WO2013088723A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2013088723A1
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直征 梅原
竜二 大谷
峻一 伊藤
一▲隆▼ 清
知正 西田
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東京エレクトロン株式会社
株式会社ダイヘン
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for performing plasma processing on a substrate to be processed, and more particularly to a capacitively coupled plasma processing apparatus that applies three types of high frequencies to plasma generated in a processing container.
  • RF radio frequency
  • microwaves are used to discharge or ionize a processing gas in a vacuum processing container.
  • an upper electrode and a lower electrode are arranged in parallel in a processing container, a substrate to be processed (semiconductor wafer, glass substrate, etc.) is placed on the lower electrode, and the upper electrode or A high frequency having a frequency suitable for plasma generation (usually 13.56 MHz or more) is applied to the lower electrode. Electrons are accelerated by a high-frequency electric field generated between the electrodes facing each other by the application of the high frequency, and plasma is generated by impact ionization between the electrons and the processing gas. A thin film is deposited on the substrate or a material or thin film on the substrate surface is shaved by a gas phase reaction or surface reaction of radicals and ions contained in the plasma. Thus, radicals and ions that enter the substrate play an important role in the plasma process. In particular, it is important that the ions have a physical action due to impact when entering the substrate.
  • a high frequency of a relatively low frequency (usually 13.56 MHz or less) is applied to a lower electrode on which a substrate is placed, and a negative bias voltage or sheath voltage generated on the lower electrode causes An RF bias method in which ions are accelerated and drawn into a substrate is often used.
  • ions are accelerated and drawn into a substrate.
  • the high frequency used for controlling the energy of ions drawn from the plasma into the substrate on the lower electrode in the chamber is limited to one type (single frequency).
  • the RF power or self-bias voltage is used as a control parameter.
  • the energy distribution (IED) of ions incident on the substrate can be obtained by using an RF bias for ion attraction in combination with two types of high frequencies and controlling their total power and / or power ratio. Recently, it has been found that the energy bandwidth and distribution shape as well as the total amount of incident energy can be arbitrarily controlled.
  • a total of three types of high frequency including the high frequency for plasma generation must be applied to the parallel plate electrodes in the chamber. become.
  • the problem here is the reflected wave that travels from the plasma in the chamber through the high-frequency power supply line (or high-frequency transmission line) and returns to the high-frequency power source.
  • Reflected wave spectrum (hereinafter referred to as “different-frequency reflected wave”) other than “reflected wave”) significantly increases, and includes a different-frequency reflected wave having a frequency very close to the fundamental reflected wave. That is.
  • the conventional plasma processing apparatus has a fundamental wave reflected wave power measuring unit for measuring the power SP r of the fundamental wave reflected wave in each high frequency power supply unit, and the power of the different frequency reflected wave as well as the fundamental reflected wave power. and a total reflection wave power measuring unit for measuring the reflection wave power TP r total, including.
  • Measurements of the fundamental frequency reflection wave power SP r obtained from the fundamental wave reflection wave power measurement unit represents the operation status to the matching state of the matching device which is provided in the high-frequency power supply line.
  • SP r 0 when matching is perfectly achieved.
  • the measured value of the fundamental frequency reflection wave power SP r is displayed on the display of the operation panel, the operator is enabled to monitor at all times. Further, the measured value of the fundamental frequency reflection wave power SP r exceeds a predetermined monitoring value, is made operational status of the matching unit is determined to be abnormal, it takes interlock, so that the operation of the entire apparatus is stopped It has become.
  • the measurement value of the total reflection wave power TP r obtained from the total reflection wave power measurement unit indicates the magnitude of the effect of this high frequency power received by the reflected wave from the plasma.
  • the total reflection wave power TP r as small as desired.
  • a large total reflection wave power TP r is undesirable. More total reflection wave power TP r is large, the amplifier in the RF power source frequency output becomes unstable affected. Furthermore, the amplifier may be destroyed. Therefore, when the measured value of the total reflection wave power TP r exceeds a predetermined monitoring value is adapted to emergency to lower the output of the high frequency power source.
  • the reflected wave power includes the reflected wave having a frequency close to the reflected wave of the fundamental wave. accuracy or reliability of the monitoring information of the measurement unit (measurement value of the fundamental frequency reflection wave power SP r) is greatly reduced. For this reason, it has been regarded as a problem that it is difficult to determine whether or not the alignment is achieved, and it is difficult to appropriately apply the interlock. Further, in the conventional capacitively coupled plasma processing apparatus, when the total reflection wave power TP r becomes excessive in each of the RF power supply system, to lower one level of RF output the high-frequency power supply unit in response to unconditionally thereto It has become.
  • the present invention has been made in view of the above-described present situation and problems, and performs reflected wave power monitoring with high accuracy in the three-frequency application method and accurately controls each RF power feeding system with respect to excessive reflected wave power. It is an object of the present invention to provide a capacitively coupled plasma processing apparatus that improves the reproducibility and reliability of a plasma process.
  • a plasma processing apparatus includes a processing container capable of being evacuated to accommodate a substrate to be processed in a removable manner, a first electrode for mounting and holding the substrate in the processing container, A second electrode disposed opposite to the first electrode in the processing container; a processing gas supply unit configured to supply a desired processing gas into the processing container; and a first having a first frequency.
  • a first high-frequency power source that outputs a high frequency; a first high-frequency power supply line that transmits the first high-frequency power from the first high-frequency power source to the first electrode or the second electrode; A first reflected wave power measuring unit that measures the power of a reflected wave propagating in the reverse direction from the first electrode or the second electrode toward the first high frequency power source on the high frequency power supply line; Second circumference lower than the first frequency A second high-frequency power source that outputs a second high-frequency power having a number, a second high-frequency power supply line that transmits the second high-frequency power from the second high-frequency power source to the first electrode, and the second A second reflected wave power measuring unit for measuring the power of the reflected wave propagating in the reverse direction from the first electrode toward the second high frequency power source on the high frequency power supply line, and from the plasma, the first A third high-frequency power source that outputs a third high-frequency power having a third frequency lower than the second frequency for drawing ions into the substrate on the electrode; and the third high-frequency
  • a reflected wave propagating in the reverse direction from the first electrode toward the third high-frequency power source on the third high-frequency power supply line.
  • Measure the power of the second Based on the first, second, and third reflected wave power measurement value signals obtained from the reflected wave power measurement unit and the first, second, and third reflected wave power measurement units, respectively.
  • a control unit for controlling each of the second and third high-frequency power sources.
  • the first, second, and third reflected wave power measurement value signals obtained from the first, second, and third reflected wave power measurement units respectively correspond to the first, second, and third reflected wave power measurement value signals.
  • the second and third high-frequency power supplies do not individually correspond to each other, but the control unit comprehensively compares each of the first, second, and third reflected wave power measurement value signals with the other ones.
  • the monitor analysis is performed, and the operations (particularly the RF output) of the first, second and third high frequency power supplies including the interlock are controlled in a unified manner.
  • a plasma processing apparatus includes a processing container capable of being evacuated to accommodate a substrate to be processed in a removable manner, a first electrode for mounting and holding the substrate in the processing container, A second electrode disposed opposite to the first electrode in the processing container; a processing gas supply unit that supplies a desired processing gas into the processing container; and a first that outputs a first high frequency.
  • a first high-frequency power supply line for transmitting the first high-frequency power from the first high-frequency power source to the first electrode or the second electrode, and a load impedance on the plasma side
  • a first matching unit provided on the first high-frequency power supply line to match the impedance of the first high-frequency power supply side; and the first electrode or the second electrode on the first high-frequency power supply line From the above
  • a first reflected wave power measuring unit for measuring the power of the reflected wave propagating in the opposite direction toward the first high frequency power supply; and a second high frequency having a second frequency lower than the first frequency.
  • a second high-frequency power source ; a second high-frequency power supply line that transmits the second high-frequency power from the second high-frequency power source to the first electrode; and a load impedance on the plasma side that is the second high-frequency power source.
  • a second matching unit provided on the second high-frequency power supply line to match the impedance on the side, and the second electrode on the second high-frequency power supply line from the first electrode toward the second high-frequency power source.
  • a second reflected wave power measurement unit for measuring the power of the reflected wave propagating in the reverse direction; and a second frequency lower than the second frequency for drawing ions from the plasma into the substrate on the first electrode.
  • a third high-frequency power source that outputs a third high-frequency power having a frequency of 3rd, a third high-frequency power supply line that transmits the third high-frequency power from the third high-frequency power source to the first electrode,
  • a third reflected wave power measuring unit for measuring the power of the reflected wave propagating in the reverse direction from the first electrode toward the third high frequency power source on the third high frequency power supply line, and the load impedance on the plasma side From the third matching unit provided on the third high-frequency power supply line and the first, second, and third reflected wave power measuring units, respectively,
  • a control unit that controls each of the first, second, and third matching units based on the obtained first, second, and third reflected wave power measurement value signals.
  • the first, second, and third reflected wave power measurement value signals obtained from the first, second, and third reflected wave power measurement units respectively correspond to the first, second, and third reflected wave power measurement value signals.
  • the control unit compares each of the first, second, and third reflected wave power measurement signals with the other. The monitor analysis is comprehensively performed, and the operations of the first, second, and third matching units including the interlock are controlled in an integrated manner.
  • the reflected wave power monitoring can be performed with high accuracy in the three-frequency application method and the control of each RF power feeding system with respect to the excessive reflected wave power can be accurately performed by the configuration and operation as described above.
  • the reproducibility and reliability of the plasma process can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a capacitively coupled plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a figure for demonstrating the effect
  • FIG. 7A It is a block diagram which shows the structure of the 3rd RF power monitor provided in the 3rd high frequency RF electric power feeding system for ion attraction. It is a figure which compares and shows the filter frequency characteristic of an Example, and the filter frequency characteristic of a comparative example in monitoring fundamental wave reflected wave power. It is a figure which expands and shows the filter frequency characteristic (FIG. 7A) of an Example on a frequency axis. It is a figure which shows the content and result (list) of the calculation which calculates
  • FIG. 1 shows the configuration of a plasma processing apparatus in one embodiment of the present invention.
  • This plasma processing apparatus is configured as a capacitively coupled plasma etching apparatus of a lower three frequency application system.
  • a cylindrical vacuum chamber (processing vessel) 10 made of aluminum whose surface is anodized (anodized) is provided. Have. The chamber 10 is grounded.
  • a cylindrical susceptor support 14 is disposed at the bottom of the chamber 10 via an insulating plate 12 such as ceramic, and a susceptor 16 made of, for example, aluminum is provided on the susceptor support 14.
  • the susceptor 16 constitutes a lower electrode, on which, for example, a semiconductor wafer W is placed as a substrate to be processed.
  • an electrostatic chuck 18 for holding the semiconductor wafer W with an electrostatic attraction force is provided on the upper surface of the susceptor 16.
  • the electrostatic chuck 18 is obtained by sandwiching an electrode 20 made of a conductive film between a pair of insulating layers or insulating sheets, and a DC power source 22 is electrically connected to the electrode 20 via a switch 24.
  • the semiconductor wafer W can be attracted and held on the electrostatic chuck 18 by an electrostatic force by a DC voltage from the DC power source 22.
  • a focus ring 26 made of, for example, silicon for improving in-plane uniformity of etching is disposed on the upper surface of the susceptor 16 around the electrostatic chuck 18.
  • a focus ring 26 made of, for example, silicon for improving in-plane uniformity of etching is disposed on the upper surface of the susceptor 16 around the electrostatic chuck 18.
  • a cylindrical inner wall member 28 made of, for example, quartz is attached to the side surfaces of the susceptor 16 and the susceptor support base
  • a refrigerant chamber or a refrigerant passage 30 extending in the circumferential direction is provided in the interior of the susceptor support base 14.
  • a refrigerant having a predetermined temperature such as cooling water cw, is circulated and supplied to the refrigerant passage 30 from an external chiller unit (not shown) through pipes 32a and 32b.
  • the processing temperature of the semiconductor wafer W on the susceptor 16 can be controlled by the temperature of the refrigerant cw.
  • a heat transfer gas such as He gas from a heat transfer gas supply mechanism (not shown) is supplied between the upper surface of the electrostatic chuck 18 and the back surface of the semiconductor wafer W via the gas supply line 34.
  • the susceptor 16 includes a first high-frequency power source 36 for plasma generation, a second high-frequency power source 38 for ion attraction, and a third high-frequency power source 40 for ion attraction, respectively. 46 and a common high-frequency power supply conductor (for example, a power supply rod) 45.
  • the matching units 42, 44, and 46 function to match the plasma-side load impedance generated in the chamber 10 with the impedances of the high-frequency power sources 36, 38, and 40, respectively.
  • Each matching unit 42, 44, 46 includes a matching circuit including at least two controllable reactance elements, an actuator (for example, a motor) for controlling the reactance value (impedance position) of each reactance element, and the matching described above.
  • the first high-frequency power source 36 is configured to output a first high-frequency RF 1 having a first RF frequency (usually 27 MHz to 300 MHz) suitable for high-frequency discharge, that is, plasma generation by capacitive coupling of processing gas, with a predetermined power.
  • the second high frequency power supply 38 can output a second high frequency RF 2 having a higher second RF frequency (usually 6 MHz to 40 MHz) suitable for drawing plasma ions into the semiconductor wafer W on the susceptor 16 with a predetermined power. Is configured to do.
  • the third high frequency power supply 40 can output a third high frequency RF 3 having a lower third RF frequency (usually 10 kHz to 6 MHz) suitable for drawing plasma ions into the semiconductor wafer W on the susceptor 16 with a predetermined power. Is configured to do.
  • the upper electrode 48 is provided above the susceptor 16 so as to face the susceptor in parallel.
  • the upper electrode 48 includes an electrode plate 50 made of a semiconductor material such as Si or SiC having a large number of gas ejection holes 50a, and a conductive material that detachably supports the electrode plate 50 such as aluminum whose surface is anodized. And an electrode support 52, which is attached to the upper portion of the chamber 10 via a ring-shaped insulator 54.
  • a plasma generation space or a processing space PS is set between the upper electrode 48 and the susceptor 16.
