特許 7249315 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】

(24)【登録日】2023-03-22

(45)【発行日】2023-03-30

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20230323BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20230323BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20230323BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 101B

H01L21/31 C

H05H1/46 R

H05H1/46 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020110460

(22)【出願日】2020-06-26

(65)【公開番号】P2022007460

(43)【公開日】2022-01-13

【審査請求日】2022-05-17

(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

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森 功

(72)【発明者】

【氏名】田中 基裕

【審査官】高柳 匡克

(56)【参考文献】

【文献】特表２０２０－５１８１２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５３６０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２６７２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１８７６７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０１４５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－３０７５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５０７５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

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高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に電力を供給する電源と、インピーダンス制御機構を介して接地され前記処理室内部に配置された導電体と、前記インピーダンス制御機構を制御する制御部とを備えるプラズマ処理装置において、
前記インピーダンス制御機構は、前記プラズマおよび前記導電体を介して前記電源から前記接地に至る電気回路のインピーダンスを制御する機構であり、
前記制御部は、前記試料台に印加される電圧のモニタ値が所定値以下となる期間における電流のモニタ値の演算値を基に前記インピーダンスが所望の値となるように前記インピーダンス制御機構を制御し、
前記電流は、前記電源から前記試料台へ流れる電流である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、
前記所定値は、０ボルトであ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、
前記電流のモニタ値の演算値は、前記電流のモニタ値の瞬時値における二乗平均平方根であ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、
前記所定値は、前記試料台に印加される電圧のモニタ値の時間平均値であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項5】

請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
前記電流のモニタ値の演算値は、前記期間の各々における前記電流のモニタ値の瞬時値における二乗平均平方根の和であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項6】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御部は、記憶装置に予め記憶された電流値を用いて前記インピーダンス制御機構を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項7】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電源は、高周波電源であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項8】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電源は、直流電源であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【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】

近年、半導体デバイスはナノメートルオーダの微細な構造を持つようになった。また論理回路のフィン構造やメモリの積層構造といった、構造の３次元化も進んでいる。その結果、半導体デバイスの製造にはより高度な正確性と精密性が要求されるようになった。

【0003】

半導体デバイスの製造工程は主に成膜・リソグラフィ・エッチングに分かれる。成膜工程では、作製する構造物の材料の膜がウェハ上に形成される。代表的な成膜方法には化学気相成長法がある。リソグラフィ工程では、成膜した材料上に塗布したレジストの一部に対し、露光装置により紫外線を照射する。紫外線が照射される場所は形成したいパターンに応じて決定される。続いて現像を行うことで一部のレジストが除去され、成膜した材料が露出する場所が現れる。エッチング工程では、この露出した材料を除去することで目的の構造物を作製する。この工程ではプラズマエッチング処理装置が用いられる。これは、装置内部に形成したプラズマを露出した材料と反応させることでその材料を除去する装置である。これらの工程を繰り返すことで集積回路が完成する。

【0004】

プラズマエッチング処理装置は、上述のように半導体デバイスの主要製造工程の一翼を担う重要なものである。ここではその詳細な動作を説明する。プラズマエッチング処理装置には所定の真空度まで減圧された処理室があり、処理室内部にはガスが供給されている。ガスは処理室内部に形成された電場によりプラズマとなる。プラズマには反応性の高いイオンやラジカルが含まれており、これらが処理対象物であるウェハ表面と物理的・化学的に反応することでエッチングが進行する。

【0005】

プラズマエッチング処理装置では、イオンとウェハ表面の反応を制御するため、ウェハの載置台に高周波電圧を印加することが一般的である。載置台に高周波電圧を印加すると、ウェハ電圧の時間平均は負となる。これは自己バイアスと呼ばれ、２つの要因により生じる。１つは、高周波電源と載置台の間に存在するキャパシタンスが直流電流を遮断していること、もう１つは、プラズマと載置台の間に生じるシースに整流作用があることである。自己バイアスはプラズマ中の正イオンを加速するため、エッチングを促進する。加えて、正イオンの軌道がウェハに対して垂直になるため、異方性エッチングを実現できる。

