JP2017204467A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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】イオンエネルギー分布を広げることなく、イオンエネルギーを制御し、低圧かつ低プラズマ密度の環境の下でプラズマを安定的に維持すること。【解決手段】プラズマ処理装置１０は、処理容器１２と、搬送波群生成部６２と、下部電極ＬＥとを有する。搬送波群生成部６２は、周波数領域において周波数が異なる複数の搬送波から成る搬送波群であって、時間領域において第１ピーク部分と第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される搬送波群を生成する。下部電極ＬＥは、搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成する。【選択図】図１

Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、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。
従来、高周波電源によって生成される高周波電力を用いて処理容器内にプラズマを生成するプラズマ処理装置が知られている。なお、周波数が異なる複数の高周波電力を複数の高周波電源によって生成する技術もある。
特開２０１２−１５５３４号公報
しかしながら、高周波電源によって生成される高周波電力を用いて処理容器内にプラズマを生成する場合、低圧かつ低プラズマ密度の環境の下でプラズマを安定的に維持することが困難であるという問題がある。例えば、低圧の環境の下でプラズマを維持するためには、高周波電源によって生成される高周波電力を増加させることが考えられる。高周波電力が増加されると、処理容器内の電界が増大するので、プラズマの電離が加速され、プラズマ密度が過度に増加してしまう恐れがある。
一方で、プラズマ密度の過度な増加を抑えるために、プラズマの生成（着火）後に、高周波電力をプラズマの生成（着火）時の値よりも小さい値に減少させることが考えられる。しかしながら、高周波電力を減少させた場合、処理容器内の電界が低下するので、プラズマを維持するために十分な電界が確保されず、プラズマが消滅してしまう恐れがある。この点において、従来のＣＣＰ（Capacitively Coupled Plasma）型プラズマ装置で高いイオンエネルギーを得るためには、周波数を低周波にする必要があったが、反面、イオンエネルギー分布が大きく広がり、イオンエネルギーの分布を抑えて正確にイオンエネルギーを制御することは困難であった。
開示するプラズマ処理装置は、１つの実施態様において、処理容器と、周波数領域において周波数が異なる複数の搬送波から成る搬送波群であって、時間領域において第１ピーク部分と前記第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される前記搬送波群を生成する搬送波群生成部と、前記搬送波群を用いて、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成部とを有する。
開示するプラズマ処理装置の１つの態様によれば、波形を制御することにより、イオンエネルギーの絶対値およびイオンエネルギーの分布を狭く制御することができ、低圧かつ低プラズマ密度の環境の下でプラズマを安定的に維持することができるという効果を奏する。
図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 図２は、第１実施形態における搬送波群生成部の構成例を示すブロック図である。 図３は、周波数領域における搬送波群の波形の一例を示す図である。 図４は、時間領域における搬送波群の波形の一例を示す図である。 図５は、搬送波群の中心周波数ｆｃに対応する搬送波の振幅値と、搬送波群の中心周波数ｆｃに応じた搬送波以外の搬送波の振幅値との比の説明に供する図である。 図６は、比Ａｏ／Ａｃに応じた、第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰの変動を示す図である。 図７は、比Ａｏ／Ａｃに応じた、第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰの変動を示す図である。 図８は、比Ａｏ／Ａｃに応じた、第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰの変動を示す図である。 図９は、数Ｎに応じた、第１ピーク部分Ｐ１のデューティ比の変動を示す図である。 図１０は、数Ｎに応じた、第１ピーク部分Ｐ１のデューティ比の変動を示す図である。 図１１は、周波数間隔Δｆに応じた、互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴの変動を示す図である。 図１２は、周波数間隔Δｆに応じた、互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴの変動を示す図である。 図１３は、搬送波群による作用を説明するための図である。 図１４は、第１実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャートである。 図１５は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置による効果（プラズマの維持）の説明に供する図である。 図１６は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置による効果（イオンエネルギー分布）の説明に供する図である。 図１７は、変形例１の説明に供する図である。 図１８は、変形例１の説明に供する図である。 図１９は、変形例２の説明に供する図である。 図２０は、変形例２の説明に供する図である。 図２１は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 図２２は、第２実施形態における搬送波群生成部を示す図である。 図２３は、各生成回路で生成される搬送波の周波数の一例を示す図である。 図２４は、搬送波の合成の一例を示す図である。 図２５は、搬送波の数Ｎ毎の搬送波群の電気信号の波形の一例を示す図である。 図２６は、周波数間隔Δｆ毎の搬送波群の電気信号の波形の一例を示す図である。 図２７は、搬送波の振幅を変化させた場合の搬送波群の電気信号の波形の一例を示す図である。 図２８Ａは、搬送波の指定の一例を示す図である。 図２８Ｂは、搬送波の指定の一例を示す図である。 図２８Ｃは、搬送波の指定の一例を示す図である。 図２８Ｄは、搬送波の指定の一例を示す図である。 図２９は、下部電極へ供給する電力の一例を示す図である。 図３０は、高アスペクト比のプラズマエッチングを行う場合に発生する問題の一例を示す図である。 図３１は、下部電極へ供給する電圧の一例を示す図である。 図３２は、プラズマエッチングされた高アスペクト比のコンタクトホールの一例を示す図である。 図３３Ａは、デューティ比とエッチングレートとの関係を説明する図である。 図３３Ｂは、デューティ比と電源の容量との関係を説明する図である。 図３４は、下部電極へ供給する電圧の一例を示す図である。 図３５は、エッチングレートの比較結果の一例を示す図である。
以下、図面を参照して本願の開示するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法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付すこととする。また、本実施形態により開示する発明が限定されるものではない。各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。図１に示すプラズマ処理装置１０は、容量結合プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）を用いたプラズマ処理装置として構成される。プラズマ処理装置１０は、略円筒状の処理容器１２を備えている。処理容器１２の内壁面は、例えば、陽極酸化処理されたアルミニウムから構成されている。この処理容器１２は保安接地されている。
処理容器１２の底部上には、略円筒状の支持部１４が設けられている。支持部１４は、例えば、絶縁材料から構成されている。支持部１４は、処理容器１２内において、処理容器１２の底部から鉛直方向に延在している。また、処理容器１２内には、載置台ＰＤが設けられている。載置台ＰＤは、支持部１４によって支持されている。
載置台ＰＤは、その上面においてウエハＷを保持する。載置台ＰＤは、下部電極ＬＥ及び静電チャックＥＳＣを有している。下部電極ＬＥは、第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂを含んでいる。第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂは、例えばアルミアルミニウムといった金属から構成されており、略円盤形状をなしている。第２プレート１８ｂは、第１プレート１８ａ上に設けられており、第１プレート１８ａに電気的に接続されている。
