(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ非閉じ込め事象を検出するためのプラズマリアクタ内の検出装置であって、
前記プラズマリアクタ内に実装された容量式センサであり、プラズマ閉じ込め領域の外側に実装され、前記プラズマ非閉じ込め事象に関連するプラズマに対して露出された時に過渡電流を生成するように構成され、前記プラズマ非閉じ込め事象に関連する前記プラズマに向けられた少なくとも一枚の電気絶縁層を有するセンサと、
前記センサに電気的に接続され、前記過渡電流を過渡電圧信号に変換すると共に、前記プラズマ非閉じ込め事象が存在するかを確認するために前記過渡電圧信号を処理する検出回路と、を備える検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の検出装置であって、
前記検出回路は、電圧変換器を含み、前記電圧変換器は、前記過渡電流を前記過渡電圧信号に変換するように構成されている、検出装置。
【請求項３】
請求項２記載の検出装置であって、
前記検出回路は、更に、ローパスフィルタを含み、前記ローパスフィルタは、前記過渡電圧信号から高周波成分を除去するように構成されている、検出装置。
【請求項４】
請求項３記載の検出装置であって、
前記検出回路は、更に、一組の共鳴フィルタ群を含み、前記一組の共鳴フィルタ群は、プロセスプラズマを生成することに通常関連する周波数をブロックして、調整済み信号を生成するように構成されている、検出装置。
【請求項５】
請求項４記載の検出装置であって、
前記検出回路は、更に、閾値検出器を含み、前記閾値検出器は、前記調整済み信号を閾値と比較することにより、前記プラズマ非閉じ込め事象の発生を特定するように構成されている、検出装置。
【請求項６】
プラズマリアクタ内でのプラズマ処理中にプラズマ非閉じ込め事象を検出する方法であって、
前記プラズマリアクタ内に実装された容量式センサであり、プラズマ閉じ込め領域の外側に実装され、前記プラズマ非閉じ込め事象に関連するプラズマに向けられた少なくとも一枚の電気絶縁層を有するセンサが、前記プラズマ非閉じ込め事象に関連するプラズマに対して露出された時に、過渡電流を生成するステップと、
前記センサに電気的に接続された検出回路により、前記過渡電流を過渡電圧信号に変換するステップと、
前記プラズマ非閉じ込め事象が存在するかを確認するために前記過渡電圧信号を処理するステップと、を備える方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法であって、
前記過渡電流を前記過渡電圧信号に変換する前記ステップは、前記検出回路の一部である電圧変換器により実行される、方法。
【請求項８】
請求項７記載の方法であって、
前記過渡電圧信号を処理する前記ステップは、前記検出回路の一部であるローパスフィルタを介して、高周波成分を除去するステップを含む、方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法であって、
前記過渡電圧信号を処理する前記ステップは、前記検出回路の一部であり且つプロセスプラズマを生成することに通常関連する周波数をブロックするように構成された一組の共鳴フィルタ群を利用することにより、前記過渡電圧信号を調整済み信号に転換するステップを含む、方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法であって、
前記過渡電圧信号を処理する前記ステップは、前記検出回路の一部である閾値検出器を介して、前記調整済み信号を閾値と比較することにより、前記プラズマ非閉じ込め事象を特定するステップを含む、方法。
【請求項１１】
プラズマ非閉じ込め事象を検出するためのプラズマリアクタ内の検出装置であって、
前記プラズマリアクタ内に実装された容量式センサであり、プラズマ閉じ込め領域の外側に実装され、前記プラズマリアクタのチャンバ壁において、絶縁体により前記チャンバ壁から電気的に分離された状態で取り付けられ、外面が前記プラズマ非閉じ込め事象に関連するプラズマに対して露出された時に過渡電流を生成するように構成され、前記プラズマ非閉じ込め事象に関連する前記プラズマに向けられた少なくとも一枚の電気絶縁層を有するセンサと、
前記センサに電気的に接続された検出回路と、
を備え、
前記検出回路は、少なくとも、
前記過渡電流を過渡電圧信号に変換するように構成された電圧変換器と、
前記過渡電圧信号から高周波成分を除去するように構成されたローパスフィルタと、
プロセスプラズマを生成することに通常関連する周波数をブロックして、調整済み信号を生成するように構成された一組の共鳴フィルタ群と、
前記プラズマ非閉じ込め事象が存在するかを確認するように構成された閾値検出器と、
を含む、検出装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の検出装置であって、
前記電圧変換器は、前記センサと下流の検出構成要素との間の直接接続を防止し、これにより、前記センサが短絡を生じた時に前記下流の検出構成要素を保護するように構成されたキャパシタを含む、検出装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の検出装置であって、
