JP2004220923A - 異常放電検出装置と検出方法、及び該異常放電検出装置を備えたプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常放電のみを精度よく検出できるようにする。
【解決手段】高周波電源１から印加される高周波電力の高周波電源１からプラズマ処理装置４側への進行波Ａと、整合器３から高周波電源１側への反射波Ｂを方向性結合器１１で検出して、検出した進行波レベルに対する反射波レベルの比率を比率算出器１４に出力し、比率算出器１４で算出された算出値を比較器１５に取り込み、設定値と算出値とを比較して算出値が設定値よりも大きい場合にはこの算出値を比較器１５から異常放電検出部１７に出力する。異常放電検出部１７は、方向性結合器１１で検出した反射波の中から異常放電のみを検出して、カウンター１８で異常放電の発生回数をカウントする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異常放電検出装置と検出方法、及び該異常放電検出装置を備えたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばプラズマ処理装置としてのエッチング装置は、真空チャンバー内にエッチングガスを導入すると共に、基板を載置した電極に整合器を介して高周波電力を印加してエッチングガスをプラズマ化し、プラズマ中のイオンを加速電圧で加速させて基板表面に衝突させ、基板表面を削ることによってエッチングが行われる。このような高周波電力を印加するエッチング装置では、電極の汚れなどに伴うエッチング条件の変化等によって、真空チャンバー内でアーク放電等の異常放電が発生することがある。アーク放電等の異常放電は、基板の損傷やエッチング装置（プラズマ処理装置）の故障などの原因となる。
【０００３】
このため、アーク放電等の異常放電の発生を検出できるようにしたプラズマ処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−７４７３４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１の装置では、プラズマのインピーダンス変化を検出して異常放電の発生をオシロスコープでモニタするようにしているが、この方法では、図２に示すように、高周波電源から整合器を介してプラズマ処理装置の電極に高周波電力を印加（ＯＮ）した際において、整合器でインピーダンスと位相の整合中における放電立ち上がり時（図２のａ）に発生する反射波（図２のｂ）、及び高周波電力の印加を停止（ＯＦＦ）した際の放電立ち下がり時（図２のｃ）に発生する反射波（図２のｄ）を、プロセス処理中に発生した異常放電による反射波（図２のｅ）と区別ができず、これらの反射波（図２のｂ、ｄ）も異常放電として検出してしまう。
【０００６】
また、図３に示すように、上記の高周波電力としてパルス的な高周波電力を印加してプロセス処理する場合においては、パルス高周波電力の立ち上がり時（図３のｆ）に発生する反射波（図３のｇ）、及びパルス高周波電力の立ち下がり時（図３のｈ）に発生する反射波（図３のｉ）を、プロセス処理中に発生した異常放電による反射波（図３のｅ）と区別ができず、これらの反射波（図３のｇ、ｉ）も異常放電として検出してしまう。なお、図３において、ｂは放電立ち上がり時（図３のａ）に発生する反射波、ｄは放電立ち下がり時（図３のｃ）に発生する反射波であり、これらの反射波（図３のｂ、ｄ）も異常放電として検出してしまう。
【０００７】
また、大きな出力（パワー）の高周波電力を必要とするプロセスと小さな出力（パワー）の高周波電力を必要とするプロセスを切り替えて行うことができるプラズマ処理装置では、高周波電力のパワーを切り替える毎に、異常放電の検出レベルも同時に切り替える必要があり、不便であった。即ち、小さなパワーの高周波電力を使用する際には、それに応じたレベルの異常放電が発生し、大きなパワーの高周波電力を使用する際には、それに応じたレベルの異常放電が発生することにより、高周波電力のパワーの切り替えに応じて異常放電の検出レベルを切り替える必要があった。
【０００８】
