JPH0732078B2 - 高周波プラズマ用電源及びインピーダンス整合装置 - Google Patents
高周波プラズマ用電源及びインピーダンス整合装置Info
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- JPH0732078B2 JPH0732078B2 JP5021734A JP2173493A JPH0732078B2 JP H0732078 B2 JPH0732078 B2 JP H0732078B2 JP 5021734 A JP5021734 A JP 5021734A JP 2173493 A JP2173493 A JP 2173493A JP H0732078 B2 JPH0732078 B2 JP H0732078B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
- H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
- H01J37/32183—Matching circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
- H03H7/38—Impedance-matching networks
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Description
【０００１】本発明は高周波プラズマ用電源及び自動イ
ンピーダンス整合装置に関するものであり、より特定す
れば高周波プラズマＣＶＤや、高周波プラズマエッチン
グ処理を用いる半導体プロセス装置において、プラズマ
チャンバに電力供給するためのシステム構成に関するも
のである。
ンピーダンス整合装置に関するものであり、より特定す
れば高周波プラズマＣＶＤや、高周波プラズマエッチン
グ処理を用いる半導体プロセス装置において、プラズマ
チャンバに電力供給するためのシステム構成に関するも
のである。
【０００２】高周波プラズマＣＶＤプロセスもしくは高
周波プラズマエッチング処理における反応室（プラズマ
チャンバ）に電力を供給する場合には、チャンバの負荷
インピーダンスと高周波プラズマ用電源のインピーダン
スとの整合を行う必要がある。
周波プラズマエッチング処理における反応室（プラズマ
チャンバ）に電力を供給する場合には、チャンバの負荷
インピーダンスと高周波プラズマ用電源のインピーダン
スとの整合を行う必要がある。
【０００３】チャンバの負荷インピーダンスは、そのチ
ャンバへの供給電力（外的条件）や種々の内部条件によ
って定まるが、高周波電力は、通常、零レベルより出発
し、暗流レベルを経て点火レベルに至る暗流掃引を経て
電極間に供給される。この場合、高周波プラズマ用電源
にはチャンバからの反射電力が返ってくるため、供給電
力を単純に上昇させていくと、反射波は電力値が供給電
力の１００％程度に達して、電源装置が破損するおそれ
があり、したがって、従来は反射波電力値が定格出力の
１０〜２０％以下になるように、高周波プラズマ電源の
進行波電力値を制御し、併せてインピーダンス整合操作
を行いながら、全チャンバのプラズマ反応プロセスに必
要な電力値まで上昇させて電力供給するという、きわめ
て繁雑なシャットダウン方法がとられていた。
ャンバへの供給電力（外的条件）や種々の内部条件によ
って定まるが、高周波電力は、通常、零レベルより出発
し、暗流レベルを経て点火レベルに至る暗流掃引を経て
電極間に供給される。この場合、高周波プラズマ用電源
にはチャンバからの反射電力が返ってくるため、供給電
力を単純に上昇させていくと、反射波は電力値が供給電
力の１００％程度に達して、電源装置が破損するおそれ
があり、したがって、従来は反射波電力値が定格出力の
１０〜２０％以下になるように、高周波プラズマ電源の
進行波電力値を制御し、併せてインピーダンス整合操作
を行いながら、全チャンバのプラズマ反応プロセスに必
要な電力値まで上昇させて電力供給するという、きわめ
て繁雑なシャットダウン方法がとられていた。
【０００４】すなわち、チャンバ内に導入された原料ガ
スが、高周波プラズマ電源からの電力により、プラズマ
化する過程において、そのガスプラズマ負荷インピーダ
ンスは点火時に急激に変化し、また、原料ガスの流量、
圧力、温度等によっても変化するため、高周波プラズマ
用電源のインピーダンス（通常は、同軸ケーブルと同じ
５０Ωとするのが一般的である。）と、チャンバ内のイ
ンピーダンスとの差異が不規則に発生する。このため、
チャンバへの電力供給に介在するインピーダンスマッチ
ング回路のための自動インピーダンス整合装置が用いら
れ、そのモータ駆動系によるインピーダンス整合の達成
までに３〜１０秒程度の時間を要していた。このマッチ
ング操作期間中は、結局チャンバにおいて１００％の電
力が消費されずに、電力反射が発生し、前述のような高
周波プラズマ用電源への電力帰還が生ずるわけである。
スが、高周波プラズマ電源からの電力により、プラズマ
化する過程において、そのガスプラズマ負荷インピーダ
ンスは点火時に急激に変化し、また、原料ガスの流量、
圧力、温度等によっても変化するため、高周波プラズマ
用電源のインピーダンス（通常は、同軸ケーブルと同じ
５０Ωとするのが一般的である。）と、チャンバ内のイ
ンピーダンスとの差異が不規則に発生する。このため、
チャンバへの電力供給に介在するインピーダンスマッチ
ング回路のための自動インピーダンス整合装置が用いら
れ、そのモータ駆動系によるインピーダンス整合の達成
までに３〜１０秒程度の時間を要していた。このマッチ
