JP7660257B2 - プラズマ処理装置、プロセッサ、制御方法、非一時的コンピュータ可読記録媒体及び電源システム - Google Patents

プラズマ処理装置、プロセッサ、制御方法、非一時的コンピュータ可読記録媒体及び電源システム Download PDF

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Description

本開示は、プラズマ処理装置、プロセッサ、制御方法、非一時的コンピュータ可読記録媒体及び電源システムに関する。
エッチングの際、印加するイオン引き込み用の高周波電力をプラズマ生成用の高周波電力のオン・オフに同期させることでイオンを多結晶シリコン層上に到達させ、多結晶シリコン層のエッチングレートを均一にする技術が知られている(例えば、特許文献１参照)。
特開平１０－６４９１５号公報
特許文献１では、プラズマ生成用の高周波電力であるソースパワー及びイオン引き込み用の高周波電力であるバイアスパワーの、異なる２つの周波数の高周波電力を処理容器内に印加してエッチングレートを制御する。
本開示は、ラジカルとイオンの量と質を制御する技術を提供する。
本開示の一の態様によれば、ステージと、第１の周波数で振動するバイアス波形を供給し、前記バイアス波形のサイクルは、予め定められた期間持続し、前記バイアス波形は前記ステージに印加される、第１の高周波電源と、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数で振動するソース波形を供給し、前記第２の周波数は、前記バイアス波形の前記サイクルの間、可変である、第２の高周波電源と、前記バイアス波形の前記サイクルの間、前記ソース波形のパワーレベルを制御するように前記第２の高周波電源を制御する制御部と、を有する、プラズマ処理装置が提供される。
一の側面によれば、ラジカルとイオンの量と質を制御することができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す図。 一実施形態に係る制御部の構成の一例を示す図。 一実施形態に係る給電系に付けたセンサーの位相信号で制御する場合、又はバイアスパワーの高周波の周期に同期する信号で制御する場合を示す図。 一実施形態に係るＬＦの一周期内の位相に応じたＨＦの供給タイミングの一例を示す図。 一実施形態に係るＬＦの一周期内の位相に応じたＨＦの供給タイミングの一例を示す図。 一実施形態に係るＬＦの一周期内の位相とプラズマ密度Ｎｅ及び自己バイアスＶｄｃとの関係の一例を示す図。 一実施形態に係る反射波パワーの一例を示す図。 一実施形態に係る反射波パワーの一例を示す図。 一実施形態の変形例１に係る制御方法を説明するための図。 一実施形態の変形例２に係る制御方法を説明するための図。 一実施形態の変形例３に係る制御方法を説明するための図。 一実施形態の変形例４に係る制御方法を説明するための図。 一実施形態に係るＩＭＤ（相互変調歪）の一例を示す図。 一実施形態の変形例５－１に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例５－２に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例５－３に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例５－４に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例６に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例７－１に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例７－２に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例７－３に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例７－４に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態に係るソースパワーの反射波パワーの一例を示す図。 一実施形態の変形例８に係る制御方法を説明するためのタイミングチャート。 一実施形態の変形例９に係る制御方法を説明するためのタイミングチャート。 一実施形態の変形例１０係る制御方法を説明するためのタイミングチャート。 一実施形態の変形例１１係る制御方法を説明するためのタイミングチャート。 一実施形態の変形例１２に係る制御方法を示すタイミングチャート。 一実施形態の変形例１３に係る制御方法を示すタイミングチャート。
本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
以下、ソースパワーの周波数（高周波）を「ＨＦ」（High Frequency）ともいい、ソースパワーを「ＨＦ電力」ともいう。また、ソースパワーの周波数よりも低い周波数のバイアスパワーの周波数（高周波）を「ＬＦ」（Low Frequency）ともいい、バイアスパワーを「ＬＦ電力」ともいう。
［はじめに］
プラズマ生成用の高周波電力であるソースパワーとイオン引き込み用の高周波電力であるバイアスパワーの、異なる２つ周波数の高周波電力を処理容器内に印加すると、ＩＭＤ（Intermodulation distortion：相互変調歪）が反射波パワーとして発生する場合がある。
ＩＭＤは、整合不良を発生するのみならず、反射耐性のため、かつプラズマの維持のために、本来必要な高周波電力よりも大きな電力を投入し得る容量の高周波電源が必要となる。このため、従来からＩＭＤの発生を低減するために、高周波電源の給電ラインに使用される同軸ケーブルのケーブル長を最適化することが行われている。
しかしながら、ＩＭＤは、ＨＦ電力の基本波及び／又は高調波と、ＬＦ電力の基本波及び／又は高調波との和や差の周波数に生じる。このため、同軸ケーブルのケーブル長を最適化する方法では、特定の周波数の高周波電力の反射波パワーを減少させることはできても、ＩＭＤに含まれるＨＦ電力及びＬＦ電力の基本波及び／又は高調波との和や差から生じる他の周波数の反射波パワーをなくすことはできない。
また、ＬＦ電力の周波数が低い程、ＨＦ電力の基本波に近い周波数にてＩＭＤが発生するため、できるだけＬＦ電力の周波数を高くし、ＨＦ電力の基本波に近い周波数におけるＩＭＤの発生を抑制することが考えられる。しかしながら、近年、特に高アスペクト比のエッチング処理では、ＬＦ電力の周波数を低くした方がプロセス結果がよい。つまり、高アスペクト比の穴を深くエッチングするほどエッチングレートが下がるため、ＬＦ電力の周波数をより低周波数にし、かつパワーを上げることが行われる。これにより、高アスペクト比のエッチングにおいてエッチングレートを上げることができる。ただし、このプロセス条件では更にＩＭＤが増加するため、近年のＬＦ電力の高パワーかつ低周波数化により高周波電力の反射波パワーは高くなっている。特に、ＬＦ電力とＨＦ電力を同一電極に印加する場合に高周波電力の反射波パワーが増大する。
例えば、図１２は、ＬＦ電力を印加した電極に所定の周波数のＨＦ電力を印加したときに発生する反射波パワーの一例を示す。ＩＭＤはＬＦのＶｐｐ（Peak to Peak）の位相に同期して周期的に強度が変化する。例えば、図１２の例では、ＬＦの電位が正の最大値付近でＩＭＤはほぼ０Ｗ、つまり反射が生じていない状態となっている。また、ＬＦの電位が負の範囲でＩＭＤは比較的低くなっている。ＬＦの電位が正の最大値を超えてから負に掛けて、最大の反射波パワーが生じ、ＩＭＤが最大となっている。
そこで、発明者らは、ＩＭＤが発生するタイミングを考慮して、ＬＦの位相に応じてＩＭＤの発生を抑制する制御方法及び該制御方法を実行するプラズマ処理装置を提案する。更に、発明者らは、ＬＦ及びＨＦの異なる２つの周波数の高周波電力を制御してラジカルとイオンの量と質の制御する制御方法を提案する。
［プラズマ処理装置の全体構成］
まず、一実施形態に係るプラズマ処理装置１の一例について、図１を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す図である。
一実施形態にかかるプラズマ処理装置１は、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置であり、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる円筒状の処理容器１０を有している。処理容器１０は接地されている。
処理容器１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状の支持台１４が配置され、この支持台１４の上に例えばアルミニウムからなる載置台１６が設けられている。載置台１６は下部電極を構成し、その上に静電チャック１８を介して被処理体の一例であるウェハＷが載置される。
載置台１６の上面には、ウェハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられている。静電チャック１８は、導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートで挟んだ構造を有する。電極２０には直流電源２２が接続されている。直流電源２２から出力された直流電圧は、電極２０に印加される。これにより生じたクーロン力等の静電力によってウェハＷが静電チャック１８に吸着保持される。
載置台１６上であってウェハＷの周囲には、例えばシリコンからなる導電性のエッジリング２４が配置されている。エッジリング２４はフォーカスリングともいう。載置台１６および支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。
支持台１４の内部には、例えば環状に冷媒室２８が設けられている。冷媒室２８には、外部に設けられたチラーユニットより配管３０ａ，３０ｂを介して所定温度の冷媒、例えば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によって載置台１６上のウェハＷの処理温度が制御される。なお、冷媒は、配管３０ａ，３０ｂに循環供給される温度調整用の媒体の一例であり、温度調整用の媒体は、載置台１６及びウェハＷを冷却するだけでなく、加熱する場合もあり得る。
さらに、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２を介して静電チャック１８の上面とウェハＷの裏面との間に供給される。
載置台１６の上方には、載置台１６と対向するように平行に上部電極３４が設けられている。上部電極３４と下部電極間の間はプラズマ処理空間となる。上部電極３４は、載置台１６上のウェハＷと対向してプラズマ処理空間と接する面、つまり対向面を形成する。
