JP2006524422A - プラズマ発生装置、方法、および調整可能デューティサイクルを有するｒｆ駆動回路 - Google Patents

Abstract

RFドライバ回路および直交アンテナアセンブリ/構成が、高密度プラズマを生成するための方法およびシステムの一部として開示される。このアンテナアセンブリは、低インピーダンスを与えるための適切なインピーダンス整合を有する任意のRF発生器/回路によって駆動することができる直交アンテナシステムである。開示されるRFドライバ回路は、スイッチングタイプの増幅器素子を使用し、低出力インピーダンスを与える。開示される低出力インピーダンスのRFドライバ回路では、プラズマに関係する固有インピーダンス変化とインターフェースをとるための整合回路が不要になる。また、RFプラズマ源に同調をもたらすための容量値またはインダクタンス値の選択が開示される。約数十Hzから数百kHzまでの周波数で複数の電力レベル間でプラズマを高速スイッチングする方法も提供される。

Description

本発明は、一般にプラズマ発生システムの設計および実施に関する。より詳細には、本発明は、プラズマを生成するための、高周波増幅器、アンテナ、およびこの増幅器とアンテナをインターフェースするための効果的な回路接続に関する。

プラズマは一般に、物質の第4の状態と考えられており、その他は、固体状態、液体状態およびガス状態である。プラズマ状態では、物質の基本成分が、実質的にイオン化された形態にあり、とりわけ、それらの反応性、エネルギー、および有向ビーム形成に対する適性が高まるために、多くの用途に有用となっている。

プラズマ発生器は、電子部品、集積回路、および医療機器の製造、ならびに様々な物品および機械の動作に日常的に使用されている。たとえば、プラズマは、所望の物質の層をたとえば化学反応またはソースからのスパッタリングの後に堆積させるために、材料を高精度でエッチングするために、プラズマ中の遊離基またはプラズマによって誘導された遊離基によって物体を殺菌するために、あるいは材料の表面特性を改変するために広く使用されている。

高周波(「RF」)電源に基づくプラズマ発生器は、いつでもプラズマ源を提供できるとともに、多くの場合携帯型であり、移動が容易であるので、実験および工業の場面でしばしば使用される。そのようなプラズマは、一般に低圧力(および低密度)でRF放射をガスに結合させ、このガスをイオン化させることによって生成される。RFプラズマ発生システムにおいては、プラズマは、プロセス条件が変化したとき、アンテナ端子で可変負荷となる。プロセス制御因子のうちで、とりわけ作動ガスおよび使用圧力の変化が、アンテナ端子で見られる負荷量に影響を及ぼす。さらに、RF駆動波形自体の振幅が、プラズマ温度および密度に影響を及ぼし、それによってアンテナ負荷にも影響を及ぼす。したがって、アンテナ/プラズマの組合せは、駆動するRF電源にとっては非定常非線形負荷となる。

典型的なRF源は50オームの出力インピーダンスを有し、このRF源が負荷に最も効率的に結合するためには、50オームの整合インピーダンスを与える負荷が必要である。プラズマの自己インダクタンス、実効抵抗、およびアンテナとの相互インダクタンスが予測不可能に頻繁に変化するため、RF源から生成されるプラズマに十分なエネルギーが伝達されるように、いくつかの回路素子を、場合によってはプラズマを再同調することによって、インピーダンス整合させておく。これを実現するために、一般に調整可能なインピーダンス整合回路網、すなわち「整合箱」を使用して、プラズマ状態の変化による負荷インピーダンスの変動を補償する。この整合箱は一般に、2つの独立する同調可能な構成要素を含んでおり、一方の構成要素が直列インピーダンスを調整し、他方の構成要素が並列（ｓｈｕｎｔ）シャントインピーダンスを調整する。これらの構成要素は、プラズマへの最適電力伝達を実現するために、互いに連係して調整されなければならない。驚くほどのことではないが、これらの構成要素を正確に同調させることは、しばしば困難なプロセスである。通常、再同調には、可能な自動化の程度がかなり限定されるため、1つまたは複数の構成要素の値を調整するための手動式/機械式の操作/アクチュエータおよび全体的に洗練されたフィードバック回路が必要とされる。

ガスに十分大きな電界を印加することにより、ガス原子内の正に帯電した原子核から電子を分離させ、それによって、このガスをイオン化し、プラズマとして知られる導電性流体様物質を形成することは良く知られている。高周波の電磁場をガスと結合させると、アンテナを介してこのイオン化したガス中に誘導電流が発生する。この誘導電流が、ガスをさらにイオン化させ、それによってガスの導電率を高め、その結果、アンテナフィールドがガス中の荷電粒子と結合する効率を高める。これにより、誘導電流が増加するようになり、その結果、様々なメカニズムによってガスの電気的破壊および実質的なイオン化がもたらされる。RF結合の有効性は、使用される特定のRF電磁場および/または波に依存する。次に、大量のプラズマの効率的生成に適したいくつかのタイプの波について説明する。

