TW201342467A - 電漿處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電漿處理裝置，簡便且確實地防止對切換方式之高頻波電源施加功率調變時於高頻波供電線上產生RF功率拖曳現象。此一電容耦合型之電漿處理裝置，於真空腔室10內將基座(下部電極)16與兼作沖淋頭之上部電極46對向配置。第1及第2高頻波電源36、38分別介由匹配器40、42與基座16電性連接。第1高頻波電源36，由線性放大器方式之高頻波電源構成，輸出電漿產生用之第1高頻波RF1。第2高頻波電源38，由切換方式之高頻波電源構成，輸出離子導入用之第2高頻波RF2。在第2高頻波電源38側之高頻波供電線43連接殘留高頻波去除部74。

Description

電漿處理裝置
本發明係關於一種對被處理基板施加電漿處理之技術，特別是關於一種將高頻波的功率調變為脈波狀之功率調變方式的電容耦合型電漿處理裝置法。
電容耦合型之電漿處理裝置中，於處理容器內平行地配置上部電極與下部電極，在下部電極上方載置被處理基板(半導體晶圓、玻璃基板等)，對上部電極或下部電極施加適合產生電漿之頻率(通常為13.56MHz以上)的高頻波。藉由此一高頻波的施加，因相對向之電極間產生的高頻波電場而使電子加速，藉電子與處理氣體之碰撞電離而產生電漿。之後，藉由此電漿所包含之自由基與離子的氣相反應或表面反應，於基板上堆積薄膜，抑或蝕削基板表面的素材或薄膜。
近年，半導體裝置等之製程中的設計規則日益細微化，特別是電漿蝕刻中，要求更高的尺寸精度，亦要求更提高蝕刻中的對於遮罩或底層之選擇比與面內均一性。因此，指向腔室內之處理區域的低壓化、低離子能量化，使用40MHz以上等頻率高的高頻波。
然而，隨著如此地低壓化及低離子能量化的進展，變得無法無視過去未成為問題之充電損害的影響。亦即，離子能量高的習知電漿處理裝置中電漿電位即便在面內產生差異仍不發生太大的問題，但若在更低壓中離子 能量減低，則產生電漿電位之面內不均一容易引起閘極氧化膜的充電損害等問題。
對於此一問題，前人提出有效的功率調變方式，將電漿產生所使用之高頻波的功率調變為可進行ON/OFF控制之脈波狀(專利文獻1)。依此一功率調變方式，於電漿蝕刻中以既定周期交互重複處理氣體之電漿產生狀態與電漿非產生狀態(不產生電漿的狀態)，故與自電漿處理開始起至結束為止持續產生電漿的通常之電漿處理相比，持續產生電漿的時間變短。藉此，自電漿先流入被處理基板之電荷的量或電荷在被處理基板表面部累積儲存的量減少，因而難以產生充電損害，實現穩定的電漿處理及提高電漿處理之可靠度。
此外，電容耦合型之電漿處理裝置中多使用RF偏壓法：對載置基板之下部電極施加頻率低(通常為13.56MHz以下)之高頻波，藉由在下部電極上產生之負的偏電壓或護皮電壓將電漿中之離子加速以導入基板。如此地藉由自電漿將離子加速以使其碰撞基板表面，可促進表面反應、非等向性蝕刻、或膜的改質等。
然而，在使用電容耦合型電漿蝕刻裝置進行穿通孔或接觸孔等之蝕刻加工的場合，蝕刻率因孔洞尺寸的大小而相異，有產生所謂的微負載效果之問題，具有蝕刻深度控制困難等問題。特別是，有在如保護環(GR)之大範圍中蝕刻多為快速，在CF系自由基難以進入之小通孔中則蝕刻率多緩慢的情況。
對於此一問題，前人提出有效的功率調變方式，施行離子導入所使用之高頻波其功率的ON/OFF控制，調變為脈波狀(專利文獻2)。依此一功率調變方式，以一定周期交互重複以下兩個期間：維持適合進行被處理基板的既定膜之蝕刻的高第1位準(ON位準)之功率的期間；以及維持使離子導入用之高頻波適合在被處理基板上的既定膜堆積聚合物的低第2位準(OFF位準)之功率的期間；藉而可成為於既定的膜堆積適度之聚合物 層的狀態，可抑制蝕刻的進行，因而降低不希望之微負載效果，可成為高選擇比及高蝕刻率的蝕刻。
此外，電容耦合型之電漿蝕刻裝置中，藉由對包夾電漿產生空間而與基板對向之上部電極施加負極性的直流電壓，將上部電極產生之2次電子高速地植入基板表層，亦施行ArF光阻等之蝕刻耐性低的有機遮罩之改質。最近，為了提高此一高速電子產生之有機遮罩的改質效果，亦提出一種方法，將電漿產生或離子導入所使用之高頻波的功率以一定的脈波頻率進行ON/OFF控制，並與其同步地僅在高頻波功率呈OFF狀態的期間中施加直流電壓(專利文獻3)。如此地，在使高頻波功率為OFF狀態而電漿鞘變薄的期間對上部電極施加直流電壓，藉以使來自上部電極的2次電子有效率地入射至基板，強化基板上之有機膜。
[習知技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1 日本特開2009-71292號公報
專利文獻2 日本特開2009-33080號公報
