JP2014222702A - ガスを供給する方法、及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理装置において、流量制御器の上限流量に制限されることなく、付加ガスの供給開始時に大きな流量の付加ガスを供給することができ、スループットを向上できる方法を提供する。【解決手段】ガスを供給する方法は、処理ガスを第１の分岐ライン及び第２の分岐ラインを介して中央ガス導入部及び周辺ガス導入部にそれぞれ供給する工程と、付加ガス用のガスラインにおいて下流側のバルブを閉じて、当該バルブと上流の流量制御器との間の管に付加ガスを充填する工程と、付加ガスの充填後にバルブを開放する工程と、バルブの開放後に、高周波電源から上部電極及び下部電極の一方に高周波電力を供給する工程と、を含む。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、ガスを供給する方法、及びプラズマ処理装置に関するものである。

半導体デバイスといった電子デバイスの製造においては、被処理体に対する処理の一種としてプラズマ処理が行われることがある。プラズマ処理では、処理容器内にガスが供給され、当該ガスのプラズマが生成される。このプラズマに被処理体が晒されることにより、被処理体に対する成膜又はエッチングといった処理が行われる。このようなプラズマ処理を実施するためのプラズマ処理装置の一種として、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置が知られている。

平行平板プラズマ処理装置は、処理容器、載置台、及び、シャワーヘッドを備えている。載置台は処理容器内に設けられており、下部電極を構成している。シャワーヘッドは、処理容器内にガスを供給するための構造体であり、上部電極を構成している。このプラズマ処理装置では、処理容器内にガスが供給され、上部電極又は下部電極に高周波電力が供給される。これによって、処理容器内においてガスのプラズマが生成される。

ところで、プラズマ処理においては、被処理体の処理の面内均一性が重要な要素となっている。プラズマ処理の面内均一性を向上させるための一手法として、被処理体の中央領域と周辺領域に対してガス種及び／又は流量の異なるガスをそれぞれ供給する技術が提案されている。かかる技術は、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された技術では、シャワーヘッドの内部空間が二つのガス拡散室に区切られている。二つのガス拡散室には、処理ガスのソースから第１分岐管及び第２分岐管を介して処理ガスがそれぞれ供給される。また、第２分岐管には、付加ガスのソースから延びる付加ガス供給管が接続されている。この付加ガス供給管は、付加ガスの流量を制御するための流量制御器を含んでいる。特許文献１の技術では、処理ガスが第１分岐管及び第２分岐管に供給された後、予め設定された流量（以下、「処理流量」という）よりも大きな先出し流量に設定された付加ガスが、付加ガス供給管に供給される。これにより、付加ガス供給管の圧力が急速に高められる。しかる後に、付加ガスの流量が処理流量に戻される。次いで、高周波電力が上部電極に供給され、プラズマが生成される。これにより、特許文献１の技術では、処理容器内に供給される付加ガスの流量が処理流量に到達するために要する時間を短縮させている。

特開２００７−２０８１９４号公報

しかしながら、流量制御器は、制御可能な最大出力流量に上限を有する。より詳細には、最大出力流量の大きな流量制御器は、被処理体の処理時の流量の範囲における制御性能が劣る。したがって、被処理体の処理時の処理流量を高精度に制御するためには、最大出力流量の小さな流量制御器を用いる必要がある。このように、先出し流量の大きさには限界が存在するので、先出し流量を大きな流量に設定することができないことがある。よって、先出し流量で付加ガスを流す時間を長くとる必要が生じ得る。先出し流量で付加ガスを流す時間が長くなると、これに応じて高周波電力の供給前に処理ガスを流す時間も長くなる。また、特許文献１に記載された技術では、先出し流量で付加ガスを流し始めてから処理流量に安定するまでの時間も長くなる。したがって、特許文献１に記載された技術では、処理に利用されず無駄になる処理ガスの量が多くなり得る。また、先出し流量で付加ガスを流し始めてから処理流量に安定するまでの時間が長くなると、スループットも低下する。かかる背景から、流量制御器の上限流量に制限されることなく、付加ガスの供給開始時に大きな流量の付加ガスを供給することが必要となっている。

一側面においては、被処理体を処理するためのプラズマ処理装置の処理容器内にガスを供給する方法が提供される。プラズマ処理装置は、処理容器と、処理容器内に設けられ、下部電極を構成する載置台と、載置台の上方に設けられ、上部電極を構成するシャワーヘッドと、上部電極及び下部電極の一方に高周波電力を供給する高周波電源と、シャワーヘッドに処理ガス及び付加ガスを供給するためのガス供給系と、を備える。シャワーヘッドは、載置台の中央領域に対面する中央ガス導入部、及び、載置台の中央領域よりも外側の領域に対面する周辺ガス導入部、を含む。ガス供給系は、処理ガスを供給する第１のガスソースと、付加ガスを供給する第２のガスソースと、第１のガスソースからの処理ガスを中央ガス導入部及び周辺ガス導入部にそれぞれ供給する第１の分岐ライン及び第２の分岐ラインと、第２のガスソースを第２の分岐ラインに接続するガスラインであり、流量制御器、該流量制御器と第２の分岐ラインとの間に設けられたバルブ、流量制御器とバルブの間に設けられた管を含む該ガスラインと、を有する。この方法は、処理ガスを第１の分岐ライン及び第２の分岐ラインを介して中央ガス導入部及び周辺ガス導入部にそれぞれ供給する工程と、バルブを閉じて前記管に付加ガスを充填する工程と、付加ガスの充填後にバルブを開放する工程と、バルブの開放後に、高周波電源から上部電極及び下部電極の一方に高周波電力を供給する工程と、を含む。

