JP7054642B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

電子デバイスの製造においては、基板の加工のためにプラズマ処理が行われる。プラズマ処理においては、プラズマ処理装置が用いられる。プラズマ処理装置は、一般的に、チャンバ本体、ステージ、及び、高周波電源を備える。チャンバ本体はその内部空間をチャンバとして提供する。ステージは、チャンバ内に設けられる。ステージは、下部電極及び静電チャックを有する。静電チャックは下部電極上に設けられる。下部電極には、高周波（Radio Frequency）電源が接続される。

プラズマ処理においては、プラズマからの入熱によって被加工物の温度が上昇する。このため、プラズマ処理装置は、被加工物を冷却する冷却機構を有している。例えば、静電チャックは、吸着されている被加工物に向けて開口する複数の伝熱ガス供給孔を有する。静電チャックは被加工物を保持し、伝熱ガス供給孔から伝熱ガスを被加工物の裏面に供給することで、被加工物の温度上昇を抑制することができる。このようなプラズマ処理装置は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１の装置は、静電チャックへ印加される電圧を徐変させながら上昇させる場合、伝熱ガス供給孔から供給される伝熱ガスの圧力を制御することで、静電チャックの吸着面から被加工物が離れようとする力が静電チャックの静電気力を上回らないように制御する。

特開２０１１－１９８８３８号公報

ところで、被加工物をプラズマ処理するとき、被加工物の領域ごとに温度が異なる場合がある。領域ごとに温度が異なる場合、プラズマ処理が不均一になる。また、プロセスにより冷却能力が変化することがある。冷却能力が変化した場合、被加工物ごとに、又は、複数の被加工物に対して、均一なプラズマ処理ができない。

本技術分野においては、被加工物へのプラズマ処理時に静電チャック上の被加工物の温度制御を適切に行うことが求められる。

一態様においてはプラズマ処理装置が提供される。プラズマ処理装置は、チャンバ本体、ステージ、ガス供給機構、直流電源、高周波電源及びコントローラを備える。チャンバ本体は、チャンバを提供する。ステージは、チャンバ内に設けられ、静電チャックを有する。ガス供給機構は、静電チャックの上面に伝熱ガスを供給するように構成される。直流電源は、静電チャックに電圧を印加するように構成される。高周波電源は、チャンバ内のガスのプラズマを生成するための高周波をチャンバ内に設けられた電極に供給するように構成される。コントローラは、直流電源を制御するように構成される。コントローラは、プラズマに応じて発生する自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど小さい値を出力する第１関数の出力と、ガス供給機構により静電チャックの上面に供給される伝熱ガスの圧力が大きくなるほど大きい値を出力する第２関数の出力と、を結合させて導出される電圧を、静電チャックに印加するように直流電源を制御する。

一態様に係るプラズマ処理装置では、直流電源により、第１関数の出力と第２関数との出力を結合させて導出される電圧が、静電チャックに印加される。第１関数は、自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど小さい値を出力する関数である。自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど静電チャックへの吸着力が増大する。このプラズマ処理装置は、自己バイアス電圧の絶対値の増加に応じて静電チャックに印加される電圧を減少させることで、静電チャックへの吸着力が自己バイアス電圧の絶対値の増加に応じて増加することを回避することができる。また、このプラズマ処理装置は、自己バイアス電圧の減少に応じて静電チャックに印加される電圧を増加させることで、静電チャックへの吸着力が自己バイアス電圧の減少に応じて減少することを回避することができる。自己バイアス電圧はプロセス条件に応じて変化する。つまり、このプラズマ処理装置は、あるプロセス条件から異なるプロセス条件へ遷移したときに、静電チャックへの吸着力が大きく変動することを回避することができる。よって、このプラズマ処理装置は、連続するプロセス実行時において静電チャックへの吸着力を安定化させることができる。さらに、静電チャックに印加される電圧は、第２関数の出力を用いて設定される。第２関数は、伝熱ガスの圧力が大きくなるほど大きい値を出力する関数である。伝熱ガスの圧力は、被加工物を静電チャックから離間させる方向に作用する。このプラズマ処理装置は、伝熱ガスの圧力の増加及び減少に応じて静電チャックに印加される電圧を増加及び減少させることで、被加工物が静電チャックから離間しない範囲となるように静電チャックに印加される電圧を設定することができる。このように、一態様に係るプラズマ処理装置は、第１関数及び第２関数の出力を結合させて電圧を導出しているので、静電チャックへ印加する電圧を最適な値に設定することができる。一態様に係るプラズマ処理装置は、静電チャックへ印加する電圧を最適な値に設定することにより、被加工物へのプラズマ処理時に静電チャック上の被加工物の温度制御を適切に行うことができる。

一実施形態において、プラズマ処理装置は、静電チャックに保持された被加工物の温度、又は、被加工物の温度と相関のある温度を検出する検出器を備え、コントローラは、検出器により検出された温度に基づいて、直流電源による電圧印加タイミングを制御してもよい。この場合、このプラズマ処理装置は、被加工物の温度に応じたタイミングで被加工物を静電チャックに吸着させることができる。

一実施形態において、コントローラは、高周波電源により電極に高周波が印加された後であって、検出器により検出された温度が予め定められた温度閾値以上となる第１タイミング、被加工物の温度が予め定められた温度閾値以上となる予想時間が経過した第２タイミング、又は、第１タイミング及び第２タイミングの何れか早い方のタイミングになったときに、静電チャックへの電圧の印加が開始されるように直流電源を制御してもよい。この場合、高周波電源により下部電極に高周波が印加されたタイミングで静電チャックへ電圧を印加する場合と比べて、このプラズマ処理装置は、被加工物の温度が目標温度に到達するまでの時間を短縮することができる。よって、このプラズマ処理装置は、温度の応答性を向上させることができる。

一実施形態において、コントローラは、直流電源による電圧印加と同じタイミングで又は予め定められた時間経過後に伝熱ガスの供給が開始されるように、ガス供給機構をさらに制御してもよい。この場合、プラズマ処理装置は、伝熱ガスの圧力によって被加工物が静電チャックから離間することを抑制しつつ、温度調整を開始することができる。