專利文獻3 日本特開2010-219491號公報
具備如上述之功率調變功能的習知電容耦合電漿處理裝置中，在脈波頻率之各周期內將高頻波電源自ON狀態切換為OFF狀態時，有高頻波供電線上RF功率位馬上消失，而以如同拖曳的方式以一定的時間常數衰減並收斂至零位準(L位準)的情形。此一RF功率拖曳現象，超出功率調變原本之規格，因此不僅功率調變之目的的效果無法充分地發揮，亦對設置在高頻波供電線上或高頻波電源內之RF功率監測器的精度造成不良影響。探究此一問題後，本案發明人判斷僅在使用切換方式之高頻波電源，對其施加功率調變時，發生如同上述之RF功率拖曳現象。
依據如同上述之發現，本發明提供一種，簡便且確實地防止對切換方式之高頻波電源施加功率調變時於高頻波供電線上產生RF功率拖曳現象之電漿處理裝置。
本發明之電漿處理裝置，在以可置入取出方式收納被處理基板之可真空排氣的處理容器內產生處理氣體之電漿，於該電漿下方對該基板施行所期望之處理，具備：切換方式之高頻波電源，具有直流電源與切換元件，以切換脈波於高頻波帶之頻率使該切換元件ON/OFF，藉而將該直流電源之直流輸出轉換為高頻波輸出；高頻波供電線，供將自該高頻波電源輸出之該高頻波供給至該電漿所用；匹配器，供於該高頻波供電線上將該高頻波電源側之阻抗與其負載側之阻抗匹配所用；高頻波功率調變部，控制該高頻波電源，以一定的脈波頻率交互重複使該高頻波的功率呈ON狀態之ON期間、與呈OFF狀態之OFF期間；以及殘留高頻波去除部，供在該脈波頻率之各周期中，於該OFF期間中去除殘留在該高頻波供電線上之高頻波所用。
依本發明之電漿處理裝置，藉由具有如上述之構成，可簡便且確實地防止對切換方式之高頻波電源施加功率調變時於高頻波供電線上產生RF功率拖曳現象。
10‧‧‧腔室
12‧‧‧絕緣板
14‧‧‧基座支持台
16‧‧‧基座(下部電極)
18‧‧‧靜電吸盤
20‧‧‧電極
22‧‧‧開關
24‧‧‧直流電源
26‧‧‧對焦環
28‧‧‧內壁構件
30‧‧‧冷媒室
32a、32b‧‧‧配管
34‧‧‧氣體供給線
36、38‧‧‧高頻波電源
40、42‧‧‧匹配器
43、45‧‧‧高頻波供電線
44‧‧‧供電導體(供電棒)
46‧‧‧上部電極(沖淋頭)
48‧‧‧電極板
48a‧‧‧氣體噴出孔
50‧‧‧電極支持體
50a‧‧‧氣體流通孔
52‧‧‧氣體緩衝室
54‧‧‧氣體供給管
56‧‧‧處理氣體供給源
58‧‧‧質量流量控制器(MFC)
60‧‧‧開閉閥
62‧‧‧排氣口
64‧‧‧排氣管
66‧‧‧排氣裝置
68‧‧‧搬出入口
70‧‧‧閘閥
72‧‧‧主控制部
74‧‧‧殘留高頻波去除部
80‧‧‧正弦波振盪器
82‧‧‧線性放大器
84、114‧‧‧電源控制部
86、116‧‧‧RF功率監測器
88、120‧‧‧低通濾波器
90、122‧‧‧同軸電纜
92、124、134‧‧‧線圈
94、96、126、128、136‧‧‧電容器
100‧‧‧輸入端子
102、106、118‧‧‧變壓器
104A、104B、130A、130B、132A、132B‧‧‧MOSFET
108‧‧‧電源電壓(Vdd)端子
110‧‧‧振盪器
112‧‧‧正弦波反相器
138‧‧‧直流電源電壓(Vdd)端子
140‧‧‧電阻
142‧‧‧開關
J1、J2‧‧‧節點
M1、M2、N1、N2‧‧‧輸出端子
PA‧‧‧處理空間
PS‧‧‧調變控制脈波訊號
Sa、Sb‧‧‧2相切換脈波
W‧‧‧半導體晶圓
圖1 顯示本發明之第1實施形態中的電漿處理裝置之構成的剖面圖。
圖2 顯示上述電漿處理裝置中的第1高頻波電源之電路構成的方塊圖。
圖3 顯示上述第1高頻波電源所包含的線性放大器之電路構成的電路圖。
圖4 顯示構成上述線性放大器之MOSFET中的電壓及電流之波形的圖。
圖5 顯示上述電漿處理裝置中的第2高頻波電源之電路構成的方塊圖。
圖6 顯示上述第2高頻波電源所包含的正弦波反相器之電路構成的電路圖。
圖7 顯示上述正弦波反相器中藉PWM方式產生正弦波之第2高頻波的構造之各部波形圖。
圖8 顯示上述電漿處理裝置中對第2高頻波施加功率調變的場合之各部波形的圖。
圖9 用於說明上述實施形態中的作用之各部波形圖。
圖10 在上述實施形態中具備殘留高頻波去除部之實施例觀測出的高頻波供電線上之高頻波的波形圖。
圖11 在取下上述殘留高頻波去除部之比較例觀測出的高頻波供電線上之高頻波的波形圖。
圖12 顯示上述電漿處理裝置中對第1高頻波施加功率調變的場合之各部波形的圖。
圖13 顯示上述電漿處理裝置中對第1高頻波及第2高頻波同時施加功率調變的場合之各部波形的圖。
[實施本發明之最佳形態]
以下，參考附圖對本發明之最佳實施形態進行說明。
