JP2929284B2 - 高周波プラズマ処理装置のためのインピーダンス整合及び電力制御システム - Google Patents
高周波プラズマ処理装置のためのインピーダンス整合及び電力制御システムInfo
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- JP2929284B2 JP2929284B2 JP9264844A JP26484497A JP2929284B2 JP 2929284 B2 JP2929284 B2 JP 2929284B2 JP 9264844 A JP9264844 A JP 9264844A JP 26484497 A JP26484497 A JP 26484497A JP 2929284 B2 JP2929284 B2 JP 2929284B2
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
- H03H7/38—Impedance-matching networks
- H03H7/40—Automatic matching of load impedance to source impedance
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波電力を使用
した半導体等のプラズマ処理装置において高周波電力発
振器の出力インピーダンスとプラズマ生成室のインピー
ダンスの整合を行うための装置に関するものである。
した半導体等のプラズマ処理装置において高周波電力発
振器の出力インピーダンスとプラズマ生成室のインピー
ダンスの整合を行うための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体等にエッチング、ＣＶＤ及びスパ
ッタリング等の処理を施すプラズマ処理装置において、
インピーダンス整合装置は図１に示すように、高周波電
力発振器１からプラズマ生成室２への同軸ケーブル３
（Ｎ×λ／２長）を用いた電力供給ラインの後端部、す
なわちプラズマ生成室２の近傍に設置される。一般的な
自動サーボ制御方式の場合、この整合装置は自動インピ
ーダンス整合器４として形成され、その入力側に電圧・
電流位相差検出部及び負荷インピーダンス検出部からな
る検出回路５を設けてそれぞれ図４及び図５の曲線に示
すような周波数（位相）及びインピーダンスとの関係を
有する電圧信号を発生し、各検出部の出力信号を受信す
る負荷サーボアンプ６ａ及び位相サーボアンプ６ｂによ
りそれぞれモータＭ1 及びＭ2 を介してＬＣ回路中の可
変コンデンサＣ1 及びＣ2 等を制御することによりイン
ピーダンス整合を与えるものである。
ッタリング等の処理を施すプラズマ処理装置において、
インピーダンス整合装置は図１に示すように、高周波電
力発振器１からプラズマ生成室２への同軸ケーブル３
（Ｎ×λ／２長）を用いた電力供給ラインの後端部、す
なわちプラズマ生成室２の近傍に設置される。一般的な
自動サーボ制御方式の場合、この整合装置は自動インピ
ーダンス整合器４として形成され、その入力側に電圧・
電流位相差検出部及び負荷インピーダンス検出部からな
る検出回路５を設けてそれぞれ図４及び図５の曲線に示
すような周波数（位相）及びインピーダンスとの関係を
有する電圧信号を発生し、各検出部の出力信号を受信す
る負荷サーボアンプ６ａ及び位相サーボアンプ６ｂによ
りそれぞれモータＭ1 及びＭ2 を介してＬＣ回路中の可
変コンデンサＣ1 及びＣ2 等を制御することによりイン
ピーダンス整合を与えるものである。
【０００３】プラズマ生成室２のインピーダンスはＺL
＝ＲL ±ｊＸL と表され、このような負荷に最大の効率
で電力を供給するには、このインピーダンス整合器４の
入力側から見て高周波電力発振器１の出力インピーダン
ス、すなわち同軸ケーブル３の特性インピーダンス（５
０Ω）に等しい実数抵抗分ＲL ＝５０Ωであって、虚数
分±ｊＸL ＝０Ωとなるようにインピーダンス変換、す
なわち整合調整を行う必要がある。これによって整合が
とれた場合、インピーダンス整合器４とプラズマ生成室
２のインピーダンスを含めたものが電源から見たインピ
ーダンスとしてＺ＝５０±ｊ０〔Ω〕となる。
＝ＲL ±ｊＸL と表され、このような負荷に最大の効率
で電力を供給するには、このインピーダンス整合器４の
入力側から見て高周波電力発振器１の出力インピーダン
ス、すなわち同軸ケーブル３の特性インピーダンス（５
０Ω）に等しい実数抵抗分ＲL ＝５０Ωであって、虚数
分±ｊＸL ＝０Ωとなるようにインピーダンス変換、す
なわち整合調整を行う必要がある。これによって整合が
とれた場合、インピーダンス整合器４とプラズマ生成室
２のインピーダンスを含めたものが電源から見たインピ
ーダンスとしてＺ＝５０±ｊ０〔Ω〕となる。
【０００４】しかしながら、このような整合回路中に設
けた可変コンデンサＣ1 、Ｃ2 や固定もしくは可変イン
ダクタＬは高周波電力の通過により導体抵抗と表皮効果
の相乗作用で発熱し、それによる電力消費が避けられな
い。また、プラズマ生成室内部のインピーダンスはプラ
ズマ処理によるデポジションなどで経時変化するため、
