JP3966669B2

JP3966669B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP3966669B2
Application number: JP2000084198A
Authority: JP
Inventors: 伸二八島; 基成竹林
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2020-03-24
Also published as: JP2001267098A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の処理室を備えたプラズマ処理装置に係り、特に１台の高周波電源から複数の処理室へ高周波電力を分配するようにしたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
処理室内でプラズマを発生するためには高周波電源、およびインピーダンス整合を行なう高周波整合器が必要である。複数の処理室を備えたプラズマ処理装置では、１つの処理室に対して、１つの高周波電源、１つの高周波整合器を必要としているものがほとんどである。各処理室毎に高周波電源と高周波整合器を設けると、各処理室に均等に高周波電力を供給することはできるが、制御対象が多くなり、制御上難しくなる傾向にある。また、経済的にも問題である。
【０００３】
そこで、１台の高周波電源から複数の処理室へ高周波電力を分配する技術が提案されている（例えば、特許番号第２６７３５７１号）。これは、基本的には給電線にインダクタンスを挿入して、各処理室へ均等に高周波電力を供給しようとするものである。処理室に至る給電線のインダクタンスよりも、大きなインダクタンスを挿入し、給電線のインダクタンスの影響を、相対的に小さくすることを狙いとしている。
【０００４】
また、上記技術には、１つの高周波電源の給電線を分割して、可変コンデンサや可変インダクタンスを挿入することも提案されている。これは、処理室までに至る各給電線に着目し、各給電線のインピーダンスを等しくしようとするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した従来の技術では次のような問題があった。
【０００６】
（１）処理室までに至る給電線に着目したものでは、電流等のモニタ機構が備っていないため、可変コンデンサや可変インダクタンスの適正値を見出すことは困難である。実際には、基板処理室の構造のバラツキや、プラズマの電気的なバラツキもあり、これらを含めて、均等に電力分配を行なおうとすることは困難である。
【０００７】
（２）基板処理室までに至る給電線のインダクタンスより、大きなインダクタンス素子を挿入し、給電線のインダクタンスの影響を、相対的に小さくするものでは、インダクタンス成分が大きくなりすぎ、高周波電流の通りが悪くなることが考えられる。また、素子を挿入することにより、給電線のインピーダンスを大きくしてしまい、系全体の整合状態を大きく変え、プラズマ生成に影響を与えかねない。特に、３つ以上の処理室を備える場合は、困難が予想される。
【０００８】
（３）基本的には、２分割方法を基礎とし、偶数分割方法を提案しているが、奇数分割方法には適用が困難である。
【０００９】
（４）また、均等に分配することを狙いとしているので、任意の電力を分配することができない。
【００１０】
本発明の課題は、任意数の処理室に対して、処理室の構造的、電気的なバラツキにかかわらず、１つの高周波電源から均等に電力を分配することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。また、本発明の他の課題は、複数の処理室に対して、系全体の整合状態を大きく変えることなく、１つの高周波電源から高周波電力を任意の分配率で分配することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、１台の高周波電源から複数のプラズマ処理室に高周波電力を分配する分配線路に挿入される可変リアクタンスと、前記分配線路に流れる電流を測定する測定系と、前記測定電流に応じて前記可変リアクタンスを制御する制御系とを備えたプラズマ処理装置である。分配線路に挿入する可変リアクタンスは、可変コンデンサまたは可変インダクタンス単独の場合も含まれる。
【００１２】
