(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波電力を伝送する伝送線路上に発生するプラズマからの高調波による定在波を低減し、プロセスの再現性および信頼性を確保する。【解決手段】処理ガス供給装置を備えた処理容器３７と、該処理容器内に配置され、処理ガスにプラズマ生成用高周波電源からの高周波エネルギを供給してプラズマを生成するアンテナ３８と、前記処理容器内に配置された基板電極１を備え、前記基板電極にイオン引き込み用高周波電圧を供給して前記プラズマ中のイオンを加速して前記基板電極上に載置した試料にプラズマ処理を施す処理装置において、ケーブル９ａ，９ｂ，９ｃの長さを切り換えるケーブル長切換手段１５ａ，１５ｂと、基板電極側からの反射波を検出する反射波検出手段１３と、前記ケーブル長切換手段を制御する切換制御手段１４を備え、プロセス処理に先立って前記ケーブル長をプロセス条件毎に予め設定した長さに切換えて前記反射波の高調波レベルを抑制する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理ガスを供給するガス供給装置を備えた真空処理容器と、
該真空処理容器内に配置され、供給された処理ガスにプラズマ生成用高周波電源からの高周波エネルギを供給してプラズマを生成するアンテナと、
前記真空処理容器内に配置された基板電極を備え、
前記基板電極にイオン引き込み用高周波電圧を供給して、前記プラズマ中のイオンを加速して前記基板電極上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
イオン引き込み用高周波電圧を、ケーブル、該ケーブルの長さを切り換えるケーブル長切換手段およびインピーダンス整合回路を介して前記基板電極に接続する伝送線路と、
基板電極側からの反射波の高調波レベルを検出する反射波検出手段および前記ケーブル長切換手段を制御する切換制御手段を備え、
該切換制御手段は、プロセス処理に先立って、前記ケーブル長切換手段を制御してケーブルの長さをプロセス条件毎に予め設定した長さに切換えて前記反射波の高調波レベルを抑制す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記載のプラズマ処理装置において、
前記切換制御手段は反射波検出手段が基本波のレベル以上の高調波を検出したとき、前記ケーブル長切換手段を制御してケーブルの長さを切換えて前記反射波の高調波レベルを抑制することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
処理ガスを供給するガス供給装置を備えた真空処理容器と、
該真空処理容器内に配置され、供給された処理ガスにプラズマ生成用高周波エネルギを供給してプラズマを生成するアンテナと、
前記真空処理容器内に配置された基板電極を備え、
前記基板電極にイオン引き込み用高周波電圧を供給して、前記プラズマ中のイオンを加速して前記基板電極上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
プラズマ生成用高周波電圧を、ケーブル、該ケーブルの長さを切り換えるケーブル長切換手段およびインピーダンス整合回路を介して前記アンテナに接続する伝送線路と、
アンテナ側からの反射波の高調波レベルを検出する反射波検出手段および前記ケーブル長切換手段を制御する切換制御手段を備え、
該切換制御手段は、プロセス処理に先立って、前記ケーブル長切換手段を制御してケーブルの長さをプロセス条件毎に予め設定した長さに切換えて前記反射波の高調波レベルを抑制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３記載のプラズマ処理装置において、
前記切換制御手段は反射波検出手段が基本波のレベル以上の高調波を検出したとき、前記ケーブル長切換手段を制御してケーブルの長さを切換えて前記反射波の高調波レベルを抑制することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１または３記載のプラズマ処理装置において、
前記ケーブルは長さの異なる複数の同軸ケーブルからなり、前記反射波検出手段は、検出した反射波電力が所定値以下となるように前記ケーブル長切換手段を切換えて、長さの異なるケーブルのいずれかを選択す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記載のプラズマ処理装置において、
