JP2015026464A - プラズマ処理装置、高周波供給機構および高周波供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の種類のアンテナ部の全てに、所望の電力量の高周波電力を供給する。
【解決手段】プラズマ処理装置１は、処理容器２と、処理ガス供給部３と、高周波供給機構４とを備えている。高周波供給機構４は、電源部４１と、アンテナユニット４２と、調整部４３とを有している。電源部４１は、高周波電力を出力する。アンテナユニット４２は、高周波電力に基づいて高周波電界を形成する。調整部４３は、電源部４１よりもアンテナユニット４２側のインピーダンスを調整する。アンテナユニット４２は、互いに異なる共振周波数を有し、電源部４１に対して電気的に並列に接続された複数の種類のアンテナ部を含んでいる。電源部４１は、複数の種類のアンテナ部の各々によって高周波電界が形成されるように、異なる周波数の高周波電力を出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高周波電力に基づいてプラズマを生成するプラズマ処理装置、ならびに、高周波供給機構および高周波供給方法に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、被処理体である半導体ウエハに対してエッチング、アッシング、成膜、微細加工等の種々のプロセスが行われている。半導体ウエハに所定の処理を施す装置としては、半導体ウエハにプラズマ処理を施すプラズマ処理装置がある。一般的に、プラズマ処理装置は、真空雰囲気に保持可能な処理容器と、処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、処理容器内にプラズマを発生させるように構成された高周波電源部およびアンテナ部とを備えている。

高周波電源部は、アンテナ部に対して、プラズマを発生させるための高周波電力を出力する。高周波電源部とアンテナ部との間には、インピーダンスを調整するインピーダンス調整部が設けられる。インピーダンス調整部は、高周波電源部よりもアンテナ部側、すなわち負荷側のインピーダンスを調整することによって、高周波電力に基づく反射電力量を抑制する。通常、高周波電源部のインピーダンスは５０Ωであることから、負荷側のインピーダンスも５０Ωになるように調整される。

負荷側のインピーダンスは、プラズマ処理中に、例えば処理容器内の状態や半導体ウエハの状態が変わることによって変動する。そのため、反射電力量の抑制やプラズマ処理の安定化のためには、プラズマ処理中に負荷側のインピーダンスを調整することが必要である。プラズマ処理中に負荷側のインピーダンスを調整する方法としては、例えば、特許文献１に記載されているように、サーボモータによってインピーダンス整合回路を機械的に追従動作させる方法がある。他の方法としては、例えば、特許文献２ないし４に記載されているように、高周波電源部から出力される高周波電力の周波数を変化させる方法がある。

ところで、近年、生産性の向上のため、半導体ウエハの大型化が進んでおり、処理容器の大型化も進んでいる。このようなプラズマ処理装置では、半導体ウエハの近傍においてプラズマ密度を均一にすることが求められる。特許文献５ないし７には、複数のアンテナ素子を設けることによって、プラズマ密度を均一にする技術がされている。特許文献５ないし７に記載された技術では、いずれも、アンテナ素子のインピーダンスを調整する手段として、複数の可変コンデンサが設けられている。この可変コンデンサは、サーボモータやステッピングモータによって機械的に駆動されて、負荷側のインピーダンスを調整する。また、特許文献５には、高周波電源部から出力される高周波電力の周波数を変化させて、インピーダンスの調整を行うことも記載されている。

特開平９−１６１９９４号公報 特開平６−２４３９９２号公報 特開２０００−４９０００号公報 特開２００６−３１０２４５号公報 特開２００６−２０２６３８号公報 特開２０１２−７４２００号公報 特開２０１２−２０９３５４号公報

可変コンデンサは、サーボモータやステッピングモータ等の駆動部と共に設けられ、機械的に駆動されるため、可変コンデンサと駆動部の定期的なメンテナンスが必要であるという問題がある。また、可変コンデンサは、一般的に高価であり、特に複数の可変コンデンサが設けられた場合には、寿命に達した可変コンデンサの交換コストが高くなるという問題がある。また、可変コンデンサによってプラズマ処理中にインピーダンスの調整を行う方法は、高周波電力の周波数を変化させてインピーダンスの調整を行う方法に比べて、応答性が劣るという問題がある。

上記の問題を回避するためには、可変コンデンサの代わりに駆動部を伴わないコンデンサを設けることや、可変コンデンサを頻繁に動作させないことが考えられる。この場合、例えば、プラズマを生成する前に、負荷側のインピーダンスの調整、すなわち、各アンテナ素子からの反射電力量が最小となるように、コンデンサの容量の値を決定することが行われる。プラズマ処理中の負荷側のインピーダンスの調整は、例えば、特許文献５に記載された技術のように、電源部から出力される高周波電力の周波数を変化させることによって行われる。しかし、複数のアンテナ素子が設けられたプラズマ処理装置では、アンテナ素子によって形状や処理容器内の空間に対する位置関係が異なるため、各アンテナ素子においてプラズマ処理中に反射電力量が最小となる周波数は、必ずしも一致しない。この場合、全てのアンテナ素子に対して所望の電力量の高周波電力を供給することができなくなるおそれがある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の種類のアンテナ部の全てに、所望の電力量の高周波電力を供給することができるようにしたプラズマ処理装置、ならびに、高周波供給機構および高周波供給方法を提供することにある。