第２プレート１８ｂ上には、静電チャックＥＳＣが設けられている。静電チャックＥＳＣは、導電膜である電極を一対の絶縁層又は絶縁シート間に配置した構造を有している。静電チャックＥＳＣの電極には、直流電源２２がスイッチ２３を介して電気的に接続されている。この静電チャックＥＳＣは、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力によりウエハＷを吸着する。これにより、静電チャックＥＳＣは、ウエハＷを保持することができる。
第２プレート１８ｂの周縁部上には、ウエハＷのエッジ及び静電チャックＥＳＣを囲むようにフォーカスリングＦＲが配置されている。フォーカスリングＦＲは、エッチングの均一性を向上させるために設けられている。フォーカスリングＦＲは、エッチング対象の膜の材料によって適宜選択される材料から構成されており、例えば、石英から構成され得る。
第２プレート１８ｂの内部には、冷媒流路２４が設けられている。冷媒流路２４は、温調機構を構成している。冷媒流路２４には、処理容器１２の外部に設けられたチラーユニットから配管２６ａを介して冷媒が供給される。冷媒流路２４に供給された冷媒は、配管２６ｂを介してチラーユニットに戻される。このように、冷媒流路２４には、冷媒が循環するよう、供給される。この冷媒の温度を制御することにより、静電チャックＥＳＣによって支持されたウエハＷの温度が制御される。
また、プラズマ処理装置１０には、ガス供給ライン２８が設けられている。ガス供給ライン２８は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスを、静電チャックＥＳＣの上面とウエハＷの裏面との間に供給する。
また、プラズマ処理装置１０は、上部電極３０を備えている。上部電極３０は、載置台ＰＤの上方において、当該載置台ＰＤと対向配置されている。下部電極ＬＥと上部電極３０とは、互いに略平行に設けられている。これら上部電極３０と下部電極ＬＥとの間には、ウエハＷにプラズマ処理を行うための処理空間Ｓが提供されている。
上部電極３０は、絶縁性遮蔽部材３２を介して、処理容器１２の上部に支持されている。また、上部電極３０は、ＧＮＤに接続されている。一実施形態では、上部電極３０は、載置台ＰＤの上面、即ち、ウエハ載置面からの鉛直方向における距離が可変であるように構成され得る。上部電極３０は、電極板３４及び電極支持体３６を含み得る。電極板３４は処理空間Ｓに面しており、当該電極板３４には複数のガス吐出孔３４ａが設けられている。この電極板３４は、一実施形態では、シリコンから構成されている。
電極支持体３６は、電極板３４を着脱自在に支持するものであり、例えばアルミニウムといった導電性材料から構成され得る。この電極支持体３６は、水冷構造を有し得る。電極支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。このガス拡散室３６ａからは、ガス吐出孔３４ａに連通する複数のガス通流孔３６ｂが下方に延びている。また、電極支持体３６には、ガス拡散室３６ａに処理ガスを導くガス導入口３６ｃが形成されており、このガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続されている。
ガス供給管３８には、バルブ群４２及び流量制御器群４４を介して、ガスソース群４０が接続されている。ガスソース群４０は、フルオロカーボンガスのソース、希ガスのソース、及び、酸素（Ｏ２）ガスのソースといった複数のガスソースを含んでいる。フルオロカーボンガスは、例えば、Ｃ４Ｆ６ガス及びＣ４Ｆ８ガスのうち少なくとも一種を含むガスである。また、希ガスは、Ａｒガス、Ｈｅガスといった種々の希ガスのうち少なくとも一種を含むガスである。
バルブ群４２は複数のバルブを含んでおり、流量制御器群４４はマスフローコントローラといった複数の流量制御器を含んでいる。ガスソース群４０の複数のガスソースはそれぞれ、バルブ群４２の対応のバルブ及び流量制御器群４４の対応の流量制御器を介して、ガス供給管３８に接続されている。
また、プラズマ処理装置１０では、処理容器１２の内壁に沿ってデポシールド４６が着脱自在に設けられている。デポシールド４６は、支持部１４の外周にも設けられている。デポシールド４６は、処理容器１２にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するものであり、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。
処理容器１２の底部側、且つ、支持部１４と処理容器１２の側壁との間には排気プレート４８が設けられている。排気プレート４８は、例えば、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。この排気プレート４８の下方、且つ、処理容器１２には、排気口１２ｅが設けられている。排気口１２ｅには、排気管５２を介して排気装置５０が接続されている。排気装置５０は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、処理容器１２内の空間を所望の真空度まで減圧することができる。また、処理容器１２の側壁にはウエハＷの搬入出口１２ｇが設けられており、この搬入出口１２ｇはゲートバルブ５４により開閉可能となっている。
また、プラズマ処理装置１０は、図１に示すように、搬送波群生成部６２と、増幅器６４と、整合器６６とを有する。
搬送波群生成部６２は、搬送波群を生成する。搬送波群生成部６２によって生成される搬送波群は、周波数領域において周波数が異なる複数の搬送波から成る。また、搬送波群生成部６２によって生成される搬送波群は、時間領域において第１ピーク部分と第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される。搬送波群生成部６２により生成される搬送波群の詳細については、後述される。
搬送波群生成部６２は、図２に示すように、波形データ生成部７１と、量子化部７２と、逆フーリエ変換部７３と、Ｄ（Digital）／Ａ（Analog）変換部７４，７５と、ＬＰＦ（Low Pass Filter）７６，７７と、変調部７８とを有する。なお、図２は、第１実施形態における搬送波群生成部の構成例を示すブロック図である。
波形データ生成部７１は、波形データを生成する。波形データ生成部７１は、例えば図示しない入力装置から、波形データを生成するためのパラメータ（例えば、周波数や位相等）を取得し、取得したパラメータを用いて波形データを生成する。そして、波形データ生成部７１は、生成した波形データを量子化部７２へ出力する。
量子化部７２は、波形データ生成部７１から入力される波形データを量子化する。逆フーリエ変換部７３は、量子化部７２により量子化された波形データを逆フーリエ変換することによって、波形データの同相成分データ（Ｉデータ：In-Phase component）及び逆相成分データ（Ｑデータ：Quadrature component）を分離する。逆フーリエ変換部７３により分離された波形データのＩデータ及びＱデータは、Ｄ／Ａ変換部７４，７５によってＤ／Ａ変換され、ＬＰＦ７６，７７を経て、変調部７８へ入力される。
変調部７８は、互いに９０°位相が異なる基準搬送波を、波形データのＩデータ及びＱデータを用いて変調することによって、上記の搬送波群を生成する。具体的には、変調部７８は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）発振器８１と、移相器８２と、乗算器８３，８４と、加算器８５とを有する。
ＰＬＬ発振器８１は、基準搬送波を生成し、生成した基準搬送波を移相器８２及び乗算器８３へ出力する。移相器８２は、ＰＬＬ発振器８１から入力される基準搬送波の位相を９０°シフトし、位相が９０°シフトされた基準搬送波を乗算器８４へ出力する。乗算器８３は、ＬＰＦ７６から入力されるＩデータと、ＰＬＬ発振器８１から入力される基準搬送波とを乗算する。乗算器８４は、ＬＰＦ７７から入力されるＱデータと、移相器８２から入力される基準搬送波とを乗算する。加算器８５は、乗算器８３の乗算結果と、乗算器８４の乗算結果とを加算することによって、搬送波群を生成する。
ここで、搬送波群生成部６２における搬送波群の生成処理の一例を数式を用いて説明する。波形データ生成部７１により生成される波形データは、予めディジタル化された符号の列である。ある時刻ｔにおける波形データＸ（ｔ）は、以下の式（１）により表される。
Ｘ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ＋θ０） ・・・ （１）
ただし、Ａ（ｔ）：ある時刻ｔにおける振幅、
ω：角速度
θ０：初期位相
上記式（１）を加法定理を用いて展開することで、以下の式（２）が導出される。
Ｘ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｃｏｓωｔ・ｃｏｓθ０−Ａ（ｔ）ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ０
・・・ （２）
波形データＸ（ｔ）のＩデータＩ（ｔ）は、以下の式（３）により表される。また、波形データＸ（ｔ）のＱデータＱ（ｔ）は、以下の式（４）により表される。
Ｉ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｃｏｓθ０ ・・・ （３）
