特許 6582391 プラズマ処理装置

(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】6582391

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20190919BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20190919BHJP

【ＦＩ】

   H05H1/46 L

   H01L21/302 101C

   H05H1/46 R

【請求項の数】10

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2014-225241(P2014-225241)

(22)【出願日】2014年11月5日

(65)【公開番号】特開2016-91812(P2016-91812A)

(43)【公開日】2016年5月23日

【審査請求日】2017年11月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002756

【氏名又は名称】特許業務法人弥生特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100091513

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 俊夫

(74)【代理人】

【識別番号】100162008

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧澤 宣明

(72)【発明者】

【氏名】山涌 純

(72)【発明者】

【氏名】松土 龍夫

(72)【発明者】

【氏名】輿水 地塩

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５２４９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５８３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０７３３９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−１５００３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０１６８３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ １／４６

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／３０２

Ｇ０８Ｃ １９／１２

Ｈ０１Ｑ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理容器内で被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
前記処理容器内に設けられ、被処理基板が載置される載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内の真空排気を行う排気部と、
前記載置台に対向して配置され、処理容器内に供給された処理ガスを誘導結合によってプラズマ化するプラズマ発生部と、を備え、
前記プラズマ発生部は、
誘電体窓を介して前記処理容器に隣接して配置され、高周波電源に接続されるとともに接地された第１の高周波アンテナと、
前記第１の高周波アンテナの外周側、または内周側に配置され、一端及び他端が共に開放端であり、高周波電源には接続されていない第２の高周波アンテナと、
前記第１の高周波アンテナが配置される空間を囲むシールド部材と、を備える、プラズマ処理装置。

【請求項2】

前記高周波電源から第１の高周波アンテナ側を見たときの回路の共振周波数を調整するための可変コンデンサを含むインピーダンス調整部を備え、
前記高周波電源から第１の高周波アンテナ側を見たときの回路は、高周波の周波数を変えていったときに、前記インピーダンス調整部の調整に応じた第１の共振周波数及び第２の共振周波数が現れるように構成されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

前記インピーダンス調整部は、可変コンデンサ群を含む、請求項２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記第１の高周波アンテナは、渦巻きコイルであり、一端が前記高周波電源に接続されるとともに、他端が接地される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

前記第１の高周波アンテナは、その他端がコンデンサを介して接地される、請求項４に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記第２の高周波アンテナは、渦巻きコイルである、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項7】

前記第２の高周波アンテナは、接地された前記シールド部材との寄生性の容量結合により、前記高周波電源及び第１の高周波アンテナとの間に給電回路を形成する、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項8】

前記処理容器はシールド部材の一部を構成し、
前記第２の高周波アンテナは、前記処理容器内に設けられている、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項9】

前記第２の高周波アンテナは、誘電体材料、導電体材料、または樹脂材料からなる材料群から選択される材料製のカバーで覆われている、請求項８に記載のプラズマ処理装置。

【請求項10】

前記カバー内には、第２の高周波アンテナの導線間の隙間を埋める充填物が充填されている、請求項９に記載のプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、処理ガスを励起させて被処理基板に対して処理を行うプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造プロセスの一つとして処理ガスをプラズマ化してエッチング、成膜処理などを行うプラズマ処理がある。例えば枚葉式のプラズマ処理装置においては、その処理種別により、基板の面方向におけるプラズマ密度分布を適切なものに調整できるようにすることが要求されている。この要求は具体的には処理容器内の構造に基づく場合や後処理における基板面内の処理の偏りに対応する場合などがあり、このため、プラズマ密度分布を基板の面内全体で均一に処理することに限らず、基板の中央部と周縁部との間でプラズマ密度分布に差をつけることなども挙げられる。

【0003】

プラズマ処理装置におけるプラズマの発生手法の一つとしては、例えばアンテナに高周波電力を供給し、処理容器内に誘導電界を発生させて処理ガスを励起させる手法がある。例えば特許文献１には、高周波を出力する高周波アンテナとしてコイル状の内側アンテナと、内側アンテナと同心となるコイル状の外側アンテナとを設け、各アンテナを夫々高周波の１／２波長の周波数で共振させる構成が記載されている。このプラズマ処理装置によれば、各アンテナにより夫々円形電場が形成されるため、プラズマの密度の面内分布をきめ細かく調整することができるが、内側アンテナと外側アンテナとに夫々高周波電源を設ける必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許５２２７２４５号公報：段落００５５〜００６２、図３〜６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高周波アンテナを利用してプラズマを発生させ、被処理基板に対して処理を行うプラズマ処理装置において、プラズマ密度の面内分布を調整することができる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るプラズマ処理装置は、処理容器内で被処理基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
前記処理容器内に設けられ、被処理基板が載置される載置台と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内の真空排気を行う排気部と、
前記載置台に対向して配置され、処理容器内に供給された処理ガスを誘導結合によってプラズマ化するプラズマ発生部と、を備え、
前記プラズマ発生部は、
誘電体窓を介して前記処理容器に隣接して配置され、高周波電源に接続されるとともに接地された第１の高周波アンテナと、
前記第１の高周波アンテナの外周側、または内周側に配置され、一端及び他端が共に開放端であり、高周波電源には接続されていない第２の高周波アンテナと、
前記第１の高周波アンテナが配置される空間を囲むシールド部材と、を備える。

