JP5210659B2 - Plasma processing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、高周波バイアス電力を印加する伝送路にインピーダンス整合器を備えたプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus, and more particularly, to a plasma processing apparatus having an impedance matching device in a transmission path for applying a high-frequency bias power.
半導体素子の製造工程では、エッチング処理、アッシング処理、ＣＶＤ処理など、プラズマを応用したさまざまな処理が行われている。これらプラズマを用いた処理装置では、処理ガスを電離し、イオン化することで被処理材との反応性を高めている。また、処理の高精度化を目的として、高周波バイアス電力を用いて被処理材への荷電粒子の入射角、および入射エネルギーを制御し、処理の異方性向上を実現している。
また、前記バイアス電力源として、間欠的にＯＮ／ＯＦＦする時間変調（Time Modulation＝以下、ＴＭ変調とする）、ＡＭ変調（Amplitude Modulation）、あるいはＦＭ変調（frequency Modulation）などの変調機能を有した高周波電力源を用いる場合には、図２に示すように、処理内容に応じて、変調の有無、変調モード、ＲＦパワーなどを変更しながら処理を行う。しかし、このような装置では、バイアス電力の連続波と変調波の切替動作、ＲＦパワーの大きさの変動等によって、伝送効率が変動する。
In the manufacturing process of a semiconductor element, various processes using plasma such as an etching process, an ashing process, and a CVD process are performed. In these processing apparatuses using plasma, the process gas is ionized and ionized to increase the reactivity with the material to be processed. In addition, for the purpose of improving the processing accuracy, the incident angle of the charged particles and the incident energy on the material to be processed are controlled by using the high frequency bias power, thereby improving the anisotropy of the processing.
The bias power source has a modulation function such as time modulation (Time Modulation = hereinafter referred to as TM modulation), AM modulation (Amplitude Modulation), or FM modulation (frequency Modulation) which is intermittently turned ON / OFF. When a high frequency power source is used, as shown in FIG. 2, processing is performed while changing the presence / absence of modulation, the modulation mode, the RF power, and the like according to the processing content. However, in such an apparatus, the transmission efficiency varies due to a switching operation between a continuous wave and a modulated wave of bias power, a variation in the magnitude of RF power, and the like.
また、残留反射波の制御、伝送回路のインピーダンス、位相、あるいはピークツーピーク電圧（Ｖｐ−ｐ）の制御を行うために設けられたインピーダンス整合装置のＲＦセンサにおいて、検出された信号のオフセット値が大きく変動することがある。このような場合には、インピーダンス整合の精度が低下したり、制御の安定性が低下して再現性が悪化するなど不安定になることがある。 Further, in the RF sensor of the impedance matching device provided for controlling the residual reflected wave, controlling the impedance, phase, or peak-to-peak voltage (Vp-p) of the transmission circuit, the offset value of the detected signal is May fluctuate significantly. In such a case, the accuracy of impedance matching may be lowered, or the stability of control may be lowered and reproducibility may be deteriorated.
プラズマ処理装置の一例として、特許文献１が知られている。この文献に示される処理装置は、真空容器内に被処理材を保持するための試料台を備え、被処理材の上部にプラズマを形成するための高周波電力供給用アンテナと、これを形成・制御するための空心コイルを真空容器の外周部に持つ構造をしている。
高周波電力供給用アンテナの形状は円形で、被処理材の上部に設置されている。被処理材の上部にあるアンテナには、プラズマを生成するための高周波電力を高周波電力源から供給するための同軸導波管が接続されている。また、処理室下部に設置された試料台内部には、バイアス電力供給用アンテナが設置されており、プラズマ中で励起された処理ガスの荷電粒子を被処理材まで任意のエネルギーで加速し、異方性を制御しながら入射させるための高周波電力源が接続されている。 The high-frequency power supply antenna has a circular shape and is installed on the upper part of the material to be processed. A coaxial waveguide for supplying high-frequency power for generating plasma from a high-frequency power source is connected to the antenna above the workpiece. In addition, a bias power supply antenna is installed inside the sample stage installed in the lower part of the processing chamber, and the charged particles of the processing gas excited in the plasma are accelerated up to the material to be processed with arbitrary energy. A high-frequency power source for making incident while controlling directionality is connected.
上部アンテナ電極に供給された高周波電力は、真空容器内にガス供給装置から供給される処理ガスを電離しプラズマ化する。このとき、真空容器外周部にある空心コイルの発生させる磁場によって、電離された処理ガスを閉じ込め、真空容器内のプラズマの形状と密度・分布を任意の形に制御する。ここで、高周波電力源の電力によって生成された電界が、プラズマ中の荷電粒子を被処理材に向けて加速し、運動方向と入射エネルギ−を制御しながら被処理材を処理する。 The high-frequency power supplied to the upper antenna electrode ionizes the processing gas supplied from the gas supply device into the vacuum vessel and turns it into plasma. At this time, the ionized process gas is confined by the magnetic field generated by the air-core coil in the outer peripheral portion of the vacuum vessel, and the shape, density and distribution of the plasma in the vacuum vessel are controlled to an arbitrary shape. Here, the electric field generated by the power of the high-frequency power source accelerates charged particles in the plasma toward the material to be processed, and processes the material to be processed while controlling the direction of movement and the incident energy.
また、このような装置にあって、自動整合器のマッチング精度向上のアプローチとして、事前放電による可変素子のプリセット位置補正による整合精度向上に関する技術や、電圧Ｖｐ−ｐの最大値、もしくは最小値を基準としてマッチング制御を行う技術が開示されている（特許文献２，３参照）。
従来のプラズマエッチング装置では、ＲＦパワー変動に伴うＲＦセンサのオフセットのズレは、そのままマッチング精度の低下、あるいは処理の再現性の低下につながっていた。これを改善するため、多くの場合、インピーダンスを可変する可変キャパシタンスや可変インダクタンスなどの可変素子のポジションをあらかじめある程度整合ポジションに近い位置まで移動させておく手法が用いられていた。 In the conventional plasma etching apparatus, the deviation of the offset of the RF sensor due to the fluctuation of the RF power directly leads to a decrease in matching accuracy or a decrease in process reproducibility. In order to improve this, in many cases, a technique has been used in which the position of a variable element such as a variable capacitance or a variable inductance that changes impedance is moved to a position close to the matching position to some extent in advance.
