JPH05266990A - Ｒｆプラズマのパワーモニター - Google Patents

Ｒｆプラズマのパワーモニター

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JPH05266990A
JPH05266990A JP4341022A JP34102292A JPH05266990A JP H05266990 A JPH05266990 A JP H05266990A JP 4341022 A JP4341022 A JP 4341022A JP 34102292 A JP34102292 A JP 34102292A JP H05266990 A JPH05266990 A JP H05266990A
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JP
Japan
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voltage
plasma
power
current
sensing head
Prior art date
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JP4341022A
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English (en)
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Jr Theodore E Johnson
セオドー・イー・ジョンソン・ジュニア
Paul W Rummel
ポール・ダブリュー・ラメル
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Comdel Inc
Original Assignee
Comdel Inc
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Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/02—Circuits or systems for supplying or feeding radio-frequency energy

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  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、ＲＦプラズマ処理を制御す
るためのパワーモニターを提供することである。 【構成】 本発明のパワーモニターは、主に、プラズマ
負荷９０と、該プラズマ負荷９０に接続された感知付属
装置１２とサンプルホールド周波数変換器１４とからな
る感知ヘッド１０と、前記サンプルホールド周波数変換
器１４に接続されたＲＭＳ変換器５２及び５４と零交差
検波器６４及び６５と乗算器６０と該乗算器６０に接続
された積分器６２とアナログ−デジタル変換器５５、５
６、６３及び７０とフリップフロップ６８とデータプロ
セッサ５０とからなる処理装置１１と、該処理装置１１
のデータプロセッサ５０に接続されたＲＦ発電機８０
と、該ＲＦ発電機８０と前記感知付属装置１２との間に
接続された整合ネットワーク７５と、前記処理装置１１
のデータプロセッサ５０に接続された表示端末装置８７
と、から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エッチングもしくは付
着処理において使用されるＲＦプラズマ発生装置に関
し、さらに特定すると、このようなプラズマ発生装置の
監視及び制御のための装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来技術と解決課題】現在のＲＦプラズマ技術は、電
源の不安定性と相互作用するプラズマ負荷非線形による
不整合反射、伝送線路損失、非反復インピーダンス整合
損失、リアクター送給損失およびＲＦエンベロープ変調
にもかかわらず、ＲＦ電源を一定の指示される順方向電
力に維持する。一旦、気流および気圧から互いにチェッ
クされると、処理診断は堂々めぐりのような推量ゲーム
