(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハが設置されるステージと、
このステージを覆うチャンバと、
このチャンバ内を真空引きする真空引き部と、
前記チャンバの前記ステージに対向する位置に設けられたガス供給部と、
誘導性結合プラズマ発生装置を有し前記ガス供給部内のエッチングガス中にプラズマを生成するプラズマ生成部と、
セルフバイアス印加装置を有し前記ステージ上に設置されたウェハに高周波電圧を印加し直流セルフバイアスを誘起するウェハバイアス部と、を具備し、
前記誘導性結合プラズマ発生装置は、
電源から出力される直流電力を高周波電力に変換して出力するプラズマ生成用インバータ部、このプラズマ生成用インバータ部から出力される高周波電力を変圧するためのプラズマ生成用変圧部、およびこのプラズマ生成用変圧部に直列接続された共振用キャパシタを有するプラズマ生成用電源回路と、
インダクタであり前記プラズマ生成用変圧部にて変圧された高周波電力が供給されるプラズマ生成用アンテナと、を備え、
前記セルフバイアス印加装置は、
電源から出力される直流電力を高周波電力に変換して出力するセルフバイアス用インバータ部、このセルフバイアス用インバータ部から出力される高周波電力を変圧するためのセルフバイアス用変圧部、このセルフバイアス用変圧部に直列接続された共振用インダクタ、および前記セルフバイアス用変圧部にて変圧された高周波電力が供給されるセルフバイアス用キャパシタを有するセルフバイアス用電源回路と、
前記セルフバイアス用キャパシタに直列接続され前記セルフバイアス用変圧部に並列接続された共振用キャパシタと、を備え、
前記誘導性結合プラズマ発生装置および前記セルフバイアス印加装置は、
前記電源から出力される直流電力を、予め設定した所定電力に等しくして、前記プラズマ生成用アンテナへ供給される高周波電力と、前記ステージ上に設置されたウェハに供給される高周波電力との共振状態を維持する電力制御部を備える
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、
前記プラズマ生成用電源回路は、前記プラズマ生成用インバータ部と前記プラズマ生成用変圧部との間の電流値を検出し、前記プラズマ生成用インバータ部から出力される高周波電力を制御するプラズマ生成用周波数制御部を備え、
前記セルフバイアス用電源回路は、前記セルフバイアス用インバータ部と前記セルフバイアス用変圧部との間の電流値を検出し、前記セルフバイアス用インバータ部から出力される高周波電力を制御するセルフバイアス用周波数制御部を備える、
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記プラズマ生成用インバータ部、および前記セルフバイアス用インバータ部は、複数のスイッチング素子をそれぞれ有し、
前記プラズマ生成用周波数制御部、および前記セルフバイアス用周波数制御部は、前記各スイッチング素子の電圧値と出力電流の電流値とを検出し検出した電圧値の位相と電流値の位相とを比較する位相比較部と、この位相比較部にて比較した位相のずれに基づいて前記各スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御部と、をそれぞれ有する
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の誘導性結合プラズマ発生装置のプラズマ生成方法であって、
前記誘導性結合プラズマ発生装置が複数のスイッチング素子を有し、
前記プラズマ生成用インバータ部から出力される高周波電力の出力電圧と、前記高周波電力の出力電流の位相が等しくなるように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する
ことを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理装置のセルフバイアス印加装置のセルフバイアス印加方法であって、
前記セルフバイアス印加装置が複数のスイッチング素子を有し、
前記セルフバイアス用インバータ部から出力される高周波電力の出力電圧と、前記高周波電力の出力電流の位相が等しくなるように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する
ことを特徴とするセルフバイアス印加方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を高周波電力に変換して出力する電源回路を備えたプラズマ処理装置、プラズマ生成方法、およびセルフバイアス印加方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの製造ラインとして、０．５インチサイズ（ハーフインチサイズ）のウェハに１個のデバイスを作成することを基本とし、そのために製造工程を複数の可搬性の単位処理装置で構成し、これら複数の単位処理装置をフローシップやジョブショップに再配置することを容易にすることで、超少量生産でかつ多品種生産に適切に対応できるようにしたミニマルファブシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このミニマルファブシステムに適合させた単位処理装置は、上下方向に長手方向を有する略直方体状に形成され外気から遮断された構成の、例えば所定の大きさに規格化され従来に比べ極めて狭小な内部空間を有する筐体を備えており、この筐体内に、ハーフインチサイズのウェハを処理するためのウェハ処理部を収容して構成されている（例えば、特許文献参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０２９７７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のミニマルファブシステムは、ハーフインチサイズのウェハを単位処理装置で一枚ずつ処理する方法であり、ハーフインチサイズのウェハの表面を、プラズマエッチング処理するプラズマ処理装置としては、何ら提案されていない。ミニマルファブシステムに適合させた単位処理装置の筐体は、極めて小さな内部空間を有するものであるため、例えばプラズマ生成とウェハへのイオン入射エネルギーとをそれぞれ独立に制御可能な誘導結合性プラズマエッチャーでは、プラズマ処理装置等のウェハ処理部を駆動させる電源回路や、チャンバ内にプラズマを生成するためのプラズマ生成部に使用する電源回路、ステージ上のウェハにバイアスを印加するウェハバイアス部に使用する電源回路としても、小型化が求められている。
【０００６】
また、高周波電力をプラズマ生成部またはウェハバイアス部へ供給するためには、例えばアンテナやバイアス部等の負荷のインピーダンスを電源のインピーダンス、例えば５０Ωと一致させて高周波電力の反射を抑制する必要があるので、プラズマの状態によって変化するインピーダンスを、可変キャパシタを用いて調整するインピーダンス整合法が用いられる。このインピーダンス整合法では、可変キャパシタを制御するモーター等の機械駆動部品およびその制御回路等がプラズマ生成部およびウェハバイアス部のそれぞれに必要となり、上述のミニマルファブシステムの筐体に収容することが容易ではない。また、ボッシュプロセス法などの高速でガスの置換を必要とするプロセス方式では、高速でインピーダンス整合を実現する手法が有効であるが、上記のインピーダンス整合法は、可変キャパシタの機械駆動でインピーダンス整合を調整するため、時間応答性に劣るという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、ミニマルファブシステムに適した、小型化可能なプラズマ処理装置、プラズマ生成方法、およびセルフバイアス印加方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部、およびこの変圧部に直列接続された共振用キャパシタを有する電源回路と、インダクタであり前記変圧部にて変圧された高周波電力が供給されるプラズマ生成用アンテナと、を備える誘導性結合プラズマ発生装置とした。
【０００９】
