがお互いに電気絶縁されておらず、シリコン製の単一体部品である場合の実施形態を示す図である。
図５０は、円盤状半導体製天井部１０２０を内部中心円盤状部品１０２０ａ及び、下方に伸びた円筒形スカート１１０を有する端部環状部品１０２０ｂに分割する方法を示す図である。図４９の実施形態において示されるように、端子２３４０及び２３４０ａにそれぞれ印加される別個のＲＦ信号によってウエハ中心部及びウエハ端部におけるプラズマ状態がそれぞれに制御される。半導体製窓囲い１０３０の分割された部品をそれぞれ別個に制御するための種々の手段を図４８Ａの実施形態に関連して上述してきたが、これらの手段はいずれも図５０の実施形態を実行する際に適用可能である。
図５１は、半導体製窓囲い１０３０をお互いが電気絶縁された３つの部品、（１）天井部１０２０の内部円盤状部品１０２０ａ、（２）天井部１０２０の外部環状部品１０２０ｂ、及び（３）環状部品１０２０ｂと分割されたスカート１０１０、に分割する方法を示す図である。３種のＲＦ信号がそれぞれ、端子２３４０を通じて内部円盤状部品１０２０ａに、端子２３４０ａを通じてスカート１０１０に、端子２３４０ｂを通じて外部環状部品１０２０ｂに印加される。
図５２は、図５０の実施形態において、独立した内部及び外部誘電コイルにより、ウエハ中心部及びウエハ端部上のプラズマ状態を別個に制御する方法を示す図である。内部及び外部誘電コイル２４１０、２４２０に接続されている端子２４３０、２４３５、２４４０、２４４５は、それぞれ別個に設置されたＲＦ電源により、あるいは一般電源から生じるＲＦ電力を分配することにより作動させることができる。そのような内部及び外部誘電コイル２４１０、２４２０及び、それぞれ別個に操作される半導体製窓囲い１０３０の部品を併用する（例えば図４２、４３、又は４６において示されるような）種々の手段は、本明細書中上記に開示されているいるが、これらはすべて図５２の実施形態を実現する際に適用可能である。
図５３は、図５１の実施形態において、分割型内部及び外部誘電コイル２４１０、２４２０を併用する方法を示す図である。
図５４は、図４８Ａの実施形態において、図１０の実施形態と類似の手段により、半導体製スカート１０１０の周囲に巻かれた円筒形側部コイル２６１０を併用する方法を示した図である。プラズマＲＦ源電力は端子２６２０、２６３０を通じて側部コイル２６１０に供給される。
上部コイル１０４０及び側部コイル２６１０は、プラズマ中のＲＦ誘電界厚さの少なくとも2倍以上の距離をおいて設置されるのが望ましい。
側部コイル２６１０の作動を好適化するために、必要に応じて図７、８、及び９の実施形態と類似の手段により、天井部１０２０上に設置された誘電コイル１０４０を取り除いても良い。その場合、スカート１０１０は円筒形半導体製窓囲い１０３０に使用されているものと同様の半導体材料で製作されなければならないが、天井部１０２０は（例えば窒化シリコン等）絶縁体製としてもかまわない。図７、８、又は９に示された、半導体製窓囲い、側部コイル、及びウエハ支持部に対してＲＦ電力を個別に供給する技術は、すべて図５４の実施形態を実行する際に適用可能である。
図５５は、半導体製窓囲い電極１０３０が天井部１２０及びスカート１０１０に分割されている図４８Ａの実施形態において、半導体製スカート１０１０の周囲に巻かれた円筒形側部コイル２６１０を併用する方法を示した図である。図１０、１１、及び１２に示された、分割型天井部部品、及び上部と側部の誘電コイルに対してＲＦ電力を個別に供給する手段は、すべて図５５の実施形態を実行する際に適用可能である。
図５６は、半導体製窓囲い電極１０３０が内部円盤状部品１０２０ａ及び、スカート１０１０と一体の外部環状部品１０２０ｂに分割されている図５０の実施形態において、スカート１０１０の周囲に巻かれた側部コイル２６１０を併用する方法を示した図である。図１０、１１、及び１２に示された、分割型天井部部品、及び上部と側部の誘電コイルに対してＲＦ電力を個別に供給する手段は、すべて図５６の実施形態を実行する際に適用可能である。
図５７は、半導体製窓囲い電極１０３０が内部円盤状部品１０２０ａ及び外部環状部品１０２０ｂ及びスカート１０１０に分割されている図５１の実施形態において、スカート１０１０の周囲に巻かれた側部コイル２６１０を併用する方法を示した図である。
