JP4672941B2 - 誘導結合プラズマを発生させるための高周波電源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エッチング並びに堆積処理を果たすように、装置内に誘導結合プラズマを発生させることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の半導体製造処理は、処理チャンバ内に配置された半導体基板になされる堆積並びにエッチング処理を含んでいる。このような処理は、代表的には、イオン化可能なガスと高周波（ＲＦ）電磁界との相互作用によりプラズマが発生される、低圧、高密度放電を含んでいる。半導体処理チャンバ内でのプラズマへのＲＦ電力の結合は、容量主体か誘導主体かとして類別され得る。夫々の多くの例が従来より見出されている。
【０００３】
容量結合の場合には、ＲＦ電源は、平行板処理チャンバの下側プレート並びに／もしくは上側プレートに接続される。一般的に、上側プレートは、イオン化可能なガス供給体としても機能し、また、下側プレートは、ウエハ支持チャックとしても機能し、そして、チャンバの他の部分は接地されている。
【０００４】
また、誘導結合体は、一般的に、平板形状、円筒形状もしくはこれら形状の組み合せを使用している。そして、低ＲＦ電力が、下部電極、即ちチャックに印加されて、ＲＦバイアスを与えている。図１の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、誘導放電体の幾つかの例を示す。
【０００５】
図１の（Ａ）は、平坦な複巻きコイルがプロセスチューブ、即ち処理チャンバの上部に配置されたプラズマ形成体の一例を示す。図１の（Ｂ）は、複巻き円筒コイルがプロセスチューブの周りに巻かれた円筒形態の一例を示す。また、図１の（Ｃ）は、円筒コイルが導電シールドにより覆われた円筒形態の変形例を示す。図１の（Ｃ）に示される構成は、ヘリカル共振器の一例である。図示された構造の各々において、コイルは、ＲＦ電流を受けて、円筒形状態の長軸に平行な電磁（ＥＭ）場を誘起するように、接続されている。この結果のＲＦ−ＥＭ場、即ち、コイル中のＲＦ電流の振舞いは、静電シールドにより分極されているときに（方位角に伝播する電磁界を除去するために）、プラズマ量に近い径方向に伝播ＥＭ波にほとんど依存している。この径方向に伝播する波は、バルクプラズマの小さく薄い表面層と相互作用する。この薄い層の厚さは、スキン深さと度々称されている。そして、この相互作用は、最終的には、エネルギーが与えられた電子と、ガスのイオン化とを生じさせて、プラズマを発生させる。一般的には、プロセスチブは、保護バリアーとして機能し、外部構造体から内方プラズマ量を規定する。少なくとも、図１の（Ｂ）並びに（Ｃ）に示す構造において、プロセスチューブは、コイルから放射される電磁エネルギーを透過させる誘電材により形成されている。これら図は、概略的であることが理解されるであろう。実際の装置は、実用上、種々の形態を取り得る。
【０００６】
半導体プロセス中のプラズマへのＲＦ電力の結合は、５０ΩＲＦ電力発生器を使用して、１３．５６ＭＨｚの駆動周波数で一般的になされる。この周波数は、都合良く、産業上の使用のために認められているＲＦバンドの範囲内である。しかし、動作周波数は、従来技術ではこの値に制限されることはなく、実際、数倍の周波数が、代表的に複結合電極を使用する場合には、使用される。
【０００７】
前記ＲＦ電力は、ソリッドステートもしくは半導体で良い少なくとも１つの駆動部品、部品もしくは真空管を有する発振器により、コイルに代表的に印加される。
【０００８】
従来技術で知られているように、エネルギーは、Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ ＆ Ｌｉｃｈｔｅｎｂｅｒｇ，Ｃｈａｐｔｅｒ １２ （Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，１９９４）に開示されているように、ヘリカル共振器によって処理チャンバ中へと誘導結合される。ヘリカル共振器において、コイル（もしくはヘリックス）は、入力されるＲＦの１／４波の整数倍に等しい長さを有する。このコイルは、処理チャンバを取り巻き、接地された円筒状コンテナー内に収容されている。図１の（Ｃ）は、コイルと、プラズマに対するＲＦ場の容量結合を最小にするようにコイルにより囲まれた静電シールドと、この静電シールドにより囲まれ、プラズマからヘリカルコイルを分ける誘電プロセスチューブと、コイルを囲む外側導体、即ちシールドと、コイルの上部に接続されたＲＦ入力ラインとを有するヘリカル共振器の基本構造を示す。図１の（Ｃ）に示されるように、ＲＦ入力が設けられたコイルの上部は、接地されたコイルの一端とは離間されている。コイルの上部と接地との間のコイルの部分は、マッチング（整合）回路の一部として有効に機能し、かくして、上部位置は、マッチング状態を果たすように選定され得る。所定の設定状態のもとで、上部点位置の適当な制限は、回路に対してインピーダンス整合を与え得る。
【０００９】
しかし、ＲＦ電力発生器での負荷インピーダンスは、コイルの固有インピーダンスと、プラズマにより生じるインピーダンスとの関数である。また、後者のインピーダンスは、プラズマの性質の関数である。このために、プロセス状態での変動は、ＲＦ電力発生器により見られるように、インピーダンスでの変動を生じさせる。さらに、中にプラズマが確立される処理チャンバのインピーダンスは、プラズマ点火状態と操業状態との間でかなり変動する。ＲＦ電力発生器からプラズマへの有効なエネルギー伝達を維持するために、負荷インピーダンスに対する電力供給出力インピーダンスの適当なマッチングが必要とされている。
【００１０】
従来使用されている１つの技術は、可変周波数電力供給である。この周波数は、コイルのタップに結合される固定の整合ネットワークの入力での整合状態を決定する位相最大有効利得検出器（ｐｈａｓｅ ｍａｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）により決定される。しかし、この形式のシステムは、非常に高価であり、かくして、固定の周波数電力電源が、マッチングネットワークと関連して一般に使用されている。
【００１１】
ヘリカル共振器のコイルに、インピーダンスマッチングネットワークを介して結合される固定の周波数ＲＦ共振器の例が、図２に示されている。このマッチングネットワークは、直列に接続されたインダクターＬと、可変コンデンサーＣ_１，Ｃ_２に接続された２つの分岐点とにより構成されたπフイルターである。このマッチングネットワークは、コイルとプラズマとによる可変負荷インピーダンスと、ＲＦ電力発生器の出力インピーダンスとの間の相違を補う。例えば、図２に示されるように、電源インピーダンスＺ_Ｓが負荷インピーダンスＺ_ＭＮｉと等しく、このインピーダンスが、マッチングネットワークと、ヘリカルコイルと、プラズマ負荷との夫々のインピーダンスを含む場合には、電力の伝達が最大となり得る。この特別の場合には、マッチングネットワークー負荷回路への入力インピーダンスＺ_ＭＮｉは、電源インピーダンスＺ_Ｓと複素共役となっている。そして、マッチングネットワークの出力インピーダンスＺ_ＭＮｏは、負荷により見られるように、負荷インピーダンスＺ_Ｌの複素共役となっている。この特別な状態のもとで、ＲＦ源と、マッチングネットワークとプラズマ負荷コイルとの間の結合は、単純な抵抗回路と等価のように表され得る。かくして、マッチングネットワークは、ＲＦ電力発生器からその負荷への電力伝達を最大にするようにデザインされている。
【００１２】
