JP2017199795A - 変圧器、プラズマ処理装置、及び、プラズマ処理方法 - Google Patents

変圧器、プラズマ処理装置、及び、プラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】変圧器を提供する。【解決手段】一実施形態の変圧器は、回転軸、第１のコイル、第２のコイル、及び、第３のコイルを備える。回転軸は、その中心軸線を回転軸線として回転可能に構成されている。第１のコイルは一次側のコイルであり、回転軸の中心軸線に直交する第１の軸線周りに延在している。第２のコイルは、二次側のコイルであり、第２の軸線周りに延在し、回転軸によって支持されている。第２の軸線は、第１のコイルによって囲まれた領域内で回転軸の中心軸線に直交する。第３のコイルは、二次側のコイルであり、第３の軸線周りに延在し、回転軸によって支持されている。第３の軸線は、第１のコイルによって囲まれた領域内で回転軸の中心軸線に直交し、且つ、第２の軸線と所定の角度をなしている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、変圧器、プラズマ処理装置、及び、プラズマ処理方法に関するものである。
半導体デバイスといった電子デバイスの製造においては、エッチング、成膜といった処理のために、プラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置の一種としては、容量結合型のプラズマ処理装置が知られている。容量結合型のプラズマ処理装置は、一般的に、チャンバ本体、上部電極、及び、下部電極を備えている。上部電極及び下部電極は、チャンバ本体によって提供されるチャンバ内の空間がそれらの間に介在するように配置される。このプラズマ処理装置では、チャンバにガスが供給され、上部電極と下部電極との間に高周波電界が形成される。この高周波電界によってガスが励起されて、プラズマが生成される。このプラズマからのイオン及び／又はラジカルによって、被加工物の処理が行われる。
容量結合型のプラズマ処理装置としては、二つの高周波電源を用いるタイプのプラズマ処理装置と、単一の高周波電源を用いるタイプのプラズマ処理装置が知られている。前者、即ち、二つの高周波電源を用いるタイプのプラズマ処理装置では、第１の高周波電源が上部電極又は下部電極に接続され、第２の高周波電源が下部電極に接続される。第２の高周波電源は、第１の高周波電源によって発生される高周波の周波数よりも低い周波数を有する高周波を発生する。
一方、後者、即ち、単一の高周波電源を用いるタイプのプラズマ処理装置では、変圧器が利用される。この変圧器の一次側のコイルは高周波電源に接続される。二次側のコイルの一端は上部電極に接続され、二次側のコイルの他端は下部電極に接続される。二次側のコイルは、複数のタップを有している。このプラズマ処理装置では、接地するタップを複数のタップから選択することにより、二次側のコイルの一端から出力される第１の高周波の電力と二次側のコイルの他端から出力される第２の高周波の電力との比を選択するこができる。このようなプラズマ処理装置については、特許文献１に記載されている。
特開平４−４８７２７号公報
特許文献１に記載された変圧器では、タップの選択によって二次側のコイルの分割比が選択される。したがって、第１の高周波の電力と第２の高周波の電力との選択可能な比、即ち、二つの出力高周波の選択可能な電力比が大きく離散的である。故に、二つの出力高周波の電力比を微細に制御することができない。また、一次側のコイルに高周波を供給している状態では、二つの出力高周波の電力比を変更することができない。さらに、第１の高周波と第２の高周波との間の位相を、同位相と逆位相との間で変更することができない。
第１の態様においては、変圧器が提供される。変圧器は、回転軸、第１のコイル、第２のコイル、及び、第３のコイルを備える。回転軸は、その中心軸線を回転軸線として回転可能に構成されている。第１のコイルは一次側のコイルであり、回転軸の中心軸線に直交する第１の軸線周りに延在している。第２のコイルは、二次側のコイルであり、第２の軸線周りに延在し、回転軸によって支持されている。第２の軸線は、第１のコイルによって囲まれた領域内で回転軸の中心軸線に直交する。第３のコイルは、二次側のコイルであり、第３の軸線周りに延在し、回転軸によって支持されている。第３の軸線は、第１のコイルによって囲まれた領域内で回転軸の中心軸線に直交し、且つ、第２の軸線と所定の角度をなしている。
第１の態様に係る変圧器では、一次側の第１のコイルに高周波を供給すると、第１の軸線に略平行な方向に磁束が発生する。この磁束が第２のコイルを貫くことにより、第２のコイルに誘導起電力が発生し、当該磁束が第３のコイルを貫くことにより、第３のコイルに誘導起電力が発生する。これにより、第２のコイルから第１の高周波が出力され、第３のコイルから第２の高周波が出力される。第２のコイルを貫く磁束の量、ひいては第１の高周波の電力は、第１のコイルと第２のコイルがなす角度に依存する。また、第３のコイルを貫く磁束の量、ひいては第２の高周波の電力は、第１のコイルと第３のコイルがなす角度に依存する。この変圧器では、回転軸を回転させることにより、第２のコイル及び第３のコイルから構成される二次側コイル対を回転させることができ、第１のコイルと第２のコイルがなす角度と、第１のコイルと第３のコイルがなす角度との比を微細に変更することができる。したがって、第１の高周波の電力と第２の高周波の電力の比、即ち、二つの出力高周波の電力の比を、微細に制御することが可能である。
また、第１の態様に係る変圧器では、接地するタップの変更、即ち、接点の変更により二つの出力高周波の電力比を変更するのではなく、回転軸の回転により、二つの出力高周波の電力比を変更することができる。したがって、一次側の第１のコイルに高周波を供給している状態であっても、二つの出力高周波の電力比を変更することが可能である。
また、第１の態様に係る変圧器では、二次側コイル対の回転方向の角度位置がある角度範囲内にあるときには、磁束が第２のコイルを当該第２のコイルの一方側から他方側に貫き、当該磁束が第３のコイルを当該第３のコイルの一方側から他方側に貫く。このときには、第２のコイルと第３のコイルには同方向（同位相）の誘導起電力が生じる。また、二次側コイル対の回転方向の角度位置が別の角度範囲内にあるときには、磁束が第２のコイルと第３のコイルのうち一方のコイルを当該一方のコイルの一方側から他方側に貫き、当該磁束が他方のコイルを当該他方のコイルの他方側から一方側に貫く。このときには、第２のコイルと第３のコイルには逆方向（逆位相）の誘導起電力が生じる。したがって、この変圧器によれば、第１の高周波と第２の高周波との間の位相を、同位相と逆位相との間で変更することができる。
一実施形態において、第１のコイルは、第２のコイルの自己インダクタンス及び第３のコイルの自己インダクタンスよりも大きい自己インダクタンスを有する。この実施形態によれば、第１のコイルの電流値に対する第２のコイルの電流値の比、及び、第１のコイルの電流値に対する第３のコイルの電流値の比を大きくすることが可能となる。したがって、二次側の二つのコイルにそれぞれ接続される負荷に十分な電流を供給することが可能となる。
一実施形態において、第２のコイル及び第３のコイルは、第１のコイルの内側に設けられている。即ち、回転する二次側コイル対が第１のコイルに干渉しないよう、二次側コイル対は第１のコイルの内側に設けられていてもよい。この実施形態によれば、第１のコイルのサイズを大きくすることができるので、第１のコイルの自己インダクタンスを大きくすることができる。したがって、第１のコイルの電流値に対する第２のコイルの電流値の比、及び、第１のコイルの電流値に対する第３のコイルの電流値の比を大きくすることが可能となる。
一実施形態において、第３のコイルは、第２のコイルの内側に設けられており、第２のコイルの自己インダクタンスよりも小さい自己インダクタンスを有する。第３のコイルが第２のコイルの内側に設けられていると、第３のコイルの断面積は第２のコイルの断面積よりも小さくなる。したがって、第１のコイルと第２のコイルの間の結合係数の最大値と、第１のコイルと第３のコイルとの間の結合係数の最大値との間には、大きな差が生じる。この実施形態によれば、第３のコイルは第２のコイルの自己インダクタンスよりも小さい自己インダクタンスを有するので、第１のコイルと第２のコイルの間の結合係数の最大値と、第１のコイルと第３のコイルの間の結合係数の最大値との間の差を減少させることが可能となる。
一実施形態においては、第２のコイルに関する上記第２の軸線と第３のコイルに関する上記第３の軸線とがなす所定の角度は、９０度である。この実施形態によれば、第２のコイルと第３のコイルの間の相互インダクタンスを極めて小さくすることができ、第２のコイルと第３のコイルの間での相互干渉を抑制することができる。結果的に、第２のコイル及び第３のコイルにおいて効率的に高周波を発生させることができる。また、第２のコイル及び第３のコイルのうち一方に生じる誘導起電力が最大になるときに、第２のコイル及び第３のコイルのうち他方に生じる誘導起電力が最小になる。したがって、二つの出力高周波の電力比の制御性が高くなる。また、第２のコイルのターン数及び第３のコイルのターン数を多くすることができる。
一実施形態において、第２のコイルと第３のコイルは、それらの間に絶縁距離が確保されるように配置されている。また、一実施形態において、第１のコイルの他端、第２のコイルの他端、及び、第３のコイルの他端が互いに電気的に接続されていてもよい。
第２の態様においては、容量結合型のプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、上部電極である第１の電極と、下部電極である第２の電極と、高周波電源と、上述した第１の態様及び種々の実施形態のうち何れかの変圧器と、を備える。高周波電源は第１のコイルに電気的に接続されている。第１の電極は第２のコイルの一端に電気的に接続されている。第２の電極は第３のコイルの一端に電気的に接続されている。
第２の態様に係るプラズマ処理装置では、高周波電源からの高周波に基づき生成される二つの高周波、即ち第１の高周波、第２の高周波を上部電極、下部電極にそれぞれ供給することができる。また、二次側コイル対の回転方向の角度位置を調整することにより、第１の高周波のパワー、第２の高周波のパワー、及び、第１の高周波と第２の高周波との間の位相を調整することができる。したがって、下部電極上の被加工物に入射するイオンのエネルギーを調整することが可能となる。
第３の態様においては、容量結合型のプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、上部電極と、下部電極と、高周波電源と、上述した第１の態様及び種々の実施形態のうち何れかの変圧器と、を備える。上部電極は、鉛直方向において延びるチャンバの中心線に交差する第１の電極、及び、中心線に対して放射方向において第１の電極の外側に設けられた第２の電極を含む。高周波電源は第１のコイルに電気的に接続されている。第１の電極は、第２のコイルの一端に電気的に接続されている。第２の電極は、第３のコイルの一端に電気的に接続されている。
第３の態様に係るプラズマ処理装置では、高周波電源からの高周波に基づき生成される二つの高周波、即ち第１の高周波、第２の高周波を第１電極（第３態様における「内側電極」）、第２電極（第３態様における「外側電極」）にそれぞれ供給することができる。また、二つの二次側のコイル（第２のコイル及び第３のコイル）とチャンバ側の二つの電極（内側電極及び外側電極）との間で同方向に電流が供給されるよう、二次側コイル対の回転方向の角度位置を設定することにより、プラズマ密度の径方向の分布を調整することが可能となる。一方、二つの二次側のコイルとチャンバ側の二つの電極の間で互いに逆方向に電流が供給されるよう、二次側コイル対の回転方向の角度位置を調整することにより、下部電極上の被加工物に入射するイオンのエネルギーを減少させることが可能となる。
第４の態様においては、容量結合型のプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、上部電極である第１の電極と、下部電極と、上部電極よりもチャンバ本体の側壁の近くに設けられた第２の電極と、高周波電源と、上述した第１の態様及び種々の実施形態のうち何れかの変圧器と、を備える。高周波電源は第１のコイルに電気的に接続されており、第１の電極は第２のコイルの一端に電気的に接続されており、第２の電極は第３のコイルの一端に電気的に接続されている。