一つのケーブルを選択したとき、選択したケーブルの長さに応じてイオン引き込み用高周波電源の出力を調整して、基板電極に供給する電力を一定に保持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３記載のプラズマ処理装置において、
一つのケーブルを選択したとき、選択したケーブルの長さに応じてプラズマ生成用電源の出力を調整して、アンテナに供給する電力を一定に保持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６記載のプラズマ処理装置において、
前記長さの異なる同軸ケーブル毎に給電する際のイオン引き込み用高周波電源の出力値を予め設定しておくことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項７記載のプラズマ処理装置において、
前記長さの異なる同軸ケーブル毎に給電する際のプラズマ生成用高周波電源の出力値を予め設定しておく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係り、特に、高周波電力の供給路に整合装置を備えるプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造に際しては、プラズマ処理装置が用いられる。プラズマ処理装置としては、例えば、真空処理室内にアンテナを介して電磁波を放射し、真空処理室の周囲に配置した磁場コイルによる磁界との相互作用によって前記真空処理室内にプラズマを生成するＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)方式のエッチング処理装置が知られている。
【０００３】
図５は、ＥＣＲ方式のエッチング装置を説明する図である。図５に示すように、真空容器４上には、アルミ、ニッケル等の導電体でなる平板状のアンテナ３８および電磁波を透過可能な石英、サファイヤ等からなる誘電体窓３２を備えた処理容器３７が、Ｏリング等の真空シール材３６を介して気密に載置され、内部に処理室３５を形成している。
【０００４】
真空容器４の外周部には処理室３５を囲んで磁場発生用コイル３１が設けてある。アンテナ３８はエッチングガスを流すため多孔構造となっている。ガス供給装置３０は、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２等のフロンガス、Ａｒ、Ｎ２等の不活性ガス、Ｏ２、ＣＯ等の酸素含有ガスを、ガス供給装置に内設したＭＦＣ等の流量調整手段で流量を調整した後、処理室３５内に供給する。
【０００５】
また、真空容器４には真空排気装置３４が接続され、真空排気装置３４に内設したＴＭＰからなる真空排気手段（図省略）とＡＰＣからなる調圧手段（図省略）により、処理室３５内を所定圧力に保持する。
【０００６】
アンテナ３８の上部には整合器（第一の整合器）２１、同軸ケーブル２５を介してプラズマ生成用の高周波電源（第一の高周波電源）２０が接続されている。真空容器４内の下部には半導体ウエハ３を配置可能な基板電極１が設けられている。また、基板電極１にはアンテナ３８と同様に、整合器（第二の整合器）７、同軸ケーブル９を介してイオン引き込み用の高周波電源（第二の高周波電源）６が接続されている。また、基板電極１は半導体ウエハ３を静電吸着させるための静電チャック機能を兼備し、埋設した静電チャック電極３３に直流電源２が接続されている。
【０００７】
以下に、イオン引き込み用の高周波電源６および整合器７の動作および問題点について説明するが、プラズマ生成用の高周波電源２０および整合器２１についても同様である。
【０００８】
イオン引き込み用の高周波電源６は、所定の周波数の高周波電力が効率良く得られるようにするために、高周波電源６から基板電極１側を見たときのインピーダンス、すなわち負荷インピーダンスＸＬと、電源自体のインピーダンス、すなわち電源インピーダンスＸＰを整合させる必要がある。このためインピーダンス整合手段として整合器７が設けてある。しかしながら、負荷インピーダンスＸＬは、整合器７自体がもつインピーダンス、基板電極１のインピーダンス、真空容器４内に発生させる半導体ウエハ処理用のプラズマ５のインピーダンスなどの合成で与えられるため、予め予想しておくことは困難である。
【０００９】
そこで、図５の例では、整合器７として、図示のように、インピーダンスを可変するための２個のインピーダンス可変素子８ａ、８ｂおよび１個の固定インピーダンス素子１０を備えた整合器を用い、インピーダンス可変素子８ａ、８ｂのインピーダンスを変えることにより、負荷インピーダンスＸＬが変わったときでも、負荷インピーダンスＸＬと電源インピーダンスＸＰに常に正しい整合が与えられるように、整合状態が調整できるようになっている。  
