JP2006278862A - プラズマ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマ電極のインピーダンスの整合調整を短時間化する。
【解決手段】 原料ガス条件及び高周波電力条件を含むプラズマ加工条件を入力として、プラズマ加工条件に対応するプラズマ電極のインピーダンス指令値をインピーダンス整合器に出力するニューラルネット４２と、プラズマ加工条件に対応する最適なインピーダンス指令値をニューラルネットに学習させる教師部４４とを備えた制御装置を設け、教師部により、過去のプラズマ加工条件と、プラズマ加工条件に対応するインピーダンス指令値の実績値とに基づいて、入力されるプラズマ加工条件に対応する最適なインピーダンス指令値を出力するようにニューラルネットに学習させ、未知のプラズマ加工条件に対しても、インピーダンスの整合調整を短時間化する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、プラズマ加工装置に係り、例えば、半導体装置、液晶装置、太陽電池等の製造過程で用いるプラズマを利用したＣＶＤ装置、エッチング装置、スパッタ装置等のプラズマ電極のインピーダンス整合技術に関する。

プラズマを利用したＣＶＤ装置、エッチング装置、スパッタ装置等のプラズマ加工装置においては、真空容器内に配置した板状の電極や棒状のアンテナなどから形成されるプラズマ電極から、マイクロ波や高周波を放射してプラズマを発生させ、そのプラズマによって原料ガスを解離して生成される粒子やラジカルを用いて成膜、エッチングあるいはスパッタ加工を行うようになっている。

このようなプラズマ加工装置において、例えば、液晶のガラス基板上に半導体膜を形成したり、薄膜太陽電池を製造するのに用いるＣＶＤ装置の場合は、最近の液晶装置の大型化や薄膜太陽電池の大型化の要求に合わせて、成膜面積を大面積化することが要請されている。ＣＶＤ装置の成膜面積を大きくすると、広い面積にわたって均一なプラズマを発生する必要があることから、従来、誘電体で被覆した棒状のアンテナ素子を平行に複数配列し、成膜対象の基材に対向させて面状の領域にプラズマを発生させることが提案されている（特許文献1）。

一方、プラズマ加工技術においては、プラズマ電極のインピーダンスと、このプラズマ電極にマイクロ波乃至高周波を供給する給電ケーブル等の給電路のインピーダンスとを整合させることにより、プラズマ電極に供給する高周波電力を最大にでき、プラズマを効率よく発生させることができる。つまり、プラズマ電極と給電路のインピーダンス整合が取れていないと、給電路とプラズマ電極の接続部分で高周波電力の反射波が発生し、電流と電圧間に位相差が生じて、プラズマ電極に入力される高周波電力が低下して、プラズマ励起効率が悪化する。

そこで、例えば、特許文献２等によれば、高周波電源からプラズマ加工装置のプラズマ電極に供給される電力をモニタし、その供給電力が最大になるように、高周波電源とプラズマ電極との間に設けたインピーダンス整合器を調整することが提案されている。

ところで、インピーダンス整合調整は、プラズマを発生させた状態で、プラズマ電極に印加する高周波電力の状態を検知して、インピーダンス整合器によりプラズマ電極のインピーダンスを給電路のインピーダンスに整合させるのが一般である。したがって、原料ガスの種類、流量及び圧力等の原料ガス条件、あるいは高周波の周波数や電力量などを含むプラズマ加工条件が定まっていれば、過去の同一条件のときのインピーダンス値になるようにインピーダンス整合器を調整することにより、比較的短時間でインピーダンス整合を行うことが可能である。

しかし、プラズマ加工条件が未知の加工処理条件の場合には、過去のインピーダンス値が不明であるから、プラズマを発生させた状態で、プラズマ電極に印加する高周波電力の状態を検知して、インピーダンスを調整することになる。したがって、特許文献２に記載の方法によれば、インピーダンス調整に時間がかかることが予想される。

