JP4256064B2 - プラズマ処理装置の制御方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は，プラズマ処理装置の制御方法に係り，特に平行平板型プラズマ処理装置における，高周波電力の印加制御方法に関する。
背景技術
従来，気密な処理容器内に形成された処理室内に，上部電極（第１電極）と下部電極（第２電極）とを対向配置した，いわゆる平行平板型のプラズマ処理装置が提案されている。典型的な平行平板型のプラズマ処理装置では，上部電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加することにより，両電極間にグロー放電を生じさせ，処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化する。そして，下部電極にバイアス用の高周波電力を印加することにより，下部電極上に載置された被処理体に対して，イオンを引き込み，所定のプラズマ処理，例えばエッチング処理を施している。
実際の処理に際しては，まず，図５（ａ）に示したように，時刻ｔ１において，上部電極に高周波，例えば２７ＭＨｚのプラズマ生成用高周波電力を定常電力で印加して，処理室内にプラズマを生成する。次いで，同図に示したように，所定時間が経過して，処理室内のプラズマ密度が安定した後，すなわち，時刻ｔ２において，下部電極に上記プラズマ生成用高周波電力の周波数よりも相対的に低い周波数，例えば８００ｋＨｚのバイアス用高周波電力を定常電力で印加し，上記プラズマを下部電極上の被処理体に引き込むように制御している。
ところで，上記のような平行平板型プラズマ処理装置において，両電極間に高周波電力を印加した場合，プラズマが生成され両電極間に電流が流れるまでの間は，両電極間はインピーダンスが高く，瞬間的に両電極間に高電圧が発生する。
しかし，プラズマ生成用の高周波電力の周波数は高いので，両電極間をコンデンサとみなした場合のインピーダンスは余り大きくないと考えられる。したがって，プラズマ生成用の高周波電力の印加により両電極間に発生する高電圧は，問題となるほどは高くならない。
一方，比較的低い周波数のバイアス用高周波電力は，一旦，プラズマが処理室内に生成され，両電極間のインピーダンスが低くなった以後に印加されるため，従来，上記のような高電圧は発生しないものと考えられていた。
しかしながら，発明者らの知見によれば，実際の処理にあたっては，低周波数のバイアス用高周波電力を印加した場合でも，両電極間に高電圧が発生し，例えば，処理室内の絶縁箇所に異常放電を生じさせることが明らかになった。
かかる異常放電のメカニズムについて図５（ｂ）を参照しながら説明する。まず，時刻ｔ１において，上部電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加すると，印加した瞬間に電圧が急上昇する。しかし，プラズマ生成用の高周波電力の周波数は高いので，プロセスや装置に対しては，異常放電を生じさせるような悪影響をあまり及ぼさない。
次いで，処理室内のプラズマが安定したと考えられる時刻ｔ２において，下部電極にバイアス用の高周波電力を印加する。すると，今まで安定していたプラズマ発生系が，バイアス用高周波電力により不安定となり，一時的にプラズマ密度が下がり，従って，両電極間のインピーダンスが上昇する。その結果，図５（ｂ）に示すように，一時的に高電圧が発生する。その際に，上部電極に印加されるプラズマ生成用の高周波電力に起因する電圧のピークは，上述したように，プロセスや装置に影響を与えるほど高くはない。これに対して，下部電極に印加されるバイアス用の高周波電力に起因する高電圧は，下部電極付近の電圧を急上昇させ，処理室内に異常放電を生じさせるなどして，プロセスや装置に多大な悪影響を与えてしまうことがある。
また，下部電極に対するバイアス用高周波電力印加時に生じる高電圧により，上部電極に関するマッチングポイントがずれてしまう。かかるマッチングポイントのずれに対して，上部電極に接続される整合器は，一般的に，そのずれを直すように，サーボ動作を行うため，再び処理室内のプラズマを安定させるために，遅延が生じるという問題もあった。
従って，本発明は，従来のプラズマ処理装置の制御方法が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の第１の目的は，バイアス用高周波電力印加時に生じる，高電圧に起因したプロセスや装置に対する悪影響を最小限に抑えることが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置の制御方法を提供することである。
さらに，本発明の別の目的は，バイアス用高周波電力印加時に生じる，異常放電を回避することが可能であり，またその際に生じる上部電極のマッチングポイントのずれを最小限に抑えることが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置の制御方法を提供することである。
発明の開示
上記課題を解決するために，本発明によれば，処理室内に第１および第２電極を対向配置し，第１電極に対しては第１整合器を介して第１の周波数を有するプラズマ生成用高周波電力を印加するとともに，第２電極には第２整合器を介して第１周波数よりも低い第２の周波数を有するバイアス用高周波電力を印加することにより，処理室内にプラズマを生成し，第２電極に載置される被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の制御方法が提供される。
そして，本発明の第１の観点によれば，上記プラズマ処理装置の制御方法は，第１電極に対しては，定常電力の高周波電力を印加し，第２電極に対しては，少なくともバイアス用高周波電力を整合可能な電力の高周波電力を印加する工程と，バイアス用高周波電力が実質的に整合した後に，第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程とから成ることを特徴としている。
かかる構成によれば，まず，第１電極に対してプラズマ生成用高周波電力を印加して処理室内にプラズマを生成すると共に，第２電極に対してもバイアス用高周波電力を印加する。ただし，第２電極に印加される高周波電力は，バイアス用高周波電力が実質的に整合できる程度の低電力であるので，例え低周波領域のものであっても，そのオーバーシュートは異常放電を生じさせるほどの高電圧とはならない。
また，発明者の知見によれば，処理室内に形成されるプラズマ発生系は一旦整合状態になれば，その後印加される電力が変化しても，マッチングポイントが大きくずれることはないので，処理室内のプラズマが安定した後に，第２電極に印加される高周波電力のパワーを定常状態にまで上昇させても，上記プラズマ発生系はあまり不安定とならず，従って，従来のようなオーバーシュートに伴う高電圧はほとんど生じない。
