(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を保持する保持電極と、
前記保持電極に対向する対向電極と、
前記保持電極に、前記被処理体を静電的に保持させるための直流電圧を印加する直流電源と、
前記保持電極に、対向電極との間にプラズマを発生させるための高周波を印加する高周波電源と、
前記保持電極と直流電源との間に挿入され、前記高周波の波長の（２ｎ＋１）／４の長さ（ｎは０または正の整数）を有する高周波トラップと
を備えるプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記高周波トラップは、導体管であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記高周波トラップの長さは、前記プラズマ処理装置内に発生する寄生容量および線路のインダクタンスを考慮して、前記高周波の周波数をｆとしたときに前記高周波の導体中の伝播速度の（２ｎ＋１）／４ｆよりも短く設定されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記高周波トラップの長さは、トラップの直流電源側の端部において、印加される高周波の振幅が最大となる長さに設定されることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記直流電源と並列に接続されたバイパスコンデンサをさらに有し、前記高周波トラップの一端は、前記保持電極に接続され、他端は前記バイパスコンデンサと直流電源とに接続されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
接地された処理容器と、
前記処理容器内でウエハを保持する保持電極と、
前記保持電極に対向する対向電極と、
前記保持電極に高周波を印加して、前記保持電極と対向電極の間にプラズマを発生させる高周波印加手段と、
前記処理容器の一部で接触保持され、前記保持電極を支持するヒートシンクと
を備え、前記ヒートシンクと前記処理容器との接触面に緩衝材が挿入され、前記印加される高周波の周波数をｆ（ＭＨｚ）としたときに、前記高周波が伝播する導体部分と、前記処理容器の接地部分との間の寄生容量Ｃ（ｐＦ）が１２１０×ｆ-0.9以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
接地された処理容器と、
前記処理容器内でウエハを保持する保持電極と、
前記保持電極に対向する対向電極と、
前記保持電極に２以上の周波数の高周波を印加して、前記保持電極と対向電極の間にプラズマを発生させる２以上の高周波印加手段と、
前記処理容器の一部で接触保持され、前記保持電極を支持するヒートシンクと
を備え、前記ヒートシンクと前記処理容器との接触面に緩衝材が挿入され、前記少なくとも一方の高周波印加手段の高周波周波数ｆ（ＭＨｚ）を６０ＭＨｚ以上としたときに、前記高周波が伝播する部分と、前記処理容器の接地部分との間の寄生容量Ｃ（ｐＦ）が１２１０×ｆ-0.9以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記ヒートシンクはセラミックであることを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記緩衝材はテフロン（登録商標）であることを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記ヒートシンクは冷媒を通すための冷媒溝を有することを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記ヒートシンクは、中空部分を有することを特徴とする請求項６、７及び１０のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記ウエハを前記保持電極上に静電的に保持するために直流電圧を印加するＤＣ電源をさらに有し、前記保持電極と前記ＤＣ電源との間に、前記印加される高周波の（２ｎ＋１）／４波長の長さの高周波トラップを挿入したことを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】
２以上の貫通孔を有し、ウエハを保持する保持電極と、
前記保持電極に対向する対向電極と、
前記保持電極に高周波を印加して、前記保持電極と対向電極の間にプラズマを発生させる高周波電源と、
前記貫通孔に挿入されるプッシャーピンと、
を備え、前記保持電極は、前記高周波が印加される高周波印加電極と、高周波印加電極のウエハ保持面とは反対側に位置する絶縁板とを含み、前記プッシャーピンの側面は、プラズマ発生中には前記貫通孔内部で前記絶縁板に対向する位置まで後退していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１４】
前記プッシャーピンは、前記ウエハを保持電極上に保持するために保持電極表面から突出するウエハ受け取り位置と、プラズマ発生中に前記貫通孔内部に後退し、前記絶縁板と対向するプラズマ処理位置との間を上下移動可能なことを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】