前記ローパスフィルタは、接地されたキャパシタに結合された抵抗を含む、検出装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の検出装置であって、
前記一組の共鳴フィルタ群のうち少なくとも一つの共鳴フィルタは、キャパシタと並列にインダクタを含む、検出装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の検出装置であって、
前記センサは、金属、複数金属の合金、半導体材料、導電性セラミック材料、及びポリマの少なくとも一つから作られた導電基板を含む、検出装置。
【請求項１６】
請求項１１記載の検出装置であって、
前記電気絶縁層は、ガラス材料、石英材料、セラミック材料、ポリマ材料、及び陽極酸化アルミニウムの少なくとも一つから作られる、検出装置。
【請求項１７】
請求項１１記載の検出装置であって、
前記センサは、前記プラズマリアクタの前記チャンバ壁と同一平面にある、検出装置。
【請求項１８】
請求項１１記載の検出装置であって、
前記センサは、前記プラズマリアクタの前記チャンバ壁に取り付けられたロッドに装着される、検出装置。
【請求項１９】
請求項１１記載の検出装置であって、
前記センサは、長方形形状を有する、検出装置。
【請求項２０】
請求項１１記載の検出装置であって、
前記センサは、環状形状を有する、検出装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
プラズマ処理システムは、基板（半導体ウェーハ等）を処理して集積回路を製造するために以前から利用されてきた。プラズマは、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、又は容量結合プラズマ（ＣＣＰ）等、多様な方法により生成し得る。多くの場合、処理中の基板の真上の領域等、処理チャンバ内の特定の領域にプラズマを閉じ込めることにより、一定の利点が得られる。
【０００２】
説明を容易にするため、図１に、処理中にプラズマを閉じ込めた状態の低圧プラズマリアクタ１００を示す。例えば、基板１２４が、電極１１０上に配置され、電極１１０が、チャンバ１０２に接続された台座１２０に取り付けられた状況について考える。電極１１０は、高周波（ＲＦ）発電機等の遠隔電源１１４に、台座１２０の内部を介して接続される。処理ガス１５０は、化学物質の混合物にしてよく、ポンプ（図示せず）により低下させ得るチャンバ１０２内の圧力が所望の水準に達した時に、入口１０４を介してチャンバ１０２内へ導入し得る。基板１２４を処理するために、電極１１０は、電源１１４からの電力を処理ガス１５０に容量結合させ、プラズマ１０６を形成し得る。通常、プラズマ１０６は、一組の閉じ込めリング１０８により、チャンバ１０２の所望の領域内に閉じ込められる。基板処理中、処理ガス１５０からの化学成分と、プラズマ１０６内の反応により形成された化学成分と、基板１２４の処理による化学副産物との混合物を含み得るプラズマ１０６からのガスは、出口１２６を介してチャンバ１０２から除去される前に、閉じ込めリング１０８と、非プラズマチャンバ容積１２８とを通って流動し得る。このルートは、経路１３６により示しており、通常は、プラズマ１０６が閉じ込められている場合でも、反応性の高いガスに対するチャンバ１０２の内部の露出を発生させる。
【０００３】
しかしながら、基板１２４の処理中、プラズマ１０６は、予期しない制御不能な形で、チャンバ１０２内の所望の領域の外部へ移動する場合がある。言い換えると、閉じ込めリング１０８の外側であるチャンバ１０２の領域において、非閉じ込めプラズマ１３８が形成される場合がある。非閉じ込めプラズマ１３８の形成は望ましくなく、これは、非閉じ込めプラズマ１３８が、基板１２４の性能の著しい低下、チャンバ１０２の損傷、及び台座１２０の損傷のうち少なくとも一つの発生が考えられる形で、処理プラズマ１０６の品質を変化させる恐れがあるためである。例えば、基板１２４は、エッチング又は堆積速度の変化により損傷を受ける恐れがあり、及び／又は、非閉じ込めプラズマ１３８により生成された粒子状欠陥又は元素汚染により汚染されることで損傷を受ける恐れがある。処理チャンバ１０２及び／又は台座１２０は、例えば、非閉じ込めプラズマ１３８への露出の結果としてのチャンバ材料の浸食又は腐食により、物理的に損傷を受ける恐れがある。加えて、チャンバを介してプラズマ電力を接地へ戻す経路を、非閉じ込めプラズマ１３８が変更する可能性があることから、処理チャンバ１０２の構成要素は、電気的損傷を被る恐れがある。一例において、電源１１４からのプラズマ電力は、プラズマ電力を伝達するように設計されていない場合のあるチャンバ構成要素を介して、接地へ戻る恐れがある。
【０００４】
上述したことから分かるように、プラズマ非閉じ込め事象は、多数の異なる要因により発生する場合がある。例えば、プラズマが不安定になった場合、プラズマは、非閉じ込め状態となる可能性がある。別の例において、プラズマ非閉じ込め事象は、処理チャンバ内において電気アークが生じた場合に発生する可能性がある。更に別の例では、プラズマ電力、プラズマ組成、ガス供給流、動作圧等の処理パラメータが変動した場合に、プラズマが非閉じ込め状態となる可能性がある。