に変わる。ＲＦプラズマの使用法の一つに、半導体材料
のエッチングがあり、電子工学産業界における回路のパ
ラメータを決定する。
【０００３】
【課題を解決するための手段】本発明によると、装置お
よび方法は、ＲＦ負荷のもしくはその付近の電圧および
電圧を感知するために提供された。ＲＦ電圧および電流
は、周波数を１ＭＨｚもしくはそれ以下まで減ぜられ、
デジタル信号に変換されてデジタルデータプロセッサへ
送給される真ＲＭＳ値に変換される。ＲＦ電圧および電
流は、また互いに乗算されて積分されＲＦ電力に比例す
る信号を提供する。このＲＦ電力信号は、またデジタル
形へ変換されてデータプロセッサへ供給される。データ
プロセッサは、モニター回路内に加えられた変数を補正
するようにプログラムされていて、感知装置の位置のＲ
Ｆ電圧、ＲＦ電力、プラズマ負荷のインピーダンスおよ
び位相角の真値を計算して表示させる。データプロセッ
サは、またフィードバック制御として使用可能な出力信
号をＲＦ電源へ供給して、負荷インピーダンスに関係な
く感知装置の位置の一定の電力、一定のＲＭＳ電圧、一
定のＲＭＳ電流、もしくは一定のバイアス電圧を維持す
る。
【０００４】そこで、本発明の目的は、ＲＦプラズマ処
理を制御するためのパワーモニターを提供することであ
る。本発明のさらなる目的は、図面を参照しつつ次の説
明を読み進むと明らかになるだろう。
【０００５】
【実施例】ＲＦプラズマパワーモニターのブロック図
が、図１に示される。このパワーモニターは、二つの基
本モジュールである感知ヘッド１０と処理装置１１とを
もつ。感知ヘッド１０は、二つの別個の装置である感知
付属装置１２とサンプルホールド周波数変換器１４で構
成される。装置１２と１４は、互いにしっかりと接続し
てあるが、分離できるように作成されているので感知付
属装置が変化してプラズマ電力レベルの幅に適応でき
る。
【０００６】感知付属装置１２が、電気的にさらに具体
的に図２に示される。感知付属装置１２は、三つのＲＦ
接続器１５、１６及び１７により周波数変換器１４に接
続されている。感知付属品１２は、感知要素を含んでい
る矩形のアルミニウム箱の形状であってもよい。二つの
さらなるＲＦ接続器２０及び２１は、負荷及びＲＦ電源
に接続するためのものである。
【０００７】ＲＦ導体２２は、接続器２０及び２１の間
に取りつけられる。導体２２は、制御されるＲＦ電力の
範囲に応じて直径が9.525 mmもしくはそれ以上の大きさ
にできる適当な金属の棒である。単一の裸導体は、使用
され、包囲体から絶縁され、接続器２０及び２１の中央
端子に接続された。
【０００８】三つの感知タップ２５、２６及び２７は、
導体２２に対して作成される。タップ２５は、導体２２
を円形に包囲するトロイド変圧器であるから、導体２２
は、変圧器の一次として動作する。タップ２６及び２７
は、ハンダ付けされるか、鑞接されるか、さもなくば直
接電気的物理的に導体２２と接続される。タップ２７
は、容量的に接続できる。
【０００９】タップ２５は、導体２２のＲＦ電流を感知
する。タップ２６は、導体２２上のＤＣバイアスレベル
を感知し、こうしてプラズマ負荷のＤＣバイアスレベル
を感知する。タップ２７は、導体２２上のＲＦ電圧を感
知する。タップ２５は、ＲＦ接続器１５によって電流制
限抵抗２８を介してマイクロ波スイッチミキサー３０に
接続される。
【００１０】タップ２７は、抵抗３２、ＲＦ接続器１７
及びコンデンサ３３を介して抵抗３４と接続されてお
り、抵抗３４は基準電圧３５と接続される。抵抗３２及
び３４は、電圧分割器として動作し、他方コンデンサ３
３はＤＣブロッキングとして動作する。コンデンサ３３
と抵抗３４との接点は、マイクロ波スイッチミキサ３６
に接続される。
【００１１】発振器３７は、必要に応じて周波数分割器
もしくは乗算器をもつ精密周波数源であり、周波数オフ
セットを加えたＲＦ電源の周波数の矩形波を供給する。
バッファ３８は、発振器に対して高いインピーダンスを
与え、その出力で速い立下がりおよび立上がりの時間を
もたらす。バッファ３８は、マイクロ波スイッチミキサ
３０および３６に接続される。ヒ化ガリウム製マイクロ
波スイッチが使用された。ミキサ３０および３６のそれ
ぞれの出力に接続された低域通過フィルター４０および
