JP6764383B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。
近年の半導体技術の微細化により、マスク形状を下層膜に転写するエッチング工程において、より高い形状制御性およびより高い選択比が要求されている。高い形状制御性を持つエッチング方法には様々な方法が知られているが、そのうちの一つとして、ガスパルス法が知られている。ガスパルス法では、エッチングガスと、そのエッチングガスに対してエッチング耐性の高い保護膜を形成するデポジションガスとを、プラズマ生成状態を維持したまま周期的に交互に処理室に導入してプラズマエッチング処理を行う（例えば、特許文献１）。
また、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）エッチング装置において、エッチング処理時の選択比を大きくする方法として、プラズマ処理室の外周に設けた複数のソレノイドコイルにより磁場強度を変化させることにより、試料の処理時と試料のオーバーエッチング時とで、試料の被処理表面に対する平面状の共鳴領域の平行間隔距離を変え、マイクロ波による電界とソレノイドコイルによる磁場との作用によって発生させるプラズマ位置を変化させる方法が知られている（例えば、特許文献２）。ガスパルス法を用いる際にも、ガスの周期的な導入にあわせて磁場強度を変化させることは、選択比の向上および形状制御性の向上に有効である。
ガスパルス法の制御性を向上させる方法として、サイクルを構成する各プロセスのステップ時間を短くする方法がある。ステップ時間を短くする場合、ステップ時間が長い場合と同等のエッチング量を得るためには、周期的に行なう処理の繰り返し回数を増やす必要がある。
繰り返し処理中においては、サイクルを構成する各プロセスに対して最適となるように磁場発生コイルを流れる電流の電流値などの装置パラメータが制御される。しかし、ステップ間には、各装置パラメータを変化させるための過渡応答時間があり、この時間は目的の処理を行なえていない無駄な時間である。繰り返し回数が増えると、ステップ間で装置パラメータを変化させる無駄な時間が繰り返し回数に比例して大きくなり、処理のスループットおよび形状制御性が低下する。
そこで、ガスパルス法において、ステップの処理時間を短くし、繰り返し回数を増やす場合には、制御パラメータを変更する際の各パラメータの過渡応答時間を短くすることが有効である。
特開昭６０−５０９２３号公報 特開平７−１３０７１４号公報
上記従来技術では、複数の磁場発生コイルの電流を変化させる際の複数のコイル間の相互作用が考慮されていないため、複数の磁場発生コイルを流れる電流を高速に変化させることができない。より具体的には、第１に、各磁場発生コイルを流れる電流の電流値を高速に変更する場合、電流値の変化速度に比例した高い自己誘導電圧が各磁場発生コイルに発生する。そして、各磁場発生コイルに接続された電源（コイル電流を制御している電源）には、自己誘導による電圧が電流の変化を妨げるように作用するため、当該電源には、それに応じた高い出力電圧が要求される。その結果、電源の電圧が、定格電圧まで上げられる場合がある。第２に、複数のコイル間には相互誘導が存在するため、ステップ間で複数の磁場発生コイルの電流を高速に変化させた場合、１つのコイル電流制御電源には、電源自身が制御して出力している定格電圧に加え、他のコイルの電流が変化する事により発生する相互誘導電圧が印加される。コイルの自己誘導電圧の発生に起因して定格電圧を出力している電源に相互誘導電圧が加わると、電源に定格電圧を超える過大な電圧が作用する場合がある。この過大な電圧からコイル電流制御電源を保護するため、高速に電流を変化させることは困難であった。
そこで、本発明の目的は、短時間にプラズマ生成領域の分布を切り替えることが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明による代表的なプラズマ処理装置は、試料がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を形成する磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
第１の電源から第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数または第２の電源から第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数を制御する応答時定数変更装置を更に備え、
前記磁場形成手段は、前記処理室内に磁場を形成する前記第１の磁場形成用コイルに電流を流す第１の電源と前記処理室内に磁場を形成する前記第２の磁場形成用コイルに電流を流す第２の電源とを具備し、
前記第１の磁場形成用コイルにおける、磁場変更によってプラズマ生成領域の位置を変更する効果の大きさは、前記第２の磁場形成用コイルにおける、磁場変更によってプラズマ生成領域の位置を変更する効果の大きさより大きく、
前記第１の電源から第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数は、前記第２の電源から第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数より小さいことを特徴とする。
また、本発明による代表的なプラズマ処理装置は、試料がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を形成する磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
第１の磁場形成用コイルに流れる電流の大きさの変化量が第２の磁場形成用コイルに流れる電流の大きさの変化量よりも大きくなるように第１の電源および第２の電源を制御する制御装置をさらに備え、
前記磁場形成手段は、前記処理室内に磁場を形成する前記第１の磁場形成用コイルに電流を流す前記第１の電源と前記処理室内に磁場を形成する前記第２の磁場形成用コイルに電流を流す前記第２の電源とを具備し、
前記第１の電源から前記第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数は、前記第２の電源から前記第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数より小さいことを特徴とする。