【０００５】
更に、プラズマ非閉じ込め事象の発生は、散発的となる場合があり、予測不可能な傾向を有する可能性がある。予測不可能となる理由の一つは、非閉じ込めプラズマが様々な形態を有し得るためである。加えて、プラズマ非閉じ込め事象が基板処理に対して及ぼし得る特異的効果は、非閉じ込めプラズマが示す変わりやすく予測不可能な形態のため、一般に予期できない。例えば、非閉じ込めプラズマは、低密度又は高密度を有し得る。別の例において、非閉じ込めプラズマが占有する空間は、大きい場合又は小さい場合がある。更に別の例において、非閉じ込めプラズマは、安定したプラズマになる場合、或いは、変動性の散発的なプラズマになる場合がある。リアクタ内の非閉じ込めプラズマの位置でさえ、処理中に変化し得る。
【０００６】
プラズマ非閉じ込め事象を検出するために、様々な方法が利用されてきた。一方法は、ＶＩプローブ又はラングミュアプローブ等、通常は複数の電極を有する静電プローブを利用して、プラズマ非閉じ込め事象を検出することを含む。一例においては、非保護電極（通常は金属製）となり得るラングミュア型プローブを、チャンバ環境に露出し得る。ラングミュア型プローブは、一般に、プローブをプラズマに露出した際にプラズマから電極へ直流（ＤＣ）が流れるように電気的にバイアスされる。例えば、ラングミュア型プローブ１２２は、所望のプラズマ閉じ込め領域の外側であるプラズマ環境内に位置決めされる。検流器１４８を利用することで、電源１１８を介したラングミュア型プローブ１２２におけるＤＣ電流の変化を検出し得る。更に、ＤＣ電源（図示せず）を利用して、プローブにバイアスを加え得る。
【０００７】
しかしながら、ラングミュア型プローブの動作要件（即ち、電極が保護されていないこと及びプラズマとのＤＣ電気接触が存在すること）により、プラズマ非閉じ込め事象を検出する際のラングミュア型プローブの有用性は制限される。更に、プラズマ非閉じ込め事象の予測不可能な性質のため、ラングミュア型プローブは、効果を得るために、基板が処理されている間、連続的に動作させる必要が生じ得る。しかしながら、連続的使用の結果として、ラングミュア型プローブの非保護電極は、プラズマ処理中、リアクタチャンバ内に通常存在する化学種の混合物に対して露出される可能性がある。化学種の混合物は、基板の処理用に供給された化学物質と、処理プラズマ内において生成された新たな化学種と、基板の処理中に形成された化学副産物とを含み、一般に、ラングミュア型プローブが適切に機能する能力に悪影響を与える恐れのある腐食性成分及び堆積成分を含む可能性がある。一例において、腐食性成分（例えば、塩素、フッ素、及び臭素等）は、電極を腐食させることにより、プラズマ非閉じ込め事象を適時及び／又は正確に検出できない等、ラングミュア型プローブを適切に機能させなくする恐れがある。加えて、腐食した電極は、処理中の基板に間接的な損傷を与える場合がある粒子状欠陥及び／又は金属汚染のソースとなる可能性がある。別の例において、混合物の堆積成分（例えば、ＳｉＯｘに基づく無機副産物及びＣＦｘに基づく有機重合物）は、プローブの電極上に電気絶縁膜を形成する場合があり、そのため、膜が、必要なプラズマ−電極間のＤＣ接触に干渉して、プローブが正確及び／又は適時にプラズマの存在を感知することを防止する恐れがある。上述したことから分かるように、ラングミュア型プローブは、プラズマ非閉じ込め事象の検出において理想的ではない場合がある。
【０００８】
利用されてきた別の方法は、処理中の基板のバイアス電圧の変化を特定して、プラズマ非閉じ込め事象を検出することである。図１を参照すると、基板１２４上のバイアス電圧は、電源１１４が提供した電力がリアクタ１００内のプラズマと相互作用する時に生成され得る。一般には、処理中の基板１２４上のバイアス電圧を直接測定できるように、センサ１４０を（例えば、電極１１０内に）設置し得ると共に、バイアス電圧検出器１４４を利用して、バイアス電圧を閾値と比較し得る。したがって、プラズマ１０６の特性が非閉じ込めプラズマ１３８により変化した時には、センサ１４０を利用して、バイアス電圧を測定し得る共に、バイアス電圧検出器１４４を利用して、バイアス電圧の変化を検出し得る。
【０００９】
追加例又は代替例として、バイアス電圧の変化は、基板のバイアス電圧に関連するパラメータの変化を測定することにより、間接的に検出してもよい。例えば、基板のバイアス電圧が非閉じ込めプラズマ１３８により変化した時、プラズマ１０６を維持するために電源１１４が電極１１０に供給する電力も変化し得る。そのため、プラズマ１０６に供給される電力をＲＦ電力検出器１４２により監視することで、プラズマ非閉じ込め事象の検出が可能となり得る。
【００１０】
しかしながら、プラズマ非閉じ込め事象を検出するためにバイアス電圧を監視することの有用性は、プラズマ非閉じ込め事象により生じるバイアス電圧の変化を検出することが困難であるために限定される。バイアス電圧の変化を検出することは、高周波の発電機（６０ＭＨｚ等）を利用してプラズマを発生させる場合、特に困難となる。高周波の発電機により発生させたバイアス電圧は小さく、プラズマ非閉じ込め事象は通常低い電力レベルにおいて発生するため、プラズマ非閉じ込め事象をＤＣバイアス信号の変化から区別することは、困難であるか、或いは検出不可能となる場合がある。したがって、この手法の有用性は、プラズマ非閉じ込め事象を確実に検出できないことから、限定的となる。
