(57)【要約】【課題】反射波を抑制する螺旋型共振器を用いたプラズマ処理装置または処理方法を提供する。【解決手段】減圧可能な真空容器内部に配置され内部の空間に配置された処理対象の試料を処理するためのプラズマが当該空間内に形成される処理室と、この処理室内にプラズマ生成用のガスを供給する手段と、前記処理室内を排気するための真空排気手段と、該真空容器の外部に設置された螺旋状の共振コイルとその外側に配置され電気的に接地されたシールドからなる螺旋状共振装置と、前記共振コイルに所定範囲の高周波電力を供給する可変周波数の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記共振コイルの電気的長さが前記所定周波数における１波長の整数倍に設定されており、前記した高周波電源の周波数を、高周波の反射電力が最小となるように調節できる周波数整合器とを有し、前記した螺旋状の共振コイルの給電点を可変容量素子を用いて接地電位に接続した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧可能な真空容器と、この真空容器内部に配置され内部の空間に配置された処理対象の試料を処理するためのプラズマが当該空間内に形成される処理室と、この処理室内にプラズマ生成用のガスを供給する手段と、前記処理室内を排気するための真空排気手段と、該真空容器の外部に設置された螺旋状の共振コイルとその外側に配置され電気的に接地されたシールドからなる螺旋状共振装置と、前記共振コイルに所定範囲の高周波電力を供給する可変周波数の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記共振コイルの電気的長さが前記所定周波数における１波長の整数倍に設定されており、前記した高周波電源の周波数を、高周波の反射電力が最小となるように調節できる周波数整合器とを有し、前記した螺旋状の共振コイルの給電点を可変容量素子を用いて接地電位に接続したプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、可変容量素子と並列に固定インダクタンス素子を接続したプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１もしくは２に記載のプラズマ処理装置において、可変容量素子の容量を高周波の反射電力が最小となるように自動調節する機能を備えたプラズマ処理装置。
【請求項４】
減圧可能な真空容器内部に配置された処理室内に処理対象の試料を配置し、前記処理室内にプラズマ形成用のガスを供給し、前記真空容器の外側に配置された螺旋状のコイルに所定周波数の高周波電力を供給して形成した電界を前記処理室内に電界を供給して前記ガスを用いて前記処理室内にプラズマを形成して前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、前記螺旋状のコイルの電気的長さを前記所定周波数の１波長の整数倍に設定し、前記螺旋状のコイルに前記所定周波数の高周波電力を供給する高周波電源の可変容量素子の容量を当該高周波の反射電力が最小となるように予め設定された値に調節することを特徴としたプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内の処理室内に形成したプラズマを用いて当該処理室内に配置された半導体ウエハ等の基板状の試料を処理するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関し、特に、全波長モードで共振する螺旋状のコイルを用い、エッチング、アッシング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の処理に好適な、極めて電位の低いプラズマを励起可能な誘導結合型のプラズマ処理装置及び処理方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの量産工程において、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ、プラズマアッシング等のプラズマ処理が広く用いられている。