上部電極３４は、絶縁性の遮蔽部材４２を介して、処理容器１０の上部に支持されている。上部電極３４は、載置台１６との対向面を構成しかつ多数のガス吐出孔３７を有する電極板３６と、この電極板３６を着脱自在に支持し、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる電極支持体３８とを有する。電極板３６は、例えばシリコンやＳｉＣにより形成されてもよい。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からはガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。
電極支持体３８にはガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口６２が形成されており、このガス導入口６２にはガス供給管６４が接続され、ガス供給管６４には処理ガス供給源６６が接続されている。ガス供給管６４には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６８および開閉バルブ７０が設けられている。そして、処理ガス供給源６６からエッチングのための処理ガスが供給される。処理ガスは、ガス供給管６４からガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１を介してガス吐出孔３７からシャワー状にプラズマ処理空間に吐出される。このようにして上部電極３４は処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。
上部電極３４には、可変直流電源５０が接続され、可変直流電源５０からの直流電圧が上部電極３４に印加される。可変直流電源５０の極性および電流・電圧と、電流や電圧をオン・オフする電子スイッチの制御は、制御部２００により制御される。
載置台１６には、給電棒４７及び整合器４６を介して第１の高周波電源４８が接続されている。第１の高周波電源４８は、載置台１６にＬＦ電力を印加する。これにより、載置台１６上のウェハＷにイオンが引き込まれる。第１の高周波電源４８は、２００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数のＬＦ電力を出力する。整合器４６は第１の高周波電源４８の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させる。
載置台１６には、給電棒８９及び整合器８８を介して第２の高周波電源９０が接続されている。第２の高周波電源９０は、載置台１６にＨＦ電力を印加する。ＨＦの周波数は、ＬＦの周波数よりも高く、第２の高周波電源９０から１３．５６ＭＨｚ以上の周波数のＨＦ電力が出力される。例えば４００ｋＨｚのＬＦ電力に対して、周波数が高い１００ＭＨｚのＨＦ電力を出力してもよい。整合器８８は、第２の高周波電源９０の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させる。載置台１６には、所定の高周波をグランドに通すためのフィルタ９４が接続されてもよい。なお、第２の高周波電源９０から供給されるＨＦ電力を、上部電極３４に印加してもよい。
処理容器１０の底部には排気口８０が設けられ、この排気口８０に排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、処理容器１０内は所望の真空度まで減圧可能である。また、処理容器１０の側壁にはウェハＷの搬入出口８５が設けられており、この搬入出口８５はゲートバルブ８６により開閉可能である。また、処理容器１０の内壁に沿って処理容器１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するためのデポシールド１１が着脱自在に設けられている。すなわち、デポシールド１１が処理容器の壁を構成している。また、デポシールド１１は、内壁部材２６の外周にも設けられている。処理容器１０の底部の処理容器の壁側のデポシールド１１と内壁部材２６側のデポシールド１１との間には排気プレート８３が設けられている。デポシールド１１および排気プレート８３としては、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆したものを用いることができる。
かかる構成のプラズマ処理装置１にてエッチング処理を行う際には、まず、ゲートバルブ８６を開状態とし、搬入出口８５を介してエッチング対象であるウェハＷを処理容器１０内に搬入し、載置台１６上に載置する。そして、処理ガス供給源６６からエッチングのための処理ガスを所定の流量でガス拡散室４０へ供給し、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介して処理容器１０内へ供給する。また、排気装置８４により処理容器１０内を排気し、その中の圧力を例えば０．１～１５０Ｐａの範囲内の設定値とする。ここで、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Ｃ４Ｆ８ガス等の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。さらに、ＡｒガスやＯ２ガス等の他のガスが含まれていてもよい。
このように処理容器１０内にエッチングガスを導入した状態で、第２の高周波電源９０からＨＦ電力を載置台１６に印加する。また、第１の高周波電源４８からＬＦ電力を載置台１６に印加する。また、可変直流電源５０から直流電圧を上部電極３４に印加する。また、直流電源２２から直流電圧を電極２０に印加し、ウェハＷを載置台１６に吸着保持する。
上部電極３４のガス吐出孔３７から吐出された処理ガスは、主にＨＦ電力により解離及び電離しプラズマが生成される。プラズマ中のラジカルやイオンによってウェハＷの被処理面がエッチングされる。また、載置台１６にＬＦ電力を印加することで、プラズマ中のイオンを制御し、高アスペクト比のホールのエッチングを可能とする等、プラズマの制御マージンを広くできる。
プラズマ処理装置１には、装置全体の動作を制御する制御部２００が設けられている。制御部２００は、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリに格納されたレシピに従って、エッチング等の所望のプラズマ処理を実行する。レシピには、プロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、圧力（ガスの排気）、高周波電力や電圧、各種ガス流量、処理容器内温度（上部電極温度、処理容器の側壁温度、ウェハＷ温度、静電チャック温度等）、チラーから出力される冷媒の温度などが設定されている。なお、これらのプログラムや処理条件を示すレシピは、ハードディスクや半導体メモリに記憶されてもよい。また、レシピは、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で所定位置にセットされ、読み出されるようにしてもよい。
ＨＦの電力のオン・オフ又はＨｉｇｈ・Ｌｏｗを、バイアスパワーの高周波の周期に同期する信号、又はバイアスパワーの給電系で測定された電圧、電流又は電磁界のいずれかの一周期内の位相に同期させるように制御してもよい。例えば、制御部２００は、ＨＦの電力のオン・オフ又はＨｉｇｈ・ＬｏｗをＬＦの電圧又は電流の一周期内の位相に同期させるように制御してもよい。これにより、イオンとラジカルの量と質を制御することができる。また、ＩＭＤの発生を低減できる。
バイアスパワーの給電系とは、第１の高周波電源４８→整合器４６→給電棒４７→載置台１６→（プラズマ）→上部電極３４→（グランド）をいう。バイアスパワーの給電系で測定される電圧、電流又は電磁界のいずれかとは、第１の高周波電源４８から整合器４６の内部及び給電棒４７を介して載置台１６に至るまでのパーツと上部電極３４で測定される電圧、電流又は電磁界をいう。
また、バイアスパワーの高周波の周期に同期する信号の状態、又はバイアスパワーの給電系で測定された電圧、電流又は電磁界のいずれかを「基準電気状態」ともいう。ＨＦ電力（ソースパワー）は、基準電気状態の一周期内の位相と同期して後述する第１の状態と第２の状態とに交互に印加するように制御される。
ただし、バイアスパワーの給電系で測定された電圧、電流又は電磁界のいずれかを「基準電気状態」とする場合、基準電気状態は、載置台１６から給電棒４７を介して接続される整合器の内部までのいずれかの部材において測定される電圧、電流又は電磁界のいずれかであることが好ましい。
バイアスパワーの給電系で基準電気状態を測定する方法としては、バイアスパワーの給電系のいずれかのパーツの近傍に電圧プローブ、電流プローブ、ＢＺプローブ（誘導磁場を測るプローブ）を設置することで各パーツの電圧、電流又は誘導磁場を計測する方法が一例として挙げられる。
例えば、図２Ｂ（ａ）は、バイアスパワーの給電系で測定された電圧、電流又は電磁界のいずれかを「基準電気状態」とする場合の一例である。例えば図２Ｂ（ａ）では、プロセッサ１００が給電系に取り付けられたＶＩプローブ等のセンサからＨＦの電圧又は電流、ＬＦの電圧又は電流、ＨＦの位相信号又はＬＦの位相信号のいずれかを入力する。プロセッサ１００は、入力したＨＦの電圧又は電流、ＬＦの電圧又は電流、ＨＦの位相信号又はＬＦの位相信号のいずれかを示す基準電気状態の一周期内の位相と同期してソースパワーを第１の状態と第２の状態に交互に印加する。
プロセッサ１００は、センサからの信号に基づかずに第１の高周波電源４８から出力されるバイアスパワーの高周波の周期に同期する信号を生成してもよい。この場合、該信号の状態を基準電気状態とすることができる。また、バイアスパワーの給電系で基準電気状態を測定する工程を省くことができる。例えば図２Ｂ（ｂ）では、プロセッサ１００が、第１の高周波電源４８からＬＦの位相信号（小電力波形）又はバイアスパワーの情報に関する信号を入力し、この入力信号に基づきバイアスパワーの高周波の周期に同期する信号を生成する。プロセッサ１００は、生成した信号を第２の高周波電源９０に出力する。第２の高周波電源９０は、この信号に基づきソースパワーを第１の状態と第２の状態に交互に印加する。
なお、プロセッサ１００は、第１の高周波電源４８からの信号に基づかずにバイアスパワーの高周波の周期に同期する信号を生成してもよい。この場合、プロセッサ１００は、例えば図３のＬＦに示す周期を有する信号を生成すると共に、この信号に同期する、例えば図３のＨＦに示すオン・オフ信号を生成する。プロセッサ１００は、生成した信号を第１の高周波電源４８及び第２の高周波電源９０に出力する。第１の高周波電源４８は、この信号に基づきバイアスパワーを出力する。第２の高周波電源９０は、この信号に基づきソースパワーを第１の状態と第２の状態に交互に印加する。
なお、載置台１６は、ウェハＷを載置する第１の電極の一例である。上部電極は、第１の電極と対向する第２の電極の一例である。第１の高周波電源４８は、第１の電極にＬＦ電力を供給するバイアス電源の一例である。第２の高周波電源９０は、第１の電極又は第２の電極にＬＦ電力よりも高い周波数のＨＦ電力を供給するソース電源の一例である。制御部２００は、バイアス電源及びソース電源を制御する制御部の一例である。バイアスパワーを印加する下部電極（載置台１６）の電位を、電極電位ともいう。
［制御部の構成］