このように構成された本発明によれば、共振周波数に相当する周波数でインバータ部のスイッチングを行った際に、負荷に流す高周波電流を増大させることが可能となり、プラズマ生成用アンテナが負荷の場合には、誘導電磁界の強度が増加しプラズマ生成が可能となる。しかし、プラズマが生成された状態、またはプラズマの状態が変化した際には、負荷のインピーダンスが変動するため、共振周波数が変動してしまうものの、プラズマ生成用アンテナが接続されているため、プラズマ生成前後における共振状態からのずれを、駆動周波数を変化させることで調整し、常に共振状態を維持し効率よく高周波電力を投入することができる。したがって、一般的に可変キャパシタ群とキャパシタ制御用の機械駆動部品から成る大きな構成の、いわゆるマッチャーと呼ばれる、高周波電力のインピーダンス整合装置を用いることなく、高周波電力の投入が実現できるため、小型化が可能となり、所定の大きさに規格された単位処理装置にて構成されたミニマルファブシステムの電源回路に適している。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記電源回路は、前記インバータ部と前記変圧部との間の電流値を検出し、前記インバータ部から出力される高周波電力を制御する周波数制御部を備える誘導性結合プラズマ発生装置とした。
【００１１】
このように構成された本発明は、インバータ部と変圧部との間の電流値を検出し、例えばインバータ部の電圧と電流の位相が等しくなるように、すなわち負荷インピーダンスが純抵抗成分となる共振状態を常時保持するようにインバータ部から出力される高周波電力の周波数を制御することにより、負荷インピーダンスの変動に追従した共振状態の維持が可能となる。
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記インバータ部は、複数のスイッチング素子を有し、前記周波数制御部は、前記各スイッチング素子の電圧値と出力電流の電流値とを検出し検出した電圧値の位相と電流値の位相とを比較する位相比較部と、この位相比較部にて比較した位相のずれに基づいて前記各スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御部と、を有する誘導性結合プラズマ発生装置とした。
【００１３】
このように構成された本発明は、各スイッチング素子の電圧値と出力電流の電流値とを検出し、この検出した電圧値の位相と電流値の位相とを位相比較部にて比較し、この位相のずれを無くすように各スイッチング素子のスイッチング周波数を周波数制御部にて制御することによって、共振状態を正確かつ高速に制御できる。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明は、直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部、およびこの変圧部に直列接続された共振用インダクタを有する電源回路と、前記変圧部にて変圧された高周波電力が供給されるセルフバイアス用キャパシタと、前記キャパシタに
並列接続された共振用キャパシタと、を備えるセルフバイアス印加装置とした。
とした。
【００１５】
このように構成された本発明は、共振周波数に相当する周波数でインバータ部のスイッチングを行った際に、負荷に流す高周波電流を増大させることが可能となり、セルフバイアス用キャパシタが負荷の場合には、ウェハへ効率よく高周波電圧を印加することが可能となる。しかし、プラズマが生成された状態、またはプラズマの状態が変化した際には、負荷のインピーダンスが変動するため、共振周波数が変動してしまうものの、例えば、負荷としてセルフバイアス用キャパシタが接続されているため、プラズマ生成前後における共振状態からのずれを、駆動周波数を変化させることで調整し、常にウェハへと高周波高電圧を印加することができる。したがって、一般的に可変キャパシタ群とキャパシタ制御用の機械駆動部品から成る大きな構成の、いわゆるマッチャーと呼ばれる、高周波電力のインピーダンス整合装置を用いることなく、高周波電力の投入が実現できるため、小型化が可能となり、所定の大きさに規格された単位処理装置にて構成されたミニマルファブシステムの電源回路に適している。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記電源回路は、前記インバータ部と前記変圧部との間の電流値を検出し、前記インバータ部から出力される高周波電力を制御する周波数制御部を備えるセルフバイアス印加装置とした。
【００１７】
このように構成された本発明は、インバータ部と変圧部との間の電流値を検出し、例えばインバータ部の電圧と電流の位相が等しくなるように、すなわち負荷インピーダンスが純抵抗成分となる共振状態を常時保持するようにインバータ部から出力される高周波電力の周波数を制御することにより、負荷インピーダンスの変動に追従した共振状態の維持が可能となる。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、本発明は、前記インバータ部は、複数のスイッチング素子を有し、前記周波数制御部は、前記各スイッチング素子の電圧値および出力電流の電流値を検出し、検出した電圧値の位相と電流値の位相とを比較する位相比較部と、この位相比較部にて比較した位相のずれに基づいて前記各スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御部と、を有するセルフバイアス印加装置とした。
【００１９】
このように構成された本発明は、各スイッチング素子の電圧値と出力電流の電流値とを検出し、この検出した電圧値の位相と電流値の位相とを位相比較部にて比較し、この位相のずれを無くすように各スイッチング素子のスイッチング周波数を周波数制御部にて制御することによって、共振状態を正確かつ高速に制御できる。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、本発明は、ウェハが設置されるステージと、このステージを覆うチャンバと、このチャンバ内を真空引きする真空引き部と、前記チャンバの前記ステージに対向する位置に設けられたガス供給部と、請求項１ないし３のいずれかに記載の誘導性結合プラズマ発生装置を有し前記ガス供給部内のエッチングガス中にプラズマを生成するプラズマ生成部と、請求項４ないし６のいずれかに記載のセルフバイアス印加装置を有し前記ステージ上に設置されたウェハに高周波電圧を印加し直流セルフバイアスを誘起するウェハバイアス部と、を具備するプラズマ処理装置とした。
【００２１】
このように構成された本発明は、ステージにウェハを設置し、チャンバ内を真空引き部にて真空引きしてから、ガス供給部からプラズマ生成部へエッチングガスを供給しつつプラズマ生成用アンテナに高周波電力を供給してプラズマを生成する。プラズマの生成前後では、プラズマ生成用アンテナとプラズマとからなる負荷のインピーダンスが変化することから、共振周波数が変動するため、誘導性結合プラズマ発生装置のインバータ部の出力
電流と電圧との位相が揃うように高周波電力の周波数を制御することによって、高速かつ可変キャパシタを用いることなく共振状態を維持することができる。プラズマ生成部にて生成されたプラズマおよびラジカル種は、拡散にてウェハ上に到達する。同時に、セルフバイアス印加装置から出力される高周波電圧をウェハに印加する。ステージに設置されたウェハを含む領域にプラズマ生成部からのプラズマが流入することにより、ウェハバイアス部の共振周波数が変動するため、セルフバイアス印加装置のインバータ部の出力電流と電圧との位相が揃うようにウェハバイアス部での高周波電力の周波数を制御することによって、高速かつ可変キャパシタを用いることなく共振状態を維持することができる。
【００２２】
すなわち、プラズマ生成部ではプラズマ生成用アンテナと共振用キャパシタとプラズマとによって生じる共振、ウェハバイアス部では共振用インダクタとセルフバイアス用キャパシタと共振用キャパシタとプラズマとによって生じる共振を、高周波電力の周波数を制御することによって維持できる。よって、インバータ部から出力される高周波電圧と電流の位相が等しくなるように制御することにより、高周波電力の供給先としてプラズマ生成用アンテナが接続されている場合においても、ウェハバイアス部が接続されている場合においても、プラズマ生成前後における共振状態を維持することができる。このため、一般的に大きな構成の、いわゆるマッチャーと呼ばれる、高周波電力のインピーダンス整合装置を用いることなく、共振状態の維持を実現可能であるため、小型化が可能となり、所定の大きさに規格された単位処理装置にて構成されたミニマルファブシステムの電源回路の制御方法として適している。また、マッチャー内の可変キャパシタを制御するような機械駆動部品が存在せず、周波数を制御することのみで共振状態を維持するため、時間的な応答の高速性もあり、ボッシュプロセスなどの高速応答性が求められるプロセスにも適している。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、本発明は、複数のスイッチング素子を有し直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部と、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部と、この変圧部に直列接続されたインダクタおよびキャパシタと、を備える電源回路を用いたプラズマ生成方法であって、前記インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するプラズマ生成方法とした。