静磁界B_O中に置かれた無限プラズマ中で伝搬できる右旋円偏波電磁波(R波と呼ばれることもある)がホイスラー波である。ホイスラー波がシリンダなどの有限プラズマ中に生成される場合、境界条件の存在により、すなわちシステムが無限ではないことにより、左旋円偏波モード(L波)が全電磁場に対する静電的寄与と共に同時に存在する。これらの「有界ホイスラー」は、ヘリコン波として知られている。Boswell, R.W., Plasma Phys. 26, 1147 (1981) を参照されたい。それらの興味深く有用な特性としては、(1)他のRFプラズマ生成技法の効率よりも高い効率で比較的高密度のプラズマが生成され維持されること、(2)RF入力電力がわずか数kWの比較的小型な装置において、1立方センチメートル当たりの粒子数が最多でN_P≒10¹⁴個のプラズマ密度が得られること、(3)ほとんどの場合に安定した比較的静かなプラズマが得られること、(4)プラズマの一様性が優れていること、および(5)コンマ数ミリトールから数十ミリトールまでの広い圧力範囲にわたってプラズマが生成されることが含まれる。ヘリコンモード励起に関連したプラズマの顕著な改善が、安価な構成要素を使用して容易に、かつ経済的に生成される比較的小さいB_O磁界で観察される。

プラズマ密度(N_P)の顕著な改善および一様性は、B_O<150Gの比較的小型のチャンバ内で、低磁界m=+1ヘリコンR波の励起によって実現することができる。これは、たとえば、その電磁場パターン(field pattern)がアンテナフィールドと同じ体積を占める1つまたは複数のヘリコンモードに類似し、したがってこのヘリコンモードと結合するアンテナを使用することによって実現することができる。適切な1組の結合条件には、印加磁界B_O、RF周波数(F_RF)、密度N_P自体、および物理的寸法が含まれる。

RF電源をプラズマに結合するためのいくつかのアンテナ設計が、米国特許第4,792,732号、第6,264,812号および第6,304,036号によって開示されている。しかし、これらの設計は比較的複雑であり、システム取得費および維持費を増加させるカスタムコンポーネントをしばしば必要とする。さらに、これらの設計の全てが、本明細書において開示される好ましいモードであるヘリコンモードの効率的な生成に適しているわけではない。

RF電源は一般に、外部RF信号を入力として受信するか、またはRF信号発生回路を含んでいる。多くの処理適用例では、このRF信号の周波数は13.56MHzであるが、本発明はこの周波数での動作に限定されない。この信号は、電源出力段で増幅され、次いで、アンテナを介して、プラズマ生成用プラズマ発生器内のガス/プラズマに結合される。増幅器は、従来から、効率、直線性、増幅度、インピーダンスなどの増幅器の性能特性、および対象とする用途に基づいて様々な等級に区分されている。電力増幅では、重要な問題が熱として無駄に消費される電力量である。というのは、熱を放散させるためにヒートシンクを設けなければならず、その結果、非効率的な増幅器を使用して装置の寸法を増大させるからである。増幅器によって無駄に消費される電力の固有限界はその出力インピーダンスで決まるので、重要な分類は、増幅器によって与えられる出力インピーダンスである。

典型的なRF増幅器は、50オームの標準出力インピーダンスを与えるように設計されている。このような増幅器の出力端子間の電圧およびこれらの端子に流れる電流はどちらもゼロではないので、それらの積は、その増幅器によって放散される電力の推定値となる。こうした増幅器とは対照的に、スイッチは2つの状態を示す。つまり、短絡すなわち低インピーダンスに対応するON状態か、開回路すなわち無限(または少なくとも非常に大きな)インピーダンスに対応するOFF状態のどちらかである。スイッチモード増幅器では、増幅器の素子が、増幅すべき信号の制御下でスイッチとして働く。電流および電圧がスイッチ素子内の電力消費を最少にするような位相差となるように、たとえば整合負荷回路網を用いて信号を適切に整形することによって電流と電圧との間に位相差を導入することが可能である。すなわち、電流が大きい場合に電圧は低くなるか、さらにはゼロにもなり、また逆の場合も同様である。米国特許第3,919,656号および第5,187,580号は、スイッチモード増幅器内で放散される電力を低減し、さらには最少にするための様々な電圧/電流の関係を開示している。

米国特許第5,747,935号は、プラズマインピーダンスの変動を考慮してRF電源をより安定化させるために、所望の周波数で示すインピーダンスが高く、基本波の高調波が短絡されるスイッチモードRF増幅器および整合負荷回路網を開示している。これらの整合回路網は、動的整合回路網を除去するどころか、スイッチモード電源での動作の複雑性を増大させる。

効率的なプラズマ発生器の設計に際して直面する問題には、あまり手入れの要らない、構成が容易なアンテナの必要性、RF電源をプラズマによって与えられる非線形動作インピーダンスに結合するための高価で限定された整合回路網の除去、および効率的に変調できるRF電源の必要性が含まれる。

したがって、本発明の一目的は、RF電源をプラズマに効率的に結合するための改良型アンテナ設計を提供することである。本発明のもう1つの目的は、RF電源を用いて、RF電源をプラズマに結合するために整合回路網を使用する必要なしにプラズマを生成するためのシステムを提供することである。

