JP7433271B2 - 基板処理装置および基板処理装置の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、基板処理装置および基板処理装置の制御方法に関する。

例えば、特許文献１には、高周波電源においてロードパワーを安定して制御できるプラズマエッチング装置が開示されている。

特開２０１５－０９０７７０号公報

プラズマ処理装置において、引き込み用の高周波電力に対してプラズマ発生用の高周波電力がプラズマに高パワーで供給されるタイミングを調整する技術が求められている。

本開示の一の態様によれば、基板を載置する基板載置台と、第１周波数の第１高周波電力を前記基板載置台に供給する第１高周波電源と、前記第１高周波電源から見た負荷側のインピーダンスを設定された設定インピーダンスに変換するインピーダンス変換器と、前記第１周波数より低い第２周波数の第２高周波電力を前記基板載置台に供給する第２高周波電源と、前記インピーダンス変換器の前記設定インピーダンスを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、基板処理に応じて前記設定インピーダンスを設定する基板処理装置が提供される。

本開示は、プラズマエッチング装置において、引き込み用の高周波電力に対してプラズマ発生用の高周波電力がプラズマに高パワーで供給されるタイミングを調整する技術を提供する。

本実施形態に係る基板処理装置の概略構成を示す断面図。 本実施形態に係る基板処理装置のプラズマ発生用の高周波電源およびインピーダンス変換器の構成を示すブロック図。 本実施形態に係る基板処理装置のイオン引き込み用の高周波電源および整合器の構成を示すブロック図。 本実施形態に係る基板処理装置の制御部の処理を説明するフローチャート。 本実施形態に係る基板処理装置において高周波電力を供給した時の波形について説明する図。 本実施形態に係る基板処理装置において高周波電力を供給した時のインピーダンスによる波形の影響を説明する図。 本実施形態に係る基板処理装置における高周波電力を供給した時の所定のインピーダンスの時の波形を示す図。 本実施形態に係る基板処理装置における高周波電力を供給した時のインピーダンスと波形との関係を示す図。 本実施形態に係る基板処理装置における高周波電力を供給した時のインピーダンスとプラズマの電子密度との関係を示す図。 本実施形態に係る基板処理装置における高周波電力を供給した時のインピーダンスとエッチングレートとの関係を示す図。

以下、本開示を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

＜基板処理装置１の全体構成＞
まず、図１を参照しながら基板処理装置１の全体構成の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る基板処理装置１の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態では、基板処理装置１がＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）型の基板処理装置である例について説明する。

図１において、基板処理装置１は、金属製、例えば、アルミニウム製またはステンレス鋼製の接地された円筒型の処理容器２を有し、該処理容器２内に、基板Ｗを載置する円板状の載置台１０が配設されている。載置台１０は、基台１１と、静電チャック２５と、を備える。基台１１（載置台１０）は、下部電極として機能する。基台１１は、例えばアルミニウムからなる。基台１１は、絶縁性の筒状保持部材１２を介して処理容器２の底から垂直上方に延びる筒状支持部１３に支持されている。

処理容器２の側壁と筒状支持部１３の間には排気路１４が形成され、排気路１４の入口または途中に環状のバッフル板１５が配設されると共に、底部に排気口１６が設けられ、該排気口１６に排気管１７を介して排気装置１８が接続されている。ここで、排気装置１８は、ドライポンプおよび真空ポンプを有し、処理容器２内の処理空間を所定の真空度まで減圧する。また、排気管１７は可変式バタフライバルブである自動圧力制御弁（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ）（以下、「ＡＰＣ」という。）を有し、該ＡＰＣは自動的に処理容器２内の圧力制御を行う。更に、処理容器２の側壁には、基板Ｗの搬入出口１９を開閉するゲートバルブ２０が取り付けられている。

基台１１には、インピーダンス変換器２２ａを介して第１高周波電源２１ａが接続されている。また、基台１１には、整合器２２ｂを介して第２高周波電源２１ｂが接続されている。第１高周波電源２１ａは、所定周波数（例えば４０ＭＨｚ）のプラズマ発生用の高周波電力を基台１１（載置台１０）に供給する。第２高周波電源２１ｂは、第１高周波電源２１ａよりも低い所定周波数（例えば、４００ｋＨｚ）のイオン引き込み用の高周波電力を基台１１（載置台１０）に供給する。

