(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電源と高周波負荷導入部との間に設けられ、高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器であって、
高周波電源からの高周波エネルギーを高周波負荷導入部に伝送する共振棒と、
前記共振棒および前記高周波負荷導入部に直列に接続され、インピーダンス複素数の虚部の調整を行う第１の可変コンデンサーと、
前記共振棒の外周に設けられた接地された筐体と、
前記共振棒へ高周波エネルギーを励起させ、かつインピーダンス複素数の実部の調整を行う可変結合給電部と
を具備し、
前記可変結合給電部は、誘導結合により前記共振棒に前記高周波電源からの高周波電力を供給する筒状の部材と、前記筒状の部材に接続された第２の可変コンデンサーを有し、
前記共振棒と前記筐体と前記筒状の部材は同軸状に設けられており、
前記高周波電源から高周波負荷に至るまでの間が、整合状態で直列共振回路を構成するように、前記第１の可変コンデンサーおよび前記可変結合給電部が調整されることを特徴とする整合器。
【請求項２】
前記高周波負荷導入部はプラズマ生成電極であり、前記高周波負荷はプラズマであることを特徴とする請求項１に記載の整合器。
【請求項３】
前記第１の可変コンデンサーおよび前記可変結合給電部を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の整合器。
【請求項４】
前記第２の可変コンデンサーを調整することによりインピーダンスを調整することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の整合器。
【請求項５】
前記共振棒および前記高周波負荷導入部に直列に接続された第１の可変コンデンサーは、そのキャパシタンスを変化させるモーターを有し、このモーターは前記共振棒の中に設けられた回転軸を介してその他端側に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の整合器。
【請求項６】
前記高周波電源の周波数が１００ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の整合器。
【請求項７】
前記共振棒および前記高周波負荷導入部に直列に接続された第１の可変コンデンサーは、前記プラズマ生成電極に前記第１の可変コンデンサーの電極を接続させるための接触部材を介して、前記第１の可変コンデンサーの電極が前記プラズマ生成電極に接続されることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の整合器。
【請求項８】
前記第１の可変コンデンサーの電極が前記プラズマ生成電極に接続された多面接触部材を介して、前記プラズマ生成電極に接続され、
前記多面接触部材はリング部を有し、前記リング部の内側に設けられた表面球状の複数の接触子により、前記可変コンデンサーの電極と前記プラズマ生成電極との電気的接続がなされることを特徴とする請求項７に記載の整合器。
【請求項９】
前記第１の可変コンデンサーは、その一方の電極が前記プラズマ生成電極の一部をなし、絶縁層としての空気を介して他方の電極が設けられた構造を有することを特徴とする請求項８に記載の整合器。
【請求項１０】
高周波電源とプラズマ生成電極との間に設けられ、高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器であって、
高周波負荷のインピーダンス複素数の虚部を調整する可変コンデンサーを備え、
前記可変コンデンサーの電極が、前記プラズマ生成電極に接続された多面接触部材を介して、前記プラズマ生成電極に接続され、
前記多面接触部材はリング部を有し、前記リング部の内側に設けられた表面球状の複数の接触子により、前記可変コンデンサーの電極と前記プラズマ生成電極との電気的接続がなされることを特徴とする整合器。
【請求項１１】
前記可変コンデンサーは、その一方の電極が前記プラズマ生成電極の一部をなし、絶縁層としての空気を介して他方の電極が設けられた構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の整合器。
【請求項１２】
前記可変コンデンサーの電極には、アダプターが係合されていることを特徴とする請求項１０に記載の整合器。
【請求項１３】
被処理基板が収容されるチャンバーと、
チャンバー内に相対向するように設けられた第１および第２の電極と、
前記第１の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
前記高周波電源と前記第１の電極との間に設けられ、プラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器と、
前記チャンバー内を所定の減圧状態に維持する排気手段と、
前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入手段と
を具備し、
前記高周波電力により前記第１の電極と第２の電極との間に高周波電界を形成し、それにより処理ガスをプラズマ化してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置であって、
前記整合器に、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の整合器が用いられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１４】
被処理基板が収容されるチャンバーと、
チャンバー内に相対向するように設けられた第１および第２の電極と、
前記第１の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
前記高周波電源と前記第１の電極との間に設けられ、プラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器と、
前記チャンバー内を所定の減圧状態に維持する排気手段と、
前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入手段と
を具備し、
