JP6086631B2

JP6086631B2 - プラズマ生成用電源装置およびその制御方法

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Publication number: JP6086631B2
Application number: JP2015542546A
Authority: JP
Inventors: 那須　健二; 健二那須; 藤本　直也; 直也藤本
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2034-09-11
Also published as: WO2015056509A1; JPWO2015056509A1

Description

本発明は、プラズマを生成するために用いられる高周波電源装置であるプラズマ生成用電源装置に関する。

例えば、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置の製造工程においては、プラズマエッチング装置が用いられている。このようなプラズマ装置においては、プラズマを生成するために用いられる高周波電源装置であるプラズマ生成用電源装置が用いられる。従来の高周波電源装置の機能構成を示すブロック図の図７を用いて、従来の高周波電源装置を説明する。

図７に示すように、従来の高周波電源装置は、発振部１１と、変調部１２と、レベル調整部１３と、電力増幅器１４と、出力電力検出部１５と、制御部１６とを備えている。そして、レベル調整部１３は、レベル調整回路１３ａと、Ｄ／Ａ変換器１３ｂとを備えている。出力電力検出部１５は、方向性結合器１５ａと、検波器１５ｂと、Ａ／Ｄ変換器１５ｃとを備えている。

図７に示すように、発振部１１から発信された高周波信号であるＲＦ信号１１ｓに、変調部１２でパルス変調をかけ、レベル調整部１３で電力レベルを調整したのち、電力増幅器１４に入力する。電力増幅器１４の出力は、出力電力検出部１５を介し、プラズマ負荷２０へと出力される。

出力電力検出部１５は、方向性結合器１５ａにより取り出した電力増幅器１４の出力電力Ｐｆを検波器１５ｂで検波し、Ａ／Ｄ変換器１５ｃでディジタル信号に変換し、制御部１６に出力する。

制御部１６では、出力電力検出部１５で検出した出力電力（つまり、Ａ／Ｄ変換器１５ｃで変換されたディジタル信号）と、事前に設定した所定の設定電力との差分をとり、その差分がゼロとなるように、レベル調整部１３に出力するレベル調整値を制御する。詳しくは、制御部１６は、レベル調整部１３に対しレベル制御信号１６ｓ２を出力し、該レベル制御信号１６ｓ２をＤ／Ａ変換器１３ｂでアナログ信号に変換し、レベル調整信号１３ｂｓとしてレベル調整回路１３ａに出力する。

このように、制御部１６は、レベル調整回路１３ａを制御することで、この高周波電源装置の出力電力を一定値に制御する。レベル調整回路１３ａでは、可変減衰器等の回路を使用することにより、出力電力を調整する。

下記の特許文献１には、ウェハにプラズマエッチングを行う真空槽に対して、パルス状の高周波電力を印加するプラズマエッチング装置が開示されている。

特開２００２−２７０５７４号公報

本発明の目的は、プラズマ生成用電源装置の発熱を抑制するか、出力電力を確保するか、いずれか片方を得ることにある。

上記の課題を解決するための、本発明は外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、一定およびパルス変調の高周波電力を供給するプラズマ生成用電源装置において、前記パルス変調の高周波電力のパルスデューティ比、前記パルス変調の高周波電力のレベル、前記パルス変調の高周波電力の増幅素子の消費電流、とのいずれか少なくとも一つにより、前記パルス変調の高周波電力の増幅素子のドレイン電源電圧を切り替えることを特徴とするプラズマ生成用電源装置の制御方法である。

また、外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、一定およびパルス変調の高周波電力を供給するプラズマ生成用電源装置において、前記パルス変調の高周波電力のパルスデューティ比および前記パルス変調の高周波電力のレベル、前記パルス変調の高周波電力のレベルおよび前記パルス変調の高周波電力の増幅素子の消費電流、前記パルス変調の高周波電力の増幅素子の消費電流および前記パルス変調の高周波電力のパルスデューティ比、とのいずれか少なくとも一つにより、前記パルス変調の高周波電力の増幅素子のドレイン電源電圧を切り替えることを特徴とするプラズマ生成用電源装置の制御方法である。

さらに、外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、一定およびパルス変調の高周波電力を供給するプラズマ生成用電源装置において、前記パルス変調の高周波電力のパルスデューティ比および前記パルス変調の高周波電力のレベルおよび前記パルス変調の高周波電力の増幅素子の消費電流により、前記パルス変調の高周波電力の増幅素子のドレイン電源電圧を切り替えることを特徴とするプラズマ生成用電源装置の制御方法である。

