特許 6584329 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】6584329

(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 21/31 20060101ALI20190919BHJP

   C23C 16/509 20060101ALI20190919BHJP

【ＦＩ】

   H05H1/46 R

   H01L21/31 C

   C23C16/509

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-7909(P2016-7909)

(22)【出願日】2016年1月19日

(65)【公開番号】特開2017-130305(P2017-130305A)

(43)【公開日】2017年7月27日

【審査請求日】2018年10月29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】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】山澤 陽平

(72)【発明者】

【氏名】古屋 敦城

【審査官】 藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２５１１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−７３７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２８１７１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ １／４６

Ｃ２３Ｃ １６／５０９

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高周波電力を供給する高周波電源と、
前記高周波電力により、内部にてプラズマが形成される処理容器と、
前記高周波電源と前記処理容器との間に設けられ、電気的な基点となる接続部と、
前記接続部にて前記処理容器と並列に接続され、前記接続部からプラズマ側を見た際の負荷インピーダンスの変動を抑制する負荷変動安定化回路と、
を有するプラズマ処理装置。

【請求項2】

前記負荷変動安定化回路のリアクタンスの符号と、前記接続部から前記処理容器側を見た際のリアクタンスの符号とは、同一符号である、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

前記負荷変動安定化回路のリアクタンスの符号と、前記接続部から前記処理容器側を見た際のリアクタンスの符号とは、いずれも正である、
請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

前記負荷変動安定化回路のリアクタンスは、前記接続部から前記処理容器側を見た際のリアクタンスに対して０．５倍から１．５倍の範囲内である、
請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

前記高周波電源は、出力周波数を変化させることで前記負荷インピーダンスとの整合を行う機能を有する周波数可変電源である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記負荷変動安定化回路のインピーダンスと、前記接続部から前記処理容器側を見た際の負荷インピーダンスとが、整合周波数に対して並列共振を起こさないように設定される、
請求項５に記載のプラズマ処理装置。

【請求項7】

前記負荷変動安定化回路は、コンデンサ及びコイルの少なくともいずれかから構成される、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項8】

前記負荷変動安定化回路は、直列又は並列に接続された、前記コンデンサ及び前記コイルから構成される、
請求項７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、プラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＰＥＡＬＤ（Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition）等、二つ以上の工程を高速に切り替えて成膜する方法では、高い特性の成膜が可能となるためその重要度が増している。上記二つ以上の工程のそれぞれにおける設定圧力が異なる場合、処理容器の内部を設定圧力に安定させた後に各工程を行うことが好ましい。しかしながら、原子層レベルで成膜するＡＬＤにおいて、二つ以上の工程をサイクリックに実行し成膜する方法では、成膜速度が遅く、スループットの改善が課題となっている。そこで、スループットを高めるために、圧力の安定を待たずに高速に各工程を切り替え、高速にプラズマをオン及びオフすることが行われている。

【0003】

サイクル中の一回のプラズマ印加時間が数秒と短く、かつ、プロセス中の圧力が各工程間で大きく変動する場合、高速なプラズマ着火と、各工程における処理容器内の圧力の安定化とをどのように実現するかが課題となる。

【0004】

この課題に対して、可変コンデンサ等を用いた通常の整合器では、上記各工程の高速切り替えに追従したインピーダンス整合は困難である。これに対して、インピーダンス整合に周波数可変電源を用いることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平６−２４３９９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

周波数可変電源は、出力周波数を変化させる機能を有し、整合器よりもインピーダンスの整合スピードが速い。しかしながら、周波数可変電源は整合範囲が狭く、プラズマ側の負荷インピーダンスのうちの虚数成分（Ｘ成分＝リアクタンス）に対して狭い範囲の変化にしか整合させられず、また、実数成分（Ｒ成分）を整合させることはできない。このため、周波数可変電源では、特に整合範囲外において高周波電力がプラズマに供給される際に大きな反射が生じ、プラズマ側にパワーが入らない場合が多々ある。このため、周波数可変電源の機能のみでプラズマを安定的に着火及び維持することは難しい。

