JP2013122966A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ生成に用いる高周波のパワーをパルス状に変調するパワー変調方式においてプラズマを確実に着火して、プラズマプロセスを所定のプロセス条件で安定確実に開始できるようにする。
【解決手段】本発明のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−１］は、パワー変調をかけられる高周波ＲＦ１のデューティ比を、プロセス開始時点ｔ₀では、実用上の任意のパワー変調条件の下でプラズマを確実に着火できる初期値（９０％）を用いる。そして、プロセスの開始と同時に高周波ＲＦ１のデューティ比を初期値９０％から一定の負の勾配またはランプ波形で漸次的に下げ、所定時間Ｔ_d（Ｔ_d＞Ｔ_a）を経過した時点ｔ₂で当該エッチングプロセス用の本来の設定値Ｄ_sまで下げる。時点ｔ₂以降は、プロセスの終了時（時点ｔ₄）までデューティ比を設定値Ｄ_sに固定または保持する。
【選択図】 図４Ａ

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特にプラズマ生成に用いる高周波のパワーをパルス状に変調するパワー変調方式の容量結合型プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

容量結合型のプラズマ処理装置は、処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置し、上部電極もしくは下部電極にプラズマ生成に適した周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波を印加する。この高周波の印加によって相対向する電極間に生成された高周波電界により電子が加速され、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマが発生する。そして、このプラズマに含まれるラジカルやイオンの気相反応あるいは表面反応によって、基板上に薄膜が堆積され、あるいは基板表面の素材または薄膜が削られる。

近年は、半導体デバイス等の製造プロセスにおけるデザインルールが益々微細化し、特にプラズマエッチングでは、より高い寸法精度が求められており、エッチングにおけるマスクまたは下地に対する選択比や面内均一性をより高くすることも求められている。そのため、チャンバ内のプロセス領域の低圧力化、低イオンエネルギー化が指向され、４０ＭＨｚ以上といった高い周波数の高周波が用いられつつある。

しかしながら、このように低圧力化および低イオンエネルギー化が進んだことにより、従来は問題とならなかったチャージングダメージの影響を無視することができなくなっている。つまり、イオンエネルギーの高い従前のプラズマ処理装置ではプラズマ電位が面内でばらついたとしても大きな問題は生じないが、より低圧でイオンエネルギーが低くなると、プラズマ電位の面内不均一がゲート酸化膜のチャージングダメージを引き起こしやすくなるといった問題が生じる。

この問題に対しては、プラズマ生成に用いる高周波のパワーをオン／オフ（またはＨレベル／Ｌレベル）のパルスに変調するパワー変調方式が有効とされている（特許文献１）。このパワー変調方式によれば、プラズマエッチング中に処理ガスのプラズマ生成状態とプラズマ非生成状態（プラズマを生成していない状態）とが所定周期で交互に繰り返されるので、プラズマ処理の開始から終了までプラズマを生成し続ける通常のプラズマ処理に比べて、プラズマを連続して生成している時間が短くなる。これによって、プラズマから被処理基板に一度に流入する電荷の量あるいは被処理基板の表面部に電荷が累積的に蓄積する量が減ることになるので、チャージングダメージは生じ難くなり、安定したプラズマ処理の実現およびプラズマプロセスの信頼性が向上する。

また、容量結合型のプラズマ処理装置においては、基板を載置する下部電極に低い周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波を印加し、下部電極上に発生する負のバイアス電圧またはシース電圧によりプラズマ中のイオンを加速して基板に引き込むＲＦバイアス法が多く用いられている。このようにプラズマからイオンを加速して基板表面に衝突させることにより、表面反応、異方性エッチング、あるいは膜の改質等を促進することができる。

ところが、容量結合型プラズマエッチング装置を用いてビアホールやコンタクトホール等のエッチング加工を行う場合には、ホールサイズの大小によってエッチングレートが異なる、いわゆるマイクロローディング効果が生じる問題があり、エッチング深さのコントロールが困難であるという問題がある。特に、ガードリング（ＧＲ）のような大きいエリアではエッチングが速いことが多く、ＣＦ系ラジカルが入りにくいスモールビアではエッチレートが遅いことが多い。

この問題に対しては、イオン引き込みに用いる高周波のパワーをデューティ可変な第１レベル／第２レベル（またはオン／オフ）のパルスに変調するパワー変調方式が有効とされている（特許文献２）。このパワー変調方式によれば、被処理基板の所定の膜のエッチングが進行するのに適した高い第１のレベル（Ｈレベル）のパワーを維持する期間とイオン引き込み用の高周波が被処理基板上の所定の膜にポリマーが堆積されるのに適した低い第２のレベル（Ｌレベル）のパワーを維持する期間とが一定の周期で交互に繰り返されることにより、所定の膜に適度なポリマー層が堆積された状態とすることができ、エッチングの進行を抑制することができるので、望ましくないマイクロローディング効果を低減し、高選択比および高エッチングレートのエッチングが可能となる。

また、容量結合型のプラズマエッチング装置においては、プラズマ生成空間を挟んで基板と対向する上部電極に負極性の直流電圧を印加することにより、上部電極で発生する２次電子を基板の表層に高速度で打ち込んで、ＡrＦフォトレジスト等のエッチング耐性の低い有機マスクを改質することも行われている。最近は、この高速電子による有機マスクの改質効果を高めるために、プラズマ生成に用いる高周波のパワーを一定のパルス周波数でオン／オフさせるとともに、これに同期して高周波パワーがオフになる期間中のみ直流電圧を印加する方法も提案されている（特許文献３）。このように、高周波パワーがオフしてプラズマシースが薄くなる期間に直流電圧が上部電極に印加されることで、上部電極からの２次電子が基板に効率よく入射し、基板上の有機膜が強化される。

特開２００９−７１２９２号公報 特開２００９−３３０８０号公報 特開２０１０−２１９４９１号公報

上記のようなパワー変調の機能を備えた従来の容量結合型プラズマ処理装置は、プラズマプロセスに対するレシピの中でパルス周波数およびデューティ比（パルスの１サイクルにおけるオン期間の比率）のいずれも任意に設定できるようにしている。ところが、プラズマの生成に用いる高周波のパワー変調において、デューティ比を低めに設定した場合や、パルス周波数を高めに設定した場合に、プロセス開始の際にプラズマが着火し難いことが問題になっている。

この問題に対処するために、従来は、高周波放電に適した特別の高圧力条件または高ＲＦパワー条件の下でプラズマを着火させてプロセスを開始し、放電が安定化してから本来の設定圧力または設定ＲＦパワーに切り換える方法を採っている。しかしながら、この方法は、本来のプロセス条件とは異なる条件を一定時間用いるため、プラズマプロセスに望ましくない影響を来すおそれがあり、信頼性がよくなかった。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、プラズマ生成に用いる高周波のパワーをパルス状に変調するパワー変調方式においてデューティ比を任意（特に低め）に設定し、あるいはパルス周波数を任意（特に高め）に設定してもプラズマを確実に着火して、プラズマプロセスを所期のプロセス条件で安定確実に開始できるようにしたプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供する。

本発明のプラズマ処理方法は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器内に相対向して設けられた第１および第２の電極間で処理ガスの高周波放電によるプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記第１の電極上に保持される前記基板に所望の処理を施すプラズマ処理方法であって、所与のプラズマプロセスに対して、前記プラズマの生成に用いる第１の高周波のパワーがオン状態または第１のレベルになる第１の期間とオフ状態または前記第１のレベルよりも低い第２のレベルになる第２の期間とを一定のパルス周波数で交互に繰り返すように、前記第１の高周波のパワーにパルス状の変調をかける工程と、前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比を、プラズマ着火用の初期値で開始し、所定の遷移時間をかけて前記初期値から前記プラズマプロセス用の設定値まで漸次的または段階的に下げる工程とを有する。

本発明のプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で前記処理ガスのプラズマを生成するために前記第１の電極または前記第２の電極のいずれか一方に第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、所与のプラズマプロセスに対して、前記第１の高周波のパワーがオン状態または第１のレベルになる第１の期間とオフ状態または前記第１のレベルよりも低い第２のレベルになる第２の期間とを一定のパルス周波数で交互に繰り返すように、前記第１の高周波給電部を制御して前記第１の高周波のパワーにパルス状の変調をかける変調制御部と、前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比を、プラズマ着火用の初期値で開始し、所定の遷移時間をかけて前記初期値から前記プラズマプロセス用の設定値まで漸次的または段階的に下げるデューティ制御部とを有する。

