JP4417905B2 - Calculation method of actual resistance of impedance matching unit - Google Patents

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Description

本発明は、高周波電源から高周波電力をプラズマ処理室に供給し、各種プラズマ加工を行う場合等に用いられるインピーダンス整合器の実抵抗の算出方法に関するものである。   The present invention relates to a method for calculating an actual resistance of an impedance matching unit used when high-frequency power is supplied from a high-frequency power source to a plasma processing chamber and various plasma processing is performed.

近年、プラズマ処理は、ドライエッチングによる微細加工、薄膜形成など物質の表面処理に広く利用されている。特に、半導体の製造に必要不可欠なものとなっている。
プラズマ処理装置において、高周波電源から供給された高周波エネルギーをプラズマ処理の行われる処理室内の負荷抵抗に効率よく伝達させるために、インピーダンス整合器が使用され、高周波電源の等価出力インピーダンス(50Ω)を処理室のインピーダンスに整合させている。
In recent years, plasma treatment has been widely used for surface treatment of substances such as fine processing by dry etching and thin film formation. In particular, it is indispensable for the manufacture of semiconductors.
In a plasma processing apparatus, an impedance matching unit is used to efficiently transmit high-frequency energy supplied from a high-frequency power source to a load resistance in a processing chamber where plasma processing is performed, and process the equivalent output impedance (50Ω) of the high-frequency power source. It is matched to the room impedance.

このインピーダンス整合を良好にして、安定した電力供給を行うためには、処理室の負荷の変動に応じてインピーダンスを整合させなければならない。このため、一般には、インピーダンス整合器中のコンデンサや、コイルなどを可変制御している。
これらコンデンサやコイルを可変制御するために、例えば、特開2001−16779号公報に示されるように、インピーダンス整合器とプラズマ負荷との間にインピーダンス測定手段を設け、測定されたプラズマ負荷のインピーダンスの値と可変コンデンサの現在の容量値に基づいて、制御手段によって変化させるべき可変コンデンサの容量を精度良く計算し、その計算結果に基づいて可変コンデンサの容量を制御するようにしている。
In order to improve the impedance matching and provide a stable power supply, it is necessary to match the impedance in accordance with the load variation of the processing chamber. For this reason, generally, a capacitor, a coil and the like in the impedance matching device are variably controlled.
In order to variably control these capacitors and coils, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-16779, impedance measuring means is provided between the impedance matching device and the plasma load, and the impedance of the measured plasma load is measured. Based on the value and the current capacity value of the variable capacitor, the capacity of the variable capacitor to be changed by the control means is accurately calculated, and the capacity of the variable capacitor is controlled based on the calculation result.

上記公報に示されるものの他、特開平11−121440号公報に示されるように、インピーダンス整合器とプラズマ負荷との間にモニターを設け、このモニターで検出した電気的物理量と予め設定した値とを比較し、プラズマの発生状況を評価するものも存在する。
また、特開2003−282542号公報に示されるように、インピーダンス整合器とプラズマ負荷との間に高周波電流検出器を設け、プラズマ発生前の洩れ電流を測定し、これを基準値と比較することにより制御するものも知られている。
特開2001−16779号公報 特開平11−121440号公報 特開2003−282542号公報
In addition to what is shown in the above publication, as disclosed in JP-A-11-112440, a monitor is provided between the impedance matching device and the plasma load, and the electrical physical quantity detected by this monitor and a preset value are set. Some of them compare and evaluate the plasma generation status.
Also, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-282542, a high-frequency current detector is provided between the impedance matching device and the plasma load, the leakage current before plasma generation is measured, and this is compared with a reference value. The one controlled by is also known.
JP 2001-16779 A JP-A-11-112440 JP 2003-282542 A

しかしながら、上記従来のプラズマ処理装置の制御装置にはインピーダンス整合器とプラズマ処理室との間にインピーダンス測定器やモニターや高周波電流測定器を必要としている。これらの測定器やモニタは実際の装置としては、高周波のアナログ信号をデジタル信号に変換する変換器を必要とし、高価なものである。
また、インピーダンス整合器とプラズマ処理室との間に前記測定器やモニタを設けると、インピーダンス整合器とプラズマ処理室との整合状態が変化し種々の条件が変化するため、プラズマ処理室の条件設定がしにくくなる。
However, the control device for the conventional plasma processing apparatus requires an impedance measuring device, a monitor, and a high-frequency current measuring device between the impedance matching device and the plasma processing chamber. These measuring instruments and monitors require a converter that converts a high-frequency analog signal into a digital signal as an actual device, and are expensive.
In addition, if the measuring device or monitor is provided between the impedance matching unit and the plasma processing chamber, the matching state between the impedance matching unit and the plasma processing chamber changes and various conditions change. It becomes difficult to rub.

本発明は、インピーダンス測定器やモニターや高周波電流測定器を必要としせず、しかも、プラズマ処理室の条件設定を良好に行わせることができるプラズマ処理装置とその評価方法及びその制御方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a plasma processing apparatus, an evaluation method thereof, and a control method thereof that do not require an impedance measuring instrument, a monitor, or a high-frequency current measuring instrument, and that can satisfactorily set the conditions of the plasma processing chamber. For the purpose.

