JP5342930B2 - プラズマ処理装置、プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ICP、Transformer Coupled Plasma：TCP）源を搭載した誘導結合型プラズマ（ICP）処理装置において、消費電力の経時変化を小さくした装置とそれを運転する技術に関する。

現在、プラズマ処理装置は、プラズマを生成するプラズマ源と、生成されたプラズマを基板に照射する基板電極部から構成され、プラズマ源と基板電極部にそれぞれ電源を持つ２周波励起型が主流になっている。今日まで、プラズマ処理におけるプラズマの安定化のために多くの手法が提案されてきた。

図３は従来技術である基板電極部を示している。
基板電極部１１０は基板電極１５１と、基板側電源系１６２とを有している。基板電極１５１は、真空槽１１１内部に配置され、基板側電源系１６２は真空槽１１１の外部に配置されている。

基板側電源系１６２は、測定装置１３２と、制御装置１３３と、基板側電源１３４と、マッチングボックス１３５とを有している。基板側電源１３４は、マッチングボックス１３５を介して基板電極１５１に接続されており、基板側電源１３４が出力する交流電圧は、マッチングボックス１３５を介して、基板電極１５１に印加されるようになっている。

測定装置１３２の電圧検出部１３１は、基板電極１５１に電気的に接続されており、基板側電源１３４から基板電極１５１に印加される電圧を測定し、測定結果を制御装置１３３に伝送する。測定装置１３２にオシロスコープを用いる場合は、電圧検出部１３１は、高圧プローブとなる。
制御装置１３３は、電圧検出部１３１から伝送された測定結果から、基板電極１５１の電圧値を求め、基板側電源１３４を制御して、求めた電圧値の交流電圧を出力させる(交流電流でも良い)。

電圧検出部１３１が検出する電圧が一定になるように基板側電源１３４の出力を制御すると、基板電極１５１上に配置した基板に、プラズマから入射するイオンエネルギーを安定させることができる。
しかし、上記のように基板電極１５１の電圧を制御しても、後述のようにプラズマを安定化させることはできない。

基板の処理を安定化するという従来の提案（特許や文献）は、基板電極部および基板電極部に接続された電源系に関するものであり、プラズマを発生させるプラズマ源およびその電源系に関するものは見当たらない。
プラズマの安定化のためには、後述のように、プラズマ源の情報を取得する必要があるが、基板電極の状態を測定しても、荷電粒子に関する情報しか得られず、プラズマの状態を知ることはできない。
プラズマ処理におけるプロセスの性能は、イオン種、イオンフラックス、イオンエネルギー、ラジカル種、ラジカルフラックスで決まる（ラジカルエネルギーはイオンエネルギーに比べ十分に小さく無視できる）。

２周波励起型プラズマ処理装置の場合、これらのプラズマのパラメータの内、基板電極部で制御できるのはイオンエネルギーのみであり、他のものはプラズマ源の状態で決まる。プラズマ源の状態とは、プラズマ源の電源から出力された電力がプラズマでどのくらい消費されるのか、その消費電力の大きさのことである。

なお、旧来の平行平板でダイオード型と呼ばれる装置は、生成部と基板電極部の区別が無く、基板電極がプラズマ生成のための電極でもあるので、基板電極の状態を制御することがプラズマ生成にも関係する。ただし、ダイオード型の場合、構造的にプロセスの制御性（加工条件の制御性）が劣るため、安定化とは別の問題を抱えている。