前記高周波印加電極の厚さは６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】
前記プッシャーピンは導体または半導体であることを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１７】
前記ウエハを保持電極上に静電的に保持するための直流電圧を印加するＤＣ電源をさらに有し、前記保持電極とＤＣ電源との間に、前記印加される高周波の（２ｎ＋１）／４波長の高周波トラップを挿入したことを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波によりプラズマを生成させることによって、エッチングやＣＶＤ等を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程で用いられる平行平板型のプラズマエッチング装置において、従来はそのカソード電極に１３．５６ＭＨｚ程度の高周波を印加することによりプラズマを励起してきた。ところが、近年の半導体デバイスの高密度化、生産性向上の要請に従い、高密度のプラズマを励起することができるＶＨＦ〜ＵＨＦ帯域の高周波を、カソード電極に印加する検討がなされている。このような高周波数化は、ウエハ上に形成されるパタンの微細化とともに、ウエハの大口径化の要求にも答えるものである。
【０００３】
しかし、高周波になればなるほど、ＲＦ電力の損失も大きくなる。ＲＦ電力の損失によって、平行電極間に生成されるプラズマの電子密度が減少し、これにより、エッチング速度が低下したり、所望のエッチング形状を得られないという問題が生じる。
【０００４】
図７は、従来のプラズマ処理装置を示す。従来のプラズマ処理装置は、ＲＦ（高周波）が印加されるＲＦ電極７０４と、直流電位が印加される金属製のＤＣプレート７０２と、セラミックあるいは樹脂等の絶縁体７０３ａおよび７０３ｂとからなるウエハ保持機構７０８と、対向電極７０５とを、ハウジング７０７内に有する。また、ＲＦ電極７０４、ＤＣプレート７０２、および絶縁体７０３を垂直方向に貫通して、ウエハ７０１をＲＦ電極７０４上に搭載するためのプッシャーピン８０２が延びている（図８参照）。ウエハ７０１が装置外部からハウジング７０７内に搬送されてくると、プッシャーピン８０２が上昇して絶縁体７０３ｂから突出してウエハ７０１を受け取り、その後、ピンが下降してウエハ７０１がウエハ保持機構７０８上に設置される。
【０００５】
ウエハ７０１は、高精度なパターン形状の制御を実現するために、その温度が制御される必要がある。そこで、絶縁体７０３ｂとＤＣプレート７０２とで静電チャックを構成し、ＤＣプレート７０２に、ＤＣ電源７１１よりローパスフィルタ７１３を介して直流電圧を印加することによって、ウエハ７０１をＤＣプレート７０２上に吸着保持する。このとき、ローパスフィルタ７１３は、ＲＦ電極７０４との容量結合によってＤＣプレート７０２に伝わるＲＦ電力が、ＤＣ電源７１１を損傷することを防ぐために設けられている。
【０００６】
ＲＦ電極７０４には、ＲＦ電源７０９からプラズマを励起するための高周波が印加される。このとき、絶縁体７０３ａは、ウエハの温度を調整するためのヒートシンクとしての役割を果たす。ガス導入ポート７０６からウエハの材質に応じたエッチングガスをハウジング７０７内に導入され、ハウジング７０７内部は、図示しないポンプ等の真空排気手段により一定の圧力に保持される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この従来のプラズマ処理装置において、高周波の周波数を上げていくと、供給ラインのインダクタンスや寄生容量による損失が増大し、結果として高周波電力の損失が大きくなるという問題がある。
【０００８】
高周波数化による損失増加の具体的な一例として、まず、発生するプラズマ容量に対する寄生容量の相対的な増大が挙げられる。すなわち、高周波化することによりプラズマ密度は向上するが（図３（ｂ）参照）、発生するプラズマの容量自体は、高周波化にともなって急激に減少する（図３（ａ）参照）。このため、高周波が印加されるＲＦ供給ラインとハウジング７０７の接地部分との間に存在する寄生容量が、プラズマ容量と同程度になり、印加した高周波電力がプラズマの生成および維持以外の部分で消費されてしまうことになる。
【０００９】
このような電力損失は、特に６０ＭＨｚ以上の高周波を印加する場合に顕著になり、高周波型プラズマ処理装置において、寄生容量の低減は解決すべき必須の課題である。寄生容量を低減するには、ヒートシンクやプッシャーピン構造を含め、装置全体を最適なサイズに設計して、高周波パワーの損失を解消する必要がある。
【００１０】
