JP2008091332A - プラズマプロセス異常を検出するための周波数モニタリング - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦ駆動プラズマプロセスチャンバ内の異常状態を、可変周波数ＲＦ電源の周波数が設定した上下限外に移動したかどうかを検出することにより、検出する。
【解決手段】第１の態様において、第１の対の周波数の上下限が、新たなプロセスステップ開始後、又はサンプル制御信号の状態変化後、サンプリングされた電源の周波数の関数として設定される。第２の態様において、第２の対の周波数の上下限は、電源の周波数に適応されない。両態様を一緒に用いて、異常状態の異なる発生を検出するのが好ましい。
【選択図】図１

Description

発明の分野

本発明は、可変周波数ＲＦ電源に結合したＲＦ駆動プラズマプロセスチャンバ内の異常状態を検出するための装置及び方法に係り、特に、電子ディスプレイや半導体回路等の電子ワークピースを製造するためのプロセスチャンバに関する。

発明の背景

電子フラットパネルディスプレイや半導体集積回路等の電子装置は、概して、様々なプロセスチャンバにおいてプロセスステップのシーケンスを実施することにより製造される。かかるプロセスステップは、一般に、プラズマエンハンスド化学蒸着チャンバ又はプラズマスパッタリングチャンバで実施される堆積ステップ、或いはプラズマエッチングチャンバで実施されるエッチングステップ等のプラズマプロセスチャンバ内で実施される。電子デバイスの製造において、チャンバ内にプラズマを存在させながら、ステップを実施するためのチャンバは、プラズマプロセスチャンバと考えられる。

ワークピースをプラズマプロセスチャンバ内で処理している間に機能不良が生じることがある。かかる機能不良としては、破損したチャンバコンポーネント、クリーニング又はその他ルーチン保守を必要とするチャンバコンポーネント、或いは破損したワークピースを挙げることができる。機能不良が生じた後に、プラズマプロセスを中断しないと、チャンバコンポーネント又はワークピースに対して、より深刻な損傷を与えるというリスクがある。従って、かかる機能不良をできる限り早く検出して、プラズマプロセスを中断できるようにすることが重要である。

発明の概要

本発明は、可変周波数ＲＦ電源の周波数が、設定した上下限外に移動したかどうかを検出することにより、ＲＦ駆動プラズマプロセスチャンバ内の異常状態を検出するための装置及び方法である。

本発明は、インピーダンス整合ネットワークとＲＦ電源の組み合わせにおいて最も有用であり、ＲＦ電源の周波数を調整して、ＲＦ電源、整合ネットワーク及びプラズマプロセスチャンバの間のインピーダンス整合を最適化して、ＲＦ電源の周波数が、プラズマプロセスチャンバにより示される負荷インピーダンスにおける変化に応答して変化するようにする。

本発明の第１の態様は、第１の対の周波数の上下限を適応可能に設定するものである。新たなプロセスステップ開始後、又はサンプル制御信号が第１の状態から第２の状態へ変化した後、サンプルホールド回路が、ＲＦ電源の周波数をサンプリングする。第１の対の周波数上下限は、サンプリングされた周波数の関数として設定される。

第１のコンパレータ回路は、ＲＦ電源の周波数を、第１の周波数限界と繰り返し（即ち、周期的又は連続的に）比較して、周波数が第１の下限より小さくなる、又は第１の上限より大きくなったら、警告の信号を生成する。

第１の周波数限界を設定して、プロセスチャンバを通常に操作しながら、電源周波数が周波数の上下限間の周波数のままとなるようにするのが好ましい。従って、周波数限界外の電源周波数の偏位は、プロセスチャンバ内の異常状態を確実に示している。異常状態としては、破損したチャンバコンポーネント、クリーニング又はその他ルーチン保守を必要とするチャンバコンポーネント、或いは破損したワークピースが挙げられる。

新たなワークピースのプラズマ処理開始時、又はワークピース処理の状態変化後に、第１の周波数限界は更新されるのが好ましい。更新は、ＲＦ電源の周波数をサンプリングし、サンプリングされた周波数の関数として第１の周波数限界を設定する前のステップを繰り返すことにより実施される。

この更新は、プロセスチャンバ状態のずれに、周波数限界を本質的に適応させて、周波数限界が固定された場合よりも、周波数限界を狭い間隔にすることができる。従って、適応的に設定された周波数限界は、固定され、より広い間隔の周波数限界よりも高感度に、プロセスチャンバにおける異常状態を検出することができる。

本発明の第２の態様は、電源周波数の関数として適応可能に更新されない第２の対の周波数の上下限を設定することである。コンパレータ回路は、ＲＦ電源の周波数を、第２の対の周波数限界と比較し、電源周波数が限定外の場合には、コンパレータ回路は、プロセスチャンバにおける異常状態を知らせる第２の警告信号を生成する。新たなワークピースのプラズマ処理開始時、又はワークピース処理の状態変化後等、ワークピース処理の状態変化により比較するのが好ましい。

本発明の第１及び第２の態様のいずれかは、他方から独立して用いることができるが、相補的且つ相乗的な長所と欠点があるため、一緒に用いられるのが好ましい。具体的には、第２の周波数限界は、一般に、電源周波数の関数として適応されないため、第１の周波数限界より広い間隔となるものの、本発明の第２の態様には、何もプロセスが実施されない時に生じる異常状態の検出を可能とする利点がある。例えば、ワークピースがチャンバに移される、又は出される際の接地ストラップの破損等の異常である。

