(57)【要約】本発明によるプラズマ処理装置には、アノードとカソードとが含まれる。イオン源は、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成する。弱電離プラズマの近傍に磁場を生成するように、磁石が配置される。その磁場は、カソードの近傍の弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める。電源は、アノードとカソードとの間のギャップに電場を作り出す。その電場は、弱電離プラズマ内に励起原子を生成し、カソードから二次電子を生成する。その二次電子は励起原子を電離し、それにより、強電離プラズマを生成する。電圧源は、カソードの近傍に配置される基板にバイアス電圧を印加し、それにより、基板の表面のエッチングを引き起こすように、イオンの一部が基板の表面に衝突する。
2006505128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、
該アノードに隣接して配置され、該アノードとの間にギャップを形成するカソードと、
該カソードの近傍に弱電離プラズマを生成するイオン源と、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を生成するように配置された磁石であって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、磁石と、
該ギャップの全体に電場を作り出す電源であって、該電場は、該弱電離プラズマ内に励起原子を生成し、該カソードから二次電子を生成することにより、複数のイオンを含む強電離プラズマを作り出す、電源と、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加する電圧源であって、該バイアス電圧により、該複数のイオンの中のイオンが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、電圧源とを備える、磁気的に強化されたプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記電場が準静的な電場を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電場がパルス状の電場を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記電場の立上り時間を選択することにより、前記弱電離プラズマ内の前記励起原子の電離速度を増加させる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電場の立上り時間を選択することにより、前記基板の前記表面のエッチング速度を増加させる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記弱電離プラズマが、前記アノードと前記カソードとの間に絶縁破壊状態を生み出す可能性を低減させる、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記複数のイオンの中の前記イオンが前記基板の前記表面に衝突することにより、該基板の該表面の実質的に均一なエッチングを引き起こす、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記複数のイオンの中の前記イオンが前記基板の前記表面に衝突することにより、異方的なエッチングを引き起こす、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記アノードと前記カソードとの間の体積を選択することにより、前記弱電離プラズマ内の前記励起原子および分子の電離速度を増加させる、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記イオン源が、ＵＶ源と、Ｘ線源と、電子ビーム源と、イオンビーム源と、誘導結合プラズマ源と、容量結合プラズマ源と、マイクロ波プラズマ源と、電極と、ＤＣ電源と、ＡＣ電源とを含む群から選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記電源が、前記ギャップの全体に前記電場を作り出す電気パルスを生成する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記電気パルスのパルス振幅と、パルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することにより、前記基板の前記表面のエッチング速度を増加させる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記バイアス電圧を選択することにより、前記基板の前記表面に衝突する前記複数のイオンの中の前記イオンのイオンエネルギーを制御する、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記電場が、前記弱電離プラズマ内にイオンと励起原子を生成し、前記カソードから二次電子を生成し、該二次電子が、該励起原子と、励起分子と、中性原子と、中性分子とを電離することにより、前記強電離プラズマを作り出す、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
原料ガスを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成することと、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を生成することであって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、ことと、
該弱電離プラズマ内の原子を励起し、該カソードから二次電子を生成する該弱電離プラズマ全体に電場を印加することであって、該二次電子は該励起原子を電離することにより、複数のイオンを含む強電離プラズマを作り出す、ことと、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加することであって、該バイアス電圧により、該複数のイオンの中のイオンが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、こととを包含する、磁気的に強化されたプラズマ処理方法。
【請求項１６】
前記電場を印加することが、定電力で該電場を印加することを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電場を印加することが、定電圧で該電場を印加することを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記電場を印加することが、準静的な電場を印加することを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記電場を印加することが、前記弱電離プラズマの全体に電気パルスを印加することを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記電気パルスのパルス振幅と、パルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することにより、前記強電離プラズマの電離速度を増加させることをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記電気パルスのパルス振幅と、パルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することにより、前記基板の前記表面の近傍の領域において前記強電離プラズマが実質的に均一になることをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記電気パルスのパルス振幅と、パルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することにより、前記基板の前記表面のエッチング速度を増加させることをさらに包含する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記複数のイオンの中のイオンが、前記基板の前記表面に実質的に均一に衝突する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
前記強電離プラズマが、前記基板の表面の近傍において実質的に均一である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記弱電離プラズマの前記ピークプラズマ密度が約１０１２ｃｍ−３未満である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２６】
前記強電離プラズマの前記ピークプラズマ密度が約１０１２ｃｍ−３よりも高い、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
前記基板の前記表面の温度を制御することをさらに包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
前記原料ガスを前記電離することが、電場と、ＵＶ源と、Ｘ線源と、電子ビーム源と、イオンビーム源と、誘導結合プラズマ源と、容量結合プラズマ源と、マイクロ波源と、ＤＣ電源と、ＡＣ電源とのうちの少なくとも１つに該原料ガスをさらすことを包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２９】
前記バイアス電圧を選択することにより、前記基板の前記表面に衝突する前記複数のイオンの中の前記イオンのイオンエネルギーを制御する、請求項１５に記載の方法。
【請求項３０】
原料ガスのボリュームを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを形成することと、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を作り出すことであって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、ことと、
該弱電離プラズマの全体に電気パルスを印加することにより、第１の複数のイオンを含む強電離プラズマを生成することと、
原料ガスの第２のボリュームの全体に該電気パルスを印加することにより第２の複数のイオンを含む強電離プラズマを生成する間に、原料ガスの該第２のボリュームと該強電離プラズマを交換することと、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加することであって、該バイアス電圧により、該第１の複数のイオンと、該第２の複数のイオンとが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、こととを包含する、磁気的に強化されたプラズマ処理方法。
【請求項３１】
