(57)【要約】検波器によって、処理容器から反射されるマイクロ波量を検出する。反射されたマイクロ波に基づいて負荷側インピーダンスを算出し、これをマイクロ波発振器側インピーダンスと整合させるための調整量を算出する。そして、算出された調整量を１未満の所定数倍して調整信号として出力する。この調整信号によって負荷整合器を制御することを繰返すことにより、負荷側インピーダンスは漸次に発振器側インピーダンスに近づき、整合状態が達成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器と、
マイクロ波を生成するマイクロ波発振器と、
前記処理容器内に前記マイクロ波を放射するアンテナと、
前記マイクロ波発振器で発生した前記マイクロ波を前記アンテナに導く導波管と、
前記導波管に設置され、インピーダンスを調整可能な負荷整合器と、
前記導波管に設置され、前記処理容器から反射されるマイクロ波を検出する検波器と、
前記検出されたマイクロ波に基づいて算出された処理容器側インピーダンスがマイクロ波発振器側インピーダンスと整合するように前記負荷整合器を段階的に制御する制御部と
を具備するプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記制御部が、前記処理容器側インピーダンスがマイクロ波発振器側インピーダンスと整合するために必要な前記負荷整合器の調整量を算出する負荷整合器調整量算出部と、
前記算出された調整量の１未満の所定倍を調整信号として出力する調整信号出力部とを備え、
前記処理容器側インピーダンスがマイクロ波発振器側インピーダンスと整合するまで、前記調整信号に基づく前記負荷整合器の制御を段階的に繰返す請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記制御部が、前記処理容器内にプラズマが生成されたことを検出するプラズマ検出部をさらに具備し、
前記調整信号出力部が、前記プラズマ検出部によりプラズマが生成されていないと判定されたときには前記負荷整合器調整量算出部で算出され調整量をそのまま調整信号として出力し、前記プラズマ検出部によりプラズマが生成されていると判定されたときには前記負荷整合器調整量算出部で算出された調整量の１未満の所定倍を調整信号として出力する請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記制御部が、前記負荷整合器の調整位置を検出する調整位置検出器をさらに具備し、
前記制御部が、前記調整信号出力部から出力される前記調整信号と前記調整位置との差に応じて前記負荷整合器を制御する請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記負荷整合器が、スタブ構造である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記負荷整合器が、ショートプランジャ構造である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
処理容器内にマイクロ波を放射して生成されるプラズマを利用するプラズマ処理装置の制御方法であって、
前記処理容器から反射されるマイクロ波に基づいて処理容器側インピーダンスを算出する段階と、
前記算出された処理容器側インピーダンスが発振器側インピーダンスと整合するために必要な処理容器側インピーダンスの調整量を算出する段階と、
前記算出された調整量の１未満の所定倍を調整信号として出力する段階と、
前記処理容器側インピーダンスがマイクロ波発振器側インピーダンスと整合するまで、前記出力される調整信号に基づく前記処理容器側インピーダンスの制御を繰り返し実行するプラズマ処理装置の制御方法。
【請求項８】
前記信号出力段階が、プラズマが生成されていないときには前記算出された調整量をそのまま調整信号として出力し、プラズマが生成されているきには前記算出された調整量の１未満の所定倍を調整信号として出力する請求項７に記載のプラズマ処理装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は半導体製造及び液晶ディスプレイパネル製造に使用されるプラズマ処理装置及びその制御方法に係り、特にマイクロ波発振器が発生するエネルギを負荷である真空容器内部のプラズマ状態のガスに効率良く伝達できるマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【背景技術】  半導体製造過程において、ウエハ上に薄膜を形成するためにＰＶＤ、ＣＶＤ等のプラズマ処理装置が使用されている。
