WO2017126662A1 - プラズマ制御装置 - Google Patents

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plasma
power supply
supply unit
generating
voltage
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利泰 速水
竜介 藤井
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Ｓｐｐテクノロジーズ株式会社
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    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma

Definitions

  • the present invention relates to a plasma control apparatus that supplies high-frequency power to a plasma processing apparatus that performs processing using plasma such as etching processing on a substrate.
  • the present invention can realize impedance matching between the power supply unit and the plasma at a high speed even when the impedance of the plasma changes due to a change in the state of the plasma.
  • the present invention relates to a plasma control apparatus capable of performing processing using highly accurate and stable plasma by realizing stable current control.
  • a chamber C, an element 10 for generating plasma P in the chamber C and an element 10 for generating plasma P in the chamber C, and a substrate S are mounted on the lower portion of the chamber C.
  • a plasma processing apparatus which includes a mounting table 20 and performs plasma processing such as etching processing on the mounted substrate S by plasma P generated in the chamber C.
  • the plasma P is so-called inductively coupled plasma
  • a coil is used as the element 10
  • an electrode disposed in parallel to the mounting table 20 is used as the element 10.
  • the mounting table 20 includes a power supply unit 1 ′ for supplying high-frequency power and an impedance matching unit 2 ′ for matching impedance between the power supply unit 1 ′ and the plasma P. 'Is connected.
  • the high frequency power supplied from the power supply unit 1 ′ is applied to the mounting table 20 via the impedance matching unit 2 ′.
  • the element 10 is connected to a plasma control device 200 ′ including a power supply unit 3 ′ for supplying high frequency power and an impedance matching unit 4 ′ for matching impedance between the power supply unit 3 ′ and the plasma P.
  • the high frequency power supplied from the power supply unit 3 ′ is applied to the element 10 via the impedance matching unit 4 ′.
  • the element 10 is a coil and inductively coupled plasma is generated in the chamber C
  • a magnetic field is generated by the high frequency power applied to the coil 10 by the plasma control device 200 ′, and pressure control is performed in the chamber C by this magnetic field.
  • Plasma P is generated by exciting the generated gas.
  • the plasma control apparatus 100 ′ due to the high-frequency power applied to the mounting table 20 by the plasma control apparatus 100 ′, a potential difference is generated between the plasma P and the mounting table 20, and ions in the plasma P are actively drawn into the mounting table 20, and etching is performed. Plasma processing such as processing is promoted.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a specific configuration example of the plasma control apparatus 100 ′.
  • the plasma control apparatus 100 ′ includes a power supply unit 1 ′ and an impedance matching unit 2 ′.
  • the power supply unit 1 ′ includes a power supply control unit, a direct current (DC) power supply, a fixed frequency oscillator, a power amplifier, and a directional coupler S1.
  • Tr1 and Tr2 are transistors such as FETs or IGBTs.
  • T1 is a transformer.
  • the impedance matching unit 2 ′ includes a matching unit control unit, an electric motor M, a variable element (such as the variable capacitors VC1 and VC2 illustrated in FIG. 2 and a variable coil (not illustrated)), and a current flowing through the impedance matching unit 2 ′ and an applied voltage.
  • a sensor S2 for detecting the ratio of the size and the phase difference is provided.
  • the target set power and the traveling wave / reflected wave signal output from the directional coupler S1 are input to the power supply control unit of the power supply unit 1 ′.
  • the power supply control unit executes power feedback control for adjusting the output of the DC power supply so that the set power can be obtained.
  • the matching unit controller of the impedance matching unit 2 ′ receives the ratio and phase difference between the magnitude of the current flowing through the impedance matching unit 2 ′ detected by the sensor S2 and the applied voltage, and the phase difference unit. Monitor the consistency status with.
  • the matching unit controller performs impedance feedback control that changes the constants of the variable elements (variable capacitors VC1, VC2) by mechanical driving of the electric motor M, and the power supply unit 1 ′ and the plasma P The impedance matching is performed.
  • FIGS. 3 and 4 are diagrams showing a specific configuration example of the plasma control apparatus 200 ′.
  • FIG. 3 shows the case where the element 10 is a coil L1 (when the plasma P is inductively coupled plasma)
  • FIG. 4 shows the case where the element 10 is an electrode (when the plasma P is capacitively coupled plasma).
  • the plasma control apparatus 200 ′ includes a power supply unit 3 ′ and an impedance matching unit 4 ′ similarly to the plasma control apparatus 100 ′.
  • the power supply unit 3 ′ has the same configuration as the power supply unit 1 ′
  • the impedance matching unit 4 ′ has the same configuration as the impedance matching unit 2 ′.
  • the power supply control unit of the power supply unit 3 ′ has the target set power and the progress output from the directional coupler S1.
  • the wave / reflected wave signal is input, and the power supply control unit executes power feedback control for adjusting the output of the DC power supply so that the set power can be obtained.
  • the matching unit controller of the impedance matching unit 4 ′ receives the ratio and phase difference between the current flowing through the impedance matching unit 4 ′ detected by the sensor S 2 and the magnitude of the applied voltage, and the matching unit controller. Monitor the consistency status with.
  • the matching unit controller performs impedance feedback control for changing the constants of the variable elements (variable capacitors VC1, VC2) by mechanical driving of the electric motor M, and the power supply unit 3 ′ and the plasma P The impedance matching is performed.
  • the voltage (peak-to-peak voltage) of the mounting table 20 is indirectly determined by the set power set in the power supply unit 1 ′ (set power input to the power supply control unit of the power supply unit 1 ′) and the state of the plasma P. Is done. For this reason, the state of the plasma P changes with the change in the state of the substrate S subjected to the plasma treatment, and the impedance of the plasma P changes (for example, a plasma equivalent consisting of the capacitance component C2 and the resistance components Rp1, Rp2 shown in FIG.
  • the absorbed energy of the plasma P depends on the set power set in the power supply unit 3 ′ (set power input to the power supply control unit of the power supply unit 3 ′) and the state of the plasma P , Determined indirectly. For this reason, the state of the plasma P changes and the impedance of the plasma P changes with the change in the state of the substrate S subjected to the plasma treatment (for example, in the plasma equivalent circuit comprising the inductance component Lp and the resistance component Rp shown in FIG. 3).
  • the inductance of the inductance component Lp and the mutual inductance Mp of the plasma P and the coil L1 change in the plasma equivalent circuit composed of the capacitance component C2 and the resistance components Rp1 and Rp2 shown in FIG.
  • the impedance matching between the power supply units 1 ′ and 3 ′ and the plasma P is performed at high speed. May not be able to be performed at all, or high-precision and stable plasma processing may not be performed.
  • Patent Document 1 Although a device as described in Patent Document 1 is proposed as a plasma control device connected to the mounting table 20 side, the above problem cannot be solved sufficiently.
  • the problems of the conventional plasma control apparatus are as follows, in addition to enabling impedance matching between the power supply unit and the plasma at high speed.
  • (1) When the plasma to be generated is inductively coupled plasma, the propagation of power necessary for generating and maintaining the plasma is performed by inductive coupling with the plasma by the plasma generating coil. It is proportional to the square of the current flowing through the coil. Therefore, control using the current value is more direct than control using the power value, and stable current control is necessary to maintain more stable plasma generation.
