JP2006288009A5 - - Google Patents

Description

高周波電源装置

本願発明は、例えば半導体ウェハプロセスにおいて、プラズマエッチングを行うプラズマ処理装置等といった負荷に高周波電力を供給する高周波電源装置に関するものである。

従来、高周波電力を負荷に対して供給するシステムとしては、図９に示すように、例えば高周波電力を出力するための高周波電源装置３１と、この高周波電源装置３１に伝送ケーブル３２を介して接続され、高周波電源装置３１の入力インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合するためのインピーダンス整合器３３と、このインピーダンス整合器３３に負荷接続部３４を介して接続され、例えばプラズマ処理装置からなる負荷Ｌとで構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１６７５００号公報

高周波電源装置３１は、負荷Ｌに対して高周波電力を供給するための装置であり、例えば図示しない電力増幅回路や発振回路等を備え、所定の電力に設定された高周波電力をインピーダンス整合器３３を介して負荷Ｌに出力する。

負荷Ｌは、エッチングやＣＶＤ等の方法を用いて半導体ウェハや液晶基板等の被加工物を加工するための装置である。より詳細には、負荷Ｌは、例えばプラズマ処理装置（プラズマチャンバー）とされ、このプラズマ処理装置は、内部に備えた真空容器にプラズマ発生用のガスが導入され、供給された高周波電力を用いて上記ガスを電離させて、プラズマを発生させるものである。発生されたプラズマは、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物を加工するために利用される。

ここで、負荷Ｌとしてのプラズマ処理装置では、内部に大電流が流れてインピーダンスが急激に変化するとアークが発生することがある。アークが発生すると、プラズマ処理装置が破損してしまうことがあるので、高周波電源装置３１では、アークの発生を迅速に検出し、負荷Ｌに対して高周波電力の供給を停止させる必要がある。

アークの発生を検出する方法としては、所定時間内における反射係数の変化度合いを監視し、その変化の大小に基づいてアークの発生を検出する方法がある。すなわち、図１０に示すように、ある時点ｔ１１において反射係数Г０が算出されると、その反射係数Г０に基づいて基準下限値Гｄと基準上限値Гｕとで上下の幅が規定される判定基準幅Ｗが設定され、所定時間Ｔの間において反射係数の値が基準下限値Гｄを越え、かつ基準上限値Гｕを越えた場合に、アークが発生したと検出している（図１０において一点鎖線Ａがアークが発生したと検出される場合の反射係数の変化を示す。）。

従来のアークを検出する方法では、図１０に示したように、判定基準幅Ｗが反射係数の大小にかかわらず一定とされている。すなわち、判定基準幅Ｗの基準下限値Гｄ及び基準上限値Гｕは、反射係数Г０の値に応じてそれぞれ設定されるものの、基準下限値Гｄと基準上限値Гｕとの差、すなわち判定基準幅Ｗは、反射係数の値にかかわらず一定とされている。

例えば反射係数が比較的大きい場合には、負荷Ｌでは不安定な状態になっているため、少しのインピーダンスの変化、すなわち少しの反射係数の変化によってアークが発生することがある。しかしながら、従来のアークを検出する方法では、反射係数の大小にかかわらず判定基準幅は一定とされているため、反射係数が比較的大きい場合、そのときの反射係数の変化量は小さいのであるがアークが発生しているときに、それを検出することができないことがあるといった問題点がある。

本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、負荷において発生するアークの発生を検出するとき、その検出精度を向上させることができる高周波電源装置を提供することを、その課題とする。

上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

本願発明によって提供される高周波電源装置は、負荷に対して高周波電力を供給する電力供給手段と、前記負荷に入射される高周波電力と前記負荷から反射される高周波電力を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段で検出された前記負荷への入射電力と前記負荷からの反射電力とに基づいて反射係数を算出する反射係数算出手段と、前記反射係数算出手段によって算出された反射係数の値が所定時間内に予め定める基準幅以上変化したか否かを判別する判別手段と、前記判別手段による判別結果に基づいて、前記負荷におけるアークの発生を検出するアーク検出手段と、を備える高周波電源装置であって、前記反射係数算出手段によって算出された反射係数の値が、前記判別手段によって所定時間内に基準幅以上変化したか否かが判別されるとき、当該反射係数の値に応じて前記基準幅を可変する基準幅変更手段を備えたことを特徴としている（請求項１）。

