JPWO2021124470A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

安定したプラズマ処理特性を得ることのできるプラズマ処理装置を提供するため、真空容器内部の処理室内の下部に配置され前記プラズマを用いた処理対象のウエハが載せられる試料台であって上部の中央部に配置された凸状部の上面に前記ウエハが載せられる試料台において内部に配置され前記ウエハの処理中に高周波電力が供給される電極および前記試料台の前記凸状部の外周側で前記上面を囲んで配置された導体製のリング状部材の電極と、このリング状部材と前記処理室との間及び前記試料台の上面との間で前記リング状部材を対して覆って配置された誘電体製の第１のリング状カバーと、前記処理室と第１のリング状カバーの上面との間でこれを覆って配置され導体製の第２のリング状カバーとを備え、ウエハの処理中に導体製のリング状部材に供給する高周波電力の電圧を検出した結果に応じて当該高周波電力の大きさを調節する調節器とを備えた。

Description

本発明は、真空容器内の処理室内部に設置された試料台に載置された半導体ウエハ等の基板状の試料をプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置に係り、試料台に高周波電力を供給して試料を処理するプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの製造工程において、半導体ウエハの基板上に予め形成された膜構造をエッチングすることが広く行われている。特にプラズマ処理装置は、処理室内部に処理用のガスを導入してそれをプラズマ化し、高周波バイアスによってウエハ上に電界を形成してプラズマ内のイオン等の荷電粒子をウエハに誘引し、荷電粒子をウエハに垂直に入射させることで、ウエハ上に垂直な形状を形成することを可能としている。

このようなプラズマ処理装置には、半導体デバイスの生産性向上の要求から、ウエハ表面のより広い範囲をより均一に処理することが求められる。エッチング特性（例えば処理速度）がウエハ面内位置によって異なると、エッチング後の形状にウエハ面内位置によってバラつきが現れる。バラつきが大きいほど要求される形状を満たさない部分が増え、製品歩留まりを低下させてしまう。特にウエハ外周部では、エッチング時に荷電粒子をウエハに誘引する際、ウエハ上の電界の歪みによって荷電粒子の入射が集中し、エッチング形状の傾き（チルティング）が発生する。

また、プラズマ処理を繰り返すことによってウエハ外周部周辺に設置される部材が消耗すると、部材の形状変化によってウエハ上の電界分布が変化し、チルティングの度合いも変化する。チルティングを一定に制御するには部材の交換が必要となるが、その際には処理装置を停止させる必要がある。頻繁な部材交換が必要となると処理装置の稼働率が低下してウエハ処理コストを増大させるため、長期間部材を交換する必要がない処理装置が求められる。更には、部材交換の回数を最小限に抑えるため、部材の消耗を装置の外部から簡便に検知する技術が求められる。

上記の課題を解決する従来の技術として、特開２０１４−１０８７６４号公報（特許文献１）に開示のものが従来知られていた。この従来の技術では、ウエハと同電位となるようにされた導体製のフォーカスリングの上に重ねて誘電体製フォーカスリングと導体製フォーカスリングを配置し、フォーカスリング消耗によるエッジ電界の経時変化を抑制するものが開示されている。

更には、特開２０１４−２２５３７６号公報（特許文献２）には、ウエハ外周側を囲むように高周波電力を印加可能な導体製のリングとそれを覆う誘電体製の部材を設置し、部材の消耗を回路のインピーダンス変化を用いて検知する方法と、消耗量に応じて導体製リングへの印加電力の大きさを変化させ、チルティングを制御する技術が開示されている。

特開２０１４−１０８７６４号公報 特開２０１６−２２５３７６号公報

上記従来の技術では、ウエハ外周部の電界に影響を与えうるウエハ外周部付近に設置される部材の消耗を電気的に検知する手法には限界があった。

特許文献１の技術では、最下部の導体製のフォーカスリングが消耗した場合は等電位面分布に影響するため、この消耗を検知する必要があるが、最下部のフォーカスリングの消耗を電気的に検知することが原理的に不可能であった。

また、特許文献２の技術では、ウエハ外周部の電界に最も強く影響を与える、ウエハ外周部付近の部材のウエハに最も近い内側側面の消耗を独立して検出することができないことが判明した。

本発明の目的は、ウエハ外周部周辺の電界制御に最も強い影響を与える部分の消耗のみをより精密に検知することによって、安定したプラズマ処理特性を得ることのできるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、真空容器内部に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置され前記プラズマを用いた処理対象のウエハが載せられる試料台であって上部の中央部に配置された凸状部の上面に前記ウエハが載せられる試料台と、当該試料台内部に配置され前記ウエハの処理中に高周波電力が供給される電極と、前記試料台の前記凸状部の外周側で前記上面を囲んで配置された導体製のリング状部材と、このリング状部材と前記処理室との間及び前記試料台の上面との間で前記リング状部材を対して覆って配置された誘電体製の第１のリング状カバーと、前記処理室と第１のリング状カバーの上面との間でこれを覆って配置され導体製の第２のリング状カバーと、前記ウエハの処理中に前記導体製のリング状部材に高周波電力を供給する高周波電源と前記リング状部材との間を接続する給電経路を流れる高周波電力の電圧を検出した結果に応じて当該高周波電力の大きさを調節する調節器とを備えたプラズマ処理装置により達成される。

本発明によれば、ウエハ外周部におけるプラズマ処理特性の経時変化をより精密に検知す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。