処理容器２の天井部には、上部電極としても機能するシャワーヘッド２４が配設されている。これにより、基台１１（載置台１０）とシャワーヘッド２４の間に、第１高周波電源２１ａおよび第２高周波電源２１ｂからの２つの周波数の高周波電圧が印加される。

基台１１の上面には静電吸着力により基板Ｗを吸着する静電チャック２５が設けられている。静電チャック２５は、基板Ｗが載置される円板状の中心部２５ａと、中心部２５ａを囲むように形成された環状の外周部２５ｂとを有する。中心部２５ａは、外周部２５ｂに対して図中上方に突出している。中心部２５ａの上面は、基板Ｗを載置する基板載置面２５ａ１である。外周部２５ｂの上面はエッジリング３０を載置するエッジリング載置面２５ｂ１である。エッジリング載置面２５ｂ１は、基板載置面２５ａ１の周囲にてエッジリング３０を載置するようになっている。エッジリング３０は、フォーカスリングともいう。また、中心部２５ａは、導電膜からなる電極板２６を一対の誘電膜の間に挟み込むことによって構成される。電極板２６には、直流電源２７が電気的に接続されている。外周部２５ｂは、導電膜からなる電極板２９を一対の誘電膜の間に挟み込むことによって構成される。電極板２９には、直流電源２８が電気的に接続されている。

直流電源２７および直流電源２８は、供給する直流電圧のレベルおよび極性の変更が可能とされている。直流電源２７は、後述する制御部４３からの制御により、電極板２６に直流電圧を印加する。直流電源２８は、制御部４３からの制御により、電極板２９に直流電圧を印加する。静電チャック２５は、直流電源２７から電極板２６に印加された電圧によりクーロン力等の静電気力を発生させ、静電気力により静電チャック２５に基板Ｗを吸着保持する。また、静電チャック２５は、直流電源２８から電極板２９に印加された電圧によりクーロン力等の静電気力を発生させ、静電気力により静電チャック２５にエッジリング３０を吸着保持する。

なお、本実施形態の静電チャック２５は、基板Ｗ用の静電チャックとエッジリング３０用の静電チャックとが一体となっているが、基板Ｗ用の静電チャックとエッジリング３０用の静電チャックとをそれぞれ別の静電チャックとしてもよい。すなわち、電極板２６と電極板２９とがそれぞれ独立した誘電膜に挟まれるように構成してもよい。また、本実施形態の電極板２９は、単極の電極の例を示したが、双極の電極としてもよい。なお、双極の場合、プラズマが生成されていないときでも、エッジリング３０を吸着することができる。

基台１１の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室３１が設けられている。冷媒室３１には、チラーユニット３２から配管３３、３４を介して所定温度の冷媒、例えば、冷却水が循環供給され、当該冷媒の温度によって静電チャック２５上の基板Ｗの処理温度を制御する。なお、冷媒は、配管３３、３４に循環供給される温度調整用の媒体である。温度調整用の媒体は、基台１１および基板Ｗを冷却するだけでなく、加熱する場合もあり得る。

また、静電チャック２５には、ガス供給ライン３６を介して伝熱ガス供給部３５が接続されている。伝熱ガス供給部３５は、ガス供給ライン３６を用いて、静電チャック２５の中心部２５ａと基板Ｗとで挟まれる空間に伝熱ガスを供給する。伝熱ガスとしては、熱伝導性を有するガス、例えば、Ｈｅガス等が好適に用いられる。

天井部のシャワーヘッド２４は、多数のガス通気孔３７ａを有する下面の電極板３７と、該電極板３７を着脱可能に支持する電極支持体３８とを有する。電極支持体３８の内部にはバッファ室３９が設けられ、バッファ室３９と連通するガス導入口３８ａには、ガス供給配管４１を介して処理ガス供給部４０が接続されている。

基板処理装置１の各構成要素は、制御部４３に接続されている。例えば、排気装置１８、第１高周波電源２１ａ、第２高周波電源２１ｂ、インピーダンス変換器２２ａ、整合器２２ｂ、直流電源２７、直流電源２８、チラーユニット３２、伝熱ガス供給部３５および処理ガス供給部４０は、制御部４３に接続されている。制御部４３は、基板処理装置１の各構成要素を制御する。

