JP5358364B2 - 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わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理装置に関するものである。

特許文献１には基板電極に印加されている高周波電圧Ｖppをモニタし、モニタされたＶpp信号を元に静電吸着用直流電源の出力電圧を制御することによって、静電吸着膜にかかる電圧を所望の値に保つことが開示されている。次に、高周波バイアス電源１１０のピークトゥピーク電圧（以下Ｖ_ppと表記する）と自己バイアス電圧（以下Ｖ_dcと表記する）の関係について説明する。

図２において、静電吸着電極１０９には静電吸着用直流電源１０７によって直流電圧がかけられるようになっている。この電圧の値を静電吸着用直流電圧と呼ぶ（以下ＥＳＣ電圧と表記する）。高周波バイアス電源１１０の出力がコンデンサを介して静電吸着電極１０９に印加されることによって、半導体ウエハ１１３の平均電位は負の直流電圧であるＶ_dcと等しくなる。このとき静電吸着膜１０８と半導体ウエハ１１３間の電位差、即ちＥＳＣ電圧とＶ_dcの差が静電吸着電圧（以下Ｖ_chuckと表記する）になる。またＶ_dcは、静電吸着膜１０８にかかる高周波バイアス電源１１０のＶ_ppに依存し、次式のような関係がある。

αは装置に依存して変わる定数であり、一般的なプラズマ処理装置においては０.３から０.４５程度の値になる。

次に図３を用いてＶ_chuckとＥＳＣ電圧の関係について説明する。図３は前記ＥＳＣ電圧，Ｖ_dc，高周波バイアス電源１１０のＶ_ppとＶ_chuckの関係を示したものである。負の電圧であるＶ_dcは、正の値である高周波バイアス電源１１０のＶ_ppのα倍の大きさで負側に現れる。Ｖ_dcの値に対して、同一のＶ_chuckを生じるＥＳＣ電圧が正側と負側の二つ存在することが分かる。ここでＶ_dcに対して正側のＥＳＣ電圧をＶ_ESC ⁺と呼び、負側のＥＳＣ電圧をＶ_ESC ^-と呼ぶことにする。

このときＥＳＣ電圧とＶ_chuck，Ｖ_dcの関係は次式で表される。

ただしＶ_dcは負、Ｖ_chuckは正の値である。どちらのＥＳＣ電圧を使用するかは、異常放電対策，電極基板耐圧，装置（静電吸着用直流電源）の仕様により選択される。どちらのＥＳＣ電圧を使用するかは、ＥＳＣ電圧制御部１１４にて事前に設定しておき、ＥＳＣ電圧制御部１１４は、バイアス用高周波電源Ｖpp電圧モニタ検出回路１１２によって検出された高周波バイアス電源１１０のＶ_ppから、（１）式によりＶ_dcを算出し、また（２）式によりＶ_chuckがほぼ一定となるように、静電吸着用直流電源１０７に対して、ＥＳＣ電圧の出力指令を行う。

次に、プラズマ放電による問題点を説明する。プラズマ１０６は非線形な負荷のため、高調波が発生する。その高調波の影響により、バイアス用高周波電源ピークトゥピーク電圧モニタ検出回路１１２で検出される高周波バイアス電源１１０のピークトゥピーク電圧（Ｖ_pp）の信頼性が低下する問題点があった。

従って従来の装置では、プラズマ放電により生じた高調波成分や、複数の高周波電力の導入によって生じる変調波によって、高周波電源が誤動作する可能性があることから、特許文献２では、変調波や高調波を除去する技術が開示されている。また、特許文献３では、複数の高周波電力の導入によって、その他周波数のピークトゥピーク電圧が混在するため、目的の周波数で検出されるピークトゥピーク電圧値の信頼性が低くなることから、ローパスフィルタやハイパスフィルタを準備する技術が開示されている。

