JP2023158802A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、ウエハ表面が帯電している時間を最小限にしつつ電荷の除去量を適切にすることができる技術を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のプラズマ処理装置では、プラズマを生成するための高周波電力を供給する第一の高周波電源と、試料が載置される試料台と、高周波電圧を前記試料台に供給する第二の高周波電源と、載置された前記試料を静電吸着させるための電圧と前記試料表面に蓄積した電荷を除去するための電圧を重畳して電圧（以下、単に「重畳電圧」という。）を発生させる静電吸着用電圧発生部と、前記静電吸着用電圧発生部を制御する制御部を備え、前記重畳電圧の一周期の波形は、順に第一の勾配を持つ第一の期間と、第二の勾配を持つ第二の期間と、第三の勾配を持つ第三の期間と、第四の勾配を持つ第四の期間を有することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

ドライエッチングは、半導体デバイスの製造に必要不可欠な工程である。ドライエッチングを活用した例としてプラズマを用いた異方性エッチングがあり、ウエハに高周波電圧を印加しプラズマ中のイオンを垂直に加速し、これによってエッチングを垂直に進行させて材料にトレンチ構造を形成している。

異方性エッチングでは、イオンはウエハに対して垂直に加速されてトレンチ底部に集中的に到達する一方、電子は等方的に運動しトレンチの側壁にも入射する。結果としてトレンチの側壁が負に帯電し、底部は正に帯電する。これによりイオンがトレンチ側壁に引き込まれるような電場が生じ、イオンの軌道が曲げられてしまう。このような電子シェーディング効果が発生する場合、原子レベルの加工精度や非常に高いアスペクト比の形状加工が求められる最先端の半導体デバイスでは、加工形状の悪化が問題となっていた。

このような加工形状の悪化を抑制する技術として、特許文献１に開示されるようにプラズマ処理中に自己バイアス用高周波電圧に低周波の直線三角波電圧もしくは曲線三角波電圧を重畳することでウエハ表面の荷電粒子を除去する技術がある。

国際公開第２０２０／１００３５７号

特許文献１によれば、ウエハ表面の電荷は印加した電圧が変化したときに移動し、その大きさは電圧の時間に対する変化の割合に比例する。即ち、ウエハの表面に蓄積した電荷を最も効率よく除去するためには、印加電圧の変化の割合が大きく、かつ変化する時間が長くなれば良い。特許文献１においては、電荷を効果的に除去するために、プラズマを発生させた状態で、ウエハを載置する載置台に三角波電圧を印加する構成が開示されている。このような構成において、時間の経過にともなってウエハ表面に蓄積する電荷の量に対して十分な電荷を除去しウエハ表面の帯電を解消させるためには、載置台に印加する三角波電圧の時間に対する変化の割合を適切に設定する必要がある。

一方で、印加電圧が上昇している間は負の電荷のみが除去され、下降している間は正の電荷のみが除去されることから、正負それぞれの電荷の除去に使える時間は、三角波の一周期のうち半分の時間にすぎない。即ち、三角波の印加時間に対する変化の割合は、印加時間あたりに除去する電荷の量が印加時間あたりに蓄積する電荷の量の二倍となるように設定することが求められる。このとき除去された電荷の累積量と蓄積された電荷の累積量が等しくなる、すなわちウエハ表面の帯電量がゼロになるのは一瞬であり、ウエハが帯電していない状態を維持することはできない。そのため三角波電圧を印加しないときよりは改善されるとはいえ、電子シェーディング効果によって加工形状が悪化することになる。

本願発明は、かかる先行技術の課題に鑑みてなされたものであり、ウエハ表面が帯電している時間を最小限にしつつ電荷の除去量を適切にすることができる技術を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理装置の一つは、プラズマを生成するための高周波電力を供給する第一の高周波電源と、試料が載置される試料台と、高周波電圧を前記試料台に供給する第二の高周波電源と、載置された前記試料を静電吸着させるための電圧と前記試料表面に蓄積した電荷を除去するための電圧を重畳して電圧（以下、単に「重畳電圧」という。）を発生させる静電吸着用電圧発生部と、前記静電吸着用電圧発生部を制御する制御部を備え、前記重畳電圧の一周期の波形は、順に第一の勾配を持つ第一の期間と、第二の勾配を持つ第二の期間と、第三の勾配を持つ第三の期間と、第四の勾配を持つ第四の期間を有する。

また、上記した課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理方法の一つは、試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、前記試料が載置される試料台に電圧及び高周波電圧を印加しながら前記試料をプラズマ処理する工程を有し、前記電圧の一周期の波形は、順に第一の勾配を持つ第一の期間と、第二の勾配を持つ第二の期間と、第三の勾配を持つ第三の期間と、第四の勾配を持つ第四の期間を有する。