また、本発明による代表的なプラズマ処理装置は、試料がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を形成する磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
前記磁場形成手段は、前記処理室内に磁場を形成する第１の磁場形成用コイルに電流を流す第１の電源と前記処理室内に磁場を形成する第２の磁場形成用コイルに電流を流す第２の電源と前記第２の磁場形成用コイルの上方に配置され前記処理室内に磁場を形成する第３の磁場形成用コイルとを具備し、
前記第１の磁場形成用コイルは、前記第２の磁場形成用コイルの下方に配置され、
前記第１の磁場形成用コイルにおける、磁場変更によってプラズマ生成領域の位置を変更する効果の大きさは、前記第２の磁場形成用コイルにおける、磁場変更によってプラズマ生成領域の位置を変更する効果の大きさより大きく、
前記第１の電源から前記第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数は、前記第２の電源から前記第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数より小さいことを特徴とする。
本発明により、短時間にプラズマ生成領域の分布を切り替えることが可能なプラズマ処理装置を提供することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、第１の実施形態におけるプラズマ処理装置の一例であって、磁場形成用コイルを２つ備えたプラズマ処理装置の構成を模式的に示す概略縦断面図である。 図２は、２つの磁場形成用コイルのうち、１つの磁場形成用コイルを流れる電流の電流値のみを変化させるときの電流制御電源における電圧の変化および電流の変化を示した図である。 図３は、２つの磁場形成用コイルを流れる電流値を同時に変化させるとき、相互誘導電圧によって各コイル電流制御電源に定格電圧を超える電圧が作用する様子を示した図である。 図４は、２つのコイル電流制御電源の応答時定数が異なることにより、２つの磁場形成用コイルを流れる電流の電流値を同時に変化させる場合であっても、各コイル電流制御電源に定格電圧を超える電圧が作用しない様子を示した図である。 図５は、第１電流制御電源に第１の応答時定数変更装置が接続され、第２電流制御電源に第２の応答時定数変更装置が接続された様子を示す模式図である。 図６は、第１の実施形態におけるプラズマ処理方法の一例を示すフローチャートである。 図７は、第２の実施形態におけるプラズマ処理装置の一例であって、磁場形成用コイルを３つ備えたプラズマ処理装置の構成を模式的に示す概略縦断面図である。 図８は、第３電流制御電源に第３の応答時定数変更装置が接続された様子を示す模式図である。
（第１の実施形態）
以下、図面を参照して、第１の実施形態におけるプラズマ処理装置１およびプラズマ処理方法について説明する。
図１は、第１の実施形態におけるプラズマ処理装置の一例であって、２つの磁場形成用コイル（１１１ａ、１１１ｂ）を備えたプラズマ処理装置１の構成を模式的に示す概略縦断面図である。
（プラズマ処理装置１の概要）
第１の実施形態におけるプラズマ処理装置１の概要について説明する。プラズマ処理装置１は、電磁波を供給する電磁波供給装置１０と、磁場形成手段１１１と、ガスを供給するガス供給装置１０５と、試料がプラズマ処理される処理室１０４とを含む。
電磁波供給装置１０は、電磁波を、処理室１０４に供給する装置であり、例えば、マイクロ波の高周波電力（マイクロ波生成用の高周波電力）を供給する高周波電源１０９と、導波管１０７（または、電磁波放射手段であるアンテナ）とを含む。
磁場形成手段１１１は、処理室１０４内に磁場を生成する。図１に記載の例では、磁場形成手段１１１は、２個の磁場形成用コイル、すなわち、第１の磁場形成用コイル１１１ａ、および、第２の磁場形成用コイル１１１ｂを備える。また、磁場形成手段１１１は、第１の磁場形成用コイル１１１ａに電流を流す第１の電源（第１電流制御電源１１２ａ）、および、第２の磁場形成用コイル１１１ｂに電流を流す第２の電源（第２電流制御電源１１２ｂ）を備える。図１に記載の例では、第１電流制御電源１１２ａが、第１の磁場形成用コイル１１１ａに接続され、第２電流制御電源１１２ｂが、第２の磁場形成用コイル１１１ｂに接続されている。
なお、磁場形成手段１１１が備える磁場形成用コイルの数は、３個以上であってもよく、磁場形成手段１１１が備える電源の数は、３個以上であってもよい。
ガス供給装置１０５は、プラズマ化されるガスを供給する装置である。ガス供給装置１０５は、処理室１０４に接続されたガス供給管１０５ｐを含む。
処理室１０４は、マイクロ波と、磁場形成手段１１１により生成される磁場との相互作用によりガス供給装置１０５（ガス供給管１０５ｐ）から供給されるガスがプラズマ化される室である。図１に記載の例では、処理室１０４内に、プラズマによって処理される試料（例えば、半導体処理基板１１３）と、当該試料を支持する載置台（例えば、試料台１１４）とが配置されている。
第１の実施形態におけるプラズマ処理装置１は、第１の磁場形成用コイル１１１ａによる磁場変更の感度が、第２の磁場形成用コイル１１１ｂによる磁場変更の感度より強く、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数よりも小さいことを特徴とする。なお、応答時定数とは、例えば、入力（例えば、コイルを流れる電流の目標値、すなわち、電流設定値）がステップ状に変化した時、出力変化（例えば、コイルを流れる電流の変化）が全変化分の所定の割合(例えば、６３．２％)に達するまでの時間を意味する。第１の磁場形成用コイル１１１ａによる磁場変更の感度が、第２の磁場形成用コイル１１１ｂによる磁場変更の感度より強く、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数よりも小さいことによる効果については、後述される。
（プラズマ処理装置１の詳細）
第１の実施形態におけるプラズマ処理装置１について、より詳細に説明する。
（真空容器１０１）
図１に記載の例では、プラズマ処理装置１は、真空容器１０１を含む。真空容器１０１は、処理室１０４と真空排気口１０６とを含む。処理室１０４は、真空排気口１０６および真空排気口に取り付けられる配管を介して、真空排気装置（図１には図示されず）に接続される。真空排気装置の運転により、処理室１０４内の圧力が制御される。