本発明の一実施形態による例示的なプラズマ発生器システムは、それぞれループ軸を有する複数のループを含み、この複数のループが、各ループ軸が共通軸と実質的に直交するように共通軸の周りに配置されたアンテナを備える少なくとも1つのプラズマ源と、複数のループを直角位相で駆動するための、円偏波モード、好ましくはヘリコンモードでアンテナを介して駆動されるプラズマ負荷に結合された少なくとも1つの高周波電源と、実質的に共通軸に沿った静磁界と、リアクタンスとプラズマがないアンテナループとが特定の周波数にほぼ等しい共振周波数を有するようにスイッチング増幅器をアンテナループに結合し、整合回路網を必要とせずに済むリアクタンスとを備える。スイッチング増幅器をアンテナループに結合するリアクタンスは、少なくともその一部がコンデンサによって提供されることが好ましい。

高周波電源は、実質的にA級の増幅器、実質的にAB級の増幅器、実質的にB級の増幅器、実質的にC級の増幅器、実質的にD級の増幅器、実質的にE級の増幅器、および実質的にF級の増幅器からなる群からの少なくとも1つの増幅器を含むことが好ましい。一実施形態では、これらの増幅器は、駆動インピーダンスを小さい値に低減させるために、変圧器の一次側に接続される。さらに好ましくは、この高周波電源は、出力インピーダンスが比較的低いプッシュプル構成のD級増幅器を含む。

好ましい一実施形態では、高周波電源は、アンテナの入力インピーダンスと比べて低い出力インピーダンスを示す。この低出力インピーダンスは、50オームの標準インピーダンスよりもずっと低いことがしばしばである。出力インピーダンスは、約0.5オーム未満、約2オーム未満、約3オーム未満、約5オーム未満、約8オーム未満、約10オーム未満、および約20オーム未満からなる組から選択される範囲内であることが好ましい。出力インピーダンスは5オーム未満であることが好ましく、出力インピーダンスは0.5〜2オームであることがより好ましく、出力インピーダンスは1オーム未満であることが最も好ましい。この低インピーダンスドライバを、開示される、ドライバをアンテナの電流ストラップに接続するための回路と共に使用することによって、整合箱の必要性がなくなり、それによって回路の複雑性が軽減され、プラズマ処理システムにおける故障原因が取り除かれる。

開示されるシステムの他の利点は、プラズマ形成前にアンテナに印加される電圧をかなり大きくすることができ、それによって様々な使用条件でプラズマを起動する能力を高めることである。プラズマが形成されると、電圧はこのプラズマを維持するための低いレベルに低下し、起こり得る高いアンテナ電圧に起因する害を軽減する。

このシステムは、アンテナ素子間の位相合わせおよびB_O値に応じて、ヘリコン源として、または磁気誘導結合プラズマ(MICP)源として、あるいはB_O=0におけるICP源として動作することができる。さらに、従来技術のプラズマ源にアクセスし、かつ/またはこれを利用することが非常に困難な圧力状態において(たとえば約100mTorrのP_Oで)有効かつ確実に動作することが観察されている。中性（ガス）圧力P_O、入力電力P_RF、および外部印加される軸方向磁界B_Oに関する条件が適正になるとき、アンテナ素子内の電流は、直角位相励起モードで突然「ロック」したようになる。これが起こったとき、プラズマは、チャンバをほぼ一様に満たしているものと思われるが、これは、一様な処理条件を生成する能力のため、その他のプラズマ源よりも有利である。

さらに、アンテナシステムとRF発生器を組み合わせると、他のプラズマ源に関して報告されているよりもずっと広い範囲にわたってプラズマパラメータが変動する条件(たとえば、約1分間継続するサイクル内で、中性（ガス）圧力P_Oが100mTorrから5mTorrまで低下し、その後再び100mTorrにまで復帰する条件)の下で、整合回路網構成要素の調整を必要とすることなくプラズマを生成し、維持することができる。

開示されるシステムの他の利点は、整合回路網をなくすことにより、プラズマ源に「瞬時ON」型動作をもたらすことができることである。この特性を用いて、使用されるプロセスに追加の制御を提供することができる。特に、プラズマを生成しているRF電源の振幅を、30%や100%など2つ(または3つ以上)のレベル間で、あるいは完全なオンオフ方式(0%〜100%)で変調することが可能になる。この変調は、たとえば数キロヘルツの周波数で急激に行うことができ、いくつかの目的を達成することができる。たとえば、平均RF電力を低減させ、その結果として平均プラズマ密度を低下させることができる。この「瞬時ON」動作によって、わずか5Wの平均RF入力電力で体積50リットルまでのプラズマを生成することができる。

さらに、変調を用いて、反応チャンバ内の作動ガスの空間分布を制御することもできる。この作動ガスの分布は、活性化学物質または活性基のフラックスの不均一性にしばしば寄与するプラズマによって修正される。プラズマ生成のデューティサイクルを変調することにより、プラズマのオフタイム(または電力レベル低下時間)中の中性ガスの流量特性を調整して、デューティサイクルによりプロセスの一様性を制御することができる。プラズマ起動時間は一般に、RF用途の10〜20マイクロ秒の範囲内にあるので、デューティサイクルを、数十kHzないし数百kHzの高い周波数で制御することができる。

