JPWO2017126662A1 - プラズマ制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
プラズマPがいわゆる誘導結合プラズマである場合、要素10としてはコイルが用いられ、プラズマPがいわゆる容量結合プラズマである場合、要素10としては載置台20に平行に配設された電極が用いられる。
具体的には、載置台20には、高周波電力を供給するための電源部1’と、電源部1’とプラズマPとのインピーダンスの整合を行うインピーダンス整合器2’とを備えるプラズマ制御装置100’が接続される。電源部1’から供給された高周波電力は、インピーダンス整合器2’を介して、載置台20に印加される。
また、要素10には、高周波電力を供給するための電源部3’と、電源部3’とプラズマPとのインピーダンスの整合を行うインピーダンス整合器4’とを備えるプラズマ制御装置200’が接続される。電源部3’から供給された高周波電力は、インピーダンス整合器4’を介して、要素10に印加される。
図2は、プラズマ制御装置100’の具体的構成例を示す図である。なお、図2では、プラズマ処理装置が備える要素10の図示は省略している。
図2に示すように、プラズマ制御装置100’は、電源部1’とインピーダンス整合器2’とを備える。
電源部1’は、電源制御部、直流(DC)電源、周波数固定の発振器、パワーアンプ及び方向性結合器S1を具備する。なお、図2において、Tr1、Tr2は、FET又はIGBT等のトランジスタである。また、T1はトランスである。
インピーダンス整合器2’は、整合器制御部、電動機M、可変素子(図2に示す可変コンデンサVC1、VC2や、図示しない可変コイルなど)及びインピーダンス整合器2’内を流れる電流と印加される電圧の大きさの比率及び位相差を検出するセンサS2を具備する。
また、インピーダンス整合器2’の整合器制御部には、センサS2で検出したインピーダンス整合器2’内を流れる電流と印加される電圧の大きさの比率及び位相差が入力され、整合器制御部で整合状態を監視する。不整合状態であれば、整合器制御部は、電動機Mの機械的駆動によって、可変素子(可変コンデンサVC1、VC2)の定数を変化させるインピーダンス帰還制御を実行し、電源部1’とプラズマPとのインピーダンスの整合を行う。
電源部3’は、電源部1’と同様の構成を有し、インピーダンス整合器4’は、インピーダンス整合器2’と同様の構成を有する。
また、インピーダンス整合器4’の整合器制御部には、センサS2で検出したインピーダンス整合器4’内を流れる電流と印加される電圧の大きさの比率及び位相差が入力され、整合器制御部で整合状態を監視する。不整合状態であれば、整合器制御部は、電動機Mの機械的駆動によって、可変素子(可変コンデンサVC1、VC2)の定数を変化させるインピーダンス帰還制御を実行し、電源部3’とプラズマPとのインピーダンスの整合を行う。
(1)生成するプラズマが誘導結合プラズマである場合、プラズマの生成及び維持に必要な電力の伝播は、プラズマ発生用コイルによるプラズマとの誘導結合により行われるため、プラズマへの吸収電力は、このコイルに流れる電流の二乗に比例する。従って、電流値を用いた制御は電力値を用いた制御より直接的なものとなり、より安定したプラズマ生成を維持するには、安定した電流制御が必要である。
第1の手段に係るプラズマ制御装置が具備する共振発生部は、載置台に接続され、LC回路を具備している。そして、センサで検出したLC回路に流れる電流と印加される電圧との位相差が極小(共振状態)となるように、電源部が供給する高周波電力の周波数が制御(調整)されるため、共振発生部のLC回路、載置台及びプラズマにより、RLC共振回路が構成されることになる。このため、プラズマのインピーダンスが変化したとしても、共振現象によって増幅された電圧が載置台に印加されることになる。また、LC回路のコンデンサの静電容量がプラズマの想定静電容量よりも大きいため、プラズマのインピーダンスが変化したとしても、載置台の電圧の変化に及ぼす影響が少ない。さらに、電圧計によって測定した載置台の電圧が、目標とする設定電圧に近づくように、電源部が供給する高周波電力の大きさが制御される。以上の構成により、プラズマの状態変化によってプラズマのインピーダンスが変化した場合であっても、載置台の電圧は設定電圧に近い値に維持されるため、高精度で且つ安定したプラズマを用いた処理を実行可能である。
