JP2004533093A - プラズマ発生器に用いられる静電遮蔽材に適用した電圧制御装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

マッチングネットワーク経由で電源から電力供給される誘導コイル間に挿入された遮蔽材に適用する電圧制御装置であって、電源３０６により電力供給される遮蔽材３０４と、電源３０６を制御する誘導コイルに接続された第１のフィードバック回路と、遮蔽材３０４の電圧を制御するために、遮蔽材３０４に接続された第２のフィードバック回路とを有することにより、１つの電源によって電力供給されたアンテナ電流及びファラデー遮蔽材電圧の両方を独立に制御することができるようにする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置に関するものである。より詳細には、本発明は、誘導コイルとプラズマとの間に配置した静電遮蔽材に適用する電圧を制御する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導結合型のドライエッチングシステムは、半導体製造産業で一般に用いられている。このドライエッチング装置は、環状またはらせん状の無線周波数（ＲＦ）アンテナが配置された誘電壁で遮蔽されている処理室を備えているのが一般的である。
【０００３】
容量結合、誘導結合、及び熱線を含むＲＦ分野でプラズマを励起するために知られた既知の技術がある。標準的な誘導結合型プラズマ（ＩＰＣ）発生器の場合、コイルを通過するＲＦ電流は、プラズマの電磁電流を誘導する。この電流は、オーム熱によって導電プラズマを熱し、その結果、安定状態が維持される。コイルを通る電流は、変圧器の一次巻線として作用するのが典型的である。前記プラズマは、変圧器における単一回転の二次巻線として作用する。
【０００４】
プラズマ処理の間、処理室内の前記ＲＦアンテナと励起されたプラズマとは、誘導的のみならず容量的にも結合されている。したがって、処理室の内部大気にさらされたＲＦアンテナ付近の内部面、例えば石英で作られた誘電壁の内部面は、プラズマに関して負のバイアスで荷電されている。プラズマと誘電壁の内部面との間の電位差により、プラズマ内の正イオンは、加速されている間、前記露出された内部面と衝突する。結果として、汚染物質が処理室内に生産されてしまうという問題を引き起こし、かつ誘電壁が急速に衰えていくという問題があった。
【０００５】
これらの問題に対処するため、誘電窓とＲＦアンテナの下部の絶縁層との間には、誘導ファラデー遮蔽材が配置されるのが普通である。ＲＦアンテナとプラズマ間の容量結合は、ファラデー遮蔽材によって分断され、その結果、誘電壁の露出内部面は、プラズマから放出される加速正イオンによる衝突から保護される。前記ファラデー遮蔽材は、その相対的な電位またはバイアスを制御するＲＦ電位の発生源に接続されているのが好ましい。１つの選択として、前記遮蔽材が図１に示すコイルのような同じ周波数で作用する場合には、この遮蔽材をアンテナと接続して位置付ける。しかしながら、コイル外に結合されている電流は、プラズマを帯びた磁性結合を低減することになる。このようなパワースキームは、単純かつ効率的ではあるが、それゆえに処理変数の制御が制限されることになる。
【０００６】
替わりのパワースキームは、図２に示すように、コイルに動力を供給する主電源から分離した外部の二次補助ＲＦ電源を使用する。このスキームで都合がよいことは、アンテナからの異なる周波数で遮蔽材を操作する選択があること、遮蔽材とコイル回路間に実質的には小な相互作用があること、及び制御が簡素なことである。
【０００７】
したがって、１つの電源によって電力供給されたアンテナ電流及びファラデー遮蔽材電圧の両方を独立に制御する装置及び方法に関する必要性が存在している。
【０００８】
（発明の概要）
マッチングネットワークを経由した電源によって電力供給された誘導コイルと、それが生成するプラズマとの間に挿入された遮蔽材に適用される電圧制御のため装置は、遮蔽材、第１のフィードバック回路、及び第２のフィードバック回路を含んでいる。その電源は、前記遮蔽材に電力を供給する。第１のフィードバック回路は、前記電源を制御する誘導コイルに接続されている。第２のフィードバック回路は、前記遮蔽材の制御電圧に関する遮蔽材に接続されている。第１及び第２のフィードバック回路の両方は、異なる周波数レンジで動作する。第１のフィードバック回路は、第１のコントローラ及び第１のセンサをさらに含んでいる。第１のセンサは、誘導コイルへの電力供給を表す第１の信号を前記第１のコントローラに送信する。第１のコントローラは、誘導コイルへ供給された電力が第１の設定値によって制御されるようにするため、電源を調整する。第２のフィードバック回路は、第２のセンサ、第２のコントローラ、及び可変インピーダンスネットワークをさらに含んでいる。この遮蔽材は、可変インピーダンスネットワーク経由で電力供給される。第２のセンサは、前記遮蔽材の電圧を表す第２の信号を前記第２のコントローラに送信する。前記第２のコントローラは、遮蔽材の電圧が第２の設定値によって制御されるようにするため、インピーダンスを調整する。
