JP4455794B2

JP4455794B2 - プラズマ発生器を制御するためのシステム

Info

Publication number: JP4455794B2
Application number: JP2001511588A
Authority: JP
Inventors: バーディアン、ジョセフ・ティー; ジョンソン、ウェイン・エル; サーキス、マーレー・ディー
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2020-07-20
Also published as: CN1361889A; TW480414B; EP1212692A4; EP1212692A1; KR20020029426A; EP1212692B1; CN1150607C; KR100792303B1; WO2001006402A1; JP2003505828A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体処理装置内で用いられるようなプラズマ処理装置内における電子密度を測定する方法及び装置を提供するものである。
【０００２】
本出願は、「プラズマ誘導の、マイクロ波発振器の周波数の変動を用いた電子密度測定および制御システム」（代理人番号２３１２−０７１１−２ＹＡＰＲＯＶ）および「プラズマを含む開放共振器の共振周波数の変動を用いた電子密度測定およびプラズマ処理制御システム」（代理人番号２３１２−０７１０−２ＹＡＰＲＯＶ）と題する係属中の出願に関連し、これらの出願は本願と共にファイルされている。これらの出願は、本願明細書に完全に参照として組み込まれている。
【０００３】
【従来の技術】
第２次世界大戦の後、いくつかの大学の研究グループは、一部がイオン化された気体を研究するために、大戦中に開発されていたマイクロ波技術を利用した。特に、マサチューセッツ工科大学のＳａｎｂｏｒｎＣ．Ｂｒｏｗｎ教授のグループは、一部がイオン化され、電気的に準中性のガス中の電子密度の測定のためのいわゆる「空洞技術」を開発し、それはプラズマと呼ばれるようになった。
【０００４】
この流れにおいて、マイクロ波空洞の共振反応の変化は、空洞内のプラズマの存在の結果として研究された。一般に、その最下位又は最下位に近い共振モードで作動する適切な円筒形空洞が用いられ、上記ガスは、同軸パイレックス（商標）又は石英管内に含まれていた。空洞を通る管の通路を可能にするために、各平面の端面に一つの開口が設けられていた。
【０００５】
一般に、マイクロ波空洞内にプラズマが存在した場合、特定の空洞モードの共振周波数と共振の鋭さ（Ｑ）、例えば、共振モードをかなり励起しなければならない場合に、マイクロ波信号の周波数が固定されなければならない精度の両方に影響を及ぼしている。摂動論の形式を用いると、これらのパラメータの変化を、プラズマ中の電子密度及び電子衝突周波数に関連づけることが可能である。該摂動理論は、次ぎの条件を満たす（ラジアン）周波数ωに対してのみ有効である。
【０００６】
【数１】