本発明のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法によれば、上記のような構成により、プラズマ生成に用いる高周波のパワーをパルス状に変調するパワー変調方式においてデューティ比を任意に設定し、あるいはパルス周波数を任意に設定してもプラズマを確実に着火して、プラズマプロセスを所期のプロセス条件で安定確実に開始することができる。

本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。 上記プラズマ処理装置で使用可能な２つの高周波の各形態および組み合わせに関する第１のＲＦモードを示す図である。 上記プラズマ処理装置における第２のＲＦモードを示す図である。 上記プラズマ処理装置における第３のＲＦモードを示す図である。 上記プラズマ処理装置における第４のＲＦモードを示す図である。 上記プラズマ処理装置における第５のＲＦモードを示す図である。 上記プラズマ処理装置における第６のＲＦモードを示す図である。 上記プラズマ処理装置における第７のＲＦモードを示す図である。 第４のＲＦモードにおける第１のデューティ比制御法を示す図である。 第４のＲＦモードにおける第２のデューティ比制御法を示す図である。 第５のＲＦモードにおける第１のデューティ比制御法を示す図である。 第５のＲＦモードにおける第２のデューティ比制御法を示す図である。 第６のＲＦモードにおけるデューティ比制御法を示す図である。 第７のＲＦモードにおける第１のデューティ比制御法を示す図である。 第７のＲＦモードにおける第２のデューティ比制御法を示す図である。 デューティ比の設定値が小さい場合に上記第５のＲＦモードにおける第２のデューティ比制御法を用いた場合のシーケンスを示す図である。 上記第５のＲＦモードにおいて第２のデューティ比制御法を用いた場合のプラズマ着火性に関する実験結果を示す図である。 第２のデューティ比制御法を用いた上記実験で「ＮＧ」としたプロセス条件に第１のデューティ比制御法を適用した場合のプラズマ着火性に関する実験結果を示す図である。 上記第５のＲＦモードにおいて第２のデューティ比制御法を用いた場合のプラズマ着火性に関する別の実験結果を示す図である。 第２のデューティ比制御法を用いた上記実験で「ＮＧ」としたプロセス条件に第１のデューティ比制御法を適用した場合のプラズマ着火性に関する実験結果を示す図である。 実施形態においてプラズマ生成に適した高周波系の高周波給電部の構成を示すブロック図である。 実施形態においてイオンの引き込みに適した高周波系の高周波給電部の構成を示すブロック図である。 実施形態における整合器の作用を説明するための各部の波形図である。 実施例の実験で観測された各部の波形を示す図である。 比較例のデューティ比制御法を示す図である。 比較例の実験で観測された各部の波形を示す図である。 第２の実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。 上記プラズマ処理装置における第８のＲＦモードを示す図である。 第８のＲＦモードの一変形例を示す図である。 上記第８のＲＦモードにおける第１のデューティ比制御法を示す図である。 上記第８のＲＦモードにおける第２のデューティ比制御法を示す図である。 本発明の一変形例によるデューティ比制御法を示す図である。 別の変形例によるデューティ比制御法を示す図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

［実施形態１におけるプラズマ処理装置の構成及び作用］

図１に、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、容量結合型（平行平板型）のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形の真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は接地されている。

チャンバ１０の底部には、セラミックなどの絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上にたとえばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、この上に被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷが載置される。

サセプタ１６の上面には半導体ウエハＷを保持するための静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートの間に挟み込んだものであり、電極２０にはスイッチ２２を介して直流電源２４が電気的に接続されている。直流電源２４からの直流電圧により、半導体ウエハＷを静電吸着力で静電チャック１８に保持できるようになっている。静電チャック１８の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるためのたとえばシリコンからなるフォーカスリング２６が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面にはたとえば石英からなる円筒状の内壁部材２８が貼り付けられている。

サセプタ支持台１４の内部には、たとえば円周方向に延びる冷媒室３０が設けられている。この冷媒室３０には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管３２ａ，３２ｂを介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によってサセプタ１６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できるようになっている。さらに、伝熱ガス供給機構（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン３４を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

サセプタ１６には、２系統の高周波給電部３３，３５が電気的に接続されている。第１系統の高周波給電部３３は、プラズマの生成に適した一定の周波数ｆ_RF1（たとえば１００ＭＨｚ）の高周波ＲＦ１を出力する高周波電源３６と、この高周波電源３６からの高周波ＲＦ１をサセプタ１６まで伝送する高周波伝送路４３と、この高周波伝送路４３上に設けられる整合器４０とで構成されている。第２系統の高周波給電部３５は、プラズマからサセプタ１６上の半導体ウエハＷへのイオンの引き込みに適した一定の周波数ｆ_RF2（たとえば１３．５６ＭＨｚ）の高周波ＲＦ２を出力する高周波電源３８と、この高周波電源３８からの高周波ＲＦ２をサセプタ１６まで伝送する高周波伝送路４５と、この高周波伝送路４５上に設けられる整合器４２とで構成されている。サセプタ１６の裏面（下面）に接続される給電用導体（たとえば給電棒）４４は、両高周波伝送路４３，４５に共用される。

チャンバ１０の天井には、サセプタ１６と平行に向かいあって接地電位の上部電極４６が設けられている。この上部電極４６は、多数のガス噴出孔４８ａを有するたとえばＳi、ＳiＣなどのシリコン含有材質からなる電極板４８と、この電極板４８を着脱可能に支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体５０とで構成されている。この上部電極４６とサセプタ１６との間にプラズマ生成空間または処理空間ＰＳが形成されている。

電極支持体５０は、その内部にガスバッファ室５２を有するとともに、その下面にガスバッファ室５２から電極板４８のガス噴出孔４８ａに連通する多数のガス通気孔５０ａを有している。ガスバッファ室５２にはガス供給管５４を介して処理ガス供給源５６が接続されている。ガス供給管５４には、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５８および開閉バルブ６０が設けられている。処理ガス供給源５６より所定の処理ガス（エッチングガス）がガスバッファ室５２に導入されると、電極板４８のガス噴出孔４８ａよりサセプタ１６上の半導体ウエハＷに向けて処理空間ＰＳに処理ガスがシャワー状に噴出されるようになっている。このように、上部電極４６は、処理空間ＰＳに処理ガスを供給するためのシャワーヘッドを兼ねている。

また、電極支持体５０の内部には冷媒たとえば冷却水を流す通路（図示せず）も設けられており、外部のチラーユニットにより冷媒を介して上部電極４６の全体、特に電極板４８を所定温度に温調するようになっている。さらに、上部電極４６に対する温度制御をより安定化させるために、電極支持体５０の内部または上面にたとえば抵抗発熱素子からなるヒータ（図示せず）を取り付ける構成も可能である。

サセプタ１６およびサセプタ支持台１４とチャンバ１０の側壁との間に形成される環状の空間は排気空間となっており、この排気空間の底にはチャンバ１０の排気口６２が設けられている。この排気口６２に排気管６４を介して排気装置６６が接続されている。排気装置６６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０の室内、特に処理空間ＰＳを所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口６８を開閉するゲートバルブ７０が取り付けられている。

主制御部７２は、１つまたは複数のマイクロコンピュータを含み、外部メモリまたは内部メモリに格納されるソフトウェア（プログラム）およびレシピ情報にしたがって、装置内の各部、特に高周波電源３６，３８、整合器４０，４２、ＭＦＣ５８、開閉バルブ６０、排気装置６６等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）を制御する。

また、主制御部７２は、キーボード等の入力装置や液晶ディスプレイ等の表示装置を含むマン・マシン・インタフェース用の操作パネル（図示せず）および各種プログラムやレシピ、設定値等の各種データを格納または蓄積する外部記憶装置（図示せず）等とも接続されている。この実施形態では、主制御部７２が１つの制御ユニットとして示されているが、複数の制御ユニットが主制御部７２の機能を並列的または階層的に分担する形態を採ってもよい。

