TWI601206B

TWI601206B - Plasma processing apparatus and plasma processing method

Info

Publication number: TWI601206B
Application number: TW103105191A
Authority: TW
Inventors: Kohichi Nagami; Norikazu Yamada; Tadashi Gondai; Kouichi Yoshida
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2014-02-18
Publication date: 2017-10-01
Also published as: JP2014186994A; TW201440140A; JP6224958B2

Description

電漿處理裝置及電漿處理方法

本發明係關於一種在被處理基板實施電漿處理之技術，特別是關於一種為了在處理容器內於高頻電極上保持基板而使用靜電夾具之枚葉式電漿處理裝置及電漿處理方法。

典型的枚葉式之電漿處理裝置係在可抽真空之處理容器內於被稱為載置台等試料台上載置單體之被處理基板(例如半導體晶圓)，並在該基板實施乾蝕刻、氧化、沉積等電漿處理。

一般而言，兼用為高頻電極的載置台係由傳導性及加工性優異的導體，例如鋁所構成，並在處理容器內以未接地，亦即以電性浮動狀態來加以安裝，而在電漿處理中係從處理容器外的高頻電源透過匹配器來施加既定頻率的高頻。

又，機構上，係將處理前的基板裝載至載置台，而將處理後的基板以從載置台卸載用的升降銷貫穿載置台而可升降移動。

進一步地，為了控制電漿處理中之基板的溫度，係在載置台內部或是周圍設置有冷卻用之冷媒流道或是加熱用之加熱元件等。該情況，為了將載置台之溫度效率良好地傳遞至基板，係透過在載置台所形成之氣體流道以既定壓力來供給傳熱用之背側氣體(一般為He氣體)至基板的內面。

使用上述般載置台的電漿處理裝置為了將基板固定而保持於載置台上，係在載置台之主面，亦即基板載置面一體地設置靜電夾具。此種靜電夾具係於介電體膜中封入薄的導體層或是內部電極，並施加高壓(通常2000~3000V)的直流電壓至該內部電極，而在載置台之基板產生靜電，而成為藉由靜電力來吸附或是保持基板的構造。

然而，上述般在載置台兼用為高頻電極之電漿處理裝置中，以正極性來施加高壓的直流電壓至靜電夾具內之內部電極時，在基板與載置台之間氣體會放電而有基板容易受到損傷之問題。亦即，靜電夾具係設有用以讓升降銷或背側氣體穿過的貫穿孔，而該等貫穿孔會在基板與載置台之間形成氣體空間。在施加正極性高壓直流電壓至靜電夾具之內部電極時，因靜電感應會使得載置台的電位提升至例如1000V以上。另一方面，因基板被施加高頻且暴露於電漿，則基板表面的電位會下降至等同於自偏壓之負電位(例如-500V以下)。其結果，便會在基板與載置台之間產生大的電位差，而在兩者間之該氣體空間內容易產生對基板給予損傷之異常放電。

自以往，已知為了防止如此般之基板與載置台間之異常放電，而將在載置台上於圍繞晶圓載置區域之周邊區域透過介電體層來加以設置之聚焦環，藉由阻抗銷等電流限制元件來電性連接於載置台的電漿處理裝置(專利文獻1)。該電漿處理裝置即便施加高頻至載置台並暴露於電漿，且施加正極性高直流電壓至靜電夾具之內部電極，仍會透過電流限制元件來使得電荷在載置台與聚焦環之間移動，而載置台的電位會接近於聚焦環之電位甚至基板的電位，故在基板與載置台間之氣體空間內便難以引發放電。

【先行技術文獻】

【專利文獻】

專利文獻1：日本特開2011-210958號公報

如上述般藉由電流限制元件來將載置台與聚焦環電性連接之電漿處理裝置中，由於聚焦環為消耗性的交換構件，故在現實上，無法以熔接或焊接來連接電流限制元件於聚焦環，而不得不採用藉由彈簧加壓等接觸方法來得到電性連接的構成。但是，接觸方法難以在聚焦環與電流限制元件之間得到良好的電傳導，而容易在其接觸面產生大的電位差。因此，便會難以讓電流限制元件發揮本來的機能。

本發明有鑑於以往技術相關之問題點，而提供一種即便不在載置台與聚焦環之間設置電流限制元件，仍可穩定確實地防止被處理基板與透過靜電夾具來載置其之高頻電極(載置台)之間的異常放電之電漿處理裝置及電漿處理方法。

本發明之電漿處理裝置係具有：進行電漿處理之處理容器；在該處理容器內載置被處理基板而由導體所構成之載置台；施加第1高頻至該載置台之第1高頻供電部；為了以靜電力來保持該基板於該載置台，而在該載置台主面所設置之靜電夾具；以及施加對應於自偏壓的負極性直流電壓至該載置台之直流電壓施加部。

該構成之電漿處理裝置中，由於在電漿處理中暴露於電漿之基板表面的電位係成為等同於負極性之電位，另一方面藉由直流電壓施加部來施加對應於自偏壓之負極性直流電壓至載置台，故可保持基板與載置台間的電位差為小的數值，而使得基板周圍(特別是在基板與載置台之間的氣體空間)不會發生有異常放電。

本發明之電漿處理方法係具有：於處理容器內在導體載置台的主面所設置之靜電夾具上載置被處理基板的工序；在載置該基板於該靜電夾具上後的第1時間點，將該載置台從電性接地狀態切換為浮動狀態之工序；從自該第1時間點後之第2時間點，在該處理容器內激發處理氣體以生成電漿的工序；從自該第2時間點後之第3時間點，施加具有適於吸引該電漿之離子至該基板的頻率之第1高頻至該載置台的工序；在第2時間點後，從與自該第3時間點接近之第4時間點，施加對應於在電漿與該基板之間所產生的自偏壓之負極性直流電壓至該載置台之工序；以及為了在該載置台上保持該基板，而在從自該第4時間點後之第5時間點，施加正極性直流電壓至該靜電夾具之內部電極的工序。

該構成之電漿處理方法中，由於係施加對應於自偏壓之負極性直流電壓至載置台，故在平常狀態中，在基板周圍(特別是在基板與載置台間的氣體空間)不會產生有異常放電。進一步地，由於係在電漿處理開始後，讓載置台電位連動於自偏壓而與基板電位一同地下降，故在施加正極性直流電壓至靜電夾具的內部電極時，即便進一步地在程序開始時電漿負載有所變動，亦不會在基板周圍(特別是在基板與載置台間的氣體空間)產生有異常放電。

根據本發明之電漿處理裝置或是電漿處理方法，藉由上述般之構成及作用，則即便在載置台與聚焦環之間不設置電流限制元件，亦可穩定確實地防止透過靜電夾具來載置被處理基板之高頻電極(載置台)與該基板之間的異常放電。

