TWI236701B - Plasma treatment apparatus and its control method - Google Patents

Description

1236701 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明與一種半導體製造及液晶顯示板製造所使用之電 漿處理裝置及其控制方法有關，尤與一種能有效將微波振 盪器產生之能量傳遞給負載之真空容器内部之電漿狀態氣 體之微波電漿處理裝置有關。 【先前技術】 於半導體製造過程，為了在晶圓上形成薄膜使用PVD、 CVD等電漿處理裝置。 電漿處理裝置亦有各種型式，惟亦有多數採用一種微波 電漿處理裝置，其係從磁控管等微波振盪器藉波導管將微 波引導至天線，從天線將微波發射至真空容器内，以微波 激勵氣體分子將薄膜形成於晶圓表面者。 該微波電漿處理裝置，從能量之有效利用及製品之高品 質化之觀點上，有效將微波振盪器產生之微波引導至真空 容器内部之電漿，並使真空容器内之電場均勾至為重要（參 考日本專利特開2〇〇2_5〇6Π號公報）。 可是為了有效將微波振盪器產生之能量供給電漿，從振 盪器側所看負載阻抗，即電漿之等效阻抗與從負載側所看 振盪器之阻抗匹配至為重要。故為了調整負載側之阻抗達 成匹配狀態，於振盪器與天線間設置負載匹配器。 然而，因電漿之等效阻抗係因應電漿密度變化為非線形 ，故負載匹配器之調整並不容易。 【發明内容】 86255 1236701 發明之揭示 本蠢明有鑑於上述課題’其目的在提供一種電漿處理裝 置及其控制方法，其係能將微波振盪器產生之能量有效傳 遞給真空容器内部之氣體者。 將本發明係一種電聚處理裝置’丨係將微波利用於產生電 、用者具有·負載匹配器，其係可調整阻抗者；及檢 ，，係衩測處理各器反射之微波者；以階段控制上述 負載匹配备，俾使依檢測器檢測之微波算出 阻抗與微波振以额抗匹配。 依本發明能確實匹配阻抗，能將微波㈣器產生之能量 有效傳遞給處理容界。 又於本發明，I山南、 #⑻容器側阻抗與微波振盪器側阻抗 一：所而負載匹配器之調整量，將算出之調整量 丨之 配：Si故整信號輸，以階段重複依調整信號之®載匹 為:制，至處理容器側阻抗與微波振盧器側阻抗匹配 倍數亦可變，調整 可減小倍數。即心 耶可加大倍數，調整量小時亦 變化時，亦能確余、起因電聚狀態之變化，負載側阻抗 。偉男運成匹配。 此外，依本發明 、 將算出之調整量倣吓可在處理容器未產生電漿時 整量之未滿！之―整信號輸出，而產生電漿時 .、 疋倍做為調整信號輸出。 此時，屋生電漿前 【眘施方式】 匕比產生電漿後迅速匹配。 86255 1236701 實施發明之最佳形態 圖1係適用本發明之電漿處理裝置剖面圖，處理容器10包 括有底圓筒容器101及該有底圓筒容器101之蓋之石英板102。 處理容器10内部設置工件台103，將加工對象之晶圓104置 於其上，為了將晶圓104固定於工件台103，亦可於工件台 103内設置靜電夾頭。又將偏壓用高頻電源105連接於該工 件台103。 於處理容器10側壁設置將氣體供給處理容器10内之供氣 管106，底面設置排出氣體用之排氣管106’。 於石英板102上設置平板隙縫天線107，以圓盤狀輻射波 導箱108覆蓋平板隙縫天線107。 將圓形波導管109連接於輻射波導箱108中央，圓形波導 管109係藉矩形波導管110連接於微波振盪器m。 又將負載匹配器112插入圓形波導管109之輻射波導箱108 側，將圓極化波變換器113插入矩形波導管110側。又於負 載匹配器112與圓極化波變換器113間設置檢波器114。 此外為了均勻分布微波，於平板隙缝天線107中心，例如 設置金屬製圓錐狀擋115。 以石英板102蓋有底圓筒容器101形成真空後，從供氣管 106注入氣體，從平板隙缝天線107發射微波，將氣體分子 電漿化。 以[數1]表示電漿之介電常數ερ。 ερ =1-ω^/ω2 式中队係電漿之固有角頻率 86255 1236701 ω係微波電源之振堡角頻率 在此因電漿角頻率ω。之平方與電漿密度ne成比例，故[數 2]成立。 ω02 〇cne 式中ne係電漿密度 圖2係電漿密度以與電漿介電常數ε p之大致關係曲線圖， 設微波振盪器之振盪頻率為2.45 GHz，則電漿密度ne為每1立 方公分約7X 101()時電漿角頻率队與微波振盪器111之振盪頻 率相等，電漿介電常數ε p為零。又因電漿之等效阻抗Zp係 大致與電漿介電常數ερ之-1/2方成比例，故[數3]成立。