この容量結合型プラズマエッチング装置における枚葉ドライエッチングの基本的な動作は次のようにして行われる。先ず、ゲートバルブ７０を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック１８の上に載置する。そして、処理ガス供給源５６より処理ガスつまりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置６６による真空排気でチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、高周波電源３６からの高周波ＲＦ１（１００ＭＨｚ）と高周波電源３８からの高周波ＲＦ２（１３．５６ＭＨｚ）とを重畳して（あるいは単独で）サセプタ１６に印加する。また、直流電源２４より直流電圧を静電チャック１８の電極２０に印加して、半導体ウエハＷを静電チャック１８上に固定する。上部電極４６のシャワーヘッドより吐出されたエッチングガスは両電極４６，１６間の高周波電界の下で放電し、処理空間ＰＳ内にプラズマが生成される。このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面の被加工膜がエッチングされる。

この容量結合型プラズマエッチング装置においては、両高周波給電部３３，３５に対する主制御部７２の制御により、チャンバ１０内のサセプタ１６に印加する高周波の種類、形態および組み合わせについて次のような７種類のＲＦモードを選択的に使用できるようになっている。このうち、第１〜第３のＲＦモードはパワー変調を用いず、第４〜第７のＲＦモードがパワー変調を用いる。

図２Ａに示すように、第１のＲＦモードは、通常の下部２周波重畳方式であり、高周波給電部３３の高周波ＲＦ１（１００ＭＨｚ）を設定上一定パワーの連続波（ＣＷ）とし、高周波給電部３５の高周波ＲＦ２（１３．５６ＭＨｚ）を設定上一定パワーの連続波（ＣＷ）とする。この場合、高周波ＲＦ１がプラズマの生成に支配的に作用または寄与し、高周波ＲＦ２がプラズマからサセプタ１６上の半導体ウエハＷへのイオンの引き込みに支配的に作用または寄与する。

第２のＲＦモードは、図２Ｂに示すように、高周波給電部３３の高周波ＲＦ１を設定上一定パワーの連続波（ＣＷ）とし、高周波給電部３５の高周波ＲＦ２を終始オフに保つ。この場合、高周波ＲＦ１は、プラズマの生成に作用するだけでなく、高周波ＲＦ２ほどの効き目はないがイオンの引き込みにも作用する。

第３のＲＦモードは、図２Ｃに示すように、高周波給電部３３の高周波ＲＦ１を終始オフに保ち、高周波給電部３５の高周波ＲＦ２を設定上一定パワーの連続波（ＣＷ）とする。この場合、高周波ＲＦ２は、イオンの引き込みに作用するだけでなく、高周波ＲＦ１ほど放電効率はよくないがプラズマの生成にも作用する。

図３Ａに、第４のＲＦモードを示す。第４のＲＦモードは、高周波給電部３３の高周波ＲＦ１をパワー変調によりパルス波形とし、高周波給電部３５の高周波ＲＦ２を設定上一定パワーの連続波（ＣＷ）とする。この場合、高周波ＲＦ１がプラズマの生成に支配的に作用し、高周波ＲＦ２がイオンの引き込みに支配的に作用する。

図３Ｂに示す第５のＲＦモードは、高周波給電部３３の高周波ＲＦ１をパワー変調によりパルス波形とし、高周波給電部３５の高周波ＲＦ２を終始オフにする。この場合、高周波ＲＦ１は、プラズマの生成に作用するだけでなく、高周波ＲＦ２ほどの効き目はないがイオンの引き込みにも作用する。

図３Ｃに示す第６のＲＦモードは、高周波給電部３３の高周波ＲＦ１を設定上一定パワーの連続波（ＣＷ）とし、高周波給電部３５の高周波ＲＦ２をパワー変調によりパルス波形とする。この場合、主に高周波ＲＦ１がプラズマの生成に作用し、主に高周波ＲＦ２がイオンの引き込みに作用する。

最後に、第７のＲＦモードは、図３Ｄに示すように、高周波給電部３３の高周波ＲＦ１を終始止めて、高周波給電部３５の高周波ＲＦ２をパワー変調によりパルス波形とする。この場合、高周波ＲＦ２は、イオンの引き込みに作用するだけでなく、高周波ＲＦ１ほど放電効率はよくないがプラズマの生成にも作用する。

この実施形態のパワー変調においては、図３Ａ〜図３Ｄに示すように、高周波ＲＦ１（ＲＦ２）のパワーがオン状態になるオン期間（第１の期間）Ｔ_onとオフ状態になるオフ期間（第２の期間）Ｔ_offとが一定のパルス周波数または周期Ｔ_Cで交互に繰り返す。オン期間Ｔ_on中のＲＦパワーは設定上一定である。主制御部７２は、パワー変調のパルス周波数およびデューティ比を規定する変調制御パルス信号ＰＳを高周波電源３６（３８）に与える。ここで、パルス周波数およびデューティ比の設定値をｆ_s，Ｄ_Sとすると、Ｔ_C＝１／ｆ_S、Ｔ_C＝Ｔ_on＋Ｔ_off、Ｄ_S＝Ｔ_on／（Ｔ_on＋Ｔ_off）の関係式が成立する。

［実施形態１におけるパワー変調のデューティ制御法］

次に、図４Ａ〜図７Ｂにつき、第４〜第７のＲＦモードにおけるパワー変調のデューティ比制御を説明する。このデューティ比制御は、たとえば操作パネルを介してのレシピ上の設定あるいは別形式の設定にしたがい、各高周波給電部３３，３５に対する主制御部７２の制御の１つとして行われる。すなわち、この実施形態では、主制御部７２がデューティ比制御部を構成している。

第４のＲＦモード（図３Ａ）は、２種類のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−１，４ＲＦＭ−２］を選択的に使用できるようになっている。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第４のＲＦモードでは、プロセスを開始する際に、プラズマ生成用の高周波ＲＦ１（高周波給電部３３）を時点ｔ₀で先に起動させ、一定時間Ｔ_a遅延後の時点ｔ₁でイオン引き込み用の高周波ＲＦ２（高周波給電部３５）を起動させる。遅延時間Ｔ_aは、高周波ＲＦ１の印加を開始してからプラズマが着火するまでの所要時間（通常０．２〜０．５秒）より大きな値（たとえば０．４〜０．８秒）に設定されるのが望ましい。

ここで、第１のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−１］は、図４Ａに示すように、パワー変調をかけられる高周波ＲＦ１のデューティ比を、プロセス開始時点ｔ₀では、実用上の任意のパワー変調条件（特にデューティ比、パルス周波数）の下でプラズマを確実に着火できる初期値（この実施例では９０％）を用いる。なお、この初期値は、当該プロセス用の本来の設定値Ｄ_sに出来るだけ近い値が望ましい。すなわち、実用上の任意のパワー変調条件の下でプラズマを確実に着火できるデューティ比の範囲内でその下限値に近い値（通常８５〜９５％）が望ましい。

そして、プロセスの開始と同時に高周波ＲＦ１のデューティ比を初期値９０％から一定の負の勾配またはランプ波形で漸次的に下げ、所定時間Ｔ_d（Ｔ_d＞Ｔ_a）を経過した時点ｔ₂で当該エッチングプロセス用の本来の設定値Ｄ_sまで下げる。時点ｔ₂以降は、プロセスの終了時（時点ｔ₄）までデューティ比を設定値Ｄ_sに固定または保持する。なお、高周波ＲＦ１，ＲＦ２を併用（重畳印加）する場合は、イオン引き込み用の高周波ＲＦ２をプロセス終了時より少し前（時点ｔ₃）に止める。この第１のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−１］は、第４のＲＦモードにおいてプラズマが着火しにくい場合、たとえばデューティ比Ｄ_sを低めに設定した場合、あるいはパルス周波数ｆ_sを高めに設定した場合に有効である。

第２のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−２］は、図４Ｂに示すように、高周波ＲＦ１のデューティ比をプロセスの開始時（ｔ₀）から終了時（ｔ₄）まで終始本来の設定値Ｄ_sに固定する。このデューティ比制御法［４ＲＦＭ−２］は、当該エッチングプロセス用に設定されたパワー変調のデューティ比Ｄ_sおよびパルス周波数ｆ_sの下でプラズマが確実に着火する場合には、好適に使える。

第５のＲＦモード（図３Ｂ）も、２種類のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−１，５ＲＦＭ−２］を選択的に使用できるようになっている。第５のＲＦモードでは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、プロセスを開始する際に、プラズマ生成およびイオン引き込み兼用の高周波ＲＦ１（高周波給電部３３）を時点ｔ₀で起動させる。

