特許 6567943 プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6567943

(24)【登録日】2019年8月9日

(45)【発行日】2019年8月28日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20190819BHJP

   H01L 21/683 20060101ALI20190819BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20190819BHJP

   H02N 13/00 20060101ALI20190819BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101B

   H01L21/302 101G

   H01L21/68 R

   H05H1/46 A

   H02N13/00 D

【請求項の数】14

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-200701(P2015-200701)

(22)【出願日】2015年10月9日

(65)【公開番号】特開2016-131235(P2016-131235A)

(43)【公開日】2016年7月21日

【審査請求日】2018年6月21日

(31)【優先権主張番号】特願2015-2723(P2015-2723)

(32)【優先日】2015年1月9日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】特許業務法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】荒瀬 高男

(72)【発明者】

【氏名】森 政士

(72)【発明者】

【氏名】横川 賢悦

(72)【発明者】

【氏名】武川 祐亮

(72)【発明者】

【氏名】一野 貴雅

【審査官】 佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１４−５３３４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０９６５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６１０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５２７８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２９４２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／６８３

Ｈ０２Ｎ １３／００

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料がプラズマ処理される処理室と、
プラズマを生成するための高周波電力を供給する第１の高周波電源と、
前記試料を静電吸着膜に静電吸着させる第１の電極および第２の電極を具備し、前記試料が載置される試料台と、
前記第１の電極に第１の直流電圧を印加する第１の直流電源と、
前記第２の電極に第２の直流電圧を印加する第２の直流電源と、
前記試料台に高周波電力を供給する第２の高周波電源と、
前記試料台に印加された高周波電圧の第１の電圧値および第２の電圧値を検知する電圧検知部と、
前記第１の直流電源および前記第２の直流電源を制御する電源制御部と、を備え、
前記電源制御部は、前記試料台に供給される高周波電力が時間変調される場合、前記第１の電圧値、前記第２の電圧値および前記時間変調のデュティ比に基づいて前記高周波電圧のピーク間電圧値の時間平均値を求め、予め設定された前記第１の直流電圧と予め設定された前記第２の直流電圧の電位差および前記求められた時間平均値を用いて前記第１の直流電圧および前記第２の直流電圧を求め、前記求められた前記第１の直流電圧および前記求められた前記第２の直流電圧をそれぞれ前記第１の電極および前記第２の電極に印加するように前記第１の直流電源および前記第２の直流電源をそれぞれ制御し、
前記第１の電圧値は、前記時間変調された高周波電力の第１の期間における前記高周波電圧のピーク間電圧値であり、
前記第２の電圧値は、前記時間変調された高周波電力の第２の期間における前記高周波電圧のピーク間電圧値であり、
前記第１の期間の振幅は、前記第２の期間の振幅より大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電源制御部は、前記静電吸着膜の絶縁耐圧の上限以上の電圧が前記静電吸着膜に印加されたか否かを判定し、前記絶縁耐圧の上限以上の電圧が前記静電吸着膜に印加されたと判定した回数が予め設定された回数を上回った場合、前記静電吸着膜を交換することを促す警告を出力することを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項3】

請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記電源制御部は、前記第１の直流電圧および前記第２の直流電圧に基づいて前記第１の電極と前記試料の間の第１の電位差および前記第２の電極と前記試料の間の第２の電位差を求め、前記求められた前記第１の電位差または前記求められた前記第２の電位差が予め設定された前記絶縁耐圧の上限のしきい値以上の場合、前記絶縁耐圧の上限以上の電圧が前記静電吸着膜に印加されたと判定することを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項4】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記求められた前記第１の直流電圧および前記求められた前記第２の直流電圧は、プラズマ処理中に逐次求められ、
前記電源制御部は、前記逐次求められた前記第１の直流電圧および前記逐次求められた前記第２の直流電圧をそれぞれ前記第１の電極および前記第２の電極に印加するように前記第１の直流電源および前記第２の直流電源をそれぞれ制御することを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項5】

試料がプラズマ処理される処理室と、
プラズマを生成するための高周波電力を供給する第１の高周波電源と、
前記試料を静電吸着膜に静電吸着させる電極を具備し前記試料が載置される試料台と、
前記電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記試料台に高周波電力を供給する第２の高周波電源と、
前記試料台に印加された高周波電圧の第１の電圧値および第２の電圧値を検知する電圧検知部と、
前記直流電源を制御する電源制御部と、を備え、
前記電源制御部は、前記試料台に供給される高周波電力が時間変調される場合、前記第１の電圧値、前記第２の電圧値および前記時間変調のデュティ比に基づいて前記高周波電圧のピーク間電圧値の時間平均値を求め、前記求められた時間平均値および予め設定された前記直流電圧を用いて前記直流電圧を求め、前記求められた前記直流電圧を前記電極に印加するように前記直流電源を制御し、
前記第１の電圧値は、前記時間変調された高周波電力の第１の期間における前記高周波電圧のピーク間電圧値であり、
前記第２の電圧値は、前記時間変調された高周波電力の第２の期間における前記高周波電圧のピーク間電圧値であり、
前記第１の期間の振幅は、前記第２の期間の振幅より大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項6】

