(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象である基板が内部に配置される処理チャンバーと、処理チャンバー内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入系と、処理チャンバー内に設けられた高周波電極と、高周波電極にＶＨＦ帯の高周波電圧を印加することで処理チャンバー内に高周波電界を設定して高周波放電を生じさせてプロセスガスのプラズマを形成する高周波電源とを備え、プラズマの作用によって基板に所定の処理を施す高周波プラズマ処理装置であって、
前記高周波電極とともに放電空間を形成するよう処理チャンバー内には別の高周波電極が設けられており、この別の高周波電極は、アースに接続された同軸共振器の一部であって、同軸共振器は、この別の高周波電極とその支柱で構成される内導体と、内導体を取り囲む外導体とから成るものであり、
外導体は、処理チャンバーとは別に処理チャンバー外に設けられたものであって、内導体と外導体の間の空間は処理チャンバー外となっており、
この同軸共振器は、前記高周波電源の周波数で直列共振するものであって、別の高周波電極とアースとの間で直列共振を生じさせるものであり、
前記別の高周波電極とアースとの間には可変容量が設けられており、この可変容量は、前記同軸共振器の共振条件を満足させるよう調整されるものであり、
前記同軸共振器には、前記高周波電源によりその同軸共振器に流れる高周波電流を測定する電流計が設けられており、
前記電流計からの信号により、前記高周波電源の周波数での前記同軸共振器のインピーダンスが最小となるよう自動的に前記可変容量を調整する容量調整器が設けられていることを特徴とする高周波プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記電流計は、前記高周波電源による高周波電流の正負の波高値の幅を計測するものであることを特徴とする請求項１記載の高周波プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記別の高周波電極は、処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記基板ホルダーには、基板に対するイオンの衝撃エネルギーを制御する高周波電源が接続されており、この高周波電源の周波数は、前記高周波電源の周波数とは異なるものであることを特徴とする請求項３記載の高周波プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記高周波電源は、前記処理チャンバー内の圧力が１０Ｐａ以下である場合にも前記高周波放電を生じさせることができるものであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の高周波プラズマ処理装置。
【請求項６】
前記外導体は、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁を含んでいることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の高周波プラズマ処理装置。
【請求項７】
前記別の高周波電極と、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁との間には、絶縁材が設けられており、この絶縁材は、前記別の高周波電極と前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁との間の空間を埋めていることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の高周波プラズマ処理装置。
【請求項８】
前記別の高周波電極の周囲を取り囲むようにしてシールドが設けられており、このシールドは、高周波の漏洩を軽減するものであって、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁に固定されており、前記外導体は、このシールドを含むものであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の高周波プラズマ処理装置。
【請求項９】
処理チャンバー内にプロセスガスを導入し、処理チャンバー内に設けられた高周波電極にＶＨＦ帯の高周波電圧を印加することで処理チャンバー内に高周波電界を設定して高周波放電を生じさせてプロセスガスのプラズマを形成し、処理チャンバー内に配置した基板に対し、プラズマの作用によって所定の処理を施す高周波プラズマ処理方法であって、
前記高周波電極とともに放電空間を形成するよう処理チャンバー内に別の高周波電極を設け、
別の高周波電極を、アースに接続された同軸共振器の一部とし、
同軸共振器を、別の高周波電極とその支柱で構成される内導体と、内導体を取り囲む外導体とから成るものとし、
外導体を、処理チャンバーとは別に処理チャンバー外に配置し、内導体と外導体の間の空間は処理チャンバー外とし、
同軸共振器を前記高周波の周波数で直列共振させ、且つ別の高周波電極とアースとの間で直列共振を生じさせながら処理するとともに、
前記別の高周波電極とアースとの間に可変容量を設け、この可変容量により前記同軸共振器の共振条件を満足させ、
