JP2005268214A - Ａｃ電源によって電源供給されるプラズマ処理における電気アークを検出するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 AC電源によって電源供給されるプラズマ処理において電気アークを検出する。
【解決手段】 プラズマの非線形応答により歪むAC電源波形の少なくとも1つのフーリエ成分をサンプリングし、その方向に関係なくその成分の振幅の変化が複数の異なるスレッショルドレベルのいずれか1つを越えた時を判定し、このようなスレッショルドレベルの各々を越えている継続時間を求める。各スレッショルドは、その成分の振幅の継続的平均の所定の一部分である。
【選択図】 図７

Description

本発明は、AC電源により電源供給されるプラズマ処理における電気アークを検出するための方法及びシステム、に関するものである。

(従来技術)
材料のプラズマ処理は、多くの産業用途で使用され、これには、半導体デバイス、フラットパネルディスプレイ、光学コンポーネント、磁気ストレージデバイス、及びその他多くの製造が含まれる。これらのプラズマ処理は、例えばシリコンウェハーのような基板上の誘電体、導体、及び半導体の堆積及びエッチングを含む。プラズマ処理は普通、真空空洞内に基板を置くこと、プロセスガスを投入すること、及びプラズマを作成するのに電力を利用すること、を含む。プラズマは、直流電源(DC)又は交流電源(AC)によって電源供給され得る。いくつかの適用例では、誘電基板を電極として使用できる能力、低圧操作、及び電力効率を含む、DCを超える利点を持つAC電源プラズマが通常用いられる。普通、AC電源プラズマ構成のセットでは、典型的には100kHzから300MHzの無線周波(RF)電力が好ましい。

図１は、典型的なプラズマ処理反応器を示している。それは、処理されるべきウェハー又は基板2を収容するプラズマ空洞1を含む。プラズマは、AC電源3により、空洞内で確立及び維持される。この電源は、一般的には実インピーダンスを持ち、この実インピーダンスは、変換により、複素プラズマ負荷のインピーダンスと合致するようにしなければならい。これは、整合ネットワーク4を介して行われる。電源は、電極8を通して、典型的には静電又は誘電結合により、プラズマ空洞に結合される。プロセスガスは、ガス注入口7を通って中に入り、空洞は、ガス排出線10を通して励起することにより、望まれる圧力で維持される。圧力を制御するために、スロットルバルブ9を使用することができる。次にAC電源の利用は、プラズマの着火を引き起こし、ここでプラズマは、イオン、電子、ラジカルガス種、及び中性ガスから構成されており、これら全てが、望まれた反応が進行することを可能にする。図１は、例としてのみ使用され、静電結合プラズマと呼ばれるプラズマ処理構成を示している。誘電結合源、磁気強化構成を含む多数の他の構成形式が存在し、そのプラズマ源は、単一、複数、又は混合周波数のRF生成器により駆動することができる。

整合ネットワークは、プラズマインピーダンスに依存して幾つかの異なる構成を持つことができるが、一般的には、誘電、静電、及び抵抗要素を収容する。これらのコンポーネントは、抵抗生成器出力インピーダンスから複素プラズマインピーダンスへの電力移送を最適化するように選択される。非常に多くの場合、プラズマインピーダンスが変化するに従って、整合ネットワークを調整して、電力配送を最適化することができる。調整は、誘電及び/又は静電要素を変更することか、及び/又は生成器の中心周波数を変更することにより、行うことができる。

プラズマは、電気用語では非線形複素負荷を表すものである。これは、基本AC駆動信号の歪みをもたらす。図2は、以下「整合前領域」と呼ばれる図1の領域Aで計測された、生成器からの典型的なAC電源駆動信号を示している。波形は、一般的には、生成器の中心周波数である単一基本周波数を持つ、かなり純粋な正弦波である。ここで図3は、以下「整合後領域」と呼ばれる図1の領域Bで計測された典型的な波形、を示している。その波形は、もはや主として単一周波数から構成されておらず、基本周波数の多数の高調波を含むように歪んでいる。これら高調波は、AC電源を利用したプラズマの非線形応答によって生成される。高調波成分の各々の相対振幅は、全プラズマインピーダンスに依存しており、プラズマ入力(圧力、ガスフロー、電力等のような)が変化するに従って変化することになる。