請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記求められた直流電圧は、前記試料がプラズマ処理される前に予め求められており、前記プラズマ処理の条件を規定するプラズマ処理条件に前記予め求められた前記直流電圧が設定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項7】

請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記求められた直流電圧は、プラズマ処理中に逐次求められ、
前記電源制御部は、前記逐次求められた直流電圧を前記電極に印加するように前記直流電源を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項8】

請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電圧のピーク間電圧値の時間平均値は、前記第１の電圧値と前記デュティ比との積に前記第２の電圧値と１から前記デュティ比を減じた値との積を加算して求められた値であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項9】

試料を静電吸着膜に静電吸着させる第１の電極および第２の電極を具備する試料台に時間変調された高周波電力を供給しながら前記試料台に載置される前記試料をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
前記第１の電極に第１の直流電圧を印加する工程と、
前記第２の電極に第２の直流電圧を印加する工程と、
第１の電圧値、第２の電圧値および前記時間変調のデュティ比に基づいて前記試料台に印加された高周波電圧のピーク間電圧値の時間平均値を求める工程と、
予め設定された前記第１の直流電圧と予め設定された前記第２の直流電圧の電位差および前記求められた時間平均値を用いて前記第１の直流電圧および前記第２の直流電圧を求める工程と、
前記求められた前記第１の直流電圧および前記求められた前記第２の直流電圧をそれぞれ前記第１の電極および前記第２の電極に印加する工程と、を有し、
前記第１の電圧値は、前記時間変調された高周波電力の第１の期間における前記高周波電圧のピーク間電圧値であり、
前記第２の電圧値は、前記時間変調された高周波電力の第２の期間における前記高周波電圧のピーク間電圧値であり、
前記第１の期間の振幅は、前記第２の期間の振幅より大きいことを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項10】

請求項９に記載のプラズマ処理方法において、
前記求められた前記第１の直流電圧および前記求められた前記第２の直流電圧は、プラズマ処理中に逐次求められ、
前記逐次求められた前記第１の直流電圧および前記逐次求められた前記第２の直流電圧をそれぞれ前記第１の電極および前記第２の電極に印加することを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項11】

請求項９に記載のプラズマ処理方法において
前記プラズマエッチングの条件を規定するプラズマ処理条件に設定されるパラメータは、前記第１の直流電圧の初期値と、前記第２の直流電圧の初期値と、前記高周波電圧のピーク間電圧値に対する前記試料台に印加される自己バイアス電圧の比と、前記第１の直流電圧の初期値と前記第２の直流電圧の初期値との電位差と、を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項12】

請求項９に記載のプラズマ処理方法において、
前記静電吸着膜の絶縁耐圧の上限以上の電圧が前記静電吸着膜に印加されたか否かを判定し、前記絶縁耐圧の上限以上の電圧が前記静電吸着膜に印加されたと判定した回数が予め設定された回数を上回った場合、前記静電吸着膜を交換することを促す警告をする工程をさらに有することを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項13】

請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
前記第１の直流電圧および前記第２の直流電圧に基づいて前記第１の電極と前記試料の間の第１の電位差および前記第２の電極と前記試料の間の第２の電位差を求め、
前記求められた前記第１の電位差または前記求められた前記第２の電位差が予め設定された前記絶縁耐圧の上限のしきい値以上の場合、前記絶縁耐圧の上限以上の電圧が前記静電吸着膜に印加されたと判定する工程をさらに有することを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項14】

試料を静電吸着膜に静電吸着させる電極を具備する試料台に時間変調された高周波電力を供給しながら前記試料台に載置される前記試料をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
前記電極に直流電圧を印加する工程と、
第１の電圧値、第２の電圧値および前記時間変調のデュティ比に基づいて前記試料台に印加された高周波電圧のピーク間電圧値の時間平均値を求める工程と、
前記求められた時間平均値および予め設定された前記直流電圧を用いて前記直流電圧を求める工程と、
前記求められた前記直流電圧を前記電極に印加する工程と、を有し、
前記第１の電圧値は、前記時間変調された高周波電力の第１の期間における前記高周波電圧のピーク間電圧値であり、
前記第２の電圧値は、前記時間変調された高周波電力の第２の期間における前記高周波電圧のピーク間電圧値であり、
前記第１の期間の振幅は、前記第２の期間の振幅より大きいことを特徴とするプラズマ処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関し、特に、プラズマ電位の上昇によるプラズマ処理装置の電極へのダメージ抑制に有効な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

プラズマエッチング装置などのプラズマ処理装置においては、半導体ウエハの温度を精度よく保つための技術として、半導体ウエハを静電吸着させ、該半導体ウエハと電極間にヘリウムガスを流す構造が広く用いられている。

【0003】

静電吸着方式としては、例えば単極（モノポール）と双極（ダイポール）との２方式が主に用いられる。単極方式は、１つの電極に静電吸着電圧を印加し、双極方式は、２つ以上の電極を設け、極性がそれぞれ異なる静電吸着電圧を印加する。

【0004】

静電吸着は、セラミックなどにて形成された薄い絶縁膜を介して、電極と半導体ウエハ間に直流電圧を与えることで実施される。また、半導体ウエハには、プラズマからのイオンを加速して入射されるため高電圧が印加されている。

