JP3768999B2 - プラズマ処理装置とその制御方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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 (9)
- 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。
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