JP4216054B2 - プラズマ処理装置及びその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理に用いられるプラズマ処理装置、及びこのプラズマ処理装置のプラズマ処理室のインピーダンスに対応した整合回路を有するプラズマ処理装置に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＶＤ（ chemical vapor deposition）、スパッタリング、ドライエッチング、アッシング等のプラズマ処理をおこなうプラズマ処理装置の一例としては、従来から、図４に示すような、いわゆる１周波励起タイプのものが知られている。
図４に示すプラズマ処理装置は、高周波電源１とプラズマ励起電極４との間に、図５に示す整合回路２Ｃが介在されている。整合回路２Ｃはこれら高周波電源１とプラズマ励起電極４との間のインピーダンスの整合を得るための回路として設けられている。
【０００３】
高周波電源１からの高周波電力は整合回路２Ｃを通して給電板３によりプラズマ励起電極４へ供給される。この整合回路２Ｃは導電体からなるハウジングにより形成されるマッチングボックス２内に収納されており、プラズマ励起電極４および給電板３は、導体からなるシャーシ２１によって覆われている。
プラズマ励起電極（カソード電極）４の下側には凸部４ａが設けられるとともに、このプラズマ励起電極４の下には、多数の孔７が形成されているシャワープレート５が凸部４ａに接して設けられている。これらプラズマ励起電極４とシャワープレート５との間には空間６が形成されている。この空間６にはガス導入管１７が接続されており、導体からなるガス導入管１７の途中には絶縁体１７ａが挿入されてプラズマ励起電極４側とガス供給源側とが絶縁されている。
【０００４】
ガス導入管１７から導入されたガスは、シャワープレート５の孔７を介してチャンバ壁１０により形成されたチャンバ室６０内に供給される。なお、符号９はチャンバ壁１０とプラズマ励起電極４とを絶縁する絶縁体である。また、排気系の図示は省略してある。
一方、チャンバ室６０内には基板１６を載置しプラズマ励起電極ともなるウエハサセプタ（サセプタ電極）８が設けられており、シャフト１３で支持されている。
【０００５】
シャフト１３の下端部とチャンバ底部１０Ａとがベローズ１１により密閉接続されている。
これら、ウエハサセプタ８およびシャフト１３は、ベローズ１１により上下動可能となっており、プラズマ励起電極４，８間の距離の調整ができる。
ウエハサセプタ８は直流的に接地され、チャンバ壁１０と直流的に同電位とされている。
【０００６】
上記のプラズマ処理装置においては、一般的に４０.６８ＭＨｚ程度の周波数の電力を投入して、両電極４，８の間でプラズマを生成し、このプラズマにより、ＣＶＤ（ chemical vapor deposition）、スパッタリング、ドライエッチング、アッシング等のプラズマ処理を行うものである。
【０００７】
しかし、従来、上記のプラズマ処理装置においては、プラズマ処理室を含めたプラズマ処理装置本体が装置メーカにより製作され、整合回路が高周波電源を作成した電源メーカにより製作されている。
そして、ユーザは、スパッタリング、ドライエッチング、アッシング等のプラズマ処理毎に、これらプラズマ処理室と高周波電源との間のインピーダンス整合を上記整合回路２Ｃにより行う。
ここで、プラズマ処理室のインピーダンス（負荷インピーダンス）としては、プラズマが発生する前のインピーダンスＺ0と、プラズマが発生した後のインピーダンスＺ1との２種類がある。
【０００８】
インピーダンスＺ0は、装置メーカである程度設計上で決定され、正確な数値が測定されるものであるが、機械的寸法誤差等により、完全に同一のプラズマ処理装置が製作される訳ではないので、製作されるプラズマ処理室毎に異なった値を有している。
プラズマが発生すると、インピーダンスＺ1は、処理に用いるガスの流量，プラズマ処理室の真空度，及び両電極４，８の間隔により変化するため、同一のプラズマ処理装置においても、処理するプラズマ処理により異なることとなる。
【０００９】
例えば、インピーダンスＺ1は、ドライエッチング装置の場合、どのような材料で形成されている薄膜を、どのような条件（エッチング速度、エッチング形状等）でエッチングするかにより異なったものとなり、成膜装置の場合も、薄膜をどのようなガスで、どのような条件（成膜速度、薄膜構造など）で成膜するかにより異なったものとなる。
そして、ユーザは、プラズマ処理開始時に、整合回路２Ｃの出力インピーダンスをインピーダンスＺ0に調整し、プラズマ放電を開始させ、上記インピーダンスＺ1に対応させて、プラズマ放電を安定化させる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高周波電源１の電力供給系の特性インピーダンスが５０Ωであるのに対して、プラズマ処理室ＣＮのインピーダンス（Ｚ0及びＺ1）が１０Ω未満であるため、両者の差が大きい。
図５は、整合回路２Ｃの回路構成の概略を示す概念図である。
ここで、高周波電源１は、プラズマ放電のための電力を、プラズマ処理室ＣＮへ、同軸ケーブル１Ｃ及び整合回路２Ｃを介して給電する。
同軸ケーブル１Ｃは特性インピーダンスが５０Ωであり、プラズマ放電に使用される高周波電力の周波数が４０.６８ＭＨｚであり、インピーダンスＺ1が「３.６Ω＋ｊ１.４Ω」であるとする。
この場合、同軸ケーブルの特性インピーダンスとプラズマ処理室のインピーダンスとの整合を取るため、整合回路２Ｃを構成する各受動素子のパラメータとして、チューニングインダクタＬＴを１５０ｎＨで固定としているので、ロードコンデンサＣLは２８１ｐＦとなり、チューニングコンデンサＣTは１４６ｐＦとなる。
【００１１】
図６に示すスミスチャートにより、上述した各受動素子のパラメータと整合されるインピーダンスＺ1との関係を確認する。ここで、スミスチャートは、電源系の特性インピーダンス「５０Ω」で正規化してある。
まず、整合される被整合インピーダンスの出発点として、Ａ点は同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンス「５０Ω」の値を示している。
そして、被整合インピーダンスは、ロードコンデンサＣLにより、アドミタンスチャート上をＡ点からＢ点の値に移動される。
このＢ点において、被整合インピーダンスは、実数部が「３.６Ω」に対応した値となっている。
そして、被整合インピーダンスは、チューニングインダクタＬTにより、インピーダンスチャート上を上記Ｂ点からＣ点の値に移動される。
最終的に、被整合インピーダンスは、チューニングコンデンサＣTのキャパシタンスを調整することにより、点Ｄの値、すなわちインピーダンスＺ1の値に整合される。
【００１２】
ここで、プロセスの条件などにより、インピーダンスＺ1が５０％変動する（負荷変動の範囲）と仮定すると、すなわち実数部「３.６Ω」が「５.４Ω」と「１.８Ω」との間で変動することとなる。
このとき、ロードコンデンサＣLの調整範囲は、「２７５ｐＦ」を中心として、インピーダンスの実数部を「３.６Ω」から「５.４Ω」に調整するため「４０５ｐＦ」とし、また、「３.６Ω」から「１.８Ω」に調整するため「２２５ｐＦ」となる。
したがって、ロードコンデンサＣLキャパシタンスは、２７５ｐＦを中心として「＋４４％（４０５ｐＦ）」と「−２０％（２２５ｐＦ）」との範囲で調整される。
この調整範囲の割合が小さいと、例えば、ロードコンデンサＣLのキャパシタンスの変化に対して、出力インピーダンスの変化が大きく、すなわちキャパシタンス調整つまみの動きに対する出力インピーダンスの調整感度が高くなる。
このため、インピーダンスの整合調整を、上記ロードコンデンサＣLなどの可変受動素子で構成される整合回路で行う場合、可変受動素子の調整感度が高くなり、負荷（プラズマ処理室ＣＮのインピーダンス）変動に対する整合の安定性に問題がある。
上記負荷変動は、同じ装置であっても、プラズマ処理室ＣＮで行うプロセスの条件，ウェハの大きさ／数，及びプラズマ処理で生成される反応副生成物の影響などにより、処理するロット間及びウェハ間で起こる。
【００１３】
また、この負荷変動は、プラズマ処理装置のメンテナンス作業において、プラズマ処理室ＣＮを解放して、プラズマ処理室ＣＮ内の部品交換など、装置の寸法に影響を与える処理を行うため、プラズマ処理室ＣＮのインピーダンスがメンテナンス前後で変動し、プラズマ放電後のプラズマ処理室Ｚ1の変動となって現れる場合もある。
さらに、この負荷変動は、複数のプラズマ処理室を有するプラズマ処理装置や、複数のプラズマ処理装置から構成されるプラズマ処理システムにおいて、装置製造時におけるバラツキに伴い、同一機種であってもプラズマ処理室毎に機差があるため、プラズマ処理室毎にインピーダンスのバラツキが生じ、プラズマ放電後のプラズマ処理室間のインピーダンス変動となって現れる場合もある。
このため、従来の整合回路には、インピーダンスの整合の調整を、可変受動素子で構成される整合回路で行う場合、可変受動素子の調整感度が高いと、負荷変動に対する整合の調整が微妙になり、容易に調整できずに、また、わずかな負荷変動などでも調整の範囲がずれて、通常の使用時においても安定性に問題がある。