【0005】

特許文献１には、電極に印加されている高周波電圧をモニタし、モニタされた高周波電圧信号に基づいて静電吸着（ＥＳＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｃｈｕｃｋ）用電源の出力電圧を制御することによって、静電吸着にかかる電圧を所望の値に保つことが開示されている。

【0006】

また、特許文献２には、半導体ウエハに印加する高周波電圧が高い電圧と低い電圧といった２種類の電圧を交互に印加し、高い電力の時間比率（ＴＭデュティ）と繰り返し周波数を設定してエッチングすることが開示されている。この特許文献２には、その際、モニタされるウエハに印加する高周波バイアス電圧のピーク値としては、高い電力時の値の安定値であることが開示されている。

【0007】

さらに、特許文献３には、プラズマ処理装置において、時間変調されていない高周波バイアス電圧が電極に印加されている場合における静電吸着用電源の出力電圧の制御についての技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００６−２１０７２６号公報

【特許文献2】特開２０１３−１２６２４号公報

【特許文献3】特開２０１０−１０２３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上記した特許文献２に記載されたエッチング技術、すなわち高い電圧と低い電圧との２つの高周波電圧を交互に印加しながら、特許文献１に記載の静電吸着用直流電流の制御方法を用いて、２．５ｋＶ以上のウエハバイアスを印加した場合について検討する。

【0010】

この条件においては、デュティ（Ｄｕｔｙ）が４０％以下および６０％以上で半導体ウエハのヘリウム裏面圧の時間変化の頻度が大きくなる。その結果、静電吸着力の低下および静電吸着膜の電圧破壊が発生する恐れが生じる。

【0011】

また、上記した背景技術における技術は、プラズマエッチング処理をＣＷ（連続波）バイアスを用いて行うものであるが、ＴＭ（Time Modulation）バイアスを使用する技術については考慮されていない。

【0012】

本発明の目的は、静電吸着膜の破壊なく、静電吸着力を確保しながら、プラズマ処理における試料の温度を高精度に制御することのできる技術を提供することにある。

【0013】

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

【0015】

すなわち、代表的なプラズマ処理は、処理室、第１の高周波電源、試料台、第１の直流電源、第２の直流電源、第２の高周波電源、電圧検知部、および電源制御部を有する。

【0016】

処理室は、試料がプラズマ処理される。第１の高周波電源は、処理室内にプラズマを生成する高周波電力を供給する。

【0017】

試料台は、静電吸着膜に埋め込まれ、試料を静電吸着膜に静電吸着させる第１の電極および第２の電極を具備し、試料が載置される。第１の直流電源は、第１の電極に第１の直流電圧を印加する。第２の直流電源は、第２の電極に第２の直流電圧を印加する。

【0018】

第２の高周波電源は、試料台に高周波電力を供給する。電圧検知部は、試料台に印加された高周波電力から第１の電圧値と第２の電圧値とを検知する。電源制御部は、第１の直流電源および第２の直流電源の設定電圧を制御する。

【0019】

電圧検知部が検知する第１の電圧値は、試料台に供給された高周波電力が時間変調された際に第１の振幅を有する時間変調の第１の期間における試料台に印加された高周波電力のピーク間電圧値である。

【0020】

電圧検知部が検知する第２の電圧値は、第１の振幅より小さい第２の振幅を有する時間変調の第２の期間における試料台に印加された高周波電力のピーク間電圧値である。

【0021】

また、電源制御部は、第１の電圧値、第２の電圧値、および時間変調のデュティ比に基づいて、試料台に印加された高周波電圧のピーク間電圧値の時間平均値を求め、求めた時間平均値および試料を静電吸着膜に静電吸着させる電圧であり、静電吸着膜の両端間の電位差である静電吸着用電圧を用いて第１の直流電圧および第２の直流電圧を求め、求められた第１の直流電圧および第２の直流電圧をそれぞれ出力するように第１の直流電源および第２の直流電源をそれぞれ制御する。

【0022】

特に、電源制御部は、静電吸着膜の絶縁耐圧の上限を超えた電圧が静電吸着膜に印加されたか否かを判定し、絶縁耐圧の上限を超えたと判定した回数が、予め設定された判定回数しきい値よりも多くなると、静電吸着膜を交換する旨の警告を出力する。

【発明の効果】

【0023】

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

【0024】

高品質なプラズマ処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】一実施の形態による双極方式電極を用いたプラズマ処理装置における要部の構成の一例を示す説明図である。

【図2】本発明者が検討したＥＳＣ電極に印加される高電力側のバイアス電圧である高周波電圧のモニタ値のみを用いた際における半導体ウエハの温度制御が困難になるプラズマ処理装置の各部の信号の一例を示すタイミングチャートである。

【図3】本発明者が検討したＥＳＣ電極に印加される高電力側のバイアス電圧である高周波電圧のモニタ値のみを用いた際における静電吸着膜が絶縁破壊してしまうプラズマ処理装置の各部の信号の一例を示すタイミングチャートである。