【００２４】
このように構成された本発明は、インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、スイッチング素子のスイッチング周波数を制御することにより、常に共振状態を維持することができる。一方で、同位相の電圧と電流の積に相当する出力電力はインバータ部に接続された変圧部を含む出力側回路のインピーダンスと直流電源電圧で決まるため、その安定制御を実現することができる。
【００２５】
また、上記目的を達成するために、本発明は、複数のスイッチング素子を有し直流電力を高周波電力に変換して出力するインバータ部と、このインバータ部から出力される高周波電力を変圧するための変圧部と、この変圧部に直列接続されたインダクタおよびキャパシタと、を備える電源回路を用いたセルフバイアス印加方法であって、前記インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するセルフバイアス印加方法とした。
【００２６】
このように構成された本発明は、インバータ部から出力される高周波電力の位相が等しくなるように、スイッチング素子のスイッチング周波数を制御することにより、常に共振状態を維持することができる。一方で、同位相の電圧と電流の積に相当する出力電力はインバータ部に接続された変圧部を含む出力側回路のインピーダンスと直流電源電圧で決まるため、その安定制御を実現することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、一般的に可変キャパシタ群とモーターとギア等のそれらの制御部品群から構成される大きな構成の、いわゆるマッチャーと呼ばれる、高周波電力のインピーダンス整合装置を用いることなく、出力先の共振状態を維持できるから、小型化でき、所定の大きさに規格された単位処理装置にて構成されたミニマルファブシステムの電源回路に用いることができる。
【００２８】
また、上記の効果は、誘導結合性プラズマ源からなるプラズマ生成部とウェハバイアス部のそれぞれに高周波電力が必要なプラズマ処理装置では、マッチャーと呼ばれるインピーダンス整合装置２台分のスペースを省くことができるため、ミニマルファブシステムの電源回路に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す概略図である。
【図２】上記プラズマ処理装置のプラズマ生成部に高周波電力を供給する電源回路を示す概略図である。
【図３】上記プラズマ処理装置のウェハバイアス部に高周波電力を供給する電源回路を示す概略図である。
【図４】上記プラズマ処理装置のインバータ部を示す制御回路図である。
【図５】上記プラズマ処理装置が収容される筐体を示す外観図である。
【図６】上記筐体内のレイアウトを示す概略図である。
【図７】上記ウェハバイアス部に高周波電力を供給する電源回路の周波数制御部による周波数の制御方法を示すフローチャートである。
【図８】上記電源回路の電力制御部による周波数の制御方法を示すフローチャートである。
【図９】上記プラズマ処理装置のウェハバイアス部に高周波電力を供給する際の様子を示すグラフである。
【図１０】上記プラズマ処理装置にてプラズマ処理したウェハの状態を示す電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１０を示す概略図である。図２は、プラズマ処理装置１０のプラズマ生成部１１に設置された高周波アンテナ５ｅに高周波電力を供給するための高周波電源回路７を示す概略図である。図３は、プラズマ処理装置１０のプロセス部１２内に設置されたステージ６に高周波電力を供給するための高周波電源回路９を示す概略図である。図４は、プラズマ処理装置１０の高周波電源回路７，９を示す回路図である。図５は、プラズマ処理装置１０が収容される筐体２を示す外観図である。図６は、筐体２内のレイアウトを示す概略図である。
【００３２】
＜全体構成＞
本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、図５および図６に示すように、予め規格された大きさの筐体２内に収容されたミニマルファブ（minimal fabrication）構
想に基づくミニマルエッチング装置であり、単位処理装置（小型装置）としてのミニマルファブシステム用処理装置１に収容されている。ここで、ミニマルファブ構想とは、多品種少量という半導体製造市場に最適なもので、省資源・省エネルギー・省投資・高性能な多様なファブに対応でき、例えば特開２０１２−５４４１４号公報に記載の生産をミニマル化させるミニマル生産システムを実現させるものである。
【００３３】
筐体２は、上下方向に長手方向を有する略直方体状に形成された、幅（ｘ）０．２９４ｍ×奥行（ｙ）０．４５ｍ×高さ（ｚ）１．４４ｍの大きさに統一され、内部への微粒子およびガス分子のそれぞれの侵入を遮断し、外気から遮断された処理室である。筐体２の上側の装置上部２ａには、ウェハＷを処理するためのウェハ処理部２ｆが設けられている。ウェハ処理部２ｆには、ウェハＷをイオンエッチングするための処理装置本体であるプラズマ処理装置１０が収容されている。ここで、プラズマ処理装置１０によるプラズマエッチングとしては、ウェハＷの表面上に積層されているレジストパターンに対応させてウェハＷの表面をエッチングする等である。
【００３４】
プラズマ処理装置１０より上方の装置上部２ａには、プラズマ処理装置１０でのプラズマエッチングに用いられる、例えばエッチングガスＧ等を供給するための供給部３ａが収容されている。なお、ミニマルファブシステム用処理装置１は、ＡＣ１００Ｖ、１０Ａの消費電力で、各処理を行うよう統一化されている。
【００３５】
筐体２の下側には、装置上部２ａ内のプラズマ処理装置１０を制御する制御装置等を内蔵するための装置下部２ｂが設けられている。装置下部２ｂには、プラズマ処理装置１０でのエッチングの際に用いられるエッチングガスＧが充填された高圧ボンベ（図示せず）等が収容されている。装置下部２ｂの背面には、プラズマ処理装置１０でのエッチングの際に用いられた後のエッチングガスＧ等の気体を筐体２外へ排出させるアウトレットとなる排出部３ｂが設けられている。排出部３ｂは、排出部３ｂから排出されてくる気体を貯留するタンク（図示せず）等に接続されている。
【００３６】
筐体２の装置上部２ａの上下方向の中間部には、装置上部２ａの正面側が上方に凹状に切り欠かれた形状とされている。装置上部２ａの上側の正面側には、操作パネル２ｃが取り付けられている。装置上部２ａの下側の部分は、ウェハＷを筐体２内に搬入させる前室２ｄとなっている。前室２ｄの上面の略中央部には、搬送容器としてのミニマルシャトル（図示せず）を設置するためのシャトル収容部としての略円形状のドッキングポート２ｅが設けられている。ドッキングポート２ｅには、ドッキングポート２ｅに嵌合させたミニマルシャトルを固定するためのクランプ（図示せず）が設けられている。
【００３７】
前室２ｄは、筐体２内への微粒子およびガス分子のそれぞれを遮断する構成となっている。前室２ｄ内には、ミニマルシャトル内に収容されているウェハＷを外気に曝す等することなく筐体２内へ出し入れできるようにするための搬送装置としてのＰＬＡＤ（Particle Lock Air-tight Docking）システム２ｇが取り付けられている。ＰＬＡＤシステム２
ｇは、ドッキングポート２ｅから搬入されてくるウェハＷをプラズマ処理装置１０の所定位置へ搬送するとともに、プラズマ処理装置１０にてエッチングされた後のウェハＷをドッキングポート２ｅへ搬出する。
【００３８】
＜プラズマ処理装置＞
プラズマ処理装置１０は、筐体２内の前室２ｄの後側上部のウェハ処理部２ｆ内に収容されている。プラズマ処理装置１０にてエッチングするウェハＷは、所定の大きさ、例えば直径１２．５ｍｍ（ハーフインチサイズ）の円形状の表面を有し、単結晶シリコン（Ｓｉ）にて構成された円盤状に形成されている。ウェハＷの表面には、予め所定のレジストパターンが形成され、プラズマエッチング前の状態とされている。ここで、ウェハＷは、ミニマルファブ構想に適合したウェハサイズ、すなわち極小単位の半導体デバイスを作製するための極めて小さなウェハサイズである。
【００３９】