  • the processing shape and film formation state of the substrate are controlled by controlling the energy for drawing ions generated by the plasma into the substrate.
  • the energy of ions to be drawn can be controlled by a high frequency voltage applied to the mounting table and a direct current (DC) bias of the mounting table generated by the high frequency voltage. Therefore, control using the voltage value is more direct than control using the power value, and stable voltage control is necessary to maintain more stable processing performance and film formation performance.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and even when the impedance of the plasma is changed due to the change of the plasma state, the impedance matching between the power supply unit and the plasma is achieved. It is an object of the present invention to provide a plasma control apparatus capable of performing highly accurate and stable plasma processing by realizing stable control of voltage and current important for plasma processing.
  • the present invention provides, as a first means, a plasma control device for supplying high-frequency power to a plasma processing apparatus, wherein the plasma processing apparatus is a coil or a capacitor for generating inductively coupled plasma.
  • the plasma processing apparatus is a coil or a capacitor for generating inductively coupled plasma.
  • a power supply unit for supplying high-frequency power to the mounting table, the power supply unit, a resonance generating unit that is interposed between the mounting table and applies the high-frequency power supplied from the power supply unit to the mounting table;
  • a voltmeter for measuring the voltage of the mounting table, wherein the resonance generator detects a phase difference between an LC circuit in which a coil and a capacitor are connected, and a current flowing through the LC circuit and an applied voltage.
  • a capacitance of a capacitor of the LC circuit is larger than an assumed capacitance of the plasma, and the power supply unit is configured so that a voltage measured by the voltmeter approaches a target set voltage.
  • a plasma control apparatus is provided that controls the magnitude of the high-frequency power to be supplied and controls the frequency of the high-frequency power to be supplied so that the phase difference detected by the sensor is minimized.
  • the plasma control apparatus is a plasma control apparatus connected to a mounting table on which a substrate is mounted.
  • the resonance generator included in the plasma control apparatus according to the first means is connected to the mounting table and includes an LC circuit.
  • the frequency of the high-frequency power supplied by the power supply unit is controlled (adjusted) so that the phase difference between the current flowing through the LC circuit detected by the sensor and the applied voltage is minimized (resonance state).
  • the RLC resonance circuit is configured by the LC circuit, the mounting table, and the plasma of the generation unit. For this reason, even if the impedance of the plasma changes, the voltage amplified by the resonance phenomenon is applied to the mounting table.
  • the capacitance of the capacitor of the LC circuit is larger than the assumed capacitance of the plasma, even if the impedance of the plasma changes, the influence on the change in the voltage of the mounting table is small. Furthermore, the magnitude of the high-frequency power supplied by the power supply unit is controlled so that the voltage of the mounting table measured by the voltmeter approaches the target set voltage. With the above configuration, even when the plasma impedance changes due to the plasma state change, the voltage of the mounting table is maintained at a value close to the set voltage, so that processing using highly accurate and stable plasma can be performed. It is feasible.
  • the impedance matching between the power supply unit and the plasma is performed by configuring the LC circuit of the resonance generation unit, the mounting table, and the RLC resonance circuit using plasma, there is no need for conventional mechanical drive. Impedance matching can be performed at high speed.
  • the assumed electrostatic capacitance of the plasma is, for example, in the conventional plasma control apparatus 100 ′ described above with reference to FIG. It can be calculated by checking and calculating the constant of the variable element at the time.
  • the electrostatic capacity of the plasma is assumed to be about 100 pF to 110 pF when the frequency of the high frequency power supplied from the power supply unit 1 ′ is 2 MHz, for example, and the frequency of the high frequency power supplied from the power supply unit 1 ′ is It is assumed to be about 400 pF to 1200 pF at 380 kHz.
  • the capacitance of the capacitor of the LC circuit is set to be larger than the assumed capacitance of the plasma, but is preferably set to about four times or more of the assumed capacitance of the plasma, for example.
  • ions in the generated plasma are contained in the middle.
  • An apparatus for performing an etching process or a film forming process on the substrate with the neutral particles obtained by oxidization is also included. The same applies to the plasma processing apparatuses according to second and third means described later.
  • the present invention provides, as a second means, a plasma control apparatus for supplying high-frequency power to a plasma processing apparatus, wherein the plasma processing apparatus generates plasma for generating inductively coupled plasma.
  • the plasma processing apparatus generates plasma for generating inductively coupled plasma.
  • a power supply unit for supplying power; a resonance generating unit that is interposed between the power supply unit and the plasma generating coil and applies high-frequency power supplied from the power supply unit to the plasma generating coil; And an ammeter for measuring the current flowing through the plasma generating coil, and the resonance generator is connected in parallel or in series to the plasma generating coil.
  • a sensor for detecting a phase difference between a current flowing through the resonance generating unit and an applied voltage, and the power source unit is configured so that the current measured by the ammeter approaches a target set current.
  • a plasma control apparatus is provided that controls the magnitude of the high-frequency power to be supplied and controls the frequency of the high-frequency power to be supplied so that the phase difference detected by the sensor is minimized.
  • the plasma control apparatus is a plasma control apparatus connected to a plasma generating coil for generating inductively coupled plasma.
  • the resonance generator included in the plasma control apparatus according to the second means includes a capacitor connected to the plasma generating coil and connected in parallel or in series to the plasma generating coil. Since the frequency of the high-frequency power supplied by the power supply unit is controlled (adjusted) so that the phase difference between the current flowing through the resonance generating unit detected by the sensor and the applied voltage is minimized (resonance state), An RLC resonance circuit is configured by the capacitor of the resonance generating unit, the plasma generating coil, and the plasma. For this reason, even if the plasma impedance changes, the current amplified by the resonance phenomenon flows through the plasma generating coil.
  • the magnitude of the high frequency power supplied by the power supply unit is controlled so that the current flowing through the plasma generating coil measured by the ammeter approaches the target set current.
  • the impedance matching between the power supply unit and the plasma is performed by configuring the capacitor of the resonance generating unit, the coil for generating the plasma, and the RLC resonant circuit using the plasma, the conventional mechanical drive is required. Therefore, impedance matching can be performed at high speed.
  • the present invention provides, as a third means, a plasma control apparatus for supplying high-frequency power to a plasma processing apparatus, wherein the plasma processing apparatus is a plasma for generating capacitively coupled plasma.
  • the plasma processing apparatus is a plasma for generating capacitively coupled plasma.
  • a resonance generating unit that is interposed between the power supply unit and the plasma generation electrode, and applies high-frequency power supplied from the power supply unit to the plasma generation electrode;
  • a voltmeter for measuring the voltage of the plasma generating electrode, and the resonance generator includes an LC circuit in which a coil and a capacitor are connected, and a current flowing through the LC circuit and an applied voltage.
  • a sensor for detecting a phase difference with the voltage of the LC circuit wherein a capacitance of the capacitor of the LC circuit is larger than an assumed capacitance of the plasma, and the power supply unit has a voltage measured by the voltmeter. Controlling the magnitude of the high-frequency power supplied so as to approach the target set voltage, and controlling the frequency of the high-frequency power supplied so that the phase difference detected by the sensor is minimized.
  • a plasma control apparatus is provided.
  • the plasma control apparatus is a plasma control apparatus connected to a plasma generation electrode for generating capacitively coupled plasma.