一実施形態において、コントローラは、高周波電源により電極に高周波が印加された後であって、かつ、直流電源による電圧印加が開始された後において、検出器により検出された温度が予め定められた温度閾値以上となる第３タイミング、被加工物の温度が予め定められた温度閾値以上となる予想時間が経過した第４タイミング、又は、第３タイミング及び第４タイミングの何れか早い方のタイミングになったときに、伝熱ガスの供給が開始されるようにガス供給機構をさらに制御してもよい。この場合、高周波電源により下部電極に高周波が印加されたタイミングで伝熱ガスの供給を開始する場合と比べて、このプラズマ処理装置は、被加工物の温度が目標温度に到達するまでの時間を短縮することができる。よって、このプラズマ処理装置は、温度の応答性を向上させることができる。

一実施形態において、コントローラは、伝熱ガスの圧力が時間経過とともに増大するようにガス供給機構をさらに制御してもよい。この場合、このプラズマ処理装置は、一度に目標圧力となるように伝熱ガスの圧力を制御する場合と比べて、急激に伝熱ガスの圧力が増大することを回避することができるので、伝熱ガスの圧力によって被加工物が静電チャックから離間することを回避することができる。

一実施形態において、コントローラは、伝熱ガスの圧力が所定の伝熱ガス閾値以下となるようにガス供給機構をさらに制御してもよい。この場合、このプラズマ処理装置は、伝熱ガスの圧力によって被加工物が静電チャックから離間することを回避することができる。

他の態様においてはプラズマ処理方法が提供される。方法は、プラズマ処理装置にて実行される。プラズマ処理装置は、チャンバ本体、ステージ、ガス供給機構、直流電源、高周波電源及びコントローラを備える。チャンバ本体は、チャンバを提供する。ステージは、チャンバ内に設けられ、静電チャックを有する。ガス供給機構は、静電チャックの上面に伝熱ガスを供給するように構成される。直流電源は、静電チャックに電圧を印加するように構成される。高周波電源は、チャンバ内のガスのプラズマを生成するための高周波をチャンバ内に設けられた電極に供給するように構成される。方法は、決定する工程と、印加する工程とを含む。検定する工程では、プラズマに応じて発生する自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど小さい値を出力する第１関数の出力と、ガス供給機構により静電チャックの上面に供給される伝熱ガスの圧力が大きくなるほど大きい値を出力する第２関数の出力と、を結合させて、静電チャックに印加される電圧が決定される。印加する工程では、決定する工程にて決定された電圧が静電チャックに印加される。他の態様によれば、一態様に係るプラズマ処理装置と同一の効果を奏する。

以上説明したように、被加工物へのプラズマ処理時に静電チャック上の被加工物の温度制御を適切に行うことが可能となる。

一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す図である。 図１に示すステージとフォーカスリングの一部拡大断面図である。 図１に示すプラズマ処理装置において採用可能な自己バイアス電圧測定器の一例を示す図である。 基板温度の時間依存性を示すグラフである。 一実施形態に係るプラズマ処理方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

［プラズマ処理装置の概要］
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図１に示されるように、プラズマ処理装置の一例は、容量結合型のプラズマ処理装置１０である。プラズマ処理装置１０は、チャンバ本体１２を備える。チャンバ本体１２は、略円筒形状を有する。チャンバ本体１２は、その内部空間をチャンバ１２ｃとして提供する。チャンバ本体１２は、例えばアルミニウムから構成される。チャンバ本体１２は接地電位に接続される。チャンバ本体１２の内壁面、即ち、チャンバ１２ｃを画成する壁面には、耐プラズマ性を有する膜が形成される。この膜は、陽極酸化処理によって形成された膜、又は、酸化イットリウムから形成された膜といったセラミック製の膜であり得る。また、チャンバ本体１２の側壁には通路１２ｇが形成される。基板Ｗがチャンバ１２ｃに搬入されるとき、また、基板Ｗがチャンバ１２ｃから搬出されるときに、基板Ｗは通路１２ｇを通過する。この通路１２ｇの開閉のために、ゲートバルブ１４がチャンバ本体１２の側壁に沿って設けられる。

チャンバ１２ｃ内では、支持部１５が、チャンバ本体１２の底部から上方に延在する。支持部１５は、略円筒形状を有しており、アルミナセラミックや石英といった絶縁材料から形成される。支持部１５上にはステージ１６が搭載されており、ステージ１６は支持部１５によって支持される。ステージ１６は、チャンバ１２ｃ内において基板Ｗを支持するように構成される。ステージ１６は、静電チャック２０を含む。一実施形態において、ステージ１６は、電極プレート２１及び下部電極１８を更に含む。電極プレート２１は、アルミニウムといった導電性材料から形成されており、略円盤形状を有する。下部電極１８は、電極プレート２１上に設けられる。下部電極１８は、アルミニウムといった導電性材料から形成されており、略円盤形状を有する。下部電極１８は、電極プレート２１に電気的に接続される。

下部電極１８内には、流路１８ｆが設けられる。流路１８ｆは、熱交換媒体用の流路である。熱交換媒体としては、液状の冷媒、あるいは、その気化によって下部電極１８を冷却する冷媒（例えば、フロン）が用いられる。流路１８ｆには、チャンバ本体１２の外部に設けられたチラーユニット２３から配管２３ａを介して熱交換媒体が供給される。流路１８ｆに供給された熱交換媒体は、配管２３ｂを介してチラーユニット２３に戻される。チラーユニット２３は、配管２３ｂを介してチラーユニット２３に戻された冷媒の温度を検出し、配管２３ａへ供給する冷媒の温度を調節する。このように、流路１８ｆには、当該流路１８ｆとチラーユニット２３との間で循環するように、熱交換媒体が供給される。

