(57)【要約】      （修正有）【課題】プラズマ処理装置のプラズマを好適に制御するための方法を提供する。【解決手段】真空プラズマ処理装置の高周波バイアス電源への反射電力量に不連続が起こる傾向を、高周波バイアス電源の出力電力を制御して、真空処理チャンバ内のプラズマ５０に供給される電力が実質的に一定になるようにして抑える。高周波バイアス電源の出力電力を、高周波バイアス電源とワークピースホルダ処理装置の電極とを接続するマッチングネットワーク１０８の容量変化よりも非常に速く変化させる。プラズマの容量インピーダンス成分を、チャンバ内のプラズマシースの厚みを光学的に測定することによって求める。【選択図】図１
2010251768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空プラズマ処理チャンバ内の電極を有するワークピースホルダ上のワークピースを処理する交流プラズマの制御方法であって、
チャンバに供給される少なくとも１種のガス、チャンバに供給されるガスの流量、チャンバ内の圧力範囲、プラズマ用の励起リアクタンスに供給される電力範囲、電極に供給される電力範囲を含む１組のパラメータを有するレシピに従って実行され、
交流を第１交流電源からプラズマへ、励起リアクタンスと、第１および第２の可変リアクタンスを含む第１マッチングネットワークとを含む第１回路を介して、供給するステップと、
第１回路から見たプラズマを含む負荷に関する第１の関数を検出するステップと、
検出された第１の関数に応じて、第１および第２のリアクタンスを制御して、（ａ）第１電源の出力インピーダンスの関数と（ｂ）第１電源が駆動するインピーダンスの関数との間の所定の関係を維持するステップと、
交流を第２交流電源からプラズマへ、電極と、第３および第４の可変リアクタンスを含む第２マッチングネットワークとを介して、供給するステップと、
プラズマインピーダンスに関する第２の関数を検出するステップと、
第３および第４の可変リアクタンスを、検出された第２の関数に応じて制御して、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動するインピーダンスとの間の実質的なマッチング状態を維持するステップであって、第２電源へ反射される電力は、第３および第４のリアクタンスの少なくとも一方の値の、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷との間のマッチングを与える値からの小さな変化の結果、階段状に変化する傾向があり、少なくとも一方の小さな変化は少なくとも１つのパラメータの漸進的な変化に起因する一方で、その１つのパラメータは、レシピと整合する範囲に留まるステップと、
階段状に変化する傾向を、プラズマインピーダンスの関数に応じて第２電源の出力電力を変化させることによって抑え、第２電源の出力電力を、第３および第４リアクタンスが変化して階段状変化の傾向が生じる速度よりもはるかに速い速度で変化させるステップとを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
第２電源の出力電力を変化させるプラズマインピーダンスの関数は、第２電源からマッチングネットワーク内を見たときの電気パラメータの測定に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法
【請求項３】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合したプラズマインピーダンスの関数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
マッチングネットワークの入力端子内を見たときのインピーダンスを測定するステップと、第３および第４のリアクタンス値に関係するインピーダンス値を検出するステップと、プラズマインピーダンスを、（ａ）マッチングネットワークの入力端子内を見たときの測定インピーダンス値と、（ｂ）マッチングネットワークの入力端子の中を見てインピーダンスを測定した時点での第３および第４のリアクタンス値に関係する検出インピーダンス値と、（ｃ）マッチングネットワークの入力端子と電極との間の固定インピーダンス値とから計算するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、第２電源の出力端子へ反射される電力であり、第２電源の出力電力を検出し、第２電源の出力電力を、第２電源の出力端子へ反射される電力と、第２電源の出力電力表示と、プラズマへ印加すべき電力に対する設定点との間の比較に応じて、制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の測定値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の測定値を、マッチングネットワークの入力端子内を見たときの少なくとも１つの電気パラメータから得ることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の測定値を、ホルダとプラズマとの間のシースの厚みを測定し、シース厚みを第２マッチングネットワークと結合したプラズマの負荷と相関させることによって得ることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
シース厚みを光学的に測定することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
励起リアクタンスにコイルが含まれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
真空プラズマ処理装置チャンバ内の交流プラズマの電気負荷インピーダンスの容量成分の測定方法であって、
プラズマは、処理装置内のワークピースを処理し、負荷は、電気エネルギーをプラズマへ供給する電気回路にかかり、プラズマは、チャンバ内の表面とプラズマとの間にシースが形成されるようなものであり、本方法は、シース厚みを測定するステップと、シース厚みと容量成分値とを相関させるステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
シース厚みを光学的に測定することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
電気負荷は、交流電源によって駆動される電極を備えるワークピースホルダ上のワークピースに対するプラズマの負荷であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
シース厚みの光学的な測定は、ワークピースの上面と、近接するプラズマの境界との間のシース厚みを光学的に画像化することによって行うことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ワークピースを処理する装置であって、
（ａ）ワークピースに電気エネルギーを静電的に供給ための電極を含むワークピースホルダと（ｂ）チャンバにイオン化可能ガスを供給するための第１ポートと（ｃ）チャンバへの真空ポンプの接続のための第２ポートとを有する真空プラズマチャンバと、
イオン化可能ガスに該ガスをプラズマに励起するために十分な電磁気的なエネルギーを供給するための励起リアクタンスと、
第１交流電源と、
第１交流電源と励起リアクタンスとの間に接続され、第１及び第２の可変リアクタンスを含む第１マッチングネットワークと、
プラズマインピーダンスに応答可能な検出装置と、
第２交流電源と、
前記電極と第２交流電源との間に接続され、第３及び第４の可変リアクタンスを含む第２マッチングネットワークと、
（ａ）チャンバ内の真空度を調整するための真空ポンプ装置、（ｂ）第１ポートに供給されるガスの流量、（ｃ）第１交流電源の出力、（ｄ）第２交流電源の出力、及び（ｅ）第１、第２、第３及び第４の可変リアクタンスのためのコントローラとを備え、コントローラは、チャンバ内の異なるコンディションのための複数のレシピを格納しているメモリ及び入力装置を有し、それぞれのレシピは、最初に調整する真空度、流量、第１電源の出力及び第２電源の出力のための少なくとも１セットのパラメータを有し、コントローラは、チャンバの真空度、ガスの流量及び第１と第２の電源の出力の最初に調整する値が、複数のレシピの中の選択されたレシピの所定の範囲内に入るように、入力装置に応答し、（ａ）プラズマが励起リアクタンスに負荷されている状態において、第１マッチングネットワークから見て励起リアクタンスに入る方向のインピーダンスと第１電源との間の実質的なインピーダンスマッチが得られるように第１及び第２リアクタンスを制御するため、及び（ｂ）プラズマが励起リアクタンスに負荷されている状態において、第２マッチングネットワークから見て前記電極に入る方向のインピーダンスと第２電源との間の実質的なインピーダンスマッチが得られるように第３及び第４リアクタンスを制御するため、コントローラは前記検出装置に応答し、
第２電源へ反射される電力は、第３および第４のリアクタンスの少なくとも一方の値の、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷との間のマッチングを与える値からの小さな変化の結果、階段状に変化する傾向があり、少なくとも一方の小さな変化は少なくとも１つのパラメータの漸進的な変化に起因する一方で、その１つのパラメータは、選択されたレシピの１セットのパラメータの範囲に留まり、
前記階段状に変化する傾向を、プラズマインピーダンスの関数に応じて第２電源の出力電力を変化させることによって抑え、第２電源の出力電力を、第３および第４リアクタンスが変化して階段状変化の傾向が生じる速度よりもはるかに速い速度で変化させるために、コントローラは前記検出装置に応答するように構成されている。