好ましい一実施形態では、プラズマを点火し生成するためにヘリコンモードRF波が使用される。しかし、この例示的なヘリコンモードに加えて他のモードを使用することもできる。プラズマ源は、たとえば、誘導結合プラズマ(ICP)型の装置としても動作することができる。さらに、変形形態は、容量結合モード(Eモード)動作に適している。

添付の例示的な図は、本発明の様々な実施形態をより良く説明するために提供するものであり、特許請求の範囲を限定することを意図したものではない。

まず図を参照すると、図1は、本発明の一実施形態に従って構成された、2組のアンテナ素子を備えたプラズマ源チャンバを示す。このアンテナ設計は、共通軸の周りに配置された、2つの直交単巻きまたは多重巻きループ素子105、110、115および120を含んでいる。アンテナ素子105、110、115および120はそれぞれ、図示のRF電源A125またはB130によって駆動される。各アンテナループは、アンテナ素子を直角位相で駆動するために、分相器を備えた同じRF電源に結合することができ、あるいは異なるRF電源に結合することもできる。アンテナループは、8ゲージテフロン被覆線で作成されていることが好ましいが、銅線または他の導体を使用することもできる。

図1は、直交する2組の2素子ヘルムホルツコイル様ループアンテナを示しており、一方の組にループ素子105および115を備え、もう1つの組にループ素子110および120を備えている。これらのループ素子は、これらの素子を電流が流れるときに生成される磁界が絶縁シリンダ135の軸をほぼ横断するように、絶縁シリンダ135の周りに方位角方向に巻き付けられている。各組の対向する素子は、ヘルムホルツ配置で直列接続されている。装置の動作には必要でないことだが、対向するループ素子を相互接続する電線は、隣接するセグメントがこれらの相互接続する電線に伴う浮遊磁界の相殺を高めるために反対方向に流れる電流を伝えるように配置されることが好ましい。これらのアンテナは、回転横方向直交磁界に近似したものを生成するために、両直交分岐中の電流がほぼ等しく、90度の位相差になるように励起される。

ヘリコンモードプラズマの例の場合、軸方向B_O静磁界140が、たとえば簡単な電磁石によって生成される。この磁界は、シリンダの軸に沿って走る。この静磁界の方向は、回転横方向磁界がｍ=+1へリコン波の磁界を模倣するようになっている。実際には、外部磁界を生成する電流の振幅および方向を調整して、プラズマ発生器の性能を変調することができる。ここで論じるパラメータとして、必要な磁界の全振幅は、一般に10〜100ガウスの範囲にあるが、寸法が異なるプラズマ源に対しては、別の範囲を使用することができる。いったん静磁界の最適振幅および方向が選択されると、通常、振幅および方向をさらに調整する必要はない。

アンテナ素子の静磁界とRF磁界を結合させると、絶縁シリンダ内のプラズマ中にプラズマ放電を維持するm=+1ヘリコンモードが生成される。このヘリコンモードが直接励起されないように、静磁界を変化させ、それによって離調させ、あるいは全く磁界を印加しないようにすることも可能であることに留意されたい。この操作によってプラズマも生成されるが、一般的にヘリコンモードほど効率的ではない。当然ながら、そのとき静磁界を印加して、プラズマ源/発生器の動作を改善することができる。

たとえば、単一ループの代わりに多重巻きループアンテナおよび/またはスクワットベルジャーを使用して、図1と同じ全体的な状態を実現することが可能であることにも留意されたい。必要条件ではないが、ベルジャーは、ギャップが1/2インチしかないアンテナフレーム内にはまることが好ましい。

プラズマ源セットアップの一例は次の通りである。水晶ベルジャーは、内径が約12インチ(標準K.J. Lesker 12×12など)であり、半径6インチの半球形頭部を有する高さ約15cmのまっすぐなシリンダ部分からなる。このジャーは、内径約12インチ×高さ約8インチの真空チャンバ(プラズマ源の一部ではない)の上に置かれる。アンテナは、ベルジャーを取り囲む、2組の対向し密集するほぼ長方形の2巻き連続ループアンテナ素子で構成されており、アンテナとベルジャーとの間は、全てのポイントで約1/8インチ〜約1/2インチ離隔している。素子の磁界が加算的になるように、各素子内の巻線は直列接続され、各組内の2つの素子も直列接続されている。各組の自己インダクタンスは、この例では約10マイクロヘンリーであり、2つの組の間の相互インダクタンスは、1マイクロヘンリー未満である。それぞれの長さが約25cmおよび約20cmの垂直および水平アンテナループ区間は、8ゲージテフロン被覆線からなる。代替実施形態では、単巻きまたは2重巻きテフロン被覆線の代わりに、単巻きの剛性銅導体を使用することもできる。本明細書に記載する、横方向回転磁界を生成するための特定の実施形態は、本発明の範囲を限定するものではない。