ング操作期間中は、結局チャンバにおいて１００％の電
力が消費されずに、電力反射が発生し、前述のような高
周波プラズマ用電源への電力帰還が生ずるわけである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の高周波プラズマ
用電源ではプラズマインピーダンスとの不整合時におい
て、反射波電力が発生した場合には、前述の通り、反射
波電力を定格出力の１０〜２０％以下に抑えるように、
供給側の進行波電力を抑えるというシャットダウン方法
により、高周波プラズマ用電源の終段デバイス（トラン
ジスタ、特にＦＥＴ）の損傷を防ぐという方法が一般的
に採用されていた。この方法は帰還制御、すなわち、電
気的なループ制御であるため、急激なチャンバ内のイン
ピーダンス変化には即応できないという事態が生じ、そ
のとき、高周波プラズマ電源の終段デバイスを破損して
しまうという欠点があった。
用電源ではプラズマインピーダンスとの不整合時におい
て、反射波電力が発生した場合には、前述の通り、反射
波電力を定格出力の１０〜２０％以下に抑えるように、
供給側の進行波電力を抑えるというシャットダウン方法
により、高周波プラズマ用電源の終段デバイス（トラン
ジスタ、特にＦＥＴ）の損傷を防ぐという方法が一般的
に採用されていた。この方法は帰還制御、すなわち、電
気的なループ制御であるため、急激なチャンバ内のイン
ピーダンス変化には即応できないという事態が生じ、そ
のとき、高周波プラズマ電源の終段デバイスを破損して
しまうという欠点があった。
【０００６】半導体製造工場においては、このような電
源装置の高い故障頻度を下げなければ、全自動化を進め
る上での大きな支障となるため、その効果的な対策が求
められてきた。
源装置の高い故障頻度を下げなければ、全自動化を進め
る上での大きな支障となるため、その効果的な対策が求
められてきた。
【０００７】さらに、シャットダウン法により、供給側
の進行波電力値も制御しながら、プラズマプロセスに必
要な電力値まで上昇させていくという方法では、プラズ
マ点火に必要な初期電力が定格出力の１０〜２０％以上
必要とされる条件において、点火前と点火後のインピー
ダンスは大きく異なるため、電力供給開始時から始まっ
てプロセスの必要電力値に到達するまでの自動インピー
ダンス整合装置の整合動作期間は、近年のプロセスの円
滑な実行にとっては、相対的に長すぎるという不都合が
生じ、またその時間が一定しないために再現性もよくな
い。さらに、設定電力値よりも低い電力値でのプラズマ
反応時間が長いことによる半導体処理上の不都合とし
て、ＣＶＤプロセスにおいては、膜質の均一性と膜圧の
再現性が悪くなり、薄膜エッチングプロセスにおいては
供給電力の再現性の悪さによるオーバーエッチングやア
ンダーエッチングが多発するという問題があった。
の進行波電力値も制御しながら、プラズマプロセスに必
要な電力値まで上昇させていくという方法では、プラズ
マ点火に必要な初期電力が定格出力の１０〜２０％以上
必要とされる条件において、点火前と点火後のインピー
ダンスは大きく異なるため、電力供給開始時から始まっ
てプロセスの必要電力値に到達するまでの自動インピー
ダンス整合装置の整合動作期間は、近年のプロセスの円
滑な実行にとっては、相対的に長すぎるという不都合が
生じ、またその時間が一定しないために再現性もよくな
い。さらに、設定電力値よりも低い電力値でのプラズマ
反応時間が長いことによる半導体処理上の不都合とし
て、ＣＶＤプロセスにおいては、膜質の均一性と膜圧の
再現性が悪くなり、薄膜エッチングプロセスにおいては
供給電力の再現性の悪さによるオーバーエッチングやア
ンダーエッチングが多発するという問題があった。
【０００８】本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、
高周波プラズマ用電源の故障率を下げて、プラズマＣＶ
Ｄによる成膜プロセスでの膜質の均一性と膜厚の再現
性、また薄膜エッチングプロセスにおける供給電力の再
現性の問題を解決した、高信頼性および高能率の高周波
プラズマ電源および自動インピーダンス整合装置を提供
しようとするものである。
高周波プラズマ用電源の故障率を下げて、プラズマＣＶ
Ｄによる成膜プロセスでの膜質の均一性と膜厚の再現
性、また薄膜エッチングプロセスにおける供給電力の再
現性の問題を解決した、高信頼性および高能率の高周波
プラズマ電源および自動インピーダンス整合装置を提供
しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達するための第１の構成として、各相が少なくとも２個
の並列接続されたＦＥＴからなる終段プッシュプル増幅
器と、前記プッシュプル増幅器の各相出力が中性点タッ
プ付き一次巻線の両端子にそれぞれ接続されてなる出力
トランス、及び前記出力トランスの二次巻線出力の実質
上基本波周波数成分のみを通過させるためのローパスフ
ィルタからなり、前記ローパスフィルタを通じた高周波
電力を、インピーダンス調整機構を有するインピーダン
スマッチング回路を介してプラズマチャンバの電極間に
供給するための高周波プラズマ用電源において、
達するための第１の構成として、各相が少なくとも２個
の並列接続されたＦＥＴからなる終段プッシュプル増幅
器と、前記プッシュプル増幅器の各相出力が中性点タッ
プ付き一次巻線の両端子にそれぞれ接続されてなる出力
トランス、及び前記出力トランスの二次巻線出力の実質
上基本波周波数成分のみを通過させるためのローパスフ
ィルタからなり、前記ローパスフィルタを通じた高周波
