JP5094289B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、試料にバイアス電位を付与するための電源を備えたプラズマ処理装置に関する。

半導体素子の製造工程においては、エッチング処理、アッシング処理、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)処理など、プラズマを応用したさまざまな処理が行われている。これらプラズマを用いた処理装置では、減圧した真空容器内に供給した処理ガスに電界または磁界を供給してプラズマを生成し、生成したプラズマ中の荷電粒子あるいは反応性粒子を利用して半導体ウエハ等の被処理基板（試料）の表面を加工している。

また、より微細な加工形状をより高精度に実現するため、高周波バイアス電力を試料である基板を載せる試料台内部の電極に供給し、基板上にバイアス電位を形成して、荷電粒子を誘引して基板表面に衝突させている。この際、供給する電力を調節して被処理基板への荷電粒子の入射角、および入射エネルギーを制御し、処理の異方性向上を実現することが行われている。

特に、複数の膜が積層された膜構造を処理する場合に、異なる処理に対応させて異なる電力を供給することで高精度に形状を加工することが知られている。例えば、特許文献１には、前記バイアス電力を間欠的にＯＮ／ＯＦＦする機能、すなわち時間変調（Time Modulation ；ＴＭ変調）、あるいは振幅変調（Amplitude Modulation；ＡＭ変調）などの変調機能を備えた高周波電力源を用いること、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ、レジストが積層された膜構造の試料のうち、Ｐｏｌｙ−Ｓｉを処理するメインのエッチング処理を連続波で行い、メインのエッチングにより削りきれなかった残滓部分を除去するオーバーエッチと呼ばれる処理を変調波で処理すること。およびこれによりＳｉＯ_２などの下地の酸化膜に損傷を与えることなく残滓を除去することが示されている。

また、特許文献２には、複数の処理ステップからなるエッチング処理において、それぞれの処理ステップについて処理時間、真空容器内の圧力、ソレノイドコイルに流す直流電流の強度、マイクロ波電力の強度、プロセスガスの導入量、電極に印加する高周波電力の強度等のパラメータ予め設定しておき、エッチング途中で処理ステップが切り替わると、新しい処理ステップの設定に基づいて、各種パラメータを前記設定値の通りとなるように制御すること、およびこのような複数の処理ステップからなるエッチング処理においては、その一連のパラメータ設定はレシピとして管理されていることが示されている。このような処理における高周波電力の切り替えは、例えば図８示すようなタイミングで行われている。
特開２００１−０８５３９５号公報 特開２００４−０７９６００号公報

特許文献１に示される技術においては、バイアス電力の連続波（ＣＷ）、ＴＭ変調波（ＴＭ）の切替動作がスムーズでなければ、処理性能の低下、あるいは処理対象であるウエハにダメージを与えることがある。例えば、ＴＭ変調された電力の平均値はＯＮしている間隔とＯＦＦしている間隔の比によって決定されるため、常に電力がＯＮである連続波に比べてエッチング速度が低下する。このため、処理中に必要に応じて連続波出力と変調波出力を連続的に切替ながら処理を行うことになる。しかしながらこのような連続波／変調波切替（モード切替）時は瞬間的に大電力が印加されることがある。

このような、特許文献２には、このような連続波／変調波切替時における瞬間的な大電力印加を抑制するため、連続波／変調波切替時に、ある不定の時間間隔を持つ連続波／変調波切替専用のステップを介在させ、これにより前記大電力印加を抑制することが示されている。

ところが、前記不定の時間間隔である切り替えステップの存在は、プロセスの処理結果に無視し得ない誤差を与えることが判明した。すなわち、プロセスルールの微細化、加工精度向上の要求に対し、前記不定の時間間隔を持つステップによる連続波／変調波切替が、プロセス結果に無視できない誤差を与えるようになり、処理結果を安定に保つことが難しくなる。例えば、プロセス処理上、無視できない時間にわたり、高周波電力の供給が途絶えると汚染物質が堆積する。また、想定された時間より長い時間に渡って高周波電力の供給が連続することで、余計なエッチングが進行し、ウエハダメージを引き起こすなどの現象が発生する。このような場合には、ウエハの処理結果に大きなばらつきが生じ、処理の歩留まりや加工の精度が損なわれる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、試料に対して安定かつ再現性の高い処理を施すことのできるプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

真空容器と、該真空容器内に供給された処理ガスに高周波エネルギを供給して該真空容器内に配置された被処理基板を処理するためのプラズマを生成するアンテナ電極と、前記真空容器内に配置され載置された前記被処理基板を吸着保持する試料台と、該試料台に高周波バイアス電力を供給してプラズマ中の荷電粒子を吸引する高周波バイアス電源と、該高周波バイアス電源の出力レベルを外部から供給された外部設定信号にしたがって調整する出力レベル設定部、および前記高周波バイアス電源の出力モードを外部設定信号にしたがって、連続して前記高周波バイアス電力を出力する連続モードまたは断続して前記高周波バイアス電力を出力する変調モードの何れかに設定する出力モード設定部を備えた制御装置を備え、該制御装置は、出力レベルの設定信号または変調モードの設定信号を受信してから第１の所定時間経過後に受信した前記設定信号が、出力レベルの切り替えのみ、変調モードの切り替えのみ、並びに出力レベルおよび変調モードの切り替えの何れであるかを判定し、判定結果にしたがって第２の所定時間経過後に出力レベルの切り替え、変調モードの切り替え、並びに出力レベルおよび変調モードの切り替えの何れかを行うものであって、前記被処理基板の異なる複数の条件の間で前記出力レベルの切り替え、変調モードの切り替え、並びに出力レベル及び変調モードの切り替えを予め定められた一定の期間内に行う。