電力伝達状態（出力が前方への信号と反射信号との間の位相差と反射信号の大きさとに近い特別な検出回路を使用した反射／透過電力レベル）のフイードバックを与えると、マッチングネットワークは、負荷インピーダンスの変化に応答するように形成されている。特に、プラズマ点火状態と操業状態との間、可変コンデンサーは、負荷回路を固定周波数の電源のための共振状態に変えるように調節される。尚、この負荷回路は、インピーダンスマッチングネットワークと、コイルと、プラズマ負荷とを含んでいる。回路インピーダンスがマッチングされると、マッチングネットワークの接続部で電源に反射される電力は、マッチングの精度に応じて最小に、もしくはゼロにさえなる。この結果、最終的には反射された電力を吸収しなければならない、電源への損傷を減じる。しかし、固定周波数の電源を有するマッチングネットワークの使用は、半導体装置の製造にとって幾つかの問題があることが知られている。
【００１３】
特に、既存のインピーダンスマッチングネットワークは、一部では、動作の信頼性を果たすために必要なメンテナスが比較的複雑であり、度々メンテナンス者の能力を超えるという事実のために、本質的に信頼性が無い。
さらに、既知のマッチングネットワークは、少なくとも特定の動作状態において、不適切な応答時間を有する。特に、プラズマ源に供給される電力が、パルスパターンに従って変化される場合には、最速のマッチングネットワークが、電源とプラズマ源との間の最適なマッチングを維持するように調節することができない。これは、最速のマッチングネットワークのためのタイムスケールが数百ミリ秒であるため、即ち、応答のための立上りもしくは立下り時間が数百ミリ秒であるために、事実である。しかし、１％の精度以内にＲＦ矩形波パルスをするためには、これらマッチングネットワークのための最小パルスタイムスケールは、数十秒、即ち、２５ないし５０秒でなければならない。かくして、ミリ秒のパルスを精度良く得るためには、ミリ秒のオーダの立上がり並びに立下り時間、即ち、タイムスケールを有するマッチングネットワークが必要である。このため、非能率でありパルスからパルスへ、即ち、操業から操業へ変化可能な電力カップリング状態を許容する必要があった。
インピーダンスのミスマッチングが基板の処理中に生じると、基板に損傷が生じる。
【００１４】
可変周波数のＲＦ電力発生器は、固定周波数のＲＦ電力発生器とマッチングネットワークとを使用した場合に生じる問題の多くを軽減する。米国特許Ｎｏ．５，６８８，３５７（Ｈａｎａｗａ）は、反射され並びに／もしくは透過された電力を感知する方法を含む、制御システムと関連してソリッドステート発振器からなる可変周波数のＲＦ電力発生器を使用する方法を開示している。この制御システムは、反射された電力が最小にされる並びに／もしくは透過された電力が最大にされるまで、ＲＦ電源の周波数を調節する。現在のソリッドステート技術の欠点は、ソリッドステート部品を有するＲＦ電源が５ｋＷのオーダの比較的低い電力レベルを取り扱うのに適しているという事実である。しかし、例えば、１５ｋＷへと比較的高い電力レベルを発生することが可能な電源が、３００ｍｍの直径のウエハを処理するのに必要である。ソリッドステート発振器の使用に対しての変更は、負荷コイルとプラズマ負荷とを含む発振回路内の駆動部品として、真空管を使用することである。
【００１５】
真空管の発振器は、直流電力（ＤＣ）を交流電力（ＡＣ）に変換するために、５０年以上の間使用されている。真空管の発振器のデザインに対する完全な議論は、“Ｖａｃｕｕｍ−Ｔｕｂｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ”（Ｃｈａｐｔｅｒ Ｘ１ ｏｆ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｅｒｉｅｓ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ａ Ｆｉｒｓｔ Ｃｏｕｒｓｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｕｂｅｓ ａｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｂｙ Ｍｅｍｂｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｔａｆｆ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭＩＴ．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９４３）で見られ得る。この文献によれば、真空管の発振器は，２つのクラスに分類される。即ち、負抵抗発振器とフイードバック発振器とである。低圧プラズマ放電を使用する半導体処理で特に使用するために、フイードバック発振器は、増幅器としての真空管と、負荷コイルを有するカップリング回路とを有し得る。この負荷コイルは、ヘリカルコイル、即ち、ＲＦ電力をプラズマにカップリングさせる電気部品であり得る。代表的なフイードバック発振器の例は、ハートレー発振器、コルピッツ発振器、同調されるグリッド（ｔｕｒｎｅｄ−ｇｒｉｄ）発振器、並びに同調されるグリッド・同調されるプレート（ｔｕｒｎｅｄ−ｇｒｉｄ ｔｕｒｎｅｄ−ｐｌａｔｅ）発振器である。既知のハートレー発振器と、コルピッツ発振器とのための基本回路が、図３の（Ａ）と（Ｂ）とに示されている。これら発振器は、図面では真空管の発振器として夫々見らる。
【００１６】
前記フイードバック発振器の動作の前の基本的前提は、装置が、出力電力の一部が増幅器への入力としてフイードバックされて、発振が維持され得る増幅器として機能することである。かくして、発振をさせるのに必要な入力電力よりも大きい出力電力での周期的な発振が可能な装置が、自己励起と称され得る。より正確には、出力電力の成分が、例えば、適当な大きさと位相を有する真空管のカソードにフイードバックされると、発振は、持続される。ときには、負の抵抗要素として、フイードバック接続された真空管の発振器を見ることは有効である。
【００１７】
図４の（Ａ）と（Ｂ）とは、図３の（Ａ）に示されたハートレー発振器に対応したフイードバック発振器の概略図と等価回路図とである。また、図４の（Ａ）と（Ｂ）とは、上述した真空管の発振器に見られる。図４の（Ａ）において、回路は、真空管の増幅器と、カップリングネットワークとにより構成されている。図示されるように、真空管の増幅器は、出力電圧Ｅ_ｐ（プレートとカソードとの間）、入力電圧Ｅ_ｇ（グリッドとカソードとの間）と、電圧利得Ｋ＝Ｅｐ／Ｅｇとを有する。カップリングネットワークは、入力電圧Ｅ_ｐが予見でき、β＝Ｅ_ｆｂ／Ｅ_ｐがカップリングネットワークの電圧比である場合にＥ_ｆｂの出力電圧を有する。自己励起発振を生じさせるためには、増幅器Ｋの電圧利得は、フイードバック電圧比β、もしくはＫ≧１／βの逆に少なくとも等しくなければならない。
【００１８】
図４の（Ｂ）は、図４の（Ａ）と同じ回路の等価回路を示している。しかし、この回路を線形Ａ級回路とみなしている。図４の（Ｂ）の回路でＫの値を代えることにより、バルクハウゼンの規定として一般に称されているようにに持続発振のためには、以下の状態を示すことができる。
【００１９】
β（ω）＝（１／μ＋１／ｇ_ｍＺ（ω）） （１）
ここで、Ｚは負荷回路のインピーダンス、μ並びにｇ_ｍは、真空管の利得と相互コンダクタンスである。明らかに、βは、インピーダンスが無効成分をほとんどの場合含んでいるので、複素電圧比である。ここで、実数部分と虚数部分とは、上記式（１）を満足させるように、独立して等しくなければならない。これらの２つの基準は、大きさと位相とに制限され、かくして、必要な動作状態を規定する。実際、時々式（１）の実数部分は、チューブの相互コンダクタンスｇ_ｍのための状態を設定し、また、式（１）の複素部分は、動作周波数を一般的に設定する。