前記高周波電源の周波数での前記同軸共振器のインピーダンスが最小となるよう容量調整器により前記可変容量を自動的に調整しながら処理することを特徴とする高周波プラズマ処理方法。
【請求項１０】
前記可変容量の自動的な調整は、前記同軸共振器に流れる電流を測定し、この電流が最大となるよう可変容量を調整することにより行うことを特徴とする請求項９記載の高周波プラズマ処理方法。
【請求項１１】
前記別の高周波電極は、処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーに兼用することを特徴とする請求項９又は１０に記載の高周波プラズマ処理方法。
【請求項１２】
前記基板ホルダーに、基板に対するイオンの衝撃エネルギーを制御する高周波電圧を印加するともに、この高周波電圧の周波数は、前記プラズマ形成用の高周波の周波数とは異なるものとすることを特徴とする請求項１１記載の高周波プラズマ処理方法。
【請求項１３】
前記処理チャンバー内の圧力を１０Ｐａ以下として前記プラズマを形成して基板を処理することを特徴とする請求項９乃至１２いずれかに記載の高周波プラズマ処理方法。
【請求項１４】
前記外導体は、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁を含んでいることを特徴とする請求項９乃至１３いずれかに記載の高周波プラズマ処理方法。
【請求項１５】
前記別の高周波電極と前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁との間に絶縁材を設けるとともに、この絶縁材により、前記別の高周波電極と前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁との間の空間を埋めることを特徴とする請求項９乃至１４いずれかに記載の高周波プラズマ処理方法。
【請求項１６】
前記別の高周波電極の周囲を取り囲むようにしてシールドを設け、このシールドにより高周波の漏洩を軽減するとともに、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁にシールドを固定して行う方法であり、前記外導体は、このシールドを含むものであることを特徴とする請求項９乃至１５いずれかに記載の高周波プラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、高周波放電により形成されたプラズマによって対象物の表面に所定の処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ（大規模集積回路）等の電子デバイスや液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等の表示デバイス等の製造においては、基板の表面に対し各種処理を施すことが必要である。このような処理には、高周波放電により形成されたプラズマを利用して処理を行う装置（以下、高周波プラズマ処理装置と呼ぶ）が使用されることがある。
【０００３】
図６は、このような従来の高周波プラズマ処理装置の概略構成を示す正面図である。図６に示す装置は、排気系１１を備えた処理チャンバー１と、処理チャンバー１内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入系２と、処理チャンバー１内に設けられた高周波電極３と、高周波電極３に高周波電圧を印加することで処理チャンバー１内に高周波電界を設定してプロセスガスのプラズマを形成する高周波電源４と、形成されたプラズマによって処理される位置に基板９を保持する基板ホルダー５とを備えている。高周波電源４は、整合器４１を介して高周波電極３に接続されている。
【０００４】
上記高周波プラズマ処理装置では、基板ホルダー５によって基板９を保持し、基板９を臨む空間に高周波放電を生じさせてプラズマを形成して処理する。例えば、基板９の表面をエッチングする場合、フッ化炭素系ガス等のエッチング作用のあるガスを導入してプラズマを形成し、プラズマ中で生成されるフッ化炭素ラジカルやフッ素ラジカル等との反応を利用して基板９の表面をエッチングする。また、成膜処理としては、高周波放電により形成されたプラズマによってターゲットをスパッタする高周波スパッタリングや、高周波放電により形成されたプラズマ中での気相反応を利用するプラズマＣＶＤ（化学蒸着）等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した高周波プラズマ処理装置では、高周波としては工業用に割り当てられた１３．５６ＭＨｚ等のＨＦ帯（３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ）が多く用いられてきた。しかしながら、処理の品質の向上や処理速度の向上等のためには、より高い周波数を使用する方が、プラズマの形成効率が良くなるため、有利である。即ち、より高い周波数の方が、電子が中性ガス分子に衝突する確率が高くなるため、同じ電力でもイオン化効率が上がり、プラズマ形成効率が高くなる。プラズマの形成効率が良いということは、より低い圧力で処理をすることで異物等の混入の少ない処理が行えたり、プラズマ密度を高くして処理速度を上げたりすることができることを意味する。
【０００６】
しかしながら、発明者の研究によると、周波数が例えば６０ＭＨｚのようにＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）になってくると、プロセスガスに電力を供給する効率が低下し易くなり、この結果、装置全体の電力効率（投入電力で見た処理の効率）はあまり上がらないという課題がある。