なお、極小単位とは、極小単位の半導体デバイス、例えば０．５インチサイズ（ハーフインチサイズ）のウェハＷから１ｃｍ２の１個の半導体デバイスを作製するものや、作成するデバイスの大きさに応じ、１個に限定されることなく、極小単位の半導体デバイスを
作製するための極めて小さなウェハサイズであれば、１枚のウェハＷから作成可能な限りにおいて、極小単位を２個以上としても良い。
【００４０】
プラズマ処理装置１０は、いわゆる高周波インバータを用いた反応性イオンエッチング装置、すなわちＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導性結合プラズマ）のプラズマエッチャーである。プラズマ処理装置１０は、後述するプラズマ生成用絶縁管５ｄに取り付けられた高周波アンテナ５ｅに高周波電力を印加してプラズマを生成することによりエッチングガスＧ中に多量のフッ素ラジカル（Ｆ）および電子とイオン（ＳＦ２＋、Ａｒ＋）を発生させるとともに、ステージ６に高周波電圧を印加してイオンシースを発生させ、プラズマ生成部１１でイオン化させたプラスイオン（ＳＦ２＋、Ａｒ＋）をウェハＷの表面に略垂直に叩き込んで垂直エッチングする。プラズマ処理装置１０は、図１に示すように、チャンバ５と、このチャンバ５内に設置されるステージ６とを備え、このステージ６をチャンバ５にて気密に覆う構成となっている。
【００４１】
＜チャンバ＞
チャンバ５は、例えば接地された金属製真空容器にて構成されている。チャンバ５は、円筒状または直方体状の本体部５ａを有し、本体部５ａの軸方向を上下方向に沿わせて設置され、本体部５ａの上端側が円盤状の上板５ｂにて閉塞された形状とされている。上板５ｂの中心位置には、円形状の開口部５ｃが形成されており、開口部５ｃには、プラズマ生成部としての絶縁管であるプラズマ生成用絶縁管５ｄの下端側が気密性を保持して取り付けられている。プラズマ生成用絶縁管５ｄは、本体部５ａの内寸法より小さく、ウェハＷの外寸法より若干大きな外寸法を有する円筒状であり、例えばガラスやセラミック等の円形絶縁材管にて形成されている。プラズマ生成用絶縁管５ｄの下端側は、開口部５ｃに接着またはＯリングシール等されて取り付けられている。
【００４２】
プラズマ生成用絶縁管５ｄの上部からは、例えば六フッ化硫黄（ＳＦ６）とアルゴン（Ａｒ）との混合ガス（ＳＦ６／Ａｒ）等のエッチングガスＧが供給され、このプラズマ生成用絶縁管５ｄにてプラズマＰを生成する。なお、エッチングガスＧとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ６）のみのガスや、四フッ化炭素（ＣＦ４）のみのガス、四フッ化炭素（ＣＦ４）とアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）の混合ガス（ＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２）等の混合ガスであってもよい。
【００４３】
プラズマ生成用絶縁管５ｄには、インダクタに相当するプラズマ生成用アンテナである高周波アンテナ５ｅが取り付けられている。高周波アンテナ５ｅは、プラズマ生成用絶縁管５ｄ内部のエッチングガスＧを電離しプラズマＰを発生させ、プラズマＰ由来のフッ素ラジカル（Ｆ）を多量に発生させるラジカル発生部でもある。高周波アンテナ５ｅは、誘導結合性プラズマ源の誘導性負荷である電力供給対象であり、例えば導電性を有する銅線等をプラズマ生成用絶縁管５ｄの外側に、数１０〜数１００巻周方向に巻き付けられたコイル状に構成されている。高周波アンテナ５ｅの両端部、すなわち上端部および下端部のそれぞれには、電極部としてのアンテナ端子５ｆ，５ｇが設けられている。
【００４４】
アンテナ端子５ｆ，５ｇ間には、誘導性インピーダンスを有する高周波アンテナ５ｅに高周波電流を供給する第１電源回路としての高周波電力供給装置である高周波電源回路７が取り付けられている。高周波電源回路７は、アンテナ端子５ｆ，５ｇ間に高周波電力を印加し、高周波アンテナ５ｅを流れる高周波電流による誘導電磁界によって、プラズマ生成用絶縁管５ｄ内を通過するエッチングガスＧ中にプラズマＰを発生させる。プラズマ生成用絶縁管５ｄは、プラズマ生成用絶縁管５ｄを通過するエッチングガスＧの一部を電離しプラズマＰおよびフッ素ラジカル（Ｆ）を発生させるプラズマ生成部１１となっている。ここで、高周波アンテナ５ｅと高周波電源回路７とにより、誘導性結合プラズマ発生装置１０Ａが構成されている。
【００４５】
チャンバ５の下方には、チャンバ５の下端を閉塞する蓋体５ｈが取り付けられている。蓋体５ｈには、チャンバ５内を真空引きするための真空引き部としての真空形成装置８が取り付けられている。真空形成装置８は、装置下部２ｂ内に収容され、チャンバ５内のステージ６上にウェハＷが設置された状態で、チャンバ５内を真空引きする。
【００４６】
高周波電源回路７は、図２に示すように、フル・ブリッジ型のインバータ電源であって、直流電力を供給するための直流電源部としてのＤＣ電源７ａと、ＤＣ電源７ａから直流電力が供給され、直流電力のうちの直流電流をスイッチングにより、例えば数１００ｋＨｚの高周波電力に変換して出力する電力変換回路７ｃと、電力変換回路７ｃが出力する高周波電力の周波数を制御するためのゲートドライバ回路７ｍとを備える。ゲートドライバ回路７ｍは、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のゲート電圧を制御する構成になっている。
【００４７】
電流変換回路７ｃは、例えばＦＥＴ素子またはＩＧＢＴ素子からなる複数、例えば計４つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を有するインバータ電源部としてのブリッジ回路７ｇを備える。これらスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のうちの２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、直列接続された直列回路７ｈとされ、ＤＣ電源７ａに並列接続されている。他の２つのスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４もまた、直列接続された直列回路７ｉとされ、これら２つのスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を除く他の２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の直列回路７ｈおよびＤＣ電源７ａのそれぞれに対して並列接続されている。各直列回路７ｈ，７ｉのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間およびスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４間には、インピーダンス変換用の変圧部としての変圧器７ｊが直列接続されている。変圧器７ｊは、高周波アンテナ５ｅに直列接続されている。変圧器７ｊおよび高周波アンテナ５ｅ間には、共振用キャパシタＣが直列接続されている。
【００４８】
＜ステージ＞
ステージ６は、図１に示すように、チャンバ５内に収容されつつ、チャンバ５の上下方向に軸方向を沿わせつつ、チャンバ５の開口部５ｃの鉛直下に設置されている。ステージ６は、チャンバ５の開口部５ｃに対し同心状に位置しつつ、開口部５ｃから所定間隔ほど下方に間隔を空けた位置に設置されている。ステージ６は、円柱状の本体部６ａを備え、本体部６ａの軸方向を上下方向に沿わせた状態で設置されている。本体部６ａの上端面は、閉塞されて平坦な円盤状の設置面６ｂとされ、設置面６ｂ上にウェハＷが設置される。すなわち、本体部６ａは、ウェハＷの外径寸法より若干大きな外径寸法に形成され、ウェハＷの外径寸法より若干大きな径寸法を有する設置面６ｂとされている。
【００４９】
ステージ６の本体部６ａの下面およびチャンバの蓋体５ｈには、ウェハバイアス端子６ｃ，６ｄが接続されている。ウェハバイアス端子６ｃ，６ｄ間には、高周波電力供給装置である高周波電源回路９が接続され、高周波電源回路９からウェハバイアス端子６ｃ，６ｄ間に高周波電力が供給される。プラズマ生成部１１で生成されたプラズマＰ内の電子とイオンがウェハＷへ拡散および流入した状態で高周波電源回路９によってウェハＷとチャンバ５と間に高周波電圧を印加し、高周波電源回路９内に含まれるブロッキングキャパシタＣ１によって直流電流が抑止されるため、ウェハＷが帯電しウェハＷ近傍にイオンシースが発生し、垂直な直流電界が形成される。したがって高周波電源回路９によってウェハＷへ高周波電力を印加することで、ウェハＷへ入射するイオンのエネルギーが制御される。すなわち、ステージ６上は、高周波電源回路９から供給される高周波電力によって、ステージ６上に設置されたウェハＷにバイアスを印加するウェハバイアス部としてのプロセス部１２となっている。ここで、高周波電源回路９およびウェハバイアス端子６ｃ，６ｄによって、プラズマＰに起因して自発的に形成される直流電圧を発生させるためのセルフバイアス印加装置１０Ｂが構成されている。