[電漿處理裝置之構成]
圖1顯示，本發明之一實施形態中的電漿處理裝置之構成。此一電漿處理裝置，作為電容耦合型(平行平板型)之電漿蝕刻裝置而構成，具有例如圓筒形的真空腔室(處理容器)10，真空腔室10之表面由經氧化鋁膜處理(陽極氧化處理)的鋁所形成。腔室10接地。
於腔室10之底部，隔著陶瓷等之絕緣板12配置圓柱狀的基座支持台14，在此一基座支持台14上設置例如由鋁形成之基座16。基座16構成下部電極，其上方載置例如半導體晶圓W作為被處理基板。
於基座16之頂面，設置用於保持半導體晶圓W的靜電吸盤18。此一靜電吸盤18將由導電膜構成之電極20夾入一對絕緣層或絕緣片間，於電極20介由開關22與直流電源24電性連接。藉由來自直流電源24的直流電壓，可將半導體晶圓W以靜電吸附力保持於半導體晶圓W。靜電吸盤18周圍的基座16之頂面，配置用於提高蝕刻之均一性的例如由矽形成之對焦環26。在基座16及基座支持台14的側面貼附例如由石英形成之圓筒狀的內壁構件28。
基座支持台14內部，設置例如於圓周方向延伸之冷媒室30。於此一冷媒室30，以外接的急冷器單元(未圖示)介由配管32a、32b循環供給既定溫度之冷媒，例如冷卻水。藉由冷媒的溫度可控制基座16上之半導體晶圓W的處理溫度。進一步，將來自熱傳氣體供給機構(未圖示)的熱傳氣體，例如He氣，介由氣體供給線34供給至靜電吸盤18的頂面與半導體晶圓W的背面之間。
第1及第2高頻波電源36、38，分別介由匹配器40、42及共通的供電導體(例如供電棒)44與基座16電性連接。第1高頻波電源36輸出第1高頻波RF1，該第1高頻波RF1具有適合電漿的產生之第1頻率f1(例如100MHz)。第2高頻波電源38輸出第2高頻波RF2，該第2高頻波RF2具有適合將離子自電漿導入基座16上的半導體晶圓W之第2頻率f2(例如13.56MHz)。
匹配器40、42，在高頻波供電線(高頻波傳送路)43、45上，將腔室10內產生的電漿側之負載阻抗與高頻波電源36、38之阻抗分別匹配而作用。各個匹配器40、42具有：匹配電路，包含至少2個可控制之電抗元件； 致動器(例如馬達)，用於控制各電抗元件的電抗值(阻抗．位置)；感測器，測定包含上述匹配電路之負載阻抗；以及控制器，驅動控制各致動器使負載阻抗的測定值與匹配點(通常為50Ω)配合。
此一電漿處理裝置，於電漿產生用之第1高頻波電源36使用線性放大器方式之高頻波電源，於離子導入用之第2高頻波電源38使用切換方式之高頻波電源，在此方面於第2高頻波電源38側之高頻波供電線45連接殘留高頻波去除部74。關於高頻波電源36、38及殘留高頻波去除部74之構成及作用於後述詳細說明。
於腔室10之頂棚，設置與基座16互相平行對之接地電位的上部電極46。此一上部電極46由以下元件構成：電極板48，由具有複數氣體噴出孔48a之例如Si、SiC等含矽材質構成；以及電極支持體50，由以可裝卸的方式支持此一電極板48之導電材料，例如表面經氧化鋁膜處理的鋁所形成而構成。此一上部電極46與基座16之間形成電漿產生空間或處理空間PA。
電極支持體50，於其內部具有氣體緩衝室52，並於其底面具有複數氣體流通孔50a，自氣體緩衝室52起與電極板48之氣體噴出孔48a連通。氣體緩衝室52介由氣體供給管54與處理氣體供給源56相連接。於氣體供給管54，設置質量流量控制器(MFC)58及開閉閥60。自處理氣體供給源56將既定處理氣體(蝕刻氣體)導入氣體緩衝室52時，處理氣體由電極板48之氣體噴出孔48a朝向基座16上的半導體晶圓W往處理空間PA以沖淋的方式噴出。如此地，上部電極46，兼作供對處理空間PA供給處理氣體所用之沖淋頭。
此外，於電極支持體50內部亦設置流通冷媒例如冷卻水之通路(未圖示)，以外部之急冷器單元介由冷媒將上部電極46全體，特別是電極板48，調節至既定溫度。進一步，為了使對上部電極46之溫度控制更加穩定化，亦可為在電極支持體50之內部或頂面安裝例如由電阻發熱元件構成之加熱器(未圖示)的構成。
在基座16、基座支持台14與腔室10的側壁之間形成的環狀空間成為排氣空間，於此一排氣空間的底部設置腔室10的排氣口62。此一排氣口62介由排氣管64與排氣裝置66相連接。排氣裝置66，具有渦輪分子泵等之真空泵，可將腔室10之室內，特別是處理空間PA減壓至期望的真空度為止。此外，腔室10的側壁安裝開關半導體晶圓W之搬出入口68的閘閥70。
主控制部72，包含1個或複數個微電腦，依照外部記憶體或內部記憶體所收納之軟體(程式)及配方資訊，控制裝置內之各部，特別是高頻波電源36、38、匹配器40、42，MFC58、開閉閥60、排氣裝置66、殘留高頻波去除部74等之各個動作及裝置整體之動作(程序)。
