(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調基準信号及びピーク値設定信号をもとに断続する高周波出力を生成する変調部を備えたプラズマ生成装置用高周波電源装置であって、該高周波電源装置は、
前記断続する高周波出力のピーク値を検出するピーク値検出部、及び該ピーク値検出部が検出した前記断続する高周波出力のピーク値と予め設定した高周波出力のピーク設定値とを比較して前記高周波出力のピーク値を前記ピーク設定値に制御する出力制御部を備えた第１の制御ループと、
前記断続する高周波出力の平均値を検出するモニタ部と、前記予め設定したピーク設定値及びデューティ比設定値をもとに前記断続する高周波出力の平均値を演算する演算手段を備え、前記モニタ部が検出した高周波出力の平均値と前記演算手段が演算した高周波出力の平均値をもとに、前記変調部を制御する変調基準信号を生成するパルス生成部を備えた第２の制御ループを有することを特徴とするプラズマ生成装置用高周波電源装置。
【請求項２】
請求項１の記載において、
前記高周波電源装置は前記ピーク値設定信号を切り替えて設定する設定切り替え手段を備えたことを特徴とするプラズマ生成装置用高周波電源装置。
【請求項３】
請求項１ないし請求項２の何れか１の記載において、
前記出力モニタ部は熱電対方式のモニタであることを特徴とするプラズマ生成装置用高周波電源装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか１の記載において、
前記パルス生成部は、少なくとも前記モニタ部が検出した高周波出力の平均値及び前記演算手段が演算した高周波出力の平均値を表示する表示部を備えたことを特徴とするプラズマ生成装置用高周波電源装置。
【請求項５】
変調基準信号をもとに断続する高周波出力を生成する変調部を備えたプラズマ生成装置用高周波電源装置であって、該高周波電源装置は、
前記断続する高周波出力の平均値を検出するモニタ部と、前記高周波出力のピーク値設定信号及びデューティ比設定信号をもとに前記断続する高周波出力の平均値を演算する演算手段を備え、
前記モニタ部が検出した高周波出力の平均値と前記演算手段が演算した高周波出力の平均値をもとに、前記変調部を制御することを特徴とするプラズマ生成装置用高周波電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ生成装置用高周波電源装置に係り、特に電源出力を断続してその平均出力を制御することのできるプラズマ生成装置用高周波電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式と呼ばれるプラズマ処理装置を例に従来技術を説明する。このＥＣＲ方式のプラズマ処理装置では、外部より磁場を印加した真空容器中にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生する。電子は磁場によりサイクロトロン運動を行う。このサイクロトロン運動の周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。また、試料に入射するイオンを加速するために、試料には高周波電圧が印加される。プラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。
【０００３】
このようなプラズマ処理装置では、加工の高精度化を図る目的で試料（ウエハ）に印加する前記高周波電源の出力をオンオフ制御してその出力を制御している。これによりエッチングしたい物質であるシリコン（Ｓｉ）と下地酸化膜との選択比を高くでき、かつアスペクト比依存性を低減できる。
【０００４】
また、ウエハに印加する高周波電源の出力をオンオフ制御することにより、ウエハの処理速度を低下させずに、試料台の消耗を減らすことが可能となる。このため、試料台交換のメンテナンス頻度を少なくすることができ、装置のスループットを向上させることができる。
【０００５】
図６は、平均出力とピーク出力値の関係を説明する図である。図において、１４１は高周波電源の出力の波形である。１４４はパルス出力のオン時間、１４５はパルス出力のオフ時間である。１４２は前記高周波電源が出力する出力のピーク値であり、１４３は平均出力を示すものある。  例えば、Ｐｏｌｙ  Ｓｉをエッチングする場合、平均出力として１０Ｗから１００Ｗを供給する。
【０００６】
また、オンオフ制御での代表的なデューティー比（オン時間比）は２０％程度であり、高周波電源の出力のピーク出力値が２００Ｗの場合は高周波電源の平均出力は４０Ｗ程度となる。
【０００７】