ウエハのプラズマ処理によって形成される形状を示す概略図である。 プラズマ処理装置における試料台外周側部分の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である プラズマ処理装置における試料台外周側部分の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 図４に示す実施例の試料台外周側部分の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。 図５に示す試料台外周側部分のプラズマ処理による部材の消耗後の状態を模式的に示す縦断面図である。 ウエハの表面に配置された所定の厚さの膜をエッチング処理した後の形状を模式的に示す断面図である。 経時変化を抑制するための構成を備えた試料台の従来技術の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の電源周辺の別の変形例の構成を模式的に示す縦断面図である。

ウエハ外周部における電界の分布とエッチング特性の変化について説明する。

図７は、ウエハの表面に配置された所定の厚さの膜をエッチング処理した後の形状を模式的に示す断面図である。

図７（ａ）において、ウエハ７２０の上面上方の空間には、所定の電位を有するプラズマ７４０が形成されると共にプラズマ７４０とウエハ７２０表面との間にはウエハ７２０表面に沿って所定の厚さのシースが形成された状態を示している。符号７５２はシースの界面を示しており、シース界面７５２とウエハ７２０の上面との間に形成されるシースの厚さ（シース界面７５２とウエハ７２０上面との間の距離）はウエハ７２０の下方の電極に供給された高周波電力の大きさによって変化する。

プラズマ７４０中の荷電粒子７５３（本図では正電荷を有するもの）は、ウエハ７２０とプラズマ７４０との間に形成される電界中でクーロン力を受けて、シース中の等電位面７５１に垂直な方向にウエハ７２０に向かって誘引され加速される。図７（ａ）に示すように、等電位面７５１がウエハ７２０上面に対して平行である場合はプラズマ中の荷電粒子７５３がウエハ７２０表面の膜に対して垂直に入射して衝突する。この衝突の際のエネルギーを利用して当該膜の材料を物理的あるいは化学的反応を用いて除去して形成される溝や穴等のパターンは、その側壁面の方向や形状が膜上面に垂直にされる。

一方、図７（ｂ）のように等電位面７５１がウエハ７２０上面に対して傾いている場合では荷電粒子７５３はウエハ７２０の膜上面に対して斜めに入射することになり、形成されるパターンの形状や方向は側壁面の方向や形状は処理形状に傾き（チルティング）が生起してしまう。特に、ウエハ７２０の外周縁近傍の部分では電界の集中が発生し易く、等電位面１５１がウエハ７２０の膜上面に対して傾きを生じてしまいチルティングが発生してしまい、ウエハ７２０の中央部分のパターンに対して方向や形状のバラつきが生じてしまう。

ウエハ７２０の中心側部分に対するこのような外周縁近傍部分でパターンの傾きの大きさやそのバラつきの増大を抑制するために、ウエハ７２０の外周縁の外側でウエハ７２０を囲んで配置されたリング状の導電体あるいは半導体製の部材にバイアス電位を形成するための電力を供給して、リング状の部材またはこれの上方を覆う別の部材上方に所望の大きさのシースを形成してウエハ７２０の外周縁部分のシースの等電位面７５１をすることが従来から行われている。プラズマ７４０に面するこのようなリングはフォーカスリングと呼ばれ、フォーカスリングの上面の部材がウエハ７２０を処理中にプラズマ７４０の荷電粒子７５３に衝突されることにより削られたり、プラズマ７４０の粒子との相互作用により脱離したりする等の消耗が生じてしまう。このため、ウエハ７２０の処理の枚数や時間の増大に伴ってリングの上面上方に形成されるシースの等電位面７５１の高さが変化してしまい、上記チルティングの度合いも変化しまうという問題が生じる。

チルティングを所望の許容範囲内の値にする上では、リングの部材の消耗の度合い等経時的な変化を抑制する、あるいは当該リング部材を適宜交換することが必要となる。このため、リングの部材の交換すべき時期を正確に把握するため当該部材の消耗の量を検知する機能が求められる。

図８は、経時変化を抑制するための構成を備えた試料台の従来技術の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図８（ａ）では、試料台８１０の主要部を構成し円筒形状を有した金属等導体製の基材８１３上部の中央部分に外周側より上面が高くされた円筒形の凸部が備えられ、当該凸部上面にセラミクス等の誘電体材料から構成された誘電体膜８１１が配置され、その上面にウエハ７２０が載せられた状態が示されている。この状態で、ウエハ７２０は誘電体膜８１１内部に配置された膜状の電極である導体膜８１２に直流電源からの電力が供給されて形成された静電気力により誘電体膜８１１上面に吸着されて保持されている。

基材８１３の上中央部の凸部の外周側は上面高さが低くされ凸部をリング上に囲む凹部となっており、円筒形を有した凸部の側壁とリング状の凹部との表面にはセラミクス等の誘電体材料から構成された被膜８１４が配置され、被膜８１３の上面上には、凸部を囲むリング状の部材であるフォーカスリング８０１，８０２，８０３が配置されている。これらのフォーカスリング８０１，８０２，８０３は上下方向に重ねられて相互に接合され一体の部材として構成された部材であり、ウエハ７２０が誘電体膜８１１上に載せられ保持された状態でウエハ７２０の外周側でこれを囲むように凹部上に配置される。

基材８１３は整合器８３２を介して第２の高周波電源８３１と電気的に接続され、ウエハ７２０が処理されている間に、高周波電源８３１が出力した高周波電力が供給される。フォーカスリング８０１は高周波電力について基材８１３と電気的に接続され基材８１３と同電位にされる。この構成において、プラズマ７４０と面するフォーカスリング８０３が消耗し上面の高さが低下する（図上下方に変動する）に伴ってシース界面１５２の形状、例えばウエハ７２０上面に対する相対的な高さ位置は変化しても、フォーカスリング８０２はプラズマ７４０による削れ等の消耗が小さいためウエハ１２０上およびフォーカスリング８０２内部に位置する特定のシース内の等電位面７５１の分布は変動が抑制される。