【００２０】
図３の（Ａ）に示されるように、ハートレー発振器の、インピーダンスがＺである負荷回路は、コンデンサーＣと並列な２つのインダクターＬ_１、Ｌ_２ を含んでいる。ここで、これら２つのインダクター間の共通ノードは、真空管のカソードに直接に接続されている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
分光器内でのプラズマの発生に関連して、欧州特許ＥＰ５６８９２０Ａ１（Ｇａｇｎｅ）は、ＲＦ電力を大気プラズマとカップリングさせるためにコルピッツ発振回路内での三極真空管の使用を開示している。しかし、この発振回路は、プラズマへの電力のカッブリングに対しては、約４０ないし６０％と低い効率を有するように説明されている。さらに、低圧、高密度プラズマにＲＦ電力をカップリングさせるために、フイードバック発振器として設計されている場合には、コルピッツ発振器は、プラズマ点火状態から操業状態へと、手動回路の切り替えなしでは、移行させることはできなかった。この問題を解決し、発振回路の丈夫性を改良するためには、ハートレー発振器は、始動状態と操業状態との間の自動的な移行を可能なように使用されてきた。さらに、ハートレー発振回路は、約７８％と比較的高い効率のように見られていた。
【００２２】
本発明の目的は、上述した欠点並びに問題点を軽減したＲＦ電力発生器を有するプラズマ発生システムを提供することである。
本発明の他の目的は、１５ｋＷ以上の高さの範囲で、高い電力レベルを生じさせることのできるが、このような電力レベルで動作することの可能な既存の電源よりも低価格であるＲＦ電力発生器を備えたシステムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、例えば、１ないし数マイクロ秒のオーダのマッチングネットワークのタイムスケールで、ＲＦ電力レベルでの変化に素早い調整でありながら、プラズマ源への電力伝達が可能で、またプラズマ源のインピーダンスの変化の間に、マッチングされたインピーダンスのカップリング回路を連続的に維持可能なＲＦ電力発生器を提供することであ。
本発明のさらなる目的は、始動状態並びに稼動状態の間、安定して動作し、また回路の手動の切り替えをしないで、始動状態と稼動状態との間の自動的移行が可能なＲＦ電力発生器を提供することであ。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記並びに他の目的は、ＲＦ電力をプラズマにカップリングさせるように、処理チャンバを巻回するように構成されたコイルと、
ＤＣ電源とＲＦ電力出力ターミナルとを有するフリーランニング発振器を有するＲＦ電力発生器とを具備し、前記ＲＦ電力出力ターミナルは、前記コイルを含む負荷インピーダンスに接続されており、前記ＲＦ電力発生器は、プラズマにカップリングされるＲＦ電力を発生させるために前記コイルにＲＦ電流を供給するように動作し、また、
前記フリーランニング発振器は、カソード、プレート並びにグリッドを備えた真空管と、このグリッドに接続されたグリッドリーク回路と、前記真空管にカップリングされたフイードバック回路と、前記カソードを加熱するように接続されたＤＣ電力回路とを有し、そして、
前記コイルの少なくとも一部は、前記フイードバック回路の一部を構成するように接続されている、処理チャンバ内でプラズマを維持させるためにＤＣ電力をＲＦ電磁界に変換させるためのシステムにより、本発明に係れば達成される。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態に係れば、前記ＲＦ電力発生器は、前記プラズマちの近くに配置され、一方、前記ＤＣ電源は、プラズマちとＲＦ電力発生器との両方から離れた場所に配置され得る。しかし、前記ＤＣ電源は、チャンバの近くを含む如何なる場所にも配置され得る。前記ＤＣ電源のサイズは、必要とされるＲＦ電力レベルの関数であり、このため、１５ｋＷのＲＦ電力が、ウエハ処理のために発生される場合には、かなり大きくなされ得る。
【００２５】
所望のＲＦ電力出力レベル、即ち、ＲＦ電力ラムプもしくはパルス状のＲＦ電力を果たすために、本発明に係るＲＦ電力発生器は、駆動要素として、グリッドバイアス電圧が波形発生器を使用して変更され得る制御グリッドを備えた三極管を利用することができる。この駆動要素は、１もしくは複数の制御グリッドを備えた四極管、５極管等、ソリッドステートトランジスタ、ＦＥＴ、もしくは、同様の利得装置でも良い。本発明の好ましい実施の形態に係れば、真空管のフリーランニング発振器は、変更されたハートレー発振器である。
【００２６】
フリーランニング発振器の使用は、如何なるマッチングネットワークの使用を必要としなくし、発振器の出力がインダクタンスコイルに直接接続されることを、かくして、プラズマ源に直接接続されることを可能にすることが、判った。
【００２７】
プラズマち内で状態の変化が生じると、プラズマインピーダンスで対応した変化が、かくして、発振回路の負荷インピーダンスでの対応した変化が生じる。真空管のパラメータの関数に加えて、発振が持続される周波数は、負荷インピーダンスの関数である。このため、安定な動作の間、フリーランニング発振器のＲＦ周波数は、このような変化に対して自動的に調節する。
【００２８】
本発明に係るシステムは、改良された信頼性、１つのユニットから他のユニットへの動作の一致性、電力レベル変動への応答速度、そして、発振器の出力周波数をモニターすることによりプラズマ状態をモニターする能力を含む、従来技術に対しての幾つかの効果をもたらす。
【００２９】
機械的に調節され得る要素を信頼することなく、負荷インピーダンスの変化に応じてその発振周波数を変化させるフリーランニング発振器の能力により、プズマ源のンピーダンスにＲＦ電力発生器のインピーダンスをより信頼性良くマッチングさせることができ、かくして、プラズマに供給される電力のより正確な制御が可能となる。さらに、機械的に調節可能な要素並びにこれに関連した制御回路の除去が、システムの信頼性を改良し、また、システムの製造コストを低下させる。
【００３０】
換言すれば、ＲＦフイードバック発振器の応答性は、プラズマインピーダンスが変化可能な率と、種々の回路部品の時定数とにのみ依存する。例えば、プラズマインピーダンスの上記変化に関連したタイムスケールは、操業状態の間、数１０マイクロ秒であり、そして、始動動作の間は１ミリ秒の長さであり得る。かくして、フリーランニング発振器を使用することにより、ＲＦ電力が３ないし５ミリ秒、もしくは１％の精度が要求されないときにはこれよりも短い持続時間を有し、３０並びに５０マイクロ秒のような短い立上がり並びに立下り時間を夫々有するパルスの形態で供給された場合でさえも、プラズマ源への電力の能率的な伝達が可能となる。ＲＦ電力発生器は、電力レベル変動並びに３ないし５マイクロ秒の持続時間のパルスに対して良く応答することができ、また、ＲＦ電力が、複雑なマルチレベルサイクルもしくはもしくは非サイクルタイムファンクションの夫々異なる電力レベル間でパルス出力されるときでさえも，満足した動作が可能である。
【００３１】
さらに、ＲＦ電力発生器により発生されるＲＦ電力は、プラズマ源のインピーダンスにより変化するので、ＲＦ周波数は、プラズマ状態の変動を示すようにモニターされ得る。これは、ＲＦ周波数が，特定のプラズマ源のパラメータと相関付けられる程度に対して特に助成され得る。
【００３２】
本発明は、多くの効果を達成することができるが、この技術の現在の状態において、高電力真空管のＲＦの発振器は、高度の技術者によりなされる定期的ナメンテナンスを必要とすることが判っている。さらに、所定の動作状態において、発振器の出力周波数は、工業的なＲＦの使用のために認められているＩＳＭ帯から外れた周波数で変調され得る。しかし、この問題は、電源と処理チャンバとの周りの適当なＲＦシールドにより緩和され得る。このＲＦシールドは、例えば、プラズマチャンバを囲む銅メッシュ並びに／もしくは銅板壁の形態で良い。