此外，主控制部72，亦與以下元件等相連接：人機界面(Man．Machine．Interface)用之操作面板(未圖示)，包含鍵盤等輸入裝置與液晶顯示器等顯示裝置；以及外部記憶裝置(未圖示)，收納或儲存各種程式、配方、設定值等之各種資料。此一實施形態中，主控制部72雖以1個控制單元顯示，但亦可採用複數控制單元並列地或階層地分擔主控制部72之功能的形態。
此一電容耦合型電漿蝕刻裝置中的單片乾蝕刻之基本動作，如同以下地施行。首先，使閘閥70為ON狀態並將加工對象之半導體晶圓W搬入腔室10內，載置於靜電吸盤18上。之後，以處理氣體供給源56將處理氣體，即蝕刻氣體(一般為混合氣體)，以既定流量及流量比導入腔室10內，藉排氣裝置66產生之真空排氣使腔室10內的壓力為設定值。進一步，將來自第1高頻波電源36之第1高頻波RF1(100MHz)與來自高頻波電源38之第2高頻波RF2(13.56MHz)重疊(或將一方單獨地)施加於基座16。此外，以直流電源24對靜電吸盤18之電極20施加直流電壓，將半導體晶圓W固定於靜電吸盤18上。由上部電極46之沖淋頭噴吐出之蝕刻氣體在兩電極46、16間之高頻波電場下放電，於處理空間PA內產生電漿。藉此 一電漿所含之自由基與離子，蝕刻半導體晶圓W主面之被加工膜。
[第1高頻波電源之電路構成]
圖2顯示，第1高頻波電源36之電路構成。第1高頻波電源36，如同上述為線性放大器方式之高頻波電源，具備：正弦波振盪器80，產生第1頻率f1(100MHz)之正弦波訊號rf1；線性放大器82，保持自此一振盪器80輸出的正弦波訊號rf1之正弦波形直接以可控制此一RF功率之增益或放大率的方式將其放大，輸出第1高頻波RF1；以及電源控制部84，依來自主控制部72之控制訊號，直接控制振盪器80及線性放大器82。此一電漿蝕刻裝置中，對第1高頻波RF1施加脈波調變時，主控制部72與電源控制部84形成功率調變部。
於第1高頻波電源36之單元內，亦具備RF功率監測器86。此一RF功率監測器86，雖圖示中省略，但其具有指向性耦合器、進行波功率監測器部、及反射波功率監測器部。此處，指向性耦合器，取出與在高頻波供電線43上往順方向傳播之RF功率(進行波)、及往反方向傳播之RF功率(反射波)分別對應的訊號。進行波功率監測器部，以自指向性耦合器取出之進行波功率檢測訊號為基礎，產生表示高頻波傳送路43上的進行波所包含之基本波進行波(100MHz)其功率的訊號。將此一訊號，即基本波進行波功率測定值訊號，在功率回饋控制用途上給予第1高頻波電源36內之電源控制部84，並亦在監測顯示用途上給予主控制部72。反射波功率監測器部，測定自腔室10內之電漿起返回至第1高頻波電源36的反射波所包含之基本波反射波(100MHz)的功率，並測定自腔室10內之電漿起返回至第1高頻波電源36的反射波所包含之全部反射波頻譜的全部功率。將自反射波功率監測器部獲得的基本波反射波功率測定值在監測顯示用途上給予主控制部72，將總反射波功率測定值被作為功率放大器保護用之監測值給予第1高頻波電源36內之電源控制部84。
線性放大器82之輸出端子M1、N1，介由低通濾波器88及同軸電纜90，與匹配器40之輸入端子相連接。低通濾波器88，去除較來自線性放大器 82的第1高頻波RF1所包含之第1頻率f1更高的頻率成分(失真成分)。圖示之低通濾波器88，構成為由以下元件形成之π形電路：1個線圈92，串聯地插入高頻波供電線43；以及2個電容器94、96，並聯地插入此一線圈92之兩側。
圖3顯示，線性放大器82之電路構成。此一線性放大器82具有：輸入變壓器102，介由輸入端子100將來自振盪器80之正弦波訊號rf1輸入一次線圈；一對放大電晶體例如P型之MOSFET104A、104B，將各自之控制端子分別連接於此一輸入變壓器102之二次線圈的兩端；以及輸出變壓器106，於二次側連接負載。
輸入變壓器102之二次線圈，一方的端子與第1MOSFET104A的閘極端子相連接，且另一方的端子與第2MOSFET104B的閘極端子相連接，中性點接地。第1MOSFET104A，源極端子接地，汲極端子與輸出變壓器106的一次線圈之一方的端子相連接。第2MOSFET104B，源極端子接地，汲極端子與輸出變壓器106的一次線圈之另一方的端子相連接。輸出變壓器106之一次線圈，其中性點與可變直流電源(未圖示)的電源電壓(Vdd)端子108相連接，二次線圈介由輸出端子M1、N1與高頻波供電線43上之負載連接。負載包含主要來自腔室10內之電漿與匹配器40內之匹配電路。