特開２００８−７１９８１号公報 特開２００３−１７９０３０号公報 特開２００８−４１７９５号公報

次に、図４，図５は、高調波が発生したときの負荷側に発生する高周波バイアス電源１１０のＶpp電圧の波形歪みイメージの一例を示すものである。図４では、実際に発生した真のＶpp１３１（実線）と、基本周波数で検出するＶpp′１３２（破線）では、前者の真のＶpp１３１（実線）のＶpp電圧が小さいことがわかる。逆に、図５の波形歪みイメージの一例では、前者の真のＶpp１３１（実線）のＶpp電圧が、基本周波数で検出するＶpp′１３２（破線）よりも大きいことがわかる。従って、基本周波数のみでの高周波バイアス電源１１０のＶpp電圧の検出では、真のＶpp１３１（実線）の値を誤って検出してしまう可能性がある。Ｖ_dcを算出し、安定したＶ_chuckを確保するためのＥＳＣ電圧の設定値を決定するためには、高周波バイアス電源１１０のＶpp電圧の検出値の信頼性が、静電吸着の信頼性を大きく左右することになる。

本発明においては、プラズマ負荷の影響によって、高周波バイアス電力の伝送路上で高調波成分が発生し、波形歪みが起きた場合でも、静電吸着電極１０９に発生する高周波バイアス電源１１０のＶpp電圧を正確に検出することによって、所望のＶ_chuckに制御するプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、ウエハをプラズマ処理する真空容器と、前記ウエハを載置する電極と、前記ウエハを前記電極に静電吸着させるための直流電圧を前記電極に印加する直流電圧電源と、前記電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、前記真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記高周波電圧のピークトゥピーク電圧であるＶｐｐを検出するＶｐｐ検出手段と、前記ウエハを前記電極に静電吸着させる静電吸着力が所定の範囲内となるように前記直流電圧電源を制御する制御手段とを備えるプラズマ処理装置において、前記Ｖｐｐ検出手段は、前記Ｖｐｐの基本波周波数成分を検出する基本波周波数成分検出手段と前記Ｖｐｐの平均値を検出する平均値検出手段と前記Ｖｐｐの実効値を検出する実効値検出手段とを具備し、前記制御手段は、前記Ｖｐｐの基本周波数成分の高調波発生レベルに応じて、前記基本波周波数成分検出手段により検出された基本波周波数成分と平均値検出手段により検出された平均値と前記実効値検出手段により検出された実効値の中から何れのＶｐｐを選択するかを判定する判定手段と、高調波発生レベルが許容範囲であり予め求められたＶｐｐの基本波周波数成分に対して前記平均値検出手段により検出された平均値を同等にするための補正係数または前記予め求められたＶｐｐの基本波周波数成分に対して前記実効値検出手段により検出された実効値を同等にするための補正係数を求める演算部と、前記判定手段により選択されたＶｐｐと前記演算部により求められた補正係数とを保存するデータベースと、前記データベースに保存されたＶｐｐと前記データベースに保存された補正係数に基づいて前記静電吸着力が前記所定の範囲内となるように前記直流電圧を制御する電圧指令部とを具備することを特徴とする。

本発明の高周波バイアス電力のＶpp電圧検出方法を用いることで、プラズマ負荷の影響によって、高周波バイアス電力の伝送路上で高調波成分が発生し、波形歪みが起きた場合でも、正確な高周波バイアス電力のＶpp電圧を検出することによって、安定した静電吸着電圧制御が可能となる。

本発明のプラズマエッチング装置の概略図。 従来のプラズマエッチング装置のブロック図。 高周波バイアス電力のＶpp電圧値と静電吸着電圧と静電吸着電源電圧の関係図。 負荷側に発生する高周波バイアス電力のＶpp電圧波形の例。 負荷側に発生する高周波バイアス電力のＶpp電圧波形のその他の例。 本発明のＥＳＣ電圧制御部の機能ブロック図。 本発明のＥＳＣ電圧制御部内の判定部の機能フローチャート。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