【００３３】
前記シールドは、図面には特に示されてはいない。しかし、この分野で既に知られている原理に係れば、ＲＦ部品、即ち、コイル、ケーブル、ＲＦ発振器、並びに発振回路の部品の全ては、一般に適当なシールドを有しており、即ち、金属ボックス、同軸ケーブル等で覆われている。それでも、幾らかのＲＦリークが生じるかもしれず、この量がかなり多ければ、さらなるシールドが、全チャンバをシールドする銅板並びに／もしくはメッシュの形態で可能であれば必要とされ得る。このようなＲＦシールドは、ほとんどの処理チャンバにとって標準のプラクテスである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図５は、電磁界により中にプラズマが発生される処理チャンバ２と共に、本発明に係るＲＦ電磁界を発生させるためのシステムのブロック図である。このチャンバ２は、中にプラズマが形成される処理領域４を囲んでいる。この領域４内には、上に基板８が載置される基板支持体６が設けられている。基板８は、上にプラズマアシスト処理がなされる半導体ウエハで良い。前記領域４は、プロセスチューブ１０により囲まれており、また、このプロセスチューブは、静電シールド１２により覆われている。前記チャンバ２には、領域４の上境界の所で、イオン化可能なガスを領域４の中に射出させるガス射出集合体１４が設けられている。この処理ガスは、領域４内でＲＦ電磁界によりイオン化され、発生されたイオンは、領域４内の適当な部品（図示せず）により形成される電界の影響により、基板８に向かって推進される。上記のような部品は、この分野では既に知られている。
【００３５】
上述した部材の全て、並びにプラズマアシストエッチングもしくは堆積を果たすのに必要な部品及び全ての他のシステムは、本発明の貢献には固有ではなく、この分野で既知の部材により構成され得る。
【００３６】
必要な電磁界は、領域４とシールド１２とを囲み、本発明に係るＲＦ電磁界発生システムの１つの構成要件であるコイル１６に、ＲＦ電流を供給することにより発生される。このＲＦ電磁界を発生させるために、コイル１６は、ＲＦ電力発生器２０の出力コンダクターに接続されており、動作電力が、ＤＣ電源２２から発生器２０に供給される。
【００３７】
図示の実施の形態において、前記コイル１６は、ヘリカルコイルもしくはソレノイドコイルである。しかし、このコイル１６は、処理チャンバ内にプラズマを発生させるのに適している如何なる形態もとり得ることは理解されるであろう。
【００３８】
本発明の好ましい実施の形態において、ＲＦ電力発生器２０は、反応器２に直接近接して設けられているが、ＤＣ電源２２は、電力発生器２０から離れた位置に配置され、コンダクター２４により電力発生器２０に接続されている。しかし、ＤＣ電源２２をこのような離れた位置に配置させる必要はなく、実際は、反応器２の近くに配置され得る。
【００３９】
前記ＲＦ電力発生器２０は、駆動部品として三極電力真空管２６を有するフリーランニング（ｆｒｅｅ−ｒｕｎｎｉｎｇ）発振器により基本的には構成されている。ここで述べている本発明の発振回路の好ましい実施の形態は、図６に示されている。これは、前に説明したハートレー発振器と類似した構成であるが、負荷回路を構成している電気部品が、プラズマカップリング部材を、即ち、ヘリカルコイル１６とプラズマとを含むことが異なっている。
【００４０】
図６に示された回路は、図３の（Ａ）に示されたハートレー発振器の変形である。ハートレー発振回路は、フイードバック発振器の大きなクラス分けしたものの一例である。ハートレー発振器の一つの特徴的な態様は、三極真空管２６のカソードに接続されるノードの所で分けられた分離インダクタンス（図３（Ａ）ではＬ_１並びにＬ_２、図６では１７並びに１８）である。フイードバック発振器の動作のための基本は、前の”Ｖａｃｕｕｍ−Ｔｕｂｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ”，Ｃｈａｐｔｅｒ ＸＩに記載されている。
【００４１】
図６に示されている回路は、各々詳細な説明が必要な幾つかの部品により構成されている。これら部品は、以下の通りであ。（ｉ）ターミナル２８と接地との間に接続された出力を有するＤＣ電源（図５では部品２２であり、図６には示されていない）。（ｉｉ）分流（シャント）コンデンサー３２とＲＦチョークインダクター３０とにより構成されたローパスフイルター。（ｉｉｉ）三極真空管２６。（ｉｖ）ブロッキングコンデンサー３４と、回路同調コンデンサー２４と、プラズマ処理反応器２に結合されたヘリカルコイル１６と、三極真空管２６のカソードへのヘリカルコイル１６からのフイードバック接続線とを有する負荷回路。（ｖ）グリッドコンデンサー４０並びにグリッドリーク回路４２。（ｖｉ）ＤＣ抵抗、高ＡＣインピーダンスカソード加熱回路３６。
図６において、回路のための成分値と、入力電圧と、電流値との一例のセットは、５ｋＷのＲＦ電力に対して示されている。
【００４２】
フリーランニング発振器は、プレートとカソードと制御グリッドとを備えた三極電力真空管３６からなる単一の駆動部品を有する。この分野で知られているように、制御グリッドに印加されるポテンシャルは、適当な動作電圧がカソードとプレートとの間に存在するときには、カソードとプレートとの間を流れる電流の大きさに影響を与えるであろう。代表的には、三極のカソードは、トリウムタングステンにより形成される。
真空管２６として使用され得る三極真空管の１つの実用的な例は、Ｓｉｅｍｅｎｓ ＲＳ３０１０Ｃ ＲＦ真空管である。
【００４３】
真空管２６の出力、即ち負荷回路は、コンデンサー３４，２４と、コイル１６の一部１８とにより構成されている。即ち、コンデンサー３４とコイルの一部１８とは、真空管３４のプレートとカソードとの間で直列に接続されており、コンデンサー２４は、コンデンサー３４と接地との間に直列に接続されており、また、コイルの部分１７，１８は、コンデンサー３４と接地との間で直列に接続されている。
【００４４】
さらに、前記コンデンサー２４とコイルの部分１７とは、両者とも接地されており、かくして、コイルの最初に説明した部分と並列の直列ブランチを形成している。
【００４５】
使用されている結線は、ハートレー発振器の形態の夫々に対応するように意図されている。ヘリカルコイルへの接続点は、ブロッキングコンデンサー３４からの接続とカソードへの接続との間の有効なインダクタンスを決定すると共に、カソードへの接続から接地までの有効インダクタンスを決定する。このような分割インダクタンスは、ハートレー発振器にとって固有であり、これらの値は、発振器の動作に影響を及ぼす。
【００４６】
前記ブロッキングコンデンサー３４は、負荷回路からＤＣ電力を遮断するように使用されている。図６で容量”ＣＸ”を有するように表示されている可変コンデンサー２４は、式（１）に記載されたインピーダンスＺを調節するように使用されている。このようにすることによって、動作発振周波数は、公称状態（即ち、ＲＦ電力、チャンバ状態等）の所望のセットのために調節され得る。負荷コイル、即ち、ヘリカルコイル１６は、３つの部分、即ち、開放端部分１９と、コンデンサー２４、３４に接続された入力タップとフイードバックタップ接続部４６との間の部分１８と、プラズマ源のための外部導体壁、即ち、シールドの所で接地するようにフイードバックタップ接続部から延びた部分１７に分けられている。コイル１６は、プラズマチャンバの周りに巻かれたヘリカルコイルである。
【００４７】