なお，本発明の第１の観点においては，適当なセンサ，例えば光学式センサにより，バイアス用高周波電力が実質的に整合し，プラズマが安定したことを確認した後に，第２電極に印加される高周波電力を定常電力まで引き上げたが，本発明の第２の観点によれば，予め所定時間を設定し，所定時間設定後に，第２電極に印加される高周波電力を定常電力に引き上げる構成が提案される。かかる構成によれば，ダミーウェハ等により最適な処理条件に応じたレシピを求めておけば，実際の処理にあたっては，そのレシピに応じて処理を行えばよいので，処理の簡略化が図れる。また，バイアス用高周波電力が実質的に整合したかどうかを判断するセンサ等の装置も省略できて，装置のイニシャルコストを軽減できる。
また，本発明の第１の観点および第２の観点にかかる発明においては，第２の電極に印加されるバイアス用高周波電力のみを制御対象としたが，第１の電極に印加されるプラズマ生成用高周波電力も制御対象としても良い。すなわち，本発明の第３の観点によれば，プラズマ処理装置の制御方法は，第１電極に対しては少なくとも処理室内にプラズマを生成することが可能な高周波電力を印加し，第２電極に対しては少なくとも前記バイアス用高周波電力が整合可能となる電力の高周波電力を印加する工程と，少なくともバイアス用高周波電力が実質的に整合した後に，第１電極および第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程とから成ることを特徴としている。
一般に，第１電極に印加される高周波電力は，急激なオーバーシュートに伴う高電圧を引き起こさない高周波領域のものであるが，それでも場合によっては，印加時に生じる高電圧により，プロセスや装置に悪影響を与えることがある。そこで，本発明の第３の観点にかかる発明のように，第１電極に印加する電力も，処理室内にプラズマを生成するに十分な程度に抑えておけば，上記第１の観点にかかる発明に加えて，第１電極に対する高周波電力の印加時のプロセスや装置与える影響を最小限に抑えることができる。
本発明の第３の観点にかかる発明の場合にも，定常電力への引き上げタイミングに関して，本発明の第２の観点にかかる発明と同様の変更が可能である。すなわち，本発明の第４の観点によれば，予め所定時間を設定し，所定時間設定後に，第１電極および第２電極に印加される高周波電力を定常電力に引き上げる構成が提案される。かかる構成によっても，本発明の第２の観点にかかる発明と同様に，処理の簡略化と，装置の簡略化を図ることができる。
なお，本発明の第１〜第４の観点にかかる発明において，初期のプラズマ生成時に第２電極に印加される整合可能な電力は，エッチングが進行しない程度の電力であることが好ましく，さらに具体的に言えば，定常電力の実質的に３〜１０％の電力であることが好ましい。また，本発明の第３および第４の観点にかかる発明においては，初期のプラズマ生成時に第１電極に印加されるプラズマを生成することが可能な電力は，定常電力の５０〜７０％の電力であることが好ましい。
さらに，本発明の第３および第４の観点にかかる発明において，第１電極および前記第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる際には，第１電極に印加される電力を定常電力にした後に，第２電極に印加される電力を定常電力にすることが好ましい。このように，まず第１電極に印加される電力を定常電力にすれば，両電極間のプラズマ密度を高くして，インピーダンスを下げることが可能なので，その後，第２電極に印加される電力を定常電力にしても，その結果生じるオーバーシュートを軽減することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下に，添付図面を参照しながら，本発明にかかるプラズマ処理装置の制御方法をエッチング装置の制御方法に適用した実施の形態について詳細に説明する。
まず，本発明を適用可能なエッチング装置１００の装置構成について，図１を参照しながら説明する。エッチング装置１００の処理室１０２は，導電性材料から成り，接地された気密な処理容器１０４内に形成されている。また，処理室１０２内には，導電性材料から成り，サセプタを形成する下部電極（第２電極）１０６と，導電性材料から成る上部電極（第１電極）１０８とが，対向に配置されている。また，下部電極１０６上には，例えば８インチの半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）Ｗを載置可能な載置面が形成されている。
また，処理室１０２の上方には，ガス供給管１１０が接続され，不図示のガス供給源から所定の処理ガスを処理室１０２内に供給可能である。さらに，処理室１０２の下方には，排気管１１２が接続されており，不図示の真空引き機構により処理室１０２内を，所定の減圧雰囲気，例えば１０〜１００ｍＴｏｒｒに維持可能なように構成されている。
次に，エッチング装置１００における高周波電力の供給系について説明する。上部電極１０８には，第１整合器１１４を介して第１高周波電源１１６が接続されている。さらに，上部電極１０８と第１整合器１１４の間には，下部電極１０６に印加される高周波電力の一部をグランドに流すことが可能なように，ローパスフィルタ１１８が接続されている。また，下部電極１０６には，第２整合器１２０を介して第２高周波電源１２２が接続されている。さらに，下部電極１０６と第２整合器１２０の間には，上部電極１０８に印加される高周波電力の一部をグランドに流すことが可能なように，ハイパスフィルタ１２４が接続されている。
処理時には，上部電極１０８に対して第１高周波電源１１６から第１整合器１１４を介してプラズマ生成用の高周波電力が印加される。このプラズマ生成用の高周波電力は，処理室１０２内の処理ガスを解離させてプラズマを生成するに十分な電力，例えば２０００Ｗと相対的に高い周波数，例えば２７ＭＨｚのものである。また，下部電極１０６には，第２高周波電源１２２から第２整合器１２４を介してバイアス用高周波電力が印加される。このバイアス用高周波電力は，例えば約２００ｍＴｏｒｒ未満の真空圧では単独で処理室１０２内にプラズマを生成することはできないが，ウェハＷをバイアス電位に保持し，イオンを被処理面に引き込み，ウェハＷ表面のＳｉＯ２膜をエッチングできる程度の電力，例えば１４００Ｗで，相対的に低い周波数，例えば８００ｋＨｚを有している。
（第１の実施形態）
次に，上記のように構成されたエッチング装置の制御方法に関する第１の実施形態について，図２を参照しながら説明する。