Z 〇cs-1/2 =

p P 故由[數1]〜[數3]，成立[數4]。 I νω-yj 式中k係比例常數 ne係電漿密度 ω係微波振盪器之振盪頻率 如此，電聚之等效阻抗Ζρ係成為電漿密度ne之函數。故 為了含電漿阻抗之處理容器侧阻抗與微波振盪器阻抗匹配 ，以對應處理容器側阻抗算出之量操作負載匹配器時，處 理容器内之電漿狀態變化，電漿之等效阻抗變化，而需再 度變更負載匹配器之調整量。 又因處理容器内之電漿等效阻抗係如[數4]所示以電漿密 86255 1236701 度之非線形函數表示 現匹配狀態。 故有時操作一次負載匹配器不易實 故本發明藉控制部結合檢波 漸達成匹配狀態。 器114與負載匹配器112，以逐 ^係含負載匹配器及檢波器之圓形波導管之第—結構圖 〇載匹配备112為附根（短柱）(_)型。將圓形波導管_之 周方向行進之微波管内波長\之隔1/4間隔設置之3個附根 肋、1122、1123做為1個附根群⑴之附根群，以9〇度間隔 設置4組於圓形波導管109周上。 各附根群之各附根係例如構成由脈衝馬達與齒桿、小齒 輪構成之驅動機構可插入、拔出圓形波導管1〇9之半徑方向 之結構。 即凋整附根1121、1122、1123對圓形波導管1〇9之插入量〜 X2 X3 ’欠更負載側、即處理容器101側反射回來之微波 中再反射至負載側之比例，即可調整負載側之阻抗。 於圓形波導官109之負載調整器112上游側配置檢波器114 ’惟檢波器114係與負載調整器112同樣，將圓形波導管川今 之周方向行進之微波管内波長又g之隔1/8間隔設置之3個檢 波元件1141、1142、1143做為1個檢波元件群m之檢波元件 群，以90度間隔設置四組於圓形波導管1〇9周上或設置二組 於90度不同之位置。 設由3個檢波元件1141、1142、1143檢測之電壓為Vi、、 v3，則[數5]成立。 v,=尺卜|2(1 + 1^+2旷|(：〇5 0) 86255 -10- 1236701 v2 =K|vi|2(l + r2 —2|r|sin0) v3 + -2|r|cose) 式中ViS微波振盪器之輸出電壓 Γ係反射係數 0係相位 故能以3個檢波元件1141、1Μ2、1143檢出檢波電壓Vi、V? 、V3，即可算出反射係數Γ及相位0。 因可依反射係數r、相位0及附根位置計算各附根1121、 1122、1123之電抗，故可算出負載側之阻抗。 然後算出負載側之阻抗與微波振盪器側之阻抗匹配之附 根插入位置，纟出距現在插入位置之偏差，依該偏差操作 附根。 圖4係附根調整之概念圖，將附根之插入量hh置 於右邊三次元座標系之各軸。 2 3 從檢波器看處理容器側時之阻抗4係如[數6]所示不僅以 Ζ1(χ1,χ2,χ3,ερ 1漿介7電产並以附，之插入量X|、X2、X3之函數表示。 即附根調整可以認為是於三次元座標系從將各軸成分以 (χ10、W、ho)之向量表示之檢波器看處理容器側時之阻抗 移動至各軸成分以(XIN、X2N、X3N)之向量表示之匹配阻 抗ZLN之操作。 八而若已知二個向量（X10、X20、X30)及（XIN、X2N、X3N)之各/ 刀’則-次決定將阻抗ZL0移動至匹配阻抗Zln之操作向量。 然而，因如上述從檢波器看處理容器侧時之阻抗及 86255 1236701 為電漿介電常數 X20 Λ 一〜’丨。、攸个刀瑚伍置( 〔3。)直接移動至最後位置(ΧΐΝ、χ2Ν、χ3Ν)時，㈣ 聚介電常數〜變化，結果因看處理容器倒時之阻抗々變： ，故#法保證成為匹配狀態。 故本發明係如實線所示邊 ^ T遭I視負載阻抗邊緩緩調整附相 插入量，最後達成匹配狀態。 、X3g)至最後位置（xm、x2n、 L0至操作向量之未滿1之一定 即求移動初期位置（Xl〇、X2q xw)之操作向量，以初期位置z 倍移動負載側阻抗。 和乂後和動後之負載阻抗為初期位置重複上述步驟 後達成匹配狀態。 。圖5係適用於本發明有關之電漿處理裝置之第一負載匹配 ⑽匕制邙之結構圖，將檢波元件⑽卜ιΐ42及⑽之輸出取 入控制部51。又調整附根1121、丨丨”及丨丨幻插入量之引動器 52：1、522及523係由控制部51輸出之操作信號驅動。 &制4 51係例如藉微電腦系統、終端機％操作。 Θ係方；t制α卩51執行之負載匹配器控制程序之流程圖， 每隔一定時間以插入處理執行。 又於步驟60寫入構成檢波器114之3個檢波元件1141、1142 及114κ輸出電壓心、V2、^，於步驟&使用[數4]算出反射 係數Γ及相位0。 於步驟62依附根位置求各附根η〕〗、丨丨22及1123之電抗。 其次，於步驟63使用反射係數Γ及相位0，考慮3個附根 1121、1122及1123以1/4波長間隔配置，算出從檢波器U4看負 86255 1236701 載側之阻抗，即處理容器1〇1内之電漿、平板隙缝天線丨〇7、 輕射波導箱108、及負載匹配器112之合成ZL。 於步驟64异出與從檢波器1 μ看微波振盪器1 π之阻抗Zs匹 配之匹配負載侧阻抗ZLN，於步驟g5算出實現匹配負載側阻 抗ZLN之匹配附根插入量Χιν、χ2Ν、χ讯。 方；步l 66异出現在之附根插入量（χ^、A)與匹配附根 插入量（x1N、x2N、x3N)之差之插入量偏差（Δχι、Δχ2、△々）。 而於步驟67判定插入量偏差（Λχι、△々、Δχ3)是否為預定 之未滿臨限值Ε。 而於步驟67判定為否定時，即插入量偏差（Δχι、△&、Δχ^ 為預足炙臨限值Ε以上時，於步驟68將插入量偏差（、 △ X2、例如〇5)做為操作信號輸出，完成 这程序。則脈衝馬達521、522及523因應該操作信號旋轉， 調整附根1121、1122及1123之插入量。 反Ί步驟67判定為肯定時，即插入量偏差（Δχι、 、△二Χ3)為預定之未滿臨限值Ε時，認為達成匹配，不輸出操 作仏唬直接％成該程序。此時附根之插入量並不變化 持匹配狀態。 依上速万法雖可確實達到匹配狀態，惟在處理容器101内 形成電漿之前，盡管負載側阻抗大致一定，惟附根之插入 量受到限制’達到匹配狀態需要時間。 故亦可在形成雷將 %水 < 則以m=1.0加大附根之插入量，ρ 達到匹配狀熊之陆网 、、揭短 〜 寺間’形成電漿之後以m< 1.0俾確會逵 配狀能。 、堤到匹 86255 1236701 電漿之形成可夢膝 一 l2〇(m 7 夬破璃嵌入處理容器側壁之窗 1 〇(圖1)以先电兀件12 产七十將古砝& L出电漿光判定。即光電元件121未 松出兒水光時為m=1〇人 出電漿光後為m<1.〇即可。 因上述控制部係以—a . 、 Q认笔腦執行所有功能，故若不將 負載匹配器控制程庠夕备^ ^ 執仃間隔縮短至某程度，則達到匹 配狀態之時間將更加長。 圖7係適用於本發 器控制部之結構圖 構造。 明有關之電漿處理裝置之第二負載匹配 ’為解決上述課題，將控制部構成階層 即控制部51包括演算部及三 513。 台之位置控制部511 512 此外，將旋轉編碼器54卜542、543直接連接於調整附根 112卜1122、1123之插入量之三台脈衝馬達521、切、 而以旋轉編碼器54b 542、543檢出之附根插入量除回授 至對應之位置控制部51卜512、513之外，亦寫入演算部训。 万；本結構負載匹配益控制程序之步驟6〇〜由演算部$⑺ 執行，將對3個附根112卜1122、1123之操作指令輸出至各位 置控制部511、512、513。 各位置控制部5U、512、513依操作指令及旋轉編碼器541 、542、543檢出之附根實際插入量控制附根插入量。 依本結構，因演算部510不待各脈衝馬達之動作完成，可 專心於各附根之目標插入量之算出，及各位置控制部5u、 512、513可專心於各附根之插入量之控制，故能迅速達到匹 配狀態。 86255 -14- 1236701 此時，在偏差量大時加大馬達速度，偏差量小時減小馬 達速度’加大附根之移動速度’最後可縮短至負載匹配之 時間。 此外上述實施形態，負載匹配器使用附根構造，惟亦可 適用其他形式。 圖8係圓形波導管部之第二結構圖’負載匹配器使用短柱 塞構以代替附根構造。 即於圓形波導管109裝有向外側半徑方向延伸之中空筒811 812及813。於該中空筒811、 822、823 ’俾可調整阻抗。 因金屬板與附根同樣以齒桿、小齒輪與脈衝馬 故可適用上述第一及第二負載匹配器控制部。 【圖式簡單說明】