この手法では、ある一定のパワーによる一回の放電であれば、有効な手段であった。しかし、この手法は、ＲＦパワー値の変更を行う際には、事前の放電や、可変素子のポジション変更などを行う必要があることから、必ず放電を一時中断する必要があった。すなわち、ＲＦパワーの供給を中断することなく、給電を継続したまま連続的なＲＦパワー値の変更を行う必要があるプロセスへの適用は困難であった。 This method is an effective means if it is a single discharge with a certain power. However, in this method, when changing the RF power value, it is necessary to perform preliminary discharge, change the position of the variable element, and the like. That is, it has been difficult to apply to a process that requires continuous RF power value change while power supply is continued without interrupting the supply of RF power.
プロセスへの適用を行う場合、ＲＦパワー供給を中断すると、プラズマと被処理材の間に形成されていたバイアス電位が喪失するため、処理室内にある汚染物質やエッチャントなどが被処理材表面に堆積することがある。 When applying to a process, if the RF power supply is interrupted, the bias potential formed between the plasma and the material to be processed is lost, so contaminants and etchants in the processing chamber accumulate on the surface of the material to be processed. There are things to do.
また、プラズマの消火、着火を繰り返し、また、バイアス電位の印加、遮断を繰り返す場合には、この繰り返し過程、特にＲＦパワーの印加直後におけるバイアス電位の急峻な変動、例えばオーバーシュートなど原因となり、プラズマの不安定さが増大する。 In addition, when the plasma is extinguished and ignited repeatedly, and when the bias potential is repeatedly applied and shut off, this repeated process, particularly abrupt fluctuations in the bias potential immediately after application of RF power, for example, overshoot, may cause the plasma. Instability increases.
このような不安定現象発生の原因は、多くの場合、ＲＦパワー印加直後の急激なパワー変化、インピーダンス変化に可変素子が追随できずに生じる場合が多い。また、ＲＦパワーの伝送系のインピーダンスや位相をモニタしているＲＦセンサと呼ばれるセンサが、ＲＦパワーの変動の影響を受け、ゼロ点などのオフセット値がずれることで、安定したインピーダンス、位相のモニタが困難になることも原因の一つである。 In many cases, such an unstable phenomenon occurs because a variable element cannot follow a rapid power change and impedance change immediately after application of RF power. In addition, a sensor called an RF sensor that monitors the impedance and phase of an RF power transmission system is affected by fluctuations in the RF power, and offset values such as the zero point shift, thereby monitoring stable impedance and phase. One of the causes is that it becomes difficult.
このような現象は、基本波と呼ばれる一種類の周波数によって構成された高周波電力の場合よりも、ＡＭ変調やＦＭ変調、あるいはＴＭ変調などの変調波のように異なる２つ以上の周波数成分によって構成された高周波電力で問題となることが多い。特にＲＦセンサのオフセットのズレによるマッチング動作の安定性低下、あるいは再現性の低下に対しては前記変調波による影響が非常に大きい。 Such a phenomenon is constituted by two or more different frequency components such as a modulated wave such as AM modulation, FM modulation, or TM modulation, as compared with a case of high frequency power constituted by one kind of frequency called a fundamental wave. Often, this is a problem with high frequency power. In particular, the influence of the modulated wave is very large on the stability degradation or reproducibility degradation of the matching operation due to the offset of the RF sensor.
また、マッチング制御に関連して、処理チャンバや伝送路の微小な構造の差異や組み立て誤差の影響で、ＲＦパワー値が一定であってもＶｐ−ｐが安定しないという問題がある。これは、プロセス処理結果、および安定性を大きく左右するプラズマ中からのイオン掃引電圧が安定しないことを意味する。すなわち、処理結果の安定性・再現性の向上のためには、マッチング動作の安定性向上だけでなく、前記電圧Ｖｐ−ｐを安定させる手段が求められる。 Further, in connection with matching control, there is a problem that Vp-p is not stable even if the RF power value is constant due to the difference in the minute structure of the processing chamber and the transmission path and the influence of assembly errors. This means that the process results and the ion sweep voltage from the plasma, which greatly affects the stability, are not stable. That is, in order to improve the stability and reproducibility of the processing result, not only the stability of the matching operation is improved, but also means for stabilizing the voltage Vp-p is required.
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、高周波バイアス電力を印加する伝送路に挿入したインピーダンス整合器のマッチング動作の安定性を向上し、処理結果の安定性を図ることのできるプラズマ処理装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of these problems, and can improve the stability of the matching operation of the impedance matching device inserted in the transmission line to which the high-frequency bias power is applied, and can stabilize the processing result. A plasma processing apparatus is provided.
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
プラズマ生成用の高周波電力が供給されるアンテナ電極と高周波バイアス電力が供給される基板電極とを収容する真空容器を備え、生成されたプラズマにより、前記基板電極上に載置された被処理材にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記基板電極に高周波バイアス電力を供給する高周波バイアス電源と前記基板電極を接続する伝送路に挿入され、前記高周波バイアス電源側からみた伝送路のインピーダンスを一定に保つインピーダンス自動整合器を備え、該インピーダンス自動整合器は、前記高周波バイアス電源からみた前記伝送路のインピーダンスあるいは位相を測定するＲＦセンサの出力をもとに前記整合器を構成するインピーダンス素子を調整する制御装置と、制御に際して前記ＲＦセンサ出力のオフセットを補正するオフセット補正部を備え、該オフセット補正部は、前記整合器に入力される入力電力の大きさを多段階に分け、多段階に分けられた入力電力毎に予め前記オフセットの補正値を設定した記憶装置を備え、該記憶装置に設定された補正値にしたがって前記ＲＦセンサの出力のオフセットを補正する。 A vacuum vessel that houses an antenna electrode to which high-frequency power for plasma generation is supplied and a substrate electrode to which high-frequency bias power is supplied is provided, and a material to be processed placed on the substrate electrode is generated by the generated plasma. In a plasma processing apparatus that performs plasma processing, a high-frequency bias power source that supplies a high-frequency bias power to the substrate electrode is inserted into a transmission path that connects the substrate electrode, and the impedance of the transmission path as viewed from the high-frequency bias power source side is kept constant. An automatic impedance matching device is provided, and the automatic impedance matching device adjusts an impedance element constituting the matching device based on an output of an RF sensor that measures the impedance or phase of the transmission line as viewed from the high-frequency bias power source. And offset the offset of the RF sensor output during control. An offset correction unit is provided, and the offset correction unit divides the magnitude of input power input to the matching unit into multiple stages, and stores the offset correction value in advance for each of the multiple stages of input power. And an offset of the output of the RF sensor according to a correction value set in the storage device.