  • the resonance generator included in the plasma control apparatus according to the third means is connected to the plasma generating electrode and includes an LC circuit.
  • the frequency of the high-frequency power supplied by the power supply unit is controlled (adjusted) so that the phase difference between the current flowing through the LC circuit detected by the sensor and the applied voltage is minimized (resonance state).
  • the RLC resonance circuit is configured by the LC circuit of the generation unit, the plasma generation electrode, and the plasma. For this reason, even if the impedance of the plasma changes, the voltage amplified by the resonance phenomenon is applied to the plasma generating electrode.
  • the capacitance of the capacitor of the LC circuit is larger than the assumed capacitance of the plasma, even if the impedance of the plasma changes, the influence on the change in the voltage of the plasma generating electrode is small. Further, the magnitude of the high frequency power supplied by the power supply unit is controlled so that the voltage of the plasma generating electrode measured by the voltmeter approaches the target set voltage. With the above configuration, even when the plasma impedance changes due to the plasma state change, the voltage of the plasma generation electrode is maintained at a value close to the set voltage, so that the change in plasma absorption energy is small and high. It is possible to perform processing using accurate and stable plasma.
  • the LC circuit of the resonance generator, the plasma generation electrode, and the RLC resonance circuit using plasma are configured, impedance matching between the power supply unit and the plasma is executed, so that conventional mechanical driving is required. Instead, impedance matching can be performed at high speed.
  • the assumed electrostatic capacitance of the plasma is, for example, that impedance matching between the power supply unit 3 ′ and the plasma P by the impedance matching unit 4 ′ is completed in the conventional plasma control apparatus 200 ′ described above with reference to FIG. It can be calculated by checking and calculating the constant of the variable element at the time.
  • the electrostatic capacity of the plasma is assumed to be about 100 pF to 110 pF when the frequency of the high frequency power supplied from the power supply unit 3 ′ is 2 MHz, for example, and the frequency of the high frequency power supplied from the power supply unit 3 ′ is It is assumed to be about 400 pF to 1200 pF at 380 kHz.
  • the capacitance of the capacitor of the LC circuit is set to be larger than the assumed capacitance of the plasma, but is preferably set to about four times or more of the assumed capacitance of the plasma, for example.
  • the plasma control apparatus according to the first to third means of the present invention can be applied to the plasma processing apparatus alone, or in the case of a plasma processing apparatus that generates inductively coupled plasma.
  • the plasma control apparatus according to the first means and the second means in combination or generates capacitively coupled plasma
  • the plasma control apparatus according to the first means and the third means It is also possible to apply in combination.
  • the plasma control apparatus of the present invention even when the impedance of the plasma changes due to a change in the state of the plasma, impedance matching between the power supply unit and the plasma can be realized at high speed, and processing using the plasma By realizing stable control of voltage and current that is important for the process, it is possible to execute processing using highly accurate and stable plasma.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the plasma control apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the plasma processing apparatus to which the plasma control apparatus 100 according to the first embodiment is applied has the following configuration. That is, the plasma processing apparatus is attached to the chamber C, the upper part of the chamber C, the element 10 for generating the plasma P in the chamber C, the lower part of the chamber C, and the substrate S placed thereon. It is an apparatus that includes a mounting table 20 and performs a process using plasma such as an etching process on the mounted substrate S by the plasma P generated in the chamber C.
  • a coil is used as the element 10
  • an electrode disposed in parallel to the mounting table 20 is used as the element 10.
  • the plasma control apparatus 100 is an apparatus that supplies high-frequency power to the mounting table 20 of the plasma processing apparatus having the above-described configuration. As shown in FIG. 5, the plasma control apparatus 100 is interposed between the power supply unit 1 for supplying high-frequency power to the mounting table 20, and between the power supply unit 1 and the mounting table 20, and is supplied from the power supply unit 1.
  • the resonance generator 2 for applying the high frequency power to the mounting table 20 and the voltmeter 5 for measuring the voltage of the mounting table 20 are provided.
  • the power supply unit 1 and the resonance generating unit 2 are integrated to form the power supply device 30.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a specific configuration example of the plasma control apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the plasma control apparatus 100 includes a power supply unit 1, a resonance generation unit 2, and a voltmeter (Vpp sensor that measures a peak-to-peak voltage Vpp) 5, and includes the power supply unit 1 and the resonance generation unit. 2 is integrated to constitute the power supply device 30.
  • Vpp sensor that measures a peak-to-peak voltage Vpp
  • the power supply unit 1 is composed of elements other than those constituting the resonance generating unit 2 among the elements constituting the power supply device 30, and includes a general control unit, a direct current (DC) power source, a frequency variable oscillator (for example, Direct digital synthesizer (DDS)) and power amplifier.
  • Tr1 and Tr2 are transistors such as FETs or IGBTs.
  • T1 is a transformer.
  • the resonance generator 2 includes an LC circuit in which a coil L1 and a capacitor C1 (this embodiment further includes a capacitor C3) are connected (specifically, an LC series circuit in which the coil L1 and the capacitor C1 are connected in series). And a sensor S2 for detecting a phase difference between the current flowing through the LC circuit and the applied voltage.
  • the capacitors C1 and C3 are fixed capacitors having a fixed capacitance, and for example, titanium oxide capacitors are used.
  • the sensor S2 is attached to the LC circuit and includes a transformer that extracts current and a capacitor that extracts voltage, and has a circuit configuration in which a potential difference is generated according to the phase difference between the extracted current and voltage.
  • the capacitance of the capacitor C1 of the LC circuit included in the resonance generating unit 2 is set larger than the assumed capacitance of the plasma P. That is, the capacitance of the capacitor C1 is set larger than the assumed capacitance of the capacitance component C2 in the plasma equivalent circuit composed of the capacitance component C2 and the resistance components Rp1 and Rp2 shown in FIG.
  • the resonance generating unit 2 also includes a directional coupler S1, but the traveling wave / reflected wave signal output from the directional coupler S1 is not used for control by the general control unit of the power supply unit 1. It can only be monitored.
  • the power supply unit 1 controls the magnitude of the high-frequency power to be supplied so that the voltage measured by the voltmeter 5 approaches the target set voltage. Specifically, a target set voltage (set Vpp) and a voltage (Vpp signal) measured by the voltmeter 5 are input to the general control unit of the power supply unit 1. Voltage feedback control is performed to adjust the output of the DC power supply so as to approach the set voltage. Further, the power supply unit 1 controls the frequency of the high-frequency power to be supplied so that the phase difference detected by the sensor S2 is minimized. Specifically, the phase difference detected by the sensor S2 of the resonance generating unit 2 is input to the total control unit of the power source unit 1, and the total control unit sets the frequency of the oscillator so that the phase difference is minimized. Resonance frequency adjustment control (impedance feedback control) to be controlled is executed.
  • the resonance generating unit 2 is connected to the mounting table 20 and includes an LC circuit.
  • the frequency of the high-frequency power supplied by the power supply unit 1 is controlled (adjusted) so that the phase difference between the current flowing through the LC circuit detected by the sensor S2 and the applied voltage is minimized (resonance state).
  • the LC circuit of the resonance generating unit 2, the mounting table 20, and the plasma P constitute an RLC resonance circuit (specifically, an RLC series resonance circuit). For this reason, even if the impedance of the plasma P changes, the voltage amplified by the resonance phenomenon is applied to the mounting table 20.