前述したように、プラズマ処理装置では、高周波電源６より与えられる高周波電力の周波数（基本周波数）については、整合器が負荷（プラズマ）側とインピーダンス整合をとるため、負荷側からの反射波は整合器で止まり、高周波電源６まで返ってくることはない。  しかしながら、プラズマ５は非線形な負荷であり、高調波を発生する。この場合、整合器７は前記高調波に対しては整合がとれていないため、負荷側から受けた高調波を高周波電源６へ通してしまう。これにより整合器７と高周波電源６との間の伝送線路上には高調波の進行波と反射波とが混在して定在波が発生することになる。このように伝送線路上に高周波電力の高調波の定在波が生じると、処理容器内のプラズマの生成ないし分布特性が不定に変動し、プロセスの再現性や信頼性が低下するおそれがある。また、進行波電力、反射波電力の検出誤差および整合誤差を生じる可能性がある。
【００１０】
このような問題を回避するため、高調波の波長に対して同軸ケーブルの長さを予め決めておくことが知られている（特許文献１）。しかしながら、特許文献１の技術は、プロセス条件毎に、あるいは処理室内の部品の消耗等により高調波レベルが変化することに対する配慮はなされておらず、伝送線路上で発生する高調波の定在波の抑制効果は十分ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２４７４０１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ここで、伝送線路上に発生する反射波電力と同軸ケーブルの長さ（基本波の波長を単位として表す）との関連について説明する。
【００１３】
まず、同軸ケーブルに高周波電源の電力を供給し、高周波電源と整合器間の伝送線路に、図６に波長Ａ〜Ｆに示す６種類の同軸ケーブルをそれぞれ接続し、接続した同軸ケーブル毎に、伝送線路上に発生する反射波電力の周波数毎の高調波レベル（基本波に対する差）を測定した。
【００１４】
図６に、出力レベルが高かった第４次高調波、および第５次高調波の高調波レベルを示す。また、図７にこのとき負荷側に発生するＶＰＰ電圧（通常発生するＶＰＰ値に対する差）を示す。さらに、図８にこのとき電源側に戻ってくる反射波電力を測定した結果を示す。
【００１５】
図に示すように、波長Ｃ，Ｄの同軸ケーブルについては、基本波以上の反射波電力が検出された。その結果、ＶＰＰ電圧も変化し、反射波電力も大きく（ＶＳＷＲ１．３以上）なっていることが分かる。
【００１６】
一方、波長Ａ、Ｂ、Ｅ、Ｆの同軸ケーブルについては、基本波以下の反射波電力であり、ＶＰＰ電圧も同等な値を示し、反射波電力も小さく（ＶＳＷＲが１．３以下）なっていることが分かる。さらに、図９に基本波以上の反射波電力を検出している波長Ｄの同軸ケーブルと、基本波以下の反射波電力である波長Ｆの同軸ケーブルにおいて、ウエハ面内におけるエッチングレート（ＥＲ）を測定した結果を示す。図９に示すように波長Ｄ，Ｆの同軸ケーブルを使用した場合、エッチングレートが低下していることが分かる。つまり、高周波電力の伝送線路上で基本波以上の高調波が発生すると、プロセス性能に影響することを意味している。
【００１７】
なお、この例では同軸ケーブルの長さを変更することで、伝送線路上での高調波の発生を意図的に変化させたが、実使用状態においては、プロセス条件や処理室内部品の消耗等により、高調波の発生レベルが変化して伝送線路上での高調波の発生状態が変化し、これに伴いプロセス性能が悪化することになる。
【００１８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、高周波電力を伝送する伝送線路上に発生するプラズマからの高調波による定在波を低減し、プロセスの再現性および信頼性を確保するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００２０】
処理ガスを供給するガス供給装置を備えた真空処理容器と、該真空処理容器内に配置され、供給された処理ガスにプラズマ生成用高周波電源からの高周波エネルギを供給してプラズマを生成するアンテナと、前記真空処理容器内に配置された基板電極を備え、前記基板電極にイオン引き込み用高周波電圧を供給して、前記プラズマ中のイオンを加速して前記基板電極上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、イオン引き込み用高周波電圧を、ケーブル、該ケーブルの長さを切り換えるケーブル長切換手段およびインピーダンス整合回路を介して前記基板電極に接続する伝送線路と、基板電極側からの反射波の高調波レベルを検出する反射波検出手段および前記ケーブル長切換手段を制御する切換制御手段を備え、該切換制御手段は、プロセス処理に先立って、前記ケーブル長切換手段を制御してケーブルの長さをプロセス条件毎に予め設定した長さに切換えて前記反射波の高調波レベルを抑制する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、以上の構成を備えるため、高周波電力を伝送する伝送線路上に発生するプラズマからの高調波による定在波を低減し、プロセスの再現性および信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】変形例を説明する図である。