本発明は、以上の構成を備えるため、高周波バイアス電力を印加する伝送路に挿入したインピーダンス整合器のマッチング動作の安定性を向上し、処理結果の安定性を図ることができる。 Since the present invention has the above-described configuration, it is possible to improve the stability of the matching operation of the impedance matching device inserted in the transmission line to which the high-frequency bias power is applied, and to stabilize the processing result.
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。このプラズマエッチング装置は、ＥＣＲプラズマエッチング装置として構成されている。真空容器１０１中にプラズマ１０４のエネルギー源となる電力を伝達するアンテナ電極１０５、およびバイアス電力を伝達する基板電極１０９、処理ガスを供給するガス供給装置１１１を設けることで処理室を構成している。
Hereinafter, the best embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a plasma etching apparatus according to the present embodiment. This plasma etching apparatus is configured as an ECR plasma etching apparatus. A processing chamber is configured by providing an
真空容器１０１の外周部には処理室を囲むようにして磁場発生用の空芯コイル１０６が配置してある。真空容器１０１上部には、電力を供給するためのアンテナ電極１０５と、ガス供給装置１１１から処理ガスを真空容器内に導入するための微細な孔が複数開いたガス導入板１１２が設置されている。また、真空容器１０１には、真空を維持するために、真空排気装置１１３（ここではターボ分子ポンプ）が接続されている。また、上部のアンテナ電極１０５は、処理室中にプラズマを維持するためのバイアス電力を供給する機能を有している。下部の基板電極１０９は、被処理材１０２に垂直な電界を発生させるための高周波電力を供給する機能と、被処理材１０２を搭載し、クーロン力によってこれを吸着・保持するためのステージとしての機能を有している。
An air-
上部アンテナ電極１０５には、真空容器１０１の外に配置してある高周波電力を供給するためのマグネトロン１０７と接続するために同軸導波管１０８が接続されている。同軸導波管１０８によって真空容器外に引き出された伝送線路には、マグネトロン１０７が、伝送線路やプラズマ１０４のインピーダンス変動を吸収するための自動整合器１１４、および反射電力を吸収するアイソレータ１１５を経由して接続されている。
A
試料台１０３内部に設置された基板電極１０９にバイアス電力を供給している高周波電力源１１０は、基板電極１０９と高周波電力源１１０の間に、自動整合器１１６、が接続されており、伝送線路やプラズマ１０４のインピーダンス変動を吸収しながら電力を供給できるようになっている。また、基板電極１０９には、被処理材１０２を試料台に吸着・保持するためのクーロン力を発生させるための直流電圧源１１７がフィルタ回路１１８を経由して接続されている。
A high-
図２は、自動整合器を説明する図である。自動整合器１１６には、高周波電源１１０から出力されたＲＦパワーが入力され、ＲＦセンサ２０１に入力される。ＲＦセンサ２０１は、入力された電力の一部を取り出し、電圧と電流に変換して、信号の位相と伝送系のインピーダンスの検出を行っている。検出されたこれらの信号は、Ａ／Ｄコンバータ２０２に入力され、量子化され、制御をつかさどる制御装置２０３に入力される。
FIG. 2 is a diagram for explaining the automatic matching device. RF power output from the high
制御装置２０３は、ＣＰＵ２０４および記憶装置２０５、Ｉ／Ｏ装置２０６から構成されており、Ａ／Ｄコンバータから入力された信号をもとに、可変素子２０７および２０８を駆動し、伝送系のインピーダンスを制御する。ここで、制御装置２０３は、入力された信号をもとに、可変素子２０７および２０８が接続されたパルスモータ２０９および２１０の制御に必要な演算を行い、制御信号をＩ／Ｏ装置を経由してモータコントローラ２１１に対し出力する。
The
さらにＣＰＵ２０４では、入力された信号に対し、別途検出したＲＦパワーの大きさをもとに、ＲＦセンサの補正に必要な補正値を記憶装置２０５から抽出し、ＲＦセンサの検出値のオフセット補正を実行する。このとき、図の例では、ＲＦパワーの大きさを高周波電源１１０から通信２１２によって受け取るように構成されているが、自動整合器内部にＲＦパワーの大きさを検出するためのセンサを設置してもよい。
Further, the
Ａ／Ｄコンバータ２０２からの信号、および高周波電源からの通信２１２によってＲＦパワーの大きさを受信した制御装置２０３は、図３に示す処理フローによってＲＦセンサのオフセット補正を行い、同時にマッチング制御を行う。
The
ＲＦパワーを印加直後、自動整合器は、高周波電源１１０からの通信２１２によって直ちに自動整合動作を開始する。このとき、高周波電源１１０からの通信２１２によって、印加されるＲＦパワーの大きさを検出する（Ｓ３０１）。次に、検出したＲＦパワーの大きさをもとに、記憶装置２０５に格納された補正データベースのうち、特に多段階にＲＦパワー値を分割し、それぞれのゾーンに対応した識別符号３０２を格納するデータベース（以下、パワーゾーン判定データ配列とする）を参照し（Ｓ３０３）し、ＲＦパワーに応じた識別符号３０２を設定する（Ｓ３０４）。次に、設定された識別符号３０２を基準として、各識別ポイントに対応したオフセット補正値を格納したデータベース（以下、補正値データ配列とする）を参照（Ｓ３０５）し、オフセット補正量３０７を抽出、決定する（Ｓ３０６）。ステップ３０３におけるパワーゾーン判定データ配列は、図４に示すような形式のもので、識別符号とＲＦパワーの関係が一覧できるものである。また、ステップ３０５における補正値データ配列３０５は、図５に示すような形式のもので、識別符号と補正値の関係が一覧できるものである。なお、これらの形式はあくまで一例であり、処理方式や運用によって、同様の記憶内容でほかのデータ形式を採用しても良いのは言うまでもない。また、この例では、ひとつの識別符号に対し、位相、インピーダンスの各補正値が対応されているが、これ以外の、たとえば、オフセット補正値を決定したポイントのＲＦパワー値などのデータも一緒に格納してもよい。
Immediately after applying the RF power, the automatic matching unit immediately starts the automatic matching operation by the
次に、ＲＦセンサ２０１の出力値をＡ／Ｄコンバータ２０２を経由して収集する（Ｓ３０８）。収集した位相、インピーダンスの各値は、（Ｓ３０６）にて決定されたオフセット補正値３０７を減算し、差分を演算する（Ｓ３０９）。その結果得られた値をＲＦセンサの検出値として、マッチング動作完了確認を行う（Ｓ３１０）。ここで、マッチング動作の完了ポイントは、高周波電源１１０の出力インピーダンスに等しい純抵抗値の５０Ω（５０＋ｊ０）である。（Ｓ３１０）では、この純抵抗値と検出したインピーダンスの比較を行い、その差分の演算と、純抵抗値に対し、ズレ方向が＋／−どちらにあるのかを演算する。もし、差分が整合動作完了判定範囲値内に収まっている場合は、動作を完了し、（Ｓ３０８）のＲＦセンサからの値の収集に戻る。
Next, the output value of the