前記強電離プラズマを交換することが、原料ガスの第２のボリュームと実質的に全ての該強電離プラズマを交換することを包含する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することにより、前記強電離プラズマの電離速度を増加させることをさらに包含する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することにより、前記基板の前記表面に隣接する領域において前記強電離プラズマが実質的に均一になることをさらに包含する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記電気パルスのパルス振幅とパルス幅とのうちの少なくとも１つを選択することにより、前記基板の前記表面のエッチング速度を増加させることをさらに包含する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記弱電離プラズマの全体に前記電気パルスを前記印加することにより、前記弱電離プラズマ内の原子を励起し、前記カソードから二次電子を生成し、該二次電子が該励起原子を電離することにより、前記強電離プラズマを作り出す、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
原料ガスを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを生成する手段と、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を作り出す手段であって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、手段と、
該弱電離プラズマの全体に電場を印加することにより、該弱電離プラズマ内の原子を励起し、該カソードから二次電子を生成する手段であって、該二次電子が該励起原子を電離することにより、複数のイオンを含む強電離プラズマを作り出す、手段と、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加する手段であって、該バイアス電圧により、該複数のイオンの中のイオンが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、手段と
を備える磁気的に強化されたプラズマ処理装置。
【請求項３７】
原料ガスのボリュームを電離することにより、カソードの近傍に弱電離プラズマを形成する手段と、
該弱電離プラズマの近傍に磁場を作り出す手段であって、該磁場は、該カソードの近傍の該弱電離プラズマ内の電子を実質的に閉じ込める、手段と、
該弱電離プラズマの全体に電気パルスを印加することにより、第１の複数のイオンを含む強電離プラズマを生成する手段と、
原料ガスの第２のボリュームの全体に該電気パルスを印加することにより第２の複数のイオンを含む強電離プラズマを生成する間に、原料ガスの該第２のボリュームと該強電離プラズマを交換する手段と、
該カソードの近傍に配置された基板にバイアス電圧を印加する手段であって、該バイアス電圧により、該第１の複数のイオンと、該第２の複数のイオンとが該基板の表面のエッチングを引き起こすように該基板の該表面に衝突する、手段とを備える、磁気的に強化されたプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
プラズマ処理は、半導体製造産業などの多くの産業において広く用いられている。例えば、プラズマエッチングは、半導体製造産業において広く用いられている。表面から材料を除去するために用いられるプラズマエッチング処理には、スパッタエッチング、純化学的エッチング（ｐｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｅｔｃｈｉｎｇ）、イオンエネルギー誘起エッチング（ｉｏｎ  ｅｎｅｒｇｙ  ｄｒｉｖｅｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）、および、イオンインヒビターエッチング（ｉｏｎ  ｉｎｈｉｂｉｔｏｒ  ｅｔｃｈｉｎｇ）の４つの基本的な典型がある。
【０００２】
スパッタエッチングでは、高エネルギーイオンの衝撃により、基板の表面から原子を取り出す。純化学的エッチングでは、プラズマ放電を用いることにより、ガス相のエッチャント原子を供給し、そのエッチャント原子は、基板の表面と化学的に反応することにより、ガス相の生成物を形成する。イオン強化エネルギー誘起エッチングでは、プラズマ放電を用いることにより、エッチャントおよび高エネルギーのイオンを基板の表面に供給する。イオンインヒビターエッチングでは、放電を用いることにより、エッチャント、高エネルギーのイオン、および、インヒビター前駆体分子を供給し、そのインヒビター前駆体分子が、基板に堆積することにより、保護層フィルムを形成する。周知のスパッタエッチングシステムの均一性およびエッチング速度を高めることは望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、特に、詳細な説明において記載される。添付の図面とともに以下の記載を参照することによって、本発明の上記の利点およびさらなる利点はより良く理解され得る。図面において、類似した数字は、様々な図における類似した構造要素および特徴を示す。図面は必ずしもその縮尺である必要はなく、本発明の原理の図示を重視したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
（詳細な説明）
図１は、無線周波数（ＲＦ）電源１０２を有する周知の磁気強化エッチング装置１００の断面図を示す。周知の磁気強化エッチング装置１００には、プラズマ１０５を閉じ込めるための真空チャンバ１０４が含まれる。真空ポンプ１０６は、管１０８を介して真空チャンバ１０４と流動的に結合される。真空ポンプ１０６は、真空チャンバ１０４を高真空に真空引きし、そのチャンバをプラズマ処理に適する圧力に保つように適合される。アルゴンガス供給源などのガス供給源１０９は、ガス注入口１１０を介して真空チャンバ１０４にガスを導入する。バルブ１１２は、チャンバ１０４へのガス流量を制御する。
【０００５】
磁気強化エッチング装置１００にはカソード１１４も含まれる。カソード１１４は、通常、円板の形をした電極である。カソード１１４は、伝送線１２２によって、ブロッキングコンデンサ１２０の第１の電極１１８に電気接続される。ブロッキングコンデンサ１２０の第２の電極１２４は、ＲＦ電源１０２の第１の出力１２６に結合される。絶縁体１２８は、真空チャンバ１０４の壁に伝送線１２２を貫通させるために用いられるが、絶縁体１２８によって、カソード１１４を真空チャンバ１０４と絶縁させる。
【０００６】
アノード１３０は、真空チャンバ１０４においてカソード１１４の反対側に配置される。アノード１３０は、送電線１３２によってグランドに電気的に結合される。ＲＦ電源１０２の第２の出力１３４もグランドに電気的に結合される。絶縁体１３６を用いることにより、真空チャンバ１０４の壁に送電線１３２を貫通させて、アノード１３０を真空チャンバ１０４と絶縁する。真空チャンバ１０４は、グランドにも電気的に結合され得る。
【０００７】
カソード１１４の上面に実質的に平行な方向に磁場１４２を発生させるために、一対の磁石１４０をチャンバ１０４の外部に配置させる。カソード１１４の上に基板１４４を配置させる。
【０００８】
動作中に、後にエッチングされる基板１４４をカソード１１４の上に配置させる。真空ポンプ１０６を用いて、チャンバ１０４を高真空に十分真空引きする。ガス注入口１１０を介して、ガス供給源１０９からチャンバ１０４にエッチングガスを導入する。ＲＦ電源１０２は、ブロッキングコンデンサ１２０を介してカソード１１４に、１３．５６ＭＨｚの高周波数の放射線を提供する。
【０００９】
カソード１１４に提供される高周波数の放射線によって、カソード１１４の上面に垂直な方向に高周波数の電場１４６が作り出される。磁場１４２と、高周波数の電場１４６とは、基板１４４の上の領域１４８おいて、交差する。電子は領域１４８内に閉じ込められ、エッチングガスからの中性原子と衝突する。その衝突によって、高密度のプラズマ１０５が生成される。負のバイアスがかけられたカソード１１４は、プラズマ１０５中の正に帯電したイオンを十分に加速して引き付ける。それによって、イオンは基板１４４の表面をエッチングする。
【００１０】
カソード１１４とアノード１３０との間に印加されるＲＦ電力は、真空チャンバ１０４においてエッチングガスを電離し、プラズマ１０５を作り出すに十分な大きさである。プラズマは、正のイオンと負の電子とから成る。典型的なＲＦ駆動電圧は、５００Ｖ〜５０００Ｖの間にあり、カソード１１４とアノード１３０との間隔１３８は、約７０ｍｍである。典型的な圧力は、１０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒの範囲にある。典型的な電力密度は、０．１Ｗ／ｃｍ２〜１Ｗ／ｃｍ２の範囲にある。典型的なプラズマ密度は、１０９ｃｍ−３〜１０１１ｃｍ−３であり、電子温度は、３ｅＶのオーダーである。
【００１１】
スパッタエッチング用のプラズマ１０５を生成する電離プロセスは、電子衝突による直接電離または原子電離と呼ばれることもあり、次のように記述し得る。
【００１２】
Ａｒ＋ｅ−→Ａｒ＋＋２ｅ−
ここで、Ａｒは、エッチングガス中の中性のアルゴン原子を表し、ｅ−は、カソード１１４とアノード１３０との間に印加される電圧に応答して生成されるイオン化用電子を表す。中性のアルゴン原子とイオン化用電子との衝突によって、アルゴンイオン（Ａｒ＋）と２つの電子が得られる。
【００１３】
カソード１１４からの二次電子放出によって、プラズマ放電は保持される。しかし、典型的な動作圧力が比較的高い必要があるために、二次電子はアノード１３０またはチャンバ１０４の壁から離れない。プラズマエッチングを含めた大抵のプラズマ処理において、このような圧力は最適ではない。
【００１４】
電離を引き起こす電子は、一般的には、磁石１４０により作り出される磁場に閉じ込められる。磁場閉じ込めは、磁力線が電極の表面に平行な閉じ込め領域１４８において最も強い。一般的に、閉じ込め領域１４８におけるプラズマ内の正に帯電したイオンの濃度は、チャンバ１０４内のどの領域におけるその濃度よりも高い。従って、基板１４４は、正に帯電したイオンの濃度がより高い領域の近傍領域において、より速くエッチングされる。その領域における速いエッチングによって、望ましくない基板１４４の不均一なエッチングが得られる。
【００１５】
プラズマに印加するＲＦ電力を激増することだけでは、エッチングの均一性を改善するより均一でより密度の高いプラズマの形成は得られない。磁場が電極のいたるところにわたって均一でなく、電極付近の磁場分布は電子を閉じ込めるに適当でないために、エッチングは改善されない。その上、均一性の十分な増加の達成に必要な電力量を印加することによって、チャンバ１０４内に望ましくない放電（アーク放電）を引き起こす絶縁破壊状態を発生させる可能性が増し得る。
【００１６】
