JP2016027592A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステップ切り替え後に速やかにプラズマを安定させ、適切なプラズマ処理が可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】制御装置１６は、第１ステップにおいて、高周波発生源１を第１エネルギー条件で駆動し、第２ステップにおいて、高周波発生源１を第２エネルギー条件で駆動する。第１ステップと、第２ステップの切り替わり時刻よりも先に、ガス供給システム１１から処理容器８内に供給されるガス種を切り替え、切り替え直後の初期期間のガス流量を、初期期間経過後の安定期間におけるガス流量よりも大きく設定する。【選択図】図１

Description

本発明の態様は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

従来、半導体ウエハに成膜処理、エッチング処理等のプラズマ処理を施す装置として、ＤＲＭ（Ｄｉｐｏｌｅ Ｒｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔ）型プラズマ処理装置が知られている。このＤＲＭ型プラズマ処理装置は、半導体ウエハを収容する処理容器と、処理容器の周囲において環状に配置され且つ点対称に対を成してそれぞれ立設される複数の円筒型磁石とを備え、該複数の円筒型磁石は同期回転可能に回転駆動機構に連結されている。各円筒形磁石（セグメント磁石）は、１８０度回転したときに磁化方向が１回転（反転）する。そして、ＤＲＭ型プラズマ処理装置は、複数の円筒型磁石を同期回転させて処理容器内に水平方向の磁場を印加し、処理容器内の載置台上に水平に配置された半導体ウエハにプラズマ処理を施す（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

このようなＤＲＭ型のプラズマ処理装置においては、複数の種類のプラズマ処理が、時系列に行われる。各プラズマ処理が切り替わる場合には、処理ガスの種類とＲＦ高周波発生源の設定値を切り替えている。例えば、Ｓｉを含有する反射防止膜（Ｓｉ−ＡＲＣ）をエッチングするプラズマ処理工程と、アモルファスカーボンをエッチングするプラズマ処理工程では、それぞれに要求されるガス種と、ＲＦ高周波発生源の設定値（周波数と電力）が異なるからである。

換言すれば、従来のプラズマ処理装置は、第１ステップ終了時にプラズマが消火されるために、パーティクルが基板上に堆積し、デバイスの不良を発生させる可能性があった。プラズマを連続して発生させることによって、基板上のプラズマシースを維持し、パーティクル堆積によるデバイス不良を抑制する技術がデバイスメーカーにて近年実施されている。例えば、一実施形態として、処理容器と、処理容器内にガスを供給するガス供給システムと、処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源と、ガス供給システム及び高周波発生源を制御する制御装置とを備えており、制御装置は、第１ステップにおいて、高周波発生源を第１エネルギー条件で駆動し、第２ステップにおいて、高周波発生源を第２エネルギー条件で駆動している。なお、プラズマは条件の切り替わりの前後においても連続して発生するものが知られている。

特開平７−１３０４９５号公報 特開２００６−２４７７５号公報

しかしながら、第１ステップから第２ステップに切り替えた場合において、プラズマの安定期間に入るには時間がかかるという課題がある。プラズマが安定しない場合には、適切な処理ができなくなる。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、ステップ切り替え後に速やかにプラズマを安定させ、適切なプラズマ処理が可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の形態に係る第１のプラズマ処理装置は、処理容器と、前記処理容器内にガスを供給するガス供給システムと、前記処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源と、前記ガス供給システム及び前記高周波発生源を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、第１ステップにおいて、前記高周波発生源を第１エネルギー条件で駆動し、第２ステップにおいて、前記高周波発生源を第２エネルギー条件で駆動し、前記第１ステップと、前記第２ステップの切り替わり時刻よりも先に、前記ガス供給システムから前記処理容器内に供給されるガス種を切り替え、切り替え直後の初期期間のガス流量を、前記初期期間経過後の安定期間におけるガス流量よりも大きく設定することを特徴とする。

このプラズマ処理装置においては、高周波発生源のエネルギー条件の切り替わり時刻よりも先に、ガス種を切り替え、且つ、このガス流量を大きくすることで、速やかに処理容器内における第１ステップのガスを排気し、処理容器内のガスの均一性を改善させ、圧力を安定させ、プラズマを安定させる安定期間に速やかに入ることができる。

本発明の形態に係る第２のプラズマ処理装置は、前記処理容器内のガスの排気効率を調整する排気効率調整手段を更に備え、前記制御装置は、前記排気効率調整手段を制御して、前記初期期間内において、前記処理容器内のガスの排気効率を、前記安定期間におけるガスの排気効率よりも増加させることを特徴とする。

上述のように、エネルギー条件の切り替わりよりも先に、ガス流量を大きく増加させた場合には、内部の圧力が不規則に変動する場合があるが、排気効率を増加させることにより、かかる圧力の変動を抑制することができる。

本発明の形態に係る第１のプラズマ処理方法は、処理容器と、前記処理容器内にガスを供給するガス供給システムと、前記処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源と、前記ガス供給システム及び前記高周波発生源を制御する制御装置と、を備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、前記高周波発生源を第１エネルギー条件で駆動する第１ステップと、前記高周波発生源を第２エネルギー条件で駆動する第２ステップと、を備え、前記第１ステップと、前記第２ステップの切り替わり時刻よりも先に、前記ガス供給システムから前記処理容器内に供給されるガス種を切り替え、切り替え直後の初期期間のガス流量を、前記初期期間経過後の安定期間におけるガス流量よりも大きく設定することを特徴とする。

このプラズマ処理方法においては、上述の装置の場合と同様に、高周波発生源のエネルギー条件の切り替わり時刻よりも先に、ガス種を切り替え、且つ、このガス流量を大きくすることで、速やかに処理容器内における第１ステップのガスを排気し、処理容器内のガスの均一性を改善させ、圧力を安定させ、プラズマを安定させる安定期間に速やかに入ることができる。

