JP2005203444A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被処理基板と直列に接続された容量性素子等による電圧波形の変形を、簡便な方法で補正するプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 被処理基板０１０９にバイアス電位を与えてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、バイアス電源０１１２の電圧波形を被処理基板０１０９に伝送する経路で生じる波形歪みを補正する回路０１１１を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置において被処理基板に数十ｋＨｚから数ＭＨｚ程度の周波数を持つバイアス電位を与えて、主にプラズマ中のイオンを引き込み、被処理基板にプラズマエッチングなどのプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置に関する。

従来技術として非特許文献１に開示されたエッチング装置がある。この従来技術では被処理基板に入射するイオンのエネルギー分布のばらつきを抑制することができる。しかしこの従来技術では正弦波である電源出力を整形して用いるため、装置構成が複雑で電力損失も大きい問題があった。
Ｎ．ｙａｓｕｉ，Ｍ．Ｓｕｍｉｙａ，Ｈ．Ｔａｍｕｒａ ａｎｄ Ｓ．Ｗａｔａｎａｂｅ："Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｉｏｎｓ Ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｔｏ Ｗａｆｅｒ ｂｙ Ｕｓｉｎｇ Ａｃｔｉｖｅ Ｂｉａｓ"，２００３ Ｄｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ予稿集ｐ．３７−４２

前記従来技術では正弦波を整形する回路において電力損失が大きく、装置の信頼性、経済性の面で問題があった。本発明の解決しようとする課題として、被処理基板と直列に接続された容量性素子等による電圧波形の変形を、簡便な方法で補正することにある。

一般に損失のない素子のインピーダンスは特定の周波数に対しては特定のインピーダンスを持つ素子を直列に接続することでキャンセルできる。また一般に任意の波形をある一定の周期で繰り返す波形は特定の振幅、位相、周波数を持つ正弦波の重ねあわせで近似できることが知られている。被処理基板に加えるべきバイアス波形を周波数成分に分解し、各周波数成分に対応してキャンセルしたい素子のインピーダンスに対応した素子を準備することで、任意波形に対し近似的に、前記容量性素子等による電圧波形の変形をキャンセルすることができる。

電力損失の小さい素子のインピーダンスは実効的に虚数成分のみを持つものと近似できる。この素子のインピーダンスをキャンセルするには絶対値が同じで位相が１８０度異なる素子を直列に接続すれば合成したインピーダンスはゼロとなりキャンセルできる。一般に素子は周波数特性を持つため、任意の周波数に対しインピーダンスをキャンセルする素子を構成することは事実上困難である。しかし対象とする波形が繰り返し波形である場合は、その周期に応じた周波数とその整数倍の周波数のみについて該当する素子のインピーダンスをキャンセルすれば良い。波形の補正を高精度に行いたい場合は高次の周波数まで考慮し、それほど精度を必要としない場合には低次の周波数成分のみを考慮すれば良い。

すなわち、本発明は、被処理基板にバイアス電位を与えてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、バイアス電源の電圧波形を被処理基板に伝送する経路で生じる波形歪みを補正する機構を持つプラズマ処理装置である。また、バイアス電源の出力波形が矩形波である。

また、本発明は、被処理基板にバイアス電位を与えてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、バイアス電源と被処理基板の間のインピーダンスが容量性または誘導性であり、該インピーダンスにより生じるバイアス電源出力波形の歪みを補正する回路を該インピーダンスに直列に接続したプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、上記インピーダンスが容量性であるプラズマ処理装置である。

更に、本発明は、上記バイアス電源出力波形の歪みを補正する回路が、バイアス電源の基本周波数およびその高調波成分を通過域とするバンドパスフィルタを並列に接続したプラズマ処理装置である。

また、本発明は、上記バンドパスフィルタのインピーダンスが、バイアス電源の基本周波数またはその高調波成分における、バイアス電源と被処理基板間のインピーダンスに対し、絶対値が同じで、位相が１８０度異なるプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、上記バンドパスフィルタを誘導性素子と容量性素子の直列素子で構成したプラズマ処理装置である。

本発明により、エッチング装置等のプラズマ処理装置において、ウェハに加えるバイアス電圧の波形が伝送路等により歪む影響を補正して、任意波形をウェハに与えることが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明のプラズマ処理装置の実施例について、図１から図７を用いて説明する。図１は、実施例のエッチング装置の断面図である。図２は、静電チャックの説明図である。図３は、バイアス電圧をウェハに加える回路構成の説明図である。図４は、バイアス電圧をウェハに加える回路構成の説明図である。図５は、バイアス電圧をウェハに加える回路構成の説明図である。図６は、バイアス電圧をウェハに加える回路構成の回路定数の一例の説明図である。図７は、バイアス電圧各部の電圧波形の一例の説明図である。