本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を収容する処理容器と、処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、処理容器内においてプラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波供給機構とを備えている。高周波供給機構は、電源部と、アンテナユニットと、調整部とを有している。電源部は、プラズマを生成するための高周波電力を出力すると共に、高周波電力に基づく反射電力量が小さくなるように高周波電力の周波数を調整する。アンテナユニットは、高周波電力に基づいて高周波電界を形成する。調整部は、電源部とアンテナユニットとの間に設けられ、電源部よりもアンテナユニット側のインピーダンスを調整し、これにより反射電力量の大きさを調整する。アンテナユニットは、互いに異なる共振周波数を有し、電源部に対して電気的に並列に接続された複数の種類のアンテナ部を含んでいる。電源部は、複数の種類のアンテナ部の各々によって高周波電界が形成されるように、異なる周波数の高周波電力を出力する。

本発明の高周波供給機構は、電源部と、アンテナユニットと、調整部とを備えている。電源部は、高周波電力を出力すると共に、高周波電力に基づく反射電力量が小さくなるように高周波電力の周波数を調整する。アンテナユニットは、高周波電力に基づいて高周波電界を形成する。調整部は、電源部とアンテナユニットとの間に設けられ、電源部よりもアンテナユニット側のインピーダンスを調整し、これにより反射電力量の大きさを調整する。アンテナユニットは、互いに異なる共振周波数を有し、電源部に対して電気的に並列に接続された複数の種類のアンテナ部を含んでいる。電源部は、複数の種類のアンテナ部の各々によって高周波電界が形成されるように、異なる周波数の高周波電力を出力する。

本発明の高周波供給方法は、電源部とアンテナユニットと調整部とを備えた高周波供給機構を用いて、アンテナユニットに選択的に高周波電力を供給する方法である。電源部は、高周波電力を出力すると共に、高周波電力に基づく反射電力量が小さくなるように高周波電力の周波数を調整する。アンテナユニットは、高周波電力に基づいて高周波電界を形成する。調整部は、電源部とアンテナユニットとの間に設けられ、電源部よりもアンテナユニット側のインピーダンスを調整し、これにより反射電力量の大きさを調整する。アンテナユニットは、互いに異なる共振周波数を有し、電源部に対して電気的に並列に接続された複数の種類のアンテナ部を含んでいる。本発明の高周波供給方法は、複数の種類のアンテナ部の各々によって高周波電界が形成されるように、電源部から異なる周波数の高周波電力を出力させる。

本発明のプラズマ処理装置、高周波供給機構および高周波供給方法において、複数の種類のアンテナ部の各々には、そのアンテナ部の共振周波数に対応する周波数であって、そのアンテナ部に基づく反射電力量が最小となる周波数と等しいか、ほぼ等しい周波数の高周波電力が選択的に入力されてもよい。

また、本発明のプラズマ処理装置および高周波供給機構において、電源部は、高周波電力を異なる周波数毎に周期的に出力してもよい。本発明の高周波供給方法は、電源部から高周波電力を異なる周波数毎に周期的に出力させてもよい。

また、本発明のプラズマ処理装置において、電源部が高周波電力を異なる周波数毎に周期的に出力する場合、高周波電力の電力量は、高周波電力の異なる周波数毎に異なっていてもよい。また、この場合、高周波電力の異なる周波数毎の出力周期は、互いに異なっていてもよい。

また、本発明のプラズマ処理装置において、複数の種類のアンテナ部は、それぞれ、高周波電力が入力されることによって高周波電界を形成するアンテナ素子を含んでいてもよい。この場合、複数の種類のアンテナ部の各々のアンテナ素子は、処理容器内において互いに異なる領域に高周波電界を形成するように配置されていてもよい。また、この場合、複数の種類のアンテナ部の各々のアンテナ素子は、環状形状または渦巻き形状の、互いに外径が異なるコイルであり、その中心軸が一致するか、またはほぼ一致するように配置されていてもよい。

本発明のプラズマ処理装置、高周波供給機構および高周波供給方法において、調整部は、インピーダンスを調整する素子としてコンデンサを含んでいてもよい。

本発明のプラズマ処理装置、高周波供給機構および高周波供給方法では、アンテナユニットは、互いに異なる共振周波数を有する複数の種類のアンテナ部を含み、複数の種類のアンテナ部の各々によって高周波電界が形成されるように、電源部から異なる周波数の高周波電力が出力される。これにより、本発明によれば、複数の種類のアンテナ部の全てに、所望の電力量の高周波電力を供給することができる。

本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る高周波供給機構を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る高周波供給機構を示す回路図である。 本発明の一実施の形態における電源部から出力される高周波電力の周波数と反射率との関係を模式的に示す説明図である。 本発明の一実施の形態における電源部から出力される高周波電力の周波数と電力量の例を模式的に示す説明図である。 本発明の一実施の形態における電源部から出力される高周波電力の周波数と電力量の他の例を模式的に示す説明図である。 任意の２種類のアンテナ部におけるインピーダンスと反射率を示す特性図である。 高周波電力の周波数と反射電力量との関係を模式的に示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜プラズマ処理装置＞
始めに、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。図１に示したプラズマ処理装置１は、被処理体としての半導体ウエハＷに対してプラズマ処理を行うものである。プラズマ処理装置１は、アルミニウムやステンレス鋼等の金属材料よりなり、半導体ウエハＷを収容する処理容器２を備えている。処理容器２は、例えば円筒形状の容器である。なお、処理容器２は、角筒形状の容器であってもよい。図１に示したように、処理容器２は接地されている。