プラズマ処理は、減圧した状態の処理用ガスに高周波電力やマイクロ波電力を投入することでプラズマを発生させ、イオンやラジカルをウエハに照射することで行われる。半導体デバイスの微細化は今後も進み、国際半導体技術ロードマップ（International Technology Roadmap for Semiconductors；ＩＴＲＳ）によれば、２０１４年から２０１６年の間にはハーフピッチ２０nm以下のデバイスの量産が立ち上がると予想されている。この際のトランジスタ構造は、現在の主流であるプレーナ型（平面型）から、ダブルゲート型、トライゲート型等の３Ｄ構造を有したＦｉｎＦＥＴ型が主流になるものと予想される。これら将来の半導体デバイスの製造に用いられるプラズマ処理装置には、さらなる微細加工性能や低ダメージ性、選択性、制御性、安定性が求められている。特に、デバイスの微細化が進展するにつれ、プラズマが処理中に与えるダメージがより深刻になっていく。
【０００３】
プラズマ起因のダメージは何種類か存在するが、プラズマ電位が上昇することにより様々な弊害が引き起こされることが知られている。例えばプラズマリアクタの上部からＯ2等のガスを導入し、プラズマにより生成したＯラジカルを下流領域に設置したウエハ上のレジストと反応させることで行うアッシング処理においては、ウエハは通常、アース電位であるウエハステージに載置される。このため、プラズマ電位が高い場合はウエハとの間に電位差が発生し、プラズマ中の正イオンが加速されウエハに入射し、下地膜ダメージや下地膜削れ等の原因となることがある。また高いプラズマ電位によってステージの横や、ステージ下部等の、本来望まない部分にプラズマが生成される場合もある。したがって、プラズマ電位は実質的にアース電位付近となるように低く制御する必要がある。
【０００４】
プラズマ電位を抑え低ダメージ処理を実現できる従来の技術の例として、特許文献１には螺旋状共振装置をプラズマ生成に適用する技術が開示されている。本技術では、全波長モードで共振する螺旋状のコイルによって電流及び電圧定在波を励起し、電圧定在波の位相電圧と逆位相電圧とを互いに相殺し、位相電圧の切り替わり点、すなわち、電位が略ゼロのノードにおいて、電流定在波による誘導結合によって極めて電位の低いプラズマを励起することができる。これにより従来の誘導結合型のプラズマ源では避けることが困難な、コイルに発生する電圧とプラズマとが容量結合することによるプラズマ電位の上昇を抑えることができる。
【０００５】
また特許文献２には、前記した螺旋状共振装置を用いたプラズマ処理装置に周波数整合器を適用する技術が開示されている。プラズマ負荷からの反射電力や、電圧と電流の位相差をモニタし、反射電力が小さくなるように、もしくは、電圧と電流の位相差がゼロになるように電源の発振周波数をフィードバック制御することで、負荷からの反射を自動的に抑える技術である。さらに特許文献３には、前記した螺旋状共振装置と周波数整合器を用いたプラズマ処理装置において、共振コイルの接地点を真空リレーを用いて切り替えることにより、負荷インピーダンスが異なる何種類かの処理条件に対応する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０００−５０１５６８号公報
【特許文献２】特開２０００−４９０００号公報
【特許文献３】特開２００３−３７１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記した螺旋状共振装置と周波数整合器を用いたプラズマ処理装置では（特許文献２）、ある特定の一種類の処理のみに適用する場合は、予めその条件に共振特性を調節しておけばよかった。この調節は螺旋状共振器の接地点の位置と、給電点の位置とを、作業員がマニュアルで変更することで行っていた。ここで図７（ａ）に、給電点、接地点の位置が適切に調節されている螺旋状共振装置において、高周波電源の周波数を変化させた場合の進行波電力（Ｐｆ）と反射波電力（Ｐｒ）を示した。