可変コンデンサや可変インダクタの調整量も変化し、こ
れに伴って通過量も変化するため、インピーダンス整合
器内部の損失電力を一定に保つことはできない。
けた可変コンデンサＣ1 、Ｃ2 や固定もしくは可変イン
ダクタＬは高周波電力の通過により導体抵抗と表皮効果
の相乗作用で発熱し、それによる電力消費が避けられな
い。また、プラズマ生成室内部のインピーダンスはプラ
ズマ処理によるデポジションなどで経時変化するため、
可変コンデンサや可変インダクタの調整量も変化し、こ
れに伴って通過量も変化するため、インピーダンス整合
器内部の損失電力を一定に保つことはできない。
【０００５】従来の典型的なインピーダンス整合方法に
おいては、高周波電力発振器１に対して高周波電力の外
部設定信号が加えられ、その発振器の出力電力（進行波
電力）を一定となるようにし、インピーダンス整合状態
において接続配線などの損失を無視することにより、 供給電力（進行波電力）＝ ケーブル損失電力＋インピ
ーダンス整合装置内部損失電力＋プラズマ生成室内部消
費電力 なる最大の電力供給条件が成立するものとし、この条件
において供給電力を一定値に制御してプラズマ生成室内
部消費電力（負荷電力）を一定の値に制御しようとする
ものである。しかしながら、前述した理由により、イン
ピーダンス整合装置の内部損失出力が一定にならないた
め、結局、プラズマ生成室の内部消費電力量もまた一定
にならないという問題があった。
おいては、高周波電力発振器１に対して高周波電力の外
部設定信号が加えられ、その発振器の出力電力（進行波
電力）を一定となるようにし、インピーダンス整合状態
において接続配線などの損失を無視することにより、 供給電力（進行波電力）＝ ケーブル損失電力＋インピ
ーダンス整合装置内部損失電力＋プラズマ生成室内部消
費電力 なる最大の電力供給条件が成立するものとし、この条件
において供給電力を一定値に制御してプラズマ生成室内
部消費電力（負荷電力）を一定の値に制御しようとする
ものである。しかしながら、前述した理由により、イン
ピーダンス整合装置の内部損失出力が一定にならないた
め、結局、プラズマ生成室の内部消費電力量もまた一定
にならないという問題があった。
【０００６】また、上記の方法では、可変コンデンサ等
を機械的に駆動するものであるため、整合が完了するま
での時間は一般に１〜５秒程度必要とし、その時間も工
程の実施毎に異なるという欠点を持っていた。
を機械的に駆動するものであるため、整合が完了するま
での時間は一般に１〜５秒程度必要とし、その時間も工
程の実施毎に異なるという欠点を持っていた。
【０００７】従来のインピーダンス整合システムにおけ
る第２の態様は、インピーダンス整合器内部のコンデン
サとインダクタンスの値を、動作時におけるプラズマ生
成室の内部インピーダンスと整合させたときの値（近似
値）に固定し、プラズマ生成室インピーダンスの経時変
化に対してはその経時変化に伴う位相検出出力の変化に
応じて高周波電力発振器の発振周波数を自動制御し、こ
れによって負荷のリアクタンスに基づく位相差角度を０
度に自動調整するものである。このシステムにおいて
は、前記の通り負荷インピーダンス調整は行わないが、
高周波電力供給ラインに反射波電力が存在することを前
提として、設定電力に反射波電力を加えた値を供給電力
とするように制御する。すなわち、 供給電力（設定電力＋反射波電力）＝ ケーブル損失電力 ＋インピーダンス整合器内部損失電力 ＋プラズマ生成室内部消費電力 とおき、供給電力に対するケーブル電力損失＋インピー
ダンス整合器内部電力損失の割合がほぼ一定になるもの
として負荷電力を制御しようとするものである。
る第２の態様は、インピーダンス整合器内部のコンデン
サとインダクタンスの値を、動作時におけるプラズマ生
成室の内部インピーダンスと整合させたときの値（近似
値）に固定し、プラズマ生成室インピーダンスの経時変
化に対してはその経時変化に伴う位相検出出力の変化に
応じて高周波電力発振器の発振周波数を自動制御し、こ
れによって負荷のリアクタンスに基づく位相差角度を０
度に自動調整するものである。このシステムにおいて
は、前記の通り負荷インピーダンス調整は行わないが、
高周波電力供給ラインに反射波電力が存在することを前
提として、設定電力に反射波電力を加えた値を供給電力
とするように制御する。すなわち、 供給電力（設定電力＋反射波電力）＝ ケーブル損失電力 ＋インピーダンス整合器内部損失電力 ＋プラズマ生成室内部消費電力 とおき、供給電力に対するケーブル電力損失＋インピー
ダンス整合器内部電力損失の割合がほぼ一定になるもの
として負荷電力を制御しようとするものである。
【０００８】しかしながら、この第２の方法において
は、反射波電力が多い場合、回路には無効電流が多く流
れ、ケーブル損失電力＋インピーダンス整合器内部電力
が反射波電力の少ない場合に比べて相対的に多くなるこ
とに留意しなければならない。したがって、供給電力
（設定電力＋反射電力）の前述した制御計算式の前提が
崩れ、プラズマ生成室内部消費電力を設定値に制御する
ことができなくなる。しかも、同軸ケーブル以降の電力
損失の絶対量を測定できないため、プラズマ生成室の内