米国特許第6,501,285号で説明するような図1のRFセンサー5は、整合後領域における複雑なRF波形をサンプリングするために使用することができる。このセンサーは、領域Bの伝送線に沿って配置される。米国特許第6,061,006号及び第6,469,488号で説明するような図1の処理装置6が、波形からフーリエ成分を抽出するために使用される。

通常の動作状態では、プラズマが空洞の望む容積を満たし、そのプラズマによって有効にされる物理及び化学処理を介して処理が進行する。例えば、エッチングの応用例では、化学ガスが分離され、イオン化され、要求どおりに基板をエッチングする。如何なるプラズマ空洞においても頻繁な障害状態は、電気アークである。アークは様々な構成を持つことができるが、概してプラズマ電力の一部は、異なる(普通、より低い)インピーダンスを持つ新しいパスに転送され、局所領域、及び非常に小さい体積に崩壊する。アークは、基板領域全体にわたって、又はプラズマ空洞の領域全体にわたって、プラズマから基板に向けて生じることができる。電力は、小さな体積内で非常に急速に消散され、プラズマ空洞の損傷の可能性、及びプラズマ処理の変化をもたらす。その結果は、プラズマ空洞の汚染増大から、基板の破局的な損傷までにわたることになる。

アーク状態の検出のための幾つかの方法が提案されている。米国特許第4193070号は、幾つかのアークイベントを示す電圧降下及び電流増大を検出することに基づく、DCプラズマのアーク検出のための方法を説明する。米国特許第4694402号、及び第5561605号は、波形をサンプリングし、アーク状態と関連付けられるAC波形の変化を検出することにより、AC線上のアークを検出するための方法を説明する。米国特許第5611899号は、ACスパッタリング処理ツールに応用される同様の技術を説明する。

アークイベントは非常に短い時間にわたって生じることがあり、かつそれは通常、整合後領域で測定可能なだけであるため、AC電源プラズマで生じるアークイベントは検出するのが困難である。これは、整合装置が電気フィルター特性を持ち、図1の領域Bに現れる波形の急速な変化が領域Aでは通常は測定可能ではないためである。また、多数のプラズマ入力及び空洞自身によって定められるプラズマインピーダンスのあらゆる変化が、測定された波形を変えることになる。従って、アークイベントを、プラズマインピーダンスの変化のような何らかの他の無害なイベントと区別することは、困難である。

上述のように、アークイベントは、プラズマ体積が収縮するときのローカルインピーダンスの崩壊である。引用した従来技術は、計測波形におけるこの崩壊を監視することにより動作する。しかしながら、ACプラズマのアークイベントが必ずしも、計測点でのインピーダンス崩壊を招くわけではない。これは、インピーダンス計測が、整合後領域の伝送線内に置かれるためである。

図4は、図1の領域Bの伝送線に沿ったインピーダンスのスミスチャート図を示している。無線周波電気工学の当業者でよく知られるように、伝送線に沿って計測されたインピーダンスは、伝送線上の位置に従って変化する(図4のスミスチャート上の破線円で示される)。プラズマインピーダンスは、図4の点P1で表される。RFセンサーは、図4の点P2でのインピーダンスを計測する。アークがプラズマ内で生じるとき、そのインピーダンスが崩壊し、これは図4の矢印で示される。しかしながら、センサーで計測されたインピーダンスがこの例でどのように増大しているか、に注目する。

従来技術の更なる問題は、多くのプラズマシステムが混合及び/又は二重周波数のRF電力生成器を使用するということである。従って、プラズマ駆動信号は、もう1つの異なる周波数で変調することができる。変調は、アーク状態の不正トリガーを招くことがあるため、このような構成でアークを計測するためには、波形の崩壊を監視するのは充分ではない。

従って、AC電源、とくにRF電源によって電源供給されるプラズマ処理における電気アークを検出するための、改善された方法及びシステムを提供することが、本発明の目的である。

(本発明の要約)
本発明によれば、
(a)プラズマの非線形応答によって歪むAC電源波形の少なくとも1つのフーリエ成分をサンプリングし、
(b)成分の振幅の変化が、その変化の方向に関わらず、少なくとも1つのスレッショルドレベルを超えた時を判定し、
(c)前記スレッショルドを超えている継続時間を求める、
ステップを含む、AC電源によって電源供給されるプラズマ処理における電気アークを検出するための方法が提供される。