（シャワープレート１０２）
シャワープレート１０２は、真空容器１０１内に配置され、処理室１０４内に、エッチングガス等の処理ガスを導入するために用いられる。すなわち、シャワープレート１０２の一方側の空間が処理室１０４であり、シャワープレート１０２の他方側の空間には、上述のガス供給管１０５ｐからガスが供給される。図１に記載の例では、シャワープレート１０２は、複数のガス噴出口を備える。
（誘電体窓１０３）
誘電体窓１０３は、真空容器１０１内に配置される。図１に記載の例では、誘電体窓１０３は、真空容器１０１内の空間を、処理室１０４と空洞共振器１０８とに分割する。すなわち、誘電体窓１０３と真空容器１０１の一部とによって、減圧可能な処理室１０４が規定され、誘電体窓１０３と真空容器１０１の他の一部とによって空洞共振器１０８が規定されている。
誘電体窓１０３は、例えば、アルミナ等のセラミック、石英等の誘電体によって構成され、処理室１０４の上部を気密に封止する。空洞共振器１０８内の電磁波の一部は、誘電体窓１０３を介して、処理室１０４内に導入される。
図１に記載の例では、誘電体窓１０３と載置台（例えば、試料台１１４）との間に、シャワープレート１０２が配置されている。
（ガス供給装置１０５）
ガス供給装置１０５は、ガス供給管１０５ｐを介して、プラズマエッチング処理等の処理を行うためのガス（例えば、酸素、塩素等）を供給する。図１に記載の例では、ガス供給管１０５ｐの一端は、誘電体窓１０３とシャワープレート１０２との間の空間に連通している。
（電磁波供給装置１０）
電磁波供給装置１０は、プラズマを生成するための電磁波を処理室１０４に供給する。電磁波供給装置１０は、電磁波を放射する導波管１０７（またはアンテナ）を含む。図１に記載の例では、誘電体窓１０３の上方には電磁波を放射する導波管１０７が設けられているが、誘電体窓１０３の上方に、電磁波を放射するアンテナが設けられてもよい。
図１に記載の例では、高周波電源１０９が、マイクロ波の高周波電力（マイクロ波生成用の高周波電力）を供給する。そして、高周波電源１０９によって発振された電磁波（マイクロ波）が、電磁波整合器１１０を介して、導波管１０７に伝送される。電磁波整合器１１０は、高周波電源１０９によって発振された電磁波ビームの強度、位相を所望の強度、位相に整形する整合器であり、高周波電源１０９によって発振された電磁波ビームを、導波管１０７に効率的に結合させる。
（空洞共振器１０８）
空洞共振器１０８は、導波管１０７から伝播してきた電磁波によって空洞共振器１０８内に特定のモードの定在波を形成する。電磁波の周波数は特に限定されない。例えば、電磁波は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波である。
（磁場形成手段１１１）
磁場形成手段１１１は、電磁波供給装置１０から供給されるマイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を形成する。磁場形成手段１１１は、複数の磁場形成用コイル（１１１ａ、１１１ｂ）を備える。図１に記載の例では、処理室１０４の外部に、第１の磁場形成用コイル１１１ａおよび第２の磁場形成用コイル１１１ｂが配置されている。図１に記載の例では、処理室１０４を囲むように第１の磁場形成用コイル１１１ａが配置され、処理室１０４の上方に第２の磁場形成用コイル１１１ｂが配置されている。しかし、第１の磁場形成用コイル１１１ａおよび第２の磁場形成用コイル１１１ｂの配置は、図１に記載の例に限定されない。
第１の磁場形成用コイル１１１ａには、当該第１の磁場形成用コイルを流れる電流を制御する第１電流制御電源１１２ａ（コイル電流制御電源）が接続され、第２の磁場形成用コイル１１１ｂには、当該第２の磁場形成用コイルを流れる電流を制御する第２電流制御電源１１２ｂ（コイル電流制御電源）が接続されている。
高周波電源１０９によって発振された電磁波による電界（マイクロ波電界）と、磁場形成手段１１１により形成された磁場との電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）により、処理室１０４内のガスはプラズマ化される。
（試料台１１４）
シャワープレート１０２に対向した処理室１０４下部には、試料（例えば、半導体処理基板１１３）の載置台を兼ねる試料台１１４が配置されている。試料台１１４には、高周波整合器１１５（インピーダンス整合器）を介して、高周波電源１１６が接続される。高周波電源１１６から試料台１１４に高周波電力を供給することにより、一般的にセルフバイアスとよばれる負の電圧が試料台１１４上に発生し、セルフバイアスによってプラズマ中のイオンが加速され、イオンが半導体処理基板１１３に垂直に入射される。その結果、試料（半導体処理基板１１３）がエッチング処理される。
（磁場形成用コイルを流れる電流の制御）
第１電流制御電源１１２ａ、第２電流制御電源１１２ｂには、制御装置１２０が接続されており、制御装置１２０は、実行される処理工程にあわせて、第１電流制御電源１１２ａ、第２電流制御電源１１２ｂを制御する。
より具体的には、制御装置１２０は、第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流の大きさを設定する第１電流設定信号を、第１電流制御電源１１２ａに送信し、第２の磁場形成用コイル１１１ｂを流れる電流の大きさを設定する第２電流設定信号を、第２電流制御電源１１２ｂに送信する。
２．４５ＧＨｚの電磁波と電子サイクロトロン共鳴を起こしてプラズマを生成するには、０．０８７５Ｔの磁場が必要である。その強い磁場を発生させるため、磁場形成用コイルとして１００ｍＨ以上１０００ｍＨ以下の自己インダクタンスを有するコイルが使用され、また、各電源１１２は、１０Ａ以上６０Ａ以下程度の電流を対応する磁場形成用コイルに供給する。各電源１１２（各電流制御電源）から磁場形成用コイルに供給される電流の電流値を制御することによって、処理室１０４内において、電子サイクロトロン共鳴を誘起するための磁場強度の分布が精密に制御され、かつ、半導体処理基板１１３に対するプラズマ生成位置を移動させることができる。
