JP4807850B2 - Ｒｆプラズマ印加用の改良型ｒｆ電力制御デバイス - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、概してＲＦ電力を用いたプラズマ処理の適用に関し、より詳しくは、電力送達特性を改善するために回路を有するプラズマ処理の適用において用いられるＲＦ電力生成器に関する。

（先行技術の簡単な説明）
従来、プラズマ印加に用いられるＲＦ電力生成器は、プラズマに送達される電力をモニタリングするために、指向性結合器の出力から動作する比較的シンプルなダイオードピーク検出器に依存していた。しかし、この方法は、生成器の出力周波数の電圧とプラズマが引き起こしたスプリアスな周波数の電圧とを区別することができないために、プラズマが引き起こしたスプリアスな周波数の存在下では信頼がおけなくなる。スプリアスな周波数の効果を取り除くために同期式検出方法が用いられてきたが、そのような設計のコストおよび複雑さは、一般的には、プラズマ生成器の用途には好ましくはない。熱応答に依存する別の電力検出器も用いられてきた。スプリアスな周波数を取り除くために、種々のバンドパスフィルタが用いられてきた。しかし、これらのフィルタにおける挿入による損失の制御は、困難であり、邪魔をする周波数が生成器の出力周波数に非常に近い場合において特に困難である。

図１は、従来技術の典型的なＶＨＦ電力生成器１０を示す。ｒｆ周波数源１２は、指向性結合器１６に供給される増幅器１４へと電力を供給する。指向性結合器１６は、ダイオード検出器１８および２０に接続されている。一部の設計では、スプリアスな周波数を除去するために、フィルタ（図示せず）が指向性結合器１６と検出器１８と２０との間において用いられる。しかしながら、スプリアスな周波数が生成器の出力周波数に非常に近い場合には、それらのフィルタの設計は非常に困難である。例えば、スプリアスな周波数が生成器の出力よりも大きな振幅を有し、その信号が、送達された電力をモニタリングするためにフィードバックされる生成器の出力周波数の位相に近い場合において、ピークダイオード検出器は、真のフィードバック信号とスプリアスな周波数の信号とを区別することができない。従って、フィードバック電力制御回路２２に接続され検出された信号は、間違っていることがあり得る。典型的なシステムアプリケーションでは、整合ネットワーク２４が生成器１０とプラズマチャンバ２６との間に接続されている。整合ネットワーク３２を介して結合された第２の生成器３０は、異なった動作周波数でチャンバに電力を供給し得る。

フィードバック制御電圧をプラズマが引き起こしたスプリアスな周波数から分離することによって、電力制御の安定度が改善されたＲＦ生成器を提供することは望ましい。

従って、本発明の課題は、容易にインプリメントされ、従来技術において現在用いられている高価かつ複雑な設計に取って代わる改良されたＲＦ電力制御方法を提供することである。

本発明のさらなる課題は、従来技術において用いられるような複雑なナローバンドのフィルタを比較的シンプルなローパスフィルタと差し替えることによってスプリアス信号を取り除くことである。

本発明のさらに別の課題は、電力をモニタリングするために、生成器の出力の電圧の検出以外の方法を用いた手段を提供すことである。

本発明のさらに別の課題は、スプリアスな周波数の存在下における改良された整合ネットワークの調節手段を提供することである。

（本発明の概要）
本発明によって、非線形のプラズマに作用する複数の生成器間の相互作用によって生じた調和および非調和なスプリアスの存在下においてフィードバック制御電圧を最適化するプラズマアプリケーション用の改良されたＲＦ電力制御方法が提供される。このシステムでは、プラズマ点火のために用いられる固体ＲＦ供給源のサンプリングされた出力に発信器と混合器とが配置される。サンプリングされた出力は、中間周波数にミキシングされ、フィルタリングすることによって非線形のプラズマにおいて生成されたスプリアスな周波数を取り除く。このようにして、フィードバック電力制御は、基本的にスプリアスな周波数を無視する。このアプリケーションでは、発信器および混合器は、別の所望なシステム特性と干渉せず、プラズマのスプリアスな周波数成分の変化からフィードバック制御電圧を効率的に分離する。これによって、従来の電力制御方法で可能な精度よりも高い精度でＲＦ電力がプラズマに送達されることが可能になる。