しかも、特許文献１に記載の複数のアンテナ素子を用いたプラズマ加工装置の場合は、アンテナ素子の数が多いことから、これに合わせてインピーダンス整合器の数が多くなり、整合制御が煩雑になり、かつ時間がかかるという問題がある。また、各アンテナ素子により発生されたプラズマの影響を相互に受けて、各アンテナ素子のインピーダンスが変化するから、複数のアンテナ素子を関連付けてインピーダンス整合しなければならず、極めて煩雑な調整とならざるを得ない。

特開２００３−８６５８１号公報 特開２００３―１７４０１５号公報

本発明は、プラズマ電極のインピーダンスの整合調整を短時間化することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、原料ガスの導入口を有する真空容器と、該真空容器内に設けられたプラズマ電極と、該プラズマ電極に給電路を介して高周波電力を供給する高周波電源と、前記給電路と前記プラズマ電極との接続部に設けられたインピーダンス整合器と、該インピーダンス整合器を調整して前記プラズマ電極のインピーダンスを給電路側のインピーダンスに整合させる制御装置とを備えたプラズマ加工装置において、前記制御装置は、原料ガス条件及び高周波電力条件を含むプラズマ加工条件を入力として、該プラズマ加工条件に対応する前記プラズマ電極のインピーダンス指令値を前記インピーダンス整合器に出力するニューラルネットと、前記プラズマ加工条件に対応する最適な前記インピーダンス指令値を前記ニューラルネットに学習させる教師部とを備え、該教師部は、過去のプラズマ加工条件と、該プラズマ加工条件に対応する前記インピーダンス指令値の実績値とに基づいて、入力される前記プラズマ加工条件に対応する最適な前記インピーダンス指令値を出力するように前記ニューラルネットに学習させることを特徴とする。

このように構成することにより、ニューラルネットには、種々の異なるプラズマ加工条件に対応するプラズマ電極のインピーダンスの最適な指令値が学習されるから、未知のプラズマ加工条件が入力されても、入力されたプラズマ加工条件に適したインピーダンスの指令値が出力されることになる。その結果、プラズマ電極のインピーダンスを短時間で適切な値に調整できる。

この場合において、プラズマ電極のインピーダンス指令値の実績値は、高周波電力の最大値と前記プラズマ電極の反射電力（プラズマ電極で反射して高周波電源に帰還する電力）の最小値のいずれか一方に対応するインピーダンス値とすることができる。

また、本発明によれば、プラズマ電極を複数のアンテナ素子により構成した場合でも、ニューラルネットには、各アンテナ素子に対応したインピーダンスの最適な指令値が学習されているから、アンテナ素子及びインピーダンス整合器の数が多くても、短時間でかつ容易に適切なインピーダンス整合を行うことができる。また、インピーダンスの過去の実績値は、各アンテナ素子の相互影響を考慮した値であるから、相互影響を排除する繰り返し調整をする必要がないので、短時間でかつ容易に適切なインピーダンス整合を行うことができる。

本発明によれば、プラズマ電極のインピーダンスの整合調整を短時間化することができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。図１、図２及び図３に、本発明を適用してなるＣＶＤ装置の一実施形態の構成図を示す。図１はＣＶＤ装置の真空容器の内部の縦断面を示し、図２は横断面を示している。図３は、本発明の特徴部に係るインピーダンス整合の調整を行う制御装置の詳細構成図である。

図１、図２に示すように、本実施形態のＣＶＤ装置１０は、ガラス基板やシリコンウエハ等の処理基板１２にプラズマＣＶＤを用いて成膜等の処理を行う装置であり、例えば、直方形で金属製の真空容器１４の底部に、処理基板１２を載置する基板台１６が設けられている。基板台１６には、処理基板１２を加熱する発熱体が内蔵されている。また、真空容器１４の上部に原料ガスを導入する導入口１８が設けられ、底部側壁に排気口２０が設けられている。導入口１８から供給される原料ガスは、成膜の種類によって変わるが、例えば、低温ポリシリコンＴＦＴ液晶の場合、シリコン膜の成膜に際してはシランガスが、またゲート絶縁膜の成膜の場合はＴＥＯＳが好適に用いられる。排気口２０には、図示していない真空ポンプが連結され、これによって真空容器１４内を所定の真空状態に保持するようになっている。