第４の態様に係るプラズマ処理装置では、二つの二次側のコイル（第２のコイル及び第３のコイル）とチャンバ側の二つの電極（第１の電極、即ち上部電極、及び、第２の電極）との間で同方向に電流が供給されるよう、二次側コイル対の回転方向の角度位置が設定されると、下部電極とプラズマとの間の電位差が大きくなり、下部電極上の被加工物に比較的高いエネルギーのイオンが照射される。一方、二つの二次側のコイルとチャンバ側の二つの電極との間で互いに逆方向に電流が供給されるよう、二次側コイル対の回転方向の角度位置が調整されると、下部電極とプラズマとの間の電位差が小さくなり、下部電極上の被加工物に照射されるイオンのエネルギーが小さくなる。このように、第４の態様に係るプラズマ処理装置によれば、下部電極に直接的に給電することなく、下部電極上の被加工物に照射されるイオンのエネルギーを調整することが可能となる。
第５の態様においては、容量結合型のプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、第１の処理空間を提供する第１の処理区画と、第２の処理空間を提供する第２の処理区画と、それらの間に第１の処理空間内の空間が介在するように設けられた第１の上部電極及び第１の下部電極と、それらの間に第２の処理空間内の空間が介在するように設けられた第２の上部電極及び第２の下部電極と、高周波電源と、上述した第１の態様及び種々の実施形態のうち何れかの変圧器と、を備える。高周波電源は第１のコイルに電気的に接続されている。第１の上部電極又は第１の下部電極の一方である第１の電極は、第２のコイルの一端に電気的に接続されている。第２の上部電極又は第２の下部電極の一方である第２の電極は、第３のコイルの一端に電気的に接続されている。
第５の態様に係るプラズマ処理装置では、高周波電源からの高周波に基づいて生成される二つの高周波を、二つの処理空間用の二つの電極に分配することができる。
一実施形態において、プラズマ処理装置は、第１の電極と第２のコイルの一端との間、第２の電極と第３のコイルの一端との間にそれぞれ接続された二つのコンデンサを更に備える。
一実施形態において、プラズマ処理装置は、第２のコイルの一端及び第３のコイルの一端のうち一方に接続されたセンサを備え、当該センサは電流センサ又は電圧センサである。また、一実施形態において、プラズマ処理装置は、第２のコイルの一端及び第３のコイルの一端のうち他方に接続された別のセンサを備え、当該別のセンサは電流センサ又は電圧センサである。
第６の態様においては、容量結合型のプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、第１の処理空間を提供する第１の処理区画と、第２の処理空間を提供する第２の処理区画と、それらの間に第１の処理空間内の空間が介在するように設けられた第１の上部電極及び第１の下部電極と、それらの間に第２のチャンバ内の空間が介在するように設けられた第２の上部電極及び第２の下部電極と、高周波電源と、上述した第１の態様及び種々の実施形態のうち何れかの変圧器と、を備える。高周波電源は第１のコイルに電気的に接続されている。第１の上部電極である第１の電極は、第２のコイルの一端に電気的に接続されている。第２の上部電極である第２の電極は第２のコイルの他端に電気的に接続されている。第１の下部電極である第３の電極は第３のコイルの一端に電気的に接続されている。第２の下部電極である第４の電極は第３のコイルの他端に電気的に接続されている。
第２のコイルの両端には同じ電流が流れ、第３のコイルの両端には同じ電流が流れる。したがって、第６の態様のプラズマ処理装置では、第１の処理空間用の第１の上部電極と第２の処理空間用の第２の上部電極に同じ電流値の電流が供給される。また、第１の処理空間用の第１の下部電極と第２の処理空間用の第２の下部電極に同じ電流値の電流が供給される。故に、二つの処理空間それぞれのための上部電極と下部電極に略同条件の高周波を供給することが可能である。即ち、機差が抑制される。また、第１の上部電極と第１の下部電極にそれぞれ供給される二つの高周波の各々の電力と当該二つの高周波の間の位相を制御することができ、第２の上部電極と第２の下部電極にそれぞれ供給される二つの高周波の各々の電力と当該二つの高周波の間の位相を制御できる。したがって、第１の下部電極上の被加工物に照射されるイオンのエネルギーを調整することができ、第２の下部電極上の被加工物に照射されるイオンのエネルギーを調整することができる。
第７の態様においては、容量結合型のプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、第１の処理空間を提供する第１の処理区画と、第２の処理空間を提供する第２の処理区画と、それらの間に第１の処理空間内の空間が介在するように設けられた第１の上部電極及び第１の下部電極と、それらの間に第２のチャンバ内の空間が介在するように設けられた第２の上部電極及び第２の下部電極と、高周波電源と、上述した第１の態様及び種々の実施形態のうち何れかの変圧器と、を備える。高周波電源は第１のコイルに電気的に接続されている。第１の上部電極である第１の電極は、第２のコイルの一端に電気的に接続されている。第１の下部電極である第２の電極は、第２のコイルの他端に電気的に接続されている。第２の上部電極である第３の電極は、第３のコイルの一端に電気的に接続されている。第２の下部電極である第４の電極は、第３のコイルの他端に電気的に接続されている。
第２のコイルの両端には同じ電流が流れ、第３のコイルの両端には同じ電流が流れる。したがって、第７の態様のプラズマ処理装置では、第１の処理区画に流れる電流、及び、第２の処理区画に流れる電流が抑制される。故に、第１の処理区画へのプラズマの拡散を抑制して、第１の上部電極と第１の下部電極の間にプラズマを閉じ込めることができ、安定したプラズマの生成が可能となる。また、第２の処理区画へのプラズマの拡散を抑制して、第２の上部電極と第２の下部電極の間にプラズマを閉じ込めることができ、安定したプラズマの生成が可能となる。
一実施形態において、プラズマ処理装置は、第１の電極と第２のコイルの一端との間、第２の電極と第２のコイルの他端との間、第３の電極と第３のコイルの一端との間、第４の電極と第３のコイルの他端との間にそれぞれ接続された四つのコンデンサを更に備える。
一実施形態において、プラズマ処理装置は、電流センサ又は電圧センサである複数のセンサを更に備える。複数のセンサは、第２のコイルの一端及び他端のうち一方、並びに、第３のコイルの一端及び他端のうち一方にそれぞれ接続された二つのセンサを含む。更なる実施形態において、複数のセンサは、第２のコイルの一端及び他端のうち他方、並びに、第３のコイルの一端及び他端のうち他方にそれぞれ接続された別の二つのセンサを更に含む。
第８の態様においては、誘導結合型のプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、チャンバ内に設けられた下部電極と、下部電極の上方に設けられた窓部材と、窓部材の上方に設けられており、鉛直方向に延びるチャンバの中心線の周りで延在する第１のアンテナコイルと、窓部材の上方に設けられており、中心線の周りで延在し、第１のアンテナコイルの外側に設けられた第２のアンテナコイルと、高周波電源と、上述した第１の態様及び種々の実施形態のうち何れかの変圧器と、を備える。高周波電源は第１のコイルに電気的に接続されている。第２のコイルの一端及び他端は、第１のアンテナコイルの一端及び他端にそれぞれ電気的に接続されている。第３のコイルの一端及び他端は、第２のアンテナコイルの一端及び他端にそれぞれ電気的に接続されている。
第８の態様のプラズマ処理装置では、第１のアンテナコイルに第２のコイルから供給される高周波の電力と第２のアンテナコイルに第３のコイルから供給される高周波の電力との比を調整することができる。第１のアンテナコイルによって生成される変動磁場は、主として、上記中心線を含む領域のプラズマ密度の調整に寄与する。また、第２のアンテナコイルによって生成される変動磁場は、主として、上記中心線から離れた領域のプラズマ密度の調整に寄与する。したがって、第８の態様のプラズマ処理装置によれば、プラズマ密度の径方向の分布を調整することが可能となる。
一実施形態において、プラズマ処理装置は複数のコンデンサを更に備える。複数のコンデンサは、第２のコイルの一端と第１のアンテナコイルの一端との間、第２のコイルの他端と第１のアンテナコイルの他端との間、第３のコイルの一端と第２のアンテナコイルの一端との間、第３のコイルの他端と第２のアンテナコイルの他端との間にそれぞれ接続されている。
第９の態様においては、誘導結合型のプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、チャンバを提供するチャンバ本体と、チャンバ内に設けられた下部電極と、下部電極の上方に設けられた窓部材と、窓部材の上方に設けられたアンテナコイルと、高周波電源と、上述した第１の態様及び種々の実施形態のうち何れかの変圧器と、を備える。高周波電源は第１のコイルに電気的に接続されている。第２のコイルの一端及び他端は、アンテナコイルの一端及び他端にそれぞれ電気的に接続されている。第３のコイルの一端は、下部電極に電気的に接続されている。
第９の態様のプラズマ処理装置では、高周波電源からの高周波に基づいて生成される二つの高周波のうち一方がアンテナコイルに供給され、他方が下部電極に供給される。即ち、二つの高周波のうち一方がプラズマ生成のために用いられ、他方がイオンエネルギーの制御のために用いられる。
一実施形態において、第１のコイルの自己共振周波数は、高周波電源が発生する高周波の周波数の２倍以上である。この実施形態によれば、二次側の負荷の変動に起因する第１のコイルの自己共振周波数の大きな変動を抑制することができる。
一実施形態において、第２のコイルは当該第２のコイルに接続される負荷の負荷インピーダンスよりも大きい自己インダクタンスを有し、第３のコイルは当該第３のコイルに接続される負荷の負荷インピーダンスよりも大きい自己インダクタンスを有する。
第１０の態様においては、第２〜第４の態様、並びに、第５の態様及びその実施形態のうち何れかのプラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法が提供される。このプラズマ処理方法に用いられるプラズマ処理装置では、第２のコイルの他端及び第３のコイルの他端は互いに接続されて、且つ、接地されている。このプラズマ処理方法は、第２のコイル及び第３のコイルを含む二次側コイル対の回転方向の角度位置を第１の角度位置に設定する第１工程と、二次側コイル対の回転方向の角度位置を第２の角度位置に設定する第２工程と、を含む。第１工程と第２工程が、第１のコイルに高周波電源からの高周波を供給している状態で、交互に繰り返される。
原子層レベルの成膜又は原子層レベルのエッチングでは、被加工物に入射するイオンのエネルギーを交互に変更することが求められる。第１０の態様に係るプラズマ処理方法では、第２のコイル及び第３のコイルを含む二次側コイル対の回転方向の角度位置を交互に変更することにより、高周波電源からの高周波を第１のコイルに供給した状態のまま、被加工物に入射するイオンのエネルギーを交互に変更することができる。したがって、原子層レベルの成膜、原子層レベルのエッチングといったプラズマ処理のスループットを改善することができる。
以上説明したように、変圧器の二次側から出力される第１の高周波の電力と第２の高周波の電力の比を、微細に制御することが可能となる。また、一次側のコイルに高周波を供給している状態であっても、二つの出力高周波の電力比を変更することが可能となる。さらに、第１の高周波と第２の高周波との間の位相を、同位相と逆位相との間で変更することが可能となる。
