JP5982129B2 - 電極及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、平行平板型のプラズマ処理装置用の電極及び前記電極を備えた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、平行平板型（容量結合型）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、対向して設けられた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。

近年の更なる微細化の要請に伴い、１００ＭＨｚ程度の比較的高い周波数を持つ電力を供給し、高密度・低イオンエネルギーのプラズマを生成することが不可欠になってきている。供給される電力の周波数が高くなると、高周波の電流が、表皮効果により電極（上部又は下部）のプラズマ側の表面を端部側から中心側に向かって流れる。これによれば、電極の中心側の電界強度が電極の端部側の電界強度より高くなる。このため、電極の中心側にてプラズマの生成に消費される電界エネルギーは、電極の端部側にてプラズマの生成に消費される電界エネルギーよりも大きくなり、電極の端部側よりも電極の中心側にてガスの電離や解離が促進される。この結果、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電極の中心側ではプラズマの抵抗率が低くなるため、対向電極でも電極の中心側に高周波（電磁波）による電流が集中して、プラズマ密度が不均一になる。

これに対して、プラズマ密度の均一性を高めるために、電極のプラズマ面の中心部分にセラミックス等の誘電体を埋設することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０００−３２３４５６号公報

しかしながら、電極にセラミックス等の誘電体を埋設させると、プロセス中には加熱及び冷却が繰り返されるため、熱膨張差により両者の接合部分に応力が加えられ、誘電体にクラックが生じたり、チャンバ内が汚染されたりする場合があった。

プラズマの均一性をより高めるために、電極に埋設する誘電体をテーパ状に形成することも提案されている。この場合、誘電体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、フラット構造の誘電体を埋設した場合より誘電体の端部にて電界強度が低下しすぎず、より均一な電界強度が得られる。

しかしながら、誘電体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、誘電体のテーパ部分に熱膨張差や接合界面の寸法公差のバラツキ等により応力集中が生じる。この応力集中により、より電極にクラックが生じ易く、かつチャンバ内がパーティクルや金属等により汚染されやすくなっていた。

上記問題に鑑み、本発明は、プラズマの均一性を高めることが可能な上部電極及び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、本発明のある態様によれば、平行平板型のプラズマ処理装置用の電極であって、所望の誘電体から形成された基材と、前記基材の表面のうち、少なくとも前記プラズマ処理装置の処理空間側の表面の外周部全体を覆うように形成された導電体層と、を備え、前記基材の前記処理空間側の表面における前記外周部の内側領域は、少なくとも２つ以上の同心円状の領域に分かれ、前記導電体層は、当該２つ以上の領域の中心部側に向けて徐々に疎になるように疎密のパターンを有することを特徴とする電極が提供される。

かかる構成によれば、電極は、誘電体から形成された基材と、当該基材の処理空間側の表面に形成された導電体層とを有し、導電体層は、前記電極の外側が内側より密になるように疎密のパターンを有する。これにより、電極と、電極とプラズマの間に生成されるシースとの合成キャパシタは、当該電極の外側では内側より大きくなる。これにより、テーパ状に形成された誘電体を、電極に埋設したことと同様の効果を得ることができ、プラズマの均一性をより高めることができる。

上記課題を解決するために、本発明の別の態様によれば、平行平板型のプラズマ処理装置用の電極であって、所望の誘電体から形成された基材と、前記基材の表面のうち、少なくとも前記プラズマ処理装置の処理空間側の表面の一部に形成された導電体層と、を備え、前記導電体層は、前記処理空間側の表面の外側領域が内側領域より密になるように疎密のパターンを有し、前記導電体層は、前記電極の外側から内側に向けて突出する櫛歯状のパターン、前記電極の外側から内側に向けて突出する三日月状のパターン、前記電極の外側から内側に向けて開口するパターンのいずれかの疎密のパターンを有してもよい。なお、前記電極は、平行平板型のプラズマ処理装置の下部電極に対向して配置された上部電極であってもよい。

前記導電体層の疎密のパターンと当該導電体層との境界は、前記下部電極に載置されるウエハの外端部より内側に位置していてもよい。

上記課題を解決するために、本発明のさらに別の態様によれば、平行平板型のプラズマ処理装置用の電極であって、所望の誘電体から形成された基材と、前記基材の表面のうち、少なくとも前記プラズマ処理装置の処理空間側の表面の一部に形成された導電体層と、を備え、前記導電体層は、前記処理空間側の表面の外側領域が内側領域より密になるように疎密のパターンを有し、前記導電体層と当該導電体層の疎密のパターンの境界には、前記電極の内側から外側に向かって前記導電体層が連続的に密になる、トランジション部が形成されていてもよい。

前記導電体層は、グラウンド電位であってもよい。

前記導電体層は、前記櫛歯状の歯の本数、当該歯の長さ及び当該歯間の幅の少なくともいずれかにより疎密のパターンを形成してもよい。

前記疎密のパターンは、少なくとも異なる３種類の長さの前記櫛歯状の歯により形成され、前記電極の中心から最も長い櫛歯の先端までの距離は３５〜５０ｍｍ、前記電極の中心から中間の長さの櫛歯の先端までの距離は６０〜９０ｍｍ、前記電極の中心から最も短い櫛歯の先端までの距離は１００〜１２５ｍｍであってもよい。