本発明によれば、ウエハ表面が帯電している時間を最小限にしつつ電荷の除去量を適切にすることができる。その結果、電子シェーディング効果に起因する加工形状の悪化を従来以上に抑制し、高精度なプラズマ処理が可能なプラズマ処理装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。

図１は、実施形態１にかかるプラズマ処理装置の模式的な構成を示す図である。 図２は、実施形態１にかかるプラズマ処理装置の電気的な等価回路を表すブロック図である。 図３は、ウエハに印加される電圧の波形を示す図である。 図４は、ウエハに流れる電流の波形を示す図である。 図５は、ウエハの表面に蓄積される負の電荷量を示す図である。 図６は、実施形態２にかかるプラズマ処理装置の模式的な構成を示すブロック図である。

プラズマ処理装置を用いてエッチング処理の異方性をより高め、加工形状の悪化をより抑制するには、エッチング中に局所帯電により生じた電場が入射したイオンの軌道へ与える影響を最小限に抑えなければならない。そのためには、印加電圧の一周期の間にウエハ表面に蓄積する正と負の電荷についてそれぞれ半周期の間に除去しつつ、ウエハ表面が帯電している時間帯を最小限にしなければならない。

本実施形態では、ウエハ表面が帯電する期間を短縮しつつ適切な量の荷電粒子を除去するために、プラズマ処理装置の載置台（以下、「試料台」ともいう。）に接続された直流電源は制御機構からの信号に基づき、出力電圧波形の電圧が急激に上昇する第一の勾配（以下、「傾き」ともいう。）を持つ第一の期間、電圧が緩やかに上昇する第二の勾配を持つ第二の期間、電圧が急激に下降する第三の勾配を持つ第三の期間、電圧が緩やかに下降する第四の勾配を持つ第四の期間の四つの期間を繰り返し出力するようにした。

ここで、出力電圧が第一の期間と第二の期間では単調増加し、第三の期間と第四の期間では単調減少し、第一の勾配の絶対値が第二の勾配の絶対値より大きく、第三の勾配の絶対値が第四の勾配の絶対値より大きく、第一の期間開始時の電圧の値と第四の期間終了時の電圧の値が等しく、第一の期間と第三の期間は電荷がウエハから電極へ移動する際の距離Ｌを荷電粒子が移動する際の速度ｖで除して求められる時間より長く、第二の期間と第四の期間において、単位時間あたりに除去する電荷の量と単位時間あたりに帯電する電荷の量が等しくなるようにした。

上記したプラズマ処理を実現するために、本実施形態においては、プラズマを生成するための高周波電力を供給する第一の高周波電源（以下、「マイクロ波電源」ともいう。）と、ウエハなどの試料が載置される試料台と、試料台に高周波電力を供給する第二の高周波電源（以下、「高周波バイアス電源」ともいう。）と、周期的に繰り返される波形により変化させた電圧を試料台に印加する直流電源を備えるプラズマ処理装置において、試料台に印加する周期的に繰り返される電圧波形に、時間によって電圧波形の傾きが大きい期間と、傾きの小さい期間を含ませることにより、印加電圧の一周期の間にウエハ表面に蓄積する正と負の電荷についてそれぞれを半周期の間に除去しつつ、ウエハ表面が帯電している時間帯を最小限にした。

すなわち、本実施形態では、プラズマを発生させて試料台に載置された試料を加工処理するプラズマ処理装置において、プラズマを発生させている状態で、出力電圧波形の勾配が異なる四つの期間を有する電圧波形により出力された電圧を高周波電圧に重畳させながら試料が載置される試料台に印加してプラズマ処理を行うようにプラズマ処理装置を構成し、プラズマ処理を行うようにしたものである。

以下に、本実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態を説明するための図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。

ただし、本発明は以下に示す本実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得る。

［実施形態１］
以下、図１から図６を用いて、本願発明にかかるプラズマ処理装置の実施形態１を説明する。図１は、実施形態１にかかるプラズマ処理装置の模式的な構成を示す図である。

図１に示す実施形態１にかかるプラズマ処理装置１００は、マイクロ波ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマエッチング装置である。図１では、プラズマ処理装置１００に備わる真空処理室１０１について、その内部に配置された電極、並びに外部に配置された電場および磁場の発生装置等が模式的に示されている。

真空処理室１０１は真空容器１０２の内部に形成される空間である。真空容器１０２は、上部が誘電体窓１０３で気密封止され、下部が可変コンダクタンスバルブ１１０を通じてターボ分子ポンプ１１１とドライポンプ１１２からなる排気系へ接続される。

