(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合波形周波数マッチング装置であって、
互いに並列に接続される複数の無線周波数発生器であって、各無線周波数発生器が、任意の１つの低周波数生成無線周波数発生器により発生された周波数の整数倍となる高調波周波数を発生し、その結果、複合波形を生成するように構成される複数の無線周波数発生器と、
前記複数の無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、各マッチングネットワークは、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
前記複数の無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される周波数分析器を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項２】
複合波形周波数マッチング装置であって、
互いに並列に接続される複数の無線周波数発生器であって、各無線周波数発生器が、任意の１つの低周波数生成無線周波数発生器により発生された周波数の整数倍となる高調波周波数を発生し、その結果、複合波形を生成するように構成される複数の無線周波数発生器と、
前記複数の無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、各マッチングネットワークは、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
前記複数の無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される抵抗素子であって、前記複数の周波数スプリッタ回路が、各々、高品質の値を出力可能なように選択される抵抗素子を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項３】
複合波形周波数マッチング装置であって、
互いに並列に接続される複数の無線周波数発生器であって、各無線周波数発生器が、任意の１つの低周波数生成無線周波数発生器により発生された周波数の整数倍となる高調波周波数を発生し、その結果、複合波形を生成するように構成される複数の無線周波数発生器と、
前記複数の無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、各マッチングネットワークは、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
を備え、
前記複数のマッチングネットワークが、複数の狭帯域増幅器から成る、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の周波数スプリッタ回路に接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数のマッチングネットワークに接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数のマッチングネットワークの各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項６】
請求項１に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記周波数分析器が、高速フーリエ変換を行なって、前記複合波形の構成周波数を求めるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークが、各々、前記複数の周波数スプリッタ回路の一つから入力される中心周波数のインピーダンスを前記プラズマチャンバの入力インピーダンスにマッチングさせるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項８】
複合波形周波数マッチング装置であって、
互いに並列に接続される複数の無線周波数発生器であって、各無線周波数発生器が、任意の１つの低周波数生成無線周波数発生器により発生された周波数の整数倍となる高調波周波数を発生し、その結果、複合波形を生成するように構成される複数の無線周波数発生器と、
前記複数の無線周波数発生器の出力側に接続される周波数分析器と、
前記周波数分析器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、各マッチングネットワークは、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
を備える複合波形周波数マッチング装置。
【請求項９】
請求項８に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の周波数スプリッタ回路に接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数のマッチングネットワークに接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数のマッチングネットワークの各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークが、各々、前記複数の周波数スプリッタ回路の一つから入力される中心周波数のインピーダンスを前記プラズマチャンバの入力インピーダンスにマッチングさせるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される抵抗素子であって、前記複数の周波数スプリッタ回路が、各々、高品質の値を出力可能なように選択される抵抗素子を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークが、複数の狭帯域増幅器から成る、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記周波数分析器が、高速フーリエ変換を行なって、前記複合波形の構成周波数を求めるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１５】
複合波形周波数マッチング装置であって、
複合波形を生成するように構成される無線周波数発生器と、