実施例１を説明する。図１に本実施例のエッチング装置を示す。周波数４５０ＭＨｚの高周波電源０１０１による電磁波は、自動整合機０１０２を介して同軸線路０１０３で円盤アンテナ０１０４に伝送される。円盤アンテナ０１０４の下部には誘電体窓０１０５がある。誘電体窓０１０５の材質として石英を用いた。誘電体窓０１０５の下部には、処理室０１０６に処理ガスをシャワー状に供給するためのシャワー板０１０７がある。処理室０１０６には、図示しない真空排気系が接続されている。またシャワー板０１０７と誘電体窓０１０５の間には微少な間隙が設けられ、図示しないガス供給系からのガスが前記間隙を通して供給され、シャワー板０１０７に設けられた微少な供給穴を通して、処理室０１０６に供給される。処理室０１０６の周囲には静磁界発生装置０１０８があり、処理室０１０６に静磁界を加えることができる。静磁界により処理室に発生したプラズマの拡散を制御し、プラズマの密度分布を調整することができる。また電子のサイクロトロン周波数と電磁波の周波数を一致させることで、電磁波がプラズマに共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴現象を起こすことができる。電子サイクロトロン共鳴によりプラズマの発生、維持が容易になり、通常ではプラズマの発生が困難な低い圧力でもプラズマ処理が可能となる。周波数４５０ＭＨｚの場合、電子サイクロトロン共鳴を起こす静磁界の強さは０．０１６テスラである。また静磁界の調整により電子サイクロトロン共鳴を起こす場所を制御することで、プラズマ発生領域を制御することができ、これによりプラズマの分布を調整して最適なプラズマ処理を行うことができる。

処理室０１０６内には、被処理基板０１０９を載置する基板電極０１１０がある。基板電極０１１０には波形整形ユニット０１１１を介して高周波電源０１１２が設置され、被処理基板０１０９にバイアス電位を与えることができる。高周波電源０１１２は、デューティ比可変の矩形波で発振することができる。発振の基本周波数は４００ｋＨｚである。ここでデューティ比とは、電圧波形において１周期に対するプラス側電圧を生じる時間の割合をいう。

波形整形ユニット０１１１は、伝送路で生じたバイアス電源電圧の波形歪みを補正し、バイアス電源の出力波形とほぼ同じ電圧波形を被処理基板に印加する働きを持つ。矩形波のバイアス電圧波形を被処理基板に印加することで、プラズマ中から被処理基板に引き込むイオンのエネルギーを揃えて、プラズマ処理の特性を向上させることを目的としている。例えばエッチング処理の場合、通常は被エッチング材が概略除去され、下地が表面に現われた場合、下地層はエッチングされないことが望ましい。イオンのエネルギーを下地層の材質に対してはエッチング速度が遅く、被エッチング材に対してはエッチング速度が速いエネルギーに調整できれば、下地層のエッチングは抑制しつつ、被エッチング材は効率よくエッチングされる。イオンのエネルギーにばらつきが大きい場合には、イオンエネルギーを高い精度で調整することが事実上困難となる。

被処理基板０１０９を基板電極０１１０に固定するために、静電チャックを用いる。静電チャックの構成を図２に示す。静電チャックは、電気的に絶縁された絶縁層０２０１と絶縁層０２０１の中に設けられた電極部０２０２、電極部０２０２に直流電位を与える直流電源０２０３から構成される。被処理基板０１０９を絶縁層０２０１上に載せ、直流電源０２０３により電極部０２０２に直流電位を与えると、被処理基板０１０９の絶縁層０２０１側に電荷が誘起され、誘起された電荷と電極部０２０２間に静電気的な吸着力が生じ、これにより被処理基板０１０９を基板電極０１１０に吸着することができる。

一方、高周波電源０１１２により印加された高周波は、絶縁層０２０１を介して被処理基板０１０９に加えられる。絶縁層０２０１は、容量性のインピーダンス素子とみなすことができる。すなわち、高周波電源０１１２より発生する高周波は、容量性素子を介して被処理基板０１０９に加えられる。

また、被処理基板０１０９は、電気的に絶縁された層で被覆されていることが多い。例えばシリコン基板の場合、その表面を酸化して絶縁膜を表面に形成することがしばしば行われる。静電チャックを用いずに、例えば機械的に基板電極に保持した場合にも、同様に容量性のインピーダンス素子としての絶縁膜を介して高周波電源０１１２の出力波形が印加されることになる。

容量性素子は、高い周波数成分ほどインピーダンスの絶対値が小さくなる。高周波電源０１１２の出力が複数の周波数成分を含むと、容量性素子とみなされる絶縁層０２０１の周波数特性により、被処理基板０１０９に加えられる波形が歪むことになる。これを防止するために、波形整形ユニット０１１１を用いる。

