JP6785936B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関するものである。
マイクロ波によるプロセスガスの励起を利用したプラズマ処理装置がある。このプラズマ処理装置は、例えば、マイクロ波発振器によって発生されるマイクロ波を処理容器内に放射し、処理容器内のプロセスガスを電離してプラズマを生成する。
なお、マイクロ波の定在波に起因して処理容器内で生じる電界の偏りを抑制するための技術として、搬送波を周波数変調することによって、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する技術がある。
特開２０１２−１０９０８０号公報
しかしながら、上述した従来技術では、プラズマ密度のばらつき及びモードジャンプを抑制することまでは考慮されていない。
すなわち、従来技術は、搬送波を周波数変調することによって、所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を生成する。ここで、周波数変調により生成されたマイクロ波は、所定の周波数帯域幅において時間の経過に応じて周波数が変動するものの、ある時刻に対応して単一の周波数を有する周波数成分として存在する。
単一の周波数を有する周波数成分であるマイクロ波を用いてプラズマを生成する場合、マイクロ波の周波数を、反射波のパワーが極小となる周波数（以下「極小反射周波数」という）に周波数を合わせた場合に、最も効率よく、マイクロ波がプラズマに吸収される。しかし、反射波のパワーが極小となる周波数は、マイクロ波が効率良く吸収されると、プラズマ密度が増大し、極小反射周波数は高い周波数側にシフトする。極小反射周波数がシフトすると周波数を変動させない限り、プラズマに吸収されるマイクロ波のパワーが減少する。結果として、プラズマ密度が低下する。プラズマ密度が低下すると、極小反射周波数が周波数の低い側にシフトする。すると、プラズマに吸収されるマイクロ波のパワーが増加し、結果として、プラズマ密度が増加する。従来技術では、このようなプラズマ密度の増加と低下とが繰り返されることによって、プラズマ密度のばらつきが増大するおそれがある。これに加えて、従来技術では、プラズマモードの変化に起因してプラズマ密度が瞬間的に不連続となる現象であるモードジャンプが発生する恐れがある。
開示するプラズマ処理装置は、１つの実施態様において、処理容器と、所定の中心周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波から成る搬送波群を生成する搬送波群生成部と、前記搬送波群を用いて、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成部とを備える。
開示するプラズマ処理装置の１つの態様によれば、プラズマ密度のばらつき及びモードジャンプの発生を抑制することができるという効果を奏する。
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す図である。 図２は、搬送波群の生成方法の一例を説明するための図である。 図３Ａは、搬送波群の波形の一例を示す図である。 図３Ｂは、搬送波群の波形の一例を示す図である。 図３Ｃは、搬送波群の波形の一例を示す図である。 図３Ｄは、搬送波群の波形の一例を示す図である。 図４は、搬送波群によるプラズマ密度のばらつきの抑制を説明するための図である。 図５は、単一の周波数を有するマイクロ波を用いた場合の問題点を説明するための図である。 図６は、一実施形態における搬送波群によるプラズマ密度のばらつきの抑制のメカニズムを説明するための図である。 図７は、一実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャートである。 図８は、搬送波群又は単一の周波数を有するマイクロ波を用いてプラズマを生成した場合のプラズマ密度の推移を示す図である。 図９は、単一の周波数を有するマイクロ波を用いてプラズマを生成した場合の、プラズマ密度と、マイクロ波の進行波のパワーとの関係を示す図である。 図１０は、搬送波群を用いてプラズマを生成した場合の、プラズマ密度と、搬送波群の進行波のパワーとの関係を示す図である。 図１１Ａは、搬送波ピッチと、搬送波群に含まれる複数の搬送波の個数との関係の一例を示す図である。 図１１Ｂは、搬送波ピッチの変化に対応する、プラズマに吸収される搬送波群のパワーの変化を説明するための図である。 図１１Ｃは、搬送波ピッチと、プラズマの発光強度との関係の一例を示す図である。 図１２は、他の搬送波群の波形の一例を示す図である。 図１３は、少なくとも１つの搬送波の波形の一例を示す図である。
以下、図面を参照して本願の開示するプラズマ処理装置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付すこととする。
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す図である。図１に示すプラズマ処理装置１は、処理容器１２、ステージ１４、搬送波群生成部１６、アンテナ１８、誘電体窓２０及び制御部１００を備えている。
処理容器１２は、プラズマ処理を行うための処理空間Ｓを画成している。処理容器１２は、側壁１２ａ、及び、底部１２ｂを有する。側壁１２ａは、略筒形状に形成されている。以下、側壁１２ａの筒形状の中心において筒形状の延在する軸線Ｘを仮想的に設定し、軸線Ｘの延在方向を軸線Ｘ方向という。底部１２ｂは、側壁１２ａの下端側に設けられ、側壁１２ａの底側開口を覆う。底部１２ｂには、排気用の排気孔１２ｈが設けられている。側壁１２ａの上端部は開口している。