制御部４３は、図示しない中央処理装置（ＣＰＵ）およびメモリなどの記憶装置を備え、記憶装置に記憶されたプログラムおよび処理レシピを読み出して実行することで、基板処理装置１において所望の処理を実行する。

基板処理装置１では、まずゲートバルブ２０を開状態にして加工対象の基板Ｗを処理容器２内に搬入し、静電チャック２５の上に載置する。そして、基板処理装置１では、処理ガス供給部４０より処理ガス（例えば、Ｃ_４Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_８ガス、Ｏ_２ガスおよびＡｒガスから成る混合ガス）を所定の流量および流量比で処理容器２内に導入し、排気装置１８等により処理容器２内の圧力を所定値にする。

更に、基板処理装置１では、第１高周波電源２１ａおよび第２高周波電源２１ｂからそれぞれ周波数の異なる高周波電力を基台１１（載置台１０）に供給する。また、基板処理装置１では、直流電源２７より直流電圧を静電チャック２５の電極板２６に印加して、基板Ｗを静電チャック２５に吸着する。また、基板処理装置１では、直流電源２８より直流電圧を静電チャック２５の電極板２９に印加して、エッジリング３０を静電チャック２５に吸着する。シャワーヘッド２４より吐出された処理ガスはプラズマ化され、プラズマ中のラジカルやイオンによって基板Ｗにエッチング処理が施される。

＜プラズマ発生用の第１高周波電源２１ａおよびインピーダンス変換器２２ａの構成＞
図２は、本実施形態の基板処理装置１のプラズマ発生用の第１高周波電源２１ａおよびインピーダンス変換器２２ａの構成を示すブロック図である。

第１高周波電源２１ａは、第１周波数（例えば、４０ＭＨｚ）の第１高周波電力ＨＦを高周波給電ライン２３ａを介してインピーダンス変換器２２ａに出力する。第１高周波電源２１ａは、高周波発振器６０ａと、パワーアンプ６２ａと、電源制御部６４ａと、パワーモニタ６６ａと、を備える。

高周波発振器６０ａは、高周波放電のプラズマ生成に適した一定周波数（例えば、４０ＭＨｚ）の正弦波または基本波を発生する発振器である。パワーアンプ６２ａは、高周波発振器６０ａより出力される基本波のパワーを可変制御可能な利得または増幅率で増幅するアンプである。電源制御部６４ａは、制御部４３からの制御信号にしたがって高周波発振器６０ａおよびパワーアンプ６２ａを直接制御する制御部である。

パワーモニタ６６ａは、高周波給電ライン２３ａ上の高周波電力のパワーを検出する。パワーモニタ６６ａは、高周波給電ライン２３ａ上に方向性結合器を備える。パワーモニタ６６ａは、高周波給電ライン２３ａ上を順方向に、すなわち、第１高周波電源２１ａからインピーダンス変換器２２ａに、伝搬する進行波のパワーＰＦ１を検出する。また、パワーモニタ６６ａは、高周波給電ライン２３ａ上を逆方向に、すなわち、インピーダンス変換器２２ａから第１高周波電源２１ａに、伝搬する反射波のパワーＲＦ１を検出する。そして、パワーモニタ６６ａは、検出結果を電源制御部６４ａおよび制御部４３に出力する。電源制御部６４ａは、当該検出結果をパワーフィードバック制御に用いる。

インピーダンス変換器２２ａは、インピーダンスの変換を行う。インピーダンス変換器２２ａは、インピーダンスセンサ７０ａと、インピーダンス変換回路７２ａと、コントローラ７４ａと、を備える。インピーダンスセンサ７０ａは、高周波給電ライン２３ａ上でインピーダンス変換回路７２ａのインピーダンスを含む負荷側のインピーダンスを測定する検出器である。インピーダンス変換回路７２ａは、高周波給電ライン２３ａに接続されている複数、例えば２つ、の制御可能なリアクタンス素子（例えば、可変コンデンサあるいは可変インダクタ）Ｘ_Ｈ１およびＸ_Ｈ２を備える回路である。コントローラ７４ａは、リアクタンス素子Ｘ_Ｈ１およびＸ_Ｈ２をそれぞれモータ（Ｍ）７６ａ、モータ７８ａを介して制御する。コントローラ７４ａは、インピーダンスセンサ７０ａで検出したインピーダンスが制御部４３から設定されたインピーダンスになるように、モータ７６ａ、７８ａを制御する。