【００１１】
更に別の従来技術の手法では、光センサを使用してプラズマ非閉じ込め事象を検出し得る。当業者は、プラズマが一般に光を発することを認識している。したがって、光センサを利用して、非閉じ込めプラズマが発する光を検出し得る。一例において、図１を参照すると、光センサ１３２は、監視することが望ましいチャンバの領域へ視線（通路１３４として図示）が延びる状態で、透明窓１３０に隣接して設置し得る。したがって、プラズマ１０６が非閉じ込めプラズマ１３８となった場合、非閉じ込めプラズマ１３８からの光は、通路１３４に入り、窓１３０を通過して、光センサ１３２により検出され得る。光を検出すると、光センサ１３２は、光信号検出器１４６へ信号を送信し得る。信号が所定の閾値を上回った場合、光信号検出器１４６は、非閉じ込めプラズマ１３８が検出されたことを示す警報を提供し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、処理プラズマ１０６が発する光に比べ、非閉じ込めプラズマ１３８が発する光は著しく暗いことから、非閉じ込めプラズマ１３８が発する光を検出することが困難である恐れがあるため、プラズマ非閉じ込め事象を検出するための光センサの利用は、限定される場合がある。加えて、反応化学物質が透明窓１３０の透明度を低下させる場合があるため、チャンバ１０２の外側に光センサ１３２を位置決めすることで、透明窓を介して光を「見ること」が困難となる可能性がある。言い換えると、反応化学物質は、透明窓１３０に被膜の層を堆積させ、これにより、光センサ１３２が検出する光の量及び／又は質を大幅に低下させる恐れがある。更に、光センサの有用性は、処理環境への視覚的アクセスが存在することに依存している。しかしながら、監視を必要とする全ての場所に窓及び／又は視認通路を配置することが、常に実現可能であるとは限らない。
【００１３】
様々な方法が実施されてきたが、それぞれの方法は、プラズマ非閉じ込め事象を検出するための信頼性の高い包括的な解決策を提供していない。一例として、ラングミュア型プローブは、プラズマ非閉じ込め事象を特定するプローブの効果に悪影響を与える可能性のある腐食を受けやすい。別の例において、バイアス電圧の変化の特定に応じてプラズマ非閉じ込め事象を決定することは、プラズマ非閉じ込め事象からＤＣバイアス信号の変化を区別することに依存する可能性がある。両者を区別する能力は、ＤＣバイアス信号が高周波の発電機（６０ＭＨｚ等）により生成される一方、非閉じ込めプラズマが低い電力レベルで発生している場合、困難となる恐れがある。更に別の例において、光センサを利用して非閉じ込めプラズマが発する光を検出することは、視認可能な通路の可用性により、及び／又は、視認可能な通路を「視認不能」にする恐れがある障害物により光の検出が不可能になることから、限定される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、一実施形態において、プラズマ非閉じ込め事象を検出するためのプラズマリアクタ内部の検出装置に関する。この検出装置は、プラズマ内に実装される容量式センサであるセンサを含む。センサは、プラズマ閉じ込め領域の外側に実装され、センサがプラズマ非閉じ込め事象に関連するプラズマに露出された時に過渡電流を発生させるように構成される。センサは、プラズマ非閉じ込め事象に関連するプラズマへ向けられた少なくとも一枚の電気絶縁層を有する。この検出装置は、更に、センサに電気的に接続され、過渡電流を過渡電圧信号に変換すると共に、過渡電圧信号を処理してプラズマ非閉じ込め事象が存在するかを確定する検出回路を含む。
【００１５】
上述した概要は、本明細書において開示した本発明の多数の実施形態のうち一つのみに関しており、本明細書の特許請求の範囲に記載した本発明の範囲を限定するものではない。本発明の上記その他の特徴は、本発明の詳細な説明において、次の図面と併せて、以下更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明は、同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面の各図において、限定としてではなく一例として図示される。
【００１７】
【図１】処理中にプラズマを閉じ込める従来技術のプラズマ処理チャンバの例を示すと共に、プラズマ非閉じ込め事象を検出するための現行の戦略を示す図である。
【００１８】
【図２】本発明の一実施形態による、プラズマ処理中のプラズマリアクタを示す簡略図である。
【００１９】
【図３Ａ】本発明の一実施形態における、容量式センサの実装を示す図である。
【００２０】
【図３Ｂ】本発明の一実施形態における、長方形の容量式センサの例を示す図である。
【００２１】
【図３Ｃ】本発明の一実施形態における、二枚の電気絶縁外層を有するセンサの断面の例を示す図である。
【００２２】
【図４Ａ】プラズマ検出回路の実施形態を示す概略図である。