本データを実験的に採取する際は、高周波電源の発振周波数をマニュアルで設定し、周波数を高い方（２７.７MHz）から低い方向（２６.６MHz）に順次変化させた。本図から、Ｐｒは周波数２７.１MHz付近でほぼ０Ｗになることが判る。一方で、図７（ｂ）には、給電点、接地点の位置が不適切な場合のＰｆ，Ｐｒを示した。この場合、周波数２７.１５MHzでも２００Ｗ程度の反射波が残っているのが判る。周波数整合器はＰｒが最小となるように自動的に周波数を変更する機能を有しているが、図７（ｂ）に示した状況、つまり給電点や接地点の位置が適切でない場合では、周波数整合器だけでは反射波を０Ｗに調節することは不可能であった。したがって、ある一つの条件に対して給電点や接地点を最適に調節したとしても、プラズマ処理の条件を変更し負荷インピーダンスが変化した場合には、反射電力が残ってしまうことになる。
【０００８】
図８はＯ2ガス流量１０Ｌ／min、圧力５３３Ｐａ，放電電力４５００Ｗの基準条件（高圧／大電力）にて反射電力Ｐｒが０Ｗになるように給電点を調節したハード体系において、放電電力と圧力とを変化させた場合の反射波のマップ（マトリクス）を示している。本図からは、マップの５０％以上の領域で反射電力が出ていることや、５３３Ｐａ，１０００Ｗ条件や１００Ｐａ，４５００Ｗ条件のように基準条件からプラズマインピーダンスが大きく変化する条件では、反射波の値がさらに増大することがわかる。ここで仮に５３３Ｐａ，１０００Ｗ条件を使いたいとすると、作業員が接地点及び給電点を変更、調節する必要があるが、接地点及び給電点の調節後は、逆に５３３Ｐａ，４５００Ｗの基準条件で反射波が増大してしまうという課題があった。
【０００９】
また前述した特許文献３に記載の技術では、共振コイルの接地点を真空リレーを用いて切り替えることができるため、単一の条件だけでなく２−３種類の条件に対応することができた。例えば、前述した図８において、５３３Ｐａ，４５００Ｗ条件と、５３３Ｐａ，１０００Ｗ条件の２つの条件に対応することは可能である。しかし、その原理から判るように本技術ではステップ的な調節のみに限られてしまう。したがってこれら従来の技術では、今後主流となる３Ｄ構造を有したＦｉｎＦＥＴ型のデバイスの処理に対応することは困難である。複雑な構造を加工するために、より多くの工程に対応する必要が生じるためである。さらには、複数の種類からなる積層膜構造を一括で処理するために、条件の異なる複数の処理ステップを逐次行う必要が生じるためである。特許文献３に記載の技術では、仮に２つ、もしくは３つの工程、ステップで反射電力を抑えられたとしても、それ以上の多工程、多ステップに対応することは困難であろう。さらには、反射電力がプロセス開発の制約になってしまう欠点も避けられないであろう。
【００１０】
本発明の目的は、低ダメージ加工に有利な極めて電位の低いプラズマを励起可能である螺旋型共振器を用い、給電点や接地点の変更を行わずに、様々な条件において反射波を抑制することができるプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
反射電力を抑制する、即ち、高周波電力を効率よく負荷に投入するためには、電源と伝送系の特性インピーダンス（５０＋０ｊ（Ω））と、負荷（螺旋型共振器＋プラズマ）の複素インピーダンスＺ＝Ｒ＋Ｘｊ（Ω）を整合させる必要がある。つまり、負荷インピーダンスの実部Ｒと虚部Ｘの２変数を調節する必要がある。したがって、特許文献２や３に記載の周波数整合という１自由度の調節だけでは、ごく限られた条件でしかマッチングがとれず、何らかの、もう１自由度の調整手段を具備する必要がある。この調節手段は、給電点のごく近傍に、螺旋状アンテナとアースに対して並列に可変容量素子を挿入することが、最も単純、かつ、最も効果的であるとを、筆者らは様々な検討の結果見出したのである。
【００１２】