Ｑ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｓｉｎθ０ ・・・ （４）
上記式（２）〜（４）により、以下の式（５）が導出される。
Ｘ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）ｃｏｓωｔ−Ｑ（ｔ）ｓｉｎωｔ ・・・ （５）
上記の式（５）は、全ての波形データＸ（ｔ）がＩデータＩ（ｔ）及びＱデータＱ（ｔ）により表されることを意味する。
搬送波群生成部６２では、まず、量子化部７２により波形データＸ（ｔ）が量子化され、次に、逆フーリエ変換部７３により逆フーリエ変換されることで、ＩデータＩ（ｔ）とＱデータＱ（ｔ）とが分離される。そして、ＩデータＩ（ｔ）及びＱデータＱ（ｔ）の各々が、Ｄ／Ａ変換部７４，７５によりＤ/Ａ変換され、低周波成分のみを通過させるＬＰＦ７６，７７へ入力される。一方、変調部７８のＰＬＬ発振器８１から発振される中心周波数（ｆｃ)の基準搬送波（例えば、マイクロ波）から、互いに９０°位相が異なる２つの基準搬送波ｃｏｓωｔ、−ｓｉｎωｔが生成される。そして、変調部７８において、ＬＰＦ７６，７７から出力されるＩデータＩ（ｔ）及びＱデータＱ（ｔ）を用いて、互いに９０°位相が異なる基準搬送波ｃｏｓωｔ、−ｓｉｎωｔが変調されることによって、搬送波群が生成される。すなわち、ＩデータＩ（ｔ）に基準搬送波（ｃｏｓωｔ）が乗算され、ＱデータＱ（ｔ）に基準搬送波（−ｓｉｎωｔ）が乗算され、２つの乗算結果が加算されることによって、搬送波群が生成される。
図１の説明に戻る。増幅器６４は、搬送波群生成部６２により生成される搬送波群を増幅し、増幅した搬送波群を整合器６６を介して下部電極ＬＥへ供給する。整合器６６は、搬送波群生成部６２の出力インピーダンスと負荷側（下部電極ＬＥ側）の入力インピーダンスを整合する。なお、増幅器６４は、振幅が変化する波形を歪みなく増幅するために直線性の高い増幅器である必要がある。また、増幅器６４および整合器６６は、本発明の周波数帯域において周波数特性が良好であることと、位相歪みが少ないことが望ましい。
このように構成されたプラズマ処理装置１０では、上部電極３０の電極板３４のガス吐出孔３４ａから処理容器１２内にガスが導入される。また、搬送波群生成部６２により生成される搬送波群が、増幅器６４及び整合器６６を介して下部電極ＬＥへ供給される。下部電極ＬＥに搬送波群が供給されると、下部電極ＬＥと上部電極３０との間の処理空間Ｓに電界が形成される。処理容器１２内に導入されたガスは、処理空間Ｓに形成された電界によりプラズマ化され、処理空間Ｓにてプラズマが生成される。このとき、下部電極ＬＥは、搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成するプラズマ生成部として機能する。
また、一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、制御部Ｃｎｔを更に備え得る。この制御部Ｃｎｔは、プロセッサ、記憶部、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであり、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。この制御部Ｃｎｔでは、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置１０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができ、また、表示装置により、プラズマ処理装置１０の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、制御部Ｃｎｔの記憶部には、プラズマ処理装置１０で実行される各種処理をプロセッサにより制御するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置１０の各部に処理を実行させるためのプログラム、即ち、処理レシピが格納される。
次に、搬送波群生成部６２により生成される搬送波群の詳細について、図３〜図１２を用いて説明する。図３は、周波数領域における搬送波群の波形の一例を示す図である。図４は、時間領域における搬送波群の波形の一例を示す図である。なお、図３において、横軸は、周波数を示し、縦軸は、振幅を示す。また、図４において、横軸は、時間を示し、縦軸は、振幅を示す。また、図３及び図４において、振幅は正規化されているものとする。
図３に示す搬送波群は、周波数領域において周波数が異なる複数の搬送波ｆ１〜ｆ７から成る。複数の搬送波ｆ１〜ｆ７の数Ｎは、７である。また、搬送波群の中心周波数ｆｃは、１３．５６ＭＨｚに設定される。また、複数の搬送波ｆ１〜ｆ７の振幅値は、同一である。また、複数の搬送波ｆ１〜ｆ７の周波数間隔Δｆは、１０ｋＨｚであり、搬送波ｆ１〜ｆ７の初期位相は、隣り合う搬送波で、９０°ずつずらして設定されている。この搬送波群の周波数帯域は、１３．５６ＭＨｚ±３０ｋＨｚ（帯域幅 ６０ｋＨｚ）になる。図３に示す搬送波群の波形は、時間領域において図４に示す波形に変換される。すなわち、図４に示す搬送波群は、時間領域において第１ピーク部分Ｐ１と第１ピーク部分Ｐ１よりも絶対値が小さい第２ピーク部分Ｐ２とが交互に出現する振幅波形（以下適宜「振幅波形」と呼ぶ）によって表される。以下では、振幅波形の特性として、（１）第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰ、（２）第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１と第２ピーク部分Ｐ２の出現時間Ｔ２との総和に対する第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１の比、及び（３）互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴを順に説明する。
振幅波形における、第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰは、複数の搬送波ｆ１〜ｆ７のうち、搬送波群の中心周波数ｆｃに対応する搬送波の振幅値と、搬送波群の中心周波数ｆｃに応じた搬送波以外の搬送波の振幅値との比に応じて、変動する。
図５は、搬送波群の中心周波数ｆｃに対応する搬送波の振幅値と、搬送波群の中心周波数ｆｃに応じた搬送波以外の搬送波の振幅値との比の説明に供する図である。図５に示すように、搬送波群の中心周波数ｆｃに対応する搬送波ｆ４の振幅値Ａｃと、搬送波群の中心周波数ｆｃに応じた搬送波ｆ４以外の搬送波の振幅値Ａｏとの比Ａｏ／Ａｃは、変更され得る。比Ａｏ／Ａｃは、例えば、波形データ生成部７１における波形データの生成に用いられるパラメータが図示しない入力装置によって変更されることによって、変更される。
図６〜図８は、比Ａｏ／Ａｃに応じた、第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰの変動を示す図である。図６では、比Ａｏ／Ａｃが０．０５である場合の第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰが示されている。図７では、比Ａｏ／Ａｃが０．１である場合の第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰが示されている。図８では、比Ａｏ／Ａｃが０．２である場合の第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰが示されている。なお、図４では、比Ａｏ／Ａｃが１である場合の第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰが示されている。図４及び図６〜図８に示すように、振幅波形における、第１ピーク部分Ｐ１と第２ピーク部分Ｐ２との差ΔＰは、比Ａｏ／Ａｃが増大するほど、増大する。
また、振幅波形における、第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１と第２ピーク部分Ｐ２の出現時間Ｔ２との総和に対する第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１の比は、複数の搬送波ｆ１〜ｆ７の数Ｎに応じて、変動する。振幅波形における、第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１と第２ピーク部分Ｐ２の出現時間Ｔ２との総和に対する第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１の比を以下では「第１ピーク部分Ｐ１のデューティ比」と呼ぶ。複数の搬送波ｆ１〜ｆ７の数Ｎは、例えば、波形データ生成部７１における波形データの生成に用いられるパラメータが図示しない入力装置によって変更されることによって、変更される。