本発明は、以上の構成を備えるため、試料に対して安定かつ再現性の高い処理を施すことができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を説明する図である。図１において、真空容器１０１内には、高周波電力を供給してプラズマ１０４を生成するアンテナ電極１０５、およびバイアス電力を伝達する基板電極１０９を備える。また、前記真空容器１０１内にはガス供給装置１１１を介して処理ガスが導入される。

真空容器１０１の外周部には、処理室を囲むように磁場発生用の空芯コイル１０６が配置してある。真空容器１０１上部には、電力を供給するためのアンテナ電極１０５、およびガス供給装置１１１から処理ガスを真空容器内に導入するための微細な孔が複数開いたガス導入板１１２が設置されている。また、真空容器１０１には、真空を維持するために、真空排気装置１１３（ここではターボ分子ポンプ）が接続されている。また、上部のアンテナ電極１０５は、処理室中にプラズマを維持するためのバイアス電力を供給する機能を有している。下部の基板電極１０９は、被処理基板１０２に垂直な電界を発生させるための高周波電力を供給する機能と、被処理基板１０２を搭載し、クーロン力によってこれを吸着、保持するためのステージ（試料台）としての機能を有している。

上部アンテナ電極１０５には、真空容器１０１の外に配置してある高周波電力を供給するためのマグネトロン１０７と接続するための同軸導波管１０８が接続されている。同軸導波管１０８によって真空容器外に引き出された伝送線路には、伝送線路、プラズマ１０４のインピーダンス変動を吸収するための自動整合器１１４、および反射電力を吸収するアイソレータ１１５を経由して高周波発生源であるマグネトロンが接続されている。

試料台１０３内部に設置された基板電極１０９にバイアス電力を供給している高周波電力源１１０は、基板電極１０９と高周波電力源１１０の間に、自動整合器１１６が接続されており、伝送線路およびプラズマ１０４のインピーダンス変動を吸収しながら電力を供給できるようになっている。また、基板電極１０９には、被処理基板１０２を試料台に吸着、保持するためのクーロン力を発生させるための直流電圧源１１７がフィルタ回路１１８を経由して接続されている。

プラズマ処理装置は、このように、真空容器１０１内に被処理基板１０２を保持するための試料台１０３、、被処理基板の上部にプラズマ１０４を形成するための高周波電力供給用アンテナ電極１０５、およびプラズマを生成しかつ制御するための空心コイル１０６を真空容器１０１の外周部に備える。また、高周波電力供給用アンテナ１０５は、円形であり、被処理基板１０２の上部に設置されている。処理室下部に設置された試料台１０３内部には、基板電極１０９が設置されており、プラズマ１０４中で励起された処理ガス中の荷電粒子を被処理基板１０２まで任意のエネルギーで加速し、異方性を制御しながら入射させる。

上部アンテナ電極１０５に供給された高周波電力は、真空容器１０１中にガス供給装置１１１から供給される処理ガスを電離しプラズマ化する。このとき、真空容器１０１外周部にある空心コイル１０６の発生させる磁場によって、電離された処理ガスを閉じ込め、真空容器１０１内に生成されるプラズマ１０４の形状、密度、およびその分布を任意の形に制御することができる。

図２は、被処理基板の表面構造の例を説明する図である。図２（ａ）は処理を施す前の被処理基板１０２の例を示す図である。図２（ａ）に示すように、被処理基板はＳｉ積層基板２０５であり、該基板は、Ｓｉ基板２０１上に酸化膜（ＳｉＯ_２膜）２０２、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）膜２０３、レジスト膜２０４が積層された膜構造を備えている。 図２（ｂ）は、レジスト２０４をマスクとしてポリシリコン膜２０３をエッチングして酸化膜２０３表面近傍まで加工（溝加工）した結果を示す図である。この状態では、加工した溝の底や側壁にエッチング残り（残滓）２０６が存在している。

図２（ｃ）は、前記エッチング残りを下層の酸化膜２０３との選択比を大きくしつつ除去するオーバーエッチングの処理を行った結果を示す図である。

本実施形態では、図２（ｂ）の処理（メインのエッチング処理）と図２（ｃ）のオーバーエッチングの処理とで、高周波電力源１１０からの出力（出力レベル（レンジ）あるいは変調の有無）の条件を異なるように調節している。この結果、被処理基板１０２上に形成されるバイアス電位の大きさ、およびその分布を所望の条件に調節することができる。

