JP2015149323A

JP2015149323A - プラズマ処理装置及びｆｓｖの制御方法

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Publication number: JP2015149323A
Application number: JP2014019912A
Authority: JP
Inventors: 崇弘湯原; Takahiro Yuhara; 西尾　良司; Ryoji Nishio; 良司西尾
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: JP6282128B2

Abstract

【課題】本発明は、広範囲のＦＳＶを高精度に安定して制御することができるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】本発明は、真空処理室と、誘導結合アンテナと、整合器を介して誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、ファラデーシールドとを備え、ファラデーシールドに印加される高周波電圧をＦＳＶとしたとき、整合器は、可変コンデンサとインダクタンスから構成された直列共振回路と、ＦＳＶを検出する検出部と、検出部により検出されたＦＳＶ値が所望のＦＳＶ値となるような制御を行う制御部とを具備し、可変コンデンサは、第一の可変コンデンサと第一の可変コンデンサより静電容量が小さい第二の可変コンデンサとを具備し、検出されたＦＳＶと所望のＦＳＶとの偏差が所定の値より大きい場合、制御装置は、第一の可変コンデンサを用いて偏差が小さくなるような制御を行うことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマ処理装置及び前記プラズマ処理装置を用いたＦＳＶの制御方法に関する。

近年、省電力化等の利点から次世代メモリとして、不揮発性材料を使用した磁気抵抗メモリ(ＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ)や強誘電体メモリ(ＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ：ＦｅＲＡＭ)などが注目されている。

不揮発性材料のエッチングでは、反応生成物がチャンバ内に付着することで生産性が低下するため、従来のプラズマエッチング装置として、例えば、特許文献１には誘導結合アンテナ１と静電容量結合アンテナ８の間からインピーダンスの大きさを可変可能な負荷１７を介してアースに接地し、負荷１７のインピーダンスの大きさを調整することで、静電容量結合放電で生成されるプラズマの割合を調整し、真空容器内壁への反応生成物の付着を抑制するプラズマエッチング装置が開示されている。

また、特許文献２には、試料をプラズマ処理する真空処理室と真空処理室内に配置され、試料を載置する試料台と真空処理室外に設けられた誘導アンテナと誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とプラズマと容量結合し、高周波電源から整合器を介して高周波電圧を印加されるファラデーシールドとを具備するプラズマ処理装置において、整合器は、可変コンデンサとインダクタンスから構成された直列共振回路と可変コンデンサのモータを制御するモータ制御部とファラデーシールドに印加される高周波電圧を検出する高周波電圧検出部とを備え、ファラデーシールドに印加される高周波電圧をフィードバック制御することを特徴とするプラズマ処理装置が開示されている。

特開２０００−３２３２９８号公報特開２０１２−１２９２２２号公報

上述したプラズマエッチング装置において、材料の加工に最適なエッチング中と生産性低下を防ぐために真空容器内壁の反応生成物を除去するプラズマクリーニング中では、ファラデーシールドに印加される高周波電圧(以下、ＦＳＶと称する)の必要な大きさが異なるため、広範囲のＦＳＶを制御する必要があった。

しかし、上述したプラズマエッチング装置で広範囲のＦＳＶを制御するには、ＦＳＶの調整手段である可変コンデンサの可変範囲を広く、変化の傾きが大きいものを選定しなければならないため、制御分解能が低くなる。その結果、ＦＳＶの制御精度が悪くなるという問題があった。

このため、本発明は、広範囲のＦＳＶを高精度に安定して制御することができるプラズマ処理装置及びＦＳＶの制御方法を提供する。

本発明は、試料がプラズマ処理される真空処理室と、前記真空処理室外に配置された誘導結合アンテナと、整合器を介して前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、前記真空処理室の上部を気密に封止する誘電体窓と前記誘導アンテナの間に配置されたファラデーシールドとを備え、前記ファラデーシールドに印加される高周波電圧をＦＳＶとしたとき、前記整合器は、可変コンデンサとインダクタンスから構成された直列共振回路と、前記可変コンデンサを駆動させるモータを制御するモータ制御部と、前記ＦＳＶを検出する検出部と、前記検出部により検出されたＦＳＶ値が所望のＦＳＶ値となるように前記モータ制御部を制御する制御部とを具備し、前記可変コンデンサは、第一の可変コンデンサと前記第一の可変コンデンサより静電容量が小さい第二の可変コンデンサとを具備し、前記検出されたＦＳＶと前記所望のＦＳＶとの偏差が所定の値より大きい場合、前記制御装置は、前記第一の可変コンデンサを用いて前記偏差が小さくなるような制御を行うことを特徴とする。