【請求項１６】
第２電源の出力電力を変化させるプラズマインピーダンスの関数は、第２電源からマッチングネットワーク内を見たときの電気パラメータの測定に基づくことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合したプラズマインピーダンスの関数であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、第２電源の出力端子へ反射される電力であり、前記検出装置は第２電源の出力を示す信号を得るように構成され、コントローラが、第２電源の出力電力を、第２電源の出力端子へ反射される電力と、第２電源の出力を示す前記信号との比較に応じて制御する請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合したプラズマのインピーダンスの測定値であることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の測定値を、マッチングネットワークの入力端子内を見たときの少なくとも１つの電気パラメータから得ることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の測定値を、前記ホルダとプラズマとの間のシースの厚さを測定するゲージによって得ることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記ゲージはシースの厚さを光学的に検出するように構成されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記励起リアクタンスはコイルを含むことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項２４】
真空プラズマ処理装置内の交流プラズマの電気負荷インピーダンス成分の蓄電成分を測定する装置であって、プラズマ処理装置が処理装置内のワークピースを処理するように構成され、前記負荷がプラズマに電気エネルギーを供給する電気回路に存在し、チャンバの表面とプラズマとの間にシースが形成されるようにプラズマが存在し、シースの厚さを測定して応答を得るゲージを有し、前記ゲージの応答に応答するメモリーを有し、メモリーはシースの電気負荷インピーダンスに関係する値を有する信号を得るように構成されている。
【請求項２５】
前記ゲージはシースの厚さをモニターする電気及び光学的な装置であることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記ゲージはシースの厚さを映像化する電気的及び光学的な装置であることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記シースはワークピースホルダの上のワークピースとプラズマとの間にあり、電気的及び光学的な装置は、ワークピースの処理面の下のある１点と、シースとプラズマとの境界の上のある１点との間の領域に広がるある範囲の視点を有するように構成されていることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
以下は１９条補正後の請求の範囲
【請求項１】
真空プラズマ処理チャンバ内の電極を有するワークピースホルダ上のワークピースを処理する交流プラズマの制御方法であって、
チャンバに供給される少なくとも１種のガス、チャンバに供給されるガスの流量、チャンバ内の圧力範囲、プラズマ用の励起リアクタンスに供給される電力範囲、電極に供給される電力範囲を含む１組のパラメータを有するレシピに従って実行され、
交流を第１交流電源からプラズマへ、励起リアクタンスと、第１および第２の可変リアクタンスを含む第１マッチングネットワークとを含む第１回路を介して、供給するステップと、
第１回路から見たプラズマを含む負荷に関する第１の関数を検出するステップと、
検出された第１の関数に応じて、第１および第２のリアクタンスを制御して、（ａ）第１電源の出力インピーダンスの関数と（ｂ）第１電源が駆動するインピーダンスの関数との間の所定の関係を維持するステップと、
交流を第２交流電源からプラズマへ、電極と、第３および第４の可変リアクタンスを含む第２マッチングネットワークとを介して、供給するステップと、
プラズマインピーダンスに関する第２の関数を検出するステップと、
第３および第４の可変リアクタンスを、検出された第２の関数に応じて制御して、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動するインピーダンスとの間の実質的なマッチング状態を維持するステップであって、第２電源へ反射される電力は、第３および第４のリアクタンスの少なくとも一方の値の、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷との間のマッチングを与える値からの小さな変化の結果、階段状に変化する傾向があり、少なくとも一方の小さな変化は少なくとも１つのパラメータの漸進的な変化に起因する一方で、その１つのパラメータは、レシピと整合する範囲に留まるステップと、
階段状に変化する傾向を、プラズマインピーダンスの関数に応じて第２電源の出力電力を変化させることによって抑え、第２電源の出力電力を、第３および第４リアクタンスが変化して階段状変化の傾向が生じる速度よりもはるかに速い速度で変化させるステップとを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
第２電源の出力電力を変化させるプラズマインピーダンスの関数は、第２電源からマッチングネットワーク内を見たときの電気パラメータ値の検出に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合したプラズマインピーダンスの関数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
マッチングネットワークの入力端子内を見たときのインピーダンス値を検出するステップと、第３および第４のリアクタンス値に関係するインピーダンス値を検出するステップと、プラズマインピーダンスを、（ａ）マッチングネットワークの入力端子内を見たときの検出インピーダンス値と、（ｂ）マッチングネットワークの入力端子の中を見てインピーダンスを測定した時点での第３および第４のリアクタンス値に関係する検出インピーダンス値と、（ｃ）マッチングネットワークの入力端子と電極との間の固定インピーダンス値とから計算するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、第２電源の出力端子へ反射される電力であり、第２電源の出力電力量を検出し、第２電源の出力電力を、第２電源の出力端子へ反射される電力と、第２電源の出力電力表示と、プラズマへ印加すべき電力に対する設定点との間の比較に応じて、制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の検出値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の検出値を、マッチングネットワークの入力端子内を見たときの少なくとも１つの電気パラメータから得ることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の検出値を、ホルダとプラズマとの間のシースの厚みを検出し、シース厚みを第２マッチングネットワークと結合したプラズマの負荷と相関させることによって得ることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
シース厚みを光学的に検出することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
励起リアクタンスにコイルが含まれることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の方法を実施するための装置であって、検出ステップをセンサによって行い、制御ステップを制御手段によって行い、計算ステップを計算手段によって行うことを特徴とする装置。
【請求項１２】
真空プラズマ処理装置チャンバ内の交流プラズマの電気負荷インピーダンスの容量成分の測定方法であって、
プラズマは、処理装置内のワークピースを処理し、負荷は、電気エネルギーをプラズマへ供給する電気回路上にあり、プラズマは、チャンバ内の表面とプラズマとの間にシースが形成されるようなものであり、本方法は、シース厚みを測定するステップと、シース厚みと容量成分値とを相関させるステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
シース厚みを光学的に測定することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
シース厚みの光学的な測定は、ワークピースの上面と、近接するプラズマの境界との間のシース厚みを光学的に画像化することによって行うことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
電気負荷は、交流電源によって駆動される電極を含む、ワークピースホルダ上のワークピースを処理するプラズマの負荷であることを特徴とする請求項１２または１３または１４の方法。
【請求項１６】
