JP7305095B2 - プラズマ性能を制御するための方法及びシステム - Google Patents

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関連出願の相互参照
本出願は、「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＰＬＡＳＭＡ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ」と題された２０１８年１月２５日に出願された米国特許出願第１５／８８０，４３５号明細書の利益を主張するものであり、該特許出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、基板処理のためのシステム及び方法に関し、より具体的には、プラズマ性能を制御するための方法及びシステムに関する。

プラズマ処理システムは、基板をエッチングして微小電子又は微小機械デバイスを形成するために使用される。プラズマ処理システムは、プラズマ処理チャンバ内でガスをイオン化することによって、プラズマを生成する。イオン化は、ガスを電磁エネルギーに曝すことによって行われる。従来のハードウェア及び処理技術では、基板全体に渡るイオン又はプラズマ密度の不均一な分布を招くことがある。更に、従来のシステムは、特定の処理条件の下では又は特定のプラズマガスを用いた場合に、十分なプラズマ密度を提供しないことがある。

プラズマ安定性は、プラズマの分布均一性及びプラズマ密度プロファイルを維持するための一要因である。従来のハードウェア及び処理技術では、プラズマを安定させる応答制御のための十分なメカニズムを提供しない。プラズマ安定性の問題は、特定のエッチングガス化学作用を使用すると、特定のシステムアーキテクチャにおいて、又は特定の用途において、悪化することがある。従来のシステムは、そのような状況において一貫して安定したプラズマ場を提供するのには装備が不十分である。その結果、製品の品質及びスループットが損なわれることがある。

プラズマ性能を制御するための方法及びシステムの実施形態について説明する。一実施形態では、基板を処理するためのシステムにおいてプラズマ性能を制御する方法は、プラズマチャンバに第１の電力パラメータの組での電力を供給することを含むことがある。更に、この方法は第１の電力パラメータの組を使用して、プラズマチャンバ内部でプラズマを形成することを含むことがある。またこの方法は、第１の電力パラメータの組でのプラズマへの電力結合を測定することを含むこともある。また、この方法は、プラズマチャンバに第２の電力パラメータの組での電力を供給することを含むこともある。更にこの方法は、プラズマへの第２の電力パラメータの組でのプラズマへの電力結合を測定することを含むことがある。またこの方法は、第２の電力パラメータの組での電力結合の測定に少なくとも部分的に基づいて、第１の電力パラメータの組を調節することを含むこともある。

基板を処理するためのシステムの一実施形態は、プラズマチャンバに第１の電力パラメータの組での電力を供給するようになっている第１の電源と、プラズマチャンバに第２の電力パラメータの組での電力を供給するようになっている第２の電源と、測定デバイスと、を含むことがある。この測定デバイスは、第１の電力パラメータの組での供給電力について測定し、且つ第２の電力パラメータの組での電力について測定するようになっていることがある。このシステムはまた、プラズマ応答が所望の応答条件を満足したとの決定に応答して、第１の電源を第２の電力パラメータの組で動作させるように調節するようになっている電源コントローラを含むこともある。

基板を処理するためのシステムの別の実施形態は、基板を処理するためのプラズマを収容するようになっているプラズマチャンバを含むことがある。またこのシステムは、第１の電力パラメータの組での電力、及び第２の電力パラメータの組での電力をプラズマチャンバに供給するようになっている電源を含むこともある。更に、このシステムは、電力を電源からプラズマチャンバに伝達するようになっている電力伝送システムを含むことがある。１つ又は複数の測定デバイスが、プラズマへの電力結合を測定するために電力伝送システムに結合されることがある。またこのシステムは、第２の電力パラメータの組での電力結合の測定に少なくとも部分的に基づいて、第１の電力パラメータの組を調節するようになっている電源コントローラを含むこともある。

添付図面は、本明細書に組み込まれ、その一部を成し、本発明の実施形態を図解し、上記の本発明の概要説明、並びに下記の詳細説明とともに、本発明を説明する役割を果たす。

プラズマエッチングシステムの一実施形態を示す。 プラズマ性能を制御するためのシステムの一実施形態を示す。 プラズマ性能を制御するためのシステムの一実施形態を示す。 プラズマ性能を制御するためのシステムの一実施形態を示す。 プラズマ性能を制御するためのシステムの一実施形態を示す。 プラズマ性能を制御するためのシステムの一実施形態を示す。 電源に関連付けられたキャビティ内で共振エネルギーを測定するための装置の一実施形態を示す。 プラズマ性能を制御するための方法の一実施形態を示す。 プラズマ点火を制御するための方法の一実施形態を示す。 プラズマ性能を制御するための方法の一実施形態を示す。 プラズマ性能を制御するための制御システムを示す図である。 センサの信号レベルに対する電力の振幅及び周波数の変動の影響を示す図である。

プラズマ性能を制御するための方法及びシステムを提示する。しかしながら、当業者であれば理解されるように、様々な実施形態が、以下の具体的詳細のうちの１つ以上がなくても、或いは、他の代替且つ／又は追加の方法、材料、又は構成要素により、実施されてよい。他の例では、よく知られている構造、材料、又は動作が詳しく図示又は説明されていないが、これは、本発明の様々な実施形態の態様が曖昧にならないようにする為である。

同様に、具体的な数、材料、及び構成についての言及も、本発明の十分な理解が得られるように、説明を目的としたものである。しかしながら、本発明は、具体的詳細がなくても実施可能である。更に、当然のことながら、図面に示された各種実施形態は説明的な表現であって、必ずしも正確な縮尺で描かれているわけではない。図面を参照するにあたっては、類似の参照符号は、図面全体を通して類似の要素を参照している。