ここで図１は、本発明のプラズマエッチング装置の概略図である。真空容器１０５には、アルミの導電体である平板状のアンテナ電極１０３と、電磁波を透過可能な石英からなる誘導体１０４で構成され、真空容器１０５の外周部には処理室を囲んで磁場発生用コイル１２０が設けてある。アンテナ電極１０３はエッチングガスを流すための多孔構造となっている。ＣＦ₄，Ｃ₄Ｆ₆，Ｃ₄Ｆ₈，Ｃ₅Ｆ₈，ＣＨＦ₃，ＣＨ₂Ｆ₂等のフロロカーボンガス，Ａｒ，Ｎ₂等の不活性ガス，Ｏ₂，ＣＯ等の酸化含有ガスは、ガス供給装置１１８に内設したＭＦＣからなる流量調整手段（図省略）で制御し、前記ガス供給装置１１８を介して真空容器１０５内に導入する。また、真空容器１０５には真空排気装置１２３が接続され、前記真空排気装置に内設したターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）からなる真空排気手段（図省略）と自動圧力制御（ＡＰＣ）からなる調圧手段（図省略）により、真空容器１０５内を所定圧力に保持する。アンテナ電極１０３の上部には整合器１０２，同軸ケーブル１２１を介してプラズマ生成用の高周波電源１０１（周波数１００ＭＨｚ〜４５０ＭＨｚ）が接続されている。真空容器１０５内の下部には半導体ウエハ１１３を配置可能な静電吸着電極１０９が設けられている。この静電吸着電極１０９には、半導体ウエハ１１３を静電吸着させるための静電吸着機能を兼備し、静電吸着用直流電源１０７が接続されている。

また、静電吸着電極１０９には整合器１１１，同軸ケーブル１２２を介してイオン引き込み用の高周波バイアス電源１１０（周波数４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚ）が接続されている。整合器１１１は、高周波バイアス電源１１０の、所定の周波数の高周波電力が効率良く静電吸着電極１０９に投入されるようにするために、インピーダンス整合を行う機能を持つ。整合器１０２も同様に、プラズマ生成用の高周波電源１０１の、所定の周波数の高周波電力が効率良く真空容器１０５内に投入されるようにするために、インピーダンス整合を行う機能を持つ。

そして、前記高周波バイアス電力のＶpp電圧値の検出手段は、高周波バイアス電力のＶpp電圧値を高周波バイアス電源１１０の基本周波数成分で、Ｖpp電圧を検出する基本波成分検出回路１１５と、高周波バイアス電力のＶpp電圧平均値を検出する平均値検出回路１１６と、さらに高周波バイアス電力のＶpp電圧実効値を検出する実効値検出回路１１７で構成されたバイアス用高周波電源Ｖpp電圧モニタ検出回路１１９である。また、前記基本波成分検出回路１１５で検出されたＶpp電圧値と、平均値検出回路１１６で検出されたＶpp電圧値と、さらに実効値検出回路１１７で検出されたＶpp電圧値は、ＥＳＣ電圧制御部１２４にてモニタリングされる。さらに、図１の実施形態が、図２の従来技術と異なる点は、ＥＳＣ電圧制御部１２４にある。ＥＳＣ電圧制御部１１４は、高周波バイアス電力のＶpp電圧値から、所定のＶ_chuckとなるように、静電吸着用直流電源１０７に対して設定するＥＳＣ電圧の演算，出力指令を行うだけであるが、本発明のＥＳＣ電圧制御部１２４は、図６に示すように、前記基本波成分検出回路１１５と、平均値検出回路１１６と、さらに実効値検出回路１１７で検出された値から、どの回路で検出した値を高周波バイアス電力のＶpp電圧値とするかを判定する判定部２０１と、前記で決定した値によって静電吸着用直流電源１０７に対して設定するＥＳＣ電圧の演算を行う演算部２０２と、判定部２０１の判定結果と演算部２０２で演算された演算結果を保存するデータベース２０３と、また静電吸着用直流電源１０７に対して、ＥＳＣ電圧を指令値として出力する機能を持つ電圧司令部２０４から構成される。以下、バイアス用高周波電源Ｖpp電圧モニタ検出回路１１９内の基本波成分検出回路１１５と、平均値検出回路１１６と、実効値検出回路１１７の動作、及びＥＳＣ電圧制御部１２４の動作について説明する。