測定ステップを測定手段によって行うことを特徴とする請求項１２から１５のいずれかに記載の方法を実施するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に、ワークピースホルダ上のワークピースを処理するための真空プラズマ処理装置に関し、特に、マッチングネットワークを介してワークピースホルダの電極に結合された交流電源を制御して、電源の出力電力を変化させることにより、電源に反射される電力量が不連続になる傾向を抑えるための方法および装置に関する。
【０００２】
本発明の他の態様は、プラズマ処理装置内のプラズマのインピーダンス成分を測定するための方法および装置に関し、特に、インピーダンス成分を、処理装置の真空チャンバの固体表面とチャンバ内のプラズマとの間のシース厚みに応答して測定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ワークピースを処理する（たとえば、ワークピースから材料をエッチングし、ワークピース上へ材料を堆積させる）ための真空処理装置は、典型的に、それぞれ真空ポンプに接続される第１および第２のポートと、１または複数のイオン化可能ガスの供給源とを備える。第１交流電源（典型的には高周波電源またはマイクロ波電源）に応答するリアクタンスを含む電源によってガスを励起して、チャンバ内のプラズマにする。通常、第１のマッチングネットワークが、第１交流電源とプラズマ励起用リアクタンスとの間に接続される。電源が高周波電源である場合には、リアクタンスは、磁界および電界を誘電体窓を介してチャンバ内部に供給するためのコイルか、静電界をチャンバ内部に供給するための平行平板型容量配置である。
【０００４】
ワークピースは、典型的に半導体ウェハまたは誘電体シートまたは金属プレートであり、誘電体によって覆われる電極を備えることが多いワークピースホルダ、すなわちチャック上の所定の位置にクランプされる。典型的に、直流電圧を電極に印加することによって、ワークピースをその場でホルダ上に保持するための静電クランプ力がもたらされる。ワークピースは通常、冷却剤（たとえばヘリウム）をチャック内の凹部に供給することによって冷却される。プラズマ中のイオンをワークピースへ加速するために、第２の交流電源がマッチングネットワークを経由して電極に接続されている。各マッチングネットワークは、モータ（典型的にステップモータ）によって値が変化する１組の可変リアクタンスを備えている。
【０００５】
プラズマ（励起リアクタンスと結合し、チャック電極と結合する）に関係する電気パラメータ用のセンサから得られる信号によって、可変リアクタンス値の制御が助けられる。それぞれチャンバおよび第２ポートへのガス供給ラインの中にある圧力トランスデューサおよび流量トランスデューサから得られる信号によって、チャンバ内の真空圧および第２ポートを通してチャンバ内へ流れるガスの流量の制御が助けられる。
【０００６】
マイクロプロセッサとメモリシステム（ハードドライブ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）を備える）とを備える制御装置が、トランスデューサによって得られる信号とオペレータ入力コンソールからの信号とに応答して、可変リアクタンス、２つの交流電源の出力電力、チャンバ内の真空圧、第２ポートを通してチャンバへ供給されるガスの流量を制御するための信号を発生させる。メモリシステムには複数のレシピが格納されており、各レシピは、異なる状況でのワークピースへの堆積およびエッチングを制御するための様々なパラメータを表わす信号の形態で格納されている。各レシピのパラメータは、特に、チャンバへ供給すべきガス種、ガス種の流量、チャンバ内の真空圧、２つの交流電源の出力電力である。各レシピには、その他のパラメータ、たとえば各レシピの実行時間および／または堆積させる層の厚みが含まれていても良い。制御装置は、レシピのパラメータに応答して、チャンバ内へのガスフロー用のバルブ、チャンバ圧力、さらに第１および第２交流電源の出力電力を制御する。処理する間、制御装置が第１および第２のマッチングネットワークのリアクタンスを制御することによって、第１および第２の交流電源とこれらが駆動する負荷との間のエネルギー伝達が能率的に行われる。その結果、第１および第２の交流電源の出力端子内を見たときのインピーダンスは、第１および第２の交流電源の出力端子から、第１および第２のマッチングネットワークに接続されるケーブルの中をそれぞれ見たときのインピーダンスに実質的に等しい。
【０００７】
処理する間、チャンバ圧力とガス流量とにおいて異常が発生する。異常によって、励起リアクタンスと高周波バイアス電極とに結合されるプラズマインピーダンスに影響が出る。制御装置は、この異常に起因するプラズマインピーダンスの変化に応答して、第１および第２のマッチングネットワークのリアクタンスを変化させ、第１および第２の交流電源の出力端子に反射される電力を常に最小限にしようとする。理想的には、反射される電力はゼロであるが、実際には、高周波バイアス電極を駆動する交流電源に反射される電力は、最小で約２％である。第１および第２の交流電源が駆動する負荷によって吸収される電力が最大になり、交流電源に結合される反射電力が最小になるのは、電源が駆動する負荷インピーダンスが、交流電源の出力端子内を見たときのインピーダンスの複素共役と等しいときである。（（Ａ＋ｊＢ）の複素共役は（Ａ−ｊＢ）である。そのため、実数成分および虚数成分ＡおよびＢによって表わされる出力を有し、大きさが√（Ａ2＋Ｂ2）で、位相角がθ＝ａｒｃｔａｎＡ／Ｂである負荷とのマッチングが起こるのは、電源が駆動する負荷の大きさが√（Ａ2＋Ｂ2）で、位相角が−θのときである。）
検出配置によって、マッチングネットワークがどの程度良好に負荷に「チューニング」されているか、すなわち高周波電源の出力端子内を見たときのインピーダンスと、ケーブル（電源によって駆動され、またマッチングネットワークを駆動する）の入力端子内を見たときのインピーダンスとの間のマッチングの程度がモニタされる。検出配置によって、多くの様々なパラメータ、たとえばケーブル内を見たときのインピーダンス、または交流発生器の出力端子へ反射される電力の割合を測定することができる。制御装置は、検出配置に応答して、フィードバック理論に従ってマッチングネットワークのリアクタンスを連続的に調整する。多くの様々なチューニング理論が、プラズマと交流電源との間のマッチングについて開発されており、たとえば、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，６８９，２１５号および第５，７９３，１６２号において開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、測定量であるケーブルの入力端子内を見たときのインピーダンスまたは交流電源の出力端子に反射される電力は、マッチングネットワークの可変リアクタンス値の連続関数であると仮定されていた。言い換えれば、可変リアクタンスのどちらか一方の小さな変化は、ケーブル内を見たときのインピーダンスまたは反射される電力の小さな変化になると、これまで仮定されていた。この仮定は、プラズマ負荷インピーダンスが一定である場合には正しい。しかし、プラズマ負荷インピーダンスは一定ではなく、むしろプラズマに供給される交流電力の関数である。
【０００９】
発明者らは、第２電源からの電力を高周波バイアス電極へ結合するマッチングネットワークの少なくとも一方の可変リアクタンスの値の小さな変化は、ある状況下では、ケーブル入力端子内を見たときのインピーダンスまたは第２交流電源の出力端子へ反射される電力の、階段状変化または不連続変化になることを見出した。発明者らは、階段状変化または不連続変化が起こるのは、高周波バイアス電極と結合されるプラズマ負荷インピーダンスが一定でないからだと考えている。むしろ、高周波バイアス電極からプラズマへ供給される交流電力は、明らかにプラズマ負荷インピーダンスに依存し、このインピーダンスも、高周波バイアス電極からプラズマへ供給される交流電力の量に依存する。高周波バイアス電極からプラズマへ供給される交流電力とプラズマ負荷インピーダンスとの間の相互依存性は、供給電力に影響を及ぼし、第２交流電源からケーブルの入力端子内を見たときのインピーダンス、または第２交流電源へ反射される電力における急速で不連続な変化を招く。
【００１０】
従来技術の装置においては、供給される交流電力と負荷インピーダンスとの間の相互依存性のせいで、マッチング状態の維持および適切な動作が妨げられることが多い。不連続性は、第２交流電源に反射される高周波バイアス電力が最小限になるように動作しているマッチングネットワークが、一方のマッチングネットワークリアクタンスの非常に小さな変化に対して大きな階段状変化または不連続を有するような、最もクリティカルな状況で起こる。発明者らは、反射される高周波バイアス電力は本質的に、リアクタンス値（たとえばｐＦ）の１つのステップ変化に関係するマッチングネットワークリアクタンス（Ω）の変化によって、ゼロ振幅から約８０〜９０パーセント値へ変化することを見出した。言い換えれば、一方のマッチングネットワークリアクタンスの非常に小さな変化によって、反射される電力が、理想的な実質的にゼロ反射電力の状態から、著しい不整合になる。
【００１１】