  • the RLC resonance circuit shown in FIG. 6 includes a coil L1, a capacitor C1, a capacitor C3, a capacitance component C2, and a resistance component Rp2.
  • the impedance of this RLC resonance circuit is Z
  • the inductance of the coil L1 is L1
  • the capacitance of the capacitor C1 is C1
  • the capacitance of the capacitor C3 is C3
  • the assumed capacitance of the capacitance component C2 is C2
  • the resistance of the resistance component Rp2 If the value is Rp2 and the frequency of the high-frequency power is expressed as an angular frequency as ⁇
  • Z Rp2 + j [ ⁇ ⁇ L1 ⁇ C3 ⁇ (C1 + C2) / ⁇ ⁇ (C1 + C2 + C3) ⁇ ].
  • the impedance of the RLC resonance circuit is equivalent to Rp2.
  • the capacitance C1 of the capacitor C1 of the LC circuit is larger than the assumed capacitance of the plasma P (assumed capacitance C2 of the capacitance component C2), even if the impedance of the plasma P changes, the RLC resonance circuit The impedance Z does not change greatly and has little influence on the voltage change of the mounting table 20. Furthermore, the magnitude of the high-frequency power supplied by the power supply unit 1 is controlled so that the voltage of the mounting table 20 measured by the voltmeter 5 approaches the target set voltage.
  • the voltage of the mounting table 20 is maintained at a value close to the set voltage, so that a highly accurate and stable plasma is used. Can be executed.
  • impedance matching between the power supply unit 1 and the plasma P is executed. Impedance matching can be executed at high speed without requiring driving. Further, when a direct digital synthesizer (DDS) is used as a variable frequency oscillator, the frequency of the oscillator can be controlled at high speed without requiring mechanical drive.
  • DDS direct digital synthesizer
  • the power supply unit 1 and the resonance generating unit 2 are integrated to form the power supply device 30, by directly connecting the power supply device 30 to the mounting table 20 without using a commercially available coaxial cable or the like,
  • the characteristic impedance can be freely set without being restricted by the characteristic impedance (for example, 50 ⁇ ) determined by the standard, and a high voltage can be generated with a small output.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a plasma control apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the plasma processing apparatus to which the plasma control apparatus 200 according to the second embodiment is applied has the same configuration as the plasma processing apparatus described in the first embodiment.
  • the plasma P is inductively coupled plasma, and a coil is used as the element 10.
  • the plasma control apparatus 200 is an apparatus that supplies high-frequency power to the element (plasma generating coil) 10 of the plasma processing apparatus having the above-described configuration.
  • the plasma control apparatus 200 includes a power supply unit 3 for supplying high-frequency power to the element 10, and a high-frequency power supplied from the power supply unit 3 between the power supply unit 3 and the element 10.
  • a resonance generator 4 that applies power to the element 10 and an ammeter 6 that measures the current flowing through the element 10 are provided.
  • the power supply unit 3 and the resonance generating unit 4 are integrated to constitute a power supply device 40.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a specific configuration example of the plasma control apparatus 200 according to the second embodiment.
  • the plasma control apparatus 200 includes a power supply unit 3, a resonance generation unit 4, and an ammeter 6, and the power supply unit 3 and the resonance generation unit 4 are integrated to form a power supply device 40. is doing.
  • the power supply unit 3 includes elements other than those constituting the resonance generating unit 4 among the elements constituting the power supply device 40, and includes a general control unit, a direct current (DC) power source, a variable frequency oscillator (for example, Direct digital synthesizer (DDS)) and power amplifier.
  • Tr1 and Tr2 are transistors such as FETs or IGBTs.
  • T1 is a transformer.
  • the resonance generating unit 4 includes a capacitor C1 connected in parallel to the plasma generating coil L1 as the element 10, and a sensor S2 that detects a phase difference between a current flowing through the resonance generating unit 4 and an applied voltage.
  • the capacitor C1 is a fixed capacitor having a fixed capacitance, and for example, a titanium oxide capacitor is used.
  • the resonance generator 4 also includes a directional coupler S1, but the traveling wave / reflected wave signal output from the directional coupler S1 is not used for control by the general controller of the power supply unit 3. It can only be monitored.
  • the power supply unit 1 controls the magnitude of the high-frequency power supplied so that the current measured by the ammeter 6 approaches the target set current.
  • the target setting current and the current measured by the ammeter 6 are input to the general control unit of the power supply unit 3, and the general control unit is configured so that the measured current approaches the set current.
  • Execute current feedback control to adjust the output of the power supply.
  • the power supply part 3 controls the frequency of the high frequency electric power supplied so that the phase difference detected by sensor S2 may become the minimum.
  • the phase difference detected by the sensor S2 of the resonance generating unit 4 is input to the total control unit of the power source unit 3, and the total control unit sets the frequency of the oscillator so that the phase difference is minimized.
  • Resonance frequency adjustment control (impedance feedback control) to be controlled is executed.
  • the resonance generating unit 4 includes the capacitor C1 connected to the plasma generating coil L1 and connected in parallel to the plasma generating coil L1. .
  • the frequency of the high-frequency power supplied from the power supply unit 3 is controlled (adjusted) so that the phase difference between the current flowing through the resonance generating unit 4 detected by the sensor S2 and the applied voltage is minimized (resonance state). Therefore, the capacitor C1, the plasma generating coil L1, and the plasma P of the resonance generating unit 4 constitute an RLC resonance circuit. For this reason, even if the impedance of the plasma P changes, the current amplified by the resonance phenomenon flows through the plasma generating coil L1.
  • the magnitude of the high-frequency power supplied by the power supply unit 3 is controlled so that the current flowing through the plasma generating coil L1 measured by the ammeter 6 approaches the target set current.
  • the frequency of the oscillator can be controlled at high speed without requiring mechanical drive.
  • the power supply unit 3 and the resonance generating unit 4 are integrated to form the power supply device 40, the power supply device 40 is directly connected to the plasma generating coil L1 without using a commercially available coaxial cable or the like. Therefore, the characteristic impedance can be freely set without being restricted by the characteristic impedance (for example, 50 ⁇ ) determined by the standard, and a high current can be generated with a small output.
  • FIG. 8 illustrates an example in which the capacitor C1 included in the resonance generating unit 4 is connected in parallel to the plasma generating coil L1, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. The case where the capacitor C1 included in the resonance generating unit 4 is connected in series to the plasma generating coil L1 may be used.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a plasma control apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the plasma processing apparatus to which the plasma control apparatus 200A according to the third embodiment is applied has the same configuration as the plasma processing apparatus described in the first and second embodiments.
  • the plasma P is capacitively coupled plasma, and an electrode is used as the element 10.
  • the plasma control apparatus 200A is an apparatus that supplies high-frequency power to the element (plasma generating electrode) 10 of the plasma processing apparatus having the above-described configuration.
  • the plasma control apparatus 200 ⁇ / b> A includes a power supply unit 3 ⁇ / b> A for supplying high frequency power to the element 10, and a high frequency supplied from the power supply unit 3 ⁇ / b> A, interposed between the power supply unit 3 ⁇ / b> A and the element 10.