このうち、プッシャーピンについて、より具体的に説明する。図８に示すように、ウエハ７０１を搭載あるいは取り外す際に、図示しない駆動装置によってプッシャーピン８０２が貫通孔８０５の中を位置Ｂまで上昇し、ウエハ７０１を支える。ウエハ７０１の搭載後、プラズマ処理中は、プッシャーピン８０２は、処理位置Ａに後退している。このとき、プッシャーピン８０２とＲＦ電極７０４との間の容量結合による高周波パワーの損失は、無視できないほど大きい。つまり、プッシャーピンには、ウエハの受け取り、設置以外にも、ウエハの残留電荷を放電する役目もあるので、単純に絶縁物にするわけにはいかず、ＲＦ電極７０４と容量結合したプッシャーピン８０２の寄生容量が電極損失の一因となっていた。
【００１１】
容量結合を小さくするには、ＲＦ印加電極７０４と、プッシャーピン８０２との距離ｄを大きくする必要があるが、この隙間へのプラズマのまわり込みによる異常放電を防止するために、実際は貫通孔穴８０５の内壁とプッシャーピン８０２との距離を０．８ｍｍ以下にしなければならず、容量Ｃ＝εＳ／ｄ（Ｓはプッシャーピン８０２と貫通孔８０５の内壁が向かい合う面積）を小さくすることが困難であった。また、面積Ｓは、プッシャーピン８０２と貫通孔８０５の内壁とが向かい合う高さＬと、プッシャーピン８０２の直径とで決まるが、従来、ＲＦ印加電極７０４は１５ｍｍ程度の厚さがあり、一方、プッシャーピン８０２の上下駆動のストローク（図８に示すＡとＢの差）はなるべく小さくするのが好ましいので（好ましくは８ｍｍ以下）、この点でも容量を小さくすることが難しかった。
【００１２】
次に、静電チャックからの電力損失について述べる。ＤＣ電源７１１で発生した１０００Ｖ〜３０００Ｖの正の電位を、ローパスフィルタ７１３を介して、絶縁体７０３ｂで覆われたＤＣプレート７０２に印加する。ウエハ７０１は、ＲＦ電源７０９からＲＦ電極７０４に高周波電力が印加されてプラズマが発生すると、負電位にチャージアップし、絶縁体７０３に密着する。このとき、高周波がＤＣ導電線を介してローパスフィルタ７１３に到達し、高周波電力の損失が生じる。これは、ローパスフィルタ７１３の回路が集中定数のリアクタンス素子で構成されており、寄生容量が大きく、特に、高周波になればなるほど損失が増大するためである。
【００１３】
また、ローパスフィルタ７１３を介して、高周波成分がＤＣ電源７１１に流れ込み、ＤＣ電位の制御が不安定になるという問題もある。この高周波成分は、ローパスフィルタ７１３の断線、焼損、あるいはＤＣ電源７１１の故障の原因となる場合すらある。
【００１４】
一方で、エッチングガスの導入量を押さえて、プラズマをより効率良く発生させるために、ハウジング７０７の容積をできるだけ小さくすることが望まれており、ハウジング７０７内でウエハを支持する絶縁体ヒートシンク７０３そのものを真空シールとして用いる構成が提案されている。このとき、真空容器を構成する金属部（ハウジング）と、セラミック等のぜい（脆）性体部分（ヒートシンク）との接触面が真空と大気の境界に位置すると、セラミックが破損しやすいという問題点がある。
【００１５】
そこで、本発明の第１の目的は、高周波電力の損失を抑制し、ＤＣ電源への悪影響をなくして、プラズマを高密度で発生することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の第２の目的は、６０ＭＨｚ以上の高周波を印加しても、寄生容量を低減することによりプラズマ容量を相対的に増大させ、電力の損失を抑制することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１７】
本発明の第３の目的は、ウエハを保持する絶縁体を真空シールとして用いても、ひび割れや破損の起きないプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１８】
本発明の第４の目的は、高周波が印加されるウエハ保持電極と、ウエハを保持電極上に搭載する際に用いられるプッシャーピンとの間の容量結合をなくし、高周波パワーの損失を大幅に低減することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、プラズマ処理装置は、ウエハ等の被処理体を保持する保持電極と、保持電極に対向する対向電極と、被処理体を保持電極上に静電保持させるための直流電圧を印加する直流電源と、保持電極と対向電極との間にプラズマを発生させるための高周波を印加する高周波電源と、保持電極と直流電源との間に挿入され、印加される高周波の波長の（２ｎ＋１）／４の長さを有する高周波トラップとを備える。ここで、ｎは０または正の整数である。
【００２０】
高周波トラップは、たとえば銀メッキが施された導体管である。高周波の波長をλとしたときに、振幅が最大になるλ／４、３λ／４、５λ／４、．．．に一致する長さのトラップを挿入することによって、保持電極側からＤＣ電源側に流れ込もうとする高周波成分をトラップで反射させ、ＤＣ電源側に逃げることことを防止できる。これにより、ＤＣ電源へのダメージを解消するとともに、高周波パワーの損失を防止することができる。この結果、高密度のプラズマを生成することが可能になる。
【００２１】