マッチング状態におけるこのような突然の変化は、高周波バイアス電極を駆動する交流電源に悪影響を及ぼす可能性がある。発明者らは、反射される高周波バイアス電力量のこのような突然の変化によって、プラズマの光放出にスパイクが生じること見出した。プラズマ放出の光学的スパイクは、光学的エンドポイント検出を引き起こすため、ワークピースのエッチングが早く終了することが分かっている。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、プラズマ処理装置のプラズマを制御するための新規で改善された方法および装置を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、プラズマ処理装置のプラズマを、プラズマを駆動する交流電源に反射されるエネルギーの大きいかまたは不連続な変化が起きる傾向を回避するように、制御するための新規で改善された方法および装置を提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、反射エネルギー、または高周波バイアス電極を駆動する交流励起電源から見たインピーダンスの突然の変化が、交流電源と高周波バイアス電極との間に接続されるマッチングネットワークのリアクタンスの小さな変化の結果起こることを防ぐための、新規で改善された方法および装置を提供することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、プラズマ処理装置のプラズマを、マッチングネットワークを介して高周波バイアス電極を駆動する交流電源に反射される電力の突然の変化に関係する光放出の突然の変化の結果、早すぎるエンドポイント検出が起こることがないように、制御するための新規で改善された装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の１つの態様によれば、真空プラズマ処理チャンバ内の電極を有するワークピースホルダ上のワークピースを処理する交流プラズマの制御方法が、チャンバへ供給するガス種、チャンバへ供給するガスの流量、チャンバ内の圧力、プラズマ用の励起リアクタンスへ供給する電力、電極へ供給する電力に関する１組のパラメータを含むレシピに従って実行される。本方法には、（１）交流を第１交流電源からプラズマへ、励起リアクタンスと、第１および第２の可変リアクタンスを含む第１マッチングネットワークとを含む第１回路を介して、供給するステップと、（２）第１回路から見たプラズマを含む負荷に関する第１の関数を検出するステップと、（３）第１および第２のリアクタンスを、検出された第１の関数に応じて制御して、（ａ）第１電源の出力インピーダンスの関数と（ｂ）第１電源が駆動するインピーダンスの関数との間の所定の関係を維持するステップと、（４）交流を第２交流電源からプラズマへ、電極と、第３および第４の可変リアクタンスを含む第２マッチングネットワークとを介して、供給するステップと、（５）プラズマインピーダンスに関係する第２の関数を検出するステップと、（６）第３および第４の可変リアクタンスを、検出された第２の関数に応じて制御して、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動するインピーダンスとの間の実質的なマッチング状態を維持するステップとが含まれる。第２電源へ反射される電力は、第３および第４リアクタンスの少なくとも一方の値の、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷との間のマッチングを与える第３および第４リアクタンスの値からの小さな変化の結果、階段状に変化する傾向がある。少なくとも一方の小さな変化は、少なくとも１つのパラメータの漸進的な変化に起因する一方で、その１つのパラメータの値は、レシピと関係づけられる範囲に留まる。階段状に変化する傾向を、プラズマインピーダンスの関数に応じて第２電源の出力電力を変化させることによって抑える。第２電源の出力電力を、第３および第４リアクタンスが変化して階段状変化の傾向が生じる速度よりもはるかに速い速度で変化させる。
【００１７】
１つの好ましい実施形態においては、第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、第２電源からマッチングネットワークの方を見たときの電気パラメータの測定値から得られるため、第２マッチングネットワークと電極との間のプローブが不要になる。
【００１８】
他の好ましい実施形態においては、第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合するプラズマインピーダンスの計算値である。プラズマインピーダンスの計算値は、以下のようにして求めることができる。（１）マッチングネットワークの入力端子内を見たときのインピーダンスを測定する、（２）第３および第４リアクタンスの値に関係するインピーダンスの値を求める、（３）プラズマインピーダンスを、（ａ）マッチングネットワークの入力端子内を見たときに測定されたインピーダンスと（ｂ）マッチングネットワークの入力端子の中を見てインピーダンスを測定した時点での第３および第４リアクタンスの値に関係するインピーダンスの決定値と（ｃ）マッチングネットワークの入力端子と電極との間のインピーダンスの固定値とから計算する。
【００１９】
別の好ましい実施形態においては、第２電源の出力電力をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、第２電源の出力端子へ反射される電力の量である。このような場合には、第２電源の出力電力を求め、第２電源の出力端子へ反射される電力と第２電源の出力電力の表示との比較に応じて、第２電源の出力電力を制御する。
【００２０】
また、第２電源の出力電力をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合するプラズマのインピーダンスの測定値から得ることができる。電極と結合するプラズマのインピーダンス測定値は、少なくとも１つの、マッチングネットワークの出力端子から電極内を見たときの電気パラメータから得ることができる。
【００２１】
本発明の１つの態様においては、これは第２電源の出力電力の制御以外の目的にも用いることができるが、プラズマインピーダンスの測定値を、チャンバ内の固体表面とプラズマとの間のシースの厚みを測定することによって得る。シース厚みは、プラズマ負荷と相関がある。シース厚みは、光学的に測定することが好ましい。
【００２２】
本発明のさらなる態様は、ワークピースを処理するための装置と関係している。本装置は、真空プラズマ処理チャンバを備える。このチャンバは、（ａ）ワークピースに交流電圧を容量的に供給するための電極を備えるワークピースホルダと、（ｂ）イオン化可能ガスをチャンバへ供給するための第１ポートと、（ｃ）真空ポンプ配置をチャンバに接続するための第２ポートとを有する。励起リアクタンスから十分な量の電気および磁気エネルギーが、イオン化可能ガスへ供給されて、ガスが励起されプラズマになる。第１交流電源と励起リアクタンスとの間に接続される第１マッチングネットワークには、第１および第２の可変リアクタンスが設けられている。検出配置がプラズマインピーダンスに応答する。第２交流電源と電極との間に接続される第２マッチングネットワークには、第３および第４の可変リアクタンスが設けられている。制御装置は、（ａ）真空ポンプ配置を制御してチャンバ内の真空を制御する、（ｂ）第１ポートへ供給されるガスの流量を制御する、（ｃ）第１交流電源の出力電力を制御する、（ｄ）第２交流電源の出力電力を制御する、（ｄ）第１、第２、第３、第４の可変インピーダンスを制御する。制御装置には、入力装置と、チャンバ内の異なる状態に対する複数のレシピを格納するメモリとが設けられている。各レシピには、真空、流量、第１電源出力電力、第２電源出力電力のプリセット値に対する１組のパラメータが含まれている。制御装置が入力装置に応答してメモリにアクセスすることで、チャンバ内真空、ガス流量、第１および第２電源の出力電力が、選択された１つのレシピに関係する所定範囲のプリセット値になる。制御装置は、検出配置に応答して、（ａ）第１および第２リアクタンスを制御して、プラズマから励起リアクタンスに負荷がかかっているときの、第１電源と、第１マッチングネットワークから励起リアクタンス内を見たときのインピーダンスとの間の実質的なインピーダンスマッチングを得る。また（ｂ）第３および第４リアクタンスを制御して、プラズマから励起リアクタンス電極に負荷がかかっているときの、第２電源と、第２マッチングネットワークから電極内を見たときのインピーダンスとの間の実質的なインピーダンスマッチングを得る。第２電源には、第３および第４リアクタンスの少なくとも一方の、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷との間のマッチングを与える値からの小さな変化の結果、階段状に変化する傾向がある。小さな変化は、少なくとも１つのパラメータの漸進的な変化に起因する一方で、その１つのパラメータは、選択されたレシピに対する１組のパラメータにおけるその範囲に留まる。制御装置は、検出配置に応答して、プラズマインピーダンスの関数に応じて第２電源の出力電力を変化させることによって、階段状変化が起きる傾向を抑える。第２電源の出力電力を、第３および第４リアクタンスが変化して階段状変化の傾向が生じる速度よりもはるかに速い速度で変化させる。
【００２３】
発明者らは、同時係属中で本発明の譲受人に譲渡されたＰａｔｒｉｃｋらの特許出願である、発明の名称「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｉｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｉｎ  ａ  Ｐｌａｓｍａ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」（１９９７年４月１６日に出願、譲渡番号０８／８４３，４７６）のことを承知している。この同時係属中の出願では、真空プラズマ処理チャンバ内のガスを励起してワークピース（たとえば半導体ウェハ）を処理するためのプラズマにするコイルを備えるプラズマ処理装置が開示されている。ワークピースは、マッチングネットワークを介して高周波が供給される電極を有するワークピースホルダ上に配置される。電極を駆動する高周波電源の出力電力によって、イオン化エネルギーがプラズマに供給される。電極に結合される高周波電源の出力電力を制御して、プラズマ内粒子のイオン化に起因する直流電圧を、実質的に一定に維持する。市販される電極配置によって、電極を駆動する高周波電源によるプラズマのイオン化に起因する直流バイアス電圧をモニタする。