なお、電源１１２に加え、ガス供給装置１０５、真空排気装置、高周波電源１０９、高周波電源１１６が制御装置１２０に接続され、制御装置１２０が、実行される処理工程（プロセス条件）にあわせて、これらの装置を制御するようにしてもよい。プラズマ処理装置１が、複数のプラズマ処理工程を実行する場合、制御装置１２０は、各処理工程にあわせて、順に装置パラメータを制御する。こうして、半導体処理基板１１３のエッチング処理が実行される。
次に、２つの磁場形成用コイル（１１１ａ、１１１ｂ）のうち、第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流の電流値のみを、第１電流制御電源１１２ａを用いて変化させる場合を想定する。図２は、２つの磁場形成用コイル（１１１ａ、１１１ｂ）のうち、第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流の電流値のみを変化させるときの第１電流制御電源１１２ａにおける電圧の変化および電流の変化を示した図である。
第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流の電流値を変化させる場合、第１の磁場形成用コイル１１１ａには自己誘導による逆起電力が発生する。このため、第１の磁場形成用コイル１１１ａの抵抗成分に対する電圧に加えて、逆起電力に対応する高い電圧を、第１の磁場形成用コイル１１１ａに付加する必要がある。また、自己誘導による電圧の大きさは、電流の変化速度に比例するため、速く電流値を変化させようとする場合には、出来るだけ高い電圧を第１の磁場形成用コイル１１１ａに印加する必要がある。そのため、第１電流制御電源１１２ａは、出力可能な最大の電圧である定格電圧に近い電圧を出力する（図２における矢印Ａで示される電圧を参照）。
次に、第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流値および第２の磁場形成用コイル１１１ｂを流れる電流値を、第１電流制御電源１１２ａおよび第２電流制御電源１１２ｂを用いて変化させる場合を想定する。図３は、２つの磁場形成用コイル（１１１ａ、１１１ｂ）を流れる電流の電流値を共に変化させるときの第１電流制御電源１１２ａにおける電圧の変化および電流の変化、並びに、第２電流制御電源１１２ｂにおける電圧の変化および電流の変化を示した図である。
２つの磁場形成用コイル（１１１ａ、１１１ｂ）を流れる電流の電流値を同時に変化させる場合、自己誘導による逆起電力に対抗して、各電流制御電源（１１２ａ、１１２ｂ）は、定格電圧に近い電圧を対応する磁場形成用コイルに印加する。この時、２つの磁場形成用コイル間の相互誘導により、各磁場形成用コイル（１１１ａ、１１１ｂ）には、正の電圧が更に加わる。これにより、第１の磁場形成用コイル１１１ａには、第１電流制御電源１１２ａの定格電圧を超える電圧が印加されることとなる（図２における矢印Ｂで示される電圧を参照）。第１電流制御電源１１２ａからこの電圧を見た場合、電源の定格を超える電圧が第１の磁場形成用コイル１１１ａに作用していることとなる（過電圧状態）。当該過電圧状態は、電源の故障等の要因になる。このため、プラズマ処理装置においては、相互誘導により過電圧状態が生じないようにするため、磁場形成用コイルの電流を速く変更することができない。
また、図３に記載の例の場合、一方の磁場形成用コイルを流れる電流が大きくなる場合に、他方の磁場形成用コイルに相互誘導による正の電圧が発生しているが（正結合）、磁場形成用コイル同士の結合の態様によっては、一方の磁場形成用コイルを流れる電流が大きくなる場合に、他方の磁場形成用コイルに相互誘導による負の電圧が発生する場合（負結合）がある。負結合の場合には、一方の磁場形成用コイルを流れる電流を大きくし、他方の磁場形成用コイルを流れる電流を小さくするよう制御した場合に、電流制御電源による印加電圧の変化の極性（正負）と、相互誘導により発生する電圧の極性（正負）が同じになる。このような電流制御を行う場合、正結合の場合と同様に、２つの磁場形成用コイルを流れる電流の電流値を同時に速く変化させようとしたときに、少なくとも一方の磁場形成用コイルに、電流制御電源の定格電圧を超える電圧が作用する可能性がある。このため、このような電流制御を行う場合にも、同時に複数の磁場形成用コイルの電流を速く変更することができない。
（電流制御電源が過電圧状態になるのを防止する方法）
以下、第１の実施形態において、電源１１２が過電圧状態になるのを防止する方法について説明する。
処理室内にＥＣＲ磁場を発生させる複数の磁場形成用コイルのうち、第１の磁場形成用コイル１１１ａの処理プロセスに与える影響が、第２の磁場形成用コイル１１１ｂの処理プロセスに与える影響よりも大きい場合を想定する。この場合、第１の実施形態では、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数よりも小さくなるように２つの応答時定数が設定される。
図４は、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数の１／５以下である場合に、２つの磁場形成用コイル（１１１ａ、１１１ｂ）を流れる電流の電流値を共に変化させるときの第１電流制御電源１１２ａにおける電圧の変化および電流の変化、並びに、第２電流制御電源１１２ｂにおける電圧の変化および電流の変化を示した図である。
第１の実施形態では、２つの応答時定数を異ならせることにより、制御装置１２０が、第１電流制御電源１１２ａおよび第２電流制御電源１１２ｂに、同時に電流を変化させる制御信号を送信しても、第１電流制御電源１１２ａおよび第２電流制御電源１１２ｂが過電圧状態とならない。具体的には、第１の磁場形成用コイル１１１ａの自己誘導に対抗して第１電流制御電源１１２ａが高い電圧を出力し、かつ、第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流が変化して、第２の磁場形成用コイル１１１ｂに相互誘導による電圧が発生している第１タイミング（図４を参照）と、第２の磁場形成用コイル１１１ｂの自己誘導に対抗して第２電流制御電源１１２ｂが高い電圧を出力し、かつ、第２の磁場形成用コイル１１１ｂを流れる電流が変化して、第１の磁場形成用コイル１１１ａに相互誘導による電圧が発生している第２タイミングとが互いに異なることにより、第１電流制御電源１１２ａおよび第２電流制御電源１１２ｂが過電圧状態となることが防止される。