高周波トラップの長さは、プラズマ処理装置内に存在する寄生容量を考慮して、印加される高周波の波長の（２ｎ＋１）／４よりも短く設定することができる。また、ＤＣ電源と並列にバイパスコンデンサを接続し、高周波トラップの一端側を保持電極に接続し、他端側をバイパスコンデンサと直流電源とに接続する構成とするのが好ましい。バイパスコンデンサは、ＤＣ電位をトラップに供給すると同時に、高周波に対し充分に低いインピーダンスを有する。このとき、コンデンサに接続された高周波トラップの端部では、高周波電位がゼロとなるため、ＤＣ電源に高周波電位による悪影響を与えることがない。
【００２２】
本発明の第２の目的を達成するために、プラズマ処理装置は、接地された処理容器と、処理容器内でウエハを保持する保持電極と、保持電極に対向する対向電極と、保持電極と対向電極のいずれか一方に高周波を印加して、保持電極と対向電極の間にプラズマを発生させる高周波印加手段を備える。このとき、印加される高周波の周波数をｆ（ＭＨｚ）としたときに、高周波を導伝させる部分と、前記処理容器の接地部分との間の寄生容量Ｃ（pF）が１２１０×ｆ−０．９以下となるように、処理容器内部のコンフィギュレーションが決定されている。
【００２３】
より具体的には、保持電極は、ウエハ温度調整のための絶縁体からなるヒートシンクに支持されており、保持電極と対抗電極との間の距離ａ、ヒートシンクと処理容器との間の距離ｂ、ヒートシンクの高さｃなどが、寄生容量Ｃ（pF）が１２１０×ｆ−０．９以下となるように設定されている。
【００２４】
また、Ｃ＝Ｓε／ｄで表わされる寄生容量を低減するために、ヒートシンク全体としての誘電率εを下げるべく、ヒートシンクに冷却水溝、または中空部分、もしくはこれら双方を形成する。冷却水溝に流す冷媒の誘電率は、ヒートシンクを形成する材料の誘電率よりも低いことが好ましい。
【００２５】
保持電極に、２以上の周波数を印加してもよい。この場合、たとえば、いずれか一方の周波数を、プラズマ密度制御用に６０ＭＨｚ以上の高周波とし、他方の周波数を、イオンエネルギー制御用に、より低い周波数とする。
【００２６】
本発明の第３の目的を達成するために、プラズマ処理装置の真空容器は、ハウジングと、保持電極を支持するヒートシンクから構成される。ヒートシンクは、ハウジングの一部で接触保持され、真空チャックとして機能する。このとき、ヒートシンクとハウジングとの接触面に、緩衝材が挿入されている。緩衝材は、展性のよい絶縁体、たとえばテフロンである。ヒートシンクとハウジングとの接触保持面の面積をＳ、保持電極とハウジングとの間の距離（すなわちヒートシンクの高さｃ）をｈとしたときに、発生する寄生容量Ｃ＝εＳ／ｈが充分に小さくなるように、ハウジングとヒートシンクとの接触面Ｓは充分に小さく設定されている。
【００２７】
このように、ハウジング（導体）とヒートシンク（セラミック等の絶縁体）との接触面に緩衝材が挿入されているので、プラズマ発生のための真空と大気との境界であっても、ヒートシンクが破損することはない。
【００２８】
本発明の第４の目的を達成するために、プラズマ処理装置は、３以上の貫通孔を有するウエハ保持用の保持電極と、保持電極に対向する対向電極と、前記保持電極に高周波を印加して、前記保持電極と対向電極の間にプラズマを発生させる高周波電源と、前記貫通孔に挿入されている３以上のプッシャーピンとを備える。保持電極は、高周波が印加される高周波印加電極と、この高周波印加電極のウエハ保持面とは反対側に位置する絶縁板とを含み、プラズマ発生中には、プッシャーピンの側面は、前記絶縁板に対向する位置にある。
【００２９】
プッシャーピンは、ウエハを保持電極上に設置するために貫通孔を介して保持電極表面から突出するウエハ受け取り位置と、プラズマ処理中に貫通孔内部に後退した処理位置との間で、上下移動する。保持電極のうち、高周波印加電極の厚さは概ね６ｍｍ以下であるのが好ましい。このような構成により、プッシャーピンの上下ストロークをなるべく小さく押さえる一方で、プラズマ処理中には、貫通孔内部で絶縁板部分に後退することにより、高周波印加電極との容量結合を解消することができる。
【００３０】
本発明のその他の特徴および効果は、以下で図面を参照して述べる詳細な説明によって、いっそう明確になるものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００３２】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る平行平板型のプラズマエッチング装置１００の図である。プラズマエッチング装置１００は、ウエハ１０１を保持する絶縁体１０３と、絶縁体１０３内部の表面近傍に位置するＤＣプレート１０２と、ＤＣプレート１０２の近傍に延びるＲＦ電極１０４と、ＲＦ電極１０４に対向する対向電極１０５を有する。ＤＣプレート１０２、絶縁体１０３、およびＲＦ電極１０４で、ウエハ保持電極を構成する。
【００３３】
プラズマエッチング装置１００はまた、ＤＣプレート１０２に、ウエア１０１を静電保持させるための直流電圧を印加するＤＣ電源１１１と、ＲＦ電極１０４に高周波を印加するＲＦ電源１０９とを有する。ＲＦ電極１０４に高周波が印加されると、ハウジング１０７内で、対向電極１０５とＲＦ電極１０４との間にプラズマが生成される。