上記方法では、付加ガス供給のためのガスラインにおける下流側のバルブを閉じることによって、当該下流側のバルブと上流の流量制御器との間の管に付加ガスを充填する。したがって、流量制御器の最大流量に制限されることなく、付加ガスを高い圧力で前記管に充填することが可能である。このように充填された高い圧力の付加ガスを、バルブの開放によって放出することができるので、付加ガスの供給開始時に大きな流量の付加ガスを一時的に供給することが可能である。また、この方法によれば、付加ガスを処理流量まで安定させる時間を短くすることが可能である。さらに、付加ガスを管に充填する工程は、処理ガスの供給とは独立した期間に行うことが可能である。よって、上記方法によれば、処理ガスの無駄を抑制でき、且つ、スループットを向上させることが可能となる。

一形態においては、付加ガスを充填する工程は、被処理体を交換する期間内に行われてもよい。この形態の方法は、充填する工程の後、流量制御器を閉じる工程を更に含み得る。この形態によれば、被処理体を交換する期間中に付加ガスを管に充填しておくことができる。よって、スループットは、付加ガスの充填に要する時間に依存しなくなる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、流量制御器の上限流量に制限されることなく、付加ガスの供給開始時に大きな流量の付加ガスを供給することが可能となる。

一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。 一実施形態に係るガス供給系を示す図である。 一実施形態に係るガス供給方法を説明するためのタイミングチャートである。 処理容器内での付加ガスの濃度の時間変化を、先出し流量を用いる従来の方法と一実施形態の方法について比較説明するための図である。 図４は、別の実施形態に係る処理ガス供給方法の一例を示すタイミングチャートである。 実験例及び比較実験例１〜２において求めた遅延時間を示すグラグである。

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。

まず、一実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。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断面図である。なお、図１において、プラズマ処理装置のガス供給系は、省略されている。

図１に示すプラズマ処理装置１０は、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、一実施形態においては、略円筒形状を有している。処理容器１２は、例えば、アルミニウム合金により構成されており、電気的に接地されている。また、処理容器１２の内壁面には、アルマイト処理が施されている。なお、処理容器１２の内壁面は、イットリウム酸化膜によって被覆されていてもよい。この処理容器１２は、その内部空間として、処理空間ＰＳを画成している。

処理容器１２内には、載置台１４が設けられている。一実施形態においては、載置台１４は、サセプタ１６、サセプタ支持台１８、及び、静電チャック２０を含んでいる。載置台１４は、絶縁板２１を介して処理容器１２の底部上に設けられている。

サセプタ１６は、例えば、アルミニウムから構成された円盤形状を有しており、下部電極を構成している。このサセプタ１６は、サセプタ支持台１８を介して、絶縁板２１上に搭載されている。

サセプタ１６上には、静電チャック２０が設けられている。静電チャック２０は、絶縁膜の内層として設けられた電極膜２０ａを有している。電極膜２０ａには、直流電源２２が電気的に接続されている。静電チャック２０は、直流電源２２から電極膜２０ａに印加される直流電圧によってクーロン力を発生し、当該クーロン力によって被処理体（以下、「ウエハ」という）Ｗを吸着するようになっている。

サセプタ１６上且つ静電チャック２０の周囲には、フォーカスリング２４が設けられている。なお、サセプタ１６及びサセプタ支持台１８の外周面には、円筒形状の内壁部材２６が取り付けられている。この内壁部材２６は、例えば、石英から構成される。

サセプタ支持台１８の内部には、冷媒室２８が形成されている。冷媒室２８は、例えば、サセプタ支持台１８の内部において、周縁部分から中央部分に向けて螺旋状に延在し、中央部分から周縁部分に向けて螺旋状に延在している。冷媒室２８には、配管３０ａ及び３０ｂを介して、処理容器１２の外部に設けられたチラーユニットに接続される。この冷媒室２８には、冷媒、例えば、冷媒液又は冷却水が循環するよう供給される。これにより、サセプタ１６上のウエハＷの温度を制御することが可能となっている。

また、載置台１４には、サセプタ支持台１８、サセプタ１６、及び静電チャック２０を貫通するように形成されたガス供給ライン３２が形成されている。このガス供給ライン３２は、静電チャック２０の上面まで延在している。ガス供給ライン３２には、Ｈｅガスといった伝熱ガスが供給される。これにより、ウエハＷと静電チャック２０の上面との間に、伝熱ガスが供給されるようになっている。

載置台１４の上方には、上部電極３４が設けられている。上部電極３４は、サセプタ１６と略平行に設けられている。上部電極３４と載置台１４との間には、上述した処理空間ＰＳが画成されている。

上部電極３４は、内側電極部３６及び外側電極部３８を有している。内側電極部３６は、内部に空洞を有する略円盤形状に構成されている。外側電極部３８は、内側電極部３６を囲む環形状を有している。内側電極部３６と外側電極部３８との間には、環状の誘電体４２が介在している。また、外側電極部３８と処理容器１２の内壁面との間には、環状に延在する絶縁性遮蔽部材４４が介在している。