10‧‧‧腔室

12‧‧‧載置台

28‧‧‧第1高頻電源

30‧‧‧第2高頻電源

32‧‧‧匹配單元

36‧‧‧聚焦環

38‧‧‧靜電夾具

42‧‧‧(靜電夾具的)內部電極

46‧‧‧開關

80‧‧‧處理氣體供給部

84‧‧‧主控制部

100‧‧‧第1匹配器

102‧‧‧第2匹配器

104‧‧‧第2直流電源

106‧‧‧開關

108‧‧‧第1高頻供電部

110‧‧‧第2高頻供電部

132‧‧‧中繼開關

140‧‧‧高頻遮蔽濾波器

144‧‧‧直流電壓控制部

146、202‧‧‧V_PP測定部

148‧‧‧RF功率偵測器

164‧‧‧電壓計

168‧‧‧電流計

170‧‧‧電極板

176、180‧‧‧電容器

182‧‧‧自偏壓測定電路

圖1係顯示本發明一實施形態中之電漿處理裝置的構成之剖面圖。

圖2係顯示該電漿處理裝置中之匹配單元內的電路構成之電路圖。

圖3A係顯示該電漿處理裝置中在進行單一步驟的枚葉處理(或是多重步驟之枚葉處理中之第1回的步驟)時之基本機制的圖式。

圖3B係顯示該電漿處理裝置中在進行多重步驟方式之第2回以後的步驟時之基本機制的圖式。

圖4A係顯示圖3A之基本機制的具體實例之圖式。

圖4B係顯示圖3B之基本機制的具體實例之圖式。

圖5係顯示不具備有實施形態之第2直流電源的情況(比較例)之機制的具體實例之圖式。

圖6係顯示該電漿處理裝置中之第1匹配器的匹配電路及第2直流電源之接線的一變形例之電路圖。

圖7係用以說明該電漿處理裝置中施加第2直流電壓至載置台的方法之第2實施例的圖式。

圖8係顯示以該第2實施例中之第1模擬實驗所得到的資料庫之表格的一範例之圖式。

圖9A係顯示以該第2實施例中之第2模擬實驗所得到的資料庫之表格的一範例之圖式。

圖9B係顯示以該第2實施例中之第2模擬實驗所得到的資料庫之表格的一範例之圖式。

圖9C係顯示以該第2實施例中之第2模擬實驗所得到的資料庫之表格的一範例之圖式。

圖10係顯示其他實施形態中之電漿處理裝置的構成之剖面圖。

圖11係顯示圖10之電漿處理裝置中的主要特徵部分之圖式。

圖12係顯示施加第2直流電壓至載置台之方法的第5(及第6)實施例之重點部分的電路構成之電路圖。

圖13係顯示匹配器所具備之匹配表的一範例之圖式。

圖14係在史密斯圖上顯示實施例中之匹配器的作用之圖式。

圖15係顯示施加第2直流電壓至載置台之方法的第7實施例之重點部分的電路構成之電路圖。

以下，便參照添附圖式來說明本發明之較佳實施形態。

[電漿處理裝置整體之構成]

在圖1顯示本發明之一實施形態中的電漿處理裝置之構成。該電漿處理裝置係構成為下部2頻率施加方式之電容耦合型電漿蝕刻裝置，並具有例如鋁或是不銹鋼等金屬製之圓筒形腔室(處理容器)10。腔室10係接地。

腔室10內係水平地配置有載置作為被處理基板，例如半導體晶圓W之圓板形狀的載置台12來作為下部電極。該載置台12係由傳導性及加工性優異的導體，例如鋁所構成，並藉由從腔室10底部延伸於垂直上方之例如陶瓷製的絕緣性筒狀支撐部14以非接地來加以支撐。在沿該絕緣性筒狀支撐部14之外周且從腔室10底部延伸於垂直上方的導電性筒狀支撐部16與腔室10內壁之間形成有環狀排氣路徑18，並在該排氣路徑18的底部設置有排氣口20。排氣口20係透過排氣管22來連接有排氣裝置24。排氣裝置24係具有渦輪分子泵等真空泵，並可將腔室10內之處理空間減壓至所欲之真空度。腔室10之側壁係安裝有開閉半導體晶圓W之搬出入口的閘閥26。

載置台12係透過匹配單元32及供電棒34來電性連接有第1及第2高頻電源28、30。在此，第1高頻電源28主要係輸出有助於相對於載置台12上之半導體晶圓W的離子吸引之既定頻率(例如13.56MHz)的第1高頻LF。另一方面，第2高頻電源30主要係輸出有助於電漿生成之既定頻率(例如100MHz)的第2高頻HF。匹配單元32係在第1及第2高頻電源28、30 與負載(主要為電漿)之間收置有用以取得阻抗匹配之第1及第2匹配器100、102(圖2)。

供電棒34係由具有既定外徑之圓筒形或是圓柱形的導體所構成，其上端係連接於載置台12之下面中心部，而其下端係連接於匹配單元32內之該第1及第2匹配器100、102之高頻輸出端子。又，在腔室10底面與匹配單元32之間係設置有圍繞供電棒34周圍之圓筒形導體罩35。

載置台12係具有較半導體晶圓W要大上一圈之直徑或口徑。載置台12之上面，亦即主面係區劃出與半導體晶圓W略同形狀(圓形)且略同尺寸之中心區域，亦即晶圓載置區域，以及延伸於該晶圓載置區域周圍的環狀周邊區域。在晶圓載置區域上係透過後述之靜電夾具38來載置有為處理對象之半導體晶圓W。在環狀周邊區域上係透過環狀的介電體層35來設置具有較半導體晶圓W之口徑要大的內徑之環狀板材，就是所謂的聚焦環36。該聚焦環36係對應於半導體晶圓W表面的被蝕刻材，以例如Si、SiC、C、SiO₂中之任一者材質來加以構成。

載置台12之晶圓載置區域係設置有晶圓吸附用之靜電夾具38。該靜電夾具38係在載置台12上面一體成形或是一體固定的介電體層40之中封入內部電極42。該內部電極42係透過開關46、高阻抗值之阻抗器48及DC高壓線路來電性連接有配置於腔室10外之外接的第1直流電源44。藉由自第1直流電源44以正極性來施加高壓(例如2000~3000V)第1直流電壓A_DC至靜電夾具38之內部電極42，來以靜電力將半導體晶圓W吸附於靜電夾具38。另外，DC高壓線路50係被覆線路，並從下方貫穿載置台12而連接於靜電夾具38之內部電極42。

載置台12之內部係設置有例如延伸於圓周方向之環狀冷媒室或是冷媒流道52。該冷媒室52係自冷卻單元(未圖示)透過冷媒供給管54來循環供給有既定溫度的冷媒，例如冷卻水CW。藉由冷媒溫度，便可將載置台12溫度控制於下降的方向。然後，為了讓半導體晶圓W熱耦合於載置台12，係透過氣體供給管線及載置台12內的氣體流道56來將自背側氣體供給部(未圖示)傳熱用的背側氣體，例如He氣體供給至靜電夾具38與半導體晶圓W的接觸界面。

載置台12及靜電夾具38係分別形成有讓載置台12上的半導體晶圓W之裝載/卸載所使用的複數根(例如3根)升降銷58可升降移動地穿過的貫穿孔60、62。升降銷58係例如由樹脂或是陶瓷等絕緣體所構成，並支撐於環狀水平升降板64。該水平升降板64係連結於由汽缸或滾珠螺桿機構等所構成之制動器66的升降驅動軸68。

腔室10之頂部係設有與載置台12平行地對向，並兼作為上部電極之噴淋頭70。該噴淋頭70係具有與載置台12對向之電極板72、以及從其背後(上)裝卸自如地支撐該電極板72的電極支撐體74，並設置氣體室76於電極支撐體74的內部，而將從該氣體室76貫穿於載置台12側之多數氣體噴出孔78形成於電極支撐體74及電極板72。電極板72與載置台12之間的空間PS係成為電漿生成空間乃至處理空間。氣體室76上部所設置之氣體導入口76a係連接有從處理氣體供給部80之氣體供給管線82。電極板72係由例如Si、SiC或是C所構成，而電極支撐體74係由例如耐酸鋁處理後之鋁所構成。

該電漿蝕刻裝置係具備有用以施加負極性且可變的第2直流電壓-B_DC至載置台12之第2直流電源104。該第2直流電源104之輸出端子係透過開關106來在匹配單元32內電性連接於第1高頻供電部108(圖2)。

主控制部84係包含有微電腦及各種介面，並依照儲存於外部記憶體或內部記憶體的軟體(程式)及配方資訊，來控制該電漿蝕刻裝置內的各部，例如排氣裝置24、高頻電源28,30、匹配單元32(匹配器102,104)、開關46,106、第2直流電源(可變直流電源)104、升降機構的制動器66、冷卻單元(未圖示)、背側氣體供給部(未圖示)及處理氣體供給部80等各個的動作及裝置全體的動作(機制)。

