JP6424120B2 - 電源システム、プラズマ処理装置及び電源制御方法 - Google Patents

Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、電源システム、プラズマ処理装置及び電源制御方法に関するものである。

半導体デバイスの製造工程において、半導体ウエハなどの被処理体を加工するプラズマ処理装置として、プラズマを被処理体に照射することによって、被処理体にエッチングを行うプラズマエッチング装置がある。プラズマエッチング装置としては、例えば、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置が広く用いられている。

容量結合型平行平板プラズマエッチング装置では、例えば、処理容器内に一対の平行平板電極、すなわち、上部電極及び下部電極が設けられている。下部電極上には、被処理体が載置される。そして、処理容器内に処理ガスが供給され、上部電極又は下部電極に高周波電力が供給されることによって、上部電極と下部電極との間の空間にプラズマが生成され、生成されたプラズマにより下部電極上の被処理体に対してエッチングが施される。

近年、半導体デバイスの製造工程において、被処理体を加工してより高いアスペクト比のホールを実現することが望まれている。アスペクト比が高くなると、ホールの底部に正イオンが溜まり、ホール内での正イオンの直進性が低下することが知られている。その結果、良好なエッチング形状を得ることが困難となる。

これに対して、ホールの底部に溜まった正イオンを電気的に中和するために、上部電極に負の直流電圧を供給することによって、上部電極から放出される電子を被処理体の向きへ加速させ、加速された電子をホールの底部に供給する手法が提案されている。

しかしながら、電子の供給による正イオンの中和は、被処理体上に発生するプラズマシースによって阻害されることがある。すなわち、下部電極への高周波電力の供給に伴って、被処理体上にプラズマシースが発生するので、電子がプラズマシースで跳ね返され、ホールの底部に到達することが困難となる。その結果、電子の供給により正イオンが十分に中和されない恐れがある。

そこで、供給される電子を更に増加させたプラズマエッチング装置が提案されている。
このプラズマエッチング装置は、高周波電源を所定の周期でオン・オフさせることによって、下部電極に対するプラズマ生成用の高周波電力の供給と供給の停止とを交互に繰り返す。そして、プラズマエッチング装置は、高周波電力が供給されている期間に、相対的に絶対値の小さい負の直流電圧を上部電極に供給し、高周波電力の供給が停止されている期間に、相対的に絶対値の大きい負の直流電圧を上部電極に供給する。ここで、高周波電力の供給が停止されている期間では、プラズマが消失し、被処理体上のプラズマシースが縮減又は消滅する。この期間では、上部電極に相対的に絶対値の大きい負の直流電圧が供給されるので、被処理体上のプラズマシースが縮減又は消滅した状態で、より多くの電子がホールの底部に供給されることになる。これによって、ホール底部に溜まった正イオンが効率的に中和される。

特開２０１０−２１９４９１号公報

しかしながら、従来技術では、下部電極への高周波電力の供給に伴って被処理体上で発生するプラズマシースに対する電子の跳ね返りに起因する、上部電極側での放電を抑制することまでは考慮されていない。

すなわち、従来技術では、高周波電力の供給が停止されている期間に、相対的に絶対値の大きい負の直流電圧を上部電極に供給し、高周波電力の供給が再び開始されると、高周波電力の供給の開始と同時に相対的に絶対値の小さい負の直流電圧を上部電極に供給する。このため、従来技術では、下部電極への高周波電力の供給に伴って被処理体上で発生するプラズマシースが未だ完全に成長していない状態で、上部電極に負の直流電圧を供給することによって、上部電極から放出される電子を被処理体の向きへ加速させることとなる。すると、加速された電子が、被処理体から離れる向き、すなわち、上部電極に近づく向きに成長するプラズマシースによって、上部電極に近づく向きに跳ね返される。結果として、従来技術では、跳ね返された電子によって上部電極側で放電が発生する恐れがある。

本発明の一側面に係る電源システムは、被処理体を載置するための下部電極にプラズマ生成用の高周波電力を供給する高周波電源と、前記下部電極に対向するように配置された上部電極に負の第１の直流電圧又は前記第１の直流電圧よりも絶対値の大きい負の第２の直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電力の供給と該供給の停止とを交互に繰り返し、前記高周波電力が供給されている期間のうち、前記高周波電力の供給の開始時からの第１の期間に、前記第１の直流電圧及び前記第２の直流電圧の供給を停止し、当該期間のうち、前記第１の期間を除く第２の期間に、前記第１の直流電圧を供給し、前記高周波電力の供給が停止されている期間に、前記第２の直流電圧を供給する電源制御処理を実行する制御部とを備える。

本発明の種々の側面及び実施形態によれば、下部電極への高周波電力の供給に伴って被処理体上で発生するプラズマシースに対する電子の跳ね返りに起因する、上部電極側での放電を抑制することができる電源システム、プラズマ処理装置及び電源制御方法が実現される。

図１は、一実施形態に係る電源システムを備えたプラズマエッチング装置を概略的に示す断面図である。 図２は、一実施形態に係る電源システムの構成を示す図である。 図３は、一実施形態に係る直流電源の構成を示す回路図である。 図４は、一実施形態に係る電源制御処理のタイムチャートの一例を示す図である。 図５は、従来の電源制御処理を説明するための図である。 図６は、一実施形態に係る電源制御処理による放電の抑制のメカニズムを説明するための図である。 図７は、電圧停止期間Ａ１ａの候補となる複数の候補期間と、各候補期間に対応するＶｐｐ変動率との関係の実験結果の一例を示す図である。 図８Ａは、電圧停止期間Ａ１ａの候補となる複数の候補期間と、各候補期間に対応するエッチングレート低下率との関係の実験結果の一例を示す図である。 図８Ｂは、図８Ａに示した電圧停止占有率と、エッチングレートとの関係を説明するための説明図である。 図８Ｃは、図８Ａに示した電圧停止占有率と、エッチングレート低下率との関係を説明するための説明図である。 図９は、一実施形態における電源制御処理において第２の高周波電力を変化させた場合における放電の有無の一例を示す図である。 図１０は、一実施形態に係る電源制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図１１は、一実施形態に係る第１のキャリブレーション処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図１２は、一実施形態に係る第２のキャリブレーション処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、一実施形態に係る電源システムを備えたプラズマエッチング装置を概略的に示す断面図である。図１に示すプラズマエッチング装置１は、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置であり、略円筒状の処理容器１０を備えている。処理容器１０は、例えば、その表面は陽極酸化処理されたアルミニウムから構成されている。この処理容器１０は保安接地されている。

処理容器１０の底部上には、セラミックス等により構成された絶縁板１２が設けられており、当該絶縁板１２上には円柱状のサセプタ支持台１４が配置されている。このサセプタ支持台１４の上には、例えばアルミニウム製のサセプタである下部電極１６が設けられている。一実施形態においては、下部電極１６は、その上に被処理体である半導体ウエハＷが載置される載置台を構成している。プラズマエッチング装置１では、これらサセプタ支持台１４の側面及び下部電極１６の側面に沿うように、筒状の内壁部材２６が設けられている。内壁部材２６は、例えば石英製である。

下部電極１６の上面には、静電力により半導体ウエハＷを吸着保持する静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は、導電膜である電極２０を一対の絶縁層又は絶縁シート間に配置した構造を有している。電極２０には、直流電源２２が電気的に接続されている。この静電チャック１８は、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力により半導体ウエハＷを吸着保持することができる。

下部電極１６の上面であって、静電チャック１８の周囲には、フォーカスリング（補正リング）２４が配置されている。フォーカスリング２４は、導電性を有するものであり、例えばシリコンから構成され得る。このフォーカスリング２４は、エッチングの均一性を向上させ得る。

サセプタ支持台１４の内部には、冷媒室２８が設けられている。冷媒室２８には、外部に設けられたチラーユニットから配管３０ａ，３０ｂを介して所定温度の冷媒、例えば冷却水が循環供給される。このように循環される冷媒の温度を制御することにより、下部電極１６上に載置された半導体ウエハＷの温度が制御される。

また、プラズマエッチング装置１には、ガス供給ライン３２が設けられている。ガス供給ライン３２は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスを、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する。

下部電極１６の上方には、下部電極１６と対面するように上部電極３４が設けられている。下部電極１６と上部電極３４とは、互いに略平行に配置されている。これら上部電極３４と下部電極１６との間には、被処理体である半導体ウエハＷにプラズマエッチングを行うための処理空間Ｅが画成されている。上部電極３４は、下部電極１６上の半導体ウエハＷと対面してプラズマ生成空間である処理空間Ｅと接する面、つまり対向面を形成する。

上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４２を介して、処理容器１０の上部に支持されている。上部電極３４は、電極板３６及び電極支持体３８を含み得る。電極板３６は、下部電極１６との対向面を構成し、複数のガス吐出孔３７を画成している。電極板３６は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体から構成され得る。後述するようにレジストを強化する観点からは、電極板３６は、シリコンやＳｉＣといったシリコン含有物質から構成されていてもよい。