【００３４】
第１実施形態の特徴として、ＤＣプレート１０２とＤＣ電源１１３との間に、印加される高周波（第１実施形態では１００ＭＨｚ）の１／４波長の長さを有する高周波トラップ１１５が挿入されている。より具体的には、高周波トラップ１１５の一端側はＤＣプレート１０２に接続され、他端側は、１０００ＰＦのバイパスコンデンサ１０８とＤＣ電源１１１とに接続されている。
【００３５】
高周波の１／４波長の長さのトラップ１１５を挿入することによって、ＤＣプレート１０２を介してＤＣ電源側へ伝達される高周波成分をゼロとして、ＤＣ電源側に入り込まないようにする。よって、ＤＣ電源１１１の制御に悪影響が及ばない構成となっている。
【００３６】
ここで、高周波の１／４波長とは、印加するＲＦを１００ＭＨｚ、伝播速度を仮に光速ｃとした場合に、
0003792999.tif 000002
となり、約７５ｃｍである。実際は、高周波は導体中を伝播するので、１／４波長は７５ｃｍよりも短い値になる。第１実施形態では、高周波トラップ１１５のサイズを、外径が１ｃｍ、長さが約２７ｃｍの銀メッキを施した銅管とした。銅を用いることにより、ＤＣ電源１１１からＤＣプレート１０２に印加される直流電流を妨げることなく、ＤＣプレート１０２側からの高周波をトラップすることができる。
【００３７】
上記のトラップ１１５の長さは、ＲＦ電極１０４にオシロスコープを接続し、高周波の振幅が最も大きくなる地点に調節することによって決定された。２７ｃｍという値は、λ／４＝v／４ｆ（ｖは導体中の伝播速度）で決定される理論値よりもさらに短い。これは、高周波を供給する導体部分（ホットライン）と、ハウジングなどの接地部分との間に寄生容量が存在するため、理論値よりも小さく設定できるからである。
【００３８】
高周波トラップ１１５を挿入した第１実施形態のプラズマエッチング装置１００と、図７に示すローパスフィルタを用いた従来のプラズマエッチング装置とで、発生するプラズマ密度を比較測定した。
【００３９】
従来の装置において、ＤＣプレートに１５００Ｖの直流を印加すると同時に、Ａｒガスをガス導入ポート７０６から導入し、ハウジング７０７内部の圧力を１０Ｐａに保持した。さらに、ＲＦ電極７０４に１ｋＷの高周波電力を印加して、ハウジング７０７内にプラズマを励起した。発生したプラズマの電子密度を、透過マイクロ波による位相干渉計で測定したところ、４×１０１１／ｃｍ３のプラズマ密度であった。
【００４０】
同様の測定を、高周波トラップ１１５を用いた本実施形態のプラズマエッチング装置１００で行ったところ、５×１０１１／ｃｍ３のプラズマ密度が得られた。従来の装置に比較して、２０％のプラズマ密度の上昇であり、本発明の高周波トラップ１１５によって、従来問題とされていた高周波の損失が最大限に防止され、プラズマ発生効率が各段に改善されたことがわかる。換言すると、プラズマエッチング装置１００への投入エネルギーのうち、実質的にプラズマ生成に関与する割合が各段に増え、より高速、高精度のプラズマエッチングが可能になる。
【００４１】
第１実施形態では、静電チャック用の直流電圧をトラップ１１５を介して印加したが、他の目的で印加するＤＣ用電源との間にトラップを挿入し、プラズマ励起以外の高周波（電磁波）をトラップする構造としてもよい。
【００４２】
第１実施形態では、高周波トラップ１１５の長さは、印加される高周波の１／４波長としたが、振幅が最大になる位置で反射できる長さであればよいので、たとえば、３／４波長、５／４波長の長さにすることもできる。また、高周波トラップ１１５は、銅以外の導電性のよい金属で構成してもよい。
【００４３】
このような構成で、高周波電力の損失を効果的に抑制し、高密度のプラズマを発生させることが可能になる。この結果、直径が２００ｍｍ〜３００ｍｍの大口径ウエハに、０．１３μｍ以下の設計ルールでプラズマエッチングを施すことが可能になる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
図２は、本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置２００である。プラズマ処理装置２００は、ハウジング２０７と、ハウジング２０７内でウエハ２０１を保持するヒートシンク２０３上面と、ヒートシンク上面近傍に位置するＲＦ電極２０４と、このＲＦ電極２０４に対向する対向電極２０５と、ＲＦ電極２０４に高周波を印加して、対向電極２０５との間にプラズマを発生させるＲＦ電源２０９とを備える。ヒートシンク２０３上面とＲＦ電極２０４とで、ウエハ保持電極を構成する。
【００４５】
ヒートシンク２０３は、たとえばセラミック製であり、内部に冷却水を通すための溝２１９が形成されている。また、冷却水溝２１９とは独立して、中空部分２２０が形成されている。ウエハ２０１に高精細のプラズマ処理を施すには、ウエハ温度を均一に制御する必要があるので、冷却水溝２１９はウエハに近い位置に設けられるのが好ましい。これにより、ヒートシンク２０３は、高周波印加による熱の影響を除去する役割を果たす。
【００４６】
