JP2013143432A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦバイアス機能の制御性を向上させるとともに、対向電極と接地電位間の高周波伝送路上で不所望な共振が発生するのを確実に防止してプラズマプロセスの信頼性を向上させる。
【解決手段】この容量結合型プラズマ処理装置は、第１、第２および第３高周波電源３５，３６，３８より３種類の高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃を重畳してサセブタ（下部電極）１６に印加する。かかる３周波重畳印加方式において、プラズマプロセスに関係または影響する主だった周波数を全部考慮に入れ、上部電極４８回りの高周波伝送路上の周波数−インピーダンス特性に工夫を凝らすことにより、該高周波伝送路上で直列共振が起きるのを防止している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係わり、特に容量結合型のプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマが多く利用されている。この種のプラズマプロセスにおいては、真空の処理容器内で処理ガスを放電または電離させるために、高周波（ＲＦ）やマイクロ波が使用されている。

容量結合型のプラズマ処理装置においては、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。

このように、プラズマプロセスでは、基板に入射するラジカルとイオンが重要な役割を果たす。特に、イオンは、基板に入射する際の衝撃によって物理的な作用を奏する点が重要である。

従来より、プラズマプロセスにおいては、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。

特開平７−３０２７８６

上記のようなＲＦバイアスの機能を搭載する従来の容量結合型プラズマ処理装置は、下部電極に印加するイオン引き込み用の高周波を１種類（単一周波数）に限定し、その高周波のパワー、下部電極上の自己バイアス電圧あるいはシース電圧を制御パラメータとしている。

しかしながら、本発明者がプラズマプロセスの技術開発の中でＲＦバイアスの作用について研究を重ねたところ、イオン引き込み用に単一の高周波を用いる従来方式は、複合的なプロセス特性を求められる最先端のプラズマプロセスにおいてはイオンエネルギー分布の制御性に難があることが分かってきた。

より詳細には、イオン引き込み用に単一の高周波を用いたときに基板に入射するイオンのエネルギー分布(ＩＥＤ：Ion Energy Distribution）を解析すると、図１５Ａ〜図１５Ｃおよび図１６Ａ〜図１６Ｃに示すように、定型的に、連続したエネルギーバンドの中に全ての入射イオンのエネルギーが収まり、最大エネルギー付近および最小エネルギー付近にイオンが多く集中する（ピークが現れる）。したがって、イオンエネルギーの平均値だけでなく、イオンが多く集中する最大エネルギーおよび最小エネルギーを自在に可変できれば、プラズマプロセスにおいて求められるＲＦバイアス機能の制御性の向上が見込まれるのであるが、単一の高周波を用いた場合では、上述のようなイオンが多く集中する最大エネルギーおよび最小エネルギーを自在に可変できることはない。

従来方式によれば、イオン引き込み用に低めの周波数たとえば０．８ＭＨｚの高周波を用いた場合、そのＲＦパワーを可変すると、イオンエネルギー分布特性は、図１５Ａ（低パワー）、図１５Ｂ（中パワー）、図１５Ｃ（高パワー）に示すように変化する。すなわち、最小エネルギーが略０ｅＶに固定されたまま、最大エネルギーがＲＦパワーに比例して１０００ｅＶ（図１５Ａ）、２０００ｅＶ（図１５Ｂ）、３０００ｅＶ（図１５Ｃ）と変化する。

しかし、イオン引き込み用に高めの周波数たとえば１３ＭＨｚの高周波を用いた場合は、そのＲＦパワーを可変すると、イオンエネルギー分布特性は、図１６Ａ（低パワー）、図１６Ｂ（中パワー）、図１６Ｃ（高パワー）に示すように変化する。すなわち、最大エネルギーがＲＦパワーに比例して６５０ｅＶ、１３００ｅＶ、１９５０ｅＶと変化する一方で、最小エネルギーもＲＦパワーに比例して３５０ｅＶ、７００ｅＶ、１０５０ｅＶと変化する。

図１５Ａ〜図１５Ｃおよび図１６Ａ〜図１６Ｃのイオンエネルギー分布特性はＡｒ⁺イオンについてのものであるが、他のイオンでも同様の特性（パターン）が見られる。

このように、従来方式においては、イオンエネルギー分布の最大エネルギーまたは平均エネルギーを任意に可変することはできても、最大エネルギーから独立して最小エネルギーを任意に可変することはできない。したがって、たとえば図１６Ｃの仮想線（一点鎖線）Ｋで示すようなイオンエネルギー分布特性を実現することはできない。そのことによって、たとえばＨＡＲＣ（High Aspect Ratio Contact）のプラズマエッチングにおいてエッチング速度および選択比とエッチング形状との間のトレードオフを巧みに回避できないことが問題となっている。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、ＲＦバイアス機能の制御性を向上させるとともに、対向電極と接地電位間の高周波伝送路上で不所望な共振が発生するのを確実に防止してプラズマプロセスの信頼性を向上させるプラズマ処理装置を提供する。

本発明のプラズマ処理装置は、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の電極の間の処理空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装置であって、第１の周波数ｆ₁を有する第１の高周波を前記第１の電極に印加する第１の高周波給電部と、第２の周波数ｆ₂を有する第２の高周波を前記第１の電極に印加する第２の高周波給電部と、第３の周波数ｆ₃を有する第３の高周波を前記第１の電極に印加する第３の高周波給電部と、前記第２の電極と接地電位の部材との間に接続されるフィルタ回路とを有し、ｆ₁は１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚ、ｆ₂は６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚおよびｆ₃は４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚであって、２ｆ₁＜ｆ₂かつ２ｆ₂＜ｆ₃の関係が成立し、３ｆ₂＜ｆ₃の場合は、（ｆ₁＋ｆ₂）をＡ、２ｆ₂と（ｆ₃−ｆ₂）のうち低い方をＢとすると、前記処理空間と前記第２の電極との境界面から前記第２の電極を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、ｆ₁＜ｆ≦ＡおよびＢ≦ｆ＜ｆ₃の周波数範囲ではいかなる共振周波数も存在せず、Ａ＜ｆ＜Ｂの周波数範囲ではｆ_s＜ｆ_pの関係で１つの直列共振周波数ｆ_sと１つの並列共振周波数ｆ_pが存在するように、前記フィルタ回路が構成され、３ｆ₂＞ｆ₃の場合は、（ｆ₃−ｆ₂）と（ｆ₁＋ｆ₂）のうち高い方をＡ、２ｆ₂と（ｆ₃−ｆ₁）のうち低い方をＢとすると、前記処理空間と前記第２の電極との境界面から前記第２の電極を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、ｆ₁＜ｆ≦ＡおよびＢ≦ｆ＜３ｆ₂（またはｆ₃）の周波数範囲ではいかなる共振周波数も存在せず、Ａ＜ｆ＜Ｂの周波数範囲ではｆ_s＜ｆ_pの関係で１つの直列共振周波数ｆ_sと１つの並列共振周波数ｆ_pが存在するように、前記フィルタ回路が構成される。

上記の構成においては、被処理基板を載置する第１の電極にイオン引き込みに適した第１および第２の周波数をそれぞれ有する第１および第２の高周波を重畳して印加することより、プラズマから基板に入射するイオンのエネルギー分布において最小エネルギーおよび最大エネルギーを独立に制御することが可能であり、さらにはイオンエネルギー分布特性の形状を凹型やフラット型にすることも可能であり、多種多様なプロセス特性あるいは複合的なプロセス特性に対してイオンエネルギー分布特性を最適化し、ひいてはプロセス特性を最適化することができる。

