JP2012185948A

JP2012185948A - プラズマ処理装置及びその制御方法

Info

Publication number: JP2012185948A
Application number: JP2011047071A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Yuhara; 崇弘湯原; Masaharu Gushiken; 正春具志堅
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-09-27

Abstract

【課題】本発明は、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御することができるプラズマ処理装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】本発明は２系統以上の誘導結合アンテナと容量結合アンテナとを有し誘導結合アンテナと容量結合アンテナとを電気的に直列に接続したプラズマ処理装置において、各誘導結合アンテナを流れる高周波電流の大きさを調整する第一の調整回路と各誘導結合アンテナと容量結合アンテナとに流れる高周波電流の割合を調整する第二の調整回路と各誘導結合アンテナを流れるそれぞれの高周波電流の大きさを測定するセンサとセンサからの信号を基に第一の調整回路への過電流の監視と並行して各誘導結合アンテナを流れる電流の比率を一定に制御する制御手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【選択図】図６

Description

本発明はプラズマ処理装置及びその制御方法に関するものである。

従来のプラズマ処理装置としては、例えば特許文献１には、誘導結合アンテナを用いたプラズマ処理において、誘導結合アンテナと容量結合アンテナの間からインピーダンスの大きさを可変可能な負荷を介してアースに接地し、負荷のインピーダンスの大きさを調整することで、真空容器内壁への反応生成物の付着を抑制することが記載されている。また、単一電源から２系統の前記誘導結合アンテナに分岐しており、一方のアンテナ側に可変負荷を配置することにより、２つの誘導結合アンテナの電流比を調整し、プラズマ分布の制御を行うものが知られている。

また、特許文献２には、処理チャンバ内に配置されたウエハを横切って制御可能なプラズマの均一性を与える処理チャンバ上に配置された複数のコイルへ、単一電源から電力を分配するための方法及び装置が記載されている。処理チャンバ上に配置された２つ以上のコイルへ電源から電力を分配するための装置は、電源と第１のコイル間の接続、電源と第２のコイルとの間に接続された直列可変キャパシタ、及び第２のコイルと電源間のノードに接続された並列可変キャパシタを用いて電力分配制御を行うものが知られている。

特開２０００−３２３２９８号公報特表２００４−５３１８５６号公報

特許文献１の従来技術は、誘導結合アンテナと容量結合アンテナとの組み合わせにおいて、容量結合アンテナの電流制御によって、プラズマ状態が変化し、複数の誘導結合アンテナの電流比が変化する点について配慮されていなかった。すなわち、プラズマの変化に伴う誘導結合アンテナの電流比の変化という問題があった。

なお、複数の誘導結合アンテナへの電流比を制御するものとして、特許文献２のような従来技術があるが、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御する点について十分配慮されていなかった。すなわち、誘導結合アンテナの電流比の調整手段である可変負荷への過電流発生という問題があった。このため、本発明は、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御することができるプラズマ処理装置及びその制御方法を提供する。

本発明は、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された２系統以上の誘導結合アンテナと、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された容量結合アンテナとを有し、前記誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとを電気的に直列に接続したプラズマ処理装置において、前記各誘導結合アンテナを流れる高周波電流の大きさを調整する第一の調整回路と、前記各誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとに流れる高周波電流の割合を調整する第二の調整回路と、前記各誘導結合アンテナを流れるそれぞれの高周波電流の大きさを測定するセンサと、前記センサからの信号を基に前記第一の調整回路への過電流の監視と並行して各誘導結合アンテナを流れる電流の比率を一定に制御する制御手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置である。

また、本発明は、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された２系統以上の誘導結合アンテナと、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置され前記誘導アンテナと電気的に直列に接続された容量結合アンテナと、前記各誘導結合アンテナを流れる高周波電流の大きさを調整する第一の調整回路と、前記各誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとに流れる高周波電流の割合を調整する第二の調整回路と、前記各誘導結合アンテナを流れるそれぞれの高周波電流の大きさを測定するセンサとを備えるプラズマ処理装置を用いた制御方法において、前記センサからの信号を基に前記第一の調整回路への過電流の監視と並行して各誘導結合アンテナを流れる電流の比率を一定に制御することを特徴とする制御方法である。

本発明の構成により、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御することができる。

本発明の一実施例を示すプラズマ処理装置の概略断面図である。真空容器２の縦断面図である。放電部２ａ及び整合器３の等価回路図である。可変負荷の静電容量に対する最大許容電流の特性図である。可変負荷１６の静電容量と、第二の誘導結合アンテナ１ｂおよび可変負荷１６に流れる電流の関係を示した図である。アンテナ電流比制御・過電流検出回路を示す図である。