図５８は、図４８Ａの実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図である。半球形状は、端部から中心部に向かって順に径が拡大するような多径半球とすることが望ましい。また必須ではないが、天井部誘電コイル１０４０の形状は、天井部１０２０の半球形状に一致させることが望ましい。同様に、図５９は、図４９の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図である。また同様に、図６０は、図５０の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図、図６１は、図５１の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図、図６２は、図５２の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図、図６３は、図５３の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図、図６４は、図５４の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図、図６５は、図５５の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図、図６６は、図５６の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図、図６７は、図５７の実施形態における天井部１０２０を半球状に修正する方法を示す図である。
図６８は、前述の図４８Ａの対向環状磁石２１３０、２１３５における磁界制御方式の第一の実施形態断面図である。図６８Ａにおいては、環状磁石は対向しあう逆極の端部どうしが一直線となるように配置されている。図６８Ｂにおいては、逆極どうしが隣接して配置されており、対となった逆極が並列している。図６８Ｃにおいては、逆極どうしが環状磁石２０３０、２０３５間の変位に対する鋭角対角線上に配置される。
図６８Ｄ及び６８Ｅはそれぞれ図６８Ｂ、６８Ｃに準じるが、逆極でなく同極どうしが並列している。発明の実行に際しては、スリットバルブ１０７５又は他の大きな開口部の直線状通路からの必須のイオン移動を可能とするような他の配列方法を用いても良い。
図４８Ａ−６８Ｃの実施形態においては、それぞれ異なる形状（例えば、円盤と円筒形、又は、円盤と半球）を持った天井部及びスカートに関して記述してきたが、これらを半球、多径半球、円筒形、円錐、頭部切断円錐等、弧の反復形状からなるそれぞれに異なった、あるいは同一の形状としてもかまわない。
回転対称形誘電アンテナに関して先述してきたが、このようなアンテナは発明の実施においては必ずしも必要ではなく、誘電結合ＲＦ電力をチャンバー内に透過させることが可能であればどのような形状であってもかまわない。すなわち、本明細書及び付記する請求項に言うところの誘電アンテナは、最低限ＲＦ電力をプラズマに結合することが可能でありさえすれば、プラズマに近接して設置されるいかなる電流搬送素子であっても良く、従ってコイルである必要性がなく、また反応チャンバー天井部に接して取り付ける必要性もなく、チャンバー側壁部等他の適当な場所にとりつけてもかまわない。実際に図６９の実施形態において示されるように、誘電アンテナを完く使用しなくてもかまわない。図６９は図４８Ａに準じ、かつ誘電アンテナ１０４０を取り除いた場合の実施形態を示している。その代わりに、ＲＦ電力が、例えば半導体製天井部１０２０及びウエハ支持部１０６０からなる一対の電極より生じたプラズマに対して誘電結合されている。
以上、永久磁石型のプラズマ制御磁石について記述してきたが、プラズマ制御磁石として電磁石を使用してもかまわない。
図４８Ａ−６８Ｃの実施形態においてはプラズマエッチング装置について記述してきたが、本発明は、化学気相成長（ＣＶＤ）プラズマ反応装置等プラズマ析出装置への適用が可能である。この場合、析出がウエハ上だけでなくチャンバー壁部上にも起こるような方法でプロセスを進行してもかまわない。または、側壁部に対して十分にＲＦ電力を供給してバイアスとなすことにより、チャンバー内部壁上に析出物を堆積させず、一方、ウエハ上には析出が起こるようにしても良い。この方法は、例えば酸化シリコンＣＶＤプラズマ反応装置に使用する場合において特に大きな利点をもたらす。なぜならば、本発明を適用していない場合の反応装置内部壁部は定期的清掃の必要があるからである。二酸化シリコンのエッチングは、表面温度が化学エッチング臨界温度よりも十分高い場合以外には、フッ素含有クリーニングガス中においてすらきわめてゆっくりと進行するので、上記清掃作業は困難である。
また本発明は、チャンバー内にクリーニングガス（例えばフッ素含有ガス）を導入し、かつ半導体製囲い各部品それぞれに対してＲＦ電力を供給し、かつ温度調整を行うことにより、後処理用自己浄化型ＣＶＤ反応装置チャンバーとして使用することが可能である。この実施形態においては、製造品ウエハに対して通常のＣＶＤ加工を行う間、本発明における各手段を何ら使用しなくても、従来のＣＶＤ反応装置をしようする場合と全く同様に操業することが可能である。しかしその後の清浄化作業は、本発明のすべての形態を適用してはじめて成り立つ。そのような清浄化作業の間、半導体製囲い内部表面に析出している汚染物質のエッチレートは、本発明に従って半導体製囲いにＲＦバイアス電力を供給することにより、表面温度を上昇しなくても増大することが可能である。
