JP4902941B2 - 半導体ワークピースを処理するためのプラズマリアクタ - Google Patents

Description

本発明は、半導体ワークピースを処理するためのプラズマリアクタに関する。

（関連出願）
本願は、Daniel Hoffman他により2000年3月7日に出願され、本譲渡人に譲渡された米国出願第09/527,342号「プラズマに同調したオーバヘッドＲＦ電極を有するプラズマリアクタ」の一分継続出願である。

ＲＦプラズマリアクタは、半導体ウエハを処理するために用いられ、マイクロエレクトロニクス回路を製造する。このリアクタは、処理される半導体を含むチャンバ内にプラズマを形成する。プラズマは、チャンバに誘導的かまたは容量的に結合されたＲＦプラズマソース電力の適用によって形成され、また維持される。ＲＦソース電力のチャンバへの容量性結合のために、オーバヘッド電極（ウエハに面している）にＲＦソース電極発生器によってエネルギーが供給される。

このようなリアクタの一つの問題点は、ＲＦ発生器の出力インピーダンス、一般には50オームが電極とプラズマの組み合わせによって存在する付加インピーダンスに整合されなければならないことである。さもないと、プラズマチャンバに供給されるＲＦ電力の量がプラズマの負荷インピーダンスにおける変動と共に変動し、その結果、あるプロセスパラメータ、例えばプラズマ密度が必要とされる範囲内に保たれない。このプラズマの付加インピーダンスは、処理が進行するに従って動的に変わる傾向があるリアクタチャンバ内の状態に依存するので、それは処理中に変動する。

誘電体または金属のエッチングプロセスのための最適なプラズマ密度で、負荷インピーダンスは、ＲＦ発生器の出力インピーダンスと比較して非常に小さく、処理中に著しく変わる。従って、発生器と負荷の間でインピーダンス整合(インピーダンス整合)を能動的に維持するために、インピーダンス整合回路が用いられなければならない。このような能動的なインピーダンス整合は、可変リアクタンス及び/または可変周波数のいずれかを使用する。このようなインピーダンス整合回路についての一つの問題点は、それらがプラズマ負荷インピーダンスにおける急激な変化に従うように充分俊敏でなければならず、従って、比較的高価で、それらの複雑さによりシステムの信頼性を減少することである。

他の問題点は、整合(マッチング)回路がインピーダンス整合（“整合スペース”）を与えることができる負荷インピーダンスの範囲が制限されることである。この整合スペースはシステムのＱに関連する。ここで、Ｑ=Δｆ/ｆ、ｆはシステムの共振周波数、Δｆは、共振振幅がｆにおけるピークの共振振幅の６ｄＢ以内であるｆのいずれかの側におけるバンド幅である。一般的なＲＦ発生器は、プラズマインピーダンスが変動するに従って、まさにより多くのＲＦ電力が発生器に反射して戻っても、ホワード（前進）電力をほぼ一定のレベルに維持する、限られた能力を有する。

一般に、これは、そのホワード電力レベルをサーボ機構で制御する発生器によって行なわれ、その結果、インピーダンスのミス整合が増加するに従って、発生器は、そのホワード電力レベルを増加する。勿論、この能力は、発生器が発生することができる最大ホワード電力によって制限される。一般に、発生器は、３：１より多くない前進波電圧と反射波電圧の最大比（すなわち、電圧定在波比：VSWR）を扱うことができる。もし、ＶＳＷＲが３：１を超えるようにインピーダンスの相違（例えば、処理中にプラズマインピーダンスの変動による）が増加するならば、ＲＦ発生器は、最早供給される電力を制御することができないで、プラズマについての制御は失われる。

結果として、プロセスは、多分失敗するであろう。従って、少なくとも近似のインピーダンス整合は、ＲＦ発生器と、コイルアンテナ及びチャンバの組み合わせによって発生器に生じる負荷との間で維持されなければならない。この近似のインピーダンス整合は、プアラズマインピーダンスの変動の全く予期される範囲にわたって、発生器出力におけるＶＳＷＲを３：１のＶＳＷＲ内に保つのに十分でなければならない。インピーダンス整合スペースは、一般に、整合回路が発生器出力におけるＶＳＷＲを３：１またはそれより小さく維持することができる負荷インピーダンス範囲である。

関連する問題点は、負荷インピーダンス自体がプロセスパラメータ、例えばチャンバ圧力、プラズマソース電力レベル、ソース電力周波数、及びプラズマ密度に非常に敏感であることである。これは、プラズマリアクタが受け入れることができないインピーダンスミス整合を避け、または整合スペースの外側に負荷インピーダンスをとる変動を避けるために動作されなければならないこれらのプロセスパラメータの範囲を制限する。同様に、比較的狭いプロセスウインドウ及びプロセス使用、または多くのプロセス応用を扱うことができるものの外側で動作することができるリアクタを提供することは困難である。

他の関連した問題点は、負荷インピーダンスがリアクタ自身の構成、例えばリアクタ内のある機械的形状の大きさやある材料の導電率または誘電率によっても影響される。（これらの構成上の項目は、リアクタの電気的特性、例えば負荷インピーダンスに影響を及ぼすストレー容量に影響する。）これは、材料における製造許容や変化により同じ設計の異なるリアクタ間で均一性を保つことを困難にする。結果として、高いシステムＱ及びそれに対応して小さなインピーダンス整合スペースについて、同じプロセスウインドウを示し、または同じ性能を与える同じ設計の２つのリアクタを製造することが困難である。

他の問題点は、ＲＦ電源の能率の悪い使用である。プラズマリアクタは、プラズマに供給される電力量がＲＦ発生器によって生成される電力より著しく小さくなる傾向にあるという点で非能率的であることが知られている。結果として、実際にプラズマに供給されるものを超えて電力を生成するために、発生器の能力における追加の費用、及び信頼性に対するトレードオフを蒙らなければならない。

この明細書は、一般に、ＨＦ電源以外のＶＨＦプラズマソース電力のＲＦ電源によって駆動されるオーバヘッド電極を有する容量結合されたリアクタに関する。発明者は、ＨＦ周波数と違って、ＶＨＦソース電力周波数で、プラズマと共振するオーバヘッド電極に同調することが実用的であり、得難い安定性、効率及び他の多くの利点を導くことを発見した。

プロセスガスを容量結合されたプラズマリアクタに供給する、優れた方法は、上部にある天井を通してプロセスガスを注入することである。本リアクタにおいて、上部にある天井は、同軸スタッブまたは同等なインピーダンス整合素子を介してＶＨＦのＲＦ電力発生器に結合されるソース電力電極である。この天井からプロセスガスを注入するために、天井の電極は、“シャワーヘッド”であり、導電性の層は、プロセスガスを注入するために、そこを通る小さなガスの注入ポート（口）のセットを有している。

幾つかの例において、プラズマ放電すなわち“アーク”が天井のガス注入ポート内に生じる傾向がある。これは、ガス注入ポートの内部表面からオーバヘッド電極すなわちシャワーヘッドの材料を除去するプラズマ放電の危険性を生む。従って、プラズマへ導入される種、例えば金属種は、ウエハまたはワークピースの表面を汚染し、その上に製造されるマイクロエレクトロニクスのデバイスを損傷する。

従って、ＶＨＦプラズマソースのＲＦ電源に接続されたオーバヘッド電極とガス分配シャワーヘッドの組み合わせを有するプアラズマリアクタにおいて、特にガス注入ポート内に（またはバルクプラズマの外部のどこかに）プラズマを点弧する傾向を減少または除去することが望まれる。

オーバヘッド電極は、特にそれがバイアス電力用のアノード及びソース電力用の可塑ーその両方であり、従って、ＲＦとＤＣ電流を受ける必要があるので、プラズマとの接触していることから磨耗を受ける。もし、オーバヘッド電極を通して直接これらの電流を流すのを避け、またはプラズマの電極との直接的な接触を避ける方法が見つけられるならば、リアクタを動作するコストは減少されるであろう。

プラズマリアクタにおいてしばしば見つかる問題は、プラズマシース内の第２及び第３高調波の発生である。本リアクタにおいて、プラズマＶＨＦソース電力がオーバヘッド電極に印加されるが、一方プラズマバイアス電力がウエハの支持ペデスタル上にＨＦ信号によって印加される。ＨＦ周波数でＲＦ電力の殆どがシース内で消費され、残りがバルクプラズマを維持する。プラズマシースは、非直線性の負荷であり、従って、ウエハの支持ペデスタルに印加されるＨＦバイアス信号の第２及び/又は第３高調波を形成する。

プロセス性能がこれらの高調波の存在で害されるような方法で、これらの高調波の存在は、プラズマの振舞いを変化させる。特に、エッチング停止又はオーバエッチングを避けるプロセス制御がより困難になり、エッチング速度が減少される。プラズマに影響を及ぼすこれらの高調波の生成を減少することが望ましい。

本リアクタにおいて、同軸同調スタッブの長さがＶＨＦソース電力信号の波長に関連される同軸同調スタッブがリアクタの残りの部分より大きなフットプリントを有することができる。従って、同軸同調スタッブのいずれの利点を犠牲にすることなくこのフットプリントを減少することができることは利点である。

半導体ワークピースを処理するためのプラズマリアクタは、チャンバ壁を有し、半導体ワークピースを支持するワークピース支持体、ワークピース支持体の上方にあるオーバヘッド電極、チャンバ壁の一部を有する電極、ＲＦ発生器の周波数で電力をオーバヘッド電極に供給し、所望のプラズマイオン密度レベルでチャンバ内にプラズマを維持することができるＲＦ電力発生器を含むリアクタチャンバを有する。

オーバヘッド電極は、オーバヘッド電極と所望のプラズマイオン密度でチャンバ内に形成されるプラズマが電極−プラズマ共振周波数で共に共振するような容量を有し、そして発生器の周波数は、少なくとも電極−プラズマ共振周波数の少なくとも近くにある。更に、リアクタは、ワークピース支持体に面しているオーバヘッド電極の面上に形成される絶縁層、ＲＦ電力発生器とオーバヘッド電極間の容量性絶縁層、及びワークピースの支持体から離れて面しているオーバヘッド電極の表面上にあり、接している金属フォーム層を有する。

この絶縁層は、ガス注入ポート（口）内でアークが発生するのを抑制するのに充分な容量を与え、この容量性絶縁層は、チャンバ内のプラズマからのＤＣ電流がオーバヘッド電極を通して流れるのを阻止するのに充分な容量を有し、且つ金属フォーム層は、ガス注入オリフィス内の軸電界を抑制する充分な厚さである。

図１を参照すると、プラズマリアクタは、半導体上は１１０を支持する、チャンバの底部にあるウエハ支持体１０５を有するリアクタチャンバ１００を含む。半導体リング１１５がウエハ１１０を囲んでいる。この半導体リング１１５は、誘電体（クォーツ）リング１２０によって接地されたチャンバ本体１２７上に支持される。

一つの実施例において、これは１０ｍｍの厚さ及び４の誘電率である。チャンバ１００は、誘電体（クォーツ）のシールによって接地されたチャンバ本体１２７上にウエハ１１０の上に所定のギャップ長で支持されるディスク形状のオーバヘッドアルミニウム電極によって上部が閉ざされている。このオーバヘッド電極１２５はその内部表面上に半金属材料（例えば、Ｓｉ又はＳｉＣ）で覆われることができる金属（例えば、アルミニウム）であっても良し、又は、それ自体半金属材料であることもできる。

ＲＦ発生器１５０は、ＲＦ電力を電極１２５に印加する。発生器１５０からのＲＦ電力は、発生器１５０に整合した同軸ケーブル１６２を通して、電極１２５に接続された同軸スタッブ１３５に結合される。スタッブ１３５は、以下に詳しく説明されるように、特性インピーダンス、共振周波数を有し、電極１２５と、５０Ωの同軸ケーブル１６２またはＲＦ電力発生器１５０の５０Ω出力間にインピーダンス整合を与える。

チャンバ本体は、ＲＦ発生器１５０のＲＦの帰路（ＲＦリターン）（ＲＦ接地）に接続される。オーバヘッド電極１２５からＲＦ接地までのＲＦ通路は、半導体リング１１５、誘電体リング１２０及び誘電体シール１３０によって影響を受ける。ウエハ支持体１０５、ウエハ１１０及び半導体リング１１５は、電極１２５に印加されるＲＦ電力に対して主なＲＦキロを提供する。