前記高周波電力により前記第１の電極と第２の電極との間に高周波電界を形成し、それにより処理ガスをプラズマ化してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置であって、
前記整合器に、請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の整合器が用いられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ等の高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器およびそれを用いたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対して、エッチングやスパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）等のプラズマ処理が多用されている。
【０００３】
このようなプラズマ処理を行うためのプラズマ処理装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。
【０００４】
容量結合型平行平板プラズマ処理装置は、チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとともに、電極の少なくとも一方に高周波電力を供給して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成して半導体ウエハに対してプラズマ処理を施す。
【０００５】
このような容量結合型平行平板プラズマ処理装置により半導体ウエハ上の膜、例えば酸化膜をエッチングする場合には、チャンバー内を中圧にして、中密度プラズマを形成することにより、最適ラジカル制御が可能であり、それによって適切なプラズマ状態を得ることができ、高い選択比で、安定性および再現性の高いエッチングを実現している。
【０００６】
しかしながら、近年、ＵＬＳＩにおけるデザインルールの微細化がますます進み、ホール形状のアスペクト比もより高いものが要求されており、従来の条件では必ずしも十分とはいえなくなりつつある。
【０００７】
そこで、印加する高周波電力の周波数を６０ＭＨｚ程度にまで上昇させ、高密度プラズマを形成し、より低圧の条件下で適切なプラズマを形成して微細化に対応することが試みられているが、６０ＭＨｚ程度の周波数では１０ｍＴｏｒｒ以下の真空度で高密度プラズマを生成することは困難である。このため、印加する高周波電力の周波数をさらに１００ＭＨｚ以上に上昇させることが検討されている。
【０００８】
ところで、このように高周波を印加してプラズマを形成する容量結合型平行平板プラズマ処理装置では、高周波電源と上部電極との間に、高周波電力の負荷であるプラズマのインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器を用いている。従来の整合器は、例えば図１６に示すような構造となっている。すなわち、整合装置１０１は、高周波電源１００と上部電極１０２との間に設けられ、接地された直方体の箱１０１ａを有しており、その中に高周波電源１００から上部電極１０２へ給電するための給電棒１０３に対して直列に上流側からコイル１１１および可変コンデンサー１１４が設けられており、さらにコイル１１１の上流側には接地された固定コンデンサー１１０が接続され、コイル１１１の下流側には接地された可変コンデンサー１１２と固定コンデンサー１１３が接続されている。これら部品は、銅板や線材等で結線され、可変コンデンサ１１２，１１４の値をモーター等で変化させることで整合範囲を変化させる構造となっている。可変コンデンサの代わりに可変コイルを用いることもできる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構造の整合器を１００ＭＨｚを超える周波数帯域で使用する場合には、部品を接続する銅板や整合器と電極を接続する給電棒等の誘導性リアクタンス成分の影響が大きくなり、一方、容量性リアクタンスは周波数に反比例するため、共振・整合をとるためのコンデンサ容量は非常に小さいものとなり、一般市販の可変コンデンサの利用が困難となる。
【００１０】
このような不都合を回避するために、ＶＨＦ帯後半〜ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ）における整合に通常用いられるスタブ方式の整合器を１００ＭＨｚを超える周波数帯域でのプラズマ処理装置に用いることが考えられる。図１７に示すように、スタブ方式の整合器１２１は、高周波電源１２０と上部電極１２２を接続する同軸構造の給電ライン１３１の途中に、それに垂直に２箇所以上の同軸ケーブル構造の調整ライン１３２を接続し、これら調整ライン１３２上で短絡素子１３３を移動させてインピーダンスを調整するものである。
【００１１】
しかしながら、このようなスタブ方式の整合器１２１は、短絡素子１３３のストロークを１／４波長以上確保する必要があり、１５０ＭＨｚ以下の場合には、調整ライン１３２の長さが５００ｍｍ以上必要となり、整合器自体が非常に大きなものとなってしまう。また、短絡素子１３３の移動時間が大きくなり、高周波電力を投入してから整合までの時間が長くなってしまう。さらに、短絡素子１３３をモーターで駆動することを考慮すると、回転運動から直線運動への変換等、複雑さが避けられない。
【００１２】
一方、従来の整合器は、数十〜１００ｍｍ程度の給電棒により電極に接続されており、整合器内の部品は銅板等により接続されているが、このように機械的な接続部分が多いと電気特性が不連続となる箇所が増えるため定在波も不連続となってプラズマが不均一となり、またＲ成分による損失も大きなものとなってしまう。また、高周波化により給電棒の誘導性リアクタンスも非常に大きくなるため、整合器出口での電圧が非常に高くなり、絶縁の強化のため絶縁物、空間等のサイズアップが必要となる。
【００１３】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、１００ＭＨｚ以上の高周波電力を供給する場合でも、大型化を招くことなく、整合時間が長くなることがなく、十分に高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させることができる整合器およびそれを用いたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１４】
