JPH0384900A - プラズマ処理装置 - 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］ この発明は、ドライエツチング等の処理を行うプラズマ
処理装置、特にプラズマ発生器のプラズマ処理中のプラ
ズマインピーダンスを測定し、これが一定になるように
プラズマ発生器に与える磁界を制御するようにしたプラ
ズマ処理装置に関するものである。

［従来の技術］ 第３図は従来のプラズマ処理装置のブロック図である。

プラズマ発生器であるプラズマ負荷（３）とこれに高周
波電力（以下ＲＦ電力とする）を供給するＲＦ電源（１
）との間には、これらの間のマツチング（整合）をとる
マツチングボックス（２）が挿入されている。これらは
それぞれ等価回路で示されている。ＲＦ電源（１〉とプ
ロセス負荷（３）との間にはさらに、ＲＦ電源（１）が
ら供給されるＲＦ電力の電圧と電流の位相差およびイン
ピーダンスの大小を検知する位相差・インピーダンス検
知器（４）が接続されている。位相制御サーボユニット
（５〉およびインピーダンス制御サーボユニット（６）
は検知器（４）の検出結果に従って、マツチングボック
ス（２）内のマツチング用可変コンデンサ（Ｃ２＞（Ｃ
１）の容量をそれぞれ制御して、ＲＦ電源（１）とプラ
ズマ負荷（３）との整合を取っている。

ＲＦ電源（１）の出力電力の設定はＣＰＵ（１１）から
Ｄ／Ａ変換ユニット（１０）を介して行われ、この設定
電力量、入射電力量および反射電力量はＡ／Ｄ変換ユニ
ット（９）を介してＣＰＵ（１１）に取り込まれ、これ
をＣＲＴ（１２）によって表示している。

次に動作について説明する。ＲＦ電源（１）により１３
゜５６ＭＨｚの高周波電力が、プラズマ負荷（３）へマ
ツチングボックス（２）経由で供給される。ＲＦ電源（
１）からの供給電力が、プラズマ負荷（３）からの反射
がなくかつ最大パワーを供給できるように、マツチング
ボックス（２）では、ＲＦ電源（１）の出力側に設けら
れた位相差・インピーダンス検知器（４）の検出結果に
従って、位相制御サーボユニット（５）およびインピー
ダンス制御サーボユニット（６）により、マツチングボ
ックス（２）内の可変コンデンサ（Ｃ２）（Ｃ１）の容
量をそれぞれ制御して、電源（１）と負荷（３）の間の
整合を取っている。ＲＦ電源（１）の出力設定は、ＣＰ
Ｕ（１１）よりＤ／Ａ変換ユニット（１０）を介して行
っている。またモニタとして入射電力量および反射電力
量をＡ／Ｄ変換ユニットく９〉を介してＣＰＵ（１１）
に取り込み、ＣＲＴ（１２）に設定電力量、入射電力量
および反射電力量を表示させている。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来のプラズマ処理装置においては以上のように、マツ
チングボックスによって電源とプラズマ負荷との整合を
取ること、および設定電力量、入射電力量および反射電
力量をモニターすることにとどまり、プラズマ負荷のイ
ンピーダンスを一定に制御する等の、より安定したマツ
チング状態を得るための積極的な手段が設けられていな
いという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので、プラズマインピーダンスを一定に制御して、よ
り安定したマツチング状態を得ることを目的とする。す
なわち、プラズマ発生器（プラズマ負荷）を収納するプ
ラズマチャンバ内の処理ガス状態、真空度、供給される
ＲＦ電力の変化等がプラズマインピーダンスの変化に現
れるので、ウェハ処理中のインプロセスモニタとして、
プラズマインピーダンスの変化を自動計測して、ドライ
エツチング処理の再現性向上を図るために、これに従っ
てプラズマ発生器のチャンバの外側に配置したマグネッ
トコイルの発生する磁界強度を制御して、プラズマイン
ピーダンスを一定に保つことのできるプラズマ処理装置
を得ることを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的に鑑み、この発明は、プラズマ処理装置では
、プラズマを発生するプラズマ発生手段と、このプラズ
マ発生手段にＲＦ電力を供給するＲＦ電源手段と、プラ
ズマ発生手段とＲＦ電源手段との間のマツチングを取る
ために、これらの間に挿入されたマツチング手段と、プ
ラズマ発生手段に磁界を与えるためのこれの外側に設け
られた磁界発生手段と、マツチング手段の回路ファクタ
からプラズマ発生手段の放電中のプラズマインピーダン
スを検出する手段と、検出されたプラズマインピーダン
スを表示する表示手段と、検出されたプラズマインピー
ダンスに従って磁界発生手段の発生する磁界強度を制御
する磁界制御手段とを備え、プラズマ発生手段のプラズ
マインピーダンスを所望の一定の値に維持するようにし
たことを特徴とするプラズマ処理装置にある。

［作用］ この発明においては、マツチングボックス内のマツチン
グ用可変コンデンサの回転角度θを電圧変換し、その電
圧をディジタル変換してＣＰＵに取り込み、回転回転θ
を関数として演算して、プラズマ負荷すなわちプラズマ
発生手段のプラズマインピーダンスを算出する。そして
プラズマインビーダンスを一定に保つように、プラズマ
発生手段に印加する磁界強度を制御する。

