KR100805138B1 - Ｒｆ 바이어스를 제어하는 플라즈마 처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

진공 플라즈마 처리기의 r.f. 바이어스 소스로 반사되어 되돌아가는 전력의 양에 있어서 불연속이 발생하는 경향은, r.f.바이어스 소스 출력 전력을 제어함으로써 진공 처리 챔버내의 플라즈마에 전달되는 전력이 실질적으로 상수로 유지되도록 함으로써 극복될 수 있다. r.f.바이어스 소스 출력 전력은 r.f.바이어스 전력 소스를 제조공정품 홀더 처리기의 전극으로 연결하는 정합 회로망의 커패시터의 변화보다도 훨씬 빠른 속도로 변화된다. 상기 플라즈마의 용량성 임피던스 성분은 상기 챔버내의 플라즈마 시스의 두께를 광학적으로 측정함으로써 결정된다.

Description

ＲＦ 바이어스를 제어하는 플라즈마 처리 방법 및 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND APPARATUS WITH CONTROL OF RF BIAS}

본 발명은 제조공정품 홀더 상의 제조공정품을 처리하는 진공 플라즈마 처리기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정합 회로망을 통해 제조공정품 홀더의 전극에 결합된 교류 소스를 제어하여 소스 출력 전력을 변화시킴으로써 소스로 반사되어 돌아가는 전력량의 불연속 경향이 극복되도록 하는 교류 전원을 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 측면은 플라즈마 처리기 내의 플라즈마의 임피던스 성분을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 처리기의 진공챔버의 고체표면과 챔버 내의 플라즈마 사이의 시스(外裝)의 두께에 따라 임피던스 성분을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

제조공정품을 처리(예컨데, 제조공정품으로부터 물질을 에칭하거나 제조공정품에 물질을 퇴적함)하기 위한 진공 처리기는 일반적으로 진공펌프나 하나 이상의 이온화 가능한 가스 소스에 각각 연결되어 있는 제 1 및 제 2 포트를 포함한다. 가스는, 일반적으로 r.f.(무선주파수) 또는 마이크로파 소스인 제 1 교류소스에 따른 리액턴스를 포함하는 전기적 소스에 의해, 챔버내 플라즈마로 여기된다. 제 1 정합 회로망은 일반적으로 제 1 교류 소스와 플라즈마를 여기하기 위한 리액턴스 간에 연결된다. 만약 소스가 r.f.소스이면, 리액턴스는 전기장 및 자기장을 유전성 윈도우를 경유하여 챔버 내부에 제공하는 코일이거나 또는 정(靜)전기장을 챔버 내부에 제공하기 위한 병렬판 용량성 배열이다.

일반적으로 반도체 웨이퍼나 유전성 박판 또는 금속판인 제조공정품은, 종종 유전체에 덮힌 전극을 포함하는 제조공정품 홀더(즉, 척(chuck))상에 고정된다. 제조공정품을 홀더상에 고정하기 위한 정전기적 고정력을 제공하기 위하여, 일반적으로 직류 전압이 전극에 적용된다. 제조공정품은 일반적으로 헬륨과 같은 냉각제를 척(chuck)의 구석에 적용함으로써 냉각된다. 플라즈마내의 이온을 제조공정품으로 가속시키기 위해서, 제 2 교류소스가 정합 회로망을 통하여 전극에 연결된다. 각 정합 회로망은 일반적으로 스텝모터인 모터에 의해 변화되는 값을 갖는 한 쌍의 가변 리액턴스를 포함한다.

여기 리액턴스에 결합된 센서 및 척 전극에 결합된 센서 등과 같은, 플라즈마와 관련된 전기적 파라미터를 위한 센서는 가변 리액턴스의 값을 제어하는데 도움을 주는 신호를 이끌어낸다. 챔버내에 그리고 제 2 포트에 가스를 공급하는 라인에 있는 각각의 압력 및 유속 트랜스듀서들은 챔버내의 진공압력 및 챔버안으로 제 2 포트를 통해 흘러들어가는 가스의 유속을 제어하는데 도움을 주는 신호를 이끌어낸다.

하드 드라이브, 램(RAM) 및 롬(ROM)을 갖는 마이크로프로세서와 메모리 시스템을 포함하는 콘트롤러는 트랜스듀서에 의한 신호 및 조작자의 입력 콘솔로부터의 신호에 응답하여, 가변 리액턴스, 2개의 교류 소스의 출력 전력, 챔버내의 진공압 및 제 2포트를 통해 챔버로 공급되는 가스의 유속을 제어하기 위한 신호를 제공하기 위한 신호를 만든다. 메모리 시스템은 상이한 환경에서 제조공정품의 퇴적 및 에칭을 제어하는 다양한 파라미터를 나타내는 신호의 형태로, 여러 처리법을 저장한다. 그중에서도 특히, 각 처리법의 파라미터는 챔버로 공급되기 위한 가스 종류, 그 종류의 유속, 챔버의 진공압력, 2개의 교류 소스의 출력 전력이다. 각 처리법은 각 처리법을 수행하기 위한 시간 및/또는 퇴적되는 층의 두께 등의 다른 파라미터를 포함할 수 있다. 콘트롤러는 처리법의 파라미터들에 응답하여, 제 1 및 제 2 교류 소스의 출력 전원은 물론 챔버로 들어오는 가스 흐름을 위한 밸브 및 챔버 압력을 제어한다. 처리 중에, 콘트롤러는 제 1 및 제 2 정합 회로망의 리액턴스를 제어하여 제 1 및 제 2 교류 소스와 그들이 구동하는 부하 사이에 전력이 효율적으로 전달되도록 함으로써, 제 1 및 제 2 소스의 출력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스가 실질적으로, 제 1 및 제 2 소스가 제 1 및 제 2 정합 회로망에 연결된 케이블을 그들의 출력단로부터 바라봄으로써 각각 알 수 있는 임피던스와 동일하도록 한다.

처리 중에, 챔버 압력 및 가스 유속에 이상이 발생할 수 있다. 그러한 이상은 여기 리액턴스 및 r.f. 바이어스 전극에 결합되어 있는 플라즈마 임피던스에 영향을 준다. 콘트롤러는 이러한 이상에 기인하는 플라즈마 임피던스 변화에 반응하여 제 1 및 제 2 교류 소스로 반사되어 돌아가는 전력을 최소화하기 위하여 제 1 및 제 2 정합 회로망의 리액턴스를 변화시킨다. 이상적으로는, 반사되는 전력은 0 이지만, 실제로는 r.f. 바이어스 전극을 구동하는 교류 소스로 재반사되는 최소 전력은 대략 2 퍼센트 정도이다. 소스가 구동하는 부하 임피던스가 교류 소스의 출력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스의 공액복소수와 동일하면, 제 1 및 제 2 교류 소스에 의해 구동되는 부하에 흡수되는 전력은 최대화되고 교류 소스로 반사되어 돌아가는 전력은 최소화된다. ((A+jB)의 공액복소수는 (A-jB)이므로,) 실수 및 허수 성분 A와 B에 의하여 표현되는 출력을 가지고, √(A²+B²) 의 크기와 θ=arctan(A/B)의 위상각을 갖는 부하는, 그것이 구동하는 부하가 √(A²+B²) 의 크기 및 -θ의 위상각을 가질 때 정합된다.

측정배열은 정합 회로망이 부하에 얼마나 잘 "조율"되는가, 즉, r.f.소스의 출력터미널을 조사하여 알 수 있는 임피던스와 케이블의 입력터미널을 조사하여 알 수 있는 임피던스 사이의 정합의 정도를 감시하는데, 여기서 각 임피던스는 소스에 의해 구동되며 교대로 정합 회로망을 구동한다. 측정배열은 수많은 상이한 파라미터를 측정할 수 있으며, 예컨대, 케이블을 조사하여 알 수 있는 임피던스 또는 교류 발전기 출력단으로 반사되어 돌아가는 전력의 일부를 측정할 수 있다. 콘트롤러는 측정배열에 응답하여, 피드백 이론에 따라 정합 회로망의 리액턴스를 지속적으로 조절한다. 공동출원인 미국 특허 제5,689,215호 및 제5,793,162호에서 나타난 바와 같이, 수많은 상이한 조율 이론이 플라즈마를 교류 소스에 정합시키기 위하여 개발되어 왔다.

과거에는, 케이블 입력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스이거나 교류 소스의 출력단으로 반사되어 돌아가는 전력이거나 어느 것이라도 그 측정량은 정합 회 로망의 가변 리액턴스값의 연속함수라고 가정되어 왔다. 달리 말하면, 종전의 가정은, 가변 리액턴스 중 어느 한가지의 작은 변화라도 케이블을 조사하여 알 수 있는 임피던스나 반사된 전력에 작은 변화를 야기한다는 것이었다. 만약 플라즈마 부하 임피던스가 상수이면 그 가정은 옳다. 그러나. 플라즈마 부하 임피던스는 상수가 아니라, 플라즈마로 전달되는 교류 전력의 함수이다.