  • the ring-shaped insulator 54 is made of alumina (Al 2 O 3 ), for example, and hermetically closes the gap between the outer peripheral surface of the upper electrode 48 and the side wall of the chamber 10.
  • the upper electrode 48 is physically ungrounded. I support it.
  • the electrode support 52 has a gas buffer chamber 56 therein, and a plurality of gas vent holes 52a communicating from the gas buffer chamber 56 to the gas ejection holes 50a of the electrode plate 50 on the lower surface thereof.
  • a processing gas supply source 60 is connected to the gas buffer chamber 56 via a gas supply pipe 58, and a mass flow controller (MFC) 62 and an opening / closing valve 64 are provided in the gas supply pipe 58.
  • MFC mass flow controller
  • the upper electrode 48 also serves as a shower head for supplying the processing gas to the processing space PS.
  • An annular space formed between the susceptor 16 and the susceptor support 14 and the side wall of the chamber 10 is an exhaust space, and an exhaust port 66 of the chamber 10 is provided at the bottom of the exhaust space.
  • An exhaust device 70 is connected to the exhaust port 66 through an exhaust pipe 68.
  • the exhaust device 70 includes a vacuum pump such as a turbo molecular pump, and can depressurize the interior of the chamber 10, particularly the processing space PS, to a desired degree of vacuum.
  • a gate valve 74 for opening and closing the loading / unloading port 72 for the semiconductor wafer W is attached to the side wall of the chamber 10.
  • One terminal that is, an output terminal of a DC power source 76 installed outside the chamber 10 is electrically connected to the upper electrode 48 via a switch 78 and a DC power supply line 80.
  • the DC power source 76 is configured to output a DC voltage V DC of, for example, ⁇ 2000 to + 1000V.
  • the other terminal of the DC power source 76 is grounded.
  • the polarity and absolute value of the output (voltage, current) of the DC power supply 76 and ON / OFF switching of the switch 78 are controlled by the DC controller 84 under the instruction from the main control unit 82 described later.
  • Filter circuit 86 provided in the middle of the DC power supply line 80, while applied to the upper electrode 48 a DC voltage V DC from the DC power source 76 a through the DC power supply through the processing space PS and the upper electrode 48 from the susceptor 16
  • the configuration is such that the high-frequency wave that has entered the line 80 flows to the ground line and does not flow to the DC power source 76 side.
  • a DC grounding component (not shown) made of a conductive material such as Si or SiC is attached to an appropriate portion facing the processing space PS in the chamber 10. This DC grounding component is always grounded via a grounding line (not shown).
  • first, second, and third high-frequency powers RF 1 , RF 2 , RF 3 are supplied from the first, second, and third high-frequency power sources 36, 38, 40 to the susceptor 16 in the chamber 10.
  • First, second, and third RF power monitors 94, 96, and 98 are provided on first, second, and third high-frequency power supply lines (high-frequency transmission lines) 88, 90, and 92, respectively, for transmitting.
  • the RF power monitors 94, 96, 98 are provided on the high-frequency power supply lines 88, 90, 92 between the high-frequency power sources 36, 38, 40 and the matching units 42, 44, 46, respectively.
  • the RF power monitors 94, 96, and 98 are separated from the high-frequency power sources 36, 38, and 40, respectively, in order to facilitate understanding of the functions.
  • RF power monitors 94, 96, 98 are often provided in units (high frequency power supply units) common to the high frequency power supplies 36, 38, 40, respectively.
  • the first RF power monitor 94 includes high-frequency (traveling wave) power RF 88 ⁇ P t propagating on the first high-frequency power supply line 88 from the first high-frequency power source 36 toward the load side, and the first high-frequency power source 36 from the load side.
  • the power RF 88 ⁇ P r of high frequency (reflected wave) propagating toward is monitored simultaneously.
  • the load of the first high frequency power source 36 includes the plasma in the chamber 10 and the impedance of the matching circuit in the first matching unit 42.
  • the second RF power monitor 96 includes a high frequency (traveling wave) power RF 90 ⁇ P t propagating on the second high frequency power supply line 90 from the second high frequency power supply 38 toward the load side, and the second high frequency power supply 38 from the load side.
  • the high frequency (reflected wave) power RF 90 ⁇ P r propagating toward The load of the second high frequency power supply 38 includes the plasma in the chamber 10 and the impedance of the matching circuit in the second matching unit 44.
  • the third RF power monitor 98 includes a high-frequency (traveling wave) power RF 92 ⁇ P t propagating on the third high-frequency power supply line 92 from the third high-frequency power source 40 toward the load side, and the third high-frequency power source 40 from the load side.
  • the high-frequency (reflected wave) power RF 92 ⁇ P r propagating toward the head is simultaneously monitored.
  • the load of the third high frequency power supply 40 includes the plasma in the chamber 10 and the impedance of the matching circuit in the third matching unit 46.
  • the main control unit 82 includes one or a plurality of microcomputers. Each unit in the plasma etching apparatus, for example, an electrostatic chuck switch 24, high frequency power sources 36, 38, 40, matching units 42, 44, 46, processing gas. The operation of the supply unit (60, 62, 64), the exhaust device 70, the DC controller for DC bias 84, the chiller unit, the heat transfer gas supply unit, and the like are controlled.
  • the main control unit 82 has an operation panel 85 for a man-machine interface including an input device such as a keyboard and a display device such as a liquid crystal display, and an external device that stores or accumulates various data such as various programs, recipes, and setting values. A storage device (not shown) is also connected.
  • the main control unit 82 in this embodiment is also connected to the RF power monitors 94, 96, 98, and based on the monitor information sent from these power monitors 94, 96, 98, three high frequency systems are provided.
  • the power supplies 36, 38, and 40 and the matching units 42, 44, and 46 are comprehensively controlled.
  • the main control unit 82 is shown as one control unit, but a plurality of control units may share the functions of the main control unit 82 in parallel or hierarchically.
  • a predetermined processing gas that is, an etching gas (generally a mixed gas) is introduced into the chamber 10 from the processing gas supply source 60 at a predetermined flow rate and flow rate ratio, and the pressure in the chamber 10 is set to a set value by vacuum evacuation by the exhaust device 70.
  • an etching gas generally a mixed gas
  • a first high frequency RF 1 (27 MHz to 300 MHz) for plasma generation from the first high frequency power source 36
  • a second high frequency RF 2 (6 MHz to 40 MHz) for ion attraction from the second and third high frequency power sources 38 and 40
  • a second one Three high frequency RF 3 (10 kHz to 6 MHz) are respectively applied to the susceptor (lower electrode) 16 with a predetermined power.
  • the switch 24 is turned on, and the heat transfer gas (He gas) is confined in the contact interface between the electrostatic chuck 18 and the semiconductor wafer W by the electrostatic adsorption force.
  • the switch 78 is turned on to apply a predetermined DC voltage V DC from the DC power source 76 to the upper electrode 48.
  • the etching gas discharged from the shower head (upper electrode) 48 is turned into plasma by high-frequency discharge between the electrodes 16 and 48, and the film on the main surface of the semiconductor wafer W is etched by radicals and ions contained in the plasma.
  • RF 2 (6 MHz to 40 MHz) and RF 3 (10 kHz to 6 MHz) suitable for drawing ions from the plasma into the semiconductor wafer W are applied to the susceptor 16 in a superimposed manner.
  • It has a hardware configuration (38, 40, 44, 45, 46), and the main controller 82 controls the total power and power ratio of both high-frequency RF 2 and RF 3 according to the specifications, conditions or recipe of the etching process.
  • the energy distribution (IED) of ions incident on the surface of the semiconductor wafer W on the susceptor 12 the energy bandwidth, the distribution shape, and the total amount of incident energy can be controlled in various ways. .
  • IED energy distribution
  • the maximum value (maximum energy) of ion energy is fixed and the minimum value (minimum energy) is arbitrarily adjusted within a certain range, and conversely, the minimum energy is fixed.
  • the maximum energy can be arbitrarily adjusted within a certain range
  • the energy band width can be arbitrarily controlled within a certain range while the average energy value or center value is fixed, or the number of ion distributions in the intermediate energy region can be controlled. It is possible to adjust.
  • the number of high-frequency types (frequency) supplied to the plasma in the chamber 10 that is a non-linear load is increased from two types (two-frequency application method) to three in the three-frequency application method of this embodiment.
  • the non-linear harmonic distortion generated in the plasma is remarkably increased.
  • the reflected wave propagating from the plasma in the chamber 10 toward the high frequency power sources 36, 38, 40 includes a large number of spectra.
  • a different frequency reflected wave having a frequency very close to the fundamental wave reflected wave is also included.
  • the frequency of the first high frequency RF 1 for plasma generation is selected to be 40.68 MHz
  • the frequencies of the second high frequency RF 2 and the third high frequency RF 3 for ion attraction are 12.88 MHz and 3 respectively.
  • 2 MHz is selected.
  • the spectral distribution of the reflected wave returning from the plasma in the chamber 10 to the first high-frequency power source 36 through the first high-frequency power supply line 88 is schematically as shown in FIG. That is, many different frequency reflected waves are distributed around the fundamental reflected wave (40.68 MHz), and the total reflected wave power is also increased. Further, it is characteristic that the different frequency reflected wave is close to the fundamental reflected wave (40.68 MHz) with respect to the frequency. In particular, the difference (offset) between the fundamental reflected wave (40.68 MHz) and the adjacent different frequency reflected waves (40.60 MHz, 40.76 MHz) is only 0.08 MHz, that is, 80 kHz.
  • the spectral distribution of the reflected wave returning from the plasma in the chamber 10 through the second high-frequency power supply line 90 to the second high-frequency power source 38 is the same as described above. That is, many different frequency reflected waves are distributed around the fundamental reflected wave (12.88 MHz), and the total reflected wave power is high. Many different frequency reflected waves are generated very close to the fundamental reflected wave. In particular, the difference (offset) between the fundamental reflected wave (12.88 MHz) and the adjacent different frequency reflected waves (12.80 MHz, 12.96 MHz) is only 0.08 MHz, that is, 80 kHz.
  • the reflected wave returning from the plasma in the chamber 10 through the third high-frequency power supply line 92 to the third high-frequency power source 40 it is offset by only 80 kHz from the fundamental wave reflected wave (3.2 MHz).
  • Many different frequency reflected waves are distributed including the different frequency reflected waves (3.12 MHz, 3.28 MHz) adjacent to each other, and the total reflected wave power is high.
  • the inventor uses the spectrum analyzer to match the first, second, and third high-frequency power supply lines 88, 90, 92 when the first, second, and third matching units 42, 44, 46 are matched.
  • the component of the reflected wave (reflected wave spectrum) was measured, reflected wave spectrum distributions as shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C were observed.
  • the second high-frequency power supply line 90 there are many different-frequency reflected waves around the fundamental reflected wave (12.88 MHz) even if matching is achieved by the second matching unit 44. .
  • the third high-frequency power supply line 92 on the third high-frequency power supply line 92, a number of different-frequency reflected waves around the fundamental reflected wave (3.2 MHz) even if the matching is achieved by the third matching unit 46. Exists. In particular, the power of the different frequency reflected wave is higher as it is closer to the fundamental wave (3.2 MHz), and the power of the adjacent different frequency reflected waves (3.12 MHz, 3.28 MHz) is prominently higher.
  • the reflected wave from the plasma includes not only the fundamental reflected wave but also many different frequency reflected waves around it on the frequency axis, and there is a different frequency reflected wave having a frequency very close to the fundamental reflected wave. Then, it becomes difficult to monitor the reflected wave and control the RF output for the reflected wave. In particular, it becomes very difficult to monitor the fundamental wave reflected wave power for determining whether or not matching is achieved. In addition, it is very difficult to achieve both the rapid adjustment of the RF output of each high-frequency power supply with respect to the excessive total reflected wave power and the stable maintenance of the plasma process being executed.
  • the second high-frequency RF 3 (3.2 MHz) is used.
  • the spectrum distribution of the reflected wave returned to the high frequency power supply 36 is schematically shown in FIG. That is, there are six different frequency reflected waves near the fundamental reflected wave (40.68 MHz): 27.80 MHz, 29.84 MHz, 38.64 MHz, 42.72 MHz, 51.52 MHz, and 53.56 MHz. .
  • FIG. 6A shows the configuration of the first RF power monitor 94.
  • the RF power monitor 94 includes a directional coupler 100A inserted on the first high-frequency power supply line 88, a traveling wave power monitor unit 102A, and a reflected wave power monitor unit 104A.
  • the directional coupler 100A is applied to the RF power (traveling wave) RF 88 ⁇ P t propagating in the forward direction on the first high-frequency feed line 88 and the RF power (reflected wave) RF 88 ⁇ P r propagating in the opposite direction, respectively.
  • Corresponding signals are extracted as traveling wave power detection signal RF 88 [P t ] and reflected wave power detection signal RF 88 [P r ].
  • the traveling wave power detection signal RF 88 [P t ] extracted from the directional coupler 100A is input to the traveling wave power monitoring unit 102A.
  • the traveling wave power monitoring unit 102A is based on the traveling wave power detection signal RF 88 [P t ] input from the directional coupler 100A, and the fundamental traveling wave (40 .68 MHz) power RF 1 ⁇ SP t is generated, and this signal, that is, the fundamental wave traveling wave power measurement value signal RF 1 [SP t ] is supplied to the power control unit 106 A of the first high frequency power supply 36.
  • the first high frequency power supply 36 oscillates and outputs a sine wave of the first RF frequency (40.68 MHz), and can control the power of the sine wave output from the high frequency oscillator 108A and amplifies it with the gain. And a power amplifier 110A.
  • the power control unit 106A so as to maintain the first high frequency RF 1 power setpoint, the fundamental wave progressive wave power measurement signal RF 1 from the traveling wave power monitor unit 102A [SP t ], Power feedback control is applied to the power amplifier 110A.
  • the power supply control unit 106A emergencyly controls the output of the power amplifier 110A according to the control signal CS 1 from the main control unit 82 when the total reflected wave power RF 88 ⁇ TP r described later is excessive. It is designed to perform (normally lower) control.