本発明によれば、プラズマ生成用電源装置の発熱を抑制するか、出力電力を確保するか、いずれか片方を得ることができる。

本発明の実施例の高周波電源装置の出力性能を示す模式図本発明の実施例の高周波電源装置のパルスデューティ比によるドレイン電圧領域を示す模式図本発明の実施例の高周波電源装置の出力電力によるドレイン電圧領域を示す模式図本発明の実施例の高周波電源装置のパルスデューティ比と出力電力によるドレイン電圧領域を示す模式図本発明の実施例の高周波電源装置のパルスデューティ比、出力電力の状態遷移を示す模式図発明の実施例の高周波電源装置の機能構成を示すブロック図従来の高周波電源装置の機能構成を示すブロック図本発明の実施例の高周波電源装置の監視、検出項目の例を示す模式図表本発明の実施例の高周波電源装置の制御項目の例を示す模式図表

本発明の第１実施形態を、図１と図６を参照して説明する。図１は、本発明の実施例の高周波電源装置の出力性能を示す模式図である。図６は、発明の実施例の高周波電源装置の機能構成を示すブロック図である。

図６に示すように、第１実施形態の高周波電源装置は、発振部１１と、変調部１２と、レベル調整部１３と、電力増幅器１４と、出力電力検出部１５と、制御部１６とを備えている。この高周波電源装置は、プラズマを生成するプラズマ生成部であるプラズマ負荷２０へ、パルス状の高周波電力を供給するパルス変調方式のプラズマ生成用電源装置である。そして、レベル調整部１３は、レベル調整回路１３ａと、Ｄ／Ａ変換器１３ｂとを備えている。出力電力検出部１５は、方向性結合器１５ａと、検波器１５ｂと、Ａ／Ｄ変換器１５ｃとを備えている。制御部１６は、記憶部１６ａを有する。図６では、図7の従来の高周波電源装置の機能構成を示すブロック図の固定電圧電源２１が、可変電圧電源２２と電流検出整部２３と温度検出部２４に置き換わっている。可変電圧電源２２と電流検出整部２３と温度検出部２４以外の構成については、従来の高周波電源装置と同様である。

発振部１１は、所定の周波数、例えば３０ＭＨｚ程度の高周波信号（ＲＦ信号）１１ｓを出力する。変調部１２は、制御部１６から出力されたパルス状の変調信号１６ｓ１により、発振部１１から出力されるＲＦ信号１１ｓを、ＯＮ状態とＯＦＦ状態とを繰り返すパルス状に変調し、パルス状高周波信号として出力する。ＯＮ状態とは、高周波信号が出力される状態であり、ＯＦＦ状態とは、高周波信号が出力されない状態である。すなわち、変調部１２は、図２に示すようなパルス状の変調信号１６ｓ１のＯＮ期間にのみ、ＲＦ信号を出力する。例えば、変調信号１６ｓ１のパルスＯＮ期間は１ｍｓ程度であり、パルスＯＦＦ期間は１ｍｓ程度である。

レベル調整部１３は、可変減衰器等で構成され、制御部１６から出力されたレベル制御信号１６ｓ２に基づき、変調部１２から出力されるパルス状高周波信号のレベル（大きさ）を調整して出力する。詳しくは、制御部１６から出力されたディジタル信号（レベル制御信号１６ｓ２）をＤ／Ａ変換器１３ｂでアナログ信号（レベル調整信号１３ｂ）に変換し、レベル調整回路１３ａへ出力する。なお、Ｄ／Ａ変換器１３ｂは、制御部１６内に制御部１６の一部として設けてもよい。

電力増幅器１４は、レベル調整部１３から出力されるパルス状高周波信号の電力を所定の増幅度で増幅して、パルス状高周波電力を出力する。出力電力検出部１５は、電力増幅器１４から出力されたパルス状高周波電力を取り出し、プラズマ負荷２０へ出力し、また、電力増幅器１４から出力されたパルス状高周波電力を検出し、制御部１６へ出力する。プラズマ負荷２０とは、例えば、プラズマを生成するプラズマエッチング装置等のプラズマ生成装置である。詳しくは、出力電力検出部１５は、電力増幅器１４からの出力を方向性結合器１５ａにより取り出し、該取り出した出力電力Ｐｆを検波器１５ｂで検波して出力電力Ｐｆの大きさを検出する。そして、検波器１５ｂからのアナログ出力信号をＡ／Ｄ変換器１５ｃでディジタル信号に変換し、制御部１６へ出力する。なお、Ａ／Ｄ変換器１５ｃは、制御部１６内に制御部１６の一部として設けてもよい。

