プラズマプロセス用装置
【技術課題】 基板に損傷や表面汚染を与えることなく、エッチングや成膜が行え、チャンバや電極等の構造は同一であるにも拘らず、導入するガスやプラズマ励起周波数を変えることにより、エッチングや成膜にも応用可能であり、生産性に優れるとともに、低価格で高性能なプラズマプロセス用装置を提供すること。
【解決手段】 容器内105に対向するように設けられ夫々平板状に形成された第１及び第２電極102，104と、プラズマに対して安定な材料から成り第１電極102上を覆うように設けられる保護部材101と、第２電極104上に被処理物103を取り付けるための保持手段と、第１電極102に接続される第１の高周波電源111と、第２電極104に接続される第２の高周波電源110と、容器105内に所望のガスを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数より高いことを特徴とする。
【解決手段】 容器内105に対向するように設けられ夫々平板状に形成された第１及び第２電極102，104と、プラズマに対して安定な材料から成り第１電極102上を覆うように設けられる保護部材101と、第２電極104上に被処理物103を取り付けるための保持手段と、第１電極102に接続される第１の高周波電源111と、第２電極104に接続される第２の高周波電源110と、容器105内に所望のガスを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数より高いことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、各種のプラズマプロセス、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、プラズマ化学気相堆積（ＰＣＶＤ）等を行うために用いられる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、低温で各種プロセスを進行させるために、減圧された容器内でプラズマを発生させ、該プラズマ雰囲気中で集積回路の基板等の被処理物の各種プロセスを行うようにした装置技術が多く開発されている。例えば、集積回路の各種薄膜（Ａｌ，Ｗ，Ｔａ等の導電性薄膜、 poly−Ｓｉ，Ｓｉ等の半導体薄膜、あるいはＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4,Ａｌ2Ｏ3等の絶縁薄膜）を、異方性をもたせてエッチングするようにしたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)法、その他Ａｌ（ＣＨ3）3，ＡｌＨ（ＣＨ3）2等を原料ガスとし、これをプラズマ中にてＡｌ（ＣＨ3）2やＡｌ（ＣＨ3）に分解し、これを基板に吸着させた後、表面反応によりＡｌを堆積させるＰＣＶＤ成膜等がある。
【０００３】前記ＲＩＥ法とは、真空容器内に励起活性種を生成するもの、例えば、ＣＦ4Ｆ2，ＣＣｌ4，Ｃｌ2，ＣＦ2Ｃｌ2等のガス（以下、励起活性種源ガスという）を導入し、基体の保持手段としてのサセプタに直流または高周波電力を加え、グロー放電を起こさせてプラズマを発生させ、プラズマ中に生成したイオンと励起活性種とを同時に被エッチング面に作用せしめ、物理的かつ化学的にエッチングを行なう方法であり、この方法によればマスク材料であるホトレジストとの選択比を大きく保ちながら異方性エッチングを実現できる。
【０００４】高周波入力によるグロー放電でも、基体表面はプラズマに対し直流的には負にバイアス（これを自己バイアスという）されるが、この自己バイアス電圧とプラズマ電位の差の電位によって加速されたイオンが基体表面に衝突して基体表面に吸着している励起活性種との作用により基体の表面をエッチングする。
【０００５】図１２は、従来用いられている代表的なリアクティブイオンエッチング装置の断面構造の模式図を示すものである。５０３は被エッチング面を有する基体、例えば半導体ウエーハあるいはガラス、石英、金属等から成る基体、５０４はサセプタ電極である。サセプタ電極５０４には整合回路を介して高周波電力が供給されており、真空容器（チャンバ）５０５は通常安全のためにアースされている。ここで、高周波電源（ＲＦ電源）は、その出力周波数が１３．５６ＭＨｚのものを用いるのが普通である。なお、サセプタ電極５０４の上方に対向させて平板状電極を設けた構造のものも多い。
【０００６】実際の装置では、上記構成以外に、真空容器５０５内の真空引き用及びガス排気用の排気ユニット、真空容器５０５内へのガスの導入口、基体５０３の出し入れのための機構等を備えているが、同図では説明を簡略にするため省略されている。
【０００７】半導体ウエーハ等の基体５０３及びサセプタ電極５０４の表面は、サセプタ電極５０４に加えられたＲＦ電力のためにプラズマに対し直流的に負の自己バイアスがかかり、この電圧で加速されたイオンが基体表面に作用し表面反応を促進して基体の被エッチング面がエッチングされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記ＲＩＥ装置の場合、一般に、エッチング速度を高める場合には、高周波電力を大きくすることによりプラズマ密度を高める必要がある。
【０００９】しかし、従来の装置においては、高周波電力を大きくすると、電極の自己バイアスも大きくなり、同時にプラズマ電位も高くなる。その結果、基板には、この大きな自己バイアスとプラズマ電位の差の電圧によって加速された大きなエネルギーを有するイオンが照射される。従って、下記のような問題を生じさせる。
【００１０】■照射イオンエネルギーが大きくなるとレジストのエッチングをも行ってしまい、パターン寸法の変化をもたらし、その結果、微細加工が正確に行えなくなってしまう。特に、レジストの厚さが、０．５μｍ程度あるいはそれ以下となるような今後の高集積化素子においてかかる現象は顕著に表われる。
【００１１】■大きなエネルギーをもったイオンが照射されるため、下地材料に損傷（ダメージ）を与え、かかかる材料により構成された素子の性能及び信頼性の低下を招来させる。特に、リーク電流増大、耐圧劣化といった重大な障害を引き起こすことになる。
【００１２】■プラズマ電位が通常＋５０〜１００Ｖ程度となるため、チャンバ内表面にプラズマ電位で決まるイオンが衝突することになり、この高いエネルギーのイオン衝突により、チャンバ内表面がスパッタされ、チャンバ構成材料、たとえばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ等が基板表面を汚染する。すなわち、高エネルギーイオン衝突による、チャンバ構成材料の基板表面汚染である。基板表面がこうした重金属で汚染されると、次の高温工程で基板表面に欠陥を生じたり、リーク電流を大きくしたりするため、デバイスの特性を著しく劣化させる。
【００１３】また、従来の装置では高周波電源の周波数として１３．５６ＭＨｚのものを使用しているが、１３．５６ＭＨｚというようにプラズマ励起周波数が低いと、チャンバ内ガス圧力や高周波電力が一定でも電極に生じる直流の自己バイアスは、負で大きくなる。図７は、対向する電極間隔を３ｃｍ、円板電極直径を１０ｃｍ、Ａｒガス圧力を５×１０-3Ｔｏｒｒ、高周波電力を５０Ｗとしたときにおける、電流・電圧特性を示すものである。同図において横軸は電極に印加する直流負電圧、縦軸は電極に流れる電流である。電流が負の値であることは、電子が電極に流れ込むことを意味し、電流が正であることは、正のイオンが電極に流れ込んでいることを意味する。電流が０のときの負電圧が、電極の自己バイアスに相当する。これは、通常、電極にはコンデンサを介して高周波電力が供給され、直流電流は流れないからである。
【００１４】図７から理解できるように、電極の自己バイアスは、高周波電力の周波数が１４ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ，１００ＭＨｚのときに、夫々、−４００Ｖ，−２６０Ｖ，−９０Ｖとなる。すなわち、電極構造やガス圧力及び電力が一定に保たれても、電極の負の自己バイアスは周波数が高くなるにつれて、次第に小さくなっていく。
【００１５】図８はその詳細を示したものである。すなわち、チャンバ内のＡｒガス圧力が７×１０-3Ｔｏｒｒ、高周波電力が１００Ｗ、電極間隔が３ｃｍ、電極直径が１０ｃｍのときに、プラズマ励起の高周波電力の高周波を１０ＭＨｚから２１０ＭＨｚまで変化させた場合、電極の自己バイアスがどのように変化するかを示したものであり、周波数が高くなると、負の自己バイアスは急激に小さくなる。図８には、プラズマ電位も同時に示されており、このプラズマ電位は、周波数が１０ＭＨｚ〜２１０ＭＨｚと変っても、ほとんど＋２０Ｖに保たれている。
【００１６】ＬＳＩの超微細化・超高集積化が進むと、コンタクトホールやヴィアホールのアスペクト比は次第に大きくなって行く。すなわち、細くて深い穴を制御性よくかつ再現性よくエッチングすることが要求される。エッチング室のガス圧力を低く（例えば、１０-3Ｔｏｒｒ台）設定して、分子の平均自由行程を長くすることが必要である。ガス圧力が低くなった状態でも、十分に高濃度のプラズマを生成しスループットを高くするためには、放電励起の周波数は高い方が望ましい。ただし、サセプタ電極５０４の直径に比べて放電励起の周波数の波長が短くなることは望ましくない。高次モードの放電が起って、電極内に均一な密度のプラズマが励起されず均一なエッチング性能が得られないからである。
【００１７】すなわち、従来の装置においては、プラズマ密度、すなわちイオン照射量及び照射イオンエネルギーを夫々独立にかつ直接的に制御することができず、前記励起活性種源ガスの圧力、流量、高周波電力等の条件を適宜組合せて間接的に制御せざるを得ない。
【００１８】さらに、プラズマ中で被処理物以外に損傷を与えることなく高速度で被処理物の処理を行い得るように構成すべき装置としては、上記ＲＩＥ装置以外に、ＰＣＶＤ装置、Ｏ2プラズマレジストアッシャー、ドライ洗浄装置等が挙げられるが、従来、これらの装置は基本的な部分で共通の使用条件を有するにも拘らず、各別に設計され生産されていた。同時に、前述した■，■，■の欠点を有していた。
【００１９】上記問題点は本発明者によって見い出されたものであり、本発明者は、従来の装置に生ずる上記問題点を解決すべく鋭意研究を行ない、その解決手段を見い出すに至った。
【００２０】本発明は、基板（基体）に損傷や表面汚染を与えることなく、基板のエッチングや基板上への成膜が行え、しかも、チャンバや電極等の構造は同一であるにも拘らず、導入するガスやプラズマ励起周波数を変えることにより、エッチングや成膜にも応用可能であり、生産性に優れるとともに、低価格で高性能なプラズマプロセス用装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記損傷及び表面汚染の回避、高速処理を図りつつ、各種プラズマプロセスに適用可能な汎用性のある装置の提供を行なうべく、減圧可能な容器内に設置された二枚の対向する電極間にプラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の処理を行うように構成されたプラズマプロセス用装置において、前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状に形成された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラズマに対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆うように設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被処理物を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極に接続される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接続される第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガスを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数より高く設定されたことを特徴とする。
【００２２】
【作用】例えば、ＲＩＥ装置に用いる場合には、被処理物としての例えば被エッチング薄膜を形成した基板を容器内の第２の電極上に取付け、該容器内を減圧して所定のガス供給手段から前記被エッチング薄膜に応じ、塩素系ガス、フッ素系ガス、これらの混合ガス等を導入する。そして、第１の電極には第１の周波数（１００〜２５０ＭＨｚ）の高周波電力を供給して電極間にプラズマを発生させ、前記第２の電極には前記第１の周波数より低い第２の周波数（１０〜５０ＭＨｚ）の高周波電力を供給し、第２の電極の自己バイアスを制御する。すなわち、第１の電極に供給される第１の周波数の高周波電力により、発生するプラズマ密度や基板に照射されるイオン照射量を制御する。
【００２３】一方、第２の電極に供給される第２の周波数の高周波電力によりその自己バイアスにより、基板表面に入射するイオンのエネルギーを制御する。第１の電極に供給される高周波電力はプラズマを発生させる役割を担うからその電力は通常大きい。しかし、周波数を高くしてあるから第１の電極の負の自己バイアスは十分小さくできる。したがって、第１の電極に照射されるイオンエネルギーは十分小さくなって、表面がスパッタされることがなく、基板表面は汚染されない。第２の電極に誘起される負の自己バイアスは、基板表面に照射されるイオンエネルギーを最適値に制御するから、損傷、汚染の問題はもちろん伴なわない。
【００２４】また、ＰＣＶＤ装置に用いる場合には、被処理物たる堆積膜を形成すべき基板を前記第２の電極上に保持させる。前記第１の周波数と第２の周波数との大小関係は前記ＲＩＥ装置の場合と同様に設定するが、容器内に導入されるガスは、例えばＳｉ成膜の場合、ＳｉＨ4，ＳｉＨ2Ｃｌ2，Ｓｉ2Ｈ6等を、ＳｉＯ2成膜の場合ＳｉＨ4とＯ2あるいはＳｉ2Ｈ6とＯ2との混合ガス等を導入する。この場合も、ＲＩＥについて記述したのと同様な理由で被処理物の基板の損傷回避や被処理物の汚染等を防止できる。
【００２５】さらに、従来技術では基板表面の損傷、汚染の問題が不可避であるレジストアッシャーにも適用できる。例えば、微細パターン加工に不可欠のホトレジストは、通常Ｈ2ＳＯ4とＨ2Ｏ2の混合液を用いたウェット工程で剥離されるが、イオン注入用のマスク材として使用されたときには高エネルギーイオン照射を受けてレジストが硬化するため、通常のウェット工程では剥離できない。そのため、Ｏ2プラズマを用いてＯ3やＯラジカルを発生させ、イオンエネルギーを利用してイオン注入されたレジストを除去する必要があった。
【００２６】レジストアッシャーに用いる場合、先のＲＩＥやＰＣＶＤの説明でも触れたように、基板を第２電極に設置し、第２の周波数の高周波電力により第２電極の自己バイアスを制御すれば、基板表面に損傷や汚染を与えることなくレジストの剥離が行える。