好ましい実施形態の詳細な説明

１．プラズマプロセスの概要
図１に、従来のＲＦ駆動プラズマプロセスチャンバ１０と、プロセスチャンバ内の異常状態を検出するための本発明による新規な電気回路２０〜２４を示す。

プラズマプロセスチャンバは、電子ディスプレイや半導体集積回路等の電子装置を製造するのに有用なプラズマプロセスを実施するための任意のタイプのチャンバとすることができる。例えば、プラズマプロセスチャンバは、プラズマエンハンスド化学蒸着チャンバ、スパッタリングチャンバ又はプラズマエッチングチャンバとすることができる。

図示したプラズマプロセスチャンバ１０は、図示しないＲＦ結合電極を含み、これは接続されて、従来のＲＦ電源１２の出力からＲＦ電力を受けるものである。ＲＦ結合電極は、ＲＦ電力をチャンバ内のプラズマに結合する役割を果たす。例えば、ＲＦ電極は、誘導結合電極、誘導コイル又はマイクロ波導波管であってよい。プロセスチャンバはまた、マイクロ波、ＲＦ又はＤＣ電源等の図示しない１つ以上の追加の電源から電力を受けてもよい。

従来のプロセスコントローラ１６、典型的にプログラマブルコンピュータは、チャンバ内のワークピースに製造プロセスを実施するのに必要なプロセスステップと呼ばれるステップのシーケンスを実行する。例えば、プロセスコントローラは、制御信号をワークピースを移動するロボット及びチャンバ内外へのプロセスガスのフローを調整するガスバルブに送信する。

本発明にとって重要なのは、プロセスコントローラが、ＲＦ電源１２により生成されたＲＦ電力出力の周波数を制御することである。これは、電源に周波数制御信号ＦＣを伝送することによりなされ、この信号は、値が所望の周波数を表すアナログ又はデジタル信号である。更に、バイナリ電気信号とすることのできる電源にプロセス制御信号ＰＣを伝送することにより、ＲＦ電源出力がオンされるかオフされるかどうかをプロセスコントローラは制御する。

従来のＲＦインピーダンス整合ネットワーク１４は、電源の出力とプロセスチャンバの間に接続されている。電源のＲＦ出力インピーダンスを、プロセスチャンバにより示される負荷インピーダンスと整合するためである。ある従来のシステムにおいては、ＲＦ電源の周波数を調整せずに、整合ネットワーク内でキャパシタ又は誘導子を調整することにより、インピーダンス整合は最適化される。

可変周波数インピーダンス整合と呼ばれる他の従来のシステムにおいて、インピーダンス整合方法には、ＲＦ電源の周波数を調整することが含まれる。可変周波数インピーダンス整合システムにおいて、電源周波数は、プロセスチャンバにより示される負荷インピーダンスにおける変化に応答して変化する。これが、本発明が最も有効なインピーダンス整合システムのタイプである。以下の議論では、プロセスコントローラをプログラミングして、電源の周波数を制御し、インピーダンス整合が最適化されていると仮定している。しかしながら、電源へ組み込まれるか、電源かプロセスコントローラのいずれかから別個に収容されるインピーダンス整合コントローラにより電源周波数が制御されるシステムにも本発明の全態様は適用される。

発明の背景で述べた通り、プラズマプロセスチャンバ内でワークピースを処理している間に、機能不良又はその他異常状態が生じることがある。かかる機能不良又はその他異常状態は、破損したチャンバコンポーネント、クリーニング又はその他ルーチン保守を必要とするチャンバコンポーネント、或いはクラックのあるガラス基板等破損したワークピースである。深刻な異常状態が生じた後に、プラズマプロセスを中断しないと、チャンバコンポーネント又はワークピースに対して、より深刻な損傷を与えるというリスクがある。従って、チャンバ内の機能不良又はその他異常状態をできる限り早く検出して、プラズマプロセスを中断できるようにすることが重要である。

本発明は、プロセスチャンバ内の機能不良又はその他異常状態は、通常、ＲＦ電源１２の周波数を変えるという知見に基づくものである。具体的には、プロセスチャンバ１０内の深刻な異常状態は、通常、チャンバ内のプラズマの特徴を変え、チャンバにより示される、ＲＦ電源に対する負荷インピーダンスが変わる。これによって、プロセスコントローラ１６内の従来のインピーダンス整合アルゴリズムがＲＦ電源の周波数を変え、電源とチャンバにより示される変化した負荷インピーダンスの間の最良のインピーダンス整合をリストアする。

図２及び３は、プラズマエンハンスド化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセスチャンバ１０で連続的に処理される５つのワークピースについて、時間の関数としてのＲＦ電源１２の周波数を示すグラフである。図示したプロセスにおいて、各ワークピースは、液晶ディスプレイが製造されているガラス基板である。単一の堆積ステップが各基板上で実施されている。垂直軸は、ＲＦ電源の周波数を表し、水平軸は時間を表す。第５のワークピースが時間５と時間６の間で処理されるまで、第１のワークピースが時間１と時間２の間に処理され、第２のワークピースが時間２と時間３の間に処理される等する。

図２は、通常操作のプラズマプロセスチャンバで生じ得る電源周波数の変動を示し、図３は、第３のワークピースの処理中、ワークピースにおけるプラズマアーク放電及びクラックにより、そして、第５のワークピースの処理を始める前に、いくつかの破断したサセプタ接地ストラップにより生じると考えられる周波数偏差を示す。図３において、プラズマアーク放電は、２つの図示した狭い周波数スパイクを生成している。１つは上方に、１つは下方にである。第３のワークピースのガラス基板の後のクラッキングによって、周波数は、第３のワークピースの処理の残りについて上方に急に上がる。第４のワークピースをチャンバから出し、第５のワークピースをチャンバへ入れる間、破損した接地ストラップによって、電源周波数が、第５のワークピースの処理をＲＦ電力が再開した時に非常に低くなる。