【0006】

エッチング速度は、ウェハに印加される高周波電圧の振幅、自己バイアス電圧、およびウェハからプラズマを通じてアースに流れる電流に依存する。このうち自己バイアス電圧とアース電流は、処理室のインピーダンス変化の影響を受ける。インピーダンス変化には、ガス種や圧力といった処理条件の違いによるものと、同一処理条件にも関わらず生じるものがある。このうち後者は、エッチング速度の再現性に関わるため問題となる。

【0007】

同一処理条件においてインピーダンスが変化する要因の一つは、処理室の壁面状態の変化である。この変化は、エッチング処理に伴い発生する反応生成物が付着する、あるいは壁面を覆う誘電体膜がプラズマにより浸食されるといった要因により生じる。壁面状態に起因するインピーダンス変化の影響を抑えるには、その変化を補償する機構を設けることが有効である。その一例は、特許文献１に開示されたような、プラズマエッチング処理装置の側壁とアースの間に設けたインピーダンス制御回路である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００１－２４４２４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、かかる従来技術により処理室のインピーダンス変化を補償するには、まずその変化を検知しなければならない。一般的な検知手法には、バイアス電圧の実効値をバイアス電流の実効値で除してインピーダンスを求め、その変化を監視するというものがある。しかし、プラズマを含む電気回路ではシースが非線形的な振る舞いをするため、線形回路を前提とした前述の方法は適用できない。そのため、処理室のインピーダンスを一定に保てず、同一の処理条件であってもバイアス電圧および電流が変化する。その結果、エッチング速度の再現性に問題が生じる。

【0010】

本願発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、処理室のインピーダンスを調整しつつ、高精度なプラズマ処理を行えるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理装置の一つは、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高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に電力を供給する電源と、インピーダンス制御機構を介して接地され前記処理室内部に配置された導電体と、前記インピーダンス制御機構を制御する制御部とを備えるプラズマ処理装置において、
前記インピーダンス制御機構は、前記プラズマおよび前記導電体を介して前記電源から前記接地に至る電気回路のインピーダンスを制御する機構であり、
前記制御部は、前記試料台に印加される電圧のモニタ値が所定値以下となる期間における電流のモニタ値の演算値を基に前記インピーダンスが所望の値となるように前記インピーダンス制御機構を制御し、
前記電流は、前記電源から前記試料台へ流れる電流であることにより達成される。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、処理室のインピーダンスを調整しつつ、高精度なプラズマ処理を行えるプラズマ処理装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置の模式的な構成の一例を示す概略図である。

【図2】図２は、図１に示した実施形態にかかるバイアス電圧発生部の詳細を示す模式図である。

【図3】図３は、図１および図２に示した実施形態におけるプラズマ処理を示すフローチャートである。

【図4】図４は、図３に示す処理におけるバイアス電流の測定方法を説明するための図である。

【図5】図５は、第１の変形例にかかるバイアス電圧発生部の詳細を示す模式図である。

【図6】図６は、第１の変形例におけるバイアス電流の測定方法を説明するための図である。

【図7】図７は、第２の変形例にかかるバイアス電圧発生部の詳細を示す模式図である。

【図8】図８は、第２の変形例にかかるプラズマ処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図１から図４を用いて、本願発明にかかるプラズマ処理装置の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の模式的な構成の一例を示すものである。

【0015】

図１に示す本実施形態にかかるプラズマ処理装置１００は、その一例であるマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置である。本図では、プラズマ処理装置１００に備わる真空処理室１０１について、その内部に配置された電極、並びに外部に配置された電場および磁場の発生装置等が模式的に示されている。

【0016】

真空処理室１０１は、周囲と電気的に絶縁した容器１０２の上部を誘電体窓１０３により気密封止した構造を持つ。誘電体窓１０３の直下には、複数の細孔１０４を備えた誘電体のシャワープレート１０５が配置される。誘電体窓１０３およびシャワープレート１０５の間の空間１０６には、ガス配管１０７を通じて、ガス供給機構１０８が接続される。空間１０６と真空処理室１０１は、細孔１０４を通じて連通している。