４１は、ほとんどの高い方の周波数を濾波して取り除
き、主要素である差周波数を残す。
【００１２】これは、従来のミキシング動作ではなく、
むしろマイクロ波スイッチが発振器からの矩形波出力に
よって定期的にオンとオフを切り替えられる”サンプル
ホールド”動作である。スイッチがオンに切り替えられ
る度に、その出力は低域通過フィルターのコンデンサ内
に保持される。
【００１３】バッファ４２および４４は、利得と高周波
要素のさらなる制限とを提供する高入力インピーダンス
の増幅器であり、適当な演算増幅器である。
【００１４】残りのタップ２６は、プラズマ負荷９０へ
の線路上のＤＣ電圧増大を感知することが唯一の目的で
ある。抵抗４５は、電圧分割器であり、その出力は、Ｒ
Ｆ接続器１６を介してＲ／Ｃフィルター４６に接続され
る。Ｒ／Ｃフィルター４６は、ＤＣ電圧に依存するＲＦ
電圧を除去する。
【００１５】上の記述は、感知ヘッド１０の回路要素の
説明である。感知ヘッド１０は、プラズマ負荷の線路上
の電圧および電流を感知して処理を容易にするために全
ての有効な周波数要素を１ＭＨｚもしくはそれ以下に低
減する。感知ヘッド１０の出力は、自由に曲がるケーブ
ルによって適当に処理装置１１に接続される。
【００１６】処理装置１１の要素は、詳細な説明を余り
要しない発達段階の装置が知られている。次の記述は、
図１に関するものである。処理装置１１の心臓部は、こ
のために特別にプログラムされた小型汎用コンピュータ
にできるデータプロセッサ５０である。
【００１７】バッファ４２及び４４の出力は、ＲＭＳコ
ンバータ５２及び５４それぞれに接続されている。ＲＭ
Ｓコンバータ５２及び５４の出力は、その後アナログ−
デジタル変換器５５及び５６それぞれを介してプロセッ
サ５０のデジタル入力ポートに接続されている。
【００１８】バッファ４２及び４４の出力は、またこれ
ら二つの信号を共に乗算する乗算器６０の入力５７及び
５８に接続される。乗算器６０の出力は、積分器６２の
入力に接続されてＲＦ電力を表す平均ＤＣレベルを供給
する。積分器６０の出力は、アナログ−デジタル変換器
６３を介してデータプロセッサ５０に接続されている。
これらの接続は、好ましくは積分器６２と変換器６３の
間に接続される可調節利得緩衝増幅器を含んでもよい。
【００１９】バッファ４２及び４４の出力は、またさら
に零交差検波器６４及び６５それぞれの入力に接続され
る。検波器６４及び６５は、フリップフロップ６８の入
力６６及び６７それぞれに接続される。この回路の目的
は、ＲＦ電圧がＲＦ電流より進んでいるか遅れているか
を決定することである。フリップフロップ６８の出力
は、データプロセッサ５０のデジタル入力に接続され
て、正負符号をインピーダンスの位相計算に割り当てる
のに使用される。Ｒ／Ｃフィルター４６の出力（図２）
は、アナログ−デジタル変換器７０を介してデータプロ
セッサ５０に接続されている。
【００２０】通常のモニター装置では、ＲＦ発電機８０
は、順方向電力及び反射電力を感知するための感知器を
含んでいる。順方向電力は、リード線８２によってプロ
セッサ５０に接続され、他方反射電力はリード線８３に
よって接続される。プロセッサ５０は、出力８４でＲＦ
発電機８０を稼働させ、出力８５で発電機８０の電力出
力レベルを設定する。これら全ての接続リード線は、標
準的なケーブル８６を介するように示される。
【００２１】データプロセッサ５０からの出力接続８７
は、表示用端末装置８８に通じている。表示用端末装置
８８は、映像表示装置もしくは簡単なデジタル文字表示
装置であってもよい。表示装置は、連続式、または逐次
式、または表示用端末装置８８の一部でもよいキーボー
ドからコマンドに応答する形式でもよい。
【００２２】製造において、各装置は試験され、データ
プロセッサは調節されて真の読み取りのための必要な補
正率を提供する。使用法の一つは、ＲＦプラズマ周波数
１３．５６ＭＨｚを使用するＲＦプラズマエッチングに
おけるものである。発振器周波数１３．５８５ＭＨｚ
は、モニター処理周波数２５ＫＨｚを提供することに使
用された。
【００２３】感知付属装置は、接続器２０及び２１によ
ってＲＦ整合ネットワーク７５とプラズマ負荷９０間に
接続される。この接続は、都合の良いようにプラズマ負