本発明のインピーダンス整合器の実抵抗算出方法は、インピーダンス整合器の可変コンデンサの値を変化させて測定した多数のSパラメータを用いて、インピーダンス整合器の電力伝達効率ηを換算し、インピーダンス整合器に接続される負荷の実抵抗をRLとしたとき、前記インピーダンス整合器の実抵抗RmをRm=(RL/η)−RLより求めることを特徴とする。 また、前記Sパラメータを高周波ネットワークアナライザで測定することを特徴とする。   The method of calculating the actual resistance of the impedance matching device according to the present invention converts the power transfer efficiency η of the impedance matching device using a large number of S parameters measured by changing the value of the variable capacitor of the impedance matching device, and the impedance matching device. When the actual resistance of the load connected to RL is RL, the actual resistance Rm of the impedance matching device is obtained from Rm = (RL / η) −RL. Further, the S parameter is measured by a high frequency network analyzer.

また、前記Sパラメータとして順方向伝送パラメータS21を用いることを特徴とする。
さらに前記インピーダンス整合器は、インピーダンス整合器と前記負荷との整合状態がずれると、そのずれを検出して内蔵する可変コンデンサの値を調整して、インピーダンス整合器と負荷とを整合状態にする自動インピーダンス整合器であることを特徴とする。
The forward transmission parameter S21 is used as the S parameter.
Furthermore, when the matching state between the impedance matching unit and the load shifts, the impedance matching unit automatically detects the shift and adjusts the value of the built-in variable capacitor to bring the impedance matching unit and the load into a matching state. It is an impedance matching device.

本発明のプラズマ処理装置によれば、従来のようにインピーダンス整合器とプラズマ処理室との間に高価なインピーダンス測定器やモニターや高周波電流測定器を設ける必要がない。また、インピーダンス整合器とプラズマ処理室との間に測定器やモニタを設けることによる種々の弊害が無く、プラズマ処理室の条件設定を良好に行わせることができる。インピーダンス整合器のSパラメータを測定するために、高周波ネットワークアナライザを必要とするが、これはインピーダンス整合器測定時に製造メーカに一台あればよく、プラズマ処理装置全体のコストアップにならない。   According to the plasma processing apparatus of the present invention, there is no need to provide an expensive impedance measuring device, monitor, or high-frequency current measuring device between the impedance matching device and the plasma processing chamber as in the prior art. In addition, there are no various harmful effects caused by providing a measuring instrument or a monitor between the impedance matching unit and the plasma processing chamber, and the conditions of the plasma processing chamber can be set satisfactorily. In order to measure the S parameter of the impedance matching device, a high-frequency network analyzer is required, but this requires only one manufacturer at the time of measuring the impedance matching device, and does not increase the cost of the entire plasma processing apparatus.

また、本発明のプラズマ処理装置の評価方法によれば、従来推定でしか知ることができなかった、プラズマ処理室に幾らの電力が供給されているかを数値で知ることができ、また、インピーダンス整合器の実抵抗Rmも数値で知ることができる。そして、計測された、Sパラメータから求められた電力伝達効率によって、プラズマ処理室における処理を良好に行わせることができる。   Further, according to the evaluation method of the plasma processing apparatus of the present invention, it is possible to know numerically how much power is supplied to the plasma processing chamber, which could only be known by estimation, and impedance matching. The actual resistance Rm of the vessel can also be known numerically. And the process in a plasma processing chamber can be favorably performed with the measured power transmission efficiency calculated | required from S parameter.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置のブロック図である。
図1に示すように、高周波電源1の高周波出力(13.56MHz)はインピーダンス整合器2を介してプラズマ処理室3に供給されている。高周波電源1とインピーダンス整合器2とは同軸ケーブルで接続されている。インピーダンス整合器2とプラズマ処理室3とは直接接続(500W以下では同軸ケーブル、500W以上では銅板などのバーを用いる)されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a plasma processing apparatus in one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the high frequency output (13.56 MHz) of the high frequency power source 1 is supplied to the plasma processing chamber 3 via the impedance matching unit 2. The high frequency power source 1 and the impedance matching unit 2 are connected by a coaxial cable. The impedance matching unit 2 and the plasma processing chamber 3 are directly connected (a coaxial cable is used at 500 W or less, and a bar such as a copper plate is used at 500 W or more).