図３は、高周波電力源１１０の内部構成を説明する図である。高周波電力源１１０は、主幹制御、演算、タイミングの各制御を行う制御装置（主演算装置）３０１を中心に、高周波電力を生成する主ＲＦ増幅装置３０２、主ＲＦ増幅装置３０２の駆動制御を行う増幅装置制御器３０３、主増幅装置３０２の出力である高周波電力を測定するＲＦ電力センサ３０４、ＲＦ電力センサ３０４の出力を増幅し主演算装置に伝達するセンサ出力増幅装置３０５を備える。

ここで、主演算装置３０１は、主制御装置１１９からの設定信号を受信し、受信した信号について演算・論理判定を実行し、前の設定に対し、次に設定すべき目標値の判定と、高周波電源内部のシーケンス制御手順、各動作間隔を設定するタイミング制御用のカウンタの動作条件を決定する。前記設定完了後は、直ちに、高周波電力源内部の各構成要素に対し、カウンタの動作を基準としたタイミング管理を行いつつ、適正なタイミングで、動作指令を伝達する。同時に、センサ出力増幅装置３０５に対し、現在の検出電力と設定目標電力から最も検出精度が高くなる電力検出系、パラメータを選択する。

増幅装置制御器３０３は、主演算装置３０１の送信した動作指令のうち、ＲＦ電力出力の出力強度、レンジ切替、および変調波設定を主ＲＦ増幅装置３０２に伝達し、前記主ＲＦ増幅装置３０２を駆動するための信号を生成するアナログ比例回路および信号発生器を備える。また、増幅装置制御器３０３は、主演算装置３０１からの指令を受信すると、直ちに、主ＲＦ電力増幅装置３０２を駆動するための基本信号を信号発生器によって発生する。この信号発生器には、主演算装置３０１から伝達された変調波に関する設定を反映させる機能を有している。また、タイミングのずれを防ぐため、制御用の前記アナログ比例回路とは並列にかつ同時に動作するように構成されている。主ＲＦ電力増幅装置３０２は、増幅装置制御器３０３より送信された基本信号をある一定の割合で増幅する。増幅開始、停止の指令は主演算装置３０１から供給される。

ＲＦ電力センサ３０４は、主ＲＦ電力増幅装置３０２が出力した電力をリアルタイムで一定の割合で分割し、センサ出力増幅装置３０５に送信する。センサ出力増幅装置３０５は、ＲＦ電力センサ３０４から受信した電力の信号を、測定している電力の大きさに応じて最適な電力検出系およびパラメータを選択して、信号を検出増幅して主演算装置３０１に送信する。ここで、前記電力検出系、パラメータの設定変更は主演算装置３０１によって行われる。

図４は、主演算装置３０１の処理を説明する図であり、主制御器１１９から設定信号を受信した後の、後述する各動作パターンに共通となる処理を表している。通常、主演算装置３０１は、主制御器１１９からの最新の設定情報に基づき、センサ出力増幅装置３０５から受信する信号が一定になるようなフィードバック制御を増幅器制御器３０３に対して行っている。ここではこの状態を通常処理と呼ぶこととする。

通常処理状態にある主演算装置３０１は、主制御器１１９からの設定信号の中で、特に、パワーレンジ設定信号、あるいは連続波／変調波モード切替信号の何れかを受信すると、前記通常処理を中断し、タイミング制御用カウンタの起動を行う（ステップ４０１)。タイミング制御用カウンタのカウントアップ中は、主演算装置は、前記フィードバック制御を除くすべての処理を中断する。

前記タイミング制御用カウンタ４０１は、あらかじめ定められた期間カウントアップした後、自動的に停止し、主演算装置３０１に処理の再開を指令する。前記タイミング制御用カウンタの停止を検知した主演算装置３０１は、次に主制御器１１９から送信されたパワーレンジ切替信号の受信（ステップ４０２)、連続波／変調波モード切替信号の受信（ステップ４０３)、あるいはＲＦパワーの設定信号の受信（ステップ４０４)を行った後、切替パターンを判定し（ステップ４０５)、判定したパターンにしたがって高周波電力源１１０を動作させる指令信号（Ａ、Ｂ、Ｃ）を発信する。

なお、ここではこれらの切り替えパターンとして、パワーレンジの切替（振幅の切り替え）のみ（Ａ）、連続波／変調波の切替（モードの切り替え）のみ（Ｂ）、パワーレンジの切替および連続波／変調波の切替え（Ｃ）、の３パターンとする。

以下の例では、パワーレンジが、第１のパワー出力レンジ、第２のパワー出力レンジの二つの出力レンジによって構成されている場合を仮定し、各パターンについて、処理フローを図５、図６、図７を用いて説明する。なお、出力レンジは２種類に限定されるわけではなく３種類以上あってよい。