本願の発明は、ＶＨＦ帯のようなより高い周波数の高周波を利用する高周波プラズマ処理装置において、電力効率を改善するという技術的意義を有する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、処理対象である基板が内部に配置される処理チャンバーと、処理チャンバー内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入系と、処理チャンバー内に設けられた高周波電極と、高周波電極にＶＨＦ帯の高周波電圧を印加することで処理チャンバー内に高周波電界を設定して高周波放電を生じさせてプロセスガスのプラズマを形成する高周波電源とを備え、プラズマの作用によって基板に所定の処理を施す高周波プラズマ処理装置であって、
前記高周波電極とともに放電空間を形成するよう処理チャンバー内には別の高周波電極が設けられており、この別の高周波電極は、アースに接続された同軸共振器の一部であって、同軸共振器は、この別の高周波電極とその支柱で構成される内導体と、内導体を取り囲む外導体とから成るものであり、
外導体は、処理チャンバーとは別に処理チャンバー外に設けられたものであって、内導体と外導体の間の空間は処理チャンバー外となっており、
この同軸共振器は、前記高周波電源の周波数で直列共振するものであって、別の高周波電極とアースとの間で直列共振を生じさせるものでものであり、
前記別の高周波電極とアースとの間には可変容量が設けられており、この可変容量は、前記同軸共振器の共振条件を満足させるよう調整されるものであり、
前記同軸共振器には、前記高周波電源によりその同軸共振器に流れる高周波電流を測定する電流計が設けられており、
前記電流計からの信号により、前記高周波電源の周波数での前記同軸共振器のインピーダンスが最小となるよう自動的に前記可変容量を調整する容量調整器が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記電流計は、前記高周波電源による高周波電流の正負の波高値の幅を計測するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記別の高周波電極は、処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項３の構成において、前記基板ホルダーには、基板に対するイオンの衝撃エネルギーを制御する高周波電源が接続されており、この高周波電源の周波数は、前記高周波電源の周波数とは異なるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記高周波電源は、前記処理チャンバー内の圧力が１０Ｐａ以下である場合にも前記高周波放電を生じさせることができるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項１乃至５いずれかの構成において、前記外導体は、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁を含んでいるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項１乃至６いずれかの構成において、前記別の高周波電極と、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁との間には、絶縁材が設けられており、この絶縁材は、前記別の高周波電極と前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁との間の空間を埋めているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、前記請求項１乃至７いずれかの構成において、前記別の高周波電極の周囲を取り囲むようにしてシールドが設けられており、このシールドは、高周波の漏洩を軽減するものであって、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁に固定されており、前記外導体は、このシールドを含むものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、処理チャンバー内にプロセスガスを導入し、処理チャンバー内に設けられた高周波電極にＶＨＦ帯の高周波電圧を印加することで処理チャンバー内に高周波電界を設定して高周波放電を生じさせてプロセスガスのプラズマを形成し、処理チャンバー内に配置した基板に対し、プラズマの作用によって所定の処理を施す高周波プラズマ処理方法であって、
前記高周波電極とともに放電空間を形成するよう処理チャンバー内に別の高周波電極を設け、
別の高周波電極を、アースに接続された同軸共振器の一部とし、
同軸共振器を、別の高周波電極とその支柱で構成される内導体と、内導体を取り囲む外導体とから成るものとし、
外導体を、処理チャンバーとは別に処理チャンバー外に配置し、内導体と外導体の間の空間は処理チャンバー外とし、
同軸共振器を前記高周波の周波数で直列共振させ、且つ別の高周波電極とアースとの間で直列共振を生じさせながら処理するとともに、
前記別の高周波電極とアースとの間に可変容量を設け、この可変容量により前記同軸共振器の共振条件を満足させ、