  • a resonance generator 4A that applies power to the element 10 and a voltmeter 7 that measures the voltage of the element 10 are provided.
  • the power supply unit 3A and the resonance generating unit 4A are integrated to form a power supply device 40A.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a specific configuration example of a plasma control apparatus 200A according to the third embodiment.
  • the plasma control apparatus 200A includes a power supply unit 3A, a resonance generation unit 4A, and a voltmeter (Vpp sensor that measures the peak-to-peak voltage Vpp) 7, and includes the power supply unit 3A and the resonance generation unit. 4A is integrated to form a power supply device 40A.
  • Vpp sensor that measures the peak-to-peak voltage Vpp
  • the power supply unit 3A includes elements other than those constituting the resonance generating unit 4A among the elements constituting the power supply device 40A, and includes a general control unit, a direct current (DC) power source, a frequency variable oscillator (for example, Direct digital synthesizer (DDS)) and power amplifier.
  • Tr1 and Tr2 are transistors such as FETs or IGBTs.
  • T1 is a transformer.
  • the resonance generator 4A includes an LC circuit in which a coil L1 and a capacitor C1 (this embodiment further includes a capacitor C3) are connected (specifically, an LC series circuit in which the coil L1 and the capacitor C1 are connected in series). And a sensor S2 for detecting a phase difference between the current flowing through the LC circuit and the applied voltage.
  • the capacitors C1 and C3 are fixed capacitors having a fixed capacitance, and for example, titanium oxide capacitors are used.
  • the capacitance of the capacitor C1 of the LC circuit included in the resonance generator 4A is set larger than the assumed capacitance of the plasma P.
  • the resonance generating unit 4A also includes a directional coupler S1, but the traveling wave / reflected wave signal output from the directional coupler S1 is not used for control by the general control unit of the power supply unit 3A. It can only be monitored.
  • the power supply unit 3A controls the magnitude of the high-frequency power supplied so that the voltage measured by the voltmeter 7 approaches the target set voltage. Specifically, the target set voltage (set Vpp) and the voltage (Vpp signal) measured by the voltmeter 7 are input to the general control unit of the power supply unit 3A. Voltage feedback control is performed to adjust the output of the DC power supply so as to approach the set voltage. Further, the power supply unit 3A controls the frequency of the high-frequency power supplied so that the phase difference detected by the sensor S2 is minimized. Specifically, the phase difference detected by the sensor S2 of the resonance generating unit 4 is input to the overall control unit of the power supply unit 3A, and the overall control unit sets the frequency of the oscillator so that the phase difference is minimized. Resonance frequency adjustment control (impedance feedback control) to be controlled is executed.
  • the resonance generating unit 4A is connected to the plasma generating electrode 10 and includes an LC circuit.
  • the frequency of the high-frequency power supplied by the power supply unit 3A is controlled (adjusted) so that the phase difference between the current flowing through the LC circuit detected by the sensor S2 and the applied voltage is minimized (resonance state).
  • the LC circuit of the resonance generator 4A, the plasma generation electrode 10 and the plasma P constitute an RLC resonance circuit (specifically, an RLC series resonance circuit). For this reason, even if the impedance of the plasma P changes, the voltage amplified by the resonance phenomenon is applied to the plasma generating electrode 10.
  • the capacitance of the capacitor C1 of the LC circuit is larger than the assumed capacitance of the plasma P, even if the impedance of the plasma P changes, the influence on the voltage change of the plasma generating electrode 10 is small. Further, the magnitude of the high frequency power supplied by the power supply unit 3A is controlled so that the voltage of the plasma generating electrode 10 measured by the voltmeter 7 approaches the target set voltage. With the above configuration, even when the impedance of the plasma P changes due to a change in the state of the plasma P, the voltage of the plasma generating electrode 10 is maintained at a value close to the set voltage, so that the change in the absorbed energy of the plasma P Therefore, it is possible to carry out highly accurate and stable plasma processing.
  • the LC circuit of the resonance generator 4A, the plasma generation electrode 10 and the RLC resonance circuit by the plasma P are configured, impedance matching between the power supply unit 3A and the plasma P is executed. Impedance matching can be performed at high speed without requiring mechanical drive. Further, when a direct digital synthesizer (DDS) is used as a variable frequency oscillator, the frequency of the oscillator can be controlled at high speed without requiring mechanical drive. Further, since the power supply unit 3A and the resonance generating unit 4A are integrated to form the power supply device 40A, the power supply device 40A is directly connected to the plasma generating electrode 10 without using a commercially available coaxial cable or the like. Therefore, the characteristic impedance can be freely set without being restricted by the characteristic impedance (for example, 50 ⁇ ) determined by the standard, and a high voltage can be generated with a small output.
  • DDS direct digital synthesizer
  • the plasma control device 100 according to the first embodiment, the plasma control device 200 according to the second embodiment, and the plasma control device 200A according to the third embodiment described above can be applied individually to the plasma processing apparatus. It is. In the case of a plasma processing apparatus that generates inductively coupled plasma, the plasma control apparatus 100 according to the first embodiment and the plasma control apparatus 200 according to the second embodiment are applied in combination, or capacitively coupled plasma is generated. In the case of the plasma processing apparatus to be used, the plasma control apparatus 100 according to the first embodiment and the plasma control apparatus 200A according to the third embodiment can be applied in combination.
  • the plasma control apparatus 100 (see FIG. 6) according to the first embodiment is connected to the mounting table 20 on which the substrate S is mounted with respect to the plasma processing apparatus that generates inductively coupled plasma, and plasma generation is performed.
  • a conventional plasma control apparatus 200 ′ (see FIG. 3) was connected to the coil 10, and a test 1 in which the substrate S was etched was performed.
  • a conventional plasma control apparatus 100 ′ (see FIG. 2) is connected to the mounting table 20, and a conventional plasma control apparatus 200 ′ (see FIG. 3) is connected to the plasma generating coil 10. Then, a test 2 for performing an etching process on the substrate S was performed.
  • Vpp means the voltage (Vpp signal) of the mounting table 20 measured by a voltmeter.
  • Frequency means the frequency of the high-frequency power supplied from the power supply units 1, 1 ′.
  • the value described in the “output” column means a power value applied to the mounting table 20.
  • E / R means the etching rate of the substrate S.
  • the value described in the column of “uniformity” means the in-plane uniformity of the etching rate of the substrate S.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the evaluation result of the test.
  • 12A shows the evaluation result of Test 2 (conventional)
  • FIG. 12B shows the evaluation result of Test 1 (present invention).
  • FIG. 12A in the case of Test 2 in which the conventional plasma control apparatus 100 ′ (see FIG. 2) is connected to the mounting table 20, the voltage of the mounting table 20 is changed with the pressure change in the chamber C. A change has occurred.
  • FIG. 12B in the case of Test 1 in which the plasma control apparatus 100 (see FIG. 6) according to the first embodiment is connected to the mounting table 20, the pressure change in the chamber C is changed. Even if it occurred, it was found that the voltage of the mounting table 20 was stable.