但し、ω_ｐはプラズマ（ラジアン）周波数であり、Ｎ_ｅは電子密度（エレクトロン／ｃｍ^３）である。従って、ここで関心のある大きさである、１０^１２ｃｍ^−３程度の電子密度を有するプラズマの分析の場合、数十ＧＨｚを超えるマイクロ波信号周波数（ω／２π）が必要となる。
【０００７】
数十ＧＨｚオーダーの信号周波数の必要性は、重要な問題をもたらす。その最下位又は最下位近くの共振モードで共振するように設計された空洞の物理的寸法は、信号の波長のオーダーである。すなわち、約３５ＧＨｚで共振するように設計された空洞は、センチメートルのオーダーの寸法を有する。このように小さな空洞を電子密度の測定に用いることは困難である。
【０００８】
原則として、最下位又は低いオーダーのモードの小さな物理的サイズに関連する問題を克服するために、より高いオーダーのモードで共振するように設計された空洞を用いることは可能である。しかし、このアプローチを採用した場合、特定の励起空洞モードの同一性を間違いなく識別することが非常に難しくなる。従って、摂動理論を、電子密度及び電子衝突周波数を決定するために適用することは事実上大変困難になる。
【０００９】
この問題を迂回する一つの方法は、「開放」共振器、例えば、（ほぼ）完全に囲む導電面によって電磁界が閉じ込められていない共振器を用いることである。開放共振器の実例としては、対向する平面あるいは曲面を有し、これらの間で円形の対称的な導電面に制限されない一対の大きく開口する円形対称エンドミラーがある。このタイプの開放共振器は、Ａ．Ｇ．Ｆｏｘ及びＴ．Ｌｉによる「メーザ干渉計における共振モード」（ＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ，４０巻，４５３〜４８８頁、１９６１年３月）に詳細に論じられている。彼らは、対称軸に対して意味のある角度で伝搬する平面波成分を含んでいると考えられるいずれのモードもかなり励起される、例えば、非常に低いＱを有するということを示した。
【００１０】
実際の開放共振器の場合、特定の周波数範囲内に共振周波数を有する実際に有効なモードの数は、同じサイズの閉共振器の場合に相当する数よりもかなり少ない。開放共振器のこの特性は、研究者に対して、３５ＧＨｚ以上の周波数に対する共振プラズマ分析技術を広げるための非常に多くの機会を提供した。
【００１１】
マイクロ波エネルギーは、導波管給電部から閉共振器への結合を制御する同じ原理を用いて、導波管給電部から開放共振器に結合することができる。共振器ミラーにおける結合開口の位置、空間的回転及びサイズは、所望の共振器モードに対する電磁場の構成に適切に関連づけられていなければならない。結合開口の入出力は、共に同じミラー上にあっても良く、あるいは入力開口は一方のミラー上に、出力開口は他方のミラー上にあっても良い。
【００１２】
公知の電気的調整可能なマイクロ波発振器は、共振空洞及びマイクロ波弁別器の助力で周波数安定化される。基本的なコンセプトは、多数の「Ｍ．Ｉ．Ｔ．ＲａｄｉａｔｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙＲｅｐｏｒｔｓ」及び１９４７年にＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌにより出版された「ＲａｄｉａｔｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙＳｅｒｉｅｓ」に詳細に記録されている。それらの発振器の一つの用途は、周波数が変化したときに、電子的調整可能発振器が、マイクロ波共振器の共振周波数をたどることである。該技術の詳細な論文は、「マイクロ波測定技術（ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＭｉｃｒｏｗａｖｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）１１巻」Ｍ．Ｉ．Ｔ．ＲａｄｉａｔｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙＳｅｒｉｅｓ、ＣａｒｏｌＨ．Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ編ＢｏｏｋＣｏｍｐａｎｙ，ニューヨーク（ＮｅｗＹｏｒｋ）、１９４７年、５８〜７８頁）（以後、「Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ」と呼ぶ）。Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙの全体の内容は本願明細書に参照として組み込まれる。安定化回路１０２のブロック図を図１に示す。図１は、Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙの６０頁の図２．２９と同じである。マイクロ波干渉計の用途が２つの公知の出版物、すなわち、（１）「ＡＭｉｃｒｏｗａｖｅＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｆｏｒＤｅｎｓｉｔｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｎＰｒｏｃｅｓｓＰｌａｓｍａ」（Ｐｅａｒｓｏｎら、ＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈＳｏｃｉｅｔｙＳｙｍｐｏｓｉｕｍＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１１７巻（Ｅｄｓ．Ｈａｙｓら）、１９８８年、３１１〜３１７頁）及び（２）「１−ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｆｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｌｉｎｅｉｎｔｅｇｒａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙｏｎＴＦＴＲ」（Ｅｆｔｈｉｍｉｏｎら、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．５６（５），１９８５年５月、９０８〜９１０頁）に記載されている。
【００１３】
発振器１００の周波数がマイクロ波空洞１０５の共振周波数と異なる場合、弁別器１１０により信号が生成される。弁別器１１０の出力は増幅器１１５によって増幅される。そして、発振器１００の周波数をマイクロ波空洞１０５の共振周波数に変えるのに要する極性を有する増幅された弁別器信号１２０は発振器１００に供給される。
【００１４】
安定化回路１０２を用いて、発振器１００の周波数がマイクロ波空洞１０５の共振周波数に固定された場合、マイクロ波空洞１０５を調整すると、発振器１００が共振周波数を、増幅器１１５の電子同調能力及び補助マイクロ波回路の周波数感度によって限定される範囲内に収めることになる。Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙの６９頁に、調節可能な発振器が開示されている。