プラズマ処理装置１は、更に、アルミニウム等の金属材料よりなるサセプタ１１と、絶縁材料よりなる絶縁体枠１２と、支持部１３と、ベローズ１４とを備えている。サセプタ１１は、円板状の形状を有し、処理容器２内の下部中央に配置されている。支持部１３は、処理容器２の下方に設置された図示しない昇降装置に接続され、処理容器２の底部に形成された開口部を通して、処理容器２内に突出している。また、支持部１３は、中空部を有している。絶縁体枠１２は、支持部１３の上に設置され、サセプタ１１を収容している。半導体ウエハＷに対してプラズマ処理が行われる際には、半導体ウエハＷは、サセプタ１１との間に絶縁体枠１２が介在するように、サセプタ１１上に載置される。絶縁体枠１２の底部には、支持部１３の中空部に続く開口部が形成されている。ベローズ１４は、支持部１２を包囲し、絶縁体枠１２および処理容器２の底部内壁に気密に接続されている。これにより、処理容器２の気密性が維持される。

プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２の外部に配置された整合器１５および高周波電源１６を備えている。サセプタ１１は、絶縁体枠１２の開口部および支持部１３の中空部に挿通された給電棒を介して整合器１５に電気的に接続されている。整合器１５は、高周波電源１６に電気的に接続されている。半導体ウエハＷに対してプラズマ処理が行われる際には、サセプタ１１には、高周波電源１６からバイアス用の高周波電力が供給される。この高周波電力は、プラズマ中のイオンを、サセプタ１１上に載置された半導体ウエハＷに効果的に引き込むために使用される。整合器１５は、高周波電源１６よりもサセプタ１１側のインピーダンスを調整して、高周波電源１６のインピーダンスとサセプタ１１側のインピーダンスとを整合させるために用いられる。整合器１５は、例えばリアクタンス可変の整合回路を含んでいる。

プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２の側壁に設けられたゲートバルブ１７を備えている。ゲートバルブ１７は、開閉機能を有し、閉状態で処理容器２の気密性を維持すると共に、開状態で処理容器２と外部との間で半導体ウエハＷの移送を可能する。

プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２の外部に配置された排気装置１８と、処理容器２の底部と排気装置１８とを接続する排気管１９とを備えている。排気装置１８は、例えばターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有し、半導体ウエハＷに対してプラズマ処理が行われる際には、処理容器２内を排気し、処理容器２内を真空雰囲気に維持する。

プラズマ処理装置１は、更に、処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部３を備えている。処理ガス供給部３は、処理ガス供給源３１と、サセプタ１１の上方において処理容器２の側壁の中に設けられた環状のバッファ部３２と、円周方向に等間隔に配置されバッファ部３２から処理容器２内に伸びる複数のガス吐出孔３３と、処理ガス供給源３１とバッファ部３２とを接続するガス供給管３４とを有している。処理ガス供給源３１は、図示しない流量制御器および開閉弁を含んでいる。

プラズマ処理装置１は、更に、バッファ部３２およびガス吐出孔３３よりも上方において処理容器２の側壁に気密に接続された誘電体窓２０を備えている。誘電体窓２０は、処理容器２内に形成されるプラズマ処理空間の上端を規定する。誘電体窓２０は、例えば石英等の誘電体材料よりなり、円板状の形状を有している。

プラズマ処理装置１は、更に、本実施の形態に係る高周波供給機構４と、制御部５とを備えている。本実施の形態では、高周波供給機構４は、処理容器２内においてプラズマを生成するための高周波電力を供給するものである。制御部５は、典型的にはコンピュータであり、プラズマ処理装置１の各構成部や、プラズマ処理装置１全体の動作（シーケンス）を制御する。

＜高周波供給機構＞
以下、図１ないし図３を参照して、高周波供給機構４について詳しく説明する。図２は、高周波供給機構４を示す斜視図である。図３は、高周波供給機構４を示す回路図である。高周波供給機構４は、電源部４１と、アンテナユニット４２と、調整部４３とを備えている。

電源部４１は、プラズマを生成するための高周波電力を出力すると共に、高周波電力に基づく反射電力量が小さくなるように高周波電力の周波数を調整する。高周波電力の周波数の調整は、例えば、反射電力量を測定する測定器を設け、この測定器の測定値が小さくなるように、高周波電力の周波数を調整してもよい。なお、反射電力量の測定結果から反射率（反射定数とも言う。）やＳパラメータを求め、反射電力量の代わりに、反射率やＳパラメータの位相および振幅を用いて、高周波電力の周波数を調整してもよい。あるいは、アンテナユニット４２において電流値を測定し、その測定結果に基づいて高周波電力の周波数を調整してもよい。高周波電力の中心周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚまたは２７ＭＨｚである。周波数の調整範囲は、例えば中心周波数の±１０％以内である。