電極１２５を含むオーバヘッドアッセンブリ１２６の容量、誘電体リング１２０及びＲＦリターン、すなわちＲＦ接地に関して測定された誘電体シール１３０は、１８０ピコファラッド（ｐＦ）であることができる。電極アッセンブリの容量は、電極の面積、ギャップ長（ウエハ支持体とオーバヘッド電極間の距離）によって、及びストレー容量（浮遊容量）に影響を及ぼすファクタ、特にシール１３０の、及び用いられた材料の誘電率及び厚さによって影響される誘電体リング１２０の誘電体の値によって影響される。より一般的には、電極アッセンブリ（符号のない数、すなわちスカラー）の容量は、以下に説明される特定のソース電力周波数、プラズマ密度、及び動作圧力でプラズマの負の容量（複素数）に大きさが等しいか、ほぼ等しい。

先の関係に影響を及ぼすファクタの多くは、リアクタ、ウエハのサイズ、及び処理がウエハ上で一様に行なわれる要件によって行なわれる必要があるプラズマプロセス要件の実現性によって大部分予め決められる。従って、プラズマ容量は、プラズマ密度及びソース電力周波数の関数であり、一方電極容量は、ウエハの指示と電極のギャップ（高さ）、電極の直径、及びアッセンブリ絶縁体の誘電値の関数である。

プラズマ密度、ギャップ、及び電極の直径は、リアクタによって行なわれるプラズプロセスの要件を満足しなければならない。特に、イオン密度は、ある範囲内になければならない。例えば、シリコン及び誘電体のプラズマエッチンプロセスは、一般に、１０⁹-１０¹²イオン/ccの範囲内にあるプラズマイオン密度を必要とする。ウエハと電極のギャップは、例えば、ギャップが約２インチ（５.０８センチ）ならば、８インチ（２０.３２センチ）ウエハに対して最適なプラズマイオン分布の均一性を提供する。もし、ウエハの直径より大きなくならば、電極の直径は少なくともウエハの直径と同程度の大きさである。同様に、動作圧力は、代表的なエッチング及び他のプラズマプロセスに対して実用的な範囲を有している。

しかし、上の関係を達成するために選ぶことができる他のファクタ、特にソース周波数の選択及びオーバヘッド電極アッセンブリ１２６に対する容量の選択、が残っていることが判った。電極に課せられる前述の大きさの制約及びプラズマに制約（例えば、密度の範囲）内で、電極の容量は、ソース電力周波数がＶＨＦ周波数であるように選択されるならば、及び電極アッセンブリ１２６の絶縁体素子の誘電体値が正しく選択されるならば、プラズマの負の容量の大きさに整合されることができる。この選択は、ソース電力周波数とプラズマ−電極共振周波数間の整合またはほぼ整合を達成することができる。

従って、一つの特徴において、８インチ(２０.３２センチ)ウエハに対して、オーバヘッド電極の直径は、約１１インチ(２７.９４センチ)であり、シール１３０に対する誘電体材料は、９の誘電率と１インチ(２.５４センチ)オーダの厚さを有し、リング１１５は、１０インチ(２５.４センチ)を僅かに越える内径を有し、リング１２０は４の誘電率と１０ｍｍオーダの厚さを有し、ＶＨＦソース電力周波数は、２１０ＭＨｚ(他のＶＨＦソース電力周波数は等しく効果的であるけれども)、及びソース電力周波数、プラズマ電極共振周波数及びスタッブ共振周波数は、全て整合されるか、またはほぼ整合される。

特に、これら３つの周波数は、システムのＱを有利に減少する離調(デチューニング)効果を達成するために互いに僅かにずらされ（オフセットされ）ている。すなわち、ソース電力周波数は２１０ＭＨz、電極-プラズマ共振周波数は、約２００ＭＨz、そしてスタッブ周波数は、約２２０ＭＨzである。このようなシステムのＱの減少は、リアクタ性能をチャンバ内部の状態の変化に影響を受けないようにし、その結果、全体のプロセスは、非常に安定し、はるかに広いプロセスウインドウにわたって達成される。

同軸スタッブ１３５は、全体のシステムの安定性、その広いプロセスウインドウの能力ばかりでなく、他の多くの有益な利点に更に貢献する特に設定された設計である。それは円筒状の内部導体１４０と同心円筒状の外部導体１４５を有する。例えば、１の相対誘電率を有する絶縁体１４７(図１においてクロスハッチによって示されている)が内部導体１４０と外部導体１４５との間のスペースを満たしている。内部導体１４０と外部導体１４５は、ニッケル被膜されたアルミニウムから作られている。外部導体１４５は約４インチ(約１０.１６センチ)の直径を有し、内部導体１４０は約１.５インチ(約３.８１センチ)の直径を有する。

スタッブの特性インピーダンスは、内部と外部の導体１４０、１４５の半径及び絶縁体１４７の誘電率によって決まる。一つの実施例のスタッブ１３５は、６５の特性インピーダンスを有する。より一般的には、スタッブの特性インピーダンスは、約２０％〜４０％、及び約３０％だけソース電力の出力インピーダンスを超えている。スタッブ１３５は、２１０ＭＨzのＶＨＦソース電力周波数から僅かにオフセットされているけれども、ほぼ整合する２２０ＭＨｚの近傍で共振するために、約２９インチ（約７３.６６センチ）（２２０ＭＨzで１/４波長）の軸長を有する。

以下に説明されるように、ＲＦ発生器１５０からスタッブ１３５へＲＦ電力を印加するために、スタッブ１３５の軸長に沿った特定の点にタップ１６０が設けられる。発生器１５０のＲＦ電力の端子１５０ｂとＲＦのリターン端子１５０ａがスタッブ１３５上のタップ１６０において内部と外部導体１４０、１４５にそれぞれ接続される。これらの接続は、よく知られた方法で、発生器１５０の出力インピーダンス（一般に、５０）と整合する特性インピーダンスを有する発生器−スタッブ同軸ケーブル１６２を介して行なわれる。

スタッブ１３５の遠端部１３５ａにある終端導体１６５が内部と外部導体１４０、１４５を共に短絡するので、スタッブ１３５はその遠端部１３５ａにおいて短絡される。スタッブ１３５の近端部（短絡されない端部）において、外部導体１４５は、環状導体のハウジングすなわち支持体１７５を介してチャンバ本体に接続され、一方内部導体１４０は、導電性シリンダーすなわち支持体１７６を介して電極１２５の中央に接続される。誘電体リング１８０は、導電性シリンダー１７６と電極１２５間に保持されそれらを分離する。

内部導体１４０は、例えばプロセスガス及び冷却液のようなユーティリティ用の導管を備えることができる。この形状の主な利点は、一般的なプラズマリアクタと異なって、ガスライン１７０と冷却液ライン１７３が大きな電位差を横切らないことである。従って、このような目的のため、それらは、金属、すなわち安価で、信頼のある材料から構成されることができる。金属のガスライン１７０は、オーバヘッド電極１２５においてまたはその近傍においてガス入口１７２に供給し、一方、金属の冷却液ライン１７３は、オーバヘッド電極内の冷却液通路すなわちジャケット１７４に供給する。

能動的な、共振インピーダンス変換がＲＦ発生器１５０とオーバヘッド電極アッセンブリ１２６間にこの特に構成されたスタッブ整合によって与えられ、プラズマ負荷を処理し、反射電力を最小にし、負荷インピーダンスにおける広い変化を収容する非常に広いインピーダンス整合スペースを提供する。その結果、電力の使用中に以前では得られることができない効率と共に、広いプロセスウインドウとプロセスの柔軟性が得られ、一方では一般的なインピーダンス整合装置に対する必要性を最小または避けることができる。上述のように、スタブの共振周波数は、理想的な整合からオフセットされ、更に全体システムのＱ、システムの安定性、及びプロセスウインドウとマルチプロセスの能力を増す。

電極−プラズマ共振周波数及びＶＨＦソース電力周波数の整合
先に概略説明したように、主な特徴は、電極−プラズマ共振周波数においてプラズマと共振するために、またソース電力周波数と電極−プラズマ周波数を整合するために、オーバヘッド電極アッセンブリ１２６を構成することである。電極アッセンブリ１２６は、優勢な容量性リアクタンスを有し、一方プラズマリアクタンスは、周波数、プラズマ密度及び他のパラメータの複素関数である。（以下に詳細に説明されるように、プラズマは、虚数項を含む複素関数であり、一般に負の容量に相当するリアクタンスに関して解析される。）

電極−プラズマ共振周波数は、電極アッセンブリ１２６の及びプラズマのリアクタンスによって決められる（キャパシタ及びインダクタのリアクタンスによって決められるキャパシタ/インダクタ共振回路の共振周波数と類似している）。従って、電極-プラズマ共振周波数は、ソース電力周波数である必要はなく、それがプラズマ密度に依存するように依存する。従って、問題は、実際上の制約をプラズマ密度及び電極の大きさに与えるならば、プラズマリアクタンスは、電極-プラズマ共振周波数がソース電力周波数に等しいか、ほぼ等しいものであるソース電力周波数を見出すことである。問題は、プラズマ密度（プラズマリアクタンスに影響を及ぼす）及び電極の大きさ（電極の容量に影響を及ぼす）があるプロセスの制約に合致しなければならないので、更に困難である。

特に、誘電体及び金属のプラズマエッチングプロセスに対して、プラズマ密度は、プラズマリアクタンスについての制約である１０⁹〜１０¹²イオン/ccの範囲内になければならない。更に、例えば８インチ直径のウエハを処理するためのより均一なプラズマイオン密度分布が、電極容量についての制約である約２インチのウエハと電極のギャップすなわち高さ及びウエハの直径程度、またはそれより大きい電極直径によって実現される。一方、１２インチ（３０.４８センチ）のウエハを処理するために異なるギャップ長を使用することができる。

従って、本発明の一つの特徴として、電極容量をプラズマの負の容量の大きさに整合する（またはほぼ整合する）ことによって、電極-プラズマ共振周波数及びソース電極周波数は少なくともほぼ整合される。上に列挙された、共通の金属及び誘電体のエッチングプロセス条件（すなわち、１０⁹〜１０¹²イオン/cc間のプラズマ密度、２インチのギャップ及びほぼ１１インチ程度の電極直径）に対して、ソース電力周波数がＶＨＦであれば、整合が可能である。他の条件（例えば、異なるウエハの直径、異なるプラズマ密度など）は、リアクタのこの特徴を達成するこのような整合を実現するために、異なる周波数範囲を決める。

以下に説明されるように、誘電体及び金属のプラズマエッチング及び化学気相堆積を含む幾つかの主な応用において、８インチウエハを処理するための好適なプラズマ処理状態の下で、上述したプラズマ密度を有する一つの代表的な動作例におけるプラズマ容量は、−５０〜−４００ピコファラッド（ｐＦ）の間であった。動作の実施例において、オーバヘッド電極アッセンブリ１２６の容量は、１１インチの電極直径、約２インチのギャップ（電極とペデスタルの間隔）を用い、９の誘電率を有するシール１３０のための誘電材料、１インチ（２.５４センチ）程度の厚さ、４の誘電率及び１０ｍｍ程度の厚さを有するリング１２０のための誘電材料を選択することによって、この負のプラズマ容量の大きさに整合された。

電極アッセンブリとプラズマの組み合わせは、いま説明したそれらの容量の整合を仮定して、電極１２５に印加されたソース電力周波数に少なくともほぼ整合する電極-プラズマ共振周波数で共振する。我々は、好適なエッチングプラズマ処理のレシピ、環境及びプラズマに対して、この電極-プラズマ共振周波数及びソース電極周波数は、ＶＨＦ周波数で整合またはホト整合されること；及びこのような周波数整合または近似の整合が実現されることは非常に有利であることを発見した。

先の実施例において、プラズマの負の容量の前述の値に相当する電極-プラズマ共振周波数は、以下に説明されるように、ほぼ２００ＭＨzである。ソース電力周波数は、２１０ＭＨzすなわち、以下に説明される他の利点を実現するために電極-プラズマ共振周波数の僅か上に、ソース電力周波数がオフセットされる近似の整合である。