【００２７】このように、使用時に若干の条件設定の変更はあるものの、各種のプラズマプロセス用の装置に広く適用できる。
【００２８】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００２９】図１は本発明を基板表面をエッチングするためのＲＩＥ装置に適用した場合における第１の実施例を示すものである。ここでは、半導体基板上に形成された薄膜をエッチングする場合について説明する。
【００３０】真空容器（チャンバ）１０５内には、上方の平板状電極１０７と下方の平板状サセプタ電極１０４とが対向するように配設されており、該真空容器１０５は金属から成りアースに接続されている。真空容器１０５の内表面は、フッ素系あるいは塩素系等の腐食性ガスのプラズマに対して安定なもの、すなわち該プラズマに晒されても腐食されないよう酸化膜、チッ化膜あるいはフッ化膜で覆われている。前記電極１０７は、導電性材料からなる母材１０２と母材１０２の表面に形成されたＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮなどからなる保護部材としての保護層１０１とにより構成されている。
【００３１】該保護層１０１は放電により生じたプラズマにより母材１０２がエッチングされることを防止するためのものであり、例えば、Ｓｉ，ＳｉＯ2，石英、ＳｉＣ，Ｓｉ3Ｎ4，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮその他の材料から成る。また、略化学量論比を満足するフッ化物よりなる不動態膜により構成してもよい。この不動態膜は、優れた耐エッチング特性を示し、その不動態膜の形成は例えば次のように行えばよい。すなわち、母材（例えばステンレス、ニッケル、ニッケル合金、アルミニウム合金その他の金属あるいは合金よりなる母材）を、電解研磨技術などにより表面を加工変質層を伴なわない鏡面に仕上げた後、高純度不活性雰囲気中において所定の温度でベーキングし、吸着している水分を脱離する。ベーキング後、高純度フッ素にて所定の温度でフッ化処理し、フッ化処理後高純度不活性雰囲気中においてフッ化時の温度よりやや高い温度で熱処理を行うと略化学量論組成比を満たす不動態膜が母材上に形成される。
【００３２】なお、前記保護層１０１をＳｉにより構成しておけば、保護層１０１がエッチングされてもサセプタ電極１０４上の基板１０３にはＳｉが混入することとなるので、該基板１０３に与える影響を最小限にすることができる。
【００３３】サセプタ電極１０４には整合回路１０８を介して第２の周波数ｆ2の高周波電力を出力する高周波電源１１０が接続されている。本実施例では１００ＭＨｚの高周波電力を供給する例を示している。サセプタ電極１０４の電位制御には、望ましくは、前記第２の周波数ｆ2は１０〜５０ＭＨｚが適している。また、電極１０７には整合回路１０９を介して、サセプタ電極１０４に供給される前記周波数ｆ2より大きな周波数である第１の周波数ｆ1の高周波電力を出力する高周波電源１１１が接続されている。本実施例では２５０ＭＨｚの高周波電力を加えた例を示している。なお、後に詳述するが二つの前記周波数ｆ1，ｆ2は整数倍の関係にないことが望ましい。
【００３４】さらに、電極１０７およびサセプタ電極１０４にはそれぞれ第１の高周波（本例では２５０ＭＨｚ）、第２の高周波（本例では１００ＭＨｚ）のみがそれぞれ入力されるようにバンドエリミネーター（Band Eliminator)１１２，１１３が設けられている。すなわち、第１の高周波ｆ1はサセプタ電極１０４においてはアースに短絡されており、第２の高周波ｆ2は電極１０２においてアースに短絡されている。前記電極１０７及び１０４に用いられる前記バンドエリミネーター１１２，１１３は、基本的には、例えば図２に示すタンク回路１０２ｂのような構成にすればよい。Ｌ1，Ｃ1の並列回路は、ｆ1＝｛１／２π（Ｌ1Ｃ1）1/2｝の共振周波数でインピーダンスが最大となり（図３）、それ以外の周波数に対しては、ほとんど短絡となるため、所定の周波数（この場合はｆ1＝２５０ＭＨｚ）の高周波のみ選択して電極に供給することができる。
【００３５】ここに示した図２の構成はあくまでも基本的な原理を示すものであり種々の改善のための変更を加えてもよいことはいうまでもない。例えば、図４は改善の一例である。
【００３６】前記回路１０２ｂはインダクタンスＬ1を介して直流的には接地となっているが、これを直流的に浮遊状態(floating）としたい場合には、例えば図４の１０２ｄのようにコンデンサＣsを付加し、直流成分をカットすればよい。この場合、回路１０２ｄの共振周波数が周波数ｆ1からずれないようにＣsの値はｆ1 ・Ｌ1 ≫１／ｆ1 Ｃsを満たすよう十分大きな値とする必要がある。
【００３７】この場合、ｆ0＝｛１／２π（Ｌ1Ｃs）1/2｝の周波数に対し、Ｌ1，Ｃsの直列回路はインピーダンスが０となり、周波数f0の高周波に対し短絡となる。この周波数ｆ0をサセプタ電極１０４に加えられる周波数ｆ2に等しくしておくと、電極１０７に周波数ｆ2の高周波が重畳するのを有効に防止することができる。すなわち、サセプタ電極１０４に入る高周波電力の電界が、サセプタ電極１０４から電極１０７に垂直に終端するようにしても、電極１０７は周波数ｆ2の高周波に対してはアースに短絡されているから、電極１０７の電圧が周波数ｆ2の電力で変動することはない。
【００３８】以上はバンドエリミネーター１１２について述べたが、バンドエリミネーター１１３についても同様な構成とすれば、サセプタ電極１０４の電圧が、電極１０７に供給される周波数ｆ1によって変動することがない。すなわち、図４の回路において、インダクタンスＬ1をインダクタンスＬ2，コンデンサＣ1をコンデンサＣ2，コンデンサＣSをコンデンサＣS2として、f2＝１／２π（L2C2）1/2とし、f2L2≫１／f2CS2とする。
【００３９】また、f1＝１／2π（L2 CS2）1/2とする。
【００４０】プラズマを形成するイオンの生成を行うべく、真空容器１０５に導入される前記励起活性種源ガスの放電は周波数ｆ1の高周波により行なわれる。イオン密度を濃くするために、周波数ｆ1の電力を大きくしても、サセプタ電極１０４の電圧に影響を与えることはない。
【００４１】同様のことが、サセプタ電極１０４に供給する周波数ｆ2の高周波電力に関してもいえる。周波数ｆ2の高周波電力を変化させても、ｆ2の電力は電極１０７においてはアースに短絡されているからである。
【００４２】その一例が図５に示されており、同図には、第１の電極と第２の電極の間隔が３ｃｍ、その直径が１０ｃｍ、ガス圧力が７×１０-3Ｔｏｒｒの状態で、ｆ1＝１００ＭＨｚ、その入力電力を１５０Ｗに一定に保ち、ｆ2＝３０，４０，５０ＭＨｚとして、その電力を変えたときの、第１の電極及び第２の電極の直流の自己バイアスがプロットされている。第１の電極の自己バイアスは、約−２５Ｖで第２の電極に供給される周波数及び電力に影響されない。第２の電極の電位は、高周波入力がないときは、約１０Ｖであるが、周波数ｆ2の高周波電力が大きくなるにつれ、直線的に低下し、ある電力以上では負電圧になる。周波数ｆ2が低いほど、同じ電力変化に対する自己バイアス電圧の変化は大きい。いずれにしろ、対向する電極の電位にまったく影響を与えることなく、電極の直流電位（自己バイアス）を高周波電力及びその周波数により制御できることが、図５で明白である。
【００４３】以上のような構成とすることにより、電極１０７、サセプタ電極１０４には、他方に供給させる高周波が重畳することを有効に防止し、それぞれに供給させるべき高周波のみを供給することができるので、自己バイアスプラズマ密度、及び照射されるイオンエネルギーの制御を容易かつ正確に行うことが可能となる。
【００４４】なお、電極１０７の裏面に設けられた円筒状磁石１０６により電極１０７の表面に略々平行な磁界が生じ、電子はこの磁界にまきついてサイクロトロン運動をする。前記両電極１０７，１０４の間に垂直な高周波電界が存在すると、このサイクロトロン運動する電子に有効にエネルギーが与えられ、高周波電力が有効に高密度プラズマを発生させる。したがって、本装置では、入力される二つの高周波電力の電界が殆ど垂直に、それぞれサセプタ電極１０４、電極１０７に終端するように設定されている。
【００４５】なお、１０６はマグネトロン放電のための永久磁石である。実際には、強磁性体を用いた電磁石の方が好ましい。さらに装置には真空容器１０５内を真空に引く排気ユニットや、ガスを導入する機構、さらに基板１０３を出し入れする機構が設けられているが、これらは説明を簡略化するため省略してある。
【００４６】本実施例の装置では、従来の装置とは異なり、サセプタ電極１０４の他に電極１０７を設けてあるため、電極１０７には電力の大きな高周波電源を供給することにより高密度のプラズマを発生させることができ、ひいては高速のエッチングを行うことができる。ただ、電力の大きな高周波を電極１０７に供給すると、自己バイアスも大きくなり電極をスパッタエッチングするおそれが生ずる。かかるエッチングを防止するためには、電極１０７に供給する高周波電源１１１の周波数ｆ1を、周波数ｆ2より大きくし自己バイアスを小さくする（周波数を大きくすると自己バイアスは小さくなる。図８R>８参照）と共に、電極１０７の母材１０２の表面には保護層１０１を設けておく。
【００４７】一方、前記サセプタ電極１０４に生ずる自己バイアスは、図５に示すように前記高周波電源１１０の電力および周波数により制御することができるので、被エッチング薄膜の材料を勘案し、適宜高周波電源１１０の電力、周波数を選択して、サセプタ電極１０４に供給すればよい。
【００４８】結局、本実施例の装置を用いれば、電極１０７に供給される高周波電力により高密度のプラズマを発生させるとともに（プラズマ密度、すなわちイオン密度は電力により制御される）、基板表面に照射されるイオンエネルギーをサセプタ電極１０４に供給する周波数ｆ2の高周波電力により所望の値に制御することができるため、基板１０３等への損傷を防ぎつつ高速のＲＩＥを行うことができることとなる。
【００４９】次に、電極１０７およびサセプタ電極１０４に供給される高周波電力と周波数の影響について述べる。
【００５０】図６は、図１に示す装置を用いて電極１０４の電流、電圧特性を測定する回路構成を示すものである。前記電極１０４に接続される高周波フィルタ２０３は、例えば図２に示したバンドエリミネーター１０２ｂのように，サセプタ電極１０４に供給される高周波の周波数ｆ2の点でだけインピーダンスが高く、その周波数からずれた周波数に対してはほとんど短絡となるように構成されており、該高周波フィルタ２０３には直流電源２０１、電流計２０２が直列に接続されている。そして、高周波フィルタ２０３と電流計２０２との接続点には、直流電源２０１及び電流計２０２を高周波的には短絡するために、並列にコンデンサ２０６が接続されている。
【００５１】かかる状態で、例えばＡｒガスを真空容器１０５内に５×１０-3Ｔｏｒｒの圧力で導入し、５０Ｗの高周波電力で放電を起し、電極１０４に印加する直流電圧Ｖとその結果流れる電流の関係をグラフにしたものが図７である。この場合、高周波電源１１０の周波数は可変とし、例えば１４ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ及び１００ＭＨｚの３つの周波数に変化させている。なお、正電荷を有するイオンが電極１０４に流れ込む電流を正の値としている。
【００５２】例えば、１００ＭＨｚの特性をみると、前記直流電圧Ｖが約−９５Ｖ（この値を自己バイアス電圧ＶSBとする）のとき、直流電流Ｉ＝０となり、Ｖ＞ＶSBではＩ＜０，Ｖ＜ＶSBではＩ＞０となっている。前記自己バイアス電圧ＶSBは、電極１０４がフローティング状態で高周波放電させたときに発生する直流バイアス電圧である。すなわち、電極１０４がこの電位にあるときは、プラズマから電極１０４に流れ込むイオンと電子の数が相等しくなるため互いに打ち消し合い直流電流が０となる。
【００５３】他方、外部から印加した直流バイアス電圧により電極１０４の電位を制御すると電流が流れる。例えば前記直流電圧Ｖと自己バイアス電圧ＶSBとの間に、Ｖ＞ＶSBの関係が成立するとより多くの電子が流れ込みＩ＜０となる。
【００５４】一方、Ｖ＜ＶSBの関係の場合、電子に対するポテンシャルバリヤが高くなって電子の流入数が減少するためイオン電流の方が大きくなり正の電流が流れる。さらに、直流電圧Ｖを負の方に大きくすると、Ｖ＝Ｖ0で電流値は飽和し、ほぼ一定値となる。これはイオンのみの電流値に等しい。
【００５５】以上のことから、Ｖ＝ＶSB近辺におけるＩ−Ｖ特性曲線の傾きは電子のエネルギー分布の巾に対応している。すなわち、傾きが大きいことは電子のエネルギーの分布の巾が狭いことを意味している。図７から明らかなように１４ＭＨｚに比べ、１００ＭＨｚの場合はエネルギー分布が約１／１０程度に小さくなっている。一方、イオンのエネルギー分布の巾をΔＥionとし、電子のエネルギー分布の巾をΔＥeとしたとき両者の間には略々比例関係があるので、イオンのエネルギー分布の巾も同様に約１／１０に減少しているといえる。
【００５６】さらに、ＶSBの値も同じ５０Ｗの高周波電力であるのに１４ＭＨｚの場合の−４００Ｖに対し１００ＭＨｚでは約−９５Ｖと絶対値で１／４以下に小さくなっている。１００ＭＨｚ放電で電力を５Ｗまで下げると、ＶSBの値は、−２５Ｖに減少する。すなわち、周波数と電力を制御することにより、自己バイアスは広範囲に制御できるのである。
【００５７】従来のＲＩＥ法では、下地基板に損傷が生じ、デバイスの特性が劣化していたが、これは次の理由による。
【００５８】従来例では、電極１０７を低い周波数１３．５６ＭＨｚで放電させていたため、｜Ｖsub｜＝４００Ｖ〜６０００Ｖとなり、この高電圧で加速されたイオンが基板に衝突していた。
【００５９】しかるに、本発明の第１実施例では、電極１０７には２５０ＭＨｚの高周波を用いて放電を行っているため、従来の１３．５６ＭＨｚの場合にくらべてΔＥionは１／２０以下と小さくすることができる。本発明の装置では放電は電極１０７に加えられる周波数ｆ1の高周波電力により維持され、これにより高密度のプラズマを発生させると共に、供給する周波数をサセプタ電極１０４に供給する周波数ｆ2より大きな周波数ｆ1（２５０ＭＨｚ）としているため、発生した高密度プラズマ中のイオンエネルギーの分布幅も小さく（平均エネルギーの値とは差のあるエネルギーを有するイオンの数が少なく）なっている。さらに、後述するように、電極に平行な方向の磁界強度を可能な限り強くなるように磁気回路が設計されているので、５０Ｗの高周波電力の入力で自己バイアス電圧は−３０Ｖ以下であり、プラズマ密度が略々１０倍以上に改善されている。図５によれば、高周波電力を１００Ｗとし、ｆ1＝２１０ＭＨｚで自己バイアスは−１０Ｖ程度であるから、ｆ1＝２５０ＭＨｚでは、自己バイアスは−５Ｖ以下である。