インピーダンス整合器2は一般的なLC回路を基本とした自動インピーダンス整合器である。プラズマ処理室3も一般的に知られているもので、一定間隔を置いて放電電極を配置し、その間にウェハ等の被処理体を置き、プラズマ発生時点で高真空状態に保持できるようにして、被処理体の表面をプラズマ処理できるようにしたものである。
4はプラズマ処理制御部であり、真空度制御、ガス濃度制御、処理室温度制御、高周波電源制御、整合器制御などが行われるものであり、この装置も基本部分は市販されているものである。5は演算・記憶部であり、入出力制御部6、演算部7、VCI、VC2記憶部8、Sパラメータ記憶部9、効率η記憶部10、整合インピーダンスZP記憶部11及び整合インピーダンスZin記憶部12により構成されている。なお、上記プラズマ処理
部4が市販のものと異なるのは演算・記憶部5の入出力制御部6との間で信号のやり取りがあるところである。
The impedance matching unit 2 is an automatic impedance matching unit based on a general LC circuit. The plasma processing chamber 3 is also generally known. Discharge electrodes are arranged at regular intervals, and an object to be processed such as a wafer is placed between them, so that a high vacuum state can be maintained at the time of plasma generation. The surface of the object to be processed can be plasma-processed.
Reference numeral 4 denotes a plasma processing control unit which performs vacuum degree control, gas concentration control, processing chamber temperature control, high-frequency power source control, matching device control, and the like, and the basic part of this apparatus is also commercially available. . Reference numeral 5 denotes a calculation / storage unit, which includes an input / output control unit 6, a calculation unit 7, a VCI, VC2 storage unit 8, an S parameter storage unit 9, an efficiency η storage unit 10, a matching impedance ZP storage unit 11, and a matching impedance Zin storage unit. 12. The plasma processing unit 4 is different from a commercially available one in that signals are exchanged with the input / output control unit 6 of the calculation / storage unit 5.

さらに、モニタ・操作部13が設けられ、入出力制御部6に接続され、信号のやり取りが行われる。このモニタ・操作部はパソコンが用いられる。
図2は、システム全体の製造現場においてインピーダンス整合器2のデータを測定するためのシステムでありRFネットワークアナライザ14のポートIが実装同軸ケーブル(図1の1と2を接続する同軸ケーブルと同じ長さの同軸ケーブル)15を介してインピーダンス整合器2の入力端子に接続され、ポートIIが測定用同軸ケーブル16を介してインピーダンス整合器2の出力端子に接続されている。測定用同軸ケーブル16のインピーダンス整合器2側の先端が実質のポートIIとなる。測定用同軸ケーブル16をRFネットワークアナライザのポートIIに接続してから、ポートIIの誤差補正(校正:RFネットワークアナライザが持っている機能で一般的に知られている。)を行って、上記実質のポートIIが仮想的に出来る。RFネットワークアナライザ14のデータ出力端子は測定用信号ケーブル17を介して演算・記憶部5の入出力制御部6に接続され、信号のやり取りが行われる。
Furthermore, a monitor / operation unit 13 is provided and connected to the input / output control unit 6 to exchange signals. A personal computer is used for the monitor / operation unit.
FIG. 2 is a system for measuring the data of the impedance matching unit 2 at the manufacturing site of the entire system. The port I of the RF network analyzer 14 is the same length as the coaxial cable (the coaxial cable connecting 1 and 2 in FIG. 1). The coaxial cable) 15 is connected to the input terminal of the impedance matching device 2, and the port II is connected to the output terminal of the impedance matching device 2 through the measurement coaxial cable 16. The tip of the measurement coaxial cable 16 on the impedance matching unit 2 side is a substantial port II. After the measurement coaxial cable 16 is connected to the port II of the RF network analyzer, error correction (calibration: generally known as a function possessed by the RF network analyzer) of the port II is performed, and the above substance is thus obtained. Port II can be created virtually. The data output terminal of the RF network analyzer 14 is connected to the input / output control unit 6 of the calculation / storage unit 5 via the measurement signal cable 17 to exchange signals.

RFネットワークアナライザ14は市販されている一般的なものでよく、電子部品の入力信号と出力信号の振幅、位相関係から上記電子部品の回路網の反射特性、伝送特性を測定出来るもので、例えばフィルタやアッテネータの伝達特性等を測定するものである。なお、RFネットワークアナライザ14としては、ポート2側にマッチング回路機能付きのものを用いる。   The RF network analyzer 14 may be a commercially available one that can measure the reflection characteristic and transmission characteristic of the circuit network of the electronic component from the amplitude and phase relationship between the input signal and the output signal of the electronic component. And the transfer characteristics of the attenuator. As the RF network analyzer 14, one having a matching circuit function on the port 2 side is used.

図3は、図1に示すインピーダンス整合器2とプラズマ処理室3との共役整合時の等価回路図である。インピーダンス整合器2は可変コンデンサVC1、VC2、コイルL1と実抵抗(インピーダンス整合器2の全ての抵抗分をまとめたもの)Rmよりなり、入力端子T1、T2に高周波電源1が接続される。Zinは入力側(入力端子T1,T2)の整合インピーダンスである。ZRは出力側(出力端子T3,T4)の整合インピーダンスである。   FIG. 3 is an equivalent circuit diagram at the time of conjugate matching between the impedance matching device 2 and the plasma processing chamber 3 shown in FIG. The impedance matching unit 2 includes variable capacitors VC1 and VC2, a coil L1, and an actual resistance (a sum of all resistances of the impedance matching unit 2) Rm, and the high frequency power source 1 is connected to the input terminals T1 and T2. Zin is a matching impedance on the input side (input terminals T1, T2). ZR is the matching impedance on the output side (output terminals T3, T4).