【００１５】
図１に示すように、安定化装置１０２の主な部品は、マイクロ波弁別器１１０と増幅器１１５とである。弁別器１１０に対しては２つの構成がある。図２は、方向性結合器１５０と、（マジックＴｅｅとしても知られている）ブリッジ１６０とを含む弁別器１１０の第１の実施の形態を示す。
このブリッジ１６０は、長さｘの短絡導波管１６５によって反射された信号を、長さ（ｘ−λ_ｇ／８）のライン１７５によって供給されたマイクロ波空洞１０５から反射された信号と比較する。ここでλ_ｇは管内波長である。該マイクロ波信号は、方向性結合器１５０を介して辺１８０（Ｈ面辺）でブリッジ１６０に入る。方向性結合器１５０の辺は、マイクロ波発振器１００から弁別器への入力である。ブリッジ１６０のＴ接合器１８５において、該接合器から離れて進む、同じ振幅及び位相の波は短絡導波管１６５及び（全体的にＳ辺と呼ばれる）ライン１７５内で励起される。
【００１６】
第２の実施の形態においては、マイクロ波弁別器１１０は、方向性結合器１５０を第２のマジックＴと置き換えることによって実施することもできる。このことは、マジックＴは３ｄＢの方向性結合器と等しいので、驚くべきことではない。従って、分析は同じであり、本願ではこれ以上考究しない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、プラズマを含む開放共振器に固定されたマイクロ波発振器を用いたプラズマ電子密度の測定及び制御システムを提供することである。他の課題は、発振器が一つの共振モードでのそのロックを失ったときに他の共振モードに変更することによるプラズマ電子密度の強い制御を可能にすることである。
【００１８】
そこで本発明は、開放共振器内へのプラズマの導入により共振周波数が変化したときに、局部発振器の周波数を予め選択された開放マイクロ波共振器の共振周波数に固定する周波数安定化システムを用いた電子密度の測定及びプラズマ処理制御システムを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、プラズマ発生器を制御するためのシステムであって、プラズマチャンバー内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生器と、前記プラズマチャンバー内で発生したプラズマ中に浸され、共振周波数で安定化共振器として動作する開放共振器と、前記開放共振器に、可変周波数を有する発振出力を供給する安定化発振器と、前記開放共振器の共振周波数と前記安定化発振器の可変周波数との差を測定し、補正信号を前記安定化発振器に印加して前記可変周波数を、前記共振周波数に実質的に整合させるために変化させるマイクロ波周波数弁別器を含み、前記プラズマ発生器によって生成されたプラズマの特性の変化により共振周波数が変化する時に、前記開放共振器の共振周波数に対して、安定化発振可変周波数がロックされる制御回路と、を備えるシステムを提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
以下の図面において、図面中の同一の参照数字は同一または類似部分を示す。図３は、開放共振器が安定化共振器として作動する場合にプラズマを含む開放共振器に適用される、図２の弁別器の略図である。図３の構成要素のほとんどは図２を参照して上述しており、それらの説明は、ここでは繰り返さない。しかし、図２のマイクロ波空洞１０５をプラズマを含む開放共振器１７０と置き換えると、システム全体の動作は以下のようになる。
【００２１】
その共振周波数のうちの一つからかなり離れた周波数において、共振器１７０は、短絡回路が結合絞り、例えば、ライン１７５と共振器１７０との間のインターフェースとして作動する球面鏡内の円形穴の面にあるかのように、ほとんど正確に反射する。当業者なら理解できるように、該穴のサイズ及び形状は経験的に決定することができる。また、球面鏡上の結合絞りの位置は、共振器１７０で所望しない共振モードを励起しないようになっている。
【００２２】
従って、このような周波数において、短絡導波管１６５及びライン１７５内で接合器１８５に反射して戻る波は、接合器１８５においてπ／２ラジアンの位相はずれに達する。そのため、端子２００及び２０５に結合された整合検知器（図示せず）は、等しい出力電圧を示し、かつ両電圧の差は０になる。
【００２３】
しかし、共振器１７０の共振周波数において、共振器１７０のアドミタンスは、それが結合絞りの面に位置するピュアコンダクタンスであるかのように作用する。共振器１７０から反射した波は、同じ振幅の波が端子２００及び２０５においてマジックＴｅｅから出てくるように、短絡導波管１６５から反射された波と結合する。
【００２４】
整合検知器の出力は、再び等しくなる（しかし、共振からかなり離れた周波数における値とは異なる）。共振周波数からわずかに外れた周波数の場合、共振器１７０のアドミタンスは、０でないサセプタンスを有し、それは共振周波数以下の周波数に対して誘導性になり、また共振周波数以上の周波数に対して容量性になる。
【００２５】
共振の一方において、端子２０５に結合された検知器はより多くのパワーを受け、端子２００に結合された検知器はより少ないパワーを受けるので、出力電圧は等しくない。従って、それらの差は０ではない。共振の他方において、端子２０５に結合された検知器はより少ないパワーを受け、端子２００に結合された検知器はより多くのパワーを受ける。上記差は０ではないが、反対の代数符号を有する。数学的解析はＭｏｎｔｇｏｍｅｒｙの著書の６４ページに紹介されている。典型的な弁別器１１０からの出力電圧を図４に示す。
【００２６】
局部発振の安定化は、図４に示す弁別器特性の極値Ｖ_Ａ及びＶ_Ｂにほぼ相当するｆ_Ａとｆ_Ｂの間の周波数に対して可能である。ｆ_Ａとｆ_Ｂの間の弁別器１１０の出力の傾きは、−ｐで近似することができる。但し、ｐはボルト／ヘルツの単位を有する正の数である。発振器１００が単調周波数同調特性を有し、かつ同調入力に印加される電圧がプラスになるにつれて周波数が増大する場合、該同調特性は傾きＲの直線で近似することができる。但し、Ｒはボルト／ヘルツの単位を有する正の数である。また、図１に示す増幅器１１５の利得は以後Ｇで示す。
【００２７】
本システムが、（１）弁別器１１０に対する出力電圧が図４に示すように周波数ｆ_０の場合に０であり、（２）発振器１００が、ｆ_０で発振器１７０の共振周波数に固定され、（３）共振器１７０の共振周波数がプラズマの導入により増加するように調整された場合、弁別器特性への影響は、より高い周波数へ移すようになるため、零点を横切るポイントはｆ_０から周波数ｆ_０′＞ｆ_０に移る。従って、弁別器１１０の出力は、固定された発振器１００の周波数を増加させる正の電圧になる。システムが安定化した後、弁別器１１０の出力電圧は次のようになる。
【００２８】
【数２】