側壁１２ａの上端部開口は、誘電体窓２０によって閉じられている。誘電体窓２０と側壁１２ａの上端部との間にはＯリング１９が介在している。誘電体窓２０は、Ｏリング１９を介して側壁１２ａの上端部に設けられる。Ｏリング１９により、処理容器１２の密閉がより確実なものとなる。ステージ１４は、処理空間Ｓ内に収容され、被処理体Ｗが載置される。誘電体窓２０は、処理空間Ｓに対向する対向面２０ａを有する。
搬送波群生成部１６は、所定の中心周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波から成る搬送波群を生成する。例えば、搬送波群生成部１６は、基準周波数と位相を同期させたマイクロ波を発振することが可能なＰＬＬ（Phase Locked Loop）発振器と、ＰＬＬ発振器に接続されたＩＱディジタル変調器とを有する。そして、搬送波群生成部１６は、ＰＬＬ発振器から発振されるマイクロ波の周波数を中心周波数に設定する。そして、搬送波群生成部１６は、中心周波数であるマイクロ波の周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波をＩＱディジタル変調器を用いて生成することによって、搬送波群を生成する。例えば、Ｎ個の複素データシンボルを逆離散フーリエ変換し、連続信号にすれば、本発明の搬送波群を生成することが可能である。この信号の生成方法は、ディジタルテレビ放送等で用いられるＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access）変調方式と同様の方法で、実現される（例えば特許５３２０２６０号参照）。なお、搬送波群生成部１６によって生成される搬送波群における中心周波数及び周波数帯域は、後述する制御部１００によって制御される。
図２は、搬送波群の生成方法の一例を説明するための図である。図２において、波形データは、予めディジタル化された符号の列である。ある時刻ｔにおける波形データＸ（ｔ）は、以下の式（１）により表される。
Ｘ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ＋θ０） ・・・ （１）
ただし、Ａ（ｔ）：ある時刻ｔにおける振幅、
θ０：初期位相
上記式（１）を加法定理を用いて展開することで、以下の式（２）が導出される。
Ｘ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｃｏｓωｔ・ｃｏｓθ０−Ａ（ｔ）ｓｉｎωｔ・ｓｉｎθ０・・・（２）
波形データＸ（ｔ）の同相成分データ（Ｉデータ：In-Phase component）Ｉ（ｔ）は、以下の式（３）により表される。また、波形データＸ（ｔ）の直交成分データ（Ｑデータ：Quadrature component）Ｑ（ｔ）は、以下の式（４）により表される。
Ｉ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｃｏｓθ０ ・・・ （３）
Ｑ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｓｉｎθ０ ・・・ （４）
上記式（２）〜（４）により、以下の式（５）が導出される。
Ｘ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）ｃｏｓωｔ−Ｑ（ｔ）ｓｉｎωｔ ・・・ （５）
上記の式（５）は、全ての波形データＸ（ｔ）がＩデータＩ（ｔ）及びＱデータＱ（ｔ）により表されることを意味する。
搬送波群生成部１６では、まず、波形データＸ（ｔ）を量子化し、かつ、逆フーリエ変換することで、ＩデータＩ（ｔ）とＱデータＱ（ｔ）とが分離される。そして、ＩデータＩ（ｔ）及びＱデータＱ（ｔ）の各々が、Ｄ/Ａ（Digital/Analog）変換され、低周波成分のみを通過させるＬＰＦ(ローパスフィルター）へ入力される。一方、ＰＬＬ発振器から発振される中心周波数（ｆｏ)の基準搬送波（例えば、マイクロ波）から、互いに９０°位相が異なる２つの基準搬送波ｃｏｓωｔ、−ｓｉｎωｔが生成される。そして、ＬＰＦから出力されるＩデータＩ（ｔ）及びＱデータＱ（ｔ）を用いて、互いに９０°位相が異なる基準搬送波ｃｏｓωｔ、−ｓｉｎωｔを変調することによって、搬送波群が生成される。すなわち、ＩデータＩ（ｔ）に基準搬送波（ｃｏｓωｔ）が乗算され、ＱデータＱ（ｔ）に基準搬送波（−ｓｉｎωｔ）が乗算され、２つの乗算結果が加算されることによって、搬送波群が生成される。本実施形態における搬送波群は、中心周波数２４５０ＭＨｚのマイクロ波を用いて、１０ｋＨｚピッチで４０ＭＨｚ帯域幅に搬送波を多重化したものである。隣り合う搬送波の位相を直交の関係（９０°位相の異なる状態）にすることで、最も近接した、多くの搬送波を配列することができる。
ここで、搬送波群生成部１６によって生成される搬送波群の波形を説明する。図３Ａ〜３Ｄは、搬送波群の波形の一例を示す図である。図３Ａは、時間軸、周波数軸及び振幅軸により構成される３次元座標空間における搬送波群の波形を示している。図３Ｂは、周波数軸及び振幅軸により構成される２次元座標空間における搬送波群の波形を示している。図３Ｃは、時間軸及び周波数軸により構成される２次元座標空間における搬送波群の波形を示している。図３Ｄは、時間軸及び振幅軸により構成される２次元座標空間における搬送波群の波形を示している。
図３Ａ〜図３Ｄに示すように、搬送波群は、所定の中心周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）を中心とする所定の周波数帯域（例えば、４０ＭＨｚ）に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波（搬送波ｆ１〜ｆ１２）から成る。各搬送波の周波数は、時間の経過に関わらず一定である。また、複数の搬送波の振幅は、同一である。各搬送波の振幅は、時間の経過に関わらず一定である。また、複数の搬送波のうち、所定の周波数帯域において周波数が隣り合う少なくとも２つの搬送波は、９０°位相が異なる。例えば、周波数が隣り合う搬送波ｆ１及び搬送波ｆ２は、９０°位相が異なる。また、所定の周波数帯域において、複数の搬送波の周波数は、一定の間隔（例えば、１０ｋＨｚ）を空けて配列される。
