JP5606063B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、内部にてプラズマにより所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。より詳しくは、プラズマの生成に消費される高周波による電界強度分布を制御するための電極構造を有するプラズマ処理装置に関する。

プラズマの作用により被処理体上にエッチングや成膜等の微細加工を施す装置としては、容量結合型（平行平板型）プラズマ処理装置、誘導結合型プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置等が実用化されている。このうち、平行平板型プラズマ処理装置では、対向する上部電極及び下部電極の少なくともいずれかに高周波電力を印加し、その電界エネルギーによりガスを励起させてプラズマを生成し、生成された放電プラズマによって被処理体を微細加工する。

近年の微細化の要請に伴い、比較的高い周波数を持つ電力を供給し、高密度プラズマを生成することが不可欠になってきている。図９に示したように、高周波電源９１５から供給される電力の周波数が高くなると、表皮効果により高周波の電流は、下部電極９１０の表面を伝搬して、下部電極９１０の上部表面を端部から中央部に向けて伝搬する。これによれば、下部電極９１０の中心側の電界強度が下部電極９１０の端部側の電界強度より高くなり、下部電極９１０の中心側では端部側よりガスの電離や解離が促進される。この結果、下部電極９１０の中心側のプラズマの電子密度は、端部側のプラズマの電子密度より高くなる。プラズマの電子密度が高い下部電極９１０の中心側ではプラズマの抵抗率が低くなるため、対向する上部電極９０５においても上部電極９０５の中心側に高周波による電流が集中して、さらにプラズマ密度の不均一が高まる。

これに対して、プラズマの均一性を高めるために、電極本体の下部中心にフラットな誘電体を埋設することが提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。これによれば、図２（ｃ）に示した誘電体９２０の作用により、誘電体９２０の下方にて電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘを低下させることができる。

さらに、プラズマの均一性をより高めるために、図２（ｂ）に示したように誘電体９２０をテーパ状に形成する方法も提案されている。これによれば、誘電体９２０の端部では中心部よりキャパシタンス成分が大きくなるため、図２（ｃ）のフラットな誘電体を設けた場合より誘電体９２０の端部にて電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘが低下しすぎない。この結果、より電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘの均一性を高めることができる。

特開２００４−３６３５５２号公報

しかし、基材９０５にテーパ状の誘電体９２０を埋め込む場合、誘電体９２０と基材９０５との接合には、接着剤やネジが用いられる。このとき、基材９０５はアルミニウム等の金属から形成され、誘電体９２０はセラミックス等から形成されるため、線熱膨張差が生じる。これを考慮して部材間に適当な隙間を設ける必要がある。

ところが、誘電体９２０がテーパ状であると、機械加工上の精度によりテーパ部分での寸法精度が悪くなる。この結果、熱膨張差による応力集中が生じる。これに加えて、接合界面の寸法公差のバラツキや誘電体の厚みの違いにより熱伝導差が生じることによっても応力集中が生じる。この応力集中により接合界面の接着剤が剥離する。このようにして剥離した接着剤が隙間から出てくることによりチャンバ内の汚染が発生する。

上記問題に鑑み、本発明は、プラズマ生成に消費される高周波の電界強度分布を制御することが可能なプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内部にて被処理体がプラズマ処理される処理容器と、前記処理容器の内部にて互いに対向し、その間に処理空間を形成する対向電極及び印加電極と、前記印加電極に接続され、前記処理容器内に高周波電力を出力する高周波電源と、を備えるプラズマ処理装置であって、前記対向電極及び前記印加電極の少なくともいずれかは、金属から形成された基材と、内部に金属のプレート電極を埋設した状態で前記基材に嵌め込まれた誘電体と、を備え、前記プレート電極は、前記誘電体の内部にて互いに間隔をおいて複数枚パターン化されて積層され、前記誘電体の中心に対して同心円状に大きさの異なる開口を有し、前記プレート電極の電位を制御することでプラズマ生成に寄与する高周波の電界強度分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

これによれば、金属のプレート電極の金属表面を流れる電流量は、基材の金属表面を流れる電流量とほぼ同じとなると考えられる。この結果、プラズマからは基材とプレート電極とは一体として見える。これにより、プレート電極のプラズマ側と反対側に位置する誘電体の部分は存在しないに等しくなる。つまり、プラズマから見て誘電体のうちプレート電極の背面側にある部分は、プレート電極により遮断される。よって、プレート電極がグラウンド電位に制御されている場合には、誘電体２０５の端部側では中心側よりキャパシタンス成分が大きくなる。この結果、誘電体の端部にて電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘが低下しすぎず、均一な電界強度分布を得ることができる。これにより、図２（ｂ）に示した誘電体をテーパ状にした場合と類似した効果を得ることができる。