しかし、図８（ｂ）に消耗前の形状を破線、消耗後の形状を実線として例示するように、下方に配置されたフォーカスリング８０１がその内周壁面が大きく消耗した場合は、フォーカスリング８０１の内周縁部とウエハ７２０の外周縁部との距離が水平方向（図上左右方向）に変動することになり、これに伴ってウエハ７２０外周縁部上方およびフォーカスリング８０２内部を通る等電位面１５１の分布は変化することになる。このことから、ウエハ７２０のエッチング処理の結果としての回路パターンの形状とそのウエハ７２０上面の面内方向についての分布が経時的に変化してしまうことを抑制するためには、このようなウエハ７２０外周に配置されたリング状の部材の消耗による形状の変化の量を精密に検出して、その結果に応じてウエハ７２０の処理の条件を調節する、あるいは予め定められる許容範囲を超えたことを適宜検出してこのような部材の交換の遅れを抑制することが望ましい。一方、最も下方に位置するフォーカスリング８０１は金属あるいはＳｉ等の半導体で構成され基材８１３を通して供給される高周波電力に対して導電体であり、これが消耗しても供給される高周波電力の変化を精度良く検出することが困難であった。

図９は、別の従来技術に係る試料台の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図９（ａ）においては、試料台８１０の基材８１３の凸部の外周を囲む凹部上に、ウエハ７２０外周縁を囲む導体リング９２２と、当該導体リング９２２の上面及び内外周側壁面を覆って配置されたセラミクスあるいは石英等誘電体製の誘電体カバーリング９２３とが示されている。さらに、第２の高周波電源８３１とプラズマ７４０との間の等価回路上での導体リング９２２とプラズマ７４０との間のインピーダンス値及びその変化を検出してプラズマ７４０に面した誘電体カバーリング９２３の部分の消耗を検出する構成を備えている。

本図の試料台８１０は、整合器８３２と導体リング９２２との間の給電経路に電気的に接続されたインピーダンス検出器９３６により給電経路上での高周波電力に係るインピーダンスを検出し、検出した結果に応じて給電経路上の負荷インピーダンス調整器９３５の動作を調節することで導体リング１２２に印加する電力を調節する機能を備えている。このような構成においては、図９（ｂ）のように導体リング９２２を覆う誘電体カバーリング９２３の部材が消耗した際に、等価回路上の誘電体カバーリング９２３の静電容量３０１及び３０２の変化の量を誘電体カバーリング９２３の上面及び内側側の側面の消耗の量に相当するパラメータとして検出することができる。更に、検出された部材の消耗の量に合わせて導体リング９２２に印加する高周波電力の大きさを調節して導体リング９２２上面あるいは内周側壁面を覆う誘電体製カバーリング９２２上方に形成されるシースの等電位面７５１の高さ位置およびこれに応じて変化するウエハ７２０外周縁部上方の等電位面７５１の傾きを調節する機能を備えている。

このような構成では、誘電体カバーリング９２３の最もウエハ７２０の外周縁と水平方向（図上左右方向）に隙間を開けて位置する内周側壁面９２３ａは当該外周縁に最も近い箇所であり等電位面７５１が通過する箇所であるため、当該内周側側面９２３ａが消耗することによる等電位面７５１の水平方向の分布に最も大きく影響する。しかしながら、本図の構成においては、プラズマ７４０と第２の高周波電源７３１との間の等価回路において、誘電体カバーリング９２３は一体の静電容量として機能する部分であり、内周側壁面９２３ａの特定の部分の消耗を他のプラズマ７４０に面して消耗する部分、例えば上面部分と区別して検出することは困難であるため、等電位面７５１の分布を精度良く所望のものに実現することができなかった。

このように、上記従来の技術では、ウエハ７２０の外周縁部近傍での部材の消耗、特にはウエハ７２０外周縁部上の電界変化に最も強い影響を与える部材の特定の部分の消耗を検出し、これに基づいて等電位面の高さの分布あるいは電界の分布を十分に精度良く所望のものに実現することに困難があった。以下、このような課題を解決する本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。

以下、本発明の実施例を図１ないし図５を用いて説明する。

まず、図１を用いて本実施例に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の概要について説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模試的に示す縦断面図である。

本実施例のプラズマ処理装置は、少なくとも一部に円筒形状を有した真空容器１０１と、真空容器１０１の上方に配置され真空容器１０１内部の空間である処理室内にプラズマ１４０を形成するための電界または磁界を生成するプラズマ形成部と、真空容器１０１下方で真空容器１０１と連結されて配置され当該真空容器１０１内部の処理室を排気して減圧するターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有する排気部とを備えている。真空容器１０１内部にはその上部であって処理室上方に配置され円板状の形状を有する上部電極１０２と、上部電極１０２の下方に上部電極１０２と平行となるように隙間を開けて配置され円板形状を有する誘電体製のシャワープレート１０７と、シャワープレート１０７の下方に配置され略円筒形状を有する試料台１１０と、試料台１１０の下方の真空容器１０１の底面に配置され排気部の入り口と連通して処理室内のガスやプラズマの粒子が通って排出される円形の真空排気口１０８とを備えている。

真空容器１０１の上部には、図示しないガス導入管と接続され、ガス導入管とシャワープレート１０７及び上部電極１０２との間の隙間との間を連通するガス導入路が配置されている。ガス源と連結されたガス導入管を通して処理用のガスが真空容器１０１内部のガス導入路を通り上部電極１０２とシャワープレート１０７との間の隙間に流入して拡散された後、シャワープレート１０７の中央部に配置された複数の貫通孔から真空容器１０１内の処理室内部上方から供給される。