【０００９】
（関連出願の相互参照）
本発明は、２０００年９月２９日に出願された米国特許出願番号０９/６７６４６２号の一部に継続し、前記特許出願は、２０００年６月３０日に出願された米国特許出願番号０９/６０８８８３号の一部に継続し、これにより本発明はその両方を譲渡されている。
【００１０】
（発明の詳細）
本発明の実施例では、誘導コイル及びそれを生成するのに用いられるプラズマ間に配置された静電遮蔽材に適用する電圧制御のための装置及び方法の内容を述べている。当業者であれば、本発明の以下の詳細な説明が一例であって、他の如何なる方法も制限していないことを理解できよう。この開示のために、本発明の他の実施例が当業者に容易に示唆されよう。添付した図面に示すような本発明の実施のために、その詳細な内容を以下に説明する。図面及び以下の詳細な説明において同一の符号は、同じまたは同様な部分を参照するものとして用いられている。
【００１１】
明瞭さのために、全てではないが、ここに記載される実行をする上でのおきまりの特徴が示され、かつ説明される。もちろん、実際の実行がなされるように開発する場合、アプリケーション及びビジネスに関する制約の遵守のように、開発者の詳細な目標を達成するため実行時における多数の詳細な決定がなされなければならない。そして、これらの詳細な目標は、ある実行から他の実行、及びある開発者から他の開発者へと変化するだろう。さらに、このような開発努力は、複雑で時間を消費してしまうことが認識されているが、それにもかかわらず、この開示のために、当業者であればこの技術を引き継ぐであろう。
【００１２】
本発明に従って、様々なタイプの動作システム、コンピュータプラットフォーム、コンピュータプログラム、及び／または汎用目的の機械を使用しながら、構成要素、処理ステップ、及び／またはデータ構造が実行される。加えて、当業者であれば、ハードワイヤードデバイス、フィールドプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、特定用途向け回路（ＡＳＩＣｓ）などのような汎用目的の少ない性質のデバイスも、ここで開示された発明の概念の視野及び精神から乖離することなく用いられることが理解されよう。
【００１３】
図３は、本発明の特定の側面に従って、単一の電源３０６により電力供給されたアンテナ３０２とファラデー遮蔽材３０４との両方を示す概略図である。電源３０６は、例えば、マッチングネットワーク３０８を経由するらせん状コイルの形式で、アンテナ３０２へ無線周波数（ＲＦ）電流を生成するのが好ましい。第１のフィードバック回路は、電源コントローラ３１２に電気的に接続したセンサ３１０を含んでいる。このセンサ３１０は、電力または電流を測定することのできる任意のセンサである。このセンサは、アンテナ３０２でマッチングネットワーク３０８に電気接続する電源ライン３１４の１つに結合、好ましくは磁気で結合される。電源コントローラ３１２は、アンテナ３０２に流れる電流または電力をモニタし、センサ３１０から受信した信号に基づいて、所望の電流または電力を生成する電源３０６を調整する。この信号は、外部の設定値３１６及び／またはマッチングネットワーク３０８の設定と比較するためのフィードバック信号として用いられ、その結果、アンテナに流れる電流または電力が安定して維持される。あるいはまた、マッチングネットワーク３０８は、標準の自動チューニングアルゴリズムを用いて、アンテナの変化を追跡することが許可されたり、またはある固定値に固定したり、固定値に事前設定するために切り換えられた状態で維持可能である。
さらに、前記アルゴリズムに関する詳細が、後述する図５に記載されている。
【００１４】
ファラデー遮蔽材は、ファラデー遮蔽材として動作する任意の金属板を表すことに注意すべきである。遮蔽材３０４は、プラズマ室（不図示）上のアンテナ３０２とＴＣＰ窓（不図示）との間に配置され、前記ＴＣＰ窓と実質的に並行である。遮蔽材３０４は、アンテナ３０２からタッピングエネルギーによって電力供給される。