一方で、プラズマは概して非線形な負荷であるため、容量結合型プラズマ処理装置のチャンバ内では、各基本波の整数倍の周波数を有する高調波や、基本波同士あるいは基本波と高調波との和または差の周波数を有するＩＭＤ（混変調歪）が不可避的に発生する。これらの高調波やＩＭＤは、そのパワーが大きいほど基本波のパワーを食い、さらには大きな電流でフィルタ回路を流れると回路素子を焼損させることもある。容量結合型プラズマ処理装置において、これらの望ましくない現象は、チャンバ内のプラズマから対向電極（第２の電極）を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路上でいずれかの高調波またはＩＭＤに対して直列共振が起きるときに、顕著に現れる。もちろん、該高周波伝送路上でいずれかの基本波に対して直列共振が起きるときも、フィルタ回路内のインピーダンス素子を焼損させるおそれがあり、望ましくない。

本発明のプラズマ処理装置においては、フィルタ回路を通じて第２の電極回りの高周波伝送路上に上記のような周波数−インピーダンス特性を構築することにより、プロセス条件をどのように設定しても、第２の電極回りの高周波伝送路上で直列共振が発生する可能性を皆無にすることができる。したがって、基本波のパワーが高調波またはＩＭＤに変換されて損失を招くこともなければ、フィルタ回路内の回路素子が大電流によって焼損するようなこともない。

本発明のプラズマ処理方法またはプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、ＲＦバイアス機能の制御性を向上させるとともに、対向電極と接地電位間の高周波伝送路上で不所望な共振が発生するのを確実に防止してプラズマプロセスの信頼性を向上させることができる。

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。 実施形態の２周波ＲＦバイアス法におけるシース電圧およびイオン応答電圧の波形を示す図である。 実施形態で用いる変換関数を示す図である。 単周波ＲＦバイアス法におけるイオンエネルギー分布およびイオン応答電圧を示す図である。 ２周波ＲＦバイアス法におけるイオンエネルギー分布およびイオン応答電圧を示す図である。 実施形態において、イオンエネルギー分布の最大エネルギーを固定したまま最小エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。 イオンエネルギー分布の最大エネルギーを固定したまま最小エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。 イオンエネルギー分布の最大エネルギーを固定したまま最小エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。 実施形態において、イオンエネルギー分布の最小エネルギーを固定したまま最大エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。 イオンエネルギー分布の最小エネルギーを固定したまま最大エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。 イオンエネルギー分布の最小エネルギーを固定したまま最大エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。 実施形態において、エネルギー中心値を固定したまま、エネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。 エネルギー平均値（中心値）を固定したままエネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。 エネルギー平均値を固定したままエネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。 エネルギー平均値を固定したままエネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。 エネルギー平均値を固定したままエネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。 実施形態の２周波バイアス法における周波数の組み合わせ方法を説明するための図である。 一実施例においてプラズマプロセスに関係または影響する主な周波数の分布を示す図である。 実施形態におけるフィルタ回路単体の回路構成を示す回路図である。 上部電極回りの高周波伝送路の回路構成を示す回路図である。 上記高周波伝送路の周波数−インピーダンス特性を示す図である。 別の実施例においてプロセスに関係または影響する主な周波数の分布を示す図である。 低めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを低くしたときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。 低めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを中位の値に選んだときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。 低めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを高くしたときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。 高めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを低くしたときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。 高めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを中位の値に選んだときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。 高めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを高くしたときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。

以下、図１〜図１４を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［装置全体の構成］

図１に、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。このプラズマ処理装置は、下部３周波印加方式の容量結合型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を静電吸着力で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には直流電源２２がスイッチ２４を介して電気的に接続されている。直流電源２２からの直流電圧により、半導体ウエハＷを静電気力で静電チャック１８に吸着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、エッチングの面内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または冷媒通路３０が設けられている。この冷媒通路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ｃｗが循環供給される。冷媒ｃｗ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、第１、第２および第３高周波電源３５，３６，３８がそれぞれ整合器４０，４２，４３および下部給電導体４４，４５，４６を介して電気的に接続されている。下部給電導体４４，４５，４６は共通の導体たとえば給電棒であってもよい。

第１高周波電源３５は、サセプタ１６上の半導体ウエハＷにプラズマのイオンを引き込むのに適した低めの周波数ｆ₁（１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚ）を有する第１高周波ＲＦ₁を可変のパワーで出力するように構成されている。第２高周波電源３６は、サセプタ１６上の半導体ウエハＷにプラズマのイオンを引き込むのに適した高めの周波数ｆ₂（６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚ）を有する第２高周波ＲＦ₂を可変のパワーで出力するように構成されている。第３高周波電源３８は、処理ガスの容量結合による高周波放電つまりプラズマ生成に適した周波数ｆ₃（４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）を有する第３高周波ＲＦ₃を可変のパワーで出力するように構成されている。なお、第１高周波ＲＦ₁と第２高周波ＲＦ₂とを同時に印加する場合はｆ₁＜ｆ₂の関係でＲＦ₁，ＲＦ₂が重畳され、第２高周波ＲＦ₂と第３高周波ＲＦ₃とを同時に印加する場合はｆ₂＜ｆ₃の関係でＲＦ₂，ＲＦ₃が重畳されるようになっている。

サセプタ１６の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極４８が設けられている。この上部電極４８は、多数のガス噴出孔５０ａを有するたとえばＳi、ＳiＣなどの半導体材料からなる電極板５０と、この電極板５０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５２とで構成されており、チャンバ１０の上部にリング状の絶縁体５４を介して取り付けられている。この上部電極４８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が設定されている。リング状絶縁体５４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する。電気的には、リング状絶縁体５４を挟んで上部電極４８とチャンバ１０との間に固定値の静電容量（以下「電極浮遊容量」と称する。）ＥＣが形成されている。

電極支持体５２は、その内部にガスバッファ室５６を有するとともに、その下面にガスバッファ室５６から電極板５０のガス噴出孔５０ａに連通する多数のガス通気孔５２ａを有している。ガスバッファ室５６にはガス供給管５８を介して処理ガス供給源６０が接続されており、ガス供給管５８にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６２および開閉バルブ６４が設けられている。処理ガス供給源６０より所定の処理ガスがガスバッファ室５６に導入されると、電極板５０のガス噴出孔５０ａ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４８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。

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７２が設けられている。この排気口７２に排気管７４を介して排気装置７６が接続されている。排気装置７６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７８を開閉するゲートバルブ８０が取り付けられている。

チャンバ１０の外に設置される直流電源ユニット８２の出力端子は、スイッチ８４およびフィルタ回路８６を介して上部電極４８に電気的に接続されている。直流電源ユニット８２は、たとえば制御可能な直流電源からなり、−２０００〜＋１０００Ｖの直流電圧Ｖ_DCを出力できるように構成されている。あるいは、直流電源ユニット８２は、別の形態として、異なる直流電圧を出力する複数の直流電源を有し、それら複数の直流電圧の中の１つを選択的に出力することも可能である。直流電源ユニット８２の出力（電圧、電流）の極性および絶対値およびスイッチ８４のオン・オフ切換は、後述する制御部８８からの指示の下で直流電源コントローラ８３により制御されるようになっている。