電極支持体３８は、電極板３６を着脱自在に支持するものであり、例えばアルミニウムといった導電性材料から構成されている。この電極支持体３８は、水冷構造を有し得る。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられている。このガス拡散室４０からは、ガス吐出孔３７に連通する複数のガス通流孔４１が下方に延びている。また、電極支持体３８にはガス拡散室４０に処理ガスを導くガス導入口６２が形成されており、このガス導入口６２には、ガス供給管６４が接続されている。

ガス供給管６４には処理ガス供給部６６が接続されている。ガス供給管６４には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６８及び開閉バルブ７０が設けられている。なお、ＭＦＣの代わりにＦＣＳが設けられていてもよい。処理ガス供給部６６は、エッチングのための処理ガスとして、例えばＣ４Ｆ８ガスのようなフルオロカーボン系ガス（ＣｘＦｙ）を含むガスを供給する。処理ガス供給部６６からの処理ガスは、ガス供給管６４からガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１及びガス吐出孔３７を介して処理空間Ｅに吐出される。すなわち、上部電極３４は、処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。

また、プラズマエッチング装置１は、接地導体１０ａを更に備え得る。接地導体１０ａは、略円筒状の接地導体であり、処理容器１０の側壁から上部電極３４の高さ位置よりも上方に延びるように設けられている。

このプラズマエッチング装置１は、一実施形態に係る電源システム９０を備えている。電源システム９０は、下部電極１６に高周波電力を印加し、上部電極３４に直流電圧を印加する。この電源システム９０の詳細については、後述する。

また、プラズマエッチング装置１では、処理容器１０の内壁に沿ってデポシールド１１が着脱自在に設けられている。また、デポシールド１１は、内壁部材２６の外周にも設けられている。デポシールド１１は、処理容器１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するものであり、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。

処理容器１０の底部側においては、内壁部材２６と処理容器１０の内壁との間に排気プレート８３が設けられている。排気プレート８３は、例えば、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。この排気プレート８３の下方において処理容器１０には、排気口８０が設けられている。排気口８０には、排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、処理容器１０内を所望の真空度まで減圧することができる。また、処理容器１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口８５が設けられており、この搬入出口８５はゲートバルブ８６により開閉可能となっている。

また、処理容器１０の内壁には、導電性部材（ＧＮＤブロック）８８が設けられている。導電性部材８８は、高さ方向において半導体ウエハＷと略同じ高さに位置するように、処理容器１０の内壁に取り付けられている。この導電性部材８８は、グランドにＤＣ的に接続されており、異常放電防止効果を発揮する。なお、導電性部材８８はプラズマ生成領域に設けられていればよく、その設置位置は図１に示す位置に限られるものではない。例えば、導電性部材８８は、下部電極１６の周囲に設けられる等、下部電極１６側に設けられてもよく、また上部電極３４の外側にリング状に設けられる等、上部電極３４近傍に設けられてもよい。

プラズマエッチング装置１の各構成部、例えば電源系やガス供給系、駆動系、及び電源システム９０等は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を含む主制御装置１００に接続されて制御される構成となっている。また、主制御装置１００には、オペレータがプラズマエッチング装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース１００ａが接続されている。

さらに、主制御装置１００には、プラズマエッチング装置１で実行される各種処理を主制御装置１００の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマエッチング装置１の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピが格納された記憶部１００ｂが接続されている。処理レシピは記憶部１００ｂの中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース１００ａからの指示等にて任意の処理レシピを記憶部１００ｂから呼び出して主制御装置１００に実行させることで、主制御装置１００の制御下で、プラズマエッチング装置１での所望の処理が行われる。

以下、図２を参照して、電源システム９０について詳細に説明する。図２は、一実施形態に係る電源システムの構成を示す図である。図２に示すように、電源システム９０は、直流電源９１、第１の高周波電源９２、第２の高周波電源９３、及び制御部９４を備えている。また、電源システム９０は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）９６、第１の整合器９７及び第２の整合器９８を備えている。また、電源システム９０は、Ｖｐｐ測定部９９及びエッチングレート（Ｅ／Ｒ；Etching Rate）取得部１１０を備えている。

第１の高周波電源９２は、プラズマ生成用の第１の高周波電力を発生し、当該第１の高周波電力を配線Ｌ１を介して第１の整合器９７へ出力する。第１の高周波電源９２は、２７〜１００ＭＨｚの周波数、一例においては４０ＭＨｚの第１の高周波電力を出力する。第１の高周波電源９２は、第１の整合器９７を介して下部電極１６に接続されている。第１の整合器９７は、第１の高周波電源９２の内部（又は出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるものである。第１の整合器９７は、処理容器１０内にプラズマが生成されているときに第１の高周波電源９２の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとを一致させ、第１の高周波電力を配線Ｌ２を介して下部電極１６へ出力する。第１の高周波電源９２は、下部電極１６にプラズマ生成用の高周波電力を供給する高周波電源の一例である。

第２の高周波電源９３は、半導体ウエハＷにバイアスを印加し、半導体ウエハＷにイオンを引き込むための第２の高周波電力を発生し、当該第２の高周波電力を配線Ｌ３を介して第２の整合器９８へ出力する。第２の高周波電源９３は、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数、一例においては３ＭＨｚの第２の高周波電力を出力する。第２の高周波電源９３は、第２の整合器９８を介して下部電極１６に接続されている。第２の整合器９８は、第２の高周波電源９３の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのものである。第２の整合器９８は、処理容器１０内にプラズマが生成されているときに第２の高周波電源９３の出力インピーダンスと負荷インピーダンスとを一致させ、第２の高周波電力を配線Ｌ４を介して下部電極１６へ出力する。第２の高周波電源９３は、下部電極１６にイオン引き込み用の高周波電力を供給する他の高周波電源の一例である。

直流電源９１、高周波電源９２，９３及び整合器９７，９８は、制御部９４に接続されており、当該制御部９４により制御される。制御部９４は、図示しない中央処理装置（ＣＰＵ）、及びメモリといった記憶装置を備え、主制御装置１００から入力された制御信号に基づいて、記憶装置に記憶されたプログラムを読み出して実行することで、電源システム９０において所望の処理を実行する。例えば、制御部９４は、下部電極１６に高周波電力を印加し、上部電極３４に直流電圧を供給するための電源制御処理を実行する。また、例えば、制御部９４は、上部電極３４への直流電圧の供給を停止するための期間を修正する第１のキャリブレーション処理及び第２のキャリブレーション処理を実行する。なお、制御部９４によって実行される電源制御処理、第１のキャリブレーション処理及び第２のキャリブレーション処理の詳細は、それぞれ、後述する。

制御部９４は、システム制御部９４ａと、パルス発生部９４ｂとを備えている。システム制御部９４ａは、パルス発生部９４ｂに接続されている。システム制御部９４ａは、主制御装置１００から入力された制御信号に基づいて、パルス発生部９４ｂに対し、パルス信号を発生させるための信号を出力する。

パルス発生部９４ｂは、第１の高周波電源９２、第２の高周波電源９３、第１の整合器９７、及び第２の整合器９８に接続されている。パルス発生部９４ｂは、システム制御部９４ａから入力された信号に基づいて、所定の周波数とデューティー比とを有する幾つかのパルス信号を出力する。ここで、パルス信号は、その振幅において第１のレベルと第２のレベルを交互にとる信号である。以下、第１のレベルが第２のレベルよりも高いレベルであるものとして、説明を続けるが、第２のレベルが第１のレベルよりも高いレベルであってもよい。また、以下では、第１のレベルを「Ｈレベル」、第２のレベルを「Ｌレベル」と表記することがあるものとする。

制御部９４は、第１の高周波電源９２のオン・オフを制御する。このために、制御部９４は、パルス発生部９４ｂから出力するパルス信号の一つを、制御信号Ｃ１として、配線Ｌ５を介して第１の高周波電源９２に供給する。この制御信号Ｃ１は、一実施形態の第１の制御信号であり得る。第１の高周波電源９２は、制御信号Ｃ１のレベルに応じて、第１の高周波電力の出力と当該出力の停止を行う。例えば、第１の高周波電源９２は、制御信号Ｃ１がＨレベルにあるときに第１の高周波電力を出力し、制御信号Ｃ１がＬレベルにあるときに第１の高周波電力の出力を停止する。これにより、処理容器１０内においてプラズマが存在している状態とプラズマが消滅した状態とが交互に形成される。