まず，下部電極１０６上にウェハＷを載置した後，処理室１０２内に処理ガスを導入すると共に，処理室１０２内を所定の減圧雰囲気に維持する。次いで，図２（ａ）に示したように，時刻ｔ１において，上部電極１０８に対して第１高周波電源１１６から出力される定常電力，例えば２０００Ｗのプラズマ生成用高周波電力を印加することにより，処理室１０２内にプラズマを生成させる。その際に，図２（ｂ）に示すように，上部電極１０８付近の電圧が急上昇し，オーバーシュートが発生するが，プラズマ生成用電力の周波数が高いので，その電圧上昇に起因してプロセスや装置に悪影響を与えるような異常放電が処理室内に生じることはない。
さらに，本実施の形態では，同図に示したように，その上部電極１０８に対するプラズマ生成用高周波電力の印加とほぼ同時に，下部電極１０６に対して第２高周波電源１２２から出力されるバイアス用高周波電力を印加する。かかるバイアス用高周波電力の周波数は比較的低いので，下部電極１０６に発生するオーバーシュートは無視できない程度のものである。しかしながら，本実施の形態においては，時刻ｔ１において印加されるバイアス用高周波電力は，例えば定常電力の３〜１０％の高周波電力，例えば定常電力が１４００Ｗである場合には，４２〜１４０Ｗの高周波電力である。
このように本実施の形態では，時刻ｔ１においては，低電力の高周波電力のみが下部電極１０６に印加されるため，図２（ｂ）に示すように，低周波領域であっても，電圧の上昇は比較的低く抑えることが可能である。従って，電圧のオーバーシュートに起因する異常放電は発生せず，プロセスや装置に対する悪影響も最小限に抑えることができる。
また，一般的にエッチング時間は，図２に示した時刻ｔ２から不図示のエッチング終了時刻までの期間で管理されているので，時刻ｔ１で印加されるバイアス用高周波電力はエッチングが進まない程度の電力，例えばＳｉＯ２膜をエッチングする際には，定常電力の１０％未満であることが好ましい。なお，時刻ｔ１において，下部電極１０６に印加される電力は，少なくとも第２高周波電源１２２の出力が安定し，かつ第２整合器１２０によりバイアス用高周波電力を正常に整合できる程度の電力，例えば定常電力の３％以上の電力であることが必要である。
従って，図２（ｂ）に示したように，時刻ｔ２において，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げた際にも，バイアス用高周波電力のオーバーシュートが起こらず，マッチングポイントのずれを最小限に抑えることができる。さらに，時刻ｔ２において，バイアス高周波電力を定常電力にまで引き上げた際に，プラズマ生成用高周波電力に対しても，第１整合器１１４のマッチングポイントがずれるほどの影響を及ぼさないので，処理室１０２内に生成されたプラズマの安定状態を維持することができる。そのため，従来のように，バイアス用高周波電力印加時に，プラズマ生成用高周波電力のマッチングポイントの再調整に要する時間を短縮できる。
なお，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げる時刻ｔ２の設定については，不図示のセンサ，例えばプラズマのスペクトルを観測可能な光学センサによりプラズマの状態を観測し，プラズマ密度が安定したことを確認した後に，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げるように構成しても良い。あるいは，予めダミーウェハなどを用いて，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げる時刻ｔ２を求めておき，実際の処理にあたっては，そのレシピに従ってオープンループ式制御を行うようにしても良い。
（第２の実施の形態）
次に，上記のように構成されたエッチング装置１００の制御方法に関する第２の実施形態について，図３を参照しながら説明する。
この第２の実施形態にかかるエッチング装置の制御方法では，第１の実施形態にかかるエッチング装置の制御方法と異なり，電力投入時の時刻ｔ１において，下部電極１０６に印加されるバイアス用高周波電力のみならず，上部電極１０８に印加されるプラズマ生成用高周波電力についても定常電力よりも低い電力に抑えている。
一般に，上部電極１０８に印加されるプラズマ生成用高周波電力は，周波数が比較的高いので，電源投入時の電圧のオーバーシュートにより処理室１０２内に異常放電を生じさせることはないと言われている。しかし，その影響は皆無ではないので，本実施の形態のように，上部電極１０８に印加されるプラズマ生成用高周波電力についても定常電力よりも低い電力，例えば定常電力の５０〜７０％の高周波電力，例えば定常電力が２０００Ｗである場合には，１０００〜１４００Ｗの高周波電力に抑えれば，図３（ｂ）に示すように，電源投入時の電圧のオーバーシュートを一層抑えることが可能である。
また，本実施の形態の場合にも，上記第１の実施形態と同様に，下部電極１０６に対して十分に低い電力，例えば定常電力の３〜１０％の高周波電力が印加されるため，図３（ｂ）に示すように，低周波領域であっても，電圧の上昇は比較的低く抑えることが可能である。
ただし，上部電極１０８に印加されるプラズマ生成用高周波電力は，電力投入時であっても，文字通り，処理室１０２内にプラズマを生成できる程度の電力を維持する必要がある。また，電力の増加に対するプラズマ密度の増加率は，電力が小さいときは大きいが，電力が所定値を超えると小さくなる。時刻ｔ２において電力を定常電力にしたときのプラズマの安定性を考えると，時刻ｔ１における電力値は，増加率が小さくなる範囲の電力とすることが好ましい。従って，例えば５０〜７０％に維持する必要があることは言うまでもない。
また，上部電極１０８および下部電極１０６に印加される高周波電力は，時刻ｔ１〜時刻ｔ２間においてマッチングが取れているので，その後上部電極１０８および下部電極１０６に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げても，マッチングポイントのずれがあまり生ぜず，高周波電力の電圧成分や電流成分が乱されないため，処理室１０２内に生成されたプラズマの安定状態を維持できる。
なお，図３に示す実施形態においては，時刻ｔ２でプラズマ生成用高周波電力とバイアス用高周波電力とを同時に定常電力としたが，図４に示すように，バイアス用高周波電力を定常電力に引き上げるタイミング，時刻ｔ２よりもさらに遅延させた時刻ｔ３と設定することも可能である。かかる構成によれば，時刻ｔ２で，一旦プラズマ生成用高周波電力を定常電力にまで引き上げ，プラズマ密度を十分に高くした後，すなわち，両電極間のインピーダンスを下げた後に，時刻ｔ３で，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げるので，より効果的にオーバーシュートを防止することが可能である。