誘電体窓１０３の直下には、複数の細孔１２０を持つシャワープレート１２１が設置される。誘電体窓１０３とシャワープレート１２１の間の空間１２２は、ガス配管１２３を通じてガス供給機構１２４と接続される。空間１２２と真空処理室１０１は、細孔１２０を通じて連通している。

真空処理室１０１内部の圧力は、圧力計１０４で測定される値に基づいたフィードバック制御により、所望の値に保たれる。フィードバック制御では、可変コンダクタンスバルブ１１０の開度が調整され、かつターボ分子ポンプ１１１による真空処理室１０１からの排気量が調整される。

真空処理室１０１の上部にはマイクロ波電源１３０、導波管１３１、出力モニタ１３２、自動整合器１３３、空洞共振器１３４からなるマイクロ波供給機構が設置される。マイクロ波電源１３０はプラズマを生成するためのマイクロ波（高周波電力）を供給する。マイクロ波電源１３０より出力されたマイクロ波は、導波管１３１を通じて空洞共振器１３４へ伝搬し、プラズマ生成に適したマイクロ波分布にされ、誘電体窓１０３及びシャワープレート１２１を通じて真空処理室１０１へ導入される。この時、マイクロ波の典型的な周波数は２．４５ＧＨｚである。また、出力モニタ１３２は、マイクロ波の反射波の出力の値を測定する。自動整合器１３３は、反射波の出力の値に基づいたフィードバック制御により、自動整合器１３３のインピーダンスを調整し反射波を抑制する。

ソレノイドコイル１４０、１４１、１４２は真空容器１０２及び空洞共振器１３４を囲うように設置され、コイル電源１４３から電流が流されると真空処理室１０１内部に磁場を形成する。この磁場の強度とマイクロ波供給機構より導入されるマイクロ波の周波数が特定の関係を満たす領域において、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）が発生する。例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対しては、磁場強度が０．０８７５Ｔとなる領域である。この領域では電子はマイクロ波から効率的にエネルギーを受け取って加速し、ガス供給機構１２４より供給されたガスと衝突し解離・電離を促進する。これによりプラズマ１４４が生成され、真空処理室１０１内部に拡散する。

プラズマが生成される領域は真空処理室１０１内部の磁場配位によって制御することができ、磁場配位はソレノイドコイル１４０、１４１、１４２に流れる電流の値によって制御することができる。また、プラズマは磁力線に沿って移動するため、磁場配位によって制御することができる。

真空処理室１０１内部には図示されていない梁により固定された試料台１２５が設置される。試料台１２５、真空容器１０２、ターボ分子ポンプ１０５及び空洞共振器１３４は円筒形であり、それらの中心軸は同一であるため、プラズマ１４４の生成及びガスの流れは中心軸に対して均一になる。エッチング対象のウエハ１５０はプラズマ処理装置１００に備えられたロボットアーム等の搬送装置によって試料台１２５上部まで搬送され、試料台に載置される。

電極１５１（以下、「第二の電極」ともいう。）の上面及び側面は、誘電体膜１５２により覆われている。また、誘電体膜１５２内部には、試料台１２５の中心側、外周側それぞれに分かれた静電吸着電極１５３（以下、「第一の電極」ともいう。）が設置されており、静電吸着電極１５３には真空容器１０２の外部から静電吸着用電圧発生部１５４が接続される。静電吸着用電圧発生部１５４は、試料台に載置されたウエハを静電吸着させるための電圧を発生させる。静電吸着用電圧発生部１５４より中心側及び外周側の静電吸着電極１５３にそれぞれ異なった電圧が印加されることでウエハ１５０と静電吸着電極１５３の間に引力が発生し、ウエハ１５０は試料台１２５上部に固定される。また、温度制御膜１５５は誘電体膜１５２内部に設置され、真空容器１０２外部の温度制御機構１５６に接続されている。これにより試料台１２５の温度を制御し、ウエハ１５０の温度を制御することができる。

プラズマ１４４が生成されるとプラズマ１４４とウエハ１５０の間、及びプラズマ１４４とアース１５７の間それぞれに、シース１４５及びシース１４６が生成される。プラズマ１４４中の粒子は、このシース１４５を通過してウエハ１５０に到達する。

電極１５１に接続された高周波バイアス電源１５８により高周波電圧が出力されると、後述のように自動整合器１５９、電極１５１、誘電体膜１５２、ウエハ１５０、シース１４５、プラズマ１４４、シース１４６を通じてアース１５７へ至る電気回路が形成される。そのうえで、ウエハ１５０に高周波電圧が発生し、ウエハ１５０は自己バイアス電圧を持つことになる。これによりプラズマ１４４からウエハ１５０へ入射するイオンが加速され、異方性エッチングを行うことができる。この高周波電圧はマイクロ波電源１３０の出力周波数より低く、誘電体膜１５２を介してウエハ１５０へ電圧を印加することができるほどに高い周波数を持ち、典型的には数百ＫＨｚから数ＭＨｚの周波数が用いられる。また、自動整合器１５９は高周波バイアス電源１５８から出力された電力がシース１４５に効率よく伝達されるようにインピーダンスマッチングを行う。