【0007】

前記プラズマ処理装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記高周波電源から第１の高周波アンテナ側を見たときの回路の共振周波数を調整するための可変コンデンサを含むインピーダンス調整部を備え、前記高周波電源から第１の高周波アンテナ側を見たときの回路は、高周波の周波数を変えていったときに、前記インピーダンス調整部の調整に応じた第１の共振周波数及び第２の共振周波数が現れるように構成されていること。また、前記インピーダンス調整部は、可変コンデンサ群を含むこと。
（ｂ）前記第１の高周波アンテナは、渦巻きコイルであり、一端が前記高周波電源に接続されるとともに、他端が接地されること。このとき、前記第１の高周波アンテナは、その他端がコンデンサを介して接地されること。また、前記第２の高周波アンテナは、渦巻きコイルであること。
（ｃ）前記第２の高周波アンテナは、接地された前記シールド部材との寄生性の容量結合により、前記高周波電源及び第１の高周波アンテナとの間に給電回路を形成すること。
（ｄ）前記処理容器はシールド部材の一部を構成し、前記第２の高周波アンテナは、前記処理容器内に設けられていること。この場合に、前記第２の高周波アンテナは、誘電体材料、導電体材料、または樹脂材料からなる材料群から選択される材料製のカバーで覆われていること。さらに前記カバー内には、第２の高周波アンテナの導線間の隙間を埋める充填物が充填されていること。

【発明の効果】

【0008】

本発明は、第１の高周波アンテナと並べて配置された第２の高周波アンテナに対して給電を行うことにより、第１、第２の高周波アンテナに高周波電力を分配して処理容器内に形成されるプラズマ密度分布を調整し、被処理基板の処理の進行を面内で調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の縦断側面図である。

【図2】前記プラズマ処理装置に設けられているプラズマ発生部の模式図である。

【図3】従来のプラズマアンテナの作用に係る説明図である。

【図4】前記プラズマ発生部の変形例を示す模式図である。

【図5】他の例に係るプラズマ発生部の模式図である。

【図6】さらに他の例に係るプラズマ発生部の模式図である。

【図7】第２の実施形態に係るプラズマ発生部を備えたプラズマ処理装置の縦断側面図である。

【図8】第２の実施形態に係るプラズマ発生部の模式図である。

【図9】第１の実施形態に係るプラズマ発生部の周波数特性図である。

【図10】第１の実施形態に係るプラズマ発生部を用いて発生させたプラズマの密度分布を示す説明図である。

【図11】第１の実施形態に係るプラズマ発生部を用いて発生させたプラズマの状態を示す説明図である。

【図12】前記他の例に係るプラズマ発生部の周波数特性図である。

【図13】前記他の例に係るプラズマ発生部を用いて発生させたプラズマの密度分布を示す説明図である。

【図14】前記他の例に係るプラズマ発生部を用いて発生させたプラズマの状態を示す説明図である。

【図15】第２の実施形態に係るプラズマ発生部の周波数特性図である。

【図16】第２の実施形態に係るプラズマ発生部を用いて発生させたプラズマの状態を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置について説明する。図１には、被処理基板であるウエハＷのエッチングを行うプラズマエッチング装置に、本発明のプラズマ処理装置を適用した例を示している。
プラズマエッチング装置は、接地されたアルミニウムやステンレスなどの導電体製の処理容器１０を備え、処理容器１０の側面にはゲートバルブ１０２によって開閉され、ウエハＷの搬入出が行われる搬入出口１０１が設けられている。

【0011】

処理容器１０の底面側の中央部には、処理対象のウエハＷが載置される載置台と、プラズマ中のイオンの引き込み用（バイアス用）の電極とを兼ねる円板形状のサセプタ２１が設けられている。サセプタ２１は、絶縁体からなる円筒形状のサセプタ支持部２２によって支持されると共に、給電棒３１及び整合器３２を介してバイアス用の高周波電源３０が接続されている。高周波電源３０からは、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。

【0012】

サセプタ２１の上面には、ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック２３が設けられ、静電チャック２３の外周側には、ウエハＷの周囲を囲むフォーカスリング２４が設けられている。

【0013】

またサセプタ２１の内部には、冷媒たとえば冷却水（Ｃ．Ｗ．）を通流させてウエハＷの温度制御を行うための冷媒流路２１２が設けられている。冷媒流路２１２は、配管２１３を介して不図示のチラーユニットと接続され、当該チラーユニットから温度調節された冷却水が供給される。さらにサセプタ２１の内部には、静電チャック２３とウエハＷとの間に、伝熱ガスとして例えばＨeガスを供給するためのガス供給路２１４が設けられている。ガス供給路２１４は静電チャック２３を貫通し、その末端は静電チャック２３の上面に開口している。
これらに加え、サセプタ２１には、サセプタ２１を上下方向に貫通し、静電チャック２３の上面から突没して外部の搬送アーム（不図示）との間でウエハＷの受け渡しを行うための不図示の昇降ピンが設けられている。