外側電極部３８には、給電筒５２、コネクタ５０、上部給電棒４８、整合器４６を介して第１高周波電源５４が電気的に接続されている。第１高周波電源５４は、プラズマの生成に適した周波数、例えば、４０ＭＨｚ以上の周波数の高周波電力を発生する。この高周波電力は、例えば、６０ＭＨｚである。

給電筒５２は、上部において縮径された略円筒形状を有している。給電筒５２の下端部は、外側電極部３８に接続されている。給電筒５２の上側中央部は、コネクタ５０を介して上部給電棒４８に接続されている。上部給電棒４８の上端部は整合器４６の出力側に接続されている。この整合器４６は、第１高周波電源５４に接続されている。整合器４６は、第１高周波電源５４の内部インピーダンスと負荷インピーダンスを整合させるための回路を有している。

給電筒５２に外側は、接地導体５５によって覆われている。この接地導体５５は、例えば、処理容器１２の外径と同様の外径をもった円筒形状に構成されている。接地導体５５の下端部は、処理容器１２の側壁上部に接続されている。また、接地導体５５の上側中央部は開口しており、当該開口に上部給電棒４８が通されている。この接地導体５５の上側中央部と上部給電棒４８との間には、絶縁部材５６が介在している。

内側電極部３６は、一実施形態のシャワーヘッドを構成している。一実施形態においては、内側電極部３６は、電極板６０と電極支持体６２を含んでいる。電極板６０は、略円盤形状を有している。この電極板６０には、多数のガス噴射口６０ａが形成されている。電極板６０は、電極支持体６２に着脱可能に支持されている。電極支持体６２は、内部に空洞６３を画成する円盤形状に構成されており、電極板６０と略同一の直径を有している。

一実施形態においては、電極支持体６２の内部の空洞６３は、略環形状の隔壁６４によって二つのガス拡散室６３ａ，６３ｂに区画されている。ガス拡散室６３ａは、載置台１４の中央領域の上方において延在しており、ガス拡散室６３ｂは、当該中央領域の外側の領域の上方において延在している。この電極支持体６２の底壁には、ガス噴射口６０ａにそれぞれ連通する多数の孔が設けられている。かかる構成のシャワーヘッドにおいて、ガス拡散室６３ａ、並びに、当該ガス拡散室６３ａに接続する孔及びガス噴射口６０ａは中央ガス導入部を構成している。この中央ガス導入部は、載置台１４の中央領域、即ち、ウエハＷの中央領域に対面し、当該ウエハＷの中央領域に向けてガスを供給する。また、ガス拡散室６３ｂ、並びに、当該ガス拡散室６３ｂに接続する孔及びガス噴射口６０ａは周辺ガス導入部を構成している。周辺ガス導入部は、中央領域よりも外側の載置台１４の領域、即ち、ウエハＷの中央領域よりも外側の領域、例えば、エッジ領域に対面しており、当該外側の領域に向けてガスを供給する。なお、図１に示した形態においては、周辺ガス導入部の個数は一つであるが、二以上の周辺ガス導入部が同心状に設けられていてもよい。

図１に示すように、電極支持体６２の上面には、下部給電筒７０が接続している。下部給電筒７０は、上部給電棒４８にコネクタ５０を介して接続されている。下部給電筒７０の途中には、可変コンデンサ７２が設けられている。この可変コンデンサ７２の静電容量を調整することによって、第１高周波電源５４からの高周波電力に基づいて外側電極部３８の直下に発生する電界強度と内側電極部３６の直下に発生する電界強度の相対的な比率を調整することが可能となっている。なお、図１に示すプラズマ処理装置では、上部電極３４にプラズマ生成用の第１高周波電源５４が電気的に接続されているが、第１高周波電源５４は、サセプタ１６、即ち、下部電極に接続されていてもよい。

処理容器１２の底部には、排気口７４が形成されている。排気口７４は、排気管７６を介して排気装置７８に接続されている。排気装置７８は、例えば、圧力調整器及び減圧ポンプを備え得る。この排気装置７８によって処理容器１２の内部空間を排気することで、処理容器１２の内部空間を所望の真空度に減圧することができる。

また、サセプタ１６には、整合器８０を介して第２高周波電源８２が接続されている。第２高周波電源８２は、イオン引き込み用の高周波電力を発生する。第２高周波電源８２によって発生される高周波電力の周波数は、例えば、２ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲にあり、例えば、２ＭＨｚである。

また、図１に示すように、内側電極部３６には、ローパスフィルタ８４が電気的に接続されている。ローパスフィルタ８４は、第１高周波電源５４からの高周波を遮断して、第２高周波電源８２からの高周波をグランドに通すためのものである。一方、下部電極を構成するサセプタ１６には、ハイパスフィルタ８６が電気的に接続されている。ハイパスフィルタ８６は、第１高周波電源５４からの高周波をグランドに通すためのものである。

次いで、図２を参照する。図２は、一実施形態に係るガス供給系を示す図である。図１に示したプラズマ処理装置１０は、図２に示すガス供給系ＧＳを備え得る。ガス供給系ＧＳは、メインガス供給部ＭＰと付加ガス供給部ＡＰとを含んでいる。