図2〜4に示す従来のRF電源および整合スキームを使用して、上述のアンテナ中のアンテナ電流を励起することができる。さらに、図2〜4の回路は、本発明の諸方法に適合する。これらの方法は、RF電源に低出力インピーダンスをもたらすステップ、プラズマがない場合の共振周波数が所望のRF周波数になるように、RF電源をアンテナに結合しているリアクタンスを調整するステップなどのステップを含む。低出力インピーダンスは、プラズマがある場合およびない場合の回路のQ係数(「Q」)を参照することによって理解することができる。プラズマがない場合の「Q」は、プラズマがある場合の5〜10倍あるいはそれよりも大きくすべきである。特に、周知の回路とは異なり、RF電源とアンテナをこのように組み合わせることにより、プラズマが存在する場合に、プラズマインピーダンスの変化に応じてリアクタンスを変化させることによって再調整する必要がなくなる。

図2では、RF源200は、市販の2MHz、0〜1kWの発生器でよく、50オームの同軸ケーブルを介して図1に示したポート「A」125で直角位相/ハイブリッド回路に接続されている。直角位相/ハイブリッド回路の「+45度」および「-45度」の脚が、図示の調整可能なコンデンサ205、210、215および220で構成される個々のL型容量整合回路網に接続されている。コンデンサ225のリアクタンスは、動作周波数でそれぞれ約100オームであり、変圧器230のどちらの側のリアクタンスも、他方の側が開放状態で約100オームである。図2に示すように、単一RF源200を受動電力分割器(直角/ハイブリッド回路)および4つの調整可能な同調素子205、210、215および220と共に使用して、2つの別個のアンテナインダクタンス235および240と整合させることができる。

図3に示す他の実施形態では、2つの別個のRF電源305および310が使用され、したがって、それぞれ同調可能なコンデンサ315、320、325および330を介してインダクタンス335および340に接続されている2つのアンテナ電源回路に完全に分離されている。このような構成は、各RF源を全出力で動作させることができ、したがって、単一RF源の場合と比べて入力電力量を2倍にすることができ、また、位相合わせおよび振幅比をアンテナ間で調整できるという点で有利である。励起モードの性質を変えるために振幅および/または位相差を変化させることもできるが、通常、RF電源305および310は、概ね同じ振幅および90度の位相差で動作する。たとえば、それらを異なる振幅で動作させることによって、完全な円偏波モードではなく、楕円偏波プラズマへリコンモードを維持することができる。

図4に示す第3の実施形態では、一方の脚にインダクタ/アンテナインダクタンス405および調整可能コンデンサ410を備えた受動共振回路を設置し、アンテナインダクタンス425に接続された同調可能コンデンサ415および420を有する整合回路を含むRF源400を備えた他方の脚を駆動する。この構成では、受動側が被駆動側と約90度の位相差で動作して、プラズマ中に同種の楕円ヘリコンモードを励起する傾向があり、したがって、単一RF源および整合回路網を備えるだけで本発明の利点の多くをもたらす。

この例の場面における作動ガスは、圧力範囲が10mTorrから100mTorr超のアルゴンである。軸方向の静磁界は、0〜150Gの範囲で手動設定可能であり、ベルジャー/アンテナアセンブリの外側にある半径約9インチのコイルによって生成される。

約75mTorrの圧力でのプラズマ動作は、少なくとも3つの異なるモードを示す。第1に、P_RFが約200W以下のときに、B_O<B_criticalの場合に、プラズマがベルジャーの縁部近傍に集中するブライトモードが観察される。ここで、B_Oは軸方向磁界であり、B_criticalは、ヘリコンモードを使用してプラズマを励起するための軸方向磁界の臨界値である。同様に、電力レベルP_RFはアンテナに供給されるRF電力を示し、P_thresholdは以下に説明する閾値電力を示す。このモードでは、RFアンテナ電流は、直角位相にはならず、180度程度の位相差になる傾向がある。第2に、B_O>B_criticalかつP_RF<P_thresholdの場合に、より大きな電力で一様な密度/グローとなり、より小さな電力でベルジャーの壁に沿って厚さが約1〜2cmの暗空間となるダルグロー放電様モード(dull-glow-discharge-like mode)が観察される。この場合、RF電流は、堅固な直角位相であり、プラズマ形成直後に約90度の位相シフトで突然ロックされたようになる。第3に、より高いP_RF>P_thresholdにおいてB_O>B_criticalの場合に、モード(1)の場合よりもさらに一様に半径方向に分布したようになるブライトプラズマが形成され、やはりアンテナ電流は直角位相にロックされる傾向がある。これらの形態はそれぞれプラズマ処理に適用することができるが、第3の形態は、効率的な動作モードを示し、既知のプラズマ源にとってアクセスが非常に困難であることが分かっている中性ガス圧力で実現することができる。

一態様では、本発明により、電力回路をスリム化するために、図2〜4に示した従来のRF電源および同調可能な整合回路網をなくすこともできる。

本発明の好ましい一実施形態では、RF電力回路が、図5に示すような構成を使用してアンテナストラップを直接駆動する。図5に示すRF増幅器は、当分野で知られる低出力インピーダンス(すなわちプッシュプル出力段)を有する多くのタイプのRF増幅器の1つであることが好ましい。当業者には周知のように、トランジスタ505および510がプッシュプル構成で適切な回路500によって駆動される。この構成では、どちらか一方のトランジスタのみが、通常は50%未満のデューティサイクルで常に導通している。この2つのトランジスタの出力が組み合わされて、完全な信号が生成される。