以上の構成は制御部１６０に接続されており、あらかじめ設定されたレシピと呼ばれる動作シーケンスに従い制御されている。

図２は、実施形態１にかかるプラズマ処理装置の電気的な等価回路を表すブロック図である。図２は、図１に示した実施形態１にかかる高周波バイアス電源１５８及び静電吸着用電圧発生部１５４により電圧が印加された際に形成される電気回路の等価回路を示したものである。

静電吸着用電圧発生部１５４の出力は、静電吸着電極１５３に相当する点１５３ａ、誘電体膜１５２に相当するキャパシタンス１５２ａ、ウエハ１５０上に成膜された誘電体膜に相当するキャパシタンス１５０ａ、ウエハ１５０の表面に相当する点１５０ｂ、シースに相当する並列回路１４５ａ、プラズマに相当する抵抗１４４ａ、シース１４６に相当する並列回路１４６ａを伝わりアース１５７へ至る。

この等価回路では、ウエハ１５０内部に生じる電場Ｅはウエハ１５０の厚さｄ及び比例定数Ａを用いて、Ｅ＝ＡＶ／ｄという関係が成り立つ。即ち、電場Ｅは静電吸着用電圧発生部１５４により出力される電圧Ｖに比例する。

また、静電吸着用電圧発生部１５４により出力される電圧Ｖと静電吸着用電圧発生部１５４からウエハ１５０を通ってアース１５７に流れる電流Ｉの間には、比例定数Ｂを用いてＩ＝Ｂ×ｄＶ／ｄｔの関係が成り立つ。即ち、静電吸着用電圧発生部１５４からウエハ１５０を通ってアース１５７に流れる電流Ｉは、静電吸着用電圧発生部１５４により出力される電圧Ｖが時間に対して変化する割合に比例する。

図３は、ウエハに印加される電圧の波形を示す図である。図３（ａ）は図１に示した実施形態１にかかる静電吸着用電圧発生部１５４から出力される電圧の波形を示す。静電吸着用電圧発生部１５４は制御部１６０からの信号に基づき、グラフ３００に示す電圧３０１を出力する。電圧３０１の波形は、静電吸着のための電圧Ｖ_ＥＳＣに対しウエハ１５０の表面に蓄積した電荷を除去するための電圧を重畳することで与えられる波形である。

電圧３０１の波形は、第一乃至第四の期間から構成される一周期Ｔをもつ。各期間における傾きはそれぞれｇ１、ｇ２、ｇ３、ｇ４と表され、各期間の長さはＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４と表される。また電圧３０１の振幅は、Ｖ０で表される。第一の期間Ｔ１は第一の傾きｇ１を持ち、第二の期間Ｔ２は第二の傾きｇ２を持ち、第三の期間Ｔ３は第三の傾きｇ３を持ち、第四の期間Ｔ４は第四の傾きｇ４を持つ。一周期Ｔは、順にＴ１からＴ４の期間に分けられる。第一の期間Ｔ１及び第二の期間Ｔ２において電圧３０１は上昇する傾きをもち、第三の期間Ｔ３及び第四の期間Ｔ４において電圧３０１は下降する傾きを持つ。

なお、ウエハ１５０の表面に蓄積した電荷をウエハ１５０の外部まで移動させて除去するためには、ウエハ１５０の表面に蓄積した電荷がウエハ１５０外部まで移動するのにかかる時間ｔよりも、電流Ｉが同じ方向に継続して流れる時間が長くなる必要がある。ここで時間ｔは、ウエハ１５０の表面に蓄積した電荷が除去される際に移動する距離Ｌを、ウエハ１５０における電荷(電子および正イオン)の速度ｖで除して求められる。距離Ｌは、ウエハ１５０の表面から誘電体膜１５２までの間の距離であり、電子と正イオンの場合で差はほとんどなく同じ距離と仮定する。本実施形態における装置構成ではウエハ１５０の表面に蓄積した電荷がウエハ１５０の外部まで移動するのに必要な時間は数百μｓであるため、電流Ｉが継続して流れる時間を１ｍｓ以上とすることが望ましい。すなわち、電圧３０１の波形の各期間の長さＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、いずれも１ｍｓを下回らないようにすることが望ましい。なお、一周期Ｔは例えば２０ｍｓ程度であり、一周期Ｔのなかで電圧３０１の波形が設定される。また、第一の期間Ｔ１及び第三の期間Ｔ３ではプラズマから流入する電荷とすでにウエハ表面に蓄積された電荷とを合わせて除去する必要がある。一方、第二の期間Ｔ２および第四の期間Ｔ４ではプラズマから流入する電荷のみを除去すればよい。このため、電圧の傾きの大小関係は、第一の期間の勾配が第二の期間の傾きよりも大きく、ｇ１＞ｇ２であり、また－ｇ３＞－ｇ４である。