以上，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例および修正例に想到し得るものであり，それら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば，上記実施の形態において，時刻ｔ１で上部電極と下部電極とに同時に高周波電力を印加する例を示したが，時刻ｔ１では上部電極にのみ高周波電力を印加し，時刻ｔ１とｔ２の間で下部電極に整合可能な電力の高周波電力を印加してもよい。
例えば，上記実施の形態において，処理室側壁に設けられたガス供給管から処理室内に処理ガスを供給する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，上部電極の下部電極側面にシャワーヘッドを形成し，そのシャワーヘッドから処理室内に処理ガスを供給する装置に対しても，本発明は適用可能である。
また，上記実施の形態において，エッチング装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，処理室内に対向配置された各電極に対してそれぞれに対応するプラズマ生成用高周波電力とバイアス用高周波電力を印加し，生成されたプラズマにより被処理体に対して処理を施す如く構成された，いかなるプラズマ処理装置にも本発明を適用することができる。
さらに，上記実施の形態において，ウェハに対して処理を施す例を挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えばＬＣＤ用ガラス基板に対してプラズマ処理を施す装置にも本発明を適用することができる。
産業上の利用の可能性
本発明は，ウェハなどの被処理体に対してエッチング処理などのプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に対して適用することができる。特に，本発明は，処理室内に第１および第２電極を対向配置し，第１電極に対しては第１整合器を介して第１の周波数を有するプラズマ生成用高周波電力を印加するとともに，第２電極には第２整合器を介して前記第１周波数よりも低い第２の周波数を有するバイアス用高周波電力を印加することにより，処理室内にプラズマを生成し，第２電極に載置される被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すようなプラズマ処理装置の制御方法に好適に適用できる。
そして，本発明によれば，電源投入時のパワーを制御することにより，比較的低周波のバイアス用高周波電力の印加時に第２電極に生じる電圧のオーバーシュートによる影響を最小限に抑えることができるため，異常放電などのプロセスや装置に対する悪影響を最小限に抑えることができる。また，バイアス用高周波電力を定常状態に引き上げた際にも，処理室内に生成されたプラズマの安定状態を維持し，迅速に定常のプラズマ処理状態に入ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は，本発明を適用可能なエッチング装置を表した概略的な断面図である。
図２は，図１に示したエッチング装置に適用されるエッチング装置の制御方法を説明するための概略的な説明図である。
図３は，図１に示したエッチング装置に適用される他のエッチング装置の制御方法を説明するための概略的な説明図である。
図４は，図１に示したエッチング装置に適用される他のエッチング装置の制御方法を説明するための概略的な説明図である。
図５は，従来のエッチング装置に適用されるエッチング装置の制御方法を説明するための概略的な説明図である。
本発明は，プラズマ処理装置の制御方法に係り，特に平行平板型プラズマ処理装置における，高周波電力の印加制御方法に関する。
背景技術
従来，気密な処理容器内に形成された処理室内に，上部電極（第１電極）と下部電極（第２電極）とを対向配置した，いわゆる平行平板型のプラズマ処理装置が提案されている。典型的な平行平板型のプラズマ処理装置では，上部電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加することにより，両電極間にグロー放電を生じさせ，処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化する。そして，下部電極にバイアス用の高周波電力を印加することにより，下部電極上に載置された被処理体に対して，イオンを引き込み，所定のプラズマ処理，例えばエッチング処理を施している。
実際の処理に際しては，まず，図５（ａ）に示したように，時刻ｔ１において，上部電極に高周波，例えば２７ＭＨｚのプラズマ生成用高周波電力を定常電力で印加して，処理室内にプラズマを生成する。次いで，同図に示したように，所定時間が経過して，処理室内のプラズマ密度が安定した後，すなわち，時刻ｔ２において，下部電極に上記プラズマ生成用高周波電力の周波数よりも相対的に低い周波数，例えば８００ｋＨｚのバイアス用高周波電力を定常電力で印加し，上記プラズマを下部電極上の被処理体に引き込むように制御している。
ところで，上記のような平行平板型プラズマ処理装置において，両電極間に高周波電力を印加した場合，プラズマが生成され両電極間に電流が流れるまでの間は，両電極間はインピーダンスが高く，瞬間的に両電極間に高電圧が発生する。
しかし，プラズマ生成用の高周波電力の周波数は高いので，両電極間をコンデンサとみなした場合のインピーダンスは余り大きくないと考えられる。したがって，プラズマ生成用の高周波電力の印加により両電極間に発生する高電圧は，問題となるほどは高くならない。
一方，比較的低い周波数のバイアス用高周波電力は，一旦，プラズマが処理室内に生成され，両電極間のインピーダンスが低くなった以後に印加されるため，従来，上記のような高電圧は発生しないものと考えられていた。
しかしながら，発明者らの知見によれば，実際の処理にあたっては，低周波数のバイアス用高周波電力を印加した場合でも，両電極間に高電圧が発生し，例えば，処理室内の絶縁箇所に異常放電を生じさせることが明らかになった。
かかる異常放電のメカニズムについて図５（ｂ）を参照しながら説明する。まず，時刻ｔ１において，上部電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加すると，印加した瞬間に電圧が急上昇する。しかし，プラズマ生成用の高周波電力の周波数は高いので，プロセスや装置に対しては，異常放電を生じさせるような悪影響をあまり及ぼさない。
次いで，処理室内のプラズマが安定したと考えられる時刻ｔ２において，下部電極にバイアス用の高周波電力を印加する。すると，今まで安定していたプラズマ発生系が，バイアス用高周波電力により不安定となり，一時的にプラズマ密度が下がり，従って，両電極間のインピーダンスが上昇する。その結果，図５（ｂ）に示すように，一時的に高電圧が発生する。その際に，上部電極に印加されるプラズマ生成用の高周波電力に起因する電圧のピークは，上述したように，プロセスや装置に影響を与えるほど高くはない。これに対して，下部電極に印加されるバイアス用の高周波電力に起因する高電圧は，下部電極付近の電圧を急上昇させ，処理室内に異常放電を生じさせるなどして，プロセスや装置に多大な悪影響を与えてしまうことがある。