次に、（Ｓ３１０）で、マッチング未完の判定が下された場合、現在のＲＦパワーの大きさを確認する（Ｓ３１１）。このとき、ＲＦパワーに変化があった場合は、直ちに処理を中断し、ＲＦパワーゾーンの判定（Ｓ３０４）を再度行い、補正値を再設定する。変化がない場合、（Ｓ３１０）において演算されたズレ方向と差分を用いて、可変素子の稼動量と稼動速度を演算しモータコントローラ２０９に対して指令を行う（Ｓ３１２）。このとき、マッチング制御は、ＲＦセンサの検出値を基準として可変素子の駆動を行うフィードバック制御であるため、処理系は直ちに（Ｓ３０８）のＲＦセンサからのデータ収集に戻り（Ｓ３１２）までの処理を（Ｓ３１０）によるマッチング完了判定がなされるまで繰り返す。 Next, when it is determined in (S310) that the matching is incomplete, the current RF power is checked (S311). At this time, if there is a change in the RF power, the process is immediately interrupted, the RF power zone is determined again (S304), and the correction value is reset. If there is no change, the operating amount and operating speed of the variable element are calculated using the deviation direction and the difference calculated in (S310), and a command is given to the motor controller 209 (S312). At this time, since the matching control is feedback control that drives the variable element based on the detection value of the RF sensor, the processing system immediately returns to the data collection from the RF sensor in (S308) and performs the processing up to (S312). The process is repeated until the matching completion determination is made in (S310).
なお、（Ｓ３０３）および（Ｓ３０５）に示した、補正値の決定処理は、ＲＦパワーに応じたゾーン判定と補正値の抽出のルーチンを合成し、一度の判定でＲＦパワーに応じた補正値を抽出できるようにしてもよい。 The correction value determination process shown in (S303) and (S305) combines a zone determination and correction value extraction routine according to the RF power, and a correction value corresponding to the RF power is determined by a single determination. You may enable it to extract.
次に、マッチング動作が完了し、ＲＦパワーを供給中に、次のステップのＲＦパワーが設定され、高周波電源１１０よりＲＦパワーの中断を行うことなく、異なるＲＦパワー値の供給が開始された場合について示す。
Next, when the matching operation is completed and the RF power is being supplied, the RF power of the next step is set, and the supply of a different RF power value is started without interrupting the RF power from the high
基本的な処理は、前記動作例と同じであるが、マッチング動作が完了し、マッチング完了判定（Ｓ３１０）とＲＦセンサからのデータ収集（Ｓ３０８）の間でループ動作を行っているとき、高周波電源１１０に対する設定値が変更され、自動整合器１１６に入力されるＲＦパワーが変更となり、マッチングポイントがずれたことを検出したマッチング判定（Ｓ３１０）をトリガとして開始される。
The basic processing is the same as in the above operation example, but when the matching operation is completed and the loop operation is performed between the matching completion determination (S310) and the data collection from the RF sensor (S308), The setting value for 110 is changed, the RF power input to the
マッチング未完を検出したマッチング判定（Ｓ３１０）は、ＲＦパワー確認（Ｓ３１１）を実施し、前回値と比較する。差異が認められると、高周波電源１１０からの通信２１２によってＲＦパワー値を検出し、ＲＦパワーゾーン判定（Ｓ３０４）およびオフセット補正値の決定（Ｓ３０６）を実施し、変更後のＲＦパワーに対応したＲＦセンサの新しいオフセット補正値を決定する。その後、センサからのデータ収集（Ｓ３０８）を実施し、ＲＦセンサの検出値の演算（Ｓ３０９）を実施し、ＲＦパワー変更に伴うＲＦセンサオフセットの補正を行った上で、再度マッチング完了確認（Ｓ３１０）を行う。ここで、改めてマッチング未完が検出されると、ＲＦパワーの確認（Ｓ３１１）を行い、ＲＦパワーに再度の変動がないことを確定の上、可変素子制御（Ｓ３１２）を実施する。
In the matching determination (S310) where the incomplete matching is detected, the RF power confirmation (S311) is performed and compared with the previous value. If the difference is recognized, the RF power value is detected by
ここで、ＲＦセンサの検出特性の例を図６に示す。この図は、一般的な電界結合、もしくは磁界結合、あるいはその両方を併用した方式のＲＦセンサにおけるゼロオフセット値のＲＦパワーに対する変化量を規格化して模式的に示したものである。この例では、一点のみ、任意のパワー値を校正ポイントとして設定し、このポイントでオフセットが最小になるように調整した例である。これによると、校正ポイントとして定めたＲＦパワーでは、センサオフセットはほぼゼロ、すなわち、最も精度良く検出が可能であることを示している。ここで注目すべきは、この校正を行ったＲＦパワーに対し、ＲＦパワー値が、増加、減少、いずれの方向に変化した場合でも、センサオフセットは増大するということである。これは、一般的に、センサの結合方式の特性上生じるものであることが知られており、現象としては不可避である。 Here, an example of detection characteristics of the RF sensor is shown in FIG. This figure schematically shows the amount of change of the zero offset value with respect to the RF power in an RF sensor using a general electric field coupling and / or magnetic field coupling in combination. In this example, an arbitrary power value is set as a calibration point at only one point, and the offset is adjusted to be minimum at this point. This indicates that the sensor offset is almost zero at the RF power determined as the calibration point, that is, the most accurate detection is possible. It should be noted that the sensor offset increases when the RF power value increases or decreases with respect to the calibrated RF power. This is generally known to occur due to the characteristics of the sensor coupling method, and is unavoidable as a phenomenon.