本発明の形態に係る第２のプラズマ処理方法は、前記初期期間内において、前記処理容器内のガスの排気効率を、前記安定期間におけるガスの排気効率よりも増加させることを特徴とする。

このプラズマ処理方法においては、上述の装置の場合と同様に、エネルギー条件の切り替わりよりも先に、ガス流量を大きく増加させた場合には、内部の圧力が不規則に変動する場合があるが、排気効率を増加させることにより、かかる圧力の変動を抑制することができる。

また、本発明の態様に係るプラズマ処理装置は、処理容器と、処理容器内にガスを供給するガス供給システムと、処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源と、処理容器内のガスの排気効率を調整する排気効率調整手段と、ガス供給システム及び排気効率調整手段を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、処理容器内において実行される第１ステップと第２ステップにおける処理容器内の設定圧力が異なる場合において、第２ステップにおける処理容器内の設定圧力、及び、ガス供給システムから供給されるガスの設定流量に基づいて、これらの値と相関関係を有する排気効率調整手段の排気効率の目標値を設定し、実際の排気効率が、排気効率の前記目標値になるように、排気効率調整手段を制御している。

排気効率の目標値を、これと相関関係を有する設定圧力及び設定流量に基づいて、予め求めているので、処理容器内の圧力を、速やかに目標値に一致させ、処理容器内圧力及びプラズマ状態を安定させることができる。

本発明によれば、第１ステップのプラズマから、第２ステップのプラズマに移行する際に必ず発生する、ガス遷移状態時間を、短くする事が可能であり、それによりプラズマが安定状態に到達する時間も短くする事が可能である。つまり、プラズマ遷移状態を短く改善できた結果、パーティクル低減を狙った連続放電処理（コンティニュアスプラズマ）においても、断続放電処理のプラズマ処理結果に、より近くなる事が可能となる。さらに、デバイスにおけるプラズマエッチング膜に対してはハードウェアによるガス遅延を考慮改善したプラズマ処理を提供する事により、デバイスに対してより適切なプラズマ処理を行うことが可能となる。したがって、本発明によれば、プラズマが安定する安定期間に速やかに入ることができるので、適切なプラズマ処理を行うことができる。

プラズマ処理装置の構造を示す図である。 各種パラメータの設計上のタイミングチャートである。 各種パラメータの実際のタイミングチャートである。 各種パラメータの実際のタイミングチャートである。 各種パラメータの実際のタイミングチャートである。 各種パラメータの実際のタイミングチャートである。 圧力のタイミングチャートである。 プラズマ処理装置における圧力制御システムのブロック図である。 （Ａ）はコンダクタンス（ｓｃｃｍ／ｍＴｏｒｒ）とＡＰＣ開放角度（°）との関係を示すグラフ、（Ｂ）は圧力（ｍＴｏｒｒ）と流量（ｓｃｃｍ）に応じたＡＰＣ開放角度（°）、（Ｃ）は圧力（ｍＴｏｒｒ）と流量（ｓｃｃｍ）に応じたコンダクタンス（ｓｃｃｍ／ｍＴｏｒｒ）の関係を示す図表である。 （Ａ）は実施例に係るＡＰＣ開放角度のタイミングチャートであり、（Ｂ）は比較例に係るＡＰＣ開放角度のタイミングチャートである。 実施例１及び比較例１に係るＡＰＣ開放角度（°）及び処理容器内圧力（ｍＴｏｒｒ）の経時的変化を示すグラフである。 実施例２及び比較例２に係るＡＰＣ開放角度（°）及び処理容器内圧力（ｍＴｏｒｒ）の経時的変化を示すグラフである。

以下、実施の形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、プラズマ処理装置の構造を示す図である。

このプラズマ処理装置は、処理容器８と、処理容器８内にガスを供給するガス供給システム１１と、処理容器８内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源１と、処理容器８内のガスの排気効率を調整するコンダクタンス可変のＡＰＣ３（自動圧力制御バルブ：排気効率調整手段）とを備えている。ＡＰＣ３は、ターボ分子ポンプなどの排気装置４に接続されており、排気装置４は、処理容器８内のガスをＡＰＣ３を介して排気する。

処理容器８の内部には、基板等の試料６が配置される試料台５が配置されており、試料台５の上方においてプラズマ７が発生する。プラズマ７は、ＲＦマグネトロンプラズマであり、プラズマ７の発生空間には、ガス供給システム１１から、ガス拡散空間９及びガス導入孔１０を介して、ガスが供給される。供給されたガスには、高周波発生源１からの高周波が、マグネット１４から磁場が与えられ、プラズマが発生する。発生したプラズマによって、試料６が処理される。

なお、マグネット１４は、処理容器８の周囲に環状に配置され且つ点対称に対を成してそれぞれ立設される複数の円筒型磁石とを備え、該複数の円筒型磁石は同期回転可能に回転駆動機構に連結され、ＤＲＭ型のプラズマ装置が構成されている。

処理容器８の内部で発生したプラズマ７は、処理容器８の外壁に設けられた石英窓１３を介して、モニタ装置１２によって観察される。モニタ装置１２は、プラズマから出力される光を波長毎に分解して観察する分光分析装置などを採用することができる。分光分析装置では、スペクトル解析を行うことにより、当該スペクトルに対応する成分を特定することができる。

ガス供給システム１１内には、複数種類のガスが供給システムに整備されている。このガス供給システム１１では、例えば、ガス源に蓄積されたＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４種類のガスを、それぞれ、前段バルブ１１Ｂ、流量制御装置１１Ｃ、後段バルブ１１Ｄを介して、ガス配管１１Ａに供給することができる。流量制御装置１１Ｃは、これを通過するガス流量を制御する装置であり、ＭＦＣ（Mass Flow Controller）或いはＦＣＳ(Flow Control System)である。ガス配管１１Ａは、処理容器８のガス拡散空間９に接続されている。これらのガスは、処理容器８の上部に設けられたガス拡散空間９内に導入される。ガス拡散空間９の底部１５は、グランド電位に固定されており、また、複数のガス導入孔１０が設けられている。底部１５と高周波発生源１との間には、プラズマ発生用の高周波電圧が印加される。