アンテナユニット４２は、高周波電力に基づいて高周波電界を形成する。アンテナユニット４２は、互いに異なる共振周波数を有し、電源部４１に対して電気的に並列に接続された複数の種類のアンテナ部を含んでいる。同じ共振周波数を有する同じ種類のアンテナ部の数は１つであってもよいし、２つ以上であってもよい。任意の２種類のアンテナ部の共振周波数の差は、電源部４１から出力される高周波電力の周波数の分解能よりも十分に大きいことが好ましい。ただし、全てのアンテナ部の共振周波数は、電源部４１の高周波電力の周波数の調整範囲内にある。

本実施の形態では、アンテナユニット４２は、３種類のアンテナ部によって構成され、同じ種類のアンテナ部の数はそれぞれ１つである。以下、３種類のアンテナ部を互いに区別して表す場合には、符号４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃを付して表す。

アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃは、それぞれ、高周波電力が入力されることによって高周波電界を形成するアンテナ素子と、このアンテナ素子に電気的に接続され、そのアンテナ部の共振周波数を調整するコンデンサとを含んでいる。以下、アンテナ部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃのそれぞれのアンテナ素子を符号４２Ａａ，４２Ｂａ，４２Ｃａを付して表し、アンテナ部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃのそれぞれのコンデンサを符号４２Ａｂ，４２Ｂｂ，４２Ｃｂを付して表す。

本実施の形態では、アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａは、いずれも、処理容器２内のプラズマ処理空間に誘導電界を形成するコイルである。従って、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１は、誘導結合型のプラズマ処理装置である。図２に示したように、アンテナ素子４２Ａａは、巻き数が約２回の渦巻き形状のコイルである。アンテナ素子４２Ｂａ，４２Ｃａは、いずれも環状、特に円環状の形状のコイルである。これらのコイル（アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａ）は、互いに外径が異なるコイルであり、その中心軸が一致するか、またはほぼ一致するように配置されている。アンテナ素子４２Ａａ，４２Ｂａ，４２Ｃａは、径方向に内側からこの順に、互いに間隔を開けて配置されている。

また、図１に示したように、アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａは、誘電体窓２０の上面の上に配置されている。本実施の形態では特に、アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａは、サセプタ１１および誘電体窓２０のそれぞれの中心軸に対して、その中心軸が一致するか、またはほぼ一致するように配置されている。

なお、アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａは、渦巻き形状または円環状の形状のコイルに限られず、多角形の環状形状であってもよい。

コンデンサ４２Ａｂ〜４２Ｃｂは、それぞれ、アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａに対して直列に接続されている。アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃのそれぞれの共振周波数は、コンデンサ４２Ａｂ〜４２Ｃｂの容量の値によって互いに異なるように調整される。本実施の形態では、コンデンサ４２Ａｂ〜４２Ｃｂは、可変コンデンサである。

調整部４３は、電源部４１とアンテナユニット４２との間に設けられ、電源部４１よりもアンテナユニット４２側、すなわち負荷側のインピーダンスを調整し、これにより反射電力量の大きさを調整する。図３に示したように、調整部４３は、インピーダンスを調整する素子としてコンデンサ４３ａを含んでいる。本実施の形態では、コンデンサ４３ａは、可変コンデンサである。

＜高周波供給方法＞
次に、本実施の形態に係る高周波供給方法について説明する。本発明の高周波供給方法は、高周波供給機構４を用いて、アンテナユニット４２に選択的に高周波電力を供給する方法である。

始めに、図４を参照して、電源部４１から出力される高周波電力の周波数について説明する。図４は、電源部４１から出力される高周波電力の周波数と反射率との関係を模式的に示す説明図である。後で詳しく説明するが、それぞれのアンテナ部において、共振周波数と、反射電力量が最小となる高周波電力の周波数（以下、最小反射周波数と言う。）は、一対一に対応している。最小反射周波数は、共振周波数と同じ周波数または共振周波数からわずかにずれた周波数になる。前述のように、複数の種類のアンテナ部は、互いに異なる共振周波数を有していることから、異なる種類のアンテナ部の最小反射周波数は、互いに異なっている。

図４において、横軸は電源部４１から出力される高周波電力の周波数を示し、縦軸は高周波電力の反射率（電源部４１から出力される高周波電力量と反射電力量との比）を示している。また、符号ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃは、それぞれ、図２および図３に示したアンテナ部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃの最小反射周波数を表し、Δｆは、電源部４１の高周波電力の周波数の調整範囲を表している。ここでは、最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃは、この順に大きくなっているものとする。図４に示したように、最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃは、調整範囲Δｆの範囲内にある。図４から理解されるように、高周波電力の反射率は、高周波電力の周波数が最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃと一致した場合に小さくなる。

本実施の形態では、複数の種類のアンテナ部の各々によって高周波電界が形成されるように、電源部４１から異なる周波数の高周波電力を出力させる。図４に示した例では、電源部４１から、最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃのいずれかと等しいか、ほぼ等しい周波数の高周波電力を出力させる。