静電チャック２０は、下部電極１８上に設けられる。静電チャック２０は、絶縁体から形成された本体と、当該本体内に設けられた膜状の電極２２ａを有する。静電チャック２０の電極２２ａには、第１直流電源２２が電気的に接続される。第１直流電源２２は、一例として可変直流電源である。第１直流電源２２は、例えば０～５ｋＶの電圧を電極２２ａに印加する。第１直流電源２２から静電チャック２０の電極に電圧が印加された場合、静電チャック２０上に載置された基板Ｗ（被加工物の一例）と静電チャック２０との間で静電引力が発生する。発生した静電引力により、基板Ｗは、静電チャック２０に引き付けられ、当該静電チャック２０によって保持される。

プラズマ処理装置１０には、ガス供給ライン２５が設けられる。ガス供給ライン２５は、ガス供給機構２４からの伝熱ガス、例えばＨｅガスを、静電チャック２０の上面と基板Ｗの裏面（下面）との間に供給する。伝熱ガスは、例えば１０～２００Ｔｏｒｒの圧力で供給される。ガス供給ライン２５には、供給される伝熱ガスの圧力を検出する検出器が配置される。

チャンバ本体１２の底部からは、筒状部２８が上方に延在している。筒状部２８は、支持部１５の外周に沿って延在している。筒状部２８は、導電性材料から形成されており、略円筒形状を有している。筒状部２８は、接地電位に接続されている。筒状部２８上には、絶縁部２９が設けられている。絶縁部２９は、絶縁性を有し、例えば石英といったセラミックから形成されている。絶縁部２９は、略円筒形状を有しており、電極プレート２１の外周、下部電極１８の外周、及び、静電チャック２０の外周に沿って延在している。

チャンバ本体１２の底部からは、筒状部２８が上方に延在する。筒状部２８は、支持部１５の外周に沿って延在する。筒状部２８は、導電性材料から形成されており、略円筒形状を有する。筒状部２８は、接地電位に接続される。筒状部２８上には、絶縁部２９が設けられる。絶縁部２９は、絶縁性を有し、例えば石英といったセラミックから形成される。絶縁部２９は、略円筒形状を有しており、電極プレート２１の外周、下部電極１８の外周、及び、静電チャック２０の外周に沿って延在する。

静電チャック２０の外周領域上には、フォーカスリングＦＲが配置される。フォーカスリングＦＲは、略環状板形状を有しており、例えばシリコンから形成される。フォーカスリングＦＲは、基板Ｗのエッジを囲むように配置される。図２は、図１に示すステージとフォーカスリングの一部拡大断面図である。図２に示すように、一実施形態では、フォーカスリングＦＲは、導体２０ｂを介して下部電極１８に電気的に接続されている。導体２０ｂは、静電チャック２０を貫通している。

プラズマ処理装置１０は、上部電極３０を更に備える。上部電極３０は、ステージ１６の上方に設けられる。上部電極３０は、部材３２と共にチャンバ本体１２の上部開口を閉じる。部材３２は、絶縁性を有する。上部電極３０は、この部材３２を介してチャンバ本体１２の上部に支持される。後述するように、高周波電源６１が下部電極１８に電気的に接続されている場合には、上部電極３０は接地電位に接続される。

上部電極３０は、天板３４及び支持体３６を含む。天板３４の下面は、チャンバ１２ｃを画成する。天板３４には、複数のガス吐出孔３４ａが設けられる。複数のガス吐出孔３４ａの各々は、天板３４を板厚方向（鉛直方向）に貫通する。この天板３４は、例えばシリコンから形成される。あるいは、天板３４は、アルミニウム製の母材の表面に耐プラズマ性の膜を設けた構造を有し得る。この膜は、陽極酸化処理によって形成された膜、又は、酸化イットリウムから形成された膜といったセラミック製の膜であり得る。

支持体３６は、天板３４を着脱自在に支持する部品である。支持体３６は、例えばアルミニウムといった導電性材料から形成され得る。支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。ガス拡散室３６ａからは、複数のガス孔３６ｂが下方に延びる。複数のガス孔３６ｂは、複数のガス吐出孔３４ａにそれぞれ連通する。支持体３６には、ガス拡散室３６ａにガスを導くガス導入口３６ｃが形成されており、このガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続される。

ガス供給管３８には、バルブ群４２及び流量制御器群４４を介して、ガスソース群４０が接続される。ガスソース群４０は、複数のガスソースを含む。バルブ群４２は複数のバルブを含んでおり、流量制御器群４４は複数の流量制御器を含む。流量制御器群４４の複数の流量制御器の各々は、マスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器である。ガスソース群４０の複数のガスソースはそれぞれ、バルブ群４２の対応のバルブ及び流量制御器群４４の対応の流量制御器を介して、ガス供給管３８に接続される。プラズマ処理装置１０は、ガスソース群４０の複数のガスソースのうち選択された一以上のガスソースからのガスを、個別に調整された流量で、チャンバ１２ｃに供給することが可能である。

筒状部２８とチャンバ本体１２の側壁との間には、バッフルプレート４８が設けられる。バッフルプレート４８は、例えば、アルミニウム製の母材に酸化イットリウム等のセラミックを被覆することにより構成され得る。このバッフルプレート４８には、多数の貫通孔が形成される。バッフルプレート４８の下方においては、排気管５２がチャンバ本体１２の底部に接続される。この排気管５２には、排気装置５０が接続される。排気装置５０は、自動圧力制御弁といった圧力制御器、及び、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１２ｃを減圧することができる。

プラズマ処理装置１０は、高周波電源６１を更に備える。高周波電源６１は、プラズマ生成用の高周波を発生する電源である。高周波は、２７～１００ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば６０ＭＨｚの周波数を有する。高周波電源６１は、整合器６５及び電極プレート２１を介して、下部電極１８に接続される。整合器６５は、高周波電源６１の出力インピーダンスと負荷側（下部電極１８側）のインピーダンスを整合させる。なお、高周波電源６１は、整合器６５を介して上部電極３０に接続されていてもよい。