まず、パワーレンジの切替処理について説明する。図５は、パワーレンジの切替処理を説明する図であり、図９はそのタイミングを説明する図である。前記切替パターン判定（ステップ４０５)の終了後、直ちにシーケンス処理時間を規定するシーケンス処理監視用カウンタの終了判定値が設定される（ステップ５０１)。その後、シーケンス処理監視用カウンタが動作を開始する（ステップ５０２)。次に、先に取得した設定信号をもとに、シーケンス動作順序の設定（ステップ５０３)、パワーレンジ切替目標値の設定を行い（ステップ５０４)、前記シーケンス処理監視用カウンタの停止まで待機する。ここで、前記シーケンス動作順序は、図１２に示した組み合わせ（パワーレンジの変化方向と出力モードの組み合わせ）のいずれかである。

前記シーケンス動作順序設定（ステップ５０３)では、前の主制御器の設定情報と、前記の取得した新しい設定値をもとに、図１２に示す組み合わせの中から、該当する動作モードを選択し、設定、切替動作の順番に従ってシーケンス動作順序を設定する。たとえば、前の設定が連続波で第２のパワーレンジであり、新しい設定が連続波で第１のパワーレンジである場合には１２０３の動作手順が参照される。

以上の設定が完了すると、並列して動作している前記シーケンス処理監視用カウンタの動作停止まで、シーケンス制御タイミング調整用カウンタにより、処理を待機状態に移行する（ステップ５０５)。前記シーケンス処理監視用カウンタの停止（ステップ５０６)後は、同カウンタの停止をトリガとして、処理の待機を解除し（ステップ５０７)、ＲＦ出力電力の変動を開始する（ステップ５０８）。ＲＦ出力電力変更の動作は、前記シーケンス動作順序設定に従う。定められたシーケンス動作を完了した後、主制御装置へ高周波電力源の状態を知らせるステータス信号を出力し、処理を完了する（ステップ５０９)。

ここで、切替動作時の詳細なタイミングについて解説する。図９は、図１２に示した、シーケンス動作順序設定の動作タイプ１２０３を示しており、レンジの切替え前は、連続波かつ第２のパワーレンジであり、レンジ切替え後の新しい設定は連続波且つ第１のパワーレンジとなる場合について示している。特に、前記タイミング制御用カウンタ４０１が起動してから、出力の変動が完了するまでの間の動作タイミングを示したものである。

図９において、ステップ９０１およびステップ９０２は、前記レシピに設定されたウエハの処理ステップである。ステップ９０１をレンジ切替え前の設定、ステップ９０２を切替え後の設定値としてある。これらのステップの切り替わりと同時に、前記主制御器１１９からは、ステップ９０２の設定信号が前記主演算装置３０１に伝達される。主演算装置３０１は、前記タイミング制御用カウンタを動作させ（ステップ４０１)、任意に設定された所定の時間（例えば１５０ｍｓｅｃ）だけ同カウンタの動作フラグ９０３をセットする。

この間、タイミング制御用カウンタの動作によって設定されたフラグを検知した主演算装置３０１は、タイミング制御用カウンタのカウントアップおよび出力電力のフィードバック制御以外の動作を停止させる。このとき、出力電力のフィードバック制御は、第１のパワーレンジ設定入力９０８の設定信号によって制御される。

前記タイミング制御用カウンタは、一定期間のカウントアップを終了して所定時間の経過が検出されると、設定していたタイミング制御用カウンタの動作フラグ９０３を開放する。動作フラグ９０３の開放を確認した主演算装置３０１は、次に、シーケンス制御監視用カウンタ５０２を動作させ（ステップ５０２)、同時にタイミング制御カウンタの動作を示すシーケンス制御監視用カウンタ動作中のフラグ９０４をセットする。

主演算装置３０１は、シーケンス制御監視用カウンタ動作中のフラグ９０４がセットされている期間中に、ステップ９０２の指令信号の検出を行い、パワーレンジ設定入力９１０をもとにステップ９０２で設定すべきパワーレンジを判定し、受信した当該第１のパワーレンジの設定入力９０８の信号に基づいて、シーケンス動作順序設定、パワーレンジ切替目標設定を行う（ステップ５０３，５０４)。

前記シーケンス制御監視用カウンタの動作停止後（ステップ５０６)、同カウンタ動作フラグ９０４は開放され、主演算装置３０１は、設定されたシーケンス動作順序である図１２の動作タイプ１２０３に準じたシーケンス動作順序設定、パワーレンジ切替目標設定５０４に従い、第１のパワーレンジ９０８の設定値に合致するようにパワーレンジ設定９０５、および主ＲＦ増幅器設定９０６を行う（なお、本実施例によるタイミング制御では、パワーレンジ設定９０５、および主ＲＦ増幅器設定９０６の変更のみではなく、あらゆる動作変更操作の管理に適用可能であることは言うまでもない）。このとき、すべての操作は、ＲＦ電源内部シーケンス制御実行期間９０７に定められる一定の時間間隔内に完了し、もし、動作が完了しないときは、異常動作として、エラー処理が実行される。