なお、載置台１０は、基板載置台の一例である。

＜イオン引き込み用の第２高周波電源２１ｂおよび整合器２２ｂの構成＞
図３は、本実施形態の基板処理装置１のイオン引き込み用の第２高周波電源２１ｂおよび整合器２２ｂの構成を示すブロック図である。

第２高周波電源２１ｂは、第１周波数（例えば、４０ＭＨｚ）より低い第２周波数（例えば、４００ｋＨｚ）の第２高周波電力ＬＦを高周波給電ライン２３ｂを介して整合器２２ｂに出力する。第２高周波電源２１ｂは、高周波発振器６０ｂと、パワーアンプ６２ｂと、電源制御部６４ｂと、パワーモニタ６６ｂと、を備える。

高周波発振器６０ｂは、イオン引き込みに適した一定周波数（例えば、４００ｋＨｚ）の正弦波または基本波を発生する発振器である。パワーアンプ６２ｂは、高周波発振器６０ｂより出力される基本波のパワーを可変制御可能な利得または増幅率で増幅するアンプである。電源制御部６４ｂは、制御部４３からの制御信号にしたがって高周波発振器６０ｂおよびパワーアンプ６２ｂを直接制御する制御部である。

パワーモニタ６６ｂは、高周波給電ライン２３ｂ上の高周波電力のパワーを検出する。パワーモニタ６６ｂは、高周波給電ライン２３ｂ上に方向性結合器を備える。パワーモニタ６６ｂは、高周波給電ライン２３ｂ上を順方向に、すなわち、第２高周波電源２１ｂから整合器２２ｂに、伝搬する進行波のパワーＰＦ２を検出する。また、パワーモニタ６６ｂは、高周波給電ライン２３ｂ上を逆方向に、すなわち、整合器２２ｂから第２高周波電源２１ｂに、伝搬する反射波のパワーＲＦ２を検出する。そして、パワーモニタ６６ｂは、検出結果を電源制御部６４ｂおよび制御部４３に出力する。電源制御部６４ｂは、当該検出結果をパワーフィードバック制御に用いる。

整合器２２ｂは、第２高周波電源２１ｂのインピーダンスと、基台１１（載置台１０）のインピーダンスとを整合させる。整合器２２ｂは、インピーダンスセンサ７０ｂと、整合回路７２ｂと、マッチングコントローラ７４ｂと、を備える。インピーダンスセンサ７０ｂは、高周波給電ライン２３ｂ上で整合回路７２ｂのインピーダンスを含む負荷側のインピーダンスを測定する検出器である。整合回路７２ｂは、高周波給電ライン２３ｂに接続されている複数、例えば２つ、の制御可能なリアクタンス素子（例えば、可変コンデンサあるいは可変インダクタ）Ｘ_Ｌ１およびＸ_Ｌ２を備える回路である。マッチングコントローラ７４ｂは、リアクタンス素子Ｘ_Ｌ１およびＸ_Ｌ２をそれぞれモータ（Ｍ）７６ｂ、モータ７８ｂを介して制御する制御部である。マッチングコントローラ７４ｂは、第２高周波電源２１ｂの出力インピーダンスと、インピーダンスセンサ７０ｂで検出したインピーダンスが整合するように、モータ７６ｂ、７８ｂを制御する。

＜インピーダンスの制御＞
本実施形態の基板処理装置１の第１高周波電力ＨＦのインピーダンスの制御について説明する。本実施形態の基板処理装置１では、第１高周波電源２１ａに接続されたインピーダンス変換器２２ａの変換するインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を変更する。

図４は、本実施形態の基板処理装置１の制御部４３の制御を説明するフローチャートである。図４を用いて、基板処理装置１の制御部４３の制御方法を説明する。

（ステップＳ１０） 制御部４３は、基板処理装置１で実行する基板処理の情報を取得する。例えば、キーボード等の入力手段から、作業者により実行する基板処理が入力される。制御部４３は、当該入力手段から入力された基板処理装置１で実行される基板処理の情報を取得する。また、制御部４３は、処理レシピ等から自動的に基板処理装置１で実行する基板処理の情報を取得してもよい。