基本波成分検出回路１１５は、高周波バイアス電源１１０の基本周波数成分で、高周波バイアス電力のＶpp電圧値を検出する機能を持つ。平均値検出回路１１６は、平均値でバイアス用高周波電源の電圧を検出する機能を持つ。また、実効値検出回路１１７は、実効値でバイアス用高周波電源の電圧を検出する機能を持つ。次にＥＳＣ電圧制御部１２４は、前記それぞれの検出回路で検出された高周波バイアス電力のＶpp電圧のどの値を用いてＥＳＣ電圧を制御するかを判定部２０１で判定するが、その前記判定手法のひとつとして、図７を用いて以下に説明する。まず、ダミーウエハを用いて、使用するプロセス条件毎にプラズマを発生させる。それぞれのプロセス条件毎に発生する高調波成分の大きさを事前に確認し、高調波成分の発生レベルが、基本周波数成分のある一定レベルより低い（高調波発生レベルが基本周波数成分の進行波電力Ｐｆの−３０ｄＢより小さい）レベルのプロセス条件の場合は、基本波成分検出回路１１５で検出した高周波バイアス電力のＶpp電圧でＥＳＣ電圧を制御するということをデータベース２０３に記憶させる。また、高調波成分の発生レベルが、基本周波数成分のある一定レベルより高い（高調波発生レベルが基本周波数成分の進行波電力Ｐｆの−３０ｄＢより大きい）レベルのプロセス条件の場合には、平均値検出回路１１６で検出した値、もしくは実効値検出回路１１７で検出した値で、ＥＳＣ電圧を制御することとする。

また前記判定手段においては、高調波成分の発生レベルが、基本周波数成分のある一定レベルの大小による判定方法ではなく、高周波バイアス電力の波形歪み率レベルの大小（式（３）において、歪み率が０.１以下）で判断する手段を用いることもできる。

次に平均値検出回路１１６で検出した高周波バイアス電力の電圧値と、実効値検出回路１１７で検出した高周波バイアス電力値の電圧値のどちらを使用するかの判定手法のひとつとして、以下に説明する。負荷側に発生する高周波バイアス電源１１０のＶpp電圧の波形において、１周期内の正負の振幅が対称の場合は、平均値検出回路１１６で検出した高周波バイアス電力の電圧値で制御することとし、逆に１周期内の正負の振幅が非対称の場合は、実効値検出回路１１７で検出した高周波バイアス電力の電圧値で制御するといった方法がある。

演算部２０２の動作について説明する。前記基本波成分検出回路１１５で検出された高周波バイアス電力のＶpp電圧値と、平均値検出回路１１６で検出された平均値と、実効値検出回路１１７で検出された実効値をデータベース２０３に記憶し、演算部２０２は、平均値検出回路１１６で検出された平均値と、実効値検出回路１１７で検出された実効値については、高周波バイアス電力のＶpp電圧値に補正演算する。補正演算された値はデータベース２０３に記憶される。

次に、前記検出した平均値及び実効値から、高周波バイアス電力のＶpp電圧に補正演算する補正係数を算出する手法について、以下説明をする。まず、ダミーウエハを用いて、プラズマを発生させる。その際、使用するプラズマは、高調波成分がほとんど発生しない、また例えば高調波発生レベルが基本周波数成分の進行波電力Ｐｆより−３０ｄＢより小さいレベルのプロセス条件が望ましい。ここでまず、基本波成分検出回路１１５で検出された基本周波数成分での高周波バイアス電力のＶpp電圧はデータベース２０３に記憶される。次に、演算部２０２は、前記データベース２０３に記憶した基本波成分検出回路１１５で検出された基本周波数成分での高周波バイアス電力のＶpp電圧と、平均値検出回路１１６で検出された高周波バイアス電力のＶpp電圧の平均値が同等の値となる補正係数を算出する。前記補正係数は、Ｖpp電圧の平均値から検出した高周波バイアス電力のＶpp電圧を算出するための補正としてデータベース２０３に記憶する。また演算部２０２は同様に、前記データベース２０３に記憶した基本波成分検出回路１１５で検出された基本周波数成分での高周波バイアス電力のＶpp電圧と、実効値検出回路１１７で検出された高周波バイアス電力のＶpp電圧の実効値が同等の値となる補正係数を算出する。前記補正係数は、Ｖpp電圧の実効値から検出した高周波バイアス電力のＶpp電圧を算出するための補正係数としてデータベース２０３に記憶する。