また、第一の期間Ｔ１の開始時の電圧の値は第四の期間Ｔ４の期間の終了時の電圧の値と等しく、第一の期間Ｔ１から第四の期間Ｔ４までが繰り返されて、電圧３０１が印加される。

図３（ｂ）の三角波電圧３０２は、図３（ａ）の電圧３０１との比較のために示したもので、ウエハ１５０上の荷電粒子を除去することができる波形を示している。三角波電圧３０２において、電圧波形の立ち上がりと立ち下がりはいずれも直線で傾きが一定であるために、一定の電流が所定の時間流れることになる。

図４は、ウエハ１５０に流れる電流の波形を示す図である。図４は、図１に示した実施形態１にかかる静電吸着用電圧発生部１５４からウエハ１５０を通りアース１５７に流れる電流Ｉを示したものであり、グラフ４００はその電流Ｉの波形を示したものである。図４（ａ）の電流波形４０１は図３（ａ）に示した電圧３０１を用いた場合を表し、図４（ｂ）の電流波形４０３は図３（ｂ）に示した三角波電圧３０２を用いた場合を表す。

電圧３０１を用いた場合、静電吸着用電圧発生部１５４の出力電圧が変化している期間に流れる電流Ｉは、図４(ａ)に示すように各期間における電圧波形の傾きに比例定数Ｂを乗じたものに等しくなる。三角波電圧３０２を用いた場合は、三角波電圧３０２の波形の傾きは±４Ｖ０／Ｔであるため、図４(ｂ)に示すように±Ｂ×４Ｖ０／Ｔの電流が流れる。

電流波形４０１において、電流が正の値を持つときウエハ１５０に蓄積された負の電荷が除去され、電流が負の値を持つときウエハ１５０に蓄積された正の電荷が除去される。即ち、第一及び第二の期間Ｔ１とＴ２においてはウエハ１５０に蓄積された負の電荷が除去され、第三及び第四の期間Ｔ３とＴ４においてはウエハ１５０に蓄積された正の電荷が除去される。なお、後述の図５（ａ）についての説明にもあるように、第二の期間Ｔ２においてウエハ１５０から除去される負の電荷の量は、プラズマからウエハ表面へ流入する電荷の量と等しくなるように設定されている。電流波形４０３においても同様に、電流が正の値を持つときウエハ１５０に蓄積された負の電荷が除去され、電流が負の値を持つときウエハ１５０に蓄積された正の電荷が除去される。

網掛け部４０２の面積の合計は、電圧３０１を用いた場合にウエハ１５０から除去される電荷量を表す。このとき、電流Ｉの値は電圧３０１の傾きに比例定数Ｂを乗じたものに等しいことから、第一期間Ｔ１における網掛け部４０２の面積はＢｇ１×Ｔ１であり、第二期間Ｔ２における網掛け部４０２の面積はＢｇ２×Ｔ２となる。これらの面積の和はＢ（ｇ１×Ｔ１＋ｇ２×Ｔ２）であり、図３(ａ)よりｇ１×Ｔ１＋ｇ２×Ｔ２＝２Ｖ０であるため、網掛け部４０２の内、電流Ｉが正の値を持つ部分の面積の合計はＢ×２Ｖ０である。同様に網掛け部４０２の内、電流Ｉが負の値を持つ部分の面積の合計もＢ×２Ｖ０である。また、三角波電圧３０２を用いた場合は、網掛け部４０４の面積の合計が当該電荷量に相当する。このとき網掛け部４０４の内、電流Ｉが正の値を持つ部分の面積の合計及び負の値を持つ部分の面積の合計はどちらもＢ×２Ｖ０である。すなわち、電圧３０１と三角波電圧３０２のどちらを用いても、単位時間あたりにウエハ１５０から除去される電荷量は同じである。

図５は、ウエハ１５０の表面に蓄積される負の電荷量を示した図である。グラフ５００は負の電荷量の時間変化を示したものであり、図５（ａ）に示した電荷量の時間変化５０１は電圧３０１を用いた場合を表し、図５（ｂ）に示した電荷量の時間変化５０２は三角波電圧３０２を用いた場合を表す。