この構成によれば、反射係数算出手段によって算出された反射係数の値が、判別手段によって所定時間内に基準幅以上変化したか否かが判別されるとき、当該反射係数の値に応じて基準幅が可変される。そのため、例えば反射係数の値が大きいほど基準幅が小さくなるように設定されるとすれば、反射係数が比較的大きいときにおける反射係数の変化が小さくても基準幅を超えればアークが発生したものと検出することができる。すなわち、反射係数が比較的大きい状態では、負荷は不安定な状態にあり、そのような状態のときにインピーダンス（反射係数）が急激に変化すればその変化度合いが小さくてもアークが発生することがある。このため、反射係数が比較的大きいほど基準幅を小さく設定しておけば、アークが発生しているような反射係数の小さい変化でもそれを適確に捉えることができる。したがって、反射係数の値の大小にかかわらず基準幅が一定であった従来の構成に比べ、より精度よくアークの発生を検出することができる。

また、上記高周波電源装置において、前記アーク検出手段によってアークの発生が検出されたとき、前記電力供給手段による前記負荷に対する高周波電力の供給を停止する供給停止手段がさらに備えられるとよい（請求項２）。

また、上記高周波電源装置において、前記基準幅は、前記反射係数算出手段によって算出された反射係数の値に応じた値が予め設定されており、かつ当該反射係数の値が大きいほど前記基準幅が小さくなるように選択されて設定されるとよい（請求項３）。

また、上記高周波電源装置において、前記基準幅は、第１閾値と、その第１閾値より値が大きい第２閾値とによってその幅が規定されており、前記アーク検出手段は、前記反射係数算出手段によって算出された反射係数の値が所定時間内に前記第１閾値を越え、かつ前記第２閾値を越えたとき、前記負荷においてアークが発生したと検出するとよい（請求項４）。

本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本願発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本願発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの一例を示す図である。この高周波電力供給システムは、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物に対して高周波電力を供給して、例えばプラズマエッチングといった加工処理を行うものである。この高周波電力供給システムは、高周波電源装置１、伝送線路２、インピーダンス整合器３、負荷接続部４及び負荷Ｌで構成されている。

高周波電源装置１には、例えば同軸ケーブルからなる伝送線路２を介してインピーダンス整合器３が接続され、インピーダンス整合器３には、例えば電磁波が漏れないように遮蔽された銅板からなる負荷接続部４が接続され、負荷接続部４には、負荷Ｌが接続されている。

高周波電源装置１は、負荷Ｌに対して例えば数百ｋＨｚ以上の出力周波数を有する高周波電力を供給するための装置である。高周波電源装置１については後述する。

インピーダンス整合器３は、高周波電源装置１と負荷Ｌとのインピーダンスを整合させるものであり、図示しないが、インピーダンス素子であるキャパシタやインダクタ等を備えている。より具体的には、例えば高周波電源装置１の出力端から高周波電源装置１側を見たインピーダンス（出力インピーダンス）が例えば５０Ωに設計され、高周波電源装置１が、特性インピーダンス５０Ωの伝送線路２でインピーダンス整合器３の入力端に接続されているとすると、インピーダンス整合器３は、当該インピーダンス整合器３の入力端から負荷Ｌ側を見たインピーダンスを５０Ωに整合する。