  • the reflected wave power detection signal RF 88 [P r ] extracted from the directional coupler 100A is input to the reflected wave power monitor unit 104A.
  • the reflected wave power monitoring unit 104A has a fundamental reflected wave power measurement circuit 112A and a total reflected wave power measurement circuit 114A.
  • the fundamental reflected wave power measurement circuit 112A includes a mixer 116A, a local oscillator 118A, a low-pass filter (LPF) 120A, and a low-frequency detector 122A, and a reflected wave power detection signal RF 88 [input from the directional coupler 100A [ P r ], a signal representing the power RF 1 ⁇ SP r of the fundamental reflected wave (40.68 MHz) included in the reflected wave returning from the plasma in the chamber 10 to the first high frequency power supply 36, that is, reflected fundamental wave.
  • a wave power measurement value signal RF 1 [SP r ] is generated.
  • the local oscillator 118A has a frequency (40.60 MHz, 409) Closest to the frequency of the first high-frequency RF 1 (40.68 MHz) among the different frequency reflected waves on the first high-frequency feed line 88.
  • a first local oscillation signal LS 1 having a first neighboring frequency f 1 closer to (76 MHz) is generated.
  • the mixer 116A mixes the reflected wave power measurement value signal RF 88 [P r ] from the directional coupler 100A and the first local oscillation signal LS 1 from the local oscillator 118A.
  • the synthesized signal having the lowest and extremely low frequency is the difference (40.68 MHz ⁇ f 1 ) between the frequency of the fundamental reflected wave (40.68 MHz) and the frequency f 1 of the first local oscillation signal LS 1.
  • the first intermediate frequency signal MS 1 having a frequency (first intermediate frequency) ⁇ f 1 corresponding to (f 1 ⁇ 40.68 MHz).
  • the frequency (first neighborhood frequency) f 1 of the first local oscillation signal LS 1 is the highest among the first RF frequency (40.68 MHz) and the different frequency reflected wave on the first high-frequency feed line 88.
  • the offset amount of the first neighboring frequency with respect to the first RF frequency is set to 1/3 or less (more preferably 1/4 or less) of the difference (80 kHz) between the first RF frequency and the different frequency reflected wave frequency closest thereto. is given, the first frequency of the intermediate frequency signals MS 1 obtained in the mixer 116A significantly lower than the frequency of any other synthetic signals, in order to facilitate discrimination by the next stage LPF120A.
  • the offset amount is set to 1/8 or more (more preferably 1/6 or more) of the difference (80 kHz), and the fundamental reflected wave power measurement value signal with respect to the power RF 1 ⁇ SP r of the fundamental reflected wave This is for ensuring a sufficient response speed of RF 1 [SP r ]. From this requirement, 40.665 MHz (or 40.695 MHz) that is offset by 15 kHz from the first RF frequency (40.68 MHz) is preferably selected as the first neighboring frequency f 1 .
  • the mixer 116A outputs the first intermediate frequency signal MS 1 of 15 kHz and a number of other combined signals of 80 kHz or more.
  • the LPF 120A is designed as a low-pass filter having a cutoff frequency between 15 kHz and 80 kHz, and discriminates and selectively passes only the first intermediate frequency signal MS 1 .
  • FIG. 7A shows an enlarged filter frequency characteristic of the embodiment.
  • the filter frequency characteristics of the embodiment only the frequency of the fundamental wave reflected wave (40.68 MHz) is passed, and the frequency of the different frequency reflected wave (40.60 MHz, 40.76 MHz) offset by 80 kHz therefrom is ensured. Can be blocked.
  • the filter frequency characteristic of the comparative example not only the frequency of the fundamental reflected wave (40.68 MHz) is passed, but also the frequencies of the different frequency reflected waves (40.60 MHz, 40.76 MHz) adjacent thereto. The fundamental reflected waves cannot be discriminated because they pass through together.
  • the first intermediate frequency signal MS 1 output from the LPF 120A carries an envelope waveform of the fundamental reflected wave power RF 1 ⁇ SP r .
  • the low frequency detector 122A detects the first intermediate frequency signal MS 1 input from the LPF 120A, extracts the envelope waveform of the fundamental reflected power RF 1 ⁇ SP r , and obtains the fundamental reflected wave of analog DC (direct current).
  • the power measurement value signal RF 1 [SP r ] is output.
  • the reflected wave on the first high-frequency power supply line 88 includes not only the fundamental reflected wave (40.68 MHz) but also a different frequency reflected wave (40.60 MHz, 40.76 MHz) having a very close frequency.
  • the fundamental reflected wave power RF 1 ⁇ SP r can be accurately monitored by clearly distinguishing the fundamental reflected wave (40.68 MHz) by the fundamental reflected wave power measurement circuit 112A.
  • the total reflected wave power measurement circuit 114A is composed of, for example, a diode detection type RF power meter, and is based on the reflected wave power detection signal RF 88 [P r ] input from the directional coupler 100A.
  • a total reflected wave power measurement value signal RF 88 [TP r ] representing the total power RF 88 ⁇ TP r of all reflected wave spectra included in the reflected wave returned from the plasma to the first high frequency power supply 36 is generated.
  • the second high-frequency RF 2 (12.88 MHz) and the third high-frequency RF 3 (3.2 MHz) are provided on the first high-frequency power supply line 88 via the susceptor 16 and the power supply rod 45 on the output side of the first matching unit 42.
  • a high-pass filter (HPF) 124A is provided for preventing (blocking) from entering. Therefore, the reflected wave in the band that passes through the HPF 124A in the reverse direction among the reflected waves (fundamental wave reflected wave, nonlinear harmonic distortion, etc.) generated by the plasma in the chamber 10 passes through the directional coupler 100A. Input (detected) to the power measurement circuit 112A and the total reflected wave power measurement circuit 114A.
  • [TP r ] is given to the main controller 82 as a first reflected wave power measurement value signal from the first RF power monitor 94.
  • FIGS. 6B and 6C show the configurations of the second and third RF power monitors 96 and 98, respectively. These RF power monitors 96 and 98 also have the same configuration as that of the first RF power monitor 94 described above, except that the frequency of the high frequency to be handled and the frequency of the reflected wave (fundamental wave reflected wave, different frequency reflected wave) are different. The same effect is exhibited.
  • the fundamental reflected wave power measurement circuit 112B includes a mixer 116B, a local oscillator 118B, a low-pass filter (LPF) 120B, and a low-frequency detector 122B, and is disposed on the second high-frequency power supply line 90.
  • the fundamental wave reflected wave (12) included in the reflected wave returning from the plasma in the chamber 10 to the second high frequency power supply 38 is obtained.
  • generating a signal i.e. the fundamental wave reflection wave power measurement signal RF 2 [SP r] representing the power RF 2 ⁇ SP r of .88MHz).
  • the frequency (second neighboring frequency) f 2 of the second local oscillation signal LS 2 given to the mixer 116 B from the local oscillator 118 B is different from the second RF frequency (12.88 MHz) on the second high-frequency feed line 90.
  • the second RF frequency (only 1/8 to 1/3 (preferably 1/6 to 1/4) of the difference (80 kHz) from the frequency (12.80 MHz, 12.96 MHz) closest to the frequency reflected wave is obtained. 12.88 MHz) is selected.
  • 12.865 MHz (or 12.895 MHz) offset by 15 kHz from the second RF frequency (12.88 MHz) is preferably selected as the second neighboring frequency f 2 .
  • the total reflected wave power measurement circuit 114B is a reflection that returns from the plasma in the chamber 10 to the second high frequency power supply 38 based on the reflected wave power detection signal RF 90 [P r ] input from the directional coupler 100B.
  • a total reflected wave power measurement value signal RF 90 [TP r ] representing the total power RF 90 ⁇ TP r of all reflected wave spectra included in the wave is generated.
  • Fundamental frequency reflection wave power measurement signal RF 2 respectively outputted from the fundamental frequency reflection wave power measurement circuit 112B and the total reflection wave power measuring circuit 114B as described above [SP r] and the total reflection wave power measurement signal RF 90 [TP r ] is given to the main controller 82 as a second reflected wave power measurement value signal from the second RF power monitor 96.
  • the fundamental wave reflected wave power measurement circuit 112C includes a mixer 116C, a local oscillator 118C, a low-pass filter (LPF) 120C, and a low-frequency detector 122C, and is disposed on the third high-frequency feed line 92.
  • the fundamental wave reflected wave (3.2 MHz) included in the reflected wave returned from the plasma in the chamber 10 to the third high frequency power supply 40. signal, i.e. the fundamental wave reflection wave power measurement signal RF 2 representing a power RF 2 ⁇ SP r) of generating the [SP r].
  • the third RF frequency (by 1/8 to 1/3 (more preferably, 1/6 to 1/4) of the difference (80 kHz) from the frequency (3.12 MHz, 3.28 MHz) closest to the reflected frequency wave (80 kHz). 3.12 MHz) is selected as the offset value.
  • 3.185 MHz (or 3.215 MHz) that is offset by 15 kHz from the third RF frequency (3.2 MHz) is preferably selected as the third neighboring frequency f 3 .
  • the total reflected wave power measurement circuit 114 ⁇ / b> C is a reflection that returns from the plasma in the chamber 10 to the third high-frequency power source 40 based on the reflected wave power detection signal RF 92 [P r ] input from the directional coupler 100 ⁇ / b> C.
  • a total reflected wave power measurement value signal RF 92 [TP r ] representing the total power RF 92 ⁇ TP r of all reflected wave spectra included in the wave is generated.
  • [TP r ] is given to the main controller 82 as a third reflected wave power measurement value signal from the third RF power monitor 98.
  • the main controller 82 the first reflection wave power measurement signal from the 1RF power monitor 94 (fundamental frequency reflection wave power measurement signal RF 1 [SP r] and the total reflection wave power measurement signal RF 88 [TP r ]) from the second RF power monitor 96, the second reflected wave power measurement value signal (fundamental reflected wave power measurement value signal RF 2 [SP r ] and total reflected wave power measurement value signal RF 90 [TP r]. ))
  • the third RF power monitor 98 and the third reflected wave power measurement value signal (fundamental reflected wave power measurement signal RF 3 [SP r ] and total reflected wave power measurement signal RF 92 [TP r ]) Receive.
  • the main control unit 82 Based on the input fundamental wave reflected wave power measurement value signals RF 1 [SP r ], RF 2 [SP r ], RF 3 [SP r ], the main control unit 82 displays three RF signals on the display of the operation panel 85.
  • the measured values of the reflected fundamental wave powers RF 1 ⁇ SP r , RF 2 ⁇ SP r , RF 3 ⁇ SP r in the feeding system are displayed on the monitor, and each measured value is compared with a predetermined monitored value to match each matching unit 42. , 44 and 46 are determined, and an interlock is applied depending on the determination result.
  • the RF feeding system is substantially matched. Is determined. However, when any of the fundamental reflected wave power measurement values exceeds or exceeds the monitored value, it is determined that the RF power feeding system is not matched. In this case, the main control unit 82 is not matched by referring to other monitor information, that is, the fundamental reflected wave power measurement value of another RF power feeding system and the total reflected wave power measurement value of all RF power feeding systems. The situation or its cause can be grasped accurately.
  • the main control unit 82 determines that the current non-matching state is the second matching. It can be determined (conclusive) that the cause is that the matching operation of the device 44 is not functioning normally. In this case, if the second matching unit 44 has a routine for inspecting or normalizing the matching operation, the main control unit 82 sends a command for instructing the controller in the second matching unit 44 to execute the routine. You can send it.
  • the second matching unit 44 has failed or runaway You may judge. In this case, a message to that effect may be displayed on the display of the operation panel 85, and an interlock may be applied together.
  • monitor information especially the measured value of the second total reflected wave power RF 90 ⁇ TP r or the measured values of the first and third fundamental reflected wave powers RF 1 ⁇ SP r and RF 3 ⁇ SP r .
  • the monitored value is exceeded, it can be determined that some abnormal situation in which it is difficult to match the plasma with the processing space PS in the chamber 10 or other RF power supply system has occurred.
  • the main control unit 82 does not immediately determine that the second matching unit 44 is defective and immediately interlocks it, but refers to, for example, plasma emission monitoring information from an optical sensor or all RF
  • the cause of abnormality of the plasma may be ascertained by checking the system and / or the gas system, and the status report may be performed through the display of the operation panel 85.
  • any fundamental wave reflected wave power measurement value exceeds the monitored value it is certain that the RF power feeding system is not matched, but simply a matching device in the RF power feeding system.
  • the main control unit 82 refers to other monitor information (the fundamental reflected wave power measurement value of the RF power feeding system and the total reflected wave power measurement value of all the RF power feeding systems).
  • the main control unit 82 also measures the total reflected wave power measured value signals RF 88 [TP r ], RF 90 [TP r ], RF 92 [received from the first, second, and third RF power monitors 94, 96, 98. Based on TP r ], whether or not the total reflected wave power RF 88 ⁇ TP r , RF 90 ⁇ TP r , RF 92 ⁇ TP r of the reflected wave on the high-frequency power supply lines 88, 90 and 92 exceeds the monitored value Can be monitored.
  • the measured value of the second total reflected wave power RF 90 ⁇ TP r exceeds the monitored value.
  • the main control unit 82 controls the control signal.
  • the output of the power amplifier 110B (that is, the power of the second high frequency RF 2 ) is lowered by the CS 2 through the power control unit 106B.
  • the power of the second high-frequency RF 2 is not unnecessarily or extremely lowered, but other monitor information (particularly the measured value of the second fundamental wave reflected power RF 2 ⁇ SP r or the first and third total waves).
  • the minimum reduction width is controlled.
  • the energy of ions drawn from the plasma to the semiconductor wafer W can be stabilized. It is also possible to keep it.
  • TP r ] can be directly output and sent to the power control units 106A, 106B, and 106C of the first, second, and third high-frequency power sources 36, 38, and 40, respectively.
  • the power control units 106A, 106B, and 106C of the high-frequency power sources 36, 38, and 40 individually measure the total reflected wave power measurement value signals RF 88 [TP] from the RF power monitors 94, 96, and 98, respectively.