제 2 소스로부터의 전력을 r.f.바이어스 전극으로 결합시킬 수 있는 정합 회로망의 가변 리액턴스 중 하나 이상의 값에 작은 변화가 있더라도, 케이블 입력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스 또는 제 2 소스 출력단로 반사되어 되돌아가는 전력에 계단(step)적 또는 불연속적인 변화가 야기된다는 점이 관찰되었다. r.f.바이어스 전극에 결합된 플라즈마 부하 임피던스가 상수가 아니기 때문에 그러한 계단적이거나 불연속적인 변화가 발생한다고 생각된다. 그 대신에, r.f.바이어스 전극이 플라즈마로 전달하는 교류 전력은 명백히 플라즈마 부하 임피던스에 의존하며, 이 플라즈마 부하 임피던스는 교대로 r.f.바이어스 전극이 플라즈마로 전달하는 교류 전력의 양에 의존한다. r.f.바이어스 전극이 플라즈마로 전달하는 교류 전력과 플라즈마 부하 임피던스의 상호-의존성은 전달되는 전력에 영향을 주며, 제 2 교류 소스로부터 케이블의 입력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스 또는 제 2 교류 소스로 반사되어 들어가는 전력에 급속하거나 불연속적인 변화를 야기한다.

전달되는 교류 전력 및 부하 임피던스의 상호-의존성은 종종 종래 기술의 배열로 하여금 정합된 조건 및 작동을 적절히 유지할 수 없도록 한다. 불연속은 가장 중대한 상황에서 발생하여, 제 2 교류 소스로 반사되어 돌아가는 r.f.바이어스 전력을 최소화하도록 작동하는 정합 회로망이 정합 회로망 리액턴스의 변화가 매우 적더라도 큰 계단적 변화나 불연속을 가지도록 한다. 리액턴스 값의 한 계단의 변화(예컨대, 피코 패럿(picofarads) 단위로)에 대한 정합 회로망 리액턴스(오옴)의 변화에 따라서, 반사된 r.f.바이어스 전력이 근본적으로 0 크기로부터 대략 80 내지 90 퍼센트 값만큼 변화한다는 것이 관찰되었다. 달리 말하면, 정합 회로망 리액턴스 중 하나의 매우 작은 변화라도 반사된 전력으로 하여금 이상적으로 0 반사 전력상태로부터 전체적인 부정합으로까지 바뀌게 할 수 있다.

정합된 환경의 그러한 급작스런 변화는 r.f.바이어스 전극을 구동하는 교류 소스에 악영향을 미칠 수 있다. 반사된 r.f.바이어스 전력의 양의 그러한 급작스런 변화가 플라즈마 광학 방사에 스파이크(spike)가 생기도록 한다는 것이 관찰되었다. 플라즈마 방사의 광학적 스파이크가 광학적 첨단을 유발하고 제조공정품의 에칭을 너무 일찍 끝내도록 한다는 점이 발견되었다.

따라서, 플라즈마 처리기의 플라즈마를 제어하기 위한 새롭고 진보된 방법 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 플라즈마를 구동하는 교류 소스로 반사되어 돌아가는 에너지에 크거나 불연속적 변화가 발생하는 경향을 피하는 방식으로, 플라즈마 처리기의 플라즈마를 제어하기 위한 새롭고 진보된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 교류 소스 및 r.f.바이어스 전극 사이에 연결된 정합 회로망의 리액턴스의 작은 변화의 결과로 생기는, r.f.바이어스 전극을 구동하는 교류 여기 소스에 의해 측정되는 반사되는 에너지 또는 임피던스의 급격한 변화를 방지하기 위한 새롭고 진보된 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 플라즈마 처리기의 플라즈마를 제어하기 위한 새롭고 진보된 방법 및 장치를 제공함으로써, (정합 회로망을 경유하여 r.f.바이어스 전극을 구동하는) 교류 소스로 반사되어 되돌아가는 전력의 급격한 변화와 관련된 광학적 방사의 급격한 변화의 결과로, 너무 이른 종료가 발생하지 않도록 하는 것이다.

본 발명의 한 측면에 따르면 진공 플라즈마 처리 챔버내에 전극을 갖는 제조공정품 홀더 상의 제조공정품을 다루는 교류 플라즈마를 제어하는 방법이, 챔버로 제공되는 가스 종류, 챔버에 제공되는 가스의 유속, 챔버내의 압력, 플라즈마를 위해 여기 리액턴스로 공급되는 전력 및 전극에 공급되는 전력에 관련된 파라미터 세트를 포함하는 처리법과 관련하여 행하여진다. 상기 방법은 (1)제 1 및 제 2 가변 리액턴스를 가진 제 1 정합 회로망과 여기 리액턴스를 포함하는 제 1 회로를 경유하여 제 1 교류 소스로부터 플라즈마로 교류를 제공하는 단계; (2)제 1 회로에 의해 관측되는, 플라즈마를 포함하는 부하에 관련된 제 1 함수를 측정하는 단계; (3) 상기 측정된 제 1 함수에 따라 제 1 및 제 2 리액턴스를 제어하여 (a)제 1 소스의 출력 임피던스와 (b)제 1 소스가 구동하는 임피던스의 함수 사이의 소정의 관계를 유지하는 단계; (4)제 3 및 제 4 가변 리액턴스를 포함하는 제 2 정합 회로망 및 전극을 경유하여, 제 2 교류 소스로부터의 교류를 플라즈마로 공급하는 단계; (5)플라즈마의 임피던스에 관련된 제 2 함수를 측정하는 단계; (6)상기 측정된 제 2 함수에 응답하여 제 3 및 제 4 가변 리액턴스를 제어하여, 제 2 소스의 출력 임피던스 및 상기 제 2 소스가 구동하는 임피던스 사이의 실질적으로 정합된 조건을 유지하는 단계를 포함한다. 제 2 소스로 반사되어 돌아가는 전력은, 제 2 소스의 출력 임피던스와 제 2 소스가 구동하는 부하 사이의 정합을 제공하는 제 3 및 제 4 리액턴스 값으로부터 제 3 및 제 4 리액턴스의 하나 이상의 값에 작은 변화가 있는 결과, 계단적 변화를 갖는 경향이 있다. 하나의 파라미터 값이 처리법과 관련된 범위에 유지되는 반면에, 하나 이상의 파라미터의 증가적인 변화로 인해 하나 이상의 작은 변화가 발생한다. 계단적 변화의 경향은, 플라즈마 임피던스의 함수에 따라 제 2 소스의 출력 전력을 변화시킴으로써 극복될 수 있다. 제 2 소스 출력 전력은 제 3 및 제 4 리액턴스가 변화하여 계단적 변화를 갖는 경향을 만드는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 변화한다.

바람직한 일실시예로서, 제 2 소스의 출력 전력의 변화를 야기하는 플라즈마 임피던스의 함수는, 정합 회로망을 향한 제 2 소스로부터 관찰함으로써 알 수 있는 전기적 파라미터를 측정하여 나타나므로, 제 2 정합 회로망와 전극 사이의 탐침은 필요없다.

또 다른 바람직한 실시예로서, 변화하는 제 2 소스의 출력 전력을 야기하는 플라즈마 임피던스의 함수는 전극에 결합된 플라즈마 임피던스의 연산된 값이다. (1)정합 회로망의 입력단을 조사하는 것;(2)제 3 및 제 4 리액턴스의 값과 관련된 임피던스 값을 결정하는 것; 및 (3) (a)정합 회로망의 입력단을 조사하여 알 수 있는 측정된 임피던스,(b)정합 회로망의 입력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스를 측정하는 때의 제 3 및 제 4 리액턴스 값과 관련되어 결정된 임피던스 값, 및 (c)정합 회로망 입력단과 전극 사이의 고정된 임피던스 값으로부터 플라즈마 임피던스를 연산하는 것;에 의하여 알 수 있는 임피던스를 측정함으로써 플라즈마 임피던스의 연산되는 값이 결정될 수 있다.

또 다른 바람직한 실시예로서, 제 2 소스의 출력 전력을 야기하는 플라즈마 임피던스의 함수는 제 2 소스의 출력단으로 반사되어 돌아가는 전력의 측정치이다. 그런 경우에, 제 2 소스의 출력 전력이 결정되고, 제 2 소스의 출력단에 반사되어 돌아가는 전력과 제 2 소스의 출력 전력의 지시를 비교하여 제 2 소스의 출력전력을 제어한다.

제 2 소스의 출력 전력을 야기하는 플라즈마 임피던스의 함수는, 또한 전극에 결합된 바와 같은 플라즈마 임피던스의 측정치로부터 얻어질 수 있다. 전극에 결합된 바와 같은 플라즈마의 임피던스의 측정치는, 정합 회로망의 출력단으로부터 전극을 바라봄으로써 알 수 있는 하나 이상의 전기적 파라미터로부터 이끌어내어 질 수 있다.

제 2 소스의 출력 전력을 제어하는 것 외의 다른 목적으로 이용될 수 있는 본 발명의 일측면에서, 플라즈마의 측정된 임피던스 값은 챔버 내의 고체표면과 플라즈마 사이의 시스(sheath)의 두께를 측정함으로써 이끌어내어진다. 시스의 두께는 플라즈마 부하와 상관(相關)한다. 시스(sheath)의 두께는 바람직하게는 광학적으로 측정된다.