上部電極１０２は、第１の高周波電源１０４と同軸ケーブル等の電界電波経路を介して電気的に接続され、プラズマを形成するための第１の高周波電力が第１の高周波電源１０４から供給され、当該第１の高周波電力の電界が上部電極１０２及びシャワープレート１０７を通して処理室内に放射される。処理室内に導入された処理用のガスの原子または分子は、電界の作用を受けて励起され解離または電離しプラズマ１４０を発生させる。真空容器１０１上部の円筒形の側壁の外周側及び上方を囲んで配置される２個のコイル１０６が生起する磁界は、処理室内においてその上下方向の中心軸回りで軸対称かつ下向きに末広がりに磁力性を有し、当該磁界の強度及び向きとその分布とによってプラズマ１４０の処理室内での強度や分布が処理に適したものに調節される。

さらに、真空排気口１０８を介して接続される排気部の図示しないターボ分子ポンプ等の真空排気手段の動作により、処理室内のプラズマや処理用ガスの粒子が真空排気口１０８を通して処理室外部に排出される。シャワープレート１０７の貫通孔のガス導入口を通り処理室内に供給される処理用ガスの流量またはその速度と真空排気口１０８を通して排気される処理室内部のガスの粒子の流量または速度とのバランスにより処理室内部は、処理の工程の各々に適した所定の真空度の圧力に減圧され維持される。また、排気部のターボ分子ポンプの入り口の上流側には、図示しない排気量調整器を備え、真空排気口１０８からの排気の流量あるいは速度を、真空排気口１０８を含む排気の流路の断面積を増減することにより調節する。

本実施例の試料台１１０は、円板または円筒形状を有した部材であって金属製の部材である基材１１３を内部に備えている。基材１１３の上部の中央部には上方に凸形状を有した円筒形部分を有し、当該凸部の周囲は、これをリング状に囲む凹み部を有している。試料台１１０の基材１１３の凸部上面を除く側壁及び凹み部上面は誘電体膜１１４によって被覆されている。基材１１３の凸部の円形の上面は溶射によって形成された誘電体を含む材料の膜である誘電体膜１１１により被覆されており、その上面の中心部に処理対象の円板状の試料であるウエハ１２０が載せられて保持される載置面を構成する。誘電体膜１１１が覆う凸部上面はウエハ１２０の形状に合わせて実質的に円形を有してシャワープレート１０７と対向している。

誘電体膜１１１の内部には導体材料から構成された導体膜１１２が配置されており、高周波フィルタ１３４を介して直流電源１３３が電気的に接続され、膜状の電極として構成されている。直流電源１３３から印加される直流電圧によって、ウエハ１２０は試料台１１０の誘電体膜１１１上面に静電吸着され、固定される。

試料台１１０の基材１１３は整合器１３２を介して第２の高周波電源１３１が電気的に接続されて、第２の高周波電源１３１が形成する第２の高周波電力が供給される電極として機能する。詳細には、ウエハ１２０が誘電体膜１１１上に載せられ保持された状態でプラズマ１４０が処理室内に生成されると、第２の高周波電源１３１からは第２の高周波電力が基材に供給され、当該第２の高周波電力によってウエハ１２０上面上方にプラズマ１４０との間で結合された電界を発生させ、プラズマ１４０とウエハ１４０上面との間にプラズマシースを形成する。

プラズマシースは所定の電位を有するプラズマ１４０の界面とこれに面する導体である基材またはウエハ１２０との間で電位が変化する領域であって、ウエハ１２０または基材とプラズマとのの電位の差に応じてプラズマ１４０中の荷電粒子は、プラズマシースを通りウエハ１２０上面に誘引されて衝突する。この際に、ウエハ１２０上面に予め形成されていた膜構造のプラズマに面する層の表面は荷電粒子の衝突によってエネルギーを与えられ当該層を形成する材料は反応を生起して表面から脱離し、当該層のエッチングが進行する。

次に、図２を用いて、試料台１１０の外周部周辺の構成の詳細を説明する。図２は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の試料台の上部外周部分の構成の概略を拡大して模式的に示す縦断面図である。なお、図１に示すものと同じ符号が付された箇所について、必要のない限り説明は省略する。

本図において、試料台１１０の上面かつウエハ載置面である誘電体膜１１１の外周側のリング状の箇所は、基材１１３の高さが凹まされて低くされ、基材１１３または誘電体膜１１１上面との間に段差を有している。この段差の外周側のリング状の部分、すなわち凹み部の底面の上方かつウエハ１２０の外周側の箇所には、誘電体膜１１４が配置され、さらにその上に例えば石英やアルミナのような誘電体製の材料で構成されるリング状の部材である絶縁リング１２１及び絶縁リング１２１の上面上方に配置され、金属または導体材料で構成される導体リング１２２が配置されている。

導体リング１２２には、第２の高周波電源１３１から整合器１３２を介して基材１１３に接続される給電経路を構成する配線上での整合器１３２と基材との間の箇所から分岐して別の配線が給電経路として電気的に接続されている。分岐された給電経路の配線上には負荷インピーダンス調整器１３５が配置されている。導体リング１２２は、その下面が絶縁リング１２１上面に接して載せられており、絶縁リング１２１の上方に載せられた石英、アルミナ等の誘電体製の誘電体カバーリング１２３の底面から上方に凹まされて形成されたリング状の凹み部の内側に収納されて配置されている。