H.Tsuboi and S.Ogata: Japanese Journal of Applied Physics ,46,No.11,(2007),p7475

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、誘導結合型プラズマ処理装置において、アンテナ部の情報を検出し、プラズマの消費電力が一定になるようにプラズマ源の電源系を制御することにより、プラズマの経時変化を小さくし、プラズマ処理装置を安定に運転する手法を提供する。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、真空槽と、前記真空槽内に処理ガスを導入するガス導入系と、出力電力Ｐ_sが変更可能に構成された交流電源と、前記交流電源に接続され前記交流電源から印加された電圧で前記真空槽内に交番電場を形成するアンテナとを有し、前記真空槽内に導入された前記処理ガスは、前記交番電場によってプラズマ化され、前記真空槽内に配置された処理対象物がプラズマによって処理されるプラズマ処理装置であって、前記交流電源の前記出力電力Ｐ_sを変更させる信号を前記交流電源に出力する制御装置と、前記アンテナの電圧であるアンテナ電圧Ｖ_ppを測定する測定装置とを有し、前記制御装置には、前記プラズマの消費電力Ｐ_dの基準値Ｐ_d0が記憶され、また、前記制御装置には、前記測定装置の測定結果である測定値Ｖ₁と、その測定値Ｖ₁の測定時の前記出力電力Ｐ_sの値である出力値Ｐ_s1とから、前記プラズマの消費電力Ｐ_dの算出値Ｐ_d1が前記基準値Ｐ_d0に近づくような、前記出力電力Ｐ_sの修正値Ｐ_s2を算出する計算手順が記憶され、前記制御装置に記憶された前記計算手順は、下記(１)〜(３)式、
（１／２）Ｖ _pp ＝（Ｒ _c ＋ｉωＬ _c ）Ｉ _c −ｉωＭＩ _p …（１）
０＝−ｉωＭＩ _c ＋（Ｒ _p ＋ｉωＬ _p ）Ｉ _p …（２）
Ｐ _s ＝（１／２）（Ｒ _ex ＋Ｒ _c ）｜Ｉ _c ｜ ² ＋（１／２）Ｒ _p ｜Ｉ _p ｜ ² …（３）
(符号ｉは虚数単位、符号ω、Ｌ _c 、Ｍ、Ｌ _p 、Ｒ _ex 、Ｒ _c は定数、符号Ｉ _c 、Ｉ _p 、Ｒ _p 、Ｖ _pp 、Ｐ _s は変数)
の連立方程式の符号Ｖ _pp に前記測定値Ｖ ₁ を代入し、符号Ｐ _s に前記出力値Ｐ _s1 を代入し、得られた結果と下記(４)式、
Ｐ _d ＝（１／２）Ｒ _p ｜Ｉ _p ｜ ² …（４）
から得られた符号Ｐ _d の値を前記算出値Ｐ _d1 とし、前記算出値Ｐ _d1 と前記基準値Ｐ _d0 との比率から、前記出力電力Ｐ _s の出力値Ｐ _s1 を変更した修正値Ｐ _s2 が求められる計算手順であり、前記測定装置による前記アンテナ電圧Ｖ _pp の測定と、前記計算手順による前記修正値Ｐ _s2 の算出と、前記交流電源が出力する電力を算出された前記修正値Ｐ _s2 に変更することとが繰り返し行われるように構成されたプラズマ処理装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記制御装置には、下記(５)式、
ΔＰ ＝ Ｋ・Ｐ _s1 (Ｐ _d1 ／Ｐ _d0 −１) ……(５)
(０＜Ｋ＜１)
から修正量ΔＰを算出し、前記修正量ΔＰと前記出力値Ｐ _s1 とから、前記出力電力Ｐ _s の前記修正値Ｐ _s2 を下記(６)式、
Ｐ _s2 ＝Ｐ _s1 −ΔＰ ……(６)
によって算出する第２の計算手順が記憶されたプラズマ処理装置である。
請求項３記載の発明は、真空槽内に処理ガスを導入しながら交流電源によって交流電圧をアンテナに印加し、前記真空槽内に交番電場を形成し、前記真空槽内に導入された前記処理ガスをプラズマ化し、生成されたプラズマで、前記真空槽内に搬入された基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記アンテナの電圧であるアンテナ電圧Ｖ _pp を測定する測定工程と、前記測定工程での測定値Ｖ ₁ と、前記測定工程の測定時の出力電力Ｐ _s の出力値Ｐ _s1 とから、前記プラズマの消費電力Ｐ _d の算出値Ｐ _d1 が、設定された基準値Ｐ _d0 に近づくような、前記出力電力Ｐ _s の修正値Ｐ _s2 を算出する算出工程と、前記交流電源から出力する電力を、前記算出工程で算出された前記修正値Ｐ _s2 に変更する電力変更工程とを有し、前記測定工程と、前記算出工程と、前記電力変更工程とを繰り返し行うプラズマ処理方法であって、前記算出工程では、下記(１)〜(３)式、
（１／２）Ｖ_pp＝（Ｒ_c＋ｉωＬ_c）Ｉ_c−ｉωＭＩ_p …（１）
０＝−ｉωＭＩ_c＋（Ｒ_p＋ｉωＬ_p）Ｉ_p …（２）
Ｐ_s＝（１／２）（Ｒ_ex＋Ｒ_c）｜Ｉ_c｜²＋（１／２）Ｒ_p｜Ｉ_p｜² …（３）
(符号ｉは虚数単位、符号ω、Ｌ_c、Ｍ、Ｌ_p、Ｒ_ex、Ｒ_cは定数、符号Ｉ_c、Ｉ_p、Ｒ_p、Ｖ_pp、Ｐ_sは変数)
の連立方程式の符号Ｖ_ppに前記測定値Ｖ₁を代入し、符号Ｐ_sに前記出力値Ｐ_s1を代入し、得られた結果と下記(４)式、
Ｐ_d＝（１／２）Ｒ_p｜Ｉ_p｜² …（４）
から得られた符号Ｐ_dの値を前記算出値Ｐ_d1とし、前記算出値Ｐ_d1と前記基準値Ｐ_d0との比率から、前記出力電力Ｐ_sの出力値Ｐ_s1を変更した修正値Ｐ_s2を求め、前記交流電源から、前記修正値Ｐ_s2の電力を出力させるプラズマ処理方法である。
請求項４記載の発明は、請求項３記載のプラズマ処理方法であって、下記(５)式、
ΔＰ ＝ Ｋ・Ｐ_s1(Ｐ_d1／Ｐ_d0−１) ……(５)
(０＜Ｋ＜１)
から修正量ΔＰを算出し、前記修正量ΔＰと前記出力値Ｐ_s1とから、前記出力電力Ｐ_sの前記修正値Ｐ_s2を下記(６)式、
Ｐ_s2＝Ｐ_s1−ΔＰ ……(６)
によって算出するプラズマ処理方法である。