（ステップＳ２０） 制御部４３は、ステップＳ１０で取得された基板処理の情報に対して、当該基板処理の内容に対応するインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を取得する。例えば、実行する基板処理に対して、当該基板処理に適するインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）がテーブルとしてメモリ等の記憶部に保存されているとする。そして、制御部４３は、そのテーブルを参照することにより、入力された処理に対して、当該基板処理に適するインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を取得する。

基板処理に適するインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）が保存されるテーブルについては、例えば、基板処理装置１で実行された基板処理のエッチングレート等の評価結果から、実行される基板処理に対して最適なインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を作成する。

（ステップＳ３０） 制御部４３は、ステップＳ２０で取得したインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を用いて、インピーダンス変換器２２ａを制御する。具体的には、当該インピーダンスの設定値（設定インピーダンス）になるように、制御部４３は、インピーダンス変換器２２ａのコントローラ７４ａを制御する。

そして、本実施形態の基板処理装置１は、実行する基板処理に対応したインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）で基板処理を行う。

本実施形態の基板処理装置１が、複数の基板処理を行う場合について説明する。例えば、基板処理装置１が連続して第１基板処理、第２基板処理を行う場合について説明する。基板処理装置１の制御部４３は、ステップＳ１０において、実行する第１基板処理と第２基板処理の情報を取得する。そして、最初に第１基板処理を行う際には、制御部４３は、第１基板処理の内容に対応するインピーダンスの第１設定値を取得する（ステップＳ２０）。そして、制御部４３は、第１設定値を用いてインピーダンス変換器２２ａを制御する（ステップＳ３０）。そして、基板処理装置１は第１基板処理を行う。次に第２基板処理を行う場合には、制御部４３は、第２基板処理の内容に対応するインピーダンスの第２設定値を取得する（ステップＳ２０）。そして、制御部４３は、第２設定値を用いてインピーダンス変換器２２ａを制御する（ステップＳ３０）。そして、基板処理装置１は第２基板処理を行う。

本実施形態の基板処理装置１が複数の処理基板を行う際には、上述のように、制御部４３は、それぞれの基板処理ごとにインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を設定する。そして、基板処理装置１は、それぞれの基板処理に対応したインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）で、基板処理を行う。

＜第１高周波電力ＨＦと第２高周波電力ＬＦを同時に供給したときの挙動＞
本実施形態の基板処理装置１において、第１高周波電力ＨＦと第２高周波電力ＬＦを基台１１に同時に供給したときの挙動について説明する。

図５は、本実施形態の基板処理装置１において、第１高周波電力ＨＦと第２高周波電力ＬＦを基台１１に供給したときの第１高周波電力ＨＦと第２高周波電力ＬＦの波形を概念的に説明する図である。なお、図５では、インピーダンス変換器２２ａにおいて、インピーダンスが整合されている状態である。例えば、第１高周波電源２１ａの出力インピーダンスと、プラズマによる負荷を含めたインピーダンス変換器２２ａの第１高周波電源２１ａから見たインピーダンスとが一致している状態である。

図５（ａ）の上段が第１高周波電源２１ａからの第１高周波電力ＨＦの電圧の波形を示す。第１高周波電力ＨＦの周波数（第１周波数）は例えば４０ＭＨｚである。図５（ａ）の下段は、第２高周波電源２１ｂからの第２高周波電力ＬＦの電圧の波形を示す。第２高周波電力ＬＦの周波数（第２周波数）は例えば４００ｋＨｚである。図５（ａ）の中段は、基台１１から第１高周波電源２１ａに戻る反射波ＨＦＰｒによる第１高周波電力ＨＦの損失を表す。なお、図５では、反射波ＨＦＰｒを概念的に包絡線で表している。当該反射波ＨＦＰｒは、相互変換歪（ＩＭＤ（Ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｉｓｔｏｒｓｉｏｎ））による反射波のパワーである。当該反射波ＨＦＰｒは、第１高周波電源２１ａに戻る電力信号であるためプラズマの発生には寄与しない。