【００１４】
上述した問題を解決するための構成として、プラズマ処理室ＣＮ直上に設置された整合回路にインピーダンス変換も兼ねた増幅器を内蔵して、微妙なインピーダンス調整を行わない様にする方法がある。
しかしながら、このプラズマ処理室は、プロセスプロセスの内容に対応させ、温度を上昇させて用いるため、この温度上昇に対応して、直上にある整合回路に熱ストレスがかかり、増幅回路を構成している能動素子の特性が温度により変動して、インピーダンス変換での安定性がなくなり、また、熱ストレスにより素子が故障するなどの問題がある。
【００１５】
また、従来例としては、整合回路の入力インピーダンスとプラズマ処理室のインピーダンスとのインピーダンス差を小さくし、高周波電源から整合回路へ電力を供給する同軸ケーブルの特性インピーダンスを５０Ω未満として、整合回路の出力インピーダンスに近づけ、整合回路の調整感度を下げ、負荷変動に対して整合のずれを少なくする構成もある。
しかしながら、この構成には、同軸ケーブルの特性インピーダンスが規格化されているため、複数のパラメータに基づいて変化するプラズマ処理室のインピーダンスに対応させようとすると、インピーダンスに対応させた複数種類の同軸ケーブルを特別に注文して製作することとなり、規格外の同軸ケーブルとして非常に高価なものとなる欠点がある。
【００１６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理室のインピーダンスに対するインピーダンス調整が容易で、かつ調整感度が低く負荷変動に対する安定性を確保できる整合回路を有するプラズマ処理装置を提供する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理装置は、高周波電源（高周波電源１）と、プラズマ処理室（プラズマ処理室ＣＮ）と、前記高周波電源及び前記プラズマ処理室の間のインピーダンス整合を行う整合手段（整合回路２Ａ）を有し、この整合手段と前記高周波電源との間に特性可変の受動素子を有するインピーダンス変換手段（インピーダンス変換回路２Ｂ）を１つまたは複数設け、このインピーダンス変換手段により、インピーダンス変換を行うことにより、上記整合回路の整合するインピーダンスの差を狭めることができ、整合回路内部の可変受動素子（ロードコンデンサ２０６，チューニングコンデンサ２０５）の可変範囲を広くすることが可能となる。
すなわち、上記インピーダンス変換手段が、同軸ケーブル（同軸ケーブル１Ｃ）の特性インピーダンスを、プラズマ処理室のインピーダンスの近傍の値に変換するので、整合回路は従来整合する必要のあった上記特性インピーダンスとプラズマ処理室のインピーダンスとの差に対して、この差がインピーダンス変換により縮小されるため、上記近傍の値とプラズマ処理室のインピーダンスとのわずかな差に対して整合を行うこととなる。
【００１８】
これにより、本発明のプラズマ処理装置は、放電後におけるプラズマ処理室のインピーダンスが変動した（負荷変動）とき、可変受動素子の数値を調整して整合させようとする場合、従来例に比較して、可変受動素子の可変範囲の中心の値に対して、可変範囲の割合を広くできるため、例えば、調整つまみの移動量に対して、可変受動素子の数値の変化量を小さくすることができるため、プラズマ処理室のインピーダンスに対する整合において微調整が可能となり、調整つまみを動かすとインピーダンスが大きく変化することがなくなり、インピーダンス整合の調整を容易とし、プラズマ放電状態の安定性を増すことができる。
したがって、本発明のプラズマ処理装置は、インピーダンスＺ1の変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
【００１９】
また、本発明のプラズマ処理装置において、上記インピーダンス変換手段が、コンデンサ及びインダクタなどの数値固定の受動素子から構成されると、従来例で示した増幅回路に比較して熱ストレスに強く、高い信頼性が得られる。
さらに、上記インピーダンス変換手段が、一のコンデンサ及び一のインダクタなどの数値固定の受動素子から構成されると、市販の安価な部品を利用することができ、従来例のように高価な特注部品を使用することなく、プラズマ処理装置の価格を上昇させることがない。
【００２０】
さらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換することで、インピーダンス変換回路の出力インピーダンスと、プラズマ処理室のインピーダンスとの差を縮小することができ、従来例に比較して微調整を可能とし、インピーダンスＺ1を変更した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路の調整の容易性を向上させることができる。
【００２１】
加えて、本発明のプラズマ処理装置は、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が同軸ケーブルの特性インピーダンスを５０Ωから、１０Ω以下へ変換することにより、プラズマ処理室のインピーダンスが１０Ω未満であるため、可変受動素子における中心値の値に対して調整範囲の割合を広げることができ、従来例に比較して可変受動素子の変化量の微調整を可能とし、インピーダンスＺ1が変化した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路の調整の容易性を向上させることができる。
次に、本発明のプラズマ処理装置の運転方法は、プラズマ処理室のチャンバに接続される整合手段と高周波電源との間にインピーダンス変換手段を設け、インピーダンス変換手段を特性可変型の受動素子で構成し、インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、高周波電源の出力インピーダンスとプラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間であって、プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に前記受動素子により変換し、このインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを整合手段により調整しながらプラズマ処理装置を運転する方法ですので、プラズマ処理装置の運転中にインピーダンスの変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
また、本発明のプラズマ処理装置の運転方法において、受動素子に備えたコンデンサとインダクタによりインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを調整し、該出力インピーダンスを整合回路に備えたコンデンサとインダクタにより実数部と虚数部共に調整してプラズマ処理室のチャンバのインピーダンスに整合させるようにして運転することにより、プラズマ処理装置の運転中にインピーダンスの変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態のプラズマ処理装置の概略構成を示す図であり、マッチングボックス２の側面を透視し、内部の整合回路２Ａ及びインピーダンス変換回路２Ｂの構成が分かるように図示してある。この図１において、図４と同様な構成要素については同一の符号を付け、説明を省略する。
本発明の特徴は、整合回路２Ａにおいてインピーダンス変換の微調整を可能とする目的で、整合回路２Ａが、入力インピーダンスと出力インピーダンス（プラズマ処理室のインピーダンス）との間の、整合するインピーダンス差を縮小するため、すなわち整合回路２Ａの入力インピーダンスを低くするため、同軸ケーブル１Ｃと整合回路２Ａとの間にインピーダンス変換回路２Ｂを介挿した点にある。
以下、この構成について、詳細に説明する。
【００２３】
高周波電源１は、マッチングボックス２を介してプラズマ処理装置２１に、プラズマ放電のための電力を供給する。
整合回路２Ａは、マッチングボックス２内に格納され、高周波電源１の出力インピーダンスとプラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスとの整合をとる。
この整合回路２Ａは、ロードコンデンサ２０６及びチューニングコンデンサ２０５が調整されることにより、出力インピーダンスをプラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスと整合させる。
これにより、高周波電源１は、インピーダンスの不整合による反射波の発生を防止し、整合回路２Ａを介して、プラズマ処理室ＣＮへ、効率的にプラズマ放電のための電力を供給することができる。
【００２４】
ここで、インピーダンス変換回路２Ｂは、同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンスの数値を、プラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスの近傍の数値に変換している。