そこで、本実施形態では、図４および図５に示すようなデータベースを用いて、このオフセットを任意のＲＦパワー値で領域を分割ポイント６０２、６０３で多段階に分割し、それぞれの領域の中心点（調整ポイント６０１）でオフセットが最小になる補正値を与えることとした。その結果、オフセット値の変化曲線６０４は、ある一定値以下に抑えることが可能となる。このとき、オフセット値の変動が多い場合は、分割ポイント数を多くしたり、または、安定している場合は少なくするなどの操作を行ってもよい。また、補正方式も、多段階に設定した各領域の中心点を基準とするだけでなく、たとえば、各領域の先頭値、または終端値を基準としてオフセット補正値を与えるなど、各領域内で目的に応じて任意に変更するのもよい。この場合においても、オフセット値の変化曲線は、ある一定の範囲内に抑えることが可能である。 Therefore, in the present embodiment, using the database as shown in FIG. 4 and FIG. 5, this offset is divided into regions with arbitrary RF power values in multiple stages at division points 602 and 603, and the center points of the respective regions. A correction value that minimizes the offset is given at (adjustment point 601). As a result, the offset value change curve 604 can be suppressed to a certain value or less. At this time, an operation such as increasing the number of division points when the variation of the offset value is large or decreasing when the offset value is stable may be performed. In addition, the correction method is not only based on the center point of each region set in multiple stages, but also provides an offset correction value based on the start value or end value of each region. It is good to change arbitrarily according to. Even in this case, the change curve of the offset value can be suppressed within a certain range.
ところで、前記の方法であれば、オフセット値の変化曲線６０４は、多段階に領域を分割する分割ポイント間で、基準とする任意のＲＦパワーに対して与えるオフセット補正値を調整することで、オフセットの変化曲線６０４の傾き、あるいは、変化率、その大きさを変化させることができる。 By the way, in the above method, the offset value change curve 604 is obtained by adjusting an offset correction value to be given to an arbitrary RF power as a reference between division points that divide a region in multiple stages. The slope of the change curve 604, the rate of change, or the magnitude thereof can be changed.
ここで、センサオフセット補正は、処理ルーチンの中で、ＲＦセンサの検出から補正値を減算（Ｓ３０９）するわけであるから、補正値が適正の値でなかった場合、ＲＦセンサの検出値がずれることになる。すなわち、センサオフセットの分だけマッチングポイントがずれ、残留反射波が生じることになる。これを利用すると、マッチング完了時の残留反射波の大きさを任意に制御可能となる。すなわち、進行波電力と反射波電力の差分、つまり実効電力によってその値が決定されるＶｐ−ｐの大きさを任意の値にあわせこむことや、微調整が可能となる。その結果、チャンバの構造の違いや伝送路の微小な特性の差異によって生じるＶｐ−ｐのズレを修正することが可能となり、安定性低下、あるいは、誤差を補償することが可能となる。なお、このときに用いるセンサオフセット補正値は、補正値データ配列３０５に格納する。
Here, in the sensor offset correction, the correction value is subtracted from the detection of the RF sensor in the processing routine (S309). If the correction value is not an appropriate value, the detection value of the RF sensor is shifted. It will be. That is, the matching point is shifted by the sensor offset, and a residual reflected wave is generated. By using this, the magnitude of the residual reflected wave at the completion of matching can be arbitrarily controlled. That is, the difference between the traveling wave power and the reflected wave power, that is, the magnitude of Vp-p whose value is determined by the effective power can be adjusted to an arbitrary value, and fine adjustment can be performed. As a result, it becomes possible to correct the deviation of Vp-p caused by the difference in the chamber structure and the difference in the minute characteristics of the transmission path, and it becomes possible to compensate for the decrease in stability or the error. The sensor offset correction value used at this time is stored in the correction
つぎに、パワーゾーン判定データ配列、および補正値データ配列の構築について説明する。これは、被処理材の処理に先だって構築しておく必要がある。構築方法は、いくつかあるが、本実施形態では、被処理材の処理で使用されるプラズマのインピーダンス範囲が内包できるテストプラズマを用いて、ＲＦパワー値とセンサオフセットの変動をマッピングし、その変化量の大小によって補正範囲の分割数、および補正値を決定する。 Next, the construction of the power zone determination data array and the correction value data array will be described. This needs to be constructed prior to the processing of the workpiece. Although there are several construction methods, in this embodiment, the variation of the RF power value and the sensor offset is mapped using a test plasma that can include the impedance range of the plasma used in the processing of the material to be processed. The number of divisions of the correction range and the correction value are determined according to the amount.