望ましくは、ステップ(b)が、振幅の変化が複数の異なるスレッショルドレベルのうちの何れか1つを超えた時を判定し、ステップ(c)が、このようなスレッショルドの各々を超えている継続時間を求めるようにする。

また望ましくは、その又は各スレッショルドは、成分の振幅の継続的平均の所定の一部分とする。

より好ましい実施形態では、その方法は、ステップ(b)及び(c)で定められるような変化の数、及びそれらの継続時間を表す累積データを、処理の所定期間にわたって記録することをさらに含む。

本発明は、さらに、上述の方法を実施するようにされたシステムを提供する。

本実施形態は、ACプラズマ空洞のアークは個別の「特性」を持つ、という仮定に基づいている。この特性は、大きさ及び期間によって特徴付けられる波形のフーリエ成分の変化である。アークイベントは、これらのパラメータに従って分類される。

ここで、添付図面を参照して、例により、本発明の実施形態を説明する。

(より好ましい実施形態の詳細な説明)
図5は、図1のRFセンサー5を使用して、ACプラズマ処理ツールの整合後領域からサンプリングされた波形を示している。2つの特定の領域では、プラズマアークが生じ、特定の時間長の間の波形の振幅の変化を引き起こす。第一のアークが、時間T₁の間の波形振幅の降下Δ₁により特徴付けられる一方で、第二のアークが、時間T₂の間の波形振幅の増加Δ₂により特徴付けられる(変化Δ₁及びΔ₂は、波形の期間に比べると、実質上瞬間的である)。本出願で説明するこのようなアークを検出するための方法は、このような波形振幅の変化をそれらの方向(すなわち、その変化が振幅の増大であるか、減少であるか)に関係なく検出すること、及び、その変化の大きさ及びその変化が生じる時間に基づいて電気アークを特徴付けること、に基づいている。

説明する実施形態では、様々なアーク状態を検出及び分類するために、サンプリングされた電圧又は電流の第一フーリエ成分、又は基本波を使用する。上で説明するように、プラズマ及び空洞の状態に依存して、アークイベントは、様々な領域で生じ得る。高電圧領域とグラウンドの間のアークは、非常に破壊的であるとすることができ、共通高電圧領域とグラウンドの間の電圧の近崩壊、及び対応する電流の大幅な増加によって、特徴付けられる。それらは、一般的に、多くのACサイクルにわたって生き残る。プラズマにさらされた基板又は空洞コンポーネントを横切るような、単一の電位を持つように設計された表面を横切るアークは、一般的には、ずっと短く生存し、より破壊的ではない。例えば、プラズマにさらされた空洞コンポーネント上の異なる電位の小さな領域で生じるマイクロアークは、しばしば、特定の点での汚染の増大によって引き起こされる。局所充電がアークを駆動し、アークは、その汚染が取り除かれるとき、しばしばアーク自身によって終了するようになる。同様に、単一の電位を保持するように設計された表面上で局所充電が増大する場合には、部分的な消耗又は構成変更がマイクロアークを駆動することができる。

本実施形態では、アークは、パラメータの2つのセットにより特徴付けられる。第一に、図5に示すΔは、サンプリングされた電圧又は電流の振幅の継続的平均に対する、振幅の変化の大きさの尺度である。典型的には、その波形の直前の10000サイクルにわたって継続的平均をとる。変化Δは、例えば継続的平均の6%,12%,25%,50%というような一連のスレッショルド値と比較される。第二に、図5にまた示すTは、変化Δが所定のスレッショルドレベルを超える間のサイクルの数である。アークイベントの時間の長さ、すなわち変化Δが関連するスレッショルドを超えた間の波形サイクルの数を識別するように、分類箱が割り当てられる。例えば本実施形態では、如何なる所定のスレッショルドについても、1〜15波形サイクルの間持続する変化は箱1に割り当てられ(すなわち、箱のカウントが1ずつ増える)、15〜255サイクルの間持続する変化は箱2に割り当てられ、256〜4095サイクルの間持続する変化は箱3に割り当てられ、4096以上のサイクルの間持続する変化は箱4に割り当てられる。如何なる変化も、それが超える最も高いスレッショルドレベルに対応する1つの箱に割り当てられるだけであることに注目すべきである。この手段により、継続的平均に対する波形変化の大きさ、及びその変化が生じる間の波形サイクルの数に従って、如何なるアークイベントも分類することができる。このような分類システムでは、マイクロアークは、ほんの少しのサイクルの間しか現れず、最も低いスレッショルドのみを超えることができるであろう。より有害なアークほど長く生存し、最も高いスレッショルドを破ることができるであろう。