メインガス供給部ＭＰは、一以上のガスソース（第１のガスソース）を含み得る。一実施形態においては、メインガス供給部ＭＰは、図２に示すように、三つのガスソースＭＧＳ１，ＭＧＳ２，ＭＧＳ３を含んでいる。これらガスソースＭＧＳ１，ＭＧＳ２、ＭＧＳ３は、それぞれ、エッチング用のガスのソース、反応生成物の堆積を制御するためのガスのソース、キャリアガスのソースであり得る。例えば、シリコン酸化膜をエッチングする場合には、ガスソースＭＧＳ１は、フルオロカーボン系ガス、即ち、フルオロカーボンガス及び／又はフルオロハイドロカーボンガスのソースであり得る。フルオロカーボン系ガスとしては、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８といったＣ_ＸＦ_Ｙガスを用いることが可能である。また、ガスソースＭＧＳ２は、例えば、Ｏ_２ガスのソースであり得る。また、ガスソースＭＧＳ３は、希ガス、例えば、Ａｒガスのソースであり得る。

ガスソースＭＧＳ１は、バルブＭＶ１１、マスフローコントローラといった流量制御器ＭＣ１、バルブＭＶ１２を介して、共通ガスラインＭＬに接続されている。ガスソースＭＧＳ２は、バルブＭＶ２１、マスフローコントローラといった流量制御器ＭＣ２、バルブＭＶ２２を介して、共通ガスラインＭＬに接続されている。また、ガスソースＭＧＳ３は、バルブＭＶ３１、マスフローコントローラといった流量制御器ＭＣ３、バルブＭＶ３２を介して、共通ガスラインＭＬに接続されている。

共通ガスラインＭＬは、フロースプリッタといった分流量調整器ＦＳに接続されている。分流量調整器ＦＳは、共通ガスラインＭＬから供給されるガスを適宜に設定される流量比で、二以上の分岐ラインに分岐させる。分流量調整器ＦＳは、例えば、バルブＦＶ１１、マスフローコントローラといった流量制御器ＦＣ１、バルブＦＶ１２、バルブＦＶ２１、マスフローコントローラといった流量制御器ＦＣ２、及び、バルブＦＶ２２を含み得る。分流量調整器ＦＳ内では、共通ガスラインＭＬからのガスは二つのラインに分岐される。一方のラインは、バルブＦＶ１１、流量制御器ＦＣ１、及び、バルブＦＶ１２を含み、第１の分岐ラインＢＬ１に接続されている。この第１の分岐ラインＢＬ１は、シャワーヘッドのガス拡散室６３ａに接続されている。他方のラインは、バルブＦＶ２１、流量制御器ＦＣ２、バルブＦＶ２２を含んでおり、第２の分岐ラインＢＬ２に接続されている。この分岐ラインＢＬ２は、ガス拡散室６３ｂに接続されている。したがって、メインガス供給部ＭＰは、中央ガス導入部及び周辺ガス導入部に対して、設定された流量比で処理ガスを供給することが可能である。

図２に示すように、付加ガス供給部ＡＰは、一以上のガスソース（第２のガスソース）を含み得る。一実施形態においては、付加ガス供給部ＡＰは、図２に示すように、三つのガスソースＡＧＳ１，ＡＧＳ２，ＡＧＳ３を含んでいる。これらガスソースＡＧＳ１，ＡＧＳ２、ＡＧＳ３は、それぞれ、エッチング促進用のガスのソース、反応生成物の堆積を制御するためのガスのソース、キャリアガスのソースであり得る。例えば、シリコン酸化膜をエッチングする場合には、ガスソースＡＧＳ１は、フルオロカーボン系ガス、即ち、フルオロカーボンガス及び／又はフルオロハイドロカーボンガスのソースであり得る。フルオロカーボン系ガスとしては、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８といったＣ_ＸＦ_Ｙガスを用いることができる。また、ガスソースＡＧＳ２は、例えば、Ｏ_２ガスのソースであり得る。また、ガスソースＡＧＳ３は、希ガス、例えば、Ａｒガスのソースであり得る。なお、ガスソースＡＧＳ１，ＡＧＳ２、ＡＧＳ３は、その他の任意のガスのガスソースであってもよい。

ガスソースＡＧＳ１は、バルブＡＶ１１、マスフローコントローラといった流量制御器ＡＣ１、バルブＡＶ１２を介して、ガスラインＡＬに接続されている。ガスソースＡＧＳ２は、バルブＡＶ２１、マスフローコントローラといった流量制御器ＡＣ２、バルブＡＶ２２を介して、ガスラインＡＬに接続されている。また、ガスソースＡＧＳ３は、バルブＡＶ３１、マスフローコントローラといった流量制御器ＡＣ３、バルブＡＶ３２を介して、ガスラインＡＬに接続されている。なお、バルブＡＶ１１、流量制御器ＡＣ１、バルブＡＶ１２、バルブＡＶ２１、流量制御器ＡＣ２、バルブＡＶ２２、バルブＡＶ３１、流量制御器３Ｃ１、バルブＡＶ３２、及び、ガスラインＡＬは、付加ガスのソース、即ち、ガスソースＡＧＳ１，ＡＧＳ２、ＡＧＳ３を第２の分岐ラインＢＬに接続する一実施形態のガスラインを構成している。

ガスラインＡＬは、第２の分岐ラインＢＬ２の途中に接続されている。したがって、付加ガス供給部ＡＰから供給される付加ガスは、第２の分岐ラインＢＬ２とガスラインＡＬとの合流地点において、処理ガスと混合される。これにより、ガス拡散室６３ｂを含む周辺ガス導入部には、処理ガスと付加ガスの混合ガスが供給される。