（好ましい実施形態の簡単な説明）
図２において、図１に示されたようなプラズマ処理システム内のプラズマに送達された電力を検出およびモニタリングする本発明の原理を取り込んだＶＨＦ生成器１０’が示されている。この好適な実施形態では、１６２ＭＨｚのｒｆ供給源１２が電力増幅器１４に接続されており、指向性結合器１６に電力を送る。サンプリングされた１６２ＭＨｚの前進および反射された信号は、指向性結合器１６から取得され、それらの信号がベース周波数とミキシングされる検出器回路に入れられる。検出器回路は、バンドパスフィルタ２０’および２２’と、ミキサ２４’および２６’と、ヘテロダイン発振器２８からなる。ミキシングされた周波数は、ローパスフィルタ３０’および３２’を通過させられ、そこで、それらは増幅器３４および３６によって増幅され、検出器３８および４０によって検出される。検出された信号は、生成器制御回路４２にフィードバックされる。このヘテロダイン検出回路は、プラズマの状態を変更するために、１８における生成器の出力の定常的な調節を可能にする。検出器回路は、フィルタリングにおける適切な変更とともに発振器周波数に対する幾つかのオプションをとることができる。

この説明のために、発振器周波数が１６２．２ＭＨｚであると仮定する。発振器周波数における信号が、感知された前進および反射された電力信号とミキシング（ヘテロダイン）される。この説明では、前進電力信号のみを説明する。反射された電力信号は、全く同じように扱われる。前進電力信号は、次式のような周波数成分を有する。

ここで、
ｆ_０は、基本周波数（この場合では、１６２ＭＨｚ）であり、
２ｆ_０は、基本周波数の二次高調波であり、
３ｆ_０は、基本周波数の三次高調波であり、
ｆ_１は、第２の周波数（この場合では、２ＭＨｚ）である。

従って、前進電力信号は、１６２ＭＨｚ、３２４ＭＨｚ、４８６ＭＨｚ、６４８ＭＨｚ、８１０ＭＨｚなどの周波数成分を含み得る。

上記スペクトルを有する信号が１６２．２ＭＨｚにおける発振器周波数とミキシングされると、ミキシング後の結果は、次の三角法の公式に従って生成される

。

従って、ミキシングされた周波数は、２００ｋＨｚ、１６１．８ＭＨｚ、１６４ＭＨｚ、３２３．８ＭＨｚなどである。このスペクトルは、２００ｋＨｚの信号が通過することのみを許可するローパスフィルタ３０’および３２’を介してフィルタリングされる。従って、これらのフィルタの出力部において、感知された１６２ＭＨｚの前進および反射された電力信号と同じ振幅情報を有する信号が存在する。しかしながら、フィルタリングされているので、１６２ＭＨｚの高調波、２ＭＨｚの側波帯、または、１６２ＭＨｚの信号からかなり離れた任意の別のチャンバが引き起こした周波数を含めた任意の別のミキシングされた周波数に対して敏感でない。電力検出器は、周波数が固定された生成器または周波数が可変な生成器の動作に合わせて設計され得る。

図２は、従来のダイオード検出器の代わりに指向性の結合器の間に結合されたヘテロダイン検出器を示す。生成器内の電力制御回路は、ヘテロダイン検出器によって生成器の出力部における波形のスプリアスな成分の変化から効果的に分離されており、常に生成器の出力電力のみを感知する。これによって、プラズマの安定性が改善され、より整合したプロセスの結果となる。電力制御は、スプリアスの存在下において電力制御の精度を維持するために必要とされる妥協なしに出力周波数における動作に最適化される。示されたミキサおよびフィルタが、能動または受動型であり得ることや、フィルタが集中素子または分散部品を用い得ることは、理解される。

指向性結合器の前進および反射された電力サンプルは、バンドパスフィルタリングされて、ミキサの前において高調波および低周波数のスプリアスを取り除く。１６２．２ＭＨｚの発振器の出力がフィルタリングされることによってその高調波が低減されることは、理解される。ミキサの出力は、２００ｋＨｚのフィルタを通過させられる。不要なスプリアス周波数がフィルタのバンドパスの外側に現れない限り、別の発振器周波数を用いることによって２００ｋＨｚ以外のフィルタ周波数を生成し得る。フィルタ出力は、生成器のフィードバック電力制御のために通常の態様で増幅され、検出され、用いられる。

図３は、ダイオード検出器の代わりに正確なＲＭＳ検出器４４および４６を用いた別の実施形態を示す。図３のブロック図は、２００ｋＨｚの波形に直接作用するような検出器を示す。

