JP4491029B2

JP4491029B2 - プラズマ処理装置及び高周波電力供給装置

Info

Publication number: JP4491029B2
Application number: JP2008208076A
Authority: JP
Inventors: 利泰速水; 征英岩▲崎▼; 淳一高平; 一良渡部; 真一小松; 雄一佐々木
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2009021256A

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施すための技術に係わり、特にプラズマの生成にＶＨＦ帯の高周波電力を用いるプラズマ処理装置および高周波電力供給装置に関する。

従来より、半導体デバイスやＦＰＤ（ＦｌａｔＰａｎｅｌＤｉｓｐｌａｙ）の製造プロセスでは、プラズマを利用してエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理を行うプラズマ処理装置が多く使われている。この種の一般的なプラズマ処理装置は、処理容器または反応室内に一対の電極を平行に配置して電極間に処理ガスを流し込み、高周波電源からのプラズマ生成用の高周波電力を整合器を介して片側の電極に供給し、両電極間に形成される高周波電界により電子を加速させ、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマを発生させるようにしている。ここで、整合器は、高周波電源側の出力ないし伝送インピーダンスに負荷（特にプラズマ）側のインピーダンスを整合させるためのもので、負荷側の電力損失を極力少なくするために処理容器の近くに配置されるのが通例である。一方、高周波電源は、補機として、処理容器の設置されるクリーンルームから隔離された用力室またはラックに設置されるのが通例である。通常、高周波電源から整合器まで約５ｍ〜２０ｍの距離があり、両者は同軸ケーブル等の高周波伝送線路で接続される。

最近では、製造プロセスにおけるデザインルールの微細化につれてプラズマ処理に低圧下での高密度プラズマが要求されており、上記のような高周波放電方式のプラズマ処理装置では従来（一般に２７ＭＨｚ以下）よりも高いＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）の周波数をプラズマ生成用の高周波電力に使用するようになってきている。
特開平９−３１２２６８

上記のように、高周波放電式のプラズマ処理装置では、高周波電源より与えられる高周波電力の周波数（基本周波数または伝送周波数）については、整合器が負荷（プラズマ）側とインピーダンスの整合をとるため、負荷側からの反射波は整合器で止まり、高周波電源まで返ってくることはない。しかしながら、概してプラズマは非線形な負荷であり、高調波を発生する。その場合、整合器はそのような高調波に対しては整合をとれないため負荷側から受けた高調波を高周波電源側へ通してしまい、これによって整合器と高周波電源との間の伝送線路上で高調波の進行波と反射波とが混在して定在波が発生する。このように高周波電力の伝送線路上で高調波の定在波が生じ、共振状態が形成されると、その影響で処理容器内のプラズマの生成ないし分布特性が不定に変動し、プロセスの再現性や信頼性が低下するおそれがある。

上記のような不所望な高調波の中でも、プロセス特性に実質的な影響を及ぼすのは２次高調波と３次高調波である。図５に、プラズマ生成用に１００ＭＨｚの高周波電力を使用し、高周波電源と整合器との間の伝送線路にケーブルＬＭＲ９００（５ｍ）を用いる従来のプラズマ処理装置において、該ケーブルの線路長を１００ＭＨｚの波長λ（λ＝３０００ｍｍ）の１／１６毎に変化させたときに発生する高調波の出力レベルを示す。図５のグラフから、相対的に２次高調波と３次高調波の出力レベルが高く、特に３次高調波の出力レベルが共振によって著しく増大することがわかる。