【００６０】電極１０７の自己バイアスが、−５Ｖ以下と低いうえに、保護層１０１を有するので電極１０７の母材１０２はまったくスパッタされない。したがって、サセプタ電極１０４に印加する高周波の電力ないし周波数ｆ2を、自己バイアスが基板に損傷を与えない程度に小さく制御することがきわめて容易となり、かつ所望のエッチング速度が得られるように周波数ｆ1 の電力を設定しておけば基板表面に損傷を与えるような大きなエネルギーを有するイオンが照射されることがなくなり、薄膜、レジスト膜あるいは下地基板への損傷を生ずることなく高速かつ選択性の高いエッチングを行うことが可能となる。
【００６１】すなわち、前記自己バイアス電圧ＶSBは高周波電源の周波数が高くなるほどまた、高周波電力が小さくなるほど低くなる。したがって、薄膜ないし下地基板の品質を損傷せずに、かつ、高速エッチングに必要なイオンエネルギー及びイオン照射量になるように周波数および電力をサセプタ電極１０４に供給するように選択すればよい。
【００６２】一方、前記電極１０２には周波数２５０ＭＨｚの高周波電力が加えられているため、小さな自己バイアス電圧が生じており、また、保護層１０１が形成されているため母材１０２がエッチングされるのを防止できる。さらに、図１の実施例では永久磁石１０６が装着されているが、これにより、電極１０７の近傍でマグネトロン放電（電子が磁力線に巻きついてサイクロトロン運動しながら高周波電界からエネルギーを受けて中性の励起活性種源ガス分子を効率よくイオン化する）が起り、イオン濃度が高まってさらにエッチング速度を大きくできる。
【００６３】以上述べたように本発明による２周波励起ＲＩＥ装置によれば、大きなエッチング速度を維持しつつ、基板に損傷を生じない高品質な薄膜や基板のエッチングが高選択比で可能となった。
【００６４】また、図６に示すようにサセプタ電極１０４に直流バイアス電圧を加えることによってサセプタ電極１０４に流入するイオンのエネルギーを制御することも可能である。かかる直流バイアス電圧を印加してサセプタ電極１０４の電位を制御し、結果として基板の表面電位を制御する方法は、エッチングする薄膜や基板（基体）が導電性材料である場合に有効である。
【００６５】以上、電極１０７及びサセプタ電極１０４に供給する高周波電力の周波数を夫々１００ＭＨｚ，２５０ＭＨｚに設定する場合についてのみ述べたが、周波数の選定はこれに限られないことは言うまでもない。
【００６６】要するに、ＲＩＥ装置の場合、電極１０７に供給される第１の周波数ｆ1をサセプタ電極１０４に供給される第２の周波数ｆ2に比べて高くすればよい。実際の値はそれぞれの目的に応じて異るものであり、必要とすべきエッチング速度や形成された膜の段差部での被覆形状等を考慮して決めればよい。また、エッチングすべき材料も絶縁物に限ることなく、導電性材料でもよい。
【００６７】また、電極１０７の裏面に設置した磁石１０６は図１に示した構成に限られるものではない。例えば図９は、本発明の第２の実施例を示すものであるが、本実施例の場合、強力な競争路形磁石４０９を設け、磁界の均一性を上げるために走査を行なう構成にしている。この場合、磁石４０９の走査系４１０を真空容器１０５の外部に設けておけば、反応系が機械的な動作から生じる発塵により汚染されるのを防ぐことができて好都合である。
【００６８】さらに、サセプタ電極１０４側にも磁石を設置してＲＩＥの効率を上げるようにしてもよい。また、ここで使う磁石は、図１に示す磁石１０６のように静止して取り付けられていてもよく、また、前記走査系４１０に取付られた磁石４０９のように移動可能なものであってもかまわない。
【００６９】また、基板１０３への損傷をさらに小さくするため例えば次のような方法をとることも可能である。例えば、Ｓｉなどの基板１０３の表面に形成されたＳｉＯ2などの絶縁膜をエッチングする場合、まず数μｍ程度の膜が形成されている間はサセプタ電極１０４に供給するＲＦ電力を大きくして高速でエッチングし、基板１０３の表面が露出し始める寸前から、ＲＦ電力を小さく切りかえる方式である。こうすれば基板１０３が露出し始めてからは十分に低い自己バイアス状態でエッチングを行えるため基板表面への損傷をほとんど０とすることが可能である。
【００７０】基板１０３の表面に照射するイオンの運動エネルギーが大きすぎれば如何なる材料でも損傷を生じる。材料に損傷が生じ始めるのは、各材料の原子間結合力に関連して決まる損傷発生の臨界エネルギーに比べ照射イオンの運動エネルギーが若干大きくなったときである。原子間結合力は、通常絶縁物の方が半導体より大きい。基板１０３や、絶縁物の材料の性質を考慮した上で照射イオンのエネルギーを決めればよい。
【００７１】図１０は第３の実施例を示すもので基板１０３への損傷を無くし、且つ基板１０３の表面に照射するイオンのエネルギーを自由に選択できる方法を示している。図１の第１の実施例と比較して異る点は、サセプタ電極１０４に対し、ｆ2，ｆ3という２つの異る周波数を切り換えて入力できるようになっている点であり、それに応じてバンドエリミネーター４０１も変更して構成されている。４０２及び４０３はＬＣの共振回路であり、それぞれｆ2，ｆ3の共振周波数を有している。
【００７２】
f2＝１／２π（L2C2）1/2f3＝１／２π（L3C3）1/2２つの共振回路４０２，４０３を直列に接続したバンドエリミネーター４０１は、ｆ2，ｆ3の２つの周波数に対してのみインピーダンスが大きくなり、これ以外の周波数に対しては実質的に短絡となっているため、これら２種類の高周波に対してのみ選択的にサセプタ電極１０４に電力を供給する機能をもっている。
【００７３】例えば、ｆ1＝２５０ＭＨｚとし、ｆ2＝１００ＭＨｚ、ｆ3＝４０ＭＨｚとする。そして、例えばまず最初の数０．５〜１μｍ程度の膜が形成されている間は、サセプタ電極１０４に加える高周波の周波数をｆ3（４０ＭＨｚ）とすると、自己バイアスは図５に示すように０〜−１００Ｖと大きくなり、大きなエッチング効果が得られる。表面が１００Å程度になった時点で周波数をｆ3（１００ＭＨｚ）に切り換えて薄い膜（例えば１０Å〜１００Å）をエッチングする。このようにすれば基板表面が露出し始めたときは１００ＭＨｚに対応する小さな自己バイアス値（約−１０〜−２０Ｖ）で基板表面をイオンが照射するため基板の損傷はほとんど生じない。
【００７４】このような方法は、ＲＩＥ法により堆積した薄膜の表面形状の平担度をコントロールする場合特に重要になってくる。なぜなら周波数を変化させることにより最も有効なエッチング用のイオンのエネルギーをコントロールでき、最適のエネルギー値で基板１０３の損傷を生じさせることなく選べるからである。
【００７５】ここではｆ2，ｆ3の２つの異る周波数の場合についてのみ述べたが、例えばｆ2，ｆ3，ｆ4という３つの値を用いてもよいことはいうまでもない。ただし、この場合、最初に印加する周波数ｆ4はｆ4＞ｆ2，ｆ3として、後になるほど最も高周波のものを用い損傷を小さくすることが重要である。
【００７６】また、複数の周波数を用いる場合、これらは放電励起用の周波数ｆ1 も含め、ｆ1，ｆ2，ｆ3,・・・・は互いに高調波の関係にないように選ぶのが望ましい。放電空間は非線型であり、従ってｆ1，ｆ2，ｆ3，・・・・の高調波が放電条件によっては全く違った状態で重畳してしまうことがあり条件の設定が一義的でなくなるからである。
【００７７】なお、図１０における共振回路４０２，４０３に代えて、図１１に示す共振回路を用いても同様の作用をもたらすことができる。ただ、図１１においてはＣS ≫Ｃ2 ，Ｃ3とする必要がある。
【００７８】次に、上述したＲＩＥ装置の基本的構成部分である対向する平行平板電極間にプラズマを作って行う、各種のプロセスにも共通する高性能化の概念を説明する。
【００７９】放電プラズマプロセス高性能化の必要条件は、（１）基体表面にダメージ（損傷）を与えないこと、（２）真空容器や電極材料のスパッタによる基板表面への汚染がないことの２要件である。もちろん、そのほかにも高速エッチング，高速成膜が行えること、できるだけ少ない高周波電力で、できるだけ高密度のプラズマを実現すること等、具体的なエッチング，成膜高性能化の要求があることはいうまでもない。
【００８０】要件（１），（２）が実現されるためには、放電により形成されるプラズマのプラズマ電位が、真空容器や電極材料がスパッタされない程度の値、すなわち＋３０Ｖ以下、望ましくは＋２０Ｖ以下であることが要求される。真空容器は通常接地された状態で使用されるが、真空容器内表面に入射するイオンのエネルギーは、プラズマ電位程度のエネルギーになる。電極１０２やサセプタ電極１０４は、通常高周波電力の供給により直流的には負電圧が加わるので、正電荷を持ったイオンが入射するが、そのエネルギーはそれぞれ所要の目的を持ったエネルギー値に制御される。いずれにしても、対向電極間に形成されるプラズマ電位が＋５〜＋２０Ｖ程度の範囲に抑え込まれていることが不可欠の条件になる。基板表面を照射する個々のイオンのエネルギーには、エッチング、成膜の目的に応じて基板表面材料に対してそれぞれ最適値が存在する。個々のイオンエネルギーをそれぞれの材料の最適値に調整するのは、サセプタ電極１０４に供給される周波数ｆ2の高周波電力を調整して、サセプタ電極１０４の自己バイアス電圧−Ｖs（Ｖ)を、ＶOP＝ＶP ＋ＶS となるように設定すればよい。プラズマから基板表面の間でイオンが衝突しなければ、基板表面照射イオンエネルギーは、プラズマ電位と基板表面電位の差のポテンシャルで決まるからである。
【００８１】ただし、ＶOP：イオンの最適照射電位，ＶP：プラズマ電位，−ＶS：サセプタ電極の自己バイアスである。
【００８２】なお、かかる設定条件は、対向電極間に形成されるプラズマの電位が低い正電圧に抑えられているときに限り適用できる。すなわち、ＶP ＜ＶOPが成立していなければならない。サセプタ電極１０４に高周波電力を印加して実現される自己バイアスは常に負電圧方向に作用するからである。従って、ＶSP＞ＶP ，ＶOP＞ＶP が満足されるような、低い正電圧にプラズマ電位ＶPを設定するのである。ただし、ＶSPは真空容器や電極材料のスパッタ開始電圧である。
【００８３】上述の結論として、プラズマ応用装置の高性能化は、プラズマ電位を低い正電圧（ＶSP＞ＶP ，ＶOP＞ＶP ）に設定することにある。プラズマ電位が正電圧で高くなる理由は、主としてプラズマ空間から、質量がイオンにくらべて軽い負電荷を持った電子が逃げてしまい、正電荷を持ったイオンが過剰になり、プラズマが正電荷を持つことに依存する。換言すれば、プラズマ電位を正の低い電位に保つには、プラズマ空間から電子ができるだけ逃げないようにする必要がある。同時に、高周波電力によりできるだけ有効に放電・イオン化が起ることが重要である。
【００８４】次に、こうした条件を実現する直流磁場分布及び高周波電界分布について、図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、対向する平板状電極１０７、サセプタ電極１０４に対する直流磁界分布６０１（点線）、高周波電界分布（実線）６０２を示す。図１３（ａ）には、理想状態の一例が示されている。すなわち、対向する両電極１０７，１０４の極板に平行に直流磁界が存在し、極板間に垂直に高周波電界が存在する。極板間に存在する電子は、直流磁界に巻きついて円運動（サイクロトロン運動）する。円運動する電子の運動方向に高周波電界が存在するから、電界から効率よく電子の運動へエネルギーが変換される。エネルギーを得た電子は、極板間にサイクロトロン運動することによって閉じ込められているから、中性の分子や原子と効率よく衝突し、その分子や原子をイオン化する。電極１０７、サセプタ電極１０４は高周波入力により、通常自己バイアスは負電圧となる。したがって、負電荷を持った電子は両電極に入射することはない。したがって、垂直方向に対しては電子は両電極間に閉じ込められることになる。しかし、両電極の平行な方向の端部は単なる空間であるから、該端部からは電子が外部に流れ出す。この横方向の電子の逃げを抑えるには、図１３（ｂ）のように直流磁界Ｂの強度を分布させればよい。すなわち、直流磁界Ｂの強度は極板の中心から極板端部近傍までは距離ｒに対し一定になるようにし、端部近傍で磁界強度を強くする。これにより、磁界強度が強くなった部分で、電子は反射されて、一定磁界強度部分に閉じ込められるのである。
【００８５】図１４は、図１３に示された考え方を適用した第４の実施例を示すものである。なお、図１に示す第１の実施例の構成部分と同一のものは同じ番号を付して重複した説明を省略する。
【００８６】電極間に放電を励起させるための周波数ｆ1の高周波電力は、同軸コネクタ７１０を通して供給される。７１６は電極１０２まで高周波電力を導く内導体であり、７１２はテーパ状に形成された同軸ケーブルの外導体でありＡｌ合金、ステンレス、Ｔｉ等の金属製真空容器１０５に接続されている。図１に示す第１の実施例では、直流磁界は永久磁石１０６により形成させていたが、図１４の第２実施例では電磁石により形成させている。７１５は、電磁石を構成する透磁率μ及び飽和磁束密度の高い磁性体、７１４は直流電流を供給する電線である。電磁石は、内導体７１６と電極の母材１０２により完全に囲われているため、高周波の周波数ｆ1の電界や磁界に晒されることはない。
【００８７】サセプタ電極１０４の自己バイアスを制御する周波数ｆ2の高周波電力は、同軸コネクタ７１１を介して供給される。７１７は同軸ケーブルの内導体、７１３は外導体である。なお、インダクタンスＬ1及びコンデンサＣ1の直列回路、インダクタンスＬ2及びコンデンサＣ2の直列回路は、夫々周波数ｆ1，ｆ2の高周波を短絡するための回路である。
【００８８】７０８，７０９は、これら短絡回路を構成する絶縁物基板であり、例えばテフロン（登録商標）含浸絶縁物から成る。内導体７１６，７１７と外導体７１２，７１３を短絡する回路は、円筒同軸の構成に適合するように、円錐状に形成されている。図１５（ａ），（ｂ）は前記短絡回路の例を示すものである。前記短絡回路１，２は、中央部に内導体７１６，７１７を挿通するための穴８０５，８０６を設け、基板はテフロン含浸絶縁物により円板状に形成されている。図１５に示す例では、４個の直列共振回路が互いに９０度の角度間隔で放射状に配置された例が示されている。８０１，８０３はインダクタンス、８０２，８０４は積層セラミックなどの高周波コンデンサである。斜線部は前記絶縁物の基板に残されたＣｕ薄膜である。該薄膜は、通常３５〜７０μｍ程度の厚さである。絶縁物基板の厚さは、高周波電力にもよるが、１〜３ｍｍ程度である。図１５（ａ）では、インダクタンス８０１は直線の線を有するインダクタンスが使われており、コンデンサはチップコンデンサである。図１５（ｂ）では、インダクタンス８０３は電線を所要巻数だけ巻回して成るコイルが用いられ、コンデンサ８０４は平板コンデンサを用いている。