【００１５】
本質的に、遮蔽材３０４は、アンテナ３０２の入力または終端のいずれかで高電圧値を出す負荷として広がるアンテナ３０２の回路と並行に走行する。遮蔽材３０４は、可変インピーダンス構成要素またはネットワーク３１８、好ましくはモータ駆動の真空コンデンサ経由で接続されているのが好ましい。
【００１６】
センサ３２０、好ましくは電圧センサが、一連の制御要素３１８後の遮蔽材供給と接続して位置付けられ、その結果、遮蔽材電圧が測定され、かつフィードバック制御変数が使用される。任意選択で、電流または電力が、同一のセンシング位置で測定される。センサ３２０は、遮蔽材３０４の電圧を測定し、別のフィードバック回路を形成する電圧コントローラ３２２に対して、測定された電圧を表している信号を送信する。電圧コントローラ３２２は、前記電圧信号を外部の設定値３２４と比較する。比較の結果、遮蔽材３０４の電圧を調整するために、可変インピーダンス構成要素３１８に対して信号を生成する。さらに、電圧コントローラ３２２のアルゴリズムが、後述する図６に記載されている。
【００１７】
前記ネットワークが、負荷のトータルつまりアンテナ３０２回路及び遮蔽材３０４回路に対して正確にダイナミック整合しない場合、反射力が測定されるだろう。しかしながら、その効率が過大に減少しない限り、及び電源３０６が前記反射力を許容する限り、前記反射力の効率が無視される。
【００１８】
フィードバックアルゴリズムは、アナログ回路を用いて、またはおそらくデジタルコントローラをアナログエレクトロニクスにすることによって実現される。前述したように、どんな優先順位も設定されることなく、前記装置は、２つの従属変数を同時に制御している間２つのフィードバックループを動作する。２つのフィードバックループが本質的に独立して動作することを保証するため、周波数領域で２つのフィードバックループを分離することに反応して主極を準備することが必要である。それは、１つのフィードバック回路がより速い反応速度を有するのに対して、他のフィードバック回路が遅い反応速度を有することを意味する。プラズマの安定性を改善するために、例えば、１ｋＨｚから１ＭＨｚまでの速い時間スケールで、アンテナ３０２の回路を安定させることが好ましい。例えば、１０Ｈｚから１００Ｈｚまでの遅い時間スケールで遮蔽材３０４の電圧を安定させることが好ましい。さもなければ、永続的な無秩序な振動の中で、前記システムを維持するのに十分に強大な相互作用となる。
【００１９】
図４は、本発明の特定の側面に従って単一の電源３０６から、アンテナ３０２へ供給される電力及び遮蔽材３０４へ供給される電圧を独立して制御するための方法を示すフロー図４００である。第１のブロック４０２で、電源３０６は、図３に示したようなマッチングネットワーク３０８経由でアンテナ３０２にＲＦ電流を供給する。ブロック４０４で、遮蔽材３０４は、可変インピーダンスネットワーク３１８経由によるアンテナ３０２からのタッピングエネルギーによって電力を供給される。ブロック４０６で、センサ３１０は、アンテナ３０２へ供給した電流を測定し、電力ライン３１４の１つを通過する電力または電流を表す信号を、電力コントローラ３１２へ送信する。前記アンテナ電流は、アンテナの入力、出力、その両方の組合せで、またはアンテナに沿った損失波及び定常波によって要求されたようないくつかの統合され分散された値でモニタされることに注意すべきである。ブロック４０８で、電源コントローラ３１２は、センサ３１０からの信号を外部設定値３１６と比較し、そして、アンテナ３０２の電流を安定させるために電源を調整する。ブロック４０６及び４０８の両方は、相対的に速い反応速度、つまり高周波数で動作する。
【００２０】
ブロック４１０で、一連の制御要素、つまり可変インピーダンス構成要素３１８の後、遮蔽材３０４の電圧が電圧センサとしてのセンサ３２０を用いながら測定される。センサ３２０は、電圧コントローラ３２２に対して遮蔽材３０４の電圧を表す信号を送信する。ブロック４１２で、電圧コントローラ４１２は、センサ３２０からの信号と外部の設定値３２４を比較し、遮蔽材３０４の電圧を安定させるために可変インピーダンス構成要素３１８を調整する。ブロック４１０及び４１２の両方は、相対的に遅い反応速度、つまり低周波数で動作する。
【００２１】
ブロック４１０及び４１２に沿ったブロック４０６及び４０８の両方は、異なる反応速度であるが同時に動作する。測定され得る別のフィードバック制御変数は、電源及び測定された負荷インピーダンスの出力パワーであることに注意すべきである。これら電源出力での測定値は、マッチングネットワーク３０８を自動調整または設定するため、及びアンテナ３０２へ分配された電力を平均化するために用いられるのが一般的である。