図９及び図１０は、数Ｎに応じた、第１ピーク部分Ｐ１のデューティ比の変動を示す図である。図９では、数Ｎが３である場合の、第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１及び第２ピーク部分Ｐ２の出現時間Ｔ２が示されている。図１０では、数Ｎが１３である場合の、第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１及び第２ピーク部分Ｐ２の出現時間Ｔ２が示されている。なお、図４では、数Ｎが７である場合の、第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１及び第２ピーク部分Ｐ２の出現時間Ｔ２が示されている。図４、図９及び図１０に示すように、振幅波形における第１ピーク部分Ｐ１の出現時間Ｔ１は、数Ｎが増加するほど、減少し、振幅波形における第２ピーク部分Ｐ２の出現時間Ｔ２は、数Ｎが増加するほど、増加する。すなわち、第１ピーク部分Ｐ１のデューティ比は、数Ｎが増加するほど、減少する。
また、振幅波形における、互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴは、複数の搬送波ｆ１〜ｆ７の周波数間隔Δｆに応じて、変動する。複数の搬送波ｆ１〜ｆ７の周波数間隔Δｆは、例えば、波形データ生成部７１における波形データの生成に用いられるパラメータが図示しない入力装置によって変更されることによって、変更される。
図１１及び図１２は、周波数間隔Δｆに応じた、互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴの変動を示す図である。図１１では、周波数間隔Δｆが５０ｋＨｚである場合の、互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴが示されている。図１２では、周波数間隔Δｆが１００ｋＨｚである場合の、互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴが示されている。なお、図４では、周波数間隔Δｆが１０ｋＨｚである場合の、互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴが示されている。図４、図１１及び図１２に示すように、振幅波形における、互いに隣り合う２つの第１ピーク部分Ｐ１の時間間隔ΔＴは、複数の搬送波ｆ１〜ｆ７の周波数間隔Δｆが増加するほど、減少する。
図１３は、搬送波群による作用を説明するための図である。搬送波群生成部６２によって生成される搬送波群の振幅波形では、図１３に示すように、第１ピーク部分Ｐ１と、第１ピーク部分Ｐ１よりも絶対値が小さい第２ピーク部分Ｐ２とが交互に出現する。そして、第１ピーク部分Ｐ１の出現によって、処理容器１２内に「プラズマ着火ピーク電界」が形成される。「プラズマ着火ピーク電界」とは、プラズマの生成（着火）に必要な放電を起こす電界である。処理容器１２内に「プラズマ着火ピーク電界」が形成されると、放電によるプラズマの電離が加速され、プラズマ密度が瞬間的に増加する。一方で、第２ピーク部分Ｐ２の出現によって、処理容器１２内に「プラズマ維持電界」が形成される。「プラズマ維持電界」とは、プラズマの維持に必要な放電を起こす電界を指し、「プラズマ着火ピーク電界」よりも絶対値が小さい。処理容器１２内に「プラズマ維持電界」が形成されると、放電によるプラズマの電離が抑制され、プラズマ密度の増加が抑制される。搬送波群生成部６２によって生成される搬送波群は、処理容器１２内に「プラズマ着火ピーク電界」と「プラズマ維持電界」とを交互に形成させる。これにより、プラズマ密度が過度に増加する事態が回避され、かつ、プラズマの維持のための十分な電界が確保される。
次に、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０を用いたプラズマ処理方法について、図１４を用いて説明する。図１４は、第１実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャートである。
図１４に示すように、プラズマ処理装置１０の搬送波群生成部６２は、搬送波群を生成する（ステップＳ１０１）。搬送波群生成部６２によって生成される搬送波群は、周波数領域において周波数が異なる複数の搬送波から成る。また、搬送波群生成部６２によって生成される搬送波群は、時間領域において第１ピーク部分と第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される。
下部電極ＬＥは、搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成する（ステップＳ１０２）。
プラズマ処理装置１０は、処理を継続する場合（ステップＳ１０３否定）、処理をステップＳ１０１に戻し、処理を終了する場合（ステップＳ１０３肯定）、処理を終了する。
第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０によれば、時間領域において第１ピーク部分と第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される搬送波群を生成し、該搬送波群を用いて処理容器１２内にプラズマを生成する。このため、処理容器１２内に「プラズマ着火ピーク電界」と「プラズマ維持電界」とを交互に形成させることができ、これにより、プラズマ密度が過度に増加する事態が回避され、かつ、プラズマの維持のための十分な電界が確保される。結果として、低圧かつ低プラズマ密度の下でプラズマを安定的に維持することができる。さらに、イオンエネルギーの分布の制御性を向上することもできる。
次に、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０による効果（プラズマの維持）について、図１５を用いて説明する。図１５は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置による効果（プラズマの維持）の説明に供する図である。図１５において、横軸は、圧力［Ｔｏｒｒ］を示し、縦軸は、プラズマ密度［ｉｏｎｓ／ｃｍ３］を示す。また、図１５において、領域５０１は、高周波電源によって生成される高周波電力を用いた従来のプラズマ処理装置を用いた場合に、プラズマが維持される領域を示す。また、図１５において、領域５０２は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０を用いた場合に、プラズマが維持される領域を示す。
図１５に示すように、従来のプラズマ処理装置では、圧力が５［ｍＴｏｒｒ］以上で、かつ、プラズマ密度が１Ｅ＋１０［ｉｏｎｓ／ｃｍ３］以上の環境の下でのみ、プラズマが維持された。これに対して、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０では、圧力が５［ｍＴｏｒｒ］未満で、かつ、プラズマ密度が１Ｅ＋１０［ｉｏｎｓ／ｃｍ３］未満の環境の下でも、プラズマが維持された。すなわち、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０では、従来のプラズマ処理装置と比べて、低圧かつ低プラズマ密度の下でプラズマを安定的に維持することができた。
次に、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０による効果（イオンエネルギーの分布）について、図１６を用いて説明する。図１６は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置による効果（イオンエネルギー分布）の説明に供する図である。図１６において、横軸は、ウエハＷに入射するイオンのエネルギー（以下「イオンエネルギー」と呼ぶ）を示し、縦軸は、ウエハＷに入射するイオンの出現確率を示している。また、図１６において、グラフ５１１は、高周波電源によって生成される高周波電力を用いた従来のプラズマ処理装置を用いた場合のイオンエネルギーの分布を示す。また、図１６において、グラフ５１２は、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０を用いた場合のイオンエネルギーの分布を示す。
図１６に示すように、従来のプラズマ処理装置では、イオンエネルギーの最小値及び最大値付近にイオンの出現確率のピークが分散される。これに対して、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０では、特定のイオンエネルギー付近にイオンの出現確率のピークが集中した。すなわち、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０では、従来のプラズマ処理装置と比べて、イオンエネルギーの分布の制御性を向上することができた。
以上、第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０によれば、時間領域において第１ピーク部分と第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される搬送波群を生成し、該搬送波群を用いて処理容器１２内にプラズマを生成する。このため、処理容器１２内に「プラズマ着火ピーク電界」と「プラズマ維持電界」とを交互に形成させることができ、これにより、プラズマ密度が過度に増加する事態が回避され、かつ、プラズマの維持のための十分な電界が確保される。結果として、低圧かつ低プラズマ密度の下でプラズマを安定的に維持することができる。さらに、イオンエネルギーの分布の制御性を向上することもできる。