波形整形ユニット０１１１の動作を説明する。図３に回路モデルを示す。損失の小さい電気的素子のインピーダンスは、近似的に純虚数となる。負荷０３０２に任意の波形を繰り返す高周波電源０３０３の出力波形を印加するが、伝送路のインピーダンス０３０１により波形が歪む。伝送路のインピーダンスとしては、例えば前述の静電チャックや接続に用いるケーブルのインピーダンス等、電源出力端と負荷の間に電気的に接続された素子の合成インピーダンスを考える。波形整形ユニット０３０４を高周波電源０３０３に直列に加えて波形を補正し、高周波電源０３０３の出力波形を負荷０３０２に歪みなく印加することを考える。伝送路、波形整形ユニットの損失が小さいものとして、インピーダンスが純虚数で表されるものとする。歪みなく波形を負荷０３０２に印加するには、高周波電源０３０３の基本周波数およびその整数倍の周波数に対して式（１）を満足すればよい。

式（１）は、波形整形ユニット０３０４のインピーダンスと伝送路のインピーダンス０３０１の絶対値が同じで、位相が１８０度異なることを意味する。

５次の高調波までを考慮した場合を例に取り、説明する。式（１）を近似的に満足する波形整形ユニットは、例えば式（２）を満足する素子を並列に接続した図４に示す回路で構成できる。

式（２）は、波形整形ユニット０３０４のインピーダンスが概略、バイアス電源の基本波およびその高調波の周波数のみを通過させるバンドパスフィルタとしての特性を持つことを意味する。

上記の各高調波成分に対応した回路は、例えば図５に示すように近似的にＬＣの直列回路で構成可能である。各周波数ωに対するインダクタンスＬとキャパシタンスＣの直列回路のインピーダンスは、式（３）のようにあらわされる。

上記ＬＣ直列回路は、式（３）のインピーダンスがゼロとなる周波数で共振を起こす直列共振回路となっており、その共振周波数より低い周波数で誘導性、高い周波数で容量性となる。また分母のωＣを小さくなるようＣを選ぶと、共振特性が鋭くなり、共振周波数からわずかにずれた周波数でインピーダンスの絶対値が大きくなる。伝送路のインピーダンス０３０１を考慮し、式（２）を近似的に満足するように回路定数ＬおよびＣを選択すれば良い。

例えば前述のように伝送路のインピーダンスが容量Ｃの容量性である場合、式（４）のように表される。

この場合、図４、式（２）に相当する回路として、図５に示すように、例えば誘導性素子Ｌと容量性素子Ｃを直列に接続した１０段並列に接続した回路を用いることにする。例えば図６に示す回路定数を選んだ場合、図５におけるＡ．Ｂ，Ｃ各点での電圧波形は、図７に示すように整形することができる。

図４、図５、式（２）は第５次高調波まで、または第１０次高調波までを考慮した例であるが、さらに高次の高調波までを考慮するには段数を増やせば良い。

実施例のエッチング装置の断面図。 静電チャックの説明図。 バイアス電圧をウェハに加える回路構成の説明図。 バイアス電圧をウェハに加える回路構成の説明図。 バイアス電圧をウェハに加える回路構成の説明図。 バイアス電圧をウェハに加える回路構成の回路定数の一例の説明図。 バイアス電圧各部の電圧波形の一例の説明図。

符号の説明

０１０１…………高周波電源
０１０２…………自動整合機
０１０３…………同軸線路
０１０４…………円盤アンテナ
０１０５…………誘電体窓
０１０６…………処理室
０１０７…………シャワー板
０１０８…………静磁界発生装置
０１０９…………被処理基板
０１１０…………基板電極
０１１１…………波形整形ユニット
０１１２…………高周波電源
０２０１…………絶縁層
０２０２…………電極部
０２０３…………直流電源
０３０１…………伝送路のインピーダンス
０３０２…………負荷
０３０３…………高周波電源
０３０４…………波形整形ユニット

Claims (7)

1. 被処理基板にバイアス電位を与えてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
   バイアス電源の電圧波形を被処理基板に伝送する経路で生じる波形歪みを補正する機構を持つことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   バイアス電源の出力波形が矩形波であることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 被処理基板にバイアス電位を与えてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
   バイアス電源と被処理基板の間のインピーダンスが容量性または誘導性であり、該インピーダンスにより生じるバイアス電源出力波形の歪みを補正する回路を該インピーダンスに直列に接続したことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１、２又は３記載のプラズマ処理装置において、
   上記インピーダンスが容量性であることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項４記載のプラズマ処理装置において、
   上記バイアス電源出力波形の歪みを補正する回路が、バイアス電源の基本周波数およびその高調波成分を通過域とするバンドパスフィルタを並列に接続したことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項５記載のプラズマ処理装置において、
   上記バンドパスフィルタのインピーダンスが、バイアス電源の基本周波数またはその高調波成分において、バイアス電源と被処理基板間のインピーダンスに対し、絶対値が同じで、位相が１８０度異なることを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項６記載のプラズマ処理装置において、
   上記バンドパスフィルタを誘導性素子と容量性素子の直列素子で構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。

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