另外，該實施形態中，主控制部84雖然係作為1個控制單元來加以表示，但亦可採用複數控制單元將主控制部84之機能並列地或是階層地加以分擔的形態。

該電漿蝕刻裝置中之枚葉乾蝕刻的基本動作係如下般來加以動作。首先，開啟閘閥26，並從隔壁的裝載腔室或是移轉腔室(未圖示)調入搬送臂(未圖示)以搬入處理對象之半導體晶圓W至腔室10內。裝載動作係使制動器 66作動，來讓升降銷58上升並藉由搬送臂來接受半導體晶圓W，接著，讓升降銷58下降來將半導體晶圓W載置於載置台12之主面，亦即靜電夾具38之上。然後，從處理氣體供給部80以既定流量來導入蝕刻氣體(一般為混合氣體)於腔室10內，並藉由排氣裝置24來使得腔室10內之壓力成為設定值。進一步地，開啟第1及第2高頻電源28、30，而分別以既定之功率來輸出第1高頻LF及第2高頻HF，並透過匹配單元32及供電棒34來施加該等高頻LF、HF至載置台(下部電極)12。又，開啟開關46並以靜電力來保持半導體晶圓W於靜電夾具38，而從背側氣體供給部來供給傳熱用背側氣體(He氣體)於與半導體晶圓W之間的接觸界面。藉由從噴淋頭70噴出至兩電極70、12之間之蝕刻氣體的高頻放電來生成電漿，並藉由從該電漿所供給之自由基或離子來將半導體晶圓W表面的被加工膜蝕刻為所欲的圖案。

該電漿蝕刻裝置係陰極耦合型，並可藉由施加具有適於電漿生成的比較高的頻率(例如100MHz)之第2高頻HF至載置台12，來以較佳的解離狀態來高密度化電漿，而即便在較低壓之條件下亦能形成高密度之電漿。與其同時，可藉由施加具有適於離子吸引之比較低的頻率(例如13.56MHz)之第1高頻LF至載置台12，來對載置台12上之半導體晶圓W實施有利於垂直形狀之蝕刻加工的異向性蝕刻。

又，該電漿蝕刻裝置中，係施加離子吸引用之第1高頻LF至暴露於電漿之載置台(下部電極)12，且為了在載置台12上保持半導體晶圓W，而藉由在從第1直流電源來施加正極性第1直流電源A_DC至靜電夾具38之內部電極42，另一方面施加從第2直流電源104對應於自偏壓-V_dc的負極性第2直流電源-B_DC至載置台12，而可極小地抑制半導體晶圓W與載置台12之間的電位差。因此，便無在半導體晶圓W與載置台12之間的氣體空間(56、60、62)中產生異常放電之疑慮。從而，便不會給予半導體晶圓W因異常放電之損傷，而可提高電漿蝕刻程序之產量。

[匹配單元內之構成]

在圖2顯示該電漿蝕刻裝置之匹配單元32內之電路構成。

匹配單元32內係設置有第1及第2匹配器100、102。第1匹配器100 係以藉由無反射或是較少反射來高效率地傳送從第1高頻電源28所輸出之離子吸引用之第1高頻LF至腔室10內之電漿負載的方式來加以動作，並與第1高頻電源28組合來形成第1高頻供電部108。另一方面，第2匹配器102係以藉由無反射或較少反射來高效率地傳送從第2高頻電源30所輸出之電漿生成用的第2高頻HF至腔室10內之電漿負載的方式來加以動作，並與第2高頻電源30組合來形成第2高頻供電部110。

第1匹配器100係具有由在第1高頻電源28之輸出端子與負載之間串聯地連接的電容器114及線圈116，以及在電容器114之輸入側端子與接地電位構件(未圖示)之間所連接的電容器112所構成之L型匹配電路。兩電容器112、114係可變電容器。在第1高頻電源28輸出第1高頻LF時，係以藉由匹配控制器及步進馬達等所構成之第1自動匹配機構(未圖示)會讓亦包含有該匹配電路(112、114、116)之負載側阻抗一致於第1高頻電源28側之阻抗(通常為50Ω)的方式，來可變地控制各個可變電容器112、114之靜電容量。

第2匹配器102係具有由在第2高頻電源30之輸出端子與接地電位構件(未圖示)之間串聯地連接之一次線圈118及一次電容器120、變壓耦合於一次線圈118之二次線圈122以及在該二次線圈122與負載之間串聯地連接之二次電容器124所構成的感應耦合型匹配電路。兩電容器120、124係可變電容器。在第2高頻電源30輸出第2高頻HF時，係以藉由匹配控制器及步進馬達等所構成之第2自動匹配機構(未圖示)會讓亦包含該匹配電路(118~124)之負載側阻抗一致於第2高頻電源30側之阻抗(通常50Ω)的方式，來可變地控制各個可變電容器120、124之靜電容量。

第1高頻供電部108係在第1匹配器100之輸出端子與供電棒34之間設置有由線圈126及電容器128所構成之L型低通濾波器130。該低通濾波器130係讓從第1匹配器100之第1高頻LF及自第2直流電源104之第2直流電壓-B_DC穿過載置台12側，而遮蔽自第2高頻供電部100之第2高頻HF。

另外，第2高頻供電部110內，在第2匹配器102內變壓耦合之線圈118、122會遮蔽自第1高頻供電部108之第1高頻LF。

匹配單元32之框體內除了上述第1及第2匹配器100、102以外，亦設置有一次性的保全接地用中繼開關132。該中繼開關132係其一端之端子會透過阻抗器134來連接於接地電位構件(未圖示)，而另端之端子則透過由線圈136及電容器138所構成之L型高頻遮蔽濾波器140來連接於第1匹配器100內之高頻傳送路徑(圖式之範例中為電容器114與線圈116之間的連接點NA)。高頻遮蔽濾波器140係具有通過直流，並遮蔽第1高頻LF及其他高頻之濾波器特性。

在中繼開關132關閉時，則第1匹配器100內之連接點NA係電性(特別是直流)浮動狀態，從而，載置台12亦會成為浮動狀態。中繼開關132開啟時，過渡性地積蓄於載置台12之電荷會透過連接點NA、低通濾波器140、中繼開關132以及阻抗器134而流向接地電位構件(地面)，以隨時地保持載置台12之電位為大地電位。

該實施形態中，第2直流電源104係與中繼開關132並聯地連接。更加詳細而言，第2直流電源之輸出端子係透過阻抗器142及高頻遮蔽濾波器140來連接於第1匹配器100內之連接點NA。於是，阻抗器142便會構成確實地遮蔽前段高頻遮蔽濾波器140所漏出之第1高頻LF及其他高頻之二段高頻遮蔽濾波器。

第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC係由於透過阻抗器(高頻遮蔽濾波器)142、高頻遮蔽濾波器140之線圈136、第1匹配器100之線圈116及低通濾波器130之線圈126來施加至載置台12。另一方面，第2直流電源104從第1高頻供電部108係以2段高頻遮蔽濾波器140、142來加以遮蔽，而從第2高頻供電部110亦進一步地以低通濾波器130來遮蔽，故不會對第1及第2匹配器100、102之匹配動作帶來影響。

第2直流電源104係在構成主控制部84之一部分的直流電壓控制部144之控制下，以既定範圍(例如-3000V~0V)來可變地控制其輸出電壓(第2直流電壓)。直流電壓控制部144亦可基於配方資訊來將第2直流電源104之輸出電壓-B_DC一致於適當的設定值(固定值)。然而，該實施形態中，可對應於電漿處理中暴露於電漿的載置台12上之半導體晶圓W的表面電位(等同於自偏壓-V_dc之負極性電位)之不固定或動態變化的第2直流電壓-B_DC亦可在直流電壓控制部144的控制下從第2直流電源104來輸出。

第1高頻供電部108之高頻傳送路徑上係設置有用以測定第1高頻LF之電壓振幅(例如峰對峰)V_PP的V_PP測定部146，以及測定第1高頻LF行進波功率P_f及反射波功率P_r的RF功率偵測器(例如方向性耦合器)148。然後，自V_PP測定部之V_PP測定值MV_PP、自RF功率偵測器148之行進波功率測定值MP_f及反射波功率測定值MP_r會給予至直流電壓控制部144。