電力を、インピーダンス調整機構を有するインピーダン
スマッチング回路を介してプラズマチャンバの電極間に
供給するための高周波プラズマ用電源において、
【００１０】前記プッシュプル増幅器各相の各ＦＥＴの
ドレイン−ソース間に印加する直流電圧Ｖdsをその直流
絶対定格値の約３０％以下とし、かつ前記出力トランス
の巻線比を、同一のＦＥＴ群において前記Ｖdsが直流絶
対定格値の約５０％であったとき採用していた巻線比よ
り大きくすることによりその二次側において前記Ｖdsが
約５０％であったときと同一の高周波電圧を発生し、こ
れによって、プラズマ反応に必要なレベルの電力を供給
するように維持したことを特徴とする高周波プラズマ用
電源を提供するものである。
ドレイン−ソース間に印加する直流電圧Ｖdsをその直流
絶対定格値の約３０％以下とし、かつ前記出力トランス
の巻線比を、同一のＦＥＴ群において前記Ｖdsが直流絶
対定格値の約５０％であったとき採用していた巻線比よ
り大きくすることによりその二次側において前記Ｖdsが
約５０％であったときと同一の高周波電圧を発生し、こ
れによって、プラズマ反応に必要なレベルの電力を供給
するように維持したことを特徴とする高周波プラズマ用
電源を提供するものである。
【００１１】本発明の第２の構成においては、各相が少
なくとも２個の並列接続されたＦＥＴからなる終段プッ
シュプル増幅器と、前記プッシュプル増幅器の各相出力
が中性点タップ付き一次巻線の両端子にそれぞれ接続さ
れてなる出力トランス、及び前記出力トランスの二次巻
線出力の実質上基本波周波数成分のみを通過させるため
のローパスフィルタからなる高周波プラズマ用電源に接
続され、前記ローパスフィルタを通じた高周波電力をイ
ンピーダンス調整機構を有するインピーダンスマッチン
グ回路を介してプラズマチャンバの電極間に供給するた
めの自動インピーダンス整合装置であって、
なくとも２個の並列接続されたＦＥＴからなる終段プッ
シュプル増幅器と、前記プッシュプル増幅器の各相出力
が中性点タップ付き一次巻線の両端子にそれぞれ接続さ
れてなる出力トランス、及び前記出力トランスの二次巻
線出力の実質上基本波周波数成分のみを通過させるため
のローパスフィルタからなる高周波プラズマ用電源に接
続され、前記ローパスフィルタを通じた高周波電力をイ
ンピーダンス調整機構を有するインピーダンスマッチン
グ回路を介してプラズマチャンバの電極間に供給するた
めの自動インピーダンス整合装置であって、
【００１２】前記プラズマチャンバに供給する原料ガス
の種類、流量、圧力、温度又はプラズマ被加工材料等に
応じて設定されたパラメータを用いて前記プラズマチャ
ンバの電極間に供給する高周波電力のプラズマ点火レベ
ルを演算するために、ＣＰＵ及び記憶装置からなる演算
部を設けたことにより、
の種類、流量、圧力、温度又はプラズマ被加工材料等に
応じて設定されたパラメータを用いて前記プラズマチャ
ンバの電極間に供給する高周波電力のプラズマ点火レベ
ルを演算するために、ＣＰＵ及び記憶装置からなる演算
部を設けたことにより、
【００１３】前記プラズマチャンバの電極間に供給する
高周波電力を、零レベルより出発し暗流レベルを経て点
火レベルに至る暗流掃引期間を設けることなく、前記点
火レベルより開始して徐々に設定電力まで上昇させるた
めに、、前記インピーダンス調整機構の操作開始位置
を、前記インピーダンスマッチング回路を含む電源出力
インピーダンスが前記点火レベルにおけるプラズマチャ
ンバのインピーダンスに等しくなるように演算・設定で
きるようにしたことを特徴とする高周波プラズマ用電源
に接続するための自動インピーダンス整合装置を提供す
るものである。
高周波電力を、零レベルより出発し暗流レベルを経て点
火レベルに至る暗流掃引期間を設けることなく、前記点
火レベルより開始して徐々に設定電力まで上昇させるた
めに、、前記インピーダンス調整機構の操作開始位置
を、前記インピーダンスマッチング回路を含む電源出力
インピーダンスが前記点火レベルにおけるプラズマチャ
ンバのインピーダンスに等しくなるように演算・設定で
きるようにしたことを特徴とする高周波プラズマ用電源
に接続するための自動インピーダンス整合装置を提供す
るものである。
【００１４】また、本発明の第３の構成においては、前
述した第１の構成および第２の構成を含む高周波プラズ
マ用電源およびインピーダンス整合装置が構成される。
述した第１の構成および第２の構成を含む高周波プラズ
マ用電源およびインピーダンス整合装置が構成される。
【００１５】
【作用】本発明の第１の構成によれば、チャンバ内にお
いてプラズマインピーダンスの急激な変化が生じて、反
射波電力（極端な場合には反射率１００％）が発生した
場合に、設定された進行波出力をそのまま維持した状態
においても、前記電源装置の終段デバイス（ＦＥＴ）の
ドレイン−ソース間電圧Ｖds* はＶds＝Ｅなる正弦波実
行値（直流絶対定格値の約３０％以下）の２倍として印
加されるプッシュプル電圧が、その絶対定格値より十分
低いため、これに反射分が重畳されてもデバイスが破損
されることなく動作するものである。
いてプラズマインピーダンスの急激な変化が生じて、反
射波電力（極端な場合には反射率１００％）が発生した
場合に、設定された進行波出力をそのまま維持した状態
においても、前記電源装置の終段デバイス（ＦＥＴ）の
ドレイン−ソース間電圧Ｖds* はＶds＝Ｅなる正弦波実
行値（直流絶対定格値の約３０％以下）の２倍として印
加されるプッシュプル電圧が、その絶対定格値より十分
低いため、これに反射分が重畳されてもデバイスが破損
されることなく動作するものである。