プラズマ処理装置にも種々の形式が存在するが、マグネトロン等のマイクロ波発振器から導波管を介してアンテナにマイクロ波を導き、アンテナからマイクロ波を真空容器内に放射し、マイクロ波によってガス分子を励起してウエハ表面に薄膜を形成するマイクロ波プラズマ処理装置も多用されている。
このマイクロ波プラズマ処理装置にあっては、エネルギの有効利用及び製品の高品質化の観点から、マイクロ波発振器が発生するマイクロ波を効率よく真空容器内部のプラズマに導くとともに、真空容器内の電界を均一にすることが重要である（特開２００２−５０６１３公報参照）。
ところでマイクロ波発振器が発生するエネルギを効率よくプラズマに供給するためには、発振器側から見た負荷インピーダンス、即ちプラズマの等価インピーダンスと負荷側から発振器を見たインピーダンスが整合することが必要である。したがって、負荷側のインピーダンスを調整して整合状態を達成するために発振器とアンテナの間に負荷整合器が設置されている。
しかしながら、プラズマの等価インピーダンスはプラズマ密度に応じて非線形に変化するため、負荷整合器の調整は容易でない。
【発明の開示】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、マイクロ波発振器が発生するエネルギを負荷である真空容器内部のガスに効率良く伝達することが可能なプラズマ処理装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、マイクロ波をプラズマ生成のために利用するプラズマ処理装置において、インピーダンスを調整可能な負荷整合器と、処理容器から反射されるマイクロ波を検出する検波器とを備え、検出器により検出されたマイクロ波に基づいて算出された処理容器側インピーダンスがマイクロ波発振器側インピーダンスと整合するように前記負荷整合器を段階的に制御するものである。
本発明によれば、インピーダンス整合が確実にとれ、マイクロ波発振器が発生するエネルギを効率よく処理容器に伝達することが可能となる。
また、本発明においては、処理容器側インピーダンスがマイクロ波発振器側インピーダンスと整合するために必要な負荷整合器の調整量を算出して、算出された調整量の１未満の所定倍を調整信号として出力して、処理容器側インピーダンスがマイクロ波発振器側インピーダンスと整合するまで、調整信号に基づく負荷整合器の制御を段階的に繰返すものである。
倍数は可変であってもよく、調整量が大きいときは倍数を大きく、調整量が小さいときは倍数を小さくしてもよい。このようにして、プラズマの状態の変化に起因して負荷側インピーダンスが変化した場合にも確実に整合を達成することが可能となる。
さらに、本発明によると、処理容器にプラズマが生成されていない場合には、算出され調整量をそのまま調整信号として出力し、プラズマが生成されている場合には調整量の１未満の所定倍を調整信号として出力することもできる。
この場合、プラズマ生成前は、プラズマ生成後より迅速に整合をとることが可能となる。
【図面の簡単な説明】  以下、本発明を添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明が適用されるプラズマ処理装置の断面図、
図２は、プラズマ密度ｎｅとプラズマ誘電率εｐの関係を示すグラフ、
図３は、負荷整合器及び検波器を含む円形導波管部の第一の構成図、
図４は、スタブ調整の概念図、
図５は、第一の負荷整合器制御部の構成図、
図６は、負荷整合器制御ルーチンのフローチャート、
図７は、第二の負荷整合器制御部の構成図、及び
図８は、負荷整合器及び検波器を含む円形導波管部の第二の構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】  図１は本発明が適用されるプラズマ処理装置の断面図であって、処理容器１０は、有底円筒容器１０１とこの有底円筒容器１０１の蓋である石英板１０２で構成される。
処理容器１０の内部には載置台１０３が設置され、その上に加工対象であるウエハ１０４が載置される。ウエハ１０４を載置台１０３に固定するために、載置台１０３内に静電チャックを設けてもよい。なお、この載置台１０３にはバイアス用高周波電源１０５が接続されている。
