(57)【要約】無線周波数電力供給システムは、ＲＦ電力生成器、アーク検知回路、およびアーク検知回路に応答する制御ロジックを備える。動的境界は、電力生成器から負荷まで伝達された電力を表すパラメータ、または該電力に関連付けられたパラメータの測定された値に関して計算される。パラメータの計算された動的境界を超える、次に計測されたパラメータの値は、アークの検知を示す。アークを検知したとき、アークが消滅するまで、発生器からの電力供給は一時中断されるか調整され、または他の措置がとられる。アーク検知境界の動的計算を採用することによって、本発明は、システムが定常電力供給状態に到達したかどうかに関わらず、ＲＦ電力供給システムにおけるアークの扱いを可能にする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線周波数電力を負荷に供給する方法であって、
ａ）無線周波数電力を負荷に伝達するＲＦ電力生成器を提供することと、
ｂ）該ＲＦ電力生成器から該負荷までの該電力伝達に関連付けられたパラメータの値を測定することと、
ｃ）該パラメータの値に関する動的境界を計算することと、
ｄ）該パラメータの次の値を測定することと、
ｅ）該パラメータの次の値が該動的境界を超える場合、アークの発生を示すことと
を含む方法。
【請求項２】
前記パラメータは、反射電力である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パラメータは、ＤＣバイアスである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記動的境界は、前記パラメータのフィルタがかけられた値に基づいて計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記動的境界は、前記ＲＦ電力生成器から前記負荷までの前記電力伝達に関連付けられた少なくとも２つのパラメータの値に基づいて計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記動的境界は、上限と下限とを備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記動的境界は、前記パラメータからのユーザ定義のオフセットに基づいて計算される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記アークを消滅させるステップをさらに備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記アークを消滅させる前記ステップは、前記負荷への電力伝達を一時中断することを備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記アークを消滅させる前記ステップは、前記負荷への電力伝達を減少させることを備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記アークを消滅させる前記ステップは、前記ＲＦ電力生成器から前記負荷への電力伝達の調節の間に行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記アークを消滅させる前記ステップの間に、前記動的境界定数を保持するステップをさらに備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
ａ）ＲＦ電力生成器であって、該ＲＦ電力生成器は、該ＲＦ電力生成器から負荷までの電力伝達に関連付けられたパラメータの測定された値を提供する、ＲＦ電力生成器と、
ｂ）該パラメータの値に関する動的境界を計算するアーク検知回路と、
ｃ）該アーク検知回路に応答する制御器ロジックであって、該制御器ロジックは、該パラメータの次の値が該動的境界を超える場合、アークの発生を示す、制御器ロジックとを備えた、無線周波数電力供給システム。
【請求項１４】
