JP4270872B2 - インピーダンスをモニターするシステム並びに方法 - Google Patents

Description

この出願は、２００１年３月１６日に出願された米国出願Ｎｏ．６０／２７６，１０６に基礎をなしている。また、この出願は、２００１年１月８日に出願された先願Ｎｏ．６０／２５９，８６２に関連している。これらの出願の内容は、参照としてここに入れられる。

本発明は、プラズマ反応炉システムに関し、特に、平行平板型プラズマ反応炉システムでのインピーダンスをモニターするための方法並びにシステムに関する。

イオン化されたガス、即ち、プラズマは、基板(例えば、半導体装置、フラットパネルデイスプレイ、並びに材料のエッチングもしくは堆積が必要な他の製品)の処理並びに製造の間使用され得る。プラズマは、半導体、導体、もくしは絶縁体の表面から材料をエッチングもしくは除去するか、スパッタリーングするか、表面に材料を堆積させるかのために使用され得る。製造もしくは製造工程での使用のためのプラズマの発生は、一般的には“チャック電極”と称されている基板支持部材の上に載置された基板を囲んでいるチャンバの中に低圧の処理ガスを導入することにより代表的にはなされる。

容量結合型プラズマ反応炉システムにおいては、ＲＦ電源に接続された電極がチャックの上方に位置されている。チャンバ内の低圧ガスの分子は、高周波エネルギー（パワー）源を駆動し、ガス分子がチャンバに入ったときに電子を加熱することにより、プラズマへとイオン化される。そして、プラズマは、基板の全体に渡って流れて基板と相互反応をする。この基板は、基板を支持しているチャックにＲＦパワーを印加することにより代表的にはバイアスされている。このようにして、チャックは、下側電極として機能し、“チャック電極”と度々称されている。チャック上を流れるプラズマガスは、チャンバに接続された真空システムにより除去される。

プラズマ処理での歩留りと全体の品質とを決定するのに重要なファクターの１つは、基板の表面でのプラズマ処理の均一性である。容量結合型プラズマ反応炉において、処理の均一性は、全システムのデザインにより、特に、上側電極と、チャックと、プラズマ発生源と、高周波（ＲＦ）同調電子機器との物理的な相互関係により、影響される。反応炉による処理の均一性を制御する能力を得る改良は、プラズマ反応炉の製造業者にとっては非常に重要であり、非常に努力をするべきことである。

容量結合型プラズマ反応炉のプラズマ処理パラメータを制御する能力は、プラズマ状態の適当な測定に負うところが大である。プラズマ密度、電子温度、衝突イオンエネルギー分布等を含むプラズマパラメータは、進展したプラズマ処理システムにとって信頼性のある結果を生じさせるように、モニターされなければならない。これらパラメータは、一般的には内部パラメータと称されている。これら内部パラメータは、モニターされて、ＲＦパワー、ガス流量、ガス圧力、ＲＦ電力かつ周波数、ＤＣバイアス、エッチング化学、エッチング時間、電極間隔、ウエハ配置等の外部制御処理パラメータ（“システム制御パラメータ”）を変更するためのフイードバックとして使用され得る。

ある種のプラズマ測定技術により導入されるプラズマの乱れや汚染の問題のために、不可侵プラズマモニターのみが、半導体プロセス産業で使用されている。現在、プラズマの性質を測定可能な幾つかの異なる不可侵技術がある。このような技術の１つは、光放射分光法である。この方法では、プラズマから射出された光が集められ、プラズマ特性を抽出するようにスペクトル分析される。しかし、この技術は、射出ライン強度の低い測定再現性やレンズによる減衰（ｌｅｎｓ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）等の幾つかの重要な欠点がある。

他の技術は、電極でのRF電圧と電流とをモニターすることを含んでいる。相対的な位相差は、実数のシステムインピーダンスを分析して、プラズマパラメータに関する利用可能な情報を与えることができる。しかし、この技術は、測定の含まれる小さい位相差により度々妨げられる。基板と電極とは、実数のシステムンピーダンスに対する大きい分数（ｌａｒｇｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）に貢献し、一方、プラズマインピーダンスは、一般に、トータルシステムンピーダンスの小さい変動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）（１０％）のみである。このような制限においてさえも、これらＲＦモニターは、アドバンス処理制御（ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ）システムでの装備ツール製造者によるのと同様に、半導体製造において、まだ広く使用されている。

幾つかのプラズマのパラメータの測定の試みは、受動ＲＦ測定を、所謂接地面積、エッチングもしくは堆積速度、パターンエッチングのエンドポイント、処理クリーンエンドポイント等の所定のプロセスパラメータと関連付けて、制御ファンクションもしくはトレースを推論し、受動ＲＦ測定により測定されるデイスチャージインピーダンスでのレベル変化との相互関係を確立することにより、ＡＰＣシステムでなさている。しかし、この相互関係付け方法は、実質的に平均化されたプラズマ特性を得るために、各々のシステムに対して多くの測定を必要としている。

既知のプラズマ測定技術においては、他の問題もある。例えば、ある受動の従来のモニター技術は、プラズマを形成するために上側電極に与えられるＲＦパワーの電流と電圧とを測定することを含んでいる。しかし、この技術は、プラズマがＲＦパワー信号と相互作用し、プラズマ字様態の変更が生じてしまうので、問題である。他の技術は、プラズマの状態を検出するために、プラズマ内に発生される基本並びに高調波信号の使用を含んでいる。しかし、ノイズが低増幅ＲＦ信号と干渉する場合には、意味のある測定結果を得ることが難しい。

