JP3768999B2

JP3768999B2 - プラズマ処理装置とその制御方法

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Publication number: JP3768999B2
Application number: JP2004207332A
Authority: JP
Inventors: 澄英池之内
Original assignee: 澄英池之内
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: US20070262723A1; JP2005158684A; WO2005041623A2; WO2005041623A3

Description

本発明は、高周波電源から供給された電力をインピーダンス整合器を介してプラズマ処理室に供給し、この処理室で各種プラズマ加工を行うプララズマ処理装置とその制御方法に関するものである。

近年、プラズマ処理は、ドライエッチングによる微細加工、薄膜形成など物質の表面処理に広く利用されている。特に、半導体の製造に必要不可欠なものとなっている。
プラズマ処理装置において、高周波電源から供給された高周波エネルギーをプラズマ処理の行われる処理室内の負荷抵抗に効率よく伝達させるために、インピーダンス整合器が使用され、高周波電源の等価出力インピーダンス（５０Ω）を処理室のインピーダンスに整合させている。

このインピーダンス整合を良好にして、安定した電力供給を行うためには、処理室の負荷の変動に応じてインピーダンスを整合させなければならない。このため、一般には、インピーダンス整合器中のコンデンサや、コイルなどを可変制御している。
これらコンデンサやコイルを可変制御するために、例えば、特開２００１−１６７７９号公報に示されるように、インピーダンス整合器とプラズマ負荷との間にインピーダンス測定手段を設け、測定されたプラズマ負荷のインピーダンスの値と可変コンデンサの現在の容量値に基づいて、制御手段によって変化させるべき可変コンデンサの容量を精度良く計算し、その計算結果に基づいて可変コンデンサの容量を制御するようにしている。

上記公報に示されるものの他、特開平１１−１２１４４０号公報に示されるように、インピーダンス整合器とプラズマ負荷との間にモニターを設け、このモニターで検出した電気的物理量と予め設定した値とを比較し、プラズマの発生状況を評価するものも存在する。
また、特開２００３−２８２５４２号公報に示されるように、インピーダンス整合器とプラズマ負荷との間に高周波電流検出器を設け、プラズマ発生前の洩れ電流を測定し、これを基準値と比較することにより制御するものも知られている。
特開２００１−１６７７９号公報特開平１１−１２１４４０号公報特開２００３−２８２５４２号公報

しかしながら、上記従来のプラズマ処理装置の制御装置にはインピーダンス整合器とプラズマ処理室との間にインピーダンス測定器やモニターや高周波電流測定器を必要としている。これらの測定器やモニタは実際の装置としては、高周波のアナログ信号をデジタル信号に変換する変換器を必要とし、高価なものである。

また、インピーダンス整合器とプラズマ処理室との間に前記測定器やモニタを設けると、インピーダンス整合器とプラズマ処理室との整合状態が変化し種々の条件が変化するため、プラズマ処理室の条件設定がしにくくなる。
本発明は、インピーダンス測定器やモニターや高周波電流測定器を必要とせず、しかも、プラズマ処理室の条件設定を良好に行わせることができるプラズマ処理装置とその制御方法を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置は、高周波出力を出力する高周波電源と、前記高周波出力を入力とするインピーダンス整合器と、このインピーダンス整合器の出力を入力とするプラズマ処理室と、前記インピーダンス整合器の可変コンデンサの値を変化させて予め測定した多数のＳパラメータを記憶した記憶部と、前記Ｓパラメータから算出した前記インピーダンス整合器の電力伝達効率により前記プラズマ処理室の処理状態を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

また、前記インピーダンス整合器は、前記インピーダンス整合器と前記プラズマ処理室との整合状態がずれると、そのずれを検出して内蔵する可変コンデンサの値を調整して、前記インピーダンス整合器と前記プラズマ処理室とを整合状態にする自動インピーダンス整合器であることを特徴とする。