前記高周波電源の周波数での前記同軸共振器のインピーダンスが最小となるよう容量調整器により前記可変容量を自動的に調整しながら処理するという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１０記載の発明は、前記請求項９の構成において、前記可変容量の自動的な調整は、前記同軸共振器に流れる電流を測定し、この電流が最大となるよう可変容量を調整することにより行うという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１１記載の発明は、前記請求項９又は１０の構成において、前記別の高周波電極は、処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーに兼用するという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１２記載の発明は、前記請求項１１の構成において、前記基板ホルダーに、基板に対するイオンの衝撃エネルギーを制御する高周波電圧を印加するともに、この高周波電圧の周波数は、前記プラズマ形成用の高周波の周波数とは異なるものとするという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１３記載の発明は、前記請求項９乃至１２いずれかの構成において、前記処理チャンバー内の圧力を１０Ｐａ以下として前記プラズマを形成して基板を処理するという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１４記載の発明は、前記請求項９乃至１３いずれかの構成において、前記外導体は、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁を含んでいるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１５記載の発明は、前記請求項９乃至１４いずれかの構成において、前記別の高周波電極と前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁との間に絶縁材を設けるとともに、この絶縁材により、前記別の高周波電極と前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁との間の空間を埋めるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１６記載の発明は、前記請求項９乃至１５いずれかの構成において、前記別の高周波電極の周囲を取り囲むようにしてシールドを設け、このシールドにより高周波の漏洩を軽減するとともに、前記処理チャンバーの器壁のうち前記同軸共振器が設けられた側の器壁にシールドを固定して行う方法であり、前記外導体は、このシールドを含むものであるという構成を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態の高周波プラズマ処理装置の概略構成を示す正面図である。図１に示す装置は、図６に示す装置と同様、排気系１１を備えた処理チャンバー１と、処理チャンバー１内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入系２と、導入されたプロセスガスに高周波放電を生じさせて処理チャンバー１内にプラズマを形成するプラズマ形成手段と、形成されたプラズマによって処理される位置に基板９を保持する基板ホルダー５とを備えている。そして、プラズマを形成する手段として、同様に、処理チャンバー１内に設けられた高周波電極３と、高周波電極３に高周波電圧を印加して放電を生じさせる高周波電源（以下、プラズマ用電源）４とが設けられている。プラズマ用電源４は、同様に整合器４１を介して高周波電極３に接続されている。
【０００９】
処理チャンバー１は気密な真空容器であり、不図示のゲートバルブを介して不図示のロードロックチャンバーが接続されている。排気系１１は、ターボ分子ポンプ又は拡散ポンプ等により処理チャンバー１内を所定の真空圧力まで排気できるようになっている。
図１に示す装置は、エッチングを行う装置となっている。具体的には、プロセスガス導入系２は、フッ素系ガス等のエッチング作用のあるガスを導入するようになっている。プロセスガス導入系２は、バルブ２１や流量調整器２２を備え、プロセスガスを所定の流量で導入するようになっている。
【００１０】
高周波電極３は、基板ホルダー５に平行に対向させた円盤状である。高周波電極３は、絶縁材３１を介して処理チャンバー１の上壁部の開口に気密に取り付けられている。
整合器４１から高周波電極３への伝送路には、図１に示すように同軸管４２が使用されている。同軸管４２は、内導体４２１と、内導体４２１と同軸の円筒状の外導体４２２とから成る。尚、同軸管４２は、高周波電極３と同軸である。
【００１１】
一方、基板ホルダー５は、上面に基板９を載置して保持するものである。基板９の保持位置は、基板９が高周波電極３と同軸になる位置である。尚、基板９は薄い円板状であり、高周波電極３や基板ホルダー５も同軸の円盤状である。
基板ホルダー５は、高周波電極３とともに放電空間を形成する別の高周波電極になっている。基板ホルダー５は、処理チャンバー１から絶縁材５２によって絶縁されている。
【００１２】