但し、ｆ′は、空洞共振周波数の変動から生じる発振器周波数である。この周波数ｆ′はｆ_０′以下でなければならず、さもなければ補正電圧がなく、かつ発振器周波数はｆ_０のままであるということに注意されたい。
【００２９】
増幅された電圧は、
【数３】

で示される。増幅された電圧は周波数の変化の原因であるため、Ｖ_ａｍｐも次のようになる。
【００３０】
【数４】

増幅器の利得がＲ／ｐＧ＜＜１である場合、次のようになる。
【００３１】
【数５】

これは、固定された（例えば、安定化された）発振器周波数の周波数の変動が実質的に共振器１７０の共振周波数の変動に等しいということを意味する。
図５は、開放共振器を周波数決定要素として用いた発振器安定化回路の略図である。開放共振器１７０に接続された該要素は、図３のマイクロ波弁別器と同様のマイクロ波弁別器として作用する。
【００３２】
この実施の形態においては、共振器は、マイクロ波信号の周波数が開放共振器の共振周波数のうちの一つに相当する場合（例えば、共振器Ｑによって決定される限界内において）を除いて、入力絞りと離れて分離された出力絞りを有する。結合開口が所望の共振モードのみを励起することを保証することは実質的に不可能であるが、ミラー３７５の曲率の直径及び半径及び該ミラー３７５間の距離は、モードの縮退の測定を導入して複数の共振周波数という特徴があるモードの励起に関連する複雑さを低減することができる。
【００３３】
本発明の一つの実施の形態においては、開放共振器への入出力マイクロ波接続は、同じ反射器に対して行なわれる。このことは、入力マイクロ波接続が一方の反射器上にあり、出力マイクロ波接続が他方の反射器上にある回路よりも、ここで描いた目的を達成するのに都合が良い。しかし、２つの構成の電気的性能において重要な差はない。従って、代替の実施の形態においては、接続は対向する反射器上で行なわれる。
【００３４】
図５に示す弁別器構成は、図３に示す弁別器よりも優れている。図３の弁別器においては、安定化共振器から反射されたマイクロ波信号は、共振器結合が臨界に近くなければ、共振時及び非共振時において共に大きい。事実上、このことは、トラッキングが通常、大きな信号の小さな変化と相対的に行われるということを意味する。図５の伝送共振器を用いて、伝送マイクロ波信号は実質的に非共振時に０であり、共振時に大きく、そのため比較は共振時の大きな信号と非共振時の小さな信号との間である。
【００３５】
図５の構成は、開放共振器１７０が出力絞りを介してマジックＴｅｅ１６０の底辺（Ｅ辺）に結合されているようになっている。入力はＨまたはＥ辺に印加することができる。どちらに接続するかによって、マジックＴｅｅ１６０の交番方向を適応させるために導波管長を調整する。検知器５００Ａ及び５００ＢはそれぞれマジックＴｅｅ１６０の左辺及び右辺上に接続されている。検知器５００Ａ及び５００Ｂはそれぞれ差動増幅器５１０の正負の入力に接続されている。
【００３６】
一つの実施の形態においては、差動増幅器５１０は直結増幅器である。別の実施の形態においては、差動増幅器５１０はＩＦ増幅器であり、Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙの「Ｉ−Ｆ安定化システム」と題された論文の第２〜１７節に記載されているように用いられる。その差動増幅器５１０の出力は、電圧制御発振器５２０（例えば３５ＧＨｚの電圧制御発振器）に印加される周波数制御電圧として作用する。電圧制御発振器５２０の出力は、信号を移相器５４０に結合する方向性結合器５３０に接続されている。結合信号の位相をシフトすると、移相器５４０は移相信号を、マジックＴ１６０のＨ辺に印加される、移相され、減衰された信号を生成する第１の減衰器５５０Ａに印加する。
【００３７】
マイクロ波ブリッジの動作は、図５に示すように、干渉性付加の、一つは基準信号でもう一つは開放共振器を通過した後のそこから伝送された信号である、２つのマイクロ波信号による。マイクロ波ブリッジのために正しく機能するためには、基準及び信号経路の電気的距離（例えば、対応する物理的距離に関連する位相変化）は、正確に相関していなければならす、理想的に言えばこの関係は実質的に周波数と無関係であるべきである。また、２つの経路の電気的距離は、ブリッジに用いられるマジックＴｅｅの基準面の物理的位置に関して決定すべきであるということを認識することが重要である。この点について十分な注意が払われない場合には、ブリッジの出力信号は周波数の関数としての所望の特性を有しないことになり、該ブリッジは要求通り機能しない。物理的寸法が正確に相関していれば回路は組立てることができ、電気的距離が正確に相関していれば該回路は正しく作用する。
【００３８】
また、わずかに不整合な鉱石検波器によって反射してマジックＴｅｅに戻ってきた擬似信号、または開放共振器の出力ポートから反射してきた擬似信号は潜在する問題であり、現在のブリッジ出力特性を所望の形からかなり違ったものにしてしまう。一つの実施の形態においては、マジックＴｅｅの入力辺に配置されたアイソレータは、この問題を緩和するために用いられる。
【００３９】
基準及び信号経路の物理的距離が短い場合、２つの経路に関連する位相差は本質的に、関心のある周波数に対する周波数の変化に影響されないという要求は難なく満たすことができる。一方、重要な要素のいくつかが物理的制約のためやむを得ず長い場合、問題はさらに難しくなる。
【００４０】
このような場合、２つの経路の電気的距離に関連する所望の位相差を最も長い可能な長さに維持するように物理的回路を設計することが重要である。例えば、回路内の２つの経路が四分の一の波長（位相差π／２ラジアンまたは９０°）だけ長さが異なる場合、たとえ一つの枝路を他よりも設計周波数における整数個の波長だけ短くすることが可能であっても、２つの経路を可能な限り四分の一の波長差のみの例外と同様に構成することが適切である。後者の選択の場合、設計周波数において実質的な電気的重要性はないが、２つの経路間の位相差の周波数依存性は電気的距離により等しい経路の場合よりも大きくなる。
【００４１】
マイクロ波ブリッジ回路の一つの実施の形態においては、移相器は基準及び信号経路間の所望の位相差を発生させるのに用いられる。システムはまた、開放共振器からマジックＴｅｅの方向へのみ伝送を可能にする信号経路内にアイソレータを含む。このことは、信号経路内のマジックＴｅｅで生ずる反射による好ましくない効果の可能性を排除する。第２のアイソレータを同じ理由で基準信号経路内に含ませることができる。２つの減衰器は、基準及び信号経路を介してマジックＴｅｅで起こりやすい、信号の振幅の等化を容易にするために基準経路内に含まれている。
【００４２】
図９に示すオシロスコープ波形は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波ブリッジから得られた信号である。弁別器出力はＶ_ｓｕｍ−Ｖ_ｄｉｆｆと名付けれらた一番下の曲線で示されている。該波形内の２つの大きな波形は、所望の開共振モードに対応する弁別器出力を示す。２つの大きな波形間のより小さな弁別器状出力は、いわゆる「軸外し」モードの好ましくない励振によるものと考えられている。代替の実施の形態においては、ミラーの直径は小さくなり、該ミラーに吸収開口が付加されており、および／または結合開口が、上記好ましくない励振を減じるために該ミラーのちょうど真中に配置されている。
【００４３】
しかし、全体の信号処理は、電圧制御発振器５２０の出力を移相器５４０だけでなく第２の減衰器５５０Ｂおよび周波数計５７０にも結合することによって制御される。減衰器５５０Ｂの減衰された出力は（プラズマを含む）開放共振器に印加され、その結果生ずる内部のフィールドを出力絞りを用いてサンプリングする。
【００４４】
図６は、本発明に係るプラズマ発生器制御システムの第１の実施の形態のブロック図である。この制御システムを実現するために、以下の追加的な制限を考慮する必要がある。
【００４５】
１．固定された発振器の周波数変動は常に共振器の共振周波数の変動以下であるが、増幅器利得が十分大きい場合、差は非常に小さくすることができる。しかし、不安定性の問題を防ぐために、該増幅器利得は大き過ぎないように選択する。
【００４６】
２．発振器は、所定の動作中、関心のあるプラズマ電子密度の全範囲にわたって、同じ共振モードに固定（例えば、安定化され）されていることが好ましい。適切な発振器１００（例えば固体発振器）に対する制御電圧は、本願記載の周波数範囲の場合±５％程度の範囲を有することが求められる。このことは、増幅器の出力が±２０Ｖ程度の線形ダイナミックレンジを有するべきであるということを意味する。
【００４７】
３．発振器１００は特定の処理中に異なる共振モードにシフトしないことが望ましいが、発振器１００が固定される特定のモードを知る必要はない。モード・シフトは、発振器１００の同調要素に印加される電圧の容易に識別できる変化を生じる。同調電極電圧は、発振器１００に印加される電圧変動を調べることによってモニタすることができる。
【００４８】
開放共振器の共振周波数間の関係のためモード数は知る必要はない。例えば、共焦点形共振器の場合、共振周波数は、
【数６】