例えば、以下の説明では、高周波電源１から供給される高周波電力の周波数を「４０.６８ＭＨｚ」とし、このときのインピーダンスＺ1（＝Ｒ１＋ｊＸ１）を「３.６Ω＋ｊ１.４Ω」とし、電力供給系の同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンスを「５０Ω」として、以下の説明を行う。
このため、インピーダンス変換回路２Ｂは、上記特性インピーダンスの「５０Ω」を、この特性インピーダンスとインピーダンスＺ1との間として「１０Ω」へ変換する。
【００２５】
このときの、整合回路２Ａ及びインピーダンス変換回路２Ｂの構成を、図２を用いて説明する。図２は、整合回路２Ａ及びインピーダンス変換回路２Ｂの概略構成を示す図である。
インピーダンス変換回路２Ｂは、インダクタ２０７及びコンデンサ２０８から構成されている。
ここで、インダクタ２０７はインダクタンスとして「７８ｎＨ」であり、コンデンサ２０８はキャパシタンスとして「１５６ｐＦ」である。
これにより、インピーダンス変換回路２Ｂは、高周波電力の周波数が「４０.６８ＭＨｚ」のとき、同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンス「５０Ω」を、「１０Ω」に変換する。
【００２６】
次に、図３に示すスミスチャートにより、上述した各受動素子のパラメータと整合されるインピーダンスＺ1との関係を確認する。
まず、整合される被整合インピーダンスの出発点として、Ａ点は同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンス「５０Ω」の値を示している。
インピーダンス変換回路２Ｂは、この「５０Ω」を「１０Ω」へ変換、すなわち点Ａから点Ａ'を経由し、点Ｅの位置に被整合インピーダンスの値を移動させる。
より具体的には、整合回路２Ａの出力インピーダンスは、コンデンサ２０８により、点Ａから点Ａ'に移動させられ、インダクタ２０７により点Ａ'から点Ｅへ移動させられる。
これにより、ロードコンデンサ２０６の調整範囲が大幅に狭くなり、ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスは「５２２ｐＦ」となる。
また、Ｄ点が最終的な整合回路２Ｃの出力インピーダンスであり、プラズマ処理室ＣＮのインピーダンス（負荷インピーダンス）に対して、共役複素インピーダンスの数値となるため、点ＤのインピーダンスＺ1*の数値は「３.６Ω−ｊ１.４Ω」となる。
ここで、インピーダンスＺ1*は、インピーダンスＺ1の共役複素インピーダンスである。
【００２７】
次に、被整合インピーダンスの値は、上記ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスにより点Ｅから点Ｆの位置へ移動する。
このＦ点において、被整合インピーダンスは、実数部が「３.６Ω」に対応した値となっている。
そして、被整合インピーダンスは、チューニングインダクタ２０４「１５０ｎＨ」により、上記Ｆ点からＣ点の値に移動される。
最終的に、被整合インピーダンスは、チューニングコンデンサ２０５のキャパシタンスを調整することにより、点Ｄの値、すなわちインピーダンスＺ1の値に整合される。
【００２８】
ここで、プロセスの条件などにより、インピーダンスＺ1が５０％変動する（負荷変動の範囲）と仮定すると、すなわち実数部「３.６Ω」が「５.４Ω」と「１.８Ω」との間で変動することとなる。
このとき、ロードコンデンサ２０６の調整範囲は、「５２２ｐＦ」を中心として、インピーダンスの実数部を「３.６Ω」から「５.４Ω」に調整するため「３６１ｐＦ」とし、また、「３.６Ω」から「１.８Ω」に調整するため「８３５ｐＦ」となる。
したがって、ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスは、５２２ｐＦ（調整範囲の中心値）を中心として「＋６０％（８３５ｐＦ）」と「−３１％（３６１ｐＦ）」との範囲（ΔＣ、すなわち調整範囲）で調整される。
【００２９】
この本発明の調整範囲の割合は、従来例における２８１ｐＦを中心として「＋４４％（４０５ｐＦ）」と「−２０％（２２５ｐＦ）」との調整範囲に対して調整範囲が広がっているため、例えば、ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスの変化量に対して、出力インピーダンスの変化が小さく、すなわちロードコンデンサ２０６のキャパシタンス調整つまみの動きに対する出力インピーダンスの調整感度が低くなる。
このため、インピーダンスの整合調整を、上記ロードコンデンサ２０６などの可変受動素子で構成される整合回路で行う場合、可変受動素子の調整感度が低くなると、負荷（プラズマ処理室ＣＮのインピーダンス）変動に対する整合の安定性が向上する。
【００３０】
すなわち、調整感度が低くなると言うことは、キャパシタンス調整つまみの移動量に対して、出力インピーダンスの変化量が小さくなることであり、細かい出力インピーダンスの調整、すなわち出力インピーダンスの微調整が可能となることである。
これにより、整合回路２Ａは、インピーダンスＺ1が変動し、ロードキャパシタンス２０６の調整に基づく出力インピーダンスの微調整が可能となるため、調整つまみの移動量に対して、ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスの変化量を小さくすることができ、プラズマ処理室ＣＮのインピーダンスＺ1に対するインピーダンス整合において出力インピーダンスの微調整が可能となり、調整つまみを動かすと出力インピーダンスが大きく変化することがなくなり、インピーダンス整合の調整を容易とし、プラズマ放電状態の安定性を増すことができる。
したがって、整合回路２Ａは、インピーダンスＺ1の変動があったとしても、インピーダンス整合における出力インピーダンスの微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室ＣＮにおけるプラズマ空間への安定した放電電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
【００３１】
また、上記インピーダンス変換回路２Ｂは、コンデンサ２０８及びインダクタ２０７の数値固定の受動素子から構成されるため、従来例で示した増幅回路に比較して熱ストレスに強く、高い信頼性が得られる。
さらに、上記インピーダンス変換回路２Ｂは、コンデンサ２０８及びインダクタ２０７などの数値固定の受動素子から構成されるため、市販の安価な部品を利用することができ、従来例のように高価な特注部品を使用することなく、プラズマ処理装置の価格を上昇させることがない。
さらに、上記インピーダンス変換回路２Ｂは、出力インピーダンスを、高周波電源１の出力インピーダンス（同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンス）と、前記プラズマ処理室のインピーダンスとの間で、かつこのプラズマ処理室のインピーダンス（例えば、インピーダンスＺ1）近傍の値に変換する。
これにより、インピーダンス変換回路２Ｂの出力インピーダンスと、プラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスとの差を縮小することができ、従来例に比較して微調整を可能とし、インピーダンスＺ1が変化した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路２Ａの調整の容易性を向上させることができる。
【００３２】
加えて、インピーダンス変換回路２Ｂは、同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンスを５０Ωから、１０Ω近傍へ変換することにより、プラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスが１０Ω以下であるため、ロードコンデンサ２０６における中心値の値に対して調整範囲の割合を、従来例に比して広げることができ、従来例に比較してロードコンデンサ２０６の変化量の微調整を可能とし、インピーダンスＺ1が変化した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路２Ａの調整の容易性を向上させることができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理装置によれば、受動素子が１のコンデンサと１のコイルを有し、前記コンデンサは可変コンデンサであって、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換するものであり、
前記高周波電源が同軸ケーブルを介して前記インピーダンス変換手段と整合手段とを備えたマッチングボックスに接続され、前記インピーダンス変換手段が、同軸ケーブルを介することなく前記マッチングボックス内において直接整合回路に接続され、前記整合回路が前記プラズマ処理室のプラズマ励起電極に接続され、前記マッチングボックスが前記プラズマ処理室に接続されるとともに、