また、制御部９４は、第２の高周波電源９３のオン・オフを制御する。具体的に、制御部９４は、第１の高周波電源９２が第１の高周波電力を出力している期間において第２の高周波電源９３によって第２の高周波電力が出力され、第１の高周波電源９２が第１の高周波電力の出力を停止している期間において、第２の高周波電源９３による第２の高周波電力の出力が停止されるよう、第２の高周波電源９３のオン・オフを制御する。このために、制御部９４は、パルス発生部９４ｂから出力するパルス信号の一つを、制御信号Ｃ２として、配線Ｌ６を介して第２の高周波電源９３に供給する。第２の高周波電源９３は、制御信号Ｃ２のレベルに応じて、第２の高周波電力の出力と当該出力の停止を行う。例えば、第２の高周波電源９３は、制御信号Ｃ２がＨレベルにあるときに第２の高周波電力を出力し、制御信号Ｃ２がＬレベルにあるときに第２の高周波電力の出力を停止する。

なお、第１の高周波電源９２に供給される制御信号Ｃ１と、第２の高周波電源９３に供給される制御信号Ｃ２とは、同期していてもよい。即ち、制御信号Ｃ１の位相と制御信号Ｃ２の位相とが揃えられていてもよい。また、制御信号Ｃ１と制御信号Ｃ２として、同じパルス信号が用いられてもよい。これとは異なり、制御信号Ｃ１と制御信号Ｃ２との間には、所定の位相差が設定されていてもよい。即ち、第１の高周波電源９２が第１の高周波電力を出力している期間中の一部期間において第２の高周波電源９３によって第２の高周波電力が出力され、第１の高周波電源９２が第１の高周波電力の出力を停止している期間中の一部期間において、第２の高周波電源９３による第２の高周波電力の出力が停止されるように、制御信号Ｃ１と制御信号Ｃ２との間には、所定の位相差が設定されていてもよい。

また、制御部９４は、第１の高周波電源９２のオン・オフに、第１の整合器９７の整合動作が同期するよう第１の整合器９７を制御する。このために、制御部９４は、パルス発生部９４ｂから出力するパルス信号の一つを、制御信号Ｃ３として、配線Ｌ７を介して第１の整合器９７に供給する。また、制御部９４は、第２の高周波電源９３のオン・オフに、第２の整合器９８の整合動作が同期するよう第２の整合器９８を制御する。このために、制御部９４は、パルス発生部９４ｂから出力するパルス信号の一つを、制御信号Ｃ４として、配線Ｌ８を介して第２の整合器９８に供給する。

第１の整合器９７が第１の高周波電源９２のオン・オフに追従できない場合には、制御部９４は、第１の整合器９７が動作しないように制御することができる。すなわち、制御部９４は、第１の高周波電源９２がオンのときの整合状態を、第１の高周波電源９２がオフのときも維持するように第１の整合器９７を制御してもよい。また、第２の整合器９８が第２の高周波電源９３のオン・オフに追従できない場合には、制御部９４は、第２の整合器９８が動作しないように制御することができる。すなわち、制御部９４は、第２の高周波電源９３がオンのときの整合状態を、第２の高周波電源９３がオフのときも維持するように第２の整合器９８を制御してもよい。ただし、第１の整合器９７及び第２の整合器９８の動作が十分に速い場合には、第１の高周波電源９２の内部インピーダンスと処理容器１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスとが一致するように、第１の整合器９７が制御されてもよい。同様に、第２の高周波電源９３の内部インピーダンスと処理容器１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスとが一致するように、第２の整合器９８が制御されてもよい。

図２に示すように、直流電源９１は、上部電極３４に負の直流電圧である出力電圧を与える。直流電源９１は、配線Ｌ９ａ，Ｌ９ｂを介して制御部９４に接続されており、更に、配線Ｌ１０を介してＬＰＦ９６に接続されている。そして、ＬＰＦ９６は配線Ｌ１１を介して上部電極３４に接続されている。以下、図２に加えて図３を参照して、直流電源９１について更に説明する。図３は、一実施形態に係る直流電源の構成を示す回路図である。図３に示す直流電源９１は、第１の直流電源部１０１、第２の直流電源部１０２、選択回路１０３及び放電回路１０４を備えている。

第１の直流電源部１０１は、選択回路１０３に電気的に接続されており、負の直流電圧である第１の直流電圧を発生する。第１の直流電圧は、例えば０〜−８００Ｖの間に設定される。一実施形態においては、第１の直流電源部１０１と選択回路１０３との間には、第１の直流電圧の値を安定させるための回路部１０６が設けられている。この回路部１０６は、コンデンサ１０６ａ及び抵抗素子１０６ｂを有している。抵抗素子１０６ｂの一端は第１の直流電源部１０１に接続されており、当該抵抗素子１０６ｂの他端は選択回路１０３に接続されている。また、コンデンサ１０６ａの一端は接地電位に接続されており、コンデンサ１０６ａの他端は、第１の直流電源部１０１と抵抗素子１０６ｂとの間の接続点に接続している。コンデンサ１０６ａは、例えば、１μＦの容量を有し、抵抗素子１０６ｂは、例えば５０Ωの抵抗値を有する。

第２の直流電源部１０２は、選択回路１０３に電気的に接続されており、第２の直流電圧を発生する。第２の直流電圧は、負の直流電圧であり、その絶対値は第１の直流電圧の絶対値よりも大きい。第２の直流電圧は、絶対値が大きければ大きいほどよく、上限は存在しない。ただし、プラズマエッチング装置１の耐性を考慮すると、第２の直流電圧は、絶対値が２０００Ｖよりも小さい電圧として設定され得る。第２の直流電源部１０２と選択回路１０３との間には、第２の直流電圧の値を安定させるための回路部１０７が設けられている。この回路部１０７は、コンデンサ１０７ａ及び抵抗素子１０７ｂを有している。抵抗素子１０７ｂの一端は第２の直流電源部１０２に接続されており、当該抵抗素子１０７ｂの他端は選択回路１０３に接続されている。また、コンデンサ１０７ａの一端は接地電位に接続されており、コンデンサ１０７ａの他端は、第２の直流電源部１０２と抵抗素子１０７ｂとの間の接続点に接続している。コンデンサ１０７ａは、例えば１μＦの容量を有し、抵抗素子１０７ｂは、例えば５０Ωの抵抗値を有する。

選択回路１０３は、第１の直流電源部１０１と第２の直流電源部１０２を選択的に上部電極３４に接続する。一実施形態においては、選択回路１０３は、スイッチ素子１０３ａ、スイッチ素子１０３ｂ及びスイッチ素子１０３ｃを有している。スイッチ素子１０３ａ、スイッチ素子１０３ｂ及びスイッチ素子１０３ｃはそれぞれ、第１の端子、第２の端子、及び制御端子を有している。スイッチ素子１０３ｃの第１の端子は、第１の直流電源部１０１に電気的に接続されている。スイッチ素子１０３ｂの第１の端子はスイッチ素子１０３ｃの第２の端子に電気的に接続されている。スイッチ素子１０３ａの第１の端子は第２の直流電源部１０２に電気的に接続されている。スイッチ素子１０３ａの第２の端子及びスイッチ素子１０３ｂの第２の端子は互いに電気的に接続されており、これら出力端子の間の接続点は、ＬＰＦ９６を介して上部電極３４に接続している。なお、ＬＰＦ９６は、後述する第１の高周波電源９２及び第２の高周波電源９３からの高周波をトラップするものであり、例えば、ＬＲフィルタ又はＬＣフィルタで構成され得る。また、スイッチ素子１０３ａ、スイッチ素子１０３ｂ及びスイッチ素子１０３ｃには、それぞれ、整流素子１０３ｄ、整流素子１０３ｅ及び整流素子１０３ｆが並列に接続されている。

スイッチ素子１０３ａの制御端子、スイッチ素子１０３ｂの制御端子及びスイッチ素子１０３ｃの制御端子は、回路部１０８を介して制御部９４のパルス発生部９４ｂに接続されている。回路部１０８は、反転回路１０８ａ、非反転回路１０８ｂ、反転回路１０８ｃ及びＡＮＤゲート１０８ｄを有する。反転回路１０８ａは、スイッチ素子１０３ａに接続されている。非反転回路１０８ｂは、ＡＮＤゲート１０８ｄの２つの入力端子のうち、一方の入力端子に接続されている。反転回路１０８ｃは、ＡＮＤゲート１０８ｄの２つの入力端子のうち、他方の入力端子に接続されている。ＡＮＤゲート１０８ｄは、非反転回路１０８ｂから入力される制御信号のレベルがＨレベルであり、かつ、反転回路１０８ｃから入力される制御信号のレベルがＨレベルである場合にのみ、振幅のレベルがＨレベルである制御信号をスイッチ素子１０３ｂ，１０３ｃへ出力する。制御部９４のパルス発生部９４ｂから出力されるパルス信号の一つは、制御信号Ｃ５として、直流電源９１に供給され、制御部９４のパルス発生部９４ｂから出力されるパルス信号の他の一つは、制御信号Ｃ６として、直流電源９１に供給される。制御信号Ｃ６の周波数は、制御信号Ｃ５の周波数と同一であり、かつ、制御信号Ｃ６のデューティー比は、制御信号Ｃ５のデューティー比よりも小さい。また、制御信号Ｃ５の周波数及び制御信号Ｃ６の周波数は、第１の高周波電源９２に供給される制御信号Ｃ１の周波数及び第２の高周波電源９３に供給される制御信号Ｃ２の周波数と同一である。