比較的高電力のパルスを周期的に印加するが、放出電力の平均を低いままにし得るために、プラズマに印加される直流（ＤＣ）電力をパルス状にすることは、有利であり得る。その上、絶縁破壊状態をもたらす可能性を低減するように、電圧パルスの幅を選択し得る。しかしながら、パルス幅に関わらず、非常に高電力のパルスを用いると、絶縁破壊状態になり得る。望ましくない電気放電は、エッチング処理を阻害し、真空チャンバ１０４の汚染を引き起し、基板および／またはすでに製造された処理層を傷つけ得る。その上、マグネトロン型のプラズマ発生装置を用いると、閉じ込めをかなり改善する磁場が得られる。マグネトロン型のプラズマ発生装置において生成される電子は、閉じ込めをかなり改善するＥ×Ｂドリフト電流を生成する閉ループの経路を有する。
【００１７】
図２は、本発明による磁気的に強化されたプラズマ処理装置（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ａｐｐａｒａｔｕｓ）２００の実施形態の断面図を示す。一実施形態において、磁気強化プラズマ処理装置２００は磁気強化反応性イオンエッチング用に構成され得る。別の実施形態において、磁気強化プラズマ処理装置２００はスパッタエッチング用に構成され得る。
【００１８】
磁気強化プラズマ処理装置２００には、真空チャンバなどのチャンバ２０２が含まれる。チャンバ２０２は、真空バルブ２０６を介して真空ポンプ２０４と流動的に結合される。一実施形態において、チャンバ２０２はグランド電位に電気的に結合される。
【００１９】
チャンバ２０２は、１つまたは複数のガスライン２０７によって、原料ガス供給源２０８と結合される。一実施形態において、ガスライン２０７は、絶縁体２０９によって、チャンバおよび他の構成要素と絶縁される。その上、直列絶縁カプラー（図示していない）を用いて、ガスライン２０７を原料ガス供給源２０８と絶縁し得る。ガス流制御システム２１０は、チャンバ２０２へのガス流を制御する。ガス供給源２０８は、全てのタイプの原料ガス、例えばアルゴンを含み得る。実施形態によっては、原料ガスは、種々のガスの混合ガスである。その種々のガスには、反応性ガスおよび非反応性ガスが含まれる。一実施形態において、原料ガスは、希ガスまたは希ガスの混合ガスである。
【００２０】
未処理の基板２１１は、チャンバ２０２において基板支持体２１２に支えられる。基板２１１は、全てのタイプの加工物、例えば半導体ウェーハであり得る。一実施形態において、基板支持体２１２は、バイアス電圧源２１４の出力２１３に電気的に結合される。絶縁体２１５は、バイアス電圧源２１４をチャンバ２０２と絶縁する。一実施形態において、バイアス電圧源２１４は、無線周波数（ＲＦ）電源などの交流（ＡＣ）電源である。別の実施形態（図示していない）において、基板支持体２１２は、グランド電位に結合されるか、または電気的にフィローティングである。
【００２１】
磁気強化プラズマ処理装置２００には、カソード２１６も含まれる。一実施形態において、カソード２１６は金属から成る。一実施形態において、カソード２１６は、ステンレス鋼などの化学的に不活性な材料から成る。カソード２１６から基板２１１への距離は、数センチメートルから約１００センチメートルまで変化し得る。
【００２２】
カソード２１６は整合器２２４の出力２２２に結合される。絶縁体２２６は、カソード２１６をチャンバ２０２の接地した壁と絶縁する。整合器２２４の入力２３０はパルス電源２３４の第１の出力２３２に結合される。パルス電源２３４の第２の出力２３６はアノード２３８に結合される。絶縁体２４０は、アノード２３８をチャンバ２０２の接地した壁と絶縁する。別の絶縁体２４２は、アノード２３８をカソード２１６と絶縁する。
【００２３】
一実施形態（図示していない）において、パルス電源２３４の第１の出力２３２はカソード２１６に直接結合される。一実施形態（図示していない）において、パルス電源２３４の第２の出力２３６およびアノード２３８は、ともにグランドに結合される。一実施形態（図示していない）において、パルス電源２３４の第１の出力２３２は、負電圧のインパルスをカソード２１６に結合する。別の実施形態（図示していない）において、パルス電源２３４の第２の出力２３６は、正電圧のインパルスをアノード２３８に結合する。
【００２４】
一実施形態において、パルス電源２３４は５ｋＶ〜１０ｋＶのオーダーのピーク電圧レベルを生成する。一実施形態において、動作電圧は約５０Ｖ〜約１，０００Ｖの間にある。一実施形態において、パルス電源２３４は、プラズマの体積に応じて、約１Ａ〜約５，０００Ａの放電電流を保つ。典型的な動作電流は、プラズマの体積に応じて変わり得、約１００Ａ未満の電流から約数千Ａよりも大きな電流の間にある。一実施形態において、パルス電源２３４により生成されるパルスの繰返し率は１ｋＨｚ未満である。一実施形態において、パルス電源２３４により生成されるパルスのパルス幅は、実質的に、約１マイクロ秒〜数秒の間にある。
【００２５】
アノード２３８とカソード２１６との間に形成されるギャップ２４４が、アノード２３８とカソード２１６との間の領域２４５に電流が流れ得るに十分であるように、アノード２３８は配置される。一実施形態において、ギャップ２４４の幅は、約０．３ｃｍ〜約１０ｃｍの間にある。カソード２１６の表面積とギャップの大きさとから領域２４５の体積が決定される。ギャップ２４４の大きさおよび領域２４５の総体積は、本明細書に記載する電離プロセスにおけるパラメータである。
【００２６】
アノードシールド２４８はアノード２３８の近傍に配置され、電気遮蔽として機能して、アノード２３８をプラズマと電気絶縁する。一実施形態において、アノードシールド２４８はグランド電位に結合される。絶縁体２５０は、アノードシールド２４８をアノード２３８と絶縁するように配置される。
【００２７】
磁気強化プラズマ処理装置２００には磁石集合体２５２も含まれる。一実施形態において、磁石集合体２５２は、カソード２１６の近傍に磁場２５４を生成するように適合される。磁石集合体２５２には、永久磁石２５６が含まれ得、またはその代わりに電磁石（図示していない）が含まれ得る。磁石集合体２５２の配置は、磁場２５４の所望の形状および強さに応じて、変更され得る。磁石集合体２５２は、バランスのとれた配置、または、バランスの取れていない配置を取り得る。
【００２８】
一実施形態において、磁石集合体２５２には切り替え可能な電磁石が含まれ、切り替え可能な電磁石は、カソード２１６の近傍にパルス状の磁場を生成する。実施形態によっては、プラズマ処理に応じて、チャンバ２０２の周囲およびチャンバ２０２のいたる所の様々な位置に、追加の磁石集合体（図示していない）が配置される。
【００２９】
一実施形態において、磁気強化プラズマ処理装置２００は、カソード２１６の近傍に磁場２５４を生成することによって、作動する。図２に示される実施形態において、永久磁石２５６は持続的に磁場２５４を生成する。別の実施形態において、電磁石（図示していない）は、電磁石に結合された電流源に電圧を印加することによって、磁場２５４を生成する。一実施形態において、磁場２５４の強さは約５０ガウス〜約２，０００ガウスの間にある。磁場２５４の生成後、ガス流制御システム２１０を用いて、チャンバ２０２にガス供給源２０８から原料ガスを供給する。
【００３０】
一実施形態において、チャンバ２０２のカソード２１６とアノード２３８との間に原料ガスを直接供給する。カソード２１６とアノード２３８との間に原料ガスを直接注入することによって、カソード２１６とアノード２３８との間のガス流速が増加し得る。そのガス流速の増加によって、より長い持続時間のインパルスが可能になる。従って、より高密度のプラズマが形成され得る。図３とともに、原料ガスの流量についてさらに記載する。
【００３１】
一実施形態において、パルス電源２３４は、弱電離プラズマ（ｗｅａｋｌｙ−ｉｏｎｉｚｅｄ  ｐｌａｓｍａ）を発生させるイオン源の構成要素である。パルス電源２３４は、カソード２１６とアノード２３８との間に電圧パルスを印加する。一実施形態において、パルス電源２３４は、カソード２１６に負の電圧パルスを印加する。弱電離プラズマがアノード２３８とカソード２１６との間の領域２４６において発生するように、電圧パルスの大きさおよび形状が選択され得る。
【００３２】
弱電離プラズマは、予備電離プラズマとも呼ばれる。一実施形態において、予備電離プラズマのプラズマ密度のピークは、アルゴン原料ガスに対して、約１０６ｃｍ−３〜約１０１２ｃｍ−３の間にある。一実施形態において、チャンバ内の圧力は約１０−３Ｔｏｒｒから約１０Ｔｏｒｒへと変化する。予備電離プラズマのプラズマ密度のピークは、特定のプラズマ処理システムの特性に依存する。
【００３３】
一実施形態において、パルス電源２３４は、約０．１Ａ〜約１００Ａの間の放電電流を伴う約１００Ｖ〜約５ｋＶの間の初期電圧を有する低電力パルスを生成することにより、
弱電離プラズマを生成する。実施形態によっては、パルス幅は約０．１マイクロ秒〜約１００秒のオーダーであり得る。パルスの特定のパラメータについて、以下に、より詳細に記載する。
【００３４】
一実施形態において、カソード２１６とアノード２３８との間に原料ガスを供給する前に、パルス電源２３４は、カソード２１６とアノード２３８との間に電圧を印加する。別の実施形態において、カソード２１６とアノード２３８との間に原料ガスを供給した後に、パルス電源２３４は、カソード２１６とアノード２３８との間に電圧を印加する。
【００３５】
一実施形態において、直流（ＤＣ）電源（図示していない）を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成するか、または、保持する。この実施形態において、ＤＣ電源は、予備電離プラズマを点火するに十分高い電圧を生成するように適合される。一実施形態において、ＤＣ電源は、カソード２１６とアノード２３８との間に数キロボルトの初期電圧を生成することにより、予備電離プラズマを発生させ、保持する。カソード２１６とアノード２３８との間の初期電圧は、プラズマ放電電圧を生成するが、そのプラズマ放電電圧は１００Ｖ〜１０００Ｖのオーダーであり、放電電流は０．１Ａ〜１００Ａのオーダーである。
【００３６】
予備電離プラズマを発生させ、保持するために必要な直流電流は、プラズマの体積に依存する。その上、予備電離プラズマを発生させ、保持するために必要な電流は、領域２４５内の磁場の強さに依存する。例えば、一実施形態において、プラズマの体積と領域２４５内の磁場の強さとに応じて、ＤＣ電源は約１ｍＡ〜約１００Ａの間にある電流を生成する。ＤＣ電源は、原料ガスの導入前に、カソード２１６とアノード２３８との間の初期ピーク電圧を生成し、保持するように適合され得る。
【００３７】
別の実施形態において、交流（ＡＣ）電源（図示していない）を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成し、保持する。例えば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）放電、または、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）放電を用いて、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成し得、または保持し得る。弱電離プラズマを生成し、保持するために必要な電力は、ＡＣ電源を用いる場合の方がＤＣ電源を用いる場合と比べて小さくなり得る。その上、多数の他の方法を用いても、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマを生成し得る。他の方法とは、紫外線法、Ｘ線法、電子ビーム法、イオンビーム法、または電離フィラメント法などである。実施形態によっては、弱電離プラズマは領域２４５の外側に形成され、次いで、領域２４５へと拡散する。