【図４Ｂ】プラズマ検出回路の実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、添付図面に図示した幾つかの好適な実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。以下の説明では、本発明を完全に理解するために、多数の具体的な詳細を述べる。しかしながら、こうした具体的な詳細の一部又は全部が無くとも本発明を実施し得ることは、当業者には明らかであろう。また、周知のプロセスステップ及び／又は構造は、本発明を不必要に曖昧にしないために、詳細な説明を省略する。
【実施例】
【００２４】
以下、方法及び手法を含む様々な実施形態を説明する。本発明は、本発明の手法の実施形態を実行するためのコンピュータ読み取り可能な命令を格納したコンピュータ読み取り可能な媒体を含む製品も対象とし得ることに留意されたい。コンピュータ読み取り可能な媒体は、例えば、コンピュータ読み取り可能なコードを格納するための、半導体、磁気、光磁気、光学、又は他の形態のコンピュータ読み取り可能な媒体を含み得る。更に、本発明は、本発明の実施形態を実現する装置を対象とし得る。こうした装置は、本発明の実施形態に関連するタスクを実行する、専用及び／又はプログラム可能な回路を含み得る。こうした装置の例は、適切にプログラムされた場合には汎用コンピュータ及び／又は専用コンピューティングデバイスを含み、更に、本発明の実施形態に関連する様々なタスクに適した、コンピュータ／コンピューティングデバイスと専用／プログラム可能回路との組み合わせを含み得る。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、容量式センサ等のプラズマ非閉じ込めセンサを提供して、プラズマ処理システム内のプラズマ非閉じ込め事象を検出する。本発明の実施形態は、プラズマ処理環境の特色である腐食及び堆積に影響されないセンサを含む。本発明の実施形態は、更に、少なくともプラズマ処理システム内の非閉じ込め事象を決定するように構成された検出回路に取り付けるべきセンサを含む。
【００２６】
一実施形態において、センサは、一実施形態では一枚以上の電気絶縁層により保護された導電性の基板を含み得る。センサが非閉じ込め事象に露出された場合には、電気絶縁層に渡って発生した過渡電流が、センサを介して回路変換器へ流れ得る。回路変換器は、一実施形態において、過渡電流を過渡電圧信号へ転換するように構成される。過渡電圧信号は、過渡電圧信号から高周波成分を除去する等、信号対ノイズ特性を改善するために、ローパスフィルタを介して送信してよい。追加又は代わりとして、過渡電圧信号は、少なくとも付加的な周波数を除去するように構成された、一組の共鳴フィルタ（ＬＣフィルタ等）を介して送信し得る。過渡電圧信号を調整した後、信号を所定の閾値と比較して、プラズマ非閉じ込め事象の存在を決定し得る。
【００２７】
上述したことから分かるように、センサはプラズマ処理中に発生し得る腐食又は堆積に影響されないように構成されるため、センサは、プラズマ処理中に連続して動作可能であり、そのため、分離したプラズマの事象を検出する可能性及び適時性が改善される。更に、検出回路により、センサが感知した過渡電流を、プラズマ非閉じ込め事象の存在を決定するために利用できる明瞭且つ堅牢な信号へ転換することが可能となる。
【００２８】
本発明の特徴及び利点は、以下の図面及び説明を参照することにより更に良く理解し得る。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態による、プラズマ処理中のプラズマリアクタ２００の簡略図を示す。プラズマリアクタ２００は、プラズマ非閉じ込め事象の検出が望ましい領域内に位置決めされるように構成された電極２１０（例えば、容量式センサ）を含み得る。言い換えると、領域は、プラズマ閉じ込め領域２１４の外部となり得る。一例において、電極２１０は、電極２１０の外面を、非閉じ込めプラズマ２１２等の非閉じ込めプラズマに露出可能な形で取り付け得る。
【００３０】
プラズマに固有の特徴のため、プラズマに露出された表面では、重いプラズマ成分（例えば、分子イオン）と相互作用する軽いプラズマ成分（例えば、電子）の速度の差の結果として、電荷が生じ得る。したがって、電極２１０を非閉じ込めプラズマ２１２に対して露出させる時、電極２１０の外面は、帯電プロセスを受ける。外部電極２１０の表面は、非閉じ込めプラズマ２１２の特定の特性に応じて、負又は正に帯電し得る。帯電プロセスは、通常、電極２１０の外面が非閉じ込めプラズマ２１２との平衡状態となる電荷量を達成するまで発生するため、帯電プロセスは、通常、過渡プロセスである。
【００３１】