【0014】

またバッフル板１１の周囲と処理容器１０の内壁との間には、多数のパンチ孔が形成されたパンチングプレートからなる環状のバッフル板１１が設けられている。このバッフル板１１の下方側に位置する処理容器１０の底面には排気口１２が形成され、排気口１２は排気管１３を介して真空排気機構１４に接続されている。これら排気口１２や排気管１３、真空排気機構１４は、本実施の形態の排気部を構成する。

【0015】

次いで、搬入出口１０１の上方側の処理容器１０の側壁内には、当該側壁の周方向に沿って処理ガス供給路４１が形成されている。処理ガス供給路４１が形成されている領域の処理容器１０の内壁面には、当該処理ガス供給路４１に連通する複数の処理ガス供給孔４２が、互いに間隔を開けて形成されている。さらに前記処理ガス供給路４１には、処理ガス供給管４３を介して、例えばＣＦ_４ガスやＣ_４Ｆ_８ガス、塩素ガスなどのエッチングガスである処理ガスを供給するための処理ガス供給機構４４が接続されている。処理ガス供給路４１、処理ガス供給孔４２、処理ガス供給管４３や処理ガス供給機構４４は、本実施の形態の処理ガス供給部に相当する。

【0016】

処理容器１０の天板部分には、例えば石英板などの誘電体で構成された誘電体窓５３が気密に設けられている。誘電体窓５３の上方側の空間は、導電体製の容器であるシールドボックス５１によって覆われ、これら誘電体窓５３とシールドボックス５１とで囲まれた空間は、プラズマ発生用のアンテナ５４１、５４２を収容するアンテナ室５２となる。処理容器１０上に配置されたシールドボックス５１は、当該処理容器１０を介して接地されている。

【0017】

以下、図２を参照しながら、処理ガスをプラズマ化するアンテナ５４１、５４２を備えたプラズマ発生部の構成について説明する。
第１の高周波アンテナであるＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）アンテナ５４１は、同一平面内で導線を渦巻き状（図２の例では上面側から見て時計回り）に捲回してなる面状の渦巻きコイルから構成される。

【0018】

真空排気された処理容器１０内に処理ガスを供給し、高周波電源６１からＩＣＰアンテナ５４１に高周波電力を印加すると、誘電体窓５３を介して処理容器１０内に高周波磁界が形成される。処理ガスは、この磁界の形成に伴って誘起される高周波電界によってプラズマ化する。

【0019】

ＩＣＰアンテナ５４１の一端（例えば内周側の端部）には、０．１〜１００ＭＨｚの範囲で周波数を変化させることが可能な高周波電源６１が接続されている。さらに高周波電源６１側には、反射調整用の整合回路として、高周波電源６１とＩＣＰアンテナ５４１との間に直列に接続された第１の可変コンデンサ６２、及び高周波電源６１の接地端と第１の可変コンデンサ６２との間に、高周波電源６１と並列に接続された第２の可変コンデンサ６３とが設けられている。

【0020】

また、ＩＣＰアンテナ５４１の他端（例えば外周側の端部）は、可変容量からなり、後述の共振周波数を調整するための第３の可変コンデンサ６４を介して接地されている。
これら第１〜第３の可変コンデンサ６２〜６４（可変コンデンサ群）は、本実施の形態のインピーダンス調整部に相当する。

【0021】

ここでＩＣＰアンテナ５４１を構成する渦巻きコイルの捲回方向や高周波電源を設置する端部、及び第３の可変コンデンサ６４を介して接地する端部の位置は、上述の例に限定されない。ＩＣＰアンテナ５４１は、上面側から見て反時計回りに捲回した面状の渦巻きコイルにて構成してもよいし、高周波電源６１をＩＣＰアンテナ５４１の外周側の端部に接続し、内周側の端部について、第３の可変コンデンサ６４を介して接地してもよい。

【0022】

上述のＩＣＰアンテナ５４１の例えば外周側には、当該ＩＣＰアンテナ５４１を囲むようにして第２の高周波アンテナである受電アンテナ５４２が配置されている。
従来、図３（ａ）に示すように、接地されたシールドボックス５１内に面状の渦巻きコイルからなるプラズマアンテナ５４２ａを配置し、不図示の高周波電源からプラズマアンテナ５４２ａに高周波電力を供給すると、プラズマアンテナ５４２ａとシールドボックス５１との間に容量結合Ｃが形成されることが知られている（図３（ｂ）の等価回路参照）。

【0023】

プラズマアンテナ５４２ａ及び容量結合Ｃを含む回路は、プラズマアンテナ５４２ａのアンテナ長（λ／２）やインダクタンス、容量結合Ｃの静電容量に対応した周波数Ｔにて共振し、プラズマ発生用のアンテナとして用いることができる。また当該回路の共振周波数は、プラズマアンテナ５４２ａとシールドボックス５１との距離を変更することにより調節できる。即ち、プラズマアンテナ５４２ａは、アンテナ長やシールドボックス５１との距離が固定された条件下で、固有の共振周波数を持っている。

【0024】

本実施の形態のプラズマエッチング装置はこのプラズマアンテナ５４２ａを利用し、シールドボックス５１内に配置されたＩＣＰアンテナ５４１の例えば外周側に、同一平面内で導線を渦巻き状（図２の例では、ＩＣＰアンテナ５４１と同じ上面側から見て時計回り）に捲回してなる面状の渦巻きコイルからなる受電アンテナ５４２を配置している。当該受電アンテナ５４２は、その一端及び他端（内周端及び外周端）が開放端となっており、直接には高周波電源６１に接続されていない。