一般而言，如該實施形態般施加不同頻率之複數高頻(LF、HF)至載置台(下部電極)12的情況，頻率最低之高頻(LF)電壓之振幅V_PP會支配性地左右載置台12上之高頻電壓振幅。特別是，在第2高頻HF係具有100MHz或其以上的高頻率之情況，載置台12上之第2高頻HF的電壓振幅V_PP係小到可以忽視。另一方面，自偏壓-V_dc的絕對值V_dc與載置台12上之高頻電壓振幅V_PP之間通常有既定的比例關係，亦即V_dc≒KV_PP(K為係數：0<K<1)之關係。從而，直流電壓控制部144基本上或通常係對應於從V_PP測定部146之RF電壓振幅測定值MV_PP來控制第2直流電源之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC，例如控制為-B_DC=-K×MV_PP。

但是，在電漿處理開始時或電漿處理當中變動電漿之負載時，便會破壞在自偏壓-V_dc與載置台12上之高頻電壓振幅V_PP之間上述的比例關係(V_dc≒KV_PP)，而使得自偏壓-V_dc之絕對值V_dc會變得較KV_PP要小。此時，在電漿負載無法充分吸收RF功率，而該部分會使得RF反射波功率P_r變大。

直流電壓控制部144係為了應付如此般之電漿負載的變動，而對應於從V_PP測定部146之RF電壓振幅測定值MV_PP與從RF功率偵測器148之RF反射波功率測定值MP_r來控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC，例如控制為-B_DC=-(K×MV_PP-J×MP_r)或是-B_DC=-(K-D×MP_r)×MV_PP。其中，J、D為係數。

進一步地，直流電壓控制部144為了進一步地提高對於電漿負載變動之第2直流電壓-B_DC之可變控制的穩定性乃至於精度，係對應於從V_PP測定部之RF電壓振幅測定值MV_PP與從RF功率偵測器之RF行進波功率測定值MP_f及RF反射波功率測定值MP_r來控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC，例如控制為-B_DC=-K×MV_PP×E×(MP_f-MP_r)/MP_f。其中， E為係數。

[實施形態中之機制]

在圖3A顯示該實施形態之電漿處理裝置中在進行單一步驟之枚葉處理時，或是在多重步驟方式中進行第一回步驟的枚葉處理時之主要的各部分間之時間點關係，特別是動作開始時的基本機制。

上述般在腔室10內載置處理對象之半導體晶圓W於靜電夾具38上時，中繼開關132係保持開啟狀態，而載置台12係電性接地。然後，由於腔室10內係成為減壓狀態，並開始導入蝕刻氣體，故以既定之時間點t₀來關閉中繼開關132。藉此，載置台12便成為電性浮動狀態。

之後，在時間點t₁，開啟第2高頻電源30，而第2匹配器102亦開始匹配動作。藉此，便開始對載置台12藉由第2高頻供電部110來施加電漿生成用之第2高頻HF，而使得蝕刻氣體開始放電(點燃電漿)。

其後(通常，在時間點t₁起之2秒以內)，在時間點t₂開啟第1高頻電源28，而使得第1匹配器100亦開始匹配動作。藉此，便開始對載置台12施加從第1高頻供電部108之離子吸引用的第1高頻LF。如此一來，便會在載置台12上之半導體晶圓W與主電漿之間(亦即鞘)產生自偏壓-V_dc，而從電漿來吸引離子至半導體晶圓W。

於是，自偏壓-V_dc亦為透過第1高頻供電部108來施加在半導體晶圓W之表面與地面(接地電位構件)之間的電壓，而形成串聯地連接至第1高頻供電部108之高頻傳送路徑上的全部電容器或是電容，亦即第1匹配器100之電容器114，或是透過靜電夾具38之介電體層而形成於半導體晶圓W與載置台12之間之電容等之所謂的阻隔電容器。

另外，在載置台12上配置於半導體晶圓W周圍之聚焦環36，亦會產生相同的自偏壓-V_dc，而從電漿來吸引離子。亦即，聚焦環36亦在載置台12上電性地與半導體晶圓W並聯地配置，並具有相對於電漿將半導體晶圓W之邊緣在外觀上擴張於半徑方向外側之機能。

另一方面，在點燃電漿後，較佳地係在以1秒以內之時間差而接近(前後)於該時間點t₂之時間點t₃，開啟第2直流電源104，來開始對載置台12施加負極性第2直流電壓-B_DC。藉此，半導體晶圓W之表面電位會與下降至自偏壓-V_dc之電位連動，而在略同時，載置台12之電位亦會下降至對應於自偏壓-V_dc之第2直流電壓-B_DC的電位。

其後(通常，從時間點t₃經過0.3秒以上)，在時間點t₄，開啟第1直流電源44，來開始對靜電夾具38之內部電極42施加正極性第1直流電壓A_DC。藉此，便會在半導體晶圓W之內面與靜電夾具38之表面產生正、負電荷，亦即靜電，而以靜電力來吸附半導體晶圓W於靜電夾具38。此時，由於載置台12已施加有第2直流電壓-B_DC，故載置台12之電位不會受到第1直流電壓A_DC之影響(靜電感應)。然後，在之後的時間點t₅，開啟背側氣體供給部，並透過載置台12內之氣體流道來供給背側氣體至半導體晶圓W之內面。

如此般，在單一步驟或是第1回步驟的情況，在載置半導體晶圓W於靜電夾具38上後之時間點t₀，將中繼開關132從至其為止之開啟狀態切換為關閉狀態，並將載置台12從電性接地狀態切換為浮動狀態。然後，從之後的時間點t₁，在第2高頻供電部110中施加電漿生成用之第2高頻HF至載置台12，並在腔室10以第2高頻HF之能量來激發處理氣體以生成電漿。然後，從之後的時間點t₂，在第1高頻供電部108中施加離子吸引用之第1高頻LF至載置台12，來產生自偏壓-V_dc。然後，從與該時間點t₂(較佳地係1秒以內之時間差)接近之時間點t₃，施加對應於自偏壓-V_dc之負極性第2直流電壓-B_DC至載置台12。然後，從自該時間點t₃後之時間點t₄，施加正極性第1直流電壓A_DC至靜電夾具38之內部電極42。

根據相關機制，由於施加對應於自偏壓-V_dc之負極性第2直流電壓-B_DC至載置台12，故在通常狀態中不會在半導體晶圓W與載置台12之間的氣體空間(56、60、62)產生異常放電。進一步地，在電漿處理開始後，由於載置台12之電位會連動於自偏壓-V_dc而與半導體晶圓W之電位一同下降，故在施加正極性第1直流電壓A_DC至靜電夾具38之內部電極42時，進一步地即便在程序開始時變動電漿負載，在該氣體空間(56、60、62)亦不會有產生異常放電之疑慮。

在圖3B顯示在多重步驟方式中進行第2回以後之各步驟的枚葉處理時之主要的各部間之時間點關係，特別是動作開始時的基本機制。

該情況，即使在第1回之步驟結束後，中繼開關132仍保持關閉狀態，第1直流電源44仍保持開啟狀態(第1直流電壓A_DC之施加)，而背側氣體供給部仍維持背側氣體之供給。在該狀態下，為了開始第2回步驟，係在時間點t₁₁，開啟第2高頻電源30，而第2匹配器102亦開始匹配動作。藉此，便開始對載置台12施加自第2高頻供電部110之電漿生成用第2高頻HF，而使得蝕刻氣體開始放電(再點燃電漿)。

其後，在時間點t₁₂開啟第1高頻電源28，而第1匹配器100亦開始匹配動作。藉此，便開始對載置台12施加自第1高頻供電部108離子吸引用第1高頻LF。如此一來，在載置台12上之半導體晶圓W與主電漿之間(亦即鞘)會產生有自偏壓-V_dc，而從電漿來吸引離子至半導體晶圓W。

另一方面，再點燃電漿後，較佳地係在以1秒以內之時間差來接近(前後)於該時間點t₁₂之時間點t₁₃，開啟第2直流電源104，來開始對載置台12施加負極性第2直流電壓-B_DC。藉此，半導體晶圓W之表面電位會與下降至自偏壓-V_dc的電位連動，而在略同時，載置台12之電位亦下降至對應於自偏壓-V_dc之第2直流電壓-B_DC的電位。