本明細書を通しての「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「一実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又はその変形形態への参照は、その実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、材料、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味するが、それらがあらゆる実施形態に存在することを意味するわけではない。従って、本明細書を通しての様々な場所における「一実施形態では（ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「一実施形態では（ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」等の語句の出現は、必ずしも本発明の同じ実施形態を参照しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、材料、又は特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切な様式で組み合わされてよい。別の実施形態では、様々な追加の層及び／又は構造が含まれてよく、且つ／又は、説明された特徴が省略されてよい。

更に、当然のことながら、「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」は、明示的に別段の定めがない限り、「１つ以上の」を意味してよい。

様々な動作が、複数の別個の動作として順番に説明されるが、これは、本発明を最も理解しやすい順番である。しかしながら、説明の順序は、それらの操作が必ず順序依存であることを示唆するものとして解釈されるべきではない。具体的には、これらの操作は、説明された順序で実施される必要がない。説明された操作は、説明された実施形態と異なる順序で実施されてよい。別の実施形態では、様々な追加操作が実施されてよく、且つ／又は説明された操作が省略されてよい。

本明細書では「基板」という用語は、その上に材料が形成されるベース材料又はベース構造を意味し、且つ包含する。基板は、単一材料、様々な材料の複数の層、様々な材料又は様々な構造の領域を有する層などを含み得るということが理解されることになる。これらの材料は半導体、絶縁体、導体又はそれらの組合せを含み得る。例えば、基板は、半導体基板、支持構造上のベース半導体層、金属電極、又は、１つ以上の層、構造、若しくは領域がその上に形成された半導体基板であってよい。基板は、半導体材料の層を含む、従来のシリコン基板又は他のバルク基板であってよい。本明細書では「バルク基板」という用語は、シリコンウェーハだけでなく、シリコンオンインシュレータ（「ＳＯＩ」）基板（例えば、シリコンオンサファイア（「ＳＯＳ」）基板やシリコンオンガラス（「ＳＯＧ」）基板）、ベース半導体を土台とした、シリコンのエピタキシャル層、及び他の半導体材料又は光電子材料（例えば、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ガリウムひ素、窒化ガリウム、及びリン化インジウム）も意味し、且つ包含する。基板は、ドープされていても、されていなくてもよい。

以下では図面を参照するが、図面では、類似の参照符号は、複数の図面を通して同一の要素又は対応する要素を示す。

図１は、プラズマエッチングのためのシステム１００の一実施形態である。一実施形態では、システム１００は、基板ホルダー１２０を有する処理チャンバ１１０を含み、基板ホルダー１２０の上には処理されることになるウェハ１２５が取り付けられ、またこのシステム１００は、真空ポンプシステム１５０を含む。ウェハ１２５は、半導体基板、ウェハ、フラットパネルディスプレイ、又は液晶ディスプレイであり得る。処理チャンバ１１０は、ウェハ１２５の表面の近傍にある処理領域１４５のエッチングを容易にするようになっていることがある。イオン化可能ガス又はプロセスガス混合物が、ガス分配システム１４０を介して持ち込まれる。プロセスガスの所与の流れに対して、真空ポンプシステム１５０を使用してプロセス圧力が調節される。

ウェハ１２５は、機械式締付システム又は電気式締付システム（例えば、静電気締付システム）などの締付システム（図示せず）を介して、基板ホルダー１２０に取り付けられることがある。更に、基板ホルダー１２０は、基板ホルダー１２０及びウェハ１２５の温度を調節且つ／又は制御するようになっている加熱システム（図示せず）又は冷却システム（図示せず）を含むことがある。加熱システム又は冷却システムは、冷却時に基板ホルダー１２０から熱を受け取って熱を熱交換器システム（図示せず）に伝達するか、又は加熱時に熱交換器システムから基板ホルダー１２０に熱を伝達する、熱伝達流体の再循環流を含むことがある。他の実施形態では、抵抗加熱素子などの加熱／冷却素子、又は熱電加熱器／冷却器が、基板ホルダー１２０、並びに処理チャンバ１１０のチャンバ壁、及び処理システム１００内部の任意の他の部品内に含まれることがある。

更に、ウェハ１２５と基板ホルダー１２０との間のガスギャップ熱伝導性を改善するために、背面ガス供給システム１２６を介して、ウェハ１２５の背面に熱伝達ガスを送ることがある。高温又は低温でのウェハ１２５の温度制御が必要になる場合に、そのようなシステムを利用することができる。例えば、背面ガス供給システムは、二領域ガス分配システムを含むことがあり、ウェハ１２５の中央と縁部との間でヘリウムガスキャップ圧を独立して変化させることができる。

図１に示した実施形態では、基板ホルダー１２０は電極１２２を含むことがあり、この電極１２２を通じて、ＲＦ電力が処理領域１４５に結合される。例えば、基板ホルダー１２０は、ＲＦ生成器１３０からオプションのインピーダンス整合ネットワーク１３２を通って基板ホルダー１２０へ至るＲＦ電力の伝送を介して、ＲＦ電圧において電気的にバイアスされることがある。このＲＦ電気バイアスは、電子を加熱してプラズマを形成し維持するように働くことができる。この構成では、システム１００はＲＩＥリアクターとして動作することができ、チャンバ及び上側ガス注入電極は接地面として機能する。