【0025】

このとき、内外に並べて配置されたＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２のうち、高周波電源６１に接続されたＩＣＰアンテナ５４１に高周波電力を供給すると、受電アンテナ５４２側にも高周波電力が分配され、受電アンテナ５４２に対応するＩＣＰプラズマを処理容器１０内に形成できることを発明者らは見出した。

【0026】

上述の構成を備えたプラズマ発生部において、インピーダンス調整部を成す第１〜第３の可変コンデンサ６２〜６４の各容量を適切に調節し、共通の高周波電源６１から供給される高周波電力の周波数を変化させていくと、互いに異なる２つの共振周波数（第１の共振周波数及び第２の共振周波数）が現れることが分かった（後述の実施例参照）。これらの共振周波数が現れる位置は、インピーダンス調整部の各容量の設定によって調節することができる。なお、これら２つの共振周波数のうち、その一方が、図３を用いて説明したプラズマアンテナ５４２ａ単独の固有の共振周波数と同じ値となるといった制約が生じるものではない。

【0027】

またここで、２つの共振周波数が現れる位置を調整することが可能であれば、インピーダンス調整部の構成は上述の例に限られない。例えば第３の可変コンデンサ６４を設けずに、ＩＣＰアンテナ５４１の他端を直接、接地してもよい。この場合には、例えば高周波電源６１側の２つの可変コンデンサ６２、６３を用いて共振周波数の調節、及び反射率の調節を行うことができる。
さらに他のインピーダンス調整部の構成例として、受電アンテナ５４２とシールドボックス５１との距離を変えることで両者間の容量が変わるので、これらの距離を変化させることにより２つの共振周波数を調整してもよい。その場合には、昇降機構を含む受電アンテナ５４２の高さ調整機構を設けてこれらの距離を変化させてもよい。また、シールドボックス５１に電気的に接続された昇降機構付きのプレートを付設し、当該プレートと受電アンテナ５４２との距離を変化させてもよい。

【0028】

そして、２つの共振周波数間の周波数差が小さいとき、ＩＣＰアンテナ５４１の共振周波数の近傍の高周波電力を供給すると、受電アンテナ５４２への電力の分配が増大する一方、前記周波数差が大きくなると、受電アンテナ５４２への分配される電力が小さくなるという知見も得られた。

【0029】

以上に述べたＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２の特性を利用すれば、共通の高周波電源６１を用いて異なる高周波アンテナ５４１、５４２に高周波電力を分配し、処理容器１０内にＩＣＰプラズマを形成することが可能となる。そして、高周波電力の分配を変化させることにより、ウエハＷの面内でプラズマ密度の分布を調節することも可能となる。

【0030】

ここで、高周波電源６１に接続されたＩＣＰアンテナ５４１から、受電アンテナ５４２へ高周波電力が供給される原理の詳細は明らかでないが、図２に仮想的に示すように、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２との間や、受電アンテナ５４２とシールドボックス５１との間に容量結合Ｃ’、Ｃ’’が形成され、ワイヤレス給電における電磁界共鳴の原理によって給電が行われているのではないかと考えられる。本実施の形態において「電磁界共鳴」には、磁界共鳴と電界共鳴との組み合わせ、またはこれらの少なくとも一方によりＩＣＰアンテナ５４１から受電アンテナ５４２への給電が行われる場合が含まれる。

【0031】

そして、高周波電源６１→ＩＣＰアンテナ５４１→接地端に至る給電回路に加え、高周波電源６１→ＩＣＰアンテナ５４１→受電アンテナ５４２→シールドボックス５１→接地端に至る給電回路が形成されることにより、２つの共振周波数が現れるものと考えられる。
なお実験結果でも説明するように、２つの共振周波数のうち、いずれの共振周波数が２つの高周波アンテナ５４１、５４２のどちらに対応するものであるかを特定することはできない。

【0032】

ここで受電アンテナ５４２の設計変数を挙げておくと、ＩＣＰアンテナ５４１のアンテナ長やシールドボックス５１と受電アンテナ５４２との距離やＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２との距離を挙げることができる。そして、ＩＣＰアンテナ５４１へ供給される高周波電力の設計周波数（例えば後述の中心周波数）に対し、これらの変数を調節することにより、例えば設計周波数に近い固有の共振周波数を持つ受電アンテナ５４２を設けることができる。

【0033】

例えばＩＣＰアンテナ５４１及び受電アンテナ５４２を含む回路が１２．５６〜１４．５６（中心周波数１３．５６）ＭＨｚの範囲の共振周波数を持つように設計する場合には、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２との最短距離は３〜２０ｍｍ、受電アンテナ５４２とシールドボックス５１との最短距離は３〜５０ｍｍとする例が挙げられる。また前記中心周波数（１３．５６ＭＨｚ）における高周波電力の波長をλとするとき、受電アンテナ５４２のアンテナ長はλ／２に周辺環境に応じた短縮率を乗じた値となり、巻き数などによっても左右されるが、例えば２〜４ｍ程度となる。