一実施形態に係る変圧器を一部破断して示す斜視図である。 一実施形態に係る変圧器の三つのコイルを概略的に示す図である。 図１に示す変圧器を概略的に示す平面図である。 図１に示す変圧器を概略的に示す平面図である。 図１に示す変圧器を概略的に示す平面図である。 図１に示す変圧器を概略的に示す平面図である。 電力伝達効率を示すグラフである。 入力電圧と出力電圧の比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を示すグラフである。 インピーダンス特性を示すグラフである。 第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 上部電極、下部電極、及び、チャンバ本体のそれぞれにおける電流値を示すグラフである。 上部電極及び下部電極それぞれの直流電位を示すグラフである。 一実施形態に係るプラズマ処理方法に関連するタイミングチャートを示す図である。 第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 第３の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 第４の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 第５の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 第６の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 第７の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 第８の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 別の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 更に別の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 第１の実施形態の変形態様に係るプラズマ処理装置を示す図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図１は、一実施形態に係る変圧器を一部破断して示す斜視図である。図２は、一実施形態に係る変圧器の三つのコイルを概略的に示す図である。図１及び図２に示す変圧器１００は、回転軸１０２、一次側の第１のコイル１０４、及び、二次側コイル対１０６を備えている。二次側コイル対１０６は、第２のコイル１０８及び第３のコイル１１０を含んでいる。一実施形態において、変圧器１００は、支持部材１１２，１１４、支柱１１６、支持部材１１８，１２０、支持部材１２２，１２４、端子１２４ａ，１２４ｂ、端子１２８ａ，１２８ｂ、及び、端子１３０ａ，１３０ｂを更に備えている。
回転軸１０２は、略円柱状をなしている。回転軸１０２は、その中心軸線ＲＸ周りに、即ち、中心軸線ＲＸを回転軸線として、回転可能に設けられている。一実施形態では、回転軸１０２は、支持部材１１２と支持部材１１４によって回転可能に支持されている。支持部材１１２及び支持部材１１４は、板状の部材であり、略矩形の平面形状を有する。支持部材１１２及び支持部材１１４は、絶縁体から形成されている。支持部材１１２及び支持部材１１４は、中心軸線ＲＸに交差又は略直交するように設けられており、それらの板厚方向が中心軸線ＲＸが延びる方向ＲＤに略一致するよう、方向ＲＤに沿って配列されている。支持部材１１２の隅部には支柱１１６の一端が固定されており、支持部材１１４の隅部には支柱１１６の他端が固定されている。回転軸１０２の一端部は、支持部材１１２を貫通して、支持部材１１２から突出している。この回転軸１０２の一端部は、後述する駆動機構１４０（例えば、モータ）に接続されている。
支持部材１１８及び支持部材１２０は、略円盤状の部材であり、絶縁体から形成されている。支持部材１１８及び支持部材１２０は、支持部材１１２と支持部材１１４との間において中心軸線ＲＸに交差又は略直交するように設けられており、それらの板厚方向が方向ＲＤに略一致するように方向ＲＤに沿って配列されている。また、支持部材１２２及び支持部材１２４は、略円盤状の部材であり、絶縁体から形成されている。支持部材１２２及び支持部材１２４は、支持部材１１８と支持部材１２０との間において中心軸線ＲＸに交差又は略直交するように設けられており、それらの板厚方向が方向ＲＤに略一致するように方向ＲＤに沿って配列されている。回転軸１０２は、支持部材１１８，１２０，１２２，１２４それぞれの中心を貫通している。支持部材１１８，１２０，１２２，１２４は、回転軸１０２に固定されている。
第１のコイル１０４は、中心軸線ＲＸに直交する第１の軸線ＡＸ１周りに延在している。一実施形態では、第１の軸線ＡＸ１は、支持部材１１２と支持部材１１４との中間において中心軸線ＲＸに直交している。第１のコイル１０４は、支持部材１１２の外側と支持部材１１４の外側を交互に通るように、第１の軸線ＡＸ１中心に巻かれている。
第１のコイル１０４の一端１０４ａは、端子１２４ａに接続されている。一実施形態では、端子１２４ａは、支持部材１１２の一面１１２ａ（変圧器１００の外側に向いた面）に設けられている。また、第１のコイル１０４の他端１０４ｂは、端子１２４ｂに接続されている。一実施形態では、端子１２４ｂは、支持部材１１４の一面１１４ａ（変圧器１００の外側に向いた面）に設けられている。
第２のコイル１０８は、第２の軸線ＡＸ２周りに延在している。第２の軸線ＡＸ２は、第１のコイル１０４によって囲まれた領域内で中心軸線ＲＸに直交している。一実施形態では、第２の軸線ＡＸ２は、支持部材１１８と支持部材１２０との中間において中心軸線ＲＸに直交している。第２のコイル１０８は、支持部材１１８の外側と支持部材１２０の外側を交互に通るように、第２の軸線ＡＸ２中心に巻かれている。第２のコイル１０８は、支持部材１１８及び支持部材１２０を介して回転軸１０２によって支持されている。
第２のコイル１０８の一端１０８ａは、端子１２８ａに接続されている。また、第２のコイル１０８の他端１０８ｂは、端子１２８ｂに接続されている。一実施形態では、端子１２８ａ及び端子１２８ｂは、支持部材１１２の一面１１２ａに設けられている。回転軸１０２は、同軸状に設けられた第１の導体と第２の導体を含んでおり、第２のコイル１０８の一端１０８ａは第１の導体に接続されており、第２のコイル１０８の他端１０８ｂは第２の導体に接続されている。第１の導体は、ロータリーコネクタ１３０内のスリップリングを介して端子１２８ａに接続されている。また、第２の導体は、ロータリーコネクタ１３０内の別のスリップリングを介して端子１２８ｂに接続されている。
第３のコイル１１０は、第３の軸線ＡＸ３周りに延在している。第３の軸線ＡＸ３は、第１のコイル１０４によって囲まれた領域内で中心軸線ＲＸに直交している。また、第３の軸線ＡＸ３は、第２の軸線ＡＸ２に交差している。第３の軸線ＡＸ３と第２の軸線ＡＸ２は、互いの間に所定の角度θｐをなしている。角度θｐは、限定されるものではないが、例えば、９０度である。一実施形態では、第３の軸線ＡＸ３は、支持部材１２２と支持部材１２４との中間において中心軸線ＲＸに直交している。第３のコイル１１０は、支持部材１２２の外側と支持部材１２４の外側を交互に通るように、第３の軸線ＡＸ３中心に巻かれている。第３のコイル１１０は、支持部材１２２及び支持部材１２４を介して回転軸１０２によって支持されている。この第３のコイル１１０と第２のコイル１０８との間には、絶縁距離が確保されている。
第３のコイル１１０の一端１１０ａは、端子１３０ａに接続されている。また、第３のコイル１１０の他端１１０ｂは、端子１３０ｂに接続されている。一実施形態では、端子１３０ａ及び端子１３０ｂは、支持部材１１４の一面１１４ａに設けられている。回転軸１０２は、同軸状に設けられた第３の導体と第４の導体を含んでおり、第３のコイル１１０の一端１１０ａは第３の導体に接続されており、第３のコイル１１０の他端１１０ｂは第４の導体に接続されている。第３の導体は、支持部材１１４の近傍に設けられた別のロータリーコネクタのスリップリングを介して端子１３０ａに接続されている。また、第４の導体は、当該別のロータリーコネクタ内の別のスリップリングを介して端子１３０ｂに接続されている。
以下、図３〜図６を参照して、変圧器１００による二つの出力高周波の発生原理について説明する。図３〜図６は、図１に示す変圧器を概略的に示す平面図である。図３〜図６には、中心軸線ＲＸに沿った方向に視た第１のコイル１０４、第２のコイル１０８、及び、第３のコイル１１０が概略的に示されている。図３〜図６においては、第１のコイル１０４は、矩形の図形で示されている。以下の説明では、二次側コイル対１０６の回転方向の角度位置θｒを、第１の軸線ＡＸ１と第２の軸線ＡＸ２とがなす角度として定義する。図４に示すように、第１の軸線ＡＸ１と第２の軸線ＡＸ２が一致しているときには、角度位置θｒは０度である。また、図３に示すように第１の軸線ＡＸ１に対して第２の軸線ＡＸ２が時計回りに０度から１８０度の範囲内にあるときに、角度位置θｒは負値をとるものとする。また、図５に示すように第１の軸線ＡＸ１に対して第２の軸線ＡＸ２が反時計回りに０度から１８０度の範囲内にあるときに、角度位置θｒは正値をとるものとする。
第１のコイル１０４に高周波電源から高周波が供給されると、第１の軸線ＡＸ１に略平行な方向に磁束ＭＦが発生する。図３に示すように、発生した磁束が第２のコイル１０８を貫くことにより、第２のコイル１０８に誘導起電力が発生する。また、発生した磁束が第３のコイル１１０を貫くことにより、第３のコイル１１０に誘導起電力が発生する。これにより、第２のコイル１０８から第１の高周波が出力され、第３のコイル１１０から第２の高周波が出力される。第２のコイル１０８を貫く磁束の量、ひいては第１の高周波の電力は、第１のコイル１０４と第２のコイル１０８がなす角度に依存する。また、第３のコイル１１０を貫く磁束の量、ひいては第２の高周波の電力は、第１のコイル１０４と第３のコイル１１０がなす角度に依存する。変圧器１００では、回転軸１０２を回転させることにより、二次側コイル対１０６を回転させることができ、第１のコイル１０４と第２のコイル１０８がなす角度と、第１のコイル１０４と第３のコイル１１０がなす角度との比を微細に変更することができる。したがって、第１の高周波の電力と第２の高周波の電力の比、即ち、二つの出力高周波の電力比を、微細に制御することが可能である。
また、変圧器１００では、接地するタップの変更、即ち、接点の変更により二つの出力高周波の電力比を変更するのではなく、回転軸１０２の回転により、二つの出力高周波の電力比を変更することができる。したがって、一次側の第１のコイル１０４に高周波を供給している状態であっても、二つの出力高周波の電力比を変更することが可能である。
また、変圧器１００では、第１の高周波と第２の高周波との間の位相を、同位相と逆位相との間で変更することができる。以下、具体的に説明する。図３に示す状態では、角度位置θｒが、例えば−２０度である。この状態では、磁束が第２のコイル１０８を当該第２のコイル１０８の一方側から他方側へと貫いており、当該磁束が第３のコイル１１０を当該第３のコイル１１０の一方側から他方側へと貫いている。したがって、第２のコイル１０８の一端と他端との間、第３のコイル１１０の一端と他端との間で、同方向（同位相）の誘導起電力が生じる。
図４に示す状態では、角度位置θｒは０度である。この状態では、磁束は第２のコイル１０８のみを貫く。したがって、第２のコイル１０８だけに誘導起電力が発生し、第３のコイル１１０には誘導起電力が発生しない。
図５に示す状態では、角度位置θｒは例えば２０度である。この状態では、磁束が第２のコイル１０８を当該第２のコイル１０８の一方側から他方側へと貫いており、当該磁束が第３のコイル１１０を当該第３のコイル１１０の他方側から一方側へと貫いている。したがって、第２のコイル１０８の一端と他端との間に生じる誘導起電力と第３のコイル１１０の一端と他端との間で生じる誘導起電力の方向は逆方向（逆位相）になる。
図６に示す状態では、角度位置θｒは９０度である。この状態では、磁束は第３のコイル１１０のみを貫く。したがって、第３のコイル１１０だけに誘導起電力が発生し、第２のコイル１０８には誘導起電力が発生しない。
このように、変圧器１００によれば、第１の高周波と第２の高周波との間の位相を、同位相と逆位相との間で変更することができる。また、第２のコイル１０８及び第３のコイル１１０のうち一方のみから出力高周波を出力することも可能である。
以下、変圧器１００の性能向上において望まれる設計指針について説明する。しかしながら、変圧器１００は以下に説明する設計指針によって限定されるものではない。