アンテナ部４２Ａには、最小反射周波数ｆ_Ａと等しいか、ほぼ等しい周波数の高周波電力が選択的に入力される。図４に示した例では、最小反射周波数ｆ_Ａと最小反射周波数ｆ_Ｂ、ならびに、最小反射周波数ｆ_Ｂと最小反射周波数ｆ_Ｃは、いずれも、電源部４１の高周波電力の周波数の調整範囲Δｆ内において十分に離れている。この場合、電源部４１から最小反射周波数ｆ_Ａの高周波電力を出力すると、アンテナ部４２Ａには、電源部４１から出力された高周波電力の大部分が入力される。

同様に、アンテナ部４２Ｂには、最小反射周波数ｆ_Ｂと等しいか、ほぼ等しい周波数の高周波電力が選択的に入力される。電源部４１から最小反射周波数ｆ_Ｂの高周波電力を出力すると、アンテナ部４２Ｂには、電源部４１から出力された高周波電力の大部分が入力される。同様に、アンテナ部４２Ｃには、最小反射周波数ｆ_ｃと等しいか、ほぼ等しい周波数の高周波電力が選択的に入力される。電源部４１から最小反射周波数ｆ_Ｃの高周波電力を出力すると、アンテナ部４２Ｃには、電源部４１から出力された高周波電力の大部分が入力される。このように、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃの各々に選択的に高周波電力が入力されることにより、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃの各々によって高周波電界が形成される。

最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃは、例えば制御部５の図示しない記憶部に保存されていてもよい。電源部４１は、高周波電力を出力する際に、制御部５の記憶部に保存された最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃを読み出して、高周波電力の周波数を切り替えてもよい。なお、高周波電力の周波数の切り替えは、制御部５が電源部４１を制御することによって行われてもよい。

なお、電源部４１から最小反射周波数ｆ_Ａと等しいか、ほぼ等しい周波数の高周波電力を出力させた場合、アンテナ部４２Ｂ，４２Ｃでは反射が生じる。しかし、この場合、アンテナ部４２Ｂ，４２Ｃからの反射電力量は、電源部４１から出力された高周波電力の電力量の数％程度であり、電源部４１において吸収することが可能である。この説明は、電源部４１から最小反射周波数ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃと等しいか、ほぼ等しい周波数の高周波電力を出力させる場合にも当てはまる。なお、電源部４１は、反射電力量に相当する電力量を補うように、高周波電力の電力量を調整する機能を有していてもよい。

また、「ほぼ等しい周波数の高周波電力」というのは、電源部４１から出力される高周波電力の周波数の分解能によっては、電源部４１から出力される高周波電力の周波数が、最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃからわずかにずれていてもよいことを意味する。

また、最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃは、負荷側のインピーダンスの変動によって、制御部５の記憶部に保存された値からずれる場合がある。この場合、電源部４１は、最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃの変化に追従するように、電源部４１から出力される高周波電力の周波数を調整してもよい。

次に、図５および図６を参照して、電源部４１から出力される高周波電力の周波数と電力量の例について説明する。図５は、電源部４１から出力される高周波電力の周波数と電力量の例を模式的に示す説明図である。図６は、電源部４１から出力される高周波電力の周波数と電力量の他の例を模式的に示す説明図である。図５および図６において、（ａ），（ｂ）の横軸は、時間を示している。図５および図６において、（ａ）の縦軸は、高周波電力の周波数を示している。図５および図６において、（ｂ）の縦軸は、高周波電力の電力量を示している。

図５に示した例では、まず、アンテナ部４２Ｃに高周波電力が入力されるように、最小反射周波数ｆ_ｃに到達するまで周波数を増加させながら高周波電力を出力し、これによりプラズマを着火する。なお、プラズマが着火する周波数とプラズマが安定化する周波数はほぼ等しいものとする。次に、電力量を小さくして最小反射周波数ｆ_ｃの高周波電力を一定時間出力した後、電力量を大きくして最小反射周波数ｆ_Ｂの高周波電力を出力する。これにより、アンテナ部４２Ｂに高周波電力が入力される。次に、最小反射周波数ｆ_Ｂの高周波電力を一定時間出力した後、電力量を小さくして最小反射周波数ｆ_Ａの高周波電力を出力する。これにより、アンテナ部４２Ａに高周波電力が入力される。次に、最小反射周波数ｆ_Ａの高周波電力を一定時間出力した後、電力量を大きくして最小反射周波数ｆ_Ｃの高周波電力を出力する。これにより、アンテナ部４２Ｃに高周波電力が入力される。以下、同様に、電源部４１から高周波電力を最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃ毎に周期的に出力させる。図５に示した例では、最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃ毎の出力周期、すなわち、ある周波数の高周波電力を継続して出力する１回当たりの時間は、周波数によらずに一定であり、高周波電力の電力量は、最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃ毎に異なっている。