【0007】

上記課題に対して、一側面では、本発明は、プラズマ側の負荷インピーダンスの変動を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、一の態様によれば、高周波電力を供給する高周波電源と、前記高周波電力により、内部にてプラズマが形成される処理容器と、前記高周波電源と前記処理容器との間に設けられ、電気的な基点となる接続部と、前記接続部にて前記処理容器と並列に接続され、前記接続部からプラズマ側を見た際の負荷インピーダンスの変動を抑制する負荷変動安定化回路と、を有するプラズマ処理装置が提供される。

【発明の効果】

【0009】

一の側面によれば、プラズマ側の負荷インピーダンスの変動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す図。

【図2】一実施形態に係る負荷変動安定化回路の一例を示す図。

【図3】一実施形態に係るプラズマ処理装置の各インピーダンスを説明するための図。

【図4】一実施形態に係るプラズマ側の負荷変動の抑制効果を説明するための図。

【図5】一実施形態に係る負荷変動安定化回路のリアクタンス依存を示す図。

【図6】一実施形態に係るパワー一定制御を説明するための図。

【図7】ＬＣ直列回路及びＬＣ並列回路の共振周波数を説明するための図。

【図8】一実施形態に係る反射波とパワー効率を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
（はじめに）
ＰＥＡＬＤ（Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition）等、二つ以上の工程を高速に切り替えて成膜する方法では、高い特性の成膜が可能となるためその重要度が増している。サイクル中の一回のプラズマ生成時間が数秒と短く、かつ、プロセス中の圧力が各工程間で大きく変動する場合、高速なプラズマ着火と、処理容器内の圧力の安定化とをどのように実現するかが課題となる。

【0012】

そこで、本実施形態にかかるプラズマ処理装置は、大きな圧力変動がある環境において、各工程を高速に切り替えて成膜する場合、プラズマ側での高周波の反射を抑えてプラズマに十分なパワーを供給し、安定してプラズマを生成することを実現する。

【0013】

そのために、本実施形態では、以下の三つの条件を満たすプラズマ処理装置を提案する。
１．大きな圧力変動がある中で高速かつ安定的に（大きな高周波の反射がなく）、プラズマをオン及びオフできること
２．１３ＭＨｚ以上の周波数の高周波電力を供給しても負荷インピーダンスの変動を抑制できること
３．システムが安価にできること（高性能の整合器等を使わない）
以下では、上記条件を満たすプラズマ処理装置の構成の一例について、図１を参照しながら説明する。

【0014】

［プラズマ処理装置の構成］
プラズマ処理装置１は、周波数可変電源１０、負荷変動安定化回路２０、給電線３０及び処理容器４０を有する。本実施形態では、高周波電力が供給されるプラズマ処理装置１に容量結合型プラズマ処理装置が使用される。

【0015】

ただし、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１は、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)装置だけでなく、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)等を使用することができる。

【0016】

また、本明細書では、プラズマ処理対象として半導体ウェハＷについて説明するが、プラズマ処理対象はこれに限らない。プラズマ処理対象の他の例としては、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＰＤ（Flat Panel Display）等に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等が挙げられる。

【0017】

周波数可変電源１０は、所望する一定のパワーに制御された１３ＭＨｚ以上の高周波の電力を供給する電源の一例である。周波数可変電源１０は、出力周波数を変化させることでプラズマ側の負荷インピーダンスとの整合を行う機能を有する。なお、高周波の電力を供給する電源としては、周波数可変電源１０に替えて、出力周波数を変化させる機能を有しない高周波電源を使用してもよい。

【0018】

処理容器４０には、処理容器４０に設けられた電極もしくはプラズマ励起用アンテナ（ＩＣＰの場合）に周波数可変電源１０から所定の周波数の高周波電力が供給される。処理容器４０の内部に供給されたガスは、高周波電力により電離及び解離し、これにより、上部電極１０１と下部電極１０２との間のプラズマ処理空間にプラズマが形成される。下部電極１０２に載置された半導体ウェハＷには、プラズマによりエッチングや成膜等の微細加工が施される。