前記パラメータは、反射電力である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記パラメータは、ＤＣバイアスである、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記アーク検知回路は、前記パラメータのフィルタがかけられた値に基づいて前記動的境界を計算する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記アーク検知回路は、速いフィルタと遅いフィルタとを備え、該アーク検知回路は、該遅いフィルタによってフィルタがかけられた前記パラメータに基づいて、前記動的境界を計算し、前記制御器ロジックは、該速いフィルタによってフィルタがかけられた該パラメータの次の値が該動的境界を超える場合、アークの発生を示す、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記アーク検知回路は、前記ＲＦ電力生成器から前記負荷までの前記電力伝達に関連付けられた少なくとも２つのパラメータの値に基づいて前記動的境界を計算する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１９】
前記動的境界は、上限と下限とを備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
前記アーク検知回路は、前記パラメータからのユーザ定義のオフセットに基づいて前記動的境界を計算する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２１】
前記制御器ロジックに応答するスイッチであって、該スイッチは、該アークを消滅させるように作用する、スイッチをさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２２】
前記スイッチは、前記負荷への電力伝達を一時中断して、前記アークを消滅させる、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
ａ）プラズマ処理チャンバと、
ｂ）該プラズマ処理チャンバ内でＲＦ電力をプラズマに供給するＲＦ電力生成器と、
ｃ）該パラメータの該値に関する動的境界を計算するアーク検知回路と、
ｄ）該アーク検知回路に応答する制御器ロジックであって、該制御器ロジックは、該パラメータの次の値が該動的境界を超える場合、アークの発生を示す、制御器ロジックと
を備えた、プラズマ処理システム。
【請求項２４】
前記パラメータは、反射電力である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記パラメータは、ＤＣバイアスである、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記アーク検知回路は、前記パラメータのフィルタがかけられた値に基づいて前記動的境界を計算する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記アーク検知回路は、速いフィルタと遅いフィルタとを備え、該アーク検知回路は、該遅いフィルタによってフィルタがかけられた前記パラメータに基づいて前記動的境界を計算し、前記制御器ロジックは、該速いフィルタによってフィルタがかけられた該パラメータの次の値が該動的境界を超えた場合、アークの発生を示す、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記アーク検知回路は、前記ＲＦ電力生成器から前記負荷までの前記電力伝達に関連付けられた少なくとも２つのパラメータの値に基づいて前記動的境界を計算する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
前記動的境界は、上限と下限とを備える、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３０】
前記アーク検知回路は、前記パラメータからのユーザ定義のオフセットに基づいて前記動的境界を計算する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
前記制御器ロジックに応答するスイッチであって、該スイッチは、前記アークを消滅させるように作用する、スイッチをさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３２】
前記スイッチは、前記負荷への電力伝達を一時中断して、前記アークを消滅させる、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記ＲＦ電力生成器と前記プラズマ処理チャンバとの間に配置されたインピーダンス整合ネットワークをさらに備える、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３４】