본 발명의 진보된 측면은 제조공정품을 처리하는 장치와 관련되어 있다. 상기 장치는 (a)제조공정품에 용량성으로 교류 전압을 공급하는 전극을 포함하는 제조공정품 홀더, (b)챔버에 이온화될 수 있는 가스를 공급하기 위한 제 1 포트, (c)챔버에 진공 펌프 배열을 연결하기 위한 제 2 포트를 갖는 진공 플라즈마 처리기 챔버를 포함한다. 여기 리액턴스(excitation reactance)는 가스를 플라즈마로 여기하기 위하여, 이온화될 수 있는 가스에 충분한 전기자기적 에너지를 공급한다. 제 1 교류 소스 및 여기 리액턴스간에 연결된 제 1 정합 회로망은 제 1 및 제 2 가변 리액턴스를 포함한다. 측정배열은 플라즈마 임피던스에 응답한다. 제 2 교류 소스와 전극간에 연결된 제 2 정합 회로망은 제 3 및 제 4 가변 리액턴스를 포함한다. 콘트롤러는 (a)챔버내의 진공을 제어하는 진공펌프 배열, (b)제 1 포트에 공급되는 가스의 유속, (c)제 1 교류 소스의 출력전력, (d)제 2 교류 소스의 출력 전력, (e) 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 가변 임피던스를 제어한다. 콘트롤러는 챔버내의 상이한 조건에 대한 여러가지 처리법을 저장하는 메모리 및 입력 장치를 포함한다. 각 처리법은 진공, 유속, 제 1 소스 출력 전력 및 제 2 소스 출력 전력의 값을 조절하기 위한 파라미터 세트를 포함한다. 콘트롤러는 메모리를 액세스하기 위한 입력장치에 응답하여, 챔버내의 진공, 가스 유속 및 제 1 및 제 2 소스의 출력 전력이 처리법들 중에서 선택된 하나와 관련하여 소정의 범위 내로 조절된 값에 있도록 한다. 콘트롤러는 (a)플라즈마가 여기 리액턴스를 로딩(loading)하는 동안 제 1 정합 회로망으로부터 여기 리액턴스를 조사하여 알 수 있는 임피던스와 제 1 소스 사이의 실질적인 임피던스 정합을 얻기 위한 제 1 및 제 2 리액턴스와; (b)플라즈마가 여기 리액턴스 전극을 로딩하는 동안 제 2 정합 회로망으로부터 전극을 조사하여 알 수 있는 임피던스와 제 2 소스 사이의 실질적인 임피던스 정합을 얻기 위한 제 3 및 제 4 리액턴스;를 제어하기 위하여 측정배열에 응답한다. 제 2 소스의 출력 임피던스와 그 제 2 소스가 구동하는 부하 사이의 정합을 제공하는 값에 대하여, 제 3 및 제 4 리액턴스 중 하나 이상의 값에 작은 변화가 있는 결과, 제 2 소스는 계단적 변화를 갖는 경향이 있다. 하나의 파라미터가, 선택된 처리법을 위한 단일의 파라미터 세트를 위해 그 범위에 유지되더라도, 파라미터들 중 하나 이상의 점진적인 변화로 인해 작은 변화가 생긴다. 콘트롤러는, 측정배열에 응답하여, 플라즈마 임피던스의 함수에 응답하여 제 2 소스의 출력 전력을 변화시킴으로써 계단적 변화가 발생하는 경향을 극복한다. 제 2 소스 출력 전력은, 제 3 및 제 4 리액턴스가 변화하여 계단적 변화를 갖는 경향을 만드는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 변화한다.

1997년 4월 16일자 출원, 발명의 명칭"Methods and Apparatus for Controlling Ion Energy and Plasma Density in a Plasma Processing System"인 패트릭 등(Patrick et al.)의 공동출원으로서, 할당된 시리얼번호 08/843,476인 출원이 알려져 있다. 그 공동출원은, 진공 플라즈마 처리 챔버내의 가스를 반도체 웨이퍼와 같은 제조공정품을 처리하기 위한 플라즈마로 여기하기 위한 코일을 포함하는 플라즈마 처리기를 나타낸다. 제조공정품은, 정합 회로망을 통하여 r.f.를 공급받는 전극을 갖는, 제조공정품 홀더 상에 실장된다. 전극을 구동하는 r.f.소스의 출력 전력은 플라즈마로 이온화 에너지를 공급한다. 전극에 결합된 r.f.소스의 출력 전력은 플라즈마 내의 입자의 이온화로부터 야기되는 직류 전압을 실질적으로 상수로 유지하도록 제어된다. 상업적으로 이용될 수 있는 전극배열은, 전극을 구동하는 r.f.소스에 의한 플라즈마의 이온화로부터 야기되는 직류 바이어스 전압을 감시한다.

상기 공동출원의 발명자들은, r.f.소스의 출력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스와 정합 회로망을 향한 r.f.소스의 출력단으로부터 알 수 있는 임피던스간의 실질적인 정합이 있도록 정합회로망이 조절될 때, 즉, 정합 조건과 관련하여 f.r.소스로 반사되어 되돌아가는 최소량의 전력이 있을 때 정합 회로망의 리액턴스의 작은 변화가 발생할 경우, 반사되는 전력에 계단함수 변화 경향이 발생한다는 것을 인식하지 못하였다. 그 공동출원의 장치는 본질적으로, r.f.를 제조공정품 홀더의 전극에 적용하는 결과로 발생하는, 직류 바이어스 전압을 제어한다.

그 공동출원은 (1)r.f.바이어스 소스가 척(chuck) 전극에 적용하는 전력과 (2)r.f.바이어스 소스와 척 전극간에 연결된 정합 회로망의 리액턴스를 제어하는 상대적 속도를 나타내지 못하였다. 리액턴스를 제어하는 동일한 컴퓨터 프로그램이, r.f.바이어스 소스가 척 전극에 적용하는, 전력을 제어하는 것으로 추론된다. 이것은 리액턴스와 r.f.바이어스 소스 전력의 제어는 동일한 주파수에서 일어난다는 것을 의미한다. 그 공동출원은 왜 제어 속도가 상이해야 하는가에 대한 이유를 대지 못한다.

따라서, 패트릭 등(Patrick et al.)의 장치의 적외선 작동은, 정합 회로망 리액턴스의 제어보다도 훨씬 빠른 속도로 r.f.바이어스 전력을 제어하는 본 발명과 상반된다. 또한, 본 발명의 장치는 본질적으로, 직류 바이어스 전압보다는 플라즈마의 임피던스를 제어한다. r.f.바이어스 소스의 고속 제어는, 출원인들이 발견한 계단 함수 문제를 해결하기 위해, 필수적이다. 직류 바이어스 전압보다 플라즈마 임피던스를 제어하는 것은 더욱 훌륭한 제조공정품 처리 제어도를 제공한다.

직류 플라즈마 바이어스 전압을 감시하는 것은 챔버에 근접한 전극에 대해서만 행해질 수 있다. 플라즈마에 근접한 전기적 파라미터를 감시하는 것과 관련하여 어려움이 있는데, r.f.소스에 근접한 r.f.바이어스 소스의 출력 전력을 제어하는 파라미터를 측정함으로써 극복된다.

본 발명의 또 다른 측면은, 진공 플라즈마 처리기 내의 교류 플라즈마의 전기적 부하 임피던스의 용량성 성분을 측정하기 위한 장치에 관련되어 있다. 부하는 전기 에너지를 플라즈마에 공급하는 전기회로에 결합되어 있다. 플라즈마는, 시스(sheath)이 챔버와 플라즈마 사이의 표면에 형성되도록 되어 있다. 그 장치는 시스의 두께를 측정하고 응답을 이끌어내기 위한 계기를 포함한다. 검사구조는, 시스의 전기적 부하 임피던스와 상관하는 값을 갖는 신호를 이끌어내기 위하여, 계기에 의해 나타난 응답에 응답한다. 바람직하게는, 그 계기는 시스 두께를 감시하고 이미지화하는 전자-광학적 장치이다.

그 전자-광학적 장치는, 제조공정품 홀더상의 제조공정품과 플라즈마 사이의 시스의 용량성 임피던스를 감시하는데 사용되는 경우에는, 제조공정품의 처리되는 표면 아래 지점 사이 지역으로부터 시스과 플라즈마 사이의 경계 위의 지점까지 확장되는 조망을 가지도록 배열된다.

본 발명의 상기의 목적 및 그밖의 목적, 특징 및 이점은 특히, 첨부도면과 관련하여, 아래의 여러 특정한 실시예의 상세한 설명을 참조하면 명백하여 질 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 플라즈마 처리기의 전체적 블록도,

도 2는 종래 기술 및 본 발명에 의한, 교류 소스와 r.f.바이어스 전극 사이에 연결된 정합 회로망의 커패시턴스 값의 함수로서, 반사된 바이어스 전력의 그래프,

도 3은 실수 및 허수 플라즈마 임피던스 성분 대 전달된 전력의 응답 곡선,

도 4는 시스의 두께를 결정하기 위한 광학적 이미지화 장치를 가지며, 그럼으로써 플라즈마의 용량성 임피던스 성분이 r.f.바이어스 전극상에 실어지도록 한 진공 플라즈마 처리 챔버의 측면도.