【0019】

周波数可変電源１０と処理容器４０との間には、電気的な基点となる接続部Ｃが設けられている。負荷変動安定化回路２０は、接続部Ｃにて、プラズマ処理が行われる処理容器４０と並列に接続され、接続部Ｃからプラズマ側を見た際の負荷インピーダンス（以下、「プラズマ側回路の負荷インピーダンス」又は「プラズマ側回路の負荷」ともいう。）の変動を抑制する。図１の例では、プラズマ側回路は、接続部Ｃからプラズマまでの給電線３０を含む処理容器側負荷と、処理容器側負荷と並列接続された形で配置された負荷変動安定化回路２０を含む構成を指す。

【0020】

ここで、処理容器側負荷とは、プラズマの負荷インピーダンスのみならず、プラズマから接続部Ｃまでの給電線３０のインピーダンスを含めた負荷をいう。通常、プラズマはＣ（キャパシタンス）成分である。ここで、高周波の給電ラインである給電線３０は金属バー（銅製）により構成されているが、金属バー自体がＬ（インダクタンス）成分を持っている。このため、どこを基点にとるかによっては、処理容器側負荷の符号が変わってしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、周波数可変電源１０と接続された給電ラインにおける処理容器４０と負荷変動安定化回路２０との接続部Ｃを、プラズマ側を見た際の負荷インピーダンス、すなわち、プラズマ側負荷および処理容器側負荷の基点とする。これにより、処理容器側負荷は、プラズマの負荷インピーダンスにプラズマから接続部Ｃまでの給電線３０のインピーダンスを加えた値となる。

【0021】

図２に示すように、負荷変動安定化回路２０は、可変コンデンサ２１及びコイル２２の少なくともいずれか一方、又はその組み合わせから構成されている。図２（ａ）及び図２（ｂ）では、負荷変動安定化回路２０は、可変コンデンサ２１及びコイル２２から構成されている。可変コンデンサ２１及びコイル２２は、図２（ａ）に示すように直列に接続されていてもよいし、図２（ｂ）に示すように並列に接続されている。

【0022】

また、負荷変動安定化回路２０を構成する素子は、可変素子であってもよく、固定素子であってもよい。つまり、負荷変動安定化回路２０を構成する素子は、可変コンデンサ２１やコイル２２に限られず、固定のコンデンサや可変のコイルであってもよく、それらの組合わせであってもよい。

【0023】

負荷変動安定化回路２０に可変コンデンサ及び可変コイルを使用する場合、固定素子よりも性能が高くなるが、コストも高くなる。また、可変コンデンサ及び可変コイルでは、ユーザによる設定操作が必要になり、煩雑な面がある。そこで、例えば、プロセスレシピ（圧力／パワー／ガス系が設定されているレシピ）によらず、ある程度一定のインピーダンスで、プラズマ側の負荷変動を抑制できるのであれば固定素子で構成されてもよい。

【0024】

また、プロセスレシピ毎に調整が必要な場合等、負荷変動安定化回路２０のコイル又はコンデンサの少なくとも一方を可変にしてもよい。この場合の可変素子には、高速な変動は不要であるため、従来からあるモータ駆動で可変素子を動作させることができる。

【0025】

［負荷変動安定化回路］
次に、負荷変動安定化回路２０の働きについて詳しく説明する。図３に示すように、接続部Ｃから並列に接続される負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａ及び処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐ（すなわち、接続部Ｃからプラズマを含む処理容器側を見た際の負荷インピーダンス）は以下の式で示される。

【0026】

負荷変動安定化回路のインピーダンス Ｚａ＝Ｒａ＋ｉＸａ
処理容器側の負荷インピーダンス Ｚｐ＝Ｒｐ＋ｉＸｐ
負荷変動安定化回路のインピーダンスと処理容器側の負荷インピーダンスとを合計した、トータルのインピーダンス（プラズマ側の負荷）Ｚtotは以下の式で示される。

【0027】

トータルのインピーダンス（プラズマ側の負荷） Ｚtot＝Ｒtot＋ｉＸtot
（ア）本実施形態にかかる負荷変動安定化回路２０のＲ（抵抗）成分であるＲａは、極力小さいことが好ましい。負荷変動安定化回路２０のＲａが大きいと、負荷変動安定化回路２０における高周波電力の損失が大きくなり、プラズマ側に供給される高周波電力が少なくなり、パワー効率が低下するためである。

