JP7437981B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本開示は、プラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスといった電子デバイスの製造においてはプラズマ処理装置が利用される。プラズマ処理装置は、容量結合型のプラズマ処理装置、誘導結合型のプラズマ処理装置といった種々のタイプがある。近年、マイクロ波を用いてガスを励起させるタイプのプラズマ処理装置が用いられる。

特許文献１は、マイクロ波を用いたプラズマ処理装置を開示する。このプラズマ処理装置は、帯域幅を有するマイクロ波を出力するマイクロ波出力装置を備える。この装置は、帯域幅を有するマイクロ波を出力することにより、プラズマの安定化を図ることができる。
特許文献２は、プラズマ励起用のマイクロ波をパルス変調する装置を開示する。この装置は、プラズマの不安定性を抑えて電子温度及びイオン温度を低下させることができる。

特開２０１２－１０９０８０号公報 特開平６－２６７９００号公報

電子デバイスの製造分野において、被処理体へのダメージを一層低減させるために、マイクロ波の低パワー化が進んでいる。しかしながら、マイクロ波のパワーを小さくし過ぎるとプラズマが不安定となったり失火したりするおそれがある。つまり、低パワー化のアプローチには限界がある。別なアプローチとして、プラズマの電子温度をより低くすることが考えられる。

このため、特許文献１記載の装置のように、帯域幅を有するマイクロ波を採用しつつ、特許文献２に記載の装置のように、マイクロ波のパワーをパルス変調することが考えられる。このようなパルス変調をするにあたっては、マイクロ波出力装置から出力された進行波のパワーがパルス変調されていることを確認する必要がある。さらに、マイクロ波パワーの制御の速度を早めることにより、プラズマの安定化を期待できる。

本開示は、パルス変調されたマイクロ波のパルス周波数及びデューティ比をモニタしやすく、かつ、マイクロ波のパワー制御を高速化できる技術を提供する。

一態様においては、プラズマ処理装置が提供される。プラズマ処理装置は、チャンバ本体及びマイクロ波出力装置を備える。マイクロ波出力装置は、マイクロ波発生部、出力部、第１の方向性結合器、及び、測定部を有する。マイクロ波発生部は、制御器から指示された設定値に応じたパルス周波数、デューティ比、Ｈｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルとなるようにパワーがパルス変調されたマイクロ波を発生する。設定値は、パルス周波数、設定デューティ比、Ｈｉｇｈレベルの設定パワー及びＬｏｗレベルの設定パワーを含む。出力部は、マイクロ波発生部から伝搬されたマイクロ波を出力する。第１の方向性結合器は、マイクロ波発生部から出力部に伝搬される進行波の一部を出力する。測定部は、第１の方向性結合器から出力される進行波の一部に基づいて出力部における進行波のパワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルのそれぞれを示す第１のＨｉｇｈ測定値及び第１のＬｏｗ測定値を決定する。マイクロ波発生部は、第１波形のマイクロ波と第２波形のマイクロ波とを、パワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルの切り替えと同期して交互に発生する。第１波形のマイクロ波は、制御器から指示された設定周波数、設定帯域幅及び設定キャリアピッチにそれぞれ応じた中央周波数、帯域幅及びキャリアピッチを有する。第２波形のマイクロ波は、制御器から指示された設定周波数に応じた中央周波数において単一周波数ピークを有する。測定部は、第１のＨｉｇｈ測定値及び第１のＬｏｗ測定値のうち、第１波形のマイクロ波に対応する測定値を、設定キャリアピッチの逆数以上の移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化する。測定部は、第１のＨｉｇｈ測定値及び第１のＬｏｗ測定値のうち、第２波形のマイクロ波に対応する測定値を、設定キャリアピッチの逆数よりも短い移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化する。マイクロ波発生部は、平均化された第１のＨｉｇｈ測定値及びＨｉｇｈレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＨｉｇｈレベルのパワーを制御する。マイクロ波発生部は、平均化された第１のＬｏｗ測定値及びＬｏｗレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＬｏｗレベルのパワーを制御する。

本開示の種々の態様および実施形態によれば、パルス変調されたマイクロ波のパルス周波数及びデューティ比をモニタしやすく、かつ、マイクロ波のパワー制御を高速化できる技術が提供される。

一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す図である。 パワーがパルス変調されたマイクロ波の一例である。 マイクロ波出力装置の一例を示す図である。 波形発生器におけるマイクロ波の生成原理の一例を説明する図である。 同期信号及びマイクロ波の波形の一例である。 マイクロ波のパワー制御に関する構成の一例を示す図である。 パワー無変調時におけるマイクロ波の同期信号及びパワーの一例である。 パワー変調時におけるマイクロ波の検出区間の一例を説明する図である。 パワー変調時におけるマイクロ波の進行波の検波電圧の一例を説明する図である。 パワー変調時におけるマイクロ波の反射波の検波電圧の一例を説明する図である。 移動平均の一例を説明する図である。 測定部によるサンプリングの一例を示す波形である。 同期信号、ＳＰ波形とＢＢ波形とが交互に出現する波形、パルス変調された波形、及び、サンプリングされた波形のタイムチャートである。

以下、種々の例示的実施形態について説明する。

一態様においては、マイクロ波出力装置が提供される。マイクロ波出力装置は、マイクロ波発生部、出力部、第１の方向性結合器、及び、測定部を備える。マイクロ波発生部は、制御器から指示された設定値に応じたパルス周波数、デューティ比、Ｈｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルとなるようにパワーがパルス変調されたマイクロ波を発生する。設定値は、パルス周波数、設定デューティ比、Ｈｉｇｈレベルの設定パワー及びＬｏｗレベルの設定パワーを含む。出力部は、マイクロ波発生部から伝搬されたマイクロ波を出力する。第１の方向性結合器は、マイクロ波発生部から出力部に伝搬される進行波の一部を出力する。測定部は、第１の方向性結合器から出力される進行波の一部に基づいて出力部における進行波のパワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルのそれぞれを示す第１のＨｉｇｈ測定値及び第１のＬｏｗ測定値を決定する。マイクロ波発生部は、第１波形のマイクロ波と第２波形のマイクロ波とを、パワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルの切り替えと同期して交互に発生する。第１波形のマイクロ波は、制御器から指示された設定周波数、設定帯域幅及び設定キャリアピッチにそれぞれ応じた中央周波数、帯域幅及びキャリアピッチを有する。第２波形のマイクロ波は、制御器から指示された設定周波数に応じた中央周波数において単一周波数ピークを有する。測定部は、第１のＨｉｇｈ測定値及び第１のＬｏｗ測定値のうち、第１波形のマイクロ波に対応する測定値を、設定キャリアピッチの逆数以上の移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化する。測定部は、第１のＨｉｇｈ測定値及び第１のＬｏｗ測定値のうち、第２波形のマイクロ波に対応する測定値を、設定キャリアピッチの逆数よりも短い移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化する。マイクロ波発生部は、平均化された第１のＨｉｇｈ測定値及びＨｉｇｈレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＨｉｇｈレベルのパワーを制御する。マイクロ波発生部は、平均化された第１のＬｏｗ測定値及びＬｏｗレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＬｏｗレベルのパワーを制御する。

このマイクロ波出力装置では、帯域幅を有する第１波形のマイクロ波と単一周波数ピークを有する第２波形のマイクロ波とがＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルと同期して交互に出力される。帯域幅を有する第１波形のマイクロ波は、時間的に上下する波形であり、単一周波数ピークを有する第２波形のマイクロ波は時間的に大きく上下しない波形である。このため、このマイクロ波出力装置は、帯域幅を有するマイクロ波をパルス変調する場合と比べて、Ｈｉｇｈレベルのパワー区間とＬｏｗレベルのパワー区間との境界をわかりやすくすることができる。よって、このマイクロ波出力装置は、パルス変調されたマイクロ波のパルス周波数及びデューティ比をモニタしやすいマイクロ波を出力することができる。さらに、このマイクロ波出力装置では、第１波形のマイクロ波のパワーの平均化処理において、第１波形のマイクロ波に対応する測定値が設定キャリアピッチの逆数以上の移動平均時間で平均化される。これにより、マイクロ波出力装置は、帯域幅を有する第１波形のマイクロ波のパワーを適切に制御できる。さらに、第２波形のマイクロ波のパワーの平均化処理において、第２波形のマイクロ波に対応する測定値が設定キャリアピッチの逆数よりも短い移動平均時間で平均化される。このため、このマイクロ波出力装置では、帯域幅を有するマイクロ波をパルス変調した場合のパワー制御と比べて、パワー制御を高速化できる。

