(57)【要約】【課題】試料の吸着の状態をより安定させて処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】真空容器内部の処理室内に配置されその上面に処理対象の試料が載せられる試料台と、この試料台の前記試料が載せられる面を構成し内部に当該試料を吸着して保持する静電気力を発生するための膜状の吸着用電極を備えた誘電体製の膜と、前記試料台内部に配置され所定の周波数で高い出力と低い出力とが繰り返される高周波電力が供給される試料台内電極とを備え、前記誘電体膜上に前記試料が保持された状態で前記試料台内電極に供給される前記高周波電力の前記出力の高低の繰り返しに合わせて、前記吸着用電極に供給される直流電源からの電力を各々で容量の異なる複数の給電経路の間で切り替える制御部とを備えたプラズマ処理装置。【選択図】  図１
2016115818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内部に配置され内側でプラズマが形成される処理室と、この処理室内に配置されその上面に前記プラズマを用いた処理の対象の試料が載せられる試料台と、この試料台の前記試料が載せられる面を構成し内部に当該試料を吸着して保持する静電気力を発生するための膜状の吸着用電極を備えた誘電体製の膜と、前記試料台内部に配置され前記処理中に所定の周波数で高い出力と低い出力とが繰り返される高周波電力が供給される試料台内電極とを備え、
前記誘電体膜上に前記試料が保持された状態で前記試料台内電極に供給される前記高周波電力の前記出力の高低の繰り返しに合わせて、前記吸着用電極に供給される直流電源からの電力を各々で容量の異なる複数の給電経路の間で切り替える制御部とを備え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であって、
前記吸着用電極は、複数の膜状の電極を備えて各々に異なる極性が付与されて前記試料を吸着する双極型の吸着用電極を構成し、
前記誘電体膜上に前記試料が保持された状態で前記試料台内電極に供給される前記高周波電力の前記出力の高低の繰り返しに合わせて、異なる極性が付与される前記双極型の吸着用電極の各々に供給される直流電源からの電力を前記複数の給電経路のうち容量が大きい給電経路と容量が小さい給電経路との間で各々逆に切り替える制御部とを備えたプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記制御部は、前記高周波電力が高出力である期間においては、正の極性が付与された前記吸着用電極へ前記容量の小さい給電経路を通し、負の極性が付与された前記吸着用電極へ前記容量の大きい給電経路を通して前記電力を供給し、前記高周波電力が低出力である期間においては、正の極性が付与された前記吸着用電極へ前記容量の大きい給電経路を通し、負の極性が付与された前記吸着用電極へ前記容量の小さい給電経路を通して前記電力を供給するように前記給電経路を切り換えるプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記給電経路を切り換えるスイッチ部が、各々異なる静電容量を備えたコンデンサが配置された複数の給電経路を前記高周波電力の電圧値に応じて選択して切り替えるプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか記載のプラズマ処理装置であって、
前記スイッチ部の前記複数のコンデンサの静電容量は前記誘電体膜を挟んだ前記吸着用電極と前記試料との間の静電容量の１／４乃至４倍の範囲にされたプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載のプラズマ処理装置であって、
前記高周波電力の電圧の最大値に応じて前記給電経路を選択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、半導体デバイスを製造する半導体製造装置に関するものであり、特にプラズマを用いて、レジスト材料等で形成されたマスクパタン形状どおりにシリコンやシリコン酸化膜等の半導体材料をエッチングするドライエッチング技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドライエッチングに代表されるプラズマ処理は、真空排気手段を有する真空容器内に原料ガスを導入し、該原料ガスを電磁波によりプラズマ化して被加工試料にさらすことで被加工試料表面のマスク部以外をエッチングすることで所望の形状を得る半導体微細加工方法である。プラズマ生成には、誘導結合方式、電子サイクロトロン共鳴方式および平行平板方式（マグネトロン方式含む）が主に用いられている。
【０００３】
誘導結合方式のプラズマ生成には主に１３．５６ＭＨｚが用いられ、電子サイクロトロン共鳴方式には２．４５ＧＨｚの電磁波が主に用いられる。これら誘導結合方式および電子サイクロトロン共鳴方式では、プラズマ生成とは別に被加工試料表面への入射イオンのエネルギーを制御する目的でＲＦ帯の電磁波が被加工試料に印加される構造となっている。
【０００４】
一方、平行平板方式では、従来プラズマ生成には１３．５６ＭＨｚの電磁波が広く用いられてきたが、近年ＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）の電磁波が用いられるようになり、また先の誘導結合方式や電子サイクロトロン共鳴方式と同様に被加工試料表面への入射イオンのエネルギーを独立に制御するＲＦ帯の電磁波もプラズマ生成とは別に用いられるようになってきた。