図７の（Ａ）は、ヘリカルコイル１６が静電シールドとプロセスチューブとの周りに巻かれたヘリカル共振器の概略を示す。プロセスチューブは、誘電材で形成され、静電シールドにより囲まれている。また、前記コイル１６は、チャンバ壁により囲まれ、入力タッブ位置と、フイードバックランニング発振器のフイードバック接続部４６とに接続されている。チャンバは、導電材で形成された外壁を有し、また、コイル１６の端部１７は、この外壁に接続されている。図７の（Ａ）の部品の回路配線が図７の（Ｂ）に示されている。前記コイル部分１７，１８は、ハートレー発振器に共通の分割インダクタンスを示し、また，部分１９は，単に、ヘリカル共振器の開口端を示す。勿論、操業状態の間、プラズマによる相互インダクタンスが存在するであろう。図１の（Ｃ）を参照して前に説明されたように、ヘリカル共振器は、シールド、即ち、外部導体を有する。この外部導体は、この場合には、導電チャンバ壁と、コイル、即ち、内部導体であり、このコイルは、この場合には、シールドにより囲まれたコイル１６である。このコイル１６の一端は、接地、即ち、シールドに直接に接続されている．また、このコイル１６の他端は、トリミングコンデンサーが使用されていなければ、解放されている。
【００４８】
全体を通して、システムは、１／４波同軸伝送線路共振器（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｄａｔａ ｆｏｒ Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，Ｈｏｗａｒｄ Ｗ．Ｓａｍｓ ＆ Ｃｏｍｐａｎｙ（１９７５）Ｓｅｃｔｉｏｎ ２４，ｐａｇｅｓ ２４−３０を参照）と類似した動作をする。外部導体に対するヘリカルコイルの容量カップリングと関連したキャパシタンスと、コイルのインダクタンスとは、共振周波数がω＝（ＬＣ）^−１／２となるＬＣ回路を共同して形成している。
【００４９】
負荷回路と、この負荷回路の全発振回路に対するカップリングを理解するために、また、持続発振が可能かどうか並びにどのような発振周波数が得られ得るかを決定するために、簡略化された回路図が、プラズマの影響を有するようにして図示され得る。例えば、外部導体が導電チャンバ壁である、図１の（Ｃ）に示された誘電的にカップリングされたプラズマ源の場合、図１の（Ｃ）に示された物理的システムが、図８の（Ａ）に示され、簡略化された回路図により示され得る（Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ ＆ Ｌｉｃｈｔｅｎｂｅｒｇ，Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，１９９４，ｐ．３９３，Ｆｉｇｕｒｅ １２．２参照）。これは、誘導性放電の、変成カップリングされた回路モデルと一般に称されている。誘導コイルは、プラズマインダクタンスＬ_ｐによってプラズマにカップリングされたインダクターＬ_ｃにより表される。勿論、プラズマは、回路要素Ｌ_ｐとＲにより表される。さらに、この回路は、図８の（Ｂ）に簡略化されている。この図において、図８の（Ａ）の回路は、有効なインダクターと抵抗とが直列に変更されている。プラズマの等価電気回路モジュールを使用することにより、増幅回路に見られるように負荷インピーダンスを想定することができ、このため、全発振回路を、ある状態の公称セットでの所望の周波数のための持続発振をするように設計できる。
【００５０】
動作電力が、通常の高圧ＤＣ電源２２（図６には示されていない）から供給される。この電源の出力側は、電力入力ターミナル２８と接地との間に接続されている。このターミナル２８は、ＲＦチョークコイル３０を介して真空管２６のプレートに接続され、また，フイルターコンデンサー３２は、ターミナル２８と接地との間に接続されている。このコイル３０とコンデンサー３２とは、ＤＣ電源を発振器のＡＣ部分からカップリングしないようにする（ｄｅｃｏｕｐｌｅ）ローパスフイルターとして機能する。真空管２６のカソードと接地との間のＤＣ路が、図示されるように、コイル１６の部分１７により設けられる。
【００５１】
真空管電力三極の適当な動作は、これのカソードが有効な電子エミッターとして機能するたるめに加熱されることを必要とする。真空管２６のカソードは、電流供給回路３６を介して適当な電源(図示せず)からカソードに供給されるＤＣ電圧により加熱される。この回路３６は、回路３６の正の入力ターミナルと負の入力ターミナルとの間にカソードを有する直列回路路を一連の分路接続コンデンサーと共に形成するためのインダクターのグループにより構成されている。効果的には、回路３６は、これの入力ターミナルとカソードとの間に非常に小さいＤＣ抵抗を与えており、カソードもまた、非常に小さいＤＣ抵抗を有しており、この結果、大きい加熱電流が、比較的低いＤＣ電圧により発生され得る。この回路３６は、発振器の高周波部分とＤＣ電圧源との間にＡＣ非カップリングを与えるように本質的に機能する。
【００５２】
さらに、図６の発振回路は、真空管２６のグリッドと接地との間に接続されたグリッドバイアスコンデンサー４０と、真空管２６のグリッドと接地との間に接続されたグリッドリーク回路４２とを有する。
【００５３】
ここで初めに与えられた単純な解析は、リニアーＡ級増幅器に関する。しかし、一般的には、グリッドリーク回路４２とグリッドコンデンサー４０とは、グリッドバイアス電圧を供給するために使用されている。かくして、この非リニアー回路要素の導入は、Ａ級真空管動作をただちに乱すように発振回路の動作を奏させる。非リニアリティが、以下に詳述されるように、グリッドリーク回路中への電流の流れの整流により、生じる。この非リニアーな作用は、発振回路の動作に２つの好ましい効果を加えている。第１に、これは、安定効果を与える。即ち、これは、持続発振の増幅を制限する。例えば、回路がリニアーに動作すると、回路の最も好ましくない周波数モードの増幅増長を抑制するための要素がない。そして、第２に、グリッドバイアス電圧の使用は、真空管がＣ級の働きをするように、比較的大きい効率で真空管が動作されることを可能にする。効率に対する改良は、持続発振のための周波数が同調回路の共振周波数に近ずくという事実から生じる。
【００５４】
最後に、真空管２６のグリッドは、グリッド電圧発生回路への接続のために設けられた入力ターミナル４４に接続されている。このグリッド電圧発生回路は、一定の大きさのＤＣバイアス電圧か、以下に詳述されるように、パルス波形、複合マルチレベル波形、正弦波形等のような選定された波形を有する電圧をグリッドに供給する。
【００５５】
所定のプレート−カソード動作電圧のために、真空管２６を流れる電流のレベルは、三極グリッドのポテンシャルがより正になるのに従って、増加するであろう。グリッドの電位が，カソードの電位に対して正であるときには、三極カソードからの電流の一部は、コンデンサー４０を充電し、リーク回路４２を流れるであろう。一方、グリッドの電位が，カソードの電位に対して負であるときには、リーク回路４２への電子の流れは生じないであろう。かくして、グリッドバイアスがカソードの電位に対して正であるときの、ＲＦサイクルの期間の間、コンデンサー４０は、接地に対して負の電位に充電され、かくして、電流は、ＲＦサイクルの他の一部の時間に、コンデンサー４０からリーク回路４２を通ってリークするであろう。
【００５６】