２つの制御信号のうち、制御信号Ｃ６は、第１の高周波電源９２から第１の高周波電力が供給されている期間のうち、第１の高周波電力の供給の開始時からの所定期間に、第１の直流電源部１０１及び第２の直流電源部１０２との接続を切断し、かつ、放電回路１０４を選択回路１０３と上部電極３４との接続点１０９に接続させるように、スイッチ素子１０３ｂ，１０３ｃ及び後述のスイッチ回路１０５を制御する。以下では、第１の高周波電力の供給の開始時からの所定期間を「電圧停止期間」と呼ぶ。電圧停止期間は、第１の期間の一例である。電圧停止期間は、制御信号Ｃ６のデューティー比に応じて、増減する。言い換えると、電圧停止期間は、制御信号Ｃ６のパルス幅の増減に応じて、増減する。制御信号Ｃ５は、第１の高周波電源９２から第１の高周波電力が供給されている期間のうち、電圧停止期間を除く期間に、第１の直流電源部１０１を上部電極３４に接続させ、第１の高周波電源９２からの第１の高周波電力の供給が停止されている期間に、第２の直流電源部１０２を上部電極３４に接続させるように、制御信号Ｃ６と協働してスイッチ素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃを制御する。電圧停止期間を除く期間は、第２の期間の一例である。例えば、制御信号Ｃ６がＨレベルをとるときに、スイッチ回路１０５が閉じられて放電回路１０４が接続点１０９に接続され、制御信号Ｃ５がＨレベル又はＬレベルのいずれをとるか否かに関わらず、スイッチ素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃが開かれる。また、例えば、制御信号Ｃ６がＬレベルをとり、かつ、制御信号Ｃ５がＨレベルをとるときに、スイッチ素子１０３ｂ，１０３ｃが閉じられて第１の直流電源部１０１が上部電極３４に接続される。また、例えば、制御信号Ｃ６がＬレベルをとり、かつ、制御信号Ｃ５がＬレベルをとるときに、スイッチ素子１０３ａが閉じられて第２の直流電源部１０２が上部電極３４に接続される。このような制御信号Ｃ５，Ｃ６が直流電源９１に供給されると、反転回路１０８ａから制御信号Ｃ５の反転パルス信号がスイッチ素子１０３ａの制御端子に供給される。また、非反転回路１０８ｂから制御信号Ｃ５の非反転パルス信号が、ＡＮＤゲート１０８ｄを介して、スイッチ素子１０３ｂ，１０３ｃの制御端子に供給される。また、反転回路１０８ｃから制御信号Ｃ６の反転パルス信号が、ＡＮＤゲート１０８ｄを介して、スイッチ素子１０３ｂ，１０３ｃの制御端子に供給される。さらに、制御信号Ｃ６自体がスイッチ回路１０５に供給される。

放電回路１０４は、選択回路１０３と上部電極３４との接続点１０９にスイッチ回路１０５を介して接続されている。放電回路１０４は、第１の直流電源部１０１及び第２の直流電源部１０２と、上部電極３４との接続が切断される際に、上部電極３４の電界を接地電位に対して放電することによって、上部電極３４の電圧を０に設定する。一実施形態においては、放電回路１０４は、抵抗素子１０４ａを含んでいる。この抵抗素子１０４ａの一端は接地電位に接続されており、その他端は接続点１０９に接続される。抵抗素子１０４ａは、５０Ωの抵抗値を有し得る。スイッチ回路１０５は、放電回路１０４と接続点１０９との間に設けられている。スイッチ回路１０５には、整流素子１０５ａが並列に接続されている。スイッチ回路１０５は、放電回路１０４を接続点１０９を介して上部電極３４に選択的に接続することができる。具体的には、第１の直流電源部１０１又は第２の直流電源部１０２と、上部電極３４とが接続される場合には、スイッチ回路１０５は、放電回路１０４と、接続点１０９との接続を切断する。一方、第１の直流電源部１０１及び第２の直流電源部１０２と、上部電極３４との接続が切断される場合には、スイッチ回路１０５は、放電回路１０４と、接続点１０９とを接続する。かかるスイッチ回路１０５の制御は、制御部９４からの制御信号Ｃ６により実施され得る。

図２の説明に戻る。Ｖｐｐ測定部９９は、第２の整合器９８に接続されており、イオン引き込み用の第２の高周波電力に対応する電圧の振幅値であるＶｐｐ（Volt peak to peak）値を測定する。Ｖｐｐ測定部９９は、測定したＶｐｐ値を制御部９４へ出力する。

Ｅ／Ｒ取得部１１０は、被処理体である半導体ウエハＷのエッチングレートを取得する。例えば、Ｅ／Ｒ取得部１１０は、プラズマエッチング装置１の使用者によってユーザーインターフェース１００ａへ入力される半導体ウエハＷのエッチングレートを取得する。Ｅ／Ｒ取得部１１０は、取得したエッチングレートを制御部９４へ出力する。

次に、図２に示した制御部９４によって実行される電源制御処理について説明する。図４は、一実施形態に係る電源制御処理のタイムチャートの一例を示す図である。

図４において、「ＨＦ」は、第１の高周波電源９２に供給される制御信号Ｃ１の波形を示すタイムチャートである。「ＬＦ」は、第２の高周波電源９３に供給される制御信号Ｃ２の波形を示すタイムチャートである。「Ｔｏｐ ＤＣ（−）」は、直流電源９１から上部電極３４に供給される直流電圧の波形を示すタイムチャートである。「ＳＷ１，４」は、スイッチ素子１０３ｂ及びスイッチ素子１０３ｃの開閉を制御する制御信号の波形を示すタイムチャートである。「ＳＷ２」は、スイッチ素子１０３ａの開閉を制御する制御信号の波形を示すタイムチャートである。「ＳＷ３」は、スイッチ回路１０５の開閉を制御する制御信号の波形を示すタイムチャートである。「Ｃ５」は、直流電源９１に供給される制御信号Ｃ５の波形を示すタイムチャートである。「Ｃ６」は、直流電源９１に供給される制御信号Ｃ６の波形を示すタイムチャートである。

図４に示すように、制御部９４は、下部電極１６への高周波電力の供給と供給の停止とを交互に繰り返す。

具体的には、制御部９４は、期間Ａ１に、Ｈレベルをとる制御信号Ｃ１を用いて、第１の高周波電源９２から下部電極１６へプラズマ生成用の第１の高周波電力を供給し、Ｈレベルをとる制御信号Ｃ２を用いて、第２の高周波電源９３から下部電極１６へイオン引き込み用の第２の高周波電力を供給する。これにより、上部電極３４と下部電極１６との間の処理空間Ｅに供給された処理ガスのプラズマが生成され、半導体ウエハＷ上でプラズマシースの成長が開始する。一方、制御部９４は、期間Ａ２に、Ｌレベルをとる制御信号Ｃ１を用いて、第１の高周波電源９２からのプラズマ生成用の第１の高周波電力の供給を停止し、Ｌレベルをとる制御信号Ｃ２を用いて、第２の高周波電源９３からのイオン引き込み用の第２の高周波電力の供給を停止する。これにより、プラズマが消失し、半導体ウエハＷ上のプラズマシースが縮減又は消滅する。

そして、制御部９４は、高周波電力が供給されている期間Ａ１のうち、高周波電力の供給の開始時からの所定期間である電圧停止期間Ａ１ａに、上部電極３４への第１の直流電圧Ｖ１及び第２の直流電圧Ｖ２の供給を停止する。ここで、電圧停止期間Ａ１ａは、半導体ウエハＷ上でプラズマシースの成長が開始してから完了するまでに要する所定期間である。

具体的には、制御部９４は、Ｈレベルをとる制御信号Ｃ６を用いて、電圧停止期間Ａ１ａに、第１の直流電源部１０１及び第２の直流電源部１０２と、上部電極３４との接続を切断するように選択回路１０３（スイッチ素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ）を制御し、かつ、放電回路１０４を接続点１０９に接続させるようにスイッチ回路１０５を制御する。これにより、半導体ウエハＷ上で発生するプラズマシースが未だ完全に成長していない状態で、上部電極３４の電圧が０に設定される。