図６に示した例では、まず、アンテナ部４２Ｃに高周波電力が入力されるように、最小反射周波数ｆ_ｃに到達するまで周波数を増加させながら高周波電力を出力し、これによりプラズマを着火する。次に、最小反射周波数ｆ_ｃの高周波電力を一定時間出力した後、最小反射周波数ｆ_Ｂの高周波電力を出力する。これにより、アンテナ部４２Ｂに高周波電力が入力される。次に、最小反射周波数ｆ_Ｂの高周波電力を一定時間出力した後、最小反射周波数ｆ_Ａの高周波電力を出力する。これにより、アンテナ部４２Ａに高周波電力が入力される。次に、最小反射周波数ｆ_Ａの高周波電力を一定時間出力した後、最小反射周波数ｆ_Ｃの高周波電力を出力する。これにより、アンテナ部４２Ｃに高周波電力が入力される。以下、同様に、電源部４１から高周波電力を最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃ毎に周期的に出力させる。図６に示した例では、高周波電力の最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃ毎の出力周期は、互いに異なっている。なお、図６（ｂ）に示したように、この例では、高周波電力の電力量は、周波数によらずに一定である。

図５および図６に示した高周波電力の周波数と電力量の制御パターンは、例えば、レシピとして制御部５の図示しない記憶部に保存される。電源部４１は、制御部５の記憶部に保存されたレシピを読み出して、このレシピに従って高周波電力を出力する。読み出されたレシピの実行は、制御部５が電源部４１を制御することによって行われてもよい。

前述のように、本実施の形態では、アンテナ部４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃのそれぞれのアンテナ素子４２Ａａ，４２Ｂａ，４２Ｃａは、内側から径方向にこの順に、互いに間隔を開けて配置されている。そのため、アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａのそれぞれによって形成される高周波電界は、処理容器２内のプラズマ処理空間の異なる領域に形成される。図５および図６に示した例のように、高周波電力の電力量を最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃ毎に異ならせたり、高周波電力の最小反射周波数ｆ_Ａ，ｆ_Ｂ，ｆ_Ｃ毎の出力周期を互いに異ならせたりすることにより、処理容器２内における高周波電界の分布を任意に制御することが可能になる。その結果、半導体ウエハＷの近傍におけるプラズマ密度を均一に、または、プラズマ処理状態をウエハＷの面内において均一にすることが可能になる。

なお、高周波電力の周波数毎の出力周期と電力量の制御パターンは、図５および図６に示した例に限られない。また、図５および図６に示した高周波電力の周波数毎の出力周期と電力量の制御パターンを任意に組み合わせてもよい。

ここで、図７を参照して、共振周波数と最小反射周波数との関係について説明する。図７は、任意の２種類のアンテナ部におけるインピーダンスと反射率を示す特性図である。図７（ａ），（ｂ）において、横軸は、電源部４１から出力される高周波電力の周波数を示している。図７（ａ）において、縦軸は、任意の２種類のアンテナ部を含む負荷側のインピーダンスの大きさを示している。図７（ｂ）において、縦軸は、電源部４１から出力される高周波電力の電力量と負荷側からの反射電力量との比である反射率を示している。

図７（ａ）において、インピーダンスが小さくなる２つの谷の部分の周波数は、任意の２種類のアンテナ部の共振周波数を表している。最小反射周波数は、インピーダンスが５０Ωとなる周波数であり、共振周波数と一対一に対応する。図７（ｂ）には、最小反射周波数が共振周波数からわずかにずれた周波数になる例を示している。この例では、反射率が小さくなる２つの谷の部分の周波数、すなわち最小反射周波数は、１３．１９ＭＨｚと、１３．８６ＭＨｚである。

上記の説明は、アンテナユニット４２が、３種類のアンテナ部によって構成されている場合にも当てはまる。この場合、図７（ａ）のようにインピーダンスが最小となる谷の部分と、図７（ｂ）のように反射率が最小となる谷の部分は、それぞれ３つずつ現れる。

＜調整部＞
次に、図８を参照して、調整部４３の機能について簡単に説明する。図８は、高周波電力の周波数と反射電力量との関係を模式的に示す特性図である。図８において、横軸は高周波電力の周波数を示し、縦軸は反射電力量を示している。また、図８において、破線の曲線は、調整部４３によって負荷側のインピーダンスを調整する前の反射電力量を示し、実線の曲線は、調整部４３によって負荷側のインピーダンスを調整した後の反射電力量を示している。なお、図８には、任意の２種類のアンテナ部における反射電力量を示している。本実施の形態では、コンデンサ４３ａの容量の値を調整することによって、図８に示したように負荷側のインピーダンスの調整を行う。これにより、最小反射周波数における反射電力量が小さくなる。この調整は、例えば一連のプラズマ処理を開始する前に行われる。この調整は、プラズマ処理中は行われなくてもよい。

＜プラズマ処理＞
次に、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１においてエッチングを行う場合を例にとって、プラズマ処理装置１の動作について説明する。まず、ゲートバルブ１７を開状態にして、図示しない搬送装置によって半導体ウエハＷを処理容器２内に搬入する。半導体ウエハＷは、サセプタ１１上に載置される。次に、ゲートバルブ１７を閉状態にして、処理ガス供給部３の処理ガス供給源３１からエッチングガスを処理容器２内に導入すると共に、排気装置１８によって処理容器２内の圧力を所定の値にする。次に、高周波供給機構４によって、前述のように、処理容器２内においてプラズマを生成するための高周波電力を供給する。また、高周波電源１６から、プラズマ中のイオンを引き込むための高周波電力を出力する。この高周波電力は、整合器１５および給電棒を介してサセプタ１１に供給される。