ここで、第１のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−１］は、上述した第４のＲＦモードにおける第１のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−１］と同じシーケンスである。すなわち、図５Ａに示すように、パワー変調をかけられる高周波ＲＦ１のデューティ比を、プロセス開始時点ｔ₀では、実用上の任意のパワー変調条件（特にデューティ比、パルス周波数）の下でプラズマを確実に着火できる初期値（９０％）を用いる。そして、プロセスの開始と同時に高周波ＲＦ１のデューティ比を初期値９０％から一定の負の勾配またはランプ波形で漸次的に下げ、所定時間Ｔ_dを経過した時点ｔ₂で当該エッチングプロセス用の本来の設定値Ｄ_sに合わせる。時点ｔ₂以降は、プロセスの終了時（時点ｔ₄）までデューティ比を設定値Ｄ_sに固定する。この第１のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−１］は、第５のＲＦモードにおいてプラズマが着火しにくい場合、たとえばデューティ比Ｄ_sを低めに設定した場合、あるいはパルス周波数ｆ_sを高めに設定した場合に有効である。

第５のＲＦモードにおける第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］も、上述した第４のＲＦモードにおける第２のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−２］と同じシーケンスになる。すなわち、図５Ｂに示すように、高周波ＲＦ１のデューティ比をプロセスの開始時（ｔ₀）から終了時（ｔ₄）まで終始本来の設定値Ｄ_sに固定する。当該エッチングプロセス用に設定されたパワー変調のデューティ比Ｄ_sおよびパルス周波数ｆ_sの下でプラズマが確実に着火する場合には、この第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］を好適に使用できる。

第６のＲＦモード（図３Ｃ）は、１種類のデューティ比制御法だけを用いる。図６に示すように、第６のＲＦモードでは、プロセスを開始する際に、プラズマ生成用の高周波ＲＦ１（高周波給電部３３）を時点ｔ₀で先に起動させ、一定時間Ｔ_a遅延後の時点ｔ₁でイオン引き込み用の高周波ＲＦ２（高周波給電部３５）を起動させる。この場合、高周波ＲＦ１はデューティ比１００％に相当する連続波（ＣＷ）であるため、圧力やＲＦ１のパワーが通常の値に設定されている限り、高周波ＲＦ２側でパワー変調のデューティ比Ｄ_sおよびバルス周波数ｆ_sが如何なる値に設定されても、チャンバ１０内でプラズマは確実に着火する。

そこで、第６のＲＦモードにおけるデューティ比制御法［６ＲＦＭ］は、高周波ＲＦ２のデューティ比を高周波ＲＦ２（高周波給電部３５）の起動時（ｔ₁）から停止時（ｔ₃）まで終始設定値Ｄ_sに固定する。

第７のＲＦモード（図３Ｄ）は、２種類のデューティ比制御法［７ＲＦＭ−１，７ＲＦＭ−２］を選択的に使用できるようになっている。第７のＲＦモードでは、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、プロセスを開始する際に、プラズマ生成およびイオン引き込み兼用の高周波ＲＦ２（高周波給電部３５）を時点ｔ₀で起動させる。

ここで、第１のデューティ比制御法［７ＲＦＭ−１］は、図７Ａに示すように、パワー変調をかけられる高周波ＲＦ２のデューティ比を、プロセス開始時点ｔ₀では、実用上の如何なるパワー変調条件（特にデューティ比、パルス周波数）の下でプラズマを確実に着火できる初期値（９０％）に合わせる。そして、プロセス開始直後に、高周波ＲＦ２のデューティ比を初期値９０％から一定の負の勾配またはランプ波形で漸次的に下げ、所定時間Ｔ_dを経過した時点ｔ₂で当該エッチングプロセス用の本来の設定値Ｄ_sに合わせる。時点ｔ₂以降は、プロセスの終了時（時点ｔ₄）までデューティ比を設定値Ｄ_sに固定する。第７のＲＦモードにおいてプラズマが着火しにくい場合、たとえばエッチングプロセス用のデューティ比Ｄ_sを低めに設定した場合、あるいはパルス周波数ｆ_sを高めに設定した場合には、この第１のデューティ比制御法［７ＲＦＭ−１］を好適に使用できる。

第２のデューティ比制御法［７ＲＦＭ−２］は、図７Ｂに示すように、高周波ＲＦ１のデューティ比をプロセスの開始時（ｔ₀）から終了時（ｔ₄）まで終始本来の設定値Ｄ_sに固定する。当該エッチングプロセス用に設定されたパワー変調のデューティ比Ｄ_sおよびパルス周波数ｆ_sの下でプラズマが確実に着火する場合には、このデューティ比制御法［７ＲＦＭ−２］を好適に使える。

上記のように、この実施形態では、第４、第５および第７のＲＦモードにおいてプラズマが着火しにくい場合に、図４Ａ、図５Ａおよび図７Ａに示すように、パワー変調のデューティ比をプラズマ着火用の初期値（９０％値）で開始し、所定の遷移時間Ｔ_dをかけて初期値から当該エッチングプロセス用の設定値Ｄ_sまでランプ波形で漸次的に下げるようにしている。ここで、遷移時間Ｔ_dは、短すぎると整合器４０（４２）内の整合動作が不安定になり、長すぎると当該エッチングプロセスのプロセス特性またはプロセス結果に影響が生じる。したがって、長短両面で制限があり、通常はＴ_d＝０．５〜３．０秒に選定される。

［実施形態１におけるプラズマ着火性に関する効果］

次に、この実施形態において、上記第５のＲＦモードにおける第１のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−１］（図５Ａ）のプラズマ着火性に関する検証実験について説明する。

本発明者は、チャンバ内圧力２６６６Pa（２０mTorr）、ＲＦ１パワー３００Ｗ、ＲＦ２パワー０Ｗ、エッチングガスＣ₄Ｆ₈／Ｏ₂／Ａr（２４／１６／１５０sccm）、電極間ギャップ２２ｍｍを主たるプロセス条件とする第５のＲＦモードによるプラズマエッチングの実験において、第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］を使用し、その中で高周波ＲＦ１にかけるパルス変調のデューティ比Ｄ_sおよびパルス周波数ｆ_sをパラメータとしてそれぞれＤ_s＝１０％〜９０％、ｆ_s＝５〜９０ｋＨｚで可変し、各パラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）の組み合わせにおけるプラズマ着火性を評価した。図８は、デューティ設定値Ｄ_sを低め（たとえば１０％）に選んで第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］を用いた場合のシーケンスを示す。

図９Ａに、第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］を用いた場合の実験結果を示す。この図の表（マトリクス）において、縦方向の欄はデューティ設定値Ｄ_sのパラメータ値を示し、横方向の欄はパルス周波数ｆ_sのパラメータ値を示す。「ＯＫ」の表記は、このセルに対応するパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）を用いたプロセスではプラズマが着火しかつ安定に持続したことを表わす。「ＮＧ」の表記は、このセルに対応するパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）を用いたプロセスではプラズマが着火しなかったか、あるいは着火しても安定しなかったことを表わす。空欄は、このセルに対応するパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）を用いたプロセスの実験は行われなかったことを示す。

図示のように、パラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）が（４０ｋＨｚ、４０％），（４０ｋＨｚ、５０％），（４０ｋＨｚ、６０％），（４０ｋＨｚ、７０％），（４０ｋＨｚ、８０％），（５０ｋＨｚ、７０％），（５０ｋＨｚ、８０％），（６０ｋＨｚ、６０％），（６０ｋＨｚ、７０％），（７０ｋＨｚ、７０％）の各場合に、「ＮＧ」（プラズマ未着火・安定せず）の実験結果が得られた。他のパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）の組み合わせではいずれも「ＯＫ」（プラズマ着火・安定）の実験結果が得られた。

本発明者は、第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］の下で「ＮＧ」の実験結果が出たパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）の各場合について、第１のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−１］を使用し、上記と同じプロセス条件でプラズマエッチングの実験を行い、プラズマ着火性を評価した。

その結果、図９Ｂに示すように、パラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）が（４０ｋＨｚ、４０％），（４０ｋＨｚ、５０％），（４０ｋＨｚ、６０％），（４０ｋＨｚ、７０％），（４０ｋＨｚ、８０％），（５０ｋＨｚ、７０％），（５０ｋＨｚ、８０％），（６０ｋＨｚ、６０％），（６０ｋＨｚ、７０％），（７０ｋＨｚ、７０％）の各場合でいずれも「ＯＫ」（プラズマ着火・安定）であった。