そこで本発明は、放電立ち上がり時と放電立ち下がり時に発生する反射波や、パルス高周波電力の立ち上がり時とパルス高周波電力の立ち下がり時に発生する反射波を異常放電と区別して異常放電のみを検出できるようにし、更に、高周波電力のパワーを切り替える場合でも異常放電の検出レベルを切り替えることなく精度よく異常放電の発生を検出することができる異常放電検出装置と検出方法、及び該異常放電検出装置を備えたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、高周波電源から印加される高周波電力により、真空容器内で発生されるプラズマを利用して被処理基体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の前記真空容器内で発生する異常放電を検出する異常放電検出装置であって、前記高周波電源から整合器を介して前記プラズマ処理装置に印加される高周波電力の前記高周波電源から前記プラズマ処理装置側への進行波と、前記高周波電力の前記整合器から前記高周波電源側に反射される反射波とを検出する進行波・反射波検出手段と、前記進行波・反射波検出手段で検出された進行波レベルに対する反射波レベルの比率を算出する比率算出手段と、前記比率算出手段で算出された算出値を取り込み、前記進行波レベルに応じて設定された設定値と前記算出値とを比較し、前記算出値が前記設定値よりも大きい場合に前記算出値を出力する比較手段と、前記比較手段から前記算出値を取り込み、前記進行波・反射波検出手段で検出された反射波の中から異常放電のみを検出する異常放電検出手段と、を具備したことを特徴としている。
【００１０】
また、前記異常放電検出手段で検出した異常放電の発生回数をカウントするカウント手段と、前記カウント手段でカウントした異常放電の発生回数を表示する表示手段を有することを特徴としている。
【００１１】
また、高周波電源から印加される高周波電力により、真空容器内で発生されるプラズマを利用して被処理基体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の前記真空容器内で発生する異常放電を検出する異常放電検出方法であって、前記高周波電源から整合器を介して前記プラズマ処理装置に印加される高周波電力の前記高周波電源から前記プラズマ処理装置側への進行波と、前記高周波電力の前記整合器から前記高周波電源側に反射される反射波とを検出する検出工程と、前記検出工程で検出された進行波レベルに対する反射波レベルの比率を算出する比率算出工程と、前記比率算出工程で算出された算出値を取り込み、前記進行波レベルに応じて設定された設定値と前記算出値とを比較し、前記算出値が前記設定値よりも大きい場合に前記算出値を出力する比較工程と、前記比較工程から前記算出値を取り込み、前記検出工程で検出された反射波の中から異常放電のみを検出する異常放電検出工程と、を有することを特徴としている。
【００１２】
また、前記異常放電検出工程で検出した異常放電の発生回数をカウントして表示することを特徴としている。
【００１３】
また、プラズマ処理時に真空容器内で発生する異常放電を検出する異常放電検出装置を備えたプラズマ処理装置において、前記異常放電検出装置が請求項１又は２に記載の異常放電検出装置であることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る異常放電検出装置を備えたプラズマ処理装置を示す図である。図１に示すように、高周波電源１は、異常放電検出装置２と整合器（マッチングボックス）３を介してプラズマ処理装置４に電気的に接続されている。
【００１６】
本実施の形態では、プラズマ処理装置４として成膜装置の一種である高周波（ＲＦ）スパッタリング装置を用いている。このプラズマ処理装置（高周波スパッタリング装置）４は、真空チャンバー５内にその上部側に基板６を保持した基板ホルダー７と、基板ホルダー７の下方に基板６と対向するように配置したターゲット８等を有している。高周波電源１は、異常放電検出装置２を間に挟んで整合器３に同軸ケーブル１０ａ、１０ｂで接続されており、整合器３は、高周波電源１の出力インピーダンスとプラズマのインピーダンスとの整合を行う。
【００１７】
本実施の形態で使用した高周波電源１は、通常の高周波電力の印加とパルス的な高周波電力の印加を、プラズマ処理装置４のプロセス処理条件等によって切り替えることができ、更に、プラズマ処理装置４のプロセス処理条件等によって高周波電力の出力（パワー）を可変することができる。
【００１８】