図７は、従来のプラズマ生成装置用高周波電源装置を示す図である。１は高周波電源を操作する制御マイコン、２０はプラズマ生成装置用高周波電源装置（以下単に高周波電源と呼ぶ）、２１は高周波電源出力のピーク値を設定するピーク値設定信号、３６はオンオフ制御の繰り返し周波数を設定する繰り返し周波数設定信号、３７はオンオフ制御する際のオン時間幅を設定するオン時間幅設定信号、２２は前記ピーク値設定信号２１及びフィードバックされたピーク値検出信号３０をもとに出力ピークを操作する操作信号２３を生成する出力制御部、２４は操作信号２３及び後述する変調基準信号３８をもとに断続する高周波出力２５を生成する変調部、２９は前記断続する高周波出力をパルス基準信号のタイミングで検出するピーク値検出部、３５は制御マイコンが供給する繰り返し周波数の設定信号３６及びオン時間幅設定信号３７をもとに変調基準信号３１及びパルス基準信号３８を生成するパルス生成部である。パルス生成部３５は前記繰り返し周波数及びオン時間幅を表す信号をもとに所定デューティ比を持つ矩形波を生成し、該矩形波をパルス基準信号３８とし、該パルス基準信号３８と高周波基準信号（発振器出力）を乗算した信号を変調基準信号３１として出力する。
【０００８】
まず、制御マイコン１によりピーク値設定信号２１が設定される。出力制御部２２は、ピーク値設定信号２１とピーク値検出部２９で検出されたピーク値信号３０をもとに高周波電源２０から出力させるピーク値を制御する操作信号２３を出力する。変調部２４は操作信号２３とパルス生成部３５で生成された変調基準信号をもとに断続する高周波出力２５を生成する。ピーク値検出部２９はパルス基準信号３８が供給されるタイミングで断続する高周波出力を検出する。これにより前記検出部は前記高周波出力のピーク値（前記断続する高周波出力のオン期間におけるピーク出力値）を検出することができる。パルス生成部３５は前記繰り返し周波数を表す信号３６及びオン時間幅を表す信号３７をもとに所定デューティ比を持つ矩形波を生成し、該矩形波をパルス基準信号３８としてピーク値検出部２９に供給しピーク値を検出するためのタイミング情報として使用する。また前記パルス基準信号３８と同じタイミングで断続する信号を変調基準信号３１として生成し、該信号３１を変調器２４に供給する。変調器２４は前記ピーク値操作信号２３及び変調基準信号３１をもとに、ピーク値操作信号で示すピーク値並びに変調基準信号で示すデューティ比及び繰り返し周波数を持つ高周波出力を２５を生成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような断続する高周波出力の平均値は、ピーク値検出部が検出したピーク値にデューティ比（オン期間／オン期間＋オフ期間）を乗算することにより演算することができる。すなわち、ピーク値検出部が検出したピーク値並びに繰り返し周波数設定信号及びオン期間設定信号をモニタすることにより所望の平均値を有する高周波出力を負荷に供給することができる。
【００１０】
しかしながら、断続制御された高周波出力の実際の出力波形（パルス波形）は矩形波から歪みを生じる。図８は断続する高周波出力の波形を示す図であり、図８（ａ）は高周波出力の断続波形、図８（ｂ）はその一部の拡大図である。図に示すように、前記変調部の応答特性、部品レベルの固体差等により出力電力の立ち上がり時や立ち下がり時の波形に差が生じる。従って、前記ピーク値のモニタのみによる制御では、実際の出力値（平均値）を前述の方法で正確に演算することはできない。
【００１１】
なお、前記負荷に供給する平均出力の変動は半導体処理プロセスにおいて、ウエハに与えるエッチング特性に大きな影響を及ぼす。また同時に同仕様の高周波電源を使用する場合においても、例えばウエハ表面のエッチング速度に相違が生じ、プロセス性能が異なってしまうという問題が生じる。
【００１２】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、断続する高周波出力の出力精度を向上することのできるプラズマ生成装置用高周波電源装置を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００１４】
変調基準信号及びピーク値設定信号をもとに断続する高周波出力を生成する変調部を備えたプラズマ生成装置用高周波電源装置であって、該高周波電源装置は、前記断続する高周波出力のピーク値を検出するピーク値検出部、及び該ピーク値検出部が検出した前記断続する高周波出力のピーク値と予め設定した高周波出力のピーク設定値とを比較して前記高周波出力のピーク値を前記ピーク設定値に制御する出力制御部を備えた第１の制御ループと、前記断続する高周波出力の平均値を検出するモニタ部と、前記予め設定したピーク設定値及びデューティ比設定値をもとに前記断続する高周波出力の平均値を演算する演算手段を備え、前記モニタ部が検出した高周波出力の平均値と前記演算手段が演算した高周波出力の平均値をもとに、前記変調部を制御する変調基準信号を生成するパルス生成部を備えた第２の制御ループを有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるプラズマ生成装置用の高周波電源装置を示す図である。