CN108353493B - 等离子体控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够执行稳定的使用等离子体的处理、并且能够高速地执行电源部与等离子体的阻抗的匹配的等离子体控制装置。等离子体控制装置(100)具备电源部(1)、谐振产生部(2)以及电压计(5)。谐振产生部(2)具备：LC电路，其是线圈(L1)与电容器(C1)连接而成的；以及传感器(S2)，其检测流过LC电路的电流与施加于LC电路的电压之间的相位差，其中，LC电路的电容器(C1)的静电容量大于等离子体(P)的设想静电容量。电源部(1)对供给的高频电力的大小进行控制以使由电压计(5)测定出的电压接近作为目标的设定电压，并且对供给的高频电力的频率进行控制以使由传感器(S2)检测出的相位差极小。

Description

等离子体控制装置
技术领域
本发明涉及一种向等离子体处理装置供给高频电力的等离子体控制装置，该等离子体处理装置对基板执行蚀刻处理等使用等离子体的处理。特别是，本发明涉及如下一种等离子体控制装置：即使在等离子体的阻抗由于等离子体的状态变化而发生变化的情况下，也能够高速地实现电源部与等离子体的阻抗的匹配，并且实现对使用等离子体的处理而言重要的电压、电流的稳定控制，由此能够执行高精度且稳定的使用等离子体的处理。
背景技术
以往，已知如下一种等离子体处理装置：如图1所示，该等离子体处理装置具备腔室C、安装于腔室C的上部且用于在腔室C内产生等离子体P的要素10以及安装于腔室C的下部且用于载置基板S的载置台20，利用在腔室C内产生的等离子体P来对所载置的基板S实施蚀刻处理等等离子体处理。
在等离子体P是所谓的电感耦合等离子体的情况下，将线圈用作要素10，在等离子体P是所谓的电容耦合等离子体的情况下，将与载置台20平行地配置的电极用作要素10。
载置台20和要素10分别被施加高频电力。
具体地说，在载置台20上连接有等离子体控制装置100’，该等离子体控制装置100’具备用于供给高频电力的电源部1’以及进行电源部1’与等离子体P的阻抗的匹配的阻抗匹配器2’。从电源部1’供给的高频电力经由阻抗匹配器2’被施加于载置台20。
另外，在要素10上连接有等离子体控制装置200’，该等离子体控制装置200’具备用于供给高频电力的电源部3’以及进行电源部3’与等离子体P的阻抗的匹配的阻抗匹配器4’。从电源部3’供给的高频电力经由阻抗匹配器4’被施加于要素10。
例如，在要素10是线圈且在腔室C内产生电感耦合等离子体的情况下，利用由等离子体控制装置200’施加于线圈10的高频电力来产生磁场，通过该磁场来对在腔室C内被进行压力控制的气体进行激励，由此产生等离子体P。另外，利用由等离子体控制装置100’施加于载置台20的高频电力，在等离子体P与载置台20之间产生电位差，等离子体P中的离子被积极地引入到载置台20，从而促进蚀刻处理等等离子体处理。
下面，参照图2～图4来说明以往的等离子体控制装置100’、200’的具体的结构例。
图2是表示等离子体控制装置100’的具体的结构例的图。此外，在图2中，省略了等离子体处理装置所具备的要素10的图示。
如图2所示，等离子体控制装置100’具备电源部1’和阻抗匹配器2’。
电源部1’具备电源控制部、直流(DC)电源、频率固定的振荡器、功率放大器以及定向耦合器S1。此外，在图2中，Tr1、Tr2是FET或IGBT等晶体管。另外，T1是变压器。
阻抗匹配器2’具备匹配器控制部、电动机M、可变元件(图2所示的可变电容器VC1、VC2、未图示的可变线圈等)以及传感器S2，该传感器S2检测在阻抗匹配器2’内流动的电流与施加的电压的大小的比率和相位差。
在具有以上的结构的等离子体控制装置100’中，作为目标的设定电力以及从定向耦合器S1输出的行波/反射波信号被输入到电源部1’的电源控制部，电源控制部执行以下的电力反馈控制：对DC电源的输出功率进行调整使得能够得到设定电力。
另外，由传感器S2检测出的在阻抗匹配器2’内流动的电流与施加的电压的大小的比率和相位差被输入到阻抗匹配器2’的匹配器控制部，在匹配器控制部中监视匹配状态。如果是不匹配状态，则匹配器控制部通过电动机M的机械式驱动来执行用于改变可变元件(可变电容器VC1、VC2)的常数的阻抗反馈控制，来进行电源部1’与等离子体P的阻抗的匹配。
图3、图4是表示等离子体控制装置200’的具体的结构例的图。图3表示要素10是线圈L1的情况(等离子体P是电感耦合等离子体的情况)，图4表示要素10是电极的情况(等离子体P是电容耦合等离子体的情况)。如图3、图4所示，等离子体控制装置200’与等离子体控制装置100’同样地具备电源部3’和阻抗匹配器4’。
电源部3’具有与电源部1’同样的结构，阻抗匹配器4’具有与阻抗匹配器2’同样的结构。
在具有以上的结构的等离子体控制装置200’中，也与等离子体控制装置100’同样地，作为目标的设定电力以及从定向耦合器S1输出的行波/反射波信号被输入到电源部3’的电源控制部，电源控制部执行以下的电力反馈控制：对DC电源的输出功率进行调整使得能够得到设定电力。
另外，由传感器S2检测出的在阻抗匹配器4’内流动的电流与施加的电压的大小的比率和相位差被输入到阻抗匹配器4’的匹配器控制部，在匹配器控制部中监视匹配状态。如果是不匹配状态，则匹配器控制部通过电动机M的机械式驱动来执行用于改变可变元件(可变电容器VC1、VC2)的常数的阻抗反馈控制，来进行电源部3’与等离子体P的阻抗的匹配。