また、基板ホルダー５は、基板９を静電吸着して保持するようになっている。即ち、図１には明示していないが、基板ホルダー５は、上側が誘電体製であり、その誘電体製の部分の内部に不図示の吸着電極が埋設されている。そして、吸着電極に静電吸着用の直流電圧を印加する不図示の吸着電源が設けられている。吸着電源が電圧を印加すると、基板ホルダー５の上面に静電気が誘起され、基板９が静電吸着されるようになっている。
【００１３】
また、本実施形態では、基板９に対するイオンの衝撃エネルギーを制御する構成が採用されている。具体的には、基板ホルダー５には、基板９に対するイオンの衝撃エネルギーを制御する高周波電源（以下、イオン衝撃エネルギー制御用電源）５０が整合器５１を介して接続されている。
このイオン衝撃エネルギー制御用電源５０が与える高周波電圧は、処理中に基板９にイオンを高い衝撃エネルギーで入射させるために与えられるものである。基板９に高周波電圧が与えられると、プラズマと基板９との間に基板９に向かう時間平均電界が設定される。プラズマ中の正イオンは、この時間平均電界により加速されて、基板９に入射する。この入射イオンの高い衝撃エネルギーにより、エッチング速度を向上させたり、基板９に垂直なエッチングを促進させたりする。
【００１４】
また、基板ホルダー５の周囲を取り囲むようにして、シールド１２が設けられている。シールド１２も、基板ホルダー５等と同様に、基板９と同軸であり、円筒形である。シールド１２は、処理チャンバー１の底壁部に下端が固定されている。シールド１２は、ＶＨＦ帯の高周波が基板ホルダー５の下方の空間に漏れるのを軽減するものである。
【００１５】
さて、本実施形態の大きな特徴点は、上記プラズマ用電源４の周波数がＶＨＦ帯であるとともに、この周波数の高周波を使用した場合でも電力効率が低下しないような工夫を凝らしている点である。以下、この点を説明する。
まず、プラズマ用電源４としては、本実施形態では、ＶＨＦ帯に属する周波数例えば６０ＭＨｚの高周波を発生させるものとなっている。このようなプラズマ用電源４は、例えば電気興業株式会社から入手できる。プラズマ用電源４の構成としては、水晶発振器の出力を増幅する他励式のものが好ましく、出力の大きなトランジスタ式のものが好ましい。
【００１６】
次に、本実施形態の装置の第二の大きな特徴点は、別の高周波電極である基板ホルダー５を一部とした内導体６１と、内導体６１を取り囲む外導体６２とからなる同軸共振器が設けられており、この同軸共振器６は、プラズマ用電源４の周波数で直列共振するものである点である。具体的に説明すると、内導体６１は、基板ホルダー５と、支柱６１１とから構成されている。外導体６２は円筒状あるいは多角筒状であり、内導体６１は外導体６２と同軸である。外導体６２は、処理チャンバー１の底壁部に固定されている。
基板ホルダー５は、可変容量コンデンサ６３を介してアースに接続されている。可変容量コンデンサ６３は、支柱６１１の下部に設けられている。可変容量コンデンサ６３は、同軸共振器の共振条件を満足させるよう制御されるものである。
【００１７】
図１に示す同軸共振器６の共振条件について、図２を使用して説明する。図２は、図１に示す同軸共振器６の共振条件について説明する図である。
回路長に対する波長の相対的な関係から、本実施形態のような周波数を使用する回路では、分布定数回路として取り扱うことが必要である。従って、以下の説明では、分布定数回路として説明する。また、基板処理装置のような限られたスペースでは、回路は無損失回路であると取り扱って良い。従って、以下の説明は無損失回路であることを前提としている。
【００１８】
図２の（１）は、受電端短絡の高周波線路を示す。図１に示すような可変容量コンデンサ６３を有する同軸共振器６は、終端を短絡した高周波線路が位相進みするものとして扱うことができる。図２（１）において、回路の特性インピーダンスをＺ０、位相定数をβ、送電端Ｐ１から短絡端までの距離をｄ１とすると、送電端Ｐ１から終端側を見たインピーダンスＺは、
Ｚ＝ｊＺ０ｔａｎ（βｄ１）
である。周知のように、ｄ１の長さにより、Ｚ＝０（直列共振），容量性リアクタンス，∽（並列共振），誘導性リアクタンスと変化する。この様子を、図２（２）に示す。
【００１９】
ここで、終端にコンデンサを接続した回路は、終端を短絡した回路に比べて位相が進む。従って、図２（３）に示すように、終端にコンデンサを接続した回路は、ｄ１よりｄ２だけ短い点Ｐ２で終端を短絡した回路に相当している。従って、送電端Ｐ１から見たインピーダンスは、
0004051209.tif 000002
となる。但し、θ＝２πｄ２／λである。
図３は、式（１）におけるθの説明図である。θは、特性インピーダンスＺ０に対する負荷容量による位相の遅れであるから、負荷容量のキャパシタンスをＣとすると、図３から明らかなように、
θ＝ｔａｎ−１（１／Ｚ０ωＣ）…式（２）
となる。
【００２０】
さて、前述したように、図１に示す同軸共振器６は、終端にコンデンサを接続した回路に相当している。従って、図１に示す可変容量コンデンサ６３によるキャパシタンスをＣＦとして、式（１）及び式（２）を表現し直すと、同軸共振器６の入力インピーダンスＺinは、
Ｚin＝ｊＺ０ｔａｎ｛（２πｘ／λ）−θ）｝…式（３）
θ＝ｔａｎ−１（１／Ｚ０ωＣＦ）…式（４）
となる。但し、ｘは、同軸共振器６における前記ｄ１（送電端から終端までの長さ）を指しており、以下、回路長と呼ぶ。
【００２１】