高周波（ＲＦ）発生源の出力インピダンスは通常は５０Ωであるが、プラズマのインピダンスは、プラズマの状態により変化するため、プラズマ負荷に対して、そのまま高周波（ＲＦ）を供給すると高周波は反射される。ＲＦマッチャーは、プラズマインピダンスの変化に追従してインピダンス整合を行うことができる。すなわち、高周波発生源１と試料台５との間には、これらの間のインピダンス整合を自動的にとるためのマッチャー２が設けられている。マッチャー２は、一対の可変キャパシタ（バリコン）からなり、これらのキャパシタの値を調整することで、インピダンス整合を行い、処理容器８からの反射波を低減している。なお、マッチャー２は、一対のキャパシタＣ１，Ｃ２を備えているが、１つでも機能する。

効率よくプラズマを発生させることで、本装置は、スパッタリング装置、ＣＶＤ装置、エッチング装置などのプラズマ処理装置として機能する。高周波発生源１から出力される高周波の周波数は、１３．５６ＭＨｚが好適であるが、２７．１２ＭＨｚ又はそれ以上の周波数、４００ＫＨｚ帯などの低い周波数も適用できる。ＲＦパワーとしては、例えば、数１００ワットから数１０キロワットのものを用いることができる。

制御装置１６は、プラズマ処理装置の各要素を制御する。すなわち、制御装置１６は、高周波発生源１、マッチャー２、ガス供給システム１１、ＡＰＣ３、モニタ装置１２を制御する。制御装置１６による制御条件は、入力装置１７から入力することができ、モニタ装置１２から得られた試料６の観察データは、表示装置１８上に表示される。

次に、制御装置１６による制御について説明する。

図２は、各種パラメータの設計上のタイミングチャートである。

制御装置１６は、第１ステップにおいて、高周波発生源１を第１エネルギー条件で駆動し、第２ステップにおいて、高周波発生源１を第２エネルギー条件で駆動している。これらのエネルギー条件は、試料６のプラズマ処理条件に応じて、様々は条件となるが、高周波発生源１からの電力（ＲＦパワー）と周波数が含まれる。

図２においては、第１ステップと、第２ステップの切り替わり時刻を、時刻ｔ＝０秒とする。すなわち、ｔ＝０秒の前後で、ＲＦパワーが切り替わり、本例では増加したとする。本例では、切り替え時刻ｔ＝０よりも先に（ｔ＝−０．５秒）、図１のガス供給システム１１から処理容器８内に供給されるガス種を、第１ガスから第２ガスに切り替えている。すなわち、時刻ｔ＝−０．５秒において、第１ガス流量を低下させ（停止）、第２ガス流料を増加させている。切り替え直後の初期期間（Ｔ２）のガス流量は、初期期間（Ｔ２）経過後の安定期間（ｔ＝１．５秒以降）におけるガス流量よりも大きく設定する。

ここで、時刻ｔ＝０以降の期間ＴＡの間、ＡＰＣ３の開放角度を増加（排気効率を増加）させることにより、処理容器８内の圧力は低下する。期間ＴＡは、初期期間Ｔ２に含まれる。第２ガスを、時刻ｔ＝０よりも期間Ｔ１だけ早く供給する場合、期間Ｔ１はガス種や条件によって異なるが、本例ではＴ１＝０．５秒であり、本発明の原理に鑑みれば、０．５秒よりも長くても短くても、速やかなプラズマの安定という効果は得られるが、好適には、０．１秒≦Ｔ１≦１．５秒を採用することができる。

また、第２ガスは、所定の初期期間Ｔ２の経過後の安定期間になると、流量を低下させる。本例ではＴ２＝２秒であり、本発明の原理に鑑みれば、２秒よりも長くても短くても、速やかなプラズマの安定という効果は得られるが、好適には、１秒≦Ｔ１≦３秒を採用することができる。

本例ではＴＡ＝１秒であり、本発明の原理に鑑みれば、１秒よりも長くても短くても、圧力の急激な変動の抑制という効果は得られるが、好適には、０．５秒≦Ｔ１≦２秒を採用することができる。

以上のように、上述のプラズマ処理装置においては、高周波発生源１のエネルギー条件の切り替わり時刻（ｔ＝０秒））よりも先に、ガス種を切り替え、且つ、このガス流量を大きくすることで、速やかに処理容器８内における第１ステップのガスを排気し、処理容器８内のガスの均一性を改善させ、圧力を安定させ、プラズマを安定させる安定期間（期間Ｔ２の経過後の期間）に速やかに入ることができる。

また、このプラズマ処理装置は、処理容器８内のガスの排気効率を調整するＡＰＣ３を更に備えており、制御装置１６は、ＡＰＣ３を制御して、初期期間Ｔ２内において、処理容器８内のガスの排気効率を、安定期間におけるガスの排気効率よりも増加させている。上述のように、エネルギー条件の切り替わりよりも先に、ガス流量を大きく増加させた場合には、処理容器内部の圧力が不規則に変動する場合があるが、排気効率を増加させることにより、かかる圧力の変動を抑制することができる。

なお、上述のプラズマ処理方法は、上記プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、高周波発生源１を第１エネルギー条件で駆動する第１ステップと、高周波発生源１を第２エネルギー条件で駆動する第２ステップとを備え、第１ステップと、第２ステップの切り替わり時刻よりも先に、ガス供給システムから処理容器内に供給されるガス種を切り替え、切り替え直後の初期期間Ｔ２のガス流量を、初期期間Ｔ２の経過後の安定期間におけるガス流量よりも大きく設定する方法であり、上述の装置の場合と同様の作用効果を奏する。

また、このプラズマ処理方法は、初期期間Ｔ２内において、処理容器８内のガスの排気効率を、その後の安定期間におけるガスの排気効率よりも増加させており、上述の装置の場合と同様の作用効果を奏する。