此一線性放大器82中，正弦波訊號rf1之正極性的半周期，在第1MOSFET104A為OFF狀態下將第2MOSFET104B控制為ON狀態，使對應於正弦波訊號rf1之波形的電流IdB自直流電源電壓(Vdd)端子108起通過輸出變壓器106及第2MOSFET104B流往接地(接地電位構件)。此時，輸出變壓器106之二次側的負載電路中第1高頻波RF1之電流以負極性的方向流通。而正弦波訊號rf1之負極性的半周期，在第2MOSFET104B為OFF狀態下將第1MOSFET104A控制為ON狀態，使對應於正弦波訊號rf1之波形的電流IdA自直流電源電壓(Vdd)端子108起通過輸出變壓器106及第1MOSFET104A流往接地(接地電位構件)。此時，輸出變壓器106之二次側的負載電路中第1高頻波RF1之電流以正極性的方向流通。
如此地自輸出變壓器106之二次線圈輸出的第1高頻波RF1，具有與輸入至輸入變壓器102之一次線圈的正弦波訊號rf1相似之正弦波形。藉由控制直流電源電壓(Vdd)，可改變放大率，即便在百MH以上之頻率帶域仍可任意調整第1高頻波RF1的功率。
此處，使直流電源之輸出，即DC功率為PDC、使高頻波電源之輸出，即RF功率為PRF、使高頻波電源內部之消耗電力為Pc，則PDC=PRF+Pc，DC-RF轉換效率為(PRF/PDC)×100%。DC-RF轉換效率，為左右高頻波電源之使用價值的指標之一。
線性放大器方式之高頻波電源36，如此地運作頻率非常地寬，藉功率調變使第1高頻波RF1的功率ON/OFF時，在電源控制部84的控制下將低輸出之正弦波振盪器80進行ON/OFF控制即可。因此，在脈波頻率之各周期內將高頻波電源36自ON狀態切換為OFF狀態時，正弦波振盪器80立刻成為OFF狀態，因而高頻波供電線43上第1高頻波RF1的功率馬上消失，不發生RF功率拖曳現象。然則，線性放大器82內消耗的電力(損耗)Pc多，DC-RF轉換效率不高。
圖4顯示，第2MOSFET104B中的源極．汲極間電壓VdB及汲極電流IdB之波形。如同自此圖之理解，MOSFET104B中存在VdB＊IdB之實際電力，被作為汲極損耗。圖示雖省略，但第1MOSFET104A中的源極．汲極間電壓VdA及汲極電流IdA之波形，與VdB及IdB之波形位相各自相逆。於第1MOSFET104A亦存在VdA＊IdA之實際電力，被作為汲極損耗消耗。
[第2高頻波電源及殘留高頻波去除部之電路構成]
圖5顯示，第2高頻波電源38及殘留高頻波去除部74之電路構成。第2高頻波電源38，如同上述為切換方式之高頻波電源，具備：切換脈波振盪器110，產生第2頻率f2(13.56MHz)之2相切換脈波Sa、Sb；正弦波反相器112，回應來自此一振盪器110之後述2相切換脈波Sa、Sb，將直流 電源之輸出轉換為正弦波之第2高頻波RF2；以及電源控制部114，依來自主控制部72之控制訊號，直接控制振盪器110及正弦波反相器112。此一電漿蝕刻裝置中，對第2高頻波RF2施加脈波調變時，主控制部72與電源控制部114構成功率調變部。
於第2高頻波電源38之單元內，亦具備RF功率監測器116。此一RF功率監測器116，雖圖示中省略，但其具有指向性耦合器、進行波功率監測器部、及反射波功率監測器部。此處，指向性耦合器，取出與在高頻波供電線45上往順方向傳播之RF功率(進行波)、及往反方向傳播之RF功率(反射波)分別對應的訊號。進行波功率監測器部，以自指向性耦合器取出之進行波功率檢測訊號為基礎，產生表示高頻波傳送路45上的進行波所包含之基本波進行波(13.56MHz)其功率的訊號。將此一訊號，即基本波進行波功率測定值訊號，在功率回饋控制用途上給予第2高頻波電源38內之電源控制部114，並亦在監測顯示用途上給予主控制部72。反射波功率監測器部，測定自腔室10內之電漿起返回至第2高頻波電源38的反射波所包含之基本波反射波(13.56MHz)的功率，並測定自腔室10內之電漿起返回至第2高頻波電源38的反射波所包含之全部反射波頻譜的全部功率。將自反射波功率監測器部獲得的基本波反射波功率測定值在監測顯示用途上給予主控制部72，將總反射波功率測定值被作為功率放大器保護用之監測值給予第2高頻波電源38內之電源控制部114。
正弦波反相器112之輸出端子M2、N2，介由變壓器118、低通濾波器120、及同軸電纜122，與匹配器42之輸入端子相連接。變壓器118，用於阻抗轉換。低通濾波器120，去除較來自正弦波反相器112的第2高頻波RF2所包含之第2頻率f2更高的頻率成分(失真成分)。圖示之低通濾波器120，構成為由以下元件形成之π形電路：1個線圈124，串聯地插入高頻波供電線45；以及2個電容器126、128，並聯地插入此一線圈124之兩端。
圖6顯示，正弦波反相器112之電路構成。此一正弦波反相器112具有：構成全橋電路之第1組切換元件例如N型之MOSFET130A與132A、 及第2組切換元件例如N型之MOSFET130B與132B；線圈134，對負載串聯第1組MOSFET130A、132A或第2組MOSFET130B、132B；以及電容器136。