上記プラズマ処理装置（高周波スパッタリング装置）４でスパッタリング処理を行う場合には、真空チャンバー５内を排気して高真空（本実施の形態では３Ｐａ）に維持すると共にアルゴンガス（Ａｒガス）を流入させ、高周波電源１から異常放電検出装置２と整合器３を介してターゲット（本実施の形態ではＡｌターゲット）８に高周波電力（本実施の形態では１ｋＷの出力）を３分間印加してアルゴンガスをプラズマ状態にする。この際、プラズマ中のアルゴンイオンがターゲット８に衝突し、ターゲット８から飛び出した原子が基板６表面に被着して薄膜が形成される。なお、本実施の形態では、放電ガスとしてアルゴンガスを用いたが、これ以外のガスでもよい。
【００１９】
異常放電検出装置２は、方向性結合器１１、進行波検波器１２、反射波検波器１３、比率演算器１４、比較器１５、レベル電圧発生部１６、異常放電検出部１７、カウンター１８、表示部１９、及び制御部２０を備えており、制御部２０の制御によって異常放電検出装置２による異常放電の検出が行われる。以下、異常放電検出装置２による異常放電の検出方法について説明する。
【００２０】
プラズマ処理装置（高周波スパッタリング装置）４による上記のスパッタリング動作時において、高周波電源１から同軸ケーブル１０ａ、方向性結合器１１、同軸ケーブル１０ｂ、整合器３を介してターゲット８に高周波電力を印加している際に、真空チャンバー５内で異常放電（アーク放電）が発生すると、プラズマのインピーダンスに乱れが生じ、整合器３から高周波電源１側への反射波が発生する。この際、異常放電検出装置２の方向性結合器１１で、高周波電源１から印加される高周波電力のプラズマ処理装置２側への進行波（矢印Ａ）を検出して進行波検波器１２で検波（平滑化）し、更に、方向性結合器１１で整合器３から高周波電源１側への反射波（矢印Ｂ）を検出して反射波検波器１３で検波（平滑化）する。
【００２１】
進行波検波器１２と反射波検波器１３でそれぞれ検波（平滑化）した進行波と反射波は、比率演算器１４に入力される。比率演算器１４は、入力された進行波のレベルと反射波のレベルから進行波に対する反射波の比率（反射波／進行波）を算出し、算出した比率値に応じた検知信号（検知電圧）を比較器１５に出力する。比率演算器１４で進行波に対する反射波の比率（反射波／進行波）を求めて、反射波を進行波で規格化することによって、高周波電源１から印加される高周波電力の出力（パワー）をプロセス処理条件等によって変化させた場合でも、異常放電の検出レベルを変更することなく対応することができる。
【００２２】
比較器１５は、この検知信号（検知電圧）と、レベル電圧発生部１６で設定された、このときのプロセス処理における高周波電源１の高周波電力の出力（パワー）に応じた設定信号（設定電圧）とを取り込んで比較し、検知信号（検知電圧）の値が設定信号（設定電圧）の値よりも大きい場合は、異常放電が発生した、もしくは上記した高周波電力の印加のＯＮ時かＯＦＦ時（或いはパルス高周波電力を印加した場合には、パルスの立ち上がり時か立ち下がり時）と判断して、この検知信号（検知電圧）を異常放電検出部１７に出力する。
【００２３】
なお、レベル電圧発生部１６で設定される設定信号（設定電圧）は、高周波電力の出力（パワー）に応じて制御部２０で任意に変更することができる。また、比較器１５は、この検知信号（検知電圧）と設定信号（設定電圧）とを取り込んで比較し、検知信号（検知電圧）の値が設定信号（設定電圧）の値よりも小さいと判定した場合は、異常放電等が発生していないときである。この時は、異常放電検出部１７に検知信号（検知電圧）を出力しない。
【００２４】
異常放電検出部１７は、入力される検知信号（検知電圧）から上記の進行波と反射波の状況も同時に把握することができる。よって、入力される検知信号（検知電圧）から、異常放電の発生による反射波か、高周波電力の印加のＯＮ時かＯＦＦ時（或いはパルス高周波電力を印加した場合には、パルスの立ち上がり時か立ち下がり時）に発生する反射波かを精度よく判定することができる。
【００２５】
そして、異常放電検出部１７は、比較器１５から入力される検知信号（検知電圧）が、把握している進行波の状況から図２に示したように、高周波電源１から高周波電力を印加（ＯＮ）した際の放電立ち上がり時（図２のａ）に発生する反射波（図２のｂ）、又は高周波電力の印加を停止（ＯＦＦ）した際の放電立ち下がり時（図２のｃ）に発生する反射波（図２のｄ）に対応していると判定した場合は、異常放電でないと判定してカウンター１８への出力をＯＦＦにする。
【００２６】