基板台１６の上方の真空容器１４内に、基板台１６に対向させて複数のアンテナ素子２２が平行に配列して設けられ、これらの複数のアンテナ素子２２と原料ガスの導入口１８との間にガス放射板２４によって仕切られた原料ガス分散室２３が形成されている。ガス放射板２４は、ＳｉＣからなる板状部材に０．５ｍｍ程度の貫通穴が複数穿設されている。なお、ガス放射板２４は、セラミック材で構成してもよく、また、ＣＶＤにより成膜された板状部材であってもよい。また、図示していないが、ガス放射板２４の表面には金属膜が形成され、その金属膜は接地されている。したがって、導入口１８から供給される原料ガスは原料ガス分散室２３によって分散され、ガス放射板２４に穿設された貫通穴からアンテナ素子２２が設けられた反応室２５に一定の流速で放射されるようになっている。

アンテナ素子２２は、モノポールアンテナであり、図２に示すように、隣り合うアンテナ素子２２とは互いに逆方向に真空容器１４の壁面から突出して設けられ、その突き出した部分が給電端となっている。この給電端には、インピーダンス整合器２６が接続されている。

各アンテナ素子２２は、電気伝導率の高い導体を棒状又はパイプ状に形成し、使用する高周波の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数である。）の長さを放射長さとして形成されている。各アンテナ素子２２の表面は、石英等の誘電体チューブ２１で被覆されている。誘電体チューブ２１の両端は、真空容器１４の壁面に気密に支持されている。このように、アンテナ素子２２を誘電体チューブ２１で被覆してアンテナ素子２２の容量とインダクタンスを調整することにより、アンテナ素子２２の延在方向に沿って高周波電流を効率よく伝播させて、電磁波を効率よく放射させるようにしている。

インピーダンス整合器２６は、容量固定のコンデンサ２６ａと、可変インピーダンス素子である容量可変のコンデンサ２６ｂを有して形成されている。容量固定のコンデンサ２６ａはアンテナ素子２２の給電端側に挿入された形で設けられている。また、アンテナ素子２２の給電端は接地されるとともに、導体２６ｃを介して容量可変のコンデンサ２６ｂの一端に接続されている。コンデンサ２６ｂは、コンデンサの電極間隔が可変できるように構成され、その電極間隔をサーボモータ２６ｅにより可変することにより、容量を可変調整するようになっている。コンデンサ２６ｂの他端は導体２６ｄを介してインピーダンス整合器２６から引出されている。

各アンテナ素子２２に供給される高周波は、高周波電源２８から分配器２９を介して分配され、給電ケーブル３０を介して対応するコンデンサ２６ｂの導体２６ｃに供給されるようになっている。給電ケーブル３０には、各アンテナ素子２２に供給される高周波の電圧と電流を検出する電圧・電流センサ２７が設けられている。電圧・電流センサ２７により検出された電圧と電流は、制御装置３１に入力されている。制御装置３１は、入力される電圧と電流の検出信号に基づいて、アンテナ素子２２の反射電力を求め、求めた反射電力を設定値未満に低減するように、サーボモータ２６ｃを介してコンデンサ２６ｂの容量を調整するようになっている。