一実施形態において、電極２１０の外面の過渡帯電プロセスが発生している間、外面過渡電荷とは反対の電荷を有する過渡電荷が、電極２１０内において誘発され得る。非閉じ込めプラズマの存在を適時に特定するために、過渡電荷により誘発された過渡電流は、変換回路２２２により、過渡電圧信号へ変換する。過渡電圧信号はノイズを含み得るため、ローパスフィルタ２２４を利用して、ノイズを除去してよい。一例において、ローパスフィルタ２２４は、高周波成分（例えば、高周波ノイズ）を除去し、これにより過渡電圧信号を改良するために利用し得る。過渡電圧信号を調整済み信号へ変換するために、一実施形態では、一組の共鳴ＬＣフィルタ２２６を利用して、プラズマを発生させるために一般に使用されるもの等、特定の周波数を遮断してよい。調整済み信号は、その後、調整済み信号を所定の閾値と比較するように構成し得る閾値検出器２２８へ転送してよい。調整済み信号が所定の閾値を上回る場合、閾値検出器２３８は、非閉じ込めプラズマが検出されたことを示す警報を発生させ、これにより、適切な処置を行うことを可能にし得る（例えば、プラズマを消して、基板の処理を停止させ得る）。
【００３２】
図３Ａは、本発明の一実施形態における、容量式センサの実装を示す。図２において述べたように、容量式センサ３０２は、プラズマリアクタのチャンバ壁３１８に物理的に取り付けてよい。一実施形態において、容量式センサ３０２は、少なくとも二種類の構成要素、即ち、電気絶縁外層３０８と、導電基板３０４とを含み得る。一実施形態において、容量式センサ３０２は、絶縁体３１６により取り付け面から電気的に分離される。非閉じ込めプラズマにより過渡電荷が生成されると、過渡電流は、電気接点３０６を介して導電基板３０４に結合された伝導接点３１４へ送電し得る。過渡電荷は、クランプ３１２により伝導接点３１４に固定し得るワイヤ３１０を介して、検出回路（図示せず）へ送電し得る。
【００３３】
導電基板３０４は、様々な材料により作成してよい。一実施形態において、導電基板３０４は、金属（例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅに基づくもの等）又は金属の組み合わせ／合金等の導電性材料により作成し得る。導電基板３０４は、一実施形態において、例えば、高ドープシリコン等の半導体材料により作成してもよい。一実施形態において、導電基板３０４は、導電性セラミック材料（例えば、炭化ケイ素）又は導電性セラミックの組み合わせにより作成し得る。追加又は代わりとして、導電基板３０４は、一実施形態において、導電性ポリマ又は非導電性ポリマの何れかにより作成し得る。一例において、導電性ポリマは、導電性の「充填剤」を含有する有機ポリマ、有機ポリアニリンに基づくポリマ、及びポリアニリンに基づくポリマの混合物を含み得る。更に別の実施形態において、導電基板３０４は、例えば、導電性シリコン等、導電性の無機ポリマにより作成し得る。上述したことから分かるように、導電基板３０４は、上述した導電性材料の何れか又は全ての組み合わせにより作成し得る。
【００３４】
一実施形態において、電気絶縁外層３０８は、ＳｉＯ2の形態（例えば、石英又はガラス）、セラミック（例えば、Ａｌ2Ｏ3）、商用ポリマ（例えば、ＰＴＦＥ、ポリイミド、シリコン等）、プラズマ処理の副産物であるポリマ（例えば、ＣＦｘに基づくポリマ）、又は上述したものの何れか又は全ての組み合わせ等、電気絶縁性材料により作成し得る。導電外層３０８は、一実施形態において、プラズマリアクタ内で一般に使用され得る化学物質及びプラズマの混合物に適合し得る電気絶縁材料により作成し得る。一例において、陽極酸化アルミニウムは基板処理のために一般に使用される化学物質に対して比較的不活性であるため、陽極酸化アルミニウムは、プラズマエッチングリアクタ（図１に示したもの等）の内部において見られる一般的な構成要素となる。したがって、プラズマ処理中に利用される化学物質に適合する陽極酸化アルミニウム等の電気絶縁性材料により作成された電気絶縁外層３０８は、電気絶縁外層（３０８）により保護されたセンサがプラズマ環境に影響されないようにすると共に、電気絶縁外層が金属又は粒子状欠陥のソースとなることを防止する。
【００３５】
別の実施形態において、電気絶縁外層３０８は、導電基板３０４から成長させ得る。一例において、電気的外層３０８を特徴付けし得る陽極酸化アルミニウムは、アルミニウム基板から成長させ得る。別の例において、電気絶縁外層３０８は、導電基板３０４上に堆積させた膜から成長させ得る。膜は、化学蒸着、プラズマ化学蒸着、スパッタリング等、複数の一般的な堆積手法により堆積させ得る。更に別の例において、電気絶縁外層３０８は、容射、焼結、熱接合等、複数の一般的な付与手法により導電基板３０４上に付与し得る。
【００３６】
電気絶縁外層３０８の厚さは、絶縁材料の種類に応じて変化し得る。一実施形態において、電気絶縁外層３０８の厚さは、導電基板３０４を電気的に絶縁するために十分な厚さにする一方で、検出回路において検出できる測定可能な電圧を形成するために、容量式センサ３０２がプラズマに露出された時に、依然として適切な電気容量が発生可能となるようにする必要がある。一実施形態において、膜の厚さは、１０乃至１００マイクロメートルの範囲にし得る。
【００３７】
上述したことから分かるように、一組の電気絶縁外層により、導電基板３０４が、非閉じ込めプラズマに対して露出されるセンサ（３０２）の外面３２４から電気的に分離される限り、導電基板３０４に付与し得る電気絶縁外層の数は、変更し得る。例えば、図３Ｃは、本発明の一実施形態における、二枚の電気絶縁外層３２０及び３２２を有する容量式センサ３０２の断面の例を示す。一例において、電気絶縁外層３２２は、容量式センサ３０２の製造の一環として、電気絶縁外層３２０上に付与し得る。この例において、電気絶縁外層３２０は、導電基板３０４に対する電気絶縁外層３２２の接着を向上させる「中間接着層」となり得る。別の例において、電気絶縁外層３２０は、電気絶縁外層３２２と導電基板３０４との間の熱膨張係数を有し得る。熱膨張係数により、容量式センサ３０２では、熱サイクルの影響による亀裂又は剥離に対する耐性を強化し得る。