【0034】

しかる後、第１〜第３の可変コンデンサ６２〜６４（インピーダンス調整部）の各容量を調整することにより、２つの共振周波数が現れる位置を調節することが可能となる。これらの可変コンデンサ６２〜６４の調節法としては、第３の可変コンデンサ６４の容量を変化させて共振周波数を変化させつつ、第１、第２の可変コンデンサ６２、６３にて反射を調節する例が挙げられる。

【0035】

プラズマエッチング装置の説明に戻ると、図１に示すようにプラズマエッチング装置は、全体の動作を統括制御する制御部７と接続されている。制御部７は不図示のＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部にはプラズマエッチング装置の作用、即ち処理容器１０内へのウエハＷの搬入出や真空排気、処理ガスの供給量調節や、高周波電源６１からの高周波電力の供給、インピーダンス調整部の容量設定などの動作についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。

【0036】

以上の構成を備えたプラズマエッチング装置の作用について説明する。
例えば処理容器１０に隣接して設けられた真空搬送室内の搬送アームにより、搬入出口１０１を介して処理対象のウエハＷが処理容器１０内に搬入されると、不図示の昇降ピンを上昇させて、搬送アームから昇降ピンにウエハＷを受け取る。処理容器１０内から搬送アームが退避すると、ゲートバルブ１０２が閉じられ、また昇降ピンを降下させて静電チャック２３にウエハＷが載置される。

【0037】

静電チャック２３に直流電力を供給すると、ウエハＷが吸着保持される。このとき、冷媒流路２１２には温度調節された冷却水が通流しており、ガス供給路２１４からウエハＷの裏面に供給された伝熱ガスを介してウエハＷの温度調整が実行される。また、処理容器１０内は、真空排気機構１４によって排気口１２を介して真空排気が行われる。

【0038】

処理容器１０内が所定の圧力となったら、真空排気機構１４による真空排気を継続しつつ、処理ガス供給機構４４から処理容器１０内に処理ガスを供給する。また、高周波電源６１からＩＣＰアンテナ５４１に高周波電力を供給する。さらに、サセプタ２１に対しては、高周波電源３０からバイアス用の高周波電力を供給する。
ＩＣＰアンテナ５４１に高周波電力を供給すると、当該電力の一部が受電アンテナ５４２にも分配され、誘電体窓５３を介して、これらＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２の下方側にＩＣＰプラズマが形成される。

【0039】

このとき、高周波電源６１からＩＣＰアンテナ５４１に供給される高周波電力の周波数、第１〜第３の可変コンデンサ６２〜６４の容量は、処理レシピなどによって予め設定されている。この結果、ＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２の下方側には、これらの設定値に対応した所望のプラズマ密度分布が形成され、当該プラズマ密度分布に対応して、処理ガスのイオンなどの活性種の濃度分布が形成される。

【0040】

こうして得られた活性種が、バイアス電力の作用により、サセプタ２１上のウエハＷに引き込まれ、ウエハＷの表面に到達してエッチング処理が実行される。このとき、上述のプラズマ密度分布に対応する活性種の供給濃度分布が形成されていることにより、ウエハＷの面内でエッチング処理の進行度合いを変化させることができる。

【0041】

なお、ＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２により形成されるプラズマ密度分布は、ウエハＷの面内で不均一になるように調節する場合に限定されない。例えば、単独のＩＣＰアンテナ５４１を用いて形成したＩＣＰプラズマのプラズマ密度がウエハＷの中央部側と外周側との間で不均一になる場合に、ＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２の高周波電力の分配を調節することにより、ＩＣＰアンテナ５４１単独でのプラズマ密度分布の不均一さを解消して、ウエハＷの面内で均一な処理を行ってもよいことは勿論である。

【0042】

所定の時間だけウエハＷのエッチング処理を実行したら、処理ガス供給孔４２からの処理ガスの供給、及び高周波電源６１、３０からの高周波電力の供給を停止する。しかる後、処理容器１０内の圧力調整を行い、次いでゲートバルブ１０２を開いて搬入時とは反対の順序で搬送アームにウエハＷを受け渡し、処理後のウエハＷを処理容器１０から搬出する。

【0043】

本実施の形態に係るプラズマエッチング装置（プラズマ処理装置）によれば以下の効果がある。ＩＣＰアンテナ（第１の高周波アンテナ）５４１と並べて配置された受電アンテナ（第２の高周波アンテナ）５４２に対して給電を行い、さらに互いに異なる共振周波数を持つように、インピーダンス調整部を用いて調節することにより、これらの高周波アンテナ５４１、５４２に供給される高周波電力の分配を変化させることができる。この結果、処理容器１０内に形成されるプラズマ密度分布を変化させ、ウエハＷの処理の進行を面内で調整することができる。

【0044】

ここでＩＣＰアンテナ５４１及び受電アンテナ５４２の配置位置の関係は、ＩＣＰアンテナ５４１の外周側に受電アンテナ５４２を配置する場合に限定されない。例えば図４に示すように、外周側に配置された渦巻きコイルの一端（例えば内周端）を高周波電源６１に接続する一方、他端を接地してＩＣＰアンテナ５４１を構成し、内周側に配置された渦巻きコイルの両端を開放端として受電アンテナ５４２を構成してもよい。
この場合にもＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２との間、及び受電アンテナ５４２とＩＣＰアンテナ５４１との間に容量結合Ｃ’、Ｃ’’を形成して、ＩＣＰアンテナ５４１から受電アンテナ５４２に高周波電力を分配することができる。