【0017】

真空処理室１０１の下部には、可変コンダクタンスバルブ１０９を通じてターボ分子ポンプ１１０が接続される。さらに、ターボ分子ポンプ１１０には粗引きポンプ１１１が接続される。真空処理室１０１内部のガスは、このターボ分子ポンプ１１０により排気される。ターボ分子ポンプ１１０と真空処理室１０１は共に略円筒形で、両者の軸は同一である。そのため、排気のガス流れは軸対称となり、プラズマ処理は軸に対して均一になる。真空処理室１０１内部の圧力は、可変コンダクタンスバルブ１０９の開度を調整することにより、所望の値となるよう制御される。この制御には、真空処理室１０１に接続された圧力計１１２の値に基づくフィードバック制御が用いられる。

【0018】

真空処理室１０１の上方にはマイクロ波電源１１３が設置されており、マイクロ波伝搬経路、すなわち順に自動整合器１１４、方形導波管１１５、方形円形導波管変換器１１６、円形導波管１１７を通じて、空洞共振器１１８に接続される。空洞共振器１１８は誘電体窓１０３の上部に設置される。なお、自動整合器１１４は、反射波を抑制するよう、インピーダンスを自動的に調整する役割を持つ。マイクロ波電源１１３から出力されたマイクロ波は、前記の経路を通じて空洞共振器１１８に伝搬する。空洞共振器１１８は、マイクロ波の分布をプラズマ処理に適したものに調整する。分布が調整されたマイクロ波は、さらに誘電体窓１０３およびシャワープレート１０５を通じて、真空処理室１０１に伝搬する。なお、マイクロ波の典型的な周波数は２．４５ＧＨｚである。

【0019】

真空処理室１０１および空洞共振器１１８の周囲には、ソレノイドコイル１１９・１２０・１２１が配置される。ソレノイドコイル１１９・１２０・１２１は、コイル電源１２２から流れる電流により真空処理室１０１内部に磁場を形成する。

【0020】

真空処理室１０１内部の電場の周波数および磁場の強さが特定の関係を満たす領域では、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ＥＣＲ）が発生する。この領域をＥＣＲ面といい、例えば、２．４５ＧＨｚの電場に対しては、磁場の強さが０．０８７５Ｔとなる領域である。ＥＣＲ面にある電子は、電場から効率的にエネルギーを受け取り、周囲のガスの解離・電離を促進する。その結果、ＥＣＲ面でプラズマ１２３が発生し、真空処理室１０１内部に拡散する。

【0021】

ＥＣＲ面の位置は、真空処理室１０１内部の磁場分布により制御可能である。また、プラズマ中の荷電粒子は磁力線に沿って移動するため、荷電粒子の拡散も真空処理室１０１内部の磁場分布により制御可能である。一方、真空処理室１０１内部の磁場分布の制御は、ソレノイドコイル１１９・１２０・１２１に流れる電流を各々制御することで実現できる。従って、プラズマ処理装置１００は、プラズマ処理の均一性を向上することが可能な構成となっている。

【0022】

真空処理室１０１内部には、図示していない梁により固定された電極１２４が配置される。試料台である電極１２４および真空処理室１０１は略円筒形であり、両者の中心軸は同一である。そのため、プラズマ処理は軸に対して均一になる。処理対象物であるウェハ（試料）１２５は、プラズマ処理装置１００に備えられたロボットアーム等の搬送装置（図示せず）により、電極１２４上部に搬送される。

【0023】

電極１２４の上面および側面は、誘電体膜１２６で覆われる。また、そのうち上面側の誘電体膜１２６の内部には、電極の中心側と外周側に分かれた静電吸着電極１２７が配置される。さらに、静電吸着電極１２７には静電吸着用電源１２８が接続される。静電吸着電極１２７の中心側と外周側に各々異なった電圧が印加されると、ウェハ１２５と静電吸着電極１２７との間に引力が発生する。その結果、ウェハ１２５は電極１２４上に保持される。

【0024】

プラズマ１２３は主に電極１２４の上方に形成される。プラズマ１２３には反応性の高いイオンおよびラジカルが含まれる。それらは、ウェハ１２５の表面と相互作用することで、ウェハ１２５の表面材料をエッチングすることができる。