制御部１６は、ハードウェア構成として、ＣＰＵ（中央演算ユニット）と、ＣＰＵの動作プログラムを格納する記憶部１６ａとを備える。記憶部１６ａには、予め、出力すべき目標電力値として設定された設定電力値Ｐｓと、変調部１２から出力されるパルス状高周波信号のＯＮ状態における複数の経過時間ｔと、該複数の経過時間ｔにそれぞれ対応する複数の補正係数Ｂと、平均レベル調整値Ｎａｖｅ（以降、Ｎａと称す。）とが記憶されている。複数の補正係数Ｂは、それぞれ対応する複数の経過時間ｔと対応付けられて記憶されている。設定電力値Ｐｓ、平均レベル調整値Ｎａ、経過時間ｔ、補正係数Ｂは、予め、高周波電源装置の操作部（不図示）から、操作者により入力され、記憶部１６ａに記憶される。

制御部１６は、出力電力検出部１５で検出した出力電力値が入力され、該入力された出力電力値と設定電力値Ｐｓとに基づき、レベル調整部１３に対するレベル調整値を算出する。そして、レベル調整値に基づきレベル制御信号１６ｓ２を作成してレベル調整部１３へ出力する。レベル制御信号１６ｓ２は、レベル調整部１３で調整されるパルス状高周波信号のレベルを制御する。さらに、制御部１６は、複数の経過時間ｔのそれぞれにおいて、経過時間ｔのそれぞれに対応する補正係数Ｂに基づき、レベル調整値を補正、つまり、レベル制御信号１６ｓ２を補正して出力する。このように、制御部１６は、レベル調整値、つまり、レベル調整部１３に出力するレベル制御信号１６ｓ２を、補正係数Ｂに基づき補正することで、この高周波電源装置の出力電力がパルスＯＮ状態において一定値になるよう制御する。

図６では、制御部１６からの電圧制御信号２２ｓに従い、可変電圧電源２２から電流検出整部２３を経由して電力増幅器１４に可変電圧２２ａが供給される。電流検出整部２３から制御部１６に電流信号２３ａが送られる。温度検出部２４から制御部１６に温度信号２４ａが送られる。可変電圧電源２２と電流検出整部２３と温度検出部２４以外の動作については、従来の高周波電源装置と同様である。

本発明の実施例の高周波電源装置の出力性能を示す模式図の図１において、図1のように高周波を、パルス／連続波、任意のレベルで出力する装置を考える。

図２は、本発明の実施例の高周波電源装置のパルスデューティ比によるドレイン電圧領域を示す模式図である。パルスデューティ比が60%を超える領域では、出力可能電力の上限値は低下する。そこで、与えられるパルスデューティ比が60%以下であれば48V、それ以外は40Vに制御する。パルスデューティ比が60%以下の場合、最大電力を確保するため増幅素子は飽和特性重視となり、連続波の場合は増幅素子の発熱を抑えるため効率重視となる。

図３は、本発明の実施例の高周波電源装置の出力電力によるドレイン電圧領域を示す模式図である。パルスデューティ比およびパルス／連続波の切り替え、出力レベルの変更は、装置運用側で任意に発生する。そこで、与えられる出力レベルの設定が1100W以上であれば48V、それ以外は40Vに制御する。

図４は、本発明の実施例の高周波電源装置のパルスデューティ比と出力電力によるドレイン電圧領域を示す模式図である。実施例１と実施例２の制御を複合させる。まずパルスDutyにより、図の横軸のポイントが決定される。パルスデューティ比が60%以下の場合ドレイン電圧は48Vに設定されるが、出力レベルの設定が低い場合ドレイン電圧は40Vに再設定される。

実施例１から実施例３の制御は、ドレイン電圧を40V/48Vの2パターンとしいずれかのモードを選択する方式となる。しかし装置動作においては環境温度、装置自己発熱等により、出力、効率の変化（劣化）が起こりえる。またパルスDutyと出力電力により飽和特性と効率の優先度が変わるため、装置の状況（消費電流、出力電力）を監視し、装置の動作状況に適したドレイン電圧制御を考える。ドレイン電圧の可変範囲は、40〜48Vとする。

図８は、本発明の実施例の高周波電源装置の監視、検出項目の例を示す模式図表であり、図９は、本発明の実施例の高周波電源装置の制御項目の例を示す模式図表である。図５は、本発明の実施例の高周波電源装置のパルスデューティ比、出力電力の状態遷移を示す模式図である。

（１）初期状態としてパルスデューティ比50%、出力レベル1000Wが設定されたとすると、ドレイン電圧は48V（Duty≦60%）から40V（出力レベル＜1100W）に設定される。（図5 A点）