このように構成されるＣＶＤ装置１０の動作について説明する。導入口１８から原料ガスを真空容器１４内に送り込む一方、排出口２０に接続した真空ポンプにより排気して、真空容器１４を１Ｐａ〜数１００Ｐａの範囲に設定された真空雰囲気にする。この状態でアンテナ素子２２に高周波電力を給電すると、アンテナ素子２２の周囲に電磁波が放射され、真空容器１４内でプラズマが発生する。このプラズマにより、ガス放射板２４から放射される原料ガスが励起されて、原料ガスの解離粒子やラジカルが生成される。発生したプラズマは導電性を有するので、アンテナ素子２２から放射された電磁波はプラズマで反射され、アンテナ素子２２周辺の領域に局在化する。

また、各アンテナ素子２２は、隣接するアンテナ素子２２と給電方向が逆向きとなっているので、反応室２５においてプラズマが均一に形成される。このようにして均一に形成されたプラズマによって生成される原料ガスの解離粒子やラジカルが処理基板１２の表面に堆積付着して所望の膜を形成することができる。

次に、本発明の特徴に係るアンテナ素子２２のインピーダンス整合を行う制御装置３１関係の構成について説明する。制御装置３１は、入力部４１と、ニューラルネット４２と、出力部４３と、教師部４４とを備えて構成されている。入力部４１には、原料ガス条件及び高周波電力条件を含むプラズマ加工条件が入力されるようになっている。ここで、原料ガス条件は、原料ガスの種類、流量及び圧力等である。また、高周波電力条件は、高周波の周波数、電力量等である。これらのプラズマ加工条件は、図示していない入力手段から入力することができ、又は、図示していないそれらのプラズマ加工条件の検出手段から、連続的に入力するようにすることができる。後者の場合は、ＣＶＤ装置の運転中であっても、プラズマ加工条件の変動に合わせて、各アンテナ素子２２のインピーダンス整合を行うことができる。

ニューラルネット４２は、周知の構成を有するものであり、入力部４１から入力されるプラズマ加工条件に対応する各アンテナ素子２２のインピーダンス指令値を求めて出力部４３から出力するように構成されている。出力部４３から出力されるインピーダンス指令値は、インピーダンス整合器２６のサーボモータ２６ｅに入力される。サーボモータ２６ｅは、インピーダンス指令値に従ってコンデンサ２６ｂの電極間隔を制御して、各アンテナ素子２２のインピーダンスを指令値に調整するようになっている。

教師部４４は、入力部４１から入力されるプラズマ加工条件に対応させて、出力部４３から出力するインピーダンス指令値を、ニューラルネット４２に学習させる機能を有して構成されている。つまり、教師部４４は、過去の実績プラズマ加工条件と、その実績プラズマ加工条件に対応する各アンテナ素子２２のインピーダンス指令値の最適な実績値とに基づいて、入力部４１から入力されるプラズマ加工条件に対応する最適なインピーダンス指令値を出力部４３から出力させるようにニューラルネット４２を学習させる。

ここで、ニューラルネット４２の学習が十分でないとき、教師部４４は、用手法により過去に収集した実績プラズマ加工条件と、その実績プラズマ加工条件のときのインピーダンス指令値の実績値データ群に基づいて、ニューラルネット４２の学習を行う。つまり、入力部４１から実績プラズマ加工条件を入力し、そのとき出力部４３から出力されるインピーダンス指令値を取り込み、別途、教師部４４に入力される実績プラズマ加工条件に対応するインピーダンス指令値の最適な実績値とを比較し、その差を低減するように、ニューラルネット４２の各ニューロンの重み係数を変更することにより、プラズマ加工条件に対応するインピーダンス指令値の最適値を学習させる。

本実施形態では、インピーダンス指令値の最適な実績値として、アンテナ素子２２の反射電力が最小値になるときのアンテナ素子２２のインピーダンス値、又は、高周波電力が最大値となるときのアンテナ素子２２のインピーダンス値を用いる。これらのインピーダンス値は、用手法により、入力部４１に入力する過去のプラズマ加工条件に対応させて教師部４４に入力する。