前記無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、前記複数のマッチングネットワークは、各々、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
前記無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される周波数分析器を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１６】
複合波形周波数マッチング装置であって、
複合波形を生成するように構成される無線周波数発生器と、
前記無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、前記複数のマッチングネットワークは、各々、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
前記無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される抵抗素子であって、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々が高品質の値を出力可能なように選択される抵抗素子を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１７】
複合波形周波数マッチング装置であって、
複合波形を生成するように構成される無線周波数発生器と、
前記無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、前記複数のマッチングネットワークは、各々、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
を備え、
前記複数のマッチングネットワークが、複数の狭帯域増幅器から成る、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１８】
請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の周波数スプリッタ回路に接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項１９】
請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数のマッチングネットワークに接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数のマッチングネットワークの各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項２０】
請求項１５に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記周波数分析器が、高速フーリエ変換を行なって、前記複合波形の構成周波数を求めるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項２１】
請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークの各々が、前記複数の周波数スプリッタ回路の一つから入力される中心周波数のインピーダンスを前記プラズマチャンバの入力インピーダンスにマッチングさせるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
【請求項２２】
請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記無線周波数発生器が、デジタル信号発生器である、
複合波形周波数マッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００８年６月１９日に出願された米国特許出願番号１２／１４２，０６２号に基づく優先権を主張するものである。前記出願の内容は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、半導体、データ・ストレージ、フラットパネル・ディスプレイやこれらに類似又はその他の産業で用いられる処理装置の分野に関する。より詳しくは、本発明は、プラズマ処理装置において、プラズマ負荷にＲＦ（無線周波数）複合波形を効率的に結合させるシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
数１０年前に集積回路（ＩＣ）デバイスが最初に導入されて以来、半導体デバイス形状（すなわち、集積回路設計）は飛躍的に小型化されている。ＩＣは、２年ごとに一つの集積回路チップ上に搭載可能なデバイスの数が倍になるという「ムーアの法則」に概ね従っている。今日のＩＣ製造設備では、６５ｎｍ（０．０６５μｍ）というごく微細な寸法のフィーチャー（特徴的構造）を備えるデバイスが日常的に製造されている。さらに小型化したフィーチャーを有するデバイスもいずれ製造されるようになるであろう。
【０００４】
大部分のＩＣ製造設備では、製造工程の一部において、処理装置内でプラズマを用いて、半導体ウエハ等の基板と反応させている、又は、基板との反応を促進させている。無線周波数（ＲＦ）又はマイクロ波出力発生器は、半導体及び産業用プラズマ処理装置で広く用いられており、処理チャンバ内でプラズマを発生させる。プラズマ処理は、基板からの材料エッチング、基板への材料蒸着、基板表面の洗浄及び基板表面の改質等、広範囲で利用されている。
【０００５】
図１に従来のプラズマ処理システム１００の一部の断面図を示す。プラズマ処理システム１００は、チャンバ壁１０１を有する真空チャンバ１０９を備える。チャンバ壁１０１の少なくとも一部がウィンドウ１０３になっており、ウィンドウ１０３は、通常、プラズマ処理システム１００の動作周波数で高周波（ＲＦ）を透過させる石英やその他類似の物質から形成される。コイル１１５は、真空チャンバ１０９の外側に、ウィンドウ１０３を囲むように配置される。ＲＦ発生器１１９は、マッチングネットワーク１１７を介して、コイル１１５に接続されている。マッチングネットワーク１１７は、ＲＦ発生器１１９の出力インピーダンスを真空チャンバ１０９の入力インピーダンスとマッチングさせる手段として機能する。マッチングネットワーク１１７は、固定要素のみを含む構成でも、あるいは、様々な負荷条件に対してＲＦ発生器１１９の動的インピーダンスマッチングを可能にする可変コンデンサ及び可変インダクタ等の要素を含む構成でもよい。