【００２４】
同時係属中で本発明の譲受人に譲渡された特許出願の発明者らは、高周波電源の出力端子内を見たときのインピーダンスと、高周波電源の出力端子からマッチングネットワークの方を見たときのインピーダンスとの間で実質的なマッチングが存在するようにマッチングネットワークを調整したときに、すなわち、マッチング状態に関係して高周波電源への反射電力が最小量であるときに、マッチングネットワークのリアクタンスの小さな変化が起きると、反射電力の階段関数変化が起こる傾向を認識していなかった。同時係属中で本発明の譲受人に譲渡された特許出願の装置は本質的に、ワークピースホルダの電極に高周波を印加することに起因する直流バイアス電圧を制御している。
【００２５】
同時係属中の出願は、（１）高周波バイアス電源からチャック電極へ印加される電力の制御と、（２）高周波バイアス電源とチャック電極との間に接続されたマッチングネットワークのリアクタンスの制御との間の相対速度について、何ら開示していない。リアクタンスを制御する同じコンピュータプログラムによって、高周波バイアス電源からチャック電極へ印加される電力が制御されていると推測される。このことは、リアクタンスと高周波バイアス電源電力とが、同じ周波数で制御されていることを意味する。同時係属中の出願における開示では、制御速度が違わなければならない理由が何ら与えられていない。
【００２６】
したがって、Ｐａｔｒｉｃｋらの装置の動作は、高周波バイアス電力の制御がマッチングネットワークリアクタンスの制御よりも非常に速い速度で行われる本発明とは異なっていると推測される。また、本発明の装置は本質的に、直流バイアス電圧ではなく、プラズマインピーダンスを制御する。高周波バイアス電源の高速制御は、発明者らが見出した階段関数問題の発生を防ぐには必須である。直流バイアス電圧ではなくプラズマインピーダンスを制御することによって、ワークピース処理のより高度な制御が実現する。
【００２７】
直流プラズマバイアス電圧のモニタリングは、チャンバに近接する電極を用いなければできない。電気パラメータをプラズマのすぐ近くでモニタすることには、ある程度の困難が伴うが、これは高周波バイアス電源の出力電力を制御するパラメータを高周波電源のすぐ近くで測定することによって、克服される。
【００２８】
さらに、本発明の他の態様は、真空プラズマ処理装置内の交流プラズマの電気負荷インピーダンスの容量成分を測定するための装置に関する。負荷は、電気エネルギーをプラズマへ供給する電気回路と結合している。プラズマは、チャンバ内の表面とプラズマとの間にシースが形成されるようなものである。装置は、シース厚みを測定してレスポンスを得るための計器を備えている。検索構造が、計器によって得られたレスポンスに応答することで、シースの電気負荷インピーダンスと相関する値を有する信号が得られる。好ましくは、計器は、シース厚みをモニタして画像化する電気光学素子である。
【００２９】
電気光学素子を用いて、プラズマとワークピースホルダ上のワークピースとの間のシースの容量インピーダンス成分をモニタするときには、視野が、ワークピースの処理面下方の点の間の領域から、シースとプラズマとの間の境界上方の点まで及ぶように電気光学素子を配置する。
【００３０】
本発明の上述したおよびさらなる目的、特徴、利点は、本発明のいくつかの具体的な実施の形態についての以下の詳細な説明を、特に添付図面とともに考慮することによって、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の好ましい実施形態に係るプラズマ処理装置の全体のブロックダイアグラムを示す図
【図２】従来技術および本発明の好ましい実施形態に係る、交流電源と高周波バイアス電極との間に接続されたマッチングネットワークの容量の関数としての、反射されるバイアス電力のプロットを示す図
【図３】供給電力に対するプラズマインピーダンスの実部および虚部成分を示す応答曲線を示す図
【図４】シースの厚みを測定することによって、高周波バイアス電極に対するプラズマ負荷の容量インピーダンス成分を測定するための光学画像装置が設けられた真空プラズマ処理チャンバの側面図を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１に示したワークピース処理装置は、真空プラズマ処理チャンバアセンブリ１０と、チャンバアセンブリ１０内のイオン化可能なガスを励起してプラズマ状態にするためのリアクタンスを駆動する第１回路１２と、チャンバアセンブリ１０内のワークピースホルダに高周波バイアスを印加するための第２の回路１４と、チャンバアセンブリ１０と接続された種々のパラメータ用センサに応答して、チャンバアセンブリ１０内のプラズマに影響を及ぼす機器の制御信号を得る制御装置配置１６とを、備えている。制御装置１６は、チャンバアセンブリ１０と接続された種々のセンサ、ならびに回路１２および１４、オペレータ入力２２（たとえばキーボードの形態であり得る）からの信号に応答するマイクロプロセッサ２０を備える。マイクロプロセッサ２０は、ハードディスク２６、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２８、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）３０を備えるメモリシステム２４と結合している。マイクロプロセッサ２０は、送られてくる種々の信号に応答して、ディスプレイ３２（典型的なコンピュータモニタであり得る）を駆動する。
【００３３】
ハードディスク２６とＲＯＭ３０には、マイクロプロセッサ２０の動作を制御するためのプログラムと、チャンバアセンブリ１０内で実施するプロセス用の異なるレシピに関連するプリセットデータとが格納されている。異なるレシピは、異なるプロセスを行う間にチャンバアセンブリ１０に加えられるガス種およびガス流量と、回路１２および１４に含まれる交流電源の出力電力と、チャンバアセンブリ１０内部の真空、回路１２および１４のマッチングネットワークに含まれる可変リアクタンスの初期値とに関係する。
【００３４】
また制御装置配置は、回路１４に含まれる高周波バイアス電源の出力電力を制御するためのマイクロプロセッサ３４の形態の専用制御装置を備えていて、回路１４の高周波バイアス電源の出力電力を事実上瞬時に、すなわちマイクロプロセッサ１６が、その駆動する機器を制御するよりもはるかに速く制御する。すなわち、出力電力プロセッサ３４が高周波バイアス電力を制御する速度は、少なくともマイクロプロセッサ２０がその出力信号を制御するよりも速い速度のオーダである。たとえばマイクロプロセッサ２０が、その出力信号を２０ｍｓごとに１回制御するならば、マイクロプロセッサ３４は、その出力信号を１ｍｓごとに１回（またはもっと速く）制御する。
【００３５】
プラズマチャンバアセンブリ１０は、チャンバ４０を備えている。チャンバ４０は、金属製で非磁性の円筒状の側壁４２と、金属製で非磁性のベース４４とを有し、両方とも電気的に接地されている。誘電体の（典型的には石英の）窓４６が、壁４２の上端部に固定して配置されている。壁４２、ベース４４、窓４６は、好適なガスケットを用いて互いに動かないように接続されているため、チャンバ４０内部に真空を発生させることができる。プレーナ型プラズマ励起コイル４８（たとえば、Ｏｇｌｅの米国特許公報第４，９４８，４５８号、またはＨｏｌｌａｎｄらの米国特許公報第５，７５９，２８０号に記載されているような構成）が、窓４６の上面にまたは上面に非常に近接して配置されている。コイル４６（電気リアクタンス）は、リアクタンス的に（ｒｅａｃｔｉｖｅｌｙ）に高周波磁場および電場をチャンバ４０内部に供給することによって、チャンバ内のイオン化可能ガスを励起してプラズマ（図１に、参照数字５０で概略的に示す）にする。
【００３６】
ベース４４の上面には、ワークピース５４のためのホルダ５２が配置されている。ワークピース５４は典型的には、円形状の半導体ウェハ、矩形状の誘電体プレート（たとえばフラットパネルディスプレイで使用されるもの）または金属プレートである。ワークピースホルダ５２は典型的に、金属プレート電極５６を備え、金属プレート電極５６の上には誘電体層５８が配置されている。金属プレート電極５６は、誘電体層６０の上に配置され、誘電体層６０はベース４４の上に配置されている。ワークピースハンドリングメカニズム（図示せず）によって、ワークピース５４が誘電体層５８の上面上に配置される。ワークピース５４は、ヘリウムを好適な供給源６２から誘電体層５８の下側へ、導管６４および電極５６内の溝（図示せず）を通して供給することによって冷却される。ワークピース５４を誘電体層５８上の所定の位置に配置した状態で、直流電源６６から好適な電圧をスイッチ（図示せず）を通して電極５６に供給して、ワークピース５４をホルダ（すなわちチャック）５２にクランプ、すなわちチャックする。
【００３７】