本発明により、広範囲のＦＳＶを高精度に安定して制御することができる。

本発明に係るプラズマエッチング装置の概略断面図である。ＦＳＶ検出・制御回路１９の構成を示す図である。可変コンデンサの静電容量と可変範囲内の位置との関係を示す図である。本発明に係るＦＳＶの制御の概念を示す図である。本発明のＦＳＶの制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

本発明に係るプラズマエッチング装置の概略断面図を図1に示す。真空容器２は、この場合、内部にプラズマ生成部を形成する絶縁材料(例えば、石英、セラミック等）からなる放電部２ａと、例えば、ウエハである試料１３を載置する試料台５が配置された処理部２ｂとからなる。処理部２ｂは、アースに接地されており、試料台５は、絶縁材を介して処理部２ｂに取り付けられている。

誘電体窓である放電部２ａの外側にはコイル状の第一の誘導結合アンテナ１ａと前記第一の誘導アンテナ１ａの下方に配置されコイル状の第二の誘導結合アンテナ１ｂとが配置されている。また、放電部２aの上方には、プラズマと静電容量結合し容量結合アンテナであるファラデーシールド８が配置されている。さらに第一の誘導結合アンテナ１ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂとファラデーシールド８は、整合器であるマッチングボックス３の中のインピーダンスマッチング回路１２を介して第一の高周波電源１０に直列に接続されている。

また、第二の誘導結合アンテナ１ｂにはインピーダンスの大きさを所望の値に制御できる第一の可変コンデンサ１６が直列に接続されており、ファラデーシールド８には並列に接続された第二の可変コンデンサ１７および第三の可変コンデンサ２６ならびにコイル１８を介してアースに接地されている。さらに、第一の誘導結合アンテナ１ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂは、第一の電流センサ１４ａと第二の電流センサ１４ｂを介してアンテナ電流比制御回路１５に接続されており、ファラデーシールド８には、ＦＳＶ検出・制御回路１９に接続されている。

また、真空容器２内には、ガス供給装置4から処理ガスが供給され、真空容器２内は、排気装置7によって所定の圧力に減圧排気されている。また、試料台５には、第二の高周波電源１１が接続されている。

上述のように構成されたプラズマエッチング装置では、ガス供給装置４によって真空容器２内に処理ガスを供給し、該処理ガスを第一の誘導結合アンテナ１ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂにより発生された誘導磁場によってプラズマ化することにより、プラズマを生成する。プラズマ化されたガスは、後に排気装置７によって排気される。

第一の高周波電源１０により、例えば、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚなどのＨＦ帯や、さらに周波数が高いＶＨＦ帯などの高周波電力を第一の誘導結合アンテナ1ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂおよびファラデーシールド８に供給することにより、プラズマ生成用の誘導磁場と電場を得ているが、高周波電力の反射を抑えるためにインピーダンスマッチング回路１２を用いて、第一の誘導結合アンテナ１ａと第二の誘導結合アンテナ１ｂのインピーダンスを第一の高周波電源１０の出力インピーダンスに一致させている。

インピーダンスマッチング回路１２は、一般的な逆Ｌ型とも呼ばれる静電容量を可変可能なバリコンを２個用いたものを使用している。また、処理される試料１３は、試料台５上に載置され、プラズマ中に存在するイオンを試料１３に引き込むために、第二の高周波電源１１は試料台５にバイアス電圧を印加する。

次に、ＦＳＶ検出・制御回路１９の機能について図を参照しながら説明する。ＦＳＶ検出・制御回路１９は、図２に示すように制御部２３とＦＳＶ検出回路２４と第一のステッピングモータ駆動回路２５と第二のステッピングモータ駆動回路２７と第一のステッピングモータ２８と第二のステッピングモータ２９と第一の位置検出器２１と第二の位置検出器２２を備える。ＦＳＶ検出回路２４は、ＦＳＶを検出する回路であり、第一のステッピングモータ２８は第二の可変コンデンサ１７の容量を、第二のステッピングモータ２９は第三の可変コンデンサ２６の容量をそれぞれ調整するためのステッピングモータである。