半導体製囲いの形状は、個々の応用例における独自の要求に応じ、熟練工によって変更を加えてかまわない。例えば、図４８Ａ及び４８Ｂの実施形態において、ウエハ端部とシリコン製スカート１０１０垂直表面との半径距離を増大するためにシリコン製スカート１０１０は（スカート１０１０の半導体製円筒形部及び半導体製環状脚部１０１１からなる）Ｌ型断面形状を有し、一方、他の図面の実施形態において、スカート１０１０内部表面は完全に平滑であってウエハ端部により近接している。半導体製スカート１０１０形状に関するこのような変更は、図示されたすべての実施形態において実行可能である。
窓電極温度及びバイアス電力の変更：
図４８Ａのウエハ支持部１０６０、天井部１０２０、及びスカート１０１０のように、シリコン等半導体材料を含有していてプラズマ化学反応にフリーシリコンを供給する作用を持ち、ＲＦバイアスを印加されかつ温度制御された３つの電極を使用すると、エッチレート及びエッチ選択性等種々の加工特性が改善される。プラズマが有する強い分離作用により、フリーシリコンがガス相内に侵入してフリーフッ素と結合及び／又はフリーフッ素をスカベンジする作用が増大される。プラズマエッチング反応装置における問題点は、フッ素含有ガスを例えば酸化物のエッチングに使用する場合において、プラズマが有するそのような強い分離作用によりフリーフッ素濃度が高くなってしまうことである。この結果、複合ウエハ材料において酸化物のエッチレートが上昇し、同様に、ポリシリコン等エッチングされるべきでない材料のエッチレートまでもが上昇してしまい、酸化物とポリシリコンとの間のエッチング選択性が低下してしまう。
酸化物とポリシリコンとの間のエッチング選択性低下という問題は、本発明においてプラズマ中にフリーシリコンを供給する作用を持ったシリコン含有電極１０１０、１０２０を使用することにより解決される。
フリーシリコンによるフッ素スカベンジングは、いわゆる「軽量」ポリマー化学反応（「軽量」ポリマー化学反応は後述の実施例において特定される）の適用を可能とする。「軽量」ポリマー化学反応の利点は、チャンバー表面上及びウエハ上の酸化物層のエッチング開口部側壁上に対してポリマー析出を起こしにくい点である。側壁部上へのポリマー析出をこのように制御することによってエッチ形状がゆがめられなくなり、酸化物層中のエッチング開口部は深さ方向に狭められることがなくなってエッチ形状が改善され、かつ酸化物層深部でのエッチ停止がなくなって加工条件が緩和される。結果として、酸化物のエッチレートが増大し、かつポリシリコンに対する酸化物のエッチング選択性が増大し、かつ酸化物のエッチング異方性及び垂直方向形状が改善され、かつマイクロローディングが減少する。
フリーシリコン及び、軽量ポリマー化学反応における別の利点は、フリーシリコンがポリマー析出反応に影響を及ぼすことによって、安定な不導体ポリマーが酸化物上よりもポリシリコン上に多く形成され、その結果、軽量ポリマー化学反応は、エッチングされるべきでない物質すなわちポリシリコン又は他の非酸化物上においてより多くのポリマーを形成し、またエッチングされるべき物質すなわち酸化シリコン等の酸化物上においてゆっくりとポリマー形成を行う傾向がある点である。この手法は、酸化物とポリシリコンとの間のエッチング選択性を増大する。
さらに、一酸化炭素及び／又は二酸化炭素添加剤等の炭素含有及び酸素含有ガス使用に対して補助的にシリコン含有犠牲電極を作動すると、ポリシリコン表面上にポリマーが形成される。そのような炭素−及び酸素−含有添加剤の長所は２点ある。：（ａ）添加剤が、酸化物層に形成された開口部におけるポリマーが形成を規制してエッチ停止を防ぐ、及び（ｂ）添加剤はポリシリコン上へのポリマー形成を妨げない。
これにより、シリコンエッチングがより規制され、酸化物とポリシリコンとの間のエッチング選択性が増大する。上述のように、酸化物表面上へのポリマー形成を制御することにより、軽量ポリマー化学反応は、酸化物層深部までエッチングされた開口部におけるエッチ停止を阻止する。一方で、酸化物製側壁部上への適量のポリマー形成を促進してエッチング異方性を増大し、垂直方向のエッチ形状を改善する。さらに、ＣＨＦ3メインエッチャントを含有するガス化学反応においてこの手法を用いると、他のフッ素化学反応に対するポリシリコンのエッチレートの低下に対して補助的に作用するので、大きな利点がある。
前述の形態においてシリコン含有電極１０１０、１０２０の温度制御を行うと、エッチング選択性を改善するための適正な加工方法を開発することができる。数種の加工方法が以下の実施例において検討されている。
実施例：