さらに別の実施形態では、生成器の可変周波数源から発振器周波数を得て、それによって、ヘテロダイン検出器が生成器の可変出力周波数をトラッキングすることを可能にする。この実施形態のブロック図が図４に示されている。５７−６３ＭＨｚのＭＨｚアプリケーションが示されている。可変周波数源４８の出力が８０ＭＨｚの信号とミキシングされることによって１３７〜１４３ＭＨｚが得られる。これは、フィルタリングされ、７９．８ＭＨｚを用いて５７．２〜６３．２ＭＨｚへとミキシングされる。この信号が元の５７〜６３ＭＨｚとミキシングされることによって、必要な２００ｋＨｚがローパスフィルタと検出器回路に提供される。信号路に沿って適切な増幅を用いることによって周波数変換プロセスにおいて生じる損失が補償され得ることは理解される。指向性結合器からの前進電力サンプルのみが示されているが、反射された電力サンプルが同一の態様で検出され得ることはさらに理解される。ミキサ１に入れられた可変周波数が生成器可変周波数供給源の追加の出力などの別の手段によって得られうることはさらにまた理解される。

本発明をＶＨＦアプリケーション用に説明してきたが、生成器の出力電力を検出および制御する目的として、本発明が任意の周波数において用いられ得るということはさらに理解される。電力制御および測定は生成器の内部にあるとして議論してきたが、任意数の手段によって達成され得ることや、生成器の内部または外部であり得ることや、システムＣＰＵによって制御され得ることはさらにまた理解される。明確にすることを目的として詳細な概念図を除いたということはさらにまた理解される。改良された電力検出器を用いることによって、プラズマに作用するいずれかの生成器または全ての生成器からの電力が正確に制御され得るということはさらにまた理解される。

特に好適な実施形態に関連して本発明について詳細に説明してきた。本発明の精神および範囲内において記載したものに加えた変更および修正がなされ得ることは、理解される。本発明の精神および範囲から逸脱することなしに本発明による装置の構造において、変更、改変、修正または置換がなされ得るということはさらに理解される。

図１は、従来技術のＶＨＦ電力生成器のブロック図を示す。 図２は、本発明の原理を取り込んだ汎用ヘテロダイン検出器の機能を有するＶＨＦ電力生成器のブロック図を示す。 図３は、ｒｍｓ検出器を用いたヘテロダイン検出器の機能を有するＶＨＦ電力生成器のブロック図を示す。 図４は、可変周波数のヘテロダイン検出器を有するＶＨＦ電力生成器のブロック図を示す。

Claims (19)