前記ＲＦ電力生成器と前記プラズマ処理チャンバとの間に配置されたインピーダンス整合ネットワークをさらに備え、前記スイッチは、該インピーダンス整合ネットワークの調節の間に前記アークを消滅させるように作用する、請求項３１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には無線周波数電力供給に関し、特に無線周波数電力プラズマプロセスにおけるアーク放電の検知および回避に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線周波数（ＲＦ）電力プラズマプロセスは、半導体、フラットパネルディスプレイ、データ記憶デバイス、および他の工業アプリケーションの製造において一般に使用される。ＲＦ電力供給は、典型的には負荷インピーダンスの突然の変化に対してはよく保護されるが、ＲＦ電力供給は、プロセスチャンバ内のアーク放電によって引き起こされるプラズマインピーダンスの変化に対しては検知し応答するように一般的に設計されていない。結果として、ＲＦ電力供給は、プラズマプロセス内で発達する初期のアークの中にエネルギを供給し続け、それは、次にワークピースの表面にまたは処理装置自体さえに重大な損害を生じさせる恐れがある。
【０００３】
ＤＣ電力プラズマプロセスにおいて、特に反応性スパッタリングアプリケーションにおいて、アーク放電の問題は、長く研究されてきた。反応性スパッタリングプロセスにおいて、アーク放電は、スパッタリングターゲットまたはチャンバ壁に堆積した誘電体薄膜の表面上での電荷蓄積および結果として起こる電気的な絶縁破壊からしばしば結果として生じる。ＤＣプラズマプロセスにおけるアーク放電の問題は、洗練されたアーク取り扱いシステムの使用を通じて対処されてきており、該システムは、アークを検知することができ、問題の厳しさを和らげるさまざまな技術を、例えば、一時的に電力を中断すること、または出力電圧の極性を反転することなどを採用することができる。重要なアプリケーションにおいて、出力電圧が取り除かれる間の時間は、処理時間を調整し、その結果プラズマに供給される全エネルギが制御され限定されるように考慮される。ＤＣシステムにおいて、ある繰り返し率およびデューティーサイクルで、ＤＣ出力をパルス駆動にすることまたは出力極性を反転することが、アークが発達する傾向を減少し得ることは、長い間認めれてきた。
【０００４】
ＲＦ電力は、絶縁体を直接スパッタリングするために用いられる一方、ＤＣスパッタリングプロセスにおけるアーク放電の問題を完全に避け得る代わりの技術として見られてきた。しかしながら、ＲＦプロセスにおいても時折のアーク放電が発生し、傷つきやすい薄膜の特性または形状に対して、このＲＦアーク放電が同様に損害を与え得ることは、最近になって認められた。ＲＦ電力システムにおけるアーク放電は、半導体ウェハー上のゲート電極パターンを横切る電荷蓄積またはチャンバー表面上のポリマーのコート上の電荷蓄積から結果として生じ得る。他の要因は、反応器またはチャンバハードウェアにおける欠陥、保護チャンバの陽極酸化層の劣化、ツール部分を横切る電位の差、または単純に加えられるＲＦ電力の振幅までも含む。いずれにしても、アーク放電の扱いおよび回避は、アークの始まりをすばやく検知できることと、アークの中に供給されるエネルギを減少するために、出力電力をすばやく一時中断するか取り除くこととができることとの両方を必要とする。
【０００５】
一つの取り組みにおいて、ＲＦシステムにおけるアークの検知および回避は、電力供給パラメータの、例えば、反射電力などの所定の閾値を確立することに基づいて試みられてきた。アークの発生は、所定の閾値を超える、反射電力における突然の上昇すなわちスパイクから推定される。しかしながら、システムの電力伝達が調節される間は、すなわち、システムの反射電力が、所定の閾値より下である定常値になる前は、この取り組みは効果的ではない。閾値の取り組みは、ＲＦ処理アプリケーションにおけるアーク放電が、必ずしも反射電力の増加を引き起こさない点でも制限される。整合ネットワークの状態に依存して、アークは、実際、反射電力を減少し得、それゆえ、簡単な閾値回路ではアーク検知のきっかけにはならない。
【０００６】