【００２２】
好ましい実施例は、独立した設定値としてのアンテナ３０２の電流または電力、及び遮蔽材３０４の電圧を重要視し、かつ主フィードバック変数としての出力パラメータ値を測定する。アンテナ３０２の電流または電力を安定にするために電源設定値３１６を調整することによって、及び遮蔽材３０４の電圧を安定にするために可変インピーダンスネットワーク３１８を調整することによって、実行が制御される。この場合、マッチングネットワーク値は、電力変換機を最適にするため、または電源３０６によってみられる負荷を、電源出力センサ（不図示）により検出されるような許容可能な動作範囲内に少なくとも維持するために自動的に調整される。
【００２３】
アンテナ３０２における所望の定常波パターンは、グランドの終端インピーダンスに調整することによって設定され得る。したがって、本発明は、負荷が変化する場合であっても、アンテナの電流及び遮蔽材の電圧に関する独立した安定制御を与えることを理解されたい。これは、１つの電源及びマッチングネットワークを分配しながら達成されている。
【００２４】
図５は、本発明の特有の側面に従って、電源コントローラのアルゴリズムを示したフローチャートである。ブロック５０２で、ユーザは、電源コントローラにおける独立した設定値としての所望の電力を設定する。ブロック５０４で、アンテナの電流が、安定したセンサで測定される。ブロック５０６で、測定された電流が独立した設定値と比較され、電力が所望の電力として安定されることにあわせて電源が調整される。
【００２５】
図６は、本発明の特有の側面に従って、電圧コントローラのアルゴリズムを示したフローチャートである。第１のブロック６０２で、ユーザは、独立した設定値としての所望の電圧を設定する。ブロック６０４で、遮蔽材電圧が、安定したセンサで測定される。ブロック６０６で、測定された遮蔽材電圧が独立した設定値と比較され、電圧を安定させるために一連のインピーダンスネットワークを調整することにあわせて遮蔽材電圧が調整される。
【００２６】
本発明の実施例及びアプリケーションが示されかつ説明されたが、この開示の利する当業者であれば、本発明の概念から乖離することなく、前述したよりも多くの修正が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明は、添付した特許請求の範囲の精神を除いて限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本説明の部分に組み込まれかつ構成する添付図面は、本詳細な説明とともに本発明の１以上の実施例を説明し、かつ、本発明の原理及び実施を説明するのに役立つ。
【００２８】
【図１】先行技術に従った、１つの電源によって電力供給されたアンテナ及びファラデー遮蔽材を示す概略図である。
【図２】先行技術に従った、第１の電源によって電力供給されたアンテナ、及び第２の電源によって電力供給されたファラデー遮蔽材を示す概略図である。
【図３】本発明の特有の側面に従った、１つの電源によってアンテナ及びファラデー遮蔽材の両方に電力供給されることを示す概略図である。
【図４】本発明の特有の側面に従った、１つの電源から、アンテナに供給される電力及び遮蔽材へ供給される電圧を独立に制御するための方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の特有の側面に従った、電源コントローラのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図６】本発明の特有の側面に従った、電圧コントローラのアルゴリズムを示すフローチャートである。

Claims (39)

1. マッチングネットワーク経由で電源から電力供給される誘導コイル間に挿入された遮蔽材に適用する電圧制御装置であって、
   前記電源により電力供給される遮蔽材と、
   前記電源を制御する誘導コイルに接続された第１のフィードバック回路と、
   前記遮蔽材の電圧を制御するために、前記遮蔽材に接続された第２のフィードバック回路とを有することを特徴とする電圧制御装置。