図４に記載の例では、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数の１／５以下であるが、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数は、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数の１／２以下、１／３以下、あるいは、１／１０以下であってもよい。第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数の１／２以下であることにより、上述の第１タイミングと第２タイミングとの間の時間差が確保され、電源１１２が過電圧状態になるのが好適に防止される。
（応答時定数を小さくする電源の選択）
第１の実施形態では、磁場変更の感度が強い磁場形成用コイルに対応する電源の応答時定数が、磁場変更の感度が弱い磁場形成用コイルに対応する電源の応答時定数よりも小さくなるように設定される。例えば、第１の磁場形成用コイル１１１ａによる磁場変更の感度が、第２の磁場形成用コイル１１１ｂによる磁場変更の感度よりも強い場合、第１の磁場形成用コイル１１１ａに対応する第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２の磁場形成用コイル１１１ｂに対応する第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数より小さくなるように設定される。ここで、「磁場変更の感度」とは、磁場変更が、試料（例えば、半導体処理基板１１３）の処理に与える影響の大きさ、より具体的には、例えば、プラズマ生成領域の位置を変える効果の大きさを意味する。
磁場変更の感度が強い磁場形成用コイルの具体例について説明する。複数の電源（１１２ａ、１１２ｂ）のうち電流設定値の変化がより大きい方の電源に対応する磁場形成用コイルは、磁場変更の感度が強い磁場形成用コイルの第１例である。
磁場強度は電流の大きさに比例するため、電流設定値の変化が大きい磁場形成用コイルが磁場分布、および、磁場分布によって決まるプラズマ発生領域の分布に与える影響は大きい（感度が強い）。この場合、２つのプラズマ処理工程間で電流設定値の変化が一番大きな磁場形成用コイルに接続されている電流制御電源の応答性を速くすれば、プラズマ発生領域の分布を変化させる速度を速くすることができる。
例えば、第１の実施形態におけるプラズマ処理装置が、第１電流制御電源１１２ａおよび第２電流制御電源１１２ｂを制御する制御装置１２０を備え、かつ、制御装置１２０が、第１の磁場形成用コイル１１１ａに流れる電流の大きさの変化量が第２の磁場形成用コイル１１１ｂに流れる電流の大きさの変化量よりも大きくなるように、第１電流制御電源１１２ａおよび第２電流制御電源１１２ｂを制御する場合を想定する。この場合、磁場変更の感度の強い第１の磁場形成用コイル１１１ａに接続されている第１電流制御電源１１２ａの応答性を速くすれば（応答時定数を小さくすれば）、プラズマ発生領域の分布を変化させる速度を速くすることができる。
載置台（換言すれば、半導体処理基板１１３）からの距離がより近い磁場形成用コイルは、磁場変更の感度が強い磁場形成用コイルの第２例である。
磁場形成用コイルによって作られる磁場は、磁場形成用コイルに近いほど強くなる。よって、載置台（換言すれば、半導体処理基板１１３）からの距離が短い磁場形成用コイルによって作られる磁場は、半導体処理基板１１３に対するプラズマ生成領域の位置を変える効果が大きい（感度が強い）。この場合、複数の磁場形成用コイルのうち、載置台（換言すれば、半導体処理基板１１３）からの距離がより近い磁場形成用コイルに接続されている電流制御電源の応答性を速くすれば、プラズマ発生領域の分布を変化させる速度を速くすることができる。なお、図１に記載の例では、第１の磁場形成用コイル１１１ａが、第２の磁場形成用コイル１１１ｂの下方に配置されている。このため、第１の磁場形成用コイル１１１ａが、載置台（換言すれば、半導体処理基板１１３）により近い磁場形成用コイルであり、磁場変更の感度が強い磁場形成用コイルである。
第１の実施形態におけるプラズマ処理装置は、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数または第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数を制御する応答時定数変更装置を備えていてもよい。応答時定数変更装置を用いて、電源１１２の応答時定数を変化させる方法としては、様々な方法がある。例えば、図５に示されるように、制御装置１２０と、電源１１２との間にＲＣ回路によるローパスフィルター１３０を介在させ、電流設定値の変化を伝える速度を変化させることにより、電源１１２の応答性（応答時定数）を変えることができる。なお、ＲＣ回路において、抵抗として可変抵抗を用いるか、あるいは、コンデンサとして可変静電容量のコンデンサを用いれば、ローパスフィルター１３０の応答時定数を簡単に変更することができる。この場合、各電源１１２に接続されたローパスフィルター１３０の応答時定数の変更によって、当該各電源１１２の応答性（応答時定数）を制御することができる。すなわち、複数の電源１１２のうちどの電源の応答性を他の電源よりも速くするかを自由に選択することができるようになる。なお、ローパスフィルター１３０は、応答時定数変更装置の一態様であるが、応答時定数変更装置は、ローパスフィルター１３０以外の装置、例えば、コンピュータであってもよい。この場合、コンピュータがソフトウェアを実行することにより、応答時定数変更装置として機能する。
各ローパスフィルター１３０の応答時定数の変更は、制御装置１２０からの制御信号に基づいて行われることが好ましい。例えば、プラズマ処理装置１が、第１処理工程を実行するのに先立ち、制御装置１２０は、第１電流制御電源１１２ａに接続された第１ローパスフィルター１３０ａの応答時定数を第１値に設定し、第２電流制御電源１１２ｂに接続された第２ローパスフィルター１３０ｂの応答時定数を第２値に設定する。第１値、第２値の設定は、各ローパスフィルターの可変抵抗の抵抗値および／または各ローパスフィルターの可変静電容量の静電容量値を変更することにより行われてもよい。次に、プラズマ処理装置１が、第２処理工程を実行するのに先立ち、制御装置１２０は、第１電流制御電源１１２ａに接続された第１ローパスフィルター１３０ａの応答時定数を第３値（第１変更値）に設定し、第２電流制御電源１１２ｂに接続された第２ローパスフィルター１３０ｂの応答時定数を第４値（第２変更値）に設定する。その後、プラズマ処理装置１は、第２処理工程を実行する。