（２）出力電力を1200Wに再設定された場合（図5 B点）、ドレイン電圧は48Vの領域に入るが、装置の状況から真にドレイン電圧の変更が必要か、出力電力と消費電流から判定する。出力電力が設定値に満たない場合、ドレイン電圧を例えば1Vstepで増加させる。その際消費電流も同時に監視し、効率の下限を限界点とする。

（３）逆に図5のB点から出力電力が減少する場合、飽和特性には余裕ができ、効率は数値的には悪化するものの、発熱自体は低下することが期待されるため、積極的にドレイン電圧を変更する必要は無い。

（４）次に図5のB点からC点に移行する場合を考える。出力レベルが変わらずパルスデューティ比が増加すれば効率は悪化する。よって、消費電流を許容範囲に入れるため、ドレイン電圧を低下させる。その際、出力電力も同時に監視し、必要電力を割り込まないようリミットをかける。

（５）逆に図5のC点からパルスデューティ比が減少する場合、（３）と同様に発熱量が低下するため、積極的にドレイン電圧を変更する必要は無い。

（６）ドレイン電圧を低下させると効率は向上するが、出力電力は低下する。先の図5 A〜C点のような領域の場合、装置の能力（2000W出力、パルスデューティ比100%（連続波））からすると出力電力、効率（発熱量）いずれも余裕があり、シビアな制御は要求されない。しかし出力電力が高く、パルスデューティ比が高い領域での状態遷移時には注意が必要である。

（７）図5 D点からE点への移行を考える。D点では1700W/Duty70%をドレイン電圧48Vで動作しているとする。ここで、パルスデューティ比が85%に増加した場合、先の（３）の動作と同様、効率を上げる（発熱量を下げる）ために、ドレイン電圧を低下させる。ドレイン電圧を下げることで、飽和特性が悪化し出力レベルが減少するが、D点からE点の移行においては、出力電力の設定は下がることが前提である。したがって消費電流、出力電力を監視することにより、出力電力を維持しつつ効率を許容範囲内となるように、ドレイン電圧を低下させる。

（８）逆に図5 E点からD点へ移行する場合はドレイン電圧を上昇させることで、出力電力を維持する。しかしドレイン電圧を上げることによる効率悪化（発熱量増加）と、パルスデューティ比が下がることによる発熱量減少の程度が問題となるため、消費電力の許容値を超えず出力電力を満足するようにドレイン電圧を設定する。

（９）また、装置の環境特性（温度）、経年変化等により出力特性、効率特性には変化が発生することが予測される。こういった変化に対しても、出力電力、消費電力を監視し、双方特性を閾値とすることで、装置状況に応じたドレイン設定を行う。

本発明の実施例１から実施例４により、同一増幅回路において、飽和特性重視（出力電力確保）、効率重視（発熱量抑制）の異なる特性を得ることができる。かつ消費電流、出力電力を検出し条件付けすることで装置状況の限界に応じて、出力電力を追従させることができる。

この出願は、２０１３年１０月１７日に出願された日本出願特願２０１３−２１６２９３号を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。

本発明によれば、効率重視（発熱量抑制）の異なる特性を得れば、装置状況に応じて出力電力確保を確保しながら、プラズマ生成用電源装置の発熱を抑制し、プラズマ生成用電源装置の小型化と低価格化を図ることができる。

１１：発振部、１２：変調部、１３：レベル調整部、１３ａ：レベル調整回路、１３ｂ：Ｄ／Ａ変換器、１４：電力増幅器、１５：出力電力検出部、１５ａ：方向性結合器、１５ｂ：検波器、１５ｃ：Ａ／Ｄ変換器、１６：制御部、１６ａ：記憶部、２０：プラズマ負荷、２１：固定電圧電源、２２：可変電圧電源、２２ａ：可変電圧、２３：電流検出整部、２３ａ：電流信号、２４：温度検出部、２４ａ：温度信号、

Claims

外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、一定およびパルス変調の高周波電力を供給するプラズマ生成用電源装置において、
前記パルス変調の高周波電力のパルスデューティ比および前記パルス変調の高周波電力のレベルおよび前記パルス変調の高周波電力の増幅素子の消費電流により、
前記パルス変調の高周波電力の増幅素子のドレイン電源電圧を切り替える手段を備えたことを特徴とするプラズマ生成用電源装置。
外部に設けられプラズマを生成するプラズマ生成部へ、一定およびパルス変調の高周波電力を供給するプラズマ生成用電源装置の制御方法において、
前記パルス変調の高周波電力のパルスデューティ比および前記パルス変調の高周波電力のレベルおよび前記パルス変調の高周波電力の増幅素子の消費電流により、
前記パルス変調の高周波電力の増幅素子のドレイン電源電圧を切り替えることを特徴とするプラズマ生成用電源装置の制御方法。