前記基材は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかから形成されてもよい。

前記基材と、前記導電体層とを覆う保護層を更に備えてもよい。

前記電極の基材は、複数のガス導入管が貫通してもよい。

上記課題を解決するために、本発明のさらに別の態様によれば、第１の電極と第２の電極とが対向して配置されたプラズマ処理装置であって、前記第１の電極は、所望の誘電体から形成された基材と、前記基材の表面のうち、少なくとも前記第２の電極側の表面の外周部全体を覆って形成された導電体層と、を備え、前記基材の前記第２の電極側の表面における前記外周部の内側領域は、少なくとも２つ以上の同心円状の領域に分かれ、前記導電体層は、当該２つ以上の領域の中心部側に向けて徐々に疎になるように疎密のパターンを有することを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。なお、前記プラズマ処理装置は、上部電極と下部電極が対向して配置された平行平板型のプラズマ処理装置であり、前記第１の電極は前記上部電極であり、前記第２の電極は前記下部電極であってもよい。

前記基材は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかから形成されてもよい。

以上説明したように、本発明に係る上部電極及びプラズマ処理装置によれば、プラズマの均一性を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の縦断面図である。 電極を流れる高周波を説明するための図である。 テーパ状の誘電体を電極に埋設した場合の電界強度を示した図である。 矩形状の誘電体を電極に埋設した場合と同等の電極における電界強度を示した図である。 一実施形態に係る上部電極の導電体層に疎密パターンを形成した場合の電界強度を示した図である。 ３種類の疎密パターンの電界強度を示した図である。 一実施形態に係る上部電極の導電体層に形成された各種疎密パターンである。 図７の各種疎密パターンの電界強度を示した図である。 疎密パターンの櫛歯の長さを変化させた場合の電界強度を示した図である。 疎密パターンの櫛歯の長さを示した図である。 疎密パターンの櫛歯の形状を変化させた場合の電界強度を示した図である。 疎密パターンのトランジション部を示した図である。 一実施形態に係る上部電極の導電体層に疎密パターンを形成した場合のエッチングレートを示した図である。 上下電極間のギャップと電界強度との関係を示した図である。 変形例に係る各種疎密パターンである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の構成及び機能を有する構成要素については、同一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上部電極を有したプラズマ処理装置について説明する。
図１に本実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す。プラズマエッチング装置１０は、平行平板型のプラズマ処理装置の一例であり、上部電極と下部電極とが対向して配置されている。

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、例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１００の内部には、上部電極１０５と下部電極２１０とが対向して配置され、これにより、一対の平行平板電極が形成されている。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２１０に載置される。処理容器１００の内部では、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。下部電極２１０上のウエハ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、及び当該上部基材１０５ａの直上にて上部基材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。処理ガスは、ガス供給源２１５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に連通する複数のガス通路を経て、上部基材１０５ａを貫通する複数のガス導入管を介して複数のガス穴１０５ｃから処理容器内に導入される。

下部電極２１０は、アルミニウム等の金属から形成された基材２１０ａが絶縁層２１０ｂを介して支持台２１０ｃに支持されて構成され、電気的に処理容器１００から浮いた状態になっている。支持台２１０ｃの下方部分はカバー２１６にて覆われている。支持台２１０ｃの下部外周には、バッフル板２２０が設けられていてガスの流れを制御する。

下部電極２１０には、冷媒室２１０ａ１が設けられていて、冷媒導入管２１０ａ２のイン側から導入された冷媒が、冷媒室２１０ａ１を循環し、冷媒導入管２１０ａ２のアウト側から排出される。これにより、下部電極２１０を所望の温度に制御する。

下部電極２１０の上の静電チャック機構２２５では、絶縁部材２２５ａに電極部（金属シート部材）２２５ｂが埋め込まれている。電極部２２５ｂには直流電源２３５が配線を介して接続され、直流電源２３５から出力された直流電圧が電極部２２５ｂに印加されることにより、ウエハＷは下部電極２１０に静電吸着される。静電チャック機構２２５の外周には、例えばシリコンにて形成されたフォーカスリング２３０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２１０は、整合器２４５を介して高周波電源２５０に接続されている。高周波電源２５０はプラズマ生成用の高周波電源であって、例えば１００ＭＨｚの高周波が出力される。処理容器１００内に供給された処理ガスは、高周波電源２５０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て放電型プラズマが生成される。生成されたこ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。

また、下部電極２１０は、整合器２６０を介して高周波電源２６５に接続されている。高周波電源２６５はバイアス制御用の高周波電源であって、例えば３ＭＨｚや１３ＭＨｚの高周波が出力される。高周波電源２６５から出力された高周波はバイアス電圧としてウエハWに印加され、下部電極２１０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２７０が設けられ、排気口２７０に接続された排気装置２７５を駆動することにより、処理容器１００の内部を排気して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２８０ａ、２８０ｂが配置されている。マルチポールリング磁石２８０ａ、２８０ｂ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２１０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。