で示される。但し、ｎは共振器内の媒質の屈折率であり、ｃは真空中の光速であり、ｄは（図６に示す）反射器１７５間の距離であり、ｑは軸モード数である。この式から以下のようになる。
【００４９】
【数７】

これは、ｎはモード数に関係ないので、軸モード数ｑと無関係である。しかし、ｑは、発振器が終始同じモードに固定されたままであるということを示す分子および分母内で同じ値を有しなければならない。
【００５０】
屈折率が反射器間の領域内で均一でない場合、ｆ（ｑ，ｎ）はｆ（ｑ，〈ｎ〉）で置き換えれる。但し、〈ｎ〉は動作周波数における２つの反射器間の経路に沿った平均屈折率である。従って、
【数８】

となる。屈折率とプラズマ密度Ｎとは次の近似式のような関係があるということが良く知られている。
【００５１】
【数９】

但し、ｅは電子の変化の大きさであり、ｍは電子の質量であり、ε_０は自由空間の誘電率であり、ｆは信号周波数であり、ｆ_ｐはプラズマ周波数である。
【００５２】
【数１０】

の場合、
【数１１】

となり、従って、
【数１２】

式
となる。上式から得られた値から、
【数１３】

の場合、次のようになる。
【００５３】
【数１４】

この式は、上述の簡単な周波数測定によって、反射器間の経路に沿ったプラズマ密度に対する近似値を表わす。単一の測定システムが該システムのための反射器間の経路に沿った平均プラズマ密度に対する値を提供するのに対して、同じ処理室内の複数、例えば、２つまたはそれ以上のシステムは、本質的に、同時に、プラズマ密度の空間的な変化に関する追加的な情報を提供する。代替の実施の形態は、完全に独立した２つの測定システムを使用するよりも、（１）処理室の外部の同じ測定システム、および（２）処理室の外部の測定システムに接続された、処理室内の複数のミラーのセットを使用する。
【００５４】
別の実施の形態は、処理室外部のコントローラを用いて処理室内に可動反射器を設ける。このような作動機構は、処理室内に固くない導波管を用いた場合可能である。
【００５５】
マイクロ波弁別器回路が発振器周波数の制御を失う可能性は、また別の複雑さを引き起こす。発振器周波数が固定されなくなると、ｆ（ｑ，〈ｎ〉）、制御が失われたときのその値からｆ（ｑ，１）に変化するものと考えられる。この状態が発生すると、開放共振器内の電磁場は、発振器周波数がｆ（ｑ−１，〈ｎ〉）に近づくまで減衰する。
【００５６】
この時点で、開放共振器内の電磁場は増加し、周波数制御回路は制御を回復し、発振器周波数をｆ（ｑ−１，〈ｎ〉）に安定化する。ｆ（ｑ−１，〈ｎ〉）で制御が回復しない場合、周波数の低下は、発振器周波数がｆ（ｑ−２，〈ｎ〉）に近づくまで続く。このプロセスは、発振器周波数が再びｆ（ｑ−ｗ，〈ｎ〉）に固定されるまで続くと考えられる。但し、ｗは、１〜３の範囲になると予測される整数である。
【００５７】
このシステムから得られた実験データを解釈するためには、上記整数ｗは既知でなければならない。ｗを決定するために、少量のパワーが開放共振器１７０から結合され、図６に示すように、検波器２２０（例えば鉱石検波器）及びカウンタ２３０に供給される。開放共振器１７０内の電磁場が発振器周波数の制御の喪失により減衰すると、検波器２２０の出力は０になり、カウンタ２３０は１を記録する。例えば、発振器１００がｆ（ｑ，１）での制御からそれると、その周波数はｆ（ｑ−１，〈ｎ〉）で回復し、カウンタ２３０は１を記録する。制御がｆ（ｑ−２，〈ｎ〉）まで回復しない場合には、カウンタ２３０は２を記録する。検波器２２０の出力が０でない場合は、制御は回復していない。
【００５８】
周波数制御の一時の喪失がモードｑからモードｑ−ｗへの変化をもたらすと仮定する。このような場合、平均屈折率〈ｎ〉は次のように表わすことができる。
【００５９】
【数１５】

空の共焦点形共振器の場合、ｆ（ｑ−ｗ，１）は次のように表わすことができることが良く知られている。
【００６０】
【数１６】

従って、
【数１７】

となる。〈ｎ〉を決定するために必要な全ての情報は既知であるので、本発明のシステム（及び方法）は、制御電圧を生成するのに用いることができ、それにより（制御電圧信号の形成を用いて、あるいは用いずに）プラズマ発生器２４０を制御する。
【００６１】
図６の実施の形態に示すように、プラズマ発生器２４０は第２の周波数弁別器１１０’を用いて制御される。この第２の弁別器１１０’は発振器１００の周波数を、コンピュータを用いて所望の固定発振器周波数に設定されているプラズマ発生器基準共振器２４５（例えば周波数計）の共振周波数と比較する。その固定発振器周波数は、
【数１８】