また、前記ＳパラメータはＲＦネットワークアナライザにより測定されたことを特徴とする。

また、電力伝達効率を前記Ｓパラメータから算出する場合、Ｓパラメータとして順方向伝送パラメータＳ２１を用いることを特徴とする。また、前記電力伝達効率によって、前記高周波電源の出力電力を制御することを特徴とする。また、前記電力伝達効率によって、前記高周波電源の出力電力を制御することを特徴とする。

さらに、本発明のプラズマ処理装置の制御方法は、高周波電源の高周波出力をインピーダンス整合器を介してプラズマ処理室に供給し、このプラズマ処理室でプラズマ加工を行うプラズマ処理装置の制御方法であって、前記インピーダンス整合器の可変コンデンサの値を変化させて予め測定した多数のＳパラメータを記憶部に記憶させ、この記憶部のＳパラメータから前記プラズマ処理室への電力伝達効率を求め、この電力伝達効率を前記プラズマ処理装置の制御装置に与えて、プラズマ処理装置を制御することを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置によれば、従来のようにインピーダンス整合器とプラズマ処理室との間に高価なインピーダンス測定器やモニターや高周波電流測定器を設ける必要がない。また、インピーダンス整合器とプラズマ処理室との間に測定器やモニタを設けることによる種々の弊害が無く、プラズマ処理室の条件設定を良好に行わせることができる。インピーダンス整合器のＳパラメータを測定するために、高周波ネットワークアナライザを必要とするが、これはインピーダンス整合器測定時に製造メーカに一台あればよく、プラズマ処理装置全体のコストアップにならない。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置のブロック図である。
図１に示すように、高周波電源１の高周波出力（１３．５６ＭＨｚ）はインピーダンス整合器２を介してプラズマ処理室３に供給されている。高周波電源１とインピーダンス整合器２とは同軸ケーブルで接続されている。インピーダンス整合器２とプラズマ処理室３とは直接接続（５００Ｗ以下では同軸ケーブル、５００Ｗ以上では銅板などのバーを用いる）されている。

インピーダンス整合器２は一般的なＬＣ回路を基本とした自動インピーダンス整合器である。プラズマ処理室３も一般的に知られているもので、一定間隔を置いて放電電極を配置し、その間にウェハ等の被処理体を置き、プラズマ発生時点で高真空状態に保持できるようにして、被処理体の表面をプラズマ処理できるようにしたものである。
４はプラズマ処理制御部であり、真空度制御、ガス濃度制御、処理室温度制御、高周波電源制御、整合器制御などが行われるものであり、この装置も基本部分は市販されているものである。５は演算・記憶部であり、入出力制御部６、演算部７、ＶＣＩ、ＶＣ２記憶部８、Ｓパラメータ記憶部９、効率η記憶部１０、整合インピーダンスＺＰ記憶部１１及び整合インピーダンスZｉｎ記憶部１２により構成されている。なお、上記プラズマ処理部４が市販のものと異なるのは演算・記憶部５の入出力制御部６との間で信号のやり取りがあるところである。

さらに、モニタ・操作部１３が設けられ、入出力制御部６に接続され、信号のやり取りが行われる。このモニタ・操作部はパソコンが用いられる。
図２は、システム全体の製造現場においてインピーダンス整合器２のデータを測定するためのシステムでありＲＦネットワークアナライザ１４のポートＩが実装同軸ケーブル（図１の１と２を接続する同軸ケーブルと同じ長さの同軸ケーブル）１５を介してインピーダンス整合器２の入力端子に接続され、ポートＩＩが測定用同軸ケーブル１６を介してインピーダンス整合器２の出力端子に接続されている。測定用同軸ケーブル１６のインピーダンス整合器２側の先端が実質のポートＩＩとなる。測定用同軸ケーブル１６をＲＦネットワークアナライザのポートＩＩに接続してから、ポートＩＩの誤差補正（校正：ＲＦネットワークアナライザが持っている機能で一般的に知られている。）を行って、上記実質のポートＩＩが仮想的に出来る。ＲＦネットワークアナライザ１４のデータ出力端子は測定用信号ケーブル１７を介して演算・記憶部５の入出力制御部６に接続され、信号のやり取りが行われる。