2. 前記第１のフィードバック回路及び前記第２のフィードバック回路は、異なる周波数レンジで動作することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のフィードバック回路は、約１ｋＨｚ〜約１ＭＨｚレンジの周波数で動作することを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記第２のフィードバック回路は、約１０Ｈｚ〜約１００Ｈｚレンジの周波数で動作することを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記第１のフィードバック回路は、第１のコントローラと第１のセンサとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記第１のセンサは、前記第１のコントローラに対する前記誘導コイルへ供給された電力をあらわす第１の信号を送信することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第１のコントローラは、前記誘導コイルに供給された電力が第１の設定値によって制御されるような前記電源を調整することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記第２のフィードバック回路は、第２のセンサ、第２のコントローラ、及び可変インピーダンスネットワークをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記遮蔽材は、前記可変インピーダンスネットワーク経由で電力供給されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記可変インピーダンスネットワークは、可変コンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記第２のセンサは、前記第２のコントローラに対する前記遮蔽材の電圧を表す第２の信号を送信することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記第２のコントローラは、前記遮蔽材の電圧が第２の設定値によって制御されるような前記可変インピーダンスネットワークを調整することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. マッチングネットワークを通って電源から電力供給される誘導コイル間に挿入された遮蔽材に適用する電圧制御装置であって、
    前記誘導コイルに接続された可変インピーダンスネットワークと、
    前記可変インピーダンスネットワーク経由の電源によって電力供給される遮蔽材と、
    前記遮蔽材の電圧を測定するために前記遮蔽材に接続された第１のセンサであって、前記測定された電圧をあらわす第１の信号を送信する前記第１のセンサと、
    前記第１の信号を受信するために前記センサに接続された第１のコントローラであって、前記第１の信号が第１の特定の設定値に近似するように前記可変インピーダンスネットワークを調整する前記第１のコントローラと、
    前記誘導コイルを流れる電力を測定するために前記誘導コイルに接続された第２のセンサであって、前記測定された電力をあらわす第２の信号を送信する前記第２のセンサと、
    前記第２の信号を受信するために前記第２のセンサに接続された第２のコントローラであって、前記第２の信号が第２の特定の設定値に近似するように前記電源を調整する前記第２のコントローラとを有することを特徴とする電圧制御装置。
14. 前記可変インピーダンスネットワークは、可変真空コンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記第１のフィードバック回路は、約１ｋＨｚ〜約１ＭＨｚレンジの周波数で動作することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
16. 前記第２のフィードバック回路は、約１０Ｈｚ〜約１００Ｈｚレンジの周波数で動作することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
17. マッチングネットワーク経由で電源から電力供給される誘導コイル間に挿入された遮蔽材に適用する電圧制御方法であって、
    前記電源を備えた遮蔽材に電力供給すること、
    第１のフィードバック回路に基づく前記電源を調整すること、及び、
    第２のフィードバック回路に基づく前記遮蔽材の電圧を調整することを含むことを特徴とする電圧制御方法。