一実施形態において、マイクロ波発生部は、出力部に戻された反射波の一部を出力する第２の方向性結合器をさらに備えてもよい。この場合、測定部は、第２の方向性結合器から出力される反射波の一部に基づいて出力部における反射波のパワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルのそれぞれを示す第２のＨｉｇｈ測定値及び第２のＬｏｗ測定値をさらに決定してもよい。測定部は、第２のＨｉｇｈ測定値及び第２のＬｏｗ測定値のうち、第１のマイクロ波に対応する測定値を、設定キャリアピッチの逆数以上の移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化してもよい。測定部は、第２のＨｉｇｈ測定値及び第２のＬｏｗ測定値のうち、第２のマイクロ波に対応する測定値を、設定キャリアピッチの逆数よりも短い移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化してもよい。マイクロ波発生部は、平均化された第１のＨｉｇｈ測定値、平均化された第２のＨｉｇｈ測定値及びＨｉｇｈレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＨｉｇｈレベルのパワーを制御してもよい。マイクロ波発生部は、平均化された第１のＬｏｗ測定値、平均化された第２のＬｏｗ測定値及びＬｏｗレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＬｏｗレベルのパワーを制御してもよい。

この場合、マイクロ波出力装置では、平均化された第１のＨｉｇｈ測定値、平均化された第２のＨｉｇｈ測定値及びＨｉｇｈレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＨｉｇｈレベルのパワーが制御される。さらに、平均化された第１のＬｏｗ測定値、平均化された第２のＬｏｗ測定値及びＬｏｗレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＬｏｗレベルのパワーが制御される。このように、このマイクロ波出力装置は、進行波及び反射波の測定値を用いてＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルのパワーを制御することができる。

一実施形態において、マイクロ波発生部は、平均化された第１のＨｉｇｈ測定値から平均化された第２のＨｉｇｈ測定値を減算した値がＨｉｇｈレベルの設定パワーに近づくようにマイクロ波を制御してもよい。マイクロ波発生部は、平均化された第１のＬｏｗ測定値から平均化された第２のＬｏｗ測定値を減算した値がＬｏｗレベルの設定パワーに近づくようにマイクロ波を制御してもよい。この場合、マイクロ波出力装置は、パルス変調された第１のマイクロ波及び第２のマイクロ波それぞれに対してロード制御を行うことができる。

別の態様においては、プラズマ処理装置が提供される。プラズマ処理装置は、チャンバ本体及びマイクロ波出力装置を備える。マイクロ波出力装置は、チャンバ本体内に供給されるガスを励起させるためのマイクロ波を出力するように構成されている。このマイクロ波出力装置は、上述の態様及び複数の実施形態のうち何れかのマイクロ波出力装置である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。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。

［プラズマ処理装置］
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す図である。図１に示されるように、プラズマ処理装置１は、チャンバ本体１２、及び、マイクロ波出力装置１６を備える。プラズマ処理装置１は、ステージ１４、アンテナ１８、及び、誘電体窓２０を更に備え得る。

チャンバ本体１２は、その内部に処理空間Ｓを提供する。チャンバ本体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る。この側壁１２ａの中心軸線は、鉛直方向に延びる軸線Ｚに略一致する。底部１２ｂは、側壁１２ａの下端側に設けられる。底部１２ｂには、排気用の排気孔１２ｈが設けられる。また、側壁１２ａの上端部は開口である。

側壁１２ａの上端部の上には誘電体窓２０が設けられる。この誘電体窓２０は、処理空間Ｓに対向する下面２０ａを有する。誘電体窓２０は、側壁１２ａの上端部の開口を閉じている。この誘電体窓２０と側壁１２ａの上端部との間にはＯリング１９が介在する。このＯリング１９により、チャンバ本体１２がより確実に密閉される。

ステージ１４は、処理空間Ｓ内に収容される。ステージ１４は、鉛直方向において誘電体窓２０と対面するように設けられる。また、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る。このステージ１４は、その上に載置される被加工物ＷＰ（例えば、ウエハ）を支持するように構成される。

一実施形態において、ステージ１４は、基台１４ａ及び静電チャック１４ｃを含む。基台１４ａは、略円盤形状を有しており、アルミニウムといった導電性の材料から形成されている。基台１４ａの中心軸線は、軸線Ｚに略一致する。この基台１４ａは、筒状支持部４８によって支持される。筒状支持部４８は、絶縁性の材料から形成されており、底部１２ｂから垂直上方に延びる。筒状支持部４８の外周には、導電性の筒状支持部５０が設けられる。筒状支持部５０は、筒状支持部４８の外周に沿ってチャンバ本体１２の底部１２ｂから垂直上方に延びる。この筒状支持部５０と側壁１２ａとの間には、環状の排気路５１が形成される。

排気路５１の上部には、バッフル板５２が設けられる。バッフル板５２は、環形状を有する。バッフル板５２には、当該バッフル板５２を板厚方向に貫通する複数の貫通孔が形成される。このバッフル板５２の下方には上述した排気孔１２ｈが設けられる。排気孔１２ｈには、排気管５４を介して排気装置５６が接続される。排気装置５６は、自動圧力制御弁（ＡＰＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ）と、ターボ分子ポンプといった真空ポンプとを有する。この排気装置５６により、処理空間Ｓを所望の真空度まで減圧することができる。

基台１４ａは、高周波電極を兼ねる。基台１４ａには、給電棒６２及びマッチングユニット６０を介して、高周波バイアス用の高周波電源５８が電気的に接続される。高周波電源５８は、被加工物ＷＰ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、１３．５６ＭＨｚの高周波を、設定されたパワーで出力する。

さらに、高周波電源５８は、パルス生成器を有し、高周波パワー（ＲＦパワー）をパルス変調して基台１４ａに印加してもよい。この場合、高周波電源５８は、ＨｉｇｈレベルのパワーとＬｏｗレベルのパワーとが周期的に繰り返される高周波パワーとなるようにパルス変調する。高周波電源５８は、パルス生成器により生成された同期信号ＰＳＳ－Ｒに基づいてパルス調整する。同期信号ＰＳＳ－Ｒは、高周波パワーの周期及びデューティ比を決定する信号である。パルス変調時の設定の一例として、パルス周波数は１０Ｈｚ～５０ｋＨｚであり、パルスのデューティ比（パルス周期に対するＨｉｇｈレベルパワー時間の比）は１０％～９０％である。

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、チャンバ本体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する。この整合器の中には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る。マッチングユニット６０は、高周波パワーがパルス変調される場合、同期信号ＰＳＳ－Ｒに基づいて整合をとるように動作する。

基台１４ａの上面には、静電チャック１４ｃが設けられる。静電チャック１４ｃは、被加工物ＷＰを静電吸着力で保持する。静電チャック１４ｃは、電極１４ｄ、絶縁膜１４ｅ、及び、絶縁膜１４ｆを含んでおり、概ね円盤形状である。静電チャック１４ｃの中心軸線は軸線Ｚに略一致する。この静電チャック１４ｃの電極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との間に設けられる。電極１４ｄには、直流電源６４がスイッチ６６及び被覆線６８を介して電気的に接続される。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、被加工物ＷＰを吸着保持することができる。また、基台１４ａ上には、フォーカスリング１４ｂが設けられる。フォーカスリング１４ｂは、被加工物ＷＰ及び静電チャック１４ｃを囲むように配置される。

基台１４ａの内部には、冷媒室１４ｇが設けられる。冷媒室１４ｇは、例えば、軸線Ｚを中心に延在するように形成される。この冷媒室１４ｇには、チラーユニットからの冷媒が配管７０を介して供給される。冷媒室１４ｇに供給された冷媒は、配管７２を介してチラーユニットに戻される。この冷媒の温度がチラーユニットによって制御されることにより、静電チャック１４ｃの温度、ひいては被加工物ＷＰの温度が制御される。