更に、ＲＦ電圧における電極１２２の電気的バイアスは、パルス化バイアス信号コントローラ１３１を使用してパルス化されることがある。ＲＦ生成器１３０から出力されるＲＦ電力を、例えば、オフ状態とオン状態との間でパルス化することができる。或いは、ＲＦ電力は、複数の周波数で基板ホルダー電極に印加される。更に、インピーダンス整合ネットワーク１３２は、反射電力を低減することにより、プラズマ処理チャンバ１１０内でのＲＦ電力のプラズマへの伝達を向上させることができる。整合ネットワークトポロジー（例えば、Ｌタイプ、πタイプ、Ｔタイプ等）及び自動制御方式が、当業者にはよく知られている。

ガス分配システム１４０は、プロセスガスの混合物を導入するために、シャワーヘッド設計を含むことがある。或いは、ガス分配システム１４０は、プロセスガスの混合物を導入し、ウェハ１２５上でのこのプロセスガスの混合物の分布を調節するために、マルチゾーン・シャワーヘッド設計を含むことがある。例えば、マルチゾーン・シャワーヘッド設計は、ウェハ１２５の上方の実質的に中央の領域へのプロセスガスの流れ又は配合の量に対して、ウェハ１２５の上方の実質的に辺縁の領域へのプロセスガスの流れ又は配合を調節するようになっていることがある。そのような実施形態では、ガスを、チャンバ１１０内に非常に均一なプラズマを形成するのに適した組み合わせで適量ずつ供給することがある。

真空ポンプシステム１５０は、最大で毎秒約８０００リットル（及びそれ以上）の排気速度が出せるターボ分子真空ポンプ（ＴＭＰ）と、チャンバ圧力を抑制するための仕切弁と、を含むことがある。ドライプラズマエッチングに利用される従来のプラズマ処理装置では、毎秒８００～３０００リットルのＴＭＰを使用することができる。ＴＭＰは、典型的には約５０ｍＴｏｒｒ未満の低圧処理に対して有用である。高圧処理（即ち、約８０ｍＴｏｒｒを上回る）に対しては、機械式ブースターポンプ及びドライ粗引きポンプを使用することができる。更に、チャンバ圧力を監視するためのデバイス（図示せず）が、プラズマ処理チャンバ１１０に結合されていることがある。

一実施形態では、ソースコントローラ１５５は、マイクロプロセッサ、メモリ、及びデジタルＩ／Ｏポートを含むことがあり、これらは、処理システム１００と通信し入力をアクティブにし、加えてプラズマ処理システム１００からの出力を監視する、のに十分な制御電圧を生成することができる。更に、ソースコントローラ１５５は、ＲＦ生成器１３０、パルス化バイアス信号コントローラ１３１、インピーダンス整合ネットワーク１３２、ガス分配システム１４０、ガス供給１９０、真空ポンプシステム１５０、並びに基板加熱／冷却システム（図示せず）、背面ガス供給システム１２６、及び／又は基板ホルダー１２０、と結合し、これらと情報を交換することができる。例えば、ウェハ１２５に対して、プラズマエッチング処理又は後熱処理プロセスなどのプラズマ補助プロセスを実行するために、メモリに格納されたプログラムを利用して、プロセスレシピに従って処理システム１００の前述の部品への入力をアクティブにすることができる。

更に、処理システム１００は、ＲＦ電力をＲＦ生成器１７２からオプションのインピーダンス整合ネットワーク１７４を介して結合することができる上側電極１７０を、更に含むことがある。一実施形態では、上側電極にＲＦ電力を印加する周波数は、約０．１ＭＨｚ～約２００ＭＨｚの範囲であり得る。或いは、本実施形態は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ソース、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）ソース、ＧＨｚ周波数範囲で動作するようになっているラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）ソース、ＧＨｚ未満からＧＨｚの範囲で動作するようになっている電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）ソース、及びその他に関連づけて使用されることがある。更に、下側電極に電力を印加する周波数は、約０．１ＭＨｚ～約８０ＭＨｚの範囲であり得る。更に、ソースコントローラ１５５は、上側電極１７０へのＲＦ電力の印加を制御するために、ＲＦ生成器１７２及びインピーダンス整合ネットワーク１７４に結合される。上側電極の設計及び実装については、当業者には良く知られている。上側電極１７０及びガス分配システム１４０は、図示するように、同じチャンバアセンブリの内部に設計されることがある。或いは、上側電極１７０は、ウェハ１２５の上方のプラズマに結合されるＲＦ電力の分布を調節するための、マルチゾーン電極設計を含むことがある。例えば、上側電極１７０は、中央電極と端部電極に分けられることがある。

用途に応じて、センサ又は計測デバイスなどの追加のデバイスを、処理チャンバ１１０とソースコントローラ１５５に結合して、リアルタイムデータを収集し、そのようなリアルタイムデータを使用して、集積方式の堆積プロセス、ＲＩＥプロセス、プルプロセス、プロファイル改良プロセス、加熱処理プロセス、及び／又はパターン転写プロセスを含む２つ以上のステップにおいて、２つ以上の選択される集積動作変数を同時に制御することができる。更に、同じデータを使用して、後熱処理の完了、パターン形成均一性（均一性）、構造のプルダウン（プルダウン）、構造のスリミング（スリミング）、構造のアスペクト比（アスペクト比）、ライン幅ラフネス、基板スループット、所有コスト等を含む集積ターゲットを確実に達成できる。そのようなセンサの実施形態については、以下の図を参照して説明する。

印加される電力を変調することにより、通常、パルス周波数及びデューティ比の変化により、連続波（ＣＷ）で生成されるプラズマ特性とは著しく異なるプラズマ特性を得ることが可能になる。その結果、電極のＲＦ電力の変調により、時間平均されたイオン束及びイオンエネルギーを制御することができる。