好ましい一実施形態では、出力段の電力半導体、たとえばトランジスタ505および510は、スイッチングモードで動作する。図5〜7では、これらの半導体はFETとして示されているが、たとえばバイポーラトランジスタ、IGBT、真空管、または他の任意の適切な増幅デバイスでもよい。スイッチングモードの一例は、D級動作によってもたらされる。このモードでは、RF波形が反転する半サイクル毎に、出力デバイスが交互にすばやくスイッチオンおよびスイッチオフされる。理想的には、出力デバイスは、完全にONして電圧降下ゼロとなり、あるいは完全にOFFして電流の流れなしなので、ワット損がない。したがって、理想的には、D級動作では効率を100%にすることができる。しかし、この推定は、スイッチング時間が無限に速いゼロオンインピーダンススイッチを前提としている。実際に実施すると、通常、90%近い効率を示す。

次に、このRFドライバは、固定または可変リアクタンス515、好ましくはコンデンサを介してアンテナ電流ストラップ520に直接結合されている。この結合リアクタンスの値は、プラズマが存在しない場合の、結合リアクタンスおよびアンテナの回路の共振周波数が、RF動作周波数にほぼ等しくなるような値であることが好ましい。

図6(A)に示す、この回路の出力段の代替構成では、電気的な分離をもたらすために、ドライバ600およびトランジスタ605、610を有するプッシュプル段の後段に変圧器620が設けられており、あるいはこのプッシュプル段の中に変圧器620が組み込まれている。変圧器620は、任意選択で、このプッシュプル段の出力インピーダンスが高すぎる場合、低インピーダンスに変換するように構成することができる。コンデンサ615は、変圧器620およびアンテナ電流ストラップ625によって形成される誘導性回路と所望の駆動周波数で共振するように構成されている。同様の実施形態が図6(B)に示してあり、この中で、コンデンサ630は直流を除去するために使用され、コンデンサ635は、変圧器620の漏れインダクタンスおよび電流ストラップ625のインダクタンスによって形成される直列回路内で共振する。

図7は、本発明による、他のRF電源およびアンテナ電流ストラップ構成を示す。直流電力供給部内に組み込まれた中央タップ付きのインダクタ725が、プッシュプルドライバ700およびトランジスタ705、710を有する出力段に接続されている。分離は変圧器720によって行われている。この場合もやはり、どちらか一方のトランジスタのみが、通常は50%未満のデューティサイクルで常に導通している。図5〜7の回路は、例示的な例として提供しているにすぎない。それらの代わりに、任意の周知のプッシュプル段または低出力インピーダンスをもたらす他の構成を使用することもできる。

RF電源は、対称アンテナ構成(Nagoya型IIIまたはその変形形態、たとえばBoswell型パドル形アンテナ)、非対称アンテナ構成(たとえば、右回りヘリカル、ツイストNagoya-IIIアンテナ)などの任意のヘリコンアンテナ、または他の任意の非へリコン誘導結合構成と共に使用することもできる。

RF電源を可変デューティサイクルで振幅変調することにより、プラズマ密度が低下したまたはゼロになった時間の間にプラズマ密度が高くなった時間を点在させることができる。このプラズマ密度変調を使用すると、作動ガスの流動ダイナミックス(flow dynamics)および一様性に影響を与えることができ、その結果としてプロセスの一様性に影響を与えることができる。したがって、変調方式の適切な選択により、本発明によるプラズマ発生器システムによって、プラズマを含むより空間的に一様な分布をもたらすことができる。

一般に、本発明によるプラズマ発生器システムは、実質的にA級増幅器としての動作、実質的にAB級増幅器としての動作、実質的にB級増幅器としての動作、実質的にC級増幅器としての動作、実質的にD級増幅器としての動作、実質的にE級増幅器としての動作、実質的にF級増幅器としての動作、またはそれらの任意のサブコンビネーションに基づく高周波電源を使用することができる。ヘリコンモードを励起するための、アンテナと組み合わせたこのような電源は、高密度プラズマの生成に適している。さらに、図2〜4に示したような非スイッチング増幅器の場合、RF源のインピーダンスを低出力インピーダンスに変換するための中間段を使用して、本明細書に記載したスイッチング増幅器をベースとする実施形態の効率的な動作を近づけることができる。

誘導結合プラズマ源においては、アンテナ電流ストラップは、一般に絶縁容器の外側の、プラズマが形成される領域の近傍に配置される。回路の観点からは、アンテナ素子が非理想変圧器の一次側を形成し、プラズマが二次側を形成する。図8に等価回路を示す。この図において、インダクタ810は、たとえばいくつかの実施形態に存在するドライバの出力変圧器によって付加されるインダクタンスを含めて、電流ストラップおよび配線のインダクタンスを表した集中素子を示している。Pで示す枠内の構成要素はプラズマを表しており、インダクタ820はプラズマの自己インダクタンスであり、インピーダンス815は、実効抵抗としてモデル化したプラズマ放散を表している。Mは、アンテナとプラズマとの間の相互インダクタンスを表している。トランジスタドライバ800は、方形波電圧源として表されている。コンデンサ805は、システムが設置されるときに、回路の共振周波数が所望の動作周波数にほぼ整合するように調整される。固定コンデンサを有する代替実施形態では、RF周波数を調整して、同じ効果を達成することができる。