分配線路に挿入した各可変リアクタンスを制御して、分配線路に流れる各電流の大きさ及び位相が同じになるようにする。すると、各可変リアクタンスの両端に生じる各電位差も同相となり、分配点での電圧が共通であるので、各基板処理室に供給される高周波電力が均等になる。その結果、簡単な回路構成でありながら、処理室の構造的、電気的なバラツキにかかわらず、１つの高周波電源から任意数の基板処理室に均等に電力を分配することが可能になる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記制御系が、一方の分配線路に挿入した可変リアクタンスがインダクティブになり、他方の分配線路に挿入した可変リアクタンスがキャパシティブになるように前記可変リアクタンスを制御するものであるプラズマ処理装置である。
【００１４】
一方の分配線路に挿入した可変リアクタンスがインダクティブになり、他方の分配線路に挿入した可変リアクタンスがキャパシティブになるように制御すると、系全体の整合状態を大きく変えることなく、複数の処理室に分配供給する高周波電力を任意の分配率で分配可能となる。
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を、２つの処理室を備えたプラズマ処理装置に適用した場合について説明する。基板は半導体ウェハまたは液晶表示装置を構成するガラス基板などである。
【００１５】
図１に示すように、プラズマ処理装置は、基板をプラズマ処理する２つの基板処理室１、２と、２つの基板処理室１、２の高周波電極１１、１２にプラズマ発生用の高周波電力を同一の供給源から供給するための１台の高周波電源５と、１台の高周波電源５から２つの基板処理室１、２に高周波電力を供給する給電線１０を備えている。給電線１０は高周波電源５から分配点Ａまでの給電線路６と、分配点Ａから２つの処理室１、２に高周波電力を２分配する分配線路７、８とから構成される。
【００１６】
給電線路６にはインピーダンス整合を行なうマッチングボックスと呼ばれる高周波整合器１５が挿入されている。高周波整合器１５は電気的定数を決める可変コンデンサとインダクタンスとから主に構成される。高周波電源５が１台だから高周波整合器１５も１台でよく、１台の高周波電源５及び１台の高周波整合器１５を共通使用するので電源の個数が削減でき経済的である。
【００１７】
分配線路７、８には可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂と、分配線路７、８に流れる電流を測定する電流測定系としての電流検出器ＣＴ₁、ＣＴ₂がそれぞれ挿入されている。そして、ＣＴ₁、ＣＴ₂の電流測定結果に応じて、各基板処理室１、２に高周波電力が均等に供給されるように、分配線路７、８に挿入した可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂を制御する制御部１６が設けられる。
【００１８】
可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂は、給電線１０のインダクタンスの影響を少なくするために、それぞれの高周波電極１１、１２への高周波給電点Ｂ₁、Ｂ₂の上部に挿入する。可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂に流れる電流はＣＴ₁、ＣＴ₂によってモニタする。２つのＣＴ₁、ＣＴ₂の出力は減算されるように接続され、減算値がゼロ（電流の大きさが同じでかつ同相）になるように制御部１６から可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂に制御出力を加えて、可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂の容量を変える。
【００１９】
それぞれのＣＴ₁、ＣＴ₂の減算値がゼロになった場合、図２のベクトル図に示すように、各分配線路７、８にそれぞれ流れる電流Ｉ₁、Ｉ₂を、大きさが同じで、位相差ゼロとなるように、制御部１６によって可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂を制御する。可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂の両端に生じる電位差をＶｃ₁、Ｖｃ₂とすると、ベクトルＩ₁とベクトルＶｃ₁とは直交し、ベクトルＩ₂とベクトルＶｃ₂とは直交する関係になる。したがって、分配点Ａの電圧をＶ₀、給電点Ｂ₁、Ｂ₂の電圧をそれぞれＶ₁、Ｖ₂とすれば、
Ｖ₁＝Ｖ₀−Ｖｃ₁ （１）
Ｖ₂＝Ｖ₀−Ｖｃ₂ （２）
となる。Ｖ₁とＩ₁の位相差をθ、Ｖ₂とＩ₂の位相差をφとすると、
｜Ｖ₁｜ｃｏｓθ＝｜Ｖ₂｜ｃｏｓθ （３）
となり、高周波電極１１、１２への供給電力は、
｜Ｉ₁｜｜Ｖ₁｜ｃｏｓθ＝｜Ｉ₂｜｜Ｖ₂｜ｃｏｓφ （４）