在以上说明的以往的等离子体控制装置100’中，等离子体P与载置台20的电位差、乃至载置台20与地的电位差、即图2所示的电压计(Vpp传感器)所监视到的载置台20的电压(峰间电压)是由对电源部1’设定的设定电力(对电源部1’的电源控制部输入的设定电力)以及等离子体P的状态间接地决定的。因此，在随着实施等离子体处理的基板S的状态变化等而等离子体P的状态发生变化、从而等离子体P的阻抗发生变化(例如，在图2所示的包括电容成分C2和电阻成分Rp1、Rp2的等离子体等效电路中，电容成分C2的静电容量发生变化)的情况下，载置台20的电压会发生变化，等离子体P与载置台20的电位差也会发生变化。由此，存在无法执行高精度且稳定的蚀刻等等离子体处理的担忧。另外，由于通过机械式驱动来进行电源部1’与等离子体P的阻抗的匹配，因此还存在无法进行高速的匹配的问题。
另外，在以往的等离子体控制装置200’中，等离子体P的吸收能量是由对电源部3’设定的设定电力(对电源部3’的电源控制部输入的设定电力)以及等离子体P的状态间接地决定的。因此，在随着实施等离子体处理的基板S的状态变化等而等离子体P的状态发生变化、从而等离子体P的阻抗发生变化(例如，在图3所示的包括电感成分Lp和电阻成分Rp的等离子体等效电路中，电感成分Lp的电感、等离子体P与线圈L1的互感Mp发生变化。在图4所示的包括电容成分C2和电阻成分Rp1、Rp2的等离子体等效电路中，电容成分C2的静电容量发生变化)的情况下，等离子体P的吸收能量会发生变化。由此，存在无法执行高精度且稳定的蚀刻等等离子体处理的担忧。另外，由于通过机械式驱动来进行电源部3’与等离子体P的阻抗的匹配，因此还存在无法进行高速的匹配的问题。
即，在以往的等离子体控制装置100’和200’中都存在以下担忧：在等离子体P的阻抗由于等离子体P的状态变化而发生变化的情况下，无法高速地执行电源部1’、3’与等离子体P的阻抗的匹配、或者无法执行高精度且稳定的等离子体处理。
例如，作为连接于载置台20侧的等离子体控制装置，提出了如专利文献1所记载的装置，但是并不能充分解决上述的问题。
另外，作为连接于要素10(线圈)侧的等离子体控制装置，提出了如专利文献2所记载的装置，但是并不能充分解决上述的问题。
总结以上，关于以往的等离子体控制装置的课题，除了使得能够高速地实现电源部与等离子体的阻抗的匹配以外，还如下所述。
(1)在生成的等离子体是电感耦合等离子体的情况下，等离子体的生成和维持所需的电力的传播是通过与利用等离子体产生用线圈得到的等离子体之间的电感耦合来进行的，因此吸收到等离子体的吸收电力与流过该线圈的电流的平方成正比。因而，使用电流值进行的控制比使用电力值进行的控制更直接，为了维持更稳定的等离子体生成，需要稳定的电流控制。
(2)在生成的等离子体是电容耦合等离子体的情况下也是，等离子体的生成和维持所需的电力的传播是由对等离子体产生用电极或载置台与等离子体之间提供的高频电场强度来决定的。并且，该电场强度依赖于施加电力的高频电压。因而，使用该电压值进行的控制比使用电力值进行的控制更直接，为了维持更稳定的等离子体生成，需要稳定的电压控制。
(3)在等离子体处理装置中，通过对用于将由等离子体生成的离子引入到基板的能量进行控制，来控制基板的加工形状、成膜状态。能够利用施加于载置台的高频电压、在该高频电压下产生的载置台的直流(DC)偏压来控制被引入的离子的能量。因而，使用电压值进行的控制比使用电力值进行的控制更直接，为了维持更稳定的加工性能、成膜性能，需要稳定的电压控制。
(4)决定等离子体被施加的电压、流过等离子体的电流的因素取决于等离子体的阻抗。因而，在以往的等离子体控制装置中难以直接操作这些因素。因此，为了控制基板的加工形状、成膜状态，在假定了根据等离子体处理条件所假定的这些因素的基础上，还必须考虑在等离子体处理过程中发生变动的阻抗的变化所引起的变动，因此难以执行高精度的等离子体处理。
专利文献1：日本专利第4777481号公报
专利文献2：日本特开2005-252057号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明是为了解决如上所述的以往技术的问题而完成的，其课题在于提供如下一种等离子体控制装置：即使在等离子体的阻抗由于等离子体的状态变化而发生变化的情况下，也能够高速地实现电源部与等离子体的阻抗的匹配，并且实现对等离子体处理而言重要的电压、电流的稳定控制，由此能够执行高精度且稳定的等离子体处理。
用于解决问题的方案
为了解决所述问题，本发明作为第一方案提供一种向等离子体处理装置供给高频电力的等离子体控制装置，该等离子体控制装置的特征在于，所述等离子体处理装置具备用于产生电感耦合等离子体的线圈或用于产生电容耦合等离子体的电极以及用于载置基板的载置台，该载置台所载置的该基板被实施使用任一所述等离子体的处理，所述等离子体控制装置具备：电源部，其用于向所述载置台供给高频电力；谐振产生部，其插入设置于所述电源部与所述载置台之间，将从所述电源部供给的高频电力施加于所述载置台；以及电压计，其测定所述载置台的电压，所述谐振产生部具备：LC电路，其是线圈与电容器连接而成的；以及传感器，其检测流过所述LC电路的电流与施加于所述LC电路的电压之间的相位差，其中，所述LC电路的电容器的静电容量大于所述等离子体的设想静电容量，所述电源部对供给的所述高频电力的大小进行控制以使由所述电压计测定出的电压接近作为目标的设定电压，并且对供给的所述高频电力的频率进行控制以使由所述传感器检测出的相位差极小。