負荷Ｌは、半導体ウェハや液晶基板等の被加工物をエッチングやＣＶＤ等の方法を用いて加工するためのプラズマ処理装置（プラズマチャンバー）である。プラズマ処理装置では、被加工物の加工目的に応じて各種の加工プロセスが実行される。例えば、被加工物に対してエッチングを行う場合には、そのエッチングに応じたガス種類、ガス圧力、高周波電力の供給電力値、及び高周波電力の供給時間等が適切に設定された加工プロセスが行われる。

加工プロセスでは、被加工物が配置される容器（図略）内に例えば窒素やアルゴン等のプラズマ放電用ガスが導入される。そして、高周波電力の供給が開始されると、容器内に設けられた２つの端子の間に所定の電圧が印加され、その印加された電圧によってプラズマ放電用ガスが放電されて非プラズマ状態からプラズマ状態になり、プラズマ状態になったガスを用いて被加工物が加工されるようになっている。

本実施形態における高周波電源装置１は、高周波電力を負荷Ｌに対して供給するものであって、出力周波数を調整して高周波電力を出力することのできる周波数可変装置である。また、高周波電源装置１は、変動する反射係数の値を算出してその反射係数の変化に基づいて負荷Ｌに発生するアークを検出する機能と、アークを検出した場合に負荷Ｌに対する高周波電力の供給を停止する機能とを有するものである。

すなわち、負荷Ｌにおいてアークが発生するということは、負荷Ｌにおいて、過電圧が発生したり過電流が流れたりして、インピーダンスが急激に変化している状態となっている場合である。このアークが発生すると、負荷Ｌであるプラズマ処理装置が破損することがあるため、高周波電源装置１では、プラズマ処理装置が破損する前にアークを事前に検出して、負荷Ｌに対して高周波電力の供給を停止するようにしている。

高周波電源装置１は、図１に示すように、出力電力設定部１１と、制御部１２と、メモリ１３と、発振部１４と、増幅部１５と、パワー検出部１６と、反射係数算出部１７、基準幅設定部１８と、アーク検出部１９とを備えている。

出力電力設定部１１は、例えばユーザ等によって負荷Ｌに出力すべき高周波電力を設定するためのものであり、図１では省略しているが、高周波電力の出力値を設定するための出力電力設定スイッチ、及び高周波電力の供給の開始を指示する出力開始スイッチ等が備えられた操作部が設けられている。出力電力設定部１１において設定された高周波電力の出力値は、制御部１２に出力される。

制御部１２は、本高周波電源装置１の制御中枢となるものであり、出力電力設定部１１において設定された高周波電力の出力値に基づいて発振部１４に制御信号を出力することにより、負荷Ｌに対して高周波電力を供給させるものである。また、本実施形態に係る制御部１２は、アーク検出部１９からの検出信号に基づいて発振部１４を制御することにより、負荷Ｌに対する高周波電力の供給を停止させる。

制御部１２には、メモリ１３が接続されており、メモリ１３には、高周波電力を負荷Ｌに供給するための制御プログラムが記憶されている。また、メモリ１３には、後述するアークの発生を検出する処理で用いられる判定基準幅のデータ（後述する定数Ｋ２，Ｋ３等）や判定時間のデータが記憶されている。また、メモリ１３には、反射係数算出部１７において算出される反射係数の値等が変数データとして記憶される。上記判定基準幅や判定時間については後述する。

発振部１４は、制御部１２からの制御信号によってその発振出力の出力周波数が制御されるものである。高周波電力の出力周波数を調整する必要があるときには、発振部１４は、制御部１２から出力周波数を調整する内容の制御信号を入力し、その制御信号に基づいて発振出力の出力周波数を変換し、発振出力信号として増幅部１５に出力する。

増幅部１５は、発振部１４からの発振出力信号を増幅して高周波電力を出力するものである。増幅部１５において増幅された発振出力信号は、パワー検出部１６を介してインピーダンス整合器３に出力される。

