JP5808012B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特に高周波のパワーをパルス状に変調するパワー変調方式の容量結合型プラズマ処理装置法に関する。
容量結合型のプラズマ処理装置は、処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置し、上部電極もしくは下部電極にプラズマ生成に適した周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波を印加する。この高周波の印加によって相対向する電極間に生成された高周波電界により電子が加速され、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマが発生する。そして、このプラズマに含まれるラジカルやイオンの気相反応あるいは表面反応によって、基板上に薄膜が堆積され、あるいは基板表面の素材または薄膜が削られる。
近年は、半導体デバイス等の製造プロセスにおけるデザインルールが益々微細化し、特にプラズマエッチングでは、より高い寸法精度が求められており、エッチングにおけるマスクまたは下地に対する選択比や面内均一性をより高くすることも求められている。そのため、チャンバ内のプロセス領域の低圧力化、低イオンエネルギー化が指向され、４０ＭＨｚ以上といった高い周波数の高周波が用いられつつある。
しかしながら、このように低圧力化および低イオンエネルギー化が進んだことにより、従来は問題とならなかったチャージングダメージの影響を無視することができなくなっている。つまり、イオンエネルギーの高い従前のプラズマ処理装置ではプラズマ電位が面内でばらついたとしても大きな問題は生じないが、より低圧でイオンエネルギーが低くなると、プラズマ電位の面内不均一がゲート酸化膜のチャージングダメージを引き起こしやすくなるといった問題が生じる。
この問題に対しては、プラズマ生成に用いる高周波のパワーをオン／オフ制御可能なパルス状に変調するパワー変調方式が有効とされている（特許文献１）。このパワー変調方式によれば、プラズマエッチング中に処理ガスのプラズマ生成状態とプラズマ非生成状態（プラズマを生成していない状態）とが所定周期で交互に繰り返されるので、プラズマ処理の開始から終了までプラズマを生成し続ける通常のプラズマ処理に比べて、プラズマを連続して生成している時間が短くなる。これによって、プラズマから被処理基板に一度に流入する電荷の量あるいは被処理基板の表面部に電荷が累積的に蓄積する量が減ることになるので、チャージングダメージは生じ難くなり、安定したプラズマ処理の実現およびプラズマプロセスの信頼性が向上する。
また、容量結合型のプラズマ処理装置においては、基板を載置する下部電極に低い周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波を印加し、下部電極上に発生する負のバイアス電圧またはシース電圧によりプラズマ中のイオンを加速して基板に引き込むＲＦバイアス法が多く用いられている。このようにプラズマからイオンを加速して基板表面に衝突させることにより、表面反応、異方性エッチング、あるいは膜の改質等を促進することができる。
ところが、容量結合型プラズマエッチング装置を用いてビアホールやコンタクトホール等のエッチング加工を行う場合には、ホールサイズの大小によってエッチングレートが異なる、いわゆるマイクロローディング効果が生じる問題があり、エッチング深さのコントロールが困難であるという問題がある。特に、ガードリング（ＧＲ）のような大きいエリアではエッチングが速いことが多く、ＣＦ系ラジカルが入りにくいスモールビアではエッチレートが遅いことが多い。
この問題に対しては、イオン引き込みに用いる高周波のパワーのオン／オフ制御を行い、パルス状に変調するパワー変調方式が有効とされている（特許文献２）。このパワー変調方式によれば、被処理基板の所定の膜のエッチングが進行するのに適した高い第１のレベル（オンレベル）のパワーを維持する期間とイオン引き込み用の高周波が被処理基板上の所定の膜にポリマーが堆積されるのに適した低い第２のレベル（オフレベル）のパワーを維持する期間とが一定の周期で交互に繰り返されることにより、所定の膜に適度なポリマー層が堆積された状態とすることができ、エッチングの進行を抑制することができるので、望ましくないマイクロローディング効果を低減し、高選択比および高エッチングレートのエッチングが可能となる。
また、容量結合型のプラズマエッチング装置においては、プラズマ生成空間を挟んで基板と対向する上部電極に負極性の直流電圧を印加することにより、上部電極で発生する２次電子を基板の表層に高速度で打ち込んで、ＡrＦフォトレジスト等のエッチング耐性の低い有機マスクを改質することも行われている。最近は、この高速電子による有機マスクの改質効果を高めるために、プラズマ生成ないしイオン引き込みに用いる高周波のパワーを一定のパルス周波数でオン／オフ制御するとともに、これに同期して高周波パワーがオフ状態になる期間中のみ直流電圧を印加する方法も提案されている（特許文献３）。このように、高周波パワーをオフ状態にしてプラズマシースが薄くなる期間に直流電圧が上部電極に印加されることで、上部電極からの２次電子が基板に効率よく入射し、基板上の有機膜が強化される。