システムの動作を示すために、システム全体を、図9に示すようにモデル化することができる。図9では、全てのインダクタがインダクタンス905に集中化され、全てのコンデンサがコンデンサ910に集中化され、また全ての分散する素子が抵抗915に集中化されており、増幅器は、RF電圧源として理想的に動作する(すなわち出力インピーダンスがゼロである)ものとする。

プラズマが存在しない場合、放散がほとんどないのでRは小さく、図9の回路は、図10に示すように、周波数の変化に対して狭い共振応答を示す。これは、回路動作の利点の1つをもたらす。すなわち、比較的小さい電力入力でアンテナの電圧を大きな値に駆動することができ、それによって反応チャンバ内のガスを容易に初期破壊させることができる。プラズマが形成されると、図11に示すように、システム内の減衰によって共振ピーク部が大きく広がり、回路全体のQが小さくなる。共振の中心周波数は、プラズマ状態によってシフトするが、このシフトは、プラズマ負荷が存在するときの共振応答の幅と比べると無視することができる。したがって、この回路は、プラズマ負荷を伴って動作するとき、動作状態の変化に対して比較的鈍感になり、再同調が不要になる。このことは図11に示されており、Qが十分小さくなり、システムの動作は依然として有効なままであるが、システム全体の共振周波数がわずかにシフトしている。回路のQが小さくなると、プラズマに印加される電圧は、プラズマがない場合よりも大幅に低下するように自己調整する。いくつかの実施形態では、プラズマが形成するときの共振周波数のシフトに応じて、RF駆動の動作周波数をプラズマがない場合の正確な共振からどちらか一方の側へ実際にわずかに離調させるのが、いくぶん有利かもしれない。

プラズマに対する電力入力のレベルは、RF出力段の直流電源レベルを調整するなど、様々な技法によって制御することができる。一実施形態では、電源電圧は、感知したプラズマ負荷の変化に応答して、プラズマ源中への比較的一定の電力を維持することができる。図12に示すように、直流電源調整器1230によって調整するためのプラズマ負荷の感知は、たとえば、電圧センサ1200によって直流電源1215からの電圧を監視するとともに電流センサ1205によってRF/プラズマシステムへの直流電流を監視し、それらの積を増幅器効率に対する前回測定された近似値と共にモジュール1210において使用して、RF増幅器1220からプラズマ1225への正味出力を推定することによって実現することができる。利得モジュール1235のための効率乗数(efficiency multiplier)は、たとえばシステムの様々なポイントにおける熱負荷を監視することによって異なる出力レベルに対して測定し、デジタル的に記憶することができ、その結果、出力レベルに対して効率変化が考慮されるいことになる。別法としては、RF電圧および電流を測定し、それらの同相積を評価して、プラズマ中で放散する有効電力を推定することができる。

プラズマの感知は、電圧または電流の変化として、直接感知と間接感知のどちらによっても空間的な一様性を感知することにまで及ぶこともできる。次に、このような変化に応じてデューティサイクルを変化させることによって、プラズマの空間分布を制御することができる。さらに、デューティサイクルを変調することにより、平均入力電力に対する制御を可能にして、プラズマ生成効率を向上させることもできる。図12のフィードバック構成は、上述のように複数の電力レベル間でのスイッチングを可能にすることもできる。

本明細書において使用されている「低」インピーダンスは、図9に示す直列共振回路が、プラズマが存在する場合よりもプラズマが存在しない場合の方が5倍ないし10倍、さらにはそれ以上高い「Q」を有することを意味する。すなわち、増幅器の出力インピーダンスは、出力の半サイクルで放散されるエネルギーがリアクタンス性構成要素に蓄えられるエネルギーよりもずっと小さくなるように、十分小さくしなければならない。この条件は、数学的にはZ_out<<sqrt(L/C)と定義される。式中、LおよびCは、図9に示す集中定数値である。RF増幅器は、この条件が持続するとき、電圧源として動作することになる。

プラズマ開始前に、反応チャンバは、所与のプロセスに特有の作動ガスで充填される。本発明は、プラズマがない場合の回路が高Qであると、プラズマが存在しない場合に比較的小さい電力でアンテナ素子に高い電圧を誘導できることによって、このガスを破壊し、プラズマを開始できるという利点を提供する。このプラズマなしの電圧を制御すると、作動ガスをプログラムによって破壊することができる。プラズマが形成されると、プラズマ内の誘導電流がシステムに負荷をかける働きをし、その結果、これらのより高い電圧は減衰し、それによってシステムにかかるストレスが回避される。

記載の本発明による回路構成は、固定コンデンサCしか必要としないので、機械的調整可能コンデンサなどの可変同調素子は不要である。しかし、たとえば好ましい一実施形態ではシステムの共振を所望の動作周波数に整合させるように調整され、プラズマ動作点とのリアルタイムインピーダンス整合には不要である可変コンデンサを使用して、様々な回路を構成することもできる。このような整合は、LC共振周波数がドリフトする原因となり得る機械的振動または経年変化の影響に対抗するために有用である。