도 1에 나타낸 제조공정품 처리기는 진공 플라즈마 처리 챔버 어셈블리(10), 챔버 어셈블리(10)안의 이온화될 수 있는 가스를 플라즈마 상태로 여기하기 위한 리액턴스를 구동하기 위한 제 1 회로(12), 챔버 어셈블리(10)안의 제조공정품 홀더에 r.f.바이어스를 적용하기 위한 제 2 회로(14), 및 챔버 어셈블리(10)내 플라즈마에 영향을 주는 장치를 위한 제어 신호를 이끌어 내기 위하여 챔버 어셈블리(10)와 관련한 다양한 파라미터를 위한 센서에 응답하는 콘트롤러 배열(16)을 포함한다. 콘트롤러(16)는, 회로(12) 및 회로(14) 뿐만 아니라 챔버 어셈블리(10)와 관련된 다양한 센서 및 예컨대 키보드의 형태로 있을 수 있는 오퍼레이터 입력(22)으로부터의 신호에 응답하는 마이크로프로세서(20)를 포함한다. 마이크로프로세서(20)는 하드디스크(26), 램(RAM;28), 롬(ROM;30)을 포함하는 메모리 시스템(24)과 결합되어 있다. 마이크로프로세서(20)는 일반적인 컴퓨터 모니터일 수 있는 디스플레이(32)를 구동하기 위해 공급되는 다양한 신호에 응답한다.

하드디스크(26)와 롬(30)은 마이크로프로세서(20)의 작동을 제어하기 위한 프로그램을 저장하며 챔버 어셈블리(10)에서 실행되는 처리들을 위한 상이한 처리법들과 관련된 데이터를 조절한다. 상이한 처리법들은 상이한 공정중에 챔버 어셈블리(10)에 적용된 가스 종류와 유속, 회로(12 및 14)에 포함된 교류 소스의 출력 전력, 챔버 어셈블리(10)의 내부에 적용된 진공, 및 회로(12 및 14)의 정합 회로망에 포함된 가변 리액턴스의 초기값과 관계한다.

또한, 콘트롤러 배열은 r.f.바이어스 소스의 출력 전력을 제어하기 위한 마이크로프로세서(34)의 형태로 된 콘트롤러를 포함한다. r.f.바이어스 소스는 회로(14)를 위한 r.f.바이어스 소스의 출력 전력을 사실상 즉시, 즉, 마이크로프로세서가 장치를 구동하여 제어하는 속도보다 훨씬 빨리 제어하기 위해 회로(14)에 포함되어 있다. 즉, 출력 전력 처리기(34)는 마이크로프로세서(20)가 그 출력 신호를 제어하는 것보다, 그 속도의 크기가 한 자릿수 (order) 이상이되는, 빠른 속도로 r.f.바이어스 전력을 제어한다. 예를 들어, 만약 마이크로프로세서(20)가 20밀리초마다 한번씩 출력신호를 제어하면, 마이크로프로세서(34)는 출력신호를 매 밀리초마다 한번 또는 더빨리 제어한다.

플라즈마 챔버 어셈블리(10)는 금속성 비자기성 실린더형 측벽(42) 및 금속성 비자기성 베이스(44)를 갖는 챔버(40)를 포함하는데, 이들 측벽과 베이스는 전기적으로 접지되어 있다. 유전성의, 일반적으로는 석영의, 윈도우(46)는 벽(42)의 꼭대기 가장자리상에 고정적으로 배치된다. 벽(42), 베이스(44) 및 윈도우(46)는 적절한 개스킷(gasket)에 의해 서로 단단히 연결되어 있어서 챔버(40)의 내부에 진공이 이루어질 수 있도록 한다. 예컨대, 발명자 오글(Ogle)의 미국특허 제 4,948,458호 및 발명자 홀런드 등(Holland et al.)의 미국특허 제5,759,280호에서 구성되어 있는 것과 같이, 평면적 플라즈마 여기 코일(48)은 윈도우(46)의 상부면 위에 또는 매우 근접한 곳에 위치한다. 전기적 리액턴스인 코일(48)은, 리액턴스성으로 자기적 및 전기적 r.f.장을 챔버(40)의 내부에 제공하여, 도 1에서 참조번호(50)에 도식적으로 나타나 있는 바와 같이 챔버 안의 이온화될 수 있는 가스를 플라즈마로 여기한다.

베이스(44)의 상부면은 제조공정품(54)을 위한 홀더(52)를 싣고 있는데, 제조공정품(54)은 일반적으로 원형 반도체 웨이퍼, 평판 패널 디스플레이에서 사용되는 것과 같은 직사각형 유전성 판, 또는 금속판이다. 제조공정품 홀더(52)는 일반적으로, 유전층(58)을 싣고 있고 베이스(44)의 상부면에 실장된 유전층(60) 위에 위치하는, 금속판 전극(56)을 포함한다. 제조공정품을 다루는 매커니즘(도시하지 않음)은 제조공정품(54)을 유전층(58)의 상부면에 위치시킨다. 제조공정품(54)은, 적절한 소스(62)로부터 전극(56)내의 도관(64)이나 홈(도시되지 않음)을 경유하여 유전층(58)의 하부측으로, 헬륨을 공급함으로써 냉각된다. 제조공정품(54)이 유전층(58) 위에 위치한 상태에서 , 제조공정품(54)을 홀더(52;예컨대 척(chuck))에 고정하기 위하여, 직류 소스(66)는 스위치(도시되지 않음)를 통하여 전극(56)으로 적절한 전압을 공급한다.

제조공정품(54)을 척(52) 위에 안전하게 보관한 상태에서, 하나 이상의 소스(68)로부터 하나 이상의 이온화될 수 있는 가스가, 도관(70)과 측벽(42)내의 포트(72)를 통하여, 챔버(40)의 내부로 흘러들어간다. 편의상, 하나의 가스 소스(68)만 도 1에 나타냈다. 도관(70)의 내부는, 각각 포트(72)를 통해 챔버(40)으로 흐르는 가스의 유속을 제어하고 포트(72)를 통한 가스의 유속을 측정하기 위한, 밸브(74) 및 유속 계기(76)를 포함한다. 밸브(74)는 마이크로프로세서(20)가 이끌어내는 신호에 응답하는 한편, 계기(76)는 마이크로프로세서에 도관(70)내의 가스 유속을 지시하는 전기신호를 공급한다. 메모리 시스템(24)은, 챔버(40)에서 처리되는 각 제조공정품(54)에 대한 각 처리법을 위하여, 도관(70)내의 요구되는 가스 유속을 지시하는 신호를 저장한다. 마이크로프로세서(20)는 메모리 시스템(24)이 요구되는 유속을 위해 저장하는 신호에 응답하며, 계기(76)가 그에 따라 밸브(74)를 제어하기 위해 이끌어내는 측정 유속 신호에 응답한다.

도관(84)에 의해 챔버(40)의 베이스(44)안에 있는 포트(82)에 연결된 진공 펌프(80)는 챔버의 내부를, 일반적으로 1 내지 100 밀리토르(millitorr)의 범위로, 적절한 압력으로 될 때까지 비운다. 챔버(40)의 내부에 있는 압력 계기(86)는 마이크로프로세서(20)에 챔버(40)내의 진공압력을 지시하는 신호를 공급한다.

메모리 시스템(24)은 챔버(40)의 내부를 위한 요구되는 진공압력을 지시하는 신호를 각 처리법을 위하여 저장한다. 마이크로프로세서(20)는 메모리 시스템(24)이 각 처리법을 위해 이끌어내는 저장된 요구되는 압력 신호 및 압력 계기(86)로부터의 전기적 신호에 응답하여, 전기적 신호를 진공 펌프(80)에 공급함으로써 각 처리법을 위해 챔버(40)내의 압력을 설정지점 또는 소정의 값으로 유지한다.

광학적 분광계(90)는, 플라즈마에 의해 방출되고 측벽(42)내의 윈도우(92)를통하여 분광계와 결합되는 광학적 에너지에 응답함으로써, 플라즈마(50)의 광학적 방출을 감시한다. 분광계(90)는 플라즈마(50)에 의해 방출되는 광학적 에너지에 응답하여, 마이크로프로세서(20)로 전기신호를 공급한다. 마이크로프로세서(20)는 분광계(90)가 이끌어내는 신호에 응답하여, 플라즈마(50)가 제조공정품(54)에 행하고 있는 공정의 종료점(에칭 또는 퇴적)을 측정한다. 마이크로프로세서(20)는 분광계(90)가 이끌어내고 메모리 시스템(24)이 저장하는 신호에 응답한다. 그 신호는 처리법이 완성되었다는 것을 지시하기 위한 적절한 신호를 메모리에 공급하는 종료점과 관련된 분광계의 출력 특징을 지시한다. 그리고 나서, 마이크로프로세서(20)는 메모리 시스템(24)으로부터의 신호에 응답하여, 완성된 처리법과 관련된 특정 활동을 멈추고, 챔버(40)안에서 이전에 수행되었던 제조공정품에 대한 새로운 처리법을 시작하거나, 또는 척(52)으로부터 제조공정품(54)을 해제하고서 또다른 일련의 처리 처리법에 의해 새로운 제조공정품을 척에 옮기도록 명령한다.