以上のとおり、各処理工程の実行に先立ち、各ローパスフィルター１３０の応答時定数を変更することにより、応答時定数を小さくする電源を自由に選択することが可能となる。
第１の実施形態におけるプラズマ処理装置１では、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２電流制御電源の応答時定数よりも小さい。このため、複数の処理工程によって構成されるプラズマ処理の各工程に対応して、複数の磁場形成用コイルに供給する電流の大きさを同時に変化させる場合であっても、短時間で、プラズマ生成領域の分布を切り替えることができる。すなわち、１つの処理工程から、別の処理工程への切り替えを速やかに実行することができる。特に、磁場変更の感度が強い磁場形成用コイルに接続された電流制御電源の応答時定数を、他の磁場形成用コイルに接続された電流制御電源の応答時定数よりも小さくすることにより、短時間で、プラズマ生成領域の分布を切り替え、かつ、プラズマ生成領域の分布を安定化することができる。また、第１の実施形態では、短時間で、プラズマ生成領域の分布を切り替えることができるため、各処理工程の時間を短くし、処理工程の繰り返し回数を増やすことにより、形状制御性が高く、選択比が高いプラズマ処理を行うことができる。なお、選択比とは、エッチングしたい部分のエッチングレートを、エッチングしたくない部分のエッチングレートで除して得られる値のことである。
（プラズマ処理方法）
図６を参照して、第１の実施形態におけるプラズマ処理方法の一例について説明する。図６は、第１の実施形態におけるプラズマ処理方法の一例を示すフローチャートである。
プラズマ処理方法は、第１の実施形態におけるプラズマ処理装置１を用いて実行される。第１ステップＳＴ１において、プラズマ処理装置１は、第１処理工程を実行する。第１処理工程は、例えば、エッチング処理工程である。
第１ステップＳＴ１において、第１の磁場形成用コイル１１１ａに第１電流値に対応する電流が流され、第２の磁場形成用コイル１１１ｂに第２電流値に対応する電流が流される。その結果、処理室１０４内においてプラズマが生成され、試料（例えば、半導体処理基板１１３）には、プラズマにより第１処理（例えば、エッチング処理）が施される。
より具体的には、第１ステップＳＴ１において、電磁波供給装置１０は、電磁波を処理室１０４に供給する。電磁波は、例えば、マイクロ波（波長が、１００μｍ以上１ｍ以下の電磁波）である。また、ガス供給装置１０５は、プラズマ化されるガスを処理室１０４に供給する。また、第１の磁場形成用コイル１１１ａおよび第２の磁場形成用コイル１１１ｂは、処理室１０４内に磁場を生成する。その結果、処理室１０４内において、マイクロ波と、複数の磁場形成用コイルにより生成される磁場との相互作用によりガスがプラズマ化される。プラズマ化されたガスにより、処理室１０４内の試料（載置台上の基板）は、第１処理される。
第２ステップＳＴ２において、プラズマ処理装置１は、第２処理工程を実行する。第２処理工程は、例えば、試料（例えば、半導体処理基板１１３）の表面に被膜を形成する処理工程である。
第２ステップＳＴ２において、第１の磁場形成用コイル１１１ａに第３電流値に対応する電流が流され、第２の磁場形成用コイル１１１ｂに第４電流値に対応する電流が流される。その結果、処理室１０４内においてプラズマが生成され、試料（例えば、半導体処理基板１１３）には、プラズマにより第２処理（例えば、被膜を形成する処理）が施される。なお、第３電流値は、第１電流値とは異なる電流値であり、第４電流値は、第２電流値とは異なる電流値である。
より具体的には、第２ステップＳＴ２において、電磁波供給装置１０は、電磁波を処理室１０４に供給する。電磁波は、例えば、マイクロ波である。また、ガス供給装置１０５は、プラズマ化されるガスを処理室１０４に供給する。また、第１の磁場形成用コイル１１１ａおよび第２の磁場形成用コイル１１１ｂは、処理室１０４内に磁場を生成する。その結果、処理室１０４内において、マイクロ波と、複数の磁場形成用コイルにより生成される磁場との相互作用によりガスがプラズマ化される。プラズマ化されたガスにより、処理室１０４内の試料（載置台上の基板）は、第２処理される。
なお、第２ステップＳＴ２において、ガス供給装置１０５が供給するガスの種類は、第１ステップＳＴ１において、ガス供給装置１０５が供給するガスの種類とは異なっていてもよい。また、第２ステップＳＴ２（第２処理工程）の実行前に、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第１値から他の値（第３値）に変更されてもよい。当該変更により、第２処理工程の実行時に、第１の磁場形成用コイル１１１ａおよび／または第２の磁場形成用コイル１１１ｂに作用する電圧が定格電圧を超えることが効果的に抑制される。同様に、第２ステップＳＴ２（第２処理工程）の実行前に、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数が、第２値から他の値（第４値）に変更されてもよい。
第１の実施形態におけるプラズマ処理方法では、第１電流制御電源１１２ａの応答時定数が、第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数よりも小さい。このため、上述のとおり、第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流の電流値を、第１電流値から第３電流値に、速やかに変更する場合であっても、第１の磁場形成用コイル１１１ａおよび第２の磁場形成用コイル１１１ｂに作用する電圧が、定格電圧以上とならない。その結果、第１処理工程から第２処理工程への切り替えを迅速に行うことができる。