別の実施形態では、プラズマチャンバ１１０は、縁部ソース１７６を含んで、プラズマチャンバ１１０の側壁の付近に電力を供給することがある。この実施形態では、縁部ソース１７６は、プラズマチャンバ１１０の周りに延び、側壁に組み込まれている。縁部ソース１７６を上側電極１７０と共に使用して、プラズマチャンバ１１０に電力を供給することができ、或いは、縁部ソース１７６を他の電源無しで使用して、プラズマチャンバ１１０内部にプラズマを生成することができる。

図２は、プラズマ性能を制御するためのシステム２００の一実施形態を示す。一実施形態では、システム２００は、図１で図示したプラズマエッチング用のシステム１００と一体的に実装されることがある。例えば、システム２００の態様は、ソースコントローラ１５５内に実装されることがある。更に、システム２００はプラズマチャンバ１１０に結合されることがある。一実施形態では、プラズマソースコントローラは、ソースコントローラ１５５内に実装されることがある。或いは、システム２００の態様は、システム１００とは別個のアドオンの、又は追加の特徴部として実装されることがある。

一実施形態では、システム２００は第１の電源２０２及び第２の電源２０４を含むことがある。一実施形態では、第１の電源２０２及び第２の電源２０４は、ＲＦ発電機であり得る。更なる実施形態では、第１の電源２０２及び第２の電源２０４は、可変発電機であり得る。様々な実施形態では、供給電力の振幅、周波数、位相、又は他の態様は、システム要件及びプラズマ性能に従って変化することがある。

第１の電源２０２は主電源であることがあり、これは、プラズマ点火用の電力を供給し、プラズマ性能を維持するようになっている。一実施形態では、第２の電源２０４は、例えば振幅、周波数、位相、又は他の態様を含む１つ又は複数の可変の電力特性の変化に対するプラズマの応答を試験するための断続的な試験期間において電力を供給することがある。第１の電源２０２と第２の電源２０４との切り替えに使用される動作及びアルゴリズムの更なる詳細について、以下で説明する。

システム２００は、プラズマチャンバ１１０に供給される電力の１つ又は複数の態様、プラズマチャンバ１１０に供給される電力の変化に対するプラズマチャンバ１１０内のプラズマの応答、又はその両方、を測定するようになっている、１つ又は複数の測定デバイス２０６も含むことがある。

システム２００は、電源コントローラ２０８を更に含むことがある。一実施形態では、電源コントローラ２０８は、第１の電源２０２及び第２の電源２０４の電力出力設定を制御することがある。更に、電源コントローラ２０８は、プラズマチャンバ１１０に供給される第１の電源２０２の電力出力と第２の電源２０４の電力出力との切り替えを制御することがある。

一実施形態では、第１の電源２０２は、第１の電力パラメータの組での電力をプラズマチャンバに供給するようになっていることがある。第２の電源２０４は、試験期間中に第２の電力パラメータの組での電力をプラズマチャンバに供給するようになっていることがある。測定デバイスは、第１の電力パラメータの組での電力供給に対するプラズマ応答を測定し、且つ、試験期間中のプラズマ応答を測定するようになっていることがある。一実施形態では、電源コントローラ２０８は、試験期間中のプラズマ応答が、第１の電力パラメータの組に対するプラズマ応答に比べて改善されているとの決定に応答して、第１の電力パラメータの組を、第２の電力パラメータの組と一致するように調節するようになっていることがあり、この決定は、１つ又は複数のターゲット処理目的に従って行われる。

図３は、プラズマ性能を制御するためのシステム３００の更なる実施形態を示す。一実施形態では、システム３００は信号ＲＦソース３０２を含むことがある。一実施形態では、信号ＲＦソース３０２は、図２に関連して説明した第１の電源２０２及び第２の電源２０４を含むことがある。別の実施形態では、信号ＲＦソース３０２は、第１の出力に第１の電力パラメータの組での電力を供給し、第２の出力に第２の電力パラメータの組での電力を供給することができる、多出力ソースを含むことがある。ミキサ３０４、又は他の切替装置は、振幅、周波数、位相等を含む１つ又は複数の電力パラメータの変化に対するプラズマ応答を試験するために、第１の電力出力と第２の電力出力とを切り替えることができる。

一実施形態では、切り替えられた電力信号が、電力増幅器３０６に供給されることがある。電力増幅器は、電力信号を、プラズマチャンバ１１０内のプラズマ場を維持するのに適したレベルにまで増幅することができる。電力サンプリングセンサ３２０は、電力増幅器３０６によって供給された電力をサンプリングすることができる。例えば、電力サンプリングセンサ３２０は、順方向電力を測定することがある。別の実施形態では、電力サンプリングセンサ３２０は、反射電力を測定することがある。当業者であれば、マルチポイントセンサによって代替の複数のポイントを測定することができ、各ポイントは既知の距離だけ離れていることを、理解するであろう。

一実施形態では、電力伝達カップリング３１０が、機械式チューニングデバイス３１２に結合されて、プラズマチャンバ１１０に供給される電力に対する調節可能な機械的チューニングを提供することがある。機械式チューニングデバイス３１２は、プラズマチャンバ１１０に供給される電力の電気的特性の機械的な調節をもたらすことができる。機械式チューニングデバイスの実施形態は、調節可能な導波管スタブを含み、スタブの長さは、電力の電気的特性を変更するように調節される。代替的な実施形態は、導波管に調節可能なスリット又はアイリスを含み、これらは、プラズマチャンバ１１０に供給される電力の電気的特性を変更するように調節されることがある。