図５（ｂ）は、プラズマの発生に寄与する第１高周波電力ＨＦの実効パワーＨＦＰｅを示す。図５（ｂ）の上段と下段は、図５（ａ）と同様である。図５（ｂ）の中段に、第１高周波電力ＨＦのパワーから反射波ＨＦＰｒのパワーを差し引いた実効パワーＨＦＰｅを示す。

図５に示すように、インピーダンス変換器２２ａにおいて、インピーダンスが整合している状態では、第２高周波電力ＬＦの電圧が正と負でピークの時に、第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、が大きくなっている。一方、第２高周波電力ＬＦの電圧が零付近において第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、が小さくなっている。

＜インピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスによる挙動＞
次に、インピーダンス変換器２２ａにおいて、設定インピーダンスを変更したときの挙動について説明する。

図６は、本実施形態の基板処理装置１において、第１高周波電力ＨＦと第２高周波電力ＬＦを基台１１に供給したときのインピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスによる影響を概念的に説明する図である。図６の各図は、上から第１高周波電力ＨＦの電圧の波形および第１高周波電力ＨＦの実効パワーＨＦＰｅ、第２高周波電力ＬＦの電圧の波形、反射波ＨＦＰｒによる第１高周波電力ＨＦの損失を示す。

図６（ｂ）は、インピーダンス変換器２２ａにおいて、インピーダンスが整合されている状態の波形を表している。図６（ａ）、図６（ｃ）は、インピーダンス変換器２２ａにおいて、インピーダンスが整合されていない状態の波形を表している。

図５での説明で述べたように、インピーダンスが整合されている状態（図６（ｂ））では、第２高周波電力ＬＦの電圧が正と負のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、が大きくなっている。一方、第２高周波電力ＬＦの電圧が零付近において第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、が小さくなっている。したがって、図６（ｂ）の場合は、第２高周波電力ＬＦの電圧が零付近の時に、第１高周波電力ＨＦの実効パワーＨＦＰｅが一番大きくなる。一方、第２高周波電力ＬＦの電圧が正と負のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの実効パワーＨＦＰｅが一番小さくなる。

一方、インピーダンスが整合されていない状態では、第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、のピークが、インピーダンスが整合している場合とは異なる。

図６（ａ）の場合は、第２高周波電力ＬＦの電圧が負のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、が大きくなっている。一方、第２高周波電力ＬＦの電圧が正のピークの時に第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、が小さくなっている。したがって、図６（ａ）の場合は、第２高周波電力ＬＦの電圧が正のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの実効パワーＨＦＰｅが一番大きくなる。一方、第２高周波電力ＬＦの電圧が負のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの実効パワーＨＦＰｅが小さくなる。

図６（ｃ）の場合は、第２高周波電力ＬＦの電圧が正のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、が大きくなっている。一方、第２高周波電力ＬＦの電圧が負のピークの時に第１高周波電力ＨＦの損失、すなわち、反射波ＨＦＰｒ、が小さくなっている。したがって、図６（ｃ）の場合は、第２高周波電力ＬＦの電圧が負のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの実効パワーＨＦＰｅが一番大きくなる。一方、第２高周波電力ＬＦの電圧が正のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの実効パワーＨＦＰｅが小さくなる。

このように、従来のインピーダンスを整合する場合とは異なり、インピーダンスを非整合とすることにより、相互変換歪による反射波のピークが発生するタイミングを第２高周波電力ＬＦの電圧に対して変えることができる。例えば、反射波ＨＦＰｒのピークが、第２高周波電力ＬＦの電圧が正のピークまたは負のピークの時に発生するように、設定インピーダンスを設定することができる。

インピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を変更したときの具体的な波形を図７、図８に示す。波形は、インピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスを変化させながら、オシロスコープにより第１高周波電力ＨＦ、第２高周波電力ＬＦ、反射波ＨＦＰｒを測定した。なお、第１高周波電力ＨＦは平均電力を測定した。第１高周波電力ＨＦの平均電力は一定となるようにした。また、図８では、インピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を後述する設定レジスタンスと設定リアクタンスの座標軸にプロットし、当該設定値に関連する波形をまとめた。

なお、インピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスを表１にまとめる。設定インピーダンスは、整合している状態からレジスタンスとリアクタンスの差分で表す。したがって、整合している条件Ａでは、設定レジスタンスと設定リアクタンスは零である。

インピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスにより、反射波ＨＦＰｒのピークが発生するタイミングが第２高周波電力ＬＦの電圧（位相）に対して異なる。

例えば、図７（ａ）の条件Ａの場合、すなわち、整合状態の場合、は、第２高周波電力ＬＦの電圧が正と負のピークの時に、反射波ＨＦＰｒが大きくなっている。図７（ｂ）の条件Ｂの場合は、第２高周波電力ＬＦの電圧が負のピークの時に、反射波ＨＦＰｒが小さくなっている。図７（ｃ）の条件Ｃの場合は、第２高周波電力ＬＦの電圧が正の場合に、反射波ＨＦＰｒが小さくなっている。

インピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスを変えたときのプラズマの電子密度を図９に示す。図１０のグラフの横軸は時間を表す。なお、図９のグラフの横軸の範囲は、第２高周波電力ＬＦの１周期に相当する。図９のグラフの縦軸はプラズマの電子密度を表す。

図９の結果より、インピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスとして条件Ｂの設定にすることにより、プラズマの電子密度を高くすることができる。

更に、インピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスを変えたときの酸化シリコンのエッチングレートを図１０に示す。図１０のグラフの縦軸はエッチングレートを表す。

図１０の結果より、インピーダンス変換器２２ａの設定インピーダンスとして条件Ｂの設定にすることにより、エッチングレートを高くすることができる。

ここで、実行する基板処理に対して、当該基板処理に適するインピーダンスについて説明する。本実施形態の基板処理装置１は、反射波のピークが、第２高周波電力ＬＦの電圧（位相）に対して予め定められた期間にあるように、インピーダンスの設定値（設定インピーダンス）を設定する。

最初に、例えば、高いエッチングレートのエッチング処理を行いたい場合について検討する。上述のように、基板処理装置１において条件Ｂのインピーダンスで第１高周波電力を供給すると、プラズマの電子密度を高くすることができる。また、エッチングレートを高くすることができる。したがって、高いエッチングレートのエッチング処理に対しては、基板処理に適するインピーダンスとして条件Ｂを設定するようにする。具体的には、第２高周波電力ＬＦの電圧が負である期間、特に、第２高周波電力ＬＦの電圧が負のピーク付近の期間、で、反射波がピークとなるインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）にする。条件Ｂのインピーダンスで第１高周波電力ＨＦを供給することにより、多くのイオンが高エネルギーで反応して、処理において、エッチングを促進させることができる。

次に、例えば、選択性の高いエッチングを行いたい場合（例えば、エッチングの深さに応じてエッチング処理を選択する場合、等）について検討する。基板処理装置１において条件Ｃのインピーダンスで第１高周波電力ＨＦを供給すると、イオンやラジカルの表層付着とイオンの高エネルギー反応が繰り返し行われる。

具体的な処理について説明する。第２高周波電力ＬＦの電圧が正のピークの時に、第１高周波電力ＨＦの実効パワーが大きくなることにより、反応ガスの解離が促進されイオンやラジカルが増える。そして、イオンやラジカルの解離が促進されている時に、第２高周波電力ＬＦの電圧が正のピークであることから、解離されたラジカルの表層に付着する。なお、供給される第１高周波電力ＨＦにより、解離するイオンやラジカルの種類が異なる。例えば、エッチングガスとしてＣ_４Ｆ_６を用いた場合、供給される第１高周波電力ＨＦのパワーが小さい場合は、解離度が小さく付着係数の高いラジカル（例えば、Ｃ_ｘＦ_ｙ）が多く発生する。付着係数の高いラジカルは、処理対象の表層に付着することにより、例えば、マスクを保護する役割を果たす。一方、供給される第１高周波電力ＨＦが大きい場合は、解離度が大きく付着係数の低いラジカル（例えば、ＣＦ_２、ＣＦ、ＣＦ_３等）が多く発生する。付着係数の低いラジカルは、エッチング形状の底部に輸送されることから、よりエッチングに寄与する。そして、第２高周波電力ＬＦの電圧が負のピークの時には、解離したイオンが底部に供給されることにより、エッチングが促進される。上述のように、第２高周波電力ＬＦの周期で、イオンやラジカルの表層付着とイオンの高エネルギー反応が繰り返される。