プラズマ処理装置１０は、第２直流電源７０を更に備える。第２直流電源７０は、フォーカスリングＦＲに印加される負極性の直流電圧を発生する電源である。第２直流電源７０は、高周波フィルタ７４を介して下部電極１８に電気的に接続されている。一実施形態では、下部電極１８はフォーカスリングＦＲに電気的に接続されている。したがって、第２直流電源７０は、高周波フィルタ７４、及び、下部電極１８を介して、フォーカスリングＦＲに電気的に接続されている。

一実施形態では、プラズマ処理装置１０は、自己バイアス電圧測定器７６を更に備えている。図３は、図１に示すプラズマ処理装置において採用可能な自己バイアス電圧測定器の一例を示す図である。自己バイアス電圧測定器７６は、下部電極１８の自己バイアス電圧（又は、基板Ｗの自己バイアス電圧）を測定するように構成されている。一実施形態では、図３に示すように、自己バイアス電圧測定器７６は、抵抗体７６ａ、抵抗体７６ｂ、及び、電圧センサ７６ｃを有している。抵抗体７６ａと抵抗体７６ｂは、端子７６ｔとグランドとの間で直列接続されている。端子７６ｔは、下部電極１８と整合器６５との間のノードに接続される。ノードの電圧は、第２直流電源７０からの直流電圧がフォーカスリングＦＲに印加されていないときに、下部電極１８の自己バイアス電圧と略同電圧になる。自己バイアス電圧測定器７６は、かかるノードにおける電圧を分圧して、分圧された電圧を測定することにより、自己バイアス電圧を測定することができる。

一実施形態では、プラズマ処理装置１０は、温度測定器８０を更に備える。一例として、上部電極３０には、温度測定器８０が設けられる。温度測定器８０は、静電チャック２０に保持された基板Ｗの温度を検出する検出器である。温度測定器８０は、基板Ｗを透過する波長を有する測定光を、上部電極３０に形成された測定窓を介して、静電チャック２０に保持された基板Ｗの表面へ出射する。温度測定器８０は、基板Ｗの表面及び裏面からの反射光の光干渉に基づいて、基板Ｗの温度を検出する。温度測定器８０は、下部電極１８側から基板Ｗの裏面に向けて測定光を出射してもよい。

プラズマ処理装置１０は、主制御部ＭＣ（コントローラの一例）を更に備え得る。主制御部ＭＣは、プロセッサ、記憶装置、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであり、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。具体的に、主制御部ＭＣは、記憶装置に記憶されている制御プログラムを実行し、当該記憶装置に記憶されているレシピデータに基づいてプラズマ処理装置１０の各部を制御する。これにより、プラズマ処理装置１０は、レシピデータによって指定されたプロセスを実行する。

［主制御部の制御］
［静電チャックへの供給電圧］
主制御部ＭＣは、第１直流電源２２を制御するように構成される。主制御部ＭＣは、第１直流電源２２を制御することにより、静電チャック２０の電極２２ａに供給される電圧Ｖを制御する。これにより、主制御部ＭＣは、静電チャック２０の静電引力を制御する。静電チャック２０の電極２２ａへ供給される電圧が高いほど、静電引力は大きくなる。したがって、静電チャック２０の電極２２ａへ供給される電圧が高いほど、静電チャック２０への吸着力が大きくなる。

主制御部ＭＣは、第１関数の出力と、第２関数の出力とを結合させて、静電チャック２０の電極２２ａへ供給される電圧を決定する。

第１関数は、自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど小さい値を出力する関数である。第１関数は、自己バイアス電圧の絶対値をパラメータとして、静電引力を調整するための値を出力する関数である。第１関数は、一例として単調減少関数である。第１関数は、特に次数は限定されず、一次関数であってもよいし、二次関数であってもよい。第１関数は、単項式であってもよいし、多項式であってもよい。第１関数は、テーブルを参照する関数であってもよいし、経験則から導かれた関数であってもよい。

プラズマが生成されると、基板Ｗには自己バイアス電圧が印加される。自己バイアス電圧は、プラズマに応じて発生し、プロセス条件に応じて変化する。自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど、基板Ｗを静電チャック２０へ引き寄せる力が大きくなる。このため、自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど、静電チャック２０への吸着力が大きくなる。このため、主制御部ＭＣは、第１関数を用いて自己バイアス電圧の変動に伴う吸着力の変動を相殺する。具体的には、主制御部ＭＣは、自己バイアス電圧測定器７６によって検出された自己バイアス電圧を第１関数に入力する。主制御部ＭＣは、第１関数から自己バイアス電圧の変動を反映させた出力を得る。第１関数の結果を利用することにより、自己バイアスが変化した場合であっても、安定した吸着力を実現する。

第２関数は、伝熱ガスの圧力が大きくなるほど大きい値を出力する関数である。第２関数は、伝熱ガスの圧力をパラメータとして、静電引力を調整するための値を出力する関数である。第２関数は、一例として単調増加関数である。第２関数は、特に次数は限定されず、一次関数であってもよいし、二次関数であってもよい。第２関数は、単項式であってもよいし、多項式であってもよい。第２関数は、テーブルを参照する関数であってもよいし、経験則から導かれた関数であってもよい。

基板Ｗに供給される伝熱ガスは、基板Ｗの裏面に供給されるため、基板Ｗを静電チャック２０から離間させる方向に力が作用する。以下では、この力を離間力という。プロセス条件に応じてプラズマ入熱は変化する。プラズマ入熱が変化する場合、基板Ｗの温度変化を抑制するために、伝熱ガスの圧力を変化させる。つまり、プロセス条件に応じて離間力が変化する。第２関数は、伝熱ガスの圧力をパラメータとして、離間力よりも大きな吸着力となるように、静電引力を調整するための値を出力する。具体的には、主制御部ＭＣは、ガス供給ライン２５に配置された検出器によって検出された圧力を第２関数に入力する。主制御部ＭＣは、第２関数から伝熱ガスの圧力の変動を反映させた出力を得る。第２関数の結果を利用することにより、伝熱ガスの圧力が変化した場合であっても、基板Ｗが静電チャックから離間することを抑制する。