如此般，在多重步驟方式中進行第2回以後之各步驟時，係在施加第1直流電壓A_DC至載置台12之狀態下，首先(從時間點t₁₁)在第2高頻供電部110中施加電漿生成用之第2高頻HF至載置台12，而在腔室10以第2高頻HF之能量來激發處理氣體以再生成電漿。然後，從之後的時間點t₁₂，在第1高頻供電部108中施加離子吸引用之第1高頻LF至載置台12，來讓自偏壓-V_dc再度產生。然後，從與該時間點t₁₂(較佳地係1秒以內之時間差)接近之時間點t₁₃，再次施加對應於自偏壓-V_dc之負極性第2直流電壓-B_DC至載置台12。

根據相關機制，由於在電漿處理再開後不久，載置台12之電位便會連動於自偏壓-V_dc而與半導體晶圓W之電位一同地下降，故即便在程序開始時變動電漿負載，亦不會有在該氣體空間(56、60、62)產生異常放電之疑慮。

在圖4A及圖4B顯示該實施形態中之該機制的具體實例。該等圖中，「HF P_f」及「HF P_r」係第2高頻HF之行進波功率及反射波功率。「LF P_f」及「LF P_r」係第1高頻LF之行進波功率及反射波功率。「HF C₁」及「HF C₂」係第2匹配器102中之可變電容器120、124之可變電容器步驟(對應於電容值之調整位置)。「LF C₁」及「LF C₂」係第1匹配器100中之可變電容器112、114之可變電容器步驟。「RFD」係藉由電漿發光偵測器(未圖示)所測定之電漿發光強度。「ESC I」係在從第1直流電源44至靜電夾具38之內部電極42的第1直流電壓供電部內所流通之電流。「LF V_PP」係在第1匹配器100內藉由V_PP測定部所測定之第1高頻LF的電壓振幅(峰對峰)。「-V_dc」係自偏壓。「-HV2 V」係載置台12之電位。「-HV2 I」係在從第2直流電源104至載置台12之第2直流電壓供電部內所流通之電流。

單一步驟或是多重步驟方式中之第1回步驟的情況(圖4A)，在開始第1直流電壓A_DC之施加後不久，在第1直流電壓供電部內電流「ESC I」急遽地流通係過渡現象，並會快速地衰減。亦即，得知在半導體晶圓W與載置台12之間的氣體空間(56、60、62)不會產生有異常放電。另外，時間點t_3S、t_3E係第2直流電壓-B_DC施加(提升)的開始及結束之時間點，而t_3S~t_3E係0.35秒。

多重步驟方式中之第2回以後各步驟之情況(圖4B)，得知會與半導體晶圓W之表面電位，亦即自偏壓-V_dc下降連動，而在略同時，載置台12之電位亦會下降至對應於自偏壓-V_dc之第2直流電壓-B_DC的電位。然後，在第1直流電壓供電部內之電流「ESC I」會受到來自電漿之反射影響，即便在時點t₁₃~t_a之區間有所增加仍然是會迅速地轉換為減少，並在時間點t_b回到原點(略0A)。如此般，由於在第1直流電壓供電部內對電流「ESC I」看不到異常，故確認到在半導體晶圓W之周邊，特別是在半導體晶圓W與載置台12之間的氣體空間(56、60、62)，不會產生有異常放電。

該實例中，如上述般讓第2直流電源104開始第2直流電壓-B_DC之輸出的時間點(時間點t₃、t₁₃)一致於第1匹配器100開始匹配動作之時機點，而最佳地係其同時性的關係。不過，在實用上若是為1秒以內之時間差，則在兩者的時間點可有些許之偏差。

又，在離子吸引用之第1高頻LF與電漿生成用之第2高頻HF之間，如上述般，係讓對載置台12，先開始第2高頻HF之施加，然後再開始第1高頻LF之施加的形態成為標準規格。但是，依必要，或是在特定的條件下，亦可為先開始第1高頻LF之施加，然後再開始第2高頻HF之施加的形態，或是同時開始第1高頻LF及第2高頻HF之施加。

即便在先開始第1高頻LF之施加的情況，雖然不如第2高頻HF之放電效率，但依然會生成電漿，而該情況亦會產生自偏壓。從而，開始第2直流電壓-B_DC之輸出的時間點仍最好為配合第1高頻LF之施加開始的時間點，例如可在第1高頻LF施加開始之同時或是經過一定時間後開始第2直流電壓-B_DC之輸出。

在圖5顯示不具備有本實施例中之第2直流電源104之情況(比較例)的單一(或是第一回)步驟之機制的具體實例。該圖中，「HF φ」及「HF Z」係相對於第2匹配器102中之可變電容器120、124之可變電容器步驟的控制訊號。「LF φ」及「LF Z」係相對第1匹配器100中之可變電容器112、114之可變電容器步驟的控制訊號。其他則與圖4A相同。

如圖示般，在第1直流電壓供電部內，電流「ESC I」即便在其他各部分穩定後仍顯示相當大之電流值(72μA)。這是在半導體晶圓W與載置台12之間的氣體空間(56、60、62)產生有異常放電之情況所能見到的現象。

[有關匹配電路之變形例]

上述實施形態中，第1匹配器100係具有將可變電容器112,114使用在可變電容器元件之L型匹配電路。該形態之匹配電路在第1高頻LF之頻率比較高的情況，例如3.2MHz~13.56MHz的情況，係可有效地活用可變電容器112、114。但是，在第1高頻LF之頻率過低的情況，例如400kHz的情況，為了以可變電容器112、114來得到所欲之阻抗，則一定要將其靜電容量甚至電極面積(尺寸)放大數10倍以上，而喪失實用性。

從而，第1高頻LF之頻率低如400kHz的情況，如圖6所示，可適當地使用由2個可變感應器150、152與固定電容器154所構成之T型匹配電路於第1匹配器100。然後，較佳地，係將第2直流電源104之輸出端子接線於第1匹配器100之輸出端子。藉此，便可連接第2直流電源104至外觀上50Ω系之電路。然後，可將自第2直流電源104之第2直流電壓-B_DC透過可變感應器150、152來順暢地施加至載置台12，並且即便因負載阻抗之變動而在第1匹配器100輸出端子側之高頻電壓有所波動，第2直流電源104仍不受其影響，而可穩定地保持輸出。

[有關對載置台之直流電壓施加的第2實施例]

上述實施形態中，構成主控制部84一部分的直流電壓控制部144係以第1高頻供電部108所得到V_PP測定值MV_PP或是反射波功率測定值MP_r而進一步地對應於行進波功率測定值MP_f來可變地控制第2直流電源(可變直流電源)104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC。

作為其他(第2)實施例，係將第1高頻LF之功率P_LF、第2高頻HF之功率P_HF及第2直流電壓-B_DC作為參數，並依所選擇的該等3個參數之各組合[P_LF，P_HF，-B_DC]，藉由電漿程序之模擬實驗來檢查在半導體晶圓W周圍是否有產生異常放電，並將其檢查結果之數據例如以表格形式來資料庫化。然後，實際之程序中，亦可為相對於第1高頻LF之功率P_LF及第2高頻HF之功率P_HF所給予的設定值，將以模擬實驗未產生異常放電時之第2直流電壓-B_DC的值或是其近似值成為對第2直流電源104之設定值或是指定值的方法。

該情況，如圖7所示，操作員係透過具備有鍵盤或顯示器等之操作面板160與主控制部84之人機介面來進行資料庫構築用之實驗。

首先，不對載置台12進行第2直流電壓-B_DC之施加(保持開關106為關閉狀態)，並將第1高頻LF功率P_LF及第2高頻HF功率P_HF作為參數，依所選擇之該等2個參數的各組合[P_LE，P_HF]來進行電漿程序之第1模擬實驗，並使用電壓測定器164來測定自偏壓-V_dc。該情況，電壓測定器164可以一點鏈線165所示般來直接測定聚焦環36之電位以作為自偏壓-V_dc的值，亦可透過裝卸自如之治具的連接導體166來連接(短路)聚焦環36與載置台12，而電壓測定器164便測定載置台12之電位來作為自偏壓-V_dc之值。