また、ステージ１４には、ガス供給ライン７４が形成される。このガス供給ライン７４は、伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスを、静電チャック１４ｃの上面と被加工物ＷＰの裏面との間に供給するために設けられる。

マイクロ波出力装置１６は、チャンバ本体１２内に供給される処理ガスを励起させるためのマイクロ波を出力する。マイクロ波出力装置１６は、マイクロ波の周波数、パワー、及び、帯域幅を可変に調整するよう構成される。マイクロ波出力装置１６は、例えば、マイクロ波の帯域幅を略０に設定することによって、単一周波数のマイクロ波を発生することができる。また、マイクロ波出力装置１６は、その中に複数の周波数成分を有する帯域幅を有したマイクロ波を発生することができる。これら複数の周波数成分のパワーは同一のパワーであってもよく、帯域内の中央周波数成分のみが他の周波数成分のパワーよりも大きいパワーを有していてもよい。一例において、マイクロ波出力装置１６は、マイクロ波のパワーを０Ｗ～５０００Ｗの範囲内で調整することができる。一例において、マイクロ波出力装置１６は、マイクロ波の周波数又は中央周波数を２４００ＭＨｚ～２５００ＭＨｚの範囲内で調整することできる。一例において、マイクロ波出力装置１６は、マイクロ波の帯域幅を０ＭＨｚ～１００ＭＨｚの範囲で調整することができる。また、マイクロ波出力装置１６は、帯域内におけるマイクロ波の複数の周波数成分の周波数のピッチ（キャリアピッチ）を０～２５ｋＨｚの範囲内で調整することができる。

マイクロ波出力装置１６は、パルス生成器を有し、マイクロ波のパワーをパルス変調して出力してもよい。この場合、マイクロ波出力装置１６は、ＨｉｇｈレベルのパワーとＬｏｗレベルのパワーとが周期的に繰り返されるパワーとなるようにマイクロ波をパルス変調する。マイクロ波出力装置１６は、パルス生成器により生成された同期信号ＰＳＳ－Ｍに基づいてパルス調整する。同期信号ＰＳＳ－Ｍは、マイクロ波パワーの周期及びデューティ比を決定する信号である。パルス変調時の設定の一例として、パルス周波数は１Ｈｚ～５０ｋＨｚであり、パルスのデューティ比（パルス周期に対するＨｉｇｈレベルパワー時間の比）は１０％～９０％である。マイクロ波出力装置１６は、高周波電源５８により出力される、パルス変調させた高周波パワーと同期させるように、マイクロ波パワーをパルス変調してもよい。

プラズマ処理装置１は、導波管２１、チューナ２６、モード変換器２７、及び、同軸導波管２８を更に備える。マイクロ波出力装置１６の出力部は、導波管２１の一端に接続される。導波管２１の他端は、モード変換器２７に接続される。導波管２１は、例えば、矩形導波管である。導波管２１には、チューナ２６が設けられる。チューナ２６は、スタブ２６ａ，２６ｂ，２６ｃを有する。スタブ２６ａ，２６ｂ，２６ｃの各々は、導波管２１の内部空間に対するその突出量を調整可能なように構成される。チューナ２６は、基準位置に対するスタブ２６ａ，２６ｂ，２６ｃの各々の突出位置を調整することにより、マイクロ波出力装置１６のインピーダンスと負荷、例えば、チャンバ本体１２のインピーダンスとを整合させる。

モード変換器２７は、導波管２１からのマイクロ波のモードを変換して、モード変換後のマイクロ波を同軸導波管２８に供給する。同軸導波管２８は、外側導体２８ａ及び内側導体２８ｂを含む。外側導体２８ａは、略円筒形状を有しており、その中心軸線は軸線Ｚに略一致する。内側導体２８ｂは、略円筒形状を有しており、外側導体２８ａの内側で延在する。内側導体２８ｂの中心軸線は、軸線Ｚに略一致する。この同軸導波管２８は、モード変換器２７からのマイクロ波をアンテナ１８に伝送する。

アンテナ１８は、誘電体窓２０の下面２０ａの反対側の面２０ｂ上に設けられる。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を含む。

スロット板３０は、誘電体窓２０の面２０ｂ上に設けられる。このスロット板３０は、導電性を有する金属から形成されており、略円盤形状を有する。スロット板３０の中心軸線は軸線Ｚに略一致する。スロット板３０には、複数のスロット孔３０ａが形成される。複数のスロット孔３０ａは、一例においては、複数のスロット対を構成する。複数のスロット対の各々は、互いに交差する方向に延びる略長孔形状の二つのスロット孔３０ａを含む。複数のスロット対は、軸線Ｚ周りの一以上の同心円に沿って配列される。また、スロット板３０の中央部には、後述する導管３６が通過可能な貫通孔３０ｄが形成される。

誘電体板３２は、スロット板３０上に設けられる。誘電体板３２は、石英といった誘電体材料から形成されており、略円盤形状である。この誘電体板３２の中心軸線は軸線Ｚに略一致する。冷却ジャケット３４は、誘電体板３２上に設けられる。誘電体板３２は、冷却ジャケット３４とスロット板３０との間に設けられる。

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の内部には、流路３４ａが形成される。この流路３４ａには、冷媒が供給されるように構成される。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る。

同軸導波管２８からのマイクロ波は、誘電体板３２内を伝搬して、スロット板３０の複数のスロット孔３０ａから誘電体窓２０に供給される。誘電体窓２０に供給されたマイクロ波は、処理空間Ｓに導入される。

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。また、上述したように、スロット板３０の中央部には、導管３６が通過可能な貫通孔３０ｄが形成される。導管３６は、内側導体２８ｂの内孔を通って延在しており、ガス供給系３８に接続される。

ガス供給系３８は、被加工物ＷＰを処理するための処理ガスを導管３６に供給する。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。

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。そして、誘電体窓２０から処理空間Ｓに導入されるマイクロ波によって、当該処理ガスが励起される。これにより、処理空間Ｓ内でプラズマが生成され、当該プラズマからのイオン及び／又はラジカルといった活性種により、被加工物ＷＰが処理される。

プラズマ処理装置１は、制御器１００を更に備える。制御器１００は、プラズマ処理装置１の各部を統括制御する。制御器１００は、ＣＰＵといったプロセッサ、ユーザインタフェース、及び、記憶部を備え得る。

プロセッサは、記憶部に記憶されたプログラム及びプロセスレシピを実行することにより、マイクロ波出力装置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又はタッチパネル、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含んでいる。

記憶部には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセッサ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）、及び、処理条件データ等を含むプロセスレシピ等が保存される。プロセッサは、ユーザインタフェースからの指示等、必要に応じて、各種の制御プログラムを記憶部から呼び出して実行する。このようなプロセッサの制御下で、プラズマ処理装置１において所望の処理が実行される。

［マイクロ波の一例］
マイクロ波出力装置１６から出力されるマイクロ波パワーは、ＨｉｇｈレベルのパワーとＬｏｗレベルのパワーとを繰り返すようにパルス状に変調された波形となる。図２は、パワーがパルス変調され、Ｈｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルの両方が帯域幅を有するマイクロ波の一例である。図２に示されるように、帯域幅を有するマイクロ波は、制御器１００から指示された設定値に応じたパルス周波数、デューティ比、Ｈｉｇｈレベルのパワー及びＬｏｗレベルのパワーを有する。制御器１００から指示された設定値は、設定パルス周波数、設定デューティ比、Ｈｉｇｈレベルの設定パワー及びＬｏｗレベルの設定パワーを含む。Ｌｏｗレベルのパワーは、Ｈｉｇｈレベルのパワーよりも低いパワーである。

Ｌｏｗレベルのパワーは、プラズマ生成状態を維持するのに必要な最も低いレベルのパワー以上であってもよい。一例として、Ｌｏｗレベルの設定パワーは、５００Ｗ以上であってもよい。なお、Ｌｏｗレベルの設定パワーが０Ｗのとき、マイクロ波パワーは、ＯＮ／ＯＦＦ制御となる。Ｌｏｗレベルの設定パワーが０Ｗを超えて５００Ｗ未満のとき、マイクロ波パワーは、Ｌｏｗレベルにおいてプラズマ励起がなされない程度のＨｉｇｈ／Ｌｏｗ制御となる。