本発明を使用して個々のアークイベントを識別及び分類することが可能である限りは、本実施形態で使用されるより実用的な応用例は、ある期間にわたってデータを蓄積して、処理の「特性」を生成する。例えば、半導体基板上のプラズマ処理の全体又は一部にわたって、データが蓄積されるかもしれない。図6は、処理の間の異なるアーク状態を示す2つのプロセスの典型的な特性を示している(6%及び25%スレッショルドのみに対する分類箱が示されている)。特性Aが、殆どのアークが最も低いスレッショルドで生じ、主にマイクロアークであったことを示す一方で、特性Bが、より長く生存し、かつ潜在的に有害なアークの存在が該当期間の間生じていたことを示している。従って、説明する方法を使って、これらの様々なアーク現象を分け、及び分類することが可能である。このようにアークを分類することの利点は、処理状態のシフトによって引き起こされるインピーダンスの変化から生じ得る波形のその他の変化を、アークイベントから切り離すことができることである。

図7は、本実施形態の流れ図であり、処理装置6のソフトウェアで実装される。

プラズマ処理の間、選択されたフーリエ成分の波形、この場合は基本波であるが、は例えば米国特許第6,501,285号、第6,061,006号、及び第6,469,488号で説明する技術を使用して、ステップ10で抽出及びサンプリングされる。ステップ12では、上で説明するように、直前の10000サイクルにわたる波形振幅の継続的平均が構築され、これは絶えず更新される。ステップ14は、いずれかのスレッショルドを超える振幅変化におけるその成分の瞬間振幅を監視し、スレッショルドの1つを超える場合には、ステップ16で、そのスレッショルドを超える波形のサイクル数がカウントされ、ステップ18で、そのスレッショルドに該当する箱の中のカウントが1すつ増やされる。最後に、処理のおわりであるステップ20では、蓄積されたデータが、人間のオペレーターによる評価のために出力される。この出力は、図6で示すのと同様な棒グラフの形であるとすることができ、これはディスプレイスクリーン上に表示することができる、あるいは、オペレーターによる解釈のために適した任意のやり方でそのデータを印刷することができる。

図8は、製造環境において本実施形態をどのように使用できるかを示しており、この場合、プラズマエッチ空洞が半導体デバイスを製造するものだった。毎日、少なくとも1つの試験ウェハーが、処理の間にそのウェハ上に堆積した粒子を元の位置の粒子計測によって計測するために、使用される。アークカウント(この例では、25%スレッショルドにおける箱4の)が、前記元の位置の粒子計測での粒子カウントと同時に、一定期間にわたって示される。特定の空洞部分が消耗するとき、アーク「特性」で明らかなように、マイクロアークがツール部分上で生じ始め、増大する粒子レベルがウェハー上に現れる。予定されたメンテナンスイベントが空洞部分を置き換え、粒子レベルが降下する。わかるように、アークカウントは、元の位置の粒子計測と良好な相関関係にある。図8の例は、25%スレッショルドで箱4を使用するだけであるが、それはオペレーターが経験により、その処理及びその空洞部分の場合、それが対象の箱であるということがわかったからというだけであることを、理解するであろう。すべてのその他のデータもまだ利用可能であろう。

アーク状態を分類すると、プラズマツールのオペレーターは、対応するようによりよく知らされる。アーク特性が、基板全体を破壊する、又は空洞部分に損傷を与えるようなアークを表す場合には、オペレーターはさらなる処理を止めることができる。アーク特性が、壁上で生じ、基板状態に影響を与えないアークを表す場合には、オペレーターは、それを無視することを選択できる。オペレーターはまた、特定のアーク特性におけるアークカウントのスレッショルドに基づいて、メンテナンスイベントをスケジュールすることができる。