次に、上部電極１０５と下部電極２１０により形成される電界の強度分布について説明する。一般に、平行平板電極に印加された高周波は、下部電極の下方で中央部から端部へ向かってＡ波が伝搬し、下部電極の上方のプラズマ側では、端部から中央部へ向かってB波が伝搬する。そして、A波とB波が重なる点で定在波が生成されるため、特に電極の中心部の電位（電界)が高くなる分布が形成される。そのため、図２（ａ）に示したように、高周波電源２５０から、例えば１００ＭＨｚの高周波電力が下部電極２１０に印加されると、表皮効果により高周波の電流は、下部電極２１０の下部表面を中央部から端部に向かって伝搬し、下部電極２１０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２１０の中心側の電界強度が下部電極２１０の端部側の電界強度より高くなり、下部電極２１０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２１０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２１０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１０５においても上部電極１０５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。その結果、図２（ｂ）に示したように、周波数が高いほどウエハ中心部の電界強度が周辺部より高くなる。特に、１００ＭＨｚの高周波電力では電界強度の不均一性が高いため、プラズマ密度がより不均一に生成されてしまう。

プラズマの均一性を高めるために、図３（ａ）に本願発明の基本的な構成を示す。基材９２０ａに導電体９２５を覆った構成の電極（上部電極）９２０にテーパ状の誘電体９２０ｂを埋設して形成した構造の場合について説明する。この場合、基材９２０ａの中心部を凹上にして、電極９２０を構成する基材９２０ａのプラズマ面の中心部分（凹部）にテーパ状の誘電体９２０ｂを勘合埋設し、その間を金属性接着剤９２５で接着する。そして、その電極９２０の表面に耐プラズマ性の高いイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを溶射して絶縁性の保護層９３０を形成する。図３（ｂ）の曲線Ｅａ’、Ｅｂ’、Ｅｃ’は、厚さが同一でテーパ比φＡ／φＢが異なる誘電体９２０ｂを基材９２０ａに挿入した場合のウエハ中心からの距離ｒ（ｍｍ）に対する電界強度Ｅ(a.u.)を示す。曲線Ｅａ’、Ｅｂ’、Ｅｃ’の誘電体９２０ｂのテーパ比φＡ／φＢは、Ｅａ’＜Ｅｂ’＜Ｅｃ’の関係にある。ここでは、テーパ状の誘電体９２０ｂはアルミナで形成され、下部電極に１００ＭＨｚのプラズマ励起用の高周波電力が印加される。この場合、誘電体９２０ｂ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、誘電体９２０ｂの端部においてインピーダンスを低下させることができる。その結果、円筒状の誘電体を埋設した場合より誘電体の端部にて電界強度が低下しすぎず、より均一な電界強度が得られていることがわかる。

しかしながら、基材と誘電体とを接合することの難易度は高い。例えば金属の基材とセラミックスの誘電体との接着剤による接合では、接着剤が表面に露出してしまう。露出しないように表面にさらに誘電体を張り合わせると線膨張係数差により隙間が発生する。

また、例えば誘電体の基材と金属被膜で覆われた誘電体との接着剤による接合では、接着剤が表面に露出してしまう。例えばロウ付けによる接合では、ロウ材収縮時の応力が蓄積されるため割れの懸念がある。

これに対して、誘電体の接合をせずに電界強度の均一性を高める方法の一例として、図４（ａ）に示す電極９０５について説明する。電極９０５は、誘電体からなる基材９０５ａの外周部を導電体で覆った構成を有している。この場合、基材９０５ａの外周部の表面を導電体層９１０で覆い、さらにその導電体層９１０の表面に耐プラズマ性の高いイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを溶射して絶縁性の保護層９１５を形成する。なお、基材９０５ａの中心部は導電体に覆われていない。即ち、導電体層９１０は、基材９０５ａのプラズマ面の内側には形成されず、プラズマ面の外周側にドーナッツ状に形成される。図４（ｂ）の曲線Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃは、大きさ及び厚さが同一な基材９０５ａに異なる内径のドーナッツ状の導電体層９１０を形成した場合の電界強度を示す。曲線Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃの内径は、Ｅａ＜Ｅｂ＜Ｅｃの関係にある。この場合にも、基材はアルミナで形成され、下部電極に１００ＭＨｚのプラズマ励起用の高周波電力が印加される。

図４（ｂ）に示したように、導電体層が設けられていないフラットな基材（FlatUEL）に比べて、電極９０５のプラズマ面内の中央にて電界強度が抑えられ、電極９０５のプラズマ面内での電界強度の均一性が高められている。しかし、その電界強度分布には、導電体層９１０がある部分とない部分との境目あたりで急峻な変化が見られる。よって、製作が容易な表面処理（形成方法）により、導電体層９１０がある部分とない部分との境目を、単に、導電体層９１０をドーナッツ状に形成するのみでは、電界強度の均一性について図３のテーパ状の誘電体を埋め込んだ場合と同様の効果を得ることはできない。