1. プラズマにＲＦ電力を送達するＶＨＦ生成器であって、
   ａ）電力増幅器に接続された可変周波数ＲＦ信号生成器と、
   ｂ）指向性結合器に接続された少なくとも１つの出力を有する該電力増幅器と、
   ｃ）処理チャンバにおいて電力がプラズマに送達される整合ネットワークに接続された１つの出力を有する該指向性結合器と
   を備え、
   ｄ）該指向性結合器の少なくとも１つの出力が、該可変周波数ＲＦ信号生成器の前進電力信号をサンプリングするように配置されており、該指向性結合器の少なくとも１つの出力が、該可変周波数ＲＦ信号生成器の反射電力信号をサンプリングするように配置されており、
   ｅ）該サンプリングされた前進信号および反射信号の各々が、第１のミキサに接続されており、
   ｆ）該可変周波数ＲＦ信号生成器のサンプリングされた出力を第１の中間周波数とミキシングする第２のミキサに接続された第１の発振器を備え、
   ｇ）該第２のミキサの出力が、第１のバンドパスフィルタに接続されており、該第１のバンドパスフィルタの出力が、第２の発振器の第２の中間周波数とミキシングする第３のミキサに接続されており、
   ｈ）該第３のミキサの出力が、第２のバンドパスフィルタに接続されており、該第２のバンドパスフィルタの出力が、該第１のミキサに接続されており、
   ｉ）該ミキシングされた前進信号および反射信号が、ローパスフィルタを通過させられ、
   ｊ）該フィルタリングされた前進信号および反射信号が、増幅器および検出器に接続されており、
   ｋ）該検出された前進信号および反射信号が、電力制御回路にフィードバックされ、該プラズマに送達された電力が、該プラズマによって生成されたスプリアスな周波数の信号からの干渉なしに、モニタリングされる、
   ＶＨＦ生成器。
2. 高調波とスプリアスな低周波数の信号を除去するために、前進バンドパスフィルタと反射バンドパスフィルタとが前記指向性結合器の出力と前記第１のミキサとの間に接続されている、請求項１に記載のプラズマにＲＦ電力を送達するＶＨＦ生成器。
3. 前記検出器がダイオード検出器である、請求項２に記載のプラズマにＲＦ電力を送達するＶＨＦ生成器。
4. 前記検出器がＲＭＳ検出器である、請求項２に記載のプラズマにＲＦ電力を送達するＶＨＦ生成器。
5. プラズマにＲＦ電力を送達する装置であって、
   ａ）処理チャンバ内のプラズマに電力を送達する可変周波数ＲＦ電源と、
   ｂ）発振器周波数を生成する発振器回路であって、
   該発振器回路が、第１の発振器と、第１のミキサと、第１のバンドパスフィルタと、第２のミキサと、第２の発振器と、第２のバンドパスフィルタとを含み、
   該第１の発振器が、該可変周波数ＲＦ電源の第１のサンプリングされた出力信号を該第１の発振器の第１の中間周波数とミキシングする該第１のミキサに接続されており、
   該第１のミキサの出力が、該第１のバンドパスフィルタに接続されており、
   該第１のバンドパスフィルタの出力が、該第２の発振器の第２の中間周波数とミキシングする該第２のミキサに接続されており、
   該第２のミキサの出力が、該第２のバンドパスフィルタに接続されており、これにより、該発振器周波数が出力される、発振器回路と、
   ｃ）該可変周波数ＲＦ電源と該プラズマとの間に配置された出力サンプラーであって、該出力サンプラーは、該可変周波数ＲＦ電源の少なくとも１つの出力特性をサンプリングし、それによって、少なくとも１つの第２のサンプリングされた出力信号を生成するように配置されており、該第２のサンプリングされた出力信号は、第３のミキサにおいて発振器周波数とミキシングされて、ミキシングされた信号を生成し、該ミキシングされた信号は、処理されて、ミキシングされてフィルタリングされた信号を生成し、該ミキシングされてフィルタリングされた信号は、該可変周波数ＲＦ電源を制御する制御回路にフィードバックされる、出力サンプラーと
   を備える、装置。
6. 前記出力サンプラーは、指向性結合器である、請求項５に記載の装置。
7. 前記出力特性は、前進電力または反射電力の一方である、請求項５に記載の装置。
8. 前記出力サンプラーと前記プラズマとの間に配置された整合ネットワークをさらに備える、請求項５に記載の装置。
9. 前記可変周波数ＲＦ電源は、ＶＨＦ生成器である、請求項５に記載の装置。
10. 前記指向性結合器の出力に配置された前進バンドパスフィルタおよび反射バンドパスフィルタであって、高調波とスプリアスな低周波数の信号を除去する前進バンドパスフィルタおよび反射バンドパスフィルタをさらに備える、請求項６に記載の装置。
11. 前記前進バンドパスフィルタおよび前記反射バンドパスフィルタは、前記プラズマに送達される電力をモニタリングする検出器に接続されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記検出器は、ＲＭＳ検出器である、請求項１１に記載の装置。
13. プラズマにＲＦ電力を送達する方法であって、
    ａ）処理チャンバ内のプラズマに電力を送達する可変周波数ＲＦ電源を提供することと、
    ｂ）該可変周波数ＲＦ電源の第１のサンプリングされた出力信号を第１の中間周波数とミキシングすることにより、第１のミキシングされた信号を生成することと、
    ｃ）該第１のミキシングされた信号をフィルタリングすることにより、第１のミキシングされてフィルタリングされた信号を生成することと、
    ｄ）該第１のミキシングされてフィルタリングされた信号を第２の中間周波数とミキシングすることにより、第２のミキシングされた信号を出力することと、
    ｅ）該第２のミキシングされた信号をフィルタリングすることにより、発振器周波数を出力することと、
    ｆ）該可変周波数ＲＦ電源と該プラズマとの間に出力サンプラーを提供することと、
    ｇ）該出力サンプラーを使用して該可変周波数ＲＦ電源の少なくとも１つの出力特性をサンプリングすることであって、それによって、少なくとも１つの第２のサンプリングされた出力信号を生成することと、
    ｈ）該第２のサンプリングされた出力信号を該発振器周波数とミキシングすることにより、第３のミキシングされた信号を生成することと、
    ｉ）該第３のミキシングされた信号を処理することにより、第２のミキシングされてフィルタリングされた信号を生成することと、
    ｊ）該第２のミキシングされてフィルタリングされた信号を使用して、該可変周波数ＲＦ電源を制御することと
    を包含する、方法。
14. 前記出力サンプラーは、指向性結合器である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記出力特性は、前進電力または反射電力の一方である、請求項１３に記載の方法。
16. 前記可変周波数ＲＦ電源は、ＶＨＦ生成器である、請求項１３に記載の方法。
17. 前記指向性結合器の出力に配置された前進バンドパスフィルタおよび反射バンドパスフィルタであって、高調波とスプリアスな低周波数の信号を除去する前進バンドパスフィルタおよび反射バンドパスフィルタを提供することをさらに包含する、請求項１４に記載の方法。
18. 前記前進バンドパスフィルタおよび前記反射バンドパスフィルタは、前記プラズマに送達される電力をモニタリングする検出器に接続されている、請求項１７に記載の方法。
19. 前記検出器は、ＲＭＳ検出器である、請求項１８に記載の方法。

Images