部消費電力を絶対量として制御できないという問題があ
った。
は、反射波電力が多い場合、回路には無効電流が多く流
れ、ケーブル損失電力＋インピーダンス整合器内部電力
が反射波電力の少ない場合に比べて相対的に多くなるこ
とに留意しなければならない。したがって、供給電力
（設定電力＋反射電力）の前述した制御計算式の前提が
崩れ、プラズマ生成室内部消費電力を設定値に制御する
ことができなくなる。しかも、同軸ケーブル以降の電力
損失の絶対量を測定できないため、プラズマ生成室の内
部消費電力を絶対量として制御できないという問題があ
った。
【０００９】表１はこれら従来の二方法において反射波
電力が０〔Ｗ〕の場合、方法１において反射波電力が１
００Ｗの場合、及び方法２において反射波電力が１００
Ｗの場合において、いずれもプラズマ生成室の内部消費
電力が、インピーダンス整合器の内部電力損失の変化に
応じて変動することを示している。
電力が０〔Ｗ〕の場合、方法１において反射波電力が１
００Ｗの場合、及び方法２において反射波電力が１００
Ｗの場合において、いずれもプラズマ生成室の内部消費
電力が、インピーダンス整合器の内部電力損失の変化に
応じて変動することを示している。
【００１０】
【表１】
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】以上のようなプラズマ
処理装置におけるインピーダンス整合システムの現状に
もかかわらず、半導体等の高周波プラズマ処理装置にお
いては、近年薄膜化プロセスへの技術要求が高まり、
プラズマ生成室内部消費電力を絶対量として管理するこ
と、プラズマ生成室に対して規定の電力に達するまで
の時間をできるだけ迅速、かつ再現性よく供給すること
が要求されている。これによって例えばエッチングプロ
セスの場合には、アンダーエッチやオーバーエッチの発
生を抑え、ＣＶＤ又はスパッタリングの場合には膜厚と
膜質を一定にしたいという要求を満たそうとするもので
ある。また、プラズマ処理時間が１０秒以下というプロ
セスの場合、従来の整合所要時間１〜５秒はそのプロセ
ス処理時間に対して無視できない時間長であり、かつそ
の範囲内で整合時間が変更するという欠点のままでは半
導体製造装置側からの上述した技術的要求を満足させる
ことはできない。
処理装置におけるインピーダンス整合システムの現状に
もかかわらず、半導体等の高周波プラズマ処理装置にお
いては、近年薄膜化プロセスへの技術要求が高まり、
プラズマ生成室内部消費電力を絶対量として管理するこ
と、プラズマ生成室に対して規定の電力に達するまで
の時間をできるだけ迅速、かつ再現性よく供給すること
が要求されている。これによって例えばエッチングプロ
セスの場合には、アンダーエッチやオーバーエッチの発
生を抑え、ＣＶＤ又はスパッタリングの場合には膜厚と
膜質を一定にしたいという要求を満たそうとするもので
ある。また、プラズマ処理時間が１０秒以下というプロ
セスの場合、従来の整合所要時間１〜５秒はそのプロセ
ス処理時間に対して無視できない時間長であり、かつそ
の範囲内で整合時間が変更するという欠点のままでは半
導体製造装置側からの上述した技術的要求を満足させる
ことはできない。
【００１２】本発明の第１の目的は、ケーブル損失電力
とインピーダンス整合器の内部損失電力の影響を受けず
に、プラズマ生成室の内部消費電力を絶対量として管理
することである。また、本発明の第２の目的は、機械的
なインピーダンス整合操作を行わないため、高周波電力
発振器とプラズマ生成室との間のインピーダンス整合を
電気的反応速度において行うことである。
とインピーダンス整合器の内部損失電力の影響を受けず
に、プラズマ生成室の内部消費電力を絶対量として管理
することである。また、本発明の第２の目的は、機械的
なインピーダンス整合操作を行わないため、高周波電力
発振器とプラズマ生成室との間のインピーダンス整合を
電気的反応速度において行うことである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するため、所定範囲内の可変発振周波数を有する高
周波電力発振器からプラズマ生成室への電力供給ライン
の後端部に挿入されたインピーダンス整合器を含むイン
ピーダンス整合及び電力制御システムであって、 ａ）前記インピーダンス整合器が、その整合器の中核を
なすＬＣ回路の入力側に配置された位相検出手段を含む
入力側検出器と、出力側に配置された電圧・電流・位相
角検出機能を有する負荷側検出器、及び前記入力側検出
器と負荷側検出器の双方に接続された演算出力部を備え
たことにより、前記位相検出手段の検出位相に応じた大
きさの周波数制御信号と、前記負荷側検出器により検出
された電圧・電流・位相角から算出した前記プラズマ生
成室の消費電力を表す電力信号を出力するものであり、 ｂ）前記高周波電力発振器が、前記周波数制御信号に応
じて自身の発振周波数を制御するための発振制御部と、
プラズマ生成室に対する外部設定電力信号と前記消費電
力を表す電力信号を受信して両電力値の差を求める差分
加算器を含むことにより、前記プラズマ生成室の消費電
力が前記外部設定電力の値に等しくなるように制御する