フィルタ回路８６は、直流電源ユニット８２からの直流電圧Ｖ_DCを上部電極４８に印加する一方で、サセプタ１２から処理空間ＰＳおよび上部電極４８を通って入ってきた高周波電流を接地ラインへ流して直流電源ユニット８２側へは流さないように構成されている。この実施形態においてフィルタ回路８６の構成および回路定数は特に重要であり、後に詳しく説明する。

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接地部品（図示せず）が取り付けられている。このＤＣ接地部品は、接地ライン（図示せず）を介して常時接地されている。

制御部８８は、マイクロコンピュータを含み、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば静電チャック用のスイッチ２４、第１、第２および第３高周波電源３５，３６，３８、整合器４０，４２，４３、処理ガス供給部（６０，６２，６４）、排気装置７６、ＤＣバイアス用の直流電源ユニット８２およびスイッチ８４、チラーユニット、伝熱ガス供給部等の動作を個別的および統括的に制御する。また、制御部８８は、マン・マシン・インタフェース用のタッチパネル（図示せず）および各種プログラムや設定値等のデータを格納する記憶装置（図示せず）等とも接続されている。この実施形態では制御部８８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制御部８８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。

このプラズマエッチング装置において、エッチング加工を行なうには、先ずゲートバルブ８０を開状態にし、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６０より所定の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７６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、第３高周波電源３８より所定のパワーでプラズマ生成用の第３高周波ＲＦ₃（４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）を上部電極４８に印加する。他方で、第１および第２高周波電源３５，３６よりそれぞれ所定のパワーでイオン引き込み用の第１高周波ＲＦ₁（１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚ）および第２高周波ＲＦ₂（６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚ）をサセプタ（下部電極）１６に印加する。また、スイッチ２４をオンにし、静電吸着力によって、静電チャック１８と半導体ウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈｅガス）を閉じ込める。また、必要に応じて、スイッチ８４をオンにし、直流電源ユニット８２からの所定の直流電圧Ｖ_DCを上部電極４８に印加する。シャワーヘッド（上部電極）４８より吐出されたエッチングガスは両電極１６，４８間で高周波の放電によってプラズマ化し、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の主面の膜がエッチングされる。

この実施形態のプラズマエッチング装置は、プロセス中にプラズマから半導体ウエハＷに入射するイオンのエネルギーを制御するために、２つの高周波電源３５，３６よりイオン引き込みに適した２種類の高周波ＲＦ₁（１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚ），ＲＦ₂（６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚ）をサセプタ１２に重畳して印加するハードウェア構成（３２〜４６）を有し、エッチング加工の仕様、条件またはレシピに応じて制御部８８が両高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂のトータルパワーおよびパワー比を制御するようになっている。

［実施形態におけるＲＦバイアス機能］

この実施形態のプラズマエッチング装置においては、上記のように、プロセス中には、第１高周波電源３５および第２高周波電源３６よりイオン引き込み用の第１高周波ＲＦ₁（たとえば０．８ＭＨｚ）および第２高周波ＲＦ₂（たとえば１３ＭＨｚ）がサセプタ（下部電極）１６に重畳印加される。そうすると、プラズマ生成空間ＰＳに臨むサセプタ１６または半導体ウエハＷの表面に生じるイオンシースには、図２に示すような両高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂が重畳された負極性のシース電圧Ｖ_S(t)が発生する。なお、図２では、イオンシースの中で両高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂が重畳されている状態をわかりやすくするために、第１高周波ＲＦ₁の電圧（パワー）に比して第２高周波ＲＦ₂の電圧（パワー）が著しく小さい場合を示している。

プラズマからのイオンは、このようなシース電圧Ｖ_S(t)により加速されて半導体ウエハＷの表面に入射する。その際、入射イオンの加速度またはエネルギーは、その時のシース電圧Ｖ_S(t)の瞬時値（絶対値）に依存する。つまり、シース電圧Ｖ_S(t)の瞬時値（絶対値）が大きい時にイオンシース内に入ったイオンは大きな加速度または運動エネルギーでウエハ表面に入射し、シース電圧Ｖ_S(t)の瞬時値（絶対値）が小さい時にイオンシース内に入ったイオンは小さな加速度または運動エネルギーでウエハ表面に入射する。

もっとも、イオンシース内で、イオンはシース電圧Ｖ_S(t)に対して１００％（係数１）以下のある感度で応答（加速運動）する。この応答感度または変換関数α(f)は、図３に示すようにＲＦバイアスに用いられる高周波の周波数ｆに依存して（逆比例して）変わり、次の式（１）で表わされる。
α(f)＝１／{（ｃｆτ_i）^p＋１}^1/p ・・・・（１）

ただし、ｃ＝0.3×２π、ｐ＝5、τ_i＝３ｓ（Ｍ／２ｅＶ_s）、Ｍはイオンの質量数、ｓはイオンのシース通過時間、Ｖ_sはシース電圧である。

したがって、イオンシース内のイオンの加速に寄与する正味のシース電圧つまりイオン応答電圧Ｖ_i(t)は次の式（２）で表わされる。
Ｖ_i(t)＝α(f) Ｖ_S(t) ・・・・（２）

図２に示すイオン応答電圧Ｖ_i(t)および図３に示す変換関数α(f)はＡr⁺イオンについてのものであるが、他のイオンもシース電圧Ｖ_S(t)およびＲＦバイアスの周波数に対して同様の特性を示す。

図２の電圧波形からもわかるように、イオンシース内のイオンは、周波数が低めの第１高周波ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）に対しては略１００％の感度（α(f)≒１）で応答（加速運動）し、周波数が高めの第２高周波ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）に対しては略５０％の感度（α(f)≒０．５）で応答（加速運動）する。

上記のようなイオン応答電圧Ｖ_i(t)に基づいて、下記の式（３）から図４および図５に示すような考え方でイオンエネルギー分布ＩＥＤを計算で求めることができる。
ＩＥＤ（Ｅ_i）∝Σ_i（ｄＶ_i／ｄｔ_i） ・・・・（３）

図４は、ＲＦバイアスに低めの周波数を有する単一の高周波を用いた場合のＩＥＤおよびイオン応答電圧Ｖ_i(t)を示している。一方、図５は、ＲＦバイアスに低めの周波数および高めの周波数をそれぞれ有する２つの高周波を用いた場合のＩＥＤおよびイオン応答電圧Ｖ_i(t)を示している。

ＲＦバイアスに単一の高周波を用いる単周波バイアス法によれば、図１５Ａ〜図１５Ｃおよび図１６Ａ〜図１６Ｃにつき上述したように、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）が定型的に最大エネルギー付近および最小エネルギー付近にイオンが多く集中する（ピークが現れる）ようなプロファィルになり、ＲＦパワーを如何様に可変しても最小エネルギーを任意に可変することができないという制約が付く。

これに対して、この実施形態におけるようにＲＦバイアスに２つの高周波ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ），ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）を用いる２周波バイアス法によれば、両高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂のトータルパワーおよび／またはパワー比を調整することにより、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の最大エネルギーおよび最小エネルギーの各々を独立に制御することができる。

すなわち、この実施形態においては、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、最大エネルギーをたとえば約２０００ｅＶに固定したまま最小エネルギーをたとえば約０ｅＶ〜１０００ｅＶの範囲内で任意に調節することができる。

また、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、最小エネルギーをたとえば約３５０ｅＶに固定したまま最大エネルギーをたとえば約６５０ｅＶ〜２６５０ｅＶの範囲内で任意に調節することができる。