【図4】図１のプラズマ処理装置における各部の信号タイミングの一例を示すタイミングチャートである。

【図5】図１のプラズマ処理装置が有するＥＳＣ電源制御部によるエッチング処理中の制御動作の一例を示すフローチャートである。

【図6】一実施の形態による単極方式電極を用いたプラズマ処理装置における要部の構成の一例を示す説明図である。

【図7】一実施の形態によるプラズマ処理装置の概略断面を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

【0027】

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

【0028】

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

【0029】

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

【0030】

また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。

【0031】

以下、実施の形態を詳細に説明する。

【0032】

〈プラズマ処理装置の構成例〉
図１は、本実施の形態による図７に示すようなプラズマ処理装置における要部の構成の一例を示す説明図である。この図１では、プラズマ処理装置が有する被加工試料設置部１００および該被加工試料設置部１００に接続される各回路部について示している。

【0033】

プラズマ処理装置は、図１に示すように、試料台である被加工試料設置部１００が設けられている。被加工試料設置部１００は、半導体ウエハなどの後述する被加工試料１０４がプラズマ処理される図示しない処理室に設けられている。

【0034】

被加工試料設置部１００は、基材部１０１、静電吸着膜１０２、およびＥＳＣ電極１０３Ａ，１０３Ｂを有する。高周波電力が印加される基材部１０１の上部には、静電吸着膜１０２が載置されている。この静電吸着膜１０２は、例えばセラミックなどによって形成されている。また、静電吸着膜１０２には、ＥＳＣ電極１０３Ａ，１０３Ｂがそれぞれ埋め込まれている。

【0035】

第１の電極となるＥＳＣ電極１０３Ａは、図１の右側に配置されており、その左側には、第２の電極となるＥＳＣ電極１０３Ｂが配置されており、図１においては、双極方式静電吸着部の例を示している。静電吸着膜１０２には、被加工試料１０４が載置される。前述したように被加工試料１０４は、半導体ウエハなどである。

【0036】

ＥＳＣ電極１０３Ａには、低域通過フィルタ１０６Ａの一方が接続されており、該低域通過フィルタ１０６Ａの他方には、ＥＳＣ電源１０５Ａが接続されている。ＥＳＣ電極１０３Ｂには、低域通過フィルタ１０６Ｂの一方が接続されており、該低域通過フィルタ１０６Ｂの他方には、ＥＳＣ電源１０５Ｂが接続されている。これら低域通過フィルタ１０６Ａ，１０６Ｂは、いわゆるローパスフィルタ（ＬＰＦ：Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）である。

【0037】

第１の直流電源となるＥＳＣ電源１０５Ａは、低域通過フィルタ１０６Ａを介してＥＳＣ電極１０３Ａに直流電圧を供給する。第２の直流電源となるＥＳＣ電源１０５Ｂは、低域通過フィルタ１０６Ｂを介してＥＳＣ電極１０３Ｂに直流電圧を供給する。

【0038】

ＥＳＣ電極１０３Ａ，１０３Ｂには、極性の異なる直流電圧がそれぞれ供給されており、プラズマ１０７がない状態では、それぞれのＥＳＣ電極１０３Ａ，１０３Ｂに印加した直流電圧の電位差により、被加工試料１０４を静電吸着膜１０２に静電吸着する静電吸着用の電極である。

【0039】

また、基材部１０１には、高周波整合器１１１が接続されている。この高周波整合器１１１には、高周波電源１１２が接続されている。高周波整合器１１１は、後述する高電圧側Ｖｐｐ検出器１０８、低電圧側Ｖｐｐ検出器１０９、およびバイアス整合器１１０を有する構成からなる。バイアス整合器１１０は、高周波電源１１２から出力される高周波電力のバイアス整合を行う。

【0040】

電源制御部であるＥＳＣ電源制御部１１６は、高周波整合器１１１の高電圧側Ｖｐｐ検出器１０８および低電圧側Ｖｐｐ検出器１０９による検出結果に基づいて、ＥＳＣ電源１０５Ａ，１０５Ｂから出力される出力電圧値を設定する。

【0041】

また、Ｖｐｐ検出器(例えば高電圧側Ｖｐｐ検出器１０８のみ)にＨｉｇｈ／Ｌｏｗのタイミングを設けることにより１系統によるＶｐｐ検出結果に基づいて、ＥＳＣ電源１０５Ａ，１０５Ｂから出力される出力電圧を設定することもできる。

【0042】

また、基材部１０１には、バイアス整合器１１０を介して高周波電源１１２からの高周波電力がバイアス電力として印加される。高周波電源１１２は、例えば周波数４ＭＨｚ程度、出力１ｋＷ〜７．５ｋＷ程度の電源である。

【0043】

高周波電源１１２は、ＴＭモードとして、ＴＭデュティ（ＴＭ Ｄｕｔｙ）５−９５％程度、ＴＭ周波数０．１−５ｋＨｚ程度の範囲で出力する。このとき、ＴＭデュティは、１周期に対する高バイアスパワーの期間の比である。

【0044】

ＴＭモード、言い換えればＴＭバイアスは、被加工試料１０４に印加する高周波電圧が高い電圧と低い電圧の２種類の高周波電力（バイアス）を交互に印加し、その高周波電力の時間比率（ＴＭデュティ）と繰り返し周波数を設定してプラズマエッチングする。

【0045】

また、基材部１０１の内部には、冷媒を流す流路である複数の冷媒流路１１３が形成されている。冷媒流路１１３には、温度制御された冷媒が流れるようになっており、これによって、基材部１０１の温度が制御される。