本発明は、上記のような従来の問題点に鑑みてなされたもので、高周波電力供給部のレイアウトを改善し、さらには高周波電力供給部の伝送線路上でプラズマからの高調波が共振するのを確実に防止するようにしたプラズマ処理装置および高周波電力供給装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるプラズマ処理装置は、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、第１の高周波電力と第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲う筒状の支持部と、前記空間の中に配置された高周波電力供給部とを具備する。そして、前記高周波電力供給部が、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、前記第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、前記第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを有し、前記伝送線路を前記第１の高周波電力の第３高調波の波長λに対してλ／２よりも短い線路長にし、前記第１の高周波電力の第３高調波に対して前記第１の高周波電源部の出力端子側および前記第１の整合器の入力端子側がそれぞれ電気的に短絡端となる。
本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、第１の高周波電力と第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲う筒状の支持部と、前記空間の中に配置された高周波電力供給部とを具備する。そして、前記高周波電力供給部が、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、前記第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、前記第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを有し、前記伝送線路を前記第１の高周波電力の第３高調波の波長λに対して３λ／４よりも短い線路長にし、前記第１の高周波電力の第３高調波に対して前記第１の高周波電源部の出力端子側が電気的に短絡端となり、前記第１の整合器の入力端子側が電気的に開放端となる。
本発明の第３の観点におけるプラズマ処理装置は、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、第１の高周波電力と第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲う筒状の支持部と、前記空間の中に配置された高周波電力供給部とを具備する。そして、前記高周波電力供給部が、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、前記第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、前記第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを有し、前記第１の高周波電源部が、直流電力を入力して前記第１の高周波電力を生成する高周波電力発生部と、前記伝送線路に前記第１の高周波電力の高調波に対して電気的に短絡端として接続される出力端子を有し、前記高周波電力発生部からの前記第１の高周波電力を選択的に通すフィルタとを有する。

本発明の第１の観点における高周波電力供給装置は、プラズマ処理装置の所定の囲い空間の中に設けられ、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを具備する。ここで、前記プラズマ処理装置は、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲んで前記囲い空間を形成する筒状の支持部とを有する。そして、この高周波電力供給装置においては、前記伝送線路を前記第１の高周波電力の第３高調波の波長λに対してλ／２よりも短い線路長にし、前記第１の高周波電力の第３高調波に対して前記第１の高周波電源部の出力端子側および前記第１の整合器の入力端子側がそれぞれ電気的に短絡端となる。
本発明の第２の観点における高周波電力供給装置は、プラズマ処理装置の所定の囲い空間の中に設けられ、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを具備する。ここで、前記プラズマ処理装置は、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲んで前記囲い空間を形成する筒状の支持部とを有する。そして、この高周波電力供給装置においては、前記伝送線路を前記第１の高周波電力の第３高調波の波長λに対して３λ／４よりも短い線路長にし、前記第１の高周波電力の第３高調波に対して前記第１の高周波電源部の出力端子側が電気的に短絡端となり、前記第１の整合器の入力端子側が電気的に開放端となる。
本発明の第３の観点における高周波電力供給装置は、プラズマ処理装置の所定の囲い空間の中に設けられ、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを具備する。ここで、前記プラズマ処理装置は、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲んで前記囲い空間を形成する筒状の支持部とを有する、そして、この高周波電力供給装置においては、前記第１の高周波電源部が、直流電力を入力して前記第１の高周波電力を生成する高周波電力発生部と、前記伝送線路に前記第１の高周波電力の高調波に対して電気的に短絡端として接続される出力端子を有し、前記高周波電力発生部からの前記高周波電力を選択的に通すフィルタとを有する。

本発明においては、プラズマ処理装置において、第１の高周波電源部と第１の整合器と第２の整合器とを有し、第１の高周波電源から第１の整合器まで第１の高周波電力を伝送する伝送線路を含む高周波電力供給装置（または高周波電力供給部）が、第１および第２の高周波電力を印加される第１の電極の下に設けられる空間の中に配置されるので、該伝送線路の線路長を伝送周波数（高周波電力）の第３高調波について共振条件が成立する最短の線路長よりも短くする構成を実現できる。

本発明の好適な一態様として、本発明における高周波電力供給装置（または高周波電力供給部）が、垂直方向に積み重ねられた３段のボックスを有し、第１の高周波電源、第１の整合器および第２の整合器がそれら３段ボックスにそれぞれ収容する構成としてよい。

以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置または高周波電力供給装置によれば、上記のような構成および作用により、高周波電力供給部のレイアウトを改善し、さらには高周波電力供給部の伝送線路上でプラズマからの高調波が共振するのを確実に防止することができる。

以下、図１〜図４を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態によるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）型のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は、たとえば０．１λｍオーダのパーティクルが０．０２８３ｍ³（１立方フィート）当たり１００個以下に管理されたクリーンルームＲａに設置され、保安接地されている。