一実施形態のように複数の搬送波から成る搬送波群を生成することにより、搬送波群の反射波のパワーが極小となる周波数（以下「極小反射周波数」という）を、搬送波群に含まれる複数の搬送波のうちいずれかの搬送波の周波数に一致させることができる。その結果、一実施形態によれば、プラズマに吸収される搬送波群のパワーをほぼ一定に保つことができるので、プラズマ密度のばらつきを抑制することができる。
図４は、搬送波群によるプラズマ密度のばらつきの抑制を説明するための図である。図４において、横軸は、周波数［ＧＨｚ］であり、縦軸は、パワー［ｄＢｍ］である。また、図４において、グラフ５０１は、搬送波群の進行波の周波数スペクトルを示し、グラフ群５０２は、搬送波群の反射波の周波数スペクトルを示している。また、図４では、実験条件として、処理ガス及び流量：Ｃｌ２／Ａｒ＝１００／３００ｓｃｃｍ、圧力：１４０ｍＴｏｒｒが用いられたものとする。
図４のグラフ５０１及びグラフ群５０２に示すように、複数の搬送波から成る搬送波群を生成した場合、極小反射周波数と、搬送波群に含まれる複数の搬送波のうちいずれかの搬送波の周波数とが一致する。これにより、プラズマに吸収される搬送波群のパワーはほぼ一定に維持される。図４の例では、プラズマに吸収される搬送波群のパワーは、グラフ５０１と、グラフ群５０２とで挟まれる領域の面積に相当する。ここで、グラフ５０１と、グラフ群５０２の中の１つのグラフ５０２ａとで挟まれる領域の面積をＡ１とし、グラフ５０１と、グラフ群５０２の中の１つのグラフ５０２ｂとで挟まれる領域の面積をＡ２とする。面積Ａ１と面積Ａ２とはほぼ同等であるので、極小反射周波数が変動する場合であっても、プラズマに吸収される搬送波群のパワーはほぼ一定に維持されることが分かる。結果として、プラズマ密度の低下が抑制されるので、プラズマ密度のばらつきが抑制される。
ここで、一実施形態における搬送波群によるプラズマ密度のばらつきの抑制のメカニズムについて詳細に説明する。一実施形態における搬送波群によるプラズマ密度のばらつきの抑制のメカニズムを説明する前に、その前提として、単一の周波数を有するマイクロ波を用いる場合の問題点を説明する。図５は、単一の周波数を有するマイクロ波を用いた場合の問題点を説明するための図である。図５において、グラフ５１１は、マイクロ波の反射波の周波数スペクトルのうち極小反射周波数に対応する部分を示している。
図５に示すように、単一の周波数を有するマイクロ波ｆ１´を用いる場合、マイクロ波ｆ１´の単一の周波数は、極小反射周波数に一致するように固定される。すると、プラズマに吸収されるマイクロ波ｆ１´のパワーが増大し、結果として、プラズマ密度が増加する。プラズマ密度が増加すると、極小反射周波数が、図５の実線の矢印で示すように、マイクロ波ｆ１´の単一の周波数からずれる。これにより、マイクロ波ｆ１´の反射波が増大する。すると、プラズマに吸収されるマイクロ波ｆ１´のパワーが減少し、結果として、プラズマ密度が低下する。プラズマ密度が低下すると、マイクロ波ｆ１´の反射波が減少することにより、極小反射周波数が、図５の破線の矢印で示すように、マイクロ波ｆ１´の単一の周波数に近づく。すると、プラズマに吸収されるマイクロ波ｆ１´のパワーが増加し、結果として、プラズマ密度が再び増加する。単一の周波数を有するマイクロ波ｆ１´を用いる場合、このようなプラズマ密度の増加と低下とが繰り返されることによって、プラズマ密度のばらつきが増大するおそれがある。なお、搬送波を周波数変調することによって生成される所定の周波数帯域幅を有するマイクロ波を用いた場合、かかるマイクロ波もある時刻に対応して単一の周波数を有するので、同様にプラズマ密度のばらつきが増大するおそれがある。
これに対して、一実施形態における搬送波群によるプラズマ密度のばらつきの抑制のメカニズムを説明する。図６は、一実施形態における搬送波群によるプラズマ密度のばらつきの抑制のメカニズムを説明するための図である。図６において、グラフ５１２は、搬送波群の反射波の周波数スペクトルのうち極小反射周波数に対応する部分を示している。
図６に示すように、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波（搬送波ｆ１、ｆ２、ｆ３、…）から成る搬送波群を用いる場合、極小反射周波数と、搬送波群に含まれる複数の搬送波のうちいずれかの搬送波の周波数とが一致する。図６の例では、極小反射周波数と、搬送波群に含まれる複数の搬送波のうち搬送波ｆ１の周波数とが一致するものとする。すると、プラズマに吸収される搬送波ｆ１のパワーが増大し、結果として、プラズマ密度が増加する。プラズマ密度が増加すると、極小反射周波数が、図６の実線の矢印で示すように、搬送波ｆ１の周波数からずれる。すると、搬送波ｆ１の周波数からずれた極小反射周波数は、搬送波ｆ２の周波数と一致する。これにより、プラズマに吸収される搬送波ｆ２のパワーが増大し、結果として、プラズマ密度が増加する。互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波から成る搬送波群を用いる場合、プラズマ密度の増加と低下との繰り返しが回避される。その結果、プラズマ密度のばらつきが抑制される。
図１の説明に戻る。プラズマ処理装置１は、増幅器２１、導波管２２、ダミーロード２３、検出器（進行波）２４、検出器（反射波）２５、チューナ２６、モード変換器２７、及び同軸導波管２８を更に備えている。
搬送波群生成部１６は、増幅器２１を介して導波管２２に接続されている。増幅器２１は、搬送波群生成部１６によって生成される搬送波群を増幅し、増幅した搬送波群を導波管２２へ出力する。導波管２２は、例えば、矩形導波管である。導波管２２は、モード変換器２７に接続されており、モード変換器２７は、同軸導波管２８の上端に接続されている。