  • RF 90 [TP r ], RF 92 [TP r ] RF output control is performed to protect the high frequency power supply from excessive total reflected wave power.
  • the main control unit 82 has a function of determining a different frequency reflected wave included in a reflected wave generated in each RF power feeding system by calculation. That is, when the values A, B, and C of the first high frequency RF 1 , the second high frequency RF 2, and the third high frequency RF 3 are input from the operation panel 85 (first, second, and third RF frequencies).
  • the microcomputer constituting the main control unit 82 calculates the following equation (1) to obtain the frequency of the different frequency reflected wave that can be generated when three frequencies are applied. ⁇ A [MHz] ⁇ m ⁇ B [MHz] ⁇ n ⁇ C [MHz] ⁇ l (1)
  • m is a high-order coefficient of A (m-th harmonic)
  • n is a high-order coefficient of B (n-th harmonic)
  • l is a high-order coefficient of C (l-th harmonic).
  • m, n, and l are sufficient when considering the first to fifth order coefficients.
  • the main control unit 82 stores the calculation result (list of different frequency reflected waves) of the formula (1) in the storage device and displays it on the display of the operation panel 85.
  • the calculation results contribute to the design of the fundamental reflected wave power measurement circuits 112A, 112B, and 112C of the RF power monitors 94, 96, and 98.
  • the value of the local oscillation frequency f 1, f 2, f 3 are determined, LPF120A, 120B, cut 120C
  • the off frequency is also determined.
  • the calculation function of the main control unit 82 is Shows great effect.
  • the high frequency power supply 36 is configured so that the frequency of the first high frequency RF 1 for plasma generation can be controlled
  • the local oscillator 118A of the RF power monitor 94 is configured by a controllable frequency oscillator, and the main control unit 82 is configured. Under this control, the frequency of the first local oscillation signal LS 1 can be controlled.
  • the main control unit 82 controls the frequency of the first high-frequency RF 1 through the power supply control unit 106A of the high-frequency power supply 36, and at the same time, sets the frequency of the related (particularly closest) different frequency reflected wave to the above formula (1).
  • the frequency (first intermediate frequency) ⁇ f 1 of the first intermediate frequency MS 1 output from the mixer 116A is maintained at a constant value (for example, 15 kHz).
  • the frequency can be controlled.
  • the case of controlling the frequency of the second high-frequency RF 2 or the third high-frequency RF 3 for ion attraction can be handled in the same manner as described above. [Other Embodiments or Modifications]
  • the first high frequency RF 1 for plasma generation to be outputted from the first high frequency power source 36 is applied to the susceptor (lower electrode) 16.
  • the first high frequency power source 36 and the first matching unit 42 are electrically connected to the upper electrode 48, and the first high frequency RF 1 for plasma generation is connected to the first high frequency power supply line. It may be applied to the upper electrode 48 via 88.
  • the present invention is not limited to a plasma etching apparatus, but can be applied to other plasma processing apparatuses such as plasma CVD, plasma oxidation, plasma nitridation, and sputtering.
  • the substrate to be processed in the present invention is not limited to a semiconductor wafer, and various substrates for flat panel displays, photomasks, CD substrates, printed substrates, and the like are also possible.

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Abstract

【課題】３周波印加方式において反射波パワーモニタリングを高精度に行うとともに、過大な反射波パワーに対する各ＲＦ給電系の制御を適確に行う。 【解決手段】このプラズマ処理装置において、第１、第２および第３ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８は、第１、第２および第３高周波給電ライン８８，９０，９２上を第１、第２および第３高周波電源３６，３８，４０から負荷側に向かってそれぞれ伝搬する高周波（進行波）のパワーと、負荷側から第１、第２および第３高周波電源３６，３８，４０に向かってそれぞれ伝搬する高周波（反射波）のパワーとを同時にモニタリングする。主制御部８２は、ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８から送られてくるモニタ情報に基づいて３系統の高周波電源３６，３８，４０、および整合器３２，４４，４６を統括的に制御する。

Description

プラズマ処理装置
　本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特に処理容器内で生成されるプラズマに３種類の高周波を印加する容量結合型のプラズマ処理装置に関する。
　半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマが多く利用されている。この種のプラズマプロセスにおいては、真空の処理容器内で処理ガスを放電または電離させるために、高周波（ＲＦ）やマイクロ波が使用されている。
　容量結合型のプラズマ処理装置においては、処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置し、上部電極もしくは下部電極にプラズマ生成に適した周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波を印加する。この高周波の印加によって相対向する電極間に生成された高周波電界により電子が加速され、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマが発生する。そして、このプラズマに含まれるラジカルやイオンの気相反応あるいは表面反応によって、基板上に薄膜が堆積され、あるいは基板表面の素材または薄膜が削られる。このように、プラズマプロセスでは、基板に入射するラジカルとイオンが重要な役割を果たす。特に、イオンは、基板に入射する際の衝撃によって物理的な作用を奏する点が重要である。
　従来より、プラズマプロセスにおいては、基板を載置する下部電極に比較的低い周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波を印加し、下部電極上に発生する負のバイアス電圧またはシース電圧によりプラズマ中のイオンを加速して基板に引き込むＲＦバイアス法が多く用いられている。このようにプラズマからイオンを加速して基板表面に衝突させることにより、表面反応、異方性エッチング、あるいは膜の改質等を促進することができる。
特開平７－３０２７８６号公報
　上記のようなＲＦバイアスの機能を搭載する従来のプラズマ処理装置は、チャンバ内でプラズマから下部電極上の基板に引き込むイオンのエネルギーを制御するために用いる高周波を１種類（単一周波数）に限定し、そのＲＦパワーもしくは自己バイアス電圧を制御パラメータとしている。
　しかしながら、イオン引き込み用のＲＦバイアスに単一の高周波を用いる従来の方式は、基板に引き込むイオンの最大エネルギーと最小エネルギーを独立に制御することができないため、複合的なプロセス特性を求められる最先端のプラズマプロセスにおいてはイオンエネルギー分布の制御性に難がある。
　この点に関しては、イオン引き込み用のＲＦバイアスに周波数の異なる２種類の高周波を組み合わせて使用し、それらのトータルパワーおよび／またはパワー比を制御することにより、基板に入射するイオンのエネルギー分布（ＩＥＤ）においてエネルギーバンド幅および分布形状さらには入射エネルギーの総量を任意に制御できることが最近になってわかってきた。
　容量結合型のプラズマ処理装置において、イオン引き込み用のＲＦバイアスに２種類の高周波を用いる場合は、プラズマ生成用の高周波と合わせて全部で３種類の高周波をチャンバ内の平行平板電極に印加することになる。ここで問題となるのは、チャンバ内のプラズマから高周波給電ライン（または高周波伝送路）を伝わって高周波電源に返ってくる反射波であり、当該高周波と同じ周波数の反射波（以下、「基本波反射波」と称する。）以外の反射波スペクトル（以下、「異周波反射波」と称する。）が著しく増加し、しかもその中に基本波反射波にごく近い周波数の異周波反射波が含まれることである。
　従来のプラズマ処理装置は、各々の高周波電源ユニット内に、基本波反射波のパワーＳＰrを測定する基本波反射波パワー測定部と、基本波反射波パワーのみならず異周波反射波のパワーも含むトータルの反射波パワーＴＰrを測定するトータル反射波パワー測定部とを備えている。
　基本波反射波パワー測定部より得られる基本波反射波パワーＳＰrの測定値は、当該高周波給電ライン上に設けられている整合器の動作状況ないし整合状態を表す。ここで、基本波反射波パワーＳＰrは小さいほど望ましく、整合が完全にとれているときはＳＰr＝０である。整合が完全にとれていないときはＳＰr≠０であり、整合がとれていない度合いが大きいほどＳＰrの値が大きくなる。通常、基本波反射波パワーＳＰrの測定値は、操作パネルのディスプレイに表示され、オペレータが常時監視できるようになっている。また、基本波反射波パワーＳＰrの測定値が所定の監視値を超えると、整合器の動作状況が異常であるとの判定がなされて、インターロックが掛かり、装置全体の動作が止まるようになっている。
　一方、トータル反射波パワー測定部より得られるトータル反射波パワーＴＰrの測定値は、プラズマからの反射波によって当該高周波電源が受ける影響の大きさを示す。ここで、トータル反射波パワーＴＰrは小さいほど望ましい。しかし、ＴＰr＝０になることはない。整合が完全にとれていても、異周波反射波は必ず存在するので、常にＴＰr＞０になる。もちろん、大きなトータル反射波パワーＴＰrは望ましくない。トータル反射波パワーＴＰrが大きいほど、当該高周波電源内の増幅器がその影響を受けて高周波出力が不安定になる。さらには、増幅器が破壊するおそれもある。このため、トータル反射波パワーＴＰrの測定値が所定の監視値を超えたときは、当該高周波電源の出力を応急的に下げるようになっている。
　ところが、従来の容量結合型プラズマ処理装置に３周波印加方式を適用した場合は、反射波の中に基本波反射波にごく近い周波数の異周波波反射波が含まれるため、基本波反射波パワー測定部のモニタ情報（基本波反射波パワーＳＰrの測定値）の精度ないし信頼性が大きく低下する。このため、整合がとれているか否かの判別が困難になることや、インターロックを適確に掛けるのが困難になることが問題視されている。また、従来の容量結合型プラズマ処理装置では、各々のＲＦ給電系においてトータル反射波パワーＴＰrが過大になった時は、当該高周波電源ユニットがそれに無条件に反応してＲＦ出力を一段下げるようになっている。しかし、３周波印加方式の下でそのような過大なトータル反射波パワーに対する無条件または反射的なＲＦ出力制御が各高周波電源ユニットで個々独立に行われると、プラズマに供給されるＲＦパワーが不定に変動し、実行中のプロセスに大きな影響を与える。このことも問題になっている。
　本発明は、上記の現状および課題に鑑みてなされたものであり、３周波印加方式において反射波パワーモニタリングを高精度に行うとともに、過大な反射波パワーに対する各ＲＦ給電系の制御を適確に行ってプラズマプロセスの再現性および信頼性を向上させる容量結合型のプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