【００８９】説明を図１４に戻す。高周波電力、特に電極間に放電を形成する周波数ｆ1の電力が、効率よく電極間に閉じ込められるために、電極１０２、サセプタ電極１０４は絶縁物のセラミック７０６，７０７により、夫々真空容器１０５から浮いた状態で構成されている。電極間隔に比し電極から真空容器までの距離は遠く離間している。これは電極１０２に入射した周波数ｆ1の高周波電力の電界を、殆どサセプタ電極１０４に終端させるためである。周波数ｆ1の高周波電流は、サセプタ電極１０４に終端した後、内導体７１７、短絡回路（Ｌ1，Ｃ1）、真空容器１０５を介して外導体７１２に流れ出す。
【００９０】電極間隔は、ガス圧力にもよるが通常２〜１０ｃｍ程度である。電極面積は、基板１０３より大きく設定されるから、基板１０３としてのウエハの直径が６インチ，８インチ，１０インチであれば、少なくとも、電極の直径は夫々２０ｃｍ，２５ｃｍ，３０ｃｍより大きなものにする必要がある。
【００９１】図１６は、第５の実施例を示すもので比較的実際の構造に近いものである。本実施例の場合、両電極１０７，１０４の間隔が狭くなっているので、高周波電界の殆どが対向する電極間に閉じ込められることになる。
【００９２】サセプタ電極１０４に供給される周波数ｆ1の高周波電力に対する短絡が不十分な場合には、図１７R>７に示す第６の実施例のように、サセプタ電極１０４と真空容器１０５との間に直接的に短絡回路を設ければよい。本実施例の構成の要点は、対向する２枚の電極間に、可能な限り強い磁界を設ける点にある。
【００９３】図１６、図１７に示す実施例のように、コイル７２２と磁性体７１５で構成される電磁石であると、その磁力線分布は図１８に示すように下方向に拡がった分布になる。
【００９４】図１９に示す第７の実施例のように、両電極１０４，１０７の裏面にそれぞれ完全反磁性を示す超伝導体あるいは超伝導薄膜７３１，７３２を設けると、磁力線はこの超伝導体７３１，７３２の外側には漏れないから、両電極間にのみ存するようになる。
【００９５】基板１０３を冷却する必要があるときは、例えば液体窒素温度で超伝導現象を示す酸化物超伝導体を電極裏面に１μｍ程度以上スパッタ成膜等でコーティングすることにより極めて大きな磁界閉じ込め効果を生じさせ得る。図２０に示す第８の実施例はかかる磁界閉じ込め効果を示すものである。
【００９６】同様に、両電極間に磁界を閉じ込めて強い平行方向の磁界を発生させるには、電極１０２側だけではなく、サセプタ電極１０４側にもまったく同様に電磁石（７２１，７２３）を設ければよい。図２１はかかる原理に基づいて構成された第９の実施例を示すものである。電磁石（７１５，７２２），（７２１，７２３）は、いずれも高周波電力供給用の内導体７１６，７１７により実質的に囲われている。コイル７２２，７２３に電流を供給するための電線は、内導体７１６，７１７を貫通して外部に引き出されている。
【００９７】本第９の実施例において、電極１０２，１０４に完全反磁性体の超伝導体をコーティングすればさらに好ましいものになる。本実施例は放電プラズマが形成される真空容器は、容器本体７０６，７０７がセラミックにて形成され、外部容器１０５’が金属で形成されている。外部容器１０５’は、アースと高周波電流を流す役割をはたす。このように構成すれば、第１，９，１０図に示す各実施例の装置に見られた、電極１０２と真空容器間の放電が無くなり、高周波電力は電極１０２，１０４間に殆ど閉じ込められることになり、少ない高周波電力で高密度のプラズマを電極間に形成することができる。
【００９８】内導体７１６，７１７に囲われる電磁石を永久磁石により形成して差し支ないことはいうまでもない。永久磁石を構成する材料は通常比透磁率が低く、４〜５以下である。
【００９９】したがって、図２１に示す第９の実施例で、コイル７２２，７２３を除去し、図２２に示す第１０実施例のようにドーナツ状の完全反磁性超伝導体７５１，７５２をはめ込むとよい。この場合、超伝導体７５１，７５２をはめ込んだ磁性体７１５，７２１は永久磁石から成る。
【０１００】以上、チャンバ材料のスパッタ汚染を完全に抑え、基板にいっさい損傷を生じないＲＩＥ装置について説明したが、真空容器内に導入されるガスは、エッチングされる材料によって異り、塩素系（Ｃｌ2，ＳｉＣｌ4，ＣＨ2Ｃｌ2，ＣＣｌ4等）、フッ素系（Ｆ2，ＣＨ2Ｆ2，ＣＦ4，ＳｉＦ4等）および混合ガス系（ＣＦ2Ｃｌ2等）が用いられ、キャリアガスＡｒ，Ｈｅ，添加ガスＨ2，Ｏ2が加えられる。
【０１０１】高周波放電に使う高周波電源の出力周波数ｆ1の波長は、少なくともウエーハの直径の２倍より大きいことが均一エッチングの立場から要求される。望ましくは周波数ｆ1は、１００ＭＨｚ（波長３ｍ）〜１ＧＨｚ（波長３０ｃｍ）程度である。
【０１０２】しかし、例えば、２．４５ＧＨｚのようなマイクロ波を用いたような場合には電磁波の波長が基板たるウエーハ径にくらべて小さくなり、エッチング量のバラツキの原因となることがあるため好ましくない。
【０１０３】以上本発明の実施例は主としてＳｉＯ2やＳｉ膜のエッチングについて述べてきたが、これに限る必要はもちろんない。例えば、ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、ＡＳＧ膜、シリコン窒化膜、Ａｌ2Ｏ3膜、ＡｌＮ膜、Ａｌ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉあるいはこれらの合金等よりなる膜及び基板のエッチングに用いてもよい。
【０１０４】また、励起活性種源ガスは被エッチング薄膜の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、poly−Ｓｉ薄膜の場合、Ｃｌ2，ＣＣｌ4，ＣＣｌ2Ｆ2，Ｃｌ2等を、Ｓｉ薄膜の場合、Ｃｌ2，ＣＣｌ2Ｆ2，ＣＦ4等を、ＳｉＯ2薄膜の場合、ＣＦ4／Ｈ2，Ｃ2Ｆ6等を、Ａｌ薄膜の場合、ＣＣｌ4，ＳｉＣｌ4，ＢＣｌ3，Ｃｌ2等を、Ｍｏ薄膜、Ｗ薄膜、Ｔｉ薄膜、Ｔａ薄膜等の場合はＦ2，Ｃｌ2，ＣＦ4等を適宜用いればよい。また、Ｈ2，Ｏ2，Ｎ2を添加ガスとして加えることも有効である。
【０１０５】また、これらが形成される基板１０３も、絶縁性のものに限らず、導電性のものあるいは半導体でもよい。
【０１０６】さらに、例えばポリイミド膜やレジストなどの高分子材料のエッチングについても適用できることはいうまでもない。また、エッチングを行なう基板も半導体ウエーハに限らないことはいうまでもない。また、リアクティブイオンエッチング以外のスパッタエッチングにも利用できる。
【０１０７】次に、上記各実施例の構成を有する装置は、上記ＲＩＥだけではなく、ＰＣＶＤ、ドライ洗浄、レジストアッシング、レジストのドライ現像等にも、使用条件の一部の変更により容易に使用できる。
【０１０８】まず、プラズマＣＶＤ（ＰＣＶＤ）であるが、Ｓｉ成膜には、ＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ6，ＳｉＨ2Ｃｌ2等の原料ガスをあるいはこれに、Ａｒ，Ｈｅ，Ｈ2等のガスを加えて、Ａｌ成膜には、Ｈ2＋Ａｌ（ＣＨ3）3，Ｈ2＋ＡｌＨ（ＣＨ3）2等のガスを、ＳｉＯ2成膜には、ＳｉＨ4＋Ｏ2，ＳｉＨ2Ｃｌ2＋Ｏ2等を、Ｓｉ3Ｎ4成膜には、ＳｉＨ4＋ＮＨ3＋Ｈ2等のガスを供給する。第１，７，９，１０，１２，１４，１５図に示す実施例で、こうした原料ガスを高周波電源ｆ1により放電させプラズマ状態にする。高密度のプラズマが電極間に形成されるが、高周波ｆ1が１５０〜２５０ＭＨｚと高く保たれているから、電極１０２に現われる自己バイアスは、−１０〜−２Ｖと低く電極がスパッタされることはない。さらに、成膜に必要な基板表面照射イオンエネルギーは、ｆ1より低い周波数ｆ2（例えば、１０〜８０ＭＨｚ）の高周波電力で制御される。照射イオンエネルギーは成膜に必要な最適値にｆ2の電力により制御され、照射イオン密度は、ｆ1の電力により制御される。例えば、Ｓｉ成膜の場合、（Ａｒ＋ＳｉＨ4）を供給するガスとすると、ＡｒとＳｉＨ4の混合比を調節することが重要である。特に、室温から４００℃程度の低温で、高品質なＳｉ成膜を行うためには、イオン照射によるＳｉ表面の活性化が決め手になるからである。たとえば、１個のＳｉ原子が正規の格子位置におさまる間に、最適のエネルギーを持った照射イオンの数が、通常１個以上は必要だからである。たとえば、Ｓｉ原子１個に１０個のイオン照射あるいは５０個のイオン照射ということになるからである。通常は、Ａｒ量の方がＳｉＨ4よりは十分多く設定される。他の成膜の時も、まったく同様である。基板表面を照射するイオンは、成膜に直接寄与する原子あるいは分子である必要はない。成膜に寄与する原子、分子と基板表面照射イオンは、まったく別のものである方が、イオンによる基板照射量と成膜速度を独立に制御できて、高品質成膜に適している。
【０１０９】一方、レジスト剥離は上述したように通常は、混合液（Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2）を用いたウェットプロセスで行われるが、イオン注入工程を経たレジストは混合液（Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2）には溶解しない。そのため、酸素（Ｏ2）プラズマ中で、強力な酸化反応により除去している。
【０１１０】ただし、従来の装置では、高エネルギーイオン照射による損傷、およびチャンバ内表面のスパッタによる基板表面の金属汚染の問題が存在し、レジスト剥離を有名無実化していた。
【０１１１】しかし、本発明の装置（第１，７，９，１０，１２，１４，及び１５図に示すもの）を適用すれば酸素プラズマを完全に制御でき、無損傷、金属汚染のない、レジスト剥離が実現される。Ｏ2中に若干のＣｌ2を加えておけば、レジスト中に含まれる金属成分も同時に除去される。レジスト剥離時に、Ｓｉ表面がＯ2プラズマで薄く酸化されるが、該薄い酸化膜は、Ｎ2，Ａｒ中に０．６％程度のＨＦガスを混入させた気相エッチングで容易に除去できる。酸化膜が除去されたＳｉ表面はフッ素によりターミネイトされているが、このフッ素は、２〜１０ｅＶ程度に加速された（Ａｒ＋Ｈ2）プラズマで簡単に除去される。
【０１１２】次に、ドライ洗浄であるが、有機物汚染は１〜１５ｅＶ程度に加速されたＯ2イオンやＯ3により洗浄される。ベア・シリコンの表面に形成される薄い酸化膜（ＳｉＯ2）は、前述したように、Ｎ2，Ａｒ中０．５〜０．６％程度のＨＦガスで除去できる。金属成分は、１〜１５ｅＶに加速されたＣｌ2イオンにより除去できる。本発明の装置が十分適用できる。
【０１１３】
【発明の効果】本発明によれば、減圧可能な容器内にプラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の処理を行うように構成されたプラズマプロセス用装置において、前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状に形成された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラズマに対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆うように設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被処理物を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極に接続される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接続される第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガスを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数より高く設定されたことを特徴とするもので、ＲＩＥ、プラズマ化学気相堆積、レジストアッシャー、ドライ洗浄等の各種プラズマプロセスを、被処理物の基体等への損傷や汚染を与えることなく、また、処理雰囲気の汚染を生じさせることなく行うことができ、高品質の半導体装置を提供できる。
【０１１４】また、構造上の基本的な構成部分は変更することなく、特定の設定条件、例えば高周波電源の出力周波数の大きさ、導入するガスの種類等わずかな仕様を変更するだけで各種プラズマプロセスの装置に適用できるので、各装置の規格化が可能となり、半導体装置製造の一貫した統一性のある操業の実現を可能にする。
【０１１５】さらに、各装置が共通の構成部分を有することにより、構成部品の製造、管理、保守等が容易になると共に、装置全体の高性能化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す装置の概略構成模式図である。
【図２】図１のバンドエリミネータの例を示す回路図である。
【図３】図２のバンドエリミネータの共振特性を示すグラフである。
【図４】図２のバンドエリミネータの他の例を示す回路図である。
【図５】第２の電極への高周波電力に対する第１，第２の電極の電位の変化を示すグラフである。
【図６】電極の電流電圧特性を測定するための装置を示す概略構成模式図である。
【図７】電極の電流、電圧特性の実験例を示すグラフである。
【図８】周波数の変化に対する自己バイアス電圧の変化を示すグラフである。
【図９】第２の実施例を示す概略構成模式図である。
【図１０】第３の実施例を示す概略構成模式図である。
【図１１】バンドエリミネーターの他の例を示す回路図である。
【図１２】従来例の概略構成を示す模式図である。
【図１３】（ａ）は平行平板電極構造であり、（ｂ）は高周波電界及び直流磁界の分布図である。
【図１４】本発明の第４の実施例を示す要部断面図である。
【図１５】（ａ）短絡回路の例を示す回路図であり、（ｂ）は短絡回路の他の例を示す回路図である。
【図１６】本発明の第５の実施例を示す断面図である。
【図１７】本発明の第６の実施例を示す断面図である。
【図１８】磁界分布（磁力線）図である。
【図１９】本発明の第７の実施例を示す断面図である。
【図２０】第８の実施例を示すもので電極裏面に超伝導薄膜が設けた場合のられたときの磁力線分布図である。
【図２１】本発明の第９の実施例を示す断面図である。
【図２２】本発明の第１０の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１…保護層（保護部材）、
１０２…母材、
１０３…基板（被処理物）、
１０４…サセプタ電極（第２の電極）、
１０５…真空容器、
１０７…電極（第１の電極）、
１１０…第２の高周波電源、
１１１…第１の高周波電源。