パワー検出部１６は、増幅部１５から出力される高周波電力を検出するものであり、例えば、方向性結合器によって構成されている。パワー検出部１６は、増幅部１５から負荷Ｌ側に進行する高周波（以下、進行波という。）と負荷Ｌ側から反射してくる高周波（以下、反射波という。）とを分離して、それらの電力値をそれぞれ検出するものである。パワー検出部１６において検出された進行波の電力値及び反射波の電力値は、反射係数算出部１７に出力される。

反射係数算出部１７は、パワー検出部１６から入力される進行波の電力値及び反射波の電力値に基づいて、反射係数を算出するものである。反射係数は、例えば進行波の電力Ｐｆと反射波の電力Ｐｒとの割合Ｐｒ／Ｐｆを演算することにより求められる。この反射係数の値は、基準幅設定部１８に出力される。

基準幅設定部１８は、所定時間（判定時間）内における反射係数の値の変化に基づいてアークが発生したか否かが判別される判別処理において、その判別基準となる判定基準幅を設定するものである。ここで、判定基準幅とは、図２に示すように、反射係数に対して、判定基準下限値Гｄと、その値より大きい判定基準上限値Гｕとで定められる幅のことである。また、判定時間とは、上記判別処理が行われる時間をいい、図２に示すＴで表される時間（例えば１００μｓｅｃ）のことである。すなわち、判定時間Ｔは、反射係数Г０が算出される時点ｔ₁に対して一定時間Ｔ０経過後の時刻ｔ₂から、判別処理が終了する時刻ｔ₃までの時間である。なお、判定時間Ｔは、任意の値に設定できるようにしてもよい。

基準幅設定部１８では、反射係数算出部１７から反射係数が入力されると、その反射係数の値に応じて判定基準幅Ｗが設定されるのであるが、本実施形態では、その判定基準幅Ｗが反射係数の値に応じて可変されるようになっている。例えば、図３に示すように、反射係数Г０の値が比較的大きいときには、判定基準幅Ｗが小さく設定され、反射係数Г０の値が比較的小さいときには、判定基準幅Ｗが大きく設定される。

具体的な判定基準幅Ｗの設定方法としては、基準下限値Гｄは、算出される反射係数Г０に予め定める定数Ｋ１（例えば１．０１）を掛け合わすことによって設定される。定数Ｋ１は、算出される反射係数Г０の値に対して所定値Гａだけ嵩上げして、基準下限値Гｄを反射係数Г０の値より少し高めに設定するものである。また、判定基準幅Ｗは、算出される反射係数Г０に基づいて設定される定数Ｋ２に基本値Ｂが掛け合わされることにより設定される。基本値Ｂは、判定基準幅Ｗの最小単位を示すものであり、定数Ｋ２は、算出される反射係数Г０の値に応じて予め定められた値である。本実施形態においては、反射係数Г０の値が大きいほど定数Ｋ２の値が小さくなるように設定されている。また、基準上限値Гｕは、基準下限値Гｄ＋基本値Ｂ×定数Ｋ２で表され、上式に各数値が代入されることにより基準上限値Гｕが設定される。

なお、判定基準幅Ｗの設定方法は、上記方法に限らず、他の方法が用いられてもよい。例えば、反射係数は、図４に示すように、その値に応じて複数のゾーンに区分けされ、各ゾーンによって判定基準幅Ｗが異なるように予め設定されていてもよい。この場合、反射係数の値が大きいゾーンほど、判定基準幅Ｗが小さくなるように設定される。例えば、算出された反射係数Г０がＡゾーン内にあるとすると、判定基準幅Ｗは、反射係数Г０の例えば±１０％とされる。また、例えば算出された反射係数Г０がＥゾーン内にあるとすると、判定基準幅Ｗは、算出された反射係数Г０の例えば±５００％とされる。

このように、反射係数Г０の値に応じて判定基準幅Ｗを可変させれば、アークの発生を高精度で検出することができる。例えば、反射係数Г０の値が大きいほど判定基準幅Ｗが小さくなるように設定されているので、反射係数Г０が比較的大きいときにおけるその変化が小さくても判定基準幅Ｗを超えればアークが発生したものと検出することができる。