上記のようなパワー変調の機能を備えた従来の容量結合プラズマ処理装置においては、パルス周波数の各サイクル内で高周波電源をオン状態からオフ状態に切り換えた時に、高周波給電ライン上でＲＦパワーが瞬時に消失せずに、裾を曳くように一定の時定数で減衰しながら零レベル（Ｌレベル）に収束する場合がある。このようなＲＦパワー裾曳き現象は、パワー変調の本来の規格から外れており、したがってパワー変調の目的とする効果が十分に発揮されなくなるばかりか、高周波給電ライン上または高周波電源内に設けられるＲＦパワーモニタの精度にも悪い影響を与える。本発明者がこの問題を追究したところ、スイッチング方式の高周波電源を用いて、これにパワー変調をかけるときに限って、上記のようなＲＦパワー裾曳き現象が発生することが判った。
本発明は、上記のような知見に基づいてなされたものであり、スイッチング方式の高周波電源にパワー変調をかける際に高周波給電ライン上でＲＦパワー裾曳き現象が発生するのを簡便かつ確実に防止するプラズマ処理装置を提供する。
本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器内で処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板に所望の処理を施すプラズマ処理装置であって、直流電源とスイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子をスイッチングパルスにより高周波帯域の周波数でオン／オフすることにより、前記直流電源の直流出力を高周波出力に変換するスイッチング方式の高周波電源と、前記高周波電源より出力される前記高周波を前記プラズマに供給するための高周波給電ラインと、前記高周波給電ライン上で前記高周波電源側のインピーダンスとその負荷側のインピーダンスとを整合させるための整合器と、前記高周波のパワーがオン状態になるオン期間とオフ状態になるオフ期間とを一定のパルス周波数で交互に繰り返すように、前記高周波電源を制御する高周波パワー変調部と、前記パルス周波数の各サイクルにおいて前記オフ期間中に前記高周波給電ライン上に残留している高周波を除去するための残留高周波除去部とを具備する。
本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成を有することにより、スイッチング方式の高周波電源にパワー変調をかける際に高周波給電ライン上でＲＦパワー裾曳き現象が発生するのを簡便かつ確実に防止することができる。
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
［プラズマ処理装置の構成］
［プラズマ処理装置の構成］
図１に、本発明の一実施形態におけ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、容量結合型（平行平板型）のプラズマエッチング装置として構成されており、たとえば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形の真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は接地されている。
チャンバ１０の底部には、セラミックなどの絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上にたとえばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、この上に被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷが載置される。
サセプタ１６の上面には半導体ウエハＷを保持するための静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートの間に挟み込んだものであり、電極２０にはスイッチ２２を介して直流電源２４が電気的に接続されている。直流電源２４からの直流電圧により、半導体ウエハＷを静電吸着力で静電チャック１８に保持できるようになっている。静電チャック１８の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるためのたとえばシリコンからなるフォーカスリング２６が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面にはたとえば石英からなる円筒状の内壁部材２８が貼り付けられている。
サセプタ支持台１４の内部には、たとえば円周方向に延びる冷媒室３０が設けられている。この冷媒室３０には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管３２ａ，３２ｂ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サセプタ１６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できるようになっている。さらに、伝熱ガス供給機構（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン３４を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。
サセプタ１６には、第１および第２高周波電源３６，３８がそれぞれ整合器４０，４２および共通の給電導体（たとえば給電棒）４４を介して電気的に接続されている。第１高周波電源３６は、プラズマの生成に適した第１周波数ｆ1（たとえば１００ＭＨｚ）を有する第１高周波ＲＦ１を出力する。第２高周波電源３８は、プラズマからサセプタ１６上の半導体ウエハＷへのイオンの引き込みに適した第２周波数ｆ2（たとえば１３．５６ＭＨｚ）を有する第２高周波ＲＦ２を出力する。