導体リング１２２は、内周及び外周側壁面と上面とを誘電体カバーリング１２３に覆われることで、試料台１１０あるいは第２の高周波電源に電気的に接続されている基材１１３から絶縁される。これにより、導体リング１２２には試料台１１０と異なる高周波電力の印加を可能としている。

さらに、上面が平面である構造を持つ誘電体カバーリング１２３が導体リング１２２の内外周の側壁面及び上面を覆って絶縁リング１２１及び導体リング１２２上に載せられて配置される。導体リング１２２は、誘電体カバーリング１２３に上面及び側面がプラズマ１４０に対して覆われて曝露されない。そのため、導体リング１２２を構成する金属元素が真空容器１０１内に放出されず、ウエハ１２０の金属汚染が抑制される。

本実施例の誘電体カバーリング１２４は、リング状の内周側の部分はその平坦な上面を有する外周側の部分から内周側に向かって高さが低くされ縦断面がテーパー状の形状を有している。さらに、内周側の部分の最内周端部の上面は水平方向に平坦にされて試料台１１０の凸部の円筒形の側壁と僅かな隙間を空けた位置に置かれ、誘電体膜１１１の上面に載せられた状態でウエハ１２０の外周縁の下方に最内周端部の平坦な上面が位置するように配置される。

本実施例の誘電体カバーリング１２４の外周側の部分の平坦な上面であって、そのリング状の平坦な部分の内周端部分を含む上面にはＳｉもしくはＳｉＣの導体材料で構成される平板リング状の部材である導体カバーリング１２４が載置されている。本実施例では、導体カバーリング１２４は導体リング１２２の上面の上方に配置され、その上方から見た投影面が少なくとも導体リング１２２の全体を覆う寸法と形状とを備えている。さらに、導体カバーリング１２４の外周側の部分には、誘電体カバーリング１２３の外周の側壁面を覆うように下向きに延在した円筒形の部分を有していても良い。

誘電体カバーリング１２３と導体カバーリング１２４とを着脱可能に構成することで、これらの片方が消耗した場合に消耗した方の部材のみを交換することができる。また、誘電体カバーリング１２３と導体カバーリング１２４とを接着剤等により接着すれば、これら部材間の熱伝導性が向上し処理中の一方の部材の過度な昇温を抑制することができる。両者を着脱可能とするか接着するかは、所望する効果に応じて使用者が選択することができる。

ウエハ１２０に印加される電力（ウエハ電力）と導体リング１２２に印加される電力（エッジ電力）の大きさは、分岐されて導体リング１２２に接続された給電経路上に配置された回路である負荷インピーダンス調整器１３５によって調整される。本実施例では、これらの電力の大きさの比率と第２の高周波電源１３１から発生させる電力の大きさを負荷インピーダンス調整器１３５の回路定数を増減して調節することで、実質的にウエハ電力を所定の許容される範囲内の値に保ったままエッジ電力の大きさを所望のものに変化させる。

また、分岐された給電経路上にはインピーダンスの大きさをを測定するためのインピーダンス検出器１３６が接続されていても良い。インピーダンス検出器１３６は負荷インピーダンス調整器１３５と導体リング１２２との間の給電経路上の箇所に電気的に接続されて配置され、導体リング１２２に印加される高周波電力の電流値、直流電圧値もしくはピークトゥピーク電圧（Ｖｐｐ）値のいずれか、或いはその複数を検出する。以下では、Ｖｐｐ値を用いて給電経路上での箇所のインピーダンスの変化を検出する場合について記述する。検出されたＶｐｐ値は図示しない記憶媒体等に保存され、装置の使用者はこの値を図示しない装置の管理・操作用インターフェースから確認することができる。このような検出器は、負荷インピーダンス調整器１３５の内部に特定の回路あるいは素子として配置されていても良い。

プラズマ処理時には、ウエハ電力によって、ウエハ１２０とプラズマ１４０との間に電位差（バイアス電位）が生じ、ウエハ１２０上方に電界が形成される。これと同様にエッジ電力によって、誘電体カバーリング１２３を、もしくは誘電体カバーリング１２３と導体カバーリング１２４の双方を介して、誘電体カバーリング１２３と導体カバーリング１２４の上方に電界が形成される。エッジ電力は、ウエハ１２０の外周側の部分の上方の処理室の空間において、プラズマシース中の等電位面１５１がウエハ１２０上面に平行になるように制御される。これによってウエハ１２０外周側部分の上面のエッチング後の形状の傾き（チルティング）が抑制される。

続いて図３を用いて、プラズマ処理を繰り返してウエハ外周部付近の部材が消耗した後のウエハ外周部付近の状態の変化を説明する。図３は、図２に示す実施例の試料台の上部外周部分の部材が消耗した状態の構成の概略を模試的に示す縦断面図である。

プラズマ処理によって消耗する部分は、プラズマ１４０に面する箇所である、導体カバーリング１２４の上面及び、誘電体カバーリング１２３の導体リング１２２の内側側面を覆う部分１２３ａが主である。ウエハ１２０に近い誘電体カバーリングの内周側部分のテーパー状部分および平坦な内周端縁部分の上面である内側側面１２３ａの消耗はウエハ１２０の外周側部分の上面上での等電位面１５１の高さの分布に影響を与える。そこで、導体カバーリング１２４の消耗による影響を抑制して内側側面１２３ａの消耗を検出する。

ここで、エッジ電力を供給する回路上において、負荷インピーダンス調整器１３５とプラズマ１４０との間の部分におけるインピーダンス成分を考える。負荷インピーダンス調整器１３５を介して大きさが制御されたエッジ電力は、導体リング１２２、誘電体カバーリング１２３、導体カバーリング１２４を順に介し、プラズマ１４０と電気的に結合する。