［実施例コ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例によるプラズマ処理装置のブロ
ック図であり、同符号で示す部分は前述の従来と同様の
ものである。図において、プラズマチャンバ（３ａＨ従
来の装置にもあったが第３図では省略されている）はプ
ラズマ負荷（３）を収納している容器であり、その外側
にはこのプラズマチャンバ（３ａ）に磁界を与えるため
のマグネジ１〜コイル（１４）が設けられている。第１
および第２のコンデンサ容量・電圧変換部（７）および
（８）は、マツチング用可変コンデンサ（ＣＩ　ＨＯ２
）の容量の関数となる回転角度θの値を電圧に変換する
。この電圧はＡ／Ｄ変換ユニット（９ａ）でアナログ／
ディジタル変換されて、ＣＰ　Ｕ　（ｌｌａ）に取り込
まれる。　ＣＰ　Ｕ　（ｌｌａ）ではこの値からプラズ
マ負荷のインピーダンスを算出し、ＣＲＴ（１２）に算
出結果を表示する。また、この算出結果はＤ／Ａ変換ユ
ニット（１０ａ）を介して、マグネットコイル（１４）
の出力磁界強度を制御する磁界コンＩ・ローラ（１３〉
に送られ、この磁界コントローラ（１３〉はプラズマイ
ンピーダンスを一定にするように、マグネットコイル（
１４）の磁界強度を制御する。また、第２図はプラズマ
インピーダンスとマグネットコイル（１４）の出力磁界
の磁束密度との関係を示す線図であり、磁界コントロー
ラく１３）はこの線図に従ってマグネットコイル（１４
）の出力磁界を制御する。

次に動作について説明する。ＲＦ電源（１〉により１３
．５６Ｍ　Ｈｚの高周波電力が、プラズマ負荷（３〉へ
マツチングボックス（２）経由で供給される。ＲＦ電源
（１）からの供給電力が、プラズマ負荷（３〉からの反
射がなくかつ最大パワーを供給できるように、マツチン
グボックス（２）では、ＲＦ電源（１）の出力側に設け
られた位相差・インピーダンス検知器（４〉の検出結果
に従って、位相制御サーボユニット（５〉およびインピ
ーダンス制御サーボユニット（６〉により、マツチング
ボックス（２）内の可変コンデンサ（Ｃ２）（Ｃ１）の
容量をそれぞれ制御して、を源（１）と負荷く３）の間
の整合を取っている。ＲＦ電源く１〉の出力設定は、Ｃ
ＰＵ（１１）よりＤ／Ａ変換ユニット（１０）を介して
行っている。

またモニタとして入射電力量と反射電力量をＡ／Ｄ変換
ユニット（９）を介してｃｐＵ（１１）に取り込み、Ｃ
ＲＴ（１２）に設定電力量、入射電力量および反射電力
量を表示させている。プラズマ負荷（３）のインピーダ
ンスの測定は、マツチングボックス（２）のマツチング
用可変コンデンサ（ｃＢ（Ｃ２）の回転角度θを電圧に
変換するコンデンサ容量・電圧変換部（７）（８）より
電圧値をＡ／Ｄ変換ユニット（９ａ）を介してＣＰ　Ｕ
　（ｌｌａ）に取り込み、マツチング用コンデンサ（Ｃ
１）（Ｃ２）の容量を回転角度θの関数として算出し、
これからプラズマインピーダンスを求めている。このこ
とに関しては、後で詳述する。第２図に示すようにマグ
ネットコイル（１４）が発生する出力磁界の磁束密度を
変えることにより、プラズマインピーダンスを制御する
ことができるので、ドライエツチングの再現性を向上さ
せるために、プラズマチャンバ（３ａ）への印加磁束密
度を制御して、プラズマインピーダンスを一定に保つこ
とができる。

第４図ないし第７図に従って、マツチング用可変コンデ
ンサの回転角度測定によるプラズマインピーダンスの測
定方法を詳細する。

ＲＦ電源とプラズマ負荷との間のマツチングボックスす
なわち整合回路の整合条件は、整合回路の入力端子間に
おいて左右を見たとき、双方の影像インピーダンスが等
しいこと、また出力端子間においても左右の影像インピ
ーダンスが等しいことが、反射なく最大電力を負荷に供
給するための条件になる。

影像インピーダンスは開放インピーダンス（Ｚ　ｆ）お
よび短絡インピーダンス（Ｚ　ｓ）により（１〉式によ
り求めることができる。

Ｚ。１＝パフ７］ ＝　Ｘｌ（ＸＡ・Ｘ　Ｂ）／　（Ｘ　Ａ＋Ｘ　−）　　
　・・・（１）Ｚ。２　＝　４乙Ｔ々］７ ＝Ｆ乙コＧＹ１　　　　　　・・・（２〉ここで整合さ
せるため、Ｚ０１＝Ｒ０（通常５０Ω）、Ｚ６２＝ＲＬ
（プラズマ等価インピーダンスの抵抗弁）が必要条件と
な（３）式および（４）式が導かれる。