そこで、本実施形態に係る上部電極１０５では、誘電体の上部基材１０５ａのプラズマ側の面の外周部を導電体層で被膜し、これにより導電体層を形成する。これに加えて、基材１０５ａの内側に向けて導電体層の表面に所定のパターンを形成する。図５（ａ）は、上部電極１０５のプラズマ側（下部電極側）の面を示した図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の１−１断面図である。

図５（ｂ）を参照すると、上部基材１０５ａの外周部の表面は導電体層１１０で覆われ、さらにその上部基材１０５ａの表面全体に耐プラズマ性の高いイットリア（Ｙ２Ｏ３）などを溶射して保護層１１５が形成されている。このようにして、保護層１１５は上部基材１０５ａと導電体層１１０とを覆う。

以下では、上部電極１０５のプラズマ面を、外周部、内周部及びその間のグラデーション部に分けて説明する。導電体層１１０は外周部全体を覆っている。一方、導電体層１１０は内周部（電極中心部）には形成されていない。

本実施形態に係る上部電極１０５の構成では、図５（ａ）に示した導電体層１１０の疎密のパターンは、上部電極１０５の外側から内側に向けて突出する櫛歯状のパターンである。具体的には、３種類の異なる長さの線状の櫛歯が内側に向けて突出している。ここでは、１本の幅が１°の６４本の櫛歯が、外周部の内周面側から３６０°等間隔に内側に向けて放射状に設けられている。３種類の櫛歯の配置位置には対称性があり、ここでは、最も長い櫛歯、最も短い櫛歯、中間の長さの櫛歯、最も短い櫛歯、最も長い櫛歯の順に配置されている。例えば、図５（ａ）では、外周部では金属の密度が１００％、グラデーション部では最も短い櫛歯までの金属の密度が８０％、中間の長さの櫛歯までの金属の密度が６０％、最も長い櫛歯までの金属の密度が４０％、内周部では金属の密度が０％となっている。このように、プラズマ面側の導電体層１１０は、外側が内側より密になるように疎密のパターンが形成されている。

図５（ｃ）は、上記パターンの導電体層１１０を有する上部電極１０５を用いた場合のウエハ中心からの距離ｒ（ｍｍ）に対する電界強度Ｅ(a.u.)を示す。この場合にも、基材はアルミナで形成され、下部電極に１００ＭＨｚのプラズマ励起用の高周波電力が印加される。これによれば、上部電極１０５のプラズマ側の中間部（グラデーション部）に長さの異なる突起状の導電体層１１０を重ねることで、図５（ｃ）の曲線Ｅｐ１に示したように、上記テーパ状の誘電体を埋め込んだ場合と同様に、電界強度の分布をなだらかで均一にすることができる。本実施形態に係る上部電極１０５の効果は、フラットな基材の場合の電界強度の分布を示した曲線Ｅｒ１と比べても顕著である。これにより、ウエハのエッチングレートを均一にすることができる。また、本実施形態に係る上部電極１０５の製造では、接合工程が不要となる。これにより、熱膨張差や接合界面の寸法公差のバラツキ等により応力集中して電極にクラックが生じたり、チャンバ内が汚染されたりすることを防止できる。

図５（ｂ）に示したように、導電体層１１０は、上部基材１０５ａの側面や上面を被覆してもよいが、これに限られない。例えば、導電体層１１０は、上部基材１０５ａの表面のうち、少なくとも前記プラズマ処理装置の下部電極側の表面の一部に形成し、接地された処理容器１００に接続されたり、キャパシタンスを介して容量的に結合されたりすることによりグランド電位となれば、上部基材１０５ａの側面や上面を被覆していなくてもよい。

（パターン評価１）
次に、導電体層１１０のパターン評価について説明する。発明者は、導電体層１１０のグラディエーション層に形成する３種類のパターンについて、その電界強度分布を調べた。その結果を図６に示す。

図６は、上記導電体層１１０を有する上部電極１０５を用いた場合のウエハ中心からの距離ｒ（ｍｍ）に対する電界強度Ｅ(a.u.)を示す。この場合にも、基材はアルミナで形成され、下部電極に１００ＭＨｚのプラズマ励起用の高周波電力が印加される。具体的には、３種類のパターンのいずれも、３種類の異なる長さの線状の櫛歯が内側に向けて突出している。３種類の櫛歯の配置位置には対称性がある。ここでは、最も長い櫛歯、最も短い櫛歯、中間の長さの櫛歯、最も短い櫛歯、最も長い櫛歯の順に配置されている。三角のマークＥｐ１は、図５（ｃ）と同様に、１本の幅が１°で６４本の櫛歯パターンの場合の電界強度分布を示している。四角のマークＥｐ２は、１本の幅が２°で３２本の櫛歯パターンの場合の電界強度分布を示している。×のマークＥｐ３は、１本の幅が４°で１６本の櫛歯パターンの場合の電界強度分布を示している。