プラズマ１４０と結合する第２の高周波電源１３１との間の電気的結合を表す等価回路上において、導体リング１２２及び導体カバーリング１２４は導体であるため、インピーダンス成分としては表れない。即ち、導体カバーリング１２４が消耗した場合にもこの回路のインピーダンス成分は変化しない。

一方、誘電体カバーリング１２３の上面及び内側側面と内側に収納されて配置されている導体リング１２２の表面との間の誘電体カバーリング１２３の誘電体の材料の部分は、それぞれ静電容量３０１及び３０２を構成すると考えることができる。そして、誘電体カバーリングの内側側面１２３ａの消耗は、静電容量３０２の増大としてインピーダンス成分を変化させる。このことから、エッジ電力を供給する回路におけるインピーダンス変化を検出することで、導体カバーリング１２４の消耗の影響を抑制しつつ誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａの部分の消耗の量を検出することが可能であると考えられる。

本実施例において、誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａの消耗を検出する構成を以下説明する。まず、誘電体カバーリング１２３の誘電体製の部材の消耗が発生する前に、具体的には誘電体カバーリング１２３を処理室内に配置してから最初の製品用の半導体デバイスを製造するためのウエハ１２０の処理を開始する前に、当該製品用のウエハ１２０を処理する条件で、当該製品用のウエハ１２０と同じ構造を有する別のウエハ１２０をプラズマ１４０を用いて処理し、エッジ電力を供給する回路に接続されるインピーダンス検出器１３６を用いて、任意の誘電体製カバーリング１２３の使用を開始した初期のＶｐｐ値を測定する。上記の通り、この際のウエハ１２０の処理の条件（標準処理条件）は、実際に製品用のウエハ１２０を処理する条件（実処理条件）と同一、もしくは少なくともウエハ電力とエッジ電力とが実処理条件と同一であることが望ましい。検出されたされた初期のＶｐｐの値は図示しない記憶媒体等の記憶装置に保存される。

初期のＶｐｐ値を検出した後、製品用のウエハ１２０を実処理条件で処理する。複数枚のウエハ１２０を処理するに伴って、誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａが消耗し、第２の高周波電源からの電力が供給される導体リング１２２の表面と処理室内のプラズマ１４０に面する内側側面１２３ａとの間の誘電体製カバーリング１２３の誘電体製の材料から構成される部材の厚さが減少する。このことにより内側側面１２３ａを通る誘電体製カバーリング１２３の部分の等価回路上の静電容量３０２が変化し（一般的には増大し）インピーダンスが変化する。

ウエハ１２０の処理の終了後に、再度、標準処理条件で製品用のウエハ１２０と同じ構造を有する別のウエハ１２０を処理し、この際の消耗時のＶｐｐ値を測定する。この時、静電容量３０２の増大により回路のインピーダンスが低下することから消耗時のＶｐｐ値は増大する。消耗時のＶｐｐと初期のＶｐｐ値との差から、回路における静電容量３０２の変化量が算出される。誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａと導体リング１２２の表面との間の部材の消耗の量および材料がその表面の方向について均等であると見做せる場合には、Ｖｐｐ（およびその差）の値と材料の誘電率や内側側面１２３ａの面積等から消耗量が検出される。そして、検出された誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａの消耗の量を用いて、より精密な誘電体カバーリング１２３の消耗の進行の推測とその交換の時期の推定を行うことができる。さらに、Ｖｐｐの変化の量を用いて導体リング１２２に供給する第２の高周波電力の量を負荷インピーダンス調整器１３５の動作をより精度良く調節することで、ウエハ１２０の外周縁部近傍の処理形状のチルティングのばらつきを低減し、処理の歩留まりまたは効率を向上させることができる。

すなわち、誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａが消耗すると標準処理条件でのＶｐｐ値が変化する。さらに、ウエハ１２０および誘電体カバーリング１２３上面上方に形成されるプラズマシース内の等電位面１５１のウエハ１２０の径方向、周方向の高さの分布、形状が変化して、その影響によりウエハ１２０外周部の上面上方の等電位面１５１の形状と当該等電位面１５１に垂直に入射してウエハ１２０上面に予め形成された膜の表面に衝突する荷電粒子の作用により加工されるエッチング形状のチルティングが変化する。このため、誘電体カバーリング１２３の消耗が進行するに伴って、ウエハ１２０表面の形状のチルティングが許容値を超える虞がある。

本実施例では、このようなチルティングを許容範囲内に維持するために、エッジ電力を適切に調節する。まず、消耗の進行に伴ってエッチング形状のチルティングが許容範囲の上限または下限値に対応するＶｐｐの値と初期のＶｐｐの値との間の変化量ΔＶｐｐ＿ｌｉｍを、予め製品用のものと同等のウエハ１２０を処理して検出する。さらに、消耗して誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａの消耗による高さ（厚さ）の変化に伴って変化するＶｐｐの値または変化の量とに対応したチルティング量が０となる等電位面１５１の形状を実現できるエッジ電力値も予め求めておく。このような検出の際のウエハ１２０の処理の条件は上記の標準処理条件と同じまたはこれと同等と見做せるものである。

誘電体カバーリング１２３の消耗が進行し、標準処理条件でのＶｐｐ値の変化量が、予め設定したΔＶｐｐ＿ｌｉｍより小さい値であるΔＶｐｐ＿ｓｅｔ以上になったことが、インピーダンス検出器１３６からの出力から検出された場合には、予め求められた誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａの消耗に伴うＶｐｐの値とその変化の量と最適なチルティングを実現するエッジ電力との関係を用いて、導体リング１２２に供給するエッジ電力の大きさを初期のエッチング形状を実現できる値に変化させる。本実施例では、消耗した誘電体カバーリング１２３の静電容量に対応してチルティングが０になるエッジ電力が導体リング１２２に供給されるように第２の高周波電力１３１の出力または負荷インピーダンス調整器１３５の回路の定数が調節される。