また，下部電極に対するバイアス用高周波電力印加時に生じる高電圧により，上部電極に関するマッチングポイントがずれてしまう。かかるマッチングポイントのずれに対して，上部電極に接続される整合器は，一般的に，そのずれを直すように，サーボ動作を行うため，再び処理室内のプラズマを安定させるために，遅延が生じるという問題もあった。
従って，本発明は，従来のプラズマ処理装置の制御方法が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の第１の目的は，バイアス用高周波電力印加時に生じる，高電圧に起因したプロセスや装置に対する悪影響を最小限に抑えることが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置の制御方法を提供することである。
さらに，本発明の別の目的は，バイアス用高周波電力印加時に生じる，異常放電を回避することが可能であり，またその際に生じる上部電極のマッチングポイントのずれを最小限に抑えることが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置の制御方法を提供することである。
発明の開示
上記課題を解決するために，本発明によれば，処理室内に第１および第２電極を対向配置し，第１電極に対しては第１整合器を介して第１の周波数を有するプラズマ生成用高周波電力を印加するとともに，第２電極には第２整合器を介して第１周波数よりも低い第２の周波数を有するバイアス用高周波電力を印加することにより，処理室内にプラズマを生成し，第２電極に載置される被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の制御方法が提供される。
そして，本発明の第１の観点によれば，上記プラズマ処理装置の制御方法は，第１電極に対しては，定常電力の高周波電力を印加し，第２電極に対しては，少なくともバイアス用高周波電力を整合可能な電力の高周波電力を印加する工程と，バイアス用高周波電力が実質的に整合した後に，第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程とから成ることを特徴としている。
かかる構成によれば，まず，第１電極に対してプラズマ生成用高周波電力を印加して処理室内にプラズマを生成すると共に，第２電極に対してもバイアス用高周波電力を印加する。ただし，第２電極に印加される高周波電力は，バイアス用高周波電力が実質的に整合できる程度の低電力であるので，例え低周波領域のものであっても，そのオーバーシュートは異常放電を生じさせるほどの高電圧とはならない。
また，発明者の知見によれば，処理室内に形成されるプラズマ発生系は一旦整合状態になれば，その後印加される電力が変化しても，マッチングポイントが大きくずれることはないので，処理室内のプラズマが安定した後に，第２電極に印加される高周波電力のパワーを定常状態にまで上昇させても，上記プラズマ発生系はあまり不安定とならず，従って，従来のようなオーバーシュートに伴う高電圧はほとんど生じない。
なお，本発明の第１の観点においては，適当なセンサ，例えば光学式センサにより，バイアス用高周波電力が実質的に整合し，プラズマが安定したことを確認した後に，第２電極に印加される高周波電力を定常電力まで引き上げたが，本発明の第２の観点によれば，予め所定時間を設定し，所定時間設定後に，第２電極に印加される高周波電力を定常電力に引き上げる構成が提案される。かかる構成によれば，ダミーウェハ等により最適な処理条件に応じたレシピを求めておけば，実際の処理にあたっては，そのレシピに応じて処理を行えばよいので，処理の簡略化が図れる。また，バイアス用高周波電力が実質的に整合したかどうかを判断するセンサ等の装置も省略できて，装置のイニシャルコストを軽減できる。
また，本発明の第１の観点および第２の観点にかかる発明においては，第２の電極に印加されるバイアス用高周波電力のみを制御対象としたが，第１の電極に印加されるプラズマ生成用高周波電力も制御対象としても良い。すなわち，本発明の第３の観点によれば，プラズマ処理装置の制御方法は，第１電極に対しては少なくとも処理室内にプラズマを生成することが可能な高周波電力を印加し，第２電極に対しては少なくとも前記バイアス用高周波電力が整合可能となる電力の高周波電力を印加する工程と，少なくともバイアス用高周波電力が実質的に整合した後に，第１電極および第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程とから成ることを特徴としている。
一般に，第１電極に印加される高周波電力は，急激なオーバーシュートに伴う高電圧を引き起こさない高周波領域のものであるが，それでも場合によっては，印加時に生じる高電圧により，プロセスや装置に悪影響を与えることがある。そこで，本発明の第３の観点にかかる発明のように，第１電極に印加する電力も，処理室内にプラズマを生成するに十分な程度に抑えておけば，上記第１の観点にかかる発明に加えて，第１電極に対する高周波電力の印加時のプロセスや装置与える影響を最小限に抑えることができる。
本発明の第３の観点にかかる発明の場合にも，定常電力への引き上げタイミングに関して，本発明の第２の観点にかかる発明と同様の変更が可能である。すなわち，本発明の第４の観点によれば，予め所定時間を設定し，所定時間設定後に，第１電極および第２電極に印加される高周波電力を定常電力に引き上げる構成が提案される。かかる構成によっても，本発明の第２の観点にかかる発明と同様に，処理の簡略化と，装置の簡略化を図ることができる。
なお，本発明の第１〜第４の観点にかかる発明において，初期のプラズマ生成時に第２電極に印加される整合可能な電力は，エッチングが進行しない程度の電力であることが好ましく，さらに具体的に言えば，定常電力の実質的に３〜１０％の電力であることが好ましい。また，本発明の第３および第４の観点にかかる発明においては，初期のプラズマ生成時に第１電極に印加されるプラズマを生成することが可能な電力は，定常電力の５０〜７０％の電力であることが好ましい。
さらに，本発明の第３および第４の観点にかかる発明において，第１電極および前記第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる際には，第１電極に印加される電力を定常電力にした後に，第２電極に印加される電力を定常電力にすることが好ましい。このように，まず第１電極に印加される電力を定常電力にすれば，両電極間のプラズマ密度を高くして，インピーダンスを下げることが可能なので，その後，第２電極に印加される電力を定常電力にしても，その結果生じるオーバーシュートを軽減することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下に，添付図面を参照しながら，本発明にかかるプラズマ処理装置の制御方法をエッチング装置の制御方法に適用した実施の形態について詳細に説明する。
