JPH0226023A - プラズマ処理用放電状態監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマ処理技術に係シ、特にプラズマ放電
の不安定による、半導体デバイスや、プラズマ処理装置
に与える悪影響を低減する場合や、装置やプロセスの不
具合いを早期に発見する場合に有効な、プラズマ処理用
放電状態監視装置に関する。

〔従来の技術〕

プラズマ処理装置の大きな課題の１つに、装置の安定稼
動の長期維持がある。装置の安定性が乱れると、プラズ
マ処理中にプラズマ状態が変化したシ異常放電が発生す
る。これらは、処理室の損傷、プラズマ処理の不完全な
半導体デバイスの大量生産に太きく関与し、半導体製造
工程における歩留りやスルーブツトの低下の大きな原因
となっている。

プラズマ状態の変化を補える方法としては、処理室に観
測用の覗き窓を設け、作業者がプラズマ処理室内を観察
することを行っていた。しかし、プラズマ処理装置の構
造上観察が不十分なことが多く、プラズマの状態変化を
正しく補えるまでには至らなかりた。また、プラズマ放
電は、装置毎に固有の特徴を持っておシ、各装置に一人
ずつの観測者がつかなくてはならず、現実的に困難であ
った０ プラズマ状態監視装置の公知技術には、例えば特開昭５
９−４１４７５号公報がある。これは、プラズマ処理装
置に、■プラズマ電位を検出するシングル又はダブルプ
ローブ、■覗き窓を介しプラズマ光を検出するフォトセ
ンサ、■放電印加電圧の直流分を検出する陰極降下電圧
検出器、０６つの放電検出装置を設け、それらの検出信
号を、あらかじめ定めた設定値と比較し、放電状態を判
定し、その結果に基きトリガ電源を制御してプラズマ処
理装置を自動化するものである。

この方法は、プラズマ電位、プラズマ光、陰極降下電圧
と、放電状態を様々な面から検討することができ、優れ
た方法である。しかしこの方法はプラズマ処理装置の各
部に様々な検出器を設置しなくてはならず、既製のプラ
ズマ処理装置に簡単にをり付けることは困難であった。

その他異常放電を自動的にモニタあるいは抑制する公知
技術には、例えば特開昭５７−１７４４６５号公報にあ
るように、電極に発生する直流バイアス電圧ＶＤＯをモ
ニタし、予め定めた最適のＶＤＯとなる様に処理室内の
圧力を制御するものがあった。

この方法は、直流バイアス電圧ＶＤＯのゆつ〈シとした
変化で生じる異常放電を検出することに関しては優れた
ものであるが、モニタ装置にインダクタンスを用いてい
るため、直流バイアス電圧ｖＤｏの急峻な変化による異
常放電や直流バイアス電圧ｖｎ。

に変化の現われない異常放電を検出することはできなか
り九。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記従来技術には、既製のプラズマ処理装置に設置する
ための設置方法や、陰極降下電圧が急峻に変化するもの
や、陰極降下電圧に変化の現われないプラズマ状態変化
を検知することに関して配慮されていなかった。また、
プラズマ電位や陰極降下電圧は、プラズマ処理装置やプ
ロセス条件によって犬きく異なり、電圧を検出する部分
はそれに対応できる手段を備えていなければならないが
従来は、それに関して全（配慮されていなかりた。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点をなくし全てのプ
ラズマ状態変化や異常放電を定量的に把握し、プラズマ
処理装置に大きな悪影響を与えたυ、不良半導体デバイ
スの生産となる前兆を捕え、ることかできるようにした
プラズマ処理用放電状態監視装置を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するために、プラズマ放電の不安定時に
おけるプラズマ処理装置の各種パラメータを測定した。

その結果、安定なプラズマ放電が得られている時と比較
してプラズマ放電の不安定時はプラズマ処理装置の電極
電圧に著しい変化が現われることがわかりた。そこで、
電極の電圧をよシ詳細に測定してみると、安定放電中は
、プラズマ処理装置の電極には振幅一定のある周期を持
った高周波電圧が印加されているが、プラズマ放電に異
常が発生すると、■電圧の発生継続時間すなわちプラズ
マ放電の継続時間が大きくばらつく、■電極電圧包絡線
に急峻な鋭い変動が発生する、■電極電圧のピーク・ピ
ーク電圧や陰極降下電圧（高周波電圧中の直流成分）が
安定しない、ことがわかりた。