Ｈｉｇｈレベルのパワー時のマイクロ波（第１波形のマイクロ波の一例）は、制御器１００から指示された設定値に応じた中央周波数、帯域幅及びキャリアピッチを有する。設定値は、設定周波数、設定帯域幅及び設定キャリアピッチを含む。帯域幅を有するマイクロ波の１つの波形をキャリアという。キャリアピッチは、キャリアの間隔であり、キャリアピッチの逆数が帯域幅を有するマイクロ波の周期となる。Ｌｏｗレベルのパワー時のマイクロ波（第２波形のマイクロ波の一例）は、制御器１００から指示された設定周波数に応じた中央周波数において単一周波数ピークを有する。Ｈｉｇｈレベルのパワー及びＬｏｗレベルのパワーと、帯域幅を有するマイクロ波及び単一周波数ピークを有するマイクロ波との組合せは上記に限定されない。例えば、Ｈｉｇｈレベルのパワー時のマイクロ波が単一周波数ピークを有するマイクロ波であり、Ｌｏｗレベルのパワー時のマイクロ波が帯域幅を有するマイクロ波であってもよい。

［マイクロ波出力装置１６の構成例］
図３は、マイクロ波出力装置の一例を示す図である。図３に示されるように、マイクロ波出力装置１６は、演算装置１００ａに接続されている。演算装置１００ａは、制御器１００、波形発生器１０１、第１パルス生成器１０２、第２パルス生成器１０３、第３パルス生成器１０４、及び、第４パルス生成器１０５を有する。

波形発生器１０１は、マイクロ波の波形を発生する。波形発生器１０１は、２種類のマイクロ波の波形を発生することができる。第１波形として、波形発生器１０１は、制御器１００により指定された設定値に応じた中央周波数、帯域幅及びキャリアピッチを有するマイクロ波の波形を発生する。設定値は、設定周波数、設定帯域幅及び設定キャリアピッチを含む。第２波形として、波形発生器１０１は、制御器１００から指示された設定周波数に応じた中央周波数において単一周波数ピークを有するマイクロ波の波形を発生する。

第１パルス生成器１０２は、同期信号を生成する。同期信号は、２種類のマイクロ波の波形生成のタイミングを決定するために、さらに、マイクロ波出力装置１６にてマイクロ波パワーをパルス変調する際に利用される。第１パルス生成器１０２は、制御器１００によって設定された設定プロファイルにおけるマイクロ波パワーの設定パルス周波数及び設定デューティ比に基づいて、同期信号ＰＳＳ－Ｍを生成する。第１パルス生成器１０２は、同期信号ＰＳＳ－Ｍを波形発生器１０１及びマイクロ波出力装置１６へ出力する。

波形発生器１０１は、帯域幅を有するマイクロ波の波形と、単一周波数ピークを有するマイクロ波の波形とを交互に出力する。波形発生器１０１は、第１パルス生成器１０２から出力された同期信号ＰＳＳ－Ｍに基づいて動作する。波形発生器１０１は、同期信号ＰＳＳ－Ｍに基づいて、帯域幅を有するマイクロ波の波形の発生タイミング、単一周波数ピークを有するマイクロ波の波形の発生タイミングを決定する。波形発生器１０１は、マイクロ波の波形をマイクロ波出力装置１６へ出力する。

第２パルス生成器１０３は、パワーがパルス変調されたマイクロ波をチューナ２６にてインピーダンス整合する際に利用される同期信号を生成する。第２パルス生成器１０３は、第１パルス生成器１０２と同様に、制御器１００によって設定された設定プロファイルにおけるマイクロ波パワーの設定パルス周波数及び設定デューティ比に基づいて、同期信号ＰＳＳ－ＭＴを生成する。同期信号ＰＳＳ－ＭＴは、同期信号ＰＳＳ－Ｍと同一のパルス周波数及びデューティ比を有する。第２パルス生成器１０３は、同期信号ＰＳＳ－ＭＴをチューナ２６へ出力する。

第３パルス生成器１０４は、高周波電源５８にて高周波パワーをパルス変調する際に利用される同期信号を生成する。第３パルス生成器１０４は、制御器１００によって設定された設定プロファイルにおける高周波パワーの設定パルス周波数及び設定デューティ比に基づいて、同期信号ＰＳＳ－Ｒを生成する。第３パルス生成器１０４は、同期信号ＰＳＳ－Ｒを高周波電源５８へ出力する。

第４パルス生成器１０５は、パワーがパルス変調された高周波をマッチングユニット６０にてインピーダンス整合する際に利用される同期信号を生成する。第４パルス生成器１０５は、第３パルス生成器１０４と同様に、制御器１００によって設定された設定プロファイルにおける高周波パワーの設定パルス周波数及び設定デューティ比に基づいて、同期信号ＰＳＳ－ＲＭを生成する。同期信号ＰＳＳ－ＲＭは、同期信号ＰＳＳ－Ｒと同一のパルス周波数及びデューティ比を有する。第４パルス生成器１０５は、同期信号ＰＳＳ－ＲＭをマッチングユニット６０へ出力する。

第１パルス生成器１０２は、同期信号ＰＳＳ－Ｒと同期した同期信号ＰＳＳ－Ｍを生成してもよい。この場合、マイクロ波パワーのパルス変調と高周波パワーのパルス変調とを同期させることができるので、安定したプラズマ生成が可能となる。

マイクロ波出力装置１６は、波形発生器１０１により発生されたマイクロ波の波形を、制御器１００の設定に応じてパルス変調し、マイクロ波として出力する。マイクロ波出力装置１６は、マイクロ波発生部１６ａ、導波管１６ｂ、サーキュレータ１６ｃ、導波管１６ｄ、導波管１６ｅ、第１の方向性結合器１６ｆ、第２の方向性結合器１６ｈ、測定部１６ｋ（測定部の一例）、及び、ダミーロード１６ｊを有する。

マイクロ波発生部１６ａは、制御器１００から指示された設定値に応じたパルス周波数、デューティ比、Ｈｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルとなるようにパワーがパルス変調されたマイクロ波を発生する。設定値は、設定パルス周波数、設定デューティ比、Ｈｉｇｈレベルの設定パワー及びＬｏｗレベルの設定パワーを含む。

マイクロ波発生部１６ａは、パワー制御部１６２、減衰器１６３、増幅器１６４、増幅器１６５、及び、モード変換器１６６を有する。

波形発生器１０１は、減衰器１６３に接続される。減衰器１６３は、一例として、印加電圧値によって減衰量（減衰率）を変更可能な機器である。減衰器１６３には、パワー制御部１６２が接続される。パワー制御部１６２は、印加電圧値を用いて減衰器１６３におけるマイクロ波の減衰率（減衰量）を制御する。パワー制御部１６２は、波形発生器１０１により出力されたマイクロ波が、制御器１００により指示された設定値に応じたパワーを有するマイクロ波となるように、減衰器１６３におけるマイクロ波の減衰率（減衰量）を制御する。

パワー制御部１６２は、一例として、制御部１６２ａを有する。制御部１６２ａは、プロセッサであり得る。制御部１６２ａは、制御器１００から設定プロファイルを取得する。制御部１６２ａは、第１パルス生成器１０２から同期信号ＰＳＳ－Ｍを取得する。制御部１６２ａは、同期信号ＰＳＳ－Ｍ、及び、制御器１００によって設定された設定プロファイルに基づいてマイクロ波の減衰率（減衰量）を決定する。

減衰器１６３の出力は、増幅器１６４及び増幅器１６５を介してモード変換器１６６に接続される。増幅器１６４及び増幅器１６５は、マイクロ波をそれぞれに所定の増幅率で増幅する。モード変換器１６６は、増幅器１６５から出力されるマイクロ波の伝搬モードをＴＥＭからＴＥ０１に変換する。このモード変換器１６６におけるモード変換によって生成されたマイクロ波は、マイクロ波発生部１６ａの出力マイクロ波として出力される。

マイクロ波発生部１６ａの出力は導波管１６ｂの一端に接続される。導波管１６ｂの他端は、サーキュレータ１６ｃの第１ポート２６１に接続される。サーキュレータ１６ｃは、第１ポート２６１、第２ポート２６２Ａ、及び、第３ポート２６３Ａを有する。サーキュレータ１６ｃは、第１ポート２６１に入力されたマイクロ波を第２ポート２６２Ａから出力し、第２ポート２６２Ａに入力したマイクロ波を第３ポート２６３Ａから出力するように構成される。サーキュレータ１６ｃの第２ポート２６２Ａには導波管１６ｄの一端が接続される。導波管１６ｄの他端は、マイクロ波出力装置１６の出力部１６ｔである。