これにより、ウエハ１２０の外周部上面および誘電体カバーリング１２３の上面上方の等電位面１５１の高さ位置がウエハ１２０の半径方向について水平となるように調節され、ウエハ１２０を処理する枚数の増大とこれに伴って消耗する誘電体カバーリング１２３の部材の厚さ（静電容量）の値の変化に応じて、複数枚のウエハ１２０の間でチルティングが一定となるよう調節される。この結果、長期間にわたりウエハ１２０の処理後の形状のチルティングを許容される範囲内にし形状のバラつきが抑えられて処理の歩留まりが向上する。

さらには、誘電体カバーリング１２３の消耗による交換の時期を、給電経路上のインピーダンスの変化から高い精度で推定することができる。即ち、任意の構造のウエハ１２０を所定の条件で処理する場合の誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａの消耗が進行しＶｐｐの変化の量がΔＶｐｐ＿ｌｉｍに達して交換が必要になる場合の限界のＶｐｐ値を予め求めておき、標準処理条件でのＶｐｐの値がその値を超えたことが検出された場合に当該誘電体カバーリング１２３を交換すべき時期として用いることができる。さらにまた、インピーダンス検出器１３６が検出するＶｐｐの値が限界Ｖｐｐ値に近づいた、即ち交換時期に近づいたことを、図示しないプラズマ処理装置に備えられた報知器から報知する、例えばＣＲＴや液晶のモニター上に警告あるいは報告を表示する機能を備えることで、部材の交換を装置の使用者に促すことが可能である。

誘電体カバーリング１２３の部材の消耗をより精度よく検知することのできる変形例を図４に示す。図４は、図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の変形例の試料台の外周部の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

本例は、導体リング１２２の形状をその内側側面４０２が誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａと平行となるように構成し、その他の構成は第１の実施例と同等のものにされている。この変形例においては、誘電体カバーリング１２３の断面がテーパー状の形状を有している内周側部分の上面である内側側面１２３ａと平行となるように、導体リング１２２の内側側面が傾斜面を有して外側に向かって厚さが大きくされる形状を備えている。さらに、誘電体カバーリング１２３の内側側面１２３ａの厚さの平均を小さくし、内側側面１２３ａを構成する誘電体カバーリング１２３の誘電体製の部材の静電容量４０１を大きくすることができる。これにより、当該部材の消耗に伴うインピーダンス変化も大きくなり、部材の消耗の量をより精度よく検出できる。

また、上記実施例及び変形例を応用し、導体リング１２２及び導体カバーリング１２４の形状を工夫することによって、消耗が検知される部分を任意に制限することができる。図５は、図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の別の変形例の試料台の外周部の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

本例では、図２に示す導体リング１２２の内周側壁の下部を内周側にフランジ状に延在させたフランジ部５０２を備え、導体リング１２２は、フランジ部５０２が導体リング１２２を覆って配置された誘電体カバーリング１２３の下方で内側側面１２３ａから誘電体カバーリング１２３の上面が平坦な内周縁部の下方まで延在した形状を備えている。さらに、導体カバーリング１２４は、誘電体カバーリング１２３の外周側部分の平坦な上面のみでなく、内周側部分のテーパー状の形状の上面である内側側面１２３ａの全体を覆って、導体カバーリング１２４の内周縁部は誘電体カバーリング１２３の内周縁部の平坦な上面まで達して延在している。

本例においては、誘電体カバーリング１２３のうち、導体カバーリング１２４に覆われた部分、即ち外周側部分の上面及び内側側面１２３ａは消耗が抑制されてこれらの部分と導体リング１２２の上面との間の誘電体カバーリング１２３の部材の静電容量によるインピーダンスの変化は抑制される。一方で、導体カバーリング１２４に覆われない部分、即ち誘電体カバーリング１２３の内周縁部の消耗が、静電容量５０１の変化としてインピーダンス検出器１３５によりＶｐｐの変化に基づいて検出される。

本例では、誘電体カバーリング１２３の内周縁部の消耗が他の箇所と比べてプラズマ１４０を用いたウエハ１２０の処理の時間あるいは処理されたウエハ１２０の枚数の増加に伴って大きく進行することで、インピーダンス検出器１３６によるＶｐｐの変化として検出される。誘電体カバーリング１２３の特定の箇所の消耗の量が他の箇所の消耗の影響を抑制して精度良く検出され、誘電体カバーリング１２３の交換の時期の推定をより正確に行うことができる。さらに、当該消耗量とこれに対応するＶｐｐの値とその変化の量の検出の精度が高められることで、ウエハ１２０を処理する枚数の増大とこれに伴って消耗する誘電体カバーリング１２３の部材の厚さ（静電容量）の値の変化に応じて、ウエハ１２０の外周部上面および誘電体カバーリング１２３の上面上方の等電位面１５１の高さ位置がウエハ１２０の半径方向について水平にして複数枚のウエハ１２０の間でチルティングが一定となるように調節される本例のプラズマ処理装置では、長期間にわたりウエハ１２０の処理後の形状のチルティングを許容される範囲内にし形状のバラつきが抑えられて処理の歩留まりが向上する。

上記の例の作用・効果は、ウエハ電力及びエッジ電力の各々を独立した電源が供給する構成であっても得ることができる。図６は、図１に示す実施例のさらに別の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。本図においても、図１に示した実施例と同じ符号が付された箇所についての説明は、必要のない限り省くものとする。