以上のように、高調波成分のレベルが十分小さい状態で、各Ｖpp電圧検出回路の検出値が同等となるような補正係数を算出し、データベース２０３に記憶しておく。またここでは、ダミーウエハを用いたプラズマ負荷での補正係数算出手段を説明したが、例えば５０Ωダミー負荷を接続し、高調波成分が全く存在しない環境下で、事前に前記補正係数を算出する手法もある。

次に演算部２０２は、上記で説明した通り、平均値検出回路１１６で検出された高周波バイアス電力のＶpp電圧の平均値に乗算する補正係数と、また実効値検出回路１１７で検出された高周波バイアス電力のＶpp電圧の実効値に乗算する補正係数を、それぞれＶpp電圧の平均値とＶpp電圧の実効値に乗算し、ＥＳＣ電圧制御部１２４は、前記補正された平均値の高周波バイアス電力のＶpp電圧と、前記補正された実効値の高周波バイアス電力のＶpp電圧と、基本波成分検出回路１１５で検出した基本周波数成分での高周波バイアス電力のＶpp電圧の３つの手段で検出した高周波バイアス電力のＶpp電圧をそれぞれデータベース２０３に記憶する。

そして電圧指令部２０４は、前記データベース２０３に記憶された判定部２０１の判定結果とデータベース２０３に記憶した高周波バイアス電力のＶpp電圧により、数式（１）によりＶ_dcを求め、数式（２）により、静電吸着膜１０８にかかる所望のＶ_chuckが所定の範囲に制御できるように、リアルタイム、あるいは所定の周期に基づいて算出されたＥＳＣ電圧を自動制御する。前述した所定の周期とは、１ｓ間隔の周期でＥＳＣ電圧を制御するといったものである。制御周期については、任意で設定可能とする。

以上の実施の形態によれば、静電吸着電極１０９に発生する高周波バイアス電力のＶpp電圧の検出方法として、基本波成分検出回路１１５，平均値検出回路１１６、及び実効値検出回路１１７を準備し、それぞれの回路で検出された値から、ＥＳＣ電圧制御部１２４の演算部２０２によって、それぞれ補正した高周波バイアス電力のＶpp電圧値を算出し、データベース２０３に記憶し、またＥＳＣ電圧制御部１２４の判定部２０１により、プロセス条件毎に発生する高調波レベルの大小と、波形歪みの状態により、どの回路で検出した高周波バイアス電力のＶpp電圧を使用するかを判定することにより、非線形なプラズマ負荷により高調波が発生した場合でも、安定した静電吸着電圧制御を行うことができる。

以上説明した実施例では、プラズマ生成用の高周波電源及び静電吸着電極にイオン引き込み用のバイアス用高周波電源，静電吸着させるための静電吸着用直流電源を有するエッチング装置について述べたが、誘導結合型プラズマ装置及び平行平板型プラズマ装置等の他のエッチング装置、及びアッシング装置，プラズマＣＶＤ装置など、静電吸着電極へ高周波電力を供給し、静電吸着膜を用いて静電吸着電極へ吸着するその他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。

また、上述した実施の形態では、イオン引き込み用のバイアス用高周波電源のＶpp電圧の検出方法について説明したが、プラズマ生成用の高周波電源のＶpp電圧の検出において、同様の手段を用いてもよい。

上述した実施の形態では、プラズマ生成用の高周波電源及び静電吸着電極のイオン引き込み用バイアス用高周波電源の２つの異なる周波数の高周波電力が供給される場合について説明したが、印加される高周波電力は、３つ以上あってもよい。

上述した実施の形態では、基本波成分検出回路１１５で検出した基本周波数成分での高周波バイアス電力のＶpp電圧と、平均値から算出した高周波バイアス電力のＶpp電圧と、また実効値から算出した高周波バイアス電力のＶpp電圧のいずれかの値を用いて、ＥＳＣ電圧の制御を行う例について説明したが、それぞれで検出した３つのＶpp検出値の平均値を用いて、ＥＳＣ電圧の制御を行っても良い。