【０００５】
これらプラズマ処理装置では、被加工試料の温度を精度良く保つため被加工試料設置手段に被加工試料を静電吸着させ、被加工試料と被加工試料設置手段間にヘリウムガスを流す構造が一般的に用いられている。静電吸着方式には、単極と両極の２方式が主に用いられる。
【０００６】
静電吸着はセラミック等で形成された薄い絶縁膜を介して、金属電極と被加工試料間に直流電圧を与えることで実施される。また被加工試料には、プラズマからのイオンを加速して入射されるため高周波電圧が印加されている。従って、静電吸着力を支配する金属電極と被加工試料間の電位差は、金属電極に印加する直流電圧と高周波印加により被加工試料とプラズマ間に生成されるセルフバイアス電圧との電圧差となる。
【０００７】
セルフバイアス電圧が金属電極に印加する直流電圧に比べて十分小さい場合は、ほぼ吸着力は直流電源電圧できまるが、被加工試料に印加する高周波バイアス電圧が大きくセルフバイアス電圧が直流電圧に比べて無視できない大きさとなる場合、印加する高周波電圧により吸着力が変化し安定しない。また高周波バイアス電圧が非常に高い場合には、金属電極と被加工試料間に配置される薄い絶縁膜の耐電圧を超える場合、静電吸着部を破壊してしまう可能性が生じる。
【０００８】
上記する高周波電圧によって発生するセルフバイアス電圧が直流電源電圧に比べて影響が大きい場合の対処方法として、特開２００６−２１０７２６号公報（特許文献１）に記載する技術が開示されている。この従来技術は、前記高周波電圧に対応して発生するセルフバイアス電圧の静電吸着電圧への影響を回避するため、高周波バイアス電圧をモニタし、その高周波電圧に対応して直流電源電圧を制御することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２１０７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記従来の技術では、次の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。
【００１１】
すなわち、従来の技術は、静電吸着用直流電圧電源の出力値を被加工試料に印加する高周波バイアス電圧のモニタ値を参照して制御するものが開示されている。この技術では、直流電源電圧の制御速度は比較的遅い（例えば０．１秒以上）場合にしか対応できない。
【００１２】
しかし、半導体ウエハ等の基板状の被加工試料へ高周波バイアス電力を印加するもののなかには、数十ミリ秒乃至１ミリ秒以下の時間の間隔（数十Ｈｚ〜数ｋＨｚの周波数）でＯＮ／ＯＦＦまたは高い振幅及び低い振幅を繰り返して所定の周波数の高周波（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）電力を印加する（以下、ＴＭ：Ｔｉｍｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎまたは時間変調と呼ぶ）場合がある。従来の技術により直流電源の電圧を制御するものでは、このような高い周波数で繰り返されるＴＭの動作に対応して値を増減することは困難であった。
【００１３】
このため、従来の技術では、ＴＭ動作の場合に静電吸着力の安定性と静電吸着用絶縁材料への過剰な電圧印加を防止することができないという問題が有った。そして、このために試料の処理の結果が所期の許容される範囲のものから外れてしまい、処理の歩留まりが損なわれてしまうという問題が生じていた点について、従来の技術では考慮されていなかった。
【００１４】
本発明の目的は、試料に印加するバイアス形成用の高周波の電圧が静電吸着に用いられる直流電源電圧に対して無視できない程度以上の値である場合であって、高周波電力の電圧を数十Ｈｚ〜数ｋＨｚの周波数でＯＮ／ＯＦＦする変調動作する場合であっても、試料の吸着の状態をより安定させて処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供することにある。また、静電吸着用絶縁材料への過剰な電圧印加を防止することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的は、真空容器内部の処理室内に配置されその上面に処理対象の試料が載せられる試料台と、この試料台の前記試料が載せられる面を構成し内部に当該試料を吸着して保持する静電気力を発生するための膜状の吸着用電極を備えた誘電体製の膜と、前記試料台内部に配置され所定の周波数で高い出力と低い出力とが繰り返される高周波電力が供給される試料台内電極とを備え、  前記誘電体膜上に前記試料が保持された状態で前記試料台内電極に供給される前記高周波電力の前記出力の高低の繰り返しに合わせて、前記吸着用電極に供給される直流電源からの電力を各々で容量の異なる複数の給電経路の間で切り替える制御部とを備えたプラズマ処理装置により達成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、高周波バイアス電圧の値（高周波バイアスＯＮ時）に対応した静電吸着用直流電圧の制御に加えて、高速にコンデンサを経由する経路での直流電圧印加回路と切り替えることでＯＮ／ＯＦＦの大きな高周波バイアス電圧印加の変化に対応した静電吸着電圧の制御が可能となる。結果、高周波バイアス電圧をＴＭ動作させる場合においても安定した吸着力の確保と、静電吸着用絶縁材料への過剰電圧印加を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の試料台の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【図２】従来の技術に係るプラズマ処理装置が備える高周波電源１２から時間的に連続した高周波の電圧が試料台またはその基材部に供給された場合の当該試料台上部に配置された両極式静電吸着用の電極の動作を表すタイミングチャートである。