まず，本発明を適用可能なエッチング装置１００の装置構成について，図１を参照しながら説明する。エッチング装置１００の処理室１０２は，導電性材料から成り，接地された気密な処理容器１０４内に形成されている。また，処理室１０２内には，導電性材料から成り，サセプタを形成する下部電極（第２電極）１０６と，導電性材料から成る上部電極（第１電極）１０８とが，対向に配置されている。また，下部電極１０６上には，例えば８インチの半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）Ｗを載置可能な載置面が形成されている。
また，処理室１０２の上方には，ガス供給管１１０が接続され，不図示のガス供給源から所定の処理ガスを処理室１０２内に供給可能である。さらに，処理室１０２の下方には，排気管１１２が接続されており，不図示の真空引き機構により処理室１０２内を，所定の減圧雰囲気，例えば１０〜１００ｍＴｏｒｒに維持可能なように構成されている。
次に，エッチング装置１００における高周波電力の供給系について説明する。上部電極１０８には，第１整合器１１４を介して第１高周波電源１１６が接続されている。さらに，上部電極１０８と第１整合器１１４の間には，下部電極１０６に印加される高周波電力の一部をグランドに流すことが可能なように，ローパスフィルタ１１８が接続されている。また，下部電極１０６には，第２整合器１２０を介して第２高周波電源１２２が接続されている。さらに，下部電極１０６と第２整合器１２０の間には，上部電極１０８に印加される高周波電力の一部をグランドに流すことが可能なように，ハイパスフィルタ１２４が接続されている。
処理時には，上部電極１０８に対して第１高周波電源１１６から第１整合器１１４を介してプラズマ生成用の高周波電力が印加される。このプラズマ生成用の高周波電力は，処理室１０２内の処理ガスを解離させてプラズマを生成するに十分な電力，例えば２０００Ｗと相対的に高い周波数，例えば２７ＭＨｚのものである。また，下部電極１０６には，第２高周波電源１２２から第２整合器１２４を介してバイアス用高周波電力が印加される。このバイアス用高周波電力は，例えば約２００ｍＴｏｒｒ未満の真空圧では単独で処理室１０２内にプラズマを生成することはできないが，ウェハＷをバイアス電位に保持し，イオンを被処理面に引き込み，ウェハＷ表面のＳｉＯ２膜をエッチングできる程度の電力，例えば１４００Ｗで，相対的に低い周波数，例えば８００ｋＨｚを有している。
（第１の実施形態）
次に，上記のように構成されたエッチング装置の制御方法に関する第１の実施形態について，図２を参照しながら説明する。
まず，下部電極１０６上にウェハＷを載置した後，処理室１０２内に処理ガスを導入すると共に，処理室１０２内を所定の減圧雰囲気に維持する。次いで，図２（ａ）に示したように，時刻ｔ１において，上部電極１０８に対して第１高周波電源１１６から出力される定常電力，例えば２０００Ｗのプラズマ生成用高周波電力を印加することにより，処理室１０２内にプラズマを生成させる。その際に，図２（ｂ）に示すように，上部電極１０８付近の電圧が急上昇し，オーバーシュートが発生するが，プラズマ生成用電力の周波数が高いので，その電圧上昇に起因してプロセスや装置に悪影響を与えるような異常放電が処理室内に生じることはない。
さらに，本実施の形態では，同図に示したように，その上部電極１０８に対するプラズマ生成用高周波電力の印加とほぼ同時に，下部電極１０６に対して第２高周波電源１２２から出力されるバイアス用高周波電力を印加する。かかるバイアス用高周波電力の周波数は比較的低いので，下部電極１０６に発生するオーバーシュートは無視できない程度のものである。しかしながら，本実施の形態においては，時刻ｔ１において印加されるバイアス用高周波電力は，例えば定常電力の３〜１０％の高周波電力，例えば定常電力が１４００Ｗである場合には，４２〜１４０Ｗの高周波電力である。
このように本実施の形態では，時刻ｔ１においては，低電力の高周波電力のみが下部電極１０６に印加されるため，図２（ｂ）に示すように，低周波領域であっても，電圧の上昇は比較的低く抑えることが可能である。従って，電圧のオーバーシュートに起因する異常放電は発生せず，プロセスや装置に対する悪影響も最小限に抑えることができる。
また，一般的にエッチング時間は，図２に示した時刻ｔ２から不図示のエッチング終了時刻までの期間で管理されているので，時刻ｔ１で印加されるバイアス用高周波電力はエッチングが進まない程度の電力，例えばＳｉＯ２膜をエッチングする際には，定常電力の１０％未満であることが好ましい。なお，時刻ｔ１において，下部電極１０６に印加される電力は，少なくとも第２高周波電源１２２の出力が安定し，かつ第２整合器１２０によりバイアス用高周波電力を正常に整合できる程度の電力，例えば定常電力の３％以上の電力であることが必要である。
従って，図２（ｂ）に示したように，時刻ｔ２において，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げた際にも，バイアス用高周波電力のオーバーシュートが起こらず，マッチングポイントのずれを最小限に抑えることができる。さらに，時刻ｔ２において，バイアス高周波電力を定常電力にまで引き上げた際に，プラズマ生成用高周波電力に対しても，第１整合器１１４のマッチングポイントがずれるほどの影響を及ぼさないので，処理室１０２内に生成されたプラズマの安定状態を維持することができる。そのため，従来のように，バイアス用高周波電力印加時に，プラズマ生成用高周波電力のマッチングポイントの再調整に要する時間を短縮できる。
なお，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げる時刻ｔ２の設定については，不図示のセンサ，例えばプラズマのスペクトルを観測可能な光学センサによりプラズマの状態を観測し，プラズマ密度が安定したことを確認した後に，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げるように構成しても良い。あるいは，予めダミーウェハなどを用いて，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げる時刻ｔ２を求めておき，実際の処理にあたっては，そのレシピに従ってオープンループ式制御を行うようにしても良い。
（第２の実施の形態）
次に，上記のように構成されたエッチング装置１００の制御方法に関する第２の実施形態について，図３を参照しながら説明する。