上記の目的は、減圧可能な真空容器と、プラズマ生成用のガスを供給する手段と、真空排気手段と、該真空容器の外部に設置された螺旋状の共振コイルとその外側に配置され電気的に接地されたシールドからなる螺旋状共振装置と、前記共振コイルに所定範囲の高周波電力を供給する可変周波数の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記共振コイルの電気的長さが前記所定周波数における１波長の整数倍に設定されており、前記した高周波電源の周波数を、高周波の反射電力が最小となるように調節できる周波数整合器を備え、前記した螺旋状の共振コイルの給電点を、可変容量素子を用いて接地電位に接続したことにより達成される。
【００１３】
または、減圧可能な真空容器内部に配置された処理室内に処理対象の試料を配置し、前記処理室内にプラズマ形成用のガスを供給し、前記真空容器の外側に配置された螺旋状のコイルに所定周波数の高周波電力を供給して形成した電界を前記処理室内に電界を供給して前記ガスを用いて前記処理室内にプラズマを形成して前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、前記螺旋状のコイルの電気的長さを前記所定周波数の１波長の整数倍に設定し、前記螺旋状のコイルに前記所定周波数の高周波電力を供給する高周波電源の可変容量素子の容量を当該高周波の反射電力が最小となるように予め設定された値に調節することにより解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の概略を示す縦断面図である。
【図２】放電圧力と放電電力を変えた際の（ａ）反射波マップ、及び、（ｂ）可変容量素子の素子値を示すマップである。
【図３】周波数を自動的に調節するためのアルゴリズムの一例を示すブロックダイアグラムである。
【図４】可変真空コンデンサの容量を自動的に調節するためのアルゴリズムの一例を示すブロックダイアグラムである。
【図５】本発明によるプラズマ着火シーケンスを示す模式図である。
【図６】可変容量素子のプリセット値を適切に調節した場合の着火シーケンスを示す模式図である。
【図７】給電点、接地点が適切な場合と給電点、接地点が不適切な場合とにおける進行波Ｐｆと反射波Ｐｒの放電周波数依存性である。
【図８】従来の技術における反射波マップである。
【図９】給電点、接地点が適切な場合で、周波数を低い方から高い方に上げて行った場合における進行波Ｐｆと反射波Ｐｒの放電周波数依存性である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を以下説明する。
【００１６】
〔実施例〕
本発明の実施例を図面を参照して以下説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示している。略円筒状の誘電体容器１の上部には金属製の上蓋２が備えられており、下部には金属製の処理室３が備えられている。
【００１８】
誘電体容器１、上蓋２、処理室３はＯリング等の真空シール手段で気密構造となるように構成されており、可変コンダクタンスバルブ２２を介して接続された真空ポンプ２３により排気されている。また上蓋２にはガス供給系２１が備えられており、処理用ガスは、上蓋２の下部に備えられたガス整流手段６により所望の流れのパターンに整流されたのち処理室に導入される。処理室の内部には被処理媒体であるウエハ５を載置するためのウエハステージ４が備えられている。
【００１９】
誘電体容器１の外側には螺旋状アンテナ７と、接地された金属製のシールド８が備えられており、高周波電源１３の出力が給電点１２に接続されている。前記アンテナ７の電気長は、高周波電源１３の周波数における一波長分の長さであり、その両端は上部接地点１０と下部接地点１１により接地されている。
【００２０】
すなわち、螺旋状アンテナ７とシールド８にて螺旋状共振器を構成している。また前記した給電点のごく近傍の給電線は、可変容量素子２２によって接地電位に接続されている。また可変容量素子２２に対して固定インダクタンス素子２３を並列に接続しても構わない。前記したガス供給系２１より所望のガスを導入し、前記した螺旋状アンテナ７に高周波電力を投入することでプラズマとラジカルを発生させ、これらをウエハ５に照射することでプラズマ処理が行われる。