さらに、最も多くのプラズマモニター方法において、プラズマのインピーダンスは、電流、電圧ね並びにＲＦ電源の基本周波数（もしくは第１の２ないし３次高調波）での２つの間の位相差を測定することにより、決定されている。このようなインピーダンスは、実数部分と虚数部分との両方を含んでいる。実数部分は、回路自身に関連した抵抗Ｒ（回路抵抗と称されている）とプラズマの抵抗（“プラズマ抵抗”と称されている）とに関連付けされている。システムインピーダンスの虚数部分は、特に、プラズマ放電共振（プラズマインピーダンスが抵抗のみによる場合）よりも低い周波数に対する、電極の近くのプラズマシースの容量に主にもとづいている。この周波数以下では、プラズマは、性質において容量的であり、以上では、プラズマは、性質において誘導的である。かくして、低調波（即ち、２^nd，３^rd，…）では、複合システムンピーダンスは、Ｚ＝１／ｊωＣ＋Ｒ，ここで、１／ωＣ＞＞Ｒ、となる。ここで、抵抗Ｒは、ほとんど回路抵抗である。かくして、大きい位相角、即ち、ほぼ特異偏角と、これの測定の困難性とによるシステムンピーダンスの実数部分を決定することが一般的には更に難しい。更に、比較的大きい回路抵抗から小さいプラズマ抵抗を抽出することが難しいことが、更に困難にしている。

本発明は、プラズマ反応炉システムに関し、特に平行平板プラズマ反応炉システムでインピーダンスをモニターするためのシステムに関する。

本発明の第１の態様は、間にプラズマを形成することの可能な上側電極と下側電極とを有する容量結合型プラズマ反応炉システムでのインピーダンスを測定するための装置である。この装置は、前記上側電極と電気的に接続された高周波ＲＦ電源を有する。この高周波電源は、反応炉システムでプラズマを形成するのに使用されている基本周波数よりも高い周波数の電気的プローブ信号を発生することが可能である。第１のハイパスフイルターが、前記上側電極と高周波ＲＦ電源との間に配設されている。この第１のハイパスフイルターの役目は、上側電極用のＲＦ電源からの低周波数で高電圧の電気信号が、インピーダンス測定装置のための回路を通るのをブロックすることである。電流―電圧（ＩＶ）プローブが、前記高周波電源とハイパスフイルターとの間に配設され、プラズマが存在しないときと存在するときとのプローブ信号の電流と電圧とを測定するために使用される。増幅器が、前記電流―電圧プローブに電気的に接続されている。この増幅器は、好ましくは、信号雑音比を大きくするように、変調されたプローブ信号にロックするロックイン増幅器である。アナログーデジタルコンバータのようなデータ収集ユニットが、前記増幅器に電気的に接続されて、デジタルの形態でアナログ電流並びに電圧信号をストアする。第２のハイパスフイルターが、前記下側電極に電気的に接続されると共に接地されて、インピーダンス測定装置の高周波回路を容量結合型プラズマ反応炉システムの低周波、高電圧回路から分離している。

本発明の第２の態様は、上側電極と下側電極とを有する容量結合型プラズマ反応炉システムでのインピーダンスを測定するための方法を含んでいる。この方法は、上側電極に高周波プローブ信号を、上側電極に接続された電気ラインを介して伝送する工程を有する。この工程は、上側電極と下側電極との間にプラズマを形成しないで行われる。そして、次の工程は、前記電気ラインので、プローブ信号の第１の電流と第１の電圧とを測定することである。次の工程は、前記第１の電流と第１の電圧との測定に基づいて、“プラズマが存在していない”ときのインピーダンスＺ_npを算出することを含んでいる。これら測定と算出とがなされると、次の工程は、前記上側電極と下側電極との間にプラズマを形成することを含んでいる。そして、次の工程は、前記電気ラインを通る上側電極へのプローブ信号の第２の電流と第２の電圧とを測定することを含んでいる。次の工程は、第２の電圧並びに第２の電流測定からインピーダンスＺ_sysを算出することを含んでいる。次の工程は、好ましくは、標準のモデルの使用により、プラズマのシースインピーダンスＺ_sheathを決定することを含んでいる。そして、最後の工程は、関係Ｚ_plasma＝Ｚsys−Ｚ_np−Ｚ_sheathからプラズマインピーダンスを算出することである。

本発明は、プラズマ反応炉システムに関し、特に平行平板プラズマ反応炉システムでインピーダンスをモニターするためのシステムに関する。

図１において、本発明のインピーダンス測定システム１４が装着された容量結合型プラズマ反応炉システム（以後“ＣＣシステム”と称する）が示されている。このＣＣシステム１０は、プラズマ４０を含むことの可能な内部領域３０を有する反応炉チャンバ２０を備えている。また、このＣＣシステム１０は、下面５２を備え、平坦な上側電極５０と、これに対向し、平坦で上面５８を備えた下側電極５６とを有し、これら平行な電極間に、プラズマ４０が形成されるスペース６０が規定されている。前記上側電極５０は、地面７２に電気的に接続された、上側電極用のＲＦ電力源６６に電気的に接続されている。上側電極用の整合ネットワークが、上側電極５０と上側電極用のＲＦ電源６６との間に配設されている。さらに、電圧−電流（ＩＶ）プローブ８２が、整合ネットワーク８０の出力端と上側電極５０との間の伝送ラインに、ＲＦ発生器６６の基本ＲＦ振動数での電圧振幅をモニターするために、配置されている。前記内部領域３０には、プラズマ４０の形成のための電離可能なガス（例えば、アルゴン）を供給するガス供給システム８８が（例えば、図示されるように、上側電極５０を介して）流体的に連通されている。

前記下側電極５６の上面５８は、プラズマ４０により処理される基板１００（例えば、半導体ウエハ、ＬＣＤパネル、もしくは他の装置）を支持することが可能である。この下側電極５６は、地面７２に接続された下側電極用のＲＦ電源１０６に電気的に接続されている。下側電極用の整合ネットワーク１１６が、下側電極５６と下側電極用のＲＦ電源１０６との間に配設されている。基板１００が、下側電極５６と電気的に接触し、かくして下側電極の一部と電気的になっている。