変圧器では、一次側のコイルの電流値と二次側のコイルの電流値が略同レベルであることが望まれる。ここで、一次側のコイルに高周波電源が接続され、二次側のコイルに複素インピーダンスＺ２の負荷が接続されている場合には、一次側のコイルの電流値Ｉ１と二次側のコイルの電流値Ｉ２の比（電流比）は以下の式（１）で表される。式（１）において、Ｌ１は一次側のコイルの自己インダクタンス、Ｌ２は二次側のコイルの自己インダクタンス、ｋは１次側のコイルと二次側のコイルの間の結合係数、ωは高周波の角周波数である。
Figure 2017199795
式（１）において、負荷の複素インピーダンスＺ２に依存せずに電流比を大きくするためには、Ｚ２＜＜Ｌ２ωを満たすよう、二次側のコイルの大きさや巻数を設定する必要がある。したがって、一実施形態では、第２のコイル１０８には、それに接続される負荷の負荷インピーダンスよりも大きいインダクタンスを有するコイルが用いられる。また、第３のコイル１１０には、それに接続される負荷の負荷インピーダンスよりも大きいインダクタンスを有するコイルが用いられる。
二次側のコイルがＺ２＜＜Ｌ２ωを満たす場合に、電流比は、（１）式に示すように、近似的に結合係数ｋと、自己インダクタンスＬ１と自己インダクタンスＬ２の比の平方根との積となる。（１）式から理解できるように、１次側のコイルの自己インダクタンスＬ１を二次側のコイルの自己インダクタンスＬ２よりも大きくすることにより、電流比を大きくすることができる。一実施形態の変圧器１００では、第１のコイル１０４の自己インダクタンスが、第２のコイル１０８の自己インダクタンス、及び、第３のコイル１１０の自己インダクタンスよりも大きい自己インダクタンスに設定される。これにより、電流比を大きくすることができる。したがって、二次側の二つのコイル、即ち第２のコイル１０８及び第３のコイル１１０にそれぞれ接続される負荷に十分な電流を供給することが可能となる。
一実施形態において、第２のコイル１０８及び第３のコイル１１０は、第１のコイル１０４の内側に設けられている。即ち、回転する二次側コイル対１０６が第１のコイル１０４に干渉しないよう、二次側コイル対１０６は第１のコイル１０４の内側に設けられている。したがって、第１のコイル１０４のサイズ（断面積）は、第２のコイル１０８のサイズ（断面積）及び第３のコイル１１０のサイズ（断面積）よりも大きくなる。故に、第１のコイル１０４の自己インダクタンスを、第２のコイル１０８の自己インダクタンス及び第３のコイル１１０の自己インダクタンスに対して、大きくすることができる。
次に、変圧器１００の第１のコイル１０４に入力される高周波の周波数について説明する。コイルは、浮遊容量成分を有するので、並列共振する周波数、即ち、自己共振周波数を有する。並列共振状態では、インピーダンスは極めて高くなる。また、１次側のコイルは２次側の負荷インピーダンスの影響を受ける。したがって、高周波の周波数が１次側のコイルの自己共振周波数に近い周波数である場合には、負荷の僅かな変動でもインピーダンスが大きく変動することになる。その結果、インピーダンスが一次側のコイルと高周波電源との間に設けられる整合器の整合範囲を逸脱する事態が生じる。この事態は、１次側のコイルの自己共振周波数の１／２以下の周波数を有する高周波を発生する高周波電源を利用することにより回避可能である。したがって、後述する種々のプラズマ処理装置の実施形態では、第１のコイル１０４に接続される高周波電源として、それが発生する高周波の周波数に対して第１のコイル１０４の自己共振周波数が２倍以上となる高周波電源が選択される。
次に、二次側コイル対１０６の第２のコイル１０８と第３のコイル１１０がなす角度θｐについて説明する。一実施形態では、第２のコイル１０８と第３のコイル１１０がなす角度θｐは９０度に設定される。これにより、第２のコイル１０８と第３のコイル１１０の間の相互インダクタンスを極めて小さくすることができ、第２のコイル１０８と第３のコイル１１０の間での相互干渉を抑制することができる。結果的に、第２のコイル１０８及び第３のコイル１１０において効率的に高周波を発生させることができる。また、第２のコイル１０８及び第３のコイル１１０のうち一方に生じる誘導起電力が最大になるときに、第２のコイル１０８及び第３のコイル１１０のうち他方に生じる誘導起電力が最小になる。したがって、二つの出力高周波の電力比の制御性が高くなる。また、第２のコイル１０８のターン数及び第３のコイル１１０のターン数を多くすることができる。
次に、第２のコイル１０８の自己インダクタンスと第３のコイル１１０の自己インダクタンスについて説明する。第１のコイル１０４の電流値と第２のコイル１０８の電流値の比（電流比の最大値）と、第１のコイル１０４の電流値と第３のコイル１１０の電流値の比（電流比の最大値）とは、整合器の可変範囲及び整合器の動作の観点から、略同一であることが望まれる。しかしながら、一実施形態では、第３のコイル１１０が第２のコイル１０８の内側に設けられている。したがって、第３のコイル１１０のサイズ（断面積）は第２のコイル１０８のサイズ（断面積）よりも小さい。このため、第１のコイル１０４と第２のコイル１０８の結合係数の最大値と、第１のコイル１０４と第３のコイル１１０の結合係数の最大値との間に差が生じる。この差を減少させるために、一実施形態では、第３のコイル１１０が第２のコイル１０８の自己インダクタンスよりも小さい自己インダクタンスを有するように変圧器１００が構成される。
以下、変圧器の実施例に対して行った評価について説明する。なお、本発明は、実施例によって限定されるものではない。実施例では、第１のコイルの断面は１１ｍｍ×１９ｍｍのサイズを有し、第２のコイルの断面は９ｍｍ×１４ｍｍのサイズを有し、第３のコイルの断面は９ｍｍ×９ｍｍのサイズを有していた。また、第２のコイルと第３のコイルがなす角度θｐは９０度であった。また、第１のコイルの自己インダクタンス、第２のコイルの自己インダクタンス、第３のコイルの自己インダクタンスはそれぞれ、７６．１μＨ、３０．１μＨ、３３．４μＨであった。
そして、第１のコイルの一端をネットワークアナライザのポート１に接続し、第２のコイルの一端をネットワークアナライザのポート２に接続し、第３のコイルの一端に５０Ωの負荷を接続し、第１のコイルの他端、第２のコイルの他端、及び、第３のコイルの他端を接地した。そして、二次側コイル対の回転方向の角度位置θｒを−９０度から９０度の間の幾つかの角度に設定しつつ、第１のコイルから第２のコイルへの電力伝達効率、及び、第１のコイルの入力電圧と第２のコイルの出力電圧との比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を測定した。また、第１のコイルの一端をネットワークアナライザのポート１に接続し、第３のコイルの一端をネットワークアナライザのポート２に接続し、第２のコイルの一端に５０Ωの負荷を接続し、第１のコイルの他端、第２のコイルの他端、及び、第３のコイルの他端を接地した。そして、二次側コイル対の回転方向の角度位置θｒを−９０度から９０度の間の幾つかの角度に設定しつつ、第１のコイルから第３のコイルへの電力伝達効率、及び、第１のコイルの入力電圧と第３のコイルの出力電圧との比（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を測定した。
結果を図７Ａ及び図７Ｂに示す。図７Ａのグラフにおいて、横軸は角度位置θｒを示しており、縦軸は電力伝達効率（％）を示している。図７Ａのグラフにおいて、「コイル１０８」の凡例で示されるプロットは、第１のコイルから第２のコイルへの電力伝達効率を示しており、「コイル１１０」の凡例で示されるプロットは、第１のコイルから第３のコイルへの電力伝達効率を示している。図７Ｂのグラフにおいて、横軸は角度位置θｒを示しており、縦軸はＶｏｕｔ／Ｖｉｎを示している。図７Ｂのグラフにおいて、「コイル１０８」の凡例で示されるプロットは、第１のコイルの入力電圧と第２のコイルの出力電圧との比を示しており、「コイル１１０」の凡例で示されるプロットは、第１のコイルの入力電圧と第３のコイルの出力電圧との比を示している。
図７Ａのグラフから理解されるように、実施例の変圧器によれば、二次側コイル対の角度位置θｒを調整することにより、二つの出力高周波の電力比を微細に調整することが可能であることが確認された。また、図７Ｂのグラフから理解されるように、二次側コイル対の角度位置θｒが０度から−９０度の間の角度位置に設定されている場合には、第２のコイルと第３のコイルに同方向（同位相）の誘導起電力が発生し、二次側コイル対の角度位置θｒが０度から９０度の間の角度位置に設定されている場合には、第２のコイルと第３のコイル逆方向（逆位相）の誘導起電力が発生することが確認された。したがって、実施例の変圧器によれば、二つの出力高周波の位相関係を同位相と逆位相との間で変更することが可能であることが確認された。
さらに、第１のコイルの一端をネットワークアナライザのポート１に接続し、第２のコイルの一端及び第３のコイルの一端のそれぞれに５０Ωの負荷を接続し、第１のコイルの他端、第２のコイルの他端、及び、第３のコイルの他端を接地した。そして、入力側のインピーダンス特性を測定した。結果を図８に示す。図８のグラフにおいて、横軸は周波数を示しており、縦軸は入力側のインピーダンスを示している。図８のグラフから理解されるように、実施例の変圧器では、約１．３ＭＨｚまでの周波数の増加に対する入力側のインピーダンスの変化は、対数グラフ上で線形である。これは、通常のコイルの振る舞いである。また、実施例の変圧器では、周波数が約１．３ＭＨｚを超えると、入力側のインピーダンスが急激に高くなり、２．７ＭＨｚの周波数で並列共振を生じている。したがって、第１のコイルに接続される高周波電源として、それが発生する高周波の周波数に対して第１のコイルの自己共振周波数が２倍以上となる高周波電源が選択されることが望ましいことが確認された。なお、図７Ａ及び図７Ｂに関連する上述の評価では、４５０ｋＨｚの高周波を用いた。
以下、変圧器１００を備えるプラズマ処理装置の幾つかの実施形態について説明する。
図９及び図１０は、第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図９においては、第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を、そのチャンバ本体を破断して示している。図１０は、図９に示すプラズマ処理装置を概略的に示しており、変圧器の第１〜第３のコイルを示している。図９及び図１０に示すプラズマ処理装置１０は、容量結合型のプラズマ処理装置であり、チャンバ本体１２、上部電極１４、下部電極１６、高周波電源１８、及び、変圧器１００を備えている。
チャンバ本体１２の内部空間はチャンバ１２ｃとして提供されている。チャンバ本体１２は、アルミニウムといった金属から形成されている。チャンバ本体１２の内壁面には耐プラズマ性の被覆が形成されている。耐プラズマ性の被覆は、アルマイト膜、酸化イットリウム膜といったセラミックス製の膜であり得る。チャンバ本体１２は、略筒状の側壁部、側壁部の下端に連続する底部、及び、側壁部の上端に連続する上端部を有している。このチャンバ本体１２は、接地されている。
チャンバ本体１２内には、ステージ２０が設けられている。ステージ２０は、下部電極１６を含んでいる。また、一実施形態では、ステージ２０は静電チャック２２を更に含んでいる。このステージ２０は、チャンバ本体１２の底部から延びる絶縁性の支持体２４によって支持されている。ステージ２０の下部電極１６は、第１の実施形態における第２の電極である。下部電極１６は、略円盤形状を有しており、アルミニウムといった導体から形成されている。静電チャック２２は下部電極１６上に設けられている。静電チャック２２は、誘電体膜、及び、当該誘電体膜内に内蔵された電極を含んでいる。静電チャック２２の電極にはスイッチを介して電源が接続されている。この電源から静電チャック２２の電極に電圧が印加されることにより、静電チャック２２は静電力を発生する。静電チャック２２は、当該静電力によって、その上に載置された被加工物Ｗを吸着し、当該被加工物Ｗを保持する。