코일(48)을 구동하기 위한 여기회로(12)는, 일반적으로 13.56MHz의 주파수를 가지고 있는 불변 주파수 r.f.소스(100)를 포함한다. 소스(100)는, 일반적으로 100내지 3000와트 사이의 범위의 출력전력을 갖는, 가변이득 전력증폭기(102)를 구동한다. 증폭기(102)는 전체가 저항성인 반면 리액턴스 성분은 없는 50오옴의 출력 임피던스를 가진다. 따라서, 증폭기(102)의 출력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스는 일반적으로 (50 + j0)오옴으로 표현되며, 케이블(106)은 50 오옴의 특성 임피던스를 가지도록 선택된다.

어떠한 특정한 처리법에 있어서도, 메모리 시스템(24)은 증폭기(112)의 요구되는 출력전력을 위한 신호를 저장한다. 메모리 시스템(24)은 증폭기(102)의 요구되는 출력전력을 마이크로프로세서(20)을 통하여 증폭기로 공급한다. 증폭기(102)의 출력전력은, 메모리 시스템(24)에 저장된 신호에 응답하여, 개루프 방식로 제어될 수 있다. 또는, 증폭기(102)의 출력전력은, 본 기술분야에서 알려저 있고 예컨대 앞에서 언급된 공동출원에서 설명된 바와 같은, 폐루프 피드백 체제로 제어될 수도 있다.

증폭기(102)의 출력전력은 케이블(106) 및 정합 회로망(108)을 통하여 코일(48)을 구동한다. "T"형으로 구성된, 정합 회로망(108)는 가변 커패시터(112 및 116)를 포함하는 2개의 직렬 가지 및 고정된 커패시터(114)를 포함하는 분로(shunt) 가지를 가진다. 코일(48)은 입력단과 출력단(122 및 124)을 포함하며, 이들은 각각 커패시터(112)의 한쪽 전극 및 직렬 커패시터(126)의 제 1 전극(제 2 전극은 그라운드 되어 있음)에 연결되어 있다. 커패시터(126)의 값은 앞에서 언급된 바와 같이, 발명자 홀란드(Holland) 등에 의해 설명된 바와 같이 선택됨이 바람직하다. 바람직하게는 스텝형인 전기모터(118 및 120)는 마이크로프로세서(20)으로부터의 신호에 응답하여, 상대적으로 적은 증분으로 커패시터(112 및 116)의 값을 제어한다. 그 모터는, 증폭기(102)의 출력단으로부터 케이블(106)을 바라봄으로써 알 수 있는 임피던스와 케이블(106)로부터 증폭기(102)의 출력단을 바라봄으로써 알 수 있는 임피던스간의 임피던스 정합을 유지하기 위한 것이다. 따라서, 앞에서 설명된 바와 같이 증폭기(102)의 (50 + j0)오옴의 출력 임피던스와 케이블(106)의 50오옴의 특성 임피던스를 위하여, 마이크로프로세서(20)는 모터(118 및 120)를 제어하여, 케이블(106)로부터 정합 회로망(108)을 조사하여 알 수 있는 임피던스가 가능한 한 (50 + j0)오옴에 가깝도록 한다.

모터(118 및 120)를 제어하여 증폭기(132)의 출력단을 조사하여 알 수 있는 임피던스 및 증폭기(132)가 구동하는 임피던스를 위한 정합 조건을 유지하기 위하여, 마이크로프로세서(20)는, 케이블(106)로부터 정합 회로망(108)을 조사하여 알 수 있는 임피던스를 지시하는 전통적인 측정배열(104)로부터의, 신호에 응답한다. 다른 방식으로는, 증폭기(102)가 그 출력단에 공급하는 전력 및 정합 회로망(108)에 의해 케이블(106)로 반사되어 돌아오는 전력을 지시하는 신호를 이끌어내기 위하여, 센서가 제공될 수 있다. 알려진 여러 방식 중의 하나로, 마이크로프로세서(20)는, 센서배열(104)이 이끌어내는 측정 신호에 응답하여, 정합조건을 달성하기 위해 모터(118 및 120)를 구동한다.

플라즈마(50)에 영향을 주는 챔버(40) 내부의 조건들의 변화로 인하여, 플라즈마는 가변 임피던스를 가진다. 그 조건들은 유속의 수차 및 포트(72)를 통하여 흐르는 가스의 종류, 챔버(40) 안의 압력의 수차 및 그밖의 요소이다. 또한, 때때로 모터(118 및 120)에 노이즈가 공급되어서 모터로 하여금 커패시터(112 및 116)의 값을 변화시키도록 한다. 이러한 모든 요소가, 플라즈마(50)를 포함한 부하에 의해 증폭기(102)의 출력단으로 반사되어 되돌아가는 임피던스에 영향을 준다. 마이크로프로세서(20)는 방향 커플러(104)의 출력 신호에 응답하여, 모터(118 및 120)를 제어하여 커패시터(112 및 116)의 값을 변화시킴으로써 증폭기(102)의 출력단에 의해 구동되는 임피던스를 상대적으로 상수로 유지하도록 한다. 그러나, 마이크로프로세서(20)의 기본 싸이클 타임이 일반적으로 20 밀리초의 수준이며, 증폭기(102)의 출력단에서의 정합 조건을 회복시키도록 다양한 작동 싸이클이 빈번히 요구되기 때문에, 이러한 변화에 대한 정합 회로망(108)의 응답시간은 보통 적어도 40 밀리초이다.

r.f.바이어스를 전극(56)을 통하여 제조공정품(54)에 공급하기 위한 회로(14)는 회로(12)와 어느 정도 비슷한 구성을 가지고 있다. 회로(14)는, 일반적으로 400kHz, 2.0mHz 또는 13.56mHz와 같은 주파수를 갖는 불변 주파수 r.f.소스(130)를 포함한다. 소스(130)의 불변 주파수 출력은 가변이득 전력증폭기(132)를 구동하는데, 이는 방향 커플러(134), 케이블(136) 및 정합 회로망(138)을 포함하는 직렬적 배열을 교대로 구동한다. 정합 회로망(138)은 고정 인덕터(140)와 가변 커패시터(142)의 직렬 조합을 갖는 직렬 가지 및 고정 인덕터(144)와 가변 커패시터(146)를 갖는 분로 가지를 포함한다. 바람직하게는 스텝 모터인, 모터(148 및 150)는 각각 마이크로프로세서(20)로부터의 신호에 응답하여 커패시터(142 및 146)의 값을 변화시킨다.

정합 회로망(138)의 출력단(152)은 r.f.바이어스 전압을 직렬 커플링 커패시터(154)를 경유하여 전극(56)에 공급하는데, 직렬 커플링 커패시터(154)는 정합 회로망(138)을 직류 소스(66)의 고정 전압으로부터 분리한다. 회로(14)가 전극(56)에 적용하는 r.f. 에너지는 유전층(48), 제조공정품(54) 및 제조공정품과 플라즈마 사이의 플라즈마 시스을 경유하여 척(52) 가까이의 플라즈마(50)의 일부에 용량적으로 결합되어 있다. 척(52)이 플라즈마(50)에 결합시키는 r.f. 에너지는 플라즈마 내에 직류 바이어스를 달성시키는데; 그 직류 바이어스는 일반적으로 50 내지 1000볼트의 값을 가진다. 회로(14)가 전극(52)에 적용하는 r.f.에너지로부터 기인하는 직류 바이어스는 플라즈마내의 이온을 제조공정품(54)을 향해 가속시킨다.

마이크로프로세서(20)는, 센서 배열(139)에 의해 나타나는 바와 같이 케이블(136)으로부터 정합 회로망(138)을 조사하여 알 수 있는 임피던스를 지시하는 신호에 응답하여, 모터(148 및 150) 및 커패시터(142 및 146) 값을, 정합 회로망(108)의 커패시터(112 및 116)의 제어에 관해 앞에서 설명된 바와 비슷한 방식으로, 제어한다. 따라서, 커패시터(142 및 146) 값의 극소한 변화를 위한 최소 타임은 마이크로프로세서(20)의 1 싸이클 타임이며, 위의 예에서는 20 밀리초이다.

각 공정 처리법에 있어서, 메모리 시스템(24)은 방향 커플러(134)로부터 케이블(136)로 흐르는 순전력을 위한 설정점 신호를 저장한다. 방향 커플러(134)로부터 케이블(136)로 들어가는 순전력(net power)은, 증폭기(132)의 출력 전력에서 부하 및 정합 회로망(138)으로부터 케이블(136)을 통하여 케이블(136)로 연결된 방 향 커플러(134)의 단자로 반사되어 돌아가는 전력을 뺀 것과 같다. 메모리 시스템(28)은 회로(14)와 관련한 순전력 설정점 신호를 마이크로프로세서(20)로 공급하는데, 마이크로프로세서(20)는 설정점 신호를 마이크로프로세서(34)로 교대로 공급한다. 마이크로프로세서(34)는 또한, 방향 커플러(134)가 전력 센서 배열(141)로 공급하는 출력 신호에 응답한다. 전력 센서 배열(141)은 케이블(136)에 의해 증폭기(132)의 출력단으로 반사되어 돌아가는 전력 및 증폭기(132)의 출력 전력을 지시하는 신호를 이끌어 낸다.

