JPWO2005015964A1 - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
基板が小型で、低電圧であった従前では、マイクロアークは、さほど問題とされていなかったが、上述したように、基板の大型化、電極への印加電圧の高電圧化に伴って、被害が大きくなるため、マイクロアーク発生防止の要請が大きくなっている。
そこで、マイクロアークが発生したら、これを速やかに検出して瞬間的にマイクロアークを止める必要がある。通常のアーク放電は、高電圧で大電流が流れるので、その検出は容易である。しかし、マイクロアーク放電は、低電圧で電流も小さく、局所的に発生するため、その検出が困難である。
このことは、容量結合型に限らず、変形マグネトロン型、誘導結合型、ヘリコン波型にも言える。
また、逆に電極間に加える高周波電力を高くして、マイクロアークの検出を容易にすることも考えられる。しかし、高周波電力を高くすると、逆にマイクロアークの確率が高くなり、発生頻度がアップするという問題があり、これも採用できない。
このように、検出器の検出結果に応じて、放電用電極に高周波電力を印加するのを一時停止させるか又は一時低下させるという簡単な構造で、有害なマイクロアークの発生を有効に抑制することができる。
このように、方向性結合器を設け、方向性結合器から取り出した信号を検出し、その検出結果に応じて、放電用電極に高周波電力を印加するのを一時停止させるか又は一時低下せるという簡単な構造で、有害なマイクロアークの発生を有効に抑制することができる。
したがって、検出器によって反射波のレベルがレベル設定値以上で、かつ、反射波を微分したレベルが微分設定値以上のとき、反射波の変動を検出するようにすれば、有害なマイクロアークの発生を、より有効に検出することができる。
反射波の変動条件に、進行波の遅延条件を加えて、これらの条件が全て成立した時に、高周波電力の印加を一時停止又は一時低下するようにしたので、放電初期にインピーダンス整合が取れていないことにより生じる正常放電時の反射波を無視して、マイクロアークに起因する反射波のみをとらえて、有害なマイクロアークのみを抑制することができる。
なお、反射波の変動条件に進行波の遅延条件を加えて、これらの条件が全て成立した時に、高周波電源を制御するようにする回路は、AND回路で容易に実現することができる。
モニタ信号を記録して管理することにより、基板処理装置の設定条件異常や、故障予測ないしメンテナンス時期を知ることが容易にできるようになる。
高周波電力の一時停止又は一時低下時間が100〜300μsecの時、通常アークに悪影響を与えることなく、マイクロアークの発生を有効に抑制できる。
簡単な方法によって、マイクロアークの発生を抑制することができる。
RF電源部100は、RF電力を制御可能に出力するRF発振部110と、処理室200に設けた電極210から反射してくる反射波Pr信号、又は/及びRF発振部110から電極210に向かうRF電力の進行波Pf信号(以下、単にPf/Pr信号という)を検出する検出手段120と、検出手段120の検出結果に応じて高周波カット信号(RFカット信号)をRF発振部110に加える制御手段130とから構成される。この制御手段130からのRFカット信号は、また、RF電源部100の外部へカット動作モニタ出力として取り出されるようになっている。
上述したRFカット機能を有する検出手段120、又は検出手段120及び制御手段130を、マイクロアークカッタということもある。
RF発振部110から出力されるRF電力は、検出手段120を介してRF電源部100の外に取り出されて、整合器300に入力される。また、制御手段130からRF発振部110へ出力される制御信号としてのRFカット信号は、RF電源部100の外部へカット動作モニタ信号(B)としても出力される。また、RF電源部100から、放電初期に整合器300を制御するためのPf/Pr信号(A)も出力されるように構成される。
RF発振部110は、高周波電源(RF電源)111を有する。RF電源111は、RF発振器112と、増幅度が制御可能なRF増幅器113とから構成される。RF発振器112により例えば13.56MHzの高周波信号(RF信号)を発生し、このRF信号をRF増幅器113により、プラズマPを発生させるために必要な電力まで増幅する。増幅されたRF電力は、パワーセンサ114を介してRF発振部110から取り出され、検出手段120に入力される。検出手段120に入力されたRF電力は、検出手段120の一部を構成する方向性結合器121に入力され、この方向性結合器121を介してRF電源部100から取り出されるように構成される。RF電源部100から取り出されたRF電力は整合器(マッチングボックス)300を介して処理室200に設けた電極210に印加される。
ここで、必要な電力としては、例えば2000Wである。なお、検出手段120の残りの部分は、後述する検出器122で構成される。