図７は、補正値データ配列の作成処理を説明する図である。まず、図９に示すように、当該装置で運用を予定しているプロセス条件のプラズマインピーダンス８０１をスミスチャート８０３上にプロットし、ＲＦパワー変更によってその範囲を十分カバーできるインピーダンス変化範囲８０２を策定する。ここで、インピーダンス変化範囲は、当該装置で運用可能なプラズマについて、その最大範囲を定義してもよい（Ｓ７０１，Ｓ７０２）。 次に、策定したインピーダンス変化範囲８０２について、ＲＦセンサのオフセット値の分布を評価するため、無補正の状態でＲＦパワーを最小出力から最大出力まで変化させ、図９に示す無補正時の残留反射波の変化曲線９０１を作成する（Ｓ７０３）。次に、レンジの分割数を決定するため、図９に、抑えたい残留反射波のしきい値８０４を書き込み、無補正時の残留反射波の変化曲線９０１との交点に分割ポイント９０３、９０４を設定する（Ｓ７０４，Ｓ７０５）。
FIG. 7 is a diagram for explaining correction value data array creation processing. First, as shown in FIG. 9, the plasma impedance 801 of the process conditions scheduled to be operated by the apparatus is plotted on the Smith chart 803, and the impedance change range 802 that can sufficiently cover the range by changing the RF power is formulated. . Here, the impedance change range may define the maximum range of plasma that can be operated in the apparatus (S701, S702). Next, in order to evaluate the distribution of the offset value of the RF sensor in the established impedance change range 802, the RF power is changed from the minimum output to the maximum output in the uncorrected state, and the residual reflection at the time of no correction shown in FIG. A
つぎに、ＲＦセンサのオフセット補正値を決定するため、先に定めた分割ポイントを元に、基準となるＲＦパワー値を定める（Ｓ７０７）。基準となるパワー値は、各分割ポイント間の中間点（図９の９０６）と定める方法を採用する。このとき、１番目の分割ポイントについては、最小出力（０Ｗ）と１番目の分割ポイントの間の中間点を基準となるＲＦパワー値９０５と定める。ｎ番目の分割ポイントについては、ｎ番目の分割ポイントと最大出力の間の中間点を基準となるＲＦパワー値９０７と定める。なお、この基準となるＲＦパワー値は、各分割ポイント間の中間点だけではなく、最大値、最小値、あるいは任意のポイントとすることができる。 Next, in order to determine the offset correction value of the RF sensor, a reference RF power value is determined based on the previously determined division points (S707). As a reference power value, a method of determining an intermediate point between the divided points (906 in FIG. 9) is adopted. At this time, for the first division point, an intermediate point between the minimum output (0 W) and the first division point is determined as a reference RF power value 905. For the nth division point, an intermediate point between the nth division point and the maximum output is determined as a reference RF power value 907. The reference RF power value can be not only an intermediate point between the divided points, but also a maximum value, a minimum value, or an arbitrary point.
つぎに、定めた基準となるＲＦパワー値９０５、９０６、９０７において、センサオフセットの補正値をプラスまたはマイナス方向に増減させ、補正後の残留反射波９０８が各基準となるＲＦパワー値において最小になるようなセンサオフセット補正値を検索、設定する（Ｓ７０６、Ｓ７０７）。 Next, in the determined reference RF power values 905, 906, and 907, the sensor offset correction value is increased or decreased in the plus or minus direction, and the corrected residual reflected wave 908 is minimized in each reference RF power value. Such a sensor offset correction value is retrieved and set (S706, S707).
この操作を、ｎ個の基準となるＲＦパワー値について繰り返し、最小出力から最大出力までの範囲で、補正後の残留反射波９０８の値が残留反射波のしきい値８０４以下に収まるようにＲＦセンサのオフセット補正値を調整する。このとき、一回の分割ポイント設定で残留反射波がしきい値以下に収まらない場合は、一回目の操作で得られた残留反射波の変化曲線９０８に対し、しきい値との比較、分割ポイントの再設定を繰り返し、必要な分割ポイント数の決定とＲＦセンサのオフセットの補正値の検索、設定を繰り返す（Ｓ７０８）。 This operation is repeated for n reference RF power values, and the corrected residual reflected wave 908 is within the range from the minimum output to the maximum output so that the value of the residual reflected wave 908 after correction falls within the threshold 804 of the residual reflected wave Adjust the offset correction value of the sensor. At this time, if the residual reflected wave does not fall below the threshold value at one division point setting, the residual reflected wave change curve 908 obtained by the first operation is compared with the threshold value and divided. Point resetting is repeated, and determination of the number of necessary division points and search and setting of the RF sensor offset correction value are repeated (S708).
調整完了後は、ここで得られた１番目からｎ番目の分割ポイントのデータを元に、パワーゾーン判定データ配列を作成する。また、１番目からｎ番目までの各基準となるＲＦパワー値におけるＲＦセンサのオフセット補正値を元に、補正値データ配列を作成する（Ｓ７０９）。 After the adjustment is completed, a power zone determination data array is created based on the data of the first to nth division points obtained here. Also, a correction value data array is created based on the RF sensor offset correction values for the first to nth reference RF power values (S709).
ここで、この作業は、残留反射波を基準にするだけでなく、ＲＦセンサのセンサオフセットそのものを基準として採用し、同様の操作を行い、パワーゾーン判定データ配列、および補正値データ配列を作成してもよい。 Here, this work not only uses the residual reflected wave as a reference, but also uses the sensor offset itself of the RF sensor as a reference, and performs the same operation to create a power zone determination data array and a correction value data array. May be.