プラズマ容量は、他の事項、すなわちプラズマ電子密度間の関数である。これは、良好なプラズマ処理状態を提供するために、ほぼ１０⁹〜１０¹²イオン/ccの範囲に保たれる必要があるプラズマイオン密度と関係する。この密度は、ソース電力周波数及び他のパラメータと共に、プラズマの負の容量を決定し、従って、その選択は、更に以下に説明されるようにプラズマ処理状態を最適にする必要性によって制約される。

しかし、オーバヘッド電極アッセンブリの容量は、多くの物理的なファクタ、例えば、ギャップ長（電極１２５とウエハの間隔）；電極１２５の面積；電極１２５と接地されたチャンバ本体１２７間の誘電体シール１３０の誘電率の選択；半導体リング１１５とチャンバ本体間の誘電体リング１２０のための誘電率の選択；及びシール１３０とリング１２０の誘電体構造の厚さやリング１８０の厚さや誘電率によって影響される。

これは、オーバヘッド電極に影響を及ぼすこれらの、及び他の物理的ファクタ間でなされる選択を通して電極アッセンブリの容量のある程度の調整を可能にする。我々は、この調整の範囲は、オーバヘッド電極アッセンブリの容量と負のプラズマ容量の大きさとの整合の必要な程度を達成するのに十分であることを発見した。特に、シール１３０とリング１２０に対する誘電材料と大きさは、所望の誘電率と生じる誘電体の値を与えるように選択される。

電極容量とプラズマ容量を整合することは、電極容量、特にギャプ長に影響する同じ物理的ファクタのいくつかが決められ、または以下の実際的可能性：大きな直径のウエハを扱うこと；ウエハの全直径にわたってプラズマイオン密度の分布の良好な均一性で奏すること；及びイオン密度とイオンエネルギーの良好な制御を有する必要性；によって制限されるであろうという事実にもかかわらず達成することができる。

よって、プラズマエッチングプロセスに好適な上述したプラズマイオン密度の範囲；及び８インチウエハを処理するのに適したチャンバの大きさに対して、１１インチの電極直径、約２インチのギャップ長、及び９の誘電率を有するシール１３０に対する材料、及び４の誘電率を有するリング１２０に対する材料を用いることによって−５０〜−４００ｐＦのプラズマ容量に整合する電極アッセンブリ１２６に対する容量が得られた。

プラズマ容量及び整合するオーバヘッド電極容量に対して先の範囲が与えられるならば、電極−プラズマ共振周波数は２１０ＭＨzのソース電力周波数に対してほぼ２００ＭＨzであった。

この方法で、電極アッセンブリ１２６の容量を選択し、その後結果として生じた電極−プラズマ共振周波数及びソース電力周波数を整合する大きな利点は、電極とソース電極周波数近くのプラズマの共振が広いインピーダンス整合を及び広いプロセスウインドウを提供し、その結果、プロセス条件の変化に対して非常に大きな不感受性、従って、大きな性能の安定性を提供する。全体の処理システムは、動作条件、例えば、プラズマインピーダンスのシフトにおける変化に殆ど感じなくなり、従ってプロセスの適用性の大きな範囲と共により信頼できるようになる。本明細書の後で説明されるように、この利点は、更に、電極−プラズマ共振周波数及びソース電力周波数間の小さなオフセットによって増大される。

何故プラズマは負の容量を有するか
プラズマの容量は、本発明の以下の式に従って、複素数であり、自由空間の電気的誘電率ε０、プラズマの電子周波数pe、ソース電力周波数及び電子の中性衝突頻度enの関数であるプラズマの電気的な誘電率εによって支配される。
ε＝ε₀｛１−pe²/（＋ｉen）｝ ただし、ｉ＝（−１）^1/2である。
（プラズマ電子周波数peは、プラズマ電子密度の単純関数であり、プラズマ処理に関する公知の文献に定義されている。）

一つの動作例において、中性種はアルゴンであり、プラズマ電子周波数は約２３０ＭＨz、ＲＦソース電力周波数は約２１０ＭＨz、チャンバ圧力は１０mTorrから２００mTorrであり、プラズマ密度が１０⁹〜１０¹²cc^-1であるように充分なＲＦソース電力が印加された。プラズマエッチングプロセスに好適であるこれらの条件の下で、前述の式によって定義されたその実効電気的誘電率は負であるので、一般に、プラズマは負の容量を有する。これらの条件の下で、プラズマは−５０〜−４００ｐＦの負の容量を有した。

その後、我々はより一般項においてわかったように、プラズマ電子密度の関数（ソース電力周波数及び電子−中性衝突頻度も同様）として、プラズマ容量は、例えば、誘電体エッチング、金属エッチング及びＣＶＤのような主な応用のために好適なプラズマプロセスの実現性によってある所望の範囲に一般に制限され、且つＶＨＦソース電力周波数で負の値をもつ傾向にある。プラズマのこれらの特性を利用することによって、電極容量の整合及びリアクタの周波数−整合の特徴は、プロセスウインドウの能力及び柔軟性及び以前は可能でない動作の安定性を達成する。

スタッブ１３５によって与えられるインピーダンス変換
スタッブ１３５は、ＲＦ発生器１５０の５０の出力インピーダンス及びチャンバ内の電極アッセンブリ１２６とプラズマの組み合わせによって示される負荷インピーダンスの間にインピーダンス変化を与える。このようなインピーダンス整合に対して、発生器とスタッブの接続点及びスタッブと電極の接続点におけるＲＦ電力の反射波殆どないか全くないようにしなければならない（少なくともＲＦ発生器１５０のＶＳＷＲの制限を超える反射はない）。どうしてこれが達成されるかは以下に説明される。

発生器１５０の所望のＶＨＦ周波数で、及びプラズマエッチングプロセスに好適なプラズマ密度とチャンバ圧力（すなわち、それぞれ１０⁹〜１０¹²イオン/cc及び１０mTorr〜２００mTorr）で、プラズマ自体のインピーダンスは、約（０.３+（I）７）となる。ただし、０.３はプラズマインピーダンスの実数部、ｉ=（-１）^1/2、及び７は、プラズマインピーダンスの虚数部である。

上述したように、電極アッセンブリ１２６の容量は、約２００ＭＨzの電極−プラズマ共振周波数で、電極アッセンブリ１２６及びプラズマ間で共振を達成するように選ばれる。スタッブと電極の境界面でのＲＦ電力の反射は、最小にされるか、または避けられる。何故ならば、スタッブ１３５の共振周波数は、２つが少なくともほぼ一緒に共振するように電極とプラズマの共振周波数であるように、またはその近くにあるように設定される。

同時に、発生器とスタッブの境界面におけるＲＦ電力の反射は、最小にされるか、または避けられる。何故ならば、スタッブ１３５の軸長に沿ったタップ１６０の位置は、タップ１６０において、スタッブ１３５における電圧定在波と電流定在波の比が発生器１５０の出力インピーダンスの近いか、ケーブル１６２の特性インピーダンス（双方とも約５０Ω）であるものである。タップ１６０がどうしてこれを達成するように配置されるかを以下に説明される。

スタッブのタップ１６０の軸上の位置
同軸スタッブ１３５の軸長は、上述されたように、電極−プラズマ共振周波数の近くである“スタッブ”周波数（例えば、２２０ＭＨz）の１/４波長の倍数である。一つの実施例において、この倍数は２であるので、同軸スタッブの長さは、“スタッブ”周波数の約半波長、すなわち約２９インチである。

タップ１６０は、スタッブ１３５の長さに沿った特定の軸位置にある。この位置において、発生器１５０の出力周波数におけるＲＦ信号の定在波電圧と定在波電流の振幅間の比は、ＲＦ発生器１５０の出力インピーダンス（例えば、５０Ω）に整合する入力インピーダンスに相当する。これは、図２（Ａ）と図２（Ｂ）に示され、図において図タッブ１３５における電圧定在波と電流定在波は、それぞれ短絡された外側スタッブの端部１３５ａにおいてナルとピークを有する。タップ１６０に対する所望の位置は、定在波電圧と電流の比が５０オームに相当する、短絡された端部から内方に距離Ａの位置にある。

この位置は、何処が定在波比が５０オームであるかを経験的に判断することによって当業者によって容易に見出される。ＲＦ発生器の出力インピーダンス(５０Ω)と整合するタップ１６０の距離、すなわち位置Ａは、この明細書の後で説明されるように、スタッブ１３５の特性インピーダンスの関数である。タップ１６０が距離Ａに正確に位置されると、インピーダンス整合のスペースは、ＲＦ発生器が３：１の電圧定在波比(ＶＳＷＲ)にわたって分配された電力を一定に維持することができる代表的なものであれば、負荷インピーダンスの実数部における９：１の変化を調整する。

インピーダンス整合のスペースは、負荷インピーダンスの実数部におけるほぼ６０：１の変化を調整するように大きく広げられる。この劇的な結果は、同軸スタッブ１３５の短絡された外部の端部１３５ａに向かって位置Ａにおける正確な５０オームの点からタップ１６０を僅かにシフトすることによって達成される。このシフトは、例えば、波長と５％(すなわち、約１.５インチ)である。この僅かにシフトされたタップの位置において、タップ１６０におけるＲＦ電流の寄与は、適正となるスタッブにおける電流に足し算したり、電流から引き算して、図３と図４を参照して以下に説明されるように、プラズマの負荷インピーダンスにおける変動を補償する。この補償は、負荷インピーダンスの実数部における９：１の振れ(スイング)を６０：１の振れに調整する。

この振舞いは、タップ点がＡにおける“整合”位置から離れて移動されるに従って、電極-プラズマの負荷インピーダンスとインピーダンスのミス整合に敏感なるようにスタッブ１３５における定在波電流の位相の傾向によると思われる。上述したように、電極アッセンブリ１２６は、通常の動作状態の下でプラズマの負の容量に整合される。この容量は、ＶＨＦソース電力周波数(２１０ＭＨｚ)で−５０〜−４００ｐＦである。この容量において、プラズマは、(０.３＋ｉ７)Ωのプラズマインピーダンスを示す。従って、０.３オームは、システムが同調されるプラズマインピーダンスの実数部分である。

プラズマ状態が変動するに従って、プラズマ容量とインピーダンスはそれらの通常の値から離れて変動する。プラズマ容量は、電極１２５が整合されるプラズマ容量から変動するに従って、スタッブ１３５における電流の位相に影響を及ぼす電極-プラズマ共振の位相は変化する。スタッブの定在波電流の位相がシフトするに従って、タップに供給されるＲＦ発生器の電流は、イソシフトの方向に依存して、スタッブの定在波電流に加わるか、それから減算する。Ａの５０Ω位置からのタップ１６０の変位は、波長のほんの一部(例えば５％)に制限される。

図３は、プラズマインピーダンスの実数部がプラズマの変動により増加した場合、スタッブにおける定在波電流を示す。図３において、電流定在波の振幅がスタッブ１３５に沿った軸位置の関数としてプロットされている。横軸上の位置の０.１における定在波電流振幅の不連続性は、タップ１６０の位置に相当する。

図３のグラフにおいて、プラズマインピーダンスの実数部は、システムが同調される(すなわち、電極容量が負のプラズマ容量に整合する)通常のプラズマインピーダンスより高いので、インピーダンスのミス整合が生じる。この場合、タップ１６０における電流は、スタッブ１３５における定在波電流から減じる(引き算する)。この引き算は、図３のグラフにおいて、不連続性またはなるを生じ、増大した負荷をオフセットするように供給電力を減少する。これにより、高負荷(Ｒ)による供給電力(Ｉ²Ｒ)の対応する増大が避けられる。

図４は、プラズマインピーダンスの実数部が減少する場合、スタッブ１３５における定在波電流を示す。図４において、電流定在波振幅がスタッブ１３５に沿った軸位置の関数としてプロットされている。０.１の位置における電流定在は振幅の不連続性がタップ１６０の位置を表している。図４のグラフにおいて、プラズマインピーダンスの実数部は、システムが同調される通常のプラズマインピーダンスより低い。この場合、タップ１６０における電流は、スタッブ１３５における定在波電流に加わる。この付加は、減少した負荷Ｒにより供給された電力Ｉ²Ｒの付随した減少を避けるために、減少した負荷をオフセットするように供給電力を増加する。このような補償について、負荷インピーダンスにおける非常に大きな変化は、整合スペースが著しく増大されるように調整される。