以下、図２と共に図１も参照する。プラズマ処理装置１０は、更に制御部Ｃ１０を備えている。制御部Ｃ１０は、キーボードといった入力装置、各種レシピ及び制御プログラムをする記憶装置、及び、中央処理装置を備えたコンピュータ装置であり得る。制御部Ｃ１０は、高周波電源５４からの高周波電力の供給、及びその停止、並びに、高周波電力の大きさを制御するために、高周波電源５４に制御信号を送出する。制御部Ｃ１０は、高周波電源８２からの高周波電力の供給、及びその停止、並びに、高周波電力の大きさを制御するよう、高周波電源８２に制御信号を送出する。また、制御部Ｃ１０は、排気装置７８の排気量を制御するために、排気装置７８に制御信号を送出し得る。さらに、制御部Ｃ１０は、バルブＭＶ１１、ＭＶ１２、ＭＶ２１、ＭＶ２２、ＭＶ３１、ＭＶ３３の開閉、流量制御器ＭＣ１、ＭＣ２、ＭＣ３の出力流量を制御するために、これらバルブ及び流量制御器に制御信号を送出する。これにより、制御部Ｃ１０はメインガス供給部ＭＰから供給される処理ガス中のガス種及び一以上のガスの流量比を調整することができる。また、制御部Ｃ１０は、バルブＦＶ１１、ＦＶ１２、ＦＶ２１、ＦＶ２２の開閉、及び、流量制御器ＦＣ１、ＦＣ２の出力流量を制御するために、これらバルブ及び流量制御器に制御信号を送出する。これにより、制御部Ｃ１０は、分流量調整器ＦＳの分流比を制御することができる。さらに、制御部Ｃ１０は、バルブＡＶ１１、ＡＶ１２、ＡＶ２１、ＡＶ２２、ＡＶ３１、ＡＶ３３の開閉、流量制御器ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３の出力流量を制御するために、制御信号を送出する。これにより、制御部Ｃ１０は、付加ガス供給部ＡＰからの付加ガスのガス種及び一以上のガスの流量比を調整することができる。

以下、プラズマ処理装置１０における制御の具体例と共に、一実施形態に係るガス供給方法について、図３を参照しつつ説明する。図３は、一実施形態に係るガス供給方法を説明するためのタイミングチャートである。なお、図３において、「ＲＦ」は、高周波電源５４によって発生される高周波電力の状態を示しており、ＲＦが高レベルであることは、上部電極３４に高周波電源５４からの高周波電力が供給されていることを示している。一方、ＲＦが低レベルであることは、上部電極３４に対する高周波電源５４の供給が停止されていることを示している。図３において、「ＭＰＧ」は、メインガス供給部ＭＰの処理ガスの状態を示しており、ＭＰＧが高レベルであることは、中央ガス導入部及び周辺ガス導入部に処理ガスが供給されていることを示しており、ＭＰＧが低レベルであることは、中央ガス導入部及び周辺ガス導入部に対するメインガス供給部ＭＰからの処理ガスの供給が停止されていることを示している。図３において、「ＡＣ」は、流量制御器ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３のうち、この方法で利用される一以上の流量制御器の出力流量を示している。ＡＣのレベルが最も低いレベルであることは、流量制御器の出力流量が０であることを示している。また、図３において、「ＡＶ２」は、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器に対して下流側に設けられたバルブＡＶ１２、ＡＶ２２、ＡＶ３２のうち、この方法で利用される一以上の下流側バルブの状態を示している。ＡＶ２が高レベルであることは、下流側バルブが開かれていることを示しており、ＡＶ２が低レベルであることは、下流側バルブが閉じられていることを示している。また、図３において、ＡＰＧは、付加ガス供給部ＡＰから供給される付加ガスの第２の分岐ラインＢＬ２における実際の流量を示している。

（メインガス供給工程）

一実施形態に係るガス供給方法では、メインガス供給工程が行われる。図３のタイミングチャートに示された例では、この工程は、時刻ｔ_２からｔ_５まで継続している。このメインガス供給工程においては、制御部Ｃ１０は第１制御を実行する。具体的には、バルブＭＶ１１及びＭＶ１２の組、バルブＭＶ２１及びＭＶ２２の組、並びに、バルブＭＶ３１及びＭＶ３２の組のうち、選択された組のバルブが開かれる。また、流量制御器ＭＣ１、ＭＣ２、及びＭＣ３のうち選択された流量制御器の出力流量が設定される。また、バルブＦＶ１１、ＦＶ１２、ＦＶ２１、及びバルブＦＶ２２が開かれ、流量制御器ＦＣ１及びＦＣ２の出力流量が設定される。このメインガス供給工程では、シャワーヘッドの中央ガス導入部及び周辺ガス導入部から処理容器１２内に処理ガスが供給される。