となり、均等に供給されることになる。
【００２０】
上述したように実施の形態によれば、つぎのような効果がある。
（１）分配線路７、８に可変コンデンサを挿入し、可変コンデンサに流れる電流に応じて可変コンデンサを制御するという簡便な構成で、高周波電力を複数の処理室に均等に分配できる。
（２）分配線路７、８に挿入する素子はインダクタンスではなく、コンデンサなので、インダクタンス成分が大きくなりすぎて高周波電流の通りが悪くなるということがない。
【００２１】
（３）電流モニタ機構を給電線に備えているため、基板処理室の構造のバラツキや、プラズマの電気的なバラツキがあっても、可変コンデンサの適正値を容易に見い出すことができ、均等に電力分配を行うことができる。
【００２２】
なお、実施の形態では分配線路７、８の両方に可変コンデンサを挿入したが、その内の、一方を固定コンデンサとし、他方を可変コンデンサとして、他方の可変コンデンサのみを制御するようにしてもよい。また、図３に示すように、コンデンサの代りに、可変インダクタンスＬ₁、Ｌ₂を挿入して、これらに流れる電流に応じてインダクタンス値を制御するようにしてもよい。さらに図４に示すように、可変リアクタンスｊＸ₁、ｊＸ₂を挿入して、これらに流れる電流に応じてリアクタンス値を制御するようにしてもよい。いずれも、各素子に流れる電流を測定するようにしたので、電力均等分配のための各素子の適正値を容易に決定できる。
【００２３】
また、基板処理室が３室以上の場合も同様である。その一例として、図５に３室（処理室１〜３）の場合を挙げる。この場合、各分配線路７、８、９に流れる電流をモニタするＣＴ１〜ＣＴ３の出力に位相シフタ１７〜１９を接続して、ＣＴ１〜ＣＴ３の出力を、それぞれ０度、１２０度、２４０度位相を変え、各出力を加算器２０で加算する。加算した値がゼロとなるように、制御部１６により可変コンデンサＣ１〜Ｃ３を制御して容量値を変え、電力が均等に分配されるようにする。
【００２４】
このように分配後の電流をモニタして、その大きさ及び位相差が等しくなるように各可変コンデンサを制御しているので、偶数分割、奇数分割に係わらず、均等な電力分配が可能となる。また、３つ以上の処理室を備える場合でも、電力の均等分配が容易になる。
【００２５】
上述した実施の形態では複数の基板処理室に均等に電力を分配する場合について説明したが、処理室の処理内容によっては、均等ではなく、任意の分配率で高周波電力を分配することが要求される場合がある。そこで、次の実施の形態では、複数の基板処理室に任意の分配率で高周波電力を分配することが可能なプラズマ処理装置について説明する。ここでは、処理室が２つの場合について説明する。
【００２６】
図６に示すように、１台の高周波電源５から給電線１０を通じて２つの基板処理室１、２の高周波電極１１、１２にプラズマ発生用の高周波電力を供給し、給電線路６に高周波整合器１５が挿入されている点は、図１のものと同じである。異なる点は、分配線路７、８に可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂、およびＣＴ₁、ＣＴ₂に加えて、更にインダクタンスＬ₁、Ｌ₂を挿入した点である。すなわち、分配線路７、８の各電極１１、１２の高周波給電点Ｂ₁、Ｂ₂の上部に、可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂とインダクタンスＬ₁、Ｌ₂をそれぞれ直列に挿入する。ここで、可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂の中央値Ｃ_Cと、インダクタンスＬ₁、Ｌ₂のインピーダンスの絶対値が等しくなるように選定する。なお、可変コンデンサの中央値ではなく、可変範囲内の１つの値としてもよい。図６のものは、分配線路にリアクタンスを挿入するという点で、図４の構成をさらに一歩進めたものといえる。
【００２７】
下式のように可変コンデンサの中央値とインダクタンスのインピーダンスの絶対値が等しいとき、
｜ωＬ｜＝｜１／（ωＣ_C）｜（５）
分配線路７、８に挿入された素子のインピーダンスが０Ωになり、素子を挿入したにもかかわらず、抵抗がなくなるので電力供給効率が上がる。また、可変コンデンサＣ₁、Ｃ₂を中央値Ｃ_Cより変化させることにより、挿入された素子は、インダクティブにもキャパシティブにも変化し、各処理室に流れる通過電力を制御できることになる。
【００２８】