【００５０】
高周波電源回路９は、容量性インピーダンスを有するウェハステージ６ｃとチャンバ６ｄと間に高周波電圧を印加するための第２電源回路としての高周波電力印加装置である。高周波電源回路９は、図３に示すように、高周波電源回路７と同様に、直流電力を供給するための直流電源部としてのＤＣ電源９ａと、ＤＣ電源９ａから直流電力が供給され、例えば数１００ｋＨｚの高周波電力に変換して出力する電力変換回路９ｃと、電力変換回路９ｃが出力する高周波電力の周波数を制御するためのゲートドライバ回路９ｍを備える。ゲートドライバ回路９ｍは、各スイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のゲート電圧を制御する構成になっている。
【００５１】
電流変換回路９ｃは、例えばＦＥＴ素子またはＩＧＢＴ素子からなる複数、例えば計４つのスイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８を有するインバータ部としてのブリッジ回路９ｇを備える。これらスイッチング素子Ｓ５〜Ｓ８のうちの２つのスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６は、直列接続された直列回路９ｈとされ、ＤＣ電源９ａに並列接続されている。他の２つのスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８もまた、直列接続された直列回路９ｉとされ、これら２つのスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８を除く他の２つのスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の直列回路９ｈおよびＤＣ電源９ａのそれぞれに対して並列接続されている。各直列回路９ｈ，９ｉのスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６間およびスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８間には、高周波電力を変圧するための変圧部としての変圧器９ｊが直列接続されている。変圧器９ｊは、出力負荷でありキャパシタに相当するウェハバイアス端子６ｃ，６ｄ間に直列接続されている。変圧器９ｊおよびウェハバイアス端子６ｃ，６ｄ間には、共振用キャパシタＣ２が並列接続されている。共振用キャパシタＣ２と変圧器９ｊとの間には、共振用インダクタＩおよび負荷の直流電流をゼロとするためのセルフバイアス誘起用キャパシタであるブロッキングキャパシタＣ１が直列接続されている。そして、これら共振用インダクタＩおよび共振用キャパシタＣ２によってＬＣ共振回路が構成されている。
【００５２】
高周波電源回路７（９）は、後述するそれぞれの共振条件および電力設定値を満足するように、図４に示す制御回路により制御する。電力制御部７ｂ（９ｂ）は、ＤＣ電源７ａ（９ａ）が出力する直流電力の電圧値をモニタリングしてＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御する。電力制御部７ｂ（９ｂ）は、ＤＣ電源７ａ（９ａ）から出力された電力値を検出して電力信号として出力する電力検出部７ｅ（９ｅ）と、電力検出部７ｅ（９ｅ）にて検出して出力した電力信号に基づいてＤＣ電源７ａ（９ａ）が出力する直流電力の電力値を制御する電力制御回路としてのＰＩＤ制御回路７ｆ（９ｆ）とを有する。ＰＩＤ制御回路７ｆ（９ｆ）には、ＤＣ電源７ａ（９ａ）が出力する直流電力の電力値を設定可能とするための出力電力設定値が入力される。
【００５３】
周波数制御部７ｄ（９ｄ）は、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）の出力電流、すなわち計２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、Ｓ３，Ｓ４（Ｓ５，Ｓ６、Ｓ７，Ｓ８）が直列接続された直列回路７ｈ，７ｉ（９ｈ，９ｉ）と変圧器７ｊ（９ｊ）との間の電流値（電流信号）を検出し、この電流信号と、出力電圧と同位相のＳ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲート電圧信号とが入力される位相比較回路７ｋ（９ｋ）と、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲート電圧を生成するゲートドライバ回路７ｍ（９ｍ）と、位相比較回路７ｋ（９ｋ）にて比較した位相差を積分する積分器７ｎ（９ｎ）と、初期周波数を与える予め定めた所定の基準電圧から積分器７ｎ（９ｎ）の信号分周波数をシフトしたクロック信号を出力するスイッチング周波数制御部としての電圧制御型発振器（Voltage-controlled oscillator：ＶＣＯ）７ｐ（９ｐ）とを有する。位相比較回路７ｋ（９ｋ）は、電圧制御
型発振器７ｐ（９ｐ）からゲートドライバ回路７ｍ（９ｍ）へ出力される電圧信号が入力され、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）の出力電圧の位相に相当する電圧信号の位相と、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）の出力電流の電流信号の位相とを比較し、所定時間毎の、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）が出力する高周波電圧と電流との位相差を算出する。この制御により、高周波電圧と電流との位相差がゼロになるように、すなわちブリッジ回路７ｇ（９ｇ）に接
続された負荷のインピーダンスが純抵抗成分となる、すなわち共振状態を維持するように出力周波数を自動調整する。これらのブリッジ回路７ｇ（９ｇ）と周波数制御部７ｄ（９ｄ）とを同時に動作させることで、共振状態を維持しながら出力電力を一定に保持する制御が可能となる。
【００５４】
次に、上記一実施形態のプラズマ処理装置１０を用いたプラズマエッチング方法について説明する。
【００５５】
まず、エッチング前のウェハＷが収容されたミニマルシャトルを、筐体２の前室２ｄのドッキングポート２ｅに嵌合させて設置する。この状態で、筐体２の所定位置、例えば操作パネル２ｃ等に表示等されているスタートスイッチ（図示せず）を押す。すると、ドッキングポート２ｅに設置したミニマルシャトルが開放し、ミニマルシャトル内に収容されているウェハＷが、ＰＬＡＤシステム２ｇにてプラズマ処理装置１０のステージ６上の所定位置へ搬送されて設置される。このとき、ステージ６は、例えばステージ６とチャンバ５とが相対的に上下動される等して、チャンバ５内からステージ６が取り出された状態とされている。
【００５６】
この後、プラズマ処理装置１０のチャンバ５が蓋体５ｈにて密封され、このチャンバ５内が略真空になるまで真空形成装置８にて真空引きされる。この状態で、チャンバ５に接続されたプラズマ生成用絶縁管５ｄへエッチングガスＧを供給し、プラズマ生成用絶縁管５ｄおよびチャンバ５内の圧力が所定の圧力に維持される。この後、高周波電源回路７，９のそれぞれがオンされ、高周波アンテナ５ｅに高周波電力が供給されるとともにプラズマ生成用絶縁管５ｄ内部でイオン、電子、ラジカルから成るプラズマＰが生成され、ウェハＷへ向かって拡散する。ステージ６に高周波電力を印加する高周波電源回路９は、直列に挿入されたブロッキングキャパシタＣ１により直流電流がゼロに抑止されるため、プラズマＰからウェハＷへ流入するイオンと電子のフラックスが等しくなるように、ウェハＷが帯電する。その結果、ウェハＷ近傍にはウェハＷに向かう方向に沿った電位傾斜が形成され、垂直な電界が形成される。
【００５７】
この結果、エッチングガスＧは、プラズマ生成用絶縁管５ｄ内の高周波アンテナ５ｅが取り付けられている箇所を通過する際に、高周波アンテナ５ｅに印加された高周波電力によってエッチングガスＧ中にプラズマＰを発生させ、このエッチングガスＧを構成するＳＦ６のフッ素をラジカル化させ、多量のフッ素ラジカル（Ｆ）を発生させる。すなわち、このエッチングガスＧ中のＳＦ６が分離されて、多量のフッ素ラジカル（Ｆ）が生成される。
【００５８】