【０００６】
プラズマ処理システム１００におけるＲＦ発生器１１９は、主要プラズマ発生部であり、真空チャンバ１０９内のプラズマに電圧を印加する。また、プラズマ内に存在する（図示しない）容量電極や（図示しない）誘導コイルによってもプラズマが発生する。
【０００７】
複数の供給ガス貯蔵源１０５（１つしか図示されていない）から、処理ガスが真空チャンバ１０９に導入される。真空ポンプ１０７を用いて、真空チャンバ１０９内を、プラズマ処理システム１００において実行される所定の処理（たとえば、プラズマエッチングやプラズマ蒸着）に適した真空レベルにする。さらに、真空ポンプ１０７を用いて、真空チャンバ１０９から処理ガスを排気させる。
【０００８】
基板１１３（たとえば、半導体ウエハ）は、静電チャック（ＥＳＣ）１１１等の基板支持部により、真空チャンバ１０９内に保持される。ＥＳＣ１１１は、プラズマ処理システム１００内でカソードとして作用して、静電ポテンシャル（電位）を発生させ、処理の間、基板１１３をその位置で保持することにより、基板１１３の裏面とだけ接触する機械的クランプに起因する問題を生じることがない。ＥＳＣ１１１は、基板１１３とＥＳＣ１１１に逆の電荷を誘導することにより、両者の間に静電気引力を発生させる。したがって、ＥＳＣ１１１と基板１１３の間にキャパシタンス（静電容量）が生じる。キャパシタンスが十分に大きければ、高周波数で処理が実行される際に、ＥＳＣ１１１と基板１１３との間のＲＦ電圧降下が小さくなる。
【０００９】
プラズマ処理システム１００は、さらに、真空チャンバ１０９内にアノード（直接図示はしていないが、アノードは、通常、チャンバ壁１０１及び／又はチャンバ上面により形成される）を備える。基板１１３を処理するために、複数の供給ガス貯蔵源１０５の一つ又は複数から真空チャンバ内に反応ガスを供給する。ＲＦ発生器１１９により発生させた単一の正弦波周波数を用いてアノード及び（カソードとして作用する）ＥＳＣ１１１を駆動させて、反応ガスをプラズマに励起させる。単一周波数は通常１３．５６ＭＨｚであるが、１００ｋＨｚから２．４５ＧＨｚの範囲の単一周波数もよく用いられ、さらに、他の単一周波数を用いることもできる。もっと具体的に説明すると、単一周波数の正弦波ＲＦ信号を、比較的高い出力レベルで、たとえば、３キロワットで、チャンバ内の反応ガスに印加する。ＲＦ出力によって反応ガスを励起させて、真空チャンバ１０９内で、処理対象の基板１１３に周囲にプラズマを発生させる。プラズマ反応ガス処理は、エッチングや化学蒸着に通常用いられる。
【００１０】
最近では、真空チャンバ内におけるプラズマ励起に、複数の正弦波周波数が用いられている。このようなシステムでは、カソード／アノード・バイアス回路を第１のＲＦ周波数で駆動し、真空チャンバに近接するアンテナ又はコイルを第２のＲＦ周波数で駆動する。ＲＦ発振器、プリアンプ（前置増幅器）、パワーアンプ（出力増幅器）、伝送線及びマッチングネットワークから構成され、各プラズマ励起回路に高出力レベルで異なる正弦波ＲＦ周波数を供給する個別のＲＦ出力供給システムに各回路が接続される。重複する発振器やその他関連回路構造は高価で複雑である。他のシステムで、第１の周波数と第２の周波数の両方を一つの電極に供給すると、両方の周波数を同時にはマッチングできないため、出力伝達が減少してしまう場合がある。
【００１１】
出力源と負荷（すなわち、プラズマに結合する要素）のインピーダンスがマッチングしていない場合には、負荷に供給される（又は負荷に吸収される）出力の反射が生じ、出力伝達を最大化することができない。したがって、負荷で吸収又は反射される出力量を制御することが重要となる。さらに、インピーダンスの不一致は、出力源や出力源に接続される他の構成要素に悪影響を及ぼす。多くの場合、負荷インピーダンス（すなわち、プラズマ結合要素の入力インピーダンス）は、結合するプラズマ状態又は条件に依存し、かつ、プラズマ状態は処理の間に変動するため、負荷インピーダンスを予め求めることができない。したがって、多くのプラズマ処理システムは、ＲＦ出力源とプラズマ結合要素との間に備えられるマッチングネットワークを用いて、入力インピーダンスと出力インピーダンスのマッチングを行なう。マッチングネットワークを用いて、プラズマに供給されるＲＦ出力量を最大化し、バイアス出力の振幅と相を制御する。
【００１２】
最近の研究により、プラズマ反応器のイオンエネルギーの調整が半導体ウエハ処理に有利に働くことがわかってきた。無線周波数（ＲＦ）複合波形を発生させて、プラズマ反応器のバイアス電極に供給することにより、発生させるプラズマに所望の効果を与えることができる。ＲＦ複合波形は、１０以上の高調波周波数が含まれるものでも、（基本周波数と位相シフトした第２高調波周波数の）２つだけという少ない数の周波数を含むものでもよい。
【００１３】
ただし、複合波形には、高調波周波数が存在するため、プラズマ負荷とマッチングさせるのが難しい。上述した従来のマッチングシステムでは、単一周波数のＲＦ波形をプラズマチャンバとマッチングさせることしかできず、異なる周波数から成る複合波形に適した帯域幅を与えることはできなかった。さらに、見かけのプラズマ負荷のインピーダンスは、入力波形の周波数に依存する。そのため、各高調波周波数のインピーダンスをプラズマ発生器に効率的にマッチングさせるためには、複合波形をプラズマ反応器にマッチングさせるシステムが必要となる。
【発明の概要】
【００１４】
一つの態様において、開示される複合波形周波数マッチング装置は、互いに並列に接続される複数の無線周波数発生器を備える。複数の無線周波数発生器の各々は、任意の１つの低周波数生成無線周波数発生器により発生された周波数の整数倍となる高調波周波数を発生し、その結果、複合波形を生成するように構成される。複数の周波数スプリッタ回路は、複数の無線周波数発生器の出力側に接続される。複数のマッチングネットワークの各々は、入力側が複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される。
本発明の一形態では、上記複合波形周波数マッチング装置は、更に、前記複数の無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される周波数分析器を備える。