アンテナの電圧測定と、プラズマの消費電力の変動量の算出と、変動量を小さくする交流電源の出力電力の修正値の算出と、交流電源の出力電圧を修正値に変更することを繰り返し行うので、プラズマの消費電力は一定値に近づく。
プラズマが消費する電力を一定にできるため、プラズマ処理の再現性や、デバイス製造における歩留まりが向上する。従来とは異なり、プラズマ源に関する安定化手法なので、プラズマ生成の再現性を確保でき、プラズマ処理の経時変化を小さくできる。プラズマに対し非接触のモニタリング方法なので、コンタミネーションの懸念がない。

プラズマ源の断面図とその電源系を説明するための図 交流電源から見た負荷の等価回路の回路図 従来技術である基板電極部を説明するための図 アンテナ電圧とプラズマ消費電力との関係を説明するための図

図１の符号１０は本発明のプラズマ処理装置を示している。
このプラズマ処理装置１０は、誘導結合型であり、真空槽１１を有している。
真空槽１１は、板状の形をした金属製の天部１７と、筒状の形をしたガラス（誘電体）製の胴部１６と、金属製で容器状の底部１５とを有している。

胴部１６は、その下端が底部１５の開口の縁上に乗せられており、胴部１６の内部と底部１５の内部とが連通するように接続されている。天部１７は、胴部１６の上端に乗せられて内部を真空排気可能な真空槽１１が構成されている。
真空槽１１の外部には、アンテナ１２と、ガス導入系１３と、高周波電源系６１と、基板側電源系６２とが配置されている。

ガス導入系１３と真空排気系１４とは真空槽１１と接続されており、真空排気系１４を動作させて真空槽１１内を真空排気し、ガス導入系１３から真空雰囲気にされた真空槽１１へ、処理ガスを導入できるようにされている。

真空槽１１の内部には基板電極５１が配置されている。基板側電源系６２は、基板電極５１に接続されており、基板側電源系６２から基板電極５１に一定の大きさの交流電圧が印加されるようになっている。

胴部１６には、一巻きまたは複数巻きのアンテナ１２が取付られている。
アンテナ１２の端子はマッチングボックス２５を介して交流電源２４に接続されている。
高周波電源系６１は、測定装置２２と、制御装置２３と、交流電源２４と、マッチングボックス２５とを有している。

交流電源２４は、アンテナ１２に高周波電圧を出力する高周波電源であり、設定された大きさの出力電力を出力できるようになっている。アンテナ１２が交流電源２４から高周波電圧を印加されると、真空槽１１内部に交番電場が誘起される。
このとき、予め真空排気系１４を動作させて真空槽１１の内部を真空雰囲気にし、ガス導入系１３から処理ガスを真空槽１１内部に所定圧力に導入しておくと、供給された処理ガスはアンテナ１２が誘起する交番電場によりプラズマ化される。

図２の符号４０は、真空槽１１内部の処理ガスが既にプラズマ化されているときの、交流電源２４から見たマッチングボックス２５を含む負荷の等価回路を示している。この等価回路４０では、アンテナ１２は、抵抗成分Ｒ_cとインダクタンス成分Ｌ_cを有しており、その抵抗成分Ｒ_cとインダクタンス成分Ｌ_cの直列回路で表されている。

マッチングボックス２５は、直列型コンデンサ成分Ｃ_m1と、並列型コンデンサ成分Ｃ_m2とを有しており、並列型コンデンサ成分Ｃ_m2は、交流電源２４の出力端子４１、４２間を接続しており、直列型コンデンサ成分Ｃ_m1は、その一端が交流電源２４の一方の出力端子４１に接続され、他端が、マッチングボックス２５とアンテナ１２とを接続する電送線路の抵抗成分Ｒ_exを介して、アンテナ１２を表す直列回路の一端に接続されている。

アンテナ１２を表す直列回路の他端は、交流電源２４の他方の出力端子４２に接続されており、交流電源２４から出力される高周波電圧はアンテナ１２を表す直列回路に印加され、アンテナ電流Ｉ_cが流れる。このアンテナ電流Ｉ_cは高周波電流であり、真空槽１１内に交番電場を誘起する。

他方、真空槽１１内に形成されたプラズマは、交番電場のエネルギーを受ける成分であるインダクタンス成分Ｌ_pと、プラズマの消費電力を表す抵抗成分Ｒ_pとを有しており、そのインダクタンス成分Ｌ_pと抵抗成分Ｒ_pは環状に接続されてプラズマの電気的特性として表される。

プラズマのインダクタンス成分Ｌ_pは、アンテナのインダクタンス成分Ｌ_cとトランス結合しており、アンテナのインダクタンス成分Ｌ_cが形成する交番磁場によってプラズマのインダクタンス成分Ｌ_pに、交番電流であるプラズマ電流Ｉ_pが誘起される。プラズマ電流Ｉ_pは抵抗成分Ｒ_pに流れ、その消費電力相当のエネルギーがプラズマに吸収される。
等価回路４０中の符号Ｍは、アンテナのインダクタンス成分Ｌ_cとプラズマのインダクタンス成分Ｌ_pの間の相互インダクタンス成分を示している。