前記複数枚のプレート電極の開口は、プラズマ生成空間側に位置するプレート電極程大きく形成されていてもよい。

前記複数枚のプレート電極は、同一金属から形成されていてもよい。

前記プレート電極のシート抵抗率は、２Ω／□以下であってもよい。

前記誘電体のプラズマ生成空間側の面の少なくとも一部は、前記基材から露出していてもよい。

前記プレート電極が埋め込まれた電極は、上部電極であり、前記上部電極には、複数のガス導入管が貫通していてもよい。

前記上部電極の誘電体上方には、前記複数のガス導入管と連通し、ガスを拡散するガス拡散部が設けられていてもよい。

前記プレート電極が埋め込まれた電極は、下部電極であり、前記下部電極の静電チャック機構に設けられた金属電極の下方にて前記下部電極の誘電体に前記プレート電極が埋設されていてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、印加された高周波電力によりガスからプラズマを生成し、生成されたプラズマを用いて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置用の電極であって、前記電極は、互いに対向し、その間にプラズマ処理空間を形成する対向電極及び印加電極のうちの少なくともいずれかであり、金属から形成された基材と、内部に金属のプレート電極を埋設した状態で前記基材に嵌め込まれた誘電体と、を備え、前記プレート電極は、前記誘電体の内部にて互いに間隔をおいて複数枚パターン化されて積層され、前記誘電体の中心に対して同心円状に大きさの異なる開口を有し、前記プレート電極の電位を制御することでプラズマ生成に寄与する高周波の電界強度分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置用の電極が提供される。

以上説明したように本発明によれば、プラズマ処理装置においてプラズマ生成に消費される高周波の電界強度分布を制御することができる。

本発明の一実施形態に係るＲＩＥプラズマエッチング装置の縦断面図である。 図２（ａ）は同実施形態に係る上部電極の縦断面図であり、図２（ｂ）（ｃ）は従来の上部電極の縦断面図である。 同実施形態に係る複数層のプレート電極を上部電極に埋設させた場合の電界強度分布のシミュレーション結果を示した図である。 同実施形態に係る駆動機構の接続方式を概念的に示した図である。 同実施形態に係る駆動方法の一例を示した図である。 同実施形態に係る駆動方法の他の例を示した図である。 同実施形態に係る複数層のプレート電極を下部電極に埋設させた場合の縦断面図である。 同実施形態の変形例にかかる下部電極の縦断面図である。 一般的なプラズマ装置に印加される高周波の電流を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（プラズマ処理装置の全体構成）
まず、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る電極を上部電極に用いたＲＩＥプラズマエッチング装置（平行平板型プラズマ処理装置）が示されている。ＲＩＥプラズマエッチング装置１０は、被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の一例である。

ＲＩＥプラズマエッチング装置１０は、減圧可能な処理容器１００を有する。処理容器１００は、小径の上部チャンバ１００ａと大径の下部チャンバ１００ｂとから形成されている。処理容器１００は、たとえばアルミニウム等の金属から形成され、接地されている。

処理容器の内部では、上部電極１０５及び下部電極１１０が対向配設され、これにより、一対の平行平板電極が構成されている。ウエハＷは、ゲートバルブＶから処理容器１００の内部に搬入され、下部電極１１０に載置される。上部電極１０５及び下部電極１１０間のプラズマ生成空間では、処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマが生成される。ウエハＷは、そのプラズマによりエッチング処理される。

上部電極１０５は、上部基材１０５ａ、及び上部基材１０５ａ直上にて上部基材１０５ａとともにシャワーヘッドを形成するガス拡散部（導電体のベースプレート）１０５ｂを有している。上部基材１０５ａには、複数のガス導入管が貫通している。ガスは、ガス供給源１１５から供給され、ガス拡散部１０５ｂにて拡散された後、ガス拡散部１０５ｂに形成された複数のガス通路から上部基材１０５ａのガス導入管を通って複数のガス穴１０５ｃに通され、処理容器内に導入される。

上部電極１０５には、上部に開口したリング状の溝部１０５ｄが設けられ、溝部１０５ｄにはリング電極１０５ｅが設けられている。リング電極１０５ｅは大気側に配置され、大気空間に配置されたモータ１０５ｆの動力により昇降するようになっている。リング電極１０５ｅを含む駆動機構は、適切に配置された図示しない絶縁部材により他の部材と絶縁されている。なお、上部電極１０５の構造については後程に詳述する。