ための出力制御部とを備えたことを特徴とする高周波プ
ラズマ処理装置のためのインピーダンス整合及び電力制
御システムを構成したものである。
解決するため、所定範囲内の可変発振周波数を有する高
周波電力発振器からプラズマ生成室への電力供給ライン
の後端部に挿入されたインピーダンス整合器を含むイン
ピーダンス整合及び電力制御システムであって、 ａ）前記インピーダンス整合器が、その整合器の中核を
なすＬＣ回路の入力側に配置された位相検出手段を含む
入力側検出器と、出力側に配置された電圧・電流・位相
角検出機能を有する負荷側検出器、及び前記入力側検出
器と負荷側検出器の双方に接続された演算出力部を備え
たことにより、前記位相検出手段の検出位相に応じた大
きさの周波数制御信号と、前記負荷側検出器により検出
された電圧・電流・位相角から算出した前記プラズマ生
成室の消費電力を表す電力信号を出力するものであり、 ｂ）前記高周波電力発振器が、前記周波数制御信号に応
じて自身の発振周波数を制御するための発振制御部と、
プラズマ生成室に対する外部設定電力信号と前記消費電
力を表す電力信号を受信して両電力値の差を求める差分
加算器を含むことにより、前記プラズマ生成室の消費電
力が前記外部設定電力の値に等しくなるように制御する
ための出力制御部とを備えたことを特徴とする高周波プ
ラズマ処理装置のためのインピーダンス整合及び電力制
御システムを構成したものである。
【００１４】上記の構成によれば、まず、位相調整は入
力側に設けられた位相検出器の出力により高周波電力発
振器の周波数を制御し、これによって位相角のずれが０
度となるようにする。
力側に設けられた位相検出器の出力により高周波電力発
振器の周波数を制御し、これによって位相角のずれが０
度となるようにする。
【００１５】次に、負荷インピーダンス調整に必要なＬ
Ｃネットワークの値は予めプラズマ生成室の動作インピ
ーダンスを整合させる値（近傍値）に設定され、純抵抗
分Ｒと入力インピーダンス５０Ωとのずれを予め少なく
してある。このような純抵抗分に対する誤差について
は、インピーダンス整合器の中核をなすコンデンサやイ
ンダクタンスを通過した後の、プラズマ反応室直前にお
ける電圧（Ｖ）・電流（Ｉ）・位相（θ）検出器を設
け、プラズマ反応室が消費する有効電力Ｐ＝Ｖ・Ｉｃｏ
ｓθ自体を測定し、この値を用いて高周波電力発振器の
出力電力を外部設定電力との差に応じて制御せしめる。
Ｃネットワークの値は予めプラズマ生成室の動作インピ
ーダンスを整合させる値（近傍値）に設定され、純抵抗
分Ｒと入力インピーダンス５０Ωとのずれを予め少なく
してある。このような純抵抗分に対する誤差について
は、インピーダンス整合器の中核をなすコンデンサやイ
ンダクタンスを通過した後の、プラズマ反応室直前にお
ける電圧（Ｖ）・電流（Ｉ）・位相（θ）検出器を設
け、プラズマ反応室が消費する有効電力Ｐ＝Ｖ・Ｉｃｏ
ｓθ自体を測定し、この値を用いて高周波電力発振器の
出力電力を外部設定電力との差に応じて制御せしめる。
【００１６】本発明においては、高周波電力発振器に対
し上記のような周波数制御と出力電力制御同時に行うこ
とにより、インピーダンス整合器内部のコンデンサやイ
ンダクタンスの発熱による電力損失の変動の影響を受け
ず、かつ機械的制御によらないで高周波電力発振器とプ
ラズマ生成室との間のインピーダンス制御を電気的応答
速度において高速処理することが可能である。
し上記のような周波数制御と出力電力制御同時に行うこ
とにより、インピーダンス整合器内部のコンデンサやイ
ンダクタンスの発熱による電力損失の変動の影響を受け
ず、かつ機械的制御によらないで高周波電力発振器とプ
ラズマ生成室との間のインピーダンス制御を電気的応答
速度において高速処理することが可能である。
【００１７】本発明の好ましい実施形態においては、負
荷側検出器からの電圧・電流・位相検出信号に基づく負
荷電力やスミスチャートなどの解析図形を表示させるた
めの表示装置を演算出力部の出力装置として接続するこ
とができる。
荷側検出器からの電圧・電流・位相検出信号に基づく負
荷電力やスミスチャートなどの解析図形を表示させるた
めの表示装置を演算出力部の出力装置として接続するこ
とができる。
【００１８】
【発明を実施する形態】以下、本発明の実施例につい
て、説明する。
て、説明する。
【００１９】
【実施例】図２は本発明の第１の実施例を示す配線及び
ブロック線図である。従来の装置構成と同様、高周波電
力発振器１の出力をλ／２（λ＝波長）の整数倍の長さ
を有する同軸ケーブル３を介して受け取るようにした本
発明のインピーダンス整合器１４はその中核をなすＬＣ
回路１５の入力側において位相検出部１７及び電力検出
部１６を含む入力側検出器１８とＬＣ回路の出力側に配
置された電圧（Ｖ）・電流（Ｉ）・位相角（θ）検出機
能を有する負荷側検出器１９を備え、さらに、位相検出
部１７及び電力検出部１６より各検出信号を受けてそれ
をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２０と、そのＡ／Ｄ変換
器２０のデジタル出力を用いて必要な演算及び制御を行
うＣＰＵからなる演算出力部２１と、この演算出力部２