負荷インピーダンスの実数部における６０：１の振れを調整する整合スペースのこの拡張は、プロセウウインドウ及びリアクタの信頼性を増大する。これは、特定のプロセスまたは応用中に動作状態がシフトするに従って、または異なる応用のための異なる動作レシピで、リアクタが動作されるに従って、プラズマインピーダンスが特にインピーダンスの実数部を変化させるからである。従来技術において、このような変化は、システムにおいて用いられる従来の整合回路の範囲を超え、その結果供給電力は、最早可変プロセスを支持するために充分制御されず、そのプロセスは失敗する。

本リアクタにおいて、供給電力が所望のレベルに維持される負荷インピーダンスの実数部の範囲が非常に増大されたので、以前はプロセスの失敗に導かれたであろうプラズマインピーダンスの変化は、リアクタのこの特徴を用いるリアクタ上で殆ど、或いは全く影響がない。従って、本発明によるリアクタは、特定のプロセスまたは応用中に動作状態の非常に大きな変化に耐えることができる。代わりに、本リアクタは、プロセス状態の広い範囲を含む多くのいろいろな応用に用いることができ、これは著しい利点である。

更なる利点として、この広がったインピーダンス整合を提供する同軸スタッブ１３５は、従来のインピーダンス整合装置の“動く部分”のない、例えば可変キャパシタ/サーボ、または可変周波数/サーボを有する単純な受動装置である。したがって、インピーダンス整合装置が置き換わることは、インピーダンス整合装置より安く、且つより信頼できる。

プロセウウインドウを広くするために動作及び共振周波数を離調(デチューニング)すること
更なる特徴によれば、スタッブ共振周波数、電極−プラズマ共振周波数及びプラズマソース電力周波数を互いに僅かにオフセットすることによって、プロセスウインドウを広くするために、システムのＱが減少される。上述したように、スタッブ共振周波数は、スタッブ１３５の軸長が半波長である周波数であり、及び電極−プラズマ共振周波数は、電極アッセンブリ１２６とプラズマが共に共振する周波数である。一つの実施例において、スタッブ１３５は、その共振周波数が２２０ＭＨzである長さに切断され、ＲＦソース電力発生器は、２１０ＭＨzで動作するように選択され、且つその結果生じる電極-プラズマ共振周波数は、約２００ＭＨzであった。

プラズマ共振周波数、スタッブ共振周波数及びソース電力周波数のため、３つの、全て同じ周波数よりは、これらの３つの異なる周波数を選択することによって、システムは幾らか“離調された”。従って、それは低い“Ｑ”を有する。高いＶＨＦソース電力周波数の使用は、同様にＱを比例して減少する(好適な動作状態の下で、電極とプラズマ容量の整合を容易にすることに加えて)。

システムのＱを減少することは、システムのインピーダンス整合スペースを広くするので、その性能は、プラズマ状態における変化または製造許容度からの偏差に影響を受けない。例えば、電極-プラズマ共振は、プラズマ状態の変動によって変動する。小さなＱならば、スタッブ１３５とインピーダンス整合(本明細書において前述した)に対して必要である電極−プラズマの組み合わせ間の共振は、プラズマ電極共振において与えられた変化に対して殆ど変化しない。

結果として、プラズマ状態の変動は、インピーダンス整合に殆ど影響を及ぼさない。特に、プラズマ動作状態の与えられた偏差は、ＲＦ発生器１５０の出力においてＶＳＷＲの小さな増加を生じる。従って、リアクタをプラズマプロセス条件(圧力、ソース電力レベル、ソース電力周波数、プラズマ密度など)の広いウインドウにおいて動作することができる。更に、コストを節約するために製造許容度を緩やかにすることができ、同じモデル設計のリアクタ間での一様な性能が達成される。これは著しい利点である。関連する利点は、同じリアクタは、異なるプロセスレシピ及び異なる応用、例えば、金属のエッチング、誘電体エッチング及び/又は化学気相堆積を動作するために有用である著しく広いプロセスウインドウを有することである。

プロセスウインドウを広くするためにスタッブの特性インピーダンスを最小にすること
同調スペースを広くし、またはシステムのＱを減少する他の選択は、スタッブ１３５の特性インピーダンスを減少することである。しかし、スタッブの特性インピーダンスは、適した整合スペースを保持するために発生器の出力インピーダンスを越えることができる。従って、システムのＱは、スタッブ１３５の特性インピーダンスが信号発生器１５０の出力インピーダンスを越える量を減少する程度まで減少することができる。

同軸スタッブ１３５の特性インピーダンスは、内部及び外部導体１４０、１４５の半径の、及びそれらの間の絶縁体１４７の誘電率の関数である。スタッブの特性インピーダンスは、プラズマ電源１５０の出力インピーダンス及び電極１３５における入力インピーダンス間に必要なインピーダンス変換を与えるために選択される。この特性インピーダンスは、最小の特性インピーダンスと最大の特性インピーダンスの間にある。スタッブ１３５の特性インピーダンスを変化することは、図２の波形を変化し、従って、タップ１６０の所望の位置(すなわち、スタッブ１３５の遠い端部からの変位Ａ）を変化する。

スタッブ１３５の許される最小の特性インピーダンスは、図２の距離Ａがゼロのところであり、従って、タップ１６０は、定在波電流と電圧との間の５０Ωの比を見つけるために、電極１２５と反対の同軸スタッブ１３５の遠い端部１３５ａに位置されなければならない。スタッブ１３５の許される最大の特性インピーダンスは、図２の距離Ａがスタッブ１３５の長さに等しいところであり、従って、タップ１６０は、定在は電流と電圧との間の５０Ω比を見つけるために電極に隣接する同軸スタッブ１３５の近い端部１３５ｂに近くなければならない。

最初の実施例において、同軸スタッブの特性インピーダンスは、適した整合スペースを与えるために、ＲＦ発生器１５０の出力インピーダンスより大きく(約３０％だけ)なるように選ばれた。インピーダンス整合条件が下記の式を満足するようにタップ点１６０の位置を選択することによって達成されるので、スタッブのインピーダンスは、ＲＦ発生器の出力インピーダンスを越えなければならない。
Ｚ_gen＝ａ²[Ｚ_stub ²/ｒ_plazma]
ただし、ａは、タップ点の位置によって決まり、０と１の間で変化する。(遠い端部１３５ｂとタップ１６０間のスタッブの小さな部分のインダクタンスと全体のスタッブ１３５のインダクタンスの比に相当する)

ａは１を越えることができないので、スタッブの特性インピーダンスは、前記の式に対する解を見つけるために、発生器の出力インピーダンスを越えなければならない。しかし、システムのＱは、スタッブの特性インピーダンスに直接比例するので、スタッブの特性インピーダンスが発生器の出力インピーダンスを越える量は、Ｑを実用上低く保つように幾らか最小にされる。模範的な実施例において、スタッブの特性インピーダンスは、ただの約１５だけ発生器の出力インピーダンスを越える。

しかし、他の実施例では、同軸スタッブの特性インピーダンスは、インピーダンス整合における幾らかの減少を伴って大きな電力効率を達成するために、プラズマ電源(発生器)の出力インピーダンスより小さくなるように選択される。

スタッブのインピーダンス変換によって与えられる増大した電力効率
この明細書の初めに説明したように、プラズマエッチングプロセスを助けるプラズマ動作状態（例えば、プラズマ密度）が非常に小さな実数（抵抗性）部（例えば、０.３Ωより小さい）及び小さな虚数（リアクティブ）部（例えば、７Ω）を有するプラズマインピーダンスを生じる。容量性損失は、システムの組み合わせ電極−プラズマ領域において優勢である。何故ならば、電極の容量は、リアクタのその部分における電力の流れに対して優勢なインピーダンスとなるからである。

従って、電極−プラズマの組み合わせにおける電力損失は、電極−プラズマの組み合わせに関する電圧に比例する。反対に、スタッブ１３５のインダクタンス及び抵抗は、スタッブ１３５における電力の流れに対してインピーダンスの優勢な素子であるから、誘導性及び抵抗性損失は、スタッブ１３５において優勢である。従って、スタッブ１３５における電力損失は、スタッブにおける電流に比例する。スタッブの特性インピーダンスは、電極−プラズマの組み合わせによって表されるインピーダンスの実数部より非常に大きい。従って、より高いインピーダンスのスタッブ１３５においては、電流が高く、電圧が低い低インピーダンスプラズマにおけるよりも、電圧は高く、電流は低くなる。

従って、スタッブ１３５とプラズマ−電極の組み合わせ間のインピーダンス変換は、スタッブ１３５において高い電圧及び低い電流（抵抗性及び誘導性損失が優勢であり、これらが最小化される場合）、及びプラズマ／電極においてそれに応じた低い電圧及び高い電流（容量性損失が優勢であり、これらが最小にされた場合）を生じる。この方法において、システムにおける全体の電力損失は、最小化され、その結果電力効率は著しく改善される。これは大きな利点である。先の実施例では、電力効率は約９５％またはそれ以上になる。

従って、上述のように構成されたスタッブ１３５は、動作状態の非常に広い範囲またはウインドウにわたって発生器と電極−プラズマインピーダンス間でインピーダンス整合または変換を行なうばかりでなく、更に、電力効率の著しい改善を行なうように働く。

クロス−グランディング(Cross-Grounding)
ウエハ表面におけるイオンエネルギーがプラズマ密度／オーバヘッド電極の電力に無関係に制御される。イオンエネルギーのこのような独立した制御は、ＨＦ周波数のバイアス電源をウエハに印加することによって行なわれる。この周波数（一般的には、１３.５６ＭＨz）は、プラズマ密度を制御するオーバヘッド電極に印加されるＶＨＦ電力より著しく低い。バイアス電力は、従来のインピーダンス整合回路２１０を介してウエハ支持体１０５に結合されるバイアス電力のＨＦ信号発生器２００によってウエハに印加される。バイアス発生器２００の電力レベルは、ウエハ表面近くのイオンエネルギーを制御し、一般にプラズマソース電力発生器１５０の電力レベルの何分の１かである。

上述されたように、同軸スタッブ１３５は、外部のスタッブ端部に短絡導体１６５を有し、スタッブの内部導体１４０と外部導体１４５間に短絡回路を与える。図２に示されるように、短絡導体１６５は、ＶＨＦ定在波電流のピークとＶＨＦ定在波電圧のヌルの位置を確立する。しかし、短絡導体１６５は、スタッブ共振とプラズマ／電力共振の結合、それらの双方はＶＨＦソース電力周波数であるかそれに近いため、ＶＨＦ印加電力を短絡しない。しかし、導体１６５は、他の周波数、たとえばウエハに加えられる（ＨＦバイアス発生器２００から）ＨＦバイアス電源に対して接地するように直接短絡として現れる。また、それは高い周波数、例えばプラズマシースに生成されるＶＨＦソース電力周波数の高調波を短絡する。

ウエハ１１０とウエハ支持体１０５、ＨＦインピーダンス整合回路２１０及びそれらに接続されたＨＦバイアス電源２００の組み合わせは、オーバヘッド電極１２５に印加されるＶＨＦ電力に対して接地するために非常に低いインピーダンスすなわち近似短絡を与える。結果として、システムは、クロス接地され(cross-grounded)、そしてＨＦバイアス信号は、オーバヘッド電極１２５と短絡された同軸スタッブ１３５を介して接地されるためにリターンされ（戻され）、オーバヘッド電極１２５上のＶＨＦ電力信号は、ウエハ、ＨＦバイアスインピーダンス整合２１０及びＨＦバイアス電力発生器２００を通る（ＶＨＦに対して）非常に低いインピーダンス経路を介して接地されるためにリターンされる。

ウエハの面とオーバヘッド電極１２５の面間のチャンバ側壁の露出部分は、電極１２５の大きな面積及び比較的短い電極とウエハ間のギャップのために、オーバヘッド電極１２５に印加されたＶＨＦ電力に対して直接的なリターン（戻り）経路として殆ど、または全く役割を果たさない。実際に、チャンバの側壁は、磁界絶縁または誘電体被覆、または環状誘電体の挿入または取外し可能なライナーを用いて、プラズマから分離することができる。