例如，將第1高頻LF功率P_LF選擇為100V、200V、500V、1000V、2500V、4800V、5800V之7種，將第2高頻HF功率P_HF選擇為100V、300V、500V、1000V、1700V、2400V之6種，並將藉由各組合[P_LF，P_HF]之第1模擬實驗所得到的自偏壓-V_dc之測定值以例如圖8所示般之表格形式來資料庫化。

圖8中，i行j列之單元格所記載的[-a_i，j]係表示在選擇第2高頻HF功率P_HF為上起第i項之值(例如第3項之值係500V)，且選擇第1高頻LF功率P_LF為左起第j項之值(例如第4項之值係1000V)的情況所取得之自偏壓-V_dc之測定值。

接著，在第1高頻LF功率P_LF及第2高頻HF功率P_HF加上作為第3參數的第2直流電壓-B_DC(-B_DC=-b₁，-b₂，-b₃...)，並依所選擇之該等3個參數的各組合[P_LF，P_HF，-B_DC]來進行電漿程序之第2模擬實驗，而在半導體晶圓W周圍檢查是否產生有異常放電(或是相當於其之現象)，並將其結果以例如圖9A、圖9B、圖9C所示般之表格形式來資料庫化。

圖9A、圖9B、圖9C中，i行j列之單元格所記載的[-a_i，j-b_k]係在選擇第2高頻HF功率P_HF為上起第i項之值(例如第3項之值係500V)，且選擇第1高頻LF功率P_LF為左起第j項之值(例如第4項之值係1000V)的情況所取得，並且為選擇第2直流電壓-B_DC為-b_k之值的情況之主電漿與載置台12間的電位差(推測值)δV。然後，在表格之單元格內附有[#]之記號的情況，係表示在該單元格之條件下，會檢測出有異常放電(或是相當於其之現象)。一般而言，附有[#]之記號的情況(異常放電或是相當於其之現象產生的情況)的電位差δV係超過一般值(門檻值)V_th。

另外，第2模擬實驗中，係不進行電壓測定器164之自偏壓-V_dc的測定。取而代之，係通過自第1直流電源44至靜電夾具38之內部電極48的第1直流電壓供電部內所設置之電流計168來偵測電流[ESC I]之波形(瞬間值)。然後，便藉由電流[ESC I]之波形有無如該比較例(圖5)般之異常，來間接地判斷異常放電之有無。

該資料庫或是資料表格(圖8，圖9A~圖9C)係蓄積或保存於主控制部84內之記憶體或是外部記憶體162。然後，實際的電漿程序中，主控制部84會對應於第1高頻LF及第2高頻HF之功率P_LF、P_HF相關的程序條件(配方資訊)，來參照該資料庫(表格)，以選擇無異常放電之可能性的第2直流電壓-B_DC之值，並控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓-B_DC)以成為其所選之值。

[有關對載置台之直流電壓施加的第3實施例]

在圖10及圖11顯示本發明電漿處理裝置中施加第2直流電壓-B_DC至載置台12的方法之又一(第3)實施例。

該實施例特徵在於以in-situ(原位)來偵測載置台12上之半導體晶圓W表面所產生之自偏壓-V_dc，而以迎合自偏壓-V_dc之方式將第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC以回授方式來即時地加以控制。

具體而言，為了以in-situ來偵測腔室10內生成電漿時之主電漿與載置台12上之半導體晶圓W(及聚焦環36)之間所產生的自偏壓-V_dc，係於載置台12的上面透過聚焦環36與介電體35來配置對向之環狀電極板170。該電極板170係藉由例如陶瓷所構成之絕緣體172來從載置台12電性絕緣，並透過貫穿載置台12之例如棒狀導體174與外接之電容器176來連接於接地電位構件(未圖示)。另外，棒狀導體174亦藉由絕緣體172來從載置台12電性絕緣。

在半導體晶圓W及聚焦環36之表面產生自偏壓-V_dc時，亦即在腔室10內生成電漿時，半導體晶圓W及聚焦環36之表面係成為等同於自偏壓-V_dc的負電位。一般聚焦環36係由如Si般之單一物質所構成之物體，故聚焦環36整體會構成電極板。亦即，會夾置介電體35而在聚焦環36與電極板170之間形成有電容器180。藉此，等同於自偏壓-V_dc之聚焦環36的表面電位會藉由串聯連接之2個電容器180、176來加以分壓，並在兩電容器180、176間之連接點(節點)NB得到自偏壓-V_dc所分配之分壓電壓-V_NB。亦即，將電容器180、176之靜電容量為C₁₈₀、C₁₇₆時，節點NB所得到之分壓電壓-V_NB係以下式(1)來加以表示。

-V_NB=-V_dc×C₁₈₀/(C₁₈₀+C₁₇₆)...(1)

自偏壓測定電路182會讀取節點NB所得到之分壓電壓-V_NB，並從上述式(1)來反推而求出自偏壓-V_dc之測定值-MV_dc。直流電壓控制部144會基於來自自偏壓測定電路182之自偏壓測定值-MV_dc來控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓-B_DC)，例如控制成為-B_DC=-H×MV_dc。其中，H為係數，例如H=1。

或是，在具備上述第2實施例之資料表格(圖8，圖9A~圖9C)的情況，可以直流電壓控制部144(主控制部84)中，第2直流電壓-B_DC與自偏壓-V_dc的電位差不超過該門檻值之方式來控制或選擇第2直流電壓-B_DC之值。

如此般，該實施例中，由於以in-situ來偵測載置台12上之半導體晶圓W表面所產生之自偏壓-V_dc，並將第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電源)-B_DC以一致或是迎合自偏壓-V_dc之值的方式，藉由回授方式來即時地加以控制，故不論如何變動自偏壓-V_dc或是不論如何(任意時間點及任意電壓值)施加第1直流電壓A_DC至靜電夾具38之內部電極，皆可常保持半導體晶圓W與載置台12之間的電位差為較小值，故可確實地防止在半導體晶圓W周圍之異常放電。

[有關對載置台之直流電壓施加的第4實施例]

就圖10及圖11來說明本發明電漿處理裝置中施加第2直流電壓-B_DC至載置台12之方法的又一(第4)實施例。

如圖10所示，該電漿處理裝置中，係將與載置台12平行地對向並兼作為上部電極(對向電極)之噴淋頭70透過環狀絕緣體184來安裝於腔室10之頂部。然後，具備有用以對上部電極施加負極性，較佳地係可變直流電壓-E_DC的直流電源186。該直流電源186之輸出端子係透過開關188、濾波電路190及直流供電線路192來電性連接於上部電極70。濾波電路190係構成為以直通來施加自直流電源186之直流電源-E_DC至上部電極70，另一方面將從載置台12通過處理空間S及上部電極70而進入至直流供電線路192之高頻朝向接地線路流動而不朝向直流電源186側流動。又，在腔室10內於面向處理空間PS的適當處，安裝有例如由Si、SiC等導電性材料所構成之DC接地構件(未圖示)。該DC接地構件係透過接地線路(未圖示)而隨時接地。

該電漿處理裝置中，離子吸引用之第1高頻LF的頻率係被選為例如3.2MHz，而電漿生成用之第2高頻HF的頻率係被選為例如40.68MHz。該情況，如圖11所示，第1匹配器100係較佳地具有由2個可變電容器194、196所構成之L型匹配電路，而第2匹配器亦較佳地具有由2個可變電容器198、200所構成之L型匹配電路。