さらに、図１を参照すると、インピーダンス測定システム１４は、前記上側電極５０に電気的に接続された第１のハイパスフイルター１３０と、このハイパスフイルター１３０に電気的に接続された電流―電圧（“ＩＶ”）プローブ１４０と、このＩＶプローブ１４０に電気的に接続された高周波ＲＦ電源１５０とを有する。前記ハイパスフイルター１３０の目的は、上側電極用のＲＦ電源６６により発生される高電圧（例えば、１０００Ｖ）で、低周波数（例えば、１３．５ないし６０ＭＨｚ）の電気信号が、前記ＩＶプローブ１４０並びにシステム１４の他の部品を流れることを防止することである。

図２に示されるように、前記ＩＶプローブ１４０は、ハイパスフイルター１３０と高周波信号発生器１５０と上側電極５０とを電気的に接続する、比較的大径（例えば、１ないし１．５インチの直径）の同軸伝送ライン（例えば、５０Ωライン）１６０により好ましくは形成されている。このライン１６０は、外面１７０を備えた絶縁層１６６により囲まれた内側導電ワイヤ１６２を有する。この外面１７０は、外側導電層１７６により囲まれている。この外側導電体層１７６を囲んでいる第２の絶縁層（図示せず）が、このラインをシールドするために、代表的に設けられている。ＩＶプローブ１４０は、第１の対の導電リード１９０，１９２を外側導電体層１７６に電気的に接続して、電流ターミナル１９４を形成することとにより、ライン１６０に形成されている。この電流ターミナル１９４の所で、ライン１６０を流れる電流が測定され得る。

さらに、ＩＶプローブ１４０は、前記外側導電体層１７６に隣接した絶縁層１６６の部分内に形成されたコンデンサー２１４のプレート２０８，２１０に夫々接続された第２の対の導電リード２００，２０２を有する。前記コンデンサー２１４は、外側導電体層１７６をリード２００，２０２に並列に電気的に接続し、電圧ターミナル２２０を形成している。この電圧ターミナル２２０の所で、ライン１６０を通る電圧が測定され得る。

前記伝送ライン１６０での、ＩＶプローブのための前記電流ターミナル１９４と電圧ターミナル２２０とは、高インピーダンスＲＦモニターの使用を促進するようにデザインされている。このようなモニターは、例えば、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘにより製造されているＴｅｋｔｒｏｎｉｘ Ｐ６２４５ １．５ＧＨｚ １０Ｘ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｒｏｂｅで良く、この出力端は、増幅器２５０への入力端として機能し得る。さらに詳述すると、ＩＶプローブの構造は、ここに参照として組入れられる“Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ＲＦ ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｂｅ”の名称で２００１年１月８日に出願された米国出願６０／２５９，８５２に記載されている。

再び図１を参照すると、システム１４は、さらに、前記ＩＶプローブ１４０に電気的に接続された増幅器２５０を有する。この増幅器２５０は、信号対雑音比を改良するロックイン増幅器で良い。また、システム１４０は、この増幅器２５０に電気的に接続されたデータ収集ユニット２６０を有する。このデータ収集ユニット２６０は、増幅器２５０からアナログ信号を受信し、これをデジタル信号に変換し、これらをデジタル形式でストアするように構成されている。好ましい実施の形態において、このデータ収集ユニット２６０は、メモリーを備えたアナログ／デジタルコンバータである。システム１４は、また、このデータ収集ユニットに接続されたプロセス制御コンピュータ２７０を有する。このコンピュータ２７０は、データ収集ユニットからデジタル信号を受信して、以下に説明されるように、プラズマインピーダンスを決定するために必要な計算をするように、信号を処理する。このコンピュータシステム２７０は、好ましくは、基板１００の処理の間、１もしくは複数のシステムイ制御パラメータを制御かつ調節できるように、ＣＣシステムイ１０と種々のシステムイとに電気的に接続されている。このコンピュータ２７０は、実際は、システムイ１０のための制御コンピュータで良い。

インピーダンス測定システム１４は，また、前記下側電極５６並びに地面７２に電気的に接続された第２のハイパスフイルター２７６を有する。単一周波数のプローブ信号のみの場合には、ハイパスフイルター２７６は、単一周波数のプローブ信号用にデザインされたリアクテブ接地回路を有し得る。

図１に示されたインピーダンス測定システム１４と組み合わされたＣＣシステムイ１０の配置においては、２つの主ＲＦ回路が設けられている。一方の回路は、システム１４と関連された低周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚもしくは６０ＭＨｚ）回路であり、上側電極用のＲＦ電源６６から下側電極用のＲＦ電源１０６並びに地面７２へと（もしくは、上側電極用のＲＦ電源６６から下側電極を通り、上側電極に印加される低周波電力のために特別にデザインされた低域フイルター（接地への低インピーダンス路）を介して接地されている。他方の回路は、インピーダンスモニター測定システム１４と関連した並列高周波（例えば、数百ＭＨｚ）回路である。ハイパスフイルター１３０，２７６の役目は、高周波回路を低周波回路から分離させることである。これら高周波回路と低周波回路との共通の部品は、上側並びに下側電極５０，５６（これら電極間のスペース６０も含まれる）と基板１００とである。スペース６０は、実質的な真空かプラズマかを含み得る。