荷９０に接近して形成される。負荷９０に接近するに従
って、監視の精度は高くなる。データプロセッサ５０
は、特定の電力レベルをプラズマ負荷９０に供給するよ
うに設定され、イネーブル信号を送給してＲＦ電力の流
れを始動する。ＲＦ電流及び電圧は、感知されて感知ヘ
ッド１０内で周波数を下げられる。それから、乗算器６
０は、二数を互いに乗算してＲＦ電力に相当する信号を
供給する。その後この信号は、デジタル形に変換され
て、データプロセッサ５０内で最初に補正率を加えて真
電力を得て、その後補正信号をＲＦ発電機８０へ供給し
て負荷９０の電力を設定するように処理される。
【００２４】真電力と真ＲＭＳ電圧及び真ＲＭＳ電流
は、データプロセッサ５０によって処理されて表示装置
８８に供給される。このデータを発電機８０の線路８２
及び８３からの順方向電力及び反射電力と比較すると、
負荷インピーダンスの大きさと位相角は、また計算され
て表示される。負荷インピーダンスの大きさは、式 Ｚmag ＝ Ｅrms ／Ｉrms によって導き出される。ここで、Ｚmag は負荷インピー
ダンスの大きさであり、Ｅrms 及びＩrms はそれぞれ二
乗平均平方根電圧及び二乗平均平方根電流である。負荷
インピーダンスの位相角は、式 Ｚ0 ＝ ｃｏｓ-1［Ｐreal／（Ｅrms ×Ｉrms ） によって導き出される。ここで、Ｚ0 は負荷インピーダ
ンスの位相角であり、Ｐrealは真電力である。この導出
は、ソフトウエア制御下のデータプロセッサ５０内で実
行される。
【００２５】表示用端末装置８８との接続８７は、典型
的に種々のデバイスとの双方性通信の可能なＲＳ−２３
２シリアルポートである。
【００２６】タップ２６からのＤＣバイアスのパラメー
タは、プラズマ負荷によって自己誘導されるＤＣレベル
である。これは、しばしばプラズマ付着処理におけるパ
ラメータを制御する重要な処理となり、そしてこれ及び
これ以外の目的にとって有用となる。
【００２７】本発明は、特別な実施例及び使用法に関し
て説明してきたけれども、当業者であれば、本発明の技
術思想から逸脱することなく種々の変更及び修正が可能
であることは明白であろう。例えば、プロセッサ５０に
よって実行されるほとんどの処理は、ハードワイヤード
できる。大量生産の十分な制御を使用すると、補正率
は、真の読み取りのためにハードワイヤードできる。ま
たトロイド変圧器と直接溶接接続よりも他の感知器を使
用することも可能である。かかる変更及び修正は全て本
発明の技術思想に包含されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパワーモニターのブロック図である。
【図２】パワーモニターの感知ヘッドの部分設計図と部
分ブロック図である。
【符号の説明】
１０ 感知ヘッド １１ 処理装置 １２ 感知付属装置 １４ サンプルホールド周波数変換器 １５、１６、１７、２０、２１ ＲＦ接続器 ２２ ＲＦ導体 ２５、２６、２７ タップ ２８ 電流制限抵抗 ３０、３６ マイクロ波スイッチミキサ ３２、３４ 抵抗 ３３ コンデンサ ３５ 基準電圧 ３７ 発振器 ３８、４２、４４ バッファ ４０、４１ 低域通過フィルター ４６ Ｒ／Ｃフィルター ５０ データプロセッサ ５２、５４ ＲＭＳ変換器 ５５、５６、６３、７０ アナログ−デジタル変換器 ６０ 乗算器 ６２ 積分器 ６４、６５ 零交差検波器 ６８ フリップフロップ ７５ 整合ネットワーク ８０ ＲＦ発電機 ８８ 表示用端末装置 ９０ プラズマ負荷

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ．被加工体を含んでいるプラズマチャ
    ンバーにＲＦ発電機を接続することと、 ｂ．前記発電機と前記チャンバーとの間に直列に感知ヘ
    ッドを接続することと、 ｃ．前記感知ヘッド内でＤＣバイアス電圧と、ＲＦ電圧
    と、ＲＦ電流とを感知することと、 ｄ．感知された電圧および電流を処理して真電力データ
    を前記プラズマチャンバーの入力に与えることと、 ｅ．制御データをＲＦ発電機へフィードバックして前記
    プラズマチャンバーの入力の電力を一定に維持すること
    と、 を有するＲＦプラズマの電気パラメータを監視する方
    法。