なお、図６Ａ〜図６Ｃおよび図７Ａ〜図７ＣにおけるＩＥＤ特性は、Ａr⁺イオンについて計算したものである。他のイオンでもパターン的には同様の特性が得られる。また、両高周波ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ），ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）の電圧値は各々の周波数のバイアス電圧の振幅値であり、ＲＦパワーにも換算可能である。

また、この実施形態においては、図６Ｂ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝３４０Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝１０００Ｖ］、図７Ｂ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝５００Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝５００Ｖ］に示すように、２周波のＲＦバイアスによって、エネルギーバンドの全領域にわたってイオンを略均一に分布させることも可能である。さらには、図７Ｃ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝１０００Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝５００Ｖ］に示すように、最小エネルギーおよび最大エネルギーのイオン入射数よりも中間エネルギーのイオン入射数を多くすることも可能である。

さらに、この実施形態においては、図８Ａ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝１５００Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝０Ｖ］、図８Ｂ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝１１２５Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝３７５Ｖ］、図８Ｃ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝７５０Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝７５０Ｖ］、図８Ｄ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝３７５Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝１１２５Ｖ］、図８Ｅ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝０Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝１５００Ｖ］に示すように、２周波のＲＦバイアスによって、エネルギー平均値または中心値をたとえば１５００Ｖに固定したまま、エネルギーバンドの幅Ｅ_Wをたとえば約１０００ｅＶから約３０００Ｖの範囲内で任意に調節することも可能である。

このように、この実施形態においては、ＲＦバイアスに第１高周波ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）のみを用いた場合のＩＥＤ特性（図８Ａ）と、ＲＦバイアスに第２高周波ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）のみを用いた場合のＩＥＤ特性（図８Ｅ）との間で、エネルギーバンドの幅Ｅ_Wを任意に調節して中間のＩＥＤ特性を得ることができる。

また、中間ＩＥＤ特性の中でも、第１高周波ＲＦ₁に対する第２高周波ＲＦ₂のパワー比が１１２５Ｖ：３７５Ｖ＝３：１のときに得られる図８ＢのＩＥＤ特性は、特徴的な凹型の分布形状を示している。すなわち、最小エネルギーおよびその近辺のエネルギー領域（約２５０ｅＶ〜約７５０ｅＶ）と最大エネルギーおよびその近辺のエネルギー領域（約２２５０ｅＶ〜約２７５０ｅＶ）にイオンが帯状に集中し、中間のエネルギー領域（約７５０ｅＶ〜約２２５０ｅＶ）では一様にイオン分布数が少ない。この凹型のＩＥＤ特性は、両高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂のいずれか一方を用いた場合のように最小エネルギーおよび最大エネルギーにイオンが尖頭的に集中するＵ型のＩＥＤ特性（図８Ａ、図８Ｅ）とも異なる。

なお、図示省略するが、図８Ｄ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝３７５Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝１１２５Ｖ］と図８Ｅ［ＲＦ₁（０．８ＭＨｚ）＝０Ｖ，ＲＦ₂（１３ＭＨｚ）＝１５００Ｖ］との中間でも、つまり第１高周波ＲＦ₁に対する第２高周波ＲＦ₂のパワー比が約１：３０のときも、図８Ｂと同様の凹型の中間ＩＥＤ特性が得られる。

このように、この実施形態においては、ＲＦバイアスに周波数の異なる第１高周波ＲＦ₁および第２高周波ＲＦ₂を組み合わせて使用し、それらのトータルパワーおよび／またはパワー比を制御することにより、サセプタ１２上の半導体ウエハＷの表面に入射するイオンのエネルギー分布（ＩＥＤ）に関して、エネルギーバンド幅および分布形状さらには入射エネルギーの総量を多種多様に制御することができる。

ここで、第１高周波ＲＦ₁および第２高周波ＲＦ₂の周波数ｆ₁，ｆ₂は上記の値（０．８ＭＨｚ，１３ＭＨｚ）に限定されるものではなく、一定の範囲内で任意に選定してよい。図８ＡのＩＥＤ特性と図８ＥのＩＥＤ特性との対比からわかるように、単周波バイアスにおけるイオンエネルギー分布の幅（エネルギーバンド）Ｅ_Wは、周波数が低いほど広く、周波数が高いほど狭くなる。

これは、図９に示すように、周波数と変換関数α(f)との関係に対応している。したがって、エネルギーバンドＥ_Wの可変範囲を大きくするには、エッチングプロセスで支配的な作用を奏するイオンの種類（Ｆ⁺、Ａｒ⁺，Ｃ₄Ｆ₆ ⁺等）にも依存するが、基本的には、第１高周波ＲＦ_L1の周波数を低めの値（好ましくは１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚ）に選定し、第２高周波ＲＦ₂の周波数を高めの値（好ましくは６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚ）に選定するのがよい。特に、第２高周波ＲＦ₂の周波数が高くなりすぎると、つまり４０ＭＨｚ以上になると、プラズマ生成効果が強くなり、ＲＦバイアスとしては適さなくなるので、４０ＭＨｚ以下の周波数が望ましい。なお、プラズマ生成用の第３高周波ＲＦ₃の周波数は、通常４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの範囲内で選ばれる。

［上部電極回りの直列共振とその対策］

ところで、プラズマは概して非線形な負荷であるため、容量結合型プラズマ処理装置のチャンバ内では、各基本波の整数倍の周波数を有する高調波や、基本波同士あるいは基本波と高調波との和または差の周波数を有するＩＭＤ（混変調歪）が不可避的に発生する。これらの高調波やＩＭＤは、そのパワーが大きいほど基本波のパワーと干渉し、さらには大きな電流でフィルタ回路８６を流れると回路素子を焼損させることもある。特に、本実施形態のようなカソードカップリング方式の容量結合型プラズマ処理装置においては、チャンバ内のプラズマから上部電極を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路（以下、「上部電極回りの高周波伝送路」と称する。）上でいずれかの高調波またはＩＭＤに対して直列共振が起きるときに、顕著に現れる。もちろん、上部電極回りの高周波伝送路上でいずれかの基本波に対して直列共振が起きるときも、フィルタ回路８６内のインピーダンス素子を焼損させるおそれがあり、望ましくない。

したがって、基本波、高調波およびＩＭＤのいずれに対しても上部電極回りの高周波伝送路上で直列共振が起きないように工夫する必要がある。ところが、この実施形態のように３種類の高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃を重畳してサセブタ（下部電極）１６に印加する場合は、基本波、高調波およびＩＭＤの種類・数が多数存在するため、直列共振対策は非常に難しい。さらに、プラズマと上部電極との間に形成されるイオンシース（以下、「上部電極シース」と称する。）が対策をより一層難しくする。この上部電極シースは電子電流に対してコンデンサとして作用し、プロセス条件（圧力、ＲＦパワー、ガス種等）や直流電圧Ｖ_DCに応じてその厚みが（ひいてはその静電容量）が変化する。このため、上部電極回りの高周波伝送路上で直列共振が起きるときの周波数（直列共振周波数）が上部電極シースの厚みによって変わる。この点も十分考慮する必要がある。

この実施形態では、以下に説明するように、３周波重畳印加方式においてプラズマプロセスに関係または影響するＩＭＤの次数が低い周波数を全部考慮に入れて上部電極４８回りの周波数−インピーダンス特性に工夫を凝らすことにより、上記のような直列共振の問題を解決するものである。