【００２１】
略円筒状の誘電体容器１の材質は、プラズマ耐性が高く、誘電体損失が小さく、異物や汚染の原因になりにくい材質、すなわち、溶融石英、高純度なアルミナ焼結体、イットリア焼結体等が望ましい。またウエハ５に均一な処理を施すために、誘電体容器１の内径Ｄｑはウエハの直径Ｄｗを基準に、０.６Ｄｗ＜Ｄｑ＜１.４Ｄｗとするのが好ましい。
【００２２】
誘電体容器の内径が小さすぎる場合はウエハ中央部の処理速度が上昇し、逆に大きすぎる場合はウエハ外周部の処理速度が上昇するためである。またウエハ５に均一な処理を施すためには、誘電体容器１の高さＨは、ウエハの直径Ｄｗを基準に、０.８Ｄｗ＜Ｈ＜４.０Ｄｗとするのが好ましい。
【００２３】
前記した誘電体容器１の下部には金属性の処理室３が備えられている。処理室３の材質は、プラズマ耐性に優れ、ウエハに重金属汚染や異物による汚染を発生させにくい材質、即ち、表面をアルマイト処理したアルミニウム等が望ましい。
【００２４】
もしくは、アルミニウムの基材に、イットリア、アルミナ、酸化ケイ素等の材質を溶射したものでも構わない。また処理室３には、可変コンダクタンスバルブ２２と真空ポンプ２３とが備えられており、ガス供給系２１から所望の流量の処理ガスを流した状態で、可変コンダクタンスバルブを制御することにより処理室を一定の圧力に保つ機能が備えられている。
【００２５】
処理室３の内部で、前記した誘電体容器１の下方には、ウエハ５を載置するためのウエハステージ４が備えられている。ウエハステージの材質は、表面をアルマイト処理したアルミニウムや、チタン合金が望ましい。また本ステージには図示しないヒーター、もしくはチラーが備えられており、２０℃程度から４００℃程度までの温度調節が可能な構成となっている。さらには、図示しないウエハ昇降用のリフトピンが備えられている。
【００２６】
前記した略円筒状の誘電体容器１の上部には、表面をアルマイト処理したアルミニウム製の上蓋２が備えられており、Ｏリング等の真空シール手段により誘電体容器１と気密状態を保つように接続されている。また上蓋２や誘電体容器１の温度は放電中に上昇するが、前記したＯリングが熱により変質するのを防ぐ目的で、上蓋２は冷媒により冷却されている。また上蓋２にはガス供給系２１が接続されており、所望の種類の混合ガスを供給できるようになっている。
【００２７】
上蓋２の下部には略円形をした整流手段６が設けられている。整流手段６の材質はプラズマ耐性が高く、誘電体損失が小さく、異物や汚染の原因になりにくい材質、すなわち、溶融石英、高純度なアルミナ焼結体、イットリア焼結体等が望ましい。また整流手段の形状は、誘電体容器１へのガスの供給形態を変える目的で適宜選択される。整流手段が、略円盤状のシャワープレートであれば、ほぼ均一にガスを供給することができる。
【００２８】
一方で、整流手段６を、その外形が誘電体容器１の内径より１mm乃至１０mm程度小さい円盤にした場合、誘電体容器１の外周部のみからガスを供給できる。ガスの種類は、処理を行いたい膜種により適宜選択される。例えば各種有機膜を剥離するアッシング処理を例にとると、Ｏ2，Ｎ2，Ｈ2，Ｈｅ，ＣＦ4，ＣＯ2及び、これらの混合ガスが用いられることが多い。
【００２９】
前記した誘電体容器１の外側には、直径５mmから２０mmの金属製のパイプを螺旋状に形成したアンテナ７が設けられている。アンテナの長さは、用いる周波数の概略１波長分の長さである。例えば、２７.１２MHzの周波数を用いる場合アンテナ長は約１１ｍとなる。
【００３０】
また高周波電力を投入した際のアンテナ自体の温度上昇を抑制する目的で、アンテナ内部には温度調節された冷媒を流している。アンテナの両端は、上部接地点１０と下部接地点１１により、接地電位のシールド８と接続されている。アンテナ及びシールドの材質は、電気抵抗値が小さく一般的な材質である銅が用いられる。また、高周波的な特性を向上させる目的で、銅の表面に銀や金のめっきを施しても構わない。
【００３１】