主制御部ＭＣは、第１関数の出力と、第２関数の出力とを結合する。結合とは、組み合わせることである。結合は、例えば、和算、積算、乗算などの演算である。一例として、主制御部ＭＣは、以下の結合を行い、静電チャック２０の電極２２ａへ供給される電圧Ｖを決定する。
Ｖ＝α・ｆ（｜Ｖｄｃ｜）＋β・ｆ（Ｐ）
ここで、ｆ（｜Ｖｄｃ｜）は第１関数であり、Ｖｄｃは自己バイアス電圧である。ｆ（Ｐ）は第２関数であり、Ｐは伝熱ガスの圧力である。α、βは定数である。主制御部ＭＣは、上記の結合で得られた電圧Ｖを、静電チャック２０に印加するように第１直流電源２２を制御する。

［電圧印加タイミング］
主制御部ＭＣは、静電チャック２０に保持された基板Ｗの温度に基づいて、第１直流電源２２による電圧印加タイミングを制御するように構成される。主制御部ＭＣは、温度測定器８０によって検出された基板Ｗの温度を取得し、制御に用いる。

具体的な一例として、主制御部ＭＣは、高周波電源６１により下部電極１８に高周波（ＲＦ）が印加された後であって、温度測定器８０により検出された温度が予め定められた温度閾値以上となる第１タイミングになったときに、静電チャック２０への電圧Ｖの印加が開始されるように第１直流電源２２を制御する。温度閾値は、基板Ｗの目標温度に基づいて設定され得る。基板Ｗの目標温度は、プロセス条件によって設定され、レシピデータとして記憶されている。一例として、温度閾値は、基板Ｗの目標温度に所定定数を乗算した値が採用される。所定定数は、例えば、０．８～１．０の範囲で設定され得る。このように、主制御部ＭＣは、高周波のＯＮタイミングと、静電チャック２０へ供給される電圧のＯＮタイミングとをずらす。

主制御部ＭＣは、高周波電源６１により下部電極１８に高周波（ＲＦ）が印加された後であって、基板Ｗの温度が予め定められた温度閾値以上となる予想時間が経過した第２タイミングになったときに、静電チャック２０への電圧Ｖの印加が開始されるように第１直流電源２２を制御してもよい。予想時間は、シミュレーションや事前運転などにより得られたデータに基づいて予め設定され得る。

主制御部ＭＣは、上述した第１タイミング及び第２タイミングの何れか早い方のタイミングになったときに、静電チャック２０への電圧Ｖの印加が開始されるように第１直流電源２２を制御してもよい。

このように、主制御部ＭＣは、第１タイミング、第２タイミング、又はこれらの組合せに基づいて、高周波のＯＮタイミングと、静電チャック２０へ供給される電圧のＯＮタイミングとをずらしてもよい。

主制御部ＭＣは、基板Ｗの温度と相関のある温度に基づいて第１直流電源２２による電圧印加タイミングを制御するように構成されてもよい。基板Ｗの温度と相関のある温度とは、静電チャック２０の温度、配管２３ｂを介してチラーユニット２３に戻される熱交換媒体の温度、フォーカスリングＦＲの温度、上部電極３０の温度などである。これらの温度を検出する検出器の一例は、温度測定器８０のような光干渉計であってもよいし、構成部品に埋め込まれた温度センサであってもよい。

［伝熱ガスの圧力］
主制御部ＭＣは、伝熱ガスの圧力が所定の伝熱ガス閾値以下となるように、ガス供給機構２４をさらに制御してもよい。伝熱ガス閾値は、伝熱ガスの最大圧力を定義する値であり、予め定められる。最大圧力が設定されることで、基板Ｗに想定以上の離間力が作用することを回避する。
［伝熱ガスの圧力供給］
主制御部ＭＣは、一例として、伝熱ガスの圧力が時間経過とともに増大するようにガス供給機構をさらに制御する。主制御部ＭＣは、レシピデータの目標圧力に徐々に近づくように伝熱ガスの圧力を増大させる。目標圧力は、予め伝熱ガス閾値以下に設定されてもよい。主制御部ＭＣは、例えば、目標圧力に到達するまでのいくつかの圧力を中間目標圧力に設定し、所定時間間隔で中間目標圧力を達成するように段階的に圧力を制御する。あるいは、主制御部ＭＣは、圧力の増加最大値を設定し、増加最大値を超えない範囲で、レシピデータに近づけるようにしてもよい。

［伝熱ガスの供給タイミング］
主制御部ＭＣは、静電チャック２０に保持された基板Ｗの温度に基づいて、ガス供給機構２４による伝熱ガスの供給タイミングを制御するように構成される。主制御部ＭＣは、温度測定器８０によって検出された基板Ｗの温度を取得し、制御に用いる。

具体的な一例として、主制御部ＭＣは、高周波電源６１により下部電極１８に高周波が印加された後であって、かつ、第１直流電源２２による電圧印加が開始された後において、温度測定器８０により検出された温度が予め定められた温度閾値以上となる第３タイミングになったときに、伝熱ガスの供給が開始されるようにガス供給機構２４を制御する。温度閾値は、基板Ｗの目標温度に基づいて設定され得る。基板Ｗの目標温度は、プロセス条件によって設定され、レシピデータとして記憶されている。一例として、温度閾値は、基板Ｗの目標温度に所定定数を乗算した値が採用される。所定定数は、例えば、０．８～１．０の範囲で設定され得る。このように、主制御部ＭＣは、高周波のＯＮタイミングと、伝熱ガス供給のＯＮタイミングとをずらす。

温度閾値は、静電チャック２０への電圧印加タイミングを判定するための温度閾値と同一であってもよい。この場合、静電チャック２０への電圧印加タイミングと伝熱ガスの供給タイミングとが同期する。つまり、主制御部ＭＣは、第１直流電源２２による電圧印加と同じタイミングで伝熱ガスの供給が開始されるようにガス供給機構２４を制御してもよい。あるいは、主制御部ＭＣは、第１直流電源２２による電圧印加から予め定められた時間経過後に伝熱ガスの供給が開始されるように、ガス供給機構２４を制御してもよい。