上記実施の形態によれば、分配線路にインダクタンスをさらに直列に挿入し、可変コンデンサの値を変えることにより、各処理室に流れる通過電力を制御できるようにしたので、複数の処理室に供給する高周波電力を任意の分配率で分配できる。加えて、インピーダンスが０Ωとなる動作点をもつので、分配線路への素子挿入によるインピーダンスの過大な増加がない。また、素子を挿入しても、給電線のインピーダンスが大きくならないので、系全体の整合状態の変化を最低限に抑えることができ、プラズマ生成に与える影響を少なくすることができる。
【００２９】
なお、上述した実施の形態ではコンデンサを可変にしてインダクタンスを固定にしたが、図７に示すように、インダクタンスを可変にし、コンデンサの方を固定にするようにしてもよい。
【００３０】
ここに、上述した可変コンデンサの容量を変えることにより通過電力を制御できる理由を説明する。基板処理室内に発生しているプラズマを、電気定数としてモデル化すると、エネルギーが消費される抵抗分Ｒと、プラズマシースの容量分Ｃ_Sの直列回路として表現される。このＲとＣ_sの値は、投入電力により、それほど大きく変化しないことが実験的に確認されている。
【００３１】
図８に、そのような１処理室分（１電極分）の線路に可変コンデンサＣ₁及びインダクタンスＬ₁を挿入した等価回路図を示す。Ａ点の印加電圧Ｖ₀は一定であるとする。図９にベクトル図を示す。同図において、
可変コンデンサ変更前のベクトル式は、
ベクトルＯＡ（Ｖ₀）＝ベクトルＢ₁Ａ＋ベクトルＯＢ₁
可変コンデンサ変更後のベクトル式は、
ベクトルＯＡ（Ｖ₀）＝ベクトルＢ₂Ａ＋ベクトルＯＢ₂
である。
可変コンデンサＣ₁の容量を変えると、回路全体のリアクタンスＸが変化し、結果的に、分配線路に流れる電流Ｉも変化する。抵抗Ｒは、先に述べたように、ほぼ一定と考えられるので、電流Ｉが変れば、図９のベクトルＯＢ₁の長さが、円弧に沿って変化する。プラズマに供給される電力は、Ｉ²Ｒとなるので、投入電力は、おおむね、このベクトルＯＢ₁、ＯＢ₂の長さの二乗に比例することになる。したがって可変コンデンサの容量を変えると通過電力を制御できることになる。
【００３２】
ここまでの説明では、印加電圧Ｖ₀を一定と仮定したが、高周波電源は電力一定で制御しているため、可変コンデンサを変化させることにより、印加電圧Ｖ₀も変化する。しかしながら、一方の処理室の高周波電極に接続されている可変コンデンサをキャパシティブになる方向に変化させ、他方の電極に接続される可変コンデンサをインダクティブになるようにすれば、電圧の変化の度合いも軽減される。したがって上記に説明した状況、すなわちＶ₀一定の仮定を大きく崩すことなく、高周波電力を任意の分配率で分配することができる。
【００３３】
ここに電圧の変化の度合いが軽減される点について、図１０〜図１５を用いて、具体的に説明する。まず仮定として図１０に示す単純モデルを考える。２つの処理室１、２のインピーダンスは同じとし、したがって２つの分配線路に流れる電流Ｉ₁、Ｉ₂も同じとする。一般的にプラズマは処理室内壁でシースを作るため、容量性（キャパシティブ）と考え、電圧Ｖ₀よりも電流Ｉ₀（Ｉ₁，Ｉ₂）が進んでいるものとする（図１１）。
【００３４】
電力を調整するために、図１２に示すように一方の分配線路７にインダクタンスＬを、他方の分配線路８にコンデンサＣをそれぞれ挿入した場合を考える。各処理室１、２の両端に生じる電圧をＶ₁、Ｖ₂とする。そのときのベクトル図を図１３に示す。コンデンサＣの両端に生じる電圧をＶ_C、インダクタンスＬの両端に生じる電圧をＶ_Lとすると、ベクトルＩ₁とベクトルＶ_Lとは直交し、ベクトルＩ₂とベクトルＶ_Cとは直交する関係になる。Ｖ_Lに対してＩ₁は９０°位相が遅れるのに対して、Ｉ₂はＶ_Cに対して９０°位相が進む。このため印加電圧Ｖ₀に対して、コイルＬを挿入した側の処理室１の電圧Ｖ₁は遅れ側に位置し、コンデンサＣを挿入した側の処理室２の電圧Ｖ₂は進み側に位置する。
【００３５】
これに対して、図１４に示すように両分配線路７、８に共にコンデンサＣ₁、Ｃ₂を挿入した場合を考える。それぞれの両端に生じる電圧をＶ_1C、Ｖ_2Cとする。そのときのベクトル図を図１５に示す。ベクトルＩ₁とベクトルＶ_1Cとは直交し、ベクトルＩ₂とベクトルＶ_2Cとは直交する関係になる。Ｖ_1Cに対してＩ₁は９０°位相が進むが、Ｉ₂もＶ_2Cに対して９０°位相が進むことになる。このため印加電圧Ｖ₀に対して、分配線路７側の処理室１の電圧Ｖ₁も、分配線路８側の処理室の電圧Ｖ₂も共に進み側に位置することになる。
【００３６】