更詳而言之，第1組之一方的MOSFET130A，汲極端子與直流電源電壓(Vdd)端子138相連接，源極端子與節點J1相連接，於閘極端子輸入第1相之切換脈波Sa。第2組之一方的MOSFET130B，汲極端子與直流電源電壓(Vdd)端子138相連接，源極端子與節點J2相連接，於閘極端子輸入第2相之切換脈波Sb。第1組之另一方的MOSFET132A，汲極端子與節點J2相連接，源極端子接地，於閘極端子輸入第1相之切換脈波Sa。第2組之另一方的MOSFET132B，汲極端子與節點J1相連接，源極端子接地，於閘極端子輸入第2相之切換脈波Sb。而在節點J1與節點J2之間，串聯電容器136、線圈134、一方之輸出端子M2、負載、另一方之輸出端子N2。線圈134與電容器136，對第2高頻波RF2構成串聯共振電路。負載包含主要來自腔室10內之電漿與匹配器42內之匹配電路。
此一正弦波反相器112中，將第2組MOSFET130B、132B保持於OFF狀態並以第1相之切換脈波Sa使第1組MOSFET130A、132A成為ON，則負載電流(第2高頻波RF2的電流)IL自直流電源電壓(Vdd)端子138起通過MOSFET130A、電容器136、線圈134、輸出端子M2、負載、輸出端子N2及MOSFET132A以正極性的方向流通往接地(接地電位構件)。相反地，將第1組MOSFET130A、132A保持於OFF狀態並以第2相之切換脈波Sb使第2組MOSFET130B、132B成為ON，則負載電流(第2高頻波RF2的電流)IL自直流電源電壓(Vdd)端子138起通過MOSFET130B、輸出端子N2、負載、輸出端子M2、線圈134、電容器136及MOSFET132B以負極性的方向流通往接地(接地電位構件)。
此一正弦波反相器112中，如圖7所示，藉由使振盪器110所產生之2相切換脈波Sa、Sb在電源控制部114的控制下成為PWM(脈波寬度調變)之脈波串，可使負載電流(第1高頻波RF1的電流)IL成形為正弦波。藉 由使切換脈波Sa、Sb之ON持續時間或負載因素比為可改變，而可任意控制第2高頻波RF2之RF功率。
與如上述的切換方式之高頻波電源38，與線性放大器方式相反，雖藉切換元件(130A、130B、132A、132B)的切換速度將運作頻率進行速度控制，但損耗非常少，DC-RF轉換效率高。
圖8顯示，第2組之另一方的MOSFET132B中的源極．汲極間電壓Vdb及汲極電流Idb之波形。第2高頻波RF2之電流IL以負極性的方向流通於負載電路之第1半周期中，MOSFET132B之源極．汲極間在飽和狀態下導通(短路)而流通汲極電流Idb。第2高頻波RF2之電流IL以正極性的方向流通於負載電路之第2半周期中，在MOSFET132BOFF狀態下汲極電流Idb不流通。因此，幾乎無Vdb＊Idb之實際電力或汲極損耗。其他MOSFET130A、132A、130B中亦相同。
自然，切換方式之第2高頻波電源38中，停止第2高頻波RF2的輸出時，第2高頻波RF2之能量殘留在正弦波反相器112或低通濾波器120而容易引起RF功率拖曳現象，特別是具備LC串聯共振電路(134、136)的情況下，此一傾向強烈。此實施形態中，藉由在高頻波供電線45連接殘留高頻波去除部74，防止或降低第2高頻波電源38中的RF功率拖曳現象之發生。
進一步，圖5中，殘留高頻波去除部74，於高頻波供電線45上，設置在低通濾波器120與同軸電纜122之間。抑或，殘留高頻波去除部74，可設置於變壓器118之一次側，基本上若在正弦波反相器112與匹配器42之間，設置在高頻波供電線45上任一處皆可。
此一殘留高頻波去除部74，具有串聯在高頻波供電線45與接地(接地電位構件)之間的電阻140、與開關142。開關142，例如由MOS電晶體構成，在對第2高頻波RF2施加功率調變的場合藉由來自主控制部72之殘 留高頻波去除訊號CRM切換運作，CRM在H位準時ON，CRM在L位準時OFF。而未對第2高頻波RF2施加功率調變時，不由主控制部72給予切換控制訊號CRM，將開關142保持為OFF狀態。殘留高頻波去除訊號CRM，如同後述，作為與規定脈波調變之脈波頻率與負載因素比的調變控制脈波PS同步之控制脈波被給予。
[殘留高頻波去除部之作用]
其次，對此一實施形態中的殘留高頻波去除部74之作用加以說明。圖9顯示，此一電容耦合型電漿蝕刻裝置中，對第2高頻波RF2施加脈波調變的場合之主要各部的波形。