ZP(R±jX)はプラズマ処理室3の整合インピーダンスであり、実抵抗をRLで表している。入力端子T1,T2から高周波電源1側を見たインピーダンスを例えば50Ω、インピーダンス整合器2側を見たインピーダンスも50Ωとすると、入力端子T1、T2で整合が取れている。一方、出力端子T3、T4からインピーダンス整合器2側を見たインピーダンスZRを1Ωとする。これは、上記50ΩをコンデンサVC1,VC2で1.3Ωに変換することにより、整合インピーダンスZR=RZ−Rm=1.3Ω―0.3Ω=1Ωとして求められる。尚、Rmを0.3オームと算出できる。詳細は後述する。   ZP (R ± jX) is the matching impedance of the plasma processing chamber 3, and the actual resistance is represented by RL. If the impedance viewed from the input terminals T1 and T2 on the high frequency power supply 1 side is, for example, 50Ω, and the impedance viewed from the impedance matching unit 2 side is also 50Ω, the input terminals T1 and T2 are matched. On the other hand, the impedance ZR when the impedance matching device 2 side is viewed from the output terminals T3 and T4 is 1Ω. This is obtained as matching impedance ZR = RZ−Rm = 1.3Ω−0.3Ω = 1Ω by converting the above 50Ω into 1.3Ω by the capacitors VC1 and VC2. Rm can be calculated as 0.3 ohm. Details will be described later.

プラズマ処理室3側を見たインピーダンス(抵抗分RL)を例えば1Ωとすると、イン
ピーダンス整合器2とプラズマ処理室との整合が取れた状態となる。なお、整合が取れている状態ではZR,Zpの虚数部分は考慮しなくて良く、この状態を共役整合状態にあると云う。
上記の整合状態(50Ω−50Ω−1Ω−1Ω)がずれると、図3に示す位相・振幅検
出器2Aで位相・振幅の変化が検出され、制御部2Bがモータ2C,2Dの回転を制御する。位相がずれると、モータ2Dが回転してコンデンサVC2が調整される。振幅がずれるとモータ2Cが回転してコンデンサVC1が調整され、整合状態になる。これが自動インピーダンス整合器と言われるもので、市販されている。
If the impedance (resistance component RL) viewed from the plasma processing chamber 3 side is 1Ω, for example, the impedance matching unit 2 and the plasma processing chamber are matched. It should be noted that the imaginary parts of ZR and Zp do not need to be considered in a state where matching is achieved, and this state is said to be in a conjugate matching state.
When the matching state (50Ω-50Ω-1Ω-1Ω) is deviated, the phase / amplitude detector 2A shown in FIG. 3 detects a change in phase / amplitude, and the control unit 2B controls the rotation of the motors 2C, 2D. . When the phase shifts, the motor 2D rotates and the capacitor VC2 is adjusted. When the amplitude deviates, the motor 2C rotates and the capacitor VC1 is adjusted to be in a matching state. This is called an automatic impedance matching device and is commercially available.

図4はインピーダンス整合器2のSパラメータをRFネットワークアナライザ14で測定する場合の接続図である。
次に、インピーダンス整合器2のSパラメータの測定について説明する。製造現場で製造されるインピーダンス整合器2のデータをRFネットワークアナライザ14で測定し、そのデータを演算・記憶部5の記憶部8,9,に記憶させ、記憶部8,9のデータを用いて演算器7で演算し、電力伝達効率η,整合インピーダンスZP、Zinを記憶部10,11,12に記憶する。
FIG. 4 is a connection diagram when the S parameter of the impedance matching device 2 is measured by the RF network analyzer 14.
Next, the measurement of the S parameter of the impedance matching device 2 will be described. The data of the impedance matching unit 2 manufactured at the manufacturing site is measured by the RF network analyzer 14, the data is stored in the storage units 8 and 9 of the calculation / storage unit 5, and the data of the storage units 8 and 9 is used. Calculation is performed by the calculator 7, and the power transfer efficiency η and the matching impedance ZP, Zin are stored in the storage units 10, 11, 12.

インピーダンス整合器2とこのインピーダンス整合器2のデータを格納した演算・記憶部5とが必要に応じて他のもの(高周波電源1、プラズマ処理室3、プラズマ処理制御部4、モニタ・操作部等)と共に販売される。
図5において、SパラメータS11は順方向反射係数であり、インピーダンス整合器2の入力端子T1,T2から信号を入れた場合の反射係数である。S21は順方向伝送係数であり、インピーダンス整合器2の入力端子T1,T2から信号を入れた場合の伝送係数である。S21は逆方向反射係数であり、インピーダンス整合器2の出力端子T3,T4から信号を入れた場合の反射係数である。S12は逆方向伝送係数であり、インピーダンス整合器2の出力端子T3,T4から信号を入れた場合の伝送係数である。
The impedance matching unit 2 and the calculation / storage unit 5 storing the data of the impedance matching unit 2 may be replaced with other ones as necessary (high-frequency power source 1, plasma processing chamber 3, plasma processing control unit 4, monitor / operation unit, etc. ) And sold.
In FIG. 5, an S parameter S11 is a forward reflection coefficient, which is a reflection coefficient when signals are input from the input terminals T1 and T2 of the impedance matching device 2. S21 is a forward transmission coefficient, which is a transmission coefficient when a signal is input from the input terminals T1 and T2 of the impedance matching device 2. S21 is a reverse reflection coefficient, which is a reflection coefficient when a signal is input from the output terminals T3 and T4 of the impedance matching device 2. S12 is a reverse transmission coefficient, which is a transmission coefficient when a signal is input from the output terminals T3 and T4 of the impedance matching device 2.