処理容器１０の側壁には処理容器１０内にガスを供給するガス供給管１０６が、底面にはガスを排出するガス排気管１０６’が設置されている。
石英板１０２の上には平板スロットアンテナ１０７が設置され、平板スロットアンテナ１０７は円盤状のラジアル導波箱１０８で覆われている。
ラジアル導波箱１０８の中央には円形導波管１０９が接続され、円形導波管１０９は矩形導波管１１０を介してマイクロ波発振器１１１に接続される。
なお、円形導波管１０９のラジアル導波箱１０８側に負荷整合器１１２が、矩形導波管１１０側には円偏波変換器１１３が挿入されている。また負荷整合器１１２と円偏波変換器１１３の間には検波器１１４が設置される。
さらに平板スロットアンテナ１０７の中心にはマイクロ波を均等に分布させるために例えば金属製の円錐状のバンプ１１５が設置されている。
有底円筒容器１０１を石英板１０２で蓋をして真空にした後、ガス供給管１０６からガスを注入して平板スロットアンテナ１０７からマイクロ波を放射すると、ガス分子はプラズマ化される。
このプラズマの誘電率εｐは［数１］で表される。
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ここでωｃはプラズマの固有角周波数
ωはマイクロ波電源の発振角周波数
ここでプラズマ角周波数ωｃの自乗はプラズマ密度ｎｅに比例するので［数２］が成立する。
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ここでｎｅはプラズマ密度
図２はプラズマ密度ｎｅとプラズマ誘電率εｐの大略の関係を示すグラフであって、マイクロ波発振器の発振周波数を２．４５ＧＨｚであるとすると、プラズマ密度ｎｅが１立方センチメートル当たり約７×１０１０のときプラズマ角周波数ωｃとマイクロ波発振器１１１の発振角周波数は等しくなり、プラズマ誘電率εｐは零となる。また、プラズマの等価インピーダンスＺｐは大略プラズマ誘電率εｐの−１／２乗に比例するので、［数３］が成立する。
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よって［数１］〜［数３］より、［数４］が成立する。
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ただし、ｋは比例定数
ｎｅはプラズマ密度
ωはマイクロ波発振器の発振周波数
このように、プラズマの等価インピーダンスＺｐは、プラズマ密度ｎｅの関数となる。従って、プラズマインピーダンスを含む処理容器側インピーダンスをマイクロ波発振器側インピーダンスと整合させるために処理容器側インピーダンスに対応して算出された量だけ負荷整合器を操作すると、処理容器内のプラズマ状態が変化しプラズマの等価インピーダンスが変化してしまい、負荷整合器の調整量を再度変更することが必要となる。
また、処理容器内のプラズマの等価インピーダンスは［数４］に示すようにプラズマ密度の非線形関数として表されるので、一回の負荷整合器の操作で整合状態を実現することは困難な場合がある。
そこで、本発明では検波器１１４と負荷整合器１１２を、制御部を介して結合することによって漸次整合状態を達成する。
図３は負荷整合器及び検波器を含む円形導波管の第一の構成図であって、負荷整合器１１２はスタブ型である。円形導波管１０９の軸方向に進行するマイクロ波の管内波長λｇの１／４の間隔を隔てて設置された３つのスタブ１１２１、１１２２、１１２３を一つのスタブ群１１２とするスタブ群が、円形導波管１０９の周上に９０度間隔に四組設置される。
各スタブ群のそれぞれのスタブは、例えばパルスモータとラック・ピニオンで構成される駆動機構によって円形導波管１０９の半径方向に挿入・引き抜きが可能な構成となっている。
即ち、スタブ１１２１、１１２２、１１２３の円形導波管１０９への挿入量ｘ１、ｘ２、ｘ３を調整し、負荷側、即ち処理容器１０１側で反射されて戻ってくるマイクロ波のうち負荷側に再反射する割合を変更することにより、負荷側のインピーダンスを調整することができる。
円形導波管１０９の負荷調整器１１２の上流側には検波器１１４が配置されるが、検波器１１４は負荷整合器１１２と同じく円形導波管１０９の軸方向に進行するマイクロ波の管内波長λｇの１／８の間隔を隔てて設置された３つの検波素子１１４１，１１４２，１１４３を一つの検波素子群１１４とする検波素子群が、円形導波管１０９の周上に９０度間隔に四組又は９０度異なる位置に二組設置される。
３つの検波素子１１４１，１１４２，１１４３によって検出される電圧をｖ１、ｖ２、ｖ３とすれば、［数５］が成立する。