また、図６には、比較例として、図５（ｃ）に示したフラットな電極の電界強度Ｅｒ１の分布、及び、図４（ａ）に示した基材９０５ａに形成した（例えば、溶射或いは表面処理を施した）電極の電界強度Ｅｒ２の分布が示されている。これによれば、櫛歯のパターンを有する電極の電界強度Ｅｐ１，Ｅｐ２，Ｅｐ３の分布は、フラットな電極の電界強度Ｅｒ１の分布より電極中央にて電界強度が低下し、均一性が高まっている。また、同電界強度Ｅｐ１，Ｅｐ２，Ｅｐ３の分布は、表面処理を施した電極の電界強度Ｅｒ２の分布より、なだらかで均一性が高まっている。さらに、櫛歯のパターンの電界強度Ｅｐ１，Ｅｐ２，Ｅｐ３を比較すると、櫛歯の本数はＥｐ１，Ｅｐ２，Ｅｐ３の順に減少し、櫛歯の本数が少なくなるほど、電界強度が外周から内周へ向かって単調に減少せず、Ｗ型に分布する傾向が強くなり、プラズマの均一性が悪くなる。この結果から、径方向でプラズマを均一にし、ばらつきのない良好なエッチングレートを確保するためには、導電体層１１０に形成するパターンの各櫛歯は２°以下、３２本以上であることが好ましい。

また、四角のマークＥｐ２及び×のマークＥｐ３の曲線は、周方向でグラフに示すような幅のバラツキを持っている。この結果から、周方向でプラズマを均一にし、ばらつきのない良好なエッチングレートを確保するためには、導電体層１１０に形成するパターンの各櫛歯は１°以下、本数は６４本以上であることがより好ましい。

（パターン評価２）
次に、発明者は、導電体層１１０の他の３種類のパターンについて、その電界強度分布を調べた。パターン形状を図７に示し、その電界強度分布を図８に示す。

図７（ａ）に示した導電体層１１０の疎密のパターンでは、上部電極１０５の外側から内側に向けて突出する櫛歯は長短の２種類のみである。図７（ａ）では、８本の長い櫛歯及び８本の短い櫛歯が、外周部の内周面側から３６０°等間隔に内側に向けて交互に形成されている。

図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示した導電体層１１０の疎密のパターンは、図５（ａ）で説明したパターンと同様に、３種類の異なる長さの線状の櫛歯が内側に向けて突出している。ここでは、６４本の櫛歯が、外周部の内周面側から３６０°等間隔に内側に向けて形成されている。３種類の櫛歯の配置位置には対称性があり、ここでは、最も長い櫛歯、最も短い櫛歯、中間の長さの櫛歯、最も短い櫛歯、最も長い櫛歯の順に配置されている。図７（ｃ）の最も長い櫛歯の長さは、図７（ｂ）の最も長い櫛歯の長さより長い点で、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示したパターンは異なっている。

図８は、上記導電体層１１０を有する上部電極１０５を用いた場合のウエハ中心からの距離ｒ（ｍｍ）に対する電界強度Ｅ(a.u.)を示す。この場合にも、基材はアルミナで形成され、下部電極に１００ＭＨｚのプラズマ励起用の高周波電力が印加される。これによれば、櫛歯の本数が最も少ない図７（ａ）のパターンの電極の電界強度Ｅｐ４の分布は、ややＷ型となっていて、プラズマの均一性が悪い。一方、櫛歯の本数が多い図７（ｂ）及び図７（ｃ）のパターンの電極の電界強度Ｅｐ５、Ｅｐ６の分布は均一であるため、図７（ａ）のパターンの電極を用いた場合よりプラズマの均一性は高くなる。この結果から、プラズマを均一にし、ばらつきのない良好なエッチングレートを確保するためには、導電体層１１０に形成するパターンの各櫛歯の本数は１６本より多い必要がある。

（パターン評価３）
次に、発明者は、導電体層１１０の疎密のパターンの櫛歯の長さを変化させた場合について、その電界強度分布の変化を調べた。その結果を図９に示す。図９は、図７（ｂ）や図７（ｃ）に示すような３種類の異なる長さの櫛歯を６４本設け、図１０に示す、上部電極１０５の中心から各櫛歯の先端までの距離ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３を変化させた場合の電界強度Ｅ(a.u.)の変化を示すグラフである。

図９の曲線Ｅｄ１は、図１０に示す最も長い櫛歯の先端までの距離ＧＲ１を４７．５ｍｍ、中間の長さの櫛歯の先端までの距離ＧＲ２を８０ｍｍ、最も短い櫛歯の先端までの距離ＧＲ３を１０５ｍｍ場合の電界強度分布を示している。曲線Ｅｄ２は、最も長い櫛歯の先端までの距離ＧＲ１を５５ｍｍ、中間の長さの櫛歯の先端までの距離ＧＲ２を９０ｍｍ、最も短い櫛歯の先端までの距離ＧＲ３を１０５ｍｍ場合の電界強度分布を示している。曲線Ｅｄ３は、上部電極１０５の中心から最も長い櫛歯の先端までの距離ＧＲ１と、中間の長さの櫛歯の先端までの距離ＧＲ２を共に１００ｍｍとし、最も短い櫛歯の先端までの距離ＧＲ３を１２０ｍｍとした場合、即ち櫛歯の長さを２種類とした場合の電界強度分布を示している。なお、いずれの場合も、上部電極１０５外周部の、導電体層１１０により完全に覆われている領域までの距離ＧＲ０は１２５ｍｍとした。曲線FlatUEL（Flat状上部電極）は、図４（ｂ）に示したように、導電体層が設けられていないフラットな基材を用いた場合の電界強度分布である。