ワークピース５４をチャック５２上の所定の位置に固定した状態で、１または複数種のイオン化可能なガスを、１または複数の供給源６８から、チャンバ４０内に導管７０および側壁４２のポート７２を通して流す。便宜上、１つのガス源６８のみを図１に示す。導管７０の内部には、バルブ７４と流量計７６とが設けられ、それぞれ、ポート７２を通ってチャンバ４０内部に流れるガス流量を制御し、またポート７２を通るガス流量を測定する。バルブ７４は、マイクロプロセッサ２０が得た信号に応答し、一方で流量計７６は、マイクロプロセッサに導管７０内のガス流量を示す電気信号を送る。メモリシステム２４には、チャンバ４０内で処理される各ワークピース５４の各レシピに対して、導管７０内での所望のガス流量を示す信号が格納されている。マイクロプロセッサ２０は、メモリシステム２４に格納された所望のガス流量に対する信号と、流量計７６が得たモニタされた流量信号とに応答することによって、バルブ７４を制御する。
【００３８】
真空ポンプ８０が、チャンバ４０のベース４４のポート８２に、導管８４によって接続されている。真空ポンプ８０によって、チャンバ内部が排気されて好適な圧力（典型的には、１から１００ｍＴｏｒｒの範囲）にされる。圧力計８６（チャンバ４０内部）からマイクロプロセッサ２０に、チャンバ４０内の真空圧を示す信号が送られる。
【００３９】
メモリシステム２４には、各レシピに対するチャンバ４０内部の所望の真空圧を示す信号が格納されている。マイクロプロセッサ２０は、メモリシステム２４が各レシピに対して得て格納した所望圧力の信号と、圧力計８６からの電気信号とに応答して、電気信号を真空ポンプ８０に送り、チャンバ４０内の圧力を、各レシピに対する設定点すなわち予め設定した値に維持する。
【００４０】
光学分光計９０によって、プラズマ５０の光放射がモニタされている。これは分光計９０が、プラズマから放射され側壁４２の窓９２を通して分光計に結合された光学的エネルギーに応答することによって、行われる。分光計９０は、プラズマ５０によって放射された光学的エネルギーに応答して、電気信号をマイクロプロセッサ２０へ送る。マイクロプロセッサ２０は、光学計９０が得た信号に応答して、プラズマ５０がワークピース５４に対して行う（エッチングまたは堆積）プロセスの終点を検出する。マイクロプロセッサ２０は、分光計９０が得た信号と、メモリシステム２４に格納された、終点と関係する分光計出力の特性を示す信号とに応答して、メモリに適切な信号を送り、レシピが完了したことを知らせる。次に、マイクロプロセッサ２０は、メモリシステム２４からの信号に応答して、完了したレシピと関係するある動作を停止した後、チャンバ４０内ですでに処理されたワークピースに対して新しいレシピを開始するか、またはワークピース５４をチャック５２から取り外して、新しいワークピースをチャックに運ぶことを命令し、その後、別の一連の処理レシピが行われる。
【００４１】
コイル４８を駆動するための励起回路１２は、一定周波数の高周波電源１００（典型的には、周波数は１３．５６ＭＨｚである）を備えている。電源１００によって、可変利得の電力増幅器１０２（典型的には、出力電力は１００から３０００Ｗの範囲である）が駆動される。増幅器１０２は典型的には、５０Ωの出力インピーダンスを有し、すべて抵抗性（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）であって何もリアクタンス性（ｒｅａｃｔｉｖｅ）ではない。したがって、増幅器１０２の出力端子内を見たときのインピーダンスは典型的に（５０＋ｊ０）Ωで表され、ケーブル１０６は特性インピーダンスが５０Ωとなるように選択される。
【００４２】
メモリシステム２４には、どの特定のレシピに対しても、増幅器１１２の所望する出力電力に対する信号が格納されている。メモリシステム２４から、増幅器１０２の所望する出力電力が、マイクロプロセッサ２０を通って増幅器に送られる。増幅器１０２の出力電力は、メモリシステム２４に格納された信号に応答して開ループ方法で制御することもできるし、増幅器１０２の出力電力の制御を、閉ループフィードバックベースで行うこともできる。このことは、当該技術分野では周知のことであり、たとえば前述した同時継続中の特許出願に記載されている。
【００４３】
増幅器１０２の出力電力によって、ケーブル１０６とマッチングネットワーク１０８とを介して、コイル４８が駆動される。マッチングネットワーク１０８は、「Ｔ」字の構成をなし、可変コンデンサ１１２および１１６を含む２つの直列支脈と、固定コンデンサ１１４を含む分路支脈とを備える。コイル４８は、入力および出力端子１２２および１２４を備え、それぞれ、コンデンサ１１２の一方の電極に接続され、また直列のコンデンサ１２６の第１電極（接地された第２の電極を有する）に接続されている。コンデンサ１２６の値は、本発明の授受人に譲渡された前述のＨｏｌｌａｎｄらの特許に記載されているように選ぶのが好ましい。電気モータ１１８および１２０（ステップ型が好ましい）は、マイクロプロセッサ２０からの信号に応答して、コンデンサ１１２および１１６の値を、比較的小さな増分で制御する。こうして、増幅器１０２の出力端子からケーブル１０６内を見たときのインピーダンスと、ケーブル１０６から増幅器１０２の出力端子内を見たときのインピーダンスとの間で、インピーダンスマッチングが維持されるようにする。したがって、前述した増幅器１０２の（５０＋ｊ０）Ωの出力インピーダンスと、ケーブル１０６の５０Ωの特性インピーダンスとに対しては、マイクロプロセッサ２０はモータ１１８および１２０を制御して、ケーブル１０６からマッチングネットワーク１０８内を見たときのインピーダンスができるだけ（５０＋ｊ０）Ωに近づくようにする。
【００４４】
モータ１１８および１２０を制御して、増幅器１３２の出力端子内を見たときのインピーダンスと、増幅器１３２が駆動するインピーダンスとに対するマッチング状態を維持するように、マイクロプロセッサ２０は、通常のセンサ配列１０４からの信号（ケーブル１０６からマッチングネットワーク１０８内を見たときのインピーダンスを示す）に応答する。その代わりに、増幅器１０２からその出力端子に供給される電力と、マッチングネットワーク１０８によってケーブル１０６に反射される電力とを示す信号を得るために、センサを設けても良い。マイクロプロセッサ２０は、すでに知られている種々の方法の何れか１つの方法で、センサ配列１０４が得た検出信号に応答して、モータ１１８および１２０を制御し、マッチング状態を実現する。
【００４５】
プラズマ５０に影響を与えるチャンバ４０内部の状態が変動するために、プラズマは可変インピーダンスを有している。状態とは、ポート７２を通って流れるガスの流量および種類のずれ、チャンバ４０内の圧力その他の要因のずれである。また、モータ１１８および１２０に時々ノイズが入るために、モータがコンデンサ１１２および１１６の値を変えることがある。これらの要因はすべて、プラズマ５０を含む負荷によって増幅器１０２の出力端子へ反射されるインピーダンスに影響を与える。マイクロプロセッサ２０は、方向性結合器１０４の出力信号に応答して、モータ１１８および１２０を制御する。こうして、コンデンサ１１２および１１６の値を変えて、増幅器１０２の出力端子によって駆動されるインピーダンスを、比較的一定に維持する。しかし、マイクロプロセッサ２０の基本的なサイクル時間は典型的に２０ｍｓのオーダであり、増幅器１０２の出力端子におけるマッチング状態を回復するためには複数の動作サイクルが要求されることが多いため、これらの変動に対するマッチングネットワーク１０８の応答時間は、通常少なくとも４０ｍｓである。
【００４６】
高周波バイアスを電極５６を介してワークピース５４へ供給するための回路１４は、構成が回路１２といくらか似ている。回路１４は、一定周波数の高周波電源１３０（典型的には、周波数はたとえば４００ｋＨｚ、２．０ｍＨｚ、または１３．５６ｍＨｚである）を備える。電源１３０の一定周波数の出力によって、可変利得の電力増幅器１３２が駆動され、次に増幅器１３２によって、方向性結合器１３４、ケーブル１３６、マッチングネットワーク１３８を含むカスケード配列が駆動される。マッチングネットワーク１３８は、固定インダクタンスコイル１４０と可変コンデンサ１４２との直列の組合せを含む直列支脈、および固定インダクタンスコイル１４４と可変コンデンサ１４６とを含む分路支脈を備える。モータ１４８および１５０（ステップモータが好ましい）は、マイクロプロセッサ２０からの信号に応答して、それぞれコンデンサ１４２および１４６の値を変える。
【００４７】
マッチングネットワーク１３８の出力端子１５２から高周波バイアス電圧が、直列の結合コンデンサ１５４（マッチングネットワーク１３８を、直流電源６６のチャッキング電圧から隔離する）を通して電極５６に印加される。回路１４から電極５６に加えられる高周波エネルギーは、誘電体層４８、ワークピース５４、ワークピースとプラズマとの間のプラズマシースを介して、チャック５２に近接するプラズマ５０の部分と容量結合されている。チャック５２がプラズマ５０と結合させる高周波エネルギーによって、直流バイアスがプラズマ内に発生する。直流バイアスは典型的に、５０から１０００Ｖの値である。回路１４から電極５２に加えられた高周波エネルギーに起因する直流バイアスによって、プラズマ５０内のイオンがワークピース５４に向かって加速される。
【００４８】
マイクロプロセッサ２０は、ケーブル１３６からマッチングネットワーク１３８内を見たときのインピーダンスを示す信号（周知のセンサ配列１３９から得られる）に応答して、モータ１４８および１５０、そしてコンデンサ１４２および１４６の値を制御する。制御の仕方は、マッチングネットワーク１０８のコンデンサ１１２および１１６の制御に関して前述した方法と同様である。したがってコンデンサ１４２および１４６の値の最小変化に対する最小時間は、マイクロプロセッサ２０の１サイクル時間であり、前述の例では２０ｍｓである。
【００４９】