18. 前記第１のフィードバック回路は、約１ｋＨｚ〜約１ＭＨｚレンジの周波数で動作することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記第２のフィードバック回路は、約１０Ｈｚ〜約１００Ｈｚレンジの周波数で動作することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 前記第１のフィードバック回路は、第１のセンサと第１のコントローラをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
21. 前記第２のフィードバック回路は、第２のセンサ、第２のコントローラ、及び可変インピーダンスネットワークをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
22. 前記遮蔽材は、前記可変インピーダンスネットワーク経由で電力供給されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記可変インピーダンスネットワークは、可変コンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１のセンサは、前記第１のコントローラに対する前記誘導コイルへ供給された電力をあらわす第１の信号を送信することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
25. 前記第１のコントローラは、前記誘導コイルに供給された電力が第１の設定値によって制御されるような前記電源を調整することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記第２のセンサは、前記第２のコントローラに対する前記遮蔽材の電圧を表す第２の信号を送信することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
27. 前記第２のコントローラは、前記遮蔽材の電圧が第２の設定値によって制御されるような前記可変インピーダンスネットワークを調整することを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. マッチングネットワーク経由で電源から電力供給される誘導コイル間に挿入された遮蔽材に適用する電圧制御装置であって、
    前記遮蔽材に電力供給する手段と、
    第１のフィードバック回路に基づく前記電源を調整する手段と、
    第２のフィードバック回路に基づく前記遮蔽材の電圧を調整する手段とを含むことを特徴とする電圧制御装置。
29. 前記第１のフィードバック回路及び前記第２のフィードバック回路は、異なる周波数レンジで動作することを特徴とする請求項２８に記載の装置。
30. 前記第１のフィードバック回路は、約１ｋＨｚ〜約１ＭＨｚレンジの周波数で動作することを特徴とする請求項２９に記載の装置。
31. 前記第２のフィードバック回路は、約１０Ｈｚ〜約１００Ｈｚレンジの周波数で動作することを特徴とする請求項２９に記載の装置。
32. 前記第１のフィードバック回路は、第１のコントローラと第１のセンサとをさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
33. 前記第１のセンサは、前記第１のコントローラに対する前記誘導コイルへ供給された電力をあらわす第１の信号を送信することを特徴とする請求項３２に記載の装置。
34. 前記第１のコントローラは、前記誘導コイルに供給された電力が第１の設定値によって制御されるような前記電源を調整することを特徴とする請求項３３に記載の装置。
35. 前記第２のフィードバック回路は、第２のセンサ、第２のコントローラ、及び可変インピーダンスネットワークをさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の装置。
36. 前記遮蔽材は、前記可変インピーダンスネットワーク経由で電力供給されることを特徴とする請求項３５に記載の装置。
37. 前記可変インピーダンスネットワークは、可変コンデンサをさらに含むことを特徴とする請求項３６に記載の装置。
38. 前記第２のセンサは、前記第２のコントローラに対する前記遮蔽材の電圧を表す第２の信号を送信することを特徴とする請求項３５に記載の装置。
39. 前記第２のコントローラは、前記遮蔽材の電圧が第２の設定値によって制御されるような前記可変インピーダンスネットワークを調整することを特徴とする請求項３５に記載の装置。

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