チャンバ１０内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状の下部電極またはサセプタ１２が設けられている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、絶縁性の筒状保持部１４を介してチャンバ１０の底部から垂直上方に延在する筒状支持部１６に支持されている。筒状保持部１４の上面には、サセプタ１２の上面を環状に囲むたとえば石英からなるフォーカスリング１８が配置されている。

チャンバ１０の側壁と筒状支持部１６との間には排気路２０が形成され、この排気路２０の入口または途中に環状のバッフル板２２が取り付けられるとともに底部に排気口２４が設けられている。この排気口２４に排気管２６を介して排気装置２８が接続されている。排気装置２８は、クリーンルームＲａから隔離された階下の用力室Ｒｂに設置されており、真空ポンプを作動させてチャンバ１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧する。チャンバ１０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。チャンバ１０の周囲には、環状または同心状に延在する磁石３１が配置されている。

筒状支持部１６の内側には、サセプタ１２に対して背面側から給電棒３４を介してプラズマ生成用の高周波電力とＲＩＥ用の高周波電力とを給電する高周波給電部３２が設けられている。この高周波給電部３２には、階下（用力室Ｒｂ）の直流電源部３６よりプラズマ生成用の直流電力がケーブル３８を介して供給されるとともに、階下（用力室Ｒｂ）の高周波電源４０よりＲＩＥ用の高周波電力がケーブル４１を介して供給される。直流電源部３６は、商用交流電源４２より商用周波数の交流電力を入力し、入力した交流電力を直流電力に変換しかつ増幅して出力するように構成されている。高周波給電部３２の具体的構成および作用は後に詳述する。

サセプタ１２の上面には半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４４が設けられている。この静電チャック４４は導電膜からなる電極４４ａを一対の絶縁膜４４ｂ，４４ｃの間に挟み込んだものであり、電極４４ａには階下（用力室Ｒｂ）の直流電源４６がケーブルや導体棒等を介して電気的に接続されている。直流電源４６からの直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷをチャック上に吸着保持することができる。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延在する冷媒室４８が設けられている。この冷媒室４８には、階下（用力室Ｒｂ）のチラーユニット５０より配管５２，５４を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック４４上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、階下（用力室Ｒｂ）の伝熱ガス供給部５６からの伝熱ガスたとえばＨｅガスが、ガス供給ライン５８を介して静電チャック４４の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

チャンバ１０の天井部には、サセプタ１２と対向してシャワーヘッド６０が接地電位の上部電極として設けられている。シャワーヘッド６０は、多数の通気孔または吐出孔６２ａを有する下面の電極板６２と、この電極板６２を着脱可能に支持する電極支持体６４とを有する。電極支持体６４の内部にバッファ室６６が設けられ、このバッファ室６６のガス導入口６６ａには処理ガス供給部６８からのガス供給配管７０が接続されている。

用力室Ｒｂ内には、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２８、高周波給電部３２、チラーユニット５０、伝熱ガス供給部５６および処理ガス供給部６８等の動作を制御するための制御部（図示せず）も設けられてよい。

このプラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ３０を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４４の上に載置する。そして、処理ガス供給部６８よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２８によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、高周波給電部３２より所定のパワーでプラズマ生成用のたとえば１００ＭＨｚの高周波電力とＲＩＥ用のたとえば３．２ＭＨｚの高周波電力とをサセプタ１２に供給する。また、直流電源４６より直流電圧を静電チャック４４の電極４４ａに印加して、半導体ウエハＷを静電チャック４４上に固定する。シャワーヘッド６０より吐出されたエッチングガスは両電極１２，６０間で高周波の放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面がエッチングされる。

このプラズマエッチング装置では、サセプタ（下部電極）１２に対して高周波給電部３２より従来（一般に２７ＭＨｚ以下）よりも高いＶＨＦ帯（好ましくは７０ＭＨｚ以上）の高周波を印加することにより、プラズマを好ましい解離状態で高密度化し、より低圧の条件下でも高密度プラズマを形成することができる。

また、チャンバ１０内でプラズマを生成している間は、プラズマにより発生される高調波が高周波給電部３２側に伝搬し、高周波給電部３２内の高周波伝送線路上では高調波が反射して定在波を発生させる。しかしながら、後述するように、この実施形態においては、以下に述べるように高周波給電部３２がプロセスに影響を与える可能性のある第２高周波ないし第３高調波の共振を確実に防止する構造を有しているため、再現性および信頼性の高いプラズマエッチングを保証することができる。