次に、連続波（ＣＷ）／変調波（ＴＭ）のモード切替処理について説明する。図６は、連続波／変調波のモード切替処理を説明する図であり、図１０はそのタイミングを説明する図である。

前記切替パターン判定（ステップ４０５)終了後、直ちにシーケンス処理時間を規定するシーケンス処理監視用カウンタの終了判定値が設定される（ステップ６０１)。その後、シーケンス処理監視用カウンタが動作を開始する（ステップ６０２)。次に、先に取得した設定信号をもとに、シーケンス動作順序設定（ステップ６０３)、連続波／変調波切替目標値設定および変調波パラメータの設定を行い（ステップ６０４)、前記シーケンス処理監視用カウンタの停止まで待機する（ステップ６０６)。ここで、前記シーケンス動作順序は、図１３に示した組み合わせ（パワーレンジとモード切り替え方向の組み合わせ）のいずれかである。

前記シーケンス動作順序設定（ステップ６０３)では、前の主制御器の設定情報と取得した新しい設定値をもとに、前記図１３の組み合わせの中から、該当する動作モードを選択し、シーケンス動作順序を設定する。たとえば、パワーレンジ切替え前の設定が連続波かつ第２のパワーレンジで、切替え後の設定が変調波かつ第２のパワーレンジである場合は、１３０１の動作手順が参照される。

以上の設定が完了すると、並列して動作している前記シーケンス処理監視用カウンタの動作停止まで、シーケンス制御タイミング調整用カウンタを停止させて（ステップ６０７)処理を待機状態に移行する。前記シーケンス処理監視用カウンタの停止後は、このカウンタの停止をトリガとして処理の待機を解除し、ＲＦ出力電力の変動を開始する（ステップ６０８)。ＲＦ出力電力変更の動作は、前記シーケンス動作順序設定（ステップ６０３)に従う。定められたシーケンス動作を完了した後（ステップ６０９)、主制御装置１１９へ高周波電力源の状態を知らせるステータス信号を切替え出力し（ステップ６１０)、処理を完了する。

ここで、切替動作時の詳細なタイミングについて解説する。図１０は、図１３に示した、シーケンス動作順序設定の動作タイプ１３０１を示しており、切替え前の設定は、連続波かつ第２のパワーレンジで、切替え後の設定値は変調波かつ第２のパワーレンジである場合を示している。特に、タイミング制御用カウンタが起動（ステップ４０１)してから、出力の変動が完了するまでの間の動作タイミングを示したものである。

ここで、ステップ１００１、およびステップ１００２は、前記レシピに設定された試料の処理ステップである。また、ステップ１００１はパワーレンジ切替え前の設定、ステップ１００２は切替え後の設定である。

ステップの切り替えと同時に前記主制御器１１９から連続波／変調波設定入力１００８が、ステップ１００２の設定信号とあわせて前記主演算装置３０１に伝達される。主演算装置３０１は、前記タイミング制御用カウンタを動作させ（ステップ４０１)、予め定められた時間（例えば１５０ｍｓｅｃ）だけ同カウンタの動作フラグ１００３をセットする。

この間、タイミング制御用カウンタの動作によって設定された動作フラグ１００３を検知した主演算装置３０１は、カウンタのカウントアップおよび出力電力のフィードバック制御以外の動作を停止させる。このとき、出力電力のフィードバック制御は、前の設定信号を引き継ぎ、ここでは、第１のパワーレンジの設定信号によって制御される。前記タイミング制御用カウンタは、上記所定の期間のカウントアップを終了すると、設定していた同カウンタの動作フラグ１００３を開放する。同フラグ１００３の開放を確認した主演算装置３０１は、次に、シーケンス制御監視用カウンタを動作させ（ステップ６０２)、同時に同カウンタの動作を示すシーケンス制御監視用カウンタ動作中のフラグ１００４をセットする。

主演算装置３０１は、シーケンス制御監視用カウンタ動作中のフラグ１００４がセットされている期間中に、ステップ１００２の指令信号の検出と、シーケンス動作順序設定、連続波／変調波切替目標値設定を行う（ステップ６０３，６０４)。前記シーケンス制御監視用カウンタ６０２の動作停止後（ステップ６０７)、同カウンタ動作フラグ１００４は開放され、主演算装置３０１は、設定されたシーケンス動作順序である図１３の動作タイプ１３０１に従い、連続波／変調波設定入力１００８の設定値に合致するようにＲＦセンサ設定１００５、および連続波／変調波内部変調モード設定１００６を行う。

なお、本発明によるタイミング制御は、ＲＦセンサ設定１００５、および連続波／変調波内部変調モード設定１００６の変更のみではなく、あらゆる動作変更操作の管理に適用可能であることは言うまでもない。このとき、すべての操作は、ＲＦ電源内部シーケンス制御実行期間１００７に定められる一定の時間間隔内に完了し、もし、動作が完了しないときは、異常動作として、エラー処理が実行される。