また、共振発生部のLC回路、載置台及びプラズマによるRLC共振回路が構成されることにより、電源部とプラズマとのインピーダンスの整合が実行されるため、従来のような機械的駆動を必要とせず、インピーダンスの整合を高速に実行可能である。
具体的には、プラズマの静電容量は、例えば、電源部1’から供給する高周波電力の周波数が2MHzのときに100pF〜110pF程度に想定され、電源部1’から供給する高周波電力の周波数が380kHzのときに400pF〜1200pF程度に想定される。
前述のように、LC回路のコンデンサの静電容量は、プラズマの想定静電容量よりも大きく設定されるが、例えばプラズマの想定静電容量の4倍以上程度に設定することが好ましい。
第2の手段に係るプラズマ制御装置が具備する共振発生部は、プラズマ発生用コイルに接続され、プラズマ発生用コイルに並列接続又は直列接続されたコンデンサを具備している。そして、センサで検出した共振発生部に流れる電流と印加される電圧との位相差が極小(共振状態)となるように、電源部が供給する高周波電力の周波数が制御(調整)されるため、共振発生部のコンデンサ、プラズマ発生用コイル及びプラズマにより、RLC共振回路が構成されることになる。このため、プラズマのインピーダンスが変化したとしても、共振現象によって増幅された電流がプラズマ発生用コイルに流れることになる。また、電流計によって測定したプラズマ発生用コイルに流れる電流が、目標とする設定電流に近づくように、電源部が供給する高周波電力の大きさが制御される。以上の構成により、プラズマの状態変化によってプラズマのインピーダンスが変化した場合であっても、プラズマ発生用コイルに流れる電流が設定電流に近い値に維持される。プラズマの吸収エネルギーは、プラズマ発生用コイルに流れる電流の二乗に比例することが知られているため、プラズマ発生用コイルに流れる電流が設定電流に近い値に維持されると、プラズマの吸収エネルギーの変化が少なく、高精度で且つ安定したプラズマ処理を実行可能である。
また、共振発生部のコンデンサ、プラズマ発生用コイル及びプラズマによるRLC共振回路が構成されることにより、電源部とプラズマとのインピーダンスの整合が実行されるため、従来のような機械的駆動を必要とせず、インピーダンスの整合を高速に実行可能である。
第3の手段に係るプラズマ制御装置が具備する共振発生部は、プラズマ発生用電極に接続され、LC回路を具備している。そして、センサで検出したLC回路に流れる電流と印加される電圧との位相差が極小(共振状態)となるように、電源部が供給する高周波電力の周波数が制御(調整)されるため、共振発生部のLC回路、プラズマ発生用電極及びプラズマにより、RLC共振回路が構成されることになる。このため、プラズマのインピーダンスが変化したとしても、共振現象によって増幅された電圧がプラズマ発生用電極に印加されることになる。また、LC回路のコンデンサの静電容量がプラズマの想定静電容量よりも大きいため、プラズマのインピーダンスが変化したとしても、プラズマ発生用電極の電圧の変化に及ぼす影響が少ない。さらに、電圧計によって測定したプラズマ発生用電極の電圧が、目標とする設定電圧に近づくように、電源部が供給する高周波電力の大きさが制御される。以上の構成により、プラズマの状態変化によってプラズマのインピーダンスが変化した場合であっても、プラズマ発生用電極の電圧が設定電圧に近い値に維持されるため、プラズマの吸収エネルギーの変化が少なく、高精度で且つ安定したプラズマを用いた処理を実行可能である。
また、共振発生部のLC回路、プラズマ発生用電極及びプラズマによるRLC共振回路が構成されることにより、電源部とプラズマとのインピーダンスの整合が実行されるため、従来のような機械的駆動を必要とせず、インピーダンスの整合を高速に実行可能である。