また、制御部９４は、高周波電力が供給されている期間Ａ１のうち、電圧停止期間Ａ１ａを除く期間Ａ１ｂに、上部電極３４へ第１の直流電圧Ｖ１を供給する。

具体的には、制御部９４は、Ｌレベルをとる制御信号Ｃ６と、Ｈレベルをとる制御信号Ｃ５とを用いて、電圧停止期間Ａ１ａを除く期間Ａ１ｂに、第１の直流電源部１０１を上部電極３４に接続させるように選択回路１０３（スイッチ素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ）を制御する。これにより、半導体ウエハＷ上で発生するプラズマシースの成長が完了した状態で、上部電極３４へ第１の直流電圧Ｖ１が供給され、上部電極３４に対して正イオンが衝突することで放出される電子が、半導体ウエハＷの向きへ加速される。

さらに、制御部９４は、高周波電力の供給が停止されている期間Ａ２に、上部電極３４へ第２の直流電圧Ｖ２を供給する。

具体的には、制御部９４は、Ｌレベルをとる制御信号Ｃ６と、Ｌレベルをとる制御信号Ｃ５とを用いて、期間Ａ２に、第２の直流電源部１０２を上部電極３４に接続させるように選択回路１０３（スイッチ素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ）を制御する。これにより、半導体ウエハＷ上のプラズマシースが縮減又は消滅した状態で、上部電極３４に対して正イオンが衝突することで放出された電子が、下部電極１６上の半導体ウエハＷの向きへ加速される。

このように、一実施形態のプラズマエッチング装置１では、高周波電力の供給と該供給の停止とを交互に繰り返し、高周波電力が供給されている期間Ａ１のうち、高周波電力の供給の開始時からの所定期間である電圧停止期間Ａ１ａに、第１の直流電圧Ｖ１及び第２の直流電圧Ｖ２の供給を停止し、当該期間Ａ１のうち、電圧停止期間Ａ１ａを除く期間Ａ１ｂに、第１の直流電圧Ｖ１を供給し、高周波電力の供給が停止されている期間Ａ２に、第２の直流電圧Ｖ２を供給する電源制御処理を実行する。これにより、下部電極１６への高周波電力の供給に伴って半導体ウエハＷ上で発生するプラズマシースに対する電子の跳ね返りを抑制することができる。その結果、一実施形態のプラズマエッチング装置１によれば、上部電極３４側での放電を抑制することができる。

なお、図４に示した各タイムチャートの関係から、制御信号Ｃ５のデューティー比は、（電圧停止期間Ａ１ａ＋期間Ａ１ｂ）／（高周波電力が供給されている期間Ａ１＋高周波電力の供給が停止されている期間Ａ２）により定義される。また、制御信号Ｃ６のデューティー比は、（電圧停止期間Ａ１ａ）／（高周波電力が供給されている期間Ａ１＋高周波電力の供給が停止されている期間Ａ２）により定義される。すなわち、制御信号Ｃ６のデューティー比は、制御信号Ｃ５のデューティー比よりも小さい。

ここで、一実施形態に係る電源制御処理による放電の抑制のメカニズムについて詳細に説明する。一実施形態に係る電源制御処理による放電の抑制のメカニズムを説明する前に、その前提として、従来の電源制御処理を説明する。図５は、従来の電源制御処理を説明するための図である。図５では、電子は「ｅ」で示され、正イオンは「＋」で示されるものとする。

制御部９４は、下部電極１６への高周波電力の供給が停止されている期間Ａ２に、上部電極３４に第２の直流電圧Ｖ２を供給する。すると、図５の（１）に示すように、半導体ウエハＷ上のプラズマシースが縮減又は消滅した状態で、上部電極３４に対して正イオンが衝突することで放出された電子が、下部電極１６上の半導体ウエハＷの向きへ加速される。ここで、期間Ａ２では、第１の直流電圧Ｖ１と比較して絶対値の大きい負の第２の直流電圧Ｖ２が上部電極３４に供給されるので、期間Ａ１と比較して多量の電子が半導体ウエハＷへ供給される。その結果、半導体ウエハＷのホールの底部に溜まった正イオンが効率的に中和される。なお、図５の（１）において、正イオンの矢印の大きさは、正イオンが上部電極３４に到達していることを表し、電子の矢印の大きさは、電子が下部電極１６上の半導体ウエハＷに到達していることを表す。

制御部９４は、下部電極１６への高周波電力の供給が再び開始されると、高周波電力の供給と同時に第１の直流電圧Ｖ１を上部電極３４に供給する。すると、図５の（２）に示すように、下部電極１６へ高周波電力が供給されている期間Ａ１に、下部電極１６への高周波電力の供給に伴って半導体ウエハＷ上で発生するプラズマシースＳが未だ完全に成長していない状態で、上部電極３４に対する正イオンの衝突が加速される。このとき、上部電極３４に対して正イオンが衝突することで放出された電子が半導体ウエハＷの向きへ加速される。すると、加速された電子が、半導体ウエハＷから離れる向き、すなわち、上部電極３４に近づく向きＳ１に成長するプラズマシースＳによって、上部電極３４に近づく向きＳ１に跳ね返される。上部電極３４に近づく向きＳ１に成長するプラズマシースＳによって、上部電極３４に近づく向きＳ１に跳ね返された電子は、比較的に大きい運動エネルギーをもらい加速される。その結果、従来の電源制御処理では、跳ね返された高エネルギー電子によって上部電極３４側で放電が発生する恐れがある。なお、図５の（２）において、正イオンの矢印の大きさは、正イオンが上部電極３４に到達していることを表し、電子の矢印の大きさは、電子がプラズマシースＳ表面で跳ね返されていることを表す。

これに対して、一実施形態に係る電源制御処理による放電の抑制のメカニズムを説明する。図６は、一実施形態に係る電源制御処理による放電の抑制のメカニズムを説明するための図である。図６では、電子は「ｅ」で示され、正イオンは「＋」で示されるものとする。なお、図６の（１）〜（３）において、電子の矢印の大きさと、正イオンの矢印の大きさとは、いずれも、加速時に電子又は正イオンに付与される運動エネルギーの量を表す。

制御部９４は、下部電極１６への高周波電力の供給が停止されている期間Ａ２に、上部電極３４に第２の直流電圧Ｖ２を供給する。これにより、図６の（１）に示すように、半導体ウエハＷ上のプラズマシースが縮減又は消滅した状態で、上部電極３４に対して正イオンが衝突することで放出された電子が、下部電極１６上の半導体ウエハＷの向きへ加速される。ここで、期間Ａ２では、第１の直流電圧Ｖ１と比較して絶対値の大きい負の第２の直流電圧Ｖ２が上部電極３４に供給されるので、期間Ａ１と比較して多量の電子が半導体ウエハＷへ供給される。その結果、半導体ウエハＷのホールの底部に溜まった正イオンが効率的に中和される。

制御部９４は、下部電極１６への高周波電力の供給が再び開始されると、高周波電力の供給の開始時からの所定期間である電圧停止期間Ａ１ａに、上部電極３４への第１の直流電圧Ｖ１及び第２の直流電圧Ｖ２の供給を停止する。これにより、図６の（２）に示すように、半導体ウエハＷ上で発生するプラズマシースＳが未だ完全に成長していない状態で、上部電極３４の電圧が０に設定されるので、上部電極３４に対する正イオンの衝突が抑制される。すると、電圧停止期間Ａ１ａに、上部電極３４からの電子の放出も抑制される。このため、電圧停止期間Ａ１ａに、半導体ウエハＷ上で上部電極３４に近づく向きＳ１に成長するプラズマシースＳによって、電子が跳ね返される事態が回避される。その結果、電圧停止期間Ａ１ａに上部電極３４側での放電が抑制される。

制御部９４は、高周波電力が供給されている期間Ａ１のうち、電圧停止期間Ａ１ａを除く期間Ａ１ｂに、上部電極３４へ第１の直流電圧Ｖ１を供給する。これにより、図６の（３）に示すように、上部電極３４に対して正イオンが衝突することで放出される電子が、半導体ウエハＷの向きへ加速される。加速された電子の一部は、上部電極３４に近づく向きＳ１への成長が完了したプラズマシースＳによって、上部電極３４に近づく向きＳ１に跳ね返される。ここで、期間Ａ１ｂでは、半導体ウエハＷ上で発生するプラズマシースＳの成長が完了している。このため、期間Ａ１ｂでは、上部電極３４に近づく向きＳ１に跳ね返される電子は、加速されることがない。その結果、電圧停止期間Ａ１ａを除く期間Ａ１ｂに上部電極３４側での放電が抑制される。

次に、図２に示した制御部９４によって実行される第１のキャリブレーション処理について説明する。電源制御処理に適用される電圧停止期間Ａ１ａは、上述したように、半導体ウエハＷ上でプラズマシースの成長が開始してから完了するまでに要する所定期間である。半導体ウエハＷ上でのプラズマシースの成長の速度は、イオン引き込み用の第２の高周波電力に対応する電圧の振幅値であるＶｐｐ値の変動に応じて、変動する。一方で、異常放電の発生時にＶｐｐ値が跳ね上がることが確認されているので、Ｖｐｐ値の変動の度合いを確認することによって、異常放電を発生させない電圧停止期間Ａ１ａの適正期間を選択することが可能である。そこで、一実施形態のプラズマエッチング装置１では、Ｖｐｐ値を用いて、異常放電を発生させない適正期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する第１のキャリブレーション処理を実行する。