【図３】従来の技術に係るプラズマ処理装置が備える高周波電源１２から時間的に連続した高周波の電圧が試料台またはその基材部に供給された場合の当該試料台上部に配置された両極式静電吸着用の電極の動作を表すタイミングチャートである。
【図４】従来の技術に係るプラズマ処理装置が備える高周波電源１２から時間的に連続した高周波の電圧が試料台またはその基材部に供給された場合の当該試料台上部に配置された両極式静電吸着用の電極の動作を表すタイミングチャートである。
【図５】従来の技術に係るプラズマ処理装置が備える高周波電源１２から時間的に連続した高周波の電圧が試料台またはその基材部に供給された場合の当該試料台上部に配置された両極式静電吸着用の電極の動作を表すタイミングチャートである。
【図６】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の高周波電源から高周波の電圧が試料台またはその基材部に供給された場合の当該試料台上部に配置された両極式静電吸着用の電極の動作を表すタイミングチャートである。
【図７】図１の実施例に係るプラズマ処理装置の高周波電源から高周波の電圧が試料台またはその基材部に供給された場合の当該試料台上部に配置された両極式静電吸着用の電極の動作の別の例を表すタイミングチャートである。
【図８】図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の試料台の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【図９】図８に示す変形例に係るプラズマ処理装置の高周波電源から高周波の電圧が試料台またはその基材部１に供給された場合の当該試料台上部に配置された単極式のＥＳＣ電極の動作を表すタイミングチャートである。
【図１０】本発明における実施例３の基本構成図。
【図１１】本発明における実施例４の基本構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を以下、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の実施例１を図１乃至７を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の試料台の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本図では、プラズマ処理装置を構成する真空容器の内部に配置される試料台とこれに電気的または物理的に接続される複数の回路を模式的に示している。
【００２０】
本図において、本発明に係る試料台１００は、図示しない真空容器内部に配置された処理室内に配置されるものであり、その上面に加工対象である試料が載置される載置面を備えている。真空容器内部の密封された処理室は、真空容器下方に配置された図示しないターボ分子ポンプ等の真空ポンプと連結され、処理室内の空間のガスは当該真空ポンプの動作により排気され処理室内が所定の真空度まで減圧される構成となっている。試料台１００は、処理室内部の空間の下方に配置され、上方の空間には試料４を処理するために減圧された状態で供給される処理用ガスが供給されるとともに、真空容器外部から供給された電界または磁界の作用により処理用ガスの原子または分子が励起されてプラズマ１６が形成される空間である。
【００２１】
本実施例の試料台１００は、上面が半導体ウエハ等の基板状の試料４を載せて保持する円形またはこれと見做せる程度に近似した形状を有し、上下方向の中心軸に対称な円板または円筒或いはこれらと見做せる程度に近似した形状を備えている。主な構成部材は、金属等の熱伝導、導電性を有した円筒またはこれに近似した形状を備えた基材部１と、その上面上方を被って酸化アルミニウムや酸化イットリウム等のセラミックを含んで構成された誘電体製の膜を備えている。
【００２２】
当該膜の上面が試料４の載置面を構成し、その内部には直流電力が供給されて誘電体材料の表面と試料４裏面とに形成された電荷同士の間の静電気力により試料４を膜上面に吸着する膜状のＥＳＣ電極３が配置されている。つまり、誘電体製の膜はＥＳＣ膜２を構成し、内部のＥＳＣ電極３は別々の極性が付与される複数の膜を備えて両極式の静電吸着電極を構成しており、本実施例では、特にＥＳＣ電極３が偶数枚の膜から構成され、各々の極性が付与される膜の面積の合計が等しくなるようにＥＳＣ膜内に配置されている。
【００２３】
本実施例では、図上２個が示されたＥＳＣ電極３は各々が別々の直流電源５に電気的に接続されて直流電力が供給されて所期の極性が付与される。また、それぞれの直流電源５の一方の端部は接地されたアースと接続され他方の端部は低域通過フィルタ（ＬＰＦ）６及び半導体スイッチ部７を介してＥＳＣ電極３と接続されている。図示されるように、２枚あるＥＳＣ電極３各々には、極性の異なる直流電圧が供給されプラズマ１６が無い状態ではそれぞれに印加した直流電圧の電位差により試料４がＥＳＣ膜２に静電吸着される。
【００２４】
半導体スイッチ部７は、各々のＥＳＣ電極３と低域通過フィルタ６との間の電気的な接続を、コンデンサ８を介したものの介さないものとに切り替えるスイッチの機能を備えている。この切り替えの動作の時刻や各々の接続の間隔は、直流電源５および半導体スイッチ７と信号を通信可能に構成された制御部９からの信号により調節される。