下部電極１１０は、アルミニウム等の金属から形成された下部基材１１０ａが絶縁層１１０ｂを介して支持台１１０ｃに支持されている。これにより、下部電極１１０は電気的に浮いた状態になっている。支持台１１０ｃの下方部分はカバー１１５にて覆われている。支持台１１０ｃの下部外周には、バッフル板１２０が設けられていてガスの流れを制御する。

下部電極１１０には、冷媒室１１０ａ１が設けられていて、冷媒導入管１１０ａ２のイン側から導入された冷媒が、冷媒室１１０ａ１を循環し、冷媒導入管１１０ａ２のアウト側から排出される。これにより、下部電極１１０を所望の温度に制御する。

下部電極１１０直上の静電チャック機構１２５では、絶縁部材１２５ａに金属シート部材１２５ｂが埋め込まれている。電極部１２５ｂには直流電源１３５が接続され、直流電源１３５から出力された直流電圧が電極部１２５ｂに印加されることにより、ウエハＷは下部電極１１０に静電吸着される。静電チャック機構１２５の外周には、たとえばシリコンにて形成されたフォーカスリング１３０が設けられていて、プラズマの均一性を維持する役割を果たしている。

下部電極１１０は、第１の給電棒１４０を介して第１の整合器１４５及び第１の高周波電源１５０に接続されている。処理容器内のガスは、第１の高周波電源１５０から出力された高周波の電界エネルギーにより励起され、これにより生成された放電型のプラズマによってウエハＷにエッチング処理が施される。

下部電極１１０はまた、第１の給電棒１４０から分岐した第２の給電棒１５５を介して第２の整合器１６０及び第２の高周波電源１６５に接続されている。第２の高周波電源１６５から出力された、たとえば３．２ＭＨｚの高周波はバイアス電圧として下部電極１１０へのイオンの引き込みに使われる。

処理容器１００の底面には排気口１７０が設けられ、排気口１７０に接続された排気装置１７５を駆動することにより、処理容器１００の内部を所望の真空状態に保つようになっている。

上部チャンバ１００ａの周囲には、マルチポールリング磁石１８０ａ、１８０ｂが配置されている。マルチポールリング磁石１８０ａ、１８０ｂは、複数の異方性セグメント柱状磁石がリング状の磁性体のケーシングに取り付けられていて、隣接する複数の異方性セグメント柱状磁石同士の磁極の向きが互いに逆向きになるように配置されている。これにより、磁力線が隣接するセグメント磁石間に形成され、上部電極１０５と下部電極１１０との間の処理空間の周辺部のみに磁場が形成され、処理空間にプラズマを閉じこめるように作用する。

なお、以上に説明した本実施形態に係るプラズマ処理装置では、印加電極が下部電極１１０、対向電極が上部電極１０５となっているが、高周波電力は上部電極１０５に印加されても下部電極１１０に印加されてもよく、印加電極が上部電極１０５、対向電極が下部電極１１０となってもよい。

（電極構造）
以下、本実施形態に係る電極構造について図２（ａ）を参照しながら詳しく説明する。上部電極１０５は、前述のとおり、上部基材１０５ａ及びガス拡散板１０５ｂを有している。上部基材１０５ａは、板状の金属から形成された基材の一例である。

上部基材１０５ａの溝部１０５ｄは、リング状に掘られている。上部基材１０５ａの中央部であって溝部１０５ｄの内側には円柱状のフラットな誘電体２０５が嵌め込まれている。誘電体２０５のプラズマが生成される側の面は上記基材１０５ａから露出している。誘電体２０５は、石英、セラミックス等の誘電物質から形成されている。

誘電体２０５の内部には、３枚の金属のプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃが埋設されている。プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、誘電体２０５の内部にて互いに間隔をおいて積層されている。ここでは、プレート電極の積層枚数は３枚であるが、これに限られず、１枚であってもよく、２枚であってもよく、４枚以上であってもよい。

プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、パターン化されている。すなわち、３枚のプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、誘電体２０５の中心に対して同心円状に大きさの異なる開口を有している。各プレート電極の開口は、プラズマ生成空間側に位置するプレート電極程大きく形成されている。これにより、誘電体２０５の中央部にてプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃに段差をつけることができる。

プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、金属であればどんな素材を用いてもよい。たとえば、プレート電極にカーボン、アルミニウム、タングステン等を用いることができる。プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、すべて同一金属から形成される。プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、その外縁部に厚みのあるコネクタＣを有し、後述するリング電極１０５ｅと電気的にカップリングしやすいように構成されている。プレート電極を誘電体に埋め込む製造方法の一例としては、たとえば、石英の誘電体２０５にカーボンのプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃをそれぞれ挟み込み、圧着する方法が考えられる。

（駆動機構）
溝部１０５ｄに設けられたリング電極１０５ｅは、図１に示したモータ１０５ｆの動力により昇降する。これにより、リング電極１０５ｅと各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの電気的接続状態が制御される。なお、リング電極１０５ｅ及びモータ１０５ｆは駆動機構の一例であり、そのうちリング電極１０５ｅは駆動部の一例である。駆動部の他の例としては、棒状の電極が挙げられる。

リング電極１０５ｅの昇降により各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃのコネクタＣとリング電極１０５ｅとの距離を制御することによって、各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃとのの電位が制御される。たとえば、リング電極１０５ｅが上部のプレート電極２１０ａの近傍まで下がってきた場合、リング電極１０５ｅがプレート電極２１０ａのコネクタＣに近づき、プレート電極２１０ａとリング電極１０５ｅとが電気的に接続される。本実施形態では、リング電極１０５ｅは、図示しないがグラウンド電位に保たれている。よって、本実施形態では、電気的に接続されるとはプレート電極２１０ａがグラウンド電位に近づき、高周波電流がプレート電極２１０ａの表皮を流れる状態をいう。

つまり、リング電極１０５ｅからプレート電極２１０ａのコネクタＣまでの間隔が、高周波電力のスキンデプスより小さくなったとき、プレート電極２１０ａとリング電極１０５ｅとが電気的に接続される。スキンデプスとは、導電体の表面部分を実質的に高周波の電流が通過する表皮の厚さを示す。よって、本実施形態のようにリング電極１０５ｅからプレート電極までの距離がスキンデプスより小さければ、高周波の電流は、プレート電極２１０ａの表面を流れる。一方、リング電極１０５ｅからプレート電極までの距離がスキンデプスを超えれば、高周波の電流は、プレート電極の表面を流れることができない。この結果、プレート電極は、グラウンド電位よりある程度高いフローティング電位になる。このようにして、プレート電極の電位を制御する。

なお、スキンデプスは次の式から定義される。
δ＝（２／ωσμ）^１／２
ただし、ω＝２πｆ（ｆ：周波数）、σ：導電率、μ：透磁率

その後、リング電極１０５ｅが中央のプレート電極２１０ｂの近傍まで下がり、リング電極１０５ｅがプレート電極２１０ｂのコネクタＣに近づくと、プレート電極２１０ａ及びプレート電極２１０ｂとリング電極１０５ｅとが電気的に接続される。よって、この状態では、プレート電極２１０ａ及びプレート電極２１０ｂがグラウンド電位に制御される。

その後、リング電極１０５ｅが下部のプレート電極２１０ｃの近傍まで下がり、リング電極１０５ｅがプレート電極２１０ｃのコネクタＣに近づくと、プレート電極２１０ｃとリング電極１０５ｅとが電気的に接続される。よって、この状態では、すべてのプレート電極２１０ａ、プレート電極２１０ｂ及びプレート電極２１０ｃがグラウンド電位に制御される。

このようにして各プレート電極の電位を制御するために、コネクタＣの端部からリング電極１０５ｅまでの距離Ｐ１は、プレート電極のうち上部のプレート電極２１０ａから誘電体２０５の上面までの距離Ｐ２より十分に小さく形成されている。これにより、プレート電極２１０ａと誘電体２０５上の上部基材１０５ａの金属とが電気的に接続されてしまうことを回避し、各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃをグラウンド電位及びフローティング電位に精度よく制御することができる。

すなわち、本実施形態では、距離Ｐ２を距離Ｐ１より十分に長くすることによって、プレート電極２１０ａと上部基材１０５ａとの間（距離Ｐ２部分）に生じるインピーダンスＺ２を、リング電極１０５ｅと各コネクタＣとの間（距離Ｐ１部分）に生じるインピーダンスＺ１より十分に大きくする。この状態で、リング電極１０５ｅと各コネクタＣとの間の距離Ｐ１を制御することにより、各電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃをグラウンド電位又はフローティング電位に制御する。

また、本実施形態では、プレート電極のコネクタＣの部分をプレートの部分より厚くすることによってカップリングしやすいように工夫している。リング電極１０５ｅと各コネクタＣとの間の誘電体に誘電率の高い物質を用いるとさらにカップリングしやすくなり、各プレート電極の電位制御の精度を高めることができる。