垂直の電極−ペデスタル通路内にあり、そしてチャンバ１００の他のパーツ、例えば側壁から離れているオーバヘッド電極１２５からでるＶＨＦプラズマソース電力の電流を制限するために、ウエハ１１０の面における効果的な接地またはリターン電極の面積は、ウエハまたはウエハ支持体１０５の物理的な面積を越えて大きくされ、その結果それはオーバヘッド電極１２５の面積を越える。これは、一般にウエハと同一平面でウエハを囲んでいる環状の半導体リング１１５を設けることによって達成される。

半導体リング１１５は、浮遊容量を接地されたチャンバ本体に与え、これにより、オーバヘッド電極からのＶＨＦ電力信号に対して、ウエハ１１０の面にある“リターン”電極の有効半径を越える。半導体リング１１５は、誘電体リング１２０によって接地されたチャンバ本体から絶縁される。リング１２０の厚さ及び誘電率は、ウエハ１１０を通るＶＨＦの接地電流及び半導体リング１１５を通るＶＨＦの接地電流の望ましい比を達成するように選択される。一つの実施例において、誘電体リング１２０は、４９の誘電率を有するクォーツであり、１０ｍｍの厚さであった。

ウエハの表面及び電極１２５間の垂直経路内のバイアス発生器２００からのＨＦプラズマバイアス電力からの電流を制限し、チャンバの他のパーツ（例えば、側壁）への電流を避けるために、オーバヘッド電極１２５は、ウエハまたはウエハ支持体１０５の面積より著しく大きい有効なＨＦリターン電極面積を提供する。ウエハ支持体１０５の面における半導体リング１１５のリングは、ＨＦバイアス電力をチャンバへ結合する点では著しい役割を果たさないので、ＨＦバイアス電力を結合するための有効な電極面積は、ウエハの面積とウエハ支持体に実質的に制限される。

プラズマの安定性の増強
プラズマの安定性は、スタッブ１３５の後ろ側でスタッブの内部及び外部導体１４０、１４５を横切って接続された短絡導体１６５へのプラズマのＤＣ結合を除去することによって増強される。これは、同軸スタッブの内部導体１４０と電極１２５間に薄い容量性リング１８０を設けることによって行なわれる。図１の実施例において、リング１８０は、下部にある電極１２５と導電性環状内部ハウジング支持体１７６間に挟まれる。ここに説明される模範的な実施例において、容量性リング１８０は、選択されたバイアスの周波数、約１３ＭＨzに依存して、約１８０ピコファラッドの容量を有した。

容量のこのような値について、容量性リング１８０は、上述のクロスグランディング形状を妨げない。クロスグランディング形状において、ウエハペデスタル上のＨＦバイアス信号は、スタッブ１３５を介してＨＦバイアス発生器１５０のＲＦリターン（戻り）端子に戻され、一方、電極１２５からのＶＨＦソース電力信号は、ウエハペデスタルを介してＶＨＦソース電力発生器１５０のＲＦリターン端子に戻される。

図５は、周波数の関数としてＶＨＦ電源とオーバヘッド電極１２５間の反射係数を示すグラフである。このグラフは、上述の非常に有利な低いシステムＱを示す反射係数が６ｄＢ以下である周波数の非常に広いバンド幅の存在を示している。

図６は、タップ１６０がスタッブの短絡された端部から図２（Ｂ）の距離Ａに置かれた場合に同軸スタッブ１３５に沿った位置の関数として定在波電流(実線)を示す。

図７は、同軸スタッブ１３５の内部導体１４０にテーパが付けられたリアクタの他の実施例を示し、オーバヘッド電極１２５に隣接するスタッブの近い端部１３５ｂにある大きな半径とスタッブの遠い端１３５ａにおける小さな半径を有している。この特徴は、タップ１６０における同軸スタッブ１３５によって示される低いインピーダンス（例えば、５０ ）とオーバヘッド電極１２５における同軸スタッブ１３５によって示される高いインピーダンス（例えば、６４ ）間に変換を与える。また、図７に示されるように、スタッブ１３５は、曲線である必要はなく、代わりに直線であってもよい。

プロセスガスは、望ましくは、オーバヘッドＶＨＦソース電力の電極を通して導入される。この目的のために、オーバヘッド電極は、オーバヘッド電極を通して小さな注入ノズルまたは注入ポート(口)のアレーを設けることによって、ガス分配シャワーヘッドの機能が与えられる。プロセスガスは、同軸同調スタッブの中心導体を通してこれらの注入ポートに供給される。この中心導体は、オーバヘッド電極に接続されているので、プロセスガスの供給は、プラズマ及び電界から完全に保護されている。

アーク及び他の潜在的な問題は、特徴の組み合わせによる前述の利点の全てを有したまま避けられる。それらの１つは、ＶＨＦ同調スタッブからＤＣ電位を容量的に分離することによってオーバヘッド電極を浮いたＤＣ電位に置くことである。これは、同軸同調スタッブとオーバヘッド電極間に誘電体膜を配置することによって達成される。この特徴は、ＤＣプラズマ電流がオーバヘッド電極を介して同調スタッブを通して戻るのを防止し、これにより、オーバヘッド電極にあるガス注入孔内にアークが発生するのを減少する。

アークの発生を減少する他の特徴は、プラズマとオーバヘッド電極間にコンデンサを設けることである。この目的のために、誘電体層が、プラズマに面しているオーバヘッド電極の電極表面上に形成される。好ましくは、これは、電極表面、特に電極内のガス注入ポートの内部表面を陽極酸化することによって行なわれる。この特徴は、オーバヘッド電極におけるガス注入ポートに発生するプラズマアークを除去するのに役立つ。これに対する一つの理由は、陽極酸化された電極表面の容量が、電極表面上を通過する以外にプラズマからのＲＦ電流の電荷がストアされる電荷蓄積能力を与えることである。従って、電荷がオーバヘッド電極におけるガス入口ポートの表面からそらされる場合には、そこでのプラズマの点弧は避けられる。

オーバヘッド電極のガス注入ポート内でプラズマアークが発生するのを避けるのに加えて、オーバヘッド電極を容量的に絶縁するという特徴は電極の利用可能な寿命を延ばす。何故ならばそれはプラズマと電極間に実質的なＤＣ電流を生じないからである。これは著しい利点である。

ガス注入ポートにおけるプラズマアークの発生の危険性を更に減少するために、他の特徴が導入される。すなわち、同軸スタッブと、電極と同軸同調スタッブ間にある容量性の層の間に金属の“フォーム”層が設けられる。一つの実施例において、金属のフォーム層は、オーバヘッド電極と一般に同一の広がりのある直径である。この金属フォーム層は、この分野でよく知られた商業的に利用可能なものであり、ランダムセル構造を有するアルミニウムマトリックスから成っている。金属フォーム層の利点は、それが電極（すなわち、オーバヘッド電極上の空間内）近くの電界を抑制し、それによってオーバヘッド電極におけるガス注入ポート内部でアークが発生するプラズマの傾向を減少するからである。

オーバヘッド電極にあるガス注入ポートのアレーを横切って均一なガスの分布を達成するために、金属フォーム層は、入ってくるプロセスガスを妨げるためにも用いられる。オーバヘッドの天井におけるガス注入孔又はポートは、放射状の内側グループと放射状の外側グループに分けられる。一つの金属フォーム層は、第１のガス源と外側グループのポート間でガスを妨げ、一方他の金属フォーム層は、第２のガス源と内側グループのポート間でガスを妨げる。プロセスガス流の放射状の分布は、２つのガス源のガス流の速度を独立して調整することによって調整することができる。

同軸同調スタッブとオーバヘッド電極は、ウエハ支持ペデスタルに印加されたＨＦバイアス電力に対して接地するように低インピーダンスのＲＦリターン経路を与える。しかし、同軸同調スタッブとオーバヘッド電極間に挿入された新しい容量性誘電体層がオーバヘッド電極を通るＨＦのリターン経路を特定のＨＦ周波数に同調するために用いられることができることを発見した。ＶＨＦソース電力周波数（オーバヘッド電極上で）の選択の１つの利点は、容量性層（オーバヘッド電極と同調スタッブ間の）が、ＨＦ周波数に対して同調されるならば、オーバヘッド電極に印加されるＶＨＦ信号に影響を及ぼさないことである。何故ならば、それはＶＨＦ周波数の広帯域にわたって電気的に短絡するからである。

最初に、ＲＦリターン経路が付加された容量性層によって同調される狭いＨＦ周波数のパスバンドがウエハ支持ペデスタルに印加されたＨＦバイアスソース電力の周波数に集められた。しかし、シースで発生される高調波の問題は、オーバヘッド電極を通るＨＦリターン経路をＨＦバイアス電力周波数の第２高調波に同調するように、この容量を代わりに選択することによって解決することができる。この選択の結果は、オーバヘッド電極の近くのプラズマシースに発生されるＨＦの第２高調波は、オーバヘッド電極がバルクプラズマに著しく影響を及ぼす前に、オーバヘッド電極をとおって接地されるように短絡されることである。一つの実施例において、エッチング速度は、この特徴によって、１０％〜１５％だけ改善されることがわかった。この場合、ＨＦバイアス信号の基本波は、他の利用できるＲＦ経路、例えばチャンバの側壁をとおって接地される。

以下に詳細に説明されるように、選択されたＨＦ周波数での共振に対する（オーバヘッド電極と同調スタッブ間の）この付加された容量性層の容量の選択は、オーバヘッド電極における薄いプラズマシースの容量ばかりでなく、ウエハ支持ペデスタルにおける厚いプラズマシースの容量も考慮しなければならない。

本発明の高効率ＶＨＦプラズマ源は、充分高い密度のプラズマを維持することができるので、それはチャンバ内部を周期的に完全にドライクリーニングするために用いられることができる。この明細書で用いられるように、用語“ドライクリーニング”は、液体の化学剤の適用を必要としないで、プラズマの適用のみを必要とするクリーニング手続を言い、真空の囲いを開ける必要がない。

この方法で、チャンバはポリマー残留物を完全にクリーニングすることができるので、ウエハの処理中チャンバ表面は充分高温に維持され、あらゆるポリマーの堆積を連続して蒸発し、その結果、チャンバは、この処理を通して少なくとも殆どポリマーの堆積がないように保たれる。（反対に、完全にクリーニングされることがないリアクタに対して、プラズマ状態は、チャンバ壁の表面上へのポリマーの堆積が、プロセスの汚染を避けるために、除去されないで付着されつづけるように制御されなければならない。）

この目的のために、オーバヘッド電極アッセンブリは、オーバヘッド電極を加熱または冷却するために液体を導く液体通路を有し、その外部表面の温度制御を可能にする。一般に、プラズマ条件（イオンエネルギー、壁の温度等）は、処理中にポリマーがチャンバの表面上に累積しないものである。僅かな累積は、クリーニング中に完全に除去される。

このような特徴の１つの利点は、光学窓（光窓）をオーバヘッド電極上に又はオーバヘッド電極に隣接して設けることができることである。何故ならば、処理中に光学窓はポリマーの堆積がなく、きれいなままであるからである。従って、リアクタの性能を光学的に監視することができる。従って、オーバヘッド電極は、チャンバの外部にセンサーに接続するため上方に延びる光を伝送する光ファイバと共に、その中央付近に光学窓を任意に有することができる。プラズマ処理の光学的な監視は、終点の検出を行うために用いられることができる。例えば、光学的な監視は、従来の光学測定技術を用いて、プラズマエッチングプロセスにおける層厚を減少するステップまたはプラズマ支援の化学気相堆積プロセスにおける層厚を増加するステップを測定することができる。

プラズマを入れ、且つ結果的にウエハまたはワークピースに達するオーバヘッド電極の露出した表面の材料からの汚染問題を解決するために、追加の外側層がオーバヘッド電極の下部面（プラズマに面している）に導入される。この追加の外側層は、実施されている特定のプロセスに匹敵する材料から作られる。例えば、二酸化シリコンのエッチングプロセスにおいて、オーバヘッド電極上の外側層は、シリコンまたは炭化珪素（シリコンカーバイド）である。一般に、この外側層を配置する前に、オーバヘッド電極のプラズマに面している表面は、上述されたように陽極酸化される。