【００２５】
本実施例において、コンデンサ８は各ＥＳＣ電極３と試料４と間の静電容量と同程度の静電容量を有する。また、本実施例は、その一方の端部側が接地されるかアース電位にされた箇所と電気的に接続され、他方側の端部が高周波電圧検知部１０、高周波整合器１１を介してＴｉあるいはこれを成分として含む金属製の基材部１と電気的に接続された高周波電源１２を備えている。試料４が試料台１００上部のＥＳＣ膜２上で載せられて吸着され保持された状態で高周波電源１２からの高周波電力が基材部１に印加され、ＥＳＣ膜２及び試料４の上面上方にバイアス電位が形成される。
【００２６】
基材部１の内部には冷媒流路１３が配置され図示しないチラーユニット等の温度調節器と管路を介して接続され、温度調節器から流出した冷媒が冷媒流路１３を通って戻る循環路が構成されている。所定の温度にされた冷媒が冷媒流路１３内を流れつつこれを構成する基材部１の部材との間で熱交換することで基材部１の温度が処理や装置の運転に適した温度の範囲内の所望の値に調節される。さらに、円筒形状を有した試料台１００の中心軸またはその近傍には、基材部１００及びＥＳＣ膜２を貫通して図示しないガス源である貯留部と連結されたガス供給路１４が配置されている。
【００２７】
ガス供給路１４の上端であるＥＳＣ膜２中央部の開口は試料４がＥＳＣ膜２上に載せられた状態で、試料４裏面とＥＳＣ膜２上面との間のすき間に面している。この開口を通りガス源からガス供給路１４を通り流れてきたヘリウムガスが当該すき間に導入され、所定の範囲の値の圧力となるように調節されたこのヘリウムガスによって試料４とＥＳＣ膜２との間の熱伝導が高くされている。
【００２８】
また、本実施例の高周波電源１２および制御部９は、制御部１５と通信可能に接続され、これらの動作を調節するための制御部１５からの指令信号に基づいて動作する。以下に説明する制御部９，１５は、内部に半導体製のマイクロプロセッサ等の演算器と記載されたアルゴリズムに沿ってこの演算器が動作するソフトウエアやデータが記録され格納される記憶装置と外部との間の通信を繋ぐインターフェースとこれら演算器、記憶装置、インターフェース同士を通信可能に接続する通信経路とを備え、インターフェースは高周波電源１２等の制御対称と無線あるいは有線で通信可能に接続されこれらの間で信号を授受可能に構成されている。
【００２９】
本実施例に係るプラズマ処理装置の従来の技術について、図２乃至５を用いて説明する。図２は、従来の技術に係るプラズマ処理装置が備える高周波電源１２から時間的に連続した高周波の電圧が試料台またはその基材部に供給された場合の当該試料台上部に配置された両極式静電吸着用の電極の動作を表すタイミングチャートである。
【００３０】
このような両極式の静電吸着の従来技術では、試料台の上面である載置面を構成する誘電体製の膜内に配置された静電吸着用の複数の金属製の膜であって各々の面積が１：１かこれと見做せる程度に近似した値となる複数の電極に極性の異なる直流電圧が直流電源から印加される。図２では、図１の実施例のＥＳＣ電極３に相当する静電吸着電極を構成する電極Ｃに＋２０００Ｖ、同じく電極Ｄに−２０００Ｖが印加された場合の例が示されている。
【００３１】
この状態において、さらに処理室内の試料台の上方においてプラズマ１６が着火されておらず且つ高周波電源から高周波電力が基材部に供給されていない条件の下では、試料上に形成される電位はそれぞれに印加された極性が逆である直流電力の電圧の中間の電位（図２の例では０Ｖまたはこれに近似した値）となり、試料と静電吸着電極Ｃ，Ｄと間の電位差はそれぞれ印加した直流電圧の和と同じかこれに近似した値になる。この状態でプラズマ１６が着火しても高周波電圧が印加されない状態では、電極Ｃ−Ｄ間の電位差はプラズマ１６形成前のものと同等に保たれる。
【００３２】
しかし、高周波電力の電圧が印加されると試料には、高周波電圧の振幅に対応したセルフバイアス電圧（Ｖｄｃ）が発生する。Ｖｄｃは負の電位であり、被加工試料の電位はこのＶｄｃの値となる。
【００３３】
このＶｄｃが各ＥＳＣ電極Ｃ，Ｄに印加した直流電圧に比べて無視できない程度に有意な差異を生じる電圧が発生すると、図２に示すように、直流電源により正の直流電圧を印加したＥＳＣ電極Ｃと被加工試料間の電位差は直流電源により印加した直流電圧に｜Ｖｄｃ｜を加えた値となる。一方、直流電源より負の電位を印加したＥＳＣ電極Ｄと被加工試料間の電位差は直流電源により印加した電圧から|Ｖｄｃ|を差し引いた値となる。
【００３４】
静電吸着力は、各ＥＳＣ電極Ｃ，Ｄと誘電体膜上に載せられた試料間の電位差により支配的に依存するため、図２に示す高周波の電圧が印加された状態となると、ＥＳＣ電極Ｃと試料との間は吸着力が増加する一方でＥＳＣ電極Ｄと試料との間は吸着力が低下する。よって、静電吸着力を発生する面積の１／２を占めるＥＳＣ電極Ｄの吸着力が低下することで、全体として被加工試料の吸着力が低下してしまう。また、ＥＳＣ電極Ｃとの間に印加した直流電圧より高い電位差が生じるため、Ｖｄｃの値によってはこれらＥＳＣ膜Ｃ，Ｄの耐電圧を超えてしまう場合が生じてしまう虞が有る。
【００３５】