動作原理
システム１４の高周波インピーダンス測定回路をＣＣシステムイ１０と関連付けされた低周波回路から分離することにより、ＣＣシステムイのプラズマインピーダンスが正確に測定されることができる。本発明において、この必要な分離は、ハイパスフイルター１３０により高電圧の低周波信号（並びにプラズマ４０との相互作用により発生されるこの信号の調和成分）をＣＣシステムイ１０からブロックしながら、下側電極（チャック）５６をハイパスフイルター２７６を介して接地し、かつ、測定（プローブ）信号を高周波ＲＦ電源１５０から上側電極に通すことにより、なされる。プラズマは、測定周波数（例えば、１５０ＭＨｚないし６００ＭＨｚの範囲）よりもかなり低い周波数（例えば、１３．５ＭＨｚないし６０ＭＨｚ）で、発生されて維持されるので、この分離する回路（ｉｓｏｌａｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）は、非常に高い容量性インピーダンスを有するようにふるまい、かくして、プラズマ４０に悪影響を与えないであろう。

ブローブ信号周波数は、好ましくは、上側電極側のＲＦ電源６６により供給されるＲＦ信号の隣接高調波成分（例えば、ｉ次調波とｉ＋１次調波との間、ここで、例えば、ｉ＝１０）にあり、この結果、プローブ信号は、基本並びにプラズマ誘起レベルからはかなり離れている。さらに、プローブ信号の同期された検出（例えば、プローブ信号を変調することによる）が、信号雑音比を数オーダ高くするようにアクテブ測定で使用され得る。

ＣＣシステムイ１０のインピーダンスは，以下の式により一般的に表わされる
Ｚ＝ｊ（ωＬ−１／ωＣ）＋Ｒ
ここで、ωは、角周波数であり、Ｃは、全直列容量であり、Ｌは、直列インダクタンスであり、Ｒは、抵抗であり、そして、ｊ＝（−１）^1/2である。例えば、容量Ｃは、主にプラズマシース容量によるものであり、直径が２００ｍｍのワークピースを処理可能なシステムイに対してはＣ_sheath≒ε₀Ａ／ｄ_s≒２００ｐｆにより近似される。Ａは、平行プレート（即ち、電極５０，５６）の面積であり、また、ｄ_s＝λ_D（２Ｖ₀／Ｔ）^1/2は、プラズマシースの厚さである。ここで、λ_Dは、デバイ距離である。プラズマのインダクタンスは、Ｌ≒ω_pe ^-2Ｃo^-1≒２５０ｐＨにより適当に近似される。ここで、ω_peは、ω_pe ² ＝（eｎ_e/ε₀ｍ）により規定されるプラズマ周波数であり、Ｃo＝ε₀Ａ／ｄは、真空容量であり、そして，ｄは、平行プレート電極間の距離である。また、ｅは、電子の電荷であり、ｎ_eは、電子数密度であり、そして、ε₀は、自由空間の誘電率である。

印加周波数ω＝２πｆ＝３．７８Ｘ１０⁸ｒａｄ／ｓｅｃ（ｆ＝６０ＭＨｚ）での代表的なよう容量の放電に対しては、リアクテブインピーダンスは、以下のとおりである
Ｘ＝［３．７８ １０⁸ｘ２５０ １０^-12−１／（３．７８ １０⁸ｘ２００ １０^-12）］
＝（０．１−１３．２）Ω
前記ＣＣシステムイのリアクタンスは、ほぼ純粋に容量性である。実際のＣＣシステムイにおいて、直列容量は、一般に、リアクタンスをさらに大きく、例えば、１００Ωにする。この値は、ＣＣシステムイの抵抗Ｒ〜１Ωよりもかなり大きい。これは、インピーダンスが非常に高い周波数、即ち、ω_m＝３．７８ｘ１０⁹ ｒａｄ／ｓｅｃ（６００ＭＨｚ）、ここで、リアクタンスは。

Ｘ＝［３．７８ １０⁹ｘ２５０ １０^-12−１／（３．７８ １０⁹ｘ２００ １０^-12）］
＝（０．９５−１．３２）＝０．３７Ω
となり、これは、ほとんど共振である、ことが測定されるのであれば、異なるであろう。この場合には、電圧と電流とは、位相がほとんど同じであり、ほとんど実数である。一般的に、周波数ω_mのプローブ信号で、Ｘ＝（ω_mＬ−１／ω_mＣ） Ｒ、ＣＣシステムイがより正確に測定され得る。

無効（リアクテブ）インピーダンスがゼロ Ｘ＝（ω_mＬ−１／ω_mＣ）＝０ になる周波数ω_mは、システムイの幾何学的共振周波数として知られている。高周波ＲＦ電源１５０により発生されるプローブ信号の周波数が、共振周波数となるように ω_m＝ω₀ 選ばれると、ＣＣシステムイのインピーダンスは、純粋に抵抗となるであろう。このことは、プラズマインピーダンスの測定がより正確になることを可能にしている。実際、共振は、ほとんど如何なる駆動電圧においてもプローブ信号を発振させて、プローブ信号の検出性を非常に高める。しかし、共振周波数は、シース容量と同様にプラズマインダクタンスに依存しており、プラズマ密度と他のＣＣシステムパラメータの関数である。かくして、正確な共振でプローブ゛信号を励起することは、広い周波数範囲の駆動信号源を必要とする。

上側電極のＲＦ電源６６が、ターンオフされていると、低周波回路には電力がない。このときに、ＣＣシステムイ１０は、プラズマ４０がスペース６０に形成されていない、所謂“コールド”となっている。かくして、高周波回路のインピーダンスは、上側電極５０と下側電極５６との間の容量Ｃと、これら電極並びにワークピース１００の、Ｒ_cによりし表わされる抵抗とにより規定される。かくして、“コールド”システムイ１０の測定されるインピーダンス（即ち、“プラズマのない”インピーダンスＺ_np）は、以下の式により与えられる。