【0046】

さらに、被加工試料１０４と静電吸着膜１０２との間には、ヘリウム供給部１１４よりヘリウムが一定圧力で供給されている。これによって、被加工試料１０４と静電吸着膜１０２との間の熱伝導が高められる。高周波電源１１２には、エッチング制御部１１５が接続されており、該高周波電源１１２は、エッチング制御部１１５により制御される。

【0047】

〈高周波電圧Ｖｐｐ＿Ｈのみを用いた電圧制御の問題点〉
ここで、これまでのＥＳＣ電源の出力電圧の制御技術について説明する。

【0048】

これまでの技術においては、ＥＳＣ電極に印加される高電力側のバイアス電圧である高周波電圧Ｖｐｐ＿Ｈのモニタ値のみを用いて、例えば以下の式に基づいて、２台のＥＳＣ電源の出力電圧（Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂ）を決定し、条件により異なる高周波電圧Ｖｐｐ値に対して、自動的に制御を行っていた。

【0049】

【数1】

【0050】

ここで、Ｖ_ＥＳＣはエッチングレシピ内で設定する２つのＥＳＣ電源１０５Ａ，１０５Ｂにおける出力電圧値の差である。Ｒ_１はレシピ内で設定するＶｄｃ／Ｖｐｐ比であり、実測結果から、連続出力（すなわちＴＭデュティ１００％）の場合で、通常０．３−０．４５程度を設定している。

【0051】

なお、実際の半導体ウエハ上の電位Ｖｗは、式３に基づいて算出する。

【0052】

【数2】

【0053】

図２、図３は、本発明者が検討したＥＳＣ電極に印加される高電力側のバイアス電圧である高周波電圧Ｖｐｐ＿Ｈのモニタ値のみを用いた際におけるプラズマ処理装置の各部の信号のタイミングチャートである。

【0054】

図２おいて、上方から下方にかけては、高Ｖｐｐの高周波波形２０１、低Ｖｐｐの高周波波形２０２、ＥＳＣ電極Ａへの印加電圧２０３、ＥＳＣ電極Ｂへの印加電圧２０５、実際の半導体ウエハ上の電位２０４、およびＥＳＣ電極Ａ，Ｂと被加工試料との間のそれぞれの電位差２０６，２０７をそれぞれ示している。

【0055】

同様に、図３おいて、上方から下方にかけては、高Ｖｐｐ波形である高周波波形３０１、低Ｖｐｐ波形である高周波波形３０２、ＥＳＣ電極Ａへの印加電極３０３、ＥＳＣ電極Ｂと印加電圧３０５、実際の半導体ウエハ上の電位３０４、および２つのＥＳＣ電極Ａ，Ｂと被加工試料との間のそれぞれの電位差３０６，３０７をそれぞれ示している。

【0056】

また、計測条件は、静電吸着膜の耐電圧（Ｖ_ｄ）が３０００Ｖ、エッチング設定値のうち、高出力４ｋＷ、低出力２００Ｗ、ＴＭデュティ４０％、ＴＭ周波数１ｋＨｚの２レベルＴＭ条件で、かつ、Ｒ_１＝０．４、吸着電圧の設定値Ｖ_ＥＳＣ＝３０００Ｖ時である。

【0057】

ここで、前述した高電力側のＶｐｐ_Ｈのモニタ電圧のみでＥＳＣ電極Ａ，Ｂの出力電圧を制御する場合について検討する。

【0058】

この場合、図２のように高出力時と低出力時とのＶｐｐ値の差が２．５ｋＶ以上になると、低出力時のＥＳＣ電極Ａと被加工試料との間の電位差２０６が、最低必要吸着電圧２０８（たとえば１ｋＶ程度）より小さくなってしまう。それにより、半導体ウエハの温度制御が困難になる。

【0059】

また、図３のように別のエッチング条件にてＶｐｐが３３３３Ｖ程度を超えた場合には、ＥＳＣ電極Ｂと被加工試料との間の電位差３０７が、静電吸着膜の絶縁耐電圧Ｖ_ｄより大きくなり、静電吸着膜が絶縁破損してしまうという問題が生じていた。

【0060】

〈問題点を解決する構成〉
そこで、図１に示すプラズマ処理装置では、前述したように高周波整合器１１１に、高電圧側Ｖｐｐ検出器１０８および低電圧側Ｖｐｐ検出器１０９を備える構成とした。そして、ＥＳＣ電源制御部１１６が、高電圧側Ｖｐｐ検出器１０８および低電圧側Ｖｐｐ検出器１０９から検出される検出値を用いてＥＳＣ電源１０５Ａ，１０５Ｂの出力値を決定する。

【0061】

電圧検知部となる高電圧側Ｖｐｐ検出器１０８は、エッチング制御部１１５もしくは高周波電源１１２から出力されたＴＭ周波数とＴＭデュティに対応するトリガ信号に基づいて、高電圧側のタイミングで検知されたＶｐｐ_Ｈを検出してＥＳＣ電源制御部１１６に出力する。