ダミーロード２３は、サーキュレーター２３ａを介して導波管２２に接続されている。サーキュレーター２３ａは、処理容器１２側から反射される搬送波群の反射波を抽出し、抽出した搬送波群の反射波をダミーロード２３へ出力する。ダミーロード２３は、サーキュレーター２３ａから入力される搬送波群の反射波を負荷等により熱に変換する。
検出器（進行波）２４は、方向性結合器２４ａを介して導波管２２に接続されている。方向性結合器２４ａは、処理容器１２側へ向かう搬送波群の進行波を抽出し、抽出した搬送波群の進行波を検出器（進行波）２４へ出力する。検出器（進行波）２４は、方向性結合器２４ａから入力される搬送波群の進行波の周波数スペクトルを検出し、検出した搬送波群の進行波の周波数スペクトルを制御部１００へ出力する。
検出器（反射波）２５は、方向性結合器２５ａを介して導波管２２に接続されている。方向性結合器２５ａは、処理容器１２側から反射される搬送波群の反射波を抽出し、抽出した搬送波群の反射波を検出器（反射波）２５へ出力する。検出器（反射波）２５は、方向性結合器２５ａから入力される搬送波群の反射波の周波数スペクトルを検出し、検出した搬送波群の反射波の周波数スペクトルを制御部１００へ出力する。
チューナ２６は、導波管２２に設けられ、搬送波群生成部１６と、処理容器１２との間のインピーダンスを整合する機能を有する。チューナ２６は、導波管２２の内部空間に突出自在に設けられた可動板２６ａ，２６ｂを有する。チューナ２６は、基準位置に対する可動板２６ａ，２６ｂの突出位置を制御することによって、搬送波群生成部１６と、処理容器１２との間のインピーダンスを整合する。
同軸導波管２８は、軸線Ｘに沿って延びている。この同軸導波管２８は、外側導体２８ａ及び内側導体２８ｂを含んでいる。外側導体２８ａは、軸線Ｘ方向に延びる略円筒形状を有している。内側導体２８ｂは、外側導体２８ａの内部に設けられている。この内側導体２８ｂは、軸線Ｘに沿って延びる略円筒形状を有している。
搬送波群生成部１６によって発生された搬送波群は、チューナ２６及び導波管２２を介してモード変換器２７に導波される。モード変換器２７は、搬送波群のモードを変換して、モード変換後の搬送波群を同軸導波管２８に供給する。同軸導波管２８からの搬送波群は、アンテナ１８に供給される。
アンテナ１８は、搬送波群生成部１６によって発生される搬送波群に基づいて、プラズマ励起用の搬送波群を放射する。アンテナ１８は、スロット板３０、誘電体板３２、及び冷却ジャケット３４を有する。アンテナ１８は、誘電体窓２０の対向面２０ａの反対側の面２０ｂ上に設けられ、搬送波群生成部１６によって発生される搬送波群に基づいて、誘電体窓２０を介してプラズマ励起用の搬送波群を処理空間Ｓへ放射する。
スロット板３０は、軸線Ｘに板面が直交する略円板状に形成される。スロット板３０は、誘電体窓２０の対向面２０ａの反対側の面２０ｂ上に、誘電体窓２０と互いに板面を合わせて配置される。スロット板３０には、軸線Ｘを中心にして周方向に複数のスロット３０ａが配列される。スロット板３０は、ラジアルラインスロットアンテナを構成するスロット板である。スロット板３０は、導電性を有する金属製の円板状に形成される。スロット板３０には、複数のスロット３０ａが形成される。また、スロット板３０の中央部には、後述する導管３６が貫通可能な貫通孔３０ｄが形成される。
誘電体板３２は、板面が軸線Ｘに直交する略円板状に形成される。誘電体板３２は、スロット板３０と冷却ジャケット３４の下側表面との間に設けられている。誘電体板３２は、例えば石英製であり、略円板形状を有している。
冷却ジャケット３４の表面は、導電性を有する。冷却ジャケット３４は、内部に冷媒が通流可能な流路３４ａが形成されており、冷媒の通流により誘電体板３２及びスロット板３０を冷却する。冷却ジャケット３４の上部表面には、外側導体２８ａの下端が電気的に接続されている。また、内側導体２８ｂの下端は、冷却ジャケット３４及び誘電体板３２の中央部分に形成された孔を通って、スロット板３０に電気的に接続されている。
同軸導波管２８からの搬送波群は、誘電体板３２に伝播され、スロット板３０のスロット３０ａから誘電体窓２０を介して、処理空間Ｓ内に導入される。一実施形態においては、同軸導波管２８の内側導体２８ｂの内孔には、導管３６が通っている。スロット板３０の中央部には、導管３６が貫通可能な貫通孔３０ｄが形成されている。導管３６は、軸線Ｘに沿って延在しており、ガス供給系３８に接続される。
ガス供給系３８は、導管３６に被処理体Ｗを処理するための処理ガスを供給する。ガス供給系３８は、ガス源３８ａ、弁３８ｂ、及び流量制御器３８ｃを含み得る。ガス源３８ａは、処理ガスのガス源である。弁３８ｂは、ガス源３８ａからの処理ガスの供給及び供給停止を切り替える。流量制御器３８ｃは、例えば、マスフローコントローラであり、ガス源３８ａからの処理ガスの流量を調整する。なお、ガス供給系３８は、プラズマ反応に用いられる処理ガスを処理空間Ｓへ導入するガス供給機構の一例に相当する。
一実施形態においては、プラズマ処理装置１は、インジェクタ４１を更に備え得る。インジェクタ４１は、導管３６からのガスを誘電体窓２０に形成された貫通孔２０ｈに供給する。誘電体窓２０の貫通孔２０ｈに供給されたガスは、処理空間Ｓに供給される。以下の説明では、導管３６、インジェクタ４１、及び、貫通孔２０ｈによって構成されるガス供給経路を、「中央ガス導入部」ということがある。
ステージ１４は、軸線Ｘ方向において誘電体窓２０と対面するように設けられている。このステージ１４は、誘電体窓２０と当該ステージ１４との間に処理空間Ｓを挟むように設けられている。ステージ１４上には、被処理体Ｗが載置される。一実施形態においては、ステージ１４は、台１４ａ、フォーカスリング１４ｂ、及び、静電チャック１４ｃを含む。ステージ１４は、載置台の一例に相当する。