サーキュレータ１６ｃの第３ポート２６３Ａには、導波管１６ｅの一端が接続される。導波管１６ｅの他端はダミーロード１６ｊに接続される。ダミーロード１６ｊは、導波管１６ｅを伝搬するマイクロ波を受けて、当該マイクロ波を吸収する。ダミーロード１６ｊは、例えば、マイクロ波を熱に変換する。

第１の方向性結合器１６ｆは、導波管１６ｂの一端と他端との間に設けられる。第１の方向性結合器１６ｆは、マイクロ波発生部１６ａから出力されて、出力部１６ｔに伝搬するマイクロ波（即ち、進行波）の一部を分岐させて、当該進行波の一部を出力するように構成される。

第２の方向性結合器１６ｈは、導波管１６ｅの一端と他端との間に設けられる。第２の方向性結合器１６ｈは、出力部１６ｔに戻されたマイクロ波（即ち、反射波）について、サーキュレータ１６ｃの第３ポート２６３Ａに伝送された反射波の一部を分岐させて、当該反射波の一部を出力するように構成される。

測定部１６ｋは、導波管内のマイクロ波を測定する機器である。測定部１６ｋは、測定制御部１６７、第１検波部１６８及び第２検波部１６９を有する。

第１検波部１６８は、導波管内のマイクロ波の進行波パワーに応じた測定値を検出する。第１検波部１６８は、第１の方向性結合器１６ｆから出力された進行波を入力する。第２検波部１６９は、導波管内のマイクロ波の反射波パワーに応じた測定値を検出する。第２検波部１６９は、第２の方向性結合器１６ｈから出力された反射波を入力する。

測定制御部１６７は、第１検波部１６８により取得された進行波の一部に基づき、出力部１６ｔにおける進行波のパワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルのそれぞれを示す第１のＨｉｇｈ測定値ｐｆＨ及び第１のＬｏｗ測定値ｐｆＬを決定する。測定制御部１６７は、第２検波部１６９により取得された反射波の一部に基づき、出力部１６ｔにおける反射波のパワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルのそれぞれを示す第２のＨｉｇｈ測定値ｐｒＨ及び第２のＬｏｗ測定値ｐｒＬを決定する。測定値の一例は、検波電圧である。

測定制御部１６７は、第１検波部１６８により検出された測定値に基づいて、進行波パワーの周波数及びデューティ比を取得する。

測定部１６ｋは、パワー制御部１６２に接続される。測定部１６ｋは、測定値をパワー制御部１６２に出力する。パワー制御部１６２は、進行波と反射波との測定値の差、即ちロードパワー（実効パワー）が、制御器１００によって指定される設定パワーに一致するように、減衰器１６３を制御する（パワーフィードバック制御）。

チューナ２６は、チューナ制御部２６０及びチューナ検波部２６４を有する。チューナ制御部２６０は、制御器１００の信号及びチューナ検波部２６４の検出結果に基づいて、マイクロ波出力装置１６側のインピーダンスとアンテナ１８側のインピーダンスとを整合するようにスタブ２６ａ、２６ｂ，２６ｃの突出位置を調整する。チューナ検波部２６４は、一例として三探針検波器であり、３本のダイオード付きプローブを有する。チューナ制御部２６０は、図示しないドライバ回路及びアクチュエータにより、スタブ２６ａ、２６ｂ，２６ｃを動作させる。

チューナ制御部２６０は、第２パルス生成器１０３により生成されたマイクロ波パワー用の同期信号ＰＳＳ－ＭＴを取得する。チューナ制御部２６０は、同期信号を考慮して、スタブ２６ａ、２６ｂ，２６ｃを動作させる。高周波電源５８は、第３パルス生成器１０４により生成された高周波パワー用の同期信号ＰＳＳ－Ｒを取得する。高周波電源５８は、同期信号ＰＳＳ－Ｒに基づいて高周波パワーをパルス変調する。マッチングユニット６０は、第４パルス生成器１０５により生成された高周波パワー用の同期信号ＰＳＳ－ＲＭを取得する。マッチングユニット６０は、同期信号ＰＳＳ－ＲＭに基づいて、パルス変調された高周波パワーを整合する。

［波形発生器の詳細］
図４は、波形発生器におけるマイクロ波の生成原理を説明する図である。図４に示されるように、波形発生器１０１は、例えば、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デジタル変調器とを有する。波形発生器１０１は、ＰＬＬ発振器において発振されるマイクロ波の周波数を制御器１００により指定された設定周波数に設定する。そして、波形発生器１０１は、ＰＬＬ発振器からのマイクロ波と、当該ＰＬＬ発振器からのマイクロ波とは９０°の位相差を有するマイクロ波とを、ＩＱデジタル変調器を用いて変調する。これにより、波形発生器１０１は、帯域内において複数の周波数成分を有するマイクロ波、又は、単一周波数のマイクロ波を生成する。

波形発生器１０１は、例えば、Ｎ個の複素データシンボルに対する逆離散フーリエ変換を行って連続信号を生成することにより、複数の周波数成分を有するマイクロ波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あり得る。

一例では、波形発生器１０１は、予めデジタル化された符号の列で表された波形データを有する。波形発生器１０１は、波形データを量子化し、量子化したデータに対して逆フーリエ変換を適用することにより、ＩデータとＱデータとを生成する。そして、波形発生器１０１は、Ｉデータ及びＱデータの各々に、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ／Ａｎａｌｏｇ）変換を適用して、二つのアナログ信号を得る。波形発生器１０１は、これらアナログ信号を、低周波成分のみを通過させるＬＰＦ(ローパスフィルタ）へ入力する。波形発生器１０１は、ＬＰＦから出力された二つのアナログ信号を、ＰＬＬ発振器からのマイクロ波、ＰＬＬ発振器からのマイクロ波とは９０°の位相差を有するマイクロ波とそれぞれミキシングする。そして、波形発生器１０１は、ミキシングによって生成されたマイクロ波を合成する。これにより、波形発生器１０１は、一又は複数の周波数成分を有するマイクロ波を生成する。

［波形発生器により生成される波形の一例］
波形発生器１０１は、同期信号ＰＳＳ－Ｍに基づいて、一の周波数成分を有するマイクロ波と、複数の周波数成分を有するマイクロ波とを交互に生成することもできる。以下、同期信号、及び、波形発生器により生成されるマイクロ波の波形の一例を示す。図５は、同期信号及びマイクロ波の波形の一例である。図５の（Ａ）に示されるように、同期信号ＰＳＳ－Ｍは、ＯＮ状態（Ｈｉｇｈ状態）とＯＦＦ状態（Ｌｏｗ状態）とが交互に出現するパルス信号となる。同期信号ＰＳＳ－Ｍのパルス周期ＰＴは、Ｈｉｇｈレベルとなるタイミングの間隔で定義する。パルス周期ＰＴに対するＨｉｇｈ時間ＨＴの比がデューティ比である。第１パルス生成器１０２は、制御器１００により指定されたパルス周波数（１／ＰＴ）及びデューティ比（ＨＴ／ＰＴ×１００［％］）に基づいて、図５の（Ａ）に示されるような同期信号を生成する。

波形発生器１０１は、Ｈｉｇｈ時間ＨＴの間は広帯域周波数を有するマイクロ波の波形を生成し、Ｌｏｗ時間ＬＴの間は単一周波数ピークを有するマイクロ波の波形を生成する。図５の（Ｂ）では、広帯域周波数を有するマイクロ波の波形をＢＢ（Broad Band）波形（第１波形の一例）、単一周波数ピークを有するマイクロ波の波形をＳＰ（Single Peak）波形（第２波形の一例）として示している。波形発生器１０１は、ＢＢ波形とＳＰ波形との生成タイミングを逆にしてもよい。つまり、波形発生器１０１は、Ｈｉｇｈ時間ＨＴの間は単一周波数ピークを有するマイクロ波の波形を生成し、Ｌｏｗ時間ＬＴの間は広帯域周波数を有するマイクロ波の波形を生成してもよい。