圖1係適用本發明之電漿處理裝置剖面圖。圖2係電漿密度ne與電漿介電常數^之關係曲 圖3係含負載匹㈣及檢波器圖4係附根調整之概念圖。 《導… '结 構圖 圖5係第貞貞匹配器控制部之結構圖。 圖6係負載匹配器控制程序之流程圖。 圖7係第二負載匹配器控制部之結構圖。 圖8係含負載匹配器及檢波器之圓形波導管之 【圖式代表符號說明】 10 · · ·處理容器 第二結構圖。 51 · · ·控制部 86255 -15 - 1236701 53 101 102 103 104 105 106 106, 107 108 109 110 111 112 113 114 115 120 121 510 511 ^ 521 > 54卜 811 > • · ·終端機 • ••有底圓筒容器（處理容器） • · ·石英板 • · ·工件台 • ••晶圓 • ••偏壓用南頻電源 • · ·供氣管 • · ·排氣管 • ••平板隙縫天線 • ••輕射波導箱 • ••圓形波導管 • ··矩形波導管 • ••微波振盪器 • ··負載匹配器 • ••圓極化波變換器 • · ·檢波器 • · · #

• · · W • ••光電元件 • · ·演算部 512、513 · ••位置控制部 522、523 ···引動器（脈衝馬達） 542、543 · · ·旋轉編碼器 812、813 · · ·中空筒 86255 -16- 1236701 82卜 1121 1141 822、823 · ••金屬板 、1122 、 1123 • · •附根（短柱）（stub) 、1142 、 1143 • ••檢波元件 -17 - 86255

Claims (1)

1236701 拾、申請專利範圍： 1. 一種電漿處理裝置，其特徵為包含： 處理容器； 微波振里器，其係產生微波者； 天線’其係向上述處理容器内發射上述微波者； 波導官，其係向上述天線引導上述微波振盪器產生之 上述微波者； 負載匹配詻，其係設置於上述波導管，可調整阻抗者； 檢波备，其係設置於上述波導管，檢測上述處理容器 反射之微波者；及 拴制#，其係階段控制上述負載匹配器，俾使依上述 祆測义微波算出之處理容器側阻抗與微波振盪器側阻抗 匹酉己。 2·如申凊專利範圍第丨項之電漿處理裝置，其中上述控制部 具有·負載匹配器調整量計算部，其係算出上述處理容 奋側阻杬與微波振盪器側阻抗匹配所需上述負載匹配器 之調整量者；及 凋整k號輸出邵，其係將上述算出之調整量之未滿丨之 一定倍做為調整信號輸出者； 以階段重複依上述調整信號之上述負載匹配器之控制 ，至上述處理容器側阻抗與微波振盪器側阻抗匹配為止。 3·如申請專利範圍第2項之電漿處理裝置，其中上述控制部 更具有電漿檢測部，其係檢測上述處理容器内產生電漿 者， 86255 1236701 上述調整信號輸出部在 雷將陆一 在上逑兒漿檢測邵判定為未產生 水、’仍售將上述負載匹配哭衲敕旦呌嘗 々 敕旦扣士]整I计异邯算出之調 正里文為碉整信號輸出，而 f 二 電漿時，將上，f m ㈣㈣定為產生 4. 々去次、迷貝載匹配器調整量計算部算出之調整量 “ 1之一足倍做為調整信號輸出。 如申請專利範圍第2項之電漿 f且右、μ 處里衣置，其中上述控制部 更，、有凋整位置檢測器，其 整位置者， ·/、你松測上逑負載匹配器之調 上述控制部因應上述調替 乜唬軚出邵輸出之上述調整 #唬與上述調整位置之差抨制 5. 7. 友ί工制上述負載匹配器。 如申請專利範圍第丨項之電 配器為附根構造。 〜處理衣置’其中上述負載匹 如申請專利範圍第i項之電聚處理裝置，其中 配器為短柱塞構造。 …我U 一種電漿處理裝置之垆舍丨女、、土 二万法，其係利用向處理容器内 發射微波產生之電漿者， 其包含··依上述處理容器反射 阻抗之步驟； 。。反射〈財异出處理容器側 算出上述算出之處理容器側阻抗與振盧器側阻抗匹配 所需處理客器側阻抗之調整量之步驟，·與 將=算出之調整量之未滿丨之一定倍做為調 出《步驟，·且 重複執行依上述輸出之調整信號之上述處理容器例阻 抗之控制，至上述處理容器側阻抗與微波”器倒阻抗 86255 1236701 匹配為止。 8. 如申請專利範圍第7項之電漿處理裝置之控制方法，其中 上述信號輸出步驟，在未產生電漿時，仍舊將上述算出 之調整量做為調整信號輸出，而產生電漿時，將上述算 出之調整量之未滿1之一定倍做為調整信號輸出。 86255