本发明的第一方案所涉及的等离子体控制装置是与用于载置基板的载置台连接的等离子体控制装置。
第一方案所涉及的等离子体控制装置所具备的谐振产生部与载置台连接，具备LC电路。而且，电源部所供给的高频电力的频率被控制(调整)以使由传感器检测出的流过LC电路的电流与施加于LC电路的电压之间的相位差极小(谐振状态)，因此由谐振产生部的LC电路、载置台以及等离子体构成RLC谐振电路。因此，即使等离子体的阻抗发生变化，也会对载置台施加由于谐振现象而被放大的电压。另外，LC电路的电容器的静电容量大于等离子体的设想静电容量，因此即使等离子体的阻抗发生变化，对载置台的电压的变化造成的影响也小。并且，电源部所供给的高频电力的大小被控制以使由电压计测定出的载置台的电压接近作为目标的设定电压。通过以上的结构，即使在等离子体的阻抗由于等离子体的状态变化而发生变化的情况下，载置台的电压也被维持为与设定电压接近的值，因此能够执行高精度且稳定的使用等离子体的处理。
另外，通过由谐振产生部的LC电路、载置台以及等离子体构成RLC谐振电路，来执行电源部与等离子体的阻抗的匹配，因此不需要如以往那样的机械式驱动，能够高速地执行阻抗的匹配。
此外，关于等离子体的设想静电容量，例如能够通过在参照图2前述的以往的等离子体控制装置100’中调查由阻抗匹配器2’进行的电源部1’与等离子体P的阻抗的匹配完成的时间点的可变元件的常数并进行计算，来计算出等离子体的设想静电容量。
具体地说，例如，在从电源部1’供给的高频电力的频率为2MHz时，等离子体的静电容量能够设想为100pF～110pF左右，在从电源部1’供给的高频电力的频率为380kHz时，等离子体的静电容量能够设想为400pF～1200pF左右。
如前所述，LC电路的电容器的静电容量被设定成大于等离子体的设想静电容量，而优选的是例如设定为等离子体的设想静电容量的4倍以上的程度。
另外，作为应用本发明的第一方案所涉及的等离子体控制装置的等离子体处理装置，除了利用所生成的等离子体本身来对基板实施蚀刻处理、成膜处理的装置以外，还包括利用使所生成的等离子体中的离子中性化而得到的中性粒子来对基板实施蚀刻处理、成膜处理的装置。后述的第二方案和第三方案所涉及的等离子体处理装置也是同样的。
另外，为了解决所述问题，本发明作为第二方案提供一种向等离子体处理装置供给高频电力的等离子体控制装置，该等离子体控制装置的特征在于，所述等离子体处理装置具备用于产生电感耦合等离子体的等离子体产生用线圈以及用于载置基板的载置台，该载置台所载置的该基板被实施使用所述电感耦合等离子体的等离子体处理，所述等离子体控制装置具备：电源部，其用于向所述等离子体产生用线圈供给高频电力；谐振产生部，其插入设置于所述电源部与所述等离子体产生用线圈之间，将从所述电源部供给的高频电力施加于所述等离子体产生用线圈；以及电流计，其测定流过所述等离子体产生用线圈的电流，所述谐振产生部具备：电容器，其与所述等离子体产生用线圈并联连接或串联连接；以及传感器，其检测流过所述谐振产生部的电流与施加于所述谐振产生部的电压之间的相位差，其中，所述电源部对供给的所述高频电力的大小进行控制以使由所述电流计测定出的电流接近作为目标的设定电流，并且对供给的所述高频电力的频率进行控制以使由所述传感器检测出的相位差极小。
本发明的第二方案所涉及的等离子体控制装置是与用于产生电感耦合等离子体的等离子体产生用线圈连接的等离子体控制装置。
第二方案所涉及的等离子体控制装置所具备的谐振产生部与等离子体产生用线圈连接，具备与等离子体产生用线圈并联连接或串联连接的电容器。而且，电源部所供给的高频电力的频率被控制(调整)以使由传感器检测出的流过谐振产生部的电流与施加于谐振产生部的电压之间的相位差极小(谐振状态)，因此由谐振产生部的电容器、等离子体产生用线圈以及等离子体构成RLC谐振电路。因此，即使等离子体的阻抗发生变化，也会向等离子体产生用线圈流通由于谐振现象而被放大的电流。另外，电源部所供给的高频电力的大小被控制以使由电流计测定出的流过等离子体产生用线圈的电流接近作为目标的设定电流。通过以上的结构，即使在等离子体的阻抗由于等离子体的状态变化而发生变化的情况下，流过等离子体产生用线圈的电流也被维持为与设定电流接近的值。已知等离子体的吸收能量与流过等离子体产生用线圈的电流的平方成正比，因此，如果流过等离子体产生用线圈的电流被维持为与设定电流接近的值，则等离子体的吸收能量的变化小，能够执行高精度且稳定的等离子体处理。
另外，通过由谐振产生部的电容器、等离子体产生用线圈以及等离子体构成RLC谐振电路，来执行电源部与等离子体的阻抗的匹配，因此不需要如以往那样的机械式驱动，能够高速地执行阻抗的匹配。
并且，为了解决所述问题，本发明作为第三方案提供一种向等离子体处理装置供给高频电力的等离子体控制装置，该等离子体控制装置的特征在于，所述等离子体处理装置具备用于产生电容耦合等离子体的等离子体产生用电极以及用于载置基板的载置台，该载置台所载置的该基板被实施使用所述电容耦合等离子体的处理，所述等离子体控制装置具备：电源部，其用于向所述等离子体产生用电极供给高频电力；谐振产生部，其插入设置于所述电源部与所述等离子体产生用电极之间，将从所述电源部供给的高频电力施加于所述等离子体产生用电极；以及电压计，其测定所述等离子体产生用电极的电压，所述谐振产生部具备：LC电路，其是线圈与电容器连接而成的；以及传感器，其检测流过所述LC电路的电流与施加于所述LC电路的电压之间的相位差，其中，所述LC电路的电容器的静电容量大于所述等离子体的设想静电容量，所述电源部对供给的所述高频电力的大小进行控制以使由所述电压计测定出的电压接近作为目标的设定电压，并且对供给的所述高频电力的频率进行控制以使由所述传感器检测出的相位差极小。