この第２の実施形態にかかるエッチング装置の制御方法では，第１の実施形態にかかるエッチング装置の制御方法と異なり，電力投入時の時刻ｔ１において，下部電極１０６に印加されるバイアス用高周波電力のみならず，上部電極１０８に印加されるプラズマ生成用高周波電力についても定常電力よりも低い電力に抑えている。
一般に，上部電極１０８に印加されるプラズマ生成用高周波電力は，周波数が比較的高いので，電源投入時の電圧のオーバーシュートにより処理室１０２内に異常放電を生じさせることはないと言われている。しかし，その影響は皆無ではないので，本実施の形態のように，上部電極１０８に印加されるプラズマ生成用高周波電力についても定常電力よりも低い電力，例えば定常電力の５０〜７０％の高周波電力，例えば定常電力が２０００Ｗである場合には，１０００〜１４００Ｗの高周波電力に抑えれば，図３（ｂ）に示すように，電源投入時の電圧のオーバーシュートを一層抑えることが可能である。
また，本実施の形態の場合にも，上記第１の実施形態と同様に，下部電極１０６に対して十分に低い電力，例えば定常電力の３〜１０％の高周波電力が印加されるため，図３（ｂ）に示すように，低周波領域であっても，電圧の上昇は比較的低く抑えることが可能である。
ただし，上部電極１０８に印加されるプラズマ生成用高周波電力は，電力投入時であっても，文字通り，処理室１０２内にプラズマを生成できる程度の電力を維持する必要がある。また，電力の増加に対するプラズマ密度の増加率は，電力が小さいときは大きいが，電力が所定値を超えると小さくなる。時刻ｔ２において電力を定常電力にしたときのプラズマの安定性を考えると，時刻ｔ１における電力値は，増加率が小さくなる範囲の電力とすることが好ましい。従って，例えば５０〜７０％に維持する必要があることは言うまでもない。
また，上部電極１０８および下部電極１０６に印加される高周波電力は，時刻ｔ１〜時刻ｔ２間においてマッチングが取れているので，その後上部電極１０８および下部電極１０６に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げても，マッチングポイントのずれがあまり生ぜず，高周波電力の電圧成分や電流成分が乱されないため，処理室１０２内に生成されたプラズマの安定状態を維持できる。
なお，図３に示す実施形態においては，時刻ｔ２でプラズマ生成用高周波電力とバイアス用高周波電力とを同時に定常電力としたが，図４に示すように，バイアス用高周波電力を定常電力に引き上げるタイミング，時刻ｔ２よりもさらに遅延させた時刻ｔ３と設定することも可能である。かかる構成によれば，時刻ｔ２で，一旦プラズマ生成用高周波電力を定常電力にまで引き上げ，プラズマ密度を十分に高くした後，すなわち，両電極間のインピーダンスを下げた後に，時刻ｔ３で，バイアス用高周波電力を定常電力にまで引き上げるので，より効果的にオーバーシュートを防止することが可能である。
以上，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例および修正例に想到し得るものであり，それら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば，上記実施の形態において，時刻ｔ１で上部電極と下部電極とに同時に高周波電力を印加する例を示したが，時刻ｔ１では上部電極にのみ高周波電力を印加し，時刻ｔ１とｔ２の間で下部電極に整合可能な電力の高周波電力を印加してもよい。
例えば，上記実施の形態において，処理室側壁に設けられたガス供給管から処理室内に処理ガスを供給する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，上部電極の下部電極側面にシャワーヘッドを形成し，そのシャワーヘッドから処理室内に処理ガスを供給する装置に対しても，本発明は適用可能である。
また，上記実施の形態において，エッチング装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，処理室内に対向配置された各電極に対してそれぞれに対応するプラズマ生成用高周波電力とバイアス用高周波電力を印加し，生成されたプラズマにより被処理体に対して処理を施す如く構成された，いかなるプラズマ処理装置にも本発明を適用することができる。
さらに，上記実施の形態において，ウェハに対して処理を施す例を挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えばＬＣＤ用ガラス基板に対してプラズマ処理を施す装置にも本発明を適用することができる。
産業上の利用の可能性
本発明は，ウェハなどの被処理体に対してエッチング処理などのプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に対して適用することができる。特に，本発明は，処理室内に第１および第２電極を対向配置し，第１電極に対しては第１整合器を介して第１の周波数を有するプラズマ生成用高周波電力を印加するとともに，第２電極には第２整合器を介して前記第１周波数よりも低い第２の周波数を有するバイアス用高周波電力を印加することにより，処理室内にプラズマを生成し，第２電極に載置される被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すようなプラズマ処理装置の制御方法に好適に適用できる。
そして，本発明によれば，電源投入時のパワーを制御することにより，比較的低周波のバイアス用高周波電力の印加時に第２電極に生じる電圧のオーバーシュートによる影響を最小限に抑えることができるため，異常放電などのプロセスや装置に対する悪影響を最小限に抑えることができる。また，バイアス用高周波電力を定常状態に引き上げた際にも，処理室内に生成されたプラズマの安定状態を維持し，迅速に定常のプラズマ処理状態に入ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は，本発明を適用可能なエッチング装置を表した概略的な断面図である。
図２は，図１に示したエッチング装置に適用されるエッチング装置の制御方法を説明するための概略的な説明図である。
図３は，図１に示したエッチング装置に適用される他のエッチング装置の制御方法を説明するための概略的な説明図である。
図４は，図１に示したエッチング装置に適用される他のエッチング装置の制御方法を説明するための概略的な説明図である。
図５は，従来のエッチング装置に適用されるエッチング装置の制御方法を説明するための概略的な説明図である。
Claims (16)
- 処理室内に第１および第２電極を対向配置し，前記第１電極に対しては第１整合器を介して第１の周波数を有するプラズマ生成用高周波電力を印加するとともに，前記第２電極には第２整合器を介して前記第１周波数よりも低い第２の周波数を有するバイアス用高周波電力を印加することにより，前記処理室内にプラズマを生成し，前記第２電極に載置される被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の制御方法であって：