また、電気特性の不連続による不均一やエネルギー損失を少なくすることができ、かつ小型化が可能な整合器およびそれを用いたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、高周波電源と高周波負荷導入部との間に設けられ、高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器であって、
高周波電源からの高周波エネルギーを高周波負荷導入部に伝送する共振棒と、
前記共振棒および前記高周波負荷導入部に直列に接続され、インピーダンス複素数の虚部の調整を行う第１の可変コンデンサーと、
前記共振棒の外周に設けられた接地された筐体と、
前記共振棒へ高周波エネルギーを励起させ、かつインピーダンス複素数の実部の調整を行う可変結合給電部と
を具備し、
前記可変結合給電部は、誘導結合により前記共振棒に前記高周波電源からの高周波電力を供給する筒状の部材と、前記筒状の部材に接続された第２の可変コンデンサーを有し、
前記共振棒と前記筐体と前記筒状の部材は同軸状に設けられており、
前記高周波電源から高周波負荷に至るまでの間が、整合状態で直列共振回路を構成するように、前記第１の可変コンデンサーおよび前記可変結合給電部が調整されることを特徴とする整合器が提供される。
【００１６】
本発明の第２の観点によれば、高周波電源とプラズマ生成電極との間に設けられ、高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器であって、高周波負荷のインピーダンス複素数の虚部を調整する可変コンデンサーを備え、前記可変コンデンサーの電極が、前記プラズマ生成電極に接続された多面接触部材を介して、前記プラズマ生成電極に接続され、前記多面接触部材はリング部を有し、前記リング部の内側に設けられた表面球状の複数の接触子により、前記可変コンデンサーの電極と前記プラズマ生成電極との電気的接続がなされることを特徴とする整合器が提供される。
【００１７】
本発明の第３の観点によれば、被処理基板が収容されるチャンバーと、
チャンバー内に相対向するように設けられた第１および第２の電極と、
前記第１の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
前記高周波電源と前記第１の電極との間に設けられ、プラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器と、
前記チャンバー内を所定の減圧状態に維持する排気手段と、
前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入手段と
を具備し、
前記高周波電力により前記第１の電極と第２の電極との間に高周波電界を形成し、それにより処理ガスをプラズマ化してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置であって、
前記整合器に、第１の観点に係る整合器が用いられていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１８】
本発明の第４の観点によれば、被処理基板が収容されるチャンバーと、
チャンバー内に相対向するように設けられた第１および第２の電極と、
前記第１の電極に高周波電力を供給する高周波電源と、
前記高周波電源と前記第１の電極との間に設けられ、プラズマインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させる整合器と、
前記チャンバー内を所定の減圧状態に維持する排気手段と、
前記チャンバー内に処理ガスを導入する処理ガス導入手段と
を具備し、
前記高周波電力により前記第１の電極と第２の電極との間に高周波電界を形成し、それにより処理ガスをプラズマ化してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置であって、
前記整合器に、第２の観点に係る整合器が用いられていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１９】
上記本発明の第１の観点の観点によれば、外周に筐体が配置された共振棒と可変コンデンサーとを含む直列共振回路を構成するので、１００ＭＨｚ以上の高周波電力を供給する場合でも、スタブ方式のように大型化を招くことなく、一般市販の可変コンデンサを利用して十分に高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させることができる。すなわち、整合器を共振棒と可変コンデンサーとを直列に配置したシンプルな構造として高周波電源から高周波負荷に至るまでの間に整合状態で直列共振回路を構成するので、本質的に小型化が可能であり、また、接地された筐体を設けることにより、共振棒のインダクタンス成分自体を小さくすることができ、共振棒と筐体との距離を調節すれば共振回路の誘導性リアクタンス成分を容易に管理することができるので、可変コンデンサーとして一般市販のものを用いても十分に高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させることができる。また、共振棒をコイルとして動作させる場合には、共振棒の長さを高周波周波数の１／４波長より小さくすることができ、より一層の小型化が可能となる。さらに、共振回路に接合点が少ないので、内部損失が少なく、低損失高性能の共振回路を構成することができる。さらにまた、従来と同様に基本的に可変コンデンサーを用いて整合をとるのでスタブ方式のように整合時間が長くなることがない。さらにまた、筐体の存在によりシールド効果を高めることができる。
【００２０】
上記本発明の第２の観点によれば、整合器がプラズマ生成電極に直接取り付けられるので、給電棒が不要となり、インピーダンス不連続箇所を少なくすることができる。したがって、電気特性が不連続になることによる不均一やエネルギー損失を少なくすることができる。また、給電棒の誘導性リアクタンス成分の影響がないので、整合器出口で電圧が高くなることがない。したがって、絶縁の強化のために絶縁物や空間等をサイズアップする必要がなく、小型化が可能となる。
【００２１】