前記目的は、プラズマ放電の状態を、自動的かつ正確に
評価することにより達成できるので■■■にあげたよう
な、電極電圧の変化状態を、自動的かつ正確に監視する
ことが有効である。そこで、プラズマ処理装置の電極電
圧をプラズマ処理装置固有の電圧レベルに影響されるこ
となく取り出し、取り出した高周波電圧の包絡線成分か
ら放電電圧の印加継続時間、異常電圧の発生頻度、各種
電圧データを検出表示する構成とする。また検出したそ
れぞれのデータを演算処理することでプラズマ放電の状
態評価を正確かつ定量的に行うことができる。

〔作用〕

本発明のプラズマ処理用放電状態監視装置は、プラズマ
処理装置の電極部に発生する高周波電圧を高周波電圧検
出器で取り出し、得た高周波電圧を信号処理しやすい電
圧レベルになるよう調整し包絡線検出部で高周波電圧の
包絡線を取り出し、この包絡線信号によシ放電状態を監
視する。監視は、■放電状態監視装置内の放電継続時間
計測部でプラズマ放電の継続時間を計測、■異常電圧検
出部で異常電圧の発生を検知及びカウント、■電圧計測
部で、プラズマ処理装置の電極電圧のピーク・ピーク電
圧や陰極降下電圧を計測し、得たデータを表示器に表示
したシ、インターフェース部を介して、演算処理部で演
算処理することＫよシ行う。

プラズマ処理装置の電極電圧は放電状態をよく現わして
いるので、このように電極電圧を様々な面から調べるこ
とで放電状態を正しく把握できるｉ〔実施例〕 本発明の実施例を第１図乃至第８図を用いて説明する。

代表的なプラズマ処理装置の構成を、実施例１を示し九
第１図に同時に示した。

プラズマ処理装置１は、電源装置とプラズマ発生装置と
から構成されている。

電源装置は、電源１０１で得た高周波電力を電力増幅器
１０２で増幅し、プラズマ発生装置と整合をとる整合器
１０３を介してプラズマ発生装置に必要な電力を供給す
るもの、である。

プラズマ発生装置は、処理室と呼ばれる部分である。処
理室１０４内は、電力を印加する電極１０４ａプラズマ
処理物１０５を設置する電極１０４ｂで構成され、図示
しない排気装置及びガス供給装置で、常に一定の雰囲気
に保たれている。

〈実施例１〉 本発明の実施例１を説明する。装置の構成は、第１図に
示すように１プラズマ処理装置１の電極１０４ａに電力
を与えたことによシ発生する電圧を取シ出す高周波電圧
検出器２と、該高周波電圧検出器２によって得た高周波
電圧の電圧レベルを減衰させる減衰器３と、減衰器３に
よって減衰した高周波電圧の包絡線Ｖ、＋　　ＶＰ−を
取り出す包絡線検出部４と、該包絡線検出部４で得た高
周波電圧の包絡線の継続時間すなわちプラズマ放電の継
続時間を計測する放電継続時間計測部５と、放電継続時
間の計測結果を表示する放電継続時間表示器８と、包絡
線検出部４で検出した高周波電圧の包絡線に急峻な変動
が生じたことを検知し計数する異常電圧検出部６と、該
異常電圧検出部６で計数した異常電圧の発生回数を表示
する異常電圧発生回数表示器９と、包絡線検出部４で検
出した包絡線信号Ｖ、＋、ＶＰ−から、プラズマ処理装
置１の電極１０４ａに印加されている各種の電圧値を計
測する電圧データ処理部７と、計測した電圧データを表
示する電圧データ表示器１ｏと、これまでに挙げた構成
要素によつて得た、放電継続時間データ、異常電圧発生
回数データ、電圧データを演算処理部に取〕込むための
インターフェース部１１と、取シ込んだ各データのバラ
ツキや傾向を監視することでプラズマ放電の状態を評価
する演算処理部１２で構成されている。