チャンバ本体１２の上端部は、開口している。上部電極１４は、絶縁性の部材２６を介してチャンバ本体１２の上端部に支持されている。上部電極１４は、部材２６と共に、チャンバ本体１２の上端部の開口を閉じている。上部電極１４は、第１の実施形態における第１の電極である。上部電極１４と下部電極１６との間には、チャンバ１２ｃ内の空間が介在している。上部電極１４は、天板２８及び支持体３０を含んでいる。天板２８はチャンバ１２ｃに面している。この天板２８は、シリコン、アルミニウム、又は、石英といった材料から構成され得る。なお、天板２８がアルミニウムから形成されている場合には、その表面には耐プラズマ性の被覆が施される。天板２８には、複数のガス吐出孔２８ａが形成されている。
支持体３０は、天板２８を着脱自在に支持している。支持体３０は、例えばアルミニウムといった導体から形成されている。支持体３０の内部には、ガス拡散室３０ａが形成されている。支持体３０には、ガス拡散室３０ａと複数のガス吐出孔２８ａを接続する複数の孔３０ｂが形成されている。また、ガス拡散室３０ａには、プラズマ処理のためのガスを供給するガス供給部３２が接続されている。ガス供給部３２は、複数のガスソース、マスフローコントローラといった複数の流量制御器、及び、複数のバルブを有する。複数のガスソースの各々は、複数の流量制御器のうち対応の流量制御器、及び、複数のバルブのうち対応のバルブを介して、ガス拡散室３０ａに接続されている。このガス供給部３２は、複数のガスソースのうち選択されたガスソースからのガスの流量を調整し、当該ガスをガス拡散室３０ａに供給する。ガス拡散室３０ａに供給されたガスは、複数のガス吐出孔２８ａからチャンバ１２ｃに供給される。
チャンバ本体１２の側壁部には、被加工物の搬送のための開口が形成されている。この開口は、ゲートバルブ３４によって開閉可能になっている。また、チャンバ１２ｃには排気装置３６が接続されている。この排気装置３６によって、チャンバ１２ｃの圧力が減圧される。
変圧器１００の回転軸１０２には駆動機構１４０（例えば、モータ）が接続されている。この駆動機構１４０は、回転軸１０２を回転させる動力を発生する。回転軸１０２の回転により、変圧器１００の二次側コイル対１０６の角度位置θｒが調整される。
変圧器１００の端子１２４ａは、整合器３８を介して高周波電源１８に接続されている。したがって、第１のコイル１０４の一端は高周波電源１８に電気的に接続されている。高周波電源１８は、変圧器１００の一次側のコイル（第１のコイル１０４）に供給される高周波を発生する。この高周波の周波数は、一実施形態では、第１のコイル１０４の自己共振周波数の１／２以下の周波数であり得る。整合器３８は、高周波電源１８の出力インピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるための整合回路を有している。
変圧器１００の端子１２８ａは、コンデンサ４０を介して、上部電極１４に接続されている。したがって、第２のコイル１０８の一端は、上部電極１４に接続されている。変圧器１００の端子１３０ａは、コンデンサ４２を介して、下部電極１６に接続されている。したがって、第３のコイル１１０の一端は、下部電極１６に接続されている。変圧器１００の端子１２４ｂ、端子１２８ｂ、及び、端子１３０ｂは、互いに接続されており、接地されている。したがって、第１のコイル１０４の他端、第２のコイル１０８の他端、及び、第３のコイル１１０の他端は、互いに接続されており、接地されている。
また、プラズマ処理装置１０は、制御部６０を更に備えている。制御部６０は、プロセッサ、メモリといった記憶装置、ディスプレイといった表示装置、キーボードといった入力装置、データ入出力装置といった要素を有するコンピュータ装置であり得る。制御部６０は、記憶装置に格納されている制御プログラム及びレシピにしたがって、プラズマ処理装置１０の各部を制御するよう構成されている。
このプラズマ処理装置１０においてプラズマ処理が行われる際には、被加工物Ｗが静電チャック２２によって保持される。また、ガス供給部３２からチャンバ１２ｃにガスが供給される。また、排気装置３６によってチャンバ１２ｃの圧力が減圧される。そして、チャンバ１２ｃ内に供給されたガスが、変圧器１００のからの出力高周波によって励起される。これによりチャンバ１２ｃにおいてプラズマが生成される。このプラズマ中からのラジカル及び／又はイオンによって被加工物Ｗが処理される。
チャンバ１２ｃにおいて生成されるプラズマの直流電位は、チャンバ本体１２の直流電位、上部電極１４の直流電位、及び、下部電極１６の直流電位よりも高い。下部電極１６の直流電位が、チャンバ本体１２の直流電位及び上部電極１４の直流電位よりも高ければ、被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーが低くなる。一方、下部電極１６の直流電位が、チャンバ本体１２の直流電位及び上部電極１４の直流電位よりも低ければ、被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーが高くなる。
このプラズマ処理装置１０では、高周波電源１８からの高周波に基づき生成される二つの高周波、即ち第１の高周波、第２の高周波を上部電極１４、下部電極１６にそれぞれ供給することができる。また、二次側コイル対１０６の回転方向の角度位置θｒを調整することにより、第１の高周波のパワー、第２の高周波のパワー、及び、第１の高周波と第２の高周波との間の位相を調整することができる。したがって、下部電極１６上の被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーを調整することが可能となる。例えば、上部電極１４からプラズマを介して下部電極１６に流入する電流（高周波電流）と逆位相の電流（高周波電流）が下部電極に供給されるように、角度位置θｒが設定される。これにより、下部電極１６上の被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーが抑制される。
以下、プラズマ処理装置１０の上部電極１４、下部電極１６、及び、チャンバ本体１２のそれぞれに流れる電流、並びに、上部電極１４及び下部電極１６それぞれの直流電位についての評価結果について説明する。評価に用いたプラズマ処理装置１０の上部電極１４と下部電極１６との間の距離は１９ｍｍであり、プラズマ処理装置１０は３００ｍｍの直径を有するウエハを処理可能な装置であった。また、この評価では、チャンバ１２ｃの圧力を８００ｍＴｏｒｒ（１０６．７Ｐａ）、高周波電源から第１のコイルに入力される高周波のパワーを１０００Ｗ、当該高周波の周波数を４５０ｋＨｚに設定した。また、チャンバ１２ｃに、４０ｓｃｃｍのＡｒガス、４０ｓｃｃｍのＯ２ガスを供給した。なお、上述した実施例の変圧器を用いた。この評価では、二次側コイル対の角度位置θｒを−４５度〜４５度の間の幾つかの角度位置に設定しつつ、上部電極１４、下部電極１６、及び、チャンバ本体１２のそれぞれにおける電流値、及び上部電極１４及び下部電極１６それぞれの直流電位Ｖｄｃを測定した。
図１１Ａに、角度位置θｒと上部電極１４、下部電極１６、及び、チャンバ本体１２のそれぞれにおける電流値との関係を示し、図１１Ｂに、角度位置θｒと上部電極１４及び下部電極１６それぞれの直流電位Ｖｄｃとの関係を示す。図１１Ａのグラフにおいて、「上部電極」の凡例で示されるプロットは上部電極１４における電流値を示しており、「下部電極」の凡例で示されるプロットは下部電極１６における電流値を示しており、「チャンバ本体」の凡例で示されるプロットはチャンバ本体１２における電流値を示している。また、図１１Ｂのグラフにおいて、「上部電極」の凡例で示されるプロットは上部電極１４の直流電位を示しており、「下部電極」の凡例で示されるプロットは下部電極１６の直流電位を示している。なお、以下の説明においては、上部電極１４からプラズマを介して下部電極１６及びチャンバ本体１２に流れる電流の向きを基準として、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す評価結果の説明を行う。
角度位置θｒが２７度のときには、上部電極１４に供給される第１の高周波のパワーが下部電極１６に供給されるパワーよりも大きいが、上部電極１４からの電流の一部が下部電極１６に流入し、流入した電流と同方向の電流が流れるような位相で第２の高周波が下部電極１６に供給されているので、これらの電流が足し合わせられる。したがって、角度位置θｒが２７度のときには、図１１Ａに示すように、上部電極１４と下部電極１６には略同等の電流値の電流が流れていた。また、角度位置θｒが２７度のときには、図１１Ｂに示すように、下部電極１６の直流電位は絶対値の大きな負値をとっていた。したがって、角度位置θｒが２７度のときには、下部電極１６上の被加工物に比較的高いエネルギーのイオンを照射することが可能であることが確認された。
角度位置θｒが０度のときには、下部電極１６に高周波は供給されないが、上部電極１４からの電流が部分的に下部電極１６に流入する。したがって、図１１Ａに示すように、下部電極１６の電流値はゼロではなかった。また、図１１Ｂに示すように、下部電極１６の直流電位は負の値をとっていた。したがって、角度位置θｒが０度のときには、被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーが最小にはならないことが確認された。
角度位置θｒが−２５度のときには、図１１Ａに示すように、下部電極１６には、上部電極１４から下部電極１６に流入する電流の電流値と同等の電流値の電流が第２のコイルから下部電極１６に供給され、これらの電流が互いに打ち消しあっていた。また、図１１Ｂに示すように、下部電極１６の直流電位は大きな正値をとっていた。したがって、角度位置θｒが−２５度のときには、被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーが大きく減少されることが確認された。以上の説明から理解されるように、変圧器１００を有するプラズマ処理装置１０によれば、下部電極１６上の被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーを微細に調整することが可能である。
以下、プラズマ処理装置１０を用いたプラズマ処理方法の実施形態について説明する。図１２は、一実施形態に係るプラズマ処理方法に関連するタイミングチャートを示す図である。なお、このプラズマ処理方法は、後述する幾つかの別の実施形態に係るプラズマ処理装置においても実施することが可能である。
図１２に示すように、このプラズマ処理方法は、工程ＳＴ１（第１工程）と工程ＳＴ２（第２工程）を含む。工程ＳＴ１と工程ＳＴ２は交互に繰り返される。工程ＳＴ１では、二次側コイル対１０６の回転方向の角度位置θｒが第１の角度位置に設定される。第１の角度位置は、被加工物に入射するイオンのエネルギーが比較的低くなる角度位置であり、例えば−２５度である。また、工程ＳＴ１では、チャンバ１２ｃにガスＡ及びガスＢが供給される。工程ＳＴ１におけるガスＡの流量は、第１の流量（例えば、５０ｓｃｃｍ）である。工程ＳＴ１におけるガスＢの流量は、第２の流量（例えば、１２０ｓｃｃｍ）である。ガスＡは、限定されるものではないが、アルゴンガスといった希ガスであり得る。ガスＢは、限定されるものではないが、例えば、成膜用の前駆体ガスであり得る。前駆体ガスは、例えば、シリコン含有ガスであり得る。また、工程ＳＴ１では、チャンバ１２ｃの圧力が比較的高い第１の圧力（例えば、２Ｔｏｒｒ（２６６．６Ｐａ））に設定される。また、高周波電源１８の高周波のパワーは第１のパワー（例えば、１０００Ｗ）に設定される。
工程ＳＴ１では、ガスＡ及びガスＢのプラズマが生成され、プラズマ中のイオン及び／又はラジカルが被加工物に照射される。工程ＳＴ１では、角度位置θｒが第１の角度位置に設定されるので、被加工物に照射されるイオンのエネルギーは比較的低い。したがって、ガスＢが前駆体ガスである場合には、前駆体及び被加工物上に形成された膜のダメージが抑制される。
工程ＳＴ２では、二次側コイル対１０６の回転方向の角度位置θｒが第２の角度位置に設定される。第２の角度位置は、被加工物に入射するイオンのエネルギーが比較的高くなる角度位置であり、例えば２７度である。また、工程ＳＴ２では、チャンバ１２ｃにガスＡが供給される。工程ＳＴ２におけるガスＡの流量は、例えば、上述の第１の流量である。工程ＳＴ２におけるガスＢの流量は、第３の流量、例えば０ｓｃｃｍである。また、工程ＳＴ２では、チャンバ１２ｃの圧力が比較的低い第２の圧力（例えば、０．８Ｔｏｒｒ（１０６．７Ｐａ））に設定される。また、高周波電源１８の高周波のパワーは第１のパワーよりも高い第２のパワー（例えば、１２００Ｗ）に設定される。