［マイクロ波のパワー制御の一例］
波形発生器により生成された波形は、パワーが変調及び増幅されて出力される。図６は、マイクロ波のパワー制御に関する構成の一例を示す図である。図６に示されるように、パワー制御は、測定制御部１６７及び制御部１６２ａによって実現する。

図６に示されるように、波形発生器１０１は、ＳＰ波形及びＢＢ波形が交互に出現するマイクロ波の波形を出力する。制御部１６２ａは、減衰器１６３を動作させてマイクロ波のパワーをパルス変調する。制御部１６２ａは、第１パルス生成器１０２から出力された同期信号ＰＳＳ－Ｍに基づいてＨｉｇｈ時間及びＬｏｗ時間を決定する。制御部１６２ａは、Ｈｉｇｈ時間においては制御器１００から出力された設定ＨｉｇｈレベルのパワーＰＨとなるように、Ｌｏｗ時間においては設定ＬｏｗレベルのパワーＰＬとなるように、減衰器１６３を動作させる。これにより、ＳＰ波形部分のみが減衰したマイクロ波が得られる。マイクロ波は、増幅器１６４及び増幅器１６５によって増幅され、チャンバ本体１２へと送られる。

測定制御部１６７は、第１の方向性結合器１６ｆ及び第２の方向性結合器１６ｈから進行波のパワーの測定値ｐｆ０及び反射波のパワーの測定値ｐｒ０を取得する。測定制御部１６７は、測定値をサンプリングして制御部１６２ａへ出力する。制御部１６２ａは、進行波のパワーの測定値ｐｆと反射波のパワーの測定値ｐｒとの差分が設定値となるようにパワーフィードバックを行う。このようなフィードバックループによって、制御器１００によって指定された設定値を実現する。

マイクロ波のパワーがパルス変調されている場合においては、Ｈｉｇｈレベルのパワー及びＬｏｗレベルのパワーを、それぞれ個別にフィードバック制御する必要がある。つまり、測定制御部１６７は、第１のＨｉｇｈ測定値ｐｆＨ、第１のＬｏｗ測定値ｐｆＬ、第２のＨｉｇｈ測定値ｐｒＨ及び第２のＬｏｗ測定値ｐｒＬを計測し、計測結果を制御部１６２ａへ出力する。制御部１６２ａは、同期信号ＰＳＳ－Ｍに基づいて、ＨｉｇｈレベルのパワーのフィードバックとＬｏｗレベルのパワーのフィードバックとを切り替える。

制御部１６２ａは、Ｈｉｇｈレベルのパワーのフィードバック時には、第１のＨｉｇｈ測定値ｐｆＨ、第２のＨｉｇｈ測定値ｐｒＨ及びＨｉｇｈレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＨｉｇｈレベルのパワーを制御する。制御部１６２ａは、Ｌｏｗレベルのパワーのフィードバック時には、第１のＬｏｗ測定値ｐｆＬ、第２のＬｏｗ測定値ｐｒＬ及びＬｏｗレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調されたマイクロ波のＬｏｗレベルのパワーを制御する。

より具体的には、制御部１６２ａは、Ｈｉｇｈレベルのパワーのフィードバック時には、マイクロ波出力装置１６から出力されるマイクロ波のＨｉｇｈレベルのパワーを制御する。制御部１６２ａは、第１のＨｉｇｈ測定値ｐｆＨと第２のＨｉｇｈ測定値ｐｒＨとの差を制御器１００によって指定された設定Ｈｉｇｈパワーに近づけるようにパワーを制御する。また、制御部１６２ａは、Ｌｏｗレベルのパワーのフィードバック時には、マイクロ波出力装置１６から出力されるマイクロ波のＬｏｗレベルのパワーを制御する。制御部１６２ａは、第１のＬｏｗ測定値ｐｆＬと第２のＬｏｗ測定値ｐｒＬとの差を制御器１００によって指定された設定Ｌｏｗパワーに近づけるようにパワーを制御する。これにより、出力部１６ｔに結合される負荷に供給されるマイクロ波のロードパワーが、設定パワーに近づけられる。

［検出区間］
図７は、パワー無変調時におけるマイクロ波の同期信号及びパワーの一例である。図７の信号（Ａ）は同期信号ＰＳＳ－Ｍであり、図７の信号（Ｂ）は、マイクロ波の進行波パワーである。図７に示されるように、マイクロ波のパワーをパルス変調しない場合、同期信号ＰＳＳ－Ｍは一定値となる。そして、マイクロ波パワーも一定であるため、どの期間の移動平均時間を用いても、平均化された測定値（ＰｆＨ，ＰｆＬ）は同一となる。反射波パワーについても同様に、平均化された測定値（ＰｒＨ，ＰｒＬ）は同一となる。

パワー変調時においては、マイクロ波パワーが周期的に変調されている。このため、Ｈｉｇｈレベルの測定値、及び、Ｌｏｗレベルの測定値を取得するためには、同期信号ＰＳＳ－Ｍに基づいて測定する必要がある。パワー制御部１６２にある記憶部（不図示）には、定義データとして、Ｈ検出マスク時間、Ｈ検出区間、Ｌ検出マスク時間、Ｌ検出区間が記憶されている。

図８は、パワー変調時におけるマイクロ波の検出区間を説明する図である。図８の信号（Ａ）は同期信号ＰＳＳ－Ｍであり、図８の信号（Ｂ）は、マイクロ波の進行波パワーである。図８に示されるように、同期信号ＰＳＳ－ＭのＯＮ区間をＨｉｇｈ区間、ＯＦＦ区間をＬｏｗ区間とする。同期信号ＰＳＳ－Ｍのパルスの立ち上がりをＨトリガポイント（Ｈｉｇｈレベルとなるタイミング）、パルスの立ち下がりをＬトリガポイント（Ｌｏｗレベルとなるタイミング）とする。

Ｈ検出マスク時間は、Ｈトリガポイントから所定時間経過するまでの時間である。Ｈ検出マスク時間は、データの取得が禁止される。Ｈ検出マスク時間は、マイクロ波のパワーが不安定となる区間からデータを取得することを回避するために設けられる。Ｈ検出区間は、Ｈ検出マスク時間終了からＬトリガポイントまでの区間である。Ｈ検出区間は、進行波のＨｉｇｈレベルの測定値ｐｆＨが取得される区間である。

Ｌ検出マスク時間は、Ｌトリガポイントから所定時間経過するまでの時間である。Ｌ検出マスク時間は、データの取得が禁止される。Ｌ検出マスク時間は、マイクロ波のパワーが不安定となる区間からデータを取得することを回避するために設けられる。Ｌ検出区間は、Ｌ検出マスク時間終了からＨトリガポイントまでの区間である。Ｌ検出区間は、進行波のＬｏｗレベルの測定値ｐｆＬが取得される区間である。

Ｈ検出区間及びＬ検出区間にて検出された測定値（ｐｆＨ，ｐｆＬ）に基づいて、平均化された測定値（ＰｆＨ，ＰｆＬ）が算出される。なお、反射波パワーの検出区間は、進行波パワーの検出区間と同一の手法で設定される。

図９は、パワー変調時におけるマイクロ波の進行波の検波電圧の一例を説明する図である。図９の（Ａ）は、測定部１６ｋによって得られた検波電圧ｐｆの一例である。横軸は時間、縦軸は電圧値である。図９の（Ａ）に示される例においては、現在時刻から所定時間遡った期間においては、３つのＨｉｇｈレベルと４つのＬｏｗレベルとが含まれる。図９の（Ｂ）は、図９の（Ａ）に対応し、Ｈ検出マスク時間及びＬ検出マスク時間を用いた測定部１６ｋによって得られた検波電圧ｐｆの一例である。横軸は時間、縦軸は電圧値である。図９の（Ｂ）に示されるように、３つのＨ検出区間と４つのＬ検出区間とが得られる。図９の（Ｃ）は、メモリ上において、図９の（Ｂ）に示されるＨ検出区間を時系列に繋げた検波電圧ｐｆＨである。ここではｍ個のＨ検出区間がつなぎ合わされている。図９の（Ｄ）は、メモリ上において、図９の（Ｂ）に示されるＬ検出区間を時系列に繋げた検波電圧ｐｆＬである。ここではｎ個のＬ検出区間がつなぎ合わされている。このように、メモリ上で繋げることにより、測定部１６ｋは、時間的に連続した進行波パワーを得ることができる。