１のデジタル出力をアナログ値に変換するためのＤ／Ａ
変換器２２を備えている。演算出力部２１の出力は表示
部２３にも供給されるようになっている。なお、ＬＣ回
路の値はすでに述べたように、プラズマ生成室の動作イ
ンピーダンスを整合させるべき値に予め設定されてい
る。Ｄ／Ａ変換器２２からは高周波電力発振器１の付属
制御装置として接続された発振制御部２４及び差分加算
器２５にアナログ信号ラインがそれぞれ接続される。
ブロック線図である。従来の装置構成と同様、高周波電
力発振器１の出力をλ／２（λ＝波長）の整数倍の長さ
を有する同軸ケーブル３を介して受け取るようにした本
発明のインピーダンス整合器１４はその中核をなすＬＣ
回路１５の入力側において位相検出部１７及び電力検出
部１６を含む入力側検出器１８とＬＣ回路の出力側に配
置された電圧（Ｖ）・電流（Ｉ）・位相角（θ）検出機
能を有する負荷側検出器１９を備え、さらに、位相検出
部１７及び電力検出部１６より各検出信号を受けてそれ
をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２０と、そのＡ／Ｄ変換
器２０のデジタル出力を用いて必要な演算及び制御を行
うＣＰＵからなる演算出力部２１と、この演算出力部２
１のデジタル出力をアナログ値に変換するためのＤ／Ａ
変換器２２を備えている。演算出力部２１の出力は表示
部２３にも供給されるようになっている。なお、ＬＣ回
路の値はすでに述べたように、プラズマ生成室の動作イ
ンピーダンスを整合させるべき値に予め設定されてい
る。Ｄ／Ａ変換器２２からは高周波電力発振器１の付属
制御装置として接続された発振制御部２４及び差分加算
器２５にアナログ信号ラインがそれぞれ接続される。
【００２０】高周波電力発振器１は外部よりＯＮ／ＯＦ
Ｆ指令を受けて発振又は停止するものであり、まず入力
側検出器１８における電力検出部１６が同軸ケーブル３
以降の出力供給ラインに電力が搬送されていないことを
検出した場合、その状態はＡ／Ｄ変換器２０を介して演
算出力部２１に伝達される。演算出力部２１からはＤ／
Ａ変換器２２を介して発振制御部２４に電力“０”を意
味する０Ｖ信号が供給され、これによって高周波電力発
振器１の中心周波数、例えば１３．５６ＭＨｚが設定さ
れる。ここで高周波電力発振器１に外部オン信号が与え
られると、この高周波電力発振器１が設定された中心周
波数による発振を開始し、入力側検出器１８の電力検出
部１６は電力の通過を検出する。次に、インピーダンス
整合器１４の入力側における電圧−電流間の位相が位相
検出部１７により検出され、Ａ／Ｄ変換器２０でデジタ
ル変換され、演算出力部２１に送られ、図４に示すよう
に、この位相の大きさに対応する電圧であって、同調周
波数（ゼロ位相）からの発振周波数のずれを表す周波数
制御信号に変えられる。この周波数制御信号はＤ／Ａ変
換器２２によりアナログ電圧として発振制御部２４に供
給される。すなわち、位相検出値にもとづいて正又は負
の電圧が印加されたときは中心周波数１３．５６ＭＨｚ
からＶ＝０に対応する同調周波数となるように周波数を
シフトさせ、高周波電源１から見た負荷が虚数を含まな
い純抵抗となるように制御される。このように、まず虚
数分を含まない純抵抗を与えることにより電力効率を向
上させるとともに、不要な輻射電力の発生を抑えること
ができる。
Ｆ指令を受けて発振又は停止するものであり、まず入力
側検出器１８における電力検出部１６が同軸ケーブル３
以降の出力供給ラインに電力が搬送されていないことを
検出した場合、その状態はＡ／Ｄ変換器２０を介して演
算出力部２１に伝達される。演算出力部２１からはＤ／
Ａ変換器２２を介して発振制御部２４に電力“０”を意
味する０Ｖ信号が供給され、これによって高周波電力発
振器１の中心周波数、例えば１３．５６ＭＨｚが設定さ
れる。ここで高周波電力発振器１に外部オン信号が与え
られると、この高周波電力発振器１が設定された中心周
波数による発振を開始し、入力側検出器１８の電力検出
部１６は電力の通過を検出する。次に、インピーダンス
整合器１４の入力側における電圧−電流間の位相が位相
検出部１７により検出され、Ａ／Ｄ変換器２０でデジタ
ル変換され、演算出力部２１に送られ、図４に示すよう
に、この位相の大きさに対応する電圧であって、同調周
波数（ゼロ位相）からの発振周波数のずれを表す周波数
制御信号に変えられる。この周波数制御信号はＤ／Ａ変
換器２２によりアナログ電圧として発振制御部２４に供
給される。すなわち、位相検出値にもとづいて正又は負
の電圧が印加されたときは中心周波数１３．５６ＭＨｚ
からＶ＝０に対応する同調周波数となるように周波数を
シフトさせ、高周波電源１から見た負荷が虚数を含まな
い純抵抗となるように制御される。このように、まず虚
数分を含まない純抵抗を与えることにより電力効率を向
上させるとともに、不要な輻射電力の発生を抑えること
ができる。
【００２１】一方、負荷側検出器１９からの電圧・電流
・位相信号はＡ／Ｄ変換器２０を介して演算制御部２１
に送られてＰ＝Ｖ・Ｉｃｏｓθなる負荷、すなわちプラ
ズマ生成室２の有効電力が計算され、この電力値がＤ／
Ａ変換器２２から電力発振器１に接続された出力制御部