すなわち、反射係数Г０が比較的大きい状態では、負荷Ｌは不安定な状態にあり、そのような状態のときにインピーダンス（反射係数）が急激に変化すればその変化度合いが小さくてもアークが発生することがある。このため、反射係数Г０が比較的大きいほど判定基準幅Ｗを小さく設定しておけば、アークが発生しているような反射係数Г０が小さい変化でもそれを適確に捉えることができる。したがって、反射係数Г０の値の大小にかかわらず判定基準幅Ｗが一定であった従来の構成に比べ、より精度よくアークの発生を検出することができる。また、アークの発生を高精度に検出できる結果、負荷Ｌの損傷する可能性を少なくすることができる。

また、反射係数の値が比較的小さいほど、判定基準幅Ｗが比較的大きくなるように設定される。反射係数の値が比較的小さい状態では、負荷Ｌの状態が比較的安定しているため、そのような状態で判定基準幅Ｗを小さくすると、アークの発生を頻繁に検出することになる。本実施形態では、反射係数の値が比較的小さいときには、判定基準幅Ｗが大きく設定されるので、アークの発生を頻繁に検出することがなくなり、実用的な装置となる。

図１に戻り、アーク検出部１９は、反射係数算出部１７からの反射係数の値に基づいて、負荷Ｌにおいてアークが発生したか否かを検出するものである。アーク検出部１９は、反射係数算出部１７からの反射係数の値を入力し、反射係数の値が所定時間Ｔ内に判定基準幅Ｗ以上変化した場合、すなわち、反射係数の値が所定時間Ｔ内に基準下限値Гｄを越え、かつ基準上限値Гｕを越えたとき、インピーダンスが急激に変化して負荷Ｌにアークが発生したものとして検出している。アーク検出部１９は、アークの発生を検出すると、制御部１２に対して検出信号を出力する。

次に、上記構成における制御動作について図５に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、ユーザの出力電力設定部１１を通じた操作によって、高周波電力の出力レベルが設定されると、高周波電源装置１から高周波電力が負荷Ｌに対して供給される（Ｓ１）。すなわち、制御部１２では、まず、発振部１４に高周波電力を所定の出力周波数で出力すべき制御信号が出力される。発振部１４では、増幅部１５に対して所定の出力周波数で出力すべき発振出力信号が出力され、増幅部１５から所定の出力周波数に基づく高周波電力が負荷Ｌに対して出力される。

パワー検出部１６では、増幅部１５から出力された高周波電力に基づいて進行波の電力が検出されるとともに、負荷Ｌで反射された高周波に基づいて反射波の電力が検出され、進行波の電力及び反射波の電力は反射係数算出部１７に出力される。反射係数算出部１７では、進行波の電力及び反射波の電力に基づいて反射係数Г０が算出される（Ｓ２）。算出された反射係数Г０は、基準幅設定部１８に出力される。

基準幅設定部１８では、反射係数算出部１７で算出された反射係数Г０に基づいて、判定基準幅Ｗが設定される。まず、基準下限値Гｄが設定される（Ｓ３）。具体的には、基準下限値Гｄは、算出された反射係数Г０に予めメモリ１３に記憶された定数Ｋ１（例えば１．０１）が乗算されて設定される。

次いで、基準上限値Гｕが設定される。具体的には、算出された反射係数Г０に応じて定数Ｋ２が設定される（Ｓ４）。この定数Ｋ２は、予めメモリ１３に記憶され、反射係数に応じて定められた値であり、反射係数の値が大きいほど小さく設定されている。判定基準幅Ｗは、この定数Ｋ２に判定基準幅Ｗの最小単位である基本値Ｂが掛け合わされて設定される。定数Ｋ２は、算出された反射係数Г０の値に応じて予め定められた値である。そして、基準下限値Гｄ＋基本値Ｂ×定数Ｋ２により基準上限値Гｕが設定される（Ｓ５）。