制御部９４は、まず、電圧停止期間Ａ１ａを電圧停止期間Ａ１ａの候補となる複数の候補期間に切り替えつつ電源制御処理を実行する。制御部９４は、Ｖｐｐ値の入力をＶｐｐ測定部９９から受ける。制御部９４は、候補期間ごとにＶｐｐ値の変動の度合いを示すＶｐｐ変動率を算出する。Ｖｐｐ変動率は、異常放電の発生頻度により大きくなるパラメータである。Ｖｐｐ変動率は、例えば、以下の式（１）を用いて、算出される。算出されたＶｐｐ変動率が各候補期間に対応付けられることで、Ｖｐｐ変動率と、候補期間との対応関係を示すデータが生成される。

Ｖｐｐ変動率＝１００×（Ｖｐｐ＿ｍａｘ−Ｖｐｐ＿ａｖｅ）／Ｖｐｐ＿ａｖｅ
・・・ （１）
ただし、Ｖｐｐ＿ｍａｘは、所定時間ＴにおけるＶｐｐ値の最大値を示し、Ｖｐｐ＿ａｖｅは、所定時間ＴにおけるＶｐｐ値の平均値を示す。

続いて、制御部９４は、Ｖｐｐ変動率と、候補期間との対応関係を示すデータを参照して、Ｖｐｐ変動率が予め定められた許容値以下となる候補期間を特定し、特定した候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する。制御部９４は、Ｖｐｐ変動率が予め定められた許容値以下となる候補期間が複数存在する場合には、Ｖｐｐ変動率が最も低い候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する。

このように、一実施形態のプラズマエッチング装置１では、Ｖｐｐ値の変動の度合いを示すＶｐｐ変動率が予め定められた許容値以下となる候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する第１のキャリブレーション処理を実行する。これにより、半導体ウエハＷ上でプラズマシースの成長が完了する適正期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正することができる。このため、電圧停止期間Ａ１ａに、半導体ウエハＷ上で上部電極３４に近づく向きに成長するプラズマシースによって、電子が跳ね返される事態が確実に回避される。その結果、電圧停止期間Ａ１ａに上部電極３４側での放電が確実に抑制される。

図７は、電圧停止期間Ａ１ａの候補となる複数の候補期間と、各候補期間に対応するＶｐｐ変動率との関係の実験結果の一例を示す図である。図７に例示した各グラフにおいて、横軸は、時間（ｓｅｃ）を示し、縦軸は、Ｖｐｐ変動率（％）を示している。また、図７において、「Ｄｅｌａｙ時間」は、電圧停止期間Ａ１ａの候補となる複数の候補期間（μｓｅｃ）を示し、「圧力」は、処理容器１０内の圧力（ｍＴｏｒｒ）を示している。

なお、図７において、その他の条件としては、処理ガス：Ｃ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ｏ２／Ａｒ／Ｃ４Ｆ６＝８５／８８／１７０／４００／５ｓｃｃｍ、第１の高周波電源９２からの第１の高周波電力：２０００Ｗ、第２の高周波電源９３からの第２の高周波電力：１４ｋＷ、第１及び第２の高周波電力の周波数：５ｋＨｚ、第１及び第２の高周波電力のデューティー比：２０％、上部電極３４への直流電圧：（第１の直流電圧Ｖ１）／（第２の直流電圧Ｖ２）＝−５００／−１０００Ｖ及び処理時間：６０ｓｅｃが用いられたものとする。また、以下の説明では、Ｖｐｐ変動率とは、第１の高周波電源９２及び第２の高周波電源９３のオン・オフの切り替えのタイミングに対応するＶｐｐ変動率を除くＶｐｐ変動率を指す。

図７の実験結果から明らかなように、候補期間が０である場合（すなわち、電圧停止期間Ａ１ａが設定されない場合）、Ｖｐｐ変動率が最も大きく、候補期間が０から増加するに連れて、Ｖｐｐ変動率が低下する。この実験結果を基に、発明者は、さらに鋭意検討を重ねた。その結果、図７の破線の枠５０１に示すように、候補期間が５μｓｅｃ未満であれば、Ｖｐｐ変動率がおよそ２．０％を超え、図７の実線の枠５０２に示すように、候補期間が５μｓｅｃ以上であれば、Ｖｐｐ変動率が、およそ２．０％以下に抑えられることが分かった。そして、Ｖｐｐ変動率が２．０％以下であれば、上部電極３４側での放電が抑制されることが分かった。このため、電圧停止期間Ａ１ａは、図７の実線の枠５０２に対応する５μｓｅｃ以上の期間であることが望ましい。そこで、一実施形態では、制御部９４は、Ｖｐｐ変動率が予め定められた許容値（例えば２．０％）以下となる候補期間（例えば、５μｓｅｃ以上の期間）を特定し、特定した候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する。これにより、電圧停止期間Ａ１ａに上部電極３４側での放電が確実に抑制される。

次に、図２に示した制御部９４によって実行される第２のキャリブレーション処理について説明する。電源制御処理に適用される電圧停止期間Ａ１ａは、上部電極３４側での放電を抑制する観点から、例えば、５μｓｅｃ以上の期間であることが望ましく、特に上限を有さなくてもよい。しかしながら、電圧停止期間Ａ１ａが過度に増加すると、上部電極３４から放出されて半導体ウエハＷの向きへ加速される電子の量が減少する。半導体ウエハＷの向きへ加速される電子の量が減少すると、プラズマ密度が減少するので、半導体ウエハＷのエッチングレートの低下の度合いが増大することが懸念される。そこで、一実施形態のプラズマエッチング装置１では、電圧停止期間Ａ１ａの上限を規定する観点から、半導体ウエハＷのエッチングレートを用いて、電圧停止期間Ａ１ａを修正する第２のキャリブレーション処理を実行する。

制御部９４は、まず、電圧停止期間Ａ１ａを電圧停止期間Ａ１ａの候補となる複数の候補期間に切り替えつつ電源制御処理を実行する。制御部９４は、エッチングレートの入力をＥ／Ｒ取得部１１０から受ける。制御部９４は、候補期間ごとにエッチングレートの変動の度合いを示すエッチングレート低下率を算出する。エッチングレート低下率は、例えば、以下の式（２）を用いて、算出される。算出されたエッチングレート低下率が各候補期間に対応付けられることで、エッチングレート低下率と、候補期間との対応関係を示すデータが生成される。

エッチングレート低下率＝１００×（ＥＲ０−ＥＲ）／ＥＲ０ ・・・ （２）
ただし、ＥＲ０は、候補期間（すなわち、電圧停止期間Ａ１ａ）が０である場合の半導体ウエハＷのエッチングレートを示し、ＥＲは、候補期間（すなわち、電圧停止期間Ａ１ａ）が０以外である場合の半導体ウエハＷのエッチングレートを示す。

続いて、制御部９４は、エッチングレート低下率と、候補期間との対応関係を示すデータを参照して、エッチングレート低下率が予め定められた許容値以下となる候補期間を特定し、特定した候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する。

このように、一実施形態のプラズマエッチング装置１では、エッチングレート低下率が予め定められた許容値以下となる候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する第２のキャリブレーション処理を実行する。これにより、エッチングレートの低下の度合いが抑制されるように、電圧停止期間Ａ１ａの上限を規定することができる。その結果、上部電極３４側での放電を抑制しつつ、所望のエッチングレートを維持することができる。

なお、一実施形態では、制御部９４が第２のキャリブレーション処理を実行する例を示したが、プラズマエッチング装置１の使用者が、第２のキャリブレーション処理の一部又は全部を実行しても良い。

図８Ａは、電圧停止期間Ａ１ａの候補となる複数の候補期間と、各候補期間に対応するエッチングレート低下率との関係の実験結果の一例を示す図である。図８Ａにおいて、「膜種」は、エッチングされる半導体ウエハＷ上の膜の種類を示し、「Ｐｏｌｙ」は、ポリシリコン膜に相当し、「Ｏｘ」は、ＳｉＯ２膜に相当する。また、「ＯＮ時間」は、下部電極１６へ高周波電力が供給されている期間Ａ１（μｓｅｃ）を示している。また、「Ｄｅｌａｙ時間」は、電圧停止期間Ａ１ａの候補となる複数の候補期間（μｓｅｃ）を示している。また、「電圧停止占有率」は、期間Ａ１に対して電圧停止期間Ａ１ａが占める比率（％）を示している。また、「Ｅ／Ｒ」は、半導体ウエハＷのエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）を示している。また、「Ｅ／Ｒ低下率」は、各候補期間に対応するエッチングレート低下率（％）を示している。