本発明は、図３に示すような周波数偏差を検出することを意図している。広くは、本発明は、周波数の下限及び上限（ＬとＵと記す）を設定し、その間であれば、ＲＦ電源の周波数は、通常、プロセスチャンバにおいて異常状態がないままとなる。電源の周波数は、周波数限界と比べられる。電源の周波数が、下限Ｌより小さくなる、又は上限Ｕより大きくなると、本発明では警告信号を生成して、プロセスチャンバの異常状態を警告する。比較は、チャンバ内でワークピースにプラズマプロセスステップを実施する間中、繰り返し（例えば、周期的又は連続的に）行われるのが好ましい。

本発明は更に、上述した周波数の上下限を設定するのに有利な方法及び装置を含む。本発明のこの態様を説明する前に、電源周波数の変動の詳細について述べる。

図２は、図示したＰＥＣＶＤプロセスについて、電源周波数が、各堆積ステップ中に次第に変化することを示している。この挙動の主な原因は、各堆積ステップ中の化学反応副生成物の残渣がチャンバに蓄積することであり、これによって、チャンバにより示されるＲＦ負荷インピーダンスが、各堆積ステップ中、次第に変化する。更に、連続したワークピース間の電源周波数に大幅な急変があり、これは、個々のワークピースの処理中の電源周波数における変化を超える可能性がある。図示したプロセスにおいて、５つのワークピースを処理した後、チャンバは清浄にされて、堆積した残渣が除去されて、図２に示すパターンが次の５つのワークピースについて繰り返される。

図２及び３には図示していないが、各連続したワークピースについて処理を開始する時にも電源周波数において過渡的変化がある。過渡的変化は、チャンバにおけるプラズマの初期形成中に生じる。

単一ワークピースで実施される単一プロセス工程中の最大電源周波数変動は、連続プロセスステップ中、又は多数の連続ワークピース中での最大周波数変動よりはるかに小さい。例えば、図２に示すプロセスにおいて、単一ワークピースで実施される単一プロセスステップ内の最大電源周波数変動は約３ｋＨｚである。これとは対照的に、５つの連続したワークピースの処理中、電源周波数は、第１のワークピースの処理の開始で１３３８０ｋＨｚから、第５のワークピースの処理の最後で１３３４５ｋＨｚまで及び、累積周波数変動は３５ｋＨｚである。

２．適応される周波数限界（本発明の第１の態様）
本発明の第１の態様（図４）は、単一プロセスステップ中又は単一ワークピースの処理中に、比較的小さな電源周波数変動を利用して、高感度で異常プロセス状態を検出する。プラズマプロセスステップ開始又はワークピースのプラズマ処理開始直後（ステップ１０１）、ＲＦ電源の周波数をサンプリングし、コンピュータメモリ又は従来のサンプルホールド回路におけるメモリとすることのできるメモリにストアする（ステップ１０３）。周波数の下限及び上限（ＬとＵ）は、サンプリングされた電源周波数の関数として設定される（ステップ１０４）。

電源の周波数を、上述した通り、周波数限界と比較する（ステップ１０５）。電源の周波数が下限より小さくなる、又は上限より大きくなる場合には、本発明は警告信号Ａｌを生成して、プロセスチャンバにおける異常状態を警告する。比較は、ワークピースにそのプラズマプロセスステップを実施する間中、繰り返し（例えば、周期的又は連続的に）行われるのが好ましい（ステップ１０６）。

プラズマプロセスステップが終了する、又はプラズマチャンバ内でのワークピースの処理が終了したら、比較したり、警告信号を生成するのを無効とする、即ち、中断する（ステップ１０６）。新たなプロセスステップが始まる、又は新たなワークピースのプラズマ処理が始まったら（ステップ１０１）、ＲＦ電源の周波数を再びサンプリングし、新たにサンプリングされた周波数値をメモリにストアする（ステップ１０３）。周波数上下限を、電源周波数の最新のサンプリングされた値の関数として再設定する（ステップ１０４）。電源の周波数と周波数限界の間の比較を、上述した通りに、再開する（ステップ１０５）。

周波数下限Ｌは、電源周波数のサンプリングされた値から所定の周波数オフセットを減算することにより、又はかかるサンプリングされた値に１より僅かに小さい所定のスケール計数を乗算することにより求めるのが好ましい。同様に、周波数上限Ｕは、所定の周波数オフセットを電源周波数のサンプリングされた値に加算することにより、又はかかるサンプリングされた値に１より僅かに大きい所定のスケール計数を乗算することにより求めるのが好ましい。

所定のオフセット又はスケール計数は、得られる周波数限定が、単一プロセス工程又は単一ワークピースのプラズマ処理中に通常生じる周波数範囲よりほんの僅か外れるように選択されるのが好ましい。例えば、単一ワークピースの処理中の最大電源周波数変動は約＋／−３ｋＨｚと想定される。所定の周波数オフセットは、最大変動より僅かに大きいのが好ましく、所定の周波数上下限オフセットについて好適な値は５ｋＨｚである。