本変形例では、図６に示すように、導体リング１２２に第２の高周波電源１３１は接続されず、独立した第３の高周波電源６０１が、整合器６０２を介して接続されている。この構成を用いれば、ウエハ電力とエッジ電力の周波数を変更することや、或いはウエハ電力とエッジ電力の周波数を同じくして、さらに各々が出力する電力の位相を同期させる、あるいは所定の値の位相差を有するように調節することが可能となる。また、第３の高周波電源６０１を直流電源に置き換え、エッジ電力に直流電力を印加することも可能である。

上記の例において、導体カバーリング１２４の材料は、ＳｉもしくはＳｉＣと記載した。これは特に半導体デバイスを処理する際の金属汚染を予防する観点に基づくものである。しかし、金属汚染を考慮する必要がない場合には、例えばアルミニウムなどの金属材料を用いても、上記の実施例と同様の効果が得られることは容易に推測される。

また、本実施例では平行平板型プラズマ処理装置の一形態を用いたプラズマ処理について例示したが、本発明の効果はプラズマ処理におけるプラズマ生成方法によって限定されるものではない。例えば誘導結合型プラズマ処理装置や、ＥＣＲ共鳴型プラズマ処理装置においても、或いは本実施例と異なる機構を備える平行平板型プラズマ処理装置であっても、本発明と同様の試料台外周部周辺の構成によって同様の効果が得られる。

１０１…真空容器
１０２…上部電極
１０３…絶縁リング
１０４…第１の高周波電源
１０５…接地
１０６…コイル
１０７…シャワープレート
１０８…真空排気口
１１０…試料台
１１１…誘電体膜
１１２…導体膜
１１３…誘電体膜
１２０…ウエハ
１２１…絶縁リング
１２２…導体リング
１２３…誘電体カバーリング
１２３ａ…内側側面
１２４…導体カバーリング
１３１…第２の高周波電源
１３２…整合器
１３３…直流電源
１３４…高周波フィルタ
１３５…負荷インピーダンス調整器
１３６…インピーダンス検出器
１４０…プラズマ
１５１…等電位面
１５２…シース界面。

上記目的は、真空容器内部に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置され前記プラズマを用いた処理対象のウエハが載せられる試料台であって上部の中央部に配置された凸状部の上面に前記ウエハが載せられる試料台と、当該試料台内部に配置され前記ウエハの処理中に第１の大きさの第１の高周波電力が供給される電極と、前記試料台の前記凸状部の外周側で前記上面を囲んで配置された導体製のリング状部材と、このリング状部材と前記処理室との間及び前記試料台の上面との間で前記リング状部材の内周壁面および上面を対して覆って配置されたリング状の誘電体製の部材であって前記内周壁面を覆ってその内周側に配置された部分が前記導体製のリング状部材と前記凸上部の外周側壁との間に位置し外周側に向かって高さが高くされ傾斜した表面を有して当該誘電体製の部材の上下方向の厚さが大きくされ、且つ当該傾斜した表面の外周側に配置された平坦な上面とを有した第１のリング状カバーと、前記第１のリング状カバーの前記平坦な上面を覆って配置された導体製の第２のリング状カバーと、前記ウエハの処理中に前記導体製のリング状部材に第２の大きさの第２の高周波電力を供給する高周波電源と前記リング状部材との間を接続する給電経路を流れる高周波電力の電圧を検出した結果に応じて当該第２の高周波電力の大きさを調節する調節器とを備えたプラズマ処理装置により達成される。

Claims (6)

1. 真空容器内部に配置され内部でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置され前記プラズマを用いた処理対象のウエハが載せられる試料台であって上部の中央部に配置された凸状部の上面に前記ウエハが載せられる試料台と、当該試料台内部に配置され前記ウエハの処理中に高周波電力が供給される電極と、前記試料台の前記凸状部の外周側で前記上面を囲んで配置された導体製のリング状部材と、このリング状部材と前記処理室との間及び前記試料台の上面との間で前記リング状部材を対して覆って配置された誘電体製の第１のリング状カバーと、前記処理室と第１のリング状カバーの上面との間でこれを覆って配置され導体製の第２のリング状カバーと、前記ウエハの処理中に前記導体製のリング状部材に高周波電力を供給する高周波電源と前記リング状部材との間を接続する給電経路を流れる高周波電力の電圧を検出した結果に応じて当該高周波電力の大きさを調節する調節器とを備えたプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記導体製のリング状部材の内周側部分の表面が、当該リング状部材と前記試料台の凸状部との間で前記プラズマから当該リング状部材を覆う誘電体製の部材で覆われて当該部材の内周側部分の前記プラズマに面する表面と前記リング状部材の内周側部分の表面とが平行に配置されたプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記リング状部材の内周側部分を覆う誘電体製の部材が前記第１のリング状カバーと一体に構成されたプラズマ処理装置。
4. 請求項１乃至３に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記リング状部材の内周側部分を覆う前記誘電体製の部材の内周側部分が、前記導体性のリング状部材と前記膜状の電極との間に位置し外周側に向かって高さが高くされ傾斜した前記表面を有して当該誘電体製の部材の上下方向の厚さが大きくされ、当該傾斜した表面の外周側の上面にこれを覆って前記第２のリング状カバーが配置されたプラズマ処理装置。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記導体性のリング状部材の上面が前記試料台の上面より高い位置に配置されたプラズマ処理装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記導体製のリング状部材の下方で当該導体製のリング状部材と前記試料台内部の電極との間に配置されてこれらを絶縁する第３のリング状部材を備えたプラズマ処理装置。

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