台１４ａは、筒状支持部４８によって支持されている。筒状支持部４８は、絶縁性の材料で構成されており、底部１２ｂから垂直上方に延びている。また、筒状支持部４８の外周には、導電性の筒状支持部５０が設けられている。筒状支持部５０は、筒状支持部４８の外周に沿って処理容器１２の底部１２ｂから垂直上方に延びている。この筒状支持部５０と側壁１２ａとの間には、環状の排気路５１が形成されている。
排気路５１の上部には、複数の貫通孔が設けられた環状のバッフル板５２が取り付けられている。排気孔１２ｈの下部には排気管５４を介して排気装置５６が接続されている。排気装置５６は、自動圧力制御弁（ＡＰＣ：Automatic Pressure Control valve）と、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプとを有している。排気装置５６により、処理容器１２内の処理空間Ｓを所望の真空度まで減圧することができる。
台１４ａは、高周波電極を兼ねている。台１４ａには、給電棒６２及びマッチングユニット６０を介して、ＲＦバイアス用の高周波電源５８が電気的に接続されている。高周波電源５８は、被処理体Ｗに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．６５ＭＨｚの高周波電力（以下適宜「バイアス電力」という）を所定のパワーで出力する。マッチングユニット６０は、高周波電源５８側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
台１４ａの上面には、静電チャック１４ｃが設けられている。静電チャック１４ｃは、被処理体Ｗを静電吸着力で保持する。静電チャック１４ｃの径方向外側には、被処理体Ｗの周囲を環状に囲むフォーカスリング１４ｂが設けられている。静電チャック１４ｃは、電極１４ｄ、絶縁膜１４ｅ、及び、絶縁膜１４ｆを含んでいる。電極１４ｄは、導電膜によって構成されており、絶縁膜１４ｅと絶縁膜１４ｆの間に設けられている。電極１４ｄには、高圧の直流電源６４がスイッチ６６および被覆線６８を介して電気的に接続されている。静電チャック１４ｃは、直流電源６４より印加される直流電圧により発生するクーロン力によって、被処理体Ｗを吸着保持することができる。
台１４ａの内部には、周方向に延びる環状の冷媒室１４ｇが設けられている。この冷媒室１４ｇには、チラーユニット（図示せず）より配管７０，７２を介して所定の温度の冷媒、例えば、冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック１４ｃの上面温度が制御される。伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスがガス供給管７４を介して静電チャック１４ｃの上面と被処理体Ｗの裏面との間に供給されており、この静電チャック１４ｃの上面温度により被処理体Ｗの温度が制御される。
このように構成されたプラズマ処理装置１では、導管３６及びインジェクタ４１を介して、誘電体窓２０の貫通孔２０ｈから処理空間Ｓ内に軸線Ｘに沿ってガスが供給される。また、アンテナ１８から誘電体窓２０を介して処理空間Ｓ及び／又は貫通孔２０ｈ内に搬送波群が導入される。これにより、処理空間Ｓ及び／又は貫通孔２０ｈにおいてプラズマが発生する。なお、アンテナ１８及び誘電体窓２０は、搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成するプラズマ生成部の一例である。
制御部１００は、プラズマ処理装置１を構成する各部に接続され、各部を統括制御する。制御部１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えたコントローラ１０１と、ユーザインタフェース１０２と、記憶部１０３とを備える。
コントローラ１０１は、記憶部１０３に記憶されたプログラム及び処理レシピを実行することにより、搬送波群生成部１６、ステージ１４、ガス供給系３８、排気装置５６等の各部を統括制御する。
ユーザインタフェース１０２は、工程管理者がプラズマ処理装置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タッチパネル、プラズマ処理装置１の稼働状況等を可視化して表示するディスプレイ等を有している。
記憶部１０３には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をコントローラ１０１の制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記録された、プロセスを実行するためのプロセスレシピ等が保存されている。コントローラ１０１は、ユーザインタフェース１０２からの指示等、必要に応じて、各種の制御プログラムを記憶部１０３から呼び出してコントローラ１０１に実行させることで、コントローラ１０１の制御下で、プラズマ処理装置１での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読み取り可能なコンピュータ記録媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
次に、一実施形態に係るプラズマ処理装置１を用いたプラズマ処理方法について説明する。図７は、一実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャートである。
図７に示すように、プラズマ処理装置１の搬送波群生成部１６は、所定の中心周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波から成る搬送波群を生成する（ステップＳ１０１）。なお、搬送波群生成部１６によって生成される搬送波群における中心周波数及び周波数帯域の初期値は、制御部１００によって制御される。