前記コンデンサー４０の容量は、グリッドリーク抵抗と比較して、動作周波数において無視できるリアクタンスを有するように充分に大きくなければならない。これは、グリッドバイアス電流の時定数がＲＦ発振時間よりも充分に大きくなければならないことを示しているのと等価である。このような状態のもとで、コンデンサー４０は幾らか充電される。即ち、電荷がグリッドリーク回路へと失われる割合は、ＲＦサイクルの一部の時間にグリッドから受ける電荷よりも少ない。このために、コンデンサー４０の充電が増すのに従って、負のグリッドバイアス電圧高くなって、グリッド電流パルスを減少させる。そして，最終的に、グリッドリーク回路へ失う電荷と、ＲＦサイクルの間に受ける電荷とがバランスのとれた安定状態に達する。この時点で、電流の安定成分は、グリッドリーク回路を介して機能し、また、交流成分は、グリッドコンデンサー４０を介して機能する。代表的に、電流計４８が、グリッドリーク回路を流れる電流の安定成分を測定並びにモニターするために使用され得る。直流は，回路内での発振の相対振幅を表し、発振が生じていることを検出するのに使用され得る。
【００５７】
プラズマ処理システムでの使用のために、図６に示された発振器を準備するためには、コンデンサー２４を、例えば、１３．５６Ｍｈｚで良い選定された公称発振周波数に同調させることのみが必要である。この最初の回路同調をの果たすことにより、プラズマ処理動作の間に、他のさらなる同調は不要である。上記式（１）により示されているように、負荷インピーダンスの変化は、フイードバック電圧比βに直接影響を及ぼす。発振を持続させるために、発振の周波数は、インピーダンスＺでの変化を補償するように変化しなければならない。勿論、周波数が変化するのに従って、またインピーダンスも変化する。
【００５８】
動作の初期には、回路内での電子ノイズは、初期の変動を発生させ、好ましい波長が増幅される。この結果の発振の変動は、フイードバック電圧の利得が１よりも大きいかどうかに依存する。プラズマの状態が変化するのに従って、フイードバックにより電子管の電位も変化し、最終的に電子管は、発振周波数を自己調節する。
【００５９】
かくして，フリーランニング発振器により発生される周波数は、発振器と領域４内のプラズマとの間のエネルギーカップリングを最適に維持するか最適に近づくように、プラズマ源の特性インピーダンスでの変動を自動的に調節する。
【００６０】
本発明に係るＲＦ電力発生器により得られる１つの効果は、フリーランニング発振器が、機械的に動作されるインピーダンスのマッチングネットワークを利用する発振器よりも非常に速くＤＣ駆動源の大きさの変動を調節することができることである。特に、本発明に係るフリーランニング発振器は、３ないし５マイクロ秒の期間で，１％の精度以内で、所望の波形規定に調節することが可能である。これは、調節が、各ステップが約３０ないし５０マイクロ秒の立上がり時間を有する１００ステップのコースに渡ってなされるであろうことを意味する。
【００６１】
本発明に係るフリーランニング発振器は、同調コンデンサーが最初に適当に調節されているときに、プラズマ領域内のアルゴン雰囲気のガス圧力が１ｍＴｏｒｒと５０ｍＴｏｒｒとの間で変動するのに従うプラズマインピーダンス変動に対応できることである。図に示された数値のキャパシタンスと抵抗とを有する図６に示された特別な回路は、１ｍＴｏｒｒと１７ｍＴｏｒｒとの間の範囲の圧力変動に対応可能である。僅かの調節のみが、前述した圧力範囲のうちの少なくとも一部の圧力で動作特性を得るために、この範囲を上下にシフトさせるように回路をなすために必要である。
【００６２】
この分野で知られているように、プラズマ密度は、プラズマにカップリングされるＲＦ電力のレベルと、処理チャンバ内のガス圧力等を含む幾つかの動作パラメータに依存している。特に、プラズマ密度は、吸収される電力の大きさＰ_ａｂｓに直接影響される。かくして、熱力学第一法則を考慮すると、発振器セクション２０により発生されるＲＦ電力Ｐ_ｉｎと、プラズマにより吸収されるＲＦ電力との間のエネルギーのバランスは、Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ａｂｓである。このため、所定の要素の温度をモニターすることにより、加熱で損失した電力、もしくは熱に変換される損失電力の少なくともフラクションに係るある情報を与えることができる。しかし、プラズマ処理システムの使用は、温度を安定に維持するために、システムの所定の領域を冷却する方法を必要とする。例えば、ＲＦ発振器セクション２０は、かなり高温となる可能性がある。ここでは、実質的な加熱は、三極真空管とグリッド抵抗で消費される電力により生じる。プラズマシステムの動作の間、消費される電力は、ＲＦ発振器セクション２０内の部品の適当な温度上昇を生じさせるのに充分である。ＲＦ発振器セクション２０は、ＤＣ電源と、ヘリカルコイルと、プラズマとを除いた、図６に示された全ての回路要素から実質的に構成されている。さらに、ヘリカルコイルと処理チャンバとは、冷却を代表的には必要としている。一般的に、ヘリカルコイルは、冷媒流体（例えば、Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ：商標）の再循環バス内に浸漬される。この冷媒流体の温度は、消費される電力の量に関連されている。
【００６３】
理想的には、プラズマ密度を直接測定することが望ましい。しかし、これは、処理チャンバにもしくはこれの中にさらなる感知装置を装着する必要がある。この感知装置は、例えば、プラズマ空間の中に突出するように装着され、チャンバ壁を通る電気的供給体、もしくは少ない進入性のマイクロ波システムを必要とする例えば、Ｌａｎｇｍｕｉｒ ｐｒｏｂｅである。しかし、如何なるプラズマ密度測定装置も、複雑で、結果としてのシステムのコストの増加を招く。
【００６４】
本発明に係るシステムにおいて、フリーランニング発振回路の発振周波数は、三極真空管の利得並びに相互コンダクタンスと、回路の負荷インピーダンスを含む幾つかのパラメータの関数である。この回路の負荷インピーダンスは、種々の回路要素に、即ち、ブロッキングコンデンサーと、可変コンデンサーと、ヘリカルコイルと、そして、勿論、プラズマとに依存している。確かに、プラズマの変化は、例えば、プラズマ密度の変化は、プラズマインピーダンスに、かくして、負荷インピーダンスに影響を与える。かくして、発振周波数の変化を検出し、この結果をプラズマ密度の変化と関連付けることができる。しかし、前述されたように、入力電力は、最終的には熱の形体で消費される。即ち、電力のフラクションは、外部回路で消費され、そして残りの電力がプラズマを加熱する。真空管、グリッド抵抗、並びにヘリカルコイルの充分な冷却無しで、構造体の温度は、可変にできる。一般的に、処理チャンバは、熱均衡から離れた状態で動作する。確かに温度の変化は、真空管の動作パラメータに影響を与え、また、回路の負荷インピーダンスを構成している、システムの要素に影響を与える。代わって、そして、これらの変化は、発生器から出力されるＲＦ電力の発振周波数と大きさに影響を与える。この結果、これら部品を一定の温度、もしくは、少なくとも、発振周波数に対する影響を無視できるような小さい変化の予め設定された温度に維持することは重要である。
【００６５】
プラズマ密度を正確に制御することができれば、プラズマ密度を意図的に調節するか、プラズマ密度を選定された値で安定化させることができる。前者の場合には、ＤＣ電源からの電圧パルス、傾斜（ｒａｍｐ）、もしくは、より複雑な波形の形態の信号を出力させることにより、ＲＦ電力を調節することが、全ての他のパラメータを一定に維持しながら、望まれ得る。かくして、プラズマに供給される電力の変化により、プラズマ密度が変化し、かくして、発振周波数が変化する。他の可能性に係れば、プラズマ密度を選定された一定の値で単に安定化させるために、チャンバ圧力、もしくはＲＦ電力発生器に供給されるＤＣ電力レベルのような入力パラメータの１つを設定することが望まれ得る。
【００６６】