次に、このように構成したプラズマ処理用放電監視装置
の動作説明をする。

プラズマ処理装置１の電極１０４ａには、処理室１０４
に電力を与えたことによプ電圧が生じている。

その電圧を１高周波電圧検出器２、減衰器３によつて取
シ出したものの１例が第３図に示した波形である。この
波形のうち、プラズマ放電の状態をよく表わしているの
が、（１）プラズマ放電の継続時間、（２１異常電圧の
発生、（３）ピーク・ピーク電圧、陰極降下電圧（高周
波電圧に含まれる直流成分）である。

（１）放電継続時間の計測方法 放電継続時間計測部５の一構成例を第４図、各部の動作
波形を第５図に示し、放電継続時間計測動作を説明する
。

包絡線検出部４で得た包絡線信号ｖＰ＋・　Ｖ、−から
１：１反転器５０１、加算器５０２によつて、高周波電
圧のピーク・ピーク電圧ＶＰＰ　（第５図（１））が得
られる。これを比較電圧設定器５０４を持りた比較器５
０３に入力し、放電の有無を第５図（ｉｔ）のように判
別する。ここで放電布の間だけゲート５０６によりクロ
ック５０６を有効にしく第５図（Ｉｌｌ）　）、タイマ
カウンタ５０７で放電継続時間を計測する。バッファ５
０８は、放電継続時間表示器８を駆動させるために使用
する。

（２）異常電圧発生の検知、計数方法 異常電圧検出部６の一構成例を第６図、各部の動作波形
を第７図に示し、異常電圧の検知、計数動作を説明する
。ここでの説明は、包絡線信号ｖＰ＋の変動検知のみを
行うが、ｖＰ−側の変動検知も同様に行えるので省略す
る。

包絡線検出部４で得た包絡線信号ｖＰ＋は、高域通過フ
ィルタ６０２によってその変動分のみが取り出され（第
７図（ＩＩ）　）　、増幅器６０５に入力される。

増幅器６０３の増幅率は、低域通過フィルタ６０１、自
動利得設定器６０４により、ピーク・ピーク電圧ＶＰＰ
の大きさに反比例するようになっている（第７図（ｌｌ
＋１）。この増幅器６０５の出力をしきい値（Ｖｔｈ■
）設定器６０５、Ｌ　＊　イ値（Ｖｔｈ　（り）　　設
定器６ｏ６を持った比較器６０７に入力する（第７図１
１ｖ）　）ことでピーク・ピーク電圧ＶＰＰの大きさに
対して常に一定比率の異常電圧を検出できる。（すなわ
ち、第７図（１））の■と■の異常電圧は同じ大きさΔ
Ｖであるが、ピーク・ピーク電圧ＶＰＰは■の方が太き
い。■で発生した異常電圧■はＶＰＰの大きさに比べは
るかに小さく装置やプラズマ処理に影響が少いので検出
する必要はない。） このようにして得た検出信号（第７図（■））は、ＯＲ
ゲート６０８を介しカウンタ６０９に入力し、異常電圧
の発生回数をカウントする。バッファ６１０は異常電圧
発生回数表示器９を駆動させるために使用する。

（３１［圧計測方法 計測する電圧は、ｌ）放電中に逐次変動するピーク・ピ
ーク電圧ｖＰＰ、陰極降下電圧ＶＤＯ％　ｌ）放電中の
ｖＴ’Ｐ、ｖＤＯの最大値ＶＰＰ（？７ＬｃＬｓ）　、
　Ｖｎｏ（ＷＬ８ｇ）、１１１）放電開始から一定時間
後のｖＰＰ（７””ｔ）＋　ｖＤｏ（Ｐ”ｎｔ）である
。これらｌ　）、　　ＩＩ　）、　　ｌ１１）の電圧デ
ータは、包絡線信号ｖＰ＋、ｖＰ−を電圧データ処理部
７でハード的に処理することで得られる。

電圧データ処理部７の一構成例を第８図に示し１゜その
動作を説明する。

まず、包絡線検出部４で得た包絡線信号ｖＰ＋ｖＰ−か
ら、電圧データ処理部８内の加算器８０１．１／２倍器
８０２で陰極降下電圧ｖｎｏを、反転器８０８゜加算器
８０９でピーク・ピーク電圧ｖＰＰを作シ出す。