【0025】

電極１２４にはバイアス電圧発生部１２９が接続される。バイアス電圧発生部１２９より電極１２４に高周波電圧が印加されると、誘電体膜１２６を通じてウェハ１２５にも高周波電圧が印加される。加えて、ウェハ１２５には直流の自己バイアス電圧が発生する。プラズマ１２３中の正イオンは、ウェハ１２５の高周波電圧および自己バイアス電圧に応じて、ウェハ１２５に向かって加速される。そのため、バイアス電圧発生部１２９を制御することにより、エッチング作用を制御することが可能である。

【0026】

また、真空処理室１０１の内部側壁には筒状の導電体１３０が設置されており、インピーダンス制御機構１３１を介してシャーシグラウンドと接続されている。バイアス電圧発生部１２９からは、バイアス電流が順に誘電体膜１２６、ウェハ１２５、プラズマ１２３、導電体１３０、インピーダンス制御機構１３１を通じてシャーシグラウンドへと流れる。したがってインピーダンス制御機構１３１は、プラズマおよび導電体１３０を介してバイアス電圧発生部１２９からシャーシグラウンドに至る電気回路のインピーダンスを制御する機構である。バイアス電流もまた、ウェハ１２５に対するイオンの加速に影響を与える。

【0027】

電極１２４には温度制御機構１３２が搭載されており、ウェハ１２５の温度を制御することができる。この機構によってもプラズマ処理形状の制御が可能である。

【0028】

以上の構成は、全て制御部１３３にある制御用コンピュータに接続されており、適切なシーケンスで動作するよう、そのタイミングおよび動作量が制御されている。動作シーケンスの詳細なパラメータはレシピと呼ばれ、制御はあらかじめ設定されたレシピに基づき行われる。レシピは通常、複数の処理から構成されており、各々の処理はあらかじめ設定された順序および時間で実行される。各々の処理においては、ガス供給機構１０８から真空処理室１０１に供給するガス種・ガス流量、マイクロ波電源１１３の出力電力、ソレノイドコイル１１９・１２０・１２１に流れる電流量、バイアス電圧発生部１２９より発生するバイアス電圧の態様等の処理条件が設定される。

【0029】

図２は、図１に示した実施形態にかかるバイアス電圧発生部１２９の詳細を示す模式図である。バイアス電圧発生部１２９は高周波電源（試料台に電力を供給する電源）１３４を備える。高周波電源１３４の出力端は、順に自動整合器１３５、電圧・電流センサ１３６を介して電極１２４と接続される。高周波電源１３４は制御部１３３からの指令に従い、高周波を出力する。自動整合器１３５は、高周波電源１３４の進行波および反射波電力を測定する回路を備えており、反射波電力がゼロとなるよう、内部の可変コンデンサおよび可変コイル等の素子の回路定数を調整する。電圧・電流センサ１３６は、自動整合器１３５の出力端における電圧および電流を測定し、その結果を制御部１３３に送信する。

【0030】

図３は、図１および図２に示した実施形態におけるプラズマ処理（以下、単に処理ともいう）３００を示すフローチャートである。図３において、ステップ３０１から処理が開始されると、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ３０２において、実施しようとする処理と同一条件の処理が以前に実施されていないかをまず確認する。なお、処理時間のみが異なる処理は、同一条件の処理とみなす。

【0031】

以前に実施されたことのない処理と判断した場合は、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ３０５において、所定の期間、電圧・電流センサ１３６によりバイアス電流Ｉを測定し（測定した電流値を電流のモニタ値とする）、その時間平均値Ｉ_０を算出する。これがバイアス電流Ｉの基準値となる。ここで、バイアス電流Ｉの測定は処理開始時刻より後に始める。また、所定の期間が経過すれば、処理終了時刻前であっても測定を終える。例えば、処理開始３秒後に測定を開始し、処理終了もしくは測定開始１０秒後のいずれか早い方の時刻で測定を終了するとよい。処理開始後に測定を始める理由は、処理開始直後はプラズマが不安定なためである。また、所定の期間で測定を打ち切るのは、プラズマ処理が長く続くと、プラズマ処理中に発生する反応生成物により、真空処理室１０１のインピーダンスが変化するためである。