一実施形態では、キャビティ３１４が、電力伝達カップリング３１０に結合されることがある。電磁（ＥＭ）センサ３２４は、キャビティ３１４内の電磁エネルギーを測定するようになっていることがある。当業者であれば、本実施形態に関連して使用することができる様々なＥＭセンサ３２４を認識するであろう。スリット３１６又は開口部が、プラズマチャンバ１１０に結合された誘電体３１８にキャビティ３１４をつなげることがある。スリット３１６を通じて放出されたエネルギーは、プラズマチャンバ１１０内部の電磁放射の均等な分布に向けて、誘電体３１８全体に渡って分散することがある。一実施形態では、フォトダイオードセンサなどの光学センサ３２６が、プラズマチャンバ１１０内部のプラズマの強度を検出するために誘電体３１８に結合されることがある。代替的な実施形態では、光学センサ３２６は、プラズマチャンバ１１０に直接的に結合されることがある。

一実施形態では、電力増幅器３０６の出力は、導波管ローンチ（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｌａｕｎｃｈ）３０８への同軸ケーブル（ｃｏａｘ）に結合されることがある。当業者であれば、本実施形態と共に使用するのに適していることがある導波管ローンチデバイス３０８への様々な同軸ケーブルを認識するであろう。一実施形態では、導波管ローンチ３０８への同軸ケーブルは、導波管デバイスを含むことがある電力伝達カップリング３１０に結合されることがある。一実施形態では、３ポイントセンサ３２２などのマルチポイントセンサは、プラズマチャンバ１１０に電力を供給するようになっている電源３０２とプラズマチャンバ１１０との間に結合された導波管内に形成される定在波を測定することができる。例えば、３ポイントセンサ３２２は、定在波の３つのポイントで導波管の電力を測定することができ、各ポイントは既知の距離だけ離れている。特定の実施形態では、この既知の距離は、定在波の波長の８分の１（１／８）であり得る。

そのような実施形態では、電力サンプリングセンサ３２０、３ポイントセンサ３２２、ＥＭセンサ３２４、及び／又は光学センサ３２６のうちの１つ又は複数からのフィードバック信号が、電源コントローラ２０８に提供されることがある。そのような実施形態では、電源コントローラ２０８は、特定の時間間隔内でプラズマチャンバ１１０に供給される電力を制御するために、信号ＲＦソース３０２とミキサ３０４に動作信号を提供することがある。

当業者であれば、図３のシステムに１つ又は複数の追加の部品を追加して、本明細書で説明する方法及びプロセスの動作を強化できることを認識するであろう。更に、当業者であれば、図３のシステムの１つ又は複数の部品は、システム要件及びハードウェア可用性に応じて、省略できることを認識するであろう。図３の実施形態は、本実施形態と共に使用することができるオプションを例示しているに過ぎず、本発明の範囲を何等かの特定の実施形態に限定することを意図してはいない。

図４は、プラズマ性能を制御するためのシステムの別の実施形態を示す。一実施形態では、このシステムは第１の電源２０２及び第２の電源２０４を含む。第１の電源２０２及び第２の電源２０４は、２４００ＭＨｚ～２５００ＭＨｚの可変周波数範囲で動作するようになっていることがある。更に、このシステムは、第１の電源２０２及び第２の電源２０４の出力の振幅を調節するための第１の減衰器４０２及び第２の減衰器４０４を含むことがある。ＲＦスイッチ４０６は、第１の電源２０２と第２の電源２０４の出力を切り替えるようになっていることがある。電力増幅器３０６は、直列構成４０８及び／又は並列構成４１０に配置された複数の電力増幅器デバイス及び循環デバイスを含むことがある。一実施形態では、電力サンプリングセンサ３２０は、例えば、順方向電力を検出するための方向性結合器４１２、又は反射電力を検出するための反射電力センサ４１４を含むことがある。一実施形態では、反射電力センサ４１４は、循環装置及び電力抵抗器デバイスを含むことがある。

一実施形態では、図４の回路は、電源コントローラ２０８に入力するための測定信号を準備するために、二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧測定デバイス（ＶＲＭＳ）を含むことがある。この実施形態では、順方向ＶＲＭＳ４１８が、方向性結合器４１２と電源コントローラ２０８との間に結合されて、順方向電力を監視することができ、反射ＶＲＭＳ４２０が、プラズマチャンバ１１０内部のプラズマソース４１６における反射電力を監視するためにある。

電源コントローラ２０８は、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）４２８及び、第１の状態で取得された測定値と第２の状態で取得された測定値との間で切り替えるための１つ又は複数の切替デバイス４３０及び４３２を含むことがある。一実施形態では、周波数同調制御ロジック４２６は、切替デバイス４３０と４３２との間の切り替えとＲＦスイッチ４０６とを同期させるための切替ロジック４２４を含むことがある。

更に、電力制御システム４３４は、図４の例では、第１の電源２０２及び第２の電源２０４の出力周波数をそれぞれ制御するための制御信号を提供するようになっている第１の電力制御部４４０及び第２の電力制御部４３８を含むことがある。一実施形態では、デジタル／アナログコントローラ（ＤＡＣ）４４２は、第１の電源２０２及び第２の電源２０４による使用のために、制御信号を変換することがある。周波数同調制御ロジック４２６及び制御システム４３４は、本明細書に記載する方法及び機能の例、並びに当業者が認識可能な均等物に従って、プログラム的に構成されることがある。