交流電源２４から出力され、アンテナ１２に印加されている高周波電圧の角周波数をω、アンテナ１２を表す直列回路の両端に現れる交流波形の電圧の、最大電圧値と最低電圧値の間の電圧差であるアンテナ電圧をＶ_pp、プラズマの(抵抗成分Ｒ_pの)消費電力をＰ_dで表すと、図２に示した等価回路４０では、電圧、電流及び各成分間には、次式（１）〜（３）から成る連立方程式で表される相互関係が成立している。符号ｉは虚数単位を表している。

（１／２）Ｖ_pp＝（Ｒ_c＋ｉωＬ_c）Ｉ_c−ｉωＭＩ_p …（１）
０＝−ｉωＭＩ_c＋（Ｒ_p＋ｉωＬ_p）Ｉ_p …（２）
Ｐ_s＝（１／２）（Ｒ_ex＋Ｒ_c）｜Ｉ_c｜²＋（１／２）Ｒ_p｜Ｉ_p｜² …（３）
但し、プラズマの吸収する電力Ｐ_dがプラズマの抵抗成分Ｒ_pの消費電力と等しいとすると、プラズマの吸収する電力Ｐ_dは下記(４)式で定義される。
Ｐ_d＝（１／２）Ｒ_p｜Ｉ_p｜² …（４）
これは、（３）式の右辺第２項に等しい。

上記(１)〜(３)の三連立方程式中の成分のうち、電送線路の抵抗成分Ｒ_exの値とアンテナの抵抗成分Ｒ_cの値とアンテナのインダクタンス成分Ｌ_cの値は回路に固有であって、プラズマを発生させた状態と、プラズマが発生していない状態とでそれらの値に変化はない。予め計測機器を回路に接続し、電送線路の抵抗成分Ｒ_exの値と、アンテナの抵抗成分Ｒ_cの値と、アンテナのインダクタンス成分Ｌ_cの値とを測定し、上記相互関係中のＲ_ex、Ｒ_c、Ｌ_cにそれぞれ代入して定数とする。

交流電源２４の出力電圧の角周波数ωは予め設定されており、変化はないものとし、その角周波数の値をωに代入して定数とする。
プラズマのインダクタンス成分Ｌ_pの値は計測機器を接続して測定することはできないが、プラズマを流れる交番電流の流路を見積もることで、プラズマのインダクタンス成分Ｌ_pは、計算で算出することができる。

例えばプラズマ源の壁の付着物からの放出ガスによってプラズマ中の気相が経時的に変化すると、中性粒子の組成が変化するため、プラズマのインダクタンス成分Ｌ_pと抵抗成分Ｒ_Pの値は変動してしまう。

しかし、プラズマのインダクタンス成分Ｌ_pの変動量はプラズマの抵抗成分Ｒ_pの変動量に比べて小さいので、後述するように、三連立方程式からなる相互関係中ではプラズマの抵抗成分Ｒ_pは変数とするが、プラズマのインダクタンス成分Ｌ_pは、変動を無視し、予め算出しておいた値をＬ_pに代入し、定数とする。
相互インダクタンスＭの値はアンテナとプラズマ源の幾何学的な構造により決まる値であり、計算で求め、その値を相互関係中のＭに代入し、定数としておく。

以上により、相互関係を示す連立方程式、及び(４)式中では、Ｉ_c、Ｉ_p、Ｒ_p、Ｖ_pp、Ｐ_s、Ｐ_d(アンテナ電流Ｉ_c、プラズマ電流Ｉ_p、プラズマの抵抗成分Ｒ_p、アンテナ電圧Ｖ_pp、交流電源２４の出力電力Ｐ_s、プラズマの消費電力Ｐ_d)が、定数ではなく変数であり、変数は連立方程式及び(４)式中に６個(連立方程式中には５個)あることになる。

本発明では、測定装置２２は、その電圧検出部２１がアンテナ１２に電気的に接続されており、電圧検出部２１でアンテナ１２のアンテナ電圧Ｖ_ppを検出し、測定装置２２に出力され、測定装置２２によって、アンテナ電圧Ｖ_ppの測定値Ｖ₁が求められている。
従って、６変数の中の一つであるＶ_ppにはアンテナ電圧Ｖ_ppの測定値Ｖ₁を代入することができる(測定装置２２にオシロスコープを用いる場合は、電圧検出部２１には、高周波対応の高圧プローブを用いることができる)。

交流電源２４の出力電力Ｐ_sの大きさは交流電源２４に表示されるが、出力電力Ｐ_sの大きさは制御装置２３が交流電源２４に出力する信号で制御可能である。本例では、制御装置２３が交流電源２４を制御しており、６変数中のＰ_sには、制御装置２３が交流電源２４に出力させている出力電力Ｐ_sの値を代入することができる。従って、式中の交流電源２４の出力電力Ｐ_sの値は測定値であることと同じことになるから、アンテナ電圧Ｖ_ppの値を測定すれば、６変数中２変数が測定値となり、残りの４変数(Ｉ_c、Ｉ_p、Ｒ_p、Ｐ_d)が未知数となり、(１)〜(３)式の三式の連立方程式、及び(４)式から未知数を全て算出することができる。