具体的には、プラズマの静電容量は、例えば、電源部3’から供給する高周波電力の周波数が2MHzのときに100pF〜110pF程度に想定され、電源部3’から供給する高周波電力の周波数が380kHzのときに400pF〜1200pF程度に想定される。
前述のように、LC回路のコンデンサの静電容量は、プラズマの想定静電容量よりも大きく設定されるが、例えばプラズマの想定静電容量の4倍以上程度に設定することが好ましい。
図5は、本発明の第1実施形態に係るプラズマ制御装置の概略構成図である。
図5に示すように、第1実施形態に係るプラズマ制御装置100が適用されるプラズマ処理装置は、以下の構成を有する。すなわち、プラズマ処理装置は、チャンバCと、チャンバCの上部に取り付けられ、チャンバC内にプラズマPを発生させるための要素10と、チャンバCの下部に取り付けられ、基板Sが載置される載置台20とを備え、チャンバC内に発生したプラズマPによって、載置された基板Sにエッチング処理等のプラズマを用いた処理を施す装置である。プラズマPがいわゆる誘導結合プラズマである場合、要素10としてはコイルが用いられ、プラズマPがいわゆる容量結合プラズマである場合、要素10としては載置台20に平行に配設された電極が用いられる。
図6は、第1実施形態に係るプラズマ制御装置100の具体的構成例を示す図である。なお、図6では、プラズマ処理装置が備える要素10の図示は省略している。
図6に示すように、プラズマ制御装置100は、電源部1と、共振発生部2と、電圧計(ピークツーピーク電圧Vppを測定するVppセンサ)5とを備え、電源部1と共振発生部2とが一体化されて電源装置30を構成している。
なお、共振発生部2は、方向性結合器S1も具備するが、方向性結合器S1から出力される進行波/反射波信号は、電源部1の総合制御部による制御には用いられず、単にモニタ可能とされているだけである。
また、電源部1は、センサS2によって検出した位相差が極小となるように、供給する高周波電力の周波数を制御する。具体的には、電源部1の総合制御部には、共振発生部2のセンサS2によって検出した位相差が入力され、総合制御部は、この位相差が極小となるように、発振器の周波数を制御する共振周波数調整制御(インピーダンス帰還制御)を実行する。
Z=Rp2+j[ω・L1−C3・(C1+C2)/{ω・(C1+C2+C3)}]となる。
共振状態では、インピーダンスZの虚数成分がゼロに近くなるため、RLC共振回路のインピーダンスはRp2と同等になる。
さらに、電圧計5によって測定した載置台20の電圧が、目標とする設定電圧に近づくように、電源部1が供給する高周波電力の大きさが制御される。以上の構成により、プラズマPの状態変化によってプラズマPのインピーダンスが変化した場合であっても、載置台20の電圧は設定電圧に近い値に維持されるため、高精度で且つ安定したプラズマを用いた処理を実行可能である。
図7は、本発明の第2実施形態に係るプラズマ制御装置の概略構成図である。
図7に示すように、第2実施形態に係るプラズマ制御装置200が適用されるプラズマ処理装置は、第1実施形態で説明したプラズマ処理装置と同様の構成を有する。ただし、第2実施形態に係るプラズマ制御装置200が適用されるプラズマ処理装置は、プラズマPが誘導結合プラズマであり、要素10としてコイルが用いられる。
図8は、第2実施形態に係るプラズマ制御装置200の具体的構成例を示す図である。
図8に示すように、プラズマ制御装置200は、電源部3と、共振発生部4と、電流計6とを備え、電源部3と共振発生部4とが一体化されて電源装置40を構成している。
なお、共振発生部4は、方向性結合器S1も具備するが、方向性結合器S1から出力される進行波/反射波信号は、電源部3の総合制御部による制御には用いられず、単にモニタ可能とされているだけである。
また、電源部3は、センサS2によって検出した位相差が極小となるように、供給する高周波電力の周波数を制御する。具体的には、電源部3の総合制御部には、共振発生部4のセンサS2によって検出した位相差が入力され、総合制御部は、この位相差が極小となるように、発振器の周波数を制御する共振周波数調整制御(インピーダンス帰還制御)を実行する。