ＲＦアーク検知の別の取り組みは、電力供給パラメータの微分、すなわち時間変化率をアーク放電の状態に関連付ける。しかしながら、一部のアークは、１マイクロ秒以上の期間に渡ってゆっくり発達し、それゆえ、微分検知器によって検知されなくなる。さらに、微分検知器は、実用的限界がバンド幅を制限する点まで周波数とともに増加する利得を有する。結果として、微分検知器は、より高い周波数の動作でノイズにより敏感になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ＲＦ電力供給アプリケーションにおいてアーク放電の検知および減少のための方法およびシステムを提供する。本発明の一側面において、ＲＦ電力生成器は、プラズマ処理システムにおけるプラズマのような負荷に電力を加える。動的境界は、電力生成器から負荷まで伝達された電力を表すパラメータまたは該電力に関連付けられたパラメータの測定された値に関して計算される。パラメータの計算された動的境界を超える、パラメータの次に測定された値は、アークの検知を示す。アークの検知時に、生成器からの電力供給は、アークが消滅するまで、一時中断されるか調整され、もしくは他の措置がとられる。
【０００８】
本発明の一実施の形態において、プラズマ処理システムは、インピーダンス整合ネットワークを介してプラズマ負荷に電力を供給するＲＦ電力生成器を備えている。完全に調節された、定常状態の電力供給の間のみならず、整合ネットワークが調節している間にも、生成器と負荷との間の反射電力の瞬時値が測定される。測定値に関する反射電力の上側および下側の値を備える境界が、制御器回路によって動的に計算され見積もられる。反射電力の次の測定値が、上境界限界または下境界限界のいずれかを超える場合、アークの発生が示される。制御器回路は、アークを止めるために、短い期間生成器から負荷への電力を一時中断する。反射電力が境界限界内に戻ったとき、通常の電力供給が再び始められる。
【０００９】
本発明の他の実施の形態において、多くの利用できる電力供給パラメータまたは信号のうちのいずれか１つは、ＲＦ電力プラズマシステムにおけるアークの検知のために単独または組み合わせて使用される。反射電力に加えて、本発明の動的境界は、パラメータの測定に基づいて計算され、該パラメータは、負荷インピーダンス；電圧、電流、位相；前進電力、供給電力、ＶＳＷＲすなわち反射係数；高調波出力における振幅レベル変化；プロセスワークピースまたはターゲット上に発達するＤＣバイアス；ＲＦスペクトルの高調波または音響干渉；またはイオン飽和電流における変化、電子衝突率、またはプラズマ内の電子密度を含むが、これに限定されない。
【００１０】
本発明の別の実施の形態において、ＲＦ電力供給システムは、並列アーク検知回路を採用する。電力供給パラメータの遅いフィルタがかけられた測定値は、１つ以上のユーザ定義定数と結合して、動的検知境界を計算するために使用され、ユーザ定義の定数は、検知回路の感度を決定する。電力供給パラメータの速いフィルタががかけらた値は、アーク状態の発生を検知するために、計算された検知境界と比較される。このようにして、遅いフィルタのカットオフと速いフィルタのカットオフとの間で平坦な通過帯域が作られる。結果として、最適な感度が、例えば、微分技術に基づくアーク検知と比較して、入力周波数の範囲に渡って維持され得る。
【００１１】
アーク検知境界の動的な計算を採用することによって、本発明は、システムが定常電力供給状態に到達したかどうかに関わらず、ＲＦ電力供給システムにおけるアークの扱いを可能にする。ＲＦアプリケーションにおけるアークイベントのモニタおよび扱いは、改善されたプロセス品質および処理量をよりよい歩留まりとともに可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態に従うプラズマ処理システムを図示する。処理システム１０は、ＲＦ電力発生器１２を備え、該ＲＦ電力発生器１２は、インピーダンス整合ネットワーク１４を介してプラズマチャンバ１８内のプラズマ１６にＲＦ電力を供給する。前進電力ＰＦの瞬時値と反射電力ＰＲの瞬時値とは、生成器１２の出力において測定され、制御ロジック２０に通信され、該制御ロジック２０は、電力生成器１２の出力において切断回路を制御する。
【００１３】
図２は、本発明の一実施の形態に従うＲＦ電力供給アプリケーションにおけるアークの検知および扱いのための処理および回路を図示する。前進電力ＰＦと反射電力ＰＲとの測定値は、フィルタ１０２、１０４、１０６によってフィルタをかけられる。絶対値のオフセット値Ｏ１およびＯ２、ならびに乗数ｋ１およびｋ２は、ユーザ選択入力であり、アーク検知回路の感度を決定する。遅いフィルタがかけられた反射電力からのオフセットＯ１とフィルタがかけられた前進電力に適用された乗数ｋ１との和は、動的境界１２０の上側の反射電力限界を設定する一方、オフセットＯ２とフィルタがかけられた前進電力の乗数ｋ２倍との和は、インバータ１０８によって反転され、動的境界の下側の反射電力限界を設定する。動的境界１２０の上限および下限は、ＰＦおよびＰＲにおける変化に応答して、継続して再計算され動的に更新される。比較器１１０および１１２は、反射電力ＰＲの速いフィルタがかけられた値の、動的境界の上限および下限それぞれに対する差を比較する。制御ロジック１１４は、比較器１１０および１１２によって生成された比較に応答して、ＲＦ電力生成器の切断スイッチ１１６を制御する。