制御部２００の具体的構成について、図２Ａを参照して説明する。制御部２００は、プロセッサ１００、信号発生回路１０２、方向性結合器１０５，１０８、反射検出器１１１、オシロスコープ１１２を有する。
第１の高周波電源４８の給電ラインには、第１の高周波電源４８と整合器４６の間に方向性結合器１０５が接続されている。第２の高周波電源９０の給電ラインには、第２の高周波電源９０と整合器８８の間に方向性結合器１０８が接続されている。
方向性結合器１０５は、ＬＦの進行波パワー（Ｐｆ）の一部をオシロスコープ１１２に与える。また、方向性結合器１０８は、ＨＦの進行波パワー及び反射波パワーの一部をオシロスコープ１１２に与える。
一実施形態において、オシロスコープ１１２に表示されるＬＦの周波数は、例えば４００ｋＨｚであり、ＨＦの周波数は、例えば１００ＭＨｚである。これにより、オシロスコープ１１２では、ＬＦの進行波パワーの波形と、ＨＦの進行波パワーの波形及びＨＦの反射波パワーの波形とを観察できる。
また、方向性結合器１０８は、ＨＦの反射波の一定割合を分離し、反射検出器１１１に与える。反射検出器１１１は、たとえば、スペクトルアナライザー、パワーメーター等から構成され、どんな波長のＩＭＤ（Intermodulation distortion：相互変調歪）がどのくらい発生しているかやどの程度の反射波パワーであるかを計測する。ＩＭＤは、プラズマ処理装置１の上部電極又は下部電極にＨＦ電力を印加し（一実施形態では下部電極）、下部電極にＬＦ電力を印加することで生じる、ＬＦの基本波及び／又は高調波と、ＨＦの基本波及び／又は高調波との和や差の周波数に応じて生じる、プラズマ側からの反射波パワーをいう。
方向性結合器１０５は、ＬＦの進行波パワーの一部をプロセッサ１００に与える。プロセッサ１００は、ＬＦの進行波パワーに同期させるＨＦ用の同期信号を作成する。例えば、プロセッサ１００は、ＬＦの進行波の正のタイミングに同期させてＨＦ用の同期信号を作成してもよい。なお、方向性結合器１０５の替わりに、ＶＩプローブ等のセンサを用いて検出したＬＦの波形をプロセッサ１００に与えてもよい。
プロセッサ１００は、作成した同期信号を信号発生回路１０２に与える。信号発生回路１０２は、与えられた同期信号からＬＦの進行波パワーに同期する制御信号を生成し、第２の高周波電源９０及び第１の高周波電源４８に与える。
制御信号の生成方法には、以下の２通りがある。第１の高周波電源４８が一般的な電源の場合、方向性結合器１０５が第１の高周波電源４８から出力されるＬＦの電圧又は電流の一部を波形として取り出し、プロセッサ１００に入力する。ただし、これに限られず、プロセッサ１００が、第１の高周波電源４８から直接、ＬＦの電力等の一部を入力してもよい。プロセッサ１００は、入力した波形の信号から任意の遅延と任意の幅を有するオン信号を作成し、信号発生回路１０２に送信する。オン信号は、同期信号の一例である。
信号発生回路１０２は、オン信号の間、ＨＦの電力を発生させるために第２の高周波電源９０に指令信号を送る。指令信号には、第２の高周波電源９０の入力形態に応じて、オン信号の間、ＨＦの電力を発生させる制御信号又はオン信号そのものが使用される。
第１の高周波電源４８がＬＦの電力、電圧又は電流を増幅するアンプの場合、方向性結合器１０５からの信号は使用せず、信号発生回路１０２が第１の高周波電源４８から出力されるＬＦの電力等の一部を波形として取り出し、該波形の信号から任意の遅延と任意の幅を有するオン信号を作成してもよい。信号発生回路１０２は、該波形の信号及びオン信号を第２の高周波電源９０に送信する。
ただし、以上の制御信号の生成方法は一例であり、これに限らない。与えられた同期信号から基準電気状態の一周期内の位相（ＬＦの電圧又は電流の一周期内の位相、電極電位等）と同期してＨＦの電力のオン・オフ又は、Ｈｉｇｈ・Ｌｏｗが交互に印加されるように制御する制御信号を生成できれば、図２Ａに示す制御部２００の回路に限られず、他のハードウェア又はソフトウェアを使用できる。
第１の高周波電源４８のアンプは、４００ｋＨｚのＬＦの変調信号の振幅（ＡＭ：amplitude modulation)を増幅し、下部電極に供給する。第２の高周波電源９０のアンプは、１００ＭＨｚのＨＦの変調信号の振幅を増幅し、下部電極に供給する。
図３は、ＬＦの電圧又は電流の波形と、ＬＦの電圧又は電流が正のタイミングに応じて印加するＨＦの電圧又は電流の一例を示す図である。下から２つ目の波形に示す電極電位が正のとき、ＨＦの電圧又は電流は正の値に制御（オン）される。電極電位が負のとき、ＨＦの電圧又は電流は０に制御（オフ）される。基本的には、ＬＦの電圧又は電流によって電極電位が決まるため、ＬＦの電圧又は電流が負のタイミングにＨＦの電圧又は電流はオフされ、ＬＦの電圧又は電流が正のタイミングにＨＦの電圧又は電流はオンされる。
プロセッサ１００は、電極電位が正のタイミングを含む時間帯にＨＦの電力を制御する同期信号を作成してもよい。ただし、プロセッサ１００は、これに限られず、電極電位が負に最も深くなるタイミングを含む短時間にＨＦの電力を制御する同期信号を作成してもよい。
［ＨＦの電力の供給タイミング］
次に、一実施形態におけるＨＦの電力の供給タイミングについて、図４を参照しながら説明する。図４は、一実施形態に係るＨＦの電力の供給タイミングの一例を示す図である。
図４（ａ）～（ｃ）の縦軸は、電極の電位を示す。電極の電位はウェハの電位とほぼ同一である。電極の電位はＬＦ及びＨＦの電圧が重畳したときの電位である。ここで、ＬＦの周波数が４００ｋＨｚのＬＦ電圧のＶｐｐは、ＨＦの周波数が１００ＭＨｚのＨＦ電圧のＶｐｐよりもはるかに大きい。よって、基本的には、ＬＦの電圧によって電極電位が決まり、ＨＦの電圧のＶｐｐの幅（振幅）で振動する。
電極上のシースについても、基本的にはＬＦの電圧に応じてシースの厚さが決まる。ＬＦの電圧が負のときの電極電位は、いわゆる自己バイアス電圧ＶｄｃによりＬＦの電圧が正のときの電極電位よりも負に深くなる。電極電位がグランド電位に対して正電位にあるときにはプラズマ電位に近くなる為、高速な一部の電子が電極に流入可能となり、グランド電位に対して負電位にあるときにはイオンが流入する。
電極はブロッキングコンデンサ（一実施形態では整合器）によりグランドからフローティングしているため、電極に流入した電子はグランドに流れない。よって、電極の表面がプラズマに対して正電位にある周期（半サイクル）に電子が電極に流入し蓄積していく。しかし、蓄積した電子のために電極の表面は負に帯電してプラズマに対して負のバイアスが発生する。その負のバイアスにより、イオンが電極の表面に流入するようになる。これにより、電極の表面にシースが形成される。
最終的には、電極の表面はプラズマ電位に接近し、そのときに流入する電子と、負のバイアスにより定常的に流入するイオンとが平衡したときの電極の電位のＤＣ成分が自己バイアス電圧Ｖｄｃである。
図３は、ＬＦの位相に対応した電極電位、ＬＦの位相に対応したプラズマ電位、シース厚及びインピーダンスＺを模式的に示す。プラズマ電位は、処理容器１０内の最も高い電位よりもわずかに高くなる。よって、プラズマ電位は、電極電位が正のときには電極電位よりもわずかに高くなり、電極電位が負のときには処理容器１０の壁の電位を０とすると、壁面の電位０よりもわずかに高くなる。
自己バイアス電圧ＶｄｃによりＬＦの電圧が負のときに電極電位が負に深くなると、シースの厚さは電圧に比例するため、電極電位が負のときには電極に大きな電圧がかかり、シースの厚さが厚くなる。これに対して、電極電位が正のときには電極電位が負のときと比べて電極には小さい電圧がかかるためにシースの厚さは薄くなる。
一実施形態では、載置台１６（下部電極）にＬＦ電力とＨＦ電力とが印加されるから、図４に示す電極電位は下部電極の電位となる。ＬＦの位相に対応して載置台１６上のシースの厚さはほぼフラットな薄い状態のタイミングと、シースが厚い状態のタイミングとがある。このため、シースをコンデンサと仮定すると、シースが薄いときにはコンデンサの容量は大きくなって、インピーダンスＺ＝１／ωＣよりシースのインピーダンスＺは低くなる。つまり、電極電位が正のときには、シースが薄いためにインピーダンスＺは低く、かつほぼ一定である。一方、電極電位が負のときには、シースが厚いためにインピーダンスＺは高く、かつ変化が大きくなる。更に、インピーダンスＺは、ＬＦの電圧によりほぼ決定される。以上から、ＨＦ電力のインピーダンス整合は難しくなる。特に、電極電位が負のとき、つまりＬＦの電圧が負のときには、インピーダンスは高くかつ変化が大きいため、ＨＦ電力のインピーダンス整合は難しくなる。
このようなインピーダンスＺの変動に対して、ＨＦ電力に対するインピーダンス整合を行う整合器８８は、モータの稼働により最大１Ｈｚ程度の周波数までは追従できるが、それ以上の周波数になると追従して整合を取ることが困難となり、ＬＦの位相によって刻々と変化するインピーダンスのうちの一つのタイミングに整合することになる。この状態では、整合器８８は、整合した一つのタイミング以外の他の位相では整合できていないため、ＩＭＤの反射波パワーは大きい。
そこで、一実施形態では、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、電極電位が正のときにＨＦの電力をオン又はＨｉｇｈに制御し、電極電位が負のときにＨＦの電力をオフ又はＬｏｗに制御する。
一実施形態では、電極電位が正のときには、インピーダンスＺはほぼ一定であるため、このタイミングでＨＦの電力を供給すれば整合が取り易い。このため、このタイミングではＨＦ電力をオン又はＨｉｇｈに制御する。一方、電極電位が負のときには、インピーダンスは高くかつ変化が大きいため、このタイミングでＨＦの電力を供給しても整合が取り難い。このため、このタイミングではＨＦ電力の供給をオフ又はＬｏｗに制御する。これにより、ＩＭＤの発生を低減できる。
図４（ｂ）に示すように、ＨＦの電力をＨｉｇｈ又はＬｏｗに制御する場合、電極電位が負のタイミングにおいてＨＦの電力をオフにせずＬｏｗに保持するため、ＨＦの電力をオン又はオフに制御する場合と比べてプラズマ密度の減少を抑制できる。また、電極電位が負のタイミングにおいて印加するＨＦの電力を、電極電位が正のタイミングにおいて印加するＨＦの電力よりも小さくすることで、ＩＭＤの発生を抑制できる。
ただし、電極電位が正のタイミングに一致させてＨＦの電力をオン又はＨｉｇｈにする制御方法は一例であり、これに限らない。基準電気状態の位相の少なくとも一部が正のときにＨＦの電力をオン又はＨｉｇｈに制御してもよい。また、基準電気状態の位相の少なくとも一部が負のときにＨＦの電力をオン又はＨｉｇｈに制御してもよい。つまり、ＨＦ電力（ソースパワー）は第１の状態と第１の状態よりも小さい第２の状態とを有し、第１の状態の期間は、基準電気状態の位相がピークとなるタイミングを含んでいてもよい。この場合のピークは、正のピークであってもよいし、負のピークであってもよい。また、第１の状態の期間は、基準電気状態の位相の少なくとも一部が正のタイミングを含んでもよい。また、第１の状態の期間は、基準電気状態の位相の少なくとも一部が負のタイミングを含んでもよい。また、ＨＦの電力は、基準電気状態の位相が正のタイミングに一致させた矩形波だけでなく、立ち上がりのスローアップ又は立ち下がりのスローダウンの少なくともいずれかを含む略矩形波を印加してもよい。また、ＨＦの電力は、基準電気状態の位相が正のタイミングから所定時間だけ後にずらしたタイミング又は所定時間だけ前にずらしたタイミングの少なくともいずれかに印加してもよい。