基準上限値Гｕが設定されると、反射係数Г０が算出された一定時間Ｔ０後、タイマーがスタートされ（Ｓ６）、判定処理が開始される。判定時間Ｔの間は、常時、反射係数算出部１７において反射係数の値が算出され、その値がアーク検出部１９に入力される。そして、アーク検出部１９においてアークが発生したか否かの判別処理が行われる。

具体的には、まず、反射係数の値が基準下限値Гｄを上回ったか否かが判別される（Ｓ７）。反射係数の値が基準下限値Гｄを上回ったと判別されなかったとき（Ｓ７：ＮＯ）、判定時間Ｔが経過したか否かが判別される（Ｓ８）。ここで、判定時間Ｔが経過したと判別されたとき（Ｓ８：ＹＥＳ）、この場合は、図６に示すように、反射係数の値が判定基準幅Ｗ以上の変化をせずに判定時間Ｔ経過した場合とされ、アークは発生していないと判定される。その後、処理はステップＳ２に戻り、反射係数Г０の値が新たに算出される。

また、ステップＳ７において、反射係数の値が基準下限値Гｄを上回ったと判別されたとき（Ｓ７：ＹＥＳ）、反射係数の値が基準上限値Гｕを上回ったか否かが判別される（Ｓ９）。反射係数の値が基準上限値Гｕを上回ったと判別されなかったとき（Ｓ９：ＮＯ）、ステップＳ８に進み、判定時間Ｔが経過したか否かが判別される。ここで、判定時間Ｔが経過したと判別されたとき（Ｓ８：ＹＥＳ）、この場合は、図７に示すように、反射係数の値は基準下限値Гｄを上回ったけれども、判定時間Ｔが経過したときには基準上限値Гｕを上回らなかった場合とされ、この場合もアークは発生していないと判定される。

一方、ステップＳ９において、反射係数の値が基準上限値Гｕを上回ったと判別されたとき（Ｓ９：ＹＥＳ）、すなわち、図８に示すように、反射係数の値が判定時間Ｔ内で基準下限値Гｄを上回り、かつ基準上限値Гｕをも上回ったとき、反射係数が急激に変化しているので、アーク検出部１９ではアークが発生したと検出される（Ｓ１０）。

アーク検出部１９においてアークが発生したと検出されると、その検出信号が制御部１２に出力され、制御部１２では、高周波電力の供給を停止する処理が行われる（Ｓ１１）。すなわち、制御部１２では、発振部１４への制御信号の出力を停止する。これにより、負荷Ｌに対する高周波電力の供給が停止され、負荷Ｌにおいて加工プロセスが停止される。

上記の判定処理は、アークの発生を検出しない限り、繰り返し行われるので、負荷Ｌにおいては安定した状態で加工プロセスを行うことができる。

もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、アークの発生を検出した場合には、その検出信号が図示しない外部処理装置に出力されるようにしてもよい。

本願発明に係る高周波電源装置が適用される高周波電力供給システムの構成図である。 判定基準幅及び判定時間を説明するための図である。 反射係数の値に対する判定基準幅の設定を説明するための図である。 ゾーンと判定基準幅との関係を示す図である。 高周波電源装置の制御動作を示すフローチャートである。 反射係数が基準下限値を超えない場合の時間と反射係数との関係を示す図である。 反射係数が基準下限値を超えたが基準上限値を越えない場合の時間と反射係数との関係を示す図である。 反射係数が基準下限値及び基準上限値を越えた場合の時間と反射係数との関係を示す図である。 従来の高周波電力供給システムの構成図である。 従来の反射係数の値に対する判定基準幅の設定を説明するための図である。

符号の説明

１ 高周波電源装置
３ インピーダンス整合器
１１ 出力電力設定部
１２ 制御部
１３ メモリ
１４ 発振部
１５ 増幅部
１６ パワー検出部
１７ 反射係数算出部
１８ 基準幅設定部
１９ アーク検出部
Ｌ 負荷
Ｗ 判定基準幅