本发明的第三方案所涉及的等离子体控制装置是与用于产生电容耦合等离子体的等离子体产生用电极连接的等离子体控制装置。
第三方案所涉及的等离子体控制装置所具备的谐振产生部与等离子体产生用电极连接，具备LC电路。而且，电源部所供给的高频电力的频率被控制(调整)以使由传感器检测出的流过LC电路的电流与施加于LC电路的电压之间的相位差极小(谐振状态)，因此由谐振产生部的LC电路、等离子体产生用电极以及等离子体构成RLC谐振电路。因此，即使等离子体的阻抗发生变化，也会对等离子体产生用电极施加由于谐振现象而被放大的电压。另外，LC电路的电容器的静电容量大于等离子体的设想静电容量，因此即使等离子体的阻抗发生变化，对等离子体产生用电极的电压的变化造成的影响也小。并且，电源部所供给的高频电力的大小被控制以使由电压计测定出的等离子体产生用电极的电压接近作为目标的设定电压。通过以上的结构，即使在等离子体的阻抗由于等离子体的状态变化而发生变化的情况下，等离子体产生用电极的电压也被维持为与设定电压接近的值，因此等离子体的吸收能量的变化小，能够执行高精度且稳定的使用等离子体的处理。
另外，通过由谐振产生部的LC电路、等离子体产生用电极以及等离子体构成RLC谐振电路，来执行电源部与等离子体的阻抗的匹配，因此不需要如以往那样的机械式驱动，能够高速地执行阻抗的匹配。
此外，关于等离子体的设想静电容量，例如能够通过在参照图4前述的以往的等离子体控制装置200’中调查由阻抗匹配器4’进行的电源部3’与等离子体P的阻抗的匹配完成的时间点的可变元件的常数并进行计算，来计算出等离子体的设想静电容量。
具体地说，例如，在从电源部3’供给的高频电力的频率为2MHz时，等离子体的静电容量能够设想为100pF～110pF左右，在从电源部3’供给的高频电力的频率为380kHz时，等离子体的静电容量能够设想为400pF～1200pF左右。
如前所述，LC电路的电容器的静电容量被设定成大于等离子体的设想静电容量，而优选的是例如设定为等离子体的设想静电容量的4倍以上的程度。
此外，本发明的第一方案～第三方案所涉及的等离子体控制装置既能够分别单独地应用于等离子体处理装置，也能够是，在产生电感耦合等离子体的等离子体处理装置的情况下，将第一方案和第二方案所涉及的等离子体控制装置进行组合来应用，或者，在产生电容耦合等离子体的等离子体处理装置的情况下，将第一方案和第三方案所涉及的等离子体控制装置进行组合来应用。
发明的效果
根据本发明所涉及的等离子体控制装置，即使在等离子体的阻抗由于等离子体的状态变化而发生变化的情况下，也能够高速地实现电源部与等离子体的阻抗的匹配，并且实现对使用等离子体的处理而言重要的电压、电流的稳定控制，由此能够执行高精度且稳定的使用等离子体的处理。
附图说明
图1是以往的等离子体控制装置的概要结构图。
图2是表示与载置台连接的以往的等离子体控制装置的具体的结构例的图。
图3是表示与等离子体产生用线圈连接的以往的等离子体控制装置的具体的结构例的图。
图4是表示与等离子体产生用电极连接的以往的等离子体控制装置的具体的结构例的图。
图5是本发明的第一实施方式所涉及的等离子体控制装置的概要结构图。
图6是表示本发明的第一实施方式所涉及的等离子体控制装置的具体的结构例的图。
图7是本发明的第二实施方式所涉及的等离子体控制装置的概要结构图。
图8是表示本发明的第二实施方式所涉及的等离子体控制装置的具体的结构例的图。
图9是表示本发明的第二实施方式所涉及的等离子体控制装置的其它具体的结构例的图。
图10是本发明的第三实施方式所涉及的等离子体控制装置的概要结构图。
图11是表示本发明的第三实施方式所涉及的等离子体控制装置的具体的结构例的图。
图12是表示示出本发明的效果的评价结果的一例的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
<第一实施方式>
图5是本发明的第一实施方式所涉及的等离子体控制装置的概要结构图。
如图5所示，应用第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100的等离子体处理装置具有以下的结构。即，等离子体处理装置是如下一种装置：具备腔室C、安装于腔室C的上部且用于在腔室C内产生等离子体P的要素10以及安装于腔室C的下部且用于载置基板S的载置台20，利用在腔室C内产生的等离子体P，来对所载置的基板S实施蚀刻处理等使用等离子体的处理。在等离子体P是所谓的电感耦合等离子体的情况下，将线圈用作要素10，在等离子体P是所谓的电容耦合等离子体的情况下，将与载置台20平行地配置的电极用作要素10。
第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100是向具有上述的结构的等离子体处理装置的载置台20供给高频电力的装置。如图5所示，等离子体控制装置100具备：电源部1，其用于向载置台20供给高频电力；谐振产生部2，其插入设置于电源部1与载置台20之间，将从电源部1供给的高频电力施加于载置台20；以及电压计5，其测定载置台20的电压。在本实施方式中，电源部1与谐振产生部2被一体化来构成电源装置30。