【0032】

また、制御部１３３の制御用コンピュータは、同じ期間における自動整合器１３５のインピーダンスの時間平均値Ｚ_Ｍ０も算出する。これが自動整合器１３５のインピーダンスの基準値となる。時間平均値Ｉ_０およびＺ_Ｍ０の値は制御部１３３に記憶される。なお、インピーダンスの時間平均値Ｚ_Ｍ０の代わりに、自動整合器１３５のインピーダンスを制御するパラメータ、例えば可変コンデンサの回転子の角度を時間平均したものを記憶してもよい。

【0033】

一方、以前に同一条件の処理が実施されていると判断した場合は、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ３０３において、以前用いたバイアス電流および自動整合器１３５のインピーダンスの時間平均値Ｉ_０およびＺ_Ｍ０を、制御部１３３の記憶装置より読み出して基準値として用いる。そして制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ３０４において、自動整合器１３５のインピーダンスが時間平均値Ｚ_Ｍ０となるよう調整する。

【0034】

時間平均値Ｉ_０の値が定まれば、制御部１３３の制御用コンピュータは、処理が終了するまでの間、以下の手順にてインピーダンス制御機構１３１のインピーダンスを調整する。まずステップ３０６で処理の終了時間が過ぎていないことを確認した後、ステップ３０８で制御部１３３の制御用コンピュータは、電圧・電流センサ１３６にて測定したバイアス電流Ｉと時間平均値Ｉ_０の差分ΔIを算出して許容範囲と照合する。

【0035】

差分ΔＩが所定の許容範囲内に収まったと判断した場合は、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ３０６，３０８を繰り返し、処理時間中に差分ΔＩが所定の許容範囲から外れないか監視する。前記許容範囲は、プラズマ処理に求められる精度に基づき決定され、状況に応じて、固定値であっても、処理ごとに異なっていてもよい。

【0036】

これに対し、ステップ３０８で差分ΔＩが許容範囲内に収まっていないと判断した場合は、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ３０９でインピーダンス制御機構１３１のインピーダンスを、差分ΔＩが許容範囲内に収まるように調整し、再びステップ３０６，３０８を繰り返す。繰り返しを行っている間に、ステップ３０６で処理の終了時間が過ぎたことを確認したときは、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ３０７で処理を終了する。

【0037】

図４は、図３に示す処理におけるバイアス電流Ｉの測定方法を説明するための図であり、バイアス電圧波形とバイアス電流波形を示している。測定されたバイアス電圧を電圧のモニタ値とする。電圧・電流センサ１３６は、バイアス電圧波形４０１が０ボルト以下となる期間４０２の間、バイアス電流波形４０３を測定する。そして時刻ｔにおけるバイアス電流の瞬時値をＩ_ｗａｖｅ（ｔ）、期間４０２の1回の長さをＴとしたとき、バイアス電流I（電流のモニタ値の演算値）はＩ_ｗａｖｅ（ｔ）の二乗平均平方根、すなわち数１式で表される値（処理電流値）とする。数１式の演算は、制御部１３３において実行される。

【0038】

【数1】

【0039】

これは次に述べる考え方に基づく。バイアス電流波形４０３を数式で表すと数２式のようになる。

【0040】

【数2】

【0041】

ここで、Ｒｅ（ｘ）は複素数ｘの実部を表す関数、Ｖ_Ａはバイアス電圧の振幅、ωはバイアス電圧の角周波数、Ｚはバイアス電圧発生部から見たプラズマエッチング処理装置のインピーダンス（複素数）、ｅはネイピア数、ｎ_０はプラズマ密度、ｋはボルツマン定数、Ｔ_ｅは電子温度、ｍ_ｉはイオン質量、πは円周率、ｍ_ｅは電子質量、φ_ｗはプラズマを基準としたときのウェハの電位である。このうちφ_ｗは、プラズマポテンシャルをＶ_ｐ、自己バイアス電圧の絶対値をＶ_ｓｅｌｆとすれば、近似的に数３式のように表される。