なお、第１の実施形態におけるプラズマ処理方法において、第３電流値と第１電流値との差分の絶対値は、第４電流値と第２電流値との差分の絶対値よりも大きくてもよい。この場合、第１の磁場形成用コイル１１１ａによって生成される磁界の変化が、プラズマ発生領域の変化に与える寄与度が、第２の磁場形成用コイル１１１ｂによって生成される磁界の変化が、プラズマ発生領域の変化に与える寄与度よりも相対的に大きいと言える。よって、第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流の電流値が、第１電流値から第３電流値に、速やかに変更されることにより、プラズマ発生領域の変更を迅速に実行することができる。
代替的に、あるいは、付加的に、第１の磁場形成用コイル１１１ａと載置台（例えば、試料台１１４）との間の距離は、第２の磁場形成用コイル１１１ｂと載置台（例えば、試料台１１４）との間の距離よりも短くてもよい。この場合、第１の磁場形成用コイル１１１ａによって生成される磁界の変化が、試料（例えば、半導体処理基板１１３）近傍のプラズマ発生領域の変化に与える寄与度が、第２の磁場形成用コイル１１１ｂによって生成される磁界の変化が、試料近傍のプラズマ発生領域の変化に与える寄与度よりも相対的に大きいと言える。よって、第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流の電流値が、第１電流値から第３電流値に、速やかに変更されることにより、試料近傍のプラズマ発生領域の変更を迅速に実行することができる。
なお、図４に示されるように、第２処理工程において第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流が定常値になるのは、第２処理工程において第２の磁場形成用コイル１１１ｂを流れる電流が定常値になるのよりも早いことが好ましい。第１の磁場形成用コイル１１１ａを流れる電流が迅速に定常値（第３電流値）になることにより、第２処理工程におけるプラズマ発生領域が迅速に安定化する。
（第２の実施形態）
図７および図８を参照して、第２の実施形態におけるプラズマ処理装置１’について説明する。図７は、第２の実施形態におけるプラズマ処理装置１’の一例であって、磁場形成用コイルを３つ備えたプラズマ処理装置の構成を模式的に示す概略縦断面図である。図８は、第３電流制御電源１１２ｃに第３の応答時定数変更装置が接続された様子を示す模式図である。
第２の実施形態におけるプラズマ処理装置１’（磁場形成手段１１１）は、第３の磁場形成用コイル１１１ｃ、および、第３の電源（第３電流制御電源１１２ｃ）を備える点で、第１の実施形態におけるプラズマ処理装置１とは異なる。その他の点では、第２の実施形態におけるプラズマ処理装置１’は、第１の実施形態におけるプラズマ処理装置１と同様である。このため、第２の実施形態では、第３の磁場形成用コイル１１１ｃ、および、第３電流制御電源１１２ｃを中心に説明し、第１の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明を省略する。
図７に記載の例では、第３の磁場形成用コイル１１１ｃは、第２の磁場形成用コイル１１１ｂの上方に配置され、処理室１０４内に磁場を形成する磁場形成用コイルである。また、第３電流制御電源１１２ｃは、第３の磁場形成用コイル１１１ｃに接続され、第３の磁場形成用コイル１１１ｃに電流を流す電源である。
図７に記載の例では、第３の磁場形成用コイル１１１ｃが、第１の磁場形成用コイル１１１ａおよび第２の磁場形成用コイル１１１ｂの上方に配置されている。よって、第３の磁場形成用コイル１１１ｃは、第１の磁場形成用コイル１１１ａおよび第２の磁場形成用コイル１１１ｂと比較して、載置台（換言すれば、半導体処理基板１１３）からより遠い磁場形成用コイルであり、磁場変更の感度が弱い磁場形成用コイルである。このため、第３の磁場形成用コイル１１１ｃに電流を流す第３電流制御電源１１２ｃの応答時定数は、第１電流制御電源１１２ａおよび／または第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数よりも大きくてもよい。第３電流制御電源１１２ｃの応答時定数を、第１電流制御電源１１２ａおよび／または第２電流制御電源１１２ｂの応答時定数よりも大きくすることにより、磁場形成用コイル間の相互誘導に起因して、第１電流制御電源１１２ａ、第２電流制御電源１１２ｂ、および第３電流制御電源１１２ｃが過電圧状態となることが防止される。
なお、図７に記載の例では、第３電流制御電源１１２ｃは、制御装置１２０に接続されており、制御装置１２０は、第３電流制御電源１１２ｃを制御する。制御装置１２０が第３電流制御電源１１２ｃを制御することにより、第３の磁場形成用コイル１１１ｃに流れる電流の大きさを変化させることが可能である。
図８に示されるように、第２の実施形態におけるプラズマ処理装置１’は、第３電流制御電源１１２ｃの応答時定数を制御する応答時定数変更装置（例えば、第３ローパスフィルター１３０ｃ）を備えていてもよい。第３ローパスフィルター１３０ｃの応答時定数の変更は、例えば、制御装置１２０からの制御信号に基づいて行われる。プラズマ処理装置１’が、第３電流制御電源１１２ｃの応答時定数を制御する応答時定数変更装置を備える場合には、試料の特性あるいは試料に対する処理の種類等に対応して、第３電流制御電源１１２ｃの応答時定数を自由に変更することが可能となる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されない。本発明の範囲内において、上述の実施形態の任意の構成要素の変形、もしくは、上述の実施形態の任意の構成要素の省略が可能である。
例えば、実施形態では、磁場形成用コイルの個数が２個または３個であり、電流制御電源の個数が２個または３個である場合について説明されたが、磁場形成用コイルの個数および電流制御電源の個数は、それぞれ４個以上であってもよい。プラズマ処理装置が、４個以上の磁場形成用コイルを備える場合には、例えば、２つの連続する処理工程間における設定電流変化量の最も大きな磁場形成用コイルに接続された電流制御電源の応答時定数を、それ以外の磁場形成用コイルに接続された電流制御電源の応答時定数よりも小さくすればよい。代替的に、あるいは、付加的に、載置台からの距離が最も近い磁場形成用コイルに接続された電流制御電源の応答時定数を、それ以外の磁場形成用コイルに接続された電流制御電源の応答時定数よりも小さくすればよい。このような構成により、プラズマ処理装置が、４個以上の磁場形成用コイルを備える場合であっても、各磁場形成用コイルに作用する電圧が定格電圧を超えない状態で、迅速に、処理室内における磁場分布を切り替えることが可能となる。