RF発振部110のRF電源111の出力段にパワーセンサ114が設けられる。パワーセンサ114は、RF増幅器113から出力されるRF電力の進行波Pf信号又は/及び電極210から反射する反射波Pr信号(Pf/Pr信号)を検出する。パワーセンサ114で検出したPf/Pr信号はA/D変換器115によってデジタル信号に変換され、CPU116に入力される。CPU116は、上記Pf/Pr信号を処理してPf/Pr信号を、例えば4msec程度に伸ばして出力する。このPf/Pr信号はD/A変換器117によって再度アナログ信号に変換され、RF電源部100の外部に出力される。
方向性結合器121は、RF発振部110と整合器300との間の伝送系に挿入されて、伝送系中を進行するRF電力波に対して検出器122を結合する。したがって、この方向性結合器121によって、パワーセンサ114から出力されるRF電力の進行波Pf信号が、整合器300側と検出器122側とに分岐される。又、電極210から反射されるRF電力の反射波Pr信号が、パワーセンサ114側と検出器122側とに分岐される。
Prレベル検出回路124のレベル設定値としては例えば100mVpp、微分レベル検出回路125の微分設定値としては、例えば400mVpp/2μsecである。
RFカット信号のパルス幅となる一時停止時間T1としては、例えば200μsecである。また、AND回路131の動作感度としては、マイクロアークのパルス幅に相当する2〜3μsecが好ましい。
上記所定時間としては、例えば200msecあることが好ましく、この場合、AND回路131から一致出力信号が出力される毎に、200msecのパルス幅のカット動作モニタ信号(B)が出力されることになる。
(a)Prレベルが所定値以上であること
Pr出力が発生しても、その振幅(レベル)が小さい間は問題は生じない。しかし、振幅が或る程度大きくなると問題が生じる。換言すれば、Prレベルが所定値になったとき、所定値以上のレベルのPrが発生しないように、そのPr波形を所定値でカットする必要がある。したがって、Pr出力の立上りレベルを検出することにより、そのレベル値から発生したマイクロアークが有害か否かを判定する必要がある。
(b)Pr微分レベルが所定値以上であること
Pr出力が急峻な場合に問題が生じる。したがって、微分してその傾きをレベルとして検出する。Pr出力波形が緩やかであると、強いアーク放電は発生していないと考えられ、処理室内でのダメージはほとんど生じない。Pr出力波形が急峻であると、強いアーク放電が発生していると考えられ、金属電極表面や、基板、さらには処理室内壁に与えるダメージが大きい。
(c)安定放電開始後に発生する反射波Prのみを対象とすること
放電初期の反射波Pr0を無視して、Pfが安定した後に発生するマイクロアークの反射波Pr1のみを検出対象とする必要がある。なお、Pf信号から直接マイクロアークの反射波Pr1信号を検出することは、Pf信号に対して相対的にPr1が小さいため、困難である。
なお、ここでの処理条件は、窒化シリコン膜(SiN)の成膜で例示すれば、ウェハ温度280〜350℃、ガス種SiH4、NH3、N2(H2を添加する場合もあり)、処理圧力は50〜400Pa、RF電力は3000〜7000Wである。
(1)放電初期
処理室200内にガスを導入しつつ排気させる。RF電源111をオンして、RF電源部100から、方向性結合器121及び整合器300を介して処理室200に設けた一対の電極210間に、RF電力を供給して、電極210間にプラズマPを生成させる。
この放電初期は、検出器122の検波回路123で検出された進行波Pfが遅延回路126によって遅延されるために、制御手段130のAND回路131のAND条件は取れないようになっている。したがって、インピーダンス整合が取れるまでの放電初期では、Prレベル設定値及びPr微分レベル設定値を上回る反射波Prが検出されても、制御手段130からはRFカット信号は出力されない。
また、放電初期、RF電源部100から出力されるPf/Pr信号によって(または、整合器300内の自動制御回路による場合もある)整合器300を制御して、RF電源111のインピーダンスと電極210のインピーダンスとを整合させる。
実施の形態によれば、放電中に発生する反射波Pr1は、次のようにしてカットされる。
図3に示すように、放電中に、3つの反射波A、B、及びCが、検出器122の検波回路123から検出されたとする。図4に詳細に示したように、反射波は、マイクロsecオーダで発生しており、反射波Aは、波形の傾きが微分設定値の400mVpp/2μsecよりも大きくて急峻であるが、Pr検出レベルはレベル設定値の100mVppより小さい。反射波Bは、Pr検出レベルはレベル設定値の100mVppよりも大きいが、波形の傾きが微分設定値の400mVpp/2μsecよりも小さく緩い。反射波Cは、上記した各設定値よりもPr検出レベルが大きく、波形の傾きが大きくて急峻であり、マイクロカッタの対象となる。
反射波Cについては、Pr検出レベルは400mVPP以上であり、設定値を越えているため、Prレベル検出回路124から検出信号が出力される。又、Pr微分レベルも急峻であり、設定値を越えているため、Pr微分レベル検出回路125からも検出信号が出力される。さらに、反射波Cの出ているタイミングは、反射波Cの発生時期が放電初期から外れた安定放電期間中に入っているので、CR遅延回路126からは、遅延Pf信号が出力されている。