下面，参照图6来说明第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100的具体的结构例。
图6是表示第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100的具体的结构例的图。此外，在图6中，省略了等离子体处理装置所具备的要素10的图示。
如图6所示，等离子体控制装置100具备电源部1、谐振产生部2以及电压计(测定峰间电压Vpp的Vpp传感器)5，电源部1与谐振产生部2被一体化来构成电源装置30。
电源部1包括构成电源装置30的要素中的除了构成谐振产生部2的要素以外的要素，具备综合控制部、直流(DC)电源、频率可变的振荡器(例如，直接数字频率合成器(DDS))以及功率放大器。此外，在图6中，Tr1、Tr2是FET或IGBT等晶体管。另外，T1是变压器。
谐振产生部2具备：LC电路，其是线圈L1与电容器C1(本实施方式还包括电容器C3)连接而成的(具体地说，是线圈L1与电容器C1串联连接而成的LC串联电路)；以及传感器S2，其检测流过LC电路的电流与施加于LC电路的电压之间的相位差。电容器C1、C3是具有固定的静电容量的固定电容器，例如能够使用氧化钛系电容器。传感器S2安装于LC电路，具备取出电流的变圧器、取出电压的电容器，是产生与所取出的电流同电压的相位差相应的电位差的电路结构。谐振产生部2所具备的LC电路的电容器C1的静电容量被设定成大于等离子体P的设想静电容量。即，电容器C1的静电容量被设定成大于图6所示的包括电容成分C2和电阻成分Rp1、Rp2的等离子体等效电路中的电容成分C2的设想静电容量。
此外，谐振产生部2还具备定向耦合器S1，从定向耦合器S1输出的行波/反射波信号不用于电源部1的综合控制部的控制，只是被设为能够进行监视。
电源部1对供给的高频电力的大小进行控制以使由电压计5测定出的电压接近作为目标的设定电压。具体地说，作为目标的设定电压(设定Vpp)以及由电压计5测定出的电压(Vpp信号)被输入到电源部1的综合控制部，综合控制部执行以下的电压反馈控制：对DC电源的输出功率进行调整，使得测定电压接近设定电压。
另外，电源部1对供给的高频电力的频率进行控制以使由传感器S2检测出的相位差极小。具体地说，由谐振产生部2的传感器S2检测出的相位差被输入到电源部1的综合控制部，综合控制部执行以下的谐振频率调整控制(阻抗反馈控制)：对振荡器的频率进行控制，使得该相位差极小。
根据以上说明的第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100，谐振产生部2与载置台20连接，具备LC电路。而且，电源部1所供给的高频电力的频率被控制(调整)以使由传感器S2检测出的流过LC电路的电流与施加于LC电路的电压之间的相位差极小(谐振状态)，因此由谐振产生部2的LC电路、载置台20以及等离子体P构成RLC谐振电路(具体地说，RLC串联谐振电路)。因此，即使等离子体P的阻抗发生变化，也会对载置台20施加由于谐振现象而被放大的电压。
图6所示的RLC谐振电路包括线圈L1、电容器C1、电容器C3、电容成分C2、电阻成分Rp2。当将该RLC谐振电路的阻抗设为Z、将线圈L1的电感设为L1、将电容器C1的静电容量设为C1、将电容器C3的静电容量设为C3、将电容成分C2的设想静电容量设为C2、将电阻成分Rp2的电阻值设为Rp2、将以角频率表示的高频电力的频率设为ω时，为
Z＝Rp2+j[ω·L1-C3·(C1+C2)/{ω·(C1+C2+C3)}]。
在谐振状态下，阻抗Z的虚数成分接近零，因此RLC谐振电路的阻抗与Rp2同等。
另外，LC电路的电容器C1的静电容量C1大于等离子体P的设想静电容量(电容成分C2的设想静电容量C2)，因此即使等离子体P的阻抗发生变化，RLC谐振电路的阻抗Z也不会大幅变化，对载置台20的电压的变化造成的影响小。
并且，电源部1所供给的高频电力的大小被控制以使由电压计5测定出的载置台20的电压接近作为目标的设定电压。通过以上的结构，即使在等离子体P的阻抗由于等离子体P的状态变化而发生变化的情况下，载置台20的电压也被维持为与设定电压接近的值，因此能够执行高精度且稳定的使用等离子体的处理。
另外，通过由谐振产生部2的LC电路、载置台20以及等离子体P构成RLC谐振电路，来执行电源部1与等离子体P的阻抗的匹配，因此不需要如以往那样的机械式驱动，能够高速地执行阻抗的匹配。另外，在将直接数字频率合成器(DDS)用作频率可变的振荡器的情况下，不需要机械式驱动，能够高速地控制振荡器的频率。
并且，电源部1与谐振产生部2被一体化来构成电源装置30，因此通过将该电源装置30与载置台20直接连接而不借助市售的同轴电缆等，能够不受由规格决定的特性阻抗(例如50Ω)的限制而自由地设定特性阻抗，能够以小输出功率来产生高电压。
<第二实施方式>
图7是本发明的第二实施方式所涉及的等离子体控制装置的概要结构图。
如图7所示，应用第二实施方式所涉及的等离子体控制装置200的等离子体处理装置具有与在第一实施方式中说明的等离子体处理装置同样的结构。但是，在应用第二实施方式所涉及的等离子体控制装置200的等离子体处理装置中，等离子体P是电感耦合等离子体，使用线圈来作为要素10。