【００３８】
第三の例において、電気絶縁外層３２２は、基板が処理されている間に処理チャンバに存在する反応ガスに対して露出されることにより、電気絶縁外層３２０上に形成された堆積層を表し得る。容量式センサ３０２はキャパシタのように動作し得るため、容量式センサ３０２は、センサの表面上における追加層の形成に影響されない状態となり得る。したがって、ラングミュア型プローブとは異なり、電気絶縁外層の形成により、センサが非閉じ込めプラズマを検出する能力は無くならない。
【００３９】
図３Ａを再び参照すると、絶縁体３１６と、電導接点３１４と、クランプ３１２との特定の組み合わせは、特定の用途に合わせて特別に作成してよく、或いは、任意の数の市販の真空フィードスルーデバイスに置き換えてもよい。
【００４０】
加えて、容量式センサ３０２は、多様な形でチャンバに取り付けてよい。一実施形態において、容量式センサ３０２は、図３Ａに示したように、チャンバ壁３１８に極めて近接して取り付けてよい。別の実施形態において、容量式センサ３０２は、チャンバ壁３１８と同一平面にしてよい、更に別の実施形態において、容量式センサ３０２は、チャンバ壁３１８から離して（ロッド又は台座の端部等に）取り付けてもよい。
【００４１】
一実施形態において、容量式センサ３０２は、様々な幾何学的形状にし得る。上述したことから分かるように、容量式センサ３０２の形状は、製造者の好みに基づいてよく、或いは、取り付け場所に依存してもよい。一実施形態では、図３Ｂに示したように、容量式センサ３０２は、ｘ及びｙの寸法が約１インチ、厚さｚが０．０５インチである長方形の「ボタン」にしてよい。別の実施形態において、容量式センサ３０２は、円形台座又は円形チャンバといった環境内の他の構成要素を考慮して、リング等の環状にしてよい。通常、感度は、非閉じ込めプラズマ（外部体積全体を占めるとは限らない）に接触するプローブの表面積に比例する。したがって、大きなプローブは、大きな信号をもたらし得るが、より多くのノイズを捕らえる可能性もある。更に、非常に大きなプローブは、例えば、ＲＦ電流の帰還経路を変化させることにより、通常のプラズマプロセスを乱す危険性を有する場合がある。したがって、センサの形状及びサイズは、上述した基準を前提として、製造者の好みに依存する。
【００４２】
上述したように、過渡電流が生成された後、過渡電流は、非閉じ込めプラズマの存在を決定するために検出回路へ送信し得る。次の幾つかの図（図４Ａ及び４Ｂ）は、過渡信号の検出回路への流れの例である。
【００４３】
図４Ａは、本発明の一実施形態における、容量式センサ及び検出回路の両方の電気モデルの一例を示す。ボックス４０２は、容量式センサの回路モデルの一例を示す。容量式センサの外面（プラズマに露出される表面）は、プレート４０４により表している。キャパシタ４０６及び４０８は、容量式センサの導電基板上に存在し得る電気絶縁外層をそれぞれ表す。上述したことから分かるように、導電基板上の追加層は、電気モデルにおける追加電気容量として図示し得る（逆も同様）。一実施形態において、導電基板上の一組の電気絶縁外層の電気容量は、支配的な電気容量となる。言い換えると、プラズマ堆積産物の層の形成による追加電気容量は、一連の中で最小のキャパシタが支配的なものとなるため、検出器の外層の電気容量に対して大きくなり得る。通常、膜の一般的な容量値は、表面積１平方センチメートル当たり約０．１ｎＦとなり得る。
【００４４】
ボックス４１０、４２０、及び４３０は、検出回路の回路モデルの一例を示す。ボックス４１０は、電流−電圧変換器（即ち、回路変換器）のモデルの例を示す。電流−電圧変換器は、プレート４０４のプラズマに対する露出による電荷から生じた過渡電流を変換するように構成される。一例において、プラズマに対する露出によりキャパシタ４０６及び４０８全体で生じる過渡電流は、抵抗４１４を介して電気接地４１６へ流れることが可能であり、これにより、過渡電流は、点４１２において読み取り得る過渡電圧信号へ変換される。一実施形態において、抵抗４１４は、１乃至１００ｋオームの値を有し得る。
【００４５】
点４１２において生成された過渡電圧信号は、その後、信号対ノイズ特性を改善するために調整し得る。一実施形態において、過渡電圧信号は、ボックス４２０に図示した回路の例のようなローパスフィルタを通過し得る。一実施形態において、ローパスフィルタ４２０は、キャパシタ４２４に接続された抵抗４２２を含んでよく、キャパシタ４２４は接地４２６に接続される。要素４２２及び４２４の組み合わせは、過渡電圧信号から高周波成分を除去する役割を果たす。一実施形態において、抵抗４２２は、１００オームの値を、キャパシタ４２４は、約１００ｎＦの値を有し得る。
【００４６】