ここで、Ｉｐをプラズマ１４４から流入し、ウエハ１５０の表面に単位時間あたりに蓄積される電荷量を表すとする。実施形態１においては、Ｉｐは、期間Ｔ１からＴ４までの間、マイクロ波電源１３０と高周波バイアス電源１５８が印加された状態で発生したプラズマから流入する電荷量であり、単位時間当たり一定の電荷量である。このとき、電流Ｉはウエハ１５０の表面から単位時間あたりに除去される電荷量を表すと解釈することも可能である。ウエハ１５０の表面に蓄積される電荷量は、電流Ｉの値がＩｐの値より大きい時に減少し、電流Ｉの値がＩｐの値より小さい時に増加し、電流Ｉの値とＩｐの値が等しい時には変化しない。

図５（ａ）に示されるように、電荷量の時間変化５０１において、第三及び第四の期間Ｔ３とＴ４では、ウエハ１５０の表面から負の電荷を除去する正の値をもつ電流が流れておらず（図４（ａ）参照）、プラズマから負の電荷が流入するため、電荷量は増加する。第一の期間Ｔ１では、電圧３０１の第一の期間Ｔ１における傾きｇ１の値を適切に設定することで電流Ｉの値を第一の期間Ｔ１が終了する際に電荷量が０になるように調整する。同様に第二の期間Ｔ２では、電圧３０１の第二の期間Ｔ２における傾きｇ２の値を適切に設定することで電流Ｉの値とＩｐの値が等しくなるように調整する。これにより第二の期間Ｔ２ではウエハ１５０の表面に電荷が蓄積されていない状態を維持することができる。

一方、図５（ｂ）に示されるように、電荷量の時間変化５０２においては、ウエハ１５０の表面から負の電荷を除去する電流が流れている期間の長さと、電流が流れていない期間の長さは、いずれもＴ０／２である。また、三角波電圧が印加される一周期Ｔ０の間において、ウエハ１５０の表面に電荷が蓄積されていない状態は維持されていない。

また、電圧３０１及び三角波電圧３０２を用いた場合のウエハ１５０の表面に蓄積された電荷量の時間平均について計算すると、それらの電圧の周期が等しいとき、図３（ａ）の電圧３０１を用いた場合の方が三角波電圧３０２を用いた場合よりも小さくなる。具体的には、電圧３０１の一周期Ｔと三角波電圧３０２の一周期Ｔ０が等しいとし、Ｔ０＝Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４、Ｔ１＋Ｔ２＝Ｔ３＋Ｔ４＝Ｔ０／２とすると、図３（ａ）における電荷量の時間平均は、［期間Ｔ１の面積｛Ｉｐ（Ｔ３＋Ｔ４）×Ｔ１×１／２｝＋期間Ｔ２の面積（０）＋期間Ｔ３とＴ４の面積｛Ｉｐ（Ｔ３＋Ｔ４）×（Ｔ３＋Ｔ４）×１／２｝］／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）＝（Ｉｐ＋Ｔ０）／４×（０．５＋Ｔ１／Ｔ０）である。図３（ｂ）における電荷量の時間平均は、高さＴｐ×Ｔ０／２で底辺の長さＴ０／２の三角形が２つあるから、Ｔｐ×Ｔ０／２×Ｔ０／２×（１／２）／（Ｔ０）＝Ｉｐ×Ｔ０／４となる。（０．５＋Ｔ１／Ｔ０）＜１、即ちＴ１＜０．５×Ｔ０となるとき、電圧３０１を用いた場合の方が三角波電圧３０２を用いた場合よりも小さくなる。

なお、実施形態１において、ウエハへ流入する電荷量および蓄積された電荷量は、装置において発生しうるプラズマの密度と温度、ウエハ表面の構造から、推定することができる。推定された電荷量に基づいて、電荷除去に必要な時間としてＴ１およびＴ３を設定し、Ｔ２およびＴ４は１周期の時間からＴ１およびＴ３の時間を除いた値とする。通常は、Ｔ１＝Ｔ３、ｇ１＝－ｇ３となる。また、電圧の期間や傾きのパラメータはあらかじめレシピに登録されたものであり、試料や装置の材料、プラズマ条件から、適切な値が設定される。

以上では主に負の電荷の除去について説明したが、第三の期間Ｔ３及び第四の期間Ｔ４における第三の傾きｇ３及び第四の傾きｇ４を適切に設定することで、印加電圧の半周期の間にウエハ１５０の表面に蓄積された正の電荷を除去しつつ、ウエハ１５０の表面が帯電している時間帯を最小限にすることができる。例えば、図５において、第一の期間Ｔ１と第二の期間Ｔ２において負の電荷が除去され、第二の期間Ｔ２において時間あたりに蓄積される負の電荷の量と時間あたりに除去される負の電荷の量が等しいことが示されている。正の電荷について考える場合、第三の期間Ｔ３と第四の期間Ｔ４において正の電荷が除去されるように表示され、また第四の期間Ｔ４において時間あたりに蓄積される正の電荷の量と時間あたりに除去される正の電荷の量が等しくなる。