前記のように、RF電力Pfの出力を一時停止すると、遅延回路126での遅延時間分、AND回路131への出力がオフされ、前記遅延時間の経過後にAND回路131へ出力がオンされる。従ってこのようにすると、放電初期に発生する反射波Pr0を無視するために、進行波Pfの出力を遅延回路126によって遅延させているので、ここでの遅延時間と等しくなる。このような回路構成とすることにより、遅延回路1つで放電初期及びRF電力Pfの出力一時停止した後の両方の工程で遅延させることができ、装置回路を簡略化することができる。
カット動作禁止時間T2経過後は、通常の監視体制に入り、マイクロアークが発生する毎に、上述したRFカット動作を繰り返して、マイクロアークの成長を速やかに抑制する。
なお、カット動作禁止時間T2は、例えば500μsec程度とするのがよい。
AND回路131から一致信号が出力される度に、その出力はピークホールド回路133にも入力されて、少なくとも200msecのパルス幅をもつ信号に変換されて、カット動作モニタ信号(B)としてRF電源部100より取り出される。これは、制御手段130のAND回路131の動作感度が2〜3μsecであり、このパルス幅の短い信号をそのままRF電源部100から取り出しても、装置全体のCPUのクロック周期が前記パルス幅よりも遅いため、基板処理装置の上位コンピュータが、そのカット動作モニタ信号を検出できないおそれがある。このため、ピークホールド回路133で、2〜3μsec程度の一致出力信号のパルス幅を、200msec程度に伸ばしている。このため、上位コンピュータによって、カット動作モニタ信号をサンプリング可能となり、確実に検出できるようにすることができる。
基板に所定時間のプラズマ処理を行なったら、ガス導入及びRF電力印加を終了して、基板処理を完了する。
但し、本発明により異常放電を無視している期間に異常放電が起きることもあるが、局所的な製品の破壊に留まるので、基板全体が不良になるのではなく、異常放電が起きた場所の半導体装置または液晶ディスプレイが不良になるだけなので、歩留まりが向上する。
又、制御手段にAND回路を設けて、検出器122から出力される3つの条件信号が全て取れた時、RFカット信号を出力するようにしたが、基板処理装置の種類や処理条件に応じて、Prレベル検出信号と微分レベル検出信号とを、AND回路に代えて、OR回路に加えるようにしても良い。これによれば、マイクロアーク抑制条件の(1)又は(2)のいずれか一方が成立するだけでも、RFカット信号を出力して、強制的にマイクロアークの発生を抑制することができる。
[図2]実施の形態による基板処理装置のブロック図である。
[図3]実施の形態による高周波電源部の制御動作を説明するPr検出レベルとPf出力の制御特性図である。
[図4]実施の形態による反射波が発生したときのPr検出レベルの説明図である。
[図5]従来例と実施の形態とに共通する平行平板電極による容量結合型のプラズマ基板処理装置の概略説明図である。
[図6]実施の形態による高周波電力波を示す説明図であり、(a)はPfレベル波形図、(b)はPrレベル波形図、(c)は遅延Pfレベル波形図である。
100 高周波電源部
111 高周波電源
120 検出手段
121 方向性結合器
122 検出器
123 検波回路
126 遅延回路
130 制御手段
131 AND回路
132 RFカット信号出力回路
133 ピークホールド回路
200 処理室
210 電極(放電用電極)
300 整合器
Claims (2)
- 制御可能な高周波電源を有する高周波電源部を備え、前記高周波電源から高周波電力を処理室に設けられた放電用電極に整合器を介して印加し、前記処理室内にプラズマを生成する基板処理装置において、
前記高周波電源部と整合器の間、又は整合器と放電用電極との間に、少なくとも前記放電用電極から反射する高周波電力の反射波を検出する検出器と、前記検出器の検出結果に応じて、前記放電用電極への高周波電力の印加を一時停止するか又は一時低下するように前記高周波電源を制御する制御手段とを設け、
前記制御手段は、前記放電用電極への高周波電力の印加を一時停止するか又は一時低下し、高周波電力を再度印加すると、所定時間経過前までは、高周波電力の印加を一時停止又は一時低下させずに継続的に高周波電力を印加し、所定時間経過後からは前記検出器の検出結果に応じて前記放電用電極への高周波電力の印加を一時停止するか又は一時低下するように制御する基板処理装置。 - 処理室内に基板を挿入し、前記処理室に基板処理ガスを導入しつつ排気し、高周波電源から高周波電力を放電用電極に整合器を介して印加して、前記処理室内にプラズマを発生させて前記基板を処理する基板処理装置において、前記放電用電極からの高周波電力の反射波を検出して前記放電用電極への高周波電力の印加を一時停止するか又は一時低下させるようにした後に、高周波電力を再度印加すると、所定時間経過前までは高周波電力の印加を一時停止又は一時低下させずに継続的に高周波電力を印加し、所定時間経過後からは反射波を検出すると前記放電用電極への高周波電力の印加を一時停止するか又は一時低下することが可能なように制御する基板処理方法。
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