なお、開示技術は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
上記実施形態では、波形データ生成部７１が１つの波形データを生成し、変調部７８が１つの波形データに応じて搬送波群を生成する例を示したが、開示技術はこれには限定されない。例えば、波形データ生成部７１は、図１７に示すように、第１時間に、第１波形データを生成し、第１時間の次の第２時間に、第１波形データとは異なる第２波形データを生成しても良い。この場合、変調部７８は、図１８に示すように、第１時間に、第１波形データに応じて搬送波群を生成し、第２時間に、第２波形データに応じて搬送波群を生成する。図１８の例では、第１波形データに応じて生成された搬送波群は、時間領域において第１ピーク部分Ｐ１と第１ピーク部分Ｐ１よりも絶対値が小さい第２ピーク部分Ｐ２とが交互に出現する振幅波形によって表される。これにより、第１時間では、第１ピーク部分Ｐ１の出現によって、処理容器１２内に「プラズマ着火ピーク電界」が形成され、第２ピーク部分Ｐ２の出現によって、処理容器１２内に「プラズマ維持電界」が形成される。これに対して、第２波形データに応じて生成された搬送波群は、時間領域において第３ピーク部分Ｐ３と第３ピーク部分Ｐ３よりも絶対値が小さい第４ピーク部分Ｐ４とが交互に出現する振幅波形によって表される。第３ピーク部分Ｐ３は、第１ピーク部分Ｐ１よりも絶対値が大きい。これにより、第２時間では、第３ピーク部分Ｐ３の出現によって、ウエハＷに入射するイオンを加速させる電力である「イオン加速電力」が下部電極ＬＥに印加される。なお、図１７及び図１８は、変形例１の説明に供する図である。
また、例えば、波形データ生成部７１は、図１９に示すように、第１波形データと、第１波形データとは異なる第２波形データとが合成されて得られる合成波形データを波形データとして生成しても良い。この場合、変調部７８は、図２０に示すように、第１ピーク部分Ｐ１と第１ピーク部分Ｐ１よりも絶対値が小さい第２ピーク部分Ｐ２とが交互に出現し、且つ、第３ピーク部分Ｐ３が任意の時間に出現する搬送波群を、合成波形データに応じて生成する。第３ピーク部分Ｐ３は、第１ピーク部分Ｐ１よりも絶対値が大きい。図２０の例では、第１ピーク部分Ｐ１の出現によって、処理容器１２内に「プラズマ着火ピーク電界」が形成され、第２ピーク部分Ｐ２の出現によって、処理容器１２内に「プラズマ維持電界」が形成される。また、第３ピーク部分Ｐ３の出現によって、ウエハＷに入射するイオンを加速させる電力である「イオン加速電力」が下部電極ＬＥに印加される。なお、図１９及び図２０は、変形例２の説明に供する図である。
また、上記実施形態では、搬送波群生成部６２により生成される搬送波群が下部電極ＬＥに供給される例を示したが、開示技術はこれには限定されない。例えば、搬送波群は、上部電極３０に供給されても良い。上部電極３０に搬送波群が供給されると、下部電極ＬＥと上部電極３０との間の処理空間Ｓに電界が形成される。処理容器１２内に導入されたガスは、処理空間Ｓに形成された電界によりプラズマ化され、処理空間Ｓにてプラズマが生成される。このとき、上部電極３０は、搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成するプラズマ生成部として機能する。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。図２１は、第２実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。第２実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、図１に示す第１実施形態に係るプラズマ処理装置１０と略同様の構成であるため、同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。
第２実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、搬送波群生成部６２、増幅器６４および整合器６６に代えて、搬送波群生成部１００と、方向性結合器１０２と、整合器１０４とを有する。
搬送波群生成部１００は、搬送波群を生成する。例えば、搬送波群生成部１００は、周波数の異なる複数の電気信号を合成した搬送波群を生成する。搬送波群生成部１００によって生成される搬送波群は、周波数領域において周波数が異なる複数の搬送波から成る。また、搬送波群生成部１００によって生成される搬送波群は、時間領域において第１ピーク部分と第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される。搬送波群生成部１００により生成される搬送波群の詳細については、後述される。
図２２は、第２実施形態における搬送波群生成部を示す図である。搬送波群生成部１００は、図２２に示すように、それぞれ搬送波の電気信号を生成する複数の生成回路１１０が設けられている。例えば、図２２の例では、搬送波群生成部１００は、７つの生成回路１１０が並列に設けられている。なお、生成回路１１０の数は、７つに限定されるものではない。搬送波群生成部１００は、制御部Ｃｎｔからの制御に基づき、搬送波群を生成する。例えば、搬送波群生成部１００は、制御部Ｃｎｔから各生成回路１１０で生成する搬送波を指定するパラメータ（例えば、周波数、位相、振幅の増幅率等）を取得し、取得したパラメータを用いて搬送波群を生成する。
生成回路１１０は、信号発生器１１１と、位相シフタ１１２と、パワーアンプ１１３とをそれぞれ有する。信号発生器１１１は、位相シフタ１１２と接続されている。また、信号発生器１１１は、接地されている。信号発生器１１１は、それぞれ搬送波の電気信号を生成する。例えば、信号発生器１１１は、それぞれ、パラメータで指定された周波数の信号を生成する。信号発生器１１１は、生成した電気信号を位相シフタ１１２へ出力する。位相シフタ１１２は、パワーアンプ１１３と接続されている。位相シフタ１１２は、入力した搬送波の電気信号の位相をシフトする。例えば、位相シフタ１１２は、入力した搬送波の電気信号を、パラメータで指定された分だけ位相をシフトしてパワーアンプ１１３へ出力する。パワーアンプ１１３は、入力した搬送波の電気信号を、パラメータで指定された増幅率で増幅して出力する。
搬送波群生成部１００は、出力合成器１１５を有している。各生成回路１１０のパワーアンプ１１３は、出力合成器１１５に接続されている。出力合成器１１５は、各パワーアンプ１１３で増幅された搬送波の電気信号が入力する。出力合成器１１５は、各パワーアンプ１１３で増幅された搬送波の電気信号を合成して搬送波群を生成する。出力合成器１１５は、生成した搬送波群の電気信号を方向性結合器１０２に出力する。
方向性結合器１０２は、入力した搬送波群の電気信号を整合器１０４へ出力する。また、方向性結合器１０２は、図示しない検出部を接続して、方向性結合器１０２から整合器１０４へ流れる電気信号のレベルや波形を検出部により検出し、検出結果を制御部Ｃｎｔへ通知しても良い。制御部Ｃｎｔは、通知された検出結果に基づいて、搬送波群が所望の状態となるよう、各生成回路１１０で生成する搬送波を指定するパラメータを制御しても良い。
整合器１０４は、入力した搬送波群の電気信号を下部電極ＬＥへ供給する。整合器１０４は、搬送波群生成部１００側の出力インピーダンスと負荷側（下部電極ＬＥ側）の入力インピーダンスを整合する。整合器１０４は、通過する搬送波群の周波数帯域に対応した広帯域タイプのものとすることが好ましい。なお、パワーアンプ１１３は、振幅が変化する波形を歪みなく増幅するために直線性の高い増幅器である必要がある。また、位相シフタ１１２、方向性結合器１０２および整合器１０４は、本発明の周波数帯域において周波数特性が良好であることと、位相歪みが少ないことが望ましい。
ここで、搬送波群生成部１００における搬送波群の生成処理の一例を説明する。搬送波群生成部１００では、各生成回路１１０で、所定の周波数間隔Δｆで周波数が異なる搬送波を生成する。図２３は、各生成回路で生成される搬送波の周波数の一例を示す図である。図２３において、横軸は、周波数を示し、縦軸は、振幅を示す。振幅は、搬送波により供給される電力のパワーを示す。図２３には、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとして、周波数間隔Δｆの７つの搬送波ｆ１〜ｆ７の周波数が示されている。各生成回路１１０は、図２３に示す各周波数の搬送波ｆ１〜ｆ７を生成する。なお、生成する搬送波の数Ｎは、７に限定されるものではなく、生成回路１１０の数以下かつ複数であれば何れであっても良い。搬送波の数Ｎおよび周波数間隔Δｆを変化されたことによる搬送波群の変化については、後述する。