また、共振発生部4のコンデンサC1、プラズマ発生用コイルL1及びプラズマPによるRLC共振回路が構成されることにより、電源部3とプラズマPとのインピーダンスの整合が実行されるため、従来のような機械的駆動を必要とせず、インピーダンスの整合を高速に実行可能である。また、周波数可変の発振器として、ダイレクトデジタルシンセサイザ(DDS)を用いた場合には、機械的駆動を必要とせずに、高速に発振器の周波数を制御可能である。
さらに、電源部3と共振発生部4とが一体化されて電源装置40を構成しているため、この電源装置40を市販の同軸ケーブル等を介さずにプラズマ発生用コイルL1に直接接続することで、規格で決められた特性インピーダンス(例えば50Ω)に規制されることなく、特性インピーダンスを自由に設定でき、小出力で高電流を発生することが可能である。
図10は、本発明の第3実施形態に係るプラズマ制御装置の概略構成図である。
図10に示すように、第3実施形態に係るプラズマ制御装置200Aが適用されるプラズマ処理装置は、第1及び第2実施形態で説明したプラズマ処理装置と同様の構成を有する。ただし、第3実施形態に係るプラズマ制御装置200Aが適用されるプラズマ処理装置は、プラズマPが容量結合プラズマであり、要素10として電極が用いられる。
図11は、第3実施形態に係るプラズマ制御装置200Aの具体的構成例を示す図である。
図11に示すように、プラズマ制御装置200Aは、電源部3Aと、共振発生部4Aと、電圧計(ピークツーピーク電圧Vppを測定するVppセンサ)7とを備え、電源部3Aと共振発生部4Aとが一体化されて電源装置40Aを構成している。
なお、共振発生部4Aは、方向性結合器S1も具備するが、方向性結合器S1から出力される進行波/反射波信号は、電源部3Aの総合制御部による制御には用いられず、単にモニタ可能とされているだけである。
また、電源部3Aは、センサS2によって検出した位相差が極小となるように、供給する高周波電力の周波数を制御する。具体的には、電源部3Aの総合制御部には、共振発生部4のセンサS2によって検出した位相差が入力され、総合制御部は、この位相差が極小となるように、発振器の周波数を制御する共振周波数調整制御(インピーダンス帰還制御)を実行する。
また、共振発生部4AのLC回路、プラズマ発生用電極10及びプラズマPによるRLC共振回路が構成されることにより、電源部3AとプラズマPとのインピーダンスの整合が実行されるため、従来のような機械的駆動を必要とせず、インピーダンスの整合を高速に実行可能である。また、周波数可変の発振器として、ダイレクトデジタルシンセサイザ(DDS)を用いた場合には、機械的駆動を必要とせずに、高速に発振器の周波数を制御可能である。
さらに、電源部3Aと共振発生部4Aとが一体化されて電源装置40Aを構成しているため、この電源装置40Aを市販の同軸ケーブル等を介さずにプラズマ発生用電極10に直接接続することで、規格で決められた特性インピーダンス(例えば50Ω)に規制されることなく、特性インピーダンスを自由に設定でき、小出力で高電圧を発生することが可能である。
具体的には、誘導結合プラズマを発生させるプラズマ処理装置に対して、基板Sを載置する載置台20に第1実施形態に係るプラズマ制御装置100(図6参照)を接続し、プラズマ発生用コイル10に従来のプラズマ制御装置200’(図3参照)を接続して、基板Sにエッチング処理を施す試験1を行った。一方、同じプラズマ処理装置に対して、載置台20に従来のプラズマ制御装置100’(図2参照)を接続し、プラズマ発生用コイル10に従来のプラズマ制御装置200’(図3参照)を接続して、基板Sにエッチング処理を施す試験2を行った。
(1)プラズマ発生用コイル10への設定電力:40W
(2)チャンバC内への供給ガス:C4F8(流量8sccm)
(3)試験1における設定Vpp:170V