第二实施方式所涉及的等离子体控制装置200是向具有上述结构的等离子体处理装置的要素(等离子体产生用线圈)10供给高频电力的装置。如图7所示，等离子体控制装置200具备：电源部3，其用于向要素10供给高频电力；谐振产生部4，其插入设置于电源部3与要素10之间，将从电源部3供给的高频电力施加于要素10；以及电流计6，其测定流过要素10的电流。在本实施方式中，电源部3与谐振产生部4被一体化来构成电源装置40。
下面，参照图8来说明第二实施方式所涉及的等离子体控制装置200的具体的结构例。
图8是表示第二实施方式所涉及的等离子体控制装置200的具体的结构例的图。
如图8所示，等离子体控制装置200具备电源部3、谐振产生部4以及电流计6，电源部3与谐振产生部4被一体化来构成电源装置40。
电源部3包括构成电源装置40的要素中的除了构成谐振产生部4的要素以外的要素，具备综合控制部、直流(DC)电源、频率可变的振荡器(例如，直接数字频率合成器(DDS))以及功率放大器。此外，在图8中，Tr1、Tr2是FET或IGBT等晶体管。另外，T1是变压器。
谐振产生部4具备：电容器C1，其与作为要素10的等离子体产生用线圈L1并联连接；以及传感器S2，其检测流过谐振产生部4的电流与施加于谐振产生部4的电压之间的相位差。电容器C1是具有固定的静电容量的固定电容器，例如能够使用氧化钛系电容器。
此外，谐振产生部4还具备定向耦合器S1，从定向耦合器S1输出的行波/反射波信号不用于电源部3的综合控制部的控制，只是被设为能够进行监视。
电源部1对供给的高频电力的大小进行控制以使由电流计6测定出的电流接近作为目标的设定电流。具体地说，作为目标的设定电流以及由电流计6测定出的电流被输入到电源部3的综合控制部，综合控制部执行以下的电流反馈控制：对DC电源的输出功率进行调整，使得测定电流接近设定电流。
另外，电源部3对供给的高频电力的频率进行控制以使由传感器S2检测出的相位差极小。具体地说，由谐振产生部4的传感器S2检测出的相位差被输入到电源部3的综合控制部，综合控制部执行以下的谐振频率调整控制(阻抗反馈控制)：对振荡器的频率进行控制，使得该相位差极小。
根据以上说明的第二实施方式所涉及的等离子体控制装置200，谐振产生部4与等离子体产生用线圈L1连接，具备与等离子体产生用线圈L1并联连接的电容器C1。而且，电源部3所供给的高频电力的频率被控制(调整)以使由传感器S2检测出的流过谐振产生部4的电流与施加于谐振产生部4的电压之间的相位差极小(谐振状态)，因此由谐振产生部4的电容器C1、等离子体产生用线圈L1以及等离子体P构成RLC谐振电路。因此，即使等离子体P的阻抗发生变化，也会向等离子体产生用线圈L1流通由于谐振现象而被放大的电流。另外，电源部3所供给的高频电力的大小被控制以使由电流计6测定出的流过等离子体产生用线圈L1的电流接近作为目标的设定电流。通过以上的结构，即使在等离子体P的阻抗由于等离子体P的状态变化而发生变化的情况下，流过等离子体产生用线圈L1的电流也被维持为与设定电流接近的值，因此等离子体P的吸收能量的变化小，能够执行高精度且稳定的等离子体处理。
另外，通过由谐振产生部4的电容器C1、等离子体产生用线圈L1以及等离子体P构成RLC谐振电路，来执行电源部3与等离子体P的阻抗的匹配，因此不需要如以往那样的机械式驱动，能够高速地执行阻抗的匹配。另外，在将直接数字频率合成器(DDS)用作频率可变的振荡器的情况下，不需要机械式驱动，能够高速地控制振荡器的频率。
并且，电源部3与谐振产生部4被一体化来构成电源装置40，因此通过将该电源装置40与等离子体产生用线圈L1直接连接而不借助市售的同轴电缆等，能够不受由规格决定的特性阻抗(例如50Ω)的限制而自由地设定特性阻抗，能够以小输出功率来产生高电流。
此外，在图8中，说明了谐振产生部4所具备的电容器C1与等离子体产生用线圈L1并联连接的例子，但是本发明不限于此，也可以是以下情况：如图9所示，谐振产生部4所具备的电容器C1与等离子体产生用线圈L1串联连接。
<第三实施方式>
图10是本发明的第三实施方式所涉及的等离子体控制装置的概要结构图。
如图10所示，应用第三实施方式所涉及的等离子体控制装置200A的等离子体处理装置具有与在第一及第二实施方式中说明的等离子体处理装置同样的结构。但是，在应用第三实施方式所涉及的等离子体控制装置200A的等离子体处理装置中，等离子体P是电容耦合等离子体，使用电极来作为要素10。
第三实施方式所涉及的等离子体控制装置200A是向具有上述结构的等离子体处理装置的要素(等离子体产生用电极)10供给高频电力的装置。如图10所示，等离子体控制装置200A具备：电源部3A，其用于向要素10供给高频电力；谐振产生部4A，其插入设置于电源部3A与要素10之间，将从电源部3A供给的高频电力施加于要素10；以及电压计7，其测定要素10的电压。在本实施方式中，电源部3A与谐振产生部4A被一体化来构成电源装置40A。
下面，参照图11来说明第三实施方式所涉及的等离子体控制装置200A的具体的结构例。
图11是表示第三实施方式所涉及的等离子体控制装置200A的具体的结构例的图。
如图11所示，等离子体控制装置200A具备电源部3A、谐振产生部4A以及电压计(测定峰间电压Vpp的Vpp传感器)7，电源部3A与谐振产生部4A被一体化来构成电源装置40A。