さらに、ステージ６に印加された高周波電力によって、上述のように、ステージ６の上方に上下方向に沿ったイオンシースと電界Ｅとが形成される。この結果、プラズマ生成用絶縁管５ｄから拡散してくるプラズマＰのプラスイオン（ＳＦ２＋、Ａｒ＋）が加速されてウェハＷへと垂直に叩き付けられ、ウェハＷがエッチングされる。同時に、プラズマ生成用絶縁管５ｄから拡散してくるラジカル化されたフッ素ラジカル（Ｆ）がウェハＷと化学的に反応し、ウェハＷがエッチングされる。これら二つンエッチング過程がウェハＷ上に設けられたレジストパターンを介して進行するため、ウェハＷが予め形成されたレジストパターンに従ってプラズマエッチングされる。
【００５９】
すなわち、高周波アンテナ５ｅに印加された高周波電力によってプラズマＰ由来のフッ素ラジカル（Ｆ）とイオン（ＳＦ２＋、Ａｒ＋）がウェハＷへ供給され、ステージ６に印加された高周波電力により、ウェハＷへのイオン入射エネルギーが制御される。これらのフッ素ラジカル（Ｆ）とＳｉとの化学反応によるエッチング過程と、イオンによる物理エッチング過程とが重畳することで、シリコンのエッチング過程が進行する。また、エッチ
ングガスＧに酸素（Ｏ２）などの保護膜（ＳｉＯ２）形成用のガスを混入した場合には、エッチング孔への保護膜形成と、イオンによる底面保護膜の物理エッチング、およびフッ素ラジカル（Ｆ）によるシリコンエッチング過程とが同時に進行することで、アスペクト比の高いエッチング加工が実現される。
【００６０】
この後、ウェハＷのエッチングが完了した後、チャンバ５の密封が解除され、例えばステージ６とチャンバ５とを相対的に上下動させる等して、チャンバ５内からステージ６を取り出し、このステージ６上に設置されているウェハＷを、ＰＬＡＤシステム２ｇによる引き戻し動作にてミニマルシャトル上に設置されてから、このミニマルシャトルが閉操作されてウェハＷが収容される。さらに、ウェハＷが収容されたミニマルシャトルを、前室２ｃのドッキングポート２ｅから取り外すことによって、ウェハＷが搬出される。
【００６１】
次に、上記一実施形態のプラズマ処理装置１０のプラズマ生成部１１の高周波アンテナ５ｅに高周波電力を印加する高周波電源回路７の共振制御について説明する。
【００６２】
インバータ方式の高周波電源回路７は、スイッチング損失を抑制する観点から、出力する駆動周波数、すなわち高周波電力の周波数を、例えば１００ｋＨｚ〜５００Ｈｚ等の比較的低い周波数としている。高周波アンテナ５ｅによる誘電磁界は、ｄΦ／ｄｔ（Φ：鎖交磁束）に比例するため、出力する高周波電力の周波数において、プラズマ生成部１１にてプラズマＰが生成可能な誘電磁界となるように、高周波アンテナ５ｅの巻き数を、例えば３０〜３００巻程度の範囲としている。
【００６３】
高周波電源回路７が出力する高周波電力の周波数は、ゲートドライバ回路７ｍへの入力クロック周波数に、上述の電圧制御型発振器７ｐを用いることにより、容易に制御可能となっている。ＤＣ電源７ａから供給される直流電力の電圧・電流容量の範囲内で動作させるためのインピーダンス変換の役割を果たす変圧器７ｊおよび共振用キャパシタＣを介して高周波アンテナ５ｅに接続しているため、高周波アンテナ５ｅのインダクタンスをＬとし、共振用キャパシタＣのキャパシタンスをＣとすると、出力する高周波電力の最大周波数ｆは、（式１）ｆ＝１／２π√（ＬＣ）となる。
【００６４】
ただし、プラズマ生成用絶縁管５ｄ内にプラズマＰが生成されると、この生成したプラズマＰ自体が有するインピーダンスによって、負荷のインピーダンスが変動する。このため、出力する高周波電力の周波数を制御することによって、プラズマＰ生成前後、すなわち常時最適なインピーダンス整合状態を維持することが可能となる。よって、プラズマＰ生成後においては、出力する高周波電力の周波数が共振周波数と等しくなるように、例えば手動または自動にてゲートドライバ回路７ｍへの入力クロック周波数を調整することによって、プラズマＰ生成前後におけるインピーダンス共振状態を維持する。
【００６５】
次に、上記一実施形態のプラズマ処理装置１０のプロセス部１２に高周波電圧を印加する高周波電源回路９のセルフバイアス誘起方法および共振制御について、図３を参照して説明する。
【００６６】
高周波電源回路９は、ウェハＷが設置されるステージ６が負荷であり、主としてチャンバ５の内壁との間の浮遊容量（Ｃｓｕｂ）がインピーダンスの主成分となり、一般的には、例えば数１０ｐＦ〜数１００ｐＦ程度の値で、各プラズマ処理装置１０の構成に固有の値である。上記式１の共振条件を、高周波電源回路９が出力する高周波電力の周波数の範囲内で数１０ｐＦ〜数１００ｐＦ程度の容量性負荷に対して満たすためには、例えば１ｍＨ〜１００ｍＨ程度の比較的大型なインダクタンスが必要となる。このため、ステージ６に対して並列に、浮遊容量（Ｃｓｕｂ）より十分大きな数μＦ程度の共振用キャパシタＣ２を接続し、高周波電源回路９の負荷のインピーダンスが共振用キャパシタＣ２のみで決
定する構成としている。
【００６７】
また、ステージ６への高周波電圧印加の主な目的は、プラズマＰ中のイオンと電子の挙動に起因するＤＣセルフバイアスの誘起であり、負荷の回路に直列にキャパシタを挿入し、ＤＣ電流がゼロとなるように回路を構成する必要があり、上記一実施形態では、数μF
のセルフバイアス用のキャパシタであるブロッキングキャパシタＣ１を直列に挿入している。この場合の共振条件は、（式２）ｆ＝１／２π√（ＬＣｓ）、但し、Ｃｓ＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。このとき、必要なインダクタンスは、十分に小型設計が可能な１５０μＨとなり、ステージ６に印加される高周波電力は、変圧器９ｊから出力される電流Ｉと共振用キャパシタＣ２によって定まる。ここで、高周波電源回路９は、ブロッキングキャパシタＣ１からステージ６へ流入していくプラズマ荷電粒子に起因する直流電流がゼロ（０）になるため、自動的かつ自発的に、ステージ６に直流バイアスが印加され、酸化膜等の絶縁物のエッチングが可能となる。
【００６８】
次に、上記一実施形態のプラズマ処理装置１０のプラズマ生成部１１およびプロセス部１２にそれぞれ使用する高周波電源回路７，９の自動共振制御および電力制御について、図４、図７および図８を参照して説明する。ただし、上記一実施形態では、高周波電源回路７，９は，ＤＣ電源部７ａ（９ａ）、ゲートドライバ回路７ｍ（９ｍ）およびスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）は、同等品を使用しているため、各高周波電源回路７，９にて同様の制御を適用できる。
【００６９】
具体的に、高周波電源回路７（９）は、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）から出力される高周波電力の出力電圧と、この高周波電力の出力電流の位相が等しくなるように自動追従する。高周波電源回路７（９）は、プラズマ生成部１１にてプラズマＰを生成する前のブリッジ回路７ｇ（９ｇ）から出力される高周波電力の初期周波数が予め入力されている（ステップＳ１１）。そして、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）の出力電圧と位相が等しい各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲート電圧の電圧信号と、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）から出力される高周波電力の電流信号とのそれぞれが位相比較回路７ｋ（９ｋ）に入力され、これら電圧信号および電流信号の位相が比較され、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）の各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）の共振周波数からゲート電圧の周波数（ゲート周波数）のずれを電圧に変換した値が、位相比較回路７ｋ（９ｋ）にて出力される（ステップＳ１２）。
【００７０】
そして、これら各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲード電圧信号の周波数が、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）が変圧器７ｊ（９ｊ）へ出力する出力電流の位相と等しくなるように、電圧制御型発振器７ｐ（９ｐ）にて各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲート電圧のクロック周波数、すなわちスイッチング周波数を制御する（ステップＳ１３）。