図において、２８は断続する高周波出力の平均値を検出するモニタ部、３５ａは制御マイコン１が供給するピーク値設定信号２１、繰り返し周波数の設定信号３６及びオン時間幅設定信号３７をもとに変調基準信号３１及びパルス基準信号３８を生成するパルス生成部である。パルス生成部３５ａは後述するように、前記ピーク値設定信号、繰り返し周波数及びオン時間幅を表す信号をもとに演算した出力の平均値と前記モニタ部がモニタした出力の平均値をもとに所定デューティ比を持つ矩形波を生成し、該矩形波をパルス基準信号３８として生成する。また、該パルス基準信号３８と高周波基準信号（発振器出力）を乗算して変調基準信号３１を生成する。３９は高周波電源装置の状態を表示する表示部である。なお、図において図７に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００１６】
図２は、パルス生成部３５ａの詳細を示す図である。図において、３５１はピーク値設定信号２１、オン時間幅設定信号３７及び周波数設定信号３６をもとに平均出力を演算し、該演算した平均出力とモニタ部２８が測定した平均出力３４をもとに前記オン時間幅を再設定して、オン時間幅再設定信号３５３を生成するするオン時間幅再設定部、３５２はオン時間幅再設定信号３５３及び繰り返し周波数設定信号３６をもとにパルス基準信号３８を生成するパルス基準信号生成部、３５４は負荷に供給する電力の周波数の基準となる高周波基準信号３５５（例えば４００ｋＨｚ）を発振する発振器、３５６は掛け算器であり、前記高周波基準信号３５５とパルス基準信号を乗算して変調基準信号３１を生成する。
【００１７】
次に、前記オン時間幅再設定部３５１の詳細を説明する。まず、ピーク値設定信号２１、繰り返し周波数設定信号３６及びオン時間幅信号３７から、出力すべき平均出力を算出する。例えばピーク値設定信号２１の設定値が２００Ｗ、オン時間幅設定信号３７及び繰り返し周波数設定信号３６をもとに設定したデューティー比の値が２０％（オン時間比）であるとき、平均出力値が４０Ｗとなるような出力設定値を演算する。なお、オン時間幅設定信号３７に代えてデューティ比を表す信号を入力することができる。この場合は繰り返し周波数設定信号３６は不要となる。
【００１８】
次いで、前記演算した出力設定値と前記モニタ部が測定した平均出力値と比較し、この比較結果をもとに前記オン時間幅を再設定して、オン時間幅再設定信号３５３を生成する。例えば、モニタ部で測定した平均出力３４の値が、基準値となる時間平均出力信号４０Ｗよりも大きい場合は、高周波電源から出力される平均出力が大きいと判断し、オン時間幅を狭くして平均出力値を下げるようにオン時間幅を設定したオン時間幅再設定信号３５３を出力する。また、モニタ部で測定した平均出力３４の値が、基準値となる時間平均出力４０Ｗよりも小さい場合は、高周波電源から出力される平均出力が小さいと判断し、オン時間幅を広くして平均出力値を上げるようにオン時間幅を設定したオン時間幅再設定信号３５３を出力する。
【００１９】
パルス基準信号生成部３５２は前記再設定信号３５３及び周波数設定信号３６をもとにパルス基準信号３８を生成し、更にパルス基準信号３８は掛け算器３５６により高周波基準信号３５５と乗算されて変調基準信号３１を生成する。
【００２０】
図３は、パルス生成部の各部波形を示す図であり、図３（ａ）は高周波基準信号３５５の波形、図３（ｂ）はパルス基準信号３８の波形、図３（ｃ）は変調基準信号をそれぞれ示す。なお、図において、１１１はパルス基準信号及び変調基準信号のオン期間、１１２はパルス基準信号及び変調基準信号のオフ期間、１１３は繰り返し周波数設定信号の周波数（周期）を示す。
【００２１】
図４は、表示部３９を備えた高周波電源装置２０の例を示す図である。図において、４１は高周波電源本体を収納したケース、４２はケース前面に配置したパネル、４３，４４，４５はそれぞれ表示器であり、前記デューティ比、繰り返し周波数、ピーク値設定信号、モニタ部で測定した平均出力等を表示する。また、４６，４７，４８，は設定ボタンであり、前記デューティ比、繰り返し周波数、ピーク値設定信号等を設定入力することができる。また、前記前記デューティ比、繰り返し周波数、ピーク値設定信号等から設定される出力の指令値及び前記平均出力との偏差を表示し、更に警報することもできる。なお、前記設定ボタンを備えることにより、制御マイコン１の設置場所まで出向くことなく各種設定を行うことができる。
【００２２】