　本発明の第１の観点におけるプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で前記基板を載置して保持する第１の電極と、前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、第１の周波数を有する第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の電極もしくは前記第２の電極に伝送する第１の高周波給電ラインと、前記第１の高周波給電ライン上を前記第１の電極もしくは前記第２の電極から前記第１の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第１の反射波パワー測定部と、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波を出力する第２の高周波電源と、前記第２の高周波電源からの前記第２の高周波を前記第１の電極まで伝送する第２の高周波給電ラインと、前記第２の高周波給電ライン上を前記第１の電極から前記第２の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第２の反射波パワー測定部と、前記プラズマから前記第１の電極上の前記基板にイオンを引き込むための前記第２の周波数よりも低い第３の周波数を有する第３の高周波を出力する第３の高周波電源と、前記第３の高周波電源からの前記第３の高周波を前記第１の電極まで伝送する第３の高周波給電ラインと、前記第３の高周波給電ライン上を前記第１の電極から前記第３の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第３の反射波パワー測定部と、前記第１、第２および第３の反射波パワー測定部よりそれぞれ得られる第１、第２および第３の反射波パワー測定値信号に基づいて前記第１、第２および第３の高周波電源の各々を制御する制御部とを有する。
　上記第１の観点の装置構成においては、第１、第２および第３の反射波パワー測定部よりそれぞれ得られる第１、第２および第３の反射波パワー測定値信号に応じて第１、第２および第３の高周波電源がそれぞれ個別に対応するのではなくて、制御部が第１、第２および第３の反射波パワー測定値信号の各々を他のものと照らし合わせて総合的にモニタ解析し、インターロックも含めて第１、第２および第３の高周波電源の動作（特にＲＦ出力）を統轄的に制御する。
　本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で前記基板を載置して保持する第１の電極と、前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の電極もしくは前記第２の電極に伝送する第１の高周波給電ラインと、前記プラズマ側の負荷インピーダンスを前記第１の高周波電源側のインピーダンスに整合させるために前記第１の高周波給電ライン上に設けられる第１の整合器と、前記第１の高周波給電ライン上を前記第１の電極もしくは前記第２の電極から前記第１の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第１の反射波パワー測定部と、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波を出力する第２の高周波電源と、前記第２の高周波電源からの前記第２の高周波を前記第１の電極まで伝送する第２の高周波給電ラインと、前記プラズマ側の負荷インピーダンスを前記第２の高周波電源側のインピーダンスに整合させるために前記第２の高周波給電ライン上に設けられる第２の整合器と、前記第２の高周波給電ライン上を前記第１の電極から前記第２の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第２の反射波パワー測定部と、前記プラズマから前記第１の電極上の前記基板にイオンを引き込むための前記第２の周波数よりも低い第３の周波数を有する第３の高周波を出力する第３の高周波電源と、前記第３の高周波電源からの前記第３の高周波を前記第１の電極まで伝送する第３の高周波給電ラインと、前記第３の高周波給電ライン上を前記第１の電極から前記第３の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第３の反射波パワー測定部と、前記プラズマ側の負荷インピーダンスを前記第２の高周波電源側のインピーダンスに整合させるために前記第３の高周波給電ライン上に設けられる第３の整合器と、前記第１、第２および第３の反射波パワー測定部よりそれぞれ得られる第１、第２および第３の反射波パワー測定値信号に基づいて前記第１、第２および第３の整合器の各々を制御する制御部とを有する。
　上記第２の観点の装置構成においては、第１、第２および第３の反射波パワー測定部よりそれぞれ得られる第１、第２および第３の反射波パワー測定値信号に応じて第１、第２および第３の整合器の動作状態をそれぞれ個別に判断するのではなくて、制御部が第１、第２および第３の反射波パワー測定値信号の各々を他のものと照らし合わせて総合的にモニタ解析し、インターロックも含めて第１、第２および第３の整合器の動作を統括的に制御する。
　本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、３周波印加方式において反射波パワーモニタリングを高精度に行えるとともに、過大な反射波パワーに対する各ＲＦ給電系の制御を適確に行ってプラズマプロセスの再現性および信頼性を向上させることができる。
本発明の一実施形態における容量結合型プラズマ処理装置の全体構成を示す図である。 ＲＦバイアスに２種類の高周波を用いる方式においてイオンエネルギー分布を制御する作用を説明するための図である。 一実施例においてチャンバ内のプラズマからプラズマ生成用の第１高周波電源に返ってくる反射波のスペクトル分布を模式的に示す図である。 プラズマ生成用の第１高周波電源に返ってくる反射波のスペクトル分布をスペクトルアナライザによって観測した図である。 イオン引き込み用の第２高周波電源に返ってくる反射波のスペクトル分布をスペクトルアナライザによって観測した図である。 イオン引き込み用の第３高周波電源に返ってくる反射波のスペクトル分布をスペクトルアナライザによって観測した図である。 イオン引き込み用に１種類の高周波を用いる比較例においてプラズマ生成用の第１高周波電源に返ってくる反射波のスペクトル分布を模式的に示す図である。 プラズマ生成用の第１高周波のＲＦ給電系に設けられる第１ＲＦパワーモニタの構成を示すブロック図である。 イオン引き込み用の第２高周波のＲＦ給電系に設けられる第２ＲＦパワーモニタの構成を示すブロック図である。 イオン引き込み用の第３高周波のＲＦ給電系に設けられる第３ＲＦパワーモニタの構成を示すブロック図である。 基本波反射波パワーのモニタリングにおいて実施例のフィルタ周波数特性と比較例のフィルタ周波数特性とを対比して示す図である。 実施例のフィルタ周波数特性（図７Ａ）を周波数軸上で拡大して示す図である。 周波数軸上で第１高周波の周りに発生する異周波反射波の周波数を求める演算の内容および結果（一覧表）を示す図である。 上記演算の内容および結果（一覧表の続き）を示す図である。 上記演算の内容および結果（一覧表の続き）を示す図である。 上記演算の内容および結果（一覧表の続きおよび最後）を示す図である。 別の実施形態におけるプラズマ処理装置の全体構成を示す図である。
　以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
　
［装置全体の構成及び作用］
　図１に、本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、下部３周波印加方式の容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形の真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は接地されている。
　チャンバ１０の底部には、セラミックなどの絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上にたとえばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、この上に被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷが載置される。
　サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートの間に挟み込んだものであり、電極２０には直流電源２２がスイッチ２４を介して電気的に接続されている。直流電源２２からの直流電圧により、半導体ウエハＷを静電気力で静電チャック１８に吸着保持できるようになっている。静電チャック１８の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの面内均一性を向上させるためのたとえばシリコンからなるフォーカスリング２６が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面にはたとえば石英からなる円筒状の内壁部材２８が貼り付けられている。
　サセプタ支持台１４の内部には、たとえば円周方向に延びる冷媒室または冷媒通路３０が設けられている。この冷媒通路３０には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管３２ａ，３２ｂを介して所定温度の冷媒たとえば冷却水ｃｗが循環供給される。冷媒ｃｗの温度によってサセプタ１６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できるようになっている。さらに、伝熱ガス供給機構（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン３４を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。
　サセプタ１６には、プラズマ生成用の第１高周波電源３６、イオン引き込み用の第２高周波電源３８およびイオン引き込み用の第３高周波電源４０がそれぞれ第１、第２および第３整合器４２，４４，４６および共通の高周波給電導体（たとえば給電棒）４５を介して電気的に接続されている。
　整合器４２，４４，４６は、チャンバ１０内に生成されるプラズマ側の負荷インピーダンスを高周波電源３６，３８，４０のインピーダンスにそれぞれ整合させるように機能する。各々の整合器４２，４４，４６は、少なくとも２つの制御可能なリアクタンス素子を含む整合回路と、各リアクタンス素子のリアクタンス値（インピーダンス・ポジション）を制御するためのアクチエータ（たとえばモータ）と、上記整合回路を含む負荷インピーダンスを測定するセンサと、負荷インピーダンスの測定値を整合ポイント（通常５０Ω）に合わせるように各アクチエータを駆動制御するコントローラとを有している。
　第１高周波電源３６は、処理ガスの容量結合による高周波放電つまりプラズマ生成に適した第１ＲＦ周波数（通常２７ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）を有する第１高周波ＲＦ1を所定のパワーで出力可能とするように構成されている。第２高周波電源３８は、サセプタ１６上の半導体ウエハＷにプラズマのイオンを引き込むのに適した高めの第２ＲＦ周波数（通常６ＭＨｚ～４０ＭＨｚ）を有する第２高周波ＲＦ2を所定のパワーで出力可能とするように構成されている。第３高周波電源４０は、サセプタ１６上の半導体ウエハＷにプラズマのイオンを引き込むのに適した低めの第３ＲＦ周波数（通常１０ｋＨｚ～６ＭＨｚ）を有する第３高周波ＲＦ3を所定のパワーで出力可能とするように構成されている。
　サセプタ１６の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極４８が設けられている。この上部電極４８は、多数のガス噴出孔５０ａを有するたとえばＳi，ＳiＣなどの半導体材料からなる電極板５０と、この電極板５０を着脱可能に支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体５２とで構成されており、チャンバ１０の上部にリング状の絶縁体５４を介して取り付けられている。この上部電極４８とサセプタ１６との間にプラズマ生成空間または処理空間ＰＳが設定されている。リング状絶縁体５４は、たとえばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）からなり、上部電極４８の外周面とチャンバ１０の側壁との間の隙間を気密に塞いでおり、上部電極４８を非接地で物理的に支持している。
　電極支持体５２は、その内部にガスバッファ室５６を有するとともに、その下面にガスバッファ室５６から電極板５０のガス噴出孔５０ａに連通する多数のガス通気孔５２ａを有している。ガスバッファ室５６にはガス供給管５８を介して処理ガス供給源６０が接続されており、ガス供給管５８にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６２および開閉バルブ６４が設けられている。処理ガス供給源６０より所定の処理ガスがガスバッファ室５６に導入されると、電極板５０のガス噴出孔５０ａよりサセプタ１６上の半導体ウエハＷに向けて処理空間ＰＳに処理ガスがシャワー状に噴出されるようになっている。このように、上部電極４８は処理空間ＰＳに処理ガスを供給するためのシャワーヘッドを兼ねている。
　サセプタ１６およびサセプタ支持台１４とチャンバ１０の側壁との間に形成される環状の空間は排気空間となっており、この排気空間の底にはチャンバ１０の排気口６６が設けられている。この排気口６６に排気管６８を介して排気装置７０が接続されている。排気装置７０は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０の室内、特に処理空間ＰＳを所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口７２を開閉するゲートバルブ７４が取り付けられている。
　チャンバ１０の外に設置される直流電源７６の一方の端子つまり出力端子は、スイッチ７８および直流給電ライン８０を介して上部電極４８に電気的に接続されている。直流電源７６はたとえば－２０００～＋１０００Ｖの直流電圧ＶDCを出力できるように構成されている。直流電源７６の他方の端子は接地されている。直流電源７６の出力（電圧、電流）の極性および絶対値およびスイッチ７８のオン・オフ切換は、後述する主制御部８２からの指示の下でＤＣコントローラ８４により制御されるようになっている。
　直流給電ライン８０の途中に設けられるフィルタ回路８６は、直流電源７６からの直流電圧ＶDCをスルーで上部電極４８に印加する一方で、サセプタ１６から処理空間ＰＳおよび上部電極４８を通って直流給電ライン８０に入ってきた高周波を接地ラインへ流して直流電源７６側へは流さないように構成されている。
　また、チャンバ１０内で処理空間ＰＳに面する適当な箇所に、たとえばＳi，ＳiＣ等の導電性材料からなるＤＣ接地部品（図示せず）が取り付けられている。このＤＣ接地部品は、接地ライン（図示せず）を介して常時接地されている。
　この容量結合型プラズマエッチング装置は、第１、第２および第３高周波電源３６，３８，４０より第１、第２および第３高周波ＲＦ1，ＲＦ2，ＲＦ3をチャンバ１０内のサセプタ１６までそれぞれ伝送する第１、第２および第３高周波給電ライン（高周波伝送路）８８，９０，９２上に第１、第２および第３ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８をそれぞれ設けている。
　通常、ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８は、高周波電源３６，３８，４０と整合器４２，４４，４６との間で高周波給電ライン８８，９０，９２上にそれぞれ設けられる。この実施形態では、機能上の理解を容易にするために、ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８を高周波電源３６，３８，４０からそれぞれ分離している。実際には、高周波電源３６，３８，４０とそれぞれ共通のユニット（高周波電源ユニット）内にＲＦパワーモニタ９４，９６，９８が設けられることが多い。
　第１ＲＦパワーモニタ９４は、第１高周波給電ライン８８上を第１高周波電源３６から負荷側に向かって伝搬する高周波（進行波）のパワーＲＦ88・Ｐtと、負荷側から第１高周波電源３６に向かって伝搬する高周波（反射波）のパワーＲＦ88・Ｐrとを同時にモニタリングする。第１高周波電源３６の負荷は、チャンバ１０内のプラズマと第１整合器４２内の整合回路のインピーダンスとを含む。