【００７１】
プラズマ生成部１１にてプラズマＰが生成されると、プラズマＰ自体が有するインピーダンスによって、プラズマ生成部１１およびプロセス部１２のそれぞれにおいて負荷となるインピーダンスが変動する（ステップＳ１４）。すると、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲート電圧の電圧信号の位相が、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）から出力される高周波電力の電流信号の位相より大きいかが位相比較回路７ｋ（９ｋ）にて判断される（ステップＳ１５）。
【００７２】
そして、電圧信号の位相が電流信号の位相より大きい場合（ステップＳ１５／ＹＥＳ）は、電圧制御型発振器７ｐ（９ｐ）にて各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲート信号の周波数を小さくする制御がされ、電圧信号の位相が電流信号の位相以下の場合（ステップＳ１５／ＮＯ）は、電圧制御型発振器７ｐ（９ｐ）にて各スイッチング素子
Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲート信号の周波数を大きくする制御がされ、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）の出力電圧と同位相の各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ５〜Ｓ８）のゲート信号の周波数が、ブリッジ回路７ｇ（９ｇ）が変圧器７ｊ（９ｊ）へ出力する出力電流の位相と等しくなるまで、上記ステップＳ１２〜ステップＳ１５の処理が繰り替えされることによって、プラズマＰの状態によって変動する共振周波数に自動追従される。
【００７３】
さらに、高周波電源回路７（９）は、プラズマ生成部１１にてプラズマＰが生成されると、プラズマＰ自体が有するインピーダンスによって、負荷となるインピーダンスが変動するため、高周波アンテナ５ｅおよびステージ６に供給される高周波電力自体も変動してしまう。そこで、電力制御部７ｂ（９ｂ）は、目標値となる出力電力設定値、すなわち設定電力をＰＩＤ制御回路７ｆ（９ｆ）に予め設定する（ステップＳ２１）。そして、ＤＣ電源７ａ（９ａ）が出力する電圧値および電流値に基づき電力検出部７ｅ（９ｅ）にて、ＤＣ電源７ａ（９ａ）が出力する直流電力の電力値を算出し、この算出した電力値に基づく電力信号をＰＩＤ制御回路７ｆ（９ｆ）に出力する（ステップＳ２２）。その後、この出力された電力信号に応じた電力値、すなわち出力電力が設定電力より大ききかがＰＩＤ制御回路７ｆ（９ｆ）にて判断される（ステップＳ２３）。
【００７４】
そして、出力電力が設定電力より大きい場合（ステップＳ２３／ＹＥＳ）は、ＰＩＤ制御回路７ｆ（９ｆ）にてＤＣ電源７ａ（９ａ）の出力電力を小さくする制御がされ、出力電力が設定電力以下の場合（ステップＳ２３／ＮＯ）は、ＰＩＤ制御回路７ｆ（９ｆ）にてＤＣ電源７ａ（９ａ）の出力電力を大きくする制御がされ、ＤＣ電源７ａ（９ａ）の出力電力が設定電力に等しくなるまで、上記ステップＳ２１〜ステップＳ２３の処理が繰り替えされ、ＤＣ電源７ａ（９ａ）から安定した電力供給を行う。
【００７５】
上記一実施形態のプラズマ処理装置１０においては、異方性を有する精密垂直加工、及びその際のエッチングレートを最適化する目的から、プラズマ生成部１１におけるイオン密度およびラジカル密度の制御と、ウェハＷに対するイオンの入射エネルギーとを独立させて制御する必要がある。特に、ウェハＷ上に保護膜を積層させるプロセスと、この保護膜の底面部のみをイオンエッチングするプロセスを同時に行う場合には、より周波数の高い高周波電力をプロセス部１２に印加する必要がある。この必要性に関しては、プラズマ生成部１１の高周波アンテナ５ｅに高周波電力を供給する高周波電源回路７と、プロセス部１２のステージ６に高周波電力を供給する高周波電源回路９とを別個にすることで対応し、上述のようにそれぞれに自動制御を適用する。
対応できる。
【００７６】
ミニマルファブシステム用処理装置１は、比較的小型な筐体２に、真空排気系や、ガス制御系、プラズマ源、バイアス電源、装置制御用のインターフェイス、ガスボンベ、除外設備等を含む全てのコンポーネントを収納する必要がある。このため、プラズマ生成部１１用の高周波電源回路７およびプロセス部１２用の高周波電源回路９のそれぞれの小型化が必要である。これら高周波電源回路７，９は、従来のマッチャーを用いたものの場合、筐体２内における空間占有率が大きく、配線での電力損失や、配線によるインピーダンスの変動を可能な限り抑制する目的から、マッチャーを、負荷に近くに設置したり、負荷に直付けしたりする必要があるため、装置の設計やデザイン上の制約が非常に大きい。
【００７７】
さらに、各高周波電源回路７，９においては、排熱および消費電力をより少なくすることが望まれているため、直流電力から高周波電力への変換効率を高くする必要がある。特に、各コンポーネントを筐体２内に収容する場合は、出力する高周波電力の特性によって高周波ノイズが発生し、機器の誤作動や破損が生じるおそれがあるため、そのノイズ対策が容易な装置構成にする必要がある。一般的に、高周波ノイズを抑制する方法としては、接地金属によるシールドが効果的であるが、出力する高周波電力の周波数が、例えば数Ｍ
Ｈｚ〜数１０ＭＨｚの場合には、わずかな配線のたわみがインダクタンスとして作用してしまうため、装置の組み立て状態に応じて、高周波ノイズによる特性が変化してしまう。
【００７８】
プロセス部１２では、ステージ６上のウェハＷと、チャンバ５との間の浮遊容量（インピーダンス：１／ｊωＣｓｕｂ）に応じて、接地されたチャンバ５へ流れる高周波電力と電流との関係が決定する。よって、所定の高周波電力を供給した場合、出力する高周波電力の周波数が高いほど、その電流値が大きくなり、チャンバ５および接地箇所を流れて電源へと戻ってくる電流に起因するノイズの影響が大きくなってしまう。そのため、装置を組み立てる都度、ノイズ対策や配線の調整が必要となる。一方、プラズマ生成部１１は、高周波アンテナ５ｅのみで電流の往路および復路が形成されるため、接地箇所を流れる電流に起因するノイズの影響はさほど大きくない。したがって高周波電力の周波数を１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ程度にすることで、特に、プロセス部１２でのノイズの影響を軽減できる。
【００７９】
ウェハＷの表面を均一にプラズマエッチングするためには、ウェハＷへの入射イオンのフラックス（流束）およびエネルギー、およびラジカルのフラックスを均一にする必要がある。すなわち、プラズマ生成部１１にて生成されるプラズマ密度の均一性に加え、入射イオンのフラックス、ステージ６上に設置されたウェハＷの表面電位、ラジカルの生成レートに寄与する電子温度（電子エネルギー分布関数）の均一化が重要である。プラズマ生成部１１にて生成されるプラズマＰ中への高周波電磁場の浸透距離（表皮厚δ）は、（式３）δ＝−Ｃ／（ωＩｍ（Ｋｐ１／２），ＫＰ＝−ωｐｓ２／ω２（１−ｉｖｍ／ω）で表される。ここで、Ｋｐは、プラズマＰの比誘電率であり、一般的な従来のプラズマ処理装置のプラズマ生成部に使用される周波数１３．５６ＭＨｚ、アルゴンガスを使用し、圧力を１０ｍＴｏｒｒ、プラズマ密度を５×１０１７ｍ−３と仮定すると、δは５ｃｍ程度となり、プラズマ生成部のガス供給管周辺で電磁場の大部分が吸収されるため、この領域に高エネルギー電子が形成され、電子温度分布が不均一になってしまう。
【００８０】
そこで、上記一実施形態のプラズマ処理装置１０においては、マッチャーレスの反応性エッチング装置とし、プラズマ処理装置１０のプラズマ生成部１１およびプロセス部１２の電源回路として高周波電源回路７，９を用いる構成としている。これら高周波電源回路７，９は、ブリッジ回路７ｇ，９ｇから出力される高周波電力の周波数を可変とし、かつ負荷をＬＣ共振回路として、最適なインピーダンス（純負荷抵抗）を実現できる構成となっている。
【００８１】
よって、プラズマ処理装置１０のプラズマ生成部１１でのプラズマＰの生成、あるいはプラズマＰの変動に基づく、負荷インピーダンスのリアクタンス成分の変動があっても、高周波アンテナ５ｅおよびステージ６へ供給される高周波電力の周波数が可変であり高速な調整が可能であるから、高周波アンテナ５ｅへ供給される高周波電力と、ステージ６へ供給される高周波電力とのそれぞれに対して、安定した共振状態の維持がマッチャーを使用せずに実現できる。
【００８２】