【図３】イオン引き込み用高周波電源と整合器間、およびプラズマ生成用高周波電源と整合器間に同軸ケーブル長切換手段、反射波検出手段（高調波レベル）を接続した例を説明する図である。
【図４】イオン引き込み用高周波電源と整合器間、およびプラズマ生成用高周波電源と整合器間に同軸ケーブル長切換手段、反射波検出手段（反射波電力）を接続した例を説明する図である。
【図５】ＥＣＲ方式のエッチング装置を説明する図である。
【図６】第４次高調波、および第５次高調波の高調波レベルを示す図である。
【図７】負荷側に発生するＶＰＰ電圧（通常発生するＶＰＰ値に対する差）を示す図である。
【図８】高周波電源側に戻ってくる反射波電力を測定した結果を示す図である。
【図９】波長Ｄ，Ｆの長さの同軸ケーブルを使用した場合、エッチングレートが低下していることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。なお、図において図５に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明の一部を省略する。図１において、基板電極１、直流電源２、エッチング処理室となる真空容器４、プラズマ５、半導体ウエハ３、ガス供給装置３０、磁場発生用コイル３１、誘電体窓３２、静電チャック電極３３、真空排気装置３４、処理室３５、真空シール材３６、処理容器３７、アンテナ３８、整合器２１、同軸ケーブル２５、高周波電源２０、２個の可変インピーダンス素子８ａ、８ｂ、固定インピーダンス素子１０は、それぞれ図５で説明した従来技術によるプラズマ処理装置におけるそれと同じである。
【００２４】
そして、図１に示す本実施形態の真空処理装置が、図５に示す従来の真空処理装置と異なる点は、インピーダンス整合器として、図５に示す整合器７に代え、整合器７ａを設けた点、および同軸ケーブル９に代え、長さの異なる複数（図では３本）の同軸ケーブル９ａ，９ｂ，９ｃを設けた点にある。なお、ケーブル本数は３本としたが、実装上問題がなければ何本であっても良い。また、大電力用の高周波電源を用いる場合には同軸管を使用しても良い。
【００２５】
図１に示すように、整合器７ａは、高調波のレベルで反射波を検出する反射波検出手段１３、切換制御手段１４、および同軸ケーブル長切換手段１５ａを備え、さらに、同軸ケーブル長切換手段１５ｂが高周波電源６ａにも備えられる。また、整合器７ａは、可変インピーダンス素子８ａ、８ｂと固定インピーダンス素子１０で構成されている。
【００２６】
図１において、反射波検出手段１３は、同軸ケーブル９ａ、９ｂ、９ｃと可変インピーダンス素子８ａの間に接続され、高周波電源６ａから与えられる高周波電力は非線形であるプラズマ負荷により反射されて、高調波を含んだ反射波電力として可変インピーダンス素子８ａ、８ｂおよび固定インピーダンス素子１０からなる整合回路本体へ戻ってくるときの反射波電力の高調波レベルを検出する。
【００２７】
ウエハ処理に際しては、まず、ダミーウエハを用いて、使用するプロセス条件毎にプラズマを発生させ、反射波検出手段１３によって、反射波電力の高調波レベルを検出する。切換制御手段１４はＣＰＵを備え、反射波検出手段１３で検出した反射波電力の高調波レベルが基本波のレベル以下となるように、同軸ケーブル長切換手段１５ａ、１５ｂにより同軸ケーブル長の切換を行い、プロセス条件毎に最適な同軸ケーブル長を予め記憶しておく。
【００２８】
なお、同軸ケーブル長切換手段１５ａ、１５ｂは、前述したように、高周波電源６ａおよび整合器７ａに備えられ、同時に切換が行われる。なお、使用する同軸ケーブルの長さによっては、整合器に入力される供給電力がケーブルロス等により、設定値通り入力されない場合がある。このため、使用する同軸ケーブル毎に予めケーブル先において所定の電力が得られるように変換値を設定しておき、この変換値にしたがって給電する際の前記高周波電源の出力値を設定することにより、ケーブル先での電力がどの同軸ケーブルを使用しても一定となるようにするのが望ましい。