【００１６】また、本発明の第２の構成においては、自
動インピーダンス整合装置の動作開始位置、すなわち、
電圧掃引の開始値をプラズマ点火位置、もしくはその近
傍において外部より設定された電圧値においてインピー
ダンス整合するように初期設定されるため、従来のよう
にそれまでの不安定な暗流掃引期間を省略できるという
効果を生ずるものである。このような初期設定は、記憶
装置にストアされた演算パラメータを用いてＣＰＵが実
行する。
動インピーダンス整合装置の動作開始位置、すなわち、
電圧掃引の開始値をプラズマ点火位置、もしくはその近
傍において外部より設定された電圧値においてインピー
ダンス整合するように初期設定されるため、従来のよう
にそれまでの不安定な暗流掃引期間を省略できるという
効果を生ずるものである。このような初期設定は、記憶
装置にストアされた演算パラメータを用いてＣＰＵが実
行する。
【００１７】したがって、前述した第１の構成および第
２の構成を併合した第３の構成においては、電源システ
ムからプラズマ反応室に供給する高周波電力を再現性よ
く高速で設定供給電力に到達させることができるとい
う、この種の装置において従来より希求されてきた基本
的課題の解決を完全に図ることができる。
２の構成を併合した第３の構成においては、電源システ
ムからプラズマ反応室に供給する高周波電力を再現性よ
く高速で設定供給電力に到達させることができるとい
う、この種の装置において従来より希求されてきた基本
的課題の解決を完全に図ることができる。
【００１８】
【実施例】図１は、本発明の技術思想を適用しようとす
る、高周波プラズマ用電源装置の終段パワー回路、およ
びその回路からインピーダンスマッチング回路を介し
て、チャンバに高周波電力を供給する回路構成の概略を
示している。高周波プラズマ電源１の終段プッシュプル
回路２の各相には、通常、少なくとも２個のＦＥＴが並
列接続されるが、ここでは図示の便宜上、各２個のＦＥ
Ｔ３ａ、３ａ′および３ｂ、３ｂ′が単純に並列接続さ
れたものとして作図する。電池記号で示された４は出力
トランス５の一次巻線におけるセンタータップを介して
ＦＥＴ３ａ、３ａ′および３ｂ、３ｂ′のドレイン−ソ
ース間に直流電圧Ｖdsを印加するための直流電源回路を
代表するものであり、同じく電池記号で示された４′は
各ＦＥＴの入力ゲートバイアス電源であり、それらのゲ
ートに印加される高周波制御信号vgは前段（図示せず）
の高周波増幅およびスプリッタ回路より正相および逆相
に分離される。ゲート信号としての高周波電圧vgにより
制御された並列ＦＥＴのドレイン−ソース間に発生する
高周波電圧はトランス５の一次巻線に印加され、これに
誘導結合された二次巻線よりローパスフィルタ６を介し
て出力端子７に高周波電力を供給するようになってい
る。出力端子７は定在波比率計（ＳＷＲ）８を介してイ
ンピーダンスマッチング回路９に接続され、そのインピ
ーダンスマッチング出力がチャンバ１０の電極に供給さ
れるようになっている。
る、高周波プラズマ用電源装置の終段パワー回路、およ
びその回路からインピーダンスマッチング回路を介し
て、チャンバに高周波電力を供給する回路構成の概略を
示している。高周波プラズマ電源１の終段プッシュプル
回路２の各相には、通常、少なくとも２個のＦＥＴが並
列接続されるが、ここでは図示の便宜上、各２個のＦＥ
Ｔ３ａ、３ａ′および３ｂ、３ｂ′が単純に並列接続さ
れたものとして作図する。電池記号で示された４は出力
トランス５の一次巻線におけるセンタータップを介して
ＦＥＴ３ａ、３ａ′および３ｂ、３ｂ′のドレイン−ソ
ース間に直流電圧Ｖdsを印加するための直流電源回路を
代表するものであり、同じく電池記号で示された４′は
各ＦＥＴの入力ゲートバイアス電源であり、それらのゲ
ートに印加される高周波制御信号vgは前段（図示せず）
の高周波増幅およびスプリッタ回路より正相および逆相
に分離される。ゲート信号としての高周波電圧vgにより
制御された並列ＦＥＴのドレイン−ソース間に発生する
高周波電圧はトランス５の一次巻線に印加され、これに
誘導結合された二次巻線よりローパスフィルタ６を介し
て出力端子７に高周波電力を供給するようになってい
る。出力端子７は定在波比率計（ＳＷＲ）８を介してイ
ンピーダンスマッチング回路９に接続され、そのインピ
ーダンスマッチング出力がチャンバ１０の電極に供給さ
れるようになっている。
【００１９】このような電源装置の構成において、電源
回路終段のＦＥＴ３ａ、３ａ′および３ｂ、３ｂ′のド
レイン−ソース間には、プッシュプルＦＥＴの理論上直
流電圧の２倍の電圧が印加され、さらに、トランスの逆
起電力によっても２０％程度の電圧上昇分とチャンバ１
０からの反射電圧（巻線比の逆数分だけ低下してい
る。）があり、従来においてはこれらが重畳されてＦＥ
Ｔのドレイン−ソース間の電圧破壊が生じていたわけで
ある。
回路終段のＦＥＴ３ａ、３ａ′および３ｂ、３ｂ′のド
レイン−ソース間には、プッシュプルＦＥＴの理論上直
流電圧の２倍の電圧が印加され、さらに、トランスの逆
起電力によっても２０％程度の電圧上昇分とチャンバ１
０からの反射電圧（巻線比の逆数分だけ低下してい
る。）があり、従来においてはこれらが重畳されてＦＥ
Ｔのドレイン−ソース間の電圧破壊が生じていたわけで
ある。
【００２０】図２は従来の高周波プラズマ用電源装置の
故障原因の解析および統計に従って作成された、電源投
入（オン）後、故障にいたる動作フローを示すフロー線
図である。この図から明らかな通り、スイッチ、配線コ
ネクタその他のハード不良が全故障中に占める割合は１
０％、電源装置の基幹整流平滑回路における整流器、ま