で表わされ、＜ｎ_ｄ＞は目的のための所望の平均屈折率である。発振器１００が全プロセス中において同じ共振モードに固定されたままである好適な動作モードの場合、ｗ＝０である。しかし、一般的には、発振器１００の周波数は最初はモードｑの周波数に固定され、その後、モードｑ−ｗの周波数に固定されると仮定する。上述したように、ｗは既知であると仮定する。
【００６２】
第２の弁別器１１０’はプラズマ発生器制御用弁別器として機能し、図４に示すものと同様の特性を有する出力を有する。弁別器１１０’は、ｆ（ｑ−ｗ，〈ｎ〉）＜ｆ_ＯＳＣの場合正の電圧を有し、ｆ（ｑ−ｗ，〈ｎ〉）＞ｆ_ＯＳＣの場合負の電圧を有し、ｆ（ｑ−ｗ，〈ｎ〉）＝ｆ_ＯＳＣの場合零電圧を有するように選択することができる。
【００６３】
本発明によれば、システムは以下のように制御することができる。
【００６４】
１．プラズマ発生器２４０をオフにした状態で、弁別器１１０、増幅器１０５及び発振器１００を調整する。従って、発振器１００は、開放共振器の適切なモードに固定される。
【００６５】
２．〈ｎ_ｄ〉、〈ｎ〉の所望の値に対応する発振器１００の周波数を計算する。
【００６６】
３．プラズマ発生器用制御回路１０２’を外した状態で、プラズマ発生器用制御共振器２４５を上記の工程２で計算した周波数に設定する。
【００６７】
４．（１）コンピュータ２５０、（２）制御回路要素及びプラズマ発生器２４０を通電する。
【００６８】
５．プラズマ発生器用制御増幅器１１５’の出力電圧をモニタして制御システム全体が正しく機能していることを確かめる。
【００６９】
図７に示す本発明の代替の実施の形態においては、図６の実施の形態の一部をディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）２９０及び補助回路に置き換えている。具体的には、（１）コンピュータ、（２）第２の安定器１０２’及び（３）プラズマ発生器基準共振器２４５が、（１）ＤＳＰ２９０、（２）少なくとも一つのＡ／Ｄ変換器（例えば２７０Ａ）及び（３）２つのＤ／Ａ変換器２８０Ａ及び２８０Ｂと置き換えられている。ＤＳＰ２９０は３つの入力、すなわち、（１）データ入力デバイス２７５を介して（例えばキーボードを介して、あるいはＡ／Ｄ変換器２７０Ｂを通る電位差計を介して）入力された、所望のプラズマ密度に対応する発振器周波数のための発振器制御電圧と、（２）Ａ／Ｄ変換器２７０Ａによって変換されている安定器回路１０２のディジタル等価電圧及び（３）開放共振器１７０の出力ラインに接続された検波器２２０によって供給されるカウンタ２３０の出力に反応する。
【００７０】
開放共振器１７０内の電磁場が発振器周波数の制御の喪失により減衰した場合、開放共振器１７０の出力ラインの検波器２２０の出力は０に低下し、カウンタ２３０は該事象を記録する。固定の喪失は、ＤＳＰ２９０に、以下に説明するように固定を回復するためのアルゴリズムを始動すること、および／または装置オペレータに固定の喪失及び装置の誤動作の可能性を警告することを知らせるのに用いることができる。検波器２２０からの零出力は、発振器周波数が開放共振器１７０の共振周波数に固定されていないということを意味することに注意されたい。
【００７１】
ＤＳＰ２９０の第１の出力は、Ｄ／Ａ変換器２８０Ａによって発振器１００のための制御電圧として用いられるアナログ信号に変換される。ＤＳＰ２９０の第２の出力は、Ｄ／Ａ変換器２８０Ｂによってプラズマ発生器２４０を制御するのに用いられるアナログ信号に変換される。
【００７２】
プラズマ発生器制御電圧の変動は、プラズマ密度を変化させ、また弁別器１１０、弁別器増幅器１１５及びＡ／Ｄ変換器２７０Ａの出力を変化させる。ＤＳＰ２９０は、Ｄ／Ａ変換器２８０Ａを介して制御電圧を変化させることによって反応し、そのため発振器１００の周波数もまた変化する。発振器制御電圧の更新値は、更新プラズマ密度の基準である。ＤＳＰ２９０は、発振器１００のセイゴ端子に供給される電圧のディジタル等価値を、入力デバイス２７５を介して入力されたデータと比較し、適切な制御信号をＤ／Ａ変換器２８０Ｂを介してプラズマ発生器２４０に送る。そして固定された発振器１００の出力はプラズマ室に印加される。
【００７３】
システムのサンプリング周期は、ＤＳＰ２９０によって固定外れ状態を認識することを確実にするように選択される。ＤＳＰ２９０は、発振器周波数と開放共振器の共振周波数との間の固定を回復するための種々のアルゴリズムを用いても良い。このような第１のアルゴリズムは、無線周波（ＲＦ）パワー、ガス圧力、ガス流速、プラズマ室の温度及びプラズマ光学特性等の一つまたはそれ以上の測定パラメータに基づいて予測プラズマ密度を計算する。そしてＤＳＰ２９０は、計算された周波数限界内で弁別器の零点を探す。このような第２のアルゴリズムは、およそのプラズマ密度を決定するための一貫輸送間隔を測定し、決定密度における弁別器の零点の検索を行う。
【００７４】