上記本発明の第３の観点によれば、上記本発明の第１の観点に係る整合器を用いたプラズマ処理装置が構成されるので、１００ＭＨｚ以上の高周波電力を供給してプラズマを生成する場合でも、スタブ方式のように大型化を招くことなく、一般市販の可変コンデンサを利用して十分にプラズマのインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させることができる。
【００２２】
上記本発明の第４の観点によれば、上記本発明の第２の観点に係る整合器を用いたプラズマ処理装置が構成されるので、電気特性が不連続になることによるプラズマの不均一やエネルギー損失を少なくすることができる。
【００２３】
上記本発明の第１の観点に係る整合器において、前記高周波負荷導入部としてプラズマ生成電極を用いることができる。この場合には、前記高周波負荷はプラズマである。
【００２４】
また、上記本発明の第１の観点に係る整合器において、前記可変コンデンサーおよび前記可変結合給電部を制御する制御手段を設けることにより、高周波電源から高周波負荷に至るまでの間が、整合状態で直列共振回路を構成するように自動的に調整することが可能となる。
【００２５】
さらに、前記共振棒と前記筐体とは同軸状に設けられていることが好ましい。これにより、共振棒と筐体との間の距離が位置によらず一定となり電磁界分布を均一にすることができるため、共振棒のインダクタンス見積の管理が容易となる。
【００２６】
さらにまた、前記可変結合給電部は、電磁誘導により前記共振棒に高周波電力を供給するリンクコイルを有するようにすることができる。これにより、共振棒への高周波電力の入力部分を非接触にすることができ、電力の消費を少なくすることができる。この場合に、前記リンクコイルと前記共振棒との間の距離を調整することによりインピーダンス複素数の実部を調整することもできるし、また、前記リンクコイルに接続された可変コンデンサーをさらに有し、この可変コンデンサーを調整することによりインピーダンス複素数の実部を調整することもできる。さらに、筒状をなすリンクコイルを、共振棒を囲繞するように設け、可変コンデンサーを調整することによりインピーダンス複素数の実部を調整するように構成すれば、大電力の場合であっても、容易に誘導結合させることができる。
【００２７】
さらにまた、前記可変結合給電部は、前記共振棒へ移動可能に接続され前記共振棒に高周波電力を入力する接続部材と、接続部材を前記共振棒の長手方向に沿って移動させる移動機構とを有し、前記移動機構により前記接合部材の位置を調整することによりインピーダンス複素数の実部を調整するように構成することもできる。
【００２８】
さらにまた、前記可変結合給電部は、前記共振棒へ接続され前記共振棒に高周波電力を入力する接続部材と、接続部材と直列に配置された可変コンデンサーとを有し、この可変コンデンサーを調整することによりインピーダンスを調整するように構成することもできる。
【００２９】
さらにまた、前記共振棒および前記プラズマ生成電極に直列に接続された可変コンデンサーのモーターを共振棒の中に設けられた回転軸を介してその他端側に設けるようにすれば、その部分は接地電位であるから、絶縁を容易にすることができる。
【００３０】
さらにまた、前記高周波電源の周波数が１００ＭＨｚ以上であることが好ましい。この範囲の周波数において、本発明の効果を有効に発揮することが可能となる。
【００３１】
さらにまた、前記共振棒および前記プラズマ生成電極に直列に接続された可変コンデンサーは、前記プラズマ生成電極に直接取り付けられていることが好ましい。これにより、上記本発明の第２の観点の場合と同様、電気特性が不連続になることによる不均一やエネルギー損失を少なくすることができ、かつ小型化が可能となる。
【００３２】
上記本発明の第２の観点において、整合器をプラズマ生成電極に直接取り付けるにあたり、可変コンデンサーをプラズマ電極に直接取り付けるようにすることが好ましい。
【００３３】
上記本発明の第１の観点および第２の観点において、このように可変コンデンサーをプラズマ生成電極に直接取り付ける場合に、多数の接触子を有する多面接触部材により着脱自在に取り付けることが好ましい。これにより取り扱い性およびメンテナンス性を高くすることができる。また、この場合に、可変コンデンサーの一方の電極が前記プラズマ生成電極の一部をなし、絶縁層としての空気を介して他方の電極が設けられた構造とすることにより、構造を簡略化することができ、しかもコンデンサーの容量を小さくすることが可能となる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明が適用されるプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ生成用電源が接続され、他方にイオン引き込み用の電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００３５】
このプラズマ処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は保安接地されている。前記チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００３６】
前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には冷媒が冷媒導入管８を介して導入され排出管９から排出されて循環し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
【００３７】
前記サセプタ５は、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続された直流電源１３から直流電圧が印加されることにより、クーロン力等によってウエハＷを静電吸着する。
【００３８】
そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００３９】
前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなっており、これによりエッチングの均一性が向上される。
【００４０】