　第２ＲＦパワーモニタ９６は、第２高周波給電ライン９０上を第２高周波電源３８から負荷側に向かって伝搬する高周波（進行波）のパワーＲＦ90・Ｐtと、負荷側から第２高周波電源３８に向かって伝搬する高周波（反射波）のパワーＲＦ90・Ｐrとを同時にモニタリングする。第２高周波電源３８の負荷は、チャンバ１０内のプラズマと第２整合器４４内の整合回路のインピーダンスとを含む。
　第３ＲＦパワーモニタ９８は、第３高周波給電ライン９２上を第３高周波電源４０から負荷側に向かって伝搬する高周波（進行波）のパワーＲＦ92・Ｐtと、負荷側から第３高周波電源４０に向かって伝搬する高周波（反射波）のパワーＲＦ92・Ｐrとを同時にモニタリングする。第３高周波電源４０の負荷は、チャンバ１０内のプラズマと第３整合器４６内の整合回路のインピーダンスとを含む。
　第１、第２および第３ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８の具体的な構成および作用は、後に詳細に説明する。
　主制御部８２は、１つまたは複数のマイクロコンピュータを含み、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば静電チャック用のスイッチ２４、高周波電源３６，３８，４０、整合器４２，４４，４６、処理ガス供給部（６０，６２，６４）、排気装置７０、ＤＣバイアス用のＤＣコントローラ８４、チラーユニット、伝熱ガス供給部等の動作を制御する。また、主制御部８２は、キーボード等の入力装置や液晶ディスプレイ等の表示装置を含むマン・マシン・インタフェース用の操作パネル８５および各種プログラムやレシピ、設定値等の各種データを格納または蓄積する外部記憶装置（図示せず）等とも接続されている。
　さらに、この実施形態における主制御部８２は、ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８にも接続されており、これらのパワーモニタ９４，９６，９８から送られてくるモニタ情報に基づいて３系統の高周波電源３６，３８，４０、および整合器４２，４４，４６を統括的に制御するようになっている。
　この実施形態では、主制御部８２が１つの制御ユニットとして示されているが、複数の制御ユニットが主制御部８２の機能を並列的または階層的に分担する形態を採ってもよい。
　このプラズマエッチング装置において、エッチング加工を行なうには、先ずゲートバルブ７４を開状態にし、加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック１８の上に載置する。そして、処理ガス供給源６０より所定の処理ガスつまりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置７０による真空排気でチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第１高周波電源３６よりプラズマ生成用の第１高周波ＲＦ1（２７ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）、第２および第３高周波電源３８，４０よりイオン引き込み用の第２高周波ＲＦ2（６ＭＨｚ～４０ＭＨｚ）および第３高周波ＲＦ3（１０ｋＨｚ～６ＭＨｚ）をそれぞれ所定のパワーでサセプタ（下部電極）１６に印加する。また、スイッチ２４をオンにし、静電吸着力によって、静電チャック１８と半導体ウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈｅガス）を閉じ込める。また、必要に応じて、スイッチ７８をオンにして、直流電源７６からの所定の直流電圧ＶDCを上部電極４８に印加する。シャワーヘッド（上部電極）４８より吐出されたエッチングガスは両電極１６，４８間で高周波放電によってプラズマ化し、このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面の膜がエッチングされる。
　この実施形態のプラズマエッチング装置は、プラズマから半導体ウエハＷへのイオンの引き込みに適した２種類の高周波ＲＦ2（６ＭＨｚ～４０ＭＨｚ），ＲＦ3（１０ｋＨｚ～６ＭＨｚ）をサセプタ１６に重畳して印加するハードウェア構成（３８，４０，４４，４５，４６）を有し、エッチング加工の仕様、条件またはレシピに応じて主制御部８２が両高周波ＲＦ2，ＲＦ3のトータルパワーおよびパワー比を制御することにより、サセプタ１２上の半導体ウエハＷの表面に入射するイオンのエネルギー分布（ＩＥＤ）に関して、エネルギーバンド幅および分布形状さらには入射エネルギーの総量を多種多様に制御することができるようになっている。
　たとえば、図２に模式的に示すように、イオンエネルギーの最大値（最大エネルギー）を固定して最小値（最小エネルギー）を一定の範囲内で任意に調節すること、反対に最小エネルギーを固定して最大エネルギーを一定の範囲内で任意に調節すること、エネルギー平均値または中心値を固定したままエネルギーバンドの幅を一定の範囲内で任意に制御すること、あるいは中間エネルギー領域のイオン分布数を調節すること等が可能となっている。
　他方で、非線形な負荷であるチャンバ１０内のプラズマに供給される高周波の種類（周波数）が従来（２周波印加方式）の２種類からこの実施形態の３周波印加方式では３種類に増えることで、プラズマで発生する非線形高調波歪が著しく増加する。それによって、チャンバ１０内のプラズマから各高周波電源３６，３８，４０に向かって伝搬する反射波には夥しい数のスペクトルが含まれる。しかも、基本波反射波にごく近い周波数の異周波反射波も含まれる。
　たとえば、一実施例として、プラズマ生成用の第１高周波ＲＦ1の周波数が４０．６８ＭＨｚに選ばれ、イオン引き込み用の第２高周波ＲＦ2および第３高周波ＲＦ3の周波数がそれぞれ１２．８８ＭＨｚおよび３．２ＭＨｚに選ばれるとする。この場合、チャンバ１０内のプラズマから第１高周波給電ライン８８を通って第１高周波電源３６に返ってくる反射波のスペクトル分布は、模式的には図３に示すようになる。すなわち、基本波反射波（４０．６８ＭＨｚ）の周りに多数の異周波反射波が分布し、そのぶんトータル反射波パワーも増大する。さらに、周波数に関して異周波反射波が基本波反射波（４０．６８ＭＨｚ）に近接することも特徴的である。特に、基本波反射波（４０．６８ＭＨｚ）と両隣の異周波反射波（４０．６０ＭＨｚ，４０．７６ＭＨｚ）との差（オフセット）は僅か０．０８ＭＨｚつまり８０ｋＨｚにすぎない。
　図示省略するが、チャンバ１０内のプラズマから第２高周波給電ライン９０を通って第２高周波電源３８に返ってくる反射波のスペクトル分布も、上記と同様である。すなわち、基本波反射波（１２．８８ＭＨｚ）の周りに多数の異周波反射波が分布し、トータル反射波パワーも高い。そして、基本波反射波のごく近くに多数の異周波反射波が発生する。特に、基本波反射波（１２．８８ＭＨｚ）と両隣の異周波反射波（１２．８０ＭＨｚ，１２．９６ＭＨｚ）との差（オフセット）は、僅か０．０８ＭＨｚつまり８０ｋＨｚである。
　同様に、チャンバ１０内のプラズマから第３高周波給電ライン９２を通って第３高周波電源４０に返ってくる反射波のスペクトル分布においても、基本波反射波（３．２ＭＨｚ）から僅か８０ｋＨｚしかオフセットしていない両隣の異周波反射波（３．１２ＭＨｚ，３．２８ＭＨｚ）を含めて多数の異周波反射波が分布し、トータル反射波パワーも高い。
　本発明者が、スペクトルアナライザを用いて、第１、第２および第３整合器４２，４４，４６でそれぞれ整合がとれている時に第１、第２および第３高周波給電ライン８８，９０，９２上の反射波の成分（反射波スペクトル）を測定したところ、図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示すような反射波スペクトル分布がそれぞれ観測された。
　図４Ａに示すように、第１高周波給電ライン８８上では、第１整合器４２で整合がとれていても、多数の異周波反射波が存在する。特に、基本波反射波（４０．６８ＭＨｚ）の周りではそれに近いほど異周波反射波のパワーは高く、基本波反射波（４０．６８ＭＨｚ）の両隣の異周波反射波（４０．６０ＭＨｚ，４０．７６ＭＨｚ）のパワーが突出して高い。
　図４Ｂに示すように、第２高周波給電ライン９０上では、第２整合器４４で整合がとれていても、基本波反射波（１２．８８ＭＨｚ）の周りに多数の異周波反射波が存在する。特に、基本波反射波（１２．８８ＭＨｚ）に近いほど異周波反射波のパワーは高く、最も近い両隣の異周波反射波（１２．８０ＭＨｚ，１２．９６ＭＨｚ）のパワーが突出して高い。
　同様に、図４Ｃに示すように、第３高周波給電ライン９２上では、第３整合器４６で整合がとれていても、基本波反射波（３．２ＭＨｚ）の周りに多数の異周波反射波が存在する。特に、基本波反射波（３．２ＭＨｚ）に近いほど異周波反射波のパワーは高く、最も近い両隣の異周波反射波（３．１２ＭＨｚ，３．２８ＭＨｚ）のパワーが突出して高い。
　このように、プラズマからの反射波が基本波反射波だけでなく周波数軸上でその周りに多数の異周波反射波を含み、しかも基本波反射波にごく近い周波数の異周波反射波が存在するとなると、反射波のモニタリングおよび反射波に対するＲＦ出力の制御が難しくなる。特に、整合がとれているか否かを判別するための基本波反射波パワーのモニタリングが非常に難しくなる。また、過大なトータル反射波パワーに対して各高周波電源のＲＦ出力を応急的に調整することと実行中のプラズマプロセスを安定に維持することとの両立を図るのが非常に難しくなる。
　因みに、比較例として、イオン引き込み用のＲＦバイアスに第２高周波ＲＦ2（１２．８８ＭＨｚ）のみを使用し、第３高周波ＲＦ3（３．２ＭＨｚ）を使用しない場合、チャンバ１０内のプラズマから第１高周波電源３６に返ってくる反射波のスペクトル分布は、模式的に図５に示すようになる。すなわち、基本波反射波（４０．６８ＭＨｚ）の近くに存在する異周波反射波は、２７．８０ＭＨｚ，２９．８４ＭＨｚ，３８．６４ＭＨｚ，４２．７２ＭＨｚ，５１．５２ＭＨｚ，５３．５６ＭＨｚの６つである。しかも、基本波反射波（４０．６８ＭＨｚ）に最も近い３８．６４ＭＨｚおよび４２．７２ＭＨｚでも２．０４ＭＨｚの差（オフセット）がある。図示省略するが、チャンバ１０内のプラズマから第２高周波電源ライン９０上を逆方向に返ってくる反射波のスペクトル分布も、周波数の帯域が異なるだけで、図５と同様の傾向を示す。
　このように、イオン引き込み用のＲＦバイアスに１種類（単一周波数）の高周波ＲＦ2を使用する場合は、プラズマ側から各高周波電源に向かって各高周波給電ライン上を伝搬してくる反射波に含まれる異周波反射波は非常に少なく、しかも周波数軸上で異周波反射波が基本波反射波から大きく（２ＭＨｚ以上）離れているので、基本波反射波を見分けるのが容易であるとともに、過大なトータル反射波パワーに対するＲＦ出力の応急的な制御を各高周波電源がそれぞれ個別（勝手）に行ってもプラズマプロセスに与える影響は少ない。
　この実施形態では、上記のような３周波印加方式における基本波反射波パワーのモニタリングの困難性および過大なトータル反射波パワーに対する応急的なＲＦ出力制御とプラズマプロセスの安定維持との両立の困難性を克服するために、第１、第２および第３ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８の構成および作用ならびに主制御部８２の機能に特別な工夫を施している。
　
［ＲＦパワーモニタの構成及び作用］
　図６Ａに、第１ＲＦパワーモニタ９４の構成を示す。このＲＦパワーモニタ９４は、第１高周波給電ライン８８上に挿入される方向性結合器１００Ａと、進行波パワーモニタ部１０２Ａと、反射波パワーモニタ部１０４Ａとを有している。
　方向性結合器１００Ａは、第１高周波給電ライン８８上を順方向に伝搬するＲＦパワー（進行波）ＲＦ88・Ｐtと逆方向に伝搬するＲＦパワー（反射波）ＲＦ88・Ｐrにそれぞれ対応する信号を進行波パワー検出信号ＲＦ88［Ｐt］および反射波パワー検出信号ＲＦ88［Ｐr］として取り出すように構成されている。
　方向性結合器１００Ａより取り出された進行波パワー検出信号ＲＦ88［Ｐt］は、進行波パワーモニタ部１０２Ａに入力される。進行波パワーモニタ部１０２Ａは、方向性結合器１００Ａから入力した進行波パワー検出信号ＲＦ88［Ｐt］を基に、第１高周波給電ライン８８上の進行波に含まれる基本波進行波（４０．６８ＭＨｚ）のパワーＲＦ1・ＳＰtを表わす信号を生成し、この信号つまり基本波進行波パワー測定値信号ＲＦ1［ＳＰt］を第１高周波電源３６の電源制御部１０６Ａに与える。
　第１高周波電源３６は、第１ＲＦ周波数（４０．６８ＭＨｚ）の正弦波を発振出力する高周波発振器１０８Ａと、この高周波発振器１０８Ａより出力された正弦波のパワーを制御可能にして、その利得で増幅するパワーアンプ１１０Ａとを有している。第１高周波電源３６において、電源制御部１０６Ａは、第１高周波ＲＦ1のパワーを設定値に維持するように、進行波パワーモニタ部１０２Ａからの基本波進行波パワー測定値信号ＲＦ1［ＳＰt］に応答してパワーアンプ１１０Ａにパワーフィードバック制御を掛ける。さらに、電源制御部１０６Ａは、後述するトータル反射波パワーＲＦ88・ＴＰrが過大になっている時に、主制御部８２からの制御信号ＣＳ1に応じてパワーアンプ１１０Ａの出力を応急的に制御する（通常は下げる）制御を行うようになっている。
　方向性結合器１００Ａより取り出された反射波パワー検出信号ＲＦ88［Ｐr］は、反射波パワーモニタ部１０４Ａに入力される。反射波パワーモニタ部１０４Ａは、基本波反射波パワー測定回路１１２Ａと、トータル反射波パワー測定回路１１４Ａとを有している。
　基本波反射波パワー測定回路１１２Ａは、混合器１１６Ａ、局部発振器１１８Ａ、ローパス・フィルタ（ＬＰＦ）１２０Ａおよび低周波検波器１２２Ａからなり、方向性結合器１００Ａから入力した反射波パワー検出信号ＲＦ88［Ｐr］を基に、チャンバ１０内のプラズマから第１高周波電源３６に返ってくる反射波に含まれる基本波反射波（４０．６８ＭＨｚ）のパワーＲＦ1・ＳＰrを表わす信号つまり基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ1［ＳＰr］を生成する。
　より詳細には、局部発振器１１８Ａは、第１高周波ＲＦ1の周波数（４０．６８ＭＨｚ）に対して第１高周波給電ライン８８上の異周波反射波の中で最も近い周波数（４０．６０ＭＨｚ，４０．７６ＭＨｚ）よりさらに近い第１近傍周波数ｆ1を有する第１局部発振信号ＬＳ1を発生する。混合器１１６Ａは、方向性結合器１００Ａからの反射波パワー測定値信号ＲＦ88［Ｐr］と局部発振器１１８Ａからの第１局部発振信号ＬＳ1とを混合する。この混合により、第１高周波給電ライン８８上の反射波に含まれる基本波反射波および異周波反射波のそれぞれの周波数と第１局部発振信号ＬＳ1の周波数との和または差の周波数を有する様々な合成信号が生成される。その中で、最もかつ極端に低い周波数を有する合成信号は、基本波反射波の周波数（４０．６８ＭＨｚ）と第１局部発振信号ＬＳ1の周波数ｆ1との差（４０．６８ＭＨｚ－ｆ1）または（ｆ1－４０．６８ＭＨｚ）に相当する周波数（第１中間周波数）δｆ1を有する第１中間周波数信号ＭＳ1である。
　この実施形態において、第１局部発振信号ＬＳ1の周波数（第１近傍周波数）ｆ1は、第１ＲＦ周波数（４０．６８ＭＨｚ）と第１高周波給電ライン８８上の異周波反射波の中でそれに最も近い周波数（４０．６０ＭＨｚ，４０．７６ＭＨｚ）との差（８０ｋＨｚ）の１／８～１／３（より好ましくは１／６～１／４）だけ第１ＲＦ周波数（４０．６８ＭＨｚ）からオフセットした値に選ばれる。
　ここで、第１ＲＦ周波数に対する第１近傍周波数のオフセット量を第１ＲＦ周波数とそれに最も近接する異周波反射波周波数との差（８０ｋＨｚ）の１／３以下（より好ましくは１／４以下）とするのは、混合器１１６Ａで得られる上記第１中間周波数信号ＭＳ1の周波数を他の如何なる合成信号の周波数よりも著しく低くして、次段のＬＰＦ１２０Ａによる弁別を容易にするためである。また、上記オフセット量を上記差（８０ｋＨｚ）の１／８以上（より好ましくは１／６以上）とするのは、基本波反射波のパワーＲＦ1・ＳＰrに対する基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ1［ＳＰr］の応答速度を十分な大きさに確保するためである。かかる要件から、第１近傍周波数ｆ1として、好適には、第１ＲＦ周波数（４０．６８ＭＨｚ）から１５ｋＨｚだけオフセットした４０．６６５ＭＨｚ（または４０．６９５ＭＨｚ）が選ばれる。