或いは、電源周波数が、ステップの開始時の値に対して、プロセスステップ中、常に減少することが分かっている場合には、周波数上限オフセットは、周波数下限オフセットより小さくすることができる。図２の例では、周波数上下限オフセットの好適な値は、夫々、５ｋＨｚと３ｋＨｚである。第１のワークピースの処理を時間１で開始すると、サンプリングされた電源周波数は１３３８０ｋＨｚであり、周波数下限及び上限は、夫々、Ｌ_１＝１３３７５ｋＨｚ及びＵ_１＝１３３８３ｋＨｚに設定される。（添え字は、限界が適用されたワークピースを示している。）限界Ｌ_１及びＵ_１が設定された後、第１のワークピース処理中、それらは電源周波数と繰り返し比較される。同様に、第５のワークピースの処理を時間６で開始すると、サンプリングされた電源周波数は１３３４８ｋＨｚであり、周波数下限及び上限は、夫々、Ｌ_５＝１３３４３ｋＨｚ及びＵ_５＝１３３５１ｋＨｚに設定される。限界Ｌ_５及びＵ_５が設定された後、第５のワークピース処理中、それらは電源周波数と繰り返し比較される。

図３は、第３のワークピースの処理中の異常状態が、この点までで記載された通りに、本発明の第１の態様により検出されることを示している。電源周波数が、周波数上限Ｕ３を超えるため、付随する第１のプラズマアーク放電が検出される。電源周波数が、周波数下限Ｌ３より下がるため、付随する第２のプラズマアーク放電が検出される。電源周波数が、周波数上限Ｕ３を超えるため、アーク放電後のガラス基板のクラックもまた検出される。

３．サンプリングされた周波数に適応されない周波数限界（本発明の第２の態様）
図３にはまた、本発明の第１の態様が、プロセスステップ間で生じる機器の機能不良、すなわち、１つのプロセスステップの終わりと次のプロセスステップの始めの間に、ＲＦ電源とプラズマをオフにしている間中に生じる機能不良を検出できていないということも示されている。図３に示す機能不良によって、第５のワークピースのプラズマ処理中、電源周波数が、第４のワークピースの処理中よりも低い３５ｋＨｚとなる。周波数下限及び上限Ｌ_５とＵ_５は、第５のワークピースの処理の始めの電源周波数に基づいて、適応可能に設定されるため、機能不良は、電源周波数と同じ３５ｋＨｚの量だけ周波数限界を下方にシフトさせる。従って、電源周波数は、周波数限界と決して交差することはなく、異常状態は検出されない。

第４のワークピースと第５のワークピースの間の図３に示すような連続ワークピース処理間の機能不良の一般的な原因は、サセプタ接地ストラップの破損である。ワークピースをサポートする台座又はサセプタは、典型的に、ワークピースがプロセスチャンバに出し入れされる度に昇降する。この動きによって、可動サセプタと固定した電気接地チャンバ壁の間に接続された可撓性電気接地ストラップのいくつかが最終的に破損する可能性がある。フラットパネルディスプレイを製造するＰＥＣＶＤチャンバにおいて、サセプタは、典型的に、４０又は５０の空間的に分配された接地ストラップを有している。２０パーセント以上の接地ストラップが破損した場合、ワークピースは使い物にならなくなる。ＰＥＣＶＤプロセスにより堆積するフィルムが必要な特性を得られなくなるからである。ワークピースの移動中、サセプタが動くため、接地ストラップの破損は、通常、連続ワークピースの処理間のＲＦ電源とプラズマがオフの間に生じる。

サセプタ接地ストラップの破損によって、図３に示す通り、第４のワークピースと第５のワークピースの間のシフトと同様に、電源周波数がシフトすることを見出した。周波数シフトは、破損した接地ストラップの割合に略比例している。

本発明の第２の態様（図５）は、プロセスステップ間、又は連続ワークピースのプラズマ処理間で生じる、前述した破損接地ストラップのような機能不良の検出を可能にする。本発明の第２の態様は、第２の周波数下限ＬＬと第２の周波数上限ＵＵを設定するものであり、これらは、電源周波数の最新のサンプルの関数としては適応されない。新たなプロセスステップ開始後、又はチャンバ内での新たなワークピースのプラズマ処理開始後（ステップ２０１）、ＲＦ電源の周波数を第２の周波数限界と比較する（ステップ２０３）。電源周波数が、第２の周波数下限ＬＬより小さい又は第２の周波数上限ＵＵより大きい場合には、警告信号Ａ２が出されて、プロセスチャンバにおける異常状態を警告する。本発明の第２の態様は、プロセスステップ間又は異なるワークピースの処理中に生じる機能不良又はその他異常状態を検出することができる。

本発明の第１及び第２の態様は、より記述的には、夫々、適応的周波数限界と非適応的周波数限界を用いた電源周波数比較と言える。後述する理由のために、適応的及び非適応的周波数限界はまた、狭い間隔及び広い間隔の周波数限界とも呼ばれることがある。

第２の（非適応的）周波数下限及び上限ＬＬ及びＵＵは固定されていてもよいし、或いは、プロセスステップが実施されている、又はチャンバを清浄にしてからどの位のワークピースが処理されたか等のプロセスステップパラメータの関数として異なる所定値を有していてもよい。いずれにしても、第２の（非適応的）周波数下限及び上限ＬＬ及びＵＵの所定の値は経験的に選択しなければならず、プロセスチャンバにおいて深刻な異常状態のない特定のプロセスを実施する時に、電源周波数の実際の範囲が周波数下限及び上限ＬＬとＵＵの間にあるようにする。電源周波数の通常の範囲は、プラズマの化学、ＲＦ電力及びその他パラメータにおける差異のために、異なるプロセスについては典型的に異なる。従って、プロセスチャンバで実施されることが意図された各プロセスについて異なる周波数限定を経験的に設定するのが好ましい。