上述のように、第２高周波電力ＬＦの電圧が負の時に、反射波が大きくなるようにインピーダンスを設定することにより、イオンやラジカルの付着係数の違いにより、選択性をもつエッチングを行うことができる。したがって、選択性をもつエッチング処理に対しては、基板処理に適するインピーダンスとして条件Ｃを設定するようにする。具体的には、第２高周波電力ＬＦの電圧が正である期間、特に、第２高周波電力ＬＦの電圧が正のピーク付近の期間、で、反射波がピークとなるインピーダンスの設定値（設定インピーダンス）にする。

なお、基板処理に適するインピーダンスとしては、条件Ｂ、条件Ｃに限らない。例えば、別の条件を選択することにより、条件Ｂ、条件Ｃのそれぞれ基板処理の中間的な特性を持つエッチングを行うこともできる。

＜作用・効果＞
本実施形態の基板処理装置１により、プラズマ処理装置において、引き込み用の第２高周波電力ＬＦの電圧（位相）に対してプラズマ発生用の第１高周波電力の供給するパワーのタイミングを調整することができる。すなわち、本実施形態の基板処理装置１のインピーダンス変換器２２ａのインピーダンスを非整合な状態にすることにより、反射波の発生するタイミングを第２高周波電力ＬＦの電圧（位相）に対して変更することができる。そして、反射波の発生するタイミングを第２高周波電力ＬＦの電圧（位相）に対して変更することによって、第２高周波電力ＬＦの電圧（位相）に対して第１高周波電力がプラズマに高パワーで供給されるタイミングを調整することができる。そして、本実施形態の基板処理装置１により、処理に適したインピーダンスに設定することができる。

今回開示された本実施形態に係る基板処理装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形および改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

本開示の基板処理装置は、Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ（ＣＣＰ）、Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ（ＩＣＰ）、マイクロ波によるプラズマ生成する装置、例えば、Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ（ＲＬＳＡ）により生成されたプラズマ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｐｌａｓｍａ（ＥＣＲ）、そしてＨｅｌｉｃｏｎ Ｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ（ＨＷＰ）等のどのタイプでも適用可能である。

１ 基板処理装置
１０ 載置台
２１ａ 第１高周波電源
２１ｂ 第２高周波電源
２２ａ インピーダンス変換器
４３ 制御部
Ｗ 基板

Claims (8)

1. 基板を載置する基板載置台と、
   第１周波数の第１高周波電力を前記基板載置台に供給する第１高周波電源と、
   前記第１高周波電源から見た負荷側のインピーダンスを設定された設定インピーダンスに変換するインピーダンス変換器と、
   前記第１周波数より低い第２周波数の第２高周波電力を前記基板載置台に供給する第２高周波電源と、
   前記インピーダンス変換器の前記設定インピーダンスを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、基板処理に応じて前記設定インピーダンスを設定する、
   基板処理装置。
2. 前記制御部は、プラズマの電子密度に応じて前記設定インピーダンスを設定する、
   請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記制御部は、エッチングレートに応じて前記設定インピーダンスを設定する、
   請求項１に記載の基板処理装置。
4. 前記制御部は、エッチングの深さに応じて前記設定インピーダンスを設定する、
   請求項１に記載の基板処理装置。
5. 前記制御部は、前記インピーダンス変換器から前記第１高周波電源へ伝搬する反射波のピークが、前記第２高周波電力の電圧に対して予め定められた期間にあるように、前記設定インピーダンスを設定する、
   請求項１に記載の基板処理装置。
6. 前記制御部は、前記インピーダンス変換器から前記第１高周波電源へ伝搬する反射波のピークが、前記第２高周波電力の電圧が負である期間にあるように、前記設定インピーダンスを設定する、
   請求項５に記載の基板処理装置。
7. 前記制御部は、前記インピーダンス変換器から前記第１高周波電源へ伝搬する反射波のピークが、前記第２高周波電力の電圧が正である期間にあるように、前記設定インピーダンスを設定する、
   請求項５に記載の基板処理装置。
8. 前記制御部は、複数の基板処理を行う際にそれぞれの処理ごとに前記設定インピーダンスを設定する、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の基板処理装置。
   

Images