アンテナ１８及び誘電体窓２０は、搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成する（ステップＳ１０２）。
制御部１００は、搬送波群の反射波の周波数スペクトルの入力を検出器２５から受ける。そして、制御部１００は、搬送波群生成部１６を制御して、周波数スペクトルの極小値に対応する反射波の周波数である極小反射周波数が所定の周波数帯域内に存在するように、所定の周波数帯域の幅を決定する（ステップＳ１０３）。
制御部１００は、処理を継続する場合（ステップＳ１０４否定）、処理をステップＳ１０１に戻し、処理を終了する場合（ステップＳ１０４肯定）、処理を終了する。
次に、一実施形態に係るプラズマ処理装置１による効果（プラズマ密度）について説明する。図８は、搬送波群又は単一の周波数を有するマイクロ波を用いてプラズマを生成した場合のプラズマ密度の推移を示す図である。図８において、横軸は、時間［ｓｅｃ］を示し、縦軸は、プラズマ密度の一例であるイオン密度［ｉｏｎｓ／ｃｍ３］を示している。
また、図８において、グラフ５２１は、単一の周波数を有するマイクロ波を用いてプラズマを生成した場合のプラズマ密度の推移を示すグラフである。グラフ５２２は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１において、所定の周波数帯域の幅が１０ＭＨｚである搬送波群を用いてプラズマを生成した場合のプラズマ密度の推移を示すグラフである。グラフ５２３は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１において、所定の周波数帯域の幅が２０ＭＨｚである搬送波群を用いてプラズマを生成した場合のプラズマ密度の推移を示すグラフである。グラフ５２４は、一実施形態に係るプラズマ処理装置１において、所定の周波数帯域の幅が４０ＭＨｚである搬送波群を用いてプラズマを生成した場合のプラズマ密度の推移を示すグラフである。なお、図８の例では、実験条件として、処理ガス及び流量：Ａｒ＝１００ｍＴｏｒｒ、搬送波群の進行波のパワー又はマイクロ波の進行波のパワー：１．４ｋＷが用いられたものとする。
図８に示すように、単一の周波数を有するマイクロ波を用いてプラズマを生成した場合と比較して、搬送波群を用いてプラズマを生成した場合、イオン密度（すなわち、プラズマ密度）のばらつきが抑えられた。
次に、一実施形態に係るプラズマ処理装置１による効果（モードジャンプ）について説明する。図９は、単一の周波数を有するマイクロ波を用いてプラズマを生成した場合の、プラズマ密度と、マイクロ波の進行波のパワーとの関係を示す図である。図１０は、搬送波群を用いてプラズマを生成した場合の、プラズマ密度と、搬送波群の進行波のパワーとの関係を示す図である。図９及び図１０において、縦軸は、プラズマ密度の一例であるイオン密度［ｉｏｎｓ／ｃｍ３］を示している。また、図９において、横軸は、マイクロ波の進行波のパワー［Ｗ］を示している。また、図１０において、横軸は、搬送波群の進行波のパワー［Ｗ］を示している。
また、図９及び図１０において、「Ｘ＝０ｍｍ」は、被処理体Ｗの中心位置「０」に対応するイオン密度を示す。また、「Ｘ＝１５０ｍｍ」は、被処理体Ｗの中心位置「０」から被処理体Ｗの径方向に沿って「１５０（ｍｍ）」だけ離れた位置に対応するイオン密度を示す。また、「Ｘ＝２１０ｍｍ」は、被処理体Ｗの中心位置「０」から被処理体Ｗの径方向に沿って「２１０（ｍｍ）」だけ離れた位置に対応するイオン密度を示す。
図９に示すように、単一の周波数を有するマイクロ波を用いてプラズマを生成した場合、イオン密度（すなわち、プラズマ密度）が瞬間的に不連続となる現象であるモードジャンプが、３つのマイクロ波の進行波のパワーに対して計測された。
これに対して、図１０に示すように、搬送波群を用いてプラズマを生成した場合、イオン密度（すなわち、プラズマ密度）が瞬間的に不連続となる現象であるモードジャンプが、１つのマイクロ波の進行波のパワーに対して計測された。つまり、単一の周波数を有するマイクロ波を用いてプラズマを生成した場合と比較して、搬送波群を用いてプラズマを生成した場合、モードジャンプの発生が抑制された。
次に、一実施形態に係るプラズマ処理装置１による効果（プラズマの安定性）について説明する。以下では、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して、搬送波群に含まれる複数の搬送波の周波数の間隔（以下「搬送波ピッチ」という）と、プラズマの安定性との関係の一例を示す実験結果を説明する。図１１Ａは、搬送波ピッチと、搬送波群に含まれる複数の搬送波の個数との関係の一例を示す図である。図１１Ａにおいて、搬送波群の電力、すなわち、搬送波群に含まれる複数の搬送波の電力の総和は、一定であるものとする。また、図１１Ａにおいて、搬送波群は、２４５０ＭＨｚを中心周波数とする４０ＭＨｚの周波数帯域内に存在するものとする。
図１１Ａに示すように、搬送波ピッチが小さいほど、搬送波群に含まれる複数の搬送波の個数が多くなる。例えば、搬送波ピッチが４００ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、１０ｋＨｚである場合、搬送波群に含まれる複数の搬送波の個数は、それぞれ、１００個、４００個、１０００個、４０００個となる。