次に、パワーレンジの切替、および連続波／変調波の切替（モード切替）の双方を同時に行う場合について示す。

図７は、パワーレンジの切替と連続波／変調波のモード切替の双方を同時に行う処理を説明する図、図１１はそのタイミングを説明する図である。

前記切替パターン判定終了後（ステップ４０５)、直ちにシーケンス処理時間を規定するシーケンス処理監視用カウンタの終了判定値が設定される（ステップ７０１)。その後、シーケンス処理監視用カウンタが動作を開始する（ステップ７０２)。次に、先に取得した設定信号をもとに、設定の変更前後の状態の比較、判定（動作設定方向判定）を行う（ステップ７０３)。

判定は、次の二つのパターンについて行う。一つ目は、変更の前が第２のパワーレンジで、変更後が第１のパワーレンジの場合であって、パワーレンジの切り替えを先に行い、その後で連続波、変調波の設定変更を行うパターン（第１のパターン）、二つ目は、変更前が第１のパワーレンジで、変更後が第２のパワーレンジの場合であって、連続波、変調波の設定モード変更を先に行い、その後でパワーレンジの切替を行うパターン（第２のパターン）である。

次に、上記動作パターン別の動作フローについて示す。第１のパターン（第２のレンジ→第１のレンジ）は、以下に示す動作手順をとる。

動作設定方向判定後（ステップ７０３)、先に取得した設定信号をもとに、シーケンス動作順序判定（ステップ７０４)、レンジ切替目標値設定（ステップ７０５)、連続波、変調波切替目標値設定および変調波パラメータの設定を行い（ステップ７０６)、前記シーケンス処理監視用カウンタの停止（ステップ７０２)まで待機する。ここで、ステップ７０４のシーケンス動作順序は、図１４に示した組み合わせ（パワーレンジの変化方向と出力モードの変化方向の組み合わせ）のいずれかである。

前記シーケンス動作順序設定（ステップ７０４)では、前の主制御器の設定情報と、前記の取得した新しい設定値をもとに、前記図１４の組み合わせの中から、該当する動作モードを選択し、設定、切替動作の順番１４０５に従ってシーケンス動作順序を設定する。たとえば、変更前の設定が変調波でかつ第２のパワーレンジであり、変更後の設定が連続波でかつ第１のパワーレンジである場合は、１４０３の動作手順が参照される。

以上の設定が完了すると、並列して動作している前記シーケンス処理監視用カウンタ７０２の動作停止まで、シーケンス制御タイミング調整用カウンタを起動させ（ステップ７０７)、処理を待機状態に移行する。前記シーケンス処理監視用カウンタの停止後（ステップ７０２)は、同カウンタの停止をトリガとしてシーケンス制御タイミング調整用カウンタを停止して（ステップ７１５)処理の待機を解除し、ＲＦ出力電力の変動を開始する。ＲＦ出力電力変更の動作は、前記シーケンス動作順序設定に従い、ＲＦ出力電力変更あるいはセンサレンジ切替を行った（ステップ７１９)後に、出力電力の変動が終了したことを確認した（ステップ７２０)後、連続波或いは変調波の切替を実行する（ステップ７２１)。定められたシーケンス動作を完了した後、主制御装置へ高周波電力源の状態を知らせるステータス信号の出力を切替えて発信し（ステップ７２２)、処理を完了する。

次に、第２のパターンの動作手順について示す。動作設定方向判定後（ステップ７０３)、先に取得した設定信号をもとに、シーケンス動作順序判定（ステップ７０８)、連続波、変調波切替目標値設定及び変調波パラメータ設定（ステップ７０９)、およびレンジ切替目標値の設定を行い（ステップ７１０)、シーケンス制御タイミング調整用カウンタを起動して（ステップ７１１)、前記シーケンス処理監視用カウンタの停止まで待機する。ここで、ステップ７０８のシーケンス動作順序は、図１４に示した組み合わせのいずれかである。設定の切替え前の主制御器の設定情報と、前記の取得した新しい設定値をもとに、前記図１４の組み合わせの中から、該当する動作モードを選択し、設定、切替動作の順番１４０５に従ってシーケンス動作順序７０８を設定する。たとえば、動作の変更の前の設定が連続波かつ第１のパワーレンジで、動作の変更後の設定が変調波かつ第２のパワーレンジの場合は、１４０２の動作手順が参照される。

以上の設定が完了すると、並列して動作している前記シーケンス処理監視用カウンタの動作停止まで、シーケンス制御タイミング調整用カウンタ７１１により、処理を待機状態に移行する。前記シーケンス処理監視用カウンタの停止後は、同カウンタの停止をトリガとして、シーケンス制御タイミング調整用カウンタを停止して（ステップ７１３)処理の待機を解除し、ＲＦ出力電力の変動を開始する。ＲＦ出力電力変更の動作は、前記シーケンス動作順序設定（ステップ７０８)に従い、連続波または変調波切替を実行した後（ステップ７１４)に、ＲＦ出力電力変更、およびパワーレンジ切替を行う（ステップ７１６)。出力の変動が終了したことを確認し（ステップ７１７)定められたシーケンス動作を完了した後、主制御装置１１９へ高周波電力源の状態を知らせるステータス信号を出力を切替えて発信し処理を完了する。