Ｚ_np＝１／ｊω_mＣ＋Ｒ_c (1)
ＲＦ電源６６がターンオンされ、また、ガスが、チャンバ２０の内部領域３０中に導入されると、プラズマ４０が、上側電極５０と下側電極５６との間のスペース６０内に形成される。このときに、高周波回路は、プラズマ抵抗Ｒ_pと、プラズマインピーダンスＬ_pと、シース容量Ｃ_sと、システムイ抵抗Ｒ_cとを含む。かくして、測定されるインピーダンスは、以下のようになる。

Ｚ_sys＝１／ｊω_mＣ＋ｊω_mＬ_p＋Ｒ_p＋Ｒ_c （２）
上記式（１）並びに（２）は、プラズマインピーダンスＺ_plasmaをコールドＣＣシステムイのインピーダンスから分離するのに使用される。システムイ抵抗Ｒ_cは、基板１００からの抵抗を含み、これは、エッチングもしくは堆積のようなプラズマ処理の間に減少させ得る。一方、プラズマインピーダンスは、ＲＦ電力、ガス圧力、ガス流、プラズマの化学性、並びに上側電極５０と下側電極５６との間のスペースのような幾何学的パラメータに依存する。

本発明において、プラズマ４０の性質についての情報な情報は、ＣＣシステムイ１０の動作の間、リアルタイムでＺ_npを測定し、かつＺ_sysをモニターすることにより、与えられる。数秒もしくはこれより短いタイムスケールで、システムイ抵抗Ｒ_cは、大きくは変化せず、この結果、システムインピーダンスＺ_sysは、プラズマインピーダンスの変化に主に依存する。プラズマインピーダンスは、以下の式により与えられる。

Ｚ_plasma＝ｊω_mＬ_p＋Ｒ_p＝ω_mＬ_p（ｊ＋γ／ω_m） （３）
ここで、ω_mは、与えられる周波数、そして、γは、電子−中性粒子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｎｅｕｔｒａｌ）ω_pである。後者のパラメータは、上側電極５０に印加されるＲＦ電力の大きさと、スペース６０内のガス圧力とに依存する。複素プラズマインピーダンスＺ_plasmaと、これらプラズマパラメータとの間のマッピングが、発生されて、プロセス制御コンピュータ２７０により処理される。

数分もしくはこれ以上のタイムスケールで、プラズマインピーダンスＺ_plasmaは、一定のＲＦ電力とガスの圧力とにより一定に保たれ得る。システムイ抵抗Ｒ_cの変化は、Ｚsysの時間依存性関数（式（３））から得ることができる。特に、ウエハの抵抗の減少に敏感である、パターンエッチングのためのエンドポイントの検出と、ウエハの抵抗の増加に敏感である、堆積のためのエンドポイントの検出とは、システムインピーダンスＺ_sysを測定することにより与えられ得る。

上述されたように、インピーダンス測定システム１４は、データ収集ユニット２６０とコンピュータ２７０とを有し、これらは、前に説明されたシステムイ制御パラメータ（例えば、ガスの圧力、電極スペース、ＲＦ電力（電圧）、ＲＦ周波数等）に、プラズマインピーダンスＺ_plasmaのマッピングにより導入されるスケール付け可能な制御関数を考慮している。

このインピーダンス測定システム１４は、これがプローブ信号を発生するので、”能動（ａｃｔｉｖｅ）“であると見なされている。このプローブ信号の電圧と電流とは、ＣＣシステムイ１０のインピーダ゛ンスＺ_sysの、特に、プラズマインピーダンスＺ_plasmaの関数である。受動インピーダンス測定と比較した能動インピーダンス測定の効果は、制御機能の安定性にある。例えば、電極の間隔が変わるときには、プラズマインピーダンスが比例して増加する。かくして、マッピングのパラメータは、従来の受動モニターシステムイのようにマッピングのパラメータに電極の間隔を再関係付けをする測定をしないで、固定された間隔に対して測定された値からスケール付けされ得る。

図３は、高周波ＲＦ電源１５０によりＣＣシステムイ１０に印加される、時間に対する一例の電圧信号３００を示す。３００ＭＨｚの信号３１０は、図３に示された包絡線３２０内で、例えば、１ＫＨｚで振幅変調されている。ＩＶプローブ゛１４０により出力される生の電圧並びに電流信号が、１ＫＨｚ変調３２０で信号を分離するロックイン増幅器２５０により、上述されたように検出される。この結果、信号対雑音比が増加する。かくして、前記データ収集ユニット２６０は、検出された電圧並びに電流信号を受信して、複合インピーダンスの次の校正と決定とを果たす。

表１は、ＣＣシステムイ１０並びにインピーダンス測定システム１４と関連した周波数の値の２つの標準例セットを示している。パラメータの第１のセット（中心の欄）は、２７ＭＨｚの上側電極周波数と、２ＭＨｚの下側電極周波数と、１ＫＨｚの変調周波数を有する１５０ＭＨｚのブローブ信号周波数とを利用している。パラメータの第２のセット（右欄）は、６０ＭＨｚの上側電極周波数と、２ＭＨｚの下側電極周波数と、１ＫＨｚの変調周波数を有する３００ＭＨｚのブローブ信号周波数とを利用している。振幅変調（ＡＭ）は、大きい信号雑音比を得るために、（ロックイン）増幅器２５０のローカル周波数にロックされている。

動作並びに第１の実施の形態の方法
図４並びにこれのフローチャート６００、及び図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係わる単一周波数のサンプリングとインピーダンス測定システム１４を使用したＣＣシステムイ１０でのプラズマ４０のインピーダンスの測定方法が以下に説明される。この第１の実施の形態において、高周波ＲＦ電源１５０は、例えば、１５０ＭＨｚもしくは３００ＭＨｚの単一周波数を発生できることのみで必要である。