そこで、図３に示すように、従来の技術では試料に印加される高周波電力の電圧を検知し、その検知した値の大小に応じて各ＥＳＣ電極Ｃ，Ｄに印加する直流電力の電圧を調節している。例えば、図３に示す例では、プラズマ１６の着火が無く（プラズマ１６が形成されておらず）高周波電圧が印加されていない状態では、ＥＳＣ電極Ｃ，Ｄにそれぞれ＋２０００Ｖ、−２０００Ｖが印加される。プラズマ１６が着火されて形成され、試料台の基材部等の内部の金属製の電極に高周波電圧が印加されると高周波電圧の振幅Ｖｐｐに一定の定数（従来は０．３〜０．５程度）を乗じた値の直流電圧をそれぞれのＥＳＣ電極に印加する電圧に加減する。
【００３６】
具体的には正の直流電圧を印加しているＥＳＣ電極Ｃの電圧（＋２０００Ｖ）は減少させ、負の直流電圧(−２０００Ｖ)を印加しているＥＳＣ電極Ｄの電圧は増加させるよう調節される。例えば、高周波電圧振幅Ｖｐｐが５０００Ｖ、Ｖｄｃを推定するための定数を０．４とした場合、プラズマ１６着火前に＋２０００Ｖを印加していたＥＳＣ電極Ｃの印加電圧は０Ｖとし、同様にプラズマ１６着火前に−２０００Ｖを印加していたＥＳＣ電極Ｄの印加電圧を−４０００Ｖとする。このようにすることで、高周波電圧が印加された後も各ＥＳＣ電極Ｃ，Ｄと試料間の電位差の変動が抑制され、吸着力の安定化とＥＳＣ膜同士の間に過剰な電位差が形成されることが抑制される。
【００３７】
近年の半導体デバイスの製造のための半導体ウエハ等試料の工程においては、図１乃至３の例のように高周波電圧が時間的に連続して印加される場合のみでなく、図４，５に示すように、高周波電圧が時間の経過に伴なってＯＮ／ＯＦＦまたは高出力及び低出力を特定の間隔或いは周波数で繰り返す場合が有る。本実施例では、このようなバイアス電位の形成のための高周波電力の供給を変調バイアス印加方式、特に時間変調（Ｔｉｍｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ方式：ＴＭ方式）と以下に呼称する。
【００３８】
なお、図４，５に示す例では、試料台内の電極への高周波電力の供給は時間の経過に伴ってＯｎ／Ｏｆｆされる一方で、処理室内の試料台上方の空間でのプラズマ１６の生成は連続して行なわれている。
【００３９】
ＴＭ方式の場合において、図１と同様に一定のＥＳＣ用の直流電圧を各ＥＳＣ電極Ｃ，Ｄに印加した場合では、図４に示すように、高周波電圧がＯｎの期間でＥＳＣ電極Ｃと試料との間の電位差は直流電圧より高い電位差となり、ＥＳＣ電極Ｄと試料との間の電位差は高周波電圧Ｏｎの期間で直流電圧より低い値となる。このため、図４の例でも図１と同様に高周波電圧がＯｎの期間でＥＳＣ電極Ｄの吸着力の不足と、ＥＳＣ電極Ｃに過剰な電圧の印加が生じる虞が生じる。
【００４０】
図５は、図２に示す例と同様に、高周波電圧Ｖｐｐの値に応じてＥＳＣ電極Ｃ，Ｄに供給される直流電圧の値を調節してする場合を示している。本図の例も、図２と同様の吸着力の安定化とＥＳＣ膜同士の間の過剰な電位差の生起の抑制とを図るものである。しかし、一般に直流電圧の値を高周波のＯＮ／ＯＦＦに対応させて所定の値に増減することは技術的に困難である。何故なら、試料の静電吸着に必要なだけの直流の高い電圧をＴＭの周期、周波数に合わせて加減すると、無効電流分に対応した電源容量が必要となり電源の大型化や印加回路の複雑化を招いてしまう。
【００４１】
また、本例における試料台上のＥＳＣ電極Ｃ，Ｄに電力を供給する直流電源には、試料台内の電極に印加される高周波電力の一部が漏洩して流れる可能性が有り、このような電力に対しても直流電源を保護するため、直流電源とＥＳＣ電極との間には低域通過フィルタが配置されているものが一般的である。このような低域通過フィルタは、ＴＭ方式の変調による電圧変動も考慮した帯域を備えているため、例え直流電源がバイアス形成用の高周波電力の高速な変調（値の時間的な増減）に対応して増減できたとしても低域通過フィルタによりこれが阻止されてしまう。
【００４２】
このような理由から、図５に示すように、高周波電圧ＯＮ時の高周波電圧振幅Ｖｐｐに対応した値で制御しようとすると、高周波電圧がＯｆｆの期間にＥＳＣ電極Ｃと試料との間の電位差は低くなり、ＥＳＣ電極Ｄと試料との間の電位差は過剰となる。図４，５に示すように、従来の技術ではＴＭ方式に対応して直流電源からの出力を制御して増減することは困難であり、安定した静電吸着力確保とＥＳＣ膜に加わる過剰電位差を抑止することが困難であった。
【００４３】
次に、図１及び６を用いて本実施例１の動作を説明する。図６は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の高周波電源１２から高周波の電圧が試料台１００またはその基材部１に供給された場合の当該試料台１００上部に配置された両極式静電吸着用のＥＳＣ電極３の動作を表すタイミングチャートである。
【００４４】
図６の例では、プラズマ１６が着火前でかつ高周波（ＲＦ）の電圧が印加される以前は、図２乃至５に示した従来の技術と同様に、ＥＳＣ電極Ｃに＋２０００Ｖ、ＥＳＣ電極Ｄに−２０００Ｖの直流電圧が直流電源５から供給され、ＥＳＣ膜２と試料４との間に形成された静電気力により試料４がＥＳＣ膜２上に吸着されて保持される。この際、試料４と各ＥＳＣ電極Ｃ及びＤと間の電位差は各々２０００Ｖまたはこれと見做せる程度に近似した値となる。
【００４５】
次に、プラズマ１６が着火されて処理室内にプラズマ１６が形成され、高周波電源１２からの高周波（ＲＦ）電力が試料台１００の基材部１に供給され試料４表面上方にバイアス電位が形成される。上記の通り、本例では高周波の電力は時間変調（ＴＭ）されて所定の周波数（間隔）でＯｎ／Ｏｆｆされて高周波電源１２から基材部１に供給される。この際、本例のプラズマ１６は時間的に連続して形成され（非断続的に形成され）ており、両者のうち基材部１を介して試料４に印加されるバイアス形成用の高周波電力のみその電圧がＴＭ方式で動作する。