主制御部ＭＣは、高周波電源６１により下部電極１８に高周波（ＲＦ）が印加された後であって、かつ、第１直流電源２２による電圧印加が開始された後において、基板Ｗの温度が予め定められた温度閾値以上となる予想時間が経過した第３タイミングになったときに、伝熱ガスの供給が開始されるようにガス供給機構２４を制御してもよい。予想時間は、シミュレーションや事前運転などにより得られたデータに基づいて予め設定され得る。

主制御部ＭＣは、上述した第３タイミング及び第４タイミングの何れか早い方のタイミングになったときに、伝熱ガスの供給が開始されるようにガス供給機構２４を制御してもよい。

このように、主制御部ＭＣは、第１直流電源２２による電圧印加のタイミング、上述した第３タイミング、第４タイミング、又はそれらの組合せに基づいて、高周波のＯＮタイミングと、伝熱ガス供給のＯＮタイミングとをずらしてもよい。

［温度に基づいた制御の一例］
図４は、基板温度の時間依存性を示すグラフである。図４に示される基板温度Ｔ１は、高周波印加前における基板温度である。つまり、基板温度Ｔ１は、プラズマ生成前の基板温度である。基板温度Ｔ３は、レシピデータで定義された目標温度である。時刻ｔ１は、高周波が印加されたタイミングである。時刻ｔ５においてプラズマ処理が終了する。

時刻ｔ１において、高周波の印加タイミングと同時に、静電チャック２０への電圧供給と伝熱ガスの供給とを開始した場合、図中の破線で示されるグラフとなる。この場合、目標温度に到達する時間は時刻ｔ４である。このため、時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間Ｈ２が基板温度Ｔ３を維持できる期間となる。以下、このような制御を同時ＯＮ制御という。

主制御部ＭＣは、一例として、高周波電源６１により下部電極１８に高周波が印加された時刻ｔ１後であって、温度測定器８０により検出された基板温度が温度閾値Ｔ２以上になった時刻ｔ２において、静電チャック２０への電圧印加と伝熱ガスの供給とを開始する。この場合、図中の実線で示されるグラフとなる。時刻ｔ１経過後もプラズマ入熱はあるものの、伝熱ガスの供給がされずに伝熱ガスにより基板Ｗが冷却されないため、実線グラフで示されるように昇温スピードが同時ＯＮ制御よりも速くなる。このため、目標温度に到達する時刻は、同時ＯＮ制御よりも早い時刻ｔ３になる。時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間Ｈ１が基板温度Ｔ３を維持できる期間となる。このように、高周波の印加タイミング（時刻ｔ１）よりも後の時刻ｔ２に、静電チャック２０への電圧印加と伝熱ガスの供給とを開始することにより、プロセスの目標温度を維持できる期間を長く確保することができる。また、温度制御の応答性を向上させることができる。

［プラズマ処理方法の一例］
図５は、一実施形態に係るプラズマ処理方法を示すフローチャートである。図５に示されるフローチャートは、主制御部ＭＣによって実行される。

主制御部ＭＣは、第１判定工程（ステップＳ１０）として、高周波が印加されたか否かを判定する。例えば、主制御部ＭＣは、高周波印加の制御信号を高周波電源６１へ出力したか否かのログデータを確認する。

第１判定工程（ステップＳ１０）において、高周波が印加されたと判定された場合、主制御部ＭＣは、第２判定工程（ステップＳ１２）として、温度測定器８０により検出された温度が温度閾値以上であるか否かを判定する。

第２判定工程（ステップＳ１２）において、温度測定器８０により検出された温度が温度閾値以上であると判定された場合には、主制御部ＭＣは、電圧決定工程（ステップＳ１４）として、静電チャック２０へ印加される電圧を決定する。主制御部ＭＣは、第１関数の出力及び第２関数の出力を結合し、電圧を導出する。

続いて、主制御部ＭＣは、電圧印加工程（ステップＳ１６）として、電圧決定工程（ステップＳ１４）で決定された電圧を印加する。主制御部ＭＣは、基板Ｗの温度に基づいて、電圧印加タイミングを決定する。そして、主制御部ＭＣは、決定された電圧印加タイミングで、電圧決定工程（ステップＳ１４）で決定された電圧を印加する。

続いて、主制御部ＭＣは、伝熱ガス供給工程（ステップＳ１８）として、伝熱ガスを供給する。主制御部ＭＣは、基板Ｗの温度に基づいて、伝熱ガス供給タイミングを決定する。そして、主制御部ＭＣは、決定された伝熱ガス供給タイミングで、伝熱ガスを供給する。

伝熱ガス供給工程（ステップＳ１８）が完了した場合、第１判定工程（ステップＳ１０）において高周波が印加されていないと判定された場合、又は、第２判定工程（ステップＳ１２）において、温度測定器８０により検出された温度が温度閾値以上でないと判定された場合には、主制御部ＭＣは、動作を終了する。

なお、電圧決定工程（ステップＳ１４）、電圧印加工程（ステップＳ１６）、伝熱ガス供給工程（ステップＳ１８）は、図５に示される順番での実行に限定されない。例えば、伝熱ガス供給工程（ステップＳ１８）、電圧決定工程（ステップＳ１４）、電圧印加工程（ステップＳ１６）の順に実行してもよいし、電圧決定工程（ステップＳ１４）、伝熱ガス供給工程（ステップＳ１８）、電圧印加工程（ステップＳ１６）の順に実行してもよいし、電圧印加工程（ステップＳ１６）と伝熱ガス供給工程（ステップＳ１８）とを並行して行ってもよい。