次に、図１に示す高周波電源装置の動作を説明する。図に示すように本実施形態に係る高周波電源装置は、高周波電源出力のピーク値を制御するフィードバックループ（出力制御部２２、変調部２４，ピーク値検出部２９）である第１の制御ループと、高周波電源出力の平均出力を制御するフィードバックループ（変調部２４，モニタ部２８、パルス生成部３５ａ）である第２の制御ループを備える。
【００２３】
まず第１制御ループの説明を行う。制御マイコン１によりピーク値設定信号２１を設定する。出力制御部２２では、ピーク値設定信号２１とピーク値検出部２９で検出されたピーク値信号３０によりピーク値操作信号２３を出力する。変調部２４は前記操作信号２３と、パルス生成部３５ａで生成さた図３（ｃ）に示す変調基準信号（高周波電源の出力基本周波数成分、所定デューティ比でパルス状にオンオフを繰り返すパルス基準信号成分を含む）を乗算して変調及び増幅し、増幅出力を図示しない負荷に供給する。ピーク値検出部２９は、前記増幅出力、すなわち断続する高周波出力を検出し、検出したピーク値信号を出力制御部２２にフィードバックする。なお、このとき、前記検出したピーク値信号を制御マイコン１に供給し、制御マイコン側でデータを収集できるようにしておくとよい。
【００２４】
次に第２の制御ループの説明を行う。前記モニタ部２８は断続する高周波出力２５の時間平均値をモニタリングする。モニタリングの方法としては、例えば熱電対のように高周波出力を熱起電力に変換して検出する熱電対方式が知られている。前記モニタ部２８のモニタ出力（断続する高周波出力２５の時間平均値）３２は前記パルス生成部３５ａ及び制御マイコン１にフィードバックする。このときモニタ出力３２を表示部３９に表示することができる。
【００２５】
図５は高周波電源装置２０の他の例を示す図である。モニタ部２８は外付けとすることができる。すなわち小型化が困難であるモニタ部を高周波電源２０とは別体とすることにより、前記高周波電源装置を小型軽量とすることができる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態によれば、高周波電源出力の平均出力を制御するフィードバックループ（変調部２４，モニタ部２８、パルス生成部３５ａ）である第２の制御ループを備え、前記断続する高周波出力の平均値をモニタリングしながら高周波電源出力のデューティ比を制御するので、例えば、前記変調部の応答特性、部品レベルの固体差等により出力出力の立ち上がり時や立ち下がり時の波形に差が生じる場合であっても、所望の出力値を有する高周波出力を得ることができる。従って、この電源を用いることにより、半導体プロセスに与える影響を低減することができる。例えば、ウエハに与えるエッチング特性のばらつきを低減し均質なウエハ処理を行うことができる。また、前記第１のフィードバックループを備えることにより更に変動の少ない高周波出力の平均値を得ることができる。
【００２７】
なお、制御マイコン１はピーク値設定信号２１を予め設定した複数の設定信号（例えば第１，第２の設定信号）から選択して出力することができる。この場合、変調部は、例えば前記変調基準信号のオン期間に前記第１の設定信号で示す振幅の高周波出力を生成し、前記変調基準信号のオフ期間に前記第２の設定信号で示す振幅の高周波出力を生成するようにしてもよい。この場合は断続する高周波出力に代えて振幅が前記第１及び第２の設定信号で示す値間で変動する高周波出力となる。例えば第１の設定信号が高電位に、第２の設定信号が低電位に設定している場合において、例えば出力が低下した場合は前記オン期間を増大するように、また出力が上昇した場合は前記オン期間を減少するように制御すればよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、断続する高周波出力の出力精度を向上することのできるプラズマ生成装置用高周波電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるプラズマ生成処理装置用電源装置を示す図である。
【図２】パルス生成部の詳細を示す図である。
【図３】パルス生成部の各部波形を示す図である。
【図４】表示部を備えた高周波電源装置を示す図である。
【図５】高周波電源装置の他の例を示す図である。
【図６】平均出力とピーク出力の関係を示す図である。
【図７】従来のプラズマ生成装置用高周波電源装置を示す図である。
【図８】断続する高周波出力の出力波形を示す図である。
【符号の説明】
１  制御マイコン
２０  高周波電源装置
２２  出力制御部
２４  変調部
２８  モニタ部
２９  ピーク値検出部
３５、３５ａ  パルス生成部
３９  出力表示部、
３５１  オン時間幅再設定部
３５２  パルス基準信号生成部
３５４  発振器
３５６  掛け算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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