本発明の他の発見は、プラズマが、以前には予期されなかった、大きな抵抗性負荷インピーダンスの変化及び小さなリアクタンス性負荷インピーダンの変化を示すことである。特に、抵抗性負荷インピーダンスは、１００：１（６０：１の代わりに）程度の大きさだけ変り、一方、リアクタンス性負荷インピーダンは、僅か２０％（３５％の代わりに）だけ変化する。この相違によって、同軸同調スタッブの特性インピーダンスを６５Ω（ＲＦ発生器の５０Ω出力インピーダンスより上）から３０Ω（ＲＦ発生器の出力インピーダンスより下）まで減少することができる。

この減少は、効率における非常に小さな妥協によって同調スペースの比例的増加を達成する。特に、同調スタッブによって整合されることができるプラズマの抵抗性インピーダンスにおける変化の範囲は、同軸スタッブの特性インピーダンスの減少により、６０：１（親出願におけるように）から１００：１へ増加される。同軸スタッブの特性インピーダンスは、その内部及び外部導体の半径によって決められる。

同軸同調スタッブのフットプリントを減少するために、その代わり等価なストリップライン回路が置き換えられる。同軸同調スタッブの外部導体は、リアクタにキャップをする金属の蓋として接地（グランド）の平らな面になり、一方、同軸同調スタッブの中央導体はストリップラインの導体になる。ストリップラインの導体の特性インピーダンスは、ストリップラインの導体と接地導体（蓋）間の間隔を調整することによって調整される。同軸同調スタッブは真っ直ぐなラインに沿って延びるが、ストリップラインの導体は蓋の内部で円形に巻かれ、それによって、面積またはフットプリントを減少するので、同調デバイスのフットプリントは減少される。

同軸同調スタッブの特徴の全ては、ストリップライン回路においても保たれる。従って、ストリップライン導体の長さは、上述されたように、同軸同調スタッブの長さと同じ方法で決定される。また、ＶＨＦ発生器に接続される給電点またはタップのためのストリップライン導体の長さに沿った位置は、同軸同調スタッブへのタップの位置と同じである。また、ストリップライン導体は、中空であり、ユーティリティが同軸同調スタッブの中心導体を通して供給されるのと同じ方法で、ストリップライン導体を通してユーティリティが供給される。

オーバヘッド電極を通してのプロセスガスの導入
図８と図９を参照すると、オーバヘッド電極１２５は、ガス分配シャワーヘッドであり、従って、ワークピース支持体１０５に面してその下部表面１２５ａに非常に多くのガス注入ポートすなわち小さな孔３００を有している。模範的な実施例において、ポート３００は、直径が０.０１〜０.０３インチ（０.０２５４〜０.０７６２センチ）で、それらの中心は、約３/８インチだけ離れて一様に間隔があけられている。

図８に示された実施例において、円錐状金属ハウジング２９０の環状上部２９０ａは、同軸スタッブの内部導体１４０の近端部１４０ａを支持し、その環状基体２９０ｂはアルミニウムのオーバヘッド電極１２５上に載っている。ハウジング２９０の円錐形状は、オーバヘッド電極１２５上で大きな開口プレナムを画定し、その中でいろいろなユーティリティが中空の同軸内部導体１４０からオーバヘッド電極１２５へ供給される。以下に詳細に説明されるように、円錐上のハウジング基体２９０ｂは、オーバヘッド電極１２５の外周近くにあり、オーバヘッド電極１２５の上面の全てにほぼアクセス可能なままである。

一般に、ポート３００は、直径が０.０２０インチ(０.０５０８センチ)の放射状の外側グループのポート３０２及び直径が０.０１０インチ(０.０２５４センチ)の放射状の内側グループのポート３０４から成っている。一般に、ポート３０２の外側グループは、ウエハ周辺における均一なガス流を確かにするために、ウエハの周囲を越えて広がっている。この特徴の一つの利点は、プロセスガス流の放射状分布がウエハの中央で大きく、ウエハの周辺で小さいプラズマ密度を生成する、図１-７のＶＨＦ容量性結合リアクタの傾向を補償するような方法で調節することができる。

オーバヘッド電極１２５内の放射状の外側アルミニウムフォーム層３１０はポート３０２の上にある。外側フォーム層３１０の上にある放射状の外側ガス分配マニフォルドすなわちプレナム３１５は、軸のガス通路３２０を通して同軸同調スタッブ１３５の内部導体１４０を通るガス供給ライン３２５に結合されている。オーバヘッド電極１２５内の放射状の内部アルミニウムフォーム層３３０はポート３０４の上にある。

内側フォーム層３３０の上にある放射状の内側ガス分配マニフォルドすなわちプレナム３３５は、軸のガス通路３４０を通して同軸同調スタッブ１３５の内部導体１４０を通るガス供給ライン３４５に結合される。アルミニウムフォーム層３１０と３３０は、入ってくるプロセスガスを妨ぐ。プロセスガスの流速の放射状分布は、ガス供給ライン３２５と３４５の各々の１つ内のプロセスガスの流速の独立した区分によって調節される。

ガス注入ポート内のアークの抑制
アークを減少する手段として、プラズマとオーバヘッド電極間に容量を設けるために、オーバヘッド電極の下部表面１２５ａが誘電体層で被覆される。一つの実施例では、オーバヘッド電極１２５はアルミニウムであり、誘電体被覆は、電極の下部表面１２５ａを陽極酸化することによって形成される。このような陽極酸化は、平らな下部表面１２５ａ上ばかりでなくガス注入ポート３００の内部表面上にも非常に薄い誘電体被膜を形成する。

この特徴は、オーバヘッド電極１２５に流れるＲＦプラズマ電流に対して補償することができる電荷蓄積能力を与えることによってガス注入ポートナ内のアークを押さえる傾向がある。図１０は、ガス入口ポート３００の１つの近くに生じる細かな構造を示す図８に相当する拡大部分図である。特に、陽極酸化によって形成される酸化アルミニウム層３５０が電極の下部表面１２５ａとガス注入ポート３００の内部表面を覆っている。

オーバヘッド電極１２５近くの電界を抑圧するために、オーバヘッド電極１２５の上面１２５ｂは、アルミニウムフォーム３５５の比較的厚い（０．２５インチ）層で被覆される。この厚いアルミニウム層３５５は、オーバヘッド電極近くの電位を軸方向（垂直方向）に一定に保つ傾向があり、それによりガス注入ポート３００内でプラズマアークを発生するのに寄与する、その近傍における電界を抑圧する。

ＤＣプラズマ電流がオーバヘッド電極を通して同軸スタッブの中心導体１４０に流れるのを阻止するために、オーバヘッド電極１２５及びオーバヘッド電極１２５を同軸の中心導体１４０に接続する導電性ハウジング２９０の基部２９０ｂ間に薄い絶縁層３６０が配置される。この特徴によって、オーバヘッド電極のＤＣ電位を浮かすことができる。それにより、電極１２５と導電性ハウジングの基部２９０ｂ間にキャパシタが形成される。

このキャパシタの容量は、基部２９０ｂの面積によってばかりでなく、薄い絶縁層３６０の厚さ及び誘電率によっても決まる。このキャパシタの容量は、特定のＨＦ周波数において狭い共振または低いインピーダンス経路を与えるが、一方全体のＶＨＦ帯にわたってＲＦの短絡を与えるように選択される。この方法で、オーバヘッド電極１２５は、ウエハ支持ペデスタル１０５に印加されるＨＦバイアス電極に対してリターン路を提供するが、しかしＶＨＦソース電極周波数ではオーバヘッド電極１２５の振舞いに影響を及ぼさない。従って、オーバヘッド電極に流れるＤＣプラズマ電流を阻止することによって、ガス注入ポート３００内のプラズマアークは抑圧される。何故ならばこのようなＤＣ電流はアークに寄与するからである。

概括すると、ガス注入ポート３００内のプラズマアークは、オーバヘッド電極１２５の下面上に、及びガス注入ポート３００の内部表面上に誘電体被覆３５０を形成することによって、オーバヘッド電極の上面に金属性アルミニウムのフォーム層３５５を設けることによって、及びオーバヘッド電極１２５と導電性ハウジング２９０間に薄い絶縁層３６０を配置することによって抑圧される。

プラズマシースに発生する高調波の抑圧
薄い絶縁層３６０は、ウエハ支持ペデスタル１０５に印加されるＨＦバイアス信号のプラズマシースに発生する高調波を抑圧する重要な役割を果たす。高調波の存在は、プロセス性能を低下させ、特にエッチング速度を減少する。容量を決定する、絶縁層３６０の特性（すなわち、誘電率及び厚さ）を選択することによって、オーバヘッド電極１２５と同軸の内部導体１４０を通るプラズマからのリターン路は、特定のＨＦ周波数で共振する（従って、非常に高いアドミッタンスを有する）ように同調される。

この共振周波数のための一つの選択は、ウエハ支持ペデスタル１０５に印加されるＨＦバイアス信号の基本波であるけれども、エッチング速度は、この共振をバイアス信号の第２高調波であるように選択することによって１０％〜１５％改善されることは、本発明の発見である。プラズマシースによって示される非線形負荷によって発生される高調波は、容量性層３６０によってオーバヘッド電極と同軸の中心導体１４０によって示される低インピーダンス路を通して接地へ早く戻されるので、このような好ましい結果が得られる。

オーバヘッド電極１２５を通るリターン路を特定のＨＦ周波数に同調する、キャパシタ層３６０の厚さの選択は、オーバヘッド電極１２５における薄いプラズマシースの容量やウエハ支持ペデスタル１０５における厚いプラズマシースの容量ばかりでなく、プラズマ自体の容量を含む、多くのファクタによって影響を受ける。試行錯誤を含む、特定のプラズマ動作条件を与える選択されたＨＦ周波数での共振を達成するために、キャパシタ層３６０の正確な厚さを見つけるために、当業者はいろいろな従来技術を容易に用いることができる。

電極表面の温度制御
酸化物のエッチングリアクタにおいて、ポリマー堆積物は重大な問題である。何故ならば、二酸化シリコンの材料とエッチングされるべきでない他の材料間で適切なエッチングの選択性を達成するために、プロセスガスはワークピースの酸化物を含まない表面上にポリマー層を形成することができなければならないからである。フルオロカーボン（炭化フッ素）ガスを用いるプラズマ処理中に、単純なフッ素イオン及びラジカルがエッチングを行い、一方炭素の豊富な種がワークピース上のすべての酸素を含まない材料上ばかりでなくリアクタチャンバのすべての内部表面上にポリマーを堆積する。

チャンバの内部表面からプラズマに落下するポリマー粒子によるワークピースの汚染を避けるために、これらの表面は、充分低温に保たれなければならないし、またプラズマの電子エネルギーは、これらの堆積物が剥がれ落ちないように充分低く保たれなければならない。さもなければ、これらの堆積物を除去するために、チャンバの真空を中断して、化学的クリーニングステップが行なわれなけばならない。このステップは、リアクタの生産性を大きく低下する。

図１を参照して説明された容量性結合ＶＨＦ電源は、非常に効率的であり、従って、非化学的クリーニングステップ中に、チャンバの内部表面からウエハ処理中に堆積されたあらゆるポリマー残留物を完全に除去するために充分高いプラズマ密度生成することができる。このようなクリーニングステップ中に、通常のプラズマプロセスガスは、より揮発性のガス（例えば、殆どフッ素のないプラズマを生成する傾向のあるもの）によって置き換えられることができる。

液体の化学物質はチャンバへ導入される必要がないので、クリーニングステップがポリマー堆積物のないチャンバを保持するために、素早く、且つしばしば行えるるように、チャンバは閉めたままである。従って、図８のリアクタの動作モードは、チャンバの内部表面上にポリマーの堆積物が累積するのを避けるために、チャンバの表面温度及びプラズマイオンエネルギーが充分大きいものである。

この目的のために、図８のリアクタは、オーバヘッド電極１２５上に通路６７０（加熱導電性流体用の）を有する。図８の実現化において、流体の通路６７０は、上部のアルミニウムフォーム層３５５及びオーバヘッド電極１２５の上部表面間に形成される。代わりに、これらの通路は、オーバヘッド電極１２５内に完全に内部に形成されてもよい。温度制御流体またはガスは、中空の同軸の内部導体１４０を通って流体供給ライン６７５から流体通路６７０へ供給される。