【００３８】
弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを形成することによって、カソード２１６とアノード２３８との間に高電力パルスを印加するときにチャンバ２０２内がブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。カソード領域一面に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを均一に分布させることによって、高電力パルスを印加するときに、より均一な強電離プラズマ（ｓｔｒｏｎｇｌｙ−ｉｏｎｉｚｅｄ  ｐｌａｓｍａ）が得られる。ブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。これは、弱電離が、プラズマを介する電気伝導を提供する低レベルの電離を有するためである。この伝導によって、プラズマに高電力を印加するときにブレイクダウン状態になる可能性は、大いに低減されるか、または、防止される。
【００３９】
弱電離プラズマが形成されるとすぐに、カソード２１６とアノード２３８との間に高電力パルスが生成される。一実施形態において、パルス電源２３４は高電力パルスを生成する。高電力パルスの所望の電力レベルは様々な要因に依存し、その要因には、エッチングプロセスの性質、所望のエッチング速度、所望の予備電離プラズマの密度、および、所望のプラズマの体積が含まれる。一実施形態において、高電力パルスの電力レベルは、約１ｋＷ〜約１０ＭＷの範囲にある。
【００４０】
各高電力パルスは所定の時間保たれ、一実施形態において、その時間は約１マイクロ秒〜約１０秒の間にある。一実施形態において、高電力パルスの繰返し周波数または繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜約１ｋＨｚの範囲にある。望ましくない基板の加熱を最小限にするために、プラズマの体積に応じて、パルス電源２３４により生成される電力の平均は、１ＭＷ未満であり得る。一実施形態において、カソード２１６、アノード２３８、および基板支持体２１２のうちの少なくとも１つの熱エネルギーは、ヘリウム冷却などの液体冷却またはガス冷却（図示していない）によって持去られるか、または、分散される。
【００４１】
高電力パルスにより、カソード２１６とアノード２３８との間に強電場が生成される。この強電場は、実質的に、カソード２１６とアノード２３８との間のギャップ２４４全体にわたる領域２４５に存在する。一実施形態において、電場はパルス状の電場である。他の実施形態において、電場は準静的な電場である。本明細書において、準静的な電場とは、電子の中性ガス粒子との衝突時間と比べてかなり長い電場変動の特性時間を有する電場のことを指す。上記の電場変動の時間は、１０秒のオーダーであり得る。強電場の強さおよび位置について、以下により詳細に記載する。
【００４２】
高電力パルスにより、弱電離プラズマから、高電離プラズマまたは強電離プラズマが発生する。例えば、圧力が約１００ｍＴｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒのオーダーである場合には、この強電離プラズマから形成される放電電流は５ｋＡのオーダーであり得、放電電圧は５０Ｖ〜５００Ｖの範囲にある。一実施形態において、カソード２１６からのスパッタリング材料の確率が低くなるように、放電電圧は比較的低く選ばれる。
【００４３】
一実施形態において、基板２１１はカソード２１６よりも負にバイアスがかけられている。強電離プラズマにおける正に帯電したイオンは基板２１１に向かって加速する。加速されたイオンは基板２１１の表面に衝突し、それによって、基板２１１の表面がエッチングされる。本発明の強電離プラズマにより、非常に均一で非常に高速度のエッチングが得られる。
【００４４】
本発明の一実施形態において、強電離プラズマのイオンフラックス密度および強電離プラズマ内のイオンのイオンエネルギーは独立に制御される。一実施形態において、電力レベルと、パルス電源２３４により生成される高電力パルスの持続時間とを調節することにより、イオンフラックス密度を制御する。一実施形態において、バイアス電源２１４（図２）により生成される負の基板バイアス電圧を調節することにより、基板２１１に衝突し、基板２１１の表面をエッチングさせるイオンのイオンエネルギーを制御する。
【００４５】
一実施形態において、強電離プラズマは、領域２４６に均一に拡散する傾向があり、従って、より均一なプラズマのボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）を作り出す傾向にある。この均一な拡散により、従来のプラズマエッチングシステムと比べて、より均一な態様で、加速されたイオンが基板２１１の表面に衝突する。その結果、基板の表面はより均一にエッチングされる。一実施形態において、基板２１１および／または磁石集合体２５２を回転させる必要なしに、この均一性は得られる。図６Ａ〜図６Ｄを参照して、この均一な拡散を引き起こす物理メカニズムについて、以下に記載する。
【００４６】
図３は、図２のカソード２１６およびアノード２３８の断面図を示す。動作中において、原料ガス２６４はカソード２１６とアノード２３８との間を流れる。一実施形態において、カソード２１６とアノード２３８との間の領域２４５において比較的高いガス体積交換が引き起こされるために、原料ガス２６４の流量が選択される。
【００４７】
原料ガス２６４をまたぎカソード２１６とアノード２３８との間に予備電離電圧を印加し、弱電離プラズマを形成する。弱電離プラズマは、通常、領域２４５内に形成され、原料ガス２６４が引続き流れるように、領域２６６へと拡散する。一実施形態（図示していない）において、磁石集合体２５２は、カソードの中心に広がる領域２４５内に磁場２５４を作り出すように適合される。上記の磁場は、電子の領域２４５から領域２６６への拡散を促進する。他の実施形態において、領域２４５内の弱電離プラズマのボリュームは、速やかに原料ガス２６４の新たなボリュームに置換される。弱電離プラズマ内の電子は、実質的に、磁場２５４により領域２６６内に閉じ込められる。
【００４８】
領域２４５内における弱電離プラズマの形成の後に、カソード２１６とアノード２３８との間に高電力パルスを印加する。この高電力パルスは、カソード２１６とアノード２３８との間の領域２４５における強電場２６０を生成する。強電場２６０により、弱電離プラズマ内において、中性原子、電子、およびイオン間の衝突が引き起こされる。その衝突により、弱電離プラズマ内に励起したアルゴン原子が多数生成される。一実施形態において、カソード２１６およびアノード２３８は、スパッタエッチング材料処理用に適合される。
【００４９】
弱電離プラズマにおける励起原子の蓄積は、電離プロセスを変える。一実施形態において、強電場２６０は、原子原料ガスの多段階電離プロセスを促進する。多段階電離プロセスは、強電離プラズマが形成される速度を有意に増加させる。多段階電離プロセスの効率は、弱電離プラズマにおける励起原子の密度の増加に伴い上がる。他の実施形態において、強電場２６０は、分子または原子の原料ガスのイオンの形成を促進して、活性イオンエッチング用の活性イオン源を供給する。
【００５０】
一実施形態において、原子の励起速度を最大化にするように、カソード２１６とアノード２３８との間の距離またはギャップ２４４が選択される。領域２４５内の電場２６０の値は、パルス電源２３４（図２）により印加される電圧レベル、および、アノード２３８とカソード２１６との間のギャップ２４４の大きさに依存する。実施形態によっては、種々のシステムのパラメータおよびマグネトロンシステムの動作条件に応じて、電場２６０の強さは約５Ｖ／ｃｍ〜約１０５Ｖ／ｃｍの間を変化する。
【００５１】
実施形態によっては、プロセスの種々のパラメータに応じて、ギャップ２４４は約０．３０ｃｍ〜約１０ｃｍの間にあり得る。一実施形態において、領域２４５内の電場２６０は、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマに急激に加えられる。実施形態によっては、急激に印加される電場２６０は、立上り時間が約０．１ミリ秒〜約１０秒の間にある電圧パルスにより生成される。
【００５２】
一実施形態において、ギャップ２４４の大きさ、および、印加電場２６０のパラメータは、領域２４５内の原子の励起速度が最大になる最適条件を決定するように選択される。例えば、アルゴンガスを励起させるには約１１．５５ｅＶのエネルギーが必要である。従って、原料ガス２６４が領域２４５を介して流れるときに、弱電離プラズマが形成され、弱電離プラズマ内の原子は、段階的に電離プロセスを受ける。
【００５３】
弱電離プラズマ内の励起原子は、磁場２５４により領域２６６内に閉じ込められている電子に衝突する。中性原子を電離させるには約１５．７６ｅＶのエネルギーが必要であるのに対して、励起原子を電離させるには約４ｅＶのエネルギーしか必要でない。従って、励起原子は中性原子よりもかなり高い速度で電離する。一実施形態において、強電離プラズマ内のイオンはカソード２１６に衝突し、それにより、カソード２１６から二次電子放出を引き起こす。その二次電子は、実質的に磁場２５４により閉じ込められ、強電離プラズマ内の全ての中性原子または励起原子と相互作用する。このプロセスにより、原料ガス２６４を補給するときに、強電離プラズマ内のイオン密度がさらに増加する。
【００５４】
電場２６０の急激な印加に対応する多段階電離プロセスは次のように記述し得る。
Ａｒ＋ｅ−→Ａｒ＊＋２ｅ−
Ａｒ＊＋ｅ−→Ａｒ＋＋２ｅ−
ここで、Ａｒは原料ガス内の中性のアルゴン原子を表し、ｅ−は、カソード２１６とアノード２３８との間に十分な電圧が印加される場合に、予備電離プラズマに応答して生成されるイオン化用電子を表す。また、Ａｒ＊は、弱電離プラズマ内の励起したアルゴン原子を表す。励起したアルゴン原子とイオン化用電子との衝突により、アルゴンイオン（Ａｒ＋）と２つの電子とが得られる。
【００５５】
励起したアルゴン原子を電離させるために必要なエネルギーは、通常、中性のアルゴン原子の場合よりも少ない。従って、中性のアルゴン原子と比べて、その励起原子は、カソード２１６の表面近傍においてより速く電離する傾向にある。プラズマ内の励起原子の密度が増えるにつれ、電離プロセスの効率は急激に上がる。この効率の増大により、最終的に、強電離プラズマの密度がアバランシェのように増加する。適切な励起条件下において、原子の励起に変換される弱電離プラズマに加えられるエネルギーの割合は、原料ガス内のパルス放電に対して特に高い。
【００５６】
従って、本発明の一局面において、ギャップ２４４全体に弱電離プラズマに高電力パルスを印加することにより、アノード２３８とカソード２１６との間に強電場２６０が生成される。強電場２６０により、弱電離プラズマ内に励起原子が生成される。励起原子はカソードの中心へと拡散し、カソード２１６により放出される二次電子によって急激に電離される。その急激な電離の結果、カソード２１６の近傍領域に形成されるイオン密度の高い強電離プラズマが得られる。