次に、このプラズマエッチング装置における高周波給電部３２の構成および作用を説明する。

図２に示すように、高周波給電部３２は、垂直方向に積み重ねられた４段の筐体またはボックス７２，７４，７６，７８を有している。最上段および次段のボックス７２，７４には、プラズマ生成用の整合器８０およびマッチング制御部８２がそれぞれ収容されている。上から３番目のボックス７６にはＲＩＥ用の整合器８４（詳細は省略）が収容され、最下段のボックス７８にはプラズマ生成用の高周波電源部８６が収容されている。高周波電源部８６の出力端子は、高周波伝送線路たとえば同軸管８８を介してプラズマ生成用の整合器８０の入力端子に接続されている。

最上段のボックス７２において、プラズマ生成用の整合器８０は、高周波電源部８６の出力ないし伝送インピーダンスに負荷（特にプラズマ）インピーダンスを整合させるための整合回路網を構成するものであり、同軸管８８に接続された入力部９０と、この入力部９０にたとえば誘導結合で電気的に接続された共振棒９２と、この共振棒９２と給電棒３４との間に接続された可変コンデンサ９４とを有している。

入力部９０は、たとえば、可変コンデンサ（図示せず）と共振棒９２に誘導結合するためのリンクコイル（図示せず）とを含んでいる。この実施形態では、入力部９０内の上記可変コンデンサの一方の端子をグランド電位に接続することで、同軸管８８の一端と接続する入力部９０の入力端子を短絡端とみなすことができる。

上からの２段目のボックス７４において、マッチング制御部８２は、インピーダンスの虚数部またはリアクタンスを制御するために入力部９０の可変コンデンサおよび出力側の可変コンデンサ９４の容量値をそれぞれ調整するためのモータを含むアクチエータ９６，９８と、これらのアクチエータ９６，９８を制御するためのコントローラ１００とを有している。

上から３段目のボックス７６において、ＲＩＥ用の整合器８４は、高周波電源４０（図１）の出力ないし伝送インピーダンスに負荷（特にプラズマ）インピーダンスを整合させるための整合回路網を構成するものである。この整合器８４の出力端子は、高周波伝送線路たとえば同軸管１０２を介して給電棒３４に接続されている。伝送線路１０２の途中には、伝送周波数（３．２ＭＨｚ）以外の周波数成分を遮断または除去するためのフィルタ１０４が設けられている。

最下段のボックス７８において、高周波電源部８６は、ＲＦ発振器１０６、ＲＦアンプ１０８、サーキュレータ１１０およびフィルタ１１２を有している。ＲＦ発振器１０６は、プラズマ生成用の高周波電力の周波数（１００ＭＨｚ）を規定する高周波信号を発生する。ＲＦアンプ１０８は、たとえばＦＥＴからなるスイッチング素子を有し、直流電源部３６（図１）からたとえば５ｍ〜２０ｍ長の直流伝送用ケーブル３８を介して直流電力を入力し、ＲＦ発振器１０６からの高周波信号に応動したスイッチング動作により１００ＭＨｚの高周波電力を発生する。サーキュレータ１１０は、アイソレータ回路として機能し、ＲＦアンプ１０８からの高周波電力（進行波）を実質的に減衰なく通し、整合器８０からの反射波をダミー負荷抵抗１１４に流して吸収する。フィルタ１１２は、サーキュレータ１１０からの高周波電力を選択的に通し、伝送周波数（１００ＭＨｚ）以上の周波数成分を遮断または除去する。

同軸管８８は、２段目および３段目のボックス７４，７６を鉛直方向に貫通して高周波電源部８６のフィルタ１１２の出力端子と整合器８０の入力部９０の入力端子との間に延在する。ボックス７４，７６，７８における同軸管８８の区間長をそれぞれＳ₁，Ｓ₂，Ｓ₃とすると、たとえば、Ｓ₁＝１５０ｍｍ、Ｓ₂＝１５０ｍｍ、Ｓ₃＝１００ｍｍに設計することで、同軸管８８の線路長Ｓを４００ｍｍに設定することができる。