【0028】

（イ）また、本実施形態にかかる負荷変動安定化回路２０のＸ（リアクタンス）成分であるＸａは、処理容器側の負荷インピーダンスのＸ成分であるＸｐと同一符号であって、かつ、負荷変動安定化回路２０のＸａは、処理容器側回路の負荷インピーダンスのＸｐに対して同一又は所定の大きさの範囲内の値である。また、負荷変動安定化回路２０のＸａの符号と、処理容器側回路の負荷インピーダンスのＸｐの符号とは、いずれも正である。

【0029】

本実施形態にかかるプラズマ処理装置１では、図３において、接続部Ｃの右側に位置する点線で囲まれた処理容器側回路の負荷と、接続部Ｃの左側に位置する点線で囲まれた負荷変動安定化回路２０側の負荷とを同一符号にすることが重要である。また、負荷変動安定化回路２０のＸａが、処理容器側のＸｐに対して同一又は所定範囲の大きさである。これにより、高性能でコストが高い整合回路を設けなくても、負荷変動安定化回路２０によってプラズマ側の負荷変動を小さくすることができる。以下では、負荷変動安定化回路２０と処理容器側の負荷のＸ成分が同一符号である必要性について説明する。

【0030】

［負荷変動安定化回路とプラズマ側の負荷のＸ成分が同一符号である必要性］
処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐと負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａとを加算したトータルのインピーダンスＺtotは以下の式（１）により表される。

【0031】

【数1】

【0032】

式（１）に基づき、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐのＸ成分であるＸｐ、及び負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａのＸ成分であるＸａが異符号の場合、トータルのインピーダンスＺtotの第１項及び第２項の分母が小さくなる（つまり、（Ｘｐ＋Ｘａ）^２が小さくなる）。これにより、相対的に第１項及び第２項の分子が大きくなる。そのため、プラズマ側回路の負荷インピーダンスＺｐのうちのＲ成分のＲｐやＸ成分のＸｐが変化した場合、トータルのインピーダンスＺtotは、負荷変動安定化回路２０を付加しても大きく変動してしまう。

【0033】

以下に式（１）を簡略化した式（２）を導く。なお、以下の式（１）を簡略化した式（２）は、説明の便宜のための簡略化であり、実際のインピーダンスＺtot、Ｚａ、Ｚｐは、簡略化していない式（１）に基づき算出される。

【0034】

上記（ア）の条件に基づき、負荷変動安定化回路２０は、低損失である。これにより、負荷変動安定化回路２０のＲａがほぼ「０」に等しいとすることができる。よって、式（１）の負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａの実数成分Ｒａに「０」を代入する。

【0035】

処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの実数成分Ｒｐは、虚数成分Ｘｐと負荷変動安定化回路の虚数成分Ｘａとの和よりも非常に小さい。よって、Ｒｐ＜＜Ｘｐ＋Ｘａの式が成り立つ。以上の条件に基づき式（１）から式（２）が導かれる。

【0036】

【数2】

【0037】

周波数可変電源１０は、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの虚数成分Ｘｐが変化しても追従できるが、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの実数成分Ｒｐが変化すると追従できずに反射波が発生する。よって、式（２）に基づき、周波数可変電源１０は、第２項に示すプラズマ側の負荷変動には追従できるとして、ここでは第１項のみに着目して説明する。ただし、第１項のみに着目して説明を行うのは、便宜上、説明をわかり易くするためのものであり、実際の制御では第２項も含めた処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐに応じて負荷変動安定化回路２０が、プラズマ側負荷の変動を抑制するように機能する。

【0038】

処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの実数成分Ｒｐが５割増えた場合、負荷変動安定化回路２０を含めたトータルのインピーダンスＺtotは、
｛Ｘａ^２／（Ｘｐ＋Ｘａ）^２｝×０．５Ｒｐ
だけ増えることになる。