また、図５、図８に記載の例では、応答時定数変更装置（例えば、ローパスフィルター）が、電流制御電源とは別体の装置として用意され、かつ、制御装置とは別体の装置として用意される場合について説明された。代替的に、応答時定数変更装置は、電流制御電源または制御装置に組み込まれていてもよい。
また、実施形態では、第１処理工程が、エッチング処理工程であり、第２処理工程が、試料の表面に被膜を形成する処理工程である場合について説明された。代替的に、第１処理工程は、エッチング処理工程以外の処理工程であってもよい。また、第２処理工程は、試料の表面に皮膜を形成する処理工程以外の処理工程であってもよい。
１ ：プラズマ処理装置
１０ ：電磁波供給装置
１０１ ：真空容器
１０２ ：シャワープレート
１０３ ：誘電体窓
１０４ ：処理室
１０５ ：ガス供給装置
１０５ｐ ：ガス供給管
１０６ ：真空排気口
１０７ ：導波管
１０８ ：空洞共振器
１０９ ：高周波電源
１１０ ：電磁波整合器
１１１ ：磁場形成手段
１１１ａ ：第１の磁場形成用コイル
１１１ｂ ：第２の磁場形成用コイル
１１１ｃ ：第３の磁場形成用コイル
１１２ ：電源
１１２ａ ：第１電流制御電源
１１２ｂ ：第２電流制御電源
１１２ｃ ：第３電流制御電源
１１３ ：半導体処理基板
１１４ ：試料台
１１５ ：高周波整合器
１１６ ：高周波電源
１２０ ：制御装置
１３０ ：ローパスフィルター
１３０ａ ：第１ローパスフィルター
１３０ｂ ：第２ローパスフィルター
１３０ｃ ：第３ローパスフィルター

Claims (5)

  1. 試料がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を形成する磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
    第１の電源から第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数または第２の電源から第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数を制御する応答時定数変更装置を更に備え、
    前記磁場形成手段は、前記処理室内に磁場を形成する前記第１の磁場形成用コイルに電流を流す第１の電源と前記処理室内に磁場を形成する前記第２の磁場形成用コイルに電流を流す第２の電源とを具備し、
    前記第１の磁場形成用コイルにおける、磁場変更によってプラズマ生成領域の位置を変更する効果の大きさは、前記第２の磁場形成用コイルにおける、磁場変更によってプラズマ生成領域の位置を変更する効果の大きさより大きく、
    前記第１の電源から第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数は、前記第２の電源から第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数より小さいことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 試料がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を形成する磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
    第１の磁場形成用コイルに流れる電流の大きさの変化量が第２の磁場形成用コイルに流れる電流の大きさの変化量よりも大きくなるように第１の電源および第２の電源を制御する制御装置をさらに備え、
    前記磁場形成手段は、前記処理室内に磁場を形成する前記第１の磁場形成用コイルに電流を流す前記第１の電源と前記処理室内に磁場を形成する前記第２の磁場形成用コイルに電流を流す前記第２の電源とを具備し、
    前記第１の電源から前記第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数は、前記第２の電源から前記第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数より小さいことを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 試料がプラズマ処理される処理室と、マイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記マイクロ波との相互作用によりプラズマを生成するための磁場を形成する磁場形成手段とを備えるプラズマ処理装置において、
    前記磁場形成手段は、前記処理室内に磁場を形成する第１の磁場形成用コイルに電流を流す第１の電源と前記処理室内に磁場を形成する第２の磁場形成用コイルに電流を流す第２の電源と前記第２の磁場形成用コイルの上方に配置され前記処理室内に磁場を形成する第３の磁場形成用コイルとを具備し、
    前記第１の磁場形成用コイルは、前記第２の磁場形成用コイルの下方に配置され、
    前記第１の磁場形成用コイルにおける、磁場変更によってプラズマ生成領域の位置を変更する効果の大きさは、前記第２の磁場形成用コイルにおける、磁場変更によってプラズマ生成領域の位置を変更する効果の大きさより大きく、
    前記第１の電源から前記第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数は、前記第２の電源から前記第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数より小さいことを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第１の電源から前記第１の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数は、前記第２の電源から前記第２の磁場形成用コイルに流れる電流における応答の時定数の１／２以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記応答時定数変更装置は、ローパスフィルターを具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
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