図１０に、一実施例として、第１、第２および第３高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃の周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃をそれぞれｆ₁＝３．２ＭＨｚ、ｆ₂＝１２．８８ＭＨｚ、ｆ₃＝４０．６８ＭＨｚに選んだ場合のプラズマプロセスに関係または影響する主な周波数の分布を示す。図示されているもの以外の高調波およびＩＭＤは、発生してもパワーレベルが非常に低くてプロセスに影響を与えるおそれは殆どなく、無視することができる。

この場合、２ｆ₁（６．４ＭＨｚ）＜ｆ₂（１２．８８ＭＨｚ）かつ２ｆ₂（２５．７６ＭＨｚ）＜ｆ₃（４０．６８ＭＨｚ）の関係が成立し、さらに３ｆ₂（３８．６４ＭＨｚ）＜ｆ₃（４０．６８ＭＨｚ）の関係が成立する。したがって、ｆ₁＋ｆ₂（１６．０８ＭＨｚ）を第１の周波数Ａとする。また、２ｆ₂（２５．７６ＭＨｚ）とｆ₃−ｆ₂（２７．８ＭＨｚ）のうち低い方の２ｆ₂（２５．７６ＭＨｚ）を第２の周波数Ｂとする。

そうすると、ｆ₁＜ｆ≦Ａの周波数範囲［１］には、低い方から順に、第１高周波ＲＦ₁の第２高調波の周波数２ｆ₁（６．４ＭＨｚ）と、第１高周波ＲＦ₁の第３高調波の周波数３ｆ₁（９．６ＭＨｚ）と、第２高周波ＲＦ₂の周波数と第１高周波ＲＦ₁の周波数との差の周波数ｆ₂−ｆ₁（９．６８ＭＨｚ）と、第１高周波ＲＦ₁の第４高調波の周波数４ｆ₁（１２．８ＭＨｚ）と、第２高周波ＲＦ₂の周波数ｆ₂（１２．８８ＭＨｚ）と、第１高周波ＲＦ₁の周波数と第２高周波ＲＦ₂の周波数との和の周波数ｆ₁＋ｆ₂（１６．０８ＭＨｚ）とが存在する。

また、Ｂ≦ｆ＜ｆ₃の周波数範囲［３］には、低い方から順に、第２高周波ＲＦ₁の第２高調波の周波数２ｆ₂（２５．７６ＭＨｚ）と、第３高周波ＲＦ₃の周波数と第２高周波ＲＦ₂の周波数との差の周波数ｆ₃−ｆ₂（２７．８ＭＨｚ）と、第３高周波ＲＦ₃の周波数と第１高周波ＲＦ₁の周波数との差の周波数ｆ₃−ｆ₁（３７．４８ＭＨｚ）と、第２高周波ＲＦ₂の第３高調波の周波数３ｆ₂（３８．６ＭＨｚ）とが存在する。

ここで注目すべきことは、Ａ（１６．０８ＭＨｚ）＜ｆ＜Ｂ（２５．７６ＭＨｚ）の周波数範囲［２］には、基本波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃の周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃のいずれも属さないのはもちろん、次数が低い高調波、または次数が低いＩＭＤの周波数が１つも存在しないことである。

この実施形態では、上記のような周波数分布の特性を考慮して、ｆ₁＜ｆ≦Ａの周波数範囲［１］およびＢ≦ｆ＜ｆ₃の周波数範囲［３］ではいかなる共振周波数も存在せず、中間のＡ＜ｆ＜Ｂの周波数範囲［２］ではｆ_s＜ｆ_pの関係で１つの直列共振周波数ｆ_sと１つの並列共振周波数ｆ_pとが存在するようにフィルタ回路８６を構成するようにしている。

図１１に、フィルタ回路８６の回路構成を示す。このフィルタ回路８６は、ＬＣはしご型回路として構成されており、一対の入出力端子９０，９２の間で直列に接続された複数個たとえば３個のコイル９４，９６，９８と、コイル９４，９６間のノードＮ₁、コイル９６，９８間のノードＮ₂，コイル９８，端子９２間のノードＮ₃と接地電位の部材（図示せず）との間にそれぞれ接続された３個のコンデンサ１００，１０２，１０４とを有する。ここで、一方の端子９０は、上部電極４８に接続される側の端子であり、上部電極４８からフィルタ回路８６に入ってくる高周波に対しては入力端子となり、直流電源ユニット８２からフィルタ回路８６に入ってくる直流電圧Ｖ_DCに対しては出力端子となる。他方の端子９２は、スイッチ８４を介して直流電源ユニット８２の出力端子に接続される側の端子であり、直流電源ユニット８２からフィルタ回路８６に入ってくる直流電圧Ｖ_DCに対しては入力端子となり、上部電極４８からフィルタ回路８６に入ってくる高周波に対しては出力端子となる。

この種のフィルタ回路では、ＲＦ入力端子となる端子９０付近に非常に小さな固定値の浮遊容量（以下、「入力ポート浮遊容量」と称する。）ＰＣが存在する。この入力ポート浮遊容量ＰＣは、フィルタ回路８６が上部電極４８に接続された状態では、図１２に示すように、上部電極４８とチャンバ１０との間にリング状絶縁体５４を挟んで形成される電極浮遊容量ＥＣと電気的に並列になって合成される。電極浮遊容量ＥＣの値Ｃ_ECは通常１００ｐＦ以上であるのに対して、入力ポート浮遊容量ＰＣの値Ｃ_PCは通常１０ｐＦ以下であり、合成浮遊容量（Ｃ_EC＋Ｃ_PC）の中で占めるＣ_PCの割合は非常に小さい。したがって、入力ポート浮遊容量ＰＣは実際上無視できる。ただし、入力ポート浮遊容量ＰＣはフィルタ回路８６単独では並列共振周波数を与えるファクタになるので、この実施例では一応考慮している。

図１２に、フィルタ回路８６を上部電極４８に接続した状態でチャンバ１０内のプラズマＰＲから見た高周波伝送路の回路構成を示す。この高周波伝送路の回路は、プラズマＰＲと上部電極４８との間に形成される上部電極シースを可変コンデンサＳＨとして含んでいる。この可変コンデンサＳＨの静電容量Ｃ_SHは、上部電極シースの厚さに応じて変化する。すなわち、上部電極シースの厚さが大きいほどＣ_SHは小さくなり、上部電極シースの厚さが小さいほどＣ_SHは大きくなる。もっとも、チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生していないとき、つまり上部電極シースが存在しないときは、この高周波伝送路回路からプラズマＰＲの端子と可変コンデンサＳＨが除かれる。なお、上部電極４８のインダクタンスは、相対的に非常に低いので、無視している。

この上部電極４８回りの高周波伝送路回路（図１２）は多段のＬＣ直並列回路で構成されているので、その周波数−インピーダンス特性には直列共振周波数および並列共振周波数がそれぞれ複数存在する。

直列共振周波数の中で最も高い周波数ｆ_sは、チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生していないとき（上部電極シースが無いとき）は初段コイル９４と初段コンデンサ１００とからなるＬＣ直列回路の共振周波数であり、チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生しているとき（上部電極シースが存在しているとき）は可変コンデンサＳＨと初段コイル９４と初段コンデンサ１００とからなるＬＣ直列回路の共振周波数である。

並列共振周波数の中で最も高い周波数ｆ_pは、プラズマＰＲまたは上部電極シースの有無に関係なく、入力ポート９０と接地電位との間で形成される、電極浮遊容量ＥＣと入力ポート浮遊容量ＰＣと初段コイル９４と初段コンデンサ１００とからなるＬＣ直並列回路の並列共振周波数である。ここで、このＬＣ直並列回路におけるコンデンサＥＣ，ＰＣ，１００の合成容量は上記ＬＣ直列回路のコンデンサ１００の容量より大きいので、ｆ_s＜ｆ_pの関係が成立する。