上記Ｔ１、Ｔ２、ＴＡについては、ガス供給配管、具体的にはガス供給源からプラズマが発生する処理容器内に到達するまでのガス配管およびガス拡散空間の容積に依存するために不変ではない。

以下、実際の例について図３〜図７を用いて説明する。なお、図３〜図７のタイミングチャートでは、横軸は時間（秒）を示している。以下の説明では、ガスＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄによる本来の試料の処理ステップの期間を、タイミングチャート中に、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示すものとする。ガスＡの処理ステップの期間は、Ｓｉを含有する反射防止膜のエッチング工程、ガスＢの処理ステップの期間は、アモルファスカーボンのエッチング工程、ガスＣの処理ステップの期間は、窒化シリコンのエッチング工程、ガスＤの処理ステップの期間は、レジストのエッチング又は酸素のドライクリーニング工程を示す。

ガスＡはＣＦ_４、ガスＢはＮ_２とＯ_２の混合ガス、ガスＣはＣ_４Ｆ_８とＡｒとＯ_２の混合ガス、ガスＤはＯ_２である。ガスＣは、ＣＨＦ_３とＡｒとＯ_２とＦ_４の混合ガスとすることもできる。

図３は、各種パラメータの実際のタイミングチャートであり、横軸は時間（秒）を示している。

（ａ）の左側の縦軸の単位は（Ｗ）および（Ｖ）であり、それぞれ高周波の電力（Ｌｏｗｅｒ ＲＦ）と高周波電圧のピーク間差電圧（Ｌｏｗｅｒ Ｖｐｐ）を示している。右側の縦軸の単位は（Ｗ）であり、高周波電力の反射電力（Ｌｏｗｅｒ ＲＦ Ｒｅｆｌｅｃｔ）を示している。

（ｂ）の左側及び右側の縦軸は、マッチャーのマッチングポジションの整合稼動範囲を基準化した数値であり、それぞれマッチャー２に使われる可変キャパシタＣ１，Ｃ２の位置（Ｃ１ Ｐｏｓ（Ｌｏｗｅｒ）、Ｃ２ Ｐｏｓ（Ｌｏｗｅｒ）を示している。

（ｃ）の左側の縦軸は、分光分析装置が検出した発光強度（マグニチュード）を基準化した数値であり、プラズマ中に含まれる複数の成分量を示している。プラズマ中には、ＣＮ（波長３８７ｎｍ），ＣＦ（波長２６０ｎｍ）、ＣＯ（波長２２０ｎｍ）が含まれている。

（ｄ）の左側の縦軸の単位はｍＴｏｒｒであり、処理容器内の圧力を示している。

（ｅ）の左側の縦軸の単位は（°）であり、ＡＰＣの開放角度（排気効率）を示している。

（ｆ）の左側の縦軸の単位は（ｓｃｃｍ）であり、Ａｒ流量を示している。また、（ｇ）の左側の縦軸の単位は（ｓｃｃｍ）であり、Ｏ_２流量を示している。

いずれのステップにおいても、図２の手法が適用できるが、本例では、ＲＦパワーを一定として実験を行った。また、各ステップの切り替わり時から期間ＴＡの間、ＡＰＣの排気効率を増加させるが、切り替わりの直後の期間（Ｐｒｅｓｅｔ）においては、ＡＰＣの開放角度は予め決められた値に設定し、後は、内部の圧力が一定化されるように自動フィードバック制御を行う。

また、ガスＣのステップにおいては、ステップの切り替わり前に、Ａｒを供給しており、続いて、Ａｒの供給量を初期期間において増加させ、その後の安定期間では、低下させている。同様に、ガスＤのステップにおいては、ステップの切り替わり前に、Ｏ_２を供給しており、続いて、Ｏ_２の供給量を初期期間において増加させ、その後の安定期間では、低下させている。

図４は、各種パラメータの実際のタイミングチャートである。

上述の制御を行うと、プラズマの安定化までの期間が短縮され、また、マッチャーを構成する可変キャパシタＣ１，Ｃ２を調整する期間も短縮される。なお、可変キャパシタＣ１，Ｃ２は、インピダンス整合をとるために自動フィードバック制御されている。

（ａ）の左側の縦軸はマッチャーのマッチングポジションの整合稼動範囲を基準化した数値であり、改良前の装置における可変キャパシタＣ１の位置（Ｃ１［ｐｏｓ］ＰＯＲ）、改良後の本発明の装置における可変キャパシタＣ１の位置（Ｃ１［ｐｏｓ］Ｎｅｗ）を示している。（ａ）の右側の縦軸もマッチャーのマッチングポジションの整合稼動範囲を基準化した数値であり、改良前の装置における可変キャパシタＣ２の位置（Ｃ２［ｐｏｓ］ＰＯＲ）、改良後の本発明の装置における可変キャパシタＣ２の位置（Ｃ２［ｐｏｓ］Ｎｅｗ）を示している。同図を見ると、インピダンス整合に要する時間が０．５秒ほど短縮されていることが分かる。改良前の装置では、第２ガスの先出し、流量の増加、ＡＰＣ開放角度の増加を行っておらず、ステップの切り替わり時と同時に第２ガスを安定期間と同一の流量だけ出力している。

（ｂ）の左側の縦軸は分光分析装置が検出した発光強度を基準化した数値であり、改良前の装置におけるプラズマ中のＣＮ量（ＲＥ３８７ｎｍ＿ＣＮ ＰＯＲ）と、改良後の装置におけるプラズマ中のＣＮ量（ＲＥ３８７ｎｍ＿ＣＮ Ｎｅｗ）とが示されている。改良の前後においては、ＣＮが０．５秒〜１．１秒ほど早めに処理容器内に導入されていることが分かる。