마이크로프로세서(34)는 마이크로프로세서(20)의 각 싸이클 타임보다 상당히 높은 속도로 작동한다. 마이크로프로세서(34)는 센서 배열(141)이 구동하는 측정 신호 및 설정점에 응답하는데, 측정 신호는 증폭기(132)의 출력 전력 및 증폭기로 반사되어 돌아가는 전력을 지시한다. 마이크로프로세서(34)는 입력 신호에 응답하여 증폭기(134)의 이득을 제어한다. 증폭기(132)는 모터(118 및 120)와 커패시터(112 및 116)를 제어하는 마이크로프로세서(20)의 응답시간 보다 빠른 크기의 수준인 응답시간을 가지고 전자적으로 이득을 제어한다. 따라서, 마이크로프로세서(20)가 커패시터(112 및 116)의 값 변화를 제어하는 속도보다 마이크로프로세서(34)가 증폭기(132)의 이득을 훨씬 빠르게 제어한다. 마이크로프로세서(34)는 전력 설정점, 증폭기(132)의 출력전력 및 케이블(136)에 의해 증폭기로 반사되어 돌아가는 전력을 지시하는 아날로그 출력 신호에 즉각적으로 응답하는 아날로그 콘트롤러로 대체될 수 있다.

일례로, 마이크로프로세서(34)는 방향 커플러(134)와 마이크로프로세서(20) 가 제공하는 신호에 응답하여 증폭기(132)의 이득을 제어함으로써, 증폭기(132)의 출력 전력이 P_set=P_G-P_R(여기서 P_set은 설정점 전력, P_G 는 증폭기(132)의 출력전력, P_R은 플라즈마에 의하여 증폭기의 출력단으로 정합 회로망(138)과 케이블(136)을 경유하여 반사되어 돌아가는 전력)에 따라 변화하도록 한다. 정합 회로망(138), 케이블(136) 및 방향 커플러(134)의 전력 손실이 어떠한 특정 처리법에 대하여도 실제로 동일하기 때문에, 방향 커플러(134)에 의해 감시되는 반사 전력은, 전극(56)과 플라즈마(50) 사이에 결합되는 전력과 쉽게 상관한다. 마이크로프로세서(20)가 마이크로프로세서(34)에 제공하는 설정점 신호는 각 처리법에 있어서의 이러한 전력 손실의 보상을 포함한다. 마이크로프로세서(34)는 제조공정품(54)이 특정한 처리법에 따라 처리되는 전체 시간 동안, 즉, 마이크로프로세서(20)이 종료점을 지시하는 광학적 분광계(90)의 출력에 응답할 때까지, 증폭기(132)의 이득을 지속적으로 제어한다.

콘트롤러(16)는 증폭기(132)의 이득을 커패시터(142 및 146)의 값보다 훨씬 빠른 응답시간으로 지속적으로 제어하는데, 이는 상기 커패시터값이 (증폭기(132)의 출력단으로 반사되어 돌아가는 전력 대 커패시터(142 및 146)의 값에 대한) 함수의 대략 이상적인 응답 곡선으로 바뀌도록 하기 위함이다. 도 2에서, 점선으로 표시된 곡선(160)은 정합 회로망(138)의 직렬 커패시터(142)의 리액턴스값을 반사되는 바이어스 전력의 퍼센트로 즉, 증폭기(132)의 출력 전력을 기준으로 플라즈마(50) 및 전극(56)으로부터 증폭기(132)의 출력단으로 반사되어 돌아가는 전력의 퍼센트로(따라서, 반사되는 바이어스 전력(퍼센트)는 도 2에서 100*P_R/P_G) 관련시키는 이상적인 응답 곡선이다. 앞에서 논의된 바와 같이, 마이크로프로세서(20)이 마이크로프로세서(34)로 공급하는 설정점 신호는, 방향 커플러(134)가 마이크로프로세서(34)로 공급하는 반사 전력 신호에 대한 고정 보상을 포함한다. 고정 보상은 방향 커플러(134), 케이블(136) 및 특정한 처리법을 위한 정합 회로망(138)의 손실에 의해 결정된다.

이상적 곡선(160)은 분당 100 표준 입방 센티미터[sccm]의 속도로, 포트(72)를 통해 챔버(40)로 흐르는 염소 가스에 기초하는 반면, 펌프(80)는 챔버(40)의 내부를 10 미리토르로 될 때까지 비우며, 발전기(102)는 400와트의 출력 전력을 가지고 있다. 곡선(160)은 또한 마이크로프로세서(20)가 활성화된 모터(150)을 가지고 있어서, 증폭기(132)의 출력단을 조사하면 알 수 있는 임피던스와 증폭기(132)가 보는 출력단의 임피던스간에 사실상 완전한 임피던스 정합을 이루게 할 수 있는 값을 분로 커패시터(146)가 가지도록 한다는 전제를 기초로 하고 있다. 따라서, 곡선(160)은 반사되는 바이어스 전력 퍼센트를 오옴값인 커패시터(142) 리액턴스의 함수로서 나타낸다. 제조공정품(54)의 각 처리법에 따른 커패시터(146)의 변화에 대해, 유사한 곡선이 존재한다.

곡선(160)은 최소값 지점(162)를 가지며, 이 지점은 모터(148)가 커패시터(142)를 조절함으로써 커패시터가 22.33 오옴의 리액턴스와 관련한 값을 가지도록할 때의 0 반사 전력값과 관련된 것이다. 이상적으로는, 곡선(160)은 지 점(162)과 관련하여 대략 대칭이다. 마이크로프로세서(20)와 모터(148)가 커패시터(142)를 조절하여 커패시터가 22.33 오옴보다 크거나 작은 리액턴스에 관련된 값을 가지도록 하기 때문에, 증폭기(132)의 출력단으로 반사되어 돌아가는 전력량은 162지점에서 반대 방향으로 뻗어가는 이상적인 응답 곡선(160)의 164 및 166의 부분으로 지시되는 바와 같이 점차적으로 그리고 지속적으로 변화한다.

그러나, 증폭기(132)에 의해 구동되는 플라즈마 부하가 상수라는 가정하에 곡선(160)에 의해 나타나는 이상적 상황은, 마이크로프로세서(34)가 의해 제공되는 제어가 포함되지 않는 한 실제로는 일어나지 않는다는 것이 발견되었다. 특히, r.f.증폭(132)가 상수적 양의 전력을 방향 커플러(134)로 전달할 때 이상적인 응답 곡선(160)이 나타나지 않는다는 것이 발견되었다. 만약 증폭기(132)의 출력 전력이 앞에서 언급된 바와 같이 그 값이 P_G=P_set으로 되도록 고속방식으로 지속적으로 제어되지 않으면, 최소 반사점(162)으로부터 두 커패시터(142 또는 146) 중의 하나 또는 둘의 값의 작은 변화는 응답곡선(168)의 부분(170)에 의해 지시되는 바와 같이, 반사되는 바이어스 전력에 있어서 불연속적인, 즉, 계단적인 변화를 야기한다. 커패시터(142)의 리액턴스 값의 22.33 오옴(162 지점에서)으로부터 22.4오옴(172지점에서)에 이르는 최소의 계단적 변화에 응답하여, 곡선(168)은 0 반사 바이어스 전력 퍼센트로부터 대략 85 퍼센트의 반사 바이어스 전력퍼센트까지 점프한다. 따라서, 커패시터(142)값의 최소의 단계전 변화에 응답하여, 정합된 조건으로부터 사실상 완전히 비정합된 조건으로 큰 변화가 발생한다. 분로 커패시터(146)의 값의 최소의 변화에 응답하여 마찬가지의 변화가 발생한다.

플라즈마(50)가 전극(58)에 결합시키는 임피던스와 전극이 플라즈마에 전달하는 전력간의 비선형적 관계때문에 물결형의 부분(170)의 계단적 변화가 발생한다고 생각된다. 만약 발전기의 출력 전력(PG)이 상수이면, 반사되는 전력(PR)은 커패시터 값을 조율하는 일부 범위에 대해 커패시터 값을 조율하는 3중 값의 함수이다. 3개의 반사되는 전력 값의 중앙점은 불안정하며, 관찰되는 반사 전력은 낮은 값으로부터 높은 값으로 불연속적으로 변화한다.

곡선(168)은 최소의 반사 바이어스 전력점(162)에 대하여 매우 비대칭적이기 때문에, 곡선(168)의 부분(162)의 왼쪽에 있는 부분(174)은 물결 부분(170)보다 훨씬 적은 경사를 가진다. 또한, 부분(174)은 이상화된 응답 곡선(160)의 부분(164 또는 166)의 어떤 것의 경사보다도 더 적은 경사를 가진다. 전극(56)에 의해 구동되는 플라즈마(50)의 부하가 전극(56)에 공급되는 전력의 함수이기 때문이라고 생각된다.