なお、この実験で用いた遷移時間Ｔ_dはいずれの場合も１．０秒であった。図９Ｂにおける「１．０ｓ」の表記はそのことを表わしている。また、図９Ｂの「ＯＫ」の表記は、図９Ａと同じであり、このセルに対応するパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）を用いたプロセスでは第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］の下で「ＯＫ」の結果が得られたことを表わしている。

本発明者は、別の実験として、チャンバ内圧力、ＲＦ１／ＲＦ２パワー、エッチングガスの各条件は上記と同じで、電極間ギャップを３０ｍｍに変更した第５のＲＦモードのプラズマエッチングの実験において、上記と同様に第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］を使用し、その中で高周波ＲＨ１にかけるパルス変調のデューティ比Ｄ_sおよびパルス周波数ｆ_sをパラメータとしてそれぞれＤ_s＝１０％〜９０％、ｆ_s＝５〜９０ｋＨｚで可変し、各パラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）の組み合わせにおけるプラズマ着火性を評価した。

その結果、図１０Ａに示すように、パラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）が（５ｋＨｚ、１０％），（５ｋＨｚ、２０％），（１０ｋＨｚ、１０％），（２０ｋＨｚ、２０％），（２０ｋＨｚ、３０％），（２０ｋＨｚ、４０％），（２０ｋＨｚ、４０％），（３０ｋＨｚ、３０％）の各場合で「ＮＧ」であった。他のパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）の組み合わせではいずれも「ＯＫ」であった。

本発明者は、上記実験結果を踏まえ、第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］の下で「ＮＧ」であったパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）の各場合について、第１のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−１］を使用し、上記と同一プロセス条件でプラズマエッチングの実験を行い、プラズマ着火性を評価した。

その結果、図１０Ｂに示すように、パラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）が（５ｋＨｚ、１０％），（５ｋＨｚ、２０％），（１０ｋＨｚ、１０％），（２０ｋＨｚ、２０％），（２０ｋＨｚ、３０％），（２０ｋＨｚ、４０％），（２０ｋＨｚ、５０％），（３０ｋＨｚ、３０％）の各場合でいずれも「ＯＫ」（プラズマ着火・安定）であった。

この実験で用いた遷移時間Ｔ_dは、パラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）が（５ｋＨｚ、１０％），（５ｋＨｚ、２０％）のときは２．５秒、（１０ｋＨｚ、１０％）のときは１．５秒、（２０ｋＨｚ、２０％），（２０ｋＨｚ、３０％），（２０ｋＨｚ、４０％），（２０ｋＨｚ、４０％），（３０ｋＨｚ、３０％）のときは１．０秒であった。図１０Ｂにおける「２．５ｓ」、「１．５ｓ」、「１．０ｓ」の表記はそのことを表わしている。また、図１０Ｂにおいても、「ＯＫ」の表記は、このセルに対応するパラメータ値（Ｄ_s，ｆ_s）では第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］の下で「ＯＫ」の結果が出たことを表わしている。

上記のように、上記第５のＲＦモードにおいては、第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］の下でプラズマを確実に着火できる場合は、パワー変調のデューティ比をプロセスの開始から設定値Ｄ_sに固定する第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］を使用するのが望ましい。しかし、第２のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−２］の下でプラズマを確実に着火できない場合は、所望のプロセス条件によるプラズマプロセスを安定確実に実施するうえで、パワー変調のデューティ比をプロセス開始直後にランプ低減する第１のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−１］を使用するのが好ましい。

同様に、上記第４のＲＦモードにおいて、第２のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−２］の下でプラズマを確実に着火できる場合は、パワー変調のデューティ比をプロセスの開始から設定値Ｄ_sに固定する第２のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−２］を使用するのが望ましい。しかし、第２のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−２］の下でプラズマを確実に着火できない場合は、所望のプロセス条件によるプラズマプロセスを安定確実に実施するうえで、パワー変調のデューティ比をプロセス開始直後にランプ低減する第１のデューティ比制御法［４ＲＦＭ−１］を使用するのが好ましい。

また、上記第７のＲＦモードにおいても、第２のデューティ比制御法［７ＲＦＭ−２］の下でプラズマを確実に着火できる場合は、パワー変調のデューティ比をプロセスの開始から設定値Ｄ_sに固定する第２のデューティ比制御法［７ＲＦＭ−２］を使用するのが望ましい。しかし、第２のデューティ比制御法［７ＲＦＭ−２］の下でプラズマを確実に着火できない場合は、所望のプロセス条件によるプラズマプロセスを安定確実に実施するうえで、パワー変調のデューティ比をプロセス開始直後でランプ低減する第１のデューティ比制御法［７ＲＦＭ−１］を使用するのが好ましい。

［実施形態１における高周波給電部の構成及び作用］

図１１に、この実施形態における高周波給電部３３の構成、特に高周波電源３６および整合器４０の構成を示す。

高周波電源３６は、プラズマの生成に適した周波数（たとえば１００ＭＨｚ）の正弦波を発生する発振器８０Ａと、この発振器８０Ａより出力される正弦波のパワーを可変の利得または増幅率で増幅するパワーアンプ８２Ａと、主制御部７２からの制御信号にしたがって発振器８０Ａおよびパワーアンプ８２Ａを直接制御する電源制御部８４Ａとを備えている。主制御部７２から電源制御部８４Ａには、上記変調制御パルス信号ＰＳだけでなく、通常の電源オン・オフやパワーインターロック関係等の制御信号およびパワー設定値等のデータも与えられる。主制御部７２と電源制御部８４Ａは、高周波ＲＦ１系のパワー変調部を構成する。

高周波電源３６のユニット内には、ＲＦパワーモニタ８６Ａも備わっている。このＲＦパワーモニタ８６Ａは、図示省略するが、方向性結合器、進行波パワーモニタ部および反射波パワーモニタ部を有している。ここで、方向性結合器は、高周波伝送路４３上を順方向に伝搬するＲＦパワー（進行波）と逆方向に伝搬するＲＦパワー（反射波）のそれぞれに対応する信号を取り出す。進行波パワーモニタ部は、方向性結合器により取り出された進行波パワー検出信号を基に、高周波伝送路４３上の進行波に含まれる基本波進行波（１００ＭＨｚ）のパワーを表わす信号を生成する。この信号つまり基本波進行波パワー測定値信号は、パワーフィードバック制御用に高周波電源３６内の電源制御部８４Ａに与えられるとともに、モニタ表示用に主制御部７２にも与えられる。反射波パワーモニタ部は、チャンバ１０内のプラズマから高周波電源３６に返ってくる反射波に含まれる基本波反射波（１００ＭＨｚ）のパワーを測定するとともに、チャンバ１０内のプラズマから高周波電源３６に返ってくる反射波に含まれる全ての反射波スペクトルのトータルのパワーを測定する。反射波パワーモニタ部により得られる基本波反射波パワー測定値はモニタ表示用に主制御部７２に与えられ、トータル反射波パワー測定値はパワーアンプ保護用のモニタ値として高周波電源３６内の電源制御部８４Ａに与えられる。

整合器４０は、複数たとえば２つの可変リアクタンス素子（たとえば可変コンデンサあるいは可変リアクトル）Ｘ_H1，Ｘ_H2を含む整合回路８８Ａと、可変リアクタンス素子Ｘ_H1，Ｘ_H2のリアクタンスをアクチエータたとえばステッピングモータ（Ｍ）９０Ａ，９２Ａを介して可変するマッチングコントローラ９４Ａと、高周波給電ライン４３上で整合回路８８Ａのインピーダンスを含む負荷側のインピーダンスを測定するインピーダンスセンサ９６Ａとを有している。

マッチングコントローラ９４Ａは、主制御部７２の制御の下で動作し、インピーダンスセンサ９６Ａより与えられる負荷側インピーダンス測定値をフィードバック信号として、負荷側インピーダンス測定値が高周波電源３６側のインピーダンスに相当する整合ポイント（通常５０Ω）に一致ないし近似するように、可変リアクタンス素子Ｘ_H1，Ｘ_H2のリアクタンスをモータ９０Ａ，９２Ａの駆動制御を通じて可変するようになっている。