（ｃ）の左側の縦軸も分光分析装置が検出した発光強度を基準化した数値であり、改良前の装置におけるプラズマ中のＣＯ量（ＲＥ２２６ｎｍ＿ＣＯ ＰＯＲ）と、改良後の装置におけるプラズマ中のＣＯ量（ＲＥ２２６ｎｍ＿ＣＯ Ｎｅｗ）とが示されている。改良の前後においては、ＣＯが０．５秒〜１．４秒ほど早めに処理容器内に導入されていることが分かる。

（ｄ）の左側の縦軸も分光分析装置が検出した発光強度を基準化した数値であり、改良前の装置におけるプラズマ中のＣＦ量（ＲＥ２６０ｎｍ＿ＣＦ ＰＯＲ）と、改良後の装置におけるプラズマ中のＣＦ量（ＲＥ２６０ｎｍ＿ＣＦ Ｎｅｗ）とが示されている。改良の前後においては、ＣＦが０．５秒〜０．８秒ほど早めに処理容器内に導入されていることが分かる。

（ｅ）の左側の縦軸の単位は（ｍＴｏｒｒ）であり、改良前の装置における処理容器内の圧力（Ｃｈａｍｂｅｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＰＯＲ）と、改良後の装置における処理容器内の圧力（Ｃｈａｍｂｅｒ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｎｅｗ）とが示されている。なお、凡そのプロセスにおいては本発明の効果が確認できているが、一部、ガス流量、圧力設定等においては本発明の効果が得られない場合もある。

（ｆ）の左側の縦軸の単位は（°）であり、ＡＰＣの開放角度（排気効率）を示している。ステップの切り替え直後において、排気効率を増加させている。

以上のように、上述の装置では、（１）第２ガスの先出し、（２）第２ガスの流量の増加、（３）ＡＰＣの開放を行っているが、個別の効果について確認した。

図５は、第２ガスの先出し効果について確認するための各種パラメータの実際のタイミングチャートである。

（ａ）は時刻ｔ＝０において第２ガスを導入した場合、（ｂ）は時刻ｔ＝−１．０秒において第２ガスを導入した場合、（ｃ）は時刻ｔ＝−０．５秒において第２ガスを導入した場合、（ｄ）は時刻ｔ＝−１．５秒において第２ガスを導入した場合を示している。

また、図５及び図６において、（ａ）〜（ｄ）において、（ｉ）の左側の縦軸の単位は（Ｗ）および（Ｖ）であり、それぞれ高周波の電力（Ｌｏｗｅｒ ＲＦ）と高周波電圧のピーク間差電圧（Ｌｏｗｅｒ Ｖｐｐ）を示している。右側の縦軸の単位は（Ｗ）であり、高周波電力の反射電力（Ｌｏｗｅｒ ＲＦ Ｒｅｆｌｅｃｔ）を示している。（ｉｉ）の左側及び右側の縦軸はマッチャーのマッチングポジションの整合稼動範囲を基準化した数値であり、それぞれマッチャー２に使われる可変キャパシタＣ１，Ｃ２の位置（Ｃ１ Ｐｏｓ（Ｌｏｗｅｒ）、Ｃ２ Ｐｏｓ（Ｌｏｗｅｒ）を示している。（ｃ）の左側の縦軸は分光分析装置が検出した発光強度を基準化した数値であり、プラズマ中に含まれる複数の成分量を示している。プラズマ中には、ＣＮ（波長３８７ｎｍ），ＣＦ（波長２６０ｎｍ）、ＣＯ（波長２２０ｎｍ）が含まれている。

同図から、第２ガスの先出しは、次のステップにおける安定期間までの遅延を短縮することがわかるが、同図では、（ｃ）の状態が最も適切に短縮が行われていることが分かる。なお、同図の実験では、ＡＰＣの開放角度は８．５（°）に固定した。

図５及び図６において、ガスＡであるＣＦ_４の流量は３４５（ｓｃｃｍ）、ガスＢであるＮ_２の流量＝５００（ｓｃｃｍ）、Ｏ_２の流量＝２０（ｓｃｃｍ）、ガスＣであるＣＨＦ_３の流量＝４．６（ｓｃｃｍ）、Ａｒの流量＝３８５．７（ｓｃｃｍ）、Ｏ_２の流量＝４（ｓｃｃｍ）、ＣＦ_４の流量＝３７．１（ｓｃｃｍ）、ガスＤであるＯ_２の流量＝４８０（ｓｃｃｍ）とした。

また、図５及び図６において、全ての工程の圧力は５０ｍＴｏｒｒ（６．７Ｐａ）、ＲＦパワーは１０００Ｗ、試料の中心領域における処理ガスの流量（ＦＣ）と、試料の周囲領域における処理ガスの流量（ＦＥ）の比率ＲＤＣ＝ＦＣ／ＦＥ＝５０に設定した。

図６は、第２ガスの流量の増加の効果を確認するための各種パラメータの実際のタイミングチャートである。

（ａ）は、第２ガスの流量を、第２ステップにおける安定期間における流量と同一（１．０倍）にした場合、（ｂ）は、第２ガスの流量を、第２ステップにおける安定期間における流量の１．８倍にした場合、（ｃ）は、第２ガスの流量を、第２ステップにおける安定期間における流量の０．５倍にした場合を示している。

同図から、第２ガスの流量の増加（ｂ）は、次のステップにおける安定期間までの遅延を短縮することがわかる。

図７は、ＡＰＣの開放を確認するための圧力のタイミングチャートであり、横軸は時間（秒）、縦軸は圧力（ｍＴｏｒｒ）を示している。

（ａ）は、第２ガスの初期期間における流量を、安定期間における流量の１．５倍に増加させて２秒間継続し、ＡＰＣの開放角度を増加させない場合、（ｂ）は、第２ガスの初期期間における流量を、安定期間における流量の１．５倍に増加させて２秒間継続し、ＡＰＣの開放角度をＴＡ＝１秒間のプリセット期間として、増加させた場合、（ｃ）は、第２ガスの初期期間における流量を、安定期間における流量の１．５倍に増加させて２秒間継続し、ＡＰＣの開放角度をＴＡ＝２秒間のプリセット期間として、増加させた場合を示している。その他の条件は、図６と同じである。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の平均圧力はそれぞれ１１．５ｍＴｏｒｒ、１０．７ｍＴｏｒｒ、１１．０ｍＴｏｒｒであり、（ｂ）の条件が圧力変動を最もよく抑えることができた。