（プレート電極と電界強度分布との関係）
次に、プレート電極の上記電位制御と電界強度分布との関係について説明する。図２（ｃ）に示したように、上部電極９０５の中心にフラットな誘電体９２０を埋設した場合、電極中央での電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘが低下する。高周波の電流が上部電極９０５の金属表面を流れる際、上部電極９０５の中心部に設けられた誘電体９２０の容積に応じたキャパシタンス成分と上部電極９０５の下面近傍のシースのキャパシタンス成分とにより分圧が生じ、誘電体９０５の下部にて高周波の電界強度に分散が生じるためである。

電界強度分布を改善するために、図２（ｂ）に示したように、誘電体９２０をテーパ状にすると上部電極９００の端部から中央に向けて電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘの均一性が高められる。誘電体９２０の端部では中心部よりキャパシタンス成分が大きくなるため、フラットな誘電体９２０を設けた場合より誘電体９２０の端部にて電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘが低下しすぎず、均一な電界強度分布が得られるためである。

しかしながら、誘電体９２０がテーパ状であると、機械加工上の精度によりテーパ部分での寸法精度が悪くなる。この結果、熱膨張差による応力集中が生じ、接合界面の接着剤が剥離してチャンバ内の汚染の原因となる。

そこで、本実施形態では、プレート電極を誘電体２０５内に埋め込むことにより、電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘの均一性を高める。以下、図３のシミュレーション結果に基づきプレート電極の配置とその作用及び効果について詳述する。

シミュレーション条件としては、誘電体２０５の中央から各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃまでの距離（各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの開口の半径）ｒを４０ｍｍ、８０ｍｍ、１２０ｍｍにそれぞれ設定した。なお、誘電体２０５の半径は１５０ｍｍであり、石英から形成されている。

誘電体２０５の厚さａは、４、１０、１６ｍｍと可変とした。誘電体２０５の厚さａが４ｍｍの場合、隣接するプレート電極の中心間の距離ｂ（及び誘電体上面から上部プレート電極２１０ａの中心までの距離ｂ）は１ｍｍ、誘電体下面から下部プレート電極２１０ｃの中心までの距離ｃは１ｍｍである。プレート電極の厚さは０．８ｍｍに設定したので、プレート電極間の距離は０．２ｍｍとなる。

誘電体２０５の厚さａが１０ｍｍの場合、隣接するプレート電極の中心間の距離ｂ（及び誘電体上面から上部プレート電極２１０ａの中心までの距離ｂ）は３ｍｍ、誘電体下面から下部プレート電極２１０ｃの中心までの距離ｃは１ｍｍである。この場合にもプレート電極の厚さは０．８ｍｍであるので、プレート電極間の距離は２．２ｍｍとなる。

誘電体２０５の厚さａが１６ｍｍの場合、隣接するプレート電極の中心間の距離ｂ（及び誘電体上面から上部プレート電極２１０ａの中心までの距離ｂ）は５ｍｍ、誘電体下面から下部プレート電極２１０ｃの中心までの距離ｃは１ｍｍ、プレート電極間の距離は４．２ｍｍとなる。

各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃのシート抵抗率は、２Ω／□以下の低抵抗にする必要がある。各プレート電極の外縁部と内縁部とをほぼ等電位にすることにより、プレート電極の金属表面を流れる電流量を、上部基材１０５ａの金属表面を流れる電流量とほぼ同じにするためである。この結果、プラズマ側から見ると、上部基材１０５ａと各プレート電極とは一体として見える。これにより、各プレート電極のプラズマ側と反対側に位置する誘電体２０５の部分は存在しないに等しくなる。つまり、プラズマから見て誘電体２０５のうち各プレート電極の背面側にある部分は、各プレート電極により遮断される。

よって、各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの開口径を変えてプラズマ側からプレート部分の段差が見えるように各プレート電極を配置することにより、すべてのプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃがグラウンド電位に制御されている場合には、誘電体２０５の端部側では中心側より３段階の段差をもってキャパシタンス成分が変化する。この結果、図３のグラフのＧＮＤ ４（０．２）（すなわち、すべてのプレート電極の電位がグラウンドであって誘電体の厚さが４ｍｍ、電極間距離が０．２の場合）、ＧＮＤ １０（２．２）、ＧＮＤ １６（４．２）に示したように、図２（ｃ）のフラットな誘電体９２０を設けた場合より誘電体の端部にて電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘが低下しすぎず、均一な電界強度分布を得ることができる。これにより、本実施形態によって、図２（ｂ）に示した誘電体をテーパ状にした場合と類似した効果を得ることができる。