［実施形態２］
図６を用いて、本発明の実施形態２を説明する。実施形態１においては高周波バイアス電源１５８が電極１５１に電圧を印加するところ、実施形態２においては、高周波バイアス電源１５８が、静電吸着用電圧発生部１５４に接続された静電吸着電極１５３ａ及び静電吸着電極１５３ｂに接続される点で実施形態１と異なる。なお、実施形態１において説明した図１と実施形態２における図６とで同一の符号が付された構成部品は同一の機能を有するため、その構成部品については説明を省略する。

図６は、実施形態２にかかるプラズマ処理装置の模式的な構成を示すブロック図である。図６においては、電極１５１の断面及び高周波バイアス電源１５８、静電吸着用電圧発生部１５４の詳細が示されている。実施形態２では高周波バイアス電源１５８と自動整合器１５９がキャパシタ６０１ａ及びキャパシタ６０１ｂを介して静電吸着電極１５３ａ及び静電吸着電極１５３ｂに接続されている。静電吸着用電圧発生部１５４は電源ユニット１５４ａ及び電源ユニット１５４ｂから構成され、それぞれ静電吸着電極１５３ａ及び静電吸着電極１５３ｂに接続される。

キャパシタ６０１ａおよび６０１ｂは、静電吸着用電圧発生部１５４から出力される直流電圧が高周波バイアス電源１５８に伝わることを防ぐ役割がある。また、図１に示す実施形態１における電極１５１と静電吸着電極１５３ａおよび１５３ｂとの間の静電容量をキャパシタ６０１ａおよび６０１ｂで模擬することで、図１に示す実施形態１の場合と同等の効果を得ることができる。

実施形態２においても、実施形態１の場合と同等の効果を得ることができる。すなわち、静電吸着用電圧発生部１５４による印加電圧の一周期の間に、ウエハ１５０の表面に蓄積する正と負の電荷についてそれぞれ半周期の間に除去しつつ、ウエハ表面が帯電している時間帯を最小限にすることができ、その結果、電子シェーディング効果に起因する加工形状の悪化を従来以上に抑制可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

以上の説明によれば、電圧３０１を用いることで、ウエハ１５０から除去される電荷量を三角波電圧３０２を用いた場合と同等にしつつ、三角波電圧３０２を用いた場合と比べてウエハ表面が帯電している時間を最小限にすることが可能である。

以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述した実施の形態には限定されず、様々な変形例を含む。例えば、上述した実施の形態は、本発明を分かりやすく説明するため詳細に説明してあるが、本発明は必ずしも説明した全ての構成を備えるものには限定されない。例えば、上述の実施の形態においては、電圧の一周期を４つの期間に分けることを説明したが、４つの期間に分ける場合に限定されるものではない。ウエハ表面に帯電する電荷を除去するための期間を２以上の期間とすることも可能である。また、ウエハの表面が帯電している時間を最小限にするというのは、従来の三角波電圧の場合よりも、実施の形態に示した電圧を印加している間にウエハの表面が帯電している時間帯を少なくすることも含む。装置の構成やウエハの表面の構成に応じて、ウエハの表面が帯電している時間帯はある程度の幅を持ちうる。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施の形態の構成について、他の構成を追加したり、あるいは構成の一部を削除・置換したりすることも可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、本発明が限定されるものではない。

なお、上述した実施の形態で説明した構造や方法については、上述の実施の形態のものに限定されるものではなく、様々な応用例が含まれる。

１００ プラズマ処理装置、 １０１ 真空処理室、 １０２ 真空容器、
１０３ 誘電体窓、 １０４ 圧力計、 １０５、１１１ ターボ分子ポンプ、
１１０ 可変コンダクタンスバルブ、 １１２ ドライポンプ、 １２０ 細孔、
１２１ シャワープレート、 １２２ 空間、 １２３ ガス配管、
１２４ ガス供給機構、 １２５ 試料台、 １３０ マイクロ波電源、
１３１ 導波管、 １３２ 出力モニタ、 １３３、１５９ 自動整合器、
１３４ 空洞共振器、 １４０ ソレノイドコイル、 １４３ コイル電源、
１４４ プラズマ、 １４４ａ プラズマに相当する抵抗、
１４５、１４６ シース、 １４５ａ、１４６ａ シースに相当する並列回路、
１５０ ウエハ、
１５０ａ ウエハ上に製膜された誘電体膜に相当するキャパシタンス、
１５０ｂ ウエハの表面に相当する点、 １５１ 電極、 １５２ 誘電体膜、
１５３、１５３ａ、１５３ｂ 静電吸着電極、
１５４ 静電吸着用電圧発生部、 １５４ａ、１５４ｂ 電源ユニット、
１５５ 温度制御膜、 １５６ 温度制御機構、 １５７ アース、
１５８ 高周波バイアス電源、 １６０ 制御部、
３００、４００、５００ グラフ、 ３０１ 電圧、 ３０２ 三角波電圧、
４０１、４０３ 電流波形、 ４０２、４０４ 網掛け部、
５０１、５０２ 時間変化、 ６０１ａ、６０１ｂ キャパシタ、
Ｔ１～Ｔ４ 期間、 ｇ１～ｇ４ 傾き、 Ｔ、Ｔ０ 周期