整合器４０，４２は、高周波給電ライン（高周波伝送路）４３，４５上で、チャンバ１０内に生成されるプラズマ側の負荷インピーダンスを高周波電源３６，３８のインピーダンスにそれぞれ整合させるように機能する。各々の整合器４０，４２は、少なくとも２つの制御可能なリアクタンス素子を含む整合回路と、各リアクタンス素子のリアクタンス値（インピーダンス・ポジション）を制御するためのアクチエータ（たとえばモータ）と、上記整合回路を含む負荷インピーダンスを測定するセンサと、負荷インピーダンスの測定値を整合ポイント（通常５０Ω）に合わせるように各アクチエータを駆動制御するコントローラとを有している。
このプラズマ処理装置は、プラズマ生成用の第１高周波電源３６にはリニアアンプ方式の高周波電源を使用し、イオン引き込み用の第２高周波電源３８にはスイッチング方式の高周波電源を使用しており、これに関連して第２高周波電源３８側の高周波給電ライン４５に残留高周波除去部７４を接続している。高周波電源３６，３８および残留高周波除去部７４の構成および作用については後に詳細に説明する。
チャンバ１０の天井には、サセプタ１６と平行に向かいあって接地電位の上部電極４６が設けられている。この上部電極４６は、多数のガス噴出孔４８ａを有するたとえばＳi、ＳiＣなどのシリコン含有材質からなる電極板４８と、この電極板４８を着脱可能に支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体５０とで構成されている。この上部電極４６とサセプタ１６との間にプラズマ生成空間または処理空間ＰＳが形成されている。
電極支持体５０は、その内部にガスバッファ室５２を有するとともに、その下面にガスバッファ室５２から電極板４８のガス噴出孔４８ａに連通する多数のガス通気孔５０ａを有している。ガスバッファ室５２にはガス供給管５４を介して処理ガス供給源５６が接続されている。ガス供給管５４には、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５８および開閉バルブ６０が設けられている。処理ガス供給源５６より所定の処理ガス（エッチングガス）がガスバッファ室５２に導入されると、電極板４８のガス噴出孔４８ａよりサセプタ１６上の半導体ウエハＷに向けて処理空間ＰＳに処理ガスがシャワー状に噴出されるようになっている。このように、上部電極４６は、処理空間ＰＳに処理ガスを供給するためのシャワーヘッドを兼ねている。
また、電極支持体５０の内部には冷媒たとえば冷却水を流す通路（図示せず）も設けられており、外部のチラーユニットにより冷媒を介して上部電極４６の全体、特に電極板４８を所定温度に温調するようになっている。さらに、上部電極４６に対する温度制御をより安定化させるために、電極支持体５０の内部または上面にたとえば抵抗発熱素子からなるヒータ（図示せず）を取り付ける構成も可能である。
サセプタ１６およびサセプタ支持台１４とチャンバ１０の側壁との間に形成される環状の空間は排気空間となっており、この排気空間の底にはチャンバ１０の排気口６２が設けられている。この排気口６２に排気管６４を介して排気装置６６が接続されている。排気装置６６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０の室内、特に処理空間ＰＳを所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口６８を開閉するゲートバルブ７０が取り付けられている。
主制御部７２は、１つまたは複数のマイクロコンピュータを含み、外部メモリまたは内部メモリに格納されるソフトウェア（プログラム）およびレシピ情報にしたがって、装置内の各部、特に高周波電源３６，３８、整合器４０，４２、ＭＦＣ５８、開閉バルブ６０、排気装置６６、残留高周波除去部７４等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）を制御する。
また、主制御部７２は、キーボード等の入力装置や液晶ディスプレイ等の表示装置を含むマン・マシン・インタフェース用の操作パネル（図示せず）および各種プログラムやレシピ、設定値等の各種データを格納または蓄積する外部記憶装置（図示せず）等とも接続されている。この実施形態では、主制御部７２が１つの制御ユニットとして示されているが、複数の制御ユニットが主制御部７２の機能を並列的または階層的に分担する形態を採ってもよい。
この容量結合型プラズマエッチング装置における枚葉ドライエッチングの基本的な動作は次のようにして行われる。先ず、ゲートバルブ７０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１８の上に載置する。そして、処理ガス供給源５６より処理ガスつまりエッチングガス（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６６による真空排気でチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１高周波電源３６からの第１高周波ＲＦ１（１００ＭＨｚ）と高周波電源３８からの第２高周波ＲＦ２（１３．５６ＭＨｚ）とを重畳して（あるいは片方を単独で）サセプタ１６に印加する。また、直流電源２４より直流電圧を静電チャック１８の電極２０に印加して、半導体ウエハＷを静電チャック１８上に固定する。上部電極４６のシャワーヘッドより吐出されたエッチングガスは両電極４６，１６間の高周波電界の下で放電し、処理空間ＰＳ内にプラズマが生成される。このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面の被加工膜がエッチングされる。