また、前記した概略１波長分の螺旋状のアンテナ７とシールド８とで螺旋共振器を構成している。全波長モードで共振する螺旋状のコイルによって電流及び電圧定在波を励起し、電圧定在波の位相電圧と逆位相電圧とを互いに相殺し、位相電圧の切り替わり点、すなわち、電位が略ゼロのノードにおいて、電流定在波による誘導結合によって極めて電位の低いプラズマを励起することができる。
【００３２】
給電点１２は、前記したアンテナ７の下部アースから、概略１／２００波長から１／５０波長分、アンテナに沿って離れた位置に設けられており、高周波電源１３の出力が接続されている。給電点のごく近傍の電力ラインは、容量が５ｐＦから５００ｐＦ程度の可変容量素子３１を介して接地電位となるように電気的な接続がなされている。
【００３３】
本可変容量素子３１は、ＤＣサーボモーターやステッピングモーター等の機械的駆動手段（図示せず）と、これらを制御する可変容量素子制御部３３により、その容量を調節することができる。また、可変容量素子に対して並列に、固定インダクタンス素子３２を設けても構わない。
【００３４】
前記した高周波数電源１３の周波数は、４００kHzから４０MHzの間で適宜選択されるが、今回は２７.１２MHzを用いた。また本高周波電源１３は周波数マッチングの機能を備えている。すなわち、本高周波電源は、中心周波数２７.１２MHzに対し±５％から±１０％の範囲で出力周波数を変化させることができ、かつ、高周波電源の出力部でモニタされる進行波電力Ｐｆと反射波電力Ｐｒの比率Ｐｒ／Ｐｆが小さくなるように周波数をフィードバック制御できる機能を有している。
【００３５】
進行波電力と反射波電力はＰｆ・Ｐｒモニタ４１により検出され、マイコンやＣＰＵから構成される演算部４２に送られる。演算部では所定のアルゴリズムによって周波数ｆ_ｎｅｗと静電容量Ｃ_ｎｅｗが決定される。
【００３６】
高周波発振部４３では周波数ｆ_ｎｅｗの信号が発振され、高周波増幅部４４で所定の出力まで増幅され、同軸ケーブル４５を介して給電点１２に給電される。また静電容量Ｃ_ｎｅｗは可変容量素子制御部３３に信号線４６を介して送信され、可変容量素子３１の値が適切に調節される。
【００３７】
前記したように、特許文献２や３に記載の技術では、図８に示したように、放電圧力や放電電力等を変化させた様々な条件に対応することは困難であった。これに対し、本発明によるプラズマ処理装置では、可変容量素子１５の静電容量を適宜調節することで、幅広い条件に対応できるようになる。
【００３８】
図２（ａ）は、図８と同じ放電条件にて、本発明を用いて反射波マップを取得した結果を、図２（ｂ）は、その際の可変容量素子１５の容量値のマップを示している。図２（ａ）から判るように、すべての条件において反射波Ｐｒ＝０Ｗになっている。また、図２（ｂ）からは、図８において反射波が大きかった５３３Ｐａ，１０００Ｗ条件や、１００Ｐａ，４５００Ｗ条件において、より大きな静電容量を用いることが適切であることがわかる。また、図２（ｂ）はＯ2ガスのみの結果であるが、その他のガス系、即ち、Ｈ2／Ｎ2系や、Ｈ2／Ｈｅ系、Ｎ2／ＣＦ4系の混合ガス系においても、放電圧力と放電電力をマトリクス状に変化させた反射波マップを取得し、実施した全ての条件において反射波Ｐｒ＝０Ｗを確認できた。
【００３９】
次に図３に、周波数を自動的に調節するための単純なアルゴリズムの一例を示す。ちなみに、周波数に対する入射波、反射波の変化は、典型的には図７（ａ）のようになる。
【００４０】
まず、Ｓｔｅｐ３０１にて、高周波電力を印加し始める際の周波数ｆ（０），周波数を可変する際の周波数刻み幅Δｆと，時間刻み幅Δｔ１，周波数を変化させる方向を決めるフラグＡとを設定する。高周波電源の中心周波数が２７.１２MHzの場合は、典型的には、ｆ（０）＝２８.０MHz，Δｆ＝０.０１MHz，Δｔ１＝５ms程度、また、Ａ＝−１（周波数を下げる方向）に設定する。
【００４１】
次に、Ｓｔｅｐ３０２からＳｔｅｐ３０５の各ステップを実行することで周波数を順次下げて行くと、図７（ａ）からわかるように、反射波Ｐｒは徐々に減少し、進行波Ｐｆは徐々に増加していく。これは螺旋共振器の共振周波数を２７.１２MHz付近に設定し、高周波電力を印加し始める際の周波数ｆ（０）を２８.６MHzと、２７.１２MHzよりも高い値に設定しているためである。また、Ｐｆの増加、Ｐｒの減少に伴い、いずれかのタイミングでプラズマが発生し始める（図７（ａ）から推測すると、恐らく２７.７MHz〜２７.６MHz程度）。