このようにして、ニューラルネット４２にプラズマ加工条件に対応する最適なインピーダンス指令値を学習させることにより、未知のプラズマ加工条件によりＣＶＤ装置を運転するような場合であっても、そのプラズマ加工条件に対応した最適なインピーダンス指令値が出力される。このインピーダンス指令値は、各アンテナ素子に対応したものであり、かつ、複数のアンテナ素子相互の干渉を加味した実績値に基づくものである。したがって、各インピーダンス指令値により、対応するアンテナ素子２２のインピーダンス整合器２６のサーボモータ２６ｅを駆動して、コンデンサ２６ｂの電極間隔を調整することにより、速やかに各アンテナ素子２２のインピーダンスをプラズマ加工条件に対応させて整合させることができる。

また、教師部４４に、プラズマ加工条件とそのプラズマ加工条件に対応したインピーダンス指令値の最適な実績データをテーブル等に記憶しておき、ＣＶＤ装置の始動時ないし運転中において、図示していない検出手段から入力されるプラズマ加工条件に対応する過去のインピーダンス指令値の最適な実績値をテーブルから読み出し、出力部４３から出力されるインピーダンス指令値との差を求め、その差を低減するように各ニューロンの重み係数を調整して、学習を継続して行わせることが好ましい。

上記実施形態では、可変インピーダンス素子にコンデンサを用いる例を示したが、可変インピーダンス素子としては、誘導素子（インダクタ）を用いることもできる。

また、プラズマ電極として、複数のアンテナ素子を平面上に配列した例について説明したが、本発明はこれに限らず、平板状の電極を成膜対象の基材に対向させて配置たものにも適用することができる。しかし、本発明は、インピーダンスを整合させるプラズマ電極の数が多い場合に最も効果的である。

本発明のプラズマ加工装置の一実施形態のＣＶＤ装置の縦断面を示す。 図１のＣＶＤ装置の横断面図を示す。 本発明の特徴に係るインピーダンス整合の制御を行うニューラルネットを備えた制御装置の一実施形態のブロック構成図である。

符号の説明

１４ 真空容器
２１ 誘電体チューブ
２２ アンテナ素子
２６ インピーダンス整合器
２６ａ、２６ｂ コンデンサ
２６ｅ サーボモータ
２７ 電圧・電流センサ
２８ 高周波電源
２９ 分配器
３０ 給電ケーブル
３１ 制御装置

Claims (3)

1. 原料ガスの導入口を有する真空容器と、該真空容器内に設けられたプラズマ電極と、該プラズマ電極に給電路を介して高周波電力を供給する高周波電源と、前記給電路と前記プラズマ電極との接続部に設けられたインピーダンス整合器と、該インピーダンス整合器を調整して前記プラズマ電極のインピーダンスを給電路側のインピーダンスに整合させる制御装置とを備えたプラズマ加工装置において、
   前記制御装置は、原料ガス条件及び高周波電力条件を含むプラズマ加工条件を入力として、該プラズマ加工条件に対応する前記プラズマ電極のインピーダンス指令値を前記インピーダンス整合器に出力するニューラルネットと、前記プラズマ加工条件に対応する最適な前記インピーダンス指令値を前記ニューラルネットに学習させる教師部とを備え、
   該教師部は、過去のプラズマ加工条件と、該プラズマ加工条件に対応する前記インピーダンス指令値の実績値とに基づいて、入力される前記プラズマ加工条件に対応する最適な前記インピーダンス指令値を出力するように前記ニューラルネットに学習させることを特徴とするプラズマ加工装置。
2. 前記インピーダンス指令値の実績値は、前記高周波電力の最大値と前記プラズマ電極の反射電力の最小値のいずれか一方に対応するインピーダンス指令値であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ加工装置。
3. 前記プラズマ電極は、前記真空容器の側壁に支持させて該真空容器内に配列され、高周波の給電端の位置を互い違いにして設けられた複数の棒状のアンテナ素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ加工装置。

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