ヒートシンク２０３の底面外周部は、ハウジング２０７の一部で接触保持されている。すなわち、ヒートシンク２０３の底面は、ヒートシンク２０３の底面よりも上側に真空チャンバを形成する真空チャックの役割を果たしている。ヒートシンク２０３の底面より下側は、大気と通じており、通常の大気圧である。このとき、接地されている導電材料のハウジング２０７と、セラミックのヒートシンク２０３との接触面が、真空と大気との境界に位置すると、ひび割れなどの破損を生じる。
【００４７】
そこで、ヒートシンク２０３とハウジング２０７との接触面に、緩衝材２１７を挿入して、破損を防止している。緩衝材２１７は、柔らかくて絶縁性があり、展性にすぐれた材料であれば、任意の材料を用いることができる。第２実施形態では、テフロンを用いている。
【００４８】
第２実施形態の特徴として、ＲＦ電源２０９により、ＲＦ電極２０４に周波数ｆの高周波を印加した場合にも、ハウジング内に存在する寄生容量Ｃ（pF）を１２１０×ｆ−０．９以下に押さえる設計がなされている。寄生容量を低減することによって、プラズマ容量を相対的に増大させ、プラズマ密度を向上させることができるからである。
【００４９】
この原理を図３を参照して説明する。図３（ａ）は、図２のプラズマ処理装置のＲＦ電極２０４に印加した高周波の周波数ｆ（ＭＨｚ）と、発生したプラズマの容量（ｐＦ）との測定結果を示すグラフである。このグラフから、印加する高周波の周波数を挙げるにしたがって、発生するプラズマの容量は急激に減少することがわかる。このグラフから導かれる周波数とプラズマ容量との関係は、
Ｃ（ｐＦ）＝１２０９．９×ｆ−０．９０１６
である。
【００５０】
一般に、印加する高周波の周波数を上げると、発生するプラズマ中の電子密度が上昇することが知られている。電子密度は周波数の２乗に比例して増加する。したがって、より高い周波数の電力を印加することによって、高速なプラズマ処理を有効に行えると考えられている。
【００５１】
ところが現実には、図３に示すように、発生するプラズマの容量自体は急激に減少する。たとえば、回路自体が有する寄生容量（すなわち、高周波が印加されている導電性部位と接地部分との間に形成される容量）が図３の点線Ｃで示すように１０ｐＦ程度だとする。今、プラズマ密度を上げるために、印加する高周波の周波数を２００ＭＨｚまで上げるとする。すると、発生するプラズマ容量と、寄生容量とが同程度となり、結果的に印加した高周波がプラズマ形成以外のところで消費されてしまうことになる。さらに周波数を上げると、発生するプラズマ容量よりも寄生容量のほうが高くなってしまう。
【００５２】
図３（ｂ）は、従来の１３．５６ＭＨｚ用に設計された平行平板型プラズマエッチング装置で、印加周波数を上げていったときの電子密度の変化を示すグラフである。放物線Ｌ１は、印加周波数の２乗（ｆ２）に比例するとする電子密度の理論値を示し、放物線Ｌ２は、発生するプラズマ容量の減少部分を差し引いた現実の電子密度の増加を示す。図３（ａ）で求めたように、プラズマ容量はｆ−０．９に比例して減少するので、斜線で示す差し引き分を考慮すると、プラズマ密度は印加周波数の１．１乗に比例して増加する。
【００５３】
したがって、最低でもｆ１．１に比例するだけの電子密度の上昇を確保するには、周波数を上げても寄生容量Ｃが１２１０×ｆ−０．９０１６（ｐＦ）以下となるように装置を設計する必要がある。
【００５４】
寄生容量は、高周波が伝播され印加されるホットライン（ＲＦ電源２０９からＲＦ電極に至る導電線およびＲＦ電極自体）と、あらゆる接地部分との間に存在する。このような寄生容量を低減するために、本発明では、（ｉ）ヒートシンク２０３の冷却水溝２１９に、なるべく低誘電率の冷媒（少なくとも、ヒートシンク２０３の誘電率よりも低い誘電率の冷媒）を用いる、(ii)冷却水溝とは独立した中空部分２２０をヒートシンク２０３中に設ける、(iii)対向電極２０５の表面からウエハ２０１の処理面までの距離ａ、ＲＦ電極２０５端部からハウジング２０７までの距離ｂ、ヒートシンク２０３とハウジング２０７との接触面からＲＦ電極２０４までの距離ｃ、導線からハウジングまでの距離ｅ、ｆを最適に設定する。
【００５５】
具体的には、たとえば、直径３００ｍｍのウエハをプラズマ処理する場合を想定する。対向電極２０５とウエハ２０１表面との間の距離ａを仮に２０ｍｍとおく。この場合、ＲＦ電極２０４端部とハウジング２０７との間の距離ｂは、この部分に発生する寄生容量を小さくするために、できるだけ大きく取るのが好ましい。しかし、装置の巨大化を防止するには、距離ｂを無制限に大きく取ることはできない。そこで、ヒートシンク２０３とハウジング２０７との距離ｂは、対向電極２０５とウエハ２０１表面との間の距離ａの約２倍、すなわち約４０ｍｍに設定する。また、ＲＦ電極２０４からヒートシンク２０３底面までの距離ｃは、ｂ×εｒ（εｒはヒートシンク２０３の比誘電率）に設定する。
【００５６】