Claims (19)

1. プラズマを生成するための高周波電力を供給する第一の高周波電源と、
   試料が載置される試料台と、
   高周波電圧を前記試料台に供給する第二の高周波電源と、
   載置された前記試料を静電吸着させるための電圧と前記試料表面に蓄積した電荷を除去するための電圧を重畳して電圧（以下、単に「重畳電圧」という。）を発生させる静電吸着用電圧発生部と、
   前記静電吸着用電圧発生部を制御する制御部を備え、
   前記重畳電圧の一周期の波形は、順に第一の勾配を持つ第一の期間と、第二の勾配を持つ第二の期間と、第三の勾配を持つ第三の期間と、第四の勾配を持つ第四の期間を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記試料台は、載置された前記試料を静電吸着させるための第一の電極と、前記第一の電極と異なる第二の電極と、を具備し、
   前記第二の高周波電源からの高周波電圧が前記第二の電極に印加され、前記重畳電圧が前記第一の電極に印加されることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記試料台は、載置された前記試料を静電吸着させるための第一の電極と、前記第一の電極と異なる第二の電極を具備し、
   前記第二の高周波電源からの高周波電圧と前記重畳電圧が前記第一の電極に印加されることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の期間の開始時の電圧の値は前記第四の期間の終了時の電圧の値と等しく、前記第一の期間から前記第四の期間までが繰り返されることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記重畳電圧は、前記第一の期間及び第二の期間において上昇し、前記第三及び第四の期間において下降することを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の勾配が前記第二の勾配より大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第三の勾配が前記第四の勾配より大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一の期間から前記第四の期間までのそれぞれの期間の長さが、前記試料表面に蓄積した電荷が除去される際に移動する距離Ｌを、前記試料における電荷（電子および正イオン）の速度ｖで除して求められる、前記試料表面に蓄積した電荷が前記試料外部まで移動するのにかかる時間ｔよりも長いことを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記重畳電圧の波形が前記第二の期間において、前記試料に時間あたりに蓄積される負の電荷の量と、前記試料から時間あたりに除去される負の電荷が等しくなるような第二の勾配を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記重畳電圧の波形が前記第四の期間において、前記試料に時間あたりに蓄積される正の電荷の量と、前記試料から時間あたりに除去される正の電荷が等しくなるような第四の勾配を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
11. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記重畳電圧は、前記第一の期間から前記第四の期間までのそれぞれの期間の長さが１ｍｓ以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
    前記試料が載置される試料台に電圧及び高周波電圧を印加しながら前記試料をプラズマ処理する工程を有し、
    前記電圧の一周期の波形は、順に第一の勾配を持つ第一の期間と、第二の勾配を持つ第二の期間と、第三の勾配を持つ第三の期間と、第四の勾配を持つ第四の期間を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
13. 請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一の期間は、開始時の電圧の値が前記第四の期間の終了時の電圧の値と等しく、前記第一の期間から前記第四の期間が繰り返されることを特徴とするプラズマ処理方法。
14. 請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記電圧は、前記第一の期間及び第二の期間において上昇し、前記第三及び第四の期間において下降することを特徴とするプラズマ処理方法。
15. 請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一の勾配が前記第二の勾配より大きいことを特徴とするプラズマ処理方法。
16. 請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第三の勾配が前記第四の勾配より大きいことを特徴とするプラズマ処理方法。
17. 請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一の期間から前記第四の期間までのそれぞれの期間の長さが、前記試料表面に蓄積した電荷が除去される際に移動する距離Ｌを、前記試料における電荷（電子および正イオン）の速度ｖで除して求められる、前記試料表面に蓄積した電荷が前記試料外部まで移動するのにかかる時間ｔよりも長いことを特徴とするプラズマ処理方法。
18. 請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記電圧の波形が前記第二の期間において、前記試料に時間あたりに蓄積される負の電荷の量と、前記試料から時間あたりに除去される負の電荷が等しくなるような第二の勾配を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
19. 請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
    前記電圧は、前記第一の期間から前記第四の期間までのそれぞれの期間の長さが１ｍｓ以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。

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