加算器８０１．１７２倍器８０２で得たｖＤｏは、Ａ／
Ｄ変換器８０５でアナログ−ディジタル信号変換し出力
する。アナログ−ディジタル変換は、クロック発生器８
０４のクロックで逐次性われ・このクロックを細かくす
ることでｖＤｏの変動状況を知ることができる。

放電開始から一定時間後の陰極降下電圧ＶＤＯ（ｐａｉ
ｎｔ　）は、Ａ／Ｄ変換器８０５で得たｖＤＯ値を保持
回路８０５で保持することで得る。保持信号は、放電開
始から一定時間後に保持信号を発生する、図示しない保
持信号発生器よシ得る。

陰極降下電圧の最大値ＶＤＯ（ｍαＸ）は、Ａ／Ｄ変換
器８０３で得た”Ｄｏをディジタル比較器８０６のＡ側
に入力し、そのデータ以前の最大値（ディジタル比較器
８０６のＢ側）と比較し、Ａ＞Ｂならば、最大値保持回
路８０７に新たな値を保持することで得る。

ピーク・ピーク電圧ノＶｐｐ、　ｖｐｐＣｐａｉｎｔ）
、　ＶｐｐＣｍａｒ）もこれと同様にして得られるので
、ここでは説明を省略する＠ 以上説明したような動作で、プラズマ放電の放電継続時
間、異常電圧の発生の検知、各種電圧データの計測を行
う。これらの計測値は、表示器８〜１０に値を表示する
と共に、インターフェース部１１を介して、演算処理部
１２に取り込む。演算処理’！［ｈ１２では、取り込ん
だデータの各値のバラツキや゛傾向を監視しプラズマ放
電の状態を定量的に評価する。

〈実施例２〉 本発明の実施例２を説明する。装置の構成は、第２図に
示すように、プラズマ処理室置１の電極１０４ａに電力
を与えたことによ）発生する電圧を取り出す高周波電圧
検出器２と、該高周波電圧検出器２によって得た高周波
電圧の電圧レベルを減衰させる減衰器３と、減衰器３に
よつて減衰した高周波電圧を、次段以降で信号処理しや
すいように電圧レベルを確保する増幅器１５と、増幅器
１３から出力する高周波電圧の包絡線ｖＰ＋・　ｖ、−
を取、ｂ出す包絡線検出部４と、増幅器１３の増幅率Ａ
と、常に１／Ａの関係を保つ増幅器１４．１５と包絡線
検出部４で得た高周波電圧の包絡線の継続時間すなわち
プラズマ放電の継続時間を計測する放電継続時間計測部
５と、放電継続時間の計測結果を表示する放電継続時間
表示器８と、包絡線検出部４で検出した高周波電圧の包
絡線に急峻な変動が生じたことを検知し計数する異常電
圧検出部６と、該異。

常電圧検出部６で計数した異常電圧の発生回数を表示す
る異常電圧発生回数表示器９と、包絡線検出部４で検出
ｊ−た包絡線信号Ｖ、＋　　Ｖ、−から１プラズマ処理
装置１の電極１０４ａに印加されている各種の電圧値を
計測する電圧データ処理部７と、計測した電圧データを
表示する電圧データ表示器１０と、これまでに挙げた構
成要素によって得た、放電継続時間データ、異常電圧発
生回数データ、電圧データを演算処理部に取シ込むため
のインターフェース部１１と、取り込んだ各データのバ
ラツキや傾向を監視することでプラズマ放電の状態を評
価する演算処理部１２で構成されている。

次に、このように構成したプラズマ処理用放電監視装置
の動作を説明する。

実施例１との相違点は、増幅器１５と、増幅器１３の増
幅率Ａと常に１Ａの関係を保つ増幅器１４．１５を付加
したことである。

プラズマ処理装置１の電極に印加される電圧はプラズマ
処理装置の糧類や、プラズマ処理室の雰−囲気によって
大幅に変動する。しかし減衰器３は常に一定の比率でし
か電圧を減衰できないので、予惣をはずｔた電圧が電極
に発生した場合に、包絡線検出部４で正しい包絡線Ｖ、
＋、Ｖ、−を得られないことや減衰器５自身を破壊して
しまうおそれがあった。