【0039】

負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａの虚数成分Ｘａが、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの虚数成分Ｘｐと「同一符号」、かつ、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの虚数成分Ｘｐに対して０．５倍から１．５倍の範囲内であれば、プラズマ側の負荷の変動幅を小さくできる。負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａが小さいと、ほとんどの電流が負荷変動安定化回路２０に流れ、処理容器４０に電流が流れなくなり、プラズマ側で消費されるパワーが少なくなり、パワー効率が低下する。

【0040】

図４は、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの実数成分Ｒｐが１Ωから１．５Ωに５割増えた場合、負荷変動安定化回路２０を含めたトータルのインピーダンスＺtotのうちの実数成分Ｒtotの変化の一例を示す。処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの虚数成分Ｘｐを−１００Ω、負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａの虚数成分Ｘａを−１００Ωとした。

【0041】

トータルのインピーダンスＺtotの実数成分Ｒtotは、式（１）に基づき算出されたものである。これによれば、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの実数成分Ｒｐが１Ωから１．５Ωへ５割増えた場合であっても、トータルのインピーダンスＺtotの実数成分Ｒtotの変動は、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの実数成分Ｒｐの変動の１／４に抑制されている。以上から、負荷変動安定化回路２０によりプラズマ側の負荷インピーダンスＺｐの変動を抑制できることがわかる。

【0042】

図５は、負荷変動安定化回路２０のリアクタンス依存及びパワー効率の一例を示すものである。パワー効率は、周波数可変電源１０から出力されたトータルのパワーのうちプラズマ側に入力されたパワーの割合をいう。なお、本実施形態にかかる周波数可変電源１０は、パワーを一定に制御する。例えば、周波数可変電源１０から１００Ｗに制御された高周波電力が出力されると、図６（ａ）に示すように、負荷変動安定化回路２０がない場合であって、プラズマ側の負荷が１Ωの場合、処理容器４０（プラズマ）には、１０Ａの電流が流れる。周波数可変電源１０に接続された給電ラインにも１０Ａの電流が流れる。

【0043】

図６（ｂ）に示すように、インピーダンスが１Ωに設定された負荷変動安定化回路２０を処理容器側回路に並列に接続した場合、パワー一定制御により周波数可変電源１０から１００Ｗの高周波電力が出力されると、負荷変動安定化回路２０には１０Ａの電流が流れる。負荷変動安定化回路２０では抵抗Ｒａ≒０であるため、パワー損失はほぼ０であり、パワー一定制御の場合、処理容器側回路では、プラズマ処理装置１に１００Ｗ、１０Ａの電流が流れる。つまり、パワー一定制御では、負荷変動安定化回路２０を処理容器側回路に並列に接続した場合、周波数可変電源１０に接続された給電ラインに流れる電流は、負荷変動安定化回路２０が並列に接続されていなかったときの１０Ａから２０Ａに増えることになるが、実際に消費されるパワーは、負荷変動安定化回路２０が接続されていない場合と同等の１００Ｗということになる。

【0044】

以上に説明した周波数可変電源１０のパワー一定制御に基づき、負荷変動安定化回路２０のリアクタンス依存と負荷変動の抑制効果について図５（ａ）及び図５（ｂ）に示し、パワー効率について図５（ｃ）に示す。

【0045】

図５（ａ）に示すトータルのインピーダンスＺtotの実数成分Ｒtotは、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの実数成分Ｒｐを１Ωから１．５Ωに変化させた場合に、式（１）に基づき算出されたものである。その際、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの虚数成分Ｘｐは−１００Ω、負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａの実数成分Ｒａは０．０１Ωに設定している。

【0046】

まず、図５（ｃ）に示すように、負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａの虚数成分Ｘａが「０」及びその近傍の領域Ａは、パワー効率が低いため使用できない。

【0047】

また、図５（ｂ）に示すトータルのインピーダンスＺtotの実数成分Ｒtotの変化が激しい、すなわち、負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａの虚数成分Ｘａと処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの虚数成分Ｘｐとの符号が逆の領域Ｂでは、インピーダンスの変動幅ΔＲtotが大きく、負荷変動が逆に増大するため使用できない。