Abstract

【課題】安定したプラズマを用いた処理を実行可能であると共に、電源部とプラズマとのインピーダンスの整合を高速に実行可能なプラズマ制御装置を提供する。 【解決手段】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５とを備える。共振発生部２は、コイルＬ１とコンデンサＣ１とが接続されたＬＣ回路と、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Ｓ２とを具備し、ＬＣ回路のコンデンサＣ１の静電容量は、プラズマＰの想定静電容量よりも大きい。電源部１は、電圧計５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、供給する高周波電力の大きさを制御すると共に、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。

Description

プラズマ制御装置
　本発明は、基板に対してエッチング処理等のプラズマを用いた処理を実行する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に関する。特に、本発明は、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、電源部とプラズマとのインピーダンスの整合を高速に実現可能な上、プラズマを用いた処理に重要な電圧・電流の安定制御を実現することで、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なプラズマ制御装置に関する。
　従来、図１に示すように、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処理を施すプラズマ処理装置が知られている。
　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。
　載置台２０及び要素１０には、それぞれ高周波電力が印加される。
　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。
　例えば、要素１０がコイルであり、チャンバＣ内に誘導結合プラズマを発生させる場合、プラズマ制御装置２００’によってコイル１０に印加された高周波電力により磁界が発生し、この磁界によってチャンバＣ内で圧力制御されたガスが励起されることでプラズマＰが発生する。また、プラズマ制御装置１００’によって載置台２０に印加された高周波電力により、プラズマＰと載置台２０との間に電位差が生じ、プラズマＰ中のイオンが積極的に載置台２０に引き込まれ、エッチング処理等のプラズマ処理が促進される。
　以下、図２～図４を参照して、従来のプラズマ制御装置１００’、２００’の具体的構成例について説明する。
　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。
　以上の構成を有するプラズマ制御装置１００’において、電源部１’の電源制御部には、目標とする設定電力と、方向性結合器Ｓ１から出力された進行波／反射波信号とが入力され、電源制御部は、設定電力が得られるようにＤＣ電源の出力を調整する電力帰還制御を実行する。
　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。
　図３、図４は、プラズマ制御装置２００’の具体的構成例を示す図である。図３は、要素１０がコイルＬ１である場合（プラズマＰが誘導結合プラズマである場合）、図４は、要素１０が電極である場合（プラズマＰが容量結合プラズマである場合）を示す。図３、図４に示すように、プラズマ制御装置２００’は、プラズマ制御装置１００’と同様に、電源部３’とインピーダンス整合器４’とを備える。
　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。
　以上の構成を有するプラズマ制御装置２００’においても、プラズマ制御装置１００’と同様に、電源部３’の電源制御部には、目標とする設定電力と、方向性結合器Ｓ１から出力された進行波／反射波信号とが入力され、電源制御部は、設定電力が得られるようにＤＣ電源の出力を調整する電力帰還制御を実行する。
　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。
　以上に説明した従来のプラズマ制御装置１００’において、プラズマＰと載置台２０との電位差、ひいては、載置台２０とグランドとの電位差、すなわち、図２に示す電圧計（Ｖｐｐセンサ）によってモニタされる載置台２０の電圧（ピークツーピーク電圧）は、電源部１’に設定する設定電力（電源部１’の電源制御部に入力する設定電力）と、プラズマＰの状態とによって、間接的に決定される。このため、プラズマ処理を施す基板Ｓの状態変化等に伴い、プラズマＰの状態が変化し、プラズマＰのインピーダンスが変化（例えば、図２に示す容量成分Ｃ２と抵抗成分Ｒｐ１、Ｒｐ２からなるプラズマ等価回路において、容量成分Ｃ２の静電容量が変化）した場合、載置台２０の電圧が変化し、プラズマＰと載置台２０との電位差も変化することになる。これにより、高精度で且つ安定したエッチング等のプラズマ処理を実行できないおそれがある。また、電源部１’とプラズマＰとのインピーダンスの整合を機械的駆動によって行うため、高速な整合を行うことができないという問題もある。
　また、従来のプラズマ制御装置２００’において、プラズマＰの吸収エネルギーは、電源部３’に設定する設定電力（電源部３’の電源制御部に入力する設定電力）と、プラズマＰの状態とによって、間接的に決定される。このため、プラズマ処理を施す基板Ｓの状態変化等に伴い、プラズマＰの状態が変化し、プラズマＰのインピーダンスが変化（例えば、図３に示すインダクタンス成分Ｌｐと抵抗成分Ｒｐからなるプラズマ等価回路において、インダクタンス成分Ｌｐのインダクタンスや、プラズマＰとコイルＬ１との相互インダクタンスＭｐが変化。図４に示す容量成分Ｃ２と抵抗成分Ｒｐ１、Ｒｐ２からなるプラズマ等価回路において、容量成分Ｃ２の静電容量が変化）した場合、プラズマＰの吸収エネルギーが変化することになる。これにより、高精度で且つ安定したエッチング等のプラズマ処理を実行できないおそれがある。また、電源部３’とプラズマＰとのインピーダンスの整合を機械的駆動によって行うため、高速な整合を行うことができないという問題もある。
　すなわち、従来のプラズマ制御装置１００’及び２００’のいずれにも、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に、電源部１’、３’とプラズマＰとのインピーダンスの整合を高速に実行できなかったり、高精度で且つ安定したプラズマ処理を実行できないおそれがある。
　例えば、載置台２０側に接続されるプラズマ制御装置として、特許文献１に記載のような装置が提案されているものの、上記の問題を十分に解決できるものではない。
　また、要素１０（コイル）側に接続されるプラズマ制御装置として、特許文献２に記載のような装置が提案されているものの、上記の問題を十分に解決できるものではない。　
　以上を纏めると、従来のプラズマ制御装置の課題は、電源部とプラズマとのインピーダンスの整合を高速に実現可能とする他、以下の通りである。
　（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。
　（２）生成するプラズマが容量結合プラズマである場合も、プラズマの生成及び維持に必要な電力の伝播は、プラズマ発生用電極や載置台とプラズマとの間に与えられた高周波電界強度により決まる。さらにその電界強度は、電力を印加した高周波電圧に依存する。従って、その電圧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、安定した電圧制御が必要である。
　（３）プラズマ処理装置では、プラズマによって生成されたイオンを基板に引き込むエネルギーを制御することで、基板の加工形状や成膜状態を制御する。引き込まれるイオンのエネルギーは、載置台に印加された高周波電圧やその高周波電圧で発生する載置台の直流（ＤＣ）バイアスにより制御することができる。従って、電圧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、より安定した加工性能・成膜性能を維持するには、安定した電圧制御が必要である。
　（４）プラズマにかかる電圧や流れる電流を決める要素は、プラズマのインピーダンスに依存する。したがって、従来のプラズマ制御装置ではこれらの要素を直接操作することが困難である。このため、基板の加工形状や成膜状態を制御するには、プラズマ処理条件によって想定されるこれらの要素を想定した上で、プラズマ処理中に変動するインピーダンスの変化に起因した変動も考慮しなければならなかったため、精度の高いプラズマ処理を実行することが困難であった。
日本国特許第４７７７４８１号公報 日本国特開２００５－２５２０５７号公報
　本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、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、電源部とプラズマとのインピーダンスの整合を高速に実現可能な上、プラズマ処理に重要な電圧・電流の安定制御を実現することで、高精度で且つ安定したプラズマ処理を実行可能なプラズマ制御装置を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するため、本発明は、第１の手段として、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を提供する。
　本発明の第１の手段に係るプラズマ制御装置は、基板を載置する載置台に接続されるプラズマ制御装置である。
　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。
　なお、プラズマの想定静電容量は、例えば、図２を参照して前述した従来のプラズマ制御装置１００’において、インピーダンス整合器２’による電源部１’とプラズマＰとのインピーダンスの整合が完了した時点における可変素子の定数を調べて計算することで算出可能である。
　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。