以下、本発明の実施例を図１より説明する。図１に、本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の概略断面図を示す。真空容器２は、この場合、内部にプラズマ生成部を形成する絶縁材料（例えば、石英，セラミック等の非導電性材料）でなる放電部２ａと、被処理物である試料、例えばウエハ１３を載置するための電極５が内部に設置された処理部２ｂからなる。処理部２ｂはアースに接地されており、電極５は絶縁材を介して処理部２ｂに取り付けられている。放電部２ａの外側には２系統のコイル状の誘電結合アンテナである第一の誘導結合アンテナ１ａ，第二の誘導結合アンテナ１ｂが配置されている。また、放電部２ａの大気側には、プラズマ６と静電容量的に結合する円盤状の容量結合アンテナであるファラデーシールド８が設けられている。第一の誘導結合アンテナ１ａ，第二の誘導結合アンテナ１ｂとファラデーシールド８は、整合器３の中にあるインピーダンスマッチング回路１２を介して第一の高周波電源１０に直列に接続されている。また、第二の誘導結合アンテナ１ｂにはインピーダンスの大きさが可変可能な可変負荷１６が直列に接続されており、ファラデーシールド８には並列に接続された可変可能な可変負荷１７がコイル１８を介してアースに接地されている。さらに、第一の誘導結合アンテナ１ａ，第二の誘導結合アンテナ１ｂは第一の電流センサ１４ａ，第二の電流センサ１４ｂを介してアンテナ電流比制御・過電流検出回路１５に接続されており、ファラデーシールド８はＦＳＶ検出・制御回路１９に接続されている。ここで、ＦＳＶ（Faraday Shield Voltage）とはファラデーシールドに印加された高周波電圧のことで以下、ＦＳＶと称する。真空容器２内にはガス供給装置４から処理ガスが供給され、真空容器２内は排気装置７によって所定の圧力に減圧排気されている。電極５には、第二の高周波電源１１が接続されている。

上記のように構成された装置では、ガス供給装置４によって真空容器２内に処理ガスを供給し、第一の誘導結合アンテナ１ａ，第二の誘導結合アンテナ１ｂと容量結合アンテナであるファラデーシールド８により発生する電界の作用によって、上記の処理ガスをプラズマ化する。プラズマ化された処理ガスは、排気装置７によって排気される。第一の高周波電源１０により発生した、例えば１３.５６ＭＨｚ，２７.１２ＭＨｚ，４０.６８ＭＨｚなどのＨＦ帯や、さらに周波数が高いＶＨＦ帯などの高周波電力を第一の誘導結合アンテナ１ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂ、そしてファラデーシールド８に供給することにより、プラズマ生成用の誘導磁場や電場を得ているが、電力の反射を抑えるためにインピーダンスマッチング回路１２を用いて、アンテナのインピーダンスを第一の高周波電源１０の出力インピーダンスに一致させている。インピーダンスマッチング回路１２は、一般的な逆Ｌ型とも呼ばれる静電容量を可変可能なバリコンを２個用いたものを使用している。また、処理されるウエハ１３は電極５上に載置され、プラズマ中のイオンをウエハ１３に引き込むために、電極５に第二の高周波電源１１によりバイアス電圧を印加する。

図１のように構成された装置では、２系統の第一の誘導結合アンテナ１ａ，第二の誘導結合アンテナ１ｂに流れる高周波電流の大きさを制御することで、プラズマ分布を制御することができる。以下、プラズマ分布の制御方法について述べる。

図２は真空容器２の縦断面図である。２系統の誘導結合アンテナである第一の誘導結合アンテナ１ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂが作る誘導磁場が強い領域はそれぞれ領域２４ａと領域２４ｂである。また、ファラデーシールド８が作る電界が強い領域は２４ｃである。これらの誘導磁場と電界が強い領域でプラズマの生成が行われる。真空容器２の放電部２ａは、上方に向かい径を小さくすることにより、領域２４ａの径と領域２４ｂの径のそれぞれの大きさが異なる。この場合は、領域２４ａの径の大きさが領域２４ｂの径の大きさより小さくなっている。これに伴って第一の誘導結合アンテナ１ａが作るプラズマは中央の密度が高いプラズマとなり、第二の誘導結合アンテナ１ｂが作るプラズマは外周の密度が高いプラズマとなる。したがって、誘導結合アンテナである第一の誘導結合アンテナ１ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂとに流れる電流の割合を調整することによって、プラズマ分布を制御することができる。

次に第一の誘導結合アンテナ１ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂに流れる高周波電流の割合を調整する方法について説明する。図３に図１の放電部２ａ及び整合器３の等価回路を示す。図１中の第一の誘導結合アンテナ１ａを負荷９ａ、第二の誘導結合アンテナ１ｂを負荷９ｂ、ファラデーシールド８を負荷２２として等価的に示している。負荷９ａのインピーダンスの大きさをＺａ、負荷９ｂと可変可能な可変負荷１６を合成したインピーダンスの大きさをＺｂとすると、負荷９ａと負荷９ｂに流れる高周波電流の大きさは、１／Ｚａと１／Ｚｂに比例する。誘導結合アンテナは正のリアクタンスを持つが、負のリアクタンスをもつバリコンでＺｂを正の値からゼロまで変化させることで、電流を制御することができる。

第一の電流センサ１４ａにより負荷９ａ、第二の電流センサ１４ｂにより負荷９ｂに流れる高周波電流を検出し、アンテナ電流比制御・過電流検出回路１５にて任意の電流比になるよう制御を行う。