たはコンデンサの故障が３０％、そして、これらの故障
がない場合、高周波電力が出力された後、反射波を受け
たＦＥＴが、発熱の持続により焼損し、又はＶds電圧上
昇、および自己発振等による過電流／過電圧により絶縁
破壊（瞬時焼損）するという破損に至る割合が全故障中
の６０％であることを示している。
故障原因の解析および統計に従って作成された、電源投
入（オン）後、故障にいたる動作フローを示すフロー線
図である。この図から明らかな通り、スイッチ、配線コ
ネクタその他のハード不良が全故障中に占める割合は１
０％、電源装置の基幹整流平滑回路における整流器、ま
たはコンデンサの故障が３０％、そして、これらの故障
がない場合、高周波電力が出力された後、反射波を受け
たＦＥＴが、発熱の持続により焼損し、又はＶds電圧上
昇、および自己発振等による過電流／過電圧により絶縁
破壊（瞬時焼損）するという破損に至る割合が全故障中
の６０％であることを示している。
【００２１】本発明は上述したＦＥＴの破壊を防止する
ことを、第一の眼目として終段増幅器回路ＦＥＴ、およ
び出力トランスの構成を改善したものに外ならない。す
なわち、プッシュプル増幅器２の各相におけるＦＥＴ３
ａ、３ａ′および３ｂ、３ｂ′の全体が従来のＦＥＴ群
よりも大電流を通じるものであることを前提として、Ｆ
ＥＴの規格に応じて個数（例えば４個）を設定し、それ
らＦＥＴのドレイン−ソース間に印加する直流電圧Ｖds
を、その直流絶対定格値の約３０％とするものである。
従来一般の同回路部分におけるＶdsの直流絶対定格値に
対する割合は約５０％であり、本発明の実施例において
は、このように従来より約２０％程度低い値（約３０％
以下）しか印加されないため、これによる出力電圧の低
下は出力トランス５の巻線比を、従来のもの（１：３が
一般的であった。）の例えば４／３倍となる１：４とす
ることより、ほぼ同一の出力レベルを達成するものであ
る。当然ながら巻線比の増大に伴って、同一負荷への同
一電力供給に対しては、トランスの一次側電流がより大
きくなり、この電流要求に耐えるように前記のＦＥＴ個
数設定等が有効に機能するわけである。
ことを、第一の眼目として終段増幅器回路ＦＥＴ、およ
び出力トランスの構成を改善したものに外ならない。す
なわち、プッシュプル増幅器２の各相におけるＦＥＴ３
ａ、３ａ′および３ｂ、３ｂ′の全体が従来のＦＥＴ群
よりも大電流を通じるものであることを前提として、Ｆ
ＥＴの規格に応じて個数（例えば４個）を設定し、それ
らＦＥＴのドレイン−ソース間に印加する直流電圧Ｖds
を、その直流絶対定格値の約３０％とするものである。
従来一般の同回路部分におけるＶdsの直流絶対定格値に
対する割合は約５０％であり、本発明の実施例において
は、このように従来より約２０％程度低い値（約３０％
以下）しか印加されないため、これによる出力電圧の低
下は出力トランス５の巻線比を、従来のもの（１：３が
一般的であった。）の例えば４／３倍となる１：４とす
ることより、ほぼ同一の出力レベルを達成するものであ
る。当然ながら巻線比の増大に伴って、同一負荷への同
一電力供給に対しては、トランスの一次側電流がより大
きくなり、この電流要求に耐えるように前記のＦＥＴ個
数設定等が有効に機能するわけである。
【００２２】このような終段増幅回路の構成により、チ
ャンバからの反射波が、例えば１００％であってもそれ
は出力トランス５の巻線比が１：４となったことより、
従来の３／４倍に低下することは明らかである。したが
って、ＦＥＴの設定電圧を３０％まで低下したことと相
俟って、１００％反射波を受けた場合でもＦＥＴは何ら
の衝撃を受けることなく正常に動作し、保護回路やシャ
ットダウン制御を行うことなく、過電圧条件に対応する
ことができる。図３は、本発明のインピーダンス整合装
置を示すものであり、この装置１１はステッピングモー
タ１２を介してインピーダンスマッチング回路（図１の
回路９）の可変インピーダンス素子を調整するようにな
っている。自動インピーダンス整合装置１１は、高周波
電源の出力端子７から延びる同軸ケーブルの信号波を検
出コイル１３により検出する定在波比率計（ＳＷＲ）か
らなる検出部８と、その出力に接続されたＡＤ変換器１
４とＡＤ変換器のデジタル出力を受信するＣＰＵ１５、
そして、ＣＰＵ１５に制御されるモータドライバ１６を
含み、このモータドライバ１６よりステッピングモータ
１０を制御駆動するようになっている。ＣＰＵ１５には
種々のパラメータをストアするための記憶装置１７が内
蔵、もしくは関連接続される。上記の自動インピーダン
ス整合装置は、従来のものに比してＤＣモータ（アナロ
グ駆動）ではなく、ステッピングモータ１２を用い、こ
れによってデジタル制御可能としたことと、トルク特性
を向上させたことにより、ＣＰＵ１５および記憶装置１
７を用いて外部設定もしくは自動設定されたプラズマチ
ャンバの点火電位に対応するインピーダンスマッチング
回路の初期設定を行うようにしたものである。すなわ
ち、本発明においては、前述したＦＥＴの破損条件の減
少に基づいて、プラズマチャンバの電極間に供給される
高周波電力を零レベルから出発し、暗流レベルを経て点
火レベルに至るという暗流掃引期間を設ける必要がなく
なったため、このような点火レベルにおけるマッチング
位置でのインピーダンス整合操作の開始が可能となり、
これによってプラズマ反応の安定化までの所要時間を短
縮したものである。
ャンバからの反射波が、例えば１００％であってもそれ
は出力トランス５の巻線比が１：４となったことより、
従来の３／４倍に低下することは明らかである。したが