第１の工程において、上側電極の電源６６が、ターンオフされており、かくして、上側電極５０と下側電極５６との間のスペース６０内にはプラズマ４０が形成されていない。

次の工程６０２で、高周波（例えば、１５０ＭＨｚ）信号が、高周波電源１５０により発生されて、ＩＶプローブ１４０並びにハイパスフイルター１３０を介して上側電極５０に伝達される。

次に、工程６０３で、ライン１６０を介して上側電極５０に供給される電流（Ｉ）と電圧（Ｖ）とがＩＶプローブ１４０を使用してライン１６０に沿って測定される。生の出力電圧Ｖ並びに電流信号Ｉは、増幅器２５０に通されて増幅され、そして、データ収集ユニット２６０に沿って通されてこれにより受けられる。このデータ収集ユニット２６０は、情報をストアかつ校正する。

次の工程６０４で、Ｚ_npのための値が、測定された電圧Ｖ並びに電流Ｉ信号から以下の関係を使用してコンピュータ２７０で計算される。

次の工程６０５で、ガスをチャンバ２０の内部領域３０中に流すと共に、上側電極の電源６６を駆動させて上側電極５０にＲＦ電力を供給することにより、プラズマ４０が、スペース６０内に発生される（“ターンオン”）。また、下側電極用のＲＦ電源１０６が、バイアスを印加するように駆動され得る。かくして、工程６０６で、上側電極５０へとライン１６０を通る電流Ｉと電圧Ｖとが、ＩＶプローブ１４０を使用して測定される。この工程で測定されたＩ並びにＶのための値は、増幅器２５０に送られて増幅され、そして、データ収集ユニット２６０に沿って進んでこれに受信され、情報がストア並びに校正される。

次に、工程６０７で、システムインピーダンスＺ_sysが、以下の関係を使用してコンピュータ２７０で計算される。

他のシンボルは、上述されたように規定されている。

次に、工程６０８で、第３の電圧測定が、工程６０９でのＺ_{ｓｈｅａｔｈ}〜１／ｊω_mC_s（ここでC_s＝εＡ／２ｄ_s）により与えられるシースインピーダンスＺ_{ｓｈｅａｔｈ}の決定のための情報を提供するために問われる。ここで、シースの厚さｄsが、次のテキストに開示されている方法のような既知の技術を使用してモデル化される。Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Lieberman & Lichtenburg, John Wiley and Sons, 1994. Pp. 164-166, 327-386, もしくは、Basic principles of the RF capacitive discharge, Rajzer, Y.P., Shneider, M.N. & Yatsenko, N.A., CRC Press. Pp. 24-27, このテキストの部分は、参照としてここに組入れられる。

しかし、上述した文献に示されたシースモデルにおいては、平行平板電極間の電圧振幅、即ち、ピークーツウーピーク電圧の更なる測定が必要である。図１並びに２で説明され、また、先願６０／２５９，８６２により参照されるＶＩプローブ８２を使用して、電圧測定が、上側電極（そして必要であれば下側電極）で、より好ましくは、伝送スタブに沿った便利な場所でなされる。この伝送スタブによって、ＲＦ電力が、図１に示されているように、上側電極に伝送される。工程６０８での電圧測定は、図１のＲＦ発生器６６の基本ＲＦ周波数での電圧振幅を測定することを含んでいる。

次に、工程６０９で、シースの厚さｄ_s、かくして、シースインピーダンスが算出される。しかし、このシースの厚さを算出するためには、電子密度と電子―中性粒子衝突周波数とを知ることが優先して必要である。例えば、最後に参照されたテキストに従えば、シースの厚さは以下のように表わされる。

ここで、ｄは、電極間隔であり、また、Ｖaは、図１に示されたＲＦ発生器６６の基本ＲＦ周波数での電極電圧振幅である。式（６）の査察は、３つの既知の、即ち、シースの厚さｄ_sと、電子密度ｎ_e（即ち、電子プラズマ周波数、ω_pe ²＝（ｅｎ_c／ε_oｍ））と、電子―中性粒子衝突周波数γとを明かにしている。かくして、式（６）でのシースの厚さを解くために、２つの更なる式が要求される。

工程６０４並びに６０７でのインピーダンス測定を使用して、プラズマインピーダンスＺ_plasmaの実数部分と虚数部分とが、以下の関係により、別々に算出され得、また、上記２つの式の必要性を役立たせている。

Ｒｅ｛Ｚ_plasma｝＝Ｒｅ｛Ｚ_sys｝−Ｒｅ｛Ｚ_np｝≒Ｒ_p （７ａ）
Ｉｍ｛Ｚ_plasma｝＝Ｉｍ｛Ｚ_sys｝−Ｉｍ｛Ｚ_np｝−Ｉｍ｛Ｚ_sheath｝≒ω_mＬ_p （７
ｂ）
更に、更なる問が、プラズマインダクタンスＬ_pとプラズマ抵抗Ｒ_pとを電子密度と電子―中性粒子衝突周波数とに関係付けることが必要である。

Ｌ_p≒１／ω_pe ²Ｃ （８ａ）
Ｒ_p≒Ｌ_pγ （８ｂ）
ここで、両方の関係は、次のテキストから得られた。Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Lieberman & Lichtenburg, John Wiley and Sons, 1994, pgs. 327-386。

３つの式〈即ち、シースモデル式（６）と、式（７ａ）で示されたプラズマインピーダンスの実数部分と、式（７ｂ）で示されたプラズマインピーダンスの虚数部分〉は、３つの未知の変数（即ち、シースの厚さｄ_sと、電子密度ｎ_eと、電子―中性粒子衝突周波数γ）であるために、式（６），（７ａ），（７ｂ）は、シースの厚さｄ_sから解くことのできる１つの式として表わし得る。そして、この式から、残りの変数が、工程６１０で算出され得る。