上述した実施の形態では、平均値検出回路１１６で検出したバイアス用高周波電源のＶpp電圧の平均値と、また実効値検出回路１１７で検出したバイアス用高周波電源のＶpp電圧の実効値を、演算部２０２でそれぞれ補正した値を用いてＥＳＣ電圧を制御する場合について説明したが、補正する前の真のＶpp電圧の平均値及び実効値で、ＥＳＣ電圧を制御する方法をとってもよい。

また上述した実施の形態では、ＥＳＣ電圧制御部１２４によって、各プロセス条件毎に事前に決定しておいた高周波バイアス電力のＶpp電圧を用いてＥＳＣ電圧を制御する場合について説明したが、該プロセス中にプラズマ状態が変化し、高調波発生レベルが変化した場合には、事前に記憶しておいた選択する高周波バイアス電力のＶpp電圧を変更して、ＥＳＣ電圧を制御するようにしてもよい。

１０１ 高周波電源
１０２，１１１ 整合器
１０３ アンテナ電極
１０４ 誘導体
１０５ 真空容器
１０６ プラズマ
１０７ 静電吸着用直流電源
１０８ 静電吸着膜
１０９ 静電吸着電極
１１０ 高周波バイアス電源
１１２，１１９ バイアス用高周波電源Ｖpp電圧モニタ検出回路
１１３ 半導体ウエハ
１１４，１２４ ＥＳＣ電圧制御部
１１５ 基本波成分検出回路
１１６ 平均値検出回路
１１７ 実効値検出回路
１１８ ガス供給装置
１２０ 磁場発生用コイル
１２１，１２２ 同軸ケーブル
１２３ 真空排気装置
１３１ 真のＶpp
１３２ 基本周波数成分で検出するＶpp′
２０１ 判定部
２０２ 演算部
２０３ データベース
２０４ 電圧司令部

Claims (3)

1. ウエハをプラズマ処理する真空容器と、前記ウエハを載置する電極と、前記ウエハを前記電極に静電吸着させるための直流電圧を前記電極に印加する直流電圧電源と、前記電極
   に高周波電圧を印加する高周波電源と、前記真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記高周波電圧のピークトゥピーク電圧であるＶｐｐを検出するＶｐｐ検出手
   段と、前記ウエハを前記電極に静電吸着させる静電吸着力が所定の範囲内となるように前記直流電圧電源を制御する制御手段とを備えるプラズマ処理装置において、
   前記Ｖｐｐ検出手段は、前記Ｖｐｐの基本波周波数成分を検出する基本波周波数成分検
   出手段と前記Ｖｐｐの平均値を検出する平均値検出手段と前記Ｖｐｐの実効値を検出する
   実効値検出手段とを具備し、
   前記制御手段は、前記Ｖｐｐの基本周波数成分の高調波発生レベルに応じて、前記基本波周波数成分検出手段により検出された基本波周波数成分と平均値検出手段により検出された平均値と前記実効値検出手段により検出された実効値の中から何れのＶｐｐを選択するかを判定する判定手段と、高調波発生レベルが許容範囲であり予め求められたＶｐｐの基本波周波数成分に対して前記平均値検出手段により検出された平均値を同等にするための補正係数または前記予め求められたＶｐｐの基本波周波数成分に対して前記実効値検出手段により検出された実効値を同等にするための補正係数を求める演算部と、前記判定手段により選択されたＶｐｐと前記演算部により求められた補正係数とを保存するデータベースと、前記データベースに保存されたＶｐｐと前記データベースに保存された補正係数に基づいて前記静電吸着力が前記所定の範囲内となるように前記直流電圧を制御する電圧指令部とを具備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、
   前記判定手段は、前記Ｖｐｐの基本周波数成分の高調波発生レベルが前記Ｖｐｐの基本周波数成分の進行波電力の−３０ｄＢより大きい場合、前記平均値検出手段により検出された平均値または前記実効値検出手段により検出された実効値のいずれかを選択す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、
   前記判定手段は、前記Ｖｐｐの基本周波数成分の高調波発生レベルが式(３)により求められる歪み率が０．１より大きい場合、前記平均値検出手段により検出された平均値または前記実効値検出手段により検出された実効値のいずれかを選択することを特徴とするプラズマ処理装置。