なお、ステップ間の移行に際しては、各ステップを通した連続放電処理（コンティニュアスプラズマ）を行う。すなわち、プラズマが常に発生した状態で各ステップの移行を行う。この場合、プラズマシースが切れないので、基板やウエハ等の試料へのパーティクスの落下を抑制することができ、試料等へのパーティクル混入を抑制することができる。

上述の実施形態では、第１ステップのプラズマから、第２ステップのプラズマに移行する際のガス遷移状態時間を、短くする事が可能であり、これにより、プラズマが安定状態に到達する時間も短くする事が可能である。マッチャーが適切な値に自動収束するまでの時間は、すなわち、プラズマが安定するまでの時間は例えば３０％改善している。つまり、プラズマ処理される品質が不安定となるプラズマ遷移状態を短く改善できるため、より精密なプラズマ処理を行うことができる。したがって、パーティクル低減を狙った連続放電処理においても、各プラズマ処理を独立させてプラズマ処理の品質を維持する断続放電処理のプラズマ処理結果に、より近づけることが可能となる。

さらに、デバイスにおけるプラズマエッチング膜に対してはハードウェアによるガス遅延を考慮改善したプラズマ処理を提供する事により、デバイスに対してより適切なプラズマ処理を行うことが可能となる。

また、上述の実施形態においては、遷移の前後において、異なるガスで試料をエッチングする場合において、遷移時のプラズマの応答速度を増加させたため、エッチング変化の影響度を少なくすることができ、エッチング（デバイス）加工に対する精度が向上する。

また、プラズマが安定化するまでの時間を短くすることができるので、スループットが向上する。ステップ間の遷移時において、コンティニュアスプラズマの影響度が著しく大きい場合、ステップ間の遷移の間に、プラズマを発生させるためのパワーを、遷移前後のステップの場合よりも極めて低く設定する。この場合、遷移期間においては、プラズマの影響が抑制され、余分なエッチングが抑制され、処理容器内のガス条件が次の第２ステップの状態に完全に移行した後、プラズマのパワーを元のパワーに戻してエッチングを行うことができる。なお、本発明の方法を用いれば、このような低いパワーの遷移時間も短縮することが可能となり、スループットも改善することができる。

なお、上述の実施例においては、コンティニュアスプラズマについての効果を示しているが、コンティニュアスプラズマ以外の通常のシーケンスにおいても、ガス先出しを実施することによって、処理時間の短縮化を行うことができる。したがって、本発明によれば、プラズマが安定する安定期間に速やかに入ることができるので、適切なプラズマ処理を行うことができる。

次に、第１ステップと第２ステップの切り替わりに時刻から、処理容器内の圧力安定化するまでの時刻までの期間を短縮可能な方法について、説明する。なお、以下の方法は、上述の実施形態にも適用できる。なお、プラズマ処理装置の構成は、上述の通りである。

図８は、上述のプラズマ処理装置における圧力制御システムのブロック図である。

処理容器８には、ガス源から流量制御装置１１Ｃを介して、各種のガスが供給される。処理容器８からは、ＡＰＣ３を介して、排気装置４により、処理容器内部のガスが排気される。換言すれば、ガスの単位時間当たりの流入量を制御しているのは流量制御装置１１Ｃであり、ガスの単位時間当たりの流出量を制御しているのはＡＰＣ３である。処理容器８内の圧力は、圧力センサＰＳによって計測され、計測された圧力値は制御装置１６に入力される。

通常の圧力安定化制御では、目標の圧力Ｐ（ＴＡＲＧＥＴ）に処理容器８内の圧力を到達させる場合には、制御装置１６はフィードバック制御を行う。すなわち、圧力センサＰＳで検出される実際の圧力値をＰ（ＲＥＡＬ）とすれば、制御装置１６は、目標までの偏差ΔＰ＝Ｐ（ＴＡＲＧＥＴ）−Ｐ（ＲＥＡＬ）を演算し、偏差ΔＰが最小値になるようにＡＰＣ３を自動調整するように制御する。ＡＰＣ３の開放角度をθとすると、ΔＰが正（圧力増加）の場合、目標となるＡＰＣ３の開放角度θ（ＴＡＲＧＥＴ）を（１／ΔＰ）に比例させて小さくすればよい（比例制御）。例えば、θ（ＴＡＲＧＥＴ）＝α×（１／ΔＰ）となる制御を行う（但し、αは適当な係数）。

θの単位時間当たりの変化量に上限値（Δθ（ＬＩＭＩＴ））を設けておき、制御サイクル毎に、θを変動させるものとすると、ΔＰが非常に大きな場合、θは、制御サイクル毎に、上限値Δθ（ＬＩＭＩＴ）で変化することになるが、圧力センサＰＳからの出力に基づくフィードバック制御では、制御遅れが生じ、制御量がオーバーシュートとなる。すなわち、開放角度θが、目標となる圧力に到達する値であったとしても、処理容器内の圧力は、依然として、目標値には到達していないため、演算されるθ（ＴＡＲＧＥＴ）は、目標値を（下向きに）オーバーした値を示すことになり、オーバーした値を目標として制御を行えば、オーバーシュートが生じ、所望の圧力になるまでに、時間がかかる。

なお、実際の制御では、上述の比例制御だけでなく、積分制御を加えたＰＩ制御や、これに微分制御を加えたＰＩＤ制御を行うことができる。

積分制御においては、偏差ΔＰが著しく小さく、θの変化量の設定下限等に制限され、θが変化せず、残留偏差が存在する場合においても、偏差ΔＰの積分値が所定値を超えた場合には、θを変化させて、残留偏差を取り除く。