［実施形態のまとめ］
近年のプロセス条件の多様化に伴い、高い高周波電力で基板Ｗをプラズマ処理する場合がある。高周波電力が高くなるほどプラズマからの入熱は大きくなるため、基板Ｗの温度上昇を抑制するためには伝熱ガスをより多く供給する必要がある。このため、静電チャック２０の静電引力を大きく設定し、伝熱ガスの圧力は基板温度に応じて変動させることが考えられる。しかしながら、静電チャック２０の静電引力を大きく設定しすぎると、熱膨張した基板Ｗが静電チャック２０の表面を研磨するおそれがある。研磨により静電チャック２０の表面状態が変化した場合、基板Ｗと静電チャックとの実質的な接触面積が変化する。その結果、熱伝達率が変化するため、伝熱ガスの冷却効率が変化する。このため、静電チャック２０の表面状態の変化は、プロセス処理の安定性に影響を与えるおそれがある。

プラズマ処理装置１０では、第１直流電源２２により、第１関数ｆ（｜Ｖｄｃ｜）の出力と第２関数ｆ（Ｐ）との出力を結合させて導出される電圧Ｖが、静電チャック２０に印加される。プラズマ処理装置１０は、自己バイアス電圧Ｖｄｃの絶対値の増加に応じて静電チャック２０に印加される電圧Ｖを減少させることで、静電チャック２０への吸着力が自己バイアス電圧Ｖｄｃの絶対値の増加に応じて増加することを回避することができる。また、プラズマ処理装置１０は、自己バイアス電圧Ｖｄｃの減少に応じて静電チャック２０に印加される電圧Ｖを増加させることで、静電チャック２０への吸着力が自己バイアス電圧Ｖｄｃの減少に応じて減少することを回避することができる。自己バイアス電圧Ｖｄｃはプロセス条件に応じて変化する。つまり、プラズマ処理装置１０は、あるプロセス条件から異なるプロセス条件へ遷移したときに、静電チャック２０への吸着力が大きく変動することを回避することができる。よって、プラズマ処理装置１０は、連続するプロセス実行時において静電チャックへ２０の吸着力を安定化させることができる。さらに、静電チャック２０に印加される電圧Ｖは、第２関数ｆ（Ｐ）の出力を用いて設定される。第２関数ｆ（Ｐ）は、伝熱ガスの圧力Ｐが大きくなるほど大きい値を出力する関数である。伝熱ガスの圧力Ｐは、基板Ｗを静電チャック２０から離間させる方向に作用する。プラズマ処理装置１０は、伝熱ガスの圧力Ｐの増加及び減少に応じて静電チャック２０に印加される電圧Ｖを増加及び減少させることで、基板Ｗが静電チャック２０から離間しない範囲となるように静電チャック２０に印加される電圧Ｖを設定することができる。このように、プラズマ処理装置１０は、第１関数ｆ（｜Ｖｄｃ｜）及び第２関数ｆ（Ｐ）の出力を結合させて電圧Ｖを導出しているので、静電チャック２０へ印加する電圧Ｖを最適な値に設定することができる。プラズマ処理装置１０は、静電チャック２０へ印加する電圧を最適な値に設定することにより、基板Ｗへのプラズマ処理時に静電チャック２０上の基板Ｗの温度制御を適切に行うことができる。プラズマ処理装置１０は、伝熱ガスの圧力が高く、かつ、電圧Ｖが大きくなるほど、基板Ｗの面内温度の均一性を向上させることができる。

プラズマ処理装置１０は、静電チャック２０に保持された基板Ｗの温度、又は、基板Ｗの温度と相関のある温度（例えば、静電チャック２０の温度、配管２３ｂを介してチラーユニット２３に戻される熱交換媒体の温度、フォーカスリングＦＲの温度、上部電極３０の温度）に基づいて第１直流電源２２による電圧印加タイミングを制御するため、基板Ｗの温度に応じたタイミングで基板Ｗを静電チャック２０に吸着させることができる。

プラズマ処理装置１０は、高周波電源６１により下部電極１８に高周波が印加されたタイミング（例えば時刻ｔ１）よりも後に、静電チャック２０に電圧Ｖを印加する。このため、プラズマ処理装置１０は、高周波電源６１により下部電極１８に高周波が印加されたタイミング（例えば時刻ｔ１）で静電チャック２０へ電圧Ｖを印加する場合と比べて、基板Ｗの温度が目標温度（例えば基板温度Ｔ３）に到達するまでの時間を短縮することができる。よって、プラズマ処理装置１０は、温度の応答性を向上させることができる。さらに、プラズマ処理装置１０は、高周波電源６１により下部電極１８に高周波が印加されたタイミング（例えば時刻ｔ１）で静電チャック２０へ電圧Ｖを印加する場合と比べて、昇温しながら基板Ｗを保持する時間を短くすることができるので、基板Ｗの熱膨張による静電チャック２０の摩耗を抑制することができる。

プラズマ処理装置１０は、第１直流電源２２による電圧印加と同じタイミングで又は予め定められた時間経過後に伝熱ガスの供給が開始されるように、ガス供給機構２４をさらに制御することにより、伝熱ガスの圧力によって基板Ｗが静電チャック２０から離間することを抑制しつつ、温度調整を開始することができる。

プラズマ処理装置１０は、高周波電源６１により下部電極１８に高周波が印加されたタイミング（例えば時刻ｔ１）よりも後であって、かつ、第１直流電源２２による電圧印加が開始された後において、伝熱ガスを供給する。このため、プラズマ処理装置１０は、高周波電源６１により下部電極１８に高周波が印加されたタイミング（例えば時刻ｔ１）で伝熱ガスの供給を開始する場合と比べて、基板Ｗの温度が目標温度（例えば基板温度Ｔ３）に到達するまでの時間を短縮することができる。よって、プラズマ処理装置１０は、温度の応答性を向上させることができる。さらに、プラズマ処理装置１０は、高周波電源６１により下部電極１８に高周波が印加されたタイミング（例えば時刻ｔ１）で伝熱ガスの供給を開始する場合と比べて、昇温しながら基板Ｗを保持する時間を短くすることができるので、基板Ｗの熱膨張による静電チャック２０の摩耗を抑制することができる。

プラズマ処理装置１０は、伝熱ガスの圧力Ｐが時間経過とともに増大するようにガス供給機構２４をさらに制御するため、一度に目標圧力となるように伝熱ガスの圧力Ｐを制御する場合と比べて、急激に伝熱ガスの圧力Ｐが増大することを回避することができるので、伝熱ガスの圧力Ｐによって基板Ｗが静電チャック２０から離間することを回避することができる。