【００４６】
本例では、高周波電圧の印加と同時に、図示しない電圧センサにより高周波電圧がＯnにされる時点での電圧を検知し、この検知結果に応じて負の電圧が印加されるＥＳＣ電極Ｄの直流電圧を変化させる。具体的には、直流電源５からＥＳＣ電極Ｄに印加される直流電圧は、図３、図４で示した従来技術と同様に検出した高周波電圧振幅（Ｖｐｐ）に任意に定められる係数（本例では０．３〜０．５）を乗じた分だけ増加される。
【００４７】
例えば、Ｖｐｐが５０００Ｖ、係数を０．４とした場合、負の電圧が印加されるＥＳＣ電極Ｄの電圧は−２０００Ｖから−４０００Ｖに低下する。この際、各々の制御部９からの指令信号に応じて、正の電圧が印加されているＥＳＣ電極Ｃと接続された半導体スイッチ部７は高周波の電圧がＯｎの期間において図１中に示すＡ接点側に接続するようにされ、コンデンサ８を介さずに直流電源５の電圧がＥＳＣ電極Ｃに印加される構成となっている。一方、負の電圧が印加されているＥＳＣ電極Ｄと接続された半導体スイッチ部７はＢ接点側にされ、コンデンサ８を介して直流電源５の電圧をＥＳＣ電極Ｄに印加されている。このＢ接点側に切り替えられて接続された直流電源５からＥＳＣ電極Ｄへの給電経路は半導体スイッチ部７がＡ接点側に切り替えられた場合の給電経路よりコンデンサ８の静電容量の分だけインピーダンスまたは静電容量が大きくされている。
【００４８】
一方、高周波電圧がＯＦＦの際は、ＯＮの期間とは逆に、正の電圧が印加されているＥＳＣ電極Ｃと接続される半導体スイッチ部７では、Ｂ接点側（コンデンサ８を介して直流電源５の電圧をＥＳＣ電極Ｃに印加される構成）とし、負の電圧が印加されているＥＳＣ電極Ｄと接続される半導体スイッチ部７ではＡ接点側（直に直流電源５の電圧をＥＳＣ電極Ｄに印加される構成）にされる。このような動作により、従来技術で課題となる高周波電圧ＯＮ／ＯＦＦに伴う吸着電圧の低下や過剰電圧の印加が回避される。
【００４９】
上記動作における高周波電圧ＯＮ時の状態を説明する。プラズマ１６が着火して形成され、高周波電圧が基材部１に印加されると、試料４上面の電位はセルフバイアスの電位となる。この電位は負の値であって、通常高周波電圧の振幅Ｖｐｐの０．３〜０．５倍程度となる。
【００５０】
よって、半導体スイッチ部７等によって直流電源５の出力の値を変化させない場合での高周波電圧ＯＮの期間では正の電圧が印加されるＥＳＣ電極Ｃと試料４間の電位差はセルフバイアス電圧分大きくなることになる。このため、その分だけ大きな電位差が２つのＥＳＣ膜２の間に形成され、負の電圧が印加されるＥＳＣ電極Ｄと試料４と間では、これらの電位差がセルフバイアス電圧分小さくなり吸着力が低下する。
【００５１】
そこで、本実施例では、高周波電圧ＯＮの期間で半導体スイッチ部７をＡ接点側に切り替えることでコンデンサ８の静電容量分の容量またはインピーダンスが相対的に小さくされた給電経路を通して直流電源５から電力を負の値にされたＥＳＣ電極Ｄに供給することにより、Ｖｐｐの値に応じたセルフバイアス電位に相当する電圧の分だけ直流電源５からＥＳＣ電極Ｄに供給される電圧を、図６に示すように、低減するように変化させる。このような構成により負の電圧が印加されているＥＳＣ電極Ｄと試料４との間の電位差の変化が抑制され吸着力の変化が低減する。
【００５２】
一方、正の電圧を印加しているＥＳＣ電極Ｃには過剰な電位差が発生しないように、半導体スイッチ部７を動作させ直流電源５からＥＳＣ電極Ｃへの電力の供給の経路をコンデンサ８の静電容量分の容量またはインピーダンスが相対的に大きくされたＢ側のものに切り替える（固体スイッチＣ）。この例において、半導体スイッチ部７のコンデンサ８はＥＳＣ電極Ｄと試料４との間の静電容量と同程度な値（例えば９０００ｐＦ程度）に構成される。このことにより、ＥＳＣ電極Ｃに印加される電圧は静電容量比により分圧され、ＥＳＣ電極Ｃと試料４との間の電位差はコンデンサを介さない場合に対して半分程度となり、結果としてＥＳＣ電極Ｃと試料４と間の電位差の増大を抑制し安定化させることができる。
【００５３】
次に、高周波電圧ＯＦＦ時の動作を説明する。プラズマ１６が形成された状態で、高周波電圧がＯＦＦになると試料４の電位はプラズマ１６のフローティングポテンシャルで決まる電位となり、十数〜数十Ｖ程度とほぼ０Ｖ近辺となる。よって、図６に示す高周波電圧ＯＮ状態における直流電源５からの電力の供給の条件のままではＥＳＣ電極Ｄと試料４との間に過剰な電位差で電圧が印加されることになる。
【００５４】
しかし、従来の技術では、直流電源５の電圧の値は高周波電源１２からの電力の電圧の周期的なＯＮ／ＯＦＦに追従してこれを変化させることが困難であるため、高周波電圧がＯＮである期間の値を参照し決定される構成にされることが一般的であった。図６に示す実施例では、高周波電圧がＯＦＦとなる期間では、半導体スイッチ部７においてＢ接点側に切り替えて直流電源５からＥＳＣ電極Ｄへの電力の供給をコンデンサ８を介した経路に切り替える。
【００５５】
さらに、直流電源５からＥＳＣ電極Ｃへ直流電力を供給する経路を半導体スイッチ部７においてＡ接点側に切り替えて、直流電源５からＥＳＣ電極Ｃへの電力の供給をコンデンサ８を介さない経路に切り替える。このような構成により、先に説明した高周波電圧ＯＮの状態でのＥＳＣ電極Ｃと同様に、ＥＳＣ電極Ｄに印加される直流電圧はＥＳＣ膜とコンデンサ８に分圧され、結果としてＥＳＣ電極Ｄと試料４との間の電位差を安定化させることができる。
【００５６】