工程ＳＴ２では、ガスＡのプラズマが生成され、プラズマ中のイオン及び／又はラジカルが被加工物に照射される。工程ＳＴ２では、角度位置θｒが第２の角度位置に設定されるので、被加工物に照射されるイオンのエネルギーは比較的高い。したがって、ガスＢが前駆体ガスである場合には、工程ＳＴ１において被加工物上に形成された過剰な前駆体及び／又は前駆体中の不要な成分を除去することができる。このプラズマ処理方法によれば、ガスＢが前駆体ガスである場合には、原子層レベルの成膜を行うことができる。なお、このプラズマ処理方法は、原子層レベルの成膜での使用のみならず、他のプラズマ処理、例えば、原子層レベルのエッチングにおいても使用可能である。
また、このプラズマ処理方法では、工程間の遷移時に高周波電源１８からの第１のコイル１０４に対する高周波の供給を停止する必要がない。これは、変圧器１００が利用されているからであり、タップの切替を利用することなく、即ち、接点を利用することなく、角度位置θｒの調整により第２のコイル１０８における第１の高周波のパワー、第３のコイル１１０における第２の高周波のパワー、及び、それらの間の位相関係を変更することができるからである。したがって、このプラズマ処理方法によれば、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を交互に繰り返すプラズマ処理のスループットが高くなる。なお、このプラズマ処理方法は、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を含むサイクル中に別の工程を更に含んでいてもよい。
以下、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１３は、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１３は、図１０と同様に、第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示している。以下、第２の実施形態のプラズマ処理装置１０Ａとプラズマ処理装置１０の相違点について説明し、プラズマ処理装置１０に関する説明と重複する説明を省略する。
プラズマ処理装置１０Ａは、上部電極１４Ａを備えている。上部電極１４Ａは、第１の電極１４１（内側電極）及び第２の電極１４２（外側電極）を含んでいる。第１の電極１４１は、中心線ＣＬに交差している。第１の電極１４１は、円形の平面形状を有する。第１の電極１４１の中心線は中心線ＣＬと一致している。なお、中心線ＣＬは、チャンバ１２ｃの中心線であり、鉛直方向に延びている。第２の電極１４２は、中心線ＣＬに対して放射方向において第１の電極１４１の外側に設けられている。第２の電極１４２は、中心線ＣＬの周りで延在する環状の平面形状を有する。
変圧器１００の端子１２８ａは、コンデンサ４０Ａを介して、第１の電極１４１に接続されている。したがって、第２のコイル１０８の一端は、第１の電極１４１に接続されている。変圧器１００の端子１３０ａは、コンデンサ４２Ａを介して、第２の電極１４２に接続されている。したがって、第３のコイル１１０の一端は、第２の電極１４２に接続されている。
ここで、上部電極１４Ａから下部電極１６に流れる電流の向きと同方向に流れる電流は同位相の電流であるものとする。プラズマ処理装置１０Ａでは、第１の電極１４１及び第２の電極１４２のそれぞれに同位相の電流が供給されるように角度位置θｒが設定されると、中心線ＣＬに対して径方向のプラズマ密度の分布を調整することが可能である。一方、二つの二次側のコイルとチャンバ側の二つの電極の間で互いに逆方向に電流が供給されるよう、即ち、第１の電極１４１及び第２の電極１４２のそれぞれに互いに逆位相の電流が供給されるように、角度位置θｒが設定されると、第１の電極１４１と第２の電極１４２との間で電流が流れるようになる。その結果、下部電極１６に流れる電流が減少する。したがって、下部電極１６上の被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーが減少される。
このプラズマ処理装置１０Ａにおいても、上述した実施形態のプラズマ処理方法を実施することができる。プラズマ処理装置１０Ａにおいて当該プラズマ処理方法を実施する場合には、工程ＳＴ１において、第１の電極１４１及び第２の電極１４２のそれぞれに互いに逆位相の電流が供給されるように、角度位置θｒが設定される。工程ＳＴ２では、第１の電極１４１及び第２の電極１４２のそれぞれに同位相の電流が供給されるように角度位置θｒが設定される。
以下、第３の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１４は、第３の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１４は、図１０と同様に、第３の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示している。以下、第３の実施形態のプラズマ処理装置１０Ｂとプラズマ処理装置１０の相違点について説明し、プラズマ処理装置１０に関する説明と重複する説明を省略する。
プラズマ処理装置１０Ｂは、電極６２を更に備えている。電極６２は、第３実施形態における第２の電極である。電極６２は、上部電極１４よりもチャンバ本体１２の側壁の近くに設けられている。一実施形態では、電極６２は、上部電極１４とチャンバ本体１２の側壁の間に設けられており、例えば、環状の平面形状を有している。なお、電極６２の鉛直方向における配置位置は、ステージ２０よりも上方、且つ、上部電極１４の配置位置と略同レベル又は上部電極１４の配置位置よりも下方の位置であれば、任意の位置であり得る。
変圧器１００の端子１３０ａは、コンデンサ４２Ｂを介して、電極６２に接続されている。したがって、第３のコイル１１０の一端は、電極６２に接続されている。プラズマ処理装置１０Ｂでは、下部電極１６はコンデンサ４４Ｂの一端に接続されており、コンデンサ４４Ｂの他端は接地されている。
ここで、上部電極１４から下部電極１６に流れる電流の向きと同方向に流れる電流は同位相の電流であるものとする。プラズマ処理装置１０Ｂでは、上部電極１４と電極６２のそれぞれに同位相の電流が供給されるように角度位置θｒが設定されると、下部電極１６及びチャンバ本体１２に電流が流入するので、下部電極１６の電位が低くなる。したがって、下部電極１６上の被加工物に比較的高いエネルギーのイオンが照射される。一方、二つの二次側のコイルとチャンバ側の二つの電極の間で互いに逆方向に電流が供給されるよう、即ち、上部電極１４と電極６２のそれぞれに互いに逆位相の電流が供給されるように、角度位置θｒが設定されると、上部電極１４と電極６２との間で電流が流れるようになる。その結果、下部電極１６に流れる電流が減少する。したがって、下部電極１６上の被加工物Ｗに入射するイオンのエネルギーが減少される。このように、プラズマ処理装置１０Ｂによれば、下部電極１６に直接的に給電することなく、下部電極１６上の被加工物Ｗに照射されるイオンのエネルギーを調整することが可能となる。
このプラズマ処理装置１０Ｂにおいても、上述した実施形態のプラズマ処理方法を実施することができる。プラズマ処理装置１０Ｂにおいて当該プラズマ処理方法を実施する場合には、工程ＳＴ１において、上部電極１４及び電極６２のそれぞれに互いに逆位相の電流が供給されるように、角度位置θｒが設定される。工程ＳＴ２では、上部電極１４及び電極６２のそれぞれに同位相の電流が供給されるように角度位置θｒが設定される。
以下、第４の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１５は、第４の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１５は、図１０と同様に、第４の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示している。以下、第４の実施形態のプラズマ処理装置１０Ｃとプラズマ処理装置１０の相違点について説明し、プラズマ処理装置１０に関する説明と重複する説明を省略する。
プラズマ処理装置１０Ｃは、チャンバ１２ｃ２を提供するチャンバ本体１２Ｃ、上部電極１４Ｃ、並びに、下部電極１６Ｃ及び静電チャック２２Ｃを含むステージ２０Ｃを更に備えている。即ち、プラズマ処理装置１０Ｃは、第１のチャンバ（第１の処理空間）を提供する第１のチャンバ本体（第１の処理区画）、及び、第２のチャンバ（第２の処理空間）を提供する第２のチャンバ本体（第２の処理区画）を有している。また、プラズマ処理装置１０Ｃは、それらの間に第１のチャンバ内の空間が介在するように設けられた第１の上部電極及び第１の下部電極を備えており、それらの間に第２のチャンバ内の空間が介在するように設けられた第２の上部電極及び第２の下部電極を備えている。
チャンバ本体１２Ｃはチャンバ本体１２と同様に構成されおり、接地されている。上部電極１４Ｃは、上部電極１４と同様に構成されており、チャンバ本体１２Ｃの上端部の開口を閉じている。ステージ２０Ｃはステージ２０と同様に構成されており、チャンバ本体１２Ｃによって提供されるチャンバ内に設けられている。下部電極１６Ｃ、静電チャック２２Ｃは、下部電極１６、静電チャック２２とそれぞれ同様に構成されている。なお、プラズマ処理装置１０Ｃは、チャンバ本体１２Ｃの開口を開閉するためのゲートバルブ、チャンバ本体１２Ｃ内にガスを供給するガス供給部、及び、チャンバ本体１２Ｃ内のチャンバを減圧する排気装置を更に備えている。なお、第１の処理空間及び第２の処理空間は、互いに分離されたチャンバ本体１２及びチャンバ本体１２Ｃによってそれぞれ提供されてもよいが、簡易的な隔壁等によって一つのチャンバ本体内に画成される二つの処理空間として提供されてもよい。この場合には、第１の処理空間及び第２の処理空間の減圧のために、共通の１系統の排気装置のみが利用されてもよい。
変圧器１００の端子１３０ａは、コンデンサ４２Ｃを介して、上部電極１４Ｃに接続されている。したがって、第３のコイル１１０の一端は、上部電極１４Ｃに接続されている。プラズマ処理装置１０Ｃでは、下部電極１６及び下部電極１６Ｃはコンデンサ４４Ｃの一端に接続されており、コンデンサ４４Ｃの他端は接地されている。
プラズマ処理装置１０Ｃでは、高周波電源１８からの高周波に基づいて生成される二つの高周波を、二つのチャンバ用の二つの電極（１４，１４Ｃ）に分配することができる。
以下、第５の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１６は、第５の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１６は、図１５と同様に、第５の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示している。以下、第５の実施形態のプラズマ処理装置１０Ｄとプラズマ処理装置１０Ｃの相違点について説明し、プラズマ処理装置１０Ｃに関する説明と重複する説明を省略する。
プラズマ処理装置１０Ｄでは、端子１２８ａは、コンデンサ４０Ｄを介して上部電極１４Ｃに接続されている。端子１２８ｂは、コンデンサ４２Ｄを介して上部電極１４に接続されている。端子１３０ａは、コンデンサ４４Ｄを介して下部電極１６Ｃに接続されている。端子１３０ｂは、コンデンサ４６Ｄを介して下部電極１６に接続されている。したがって、第２のコイル１０８の一端、第２のコイル１０８の他端、第３のコイル１１０の一端、第３のコイル１１０の他端は、上部電極１４Ｃ、上部電極１４、下部電極１６Ｃ、下部電極１６にそれぞれ接続されている。
第２のコイル１０８の両端には同じ電流が流れ、第３のコイル１１０の両端には同じ電流が流れる。したがって、プラズマ処理装置１０では、上部電極１４と上部電極１４Ｃに同じ電流値の電流が供給される。また、下部電極１６と下部電極１６Ｃに同じ電流値の電流が供給される。故に、二つのチャンバそれぞれのための上部電極と下部電極に略同条件の高周波を供給することが可能である。即ち、機差が抑制される。また、上部電極１４と下部電極１６にそれぞれ供給される二つの高周波の各々の電力と当該二つの高周波の間の位相を制御することができ、上部電極１４Ｃと下部電極１６Ｃにそれぞれ供給される二つの高周波の各々の電力と二つの高周波の間の位相を制御できる。したがって、下部電極１６上の被加工物Ｗに照射されるイオンのエネルギーを調整することができ、下部電極１６Ｃ上の被加工物Ｗに照射されるイオンのエネルギーを調整することができる。