また、グラフの結果からすべてのプレート電極がほぼグラウンド電位の場合のグラフのＧＮＤ ４（０．２）、ＧＮＤ １０（２．２）、ＧＮＤ １６（４．２）では、誘電体２０５の厚さが大きいほど電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘを低下させる効果は大きいことがわかる。

また、すべてのプレート電極がフローティング電位の場合のグラフのＧＮＤ ４（０．２）、ＧＮＤ １０（２．２）、ＧＮＤ １６（４．２）では、すべてのプレート電極がグラウンド電位の場合より電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘを低下させる効果は小さいことがわかる。

ただし、すべてのプレート電極がグラウンド電位又はフローティング電位のいずれの場合も、プレート電極が埋設されていない誘電体の場合（ａｌｌ Ｑｚ）より電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘを低下させる効果があることがわかる。

本実施形態によれば、高周波の電流が上部電極側の上部基材１０５ａの金属表面を流れる際、上部基材１０５ａに嵌め込まれた誘電体２０５に応じたキャパシタンスにより高周波のエネルギーに分散が生じる。よって、誘電体表面では基材表面に比べて高周波の電界強度分布を低下させることができる。これに加えて、本発明に係る電極によれば、前記誘電体内にプレート電極が埋設されている。高周波の電流は、導電性カバーの金属表面を流れるとともに誘電体内にプレート電極の表皮にも流れるように電位制御された場合、各プレート電極のプラズマ側と反対側に位置する誘電体の部分は存在しないに等しくなる。これにより、高周波の電界強度分布を均一化することができる。

また、本実施形態によれば、上部電極１０５がプラズマにより削れたときにもプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃが誘電体２０５から露出していないため、プレート電極の損傷を防ぐことができる。また、誘電体内にプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを埋設することにより、複数枚のプレート電極に段差をつける構造を実現することができる。

プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃは、一枚であってもよいが、本実施形態のように複数枚配置されていると、プロセス条件が変わって電界強度分布が変わったときにも対応できる。すなわち、プロセス条件に応じて駆動機構を動かして各プレート電極の電位をグラウンド電位又はフローティング電位に切り替える。たとえば、上部電極１０５の中央の電界強度が非常に高い場合には、３つのプレート電極をカップリングして、３つのプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの電位をグラウンドにする。一方、中央の電界強度がさほど高くない場合には、一番上部のプレート電極２１０ａのみカップリングする。このようにして、各プレート電極の電位の状態を制御することにより、プレート電極同士のオーバラップ量で静電容量を可変にすることができるため、プロセス条件が変化しても、それに応じて高周波の電界強度分布を均一化することができる。

（具体的駆動方法）
次に、リング電極１０５ｅとプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃとの接続方式について図４を参照しながら概念的に説明するとともに、リング電極１０５ｅの具体的駆動方法について図５，６に基づきいくつかの例を説明する。

リング電極１０５ｅとプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃとの接続方式としては、接触方式でもよく非接触方式でもよい。たとえば、前述したように図４（ａ）のコンデンサ接続方式の他、図４（ｂ）の接触接続方式がある。図４（ｂ）の接触接続方式では、図４（ａ）のようにプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの端部にコネクタＣは必要なく、リング電極１０５ｅの昇降状態により各プレート電極の端部Ｑがリング電極１０５ｅと直接接触したり、非接触になったりすることにより各プレート電極との物理的接続を制御する。これにより、各プレート電極の電位の状態を制御する。

リング電極１０５ｅの具体的駆動方法としては、（１）リング電極１０５ｅを回転させずに昇降させる場合、（２）リング電極１０５ｅを回転させながら昇降させる場合、（３）リング電極１０５ｅを昇降させずに回転させる場合が挙げられる。いずれの場合も、図４（ａ）のコンデンサ接続方式及び図４（ｂ）の接触接続方式に使用することができる。

たとえば、図４に示した（１）の昇降制御では、リング電極１０５ｅとして３等配以上の直動ガイド機構を設置し、直動ガイド機構に動力を伝えることにより、直動ガイド機構を昇降させる。動力発生源は、直動変換付きモータ（たとえば、サーボ・ステッピング）の他、圧縮空気により動作するアクチュエータや電磁ソレノイドアクチュエータ等が挙げられる。磁気的な駆動でもよく電気的な駆動でもよい。