図２及び３の例示のＰＥＣＶＤプロセスを参照すると、チャンバを途中で清浄にすることなく５つのワークピースを処理する際の電源周波数は、１３３４５ｋＨｚ〜１３３８０ｋＨｚの範囲に及ぶ。第２の（非適応的）周波数下限及び上限ＬＬ及びＵＵは、夫々、この範囲より僅かに小さ、僅かに大きい値に設定しなければならない。例えば、好適な周波数下限ＬＬは１３３３５ｋＨｚであり、好適な周波数上限ＵＵは１３３９０ｋＨｚである。図３は、この方法が、第４と第５のワークピース間の例示の機能不良を検出することを示している。第５のワークピースの処理中の電源周波数が第２の下限ＬＬより十分に低いからである。

或いは、チャンバを清浄にする度に、電源周波数が、第１のワークピースと第５のワークピース間で一貫して減少することが分かっている場合には、第２の（非適応的）周波数下限及び上限ＬＬ及びＵＵは、ワークピース数の関数として設定することができる。例えば、所定の第２の周波数下限及び上限は、夫々、第１のワークピースについては１３３６５及び１３３９０ｋＨｚ、チャンバを清浄にした後の第５のワークピースについては、夫々、１３３３３及び１３３５８ｋＨｚとすることができる。

本発明の第１の態様（適応的限定）か第２の態様（非適応的限定）のいずれも単独で用いることができるが、本発明のこれらの２つの態様は、一緒に用いるのが好ましい。相補的且つ相乗的な長所と欠点があるからである。本発明の第１の態様（適応的限界）は、限界をより狭い間隔とすることができる利点を有しているため、異常を検出できる感度が改善される。しかしながら、本発明のこの態様の欠点は、ワークピースを移動している間等、プラズマプロセスが実施されていない間に生じる異常が検出できないことである。本発明の第２の態様（非適応的限界）は、この欠点を克服するものである。即ち、プラズマプロセスを実施していない時に生じる異常をはじめとして、時を選ばす生じる異常も検出することができる。しかしながら、その欠点は、非適応的限界が適応的限界ほどには狭い間隔とすることはできないため、比較的小さな周波数変動を生成する異常は検出されない。

図２に示す前述したＰＥＣＶＤプロセスの実際の試験において、プラズマチャンバ内のガラス基板のクラック及びアーク放電が、２種類の異常であることを知見した。これは、本発明の第２の態様（非適応的限界）よりも本発明の第１の態様（適応的限界）によりはるかに信頼性よく検出できた。適応的限界は、より狭い間隔であるためである。上述した通り、適応的限界Ｌ及びＵは、僅か８ｋＨｚしか離すことができないが、固定された非適応的限界ＬＬ及びＵＵは、約５５ｋＨｚ離さなければならない。ガラス基板のクラック及びアーク放電は、典型的に、比較的狭い適応的限界を用いた比較において異常警告をトリガするだけ十分に大きいが、比較的広い非適応的限界を用いた比較において異常警告をトリガするほどには大きくない急激な電源周波数変動を生成した。

逆に、ワークピースをプロセスチャンバに出し入れしている時の接地ストラップの破損は、既述の通り、本発明の第２の態様の非適応的限界を用いてのみ検出できる。幸いなことに、破損した接地ストラップの数が、プラズマプロセスの空間的な均一性に悪影響を及ぼすほど多い場合には、電源周波数の結果としての変動は、比較的広い間隔の非適応的限界を超えるほど十分に大きかった。

本発明の第１及び第２の態様を一緒に用いると、必要とされるのは、適応的限界が更新される（第１の態様による）度に、非適応的限界（第２の態様による）による比較を１回行うことだけであり、これは、典型的に、プロセスステップ毎に１回又はワークピース毎に１回のみである。非適応的限界を用いた比較によって、適応的限界が更新される前に異常が生じていなかったことが確認された後、適応的限界を用いた続く繰り返しの比較は、プロセスステップの残りの間に生じるであろう異常を検出するのに十分なものである。

新たなプロセスステップを開始する時、又は新たなワークピースのプラズマ処理を開始する時、典型的に、プラズマは安定化するのにある時間を要する。セトリング期間と呼ばれるこの初期安定化期間中、電源周波数は、その通常範囲から瞬間的にずれることがある。従って、誤警告を排除するために、本発明の両態様による警告の周波数比較又はトリガは、新たなプロセスステップの開始又は新たなワークピースのプラズマ処理開始直後、所定のセトリング期間中、好ましくは無効に（即ち、中断）するものとする（ステップ１０２及び２０２）。これは、ＲＦ電源が停止している間及びＲＦ電源が動作する度の初期セトリング期間中、警告の比較又はトリガを無効にすることにより実施される。同じ理由から、本発明の第１の態様による周波数限界を適応する目的での電源周波数のサンプリングは、所定のセトリング時間後まで遅延するものとするのが好ましい（ステップ１０２）。セトリング時間は、各プロセスについて経験的に求めるものとするのが好ましいが、一例として、試験では、好適なセトリング期間は１秒〜５秒であると判断された。