オペレーターはまた、本発明を使用して、処理方法の設計を最適化することができる。プラズマ空洞の構成、及び処理入力(例えば、圧力、ガスフロー、電力)に依存して、特定の方法が、その他の方法よりもアークする傾向がある。特定のアーク形式があるか監視することにより、オペレーターは、特定の処理のための最適な動作状態を選択することができる。

また、コンピューター又は制御電子機器上で動作する適切な制御アルゴリズムにより、このオペレーター制御を自動化することができる。

上述の実施形態で使用するような基本周波数の電圧又は電流、以外のフーリエ成分を、本発明で用いることができることを理解すべきである。例えば、基本波の高調波のフーリエ成分を使用することもできるであろう。代わりに、フーリエ成分の組み合わせを使用することもできる。そのような場合には、個々のサンプリングされた成分の振幅が合計され、その合計は、その継続的平均に対して定められるスレッショルドと比較されるであろう。さらに、基本周波数又はその高調波の電圧と電流の間の位相角のような複素フーリエ成分も、かわりに本発明で使用することができるであろう。一以上の駆動周波数を持つシステムでは、関係する特定の構成においてアークを検出するために最適であるように、いずれか１つを選択することができる。

本発明の技術的範囲から外れることなく変更又は変形され得る本出願で説明する実施形態に、本発明は限定されるものではない。

典型的なプラズマ処理空洞を描いている。 整合前回路における典型的なRF波形を示している。 整合後回路における典型的なRF波形を示している。 図1の領域Bの伝送線に沿ったインピーダンスのスミスチャート図を示している。 アークによって生じる整合後RF波形の変化を示している。 本出願で説明する原理を使用して導き出される2つの異なるアーク特性を示している。 本実施形態のステップの流れ図である。 基板上の粒子カウントと一致する時間の関数として、本実施形態で定められるアークカウントを示している。

Claims (12)

1. AC電源によって電源供給されるプラズマ処理における電気アークを検出するための方法であって、
   (a)前記プラズマの非線形応答によって歪む前記AC電源波形の、少なくとも1つのフーリエ成分をサンプリングし、
   (b)前記成分の振幅の変化が、前記変化の方向に関係なく、少なくとも1つのスレッショルドレベルを超えた時を判定し、
   (c)前記スレッショルドを超えている継続時間を求める、
   ステップを含むことを特徴とする方法。
2. 前記処理の所定の期間にわたって、ステップ(b)及び(c)で求められた前記変化の数、及び継続時間を表す累積データを記録すること、
   をさらに含む請求項1記載の方法。
3. 人間のオペレーターによる評価のために、前記累積データを出力すること、
   をさらに含む請求項2記載の方法。
4. ステップ(b)が、前記振幅の変化が複数の異なるスレッショルドレベルのうちの何れか1つを越えた時を判定し、ステップ(c)が、そのようなスレッショルドの各々を越えている前記継続時間を求める、
   請求項1,2又は3記載の方法。
5. 前記又は各スレッショルドが、前記成分の振幅の継続的平均の所定の一部分である、
   請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
6. 前記フーリエ成分が、前記AC電源の基本周波数又はその高調波の電圧又は電流である、
   請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
7. 前記フーリエ成分が、前記基本周波数又はその高調波での電圧と電流の間の位相角である、
   請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
8. ステップ(a)において、複数のフーリエ成分がサンプリングされ、ステップ(b)における前記振幅が前記個々の成分の振幅の合計である、
   請求項1〜5のいずれか1つに記載の方法。
9. 前記評価に従って前記処理を止めるステップ、
   をさらに備える請求項3記載の方法。
10. 前記評価に従って前記処理の方法を変更するステップ、
    をさらに備える請求項3記載の方法。
11. 前記評価に従ってメンテナンスイベントをスケジュールするステップ、
    をさらに備える請求項3記載の方法。
12. AC電源によって電源供給されるプラズマ処理における電気アークを検出するためのシステムであって、
    (a)前記プラズマの非線形応答によって歪む前記AC電源波形の少なくとも1つのフーリエ成分をサンプリングし、
    (b)前記成分の振幅の変化が、前記変化の方向に関係なく、少なくとも1つのスレッショルドレベルを超えた時を判定し、
    (c)前記スレッショルドを越えている継続時間を求める、
    手段を備えることを特徴とするシステム。

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