従って、オーバヘッド電極の温度を正確に制御することができる。電極の温度を制御することによって、及び他のプラズマプロセスパラメータ、例えばプラズマイオンエネルギーを制御することによって、リアクタは、堆積モード（表面はポリマーを累積するように充分冷たい）か、ディプレッション（消耗）モード（表面はプラズマイオンが表面からポリマーを引き離すことができるように十分熱く、それによってポリマーの累積を避ける）かのいずれかで動作することができる。ディプレッションモードは、このモードが粒子汚染を良く避けるので、望ましいモードである。

プラズマプロセスの光学的監視
図８のリアクタは、チャンバの内部表面上にポリマーの堆積がないように動作することができるので、光学窓６８０をオーバヘッド電極１２５の下面に設けることができる。光学チャネル、例えば光ファイバーまたは光パイプ６８５が光学窓６８０に一方の端において接続され、中空の同軸の内部導体１４０を通過する。光パイプ６８５は他方の端において従来の光学検出器に接続される。

この特徴の場合、このような光学検出器を用いて、終点（エンドポイント）の検出及び他の測定を行うことができる。特に、検出器６８７は、よく知られた光学技術を用いて、ワークピースまたは半導体ウエハ１１０上の選ばれた層の厚さを測定する。例えば、エッチングプロセス中に、検出器６８７によって測定される、エッチングされている材料の厚さが所定の厚さに減少された後、プロセスは停止される。

汚染の防止
チャンバの内部表面は、ポリマー堆積のない状態に維持されることができるので、それらはプラズマに曝されたままである。特に、アルミニウムのオーバヘッド電極１２５の下面は、連続してプラズマから攻撃され易く、従って、アルミニウム種をプラズマに与えやすく、ワークピースの汚染、従ってプロセスの失敗を誘導する。このような問題を防止するために、陽極酸化されているオーバヘッド電極１２５の下面は、プロセスに適合している材料、例えばシリコンまたはシリコンカーバイドで被覆される。

従って、図１０及び図１１に示されるように、薄いシリコンカーバイド（炭化珪素）の膜９６０がアルミニウムのオーバヘッド電極１２５の下面の陽極酸化された面を覆う。薄いシリコンまたは炭化珪素は、プラズマが電極１２５のアルミニウム材料を攻撃するのを妨げる。プラズマがシリコン含有膜６９０から材料を除去する限りにおいて、プラズマに導入された種がプロセスを汚染することができない。何故ならば、これらの種（シリコン及びカーボン）は、プラズマ及び／又はワークピースに既に存在しており、従って、プロセスと適合しているからである。シリコンは、酸化シリコンがエッチングされている場合プラズマに存在している。カーボンは、フッ素−カーボンガスがプロセスエッチングガスとして用いられている場合、プラズマ中にある。

他の実施例において、オーバヘッド電極は陽極酸化されず、炭化珪素膜６９０は電極１２５の純粋なアルミニウム表面上に形成される。

同軸スタッブの同調スペースを増加すること
プラズマは、大きな抵抗性負荷インピーダンスの変化と小さなリアクティブな負荷インピーダンスの変化を示すことができる。特に、プラズマの抵抗性負荷インピーダンスは、１００：１(６０：１の代わりに)程度変り、一方リアクティブな負荷インピーダンスは僅かに２０％だけ(３５％の代わりに)変ることができる。この相違によって、同軸スタッブの特性インピーダンスは６５Ω(すなわち、ＲＦ発生器の５０Ωの出力インピーダンスより大きく)から３０Ω(すなわち、ＲＦ発生器の出力インピーダンスより低く)まで減少させることができる。

この減少は、効率における非常に小さな妥協で、同調スペースにおいて比例した増加を達成する。特に、同調スタッブによって整合されることができるプラズマの抵抗性負荷インピーダンスにおける変化の範囲は、同軸スタッブの特性インピーダンスの減少により、６０：１から１００：１へ増加される。同軸スタッブの特性インピーダンスは、その内部及び外部導体の半径により決められる。

結果
従って、本発明は、動作状態における変化及び／又は製造許容量における変動に殆ど敏感でないプラズマリアクタを提供する。動作状態に対する感度の欠如を含むこれらの大きな利点、すなわちインピーダンス整合のための広い同調または周波数スペースは、多くのリアクタの特徴の少なくとも１つまたはそれ以上の貢献であると考えられる。これらの特徴は、容量整合を有する、または最も所望される処理プラズマのイオン密度におけるプラズマの負の容量の大きさにほぼ同調するリアクタのオーバヘッド電極、プラズマ−電極共振周波数に整合またはほぼ整合するＶＨＦソース電極周波数の使用；ＶＨＦソース電極周波数、プラズマ−電極共振周波数、及びスタッブ共振周波数の密接な関係；プラズマ−電極共振周波数、スタッブ共振周波数及びソース電極周波数を互いにずらすこと；及びオーバヘッド電極にソース電力を結合するために、好ましくは、理想の整合位置から僅かにずらされたソース電極の入力タップを有する共振するスタッブ同調の使用を含む。

プラズマ、スタッブ及びソース電力周波数をずらすことは、実際上、システムを離調することによってシステムの同調スペースを広くすると考えられる。スタッブ同調を用いることは、広い周波数範囲にわたって整合することによって同調スペースを広くする。理想の整合点からスタッブのタップ点１６０をずらすことは、更に、同調スペースを広くするためにシステムを最適化する。何故ならば、この特徴は、供給された電力が低下すると、電流を加え、そして供給された電力が増加すると、電流を減らすという効果を有するからである。高い（ＶＨＦ）ソース電力周波数を使用することは、システムのＱを減少し、またはソース電力周波数の増加に比例する同調スペースを増加する。更に重要なことは、この選択によって、電極−プラズマ共振がエッチングプロセスに好適なプラズマ密度でソース電力周波数に整合されることを可能にする。

本発明は、広いプロセスウインドウにわたってプロセス状態の変化に実質上影響されないリアクタを提供するので、本発明は、（ａ）プロセス状態のずれの広い範囲にわたって動作し、（ｂ）広い範囲の適用（いろいろなプロセスレシピ）にわたって有用であり、（ｃ）それらの性能は、製造の許容度の広い範囲にわたって実際上影響されないので、リアクタからリアクタへの特性が均一である、というリアクタの三重の利点を提供する。

結果的に、優れた結果が得られた。特に、幾つかの場合で、システムのＱは約５に最小化され、同じモデルのいろいろなリアクタ間で特性及び性能の優れた均一性を得て、プロセスウインドウを向上した。１０¹²イオン/ｃｃのオーダーの高いプラズマ密度が僅か２ｋＷのソース電力で一貫して達成された。

システムは、１０ｗ程度の低いソース電力レベルで変化がなく、１０ｍＴ〜２００ｍＴの圧力範囲にわたって、プラズマを維持した。ＶＨＦプラズマ及びソース電力周波数近くで共振する短絡されたインピーダンス整合同軸スタッブは、９５％以上の電力効率を維持しながら寄生ＶＨＦプラズマシース高調波を短絡した。システムは、３：１より小さいソース電力のＳＷＲを維持しながら、６０：１のプラズマ抵抗性負荷の変化及び１.３〜０.７５のリアクタンス性負荷の変化に適合した。

負荷の変化に適合するためにこの増大した能力、従って拡張されたプロセスウインドウは、（ａ）電極１２５及びその導電性支持体間の誘電体値の適切な選択ばかりでなくＶＨＦソース電力周波数の適切な選択によって、上述されたように達成された設計動作条件のもとで電極とプラズマ容量の整合；及び（ｂ）タップ電流が低い負荷状態の下でスタッブ電流に加えられ、高い負荷状態の下でスタッブ電流から引き算される最適なタップの位置を有する特別に構成された同軸スタッブ；に大部分よっている、と考えられる。

非常に高い電力効率は、抵抗性損失が支配する同軸スタッブにおける低い電流と高い電圧、及び容量性損失が支配する電極/プラズマにおける高い電流と低い電圧を実現するための最適なタップ位置に加えて、スタッブの共振周波数及び電極-プラズマの共振周波数間で整合を得ることにより、発生器の接続ばかりでなく、電極の接続における反射の損失を最小にする同軸スタッブによって与えられるインピーダンス変換に大部分よっている、と考えられる。全てこれらの利点は、従来のインピーダンス整合装置の必要性を避けまたは最小にしつつ、与えられる。

誘電体及び導体のエッチングに適合した本発明の模範的な実施例を詳細に説明したが、リアクタは、いろいろなイオン密度、いろいろなプラズマソース電力レベル、いろいろなチャンバ圧力を含む、上述されたもの以外のプラズマ動作条件の選択に対しても有利である。これらの変化は、いろいろな電極容量やいろいろな電極−プラズマ共振周波数を必要とし、いろいろなプラズマ容量を生成するであろうし、従って、上述されたものとは異なるプラズマソース電力周波数及びスタッブ共振周波数を必要とするであろう。

また、いろいろなウエハ直径及びいろいろなプラズマプロセス、例えば化学気相堆積がソース電力及びチャンバ圧力に対するいろいろな動作形態を多分有するであろう。更に、これらのいろいろな適用下において、リアクタは、一般に、上述の実施例におけるようにプロセスウインドウ及び安定性を向上するであろうと考えられる。

コンパクトなＶＨＦ固定同調素子
図１及び図８の同軸同調スタッブは、図１から図７を参照して説明された大きな同調スペースにわたってインピーダンス整合を行なう同調素子である。しかし、その軸に沿った線形デザインのため、そのフットプリントは、プラズマリアクタチャンバのそれよりも実際に大きい。この特徴は不便であることがわかるそれらの状態において、図１と図８の同軸同調スタッブは、図１２、図１３及び図１４に示されるように、等価なストリップライン回路によって置き換えられる。

ＶＨＦ発生器の５０Ωの同軸出力コネクタの中心導体は、ストリップライン導体７００に接続され、一方ＶＨＦ発生器の５０Ω同軸出力コネクタの外部導体は、リアクタの上部を覆うハウジング７１５の金属天井７１０に接続される。この導電性天井７１０は、ストリップライン導体７００が面している接地面として機能する。ストリップライン導体７００は、一般に断面が楕円形で、その広い側は接地面の天井７１０に面している。ストリップライン導体の特性インピーダンスは、接地面の天井７１０からの間隔によって決められる。好適には、ストリップライン導体７００は、その全体の長さに沿って接地面の天井７００から一様に間隔があけられている。

模範的な実施例において、ストリップライン導体は、高さが０.１２５インチ（約０.３１８センチ）、幅が２.５インチ（６.３５センチ）であり、０.５インチ（１.２７センチ）だけ接地面の天井から下に配置されている。接地面の天井７１０に面してストリップライン導体の広い（２.５インチ）側を有することによって、電流の流れは、ストリップライン導体７００の全体の２.５インチ幅を横切って分布され、それによって大部分の電流が生じる外部表面における抵抗損失を減少する。ストリップライン導体７００の長さは、図１を参照して詳細に説明されたように、同軸同調スタッブ１３５の長さと同じ方法で決められる。

更に、ストリップライン導体７００の長さに沿ったＲＦタップ１６０の配置も、図１を参照して説明されたように、同軸スタッブ１３５の長さに沿ったＲＦタップの配置と同じ方法で決められる。最後に、オーバヘッド電極１２５から最も遠い、図１２のストリップライン導体７００の端部は、接地（グラウンド）に短絡された図１の同軸スタッブの内部導体１４０の対応する端部と同様である。ストリップライン導体７００の場合、接地への短絡は、図１３に示されるように、遠い端部７００ａにおいて接地面の天井７１０への接続によって達成される。

図１〜図８の同軸同調スタッブ１３５と同様に、ストリップライン導体７００は、固定された同調素子の共振周波数の１／４波長に等しい長さを有しており、この場合、ストリップライン回路は、ストリップライン導体７００と接地面の天井を有している。従って、ストリップライン導体７００の長さの選択は、図１〜図７を参照して説明された同軸同調スタッブ１３５の長さの選択と全く同じである。一つの実施例において、この長さは、約２９インチ（７３.６６ｃｍ）であった。