【0045】

図５は、ＩＣＰアンテナ５４１の外周側に受電アンテナ５４２を配置したプラズマ発生部の例において、受電アンテナ５４２の一端（例えば外周端）と、シールドボックス５１との間に第４の可変コンデンサ５５を設けてＩＣＰアンテナ５４１を含む受電回路の共振周波数を調節する例を示している。この場合には、例えば第３の可変コンデンサ６４、第４の可変コンデンサ５５の容量を変化させて共振周波数を変化させつつ、第１、第２の可変コンデンサ６２、６３にて反射を調節することができる。

【0046】

また、第４の可変コンデンサ５５の容量を固定し、第３の可変コンデンサ６４によるＩＣＰアンテナ５４１側の共振周波数の調節のほか、第１の可変コンデンサ６２を変化させて、高周波電力供給側の回路定数を変化させて、ＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２を含む系全体の共振周波数などを変化させ、ＩＣＰアンテナ５４１−受電アンテナ５４２間の電力の分配を調節してもよい。この場合、反射率の調整は第２の可変コンデンサ６３により行う。

【0047】

さらに図６は、ＩＣＰアンテナ５４１の外周側に受電アンテナ５４２を配置したプラズマ発生部の例において、第５の可変コンデンサ６５を介して受電アンテナ５４２の一端（例えば内周端）を接地した例を示している。この場合には、受電アンテナ５４２を介して接地側に短絡させた一端側には電流が流れないことから、ＩＣＰアンテナ５４１から受電アンテナ５４２へ至る中央部側の領域でプラズマ密度を小さくすることができる。

【0048】

次いで、図７、図８を参照しながら、第２の実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成について説明する。図７、図８において、図１〜図６を用いて説明したものと共通の構成要素には、これらの図に示したものと共通の符号を付してある。
第２の実施形態は、プラズマ発生部を構成するＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２ｂとの配置高さが異なり、誘電体窓５３の下方の処理容器１０内に受電アンテナ５４２が配置されている点が、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２とが共通のアンテナ室５２内のほぼ同じ高さ位置に配置されている第１の実施形態と異なっている。

【0049】

この場合において、ＩＣＰアンテナ５４１を上面側から見たとき、受電アンテナ５４２ｂはＩＣＰアンテナ５４１の外周側、または内周側に配置される（図７、図８にはＩＣＰアンテナ５４１の外周側に受電アンテナ５４２ｂを配置した例を示してある）。このように、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２ｂの高さ位置を上下にずらして配置する場合には、上面側から見たとき、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２ｂとの一部が重なっていてもよい。

【0050】

プラズマアンテナ５４２ａの構成については、図２を用いて説明した受電アンテナ５４２と共通のものを用いることができる。但し、受電アンテナ５４２はアルミニウムや銅、カーボンブラックなどの導電体製、または石英やアルミナなどの誘電体製、フッ素樹脂や芳香族ポリエーテルケトン樹脂（例えばＰＥＥＫ（polyetheretherketone））などの樹脂製のカバー５６内に収容することが好ましい。

【0051】

例えば誘電体製や樹脂製のカバー５６を用いる場合には、受電アンテナ５４２ｂを収容可能な円環板形状のカバー５６に、受電アンテナ５４２ｂの形状に対応する溝を掘り、この溝内に受電アンテナ５４２ｂを収容した後、受電アンテナ５４２の上面を樹脂などで塞ぐ構成が挙げられる。また、導電体製のカバー５６を用いる場合には内部が空洞の円環板形状のカバー５６内に樹脂を充填して当該樹脂内に受電アンテナ５４２ｂを配置する構成が挙げられる。さらに、導電体製のカバー５６については、接地する必要もある。
処理容器１０内に配置した受電アンテナ５４２ｂの導線間に隙間があると、電位の高い箇所で異常放電が発生するおそれがあるため、これらの隙間を埋めることにより、異常放電の発生を抑えることができる。

【0052】

処理容器１０内に受電アンテナ５４２ｂを配置する場合においても、図８に示すように、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２との間に容量結合Ｃ’が形成され、受電アンテナ５４２と処理容器１０との間に容量結合Ｃ’’が形成されて、２つの共振周波数が現れると共に、ＩＣＰアンテナ５４１から受電アンテナ５４２ｂへの高周波電力の分配を行うことができる（後述の実施例参照）。

【0053】

図８に示す例において、接地されると共に、受電アンテナ５４２ｂと容量結合する金属製の処理容器１０は、受電アンテナ５４２から放射される電磁波をシールドすることができるので、シールドボックス５１の一部を構成しているということができる。なお図８においてはカバー５６の記載を省略してある。

【0054】

ここで、図１〜２、図４〜８を用いて説明した各実施の形態においては、面状の渦巻きコイルにより、ＩＣＰアンテナ５４１や受電アンテナ５４２、５４２ｂを構成した実施の形態について説明したが、これらのアンテナ５４１、５４２、５４２ｂを構成する渦巻きコイルは面状に限定されない。例えば、軸線方向に伸びる、つる巻き線状の渦巻きコイルをＩＣＰアンテナ５４１や受電アンテナ５４２、５４２ｂとして用いてもよい。