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、各種のプラズマプロセス、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、プラズマ化学気相堆積（ＰＣＶＤ）等を行うために用いられる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、低温で各種プロセスを進行させるために、減圧された容器内でプラズマを発生させ、該プラズマ雰囲気中で集積回路の基板等の被処理物の各種プロセスを行うようにした装置技術が多く開発されている。例えば、集積回路の各種薄膜（Ａｌ，Ｗ，Ｔａ等の導電性薄膜、 poly−Ｓｉ，Ｓｉ等の半導体薄膜、あるいはＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4,Ａｌ2Ｏ3等の絶縁薄膜）を、異方性をもたせてエッチングするようにしたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)法、その他Ａｌ（ＣＨ3）3，ＡｌＨ（ＣＨ3）2等を原料ガスとし、これをプラズマ中にてＡｌ（ＣＨ3）2やＡｌ（ＣＨ3）に分解し、これを基板に吸着させた後、表面反応によりＡｌを堆積させるＰＣＶＤ成膜等がある。
【０００３】前記ＲＩＥ法とは、真空容器内に励起活性種を生成するもの、例えば、ＣＦ4Ｆ2，ＣＣｌ4，Ｃｌ2，ＣＦ2Ｃｌ2等のガス（以下、励起活性種源ガスという）を導入し、基体の保持手段としてのサセプタに直流または高周波電力を加え、グロー放電を起こさせてプラズマを発生させ、プラズマ中に生成したイオンと励起活性種とを同時に被エッチング面に作用せしめ、物理的かつ化学的にエッチングを行なう方法であり、この方法によればマスク材料であるホトレジストとの選択比を大きく保ちながら異方性エッチングを実現できる。
【０００４】高周波入力によるグロー放電でも、基体表面はプラズマに対し直流的には負にバイアス（これを自己バイアスという）されるが、この自己バイアス電圧とプラズマ電位の差の電位によって加速されたイオンが基体表面に衝突して基体表面に吸着している励起活性種との作用により基体の表面をエッチングする。
【０００５】図１２は、従来用いられている代表的なリアクティブイオンエッチング装置の断面構造の模式図を示すものである。５０３は被エッチング面を有する基体、例えば半導体ウエーハあるいはガラス、石英、金属等から成る基体、５０４はサセプタ電極である。サセプタ電極５０４には整合回路を介して高周波電力が供給されており、真空容器（チャンバ）５０５は通常安全のためにアースされている。ここで、高周波電源（ＲＦ電源）は、その出力周波数が１３．５６ＭＨｚのものを用いるのが普通である。なお、サセプタ電極５０４の上方に対向させて平板状電極を設けた構造のものも多い。
【０００６】実際の装置では、上記構成以外に、真空容器５０５内の真空引き用及びガス排気用の排気ユニット、真空容器５０５内へのガスの導入口、基体５０３の出し入れのための機構等を備えているが、同図では説明を簡略にするため省略されている。
【０００７】半導体ウエーハ等の基体５０３及びサセプタ電極５０４の表面は、サセプタ電極５０４に加えられたＲＦ電力のためにプラズマに対し直流的に負の自己バイアスがかかり、この電圧で加速されたイオンが基体表面に作用し表面反応を促進して基体の被エッチング面がエッチングされる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記ＲＩＥ装置の場合、一般に、エッチング速度を高める場合には、高周波電力を大きくすることによりプラズマ密度を高める必要がある。
【０００９】しかし、従来の装置においては、高周波電力を大きくすると、電極の自己バイアスも大きくなり、同時にプラズマ電位も高くなる。その結果、基板には、この大きな自己バイアスとプラズマ電位の差の電圧によって加速された大きなエネルギーを有するイオンが照射される。従って、下記のような問題を生じさせる。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】また、従来の装置では高周波電源の周波数として１３．５６ＭＨｚのものを使用しているが、１３．５６ＭＨｚというようにプラズマ励起周波数が低いと、チャンバ内ガス圧力や高周波電力が一定でも電極に生じる直流の自己バイアスは、負で大きくなる。図７は、対向する電極間隔を３ｃｍ、円板電極直径を１０ｃｍ、Ａｒガス圧力を５×１０-3Ｔｏｒｒ、高周波電力を５０Ｗとしたときにおける、電流・電圧特性を示すものである。同図において横軸は電極に印加する直流負電圧、縦軸は電極に流れる電流である。電流が負の値であることは、電子が電極に流れ込むことを意味し、電流が正であることは、正のイオンが電極に流れ込んでいることを意味する。電流が０のときの負電圧が、電極の自己バイアスに相当する。これは、通常、電極にはコンデンサを介して高周波電力が供給され、直流電流は流れないからである。
【００１４】図７から理解できるように、電極の自己バイアスは、高周波電力の周波数が１４ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ，１００ＭＨｚのときに、夫々、−４００Ｖ，−２６０Ｖ，−９０Ｖとなる。すなわち、電極構造やガス圧力及び電力が一定に保たれても、電極の負の自己バイアスは周波数が高くなるにつれて、次第に小さくなっていく。
【００１５】図８はその詳細を示したものである。すなわち、チャンバ内のＡｒガス圧力が７×１０-3Ｔｏｒｒ、高周波電力が１００Ｗ、電極間隔が３ｃｍ、電極直径が１０ｃｍのときに、プラズマ励起の高周波電力の高周波を１０ＭＨｚから２１０ＭＨｚまで変化させた場合、電極の自己バイアスがどのように変化するかを示したものであり、周波数が高くなると、負の自己バイアスは急激に小さくなる。図８には、プラズマ電位も同時に示されており、このプラズマ電位は、周波数が１０ＭＨｚ〜２１０ＭＨｚと変っても、ほとんど＋２０Ｖに保たれている。
【００１６】ＬＳＩの超微細化・超高集積化が進むと、コンタクトホールやヴィアホールのアスペクト比は次第に大きくなって行く。すなわち、細くて深い穴を制御性よくかつ再現性よくエッチングすることが要求される。エッチング室のガス圧力を低く（例えば、１０-3Ｔｏｒｒ台）設定して、分子の平均自由行程を長くすることが必要である。ガス圧力が低くなった状態でも、十分に高濃度のプラズマを生成しスループットを高くするためには、放電励起の周波数は高い方が望ましい。ただし、サセプタ電極５０４の直径に比べて放電励起の周波数の波長が短くなることは望ましくない。高次モードの放電が起って、電極内に均一な密度のプラズマが励起されず均一なエッチング性能が得られないからである。
【００１７】すなわち、従来の装置においては、プラズマ密度、すなわちイオン照射量及び照射イオンエネルギーを夫々独立にかつ直接的に制御することができず、前記励起活性種源ガスの圧力、流量、高周波電力等の条件を適宜組合せて間接的に制御せざるを得ない。
【００１８】さらに、プラズマ中で被処理物以外に損傷を与えることなく高速度で被処理物の処理を行い得るように構成すべき装置としては、上記ＲＩＥ装置以外に、ＰＣＶＤ装置、Ｏ2プラズマレジストアッシャー、ドライ洗浄装置等が挙げられるが、従来、これらの装置は基本的な部分で共通の使用条件を有するにも拘らず、各別に設計され生産されていた。同時に、前述した
【００１９】上記問題点は本発明者によって見い出されたものであり、本発明者は、従来の装置に生ずる上記問題点を解決すべく鋭意研究を行ない、その解決手段を見い出すに至った。
【００２０】本発明は、基板（基体）に損傷や表面汚染を与えることなく、基板のエッチングや基板上への成膜が行え、しかも、チャンバや電極等の構造は同一であるにも拘らず、導入するガスやプラズマ励起周波数を変えることにより、エッチングや成膜にも応用可能であり、生産性に優れるとともに、低価格で高性能なプラズマプロセス用装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記損傷及び表面汚染の回避、高速処理を図りつつ、各種プラズマプロセスに適用可能な汎用性のある装置の提供を行なうべく、減圧可能な容器内に設置された二枚の対向する電極間にプラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の処理を行うように構成されたプラズマプロセス用装置において、前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状に形成された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラズマに対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆うように設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被処理物を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極に接続される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接続される第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガスを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数より高く設定されたことを特徴とする。
【００２２】
【作用】例えば、ＲＩＥ装置に用いる場合には、被処理物としての例えば被エッチング薄膜を形成した基板を容器内の第２の電極上に取付け、該容器内を減圧して所定のガス供給手段から前記被エッチング薄膜に応じ、塩素系ガス、フッ素系ガス、これらの混合ガス等を導入する。そして、第１の電極には第１の周波数（１００〜２５０ＭＨｚ）の高周波電力を供給して電極間にプラズマを発生させ、前記第２の電極には前記第１の周波数より低い第２の周波数（１０〜５０ＭＨｚ）の高周波電力を供給し、第２の電極の自己バイアスを制御する。すなわち、第１の電極に供給される第１の周波数の高周波電力により、発生するプラズマ密度や基板に照射されるイオン照射量を制御する。
【００２３】一方、第２の電極に供給される第２の周波数の高周波電力によりその自己バイアスにより、基板表面に入射するイオンのエネルギーを制御する。第１の電極に供給される高周波電力はプラズマを発生させる役割を担うからその電力は通常大きい。しかし、周波数を高くしてあるから第１の電極の負の自己バイアスは十分小さくできる。したがって、第１の電極に照射されるイオンエネルギーは十分小さくなって、表面がスパッタされることがなく、基板表面は汚染されない。第２の電極に誘起される負の自己バイアスは、基板表面に照射されるイオンエネルギーを最適値に制御するから、損傷、汚染の問題はもちろん伴なわない。
【００２４】また、ＰＣＶＤ装置に用いる場合には、被処理物たる堆積膜を形成すべき基板を前記第２の電極上に保持させる。前記第１の周波数と第２の周波数との大小関係は前記ＲＩＥ装置の場合と同様に設定するが、容器内に導入されるガスは、例えばＳｉ成膜の場合、ＳｉＨ4，ＳｉＨ2Ｃｌ2，Ｓｉ2Ｈ6等を、ＳｉＯ2成膜の場合ＳｉＨ4とＯ2あるいはＳｉ2Ｈ6とＯ2との混合ガス等を導入する。この場合も、ＲＩＥについて記述したのと同様な理由で被処理物の基板の損傷回避や被処理物の汚染等を防止できる。
【００２５】さらに、従来技術では基板表面の損傷、汚染の問題が不可避であるレジストアッシャーにも適用できる。例えば、微細パターン加工に不可欠のホトレジストは、通常Ｈ2ＳＯ4とＨ2Ｏ2の混合液を用いたウェット工程で剥離されるが、イオン注入用のマスク材として使用されたときには高エネルギーイオン照射を受けてレジストが硬化するため、通常のウェット工程では剥離できない。そのため、Ｏ2プラズマを用いてＯ3やＯラジカルを発生させ、イオンエネルギーを利用してイオン注入されたレジストを除去する必要があった。
【００２６】レジストアッシャーに用いる場合、先のＲＩＥやＰＣＶＤの説明でも触れたように、基板を第２電極に設置し、第２の周波数の高周波電力により第２電極の自己バイアスを制御すれば、基板表面に損傷や汚染を与えることなくレジストの剥離が行える。
【００２７】このように、使用時に若干の条件設定の変更はあるものの、各種のプラズマプロセス用の装置に広く適用できる。
【００２８】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００２９】図１は本発明を基板表面をエッチングするためのＲＩＥ装置に適用した場合における第１の実施例を示すものである。ここでは、半導体基板上に形成された薄膜をエッチングする場合について説明する。
【００３０】真空容器（チャンバ）１０５内には、上方の平板状電極１０７と下方の平板状サセプタ電極１０４とが対向するように配設されており、該真空容器１０５は金属から成りアースに接続されている。真空容器１０５の内表面は、フッ素系あるいは塩素系等の腐食性ガスのプラズマに対して安定なもの、すなわち該プラズマに晒されても腐食されないよう酸化膜、チッ化膜あるいはフッ化膜で覆われている。前記電極１０７は、導電性材料からなる母材１０２と母材１０２の表面に形成されたＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮなどからなる保護部材としての保護層１０１とにより構成されている。
【００３１】該保護層１０１は放電により生じたプラズマにより母材１０２がエッチングされることを防止するためのものであり、例えば、Ｓｉ，ＳｉＯ2，石英、ＳｉＣ，Ｓｉ3Ｎ4，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮその他の材料から成る。また、略化学量論比を満足するフッ化物よりなる不動態膜により構成してもよい。この不動態膜は、優れた耐エッチング特性を示し、その不動態膜の形成は例えば次のように行えばよい。すなわち、母材（例えばステンレス、ニッケル、ニッケル合金、アルミニウム合金その他の金属あるいは合金よりなる母材）を、電解研磨技術などにより表面を加工変質層を伴なわない鏡面に仕上げた後、高純度不活性雰囲気中において所定の温度でベーキングし、吸着している水分を脱離する。ベーキング後、高純度フッ素にて所定の温度でフッ化処理し、フッ化処理後高純度不活性雰囲気中においてフッ化時の温度よりやや高い温度で熱処理を行うと略化学量論組成比を満たす不動態膜が母材上に形成される。
【００３２】なお、前記保護層１０１をＳｉにより構成しておけば、保護層１０１がエッチングされてもサセプタ電極１０４上の基板１０３にはＳｉが混入することとなるので、該基板１０３に与える影響を最小限にすることができる。
【００３３】サセプタ電極１０４には整合回路１０８を介して第２の周波数ｆ2の高周波電力を出力する高周波電源１１０が接続されている。本実施例では１００ＭＨｚの高周波電力を供給する例を示している。サセプタ電極１０４の電位制御には、望ましくは、前記第２の周波数ｆ2は１０〜５０ＭＨｚが適している。また、電極１０７には整合回路１０９を介して、サセプタ電極１０４に供給される前記周波数ｆ2より大きな周波数である第１の周波数ｆ1の高周波電力を出力する高周波電源１１１が接続されている。本実施例では２５０ＭＨｚの高周波電力を加えた例を示している。なお、後に詳述するが二つの前記周波数ｆ1，ｆ2は整数倍の関係にないことが望ましい。