（付加ガス充填工程）

付加ガス充填工程は、図３のタイミングチャートに示された例では、時刻ｔ_１からｔ_３まで継続している。付加ガス充填工程では、制御部Ｃ１０は第２制御を実行する。具体的には、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器に対して下流側に設けられたバルブＡＶ１２、ＡＶ２２、ＡＶ３２のうち、本方法において利用される下流側バルブが閉じられる。また、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３のうち本方法において利用される流量制御器の出力流量が、ウエハＷの処理時のガスの流量、即ち処理流量よりも大きく設定される。これにより、付加ガス供給部ＡＰの下流側バルブと流量制御器との間の管ＡＦに、ガスが充填される。なお、付加ガス充填工程の実施期間は、メインガス供給工程の実施期間からは独立している。したがって、メインガス供給工程の開始時ｔ_２は、付加ガス供給工程の開始時ｔ_１よりも前であってもよく、付加ガス供給工程の開始時ｔ_１と同じであってもよい。

（バルブ開放工程）

バルブ開放工程は、付加ガス充填工程の後に実行される。図３のタイミングチャートに示された例では、バルブ開放工程は時刻ｔ_３において開始している。このバルブ開放工程では、制御部Ｃ１０は、第３制御を実行する。具体的には、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器に対して下流側に設けられたＡＶ１２、ＡＶ２２、ＡＶ３２のうち、ガス充填のために閉じられていた下流側バルブが開かれる。これにより、付加ガス充填工程において管ＡＦに充填されていたガスが第２の分岐ラインＢＬ２に向けて放出される。また、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３のうち本方法において利用される流量制御器の出力流量が、ウエハＷの処理時のガスの流量、即ち処理流量に設定される。この処理流量は、付加ガス充填工程での流量よりも低い流量に設定される。

（高周波電力供給工程）

次いで、本方法では、高周波電力供給工程が行われる。高周波電力供給工程は、バルブ開放工程の開始時からある期間の経過後、即ち、バルブ開放工程の開始時から処理容器１２内における付加ガスの濃度が安定するまでの期間の経過後に行われる。図３のタイミングチャートに示された例では、この工程は、時刻ｔ_４から時刻ｔ_５の間、継続している。この工程では、制御部Ｃ１０は、第４制御を実行する。具体的には、制御部Ｃ１０は、高周波電源５４に高周波電力を発生させて当該高周波電力を上部電極３４に与える。なお、この工程では、高周波電源８２からの高周波電力がサセプタ１６に与えられてもよい。これにより、処理容器１２内の処理空間ＰＳにおいてプラズマが生成される。処理容器１２内に収容されていたウエハＷは、この工程によってプラズマに晒される。

そして、本方法では、高周波電力供給工程の終了時に、高周波電源５４からの上部電極３４への高周波電力の供給が停止される。また、メインガス供給部ＭＰからの処理ガスの供給が停止される。また、付加ガス供給部ＡＰからの付加ガスの供給が停止される。また、高周波電源８２からの高周波電力の供給がなされている場合には、当該高周波電力の供給も停止される。その後、ウエハＷは、処理容器１２内から搬送ロボットによって取り出され、別のウエハＷが搬送ロボットによって処理容器１２内に収容される。

上述したように、一実施形態の方法、又はプラズマ処理装置１０による制御によれば、付加ガス供給部ＡＰの下流側バルブを閉じることによって、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器と下流側バルブとの間の管ＡＦにガスを充填することが可能である。したがって、流量制御器の最大流量に制限されることなく、管ＡＦに高い圧力でガスを充填することが可能である。管ＡＦに充填されたガスを下流側バルブを開放して放出すると、ガスラインＡＬ及び第２の分岐ラインＢＬ２における付加ガスの流量を急速に安定させることが可能となる。延いては、処理容器１２内における付加ガスの濃度を急速に安定させることが可能となる。これにより、処理ガスの無駄が削減される。また、プラズマ処理のスループットが改善される。

ここで、図４を参照する。図４は、処理容器内での付加ガスの濃度の時間変化を、先出し流量を用いる従来の方法と一実施形態の方法について比較説明するための図である。図４において、（ａ）の領域には、従来の方法を用いた場合の処理容器内での付加ガスの濃度の時間変化が示されており、（ｂ）の領域には、一実施形態の方法を用いた場合の処理容器内での付加ガスの濃度の時間変化が示されている。なお、図４の表記方法は、以下に説明する点を除けば、図３の表記方法と同様である。

従来の方法では、図４の（ａ）において実線で示すように、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量が、期間ＴＷＰにおいて先出し流量に設定され、その直後に、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器が処理流量に設定される。従来の方法では、先出し流量に出力流量が設定されても、図４の（ａ）において参照符号ＡＧの点線で示すように、処理容器１２内の付加ガスの濃度が上昇するまでに長い時間を要し、また、処理流量に出力流量が設定されてから処理容器１２内の付加ガスの濃度が安定するまでの期間ＴＤＰの時間長、即ち遅延時間ＴＤＰも長くなる。

一方、図４の（ｂ）に示すように、一実施形態の方法では、期間ＴＷＦの付加ガス充填工程の経過後に、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量が処理流量に設定され、付加ガス供給部ＡＰの下流側バルブが開放される。これにより、図４の（ｂ）において参照符号ＡＧの点線で示すように、処理容器１２内の付加ガスの濃度が安定するまでの期間が短くなる。即ち、付加ガス供給部ＡＰの下流側バルブを開放し、且つ、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を処理流量に設定してから処理容器１２内の付加ガスの濃度が安定するまでの期間ＴＤ、即ち遅延時間ＴＤが短くなる。これは、バルブの開放により流量制御器の上限出力流量を超える高い流量の付加ガスを一時的に流すことができるからである。このように、一実施形態の方法では、遅延時間ＴＤを短縮できるので、処理ガスの無駄を抑制し、スループットを改善することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、付加ガス充填工程とメインガス供給工程とが部分的に並行して行われている。しかしながら、付加ガス充填工程は、メインガス供給工程とは異なる期間に行われてもよい。図５は、別の実施形態に係る処理ガス供給方法の一例を示すタイミングチャートである。図５においては、「ウエハ交換」は、プラズマ処理装置がウエハ交換中であるか否かを示しており、高レベルにある期間は、ウエハの交換が行われている期間を示している。