ＲＦネットワークアナライザ１４は市販されている一般的なものでよく、電子部品の入力信号と出力信号の振幅、位相関係から上記電子部品の回路網の反射特性、伝送特性を測定出来るもので、例えばフィルタやアッテネータの伝達特性等を測定するものである。なお、ＲＦネットワークアナライザ１４としては、ポート２側にマッチング回路機能付きのものを用いる。

図３は、図１に示すインピーダンス整合器２とプラズマ処理室３との共役整合時の等価回路図である。インピーダンス整合器２は可変コンデンサＶＣ１、ＶＣ２、コイルＬ１と実抵抗（インピーダンス整合器２の全ての抵抗分をまとめたもの）Ｒｍよりなり、入力端子Ｔ１、Ｔ２に高周波電源１が接続される。Ｚｉｎは入力側（入力端子Ｔ１，Ｔ２）の整合インピーダンスである。ＺＲは出力側（出力端子Ｔ３，Ｔ４）の整合インピーダンスである。

ＺＰ（Ｒ±ｊＸ）はプラズマ処理室３の整合インピーダンスであり、実抵抗をＲＬで表している。入力端子Ｔ１，Ｔ２から高周波電源１側を見たインピーダンスを例えば５０Ω、インピーダンス整合器２側を見たインピーダンスも５０Ωとすると、入力端子Ｔ１、Ｔ２で整合が取れている。一方、出力端子Ｔ３、Ｔ４からインピーダンス整合器２側を見たインピーダンスＺＲを１Ωとする。これは、上記５０ΩをコンデンサＶＣ１，ＶＣ２で１．３Ωに変換することにより、整合インピーダンスＺＲ＝ＲＺ−Ｒｍ＝１．３Ω―０．３Ω＝１Ωとして求められる。尚、Ｒｍを０．３オームと算出できる。詳細は後述する。

プラズマ処理室３側を見たインピーダンス（抵抗分ＲＬ）を例えば1Ωとすると、インピーダンス整合器２とプラズマ処理室との整合が取れた状態となる。なお、整合が取れている状態ではＺＲ，Ｚｐの虚数部分は考慮しなくて良く、この状態を共役整合状態にあると云う。
上記の整合状態（５０Ω−５０Ω−１Ω−1Ω）がずれると、図３に示す位相・振幅検出器２Ａで位相・振幅の変化が検出され、制御部２Ｂがモータ２Ｃ，２Ｄの回転を制御する。位相がずれると、モータ２Ｄが回転してコンデンサＶＣ２が調整される。振幅がずれるとモータ２Ｃが回転してコンデンサＶＣ１が調整され、整合状態になる。これが自動インピーダンス整合器と言われるもので、市販されている。

図４はインピーダンス整合器２のＳパラメータをＲＦネットワークアナライザ１４で測定する場合の接続図である。
次に、インピーダンス整合器２のＳパラメータの測定について説明する。製造現場で製造されるインピーダンス整合器２のデータをＲＦネットワークアナライザ１４で測定し、そのデータを演算・記憶部５の記憶部８，９，に記憶させ、記憶部８，９のデータを用いて演算器７で演算し、電力伝達効率η,整合インピーダンスZP、Zｉｎを記憶部１０，１１，１２に記憶する。

インピーダンス整合器２とこのインピーダンス整合器２のデータを格納した演算・記憶部５とが必要に応じて他のもの（高周波電源１、プラズマ処理室３、プラズマ処理制御部４、モニタ・操作部等）と共に販売される。
図５において、ＳパラメータＳ１１は順方向反射係数であり、インピーダンス整合器２の入力端子Ｔ１，Ｔ２から信号を入れた場合の反射係数である。Ｓ２１は順方向伝送係数であり、インピーダンス整合器２の入力端子Ｔ１，Ｔ２から信号を入れた場合の伝送係数である。Ｓ２１は逆方向反射係数であり、インピーダンス整合器２の出力端子Ｔ３，Ｔ４から信号を入れた場合の反射係数である。Ｓ１２は逆方向伝送係数であり、インピーダンス整合器２の出力端子Ｔ３，Ｔ４から信号を入れた場合の伝送係数である。