此一情況，主控制部72，將規定被設定為功率調變用之脈波頻率fS及負載因素DS的調變控制脈波訊號PS，給予第2高頻波電源38之電源控制部114。電源控制部114，同步於調變控制脈波訊號PS而將切換脈波振盪器110進行ON．OFF控制，將第2高頻波RF2之輸出進行ON．OFF控制。此處，分別使調變控制脈波訊號PS的周期、ON期間、OFF期間為TC、Ton、Toff，則TC=1/fS、TC=Ton+Toff、DS=Ton/(Ton+Toff)的關係式成立。另一方面，第1高頻波電源36，可不進行第1高頻波RF1之ON．OFF控制地連續地輸出。
進一步，主控制部72，將殘留高頻波去除訊號CRM給予殘留高頻波去除部74之開關142。如圖9所示，殘留高頻波去除訊號CRM，與調變控制脈波PS反相同步，在脈波頻率之各周期中於ON期間Ton中保持L位準，於OFF期間Toff中成為(較佳為除去OFF期間Toff之開始後緊接之時間Te、與即將結束時的過渡時間Tf)H位準。藉此，開關142，在脈波頻率之各周期中於ON期間Ton中保持OFF狀態，於OFF期間Toff中呈ON狀態。
一ON開關142，則殘留在高頻波供電線45上之第2高頻波RF2(更正確而言，高頻波供電線45上之全部的進行波及反射波)通過電阻140及開關142流通往接地(接地電位構件)。電阻140，制限自高頻波供電線45 流通往接地之第2高頻波RF2的電流，並產生焦耳熱而消耗殘留RF功率。
如此地，在脈波頻率之各周期中自ON期間Ton轉變為OFF期間Toff時，將於正弦波反相器112或低通濾波器120內之線圈124、134與電容器126、128、136等作為電磁能量或電荷能量蓄積之第2高頻波RF2(更正確而言，高頻波供電線45上之全部的進行波及反射波)，自高頻波供電線45上快速地去除。
本案發明人，在此一實施形態之電漿蝕刻裝置中，將使脈波頻率fs為20kHz，負載因素比為50%之功率調變，以例如500W的輸出施加於第2高頻波RF2，以示波器觀測高頻波供電線45上之高頻波波形後，如圖10所示，在脈波頻率之各周期中自ON期間Ton(圖中的ON期間)轉變為OFF期間Toff(圖中的OFF期間)時，第2高頻波RF2自H位準(500W)起梯級式地切換為L位準(0W)，可確認不發生RF功率拖曳現象。
另一方面，取下殘留高頻波去除部74，對第2高頻波RF2施加與上述同一條件之功率調變，與上述同樣地藉示波器觀測高頻波供電線45上之高頻波波形後，如圖11所示，確認脈波頻率之各周期中，自ON期間Ton(圖中的ON期間)轉變為OFF期間Toff(圖中的OFF期間)時發生第2高頻波RF2之振幅以擺盪的方式以一定時間常數衰減並收斂至L位準(0W)的現象，即RF功率拖曳現象。
如此地，此一實施形態中，可簡便且確實地防止對第2高頻波RF2施加功率調變的場合於高頻波供電線上產生RF功率拖曳現象。因此，矩形波脈波狀之高頻波電力供給變得可能。此外，於高頻波供電線45上不發生RF功率拖曳現象，而自RF功率監測器116取得之監測資訊的精度提高。
另，此一實施形態之電漿蝕刻裝置中，亦可如圖12所示，對第1高頻波RF1施加功率調變。此一情況，主控制部72，將規定被設定為功率調變用之脈波頻率fS及負載因素DS的調變控制脈波訊號PS，給予第1高頻波 電源36之電源控制部84。電源控制部84，同步於調變控制脈波訊號PS而進行正弦波振盪器80之ON．OFF控制，將第1高頻波RF1之輸出進行ON．OFF控制。另一方面，第2高頻波電源38，可不進行第2高頻波RF2之ON．OFF控制地連續地輸出。殘留高頻波去除部74之開關142，不由主控制部72給予殘留高頻波去除訊號CRM，保持OFF狀態。
如同上述，第1高頻波電源36為線性放大器方式，因而在對第1高頻波RF1施加功率調變的場合，脈波頻率之各周期中自ON期間Ton轉變為OFF期間Toff時因高頻波供電線43上未殘留第1高頻波RF1的功率，故不發生RF功率拖曳現象。
[其他實施形態或變形例]
以上雖對本發明之最佳實施形態進行說明，但本發明並不限定於上述實施形態，在此一技術思想之範圍內可作各種變形。
上述實施形態中，於第2高頻波電源38使用切換方式之高頻波電源，在此方面於高頻波供電線45上設置殘留高頻波去除部74。然則，亦可於第1高頻波電源36使用切換方式之高頻波電源，此一情況亦於高頻波供電線43上設置其他的殘留高頻波去除部74即可。
此外，亦可於第1高頻波電源36及第2高頻波電源38雙方使用切換方式之高頻波電源。此一情況，於各個高頻波供電線43、45上設置殘留高頻波去除部74即可。
進一步，亦可如圖13所示，對第1高頻波RF1及第2高頻波RF2雙方施加功率調變。此一情況，主控制部72，將規定被設定為功率調變用之脈波頻率fS及負載因素DS的調變控制脈波訊號PS，給予第1高頻波電源36之電源控制部84及第2高頻波電源36之電源控制部114。