インピーダンスセンサ９６Ａは、図示省略するが、高周波伝送路４３上のＲＦ電圧およびＲＦ電流をそれぞれ検出するＲＦ電圧検出器およびＲＦ電流検出器と、ＲＦ電圧検出器およびＲＦ電流検出器よりそれぞれ得られるＲＦ電圧検出値およびＲＦ電流検出値から負荷側のインピーダンスの測定値を演算する負荷インピーダンス測定値演算部とを有している。

この実施形態において、高周波ＲＦ１にパワー変調をかけるときは、図１３に示すように、パルス周波数の各サイクル毎にオン期間Ｔ_on内に設けられるモニタ時間（負荷側インピーダンス測定時間）Ｔ_Hを指示するモニタ信号ＡＳが、主制御部７２よりインピーダンスセンサ９６Ａに与えられる。好ましくは、図１３に示すように、高周波伝送路４３上でＲＦ１系の反射波のパワーが突発的に増大するオン期間Ｔ_onの開始直後および終了直前の過渡時間Ｔ_A1，Ｔ_A2を除いた区間にモニタ時間Ｔ_Hが設定される。高周波ＲＦ１がパルス周波数ｆ_sでオン・オフしても、モニタ時間Ｔ_Hがオン期間Ｔ_on内だけに設定され、オフ期間Ｔ_off内には設定されないので、整合器４０からはあたかも高周波ＲＦ１がオンし続けている連続波（ＣＷ）のように見える。

インピーダンスセンサ９６Ａは、モニタ信号ＡＳによって指示されるモニタ時間Ｔ_Hの間だけ負荷側インピーダンス測定の動作を行う。したがって、インピーダンスセンサ９６Ａよりマッチングコントローラ９４Ａに与えられる負荷側インピーダンス測定値は、パワー変調に同期してパルス周波数ｆ_sの各サイクル毎に更新される。マッチングコントローラ９４Ａは、この更新の合間にも、整合動作つまりリアクタンス素子Ｘ_H1，Ｘ_H2のリアクタンス可変制御を停止することなく、更新直前の負荷側インピーダンス測定値を整合ポイントに一致ないし近似させるように、ステッピングモータ９０Ａ，９２Ａを連続的に駆動制御する。

この実施形態では、主制御部７２が、整合器４０に対してモニタ時間制御部の機能を有し、高周波ＲＦ１のパワー変調におけるデューティ比の変化に連動してモニタ時間Ｔ_Hを比例制御する。すなわち、図１３に示すように、プロセスの開始直後でパワー変調のデューティ比が漸次的に低減する際に、これに比例してモニタ時間Ｔ_Hを漸次的に低減する。

図１２に、この実施形態における高周波給電部３５の構成を示す。高周波給電部３５の高周波電源３８および整合器４２は、そこで扱う高周波ＲＦ２の周波数（１３．５６ＭＨｚ）が上記高周波ＲＦ１の周波数（１００ＭＨｚ）と異なるだけで、上述した高周波給電部３３の高周波電源３６および整合器４０とそれぞれ同様の構成および機能を有している。すなわち、高周波電源３８の発振器８０Ｂがイオンの引き込みに適した周波数（たとえば１３．５６ＭＨｚ）の正弦波を発生する点を除けば、高周波電源３８および整合器４２内の各部は高周波電源３６および整合器４０内の対応する各部と同様の構成および機能を有している。したがって、たとえば電源制御部８４Ｂは、主制御部７２と協働して高周波ＲＦ２系のパワー変調部を構成する。

もっとも、高周波電源３８内の電源制御部８４Ｂおよび整合器４２内のインピーダンスセンサ９６Ｂには、主制御部７２より高周波給電部３３向けとは独立に変調制御パルス信号ＰＣおよびモニタ信号ＢＳがそれぞれ与えられる。

すなわち、高周波ＲＦ２にパワー変調をかけるときは、図１３に示すように、パルス周波数の各サイクル毎にオン期間Ｔ_on内に設けられるモニタ時間（負荷側インピーダンス測定時間）Ｔ_Lを指示するモニタ信号ＢＳが、主制御部７２よりインピーダンスセンサ９６Ｂに与えられる。好ましくは、図１３に示すように、高周波伝送路４５上でＲＦ２系の反射波のパワーが突発的に増大するオン期間Ｔ_onの開始直後および終了直前の過渡時間Ｔ_B1，Ｔ_B2を除いた区間にモニタ時間Ｔ_Lが設定される。高周波ＲＦ２がパルス周波数ｆ_sでオン・オフしても、モニタ時間Ｔ_Lがオン期間Ｔ_on内だけに設定され、オフ期間Ｔ_off内には設定されないので、整合器４２からはあたかも高周波ＲＦ２がオンし続けている連続波（ＣＷ）のように見える。

インピーダンスセンサ９６Ｂは、モニタ信号ＢＳによって指示されるモニタ時間Ｔ_Lの間だけ負荷側インピーダンス測定の動作を行う。したがって、インピーダンスセンサ９６Ｂよりマッチングコントローラ９４Ｂに与えられる負荷側インピーダンス測定値は、パワー変調に同期してパルス周波数の各サイクル毎に更新される。マッチングコントローラ９４Ｂは、この更新の合間にも、整合動作つまりリアクタンス素子Ｘ_L1，Ｘ_L2のリアクタンス可変制御を停止することなく、更新直前の負荷側インピーダンス測定値を整合ポイントに一致ないし近似させるように、ステッピングモータ９０Ｂ，９２Ｂを連続的に駆動制御する。

主制御部７２は、整合器４２に対するモニタ時間制御部として機能し、高周波ＲＦ２のパワー変調におけるデューティ比に連関してそれに比例するようにモニタ時間Ｔ_Lを制御する。すなわち、図１３に示すように、プロセスの開始直後でパワー変調のデューティ比が漸次的に低減する際に、これに比例してモニタ時間Ｔ_Lを漸次的に低減する。

本発明者は、整合動作に関して上記第５のＲＦモードにおける第１のデューティ比制御法［５ＲＦＭ−１］（図５Ａ）およびモニタ時間制御法（図１３）の効果を上記と同様のプロセス条件によるプラズマエッチングの実験で検証した。この実験では、整合器４０の整合回路８８Ａに含まれる２つの可変リアクタンス素子Ｘ_H1，Ｘ_H2に可変コンデンサＲＦ₁Ｃ₁，ＲＦ₁Ｃ₂をそれぞれ使用した。

図１４に、上記実施例の実験で観測された各部の波形を示す。図示のように、可変コンデンサＲＦ₁Ｃ₁のステップ（キャパシタンス・ポジション）は、プロセス開始直後に初期値からオーバーシュート気味で立ち上がる。そして、遷移期間Ｔ_d（２．５秒）中に落ち着いたＲＦ₁Ｃ₁のステップ（キャパシタンス・ポジション）は、その後も、つまりデューティ比を設定値Ｄ_s（３０％）に固定してからも、略一定に保たれた。また、可変コンデンサＲＦ₁Ｃ₂のステップ（キャパシタンス・ポジション）は、プロセス開始直後に初期値からステップ状に立ち下がる。そして、遷移期間Ｔ_d中に落ち着いたＲＦ₁Ｃ₂のステップ（キャパシタンス・ポジション）は、その後も、つまりデューティ比を設定値Ｄ_s（３０％）に固定してからも、略一定に保たれた。高周波伝送路４２上の反射波パワーＲＦ₁Ｐ_rは、プロセス開始直後にインパルス状に発生するものの、遷移期間Ｔ_d中に収まり、以後殆ど発生しなかった。このように、上記実施例の実験では、遷移期間Ｔ_dの中盤からプロセスが終了するまで高周波伝送路４３上でインピーダンス整合が良好にとれていたことが確認された。

本発明者は、比較例として、図１５に示すように、プロセス開始直後に上記実施例の遷移期間Ｔ_dに相当する立ち上げ期間Ｔ_e（２．５秒）は高周波ＲＦ１を連続波（デューティ比１００％に相当）とし、立ち上げ期間Ｔ_e経過時に設定デューティ比Ｄ_s（３０％）のパワー変調に切り換えるデューティ比制御法を用いて、上記実施例と同じプロセス条件によるプラズマエッチングの実験を行った。