前記サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２５を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２４を有する、例えばシリコン、ＳｉＣ、またはアモルファスカーボンからなる電極板２３と、この電極板２３を支持し、導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体２２とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間している。
【００４１】
前記上部電極２１における電極支持体２２にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、このガス供給管２７には、バルブ２８、およびマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマエッチング処理のための処理ガスが供給される。
【００４２】
処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）やハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２を添加してもよい。
【００４３】
前記チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば０．１ｍＴｏｒｒ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００４４】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、第１の高周波電源４０と上部電極２１との間には整合器４１が設けられている。整合器４１は、チャンバー２内にプラズマを形成した際に、プラズマのインピーダンスを高周波電源４０から延びる同軸構造の伝送路４０ａのインピーダンスに整合させる機能を有している。高周波電源４０から見た伝送路４０ａのインピーダンスは通常５０Ωである。また、上部電極２１への給電は、その上面中央部から行われる。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は１００ＭＨｚ以上の周波数を有している。このように高い周波数を印加することにより高密度のプラズマを形成することができ、１０ｍＴｏｒｒ以下という低圧条件下のプラズマ処理が可能となり、デザインルールの微細化に対応することが可能となる。
【００４５】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は、ウエハＷに対してイオンを引き込んでウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えるものであり、周波数は２ＭＨｚである。
【００４６】
次に、上記整合器４１について説明する。
図２の（ａ）に示すように、整合器４１は、上述したように、チャンバー２内にプラズマを形成した際に、プラズマのインピーダンスを伝送路４０ａのインピーダンスに整合させるものであり、高周波電源４０からの高周波エネルギーを上部電極２１に伝送する共振棒６１と、共振棒６１および前記上部電極２１に直列に接続された可変コンデンサー６２と、共振棒６１の外周に設けられた接地された筐体６３と、共振棒６１と誘導結合し、結合度が可変の可変結合給電部として機能するリンクコイル６４と、筐体６３の上方に設けられた制御ユニット６５とを備えている。そして、プラズマを生成した際に、高周波電源４０からプラズマを介して接地に至るまでの間が、整合状態で直列共振回路を構成するように、可変コンデンサー６１およびリンクコイル６４が調整される。
【００４７】
ここでプラズマ（高周波負荷）のインピーダンスをＺとすると、Ｚは、
Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ
と、複素数として表現することができる。この式の中でＲはインピーダンスの実部で純抵抗成分である。また、Ｘはインピーダンス虚部でリアクタンス成分である。これらのうちインピーダンス実部であるＲは結合度により調整することができ、インピーダンス虚部であるＸは直列可変コンデンサー６２で調整することができる。共振状態においては、インピーダンス虚部ｊＸと直列可変コンデンサ６２の容量の値とが同値異符号になるように直列可変コンデンサー６２の容量が調整される。また、結合度はリンクコイル６４により調整することができるから、プラズマインピーダンス実部Ｒを含めて、高周波電源から見た全体のインピーダンス実部はリンクコイル６４により調整することができる。したがって、可変コンデンサー６２およびリンクコイル６４によってインピーダンスの調整を行うことにより、プラズマのインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させることができる。
【００４８】
制御ユニット６５は、可変コンデンサー６２の容量調整を行うためのモーター６６と、リンクコイル６４を回転させるモーター６７とこれらをコントロールするコントローラ６９とを有している。そして、このコントローラ６９により、プラズマのインピーダンスに応じて可変コンデンサー６２の容量およびリンクコイル６４の結合度の値が制御される。なお、リンクコイル６４は、モーター６７によりギア機構６８を介して図２の（ｂ）に示すように回転され、それにともなって共振棒６１との距離が変化し結合度が可変となる。
【００４９】
前記リンクコイル６４には、伝送線４０ａを介して高周波電源４０が接続されており、誘導結合により高周波電力を共振棒６１に供給する。そして、駆動部であるモータ６７およびギア機構６８によりリンクコイル６４を移動させて共振棒６１との距離を調節することによって結合度が可変となっており、これによりインピーダンス調整を行えるようになっている。この整合器４１の等価回路を図３に示す。
【００５０】
共振棒６１は、電気特性および他の特性の観点から銅に銀メッキを施したものを用いることが好ましい。共振棒６１と筐体６３とは同軸状に配置される。これにより、共振棒６１と筐体６３との間の距離が位置によらず一定となり電磁界分布を均一にすることができるため、共振棒６１のインダクタンス見積の管理が容易となる。特に、共振棒６１を外周筐体６３とともに中空円筒状として円筒同軸状に配置することにより、電磁界の分布を一層均一化することができる。もちろん、筐体６３は円筒に限らず角筒状であってもよいし、必ずしも共振棒６１の全部を覆っていなくてもよい。また、共振棒６１は円筒状でなくてもよい。なお、共振棒６１の等価的なリアクタンスは、その長さおよびその直径と外周筐体６３との直径比で見積もることができる。