电源部3A包括构成电源装置40A的要素中的除了构成谐振产生部4A的要素以外的要素，具备综合控制部、直流(DC)电源、频率可变的振荡器(例如，直接数字频率合成器(DDS))以及功率放大器。此外，在图11中，Tr1、Tr2是FET或IGBT等晶体管。另外，T1是变压器。
谐振产生部4A具备：LC电路，其是线圈L1与电容器C1(本实施方式还包括电容器C3)连接而成的(具体地说，是线圈L1与电容器C1串联连接而成的LC串联电路)；以及传感器S2，其检测流过LC电路的电流与施加于LC电路的电压之间的相位差。电容器C1、C3是具有固定的静电容量的固定电容器，例如能够使用氧化钛系电容器。谐振产生部4A所具备的LC电路的电容器C1的静电容量被设定成大于等离子体P的设想静电容量。即，电容器C1的静电容量被设定成大于图11所示的包括电容成分C2和电阻成分Rp1、Rp2的等离子体等效电路中的电容成分C2的设想静电容量。
此外，谐振产生部4A还具备定向耦合器S1，从定向耦合器S1输出的行波/反射波信号不用于电源部3A的综合控制部的控制，只是被设为能够进行监视。
电源部3A对供给的高频电力的大小进行控制以使由电压计7测定出的电压接近作为目标的设定电压。具体地说，作为目标的设定电压(设定Vpp)以及由电压计7测定出的电压(Vpp信号)被输入到电源部3A的综合控制部，综合控制部执行以下的电压反馈控制：对DC电源的输出功率进行调整，使得测定电压接近设定电压。
另外，电源部3A对供给的高频电力的频率进行控制以使由传感器S2检测出的相位差极小。具体地说，由谐振产生部4的传感器S2检测出的相位差被输入到电源部3A的综合控制部，综合控制部执行以下的谐振频率调整控制(阻抗反馈控制)：对振荡器的频率进行控制，使得该相位差极小。
根据以上说明的第三实施方式所涉及的等离子体控制装置200A，谐振产生部4A与等离子体产生用电极10连接，具备LC电路。而且，电源部3A所供给的高频电力的频率被控制(调整)以使由传感器S2检测出的流过LC电路的电流与施加于LC电路的电压之间的相位差极小(谐振状态)，因此由谐振产生部4A的LC电路、等离子体产生用电极10以及等离子体P构成RLC谐振电路(具体地说，RLC串联谐振电路)。因此，即使等离子体P的阻抗发生变化，也会对等离子体产生用电极10施加由于谐振现象而被放大的电压。另外，LC电路的电容器C1的静电容量大于等离子体P的设想静电容量，因此即使等离子体P的阻抗发生变化，对等离子体产生用电极10的电压的变化造成的影响也小。并且，电源部3A所供给的高频电力的大小被控制以使由电压计7测定出的等离子体产生用电极10的电压接近作为目标的设定电压。通过以上的结构，即使在等离子体P的阻抗由于等离子体P的状态变化而发生变化的情况下，等离子体产生用电极10的电压也被维持为与设定电压接近的值，因此等离子体P的吸收能量的变化小，能够执行高精度且稳定的等离子体处理。
另外，通过由谐振产生部4A的LC电路、等离子体产生用电极10以及等离子体P构成RLC谐振电路，来执行电源部3A与等离子体P的阻抗的匹配，因此不需要如以往那样的机械式驱动，能够高速地执行阻抗的匹配。另外，在将直接数字频率合成器(DDS)用作频率可变的振荡器的情况下，不需要机械式驱动，能够高速地控制振荡器的频率。
并且，电源部3A与谐振产生部4A被一体化来构成电源装置40A，因此通过将该电源装置40A与等离子体产生用电极10直接连接而不借助市售的同轴电缆等，能够不受由规格决定的特性阻抗(例如50Ω)的限制而自由地设定特性阻抗，能够以小输出功率来产生高电压。
以上说明的第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100、第二实施方式所涉及的等离子体控制装置200、第三实施方式所涉及的等离子体控制装置200A也能够分别单独地应用于等离子体处理装置。另外，也能够是，在产生电感耦合等离子体的等离子体处理装置的情况下，将第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100与第二实施方式所涉及的等离子体控制装置200进行组合来应用，或者，在产生电容耦合等离子体的等离子体处理装置的情况下，将第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100与第三实施方式所涉及的等离子体控制装置200A进行组合来应用。
下面，说明对本发明的第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100和以往的等离子体控制装置100’的性能进行评价而得到的结果。
具体地说，对产生电感耦合等离子体的等离子体处理装置进行了以下的试验1：对载置基板S的载置台20连接第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100(参照图6)，对等离子体产生用线圈10连接以往的等离子体控制装置200’(参照图3)，来对基板S实施蚀刻处理。另一方面，对相同的等离子体处理装置进行了以下的试验2：对载置台20连接以往的等离子体控制装置100’(参照图2)，对等离子体产生用线圈10连接以往的等离子体控制装置200’(参照图3)，来对基板S实施蚀刻处理。
表1中示出上述试验1、2的结果。
[表1]