本実施例では、試料４の上面に予め配置された膜層のうち処理対象の膜を処理する工程が開始されて終了するまでの期間で、上記の半導体スイッチ部７の切り替えの動作を高周波電力の電圧が周期的にＯＮ／ＯＦＦされる当該周期に追従あるいは同期させて実施する。このことにより、試料４の処理中において、ＴＭ方式により変化する高周波の電圧に対応してＥＳＣ電極Ｃ，Ｄに供給される直流電力の電圧値を変化させこれらの電極と試料４との間の電位差の変動を抑制でき、これにより静電吸着力を安定化し過剰電圧印加に伴う絶縁破壊を抑制できる。
【００５７】
図１に示した実施例では、コンデンサ８の容量値が、直流電源５に接続されるＥＳＣ電極３と試料４との間のＥＳＣ膜２を挟んだ静電容量と同程度のものにされているが、ＥＳＣ電極３と試料４間の静電容量の１／４〜４倍の範囲のコンデンサを配置することでも同様な結果を得ることができる。一般に、ＥＳＣ電極３と試料４との間の電位差ＶＥＳＣはＥＳＣ電極３と試料４との間の静電容量（Ｃ１）とコンデンサ８の静電容量（Ｃ２）で以下の式（１）により決定できる。
【００５８】
ＶＥＳＣ＝Ｃ２×ＶＧ／（Ｃ１＋Ｃ２）                  （１）
この式に従えば、コンデンサ８の容量値（Ｃ２）をＥＳＣ電極３と試料４との間の静電容量（Ｃ１）に対して１／４〜４倍の範囲に設定すると、ＥＳＣ電極３と試料４との間の電位差を直流電源５の出力値（ＶＧ）の０．２〜０．８の範囲で調節できることが判る。
【００５９】
図１の実施例では、コンデンサ８は１種類であり、使用条件に対して最も変動抑制が可能な分圧条件でコンデンサ８を選択する必要がある。一連の処理で幅広い高周波電圧に対応するためには、後述する変形例の構成を用いることでより吸着電圧の安定化をはかることができ、吸着力の安定性および過剰電圧印加の抑制精度を高めることができる。
【００６０】
図７を用いて、図１の実施例とは別のＥＳＣ電極３の動作について説明する。図７は、図１の実施例に係るプラズマ１６処理装置の高周波電源１２から高周波の電圧が試料台１００またはその基材部１に供給された場合の当該試料台１００上部に配置された両極式静電吸着用の電極の動作の別の例を表すタイミングチャートである。
【００６１】
本例では、プラズマ１６の着火が無く、高周波電圧のＥＳＣ電極３への印加も無い条件においては、図６と同様にＥＳＣ電極Ｃ，Ｄにそれぞれ＋２０００Ｖ，−２０００Ｖの直流電圧が直流電源５から供給されて試料４をＥＳＣ膜上に静電吸着させている。次に、プラズマ１６が着火されプラズマ１６が形成され高周波（ＲＦ）電力が印加されると、これに合わせてＥＳＣ電極Ｄに供給される電圧を負の値である−２０００Ｖから正の値である＋２０００Ｖに変化させる。
【００６２】
この状態で電極Ｃ，Ｄには共に直流電力の＋２０００Ｖが印加され、実質的に単極方式によって試料４が吸着されている。この状態を基本とし、高周波の電圧がＯＮにされている期間では直流電源５と電極Ｃ，Ｄの各々との間の電力の給電経路は、電極Ｃ，Ｄに各々接続される半導体スイッチ部７においてコンデンサ８を介して相対的に容量またはインピーダンスが大きいＢ接点側の経路に切り替え、高周波電圧がＯＦＦの期間では当該コンデンサ８を介さず直流電圧を印加するＡ接点側の経路に切り替える。
【００６３】
この半導体スイッチ部７の切り替えの動作は、高周波電力の電圧の周期的なＯＮ／ＯＦＦ或いは高出力と低出力との繰り返しに追従または同期して実施され繰り返される。この動作により、図７の例においてもＥＳＣ電極と試料４との間の電位差の変動を抑制でき、静電吸着力の安定化とＥＳＣ膜への過剰な電圧印加が抑制することができる。なお、本図の例においても、コンデンサ８の静電容量は図１，６の例と同様に、直流電源５に接続されるＥＳＣ電極３と試料４との間のＥＳＣ膜２を挟んだ静電容量と同程度のものを含み、ＥＳＣ電極３と試料４間の静電容量の１／４〜４倍の範囲の値にされている。
【変形例１】
【００６４】
以下に、図１に示した実施例の変形例を図８，９を用いて説明する。図８は、図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の試料台の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図９は、図８に示す変形例に係るプラズマ処理装置の高周波電源１２から高周波の電圧が試料台８００またはその基材部１に供給された場合の当該試料台８００上部に配置された単極式のＥＳＣ電極３の動作を表すタイミングチャートである。
【００６５】
図１、図６、図７で説明した実施例は、試料台１００上面を構成する誘電体膜内に両極式のＥＳＣ電極３を備えたものである。図８，９に示す例は、試料台１００上面を構成する誘電体膜内に単極式のＥＳＣ電極３を備えたものである。すなわち、図８の変形例ではＥＳＣ電極３は試料４に対して単一の極性が付与されるものであり、これに直流電力を供給する直流電源５及びこの直流電源５とＥＳＣ膜３との間を電気的に接続する給電経路並びにこの上に配置された低域通過フィルタ６及び半導体スイッチ部７或いはコンデンサ８は１つまたは複数の集合であって協働して当該同一の極性を与えるための動作をするものとなる。
【００６６】
本変形例に係る試料台８００のこの他の構成は、図１に示した実施例と同等であって、高周波電源１２から金属製の基材部１に供給される高周波電力の電圧も、所定の周波数の電圧が時間の経過に伴って周期的にＯＮ／ＯＦＦまたは振幅が大きな高出力と小さな低出力とを繰り返す時間変調（ＴＭ）をされる点も同様である。
【００６７】