［第１高周波電源の回路構成］
［第１高周波電源の回路構成］
図２に、第１高周波電源３６の回路構成を示す。第１高周波電源３６は、上記のようにリニアアンプ方式の高周波電源であり、第１周波数ｆ1（１００ＭＨｚ）の正弦波信号ｒｆ１を発生する正弦波発振器８０と、この発振器８０より出力される正弦波信号ｒｆ１の正弦波形を保ったままそのＲＦパワーの利得または増幅率を制御可能に増幅して第１高周波ＲＦ１を出力するリニアアンプ８２と、主制御部７２からの制御信号にしたがって発振器８０およびリニアアンプ８２を直接制御する電源制御部８４とを備えている。このプラズマエッチング装置において、第１高周波ＲＦ１にパルス変調をかけるときは、主制御部７２と電源制御部８４がパワー変調部を形成する。
第１高周波電源３６のユニット内には、ＲＦパワーモニタ８６も備わっている。このＲＦパワーモニタ８６は、図示省略するが、方向性結合器、進行波パワーモニタ部および反射波パワーモニタ部を有している。ここで、方向性結合器は、高周波給電ライン４３上を順方向に伝搬するＲＦパワー（進行波）と逆方向に伝搬するＲＦパワー（反射波）のそれぞれに対応する信号を取り出す。進行波パワーモニタ部は、方向性結合器により取り出された進行波パワー検出信号を基に、高周波伝送路４３上の進行波に含まれる基本波進行波（１００ＭＨｚ）のパワーを表わす信号を生成する。この信号つまり基本波進行波パワー測定値信号は、パワーフィードバック制御用に第１高周波電源３６内の電源制御部８４に与えられるとともに、モニタ表示用に主制御部７２にも与えられる。反射波パワーモニタ部は、チャンバ１０内のプラズマから第１高周波電源３６に返ってくる反射波に含まれる基本波反射波（１００ＭＨｚ）のパワーを測定するとともに、チャンバ１０内のプラズマから第１高周波電源３６に返ってくる反射波に含まれる全ての反射波スペクトルのトータルのパワーを測定する。反射波パワーモニタ部により得られる基本波反射波パワー測定値はモニタ表示用に主制御部７２に与えられ、トータル反射波パワー測定値はパワーアンプ保護用のモニタ値として第１高周波電源３６内の電源制御部８４に与えられる。
リニアアンプ８２の出力端子Ｍ1，Ｎ1は、ローパスフィルタ８８および同軸ケーブル９０を介して整合器４０の入力端子に接続されている。ローパスフィルタ８８は、リニアアンプ８２からの第１高周波ＲＦ１に含まれる第１周波数ｆ1よりも高い周波数成分（歪成分）を除去する。図示のローパスフィルタ８８は、高周波給電ライン４３に直列に挿入される１つのコイル９２と、このコイル９２の両側に並列に挿入される２つのコンデンサ９４，９６とからなるπ形回路として構成されている。
図３に、リニアアンプ８２の回路構成を示す。このリニアアンプ８２は、入力端子１００を介して発振器８０からの正弦波信号ｒｆ１を一次巻線に入力する入力トランス１０２と、この入力トランス１０２の二次巻線の両端にそれぞれの制御端子が接続されている一対の増幅トランジスタたとえばＰ型のＭＯＳＦＥＴ１０４Ａ，１０４Ｂと、二次側に負荷が接続されている出力トランス１０６とを有する。
入力トランス１０２の二次巻線は、一方の端子が第１のＭＯＳＦＥＴ１０４Ａのゲート端子に接続されるとともに、他方の端子が第２のＭＯＳＦＥＴ１０４Ｂのゲート端子に接続され、中性点が接地されている。第１のＭＯＳＦＥＴ１０４Ａは、ソース端子が接地され、ドレイン端子が出力トランス１０８の一次巻線の一方の端子に接続されている。第２のＭＯＳＦＥＴ１０４Ｂは、ソース端子が接地され、ドレイン端子が出力トランス１０６の一次巻線の他方の端子に接続されている。出力トランス１０６の一次巻線はその中性点が可変直流電源（図示せず）の電源電圧（Ｖdd）端子１０８に接続され、二次巻線は出力端子Ｍ1，Ｎ1を介して高周波給電ライン４３上の負荷に接続されている。負荷は、主としてチャンバ１０内のプラズマと整合器４０内の整合回路とを含む。
このリニアアンプ８２において、正弦波信号ｒｆ１の正極性の半サイクルでは、第１のＭＯＳＦＥＴ１０４Ａがオフ状態で第２のＭＯＳＦＥＴ１０４Ｂをオン状態に制御し、直流電源電圧（Ｖdd）端子１０８から出力トランス１０６および第２のＭＯＳＦＥＴ１０４Ｂを通ってグランド（接地電位部材）へ正弦波信号ｒｆ１に対応した波形の電流ＩdBが流れる。この時、出力トランス１０６の二次側の負荷回路では第１高周波ＲＦ１の電流が負極性の向きで流れる。正弦波信号ｒｆ１の負極性の半サイクルでは、第２のＭＯＳＦＥＴ１０４Ｂがオフ状態で第１のＭＯＳＦＥＴ１０４Ａをオン状態に制御し、直流電源電圧（Ｖdd）端子１０８から出力トランス１０６および第１のＭＯＳＦＥＴ１０４Ａを通ってグランド（接地電位部材）へ正弦波信号ｒｆ１に対応した波形の電流ＩdAが流れる。この時、出力トランス１０６の二次側の負荷回路では第１高周波ＲＦ１の電流が正極性の向きで流れる。
こうして出力トランス１０６の二次巻線より出力される第１高周波ＲＦ１は、入力トランス１０２の一次巻線に入力される正弦波信号ｒｆ１と相似な正弦波形を有する。直流電源電圧（Ｖdd）を制御することで、増幅率を可変し、百ＭＨ以上の周波数帯域でも第１高周波ＲＦ１のパワーを任意に調整することができる。