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ここで、ｖｉはマイクロ波発振器の出力電圧
Γは反射係数
θは位相
従って３つの検波素子１１４１，１１４２，１１４３で検波電圧ｖ１、ｖ２、ｖ３が検出されれば、反射係数Γ及び位相θを算出することができる。
この反射係数Γ、位相θ及びスタブ位置に基づいて各スタブ１１２１、１１２２、１１２３のリアクタンスが計算できるので負荷側のインピーダンスを算出することができる。
その後負荷側のインピーダンスがマイクロ波発振器側のインピーダンスと整合するスタブの挿入位置を算出し、現在の挿入位置からの偏差を求め、この偏差に基づいてスタブを操作する。
図４はスタブ調整の概念図であって、スタブ挿入量ｘ１、ｘ２、ｘ３を右手三次元座標系の各軸にとる。
検波器から処理容器側を見たときのインピーダンスＺＬは、［数６］に示すようにプラズマ誘電率εｐだけでなくスタブ挿入量ｘ１、ｘ２、ｘ３の関数として表される。
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即ち、スタブ調整は、三次元座標系において各軸成分が（ｘ１０，ｘ２０，ｘ３０）であるベクトルとして表される検波器から処理容器側を見たときのインピーダンスＺＬ０を、各軸成分が（ｘ１Ｎｘ２Ｎｘ３Ｎ）であるベクトルとして表される整合インピーダンスＺＬＮに移動させる操作と考えることができる。
そして、二つのベクトル（ｘ１０，ｘ２０，ｘ３０）及び（ｘ１Ｎｘ２Ｎｘ３Ｎ）の各成分が既知であれば、インピーダンスＺＬ０を整合インピーダンスＺＬＮいまで移動させる操作ベクトルは一義的に決定される。
しかし、前述したように検波器から処理容器側を見たときのインピーダンスＺＬはプラズマ誘電率εｐの関数でもあるから、破線で示すように初期位置（ｘ１０，ｘ２０，ｘ３０）から最終位置（ｘ１Ｎｘ２Ｎｘ３Ｎ）まで直接移動させると、移動中にプラズマ誘電率εｐが変化し、その結果処理容器側を見たときのインピーダンスＺＬが変化するので、整合状態となることは保証されない。
そこで本発明では、実線で表されるように負荷インピーダンスを監視しながら徐々にスタブ挿入量を調節して、最終的に整合状態を達成するようにしている。
即ち、初期位置（ｘ１０，ｘ２０，ｘ３０）を最終位置（ｘ１Ｎ，ｘ２Ｎ，ｘ３Ｎ）に移動させる操作ベクトルを求め、負荷側インピーダンスを初期位置ＺＬ０から操作ベクトルの１未満の所定倍だけ移動させる。
以後移動後の負荷インピーダンスを初期位置として上記手順を繰り返すことにより最終的に整合状態を達成する。
図５は本発明に係るプラズマ処理装置に適用される第一の負荷整合器制御部の構成図であって、検波素子１１４１、１１４２及び１１４３の出力は制御部５１に取り込まれる。また、スタブ１１２１、１１２２及び１１２３の挿入量を調整するアクチュエータ５２１、５２２及び５２３は制御部５１から出力される操作信号によって駆動される。
制御部５１は、例えばマイクロコンピュータシステムであり、端末５３を介して操作される。
図６は制御部５１で実行される負荷整合器制御ルーチンのフローチャートであって、所定の時間間隔ごとに割り込み処理として実行される。
まず、ステップ６０で検波器１１４を構成する３つの検波素子１１４１、１１４２及び１１４３の出力電圧ｖ１、ｖ２、ｖ３を読み込み、ステップ６１で［数４］を使用して反射係数Γ及び位相差θを算出する。
ステップ６２でスタブ位置に基づいて各スタブ１１２１、１１２２及び１１２３のリアクタンスを求める。
次にステップ６３で反射係数Γ及び位相差θを使用して、３つのスタブ１１２１、１１２２及び１１２３が１／４波長間隔で配置されていることを考慮して検波器１１４から負荷側を見たインピーダンス、即ち処理容器１０１内のプラズマ、平面スロットアンテナ１０７、ラジアル導波管１０８、及び負荷整合器１１２の合成インピーダンスＺＬを算出する。
ステップ６４で検波器１１４からマイクロ波発振器１１１を見たインピーダンスＺＳと整合する整合負荷側インピーダンスＺＬＮを算出し、ステップ６５で整合負荷側インピーダンスＺＬＮを実現する整合スタブ挿入量ｘ１Ｎ、ｘ２Ｎ、ｘ３Ｎを算出する。
ステップ６６で現在のスタブ挿入量（ｘ１、ｘ２、ｘ３）と整合スタブ挿入量（ｘ１Ｎ、ｘ２Ｎ、ｘ３Ｎ）の差である挿入量偏差（Δｘ１、Δｘ２、Δｘ３）を算出する。
そしてステップ６７で挿入量偏差（Δｘ１、Δｘ２、Δｘ３）が予め定められた閾値Ｅ未満であるかを判定する。