図９に示すように、上部電極１０５の中心から各櫛歯の先端までの距離を短くすると、換言すれば、櫛歯の長さを長くすると、上記テーパ状の誘電体９２０ｂのテーパ比を相対的に大きくし、櫛歯の長さを長くするとテーパ比を相対的に小さくした場合と同じ効果が得られていることがわかる。具体的には、櫛歯の長さを長くするほど上部電極１０５の中心近傍の電界強度を低下させ、より均一な電界強度が得られていることがわかる。

（パターン評価４）
次に、発明者は、導電体層１１０の疎密のパターンの櫛歯の形状を変化させた場合について、ウエハＷに酸化膜を形成する際の電界強度分布の変化を調べた。その結果を図１１に示す。その際の処理容器１００内の条件は、圧力２０ｍＴｏｒｒ、処理ガスＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝６０／４００／２０ｓｃｃｍとし、プラズマ生成用の高周波電力を１００ＭＨ／１０００Ｗ、バイアス制御用の高周波電力を３ＭＨｚ／５５００Ｗとした。

図１１の四角◇のマークＥｆ１は、導電体層１１０の疎密のパターンにおける各櫛歯の先端までの距離ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３を、それぞれ４０ｍｍ、７５ｍｍ、１００ｍｍとした場合の電界強度分布を示している。四角□のマークＥｆ２は、ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３を、それぞれ４０ｍｍ、７５ｍｍ、１００ｍｍとする点でＥｆ１とは同様であるが、導電体層１１０の疎密のパターンに、導電体層１１０の面積が連続的に変化するトランジション部を形成した場合の電界強度分布を示している。

トランジション部は、例えば図１２に示すように、導電体層１１０と当該導電体層１１０の疎密のパターンの境界、換言すれば、誘電体の上部基材１０５ａと導電体層１１０との境界に形成されている。このトランジション部は、上部電極１０５の内側から外側に向かって導電体層１１０が連続的に蜜になるように形成されており、例えば図１２に示すように、導電体層１１０の疎密のパターンの最外部の領域Ｘにおいて導電体層１１０の櫛歯の幅が徐々に広がるように形成されている。この際、導電体層１１０の疎密のパターンと導電体層１１０との境界は、下部電極２１０に載置されるウエハＷの外端部よりも内側に位置している。すなわち、上部電極１０５の中心から導電体層１１０の疎密のパターンの外周端部までの距離は、ウエハＷの半径よりも小さい。

図１１に示すように、櫛歯のみのパターンにおける電界強度Ｅｆ１の分布は、ウエハＷの外周端部近傍において急峻な電界強度のピークが存在する。一方、トランジション部を有する電界強度Ｅｆ２の分布は、ウエハＷの外周端部近傍での電界強度が低下し、より均一性が高まっている。この結果から、電界強度分布を均一にし、ばらつきのない良好なエッチングレートを確保するためには、導電体層１１０と当該導電体層１１０の疎密のパターンの境界にトランジション部を設けることが好ましい。また、トランジション部の外周端部は、ウエハＷの外周端部よりも内側に位置していることが好ましい。なお、本実施の形態におけるトランジション部は、疎密のパターンの境界に三角形状に形成したが、導電体層１１０の比率が連続的に変化するものであれば、その形状は任意に設定が可能であり、本実施の形態に限定されるものではない。

（パターン評価５）
次に、発明者は、導電体層１１０の有無によるエッチングレートへの影響について調べた。エッチングの条件は、処理容器１００内の条件が圧力２０ｍＴｏｒｒ、処理ガスＯ２＝２００ｓｃｃｍとし、プラズマ生成用の高周波電力を１００ＭＨ／１０００Ｗとし、ウエハＷ上に形成されたレジスト膜をエッチングした。その結果を図１３に示す。

図１３の四角のマークFlatUELは、導電体層が設けられていない、既述のフラットな基材の上部電極９０５を用いた場合のエッチングレートを示し、三角のマークＥｇ１は、トランジション部を有する上部電極１０５を用いた場合のエッチングレートを示す。トランジション部を有する導電体層１１０の疎密のパターンにおける各櫛歯の先端までの距離ＧＲ１、ＧＲ２、ＧＲ３は、それぞれ４０ｍｍ、７５ｍｍ、１００ｍｍとし、図１１のＥｆ２の場合と同様に、トランジション部の外周端部をウエハＷの外周端部よりも内側に位置させた場合の電界強度分布を示している。

図１３に示すように、導電体層が設けられていない場合（FlatUEL）は、中心部のエッチングレートが外周部のエッチングレートより高くなる。その一方、疎密のパターンの導電体層１１０を設けた場合、中心部のエッチングレートがFlatUELの場合と比較して低下し、良好な均一性が得られる。この結果から、上部電極１０５に櫛歯のパターンを設けることで、エッチングレートの分布についても、上記テーパ状の誘電体を埋め込んだ場合と同様の効果を得られることが確認された。