としての差分加算器２５の信号端子に接続される。この
差分加算器２５には電力設定端子２６が設けられ、ここ
に差分加算器２５は電力設定信号と負荷電力信号の差に
応じた制御信号を発生して高周波電力発振器１を制御
し、この電力発振器１は電力設定値と負荷電力との差が
なくなるように、すなわち負荷電力が電力設定値と等し
くなるような出力を発生する。すなわち、プラズマ反応
室が消費する有効電力は演算制御部２１によりＰ＝Ｖ・
Ｉｃｏｓθの演算を介してＤ／Ａ変換器２２より直流電
圧として差分加算器２５に供給され、この加算器２５で
は電力設定電圧とこの電力値電圧との差を補整値として
高周波電力発振器１を制御し、プラズマ生成室２に必要
な設定電力を供給させるようになっている。
・位相信号はＡ／Ｄ変換器２０を介して演算制御部２１
に送られてＰ＝Ｖ・Ｉｃｏｓθなる負荷、すなわちプラ
ズマ生成室２の有効電力が計算され、この電力値がＤ／
Ａ変換器２２から電力発振器１に接続された出力制御部
としての差分加算器２５の信号端子に接続される。この
差分加算器２５には電力設定端子２６が設けられ、ここ
に差分加算器２５は電力設定信号と負荷電力信号の差に
応じた制御信号を発生して高周波電力発振器１を制御
し、この電力発振器１は電力設定値と負荷電力との差が
なくなるように、すなわち負荷電力が電力設定値と等し
くなるような出力を発生する。すなわち、プラズマ反応
室が消費する有効電力は演算制御部２１によりＰ＝Ｖ・
Ｉｃｏｓθの演算を介してＤ／Ａ変換器２２より直流電
圧として差分加算器２５に供給され、この加算器２５で
は電力設定電圧とこの電力値電圧との差を補整値として
高周波電力発振器１を制御し、プラズマ生成室２に必要
な設定電力を供給させるようになっている。
【００２２】次に、図３を参照して本発明の第２の実施
例を説明する。この実施例は先の実施例１において固定
していたＬＣ値をプラズマプロセスの種々の条件に追随
できるようにプリセットするための装置構成を含んでい
る。すなわち、ＬＣの値が固定であれば、高周波電力発
振器１による周波数シフトのみでは追随できない場合
や、特定条件における負荷インピーダンスと一般的な５
０Ω負荷との差が大きくなりすぎる場合（例えば、通常
プロセス条件からチャンバクリーニング条件に移ったと
きなど）に適用させるシステムである。したがって、こ
の実施例では、ＬＣ回路中に負荷インピーダンスプリセ
ット用可調整コンデンサＣ11' 及び負荷位相プリセット
用可調整コンデンサＣ12' をインダクタＬの入力側端子
と接地電位の間およびインダクタＬの出力側端子と負荷
側検出器１９の間にそれぞれ接続し、これらを駆動する
サーボモータＭ1 及びＭ2 をそれぞれ演算出力部２１に
接続された負荷プリセットアンプ２７及び位相プリセッ
トアンプ２８により駆動するようにしたものである。こ
のようなプリセット装置構成において、インピーダンス
整合器１４’のＬＣ値をプリセットするときは、まずそ
のプラズマプロセスのモデルとなる条件においてプラズ
マ生成室を作動させ、同時に高周波電力発振器１を基準
状態に固定しつつこの高周波電力発振器１の出力インピ
ーダンスとプラズマ生成室（負荷）インピーダンスの整
合を確立するように前記負荷インピーダンスプリセット
用可調整コンデンサＣ11' と負荷位相プリセット用可調
整コンデンサＣ12' の容量値を設定する。容量値の設定
後は、システムが他のプロセス条件で作動していると
き、その容量値はそれらの可調整コンデンサＣ11' 、Ｃ
12'に連駆動されるポテンショメータＰ1 、Ｐ2 のスイ
ーパ位置として演算出力部２１が記憶している。したが
って、再びそのプロセスでシステムを作動させるとき
は、前記演算出力部２１がその記憶値に基づいてプリセ
ット駆動増幅器２７及び２８を駆動し、サーボモータを
回転させてそのプロセス条件のためのＣ11' 、Ｃ12' 設
定値を確立する。
例を説明する。この実施例は先の実施例１において固定
していたＬＣ値をプラズマプロセスの種々の条件に追随
できるようにプリセットするための装置構成を含んでい
る。すなわち、ＬＣの値が固定であれば、高周波電力発
振器１による周波数シフトのみでは追随できない場合
や、特定条件における負荷インピーダンスと一般的な５
０Ω負荷との差が大きくなりすぎる場合（例えば、通常
プロセス条件からチャンバクリーニング条件に移ったと
きなど）に適用させるシステムである。したがって、こ
の実施例では、ＬＣ回路中に負荷インピーダンスプリセ
ット用可調整コンデンサＣ11' 及び負荷位相プリセット
用可調整コンデンサＣ12' をインダクタＬの入力側端子
と接地電位の間およびインダクタＬの出力側端子と負荷
側検出器１９の間にそれぞれ接続し、これらを駆動する
サーボモータＭ1 及びＭ2 をそれぞれ演算出力部２１に
接続された負荷プリセットアンプ２７及び位相プリセッ
トアンプ２８により駆動するようにしたものである。こ
のようなプリセット装置構成において、インピーダンス
整合器１４’のＬＣ値をプリセットするときは、まずそ
のプラズマプロセスのモデルとなる条件においてプラズ
マ生成室を作動させ、同時に高周波電力発振器１を基準
状態に固定しつつこの高周波電力発振器１の出力インピ