って、ＦＥＴの設定電圧を３０％まで低下したことと相
俟って、１００％反射波を受けた場合でもＦＥＴは何ら
の衝撃を受けることなく正常に動作し、保護回路やシャ
ットダウン制御を行うことなく、過電圧条件に対応する
ことができる。図３は、本発明のインピーダンス整合装
置を示すものであり、この装置１１はステッピングモー
タ１２を介してインピーダンスマッチング回路（図１の
回路９）の可変インピーダンス素子を調整するようにな
っている。自動インピーダンス整合装置１１は、高周波
電源の出力端子７から延びる同軸ケーブルの信号波を検
出コイル１３により検出する定在波比率計（ＳＷＲ）か
らなる検出部８と、その出力に接続されたＡＤ変換器１
４とＡＤ変換器のデジタル出力を受信するＣＰＵ１５、
そして、ＣＰＵ１５に制御されるモータドライバ１６を
含み、このモータドライバ１６よりステッピングモータ
１０を制御駆動するようになっている。ＣＰＵ１５には
種々のパラメータをストアするための記憶装置１７が内
蔵、もしくは関連接続される。上記の自動インピーダン
ス整合装置は、従来のものに比してＤＣモータ（アナロ
グ駆動）ではなく、ステッピングモータ１２を用い、こ
れによってデジタル制御可能としたことと、トルク特性
を向上させたことにより、ＣＰＵ１５および記憶装置１
７を用いて外部設定もしくは自動設定されたプラズマチ
ャンバの点火電位に対応するインピーダンスマッチング
回路の初期設定を行うようにしたものである。すなわ
ち、本発明においては、前述したＦＥＴの破損条件の減
少に基づいて、プラズマチャンバの電極間に供給される
高周波電力を零レベルから出発し、暗流レベルを経て点
火レベルに至るという暗流掃引期間を設ける必要がなく
なったため、このような点火レベルにおけるマッチング
位置でのインピーダンス整合操作の開始が可能となり、
これによってプラズマ反応の安定化までの所要時間を短
縮したものである。
【００２３】図４は、本発明の高周波電源回路および自
動インピーダンス調整装置のすべてを含む電源システム
のブロック線図である。ここに高周波電源回路１の終段
における前述したプッシュプル回路２の各相には、それ
ぞれ、少なくとも２個の並列接続されたＦＥＴ３ａ、３
ａ′および３ｂ、３ｂ′が設けられている。
動インピーダンス調整装置のすべてを含む電源システム
のブロック線図である。ここに高周波電源回路１の終段
における前述したプッシュプル回路２の各相には、それ
ぞれ、少なくとも２個の並列接続されたＦＥＴ３ａ、３
ａ′および３ｂ、３ｂ′が設けられている。
【００２４】このシステム構成において、図１および図
３に示したものと同一符号を付したものは、すでに説明
したものと同じであり、それ以外のものもブロック内の
表記に従って理解される通りであるが、ＣＰＵは前述し
た自動インピーダンス装置内のもの（１５）と基本的に
同一のもの（１５′）だけでなく、外部制御用としての
ＣＰＵ１８が含まれている。インピーダンス自動調整装
置およびこれに操作されるインピーダンスマッチング回
路は、マッチングボックス１９内において一体的に装備
されたものとして示されている。
３に示したものと同一符号を付したものは、すでに説明
したものと同じであり、それ以外のものもブロック内の
表記に従って理解される通りであるが、ＣＰＵは前述し
た自動インピーダンス装置内のもの（１５）と基本的に
同一のもの（１５′）だけでなく、外部制御用としての
ＣＰＵ１８が含まれている。インピーダンス自動調整装
置およびこれに操作されるインピーダンスマッチング回
路は、マッチングボックス１９内において一体的に装備
されたものとして示されている。
【００２５】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明の構成によれ
ば、高周波電力の印加によるチャンバ内の急激なプラズ
マ負荷インピーダンスの変化に対しても整合速度が早
く、十分安全に、必要な点火電力を即座に供給すること
が可能となり、しかも再現性の優れた高周波電力エネル
ギー供給システムが提供される。
ば、高周波電力の印加によるチャンバ内の急激なプラズ
マ負荷インピーダンスの変化に対しても整合速度が早
く、十分安全に、必要な点火電力を即座に供給すること
が可能となり、しかも再現性の優れた高周波電力エネル
ギー供給システムが提供される。
【００２６】したがって、本発明の適用により高周波プ
ラズマ電源の故障率を下げること、高周波プラズマ用電
源の初期パワー設定値を、プラズマ点火レベル以上の値
に設定すること、および、プラズマインピーダンスの初
期マッチング位置を点火状態の近傍にプリセットするこ
とが可能となった。
ラズマ電源の故障率を下げること、高周波プラズマ用電
源の初期パワー設定値を、プラズマ点火レベル以上の値
に設定すること、および、プラズマインピーダンスの初
期マッチング位置を点火状態の近傍にプリセットするこ
とが可能となった。
【００２７】最後に、従来の方式と本発明の方式の電力
供給を比較するため、従来において、シャットダウン
制御を行うために、反射波電力が定格出力の１０〜２０
％以下になるようにセットし、自動インピーダンス整合
装置の動きに合わせながら、徐々に高周波電力を上昇さ
せていった場合の電力曲線（図５）および、本発明に
おいてそのようなシャットダウン制御を省略し、高周波
電力を初期点火レベルに設定し、この状態から自動イン
ピーダンス整合装置を駆動した場合の電力曲線（図６）
を示し、本発明が迅速、かつ、安定な高周波電力供給を
行うものであることを確認しておく。すなわち、従来に
おいては、図５の通り、供給電力の点火レベルまでの断
続的な起伏の多い上昇と、そこから設定電力（１０００