【００１４】
図２の実施の形態において、動的境界１２０の上限および下限から外れる、反射電力ＰＲの速いフィルタがかけられた値は、プロセスまたはアプリケーションにおけるアーク放電状態の検知を示す。図３ａは、アーク放電状態２０６および２０８の例を図示し、アーク放電の状態２０６ａおよび２０８は、反射電力ＰＲに動的境界２０２、２０４を超えさせる。図２を再び参照すると、比較器１１０または１１２のいずれかから報告されるアーク検知信号に応答して、制御ロジック１１４は、切断スイッチ１１６を開くことによってＲＦ電力生成器からの電力供給を一時中断する。電力供給は、アークを止めるのに十分な時間の間一時中断され、その時点において、制御ロジック１１４は、切断スイッチ１１６に閉じるよう命令し、通常の電力供給が再開する。
【００１５】
動的境界限界は、アーク検知感度を最大にする一方、誤った明確な検知の発生を最小にするように設定される。代表的なＲＦプラズマ処理アプリケーションにおいて、例えば、キロワット範囲のＲＦ電力供給、５０〜１００ワットの反射電力オフセット、および４パーセントの前進電力乗数を要求することは、受け入れられるアーク検知性能を提供した。例えば前進電力および反射電力などの電力供給パラメータの測定に適用されるフィルタ時定数は、性能との折り合いに基づいて同様に選ばれる。従って、例えば、たとえ一部のアークが発達するのにミリ秒かかり得るとしても、それらはなお、インピーダンス整合ネットワークの調節作用の原因で生成器に存在する期待される自然なインピーダンスの変化よりずっと速い。遅いフィルタは、それゆえ、１ｍｓまたは２ｍｓの時定数を有するように準備され得、プラズマ特徴における通常の変化になおついて行く。速いフィルタの時定数は、雑音の検討に基づいて典型的に選ばれるが、遅いフィルタの時定数より概ね少なくとも１０倍以上長い。従って、たとえ遅いフィルタの時定数が１ｍｓのオーダーであるとしても、アークは、速いフィルタの時定数の一部で概ね検知される。
【００１６】
図３ａは、調節の間のアーク放電の状態または他の非定常状態の電力供給状態を検知し応答する本発明のさらなる能力を図示する。整合ネットワークがまた調節している間、または、決して完全な調節を達成しないシステム、例えば、可変周波数ＲＦ発生器を有する固定整合システムなどにおいて、アーク検出を有するために、本発明の実施の形態は、モニターされる信号の公称値に関する動的限界セットを使用する。電源が最初にＲＦ発生器からプラズマ負荷に印加されるとき、例えば、インピーダンス不整合が、負荷インピーダンスと発生器の出力インピーダンスとの間に典型的に存在する。結果として、反射電力は最初は高い。インピーダンス整合ネットワークは、反射電力を減少することによって、例えば、図示されるように図３の反射電力曲線２００を減少させることによって、システムを調節して電力伝達を改善するよう動作する。動的アーク検知境界の上限２０２および下限２０４は、継続して計算され反射電力の瞬時レベルを追跡する。結果として、電力供給が定常状態に到達することを待たずに電力調節の間にアーク状態２０６および２０８は検知され扱われ得る。さらに、アークの検知および扱いは、負荷状態が変化し、システムの再調節が生じるイベントにおいて動作し続ける。
【００１７】
一旦アークが検知されると、多くのオプションがアークを扱い消滅させるために利用できる。電力供給は、例えば、一時中断され得または単に減少され得る。本発明の一実施の形態において、電力供給は、アークの最初の検出時に５０から１００μｓの期間の間一時中断され、５０から１００μｓは、典型的な処理プラズマがその正常（すなわち、アーク放電がない）状態に戻ることを可能にする値である。アークが止められないイベントにおいて、さらなる一時中断がより長い時間の間、例えば、最初の一時中断期間の倍の長さの間引き起こされる。この時間の増加は、アークが止められるかまたはアークを止める所定回数数の試みが失敗するまで続けられ、所定回数の試みが失敗した場合、システムを保護するために発生器が止まる。ＲＦ電力供給は、そのような典型的なアプリケーションにおいて１０ミリ秒の間一時中断され得、プラズマのインピーダンスはすばやく（約２０μｓ以内に）一時中断前に存在した値にまで戻る。