図５は、プラズマ性能を制御するためのシステムの別の実施形態を示す。図５の実施形態と図４の実施形態との違いの１つは、図５はアップコンバータ５０２及びダウンコンバータ５０４を使用して、第１の電源２０２及び第２の電源５０１によって生成された信号を混合することである。第１の電源２０２は、例えば、２４００～２５００ＭＨｚの範囲内の周波数で電力信号を生成できる。当業者であれば、様々な用途に、又は様々なエッチング化学作用に適切であり得る代替的な周波数範囲を認識するであろう。第２の電源５０１は、第１の電源２０２によって生成された一次信号からのオフセットを伴うサイドバンド信号を生成するようになっていることがある。一実施形態では、サイドバンド信号のオフセットは、０～５０ＭＨｚの範囲内であり得る。従って、一例では、第１の電源が２４５０ＭＨｚの周波数で一次信号を生成する場合、第２の電源は、２４５０ＭＨｚの中心周波数から＋／－５０ＭＨｚの範囲である２４００～２５００ＭＨｚの範囲内のサイドバンド周波数を生成することがある。

更なる実施形態では、アップコンバータ５０２によって第１の電源２０２からの一次信号とサイドバンド信号とを混合しても、第１の電源２０２の周波数変化の測定又は試験のために関心がもたれる程度を除いて、プラズマ性能に干渉しないように、減衰器５０９は、第２の電源５０１によって生成されたサイドバンド信号を減衰することがある。そのような実施形態では、第２の電源５０１は、ある範囲の周波数全体に渡って掃引することがあり、ダウンコンバータは、この掃引の範囲に渡ってプラズマの周波数応答を抽出することがある。従って、ある範囲の周波数に渡る周波数応答プロファイルが決定され、制御システム２０８によってその範囲の中から適切な動作周波数を決定することができる。そのような実施形態では、アップコンバータ５０２及びダウンコンバータ５０４が、ＲＦスイッチ４０６並びに切替デバイス４３０及び４３２の代わりをすることがある。ロジック４２６は、アップコンバータ５０２及びダウンコンバータ５０４、並びにコンバータデバイス５０６及び５０８に制御信号を提供することができる。アップコンバータ５０２の例示的な設計、即ちアップコンバータ設計５１０が、図５にも図示されており、Ｉ信号及びＱ信号を使用し、且つ周波数及び位相を調節してサイドバンドを制御するようになっている回路設計が示されている。これに呼応して、ダウンコンバータ５０４は、測定信号を抽出する逆の動作をする。第１の信号と第２の信号との混合及びプラズマ応答の抽出の物理的実装は、プラズマをパルス化し、パルス化された波形の時間位置における同調情報の抽出を可能にする、任意の波形をもたらす複合波形を用いて行われ得る。

図６は、プラズマ性能を制御するためのシステムの一実施形態のブロック図であり、システム部品の物理的な配置の１つを示す。一実施形態では、導波管ローンチ３０８への同軸ケーブルは、図示するように電力伝達カップリング３１０に結合されることがある。一実施形態では、光学センサ３２６は、プラズマチャンバ１１０に結合されて、プラズマチャンバ１１０内に形成されるプラズマとの見通し線を可能にすることがある。一実施形態では、３ポイントセンサ３２２は、電力伝達カップリング３１０に結合されることがある。

機械式チューニングデバイス３１２は、調節可能な導波管スタブ、調節可能なスリット、調節可能なアイリス等を含むことがある。一実施形態では、機械式チューニングデバイス３１２は、単一のチューニング部品を含むことがある。或いは、機械式チューニングデバイス３１２は、複数のチューニング部品を含むことがある。

一実施形態では、電磁センサ３２４は、Ｅ場ピックアップデバイスを含むことがある。そのような実施形態では、電磁センサ３２４はキャビティ３１４における全電力を測定することがある。

図７は、プラズマ性能を制御するためのシステムにおいて測定された反射電力に対応して収集されたＳパラメータデータのグラフ表現である。図７の例では、周波数が、２．４ＧＨｚ～２．５ＧＨｚの範囲に渡って掃引された。反射電力は、曲線７０２で表わされるようにプラズマの点火の前と、曲線７０４で表わされるように半導体処理中のプラズマの点火の後で、測定された。プラズマ点火中、７０６で示されるように、反射電力の急激な低下が２．４７ＧＨｚの周辺で観察されることがあり、これは、プラズマガスの電力結合の主周波数に相当する。処理中、７０８で示すように、急激な低下の周波数は約２．４５５ＧＨｚにシフトする。観察されるように、７１０で示すように、別の急激な低下が２．４６ＧＨｚで発生する。一実施形態では、周波数を安定させるために掃引の範囲７１２を２．４４５ＧＨｚ～２．４５５ＧＨｚの領域に限定して、第１の電源２０２の動作周波数が７１０で示す周波数での誤ったヌルにシフトするのを回避することが望ましいことがある。

そのような実施形態では、第１の電源２０２の動作周波数は、反射電力の急激な増加をもたらす可能性が低い周波数で選択されることがあり、反射電力の急激な増加は、プラズマの明滅又はプラズマの消失などのプラズマの不安定性を引き起こすことがある。測定された反射電力は、それぞれの所与の周波数におけるプラズマの電力結合と直接的に相関している。

図８は、本実施形態による、プラズマ性能を制御するための方法８００の一実施形態を示す。一実施形態では、基板を処理するためのシステムにおけるプラズマ性能を制御する方法８００は、ブロック８０２で示すように、プラズマチャンバに第１の電力パラメータの組での電力を供給することを含むことがある。更に、ブロック８０４では、方法８００は第１の電力パラメータの組を使用してプラズマチャンバ内部にプラズマを形成することを含むことがある。方法８００は、ブロック８０６に示すように、第１の電力パラメータの組でのプラズマへの電力結合を測定することを含むこともある。また、ブロック８０８では、方法８００はプラズマチャンバに第２の電力パラメータの組での電力を供給することを含むことがある。ブロック８１０では、方法８００は更に、プラズマへの第２の電力パラメータの組でのプラズマへの電力結合を測定することを含むことがある。またこの方法は、第２の電力パラメータの組での電力結合の測定に少なくとも部分的に基づいて、第１の電力パラメータの組を調節することを含むこともある。