代わって、図９に示された一つの限定されない例であるグリッド電圧制御回路によるような信号が、真空管２６のグリッドに供給され得る。この回路は、図６のターミナル４４にトランスフォーマ６２を介して接続されるパルス波形発生器６０と、シヤント接続された抵抗６４と、直列接続されたコンデンサー６６とを有する。これら抵抗６４と、コンデンサー６６とは、単純ハイパスフイルターを本質的に構成している。前記発生器６０は、真空管２６のグリッドに、矩形波パターン、夫々のセグメントが所望の持続時間を有する複雑複合レベル波形、もしくは正弦波パターンを含む如何なるパターンに従って周期的に変化する可変電圧を印加するように構成され得る。このような発生器は、この分野では良く知られている。
【００６７】
前記発振器とプラズマ発生システムとの温度が、一定に維持される場合には、チャンバ圧力もしくはＲＦ電力のような入力パラメータは、より正確に制御され得る。図６に示された回路で、１ないし１７ｍＴｏｒｒの圧力範囲全体に渡って、発振周波数は、２００ｋＨｚの範囲全体に渡って変化する。発振周波数が、２ｋＨｚの誤差内で制御可能であれば、チャンバ圧力を適当に変えることにより、１％の精度以内に発振周波数を制御することが可能になる。本発明に係るシステムの実用的な実施の形態の動作の間、図６に示された発振器の持続周波数は、５ないし３０℃の冷媒流体の温度範囲全体に渡って１℃当たり６．６６ｋＨｚの割合で、冷媒流体により変化するように、観察された。この温度範囲は、バイアスシールドがある場合に、測定された。このシールドは、静電シールドと類似の、一般的な，スロットが形成されたシールドではあるが、静電シールドとは異なり、接地されてはおらず、むしろ、ブロッキングコンデンサーとマッチングネットワークとを介してＲＦ発生器に接続されていた。さらに、このシールドの各スロットは、静電シールドの各スロットよりも広く切除されており、また、コイルにより発生されるＥＭエネルギーの通路を形成するように、静電シールドのスロットとアラインメントされている。このバイアスシールドは，バイアスされるか、バイアスされないか（フローティング）、接地され得る。このシールドは、一般的に、クリーニングの目的のためにイオン衝撃を引きつけるように壁をバイアスするのに利用され、これの存在は、構造体の電気的な性質を簡単に変化させる。
【００６８】
かくして、プラズマ密度（もしくは、圧力、電力等）を一貫した制限内に維持しながら、発振周波数を１％以内に制御することが望まれた場合には、冷却システムの温度を、安全性に対しては難しい要求である０．３℃以内に維持することが必要であった。しかし、このような制御は、１９９８年８月３日にＪｏｈｎｓｏｎにより出願された“ＥＳＲＦ Ｃｈａｍｂｅｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ”の名称の米国仮出願Ｎｏ．６０／０９５，０３６に記載されているようなヘリカル共振器のための冷却技術を使用して果たされ得る。このような制御は、プラズマの変動、即ち、プラズマ，電力変化等の変動の表示を発振周波数が果たすことを可能にする。温度が所定の制限内で安定に維持されるのであれば、如何なる温度依存性周波数変動は、生じないしであろう。
【００６９】
さらに、上記冷却は、ＲＦ発振器セクション２０に、この発振回路の他の部分に対する温度を安定に維持するために、なされなければならない。一定の真空管温度を維持するための１つの方法は、三極真空管を銅チューブで覆い、この銅チューブに高い流速で冷媒流体を流すことである。この流体の１つは、例えば、２５℃の温度に維持された冷却水で良い。同じ銅チューブ、即ち、冷却ラインが、図６に示されるようなグリッド抵抗４１，４３が上に載置された銅ブロックを通るように続き得る。これは、真空管とグリッド抵抗とのために充分な冷却を果たす。これら両部品は、入力ＤＣ電力の実質的なフラクションを消費できる。例えば、真空管内で消費される電力は、１ｋＷのように大きく、また、グリッド抵抗で消費される電力は、３００Ｗのように大きくなり得る。図１０の（Ａ）並びに（Ｂ）は、三極真空管２６と冷媒チューブ９０とのための１つの適当な形態を示す端面並びに側面図である。この真空管２６は、支持板９２により発振器のハウジング内に支持されており、また、チユーブ９０は、真空管２６を囲んでいる。そして、このチューブ９０の自由端は、板９４により支持されている。図示された構造体 は、モデル名称ＲＳ−３０１０−ＣＪとしてＳｉｅｍｅｎｓ Ｉｎｃ．から販売されているユニットにより構成されうる。
【００７０】
冷媒の温度とＲＦ発振器２０の温度とにおける規定の満足を想定すると、発振器の周波数は、プラズマ密度を制御するための制御機能として使用され得、また、発振器の周波数は、チャンバ内の圧力並びに／もしくはＲＦ入力電力を適当に調節することにより、制御され得る。本発明に係るシステムを動作させる前に、データベースが所定の装置に対して構築される。このデータベースは、プラズマ密度と、発振周波数、チャンバ内圧力、並びにＲＦ入力電力の組合わせとの間の相関を与える。初期のプラズマ密度値から終期のプラズマ密度値まで、これら期間の間での１００ステップを１％精度を達成させるために行うことにより、変化するように意図されていることを想定すると、各プラズマ密度ステップは、周波数と圧力ステップとが規定され、相関付けられる。圧力ステップの値を使用して、所定の値の特性が、プラズマチャンバの内部と連通した高真空バルブの開閉を制御するために使用され得る。そして、この高真空バルブは、各ステップでの繊細な同調と共にステップ間で圧力を調節するように動作され得る。同様のアプローチが、ＲＦ電力変動の関数としてプラズマ密度を制御することが望まれるのであれば、使用され得る。実際、プラズマ密度を調節するためのＲＦ電力の使用は、制御システムが最良の応答時間を有するであろうから、動作のベストモードである。ＦＲＯのための応答時間は、約数１０マイクロ秒であり得る。
【００７１】
このような処理の１つの特別な例が、図１１に示されている。この図示された実行に従えば、所望のプラズマ密度が、ステップ７０で設定され、この後、各ステップと、これに関連された圧力変動との相関が、ステップ７２で設定される。そして、ステップ７４で、スロットル、即ち、バルブが開閉され、これに続いて、ステップ７６で、プラズマ領域内の圧力と発振出力周波数とがモニターされる。そして、圧力と周波数との粗い同調がなされた後に、ステップ７８で繊細な同調がなされる。前記制御回路の粗い同調は、発振周波数と、プラズマ密度と、ＲＦ入力電力との間の所定の相関に基づき得る。また、前記微細な同調は、予め設定されたプラズマ密度が、発振周波数の関数としてある予め設定された誤差内で得られる反復動作を含む。この反復動作は、適当な既知の制御動作、即ち、予測−矯正等であり得る。圧力と周波数とが、ステップ８０で再びモニターされ、プラズマ密度ステップ変動が、決定ブロック８２で完了されたか否かが決定される。もし、完了されていなければ、動作は、ステップ７８に戻る。一方、プラズマ密度ステップ変動が完了されていれば、動作は、ブロック８４へと続き、次のステップがなされるか否かが決定される。もし、次のステップがなされるであれば、動作は、ステップ７４に戻り、そうでない場合には、動作は、ステップ８６で終了されるか、圧力がＲＦ電力に変更された状態で繰り返され得る。
【００７２】
図６に示された発振器が、１０ないし３０Ｗのような低いＤＣ入力電力レベルで動作され得ることが判る。さらに、この発振器の動作は、電力レベルと圧力との急激な変動が生じる場合でさえも安定している。始動状態のもとで、領域４内でのガス密度の大きな変動は、この領域を囲んでいる壁からのガス放出やガス解離によって主に生じ得る。プラズマがある程度安定な状態、即ち、ラン状態になるのに従って、発振器は、１ ｍｓｅｃの時間（もしくは１ ａｔｏｍ遷移時間）内にほとんど安定になり得る。
【００７３】