図１２のＲＦタップ１６０は、図１のＲＦタップ１６０が同軸同調スタッブ１３５の長さに沿って対応した接続を行うように、ストリップライン導体７００の長さに沿った特定の点においてＶＨＦ発生器をストリップライン回路に接続する。図１２の場合、ＶＨＦ発生器の出力同軸コネクタは、タップ１６０においてストリップライン導体に接続され、一方ＶＨＦ発生器の出力同軸導体の外部導体は、ストリップライン導体へのタップの接続の上にある点において接地面の天井に接続される。

ストリップライン導体７００の長さに沿った図１２のタップ点１６０の位置は、図１を参照して詳細に説明された同軸スタッブの長さに沿った図１のタップの位置と同じ方法で決められる。この特徴について、ストリップライン導体７００と接地面の天井を有するストリップライン回路は、イッピーダンス整合スペースが理論的最適値からタップ点１６０を僅かにずらすことによって負荷抵抗の１００：１の変化と同じだけ調整することができる、図１の同軸同調スタッブ１３５と同じ方法で行なう。

図１を参照して説明したように、タップ１６０の理論的な最適位置は、定在波電圧と電流間の比がＶＨＦ発生器の出力インピーダンスまたはそれらの間に接続された同軸ケーブルの特性インピーダンスに等しい、同調スタッブ１３５の長さに沿った（または、等価的に、図１２のストリップライン導体の長さに沿った）点である。図１を参照して説明された発見は、インピーダンス整合スペースが理論的な最適位置から約５％だけタップ１６０をずらすことによって驚くほど広げられることである。従って、図１２のストリップライン導体回路は、図１の同軸同調スタッブの全ての利点及び機能を提供し、更にコンパクトであるという利点を有する。

図８の同軸スタッブの内部導体１４０と同様に、図１２のストリップライン導体７００は、電極１２５に接続されるユーティリティラインを収納するための中空であり、円錐形ハウジング２９０の上部面２９０ａに接続される。ストリップライン導体７００（図１と図８の同軸同調スタッブ上）の利点は、ストリップライン導体７００が、その必要な長さがリアクタチャンバの“フットプリント”を越えて広がらないで実現されるように、ハウジング内に円形状に広がっていることである。

ストリップラインの長さは、同軸同調スタッブの長さが図１を参照して説明されたような決め方と同じ方法で決められる。ストリップライン導体７００のインピーダンスは、セット面天井７１０からのその変位を調整することによって決められる。上述したように、このインピーダンスは、約３０オーム、すなわちＶＨＦ発生器の出力インピーダンスより小さいように選択されるのが最良である。ストリップライン導体の長さに沿ってＶＨＦ発生器１５０からのタップ１６０の位置は、図１を参照して説明されたように、同軸同調スタッブ上のＲＦタップ１６０の位置と同じ方法で求められる。接地面の天井７１０と組み合わされたストリップライン導体７００は、図１と図８の同軸同調スタッブと同じ機能を有し、図１を参照して説明されたと同じ性能の利点を提供する。

図１３の上面図は、ストリップライン導体７００が殆ど正方形の経路（丸くされたコーナを有する）に沿って巻かれている実施例を示しているのに対し、図１４は、ストリップ導体７００が円形に巻かれている他の実施例を示す。

同調素子を通して給電されるユーティリティ
図８と図１２に関して説明されたように、図８の同軸スタッブの内部導体１４０と図１２のストリップライン導体７００は、いろいろなユーティリティをオーバヘッド電極へ運ぶラインを収容するために、双方とも中空である。従って、図８と図１２に示されるように、外部のガス供給ライン３２５は、外部のガス流コントローラ８００に接続され、内部のガス供給ライン３４５は、内部のガス流コントローラ８１０に接続され、光ファイバー、すなわち光パイプ６８５は、光学検出器６８７に接続され、そして加熱／冷却ライン６７５は、加熱／冷却源コントローラ８３０に接続される。

固定同調素子１３５は、同軸同調スタッブ（図１と図８の実施例におけるように）またはストリップライン回路（図１２と図１４の実施例におけるように）の何れかである。アンテナの設計者は、ＲＦ発生器の特性出力インピーダンスと電極／プラズマの組み合わせのインピーダンス間にインピーダンス整合を与える点で、固定同調素子の両実施例によって達成される等価な機能を理解するであろう。固定同調素子の両実施例（または等価的に固定インピーダンス整合素子）は、中心導体（図１２におけるストリップライン導体、または図８における内部同軸導体のいずれか）及び接地された導体（図１２の接地面の天井または図８の接地された外部同軸導体）の使用を含んで、共通に構造的特徴を共有する。

両方の場合、インピーダンス整合素子の特性インピーダンスは、２つの導体間の間隔によって決められ、一方インピーダンス整合素子への入力インピーダンスは、ＲＦ発生器への接続の中心導体に沿った位置によって決められる。また、中心導体は、中空であり、従って、ガス供給ライン及び加熱導電性流体の供給ラインのためのＲＦシールド導管（コンジット）として働く。最も重要な共通の特徴は、インピーダンス整合素子の両実施例は構造上物理的に固定され、従って、移動するパーツのいらない、インテリジェントなコントローラであり、これは大きな利点である。他の関連した利点は、既に説明したとおりである。従って、両実施例の固定インピーダンス整合素子は、一般に中空の中心導体を有する固定された２つの導体インピーダンス整合素子と呼ばれる。

本発明は、いろいろな実施例を参照して詳細に説明されたけれども、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなくそれらの変化及び変更を行なうことができることが理解されるであろう。

本発明を実施するプラズマリアクタの切り欠き断面図である。 図１の同軸スタッブを示す。 同軸スタッブに沿った位置の関数として電圧及び電流定在波振幅を示す。 大きな整合スペースにおいてより一定の供給されたＶＨＦ電力レベルを維持するために、高いプラズマ負荷インピーダンスに応答して生じる同軸スタッブ上の入力の電力タップ点における電流の引き算を示す。 大きな整合スペースにおいてより一定の供給されたＶＨＦ電力レベルを維持するために、低いプラズマ負荷インピーダンスに応答して生じる同軸スタッブ上の入力の電力タップ点における電流の足し算を示す。 図１の実施例の周波数の関数として低いＱ反射係数を示すグラフである。 スタッブの長さに沿った定在波電流と電圧を有する同軸スタッブ上の入力電力のタップ点における電流寄与の相互作用を示すグラフである。 図１の同軸スタッブの他の実施例を示す。 本発明による他の実施例を示す。 図８に相当する部分拡大図である。 図９の部分拡大図である。 図８の他の部分拡大図である。 本発明による更に他の実施例を示す。 図１２に相当する上面図である。 図１３のリアクタの他の実施例に相当する上面図である。

Claims (26)

1. 半導体ワークピースを処理するためのプラズマリアクタであって、
   チャンバ壁を有し、前記半導体ワークピースを支持するためのワークピース支持体を含むリアクタチャンバと、
   前記ワークピース支持体の上方にあり、前記チャンバ壁の一部を含み、前記ワークピース支持体にほぼ面した複数のガス注入オリフィスを有するオーバヘッド電極と、
   電力発生器の周波数で電力を前記オーバヘッド電極に供給し、所望のプラズマイオン密度レベルで前記チャンバ内にプラズマを維持することができるＲＦ電力発生器と、
   前記ワークピース支持体に面している前記オーバヘッド電極の表面上に形成された、該表面を覆う絶縁層と、
   を有し、
   更に、前記ＲＦ電力発生器と前記オーバヘッド電極との間に容量性絶縁層を有し、
   前記オーバヘッド電極は、前記電力発生器の周波数であるか、またはその近くにある電極−プラズマ共振周波数でプラズマ共振を形成するリアクタンスを有し、
   更に、前記オーバヘッド電極の上面に接するように被覆された金属フォーム層を有することを特徴とするプラズマリアクタ。
2. 更に、前記絶縁層を覆うシリコン含有コーティングを有することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
3. 前記シリコン含有コーティングは、シリコンまたは炭化珪素の１つを含むことを特徴とする請求項２に記載のリアクタ。
4. 前記絶縁層は、前記ガス注入オリフィス内にアークが発生するのを抑圧するのに充分な容量を与えることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
5. 前記容量性絶縁層は、チャンバ内のプラズマからのＤＣ電流が前記オーバヘッド電極を通して流れるのを阻止するのに充分な容量を有することを特徴とする請求項４に記載のリアクタ。
6. 前記オーバヘッド電極、前記チャンバ壁、及び前記ワークピース支持体は、円筒状軸対称であり、前記金属フォーム層は、前記ガス注入オリフィス内の軸電界を抑圧するのに充分な厚さであることを特徴とする請求項５に記載のリアクタ。
7. 前記オーバヘッド電極はアルミニウムであり、前記絶縁層は陽極酸化によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
8. 前記容量性絶縁層は、プラズマシースに発生される高調波に対して前記オーバヘッド電極を通して接地するように低インピーダンス路を与える容量を形成することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
9. 更に、前記オーバヘッド電極内に加熱制御流体の通路を有することを特徴とする請求項７に記載のリアクタ。
10. 更に、前記ウエハ支持体にほぼ面する前記オーバヘッド電極における光学ウインドウと、前記ウインドウに結合され、前記オーバヘッド電極を通して延びる光搬送媒体を有することを特徴とする請求項９に記載のリアクタ。
11. 前記プラズマは、リアクタンスを有し、前記電極のリアクタンスは、前記プラズマのリアクタンスに相当することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
12. 前記電極のリアクタンスは、前記プラズマのリアクタンスの共役であることを特徴とする請求項１１に記載のリアクタ。
13. 前記プラズマのリアクタンスは負の容量を有し、前記電極の容量は前記プラズマの前記負の容量の大きさと同じ大きさであることを特徴とする請求項１１に記載のリアクタ。
14. 前記ＲＦ発生器の周波数及び電極-プラズマ共振周波数は、ＶＨＦ周波数であることを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
15. 前記プラズマリアクタンスは、前記プラズマイオン密度の関数であることを特徴とする請求項１４に記載のリアクタ。
16. 前記プラズマプロセスは、プラズマエッチングプロセスであり、前記プラズマイオン密度は、約１０⁹イオン/ccから１０¹²イオン/ccの範囲にあることを特徴とする請求項１５に記載のリアクタ。
17. 更に、前記発生器と前記オーバヘッド電極間に接続された固定インピーダンス整合素子を有し、前記固定インピーダンス整合素子は、整合素子の共振周波数を有することを特徴とする請求項１に記載のリアクタ。
18. 前記整合素子の共振周波数及び前記電極−プラズマ共振周波数は、互いにオフセットされ、前記発生器の周波数は、前記電極−プラズマ共振周波数と前記整合素子の共振周波数の間にあることを特徴とする請求項１７に記載のリアクタ。
19. 前記発生器の周波数、前記プラズマ周波数及び前記整合素子の共振周波数は、全てＶＨＦ周波数であることを特徴とする請求項１８に記載のリアクタ。
20. 前記固定インピーダンス整合素子は、
    導体の近端部で、前記オーバヘッド電極に接続される導体と、
    前記導体の長さに沿って、選択された位置にあるタップと、
    を有し、
    前記タップは、前記導体と前記ＲＦ電力発生器の出力端子間に接続されていることを特徴とする請求項１７に記載のリアクタ。
21. 更に、前記導体の遠端部において接地された短絡導体を有することを特徴とする請求項２０に記載のリアクタ。
22. 前記近端部と遠端部間の前記導体の長さは、前記固定インピーダンス整合素子の共振周波数の４分の１の倍数に等しいことを特徴とする請求項２１に記載のリアクタ。
23. 前記ＲＦ電力発生器の前記周波数、前記整合素子の共振周波数、及び前記電極−プラズマ共振周波数は、全て互いにオフセットされたＶＨＦ周波数であることを特徴とする請求項２２に記載のリアクタ。
24. 前記選択された位置は、前記固定インピーダンス整合素子における定在波電圧と定在波電流間の比が前記ＲＦ電力発生器の出力インピーダンスに少なくともほぼ等しい前記導体の長さに沿った位置であることを特徴とする請求項２０に記載のリアクタ。
25. 前記固定インピーダンス整合素子は、ストリプライン回路を有することを特徴とする請求項２０に記載のリアクタ。
26. 前記固定インピーダンス整合素子は、同軸同調スタッブを有することを特徴とする請求項２０に記載のリアクタ。

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