ここで、ｘ＝λ０／４が成立するような周波数ｆ０を考えると、（２π／λ）ｘは以下のように書き換えられる
0004051209.tif 000003
従って、式（３）に式（５）を代入すると、
0004051209.tif 000004
である。但し、Ｆ＝ｆ／ｆ０，ＦＣ＝θ／（π／２）である。
【００２２】
図４は、式（６）におけるＺとＦ−ＦＣとの関係を示したものである。図４から解るように、Ｆ−ＦＣ＝２ｎの条件（ｎは整数）で、直列共振が生じ、入力インピーダンスＺinが０になる。
本実施形態の装置は、このような点を考慮し、ＣＦを変えることでＦ−ＦＣ＝２ｎの条件を成立させ、直列共振状態が得られるようにしている。言い換えると、回路長ｘは、装置の設計条件の制約を受け、自由に変更することは困難である。このため、固定された回路長ｘのもとでも共振状態を得られるよう、同軸共振器６内に可変容量コンデンサ６３を設けてそのキャパシタンスＣＦを調節するのである。
【００２３】
このようにすると、同軸共振器６がプラズマ用電源４の周波数において直列共振状態となり、入力インピーダンスＺinが０となる。このため、図２から解るように、同軸共振器６の入力点は高周波的にアース電位となる。このため、基板ホルダー５も、高周波的にアース電位とほぼ等しくなる。この結果、高周波電極３と基板ホルダー５の間には、プラズマ用電源４が発生させる電圧がほぼそのまま印加される。尚、直列共振は、基板ホルダー５とシールド１２の間、支柱６１１と処理チャンバー１の底壁部との間、支柱６１１と外導体６２との間で生じる。従って、正確には、シールド１２や処理チャンバー１の底壁部は、同軸共振器６の外導体６２を構成している。
【００２４】
一方、本実施形態のような共振条件が成立しないと、基板ホルダー５は、高周波的にアース電位とは言えなくなる。基板ホルダー５をアースに直流的に短絡するとともに、アースまでの距離を短くすれば、ある程度高周波的にアース電位にすることができる。しかし、本実施形態のように、基板９に別の高周波電圧を印加する場合には、基板ホルダー５をアースから直流的に絶縁する必要があり、上記のようにすることは困難である。従って、本実施形態の構成は、基板９に別の高周波電圧を印加する場合、特に好適な構成である。
【００２５】
また、図１に示すように、本実施形態の装置は、同軸共振器６を構成する可変容量コンデンサ６３とアースとの間には、電流計７が設けられている。直列共振状態では、入力インピーダンスＺinが０となるから、可変容量コンデンサ６３を通してアースに流れる高周波電流が最大となる。従って、電流計７の指示値を見ながら、電流が最大となるよう可変容量コンデンサ６３のキャパシタンスを調整する。
【００２６】
尚、電流計７は、プラズマ用電源４の周波数における電流を計測するものである。即ち、電流計７は、同調回路又はフィルタ回路等を有しており、プラズマ用電源４の周波数の高周波電流のみを計測している。イオン衝撃エネルギー制御用電源５０の周波数の電流は、電流計７では除外される。
ここで用いられる電流計７としては、ＰＰ(Peak-to-Peak)電流計が好ましい。ＰＰ電流計は、振幅を計測する電流計の一種であり、交流の正負の波高値の幅を計測するものである。実効値を計測する普通の電流計でも良いが、ＰＰ電流計の方が、電流が最大になったのを精度良く検知することができる。
【００２７】
次に、高周波プラズマ処理方法の発明の実施形態の説明も兼ねて、上記構成に係る本実施形態の装置の全体の動作について説明する。
基板９は、大気側から不図示のロードロックチャンバーに搬入される。ロードロックチャンバー及び処理チャンバー１が所定の真空圧力まで排気された後、不図示のゲートバルブが開けられ、不図示の搬送系により基板９は処理チャンバー１内に搬入され、基板ホルダー５の上の所定位置に載置される。不図示の吸着電源が動作して、基板９が基板ホルダー５に静電吸着される。
【００２８】
この後、プロセスガス導入系２が動作して所定のエッチング作用のあるガスが所定の流量で導入される。この状態で、プラズマ用電源４及びイオン衝撃エネルギー制御用電源５０が動作する。この結果、高周波放電が生じてプラズマが形成されるとともに、基板９にイオン衝撃エネルギー制御用電圧が与えられる。プラズマ中では、ラジカルやイオンが生成され、これらの化学種が基板９に達して基板９の表面がエッチングされる。
【００２９】
例えば、酸化シリコンをエッチングする場合、プロセスガスとして四フッ化炭素と水素の混合ガスが導入される。プラズマ中では、フッ素活性種、フッ素イオン、水素活性種、水素イオンが生成され、これらの化学種は、基板９の表面に存在する酸化シリコンと反応して、フッ化シリコンや水等の揮発物を作り出す。この結果、酸化シリコンがエッチングされる。この際、イオン衝撃エネルギー制御用電圧が基板９に与えられているので、フッ素イオンや水素イオンのエネルギーによりエッチングが促進され、またそれらイオンが基板９により垂直に入射するので、サイドエッチングの少ない良好なエッチング形状が得られる。
【００３０】
このようなエッチングを所定時間行った後、プラズマ用電源４、イオン衝撃エネルギー制御用電源５０及びプロセスガス導入系２の動作を止める。処理チャンバー１内を再度排気するとともに、基板９の静電吸着を解除する。そして、基板９を基板ホルダー５から取り去り、不図示のロードロックチャンバーを経由して大気側に取り出す。
【００３１】