　また、本発明の第１の手段に係るプラズマ制御装置を適用するプラズマ処理装置としては、生成したプラズマそのものによって基板にエッチング処理や成膜処理を施す装置の他、生成したプラズマ中のイオンを中性化して得られた中性粒子によって基板にエッチング処理や成膜処理を施す装置も含まれる。後述の第２の手段及び第３の手段に係るプラズマ処理装置についても同様である。
　また、前記課題を解決するため、本発明は、第２の手段として、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プラズマ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を提供する。
　本発明の第２の手段に係るプラズマ制御装置は、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に接続されるプラズマ制御装置である。
　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。
　さらに、前記課題を解決するため、本発明は、第３の手段として、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を提供する。
　本発明の第３の手段に係るプラズマ制御装置は、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に接続されるプラズマ制御装置である。
　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。
　なお、プラズマの想定静電容量は、例えば、図４を参照して前述した従来のプラズマ制御装置２００’において、インピーダンス整合器４’による電源部３’とプラズマＰとのインピーダンスの整合が完了した時点における可変素子の定数を調べて計算することで算出可能である。
　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。
　なお、本発明の第１の手段～第３の手段に係るプラズマ制御装置は、それぞれ単独でプラズマ処理装置に適用することも可能であるし、誘導結合プラズマを発生させるプラズマ処理装置の場合には、第１の手段及び第２の手段に係るプラズマ制御装置を組み合わせて適用したり、容量結合プラズマを発生させるプラズマ処理装置の場合には、第１の手段及び第３の手段に係るプラズマ制御装置を組み合わせて適用することも可能である。
　本発明に係るプラズマ制御装置によれば、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、電源部とプラズマとのインピーダンスの整合を高速に実現可能な上、プラズマを用いた処理に重要な電圧・電流の安定制御を実現することで、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。
従来のプラズマ制御装置の概略構成図である。 載置台に接続される従来のプラズマ制御装置の具体的構成例を示す図である。 プラズマ発生用コイルに接続される従来のプラズマ制御装置の具体的構成例を示す図である。 プラズマ発生用電極に接続される従来のプラズマ制御装置の具体的構成例を示す図である。 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。 本発明の第１実施形態に係るプラズマ制御装置の具体的構成例を示す図である。 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。 本発明の第２実施形態に係るプラズマ制御装置の具体的構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るプラズマ制御装置の他の具体的構成例を示す図である。 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。 本発明の第３実施形態に係るプラズマ制御装置の具体的構成例を示す図である。 本発明の効果を示す評価結果の一例を示す図である。
　以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
　＜第１実施形態＞
　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。
　第１実施形態に係るプラズマ制御装置１００は、上記の構成を有するプラズマ処理装置の載置台２０に高周波電力を供給する装置である。図５に示すように、プラズマ制御装置１００は、載置台２０に高周波電力を供給するための電源部１と、電源部１と載置台２０との間に介設され、電源部１から供給された高周波電力を載置台２０に印加する共振発生部２と、載置台２０の電圧を測定する電圧計５とを備える。本実施形態では、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。
　以下、図６を参照しつつ、第１実施形態に係るプラズマ制御装置１００の具体的構成例について説明する。
　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。
　電源部１は、電源装置３０を構成する要素の中で、共振発生部２を構成する要素以外の要素から構成されており、総合制御部、直流（ＤＣ）電源、周波数可変の発振器（例えば、ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ））及びパワーアンプを具備する。なお、図６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。
　共振発生部２は、コイルＬ１とコンデンサＣ１（本実施形態は更にコンデンサＣ３も含む）とが接続されたＬＣ回路（具体的には、コイルＬ１とコンデンサＣ１とが直列接続されたＬＣ直列回路）と、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Ｓ２とを具備する。コンデンサＣ１、Ｃ３は、固定の静電容量を有する固定コンデンサであり、例えば、酸化チタン系コンデンサが用いられる。センサＳ２は、ＬＣ回路に取り付けられ、電流を取り出す変圧器や、電圧を取り出すコンデンサを具備し、取り出した電流と電圧の位相差に応じた電位差が生じる回路構成となっている。共振発生部２が具備するＬＣ回路のコンデンサＣ１の静電容量は、プラズマＰの想定静電容量よりも大きく設定されている。すなわち、コンデンサＣ１の静電容量は、図６に示す容量成分Ｃ２と抵抗成分Ｒｐ１、Ｒｐ２からなるプラズマ等価回路における容量成分Ｃ２の想定静電容量よりも大きく設定されている。
　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。
　電源部１は、電圧計５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、供給する高周波電力の大きさを制御する。具体的には、電源部１の総合制御部には、目標とする設定電圧（設定Ｖｐｐ）と、電圧計５によって測定した電圧（Ｖｐｐ信号）とが入力され、総合制御部は、測定電圧が設定電圧に近づくように、ＤＣ電源の出力を調整する電圧帰還制御を実行する。
　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。
　以上に説明した第１実施形態に係るプラズマ制御装置１００によれば、共振発生部２は、載置台２０に接続され、ＬＣ回路を具備している。そして、センサＳ２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１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２のＬＣ回路、載置台２０及びプラズマＰにより、ＲＬＣ共振回路（具体的には、ＲＬＣ直列共振回路）が構成されることになる。このため、プラズマＰ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２０に印加されることになる。
　図６に示すＲＬＣ共振回路は、コイルＬ１、コンデンサＣ１、コンデンサＣ３、容量成分Ｃ２、抵抗成分Ｒｐ２から構成される。このＲＬＣ共振回路のインピーダンスをＺ、コイルＬ１のインダクタンスをＬ１、コンデンサＣ１の静電容量をＣ１、コンデンサＣ３の静電容量をＣ３、容量成分Ｃ２の想定静電容量をＣ２、抵抗成分Ｒｐ２の抵抗値をＲｐ２、高周波電力の周波数を角周波数で表わしたものをωとすると、
　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。
　また、ＬＣ回路のコンデンサＣ１の静電容量Ｃ１がプラズマＰの想定静電容量（容量成分Ｃ２の想定静電容量Ｃ２）よりも大きいため、プラズマＰのインピーダンスが変化したとしても、ＲＬＣ共振回路のインピーダンスＺは大きく変化せず、載置台２０の電圧の変化に及ぼす影響が少ない。
　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。
　また、共振発生部２のＬＣ回路、載置台２０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１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を構成しているため、この電源装置３０を市販の同軸ケーブル等を介さずに載置台２０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。
　＜第２実施形態＞
　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。
　第２実施形態に係るプラズマ制御装置２００は、上記の構成を有するプラズマ処理装置の要素（プラズマ発生用コイル）１０に高周波電力を供給する装置である。図７に示すように、プラズマ制御装置２００は、要素１０に高周波電力を供給するための電源部３と、電源部３と要素１０との間に介設され、電源部３から供給された高周波電力を要素１０に印加する共振発生部４と、要素１０に流れる電流を測定する電流計６とを備える。本実施形態では、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。
　以下、図８を参照しつつ、第２実施形態に係るプラズマ制御装置２００の具体的構成例について説明する。
　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。