各位相シフタ１１２は、入力した搬送波の電気信号の位相をシフトする。例えば、各位相シフタ１１２は、入力した搬送波の電気信号を、隣接する周波数の搬送波の電気信号に対して、所定の周期だけ順にシフトしてパワーアンプ１１３へ出力する。所定の周期は、１周期分の位相を整数で割った周期に相当する位相とすることが好ましい。本実施例では、シフトさせる周期を、例えば、９０°とする。各位相シフタ１１２は、入力した搬送波の電気信号を、周波数の小さい方に隣接する搬送波に対して９０°位相をシフトさせてパワーアンプ１１３へ出力する。例えば、搬送波ｆ１を位相を０°とした場合、搬送波ｆ２は、位相を９０°にシフトさせる。搬送波ｆ３は、位相を１８０°にシフトさせる。搬送波ｆ４は、位相を２７０°にシフトさせる。搬送波ｆ５は、位相を０°にシフトさせる。搬送波ｆ６は、位相を９０°にシフトさせる。搬送波ｆ７は、位相を０°にシフトさせる。なお、パワーアンプ１１３による増幅により電気信号の位相がシフトする場合、各位相シフタ１１２は、パワーアンプ１１３での位相のシフト分を考慮し、パワーアンプ１１３での増幅後に、シフト量が所定の周期となるようにシフトさせても良い。例えば、各位相シフタ１１２は、パワーアンプ１１３による位相の変化を換算して、増幅後の位相が所望の周期になるように、周波数が異なる搬送波の位相をシフトさせても良い。例えば、パワーアンプ１１３での位相のシフト量を補正情報として予め制御部Ｃｎｔの記憶部に記憶させておき、制御部Ｃｎｔが、補正情報を用いて、パワーアンプ１１３での位相のシフト量を引いた分だけ位相のシフトを各位相シフタ１１２に対して指定して、各位相シフタ１１２でパワーアンプ１１３でのシフト量を引いた分だけ位相をシフトさせても良い。
出力合成器１１５は、各パワーアンプ１１３で増幅された搬送波の電気信号を合成する。図２４は、搬送波の合成の一例を示す図である。なお、図２４では、説明を簡略するため、３つの搬送波１２０、１２１、１２２を合成する場合を示している。図２４において、横軸は、時間を示し、縦軸は、振幅を示す。図２４には、周波数間隔Δｆで周波数が異なる搬送波１２０、１２１、１２２と、搬送波１２０、１２１、１２２を合成した合成波１３０が示されている。合成波１３０は、搬送波１２０、１２１、１２２の共振により、搬送波１２０、１２１、１２２の振幅の同じ方向ピークが重なる部分で振幅が大きくなる。例えば、合成波１３０は、ピーク部分１３１において、搬送波１２０、１２１、１２２の振幅よりも振幅が大きくなる。また、合成波１３０は、搬送波１２０、１２１、１２２の振幅が小さい部分が重なる部分や、振幅が異なる方向に重なる部分で、振幅が小さくなる。例えば、合成波１３０は、ピーク部分１３２において、搬送波１２０、１２１、１２２の振幅よりも振幅が小さくなる。
合成波１３０は、合成する搬送波の数Ｎが多くなるほど、最大のピークが大きくなる。また、合成波１３０は、周波数間隔Δｆを変化させることにより、最大のピークが出現する周期が変化する。
ここで、合成する搬送波による搬送波群の電気信号の波形の変化を説明する。最初に、搬送波の数Ｎの変化による搬送波群の電気信号の波形の変化を説明する。図２５は、搬送波の数Ｎ毎の搬送波群の電気信号の波形の一例を示す図である。図２５の例は、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとして、周波数間隔Δｆを１００ＫＨｚとして、搬送波の数Ｎを変えた場合を示している。図２５の下部には、数Ｎを１（ＣＷ）、３、５、７、１３とする場合の各搬送波ｆの周波数、振幅を示したグラフがされている。図２５の下部のグラフは、横軸が周波数を示し、縦軸が振幅を示す。また、各グラフの下部には、各搬送波ｆの周波数、位相が示されている。また、図２５の上部には、下部に示した搬送波ｆを合成した搬送波群の電気信号の波形が示されている。図２５の上部のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が振幅を示す。
数Ｎが１（ＣＷ）の波形は、周波数ｆｃの搬送波のみであるため、共振が発生していない。一方、数Ｎが３、５、７、１３の波形は、搬送波の共振により、時間領域において振幅が大きいピーク部分と、振幅が小さいピーク部分とが出現する。また、振幅が大きいピークが発生する周期は、周波数間隔Δｆと同じ１００ＫＨｚの周期となる。
次に、周波数間隔Δｆの変化による搬送波群の電気信号の波形の変化を説明する。図２６は、周波数間隔Δｆ毎の搬送波群の電気信号の波形の一例を示す図である。図２６の例は、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとし、搬送波ｆを７つ（ｆ１〜ｆ７）として、搬送波ｆ１〜ｆ７の周波数間隔Δｆを変えた場合を示している。図２６の下部には、搬送波ｆ１〜ｆ７の周波数間隔Δｆを５０ＫＨｚ、１００ＫＨｚ、５００ＫＨｚとする場合の搬送波ｆ１〜ｆ７の周波数、振幅を示したグラフがされている。図２６の下部のグラフは、横軸が周波数を示し、縦軸が振幅を示す。また、各グラフの下部には、各搬送波ｆの周波数、位相が示されている。なお、ＣＷには、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚの搬送波の振幅が示されている。また、図２６の上部には、下部に示した搬送波ｆ１〜ｆ７を合成した搬送波群の電気信号の波形が示されている。図２６の上部のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が振幅を示す。
ＣＷの波形は、周波数ｆｃの搬送波のみであるため、共振が発生していない。一方、周波数間隔Δｆを５０ＫＨｚ、１００ＫＨｚ、５００ＫＨｚの波形は、搬送波の共振により、時間領域において振幅が大きいピーク部分と、振幅が小さいピーク部分とが出現する。また、振幅が大きいピークが発生する周期は、周波数間隔Δｆと同じ周期となる。
次に、搬送波の振幅の変化による搬送波群の電気信号の波形の変化を説明する。図２７は、搬送波の振幅を変化させた場合の搬送波群の電気信号の波形の一例を示す図である。図２７の例は、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとして、周波数間隔Δｆを１００ＫＨｚとし、搬送波を７つのｆ１〜ｆ７として、中心周波数ｆｃとなる搬送波ｆ４の振幅に対して、搬送波ｆ１〜ｆ３、ｆ５〜ｆ７の振幅を変化させた場合を示している。図２７の上部のグラフは、横軸が周波数を示し、縦軸が振幅を示す。図２７の下部には、搬送波ｆ４の振幅に対する搬送波ｆ１〜ｆ３、ｆ５〜ｆ７の振幅をＸ＝０、０．２（２０％）、０．５（５０％）、０．８（８０％）、１（１００％）として、搬送波ｆ１〜ｆ７を合成した搬送波群の電気信号の波形が示されている。図２７の下部のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が振幅を示す。
Ｘ＝０（ＣＷ）の波形は、周波数ｆｃの搬送波のみであるため、共振が発生していない。一方、Ｘ＝０．２、０．５、０．８の波形は、搬送波の共振により、時間領域において振幅が大きいピーク部分と、振幅が小さいピーク部分とが出現する。また、Ｘが大きいほど、振幅が大きいピーク部分と、振幅が小さいピーク部分との振幅の差が大きくなっている。また、Ｘ＝１の波形は、搬送波ｆ１〜ｆ７が同じ振幅となるため、図２６のＮ＝７と同様の波形となっている。
このように、搬送波群の電気信号の波形は、合成する搬送波によって変化する。制御部Ｃｎｔは、搬送波群生成部１００に設定する搬送波を指定するパラメータを制御して、搬送波群生成部１００で搬送波を生成する生成回路１１０の数Ｎや、各生成回路１１０で生成する搬送波の周波数、位相シフタ１１２での位相のシフト量、パワーアンプ１１３での搬送波の増幅率を変更することにより、搬送波群の波形を変更できる。図２８Ａ〜図２８Ｄは、搬送波の指定の一例を示す図である。なお、図２８Ａ〜図２８Ｄには、搬送波群生成部１００に１３個の生成回路１１０が並列にある場合の各生成回路１１０で生成する搬送波ｆ１〜ｆ１３の条件が示している。図２８Ａは、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとし、数Ｎを１３とし、周波数間隔Δｆを１００ＫＨｚとする場合の搬送波ｆ１〜ｆ１３の条件を示している。図２８Ｂは、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとし、数Ｎを７とし、周波数間隔Δｆを１０ＫＨｚとする場合の搬送波ｆ１〜ｆ１３の条件を示している。図２８Ｃは、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとし、数Ｎを１３とし、周波数間隔Δｆを１０ＫＨｚとする場合の搬送波ｆ１〜ｆ１３の条件を示している。図２８Ｄは、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとし、数Ｎを１０とし、周波数間隔Δｆを１０ＫＨｚとする場合の搬送波ｆ１〜ｆ１３の条件を示している。「ＯＮ／ＯＦＦ」は、搬送波を生成する生成回路１１０を搬送波を生成するオン状態とするか、搬送波を生成しないオフ状態とするかを示している。「周波数［ＭＨｚ］」は、生成する搬送波の周波数を示している。「初期位相［°］」は、搬送波をソフトさせる位相を示している。「相対電力」は、搬送波の相対電力を示している。搬送波は、相対電力が大きいほど増幅され、振幅が大きくなる。
搬送波群生成部１００は、制御部Ｃｎｔから設定されたパラメータに応じて生成した複数の搬送波の電気信号を合成して共振させることにより、時間領域において第１ピーク部分と第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される搬送波群を生成する。