なお、発明者によれば、均一な電界分布及びエッチングレートを得るためには、各櫛歯の先端までの距離は、ＧＲ１が３５〜５０ｍｍ、ＧＲ２が６０〜９０ｍｍ、ＧＲ３が１００〜１２５ｍｍとすることが好ましく、トランジション部を設ける場合は、ＧＲ０を１４０〜１４５ｍｍとし、領域Ｘの長さを１５〜２０ｍｍとすることが好ましい。さらには、トランジション部における導電体層１１０と上部基材１０５ａとの平均の比率を、４０％〜６０％のとすることが好ましい。

（ギャップによる影響）
次に、発明者は、図５（ａ）に示したパターンに対して、その電界強度分布のギャップによる影響を調べた。図５（ａ）に示した疎密のパターンは、１本の幅が１°の６４本の櫛歯が、外周部の内周面側から３６０°等間隔に内側に向けて放射状に設けられているものである。

図１４は、図５（ａ）の導電体層１１０を有する上部電極１０５を用いた場合のウエハ中心からの距離ｒ（ｍｍ）に対する電界強度Ｅ(a.u.)を示す。ただし、図１４に示した電界強度Ｅ／Ｅ０は、ウエハ中心の値で規格化されている。また、上部電極１０５と下部電極２１０とのギャップは、三角のマークが１０（ｍｍ）、×のマークが３０（ｍｍ）、アスタリスクのマークが５０（ｍｍ）を示す。

これによれば、ギャップが３０（ｍｍ）及び５０（ｍｍ）の場合、周方向のバラツキが小さい。これに対して、ギャップが１０（ｍｍ）の場合、周方向にグラフに示すような幅のバラツキを持っている。このようにギャップが１０（ｍｍ）の場合には、周方向のバラツキが顕著になる。通常のエッチング処理装置では、ギャップは２０〜５０ｍｍ程度であるため、１本の幅が１°の６４本の櫛歯のパターンであれば、電界強度分布の均一性は十分得られることが証明された。また、電極間の距離が短くなるほど、電極の更なる細分化が必要となる。

（変形例）
図１５は、導電体層１１０の有するパターンの変形例を示す。図１５（ａ）には、上部電極１０５の外側から内側に向けて三日月状に突出するパターンが示されている。三日月状の突出部分は、同じ方向に向いていても良く、対称性を持って異なる方向に向いていてもよい。ここでは、最も長い櫛歯、最も短い櫛歯、中間の長さの櫛歯、最も短い櫛歯、最も長い櫛歯の順に配置されている。これによっても、上部電極１０５の外側が内側より密になるように導電体層１１０の疎密パターンを形成することができる。

図１５（ｂ）には、上部電極１０５の外側から内側に向けて突出する櫛歯状に類似するパターンが示されている。このパターンには対称性がある。また、このパターンでも、最も長い櫛歯、最も短い櫛歯、中間の長さの櫛歯、最も短い櫛歯、最も長い櫛歯の順に配置されている。これによっても、上部電極１０５の外側が内側より密になるように導電体層１１０の疎密パターンを形成することができる。

図１５（ｃ）も、図１５（ｂ）の更なる変形例である。このパターンにも対称性がある。また、このパターンでも、最も長い櫛歯、最も短い櫛歯、中間の長さの櫛歯、最も短い櫛歯、最も長い櫛歯の順に配置されている。これによっても、上部電極１０５の外側が内側より密になるように導電体層１１０の疎密パターンを形成することができる。

図１５（ｄ）には、上部電極１０５の外側から内側に向けて開口するパターンが示されている。開口径は、上部電極１０５の外側から内側に向けて大きくなっている。これによっても、上部電極１０５の外側が内側より密になるように導電体層１１０の疎密パターンを形成することができる。また、導体が存在しない開口の数に疎密をもたせることで、導電体層１１０の疎密パターンを形成することもできる。

以上に説明したように、本実施形態及びその変形例によれば、上部電極１０５は、誘電体から形成された基材１０５ａと、基材１０５ａの下部電極２１０側の表面に形成された導電体層１１０とを有する。導電体層１１０には、上部電極１０５の外側が内側より密になるように疎密のパターンが形成されている。このため、上部電極１０５と上部電極１０５とプラズマの間に生成されるシースとの合成キャパシタは、上部電極１０５の外側では内側より大きくなる。これにより、テーパ状に形成された誘電体を上部電極１０５に埋設したこと場合と同様に、プラズマの均一性をより高めることができる。また、テーパ状の誘電体を上部電極１０５に埋設した場合より高精度に電界（電位）分布の制御が出来き、均一なプラズマを形成することが可能である。

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説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、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、そ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、導電体層１１０のパターンは上記例に限られず、櫛歯状の歯の本数、当該歯の長さ及び当該歯間の幅の少なくともいずれかにより疎密のパターンを形成することができる。