【0055】

以上、図１、図７においては、本発明のプラズマ発生部をプラズマエッチング装置に適用した実施の形態について説明したが、当該プラズマ発生部を利用可能なプラズマ処理装置は、エッチング処理を行うものに限定されないことは勿論である。例えば、酸素ガスなどの処理ガスをプラズマによって活性化させて、ウエハＷに形成されたレジスト膜を除去するプラズマアッシング装置や、プラズマにより活性化させた成膜ガス（処理ガス）をウエハＷの表面で反応させてＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）などの成膜を行うプラズマ成膜装置などにも、本発明のプラズマ発生部は適用することができる。

【実施例】

【0056】

（実験１）
図１、図２を用いて説明したプラズマ発生部を用い、高周波電源６１から供給する高周波電力の周波数を変化させて共振周波数を調べた。
Ａ．実験条件
巻き数２のＩＣＰアンテナ５４１と、巻き数５、共振周波数２７ＭＨｚの受電アンテナ５４２とを用い、シールドボックス５１内の同じ高さ位置にＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２とを配置した。第１の可変コンデンサ６２、第２の可変コンデンサ６３、第３の可変コンデンサ６４の容量を固定した条件下で、高周波電源６１から供給される高周波電力の周波数を１０〜６０ＭＨｚの範囲で変化させ、高周波電源６１側から反射率を観測した。

【0057】

Ｂ．実験結果
実験結果を図９に示す。図９の横軸は高周波電力の周波数、縦軸は高周波電源６１側から見た高周波電力の反射率を示している。図９によれば、受電アンテナ５４２の共振周波数である２７ＭＨｚの近傍の２箇所に、反射率が急激に小さくなる周波数が観察された。これらはＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２を含む回路の共振周波数である。これら共振周波数が発生する位置は、各可変コンデンサ６２〜６４の容量によって種々、変化し、いずれの共振周波数が２つの高周波アンテナ５４１、５４２のどちらに対応するものであるか、特定することはできない。なお、３０ＭＨｚより高周波領域に現れている反射率の小さな低下は、周辺回路の固定パラメータ間での共振の影響と考えられ、ＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２を用いたＩＣＰプラズマ形成の観点においては無視できる。

【0058】

（実験２）
実験１と同様のプラズマ発生部を用い、第３の可変コンデンサ６４の容量を変化させたときにＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２によって形成されるＩＣＰプラズマの状態を観察した。
Ａ．実験条件
第３の可変コンデンサ６４のＣｅの容量を次第に大きくする一方、高周波電源６１から見た反射率が小さくなるように、高周波電源６１から供給される高周波電力の周波数、第１の可変コンデンサ６２、第２の可変コンデンサ６３のＣ２、Ｃ１の値を調節してプラズマの状態を観察した。プラズマの状態の観察は、プラズマ密度分布の計測、及び写真撮影（目視）により行った。

【0059】

Ｂ．実験結果
図１０にウエハＷの径方向に見たプラズマ密度の分布を示す。図１０の横軸は、ウエハＷの中心に対応する位置からの径方向の距離を示し、縦軸は電子密度Ｎｅを電子密度の最大値ＮｅＭａｘで規格化した値を示している。図１０において、黒塗りの三角のプロットにおけるＣｅの容量が最も小さく、白抜きの丸のプロットのＣｅの容量は中程度、バツ印のプロットにてＣｅの容量が最大となっている。また、図１１（ａ）〜（ｃ）に示した写真においては、図１１（ａ）はＣｅの容量が最も小さく、図１１（ｂ）が中程度、図１１（ｃ）が最大となっている。なお、図１０と図１１との間で、第３の可変コンデンサ６４のＣｅの容量など、実験条件は同じではない。

【0060】

図１０に示した結果によれば、第３の可変コンデンサ６４のＣｅの値を大きくするにつれて、規格化電子密度の高い領域がウエハＷの周縁部側へ移動する一方、中央部側では規格化電子密度が次第に小さくなっている。この傾向は、写真撮影の結果においても観察され、第３の可変コンデンサ６４のＣｅの値を大きくするにつれて、プラズマの発光領域が周縁部側へ移動する一方、中央部側のプラズマは弱く（暗く）なっていることが分かる。 このように、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２とを備え、２つの共振周波数を持つ回路を構成するプラズマ発生部を用いることにより、高周波電源６１が１つしかない場合であってもプラズマ密度分布を調整することが可能であることを確認できた。

【0061】

（実験３）
図５を用いて説明したプラズマ発生部を用い、高周波電源６１から供給する高周波電力の周波数を変化させて共振周波数を調べた。
Ａ．実験条件
実験１と同様の構成のＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２を用い、第１の可変コンデンサ６２、第２の可変コンデンサ６３の容量を各々Ｃ２：６６ｐＦ、Ｃ１：７７ｐＦとし、第３の可変コンデンサ６４、第４の可変コンデンサ５５の容量Ｃｅ、Ｃｈについては所定の固定値とした。そして、高周波電源６１から供給される高周波電力の周波数を１０〜７０ＭＨｚの範囲で変化させ、高周波電源６１側から反射率を観測した。