응답(168)의 불연속적 부분(170)의 발생이 시간의 함수로서 반사된 바이어스 전력에 큰 스파이크를 야기하며, 이러한 스파이크들은 제조공정품(54)의 처리, 특히 에칭 공정에 손상을 준다는 것이 발견되었다. 또한, 이러한 손상적인 결과는 극복될 수 있으며, 이상적인 응답 곡선(160)이 고속 바이어스상에서 증폭기(132)의 출력 전력을 연속적으로 제어함으로써 앞에서 논의된 바와 같이, P_S=P_G-P_R에 따라 얻어질 수 있다는 것이 발견되었다. P_S=P_G-P_R을 유지하는 것은 전극(56)이 플라즈마(50)로 공급하는 전력을 상수로 유지시킨다. 전극(56)이 플라즈마(50)으로 공급하는 전력을 상수로 유지시키는 것은, 플라즈마 임피던스를 실질적으로 상수로 유지시키는 것이다.

전극(56)이 플라즈마(50)으로 전달하는 전력과 플라즈마 임피던스의 실수,허수 부분 사이의 관계가 도 3에 나타나 있다. 응답 곡선(175 및 176) 각각은 부드러운, 연속적인 곡선으로, 낮은 전달 바이어스 전력에 대해 상대적으로 높은 값을 가지고 있으며, 높은 전달 바이어스 전력에 대해 상대적으로 낮은 값을 가지고 있다. 응답곡선(175 및 176)은, 10 밀리토르로 비워진 진공 챔버로 100[sccm]으로 흐르는 염소(Cl₂)로, 발명자 홀란드(Holland) 등의 공동특허에 나타난 유형의 400와트로 구동된 코일을 가지고, 폴리실리콘 반도체 웨이퍼를 에칭하는데 측정된 실제의 측정치를 나타낸다. 이것들은 도 2의 응답 곡선(160 및 168)과 관련된 측정치에 유력한 동일한 조건이다.

도 3은, 전극이 플라즈마로 전달하는 전력이 상수이면, 플라즈마(50)가 전극(56)에 결합시키는 임피던스의 실수 및 허수 부분이 상수로 유지된다는 것을 나타낸다. 따라서, 전극(56)이 플라즈마(50)로 전달하는 전력을 상수로 유지시키면 이상적인 응답곡선이 얻어질 수 있고, 계단적인 불연속 부분(170)을 갖는 비대칭적 응답 곡선(168)을 피할 수 있다.

도 1의 장치는, 증폭기(132)의 출력과 정합 회로망(138)로부터 멀리 떨어진 케이블(136)의 끝 사이에 있는, 방향 커플러(134)에서 반사된 파라미터를 감시한다. 이러한 배열은 정합 회로망(138)과 전극(56)간의 리드선에 전기적 측정 장치의 필요를 피할 수 있기 때문에, 유익하다. 그러나, 본 발명의 많은 원리가, 정합 회로망(138)을 전극(56)에 연결하는 리드선에서의 부하 파라미터를 감시하는 것에도 동등하게 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 다른 장치 및 기술도 전극(56) 위의 플라즈마(50)의 부하 임피던스를 감시하는데 이용될 수 있다.

도 4는 제조공정품(54)에 결합된 바와 같이 플라즈마(50)의 용량성 리액턴스를 효과적으로 감시하기 위한 배열의 도식적 다이어그램이다. 도 4에 나타나 있는 장치에 관련된 원리는 챔버(40)의 내부 표면과 플라즈마(50)와의 사이의 커패시턴스를 효과적으로 측정하는데 적용될 수 있다.

도 4의 배열은, 플라즈마 시스 두께의 변화에 기인한 부하의 커패시턴스의 변화는 기본적으로, 도 2에서의 계단적 또는 불연속적 부분(170)을 포함한 비대칭성 응답 곡선(168)을 야기한다는 원리에 기초한다. 따라서, 플라즈마(50)가 전극(56)에 제공하는 부하 임피던스의 허수부분만을 감시하고 제어하는 것은 종종 P_S=P_G-P_R의 관계를 달성하기 위해 증폭기(132)의 출력 전력을 제어하기에 충분하다. 달리 말하면, 플라즈마(50)와 제조공정품(54)간의 시스의 두께를 감시하면, 플라즈마 임피던스의 허수 부분을 지시하는 신호가 얻어질 수 있다. 시스 두께를 지시하는 신호는 증폭기(132)의 출력 전력을 제어하여, 시스 두께를 상수로 유지한다. 그러한 작용은 도 2의 이상적인 곡선(160)의 대략적인 실현을 가능케 하고, 비대칭적인 응답 곡선(168)에 따른 작용을 방지한다.

플라즈마 시스이, 플라즈마가 배치되어 있는 진공 챔버의 인접 표면과 플라즈마와의 사이의 어두운 지역이기 때문에, 플라즈마 시스은 광학적 방출이 없다. 따라서, 플라즈마 시스의 두께는, 도 4에 나타낸 장치를 사용하여, 제조공정품(54)과 광학적으로 방출하는 플라즈마(50)와의 사이의 어두운 지역의 높이를 측정함으로써, 광학적으로 감시될 수 있다.

도 4는 챔버(40)의 측벽(42) 안에 광학적으로 투명한 윈도우(180)를 포함한다. 윈도우(180)에 대해 정렬해 있는 챔버(40)의 외부의 광학적 측정기 배열(182)은 플라즈마(50)의 바닥부분과 제조공정품(154)의 상부면 사이의 플라즈마 시스의 두께(184)를 측정한다. 배열(182)은 5개의 수직적으로 배열된 광측정기(191-195)를 포함하며, 이들 각각은 양면이 볼록한 렌즈(201-205)에 연결되어 있다. 광측정기(191-195)와 렌즈(201-205)는 광측정기(191)의 시야가 효과적으로 제조공정품(54)의 상부면 바로 위에 있고, 광측정기(195)의 시야가 시스(184)의 최대 예측 두께의 바로 아래에 있도록 배열된다. 광측정기(192-194)는 광측정기(191-195)의 시야 사이의 시야를 가지고 있다.

광측정기(191-195)는 각 광측정기에 관련된 시야가 플라즈마(50)로부터의 방출을 포함하는가 포함하지 않는가에 관한 2층 구조의 전기적 출력을 이끌어 낸다. 플라즈마(50)가 특정 광측정기의 시야에 있지 않으면, 광측정기의 응답은 암(暗)이며 시스(184)을 이미지화하는 특정 광측정기의 시야에 관련되어 있다. 따라서, 적은 출력을 갖는 광측정기(191-195)의 수는, 특정 광측정기의 시야에 있는 시스(184)와 관련하여, 시스(184)의 두께에 가까운 수치를 지시한다.

메모리 시스템(24)은, 광측정기(191-195)에 의해 나타난 시스 두께의 지시를 제조공정품(54) 위의 시스의 커패시턴스와 상관시키는 신호를 저장하는 순람표를 포함한다. 광측정기(191-195)는 마이크로프로세서(24 및 34)로 2층 구조의 신호를 제공하여, 시스(184)의 두께를 지시하도록 한다. 커패시턴스 마이크로프로세서(20)는, 광측정기(191-195)에 의해 나타나는 시스 두께 지시를 제조공정품(54) 위의 시스의 커패시턴스 및 그 시스 두께의 신호와 상관하게 하는 메모리 시스템의 신호에 응답하며, 여기서 시스 두께 신호는 시스의 커패시턴스를 지시하는 신호를 연산하기 위해 광측정기(191-195)가 이끌어낸다. 마이크로프로세서(20)는 디스플레이(32)에 시스 커패시턴스를 지시하는 신호를 제공한다.

메모리 시스템(24)은 또한 (커패시터(140 및 146)의 상이한 값에 대해) 증폭기(132)의 출력단과 제조공정품(54)의 사이의 회로의 저항성 및 리액턴스성 임피던스를 나타내는 신호와, 증폭기(132)의 출력단과 제조공정품(54)의 사이의 용량성 임피던스를 연산하기 위한 프로그램을 저장한다. 메모리 시스템(24)는 또한, 각 처리법을 위해 요구되는 (설정점) 용량성 임피던스를 지시하는 신호를 저장한다. 마이크로프로세서(20)는 (커패시터(140과 146)의 상이한 값에 대해) 증폭기(132)의 출력단과 제조공정품(54)의 사이의 회로의 저항성 및 리액턴스성 임피던스를 나타내는 메모리 시스템(24)내의 프로그램 및 신호와, (시스(184)의 높이의 함수로서 증폭기(132)의 요구되는 출력 전력에 관련된 설정점 신호를 계산하기 위한) 요구되는 (설정점) 용량성 임피던스를 지시하는 신호에 응답한다.

마이크로프로세서(34)는 광측정기(191-195)로부터의 신호 및 시스(184)의 두께를 위해 마이크로프로세서(20)가 마이크로프로세서(34)로 공급하는 설정점 신호에 응답한다. 설정점 신호는 커패시터(142 및 146)의 순간적 값 및 처리되고 있는 제조공정품(54)의 특정한 처리법에 대한 함수이다. 마이크로프로세서(34)는, 마이크로프로세서(20)가 이끌어내는 시스 높이 설정점 신호와 (광측정기(191-195)가 이끌어내는 신호에 의해 지시되는) 측정된 시스 높이의 함수로서 증폭기(132)의 이득 제어 프로그램을 포함한다. 마이크로프로세서(34)는 광측정기(191-195)로부터의 신호와, 마이크로프로세서(20)가 증폭기(132)의 이득을 변화시킴으로써 증폭기(132)의 출력 전력을 제어하기 위해 이끌어 내는 시스 높이 설정점 신호에 응답한다.