また、上部電極の基材は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかから形成されてもよい。導電体層は、アルミニウム（Ａｌ）でもよく、タングステン（Ｗ）でもよい。

また、導電体層及び保護層は、すべて溶射法で形成することにより製造コストを低減することができる。例えば、導電体層は、基材に所定のマスキングを施した後、１００μｍ程度の厚さのアルミニウムのパターンを溶射することにより形成できる。しかしながら、導電体層及び保護層は、これに限らず、ＣＶＤやメタライズにより形成してもよい。なお、保護層を５ｍｍ厚程度の板材で形成し、同等に機能させることも可能である。

また、プラズマ生成用の高周波電源に印加される高周波電力は、最適な設定で用いることが出来、例えば４０ＭＨｚ以上であればよい。

また、被処理体は、いずれのサイズのシリコンウエハにも適用できる。

１０ プラズマエッチング装置
１００ 処理容器
１０５ 上部電極
１０５ａ 基材
１１０ 導電体層
１１５ 保護層
２１０ 下部電極
Ｅ 電界強度

Claims (14)

1. 平行平板型のプラズマ処理装置用の電極であって、
   所望の誘電体から形成された基材と、
   前記基材の表面のうち、少なくとも前記プラズマ処理装置の処理空間側の表面の外周部全体を覆うように形成された導電体層と、を備え、
   前記基材の前記処理空間側の表面における前記外周部の内側領域は、少なくとも２つ以上の同心円状の領域に分かれ、
   前記導電体層は、当該２つ以上の領域の中心部側に向けて徐々に疎になるように疎密のパターンを有することを特徴とする電極。
2. 平行平板型のプラズマ処理装置用の電極であって、
   所望の誘電体から形成された基材と、
   前記基材の表面のうち、少なくとも前記プラズマ処理装置の処理空間側の表面の一部に形成された導電体層と、を備え、
   前記導電体層は、前記処理空間側の表面の外側領域が内側領域より密になるように疎密のパターンを有し、
   前記導電体層は、前記電極の外側から内側に向けて突出する櫛歯状のパターン、前記電極の外側から内側に向けて突出する三日月状のパターン、前記電極の外側から内側に向けて開口するパターンのいずれかの疎密のパターンを有することを特徴とする、電極。
3. 前記電極は、平行平板型のプラズマ処理装置の下部電極に対向して配置された上部電極であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の電極。
4. 前記導電体層の疎密のパターンと当該導電体層との境界は、前記下部電極に載置されるウエハの外端部より内側に位置していることを特徴とする、請求項３に記載の電極。
5. 平行平板型のプラズマ処理装置用の電極であって、
   所望の誘電体から形成された基材と、
   前記基材の表面のうち、少なくとも前記プラズマ処理装置の処理空間側の表面の一部に形成された導電体層と、を備え、
   前記導電体層は、前記処理空間側の表面の外側領域が内側領域より密になるように疎密のパターンを有し、
   前記電極は、平行平板型のプラズマ処理装置の下部電極に対向して配置された上部電極であり、
   前記導電体層の疎密のパターンと当該導電体層との境界は、前記下部電極に載置されるウエハの外端部より内側に位置しており、
   前記導電体層と当該導電体層の疎密のパターンの境界には、前記電極の内側から外側に向かって前記導電体層が連続的に密になる、トランジション部が形成されていることを特徴とする、電極。
6. 前記導電体層は、グラウンド電位であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電極。
7. 前記導電体層は、前記櫛歯状の歯の本数、当該歯の長さ及び当該歯間の幅の少なくともいずれかにより疎密のパターンを形成することを特徴とする請求項２に記載の電極。
8. 前記疎密のパターンは、少なくとも異なる３種類の長さの前記櫛歯状の歯により形成され、前記電極の中心から最も長い櫛歯の先端までの距離は３５〜５０ｍｍ、前記電極の中心から中間の長さの櫛歯の先端までの距離は６０〜９０ｍｍ、前記電極の中心から最も短い櫛歯の先端までの距離は１００〜１２５ｍｍであることを特徴とする、請求項７に記載の電極。
9. 前記基材は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかから形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電極。
10. 前記基材と、前記導電体層とを覆う保護層を更に備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の電極。
11. 前記電極の基材は、複数のガス導入管が貫通することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電極。
12. 第１の電極と第２の電極とが対向して配置されたプラズマ処理装置であって、
    前記第１の電極は、
    所望の誘電体から形成された基材と、
    前記基材の表面のうち、少なくとも前記第２の電極側の表面の外周部全体を覆って形成された導電体層と、を備え、
    前記基材の前記第２の電極側の表面における前記外周部の内側領域は、少なくとも２つ以上の同心円状の領域に分かれ、
    前記導電体層は、当該２つ以上の領域の中心部側に向けて徐々に疎になるように疎密のパターンを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
13. 前記プラズマ処理装置は、上部電極と下部電極が対向して配置された平行平板型のプラズマ処理装置であり、
    前記第１の電極は前記上部電極であり、
    前記第２の電極は前記下部電極であることを特徴とする、請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記基材は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のいずれかから形成されていることを特徴とする請求項１２または１３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
    

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