図１０は、パワー変調時におけるマイクロ波の反射波の検波電圧の一例を説明する図である。図１０の（Ａ）は、測定部１６ｋによって得られた検波電圧ｐｒの一例である。横軸は時間、縦軸は電圧値である。図１０の（Ａ）に示される例においては、現在時刻から所定時間遡った期間においては、３つのＨｉｇｈレベルと４つのＬｏｗレベルとが含まれる。図１０の（Ｂ）は、図１０の（Ａ）に対応し、Ｈ検出マスク時間及びＬ検出マスク時間を用いた測定部１６ｋによって得られた検波電圧ｐｒの一例である。横軸は時間、縦軸は電圧値である。図１０の（Ｂ）に示されるように、３つのＨ検出区間と４つのＬ検出区間とが得られる。図１０の（Ｃ）は、メモリ上において、図１０の（Ｂ）に示されるＨ検出区間を時系列に繋げた検波電圧ｐｒＨである。ここではｍ個のＨ検出区間がつなぎ合わされている。図１０の（Ｄ）は、メモリ上において、図１０の（Ｂ）に示されるＬ検出区間を時系列に繋げた検波電圧ｐｒＬである。ここではｎ個のＬ検出区間がつなぎ合わされている。このように、メモリ上で繋げることにより、測定部１６ｋは、時間的に連続した反射波パワーを得ることができる。

［測定制御部のデータサンプリングの一例］
測定制御部１６７は、パルス変調された進行波パワーを正確に測定するためにデータを平均化してもよい。図１１は、移動平均の一例を説明する図である。図１１において、ａはサンプリング間隔［μｓ］、ｂは移動平均時間［μｓ］、ｃはサンプル数である。なお，サンプリング間隔は、０．１μｓ以下である。サンプル数ｃはｂ/ａで表現される。測定制御部１６７は、時刻ｔ＝０のとき、Ｐｆ（１）～Ｐｆ（ｃ）までのｃ個のサンプルをサンプリング間隔ａで取得し、平均化する。測定制御部１６７は、時刻ｔ＝１のとき、Ｐｆ（２）～Ｐｆ（ｃ＋１）までのｃ個のサンプルをサンプリング間隔ａで取得し、平均化する。測定制御部１６７は、時刻ｔ＝ｋのとき、Ｐｆ（ｋ＋１）～Ｐｆ（ｃ＋ｋ）までのｃ個のサンプルをサンプリング間隔ａで取得し、平均化する。数式で表すと以下の通りである。

これにより、強弱を有するパワー波形が平均化される。

上記例では進行波の例を示したが、反射波も同一の手法で平均化することができる。上述のとおり、測定制御部１６７は、第１のＨｉｇｈ測定値ｐｆＨ、第１のＬｏｗ測定値ｐｆＬ、第２のＨｉｇｈ測定値ｐｒＨ及び第２のＬｏｗ測定値ｐｒＬを計測し、計測結果を制御部１６２ａへ出力する。つまり、測定制御部１６７は、これらの測定値を測定値ごとに平均化する。

図９の（Ｃ）に示される例では、第１のＨｉｇｈ測定値ｐｆＨは以下の数式で平均化される。

図９の（Ｄ）に示される例では、第１のＬｏｗ測定値ｐｆＬは以下の数式で平均化される。

図１０の（Ｃ）に示される例では、第２のＨｉｇｈ測定値ｐｒＨは以下の数式で平均化される。

図１０の（Ｄ）に示される例では、第２のＬｏｗ測定値ｐｒＬは以下の数式で平均化される。

このように、測定部１６ｋは、測定値ごとに平均化処理を実行する。また、測定部１６ｋは、第１のＨｉｇｈ測定値ｐｆＨ及び第１のＬｏｗ測定値ｐｆＬのうち、ＢＢ波形のマイクロ波に対応する測定値を、設定キャリアピッチの逆数以上の移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化する。一例として、キャリアピッチが１０ｋＨｚのときには、設定キャリアピッチの逆数は、１００μｓとなり、これがＢＢ波形の周期となる。このため、測定部１６ｋは、移動平均時間が１００μｓ以上となるように設定し、平均化処理を実行する。一例として、サンプリング間隔ａが１０ｎｓのときには、サンプル数は、１００００回以上となるように設定される。これにより、ＢＢ波形に対して適切に平均化処理を行うことができる。

測定部１６ｋは、第１のＨｉｇｈ測定値ｐｆＨ及び第１のＬｏｗ測定値ｐｆＬのうち、ＳＰ波形のマイクロ波に対応する測定値を、設定キャリアピッチの逆数よりも小さい移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化する。ＳＰ波形は、時間軸で表現するとパワーは一定である。このため、測定部１６ｋは、ノイズを除去できる程度の平均化処理を行えばよい。一例として、測定部１６ｋは、ＢＢ波形における移動平均時間１００μｓよりも小さい移動平均時間でパワーを平均化する。より具体的な一例として、測定部１６ｋは、６０μｓ以下１μｓ以上の移動平均時間でパワーを平均化する。

このように、測定部１６ｋは、ＢＢ波形とＳＰ波形とで移動平均時間を異ならせる。これにより、マイクロ波出力装置１６は、マイクロ波全体をＢＢ波形に合わせた移動平均時間（ＢＢ波形の周期以上）で平均化する場合と比べて、パワー制御を高速化することができる。

［サンプリングの結果の一例］
図１２は、測定部によるサンプリングの一例を示す波形である。図１２の（Ａ）の波形は、第１の方向性結合器１６ｆにより測定された、パルス変調されたＳＰ波形である。図１２の（Ｂ）の波形は、図１２の（Ａ）のＳＰ波形を測定制御部１６７によってサンプリングした波形である。図１２の（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、パルス変調されたＳＰ波形は、サンプリング後においてＨｉｇｈ及びＬｏｗの信号を明確に区別することができる。図１２の（Ｃ）の波形は、第１の方向性結合器１６ｆにより測定された、パルス変調されたＢＢ波形である。図１２の（Ｄ）の波形は、図１２の（Ｃ）のＢＢ波形を測定制御部１６７によってサンプリングした波形である。図１２の（Ｃ）及び（Ｄ）に示されるように、パルス変調されたＢＢ波形は、サンプリング後においてＨｉｇｈ及びＬｏｗの信号の境界が不明確となる。図１２の（Ｅ）の波形は、第１の方向性結合器１６ｆにより測定されたパルス変調された波形であり、ＳＰ波形とＢＢ波形とが交互に出現する波形である。図１２の（Ｆ）の波形は、図１２の（Ｅ）の波形を測定制御部１６７によってサンプリングした波形である。図１２の（Ｅ）及び（Ｆ）に示されるように、ＳＰ波形とＢＢ波形とが交互に出現する波形は、サンプリング後においてＨｉｇｈ及びＬｏｗの信号を明確に区別することができる。

［タイムチャートの一例］
上述した、同期信号、ＳＰ波形とＢＢ波形とが交互に出現する波形、パルス変調された波形、サンプリングされた波形を、それぞれの時間軸を一致させた状態で図１３に示す。図１３は、同期信号、ＳＰ波形とＢＢ波形とが交互に出現する波形、パルス変調された波形、及び、サンプリングされた波形のタイムチャートである。図１３の（Ａ）は第１パルス生成器１０２により生成された同期信号ＰＳＳ－Ｍである。図１３の（Ｂ）は波形発生器１０１により生成された波形である。図１３の（Ｃ）は制御部１６２ａによりパルス変調された波形である。図１３の（Ｄ）は測定制御部１６７によりサンプリングされた波形である。

図１３の（Ｂ）に示されるように、図１３の（Ａ）に示される同期信号ＰＳＳ－ＭのＯＮ／ＯＦＦと同期して、ＳＰ波形とＢＢ波形とが交互に出現する。つまり、図１３の（Ｂ）に示される波形の周期及びデューティ比は、同期信号ＰＳＳ－Ｍの周期及びデューティ比と一致する。図１３の（Ｃ）に示されるように、図１３の（Ａ）に示される同期信号ＰＳＳ－ＭのＯＮ／ＯＦＦと同期して、ＳＰ波形とＢＢ波形とのパワーがそれぞれ区別されて変調される。つまり、図１３の（Ｃ）に示される波形の周期及びデューティ比は、同期信号ＰＳＳ－Ｍの周期及びデューティ比と一致する。そして、図１３の（Ｄ）に示されるように、マイクロ波のＨｉｇｈ部分とＬｏｗ部分とがそれぞれ区別されて検出される。