図２、図３に示すように、ＲＦネットワークアナライザ１４のポートＩから高周波電源１の出力と同じ周波数（１３．５６ＭＨｚ）の信号をインピーダンス整合器２の入力端子Ｔ１，Ｔ２に加える。
Ｓパラメータの測定は、例えば、図６に示すように、インピーダンス整合器２の可変コンデンサＶＣ１，ＶＣ２のポジションを夫々１０００設定し、合計１００万のポジションに付き測定する。図６では、コンデンサＶＣ１、ＶＣ２のポジションを１０置きに設定したものを示している。１００万個全部測定しても良いし、１０飛びに測定して、後で計算により間の数字を補完しても良い。

ＶＣ１、ＶＣ２のポジションに連動した測定の全てのパラメータ（Ｓ１１，Ｓ２１、Ｓ１２、Ｓ２２）を記憶して、ＲＦネットワークアナライザ１４のマッチング回路機能の回路最適化（マッチング）により、回路最適化し、その整合インピーダンスＺＰや電力伝達効率ηの電気的物理量を記憶する。
まず、ＳパラメータＳ１１がコンデンサＶＣ１，ＶＣ２のどのポジションにおいてもＳ１１≒０（例えば１００００分の１）になっており、この値を確認する。インピーダンス整合器２の出力側では実際にはＲＦネットワークアナライザ１４と整合状態にないが、ＲＦネットワークアナライザ１４のポートＩＩ側にマッチング回路を等価的に接続した特性に変換して測定（マッチング回路機能付き）しているので、インピーダンス整合器２の出力側インピーダンスが１Ω−１Ω、入力側は５０Ω−５０Ωと認識できるので、S１１：無反射波になるはずである。まず、これを確認するために、コンデンサVC1,VC2の各ポジション全てについてS11を測定し、これをSパラメータ記憶部９に記憶する。

また、このときマッチング回路インピーダンスは整合インピーダンスＺＰと等しいから、整合インピーダンスＺＰ記憶部１１に記憶する。
次に、上記各ポジション毎にSパラメータS２１を測定し、これをSパラメータ記憶部９に記憶する。各ポジション毎にインピーダンス整合器２の実抵抗Rmが変化するので、伝送係数S２１は異なる値をとる。これらの値はデシベルで与えられる。例えば、高周波電源１から１０００Wの電力をインピーダンス整合器２に供給したとすると、S２１が３デシベルであれば伝送率は５０パーセントでプラズマ処理室３には５００Wの電力が供給されていることになる。S21が６デシベルであれば伝送率は２５パーセントになり、プラズマ処理室３に２５０Wしか電力が供給されないことになる。

次に、RFネットワークアナライザ１４のポートＩＩから信号を出してSパラメータS２２を上記各ポジション毎に測定する。ＳパラメータＳ２２がコンデンサＶＣ１，ＶＣ２のどのポジションにおいてもＳ２２＝０即ち反射が無いことを確認する。Ｓ１１の場合と同じ考え方である。コンデンサVC1,VC2の各ポジション全てについてS２２を測定し、これをSパラメータ記憶部９に記憶する。

最後に、上記各ポジション毎にSパラメータS１２を測定し、これをSパラメータ記憶部９に記憶する。各ポジション毎にインピーダンス整合器２の実抵抗Rmと負荷ＲＬが変化するので、逆方向伝送係数S１２は異なる値をとる。
次に、演算部７によって、Ｓ２１を所定の変換式（デシベルを電力比率に変換する式）を用いて電力伝達効率ηに変換し、これを効率η記憶部１０に記憶させる。上記所定の変換式は演算部７に内蔵されており、ＳパラメータＳ２１を効率に変換するためのもので一般に知られているものである。