ここで図１３および図１５の印加電圧Ｖ₀と合成電流Ｉ₀の位相角φを比較すると、位相角φは共にコンデンサを挿入した図１５の方が大きくなっていることが解る。これに対して、一方にインダクタンス、他方にコンデンサを挿入した図１３の方が、両インピーダンスを同じとした図１１のそれに近いことが解る。このことは、図１３の方が図１５に比べて、インピーダンス変化が小さいということを意味する。したがって、一方の処理室の高周波電極に接続されている可変コンデンサをキャパシティブになる方向に変化させ、他方の電極に接続される可変コンデンサをインダクティブになるようにすれば（図１２）、電圧変動の度合いも軽減されて、電力分配が任意に行なえるということになる。
【００３７】
見方を変えて説明する。分配線路に形成された処理室を含む分配回路の合成インピーダンスをｒ＋ｊｘとすると、
【数１】

とも表現できる。
【００３８】
印加電圧Ｖ₀の電圧変動が大きいということは、合成インピーダンスの変動が大きいということであり、逆に電圧変動が比較的少ないということは、合成インピーダンスの変動が少ないということである。先に述べた図１５に示すように、印加電圧Ｖ₀と合成電流Ｉ₀との位相角φが大きく変化するものは、インピーダンスが大きく変化することを意味する。これに対して図１３に示すように、進み電流Ｉ₂と遅れ電流Ｉ₁とで合成された合成電流Ｉ₀の進み遅れの度合が比較的少なく、位相角φの変化が小さいものは、インピーダンスの変化が小さいことを意味する。したがって、分配回路の可変素子を制御する際、合成インピーダンスの変化が少ないため、高周波整合器内の電気的定数を大きく変更しなくて済む。すなわち、可変素子の値を変えても、系全体の整合状態が大きく変わらず、プラズマ生成に影響をおよぼさない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、可変コンデンサなどのリアクタンス成分に流れる電流を測定する測定系を備えたので、リアクタンス成分の適正値を見い出すことが容易となり、その結果、処理室の構造的、電気的なバラツキにかかわらず、複数の処理室に均等に高周波電力を分配できる。
【００４０】
また、一方の分配線路に挿入した可変リアクタンスがインダクティブになり、他方の分配線路に挿入した可変リアクタンスがキャパシティブになるように可変リアクタンスを制御するようにしたので、系全体の整合状態を大きく変えることなく、複数の処理室に高周波電力を任意の分配率で分配できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による基板処理室が２室で、給電線に可変コンデンサを用いた場合のプラズマ処理装置の構成図である。
【図２】実施の形態における電力の均等分配を説明するベクトル図である。
【図３】実施の形態による基板処理室が２室で、給電線に可変インダクタンスを用いた場合のプラズマ処理装置の構成図である。
【図４】実施の形態による基板処理室が２室で、給電線に可変リアクタンスを用いた場合のプラズマ処理装置の構成図である。
【図５】実施の形態による基板処理室が３室で、給電線に可変コンデンサを用いた場合のプラズマ処理装置の構成図である。
【図６】実施の形態による基板処理室が２室で、給電線に可変コンデンサとインダクタンスとを用いた場合のプラズマ処理装置の構成図である。
【図７】実施の形態による基板処理室が２室で、給電線に可変インダクタンスとコンデンサとを用いた場合のプラズマ処理装置の構成図である。
【図８】実施の形態による電力を任意の分配率で分配できることを説明するための回路図である。
【図９】実施の形態による電力を任意の分配率で分配できることを説明するためのベクトル図である。
【図１０】インピーダンスを同じとした２つの処理室に流れる電流と、そのときの電圧の説明図である。
【図１１】図１０に示した電圧、電流のベクトル図である。
【図１２】給電線にコイルとコンデンサとをそれぞれ挿入したときに流れる電流と、そのときの各部の電圧の説明図である。
【図１３】図１２に示した電圧、電流のベクトル図である。
【図１４】給電線に共にコンデンサを挿入したときに流れる電流と、そのときの各部の電圧の説明図である。
【図１５】図１４に示した電圧、電流のベクトル図である。
【符号の説明】
１、２基板処理室
５高周波電源
７、８分配線路
１０給電線
Ｃ₁、Ｃ₂ 可変コンデンサ
ＣＴ₁、ＣＴ₂ 電流検出器
１６制御部

Claims

１台の高周波電源から複数のプラズマ処理室に高周波電力を分配する分配線路に挿入される可変リアクタンスと、
前記分配線路に流れる電流を測定する測定系と、
前記測定電流に応じて前記可変リアクタンスを制御する制御系とを備え、
前記制御系は、一方の分配線路に挿入した可変リアクタンスがインダクティブになり、他方の分配線路に挿入した可変リアクタンスがキャパシティブになるように前記可変リアクタンスを制御するものであるプラズマ処理装置。