また、制御部２３は、ＦＳＶ検出回路２４により検出されたＦＳＶ信号を基に第一のステッピングモータ駆動回路２５により第一のステッピングモータ２８を、第二のステッピングモータ駆動回路２７により第二のステッピングモータ２９をそれぞれ駆動させることにより所望のＦＳＶとなるように制御する。尚、第一の位置検出器２１と第二の位置検出器２２は、それぞれ第二の可変コンデンサ１７の静電容量と第三の可変コンデンサ２６の静電容量が可変範囲のどの位置にあるのかを示す情報を制御部２３に伝送している。

次に第二の可変コンデンサ１７の静電容量と可変範囲内の位置の関係と、第三の可変コンデンサ２６の静電容量と可変範囲内の位置の関係を図３に示す。図３に示すように第二の可変コンデンサ１７の最大の静電容量は大きく、かつ静電容量の変化の傾きも大きい仕様とした。一方、第三の可変コンデンサ２６の最大の静電容量は、第二の可変コンデンサ１７に対して小さく、かつ第二の可変コンデンサ１７より静電容量の変化の傾きも小さい仕様とした。

次にＦＳＶの制御方法について説明する。先ず、第二の可変コンデンサ１７と第三の可変コンデンサ２６とコイル１８からなる直列共振回路におけるキャパシタンスＣとＦＳＶの関係を図４に示す。キャパシタンスＣの容量は、第二の可変コンデンサ１７と第三の可変コンデンサ２６の合成容量である。また、第二の可変コンデンサ１７または第三の可変コンデンサ２６のいずれの可変コンデンサの静電容量を増減させてもＦＳＶを変化させることができる。ある時刻のＦＳＶのモニタ値であり図４のＡからＦＳＶの設定値(目標値)であり図４のＢへＦＳＶを減少させる場合について、以下、図５を参照しながら説明する。

最初にステップ１にてＦＳＶの目標値(Ｂ)の設定信号が制御部２３に伝送されてＦＳＶの制御を開始する。次にステップ２では、第三の可変コンデンサ２６の静電容量が可変範囲の中心の位置の静電容量となるように第二の位置検出器２２からの信号より調整する。これは、第三の可変コンデンサ２６によるＦＳＶの調整を増加方向または減少方向のどちらの方向でも調整可能とするためである。そして、ステップ３では目標値であるＢと現状のＦＳＶのモニタ値との差である偏差の算出を行う。続いてステップ４では、ステップ３で算出された偏差が予め求められた目標値(Ｂ)の許容値内かどうかを判定し、目標値(Ｂ)の許容値内であればステップ８に進んでＦＳＶの制御を終了する。

また、ステップ４にて偏差が許容値より大きい場合、ステップ５以降に進んで第二の可変コンデンサ１７または第三の可変コンデンサ２６の静電容量を変化させてＦＳＶを調整する。具体的にはステップ５では、第二の可変コンデンサ１７または第三の可変コンデンサ２６のいずれかの可変コンデンサでＦＳＶの制御を行うかを判定する。予め設定されたしきい値Ｃとステップ３で算出された偏差とを比較して偏差の方がしきい値Ｃより大きい場合は、ステップ７にて第二の可変コンデンサ１７を用いて予め決められた第一のステッピングモータ２８の駆動量だけＦＳＶを変化させた後、ステップ３に戻る。尚、ステップ７にて第二のステッピングモータ２９が駆動している場合、第二のステッピングモータ２９の駆動を停止する。つまり、ステップ７では、第二の可変コンデンサ１７だけを用いてＦＳＶの制御を行う。

一方、ステップ５にて予め設定されたしきい値Ｃとステップ３で算出された偏差とを比較して偏差の方がしきい値Ｃ以下と判定した場合は、ステップ６にて第三の可変コンデンサ２６を用いて予め決められた第二のステッピングモータ２９の駆動量だけＦＳＶを変化させた後、ステップ３に戻る。尚、ステップ６にて第一のステッピングモータ２８が駆動している場合、第一のステッピングモータ２８の駆動を停止する。つまり、ステップ６では、第三の可変コンデンサ２６だけを用いてＦＳＶを制御する。以後、ＦＳＶのモニタ値がＦＳＶの目標値(Ｂ)の許容値内になるまでステップ３ないしステップ７を繰り返す。