Ｒ，＝Ｚ、、＝　　ｘｌ（ｘＡ−Ｘ、）／（ｘＡ＋ｘｉ
）−−（３）ＲＬ＝ＺＯ２＝　（Ｘ−”Ｘｓ）万＝・・
・（４）（３）式および〈４）式より Ｘ−＝ＲＯＲ＝、／（Ｒ６−ＲＬ）　　　　　　　”　
’　（５）ＸＡ−パフエフ頁下　　　　　　　・・・（
６）が求められる。

Ｘ＠はく７）式のように、第４図の可変コンデンサ（Ｖ
ＣＩ）の回転角度θの関数として求めることができる。

Ｘ、＝１／ωＣ＋（θ）　　　　　　　　・・・（７〉
故にプラズマ等価インピーダンスの抵抗成分ＲＬは（５
〉式の展開で（８）式のように求められる。

ＲＬ＝（ＸＢ’／（Ｒ，’＋ＸＢ２）ｌ・Ｒ。

＝　（１／ＬＡＣ，（θ）〉２÷ ［（１／ωＣ＋（θ））’／（５０”（１／６１Ｃ＋　
（θ））２）コ・５０・　（８） 但しＲ９＝５０Ωとする。

実際のプラズマ等価インピーダンスは容量性負荷が直列
に入っているので第７図のようになる。

実際のプラズマ等価インピーダンスＺ、は（９）式％式
％ （９） ＪＸＬ分を打ち消すために、ＸＡの値を（１０）式のよ
うに補正すれば、虚数部は打ち消され整合がとられる。

故に、 ＸＡ′＝ＸＡ＋ＸＬ　　　　　　　　　・・・（１０〉
（１０）式より、プラズマ等価インピーダンスの虚数部
Ｘｔ、は、第４図の可変コンデンサ（ＶＣ２）の回転角
度θの関数として求めることができる。

Ｘ、＝ＸＡ−ＸＡ ＝　（１／ω　Ｃ２（θ））−ｊ百二丁で百７；＝石ア
Ｅ丁　・　・　（１１）従って実際のプラズマ等価イン
ピーダンスＺＰは（８）および（１０ン式より、 Ｚｐ＝Ｒｔ、ＪＸＬ ＝　［（１／ωＣ＋（θ））　２／　（５０２＋（１ｈ
ｃ＋　（θ））２）］・５〇−ｊ［（１／ωＣ２（θ）
〉−へＴ玉７ｉココ・・（１２）となり１、整合回路の
可変コンデンサ（ＶＣＩＮＶＣ２）の回路角度の間数と
して求めることができる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、マツチングボックス内
のマツチング用可変コンデンサの容量をこれの回転角度
として検出しこれを電圧に変換してＣＰＵに取り込み、
これからプラズマ負荷インピーダンスを算出するように
構成し、プラズマ中のプロセスの変化をプラズマインピ
ーダンスの変化として測定し、プラズマチャンバの外側
に配置したマグネットコイルの出力磁界を制御して、プ
ラズマチャンバのインピーダンスを一定にするようにし
た、再現性精度の高いプラズマ処理が得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるプラズマ処理装置の
ブロック図、第２図はプラズマインピーダンスとマグネ
ットコイルの出力磁界の磁界密度との関係を示す線図、
第３図は従来のプラズマ処理装置を示すブロック図、第
４図ないし第７図はプラズマインピーダンスの測定方法
を説明するための図である。 図において、（１）はＲＦ電源、（２ａ）はマツチング
ボックス、（３）はプラズマ負荷、（４）は位相差・イ
ンピーダンス検知器、（５）は位相制御サーボユニット
、（６）はインピーダンス制御サーボユニット、（７）
は第１のコンデンサ容量・電圧変換部、（８〉は第２の
コンデンサ容量・電圧変換部、（９ａ）はＡ／Ｄ変換ユ
ニット、（１０ａ）はＤ／Ａ変換ユニット、（１，１ａ
　）はＣＰＵ、（１２）はＣＲＴ、（１３）は磁界コン
トローラ、（１４〉はマグネットコイルである。 尚、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　プラズマを発生するプラズマ発生手段と、このプラズ
   マ発生手段にＲＦ電力を供給するＲＦ電源手段と、 上記プラズマ発生手段とＲＦ電源手段との間のマッチン
   グを取るために、これらの間に挿入されたマッチング手
   段と、 上記プラズマ発生手段に磁界を与えるためのこれの外側
   に設けられた磁界発生手段と、 上記マッチング手段の回路ファクタから上記プラズマ発
   生手段の放電中のプラズマインピーダンスを検出する手
   段と、 上記検出されたプラズマインピーダンスを表示する表示
   手段と、 上記検出されたプラズマインピーダンスに従って上記磁
   界発生手段の発生する磁界強度を制御する磁界制御手段
   とを備え、 上記プラズマ発生手段のプラズマインピーダンスを所望
   の一定の値に維持するようにしたことを特徴とするプラ
   ズマ処理装置。