如此般，第2高頻HF之頻率在40.68MHz左右或是在其以下的情況，則在載置台12上之高頻電壓的電壓振幅中，亦不可忽略第2高頻HF之電壓振幅V_PP。在此，該實施例中，係作為偵測載置台12上之高頻電壓的電壓振幅V_PP之上述第1實施例(圖2)的一變形例，係不僅偵測第1高頻供電部108內所得到的第1高頻LF之電壓振幅V_PP(LF)，亦偵測第2高頻供電部110內所得到的第2高頻HF之電壓振幅V_PP(HF)，而直流電壓控制部144會基於兩高頻LF、HF雙方之電壓振幅V_PP(LF)、V_PP(HF)來控制第2直流電源104。

在硬體上而言，如圖11所示，係在低通濾波器130與供電棒34之間的高頻傳送路徑上設有2頻率對應型的V_PP測定部202。該V_PP測定部202係使用例如超外差式的濾波電路來辨別第1高頻LF及第2高頻HF的電壓振幅V_PP(LF)、V_PP(HF)以進行測定，並將該等測定值MV_PP(LF)、MV_PP(HF)傳送至直流電壓控制部144。

另外，與上述第1實施例同樣地，亦可在第1及第2高頻供電部108、110內分別設置RF功率偵測器(未圖示)，並傳送第1高頻LF相關之行進波功率測定值MP_f(LF)及反射波功率測定值MP_r(LF)與第2高頻HF相關之行進波功率測定值MP_f(HF)及反射波功率測定值MP_r(HF)至直流電壓控制部144。該情況，直流電壓控制部144可對應於自V_PP測定部202之RF電壓振幅測定值MV_PP(LF)、MV_PP(HF)，與自兩RF偵測器之反射波功率測定值MP_r(LF)、MP_r(HF)來控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC。或是，直流電壓控制部144亦可對應於自V_PP測定部202之RF電壓振幅測定值MV_PP(LF)、MV_PP(HF)，與自兩功率偵測器之反射波功率測定值MP_r(LF)、MP_r(HF)及行進波功率測定值MP_f(LF)、MP_f(Hf)來控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC。

[有關對載置台之直流電壓施加的第5實施例]

就圖12~圖14來說明本發明電漿處理裝置中，施加第2直流電壓-B_DC至載置台12之方法的又一(第5)實施例。

該實施例，其特徵係具備有在資料庫上對應來將可變電抗單元的可選擇位置之數值與電漿阻抗之數值來加以管理的對映表，並從該對映表來取得對應於即時的匹配位置之電漿阻抗的數值，而從其所取得的電漿阻抗之數值與供給至電漿的RF功率之數值藉由計算來求出載置台12上的高頻電壓之振幅V_PP，並對應於V_PP計算值來控制第2直流電壓-B_DC。

如圖12所示，該實施例中，離子吸引系之第1高頻供電部108所設置之第1匹配器100係具有將由可變電容器112,114及線圈116所構成之L型匹配電路、阻抗感應器210以及可變電容器112、114之位置(可變電容步驟)PC₁、PC₂分別透過步進馬達(M)212、214來可變地控制之匹配控制器216。在此，匹配控制器216與步進馬達(M)212、214係構成自動匹配機構。

阻抗感應器210係測定組合有從第1高頻電源28側可見之負載側阻抗，亦即腔室10內之負載(主要為電漿)的阻抗與匹配電路[112，114，116]的阻抗之負載阻抗Z_L。匹配控制器216係具有微電腦(CPU)，並讓自阻抗感應器210所輸出之負載阻抗Z_L的測定值MZ_L以一致或近似於相當於第1高頻電源28之輸出阻抗的匹配點Z_S(通常50Ω)之方式，來通過步進馬達(M)212、214之旋轉控制，以可變地控制可變電容器112、114之位置(可變電容步驟)PC₁、PC₂。

於是，可變電容器112、114中在靜電容量C₁、C₂與位置(可變電容步驟)PC₁、PC₂之間便分別有線性的對應關係。匹配控制器216會通過步進馬達(M)之旋轉控制來隨時掌握可變電容器112、114之即時的位置PC₁、PC₂。

進一步地，第1匹配器100，如圖13所示，係使得在資料庫上對應於可變電容器112、114全部可選擇之位置PC₁(P₁C₁，P₂C₁，...P_mC₁)、PC₂(P₁C₂，P₂C₂，...P_nC₂)的組合，與各組合[P_iC₁，P_jC₂]所對應之匹配時的電漿阻抗Z_P(R_ij+_jX_ij)之值來加以管理之對映表，藉由匹配控制器216內之CPU來儲存於可存取之記憶體218。

然後，匹配狀態中之可變電容器112、114的即時位置，亦即匹配位置分別為P_iC₁、P_jC₂時，係自該對映表來讀取其組合[P_iC₁，P_jC₂]所對應之電漿阻抗Z_P(R_ij+_jX_ij)的實數部之值[R_ij]及虛數部之值[X_ij]。

就圖14之史密斯圖來說明匹配器100之匹配作用。現在，在可變電容器112、114之位置分別調整為P_iC₁、P_jC₂時，係確立了匹配狀態，亦即，假定自阻抗感應器210所得到的負載阻抗Z_L之測定值MZ_L會一致或近似於匹配點Z_S(50Ω)。

該情況，在史密斯圖上解析從腔室10內的電漿至阻抗感應器210之輸出端子的阻抗軌跡時，會從起點之電漿阻抗Z_P(R_ij+_jX_ij)在第1匹配器100內經過3個圓弧軌跡QL、QC₂、QC₁而達到匹配點Z_S(50Ω)。

在此，第1個軌跡QL(Z_P→Z₁)係在匹配電路100之最後段與電漿負載串聯地連接之線圈116的感應性電抗者，並會在圖式之阻抗圖上右旋(順時針)移動。由於線圈116係固定電感，故該軌跡QL(ZP→Z1)的移動量係通常固定。

第2個軌跡QC₂(Z₁→Z₂)係在較線圈116前段與電漿負載串聯地連接之可變電容器114之電容性電抗者，並在阻抗圖上左旋(逆時針)移動。該軌跡QC₂(Z₁→Z₂)的移動量會對應於可變電容器114之靜電容量C₂或是位置PC₂來加以變化。

然後，第3個軌跡QC₁(Z₂→Z_S)係在較可變電容器114前段與電漿負載並聯地連接之可變電容器112之電容性電抗者，並在史密斯圖(未圖示)上右旋(順時針)移動。該軌跡QC₁(Z₂→Z_S)的移動量會對應於可變電容器112之靜電容量C₁或是位置PC₁來加以變化。

從而，匹配器100中在自動匹配動作正常地運作時，在史密斯圖上，會將匹配點Z_S(50Ω)作為起點，並藉由以逆時針方向順序到達分別對應於此時的可變電容器112、114之匹配位置PC₁、PC₂之值的可變量軌跡QC₁、QC₂及線圈116之固定電感所對應之固定量的軌跡QL，便可算出此時的電漿阻抗Z_P(R_ij+_jX_ij)。

不過，大部分的電漿處理裝置所使用的匹配器會在出貨前使用模擬電漿負載的阻抗可變之負載模擬器，而接受自動匹配的試驗(模擬)。該試驗中，係以就可變電容器或是可變電容C₁、C₂之全部可選擇位置PC₁、PC₂之組合[PC₁，PC₂]來讀取能取得匹配狀態時之負載模擬器的阻抗Z之值(R+jX)，來構築上述般之對映表(圖13)。從而，此種之對映表係依各個匹配器所固有的資料庫。

通常的自動匹配動作中，匹配控制器216係藉由參照對映表來確認即時的負載阻抗Z_L之史密斯圖上的位置，以決定可變電容器112、114相對於位置PC₁、PC₂的下個最佳控制值。藉此，便會使得自動匹配機能之機差減少。

該實施例中，作為主控制部82機能的一部分，係在匹配器100之外(或是中)設置有V_PP演算部220。該V_PP演算部220係通過匹配器100之匹配控制部216，或是直接讀取記憶體218，來自對映表取得可變電容器112、114之即時的匹配位置PC₁、PC₂所對應之電漿阻抗Z_P之值(R，X)，而從該電漿阻抗Z_P之值與自RF功率偵測器148所得到的第1高頻LF功率P之測定值(通常係行進波功率之測定值MP_f來作為實際的電漿投入功率)來演算下式(1)，以求出第1高頻LF之電壓振幅V_PP(峰對峰)。