【0042】

【数3】

【0043】

ただし数３式において、ｍｉｎ（Ａ，Ｂ）はＡとＢのうち小さい方を表す関数である。ここで、数２式および数３式のうち、Ｚ、ｎ_０、Ｔ_ｅ、Ｖ_ｓｅｌｆ、Ｖ_ｐは、プラズマ処理中にその値を知ることは難しい。そこで、これらの値が関与しにくい条件を求める。

【0044】

数２式の第１項はプラズマエッチング処理装置のインピーダンスに従って変化する電流の項、第２項はプラズマからウェハに入射するイオンによる電流の項、第３項はプラズマからウェハに入射する電子による電流の項である。この中で真空処理室１０１の壁面にかかるインピーダンスの変化を検知するためには、第１項の変化を検知すればよい。

【0045】

数２式のうち第３項は指数関数を含むため時間変化が急であり、バイアス電流波形４０３を測定する際のサンプリングのタイミングによって大きく値が変わる可能性がある。ただし、第３項が急激に大きくなるのはφ_ｗが０に近づくわずかな時間のみであり、それ以外の期間では、φ_ｗが大きく負になるため無視できるほど小さくなる。そこでバイアス電圧波形４０１を適切な所定値、例えば０ボルト以下の期間でのみバイアス電流を測定すれば、第３項は無視できる。

【0046】

数２式のうち第２項は、時間により変化せず、またプラズマエッチング処理装置のインピーダンスＺに影響されないため、定数とみなせる。

【0047】

プラズマエッチング処理装置のインピーダンスＺを数４式のように表すものとする。ただしｊは虚数単位である。

【数4】

【0048】

このとき、バイアス電圧波形４０１が０ボルト以下の期間におけるバイアス電流波形４０３を単純に積分した値は、数５式のように表される。ただしＩ_ｉは数２式の第２項を表す。

【0049】

【数5】

【0050】

この式からは、仮にｃｏｓθが０となった場合、Ｚ_０の変化を捉えることができないことが分かる。そこで代わりにバイアス電流波形４０３の２乗を積分する。この場合の積分値は数６式のようになる。

【0051】

【数6】

【0052】

この式からは、２乗の積分値であればＺ_０およびθの両方の変化を捉えられることが分かる。従って、プラズマエッチング処理装置のインピーダンスＺの変化を見るには、バイアス電流波形４０３を２乗した値が適している。なお、バイアス電流Ｉを算出するに当たっては、単位の次元を揃えるため、数６式を期間４０２の長さＴで除した値の平方根を用いるのがより適切である。

【0053】

バイアス電圧波形４０１の周波数は、典型的には数百ｋＨｚから数十ＭＨｚである。そのため、バイアス電圧波形４０１が所定値以下になる期間４０２の全てにおいてバイアス電流Ｉを計算するのは、計算速度の観点から難しい場合がある。この場合、期間４０２の全てでバイアス電流Ｉを計算する必要はなく、何回かに１回の割合で計算してもよい。これは、プラズマエッチング処理装置のインピーダンスＺの変化は短くとも秒単位であるため、数百ｋＨｚという精度でバイアス電流Ｉの変化を捉える必要はないからである。また個々の期間４０２ではバイアス電流Ｉにばらつきが生じる可能性もある。そのため、複数の期間４０２で計算したバイアス電流Ｉの平均値を制御に用いてもよい。

【0054】

本実施形態によれば、処理室内部の導電体とグラウンドとの間に設けられたインピーダンス制御機構１３１を、バイアス電圧が所定値以下となる期間におけるバイアス電流値に基づき制御することで、真空処理室のインピーダンスを一定に保つことが可能となる。その結果、同一の処理条件であればバイアス電圧および電流もそれぞれ同じ値となるため、エッチング速度の再現性が向上する。

【0055】

〔変形例１〕
図５および図６を用いて、本実施形態についての第１の変形例を説明する。なお、既に説明した図１から図４に示されたものと同一の符号が付された構成は同一の機能を有する部分であるので、その構成については重複説明を省略する。