　こうして、混合器１１６Ａより、１５ｋＨｚの第１中間周波数信号ＭＳ1と８０ｋＨｚ以上のその他多数の合成信号とが出力される。ＬＰＦ１２０Ａは、１５ｋＨｚと８０ｋＨｚの中間にカットオフ周波数を有するローパス・フィルタとして設計され、第１中間周波数信号ＭＳ1だけを弁別して選択的に通過させる。
　因みに、上記のように第１中間周波数δｆ1を１５ｋＨｚに設定した場合（実施例）のフィルタ周波数特性と、第１中間周波数δｆ1を５００ｋＨｚに設定した場合（比較例）のフィルタ周波数特性とを対比すると、図７Ａに示すようにそれぞれの周波数選択性に著しい差があることがわかる。図７Ｂに、実施例のフィルタ周波数特性を拡大して示す。
　実施例のフィルタ周波数特性によれば、基本波反射波の周波数（４０．６８ＭＨｚ）だけを通し、そこから８０ｋＨｚだけオフセットしている異周波反射波の周波数（４０．６０ＭＨｚ，４０．７６ＭＨｚ）を確実に遮断することができる。一方、比較例のフィルタ周波数特性によれば、基本波反射波の周波数（４０．６８ＭＨｚ）を通すだけでなく、これに近接する上記異周波反射波の周波数（４０．６０ＭＨｚ，４０．７６ＭＨｚ）も一緒に通してしまい、基本波反射波を弁別することはできない。
　ＬＰＦ１２０Ａより出力される第１中間周波数信号ＭＳ1には、基本波反射波パワーＲＦ1・ＳＰrのエンベロープ波形が乗っている。低周波検波器１２２Ａは、ＬＰＦ１２０Ａより入力した第１の中間周波数信号ＭＳ1を検波して、基本波反射波パワーＲＦ1・ＳＰrのエンベロープ波形を取り出し、アナログＤＣ（直流）の基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ1［ＳＰr］を出力する。
　このように、第１高周波給電ライン８８上の反射波に基本反射波（４０．６８ＭＨｚ）だけでなくそれにごく近い周波数の異周波反射波（４０．６０ＭＨｚ，４０．７６ＭＨｚ）が含まれていても、基本波反射波パワー測定回路１１２Ａにより基本反射波（４０．６８ＭＨｚ）を明確に見分けて基本波反射波パワーＲＦ1・ＳＰrのモニタリングを精確に行うことができる。
　一方、トータル反射波パワー測定回路１１４Ａは、たとえばダイオード検波式のＲＦパワー・メータからなり、方向性結合器１００Ａから入力した反射波パワー検出信号ＲＦ88［Ｐr］に基づいて、チャンバ１０内のプラズマから第１高周波電源３６に返ってくる反射波に含まれる全ての反射波スペクトルのトータルのパワーＲＦ88・ＴＰrを表わすトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ88［ＴＰr］を生成する。
　なお、第１整合器４２の出力側には、サセプタ１６および給電棒４５を介して第１高周波給電ライン８８上に第２高周波ＲＦ2（１２．８８ＭＨｚ）および第３高周波ＲＦ3（３．２ＭＨｚ）が進入してくるのを阻止（遮断）するためのハイパス・フィルタ（ＨＰＦ）１２４Ａが設けられている。したがって、チャンバ１０内のプラズマで発生する反射波（基本波反射波、非線形高調波歪等）のうちＨＰＦ１２４Ａを逆方向に通過する帯域の反射波が方向性結合器１００Ａを介して基本波反射波パワー測定回路１１２Ａおよびトータル反射波パワー測定回路１１４Ａに入力（検知）される。
　上記のようにして基本波反射波パワー測定回路１１２Ａおよびトータル反射波パワー測定回路１１４Ａよりそれぞれ出力される基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ1［ＳＰr］およびトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ1［ＴＰr］は、第１ＲＦパワーモニタ９４からの第１反射波パワー測定値信号として主制御部８２に与えられる。
　図６Ｂおよび図６Ｃに、第２および第３ＲＦパワーモニタ９６，９８の構成をそれぞれ示す。これらのＲＦパワーモニタ９６，９８も、扱う高周波の周波数および反射波（基本波反射波、異周波反射波）の周波数が異なるだけで、上述した第１ＲＦパワーモニタ９４と同様の構成を有し、同様の作用を奏する。
　特に、図６Ｂにおいて、基本波反射波パワー測定回路１１２Ｂは、混合器１１６Ｂ、局部発振器１１８Ｂ、ローパス・フィルタ（ＬＰＦ）１２０Ｂおよび低周波検波器１２２Ｂからなり、第２高周波給電ライン９０上に配置される方向性結合器１００Ｂから入力した反射波パワー検出信号ＲＦ90［Ｐr］を基に、チャンバ１０内のプラズマから第２高周波電源３８に返ってくる反射波に含まれる基本波反射波（１２．８８ＭＨｚ）のパワーＲＦ2・ＳＰrを表わす信号つまり基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ2［ＳＰr］を生成する。
　ここで、局部発振器１１８Ｂより混合器１１６Ｂに与えられる第２局部発振信号ＬＳ2の周波数（第２近傍周波数）ｆ2は、第２ＲＦ周波数（１２．８８ＭＨｚ）と第２高周波給電ライン９０上の異周波反射波の中でそれに最も近い周波数（１２．８０ＭＨｚ，１２．９６ＭＨｚ）との差（８０ｋＨｚ）の１／８～１／３（より好ましくは１／６～１／４）だけ第２ＲＦ周波数（１２．８８ＭＨｚ）からオフセットした値に選ばれる。この実施例では、第２近傍周波数ｆ2として、第２ＲＦ周波数（１２．８８ＭＨｚ）から１５ｋＨｚだけオフセットした１２．８６５ＭＨｚ（または１２．８９５ＭＨｚ）が好適に選ばれる。
　また、トータル反射波パワー測定回路１１４Ｂは、方向性結合器１００Ｂから入力した反射波パワー検出信号ＲＦ90［Ｐr］に基づいて、チャンバ１０内のプラズマから第２高周波電源３８に返ってくる反射波に含まれる全ての反射波スペクトルのトータルのパワーＲＦ90・ＴＰrを表わすトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ90［ＴＰr］を生成する。
　上記のようにして基本波反射波パワー測定回路１１２Ｂおよびトータル反射波パワー測定回路１１４Ｂよりそれぞれ出力される基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ2［ＳＰr］およびトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ90［ＴＰr］は、第２ＲＦパワーモニタ９６からの第２反射波パワー測定値信号として主制御部８２に与えられる。
　図６Ｃにおいて、基本波反射波パワー測定回路１１２Ｃは、混合器１１６Ｃ、局部発振器１１８Ｃ、ローパス・フィルタ（ＬＰＦ）１２０Ｃおよび低周波検波器１２２Ｃからなり、第３高周波給電ライン９２上に配置される方向性結合器１００Ｃから入力した反射波パワー検出信号ＲＦ92［Ｐr］を基に、チャンバ１０内のプラズマから第３高周波電源４０に返ってくる反射波に含まれる基本波反射波（３．２ＭＨｚ）のパワーＲＦ2・ＳＰrを表わす信号つまり基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ2［ＳＰr］を生成する。
　ここで、局部発振器１１８Ｃより混合器１１６Ｃに与えられる第３局部発振信号ＬＳ3の周波数（第２近傍周波数）ｆ3は、第３ＲＦ周波数（３．２ＭＨｚ）と第３高周波給電ライン９２上の異周波反射波の中でそれに最も近い周波数（３．１２ＭＨｚ，３．２８ＭＨｚ）との差（８０ｋＨｚ）の１／８～１／３（より好ましくは１／６～１／４）だけ第３ＲＦ周波数（３．１２ＭＨｚ）からオフセットしている値に選ばれる。この実施例では、第３近傍周波数ｆ3として、第３ＲＦ周波数（３．２ＭＨｚ）から１５ｋＨｚだけオフセットしている３．１８５ＭＨｚ（または３．２１５ＭＨｚ）が好適に選ばれる。
　また、トータル反射波パワー測定回路１１４Ｃは、方向性結合器１００Ｃから入力した反射波パワー検出信号ＲＦ92［Ｐr］に基づいて、チャンバ１０内のプラズマから第３高周波電源４０に返ってくる反射波に含まれる全ての反射波スペクトルのトータルのパワーＲＦ92・ＴＰrを表わすトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ92［ＴＰr］を生成する。
　上記のようにして基本波反射波パワー測定回路１１２Ｃおよびトータル反射波パワー測定回路１１４Ｃよりそれぞれ出力される基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ3［ＳＰr］およびトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ92［ＴＰr］は、第３ＲＦパワーモニタ９８からの第３反射波パワー測定値信号として主制御部８２に与えられる。
　
［主制御部の機能］
　上記のように、主制御部８２は、第１ＲＦパワーモニタ９４から第１反射波パワー測定値信号（基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ1［ＳＰr］およびトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ88［ＴＰr］）を受け取り、第２ＲＦパワーモニタ９６から第２反射波パワー測定値信号（基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ2［ＳＰr］およびトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ90［ＴＰr］）を受け取り、第３ＲＦパワーモニタ９８から第３反射波パワー測定値信号（基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ3［ＳＰr］およびトータル反射波パワー測定値信号号ＲＦ92［ＴＰr］）を受け取る。
　主制御部８２は、入力した基本波反射波パワー測定値信号ＲＦ1［ＳＰr］，ＲＦ2［ＳＰr］，ＲＦ3［ＳＰr］に基づいて、操作パネル８５のディスプレイ上に３つのＲＦ給電系における基本波反射波パワーＲＦ1・ＳＰr，ＲＦ2・ＳＰr，ＲＦ3・ＳＰrの測定値をモニタ表示するとともに、各測定値を所定の監視値と比較して各整合器４２，４４，４６の整合動作ないし整合状況を判定し、判定結果次第でインターロックを掛ける。
　すなわち、基本波反射波パワーＲＦ1・ＳＰr，ＲＦ2・ＳＰr，ＲＦ3・ＳＰrの各々の測定値が監視値より低い時は、当該ＲＦ給電系において整合が実質的にとれていると判定する。しかし、いずれかの基本波反射波パワー測定値が監視値を超えた時または超えている時は、当該ＲＦ給電系において整合がとれていないと判定する。この場合、主制御部８２は、他のモニタ情報つまり他のＲＦ給電系の基本波反射波パワー測定値および全ＲＦ給電系のトータル反射波パワー測定値を参酌することで、整合がとれていない状況ないしその原因を適確に把握することができる。
　たとえば、第２基本波反射波パワーＲＦ2・ＳＰrの測定値が監視値を超えたとする。この時、他のモニタ情報（特に第２トータル反射波パワーＲＦ90・ＴＰrの測定値）が正常（許容）範囲内にあれば、主制御部８２は、現時の非整合状態は第２整合器４４の整合動作が正常に機能していないことにその原因があると判定（断定）することができる。この場合、主制御部８２は、第２整合器４４に整合動作を検査ないし正常化させるためのルーチンが備わっていれば、第２整合器４４内のコントローラにそのルーチンの実行を指示するコマンドを送ってよい。そして、それでも他が正常で第２基本波反射波パワーＲＦ2・ＳＰrの測定値だけが監視値を超えている状態が続いたときは、第２整合器４４が故障または暴走していると判定してよい。この場合、その旨のメッセージを操作パネル８５のディスプレイ上に表示してよく、それと併せてインターロックを掛けてもよい。
　しかし、他のモニタ情報（特に第２トータル反射波パワーＲＦ90・ＴＰrの測定値あるいは第１および第３基本波反射波パワーＲＦ1・ＳＰr，ＲＦ3・ＳＰrの測定値）も同時に監視値を超えている場合は、チャンバ１０内の処理空間ＰＳまたは他のＲＦ給電系統にプラズマとの整合をとるのが難しい何らかの異常事態が発生したものと判定することができる。この場合、主制御部８２は、即時に第２整合器４４が不良であると速断して直ちにインターロックを掛けるのではなくて、たとえば光学センサからのプラズマ発光モニタリング情報を参照したり、全ＲＦ系統および／またはガス系統のチェックを行うことなどにより、プラズマの異常原因を突き止めてよく、操作パネル８５のディスプレイを通じて状況報告を行ってもよい。
　このように、いずれかの基本波反射波パワー測定値が監視値を超えた時は、当該ＲＦ給電系で整合がとれていないのは確かであるが、単純に当該ＲＦ給電系内の整合器の不良または不調と判断するのではなく、主制御部８２が他のモニタ情報（ＲＦ給電系の基本波反射波パワー測定値および全ＲＦ給電系のトータル反射波パワー測定値）を参酌して当該事態を総合的または多角的に解析することにより、整合状態の確立または復帰あるいはプラズマプロセスの安定化に向けて各部を適確に制御することができる。これによって、プラズマプロセスの再現性および信頼性を向上させることができる。
　また、主制御部８２は、第１、第２および第３ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８から受け取ったトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ88［ＴＰr］，ＲＦ90［ＴＰr］，ＲＦ92［ＴＰr］に基づいて、高周波給電ライン８８，９０，９２上で反射波のトータル反射波パワーＲＦ88・ＴＰr，ＲＦ90・ＴＰr，ＲＦ92・ＴＰrが監視値を超えているか否かをモニタリングすることができる。そして、トータル反射波パワーＲＦ88・ＴＰr，ＲＦ90・ＴＰr，ＲＦ92・ＴＰrのいずれかが監視値を超えた時は、その過大なトータル反射波パワーから当該高周波電源を保護するように各高周波電源の電源制御部を通じて応急的にＲＦパワーを下げる措置をとるとともに、実行中のプラズマプロセスの変動を最小限に抑えるように各ＲＦ給電系の間の調整を行う。
　たとえば、第２トータル反射波パワーＲＦ90・ＴＰrの測定値が監視値を超えたとする。この時は、第２トータル反射波パワーＲＦ90・ＴＰrが過大になったわけであるから、先ず第２高周波電源３８のパワーアンプ１１０Ｂを保護するのが先決であり、主制御部８２は制御信号ＣＳ2により電源制御部１０６Ｂを通じてパワーアンプ１１０Ｂの出力（つまり第２高周波ＲＦ2のパワー）を下げる。ただし、第２高周波ＲＦ2のパワーをむやみにあるいは極端に下げるのではなくて、他のモニタ情報（特に第２基本波反射波パワーＲＦ2・ＳＰrの測定値あるいは第１および第３トータル波反射波パワーＲＦ88・ＴＰr，ＲＦ92・ＴＰrの測定値）を参酌して、必要最小限の下げ幅に制御する。あるいは、イオン引き込み用の第２高周波ＲＦ2のパワーを下げるのと同時に、同じくイオン引き込み用の第３高周波ＲＦ3のパワーを適度に上げることにより、プラズマから半導体ウエハＷに引き込むイオンのエネルギーを安定に保つことも可能である。
　もっとも、主制御部８２において第１、第２および第３ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８からそれぞれ入力したトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ88［ＴＰr］，ＲＦ90［ＴＰr］，ＲＦ92［ＴＰr］をそのままスルーで出力して、第１、第２および第３高周波電源３６，３８，４０の電源制御部１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃにそれぞれ送ることも可能である。この場合は、各高周波電源３６，３８，４０の各電源制御部１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃが、それぞれ個別に、各ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８からのトータル反射波パワー測定値信号ＲＦ88［ＴＰr］，ＲＦ90［ＴＰr］，ＲＦ92［ＴＰr］に応答して、過大なトータル反射波パワーから当該高周波電源を保護するためのＲＦ出力制御を行うことになる。
　さらに、主制御部８２には、各ＲＦ給電系において発生する反射波に含まれる異周波反射波を演算によって決定する機能も備わっている。すなわち、第１高周波ＲＦ1、第２高周波ＲＦ2および第３高周波ＲＦ3についてそれぞれの周波数（第１、第２および第３ＲＦ周波数）の値Ａ，Ｂ，Ｃが操作パネル８５より入力されると、主制御部８２を構成しているマイクロコンピュータが次の式（１）を演算することにより、３周波印加時に発生し得る異周波反射波の周波数が求められる。
　　　±Ａ[ＭＨｚ]×ｍ±Ｂ[ＭＨｚ]×ｎ±Ｃ[ＭＨｚ]×ｌ　　・・（１）
　但し、ｍはＡの高次係数（第ｍ次高調波）、ｎはＢの高次係数（第ｎ次高調波）、ｌはＣの高次係数（第ｌ次高調波）である。通常、ｍ，ｎ，ｌは、各々１次～５次係数まで考慮すれば十分である。