【００５１】
以上のように構成されるプラズマ処理装置１における処理動作について説明する。
まず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室からチャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、高圧直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気機構３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
【００５２】
その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から処理ガスがマスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の内部へ導入され、さらに電極板２３の吐出孔２４を通って、図１の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出され、チャンバー２内の圧力が所定の値に維持される。
【００５３】
そして、その後、第１の高周波電源４０から整合器４１を介して１００ＭＨｚ以上、例えば１５０ＭＨｚの高周波が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化し、このプラズマにより、ウエハＷに対してエッチング処理が施される。
【００５４】
他方、第２の高周波電源５０からは、２ＭＨｚの高周波が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
【００５５】
このように、上部電極２１に印加する高周波の周波数を１００ＭＨｚ以上とすることにより、プラズマ密度を上げることができ、より低圧でのプラズマ処理が可能となり、デザインルールの微細化に対応可能となる。
【００５６】
このように高周波の周波数が１００ＭＨｚ以上となると、従来の整合器では可変コンデンサーの値を著しく低くする必要があって一般市販のものでは適用が困難となり、また、スタブ方式の整合器の場合には大型化を招くとともに整合に時間がかかる。
【００５７】
これに対して、上記整合器４１では、外周に筐体６３が同軸状に配置された共振棒６１と可変コンデンサー６２とを含む直列共振回路を構成する。具体的には、高周波電源４０からプラズマに至るまでの間が、整合状態で直列共振回路を構成するように、コントローラ６９により可変コンデンサー６２およびリンクコイル６４を制御する。このように、整合器４１を共振棒６１と可変コンデンサー６２とを直列に配置したシンプルな構造として高周波電源４０からプラズマに至るまでの間に整合状態で直列共振回路を構成するので、本質的に小型化が可能である。また、筐体６３を設けることにより、共振棒６１のインダクタンス成分自体を小さくすることができ、共振棒６１と筐体６３との距離を調節すれば共振回路の誘導性リアクタンス成分を容易に管理することができるので、可変コンデンサー６２として一般市販のものを用いても十分にプラズマのインピーダンスを伝送路４０ａのインピーダンスに整合させることができる。
【００５８】
ここで、同軸構造の共振棒６１の特性インピーダンスをＺ０とすると、長さｘの時のインピーダンスＺは、以下の（１）式で表される。
Ｚ＝ｊＺ０ｔａｎβｘ    ……（１）
ただし、βは位相定数であり、波長をλとするとβ＝２π／λである。したがって、長さとインピーダンス（すなわち共振棒６１のリアクタンス）との関係は図４のようになる。なお、特性インピーダンスＺ０は、共振棒６１と外周筐体６３との断面寸法比（直径比）の対数関数となる。図４において、ｘが１／４波長未満の場合、共振棒６１はコイル（インダクタンス）として機能し、直列可変コンデンサー６２との組合せで、直列共振回路を形成する。この場合に、共振棒６１は接地された筐体６３に囲まれているので、波長短縮率（速度係数）を考慮して、長さを設定すべきである。このように、共振棒６１の長さを高周波の１／４波長未満とすると、波長１００ＭＨｚ以上においても共振棒６１の実際の長さを１００ｍｍ程度と極めて短いものとすることができ、整合器４１を十分に小型化することができる。なお、プラズマの負荷のリアクタンスが誘導性で大きい等の場合に、共振棒６１の長さを１／４波長よりも長くして共振棒６１をコンデンサーとして機能させて直列共振回路を構成することも可能である。この場合には、共振棒６１の長さは上述の１／４波長未満の場合よりも長くなるが、整合器４１はスタブ方式のように大型化することはない。
【００５９】
また、共振回路を構成することから、プラズマの負荷のリアクタンスをキャンセルすることができるので、高周波電源からみた皮相電流をなくすることができ、プラズマ形成に寄与しない無効電力をほぼゼロにすることができる。したがって、エネルギー効率が高い。さらに、共振回路に接合点が少ないので、内部損失が少なく、低損失高性能の共振回路を構成することができる。さらにまた、従来と同様に基本的に可変コンデンサーを用いて整合をとるのでスタブ方式のように整合時間が長くなることがない。さらにまた、筐体６３の存在によりシールド効果を高めることができる。なお、整合器４１は、制御ユニットを含まない部分で、直径１６０ｍｍ程度、高さ２００ｍｍ程度の円筒形状とすることができ、従来の整合器よりも小さくすることができる。
【００６０】
また、リンクコイル６４を用いて誘導結合により非接触で共振棒６１に高周波電力を供給するので、接触による損失を回避することができ、整合器内部での消費電力を少なくすることができる。
【００６１】
さらに、可変コンデンサ６２の容量調整用のモーター６６は、接地電位すなわち０Ｖである共振棒６１の上端側に配置されているのでモーター６６の絶縁が容易である。
【００６２】
以上のように、整合器４１は高周波電源４０の周波数が１００ＭＨｚ以上になった場合に優れた効果を発揮するものであり、寸法的制約がない限り（共振棒が極端に短いと実装上の問題が生じる）その上限は特にないが、十分に整合をとる観点からは４００ＭＨｚ程度以下であることが好ましい。高周波電源４０の周波数が３００ＭＨｚ以上の場合には、波長が短いため、共振棒６１を１／４波長未満の長さのみならず、２ｎ／４波長超え〜（１＋２ｎ）／４未満（ただし、ｎ＝１，２，……）のうちの実用的な長さで同様な効果を得ることができる。