前記第１電極に対しては，定常電力の高周波電力を印加し，前記第２電極に対しては，少なくとも前記バイアス用高周波電力を整合可能な電力の高周波電力を印加する工程と；
前記バイアス用高周波電力が整合した後に，前記第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程と；
を含むことを特徴とする，プラズマ処理装置の制御方法。 - 前記整合可能な電力は，前記被処理体に対するエッチングが進行しない程度の電力であることを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 前記整合可能な電力は，定常電力の３〜１０％の電力であることを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 処理室内に第１および第２電極を対向配置し，前記第１電極に対しては第１整合器を介して第１の周波数を有するプラズマ生成用高周波電力を印加するとともに，前記第２電極には第２整合器を介して前記第１周波数よりも低い第２の周波数を有するバイアス用高周波電力を印加することにより，前記処理室内にプラズマを生成し，前記第２電極に載置される被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の制御方法であって：
前記第１電極に対しては，定常電力の高周波電力を印加し，前記第２電極に対しては，少なくとも前記バイアス用高周波電力を整合可能な電力の高周波電力を印加する工程と；
前記バイアス用高周波電力の印加から、所定時間経過後に，前記第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程と；
を含むことを特徴とする，プラズマ処理装置の制御方法。 - 前記整合可能な電力は，前記被処理体に対するエッチングが進行しない程度の電力であることを特徴とする，請求項４に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 前記整合可能な電力は，定常電力の３〜１０％の電力であることを特徴とする，請求項４に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 処理室内に第１および第２電極を対向配置し，前記第１電極に対しては第１整合器を介して第１の周波数を有するプラズマ生成用高周波電力を印加するとともに，前記第２電極には第２整合器を介して前記第１周波数よりも低い第２の周波数を有するバイアス用高周波電力を印加することにより，前記処理室内にプラズマを生成し，前記第２電極に載置される被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の制御方法であって：
前記第１電極に対しては少なくとも処理室内にプラズマを生成することが可能な高周波電力を印加し，前記第２電極に対しては少なくとも前記バイアス用高周波電力が整合可能となる電力の高周波電力を印加する工程と；
少なくとも前記バイアス用高周波電力が整合した後に，前記第１電極および前記第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程と；
を含むことを特徴とする，プラズマ処理装置の制御方法。 - 前記整合可能な電力は，エッチングが進行しない程度の電力であることを特徴とする，請求項７に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 前記整合可能な電力は，定常電力の３〜１０％の電力であることを特徴とする，請求項７に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- プラズマを生成することが可能な電力は，定常電力の５０〜７０％の電力であることを特徴とする，請求項７に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 前記第１電極および前記第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程は，前記第１電極に印加される電力を定常電力にした後に，前記第２電極に印加される電力を定常電力にすることを特徴とする，請求項７に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 処理室内に第１および第２電極を対向配置し，前記第１電極に対しては第１整合器を介して第１の周波数を有するプラズマ生成用高周波電力を印加するとともに，前記第２電極には第２整合器を介して前記第１周波数よりも低い第２の周波数を有するバイアス用高周波電力を印加することにより，前記処理室内にプラズマを生成し，前記第２電極に載置される被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の制御方法であって：
前記第１電極に対しては少なくとも処理室内にプラズマを生成することが可能な高周波電力を印加し，前記第２電極に対しては少なくとも前記バイアス用高周波電力が整合可能となる電力の高周波電力を印加する工程と；
前記バイアス用高周波電力の印加から、所定時間経過後に，前記第１電極および前記第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程と；
を含むことを特徴とする，プラズマ処理装置の制御方法。 - 前記整合可能な電力は，エッチングが進行しない程度の電力であることを特徴とする，請求項１２に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 前記整合可能な電力は，定常電力の３〜１０％の電力であることを特徴とする，請求項１２に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- プラズマを生成することが可能な電力は，定常電力の５０〜７０％の電力であることを特徴とする，請求項１２に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
- 前記第１電極および前記第２電極に印加される高周波電力を定常電力にまで引き上げる工程は，前記第１電極に印加される電力を定常電力にした後に，前記第２電極に印加される電力を定常電力にすることを特徴とする，請求項１２に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
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