ただし、圧縮空気により動作するアクチュエータを使用した場合、各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの全接続又は全非接続のみを制御でき、一部接続は制御できない。一方、直動変換付きモータや電磁ソレノイドアクチュエータを使用した場合、リング電極１０５ｅを３つの位置にそれぞれ制御することにより、全接続、プレート電極２１０ａ及びプレート電極２１０ｂの接続、プレート電極２１０ａの接続のリング電極１０５ｅの３つのポジションを制御可能である。（１）の昇降制御では、リング電極１０５ｅは回転しない。

図５に示した（２）の回転昇降制御では、リング電極１０５ｅの外周（内周でもよい）にネジ状のらせん状溝を形成し、ボールネジ機構Ｒを介してリング電極１０５ｅにモータ（たとえば、サーボ・ステッピング）の動力を伝えることにより、リング電極１０５ｅを回転させながら昇降させる。これによれば、リング電極１０５ｅの位置制御により、全接続、プレート電極２１０ａ及びプレート電極２１０ｂの接続、プレート電極２１０ａのみの接続が可能である。

（３）の回転制御では、図６（ａ）（ｂ）に示したように、リング電極１０５ｅの内壁側にくぼみ１０５ｅ１を設けるとともに、誘電体２０５の外壁側に花びら状に凹凸を形成する。図６（ａ）は上部基材１０５ａを省略し、リング電極１０５ｅと誘電体２０５のみを描いた斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の１−１断面図の状態変化を示した図である。

リング電極１０５ｅの内壁側のくぼみ１０５ｅ１は等間隔に形成されている。また、誘電体２０５の花びら状の突出部２０５ａもくぼみ１０５ｅ１と同じ等間隔に形成されている。リング電極１０５ｅにモータ（たとえば、サーボ・ステッピング）の動力を伝えてリング電極１０５ｅを回転することにより、電気的な接続モードと非接続モードとに切り替えることができる。

接続モードは、図６（ｂ）の上部に示したように、くぼみ１０５ｅ１と突出部２０５ａとが対向せず、リング電極１０５ｅの内壁と突出部２０５ａとが対向する位置にリング電極１０５ｅを回転させた場合である。この接続モードでは、プレート電極とリング電極とが電気的に接続され、プレート電極はグラウンド電位になる。

非接続モードは、図６（ｂ）の下部に示したように、くぼみ１０５ｅ１と突出部２０５ａとが対向する位置にリング電極１０５ｅを回転させた場合である。この非接続モードでは、プレート電極とリング電極とが電気的に非接続になり、プレート電極はフローティング電位になる。

（３）の回転制御は、特にコンデンサ接続方式に適している。これによれば、（１）の昇降制御及び（２）の回転昇降制御では不可能な接続、たとえば、全接続、プレート電極２１０ａ及びプレート電極２１０ｂの接続、プレート電極２１０ａのみの接続に限らず、プレート電極２１０ａ及びプレート電極２１０ｃの接続や、プレート電極２１０ｂ及びプレート電極２１０ｃの接続も可能となる。しかし、接続点は、均等等配接続にはなっても全周接続にはならない場合がある。

なお、（３）の回転制御では、リング電極１０５ｅは昇降しない。また、リング電極１０５ｅ及び誘電体２０５に凹凸を形成する替わりに、リング電極１０５ｅ又は誘電体２０５をくし歯状（ギア状）にしてもよい。

さらに、以上の（１）〜（３）の制御方法では、リング電極側が回転又は昇降したが、リング電極側を固定にし、電極側を回転又は昇降させるようにしてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、上部電極を例に挙げて説明したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、本発明では、プレート電極は下部電極に設けられていてもよい。図７にプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃを下部電極１１０に埋め込んだ構成を示す。この場合、静電チャック機構１２５に設けられた金属電極１２５ｂの下方にて誘電体５００にプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃが埋設される。