【0056】

図５は、本変形例にかかるバイアス電圧発生部５０１の詳細を示す模式図である。本変形例では、バイアス電圧発生部５０１は複数の高周波電源５０２ａ、５０２ｂを備え、複数の周波数の高周波を合成した波形を出力できる。なお、図５では２つの高周波電源５０２ａ、５０２ｂを設けた例を示しているが、３個以上の高周波電源を設けてもよい。各々の高周波電源５０２ａ、５０２ｂの出力端には、別個の自動整合器５０３ａ、５０３ｂが接続される。各々の自動整合器５０３ａ、５０３ｂは、別個の電圧・電流センサ５０４ａ、５０４ｂを介して、全て電極１２４に接続される。

【0057】

各々の高周波電源５０２ａ、５０２ｂは制御部１３３からの指令に従い、高周波を出力する。各々の高周波電源５０２ａ、５０２ｂの出力は異なっていてもよい。各々の自動整合器５０３ａ、５０３ｂは、自らに接続された高周波電源５０２ａ、５０２ｂの進行波および反射波電力を測定する回路を備え、反射波電力がゼロとなるように内部の可変コンデンサおよび可変コイル等の素子の回路定数を調整する。各々の電圧・電流センサ５０４ａ、５０４ｂは、自らに接続された自動整合器１３５の出力端における電圧および電流を測定し、その結果を制御部１３３に送信する。

【0058】

本変形例におけるプラズマ処理は、本実施形態の図３にて示したフローチャートに準じる。ただし、プラズマ処理３００において使用する自動整合器１３５を、自動整合器５０３に読み替える。また、バイアス電流Ｉ、自動整合器のインピーダンスＺ_Ｍ、バイアス電流の時間平均値Ｉ_０、自動整合器のインピーダンスの時間平均値Ｚ_Ｍ０は、各々の高周波電源５０２および自動整合器５０３について測定または計算した値の組となる。このとき、ステップ３０８における判定は、全ての高周波電源５０２について数７式を満たしたときに許容範囲に収まっているとみなす。

【0059】

【数7】

【0060】

ただし、Ｉ_ｉ、Ｉ_０．ｉ、Ｔ_{Ｉ．ｉ．ｍｉｎ}、Ｔ_{Ｉ．ｉ．ｍａｘ}、はそれぞれ、ｉ番目の高周波電源５０２におけるバイアス電流、バイアス電流の基準値、Ｉ_ｉ－Ｉ_０．ｉの許容値の下限および上限を表す。

【0061】

図６は、本変形例におけるバイアス電流Ｉの測定方法を説明するための図であり、バイアス電圧波形とバイアス電流波形を示している。本変形例において周期Ｔ_０は、周波数ｆ_０の逆数である。ここで周波数ｆ_０は、ｉ番目の高周波電源５０２のバイアス電源波形の周波数をｆ_ｉとするとき、全てのｉについてｆ_ｉ／ｆが整数となるような実数ｆの集合の中で最大の要素である。電圧・電流センサは、周期Ｔ_０の整数倍の期間、バイアス電圧波形６０１およびバイアス電流波形６０３を測定する。続いて、バイアス電圧が所定値６０４以下になる期間６０２を求める。

【0062】

この所定値６０４は、本実施形態で述べた、プラズマからウェハに入射する電子による電流を無視するために適切な値を用いる。例えば０ボルトを採用してもよいし、あるいはこの周期Ｔ_０の整数倍の期間における、電圧・電流センサで測定したバイアス電圧（電圧のモニタ値）の時間平均値でもよい。この期間６０２は周期Ｔ_０の間に複数回現れることもある。これらの期間の長さをそれぞれＴ_１、Ｔ_２、……のように表す。このときバイアス電流Ｉ（電流のモニタ値の演算値）は、本実施形態と同様の考え方に基づき、各期間におけるバイアス電流の瞬時値Ｉ_ｗａｖｅ（ｔ）の二乗平均平方根の和、すなわち数８式のように計算する。ただしｔは時刻である。