【００３４】さらに、電極１０７およびサセプタ電極１０４にはそれぞれ第１の高周波（本例では２５０ＭＨｚ）、第２の高周波（本例では１００ＭＨｚ）のみがそれぞれ入力されるようにバンドエリミネーター（Band Eliminator)１１２，１１３が設けられている。すなわち、第１の高周波ｆ1はサセプタ電極１０４においてはアースに短絡されており、第２の高周波ｆ2は電極１０２においてアースに短絡されている。前記電極１０７及び１０４に用いられる前記バンドエリミネーター１１２，１１３は、基本的には、例えば図２に示すタンク回路１０２ｂのような構成にすればよい。Ｌ1，Ｃ1の並列回路は、ｆ1＝｛１／２π（Ｌ1Ｃ1）1/2｝の共振周波数でインピーダンスが最大となり（図３）、それ以外の周波数に対しては、ほとんど短絡となるため、所定の周波数（この場合はｆ1＝２５０ＭＨｚ）の高周波のみ選択して電極に供給することができる。
【００３５】ここに示した図２の構成はあくまでも基本的な原理を示すものであり種々の改善のための変更を加えてもよいことはいうまでもない。例えば、図４は改善の一例である。
【００３６】前記回路１０２ｂはインダクタンスＬ1を介して直流的には接地となっているが、これを直流的に浮遊状態(floating）としたい場合には、例えば図４の１０２ｄのようにコンデンサＣsを付加し、直流成分をカットすればよい。この場合、回路１０２ｄの共振周波数が周波数ｆ1からずれないようにＣsの値はｆ1 ・Ｌ1 ≫１／ｆ1 Ｃsを満たすよう十分大きな値とする必要がある。
【００３７】この場合、ｆ0＝｛１／２π（Ｌ1Ｃs）1/2｝の周波数に対し、Ｌ1，Ｃsの直列回路はインピーダンスが０となり、周波数f0の高周波に対し短絡となる。この周波数ｆ0をサセプタ電極１０４に加えられる周波数ｆ2に等しくしておくと、電極１０７に周波数ｆ2の高周波が重畳するのを有効に防止することができる。すなわち、サセプタ電極１０４に入る高周波電力の電界が、サセプタ電極１０４から電極１０７に垂直に終端するようにしても、電極１０７は周波数ｆ2の高周波に対してはアースに短絡されているから、電極１０７の電圧が周波数ｆ2の電力で変動することはない。
【００３８】以上はバンドエリミネーター１１２について述べたが、バンドエリミネーター１１３についても同様な構成とすれば、サセプタ電極１０４の電圧が、電極１０７に供給される周波数ｆ1によって変動することがない。すなわち、図４の回路において、インダクタンスＬ1をインダクタンスＬ2，コンデンサＣ1をコンデンサＣ2，コンデンサＣSをコンデンサＣS2として、f2＝１／２π（L2C2）1/2とし、f2L2≫１／f2CS2とする。
【００３９】また、f1＝１／2π（L2 CS2）1/2とする。
【００４０】プラズマを形成するイオンの生成を行うべく、真空容器１０５に導入される前記励起活性種源ガスの放電は周波数ｆ1の高周波により行なわれる。イオン密度を濃くするために、周波数ｆ1の電力を大きくしても、サセプタ電極１０４の電圧に影響を与えることはない。
【００４１】同様のことが、サセプタ電極１０４に供給する周波数ｆ2の高周波電力に関してもいえる。周波数ｆ2の高周波電力を変化させても、ｆ2の電力は電極１０７においてはアースに短絡されているからである。
【００４２】その一例が図５に示されており、同図には、第１の電極と第２の電極の間隔が３ｃｍ、その直径が１０ｃｍ、ガス圧力が７×１０-3Ｔｏｒｒの状態で、ｆ1＝１００ＭＨｚ、その入力電力を１５０Ｗに一定に保ち、ｆ2＝３０，４０，５０ＭＨｚとして、その電力を変えたときの、第１の電極及び第２の電極の直流の自己バイアスがプロットされている。第１の電極の自己バイアスは、約−２５Ｖで第２の電極に供給される周波数及び電力に影響されない。第２の電極の電位は、高周波入力がないときは、約１０Ｖであるが、周波数ｆ2の高周波電力が大きくなるにつれ、直線的に低下し、ある電力以上では負電圧になる。周波数ｆ2が低いほど、同じ電力変化に対する自己バイアス電圧の変化は大きい。いずれにしろ、対向する電極の電位にまったく影響を与えることなく、電極の直流電位（自己バイアス）を高周波電力及びその周波数により制御できることが、図５で明白である。
【００４３】以上のような構成とすることにより、電極１０７、サセプタ電極１０４には、他方に供給させる高周波が重畳することを有効に防止し、それぞれに供給させるべき高周波のみを供給することができるので、自己バイアスプラズマ密度、及び照射されるイオンエネルギーの制御を容易かつ正確に行うことが可能となる。
【００４４】なお、電極１０７の裏面に設けられた円筒状磁石１０６により電極１０７の表面に略々平行な磁界が生じ、電子はこの磁界にまきついてサイクロトロン運動をする。前記両電極１０７，１０４の間に垂直な高周波電界が存在すると、このサイクロトロン運動する電子に有効にエネルギーが与えられ、高周波電力が有効に高密度プラズマを発生させる。したがって、本装置では、入力される二つの高周波電力の電界が殆ど垂直に、それぞれサセプタ電極１０４、電極１０７に終端するように設定されている。
【００４５】なお、１０６はマグネトロン放電のための永久磁石である。実際には、強磁性体を用いた電磁石の方が好ましい。さらに装置には真空容器１０５内を真空に引く排気ユニットや、ガスを導入する機構、さらに基板１０３を出し入れする機構が設けられているが、これらは説明を簡略化するため省略してある。
【００４６】本実施例の装置では、従来の装置とは異なり、サセプタ電極１０４の他に電極１０７を設けてあるため、電極１０７には電力の大きな高周波電源を供給することにより高密度のプラズマを発生させることができ、ひいては高速のエッチングを行うことができる。ただ、電力の大きな高周波を電極１０７に供給すると、自己バイアスも大きくなり電極をスパッタエッチングするおそれが生ずる。かかるエッチングを防止するためには、電極１０７に供給する高周波電源１１１の周波数ｆ1を、周波数ｆ2より大きくし自己バイアスを小さくする（周波数を大きくすると自己バイアスは小さくなる。図８R>８参照）と共に、電極１０７の母材１０２の表面には保護層１０１を設けておく。
【００４７】一方、前記サセプタ電極１０４に生ずる自己バイアスは、図５に示すように前記高周波電源１１０の電力および周波数により制御することができるので、被エッチング薄膜の材料を勘案し、適宜高周波電源１１０の電力、周波数を選択して、サセプタ電極１０４に供給すればよい。
【００４８】結局、本実施例の装置を用いれば、電極１０７に供給される高周波電力により高密度のプラズマを発生させるとともに（プラズマ密度、すなわちイオン密度は電力により制御される）、基板表面に照射されるイオンエネルギーをサセプタ電極１０４に供給する周波数ｆ2の高周波電力により所望の値に制御することができるため、基板１０３等への損傷を防ぎつつ高速のＲＩＥを行うことができることとなる。
【００４９】次に、電極１０７およびサセプタ電極１０４に供給される高周波電力と周波数の影響について述べる。
【００５０】図６は、図１に示す装置を用いて電極１０４の電流、電圧特性を測定する回路構成を示すものである。前記電極１０４に接続される高周波フィルタ２０３は、例えば図２に示したバンドエリミネーター１０２ｂのように，サセプタ電極１０４に供給される高周波の周波数ｆ2の点でだけインピーダンスが高く、その周波数からずれた周波数に対してはほとんど短絡となるように構成されており、該高周波フィルタ２０３には直流電源２０１、電流計２０２が直列に接続されている。そして、高周波フィルタ２０３と電流計２０２との接続点には、直流電源２０１及び電流計２０２を高周波的には短絡するために、並列にコンデンサ２０６が接続されている。
【００５１】かかる状態で、例えばＡｒガスを真空容器１０５内に５×１０-3Ｔｏｒｒの圧力で導入し、５０Ｗの高周波電力で放電を起し、電極１０４に印加する直流電圧Ｖとその結果流れる電流の関係をグラフにしたものが図７である。この場合、高周波電源１１０の周波数は可変とし、例えば１４ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ及び１００ＭＨｚの３つの周波数に変化させている。なお、正電荷を有するイオンが電極１０４に流れ込む電流を正の値としている。
【００５２】例えば、１００ＭＨｚの特性をみると、前記直流電圧Ｖが約−９５Ｖ（この値を自己バイアス電圧ＶSBとする）のとき、直流電流Ｉ＝０となり、Ｖ＞ＶSBではＩ＜０，Ｖ＜ＶSBではＩ＞０となっている。前記自己バイアス電圧ＶSBは、電極１０４がフローティング状態で高周波放電させたときに発生する直流バイアス電圧である。すなわち、電極１０４がこの電位にあるときは、プラズマから電極１０４に流れ込むイオンと電子の数が相等しくなるため互いに打ち消し合い直流電流が０となる。
【００５３】他方、外部から印加した直流バイアス電圧により電極１０４の電位を制御すると電流が流れる。例えば前記直流電圧Ｖと自己バイアス電圧ＶSBとの間に、Ｖ＞ＶSBの関係が成立するとより多くの電子が流れ込みＩ＜０となる。
【００５４】一方、Ｖ＜ＶSBの関係の場合、電子に対するポテンシャルバリヤが高くなって電子の流入数が減少するためイオン電流の方が大きくなり正の電流が流れる。さらに、直流電圧Ｖを負の方に大きくすると、Ｖ＝Ｖ0で電流値は飽和し、ほぼ一定値となる。これはイオンのみの電流値に等しい。
【００５５】以上のことから、Ｖ＝ＶSB近辺におけるＩ−Ｖ特性曲線の傾きは電子のエネルギー分布の巾に対応している。すなわち、傾きが大きいことは電子のエネルギーの分布の巾が狭いことを意味している。図７から明らかなように１４ＭＨｚに比べ、１００ＭＨｚの場合はエネルギー分布が約１／１０程度に小さくなっている。一方、イオンのエネルギー分布の巾をΔＥionとし、電子のエネルギー分布の巾をΔＥeとしたとき両者の間には略々比例関係があるので、イオンのエネルギー分布の巾も同様に約１／１０に減少しているといえる。
【００５６】さらに、ＶSBの値も同じ５０Ｗの高周波電力であるのに１４ＭＨｚの場合の−４００Ｖに対し１００ＭＨｚでは約−９５Ｖと絶対値で１／４以下に小さくなっている。１００ＭＨｚ放電で電力を５Ｗまで下げると、ＶSBの値は、−２５Ｖに減少する。すなわち、周波数と電力を制御することにより、自己バイアスは広範囲に制御できるのである。
【００５７】従来のＲＩＥ法では、下地基板に損傷が生じ、デバイスの特性が劣化していたが、これは次の理由による。
【００５８】従来例では、電極１０７を低い周波数１３．５６ＭＨｚで放電させていたため、｜Ｖsub｜＝４００Ｖ〜６０００Ｖとなり、この高電圧で加速されたイオンが基板に衝突していた。
【００５９】しかるに、本発明の第１実施例では、電極１０７には２５０ＭＨｚの高周波を用いて放電を行っているため、従来の１３．５６ＭＨｚの場合にくらべてΔＥionは１／２０以下と小さくすることができる。本発明の装置では放電は電極１０７に加えられる周波数ｆ1の高周波電力により維持され、これにより高密度のプラズマを発生させると共に、供給する周波数をサセプタ電極１０４に供給する周波数ｆ2より大きな周波数ｆ1（２５０ＭＨｚ）としているため、発生した高密度プラズマ中のイオンエネルギーの分布幅も小さく（平均エネルギーの値とは差のあるエネルギーを有するイオンの数が少なく）なっている。さらに、後述するように、電極に平行な方向の磁界強度を可能な限り強くなるように磁気回路が設計されているので、５０Ｗの高周波電力の入力で自己バイアス電圧は−３０Ｖ以下であり、プラズマ密度が略々１０倍以上に改善されている。図５によれば、高周波電力を１００Ｗとし、ｆ1＝２１０ＭＨｚで自己バイアスは−１０Ｖ程度であるから、ｆ1＝２５０ＭＨｚでは、自己バイアスは−５Ｖ以下である。
【００６０】電極１０７の自己バイアスが、−５Ｖ以下と低いうえに、保護層１０１を有するので電極１０７の母材１０２はまったくスパッタされない。したがって、サセプタ電極１０４に印加する高周波の電力ないし周波数ｆ2を、自己バイアスが基板に損傷を与えない程度に小さく制御することがきわめて容易となり、かつ所望のエッチング速度が得られるように周波数ｆ1 の電力を設定しておけば基板表面に損傷を与えるような大きなエネルギーを有するイオンが照射されることがなくなり、薄膜、レジスト膜あるいは下地基板への損傷を生ずることなく高速かつ選択性の高いエッチングを行うことが可能となる。
【００６１】すなわち、前記自己バイアス電圧ＶSBは高周波電源の周波数が高くなるほどまた、高周波電力が小さくなるほど低くなる。したがって、薄膜ないし下地基板の品質を損傷せずに、かつ、高速エッチングに必要なイオンエネルギー及びイオン照射量になるように周波数および電力をサセプタ電極１０４に供給するように選択すればよい。
【００６２】一方、前記電極１０２には周波数２５０ＭＨｚの高周波電力が加えられているため、小さな自己バイアス電圧が生じており、また、保護層１０１が形成されているため母材１０２がエッチングされるのを防止できる。さらに、図１の実施例では永久磁石１０６が装着されているが、これにより、電極１０７の近傍でマグネトロン放電（電子が磁力線に巻きついてサイクロトロン運動しながら高周波電界からエネルギーを受けて中性の励起活性種源ガス分子を効率よくイオン化する）が起り、イオン濃度が高まってさらにエッチング速度を大きくできる。
【００６３】以上述べたように本発明による２周波励起ＲＩＥ装置によれば、大きなエッチング速度を維持しつつ、基板に損傷を生じない高品質な薄膜や基板のエッチングが高選択比で可能となった。
【００６４】また、図６に示すようにサセプタ電極１０４に直流バイアス電圧を加えることによってサセプタ電極１０４に流入するイオンのエネルギーを制御することも可能である。かかる直流バイアス電圧を印加してサセプタ電極１０４の電位を制御し、結果として基板の表面電位を制御する方法は、エッチングする薄膜や基板（基体）が導電性材料である場合に有効である。
【００６５】以上、電極１０７及びサセプタ電極１０４に供給する高周波電力の周波数を夫々１００ＭＨｚ，２５０ＭＨｚに設定する場合についてのみ述べたが、周波数の選定はこれに限られないことは言うまでもない。
【００６６】要するに、ＲＩＥ装置の場合、電極１０７に供給される第１の周波数ｆ1をサセプタ電極１０４に供給される第２の周波数ｆ2に比べて高くすればよい。実際の値はそれぞれの目的に応じて異るものであり、必要とすべきエッチング速度や形成された膜の段差部での被覆形状等を考慮して決めればよい。また、エッチングすべき材料も絶縁物に限ることなく、導電性材料でもよい。
【００６７】また、電極１０７の裏面に設置した磁石１０６は図１に示した構成に限られるものではない。例えば図９は、本発明の第２の実施例を示すものであるが、本実施例の場合、強力な競争路形磁石４０９を設け、磁界の均一性を上げるために走査を行なう構成にしている。この場合、磁石４０９の走査系４１０を真空容器１０５の外部に設けておけば、反応系が機械的な動作から生じる発塵により汚染されるのを防ぐことができて好都合である。