処理容器２内において、ガス吐出孔３３より吐出されたエッチングガスは、誘電体窓２０の下方のプラズマ処理空間に拡散する。高周波供給機構４のアンテナ部４２Ａ〜４２Ｃのアンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａは、プラズマ処理空間に誘導電界を形成する。この誘導電界によって加速された電子がエッチングガスの分子や原子と電離衝突を起こし、プラズマが生成される。このプラズマのラジカルやイオンは、半導体ウエハＷの上面すなわち被処理面に供給される。これにより、半導体ウエハＷの被処理面が所望のパターンにエッチングされる。

次に、所定の時間が経過したら、高周波供給機構４の電源部４１と高周波電源１６からの高周波電力の出力を停止すると共に、処理ガス供給源３１からのエッチングガスの供給を停止する。次に、ゲートバルブ１７を開状態にして、図示しない搬送装置によって半導体ウエハＷを搬出する。これにより、半導体ウエハＷに対するエッチング処理が終了する。

以上説明したように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１は、処理容器２と、処理ガス供給部３と、高周波供給機構４とを備えている。本実施の形態に係る高周波供給機構４は、電源部４１と、アンテナユニット４２と、調整部４３とを備えている。本実施の形態に係る高周波供給方法は、高周波供給機構４を用いて、アンテナユニット４２に選択的に高周波電力を供給する方法である。

本実施の形態では、アンテナユニット４２は、互いに異なる共振周波数を有するアンテナ部４２Ａ〜４２Ｃを含み、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃの各々によって高周波電界が形成されるように、電源部４１から異なる周波数の高周波電力が出力される。異なる周波数の高周波電力は、それぞれ、対応するアンテナ部４２Ａ〜４２Ｃに選択的に入力される。本実施の形態では特に、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃの各々には、そのアンテナ部の共振周波数に対応する最小反射周波数と等しいか、ほぼ等しい周波数の高周波電力が選択的に入力される。これにより、本実施の形態によれば、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃの全てに対し、所望の電力量の高周波電力を供給することができる。

また、本実施の形態では、電源部４１から高周波電力を異なる周波数毎に周期的に出力させている。これにより、本実施の形態によれば、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃの全てに、順次、高周波電力を供給することができる。また、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃへの高周波電力の供給を高速で切り替えることも可能になる。従って、処理容器２内で生成するプラズマの分布を周期的に変化させることが可能になり、半導体ウエハＷに対し均一な処理を行うことが可能になる。

また、本実施の形態では、電源部４１は、高周波電力に基づく反射電力量が小さくなるように高周波電力の周波数を調整する機能を有している。そのため、本実施の形態では、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃのコンデンサ４２Ａｂ〜４２Ｃｂや、調整部４３のコンデンサ４３ａを、プラズマ処理中のインピーダンスの調整のために動作させる必要がない。これにより、本実施の形態によれば、コンデンサ４２Ａｂ〜４２Ｃｂ，４３ａを動作させる頻度を抑制することができる。その結果、本実施の形態によれば、コンデンサ４２Ａｂ〜４２Ｃｂ，４３ａのメンテナンスの頻度や交換コストを抑制することができる。

また、本実施の形態では、アンテナ部４２Ａ〜４２Ｃのアンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａは、コイルによって構成されている。そのため、本実施の形態によれば、アンテナ素子（コイル）の数を増やしたり外径を大きくしたりすることによって、半導体ウエハＷの大型化に容易に対応することが可能である。

ところで、高周波電力をアンテナ部４２Ａ〜４２Ｃに選択的に入力させる他の方法としては、例えば、高周波リレースイッチを用いることが考えられる。しかし、プラズマを発生させるような大電流に対応する高周波リレースイッチは、一般的に高価であり、寿命が短く、応答速度が遅いという問題がある。これに対し、本実施の形態では、高周波リレースイッチを用いずに、高周波電力をアンテナ部４２Ａ〜４２Ｃに選択的に入力させることができるため、高周波リレースイッチを用いる場合における上記の問題は発生しない。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、請求の範囲の要件を満たす限り、アンテナ部の種類の数や、同じ種類のアンテナ部の数は、実施の形態に示した例に限られず、任意である。

また、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１は、半導体ウエハＷを処理するものに限られず、例えばフラットパネルディスプレイ用のガラス基板を処理するものであってもよい。また、プラズマ処理装置１は、平行平板型のプラズマ処理装置でもよい。この場合、アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａとして、コイルの代わりに、平行平板電極が設けられる。

また、アンテナ素子４２Ａａ〜４２Ｃａは、ライン状のアンテナであってもよい。

また、コンデンサ４２Ａｂ〜４２Ｃｂ，４３ａとして、容量が固定されたコンデンサを用いてもよい。この場合、コンデンサ４２Ａｂ〜４２Ｃｂ，４３ａを駆動させる駆動部を省略することができる。