そして、ステップ６７で否定判定されたとき、即ち挿入量偏差（Δｘ１、Δｘ２、Δｘ３）が予め定められた閾値Ｅ以上であるときは、ステップ６８で挿入量偏差（Δｘ１、Δｘ２、Δｘ３）のｍ（ただし、ｍ＜１．０であり、例えば０．５）倍を操作信号として出力してこのルーチンを終了する。すると、パルスモータ５２１、５２２及び５２３はこの操作信号に応じて回転し、スタブ１１２１、１１２２及び１１２３の挿入量が調節される。
逆にステップ６７で肯定判定されたとき、即ち挿入量偏差（Δｘ１、Δｘ２、Δｘ３）が予め定められた閾値Ｅ未満であるときは整合が達成されたものとして、操作信号を出力せずに直接このルーチンを終了する。この場合はスタブの挿入量は変化せず整合状態が維持される。
上記方法によれば確実に整合状態に到達可能であるが、処理容器１０１内にプラズマが形成される前は負荷側のインピーダンスはほぼ一定であるにも係らず、スタブの挿入量が制限されて整合状態に到達するまでに時間を要する。
そこで、プラズマ形成前はｍ＝１．０としてスタブの挿入量を大きくして整合状態に到達するまでの時間を短縮し、プラズマ形成後はｍ＜１．０として確実に整合状態に到達するようにしてもよい。
プラズマが形成されことは、処理容器側壁に石英ガラスをはめ込んだ窓１２０（図１）を介して光電素子１２１によりプラズマ光を検出することにより判定可能である。即ち、光電素子１２１がプラズマ光を検出していないときはｍ＝１．０とし、プラズマ光を検出後はｍ＜１．０とすればよい。
上記制御部は一台のマイクロコンピュータで全ての機能を実行するため、負荷整合器制御ルーチンの実行間隔をある程度短くしなければ、整合状態に到達するまでの時間が一層長くなってしまう。
図７は本発明に係るプラズマ処理装置に適用される第二の負荷整合器制御部の構成図であって、上記課題を解決するために、制御部を階層構成としている。
即ち制御部５１は、演算部５１０と三台の位置制御部５１１、５１２、５１３で構成されている。
さらに、スタブ１１２１、１１２２、１１２３の挿入量を調節する三台のパルスモータ５２１、５２２、５２３にロータリーエンコーダ５４１、５４２、５４３が直結されている。
そして、ロータリーエンコーダ５４１、５４２、５４３で検出されるスタブの挿入量は対応する位置制御部５１１、５１２、５１３にフィードバックされるほか、演算部５１０にも取り込まれる。
本構成においては、負荷整合器制御ルーチンのステップ６０〜６７までが演算部５１０で実行され、３つのスタブ１１２１、１１２２、１１２３に対する操作指令を各位置制御部５１１、５１２、５１３に出力する。
各位置制御部５１１、５１２、５１３は、操作指令及びロータリーエンコーダ５４１、５４２、５４３で検出されるスタブの実際の挿入量に基づいてスタブ挿入量を制御する。
本構成によれば、演算部５１０は各パルスモータの動作が終了を待つことなく、各スタブの目標挿入量の算出及び各位置制御部５１１、５１２、５１３は各スタブの挿入量の制御に専念できるので、整合状態に迅速に到達することが可能となる。
このとき、偏差量が大きい時にモータ速度を大きく、偏差量が小さい時にモータ速度を小さくして、スタブの移動速度を大きく最終的には負荷整合までの時間を短くすることができる。
さらに上記実施形態にあっては、負荷整合器としてスタブ構造を使用しているが、他の形式を適用することも可能である。
図８は円形導波管部の第二の構成図であって、負荷整合器はスタブ構造に代えてショートプランジャ構造を採用している。
即ち、円形導波管１０９には外側半径方向に延びる中空筒８１１、８１２及び８１３が取り付けられている。この中空筒８１１、８１２及び８１３の内部で金属板８２１、８２２及び８２３を移動させることによって、インピーダンスを調整することができる。
金属板はスタブと同じくラック・ピニオンとパルスモータによって駆動されるので、上記第一及び第二の負荷整合器制御部を適用できる。
【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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【国際調査報告】
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2004010746.tif 000018
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