前記インピーダンス変換手段による前記高周波電源の出力インピーダンスの変換によって、前記プラズマ処理室側のプロセス条件の変動により行うべき前記整合回路における出力インピーダンス調整時の調整感度が、前記インピーダンス変換手段を設けていない場合の前記整合手段のみでインピーダンス調整する場合の調整感度よりも、低くされてなるため、整合回路は、プラズマ処理装置のチャンバにおけるインピーダンスが変動した場合に、整合回路のキャパシタンスの微調整が可能となるため、キャパシタンス調整つまみの移動量に対して、プラズマ処理装置のチャンバへの出力インピーダンスの変化量を小さくすることができ、プラズマ処理室のインピーダンスに対するインピーダンス整合において出力インピーダンスの微調整が可能となり、調整つまみを動かすとインピーダンスが大きく変化することがなくなり、インピーダンス整合の調整を容易とし、プラズマ放電状態の安定性を増すことができる。
また、本発明のプラズマ処理装置において、インピーダンス変換手段が数値固定の受動素子から構成されると、熱ストレスに強く、高い信頼性が得られ、かつ、市販の安価な部品を利用することができ、従来例のように高価な特注部品を使用することなく、プラズマ処理装置の価格を上昇させることがない。
さらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換することで、インピーダンス変換回路の出力インピーダンスと、プラズマ処理室のインピーダンスとの差を縮小することができ、従来例に比較して微調整を可能とし、インピーダンスを変更した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路の調整の容易性を向上させることができる。
本発明のプラズマ処理装置の運転方法によれば、高周波電源と、プラズマ処理室と、前記高周波電源及び前記プラズマ処理室の間のインピーダンス整合を行う整合手段を有し、この整合手段と前記高周波電源との間にインピーダンス変換手段が１つまたは複数設けられ、前記インピーダンス変換手段が受動素子で構成され、前記受動素子が１のコンデンサと１のコイルであり、前記コンデンサは可変コンデンサであって、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換するものであり、
前記高周波電源が同軸ケーブルを介して前記インピーダンス変換手段と整合手段とを備えたマッチングボックスに接続され、前記インピーダンス変換手段が、同軸ケーブルを介することなく前記マッチングボックス内において直接整合回路に接続され、前記整合回路が前記プラズマ処理室のプラズマ励起電極に接続され、前記マッチングボックスが前記プラズマ処理室に接続されるとともに、
前記インピーダンス変換手段による前記高周波電源の出力インピーダンスの変換によって、前記プラズマ処理室側のプロセス条件の変動により行うべき前記整合回路における出力インピーダンス調整時の調整感度が、前記インピーダンス変換手段を設けていない場合の前記整合手段のみでインピーダンス調整する場合の調整感度よりも、低くされてなるプラズマ処理装置を用い、
インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源からの出力インピーダンスと前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間であって、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に前記受動素子により変換し、このインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを前記整合手段により調整しながらプラズマ処理装置を運転するので、プラズマ処理装置の運転中にインピーダンスの変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
また、本発明のプラズマ処理装置の運転方法において、受動素子に備えたコンデンサとインダクタによりインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを調整し、該出力インピーダンスを整合回路に備えたコンデンサとインダクタにより実数部と虚数部共に調整してプラズマ処理室のチャンバのインピーダンスに整合させるようにして運転することにより、プラズマ処理装置の運転中にインピーダンスの変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態によるプラズマ処理装置の概要を示す概念図である。
【図２】 図１におけるマッチングボックス２内の整合回路２Ａの構成例を示す概念図である。
【図３】 図２の整合回路２Ａ及びインピーダンス変換回路２Ｂの各受動素子のパラメータと整合されるインピーダンスＺ1の関係を示すスミスチャートである。
【図４】 従来例によるプラズマ処理装置の概要を示す概念図である。
【図５】 図４におけるマッチングボックス２内の整合回路２Ｃの構成を示す概念図である。
【図６】 図３の整合回路２Ｃの各受動素子のパラメータと整合されるインピーダンスＺ1の関係を示すスミスチャートである。
【符号の説明】
１ 高周波電源
１Ｃ 同軸ケーブル
２ マッチングボックス
２Ａ 整合回路
２Ｂ インピーダンス変換回路
３ 給電板
４ プラズマ励起電極
５ シャワープレート
６ 空間
７ 孔
８ ウェハサセプタ
９ 絶縁体
１０ チャンバ壁
１１ ベローズ
１３ シャフト
１６ 基板
１７ ガス導入管
２１ シャーシ
６０ チャンバ室
２０４ チューニングインダクタ
２０５ チューニングコンデンサ
２０６ ロードコンデンサ
２０７ インダクタ
２０８ コンデンサ
ＣＮ プラズマ処理室
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理に用いられるプラズマ処理装置、及びこのプラズマ処理装置のプラズマ処理室のインピーダンスに対応した整合回路を有するプラズマ処理装置に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＶＤ（ chemical vapor deposition）、スパッタリング、ドライエッチング、アッシング等のプラズマ処理をおこなうプラズマ処理装置の一例としては、従来から、図４に示すような、いわゆる１周波励起タイプのものが知られている。
図４に示すプラズマ処理装置は、高周波電源１とプラズマ励起電極４との間に、図５に示す整合回路２Ｃが介在されている。整合回路２Ｃはこれら高周波電源１とプラズマ励起電極４との間のインピーダンスの整合を得るための回路として設けられている。
【０００３】
高周波電源１からの高周波電力は整合回路２Ｃを通して給電板３によりプラズマ励起電極４へ供給される。この整合回路２Ｃは導電体からなるハウジングにより形成されるマッチングボックス２内に収納されており、プラズマ励起電極４および給電板３は、導体からなるシャーシ２１によって覆われている。
プラズマ励起電極（カソード電極）４の下側には凸部４ａが設けられるとともに、このプラズマ励起電極４の下には、多数の孔７が形成されているシャワープレート５が凸部４ａに接して設けられている。これらプラズマ励起電極４とシャワープレート５との間には空間６が形成されている。この空間６にはガス導入管１７が接続されており、導体からなるガス導入管１７の途中には絶縁体１７ａが挿入されてプラズマ励起電極４側とガス供給源側とが絶縁されている。
【０００４】
ガス導入管１７から導入されたガスは、シャワープレート５の孔７を介してチャンバ壁１０により形成されたチャンバ室６０内に供給される。なお、符号９はチャンバ壁１０とプラズマ励起電極４とを絶縁する絶縁体である。また、排気系の図示は省略してある。
一方、チャンバ室６０内には基板１６を載置しプラズマ励起電極ともなるウエハサセプタ（サセプタ電極）８が設けられており、シャフト１３で支持されている。
【０００５】
シャフト１３の下端部とチャンバ底部１０Ａとがベローズ１１により密閉接続されている。
これら、ウエハサセプタ８およびシャフト１３は、ベローズ１１により上下動可能となっており、プラズマ励起電極４，８間の距離の調整ができる。
ウエハサセプタ８は直流的に接地され、チャンバ壁１０と直流的に同電位とされている。
【０００６】
上記のプラズマ処理装置においては、一般的に４０.６８ＭＨｚ程度の周波数の電力を投入して、両電極４，８の間でプラズマを生成し、このプラズマにより、ＣＶＤ（ chemical vapor deposition）、スパッタリング、ドライエッチング、アッシング等のプラズマ処理を行うものである。
【０００７】
しかし、従来、上記のプラズマ処理装置においては、プラズマ処理室を含めたプラズマ処理装置本体が装置メーカにより製作され、整合回路が高周波電源を作成した電源メーカにより製作されている。