V_PP={8P(R+X²/R)}^1/2...(1)

直流電壓控制部144係對應於自V_PP演算部220所得到的第1高頻LF之電壓振幅V_PP的計算值CV_PP，來控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC。該情況，係與上述之第1實施例同樣地，可控制成為-B_DC=-K×CV_PP(K為係數：0<K<1)。或是，亦可考量到RF反射波功率P_r，而控制成為-B_DC=-(K×MV_PP-J×MP_r)或是-B_DC=-(K-D×MP_r)×MV_PP(J，D為係數)。進一步地，亦可考量性納入RF行進波功率P_f，而以成為-B_DC=-K×MV_PP×E×(MP_f-MP_r)/MP_f之方式來加以控制(E為係數)。

上述之演算式(1)，係如下般來加以導出。在將電漿所供給RF功率作為P，將電漿之阻抗作為Z(R+jX)，將匹配器之輸出側的RF電壓(實效值)作為V，並將RF電流(實效值)作為I時，則在高頻供電部108之高頻傳送路徑上，係成立下式(2)。

P=IVcosθ=I²Zcosθ=I²R...(2)

其中，cosθ=R/(R²+X²)^1/2...(3)

式(2)可變形為下式(4)。

V=I×R/cosθ=(P/R)^1/2．R/cosθ...(4)

從式(3)、(4)，便可得到下式(5)。

V={P(R²+X²)/R}^1/2={P(R+X²/R)}^1/2...(5)

由於V_PP(峰對峰值)係V(實效值)的2．2^1/2倍，故從下式(5)便可得到演算式(1)。

V_PP=2．2^1/2V={8P(R+X²/R)}^1/2...(1)

該實施例中，係使用自第1匹配器100所具備之固有的對映表所取得的電漿阻抗的數值，藉由計算來求出第1高頻LF之電壓振幅V_PP的值，而對應於電壓振幅V_PP之計算值CV_PP，來施加自第2直流電源104對應於自偏壓-V_dc的負極性第2直流電壓-B_dc至載置台12。從而，便不需要在第1高頻供電部108之高頻傳送路徑上直接測定第1高頻LF的電壓振幅V_PP之V_PP測定部148。

又，為了減少自動匹配機能之機差，而使用匹配器100所具備之固有對映表，並從匹配器100之匹配位置藉由計算來求出第1高頻LF之電壓振幅V_PP的數值，故可進行測定差異較少且高精度的電壓振幅V_PP之偵測，甚至就施加至載置台12之第2直流電壓-B_DC亦可進行差異或機差較少之控制。

[有關對載置台之直流電壓施加的第6實施例]

作為上述之第5實施例的一變形例(第6實施例)，即便在匹配器100不具備有對映表(218)之情況，亦可使V_PP演算部220或是匹配器100之內部具備有藉由計算來求出第1高頻LF之電壓振幅V_PP的值之機能。

如上述般，匹配器100內之匹配控制器216可通過步進馬達(M)212、214之旋轉控制來隨時掌握可變電容器112、114之即時位置PC₁、PC₂，並從可變電容器112、114之位置來算出靜電容量C₁、C₂。從而，匹配電路[112，114，116]之阻抗Z₁₀₀便可例如在匹配控制器216內從可變電容器112、114之位置PC₁、PC₂乃至於靜電容量C₁、C₂來隨時算出。

另一方面，藉由阻抗感應器210來加以測定的負載阻抗Z_L係相加電漿阻抗Z_P與匹配電路[112、114、116]之阻抗Z₁₀₀者。亦即，係成立下式(6)。

Z_L=Z_P+Z₁₀₀ ∴Z_P=ZL-Z₁₀₀...(6)

從而，從在匹配控制器216內所算出之匹配電路[112，114，116]之阻抗Z₁₀₀以及自阻抗感應器210所輸出之負載阻抗Z_L的測定值MZ_L，藉由演算上述式(6)，便可求出電漿阻抗Z_P(R+jX)。

V_PP演算部220係從上述般藉由計算所得到的電漿阻抗Z_P之值(R，X)與自RF功率偵測器148所得到的第1高頻LF之功率P的測定值(通常係作為實質的電漿投入功率之行進波功率的測定值MP_f)，來演算上述式(1)，以求出第1高頻LF之電壓振幅V_PP(峰對峰值)。與上述第5實施例同樣地，直流電壓控制部144係對應於自V_PP演算部220所得到的第1高頻LF之電壓振幅V_PP的計算值CV_PP，來控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC。

[有關對載置台之直流電壓施加的第7實施例]

就圖15來說明本發明之電漿處理裝置中施加第2直流電壓-B_DC至載置台12的方法之又一(第7)實施例。

如圖15所示，該實施例，係在第1高頻供電部110之高頻傳送路徑上於匹配器100之後段設置有阻抗感應器222，並藉由該阻抗感應器222來測定負載側之阻抗，亦即電漿阻抗Z_P(R，X)。V_PP演算部220係從自阻抗感應器222所得到的電漿阻抗Z_P之測定值MZ_P(MR，MX)與自RF功率偵測器148所得到的第1高頻LF之功率P的測定值(MP_f)，來演算上述式(1)，以求出第1高頻LF之電壓振幅V_PP(峰對峰值)。直流電壓控制部144係與上述第5或第6實施例同樣地，對應於自V_PP演算部220所得到的第1高頻LF之電壓振幅V_PP的計算值CV_PP，來控制第2直流電源104之輸出電壓(第2直流電壓)-B_DC。

根據該實施例，即便不使用匹配器100內之阻抗感應器(210)或匹配控制器(216)，亦可施加對應於自偏壓-V_dc的第2直流電壓-B_DC至載置台12。

[其他實施形態或是變形例]

上述實施形態中的電容耦合型之電漿處理裝置係重疊施加電漿生成用的高頻HF及離子吸引用之高頻LF至下部電極(載置台)42之下部2頻率施加方式。但是，本發明亦可適用於施加電漿生成用之高頻HF至噴淋頭(上部電極)70，而施加離子吸引用之高頻LF至載置台(下部電極)12的方式，或是施加1種高頻至載置台(下部電極)12的電漿處理裝置。

又，本發明不限定於電容耦合型之電漿蝕刻裝置，亦可適用於微波電漿蝕刻裝置、感應耦合電漿裝置以及螺旋波電漿蝕刻裝置，而進一步地亦可適用於電漿CVD、電漿氧化、電漿氮化以及濺鍍等其他電漿處理裝置。

本發明中之被處理基板不限於半導體晶圓，亦可為平面顯示器、有機EL、太陽能電池用之各種基板、光罩、CD基板及印刷基板等。

10‧‧‧腔室

12‧‧‧載置台

14‧‧‧支撐部

16‧‧‧支撐部

18‧‧‧排氣路徑

20‧‧‧排氣口

22‧‧‧排氣管

24‧‧‧排氣裝置

26‧‧‧閘閥

28‧‧‧第1高頻電源

30‧‧‧第2高頻電源

32‧‧‧匹配單元

34‧‧‧供電棒

35‧‧‧介電體層

36‧‧‧聚焦環

38‧‧‧靜電夾具

40‧‧‧介電體層

42‧‧‧(靜電夾具的)內部電極

46‧‧‧開關

48‧‧‧阻抗器

50‧‧‧DC高壓線路

52‧‧‧冷媒室

54‧‧‧冷媒供給管

56‧‧‧氣體空間

58‧‧‧升降銷

60‧‧‧氣體空間

62‧‧‧氣體空間

64‧‧‧水平升降板

66‧‧‧制動器

68‧‧‧升降驅動軸

70‧‧‧噴淋頭

72‧‧‧電極板

74‧‧‧支撐體

76‧‧‧氣體室

76a‧‧‧導入口

78‧‧‧氣體噴出孔