図４にプラズマ処理装置に一般的に使用されている可変負荷の静電容量と最大許容電流の関係を示す。可変負荷の静電容量は仕様の範囲で可変させることができるが、ある静電容量以下では、静電容量の減少にしたがって、その最大許容電流が減衰していくことが分かる。そのため、仕様としての最大許容電流以下の電流でも、静電容量が低ければ可変負荷に過電流が流れる恐れがあり、可変負荷の寿命の低下、あるいは可変負荷の故障の原因となる。

図５に、可変負荷１６の静電容量と、第二の誘導結合アンテナ１ｂおよび可変負荷１６に流れる電流の関係を示す。可変負荷１６に流れる電流は、可変負荷の静電容量が最も低いときに最も大きく、静電容量が増加すると減少していく。そのため、可変負荷１６が低い静電容量のとき、過電流が流れている恐れがある。過電流による故障を防ぐためには、最大許容電流が変化しない領域で可変負荷の静電容量を変化させればよいが、静電容量の可変範囲が狭くなるため、制御できる電流比の範囲が制限されてしまう。本発明では誘導結合アンテナの電流比を広範囲で安定して制御するためにアンテナ電流比制御・過電流検出回路１５が設けられている。

図６にアンテナ電流比制御・過電流検出回路の構成を示す。第一の電流センサ１４ａ，第二の電流センサ１４ｂより得られた値からアンテナ電流比制御部・過電流検出部２３において誘導結合アンテナの電流比を算出する。そして予め設定された任意の電流比と比較し、偏差を検出して、偏差が減少する向きにＶＣ４のステッピングモータ２６が駆動するようステッピングモータ駆動回路２５に信号を送る。以上の動作を上記の偏差が予め設定された偏差内に収まるまで繰り返されることにより、２系統の誘導アンテナに流れる電流の電流比を、所望の電流比に維持することができる。

また、過電流検出部では、第二の電流センサ１４ｂから得られた電流値に基づいて、可変負荷への過電流が検出されると、第一の高周波電源１０からの出力を中断するため、異常信号の伝送を行う。この場合の過電流と判定する電流値は、以下のようにして設定される。先ず、アンテナ電流比制御部・過電流検出部２３へ位置検出器２１から可変負荷の静電容量が可変範囲のどの位置にあるのかを示す情報が送られており、この情報を基に可変負荷の静電容量を算出する。次に、図４のような可変負荷１６の静電容量に対する最大許容電流の特性に基づいて、上記の算出された静電容量の値に応じて最大許容電流値を算出し、この算出された最大許容電流値を過電流と判定するための電流値に設定する。このように過電流を設定するため、可変負荷の静電容量に応じて適正な過電流の電流値を設定できる。このため、可変負荷の静電容量が低いときにも許容電流を超えることがなく、電流比を広範囲に安定して制御することができる。

以上、上述した通り、本発明は、可変負荷の静電容量が小さい範囲で発生し易いアンテナ電流比制御・過電流検出回路１５への過電流を防止して、複数の誘導結合アンテナの電流比を一定に制御できるので、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御することができる。

１ａ第一の誘導結合アンテナ
１ｂ第二の誘導結合アンテナ
２真空容器
２ａ放電部
２ｂ処理部
３整合器
４ガス供給装置
５電極
６プラズマ
７排気装置
８ファラデーシールド
９ａ，９ｂ，２０，２２負荷
１０第一の高周波電源
１１第二の高周波電源
１２インピーダンスマッチング回路
１３ウエハ
１４ａ第一の電流センサ
１４ｂ第二の電流センサ
１５アンテナ電流比制御・過電流検出回路
１６，１７可変負荷
１８コイル
１９ＦＳＶ検出・制御回路
２１位置検出器
２３アンテナ電流比制御部・過電流検出部
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ領域
２５ステッピングモータ駆動回路
２６ステッピングモータ

Claims

プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された２系統以上の誘導結合アンテナと、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された容量結合アンテナとを有し、前記誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとを電気的に直列に接続したプラズマ処理装置において、前記各誘導結合アンテナを流れる高周波電流の大きさを調整する第一の調整回路と、前記各誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとに流れる高周波電流の割合を調整する第二の調整回路と、前記各誘導結合アンテナを流れるそれぞれの高周波電流の大きさを測定するセンサと、前記センサからの信号を基に前記第一の調整回路への過電流の監視と並行して各誘導結合アンテナを流れる電流の比率を一定に制御する制御手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された２系統以上の誘導結合アンテナと、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置され前記誘導アンテナと電気的に直列に接続された容量結合アンテナと、前記各誘導結合アンテナを流れる高周波電流の大きさを調整する第一の調整回路と、前記各誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとに流れる高周波電流の割合を調整する第二の調整回路と、前記各誘導結合アンテナを流れるそれぞれの高周波電流の大きさを測定するセンサとを備えるプラズマ処理装置を用いた制御方法において、
前記センサからの信号を基に前記第一の調整回路への過電流の監視と並行して各誘導結合アンテナを流れる電流の比率を一定に制御することを特徴とする制御方法。