本発明に係る上部電極は、図８に示した構成を有してもよい。図８に示した上部電極では、誘電体２０５の基材の下面中央以外の表面全体が導電性カバー３００で覆われている。導電性カバー３００は、たとえばアルミニウム、カーボン、チタン、タングステン等の金属から形成されている。導電性カバー３００は、溶射、テープ又はシート状部材の貼り付け、イオンプレーティング、メッキのいずれかにより、誘電体２０５の基材に密着させて数十μｍの厚さに形成される。これによれば、高周波の電流が導電性カバー３００の金属表面を流れる際、導電性カバー３００の開口部にある誘電体２０５の基材に応じたキャパシタンスにより高周波のエネルギーに分散が生じる。よって、誘電体２０５にて基材を形成した場合、金属にて基材を形成した場合に比べて導電性カバー３００の開口部にて高周波の電界強度分布を低下させることができる。これに加えて、誘電体２０５の基材には、プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃが埋め込まれている。これにより、プラズマから見てプレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの背面側にある部分は、各プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃにより遮断される。よって、プレート電極がグラウンド電位に制御されている場合には、誘電体２０５の端部側では中心側よりキャパシタンス成分が大きくなる。この結果、プレート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃの端部にて電界強度分布Ｅ／Ｅｍａｘが低下しすぎず、均一な電界強度分布を得ることができる。

また、基材１０５ａの表面全体を耐プラズマ性の高いイットリアにより溶射することによって（ＦＣコート）、表面溶射層３１０を形成することもできる。表面溶射層３１０の厚さは、１００〜２００μｍ程度がよい。

また、表面溶射層３１０を剥離後、再溶射することにより、簡単に電極を再生できる。

本発明に係るプラズマ処理装置は、上記実施形態に示した平行平板型のプラズマ処理装置に限られず、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマ処理装置等の装置に使用することができる。また。本発明は、エッチング処理装置、ＣＤＶ処理装置、太陽電池用のプラズマ処理装置に適用可能である。

また、例えば、上記実施形態では、高周波電力は下部電極に印加されたが、本発明に係るプラズマ処理装置では、上部電極及び下部電極のいずれかに高周波電力を印加してもよいし、双方の電極に印加してもよい。

１０ プラズマエッチング装置
１００ 処理容器
１０５ 上部電極
１０５ａ 上部基材
１０５ｂ ガス拡散部
１０５ｃ ガス穴
１０５ｄ 溝部
１０５ｅ リング電極
１０５ｅ１ くぼみ
１０５ｆ モータ
１１０ 下部電極
１１０ａ 下部基材
１２５ 静電チャック機構
１５０ 第１の高周波電源
２０５、５００、９２０ 誘電体
２０５ａ 突出部
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ プレート電極
Ｅ／Ｅｍａｘ 電界強度分布
Ｃ コネクタ

Claims (9)

1. 内部にて被処理体がプラズマ処理される処理容器と、前記処理容器の内部にて互いに対向し、その間に処理空間を形成する対向電極及び印加電極と、前記印加電極に接続され、前記処理容器内に高周波電力を出力する高周波電源と、を備えるプラズマ処理装置であって、
   前記対向電極及び前記印加電極の少なくともいずれかは、
   金属から形成された基材と、
   内部に金属のプレート電極を埋設した状態で前記基材に嵌め込まれた誘電体と、を備え、
   前記プレート電極は、前記誘電体の内部にて互いに間隔をおいて複数枚パターン化されて積層され、前記誘電体の中心に対して同心円状に大きさの異なる開口を有し、
   前記プレート電極の電位を制御することでプラズマ生成に寄与する高周波の電界強度分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記複数枚のプレート電極の開口は、プラズマ生成空間側に位置するプレート電極程大きい請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記複数枚のプレート電極は、同一金属から形成されている請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記プレート電極のシート抵抗率は、２Ω／□以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記誘電体のプラズマ生成空間側の面の少なくとも一部は、前記基材から露出している請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記プレート電極が埋め込まれた電極は、上部電極であり、
   前記上部電極には、複数のガス導入管が貫通している請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記上部電極の誘電体上方には、前記複数のガス導入管と連通し、ガスを拡散するガス拡散部が設けられている請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記プレート電極が埋め込まれた電極は、下部電極であり、
   前記下部電極の静電チャック機構に設けられた金属電極の下方にて前記下部電極の誘電体に前記プレート電極が埋設されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 印加された高周波電力によりガスからプラズマを生成し、生成されたプラズマを用いて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置用の電極であって、
   前記電極は、互いに対向し、その間にプラズマ処理空間を形成する対向電極及び印加電極のうちの少なくともいずれかであり、
   金属から形成された基材と、
   内部に金属のプレート電極を埋設した状態で前記基材に嵌め込まれた誘電体と、を備え、
   前記プレート電極は、前記誘電体の内部にて互いに間隔をおいて複数枚パターン化されて積層され、前記誘電体の中心に対して同心円状に大きさの異なる開口を有し、
   前記プレート電極の電位を制御することでプラズマ生成に寄与する高周波の電界強度分布を制御することを特徴とするプラズマ処理装置用の電極。

Images