そこで、減衰器３の減衰率を大きめ（例えば、６０　ｄ
Ｂ程度）に設定しておき、増幅器１３で包絡線検出部４
で処理しやすい電圧レベルまで増幅する・・この様な処
理を施した電圧信号を包絡線検出部４に入力し包絡線Ｖ
、＋、Ｖ、−を得る。しかしこのｖＰ−？　。

ｖＰ−信号は、増幅器１３で任意の増幅率ＡＫ増幅され
ているのでこの−ｉｔで電圧データ処理部７に入力する
と、電圧値の計測ミスとなりてしまう。そこで増幅器１
３の増幅率Ａと常に１Ａの関係を保つ増幅器１４．１５
で減衰器３の出力レベルと同レベルに戻す操作を行う。

これ以降、実施例１で説明したと同様な動作、処理を行
い、プラズマ放電の放電継続時間、異常電圧の検知、各
種電圧値の計測を行う。これらの計測値は、表示器８〜
１０にその値を表示すると共・に、インターフェース部
１１を介して演算処理部１２にをり込む。演算処理部１
２では、取り込んだデータの各値のバラツキや傾向を監
視し、プラズマ放電の状態を定量的かつ正確に評価する
。

〔発明の効果〕

本発明は、既製のプラズマ処理装置に設置するための設
置方法に優れ陰極降下電圧が急峻に変化するものや、陰
極降下電圧に変化の現われないプラズマの状態変化を検
知でき、かつ、プラズマ処理装置やプ巳セス条件によっ
て大きく異なる電圧レベルに対応できる手段を備えてい
るため、放電状態と処理室内絶縁部品の焼けや溶解、デ
バイスに付着する異物、デバイス寸法や均一性の不良と
の関係をプラズマ処理装置の種類に関係なく、正しく得
ることができ、放電時の電極電圧を本装置で監視してい
て、これらの事態が発生する前兆をとらえ、事前に対策
を施すことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す図、第２図は本発
明の第２の実施例を示す図、第３図はプラズマ処理中に
プラズマ処理装置の電極部に発生する高周波電圧の一例
を示す図、第４図は放電継続時間計測部の一構成例を示
す図、第５図は第４図中の主要各部の波形を示す図、第
６図は異常電圧検出部の一構成例を示す図、第７図は第
６図中の主要各部の波形を示す図、第８図は電圧データ
処理部の一構成例を示す図である。 １・・・プラズマ処理装置、２・・・高周波電圧検出器
・、６・・・減衰器、４・・・包絡線検出部、５・・・
放電継続時間計測部、６・・・異常電圧検出部、７・・
・電圧データ処理部、８・・・放電継断時間表示器、９
・・・異常電圧発生回数表示器、１０・・・電圧データ
表示器、１１・・・インターフェース部、１２・・・演
算処理部。 〉 纂 図 纂 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマ発生手段と該プラズマ発生手段に高周波電
   力を印加する高周波電力印加手段を備えたプラズマ処理
   装置において、上記高周波電力印加手段で印加される高
   周波電圧成分を検出する高周波電圧検出手段と、該高周
   波電圧検出手段によって検出された高周波電圧の包絡線
   を検出する包絡線検出手段と、該包絡線検出手段によっ
   て得られた信号をもとにプラズマ処理の継続時間を計測
   する放電継続時間計測手段と、上記包絡線検出手段によ
   って得られた信号をもとに異常電圧の発生を検知して計
   測する異常電圧検出計数手段と、上記包絡線検出手段に
   よって得られた信号をもとにプラズマ放電時の放電電圧
   を計測する電圧計測手段と、上記放電継続時間計測手段
   、異常電圧検出計数手段及び電圧計測手段から得られる
   各種データに基いてプラズマ処理を評価する演算処理手
   段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理用放電状態
   監視装置。 ２、上記高周波電圧検出手段と上記包絡線検出手段との
   間に上記高周波電圧検出手段から検出される高周波電圧
   を増幅する増幅手段を設け、更に上記包絡線検出手段の
   出力を減衰させて上記放電継続時間計測手段、異常電圧
   検出計数手段及び電圧計測手段に入力させる減衰手段を
   設けたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理用
   放電状態監視装置。