そして、ユーザは、スパッタリング、ドライエッチング、アッシング等のプラズマ処理毎に、これらプラズマ処理室と高周波電源との間のインピーダンス整合を上記整合回路２Ｃにより行う。
ここで、プラズマ処理室のインピーダンス（負荷インピーダンス）としては、プラズマが発生する前のインピーダンスＺ0と、プラズマが発生した後のインピーダンスＺ1との２種類がある。
【０００８】
インピーダンスＺ0は、装置メーカである程度設計上で決定され、正確な数値が測定されるものであるが、機械的寸法誤差等により、完全に同一のプラズマ処理装置が製作される訳ではないので、製作されるプラズマ処理室毎に異なった値を有している。
プラズマが発生すると、インピーダンスＺ1は、処理に用いるガスの流量，プラズマ処理室の真空度，及び両電極４，８の間隔により変化するため、同一のプラズマ処理装置においても、処理するプラズマ処理により異なることとなる。
【０００９】
例えば、インピーダンスＺ1は、ドライエッチング装置の場合、どのような材料で形成されている薄膜を、どのような条件（エッチング速度、エッチング形状等）でエッチングするかにより異なったものとなり、成膜装置の場合も、薄膜をどのようなガスで、どのような条件（成膜速度、薄膜構造など）で成膜するかにより異なったものとなる。
そして、ユーザは、プラズマ処理開始時に、整合回路２Ｃの出力インピーダンスをインピーダンスＺ0に調整し、プラズマ放電を開始させ、上記インピーダンスＺ1に対応させて、プラズマ放電を安定化させる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高周波電源１の電力供給系の特性インピーダンスが５０Ωであるのに対して、プラズマ処理室ＣＮのインピーダンス（Ｚ0及びＺ1）が１０Ω未満であるため、両者の差が大きい。
図５は、整合回路２Ｃの回路構成の概略を示す概念図である。
ここで、高周波電源１は、プラズマ放電のための電力を、プラズマ処理室ＣＮへ、同軸ケーブル１Ｃ及び整合回路２Ｃを介して給電する。
同軸ケーブル１Ｃは特性インピーダンスが５０Ωであり、プラズマ放電に使用される高周波電力の周波数が４０.６８ＭＨｚであり、インピーダンスＺ1が「３.６Ω＋ｊ１.４Ω」であるとする。
この場合、同軸ケーブルの特性インピーダンスとプラズマ処理室のインピーダンスとの整合を取るため、整合回路２Ｃを構成する各受動素子のパラメータとして、チューニングインダクタＬＴを１５０ｎＨで固定としているので、ロードコンデンサＣLは２８１ｐＦとなり、チューニングコンデンサＣTは１４６ｐＦとなる。
【００１１】
図６に示すスミスチャートにより、上述した各受動素子のパラメータと整合されるインピーダンスＺ1との関係を確認する。ここで、スミスチャートは、電源系の特性インピーダンス「５０Ω」で正規化してある。
まず、整合される被整合インピーダンスの出発点として、Ａ点は同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンス「５０Ω」の値を示している。
そして、被整合インピーダンスは、ロードコンデンサＣLにより、アドミタンスチャート上をＡ点からＢ点の値に移動される。
このＢ点において、被整合インピーダンスは、実数部が「３.６Ω」に対応した値となっている。
そして、被整合インピーダンスは、チューニングインダクタＬTにより、インピーダンスチャート上を上記Ｂ点からＣ点の値に移動される。
最終的に、被整合インピーダンスは、チューニングコンデンサＣTのキャパシタンスを調整することにより、点Ｄの値、すなわちインピーダンスＺ1の値に整合される。
【００１２】
ここで、プロセスの条件などにより、インピーダンスＺ1が５０％変動する（負荷変動の範囲）と仮定すると、すなわち実数部「３.６Ω」が「５.４Ω」と「１.８Ω」との間で変動することとなる。
このとき、ロードコンデンサＣLの調整範囲は、「２７５ｐＦ」を中心として、インピーダンスの実数部を「３.６Ω」から「５.４Ω」に調整するため「４０５ｐＦ」とし、また、「３.６Ω」から「１.８Ω」に調整するため「２２５ｐＦ」となる。
したがって、ロードコンデンサＣLキャパシタンスは、２７５ｐＦを中心として「＋４４％（４０５ｐＦ）」と「−２０％（２２５ｐＦ）」との範囲で調整される。
この調整範囲の割合が小さいと、例えば、ロードコンデンサＣLのキャパシタンスの変化に対して、出力インピーダンスの変化が大きく、すなわちキャパシタンス調整つまみの動きに対する出力インピーダンスの調整感度が高くなる。
このため、インピーダンスの整合調整を、上記ロードコンデンサＣLなどの可変受動素子で構成される整合回路で行う場合、可変受動素子の調整感度が高くなり、負荷（プラズマ処理室ＣＮのインピーダンス）変動に対する整合の安定性に問題がある。
上記負荷変動は、同じ装置であっても、プラズマ処理室ＣＮで行うプロセスの条件，ウェハの大きさ／数，及びプラズマ処理で生成される反応副生成物の影響などにより、処理するロット間及びウェハ間で起こる。
【００１３】
また、この負荷変動は、プラズマ処理装置のメンテナンス作業において、プラズマ処理室ＣＮを解放して、プラズマ処理室ＣＮ内の部品交換など、装置の寸法に影響を与える処理を行うため、プラズマ処理室ＣＮのインピーダンスがメンテナンス前後で変動し、プラズマ放電後のプラズマ処理室Ｚ1の変動となって現れる場合もある。
さらに、この負荷変動は、複数のプラズマ処理室を有するプラズマ処理装置や、複数のプラズマ処理装置から構成されるプラズマ処理システムにおいて、装置製造時におけるバラツキに伴い、同一機種であってもプラズマ処理室毎に機差があるため、プラズマ処理室毎にインピーダンスのバラツキが生じ、プラズマ放電後のプラズマ処理室間のインピーダンス変動となって現れる場合もある。
このため、従来の整合回路には、インピーダンスの整合の調整を、可変受動素子で構成される整合回路で行う場合、可変受動素子の調整感度が高いと、負荷変動に対する整合の調整が微妙になり、容易に調整できずに、また、わずかな負荷変動などでも調整の範囲がずれて、通常の使用時においても安定性に問題がある。
【００１４】
上述した問題を解決するための構成として、プラズマ処理室ＣＮ直上に設置された整合回路にインピーダンス変換も兼ねた増幅器を内蔵して、微妙なインピーダンス調整を行わない様にする方法がある。
しかしながら、このプラズマ処理室は、プロセスプロセスの内容に対応させ、温度を上昇させて用いるため、この温度上昇に対応して、直上にある整合回路に熱ストレスがかかり、増幅回路を構成している能動素子の特性が温度により変動して、インピーダンス変換での安定性がなくなり、また、熱ストレスにより素子が故障するなどの問題がある。
【００１５】
また、従来例としては、整合回路の入力インピーダンスとプラズマ処理室のインピーダンスとのインピーダンス差を小さくし、高周波電源から整合回路へ電力を供給する同軸ケーブルの特性インピーダンスを５０Ω未満として、整合回路の出力インピーダンスに近づけ、整合回路の調整感度を下げ、負荷変動に対して整合のずれを少なくする構成もある。
しかしながら、この構成には、同軸ケーブルの特性インピーダンスが規格化されているため、複数のパラメータに基づいて変化するプラズマ処理室のインピーダンスに対応させようとすると、インピーダンスに対応させた複数種類の同軸ケーブルを特別に注文して製作することとなり、規格外の同軸ケーブルとして非常に高価なものとなる欠点がある。
【００１６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理室のインピーダンスに対するインピーダンス調整が容易で、かつ調整感度が低く負荷変動に対する安定性を確保できる整合回路を有するプラズマ処理装置を提供する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理装置は、高周波電源（高周波電源１）と、プラズマ処理室（プラズマ処理室ＣＮ）と、前記高周波電源及び前記プラズマ処理室の間のインピーダンス整合を行う整合手段（整合回路２Ａ）を有し、この整合手段と前記高周波電源との間に特性可変の受動素子を有するインピーダンス変換手段（インピーダンス変換回路２Ｂ）を１つまたは複数設け、このインピーダンス変換手段により、インピーダンス変換を行うことにより、上記整合回路の整合するインピーダンスの差を狭めることができ、整合回路内部の可変受動素子（ロードコンデンサ２０６，チューニングコンデンサ２０５）の可変範囲を広くすることが可能となる。
すなわち、上記インピーダンス変換手段が、同軸ケーブル（同軸ケーブル１Ｃ）の特性インピーダンスを、プラズマ処理室のインピーダンスの近傍の値に変換するので、整合回路は従来整合する必要のあった上記特性インピーダンスとプラズマ処理室のインピーダンスとの差に対して、この差がインピーダンス変換により縮小されるため、上記近傍の値とプラズマ処理室のインピーダンスとのわずかな差に対して整合を行うこととなる。
【００１８】