図８は、図６に示した、プラズマ発生器２４０を制御するコンピュータ２５０の実施の形態の略図である。コンピュータ２５０は、ＣＰＵ４０６、メモリ４０８（例えば、ＤＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭやフラッシュＲＡＭ）および他の任意の特定の目的のための論理素子（例えばＡＳＩＣ）あるいは変更可能な論理素子（例えば、ＧＡＬや再プログラム可能なＦＰＧＡ）を含むマザーボード４０４を収容するコンピュータ・ハウジング４０２を含む。コンピュータ２５０はまた複数の入力デバイス（例えば、キーボード４２２やマウス４２４）や、モニタ４２０を制御するディスプレイカード４１０を含む。さらに、コンピュータシステム２５０は、フロッピーディスク・ドライブ４１４、他の交換可能メディアデバイス（例えば、コンパクト・ディスク４１９、テープ、交換可能ＭＯメディア（図示せず））やハードディスク４１２あるいは適当なデバイス・バス（例えば、ＳＣＳＩバス、Ｅ−ＩＤＥバス、超ＤＭＡバス）を用いて接続された他の固定された、高密度メディア・ドライブを含む。コンピュータ２５０はさらに、同様のデバイス・バスまたは他のデバイス・バスに接続された、コンパクト・ディスク・リーダー４１８、コンパクト・ディスク読取り装置／書込み装置（図示せず）またはコンパクト・ディスク・ジュークボックス（図示せず）を含んでも良い。コンパクト・ディスク４１９はＣＤキャディー内に図示されているが、該コンパクト・ディスク４１９はキャディーを必要としないＣＤ−ＲＯＭ内に直接挿入することができる。さらに、プリンタ（図示せず）は、発振器１００及び共振器１７０の周波数がどのようにうまく整合するかの一覧表を出力する。
【００７５】
上述したように、上記システムは少なくとも一つのコンピュータ読取り可能メディアを含む。コンピュータ読取り可能メディアの例としては、コンパクト・ディスク４１９、ハード・ディスク４１２、フロッピー・ディスク、テープ、ＭＯディスク、ＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ）、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ等がある。本発明は、コンピュータ読取り可能メディアのうちのいずれか一つまたはいくつかに蓄積された、コンピュータ２５０のハードウェアを制御し、かつ該コンピュータ２５０がユーザと対話できるようにするためのソフトウェアを含む。このようなソフトウェアは、限定されないが、デバイス・ドライバ、オペレーティング・システム及びデベロップメント・ツールのようなユーザ・アプリケーションを含んでも良い。このようなコンピュータ読取り可能メディアは、さらに、本発明による、プラズマ発生器２４０を制御するコンピュータ・プログラム・プロダクトを含む。本発明のコンピュータ・コード・デバイスは、スクリプトに限定されないが、インタープリタ、ダイナミック・リンク・ライブラリ、Ｊａｖａｃｌａｓｓ及び完全に実行可能なプログラムを含む、翻訳処理された又は実行可能なコード・メカニズムである。また、上述したセパレートＤＳＰ２９０、コンピュータ２５０は、上述の機能を実行するようにプログラムされることによって実際にＤＳＰに置き換えても良い。コンピュータ２５０はまた、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、一度に一つ以上の処理を制御しても良い。
【００７６】
上述の教示の見地から、明らかに、本発明の多数の変更形態および変形形態が可能である。従って、特許請求の範囲内で、本発明は、添付したクレームの範囲内で、本願明細書に記載した以外の別な方法で実施することができるということを理解されたい。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、開放共振器内へのプラズマの導入により共振周波数が変化したときに、局部発振器の周波数を予め選択された開放マイクロ波共振器の共振周波数に固定する周波数安定化システムを用いた電子密度の測定及びプラズマ処理制御システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ波空洞及び局部発振器の周波数を整合する公知の安定化回路のブロック図である。
【図２】図１の安定化回路に用いる公知の弁別器の略図である。
【図３】開放共振器が安定化共振器として作動する場合に、プラズマを含む開放共振器に適用される、図２の弁別器の略図である。
【図４】変化する周波数に基づく弁別器１１０の出力のグラフである。
【図５】本発明に係る発振安定化回路の線図である。
【図６】本発明に係るプラズマ発生器制御システムの第１の実施の形態のブロック図である。
【図７】ディジタル・シグナル・プロセッサを用いた、本発明に係るプラズマ発生器制御システムの第２の実施の形態のブロック図である。
【図８】本発明に係る制御システムの一部を実施するためのコンピュータのブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るマイクロ波ブリッジから得られたオシロスコープの波形を示す図である。
【符号の説明】
１００…発振器
１０５…空洞
１１０…弁別器
１１５…増幅器