【0063】

【数8】

なお、本実施形態と同様の考え方に基づき、バイアス電流Ｉの計算は周期Ｔ_０を最小単位として、何周期かに１回の計算でもよい。また、複数回のバイアス電流Ｉの計算結果を平均した値を制御に用いてもよい。

【0064】

〔変形例２〕
図７から図８を用いて、本実施形態の第２の変形例を説明する。なお、既に説明した図１から図６に示されたものと同一の符号が付された構成は、同一の機能を有する部分であるので、その構成については重複説明を省略する。

【0065】

図７は、本変形例にかかるバイアス電圧発生部７０１の詳細を示す模式図である。本変形例では、バイアス電圧発生部７０１は直流電源（試料台に電力を供給する電源）７０２を備え、直流電源７０２の出力端は、電圧・電流センサ７０３を介して電極１２４と接続される。直流電源７０２は制御部１３３からの指令に従い、パルス電圧を出力する。電圧・電流センサ７０３は、直流電源７０２の出力端における電圧および電流を測定し、その結果を制御部１３３に送信する。

【0066】

図８は、本変形例にかかるプラズマ処理８００を示すフローチャートである。図８において、ステップ８０１から処理が開始されると、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ８０２において、実施しようとする処理と同一条件の処理が以前に実施されていないかをまず確認する。なお、処理時間のみが異なる処理は、同一条件の処理とみなす。

【0067】

以前に実施されたことのない処理と判断した場合は、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ８０４において、所定の期間、電圧・電流センサ７０３によりバイアス電流Ｉを測定し、その時間平均値Ｉ_０を算出し記憶する。ここで、電流Ｉを測定する期間は、本発実施形態と同様、処理開始時刻より後に始まる。また、所定の期間が経過すれば、処理終了時刻前であっても測定を終える。一方、以前に実施されたことのある処理と同一と判断した場合は、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ８０３において、以前使用したバイアス電流の時間平均値Ｉ_０（電流値）を制御部１３３の記憶装置より読み出して基準値として用いる。

【0068】

時間平均値Ｉ_０の値が定まれば、制御部１３３の制御用コンピュータは、処理が終了するまでの間、以下の手順にてインピーダンス制御機構１３１のインピーダンスを調整する。まずステップ８０５で処理の終了時間が過ぎていないことを確認した後、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ８０７において、電圧・電流センサ７０３にて測定したバイアス電流Ｉと時間平均値Ｉ_０との差分ΔＩが所定の許容範囲内に収まっているかを確認する。

【0069】

差分ΔＩが許容範囲内に収まっていると判断した場合は、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ８０５，８０７を繰り返し、処理時間中に差分ΔＩが所定の許容範囲から外れないか監視する。前記許容範囲は、プラズマ処理に求められる精度に基づき決定され、状況に応じて、固定値であっても、処理ごとに異なっていてもよい。

【0070】

これに対し、ステップ８０７で差分ΔＩが許容範囲内に収まっていないと判断した場合は、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ８０８でインピーダンス制御機構１３１のインピーダンスを、差分ΔＩが許容範囲内に収まるように調整し、再びステップ８０５，８０７を繰り返す。繰り返しを行っている間に、ステップ８０５で処理の終了時間が過ぎたことを確認したときは、制御部１３３の制御用コンピュータは、ステップ８０６で処理を終了する。なお、バイアス電流Ｉの測定は、本実施形態の第１の変形例に示した方法を用いる。

【0071】

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。

【0072】

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。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となることもある。

【0073】

なお、上記実施の形態で説明した構造や方法については、上記実施の形態のものに限定されるものではなく、様々な応用例が含まれる。

【符号の説明】

【0074】

１００…プラズマ処理装置、１２３…プラズマ、１２４…電極、１２５…ウェハ、１２６…誘電体膜、１２９・５０１・７０１…バイアス電圧発生部、１３０…筒状の導電体、１３１…インピーダンス制御機構、１３３…制御部、１３４・５０２…高周波電源、１３５・５０３…自動整合器、１３６・５０４・７０３…電圧・電流センサ、４０１・６０１…バイアス電圧波形、４０３・６０３…バイアス電流波形、７０２…直流電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】