上記動作において、プラズマ用電源４が動作した際、前述したように、基板ホルダー５からアース側を見たインピーダンスが０となり、基板ホルダー５の電位は高周波的にアース電位に等しくなる。このため、高周波電極３と基板ホルダー５との間の電圧が最大となり、放電を開始させる際の高周波電界も最も強くなる。このため、放電の開始が容易であり、従来に比べて低い電力で放電が開始できたり、低い圧力でも放電が開始できたりする顕著な効果がある。
【００３２】
具体的には、本実施形態の装置では、１０Ｐａ以下の低い圧力で放電を開始させて処理するようになっている。より具体的には、例えば２Ｐａ程度である。このように低い圧力で放電を開始させて処理すると、基板９への異物の混入やプロセスガスの混入といった汚損を低減させることができる。従って、品質の良い処理が行える。
また、基板ホルダー５に保持された基板９と同軸となるよう設けられた同軸共振器６によって共振回路が構成されているので、高周波の伝搬状態が基板９に対して軸対称となる。このため、基板９に対してより均一な処理が行えるという技術的意義もある。
【００３３】
上述した本実施形態の構成において、イオン衝撃エネルギー制御用電源５０の周波数は、プラズマ用電源４の周波数と一致しないものであることが好ましい。もし、プラズマ用電源４の周波数と一致したものと用いると、イオン衝撃エネルギー制御用電源５０からの高周波も、同軸共振器６で直列共振してしまい、基板９にイオン衝撃エネルギー制御用電圧を与えるための高周波電圧が基板ホルダー５に与えられなくなってしまう。具体的には、イオン衝撃エネルギー制御用電源５０の周波数としては、１３．５６ＭＨｚを使用することが実用的である。
【００３４】
また、図１に示すように、イオン衝撃エネルギー制御用電源５０は、同軸共振器６を構成する内導体６１の途中から高周波電力を供給している。しかし、内導体６１の下端から高周波電力を供給するようにすると、バイアス用の電力も軸対称に供給することができ、基板の処理をより均一化させることができる。但し、この構成では、装置全体が高さ方向に大きくなる欠点がある。本実施形態の構成では、このような欠点はない。
【００３５】
次に、本願発明の第二の実施形態について説明する。
図５は、本願発明の第二の実施形態の高周波プラズマ処理装置の主要部の概略構成を示す図である。図５に示す装置は、以下の点が、図１に示す第一の実施形態と異なっている。即ち、第二の実施形態では、リアクタンス制御器として、可変容量コンデンサ６３のキャパシタンスを自動的に調整する容量調整器８が設けられている。容量調整器８は、電流計７からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器８１と、ＡＤ変換器８１の出力が入力されるシーケンサ８２と、可変容量コンデンサ６３の一方の電極を他方の電極に対して回転させてキャパシタンスを変えるモータ８３と、モータ８３を駆動するドライバ回路８４とから主に構成されている。
【００３６】
シーケンサ８２による制御について、以下に説明する。モータ８３の回転の向きの一方を＋、他方を−とする。まず、＋側にモータ８３を回転させて電流計７からの信号をＡＤ変換器８１を介して入力する。そして、信号が増加するようであればそのまま＋側の向きとし、信号が減少するようであれば−側の回転とする。そして、信号が増加する向きにモータ８３を回転させながら、信号が増加から減少に変わった場合、モータ８３を逆向きに回転させる。そして、信号が最大値を取った後に減少に転じたらまた回転の向きを逆にする。このようにして、電流計７に流れる電流が最大になるよう、モータ８３が可変容量コンデンサ６３を制御する。場合によっては、電流が最大になった位置を記憶してこの位置を保持するようモータ８３を制御するようにしてもよい。このような制御が行われるよう、シーケンサ８２がプログラミングされている。
【００３７】
この第二の実施形態によれば、容量調整器８によって可変容量コンデンサ６３のキャパシタンスが自動的に調整されるので、装置の組立時における可変容量コンデンサ６３の調整が容易である。また、何らかの原因で、高周波回路の条件が変わった場合も、容量調整器８が自動的に可変容量コンデンサ６３のキャパシタンスを調整する。このため、同軸共振器６の直列共振条件が常に維持される。さらに、装置は、異なる処理を行う等のため、運転条件を変えることがあり、この結果、高周波回路の条件が変わる場合があるが、このような場合でも、容量調整器８が自動的に可変容量コンデンサ６３のキャパシタンスを調整するので、同軸共振器６の直列共振条件が常に維持される。このため、上述した効果が常に安定して得られる。
【００３８】
上述した各実施形態では、主に高周波放電を開始する際の回路条件において直列共振が生じるようにするようにしている。というのは、放電が開始されてプラズマが形成される前後で、高周波電極３と基板ホルダー５との間の空間インピーダンスが変化する。従って、放電開始前に同軸共振器６の共振条件を満足させていても、放電開始後は、一般的には共振状態にはならない。そうではあっても、放電開始の際には、放電空間に絶縁破壊を生じさせる必要があって大きな電圧を必要とするため、その際の電力効率が良いことは、充分に大きなメリットである。放電開始後に共振状態を維持するには、高周波電流をモニタして可変容量キャパシタンスを負帰還制御することになるが、プラズマ形成後の放電空間のインピーダンスは、不安定に変化することがあるので、追従性の高い制御系を採用することが好ましい。
【００３９】