この高周波給電部３２では、チャンバ１０内のシャワーヘッド（上部電極）６０とサセプタ（下部電極）１２との間でプラズマを生成するために、用力室Ｒｂ側の直流電源部３６（図１）からケーブル３８を介して伝送されてくる直流電力を高周波電源部８６でＶＨＦ帯の所望周波数（たとえば１００ＭＨｚ）の高周波電力に変換し、高周波電源部８６より出力される該高周波電力を同軸管８８を介して整合器８０に入力し、整合器８０から給電棒３４を介してサセプタ１２に供給する。整合器８０は、マッチング制御部８２の制御の下で自己のインピーダンス、特に虚数部またはリアクタンス成分を調整し、伝送周波数（１００ＭＨｚ）について高周波電源部８６側の出力ないし伝送インピーダンスと負荷（プラズマ）側のインピーダンスとの整合をとるように、つまり直列共振回路を形成するように働く。このような整合器８０の整合機能により、プラズマ生成用の高周波電力（１００ＭＨｚ）を高周波電源部８６の最大または固有電力でチャンバ１２内のプラズマに供給できるとともに、プラズマからの反射波を整合器８０で受け止めて高周波電源部８６側へは伝搬しないようにすることができる。

さらに、この高周波給電部３２では、上記のように高周波電源部８６を整合器８０に近づけて配置し、高周波電源部８６の出力端子と整合器８０の入力端子とを結ぶ同軸管８８の線路長Ｓを４００ｍｍにすることで、より正確には伝送周波数（１００ＭＨｚ）の第３高調波（３００ＭＨｚ）の波長・（１０００ｍｍ）に対して・／２（５００ｍｍ）よりも短くすることで、同軸管８８上で第２高調波ないし第３高調波の共振が発生するのを確実に防止することができる。

より詳細には、チャンバ１０内のプラズマにより発生した高調波に対しては整合器８０の整合機能が働かないため、プラズマ側からの高調波は整合器８０を通って同軸管８８上に入ってくる。同軸管８８上を高周波電源部８６側に伝搬した高調波は、同軸管８８の終端で、つまり実質的な短絡端であるフィルタ１１２の出力端子で反射する。そして、フィルタ１１２の出力端子で反射して整合器８０側に伝搬した高調波は、同軸管８８の終端で、つまり実質的な短絡端である入力部９０の入力端子でも反射する。こうして、同軸管８８上では高調波の進行波と反射波が混在して定在波が発生する。ここで、高調波の中でもチャンバ１０内のプロセスに悪影響を及ぼすのは第２高調波（２００ＭＨｚ）と第３高調波（３００ＭＨｚ）であり、第４高調波（４００ＭＨｚ）以上の高調波は共振を起こしても実質的な悪影響はない。

ところで、伝送線路の両端が短絡端である場合において電磁波が共振するための条件は、図３に示すように電磁波の波長・に対して伝送線路の線路長Ｓが１／２波長の整数倍つまりｎλ／２（ｎ＝１，２，３，‥‥）に等しいときである。したがって、１０００ｍｍの波長を有する３００ＭＨｚの電磁波は、線路長が５００ｍｍ以上の伝送線路上で上記共振条件が成立すると、共振を起こすことになる。また、１５００ｍｍの波長を有する２００ＭＨｚの電磁波は、線路長が約７５０ｍｍ以上の伝送線路上で上記共振条件が成立すると、共振を起こすことになる。

しかるに、この実施形態の高周波給電部３２では、上記のように高周波電源部８６の出力端子と整合器８０の入力端子とを結ぶ高周波伝送用の同軸管８８の線路長Ｓを４００ｍｍ（５００ｍｍ未満）に設定しているため、第２高調波（２００ＭＨｚ）はもちろん第３高調波（３００ＭＨｚ）も同軸管８８上で上記共振条件が成立し得ないため、どちらも共振を起こすことはない。

このように、本実施形態の高周波給電部３２は、高周波電源部８６を整合器８０の近くに配置して両者間の高周波伝送線路つまり同軸管８８の線路長Ｓを第３高調波（３００ＭＨｚ）の共振が発生し得る最短の線路長（５００ｍｍ）よりも短い線路長（たとえば４００ｍｍ）とすることより、チャンバ１０内のプラズマ分布特性ないしプロセスに悪影響を与える可能性のある第２高周波ないし第３高調波の共振を確実に防止することができる。