図2、図3に示すように、RFネットワークアナライザ14のポートIから高周波電源1の出力と同じ周波数(13.56MHz)の信号をインピーダンス整合器2の入力端子T1,T2に加える。
Sパラメータの測定は、例えば、図6に示すように、インピーダンス整合器2の可変コンデンサVC1,VC2のポジションを夫々1000設定し、合計100万のポジションに付き測定する。図6では、コンデンサVC1、VC2のポジションを10置きに設定したものを示している。100万個全部測定しても良いし、10飛びに測定して、後で計算により間の数字を補完しても良い。
As shown in FIGS. 2 and 3, a signal having the same frequency (13.56 MHz) as the output of the high frequency power supply 1 is applied from the port I of the RF network analyzer 14 to the input terminals T <b> 1 and T <b> 2 of the impedance matching device 2.
For example, as shown in FIG. 6, the S parameter is measured by setting the positions of the variable capacitors VC1 and VC2 of the impedance matching unit 2 to 1,000, and totaling 1 million positions. In FIG. 6, the capacitors VC1 and VC2 are set at every ten positions. One million pieces may be measured, or 10 jumps may be measured, and the numbers in between may be supplemented later by calculation.

VC1、VC2のポジションに連動した測定の全てのパラメータ(S11,S21、S12、S22)を記憶して、RFネットワークアナライザ14のマッチング回路機能の回路最適化(マッチング)により、回路最適化し、その整合インピーダンスZPや電力伝達効率ηの電気的物理量を記憶する。
まず、SパラメータS11がコンデンサVC1,VC2のどのポジションにおいてもS11≒0(例えば10000分の1)になっており、この値を確認する。インピーダンス整合器2の出力側では実際にはRFネットワークアナライザ14と整合状態にないが、RFネットワークアナライザ14のポートII側にマッチング回路を等価的に接続した特性に変換して測定(マッチング回路機能付き)しているので、インピーダンス整合器2の出力側インピーダンスが1Ω−1Ω、入力側は50Ω−50Ωと認識できるので、S11:
無反射波になるはずである。まず、これを確認するために、コンデンサVC1,VC2の各ポジ
ション全てについてS11を測定し、これをSパラメータ記憶部9に記憶する。
All parameters (S11, S21, S12, S22) of measurement linked to the positions of VC1 and VC2 are stored, circuit optimization is performed by circuit optimization (matching) of the matching circuit function of the RF network analyzer 14, and the matching is performed. The electrical physical quantity of impedance ZP and electric power transmission efficiency (eta) is memorize | stored.
First, the S parameter S11 is S11≈0 (for example, 1/10000) at any position of the capacitors VC1 and VC2, and this value is confirmed. Although not actually matched with the RF network analyzer 14 on the output side of the impedance matching device 2, it is measured by converting to a characteristic in which a matching circuit is equivalently connected to the port II side of the RF network analyzer 14 (with a matching circuit function) Therefore, the output side impedance of the impedance matching device 2 can be recognized as 1Ω-1Ω, and the input side can be recognized as 50Ω-50Ω.
It should be a non-reflecting wave. First, in order to confirm this, S11 is measured for all the positions of the capacitors VC1 and VC2, and this is stored in the S parameter storage unit 9.

また、このときマッチング回路インピーダンスは整合インピーダンスZPと等しいから、整合インピーダンスZP記憶部11に記憶する。
次に、上記各ポジション毎にSパラメータS21を測定し、これをSパラメータ記憶部9
に記憶する。各ポジション毎にインピーダンス整合器2の実抵抗Rmが変化するので、伝送係数S21は異なる値をとる。これらの値はデシベルで与えられる。例えば、高周波電源
1から1000Wの電力をインピーダンス整合器2に供給したとすると、S21が3デシベルであれば伝送率は50パーセントでプラズマ処理室3には500Wの電力が供給されて
いることになる。S21が6デシベルであれば伝送率は25パーセントになり、プラズマ処理室3に250Wしか電力が供給されないことになる。
At this time, since the matching circuit impedance is equal to the matching impedance ZP, the matching impedance is stored in the matching impedance ZP storage unit 11.
Next, the S parameter S21 is measured for each of the above positions, and the S parameter storage unit 9
To remember. Since the actual resistance Rm of the impedance matching device 2 changes for each position, the transmission coefficient S21 takes different values. These values are given in decibels. For example, assuming that 1000 W of power is supplied from the high frequency power supply 1 to the impedance matching unit 2, if S21 is 3 dB, the transmission rate is 50% and 500 W of power is supplied to the plasma processing chamber 3. . If S21 is 6 dB, the transmission rate is 25%, and only 250 W is supplied to the plasma processing chamber 3.