図５に示すように、別の実施形態においては、ウエハＷの交換が時刻ｔ_１から時刻ｔ_４の間に行われている。また、時刻ｔ_１から時刻ｔ_４の期間内の時刻ｔ_２から時刻ｔ_３の期間において付加ガス充填工程が行われている。即ち、ウエハＷの交換中に付加ガス充填工程が行われている。そして、付加ガス充填工程の終了時である時刻ｔ_３において、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の流量が０に設定される。これは、管ＡＦに充填されたガスの逆流を防止するためである。なお、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の流量が０に設定された状態は、バルブ開放工程の開始時の時刻ｔ_６までの期間において継続する。

そして、時刻ｔ_４においてウエハの交換が完了し、その後の時刻ｔ_５からメインガス供給工程が開始される。図５に示す方法のその後の手順は、図３に示す方法と同様である。以上説明したように、図５に示す方法によれば、メインガス供給工程とは完全に独立した期間であるウエハ交換の期間中に、付加ガス充填工程が行われている。即ち、付加ガス充填工程は、スループットに影響を与えない期間に行われる。したがって、図５に示す方法によれば、スループットを更に向上させることが可能となる。

（実験例及び比較実験例１〜２）

以下、一実施形態に係るガス供給方法の評価のために行った実験例及び比較実験例１〜２について説明する。実験例及び比較実験例１〜２では、プラズマ処理装置１０を用い、処理ガスとして４０ｓｃｃｍのＣ_４Ｆ_８ガス、１４００ｓｃｃｍのＡｒガス、１０ｓｃｃｍのＯ_２ガスを用い、付加ガスとしてＯ_２ガスを用いた。また、実験例及び比較実験例１〜２では、処理ガスを分流比５０：５０でガス拡散室６３ａ、６３ｂに供給した。

実験例では、処理ガスの供給中に、付加ガス充填工程を行い、次いで、付加ガス供給部ＡＰの下流側のバルブを開放し、同時に、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を処理流量に設定した。また、実験例では、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を処理流量に設定するタイミングに同期させて、高周波電源５４から上部電極３４に高周波電力を供給した。実験例では、これら一連の工程を含むプラズマ処理を、複数回行った。また、実験例では、付加ガス充填時の付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量／付加ガス充填の期間をパラメータとして種々に変更し、具体的には、複数回のプラズマ処理の各々において、付加ガス充填時の付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量／付加ガス充填の期間を２０ｓｃｃｍ／１０秒、２０ｓｃｃｍ／１５秒、２０ｓｃｃｍ／２０秒、１５ｓｃｃｍ／４０秒の何れかに設定した。また、実験例では、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量として設定する付加ガスの処理流量もパラメータとして用い、当該付加ガスの処理流量を複数回のプラズマ処理において異ならせた。

比較実験例１では、処理ガスの供給中に、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を変更することなく一定の処理流量で付加ガスを供給した。比較実験例１においても、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を処理流量に設定するタイミングに同期させて、高周波電源５４から上部電極３４に高周波電力を供給した。また、比較実験例１においても、これら一連の工程を含むプラズマ処理を、複数回行った。また、比較実験例１においても、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量として設定する付加ガスの処理流量をパラメータとして用い、当該付加ガスの処理流量を複数回のプラズマ処理において異ならせた。

比較実験例２では、処理ガスの供給中に、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を４０ｓｃｃｍの先出し流量に設定し、これを２秒間継続し、続いて、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を、処理流量に設定した。比較実験例２においても、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を処理流量に設定するタイミングに同期させて、高周波電源５４から上部電極３４に高周波電力を供給した。また、比較実験例２においても、これら一連の工程を含むプラズマ処理を、複数回行った。また、比較実験例２においても、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量として設定する付加ガスの処理流量をパラメータとして用い、当該付加ガスの処理流量を複数回のプラズマ処理において異ならせた。

実験例では、複数回のプラズマ処理の各々において処理容器１２内のプラズマの発光を観察し、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を処理流量に設定してからプラズマの発光が安定するまでの時間、即ち、遅延時間（図４の遅延時間「ＴＤ」を参照）を求めた。また、比較実験例１〜２においても、複数回のプラズマ処理の各々において、付加ガス供給部ＡＰの流量制御器の出力流量を処理流量に設定してからプラズマの発光が安定するまでの時間（図４の遅延時間「ＴＤＰ」を参照）を求めた。図６に、実験例及び比較実験例１〜２において求めた遅延時間を示す。なお、図６において、横軸は、付加ガスの処理流量を示しており、縦軸は遅延時間を示している。

図６に示すように、実験例によれば、一定の流量の付加ガスを流し続けた比較実験例１よりも、遅延時間が小さくなることが確認された。また、先出し流量を用いた比較実験例２では、付加ガスの処理流量が１２ｓｃｃｍ以上となると、先出し流量を用いる効果が失われることが確認された。一方、実験例によれば、付加ガスの処理流量によらず、遅延時間が短縮されることが確認された。