メモリシステム２４には、各プロセスレシピに対して、方向性結合器１３４からケーブル１３６へ流れる正味電力に対する設定点信号が格納されている。方向性結合器１３４からケーブル１３６へ流れる正味電力は、増幅器１３２の出力電力から、負荷およびマッチングネットワーク１３８によってケーブル１３６を通して、ケーブル１３６と接続された方向性結合器１３４の端子に反射される電力を引いたものに等しい。メモリシステム２８から、回路１４に関係する正味電力の設定点信号がマイクロプロセッサ２０に送られ、次にマイクロプロセッサ２０から、この設定点信号がマイクロプロセッサ３４に送られる。またマイクロプロセッサ３４は、方向性結合器１３４から電力センサ配列１４１へ送られる出力信号にも応答する。電力センサ配列１４１によって、増幅器１３２の出力電力と、ケーブル１３６によって増幅器１３２の出力端子の方へ反射される電力とを示す信号が得られる。
【００５０】
マイクロプロセッサ３４は、マイクロプロセッサ２０の各サイクル時間よりも著しく速い速度で動作する。マイクロプロセッサ３４は、設定点と、センサ配列１４１が得た測定信号（増幅器１３２の出力電力と増幅器に反射される電力とを示す）とに応答する。マイクロプロセッサ３４は、その入力信号に応答して、増幅器１３２の利得を制御する。増幅器１３２には電子利得制御があり、その応答時間は、マイクロプロセッサ２０が、モータ１１８および１２０ならびにコンデンサ１１２および１１６を制御する応答時間よりも速い時間のオーダである。したがって、マイクロプロセッサ３４による増幅器１３２の利得の制御は、マイクロプロセッサ２０によるコンデンサ１１２および１１６の値の変化の制御よりも、はるかに速い。マイクロプロセッサ３４を、アナログ制御装置と取り替えても良い。アナログ制御装置は、電力設定点、増幅器１３２の出力電力、ケーブル１３６によって増幅器に反射される電力を示すアナログ出力信号に瞬時に応答する。
【００５１】
１つの実施形態においては、マイクロプロセッサ３４は、方向性結合器１３４とマイクロプロセッサ２０とが送ってきた信号に応答して、増幅器１３２の利得を制御することによって、増幅器１３２の出力電力が、Ｐset＝ＰG−ＰRに従って変化するようにする。ここで、Ｐsetは設定点電力、ＰGは増幅器１３２の出力電力、ＰRは、プラズマによって、マッチングネットワーク１３８とケーブル１３６とを介して増幅器１３２の出力端子に反射される電力である。マッチングネットワーク１３８、ケーブル１３６、方向性結合器１３４における電力損失は、どの特定のレシピに対しても事実上同じである。そのため、方向性結合器１３４によってモニタされる反射電力を、電極５６とプラズマ５０との間で結合される電力と関係付けることは容易である。マイクロプロセッサ２０からマイクロプロセッサ３４へ送られる設定点信号には、これらの電力損失に対する補償が、各レシピに対して含まれている。マイクロプロセッサ３４は、ワークピース５４が特定のレシピに従って処理されている時間の間、すなわちマイクロプロセッサ２０が、光学分光計９０の終点を示す出力に応答するまで、増幅器１３２の利得を連続的に制御する。
【００５２】
制御装置１６によって、増幅器１３２の利得が連続的に制御され、その応答時間はコンデンサ１４２および１４６の値よりもはるかに速い。そのため、増幅器１３２の出力端子に反射される電力と、コンデンサ１４２および１４６の値との間の関数に対する理想的な応答曲線に近づくように、コンデンサの値を変化させることができる。図２の点線の曲線１６０は、マッチングネットワーク１３８の直列のコンデンサ１４２のリアクタンスの値と、反射されるバイアス電力とを関係づける理想的な応答曲線である。なお反射されるバイアス電力は、パーセントで表しており、すなわちプラズマ５０および電極５６から増幅器１３２の出力端子に反射される電力の、増幅器１３２の出力電力に対する百分率である。したがって図２において、反射されるバイアス電力（パーセント）＝１００（ＰR／ＰG）である。前述したように、マイクロプロセッサ２０からマイクロプロセッサ３４へ送られる設定点信号には、方向性結合器１３４からマイクロプロセッサ３４へ送られる反射電力の信号に対する固定された補償が含まれている。固定された補償は、方向性結合器１３４、ケーブル１３６、マッチングネットワーク１３８の、特定のレシピに対する損失から求まる。
【００５３】
理想曲線１６０は、塩素ガスを、ポート７２を通してチャンバ４０内部へ１００毎分標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）で流し、一方で、ポンプ８０によってチャンバ４０内部を排気して１０ｍＴｏｒｒにし、また発生器１０２の出力電力を４００Ｗにすることに基づいている。また曲線１６０は、マイクロプロセッサ２０によってモータ１５０が作動することによって、分路コンデンサ１４６の値が、増幅器１３２の出力端子内を見たときのインピーダンスと、増幅器１３２の出力端子から見たときのインピーダンスとの間の完全なインピーダンスマッチングが、事実上実現可能となるようなものになっているという前提に基づいている。こうして曲線１６０は、反射されるバイアス電力を、コンデンサ１４２のリアクタンス（Ω）の関数として百分率で表している。同様の曲線が、ワークピース５４の各処理レシピにおけるコンデンサ１４６の変化に対して、存在する。
【００５４】
曲線１６０には、ゼロ反射電力値と関係づけられる最小点１６２がある。これは、モータ１４８がコンデンサ１４２を調整して、コンデンサの値が２２．３３Ωのリアクタンスと関係付けられるときである。理想的には、曲線１６０は、点１６２に関してほぼ対称形をなしている。マイクロプロセッサ２０とモータ１４８とによってコンデンサ１４２を調整して、コンデンサの値が、２２．３３Ωよりも大または小のリアクタンスと関係付けられるようにしたときに、増幅器１３２の出力端子に反射される電力の量は、理想的な応答曲線の点１６２から反対方向に延びる１６４および１６６の部分によって示されるように、徐々にかつ連続して変化する。
【００５５】
しかし発明者らは、曲線１６０によって示される理想的な状態（増幅器１３２によって駆動されるプラズマ負荷は一定であると仮定している）は、マイクロプロセッサ３４による制御を含めない限り、実際には生じないことを見出した。特に発明者らは、理想的な応答曲線１６０は、高周波増幅器１３２から一定量の電力が方向性結合器１３４へ供給されるときには起こらないことを見出した。増幅器１３２の出力電力を、前述したようにＰG＝Ｐsetに等しくなるような高速で連続的な制御をしない場合には、コンデンサ１４２または１４６の一方または両方の値が最小反射点１６２から少し変化すると、不連続変化すなわち階段状変化が反射されるバイアス電力に生じる（応答曲線１６８の部分１７０によって示されている）。特に、応答曲線１６８の部分１７０は、最小反射点１６２と点１７２との間において階段状で不連続である。コンデンサ１４２のリアクタンス性の値の２２．３３Ω（点１６２）から２２．４Ω（点１７２）への最小の階段状変化に応じて、曲線１６８は、ゼロ反射バイアス電力パーセンテージから約８５パーセントの反射バイアス電力パーセンテージへと急激に立ち上がっている。したがって、コンデンサ１４２値の最小の階段状変化に応じて、マッチングした状態から実質的に全くミスマッチングな状態への非常に大きな変化が起きる。同様の変化が、分路コンデンサ１４６の値の最小変化に応じて起こる。
【００５６】
発明者らは、急増部分１７０の階段状変化が発生するのは、プラズマ５０が電極５８に結合させるインピーダンスと、電極からプラズマへ供給される電力との間に非線形な関係があるからだと考えている。発生器出力電力ＰＧが一定であるならば、反射される電力ＰＲは、ある範囲の同調コンデンサ値に対して、同調コンデンサ値の３値関数である。３つの反射電力の中心は不安定であるため、低い値から高い値へと不連続に変化する反射電力が観測される。
【００５７】
曲線１６８は、最小反射バイアス電力点１６２に対する非対称性が大きく、曲線１６８の点１６２から左側の部分１７４は、急増部分１７０よりも傾斜が非常に小さい。また部分１７４は、理想的な応答曲線１６０の部分１６４または１６６のどちらの傾斜と比べても、傾斜が小さい。発明者らは、これは、電極５６によって駆動されるプラズマ５０の負荷が、電極５６へ供給される電力の関数だからであると考えている。
【００５８】
発明者らは、応答１６８の不連続部分１７０が発生すると、時間の関数として反射バイアス電力に大きなスパイクが生じ、またこのスパイクは、ワークピース５４の処理、特にエッチプロセスに対して有害であることを見出した。また発明者らは、この有害な影響は克服可能であり、増幅器１３２の出力電力を高速ベースで連続して制御して、前述したようにＰs＝ＰG−ＰRとなるようにすることで、理想的な応答曲線１６０を実現できることを見出した。Ｐs＝ＰG−ＰRを維持することによって、電極５６からプラズマ５０へ供給される電力が一定に保たれる。電極５６からプラズマ５０へ供給される電力を一定に保つことによって、プラズマインピーダンスが実質的に一定に保たれる。
【００５９】
電極５６からプラズマ５０へ供給される電力と、プラズマインピーダンスの実部および虚部との関係を、図３にプロットして、応答曲線１７５および１７６によって示す。応答曲線１７５および１７６は、それぞれ、電極５６と結合するプラズマインピーダンスの実部および虚部（Ω）を、供給バイアス電力の関数として示している。応答曲線１７５および１７６はそれぞれ、滑らかな連続曲線であり、供給バイアス電力が低いところでは比較的値が高く、供給バイアス電力が高いところでは比較的値が低い。応答曲線１７５および１７６は、ポリシリコン半導体ウェハをエッチングしているときの実際の測定値を示している。エッチングは、Ｃｌ2を１００ｓｃｃｍで真空チャンバ（１０ｍＴｏｒｒまで排気）に流し、本発明の譲受人に譲渡されたＨｏｌｌａｎｄらの特許に開示されたタイプのコイルを４００Ｗで駆動して行った。これは、図２の応答曲線１６０および１６８に関係する測定値に対してうまく行く条件と同じ条件である。