積分制御等を行うと、更に、目標値に到達するまでに時間がかかるという不具合がある。微分制御においては、前回の値と現在の値の圧力偏差が大きい場合には、速やかに目標値に到達するため、オーバーシュート気味に、操作量を大きくする。

なお、フィードバック制御（ＰＩＤ制御）におけるＡＰＣ３の角度操作量は、Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄを適当な係数とすれば、以下の通りである。

ＡＰＣの角度操作量＝（比例項）＋（積分項）＋（微分項）＝Ｋｐ×偏差ΔＰ＋Ｋｉ×偏差ΔＰの累積値＋Ｋｄ×前回偏差との差で与えられる。

なお、ΔＰが負（圧力減少）の場合、目標となるＡＰＣ３の開放角度θ（ＴＡＲＧＥＴ）を｜ΔＰ｜に比例させて大きくすればよい（比例制御）。例えば、θ（ＴＡＲＧＥＴ）＝｜α×ΔＰ｜となる制御を行う（但し、αは適当な係数）。もちろん、このばあいにおいてもＰＩ制御又はＰＩＤ制御も可能である。

ここで、プラズマ処理が、第１ステップから第２ステップに切り替わる場合、処理容器内の圧力設定値と、流量制御装置１１Ｃによる圧力設定値は、予め決められている。したがって、処理容器内の圧力制御は、ＡＰＣ３によって行うのだが、できるだけオーバーシュートの量を減らして、速やかにガス圧力を目標値まで到達させて、安定化させたい。

そこで、処理容器内のコンダクタンス（＝ガスの設定流量／処理容器内の設定圧力）と、圧力安定状態におけるＡＰＣ３の開放角度との関係を調査すると、一定の相関があることが判明したため、この関係を制御に用いることにより、速やかな圧力安定を行うこととした。

図９は、（Ａ）はコンダクタンス（ｓｃｃｍ／ｍＴｏｒｒ）とＡＰＣ開放角度（°）との関係を示すグラフ、（Ｂ）は圧力（ｍＴｏｒｒ）と流量（ｓｃｃｍ）に応じたＡＰＣ開放角度（°）、（Ｃ）は圧力（ｍＴｏｒｒ）と流量（ｓｃｃｍ）に応じたコンダクタンス（ｓｃｃｍ／ｍＴｏｒｒ）の関係を示す図表である。

すなわち、コンダクタンスが増加する場合には、ＡＰＣ３の開放角度は、これに比例して増加する。コンダクタンス（ｓｃｃｍ／ｍＴｏｒｒ）をｘ、ＡＰＣの開放角度（°）をｙとすると、一次関数ｙ＝ａｘ＋ｂの関係が成立する。本評価の場合は、コンダクタンスが３以上においては、a＝０．３２６、ｂ＝４．７９５７であり、コンダクタンスが３未満においては、a＝２．２６１９、ｂ＝−０．２６１９である。これらの傾きａ及び切片ｂは、±３０％の誤差を有することができる。

上述の相関関係によれば、実際の圧力を測定する前の段階において、第２ステップにおける設定値であるコンダクタンスが分かれば、ＡＰＣの開放角度の目標値が決まるということがわかる。すなわち、圧力センサからの出力をフィードバックするのではなく、上述のグラフの関係から予測されるＡＰＣの開放角度を目標値として、ＡＰＣの制御（フィードフォワード制御）を行えば、速やかでオーバーシュートの少ない圧力変化が可能である。

図１０は、（Ａ）は実施例に係るＡＰＣ開放角度のタイミングチャートであり、（Ｂ）は比較例に係るＡＰＣ開放角度のタイミングチャートである。なお、第１ステップと第２ステップでは、プラズマ処理条件が異なり、上述の通り、制御装置は、第１ステップにおいては、高周波発生源を第１エネルギー条件で駆動し、第２ステップにおいては、高周波発生源を第２エネルギー条件で駆動している。

実施例では、第１ステップから第２ステップに切り替わる期間Ｔ（ＦＦ）においては、ＡＰＣの開放角度θが、上述の相関から求められる目標値になるように、実際のＡＰＣの開放角度θを、フィードフォワード制御し、その後の期間Ｔ（ＦＢ）においては、圧力センサから検出される実際の圧力が、目標の圧力になるように、フィードバック制御を行い、処理容器内圧力を安定化させる（ＡＰＣ開放角度θが一定値に収束する）。

なお、本評価の場合は、期間Ｔ（ＦＦ）は、０．１秒以上２秒以下である。

第１ステップにおけるＡＰＣの実際の開放角度θ（第１ステップ）、第２ステップにおいて上記相関関係から求められる目標値としての開放角度θ（ＴＡＲＧＥＴ）、１度の制御サイクルにおけるＡＰＣ開放角度の変化量θ（Δ）は、以下の関係を満たす。

変化量θ（Δ）＝θ（第１ステップ）＋（開放角度θ（ＴＡＲＧＥＴ）−θ（第１ステップ））×γ

なお、γは係数であり、本評価の場合は、０．５以上２以下である。γの値を１よりも大きくすれば、微分制御的な制御要素が強くなり、オーバーシュートはするものの、高速に目標値に移動することができる。ＡＰＣの開放角度θが、目標値を一度超えた後、又は、ステップ切り替わりから０．１秒以上の所定期間の経過後に、フィードバック制御に移行する。

一方、（Ｂ）の比較例では、ＡＰＣの開放角度の調整に、フィードバック制御のみを用いており、処理容器内圧力を安定化させる（ＡＰＣ開放角度θが一定値に収束する）までの時間が、実施例よりもかかる。また、ガス流量は考慮していない制御であるため、ガス流量変化による圧力変化への応答性は低くなる。

実際のデータを用いて、上述の発明を検証した。

図１１は、実施例１及び比較例１に係るＡＰＣ開放角度（°）及び処理容器内圧力（ｍＴｏｒｒ）の経時的変化を示すグラフである。第１ステップの処理容器内圧力は１００ｍＴｏｒｒであり、ガス源から処理容器内に供給されるＡｒの流量は７００ｓｃｃｍである。第２ステップの処理容器内圧力は１９０ｍＴｏｒｒであり、ガス源から処理容器内に供給されるＡｒの流量は１０００ｓｃｃｍである。