Figure BDA0001644020700000201
在表1中，“Vpp”栏所记载的值表示由电压计测定出的载置台20的电压(Vpp信号)。“频率”栏所记载的值表示从电源部1、1’供给的高频电力的频率。“输出功率”栏所记载的值表示施加于载置台20的电力值。“E/R”栏所记载的值表示基板S的蚀刻速率。“均匀性”栏所记载的值表示蚀刻速率在基板S的面内的均匀性。
如表1所示可知，在使载置台20的电压为相同条件的情况下，本发明即使在小输出功率(小电力值)下也能够得到与以往同等的蚀刻性能。
另外，在上述的试验1、2中，分别在蚀刻处理的中途改变腔室C内的压力，来对此时的载置台20的电压的稳定性进行了评价。具体地说，在下面的(1)～(3)所示的条件下，使腔室C内的压力从30Pa变化为5Pa，对此时由电压计测定出的电压(Vpp信号)的变动进行了评价。
(1)对等离子体产生用线圈10设定的设定电力：40W
(2)向腔室C内供给的供给气体：C4F8(流量8sccm)
(3)试验1中的设定Vpp：170V
图12是表示上述试验的评价结果的一例的图。图12的(a)表示试验2(以往)的评价结果，图12的(b)表示试验1(本发明)的评价结果。
如图12的(a)所示，在对载置台20连接了以往的等离子体控制装置100’(参照图2)的试验2的情况下，随着腔室C内的压力变化，载置台20的电压发生了变化。与此相对，如图12的(b)所示可知，在对载置台20连接了第一实施方式所涉及的等离子体控制装置100(参照图6)的试验1的情况下，即使发生了腔室C内的压力变化，载置台20的电压也是稳定的。
附图标记说明
1、3、3A：电源部；2、4、4A：谐振产生部；5、7：电压计；6：电流计；10：要素(等离子体产生用线圈或等离子体产生用电极)；20：载置台；S：基板；C：腔室；P：等离子体。

Claims (6)

1.一种等离子体控制装置，向等离子体处理装置供给高频电力，该等离子体控制装置的特征在于，
所述等离子体处理装置具备用于产生电感耦合等离子体的线圈或用于产生电容耦合等离子体的电极以及用于载置基板的载置台，该载置台所载置的该基板被实施使用任一所述等离子体的处理，
所述等离子体控制装置具备：
电源部，其用于向所述载置台供给高频电力；
谐振产生部，其插入设置于所述电源部与所述载置台之间，将从所述电源部供给的高频电力施加于所述载置台；以及
电压计，其测定所述载置台的电压，
所述谐振产生部具备：
LC电路，其是线圈与电容器连接而成的；以及
传感器，其检测流过所述LC电路的电流与施加于所述LC电路的电压之间的相位差，
其中，所述LC电路的电容器的静电容量大于所述等离子体的设想静电容量，
所述电源部对供给的所述高频电力的大小进行控制以使由所述电压计测定出的电压接近作为目标的设定电压，并且对供给的所述高频电力的频率进行控制以使由所述传感器检测出的相位差极小。
2.根据权利要求1所述的等离子体控制装置，其特征在于，
形成所述LC电路的电容器仅为具有固定的静电容量的固定电容器。
3.一种等离子体控制装置，向等离子体处理装置供给高频电力，该等离子体控制装置的特征在于，
所述等离子体处理装置具备用于产生电感耦合等离子体的等离子体产生用线圈以及用于载置基板的载置台，该载置台所载置的该基板被实施使用所述电感耦合等离子体的处理，
所述等离子体控制装置具备：
电源部，其用于向所述等离子体产生用线圈供给高频电力；
谐振产生部，其插入设置于所述电源部与所述等离子体产生用线圈之间，将从所述电源部供给的高频电力施加于所述等离子体产生用线圈，以及
电流计，其测定流过所述等离子体产生用线圈的电流，
所述谐振产生部具备：
电容器，其与所述等离子体产生用线圈并联连接或串联连接；以及
传感器，其检测流过所述谐振产生部的电流与施加于所述谐振产生部的电压之间的相位差，
其中，所述电源部对供给的所述高频电力的大小进行控制以使由所述电流计测定出的电流接近作为目标的设定电流，并且对供给的所述高频电力的频率进行控制以使由所述传感器检测出的相位差极小。
4.根据权利要求3所述的等离子体控制装置，其特征在于，
所述电容器是具有固定的静电容量的固定电容器。
5.一种等离子体控制装置，向等离子体处理装置供给高频电力，该等离子体控制装置的特征在于，
所述等离子体处理装置具备用于产生电容耦合等离子体的等离子体产生用电极以及用于载置基板的载置台，该载置台所载置的该基板被实施使用所述电容耦合等离子体的处理，
所述等离子体控制装置具备：
电源部，其用于向所述等离子体产生用电极供给高频电力；
谐振产生部，其插入设置于所述电源部与所述等离子体产生用电极之间，将从所述电源部供给的高频电力施加于所述等离子体产生用电极；以及
电压计，其测定所述等离子体产生用电极的电压，
所述谐振产生部具备：
LC电路，其是线圈与电容器连接而成的；以及
传感器，其检测流过所述LC电路的电流与施加于所述LC电路的电压之间的相位差，
其中，所述LC电路的电容器的静电容量大于所述等离子体的设想静电容量，
所述电源部对供给的所述高频电力的大小进行控制以使由所述电压计测定出的电压接近作为目标的设定电压，并且对供给的所述高频电力的频率进行控制以使由所述传感器检测出的相位差极小。
6.根据权利要求5所述的等离子体控制装置，其特征在于，
形成所述LC电路的电容器仅为具有固定的静电容量的固定电容器。
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