図１６に、上記比較例の実験で観測された各部の波形を示す。図示のように、立ち上げ期間Ｔ_e中の各部の波形は、上記実施例の場合と殆ど同じである。また、この比較例でも、実施例と同様のモニタ信号ＡＳ（パルス周波数の各サイクル毎にオン時間Ｔ_on内のモニタ時間Ｔ_Hを指示する信号）を主制御部７２より整合器４０のインピーダンスセンサ９６Ａに与えた。しかし、立ち上げ期間Ｔ_eの後、つまり高周波ＲＦ１を連続波（ＣＷ）からパワー変調のパルスに切り換えた後（時点ｔ₂以降）の各部の波形は、高周波伝送路４３上の進行波パワーＲＦ₁Ｐ_tを除き、上記実施例の場合とは著しく異なる。

すなわち、可変コンデンサＲＦ₁Ｃ₁のステップ（キャパシタンス・ポジション）は、切り換え（ｔ₂）の直後に初期値の方へ逆戻りし、しかもプロセス終了時まで大きなハンチングを起こし続けた。可変コンデンサＲＦ₁Ｃ₂のステップ（キャパシタンス・ポジション）も、切り換え（ｔ₂）の直後に初期値の方へ逆戻りし、ＲＦ₁Ｃ₁ほどではないがプロセスの終了までハンチングを起こし続けた。一方、高周波伝送路４３上の反射波パワーＲＦ₁Ｐ_rは、切り換え（ｔ₂）の直後にステップ状に大きく増大し、プロセスの終了まで減少しなかった。このように、上記比較例の実験では、インピーダンスセンサのモニタ時間をパルス周波数の各サイクルのオン時間内に限定する整合モニタ法を用いたとしても、高周波ＲＦ１を連続波（ＣＷ）からパワー変調のパルスに切り換えるとその後はプロセスが終了するまで高周波伝送路４３上でインピーダンス整合が全くとれていなかったことが確認された。

なお、上記比較例における整合不良（図１６）は、連続波（ＣＷ）の時とパワー変調をかけた時とでプラズマ負荷のインピーダンスが大きく異なる場合であり、概してパワー変調のデューティ比が低いときに起こりやすい。しかし、デューティ比が低くても、圧力等の他の条件次第でプラズマ負荷インピーダンスの差（変動）が小さいときは、そのような整合不良に至らないこともある。いずれにして本発明のデューティ比制御法を用いることによって上記比較例のような整合不良を解消することができる。

［実施形態２におけるプラズマ処理装置の構成及び作用］

図１７に、本発明の第２の実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す。図中、上記第１の実施形態におけるプラズマ処理装置（図１）と同様構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。

この第２の実施形態では、上部電極４８に負極性の直流電圧Ｖ_dcを印加するための直流電源部１００を備える。このために、上部電極４８はチャンバ１０の上部にリング状の絶縁体１０２を介して取り付けられている。リング状絶縁体１０２は、たとえばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、上部電極４８の外周面とチャンバ１０の側壁との間の隙間を気密に塞いでおり、上部電極４８を非接地で物理的に支持している。

この実施形態における直流電源部１００は、出力電圧（絶対値）が異なる２つの直流電源１０４，１０６と、上部電極４６に対して直流電源１０４，１０６を選択的に接続するスイッチ１０８とを有している。直流電源１０４は相対的に絶対値の大きい負極性の直流電圧Ｖ_dc1（たとえば−２０００〜−１０００Ｖ）を出力し、直流電源１０６は相対的に絶対値の小さな負極性の直流電圧Ｖ_dc2（たとえば−３００〜０Ｖ）を出力する。スイッチ１０８は、主制御部７２からの切換制御信号ＳＷ_PSを受けて動作し、直流電源１０４を上部電極４６に接続する第１のスイッチ位置と、直流電源１０６を上部電極４６に接続する第２のスイッチ位置との間で切り換わるようになっている。なお、スイッチ１０８は、上部電極４６を直流電源１０４，１０６のいずれからも遮断する第３のスイッチ位置も有している。

スイッチ１０８と上部電極４６との間で直流給電ライン１１０の途中に設けられるフィルタ回路１１２は、直流電源部１００からの直流電圧Ｖ_dc1（Ｖ_dc21）をスルーで上部電極４６に印加する一方で、サセプタ１６から処理空間ＰＳおよび上部電極４６を通って直流給電ライン１１０に入ってきた高周波を接地ラインへ流して直流電源部１００側へは流さないように構成されている。

また、チャンバ１０内で処理空間ＰＳに面する適当な箇所に、たとえばＳi，ＳiＣ等の導電性材料からなるＤＣグランドパーツ（図示せず）が取り付けられている。このＤＣグランドパーツは、接地ライン（図示せず）を介して常時接地されている。

この容量結合型プラズマエッチング装置においては、両高周波給電部３３，３５に対する主制御部７２の制御により、チャンバ１０内のサセプタ（下部電極）１６に印加する高周波の種類、形態および組み合わせについて第１の実施形態と同様に上記第１〜第７のＲＦモード（図２Ａ〜図３Ｄ）を選択的に使用することができる。さらに、両高周波給電部３３，３５および直流電源部１００に対する主制御部７２の制御により、図１８に示すような第８のＲＦモードまたは（ＲＦ＋ＤＣ）モードも選択できるようになっている。この第８のＲＦモードは、たとえば、上部電極４６で発生する２次電子を半導体ウエハＷの表層に高速度で打ち込んで、ＡrＦフォトレジスト等のエッチング耐性の低い有機マスクを改質する場合に選択される。

この第８のＲＦモードでは、高周波給電部３３，３５の高周波ＲＦ１，ＲＦ２をパワー変調により位相およびデューティ比の揃った同じパルス波形にするとともに、スイッチ１０８の切り換えを通じて直流電源部１００の出力をパワー変調に同期させ、オン期間Ｔ_on中は絶対値の大きい直流電圧Ｖ_dc1を上部電極４６に印加し、オフ期間Ｔ_off中は絶対値の小さい直流電圧Ｖ_dc2を上部電極４６に印加する。スイッチ１０８には、主制御部７２より変調制御パルス信号ＰＳに同期した切換制御信号ＳＷ_PSが与えられる。パルス周波数の１サイクル内で直流電圧Ｖ_dc1が印加される時間の割合（Ｖ_dc1／（Ｖ_dc1＋Ｖ_dc2））は、高周波ＲＦ１，ＲＦ２側のデューティ比に相当する。

なお、この第８のＲＦモードの一変形例として、たとえば直流電源１０６を省いて（あるいは終始オフに保持して）、図１９に示すように、パワー変調に同期させて直流電源１０４の出力をオン／オフ切り換えする（つまり、オフ期間Ｔ_offのみ直流電圧Ｖ_dc1を印加する）ことも可能である。また、直流電源１０４，１０６に可変直流電源を用いることも可能である。

第８のＲＦモードは、２種類のデューティ比制御法［８ＲＦＭ−１，８ＲＦＭ−２］を選択的に使用できるようになっている。第８のＲＦモードでは、図２０Ａおよび図２０Ｂに示すように、プロセスを開始する際に、プラズマ生成用の高周波ＲＦ１（高周波給電部３３）を時点ｔ₀で先に起動させ、一定時間Ｔａ遅延後の時点ｔ₁でイオン引き込み用の高周波ＲＦ２（高周波給電部３５）を起動させ、さらに一定時間Ｔ_b（Ｔ_b＞Ｔ_a）遅延後の時点ｔ_gで直流電圧Ｖ_dc（電源部１００）を起動させる。

ここで、第１のデューティ比制御法［８ＲＦＭ−１］は、図２０Ａに示すように、高周波ＲＦ１，ＲＦ２および直流電圧Ｖ_dcのデューティ比を、プロセス開始時点ｔ₀では、実用上の任意のパワー変調条件（特にデューティ比、パルス周波数）の下でプラズマを確実に着火できる初期値（たとえば９０％）を用いる。

そして、プロセスの開始と同時にＲＦ１，ＲＦ２，Ｖ_dcのデューティ比を初期値９０％から一定の負の勾配またはランプ波形で漸次的に下げ、所定時間Ｔ_d（Ｔ_d＞Ｔ_b）を経過した時点ｔ₂で当該エッチングプロセス用の本来の設定値Ｄ_sまで下げる。時点ｔ₂以降は、プロセスの終了時（時点ｔ₄）までデューティ比を設定値Ｄ_sに固定または保持する。この第１のデューティ比制御法［８ＲＦＭ−１］は、第８のＲＦモードにおいてプラズマが着火しにくい場合、たとえばデューティ比Ｄ_sを低めに設定した場合、あるいはパルス周波数ｆ_sを高めに設定した場合に有効である。