【００６０】
図３は、電極からプラズマへ供給される電力が一定のままならば、プラズマ５０が電極５６と結合するインピーダンスの実部および虚部も一定のままであることを示している。したがって、電極５６からプラズマ５０へ供給される電力を一定に維持すれば、理想的な応答曲線が実現できて、階段型で不連続な部分１７０を有する非対称な応答曲線１６８が回避される。
【００６１】
図１の装置において、方向性結合器１３４における反射されるパラメータが、増幅器１３２の出力と、マッチングネットワーク１３８から離れたケーブル１３６の端との間で、モニタされる。この配置は、マッチングネットワーク１３８と電極５６との間のリード線における電気モニタリングプローブに対する必要性を回避しているため、好ましい。しかし、本発明の原理の多くは、マッチングネットワーク１３８と電極５６とを接続するリード線における負荷パラメータをモニタリングすることにも、同様に適用できることを理解されたい。また他の装置および技術を用いて、電極５６上のプラズマ５０の負荷インピーダンスをモニタすることもできる。
【００６２】
図４は、ワークピース５４と結合したプラズマ５０の容量リアクタンスを効果的にモニタリングするための配置を示す概略図である。図４に示した装置に関連する原理は、プラズマ５０とチャンバ４０内部の何らかの表面との間の容量を効果的に測定することに適用できる。
【００６３】
図４の配置は、プラズマシースの厚みの変化に起因する負荷容量の変化が、図２の階段型部分または不連続部分１７０を含む非対称な応答曲線１６８の主な原因であるという原理に基づいている。そのため、プラズマ５０が電極５６に対して起こす負荷インピーダンスの虚部をモニタして制御するだけで、Ｐs＝ＰG−ＰRの関係が実現するように増幅器１３２の出力電力を制御するのには十分である場合が多い。言い換えれば、プラズマ５０とワークピース５４との間のシースの厚みをモニタすれば、プラズマインピーダンスの虚部を示す信号を得ることができる。シース厚みを示す信号を用いて増幅器１３２の出力電力を制御することによって、シース厚みが一定に維持される。このような動作によって、図２の理想曲線１６０がほぼ実現され、非対称な応答曲線１６８に基づく動作が防がれる。
【００６４】
プラズマシースは、プラズマと、このプラズマに近接する、プラズマが発生する真空チャンバの表面との間の暗部であるので、プラズマシースからの光放出は全くない。したがってプラズマシースの厚みは、ワークピース５４と光を放出するプラズマ５０との間の暗部の高さを、図４に示す装置を用いて測定することによって、光学的にモニタできる。
【００６５】
図４において、光学的に透明な窓１８０がチャンバ４０の側壁４２に設けられている。チャンバ４０の外側に、窓１８０に沿って一直線に配置された光学的検出器アレイ１８２によって、プラズマ５０の底部とワークピース１５４の上面との間のプラズマシース１８４の厚みが検出される。アレイ１８２には、垂直に配列された５つの光検出器１９１〜１９５が設けられており、各検出器はそれぞれレンチキュラレンズ２０１〜２０５に接続されている。光検出器１９１〜１９５およびレンズ２０１〜２０５は、光検出器１９１の視野が実際上ワークピース５４の上面のすぐ上にあり、光検出器１９５の視野がシース１８４の予想される最大厚みのすぐ下にくるように、配置される。光検出器１９２〜１９４の視野は、光検出器１９１および１９５の視野の間にある。
【００６６】
光検出器１９１〜１９５によって、各光検出器に関係する視野にプラズマ５０からの放出が含まれるかどうかに関係した２値レベルの電気出力が得られる。プラズマ５０がある特定の光検出器の視野の中にない場合、その光検出器からのレスポンスは暗く、その特定の光検出器によるシース１８４の画像に対応づけられる。したがって、出力が低い光検出器１９１〜１９５の数は、特定の光検出器の視野の中にあるシース１８４に関係づけられ、シース１８４の厚みにほぼ近い値を示す。
【００６７】
メモリシステム２４には、光検出器１９１〜１９５によって得られるシース厚みの表示と、ワークピース５４上のシースの容量とを相関させる信号が格納されたテーブル索引が含まれている。光検出器１９１〜１９５から、２値レベルの信号がマイクロプロセッサ２４および３４に送られることによって、シース１８４の厚みが示される。容量マイクロプロセッサ２０は、光検出器１９１〜１９５によって得られたシース厚みの表示とワークピース５４上のシースの容量とを相関させるメモリシステムの信号と、光検出器１９１〜１９５が得たシース厚みの信号とに応答して、シース容量を示す信号を計算する。マイクロプロセッサ２０から、シース容量を示す信号が、ディスプレイ３２へ送られる。
【００６８】
またメモリシステム２４には、増幅器１３２の出力端子とワークピース５４との間の回路における（いろいろな値のコンデンサ１４０および１４６に対する）抵抗性およびリアクタンス性のインピーダンスを示す信号と、増幅器１３２の出力端子とワークピース５４との間の容量インピーダンスを計算するためのプログラムが格納されている。さらにメモリシステム２４には、各レシピに対する所望の（設定点の）容量インピーダンスを示す信号が格納されている。マイクロプロセッサ２０は、プログラムと、メモリシステム２４に入っている、増幅器１３２の出力端子とワークピース５４との間の回路における（いろいろな値のコンデンサ１４０および１４６に対する）抵抗性およびリアクタンス性のインピーダンスを示す信号と、所望の（設定点の）容量インピーダンスを示す信号とに応答して、増幅器１３２の所望の出力電力に関する設定点信号を、シース１８４の高さの関数として計算する。
【００６９】
マイクロプロセッサ３４は、光検出器１９１〜１９５からの信号と、マイクロプロセッサ２０からマイクロプロセッサ３４に送られるシース１８４の厚みに対する設定点信号とに応答する。設定点信号は、コンデンサ１４２および１４６の瞬間値と、処理中のワークピース５４の特定のレシピとの関数である。マイクロプロセッサ３４には、マイクロプロセッサ２０が得たシース高さ設定点信号と、光検出器１９１〜１９５が得た信号によって示される測定シース高さとの関数としての、増幅器１３２の利得に対する制御プログラムが含まれている。マイクロプロセッサ３４は、光検出器１９１〜１９５からの信号と、マイクロプロセッサ２０が得たシース高さ設定点信号とに応答して、増幅器１３２の出力電力を、増幅器１３２の利得を変化させることによって制御する。
【００７０】
図４に５つの光検出器が含まれているのは、説明のためだけであることを理解されたい。実際には、所望する分解能を与えるために、５つよりも著しく多い光検出器が要求される。その代わりに、光検出器１９１〜１９５と同じ視野と、シース厚み１８４の厚みによって決定される抵抗とを有する、連続した光検出器ストリップを用いて、シース１８４の厚みをモニタしても良い。このような場合、アナログディジタル変換器によって、ストリップの抵抗をディジタル信号に変化して、マイクロプロセッサ３４を駆動する。また、いろいろな計器および測定装置から、マイクロプロセッサ２０および３４にアナログの形態で信号が送られ、マイクロプロセッサはこれらのアナログ信号を変換してディジタル信号にすることも理解されたい。また、マイクロプロセッサには、必要に応じて、図１に示した様々な装置（たとえばバルブ７４および真空ポンプ８０）を駆動するためのディジタルアナログ変換器が備わっている。
【００７１】
本発明の特定の実施形態について説明し例示してきたが、添付した請求の範囲で規定される本発明の本来の趣旨と範囲とから逸脱することなく、具体的に例示し説明した実施の形態の詳細において変形を行っても良いことが明らかである。
【図２】
2010251768.tif 000003
【図３】
2010251768.tif 000004
【図４】
2010251768.tif 000005
【図１】
2010251768.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月14日(2010.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空プラズマ処理装置チャンバ内の交流プラズマの電気負荷インピーダンスの容量成分の測定方法であって、
プラズマは、処理装置内のワークピースを処理し、負荷は、電気エネルギーをプラズマへ供給する電気回路上にあり、プラズマは、チャンバ内の表面とプラズマとの間にシースが形成されるようなものであり、本方法は、シース厚みを測定するステップと、シース厚みと容量成分値とを相関させるステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
シース厚みを光学的に測定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
シース厚みの光学的な測定は、ワークピースの上面と、近接するプラズマの境界との間のシース厚みを光学的に画像化することによって行うことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
電気負荷は、交流電源によって駆動される電極を含む、ワークピースホルダ上のワークピースを処理するプラズマの負荷であることを特徴とする請求項１、２または３の方法。
【請求項５】
測定ステップを測定手段によって行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法を実施するための装置。
【外国語明細書】
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2010251768000002.pdf
2010251768000003.pdf
2010251768000004.pdf