異常警告がどのようにトリガされるか診断するのを補助するために、本発明の第１及び第２の態様は、独特な警告信号を生成することができる。しかしながら、これは通常必要なく、本発明の両態様は、異常の場合には同じ警告信号を生成することができる。

４．装置稼動
プログラマブル汎用コンピュータは、上述したサンプリング操作、比較操作、周波数限界の判断、セトリング時間遅延及び警告の信号生成の全てを実施するのが好ましい。コンピュータに接続された従来のコンピュータ記憶装置は、周波数限定及びサンプリングされた電源周波数の値をストアする。本発明が、１つ以上の電気回路−サンプルホールド回路及びコンパレータ回路をはじめとする−を含むものとして明細書又は請求の範囲に記載されている場合、汎用プログラマブルコンピュータは、かかる電気回路の範囲内で考えるものとする。図１を参照すると、プログラマブル汎用コンピュータは、プラズマチャンバ１０、ＲＦ電源１２及びＲＦインピーダンス整合ネットワーク１４以外の示されたコンポーネントの全てを交換することができる。

図１に示すプロセスコントローラ１６は、典型的に、チャンバ内で実施されているプロセスのパラメータの全てを制御し、典型的に、前段で定義したセトリング期間を開始するのに用いることのできるプロセス制御信号を生成する。かかるプロセス制御信号は、プロセスコントローラにより直接生成されても、或いは、プロセスコントローラにより生成された多数の信号を論理的に組み合わせることにより合成されてもよい。例えば、セトリング期間を開始するプロセス制御信号として用いるのに好適なプロセスコントローラにより生成される信号は、以下のことを示す信号を含む。（１）プラズマチャンバが新たなワークピース処理ステップを開始する時、（２）化学的又は電気的状態をプラズマチャンバ内で変更しようとする時、（３）ＲＦ電源がオンになる、又は待機状態から動作状態へ切り替えられる時、或いは（４）ＲＦ電源が低待機電力レベルから所定の閾値を超える電力レベル又はプラズマプロセスを実施するのに十分に高い電力レベルへ変化する時である。

本発明の両態様共、電源周波数を上下限と比較することを必要とする。周波数カウンタを接続して、電源出力の減衰部分を受けることができ、その周波数が測定される。しかしながら、典型的に、これは不必要である。可変周波数電源１２は、典型的に、電源出力の周波数を制御するアナログ又はデジタル周波数制御信号ＦＣを受けるからである。プロセスコントローラ１６は、典型的に、周波数制御信号ＦＣを生成し、それを電源の周波数制御入力へ送信する。従って、本発明では、周波数制御信号を受けて、その値を電源の周波数を表す値として用いることができる。

プログラマブルコンピュータにおける本発明の実施の変形として、図１に、プログラマブルである必要のない電気回路２０〜３８による実施を示す。
図１の電気回路において、従来のサンプルホールド回路２０は、プロセスコントローラ１６により提供される前述した周波数制御信号ＦＣの値をサンプリングし、ストアすることにより、図４のステップ１０３を実施する。好ましいセトリング遅延（図４のステップ１０２及び図５のステップ２０２）が、シフトレジスタ回路とすることのできる従来の遅延ライン回路により提供される。

サンプルホールド回路２０は、サンプル制御信号ＳＣにより制御される。これは、ＡＮＤロジックゲート２４により生成されるのが好ましい。その入力は、プロセス制御信号ＰＣ、及び遅延ライン２２の出力により提供されるプロセス制御信号の遅延版である。結果としてのサンプル制御信号は、プラズマプロセスがオフの時は偽であり、プロセス制御信号ＰＣがプラズマプロセスが始まっていることを示す時、セトリング時間遅延２２により遅延が付与された後、真となり、プロセス制御信号ＰＣがプラズマプロセスが終了したことを示す時、遅延なしで偽へ戻る。

第１のコンパレータ回路は、サンプルホールド回路の出力からサンプリングされた周波数を受けて、第１の周波数下限及び上限Ｌ及びＵを、サンプリングされた周波数の値の関数として決める（図４のステップ１０４）。任意で、サンプル制御信号ＳＣの真への移行に応答して、第１のコンパレータが第１の限界Ｌ及びＵをメモリ回路３２にストアする。第１のコンパレータ回路は、周波数制御信号ＦＣを第１の周波数下限及び上限Ｌ及びＵと比較することにより、第１の警告信号Ａｌを生成する（図４のステップ１０５）。

第２の周波数下限及び上限ＬＬ及びＵＵについての所定の値は、同じメモリ回路３２にストアされるのが好ましい。第２のコンパレータ回路は、周波数制御信号ＦＣを、メモリ３２から受け取った第２の周波数下限及び上限ＬＬ及びＵＵと比較することにより、第２の警告信号Ａ２を生成する（図４のステップ１０５）。

論理ＯＲゲート３６は、第１の警告信号Ａｌと第２の警告信号Ａ２を組み合わせて、複合警告信号を生成し、論理ＡＮＤゲート３８は、サンプル制御信号ＳＣが真である時以外は、警告出力を無効にする（図４のステップ１０６及び１０１、図５のステップ２０１）。

本発明に係るプロセスチャンバにおける異常状態を検出するための装置のブロック図である。 ５つのワークピースのシーケンスの通常プラズマ処理中の時間を関数としたＲＦ電源の周波数を示すグラフである。 第３及び第５の基板のプラズマ処理中の異常状態を示す以外は図２と同様のグラフである。 適応的周波数限界を用いた本発明の第１の態様の方法のフローチャートである。 非適応的周波数限界を用いた本発明の第２の態様の方法のフローチャートである。