  2. 【請求項２】 前記発電機と前記感知ヘッドとの間に配
    置されたインピーダンス整合ネットワークを使って、前
    記ＲＦ発電機のインピーダンスと前記プラズマチャンバ
    ーの入力インピーダンスとを整合する段階をさらに有す
    る請求項１に記載のＲＦプラズマを監視する方法。
  3. 【請求項３】 前記ＲＦプラズマが、前記プラズマチャ
    ンバー内で被加工体上に物理的な処理を実行する請求項
    ２に記載のＲＦプラズマを監視する方法。
  4. 【請求項４】 発振器を含めて前記感知ヘッド内の全て
    により運転されるサンプルホールド手段によってＲＦ周
    波数を１ＭＨｚもしくはそれ以下に減少させることをさ
    らに有する請求項２に記載のＲＦプラズマを監視する方
    法。
  5. 【請求項５】 前記サンプルホールド手段が低域通過フ
    ィルターの前に位置するマイクロ波スイッチであり、前
    記発振器が前記マイクロ波スイッチのオン、オフを切り
    替える矩形波出力をもち、他方前記フィルターが前記ス
    イッチの出力を保持するコンデンサを含んでいる請求項
    ４に記載のＲＦプラズマを監視する方法。
  6. 【請求項６】 前記処理が、ＲＭＳ電圧、ＲＭＳ電流お
    よび真電力から負荷インピーダンスの大きさと位相を引
    き出すことを含んでいる請求項２に記載のＲＦプラズマ
    を監視する方法。
  7. 【請求項７】 ａ．ＲＦ発電機と負荷の間のＲＦ伝送線
    路内に直列に接続可能な感知ヘッドと、 ｂ．ＲＦ電圧とＲＦ電流を検出するための、前記感知ヘ
    ッド内のタップと、 ｃ．検出されたＲＦ電圧およびＲＦ電流の信号の周波数
    を１ＭＨｚを越えない減ぜられた周波数に減ずるため
    の、前記感知ヘッド内の波形サンプリング手段と、 ｄ．前記感知ヘッドに接続された処理装置であり、
    （１）．前記減ぜられた周波数の前記ＲＦ電圧およびＲ
    Ｆ電流を乗算して電力を提供する乗算器と、（２）．前
    記電力をアナログ信号へ変換する積分器と、（３）．前
    記アナログ信号をデジタル信号へ変換するアナログ−デ
    ジタル変換器と、（４）．オフセットを抽出し、真電力
    を付与するために利得を一定にするデジタルデータプロ
    セッサと、を有する前記処理装置と、 を有するＲＦ負荷の電気パラメータを監視するためのＲ
    Ｆパワーモニター。
  8. 【請求項８】 前記ＲＦ発電機と前記感知ヘッドとの間
    に接続されていて、前記ＲＦ発電機のインピーダンスと
    前記負荷とを整合するためのインピーダンス整合ネット
    ワークをさらに有する請求項７に記載のＲＦパワーモニ
    ター。
  9. 【請求項９】 前記波形サンプリング手段が、矩形波出
    力を発生する発振器装置と、前記矩形波により動作され
    前記減ぜられたＲＦ周波数のサンプルを送給するマイク
    ロ波スイッチとを有する請求項８に記載のＲＦパワーモ
    ニター。
  10. 【請求項１０】 減ぜられた周波数のＲＦ電圧を表わす
    信号を前記デジタルデータプロセッサへ接続するアナロ
    グ−デジタル変換器手段をさらに有する請求項８に記載
    のＲＦパワーモニター。
  11. 【請求項１１】 減ぜられた周波数のＲＦ電流を表わす
    信号を前記デジタルデータプロセッサへ接続するアナロ
    グ−デジタル変換器手段をさらに有する請求項１０に記
    載のＲＦパワーモニター。
  12. 【請求項１２】 前記ＲＦ電圧とＲＦ電流を表わす両方
    の信号のためのアナログ−デジタル変換器手段の前にＲ
    ＭＳ変換手段をさらに有する請求項１１に記載のＲＦパ
    ワーモニター。
  13. 【請求項１３】 前記感知ヘッド内の他のタップが、前
    記ＲＦ伝送線路上の直流電流バイアスを感知するための
    タップである請求項８に記載のＲＦパワーモニター。
JP4341022A 1991-12-30 1992-11-30 Ｒｆプラズマのパワーモニター Withdrawn JPH05266990A (ja)

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