【００５７】
本発明の一実施形態において、領域２４５における原料ガス２６４の流量を制御することによって、より高い密度のプラズマが生成される。この実施形態において、原料ガス２６４の第１のボリュームは領域２４５に供給される。次いで、原料ガス２６４の第１のボリュームが電離さることにより、領域２４５内に弱電離プラズマが形成される。次いで、パルス電源２３４（図２）は、弱電離プラズマ全体に高電力電気パルスを印加する。その高電力電気パルスにより、弱電離プラズマから強電離プラズマが生成される。
【００５８】
高電力電気パルスのレベルおよび持続時間は、高電力放電が縮小し、終結する前に、高電離プラズマが吸収し得る電力レベルおよび持続時間に制限される。一実施形態において、原料ガス２６４の流速を増加させることにより、高電力電気パルスの強度および持続時間が増加され得て、強電離プラズマの密度が増加する。
【００５９】
一実施形態において、原料ガス２６４のボリュームの速い交換により、領域２４５を介して強電離プラズマを移動させる。原料ガス２６４が領域２４５を介して移動すると、原料ガス２６４は、移動する強電離プラズマと相互作用し、印加された高電力電気パルスを受けて強電離状態になる。電離プロセスは、先に記載のように、直接電離および／または段階的電離を組み合わせたものであり得る。原料ガス２６４のボリュームの速い交換による領域２４５を介する強電離プラズマの移動により、強電離プラズマに印加され得る電力レベルおよび持続時間は増加される。従って、領域２４６内に高密度の強電離プラズマが生成される。
【００６０】
図４は、図２に示される磁気強化プラズマ処理装置２００におけるプラズマに、周期的なパルスを印加する場合における、時間の関数としての印加パルス電力のグラフ表示３００を示す。時刻ｔ０において、パルス電源２３４を作動させる前に、ガス供給源２０８から原料ガスをチャンバ２０２に流入させる。ガス供給源２０８からチャンバ２０２への十分な量のガスの流入に要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、ガスの流速およびチャンバ２０２内の所望の圧力が含まれる。
【００６１】
一実施形態（図示していない）において、原料ガスをチャンバ２０２に流入させる前に、パルス電源２３４を作動させる。この実施形態において、アノード２３８とカソード２１６との間に原料ガスを注入する。アノード２３８とカソード２１６との間において、パルス電源２３４により原料ガスが点火されることによって、弱電離プラズマが生成される。
【００６２】
一実施形態において、時刻ｔ０〜時刻ｔ１において、原料ガスはアノード２３８とカソード２１６との間を流れる。時刻ｔ１において、パルス電源２３４は、カソード２１６とアノード２３８との間にパルス３０２を生成し、パルス３０２の電力は、プラズマの体積に応じて、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの間にある。パルス３０２は原料ガスを点火するに十分であり、弱電離プラズマを生成する。
【００６３】
一実施形態（図示していない）において、ガス供給源２０８から原料ガス２６４（図３）がチャンバ２０２内に達する前に、パルス電源２３４は、カソード２１６とアノード２３８との間に電位差を加える。この実施形態において、原料ガス２６４がカソード２１６とアノード２３８との間に流れるときに、原料ガス２６４は点火される。他の実施形態において、ガス供給源２０８からの原料ガス２６４がチャンバ２０２に到達する間、または、到達した後に、パルス電源２３４は、カソード２１６とアノード２３８との間にパルス３０２を生成する。
【００６４】
パルス電源２３４により生成される電力は、カソード２１６とアノード２３８との間の領域２４５に存在するガスを部分的に電離させる。その部分的に電離したガスは、弱電離プラズマ、または、予備電離プラズマとも呼ばれる。先に記載のとおり、弱電離プラズマの形成により、高電力パルスを弱電離プラズマに印加するときにブレイクダウン状態が作り出される可能性は実質的になくなる。
【００６５】
一実施形態において、約１ミリ秒〜約１００秒の間の時間、連続的にその電力を加えることにより、予備電離プラズマは十分なプラズマ密度を形成し得、保持し得る。一実施形態において、弱電離プラズマを保持するために、弱電離プラズマの点火の後に、パルス電源２３４から電力を連続的に加える。パルス電源２３４により高電力パルスが供給されるまでに弱電離プラズマを生成し、保持するために、パルス電源２３４は、連続的にわずかな電力を出力するように設計され得る。
【００６６】
時刻ｔ２〜時刻ｔ３において、パルス電源２３４は、弱電離プラズマ全体に高電力パルス３０４を供給する。実施形態によっては、磁気強化プラズマ処理装置２００のパラメータに応じて、高電力パルス３０４の電力は、約１ｋＷ〜約１０ＭＷの範囲内にある。高電力パルスは、立上り時間が約０．１マイクロ秒〜約１０秒の間にある立上りエッジ３０６を有する。
【００６７】
高電力パルス３０４の電力およびパルスは、弱電離プラズマを強電離プラズマに変えるに十分である。一実施形態において、約１０マイクロ秒〜約１０秒の範囲内の時間、高電力パルス３０４を加える。時刻ｔ４において、高電力パルス３０４の印加を終了させる。
【００６８】
高電力パルス３０４の供給後に、バックグランド電力を加えることにより、電源２２４は弱電離プラズマを保持する。そのバックグランド電力は、一実施形態において、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの間にある。バックグランド電力は、パルス状、または、連続的に印加される電力であり得るが、パルス電源２３４が他の高電力パルス３０８の供給の準備をする間に、その電力はプラズマ内の予備電離状態を保持する。
【００６９】
時刻ｔ５において、パルス電源２３４は他の高電力パルス３０８を供給する。一実施形態において、高電力パルス３０４と高電力パルス３０８との間の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜約１ｋＨｚの間にある。高電力パルス３０４および高電力パルス３０８の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、様々な要因に依存し、その要因には、パルス電源２３４の設計、および、磁気強化プラズマ処理装置の設計が含まれる。強電離プラズマの電離速度を制御するが、弱電離プラズマを保持するように、高電力パルス３０４の立上りエッジ３０８および立下がりエッジ３１０の形状および持続時間は選択される。一実施形態において、基板２１１（図２）のエッチング速度を制御するように、高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は選択される。
【００７０】
図５は、図２の磁気強化プラズマ処理装置２００におけるプラズマに周期的なパルスを印加する場合における、時間の関数としての、印加電圧の絶対値のグラフ表示３２０、印加電流の絶対値のグラフ表示３２２、および印加電力の絶対値のグラフ表示３２４を示す。一実施形態において、時刻ｔ０（図示していない）において、パルス電源２３４が作動する前に、ガス供給源２０８から原料ガス２６４（図３）をチャンバ２０２に流入させる。ガス供給源２０８からチャンバ２０２に十分な量の原料ガス２６４が流れるに要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、供給ガス２６４およびチャンバ２０２内の所望の圧力が含まれる。
【００７１】
図５に示される実施形態において、電源２３４は時刻ｔ１に定電力を生成する。時刻ｔ１において、パルス電源２３４は、アノード２３８とカソード２１６の間に電圧３２６を生成する。一実施形態において、電圧３２６は、約１００Ｖ〜約５ｋＶの間にある。時刻ｔ０と時刻ｔ１との間隔（図示していない）は、数マイクロ秒〜数ミリ秒のオーダーであり得る。時刻ｔ１において、電流３２８および電力３３０は一定値である。
【００７２】
時刻ｔ１〜時刻ｔ２において、弱電離プラズマが生成されるように、電圧３２６、電流３２８および電力３３０は一定のままである。時刻ｔ２における電圧３３２は、約１００Ｖ〜約５ｋＶの間にある。時刻ｔ２における電流３３４は、約０．１Ａ〜約１００Ａの間にある。時刻ｔ２において供給される電力３３６は、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの間にある。
【００７３】
パルス電源２３４により生成される電力３３６は、カソード２１６とアノード２３８との間に存在するガスを部分的に電離させる。その部分的に電離したガスは、弱電離プラズマ、または、予備電離プラズマとも呼ばれる。先に記載のとおり、弱電離プラズマの形成により、高電力パルスを弱電離プラズマに印加するときにブレイクダウン状態が作り出される可能性は実質的になくなる。このブレイクダウン状態の抑制により、チャンバ２０２における望ましくないアーク放電の発生は実質的になくなる。
【００７４】
一実施形態において、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間隔は約１ミリ秒〜約１００秒の間であり、それにより、予備電離プラズマは十分なプラズマ密度を形成し得、保持し得る。一実施形態において、弱電離プラズマを保持するために、パルス電源２３４から電力３３６を連続的に加える。弱電離プラズマを保持するために、パルス電源２３４は、連続的にわずかな電力を出力するように設計され得る。
【００７５】
時刻ｔ２〜時刻ｔ３において、パルス電源２３４は、弱電離プラズマ全体に高電圧パルス３３８を供給する。実施形態によっては、高電圧パルス３３８の電圧は、約２００Ｖ〜約３０ｋＶの範囲内にある。実施形態によっては、時刻ｔ２と時刻ｔ３との間隔は、約０．１マイクロ秒〜約１０秒の間にある。プラズマをまたぐ電流が増加しだす前に、時刻ｔ３〜時刻ｔ４において高電圧パルス３３８を印加する。一実施形態において、時刻ｔ３と時刻ｔ４との間隔は、約１０ナノ秒〜約１マイクロ秒の間にあり得る。
【００７６】
時刻ｔ４〜時刻ｔ５において、電圧３４０は下げられ、電流３４２は増加する。電力３４４も、電圧３４６と電流３４８との間に準静的な状態が存在するまで、時刻ｔ４〜時刻ｔ５において増加する。時刻ｔ４と時刻ｔ５との間隔は、数百ナノ秒のオーダーであり得る。
【００７７】
一実施形態において、時刻ｔ５において、電圧３４６は約５０Ｖ〜約１０００Ｖの間にあり、電流３４８は約１０Ａ〜約５ｋＡの間にあり、電力３５０は約１ｋＷ〜約１０ＭＷの間にある。時刻ｔ６まで、電力３５０はプラズマに連続的に印加される。一実施形態において、時刻ｔ５と時刻ｔ６との間隔は、約１マイクロ秒〜約１０秒の間にある。
【００７８】
一実施形態において、磁気強化プラズマ処理装置は、プラズマエッチング用に構成される。この実施形態において、カソード２１６からのスパッタリングを実質的に防ぐために、時刻ｔ５において、電圧３４６は約５０Ｖ〜約１０００Ｖの間にあり、電流３４８は、約１０００Ａ〜約１０，０００Ａの間にある。
【００７９】