また、ηはη＝ＲＬ／（Ｒｍ＋ＲＬ）で表されるから、この式より、ＲｍはＲｍ＝（ＲＬ／η）−ＲＬで求められる。このようにして、今まで知ることができなかったインピーダンス整合器２の実抵抗Ｒｍを知ることができる。
次に、プラズマ処理室３でウエハの処理を行う場合について説明する。
使用者は図１に示すようにシステムを組む。新しいプラズマ処理室３を用いる場合、多くのサンプルを処理して、良好で且つ、同じ状態の処理ができるかを確認してプラズマ処理室３の条件設定を行う。

まず、プラズマ処理室３の真空度、ガス量、温度等を所定の値に設定し、ウエハを入れて準備をする。高周波電源１のスイッチを投入したとき、システムは整合状態にないので、充分プラズマ処理室３に電力が入らないが、プラズマ処理室３は少ない電力で弱く点火する。自動インピーダンス整合器２が動作し、１〜２秒でインピーダンス整合器２は整合状態に入る。プラズマ処理室３には充分な電力が供給され安定状態に入る。

高周波電源１から供給される電力と処理時間だけの条件に限って言うと、例えば、Ａ処理は高周波電源１の電力１０００Ｗ（プラズマ処理室３に入る電力は７００Ｗ程度と推定）で３分、Ｂ処理は高周波電源１の電力１０００Ｗ（プラズマ処理室３に入る電力は７００Ｗ程度と推定）で１分と言ったものである。この電力７００Ｗ程度は推定した値であり、実際に測定してみないと幾らの電力がプラズマ処理室３に供給されているか分からない。条件設定の時は例えば高周波電源１から１０００Ｗの電力を出し、インピーダンス整合器２の可変コンデンサＶＣ１，ＶＣ２のポジションを設定して所期の電力をプラズマ処理３に供給している。η＝７００／１０００＝０．７０、Ｒｍ＝（RL／η）―RLよりRｍ＝（１．０／０．７）−１．０＝０．４２８５７Ωになる。

プラズマ処理室３でウエハの処理を行っている状態では、例えばウエハが削られることによってプラズマ処理室３の状態が変化する。すると、プラズマ処理室３の整合インピーダンスは元々ＲＬ＝１Ωであったものが例えばＲＬ＝１．１Ωに変化する。すると、整合状態が崩れるので、自動インピーダンス整合器２が動作して、インピーダンス整合器２の出力端子Ｔ３，Ｔ４からインピーダンス整合器２側を見たインピーダンスを１．１Ωにし、整合をとる。

このとき、Rｍは０．４２８５７Ωで、RLは１．１Ωだから効率ηが、η´＝１．１／（０．４２８５７＋１．１）＝０．７１９６３（プラズマ処理室３の入力電力＝７１９．６３W）となる。
この一連の動作において、コンデンサＶＣ１、ＶＣ２の値を変化させた結果η＝ＲＬ／（Ｒｍ＋ＲＬ）つまり、インピーダンス整合器２の電力伝達効率ηが変化している。従って、プラズマ処理室３に供給される電力は変化してしまって、この状態でウエハを正常に処理できているか疑問である。

そこで、インピーダンス整合器２のコンデンサＶＣ１，ＶＣ２の値をプラズマ制御部４を経由して演算・記憶部５の入出力制御部６に加え、ＶＣ１、ＶＣ２記憶部７を参照して、例えば、図６のポジションＸであるとすると、そのときの、Ｓパラメータ記憶部９の値を参照し、効率η記憶部１０からＶＣ１，ＶＣ２のポジションＸの時の電力伝達効率ηｘを取り出す。この電力伝達効率ηｘをプラズマ処理制御部４に作用させ、プラズマ処理室３の条件を適正に制御する。