過渡電圧信号の信号対ノイズ特性は、一実施形態において、過渡電圧信号を、ボックス４３０に存在する二例のような、一組の共鳴ＬＣフィルタ群に通すことで更に改善される。第一のＬＣフィルタは、キャパシタ４３４と並列にインダクタ４３２を含み得る。同様に、第二のＬＣフィルタは、キャパシタ４３８と並列にインダクタ４３６を含み得る。一組の共鳴ＬＣフィルタ群により、既知の及び／又は予期される周波数を除去し選択的に遮断することにより、過渡電圧信号を改善し得る。例えば、プロセスプラズマに、異なる周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ及び２８ＭＨｚ）で動作する二個の独立したＲＦ発電機により電力を供給する場合、プラズマに露出された容量式センサから生じた過渡電圧信号は、両方の周波数を含み得る。こうした周波数の大きさは過渡電圧信号の検出に干渉し得るため、一組の共鳴ＬＣフィルタ群を利用して周波数を遮断してよい。一例において、キャパシタ４３４と並列のインダクタ４３２は、１３．５６ＭＨｚ成分を遮断し、キャパシタ４３８と並列のインダクタ４３６は、２８ＭＨｚ成分を遮断し得る。通常、一般的に利用され得る周波数の種類（例えば２．２７及び６０ＭＨｚ）が、遮断され得る周波数の種類となり得る。しかしながら、一組の共鳴ＬＣフィルタ群は、上述した周波数のみを遮断するものに限定されず、一定範囲の周波数（例えば、５００ｋＨｚ乃至２００ＭＨｚ）を遮断し得る。上述したことから分かるように、遮断し得る周波数の種類は、使用者の好みにより決めてよい。
【００４７】
過渡電圧がフィルタリングされると、点４４０において調整済み信号が生成され得る。一実施形態において、調整済み信号（即ち、共鳴ＬＣフィルタボックス４３０からの出力）は、閾値検出器（図示せず）へ送信し得る。閾値検出器は、調整済み信号を所定の閾値と比較して、プラズマ非閉じ込め事象が発生しているかを判断し得る。
【００４８】
或いは、検出回路は、図４Ｂに図示したように実現し得る。図４Ｂに図示した検出回路は、追加のキャパシタ４１８を除き、図４Ａの検出回路と同様である。一実施形態において、キャパシタ４１８は、ボックス４１０の電流−電圧変換器内に実装し得る。ボックス４０２内の容量式センサは短絡を生じる場合があるため、キャパシタ４１８は、検出回路の下流の構成要素（即ち、ボックス４２０、４３０、閾値検出器等）を損傷から守る何らかの保護を提供し得る。一実施形態において、キャパシタ４１８は、１００ｎＦの値を有し得る。一例において、容量式センサの一組の外層が損傷を受け、容量式センサの電気絶縁特性が損なわれるようになった場合、ボックス４０２のモデルキャパシタ４０６及び４０８は、容量式センサ（即ち、プレート４０４）と、ボックス４１０内の点４１２に接続された検出回路構成要素との間の直接的な電気接続に置き換わり、検出回路は、短絡して損傷を受ける恐れもある。しかしながら、キャパシタ４１８により、プラズマと検出構成要素との間の直接接続を防止し、これにより、検出回路が損傷を受けることを防止し得る。加えて、短絡の状況のため、キャパシタ４１８が非閉じ込めプラズマに対して露出状態となっても、生成される過渡電圧信号は、非短絡センサに関連する過渡電圧信号とは、検出可能な形で異なる。結果として、閾値検出器は、二種類の過渡電圧信号を区別することが可能であり、容量式センサが損傷を受けたという判断を行うことも可能となり得る。
【００４９】
上述したことから分かるように、本発明の一つ以上の実施形態は、非閉じ込めプラズマを検出するためのプラズマ非閉じ込めセンサを提供する。プラズマ非閉じ込めセンサの導電性基板を保護する一組の電気絶縁外層を有するため、プラズマ非閉じ込めセンサがプラズマ環境から保護されることで、プラズマ非閉じ込めセンサは、重要なセンサ構成要素の腐食及び／又はセンサの導電基板における電気絶縁膜の堆積による性能劣化を被ることなく、機能することができる。電圧信号から外部ノイズを除去することが可能な検出回路により、電圧信号が高品質になり得るため、閾値検出器には、プラズマ非閉じ込め事象を検出し得る明瞭な信号が提供される。
【００５０】
本発明を幾つかの好適な実施形態により説明してきたが、本発明の範囲に含まれる変形例、置換例、及び等価物が存在する。本明細書では様々な例を提示しているが、これらの例は例示的なものであり、本発明を限定するものではない。
【００５１】
名称及び概要は、便宜上、本明細書に記載しているものであり、本明細書の特許請求の範囲を解釈するために使用するべきではない。更に、要約は、非常に短縮された形式で書かれており、便宜上、本明細書に記載しているため、特許請求の範囲において表現された本発明全体を解釈又は限定するために利用するべきではない。本明細書において「一組」という用語が利用される場合、こうした用語は、ゼロ、一個、又は一個より多くの部材を対象とする一般的に理解される数学的意味を有するものである。更に、本発明の方法及び装置を実現する仕組みが他にも多数存在することに留意されたい。したがって、添付特許請求の範囲は、本発明の本来の趣旨及び範囲内に入るこうした全ての変形例、置換例、及び等価物を含むと解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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