このように構成されたプラズマ処理装置１０では、上部電極３０の電極板３４のガス吐出孔３４ａから処理容器１２内にガスが導入される。また、搬送波群生成部１００により生成される搬送波群が、方向性結合器１０２および整合器１０４を介して下部電極ＬＥへ供給される。下部電極ＬＥに搬送波群が供給されると、下部電極ＬＥと上部電極３０との間の処理空間Ｓに電界が形成される。処理容器１２内に導入されたガスは、処理空間Ｓに形成された電界によりプラズマ化され、処理空間Ｓにてプラズマが生成される。このとき、下部電極ＬＥは、搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成するプラズマ生成部として機能する。
このように、第２実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、時間領域において第１ピーク部分と第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される搬送波群を生成し、該搬送波群を用いて処理容器１２内にプラズマを生成する。このため、処理容器１２内に「プラズマ着火ピーク電界」と「プラズマ維持電界」とを交互に形成させることができ、これにより、プラズマ密度が過度に増加する事態が回避され、かつ、プラズマの維持のための十分な電界が確保される。結果として、低圧かつ低プラズマ密度の下でプラズマを安定的に維持することができる。さらに、イオンエネルギーの分布の制御性を向上することもできる。
また、第２実施形態に係る搬送波群生成部１００は、所定の周波数間隔で周波数が異なる搬送波を生成し、生成された周波数が異なる搬送波の位相をそれぞれ所定の周期だけ順にシフトし、位相がシフトされた周波数が異なる搬送波を合成することによって、搬送波群を生成する。これにより、搬送波群生成部１００は、第１ピーク部分および第２ピーク部分の振幅や、第１ピーク部分と第２ピーク部分の間隔、第１ピーク部分と次の第１ピーク部分の間隔を変化させた様々な波形を生成できる。
ところで、近年、ウエハＷ等の基板のプラズマエッチングでは、微細化により、開口の幅に対してエッチングを行う深さが深い高アスペクト比の加工が求められている。このような高アスペクト比のプラズマエッチングを行う場合、プラズマ処理装置では、高アスペクト比のコンタクトホールの底にイオンを到達させる必要がある。プラズマ処理装置では、例えば、電源から下部電極ＬＥへ、図２９に示すような振幅が一定の高周波の電力を連続して供給してプラズマエッチングを行うものとする場合、コンタクトホールの底にイオンを到達させるために、下部電極ＬＥへ供給する電力Ｐ０を高くすると、次のような問題が発生する場合がある。なお、図２９は、下部電極へ供給する電力の一例を示す図である。
図３０は、高アスペクト比のプラズマエッチングを行う場合に発生する問題の一例を示す図である。高アスペクト比のプラズマエッチングでは、下部電極ＬＥへ供給する電圧を高くすると、イオンがより加速されるため、マスクの後退が発生する場合がある。また、高アスペクト比のコンタクトホールは、排気特性が悪くなる。このため、コンタクトホールの下部で生じた反応生成物が再付着したり、反応生成物が排気されたとしてもプラズマにより分解して再付着するなどにより、コンタクトホールでClogging、Neckingが発生する場合がある。また、コンタクトホールの底には、方向性を持ったイオンしか到達しないため、イオンの電荷により帯電する場合がある。このため、帯電によりイオンが湾曲して、コンタクトホールでTwistingが発生する場合がある。
これらの問題は、電源から下部電極ＬＥへ電力をパルス状に供給することで、改善される。例えば、図３１に示すように、下部電極ＬＥへ振幅が一定の高周波の電力ＰＡをパルス状に供給してプラズマエッチングを行うものとする。なお、図３１は、下部電極へ供給する電圧の一例を示す図である。この改善のメカニズムは、次のように考えられる。電力ＰＡが供給される期間ｔｏｎは、高速なイオンがコンタクトホールの底に到達する。一方、電力ＰＡが供給されない期間ｔＯＦＦは、プラズマが薄くなり、反応生成物のプラズマによる分解が行う可能性が低く、反応生成物によりコンタクトホールの側壁に堆積物が堆積したり、コンタクトホールを詰まらせる可能性が低くなる。また、期間ｔＯＦＦは、イオンの電荷により帯電が緩和されるため、イオンが湾曲し難くなる。これにより、図３２に示すように、高アスペクト比のコンタクトホールのプラズマエッチングを行うことができる。なお、図３２は、プラズマエッチングされた高アスペクト比のコンタクトホールの一例を示す図である。
ところで、期間ｔＯＦＦは、下部電極ＬＥへ電力が供給されないため、エッチングが行われない。このため、プラズマ処理装置では、下部電極ＬＥへ電力をパルス状に供給する場合、デューティ比を下げていくと、エッチングレートが低下する。例えば、下部電極ＬＥへ供給する電力のデューティ比を１０％とすると、９０％の時間は、下部電極ＬＥへの電力がＯＦＦしていることと同じになる。よって、デューティ比を１０％とすると、プラズマエッチングに作用する実効的な電力は、１／１０になってしまう。このため、エッチングレートが低下する。下部電極ＬＥへ電力を連続して供給した場合と同程度のエッチングレートを得るには、実効的な電力を同じにする必要がある。例えば、デューティ比を１０％とする場合、実効的な電力を同じにするには、１０倍の電力を供給可能な電源が必要となる。図３３Ａは、デューティ比とエッチングレートとの関係を説明する図である。図３３Ａにおいて、横軸は、デューティ比を示し、縦軸は、エッチングレートを示す。図３３Ｂは、デューティ比と電源の容量との関係を説明する図である。図３３Ｂにおいて、横軸は、デューティ比を示し、縦軸は、電源の容量を示す。図３３Ａおよび図３３Ｂに示す横軸のデューティ比は、右側ほどデューティ比が小さいなるものとする。図３３Ａの破線１４０に示すように、デューティ比を下げていくと、エッチングレートが低下する。そこで、図３３Ｂの実線１４１に示すように、デューティ比の低下に対応させて電源の容量を増加させて実効的な電力を一定に維持する場合、図３３Ａの実線１４２に示すように、エッチングレートを維持できる。
プラズマ処理装置は、電源から下部電極ＬＥへ電力をパルス状に供給することで、高アスペクト比のコンタクトホールをエッチングする際の問題を改善できる。しかし、プラズマ処理装置は、電源から下部電極ＬＥへ電力をパルス状に供給する場合、容量の大きい電源が必要となる。例えば、プラズマ処理装置は、１ＫＷの容量の電源から下部電極ＬＥへ電力を連続して供給する場合と同じ実効的な電力を、デューティ比を１０％としたパルス状の電力で実現しようとする場合、１０ＫＷの容量の電源が必要となる。また、プラズマ処理装置は、例えば、１０ＫＷの容量の電源を使用した場合でも、デューティ比を５％とする場合、実効的な電力が５００Ｗとなってしまう。電源は、容量が大きいほどコストが飛躍的に高くなり、サイズも大きくなる。
一方、上述した第１実施形態の搬送波群生成部６２および第２実施形態の搬送波群生成部１００は、時間領域において第１ピーク部分と第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される搬送波群を生成できるため、上述したようなパルス状の波形と同様に機能する波形を生成できる。特に、第２実施形態の搬送波群生成部１００は、搬送波を生成する生成回路１１０の数Ｎや、各生成回路１１０で生成する搬送波の周波数、位相シフタ１１２での位相のシフト量、パワーアンプ１１３での搬送波の増幅率を変更することにより、パルス状の波形に近い波形を生成できる。また、上述した第１実施形態の搬送波群生成部６２および第２実施形態の搬送波群生成部１００は、複数の搬送波を合成することにより、それぞれの搬送波を生成する各生成回路１１０の電源の容量を大きくしなくても、振幅の大きな搬送波群を生成できる。
図３４は、下部電極へ供給する電圧の一例を示す図である。図３４の上部には、下部電極ＬＥへ高周波の電力を連続して供給する場合（デューティ比＝１００％）と、デューティ比を５０％、３０％、１０％としてパルス状に高周波の電力を供給する場合に下部電極ＬＥへ供給される電気信号の波形が示されている。なお、デューティ比を５０％、３０％、１０％では、それぞれ電力の容量を大きくしており、振幅が大きくなっている。また、図３４の下部には、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとして、周波数間隔Δｆを１００ＫＨｚとし、搬送波の数Ｎを１（ＣＷ）、３、５、７、１３とした場合に下部電極ＬＥへ供給される搬送波群の電気信号の波形が示されている。図３４の各グラフは、横軸が時間を示し、縦軸が振幅を示す。数Ｎ＝３の波形は、デューティ比が５０％のパルス状の波形と同様に機能する。数Ｎ＝５の波形は、デューティ比が３０％のパルス状の波形と同様に機能する。数Ｎ＝１３の波形は、デューティ比が１０％のパルス状の波形と同様に機能する。