ＨＦの電力を基準電気状態の位相が正のタイミングから所定時間だけずらす制御方法の利用例としては次の場合が挙げられる。基準電気状態の位相が正のときだけにＨＦの電力を印加すると、イオンエネルギーが小さくなる。エッチングの種類によっては、より大きなイオンエネルギーのプロセスが望まれる場合がある。その場合には、ＬＦの基準電気状態が正から負になり、所望の大きさのイオンエネルギーが得られるタイミングまでＨＦの電力を印加する。これにより、イオンエネルギーの大きなプロセスを実現させることができる。
また、基準電気状態の位相が正のタイミングを基準にして、ＨＦの電力を所定時間だけ短く又は長くするようにＨＦの電力を供給する時間幅を調整してもよい。例えば、ＨＦの電力は、基準電気状態の位相が正のタイミングに加えてその前と後に所定時間を加えて供給してもよい。
基準電気状態の位相が負のタイミングでＨＦの電力を供給してもよい。ただし、基準電気状態の位相が負のタイミングではインピーダンスが高く、かつ時間により変化する。よって、この場合には基準電気状態の位相が負のタイミングであって、より短い時間幅にＨＦの電力をオンする制御が好ましい。例えばゲート機能やディレイ機能を有する回路でＨＦの電力を印加するタイミングや幅を調整することが好ましい。事前に、基準電気状態の一周期における反射強度を計測し、計測結果から、ＬＦの電力の反射が少ないタイミングにＨＦの電力を印加するように自動調整機能を有する回路を用いて制御してもよい。
例えば、図４（ｃ）に示すように、電極電位が負のタイミングで、電極の自己バイアスＶｄｃが負に最も大きくなる時間を含む短い時間幅にＨＦの電力をオン又はＨｉｇｈにし、それ以外の時間帯にはＨＦの電力をオフ又はＬｏｗにしてもよい。また、反射波パワーを前もって検出してその大きさに応じて、反射波パワーの多い時間帯にはＨＦの電力をオフ又はＬｏｗにし、反射波パワーの少ない時間帯にはＨＦの電力をオン又はＨｉｇｈにしてもよい。図４（ｃ）に示す電極電位が負に最も大きくなる時間を含む時間幅にＨＦの電力を短時間印加することで、ＨＡＲＣ（High Aspect Ratio Contact）等の特定のエッチングにおいて、強いイオンの打ち込みを実現できる。これにより、エッチング速度の向上やエッチング形状の向上を実現できる。
以上に説明したように、一実施形態に係るプラズマ処理装置１の制御方法によれば、基準電気状態の一周期内の位相に同期してＨＦの電力のオン・オフ又はＨｉｇｈ・Ｌｏｗを制御する。これにより、ＩＭＤの発生を低減できる。また、イオンエネルギーを制御し、ラジカルとイオンの量と質を制御することが可能になる。
なお、図３及び図４（ａ）～図４（ｃ）に一例を示すように、ＨＦの電力をオン又はＨｉｇｈに制御している状態は、第１の状態の一例であり、ＨＦの電力をオフ又はＬｏｗに制御している状態は、第２の状態の一例である。
一実施形態に係るプラズマ処理装置１の制御方法では、第１の状態と第２の状態とを基準電気状態の一周期内の位相と同期して交互に印加する第１制御工程を有する。第２の状態は第１の状態よりも小さければよく、第２の状態の電力は０であってもよいし、０以外の第１の状態よりも小さい値であってもよい。
［効果の一例］
次に、基準電気状態の一周期内の位相に同期してＨＦの電力のオン・オフ又はＨｉｇｈ・Ｌｏｗを制御する効果の一例について、図５～図７を参照して説明する。図５のグラフは、一実施形態に係るＬＦの位相とプラズマ密度Ｎｅと自己バイアスの絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係の一例を示す図である。図６及び図７は、一実施形態に係る反射波パワーの一例を示す図である。
図５のグラフは、基準電気状態の一周期に対し、ＨＦの電力をその一周期の約４０％の時間幅で、位相を変え周期的に印加し計測した実測結果であり、グラフの左の縦軸にプラズマ密度Ｎｅ（ｃｍ－３）を示し、右の縦軸に自己バイアスの絶対値｜Ｖｄｃ｜（Ｖ）を示す。プラズマ処理装置１の下部電極にＨＦの電力とＬＦの電力とを重畳して印加する場合、ＬＦの周期で下部電極のシースが変動し、その結果、インピーダンスＺが変化してプラズマ密度Ｎｅ及び自己バイアスＶｄｃが変動する。
電極電位が正のタイミングにＨＦの電力をオンし、電極電位が負のタイミングにＨＦの電力をオフする場合（図５の左上図参照）、図５の下のグラフの領域ａに示すように、プラズマ密度Ｎｅが高くなっており、プラズマ生成効率を高くできる。また、領域ａでは、自己バイアスの絶対値｜Ｖｄｃ｜が低くなっており、ＩＭＤの発生を効果的に抑制できる。
また、電極電位が正のタイミングにＨＦの電力をオフし、電極電位が負に最も大きくなるときを含む短時間にＨＦの電力をオンする場合（図５の右上図参照）、図５の下のグラフの領域ｂに示すように、プラズマ密度Ｎｅは中程度～高程度になり、プラズマ生成効率は中程度以上になる。これは、電極電位が負のときには電極に大きな電圧がかかり、シースの厚さが厚くなり、ＨＦの電力をオンしたときのＨＦの電界が低下し、プラズマの生成効率が低下するためである。
また、領域ｂでは、自己バイアスの絶対値｜Ｖｄｃ｜が高くなっており、イオンエネルギーの単色化、つまり、イオンエネルギーが揃ったイオンをウェハＷへ引き込むことができる。特に高アスペクト比のプロセスにおいて、単色化された高エネルギーのイオンをウェハＷへ引き込むことができる。このときＩＭＤの発生は高まるが、下部電極の電位が負に最も大きくなる短時間にＨＦの電力を印加することで、常時ＨＦの電力を印加する場合と比較してトータルとしてＩＭＤの発生を低減できる。
以上、一実施形態に係るプラズマ処理装置１によれば、例えば電極電位が正のタイミングを基準にＨＦの電力をオン又はＨｉｇｈに制御することで、ＩＭＤの発生を低減できる。また、電極電位が負のタイミングではシースが厚くなることで、プラズマ生成効率が低下することを課題として、電極電位の正のタイミングにＨＦの電力を印加することで、プラズマ生成効率を上げることができる。
また、電極電位が負であって最も深いタイミングに短時間だけＨＦの電力を印加することで、単色化された高エネルギーのイオンをウェハＷへ引き込むことができる。
例えば、図６の左の上下のグラフ及び図６の右の（ａ）及び（ｂ）の画面の波形は、制御部２００の反射検出器１１１による検出結果及びオシロスコープ１１２の表示結果の一例を示す。左の下側のグラフは、ＬＦの一周期のＶｐｐとＶｄｃを示す。Ｖｄｃが負に深い程シースが厚くなり、ＨＦの電力を印加したときのプラズマ生成効率が低下する。上側のグラフは、ＬＦの一周期のＶｐｐとＶｄｃに対するＨＦの進行波パワー（Ｐｆ）と反射波パワー（Ｐｒ）を示す。
図６の（ａ）のオシロスコープ１１２の表示の一例は、領域ｃに示すＬＦの位相が１８０°のときに測定されたＬＦの進行波パワーの波形Ａ、ウェハ上の高周波電力の振幅Ｂ（すなわち、ＬＦ電力とＨＦ電力の合算値）を示す。また、ＨＦの進行波パワーの波形をＣで示し、ＨＦの反射波パワーの波形をＤで示す。また、図６の（ｂ）のオシロスコープ１１２の表示の一例は、領域ｄに示すＬＦの位相が０°（＝３６０°）のときに測定されたＬＦの進行波パワーの波形Ａ、ウェハ上の高周波電力の振幅Ｂ、ＨＦの進行波パワーの波形Ｃ及びＨＦの反射波パワーの波形Ｄを示す。
これによれば、領域ｄでは、領域ｃよりも反射波パワーが小さい。よって、ＬＦの位相が０°を含むようにバイアスパワーの高周波の周期に同期する信号、又はバイアスパワーの給電系で測定された基準電気状態の一周期内の位相と同期して、ＨＦの電力を第１の状態（例えばオン又はＨｉｇｈ状態）と第２の状態（例えばオフ又はＬｏｗ状態）にするように交互に印加することで、ＩＭＤの発生を抑制できることがわかる。例えば、上述したように、電極電位が正のタイミングに合わせてＨＦの電力を第１の状態にし、電極電位が負のタイミングに合わせてＨＦの電力を第２の状態にすることで、自己バイアスの絶対値｜Ｖｄｃ｜に応じた制御を行い、ＩＭＤを抑え、プラズマ生成効率を高めることができる。また、電極電位に応じて任意のタイミングにＨＦの電力を第１の状態と第２の状態とに制御することで、プラズマ密度Ｎｅが高い領域と、自己バイアスの絶対値｜Ｖｄｃ｜が大きい領域とを利用して高エネルギーイオンをウェハＷへ引き込むことができる。また、この場合、ＨＦの電力をパルス状に印加することでトータルとしてＩＭＤの発生を低減できる。
図７は、ＬＦ Ｖｐｐ、ＬＦ ｜Ｖｄｃ｜、ＨＦの進行波パワー（Ｐｆ）、ＨＦの反射波パワー（Ｐｒ）の一例を示す。これによれば、ＨＦの反射波パワー（Ｐｒ）は、ＬＦの電圧の一周期の位相において最大で約５倍（約１０Ｗ～約５０Ｗ）に変化する。以上から、基準電気状態の一周期内の位相と同期してＨＦの電力を制御することにより、ＩＭＤを１／５程度に減少させることができる可能性がある。また、ＬＦ Ｖｐｐ、ＬＦ ｜Ｖｄｃ｜についても、基準電気状態の一周期内の位相と同期してＨＦの電力を制御することにより、最小値に対して最大で約１．６倍となる範囲で変化させることができることがわかる。
［変形例］
次に、一実施形態の変形例１～変形例４に係る制御方法について、図８～図１１を参照して説明する。図８は、一実施形態の変形例１に係る制御方法を説明するための図である。図９は、一実施形態の変形例２に係る制御方法を説明するための図である。図１０は、一実施形態の変形例３に係る制御方法を説明するための図である。図１１は、一実施形態の変形例４に係る制御方法を説明するための図である。
（変形例１）
上記に説明した実施形態では、基準電気状態の一周期内の位相と同期してＨＦの電力をパルス変調（図３のＨＦ ＡＭ変調参照）しようとすると、ＬＦの周波数と同じ周波数でパルス変調させるＨＦ電源が必要となり、コストが高くなる場合がある。
そこで、変形例１に係るプラズマ処理装置１では、図８（ａ）に示すように、第１の高周波電源４８及び第２の高周波電源９０に接続される給電ライン又は下部電極に、バイパスラインを構成する付加回路２５０が取り付けられる。付加回路２５０は、下部電極に接続される給電棒にコイル２５２及び可変コンデンサ２５１が直列に接続され、可変コンデンサ２５１は、処理容器１０に接続され、接地される。
付加回路２５０によりプラズマ側の負荷インピーダンスに対する処理容器１０側のインピーダンスの割合を大きく見せることによって、付加回路２５０がない場合に比べてインピーダンスが変化しても、付加回路２５０により、付加回路２５０及び処理容器１０側のインピーダンスを合算したインピーダンスＺが大きく変化することを緩和できる。例えば、図８（ｂ）に示すように、付加回路２５０により、合算のインピーダンスＺの変化を小さくすることで、基準電気状態の一周期内の位相と同期してＨＦの電力を印加したときに、ＩＭＤの発生をより抑制できる。また、付加回路２５０を取り付けるだけで、ＩＭＤを抑制する仕組みをシンプルで安価に構築できる。なお、付加回路２５０は、給電棒の分岐後の第２の高周波電源９０側に挿入されると、ＨＦ電力がＬＦ電力の影響を受けにくくなるため好ましい。第１の高周波電源４８と第２の高周波電源９０の間にフィルタを設ければ、さらにＨＦ電力がＬＦ電力の影響を受けにくくなり、合算のインピーダンスＺの変動を小さくでき、ＩＭＤの発生をより抑制できる。付加回路２５０は、コイル、コンデンサ又はダイオードの少なくともいずれかの素子を含んでもよい。