これにより、本発明のプラズマ処理装置は、放電後におけるプラズマ処理室のインピーダンスが変動した（負荷変動）とき、可変受動素子の数値を調整して整合させようとする場合、従来例に比較して、可変受動素子の可変範囲の中心の値に対して、可変範囲の割合を広くできるため、例えば、調整つまみの移動量に対して、可変受動素子の数値の変化量を小さくすることができるため、プラズマ処理室のインピーダンスに対する整合において微調整が可能となり、調整つまみを動かすとインピーダンスが大きく変化することがなくなり、インピーダンス整合の調整を容易とし、プラズマ放電状態の安定性を増すことができる。
したがって、本発明のプラズマ処理装置は、インピーダンスＺ1の変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
【００１９】
また、本発明のプラズマ処理装置において、上記インピーダンス変換手段が、コンデンサ及びインダクタなどの数値固定の受動素子から構成されると、従来例で示した増幅回路に比較して熱ストレスに強く、高い信頼性が得られる。
さらに、上記インピーダンス変換手段が、一のコンデンサ及び一のインダクタなどの数値固定の受動素子から構成されると、市販の安価な部品を利用することができ、従来例のように高価な特注部品を使用することなく、プラズマ処理装置の価格を上昇させることがない。
【００２０】
さらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換することで、インピーダンス変換回路の出力インピーダンスと、プラズマ処理室のインピーダンスとの差を縮小することができ、従来例に比較して微調整を可能とし、インピーダンスＺ1を変更した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路の調整の容易性を向上させることができる。
【００２１】
加えて、本発明のプラズマ処理装置は、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が同軸ケーブルの特性インピーダンスを５０Ωから、１０Ω以下へ変換することにより、プラズマ処理室のインピーダンスが１０Ω未満であるため、可変受動素子における中心値の値に対して調整範囲の割合を広げることができ、従来例に比較して可変受動素子の変化量の微調整を可能とし、インピーダンスＺ1が変化した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路の調整の容易性を向上させることができる。
次に、本発明のプラズマ処理装置の運転方法は、プラズマ処理室のチャンバに接続される整合手段と高周波電源との間にインピーダンス変換手段を設け、インピーダンス変換手段を特性可変型の受動素子で構成し、インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、高周波電源の出力インピーダンスとプラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間であって、プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に前記受動素子により変換し、このインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを整合手段により調整しながらプラズマ処理装置を運転する方法ですので、プラズマ処理装置の運転中にインピーダンスの変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
また、本発明のプラズマ処理装置の運転方法において、受動素子に備えたコンデンサとインダクタによりインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを調整し、該出力インピーダンスを整合回路に備えたコンデンサとインダクタにより実数部と虚数部共に調整してプラズマ処理室のチャンバのインピーダンスに整合させるようにして運転することにより、プラズマ処理装置の運転中にインピーダンスの変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態のプラズマ処理装置の概略構成を示す図であり、マッチングボックス２の側面を透視し、内部の整合回路２Ａ及びインピーダンス変換回路２Ｂの構成が分かるように図示してある。この図１において、図４と同様な構成要素については同一の符号を付け、説明を省略する。
本発明の特徴は、整合回路２Ａにおいてインピーダンス変換の微調整を可能とする目的で、整合回路２Ａが、入力インピーダンスと出力インピーダンス（プラズマ処理室のインピーダンス）との間の、整合するインピーダンス差を縮小するため、すなわち整合回路２Ａの入力インピーダンスを低くするため、同軸ケーブル１Ｃと整合回路２Ａとの間にインピーダンス変換回路２Ｂを介挿した点にある。
以下、この構成について、詳細に説明する。
【００２３】
高周波電源１は、マッチングボックス２を介してプラズマ処理装置２１に、プラズマ放電のための電力を供給する。
整合回路２Ａは、マッチングボックス２内に格納され、高周波電源１の出力インピーダンスとプラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスとの整合をとる。
この整合回路２Ａは、ロードコンデンサ２０６及びチューニングコンデンサ２０５が調整されることにより、出力インピーダンスをプラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスと整合させる。
これにより、高周波電源１は、インピーダンスの不整合による反射波の発生を防止し、整合回路２Ａを介して、プラズマ処理室ＣＮへ、効率的にプラズマ放電のための電力を供給することができる。
【００２４】
ここで、インピーダンス変換回路２Ｂは、同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンスの数値を、プラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスの近傍の数値に変換している。
例えば、以下の説明では、高周波電源１から供給される高周波電力の周波数を「４０.６８ＭＨｚ」とし、このときのインピーダンスＺ1（＝Ｒ１＋ｊＸ１）を「３.６Ω＋ｊ１.４Ω」とし、電力供給系の同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンスを「５０Ω」として、以下の説明を行う。
このため、インピーダンス変換回路２Ｂは、上記特性インピーダンスの「５０Ω」を、この特性インピーダンスとインピーダンスＺ1との間として「１０Ω」へ変換する。
【００２５】
このときの、整合回路２Ａ及びインピーダンス変換回路２Ｂの構成を、図２を用いて説明する。図２は、整合回路２Ａ及びインピーダンス変換回路２Ｂの概略構成を示す図である。
インピーダンス変換回路２Ｂは、インダクタ２０７及びコンデンサ２０８から構成されている。
ここで、インダクタ２０７はインダクタンスとして「７８ｎＨ」であり、コンデンサ２０８はキャパシタンスとして「１５６ｐＦ」である。
これにより、インピーダンス変換回路２Ｂは、高周波電力の周波数が「４０.６８ＭＨｚ」のとき、同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンス「５０Ω」を、「１０Ω」に変換する。
【００２６】
次に、図３に示すスミスチャートにより、上述した各受動素子のパラメータと整合されるインピーダンスＺ1との関係を確認する。
まず、整合される被整合インピーダンスの出発点として、Ａ点は同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンス「５０Ω」の値を示している。
インピーダンス変換回路２Ｂは、この「５０Ω」を「１０Ω」へ変換、すなわち点Ａから点Ａ'を経由し、点Ｅの位置に被整合インピーダンスの値を移動させる。
より具体的には、整合回路２Ａの出力インピーダンスは、コンデンサ２０８により、点Ａから点Ａ'に移動させられ、インダクタ２０７により点Ａ'から点Ｅへ移動させられる。
これにより、ロードコンデンサ２０６の調整範囲が大幅に狭くなり、ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスは「５２２ｐＦ」となる。
また、Ｄ点が最終的な整合回路２Ｃの出力インピーダンスであり、プラズマ処理室ＣＮのインピーダンス（負荷インピーダンス）に対して、共役複素インピーダンスの数値となるため、点ＤのインピーダンスＺ1*の数値は「３.６Ω−ｊ１.４Ω」となる。
ここで、インピーダンスＺ1*は、インピーダンスＺ1の共役複素インピーダンスである。
【００２７】
次に、被整合インピーダンスの値は、上記ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスにより点Ｅから点Ｆの位置へ移動する。
このＦ点において、被整合インピーダンスは、実数部が「３.６Ω」に対応した値となっている。
そして、被整合インピーダンスは、チューニングインダクタ２０４「１５０ｎＨ」により、上記Ｆ点からＣ点の値に移動される。
最終的に、被整合インピーダンスは、チューニングコンデンサ２０５のキャパシタンスを調整することにより、点Ｄの値、すなわちインピーダンスＺ1の値に整合される。