以上説明したように、本実施形態においては、被処理材を処理する処理室と該処理室内にプラズマを生成するためのプラズマ発生用高周波電源（マグネトロン）と、電力を前記処理室内に供給するためのアンテナと、前記処理室内に設置された被処理材を支持する電極とプラズマ間にバイアス電位を形成するために高周波電力を印加する高周波電源と、これら高周波電源とアンテナ、もしくは電極との間に、伝送系のインピーダンスを一定の値に制御する自動整合器を有するプラズマ処理装置において、前記インピーダンス整合装置内に設置され、伝送線路、あるいはプラズマなどの負荷のインピーダンス、位相などをモニタするＲＦセンサのモニタ出力に対し、ＲＦパワーの大きさに対応したオフセット補正を行うことで、オフセットずれをキャンセルし、ＲＦセンサの検出値の基準となる基準点（ゼロ点）を常に一定に保つようにし、マッチング精度の向上を図ることができる。 As described above, in the present embodiment, a processing chamber for processing a material to be processed, a plasma generating high-frequency power source (magnetron) for generating plasma in the processing chamber, and supplying power to the processing chamber. A high-frequency power source for applying a high-frequency power to form a bias potential between the plasma and an electrode that supports the material to be processed installed in the processing chamber, and between the high-frequency power source and the antenna or electrode In the plasma processing apparatus having an automatic matching device for controlling the impedance of the transmission system to a constant value, an RF sensor installed in the impedance matching apparatus and monitoring the impedance, phase, etc. of a transmission line or a load such as plasma Offset deviation corresponding to the RF power level is applied to the monitor output. Cancel, the reference point as a reference of the detection value of the RF sensor (zero point) at all times to keep constant, it is possible to improve the matching accuracy.
前記ＲＦパワーに応じたオフセット値の補正量は、自動整合器内に内蔵されたＣＰＵ（Central Processing Unit）などの制御器と、ＲＦパワーとオフセット値の関係を示す補正データベース（補正テーブル）を記憶する記憶手段とを設け、前記補正データベースに、ＲＦパワーの大きさとオフセット値の補正量の関係を、多段階、または多レンジに分割して設定可能なデータベースとして登録する。データベースには、最小パワーから最大パワーまでの範囲を任意のポイント数に分割し、各範囲に対応するＲＦパワーと、オフセット補正値を記録する。 The correction amount of the offset value corresponding to the RF power stores a controller such as a CPU (Central Processing Unit) built in the automatic matching unit and a correction database (correction table) indicating the relationship between the RF power and the offset value. And storing the relationship between the magnitude of the RF power and the correction amount of the offset value in the correction database as a database that can be set in multiple stages or divided into multiple ranges. The database divides the range from the minimum power to the maximum power into an arbitrary number of points, and records the RF power corresponding to each range and the offset correction value.
このデータベースは、高周波電源がＲＦパワーを出力したとき、その出力値に対応した補正値を自動整合器の制御器が選択し、ＲＦセンサの出力に補正を加えることで、オフセットずれをキャンセルし、ＲＦセンサのゼロ点を常に一定に保つようにし、マッチング精度の向上を図ることができる。 In this database, when the high-frequency power source outputs RF power, the controller of the automatic matching unit selects a correction value corresponding to the output value, and cancels the offset deviation by correcting the output of the RF sensor. The zero point of the RF sensor can always be kept constant, and matching accuracy can be improved.
また、本実施形態では、前記ＲＦセンサのオフセット補正値とＲＦパワーの関係は、補正値データベースに記憶されているため、高周波電源から供給中のＲＦパワーに応じた補正を行うことができる。すなわち、給電中に、ＲＦパワーの大きさを連続的に変化する場合であっても、変化の前後のＲＦパワーの大きさに対応したオフセット補正値は、補正データベースに格納されているため、ＲＦパワーの供給を中断することなく連続的なパワー変動に追随して前記ＲＦセンサのモニタ出力を補正し、ＲＦセンサのモニタ値を適正に補正することができる。 In this embodiment, since the relationship between the offset correction value of the RF sensor and the RF power is stored in the correction value database, correction according to the RF power being supplied from the high-frequency power source can be performed. That is, even when the magnitude of the RF power is continuously changed during power feeding, the offset correction value corresponding to the magnitude of the RF power before and after the change is stored in the correction database. The monitor output of the RF sensor can be corrected following the continuous power fluctuation without interrupting the power supply, and the monitor value of the RF sensor can be corrected appropriately.
さらに、このような補正機構においては、補正用の補正データベースを、高周波電源の給電モードに対応するだけ用意することで、すなわち、高周波電源が、基本波（サイン波）および変調波の出力が可能な場合を仮定すると、これらの給電モードそれぞれで生じるオフセット値のずれ量とＲＦパワーの関係を、多段階、または多レンジに分割して前記補正データベースに登録することで、ＲＦパワーの変化だけでなく、給電モードの変更に対しても、前記ＲＦセンサのゼロ点を一定に保ち、ＲＦセンサのモニタ値を適正に補正することができる。この場合であっても、それぞれの前記補正データベースの分割間隔は一定である必要はなく、任意の分割ポイント数を割り当ててよい。 Furthermore, in such a correction mechanism, a correction correction database is prepared only corresponding to the power supply mode of the high frequency power supply, that is, the high frequency power supply can output a fundamental wave (sine wave) and a modulated wave. Assuming that the relationship between the offset value deviation amount and the RF power generated in each of these power supply modes is divided into multiple stages or multiple ranges and registered in the correction database, only the change in the RF power can be obtained. In addition, even when the power supply mode is changed, the zero point of the RF sensor can be kept constant and the monitor value of the RF sensor can be corrected appropriately. Even in this case, the division intervals of the respective correction databases do not have to be constant, and an arbitrary number of division points may be assigned.
また、前記補正データベースに記憶する補正量を必要に応じて増減させることで、センサオフセット値を意図的にシフトさせることが可能であるから、これを用いることで、マッチング完了時の残留反射波の大きさを任意に制御し、バイアス電位、すなわちＶｐ−ｐの値を微調整することが可能となる。 In addition, since the sensor offset value can be intentionally shifted by increasing or decreasing the correction amount stored in the correction database as necessary, by using this, the residual reflected wave at the completion of matching is used. The magnitude can be arbitrarily controlled, and the bias potential, that is, the value of Vp-p can be finely adjusted.