【００２９】
次に、プロセス条件毎に事前に記憶しておいた同軸ケーブル長になるように、同軸ケーブル長切換手段１５ａ、１５ｂにより同軸ケーブルを切換た後、エッチングを開始する。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、高周波電力を伝送する伝送線路上でプロセス条件毎に変化するプラズマからの高調波による定在波を低減することができる。
【００３１】
なお、本実施形態では製品ウエハを処理する前に、ダミーウエハを用いて予め、反射波電力の高調波レベルが基本周波数以下となるような同軸ケーブル長を決定したが、製品ウエハの処理中にリアルタイムで反射波電力の高調波レベルを検出し、例えば、なんらかの原因で、高調波レベルが変化した場合に、同軸ケーブル長切換手段１５ａ、１５ｂにより、同軸ケーブル長を切換えることにより、伝送線路上でのプラズマからの高調波による定在波を確実に低減することができる。
【００３２】
以上の例では、反射波の高調波レベルを検出して、伝送線路上でプラズマからの高調波による定在波が発生しないように、同軸ケーブル長を切換える場合について説明したが、反射波の電力を検出して、同軸ケーブル長を切換えても良い。
【００３３】
図２は、変形例を説明する図であり、図１に示すプラズマ処理装置との相違点は、図１の例では、反射波検出手段１３として高調波レベルを検出していたが、図２の例では、反射波検出手段４０として、反射波電力を検出している点にある。
【００３４】
図２において、反射波検出手段４０は、負荷側から戻ってくる反射波電力を検出する。切換制御手段１４はＣＰＵを備え、反射波検出手段４０からの反射波電力をもとに演算したＶＳＷＲ（定在波比）が１．３以下となるように、同軸ケーブル長切換手段１５ａ、１５ｂにより、同軸ケーブル長の切換を行う。これにより、伝送線路上でのプラズマからの高調波による定在波を低減することができる。
【００３５】
以上、ケーブル長切換手段を、プラズマエッチング装置のイオン引き込み用高周波電源の整合器に適用する例について説明したが、プラズマ生成用高周波電源の整合器に適用することができる。この場合は、図３に示すように、イオン引き込み用高周波電源６ａと整合器７ａ間、およびプラズマ生成用高周波電源２０ａと整合器２１ａ間に、同軸ケーブル長切換手段１５ａ、１５ｂ、同軸ケーブル９ａ、９ｂ、９ｃ、切換制御手段１４、反射波検出手段１３（高調波レベル）を接続することにより実現することができる。また、図４に示すように、イオン引き込み用高周波電源６ａと整合器７ａ間、およびプラズマ生成用高周波電源２０ａと整合器２１ａ間に、同軸ケーブル長切換手段１５ａ、１５ｂ、同軸ケーブル９ａ、９ｂ、９ｃ、切換制御手段１４、反射波検出手段４０（反射波電力）を接続することにより実現することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、高周波電源をアンテナあるいは基板電極に接続する伝送線路に挿入された同軸ケーブルの長さを切り換えることにより、プラズマからの高調波によって前記伝送線路上に発生する定在波の発生を抑制してプロセスの再現性、信頼性を確保することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  基板電極
２  直流電源
３  半導体ウエハ
４  真空容器
５  プラズマ
６  イオン引き込み用の高周波電源（従来技術における第２の高周波電源）
６ａ  イオン引き込み用の高周波電源（第２の高周波電源）
７  整合器（従来技術における第２の整合器）
７ａ  整合器（第２の整合器）
８ａ，８ｂ  可変インピーダンス素子
９，２５，９ａ，９ｂ，９ｃ  同軸ケーブル
１０  固定インピーダンス素子
１３  反射波検出手段（高調波レベル）
１４  切換制御手段
１５ａ，１５ｂ  同軸ケーブル長切換手段
２０  プラズマ生成用の高周波電源（従来技術における第１の高周波電源）
２０ａ  プラズマ生成用の高周波電源（第１の高周波電源）
２１  整合器（従来技術における第１の整合器）
２１ａ  整合器（第１の整合器）
３０  ガス供給装置
３１  磁場発生用コイル
３２  誘電体窓
３３  静電チャック電極
３４  真空排気装置
３５  処理室
３６  真空シール材
３７  処理容器
３８  アンテナ
４０  反射波検出手段（反射波電力）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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