도 4는 설명의 목적을 위해서만 5개의 광측정기를 포함하고 있음을 이해해야 한다. 실제로는 , 5개 보다 상당히 많은 광측정기가 요구되는 해상도를 제공하기 위해 요구된다. 다른 방식으로는, 시스(184)의 두께는 광측정기(191-195)와 같은 시야를 갖는 연속적 광측정기 스트립과 시스(184)의 두께에 의해 결정되는 저항을 사용함으로써 측정될 수 있다. 그러한 경우에, 아날로그-디지털 컨버터는 스트립의 저항을 마이크로프로세서(34)를 구동하는 디지털 신호로 변환한다. 또한, 다양한 계기 및 측정 장치가 마이크로프로세서(20 및 34)로 아날로그 형태로 신호를 공급하며 마이크로프로세서는 이 아날로그 신호들을 디지털 신호들로 변환한다는 것을 이해해야 한다. 마이크로프로세서는 또한 필요에 따라, 도 1에서 밸브(74)와 진공 펌프(80)과 같이 나타난 다양한 장치를 구동하기 위한 디지털-아날로그 컨버터를 포함한다.

본 발명의 특정한 실시예를 나타내고 설명하였지만, 특별히 나타내고 설명된 실시예의 세부부분은 첨부된 특허청구범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 진정한 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변화가 가능함은 물론이다.

Claims (19)

1. 진공 플라즈마 처리 챔버 내에서, 전극을 포함하는 제조공정품 홀더 상에 존재하는 제조공정품을 처리하는 교류 플라즈마 제어 방법에 있어서, 상기 챔버로 공급되는 하나 이상의 가스, 상기 챔버로 공급되는 가스의 유속(流速), 상기 챔버의 압력 범위, 상기 플라즈마를 위한 여기 리액턴스로 공급되는 전력의 범위, 및 상기 전극에 제공되는 전력 범위를 포함하는 파라미터 세트를 갖는 처리법에 따라 제어를 수행하는, 교류 플라즈마 제어 방법으로서,

   제 1 교류 소스로부터 플라즈마로, 여기 리액턴스를 포함하는 제 1 회로와 제 1 및 제 2 가변 리액턴스를 포함하는 제 1 정합 회로망을 경유하여, 교류를 공급하는 단계;

   제 1 회로에 의해 알 수 있는 플라즈마를 포함하는 부하에 관련된 제 1 함수를 측정하는 단계;

   (a) 상기 제 1 교류 소스의 출력 임피던스 및 (b) 상기 제 1 교류 소스가 구동하는 임피던스의 함수 사이에서 임피던스 정합을 유지하도록, 상기 측정된 제 1 함수에 응답하여 제 1 및 제 2 리액턴스를 제어하는 단계;

   제 2 교류 소스로부터 플라즈마로, 제 3 및 제 4 가변 리액턴스를 포함하는 제 2 정합 회로망과 전극을 경유하여, 교류를 공급하는 단계;

   상기 플라즈마의 상기 임피던스에 관련된 제 2 함수를 측정하는 단계;

   상기 측정된 제 2 함수에 응답하여 상기 제 2 교류 소스의 출력 임피던스 및 상기 제 2 교류 소스가 구동하는 임피던스 사이에서 실질적으로 정합 조건을 유지하도록, 상기 제 3 및 제 4 가변 리액턴스를 제어하는 단계로서, 이때 상기 제 2 교류 소스로 반사되어 되돌아가는 전력은 상기 제 2 교류 소스의 출력 임피던스와 상기 제 2 교류 소스가 구동하는 부하 사이의 정합을 제공하는 값에 대하여 제 3 및 제 4 의 리액턴스 중 하나 이상의 값의 작은 변화의 결과로서 계단적 변화를 갖는 경향을 가지고, 상기 파라미터중 하나 이상의 작은 변화는 하나의 파라미터가 상기 처리법에 부합하는 범위에서 유지되는 동안 상기 파라미터중 하나 이상의 증가적 변화에 기인하는, 제어 단계;

   플라즈마 임피던스의 함수에 응답하여 제 2 교류 소스의 출력 전력을 변화시킴으로써 상기 계단적 변화 경향을 극복하는 단계로서, 상기 제 2 교류 소스 출력 전력은 제 3 및 제 4 리액턴스가 변화하여 상기 계단적 변화를 갖는 경향을 생성하는 속도 보다 그 속도의 크기가 한 자릿수 (order) 이상 빠르게 변화되는, 극복 단계; 를 포함하는, 교류 플라즈마 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 교류 소스의 상기 출력 전력을 변화시키는 상기 플라즈마 임피던스의 함수는 제 2 교류 소스에서 상기 제 2 정합 회로망 쪽으로 바라본 전기적 파라미터 값들의 측정에 기인하는, 교류 플라즈마 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 교류 소스의 상기 출력 전력을 변화시키는 상기 플라즈마 임피던스의 함수는 상기 전극에 결합된 플라즈마 임피던스의 함수인, 교류 플라즈마 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 2 정합 회로망의 입력단자 쪽으로 바라본 임피던스를 측정하는 단계;

   상기 제 3 및 제 4 리액턴스 값과 관련된 임피던스의 값을 결정하는 단계; 및

   (a) 상기 제 2 정합 회로망의 입력단자 쪽으로 바라본 상기 측정된 임피던스 값, (b) 상기 제 2 정합 회로망의 입력단자 쪽으로 바라본 상기 임피던스를 측정할 때 상기 제 3 및 제 4 리액턴스의 값과 관련된 상기 측정된 임피던스 값, 및 (c) 상기 제 2 정합 회로망 입력단자와 상기 전극 사이의 고정된 임피던스 값으로부터 상기 플라즈마 임피던스를 연산하는 단계;

   를 더 포함하는, 교류 플라즈마 제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 교류 소스의 출력 전력을 변화시키는 상기 플라즈마 임피던스의 함수는,

   상기 제 2 교류 소스의 출력단으로 반사되어 돌아가는 전력이며, 상기 제 2 교류 소스의 출력 전력을 측정하고, 상기 제 2 교류 소스의 출력단으로 반사되어 돌아가는 상기 전력과 상기 제 2 교류 소스의 출력 전력의 지시 및 상기 플라즈마에 적용될 전력의 설정점의 비교에 응답하여 상기 제 2 교류 소스의 출력 전력을 제어하는 교류 플라즈마 제어 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 교류 소스의 출력 전력의 변화시키는 상기 플라즈마 임피던스의 함수는, 상기 전극에 결합된 상기 플라즈마의 임피던스 성분의 측정된 값인 교류 플라즈마 제어 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 전극에 결합된 상기 플라즈마의 임피던스 성분의 상기 측정된 값은, 상기 제 2 정합 회로망의 입력단자 쪽으로 바라본 하나 이상의 전기적 파라미터로부터 유도되는, 교류 플라즈마 제어 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 전극에 결합된 상기 플라즈마의 임피던스 성분의 상기 측정된 값은,

   상기 홀더와 상기 플라즈마 사이의 시스 (sheath) 의 두께를 측정하고,

   시스의 두께를 상기 제 2 정합 회로망에 결합된 상기 플라즈마의 부하와 상관시킴으로써 유도되는 교류 플라즈마 제어 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 시스 두께는 광학적으로 측정되는 교류 플라즈마 제어 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 여기 리액턴스는 코일을 포함하는 교류 플라즈마 제어 방법.
11. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 교류 플라즈마 제어 장치로서,

    상기 측정하는 단계들은 센서들에 의해 수행되고,

    상기 제어하는 단계들은 제어를 위한 수단에 의해 수행되는, 진공 플라즈마 처리 챔버 내의 제조공정품을 처리하는 교류 플라즈마 제어 장치.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 교류 플라즈마 제어 장치로서,

    상기 측정하는 단계들은 센서들에 의해 수행되고,

    상기 제어하는 단계들은 제어를 위한 수단에 의해 수행되고,

    상기 여기 리액턴스는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 플라즈마 처리 챔버 내의 제조공정품을 처리하는 교류 플라즈마 제어 장치.
18. 제 4 항의 방법을 수행하는 교류 플라즈마 제어 장치로서,

    상기 측정하는 단계들은 센서들에 의해 수행되고,

    상기 제어하는 단계들은 제어를 위한 수단에 의해 수행되고,

    상기 연산하는 단계는 연산을 위한 수단에 의해 수행되는, 진공 플라즈마 처리 챔버 내의 제조공정품을 처리하는 교류 플라즈마 제어 장치.
19. 제 4 항의 방법을 수행하는 교류 플라즈마 제어 장치로서,

    상기 측정하는 단계들은 센서들에 의해 수행되고,

    상기 제어하는 단계들은 제어를 위한 수단에 의해 수행되고,

    상기 연산하는 단계는 연산을 위한 수단에 의해 수행되고,

    상기 여기 리액턴스는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 플라즈마 처리 챔버 내의 제조공정품을 처리하는 교류 플라즈마 제어 장치.

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