（変形例２）
変形例２に係るプラズマ処理装置１には、図９（ａ）に示すように、第１の高周波電源４８及び第２の高周波電源９０に接続される給電ライン又は下部電極に、インピーダンス変化回路３００が取り付けられる。インピーダンス変化回路３００は、プラズマ側の負荷インピーダンスとインピーダンス変化回路３００のインピーダンスの合成インピーダンスが一定になるようにインピーダンスを変化させるように機能する。又は、インピーダンス変化回路３００は、整合器８８から見たインピーダンスの変化を抑えるように、ＬＦの位相に応じてインピーダンスを変化させる。これにより、反射波パワーを抑え、ＩＭＤの発生を低減できる。インピーダンス変化回路３００は、ＬＦの位相（又はインピーダンス）、ＬＦのＶｄｃ又は反射波パワー等に応じて、インピーダンスを基準電気状態の一周期内で変化させ、これによりＩＭＤを抑える。
インピーダンス変化回路３００の一例としては、コンデンサがアレイ状に設けられ、電子スイッチでコンデンサの接続を切り替える構成が挙げられる。制御部２００は、電子スイッチの制御を行い、インピーダンス変化回路３００のインピーダンスを変化させる。
制御部２００は、例えば図９（ｂ）に示すように、プラズマ側の負荷インピーダンスとインピーダンス変化回路３００のインピーダンスとの合算のインピーダンスＺの変化を小さくするように、インピーダンス変化回路３００のコンデンサの接続を切り替える。これにより、基準電気状態の一周期内の位相と同期してＨＦの電力を印加したときに、インピーダンス整合が良好になりＩＭＤの発生をより抑制できる。
インピーダンス変化回路３００は、整合器８８の内部に挿入され、整合器８８と一体化されてもよい。インピーダンス変化回路３００は、給電棒の分岐後の第２の高周波電源９０側に挿入されると、ＨＦ電力がＬＦ電力の影響を受けにくくなるため好ましい。第１の高周波電源４８と第２の高周波電源９０の間にフィルタを設ければ、さらにＨＦ電力がＬＦ電力の影響を受けにくくなり、合算のインピーダンスＺの変動を小さくでき、ＩＭＤの発生をより抑制できる。
（変形例３）
変形例３では、図１０（ａ）に示すように、処理容器１０の上部に電磁石３５０が設けられている。電磁石３５０の位置は、図１０（ａ）の位置に限られず、処理容器１０の一部であればよく、例えば処理容器１０の内部であってもよい。制御部２００は、基準電気状態の位相（又はインピーダンス）、ＬＦの位相、バイアスパワーが印加される電極電位、ＬＦ Ｖｄｃ又はＨＦの反射波パワー等に応じて電磁石３５０の強弱を制御することで磁場の特性を変化させる。例えば図１０（ｂ）に示すように、シースが厚くなるＬＦ Ｖｄｃが負のときに磁場を強くし、シースが薄くなるＬＦ Ｖｄｃが正のときに磁場を弱く又は無くしてインピーダンスＺの変化を小さくする。これにより、ＩＭＤの発生をより抑制できる。なお、電磁石３５０は、マルチポール電磁石や固定磁石を用いることができ、磁場を発生させる磁場発生部の一例である。変形例３に示した電磁石３５０による制御は、変形例１の付加回路２５０又は変形例２のインピーダンス変化回路３００による制御と併用してもよい。
（変形例４）
シースの厚さが変わると、見かけ上の静電容量が変わり、ＨＦの共振周波数が変化する。整合器８８は、処理容器１０内のインダクタンス（例えば給電棒等）及びコンダクタンス（例えばシース等）のすべてのＬ成分とＣ成分とを合算して、ＨＦの周波数で共振するように機能し、整合を取る。
よって、シースの厚さが変わるとＣ成分が変わるため、本来は整合器８８が、シースの厚さの変化によるＣ成分の変化に対応して再度、整合を取らなければ反射波パワーが大きくなる。しかしながら、整合器８８は、可変コンデンサを動かすのに１秒くらいかかるため、シースの厚さの変化に追従できず、正確に整合を取ることができない場合がある。
そこで、変形例４では、制御部２００は、シース厚さの変化によるＣ成分の変化分だけＨＦの周波数を変化させる。つまり、ｆ（供給周波数）∝１／√ＬＣの供給周波数の式に基づき、シースの厚さ分のＣ成分の変化に応じてＨＦの周波数ｆを変化させる。
例えば電極上のシースの容量をＣと仮定し、容量Ｃがシースの厚さの変化に応じて４倍に変化すると、ＨＦの周波数を約２倍変化させる。これにより、シースの厚さの変化に応じて概ね整合がとれた状態とすることができる。
また、容量Ｃがシースの厚さの変化に応じて１０倍に変化すると、ＨＦの周波数を約３．３倍変化させる。これにより、シースの厚さの変化に応じて概ね整合がとれた状態とすることができる。つまり、変形例４では、図１１（ａ）に示すように、ＬＦの電圧の一周期の変化に応じたシースの厚さの変化に整合させるように、ＨＦの周波数を上記共振周波数の式に基づき変化させる。これにより、シースの厚さの変化に応じて概ね整合がとれた状態となり、ＨＦの反射波パワーを小さくすることができ、ＩＭＤの発生を抑制できる。なお、変形例４では、第２の高周波電源９０は、ＨＦの周波数を変えることが可能な周波数可変電源を用いる。なお、変形例４に示した制御は、変形例１の付加回路２５０、変形例２のインピーダンス変化回路３００又は変形例３の電磁石３５０の少なくともいずれかと併用してもよい。
また、上記実施形態及び上記変形例のすべての例に対して、ＬＦの位相、電極電位、給電系の電位、Ｖｄｃ、電極のシースの厚さ、プラズマの発光、ＨＦ電力の反射強度等のいずれかの元信号、計測信号に基づき、ゲート機能やディレイ機能を有する回路によるシフト時間や遅延幅の調整を行ってもよい。
また、ＬＦの電圧の一周期内の位相と同期してＨＦの電力を印加するタイミングを制御する替わりに、図１１（ｂ）に示すように、ＬＦの電圧のピークに対応するパルス状（以下、「ＬＦパルス」ともいう。）のパワーを印加し、ＬＦパルスに応じてＨＦの電力を印加するタイミングを制御してもよい。つまり、例えば４００ｋＨｚのＬＦに応じたＬＦパルスをオン・オフして印加し、これに応じてＨＦの電力をパルス状（ＨＦパルス）に制御してもよい。基準電気状態の位相のピークに対応するＬＦパルスのパワーを印加し、ＬＦパルスに応じてＨＦの電力を印加するタイミングを制御してもよい。
以上に説明したように、ＩＭＤはＬＦの電力に応じて発生の強度が異なる。このため、上記実施形態及び上記各変形例に係るプラズマ処理装置１の制御方法によれば、ＨＦの反射波パワーの低いタイミングを選択して、そのタイミングにＨＦの電力を印加することにより、ＩＭＤの発生を低減できる。ＩＭＤの発生を低減することで、プロセスやプラズマ処理装置１の安定性の向上、さらに装置コストの低減を図ることができる。さらに、プラズマ密度や自己バイアスＶｄｃ等を制御することが可能である。
ただし、ＨＦの電力を印加する時間が少なくなると、ＨＦの電力の絶対量が減り、プラズマ密度Ｎｅが低くなることが懸念される。そこで、基準電気状態が一周期内で２回ピークになるときを含む２回のタイミングのそれぞれにおいてＬＦの電力及びＨＦ電力を印加してもよい。その他、ＨＦ電力の印加の制御方法を自由に変えることができる。なお、ＨＦ電力の印加は、下部電極に限らず、上部電極であってもよい。
［制御方法］
以上に説明したように、一実施形態に係る平行平板型のプラズマ処理装置１の制御方法は、バイアスパワーを、ウェハＷを載置する下部電極に供給する工程と、バイアスパワーよりも高い周波数を有するソースパワーを下部電極又は上部電極に印加することでプラズマ処理空間に供給する工程とを含む。該制御方法では、ソースパワーは、第１の状態と第２の状態とを有し、第１の状態と第２の状態とをバイアスパワーの高周波の周期に同期する信号、又はバイアスパワーの給電系で測定された電圧、電流又は電磁界のいずれかを示す基準電気状態の一周期内の位相と同期して交互に印加する第１制御工程を含む。
上記制御方法は、平行平板型のプラズマ処理装置以外のプラズマ処理装置によっても実行することができる。平行平板型のプラズマ処理装置以外のプラズマ処理装置の制御方法は、バイアスパワーを下部電極に供給する工程と、バイアスパワーよりも高い周波数を有するソースパワーをプラズマ処理空間に供給する工程とを含む。該制御方法においても、ソースパワーは、第１の状態と第２の状態とを有し、第１の状態と第２の状態とを基準電気状態の一周期内の位相と同期して交互に印加する第１制御工程を含む。
［変形例５－１～５－４］
次に、一実施形態の変形例５－１～５－４に係るプラズマ処理装置１の制御方法について説明する。変形例５－１～５－４では、ソースパワー及び／又はバイアスパワーを間欠的に停止する制御を行う。図１３Ａ～図１３Ｄは、一実施形態の変形例５－１～５－４に係る制御方法を示すタイミングチャートである。
図１３Ａの変形例５－１では、第１制御工程に加えて、ソースパワーをＬＦ電圧により一例を示す基準電気状態の周期と独立した周期で間欠的に停止する第２制御工程を含む。第１制御工程と第２制御工程とは繰り返し実行される。
変形例５－１では、ＬＦ電圧は、第１制御工程及び第２制御工程において同じ周期で印加される。一方、ソースパワーは、第１制御工程において第１の状態と第２の状態とを交互に１回以上繰り返し、第２制御工程において第１制御工程の間で間欠的に停止される。
第１制御工程及び第２制御工程では、ＬＦの周波数は、例えば０．１Ｈｚ～１００Ｈｚであってもよい。なお、ソースパワーのＤｕｔｙ比（＝第４の状態／（第３の状態＋第４の状態））は、１％～９０％の範囲内であればよい。
第１制御工程における基準電気状態の周期と同期したソースパワーの状態は、第３の状態の一例である。第２制御工程における基準電気状態の周期と独立したソースパワーの状態は、第３の状態と異なる第４の状態の一例である。
図１３Ｂの変形例５－２にかかる制御方法は、変形例５－１と同じ第１制御工程に加えて、バイアスパワーをＨＦの電圧又は電流の周期とは独立した周期で間欠的に停止する第３制御工程を含む。第３制御工程におけるバイアスパワーの状態は、第４の状態の一例である。
変形例５－２では、第１制御工程と第３制御工程とが繰り返し実行される。変形例５－２では、第３制御工程におけるソースパワーは、第１制御工程と同じ周期で第１の状態と第２の状態とが繰り返される。
なお、第１制御工程においてＬＦの周波数は、例えば０．１Ｈｚ～１００Ｈｚであってもよい。なお、バイアスパワーのＤｕｔｙ比（＝第４の状態／（第３の状態＋第４の状態））は、１％～９０％の範囲内であればよい。
図１３Ｃの変形例５－３にかかる制御方法は、変形例５－１と同じ第１制御工程に加えて、変形例５－１の第２制御工程のソースパワーの制御と変形例５－２の第３制御工程のバイアスパワーの制御が行われる。つまり、変形例５－３におけるソースパワー及びバイアスパワーの両方を間欠的に停止した状態は、第４の状態の一例である。
バイアスパワーを間欠的に停止する周期とソースパワーを間欠的に停止する周期とは同期させてもよい。この場合、ソースパワー及びバイアスパワーを間欠的に停止する周期は、図１３Ｃに示すように一致してもよいし、図１３Ｄに示すように、ソースパワーがバイアスパワーよりも後ろにずれていてもよいし、ソースパワーがバイアスパワーよりも前にずれていてもよい。ソースパワーの停止時間がバイアスパワーの停止時間よりも長くてもよいし、短くてもよい。