ここで、直流電源の出力つまりＤＣパワーをＰDC，高周波電源の出力つまりＲＦパワーをＰRF、高周波電源内部の消費電力をＰcとすると、ＰDC＝ＰRF＋Ｐcであり、ＤＣ−ＲＦ変換効率は（ＰRF／ＰDC）×１００％である。ＤＣ−ＲＦ変換効率は、高周波電源の使用価値を左右する指標の一つである。
リニアアンプ方式の高周波電源３６は、このように動作周波数が非常に広いうえ、パワー変調により第１高周波ＲＦ１のパワーをオン／オフするときは、電源制御部８４の制御の下で低出力の正弦波発振器８０をオン／オフ制御すればよい。このため、パルス周波数の各サイクル内で高周波電源３６をオン状態からオフ状態に切り換える時は、正弦波発振器８０が即時にオフ状態となるので、高周波給電ライン４３上で第１高周波ＲＦ１のパワーが瞬時に消失し、ＲＦパワー裾曳き現象が発生することはない。ただし、リニアアンプ８２内で消費する電力（損失）Ｐcが多く、ＤＣ−ＲＦ変換効率は高くない。
図４に、第２のＭＯＳＦＥＴ１０４Ｂにおけるソース・ドレイン間電圧ＶdBおよびドレイン電流ＩdBの波形を示す。この図から理解されるように、ＭＯＳＦＥＴ１０４ＢではＶdB＊ＩdBの実効電力が存在し、ドレイン損失として消費される。図示省略するが、第１のＭＯＳＦＥＴ１０４Ａにおけるソース・ドレイン間電圧ＶdAおよびドレイン電流ＩdAの波形は、ＶdBおよびＩdBの波形と位相がそれぞれ逆になる。第１のＭＯＳＦＥＴ１０４ＡでもＶdA＊ＩdAの実効電力が存在し、ドレイン損失として消費される。
［第２高周波電源及び残留高周波除去部の回路構成］
［第２高周波電源及び残留高周波除去部の回路構成］
図５に、第２高周波電源３８および残留高周波除去部７４の回路構成を示す。第２高周波電源３８は、上記のようにスイッチング方式の高周波電源であり、第２周波数ｆ2（１３．５６ＭＨｚ）の２相スイッチングパルスＳa，Ｓbを発生するスイッチングパルス発振器１１０と、この発振器１１０からの後述する２相スイッチングパルスＳa，Ｓbに応答して直流電源の出力を正弦波の第２高周波ＲＦ２に変換する正弦波インバータ１１２と、主制御部７２からの制御信号にしたがって発振器１１０および正弦波インバータ１１２を直接制御する電源制御部１１４とを備えている。このプラズマエッチング装置において、第２高周波ＲＦ２にパルス変調をかけるときは、主制御部７２と電源制御部１１４がパワー変調部を構成する。
第２高周波電源３８のユニット内には、ＲＦパワーモニタ１１６も備わっている。このＲＦパワーモニタ１１６は、図示省略するが、方向性結合器、進行波パワーモニタ部および反射波パワーモニタ部を有している。ここで、方向性結合器は、高周波給電ライン４５上を順方向に伝搬するＲＦパワー（進行波）と逆方向に伝搬するＲＦパワー（反射波）のそれぞれに対応する信号を取り出す。進行波パワーモニタ部は、方向性結合器により取り出された進行波パワー検出信号を基に、高周波伝送路４５上の進行波に含まれる基本波進行波（１３．５６ＭＨｚ）のパワーを表わす信号を生成する。この信号つまり基本波進行波パワー測定値信号は、パワーフィードバック制御用に第２高周波電源３８内の電源制御部１１４に与えられるとともに、モニタ表示用に主制御部７２にも与えられる。反射波パワーモニタ部は、チャンバ１０内のプラズマから第２高周波電源３８に返ってくる反射波に含まれる基本波反射波（１３．５６ＭＨｚ）のパワーを測定するとともに、チャンバ１０内のプラズマから第２高周波電源３８に返ってくる反射波に含まれる全ての反射波スペクトルのトータルのパワーを測定する。反射波パワーモニタ部により得られる基本波反射波パワー測定値はモニタ表示用に主制御部７２に与えられ、トータル反射波パワー測定値はパワーアンプ保護用のモニタ値として第２高周波電源３８内の電源制御部１１４に与えられる。
正弦波インバータ１１２の出力端子Ｍ2，Ｎ2は、トランス１１８、ローパスフィルタ１２０および同軸ケーブル１２２を介して整合器４２の入力端子に接続されている。トランス１１８は、インピーダンス変換に用いられる。ローパスフィルタ１２０は、正弦波インバータ１１２からの第２高周波ＲＦ２に含まれる第２周波数ｆ2よりも高い周波数成分（歪成分）を除去する。図示のローパスフィルタ１２０は、高周波給電ライン４５に直列に挿入される１つのコイル１２４と、このコイル１２４の両端にて並列に挿入される２つのコンデンサ１２６，１２８とからなるπ形回路として構成されている。
図６に、正弦波インバータ１１２の回路構成を示す。この正弦波インバータ１１２は、フルブリッジ回路を構成する第１組のスイッチング素子たとえばＮ型のＭＯＳＦＥＴ１３０Ａ，１３２Ａと第２組のスイッチング素子たとえばＮ型のＭＯＳＦＥＴ１３０Ｂ，１３２Ｂと、負荷に対して第１組のＭＯＳＦＥＴ１３０Ａ，１３２Ａまたは第２組のＭＯＳＦＥＴ１３０Ｂ，１３２Ｂと直列に接続されるコイル１３４およびコンデンサ１３６とを有する。