【0048】

また、図７（ａ）に示すように、ＬＣ直列回路（コンデンサとコイルとが直列に接続）の場合、周波数ｆが０に近い領域ではＣ成分によりＬＣ直列回路のリアクタンスＸがマイナス側に∞になる。また、周波数ｆが高い領域ではＬ成分によりリアクタンスＸがプラス側に∞になる。共振周波数ではＬ成分とＣ成分のＸの均衡がとれて、Ｘ＝０となる。

【0049】

よって、図５（ａ）から、負荷変動安定化回路２０の虚数成分Ｘａとしては、処理容器側回路の虚数成分Ｘｐと同符号であり、また、虚数成分Ｘａは、虚数成分Ｘｐに対して０．５倍から１．５倍の範囲内であることが好ましいことがわかる。

【0050】

以上から、パワー効率が高い領域であって、インピーダンスの変化が緩やかな領域、すなわち、負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａの虚数成分Ｘａが、プラズマ側回路の負荷インピーダンスＺｐの虚数成分Ｘｐに対して同一又は所定範囲内にあるときが現実的な使用領域に相当する。本実施形態の場合、０．５Ｘｐ≦Ｘａ≦１．５Ｘｐが、負荷変動安定化回路２０のインピーダンスＺａの虚数成分Ｘａが、処理容器側回路の負荷インピーダンスＺｐの虚数成分Ｘｐに対して同一又は所定範囲内にあるときであり、現実的な使用領域に相当する。

【0051】

一方、図７（ｂ）に示すように、ＬＣ並列回路（コンデンサとコイルとが並列に接続）の場合、周波数が０から共振周波数までの間はＬ成分によるＬＣ並列回路のインピーダンスの虚数成分Ｘの変化が支配的である。また、共振周波数よりも周波数ｆが高い領域ではＣ成分によるインピーダンスの虚数成分Ｘの変化が支配的になる。なお、共振周波数におけるＸは、Ｌ成分による＋∞とＣ成分による−∞とが同居することになるので、負荷変動が非常に大きくなってしまう。このため、並列共振周波数においてインピーダンスの整合を行うことは不可能である。

【0052】

よって、周波数可変電源１０の出力周波数は、負荷変動安定化回路２０が有するインピーダンスＺａと、接続部Ｃから処理容器側を見た際の負荷インピーダンスＺｐとが、整合周波数に対して並列共振を起こさないように設定される。

【0053】

［実験例］
最後に、周波数可変電源１０から周波数１３ＭＨｚ±１ＭＨｚ（可変）、パワー５００Ｗの周波数電力を出力した場合の実験結果について、図８を参照しながら説明する。この実験例では、プラズマ処理装置１は、処理容器４０の内部に４００ｓｃｃｍの０_２ガスを供給し、プラズマを生成する。また、本実験例では、処理容器４０の内部の上部電極１０１及び下部電極１０２の間隔は１５．８ｍｍであった。本実験例では、直径３００ｍｍの半導体ウェハＷが下部電極１０２上に載置され、上部電極１０１及び下部電極１０２の間のプラズマ処理空間に形成された０_２プラズマによって半導体ウェハＷにプラズマ処理が施された。

【0054】

本実施形態のプラズマ処理装置１では、本来整合回路は不要である。周波数可変電源１０を使用する場合には、実際には整合回路ではなく適切な定数をもつ固定の回路を用いる。しかしながら、本実験例では、実験の都合上、そのような適切な定数を持つ固定の回路を用意する替わりに、図８に示す整合回路１１の回路素子を固定して使用した。また、本来は、本実験において、高速な整合を示すために圧力を高速に変動させても周波数可変電源１０が高速に追従し反射が小さく抑えられていることを示すべきではあるが、周波数可変電源１０の高速性については一般に良く知られている。よって、周波数可変電源１０の高速追従性ではなく、前述した二つの工程をサイクリックに実行するプロセスにおける圧力変動に対する追従性に着目して本実験を行った。

【0055】

実験の際、１．２Ｔ（１６０Ｐａ）で反射波のパワー（Ｐｒ）が０Ｗとなるように整合回路１１の素子を調整して固定する。その上で圧力を変動（上げる）するにつれ、整合を外れて高周波電力がプラズマ（処理容器）側に供給されずに反射し、反射波のパワー（Ｐｒ）が上昇する現象が出てくる。