図12(a)に示すように、載置台20に従来のプラズマ制御装置100’(図2参照)を接続した試験2の場合には、チャンバC内の圧力変化に伴い、載置台20の電圧に変化が生じている。これに対し、図12(b)に示すように、載置台20に第1実施形態に係るプラズマ制御装置100(図6参照)を接続した試験1の場合には、チャンバC内の圧力変化が生じたとしても、載置台20の電圧は安定していることがわかった。
2、4、4A・・・共振発生部
5、7・・・電圧計
6・・・電流計
10・・・要素(プラズマ発生用コイル又はプラズマ発生用電極)
20・・・載置台
S・・・基板
C・・・チャンバ
P・・・プラズマ
Claims (3)
- プラズマ処理装置に高周波電力を供給するプラズマ制御装置であって、
前記プラズマ処理装置は、誘導結合プラズマを発生させるためのコイル又は容量結合プラズマを発生させるための電極と、基板が載置され、該載置された基板に前記何れかのプラズマを用いた処理が施される載置台とを備え、
前記プラズマ制御装置は、
前記載置台に高周波電力を供給するための電源部と、
前記電源部と、前記載置台との間に介設され、前記電源部から供給された高周波電力を前記載置台に印加する共振発生部と、
前記載置台の電圧を測定する電圧計とを備え、
前記共振発生部は、
コイルとコンデンサとが接続されたLC回路と、
前記LC回路に流れる電流と印加される電圧との位相差を検出するセンサとを具備し、
前記LC回路のコンデンサの静電容量は、前記プラズマの想定静電容量よりも大きく、
前記電源部は、前記電圧計によって測定した電圧が目標とする設定電圧に近づくように、供給する前記高周波電力の大きさを制御すると共に、前記センサによって検出した位相差が極小となるように、供給する前記高周波電力の周波数を制御することを特徴とするプラズマ制御装置。 - プラズマ処理装置に高周波電力を供給するプラズマ制御装置であって、
前記プラズマ処理装置は、誘導結合プラズマを発生させるためのプラズマ発生用コイルと、基板が載置され、該載置された基板に前記誘導結合プラズマを用いた処理が施される載置台とを備え、
前記プラズマ制御装置は、
前記プラズマ発生用コイルに高周波電力を供給するための電源部と、
前記電源部と、前記プラズマ発生用コイルとの間に介設され、前記電源部から供給された高周波電力を前記プラズマ発生用コイルに印加する共振発生部と、
前記プラズマ発生用コイルに流れる電流を測定する電流計とを備え、
前記共振発生部は、
前記プラズマ発生用コイルに並列接続又は直列接続されたコンデンサと、
前記共振発生部に流れる電流と印加される電圧との位相差を検出するセンサとを具備し、
前記電源部は、前記電流計によって測定した電流が目標とする設定電流に近づくように、供給する前記高周波電力の大きさを制御すると共に、前記センサによって検出した位相差が極小となるように、供給する前記高周波電力の周波数を制御することを特徴とするプラズマ制御装置。 - プラズマ処理装置に高周波電力を供給するプラズマ制御装置であって、
前記プラズマ処理装置は、容量結合プラズマを発生させるためのプラズマ発生用電極と、基板が載置され、該載置された基板に前記容量結合プラズマを用いた処理が施される載置台とを備え、
前記プラズマ制御装置は、
前記プラズマ発生用電極に高周波電力を供給するための電源部と、
前記電源部と、前記プラズマ発生用電極との間に介設され、前記電源部から供給された高周波電力を前記プラズマ発生用電極に印加する共振発生部と、
前記プラズマ発生用電極の電圧を測定する電圧計とを備え、
前記共振発生部は、
コイルとコンデンサとが接続されたLC回路と、
前記LC回路に流れる電流と印加される電圧との位相差を検出するセンサとを具備し、
前記LC回路のコンデンサの静電容量は、前記プラズマの想定静電容量よりも大きく、
前記電源部は、前記電圧計によって測定した電圧が目標とする設定電圧に近づくように、供給する前記高周波電力の大きさを制御すると共に、前記センサによって検出した位相差が極小となるように、供給する前記高周波電力の周波数を制御することを特徴とするプラズマ制御装置。
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