より詳しくは、第１組の一方のＭＯＳＦＥＴ１３０Ａは、ドレイン端子が直流電源電圧（Ｖdd）端子１３８に接続され、ソース端子がノードＪ1に接続され、ゲート端子に第１相のスイッチングパルスＳaを入力する。第２組の一方のＭＯＳＦＥＴ１３０Ｂは、ドレイン端子が直流電源電圧（Ｖdd）端子１３８に接続され、ソース端子がノードＪ2に接続され、ゲート端子に第２相のスイッチングパルスＳbを入力する。第１組の他方のＭＯＳＦＥＴ１３２Ａは、ドレイン端子がノードＪ2に接続され、ソース端子が接地され、ゲート端子に第１相のスイッチングパルスＳaを入力する。第２組の他方のＭＯＳＦＥＴ１３２Ｂは、ドレイン端子がノードＪ1に接続され、ソース端子が接地され、ゲート端子に第２相のスイッチングパルスＳbを入力する。そして、ノードＪ1とノードＪ2との間に、コンデンサ１３６、コイル１３４、一方の出力端子Ｍ2、負荷、他方の出力端子Ｎ2が直列に接続される。コイル１３４とコンデンサ１３６は、第２高周波ＲＦ２に対して直列共振回路を構成する。負荷は、主としてチャンバ１０内のプラズマと整合器４２内の整合回路とを含む。
この正弦波インバータ１１２において、第２組のＭＯＳＦＥＴ１３０Ｂ，１３２Ｂをオフ状態に保って第１組のＭＯＳＦＥＴ１３０Ａ，１３２Ａを第１相のスイッチングパルスＳaによりオンさせると、直流電源電圧（Ｖdd）端子１３８からＭＯＳＦＥＴ１３０Ａ、コンデンサ１３６、コイル１３４、出力端子Ｍ2、負荷、出力端子Ｎ2およびＭＯＳＦＥＴ１３２Ａを通ってグランド（接地電位部材）へ負荷電流（第２高周波ＲＦ２の電流）ＩLが正極性の向きで流れる。反対に，第１組のＭＯＳＦＥＴ１３０Ａ，１３２Ａをオフ状態に保って第２組のＭＯＳＦＥＴ１３０Ｂ，１３２Ｂを第２相のスイッチングパルスＳbによりオンさせると、直流電源電圧（Ｖdd）端子１３８からＭＯＳＦＥＴ１３０Ｂ、出力端子Ｎ2、負荷、出力端子Ｍ2、コイル１３４、コンデンサ１３６およびＭＯＳＦＥＴ１３２Ｂを通ってグランド（接地電位部材）へ負荷電流（第２高周波ＲＦ２の電流）ＩLが負極性の向きで流れる。
この正弦波インバータ１１２においては、図７に示すように、発振器１１０で生成される２相スイッチングパルスＳa，Ｓbを電源制御部１１４の制御の下でＰＷＭ（パルス幅変調）のパルス列とすることにより、負荷電流（第１高周波ＲＦ１の電流）ＩLを正弦波に成形することができる。スイッチングパルスＳa，Ｓbのオン持続時間ないしデューティ比を可変することで、第２高周波ＲＦ２のＲＦパワーを任意に制御することもできる。
上記のようなスイッチング方式の高周波電源３８は、リニアアンプ方式とは反対に、スイッチング素子（１３０Ａ，１３０Ｂ，１３２Ａ，１３２Ｂ）のスイッチング速度によって動作周波数が律速されるが、損失が非常に少なくて、ＤＣ−ＲＦ変換効率が高い。
図８に、第２組の他方のＭＯＳＦＥＴ１３２Ｂにおけるソース・ドレイン間電圧Ｖdbおよびドレイン電流Ｉdbの波形を示す。第２高周波ＲＦ２の電流ＩLが負極性の向きで負荷回路を流れる第１の半サイクルでは、ＭＯＳＦＥＴ１３２Ｂのソース・ドレイン間が飽和状態で導通（短絡）してドレイン電流Ｉdbが流れる。第２高周波ＲＦ２の電流ＩLが正極性の向きで負荷回路を流れる第２の半サイクルでは、ＭＯＳＦＥＴ１３２Ｂはオフ状態でドレイン電流Ｉdbは流れない。したがって、Ｖdb＊Ｉdbの実効電力またはドレイン損失は殆ど無い。他のＭＯＳＦＥＴ１３０Ａ，１３２Ａ，１３２Ｂにおいても同様である。
もっとも、スイッチング方式の第２高周波電源３８においては、第２高周波ＲＦ２の出力を止めた時に、第２高周波ＲＦ２のエネルギーが正弦波インバータ１１２ないしローパスフィルタ１２０に残留してＲＦパワー裾曳き現象を起こしやすく、特にＬＣ直列共振回路（１３４，１３６）を備える場合にその傾向が強く出る。この実施形態では、高周波給電ライン４５に残留高周波除去部７４を接続することで、第２高周波電源３８におけるＲＦパワー裾曳き現象の発生を防止ないし低減するようにしている。
再び図５において、残留高周波除去部７４は、高周波給電ライン４５上で、ローパスフィルタ１２０と同軸ケーブル１２２との間に設けられる。あるいは、残留高周波除去部７４は、トランス１１８の一次側に設けられてもよく、基本的には正弦波インバータ１１２と整合器４２との間であれば高周波給電ライン４５上の何処に設けられてもよい。
この残留高周波除去部７４は、高周波給電ライン４５とグランド（接地電位部材）との間に直列に接続された抵抗１４０とスイッチ１４２とを有している。スイッチ１４２は、たとえばＭＯＳトランジスタからなり、第２高周波ＲＦ２にパワー変調をかける場合に主制御部７２からの残留高周波除去信号ＣRMによってスイッチング動作し、ＣSWがＨレベルの時はオンし、ＣRMがＬレベルの時はオフするようになっている。第２高周波ＲＦ２にパワー変調をかけないときは、主制御部７２からスイッチング制御信号ＣSWは与えられず、スイッチ１４２はオフ状態に保持される。残留高周波除去信号ＣRMは、後述するように、パルス変調のパルス周波数およびデューティ比を規定する変調制御パルスＰＳに同期した制御パルスとして与えられる。
［残留高周波除去部の作用］
［残留高周波除去部の作用］
次に、この実施形態における残留高周波除去部７４の作用を説明する。図９に、この容量結合型プラズマエッチング装置において、第２高周波ＲＦ２にパルス変調をかける場合の主要な各部の波形を示す。
この場合、主制御部７２は、パワー変調用に設定されたパルス周波数ｆSおよびデューティＤSを規定する変調制御パルス信号ＰＳを、第２高周波電源３８の電源制御部１１４に与える。電源制御部１１４は、変調制御パルス信号ＰＳに同期してスイッチングパルス発振器１１０をオン・オフ制御し、第２高周波ＲＦ２の出力をオン・オフ制御する。ここで、変調制御パルス信号ＰＳの周期、オン期間、オフ期間をそれぞれＴC，Ｔon，Ｔoffとすると、ＴC＝１／ｆS，ＴC＝Ｔon＋Ｔoff，ＤS＝Ｔon／（Ｔon＋Ｔoff）の関係式が成立する。一方、第１高周波電源３６は、第１高周波ＲＦ１をオン・オフ制御することなく連続的に出力する。