Claims (25)

1. 可変周波数ＲＦ電源がＲＦ電力をプラズマチャンバ内の異常ＲＦインピーダンスに供給する時に信号を生成する装置であって、
   サンプル入力と制御入力と出力とを有するサンプルホールド回路であって、前記サンプル入力がＲＦ電源により供給されているＲＦ電力の周波数を表す周波数制御信号を受けるように適応されており、前記制御入力が少なくとも第１の状態と第２の状態とを有するサンプル制御信号を受けるように適応されており、前記サンプル制御信号が前記第１の状態から前記第２の状態まで変化した時の最新の前記周波数制御信号の値をその出力で維持するサンプルホールド回路と、
   前記周波数制御信号を受けるよう適応された第１のコンパレータ回路であって、前記第１のコンパレータ回路が前記周波数制御信号により表される前記周波数を第１の周波数下限及び第１の周波数上限と比較し、前記周波数制御信号により表される前記周波数が前記第１の周波数下限より小さい又は前記第１の周波数上限より大きい時は、第１の警告信号を生成する第１のコンパレータ回路とを含み、
   前記第１のコンパレータ回路は前記サンプルホールド回路の前記出力を受けるために接続されており、
   前記第１のコンパレータ回路は前記サンプルホールド回路の前記出力に応答して前記第１の周波数下限及び前記第１の周波数上限を設定し、前記第１の周波数下限及び前記第１の周波数上限が、夫々、前記サンプルホールド回路の前記出力により表される前記周波数より小さい及び大きいようにする装置。
2. 前記第１のコンパレータ回路は、前記サンプルホールド回路の前記出力により表される前記周波数から周波数オフセットを減算したものに等しい前記第１の周波数下限を設定し、
   前記第１のコンパレータ回路は、前記サンプルホールド回路の前記出力により表される前記周波数に前記周波数オフセットを加算したものに等しい前記第１の周波数上限を設定する請求項１記載の装置。
3. 前記周波数制御信号を受けるように適応された第２のコンパレータ回路を含み、前記周波数制御信号により表される前記周波数が、第２の周波数下限より小さい又は第２の周波数上限より大きい時に、前記第２のコンパレータ回路は第２の警告信号を生成し、
   前記第２の周波数下限及び前記第２の周波数上限が、前記サンプルホールド回路の前記出力から独立した所定の値を有する請求項１記載の装置。
4. 前記ＲＦ電源を停止している間、及びＲＦ電源が動作する度の初期セトリング期間中、前記第１のコンパレータ回路及び前記第２のコンパレータ回路は、第１又は第２の警告信号の生成を無効にする請求項３記載の装置。
5. 前記第１の周波数下限が、前記第２の周波数下限より大きい又は等しく、
   前記第１の周波数上限が、前記第２の周波数上限より小さい又は等しい請求項３記載の装置。
6. 前記第１のコンパレータ及び前記第２のコンパレータが同じコンパレータである請求項３記載の装置。
7. 前記第１の警告信号と前記第２の警告信号が同じである請求項３記載の装置。
8. 前記ＲＦ電源を停止している間、及びＲＦ電源が動作する度の初期セトリング期間中、前記第１のコンパレータ回路は、第１の警告信号の生成を無効にする請求項１記載の装置。
9. 前記プラズマチャンバが新たなワークピース処理ステップを始める時、所定の遅延後、前記サンプル制御信号が前記第１の状態から前記第２の状態へ変化し、
   前記所定の遅延がゼロより大きい又はゼロに等しい請求項１記載の装置。
10. 新たなワークピースを前記プラズマチャンバに入れた後、前記プラズマが前記プラズマチャンバで開始される時、所定の遅延後、前記サンプル制御信号が、前記第１の状態から前記第２の状態へ変化し、
    前記所定の遅延がゼロより大きい又はゼロに等しい請求項１記載の装置。
11. 化学的又は電気的状態が前記プラズマチャンバ内で変化した時、所定の遅延後、前記サンプル制御信号が前記第１の状態から前記第２の状態へ変化し、
    前記所定の遅延がゼロより大きい又はゼロに等しい請求項１記載の装置。
12. 前記ＲＦ電源が少なくとも所定レベルの電力を供給しない時、前記サンプル制御信号は前記第１の状態を推測し、前記ＲＦ電源が少なくとも前記所定のレベルの電力を供給し始めた時、所定の遅延後、前記サンプル制御信号は前記第１の状態から前記第２の状態へ変化し、
    前記所定の遅延がゼロより大きい又はゼロに等しい請求項１記載の装置。
13. 前記所定レベルの電力が、前記プラズマチャンバ内でプラズマプロセスを実施するのに十分に高いレベルの電力である請求項１２記載の装置。
14. 前記周波数制御信号と前記サンプル制御信号が、同じ電気的信号である請求項１記載の装置。
15. 前記第１の周波数下限及び前記第１の周波数上限が設定され、前記第１の期間後に、前記プラズマチャンバ内の単一ワークピースの処理中、前記ＲＦ電源の前記周波数が前記第１の周波数下限と前記第１の周波数上限との間のままとなるようにする請求項１記載の装置。
16. 前記第１の周波数下限及び前記第１の周波数上限が設定され、前記第１の期間後に、前記プラズマチャンバ内の単一プロセスステップの実施中、前記ＲＦ電源の前記周波数が前記第１の周波数下限と前記第１の周波数上限との間のままとなるようにする請求項１記載の装置。