図９に、図８に示す変形例に係る試料台８００のＥＳＣ膜３の動作の具体的な例を示す。本例においても、実施例と同様に、高周波電源１２からの高周波電力の電圧がＯＮとなる期間で高周波電圧検知部１０の検知結果を用いてＶｐｐを検出し、この結果に基づいて直流電源５からＥＳＣ膜３に供給される直流電力は高周波電力により試料４に生じるセルフバイアス電圧分だけ加または減じた値の直流電圧が供給される。
【００６８】
より、具体的には、Ｖｐｐが５０００Ｖ、推定されるセルフバイアス電圧の定数が０．４の場合、高周波（ＲＦ）電力の電圧が供給される際に、直流電源５からＥＳＣ電極３に供給する電圧を２０００Ｖ負側に減じる（初期吸着電圧が−２０００Ｖである場合には−４０００Ｖにする）。この際、直流電力の給電経路の半導体スイッチ部７ではコンデンサ８を介さない給電経路であるＡ側に接続されている。
【００６９】
次に、高周波電圧ＯＦＦの際には、半導体スイッチ部７は、ＥＳＣ電極３と試料４との間の静電容量の１／４〜４倍の範囲にその静電容量が設定されたコンデンサ８を介し供給する経路となるＢ側に切り替える。このように、本変形例においても、セルフバイアス電圧の大きさに応じて直流電力の電圧値を加減するとともにＴＭによる高周波電力の周期的なＯＮ／ＯＦＦに同期または追従して給電経路を切り換える動作を繰り返すことで、単極方式においてもＥＳＣ電極３と試料４間の電位差の変動が抑制され静電吸着力の安定化とＥＳＣ膜２へ過剰な電圧が印加されることが抑制される。
【変形例２】
【００７０】
図１０を用いて、図１に示した実施例の別の変形例を説明する。図１０は、図１に示す実施例の別の変形例に係るプラズマ処理装置の試料台１０００の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図１１は、図１０に示す変形例に係るプラズマ処理装置の高周波電源１２から高周波の電圧が試料台１０００またはその基材部１に供給された場合の当該試料台１０００上部に配置された単極式のＥＳＣ電極３の動作を表すタイミングチャートである。
【００７１】
図１，６，７に示した実施例、及び図８，９に示した変形例では、半導体スイッチ部７においてＥＳＣ電極３と試料４との間の電位差を制御するコンデンサ８は単一の静電容量を備えたものである。このため、半導体スイッチ部７においてＢ側に切り替えて直流電源５からの給電経路をコンデンサ８を介する経路にした場合での高周波電圧の変動を抑制することのできる高周波の周波数の範囲が相対的に小さいという課題が有った。
【００７２】
そこで、本例では半導体スイッチ部７に容量の異なる複数のコンデンサを並列に配置したコンデンサアレー１７を具備し、高周波電圧検知部１０の検知した結果を用いて検出した高周波電力のＶｐｐの値に応じて半導体スイッチによりコンデンサアレー１７のうちの１つコンデンサを選択してこれを介した給電経路に切り替える構成を備えた。この構成により、ＴＭにより周期的にＯＮ／ＯＦＦまたは高出力と低出力とが繰り返される高周波（ＲＦ）電力の供給に対応してこれに同期あるいは追従してＥＳＣ膜３への直流電力の供給を増減して調節し吸着力安定化とＥＳＣ膜３へ過剰な電圧が印加されることを抑制できる高周波電圧の適用範囲を拡大することが可能となる。
【００７３】
本例での図１０のコンデンサアレー１７の各コンデンサの値は、実施例１で説明したＥＳＣ電極３と試料４との間のＥＳＣ膜２を挟んだ静電容量の１／４〜４倍の範囲にされている。
【００７４】
図１１は、図１０の変形例を単極式のＥＳＣ電極を備えた試料台に適用したものの構成を示している。本例おける単極式のＥＳＣ電極３においても、高周波電源１２からの高周波電力のＶｐｐを高周波電圧検知部１０の検知した結果を用いて検出し、この値に応じてコンデンサアレー１７の適切なコンデンサを選択することで、時間変調された高周波電力が基材部１に供給される場合でも吸着力を安定化しＥＳＣ膜３へ過剰な電圧が印加されることを抑制できる高周波電圧の適用範囲を拡大することができる。図１０と同様に、コンデンサアレー８の各コンデンサの値は、実施例１で説明したＥＳＣ電極３と試料４間の静電容量の１／４〜４倍の範囲とする。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、半導体装置の製造装置、特にリソグラフィー技術によって描かれたパタンをマスクに半導体材料のエッチング処理を行うプラズマエッチング装置に関する。通常プラズマエッチング装置は、被加工試料を被加工試料設置手段に静電吸着させることで、高精度な温度制御を行うことで加工精度を維持している。本発明は、この静電吸着に関する発明であり、被加工試料に印加する高周波電圧振幅が数ｋＶと高く、かつその電圧印加を数十〜数ｋＨｚの周期でＯＮ／ＯＦＦするＴＭ動作の場合に課題となる被加工試料の静電吸着力安定化と静電吸着膜への過剰電圧印加抑制を実現する。
【符号の説明】
【００７６】
１…基材部、２…ＥＳＣ膜、３…ＥＳＣ電極、４…試料、５…直流電源、６…低域通過フィルタ、７…半導体スイッチ部、８…コンデンサ、９…制御部、１０…高周波電圧検知部、１１…高周波整合器、１２…高周波電源、１３…冷媒流路、１４…ガス供給路、１５…制御部、１６…プラズマ、１７…コンデンサアレー。
【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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【図１０】
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【図１１】
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