さらに、この実施形態では、直流電源部３６を用力室Ｒｂに配置するとともに高周波電源部８６をクリーンルームＲａのチャンバ１０に近接する高周波給電部３２内に整合器８０と一緒に収容し、直流電源部３６から高周波電源部８６までの長い区間（約５ｍ〜２０ｍ）の直流伝送にはケーブル３８を使用し、高周波電源部８６から整合器８０までの短い区間（５００ｍｍ未満）の高周波伝送には同軸管８８を用いている。直流伝送および高周波伝送のいずれにおいても伝送線路の線路長が長いほど電力損失は増大するが、単位当たりの電力損失は高周波伝送の方が直流伝送よりも数倍大きい。

したがって、用力室ＲｂからクリーンルームＲａのチャンバ１０付近に設置された整合器８０までプラズマ生成用の電力を伝送するに際して、従来方式によれば用力室Ｒｂ内で所望周波数（１００ＭＨｚ）の高周波電力を生成してその高周波電力を長距離（一般に５ｍ〜２０ｍ）の高周波伝送線路を介して整合器８０まで伝送するところ、この実施形態では用力室Ｒｂ内の直流電源部３６で生成した直流電力を長距離（約５ｍ〜２０ｍ）の直流伝送線路３８を介してチャンバ１０付近の高周波電源部８６まで伝送し、高周波電源部８６で生成した所望周波数（１００ＭＨｚ）の高周波電力を短距離（５００ｍｍ未満）の高周波伝送線路８８を介して整合器８０まで伝送しているので、ＲＦシステム全体の電力損失を大幅に低減することができる。

また、用力室ＲｂからクリーンルームＲａ内の高周波電源部８６までの直流伝送線路３８には可撓性の直流用ないし低周波用の電力ケーブルを用いることができるため、ケーブルの引き回しが容易であり、ＲＦシステムのレイアウト面でも有利である。

上記した実施形態では、高周波給電部３２において整合器８０の入力端子を実質的に短絡端に構成したが、実質的に開放端に構成することも可能である。この場合は、高周波電源部８６の出力端子と整合器８０の入力端子とを結ぶ同軸管８８の線路長Ｓを第３高調波（３００ＭＨｚ）の波長λ（１０００ｍｍ）に対して３λ／４（７５０ｍｍ）よりも短い線路長に設定することで、第２高調波および第３高調波の共振を確実に防止することができる。

すなわち、伝送線路の一端が短絡端で他端が開放端である場合において電磁波が共振するための条件は、図４に示すように電磁波の波長λに対して伝送線路の線路長Ｓが（２ｎ＋１）λ／４（ｎ＝１，２，３，‥‥）に等しいときである。したがって、１０００ｍｍの波長を有する３００ＭＨｚの電磁波は、線路長が７５０ｍｍ以上の伝送線路上で上記共振条件が成立すると、共振を起こすことになる。また、１５００ｍｍの波長を有する２００ＭＨｚの電磁波は、線路長が約１１２５ｍｍ以上の伝送線路上で上記共振条件が成立すると、共振を起こすことになる。したがって、同軸管８８の線路長Ｓを７５０ｍｍよりも短くすることで、第２高調波（２００ＭＨｚ）の共振条件はもちろん第３高調波（３００ＭＨｚ）の共振条件も成立できないようにし、どちらの共振も確実に防止することができる。

なお、同軸管８８に対して高周波電源部８６および／または整合器８０側で短絡点または開放端を与える箇所は、厳密に同軸管８８の終端である必要はなく、高周波電源部８６および／または整合器８０内部の伝送回路路上で短絡端または開放端が形成されてもよい。その場合は、同軸管８８の終端から伝送回路内の短絡端または開放端までの区間も高周波伝送線路に含ませて、該伝送線路の線路長を上記のように設定してよい。

また、上記実施形態において、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行わないアプリケーションでは、ＲＩＥ用の高周波電力供給部（４０，８４，１０４）を省くことができる。この場合、高周波給電部３２においては、ボックス７６を省けるため、高周波電源部８６を整合器８０に一層近づけて配置し、高周波伝送管（同軸管）８８の線路長を一層短くすることができる。