【００４２】
また、反射波の値がある程度小さくなった場合は、周波数の刻みΔｆを小さくする処理を行う（Ｓｔｅｐ３０５）。また、周波数を下げすぎて反射波が増加した場合は、Ｓｔｅｐ３０３からＳｔｅｐ３０６に処理を移行し、周波数変化の向きを変更する。反射波の値が所定値より小さくなった場合はＳｔｅｐ４とＳｔｅｐ７のループに移行し、何らかの影響で再度反射波が所定値より増加しない限り、周波数は変更されない。
【００４３】
なお、図３は周波数の自動調節アルゴリズムの一例を示しているに過ぎず、他のアルゴリズムを用いても構わない。また、開始周波数ｆ（０）や周波数刻みΔｆ，時間刻みΔｔ１はいずれも一例にすぎず、他の値を用いても構わない。ただし、周波数を自動制御するにあたり、最終的に反射波が最小となる周波数（概ね２７.１２MHz）に対して、高周波電力を印加し始める際の周波数ｆ（０）を高くしておき（例えば２８.０MHz）、まずは周波数を下げる方向で制御を開始するのが望ましい。
【００４４】
図９に、給電点、接地点の位置が適切に調節されている螺旋状共振装置において、高周波電源の周波数を変化させた場合の進行波電力（Ｐｆ）と反射波電力（Ｐｒ）を示した。本データを実験的に採取する際は、高周波電源の発振周波数をマニュアルで設定し、周波数を低い方（２６.７MHz）から高い方向（２７.７MHz）に順次変化させた。つまり、図７（ａ）とは周波数を変化させる方向を逆にした場合である。
【００４５】
本図からは、２６.７MHzから２７.３MHzまでは全反射状態（Ｐｆ＝Ｐｒ＝１５００Ｗ）であり、プラズマが全く発生していないことがわかる。次に２７.４MHzでＰｆが増加し、Ｐｒが減少したことから、本周波数にてプラズマが発生したことがわかる。ただし、その後さらに周波数を上げるとＰｆは減少、Ｐｒは増大するため、全く逆方向の制御となることが判る。図３に示した自動制御アルゴリズムでは、ここで周波数を変化させる向きを減少方向に逆転させるために大きな問題とはならないものの、整合速度の観点や、無駄な周波数掃引を省く観点からは、まずは周波数を下げる方向で制御を開始するのが望ましいことがわかる。
【００４６】
次に、可変容量素子の静電容量Ｃを自動的に調節するための単純なアルゴリズムの一例を、図４に示す。本図では、まずＳｔｅｐ４０１にて、高周波電力を印加し始める際の初期の容量Ｃ（０），容量を可変する際の容量変化刻み幅ΔＣと，時間刻み幅Δｔ２，容量を変化させる方向を決めるフラグＢとを設定する。
【００４７】
典型的には、Ｃ＝２０ｐＦ，ΔＣ＝８ｐＦ，Δｔ１＝５０ms程度、また、Ｂ＝１（容量を上げる方向）に設定する。また、初期容量Ｃ（０）は、プリセット値として適切な値を処理レシピから入力できるようになっている。
【００４８】
次に、Ｓｔｅｐ４０２からＳｔｅｐ４０５の各ステップを実行して容量を順次上げて行く。反射波の値がある程度小さくなった場合は、容量の刻みΔＣを小さくする処理を行う（Ｓｔｅｐ４０５）。また、容量を上げすぎて反射波が増加した場合は、Ｓｔｅｐ４０３からＳｔｅｐ４０６に処理を移行し、容量変化の向きを変更する。
【００４９】
反射波の値が所定値より小さくなった場合はＳｔｅｐ４０４とＳｔｅｐ４０７のループに移行し、何らかの影響で再度反射波が所定値より増加しない限り、容量は変更されない。なお、図４は可変容量素子の静電容量の自動調節アルゴリズムの一例を示しているに過ぎず、他のアルゴリズムを用いても構わない。また、初期容量Ｃ（０）や容量刻みΔＣ，時間刻みΔｔ２はいずれも一例にすぎず、他の値を用いても構わない。また、図３で示した周波数の自動制御方法と、図４で示した可変容量素子の静電容量の自動制御方法とを併用することで、常に自動的に反射波Ｐｒを所定の値以下に抑え込むことが可能となる。
【００５０】