ここで、未知の値（ε、ｄ、Ａ、ｅ、ｍ、ω_m）と測定される値（Ｒｅ｛Ｚ_sys｝、Ｉｍ｛Ｚ_sys｝、Ｒｅ｛Ｚ_np｝、Ｉｍ｛Ｚ_np｝）とは、式（９）に置換される。これは、関数ｆが単にｄ_sに依存するように数式ｆ（ｄ_s）＝０を作る。式（９）は、ｄ_sの非線形関数であり、このために、ニュートンーラプソン法（Newton-Rhapson method）もしくは二分法（Bisection method）のような最も適した非線形（ルート決定法root-finding）アルゴリズムを使用して解かれることができる。

最後に、工程６１０で、プラズマインピーダンスＺ_plasmaのための式（７ａ並びに７ｂ）とシースの厚さｄ_sとは、ワークピース１００を処理しながら、システムイ制御パラメータの１つもしくは複数を、コンピュータの制御のもとで調節するために使用される。例えば、電子―中性粒子衝突周波数は、以下のように導かれ得る。

そして、電子密度は、以下のように決定され得る。

また、これら２つのパラメータは、プロセス制御に有用なプラズマ状態に対する情報を与えるように役立つことができる。

第２の実施の形態の操作方法
本発明の第２の実施の形態において、高周波ＲＦ源１５０は、例えば、約１００ＭＨｚから３００ＭＨｚまでの範囲に渡った複数の周波数で信号を発生することができる。この第２の実施の形態では、複数の周波数でスキャンされるプローブ信号が、単一の周波数でのプローブ信号で果たされることができるよりも、より正確にシステムインピーダンスを測定するのに使用されている。特に、プローブ周波数は、リアクテブインピーダンス小さくなる幾何学的共鳴によりスキャンされ得る。かくして、システムインピーダンス〈即ち、システム抵抗〉の実数部分の測定が、この第２の実施の形態では可能である。

図５並びにこれのフローチャート７００を、また図１を再び参照して、本発明の第２の実施の形態に係わる複数の周波数のサンプリングとインピーダンス測定システム１４とを使用したＣＣシステムイ１０でのプラズマ４０のインピーダンスを測定する方法が以下に説明される。

この方法の最初の工程は、第１の実施の形態に関連して前に説明されたような工程６０１ないし６０４である。唯一異なることは、工程６０２ないし６０４が、プローブ周波数のスペクトルに渡って複数のプローブ周波数の各々に対してなされることである。工程７０１は、全ての周波数がスキャンされたか否かを問う。もし、ノウであれば、高周波ＲＦ電源１５０からのプローブ周波数が、工程７０２でインクリメントされ、工程６０２ないし６０４が繰り返される。全ての所望のプローブ周波数がスキャンされると、方法は、前述されたように工程６０５へと続く。この工程は、上側電極５０と下側電極５６との間にプラズマ４０を形成するように、チャンバ２０の内部領域３０中にガスを流すことと、上側電極５０にパワーを印加するように、上側電極用のＲＦ電源を駆動させることとを含んでいる。

次に、上述されたように工程６０６ないし６０９が、特別のプローブ周波数に対するＺ_plasmaを算出するのに使用される。これら工程６０６ないし６０９は、プローブ周波数のスペクトルに渡って各プローブ周波数に対して繰り返される。工程７０３は、全ての周波数がスキャンされたか否かを問う。もし、ノウであれば、高周波ＲＦ電源１５０からのプローブ周波数が、工程７０５でインクリメントされ、工程６０６ないし６０９が繰り返される。全ての所望のプローブ周波数がスキャンされると、方法は、工程７０５へと続く。この工程で、種々の周波数でのインピーダンスの値からの最少インピーダンスＺ_plasmaが確かめられる。これは、コンピュータ２７０を使用して容易になされる。このようにして決定されたＺ_plasmaの最少値は、最大の実数部分を有するプラズマインピーダンスを表わしている。

最後に、方法は、工程６１０に進む。この工程で、プラズマインピーダンスＺ_plasmaについての情報が、ワークピース１００を処理しながら、システム制御パラメータの１つもしくは複数を、コンピュータの制御のもとで調節するために使用される。

本発明の多くの態様と効果とが、詳細な説明から明かであり，かくして、本発明の真の精神並びに範囲に従って説明された装置の全ての態様と効果とを請求項によりカバーすることが意図されている。さらに、種々の変形と変更とが、この分野の者にとって容易になし得るであろうから、説明された正確な校正と動作とに本発明を限定することは望ましくない。従って、他の実施の形態は、請求項の範囲内である。

本発明のインピーダンス測定装置が電気的に接続された容量結合型プラズマシステム（ＣＣシステム）の概略的な断面図である。 図１の高周波ＩＶプローブが中に形成され、ハイパスフイルターを高周波信号発生器に接続する同軸ケーブルの一部の概略断面図である。 ＩＶプローブによりなされるＩＶ測定の信号雑音比を減じるようにロックイン増幅器と組み合わされて使用される振幅変調プローブ信号を示す図である。 単一の周波数プローブ信号を利用した、本発明の第１の実施の形態に係わる容量結合型プラズマ反応炉でプラズマを測定するための方法の工程のフローチャートである。 プローブ信号のための周波数のスペクトルを利用した、本発明の第２の実施の形態に係わる容量結合型プラズマ反応炉でプラズマを測定するための方法の工程のフローチャートである。

Claims (25)