上記実施形態のプラズマエッチング装置は、プラズマ生成用の高周波電力をサセプタ１２に印加する方式であった。しかし、図示省略するが、本発明は上部電極６０側にプラズマ生成用の高周波電力を印加する方式のプラズマエッチング装置にも適用可能であり、さらにはプラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理装置にも適用可能である。また、また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

本発明の一実施形態によるプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図である。実施形態のプラズマ処理装置における高周波給電部の構成を模式的に示す図である。両端が短絡端に構成された伝送線路上の共振条件を示す図である。一端が短絡端に構成され他端が開放端に構成された伝送線路上の共振条件を示す図である。従来のプラズマ処理装置において高周波電源と整合器との間の伝送線路の線路長を１００ＭＨｚの波長の１／１６毎に変化させたときに発生する高調波の出力レベルを示すグラフである。

符号の説明

１０チャンバ（処理容器）
１２サセプタ（下部電極）
２８排気装置
３２高周波給電部
３６直流電源部
３８ケーブル
４２商用電源
７２，７４，６７，７８ボックス（筐体）
８０整合器
８６高周波電源部
８８同軸管（高周波伝送線路）
１０６ＲＦ発振器
１０８ＲＦアンプ
１１０サーキュレータ
１１２フィルタ
Ｒａクリーンルーム
Ｒｂ用力室