【００６８】さらに、サセプタ電極１０４側にも磁石を設置してＲＩＥの効率を上げるようにしてもよい。また、ここで使う磁石は、図１に示す磁石１０６のように静止して取り付けられていてもよく、また、前記走査系４１０に取付られた磁石４０９のように移動可能なものであってもかまわない。
【００６９】また、基板１０３への損傷をさらに小さくするため例えば次のような方法をとることも可能である。例えば、Ｓｉなどの基板１０３の表面に形成されたＳｉＯ2などの絶縁膜をエッチングする場合、まず数μｍ程度の膜が形成されている間はサセプタ電極１０４に供給するＲＦ電力を大きくして高速でエッチングし、基板１０３の表面が露出し始める寸前から、ＲＦ電力を小さく切りかえる方式である。こうすれば基板１０３が露出し始めてからは十分に低い自己バイアス状態でエッチングを行えるため基板表面への損傷をほとんど０とすることが可能である。
【００７０】基板１０３の表面に照射するイオンの運動エネルギーが大きすぎれば如何なる材料でも損傷を生じる。材料に損傷が生じ始めるのは、各材料の原子間結合力に関連して決まる損傷発生の臨界エネルギーに比べ照射イオンの運動エネルギーが若干大きくなったときである。原子間結合力は、通常絶縁物の方が半導体より大きい。基板１０３や、絶縁物の材料の性質を考慮した上で照射イオンのエネルギーを決めればよい。
【００７１】図１０は第３の実施例を示すもので基板１０３への損傷を無くし、且つ基板１０３の表面に照射するイオンのエネルギーを自由に選択できる方法を示している。図１の第１の実施例と比較して異る点は、サセプタ電極１０４に対し、ｆ2，ｆ3という２つの異る周波数を切り換えて入力できるようになっている点であり、それに応じてバンドエリミネーター４０１も変更して構成されている。４０２及び４０３はＬＣの共振回路であり、それぞれｆ2，ｆ3の共振周波数を有している。
【００７２】
f2＝１／２π（L2C2）1/2f3＝１／２π（L3C3）1/2２つの共振回路４０２，４０３を直列に接続したバンドエリミネーター４０１は、ｆ2，ｆ3の２つの周波数に対してのみインピーダンスが大きくなり、これ以外の周波数に対しては実質的に短絡となっているため、これら２種類の高周波に対してのみ選択的にサセプタ電極１０４に電力を供給する機能をもっている。
【００７３】例えば、ｆ1＝２５０ＭＨｚとし、ｆ2＝１００ＭＨｚ、ｆ3＝４０ＭＨｚとする。そして、例えばまず最初の数０．５〜１μｍ程度の膜が形成されている間は、サセプタ電極１０４に加える高周波の周波数をｆ3（４０ＭＨｚ）とすると、自己バイアスは図５に示すように０〜−１００Ｖと大きくなり、大きなエッチング効果が得られる。表面が１００Å程度になった時点で周波数をｆ3（１００ＭＨｚ）に切り換えて薄い膜（例えば１０Å〜１００Å）をエッチングする。このようにすれば基板表面が露出し始めたときは１００ＭＨｚに対応する小さな自己バイアス値（約−１０〜−２０Ｖ）で基板表面をイオンが照射するため基板の損傷はほとんど生じない。
【００７４】このような方法は、ＲＩＥ法により堆積した薄膜の表面形状の平担度をコントロールする場合特に重要になってくる。なぜなら周波数を変化させることにより最も有効なエッチング用のイオンのエネルギーをコントロールでき、最適のエネルギー値で基板１０３の損傷を生じさせることなく選べるからである。
【００７５】ここではｆ2，ｆ3の２つの異る周波数の場合についてのみ述べたが、例えばｆ2，ｆ3，ｆ4という３つの値を用いてもよいことはいうまでもない。ただし、この場合、最初に印加する周波数ｆ4はｆ4＞ｆ2，ｆ3として、後になるほど最も高周波のものを用い損傷を小さくすることが重要である。
【００７６】また、複数の周波数を用いる場合、これらは放電励起用の周波数ｆ1 も含め、ｆ1，ｆ2，ｆ3,・・・・は互いに高調波の関係にないように選ぶのが望ましい。放電空間は非線型であり、従ってｆ1，ｆ2，ｆ3，・・・・の高調波が放電条件によっては全く違った状態で重畳してしまうことがあり条件の設定が一義的でなくなるからである。
【００７７】なお、図１０における共振回路４０２，４０３に代えて、図１１に示す共振回路を用いても同様の作用をもたらすことができる。ただ、図１１においてはＣS ≫Ｃ2 ，Ｃ3とする必要がある。
【００７８】次に、上述したＲＩＥ装置の基本的構成部分である対向する平行平板電極間にプラズマを作って行う、各種のプロセスにも共通する高性能化の概念を説明する。
【００７９】放電プラズマプロセス高性能化の必要条件は、（１）基体表面にダメージ（損傷）を与えないこと、（２）真空容器や電極材料のスパッタによる基板表面への汚染がないことの２要件である。もちろん、そのほかにも高速エッチング，高速成膜が行えること、できるだけ少ない高周波電力で、できるだけ高密度のプラズマを実現すること等、具体的なエッチング，成膜高性能化の要求があることはいうまでもない。
【００８０】要件（１），（２）が実現されるためには、放電により形成されるプラズマのプラズマ電位が、真空容器や電極材料がスパッタされない程度の値、すなわち＋３０Ｖ以下、望ましくは＋２０Ｖ以下であることが要求される。真空容器は通常接地された状態で使用されるが、真空容器内表面に入射するイオンのエネルギーは、プラズマ電位程度のエネルギーになる。電極１０２やサセプタ電極１０４は、通常高周波電力の供給により直流的には負電圧が加わるので、正電荷を持ったイオンが入射するが、そのエネルギーはそれぞれ所要の目的を持ったエネルギー値に制御される。いずれにしても、対向電極間に形成されるプラズマ電位が＋５〜＋２０Ｖ程度の範囲に抑え込まれていることが不可欠の条件になる。基板表面を照射する個々のイオンのエネルギーには、エッチング、成膜の目的に応じて基板表面材料に対してそれぞれ最適値が存在する。個々のイオンエネルギーをそれぞれの材料の最適値に調整するのは、サセプタ電極１０４に供給される周波数ｆ2の高周波電力を調整して、サセプタ電極１０４の自己バイアス電圧−Ｖs（Ｖ)を、ＶOP＝ＶP ＋ＶS となるように設定すればよい。プラズマから基板表面の間でイオンが衝突しなければ、基板表面照射イオンエネルギーは、プラズマ電位と基板表面電位の差のポテンシャルで決まるからである。
【００８１】ただし、ＶOP：イオンの最適照射電位，ＶP：プラズマ電位，−ＶS：サセプタ電極の自己バイアスである。
【００８２】なお、かかる設定条件は、対向電極間に形成されるプラズマの電位が低い正電圧に抑えられているときに限り適用できる。すなわち、ＶP ＜ＶOPが成立していなければならない。サセプタ電極１０４に高周波電力を印加して実現される自己バイアスは常に負電圧方向に作用するからである。従って、ＶSP＞ＶP ，ＶOP＞ＶP が満足されるような、低い正電圧にプラズマ電位ＶPを設定するのである。ただし、ＶSPは真空容器や電極材料のスパッタ開始電圧である。
【００８３】上述の結論として、プラズマ応用装置の高性能化は、プラズマ電位を低い正電圧（ＶSP＞ＶP ，ＶOP＞ＶP ）に設定することにある。プラズマ電位が正電圧で高くなる理由は、主としてプラズマ空間から、質量がイオンにくらべて軽い負電荷を持った電子が逃げてしまい、正電荷を持ったイオンが過剰になり、プラズマが正電荷を持つことに依存する。換言すれば、プラズマ電位を正の低い電位に保つには、プラズマ空間から電子ができるだけ逃げないようにする必要がある。同時に、高周波電力によりできるだけ有効に放電・イオン化が起ることが重要である。
【００８４】次に、こうした条件を実現する直流磁場分布及び高周波電界分布について、図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は、対向する平板状電極１０７、サセプタ電極１０４に対する直流磁界分布６０１（点線）、高周波電界分布（実線）６０２を示す。図１３（ａ）には、理想状態の一例が示されている。すなわち、対向する両電極１０７，１０４の極板に平行に直流磁界が存在し、極板間に垂直に高周波電界が存在する。極板間に存在する電子は、直流磁界に巻きついて円運動（サイクロトロン運動）する。円運動する電子の運動方向に高周波電界が存在するから、電界から効率よく電子の運動へエネルギーが変換される。エネルギーを得た電子は、極板間にサイクロトロン運動することによって閉じ込められているから、中性の分子や原子と効率よく衝突し、その分子や原子をイオン化する。電極１０７、サセプタ電極１０４は高周波入力により、通常自己バイアスは負電圧となる。したがって、負電荷を持った電子は両電極に入射することはない。したがって、垂直方向に対しては電子は両電極間に閉じ込められることになる。しかし、両電極の平行な方向の端部は単なる空間であるから、該端部からは電子が外部に流れ出す。この横方向の電子の逃げを抑えるには、図１３（ｂ）のように直流磁界Ｂの強度を分布させればよい。すなわち、直流磁界Ｂの強度は極板の中心から極板端部近傍までは距離ｒに対し一定になるようにし、端部近傍で磁界強度を強くする。これにより、磁界強度が強くなった部分で、電子は反射されて、一定磁界強度部分に閉じ込められるのである。
【００８５】図１４は、図１３に示された考え方を適用した第４の実施例を示すものである。なお、図１に示す第１の実施例の構成部分と同一のものは同じ番号を付して重複した説明を省略する。
【００８６】電極間に放電を励起させるための周波数ｆ1の高周波電力は、同軸コネクタ７１０を通して供給される。７１６は電極１０２まで高周波電力を導く内導体であり、７１２はテーパ状に形成された同軸ケーブルの外導体でありＡｌ合金、ステンレス、Ｔｉ等の金属製真空容器１０５に接続されている。図１に示す第１の実施例では、直流磁界は永久磁石１０６により形成させていたが、図１４の第２実施例では電磁石により形成させている。７１５は、電磁石を構成する透磁率μ及び飽和磁束密度の高い磁性体、７１４は直流電流を供給する電線である。電磁石は、内導体７１６と電極の母材１０２により完全に囲われているため、高周波の周波数ｆ1の電界や磁界に晒されることはない。
【００８７】サセプタ電極１０４の自己バイアスを制御する周波数ｆ2の高周波電力は、同軸コネクタ７１１を介して供給される。７１７は同軸ケーブルの内導体、７１３は外導体である。なお、インダクタンスＬ1及びコンデンサＣ1の直列回路、インダクタンスＬ2及びコンデンサＣ2の直列回路は、夫々周波数ｆ1，ｆ2の高周波を短絡するための回路である。
【００８８】７０８，７０９は、これら短絡回路を構成する絶縁物基板であり、例えばテフロン（登録商標）含浸絶縁物から成る。内導体７１６，７１７と外導体７１２，７１３を短絡する回路は、円筒同軸の構成に適合するように、円錐状に形成されている。図１５（ａ），（ｂ）は前記短絡回路の例を示すものである。前記短絡回路１，２は、中央部に内導体７１６，７１７を挿通するための穴８０５，８０６を設け、基板はテフロン含浸絶縁物により円板状に形成されている。図１５に示す例では、４個の直列共振回路が互いに９０度の角度間隔で放射状に配置された例が示されている。８０１，８０３はインダクタンス、８０２，８０４は積層セラミックなどの高周波コンデンサである。斜線部は前記絶縁物の基板に残されたＣｕ薄膜である。該薄膜は、通常３５〜７０μｍ程度の厚さである。絶縁物基板の厚さは、高周波電力にもよるが、１〜３ｍｍ程度である。図１５（ａ）では、インダクタンス８０１は直線の線を有するインダクタンスが使われており、コンデンサはチップコンデンサである。図１５（ｂ）では、インダクタンス８０３は電線を所要巻数だけ巻回して成るコイルが用いられ、コンデンサ８０４は平板コンデンサを用いている。
【００８９】説明を図１４に戻す。高周波電力、特に電極間に放電を形成する周波数ｆ1の電力が、効率よく電極間に閉じ込められるために、電極１０２、サセプタ電極１０４は絶縁物のセラミック７０６，７０７により、夫々真空容器１０５から浮いた状態で構成されている。電極間隔に比し電極から真空容器までの距離は遠く離間している。これは電極１０２に入射した周波数ｆ1の高周波電力の電界を、殆どサセプタ電極１０４に終端させるためである。周波数ｆ1の高周波電流は、サセプタ電極１０４に終端した後、内導体７１７、短絡回路（Ｌ1，Ｃ1）、真空容器１０５を介して外導体７１２に流れ出す。
【００９０】電極間隔は、ガス圧力にもよるが通常２〜１０ｃｍ程度である。電極面積は、基板１０３より大きく設定されるから、基板１０３としてのウエハの直径が６インチ，８インチ，１０インチであれば、少なくとも、電極の直径は夫々２０ｃｍ，２５ｃｍ，３０ｃｍより大きなものにする必要がある。
【００９１】図１６は、第５の実施例を示すもので比較的実際の構造に近いものである。本実施例の場合、両電極１０７，１０４の間隔が狭くなっているので、高周波電界の殆どが対向する電極間に閉じ込められることになる。
【００９２】サセプタ電極１０４に供給される周波数ｆ1の高周波電力に対する短絡が不十分な場合には、図１７R>７に示す第６の実施例のように、サセプタ電極１０４と真空容器１０５との間に直接的に短絡回路を設ければよい。本実施例の構成の要点は、対向する２枚の電極間に、可能な限り強い磁界を設ける点にある。
【００９３】図１６、図１７に示す実施例のように、コイル７２２と磁性体７１５で構成される電磁石であると、その磁力線分布は図１８に示すように下方向に拡がった分布になる。
【００９４】図１９に示す第７の実施例のように、両電極１０４，１０７の裏面にそれぞれ完全反磁性を示す超伝導体あるいは超伝導薄膜７３１，７３２を設けると、磁力線はこの超伝導体７３１，７３２の外側には漏れないから、両電極間にのみ存するようになる。
【００９５】基板１０３を冷却する必要があるときは、例えば液体窒素温度で超伝導現象を示す酸化物超伝導体を電極裏面に１μｍ程度以上スパッタ成膜等でコーティングすることにより極めて大きな磁界閉じ込め効果を生じさせ得る。図２０に示す第８の実施例はかかる磁界閉じ込め効果を示すものである。
【００９６】同様に、両電極間に磁界を閉じ込めて強い平行方向の磁界を発生させるには、電極１０２側だけではなく、サセプタ電極１０４側にもまったく同様に電磁石（７２１，７２３）を設ければよい。図２１はかかる原理に基づいて構成された第９の実施例を示すものである。電磁石（７１５，７２２），（７２１，７２３）は、いずれも高周波電力供給用の内導体７１６，７１７により実質的に囲われている。コイル７２２，７２３に電流を供給するための電線は、内導体７１６，７１７を貫通して外部に引き出されている。
【００９７】本第９の実施例において、電極１０２，１０４に完全反磁性体の超伝導体をコーティングすればさらに好ましいものになる。本実施例は放電プラズマが形成される真空容器は、容器本体７０６，７０７がセラミックにて形成され、外部容器１０５’が金属で形成されている。外部容器１０５’は、アースと高周波電流を流す役割をはたす。このように構成すれば、第１，９，１０図に示す各実施例の装置に見られた、電極１０２と真空容器間の放電が無くなり、高周波電力は電極１０２，１０４間に殆ど閉じ込められることになり、少ない高周波電力で高密度のプラズマを電極間に形成することができる。