一方で、上述のように、共振状態の維持によりリアクタンス成分の補正は可能であるが、プラズマＰの生成または変動に伴う負荷インピーダンスの抵抗成分の変動に対しては周波数による調整が原理的に不可能であり、出力電力の安定制御が必要となる。そこで、電力制御部７ｂ（９ｂ）によるＤＣ電源７ａ（９ａ）の出力電力のＰＩＤ制御によって、安定した電力供給が可能である。これらのことから、これら高周波電源回路７，９を用いることにより、可変キャパシタ等から構成されるマッチャーを使用せずに、高周波アンテナ５ｅおよびステージ６へ供給する高周波電力の安定した共振状態を確保できるとともに、安定した出力電力の保持が可能となる。
【００８３】
また、比較的大きなウェハの処理を行うメガファブ用のプラズマ処理装置に供給する高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚに比べ、プラズマ生成部１１の高周波アンテナ５ｅおよびプロセス部１２のステージ６に供給する高周波電力の周波数を、例えば数１００ｋＨｚと低くしている。このため、各高周波電源回路７，９から高周波アンテナ５ｅまたはステージ６までの配線によるインピーダンスの変化を小さくでき、かつノイズを低減することができる。よって、これら各高周波電源回路７，９から高周波アンテナ５ｅまたはステージ６までの距離を柔軟に変更することが可能となるため、比較的小さな筐体６内に各コンポーネントを収容する必要のあるミニマルファブシステム用処理装置１の装置設計において、非常に大きな利点となる。
【００８４】
さらに、各高周波電源回路７，９は、フル・ブリッジ型のブリッジ回路７ｇ，９ｇを用いた構成としており、これらブリッジ回路７ｇ，９ｇから出力される高周波電力の周波数は、一般に最大でも１ＭＨｚ程度である。ところが、これら高周波電源回路７，９は、９０％以上の直流電力から高周波電力への変換効率を実現可能な構成であるため、これら高周波電源回路７，９から高周波アンテナ５ｅまたはステージ６までの配線における電力損失や、配線によるインピーダンスの変動が抑制できる。
【００８５】
また、これら高周波電源回路７，９が出力する高周波電力の周波数は、従来のマッチャーを用いた電源回路比べて低く、周波数が低いことから、プラズマ生成部１１にて生成されるプラズマＰ中への電磁場の浸透距離（表皮厚δ）が大きくなり、電磁場が、プラズマ生成部１１の内部まで浸透し、中心領域の電子加熱も可能になるため、電子温度または電子エネルギー分布関数の均一化が可能となる。特に、電子温度は、イオン・ラジカル生成時等における衝突性発生プロセスでの影響が大きいことから、均一なプラズマ生成およびラジカル生成を可能とし、均一なウェハ処理が可能となる。
【００８６】
さらに、それぞれをマッチャーレスの高周波電源回路７，９としたため、ミニマルファブシステム用処理装置１の比較的小型な筐体２であっても、従来必要であったマッチャーを設置するためのスペースが不要となり、これらスペースを有効活用できる。よって、真空排気系、ガス導入系、あるいはコントローラ等を、筐体２内のより適切な位置に効率良く組み込むことが可能となる。すなわち、高周波電圧印加装置を用７，９いることによって、筐体２内の有効利用可能な空間を増加できる。
【実施例１】
【００８７】
次に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１０につき、高周波電源回路９を用いてプロセス部１２に高周波電力を供給し、セルフバイアスを誘起した場合の実施例１について、図９を参照して説明する。図９は、プラズマ処理装置１０のプロセス部１２に高周波電源回路９にて高周波電力を供給する際の様子を示すグラフである。
【００８８】
高周波電源回路７を用い、プラズマ生成部１１に高周波電力を供給してチャンバ５内にプラズマＰを定常的に生成した状態で、高周波電源回路９からプロセス部１２のステージ６に高周波電力を供給した際のステージ６の電位を測定したところ、図９に示すように、高周波電源回路９をオンすると同時に、３００Ｖｐｐの高周波電圧が高周波電源回路９から出力され、同時に−１００Ｖの直流電圧が重畳した状態となった。この結果、プロセス部１２に高周波電力が印加されると同時に、直流（ＤＣ）セルフバイアスが誘起されることが分かった。
【実施例２】
【００８９】
次に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置１０にてエッチング処理を行った実施例２について、図１０を参照して説明する。図１０は、プラズマ処理装置１０にてプラズマ処理したウェハＷの状態を示す電子顕微鏡写真である。
【００９０】
プラズマ処理装置１０のプラズマ生成部１１のプラズマ生成用絶縁管５ｄに、アルゴン（Ａｒ）ガス６０ｓｃｃｍと、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガス３．７ｓｃｃｍとの混合ガスをエッチングガスＧとして導入する。そして、高周波電源回路７の消費電力を１１０Ｗとし、プロセス部１２の高周波電源回路９の消費電力を１８．２Ｗとし、エッチング時間を１０分とする。この条件で、ＳｉＯ２のパターニングマスクＭを施したＳｉウェハＷをプラズマ処理装置１０にてエッチングした際の、ウェハＷのＳＥＭ画像を確認したところ、図１０に示すように、０．１μｍ／ｍｉｎ程度のエッチングレートが得られていることが分かり、適切な反応性エッチングが行われていることが分かった。
【００９１】
＜その他＞
なお、上記一実施形態においては、プラズマ処理装置１０を用いて、レジストパターンが積層されたウェハＷをエッチングする構成とした。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、レジストパターンが積層された単結晶シリコン構造のウェハＷ以外であっても、対応させて用いることができる。
【符号の説明】
【００９２】
１      ミニマルファブシステム用処理装置（単位処理装置）
２      筐体
２ａ    装置上部
２ｂ    装置下部
２ｃ    操作パネル
２ｄ    前室
２ｅ    ドッキングポート
２ｆ    ウェハ処理部
２ｇ    ＰＬＡＤシステム
３ａ    供給部
３ｂ    排出部
５      チャンバ
５ａ    本体部
５ｂ    上板
５ｃ    開口部
５ｄ    プラズマ生成用絶縁管（ガス供給部）
５ｅ    高周波アンテナ（プラズマ生成用アンテナ）
５ｆ，５ｇ  アンテナ端子
５ｈ    蓋体
６      ステージ
６ａ    本体部
６ｂ    設置面
６ｃ，６ｄ  ウェハバイアス端子
７      高周波電源回路（電源回路）
７ａ    ＤＣ電源
７ｂ    電力制御部
７ｃ    電力変換回路
７ｄ    周波数制御部
７ｅ    電力検出部
７ｆ    ＰＩＤ制御回路
７ｇ    ブリッジ回路（インバータ部）
７ｈ，７ｉ  直列回路
７ｊ    変圧器
７ｋ    位相比較回路（位相比較部）
７ｍ    ゲートドライバ回路
７ｎ    積分器
７ｐ    電圧制御型発振器（スイッチング周波数制御部）
８      真空形成装置（真空引き部）
９      高周波電源回路（電源回路）
９ａ    ＤＣ電源
９ｂ    電力制御部
９ｃ    電力変換回路
９ｄ    周波数制御部
９ｅ    電力検出部
９ｆ    ＰＩＤ制御回路
９ｇ    ブリッジ回路（インバータ部）
９ｈ，９ｉ  直列回路
９ｊ    変圧器
９ｋ    位相比較回路（位相比較部）
９ｍ    ゲートドライバ回路
９ｎ    積分器
９ｐ    電圧制御型発振器（スイッチング周波数制御部）
１０    プラズマ処理装置
１０Ａ  誘導性結合プラズマ発生装置
１０Ｂ  セルフバイアス印加装置
１１    プラズマ生成部
１２    プロセス部（ウェハバイアス部）
Ｇ      エッチングガス
Ｐ      プラズマ
Ｗ      ウェハ
Ｓ１〜Ｓ８  スイッチング素子
Ｃ      共振用キャパシタ
Ｃ１    ブロッキングキャパシタ（セルフバイアス用キャパシタ）
Ｃ２    共振用キャパシタ
Ｉ      共振用インダクタ
Ｍ      パターニングマスク
【図１】
0006730567.tif 000002
【図２】
0006730567.tif 000003
【図３】
0006730567.tif 000004
【図４】
0006730567.tif 000005
【図５】
0006730567.tif 000006
【図６】
0006730567.tif 000007
【図７】
0006730567.tif 000008
【図８】
0006730567.tif 000009
【図９】
0006730567.tif 000010
【図１０】
0006730567.tif 000011