また、並列共振周波数の中で２番目に高い周波数ｆ_qも、プラズマＰＲまたは上部電極シースの有無に関係なく、入力ポート９０と接地電位との間で形成される、電極浮遊容量ＥＣと入力ポート浮遊容量ＰＣと初段コイル９４と次段コイル９６と次段コンデンサ１０２とからなるＬＣ直並列回路の並列共振周波数である。

フィルタ回路８６において第３段以降のコイル９８およびコンデンサ１０４は、２番目以降の直列共振周波数および／または３番目以降の並列共振周波数に関係し、上記最も高い直列共振周波数ｆ_s、最も高い並列共振周波数ｆ_p、２番目に高い並列共振周波数ｆ_qには関係しない。

この実施形態では、上記のような周波数分布（図１０）に鑑みて、最も高い直列共振周波数ｆ_sと最も高い並列共振周波数ｆ_pがＡ＜ｆ＜Ｂの周波数範囲［２］に属し、２番目に高い並列共振周波数ｆ_qがｆ＜ｆ₁の周波数領域に属するように、フィルタ回路８６の回路定数を選定する。

具体的に、たとえば電極浮遊容量ＥＣの値Ｃ_ECが３００ｐＦで、入力ポート浮遊容量ＰＣの値Ｃ_PCが７ｐＦの場合、初段コイル９４のインダクタンスＬ₉₄は４００ｎＨ、初段コンデンサ１００の静電容量Ｃ₁₀₀は２００ｐＦ、次段コイル９６のインダクタンスＬ₉₆は１５μＨ、次段コンデンサ１０２の静電容量Ｃ₁₀₂は２５００ｐＦにそれぞれ選ばれる。これによって、チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生していないとき（上部電極シースが無いとき）の周波数−インピーダンス特性、つまり処理空間ＰＳと上部電極４８との境界面から上部電極４８を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、最も高い直列共振周波数ｆ_sは１８ＭＨｚ、最も高い並列共振周波数ｆ_pは２３ＭＨｚ、２番目に高い並列共振周波数ｆ_qは２ＭＨｚとなる。

図１３に、この実施例における上部電極回りの高周波伝送路上の周波数−インピーダンス特性を示す。この特性で注目すべきことは、チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生しているとき（上部電極シースが存在しているとき）は上部電極シースの厚みが増すほど各直列共振周波数（特にｆ_s）が高くなる方向にシフトする一方、各並列共振周波数（特にｆ_p，ｆ_q）は殆どシフトしない点である。

すなわち、上部電極シースの厚みが増大するほど、可変コンデンサＳＨの静電容量Ｃ_ECが小さくなり、ひいてはＬＣ直列回路（ＥＣ，ＰＣ，１００）の全静電容量（Ｃ_EC＋Ｃ_PC＋Ｃ₁₀₀）が減少し、それによって直列共振周波数ｆ_sの値が高くなる。ｆ_s以外の直列共振周波数も同様である。一方、上記のように可変コンデンサＳＨの静電容量Ｃ_ECは並列共振には関係しないので、上部電極シースの厚みが増しても各並列共振周波数（特にｆ_p，ｆ_q）の値は変わらない。

このように、チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生して上部電極シースが形成されると直列共振周波数ｆ_sがシース無しのときの基準値（１８ＭＨｚ）から高い方へシフトする。しかし、上部電極シースの厚みが増すほど直列共振周波数ｆ_sのシフト量が大きくなるにしても、直列共振周波数ｆ_sが固定値の並列共振周波数ｆ_p（２３ＭＨｚ）に届くようなことはない。しかも、直列共振周波数ｆ_sの値がシフトする領域、つまりＡ＜ｆ＜Ｂの周波数範囲［２］には、基本波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃の周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃のいずれも属さないのはもちろん、主だった高調波またはＩＭＤの周波数も全く存在しない。

したがって、この実施形態のプラズマ処理装置においては、プロセス条件をどのように設定しても、あるいは直流電源ユニット８２より上部電極４８に印加する直流電圧Ｖ_DCの値をどのように選んでも、上部電極４８回りの高周波伝送路上で直列共振が発生する可能性は皆無である。したがって、基本波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃のパワーが高調波またはＩＭＤに変換され損失を招くことにはならない。さらに、フィルタ回路８６内の回路素子が大電流によって焼損するおそれもない。

また、図１３に示すように、上部電極シースの厚みが大きくなるほど、プラズマ生成用の第３高周波ＲＦ₃（４０．６８ＭＨｚ）に対するインピーダンスが高くなる。ここで、直流電源ユニット８２より上部電極４８に負極性の直流電圧Ｖ_DCを印加し、その電圧の絶対値を十分大きくするほど、上部電極シースの厚みが増大するという関係もある。そして、プラズマ生成用の第３高周波ＲＦ₃（４０．６８ＭＨｚ）に対する上部電極４８回りのインピーダンスが高くなるほど、サセプタ１６側から（上部電極４８ではなくて）チャンバ１０の側壁に流れる電子電流の割合が高くなって、プラズマの密度が半径方向外側へ拡がる。したがって、上部電極４８に負極性で印加する直流電圧Ｖ_DCの絶対値を調整することによって、プラズマ密度の空間分布を径方向で均一化することも任意に制御することもできる。

さらに、上部電極シースの厚みが大きいほど、プラズマから上部電極４８に入射するイオンのエネルギーが増大して、上部電極４８の表面に付着しているポリマー等の堆積物（デポ）をイオン衝撃によって物理的に除去するスパッタ効果が高まるという一面もある。したがって、上部電極４８に印加する負極性の直流電圧Ｖ_DCの絶対値を調整することによって、上部電極４８に対するスパッタ（電極表面の清浄化）の効き目を制御することも可能である。

［他の実施形態または変形例］

上述した実施例は、第１、第２および第３高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃の周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃がそれぞれｆ₁＝３．２ＭＨｚ、ｆ₂＝１２．８８ＭＨｚ、ｆ₃＝４０．８８ＭＨｚであり、３ｆ₂＜ｆ₃の関係が成立する場合であった。別の実施例として、第１、第２および第３高周波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃の周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃がそれぞれｆ₁＝３．２ＭＨｚ、ｆ₂＝１６．０ＭＨｚ、ｆ₃＝４０．８８ＭＨｚの場合を考える。この場合、２ｆ₁（６．４ＭＨｚ）＜ｆ₂（１６．０ＭＨｚ）かつ２ｆ₂（３２．０ＭＨｚ）＜ｆ₃（４０．６８ＭＨｚ）の関係が成立し、さらにｆ₃（４０．６８ＭＨｚ）＜３ｆ₂（４８．０ＭＨｚ）の関係が成立する。

このようにｆ₃＜３ｆ₂の関係が成立する場合は、ｆ₃−ｆ₂（２４．６８ＭＨｚ）とｆ₁＋ｆ₂（１９．２ＭＨｚ）のうち高い方を第１の周波数Ａとし、２ｆ₂（３２．０ＭＨｚ）とｆ₃−ｆ₁（３７．４８ＭＨｚ）のうち低い方の２ｆ₂（３２．０ＭＨｚ）を第２の周波数Ｂとする。