Claims

プラズマ発生器を制御するためのシステムであって、
プラズマチャンバー内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生器と、
前記プラズマチャンバー内で発生したプラズマ中に浸され、共振周波数で安定化共振器として動作する開放共振器と、
前記開放共振器に、可変周波数を有する発振出力を供給する安定化発振器と、
前記開放共振器の共振周波数と前記安定化発振器の可変周波数との差を測定し、補正信号を前記安定化発振器に印加して前記可変周波数を、前記共振周波数に実質的に整合させるために変化させるマイクロ波周波数弁別器を含み、前記プラズマ発生器によって生成されたプラズマの特性の変化により共振周波数が変化する時に、前記開放共振器の共振周波数に対して、安定化発振可変周波数がロックされる制御回路と、
を具備することを特徴とするシステム。
前記システムは、１０^１０〜１０^１２ｃｍ^−３の範囲のプラズマ密度を測定する弁別器を具備することを特徴とする請求項１記載のシステム。
前記システムは、１０^１０〜１０^１２ｃｍ^−３の範囲の電子密度を測定する弁別器を具備することを特徴とする請求項１記載のシステム。
前記開放共振器がさらに、該開放共振器に設けられた、入力絞りと該入力絞りと分離された出力絞りとによる入出力マイクロ波接続を受ける反射器を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
前記制御回路が、さらに前記マイクロ波周波数弁別器に接続され、補正信号を出力する増幅器を具備することを特徴とする請求項１記載のシステム。
前記制御回路が、さらに、プラズマ発生器基準共振器において、
前記マイクロ波周波数弁別器は、前記補正信号を生成するために、前記プラズマ発生基準共振器の共振周波数を前記発振器の前記変動する周波数と比較することを特徴とする請求項１記載のシステム。
前記制御回路がさらに、前記発振器の制御電圧として用いられるアナログ信号を前記プラズマ発生器に印加する前に前記補正信号を処理するコンピュータを具備することを特徴とする請求項６記載のシステム。
前記制御回路がさらに、前記マイクロ波弁別器の出力を入力データと比較してプラズマ発生器を制御するディジタル・シグナル・プロセッサを含むことを特徴とする請求項６記載のシステム。
前記開放共振器がさらに、それぞれに前記入出力マイクロ波接続が設けられる複数の反射器を含むことを特徴とする請求項４記載のシステム。
前記開放共振器と結合し、振動数弁別器に向かう前記開放共振器の周波数を設定する結合絞りと、
前記マイクロ波周波数弁別器の第１と第２マイクロ波出力を検知し、該第１及び第２のマイクロ波出力を表す第１及び第２の電圧信号を供給する一対の検波器と、
前記第１及び第２の電圧信号の差に基づく前記制御信号を生成する差動増幅器と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のシステム。