図１１Ｂは、搬送波ピッチの変化に対応する、プラズマに吸収される搬送波群のパワーの変化を説明するための図である。図１１Ｂにおいて、横軸は、周波数［ＧＨｚ］であり、縦軸は、パワー［ｄＢｍ］である。また、図１１Ｂにおいて、グラフ５１５は、搬送波群の進行波の周波数スペクトルを示している。また、グラフ５１６は、搬送波ピッチが４００ｋＨｚである場合の搬送波群の反射波の周波数スペクトルを示している。また、グラフ５１７は、搬送波ピッチが１００ｋＨｚである場合の搬送波群の反射波の周波数スペクトルを示している。また、グラフ５１８は、搬送波ピッチが４０ｋＨｚである場合の搬送波群の反射波の周波数スペクトルを示している。また、グラフ５１９は、搬送波ピッチが１０ｋＨｚである場合の搬送波群の反射波の周波数スペクトルを示している。また、図１１Ｂでは、実験条件として、処理ガス及び流量：Ｃｌ２／Ａｒ＝１００／３００ｓｃｃｍ、圧力：１４０ｍＴｏｒｒ、中心周波数：２．４５０ＧＨｚ、周波数帯域：４０ＭＨｚ、搬送波群の進行波の投入パワー：１．５ｋＷが用いられたものとする。
図１１Ｂに示すように、搬送波ピッチが１００ｋＨｚ以下である場合、グラフ５１５と、グラフ５１７、グラフ５１８又はグラフ５１９とで挟まれる領域の面積、すなわち、プラズマに吸収される搬送波群のパワーは、ほぼ一定に維持されることが分かった。
図１１Ｃは、搬送波ピッチと、プラズマの発光強度との関係の一例を示す図である。図１１Ｃは、プラズマの安定性を評価するために、時間に対するプラズマの発光強度の変化を調査した実験結果である。図１１Ｃにおいて、横軸は、時間［ｓｅｃ］であり、縦軸は、プラズマの発光強度［ａｂｕ．］である。図１１Ｃにおいて、グラフ５３１は、搬送波ピッチが４００ｋＨｚである搬送波群を用いて生成されたプラズマの発光強度の変化を示している。グラフ５３２は、搬送波ピッチが１００ｋＨｚである搬送波群を用いて生成されたプラズマの発光強度の変化を示している。グラフ５３３は、搬送波ピッチが４０ｋＨｚである搬送波群を用いて生成されたプラズマの発光強度の変化を示している。グラフ５３４は、搬送波ピッチが１０ｋＨｚである搬送波群を用いて生成されたプラズマの発光強度の変化を示している。
図１１Ｃの実験結果から明らかなように、搬送波ピッチが小さいほど、時間に対するプラズマの発光強度の変化が抑制された。すなわち、搬送波ピッチを小さくすることで、プラズマの安定性を向上させることができることが分かった。
以上のように、一実施形態に係るプラズマ処理装置１によれば、複数の搬送波から成る搬送波群を生成し、搬送波群を用いてプラズマを生成するので、プラズマ密度の増加と低下との繰り返しを回避することができる。その結果、プラズマ密度のばらつき及びモードジャンプの発生を抑制することができる。
また、一実施形態に係るプラズマ処理装置１によれば、極小反射周波数が搬送波群の所定の周波数帯域内に存在するように、所定の周波数帯域の幅を決定する。その結果、極小反射周波数と、搬送波群に含まれる複数の搬送波のうちいずれかの搬送波の周波数とが一致する可能性を向上することができるので、プラズマ密度のばらつき及びモードジャンプの発生をより抑制することができる。
（変形例１）
次に、変形例１について説明する。変形例１に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理を実行する前に、搬送波群とは異なる他の搬送波群を生成する点を除き、上記一実施形態に係るプラズマ処理装置１と同様の構成を有する。したがって、変形例１では、上記一実施形態と共通する構成要素には、同一の参照符号を用いるとともに、その詳細な説明は省略する。
変形例１に係るプラズマ処理装置において、搬送波群生成部１６は、搬送波群を用いて生成されたプラズマにより被処理体に対してプラズマ処理を実行する前に、他の搬送波群を生成する。他の搬送波群は、プラズマ処理に用いられる搬送波群（以下「プラズマ処理用搬送波群」という）と同様に、所定の中心周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波から成る。他の搬送波群に含まれる各搬送波の振幅は、時間の経過と共に変動し、当該振幅の極大値は、プラズマ処理用搬送波群に含まれる各搬送波の振幅よりも大きい。
アンテナ１８及び誘電体窓２０は、他の搬送波群を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成する。他の搬送波群は、プラズマの着火に用いられる。
ここで、搬送波群生成部１６によって生成される他の搬送波群の波形を説明する。図１２は、他の搬送波群の波形の一例を示す図である。図１２は、時間軸、周波数軸及び振幅軸により構成される３次元座標空間における他の搬送波群の波形を示している。
図１２に示すように、他の搬送波群は、所定の中心周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）を中心とする所定の周波数帯域（例えば、４０ＭＨｚ）に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波（搬送波ｆ１〜ｆ９）から成る。他の搬送波群に含まれる各搬送波の振幅は、時間の経過と共に変動し、当該振幅の極大値は、プラズマ処理用搬送波群に含まれる各搬送波の振幅よりも大きい。図１２の例では、搬送波ｆ１〜ｆ９の振幅は、着火ステップの処理時間に含まれる異なる時刻において、極大値となる。そして、搬送波ｆ１〜ｆ９の振幅の極大値は、プラズマ処理用搬送波群に含まれる各搬送波の振幅よりも大きい。
変形例１に係るプラズマ処理装置によれば、プラズマ処理を実行する前に、複数の搬送波から成る他の搬送波群を生成し、他の搬送波群を用いてプラズマを生成するので、プラズマの着火を安定的に実行することができる。
（変形例２）
次に、変形例２について説明する。変形例２に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理を実行する前に、搬送波群に含まれる複数の搬送波の中の少なくとも１つの搬送波を生成する点を除き、上記一実施形態に係るプラズマ処理装置１と同様の構成を有する。したがって、変形例２では、上記一実施形態と共通する構成要素には、同一の参照符号を用いるとともに、その詳細な説明は省略する。