【００６３】
次に、整合器４１の第１の変形例について説明する。
ここでは、図５に示すように、整合器４１は、固定的に設けられたリンクコイル７１を有し、これに可変コンデンサー７２が取り付けられている。可変コンデンサー７２の容量調整用モーター７３はモーター６６と同様にコントローラ６９により制御される。高周波電力は給電線４０ａおよびリンクコイル７１を介して可変コンデンサー７２に至り、誘導結合により共振棒６１に供給される。その他の構成は図２と同様であり、同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。このような構成の場合には、可変コンデンサー７２によりインピーダンスを調整するので、リンクコイル７１を移動させずにより短時間でインピーダンス調整を行うことができる。この場合の等価回路を図６に示す。
【００６４】
次に、整合器４１の第２の変形例について説明する。
ここでは、図７に示すように、共振棒６１の外側に同軸的に円筒状のリンクコイル７４を配置し、このリンクコイル７４に可変コンデンサー７２が接続されている。その他の構成は図５と同様であり、同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。このような構成の場合には、筒状をなすリンクコイル７４を、共振棒６１の周囲に同心的に設けたので、大電力の場合であっても、容易に誘導結合させることができる。なお、この例の場合には、等価回路的には図６と同様である。
以上の図２、図５、図７の整合器は、構造が若干異なってはいるが、回路としては原理的に同等である。
【００６５】
次に、整合器４１の第３の変形例について説明する。
ここでは、図８に示すように、共振棒６１にスライド部材（接続部材）７５をスライド可能に外嵌させ、ボールねじ機構等の駆動機構７６とモーター７７とにより上下動可能としており、給電線４０ａがスライド部材７５に接続されている。そして、スライド部材７５を介して共振棒６１に給電される。モーター７７はコントローラ６９により制御される。その他の構成は図２と同様であり、同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。このような構成の場合には、高周波電源４０からの高周波電力がスライド部材７５を介して共振棒６１に供給され、スライド部材７５の給電位置を駆動機構７６とモーター７７とにより調整することにより、インピーダンスを調整することができる。このように接触した状態で給電を行うので、損失が生じるが、確実に給電することができる。この場合の等価回路を図９に示す。
【００６６】
次に、整合器４１の第４の変形例について説明する。
ここでは、図１０に示すように、共振棒６１の下部に接続部材７８が外嵌された状態で固定されており、この接続部材７８に可変コンデンサー７９が接続されている。容量調整用モーター８０はモーター６６と同様にコントローラ６９により制御される。そして、高周波電力は給電線４０ａおよび可変コンデンサー７９を介して接続部材７８に至り、共振棒６１に供給される。その他の構成は図２と同様であり、同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。このような構成の場合には、接続部材７８はスライドさせずに可変コンデンサー７９によりインピーダンス調整を行うので、より短時間でインピーダンス調整を行うことができる。また、接続部材７９を共振棒６１に接触させた状態で給電するので確実に給電することができる。この場合の等価回路を図１１に示す。
【００６７】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
ここでは、整合器と上部電極と接続状態が従来とは異なっており、図１２に示すように、整合器４１’が直接に上部電極２１に接続されている。具体的には、整合器４１’の下端部に存在する可変コンデンサー９１の下部の電極９１ａが上部電極２１に接続されている。この場合に、可変コンデンサー９１の下部の電極にはアダプター９２が嵌め込まれ、その状態で、上部電極２１に整合器４１’を接続するために取り付けられた多面接触部材９３に嵌め込まれている。多面接触部材９３は、上部電極２１に固定されており、図１３に示すようにリング状をなし、内側に表面球状の多数の接触子９３ａが設けられている。これら接触子９３ａはばねにより内側へ付勢されており、アダプター９２が嵌め込まれた際に、それをばね力により確実に保持することができるとともに、確実な電気的接続が実現される。また、上方へ引き上げることにより、容易に取り外すことができる。さらに、アダプター９２の存在により電気的接続をより確実なものとすることができる。なお、アダプター９２を多面接触部材としてコンデンサー９１の電極９１ａと接続することもできる。また、このような多面接触部材９３を用いずに、ねじ止め等、他の取り付け手段を用いてもよい。
【００６８】
従来、整合器は、数十〜１００ｍｍ程度の給電棒により電極に接続されており、電気特性の不連続によるプラズマ不均一の問題や、Ｒ成分による損失の問題、高周波化による給電棒のＬ成分増大に伴う整合器の大型化の問題が生じていたが、このように整合器４１’の一部を直接上部電極２１に接続することにより、給電棒が不要となり、インピーダンス不連続箇所を少なくすることができるので、定在波によるプラズマの不均一やエネルギー損失を少なくすることができる。また、給電棒のＬ成分の影響がないので、整合器４１’出口で電圧が高くなることがなく、絶縁の強化のため絶縁物、空間等のサイズアップの必要がなく、小型化が可能となる。
【００６９】
ところで、可変コンデンサーは、通常、誘電体セラミックス筒の両端に電極が形成され、真空に保持されたセラミックス筒の内部において電極間の距離を変化させるようになっているが、図１４のように、リング状凹凸が形成された一方の電極９４ａが上部電極２１の一部をなし、絶縁層としての空気を介して電極９４ａのリング状凹凸に噛み合うようにリング状凹凸が形成された他方の電極９４ｂが設けられた構造を有し、電極９４ｂを上下させることにより容量を変化させ得る可変コンデンサー９４を構成してもよい。これにより、素子としてのコンデンサーを用いる必要がなく、構造を簡略化することができ、しかも誘電体セラミックス筒を用いる必要がないのでコンデンサーの容量を小さくすることが可能となる。また、必要な容量が小さい場合には、図１５のように電極９５ａ，９５ｂを平坦にしたコンデンサー９５とすることができ、より一層構造を簡略化することができる。