［変形例５－１～５－４に係る制御方法の効果］
以上に説明したように、変形例５－１～変形例５－４に係る制御方法では、ラジカルとイオンの質と量を制御できる。具体的には、ＨＦをオフするとプラズマ中のイオンはほぼ消滅するが、ラジカルは寿命が長いため、ある程度の時間消滅せずに存在する。よって、例えばＨＦをオフする間、ラジカルを均一に拡散させることができる。また、ＨＦをオフ又はＬｏｗに制御する間、プラズマ中のイオンとラジカルとの比を変えることができる。これにより、ラジカルとイオンの量を制御できる。
また、ガスの解離が進むと解離の進行に応じたラジカルが生成される。例えば、Ｃ４Ｆ８ガスは、Ｃ４Ｆ８→Ｃ４Ｆ７ ＊→・・・・→ＣＦ２と解離が進み、解離の程度に応じて異なるラジカル（Ｃ４Ｆ７ ＊等）が生成される。解離を進行させるパラメータとしては、イオンエネルギーや反応時間がある。よって、バイアスパワーやソースパワーの印加タイミングや印加時間を制御することでイオンエネルギー及び／又は反応時間を制御し、プロセスに適したラジカルの生成を促進することでラジカルとイオンの質を制御できる。
また、バイアスパワーがオフの間、イオンエネルギーが減少するためエッチングが進まず、ホール等の底部に堆積した副生成物をホール外へ除去し、マスク上に堆積させることができる。また、バイアスパワーがオフの間、ウェハＷ上のパターン表面へラジカルを付着させることができる。これにより、マスク上に付着したラジカルがマスクを保護し、マスク選択比を向上させることができる。これにより、エッチングを促進し、エッチングレートを高めるとともに、エッチング形状を良好にすることができる。
以上では、ソースパワーを間欠的に停止するときの効果の一例を説明したが、これに限られない。例えば、バイアスパワーによってもプラズマを生成できる場合があり、バイアスパワーを間欠的に停止するときにも同じ効果が得られる場合がある。つまり、バイアスパワーを間欠的に停止することで、ラジカルとイオンの質と量を制御することができる。これにより、エッチングレートを高めるとともにエッチング形状を良好にすることができる。
なお、図１３Ａ～図１３Ｄでは、第３の状態において、ＬＦ Ｖｄｃが負に深いタイミングに、ソースパワーをオンしているが、これに限られず、ＬＦ Ｖｄｃが正のタイミングやその他のタイミングに、ソースパワーをオンしてもよい。また、ソースパワーを周期的にオン・オフする替わりに、周期的にＨｉｇｈ・Ｌｏｗに制御してもよい。
［変形例６］
次に、一実施形態の変形例６に係る制御方法について、図１４を参照して説明する。図１４は、一実施形態の変形例６に係る制御方法を示すタイミングチャートである。
例えば、変形例６に係る制御方法では、図１４に示すようにＬＦパルスが載置台１６に印加される。ＬＦパルスの正の値は、ＬＦ電圧の正のピークに一致し、ＬＦパルスの負の値は、ＬＦ電圧の負のピークに一致する。
この場合、変形例６に係る制御方法では、ＨＦの第１の状態と第２の状態とをＬＦパルスの一周期内の位相と同期して交互に印加する。これによっても、ラジカルとイオンの量と質を制御できる。
具体的には、ＬＦパルスが正の間の一部又は全部においてソースパワーをオフまたはＬｏｗに制御し、ＬＦパルスが負の間の一部又は全部においてソースパワーをオン又はＨｉｇｈに制御してもよい。これによれば、ＬＦパルスが２値化されており、これに応じてソースパワーを２値化して制御するため、制御が容易になる。なお、図１４は、図１３ＡのＬＦ電圧をパルス化したＬＦパルスに対応して図１３Ａに示すＨＦの状態を制御したが、これに限られない。例えば、図１３Ｂ～図１３ＤのＬＦ電圧をパルス化したＬＦパルスに対応して図１３Ｂ～図１３Ｄに示すＨＦの状態を制御してもよい。
［変形例７－１～変形例７－４］
次に、一実施形態の変形例７－１～変形例７－４に係る制御方法について、図１５Ａ～図１５Ｄを参照して説明する。図１５Ａは、一実施形態の変形例７－１に係る制御方法を示すタイミングチャートである。図１５Ｂは、一実施形態の変形例７－２に係る制御方法を示すタイミングチャートである。図１５Ｃは、一実施形態の変形例７－３に係る制御方法を示すタイミングチャートである。図１５Ｄは、一実施形態の変形例７－４に係る制御方法を示すタイミングチャートである。
図１５Ａ及び図１５Ｂに示す変形例７－１、変形例７－２に係る制御方法では、第１の制御工程において、ソースパワーの第１の状態と第２の状態とをＬＦ電圧や電極電位を一例とする基準電気状態の一周期内の位相と同期して交互に印加する。変形例７－１では、電極電位の負のタイミングに同期して、ソースパワーの第１の状態が段階的に２つ以上の状態を有する。また、変形例７－２では、電極電位の負のタイミングに同期して、ソースパワーの第１の状態が滑らかに２つ以上の状態を有する。ただし、ソースパワーの第１の状態は、電極電位の正のタイミングに同期してもよい。
図１５Ｃ及び図１５Ｄに示す変形例７－３、変形例７－４に係る制御方法では、第１の制御工程に加えて第２の制御工程を有し、第１の制御工程においてソースパワーの第１の状態と第２の状態とをＬＦ電圧を一例とする基準電気状態の一周期内の位相と同期して交互に印加する。変形例７－３では、電極電位の正のタイミングに同期して、ソースパワーの第１の状態が段階的に２つ以上の状態を有する。また、変形例７－４では、電極電位の正のタイミングに同期して、ソースパワーの第１の状態が滑らかに２つ以上の状態を有する。ただし、ソースパワーの第１の状態は、電極電位の負のタイミングに同期してもよい。
変形例７－１～変形例７－４では、第１の状態におけるソースパワーを複数の値に制御することで、より精度良くラジカルとイオンの量と質を制御できる。なお、図１５Ｃ及び図１５Ｄに示す第１制御工程に加えて図１５Ｃ及び図１５Ｄの第２制御工程の替わりに図１３Ｂに示す第３制御工程を有してもよいし、図１３Ｃ及び図１３Ｄに示す第２及び第３制御工程を有してもよい。
一実施形態の変形例３に係る制御方法では、基準電気状態の位相（又はインピーダンス）、ＬＦの位相、バイアスパワーが印加される電極電位、ＬＦ Ｖｄｃ又はＨＦの反射波パワー等に応じて電磁石３５０の強弱を制御する。これにより、整合器４６，８８から見たインピーダンスの変化を小さくすることで、ＩＭＤの発生を抑制できる。また、一実施形態の変形例４に係る制御方法では、シース厚さの変化によるＣ成分の変化分だけＨＦの周波数を変化させる。つまり、ｆ（供給周波数）∝１／√ＬＣの供給周波数の式に基づき、シースの厚さ分のＣ成分の変化に応じてＨＦの周波数ｆを変化させる。これにより、シースの厚さの変化に応じて概ね整合がとれた状態となり、ＨＦの反射波パワーを小さくすることができ、ＩＭＤの発生を抑制できる。なお、変形例４では、第２の高周波電源９０は、ＨＦの周波数を変えることが可能な周波数可変電源を用いる。
周波数可変電源は、負荷インピーダンスが一定の場合には、連続的に周波数を変え、ソースパワーの反射波パワーが極力小さくなるように制御している。ところが、ＬＦの電圧又は電流の一周期内の位相に同期させてソースパワーを制御する場合において、ＬＦの電圧又は電流の一周期内でＨＦの負荷は周期的に大きく変動する。よって、第２の高周波電源９０は、一周期内のＬＦの位相に応じて周期的に大きく変動するシース厚さ、より好ましくはシース厚さに応じたインピーダンスに対応して周波数を変化させる必要がある。
例えば、図１６は、一実施形態に係るＨＦの反射波パワー（ＨＦ－Ｐｒ）の一例を示す図である。ＨＦの反射波パワーは、ガス種やＬＦの位相で変わる。例えば、図１６（ａ）は、処理容器１０内にアルゴンガスを供給し、５００ＷのＨＦの進行波パワー（ＨＦ－Ｐｆ）を印加し（Ａ参照）、１０００ＷのＬＦパワーを印加した場合のＨＦの反射波パワー（Ｂ参照）の一例を示す。図１６（ｂ）は、処理容器１０内にＳＦ６ガスを供給し、５００ＷのＨＦの進行波パワーを印加し（Ａ参照）、１０００ＷのＬＦパワーを印加した場合のＨＦの反射波パワー（Ｂ参照）の一例を示す。なお、Ｃは載置台１６上に搭載されたウエハの電位を示す。ウエハの電位は、ＬＦの周波数が例えば４００ｋＨｚのときのＬＦ電圧のＶｐｐにほぼ等しく、ＨＦの周波数が例えば１００ＭＨｚのときのＨＦの電圧のＶｐｐの幅（振幅）が加算され、両方の電位で振動する。
図１６（ａ）及び（ｂ）のＢを見ると、アルゴンガスを供給した場合と、ＳＦ６ガスを供給した場合とで、ＬＦの一周期内の位相に対するＨＦの反射波パワーの出方が異なっていることが分かる。
ＨＦの反射波パワーの出方の違いに応じて第２の高周波電源９０から出力するＨＦの出波数を、リアルタイムに最適な周波数に変えることは、第２の高周波電源９０が最適な周波数を決めるには時間がかかるため、現実的ではない。例えば、通常の周波数可変電源は、周波数をずらして反射波パワーを計測する作業を、最高で１ｋＨｚ～１０ｋＨｚで行うことができる。一方、例えば４００ｋＨｚのＬＦに対して、一周期を１０分割すると４ＭＨｚとなり、更に分割内で１０回波長をシフトさせるためには、４０ＭＨｚで波長を変え、これに同期してリアルタイムにＨＦの反射量及び周波数の変化方向を決める必要がある。この作業は、通常の周波数可変電源の動作周波数では間に合わず、現実的ではない。
そこで、一実施形態の変形例８～変形例１１に係る制御方法では、基準電気状態の一周期内の位相（本変形例ではＬＦの位相）と同期してＨＦの反射波パワーを制御する際に、ＬＦの一周期を分割した各位相においてＨＦの反射が少ない周波数を求め、ＨＦの反射波パワーを最小限に抑える。変形例８～変形例１１においてＬＦの各位相は、ＬＦの一周期を最低でも１０分割したときの各位相を示す。ただし、ＬＦの一周期の分割数は、これに限られず、１０分割～１００分割のいずれでもよい。ＬＦの一周期の位相の分割数が多い方が制御の精度が高くなり、ＨＦの反射波パワーをより少なくすることができる。変形例８～変形例１１の制御は、プロセッサ１００により実行される。
［変形例８］
まず、図１７を参照して、一実施形態の変形例８に係る制御方法について説明する。図１７は、一実施形態の変形例８に係る制御方法を説明するためのタイミングチャートである。一実施形態の変形例８に係る制御方法では、ＬＦの一周期内を複数に分割した各位相に同期してＨＦの周波数を変える。そして、そのときのＨＦの反射波パワーをモニターし、モニター結果からそれぞれの位相においてＨＦの反射波パワーが少なくなるように第２の高周波電源９０のＨＦの周波数が制御される。そして、この第２の高周波電源９０から出力するＨＦの新たな周波数を見出すシーケンスを、プロセス前、プロセス中等に所定時間毎に実施し、その結果に基づき第２の高周波電源９０が制御するＨＦの周波数を決定する。
図１７の横軸は時間を示し、縦軸の左はＨＦの進行波パワー（ＨＦ－Ｐｆ）及び反射波パワー（ＨＦ－Ｐｒ）を示し、縦軸の右はウエハ電位を示す。
図１７の１回目の周期では、ＬＦの最初の一周期内（Ｃの１周期目）において第２の高周波電源９０制御する周波数を初期周波数に設定したときのＨＦの反射波パワー（Ｂ参照）を示す。初期周波数は任意の値であり、例えば一つの基本周波数（例えば、４０ＭＨｚ）に設定されている。