Ｗ）までの理論的な立上り直線２０と、実際に考えられ
る最も好ましい立上り曲線２１との間には、斜線部２２
で示すような大きい不確定領域があるのに対し、図６に
示す本発明においてはそのような理論直線２０′と、実
際にありうべき立上り直線との間の不的確領域２２′
は、きわめて偏平で小さいものであり、したがって、再
現性よく迅速に設定電力が供給されることをよく示して
いる。
供給を比較するため、従来において、シャットダウン
制御を行うために、反射波電力が定格出力の１０〜２０
％以下になるようにセットし、自動インピーダンス整合
装置の動きに合わせながら、徐々に高周波電力を上昇さ
せていった場合の電力曲線（図５）および、本発明に
おいてそのようなシャットダウン制御を省略し、高周波
電力を初期点火レベルに設定し、この状態から自動イン
ピーダンス整合装置を駆動した場合の電力曲線（図６）
を示し、本発明が迅速、かつ、安定な高周波電力供給を
行うものであることを確認しておく。すなわち、従来に
おいては、図５の通り、供給電力の点火レベルまでの断
続的な起伏の多い上昇と、そこから設定電力（１０００
Ｗ）までの理論的な立上り直線２０と、実際に考えられ
る最も好ましい立上り曲線２１との間には、斜線部２２
で示すような大きい不確定領域があるのに対し、図６に
示す本発明においてはそのような理論直線２０′と、実
際にありうべき立上り直線との間の不的確領域２２′
は、きわめて偏平で小さいものであり、したがって、再
現性よく迅速に設定電力が供給されることをよく示して
いる。
【図１】図１は、本発明の技術思想を適用しようとする
高周波プラズマ用電源装置の終段パワー回路、およびそ
の回路からインピーダンスマッチング回路を介して、チ
ャンバに高周波電力を供給する回路構成の概略を示す略
図である。
高周波プラズマ用電源装置の終段パワー回路、およびそ
の回路からインピーダンスマッチング回路を介して、チ
ャンバに高周波電力を供給する回路構成の概略を示す略
図である。
【図２】従来の高周波プラズマ用電源の電源投入（オ
ン）後において、故障に至る動作フローを説明するフロ
ー線図である。
ン）後において、故障に至る動作フローを説明するフロ
ー線図である。
【図３】本発明の自動インピーダンス調整装置を示すブ
ロック線図である。
ロック線図である。
【図４】本発明の全システム構成を示すブロック線図で
ある。
ある。
【図５】従来の高周波電源における設定パワー到達まで
の動作を示す電力曲線図である。
の動作を示す電力曲線図である。
【図６】本発明の電源回路において、設定パワー到達ま
での動作を示す電力曲線である。
での動作を示す電力曲線である。
１ 高周波電源回路 ２ 終段プッシュプル増幅器 ３ａ、３ｂ ＦＥＴ ５ 出力トランス ６ ローパスフィルタ ９ インピーダンスマッチング回路 １０ プラズマ反応室（チャンバ） １１ 自動インピーダンス調整装置 １２ ステッピングモータ
Claims (3)
- 【請求項１】 各相が少なくとも２個の並列接続された
ＦＥＴからなる終段プッシュプル増幅器と、前記プッシ
ュプル増幅器の各相出力が中性点タップ付き一次巻線の
両端子にそれぞれ接続されてなる出力トランス、及び前
記出力トランスの二次巻線出力の実質上基本波周波数成
分のみを通過させるためのローパスフィルタからなり、
前記ローパスフィルタを通じた高周波電力を、インピー
ダンス調整機構を有するインピーダンスマッチング回路
を介してプラズマチャンバの電極間に供給するための高
周波プラズマ用電源において、 前記プッシュプル増幅器各相の各ＦＥＴのドレイン−ソ
ース間に印加する直流電圧Ｖdsをその直流絶対定格値の
約３０％以下とし、かつ前記出力トランスの巻線比を、
同一のＦＥＴ群において前記Ｖdsが直流絶対定格値の約
５０％であったとき採用していた巻線比より大きくする
ことによりその二次側において前記Ｖdsが約５０％であ
ったときと同一の高周波電圧を発生し、これによって、
プラズマ反応に必要なレベルの電力を供給するようにし
たことを特徴とする高周波プラズマ用電源。 - 【請求項２】 各相が少なくとも２個の並列接続された
ＦＥＴからなる終段プッシュプル増幅器と、前記プッシ
ュプル増幅器の各相出力が中性点タップ付き一次巻線の
両端子にそれぞれ接続されてなる出力トランス、及び前
記出力トランスの二次巻線出力の実質上基本波周波数成
分のみを通過させるためのローパスフィルタからなる高
周波プラズマ用電源に接続され、前記ローパスフィルタ
を通じた高周波電力をインピーダンス調整機構を有する
インピーダンスマッチング回路を介してプラズマチャン
バの電極間に供給するための自動インピーダンス整合装
置であって、 前記プラズマチャンバに供給する原料ガスの種類、流
量、圧力、温度又はプラズマ被加工材料等に応じて設定
されたパラメータを用いて前記プラズマチャンバの電極
間に供給する高周波電力のプラズマ最適点火レベルを演
算するために、ＣＰＵ及び記憶装置からなる演算部を設
けたことにより、 前記プラズマチャンバの電極間に供給する高周波電力
を、零レベルより出発し暗流レベルを経て点火レベルに
至る暗流掃引期間を設けることなく、前記点火レベルよ
り開始して徐々に設定電力まで上昇させるために、、前
記インピーダンス調整機構の操作開始位置を、前記イン
ピーダンスマッチング回路を含む電源出力インピーダン
スが前記点火レベルにおけるプラズマチャンバのインピ
ーダンスに等しくなるように演算・設定できるようにし
たことを特徴とする高周波プラズマ用電源に接続するた
めの自動インピーダンス整合装置。 - 【請求項３】 各相が少なくとも２個の並列接続された