ヒートシンク２０３が石英で作られている場合は、その比誘電率は約６であり、冷却水溝２１９や中空部分２２０が形成されていないとすると、距離ｃはｂ×εｒより約２４０ｍｍとなる。ヒートシンク２０３全体の誘電率を下げるためには、(i)中空部分をなるべく多くとる、(ii)冷却水溝２１９に流す冷媒の誘電率をなるべく低いものを用いる、(iii)上記(i)と(ii)を組み合わせる、という３通りの方法がある。(i)については、中空部分の誘電率はほぼ１であるので、石英のヒートシンク中に中空部分が多いほど、ヒートシンク２０３全体としたときの誘電率を低減することができる。(ii)については、冷媒として、たとえば誘電率が約２．５のフロリナートを用いるのが好ましい。なお、冷却水溝２１９は、ウエハ２０１の温度制御を行うために、ウエハ近傍に位置するのが好ましい。
【００５７】
一方、ＲＦ電極２０４と、ヒートシンク２０３の底面を接触保持するハウジング２０７との間の寄生容量Ｃは、εＳ／ｃ（εはヒートシンク２０３の誘電率、Ｓはヒートシンク２０３底面とハウジング２０７との接触面積）で与えられるので、距離ｃを小さく設定しすぎると、寄生容量が増えてしまう。しかし、ｃを無制限に大きくすると装置が巨大化する。そこで、上記のように、冷却溝２１９と中空部分２２０とを設けてもヒートシンク２０３の強度に影響しない高さにｃの値を設定し、ヒートシンク全体としての誘電率を下げるとともに、ヒートシンク２０３の底面とハウジング２０７との接触面積Ｓを極力低減し、寄生容量の低減を図った。
【００５８】
ヒートシンク２０３の底面と、それを接触保持するハウジング２０７との接触面積Ｓが小さくなると、上述したように、金属（ハウジング）と脆性体（ヒートシンク）との境界面が、真空と大気の境界に近くなり、ヒートシンク２０３が割れやすくなる。しかし本発明では、ヒートシンク２０３底面とハウジングとの接触面に緩衝材２１７を挿入しているので、ヒートシンク２０３の破損を生じることえなく、寄生容量を低減することができる。
【００５９】
このような構成により、高周波パワーの損失を押さえて、ウエハ面上に高密度で均一なプラズマを生成することが可能になる。
【００６０】
図４は、図２に示すプラズマ処理装置の変形例を示す。図４の例では、高周波を印加するためのＲＦ電源を２つ使用し、２つの異なる周波数の高周波を印加する。たとえば、ＲＦ電源４０９は、プラズマ発生用に６０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波を印加し、ＲＦ電源４１０は、イオンエネルギー調整用に、１ＭＨｚ程度の高周波を印加する。それぞれの電源の印加パワーを変化させることによって、プラズマ密度とイオンエネルギーを調整することが可能になる。
【００６１】
図４に示す例においても、ヒートシンク４０３に形成された冷却溝４１９をウエハ４０１に近い位置に設け、中空部分４２０をできるだけ多くとり、かつ寸法ａ，ｂ，ｃ，ｅ，ｆを最適に設定する。また、ヒートシンク４０３底面とハウジング４０７との接触面の面積は、できるだけ小さく設定し、この接触面にテフロンの緩衝材４１７を挿入している。
【００６２】
このような構成により、イオンエネルギーとプラズマ密度を同時に制御し、かつ寄生容量を効果的に低減し、高精細のプラズマエッチングが可能になる。
【００６３】
なお、図２および図４に示すプラズマ処理装置において、ＲＦ電極２０４、４０４からチョークコイル２１３、４１３に至る導電路に、第１実施形態に示した高周波トラップを挿入してもよい。この場合も、高周波トラップの長さ（電気長）は、印加する高周波の波長の（２ｎ＋１）／４、または、装置内部の寄生容量を考慮して、それ以下の長さとする。高周波トラップを設定することで、ＤＣ電源への高周波の悪影響を除去するとともに、ＲＦパワーの損失を防止することが可能になる。
【００６４】
＜第３実施形態＞
図５は、本発明の第３実施形態に係るウエハ保持電極５００と、それを貫通するプッシャーピン５０２の構成を示す。上述したように、プラズマ処理装置において、高周波が用いられる場合に、高周波パワーの損失を防止するために、寄生容量をできるだけ低減する必要がある。特に、従来のプラズマ処理装置において寄生容量の一因となっていた、高周波印加電極とプッシャーピンとの間の容量結合を排除する必要がある。そこで、第３実施形態のウエハ保持電極５００は、プラズマ発生時に、プッシャーピンと高周波印加電極との間に容量結合が生じにくい構成とした。この構成は、図１、２、４に示すプラズマ処理装置に好適に用いられる。
【００６５】
具体的には、ウエハ保持電極５００は、厚さ約３ｍｍの高周波印加電極５０４と、そのウエハ保持面とは反対側に位置する絶縁板５０６とを含む。絶縁板５０６は高周波印加電極５０４に全面接着されている。高周波印加電極５０４のウエハ保持側には、温度調節用の絶縁体５０３が設けられている。この絶縁体は、図１、２、４に示すプラズマ処理装置において、ヒートシンク１０３、２０３、４０３と同一の素材である。絶縁板５０６は、絶縁体５０４と同じ素材であっても、異なる素材であってもよい。
【００６６】