17. 前記第２の周波数下限及び前記第２の周波数上限が設定され、前記プラズマチャンバの通常操作中、前記ＲＦ電源の前記周波数が前記第２の周波数下限と前記第２の周波数上限との間のままとなるようにする請求項３記載の装置。
18. 可変周波数ＲＦ電源が、ＲＦ電力をプラズマチャンバ内の異常ＲＦインピーダンスに供給する時に信号を生成する方法であって、
    サンプル入力と制御入力と出力とを有するサンプルホールド回路を提供する工程と、
    前記サンプル入力に、ＲＦ電源により供給されている前記ＲＦ電力の前記周波数を表す周波数制御信号を結合する工程と、
    前記制御入力に、少なくとも第１の状態と第２の状態とを有するサンプル制御信号を結合する工程と、
    前記サンプル制御信号が前記第１の状態から前記第２の状態まで変化した時の最新の前記周波数制御信号の前記値を、前記サンプルホールド回路の前記出力でサンプルホールド回路が維持する工程と、
    前記サンプルホールド回路の前記出力に応答して第１の周波数下限及び第１の周波数上限を設定し、前記第１の周波数下限及び第１の周波数上限が、夫々、前記サンプルホールド回路の前記出力により表される前記周波数より小さい及び大きくなるようにする工程と、
    前記周波数制御信号により表される前記周波数を前記第１の周波数下限及び前記第１の周波数上限と繰り返し比較し、前記周波数制御信号により表される前記周波数が前記第１の周波数下限より小さいか前記第１の周波数上限より大きいかを決める工程と、
    前記比較工程が、前記周波数制御信号により表される周波数が、前記第１の周波数下限より小さいか、又は前記第１の周波数上限より大きいか決める時、第１の警告信号を生成する工程とを含む方法。
19. 前記設定工程が、
    前記サンプルホールド回路の前記出力により表される前記周波数から周波数オフセットを減算したものに等しい前記第１の周波数下限を設定する工程と、
    前記サンプルホールド回路の前記出力により表される前記周波数に前記周波数オフセットを加算したものに等しい前記第１の周波数上限を設定する工程とを含む請求項１８記載の方法。
20. 前記周波数制御信号により表される前記周波数が第２の周波数下限より小さい又は第２の周波数上限より大きい時に、第２の警告信号を生成する工程を含み、
    前記第２の周波数下限及び前記第２の周波数上限が、前記サンプルホールド回路の前記出力から独立した所定の値を有する請求項１８載の方法。
21. 前記プロセスチャンバが、新たなワークピース処理ステップを開始する時に、所定の遅延後、前記サンプル制御信号を前記第１の状態から前記第２の状態へ変更する工程を含み、
    前記所定の遅延がゼロより大きい又はゼロに等しい請求項１８記載の方法。
22. 化学的又は電気的状態が前記プラズマチャンバ内で変化する時に、所定の遅延後、前記サンプル制御信号が前記第１の状態から前記第２の状態へ変化する工程を含み、
    前記所定の遅延がゼロより大きい又はゼロに等しい請求項１８記載の方法。
23. ＲＦ電源が少なくとも所定レベルの電力を供給しない時に、前記サンプル制御信号を前記第１の状態に設定する工程と、
    前記ＲＦ電源が少なくとも前記所定レベルの電力を供給し始める時に、所定の遅延後、サンプル制御信号が前記第１の状態から前記第２の状態へ変化する工程とを含み、
    前記所定の遅延がゼロより大きい又はゼロに等しい請求項１８記載の方法。
24. 前記周波数制御信号と前記サンプル制御信号が同じ電気的信号である請求項１８記載の方法。
25. 可変周波数ＲＦ電源が、ＲＦ電力をプラズマチャンバ内の異常ＲＦインピーダンスに供給する時に信号を生成する方法であって、
    プラズマチャンバ内にプラズマを提供する工程と、
    周波数制御信号を提供する工程と、
    ＲＦ電力をＲＦ電源から前記プラズマに供給する工程であって、前記ＲＦ電源が前記周波数制御信号の前記値に応答して前記ＲＦ電力の前記周波数を設定する工程と、
    前記周波数制御信号の前記値を、前記プラズマと前記ＲＦ電源の間の反映されたＲＦ電源に応答して調整する工程と、
    サンプル入力と制御入力と出力とを有するサンプルホールド回路を提供する工程と、
    前記周波数制御信号を前記サンプル入力に結合する工程と、
    前記制御入力に、少なくとも第１の状態及び第２の状態を有するサンプル制御信号を結合する工程と、
    前記サンプル制御信号が前記第１の状態から前記第２の状態まで変化した時の最新の前記周波数制御信号の前記値を、前記サンプルホールド回路の前記出力で前記サンプルホールド回路が維持する工程と、
    前記サンプルホールド回路の前記出力に応答して第１の周波数下限及び第１の周波数上限を設定し、前記第１の周波数下限及び第１の周波数上限が、夫々、前記サンプルホールド回路の前記出力により表される前記周波数より小さい及び大きくなるようにする工程と、
    前記周波数制御信号により表される前記周波数を、前記第１の周波数下限及び前記第１の周波数上限と繰り返し比較し、前記周波数制御信号により表される前記周波数が、前記第１の周波数下限より小さいか、前記第１の周波数上限より大きいかを決める工程と、
    前記比較工程が、前記周波数制御信号により表される周波数が、前記第１の周波数下限より小さいか、又は前記第１の周波数上限より大きいか決める時、第１の警告信号を生成する工程とを含む方法。

Images