ーダンスとプラズマ生成室（負荷）インピーダンスの整
合を確立するように前記負荷インピーダンスプリセット
用可調整コンデンサＣ11' と負荷位相プリセット用可調
整コンデンサＣ12' の容量値を設定する。容量値の設定
後は、システムが他のプロセス条件で作動していると
き、その容量値はそれらの可調整コンデンサＣ11' 、Ｃ
12'に連駆動されるポテンショメータＰ1 、Ｐ2 のスイ
ーパ位置として演算出力部２１が記憶している。したが
って、再びそのプロセスでシステムを作動させるとき
は、前記演算出力部２１がその記憶値に基づいてプリセ
ット駆動増幅器２７及び２８を駆動し、サーボモータを
回転させてそのプロセス条件のためのＣ11' 、Ｃ12' 設
定値を確立する。
【００２３】このようにしてプリセットした後、そのプ
ラズマプロセス条件における高周波プラズマ処理装置の
駆動を第１の実施例と同様電子回路動作のみで行い、し
たがって、機械制御によらず、電気的応答速度において
実行するものである。
ラズマプロセス条件における高周波プラズマ処理装置の
駆動を第１の実施例と同様電子回路動作のみで行い、し
たがって、機械制御によらず、電気的応答速度において
実行するものである。
【００２４】表２は本発明において、高周波電力発振器
１への外部設定電力値が例えば７５０Ｗである場合、イ
ンピーダンス整合器の内部電力損失が１５０Ｗ〜２００
Ｗの間で変化してもプラズマ生成室の内部電力消費は設
定値と同じ７５０Ｗに維持されることを示している。
１への外部設定電力値が例えば７５０Ｗである場合、イ
ンピーダンス整合器の内部電力損失が１５０Ｗ〜２００
Ｗの間で変化してもプラズマ生成室の内部電力消費は設
定値と同じ７５０Ｗに維持されることを示している。
【００２５】
【表２】
【００２６】
【発明の効果】本発明は以上述べたように、半導体制御
装置の高周波プラズマ処理装置においてケーブル電力損
失とインピーダンス整合装置内部損失の影響を受けず
に、プラズマ生成室内部消費電力を絶対量として制御す
ることを可能にしたものである。
装置の高周波プラズマ処理装置においてケーブル電力損
失とインピーダンス整合装置内部損失の影響を受けず
に、プラズマ生成室内部消費電力を絶対量として制御す
ることを可能にしたものである。
【００２７】また、本発明の制御システムは、常時のプ
ロセス制御においては機械的制御によらず、電気的応答
速度において高周波電力発振器を制御し、プラズマ生成
室との間のインピーダンス整合を高速で行うことができ
る。
ロセス制御においては機械的制御によらず、電気的応答
速度において高周波電力発振器を制御し、プラズマ生成
室との間のインピーダンス整合を高速で行うことができ
る。
【図１】従来の典型的な半導体処理装置における高周波
電力供給ラインのインピーダンス整合回路を示す電気回
路及びブロック線図である。
電力供給ラインのインピーダンス整合回路を示す電気回
路及びブロック線図である。
【図２】本発明の第１の実施例におけるインピーダンス
整合回路の電気回路及びブロック線図である。
整合回路の電気回路及びブロック線図である。
【図３】本発明の第２の実施例におけるインピーダンス
整合回路の電気回路及びブロック線図である。
整合回路の電気回路及びブロック線図である。
【図４】電圧によって表された負荷の位相と周波数との
関係を示す位相検出器出力特性曲線である。
関係を示す位相検出器出力特性曲線である。
【図５】電圧によって表された５０Ω負荷と負荷インピ
ーダンスとの関係を示す負荷インピーダンス検出器出力
特性曲線である。
ーダンスとの関係を示す負荷インピーダンス検出器出力
特性曲線である。
１ 高周波電力発振器 ２ プラズマ生成室 ３ Ｎ×λ／２‐特性インピーダンス５０Ωの同軸ケー
ブル １４ インピーダンス整合器 １５ ＬＣ回路 １６ 電力検出部 １７ 位相検出部 １８ 入力側検出器 １９ 負荷側検出器 ２３ 表示部 ２４ 発振制御部 ２５ 差分加算器
ブル １４ インピーダンス整合器 １５ ＬＣ回路 １６ 電力検出部 １７ 位相検出部 １８ 入力側検出器 １９ 負荷側検出器 ２３ 表示部 ２４ 発振制御部 ２５ 差分加算器
Claims (4)
- 【請求項１】 所定範囲内の可変発振周波数を有する高
周波電力発振器からプラズマ生成室への電力供給ライン
の後端部に挿入されたインピーダンス整合器を含むイン
ピーダンス整合及び電力制御システムであって、 ａ）前記インピーダンス整合器が、その整合器の中核を
なすＬＣ回路の入力側に配置された位相検出手段を含む
入力側検出器と、出力側に配置された電圧・電流・位相
角検出機能を有する負荷側検出器、及び前記入力側検出
器と負荷側検出器の双方に接続された演算出力部を備え
たことにより、前記位相検出手段の検出位相に応じた大
きさの周波数制御信号と、前記負荷側検出器により検出
された電圧・電流・位相角から算出した前記プラズマ生
成室の消費電力を表す電力信号を出力するものであり、 ｂ）前記高周波電力発振器が、前記周波数制御信号に応
じて自身の発振周波数を制御するための発振制御部と、
プラズマ生成室に対する外部設定電力信号と前記消費電
力を表す電力信号を受信して両電力値の差を求める差分
加算器を含むことにより、前記プラズマ生成室の消費電