そうすると、図１４に示すように、ｆ₁（３．２ＭＨｚ）＜ｆ≦Ａの周波数範囲［１］には、低い方から順に、第１高周波ＲＦ₁の第２高調波の周波数２ｆ₁（６．４ＭＨｚ）と、第１高周波ＲＦ₁の第３高調波の周波数３ｆ₁（９．６ＭＨｚ）と、第２高周波ＲＦ₂の周波数と第１高周波ＲＦ₁の周波数との差の周波数ｆ₂−ｆ₁（１２．８ＭＨｚ）と、第１高周波ＲＦ₁の第４高調波の周波数４ｆ₁（１２．８ＭＨｚ）と、第２高周波ＲＦ₂の周波数ｆ₂（１６．０ＭＨｚ）と、第１高周波ＲＦ₁の周波数と第２高周波ＲＦ₂の周波数との和の周波数ｆ₁＋ｆ₂（１９．２ＭＨｚ）と、第３高周波ＲＦ₃の周波数と第２高周波ＲＦ₂の周波数との差の周波数ｆ₃−ｆ₂（２４．６８ＭＨｚ）とが存在する。

また、Ｂ≦ｆ＜３ｆ₂（４８．０ＭＨｚ）の周波数範囲［３］には、低い方から順に、第２高周波ＲＦ₁の第２高調波の周波数２ｆ₂（３２．０ＭＨｚ）と、第３高周波ＲＦ₃の周波数と第１高周波ＲＦ₁の周波数との差の周波数ｆ₃−ｆ₁（３７．４８ＭＨｚ）と、第３高周波ＲＦ₃の周波数ｆ₃（４８．０ＭＨｚ）とが存在する。

ここでも注目すべきことは、Ａ（２４．６８ＭＨｚ）＜ｆ＜Ｂ（３２．０ＭＨｚ）の周波数範囲［２］には、基本波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃の周波数ｆ₁，ｆ₂，ｆ₃のいずれも属さないのはもちろん、次数が低い高調波、または次数が低いＩＭＤの周波数が１つも存在しないことである。

そこで、このような周波数分布（図１４）に鑑みて、最も高い直列共振周波数ｆ_sと最も高い並列共振周波数ｆ_pがＡ＜ｆ＜Ｂの周波数範囲［２］に属し、２番目に高い並列共振周波数ｆ_qがｆ＜ｆ₁の周波数領域に属するように、フィルタ回路８６の回路定数を選定する。

具体的に、たとえば電極浮遊容量ＥＣの値Ｃ_ECが３００ｐＦで、入力ポート浮遊容量ＰＣの値Ｃ_PCが７ｐＦの場合、初段コイル９４のインダクタンスＬ₉₄は３０７ｎＨ、初段コンデンサ１００の静電容量Ｃ₁₀₀は１３０ｐＦ、次段コイル９６のインダクタンスＬ₉₆は１５μＨ、次段コンデンサ１０２の静電容量Ｃ₁₀₂は２５００ｐＦにそれぞれ選ばれる。これによって、チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生していないとき（上部電極シースが無いとき）の周波数−インピーダンス特性、つまり処理空間ＰＳと上部電極４８との境界面から上部電極４８を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、最も高い直列共振周波数ｆ_sは２６ＭＨｚ、最も高い並列共振周波数ｆ_pは３１ＭＨｚ、２番目に高い並列共振周波数ｆ_qは２ＭＨｚとなる。

したがって、この場合でも、プロセス条件をどのように設定しても、あるいは直流電源ユニット８２より上部電極４８に印加する直流電圧Ｖ_DCの値をどのように選んでも、上部電極回りの高周波伝送路上で直列共振が発生する可能性は皆無である。したがって、基本波ＲＦ₁，ＲＦ₂，ＲＦ₃のパワーが高調波またはＩＭＤに変換されて損失を招くこともなければ、フィルタ回路８６内の回路素子が大電流によって焼損するようなこともない。一方で、上部電極４８に印加する負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値を調整することにより、プラズマ密度の空間分布を径方向で任意に制御することや、上部電極４８に対するスパッタ（電極表面の清浄化）の効き目を任意に制御することも可能である。

フィルタ回路８６は、上記のようなＬＣはしご型回路に限定されず、たとえば１個のコイル９４と１個のコンデンサ１００とからなるＬ型回路であってもよい。この場合、プラズマＰＲから上部電極４８を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性においては、直列共振周波数と並列共振周波数がそれぞれ１つずつ存在する。

すなわち、唯一の直列共振周波数ｆ_sは チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生していないとき（上部電極シースが無いとき）はコイル９４とコンデンサ１００とからなるＬＣ直列回路の共振周波数であり、チャンバ１０内でプラズマＰＲが発生しているとき（上部電極シースが存在しているとき）は可変コンデンサＳＨとコイル９４とコンデンサ１００とからなるＬＣ直列回路の共振周波数である。また、唯一の並列共振周波数ｆ_pは、プラズマＰＲ（上部電極シース）の有無に関係なく、入力ポート９０と接地電位との間で形成される、電極浮遊容量ＥＣと入力ポート浮遊容量ＰＣとコイル９４とコンデンサ１００とからなるＬＣ直並列回路の並列共振周波数である。この場合も、このＬＣ直並列回路におけるコンデンサＥＣ，ＰＣ，１００の合成静電容量（Ｃ_EC＋Ｃ_PC＋Ｃ₁₀₀）は上記ＬＣ直列回路のコンデンサ１００の静電容量Ｃ₁₀₀よりも大きいので、ｆ_s＜ｆ_pの関係が成立する。

このように、ｆ＜ｆ_sの周波数領域が単調減少の周波数領域になるので、ｆ₁＜ｆ≦Ａの周波数範囲ではいかなる共振周波数も存在しないことになる。また、ｆ_p＜ｆの周波数領域が単調増加の周波数領域になるので、Ｂ≦ｆ＜ｆ₃またはＢ≦ｆ＜３ｆ₂の周波数範囲ではいかなる共振周波数も存在しないことになる。したがって、フィルタ回路８６をＬＣはしご型回路で構成する場合と同様の作用効果を得ることができる。

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）
３５，３６，３８ 高周波電源
４０，４２，４３ 整合器
４８ 上部電極（シャワーヘッド）
５４ リング状絶縁体
６０ 処理ガス供給源
８６ フィルタ回路
８８ 制御部
９４，９６ コイル
１００，１０２ コンデンサ

Claims (7)