次に図５と図６に、高周波電力の出力をＯｎしたときからＰｒ＝０Ｗとなるまでの入射波Ｐｆ（ｔ），反射波Ｐｒ（ｔ），周波数ｆ（ｔ），可変容量素子ＶＣ１の静電容量Ｃ（ｔ）の時間変化の模式図（放電シーケンス）を示す。図５は、容量ＶＣ１のプリセット値Ｃ（０）が最適値よりも低かった場合を、図６はＶＣ１のプリセット値が適切だった場合を示している。
【００５１】
いずれの図も、周波数とＶＣ１の値の変化に応じて、入射波が増加し、反射波が減少していく。プラズマが発生する（着火）までは全反射状態であり、入射波Ｐｆと反射波Ｐｒの値はほぼ同じ値、Ｐｒ_ｌｉｍｉｔとなる。一般的なプラズマ用高周波電源では、プラズマが発生している状態では、Ｐｆが設定値となるように出力のフィードバック制御を行っているが、プラズマが発生しておらず全反射状態のときには、出力Ｐｆの値をある一定値（Ｐｒ_ｌｉｍｉｔ）まで抑制することにより、電源の破損を防止する機能を備えている。
【００５２】
プラズマが発生（着火）した直後は、まず反射波ＰｒはＰｒ_ｌｉｍｉｔのまま変化せず、Ｐｆが増加していく。次にＰｆがレシピ設定値に達した後は、Ｐｒの値が減少していき、Ｐｒ＝０Ｗとなったところで整合完了となる。ここで、図６に示したように、ＶＣ１のプリセット値を適切に設定することで、出力Ｏｎから整合完了までの時間を大幅に短縮することが可能となる。即ち、ＶＣ１を全く動かさずに、着火から整合までを周波数のみの制御で行うことができるのである。
【００５３】
一般的な周波数整合機能のない整合器では可変容量素子を２つ（ＶＣ１，ＶＣ２）使うが、プラズマが発生するときのＶＣ１，ＶＣ２のポジションと、プラズマ発生後にＰｒ＝０となるＶＣ１，ＶＣ２のポジションは一般的に異なっている。したがって、着火から整合までの間に、ＶＣ１，ＶＣ２を機械的に駆動する必要がある。また、ＶＣ１とＶＣ２のプリセットとして最初からＰｒ＝０Ｗとなる値を設定した場合は、プラズマが発生しないことも起こりうる。
【００５４】
いずれにせよ、機械的な手段により可変容量素子を駆動する必要が生じるため、着火から整合までの間に多少の時間がかかってしまうことは避けられなかった。これに対して、本発明では、ＶＣ１のプリセット値を適切に設定することで、ＶＣ１を全く動かさずに、着火から整合までを周波数のみの制御で行うことができるのである。
【００５５】
即ち、従来型の周波数整合機能のない整合器に比べ、大幅な高速化が見込めるのである。また、特許文献２や３に記載の、周波数整合器のみの場合では、整合動作の高速化は見込めるものの、図８に示したように整合範囲が狭く、条件によってはかなりの反射波が残ってしまうという欠点があった。これに対し本発明を用いることにより、図２に示したように整合範囲を大幅に拡大することができ、また、着火から整合動作の大幅な高速化が両立できるのである。
【００５６】
さらには、本発明で示した螺旋型共振器に周波数整合手段を備えたプラズマ処理装置の螺旋状アンテナの給電点のごく近傍に可変容量素子を設けたことによる整合手段は、可変容量素子が１素子であるために、通常の２素子以上の整合器と比較した場合と比べ、非常に小さく、低コストで製作することが可能となる。さらには、素子数が少ないために、整合手段での高周波電力の損失も小さくなることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５７】
１  誘電体製容器
２  上蓋
３  処理室
４  ウエハステージ
５  ウエハ
６  整流手段
７  螺旋形アンテナ
８  シールド
１０  上部接地点
１１  下部接地点
１２  給電点
１３  可変周波数電源
１４  一自由度の整合器
２１  ガス供給系
２２  可変コンダクタンスバルブ
２３  真空ポンプ
３１  可変容量素子
３２  固定インダクタンス素子
３３  可変容量素子制御部
４１  Ｐｆ・Ｐｒモニタ
４２  演算部
４３  高周波発振部
４４  高周波増幅部
４５  同軸ケーブル
４６  信号線
【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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