上記各実施形態では、ＶＨＦ帯の高周波として６０ＭＨｚを使用したが、これに限られるものでは勿論ない。さらに高い、例えば１００ＭＨｚを越える周波数を使用しても良い。
また、直列共振を達成する共振回路としては、同軸形のものを使用したが、円筒形の空洞共振器（内導体のないもの）でも良い。また、方形の空洞共振器を使用することも可能であり、これは液晶ディスプレイ用のような方形の基板を処理する際にある得る構成である。
前述した可変容量コンデンサ６３の他、インダクタンスが可変であるコイルのようなインダクタンス調整器を使用しても良い。さらに、スタブチューナーのような構成も用いても、リアクタンスを変えることができる。
【００４０】
上記各実施形態では、別の高周波電極として基板ホルダー５が兼用されたが、この構成は、処理チャンバー１内の構成を簡単する技術的意義がある。また、放電空間を臨むようにして基板９を保持することができるため、プラズマを効率良く利用して処理を効率化させる技術的意義もある。尚、基板ホルダー５以外に別の高周波電極を設けても良いことは勿論である。また、別の高周波電極は内導体６１の一部であったが、内導体６１の全部が別の高周波電極で構成されても良い。
【００４１】
上記各実施形態では、基板処理の一例としてエッチングを採り上げたが、スパッタリングや化学蒸着（ＣＶＤ）等の成膜処理、表面酸化や表面窒化等の表面改質処理、さらにはアッシング処理等を行う装置についても、同様に実施することができる。
処理対象である基板９としては、半導体ウェーハの他、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等の表示デバイス用の基板、磁気ヘッド等の磁気デバイス用の基板等を対象とすることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１記載の発明によれば、ＶＨＦ帯の高周波を使用しているので、プラズマ形成効率が向上し、処理速度が向上したり、低圧でも放電を開始できたりする効果がある。そして、別の高周波電極とその支柱で構成される内導体と、内導体を取り囲む外導体とからなる同軸共振器が直列共振するようになっているので、別の高周波電極とＶＨＦ用の高周波電極との間で電圧が最大となり、放電の開始が容易となり、電力効率の点で優れている。また、同軸共振器には、高周波電源によりその同軸共振器に流れる高周波電流を測定する電流計が設けられているので、可変容量を操作して共振状態を得ることがさらに容易となる。さらに、電流計からの信号により、高周波電源の周波数での同軸共振器のインピーダンスが最小となるよう自動的に可変容量を調整する容量調整器が設けられているので、装置の組立の際の調整が容易になったり、装置の動作条件の変化に追従してリアクタンスを自動的に変化させることで自動的に共振状態が維持できる効果が得られる。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、電流計は、高周波電流の正負の波高値の幅を計測するものであるので、共振状態であるかどうかの判断が精度良く行える。このため、上記効果を確実に安定して得ることができる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、別の高周波電極に、処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーが兼用されているので、装置の構造が簡単になるとともに、基板に対して効率よく処理を行うことができる。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、基板ホルダーには、基板に対するイオン衝撃のエネルギーを制御する高周波電源が接続されているので、プラズマ中のイオンを適切な衝撃エネルギーで入射させながら処理を行うことができる。
また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、高周波電源が、１０Ｐａ以下の圧力でも放電を開始できるものであるため、基板への異物の混入やプロセスガスの混入といった汚損を低減させることができる。従って、品質の良い処理が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態の高周波プラズマ処理装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】図１に示す同軸共振器６の共振条件について説明する図である。
【図３】式１におけるθの説明図である。
【図４】式（６）におけるＺとＦ−ＦＣとの関係を示したものである。
【図５】本願発明の第二の実施形態の高周波プラズマ処理装置の主要部の概略構成を示す図である。
【図６】従来の高周波プラズマ処理装置の概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１  処理チャンバー
１１  排気系
２  プロセスガス導入系
３  高周波電極
４  高周波電源
５  基板ホルダー
６  同軸共振器
６１  内導体
６２  外導体
６３  可変容量コンデンサ
７  電流計
８  容量調整器
９  基板
【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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