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の電極の間の処理空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装置であって、
   第１の周波数ｆ₁を有する第１の高周波を前記第１の電極に印加する第１の高周波給電部と、
   第２の周波数ｆ₂を有する第２の高周波を前記第１の電極に印加する第２の高周波給電部と、
   第３の周波数ｆ₃を有する第３の高周波を前記第１の電極に印加する第３の高周波給電部と、
   前記第２の電極と接地電位の部材との間に接続されるフィルタ回路と
   を有し、
   ｆ₁は１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚ、ｆ₂は６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚ、ｆ₃は４０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚであって、２ｆ₁＜ｆ₂かつ２ｆ₂＜ｆ₃の関係が成立し、
   ３ｆ₂＜ｆ₃の場合は、（ｆ₁＋ｆ₂）をＡ、２ｆ₂と（ｆ₃−ｆ₂）のうち低い方をＢとすると、
   前記処理空間と前記第２の電極との境界面から前記第２の電極を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、ｆ₁＜ｆ≦ＡおよびＢ≦ｆ＜ｆ₃の周波数範囲ではいかなる共振周波数も存在せず、Ａ＜ｆ＜Ｂの周波数範囲ではｆ_s＜ｆ_pの関係で１つの直列共振周波数ｆ_sと１つの並列共振周波数ｆ_pが存在するように、前記フィルタ回路が構成され、
   ｆ₃＜３ｆ₂の場合は、（ｆ₃−ｆ₂）と（ｆ₁＋ｆ₂）のうち高い方をＡ、２ｆ₂と（ｆ₃−ｆ₁）のうち低い方をＢとすると、
   前記処理空間と前記第２の電極との境界面から前記第２の電極を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、ｆ₁＜ｆ≦ＡおよびＢ≦ｆ＜３ｆ₂またはｆ₃の周波数範囲ではいかなる共振周波数も存在せず、Ａ＜ｆ＜Ｂの周波数範囲ではｆ_s＜ｆ_pの関係で１つの直列共振周波数ｆ_sと１つの並列共振周波数ｆ_pが存在するように、前記フィルタ回路が構成される、
   プラズマ処理装置。
2. 前記直列共振周波数ｆ_sは、前記周波数−インピーダンス特性に存在する唯一の直列共振周波数であり、
   前記並列共振周波数ｆ_pは、前記周波数−インピーダンス特性に存在する唯一の並列共振周波数であり、
   ３ｆ₂＜ｆ₃の場合は、
   前記周波数−インピーダンス特性において前記直列共振周波数ｆ_sより低い周波数領域に、前記第１および第２の周波数ｆ₁，ｆ₂と、前記第１の高周波の第２高調波、第３高調波および第４高調波の周波数２ｆ₁，３ｆ₁，４ｆ₁と、前記第２の周波数ｆ₂と前記第１の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₂−ｆ₁）および和の周波数（ｆ₁＋ｆ₂）とが存在するとともに、
   前記並列共振周波数ｆ_pより高い周波数領域に、前記第３の周波数ｆ₃と、前記第２の高周波の第２高調波および第３高調波の周波数２ｆ₂，３ｆ₂と、前記第３の周波数ｆ₃と前記第２の周波数ｆ₂との差の周波数（ｆ₃−ｆ₂）と、前記第３の周波数ｆ₃と前記第１の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₃−ｆ₁）とが存在し、
   ｆ₃＜３ｆ₂の場合は、
   前記周波数−インピーダンス特性において前記直列共振周波数ｆ_sより低い周波数領域に、前記第１の周波数ｆ₁と、前記第１の高周波の第２高調波、第３高調波および第４高調波の周波数２ｆ₁，３ｆ₁，４ｆ₁と、前記第２の周波数ｆ₂と前記第１の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₂−ｆ₁）および和の周波数（ｆ₁＋ｆ₂）と、前記第３の周波数ｆ₂と前記第２の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₃−ｆ₂）とが存在するとともに、
   前記並列共振周波数ｆ_pより高い周波数領域に、前記第３の周波数ｆ₃と、前記第２の高周波の第２高調波および第３高調波の周波数２ｆ₂，３ｆ₂と、前記第３の周波数ｆ₃と前記第１の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₃−ｆ₁）とが存在する、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記フィルタ回路は、一方の端子が前記第２の電極に接続される第１のコイルと、前記第１のコイルの他方の端子と接地電位の部材との間に接続される第１のコンデンサとを含み、
   前記第２の電極が誘電体を介して接地電位の前記処理容器に結合され、前記第２の電極、前記誘電体および前記処理容器によって第２のコンデンサが形成され、
   前記第１のコイルのインダクタンスと前記第１のコンデンサのキャパシタンスとによって前記直列共振周波数ｆ_sが規定され、
   前記第１のコイルのインダクタンスと前記第１および第２のコンデンサのキャパシタンスとによって前記並列共振周波数ｆ_pが規定される、
   請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記周波数−インピーダンス特性に少なくとも１つの直列共振周波数と少なくとも２つの並列共振周波数が存在し、
   前記直列共振周波数ｆ_sは、前記周波数−インピーダンス特性に存在する直列共振周波数の中で最も高い周波数であり、
   前記並列共振周波数ｆ_pは、前記周波数−インピーダンス特性に存在する並列共振周波数の中で最も高い周波数であり、
   ３ｆ₂＜ｆ₃の場合は、
   前記周波数−インピーダンス特性において２番目に高い並列共振周波数ｆ_qと前記直列共振周波数ｆ_sとの間の周波数領域に、前記第１および第２の周波数ｆ₁，ｆ₂と、前記第１の高周波の第２高調波、第３高調波および第４高調波の周波数２ｆ₁，３ｆ₁，４ｆ₁と、前記第２の周波数ｆ₂と前記第１の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₂−ｆ₁）および和の周波数（ｆ₁＋ｆ₂）とが存在するとともに、
   前記並列共振周波数ｆ_pより高い周波数領域に、前記第３の周波数ｆ₃と、前記第２の高周波の第２高調波および第３高調波の周波数２ｆ₂，３ｆ₂と、前記第３の周波数ｆ₃と前記第２の周波数ｆ₂との差の周波数（ｆ₃−ｆ₂）と、前記第３の周波数ｆ₃と前記第１の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₃−ｆ₁）とが存在し、
   ｆ₃＜３ｆ₂の場合は、
   前記周波数−インピーダンス特性において２番目に高い並列共振周波数ｆ_qと前記直列共振周波数ｆ_pとの間の周波数領域に、前記第１の周波数ｆ₁と、前記第１の高周波の第２高調波、第３高調波および第４高調波の周波数２ｆ₁，３ｆ₁，４ｆ₁と、前記第２の周波数ｆ₂と前記第１の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₂−ｆ₁）および和の周波数（ｆ₁＋ｆ₂）と、前記第３の周波数ｆ₂と前記第２の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₃−ｆ₂）とが存在するとともに、
   前記並列共振周波数ｆ_pより高い周波数領域に、前記第３の周波数ｆ₃と、前記第２の高周波の第２高調波および第３高調波の周波数２ｆ₂，３ｆ₂と、前記第３の周波数ｆ₃と前記第１の周波数ｆ₁との差の周波数（ｆ₃−ｆ₁）とが存在する、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記フィルタ回路は、一方の端子が前記第２の電極に接続される第１のコイルと、前記第１のコイルの他方の端子と接地電位の部材との間に接続される第１のコンデンサと、一方の端子が前記第１のコイルの他方の端子に接続される第２のコイルと、前記第２のコイルの他方の端子と接地電位の部材との間に接続される第２のコンデンサとを含み、
   前記第２の電極が誘電体を介して接地電位の前記処理容器に結合され、前記第２の電極、前記誘電体および前記処理容器によって第３のコンデンサが形成され、
   前記第１のコイルのインダクタンスと前記第１のコンデンサのキャパシタンスとによって前記直列共振周波数ｆ_sが規定され、
   前記第１のコイルのインダクタンスと前記第１のコンデンサのキャパシタンスと前記第３のコンデンサのキャパシタンスとによって前記並列共振周波数ｆ_pが規定され、
   前記第１および第２のコイルのインダクタンスと前記第２および第３のコンデンサのキャパシタンスとによって前記並列共振周波数ｆ_qが規定される、
   請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第２の電極に前記フィルタ回路を介して直流電圧を印加する直流電源を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記プラズマから前記基板に引き込まれるイオンのエネルギーに依存する少なくとも１つのプロセス特性を最適化するように、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比を制御する制御部を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。