次に、RFネットワークアナライザ14のポートIIから信号を出してSパラメータS22を上記各ポジション毎に測定する。SパラメータS22がコンデンサVC1,VC2のどのポジションにおいてもS22=0即ち反射が無いことを確認する。S11の場合と同じ考え方である。コンデンサVC1,VC2の各ポジション全てについてS22を測定し、これをSパラメータ記憶部9に記憶する。   Next, a signal is output from the port II of the RF network analyzer 14, and the S parameter S22 is measured for each position. It is confirmed that the S parameter S22 is S22 = 0, that is, there is no reflection at any position of the capacitors VC1 and VC2. This is the same idea as in the case of S11. S22 is measured for all the positions of the capacitors VC1 and VC2, and stored in the S parameter storage unit 9.

最後に、上記各ポジション毎にSパラメータS12を測定し、これをSパラメータ記憶部
9に記憶する。各ポジション毎にインピーダンス整合器2の実抵抗Rmと負荷RLが変化するので、逆方向伝送係数S12は異なる値をとる。
次に、演算部7によって、S21を所定の変換式(デシベルを電力比率に変換する式)を用いて電力伝達効率ηに変換し、これを効率η記憶部10に記憶させる。上記所定の変換式は演算部7に内蔵されており、SパラメータS21を効率に変換するためのもので一般に知られているものである。
Finally, the S parameter S12 is measured for each position and stored in the S parameter storage unit 9. Since the actual resistance Rm and the load RL of the impedance matching device 2 change for each position, the reverse transmission coefficient S12 takes different values.
Next, the calculation unit 7 converts S21 into a power transfer efficiency η using a predetermined conversion formula (an expression for converting decibels into a power ratio), and stores this in the efficiency η storage unit 10. The predetermined conversion formula is built in the calculation unit 7 and is generally known for converting the S parameter S21 into efficiency.

また、ηはη=RL/(Rm+RL)で表されるから、この式より、RmはRm=(RL/η)−RLで求められる。このようにして、今まで知ることができなかったインピーダンス整合器2の実抵抗Rmを知ることができる。
次に、プラズマ処理室3でウエハの処理を行う場合について説明する。
使用者は図1に示すようにシステムを組む。新しいプラズマ処理室3を用いる場合、多くのサンプルを処理して、良好で且つ、同じ状態の処理ができるかを確認してプラズマ処理室3の条件設定を行う。
Since η is expressed by η = RL / (Rm + RL), Rm can be obtained from this equation as Rm = (RL / η) −RL. In this way, it is possible to know the actual resistance Rm of the impedance matching device 2 that could not be known so far.
Next, a case where a wafer is processed in the plasma processing chamber 3 will be described.
A user forms a system as shown in FIG. When the new plasma processing chamber 3 is used, a large number of samples are processed to check whether the processing is good and the same state can be performed, and the conditions of the plasma processing chamber 3 are set.

まず、プラズマ処理室3の真空度、ガス量、温度等を所定の値に設定し、ウエハを入れて準備をする。高周波電源1のスイッチを投入したとき、システムは整合状態にないので、充分プラズマ処理室3に電力が入らないが、プラズマ処理室3は少ない電力で弱く点火する。自動インピーダンス整合器2が動作し、1〜2秒でインピーダンス整合器2は整合状態に入る。プラズマ処理室3には充分な電力が供給され安定状態に入る。   First, the degree of vacuum, gas amount, temperature, and the like of the plasma processing chamber 3 are set to predetermined values, and a wafer is put in and prepared. When the high-frequency power source 1 is turned on, the system is not in an aligned state, so that the plasma processing chamber 3 is not sufficiently powered, but the plasma processing chamber 3 is weakly ignited with a small amount of power. The automatic impedance matching unit 2 operates, and the impedance matching unit 2 enters the matching state in 1 to 2 seconds. The plasma processing chamber 3 is supplied with sufficient power and enters a stable state.