【0062】

Ｂ．実験結果
実験結果を図１２に示す。図１２の横軸及び縦軸は図９と同様である。受電アンテナ５４２とシールドボックス５１との間に第４の可変コンデンサ５５を設けた場合においても、受電アンテナ５４２の共振周波数である２７ＭＨｚの近傍に２つの共振周波数が観察された。

【0063】

（実験４）
実験３と同様のプラズマ発生部を用い、第１の可変コンデンサ６２の容量を変化させたときにＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２によって形成されるＩＣＰプラズマの状態を観察した。
Ａ．実験条件
第３の可変コンデンサ６４のＣｅは固定し、第１の可変コンデンサ６２のＣ２の容量を次第に小さくし、高周波電源６１から見た反射率が小さくなるように、高周波電源６１から供給される高周波電力の周波数、第２の可変コンデンサ６３のＣ１の値を調節してプラズマの状態を観察した。プラズマの状態の観察の手法は実験２と同様である。

【0064】

Ｂ．実験結果
図１３にウエハＷの径方向に見たプラズマ密度の分布を示す。図１３の横軸及び縦軸は図１０と同様である。図１３において、白抜きのひし形のプロットはＣ２の容量が大きく（Ｃ２：６７ｐＦ）、白抜きの四角のプロットはＣ２の容量が小さい（Ｃ２：５６ｐＦ）。また、図１４（ａ）、（ｂ）に示した写真においては、図１４（ａ）はＣ２の容量が小さく、図１４（ｂ）はＣ２の容量が大きい。なお、図１３と図１０との間でも、第１の可変コンデンサ６２、第２の可変コンデンサ６３のＣ２、Ｃ１などの実験条件は同じではない。

【0065】

図１３に示した結果によれば、第３の可変コンデンサ６４のＣｅの容量を固定したとき、第１の可変コンデンサ６２のＣ２を小さくすると、規格化電子密度の高い領域がウエハＷの周縁部側へ移動する一方、中央部側では規格化電子密度が次第に小さくなっている。この傾向は、写真撮影の結果においても観察され、第１の可変コンデンサ６２のＣ２を小さくすると、プラズマの発光領域が周縁部側へ移動する一方、中央部側のプラズマは弱くなって暗くなっていることが分かる。
このように、受電アンテナ５４２とシールドボックス５１との間に第４の可変コンデンサ５５を設けた例においても、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２とを備え、２つの共振周波数を持つ回路を構成するプラズマ発生部を用いることにより、高周波電源６１が１つしかない場合であってもプラズマ密度分布を調整することが可能であることを確認できた。

【0066】

（実験５）
図７、図８を用いて説明したプラズマ発生部を用い、高周波電源６１から供給する高周波電力の周波数を変化させて共振周波数を調べた。
Ａ．実験条件
実験１と同様の構成のＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２ｂを用い、第１の可変コンデンサ６２、第２の可変コンデンサ６３、第３の可変コンデンサ６４の容量を所定の値に固定した。そして高周波電源６１から供給される高周波電力の周波数を１０〜６０ＭＨｚの範囲で変化させ、高周波電源６１側から反射率を観測した。ここで誘電体窓５３は石英板であり、受電アンテナ５４２ｂは石英製のカバー５６内に収容されている。

【0067】

Ｂ．実験結果
実験結果を図１５に示す。図１５の横軸及び縦軸は図９と同様である。ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２ｂとの間に誘電体窓５３が介在している場合であっても、Ｉ受電アンテナ５４２ｂの共振周波数である２７ＭＨｚの近傍に２つの共振周波数が観察された。

【0068】

（実験６）
実験５と同様のプラズマ発生部を用い、ＩＣＰアンテナ５４１、受電アンテナ５４２によって形成されるＩＣＰプラズマの状態を観察した。
Ａ．実験条件
第３の可変コンデンサ６４のＣｅを所定の値に調整し、高周波電源６１から見た反射率が小さくなるように、高周波電源６１から供給される高周波電力の周波数、第１の可変コンデンサ６２、第２の可変コンデンサ６３のＣ２、Ｃ１の値を調節してプラズマの状態を観察した。プラズマの状態の観察は写真撮影（目視）により行った。

【0069】

Ｂ．実験結果
図１６に写真撮影の結果を示す。図１６によれば、ＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２ｂとの間に誘電体窓５３が介在している場合であっても、２つの共振周波数を持つ回路を構成するプラズマ発生部を用いることにより、１つの高周波電源６１にてＩＣＰアンテナ５４１と受電アンテナ５４２ｂが配置されている位置に対応させてプラズマを発生させることが可能であることを確認できた。

【符号の説明】

【0070】

Ｗ ウエハ
１０ 処理容器
１２ 排気口
１４ 真空排気機構
２１ サセプタ
４４ 処理ガス供給機構
５１ シールドボックス
５３ 誘電体窓
５４１ ＩＣＰアンテナ
５４２ 受電アンテナ
５５ 第４の可変コンデンサ
５６ カバー
６１ 高周波電源
６２ 第１の可変コンデンサ
６３ 第２の可変コンデンサ
６４ 第３の可変コンデンサ
６５ 第５の可変コンデンサ
７ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】