変形例２に係るプラズマ処理装置において、搬送波群生成部１６は、搬送波群を用いて生成されたプラズマにより被処理体に対してプラズマ処理を実行する前に、搬送波群に含まれる複数の搬送波の中の少なくとも１つの搬送波を生成する。
アンテナ１８及び誘電体窓２０は、生成された少なくとも１つの搬送波を用いて、処理容器１２内にプラズマを生成する。少なくとも１つの搬送波は、プラズマの着火に用いられる。
ここで、搬送波群生成部１６によって生成される少なくとも１つの搬送波の波形を説明する。図１３は、少なくとも１つの搬送波の波形の一例を示す図である。図１３は、時間軸、周波数軸及び振幅軸により構成される３次元座標空間における他の搬送波群の波形を示している。
図１３に示すように、少なくとも１つの搬送波ｆ５の振幅は、プラズマ処理が実行される場合の搬送波ｆ５の振幅よりも大きい。
変形例２に係るプラズマ処理装置によれば、プラズマ処理を実行する前に、搬送波群に含まれる複数の搬送波の中の少なくとも１つの搬送波を生成し、少なくとも１つの搬送波を用いてプラズマを生成するので、プラズマの着火を安定的に実行することができる。
なお、本発明は、マイクロ波を例に説明しているが、１３．５６ＭＨｚの高周波プラズマおよび１００ＭＨｚ帯のＶＨＦプラズマにおいても同様の効果が得られ、マイクロ波に限定するものではない。
１ プラズマ処理装置
１２ 処理容器
１４ ステージ
１６ 搬送波群生成部
１８ アンテナ
２０ 誘電体窓
３０ スロット板
３８ ガス供給系
１００ 制御部
１０１ コントローラ
１０２ ユーザインタフェース
１０３ 記憶部

Claims (12)

  1. 処理容器と、
    所定の中心周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波から成る搬送波群を生成する搬送波群生成部と、
    前記搬送波群を用いて、前記処理容器内にプラズマを生成するプラズマ生成部と
    を備え、
    前記搬送波群に含まれる前記複数の搬送波の個数は、４００個以上である
    ことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 各前記搬送波の周波数が一定の間隔で複数存在することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記搬送波群は、波形データを量子化して逆フーリエ変換することで得られるＩデータおよびＱデータを用いて、互いに９０°位相が異なる搬送波を変調することによって、生成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 各前記搬送波の周波数は、時間の経過に関わらず一定であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記複数の搬送波の振幅は、同一であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  6. 各前記搬送波の振幅は、時間の経過に関わらず一定であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記複数の搬送波のうち、前記所定の周波数帯域において周波数が隣り合う少なくとも２つの搬送波は、位相が異なることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記複数の搬送波のうち、前記所定の周波数帯域において周波数が隣り合う少なくとも２つの搬送波は、位相が９０°異なることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記搬送波群の反射波の周波数スペクトルを検出する検出部と、
    前記搬送波群生成部を制御して、前記周波数スペクトルの極小値に対応する前記反射波の周波数である極小反射周波数が前記所定の周波数帯域内に存在するように、前記所定の周波数帯域の幅を決定する制御部と
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記搬送波群生成部は、前記プラズマにより被処理体に対してプラズマ処理を実行する前に、前記所定の中心周波数を中心とする前記所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波から成る他の搬送波群を生成し、
    前記プラズマ生成部は、前記他の搬送波群を用いて、前記処理容器内にプラズマを生成し、
    前記他の搬送波群に含まれる各前記搬送波の振幅は、時間の経過と共に変動し、当該振幅の極大値は、前記搬送波群に含まれる各前記搬送波の振幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記搬送波群生成部は、前記プラズマにより被処理体に対してプラズマ処理を実行する前に、前記搬送波群に含まれる前記複数の搬送波の中の少なくとも１つの搬送波を生成し、
    前記プラズマ生成部は、前記少なくとも１つの搬送波を用いて、前記処理容器内にプラズマを生成し、
    前記少なくとも１つの搬送波の振幅は、前記プラズマ処理が実行される場合の前記少なくとも１つの搬送波の振幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  12. 所定の中心周波数を中心とする所定の周波数帯域に属する周波数であって、互いに異なる周波数をそれぞれ有する複数の搬送波から成る搬送波群を生成し、
    前記搬送波群を用いて、処理容器内にプラズマを生成する
    処理を含み、
    前記搬送波群に含まれる前記複数の搬送波の個数は、４００個以上である
    ことを特徴とするプラズマ処理方法。
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