１…プラズマ処理装置、２…処理容器、３…処理ガス供給部、４…高周波供給機構、５…制御部、１１…サセプタ、２０…誘電体窓、４１…電源部、４２…アンテナユニット、４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ…アンテナ部、４２Ａａ，４２Ｂａ，４２Ｃａ…アンテナ素子、４２Ａｂ，４２Ｂｂ，４２Ｃｂ…コンデンサ、４３…調整部、４３ａ…コンデンサ。

Claims (16)

1. 被処理体を収容する処理容器と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   前記処理容器内においてプラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波供給機構とを備え、
   前記高周波供給機構は、
   前記プラズマを生成するための高周波電力を出力すると共に、前記高周波電力に基づく反射電力量が小さくなるように前記高周波電力の周波数を調整する電源部と、
   前記高周波電力に基づいて高周波電界を形成するアンテナユニットと、
   前記電源部と前記アンテナユニットとの間に設けられ、前記電源部よりも前記アンテナユニット側のインピーダンスを調整し、これにより前記反射電力量の大きさを調整する調整部とを有し、
   前記アンテナユニットは、互いに異なる共振周波数を有し、前記電源部に対して電気的に並列に接続された複数の種類のアンテナ部を含み、
   前記電源部は、前記複数の種類のアンテナ部の各々によって前記高周波電界が形成されるように、異なる周波数の前記高周波電力を出力することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記複数の種類のアンテナ部の各々には、そのアンテナ部の共振周波数に対応する周波数であって、そのアンテナ部に基づく反射電力量が最小となる周波数と等しいか、ほぼ等しい周波数の前記高周波電力が選択的に入力されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記電源部は、前記高周波電力を前記異なる周波数毎に周期的に出力することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記高周波電力の電力量は、前記高周波電力の前記異なる周波数毎に異なることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記高周波電力の前記異なる周波数毎の出力周期は、互いに異なることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記複数の種類のアンテナ部は、それぞれ、前記高周波電力が入力されることによって前記高周波電界を形成するアンテナ素子を含み、
   前記複数の種類のアンテナ部の各々のアンテナ素子は、前記処理容器内において互いに異なる領域に前記高周波電界を形成するように配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記複数の種類のアンテナ部の各々のアンテナ素子は、環状形状または渦巻き形状の、互いに外径が異なるコイルであり、その中心軸が一致するか、またはほぼ一致するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記調整部は、インピーダンスを調整する素子としてコンデンサを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
9. 高周波電力を出力すると共に、前記高周波電力に基づく反射電力量が小さくなるように前記高周波電力の周波数を調整する電源部と、
   前記高周波電力に基づいて高周波電界を形成するアンテナユニットと、
   前記電源部と前記アンテナユニットとの間に設けられ、前記電源部よりも前記アンテナユニット側のインピーダンスを調整し、これにより前記反射電力量の大きさを調整する調整部とを備え、
   前記アンテナユニットは、互いに異なる共振周波数を有し、前記電源部に対して電気的に並列に接続された複数の種類のアンテナ部を含み、
   前記電源部は、前記複数の種類のアンテナ部の各々によって前記高周波電界が形成されるように、異なる周波数の前記高周波電力を出力することを特徴とする高周波供給機構。
10. 前記複数の種類のアンテナ部の各々には、そのアンテナ部の共振周波数に対応する周波数であって、そのアンテナ部に基づく反射電力量が最小となる周波数と等しいか、ほぼ等しい周波数の前記高周波電力が選択的に入力されることを特徴とする請求項９に記載の高周波供給機構。
11. 前記電源部は、前記高周波電力を前記異なる周波数毎に周期的に出力することを特徴とする請求項９または１０に記載の高周波供給機構。
12. 前記調整部は、インピーダンスを調整する素子としてコンデンサを含むことを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の高周波供給機構。
13. 高周波電力を出力すると共に、前記高周波電力に基づく反射電力量が小さくなるように前記高周波電力の周波数を調整する電源部と、
    前記高周波電力に基づいて高周波電界を形成するアンテナユニットと、
    前記電源部と前記アンテナユニットとの間に設けられ、前記電源部よりも前記アンテナユニット側のインピーダンスを調整し、これにより前記反射電力量の大きさを調整する調整部とを備えた高周波供給機構を用いて、前記アンテナユニットに選択的に高周波電力を供給する方法であって、
    前記アンテナユニットは、互いに異なる共振周波数を有し、前記電源部に対して電気的に並列に接続された複数の種類のアンテナ部を含み、
    前記方法は、前記複数の種類のアンテナ部の各々によって前記高周波電界が形成されるように、前記電源部から異なる周波数の前記高周波電力を出力させることを特徴とする高周波供給方法。
14. 前記複数の種類のアンテナ部の各々には、そのアンテナ部の共振周波数に対応する周波数であって、そのアンテナ部に基づく反射電力量が最小となる周波数と等しいか、ほぼ等しい周波数の前記高周波電力が選択的に入力されることを特徴とする請求項１３に記載の高周波供給方法。
15. 前記電源部から前記高周波電力を前記異なる周波数毎に周期的に出力させることを特徴とする請求項１３または１４に記載の高周波供給方法。
16. 前記調整部は、インピーダンスを調整する素子としてコンデンサを含むことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１項に記載の高周波供給方法。

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