このとき算出されたプラズマの抵抗成分Ｒ_pの値を符号Ｒ₀で表すと、アンテナ電圧Ｖ_ppを測定したときの状態のプラズマの抵抗成分Ｒ_pが、算出した値Ｒ₀である。
ここで、好ましい状態のプラズマ処理を行うことができるプラズマ消費電力Ｐ_dの値が分かっており、基準値Ｐ_d0として制御装置２３に設定されているものとする。

そして、他の変数の値が変わってもプラズマの抵抗成分Ｒ_pは算出した値Ｒ₀を維持し、変化しないものと仮定すると、(４)式の変数Ｐ_dに基準値Ｐ_d0を代入し、変数Ｒ_pに算出した値Ｒ₀を代入すると、連立方程式、及び(４)式から、残りの４変数(Ｉ_c、Ｉ_p、Ｖ_pp、Ｐ_s)を算出することができる。変数Ｐ_sの値を算出し、算出した出力電力Ｐ_sを交流電源２４から出力させれば、プラズマに、基準値Ｐ_d0の値の電力を消費させることができることになる(Ｉ_c、Ｉ_p、Ｖ_ppは算出しなくても良い)。

しかしながら、プラズマの抵抗成分Ｒ_pは、交流電源２４が出力する電力Ｐ_sが変化すると一緒に変化してしまう。上記のようにプラズマの抵抗成分Ｒ_pに関し、算出した値Ｒ₀は変化しないと仮定して出力電力Ｐ_sを計算し、算出した値の出力電力Ｐ_sを交流電源２４から出力させても、基準値Ｐ_d0の大きさの消費電力をプラズマで消費させることはできない。
要するに、プラズマの抵抗成分Ｒ_pが、アンテナ電圧Ｖ_pp測定時の値を維持すると仮定することはきない。

そこで本発明では、プラズマの抵抗成分Ｒ_pを交流電源２４の出力電流の影響を受けるとしており、本発明によってプラズマを制御して処理対象物の処理を行う手順を説明する。
制御装置２３内には出力電圧Ｐ_sの初期値が記憶されているものとすると、まず、交流電源２４の出力電圧の角周波数ωを予め決まった値に設定し、交流電源２４が出力する高周波電圧の電力(出力電力Ｐ_s)を初期値に設定しておき、真空ポンプ１４を動作させて真空槽１１内部を真空雰囲気にした後、真空雰囲気を維持しながら真空槽１１内部に基板を搬入する。真空を維持したままガス導入系１３から処理ガスを真空槽１１内部に供給する。

交流電源２４から高周波電圧をアンテナ１２に印加すると、真空槽１１内部に交番電場が誘起され、交番電場により真空槽１１内部の処理ガスがプラズマ化し、基板のプラズマ処理が開始される。基板電極５１には一定の交流電圧を印加しておく。
プラズマが形成された後、電圧検出部２１によってアンテナ電圧Ｖ_ppの値を検出し、測定装置２２によってその値を求めることでアンテナ電圧Ｖ_ppを測定し、制御装置２３に伝送する(測定工程)。

制御装置２３には、連立方程式((１)〜(３)式)からなる相互関係と、相互関係中の定数とが記憶されており、５変数(アンテナ電流Ｉ_c、プラズマ電流Ｉ_p、プラズマの抵抗成分Ｒ_p、アンテナ電圧Ｖ_pp、交流電源２４の出力電力Ｐ_s)中のＶ_ppとＰ_sが分かると、三変数三連立方程式((１)式〜(３)式)に基づき、プラズマ消費電力Ｐ_dを算出する計算手順が記憶されている。例えば三変数三連立方程式に基づき、Ｉ_pとＲ_pの値を求めて(４)式からＰ_dを算出するような計算手順が記憶されている。

制御装置２３には、アンテナ電圧Ｖ_ppを測定した時の交流電源２４の出力電力Ｐ_sの値が出力値Ｐ_s1として記憶されており(最初は初期値が出力値Ｐ_s1として記憶されている)、制御装置２３には、アンテナ電圧Ｖ_ppの測定値Ｖ₁と、出力電力Ｐ_sの出力値Ｐ_s1を計算手順に代入し、アンテナ電圧Ｖ_ppの測定時のプラズマの消費電力Ｐ_dの値を算出する(消費電力算出工程)。

本発明のプラズマ処理装置１０の制御装置２３には、プラズマの消費電力Ｐ_dの基準値Ｐ_d0が記憶されている。基準値Ｐ_d0は、好ましいプラズマ処理ができる消費電力を実験や計算によって求めた値である場合や、プロセスを行う際の最初に算出、又は途中に算出した値を基準値Ｐ_d0にした場合等が含まれる。

算出したプラズマの消費電力Ｐ_dの値を算出値Ｐ_d1とすると、交流電源２４の出力電力Ｐ_sの修正量ΔＰを、基準値Ｐ_d0と算出値Ｐ_d1と係数Ｋから、下記のように求めることができる。
ΔＰ ＝ Ｋ・Ｐ_s1(Ｐ_d1／Ｐ_d0−１) ……(５)
(但し、０＜Ｋ＜１)
制御装置２３には、上記(５)式が計算手順として記憶されており、修正量ΔＰを求めることができる。