【００９８】内導体７１６，７１７に囲われる電磁石を永久磁石により形成して差し支ないことはいうまでもない。永久磁石を構成する材料は通常比透磁率が低く、４〜５以下である。
【００９９】したがって、図２１に示す第９の実施例で、コイル７２２，７２３を除去し、図２２に示す第１０実施例のようにドーナツ状の完全反磁性超伝導体７５１，７５２をはめ込むとよい。この場合、超伝導体７５１，７５２をはめ込んだ磁性体７１５，７２１は永久磁石から成る。
【０１００】以上、チャンバ材料のスパッタ汚染を完全に抑え、基板にいっさい損傷を生じないＲＩＥ装置について説明したが、真空容器内に導入されるガスは、エッチングされる材料によって異り、塩素系（Ｃｌ2，ＳｉＣｌ4，ＣＨ2Ｃｌ2，ＣＣｌ4等）、フッ素系（Ｆ2，ＣＨ2Ｆ2，ＣＦ4，ＳｉＦ4等）および混合ガス系（ＣＦ2Ｃｌ2等）が用いられ、キャリアガスＡｒ，Ｈｅ，添加ガスＨ2，Ｏ2が加えられる。
【０１０１】高周波放電に使う高周波電源の出力周波数ｆ1の波長は、少なくともウエーハの直径の２倍より大きいことが均一エッチングの立場から要求される。望ましくは周波数ｆ1は、１００ＭＨｚ（波長３ｍ）〜１ＧＨｚ（波長３０ｃｍ）程度である。
【０１０２】しかし、例えば、２．４５ＧＨｚのようなマイクロ波を用いたような場合には電磁波の波長が基板たるウエーハ径にくらべて小さくなり、エッチング量のバラツキの原因となることがあるため好ましくない。
【０１０３】以上本発明の実施例は主としてＳｉＯ2やＳｉ膜のエッチングについて述べてきたが、これに限る必要はもちろんない。例えば、ＰＳＧ膜、ＢＰＳＧ膜、ＡＳＧ膜、シリコン窒化膜、Ａｌ2Ｏ3膜、ＡｌＮ膜、Ａｌ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉあるいはこれらの合金等よりなる膜及び基板のエッチングに用いてもよい。
【０１０４】また、励起活性種源ガスは被エッチング薄膜の種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、poly−Ｓｉ薄膜の場合、Ｃｌ2，ＣＣｌ4，ＣＣｌ2Ｆ2，Ｃｌ2等を、Ｓｉ薄膜の場合、Ｃｌ2，ＣＣｌ2Ｆ2，ＣＦ4等を、ＳｉＯ2薄膜の場合、ＣＦ4／Ｈ2，Ｃ2Ｆ6等を、Ａｌ薄膜の場合、ＣＣｌ4，ＳｉＣｌ4，ＢＣｌ3，Ｃｌ2等を、Ｍｏ薄膜、Ｗ薄膜、Ｔｉ薄膜、Ｔａ薄膜等の場合はＦ2，Ｃｌ2，ＣＦ4等を適宜用いればよい。また、Ｈ2，Ｏ2，Ｎ2を添加ガスとして加えることも有効である。
【０１０５】また、これらが形成される基板１０３も、絶縁性のものに限らず、導電性のものあるいは半導体でもよい。
【０１０６】さらに、例えばポリイミド膜やレジストなどの高分子材料のエッチングについても適用できることはいうまでもない。また、エッチングを行なう基板も半導体ウエーハに限らないことはいうまでもない。また、リアクティブイオンエッチング以外のスパッタエッチングにも利用できる。
【０１０７】次に、上記各実施例の構成を有する装置は、上記ＲＩＥだけではなく、ＰＣＶＤ、ドライ洗浄、レジストアッシング、レジストのドライ現像等にも、使用条件の一部の変更により容易に使用できる。
【０１０８】まず、プラズマＣＶＤ（ＰＣＶＤ）であるが、Ｓｉ成膜には、ＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ6，ＳｉＨ2Ｃｌ2等の原料ガスをあるいはこれに、Ａｒ，Ｈｅ，Ｈ2等のガスを加えて、Ａｌ成膜には、Ｈ2＋Ａｌ（ＣＨ3）3，Ｈ2＋ＡｌＨ（ＣＨ3）2等のガスを、ＳｉＯ2成膜には、ＳｉＨ4＋Ｏ2，ＳｉＨ2Ｃｌ2＋Ｏ2等を、Ｓｉ3Ｎ4成膜には、ＳｉＨ4＋ＮＨ3＋Ｈ2等のガスを供給する。第１，７，９，１０，１２，１４，１５図に示す実施例で、こうした原料ガスを高周波電源ｆ1により放電させプラズマ状態にする。高密度のプラズマが電極間に形成されるが、高周波ｆ1が１５０〜２５０ＭＨｚと高く保たれているから、電極１０２に現われる自己バイアスは、−１０〜−２Ｖと低く電極がスパッタされることはない。さらに、成膜に必要な基板表面照射イオンエネルギーは、ｆ1より低い周波数ｆ2（例えば、１０〜８０ＭＨｚ）の高周波電力で制御される。照射イオンエネルギーは成膜に必要な最適値にｆ2の電力により制御され、照射イオン密度は、ｆ1の電力により制御される。例えば、Ｓｉ成膜の場合、（Ａｒ＋ＳｉＨ4）を供給するガスとすると、ＡｒとＳｉＨ4の混合比を調節することが重要である。特に、室温から４００℃程度の低温で、高品質なＳｉ成膜を行うためには、イオン照射によるＳｉ表面の活性化が決め手になるからである。たとえば、１個のＳｉ原子が正規の格子位置におさまる間に、最適のエネルギーを持った照射イオンの数が、通常１個以上は必要だからである。たとえば、Ｓｉ原子１個に１０個のイオン照射あるいは５０個のイオン照射ということになるからである。通常は、Ａｒ量の方がＳｉＨ4よりは十分多く設定される。他の成膜の時も、まったく同様である。基板表面を照射するイオンは、成膜に直接寄与する原子あるいは分子である必要はない。成膜に寄与する原子、分子と基板表面照射イオンは、まったく別のものである方が、イオンによる基板照射量と成膜速度を独立に制御できて、高品質成膜に適している。
【０１０９】一方、レジスト剥離は上述したように通常は、混合液（Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2）を用いたウェットプロセスで行われるが、イオン注入工程を経たレジストは混合液（Ｈ2ＳＯ4＋Ｈ2Ｏ2）には溶解しない。そのため、酸素（Ｏ2）プラズマ中で、強力な酸化反応により除去している。
【０１１０】ただし、従来の装置では、高エネルギーイオン照射による損傷、およびチャンバ内表面のスパッタによる基板表面の金属汚染の問題が存在し、レジスト剥離を有名無実化していた。
【０１１１】しかし、本発明の装置（第１，７，９，１０，１２，１４，及び１５図に示すもの）を適用すれば酸素プラズマを完全に制御でき、無損傷、金属汚染のない、レジスト剥離が実現される。Ｏ2中に若干のＣｌ2を加えておけば、レジスト中に含まれる金属成分も同時に除去される。レジスト剥離時に、Ｓｉ表面がＯ2プラズマで薄く酸化されるが、該薄い酸化膜は、Ｎ2，Ａｒ中に０．６％程度のＨＦガスを混入させた気相エッチングで容易に除去できる。酸化膜が除去されたＳｉ表面はフッ素によりターミネイトされているが、このフッ素は、２〜１０ｅＶ程度に加速された（Ａｒ＋Ｈ2）プラズマで簡単に除去される。
【０１１２】次に、ドライ洗浄であるが、有機物汚染は１〜１５ｅＶ程度に加速されたＯ2イオンやＯ3により洗浄される。ベア・シリコンの表面に形成される薄い酸化膜（ＳｉＯ2）は、前述したように、Ｎ2，Ａｒ中０．５〜０．６％程度のＨＦガスで除去できる。金属成分は、１〜１５ｅＶに加速されたＣｌ2イオンにより除去できる。本発明の装置が十分適用できる。
【０１１３】
【発明の効果】本発明によれば、減圧可能な容器内にプラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の処理を行うように構成されたプラズマプロセス用装置において、前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状に形成された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラズマに対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆うように設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被処理物を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極に接続される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接続される第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガスを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数より高く設定されたことを特徴とするもので、ＲＩＥ、プラズマ化学気相堆積、レジストアッシャー、ドライ洗浄等の各種プラズマプロセスを、被処理物の基体等への損傷や汚染を与えることなく、また、処理雰囲気の汚染を生じさせることなく行うことができ、高品質の半導体装置を提供できる。
【０１１４】また、構造上の基本的な構成部分は変更することなく、特定の設定条件、例えば高周波電源の出力周波数の大きさ、導入するガスの種類等わずかな仕様を変更するだけで各種プラズマプロセスの装置に適用できるので、各装置の規格化が可能となり、半導体装置製造の一貫した統一性のある操業の実現を可能にする。
【０１１５】さらに、各装置が共通の構成部分を有することにより、構成部品の製造、管理、保守等が容易になると共に、装置全体の高性能化に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す装置の概略構成模式図である。
【図２】図１のバンドエリミネータの例を示す回路図である。
【図３】図２のバンドエリミネータの共振特性を示すグラフである。
【図４】図２のバンドエリミネータの他の例を示す回路図である。
【図５】第２の電極への高周波電力に対する第１，第２の電極の電位の変化を示すグラフである。
【図６】電極の電流電圧特性を測定するための装置を示す概略構成模式図である。
【図７】電極の電流、電圧特性の実験例を示すグラフである。
【図８】周波数の変化に対する自己バイアス電圧の変化を示すグラフである。
【図９】第２の実施例を示す概略構成模式図である。
【図１０】第３の実施例を示す概略構成模式図である。
【図１１】バンドエリミネーターの他の例を示す回路図である。
【図１２】従来例の概略構成を示す模式図である。
【図１３】（ａ）は平行平板電極構造であり、（ｂ）は高周波電界及び直流磁界の分布図である。
【図１４】本発明の第４の実施例を示す要部断面図である。
【図１５】（ａ）短絡回路の例を示す回路図であり、（ｂ）は短絡回路の他の例を示す回路図である。
【図１６】本発明の第５の実施例を示す断面図である。
【図１７】本発明の第６の実施例を示す断面図である。
【図１８】磁界分布（磁力線）図である。
【図１９】本発明の第７の実施例を示す断面図である。
【図２０】第８の実施例を示すもので電極裏面に超伝導薄膜が設けた場合のられたときの磁力線分布図である。
【図２１】本発明の第９の実施例を示す断面図である。
【図２２】本発明の第１０の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１…保護層（保護部材）、
１０２…母材、
１０３…基板（被処理物）、
１０４…サセプタ電極（第２の電極）、
１０５…真空容器、
１０７…電極（第１の電極）、
１１０…第２の高周波電源、
１１１…第１の高周波電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 減圧可能な容器内にプラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の処理を行うように構成されたプラズマプロセス用装置において、前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状に形成された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラズマに対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆うように設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被処理物を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極に接続される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接続される第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガスを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数より高いことを特徴とするプラズマプロセス用装置。
【請求項１】 減圧可能な容器内にプラズマを発生させ、該プラズマ中で被処理物の処理を行うように構成されたプラズマプロセス用装置において、前記容器内に対向するように設けられ夫々平板状に形成された第１及び第２の電極と、少くとも前記プラズマに対して安定な材料から成り前記第１の電極上を覆うように設けられる保護部材と、前記第２の電極上に被処理物を取り付けるための保持手段と、前記第１の電極に接続される第１の高周波電源と、前記第２の電極に接続される第２の高周波電源と、前記容器内に所望のガスを導入するためのガス供給手段とを少くとも備え、前記第１の高周波電源の周波数が前記第２の高周波電源の周波数より高いことを特徴とするプラズマプロセス用装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１１】
【図１５】
【図１８】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図２０】
【図８】
【図１０】
【図１３】
【図１６】
【図１４】
【図１７】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１１】
【図１５】
【図１８】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図２０】
【図８】
【図１０】
【図１３】
【図１６】
【図１４】
【図１７】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２００２−１７６０３７（Ｐ２００２−１７６０３７Ａ）
【公開日】平成１４年６月２１日（２００２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００１−２５７０４６（Ｐ２００１−２５７０４６）
【分割の表示】特願平９−３１９０１９の分割
【出願日】平成１年５月１２日（１９８９．５．１２）
【出願人】（０００２０５０４１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年６月２１日（２００２．６．２１）
【国際特許分類】
【分割の表示】特願平９−３１９０１９の分割
【出願日】平成１年５月１２日（１９８９．５．１２）
【出願人】（０００２０５０４１）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]