Claims

減圧可能な処理容器と、
前記処理容器内に配置され、第１の高周波電力と第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲う筒状の支持部と、
前記空間の中に配置された高周波電力供給部と
を具備し、
前記高周波電力供給部が、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、前記第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、前記第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを有し、
前記伝送線路を前記第１の高周波電力の第３高調波の波長λに対してλ／２よりも短い線路長にし、前記第１の高周波電力の第３高調波に対して前記第１の高周波電源部の出力端子側および前記第１の整合器の入力端子側がそれぞれ電気的に短絡端となる、
プラズマ処理装置
減圧可能な処理容器と、
前記処理容器内に配置され、第１の高周波電力と第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲う筒状の支持部と、
前記空間の中に配置された高周波電力供給部と
を具備し、
前記高周波電力供給部が、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、前記第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、前記第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを有し、
前記伝送線路を前記第１の高周波電力の第３高調波の波長λに対して３λ／４よりも短い線路長にし、前記第１の高周波電力の第３高調波に対して前記第１の高周波電源部の出力端子側が電気的に短絡端となり、前記第１の整合器の入力端子側が電気的に開放端となる、
プラズマ処理装置。
減圧可能な処理容器と、
前記処理容器内に配置され、第１の高周波電力と第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲う筒状の支持部と、
前記空間の中に配置された高周波電力供給部と
を具備し、
前記高周波電力供給部が、第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、前記第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、前記第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路とを有し、
前記第１の高周波電源部が、直流電力を入力して前記第１の高周波電力を生成する高周波電力発生部と、前記伝送線路に前記第１の高周波電力の高調波に対して電気的に短絡端として接続される出力端子を有し、前記高周波電力発生部からの前記第１の高周波電力を選択的に通すフィルタとを有する、
プラズマ処理装置。
前記第１の高周波電源部が、前記高周波電力発生部と前記フィルタとの間に設けられ、前記高周波電力発生部からの進行波を通し、かつ前記第１の整合器からの反射波を吸収するサーキュレータを有する、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
前記伝送線路が同軸管からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記第１の高周波電力の周波数が７０ＭＨｚ以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記フィルタの出力端子が、前記伝送線路に接続され、前記第１の高周波電力の高調波に対して電気的に短絡端となる、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
垂直方向に積み重ねられた３段のボックスを有し、前記第１の高周波電源部、前記第１の整合器および前記第２の整合器をそれら３段のボックスにそれぞれ収容する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記第１の高周波電力の周波数が前記第２の高周波電力の周波数よりも高い、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記第１の整合器は前記第１の電極の直下にあり、前記第２の整合器は前記第１の整合器の下方にある、請求項１〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記第１の整合器の出力端子は給電棒のみを介して前記第１の電極に接続され、前記第２の整合器の出力端子はケーブルではない同軸管を介して前記第１の電極に接続される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記第１の整合器は、前記伝送線路に接続された入力部と、前記入力部に誘導結合で電気的に接続された共振部とを有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
前記第２の高周波電力を選択的に通し、前記第２の高周波電力の周波数以外の周波数成分を遮断または除去するために、前記第２の整合器と前記第１の電極との間に設けられる第２のフィルタを有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
プラズマ処理装置の所定の囲い空間の中に設けられ、
第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、
第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、
第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、
前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路と
を具備し、
前記プラズマ処理装置が、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲んで前記囲い空間を形成する筒状の支持部とを有し、
前記伝送線路を前記第１の高周波電力の第３高調波の波長λに対してλ／２よりも短い線路長にし、前記第１の高周波電力の第３高調波に対して前記第１の高周波電源部の出力端子側および前記第１の整合器の入力端子側がそれぞれ電気的に短絡端となる、
高周波電力供給装置。
プラズマ処理装置の所定の囲い空間の中に設けられ、
第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、
第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、
第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、
前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路と
を具備し、
前記プラズマ処理装置が、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲んで前記囲い空間を形成する筒状の支持部とを有し、
前記伝送線路を前記第１の高周波電力の第３高調波の波長λに対して３λ／４よりも短い線路長にし、前記第１の高周波電力の第３高調波に対して前記第１の高周波電源部の出力端子側が電気的に短絡端となり、前記第１の整合器の入力端子側が電気的に開放端となる、
高周波電力供給装置。
プラズマ処理装置の所定の囲い空間の中に設けられ、
第１の周波数を有する第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源部と、
第１の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第１の整合器と、
第２の高周波電力のインピーダンス整合をとるための第２の整合器と、
前記第１の高周波電源部から前記第１の整合器まで前記第１の高周波電力を伝送する伝送線路と
を具備し、
前記プラズマ処理装置が、減圧可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力とが印加される第１の電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の電極を支持し、かつ前記第１の電極の下の空間を内側に囲んで前記囲い空間を形成する筒状の支持部とを有し、
前記第１の高周波電源部が、直流電力を入力して前記第１の高周波電力を生成する高周波電力発生部と、前記伝送線路に前記第１の高周波電力の高調波に対して電気的に短絡端として接続される出力端子を有し、前記高周波電力発生部からの前記高周波電力を選択的に通すフィルタとを有する、
高周波電力供給装置。
前記第１の高周波電源部が、前記高周波電力発生部と前記フィルタとの間に設けられ、前記高周波電力発生部からの進行波を通し、かつ前記第１の整合器からの反射波を吸収するサーキュレータを有する、請求項１６に記載の高周波電力供給装置。
前記高周波電力発生部が、商用周波数の交流電力を直流電力に変換する直流電源部にケーブルを介して接続されている、請求項１７に記載の高周波電力供給装置。
前記伝送線路が同軸管からなる、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の高周波電力供給装置。
前記第１の高周波電力の周波数が７０ＭＨｚ以上である、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の高周波電力供給装置。
前記フィルタの出力端子が、前記伝送線路に接続され、前記第１の高周波電力の高調波に対して電気的に短絡端となる、請求項１６に記載の高周波電力供給装置。
垂直方向に積み重ねられた３段のボックスを有し、前記第１の高周波電源部、前記第１の整合器および前記第２の整合器をそれら３段のボックスにそれぞれ収容する、請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の高周波電力供給装置。
前記第１の高周波電力の周波数が前記第２の高周波電力の周波数よりも高い、請求項１４〜２２のいずれか一項に記載の高周波電力供給装置。
前記第１の整合器は前記第１の電極の直下にあり、前記第２の整合器は前記第１の整合器の下方にある、請求項１４〜２３のいずれか一項に記載の高周波電力供給装置。
前記第１の整合器の出力端子は給電棒のみを介して前記第１の電極に接続され、前記第２の整合器の出力端子はケーブルではない同軸管を介して前記第１の電極に接続される、請求項１４〜２４のいずれか一項に記載の高周波電力供給装置。
前記第１の整合器は、前記伝送線路に接続された入力部と、前記入力部に誘導結合で電気的に接続された共振部とを有する、請求項１４〜２５のいずれか一項に記載の高周波電力供給装置。
前記第２の高周波電力を選択的に通し、前記第２の高周波電力の周波数以外の周波数成分を遮断または除去するために、前記第２の整合器と前記第１の電極との間に設けられる第２のフィルタを有する、請求項１４〜２６のいずれか一項記載の高周波電力供給装置。