【００７０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、上部電極に印加する高周波電力の周波数を１００ＭＨｚ以上としたが、１００ＭＨｚ以下であっても適用可能である。また、上部電極にプラズマ形成用の高周波電力を印加した場合について示したが、下部電極にプラズマ形成用の高周波電力を印加してもよい。さらに、筐体６３を共振棒６１に対して同軸状に設けたが、必ずしも同軸状でなくてもよい。さらにまた、整合器を直接上部電極に取り付ける構成は、上述の共振棒を使用するタイプの整合器に限らず、従来タイプの整合器に適用することも可能である。さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを用い、これにエッチングを施す場合について説明したが、これに限らず、処理対象としては液晶表示装置（ＬＣＤ）基板等の他の基板であってもよく、またプラズマ処理もエッチングに限らず、スパッタリング、ＣＶＤ等の他の処理であってもよい。さらにまた、本発明の整合器はプラズマ処理に用いる場合に限らず、温熱治療装置等の医療設備、核融合の出力部分や、加速装置等、高周波を伝送する場合であれば適用可能である。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外周に筐体が配置された共振棒と可変コンデンサーとを含む直列共振回路を構成するので、１００ＭＨｚ以上の高周波電力を供給する場合でも、スタブ方式のように大型化を招くことなく、一般市販の可変コンデンサを利用して十分に高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させることができる。すなわち、整合器を共振棒と可変コンデンサーとを直列に配置したシンプルな構造として高周波電源から高周波負荷に至るまでの間に整合状態で直列共振回路を構成するので、本質的に小型化が可能であり、また、筐体を設けることにより、共振棒のインダクタンス成分自体を小さくすることができ、共振棒と筐体との距離を調節すれば共振回路の誘導性リアクタンス成分を容易に管理することができるので、可変コンデンサーとして一般市販のものを用いても十分に高周波負荷のインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させることができる。また、共振棒をコイルとして動作させる場合には、共振棒の長さを高周波周波数の１／４波長より小さくすることができ、より一層の小型化が可能となる。さらに、共振回路に接合点が少ないので、内部損失が少なく、低損失高性能の共振回路を構成することができる。さらにまた、従来と同様に基本的に可変コンデンサーを用いて整合をとるのでスタブ方式のように整合時間が長くなることがない。また、筐体の存在によりシールド効果を高めることができる。このような整合器を用いてプラズマ処理装置を構成することにより、１００ＭＨｚ以上の高周波電力を供給してプラズマを生成する場合でも、スタブ方式のように大型化を招くことなく、一般市販の可変コンデンサを利用して十分にプラズマのインピーダンスを伝送路インピーダンスに整合させることができる。
【００７２】
本発明の他の観点によれば、整合器がプラズマ生成電極に直接取り付けられるので、給電棒が不要となり、インピーダンス不連続箇所を少なくすることができる。したがって、電気特性が不連続になることによる不均一やエネルギー損失を少なくすることができる。また、給電棒の誘導性リアクタンス成分の影響がないので、整合器出口で電圧が高くなることがない。したがって、絶縁の強化のために絶縁物や空間等をサイズアップする必要がなく、小型化が可能となる。このような整合器を用いてプラズマ処理装置を構成することにより、電気特性が不連続になることによるプラズマの不均一やエネルギー損失を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるプラズマ処理装置を模式的に示す断面図。
【図２】図１のプラズマ処理装置に用いられた整合器を示す断面図およびリンクコイルの結合度調整方法を示す模式図。
【図３】図２の整合器の等価回路を示す図。
【図４】同軸構造の共振棒を用いた場合における長さとインピーダンスとの関係を示す図。
【図５】整合器の第１の変形例を示す断面図。
【図６】図５の整合器の等価回路を示す図。
【図７】整合器の第２の変形例を示す断面図。
【図８】整合器の第３の変形例を示す断面図。
【図９】図８の整合器の等価回路を示す図。
【図１０】整合器の第４の変形例を示す断面図。
【図１１】図１０の整合器の等価回路を示す図。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る整合器を示す断面図。
【図１３】図１２の整合器の接続に用いた多面接触部材を示す平面図。
【図１４】一方の電極が上部電極の一部をなし、絶縁層としての空気を介して他方の電極が設けられた構造の可変コンデンサーを用いた例を示す模式図。
【図１５】一方の電極が上部電極の一部をなし、絶縁層としての空気を介して他方の電極が設けられた構造の可変コンデンサーを用いた他の例を示す模式図。
【図１６】従来プラズマ処理装置に用いられていた整合器を示す図。
【図１７】スタブ方式の整合器を示す図
【符号の説明】
１；プラズマ処理装置
２；チャンバー
５；サセプタ（第２の電極）
２１；上部電極（第１の電極）
２３；電極板
３０；処理ガス供給源
３５；排気装置
４０；第１の高周波電源
４１，４１’；整合器
６１；共振棒
６２；可変コンデンサー
６３；筐体
６４，７１，７４；リンクコイル
６５；制御ユニット
６９；コントローラ
７５；スライド部材（接続部材）
７８；接続部材
９１，９４，９５；可変コンデンサー
９３；多面接触部材
Ｗ；半導体ウエハ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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