一実施形態では、動作周波数を調整して共振からの小さなずれを補償し、コンデンサを機械的に同調して大きなずれを補償する。他の実施形態では、コンデンサを同調させることによって調整が行われる。好ましい(同調の)実施形態では、この同調は、自動化され、RF源がオフラインになっている間に行われる。他の態様では、たとえばプロセス条件に微調整をもたらすようにプロセス制御の一環として同調することにより、開示される構成では、調整可能同調素子を有する実施形態において調整可能素子の数をわずか1つだけに減らしている。

当業者には理解されるように、開示した本発明により、その教示または趣旨から逸脱することなく、多くの変形形態および代替実施形態が可能である。このような変更は、添付の特許請求の範囲内にあるものとする。たとえば、従来の増幅器と組み合わせた変圧器を使用して、低インピーダンスのインピーダンス整合を提供することができる。したがって、特許請求の範囲は、かかる変更形態および変形形態ならびにそれらと同等の形態におよぶものと解釈されなければならない。さらに、本明細書において引用した全ての参考文献は、参照によりそれらの開示および教示の全体が組み込まれる。

2組のアンテナ素子を備えたプラズマ源チャンバを示す図である。 アンテナに結合されたRF電源を備えた同調可能回路を示す図である。 アンテナに結合されたRF電源を備えた第2の同調可能回路を示す図である。 アンテナに結合されたRF電源を備えた第3の同調可能回路を示す図である。 アンテナ電流ストラップに結合されたRF電力増幅器を備えた回路を示す図である。 アンテナ電流ストラップに結合されたRF電力増幅器を備えた第2の回路を示す図である。 アンテナ電流ストラップに結合されたRF電力増幅器を備えた第3の回路を示す図である。 RF電力増幅器、アンテナ電流ストラップおよびプラズマの簡易モデルを示す図である。 図8に示したモデルと等価の集中回路を示す図である。 プラズマがない場合のプラズマ源の周波数応答を示す図である。 プラズマがある場合のプラズマ源の周波数応答を示す図である。 プラズマ源を制御するためのフィードバック構成を示す図である。

Claims (17)

1. 整合回路の必要性をなくすようにプラズマ源を製作する方法であって、
   高周波電源に低出力インピーダンスを与えるステップと、
   コンデンサとプラズマがないアンテナループとが、前記プラズマの特定の周波数とほぼ等しい共振周波数を有するように、前記高周波電源を少なくとも1組の前記アンテナループに結合するコンデンサを選択するステップと、
   前記高周波電源を動作させるために、デューティサイクルを変調することによって平均入力電力を制御するステップとを含む方法。
2. 中性ガス流をもたらすために前記デューティサイクルを変調するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
3. 前記プラズマの空間分布を感知し、それに応答して前記デューティサイクルを変調して中性ガス流の時間をもたらし、それによって前記プラズマの前記空間分布を変調するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
4. プラズマ電力が複数のレベル間でスイッチされる、請求項1に記載の方法。
5. プラズマ電力が全出力の約30%から約100%までの間でスイッチされる、請求項4に記載の方法。
6. 前記プラズマの空間分布を感知し、それに応答して前記デューティサイクルを変調して中性ガス流の時間をもたらし、それによって作動ガスの空間分布を変調するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
7. 前記平均入力電力が、約5ワット、約10ワット、約5〜10ワット、約10〜50ワットから選択される、請求項1に記載の方法。
8. 前記平均入力電力が体積10リットル当り約1ワットの平均密度で印加される、請求項7に記載の方法。
9. 前記デューティサイクルが、少なくとも約1Hz、少なくとも約10Hz、少なくとも約100Hz、少なくとも約500Hz、少なくとも約1000Hz、少なくとも約5000Hz、少なくとも約10,000Hz、および少なくとも約100,000Hzから選択された周波数で変調される、請求項2に記載の方法。
10. 整合回路の必要性をなくすようにプラズマ源を動作させる方法であって、
    高周波電源に低出力インピーダンスをもたらすステップと、
    コンデンサとプラズマがないアンテナループとが、前記プラズマの特定の周波数にほぼ等しい共振周波数を有するように、前記高周波電源を少なくとも1組の前記アンテナループに結合する前記コンデンサを選択するステップと、
    前記高周波電源を動作させるために、デューティサイクルを変化させることによって前記プラズマの空間分布を変調するステップとを含む方法。
11. 前記デューティサイクルを変調することによって、平均入力電力を制御するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
12. 前記平均入力電力が、約5ワット、約10ワット、約5〜10ワット、および約10〜50ワットから選択される、請求項11に記載の方法。
13. プラズマ電力が複数のレベル間で比較的短い時間にスイッチされる、請求項12に記載の方法。
14. プラズマ電力が全出力の約30%から約100%までの間でスイッチされる、請求項13に記載の方法。
15. 前記デューティサイクルが、少なくとも約500Hz、少なくとも約1000Hz、少なくとも約5000Hz、および少なくとも約10,000Hzから選択された周波数で変調される、請求項10に記載の方法。
16. 前記プラズマの空間分布を感知し、それに応答して前記デューティサイクルを変調するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
17. 前記デューティサイクルが、約10%、約30%、約50%、約80%、約90%、および約100%のうちの2つの値によって定義された範囲になるように選択される、請求項10に記載の方法。

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