ここでは、修正量ΔＰと、算出値Ｐ_d1を求める際に用いた測定値Ｖ₁を測定した時の出力電圧Ｐ_sの出力値Ｐ_s1とから、出力電力Ｐ_sの修正値Ｐ_s2が下記式、
Ｐ_s2＝Ｐ_s1−ΔＰ ……(６)
によって求められる。この修正値Ｐ_s2の大きさの出力電力Ｐ_sが交流電源２４から出力されるとプラズマの消費電力Ｐ_dは基準値Ｐ_d0に近づく。修正値Ｐ_s2は、出力値Ｐ_s1として記憶される(Ｐ_s1＝Ｐ_s2)。

交流電源２４の出力電力Ｐ_sの大きさを修正値Ｐ_s2の大きさに変更した後であって、前回のアンテナ電圧Ｖ_ppの測定から一定時間経過すると、再度アンテナ電圧Ｖ_ppを測定し、その測定値Ｖ₁と、今回測定時の出力電力Ｐ_sの出力値Ｐ_s1を計算手順に代入し、アンテナ電圧Ｖ_ppの今回測定時のプラズマの消費電力Ｐ_dの値を算出し(消費電力算出工程)、(５)、(６)式から、修正値Ｐ_s2を求める。

基板をプラズマによって処理している間、このように、一定の時間間隔でアンテナ電圧Ｖ_ppを測定しており、繰り返し、アンテナ電圧Ｖ_ppを測定し、測定値Ｖ₁と、測定時の出力電力Ｐ_sの出力値Ｐ_s1の大きさから修正値Ｐ_a2を算出すると、ΔＰがゼロの状態、即ち、プラズマの消費電力Ｐ_dの算出値Ｐ_d1が基準値Ｐ_d0に等しい状態に徐々に近づく。

このように、本例では、アンテナ電圧Ｖ_ppを繰り返し測定してプラズマの消費電力Ｐ_dを基準値Ｐ_d0にすることができ、消費電力Ｐ_dに変動があった場合でも、素早く基準値Ｐ_d0に戻すことができるので、基板は基準値Ｐ_d0でプラズマ処理が行われ、プラズマ処理後、真空槽１１から搬出され、未処理の基板が真空槽１１に搬入され、プラズマ消費電力Ｐ_dを制御しながらプラズマ処理が続行される。

上記例ではアンテナ電圧Ｖ_ppを一定時間毎に測定していたが、アンテナ電圧Ｖ_ppは常時測定し、一定時間間隔毎の値を用いるようにしてもよい。
上記例では基準値Ｐ_d0は一定であったが、基板の処理条件に応じて変更する等、本発明は一定の場合に限定されるものではない。
また、上記例では(４)式を用いてプラズマ消費電力Ｐ_dを算出していたが、プラズマ消費電力Ｐ_dを算出せず、(６)式から出力電力Ｐ_sの修正値Ｐ_s2を直接算出してもよい。

なお、上記実施例では、測定したアンテナ電圧Ｖ_ppの測定値Ｖ₁が前回測定した値と異なっていると出力電力Ｐ_sは変更されるが、本発明はそのように変更するものに限定されるものではなく、アンテナ電圧Ｖ_ppの測定値Ｖ₁の小さい変動は無視することができる。

この場合、アンテナ電圧Ｖ_ppの下限値と上限値を設定しておき、アンテナ電圧Ｖ_ppの測定値Ｖ₁が下限値より大きく、上限値よりも小さい場合にはアンテナ電圧Ｖ_ppの変動を無視することができる。
また、算出したプラズマの消費電力Ｐ_dの算出値Ｐ_d1の変動が小さい場合は、変動を無視することもできる。

上記実施例のプラズマ処理方法は、エッチングガスを処理ガスとして導入し、基板表面処理の薄膜をエッチングするプラズマ処理方法、薄膜原料ガスを処理ガスとして導入し、基板表面に処理ガスの薄膜を形成するプラズマ処理方法、又は、表面改質ガスを処理ガスとして導入し、基板表面の改質を行うプラズマ処理方法など、種々のプラズマ処理方法が含まれる。また、本発明には、それらのプラズマ処理方法を行うプラズマ処理装置も含まれる。

次に、上記手順による交流電源２４の出力電力Ｐの補正を、図示して説明する。図４はアンテナ電圧Ｖ_ppとプラズマの消費電力Ｐ_dとの関係を示す図であり、横軸がアンテナ電圧Ｖ_ppの値を示し、縦軸がプラズマの消費電力Ｐ_dの値を示している。
望ましいプラズマ処理を行っている時のプラズマ消費電力Ｐ_dの値をＰ_d0とすると、図中の点Ａ、Ｃの状態のプラズマは、プラズマ消費電力Ｐ_dが望ましい値Ｐ_d0であり、アンテナ電圧Ｖ_ppを測定すれば、点Ａでは値Ｖ₁(この値Ｖ₁は上記実施例では測定値Ｖ₁である。)を示し、点Ｃでは値Ｖ₃を示すものとする(Ｖ₁＜Ｖ₃)。