次に、第２実施形態の搬送波群生成部１００の搬送波群を用いてプラズマエッチングを行った場合の結果の一例を説明する。図３５は、エッチングレートの比較結果の一例を示す図である。図３５の例は、ＳｉＯ２のウエハＷに対してプラズマエッチングを行った場合のエッチングレートを示している。図３５において、横軸は、周波数間隔Δｆを示し、縦軸は、エッチングレートを示す。図３５には、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとし、搬送波の数Ｎを７とし、周波数間隔Δｆを変化させて、それぞれプラズマエッチングを行った場合のエッチングレートが線１５０により示されている。また、図３５には、デューティ比が３０％のパルス状の波形において期間ｔｏｎの出現周期を周波数間隔Δｆに対応する周期として、それぞれプラズマエッチングを行った場合のエッチングレートが破線１５１により示されている。図３５に示すように、第２実施形態の搬送波群生成部１００は、パルス状の波形と同様のエッチングレートを得ることができる。
このように、第２実施形態に係る搬送波群生成部１００は、所定の周波数間隔で周波数が異なる搬送波を生成し、生成された周波数が異なる搬送波の位相をそれぞれ所定の周期だけ順にシフトし、位相がシフトされた周波数が異なる搬送波を合成することによって、搬送波群を生成する。これにより、搬送波群生成部１００は、容量の大きな電源を使用しなくても、搬送波を合成することで、容量の大きな電源を用いたパルス状の波形と同様に機能する搬送波群の電気信号を生成できる。また、搬送波群生成部１００は、容量の大きな電源を使用しなくてもよいため、電源をコストダウンでき、電源のサイズも小型化できる。
なお、上記実施形態では、制御部Ｃｎｔからパラメータの制御に応じて、各信号発生器１１１が生成する搬送波の周波数と、各位相シフタ１１２による位相のソフト量と、各パワーアンプ１１３による搬送波の増幅率を変更可能とした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。各信号発生器１１１が生成する搬送波の周波数、各位相シフタ１１２による位相のソフト量および各パワーアンプ１１３による搬送波の増幅率は、それぞれ固定で定められていてもよい。例えば、各信号発生器１１１は、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとし、それぞれ所定の周波数間隔Δｆ（例えば、周波数間隔Δｆ）で搬送波ｆの電気信号を固定で生成するものとしても良い。また、各位相シフタ１１２は、それぞれ周波数の小さい方に隣接する搬送波に対して固定で９０°位相をシフトするものとしても良い。また、各パワーアンプ１１３は、それぞれ所定の増幅率で搬送波を増幅するものとしても良い。
また、上記実施形態では、搬送波群生成部１００で生成する搬送波ｆの数を奇数とした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。搬送波ｆの数は、偶数であってもよい。この場合、例えば、中心周波数に対して周波数が対称となるように搬送波ｆを生成する。例えば、中心周波数ｆｃを１３．５６ＭＨｚとし、周波数間隔Δｆを１００ＫＨｚとして、４つの搬送波ｆ１〜ｆ４を生成する場合、搬送波ｆ１の周版数は、１３．４１ＭＨｚとする。搬送波ｆ２の周版数は、１３．５１ＭＨｚとする。搬送波ｆ３の周版数は、１３．６１ＭＨｚとする。搬送波ｆ４の周版数は、１３．７１ＭＨｚとする。
また、上記実施形態では、プラズマ源としてＣＣＰを用いたプラズマ処理装置１０を例に説明したが、プラズマ源はＣＣＰに限られず、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）が用いられても良い。プラズマ源としてＩＣＰが用いられる場合、搬送波群生成部６２によって生成される搬送波群は、ＩＣＰ用アンテナに供給される。搬送波群が供給されたＩＣＰ用アンテナにより、処理容器１２内に誘導電界が形成される。そして、誘導電界により、処理容器１２内にプラズマが生成される。このとき、ＩＣＰ用アンテナは、搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成するプラズマ生成部として機能する。
１０ プラズマ処理装置
１２ 処理容器
３０ 上部電極
６２ 搬送波群生成部
７１ 波形データ生成部
７２ 量子化部
７３ 逆フーリエ変換部
７８ 変調部
１００ 搬送波群生成部
１０２ 方向性結合器
１０４ 整合器
１１０ 生成回路
１１１ 信号発生器
１１２ 位相シフタ
１１３ パワーアンプ
１１５ 出力合成器
ＬＥ 下部電極
Ｃｎｔ 制御部

Claims (11)

  1. 処理容器と、
    周波数領域において周波数が異なる複数の搬送波から成る搬送波群であって、時間領域において第１ピーク部分と前記第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される前記搬送波群を生成する搬送波群生成部と、
    前記搬送波群を用いて、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成部と
    を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記振幅波形における、前記第１ピーク部分と前記第２ピーク部分との差は、前記複数の搬送波のうち、前記搬送波群の中心周波数に応じた搬送波の振幅値と、前記搬送波群の中心周波数に応じた搬送波以外の搬送波の振幅値との比に応じて、変動す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. 前記振幅波形における、前記第１ピーク部分の出現時間と前記第２ピーク部分の出現時間との総和に対する前記第１ピーク部分の出現時間の比は、前記複数の搬送波の数に応じて、変動することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記振幅波形における、互いに隣り合う２つの前記第１ピーク部分の時間間隔は、前記複数の搬送波の周波数間隔に応じて、変動することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記搬送波群生成部は、
    波形データを生成する波形データ生成部と、
    前記波形データを量子化する量子化部と、
    量子化された前記波形データを逆フーリエ変換することによって、前記波形データのＩデータ及びＱデータを分離する逆フーリエ変換部と、
    互いに９０°位相が異なる基準搬送波を、前記波形データのＩデータ及びＱデータを用いて変調することによって、前記搬送波群を生成する変調部と
    を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記波形データ生成部は、第１時間に、第１波形データを生成し、前記第１時間の次の第２時間に、前記第１波形データとは異なる第２波形データを生成し、
    前記変調部は、前記第１時間に、前記第１波形データに応じて前記搬送波群を生成し、前記第２時間に、前記第２波形データに応じて前記搬送波群を生成することを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記波形データ生成部は、第１波形データと、前記第１波形データとは異なる第２波形データとが合成されて得られる合成波形データを前記波形データとして生成し、
    前記変調部は、時間領域において前記第１ピーク部分と前記第２ピーク部分とが交互に出現し、且つ、第３ピーク部分が任意の時間に出現する振幅波形によって表される前記搬送波群を、前記合成波形データに応じて生成することを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記搬送波群生成部は、
    それぞれ所定の周波数間隔で周波数が異なる搬送波を生成する搬送波生成部と、
    前記搬送波生成部により生成された周波数が異なる搬送波の位相をそれぞれ所定の周期だけ順にシフトするシフト部と、
    前記シフト部により位相がシフトされた周波数が異なる搬送波を合成することによって、前記搬送波群を生成する合成部と、
    を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記シフト部は、前記周波数が異なる搬送波をそれぞれ周波数の小さい方に隣接する搬送波に対して９０°位相をシフトする
    ことを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記搬送波群生成部は、
    前記シフト部により位相がシフトされた周波数が異なる搬送波を増幅する増幅部をさらに有し、
    前記シフト部は、前記増幅部による位相の変化を換算して、増幅後の位相が所望の周期になるように、周波数が異なる搬送波の位相をシフトし、
    前記合成部は、前記増幅部により増幅された周波数が異なる搬送波を合成することによって、前記搬送波群を生成する
    ことを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  11. 周波数領域において周波数が異なる複数の搬送波から成る搬送波群であって、時間領域において第１ピーク部分と前記第１ピーク部分よりも絶対値が小さい第２ピーク部分とが交互に出現する振幅波形によって表される前記搬送波群を生成し、
    前記搬送波群を用いて、処理容器内にプラズマを生成する
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
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