ここで、切替動作時の詳細なタイミングについて説明する。図１１は、図１４に示した、組み合わせにおける動作タイプ１４０２を説明する図である。ここでは、前の設定が、連続波でかつ第１のパワーレンジであり、次の設定目標値が変調波でかつ第２のパワーレンジの場合について、前記タイミング制御用カウンタ７０２が起動してから、出力の変動が完了するまでの間の動作タイミングを示している。ここで、ステップ１１０１およびステップ１１０２は、前記レシピに設定されたウエハの処理ステップである。ステップ１１０１を出力の変動前の設定、ステップ１１０２が変動後の設定である。

ここで、ステップの切り替わりと同時に、前記主制御器１１９からはステップ１１０２の設定信号が前記主演算装置３０１に伝達される。主演算装置３０１は、前記タイミング制御用カウンタを動作させ（ステップ７０２)、所定の時間（例えば１５０ｍｓｅｃ）だけ同カウンタの動作フラグ１１０３をセットする。この間、タイミング制御用カウンタの動作によって設定されたフラグ１１０３を検知した主演算装置３０１は、カウンタのカウントアップおよび出力電力のフィードバック制御以外の動作を停止させる。このとき、出力電力のフィードバック制御は、第１のパワーレンジの設定入力信号１１１０によって制御される。前記タイミング制御用カウンタは、一定期間のカウントアップを終了すると、設定していた同カウンタの動作フラグ１１０３を開放する。同フラグの開放を確認した主演算装置３０１は、次に、シーケンス制御監視用カウンタを動作させ（ステップ７１０)、同時に同カウンタの動作を示すシーケンス制御監視用カウンタ動作中のフラグ１１０４をセットする。

主演算装置３０１は、シーケンス制御監視用カウンタ動作中のフラグ１１０４がセットされている期間中に、ステップ１１０２の指令信号の検出を行い、パワーレンジ設定入力１１１１をもとにステップ１１０２で設定すべき第２のパワーレンジの判定と、この第２のパワーレンジの設定入力１１１２を受信して、シーケンス動作順序設定（ステップ７０４)、パワーレンジ切替目標設定（ステップ７０５)および連続波／変調波切替目標値設定（ステップ７０６)を行う。

前記シーケンス制御監視用カウンタの動作停止後、同カウンタ動作フラグは開放され、主演算装置３０６は、設定されたシーケンス動作順序である図１４の動作タイプ１４０２に従い、第２のパワーレンジ１１１２、および連続波／変調波設定入力１１１３の設定値に合致するように、ＲＦセンサ設定１１０５、連続波／変調波内部変調モード設定１１０６、およびパワーレンジ設定１１０７、主ＲＦ増幅装置１１０８の設定を行う（なお、本発明によるタイミング制御では、ＲＦセンサ設定１１０５、および連続波／変調波内部変調モード設定１１０６、パワーレンジ設定１１０７の変更のみではなく、あらゆる動作変更操作の管理に適用可能であることは言うまでもない）。このとき、すべての操作は、ＲＦ電源内部シーケンス制御実行期間１１０９に定められる一定の時間間隔内に完了し、もし、動作が完了しないときは、異常動作として、エラー処理が実行される。

以上、説明したように、本実施形態によれば、処理ステップ間で、パワーレンジ切り替え、および連続波／変調波切替の少なくとも何れかの切替動作を行う際に、カウンタにより切り替え動作時間を設定し、この設定時間を監視しつつ固定した処理順序で処理を行う。このため、切替動作に伴う大電力印加を防ぎつつ、プロセス条件に依存しない一定の動作切替時間を保証することが可能となる。

また、ステップ間で連続して動作切替を実現していることから、瞬間的なＲＦ電力の供給の中断を生じることなく、連続的な高周波電力印加が可能となる。このため、ステップ間の動作切替時間のばらつきに起因するダメージあるいはウエハの処理不良を防止し、高精度のエッチングが可能となる。また、ステップ間切替を管理するのが高周波電力源内部の主演算装置であることから、エッチング装置として高周波電力源の動作切替を意識する必要がなくなるため、より自由度の高いレシピ構築を提供することが可能となる。

また、図９、１０、１１に示したタイミング図は、通信方式としてパラレル方式を導入した場合を想定してある。しかし、通信方式をデジタル通信に置き換え、コマンドのデコードから動作設定にいたるシーケンスに、同等のタイミング管理手法を導入することも可能である。この場合、上位通信（本発明においては、主制御器と主演算装置の間の通信）に要する時間を大幅に短縮することが可能となり、より高精度のエッチングを実現可能な装置を提供できる。