【００１８】
本発明のさらなる側面において、しつこいまたは「強力な（ｈａｒｄ）」アークの発生に対処するために、サンプル−ホールド特徴はアーク検知回路の中に提供される。図２を参照して、本発明の一実施の形態において、制御ロジック１１４は、アーク放電のイベントの検知時にホールド信号を遅いフィルタ１０４に供給するように装備される。ホールド信号は、遅いフィルタ１０４の出力をアークの発生よりすぐ前に存在する値に維持させる。図３ｂで図示されるように、システムの状態がアークの発生より前の状態に戻ったかどうかを決定するために、反射電力の速いフィルタがかけられた値は、遅いフィルタによって維持される公称値に基づく、定数の上側および下側の検知境界と比較される。
【００１９】
本発明は、プラズマ処理アプリケーションのための電力供給システムを参照して記述され、そのプラズマ処理アプリケーションは、キロワットの範囲内で無線周波数、例えば、１３．５６ＭＨｚの電力を供給する。しかしながら、本発明のアークの検知および扱いの技術は、任意の交流周波数で電力を供給する任意の装置、アプリケーション、またはプロセスで使用され得る。本発明のアークの検知および扱いの回路は、電力生成器または整合ネットワーク内に全部または一部が実装され得、または、その代わりに、他のシステム構成要素とは別々に提供および／または動作され得る。本発明は、電力供給システムの調節の間、または、完全な調節が決して達成されない別の状態において、アークの検知および扱いを提供するけれども、本発明は、インピーダンス整合ネットワークの存在または使用を必要としない。
【００２０】
動的アーク検知境界が計算される電力供給パラメータは、受け入れられる誤り検知率でアークが確実に検知されることを保障するように計算され選択される。２次的な検討は、コストと、使用の容易さと、アークイベントを分類し、数え、報告する能力とを含む。動的アーク検知境界が前進電力および反射電力の測定に基づいて計算された本発明の実施の形態が記述される一方、本発明の他の実施の形態は、他の電力供給パラメータに基づいて動的境界を計算し、他の電力供給パラメータは、例えば、負荷インピーダンス；電圧、電流、および位相；ＶＳＷＲすなわち反射係数；高調波出力における振幅レベル変化；ＲＦスペクトルの高調波または音響干渉；それても電子衝突率または電子密度における変化などである。
【００２１】
本発明の一実施の形態において、動的アーク検知境界は、プロセスワークピースまたはターゲット上で発達するＤＣバイアスに基づいて計算される。速くて信頼できるのに加えて、電力供給が一時中断された後にＤＣバイアスが継続して存在することが、アークがまだ消滅していないことを直接示す点でこの取り組みは有利である。自然なＤＣバイアスが発達しない場合、ＤＣ電力供給は、アークを検知するためにＤＣバイアスを注入するように使用される。一つの潜在する複雑さは、バイアスの検知は、整合のチャンバ側でなされなければならならない（すなわち、検知は、整合に組み込まれる）一方、アーク検知信号は、ＲＦ生成器に提供されなければならないことである。
【００２２】
特定の構造および動作の詳細が図示され本明細書に記述されるけれども、これらの記述は、典型例であり、代わりの実施の形態および均等物はこの発明の精神および範囲を離れることなく当業者によって容易に作成され得ることは理解される。従って、本発明は、添付の請求項の精神および範囲に入る全ての代替物および均等物を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に従うプラズマ処理システムを図示する。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態に従うＲＦ電力供給アプリケーションにおけるアークの検知および扱いのためのプロセスおよび回路を図示する。
【図３】図３ａおよび図３ｂは、本発明の一実施の形態に従うＲＦ電力供給アプリケーションにおけるアークの検知および扱いを図示する。
【図１】
2008538852.tif 000002
【図２】
2008538852.tif 000003
【図３】
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【国際調査報告】
2008538852.tif 000005
2008538852.tif 000006