　図８Ａ～図８Ｄに、上記実施例（Ａ＝４０．６８ＭＨｚ，Ｂ＝１２．８８ＭＨｚ，Ｃ＝３．２ＭＨｚ）において、周波数軸上で第１高周波ＲＦ1の周りに発生する異周波反射波の周波数を求める上記式（１）の演算内容および演算結果を示す。図示省略するが、第２高周波ＲＦ2および第３高周波ＲＦ3の周りに発生する異周波反射波の周波数も上記式（１）を演算して求められる。
　主制御部８２は、上記式（１）の演算結果（異周波反射波の一覧）を記憶装置に保存するとともに、操作パネル８５のディスプレイ上に表示する。その演算結果は、ＲＦパワーモニタ９４，９６，９８の基本波反射波パワー測定回路１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃの設計に寄与する。特に、周波数軸上で各基本波反射波に最も近い異周波反射波の周波数の値を基に、局部発振周波数ｆ1，ｆ2，ｆ3の値が決められ、ＬＰＦ１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃのカットオフ周波数も決められる。
　さらに、一変形例として、高周波電源３６，３８，４０のいずれかに高周波ＲＦ1、ＲＦ2，ＲＦ3の周波数を随時変更または制御する機能が備わる場合に、主制御部８２の上記演算機能は大なる効果を発揮する。たとえば、プラズマ生成用の第１高周波ＲＦ1の周波数を制御できるように高周波電源３６を構成する場合は、ＲＦパワーモニタ９４の局部発振器１１８Ａを制御可能な周波数発振器で構成して、主制御部８２の制御の下で第１局部発振信号ＬＳ1の周波数を制御できるようにする。これにより、主制御部８２は、高周波電源３６の電源制御部１０６Ａを通じて第１高周波ＲＦ1の周波数を制御すると同時に、関連する（特に最も近接する）異周波反射波の周波数を上記式（１）の演算によって求め、混合器１１６Ａより出力される第１中間周波数ＭＳ1の周波数（第１中間周波数）δｆ1が一定値（たとえば１５ｋＨｚ）に維持されるように、第１局部発振信号ＬＳ1の周波数を制御することができる。イオン引き込み用の第２高周波ＲＦ2または第３高周波ＲＦ3の周波数を制御する場合も、上記と同様に対応することができる。
　
［他の実施形態または変形例］
　上記した実施形態では、第１高周波電源３６より出力されるプラズマ生成用の第１高周波ＲＦ1をサセプタ（下部電極）１６に印加した。別の実施形態として、図９に示すように、第１高周波電源３６および第１整合器４２を上部電極４８に電気的に接続し、プラズマ生成用の第１高周波ＲＦ1を第１高周波給電ライン８８を介して上部電極４８に印加してもよい。
　本発明は、プラズマエッチング装置に限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理装置にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。
　　１０　　チャンバ
　　１６　　サセプタ（下部電極）
　　３６　　第１高周波電源
　　３８　　第２高周波電源
　　４０　　第３高周波電源
　　４２　　第１整合器
　　４４　　第２整合器
　　４６　　第３整合器
　　４８　　上部電極
　　６０　　処理ガス供給源
　　７０　　排気装置
　　８２　　主制御部
　　８８　　第１高周波給電ライン
　　９０　　第２高周波給電ライン
　　９２　　第３高周波給電ライン
　　９４　　第１ＲＦパワーモニタ
　　９６　　第２ＲＦパワーモニタ
　　９８　　第３ＲＦパワーモニタ

Claims (16)

  1. 　被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
    　前記処理容器内で前記基板を載置して保持する第１の電極と、
    　前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、
    　前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    　第１の周波数を有する第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、
    　前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の電極もしくは前記第２の電極に伝送する第１の高周波給電ラインと、
    　前記第１の高周波給電ライン上を前記第１の電極もしくは前記第２の電極から前記第１の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第１の反射波パワー測定部と、
    　前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波を出力する第２の高周波電源と、
    　前記第２の高周波電源からの前記第２の高周波を前記第１の電極まで伝送する第２の高周波給電ラインと、
    　前記第２の高周波給電ライン上を前記第１の電極から前記第２の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第２の反射波パワー測定部と、
    　前記プラズマから前記第１の電極上の前記基板にイオンを引き込むための前記第２の周波数よりも低い第３の周波数を有する第３の高周波を出力する第３の高周波電源と、
    　前記第３の高周波電源からの前記第３の高周波を前記第１の電極まで伝送する第３の高周波給電ラインと、
    　前記第３の高周波給電ライン上を前記第１の電極から前記第３の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第３の反射波パワー測定部と、
    　前記第１、第２および第３の反射波パワー測定部よりそれぞれ得られる第１、第２および第３の反射波パワー測定値信号に基づいて前記第１、第２および第３の高周波電源の各々を制御する制御部と
    　を有するプラズマ処理装置。
  2. 　被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
    　前記処理容器内で前記基板を載置して保持する第１の電極と、
    　前記処理容器内で前記第１の電極と対向して配置される第２の電極と、
    　前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    　第１の周波数を有する第１の高周波を出力する第１の高周波電源と、
    　前記第１の高周波電源からの前記第１の高周波を前記第１の電極もしくは前記第２の電極に伝送する第１の高周波給電ラインと、
    　前記プラズマ側の負荷インピーダンスを前記第１の高周波電源側のインピーダンスに整合させるために前記第１の高周波給電ライン上に設けられる第１の整合器と、
    　前記第１の高周波給電ライン上を前記第１の電極もしくは前記第２の電極から前記第１の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第１の反射波パワー測定部と、
    　前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波を出力する第２の高周波電源と、
    　前記第２の高周波電源からの前記第２の高周波を前記第１の電極まで伝送する第２の高周波給電ラインと、
    　前記プラズマ側の負荷インピーダンスを前記第２の高周波電源側のインピーダンスに整合させるために前記第２の高周波給電ライン上に設けられる第２の整合器と、
    　前記第２の高周波給電ライン上を前記第１の電極から前記第２の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第２の反射波パワー測定部と、
    　前記プラズマから前記第１の電極上の前記基板にイオンを引き込むための前記第２の周波数よりも低い第３の周波数を有する第３の高周波を出力する第３の高周波電源と、
    　前記第３の高周波電源からの前記第３の高周波を前記第１の電極まで伝送する第３の高周波給電ラインと、
    　前記第３の高周波給電ライン上を前記第１の電極から前記第３の高周波電源に向かって逆方向に伝搬する反射波のパワーを測定する第３の反射波パワー測定部と、
    　前記プラズマ側の負荷インピーダンスを前記第２の高周波電源側のインピーダンスに整合させるために前記第３の高周波給電ライン上に設けられる第３の整合器と、
    　前記第１、第２および第３の反射波パワー測定部よりそれぞれ得られる第１、第２および第３の反射波パワー測定値信号に基づいて前記第１、第２および第３の整合器の各々を制御する制御部と
    　を有するプラズマ処理装置。
  3. 　前記第１の反射波パワー測定部が、
    　前記第１の高周波給電ライン上の反射波を取り出す第１の方向性結合器と、
    　前記第１の周波数に対して前記第１の高周波給電ライン上の異周波反射波の中で最も近い周波数よりさらに近い第１の近傍周波数を有する第１の局部発振信号を発生する第１の局部発振器と、
    　前記第１の方向性結合器より取り出された反射波の信号と前記第１の局部発振信号とを混合する第１の混合器と、
    　前記第１の混合器より出力される信号のうち前記第１の周波数と前記第１の近傍周波数との差に相当する第１の中間周波数を有する第１の中間周波信号を選択的に通過させる第１のローパス・フィルタと、
    　前記第１のローパス・フィルタによって取り出された前記第１の中間周波信号を検波して、前記第１の反射波パワー測定値信号の一部を成す第１の基本反射波パワー測定値信号を出力する第１の検波器と
    　を有する、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 　前記第１の近傍周波数は、前記第１の周波数と前記第１の高周波給電ライン上の異周波反射波の中でそれに最も近い周波数との差の１／８～１／３だけ前記第１の周波数からオフセットしている、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
  5. 　前記第１の周波数に最も近い前記第１の高周波給電ライン上の異周波反射波の周波数は、次の式（１）を演算して決定される、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
    　±Ａ[ＭＨｚ]×ｍ±Ｂ[ＭＨｚ]×ｎ±Ｃ[ＭＨｚ]×ｌ　・・（１）
    　但し、Ａは第１の周波数、ｍはＡの高次係数（第ｍ次高調波）、Ｂは第２の周波数、ｎはＢの高次係数（第ｎ次高調波）、Ｃは第３の周波数、ｌはＣの高次係数（第ｌ次高調波）である。
  6. 　前記制御部が、前記式（１）を演算して、前記第１の周波数に最も近い前記異周波反射波の周波数を決定する、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 　前記第２の反射波パワー測定部が、
    　前記第２の高周波給電ライン上の反射波を取り出す第２の方向性結合器と、
    　前記第２の周波数に対して前記第２の高周波給電ライン上の異周波反射波の中で最も近い周波数よりさらに近い第２の近傍周波数を有する第２の局部発振信号を発生する第２の局部発振器と、
    　前記第２の方向性結合器より取り出された反射波の信号と前記第２の局部発振信号とを混合する第２の混合器と、
    　前記第２の混合器より出力される信号のうち前記第２の周波数と前記第２の近傍周波数との差に相当する第２の中間周波数を有する第２の中間周波信号を選択的に通過させる第２のローパス・フィルタと、
    　前記第２のローパス・フィルタによって取り出された前記第２の中間周波信号を検波して、前記第２の反射波パワー測定値信号の一部を成す第２の基本反射波パワー測定値信号を出力する第２の検波器と
    　を有する、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  8. 　前記第２の近傍周波数は、前記第２の周波数と前記第２の高周波給電ライン上の異周波反射波の中でそれに最も近い周波数との差の１／８～１／３だけ前記第２の周波数からオフセットしている、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
  9. 　前記第２の周波数に最も近い前記第２の高周波給電ライン上の異周波反射波の周波数は、次の式（２）を演算して決定される、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
    　±Ａ[ＭＨｚ]×ｍ±Ｂ[ＭＨｚ]×ｎ±Ｃ[ＭＨｚ]×ｌ　・・（２）
    　但し、Ａは第１の周波数、ｍはＡの高次係数（第ｍ次高調波）、Ｂは第２の周波数、ｎはＢの高次係数（第ｎ次高調波）、Ｃは第３の周波数、ｌはＣの高次係数（第ｌ次高調波）である。
  10. 　前記制御部が、前記式（２）を演算して、前記第１の周波数に最も近い前記異周波反射波の周波数を決定する、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
  11. 　前記第３の反射波パワー測定部が、
    　前記第３の高周波給電ライン上の反射波を取り出す第３の方向性結合器と、
    　前記第３の周波数に対して前記第３の高周波給電ライン上の異周波反射波の中で最も近い周波数よりさらに近い第３の近傍周波数を有する第３の局部発振信号を発生する第３の局部発振器と、
    　前記第３の方向性結合器より取り出された反射波の信号と前記第３の局部発振信号とを混合する第３の混合器と、
    　前記第３の混合器より出力される信号のうち前記第３の周波数と前記第３の近傍周波数との差に相当する第３の中間周波数を有する第３の中間周波信号を選択的に通過させる第３のローパス・フィルタと、
    　前記第３のローパス・フィルタによって取り出された前記第３の中間周波信号を検波して、前記第３の反射波パワー測定値信号の一部を成す第３の基本反射波パワー測定値信号を出力する第３の検波器と
    　を有する、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  12. 　前記第３の近傍周波数は、前記第３の周波数と前記第３の高周波給電ライン上の異周波反射波の中でそれに最も近い周波数との差の１／８～１／３だけ前記第２の周波数からオフセットしている、請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
  13. 　前記第３の周波数に最も近い前記第３の高周波給電ライン上の異周波反射波の周波数は、次の式（３）を演算して決定される、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
    　±Ａ[ＭＨｚ]×ｍ±Ｂ[ＭＨｚ]×ｎ±Ｃ[ＭＨｚ]×ｌ　・・（３）
    　但し、Ａは第１の周波数、ｍはＡの高次係数（第ｍ次高調波）、Ｂは第２の周波数、ｎはＢの高次係数（第ｎ次高調波）、Ｃは第３の周波数、ｌはＣの高次係数（第ｌ次高調波）である。
  14. 　前記制御部が、前記式（３）を演算して、前記第１の周波数に最も近い前記異周波反射波の周波数を決定する、請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
  15. 　前記第１の周波数Ａは４０．６８ＭＨｚであり、前記第２の周波数Ｂは１２．８８ＭＨｚであり、前記第３の周波数Ｃは３．２ＭＨｚである、請求項５，９，１３のいずれか一項記載のプラズマ処理装置。
  16. 　前記第１の反射波パワー測定部が、前記第１の周波数を含む第１の周波数帯域内のトータルの反射波パワーを測定して、前記第１の反射波パワー測定値信号の一部を成す第１のトータル反射波パワー測定値信号を出力する第１のトータル反射波パワー測定回路を有し、
    　前記第２の反射波パワー測定部が、前記第２の周波数を含む第２の周波数帯域内のトータルの反射波パワーを測定して、前記第２の反射波パワー測定値信号の一部を成す第２のトータル反射波パワー測定値信号を出力する第２のトータル反射波パワー測定回路を有し、
    　前記第３の反射波パワー測定部が、前記第３の周波数を含む第３の周波数帯域内のトータルの反射波パワーを測定して、前記第３の反射波パワー測定値信号の一部を成す第３のトータル反射波パワー測定値信号を出力する第３のトータル反射波パワー測定回路を有する、
    　請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
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