また、異常放電検出部１７は、比較器１５から入力される検知信号（検知電圧）が、把握している進行波の状況から図３に示したように、高周波電力としてパルス的な高周波電力を印加してプロセス処理する際に、パルス高周波電力の立ち上がり時（図３のｆ）に発生する反射波（図３のｇ）、又はパルス高周波電力の立ち下がり時（図３のｈ）に発生する反射波（図３のｉ）に対応していると判定した場合は、異常放電でないと判定してカウンター１８への出力をＯＦＦにする。
【００２７】
そして、異常放電検出部１７は、比較器１３から入力される検知信号（検知電圧）が、把握している進行波の状況からスパッタ処理中に真空チャンバー５内で発生した異常放電（アーク放電）に対応していると判定した場合は、カウンター１８に信号を出力する。カウンター１８は、異常放電検出部１７から入力される検知信号に基づいて異常放電の発生回数を順次カウントする。
【００２８】
カウンター１８でカウントした異常放電の発生回数は表示部１９に表示され、更に、異常放電の発生をＬＥＤ（不図示）の点灯によって報知する。そして、カウンター１８で異常放電の発生回数がカウントされると、制御部２０からプラズマ処理装置（高周波スパッタリング装置）４の制御部（不図示）に制御信号を出力し、異常放電が発生したときの薄膜形成不良の基板を取り除く操作が実行される。
【００２９】
これにより、スパッタリング処理時における１ロット（例えば２５枚）中の、異常放電の発生による薄膜形成不良の基板のみをリアルタイムで取り除くことが可能となる。また、表示部１９に異常放電の発生回数が表示されると共に、異常放電の発生がＬＥＤ（不図示）の点灯によって報知されるので、オペレータは異常放電の発生状況に応じて、プラズマ処理装置（高周波スパッタリング装置）４のメンテナンスを効果的に行うことが可能となる。
【００３０】
そして、上記した異常放電検出装置２をＯＮ状態にして、実際に高周波電源１から高周波電力を印加してプラズマ処理装置（高周波スパッタリング装置）４でスパッタ処理を行い、スパッタ処理後に高周波電源１からの高周波電力の印加を停止（ＯＦＦ）するまでにおける異常放電の検出を行った。
【００３１】
その結果、パルス的な高周波電力でない通常の高周波電力を印加した場合では、高周波電源１から高周波電力を印加（ＯＮ）したときや高周波電力の印加を停止（ＯＦＦ）したときにおける、カウンター１８でのカウントはゼロであり、異常放電が発生したときのみ異常放電の発生回数に応じてカウントされ、表示部１９に発生回数が表示された。
【００３２】
また、高周波電力としてパルス的な高周波電力を印加した場合では、高周波電源１からパルス高周波電力を印加（ＯＮ）したときやパルス高周波電力の印加を停止（ＯＦＦ）したときにおける、カウンター１８でのカウントはゼロであり、更に、パルス高周波電力の立ち上がり時や立ち下がり時における、カウンター１８でのカウントも略ゼロであり、異常放電が発生したときのみ異常放電の発生回数に応じてカウントされ、表示部１９に発生回数が表示された。
【００３３】
このように、高周波電力の印加ＯＮからスパッタ処理して高周波電力の印加の停止（ＯＦＦ）までの間において、リアルタイムで異常放電のみを精度よく検出して、異常放電が発生したときにスパッタ処理された基板のみを取り除くことが可能となり、歩留りの向上を図ることができる。
【００３４】
また、リアルタイムで異常放電のみを精度よく検出することができるので、真空チャンバー５等の清掃や交換時期を容易に把握することが可能となる。
【００３５】
また、上記した実施の形態では、プラズマ処理装置４として高周波（ＲＦ）スパッタリング装置を用いた例であったが、これに限定されることなく、例えばエッチング装置やプラズマＣＶＤなどにおいても同様に本発明を適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高周波電力の印加ＯＮからプラズマ処理して高周波電力の印加停止（ＯＦＦ）までの間において、リアルタイムで異常放電のみを精度よく検出することができるので、異常放電が発生したときにプラズマ処理された被処理基体のみを取り除くことが可能となり、歩留りの向上を図ることができる。
【００３７】
また、リアルタイムで異常放電のみを精度よく検出することができるので、プラズマ処理装置の真空容器の清掃や交換時期を容易に把握することが可能となる。
【００３８】