パルス電源２３４は、最大電力３５０およびパルス幅が弱電離プラズマを強電離プラズマに変えるに十分である高電力パルスを供給する。時刻ｔ６において、最大電力３５０の印加を終了させる。一実施形態において、時刻ｔ６の後に、パルス電源２３４は、プラズマを保持するに十分なバックグランド電力を供給し続ける。
【００８０】
一実施形態において、高電力パルスの供給後に、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの間にあり得る電力３５２をプラズマに連続的に加えることにより、電源２２４は弱電離プラズマを保持する。パルス電源２３４が次の高電力パルスの供給の準備をする間に、連続的に生成される電力はプラズマ内の予備電離状態を保持する。
【００８１】
時刻ｔ７において、パルス電源２３４は次の高電力パルス（図示していない）を供給する。一実施形態において、高電力パルス間の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜約１０ｋＨｚの間にある。高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、様々な要因に依存し、その要因には、パルス電源２３４の設計、および、磁気強化プラズマ処理装置の設計が含まれる。
【００８２】
他の実施形態（図示していない）において、電源２３４は定電圧を生成する。この実施形態において、時刻ｔ２から時刻ｔ６まで電圧３２０を連続的に印加する。電流３２２および電力３２４は、時刻ｔ６まで増大し、電圧３２０の印加が終了されるまで、比較的一定なレベルにとどまる。その増大した電流および電力により、励起原子が生成される。
【００８３】
図６Ａ〜図６Ｄは、図２の磁気強化プラズマ処理装置２００における種々の電子のＥ×Ｂドリフト電流に対してシミュレートしたカソード２１６近傍における磁場分布４００、磁場分布４０２、磁場分布４０４、および、磁場分布４０６を示す。マグネトロンにより生成されたプラズマの反磁性特性は強いために、マグネトロン放電は、プラズマのボリュームからの外部磁場を締め出す傾向にある。シミュレートされた磁場分布４００、磁場分布４０２、磁場分布４０４、および、磁場分布４０６は、大電流を有する高電力プラズマが、図２の磁気強化プラズマ処理装置の領域２４６に均一に拡散する傾向にあることを示す。
【００８４】
カソード２１６とアノード２３８との間の高電力パルスは、カソード２１６から二次電子を生成し、その二次電子は、交差した電場と磁場とに従ってカソード２１６の近傍において円運動する。電子の実質的な円運動により、電子のＥ×Ｂドリフト電流が生成される。電子のＥ×Ｂドリフト電流の大きさは、プラズマ内の放電電流の大きさに比例し、一実施形態において、放電電流の大きさの約３倍〜約１０倍の範囲にある。
【００８５】
一実施形態において、実質的に円運動する電子のＥ×Ｂドリフト電流により磁場が生成されるが、その磁場は、磁石系２５２により生成される磁場と交差する。一実施形態において、電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場の向きは、磁場系２５２により生成される磁場の向きと実質的に反対である。電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場の大きさは、電子のＥ×Ｂドリフト電流の増加とともに増加する。磁石系２５２により生成される磁場と、電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場との相互作用により、領域２４６内の少なくとも一部に強電離プラズマの均一な拡散が引き起こされる。
【００８６】
一実施形態において、電子のＥ×Ｂドリフト電流は、低電流密度プラズマの場合には、実質的に円形な形状を定める。しかし、プラズマの電流密度が増加するにつれ、実質的に円形の電子のＥ×Ｂドリフト電流は、より複雑な形状を表す傾向にある。これは、磁石系２５２により生成される磁場と、高電力パルスにより生成される磁場と、電子のＥ×Ｂドリフト電流により生成される磁場との相互作用が強くなるためである。例えば、一実施形態において、電子のＥ×Ｂドリフト電流の形状は実質的にサイクロイドである。従って、電子のＥ×Ｂドリフト電流の正確な形状は非常に複雑であり得、様々な要因に依存する。
【００８７】
例えば、図６Ａは、磁石系２５２により生成される磁場と、実質的に円形な輪により示される電子のＥ×Ｂドリフト電流４１０により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４０８を示す。電子のＥ×Ｂドリフト電流４１０は、カソード２１６近傍に生成される。
【００８８】
図６Ａに示される例において、電子のＥ×Ｂドリフト電流４１０は、約１００Ａである。本発明の一実施形態において、電子のＥ×Ｂドリフト電流４１０は、放電電流の約３倍〜約１０倍の間にある。従って、図６Ａに示される例において、放電電流は約１０Ａ〜約３０Ａの間にある。磁石系２５２により生成される磁場は、比較的小さな電子のＥ×Ｂドリフト電流４１０により生成される比較的小さな磁場によって、実質的には乱されないということを、図６Ａに示される磁力線４０８は示す。
【００８９】
図６Ｂは、磁石系２５２により生成される磁場と、電子のＥ×Ｂドリフト電流４１４により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４１２を示す。電子のＥ×Ｂドリフト電流４１４は、カソード２１６近傍に生成される。図６Ｂに示される例において、電子のＥ×Ｂドリフト電流４１４は、約３００Ａである。電子のＥ×Ｂドリフト電流４１４は、通常、放電電流の約３倍〜約１０倍の間にあるため、この例における放電電流は約３０Ａ〜約１００Ａの間にある。
【００９０】
磁石系２５２により生成される磁力線４１２は、比較的小さな電子のＥ×Ｂドリフト電流４１４により生成される比較的小さな磁場によって、実質的には乱されない。しかしながら、電子のＥ×Ｂドリフト電流４１４に最近接する磁力線４１６は、電子のＥ×Ｂドリフト電流４１４により生成される磁場によって、いくぶんか歪められる。より大きな電子のＥ×Ｂドリフト電流により、磁石系２５２により生成される磁場とより強く相互作用するより強い磁場が生成されるということを、この歪みは示唆する。
【００９１】
図６Ｃは、磁石系２５２により生成される磁場と、電子のＥ×Ｂドリフト電流４２０により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４１８を示す。電子のＥ×Ｂドリフト電流４２０は、カソード２１６の近傍に生成される。図６Ｃに示される例において、電子のＥ×Ｂドリフト電流４２０は、約１，０００Ａである。電子のＥ×Ｂドリフト電流４２０は、通常、放電電流の約３倍〜約１０倍の間にあるため、この例における放電電流は約１００Ａ〜約３００Ａの間にある。
【００９２】
磁石系２５２により生成される磁力線４１８は相当な歪みを示し、その歪みは、比較的大きな電子のＥ×Ｂドリフト電流４２０により生成される比較的強い磁場により引き起こされる。従って、より大きな電子のＥ×Ｂドリフト電流４２０は、より強い磁場を生成し、そのより強い磁場は、磁石系２５２により生成される磁場と強く相互作用し、その磁場を支配しだす。
【００９３】
磁石系２５２により生成される磁場と、電子のＥ×Ｂドリフト電流４２０により生成される磁場との相互作用は、実質的に磁力線４２２を生成するが、磁力線４２２は、図６Ａの磁力線４０８ならびに図６Ｂの磁力線４１２および磁力線４１６よりも、カソード２１６の表面に対して幾ばくかより平行である。磁力線４２２は、強電離プラズマを領域２４６内においてより均一に分布させる。
【００９４】
従って、強電離プラズマは、領域２４６内において、実質的に均一に拡散する。従って、従来の磁気強化エッチングシステムと比べて、カソード２１６は、より均一に、正イオンの衝突を受ける。この均一な衝突により、領域２４６に均一に分布した二次電子が生成される。その二次電子は、実質的に均一な強電離プラズマと均一に相互作用する。その結果、本発明による磁気強化プラズマエッチングプロセスにおいて、基板２１１（図２）はより均一にエッチングされる。
【００９５】
図６Ｄは、磁石系２５２により生成される磁場と、電子のＥ×Ｂドリフト電流４２６により生成される磁場との相互作用により生成される磁力線４２４を示す。電子のＥ×Ｂドリフト電流４２６は、カソード２１６の近傍に生成される。図６Ｄに示される例において、電子のＥ×Ｂドリフト電流４２６は、約５ｋＡである。この例における放電電流は約５００Ａ〜約１，７００Ａの間にある。
【００９６】
比較的大きな電子のＥ×Ｂドリフト電流４２６により生成される比較的強い磁場と相互作用するために、磁石系２５２により生成される磁力線４２４は、比較的強く歪められる。従って、この実施形態において、比較的大きな電子のＥ×Ｂドリフト電流４２６は非常に強い磁場を生成し、その磁場は、磁石系２５２により生成される磁場と比べて相当強い。
【００９７】
図７は、本発明による磁気強化プラズマ処理装置４５０の別の実施形態の断面図を示す。磁気強化プラズマ処理装置４５０は、弱電離プラズマまたは予備電離を生成する電極４５２を含む。電極４５２は、予備電離フィラメント電極とも呼ばれ、弱電離プラズマを生成するイオン源の構成要素である。
【００９８】
一実施形態において、電極４５２は、電源４５６の出力４５４に結合される。電極４５６はＤＣ電源またはＡＣ電源であり得る。絶縁体４５８は、電極４５２をチャンバ２０２の接地された壁と絶縁する。一実施形態において、電極４５２は、実質的に円形の電極である。他の実施形態において、電極４５２は、実質的に直線の形状であるか、または、プラズマを予備電離するに適する形状である。
【００９９】
一実施形態において、電源４５６の第２の出力４６０は、カソード２１６に結合される。絶縁体２２６はカソード２１６をチャンバ２０２の壁と絶縁する。一実施形態において、電源４５６は、平均が約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの範囲にある出力電力を生成する。上記の出力電力は、電極４５２とカソード２１６との間に、電極４５２の近傍に存在する原料ガスを予備電離するに適する電流を生成するに十分である。
【０１００】
動作中において、磁気強化プラズマ処理装置４５０は、図２の磁気強化プラズマ処理装置２００と類似した態様で機能する。磁場２５４は、カソード２１６の近傍に生成される。一実施形態において、磁場２５４の強さは、約５０ガウス〜約２，０００ガウスの間にある。ガス流制御システム２１０により、原料ガスは、ガス供給源２０８からチャンバ２０２に供給される。
【０１０１】
電源４５６は、カソード２１６と電極４５２との間に適切な電流を印加する。電極４５２近傍の領域２４６に弱電離プラズマを発生させるように、電流のパラメータは選択される。一実施形態において、プラズマの体積に応じて、電源４５６は約１００Ｖ〜約５ｋＶの電圧を生成し、約０．１Ａ〜約１００Ａの放電電流を伴う。電圧の特定のパラメータの例について、図８とともに、以下により詳細に記載する。
【０１０２】