【0062】

また、同じく電圧検知部となる低電圧側Ｖｐｐ検出器１０９は、エッチング制御部１１５もしくは高周波電源１１２から出力されたＴＭ周波数とＴＭデュティに対応するトリガ信号に基づいて、低電圧側のタイミングで検知されたバイス電圧である高周波電圧Ｖｐｐ_Ｌを、ＥＳＣ電源制御部１１６へ出力する。

【0063】

そして、ＥＳＣ電源制御部１１６では、以下に示す式４から時間平均の高周波電圧を算出する。

【0064】

【数3】

【0065】

となる。このときＤは、ＴＭバイアスのＴＭデュティである。ＥＳＣ電源１０５Ａ，１０５Ｂの出力電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂは、式５および式６に基づいて算出する。

【0066】

【数4】

【0067】

本実施の形態において、２レベルＴＭでなく通常のＴＭバイアスの場合は、式５、式６にＶｐｐ＿Ｌ＝０（すなわち低出力パワーが０Ｗ）を代入すればよく、

【0068】

【数5】

【0069】

の両式にてＥＳＣ電源１０５Ａ，１０５Ｂを制御する。

【0070】

この時のＶｐｐ電圧波形、ＥＳＣ電源の出力電圧、そして、ＥＳＣ電極１０３Ａ、１０３Ｂと被加工試料１０４との間のそれぞれの電位差の信号タイミングについて説明する。

【0071】

〈プラズマ処理装置の信号タイミング例〉
図４は、図１のプラズマ処理装置における各部の信号タイミングの一例を示すタイミングチャートである。

【0072】

この図４おいて、上方から下方にかけては、高Ｖｐｐ波形の高周波波形４０１と低Ｖｐｐ波形の高周波波形４０２、ＥＳＣ電極Ａへの印加電圧４０３、実際の半導体ウエハ上の電位４０４、ＥＳＣ電極Ｂへの印加電圧４０５、およびＥＳＣ電極Ａ，Ｂと被加工試料との間のそれぞれの電位差４１１，４１２をそれぞれ示している。

【0073】

図１のプラズマ処理装置の場合、ＥＳＣ電源制御部１１６が、式４を用いて高出力時と低出力時の被加工試料１０４上の電位の時間平均値４０６を計算して、その値に基づいて、ＥＳＣ電源１０５Ａの出力電圧４０７とＥＳＣ電源１０５Ｂの出力電圧４０８を制御する。ここで、上記した高出力時は、第１の期間となり、低出力時は、第２の期間となる。

【0074】

この制御により、ＥＳＣ電極１０３Ａと被加工試料１０４との間の電位差４０９は、吸着力が大きくなる方向へシフトさせることが可能となる。かつ、低電圧時のＥＳＣ電極１０３Ｂと被加工試料１０４との間の電圧差Ｖ_Ｂ側の絶縁耐電圧も、静電吸着膜の絶縁耐電圧４１２以下に制御することが可能となる。

【0075】

このように、式５〜式８に示す制御式は、従来計算に対して、レシピ設定されたＴＭバイアスのＴＭデュティを自動的にＶｐｐの平均値として取り込むことができ、吸着力の確保および静電吸着膜１０２の破壊を回避できる領域を広げることが可能となった。

【0076】

この吸着力確保と絶縁耐圧力とを確保できる領域は、高Ｖｐｐと低Ｖｐｐとから構成されるＴＭバイアスにおいて、Ｖｐｐ＿ＨとＶｐｐ＿Ｌの差が大きいほど狭くなる。

【0077】

〈プラズマ処理装置が有するＥＳＣ電源制御部の制御動作例〉
図５は、図１のプラズマ処理装置が有するＥＳＣ電源制御部１１６によるエッチング処理中の制御動作の一例を示すフローチャートである。

【0078】

まず、被加工試料１０４が被加工試料設置部１００に載置されると、処理室にマイクロ波が供給され、ヘリウム供給部１１４により処理室内にヘリウムガスが供給される。そして、処理室内の圧力を所定の圧力に制御し、該処理室内に供給されたマイクロ波と図示しないソレノイドコイルにより発生した静磁場との相互作用によって、処理室内に高密度な図１に示すプラズマ１０７を発生させる。

【0079】

エッチングが開始されると（ステップＳ５０１）、エッチング制御部１１５にてエッチングレシピに記載された高周波電源１１２の出力モードがＴＭバイアスかＣＷ（連続波）バイアスか判定して（ステップＳ５０２）、その判定結果によるモードにて出力する（ステ
ップＳ５０３，Ｓ５０４）。

【0080】

プラズマが着火して高周波電源１１２が設定値どおり出力されてエッチング処理が実施されている間は、高電圧Ｖｐｐ検出器１０８および低電圧Ｖｐｐ検出器１０９で検知されたモニタ値Ｖｐｐ＿Ｈ、Ｖｐｐ＿Ｌが、ＥＳＣ電源制御部１１６に入力される（ステップＳ５０５）。

【0081】

続いて、上記した式５および式６に基づいて計算された出力電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂに相当する電圧を出力するようＥＳＣ電源１０５Ａ，１０５Ｂを制御する（ステップＳ５０６）。そして、計算された出力電圧Ｖ_Ａ，Ｖ_Ｂの値に対して、以下の判定を行う（ステップＳ５０７）。