１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１４…載置台、１６…サセプタ、２０…静電チャック、３４…上部電極、３６…内側電極部（シャワーヘッド）、３８…外側電極部、５４…高周波電源、６３ａ，６３ｂ…ガス拡散室、８２…高周波電源、Ｃ１０…制御部、ＧＳ…ガス供給系、ＭＰ…メインガス供給部、ＭＧＳ１，ＭＧＳ２，ＭＧＳ３…ガスソース、ＭＶ１１，ＭＶ１２，ＭＶ２１，ＭＶ２２，ＭＶ３１，ＭＶ３２…バルブ、ＭＣ１，ＭＣ２，ＭＣ３…流量制御器、ＭＬ…共通ガスライン、ＦＳ…分流量調整器、ＦＣ１，ＦＣ２…流量制御器、ＦＶ１１，ＦＶ１２，ＦＶ２１，ＦＶ２２…バルブ、ＢＬ１…第１の分岐ライン、ＢＬ２…第２の分岐ライン、ＡＰ…付加ガス供給部、ＡＬ…ガスライン、ＡＧＳ１，ＡＧＳ２，ＡＧＳ３…ガスソース、ＡＶ１１，ＡＶ２１，ＡＶ３１…バルブ（上流側バルブ）、ＡＣ１，ＡＣ２，ＡＣ３…流量制御器、ＡＶ１２，ＡＶ２２，ＡＶ３２…バルブ（下流側バルブ）、ＡＦ…管（充填用）。

Claims (3)

1. 被処理体を処理するためのプラズマ処理装置の処理容器内にガスを供給する方法であって、
   前記プラズマ処理装置は、
   前記処理容器と、
   前記処理容器内に設けられ、下部電極を構成する載置台と、
   前記載置台の上方に設けられ、上部電極を構成するシャワーヘッドと、
   前記上部電極及び下部電極の一方に高周波電力を供給する高周波電源と、
   前記シャワーヘッドに処理ガス及び付加ガスを供給するためのガス供給系と、
   を備え、
   前記シャワーヘッドは、前記載置台の中央領域に対面する中央ガス導入部、及び、前記載置台の中央領域よりも外側の領域に対面する周辺ガス導入部、を含み、
   前記ガス供給系は、
   前記処理ガスを供給する第１のガスソースと、
   前記付加ガスを供給する第２のガスソースと、
   前記第１のガスソースからの処理ガスを前記中央ガス導入部及び前記周辺ガス導入部にそれぞれ供給する第１の分岐ライン及び第２の分岐ラインと、
   前記第２のガスソースを前記第２の分岐ラインに接続するガスラインであり、流量制御器、該流量制御器と前記第２の分岐ラインとの間に設けられたバルブ、及び該流量制御器と該バルブとの間に設けられた管を含む該ガスラインと、
   を有し、該方法は、
   前記処理ガスを前記第１の分岐ライン及び前記第２の分岐ラインを介して前記中央ガス導入部及び前記周辺ガス導入部にそれぞれ供給する工程と、
   前記バルブを閉じて前記管に前記付加ガスを充填する工程と、
   前記付加ガスの充填後に前記バルブを開放する工程と、
   前記バルブの開放後に、前記高周波電源から前記上部電極及び前記下部電極の一方に高周波電力を供給する工程と、
   を含む方法。
2. 前記付加ガスを充填する工程は、被処理体を交換する期間内に行われ、
   前記充填する工程の後、前記流量制御器を閉じる工程を更に含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 被処理体を処理するためのプラズマ処理装置であって、
   処理容器と、
   前記処理容器内に設けられ、下部電極を構成する載置台と、
   前記載置台の上方に設けられ、上部電極を構成するシャワーヘッドと、
   前記上部電極及び下部電極の一方に高周波電力を供給する高周波電源と、
   前記シャワーヘッドに処理ガス及び付加ガスを供給するためのガス供給系と、
   制御部と、
   を備え、
   前記シャワーヘッドは、前記載置台の中央領域に対面する中央ガス導入部、及び、前記載置台の中央領域よりも外側の領域に対面する周辺ガス導入部、を含み、
   前記ガス供給系は、
   前記処理ガスを供給する第１のガスソースと、
   前記付加ガスを供給する第２のガスソースと、
   前記第１のガスソースからの処理ガスを前記中央ガス導入部及び前記周辺ガス導入部にそれぞれ供給する第１の分岐ライン及び第２の分岐ラインと、
   前記第２のガスソースを前記第２の分岐ラインに接続するガスラインであり、流量制御器、該流量制御器と前記第２の分岐ラインとの間に設けられたバルブ、及び該流量制御器と該バルブとの間に設けられた管を含む該ガスラインと、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記処理ガスを前記第１の分岐ライン及び前記第２の分岐ラインを介して前記中央ガス導入部及び前記周辺ガス導入部にそれぞれ供給する第１制御と、
   前記バルブを閉じて前記管に前記付加ガスを充填する第２制御と、
   前記付加ガスの充填後に前記バルブを開放する第３制御と、
   前記バルブの開放後に、前記高周波電源から前記上部電極及び前記下部電極の一方に高周波電力を供給する第４制御と、
   を実行する、プラズマ処理装置。

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