一実施形態において、アルゴンスパッタリングガスに対して、結果として生じる予備電離プラズマの密度は、約１０６ｃｍ−３〜約１０１２ｃｍ−３の間にある。一実施形態において、チャンバ２０２内の圧力は、約１０−３Ｔｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒの間にある。上述したように、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマにより、プラズマに高電力パルスを印加するときにチャンバ２０２内がブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。
【０１０３】
次いで、パルス電源２３４は、カソード２１６とアノード２３８との間に高電力パルスを生成する。高電力パルスは、弱電離プラズマから強電離プラズマを生成する。高電力パルスのパラメータは様々なパラメータに依存し、そのパラメータには、プラズマの体積、所望の堆積速度、および、基板２１１のエッチングに必要な予備電離プラズマの濃度が含まれる。
【０１０４】
一実施形態において、カソード２１６とアノード２３８との間の高電力パルスは約１ｋＷ〜約１０ＭＷの範囲内にある。一実施形態において、約１０ｍＴｏｒｒの圧力に対して、強電離プラズマから生成され得る放電電流密度は、約１Ａ／ｃｍ２よりも大きい。一実施形態において、高電力パルスのパルス幅は、約１マイクロ秒から約数秒の範囲内にある。一実施形態において、高電力放電の繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜約１０Ｈｚの範囲内にある。
【０１０５】
パルス電源により生成される電力の平均は、望ましくない基板の加熱を最小限にするように選択され得る。例えば、プラズマの体積に応じて、パルス電源により生成される電力の平均は、１ＭＷ未満になるように選択され得る。一実施形態において、カソード２１６、アノード２３８、および、基板支持体２１２のうちの少なくとも１つにおける熱エネルギーは、液体冷却またはガス冷却（図示していない）によって持去られるか、または、分散される。
【０１０６】
ガス流制御システム２１０は、強電離プラズマを保持するに十分高い原料ガス流速を提供する。その上、強電離プラズマを保持する範囲にチャンバ２０２内の圧力を保つように、真空バルブ２０６は圧力を制御する。
【０１０７】
強電離プラズマ内のイオンは、基板２１１に向かい加速し、基板２１１の表面に衝突する。強電離プラズマにより、基板材料のエッチング速度は非常に速くなる。その上、本明細書において図６Ａ〜図６Ｄとともに記載したように、生成された磁場間の相互作用により、本発明によるプラズマ処理システムによって生成される強電離プラズマは、領域２４６内に均一に拡散する傾向にある。その均一な拡散により、従来のプラズマエッチングシステムと比べて、基板２１１の表面へのイオン衝撃の分布はより均一になる。従って、基板２１１は比較的均一にエッチングされる。
【０１０８】
図８は、図７の磁気強化プラズマ処理システム４５０におけるプラズマに周期的なパルスを加える場合における、時間の関数としてのパルス電力のグラフ表示５００を示す。一実施形態において、電源４５６またはパルス電源２３４の一方を作動させる前に、時刻ｔ０において、ガス供給源２０８から原料ガスをチャンバ２０２に流入させる。
【０１０９】
別の実施形態において、弱電離プラズマ形成の前に、原料ガスがチャンバ２０２に入る前の時刻ｔ０において、電源４５６および／またはパルス電源２３４を作動させる。この実施形態において、原料ガスは、電極４５２とカソード２１６との間に注入され、電極４５２とカソード２１６との間において、原料ガスは電源４５６により点火されて、弱電離プラズマを生成する。
【０１１０】
十分な量の原料ガスをチャンバ２０２に流入するに要する時間は、様々な要因に依存し、その要因には、原料ガスの流速、および、チャンバ２０２内の所望の動作圧力が含まれる。時刻ｔ１において、電源４５６は、電極４５２とカソード２１６との間に、約０．０１ｋＷ〜約１００ｋＷの範囲にある電力５０２を生成する。電力５０２により、電極４５２近傍の原料ガスが部分的に電離し、それにより、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマが生成される。
【０１１１】
時刻ｔ２において、パルス電源２３４は、プラズマの体積に応じて、約１ｋＷ未満〜約１０ＭＷのオーダーの高電力パルス５０４を弱電離プラズマに供給する。高電力パルス５０４は、弱電離プラズマを強電離プラズマに変えるに十分である。その高電力パルスの立上りエッジ５０６の立上り時間は約０．１マイクロ秒〜約１０秒の間にある。
【０１１２】
一実施形態において、高電力パルス５０４のパルス幅は、約１マイクロ秒から約１０秒の間にある。時刻ｔ４において、高電力パルス５０４の印加を終了させる。高電力パルス５０４の供給の後においても、パルス電源２３４が他の高電力パルス５０８の供給の準備をする間に、電源４５６からの電力５０２は連続的に印加されて、予備電離プラズマを保持する。他の実施形態（図示していない）において、電源４５６は、ＡＣ電源であり、適切な電力パルスを供給することにより、弱電離プラズマを点火し、保持する。
【０１１３】
時刻ｔ５において、パルス電源２３４は他の高電力パルス５０８を供給する。一実施形態において、高電力パルスの繰返し率は、約０．１Ｈｚ〜約１０ｋＨｚの間にある。高電力パルスの具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、処理パラメータと、パルス電源２３４の設計と、プラズマ処理システムの設計とに依存する。高電力パルス５０４の立上りエッジ５０６および立下がりエッジ５１０の形状および持続時間は、強電離プラズマの電離速度を制御するように選択される。一実施形態において、高電力パルス５０４の具体的な大きさ、形状、幅、および、周波数は、基板材料のエッチング速度を制御するように選択される。
【０１１４】
図９Ａ〜図９Ｃは、本発明によるカソード２１６’、カソード２１６”、および、カソード２１６”’の様々な実施形態の断面図である。図９Ａ〜図９Ｃは、カソード２１６’、カソード２１６”、および、カソード２１６”’のそれぞれの片側（図７を参照して右側）を示す。カソード２１６’、カソード２１６”、および、カソード２１６”’のそれぞれの左側は、通常、図示した右側と対称的である。図９Ａ〜図９Ｃは、電極４５２と、カソード２１６’、カソード２１６”、および、カソード２１６”’との様々な構成を示す。その様々な構成は、電極４５２とカソード２１６’、カソード２１６”、および、カソード２１６”’のそれぞれとの間に生成される電場のパラメータに影響を及ぼし得る。
【０１１５】
電場のパラメータは、通常、予備電離プロセスのみならず、予備電離プラズマの点火にも影響を及ぼし得る。一実施形態において、様々な実施形態は、原料ガスのブレイクダウンに必要な状態、ならびに、アノード２３８とカソード２１６’、カソード２１６”、および、カソード２１６”’のそれぞれとの間の領域における弱電離プラズマの点火に必要な状態を作り出す。
【０１１６】
図９Ａは、カソード２１６’の片側を示す。カソード２１６’の表面５１８は、円形電極４５２に実質的に平行であり、円形電極４５２のベンド５２０よりも先まで広がる。この実施形態において、カソード２１６’と円形電極４５２との間に生成される電場の電気力線（図示していない）は、円形電極４５２の円周に沿ってカソード２１６’と実質的に直交する。この実施形態により、弱電離プロセスの効率を上げ得る。
【０１１７】
図９Ｂは、カソード２１６”の片側を示す。この実施形態において、カソード２１６”と円形電極４５２との間に生成される電気力線（図示していない）は、カソード２１６”上の点５２８において、カソード２１６”と実質的に直交する。電極４５２とカソード２１６”との間のギャップ５３０における電場は、ギャップ５３０を介して流れる原料ガスからのプラズマを点火するように適合される。点５２８に対する磁場の生成される位置、および、カソード２１６”の近傍領域の圧力などの様々なパラメータに依存して、この実施形態により、弱電離プロセスの効率を上げ得る。
【０１１８】
図９Ｃは、カソード２１６”’の片側を示す。この実施形態において、カソード２１６”’と円形電極４５２との間に生成される電気力線（図示していない）は、点５３８において、カソード２１６”’と実質的に直交する。電極４５２とカソード２１６”’との間のギャップ５４０における電場は、ギャップ５４０を介して流れる原料ガスからのプラズマを点火するように適合される。点５３８に対する磁場の生成される位置、および、カソード２１６”’の近傍領域の圧力などの様々なパラメータに依存して、この実施形態により、弱電離プロセスの効率を上げ得る。
【０１１９】
図１０は、本発明による磁気強化プラズマ処理装置４５０’の他の実施形態の断面図である。この実施形態は、図７の磁気強化プラズマ処理装置４５０と類似する。しかしながら、この実施形態において、イオン源の構成要素である電極４５２’は、カソード２１６を実質的に取り囲む。
【０１２０】
カソード２１６に対する電極４５２’の位置は、アノード２３８とカソード２１６との間のギャップ２４４における特定の電気的状態を果たすように選択される。例えば、この実施形態において、予備電離電極４５２’は、アノード２３８とカソード２１６との間の領域２４５’に物理的に配置されていないため、予備電離電極４５２’は、アノード２３８とカソード２１６との間に高電力パルスを印加するときに得られる強電場と干渉しない。
【０１２１】
電源４５６は、カソード２１６とアノード４５２’との間に実質的に一定な電圧を印加する。その実質的に一定な電圧により、電極４５２’およびカソード２１６の近傍に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマが生成される。予備電離プラズマによって、そのプラズマに高電力パルスを印加するときにチャンバ２０２内がブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。
【０１２２】
一実施形態において、電源４５６はＤＣ電源であり、そのＤＣ電源は、約０．１Ａ〜約１００Ａの範囲内にある放電電流を伴う約１００Ｖ〜約５ｋＶの範囲内のＤＣ電圧を生成する。他の実施形態において、電源４５６はＡＣ電源であり、そのＡＣ電源は、カソード２１６と電極４５２’との間に電圧パルスを生成する。
【０１２３】
電極４５２’がカソード２１６を実質的に取り囲むために、電極４５２’とカソード２１６との間隔４６２は、電極４５２’の直径を変化させることにより、変わり得る。例えば間隔４６２は、約０．３ｃｍから約１０ｃｍへと変わり得る。間隔４６２は、領域２４６’の弱電離プラズマを保持するように選択される。カソード２１６に対する電極４５２’の垂直方向の位置も、変わり得る。
【０１２４】
パルス電源２３４は、先に記載のように、カソード２１６とアノード２３８との間に高電力パルスを生成する。高電力パルスは、弱電離プラズマから強電離プラズマを生成する。
【０１２５】
図１１は、本発明による磁気強化プラズマ処理装置４５０”の他の実例となる実施形態の断面図である。磁気強化プラズマ処理装置４５０”は、図７の磁気強化プラズマ処理装置４５０と類似する。例えば、電極４５２”はイオン源の構成要素である。しかしながら、電極４５２”は、第１の電源４６４に結合され、追加の第２の電源４６６にも結合される。カソード２１６に対する電極４５２”の位置は、特定のプラズマ処理特性を果たすように選択される。