プラズマ処理装置１０は、伝熱ガスの圧力Ｐが所定の伝熱ガス閾値以下となるようにガス供給機構２４をさらに制御するため、伝熱ガスの圧力Ｐによって基板Ｗが静電チャック２０から離間することを回避することができる。

以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、上述した種々の実施形態に係るプラズマ処理装置は容量結合型のプラズマ処理装置である。変形態様におけるプラズマ処理装置は、誘導結合型のプラズマ処理装置であってもよい。

１０…プラズマ処理装置、１６…ステージ、１８…下部電極、２０…静電チャック、２３…チラーユニット、６１…高周波電源、７０…第２直流電源、８０…温度測定器、ＦＲ…フォーカスリング。

Claims (13)

1. チャンバを提供するチャンバ本体と、
   前記チャンバ内に設けられ、基板を保持する静電チャックを有するステージと、
   前記基板が保持された前記静電チャックの上面に伝熱ガスを供給するように構成されたガス供給機構と、
   前記静電チャックに電圧を印加するように構成された直流電源と、
   前記チャンバ内のガスのプラズマを生成するための高周波を前記チャンバ内に設けられた電極に供給するように構成された高周波電源と、
   前記直流電源を制御するように構成されたコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、プラズマに応じて発生する自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど小さい値を出力する第１関数の出力と、前記基板に対するプラズマ処理時に前記ガス供給機構により前記静電チャックの上面に供給される前記伝熱ガスの圧力が大きくなるほど大きい値を出力する第２関数の出力と、を結合させて導出される電圧を、前記基板に対するプラズマ処理時に前記静電チャックに印加するように前記直流電源を制御する、
   プラズマ処理装置。
2. 前記静電チャックに保持された被加工物の温度、又は、前記被加工物の温度と相関のある温度を検出する検出器を備え、
   前記コントローラは、前記検出器により検出された温度に基づいて、前記直流電源による電圧印加タイミングを制御する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記コントローラは、前記高周波電源により前記電極に前記高周波が印加された後であって、前記検出器により検出された温度が予め定められた温度閾値以上となる第１タイミング、前記被加工物の温度が予め定められた温度閾値以上となる予想時間が経過した第２タイミング、又は、前記第１タイミング及び前記第２タイミングの何れか早い方のタイミングになったときに、前記静電チャックへの電圧の印加が開始されるように前記直流電源を制御する、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記コントローラは、前記直流電源による電圧印加と同じタイミングで又は予め定められた時間経過後に前記伝熱ガスの供給が開始されるように、前記ガス供給機構をさらに制御する、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記コントローラは、前記高周波電源により前記電極に前記高周波が印加された後であって、かつ、前記直流電源による電圧印加が開始された後において、前記検出器により検出された温度が予め定められた温度閾値以上となる第３タイミング、前記被加工物の温度が予め定められた温度閾値以上となる予想時間が経過した第４タイミング、又は、前記第３タイミング及び前記第４タイミングの何れか早い方のタイミングになったときに、前記伝熱ガスの供給が開始されるように前記ガス供給機構をさらに制御する、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記コントローラは、前記伝熱ガスの圧力が時間経過とともに増大するように前記ガス供給機構をさらに制御する、請求項１～５の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記コントローラは、前記伝熱ガスの圧力が所定の伝熱ガス閾値以下となるように前記ガス供給機構をさらに制御する、請求項１～６の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記コントローラは、Ｖｄｃを前記自己バイアス電圧、ｆ（｜Ｖｄｃ｜）を前記第１関数、Ｐを前記伝熱ガスの圧力、ｆ（Ｐ）を前記第２関数、α及びβを定数とした場合に、
   Ｖ＝α・ｆ（｜Ｖｄｃ｜）＋β・ｆ（Ｐ）
   で表される結合を行うことによって導出される電圧を、前記静電チャックに印加するように前記直流電源を制御する、請求項１～７の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記温度閾値は、予めレシピデータとして記憶された前記被加工物の目標温度に所定定数を乗算して得られる値である、請求項３～５の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. プラズマ処理装置のプラズマ処理方法であって、
    前記プラズマ処理装置は、
    チャンバを提供するチャンバ本体と、
    前記チャンバ内に設けられ、基板を保持する静電チャックを有するステージと、
    前記基板が保持された前記静電チャックの上面に伝熱ガスを供給するように構成されたガス供給機構と、
    前記静電チャックに電圧を印加するように構成された直流電源と、
    前記チャンバ内のガスのプラズマを生成するための高周波を前記チャンバ内に設けられた電極に供給するように構成された高周波電源と、
    を備え、
    プラズマに応じて発生する自己バイアス電圧の絶対値が大きくなるほど小さい値を出力する第１関数の出力と、前記基板に対するプラズマ処理時に前記ガス供給機構により前記静電チャックの上面に供給される前記伝熱ガスの圧力が大きくなるほど大きい値を出力する第２関数の出力と、を結合させて、前記静電チャックに印加される電圧を決定する工程と、
    前記決定する工程にて決定された電圧を、前記基板に対するプラズマ処理時に前記静電チャックに印加する工程と、
    を有する、プラズマ処理方法。
11. 前静電チャックに印加される電圧を決定する工程は、前記静電チャックに保持された被加工物の温度に基づいて、前記電圧を印加するタイミングをさらに決定し、
    前記決定された電圧を前記静電チャックに印加する工程は、前記タイミングで前記決定された電圧を前記静電チャックに印加する、
    請求項１０に記載のプラズマ処理方法。
12. 前記ガス供給機構により前記静電チャックの上面に前記伝熱ガスを供給する工程を備える、請求項１０又は１１に記載のプラズマ処理方法。
13. 前記伝熱ガスを供給する工程は、前記静電チャックに保持された被加工物の温度に基づいて決定されたタイミングで、前記伝熱ガスを供給する、請求項１２に記載のプラズマ処理方法。

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