さらに、主制御部７２は、残留高周波除去信号ＣRMを残留高周波除去部７４のスイッチ１４２に与える。図９に示すように、残留高周波除去信号ＣRMは、変調制御パルスＰＳに逆位相で同期し、パルス周波数の各サイクルにおいてオン期間Ｔon中はＬレベルを保ち、オフ期間Ｔoff中に（好ましくはオフ期間Ｔoffの開始直後と終了間際の遷移時間Ｔe，Ｔfを除いて）Ｈレベルになる。これにより、スイッチ１４２は、パルス周波数の各サイクルにおいてオン期間Ｔon中はオフ状態に保持され、オフ期間Ｔoff中にオン状態になる。
スイッチ１４２がオンすると、高周波給電ライン４５上に残留している第２高周波ＲＦ２（より正確には高周波給電ライン４５上の全ての進行波および反射波）は抵抗１４０およびスイッチ１４２を通ってグランド（接地電位部材）へ流れる。抵抗１４０は、高周波給電ライン４５からグランドへ流れる第２高周波ＲＦ２の電流を制限しつつ、ジュール熱を発生して残留ＲＦパワーを消費する。
こうして、パルス周波数の各サイクルにおいてオン期間Ｔonからオフ期間Ｔoffに移行する際に、正弦波インバータ１１２ないしローパスフィルタ１２０内のコイル１２４，１３４やコンデンサ１２６，１２８，１３６等に電磁エネルギーまたは電荷エネルギーとして蓄積されていた第２高周波ＲＦ２（より正確には高周波給電ライン４５上の全ての全ての進行波および反射波）は、高周波給電ライン４５上から速やかに除去される。
本発明者が、この実施形態のプラズマエッチング装置において、パルス周波数ｆｓを２０ｋＨｚ、デューティ比を５０％とするパワー変調をたとえば５００Ｗの出力で第２高周波ＲＦ２にかけて、オシロスコープにより高周波給電ライン４５上の高周波波形を観測したところ、図１０に示すように、パルス周波数の各サイクルにおいてオン期間Ｔon（図中のＯＮ期間）からオフ期間Ｔoff（図中のＯＦＦ期間）に移行する時に第２高周波ＲＦ２がＨレベル（５００Ｗ）からＬレベル（０Ｗ）にステップ的に切り換わっており、ＲＦパワー裾曳き現象が発生しないことを確認できた。
一方で、残留高周波除去部７４を取り外し、上記と同一条件のパワー変調を第２高周波ＲＦ２にかけて、上記と同様にオシロスコープにより高周波給電ライン４５上の高周波波形を観測したところ、図１１に示すように、パルス周波数の各サイクルにおいてオン期間Ｔon（図中のＯＮ期間）からオフ期間Ｔoff（図中のＯＦＦ期間）に移行する時に第２高周波ＲＦ２の振幅が裾を曳くように一定の時定数で減衰しながらＬレベル（０Ｗ）に収束する現象つまりＲＦパワー裾曳き現象が発生することが確認された。
このように、この実施形態においては、第２高周波ＲＦ２にパワー変調をかける場合に高周波給電ライン上でＲＦパワー裾曳き現象が発生するのを簡便かつ確実に防止することができる。これにより、矩形波パルス状の高周波電力供給が可能となる。また、高周波給電ライン４５上でＲＦパワー裾曳き現象が発生しないで、ＲＦパワーモニタ１１６により取得されるモニタリング情報の精度が向上する。
なお、この実施形態のプラズマエッチング装置においては、図１２に示すように、第１高周波ＲＦ１にパワー変調をかけることも可能である。この場合、主制御部７２は、パワー変調用に設定されたパルス周波数ｆSおよびデューティＤSを規定する変調制御パルス信号ＰＳを、第１高周波電源３６の電源制御部８４に与える。電源制御部８４は、変調制御パルス信号ＰＳに同期して正弦波発振器８０をオン・オフ制御し、第１高周波ＲＦ１の出力をオン・オフ制御する。一方、第２高周波電源３８は、第２高周波ＲＦ２をオン・オフ制御することなく連続的に出力する。残留高周波除去部７４のスイッチ１４２は、主制御部７２より残留高周波除去信号ＣRMを与えられず、オフ状態を保持する。
上記したように、第１高周波電源３６はリニアアンプ方式であるから、第１高周波ＲＦ１にパワー変調をかけた場合は、パルス周波数の各サイクルにおいてオン期間Ｔonからオフ期間Ｔoffに移行する際に高周波給電ライン４３上に第１高周波ＲＦ１のパワーが残留しないので、ＲＦパワー裾曳き現象が発生することはない。
［他の実施形態または変形例］
［他の実施形態または変形例］
以上本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で種種の変形が可能である。
上記実施形態では、第２高周波電源３８にスイッチング方式の高周波電源を使用し、これに関連して高周波給電ライン４５上に残留高周波除去部７４を設けた。しかし、第１高周波電源３６にスイッチング方式の高周波電源を使用することも可能であり、その場合は高周波給電ライン４３上にも別の残留高周波除去部７４を設ければよい。
また、第１高周波電源３６および第２高周波電源３８の双方にスイッチング方式の高周波電源を用いることも可能である。その場合は、各々の高周波給電ライン４３，４５上に残留高周波除去部７４を設ければよい。
さらには、図１３に示すように、第１高周波ＲＦ１および第２高周波ＲＦ２の双方にパワー変調をかけることも可能である。この場合、主制御部７２は、パワー変調用に設定されたパルス周波数ｆSおよびデューティＤSを規定する変調制御パルス信号ＰＳを、第１高周波電源３６の電源制御部８４および第２高周波電源３６の電源制御部１１４に与える。