以下、第６の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１７は、第６の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１７は、図１５と同様に、第６の実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示している。以下、第６の実施形態のプラズマ処理装置１０Ｅとプラズマ処理装置１０Ｃの相違点について説明し、プラズマ処理装置１０Ｃに関する説明と重複する説明を省略する。
プラズマ処理装置１０Ｅでは、端子１２８ａは、コンデンサ４０Ｅを介して上部電極１４に接続されている。端子１２８ｂは、コンデンサ４２Ｅを介して下部電極１６に接続されている。端子１３０ａは、コンデンサ４４Ｅを介して上部電極１４Ｃに接続されている。端子１３０ｂは、コンデンサ４６Ｅを介して下部電極１６Ｃに接続されている。したがって、第２のコイル１０８の一端、第２のコイル１０８の他端、第３のコイル１１０の一端、第３のコイル１１０の他端は、上部電極１４、下部電極１６、上部電極１４Ｃ、下部電極１６Ｃにそれぞれ接続されている。
第２のコイル１０８の両端には同じ電流が流れるので、上部電極１４と下部電極１６のそれぞれに同じ電流値の電流が流れる。上部電極１４から下部電極１６に向かう電流の向きと同方向に流れる電流が同位相の電流であるもの定義すると、上部電極１４と下部電極１６には同位相の電流が流れる。また、第３のコイル１１０の両端には同じ電流が流れるので、上部電極１４Ｃと下部電極１６Ｃのそれぞれに同じ電流値の電流が流れる。上部電極１４Ｃから下部電極１６Ｃに向かう電流の向きと同方向に流れる電流が同位相の電流であるもの定義すると、上部電極１４Ｃと下部電極１６Ｃには同位相の電流が流れる。したがって、チャンバ本体１２に流れる電流、及び、チャンバ本体１２Ｃに流れる電流が抑制される。故に、チャンバ本体１２内では上部電極１４と下部電極１６との間でプラズマが閉じ込められ、チャンバ本体１２Ｃ内では上部電極１４Ｃと下部電極１６Ｃとの間でプラズマが閉じ込められる。結果的に、二つのチャンバにおいて安定したプラズマの生成が可能となる。
また、プラズマ処理装置１０Ｅでは、二次側コイル対１０６の角度位置θｒを調整することにより、上部電極１４及び下部電極１６に供給される第１の高周波のパワーと上部電極１４Ｃ及び下部電極１６Ｃに供給される第２の高周波のパワーの比を調整することができる。例えば、第１の高周波のパワーと第２の高周波のパワーを等しくすることも可能である。或いは、第１の高周波及び第２の高周波のうち一方のパワーのみをゼロにすることも可能である。
以下、第７の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１８は、第７の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１８は、図９と同様に、第７の実施形態に係るプラズマ処理装置を、そのチャンバ本体を破断して示している。以下、第７の実施形態のプラズマ処理装置１０Ｆとプラズマ処理装置１０の相違点について説明し、プラズマ処理装置１０に関する説明と重複する説明を省略する。
プラズマ処理装置１０Ｆは、誘導結合型のプラズマ処理装置である。プラズマ処理装置１０Ｆは、チャンバ本体１２Ｆを備えている。チャンバ本体１２Ｆは、チャンバ本体１２と同様に構成されている。チャンバ本体１２Ｆの上端部の開口は、窓部材７０によって閉じられている。窓部材７０は、石英といった誘電体から形成されている。窓部材７０上には、第１のアンテナコイル７２及び第２のアンテナコイル７４が設けられている。第１のアンテナコイル７２は、チャンバ本体１２Ｆによって提供されるチャンバ１２ｃの中心線ＣＬの周りで延在している。第２のアンテナコイル７４は、中心線ＣＬの周りで延在し、第１のアンテナコイル７２の外側に設けられている。
変圧器１００の端子１２８ａは、コンデンサ４０Ｆを介して第１のアンテナコイル７２の一端に接続されており、端子１２８ｂは、コンデンサ４２Ｆを介して第１のアンテナコイル７２の他端に接続されている。端子１３０ａは、コンデンサ４４Ｆを介して第２のアンテナコイル７４の一端に接続されており、端子１３０ｂは、コンデンサ４６Ｆを介して第２のアンテナコイル７４の他端に接続されている。下部電極１６はコンデンサ４８Ｆの一端に接続されており、コンデンサ４８Ｆの他端は接地されている。
プラズマ処理装置１０Ｆでは、第１のアンテナコイル７２に第２のコイル１０８から供給される第１の高周波の電力と第２のアンテナコイル７４に第３のコイル１１０から供給される第２の高周波の電力との比を調整することができる。第１のアンテナコイル７２によって生成される変動磁場は、主として、中心線ＣＬを含む領域のプラズマ密度の調整に寄与する。また、第２のアンテナコイル７４によって生成される変動磁場は、主として、中心線ＣＬから離れた領域のプラズマ密度の調整に寄与する。したがって、プラズマ処理装置１０Ｆによれば、チャンバ１２ｃにおけるプラズマ密度の径方向の分布を調整することが可能となる。
以下、第８の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１９は、第８の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１９は、図１８と同様に、第８の実施形態に係るプラズマ処理装置を、そのチャンバ本体を破断して示している。以下、第８の実施形態のプラズマ処理装置１０Ｇとプラズマ処理装置１０Ｆの相違点について説明し、プラズマ処理装置１０Ｆに関する説明と重複する説明を省略する。
プラズマ処理装置１０Ｇでは、窓部材７０上にアンテナコイル７２Ｇが設けられている。アンテナコイル７２Ｇは、中心線ＣＬの周りで延在している。変圧器１００の端子１２８ａは、コンデンサ４０Ｇを介してアンテナコイル７２Ｇの一端に接続されており、端子１２８ｂは、コンデンサ４２Ｇを介してアンテナコイル７２Ｇの他端に接続されている。端子１３０ａは、コンデンサ４４Ｇを介して下部電極１６に接続されている。端子１２８ｂ及び端子１３０ｂは接地されている。
プラズマ処理装置１０Ｇでは、高周波電源１８からの高周波に基づいて生成される二つの高周波のうち一方がアンテナコイル７２Ｇに供給され、他方が下部電極１６に供給される。即ち、二つの高周波のうち一方がプラズマ生成のために用いられ、他方がイオンエネルギーの制御のために用いられる。
なお、図２０に示すように、端子１３０ａは下部電極１６ではなく、ファラデーシールド８０に、コンデンサ４４Ｈを介して接続されていてもよい。図２０に示すプラズマ処理装置１０Ｈでは、ファラデーシールド８０は、アンテナコイル７２Ｇと窓部材７０との間に設けられている。また、図２１に示すように、端子１３０ａは下部電極１６ではなく、別の電極８２にコンデンサ４４Ｊを介して接続されていてもよい。図２１に示すプラズマ処理装置１０Ｊでは、電極８２は、チャンバ１２ｃ内に設けられている。プラズマ処理装置１０Ｈ及びプラズマ処理装置１０Ｊにおいても、被加工物Ｗに照射されるイオンのエネルギーの制御が可能となる。
以下、図２２を参照する。図２２は、第１の実施形態の変形態様に係るプラズマ処理装置を示す図である。図２２に示すプラズマ処理装置１０では、端子１２８ａ、即ち第２のコイル１０８の一端にセンサ９０が接続されており、端子１３０ａ、即ち、第３のコイル１１０の一端にセンサ９２が接続されている。センサ９０及びセンサ９２は、電流センサであり得る。
上述したように、被加工物Ｗに照射されるイオンのエネルギーは、上部電極１４の電流と下部電極１６の電流に依存している。図２２に示すプラズマ処理装置１０を用いることにより、変圧器１００の二次側コイル対の角度位置θｒを変更しつつ、上部電極１４の電流値と下部電極１６の電流値を測定することができる。そして、下部電極１６に流れる電流の値が極小となったときの角度位置においてイオンエネルギーが最小になり、下部電極１６に流れる電流の値が極大となったときの角度位置においてイオンエネルギーが最大になるという関係を導くことができる。さらに、イオンエネルギーが最小になる角度位置とイオンエネルギーが最大になる角度位置との間の複数の角度位置θｒのそれぞれで実際のプロセスと同様のプロセスを行うことにより、プロセスに適した角度位置θｒを導くことができる。このようにして導かれたプロセスに適した角度位置θｒを当該プロセスのためのレシピの一部として制御部６０の記憶装置に記憶することができる。
プラズマ処理装置１０Ａ及びプラズマ処理装置１０Ｂにおいても、第２のコイル１０８の一端にセンサ９０が接続され、第３のコイル１１０の一端にセンサ９２が接続されてもよい。そして、上述したように、プロセスに適した角度位置θｒが導かれて、当該プロセスのためのレシピの一部として制御部６０の記憶装置に記憶されてもよい。
また、プラズマ処理装置１０Ｃにおいても、第２のコイル１０８の一端にセンサ９０が接続され、第３のコイル１１０の一端にセンサ９２が接続されてもよい。また、プラズマ処理装置１０、プラズマ処理装置１０Ａ、プラズマ処理装置１０Ｂ、及び、プラズマ処理装置１０Ｃの各々では、センサ９０によって測定された電流値及びセンサ９２によって測定された電流値に基づき、角度位置θｒが制御されてもよい。具体的には、第１の目標電流値及び第２の目標電流値が制御部６０の記憶装置に予め記憶される。そして、センサ９０によって測定された電流値と第１の目標電流値の差、及び、センサ９２によって測定された電流値と第２の目標電流値との差を減少させるように、制御部６０が駆動機構１４０を制御して角度位置θｒを調整させる。
なお、センサ９０及びセンサ９２の少なくとも一方のみが利用されればよい。また、センサ９０及びセンサ９２は、電圧センサであってもよい。また、プラズマ処理装置１０Ｄ及びプラズマ処理装置１０Ｅの各々においても、第２のコイル１０８の一端又は他端の少なくとも一方にセンサ（電流センサ又は電圧センサ）が接続されていてもよく、さらに、第３のコイル１１０の一端又は他端の少なくとも一方にセンサ（電流センサ又は電圧センサ）が接続されていてもよい。そして、上述したように、プロセスに適した角度位置θｒが導かれて、当該プロセスのためのレシピの一部として制御部６０の記憶装置に記憶されてもよい。また、上述したように、センサによって測定された電流値と目標電流値との差を減少させるよう、制御部６０が駆動機構１４０を制御して角度位置θｒを調整してもよい。
１０…プラズマ処理装置、１２…チャンバ本体、１２ｃ…チャンバ、ＣＬ…中心線、１４…上部電極、１６…下部電極、１８…高周波電源、２０…ステージ、２２…静電チャック、３２…ガス供給部、３６…排気装置、３８…整合器、６０…制御部、１００…変圧器、１０２…回転軸、ＲＸ…中心軸線、１０４…第１のコイル、ＡＸ１…第１の軸線、１０６…二次側コイル対、１０８…第２のコイル、ＡＸ２…第２の軸線、１１０…第３のコイル、ＡＸ３…第３の軸線、１４０…駆動機構。

Claims (26)

  1. その中心軸線を回転軸線として回転可能な回転軸と、
    前記中心軸線に直交する第１の軸線周りに延在する一次側のコイルである第１のコイルと、
    第２の軸線周りに延在し、前記回転軸によって支持された二次側の第２のコイルであり、該第２の軸線は前記第１のコイルによって囲まれた領域内で前記中心軸線に直交する、該第２のコイルと、
    第３の軸線周りに延在し、前記回転軸によって支持された二次側の第３のコイルであり、該第３の軸線は、前記領域内で前記中心軸線に直交し且つ前記第２の軸線と所定の角度をなす、該第３のコイルと、
    を備える変圧器。
  2. 前記第１のコイルは、前記第２のコイルの自己インダクタンス及び前記第３のコイルの自己インダクタンスよりも大きい自己インダクタンスを有する、請求項１に記載の変圧器。
  3. 前記第２のコイル及び前記第３のコイルは、前記第１のコイルの内側に設けられている、請求項２に記載の変圧器。