他の形態では、上記複合波形周波数マッチング装置は、更に、前記複数の無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される抵抗素子であって、前記複数の周波数スプリッタ回路が、各々、高品質の値を出力可能なように選択される抵抗素子を備える、
更に他の形態では、上記複合波形周波数マッチング装置において、前記複数のマッチングネットワークが、複数の狭帯域増幅器から成る。
【００１５】
別の態様において、開示される複合波形周波数マッチング装置は、互いに並列に接続される複数の無線周波数発生器を備える。複数の無線周波数発生器の各々は、その前段のより低周波数を生成する無線周波数発生器により発生された周波数の整数倍となる高調波周波数を発生し、その結果、複合波形を生成するように構成される。複数の無線周波数発生器の出力側には周波数分析器が接続され、周波数分析器の出力側には、複数の周波数スプリッタ回路が接続される。複数のマッチングネットワークの各々は、入力側が複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される。
【００１６】
さらに別の態様において、開示される複合波形周波数マッチング装置は、複合波形を生成するように構成される無線周波数発生器と、無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、複数のマッチングネットワークと、を備える。複数のマッチングネットワークの各々は、入力側が複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される。
本発明の一形態では、上記複合波形周波数マッチング装置は、更に、前記無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される周波数分析器を備える。
他の一形態では、上記複合波形周波数マッチング装置は、更に、前記無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される抵抗素子であって、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々が高品質の値を出力可能なように選択される抵抗素子を備える。
更に他の形態では、上記複合波形周波数マッチング装置において、前記複数のマッチングネットワークが、複数の狭帯域増幅器から成る。
なお、本発明は、以下の適用例としても実現可能である。
［適用例１］
複合波形周波数マッチング装置であって、
互いに並列に接続される複数の無線周波数発生器であって、各無線周波数発生器が、任意の１つの低周波数生成無線周波数発生器により発生された周波数の整数倍となる高調波周波数を発生し、その結果、複合波形を生成するように構成される複数の無線周波数発生器と、
前記複数の無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、各マッチングネットワークは、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
を備える複合波形周波数マッチング装置。
［適用例２］
適用例１に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される周波数分析器を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例３］
適用例２に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の周波数スプリッタ回路に接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例４］
適用例２に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数のマッチングネットワークに接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数のマッチングネットワークの各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例５］
適用例２に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記周波数分析器が、高速フーリエ変換を行なって、前記複合波形の構成周波数を求めるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例６］
適用例１に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークが、各々、前記複数の周波数スプリッタ回路の一つから入力される中心周波数のインピーダンスを前記プラズマチャンバの入力インピーダンスにマッチングさせるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例７］
適用例１に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される抵抗素子であって、前記複数の周波数スプリッタ回路が、各々、高品質の値を出力可能なように選択される抵抗素子を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例８］
適用例１に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークが、複数の狭帯域増幅器から成る、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例９］
複合波形周波数マッチング装置であって、
互いに並列に接続される複数の無線周波数発生器であって、各無線周波数発生器が、任意の１つの低周波数生成無線周波数発生器により発生された周波数の整数倍となる高調波周波数を発生し、その結果、複合波形を生成するように構成される複数の無線周波数発生器と、
前記複数の無線周波数発生器の出力側に接続される周波数分析器と、
前記周波数分析器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、各マッチングネットワークは、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