【0082】

【数6】

【0083】

ここで、Ｖ_ｄは、静電吸着膜の耐圧使用上限しきい値（Ｖ）であり、Ｒ_２Ｈは、高出力時の実際のＶｄｃ／Ｖｐｐ比であり、Ｒ_２Ｌは、低出力時のＶｄｃ／Ｖｐｐ比である。

【0084】

式９は、高出力時の＋側電極であるＥＳＣ電極１０３Ａと被加工試料１０４間との電位差を表している。式１０は、高出力時の−側電極であるＥＳＣ電極１０３Ｂと被加工試料１０４間との電位差を表している。

【0085】

式１１は、低出力時の＋側電極であるＥＳＣ電極１０３Ａと被加工試料１０４との間の電位差を表している。式１２は、低出力時の−側電極であるＥＳＣ電極１０３Ｂと被加工試料１０４との間の電位差を表している。

【0086】

ＥＳＣ電源制御部１１６は、それぞれの電圧が静電吸着膜の耐圧使用上限しきい値より小さいとエッチング処理を継続し（ステップＳ５１２）、それ以上であると警告を発生して、警告カウンタを＋１増加させる（ステップＳ５０８）。

【0087】

そして、その静電吸着膜の耐圧上限を超えた回数が、あらかじめ設定された回数しきい値を超えた場合（ステップＳ５０９）、ＥＳＣ電極の交換の警告を出力する（ステップＳ
５１０）。

【0088】

ＥＳＣ電極交換の警告が出力された場合には、エッチング処理が終了した後、ＥＳＣ電極の交換を実施する（ステップＳ５１１）。ここで、回数しきい値は、例えばＥＳＣ電源制御部１１６が有する図示しないメモリなどに格納される。

【0089】

式９〜式１２においては、Ｒ_２Ｈ、Ｒ_２Ｌは高出力時、低出力時のＶｐｐ電圧に応じた関数であるが、事前に実験にて実測して、データベース化して使用することが望ましいが、レシピ設定値Ｒ_１などで代用してもよい。

【0090】

このときの２レベルでない通常のＴＭバイアスの場合、式９〜式１２のＲ_２は、ほぼ０とみなしてよく、以下のように単純化して使用してよい。

【0091】

【数7】

【0092】

〈実施例１〉
たとえば、しきい値Ｖ_ｄ＝３０００ＶのＥＳＣ電極を用いて、Ｖ_ＥＳＣ＝３０００Ｖ、Ｒ
_１＝０．４５、Ｄ＝８０％のレシピ設定値に対し、Ｖｐｐ_Ｈ＝４０００Ｖ、Ｖｐｐ＿Ｌ
＝０Ｖがモニタされた場合について考える。

【0093】

高電圧時のＥＳＣは、式７からＥＣＳ（＋）は６０Ｖ、式８からＥＣＳ（−）は−２９４０Ｖ、ＴＭバイアスの高電圧時はＣＷ時の式３から−１８００Ｖとなり、高電圧時のＥＳＣ電極と被加工試料間の電圧は、｜１８６０／１１４０Ｖ｜、式９、式１０から、低電圧時のＥＳＣ電極と被加工試料間の電圧は、｜６０／２９４０Ｖ｜となり、しきい値Ｖ_ｄを下回るため使用制限エラー、すなわち静電吸着膜の耐圧不良にはならない。

【0094】

しかし、Ｖｐｐ＝５０００Ｖになると、高電圧時のＥＳＣ電極と被加工試料間の電圧は、｜１９５０／１０５０Ｖ｜、式９、式１０から、低電圧時のＥＳＣ電極と被加工試料間の電圧は、｜３００／３３００Ｖ｜となる。よって、低電圧時の−側のＥＳＣ電極のしきい値Ｖ_ｄの上限を超えるため使用制限エラーになる。

【0095】

また、本実施の形態では、Ｖｐｐ_Ｌも検知して制御する例について示したが、低出力
側Ｖｐｐ検出器１０９が付いていない場合、式５，６にＶｐｐ_Ｌ＝０を代入して、

【0096】

【数8】

【0097】

の両式でＥＳＣ電源１０５Ａ，Ｂを制御することで、十分な吸着力を維持しつつ、静電吸着膜１０２の破壊を回避することが可能となる。

【0098】

〈実施例２〉
また、前記した実施例１の形態は、双極方式電極についての例を示したが、単極方式電極においても適用できる。
図６は、図１のプラズマ処理装置における要部の構成の他の例を示す説明図である。

【0099】

図６において、被加工試料設置部６００は、基材部６０１、静電吸着膜６０２、およびＥＳＣ電極６０３を有する。高周波電力が印加される基材部６０１の上部には、静電吸着膜６０２が載置されている。

【0100】

静電吸着膜６０２は、例えばセラミックなどによって形成されている。また、静電吸着膜６０２には、ＥＳＣ電極６０３がそれぞれ埋め込まれている。ＥＳＣ電極６０３には、低域通過フィルタ６０６が接続されており、該低域通過フィルタ６０６には、ＥＳＣ電源６０５が接続されている。