力が前記外部設定電力の値に等しくなるように制御する
ための出力制御部とを備えたことを特徴とする高周波プ
ラズマ処理装置のためのインピーダンス整合及び電力制
御システム。 - 【請求項２】 前記インピーダンス整合器中の入力側検
出器がさらに、前記電力供給ラインに高周波電力が搬送
されているか否かを検出するための電力検出手段を備
え、その高周波電力が搬送されていない時に前記前記イ
ンピーダンス整合器が前記周波数制御信号の大きさをゼ
ロとして前記発振制御部に伝達することにより、前記高
周波電力発振器の発振電力の中心周波数を設定するよう
にしたことを特徴とする請求項１記載のシステム。 - 【請求項３】 前記インピーダンス整合器の演算出力部
に表示装置を接続し、前記位相検出手段により検出され
た電圧−電流間位相又は発振周波数制御信号と、前記負
荷側検出器により検出された電圧・電流・位相角から算
出した負荷電力を表示させることを特徴とする請求項１
又は２記載のシステム。 - 【請求項４】 前記インピーダンス整合器において、前
記ＬＣ回路内の負荷インピーダンスプリセット用可調整
コンデンサと、前記ＬＣ回路内の負荷位相プリセット用
可調整コンデンサと、これらのコンデンサをそれぞれ調
整操作する第１及び第２のサーボモータと、これらのサ
ーボモータをそれぞれ回転駆動する第１及び第２のプリ
セット駆動増幅器を含み、前記演算出力部は種々のプラ
ズマ生成室作動条件において、高周波電力発振器を基準
状態に固定しつつ、同発振器の出力インピーダンスとプ
ラズマ生成室負荷インピーダンスの整合を確立するよう
に、前記負荷インピーダンスプリセット用可調整コンデ
ンサと、前記負荷位相プリセット用可調整コンデンサの
値を設定すべく、前記第１及び第２のプリセット駆動増
幅器に供給するためのサーボモータ駆動制御信号を演算
し且つ記憶するものであることを特徴とする請求項１〜
３のいずれか１項記載のシステム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9264844A JP2929284B2 (ja) | 1997-09-10 | 1997-09-10 | 高周波プラズマ処理装置のためのインピーダンス整合及び電力制御システム |
| US09/007,428 US5936481A (en) | 1997-09-10 | 1998-01-15 | System for impedance matching and power control for apparatus for high frequency plasma treatment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9264844A JP2929284B2 (ja) | 1997-09-10 | 1997-09-10 | 高周波プラズマ処理装置のためのインピーダンス整合及び電力制御システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1187097A JPH1187097A (ja) | 1999-03-30 |
| JP2929284B2 true JP2929284B2 (ja) | 1999-08-03 |
Family
ID=17409006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9264844A Expired - Fee Related JP2929284B2 (ja) | 1997-09-10 | 1997-09-10 | 高周波プラズマ処理装置のためのインピーダンス整合及び電力制御システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5936481A (ja) |
| JP (1) | JP2929284B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7196283B2 (en) | 2000-03-17 | 2007-03-27 | Applied Materials, Inc. | Plasma reactor overhead source power electrode with low arcing tendency, cylindrical gas outlets and shaped surface |
| US6528751B1 (en) * | 2000-03-17 | 2003-03-04 | Applied Materials, Inc. | Plasma reactor with overhead RF electrode tuned to the plasma |
| US8048806B2 (en) | 2000-03-17 | 2011-11-01 | Applied Materials, Inc. | Methods to avoid unstable plasma states during a process transition |
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