図９は、プラズマチャンバ１１０内でプラズマに点火するための方法９００の一実施形態を示す。ブロック９０２では、方法９００は、プラズマチャンバ内でプラズマを生成するように配置された１つ又は複数の電力伝達素子を有するプラズマチャンバ内の基板ホルダー上で基板を受け取ることを含む。ブロック９０４では、方法９００は、振幅、周波数、位相、及び変調を含む電力特性の所定の初期条件によって設定される第１の電力レベルか又は低レベルで、各電力伝達素子の電磁エネルギーを生成することを含む。更に、機械的及び電気的なチューニング設定を行うことがある。

ブロック９０６は、各伝達素子のインピーダンスの特性を測定することを含み、これには、順方向電力及び反射電力の信号波形、キャビティ電圧、導波管反射係数、位相、順方向電力及び反射電力、並びに光信号が含まれる。ブロック９０８では、所定の点火信号特性が満たされたかどうかについて決定がなされる。そうである場合、プラズマ点火が行われ、ブロック９１０では、各電力伝達素子を用いたレシピ電磁エネルギーの一次電力設定を使用して、プラズマチャンバ内部でプラズマが生成される。そうでない場合、方法９００は、周波数、位相、及び変調などの電力、信号波形パラメータを含む電磁制御を調節することを含む。更に、ブロック９１２は、プラズマ点火検索モデルシーケンスに基づいて、機械的及び電子的チューニングを調節することを含むことがあり、ブロック９０６での測定及びブロック９０８での決定は、点火が発生するまで繰り返される。

図１０は、プラズマチャンバ内でプラズマを維持するための方法１０００の実施形態を示す。ブロック１００２では、方法１０００は、信号波形並びに機械的及び／又は電子的チューニング設定を用いて、第１の電力レベルで電磁エネルギーを生成することを含む。方法１０００は、ブロック１００４に示すように、電力振幅及び信号波形の制御を含む電磁的制御を変化させながら、プローブ電力レベルで電磁エネルギーを混合することも含む。ブロック１００６は、各伝達素子のプラズマインピーダンスの特性を測定することを含み、これには、順方向電力及び反射電力の信号波形、キャビティ電圧、導波管反射係数、位相、順方向電力、反射電力、及び光信号が含まれる。ブロック１００８では、この方法は、電磁インピーダンス及び／又は光放射に基づいて安定したプラズマを維持するのに必要な変化量を計算することを含む。更なる実施形態では、この方法は不感帯をチェックすること及び適切なチューニング調節量を計算することを含むことがある。

ブロック１０１０では、安定したプラズマを維持するために制御の変更が必要であるかどうかの決定が行われる。そうである場合、方法１０００は、ブロック１０１２に示すように、電力、信号波形、並びに／又は機械的及び電子的チューニングを含む、電磁制御を調節することを含むことがある。そうでない場合、ブロック１０１４に示すように、モデルが更新され、次のプローブ設定が計算される。

図１１は、プラズマ性能を制御するための制御ループ１１００を示す。一実施形態では、制御ループ１１００は、反復ループであることがある。この制御ループは、入力値及び事前調節値として規定のレシピ電力１１０２を受け取ることがある。一実施形態では、プラズマは図９で説明した方法９００に従って点火されることがある。電力増幅器３０６は、プラズマチャンバ１１０に電力を供給し、それによってセンサ１１０６によって監視されるプラズマソース１１０４を生成することがある。１つ又は複数のセンサ１１１６は、プラズマ応答の１つ又は複数の特性、所定の電力特性を測定することができる。この測定に応答して、信号分配コントローラ１１１４は、制御ブロック１１０６に示すように電子チューニング設定を調節することができる。電子チューニング制御の更新は、レシピによって規定されたプラズマ電力制御計画と調和するように行われることがある。次に、ブロック１１０８で、電力振幅設定が、閾値プラズマ測定値が満たされるまで、繰り返し更新されることがある。

１１０８の電力振幅レベルと連携して、電子チューニング設定は、ブロック１１０６で再度更新されることがある。次いで、ブロック１１０８で２度目の振幅設定の調節が行われることがある。次いで、周波数チューニング設定が、ブロック１１１０で制御されることがある。ブロック１１０６における電子チューニング設定及びブロック１１０８における電力振幅設定を繰り返し制御するシーケンスを繰り返すことができ、次いで、機械的チューニングをブロック１１１２で繰り返し制御することができ、このプロセスは繰り返されることがある。

図１２は、固定された機械的チューニングでの１００ｍＴのＯ２を含むプラズマレシピを用いてプラズマチャンバ内で実施された動作試験からのサンプル試験データを示す。順方向電力１２０２、反射電力１２１０、送達電力１２０４、電力伝達カップリングで検出された電力１２０８、及び検出されたプラズマ強度１２０６を含む様々な測定値。電力周波数は、２．４４４ＧＨｚ～２．４６６ＧＨｚの範囲に渡って変化させた。図示するように、反射電力１２１０は約２．４５８ＧＨｚの周波数で低下する。これに呼応して、プラズマ強度１２０６、電力伝達カップリングでの電力１２０８、順方向電力１２０２、及び送達電力１２０４は、それぞれ２．４５８ＧＨｚか又はその周辺でピークに達する。従って、周波数応答に照らして比較的に優れたプラズマ性能を提供するために、約２．４５８ＧＨｚの周波数が設定されることがある。