上述の指針について、基本的に図４８Ａの実施形態に準じる以下の実施例、すなわちシリコン製天井部電極１０２０は直径１０インチ、円筒形スカート１０１０は直径１０インチ、ウエハ１０６５と天井部１０２０との距離は４インチ、スカート１０１０が接地されており、かつＲＦバイアス電力がウエハ支持部１０６０及び天井部電極１０２０に供給されている実施例において検討を行った。また、１００ＫＨｚにおいて選択した数種の強度のＲＦバイアス電力を天井部１０２０に供給した。２．０ＫＨｚにおいて３２５０Ｗのプラズマ源ＲＦ電力をコイル１０４０に供給し、かつ１．８ＭＨｚにおいて１４００ＷのＲＦバイアス電流をウエハ支持部１０６０に供給した。チャンバー１０３５は５０ｍＴｏｒｒの圧力に保持した。軽量ポリマー化学反応は、８００ｓｃｃｍのアルゴン、１００ｓｃｃｍのＣＨＦ3、及び３８ｓｃｃｍのＣＯ2からなるガス流をチャンバー内に導入することによって得た。
ウエハは、過熱を防ぐために一般的技術によって冷却した。以下の実施例すべてにおいて、エッチング時間は１００秒とした。
第一の実施例では、天井部１０２０及びスカート１０１０の温度をともに１５０℃に保持し、かつ天井部１０２０に対して５００ＷのＲＦバイアス電力を供給した。その結果、酸化物とポリシリコンとのエッチング選択性は１５：１であった。この選択性は、シリコン製基板上における２μｍのエッチング開口部が、中間ポリシリコン層におけるわずか４００Åの別のエッチング開口部に対して３００％の深さを有している場合に対しては不十分である。実際、中間ポリシリコン層の貫通が、ウエハ中心部及びウエハ端部の両方において観察された。
第二の実施例では、天井部１０２０に対して供給するＲＦバイアス電力を１２５０Ｗに増加し、酸化物とポリシリコンとのエッチング選択性が多少改善されて２０：１となった。
しかし、この実施例においても第一の実施例と同様の貫通が観察された。
第三の実施例では、天井部１０２０及びスカート１０１０の温度をともに２６０℃に保持し、かつ天井部１０２０に対してはＲＦバイアス電力を供給しなかった。その結果、酸化物とポリシリコンとのエッチング選択性は２５：１に増大したが、やはり貫通が起こっていた。
第四の実施例では、電極の温度を２６０℃に保持し、天井部１０２０に対して供給するＲＦバイアス電力を２６０Ｗに増加した。この場合、酸化物とポリシリコンとのエッチング選択性は８０：１と飛躍的に増大し、貫通はウエハ端部においてのみ観察された。
第五の実施例では、電極の温度を２６０℃に保持し、天井部１０２０に対して供給するＲＦバイアス電力を５００Ｗに増加した。この場合、酸化物とポリシリコンとのエッチング選択性は１２０：１に増大し、貫通の問題は解決されていた。
第六の実施例では、電極の温度を２６０℃に保持し、天井部１０２０に対して供給するＲＦバイアス電力を８００Ｗに増加した。この場合、酸化物とポリシリコンとのエッチング選択性は１５０：１に増大し、ウエハ中心部、ウエハ端部いずれにおいても中間ポリシリコン層の貫通は起こらなかった。
本発明は、特に、望ましい実施形態に関して言及してきたが、それらに対する変更及び修正は、本発明の本質的異議及び範囲に沿って行わなければならない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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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２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３５Ｃ】
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【図３５Ｄ】
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【図３５Ｅ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図４０】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８Ａ】
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【図４８Ｂ】
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【図４８Ｃ】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８Ａ】
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【図６８Ｂ】
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【図６８Ｃ】
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【図６８Ｄ】
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【図６８Ｅ】
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【図６９】
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