【００２８】
ここで、プロセスの条件などにより、インピーダンスＺ1が５０％変動する（負荷変動の範囲）と仮定すると、すなわち実数部「３.６Ω」が「５.４Ω」と「１.８Ω」との間で変動することとなる。
このとき、ロードコンデンサ２０６の調整範囲は、「５２２ｐＦ」を中心として、インピーダンスの実数部を「３.６Ω」から「５.４Ω」に調整するため「３６１ｐＦ」とし、また、「３.６Ω」から「１.８Ω」に調整するため「８３５ｐＦ」となる。
したがって、ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスは、５２２ｐＦ（調整範囲の中心値）を中心として「＋６０％（８３５ｐＦ）」と「−３１％（３６１ｐＦ）」との範囲（ΔＣ、すなわち調整範囲）で調整される。
【００２９】
この本発明の調整範囲の割合は、従来例における２８１ｐＦを中心として「＋４４％（４０５ｐＦ）」と「−２０％（２２５ｐＦ）」との調整範囲に対して調整範囲が広がっているため、例えば、ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスの変化量に対して、出力インピーダンスの変化が小さく、すなわちロードコンデンサ２０６のキャパシタンス調整つまみの動きに対する出力インピーダンスの調整感度が低くなる。
このため、インピーダンスの整合調整を、上記ロードコンデンサ２０６などの可変受動素子で構成される整合回路で行う場合、可変受動素子の調整感度が低くなると、負荷（プラズマ処理室ＣＮのインピーダンス）変動に対する整合の安定性が向上する。
【００３０】
すなわち、調整感度が低くなると言うことは、キャパシタンス調整つまみの移動量に対して、出力インピーダンスの変化量が小さくなることであり、細かい出力インピーダンスの調整、すなわち出力インピーダンスの微調整が可能となることである。
これにより、整合回路２Ａは、インピーダンスＺ1が変動し、ロードキャパシタンス２０６の調整に基づく出力インピーダンスの微調整が可能となるため、調整つまみの移動量に対して、ロードコンデンサ２０６のキャパシタンスの変化量を小さくすることができ、プラズマ処理室ＣＮのインピーダンスＺ1に対するインピーダンス整合において出力インピーダンスの微調整が可能となり、調整つまみを動かすと出力インピーダンスが大きく変化することがなくなり、インピーダンス整合の調整を容易とし、プラズマ放電状態の安定性を増すことができる。
したがって、整合回路２Ａは、インピーダンスＺ1の変動があったとしても、インピーダンス整合における出力インピーダンスの微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室ＣＮにおけるプラズマ空間への安定した放電電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
【００３１】
また、上記インピーダンス変換回路２Ｂは、コンデンサ２０８及びインダクタ２０７の数値固定の受動素子から構成されるため、従来例で示した増幅回路に比較して熱ストレスに強く、高い信頼性が得られる。
さらに、上記インピーダンス変換回路２Ｂは、コンデンサ２０８及びインダクタ２０７などの数値固定の受動素子から構成されるため、市販の安価な部品を利用することができ、従来例のように高価な特注部品を使用することなく、プラズマ処理装置の価格を上昇させることがない。
さらに、上記インピーダンス変換回路２Ｂは、出力インピーダンスを、高周波電源１の出力インピーダンス（同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンス）と、前記プラズマ処理室のインピーダンスとの間で、かつこのプラズマ処理室のインピーダンス（例えば、インピーダンスＺ1）近傍の値に変換する。
これにより、インピーダンス変換回路２Ｂの出力インピーダンスと、プラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスとの差を縮小することができ、従来例に比較して微調整を可能とし、インピーダンスＺ1が変化した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路２Ａの調整の容易性を向上させることができる。
【００３２】
加えて、インピーダンス変換回路２Ｂは、同軸ケーブル１Ｃの特性インピーダンスを５０Ωから、１０Ω近傍へ変換することにより、プラズマ処理室ＣＮの負荷インピーダンスが１０Ω以下であるため、ロードコンデンサ２０６における中心値の値に対して調整範囲の割合を、従来例に比して広げることができ、従来例に比較してロードコンデンサ２０６の変化量の微調整を可能とし、インピーダンスＺ1が変化した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路２Ａの調整の容易性を向上させることができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理装置によれば、受動素子が１のコンデンサと１のコイルを有し、前記コンデンサは可変コンデンサであって、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換するものであり、
前記高周波電源が同軸ケーブルを介して前記インピーダンス変換手段と整合手段とを備えたマッチングボックスに接続され、前記インピーダンス変換手段が、同軸ケーブルを介することなく前記マッチングボックス内において直接整合回路に接続され、前記整合回路が前記プラズマ処理室のプラズマ励起電極に接続され、前記マッチングボックスが前記プラズマ処理室に接続されるとともに、
前記インピーダンス変換手段による前記高周波電源の出力インピーダンスの変換によって、前記プラズマ処理室側のプロセス条件の変動により行うべき前記整合回路における出力インピーダンス調整時の調整感度が、前記インピーダンス変換手段を設けていない場合の前記整合手段のみでインピーダンス調整する場合の調整感度よりも、低くされてなるため、整合回路は、プラズマ処理装置のチャンバにおけるインピーダンスが変動した場合に、整合回路のキャパシタンスの微調整が可能となるため、キャパシタンス調整つまみの移動量に対して、プラズマ処理装置のチャンバへの出力インピーダンスの変化量を小さくすることができ、プラズマ処理室のインピーダンスに対するインピーダンス整合において出力インピーダンスの微調整が可能となり、調整つまみを動かすとインピーダンスが大きく変化することがなくなり、インピーダンス整合の調整を容易とし、プラズマ放電状態の安定性を増すことができる。
また、本発明のプラズマ処理装置において、インピーダンス変換手段が数値固定の受動素子から構成されると、熱ストレスに強く、高い信頼性が得られ、かつ、市販の安価な部品を利用することができ、従来例のように高価な特注部品を使用することなく、プラズマ処理装置の価格を上昇させることがない。
さらに、本発明のプラズマ処理装置は、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換することで、インピーダンス変換回路の出力インピーダンスと、プラズマ処理室のインピーダンスとの差を縮小することができ、従来例に比較して微調整を可能とし、インピーダンスを変更した場合に、安定したプラズマ放電状態に対応した整合回路の調整の容易性を向上させることができる。
本発明のプラズマ処理装置の運転方法によれば、高周波電源と、プラズマ処理室と、前記高周波電源及び前記プラズマ処理室の間のインピーダンス整合を行う整合手段を有し、この整合手段と前記高周波電源との間にインピーダンス変換手段が１つまたは複数設けられ、前記インピーダンス変換手段が受動素子で構成され、前記受動素子が１のコンデンサと１のコイルであり、前記コンデンサは可変コンデンサであって、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換するものであり、
前記高周波電源が同軸ケーブルを介して前記インピーダンス変換手段と整合手段とを備えたマッチングボックスに接続され、前記インピーダンス変換手段が、同軸ケーブルを介することなく前記マッチングボックス内において直接整合回路に接続され、前記整合回路が前記プラズマ処理室のプラズマ励起電極に接続され、前記マッチングボックスが前記プラズマ処理室に接続されるとともに、
前記インピーダンス変換手段による前記高周波電源の出力インピーダンスの変換によって、前記プラズマ処理室側のプロセス条件の変動により行うべき前記整合回路における出力インピーダンス調整時の調整感度が、前記インピーダンス変換手段を設けていない場合の前記整合手段のみでインピーダンス調整する場合の調整感度よりも、低くされてなるプラズマ処理装置を用い、
インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源からの出力インピーダンスと前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間であって、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に前記受動素子により変換し、このインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを前記整合手段により調整しながらプラズマ処理装置を運転するので、プラズマ処理装置の運転中にインピーダンスの変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
また、本発明のプラズマ処理装置の運転方法において、受動素子に備えたコンデンサとインダクタによりインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを調整し、該出力インピーダンスを整合回路に備えたコンデンサとインダクタにより実数部と虚数部共に調整してプラズマ処理室のチャンバのインピーダンスに整合させるようにして運転することにより、プラズマ処理装置の運転中にインピーダンスの変動があったとしても、インピーダンス整合の微調整が可能なため、プラズマ放電状態の再現性を向上させることができ、プラズマ処理室におけるプラズマ空間への安定した電力の投入が可能となるので、被処理デバイスに対して均質なプラズマ処理結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態によるプラズマ処理装置の概要を示す概念図である。
【図２】 図１におけるマッチングボックス２内の整合回路２Ａの構成例を示す概念図である。
【図３】 図２の整合回路２Ａ及びインピーダンス変換回路２Ｂの各受動素子のパラメータと整合されるインピーダンスＺ1の関係を示すスミスチャートである。
【図４】 従来例によるプラズマ処理装置の概要を示す概念図である。
【図５】 図４におけるマッチングボックス２内の整合回路２Ｃの構成を示す概念図である。
【図６】 図３の整合回路２Ｃの各受動素子のパラメータと整合されるインピーダンスＺ1の関係を示すスミスチャートである。
【符号の説明】
１ 高周波電源
１Ｃ 同軸ケーブル
２ マッチングボックス
２Ａ 整合回路
２Ｂ インピーダンス変換回路
３ 給電板
４ プラズマ励起電極
５ シャワープレート
６ 空間
７ 孔
８ ウェハサセプタ
９ 絶縁体
１０ チャンバ壁
１１ ベローズ
１３ シャフト
１６ 基板
１７ ガス導入管
２１ シャーシ
６０ チャンバ室
２０４ チューニングインダクタ
２０５ チューニングコンデンサ
２０６ ロードコンデンサ
２０７ インダクタ
２０８ コンデンサ
ＣＮ プラズマ処理室
Claims (7)
- 高周波電源と、プラズマ処理室と、前記高周波電源及び前記プラズマ処理室の間のインピーダンス整合を行う整合手段を有し、この整合手段と前記高周波電源との間にインピーダンス変換手段が１つまたは複数設けられ、前記インピーダンス変換手段が受動素子で構成され、前記受動素子が１のコンデンサと１のコイルを有し、前記コンデンサは可変コンデンサであって、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換するものであり、
前記高周波電源が同軸ケーブルを介して前記インピーダンス変換手段と整合手段とを備えたマッチングボックスに接続され、前記インピーダンス変換手段が、同軸ケーブルを介することなく前記マッチングボックス内において直接整合回路に接続され、前記整合回路が前記プラズマ処理室のプラズマ励起電極に接続され、前記マッチングボックスが前記プラズマ処理室に接続されるとともに、
前記インピーダンス変換手段による前記高周波電源の出力インピーダンスの変換によって、前記プラズマ処理室側のプロセス条件の変動により行うべき前記整合回路における出力インピーダンス調整時の調整感度が、前記インピーダンス変換手段を設けていない場合の前記整合手段のみでインピーダンス調整する場合の調整感度よりも、低くされてなることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記高周波電源と前記マッチングボックス間に介在する前記同軸ケーブルは、その外部導体が導電体からなる前記マッチングボックスのハウジングに接続され、その内部導体が前記マッチングボックス内の前記インピーダンス変換手段を介して前記整合回路に接続されており、前記インピーダンス変換手段と前記整合回路に設けられているコンデンサが前記マッチングボックスのハウジングに接続され、前記マッチングボックスのハウジングが前記プラズマ処理室を囲む導体からなるシャーシに接続されてなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記高周波電源の一方の極に前記同軸ケーブルの内部導体と前記インピーダンス変換手段と前記整合回路と前記プラズマ励起電極とが直列接続され、この直列接続経路内のインピーダンス変換手段にインダクタとコンデンサが組み込まれ、同直列経路内の整合回路にインダクタとコンデンサが設けられるとともに、前記高周波電源の他方の極に前記同軸ケーブルの外部導体と前記マッチングボックスのハウジングと前記プラズマ処理室を囲むシャーシが直列接続されてなることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ装置。
- 前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段がインピーダンスを５０Ωから１０Ω以下へ変換することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 高周波電源と、プラズマ処理室と、前記高周波電源及び前記プラズマ処理室の間のインピーダンス整合を行う整合手段を有し、この整合手段と前記高周波電源との間にインピーダンス変換手段が１つまたは複数設けられ、前記インピーダンス変換手段が受動素子で構成され、前記受動素子が１のコンデンサと１のコイルを有し、前記コンデンサは可変コンデンサであって、前記１つまたは複数のインピーダンス変換手段が、該インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源の出力インピーダンスと、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間で、かつ前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に変換するものであり、
前記高周波電源が同軸ケーブルを介して前記インピーダンス変換手段と整合手段とを備えたマッチングボックスに接続され、前記インピーダンス変換手段が、同軸ケーブルを介することなく前記マッチングボックス内において直接整合回路に接続され、前記整合回路が前記プラズマ処理室のプラズマ励起電極に接続され、前記マッチングボックスが前記プラズマ処理室に接続されるとともに、
前記インピーダンス変換手段による前記高周波電源の出力インピーダンスの変換することによって、前記プラズマ処理室側のプロセス条件の変動により行うべき前記整合回路における出力インピーダンス調整時の調整感度が、前記インピーダンス変換手段を設けていない場合の前記整合手段のみでインピーダンス調整する場合の調整感度よりも、低くされてなるプラズマ処理装置を用い、
インピーダンス変換手段の出力インピーダンスを、前記高周波電源からの出力インピーダンスと前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンスとの間であって、前記プラズマ処理室のチャンバのインピーダンス近傍の値に前記受動素子により変換し、このインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを前記整合手段により調整しながらプラズマ処理装置を運転することを特徴とするプラズマ処理装置の運転方法。 - 前記受動素子に備えたコンデンサとインダクタによりインピーダンス変換手段の出力インピーダンスを調整し、該出力インピーダンスを前記整合回路に備えたコンデンサとインダクタにより実数部と虚数部共に調整してプラズマ処理室のチャンバのインピーダンスに整合させることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置の運転方法。
- 前記高周波電源と前記マッチングボックス間に介在する前記同軸ケーブルは、その外部導体が導電体からなるマッチングボックスのハウジングに接続され、その内部導体が前記マッチングボックス内の前記インピーダンス変換手段を介して前記整合回路に接続されており、前記インピーダンス変換手段と整合回路に設けられているコンデンサが、前記マッチングボックスのハウジングに接続され、前記マッチングボックスのハウジングが、前記プラズマ処理室を囲む導体からなるシャーシに接続されてなるプラズマ装置を用いることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置の運転方法。
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