曲線１２１４で示すように、位相角は、反射電力におけるヌルと同じ周波数での対応するシフトを含む。反射電力１２１０におけるヌルの周波数で、反射係数１２１６の対応する低下も観察される。

当業者であれば、試験データは、システムの一実施形態において、１つの特定の周波数値の組で実施された試験のみを示すことを認識するであろう。同様に、試験結果は、特定のレシピの応答に限定されることがある。従って、図１２に表わされたデータは、本実施形態を限定するものではなく、説明した実施形態の有効性を例示するものである。

当業者であれば、更なる利点や修正が容易に想起されるであろう。従って、本発明は、そのより広い側面において、図示及び記載された特定の詳細、代表的な装置及び方法、並びに説明的事例に限定されない。従って、全般的発明概念の範囲から逸脱しない限り、そのような詳細からの逸脱が行われてよい。

Claims (17)

1. 基板を処理するためのシステムにおいてプラズマ性能を制御する方法であって、
   プラズマチャンバに第１の電力パラメータの組での電力を供給するステップと、
   前記第１の電力パラメータの組を使用して、前記プラズマチャンバ内部にプラズマを形成するステップと、
   前記第１の電力パラメータの組での前記プラズマへの電力結合を測定するステップと、
   前記プラズマチャンバに第２の電力パラメータの組での電力を供給するステップと、
   前記プラズマへの前記第２の電力パラメータの組での前記プラズマへの電力結合を測定するステップと、
   前記第２の電力パラメータの組での前記電力結合の前記測定に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の電力パラメータの組を調節するステップと、を含み、
   前記第２の電力パラメータの組の前記電力結合を測定するステップは、前記プラズマチャンバとの界面において電磁エネルギーを測定するステップを含む、方法。
2. 前記第２の電力パラメータの組の前記電力結合を測定するステップは、前記プラズマチャンバに電力を供給するようになっている電源における順方向電力を測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の電力パラメータの組の前記電力結合を測定するステップは、前記プラズマチャンバに電力を供給するようになっている電源における反射電力を測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の電力パラメータの組の前記電力結合を測定するステップは、前記プラズマチャンバに電力を供給するようになっている電源と前記プラズマチャンバとの間に結合されたキャビティ内の共振エネルギーを測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記共振エネルギーを測定するステップは、前記キャビティの複数のポイントで測定するステップを更に含み、各ポイントは既知の距離だけ離れている、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の電力パラメータの組の前記電力結合を測定するステップは、光検出器デバイスで前記プラズマを光学的に測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２の電力パラメータの組での電力を供給するステップは、第１の電源と第２の電源とを切り替えるステップを更に含み、前記第１の電源は前記第１の電力パラメータの組での電力を供給するようになっており、前記第２の電源は前記第２の電力パラメータの組での電力を供給するようになっている、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２の電力パラメータの組での電力を供給するステップは、前記第２の電力パラメータの組に従って構成されたサイドバンド信号を、前記第１の電力パラメータの組で供給された前記電力と混合するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記サイドバンド信号を混合するステップは、アップコンバータデバイスと、応答信号を抽出するためのダウンコンバータとを使用して実行される、請求項８に記載の方法。
10. 前記第２の電力パラメータの組は、ある範囲のパラメータ値に渡って可変である、請求項１に記載の方法。
11. １つ又は複数の測定デバイスからフィードバックを受け取る制御ループを使用して、前記第２の電力パラメータの組の設定を制御するステップを更に含み、各測定デバイスは前記第２の電力パラメータの組での前記電力結合を測定するようになっている、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の電力パラメータの組を調節するステップは、カスケード式制御ループプロセスに従って前記第１の電力パラメータの組の複数の構成要素の構成を制御するようになっているカスケード式制御ループによって実施される、請求項１に記載の方法。
13. 前記第１の電力パラメータの組を調節するステップは、前記プラズマチャンバに供給される電力の周波数を調節するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記第１の電力パラメータの組を調節するステップは、前記プラズマチャンバに供給される電力の大きさを調節するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記第１の電力パラメータの組を調節するステップは、前記プラズマチャンバに電力を供給するようになっている電源に結合された機械式チューニングデバイスを調節するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記第１の電力パラメータの組を調節するステップは、前記プラズマチャンバに電力を供給するようになっている電源に結合された電子電磁エネルギー整合デバイスを調節するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
17. 基板を処理するためのシステムであって、
    前記基板を処理するためのプラズマを収容するようになっているプラズマチャンバと、
    前記プラズマチャンバに、第１の電力パラメータの組での電力及び第２の電力パラメータの組での電力を供給するようになっている電源と、
    前記電源から前記プラズマチャンバへ前記電力を伝導するようになっている電力伝送システムと、
    前記プラズマへの電力結合を測定するために前記電力伝送システムに結合された１つ又は複数の測定デバイスと、
    前記第２の電力パラメータの組での前記電力結合の前記測定に少なくとも部分的に基づいて、前記第１の電力パラメータの組を調節するようになっている電源コントローラと、
    を含み、
    前記１つ又は複数の測定デバイスは、
    前記電力伝送システムの電力増幅器部品に結合された電力サンプリングセンサであって、反射電力を測定するようになっている電力サンプリングセンサと、
    前記電力伝送システムの電力伝送結合部品に結合されたマルチポイントセンサであって、電力伝送結合の共振電力を測定するようになっているマルチポイントセンサと、
    前記電力伝送システムのキャビティ部品に結合された電磁センサであって、前記プラズマチャンバに供給された電力の強度を測定するようになっている電磁センサと、
    前記プラズマチャンバ内で形成された前記プラズマによって生成された光の強度を測定するようになっている光学センサと、のうちの少なくとも１つを含む、システム。

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