高周波電源1から供給される電力と処理時間だけの条件に限って言うと、例えば、A処理は高周波電源1の電力1000W(プラズマ処理室3に入る電力は700W程度と推定)で3分、B処理は高周波電源1の電力1000W(プラズマ処理室3に入る電力は700W程度と推定)で1分と言ったものである。この電力700W程度は推定した値であり、実際に測定してみないと幾らの電力がプラズマ処理室3に供給されているか分からない。条件設定の時は例えば高周波電源1から1000Wの電力を出し、インピーダンス整合器2の可変コンデンサVC1,VC2のポジションを設定して所期の電力をプラズマ処理3に供給している。η=700/1000=0.70、Rm=(RL/η)―RLよりRm=
(1.0/0.7)−1.0=0.42857Ωになる。
Speaking only of the conditions of the power supplied from the high frequency power source 1 and the processing time, for example, the A processing is 3 minutes at the power 1000 W of the high frequency power source 1 (the power entering the plasma processing chamber 3 is estimated to be about 700 W), B The processing is one minute at a power of 1000 W of the high-frequency power source 1 (the power entering the plasma processing chamber 3 is estimated to be about 700 W). The electric power of about 700 W is an estimated value, and it is not known how much electric power is supplied to the plasma processing chamber 3 unless actually measured. When setting the conditions, for example, 1000 W of electric power is output from the high frequency power source 1, the positions of the variable capacitors VC 1 and VC 2 of the impedance matching unit 2 are set, and the desired power is supplied to the plasma processing 3. η = 700/1000 = 0.70, Rm = (RL / η) −From RL, Rm =
(1.0 / 0.7) −1.0 = 0.428857Ω.

プラズマ処理室3でウエハの処理を行っている状態では、例えばウエハが削られることによってプラズマ処理室3の状態が変化する。すると、プラズマ処理室3の整合インピーダンスは元々RL=1Ωであったものが例えばRL=1.1Ωに変化する。すると、整合状態が崩れるので、自動インピーダンス整合器2が動作して、インピーダンス整合器2の出力端子T3,T4からインピーダンス整合器2側を見たインピーダンスを1.1Ωにし、整合をとる。   In the state where the wafer is being processed in the plasma processing chamber 3, for example, the state of the plasma processing chamber 3 is changed by cutting the wafer. Then, the matching impedance of the plasma processing chamber 3 originally changed from RL = 1Ω to RL = 1.1Ω, for example. Then, since the matching state is lost, the automatic impedance matching unit 2 operates, and the impedance viewed from the impedance matching unit 2 side from the output terminals T3 and T4 of the impedance matching unit 2 is set to 1.1Ω to achieve matching.

このとき、Rmは0.42857Ωで、RLは1.1Ωだから効率ηが、η´=1.1/(0.42857+1.1)=0.71963(プラズマ処理室3の入力電力=719.63W)となる。
この一連の動作において、コンデンサVC1、VC2の値を変化させた結果η=RL/(Rm+RL)つまり、インピーダンス整合器2の電力伝達効率ηが変化している。従って、プラズマ処理室3に供給される電力は変化してしまって、この状態でウエハを正常に処理できているか疑問である。
At this time, since Rm is 0.42857Ω and RL is 1.1Ω, the efficiency η is η ′ = 1.1 / (0.42857 + 1.1) = 0.71963 (the input power of the plasma processing chamber 3 = 719.63 W). )
In this series of operations, as a result of changing the values of the capacitors VC1 and VC2, η = RL / (Rm + RL), that is, the power transfer efficiency η of the impedance matching device 2 is changed. Therefore, the electric power supplied to the plasma processing chamber 3 has changed, and it is questionable whether the wafer can be processed normally in this state.

そこで、インピーダンス整合器2のコンデンサVC1,VC2の値をプラズマ制御部4を経由して演算・記憶部5の入出力制御部6に加え、VC1、VC2記憶部7を参照して、例えば、図6のポジションXであるとすると、そのときの、Sパラメータ記憶部9の値を参照し、効率η記憶部10からVC1,VC2のポジションXの時の電力伝達効率ηxを取り出す。この電力伝達効率ηxをプラズマ処理制御部4に作用させ、プラズマ処理室3の条件を適正に制御する。   Therefore, the values of the capacitors VC1 and VC2 of the impedance matching unit 2 are added to the input / output control unit 6 of the calculation / storage unit 5 via the plasma control unit 4, and the VC1 and VC2 storage unit 7 are referred to. If the position X is 6, the value in the S parameter storage unit 9 at that time is referred to, and the power transmission efficiency ηx at the position X of VC1 and VC2 is extracted from the efficiency η storage unit 10. This power transmission efficiency ηx is applied to the plasma processing control unit 4 to appropriately control the conditions of the plasma processing chamber 3.

電力伝達効率ηxをどのように使用するかについては、例えば、プラズマ処理制御部4において、電力伝達率ηx=0.71963であると、高周波電源1の出力電力を0.70/0.71963×1000=972.72(W)にして、供給電力を実質的に元の電
力がプラズマ処理室3に供給されるようにすることが考えられる。
電力伝達効率ηxで何の条件を調整したらプラズマ処理室3の処理状態が最適なものになるかはプラズマ処理室3の使用者が経験的に把握しているので、プラズマ処理制御部4で高周波電源1の出力電力、プラズマ処理室3の真空度、ガス濃度、処理室温度等、を適宜選択して制御すれば良い。
Regarding how to use the power transfer efficiency ηx, for example, in the plasma processing control unit 4, when the power transfer rate ηx = 0.71963, the output power of the high frequency power supply 1 is 0.70 / 0.71963 × It is conceivable to set 1000 = 972.72 (W) so that the supplied power is substantially supplied to the plasma processing chamber 3.
Since the user of the plasma processing chamber 3 knows empirically what conditions should be adjusted with the power transfer efficiency ηx, the plasma processing chamber 3 can be operated at a high frequency. The output power of the power source 1, the degree of vacuum in the plasma processing chamber 3, the gas concentration, the processing chamber temperature, and the like may be appropriately selected and controlled.