本発明に係る発振器は、異なる電力レベル間でパルス出力されるＤＣ電力の供給により動作され得る。１つの可能性に係れば、三極真空管２６のグリッドは、三極真空管の強制オフ状態をつくる電圧レベルから強制オン状態をつくる電圧レベルへとパルス出力される。これは、三極真空管を導通状態と非導通状態との間でかわるのを可能にする。これのある効果は、パルス回路設計の動作は、低い電力レベルでなされることである。このアプローチは、３０マイクロ秒のような短い立上がり時間と５０マイクロ秒のような短い立下り時間とで０．００１Ｈｚと５００Ｈｚとの間の繰り返し率を有するパルスの発生を可能にすることが判った。代わって、上記のようなパルスは、ＤＣ電源によって与えられ得る。これらパルスは、短いパルス立上がり並びに立下り時間、かくして高い繰り返し率を可能にする比較的高い電力成分を有する。
【００７４】
バイアスシールド並びにチャック（ｃｈｕｃｋ）は、プラズマに対して異なる電気的カップリングを生じさせ、かくして、等価電気回路に対して変更を必要とする。勿論、図６に示されるような負荷回路は、変更され得、また，幾つかの部品、即ち、ブロッキングコンデンサー、可変コンデンサー等の値は、変更され得る。
【００７５】
上記説明は、本発明の特別な実施の形態についてであるけれども、多くの変更が、本発明の精神から逸脱しないでなされ得る。請求項は、真の範囲並びに本発明の精神内にあるような変更をカバーするように意図されている。
【００７６】
かくして、ここで説明された実施の形態は、上記説明よりもむしろ、説明された並びに説明されないような全ての点に対して考慮され、本発明の範囲は、請求項により示されており、かくして、請求項と等価の範囲並びに意味内である全ての変更が本発明に含まれるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１の（Ａ）、（Ｂ）並びに（Ｃ）は、３種類の従来のプラズマ発生システムの形態を概略的に示す図である。
【図２】 図２は、従来の固定周波数ＲＦ電力発生器の回路図である。
【図３】 図３の(Ａ)並びに（Ｂ）は、２種類の従来の真空管の発振器の回路図である。
【図４】 図４の(Ａ)並びに（Ｂ）は、夫々、図３の（Ａ）に示された発振器の回路図並びに等価回路図である。
【図５】 処理チャンバと組み合わされた、本発明に係るシステムのブロック図である。
【図６】 図６は、図４に示されたシステムのフリーランニング発振器の好ましい一実施の形態の回路図である。
【図７】 図７の（Ａ）は、図６の回路の部品に接続されたプラズマ発生システムの一部と一部回路との概略的な図であり、また、（Ｂ）は、図７の（Ａ）に示された電気部品の回路図である。
【図８】 図８の（Ａ）並びに（Ｂ）は、本発明に係るＲＦ電力発生器の動作原理を説明するための等価回路図である。
【図９】 図９は、図６の発振器と使用可能な部品の回路図である。
【図１０】 図１０の（Ａ）並びに（Ｂ）は、夫々、図６のフリーランニング発信器に使用され得る真空管の部品の端面図並びに側面図である。
【図１１】 図１１は、本発明に係るプラズマ密度制御方法を説明するためのフローチャートである。

Claims (14)

1. 処理チャンバ内でプラズマを維持させるためにＤＣ電力をＲＦ電磁界に変換させるためのシステムであって、
   ２つの端部を有し、処理チャンバを巻回するように構成され、およびＲＦ電力をプラズマにカップリングさせるように構成されたコイルと、
   ＤＣ電源とＲＦ電力出力ターミナルとを有するフリーランニング発振器を有するＲＦ電力発生器とを具備し、前記ＲＦ電力出力ターミナルは、前記コイルを含む負荷インピーダンスに接続されており、前記ＲＦ電力発生器は、プラズマにカップリングされるＲＦ電力を発生させるために前記コイルにＲＦ電流を供給するように構成され、および、配置されており、また、
   前記フリーランニング発振器は、カソード、プレート並びにグリッドを備えた真空管と、このグリッドに接続されたグリッドリーク回路と、前記真空管にカップリングされたフイードバック回路と、前記カソードを加熱するように構成され、および、配置されているＤＣ電力回路とを有し、そして、
   前記コイルの少なくとも一部は、前記フイードバック回路の一部を構成するように接続されており、
   前記フイードバック回路の一部を形成する前記コイルの一部は、前記コイルの前記端部の少なくとも１つから離れており、
   前記ＲＦ電力発生器は、前記真空管にカップリングされ、並びに、前記プラズマにカップリングされる前記ＲＦ電力を変えるように構成され、および、配置されている制御回路を更に備え、
   前記制御回路は、前記真空管のグリッドに制御信号を供給するように構成され、および、配置されている制御信号源を備えている、システム。
2. 前記コイルは、ヘリカルコイルを備えている請求項１のシステム。
3. 前記コイルの一端部は、接地されており、また、コイルの他端部は、開路とされている請求項１のシステム。
4. 前記真空管は、三極である請求項１のシステム。
5. 前記ＤＣ電源は、プラズマにカップリングされるＲＦ電力を変える時間変化ＤＣ電圧を発生する請求項１のシステム。
6. 前記ＤＣ電圧は、前記ＲＦ電力の周波数よりも低い繰り返し率を有する時間変化電圧である請求項５のシステム。
7. 前記ＤＣ電圧は、前記ＲＦ電力の周波数よりも低い繰り返し率を有する時間変化電圧である請求項５のシステム。
8. 前記ＤＣ電圧は、パルス列もしくは正弦の形態を有する請求項５のシステム。
9. 前記ＤＣ電圧は、各パルスが複レベル波形を有するパルス列の形態である請求項７のシステム。
10. 前記コイルと前記真空管とに組み合わされ、および、前記コイルと前記真空管とを選定された温度に維持するように構成され、および、配置されている温度制御手段を、さらに具備する請求項１のシステム。
11. 処理チャンバ内でプラズマを維持させるためにＤＣ電力をＲＦ電磁界に変換させるためのシステムであって、
    ２つの端部を有し、処理チャンバを巻回するように構成され、およびＲＦ電力をプラズマにカップリングさせるように構成されたコイルと、
    ＤＣ電源とＲＦ電力出力ターミナルとを有するフリーランニング発振器を有するＲＦ電力発生器とを具備し、前記ＲＦ電力出力ターミナルは、前記コイルを含む負荷インピーダンスに接続されており、前記ＲＦ電力発生器は、プラズマにカップリングされるＲＦ電力を発生させるために前記コイルにＲＦ電流を供給するように構成され、および、配置されており、また、
    前記フリーランニング発振器は、カソード、プレート並びにグリッドを備えた真空管と、このグリッドに接続されたグリッドリーク回路と、前記真空管にカップリングされたフイードバック回路と、前記カソードを加熱するように構成され、および、配置されているＤＣ電力回路とを有し、そして、
    前記コイルの少なくとも一部は、前記フイードバック回路の一部を構成するように接続されており、
    前記フイードバック回路の一部を形成する前記コイルの一部は、前記コイルの前記端部の少なくとも１つから離れており、
    前記ＤＣ電源は、プラズマにカップリングされるＲＦ電力を変える時間変化ＤＣ電圧を発生し、
    前記ＤＣ電圧は、３０マイクロ秒以下の立上がり時間と５０マイクロ秒以下の立下り時間を有するパルス列の形態を有するシステム。
12. 前記ＲＦ電力発生器は、前記真空管にカップリングされ、並びに、前記プラズマにカップリングされる前記ＲＦ電力を変えるように構成され、および、配置されている制御回路を更に備え、
    前記制御回路は、前記真空管のグリッドに制御信号を供給するように構成され、および、配置されている制御信号源を備えている、請求項１１のシステム。
13. 前記制御信号は、パルス列もしくは正弦の形態を有する請求項１２のシステム。
14. 前記ＤＣ電圧は、各パルスが複レベル波形を有するパルス列の形態である請求項１１のシステム。

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