電力伝達効率ηｘをどのように使用するかについては、例えば、プラズマ処理制御部４において、電力伝達率ηｘ＝０．７１９６３であると、高周波電源１の出力電力を０．７０／０．７１９６３×１０００＝９７２．７２（W）にして、供給電力を実質的に元の電力がプラズマ処理室３に供給されるようにすることが考えられる。
電力伝達効率ηｘで何の条件を調整したらプラズマ処理室３の処理状態が最適なものになるかはプラズマ処理室３の使用者が経験的に把握しているので、プラズマ処理制御部４で高周波電源１の出力電力、プラズマ処理室３の真空度、ガス濃度、処理室温度等、を適宜選択して制御すれば良い。

なお、図２では演算・記憶部５の中にＳパラメータ記憶部９、効率η記憶部１０、整合インピーダンスＺP記憶部１１、整合インピーダンスＺｉｎ記憶部１２を設けたが、Ｓパラメータ記憶部９だけを設け、あとのデータは演算部７で演算して出力しても良い。また、演算部７でＳパラメータから効率ηを演算して効率η記憶部１０に記憶するようにしても良い。少なくとも、Ｓパラメータと電力伝達効率ηの少なくとも一方を記憶するようにすれば良い。

本発明は、特に半導体製造時に使用されるプラズマ処理装置及びその制御として用いて有用である。

本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置及びその制御方法を説明するための装置の使用状態を示すブロック図である。同測定状態を示すブロック図である。同使用時の一部分の等価回路図である。同測定時の一部分の等価回路図である。同装置のインピーダンス整合器のＳパラメータ説明のための図である。同装置のインピーダンス整合器説明のための図である。

符号の説明

１：高周波電源
２：インピーダンス整合器
３：プラズマ処理室
４：プラズマ処理制御部
５：演算・記憶部
６：入出力制御部
７：演算部
８：ＶＣ１，ＶＣ２記憶部
９：Ｓパラメータ記憶部
１０：効率η記憶部
１１：整合インピーダンスＺP記憶部
１２：整合インピーダンスＺｉｎ記憶部
１３：モニタ・操作部
１４：ＲＦネットワークアナライザ

Claims

高周波出力を出力する高周波電源と、
前記高周波出力を入力とするインピーダンス整合器と、
このインピーダンス整合器の出力を入力とするプラズマ処理室と、
前記インピーダンス整合器の可変コンデンサの値を変化させて予め測定した多数のＳパラメータを記憶した記憶部と、
前記Ｓパラメータから算出した前記インピーダンス整合器の電力伝達効率により前記プラズマ処理室の処理状態を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記インピーダンス整合器は、前記インピーダンス整合器と前記プラズマ処理室との整合状態がずれると、そのずれを検出して内蔵する可変コンデンサの値を調整して、前記インピーダンス整合器と前記プラズマ処理室とを整合状態にする自動インピーダンス整合器であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記ＳパラメータはＲＦネットワークアナライザにより測定されたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
電力伝達効率を前記Ｓパラメータから算出する場合、Ｓパラメータとして順方向伝送パラメータＳ２１を用いることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記電力伝達効率によって、前記高周波電源の出力電力を制御することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
高周波電源の高周波出力をインピーダンス整合器を介してプラズマ処理室に供給し、このプラズマ処理室でプラズマ加工を行うプラズマ処理装置の制御方法であって、
前記インピーダンス整合器の可変コンデンサの値を変化させて予め測定した多数のＳパラメータを記憶部に記憶させ、この記憶部のＳパラメータから前記プラズマ処理室への電力伝達効率を求め、この電力伝達効率を前記プラズマ処理装置の制御装置に与えて、プラズマ処理装置を制御することを特徴とするプラズマ処理装置の制御方法。
電力伝達効率を前記Ｓパラメータから算出する場合、Ｓパラメータとして順方向伝送パラメータＳ２１を用いることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置の制御方法。
前記ＳパラメータはＲＦネットワークアナライザにより測定されたことを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置の制御方法。
前記電力伝達効率によって、前記高周波電源の出力電力を制御することを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置の制御方法。