【0101】

直流電源となるＥＳＣ電源６０５は、低域通過フィルタ６０６を介してＥＳＣ電極６０３に直流電圧を供給する。

【0102】

また、基材部６０１には、高周波整合器６１０が接続されている。この高周波整合器６１０には、高周波電源６１１が接続されている。高周波整合器６１０は、Ｖｐｐ検出器６０８、およびバイアス整合器６０９を有する構成からなる。バイアス整合器６０９は、高周波電源６１１から出力される高周波電力のバイアス整合を行う。

【0103】

電源制御部であるＥＳＣ電源制御部６１５は、高周波整合器６１０のＶｐｐ検出器６０８による検出結果に基づいて、ＥＳＣ電源６０５から出力される出力電圧値を設定する。
ＥＳＣ電源の出力Ｖを式７へ代用して計算することが可能であるが、単極方式電極の吸着電圧の設定値は単極となるため、Ｖ_ＥＳＣ値は２分割せずそのままを代入して算出する。
すなわち、式１９に基づいて算出できる。

【0104】

【数9】

【0105】

続いて、上記した式１９に基づいて計算されたＶ_Ａに相当する電圧を出力するようＥＳＣ電源６０５を制御する。そして、計算されたＶ_Ａ値に対して、以下の判定を行う。

【0106】

【数10】

【0107】

ここで、Ｖ_ｄは、静電吸着膜の耐圧使用上限しきい値（Ｖ）、Ｒ_２Ｈは、高出力時の実際
のＶｄｃ／Ｖｐｐ比、Ｒ_２Ｌは低出力時のＶｄｃ／Ｖｐｐ比である。

【0108】

式２０は、高出力時のＥＳＣ電極６０３と被加工試料６０４間との電位差を表している。

【0109】

式２１は、低出力時のＥＳＣ電極６０３と被加工試料６０４との間の電位差を表している。

【0110】

式２０、式２１においては、Ｒ_２Ｈ、Ｒ_２Ｌは高出力時、低出力時のＶｐｐ電圧に応じた関数であるが、事前に実験にて実測し、データベース化して使用することが望ましいが、レシピ設定値Ｒ_１などで代用してもよい。

【0111】

このときの２レベルでない通常のＴＭバイアスの場合、式２０、式２１のＲ_２は、ほぼ０とみなしてよく、以下のように単純化して使用してよい。

【0112】

【数11】

【0113】

たとえば、 しきい値Ｖ_ｄ＝１０００ＶのＥＳＣ電極を用いて、Ｖ_ＥＳＣ＝５００Ｖ、Ｒ_１＝０．４５、Ｄ＝８０％のレシピ設定値に対して、Ｖｐｐ_Ｈ＝４００Ｖ、Ｖｐｐ＿Ｌ
＝０Ｖがモニタされた場合について考える。
高電圧時のＥＳＣは、式１９からＥＣＳは―６４４Ｖ、ＴＭの高電圧時はＣＷ時の式３から−１８０Ｖとなる。低電圧時のＥＳＣ電極と被加工試料間の電圧は、｜４６４Ｖ｜となり、しきい値Ｖ_ｄを下回るため使用制限エラー、すなわち静電吸着膜の耐圧不良にはならない。

【0114】

しかし、Ｖｐｐ＝２５００Ｖになると、高電圧時のＥＳＣ電極と被加工試料間の電圧は、｜２７５Ｖ｜、低電圧時のＥＳＣ電極と被加工試料間の電圧は、｜１４００Ｖ｜となる。よって、低電圧時のＥＳＣ電極のしきい値Ｖ_ｄの上限を超えるため使用制限エラーになる。

【0115】

また、図５に示すエッチング中の制御動作の一例のフローチャートも同様に適用できる。

【0116】

以上により、静電吸着膜６０２の破壊防止および試料の静電吸着力を確保しながら、プラズマ処理中の試料の温度を安定に制御することができる。それにより、高品質なプラズマ処理を行うプラズマ処理装置を実現することができる。

【0117】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【0118】

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【0119】

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

【0120】

例えば、上記した実施例１の場合には、Ｖ_Ａの初期値、Ｖ_Ｂの初期値、Ｒ_１およびＶ_ＡとＶ_Ｂの電位差をパラメータとしてレシピに設定することにより、プラズマ処理中の自動追従を可能にすることができる。

【0121】

また、上記した実施例２の場合においては、Ｖ_ＥＳＣの初期値、Ｒ_１、および静電吸着膜の両端間の電位差をパラメータとしてレシピに設定することにより、プラズマ処理中の自動追従を可能にすることができる。

【符号の説明】

【0122】

１００ 被加工試料設置部
１０１ 基材部
１０２ 静電吸着膜
１０３Ａ ＥＳＣ電極
１０３Ｂ ＥＳＣ電極
１０４ 被加工試料
１０５Ａ ＥＳＣ電源
１０５Ｂ ＥＳＣ電源
１０６Ａ 低域通過フィルタ
１０６Ｂ 低域通過フィルタ
１０７ プラズマ
１０８ 高電圧側Ｖｐｐ検出器
１０９ 低電圧側Ｖｐｐ検出器
１１０ バイアス整合器
１１１ 高周波整合器
１１２ 高周波電源
１１３ 冷媒流路
１１４ ヘリウム供給部
１１５ エッチング制御部
１１６ ＥＳＣ電源制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】