実施例１及び比較例１では、第１ステップから第２ステップに切り替わると、ＡＰＣの開放角度を小さくして、処理容器内圧力を上昇させている。

実施例１の方法では、上述の相関関係を用いた予測制御（図１０（Ａ））を行うのに対し、比較例１の方法では、通常のフィードバック制御（図１０（Ｂ））を行っている。第２ステップにおける目標圧力を１９０ｍＴｏｒｒとすると、その±６％の範囲内において、処理容器内圧力が、１秒以上留まった場合に、圧力が安定化したと判断し、この範囲内に圧力が最初に到達した時刻を求めた。実施例１の場合は時刻ｔ１であり、比較例１の場合は時刻ｔ２であった。時刻ｔ１は、時刻ｔ２よりも０．６秒ほど早くなるという結果が得られた。

図１２は、実施例２及び比較例２に係るＡＰＣ開放角度（°）及び処理容器内圧力（ｍＴｏｒｒ）の経時的変化を示すグラフである。

第１ステップの処理容器内圧力は１００ｍＴｏｒｒであり、ガス源から処理容器内に供給されるＡｒの流量は７００ｓｃｃｍである。第２ステップの処理容器内圧力は４０ｍＴｏｒｒであり、ガス源から処理容器内に供給されるＡｒの流量は１３００ｓｃｃｍである。

実施例２及び比較例２では、第１ステップから第２ステップに切り替わると、ＡＰＣの開放角度を大きくして、処理容器内圧力を減少させている。なお、この制御は、図１〜図７に記載の実施形態にも適用できる。

実施例２の方法では、上述の相関関係を用いた予測制御（図１０（Ａ））を行うのに対し、比較例２の方法では、通常のフィードバック制御（図１０（Ｂ））を行っている。第２ステップにおける目標圧力を４０ｍＴｏｒｒとすると、その±６％の範囲内において、処理容器内圧力が、１秒以上留まった場合に、圧力が安定化したと判断し、この範囲内に圧力が最初に到達した時刻を求めた。実施例２の場合は時刻ｔ１であり、比較例２の場合は時刻ｔ２であった。時刻ｔ１は、時刻ｔ２よりも０．６秒ほど早くなるという結果が得られた。

以上、説明したように、上述のプラズマ処理装置は、処理容器と、処理容器内にガスを供給するガス供給システムと、処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源と、処理容器内のガスの排気効率を調整する排気効率調整手段（ＡＰＣ）と、ガス供給システム及び排気効率調整手段を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、処理容器内において実行される第１ステップと第２ステップにおける処理容器内の設定圧力が異なる場合において、第２ステップにおける処理容器内の設定圧力、及び、ガス供給システムから供給されるガスの設定流量に基づいて、これらの値と相関関係を有する排気効率調整手段の排気効率の目標値を設定し、実際の排気効率が、排気効率の前記目標値になるように、排気効率調整手段を制御している。

排気効率の目標値を、これと相関関係を有する設定圧力及び設定流量に基づいて、予め求めているので、処理容器内の圧力を、速やかに目標値に一致させ、処理容器内圧力及びプラズマ状態を安定させることができる。

１６…制御装置、１…高周波発生源、１１…ガス供給システム、８…処理容器。

Claims (5)

1. 処理容器と、
   前記処理容器内にガスを供給するガス供給システムと、
   前記処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源と、
   前記ガス供給システム及び前記高周波発生源を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   第１ステップにおいて、前記高周波発生源を第１エネルギー条件で駆動し、
   第２ステップにおいて、前記高周波発生源を第２エネルギー条件で駆動し、
   前記第１ステップと、前記第２ステップの切り替わり時刻よりも先に、前記ガス供給システムから前記処理容器内に供給されるガス種を切り替え、切り替え直後の初期期間のガス流量を、前記初期期間経過後の安定期間におけるガス流量よりも大きく設定する、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記処理容器内のガスの排気効率を調整する排気効率調整手段を更に備え、
   前記制御装置は、前記排気効率調整手段を制御して、前記初期期間内において、前記処理容器内のガスの排気効率を、前記安定期間におけるガスの排気効率よりも増加させる、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. 処理容器と、
   前記処理容器内にガスを供給するガス供給システムと、
   前記処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源と、
   前記ガス供給システム及び前記高周波発生源を制御する制御装置と、
   を備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
   前記高周波発生源を第１エネルギー条件で駆動する第１ステップと、
   前記高周波発生源を第２エネルギー条件で駆動する第２ステップと、
   を備え、
   前記第１ステップと、前記第２ステップの切り替わり時刻よりも先に、前記ガス供給システムから前記処理容器内に供給されるガス種を切り替え、切り替え直後の初期期間のガス流量を、前記初期期間経過後の安定期間におけるガス流量よりも大きく設定する、
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 前記初期期間内において、前記処理容器内のガスの排気効率を、前記安定期間におけるガスの排気効率よりも増加させる、
   ことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理方法。
5. 処理容器と、
   前記処理容器内にガスを供給するガス供給システムと、
   前記処理容器内にプラズマ発生用の高周波を導入する高周波発生源と、
   前記処理容器内のガスの排気効率を調整する排気効率調整手段と、
   前記ガス供給システム及び前記排気効率調整手段を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記処理容器内において実行される第１ステップと第２ステップにおける前記処理容器内の設定圧力が異なる場合において、
   前記第２ステップにおける前記処理容器内の設定圧力、及び、前記ガス供給システムから供給されるガスの設定流量に基づいて、これらの値と相関関係を有する前記排気効率調整手段の排気効率の目標値を設定し、実際の排気効率が、排気効率の前記目標値になるように、前記排気効率調整手段を制御する、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。