【０１２６】
第１の電源４６４の第１の出力４６８は、絶縁体４５８を介して電極４５２”の第１の面４７０に結合される。第１の電源４６４の第２の出力４７２は、絶縁体４７６を介して電極４５２”の第２の面４７４に結合される。第１の電源４６４は、電極４５２”を介する電流を生成するように適合される。電流は、本質的に、電極４５２”内に熱を生成し、加熱された電極４５２”は電子を領域２４５”に放つ。一実施形態において、第１の電源４６４はＤＣ電源であり、電極４５２”を介して実質的に一定の電流を印加する。他の実施形態において、第１の電源４６４はＡＣ電源である。
【０１２７】
第２の電源４６６の第１の出力４７８は、絶縁体４８０を介してアノード２３８に結合される。第２の電源４６６の第２の出力４８２は、電極４５２”の第２の面４７４に結合される。第２の電源４６６は、電極４５２”とアノード２３８との間に電圧を印加するように適合される。第２の電源４６６は、ＡＣ電源またはＤＣ電源であり得る。一実施形態において、第２の電源４６６は、約０．１Ａ〜約１００Ａの範囲内の放電電流を伴う約１００Ｖ〜約５ｋＶの電圧を生成する。
【０１２８】
一実施形態において、第２の電源４６６は、実質的に一定の電圧を印加し、その電圧は、電極４５２”およびカソード２１６の近傍に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを生成する。予備電離プラズマにより、高電力パルスを印加するときに、チャンバ２０２内がブレイクダウン状態になる可能性は実質的になくなる。
【０１２９】
高電力パルス電源２３４は、カソード２１６とアノード２３８との間に高電力パルスを生成する。高電力パルスは、弱電離プラズマから強電離プラズマを生成する。上述のとおり、高電力パルスのパラメータは様々なパラメータに依存し、そのパラメータには、プラズマの体積、所望のエッチング速度、および、予備電離プラズマの所望の濃度が含まれる。
【０１３０】
図１２は、本発明による磁気強化プラズマエッチングの実例となるプロセスのフローチャート６００である。そのプロセスは、図２の磁気強化プラズマ処理装置２００内の様々なシステムに電圧を印加することにより、開始する（工程６０２）。例えば、まず、チャンバ２０２を特定の圧力まで真空引きする（工程６０４）。次いで、チャンバ２０２内の圧力を評価する（工程６０６）。一実施形態においては、次いで、チャンバに原料ガスを供給する（工程６０８）。
【０１３１】
次いで、ガス圧を評価する（工程６１０）。ガス圧が適当である場合には、チャンバ２０２内の圧力を再び評価する（工程６１２）。チャンバ２０２内の圧力が適当である場合には、原料ガスの近傍に適当な磁場を生成する（工程６１４）。一実施形態において、図２の磁石系２５２には、少なくとも１つの永久磁石が含まれる。従って、プロセス開始前から一定の磁場が生成されている。他の実施形態において、磁石系（図示していない）には、少なくとも１つの電磁石が含まれる。従って、電磁石が作動するときにのみ磁場が生成される。
【０１３２】
磁場が適当である場合には（工程６１６）、原料ガスは電離して、弱電離プラズマを生成する（工程６１８）。一実施形態において、図２のカソード２１６とアノード２３８の間のギャップ２４４に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマが生成される。他の実施形態において、図７の電極４５２とカソード２１６との間に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマが生成される。さらに他の実施形態において、図１１の電極４５２”が加熱されて、カソード２１６の近傍に電子を放出する。図１１の実施形態において、アノード２３８と電極４５２’との間に、比較的低い電流放電が作り出される。
【０１３３】
図２の実施形態において、原料ガスを導入する前に、カソード２１６とアノード２３８との間のギャップ２４４に電位を加えることによって、弱電離プラズマが生成される。図７に示される実施形態において、弱電離プラズマを生成する原料ガスを導入する前に、図７の電極４５２とカソード２１６との間に電位差を加えることによって、弱電離プラズマが生成される。
【０１３４】
ガスが弱電離している場合には（工程６２０）、基板に負のバイアスをかける（工程６２１）。次いで、弱電離プラズマから強電離プラズマが生成される（工程６２２）。一実施形態において、カソード２１６とアノード２３８との間に高電力パルスを印加することによって、強電離プラズマが生成される。上述したように、高電力パルスによって、アノード２３８とカソード２１６との間のギャップ２４４に強電場が生成される。その強電場によって、原子の原料ガスが段階的に電離し、強電離プラズマになる分子の原料ガスのイオン形成が促進される。一実施形態において、強電離プラズマは、図２の領域２４６内において実質的に均一である。その均一性により、実質的に均一な基板２１１のエッチングが得られる。
【０１３５】
基板２１１はカソード２１６に対して負にバイアスがかけられているために、基板２１１は、実質的に均一な強電離プラズマから電子を引き付ける。それにより、イオンが基板２１１に衝突して、基板材料のエッチングが引き起こされる。一実施形態において、強電離プラズマが形成されると（工程６２４）、周知のモニタリング技術を用いて、プラズマエッチングをモニタリングする（工程６２８）。プラズマエッチングが完了すると（工程６３０）、プラズマエッチング処理を終了させる（工程６３２）。
【０１３６】
図１３は、本発明によるエッチング速度の制御の実例となるプロセスのフローチャート６５０である。そのプロセスは、図２の磁気強化プラズマ処理装置２００内の様々なシステムに電圧を印加することにより、開始する（工程６０２）。例えば、まず、チャンバ２０２を特定の圧力まで真空引きする（工程６０４）。次いで、チャンバ２０２内の圧力を評価する（工程６０６）。一実施形態においては、次いで、チャンバに原料ガスを供給する（工程６０８）。ガス圧を評価する（工程６１０）。ガス圧が適当である場合には、チャンバ２０２内の圧力を再び評価する（工程６１２）。チャンバ２０２内の圧力が適当である場合には、原料ガスの近傍に適当な磁場を生成する（工程６１４）。
【０１３７】
磁場が適当であると仮定すると（工程６１６）、原料ガスは電離して、弱電離プラズマを生成する（工程６１８）。一実施形態において、図２のカソード２１６とアノード２３８の間に比較的低い電流放電を作り出すことによって、弱電離プラズマが生成される。
【０１３８】
弱電離プラズマが生成された（工程６２０）後、基板に負のバイアスをかける（工程６２１）。次いで、弱電離プラズマから強電離プラズマが生成される（工程６２２）。一実施形態において、カソード２１６とアノード２３８との間のギャップ２４４に高電力パルスを印加することによって、強電離プラズマが生成される。一実施形態において、強電離プラズマは、図２の領域２４６内において実質的に均一である。その均一性により、実質的により均一な基板２１１のエッチングが得られる。基板２１１は、実質的に均一な強電離プラズマから電子を引き付ける。そのイオンが基板２１１に衝突することにより、基板材料のエッチングが引き起こされる。
【０１３９】
一実施形態において、強電離プラズマが形成されると（工程６２４）、周知のモニタリング技術を用いて、エッチング速度をモニタリングする（工程６５２）。エッチング速度が十分でない場合（工程６５４）には、プラズマに供給される電力を増加させる（工程６５６）。一実施形態において、カソード２１６とアノード２３８との間のギャップ２４４に印加される高電力パルスの大きさを増すことにより、プラズマに供給される電力が増加する。一実施形態（図示していない）において、基板に衝突するイオンのイオンエネルギーを制御するために、基板にかける負のバイアス（工程６２１）を変更する。エッチング速度を再び評価する（工程６５２）。エッチング速度が十分になるまで（工程６５４）、このプロセスを続け、エッチングが続く（工程６５８）。プラズマエッチングが完了すると（工程６６０）、プラズマエッチング処理を終了させる（工程６６２）。
【０１４０】
（等価物）
特に、特定の実施形態を参照して、本発明を示し、記載してきたが、本明細書に定められる本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な形態および詳細の変更がなされ得ることは、当業者には理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】無線周波数（ＲＦ）電源を有する周知の磁気強化エッチング装置の断面図を示す。
【図２】本発明による磁気強化プラズマ処理装置の実施形態の断面図を示す。
【図３】図２の磁気強化プラズマ処理装置のアノードおよびカソードの断面図を示す。
【図４】図２の磁気強化プラズマ処理装置においてプラズマに印加される周期的なパルスに対する印加電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図５】図２の磁気強化プラズマ処理装置においてプラズマに加えられる周期的なパルスの印加電圧、印加電流、および、印加電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図６Ａ】本発明による、種々の電子Ｅ×Ｂドリフト電流に対する、カソード近傍の種々のシミュレートされた磁場分布を示す。
【図６Ｂ】本発明による、種々の電子Ｅ×Ｂドリフト電流に対する、カソード近傍の種々のシミュレートされた磁場分布を示す。
【図６Ｃ】本発明による、種々の電子Ｅ×Ｂドリフト電流に対する、カソード近傍の種々のシミュレートされた磁場分布を示す。
【図６Ｄ】本発明による、種々の電子Ｅ×Ｂドリフト電流に対する、カソード近傍の種々のシミュレートされた磁場分布を示す。
【図７】本発明による磁気強化プラズマ処理装置の他の実施形態の断面図を示す。
【図８】図７の磁気強化プラズマ処理装置においてプラズマに加えられる周期的なパルスに対して、パルス電力を時間の関数としてグラフ表示したものを示す。
【図９】図９Ａ〜図９Ｃは本発明によるカソードの種々の実施形態の断面図である。
【図１０】本発明による磁気強化プラズマ処理装置の別の実施形態を示す断面図である。
【図１１】本発明による磁気強化プラズマ処理装置の別の実施形態を示す断面図である。
【図１２Ａ】本発明による磁気強化プラズマ処理装置のプロセスを示すフローチャートである。
【図１２Ｂ】本発明による磁気強化プラズマ処理装置のプロセスを示すフローチャートである。
【図１３Ａ】本発明によるエッチング速度の制御のプロセスを示すフローチャートである。
【図１３Ｂ】本発明によるエッチング速度の制御のプロセスを示すフローチャートである。
【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７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【国際調査報告】
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