このように、ＲＦパワーの大きさに依存することなく、安定したセンシング、マッチング制御を実現し、また、給電を中断することなく継続したＲＦパワーの連続的な変動、さらに、基本波、変調波などの給電モードの連続的な変動、およびこれらを組み合わせた変化に対しても、ＲＦパワーの給電を中断することなく、安定したマッチング制御を可能とし、また、残留反射波の制御によるＶｐ−ｐ値の微調整を可能とすることで、安定したバイアス電位の形成、およびプラズマの安定を可能とするプラズマ処理装置を実現することができる。 As described above, stable sensing and matching control are realized without depending on the magnitude of the RF power, and continuous fluctuation of the RF power without interruption of the power feeding, as well as the fundamental wave and the modulated wave. Even for continuous fluctuations in the feeding mode such as the above, and changes that combine these, stable matching control is possible without interrupting the feeding of RF power, and Vp-p by controlling the residual reflected wave By enabling fine adjustment of the value, it is possible to realize a plasma processing apparatus capable of forming a stable bias potential and stabilizing the plasma.
１０１ 真空容器
１０２ 被処理材
１０３ 試料台
１０４ プラズマ
１０５ アンテナ電極
１０６ 空芯コイル
１０７ マグネトロン
１０８ 同軸導波管
１０９ 基板電極
１１０ 高周波電力源
１１１ ガス供給装置
１１２ ガス導入板
１１３ 真空排気装置
１１４ アンテナ電極インピーダンス自動整合装置
１１５ アイソレータ
１１６ 基板電極インピーダンス自動整合装置
１１７ 直流電圧源
１１８ フィルタ回路
１１９ 主幹制御器
２０１ ＲＦセンサ
２０２ Ａ／Ｄコンバータ
２０３ 制御装置
２０４ ＣＰＵ
２０５ 記憶装置
２０６ Ｉ／Ｏ装置
２０７，２０８ 可変素子
２０９，２１０ パルスモータ
２１１ モータコントローラ
２１２ 高周波電力源との通信路
101
105 Antenna electrode
106 Air-
108 Coaxial waveguide
109
111 Gas supply device
112
114 Antenna electrode impedance automatic matching device
115 Isolator
116 Substrate electrode impedance automatic matching device
117 DC voltage source
118 Filter circuit
119
202 A / D converter
203
205 storage device
206 I /
209, 210 Pulse motor
211 Motor controller
212 Communication path with high frequency power source
Claims (5)
前記基板電極に高周波バイアス電力を供給する高周波バイアス電源と前記基板電極を接続する伝送路に挿入され、前記高周波バイアス電源側からみた伝送路のインピーダンスを一定に保つインピーダンス自動整合器を備え、
該インピーダンス自動整合器は、前記高周波バイアス電源からみた前記伝送路のインピーダンスあるいは位相を測定するＲＦセンサの出力をもとに前記整合器を構成するインピーダンス素子を調整する制御装置と、制御に際して前記ＲＦセンサ出力のオフセットを補正するオフセット補正部を備え、
該オフセット補正部は、前記整合器に入力される入力電力の大きさを多段階に分け、多段階に分けられた入力電力毎に予め前記オフセットの補正値を設定した記憶装置を備え、該記憶装置に設定された補正値にしたがって前記ＲＦセンサの出力のオフセットを補正することを特徴とするプラズマ処理装置。 A vacuum vessel that houses an antenna electrode to which high-frequency power for plasma generation is supplied and a substrate electrode to which high-frequency bias power is supplied is provided, and a material to be processed placed on the substrate electrode is generated by the generated plasma. In a plasma processing apparatus for performing plasma processing,
A high-frequency bias power source that supplies high-frequency bias power to the substrate electrode is inserted into a transmission path that connects the substrate electrode, and includes an automatic impedance matching unit that maintains a constant impedance of the transmission path as viewed from the high-frequency bias power source side,
The automatic impedance matching unit includes: a control device that adjusts an impedance element constituting the matching unit based on an output of an RF sensor that measures impedance or phase of the transmission line as viewed from the high-frequency bias power source; An offset correction unit that corrects the offset of the sensor output is provided.
The offset correction unit includes a storage device in which the magnitude of input power input to the matching unit is divided into multiple stages, and the offset correction value is set in advance for each of the multiple stages of input power. A plasma processing apparatus, wherein an offset of an output of the RF sensor is corrected according to a correction value set in the apparatus.
前記オフセット補正部は、入力される高周波バイアス電力の値に応じて、補正値を前記記憶装置から読み出して、前記ＲＦセンサの出力に対するオフセット補正を行うことにより高周波バイアス電源の供給を中断することなく連続してオフセット補正を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1,
The offset correction unit reads a correction value from the storage device according to the value of the input high-frequency bias power and performs offset correction on the output of the RF sensor without interrupting the supply of the high-frequency bias power A plasma processing apparatus that performs offset correction continuously.
前記高周波バイアス電源は、基本波を振幅変調した波形、基本波を周波数変調した波形、あるいは基本波をＴＭ変調した波形の電力を供給する給電モードのいずれかの間を、給電を継続したまま連続して切り換えながら前記基板電極に供給することを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1,
The high-frequency bias power source is continuously connected with any one of a power supply mode for supplying power of a waveform in which the fundamental wave is amplitude-modulated, a waveform in which the fundamental wave is frequency-modulated, or a waveform in which the fundamental wave is TM-modulated. Then, the plasma processing apparatus supplies the substrate electrode while switching.
前記オフセットの補正値を調整することにより、前記基板電極に印加されるピークツーピーク電圧の大きさを任意に制御可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1,
A plasma processing apparatus, wherein the magnitude of the peak-to-peak voltage applied to the substrate electrode can be arbitrarily controlled by adjusting the offset correction value.
前記オフセットの補正値を調整することにより、マッチング完了時の残留反射波の大きさを任意に制御可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1,
By adjusting the offset correction value, the magnitude of the residual reflected wave upon completion of matching can be arbitrarily controlled.
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