図中の曲線ａ１、ａ２は、交流電源２４の出力電力Ｐ_sを一定値にし、プラズマの抵抗成分Ｒ_pをパラメータとして変化させた場合の、アンテナ電圧Ｖ_ppとプラズマ消費電力Ｐ_dとの関係を示す曲線である。Ｒ_pが決まれば自動的にＩ_pが決まる。曲線ａ１は点Ａを通る。

従って、出力電力Ｐ_sが一定の状態でプラズマの抵抗成分Ｒ_pが変化すると、図中の曲線ａ１上のプラズマの状態を示す点は、曲線ａ１に沿って移動し、アンテナ電圧Ｖ_ppの値とプラズマ消費電力Ｐ_dの値の両方が変化する。

点Ｂは、点Ａがａ１に沿って移動し、プラズマの消費電力Ｐ_dが、点Ａの値Ｐ_d0とは異なる値Ｐ₂となり、アンテナ電圧Ｖ_ppも点Ａとは異なる値Ｖ₂になったプラズマ状態である。
点Ｂの状態の交流電源２４の出力電力Ｐ_sの値は、点Ａの状態の交流電源２４の出力電力Ｐ_sの値と同じであるが、プラズマの消費する電力Ｐ_dが異なっている。
即ち、プラズマ以外の伝送線路上の抵抗成分Ｒ_ex，Ｒ_cにおいて、Ｐ_sが多く消費されるようになったことを意味している。

図中の曲線ｂ１、ｂ２は、プラズマの抵抗成分Ｒ_pを一定値にし、交流電源２４の出力電力Ｐ_sをパラメータとして変化させた場合のアンテナ電圧Ｖ_ppとプラズマ消費電力Ｐ_dとの関係を示す曲線である。
従って、図中の曲線ｂ１、ｂ２上の点は、プラズマの抵抗成分Ｒ_pを一定値として交流電源２４の出力電力Ｐ_sを変化させると、曲線ｂ１、ｂ２に沿って移動し、アンテナ電圧Ｖ_ppの値とプラズマ消費電力Ｐ_dの値の両方が変化する。

曲線ｂ２は点Ｂと点Ｃを通っており、点Ｂのプラズマの状態は、プラズマの抵抗成分Ｒ_pを変化させながら、交流電源２４の出力電力Ｐ_sの値を変化させて、点Ｂを曲線ｂ２に沿って移動させ、点Ｃに到着させることができる。交流電源２４の出力電力Ｐ_sを、プラズマの消費電力Ｐ_dがＣ点になるように調整すれば、望ましいプラズマ処理を行えることになる。

上記は、点Ａから点Ｂに至る間にはプラズマの消費電力Ｐ_dが低下しており、従って、点Ａのプラズマ状態から、プラズマの抵抗成分Ｒ_pが小さくなって点Ｂに移動している。そして、出力電力Ｐ_sを大きくして点Ｃまで移動させ、プラズマの消費電力Ｐ_dを大きくして望ましいプラズマ処理を行える点Ｃの状態に復帰させた例である。

それとは異なり、望ましいプラズマ処理の状態からプラズマの消費電力Ｐ_dが大きくなった場合は、プラズマの抵抗成分Ｒ_pが大きくなった場合であり、例えば点Ｃから、点Ｃを通る曲線ａ２に沿ってプラズマの消費電力Ｐ_dが増加する方向に移動し、点Ｄに到着したとすると、出力電力Ｐ_sを小さくすることで点Ｄが示すプラズマの状態が曲線ｂ１に沿って移動するので、曲線ｂ１上の望ましいプラズマ処理を行える状態の点Ａに復帰させることができる。

１０……プラズマ処理装置
１１……真空槽
２２……測定装置
２３……制御装置
１２……アンテナ

Claims (4)