また、進行波に対する反射波の比率（反射波／進行波）を求めて、反射波を進行波で規格化することによって、高周波電源から印加される高周波電力の出力（パワー）をプロセス処理条件等によって変化させた場合でも、異常放電の検出レベルを変更することなく対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る異常放電検出装置を備えたプラズマ処理装置を示す図。
【図２】高周波電力の印加のＯＮ時とＯＦＦ時に発生した反射波と、異常放電の発生による反射波を示す図。
【図３】パルス高周波電力を印加した際の印加のＯＮ時とＯＦＦ時、及びパルスの立ち上がり時と立ち下がり時に発生した反射波と、異常放電の発生による反射波を示す図。
【符号の説明】
１ 高周波電源
２ 異常放電検出装置
３ 整合器
４ プラズマ処理装置
５ 真空チャンバー（真空容器）
６ 基板（被処理基体）
７ 基板ホルダー
８ ターゲット
１１ 方向性結合器（進行波・反射波検出手段）
１２ 進行波検波器
１３ 反射波検波器
１４ 比率演算器（比率演算手段）
１５ 比較器（比較手段）
１６ レベル電圧発生部
１７ 異常放電検出部（異常放電検出手段）
１８ カウンター
１９ 表示部（表示手段）
２０ 制御部

Claims (5)

1. 高周波電源から印加される高周波電力により、真空容器内で発生されるプラズマを利用して被処理基体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の前記真空容器内で発生する異常放電を検出する異常放電検出装置であって、
   前記高周波電源から整合器を介して前記プラズマ処理装置に印加される高周波電力の前記高周波電源から前記プラズマ処理装置側への進行波と、前記高周波電力の前記整合器から前記高周波電源側に反射される反射波とを検出する進行波・反射波検出手段と、
   前記進行波・反射波検出手段で検出された進行波レベルに対する反射波レベルの比率を算出する比率算出手段と、
   前記比率算出手段で算出された算出値を取り込み、前記進行波レベルに応じて設定された設定値と前記算出値とを比較し、前記算出値が前記設定値よりも大きい場合に前記算出値を出力する比較手段と、
   前記比較手段から前記算出値を取り込み、前記進行波・反射波検出手段で検出された反射波の中から異常放電のみを検出する異常放電検出手段と、を具備した、
   ことを特徴とする異常放電検出装置。
2. 前記異常放電検出手段で検出した異常放電の発生回数をカウントするカウント手段と、前記カウント手段でカウントした異常放電の発生回数を表示する表示手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の異常放電検出装置。
3. 高周波電源から印加される高周波電力により、真空容器内で発生されるプラズマを利用して被処理基体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の前記真空容器内で発生する異常放電を検出する異常放電検出方法であって、
   前記高周波電源から整合器を介して前記プラズマ処理装置に印加される高周波電力の前記高周波電源から前記プラズマ処理装置側への進行波と、前記高周波電力の前記整合器から前記高周波電源側に反射される反射波とを検出する検出工程と、
   前記検出工程で検出された進行波レベルに対する反射波レベルの比率を算出する比率算出工程と、
   前記比率算出工程で算出された算出値を取り込み、前記進行波レベルに応じて設定された設定値と前記算出値とを比較し、前記算出値が前記設定値よりも大きい場合に前記算出値を出力する比較工程と、
   前記比較工程から前記算出値を取り込み、前記検出工程で検出された反射波の中から異常放電のみを検出する異常放電検出工程と、を有する、
   ことを特徴とする異常放電検出方法。
4. 前記異常放電検出工程で検出した異常放電の発生回数をカウントして表示する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の異常放電検出方法。
5. プラズマ処理時に真空容器内で発生する異常放電を検出する異常放電検出装置を備えたプラズマ処理装置において、
   前記異常放電検出装置が請求項１又は２に記載の異常放電検出装置である、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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