第２のデューティ比制御法［８ＲＦＭ−２］は、図２０Ｂに示すように、ＲＦ１，ＲＦ２，Ｖ_dcのデューティ比をプロセスの開始時（ｔ₀）から終了時（ｔ₃，ｔ₄）まで終始本来の設定値Ｄ_sに固定する。このデューティ比制御法［８ＲＦＭ−２］は、当該エッチングプロセス用に設定されたデューティ比Ｄ_sおよびパルス周波数ｆ_sの下でプラズマが確実に着火する場合には、好適に使える。

なお、この実施形態のプラズマエッチング装置（図１７）において、直流電源部１００をオフにして上部電極４６から電気的に切り離すことも可能である。その場合は、上記第１の実施形態におけるプラズマエッチング装置（図１）と同様に、上記第１〜第７のＲＦモードを選択的に使用することが可能であり、第４〜第７のＲＦモードでは上記と同様のデューティ比制御法を用いることができる。

［他の実施形態または変形例］

以上本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で種種の変形が可能である。

たとえば、図２１Ａに示すように、プロセス開始直後の遷移時間Ｔ_d中にパワー変調のデューティ比を初期値（図示の例は９０％）から設定値Ｄ_sまで段階的に下げる制御も可能である。あるいは、図２１Ｂに示すように、デューティ比をプロセス開始直後に一定の遅延時間Ｔ_kを経過してから設定値Ｄ_sに向けて漸次的（または段階的）に下げる制御も可能である。もっとも、所望のプロセス条件によるプラズマプロセスを望み通りに実施する上では、遅延時間Ｔ_kが短いほど好ましく、最も好ましいのは上記実施形態のようにＴ_k＝０の場合である。

プラズマ生成に好適な高周波給電部３３の高周波ＲＦ１は、上記実施形態ではサセプタ（下部電極）１６に印加したが、上部電極４６に印加することも可能である。

本発明は、容量結合型プラズマエッチング装置に限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマＡＬＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなど任意のプラズマプロセスを行う容量結合型プラズマ処理装置に適用可能である。本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ、有機ＥＬ、太陽電池用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

１０ チャンバ
１６ サセプタ（下部電極）
３３，３５ 高周波給電部
３６，３８ 高周波電源
４０，４２ 整合器
４３，４５ 高周波伝送路
４６ 上部電極（シャワーヘッド）
５６ 処理ガス供給源
７２ 主制御部
９４Ａ，９４Ｂ マッチングコントローラ
９６Ａ，９６Ｂ インピーダンスセンサ

Claims (18)

1. 被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器内に相対向して設けられた第１および第２の電極間で処理ガスの高周波放電によるプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記第１の電極上に保持される前記基板に所望の処理を施すプラズマ処理方法であって、
   所与のプラズマプロセスに対して、前記プラズマの生成に用いる第１の高周波のパワーがオン状態または第１のレベルになる第１の期間とオフ状態または前記第１のレベルよりも低い第２のレベルになる第２の期間とを一定のパルス周波数で交互に繰り返すように、前記第１の高周波のパワーにパルス状の変調をかける工程と、
   前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比を、プラズマ着火用の初期値で開始し、所定の遷移時間をかけて前記初期値から前記プラズマプロセス用の設定値まで漸次的または段階的に下げる工程と
   を有するプラズマ処理方法。
2. 前記第１または第２の電極のいずれかに対して前記第１の高周波の印加を開始するのと同時に、前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比の低減を開始する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。
3. 前記デューティ比の初期値は、８５〜９５％に設定される、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法。
4. 前記遷移時間は０．５秒〜３．０秒に設定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
5. 前記プラズマから前記基板にイオンを引き込むのに適した第２の高周波を設定上一定のパワーでパルス状の変調をかけずに連続的に前記第１の電極に印加する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
6. 前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比の低減を開始した後に、前記第１の電極に対する前記第２の高周波の印加を開始する、請求項５記載のプラズマ処理方法。
7. 前記第１の高周波のパワー変調に同期して、前記第１の期間中にのみ前記第２の電極に負極性の直流電圧を印加する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
8. 前記第２の電極に負極性の直流電圧を印加し、前記第１の高周波パワーのパルス変調に同期して、前記第１の期間中よりも前記第２の期間中のほうで前記直流電圧の絶対値を大きくする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
9. 前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比の低減を開始した後に、前記第２の電極に対する前記直流電圧の印加を開始する、請求項７または請求項８に記載のプラズマ処理方法。
10. 前記第１の高周波のパワー変調に同期して、前記第１の期間中にのみプラズマからイオンを前記基板に引き込むのに適した第２の高周波を前記第２の電極に印加する、請求項７〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
11. 前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比の低減を開始した後に、前記第２の電極に対する前記第２の高周波の印加を開始する、請求項１０に記載のプラズマ処理方法。
12. 真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内で被処理基板を支持する第１の電極と、
    前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、
    前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記処理容器内で前記処理ガスのプラズマを生成するために前記第１の電極または前記第２の電極のいずれか一方に第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、
    所与のプラズマプロセスに対して、前記第１の高周波のパワーがオン状態または第１のレベルになる第１の期間とオフ状態または前記第１のレベルよりも低い第２のレベルになる第２の期間とを一定のパルス周波数で交互に繰り返すように、前記第１の高周波給電部を制御して前記第１の高周波のパワーにパルス状の変調をかける変調制御部と、
    前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比を、プラズマ着火用の初期値で開始し、所定の遷移時間をかけて前記初期値から前記プラズマプロセス用の設定値まで漸次的または段階的に下げるデューティ比制御部と
    を有するプラズマ処理装置。
13. 前記第１の高周波給電部は、
    前記変調制御部および前記デューティ制御部の制御の下で前記第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、
    前記第１の高周波電源より出力された前記第１の高周波を前記第１または第２の電極のいずれかまで伝送する第１の高周波伝送路と、
    前記第１の高周波伝送路上に設けられる第１の可変リアクタンス素子を含む第１の整合回路および第１のインピーダンス・センサを有し、前記パルス周波数の各サイクル内で前記第１の期間内に設定される第１のモニタ時間中に前記第１のインピーダンス・センサにより負荷側のインピーダンスを測定して、その負荷側インピーダンス測定値が前記第１の高周波電源側のインピーダンスに対応する基準値に一致または近似するように前記第１の可変リアクタンス素子のリアクタンスを間断なく制御する第１の整合器と、
    前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比に連関してそれに比例するように前記第１のモニタ時間を制御する第１のモニタ時間制御部と
    を有する請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記プラズマからイオンを前記基板に引き込むのに適した第２の高周波を一定のパワーで連続的に出力して前記第１の電極に印加する第２の高周波給電部を有する、請求項１２または請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記第１の高周波のパワー変調に同期して、前記第１の期間中にのみ前記第２の電極に負極性の直流電圧を印加する直流電源部を有する、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
16. 前記第２の電極に負極性の直流電圧を印加し、前記第１の高周波パワーのパルス変調に同期して、前記第１の期間中よりも前記第２の期間中のほうで前記直流電圧の絶対値を大きくする直流給電部を有する、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記第１の高周波のパワー変調に同期して、前記第１の期間中にのみプラズマからイオンを前記基板に引き込むのに適した第２の高周波を前記第２の電極に印加する第２の高周波給電部を有する、請求項１５または請求項１６に記載のプラズマ処理装置。
18. 前記第２の高周波給電部は、
    前記変調制御部および前記デューティ制御部の制御の下で前記第２の高周波を出力する第２の高周波電源と、
    前記第２の高周波電源より出力される前記第２の高周波を前記第１の電極まで伝送する第２の高周波伝送路と、
    前記第２の高周波伝送路上に設けられる第２の可変リアクタンス素子を含む第２の整合回路および第２のインピーダンス・センサを有し、前記パルス周波数の各サイクル内で前記第１の期間内に設定される第２のモニタ時間中に前記第２のインピーダンス・センサにより負荷側のインピーダンスを測定して、その負荷側インピーダンス測定値が前記第２の高周波電源側のインピーダンスに対応する基準値に一致または近似するように前記第２の可変リアクタンス素子のリアクタンスを間断なく制御する第２の整合器と、
    前記第１の高周波のパワー変調におけるデューティ比に連関してそれに比例するように前記第２のモニタ時間を制御する第２のモニタ時間制御部と
    を有する請求項１７に記載のプラズマ処理装置。

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