以上、上述したとおり、静電容量の可変範囲が大きい第二の可変コンデンサ１７による広範囲のＦＳＶの制御と静電容量の可変範囲が小さい第三の可変コンデンサ２６による高精度のＦＳＶの制御を組み合わせたＦＳＶの制御である本発明によって、広範囲かつ高精度にＦＳＶの制御を行うことができる。

また、本実施例のしきい値Ｃは、目標値(Ｂ)の許容値より大きく、第二の可変コンデンサ１７または第三の可変コンデンサ２６のいずれかを選択する際に基準とする値である。

さらに本発明は、ＦＳＶの制御範囲が広くなっても所望のＦＳＶを高い精度で安定して制御することができる。また、本発明は、ＦＳＶの制御を複数の可変コンデンサで分担して制御しているため、可変コンデンサ単体の動作範囲は狭くなり、可変コンデンサへの負担が減る。このことによって可変コンデンサの寿命が長くなる。

また、本発明は、静電容量の異なる複数の可変コンデンサを用いて段階的にＦＳＶの制御を行うことで、広範囲のＦＳＶを高精度に制御する発明である。

１ａ第一の誘導結合アンテナ
１ｂ第二の誘導結合アンテナ
２真空容器
２ａ放電部
２ｂ処理部
３マッチングボックス
４ガス供給装置
５試料台
７排気装置
８ファラデーシールド
１０第一の高周波電源
１１第二の高周波電源
１２インピーダンスマッチング回路
１３試料
１４ａ第一の電流センサ
１４ｂ第二の電流センサ
１５アンテナ電流比制御回路
１６第一の可変コンデンサ
１７第二の可変コンデンサ
１８コイル
１９ＦＳＶ検出・制御回路
２１第一の位置検出器
２２第二の位置検出器
２３制御部
２４ＦＳＶ検出回路
２５第一のステッピングモータ駆動回路
２６第三の可変コンデンサ
２７第二のステッピングモータ駆動回路
２８第一のステッピングモータ
２９第二のステッピングモータ

Claims

試料がプラズマ処理される真空処理室と、
前記真空処理室外に配置された誘導結合アンテナと、
整合器を介して前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、
前記真空処理室の上部を気密に封止する誘電体窓と前記誘導アンテナの間に配置されたファラデーシールドとを備え、
前記ファラデーシールドに印加される高周波電圧をＦＳＶとしたとき、前記整合器は、可変コンデンサとインダクタンスから構成された直列共振回路と、前記可変コンデンサを駆動させるモータを制御するモータ制御部と、前記ＦＳＶを検出する検出部と、前記検出部により検出されたＦＳＶ値が所望のＦＳＶ値となるように前記モータ制御部を制御する制御部とを具備し、
前記可変コンデンサは、第一の可変コンデンサと前記第一の可変コンデンサより静電容量が小さい第二の可変コンデンサとを具備し、
前記検出されたＦＳＶと前記所望のＦＳＶとの偏差が所定の値より大きい場合、前記制御装置は、前記第一の可変コンデンサを用いて前記偏差が小さくなるような制御を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
試料がプラズマ処理される真空処理室と、
前記真空処理室外に配置された誘導結合アンテナと、
整合器を介して前記誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、
前記真空処理室の上部を気密に封止する誘電体窓と前記誘導アンテナの間に配置されたファラデーシールドとを備え、
前記ファラデーシールドに印加される高周波電圧をＦＳＶとしたとき、前記整合器は、可変コンデンサとインダクタンスから構成された直列共振回路と、前記可変コンデンサを駆動させるモータを制御するモータ制御部と、前記ＦＳＶを検出する検出部と、前記検出部により検出されたＦＳＶ値が所望のＦＳＶ値となるように前記モータ制御部を制御する制御部とを具備し、
前記可変コンデンサは、第一の可変コンデンサと前記第一の可変コンデンサより静電容量が小さい第二の可変コンデンサとを具備するプラズマ処理装置を用いて前記ＦＳＶを制御するＦＳＶの制御方法において、
前記検出されたＦＳＶと前記所望のＦＳＶとの偏差が所定の値より大きい場合、前記第一の可変コンデンサを用いて前記偏差が小さくなるようして前記ＦＳＶを制御することを特徴とするＦＳＶの制御方法。