1. 上側電極と下側電極とを有し、前記上部電極および下部電極の少なくとも一方にプラズマ発生RF信号が結合されるときに、前記上部電極と下部電極との間にプラズマを形成することの可能な容量結合型プラズマ反応炉システムでのインピーダンスを測定するための装置であって、
   ａ）前記上側電極と電気的に接続され、前記プラズマ発生RF信号より高い周波数を有する電気的プローブ信号を発生させることが可能な高周波ＲＦ電源と、
   ｂ）前記上側電極と高周波ＲＦ電源との間に配設され、電気的プローブ信号の少なくとも１００ＭＨｚの周波数の高周波成分を前記上側電極へと通し、前記プラズマ発生RF信号から前記高周波RF電源を分離するための第１のハイパスフイルターと、
   ｃ）前記高周波ＲＦ電源とハイパスフイルターとの間に配設され、前記プローブ信号の電流と電圧とを測定する電流―電圧プローブとを具備する装置。
2. 前記電流―電圧プローブに電気的に接続された増幅器を更に具備する請求項１の装置。
3. 前記増幅器に電気的に接続されたデータ収集ユニットを更に具備する請求項２の装置。
4. 前記下側電極に電気的に接続されると共に接地された第２のハイパスフイルターを更に具備する請求項１の装置。
5. 前記増幅器は、ロックイン増幅器である請求項２の装置。
6. 前記データ収集ユニットは、アナログーデジタルコンバータである請求項３の装置。
7. 前記高周波ＲＦ電源と電流―電圧プローブとは、同軸ラインにより接続されており、また、前記電流―電圧プローブは、前記同軸ラインに形成されている請求項１の装置。
8. 前記高周波ＲＦ電源は、複数の異なる周波数を有する電気信号を発生することが可能である請求項１の装置。
9. 前記プラズマ発生RF信号を生成するように構成された、前記高周波ＲＦ電源とは別の上側電極用のＲＦ電源と、
   接地された周波数特定路とを更に具備し、この接地された周波数特定路は、電気的プローブ信号の高周波成分に対して設置された低インピーダンス路として機能するが、上側電極用のＲＦ電源により与えられる電力に対して高インピーダンス路として機能する、請求項１の装置。
10. 前記データ収集ユニットに電気的に接続されたコンピュータを更に具備する請求項１の装置。
11. 前記コンピュータは、また、容量結合型プラズマ反応炉システムにも電気的に接続されている請求項１０の装置。
12. 上側電極と下側電極とを有する容量結合型プラズマ反応炉システムでのインピーダンスを測定するための方法であって、
    ａ）上側電極と下側電極との間にプラズマを形成しないで、上側電極に、前記プラズマ反応炉システムに印加されるプラズマ発生ＲＦ信号より高い周波数を有するプラズマ高周波プローブ信号を、少なくとも１００ＭＨｚの周波数の高周波成分を前記上側電極へと通し、前記プラズマ発生ＲＦ信号から前記プラズマ高周波プローブ信号を分離するための第１のハイパスフイルターを通じて、上側電極に接続された電気ラインを介して伝送する工程と、
    ｂ）前記電気ラインで、プローブ信号の第１の電流と第１の電圧とを測定する工程と、
    ｃ）前記第１の電流と第１の電圧とから、プラズマが存在していないときのインピーダンスＺ_npを算出する工程と、
    ｄ）前記プラズマ発生信号を使用して、前記上側電極と下側電極との間にプラズマを形成する工程と、
    ｅ）プラズマの存在のもとでシステムインピーダンスＺ_sysを算出する工程とを具備する方法。
13. 前記算出する工程（ｅ）は、前記電気ラインを通る上側電極へのプローブ信号の第２の電流と第２の電圧とを測定することを含む請求項１２の方法。
14. シースインピーダンスＺ _{ｓｈｅａｔｈ} の決定のために、前記電気ラインを通る上側電極へのプラズマ発生信号の基本ＲＦ周波数での電圧である第３の電圧を測定することを更に具備する請求項１３の方法。
15. シース厚さｄ_sとシースインピーダンスＺ_sheathとを決定することを更に具備する請求項１４の方法。
16. プラズマ電子密度Ｎ_eと電子―中性粒子衝突周波数γとを算出することを更に具備する請求項１５の方法。
17. 前記工程（ｂ）は、上側電極から伝送される低周波数電気信号をブロックする工程を有する請求項１２の方法。
18. 前記工程（ｂ）は、前記電気ラインに直接に形成された電流―電圧プローブを使用してなされる請求項１２の方法。
19. ハイパスフイルターを前記下側電極に電気的に接続すると共に接地することを更に具備する請求項１２の方法。
20. 前記工程（ｂ）は、前記プローブ信号を変調し、ロックイン増幅器により前記変調されたプローブ信号に同調された前記プローブ信号を検出することを更に含む請求項１９の方法。
21. 前記工程（ｂ）は、前記第１の電流と第１の電圧とをデータ収集ユニットに伝送して、これに第１の電流と第１の電圧とをストアさせる工程を更に含む請求項１２の方法。
22. 前記工程（ｂ）は、プラズマを発生させるのに使用される基本ＲＦ周波数の高調波間となるようにプローブ周波数を選定する工程を含む請求項１２の方法。
23. 前記プラズマ電子密度Ｎ_eと電子―中性粒子衝突周波数γとを算出する工程の結果に基づいて、前記プラズマの特性を変えるための前記プラズマ処理システムの少なくとも１つの制御パラメータを調節することを更に具備する請求項１６の方法。
24. プローブ信号の周波数の範囲にわたって第１の電流と第１の電圧とを測定することと、
    プローブ信号の周波数の範囲内のプラズマインピーダンスＺ_pのための最小値を選定することとを更に具備する請求項１２の方法。
25. 前記選定する工程に基づいて、前記プラズマの特性を変えるための前記プラズマ処理システムの少なくとも１つの制御パラメータを調節することを更に具備する請求項２４の方法。

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