1. 真空槽と、
   前記真空槽内に処理ガスを導入するガス導入系と、
   出力電力Ｐ_sが変更可能に構成された交流電源と、
   前記交流電源に接続され前記交流電源から印加された電圧で前記真空槽内に交番電場を形成するアンテナとを有し、
   前記真空槽内に導入された前記処理ガスは、前記交番電場によってプラズマ化され、前記真空槽内に配置された処理対象物がプラズマによって処理されるプラズマ処理装置であって、
   前記交流電源の前記出力電力Ｐ_sを変更させる信号を前記交流電源に出力する制御装置と、
   前記アンテナの電圧であるアンテナ電圧Ｖ_ppを測定する測定装置とを有し、
   前記制御装置には、前記プラズマの消費電力Ｐ_dの基準値Ｐ_d0が記憶され、また、前記制御装置には、前記測定装置の測定結果である測定値Ｖ₁と、その測定値Ｖ₁の測定時の前記出力電力Ｐ_sの値である出力値Ｐ_s1とから、前記プラズマの消費電力Ｐ_dの算出値Ｐ_d1が前記基準値Ｐ_d0に近づくような、前記出力電力Ｐ_sの修正値Ｐ_s2を算出する計算手順が記憶され、
   前記制御装置に記憶された前記計算手順は、下記(１)〜(３)式、
   （１／２）Ｖ _pp ＝（Ｒ _c ＋ｉωＬ _c ）Ｉ _c −ｉωＭＩ _p …（１）
   ０＝−ｉωＭＩ _c ＋（Ｒ _p ＋ｉωＬ _p ）Ｉ _p …（２）
   Ｐ _s ＝（１／２）（Ｒ _ex ＋Ｒ _c ）｜Ｉ _c ｜ ² ＋（１／２）Ｒ _p ｜Ｉ _p ｜ ² …（３）
   (符号ｉは虚数単位、符号ω、Ｌ _c 、Ｍ、Ｌ _p 、Ｒ _ex 、Ｒ _c は定数、符号Ｉ _c 、Ｉ _p 、Ｒ _p 、Ｖ _pp 、Ｐ _s は変数)
   の連立方程式の符号Ｖ _pp に前記測定値Ｖ ₁ を代入し、符号Ｐ _s に前記出力値Ｐ _s1 を代入し、得られた結果と下記(４)式、
   Ｐ _d ＝（１／２）Ｒ _p ｜Ｉ _p ｜ ² …（４）
   から得られた符号Ｐ _d の値を前記算出値Ｐ _d1 とし、前記算出値Ｐ _d1 と前記基準値Ｐ _d0 との比率から、前記出力電力Ｐ _s の出力値Ｐ _s1 を変更した修正値Ｐ _s2 が求められる計算手順であり、
   前記測定装置による前記アンテナ電圧Ｖ _pp の測定と、前記計算手順による前記修正値Ｐ _s2 の算出と、前記交流電源が出力する電力を算出された前記修正値Ｐ _s2 に変更することとが繰り返し行われるように構成されたプラズマ処理装置。
2. 前記制御装置には、下記(５)式、
   ΔＰ ＝ Ｋ・Ｐ _s1 (Ｐ _d1 ／Ｐ _d0 −１) ……(５)
   (０＜Ｋ＜１)
   から修正量ΔＰを算出し、前記修正量ΔＰと前記出力値Ｐ _s1 とから、前記出力電力Ｐ _s の前記修正値Ｐ _s2 を下記(６)式、
   Ｐ _s2 ＝Ｐ _s1 −ΔＰ ……(６)
   によって算出する第２の計算手順が記憶された請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 真空槽内に処理ガスを導入しながら交流電源によって交流電圧をアンテナに印加し、前記真空槽内に交番電場を形成し、前記真空槽内に導入された前記処理ガスをプラズマ化し、生成されたプラズマで、前記真空槽内に搬入された基板を処理するプラズマ処理方法であって、
   前記アンテナの電圧であるアンテナ電圧Ｖ _pp を測定する測定工程と、
   前記測定工程での測定値Ｖ ₁ と、前記測定工程の測定時の出力電力Ｐ _s の出力値Ｐ _s1 とから、前記プラズマの消費電力Ｐ _d の算出値Ｐ _d1 が、設定された基準値Ｐ _d0 に近づくような、前記出力電力Ｐ _s の修正値Ｐ _s2 を算出する算出工程と、
   前記交流電源から出力する電力を、前記算出工程で算出された前記修正値Ｐ _s2 に変更する電力変更工程とを有し、
   前記測定工程と、前記算出工程と、前記電力変更工程とを繰り返し行うプラズマ処理方法であって、
   前記算出工程では、下記(１)〜(３)式、
   （１／２）Ｖ_pp＝（Ｒ_c＋ｉωＬ_c）Ｉ_c−ｉωＭＩ_p …（１）
   ０＝−ｉωＭＩ_c＋（Ｒ_p＋ｉωＬ_p）Ｉ_p …（２）
   Ｐ_s＝（１／２）（Ｒ_ex＋Ｒ_c）｜Ｉ_c｜²＋（１／２）Ｒ_p｜Ｉ_p｜² …（３）
   (符号ｉは虚数単位、符号ω、Ｌ_c、Ｍ、Ｌ_p、Ｒ_ex、Ｒ_cは定数、符号Ｉ_c、Ｉ_p、Ｒ_p、Ｖ_pp、Ｐ_sは変数)
   の連立方程式の符号Ｖ_ppに前記測定値Ｖ₁を代入し、符号Ｐ_sに前記出力値Ｐ_s1を代入し、得られた結果と下記(４)式、
   Ｐ_d＝（１／２）Ｒ_p｜Ｉ_p｜² …（４）
   から得られた符号Ｐ_dの値を前記算出値Ｐ_d1とし、前記算出値Ｐ_d1と前記基準値Ｐ_d0との比率から、前記出力電力Ｐ_sの出力値Ｐ_s1を変更した修正値Ｐ_s2を求め、
   前記交流電源から、前記修正値Ｐ_s2の電力を出力させるプラズマ処理方法。
4. 下記(５)式、
   ΔＰ ＝ Ｋ・Ｐ_s1(Ｐ_d1／Ｐ_d0−１) ……(５)
   (０＜Ｋ＜１)
   から修正量ΔＰを算出し、前記修正量ΔＰと前記出力値Ｐ_s1とから、前記出力電力Ｐ_sの前記修正値Ｐ_s2を下記(６)式、
   Ｐ_s2＝Ｐ_s1−ΔＰ ……(６)
   によって算出する請求項３記載のプラズマ処理方法。
   
   

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