図１７の２回目の周期では、ＬＦの２番目の一周期内（Ｃの２周期目）において第２の高周波電源９０が制御する周波数を初期周波数から他の周波数に変える。ただし、２回目では、ＬＦの一周期の位相のうち分割数に応じた位相毎に周波数を上げ下げすることはせず、周波数を増やす又は減らす、のどちらかに設定し、反射量の位相依存結果を取得する。図１７の２回目の例では、周波数（２回目周波数）を上げた例を示しているが、下げてもよい。
この結果、図１７の実線Ｂで示すＨＦの２回目反射波パワーは、破線Ｂで示すＨＦの１回目反射波パワーよりも、位相によって反射が減ったところと増えたところがあることがわかる。図１７では、ＬＦが正の位相の場合にＨＦの反射波パワーが減り、ＬＦが負の位相の場合にＨＦの反射波パワーが増えている時間帯がある。ただし、このときの反射波パワーは一例を示すものに過ぎず、これに限らない。
図１７の３回目の周期では、ＬＦの３番目の一周期内において第２の高周波電源９０が制御する周波数のシフト方向及びシフト量を、前回の位相毎のＨＦの反射波パワーの増減に基づき決定する。図１７に示す３回目周波数は、決定したシフト方向及びシフト量の一例である。また、このときの反射波パワーは一例を示すものに過ぎず、これに限らない。
第２の高周波電源９０が一度に制御する周波数のシフト量及び最初のシフト方向（３回目周波数の矢印の方向）は過去のデータに基づき決定してもよい。過去のデータに基づき制御する周波数のシフト量、最初のシフト方向を予めレシピに設定し、レシピに基づいて制御してもよい。過去のデータは、前回のＨＦの反射波パワーであってもよいし、前々回のＨＦの反射波パワーであってもよいし、前回及びそれ以前のＨＦの反射波パワーであってもよい。例えば、前回の反射波パワーの状態に基づいて、ＬＦの一周期を分割した位相毎に各位相におけるＨＦの反射波パワーが減るように、次のＬＦの一周期を分割した位相毎の周波数のシフト方向及びシフト量を決定してもよい。前回の反射波パワーの状態に加えて、又は前回の反射波パワーの状態の替わりに前回よりも前の過去の反射波パワーの状態に基づいてシフト方向及びシフト量を決定してもよい。
３回目の第２の高周波電源９０が制御する周波数は反射が減る方向にシフトさせるが、その際の制御タイミングでは、例えばＬＦの一周期を１０分割する場合、ＬＦの一周期を１０分割した時間間隔で周波数を変える。
４回目以降、第２の高周波電源９０は、３回目のデータ又はそれ以前に事前に得られたデータに基づき、最適な周波数でＨＦを発振させていく。第２の高周波電源９０が制御する周波数は、許容周波数の範囲で、予め定められた指定回数又はＨＦの反射波パワーが予め定められた指定量になるまで繰り返すことで、ＬＦの一周期の各位相においてＨＦの反射波パワーが小さい周波数を絞り込むことができる。
一実施形態の変形例８に係る制御方法では、以上に説明したシーケンスを指定のタイミングで行う。これにより、ＬＦの位相やガス種により変化するＨＦの反射波パワーを極力小さくすることができる。なお、指定のタイミングの一例としては、ＬＦの一周期をｎ（ｎ≧１０）分割したときの時間間隔のシンクロパルス周期、レシピ内で指定された時間、予め定められた時間間隔等が挙げられる。
［変形例９］
次に、図１８を参照して、一実施形態の変形例９に係る制御方法について説明する。図１８は、一実施形態の変形例９に係る制御方法を説明するためのタイミングチャートである。一実施形態の変形例９に係る制御方法では、変形例８と同様に、第２の高周波電源９０がＬＦの一周期内の各位相に同期してＨＦの周波数を制御することに加えて、第２の高周波電源９０が出力するソースパワーの値も制御する。
例えば、図１８に示すように、Ｂにて示すＨＦの反射波パワーが小さいＢ１付近の時間帯には、第２の高周波電源９０は、ＨＦの周波数を制御し（図１７参照）、かつＤで示すＨＦパワー（ソースパワー）の出力をＤ１に示すように大きくする。逆に、ＨＦの反射波パワーが大きいＢ２の時間帯には、第２の高周波電源９０は、ＨＦの周波数を変え、かつソースパワーの出力をＤ２に示すように小さくする。
一実施形態の変形例９に係る制御方法では、ＬＦの位相やガス種により変化するＨＦの反射波パワーを極力小さくすることができ、かつ、ＨＦの反射波パワーが小さいときにはソースパワーを上げることで、プラズマ密度の減少を抑制できる。なお、ＬＦが正の位相であれば、第１のソースパワー～第２のソースパワーの範囲でソースパワーを制御し、ＬＦが負の位相であれば、第３のソースパワー～第４のソースパワーの範囲でソースパワーを制御するようにしてもよい。第１のソースパワー～第２のソースパワーの範囲と第３のソースパワー～第４のソースパワーの範囲とは異なる範囲であってもよいし、同じ範囲であってもよいし、一方の範囲が他方の範囲に包含されてもよいし、一部において重複してもよい。
［変形例１０］
次に、図１９を参照して、一実施形態の変形例１０に係る制御方法について説明する。図１９は、一実施形態の変形例１０に係る制御方法を説明するためのタイミングチャートである。
図１９の横軸には、ＬＦの一周期とＲＦパルスの一周期の一例が示されている。ＲＦパルスの一周期は０．１～１００ｋＨｚであってもよし、これより長くてもよいし、短くてもよいが、ＬＦの一周期よりも長い時間帯に設定される。一実施形態の変形例１０に係る制御方法では、第２の高周波電源９０は、例えば周波数がＲＦパルスの一周期の位相を複数に分割した各位相に応じてＨＦの周波数を制御してもよい。ＲＦパルスの一周期の位相を複数に分割した各位相に応じてＨＦの周波数とソースパワーとを制御してもよい。
特に、ＲＦパルスのオン及びオフの直後は、プラズマ密度Ｎｅの変化及び電極電位の変化が大きく、ＨＦの反射波パワーがＲＦパルスの定常時とは異なる変化になり易い。そこで、図１９に示すように、一周期毎のＲＦパルスをオンした時刻Ｖの直後はＬＦの立ち上がりに時間がかかり、シース厚は薄い（つまり、シースの容量大）。このため、ＲＦパルスをオンした時刻Ｖの直後、第２の高周波電源９０は、ＨＦの周波数を高く制御する（Ｅ参照）。
また、図１９では、ＲＦパルスの後半の時間にバイアスパワーがオフしている（Ｃ１参照）。この間、ＨＦの反射波パワーは、Ｂ３にて示すように０に近く一定である。つまり、バイアスパワーがオフし、ソースパワーがオンしているタイミングでは、バイアスパワーがオフしているために、シースのインピーダンスは常に一定である。このためで、ＨＦの反射波パワーは一定になる。よって、バイアスパワーがオフしている間、ＨＦの反射波パワーが最小限になるように周波数が決定され、第２の高周波電源９０は、決定した周波数のソースパワーを出力する。
バイアスパワーがオフしている間、ソースパワーはオフに制御してもよいし、オンに制御してもよい。例えば、図１９のＣ１に示すように、バイアスパワーがオフしている間、前半はＨＦの周波数をＥ１の周波数に設定し、かつソースパワーをＨｉｇｈ（又はオン）に制御し、後半はＨＦの周波数をＥ２の周波数に変え、かつソースパワーをＬｏｗ（又はオフ）に制御してもよい。なお、ソースパワー及びバイアスパワーを間欠的に停止する周期は、一致してもよいし、ソースパワーがバイアスパワーよりも後ろにずれていてもよいし、ソースパワーがバイアスパワーよりも前にずれていてもよい。ソースパワーの停止時間は、バイアスパワーの停止時間よりも長くてもよいし、短くてもよい。
なお、変形例８～変形例１０に係る制御方法は、図２Ａのプロセッサ１００により実行され、信号発生回路１０２を介してＨＦの周波数及びＨＦのパワーを制御する制御信号が第２の高周波電源９０に送られる。第２の高周波電源９０は、制御信号に従い、出力するＨＦの周波数やパワーを変える。
［変形例１１］
次に、図２０を参照して、一実施形態の変形例１１に係る制御方法について説明する。図２０は、一実施形態の変形例１１に係る制御方法を説明するためのタイミングチャートである。
変形例１０において説明したように、ＲＦパルスをオンした直後はＬＦの立ち上がりに時間がかかり、シース厚は薄い（つまり、シースの容量大）。このため、ＲＦパルスの立ち上がりでは、プラズマ密度Ｎｅが大きく変化し、インピーダンスの変動が大きい。
そこで、変形例１１に係る制御方法では、第２の高周波電源９０は、ＬＦの一周期においてＲＦパルスの立ち上がりのタイミング、つまり、図２０のＥ３のときに複数の周波数の合成波を発振させる。図２Ａの反射検出器１１１は、複数の周波数のそれぞれに対するＨＦの反射波パワーを検出する。検出した周波数毎のＨＦの反射波パワーは、プロセッサ１００に送られる。
例えば、第２の高周波電源９０が、周波数を３５ＭＨｚ～４５ＭＨｚまで増幅できる場合であって、４１、４２、４３、４４、４５ＭＨｚの５つの周波数の合成波を発振させたとする。このうち、反射検出器１１１は、５つの周波数のソースパワーに対する反射波パワーをそれぞれ検出し、プロセッサ１００に送る。プロセッサ１００は、このうちから反射波パワーの最も少ない周波数を選択する。
例えば、反射波パワーの最も少ない周波数が４１ＭＨｚであった場合、次のＬＦの一周期においてＲＦパルスの立ち上がりのタイミングには、４１ＭＨｚに周波数を決定し、第２の高周波電源９０から出力するＨＦの周波数としてもよい。また、図２０のＥ４では、例えば前回最も反射波パワーの少なかった４１ＭＨｚの周波数を中心に、３９、４０、４１、４２、４３ＭＨｚの５つの周波数のソースパワーを出力してもよい。
これにより、第２の高周波電源９０から出力するＨＦの周波数を、ＨＦの反射波パワーが最も少ない、目標とする周波数に最速で到達できる。この結果、第２の高周波電源９０から出力するソースパワーをより早くＨＦの反射波パワーが少ない周波数に持っていくことができ、より早くプラズマを着火させることができる。
なお、プロセッサ１００が変形例１１に係る制御方法を実行する場合、図２Ａの反射検出器１１１が検出した複数の周波数に対応するＨＦの反射波パワーに基づき、信号発生回路１０２を介してＨＦの周波数を制御する制御信号が第２の高周波電源９０に送られる。
ただし、これに限られず、第２の高周波電源９０が、上記プロセッサ１００の機能を有してもよい。この場合、反射検出器１１１が検出した複数の周波数に対応するＨＦの反射波パワーは、反射検出器１１１から第２の高周波電源９０に直接送られる。
この場合、第２の高周波電源９０は、プロセッサ１００の機能を有する制御部を有する可変周波数電源として実現可能である。すなわち、この場合、可変周波数電源が有する制御部は、反射検出器１１１から複数のＨＦの周波数のそれぞれに対応するＨＦの反射波パワーを取得し、取得したＨＦの反射波パワーに基づき、最も反射波パワーの少ない周波数を選択する。そして、制御部は、選択した周波数のソースパワーを可変周波数電源から出力するように決定する。可変周波数電源は、ソースパワーの周波数を決定した周波数に変え、かつ所定のパワーで出力する。これにより、第２の高周波電源９０は、プロセッサ１００及び信号発生回路１０２を用いずに、出力するＨＦの周波数及びソースパワーを制御できる。これにより、第２の高周波電源９０は、変形例８～変形例１１の制御方法を、プロセッサ１００を用いずに実行できる。
変形例１１の制御方法では、複数の周波数が合成された高周波を用いたが、変形例８～１０の制御方法においても、複数の周波数が合成された高周波を用いることができる。また、複数の周波数の高周波の混合比率を変形例８～１０の制御方法にて自由に変えたり、最適化するシーケンスを有してもよい。