以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上述した例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。また、異なる実施形態における要素を組み合わせて他の実施形態を形成することが可能である。

上述した実施形態では、マイクロ波発生部１６ａと波形発生器１０１とが分離している例を説明したが、一つの装置として構成されていてもよい。また、演算装置１００ａが第１パルス生成器１０２～第４パルス生成器１０５を備える例を説明したが、これに限定されない。例えば、パワー制御部１６２が第１パルス生成器１０２を備えてもよい。

プラズマ処理装置がマイクロ波の進行波パワーを利用するモードのみ用いる場合、測定部１６ｋは反射波を測定する構成を備えていなくてもよい。

パルス変調にてＢＢ波形とＳＰ波形のマイクロ波を交互に繰り返すときＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルの中央周波数は同じでも異なっていてもよい。また、装置設定においてＳＰ波形のみのパルス変調に切り替えが可能である。そのとき、ＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルの中央周波数のみを交互に繰り返し変更することも可能である。

以上の説明から、本開示の種々の実施形態は、本開示の範囲及び主旨から逸脱することなく種々の変更をなし得ることが、理解されるであろう。したがって、本明細書に開示した種々の実施形態は限定することを意図しておらず、真の範囲と主旨は、添付の特許請求の範囲によって示される。

１…プラズマ処理装置、１２…チャンバ本体、１６…マイクロ波出力装置、１６ａ…マイクロ波発生部、１６ｆ…第１の方向性結合器、１６ｈ…第２の方向性結合器、１６ｋ…測定部、１６ｔ…出力部、１８…アンテナ、２０…誘電体窓、２６…チューナ、２７…モード変換器、２８…同軸導波管、３０…スロット板、３２…誘電体板、３４…冷却ジャケット、３８…ガス供給系、５８…高周波電源、６０…マッチングユニット、１００…制御器、１０１…波形発生器、１０２…第１パルス生成器、１６２…パワー制御部、１６３…減衰器、１６４…増幅器、１６５…増幅器、１６６…モード変換器。

Claims (5)

1. チャンバ本体と、
   前記チャンバ本体内に供給されるガスを励起させるためのマイクロ波を出力するマイクロ波出力装置と、
   を備え、
   前記マイクロ波出力装置は、
   制御器から指示された設定パルス周波数、設定デューティ比、Ｈｉｇｈレベルの設定パワー及びＬｏｗレベルの設定パワーにそれぞれ応じたパルス周波数、デューティ比、Ｈｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルとなるようにパワーがパルス変調されたマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
   前記マイクロ波発生部から伝搬されたマイクロ波を出力する出力部と、
   前記マイクロ波発生部から前記出力部に伝搬される進行波の一部を出力する第１の方向性結合器と、
   前記第１の方向性結合器から出力される前記進行波の前記一部に基づいて前記出力部における前記進行波のパワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルのそれぞれを示す第１のＨｉｇｈ測定値及び第１のＬｏｗ測定値を決定する測定部と、
   を有し、
   前記マイクロ波発生部は、
   制御器から指示された設定周波数、設定帯域幅及び設定キャリアピッチにそれぞれ応じた中央周波数、帯域幅及びキャリアピッチを有する第１波形のマイクロ波と、制御器から指示された設定周波数に応じた中央周波数において単一周波数ピークを有する第２波形のマイクロ波とを、前記パワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルの切り替えと同期して交互に発生し、
   前記測定部は、
   前記第１のＨｉｇｈ測定値及び前記第１のＬｏｗ測定値のうち、データの取得が禁止される第１のマスク時間を除いた検出区間に取得された前記第１波形のマイクロ波に対応する測定値を、前記設定キャリアピッチの逆数以上の移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化し、
   前記第１のＨｉｇｈ測定値及び前記第１のＬｏｗ測定値のうち、データの取得が禁止される第２のマスク時間を除いた検出区間に取得された前記第２波形のマイクロ波に対応する測定値を、前記設定キャリアピッチの逆数よりも短い移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化し、
   前記マイクロ波発生部は、
   平均化された前記第１のＨｉｇｈ測定値及び前記Ｈｉｇｈレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調された前記マイクロ波のＨｉｇｈレベルのパワーを制御し、
   平均化された前記第１のＬｏｗ測定値及び前記Ｌｏｗレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調された前記マイクロ波のＬｏｗレベルのパワーを制御する、
   プラズマ処理装置。
2. 前記マイクロ波出力装置は、パルス生成器から出力された同期信号に基づいて、前記第１波形のマイクロ波と前記第２波形のマイクロ波との波形生成のタイミングを決定し、
   前記マイクロ波発生部は、前記波形生成のタイミングにて生成させた前記第１波形及び前記第２波形に基づいて、前記第１波形のマイクロ波及び前記第２波形のマイクロ波を、前記パワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルの切り替えと同期して交互に発生させ、
   前記同期信号は、パルスの立ち上がりである第１トリガポイント及びパルスの立ち下がりである第２トリガポイントを有し、
   前記第１のマスク時間は、前記第１トリガポイントから前記第１波形のパワーが不安定となる区間が終了するまでの時間であり、
   前記第２のマスク時間は、前記第２トリガポイントから前記第２波形のパワーが不安定となる区間が終了するまでの時間である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記マイクロ波出力装置は、パルス生成器から出力された同期信号に基づいて、前記第１波形のマイクロ波と前記第２波形のマイクロ波との波形生成のタイミングを決定し、
   前記マイクロ波発生部は、前記波形生成のタイミングにて生成させた前記第１波形及び前記第２波形に基づいて、前記第１波形のマイクロ波及び前記第２波形のマイクロ波を、前記パワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルの切り替えと同期して交互に発生させ、
   前記同期信号は、パルスの立ち上がりである第１トリガポイント及びパルスの立ち下がりである第２トリガポイントを有し、
   前記第１のマスク時間は、前記第２トリガポイントから前記第１波形のパワーが不安定となる区間が終了するまでの時間であり、
   前記第２のマスク時間は、前記第１トリガポイントから前記第２波形のパワーが不安定となる区間が終了するまでの時間である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記出力部に戻された反射波の一部を出力する第２の方向性結合器をさらに備え、
   前記測定部は、
   前記第２の方向性結合器から出力される前記反射波の一部に基づいて前記出力部における前記反射波のパワーのＨｉｇｈレベル及びＬｏｗレベルのそれぞれを示す第２のＨｉｇｈ測定値及び第２のＬｏｗ測定値をさらに決定するとともに、
   前記第２のＨｉｇｈ測定値及び前記第２のＬｏｗ測定値のうち、前記第１波形のマイクロ波に対応する測定値を、前記設定キャリアピッチの逆数以上の移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化し、
   前記第２のＨｉｇｈ測定値及び前記第２のＬｏｗ測定値のうち、前記第２波形のマイクロ波に対応する測定値を、前記設定キャリアピッチの逆数よりも短い移動平均時間及び所定のサンプリング回数で平均化し、
   前記マイクロ波発生部は、
   平均化された前記第１のＨｉｇｈ測定値、平均化された前記第２のＨｉｇｈ測定値及び前記Ｈｉｇｈレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調された前記マイクロ波のＨｉｇｈレベルのパワーを制御し、
   平均化された前記第１のＬｏｗ測定値、平均化された前記第２のＬｏｗ測定値及び前記Ｌｏｗレベルの設定パワーに基づいて、パルス変調された前記マイクロ波のＬｏｗレベルのパワーを制御する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記マイクロ波発生部は、
   平均化された前記第１のＨｉｇｈ測定値から平均化された前記第２のＨｉｇｈ測定値を減算した値が前記Ｈｉｇｈレベルの設定パワーに近づくように前記マイクロ波を制御し、
   平均化された前記第１のＬｏｗ測定値から平均化された前記第２のＬｏｗ測定値を減算した値が前記Ｌｏｗレベルの設定パワーに近づくように前記マイクロ波を制御する、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
   

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