ＦＥＴからなる終段プッシュプル増幅器と、前記プッシ
ュプル増幅器の各相出力が中性点タップ付き一次巻線の
両端子にそれぞれ接続されてなる出力トランス、及び前
記出力トランスの二次巻線出力の実質上基本波周波数成
分のみを通過させるためのローパスフィルタからなり、
前記ローパスフィルタを通じた高周波電力を、インピー
ダンス調整機構を有するインピーダンスマッチング回路
を介してプラズマチャンバの電極間に供給するための高
周波プラズマ用電源において、 前記プッシュプル増幅器各相の各ＦＥＴのドレイン−ソ
ース間に印加する直流電圧Ｖdsをその直流絶対定格値の
約３０％以下とし、かつ前記出力トランスの巻線比を、
同一のＦＥＴ群において前記Ｖdsが直流絶対定格値の約
５０％であったとき採用していた巻線比より大きくする
ことによりその二次側において前記Ｖdsが約５０％であ
ったときと同一の高周波電圧を発生し、これによって、
プラズマ反応に必要なレベルの電力を供給できようにす
るものであり、 前記プラズマチャンバに供給する原料ガスの種類、流
量、圧力、温度又はプラズマ被加工材料等に応じて設定
されたパラメータを用いて前記プラズマチャンバ６電極
間に供給する高周波電力のプラズマ点火レベルを演算す
るために、ＣＰＵ及び記憶装置からなる演算部を設けた
ことにより、 前記プラズマチャンバの電極間に供給する高周波電力
を、零レベルより出発し暗流レベルを経て点火レベルに
至る暗流掃引期間を設けることなく、前記点火レベルよ
り開始して徐々に設定電力まで上昇させるために、、前
記インピーダンス調整機構の操作開始位置を、前記イン
ピーダンスマッチング回路を含む電源出力インピーダン
スが前記点火レベルにおけるプラズマチャンバのインピ
ーダンスに等しくなるように演算・設定できるようにし
たことを特徴とする高周波プラズマ用電源及びインピー
ダンス整合装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5021734A JPH0732078B2 (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 高周波プラズマ用電源及びインピーダンス整合装置 |
| US08/057,675 US5394061A (en) | 1993-01-14 | 1993-05-05 | High frequency plasma power source and impedance matching device for supplying power to a semiconductor processing apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5021734A JPH0732078B2 (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 高周波プラズマ用電源及びインピーダンス整合装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06215894A JPH06215894A (ja) | 1994-08-05 |
| JPH0732078B2 true JPH0732078B2 (ja) | 1995-04-10 |
Family
ID=12063310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5021734A Expired - Fee Related JPH0732078B2 (ja) | 1993-01-14 | 1993-01-14 | 高周波プラズマ用電源及びインピーダンス整合装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5394061A (ja) |
| JP (1) | JPH0732078B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011049993A3 (en) * | 2009-10-21 | 2011-09-29 | Lam Research Corporation | Rf isolation for power circuitry |
| WO2013190987A1 (ja) | 2012-06-18 | 2013-12-27 | 株式会社京三製作所 | 高周波電力供給装置、及び反射波電力制御方法 |
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| US6150628A (en) | 1997-06-26 | 2000-11-21 | Applied Science And Technology, Inc. | Toroidal low-field reactive gas source |
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| US6358481B1 (en) | 2000-11-14 | 2002-03-19 | Lockheed Martin Corporation | Electrically safe dual electrode plasma treatment chamber system |
| KR100444189B1 (ko) * | 2001-03-19 | 2004-08-18 | 주성엔지니어링(주) | 유도결합 플라즈마 소스의 임피던스 정합 회로 |
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