また、図３に示した高周波電力源の内部構成を説明する図において、主演算装置は、シングルタスク型のマイコンと内臓カウンタ、または外部カウンタ（タイマ）の組み合わせを想定している。しかしながら、前記主演算装置にパイプライン構造を持つマルチタスク処理が可能なマイコン、あるいはリアルタイムＯＳの実装が可能なマイコンを採用した場合においては、前記図９、１０、１１に示したタイミング図におけるタイミング制御用カウンタ、およびタイミング図におけるフラグを用いた動作・管理方法を採用することにより、動作切替にかかる各種処理の並列化を可能とし、かつ、処理終了点を一定の区間に規定することが可能となる。この場合には、動作切替処理の高速化、さらに、前記通信のデジタル化とあわせることで、より高精度のエッチングを実現可能な装置を提供できる。

このように、本実施形態によれば、処理ステップ間で、パワーレンジ切り替えおよび連続波／変調波切替の少なくとも何れかの切替を行う際、切替に伴う瞬間的な大電力印加を防ぎつつ、動作時間を一定に規定することが可能となる。これにより、ウエハの処理結果を一定に保つことが可能な高精度のプラズマエッチング装置を提供することが可能となる。

本実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を説明する図である。 被処理基板の表面構造の例を説明する図である。 高周波電力源の内部構成を説明する図である。 主演算装置の処理を説明する図である。 パワーレンジの切替処理を説明する図である。 連続波／変調波のモード切替処理を説明する図である。 パワーレンジの切替および連続波／変調波のモード切替の双方を同時に行う処理を説明する図である。 従来におけるパワー切替処理のタイミングを説明する図である。 パワーレンジの切替処理のタイミングを説明する図である。 連続波／変調波のモード切替処理のタイミングを説明する図である。 パワーレンジの切替、および連続波／変調波のモード切替の双方を同時に行う処理のタイミングを説明する図である。 パワーレンジの切替処理のパターンを説明する図である。 連続波／変調波のモード切替処理のパターンを説明する図である。 パワーレンジの切替および連続波／変調波のモード切替処理のパターンを説明する図である。

符号の説明

１０１ 真空容器
１０２ 非処理基板
１０３ 試料台
１０４ プラズマ
１０５ アンテナ電極
１０６ 空芯コイル
１０７ マグネトロン
１０８ 同軸導波管
１０９ 基板電極
１１０ 高周波電力源
１１１ ガス供給装置
１１２ ガス導入板
１１３ 真空ポンプ
１１４ アンテナ電極自動整合器
１１５ アイソレータ
１１６ 基板電極自動整合器
１１７ 直流電圧源
１１８ フィルタ回路
１１９ 主制御器
２０１ シリコン基板
２０２ 酸化膜
２０３ ポリシリコン膜
２０４ レジスト膜
２０５ Ｓｉ積層基板
２０６ エッチング処理残り
３０１ 主制御装置
３０２ 主ＲＦ電力増幅装置
３０３ 増幅装置制御器
３０４ ＲＦ電力センサ
３０５ センサ出力増幅装置。

Claims (5)

1. 真空容器と、
   該真空容器内に供給された処理ガスに高周波エネルギを供給して該真空容器内に配置された被処理基板を処理するためのプラズマを生成するアンテナ電極と、
   前記真空容器内に配置され載置された前記被処理基板を吸着保持する試料台と、
   該試料台に高周波バイアス電力を供給してプラズマ中の荷電粒子を吸引する高周波バイアス電源と、
   該高周波バイアス電源の出力レベルを外部から供給された外部設定信号にしたがって調整する出力レベル設定部、および前記高周波バイアス電源の出力モードを外部設定信号にしたがって、連続して前記高周波バイアス電力を出力する連続モードまたは断続して前記高周波バイアス電力を出力する変調モードの何れかに設定する出力モード設定部を備えた制御装置を備え、
   該制御装置は、出力レベルの設定信号または変調モードの設定信号を受信してから第１の所定時間経過後に受信した前記設定信号が、出力レベルの切り替えのみ、変調モードの切り替えのみ、並びに出力レベルおよび変調モードの切り替えの何れであるかを判定し、
   判定結果にしたがって第２の所定時間経過後に出力レベルの切り替え、変調モードの切り替え、並びに出力レベルおよび変調モードの切り替えの何れかを行うものであって、前記被処理基板の異なる複数の条件の間で前記出力レベルの切り替え、変調モードの切り替え、並びに出力レベル及び変調モードの切り替えを予め定められた一定の期間内に行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御装置は、前記第２の所定時間が経過中に、出力レベルの切り替え目標値の設定、出力モードの切り替え目標値の設定、または出力レベルの切り替え目標値の設定および出力モードの切り替え目標値の設定を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御装置は、前記出力レベルの切り替え、または出力モードの切り替え、並びに出力レベル及び変調モードの切り替えを予め切り替え動作時間を設定し、該設定時間を監視しつつ予め設定されたものうちから選択した前記切り替えの動作の順序に従って切り替えを行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記高周波バイアス電源の出力電力の設定値または出力電力の変調モードの設定変更を行う動作タイミングに関する情報を被処理基板の処理条件を管理している主制御装置から取得することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御装置は、前記設定信号に基づく動作指令を一定のタイミングで行うことを特徴とするプラズマ処理装置。

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