本発明のプラズマ処理装置におけるスイッチング方式の高周波電源は、上記実施形態のような２対（４個）のスイッチング素子を用いるフルブリッジ型に限定されず、たとえば一対（２個）のスイッチング素子を用いるハーフブリッジ型であってもよい。その場合は、１相または２相のスイッチングパルスにより、高周波の各サイクルにおいて、前の半サイクルでは一方のスイッチング素子をオフ状態に保持して他方のスイッチング素子をオンにし、後の半サイクルでは他方のスイッチング素子をオフ状態に保持して一方のスイッチング素子をオンにするようなスイッチング制御が行われる。
また、プラズマ生成に好適な第１高周波給電３６の高周波ＲＦ１は、上記実施形態ではサセプタ（下部電極）１６に印加したが、上部電極４６に印加することも可能である。
本発明は、容量結合型プラズマエッチング装置に限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマＡＬＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなど任意のプラズマプロセスを行う容量結合型プラズマ処理装置に適用可能である。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、有機ＥＬ、太陽電池用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。
１０ チャンバ
１６ サセプタ（下部電極）
３６，３８ 高周波電源
４０，４２ 整合器
４３，４５ 高周波給電ライン
４６ 上部電極（シャワーヘッド）
５６ 処理ガス供給源
７２ 主制御部
７４ 残留高周波除去部
１６ サセプタ（下部電極）
３６，３８ 高周波電源
４０，４２ 整合器
４３，４５ 高周波給電ライン
４６ 上部電極（シャワーヘッド）
５６ 処理ガス供給源
７２ 主制御部
７４ 残留高周波除去部
Claims (7)
- 被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器内で処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板に所望の処理を施すプラズマ処理装置であって、
直流電源とスイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子をスイッチングパルスにより高周波帯域の周波数でオン／オフすることにより、前記直流電源の直流出力を高周波出力に変換するスイッチング方式の高周波電源と、
前記高周波電源より出力される前記高周波を前記プラズマに供給するための高周波給電ラインと、
前記高周波給電ライン上で前記高周波電源側のインピーダンスとその負荷側のインピーダンスとを整合させるための整合器と、
前記高周波のパワーがオン状態になるオン期間とオフ状態になるオフ期間とを一定のパルス周波数で交互に繰り返すように、前記高周波電源を制御する高周波パワー変調部と、
前記パルス周波数の各サイクルにおいて前記オフ期間中に前記高周波給電ライン上に残留している高周波を除去するための残留高周波除去部と
を具備するプラズマ処理装置。 - 前記高周波電源は、フルブリッジ回路を構成する第１組のスイッチング素子と第２組のスイッチング素子とを有し、前記スイッチングパルスにより、前記高周波の各サイクルにおいて、前の半サイクルでは前記第２組のスイッチング素子をオフ状態に保持して前記第１組のスイッチング素子をオンにし、後の半サイクルでは前記第１組のスイッチング素子をオフ状態に保持して前記第２組のスイッチング素子をオンにする、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記高周波電源は、ハーフブリッジ回路を構成する第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを有し、前記スイッチングパルスにより、前記高周波の各サイクルにおいて、前の半サイクルでは前記第２のスイッチング素子をオフ状態に保持して前記第１のスイッチング素子をオンにし、後の半サイクルでは前記第１のスイッチング素子をオフ状態に保持して前記第２のスイッチング素子をオンにする、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記高周波電源は、前記パルス周波数の各サイクルにおいてオン時間中は前記スイッチング素子に前記スイッチングパルスを供給し続け、オフ時間中は前記スイッチング素子に対して前記スイッチングパルスの供給を停止する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記高周波電源は、負荷回路に対して前記スイッチング素子と直列に接続される直列共振回路を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記残留高周波除去部は、前記高周波給電ラインと接地電位部材との間に直列に接続される抵抗およびスイッチを有し、前記パルス周波数の各サイクルにおいて前記オン期間中は前記スイッチをオフ状態に保持し、前記オフ期間中に前記スイッチをオンにする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記処理容器内に前記基板を載置するための高周波電極が配置され、前記高周波電極に前記高周波給電ラインが電気的に接続される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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