以上に説明した変形例８～変形例１１の制御方法では、被処理体を載置する第１の電極を有するプラズマ処理装置の制御方法であって、バイアスパワーを前記第１の電極に供給する工程と、前記バイアスパワーよりも高い周波数を有するソースパワーをプラズマ処理空間に供給する工程と、を有し、前記ソースパワーは、第１の状態と第２の状態とを有し、前記第１の状態と前記第２の状態とを前記バイアスパワーの高周波の周期に同期する信号、又は前記バイアスパワーの給電系で測定された電圧、電流又は電磁界のいずれかを示す基準電気状態の一周期内の位相を複数に分割したときの各位相に応じて２以上の周波数に制御する第１制御工程を含む、制御方法が提供される。
［変形例１２］
変形例１２では、ＨＦの電圧の第１の状態が、２つ以上の電圧値を繰り返すパルス状の電圧値をとる。図２１の例では、ＨＦの電圧の第１の状態は、正の電圧値と０の電圧値とを繰り返す。ただし、これに限られず、３つの電圧値を繰り返す等、２つ以上の電圧値を繰り返してもよい。
［変形例１３］
バイアスパワーは、サイン波形又はパルス波形のパワーであってもよいし、テイラード波形のパワーであってもよい。つまり、バイアスの電圧又は電流は、サイン波形であってもよいし、ＬＦパルス波形であってもよいし、図２２に示すテイラード波形でもよい。テイラード波形では、図２２に示すＨＦが第２の状態のときにバイアスのパワーを変調してもよいし、第１の状態のときにバイアスのパワーを変調してもよい。
なお、同様にして、ＨＦの第１の状態が２つ以上の電圧値をとる場合、ＨＦの波形は、図１５Ａ～図１５Ｄ、図２１に示す波形の他、図２２に示すテイラード波形でもよい。
今回開示された一実施形態に係るプラズマ処理装置及び制御方法は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得る。また、上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
本開示に係るプラズマ処理装置は、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna（RLSA）、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のどのタイプにも適用可能である。
たとえば、被処理体を載置する第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極とを有するプラズマ処理装置の制御方法であって、バイアスパワーを前記第１の電極に供給する工程と、前記バイアスパワーよりも高い周波数を有するソースパワーをプラズマ処理空間に供給する工程とを有し、前記ソースパワーは、第１の状態と第２の状態とを有し、前記第１の状態と前記第２の状態とを前記基準電気状態の一周期内の位相と同期して交互に印加する第１制御工程を含んでもよい。
被処理体を載置する第１の電極を有するプラズマ処理装置の制御方法であって、バイアスパワーを前記第１の電極に供給する工程と、前記バイアスパワーよりも高い周波数を有するソースパワーをプラズマ処理空間に供給する工程と、を有し、前記ソースパワーは、第１の状態と第２の状態とを有し、前記第１の状態と前記第２の状態とを前記基準電気状態の一周期内の位相と同期して交互に印加する第１制御工程を含む、制御方法を含んでもよい。
前記バイアスパワーよりも高い周波数を有するソースパワーをプラズマ処理空間に供給する工程は、プラズマを生成するためのプラズマ生成源が、マイクロ波源、高周波電源等のソースパワーをプラズマ処理空間に供給することで実行されてもよい。
本明細書では、被処理体の一例としてウェハＷを挙げて説明した。しかし、基板は、これに限らず、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)、ＦＰＤ(Flat Panel Display)に用いられる各種基板、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。
１…プラズマ処理装置
１０…処理容器
１６…載置台（下部電極）
３４…上部電極
４７…給電棒
４６…整合器
４８…第１の高周波電源
５０…可変直流電源
６６…処理ガス供給源
８４…排気装置
８８…整合器
８９…給電棒
９０…第２の高周波電源
９１…ＧＮＤブロック
１００…プロセッサ
１０２…信号発生回路
１０５，１０８…方向性結合器
１１１…反射検出器
１１２…オシロスコープ
２００…制御部
２５０…付加回路
３００…インピーダンス変化回路
３５０…電磁石

Claims (17)

  1. チャンバと、
    前記チャンバ内で基板を支持するように構成されたステージと、
    バイアスを前記ステージに供給するように構成された第１電源と、
    前記バイアスの波形の周期よりも短い周期の逆数である振動周波数を有する高周波電力を供給するように構成された第２電源と、
    制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    （ａ）前記第１電源を制御して前記ステージに前記バイアスを供給することと、
    （ｂ）前記第２電源を制御して前記高周波電力を供給することと、
    （ｃ）前記バイアスの前記波形の第ｎ番目の周期（ｎは整数）の各位相における前記高周波電力の前記振動周波数を、前記第ｎ番目の周期よりも前の前記バイアスの前記波形の周期の同一の位相における前記高周波電力の反射の度合いに基づいて設定することと、
    （ｄ）前記ｎの値を変更して前記（ｃ）を実行することと、
    を実行するように構成されている、プラズマ処理装置。
  2. 前記（ｃ）において、前記第ｎ番目の周期よりも前の前記バイアスの前記波形の周期は、第（ｎ－Ｎ）番目の周期であり、ここで、Ｎは、定数であり、１以上の整数である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記制御部は、前記（ａ）、前記（ｂ）、前記（ｃ）、及び前記（ｄ）をプロセス中に実行するように構成されている、請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記ステージに設けられる第１電極と、
    前記第１電極と対向する第２電極と、
    を更に備え、
    前記第１電源は、前記第１電極に前記バイアスを供給し、
    前記第２電源は、前記第１電極又は前記第２電極に前記高周波電力を供給する、
    請求項１～３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記第２電源は、前記ステージに前記高周波電力を供給する、
    請求項１～４の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記チャンバ内のプラズマ処理空間の上部又は内部に配置される電磁石を有し、
    前記制御部は、前記プラズマ処理空間における磁場を制御するために、前記電磁石を制御するように構成されている、
    請求項１～５の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記第１電源は、０．１ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数の逆数である前記バイアスの前記波形の前記周期により前記バイアスを供給する、
    請求項１～６の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記振動周波数は、１３．５６ＭＨｚ以上である、
    請求項１～７の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記制御部は、前記第ｎ番目の周期を１０分割以上した時間間隔のそれぞれにおいて、前記振動周波数を変更するように前記第２電源を制御するように構成されている、
    請求項１～８の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記バイアスの前記波形は、サイン波、パルス波、又はテイラード波形である、請求項１～９の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記反射の度合いは、前記高周波電力の反射波パワーである、
    請求項１～１０の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  12. 前記制御部は、前記反射の度合いが低減するように、前記振動周波数を調整するように構成されている、
    請求項１～１１の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  13. 前記制御部は、予め定められた指定回数になるまで、前記（ｄ）を繰り返して実行するように構成されている、
    請求項１～１２の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  14. 前記制御部は、前記高周波電力の反射の度合いが予め定められた指定量になるまで、前記（ｄ）を繰り返し実行するように構成されている、
    請求項１～１２の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
  15. プラズマ処理装置のチャンバ内で基板を支持するように構成されたステージに、バイアスを供給するように構成された第１電源と、
    前記バイアスの波形の周期よりも短い周期の逆数である振動周波数を有する高周波電力を供給するように構成された第２電源と、
    を備え、
    （ａ）前記第１電源から前記ステージに前記バイアスを供給することと、
    （ｂ）前記第２電源から前記高周波電力を供給することと、
    （ｃ）前記バイアスの前記波形の第ｎ番目の周期（ｎは整数）の各位相における前記高周波電力の前記振動周波数を、前記第ｎ番目の周期よりも前の前記バイアスの前記波形の周期の同一の位相における前記高周波電力の反射の度合いに基づいて設定することと、
    （ｄ）前記ｎの値を変更して前記（ｃ）を実行することと、
    を実行するように構成されている、電源システム。
  16. （ａ）プラズマ処理装置のチャンバ内で基板を支持するように構成されたステージに第１電源からバイアスを供給する工程と、
    （ｂ）第２電源から、前記バイアスの波形の周期よりも短い周期の逆数である振動周波数を有する高周波電力を供給する工程と、
    （ｃ）前記バイアスの前記波形の第ｎ番目の周期（ｎは整数）の各位相における前記高周波電力の前記振動周波数を、前記第ｎ番目の周期よりも前の前記バイアスの前記波形の周期の同一の位相における前記高周波電力の反射の度合いに基づいて設定する工程と、
    （ｄ）前記ｎの値を変更して前記（ｃ）を実行する工程と、
    を含む制御方法。
  17. 請求項１６に記載された制御方法をプラズマ処理装置に実行させるためのプログラム。
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