　電源部３は、電源装置４０を構成する要素の中で、共振発生部４を構成する要素以外の要素から構成されており、総合制御部、直流（ＤＣ）電源、周波数可変の発振器（例えば、ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ））及びパワーアンプを具備する。なお、図８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。
　共振発生部４は、要素１０としてのプラズマ発生用コイルＬ１に並列接続されたコンデンサＣ１と、共振発生部４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Ｓ２とを具備する。コンデンサＣ１は、固定の静電容量を有する固定コンデンサであり、例えば、酸化チタン系コンデンサが用いられる。
　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。
　電源部１は、電流計６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、供給する高周波電力の大きさを制御する。具体的には、電源部３の総合制御部には、目標とする設定電流と、電流計６によって測定した電流とが入力され、総合制御部は、測定電流が設定電流に近づくように、ＤＣ電源の出力を調整する電流帰還制御を実行する。
　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。
　以上に説明した第２実施形態に係るプラズマ制御装置２００によれば、共振発生部４は、プラズマ発生用コイルＬ１に接続され、プラズマ発生用コイルＬ１に並列接続されたコンデンサＣ１を具備している。そして、センサＳ２で検出した共振発生部４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３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Ｐ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Ｌ１に流れることになる。また、電流計６によって測定したプラズマ発生用コイルＬ１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３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、プラズマ発生用コイルＬ１に流れる電流が設定電流に近い値に維持されるため、プラズマＰ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。
　なお、図８では、共振発生部４が具備するコンデンサＣ１が、プラズマ発生用コイルＬ１に並列接続された例について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、図９に示すように、共振発生部４が具備するコンデンサＣ１が、プラズマ発生用コイルＬ１に直列接続されている場合であってもよい。
　＜第３実施形態＞
　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。
　第３実施形態に係るプラズマ制御装置２００Ａは、上記の構成を有するプラズマ処理装置の要素（プラズマ発生用電極）１０に高周波電力を供給する装置である。図１０に示すように、プラズマ制御装置２００Ａは、要素１０に高周波電力を供給するための電源部３Ａと、電源部３Ａと要素１０との間に介設され、電源部３Ａから供給された高周波電力を要素１０に印加する共振発生部４Ａと、要素１０の電圧を測定する電圧計７とを備える。本実施形態では、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。
　以下、図１１を参照しつつ、第３実施形態に係るプラズマ制御装置２００Ａの具体的構成例について説明する。
　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。
　電源部３Ａは、電源装置４０Ａを構成する要素の中で、共振発生部４Ａを構成する要素以外の要素から構成されており、総合制御部、直流（ＤＣ）電源、周波数可変の発振器（例えば、ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ））及びパワーアンプを具備する。なお、図１１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。
　共振発生部４Ａは、コイルＬ１とコンデンサＣ１（本実施形態は更にコンデンサＣ３も含む）とが接続されたＬＣ回路（具体的には、コイルＬ１とコンデンサＣ１とが直列接続されたＬＣ直列回路）と、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Ｓ２とを具備する。コンデンサＣ１、Ｃ３は、固定の静電容量を有する固定コンデンサであり、例えば、酸化チタン系コンデンサが用いられる。共振発生部４Ａが具備するＬＣ回路のコンデンサＣ１の静電容量は、プラズマＰの想定静電容量よりも大きく設定されている。すなわち、コンデンサＣ１の静電容量は、図１１に示す容量成分Ｃ２と抵抗成分Ｒｐ１、Ｒｐ２からなるプラズマ等価回路における容量成分Ｃ２の想定静電容量よりも大きく設定されている。
　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。
　電源部３Ａは、電圧計７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、供給する高周波電力の大きさを制御する。具体的には、電源部３Ａの総合制御部には、目標とする設定電圧（設定Ｖｐｐ）と、電圧計７によって測定した電圧（Ｖｐｐ信号）とが入力され、総合制御部は、測定電圧が設定電圧に近づくように、ＤＣ電源の出力を調整する電圧帰還制御を実行する。
　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。
　以上に説明した第３実施形態に係るプラズマ制御装置２００Ａによれば、共振発生部４Ａは、プラズマ発生用電極１０に接続され、ＬＣ回路を具備している。そして、センサＳ２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３Ａ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４ＡのＬＣ回路、プラズマ発生用電極１０及びプラズマＰにより、ＲＬＣ共振回路（具体的には、ＲＬＣ直列共振回路）が構成されることになる。このため、プラズマＰ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１０に印加されることになる。また、ＬＣ回路のコンデンサＣ１の静電容量がプラズマＰの想定静電容量よりも大きいため、プラズマＰ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１０の電圧の変化に及ぼす影響が少ない。さらに、電圧計７によって測定したプラズマ発生用電極１０の電圧が、目標とする設定電圧に近づくように、電源部３Ａ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、プラズマ発生用電極１０の電圧が設定電圧に近い値に維持されるため、プラズマＰ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。
　以上に説明した第１実施形態に係るプラズマ制御装置１００、第２実施形態に係るプラズマ制御装置２００、第３実施形態に係るプラズマ制御装置２００Ａは、それぞれ単独でプラズマ処理装置に適用することも可能である。また、誘導結合プラズマを発生させるプラズマ処理装置の場合には、第１実施形態に係るプラズマ制御装置１００と第２実施形態に係るプラズマ制御装置２００とを組み合わせて適用したり、容量結合プラズマを発生させるプラズマ処理装置の場合には、第１実施形態に係るプラズマ制御装置１００と第３実施形態に係るプラズマ制御装置２００Ａとを組み合わせて適用することも可能である。
　以下、本発明の第１実施形態に係るプラズマ制御装置１００と、従来のプラズマ制御装置１００’の性能を評価した結果について説明する。
　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。
　上記試験１、２の結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　表１において、「Ｖｐｐ」の欄に記載の値は、電圧計によって測定した載置台２０の電圧（Ｖｐｐ信号）を意味する。「周波数」の欄に記載の値は、電源部１、１’から供給される高周波電力の周波数を意味する。「出力」の欄に記載の値は、載置台２０に印加される電力値を意味する。「Ｅ／Ｒ」の欄に記載の値は、基板Ｓのエッチングレートを意味する。「均一性」の欄に記載の値は、エッチングレートの基板Ｓの面内の均一性を意味する。
　表１に示すように、載置台２０の電圧を同条件にした場合、本発明は、小出力（小電力値）でも従来と同等のエッチング性能が得られることがわかった。
　また、上記の試験１、２において、それぞれエッチング処理の途中でチャンバＣ内の圧力を変化させ、このときの載置台２０の電圧の安定性を評価した。具体的には、以下の（１）～（３）に示す条件において、チャンバＣ内の圧力を３０Ｐａから５Ｐａに変化させ、このときに電圧計によって測定した電圧（Ｖｐｐ信号）の変動を評価した。
　（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は、上記試験の評価結果の一例を示す図である。図１２（ａ）は試験２（従来）の評価結果を、図１２（ｂ）は試験１（本発明）の評価結果を示す。
　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。
１、３、３Ａ・・・電源部
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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  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、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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