なお、図８Ａでは、実験条件として、第１及び第２の高周波電力の周波数：１０ｋＨｚ、第１及び第２の高周波電力のデューティー比：６０％が用いられたものとする。

図８Ｂは、図８Ａに示した電圧停止占有率と、エッチングレートとの関係を説明するための説明図であり、図８Ｃは、図８Ａに示した電圧停止占有率と、エッチングレート低下率との関係を説明するための説明図である。図８Ｂ及び図８Ｃにおいて、横軸は、電圧停止占有率（％）を示す。また、図８Ｂにおいて、左側の縦軸は、半導体ウエハＷ上のＳｉＯ２膜のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）を示しており、右側の縦軸は、半導体ウエハＷ上のポリシリコン膜のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）を示している。また、図８Ｃにおいて、左側の縦軸は、半導体ウエハＷ上のＳｉＯ２膜のエッチングレート低下率（％）を示しており、右側の縦軸は、半導体ウエハＷ上のポリシリコン膜のエッチングレート低下率（％）を示している。

また、図８Ｂにおいて、グラフ６０１は、半導体ウエハＷ上のポリシリコン膜のエッチングレートのグラフであり、グラフ６０２は、半導体ウエハＷ上のＳｉＯ２膜のエッチングレートのグラフである。また、図８Ｃにおいて、グラフ７０１は、半導体ウエハＷ上のポリシリコン膜のエッチングレート低下率のグラフであり、グラフ７０２は、半導体ウエハＷ上のＳｉＯ２膜のエッチングレート低下率のグラフである。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、電圧停止占有率が０である場合（すなわち、電圧停止期間Ａ１ａが設定されない場合）、ポリシリコン膜及びＳｉＯ２膜のエッチングレートがいずれも最も大きく、電圧停止占有率が０から増加するに連れて、ポリシリコン膜及びＳｉＯ２膜のエッチングレートがいずれも低下する。

図８Ａ及び図８Ｃに示すように、電圧停止占有率が０から増加するに連れて、ポリシリコン膜及びＳｉＯ２膜のエッチングレート低下率がいずれも増大する。さらに、ポリシリコン膜及びＳｉＯ２膜のエッチングレート低下率は、ほぼ同一の値となる。

図８Ａ〜図８Ｃの実験結果から、電圧停止占有率が４０％以下であれば、ポリシリコン膜及びＳｉＯ２膜のエッチングレート低下率が、いずれもおよそ６％以下に抑えられることが分かった。このため、電圧停止占有率、すなわち、下部電極１６へ高周波電力が供給されている期間Ａ１に対して電圧停止期間Ａ１ａが占める比率は、４０％以下であることが望ましい。そこで、一実施形態では、制御部９４は、エッチングレート低下率が予め定められた許容値である６％以下となる候補期間を特定し、特定した候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する。これにより、上部電極３４側での放電を抑制しつつ、所望のエッチングレートを維持することができる。

次に、一実施形態における電源制御処理において第２の高周波電力を変化させた場合における放電の有無について説明する。図９は、一実施形態における電源制御処理において第２の高周波電力を変化させた場合における放電の有無の一例を示す図である。図９において、「ＤＣ Ｏｎ ｄｅｌａｙ １５ｕｓ」は、一実施形態における電源制御処理において第２の高周波電力を１２ｋＷから１５ｋＷへ変化させた場合における放電の有無の結果を示している。また、「ＳＴＤ ＤＣ 電源」は、比較例における電源制御処理において第２の高周波電力を１２ｋＷから１５ｋＷへ変化させた場合における放電の有無の結果を示している。また、「ＤＣ Ｏｎ ｄｅｌａｙ １５ｕｓ」では、電圧停止期間Ａ１ａとして、１５μｓｅｃが用いられ、「ＳＴＤ ＤＣ 電源」では、電圧停止期間Ａ１ａが設定されなかった。また、「ＤＣ Ｏｎ ｄｅｌａｙ １５ｕｓ」及び「ＳＴＤ ＤＣ 電源」において、「×」は、Ｖｐｐ変動率が予め定められた許容値である２．０％を超えていること、すなわち、放電が有ることを示す。さらに、「○」は、Ｖｐｐ変動率が予め定められた許容値である２．０％以下であること、すなわち、放電が無いことを示す。

なお、図９では、その他の条件として、処理ガス：Ｃ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ｏ２／Ａｒ／Ｃ４Ｆ６＝８５／８８／１７０／４００／５ｓｃｃｍ、第１の高周波電源９２からの第１の高周波電力：２０００Ｗ、第１及び第２の高周波電力の周波数：４〜１０ｋＨｚ、第１及び第２の高周波電力のデューティー比：２０〜６０％、上部電極３４への直流電圧：（第１の直流電圧Ｖ１）／（第２の直流電圧Ｖ２）＝−５００／−１０００Ｖ及び処理時間：６０ｓｅｃが用いられたものとする。

図９に示すように、「ＤＣ Ｏｎ ｄｅｌａｙ １５ｕｓ」では、「ＳＴＤ ＤＣ 電源」と比較して、放電の発生が抑えられた。すなわち、図９の結果から、一実施形態における電源制御処理では、電圧停止期間Ａ１ａを用いることにより、第２の高周波電力を増大させることが可能となることが分かった。

次に、図１に示したプラズマエッチング装置１を用いた電源制御処理の流れの一例を説明する。図１０は、一実施形態に係る電源制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。

図１０に示すように、処理開始タイミングが到来すると（ステップＳ１０１肯定）、例えば、半導体ウエハＷが処理容器１０内に搬入され、下部電極１６上に載置され、排気装置８４の真空ポンプにより処理容器１０内が排気され、処理ガス供給部６６から処理容器１０内へ処理ガスが供給されると、制御部９４は、下部電極１６にプラズマ生成用の第１の高周波電力を供給する（ステップＳ１０２）。また、制御部９４は、下部電極１６にイオン引き込み用の第２の高周波電力を供給する。

制御部９４は、高周波電力が供給されている期間Ａ１のうち、電圧停止期間Ａ１ａに、上部電極３４への第１の直流電圧Ｖ１及び第２の直流電圧Ｖ２の供給を停止する（ステップＳ１０３）。

制御部９４は、高周波電力の供給の開始時から電圧停止期間Ａ１ａが経過していない場合（ステップＳ１０４否定）、処理をステップＳ１０３に戻す。

一方、制御部９４は、高周波電力の供給の開始時から電圧停止期間Ａ１ａが経過した場合（ステップＳ１０４肯定）、電圧停止期間Ａ１ａを除く期間Ａ１ｂに、上部電極３４へ第１の直流電圧Ｖ１を供給する（ステップＳ１０５）。

制御部９４は、下部電極１６へのプラズマ生成用の第１の高周波電力の供給を停止する（ステップＳ１０６）。また、制御部９４は、下部電極１６へのイオン引き込み用の第２の高周波電力の供給を停止する。

制御部９４は、高周波電力の供給が停止されている期間Ａ２に、上部電極３４へ第２の直流電圧Ｖ２を供給する（ステップＳ１０７）。

制御部９４は、処理終了タイミングが到来していない場合（ステップＳ１０８否定）、処理をステップＳ１０２に戻し、処理終了タイミングが到来すると（ステップＳ１０８肯定）、電源制御処理を終了する。

次に、図１に示したプラズマエッチング装置１を用いた第１のキャリブレーション処理の流れの一例を説明する。図１１は、一実施形態に係る第１のキャリブレーション処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、図１１に示す第１のキャリブレーション処理は、例えば、図１０に示した電源制御処理の開始前に、半導体ウエハＷに代えて、ダミーウエハを用いて、実行される。

図１１に示すように、処理開始タイミングが到来すると（ステップＳ１１１肯定）、制御部９４は、電圧停止期間Ａ１ａを候補期間の初期値に設定する（ステップＳ１１２）。制御部９４は、図１０に示した電源制御処理を実行する（ステップＳ１１３）。

制御部９４は、Ｖｐｐ変動率を算出する（ステップＳ１１４）。制御部９４は、電圧停止期間Ａ１ａを全ての候補期間に切り替えていない場合（ステップＳ１１５否定）、電圧停止期間Ａ１ａを次の候補期間に切り替えて（ステップＳ１１６）、処理をステップＳ１１３へ戻す。

一方、制御部９４は、電圧停止期間Ａ１ａを全ての候補期間に切り替えた場合（ステップＳ１１５肯定）、Ｖｐｐ変動率が予め定められた許容値以下となる候補期間を特定し、特定した候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する（ステップＳ１１７）。

次に、図１に示したプラズマエッチング装置１を用いた第２のキャリブレーション処理の流れの一例を説明する。図１２は、一実施形態に係る第２のキャリブレーション処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、図１２に示す第２のキャリブレーション処理は、例えば、図１０に示した電源制御処理の開始前に、実行される。