なお、図2では演算・記憶部5の中にSパラメータ記憶部9、効率η記憶部10、整合インピーダンスZP記憶部11、整合インピーダンスZin記憶部12を設けたが、Sパラメータ記憶部9だけを設け、あとのデータは演算部7で演算して出力しても良い。また、演算部7でSパラメータから効率ηを演算して効率η記憶部10に記憶するようにしても良い。少なくとも、Sパラメータと電力伝達効率ηの少なくとも一方を記憶するようにすれば良い。   In FIG. 2, an S parameter storage unit 9, an efficiency η storage unit 10, a matching impedance ZP storage unit 11, and a matching impedance Zin storage unit 12 are provided in the calculation / storage unit 5, but only the S parameter storage unit 9 is provided. The subsequent data may be calculated by the calculation unit 7 and output. Further, the calculation unit 7 may calculate the efficiency η from the S parameter and store it in the efficiency η storage unit 10. At least one of the S parameter and the power transmission efficiency η may be stored.

本発明は、特に半導体製造時に使用されるプラズマ処理の評価、制御として有用である。   The present invention is particularly useful for evaluating and controlling plasma processing used during semiconductor manufacturing.

本発明の一実施例におけるプラズマ処理装置の評価方法及びその制御方法を説明するための装置の使用状態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the use condition of the apparatus for demonstrating the evaluation method of the plasma processing apparatus in one Example of this invention, and its control method. 同測定状態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the same measurement state. 同使用時の一部分の等価回路図である。It is the equivalent circuit diagram of a part at the time of the use. 同測定時の一部分の等価回路図である。It is the equivalent circuit schematic of a part at the time of the measurement. 同装置のインピーダンス整合器のSパラメータ説明のための図である。It is a figure for S parameter explanation of the impedance matching device of the device. 同装置のインピーダンス整合器説明のための図である。It is a figure for explanation of an impedance matching device of the same device.

符号の説明Explanation of symbols

1:高周波電源
2:インピーダンス整合器
3:プラズマ処理室
4:プラズマ処理制御部
5:演算・記憶部
6:入出力制御部
7:演算部
8:VC1,VC2記憶部
9:Sパラメータ記憶部
10:効率η記憶部
11:整合インピーダンスZP記憶部
12:整合インピーダンスZin記憶部
13:モニタ・操作部
14:RFネットワークアナライザ
1: high frequency power supply 2: impedance matching unit 3: plasma processing chamber 4: plasma processing control unit 5: calculation / storage unit 6: input / output control unit 7: calculation unit 8: VC1, VC2 storage unit 9: S parameter storage unit 10 : Efficiency η storage unit 11: Matching impedance ZP storage unit 12: Matching impedance Zin storage unit 13: Monitor / operation unit 14: RF network analyzer

Claims (4)

インピーダンス整合器の可変コンデンサの値を変化させて測定した多数のSパラメータを用いて、インピーダンス整合器の電力伝達効率ηを換算し、インピーダンス整合器に接続される負荷の実抵抗をRLとしたとき、前記インピーダンス整合器の実抵抗RmをRm=(RL/η)−RLより求めることを特徴とするプラズマ処理装置におけるインピーダンス整合器の実抵抗算出方法。 When the power transfer efficiency η of the impedance matching device is converted using many S parameters measured by changing the value of the variable capacitor of the impedance matching device, and the actual resistance of the load connected to the impedance matching device is RL A method for calculating an actual resistance of an impedance matching device in a plasma processing apparatus , wherein an actual resistance Rm of the impedance matching device is obtained from Rm = (RL / η) −RL. 前記Sパラメータを高周波ネットワークアナライザで測定することを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置におけるインピーダンス整合器の実抵抗算出方法。 2. The method of calculating an actual resistance of an impedance matching unit in a plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the S parameter is measured with a high frequency network analyzer. 前記Sパラメータとして順方向伝送パラメータS21を用いることを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置におけるインピーダンス整合器の実抵抗算出方法。 2. The method of calculating an actual resistance of an impedance matching unit in a plasma processing apparatus according to claim 1, wherein a forward transmission parameter S21 is used as the S parameter. 前記インピーダンス整合器は、インピーダンス整合器と前記負荷との整合状態がずれると、そのずれを検出して内蔵する可変コンデンサの値を調整して、インピーダンス整合器と負荷とを整合状態にする自動インピーダンス整合器であることを特徴とする請求項1記載のプラズマ処理装置におけるインピーダンス整合器の実抵抗算出方法。 When the matching state between the impedance matching unit and the load is deviated, the impedance matching unit detects the deviation and adjusts the value of a built-in variable capacitor to automatically match the impedance matching unit and the load. 2. The method of calculating an actual resistance of an impedance matching unit in a plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the matching unit is a matching unit.
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