本発明のウエハ保持電極５００の高周波印加電極５０４の厚さは、従来のウエハ設置電極の金属部分の厚さに比べて大幅に低減されている。ウエハ保持電極５００を貫通して、２以上の貫通孔５０５が形成され、導電性または半導体物質から成るプッシャーピン５０２が挿入されている。プッシャーピン５０２は、図５の点線ＡおよびＢで示す位置の間で、図示しない駆動機構により上下駆動される。すなわち、保持電極５００上にウエハを搭載するとき、および、プラズマ処理が終了してウエハを取り除くときに、点線Ｂで示す位置まで突出し、プラズマ処理中は、点線Ａの位置まで後退する。したがって、高周波印加時には、プッシャーピン５０２の側面は、貫通孔５０５内部で絶縁板５０６に対向することになる。この様子を、図６を参照して説明する。
【００６７】
図６（ａ）に示すように、ウエハ６０１を図１、２、４に示すプラズマ処理を用いて処理する場合に、フォーク６０６上にウエハ６０１を搭載して、保持電極５００上の所定の位置まで挿入する。このとき、図６（ｂ）に示すように、プッシャーピン５０２が貫通孔５０５から突出して、ウエハ６０１を受け取る。プッシャーピン５０２がウエハ６０１を受け取ったならば、フォーク６０６は、装置外に退出する。
【００６８】
その後、図６（ｃ）に示すように、プッシャーピン５０２は下方に後退して、ウエハ６０１が保持電極５００上に保持される。図５および６には示さないが、ウエハ６０１はたとえばＤＣプレートによって静電的に保持される。ウエハ６０１が搭載され静電保持された状態で、高周波印加電極５０４に高周波が印加され、プラズマ処理が開始される。このとき、プッシャーピン５０２は絶縁体５０６に対向する位置にあるので、プッシャーピン５０２と高周波印加電極５０４との間に容量結合が発生しにくい。
【００６９】
第３実施形態では、高周波印加電極５０４の厚さを３ｍｍに低減して、プッシャーピン５０２の上下駆動ストロークを６ｍｍに押さえることができた。すなわち、小さな上下ストロークで、プッシャーピンを高周波印加電極５０４から３ｍｍ程度離すことができる。結果として、ｄが実効的に大きくなり、寄生容量を低減することができる。プッシャーピン５０２の上下駆動ストロークは８ｍｍ以下であるのが好ましいので、たとえば、上下ストロークを８ｍｍに設定すると、プッシャーピンは高周波電極からさらに遠ざかり、寄生容量を一層低減することができる。
【００７０】
本実施形態では高周波印加電極５０４の厚さを３ｍｍとしたが、ウエハ温度制御用の絶縁体５０３の厚さと、絶縁体内部への後退量（良好な上下ストローク）とを考慮すると、高周波印加電極５０４の厚さは、好ましくは６ｍｍ以下である。
【００７１】
このような構成により、プッシャーピン５０２の上下ストロークを押さえたまま、寄生容量による高周波パワーの損失を効果的に防止することが可能になる。
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、高周波トラップを設けたことにより、直流電源に悪影響を与えることなく、高周波パワーの損失を効果的に防止することができる。
【００７２】
また、プラズマ処理装置内で、高周波導電部分と接地部分との間の寄生容量を最小にするように、装置内部の寸法を最適に設定した。これにより、プラズマ容量が相対的に増大し、高密度のプラズマ処理が可能になる。
【００７３】
また、ヒートシンク底面をハウジングによって接触保持させ、真空チャックとしての機能を持たせるとともに、この接触面に緩衝材を挿入した。これにより、真空と大気との境界面でのヒートシンクの破損が防止され、安全なプラズマ処理が可能になる。
【００７４】
また、高周波印加電極とプッシャーピンとの位置関係を改善したことにより、高周波印加電極とプッシャーピントの間の容量結合を防止し、寄生容量を効果的に低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかるプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図３】印可する高周波の周波数と、発生するプラズマ容量およびプラズマ密度との関係を示すグラフである。
【図４】図２に示すプラズマ処理装置の変形例を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るウエハ保持電極とプッシャーピンとの位置関係を示す図である。
【図６】図５に示したウエハ保持電極上にウエハを搭載する状態を示す図である。
【図７】従来のプラズマ処理装置を示す図である。
【図８】従来のウエハ保持電極とプッシャーピンとの位置関係を示す図である。
【符号の説明】
１ ００、２００、４００  プラズマ処理装置
１０１、２０１、４０１、６０１  ウエハ
１０２、４０２  ＤＣプレート
１０３、２０３、４０３  ヒートシンク（絶縁体）
１０４、２０４、４０４、５０４  ＲＦ（高周波印加）電極
１０５、２０５、４０５  対向電極
１０７、２０７、４０７  ハウジング
１０９、２０９、４０９、４１０  ＲＦ電源
１１１、２１１、４１１  ＤＣ電源
１１５  高周波トラップ
２１７、４１７  緩衝材
５０２  プッシャーピン
５０５  貫通孔
５０６  絶縁板
６０６  フォーク
【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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