  4. 前記第３のコイルは、前記第２のコイルの内側に設けられており、前記第２のコイルの自己インダクタンスよりも小さい自己インダクタンスを有する、請求項１〜３の何れか一項に記載の変圧器。
  5. 前記所定の角度が９０度である、請求項１〜４の何れか一項に記載の変圧器。
  6. 前記第２のコイルと前記第３のコイルは、それらの間に絶縁距離が確保されるように配置されている、請求項１〜５の何れか一項に記載の変圧器。
  7. 前記第１のコイルの他端、前記第２のコイルの他端、及び、前記第３のコイルの他端が互いに電気的に接続されている、請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器。
  8. 容量結合型のプラズマ処理装置であって、
    チャンバを提供するチャンバ本体と、
    上部電極である第１の電極と、
    下部電極である第２の電極と、
    高周波電源と、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器と、
    を備え、
    前記高周波電源は前記第１のコイルに電気的に接続されており、
    前記第１の電極は前記第２のコイルの一端に電気的に接続されており、
    前記第２の電極は前記第３のコイルの一端に電気的に接続されている、
    プラズマ処理装置。
  9. 容量結合型のプラズマ処理装置であって、
    チャンバを提供するチャンバ本体と、
    上部電極と、
    下部電極と、
    高周波電源と、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器と、
    を備え、
    前記上部電極は、鉛直方向において延びる前記チャンバの中心線に交差する第１の電極、及び、前記中心線に対して放射方向において該第１の電極の外側に設けられた第２の電極を含み、
    前記高周波電源は前記第１のコイルに電気的に接続されており、
    前記第１の電極は前記第２のコイルの一端に電気的に接続されており、
    前記第２の電極は前記第３のコイルの一端に電気的に接続されている、
    プラズマ処理装置。
  10. 容量結合型のプラズマ処理装置であって、
    チャンバを提供するチャンバ本体と、
    上部電極である第１の電極と、
    下部電極と、
    前記上部電極よりも前記チャンバ本体の側壁の近くに設けられた第２の電極と、
    高周波電源と、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器と、
    を備え、
    前記高周波電源は前記第１のコイルに電気的に接続されており、
    前記第１の電極は前記第２のコイルの一端に電気的に接続されており、
    前記第２の電極は前記第３のコイルの一端に電気的に接続されている、
    プラズマ処理装置。
  11. 前記第１の電極からプラズマを介して前記第２の電極に流入する高周波電流と逆位相の高周波電流が該第２の電極に供給されるように、前記第２のコイル及び前記第３のコイルを含む二次側コイル対の回転方向の角度位置が設定される、請求項８〜１０の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  12. 容量結合型のプラズマ処理装置であって、
    第１の処理空間を提供する第１の処理区画と、
    第２の処理空間を提供する第２の処理区画と、
    それらの間に前記第１の処理空間内の空間が介在するように設けられた第１の上部電極及び第１の下部電極と、
    それらの間に前記第２の処理空間内の空間が介在するように設けられた第２の上部電極及び第２の下部電極と、
    高周波電源と、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器と、
    を備え、
    前記高周波電源は前記第１のコイルに電気的に接続されており、
    前記第１の上部電極又は前記第１の下部電極の一方である第１の電極は前記第２のコイルの一端に電気的に接続されており、
    前記第２の上部電極又は前記第２の下部電極の一方である第２の電極は前記第３のコイルの一端に電気的に接続されている、
    プラズマ処理装置。
  13. 前記第１の電極と前記第２のコイルの前記一端との間、前記第２の電極と前記第３のコイルの前記一端との間にそれぞれ接続された二つのコンデンサを更に備える、請求項８〜１２の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  14. 前記第２のコイルの前記一端及び前記第３のコイルの前記一端のうち一方に接続されたセンサを備え、該センサは電流センサ又は電圧センサである、請求項８〜１３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  15. 前記第２のコイルの前記一端及び前記第３のコイルの前記一端のうち他方に接続された別のセンサを備え、該別のセンサは電流センサ又は電圧センサである、請求項１４に記載のプラズマ処理装置。
  16. 容量結合型のプラズマ処理装置であって、
    第１の処理空間を提供する第１の処理区画と、
    第２の処理空間を提供する第２の処理区画と、
    それらの間に前記第１の処理空間内の空間が介在するように設けられた第１の上部電極及び第１の下部電極と、
    それらの間に前記第２の処理空間内の空間が介在するように設けられた第２の上部電極及び第２の下部電極と、
    高周波電源と、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器と、
    を備え、
    前記高周波電源は前記第１のコイルに電気的に接続されており、
    前記第１の上部電極である第１の電極は前記第２のコイルの一端に電気的に接続されており、
    前記第２の上部電極である第２の電極は前記第２のコイルの他端に電気的に接続されており、
    前記第１の下部電極である第３の電極は前記第３のコイルの一端に電気的に接続されており、
    前記第２の下部電極である第４の電極は前記第３のコイルの他端に電気的に接続されている、
    プラズマ処理装置。
  17. 容量結合型のプラズマ処理装置であって、
    第１の処理空間を提供する第１の処理区画と、
    第２の処理空間を提供する第２の処理区画と、
    それらの間に前記第１の処理空間内の空間が介在するように設けられた第１の上部電極及び第１の下部電極と、
    それらの間に前記第２の処理空間内の空間が介在するように設けられた第２の上部電極及び第２の下部電極と、
    高周波電源と、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器と、
    を備え、
    前記高周波電源は前記第１のコイルに電気的に接続されており、
    前記第１の上部電極である第１の電極は前記第２のコイルの一端に電気的に接続されており、
    前記第１の下部電極である第２の電極は前記第２のコイルの他端に電気的に接続されており、
    前記第２の上部電極である第３の電極は前記第３のコイルの一端に電気的に接続されており、
    前記第２の下部電極である第４の電極は前記第３のコイルの他端に電気的に接続されている、
    プラズマ処理装置。
  18. 前記第１の電極と前記第２のコイルの前記一端との間、前記第２の電極と前記第２のコイルの前記他端との間、前記第３の電極と前記第３のコイルの前記一端との間、前記第４の電極と前記第３のコイルの前記他端との間にそれぞれ接続された四つのコンデンサを更に備える、請求項１６又は１７に記載のプラズマ処理装置。
  19. 電流センサ又は電圧センサである複数のセンサを更に備え、
    前記複数のセンサは、前記第２のコイルの前記一端及び前記他端のうち一方、並びに、前記第３のコイルの前記一端及び前記他端のうち一方にそれぞれ接続された二つのセンサを含む、
    請求項１７〜１８の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  20. 前記複数のセンサは、前記第２のコイルの前記一端及び前記他端のうち他方、並びに、前記第３のコイルの前記一端及び前記他端のうち他方にそれぞれ接続された別の二つのセンサを更に含む、請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
  21. 誘導結合型のプラズマ処理装置であって、
    チャンバを提供するチャンバ本体と、
    前記チャンバ内に設けられた下部電極と、
    前記下部電極の上方に設けられた窓部材と、
    前記窓部材の上方に設けられており、鉛直方向に延びる前記チャンバの中心線の周りで延在する第１のアンテナコイルと、
    前記窓部材の上方に設けられており、前記中心線の周りで延在し、前記第１のアンテナコイルの外側に設けられた第２のアンテナコイルと、
    高周波電源と、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器と、
    を備え、
    前記高周波電源は前記第１のコイルに電気的に接続されており、
    前記第２のコイルの一端及び他端は、前記第１のアンテナコイルの一端及び他端にそれぞれ電気的に接続されており、
    前記第３のコイルの一端及び他端は、前記第２のアンテナコイルの一端及び他端にそれぞれ電気的に接続されている、
    プラズマ処理装置。
  22. 前記第２のコイルの前記一端と前記第１のアンテナコイルの前記一端との間、前記第２のコイルの前記他端と前記第１のアンテナコイルの前記他端との間、前記第３のコイルの前記一端と前記第２のアンテナコイルの前記一端との間、前記第３のコイルの前記他端と前記第２のアンテナコイルの前記他端との間にそれぞれ接続された複数のコンデンサを更に備える、請求項２１に記載のプラズマ処理装置。
  23. 誘導結合型のプラズマ処理装置であって、
    チャンバを提供するチャンバ本体と、
    前記チャンバ内に設けられた下部電極と、
    前記下部電極の上方に設けられた窓部材と、
    前記窓部材の上方に設けられたアンテナコイルと、
    高周波電源と、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の変圧器と、
    を備え、
    前記高周波電源は前記第１のコイルに電気的に接続されており、
    前記第２のコイルの一端及び他端は、前記アンテナコイルの一端及び他端にそれぞれ電気的に接続されており、
    前記第３のコイルの一端は、前記下部電極に電気的に接続されている、
    プラズマ処理装置。
  24. 前記第１のコイルの自己共振周波数は、前記高周波電源が発生する高周波の周波数の２倍以上である、請求項８〜２３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  25. 前記第２のコイルは該第２のコイルに接続される負荷の負荷インピーダンスよりも大きい自己インダクタンスを有し、前記第３のコイルは該第３のコイルに接続される負荷の負荷インピーダンスよりも大きい自己インダクタンスを有する、
    請求項８〜２４の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  26. 請求項８〜１０の何れか一項に記載されたプラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法であって、前記第２のコイルの他端及び前記第３のコイルの他端は互いに接続されて、且つ、接地されており、
    該プラズマ処理方法は、
    前記第２のコイル及び前記第３のコイルを含む二次側コイル対の回転方向の角度位置を第１の角度位置に設定する第１工程と、
    前記二次側コイル対の回転方向の角度位置を第２の角度位置に設定する第２工程と、
    を含み、
    前記第１工程と前記第２工程が、前記第１のコイルに前記高周波電源からの高周波を供給している状態で、交互に繰り返される、
    プラズマ処理方法。
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