本發明的電漿處理裝置中的切換方式之高頻波電源，不限定為如上述 實施形態之使用2對(4個)切換元件的全橋型，亦可為例如使用一對(2個)切換元件的半橋型。此一情況，藉由1相或2相之切換脈波，以如下方式施行切換控制：使高頻波之各周期中，前半周期將一方之切換元件保持為OFF狀態並使另一方之切換元件ON，後半周期將該另一方之切換元件保持為OFF狀態並使該一方之切換元件ON。
此外，適合電漿產生之第1高頻波給電36的高頻波RF1，在上述實施形態中雖係施加於基座(下部電極)16，但亦可施加於上部電極46。
本發明不限定為電容耦合型電漿蝕刻裝置，亦可應用於施行電漿CVD、電漿ALD、電漿氧化、電漿氮化、濺鍍等任意電漿處理之電容耦合型電漿處理裝置。本發明中的被處理基板不限為半導體晶圓，亦可為平板顯示器、有機EL、太陽電池用之各種基板、光罩、CD基板、印刷基板等。
10‧‧‧腔室
12‧‧‧絕緣板
14‧‧‧基座支持台
16‧‧‧基座(下部電極)
18‧‧‧靜電吸盤
20‧‧‧電極
22‧‧‧開關
24‧‧‧直流電源
26‧‧‧對焦環
28‧‧‧內壁構件
30‧‧‧冷媒室
32a、32b‧‧‧配管
34‧‧‧氣體供給線
36、38‧‧‧高頻波電源
40、42‧‧‧匹配器
43、45‧‧‧高頻波供電線
44‧‧‧供電導體(供電棒)
46‧‧‧上部電極(沖淋頭)
48‧‧‧電極板
48a‧‧‧氣體噴出孔
50‧‧‧電極支持體
50a‧‧‧氣體流通孔
52‧‧‧氣體緩衝室
54‧‧‧氣體供給管
56‧‧‧處理氣體供給源
58‧‧‧質量流量控制器(MFC)
60‧‧‧開閉閥
62‧‧‧排氣口
64‧‧‧排氣管
66‧‧‧排氣裝置
68‧‧‧搬出入口
70‧‧‧閘閥
72‧‧‧主控制部
PA‧‧‧處理空間
PS‧‧‧調變控制脈波訊號
W‧‧‧半導體晶圓

Claims (7)

  1. 一種電漿處理裝置，在以可置入取出方式收納被處理基板之可真空排氣的處理容器內產生處理氣體之電漿，於該電漿下方對該基板施行所期望之處理，具備：切換方式之高頻波電源，具有直流電源與切換元件，以切換脈波於高頻波帶之頻率使該切換元件ON/OFF，藉以將該直流電源之直流輸出轉換為高頻波輸出；高頻波供電線，用來將自該高頻波電源輸出之該高頻波供給至該電漿；匹配器，用來在該高頻波供電線上使該高頻波電源側之阻抗與其負載側之阻抗匹配；高頻波功率調變部，控制該高頻波電源，以一定的脈波頻率交互重複使該高頻波的功率呈ON狀態之ON期間、與呈OFF狀態之OFF期間；以及殘留高頻波去除部，用以在該脈波頻率之各周期中，於該OFF期間中去除殘留在該高頻波供電線上之高頻波。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該高頻波電源，具有構成全橋電路之第1組切換元件與第2組切換元件，藉由該切換脈波，使該高頻波之各周期中，前半周期將該第2組切換元件保持為OFF狀態並使該第1組切換元件ON，後半周期將該第1組切換元件保持為OFF狀態並使該第2組切換元件ON。
  3. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該高頻波電源，具有構成半橋電路之第1切換元件與第2切換元件，藉由該切換脈波，使該高頻波之各周期中，前半周期將該第2切換元件保持為OFF狀態並使該第1切換元件ON，後半周期將該第1切換元件保持為OFF狀態並使該第2切換元件ON。
  4. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該高頻波電源，在該脈波頻率之各周期中，於ON時間中對該切換元件持續供給該切換脈波，於OFF時間中對該切換元件停止該切換脈 波的供給。
  5. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該高頻波電源具有對於負載電路，與該切換元件串聯之串聯共振電路。
  6. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，該殘留高頻波去除部，具有串聯於該高頻波供電線與接地電位構件之間的電阻及開關；在該脈波頻率之各周期中，於該ON期間中將該開關保持為OFF狀態，於該OFF期間中使該開關ON。
  7. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中，於該處理容器內配置用來載置該基板之高頻波電極，該高頻波電極與該高頻波供電線電性連接。
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