図１２に示すように、処理開始タイミングが到来すると（ステップＳ１２１肯定）、制御部９４は、電圧停止期間Ａ１ａを候補期間の初期値に設定する（ステップＳ１２２）。制御部９４は、図１０に示した電源制御処理を実行する（ステップＳ１２３）。

制御部９４は、エッチングレート低下率を算出する（ステップＳ１２４）。制御部９４は、電圧停止期間Ａ１ａを全ての候補期間に切り替えていない場合（ステップＳ１２５否定）、電圧停止期間Ａ１ａを次の候補期間に切り替えて（ステップＳ１２６）、処理をステップＳ１２３へ戻す。

一方、制御部９４は、電圧停止期間Ａ１ａを全ての候補期間に切り替えた場合（ステップＳ１２５肯定）、エッチングレート低下率が予め定められた許容値以下となる候補期間を特定し、特定した候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する（ステップＳ１２７）。

なお、図１２に示した第２のキャリブレーション処理の一部又は全部は、プラズマエッチング装置１の使用者によって、実行されても良い。

以上のように、一実施形態のプラズマエッチング装置１では、高周波電力の供給と該供給の停止とを交互に繰り返し、高周波電力が供給されている期間Ａ１のうち、高周波電力の供給の開始時からの所定期間である電圧停止期間Ａ１ａに、第１の直流電圧Ｖ１及び第２の直流電圧Ｖ２の供給を停止し、当該期間Ａ１のうち、電圧停止期間Ａ１ａを除く期間Ａ１ｂに、第１の直流電圧Ｖ１を供給し、高周波電力の供給が停止されている期間Ａ２に、第２の直流電圧Ｖ２を供給する電源制御処理を実行する。これにより、下部電極１６への高周波電力の供給に伴って半導体ウエハＷ上で発生するプラズマシースに対する電子の跳ね返りを抑制することができる。その結果、一実施形態のプラズマエッチング装置１によれば、上部電極３４側での放電を抑制することができる。

また、一実施形態のプラズマエッチング装置１では、Ｖｐｐ値の変動の度合いを示すＶｐｐ変動率が予め定められた許容値以下となる候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する第１のキャリブレーション処理を実行する。これにより、半導体ウエハＷ上でプラズマシースの成長が完了する適正期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正することができる。このため、電圧停止期間Ａ１ａに、半導体ウエハＷ上で上部電極３４に近づく向きに成長するプラズマシースによって、電子が跳ね返される事態が確実に回避される。その結果、電圧停止期間Ａ１ａに上部電極３４側での放電が確実に抑制される。

また、一実施形態のプラズマエッチング装置１では、エッチングレート低下率が予め定められた許容値以下となる候補期間に電圧停止期間Ａ１ａを修正する第２のキャリブレーション処理を実行する。これにより、エッチングレートの低下の度合いが抑制されるように、電圧停止期間Ａ１ａの上限を規定することができる。その結果、上部電極３４側での放電を抑制しつつ、所望のエッチングレートを維持することができる。

１…プラズマエッチング装置、１０…処理容器、１６…下部電極、３４…上部電極、６６…処理ガス供給部、９０…電源システム、９１…直流電源、９２…第１の高周波電源、９３…第２の高周波電源、９４…制御部、１０１…第１の直流電源部、１０２…第２の直流電源部、１０３…選択回路、１０４…放電回路、１０５…スイッチ回路、１０９…接続点、Ｃ１〜Ｃ６…制御信号、Ｖ１…第１の直流電圧、Ｖ２…第２の直流電圧、Ｗ…半導体ウエハ。

Claims (9)

1. 被処理体を載置するための下部電極にプラズマ生成用の高周波電力を供給する高周波電源と、
   前記下部電極に対向するように配置された上部電極に負の第１の直流電圧又は前記第１の直流電圧よりも絶対値の大きい負の第２の直流電圧を供給する直流電源と、
   前記高周波電力の供給と該供給の停止とを交互に繰り返し、前記高周波電力が供給されている期間のうち、前記高周波電力の供給の開始時からの第１の期間に、前記第１の直流電圧及び前記第２の直流電圧の供給を停止し、当該期間のうち、前記第１の期間を除く第２の期間に、前記第１の直流電圧を供給し、前記高周波電力の供給が停止されている期間に、前記第２の直流電圧を供給する電源制御処理を実行する制御部と
   を備えることを特徴とする電源システム。
2. 前記下部電極に前記高周波電力とは異なるイオン引き込み用の高周波電力を供給する他の高周波電源と、
   前記イオン引き込み用の高周波電力に対応する電圧の振幅値であるＶｐｐ値を測定するＶｐｐ値測定部と
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１の期間を当該第１の期間の候補となる複数の候補期間に切り替えつつ前記電源制御処理を実行し、前記候補期間ごとに前記Ｖｐｐ値の変動の度合いを示すＶｐｐ変動率を算出し、前記複数の候補期間のうち、前記Ｖｐｐ変動率が予め定められた許容値以下となる前記候補期間を特定し、特定した当該候補期間に前記第１の期間を修正する第１のキャリブレーション処理を実行することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記被処理体のエッチングレートを取得するエッチングレート取得部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１の期間を当該第１の期間の候補となる複数の候補期間に切り替えつつ前記電源制御処理を実行し、前記候補期間ごとに前記エッチングレートの低下の度合いを示すエッチングレート低下率を算出し、前記エッチングレート低下率が予め定められた許容値以下となる前記候補期間を特定し、特定した当該候補期間に前記第１の期間を修正する第２のキャリブレーション処理を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源システム。
4. 前記高周波電力が供給されている期間に対して前記第１の期間が占める比率は、４０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電源システム。
5. 前記第１の期間は、５μｓｅｃ以上の期間であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電源システム。
6. 前記直流電源は、
   前記第１の直流電圧を発生する第１の直流電源部と、
   前記第２の直流電圧を発生する第２の直流電源部と、
   前記第１の直流電源部と前記第２の直流電源部とを選択的に前記上部電極に接続する選択回路と、
   前記選択回路と前記上部電極との接続点にスイッチ回路を介して接続された放電回路と
   を有し、
   前記制御部は、前記電源制御処理を実行する場合に、前記高周波電力が供給されている期間のうち、前記第１の期間に、前記第１の直流電源部及び前記第２の直流電源部と、前記上部電極との接続を切断するように前記選択回路を制御し、かつ、前記放電回路を前記接続点に接続させるように前記スイッチ回路を制御し、前記第２の期間に、前記第１の直流電源部を前記上部電極に接続させるように前記選択回路を制御し、前記高周波電力の供給が停止されている期間に、前記第２の直流電源部を前記上部電極に接続させるように前記選択回路を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電源システム。
7. 処理容器と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給部と、
   前記処理容器内に配置され、被処理体を載置するための下部電極と、
   前記下部電極に対向するように前記処理容器内に配置された上部電極と、
   前記下部電極にプラズマ生成用の高周波電力を供給する高周波電源と、前記上部電極に負の第１の直流電圧又は前記第１の直流電圧よりも絶対値の大きい負の第２の直流電圧を供給する直流電源と、前記高周波電力の供給と該供給の停止とを交互に繰り返し、前記高周波電力が供給されている期間のうち、前記高周波電力の供給の開始時からの第１の期間に、前記第１の直流電圧及び前記第２の直流電圧の供給を停止し、当該期間のうち、前記第１の期間を除く第２の期間に、前記第１の直流電圧を供給し、前記高周波電力の供給が停止されている期間に、前記第２の直流電圧を供給する電源制御処理を実行する制御部とを備える電源システムと
   を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 被処理体を載置するための下部電極にプラズマ生成用の高周波電力を供給する高周波電源と、
   前記下部電極に対向するように配置された上部電極に負の第１の直流電圧又は前記第１の直流電圧よりも絶対値の大きい負の第２の直流電圧を供給する直流電源と
   を備える電源システムを用いた電源制御方法であって、
   前記高周波電力の供給と該供給の停止とを交互に繰り返し、前記高周波電力が供給されている期間のうち、前記高周波電力の供給の開始時からの第１の期間に、前記第１の直流電圧及び前記第２の直流電圧の供給を停止し、当該期間のうち、前記第１の期間を除く第２の期間に、前記第１の直流電圧を供給し、前記高周波電力の供給が停止されている期間に、前記第２の直流電圧を供給する電源制御処理を実行する
   ことを特徴とする電源制御方法。
9. 前記被処理体のエッチングレートを取得し、
   前記第１の期間を当該第１の期間の候補となる複数の候補期間に切り替えつつ前記電源制御処理を実行し、前記候補期間ごとに前記エッチングレートの低下の度合いを示すエッチングレート低下率を算出し、前記エッチングレート低下率が予め定められた許容値以下となる前記候補期間を特定し、特定した当該候補期間に前記第１の期間を修正するキャリブレーション処理を実行することを特徴とする請求項８に記載の電源制御方法。

Images