【0056】

プラズマ処理装置１に負荷変動安定化回路２０を取り付けていない場合（図８の上図のグラフの回路なしの場合）、急激に反射波のパワー（Ｐｒ）が大きくなり圧力が６Ｔ（８００Ｐａ）及びその付近の場合、５００Ｗの入力パワーに対して２００Ｗもの反射が発生してしまう。

【0057】

これに対して、プラズマ処理装置１に負荷変動安定化回路２０を取り付けた場合（図８の上図のグラフの回路ありの場合）、圧力を８Ｔ（１０６７Ｐａ）まで変化させても反射波のパワー（Ｐｒ）は５０Ｗ以下に抑制できている。つまり、負荷変動安定化回路２０を取り付けた場合、取り付けない場合に比べて反射波パワーの差分Ｄ１が２００Ｗ程度抑制できることがわかった。

【0058】

この効果は、負荷変動安定化回路２０に、処理容器側回路と同程度の電流が流れることによって実現できている。このため、負荷変動安定化回路２０によるパワー損失が課題となる。そこで、図８のシステム図のプラズマ側回路の給電線３０と処理容器４０との間に電流センサ２００を取り付け、プラズマ側回路に流れる電流を評価することで、負荷変動安定化回路２０によって発生するパワー損失の程度を評価した。その結果を、図８の下図のグラフに示す。

【0059】

負荷変動安定化回路２０によってパワー損失が発生している場合、プラズマで消費されるパワーはその分だけ減少し、結果的にプラズマ側回路に流れる電流値も減少する。実際に測定してみると、反射が０Ｗの領域（１．２Ｔ）では、負荷変動安定化回路の有無によって電流値に差異はない。これは、負荷変動安定化回路２０によるパワー損失が十分に小さいことを意味する。

【0060】

その上で圧力を上げていくにつれ、負荷変動安定化回路２０を取り付けた場合（回路あり）のほうが、取り付けない場合（回路なし）に比べて差分Ｄ２だけ多くの電流が流れていることが分かる。これは、負荷変動安定化回路２０がない場合には大きな反射が発生して、パワーが処理容器側に伝わらず、電流が目減りしたことを示す。一方で負荷変動安定化回路２０がある場合には反射が抑制できているため、負荷変動安定化回路２０を取り付けない場合に比べてプラズマ側に多くの電流を流すことができている。

【0061】

このように、負荷変動安定化回路２０を処理容器側回路に並列に接続することで大きな圧力変動があっても負荷変動安定化回路２０を取り付けない場合に比べて反射波のパワーを抑制し、かつ負荷変動安定化回路２０内でのパワー損失も問題にならないという状態を実現することができることが証明できた。

【0062】

本実施形態では、負荷変動安定化回路２０をプラズマ側回路に並列に接続することで、負荷変動安定化回路２０にも電流が流れているので、周波数可変電源１０から見た場合には、プラズマの生成以外に消費されているパワーも存在する。しかしながら、プラズマの生成以外に消費されたパワーは反射された電力に比べれば問題にならない程少量である。よって、本実施形態にかかる負荷変動安定化回路２０によれば、周波数可変電源１０から出力されるパワーに対する利用効率は格段に向上しているといえる。また、負荷変動安定化回路２０により反射波のパワーが減少するため、周波数可変電源１０から出力されたパワーをプラズマ負荷側に十分に供給できる。

【0063】

以上、プラズマ処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマ処理装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

【0064】

例えば、本発明にかかるプラズマ処理装置では、周波数可変電源１０の替わりに出力周波数を可変に制御する機能を有しない高周波電源を使用する場合、負荷変動安定化回路２０とともに整合回路を設置することが好ましい。ただし、負荷変動安定化回路２０のみでインピーダンス整合が図れる場合には整合回路を設けなくてもよい。

【符号の説明】

【0065】

１ プラズマ処理装置
１０ 周波数可変電源
２０ 負荷変動安定化回路
３０ 給電線
４０ 処理容器
１０１ 上部電極
１０２ 下部電極
Ｃ 接続部
Ｗ 半導体ウェハ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】