を備える複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１０］
適用例９に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の周波数スプリッタ回路に接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１１］
適用例９に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数のマッチングネットワークに接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数のマッチングネットワークの各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１２］
適用例９に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークが、各々、前記複数の周波数スプリッタ回路の一つから入力される中心周波数のインピーダンスを前記プラズマチャンバの入力インピーダンスにマッチングさせるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１３］
適用例９に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される抵抗素子であって、前記複数の周波数スプリッタ回路が、各々、高品質の値を出力可能なように選択される抵抗素子を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１４］
適用例９に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークが、複数の狭帯域増幅器から成る、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１５］
適用例９に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記周波数分析器が、高速フーリエ変換を行なって、前記複合波形の構成周波数を求めるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１６］
複合波形周波数マッチング装置であって、
複合波形を生成するように構成される無線周波数発生器と、
前記無線周波数発生器の出力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路と、
複数のマッチングネットワークであって、前記複数のマッチングネットワークは、各々、入力側が前記複数の周波数スプリッタ回路の一つの出力側に接続され、出力側がプラズマチャンバに接続されるように構成される複数のマッチングネットワークと、
を備える複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１７］
適用例１６に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される周波数分析器を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１８］
適用例１７に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数の周波数スプリッタ回路に接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例１９］
適用例１７に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記複数のマッチングネットワークに接続されるフィードフォワード・ループであって、求められた前記複合波形の構成周波数に基づいて、前記複数のマッチングネットワークの各々の共振周波数を調整するように構成されるフィードフォワード・ループを備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例２０］
適用例１７に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記周波数分析器が、高速フーリエ変換を行なって、前記複合波形の構成周波数を求めるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例２１］
適用例１６に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークの各々が、前記複数の周波数スプリッタ回路の一つから入力される中心周波数のインピーダンスを前記プラズマチャンバの入力インピーダンスにマッチングさせるように構成される、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例２２］
適用例１６に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、さらに、
前記無線周波数発生器の前記出力側と前記複数の周波数スプリッタ回路の入力側との間に接続される抵抗素子であって、前記複数の周波数スプリッタ回路の各々が高品質の値を出力可能なように選択される抵抗素子を備える、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例２３］
適用例１６に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記無線周波数発生器が、デジタル信号発生器である、
複合波形周波数マッチング装置。
［適用例２４］
適用例１６に記載の複合波形周波数マッチング装置であって、
前記複数のマッチングネットワークが、複数の狭帯域増幅器から成る、
複合波形周波数マッチング装置。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
添付の図面は、以下の説明する本発明の実施例を例示するものに過ぎず、本発明の範囲を限定すると見なされるものではない。
【図１】保持装置を備える従来のプラズマ処理チャンバの一部の概略を示す断面図。
【図２】基本周波数と４つの高調波周波数の相対的な振幅を表わすスペクトル周波数領域グラフ。
【図３】バンドパスフィルタと、対応する複合波形バイアス電圧用のマッチングネットワークと、を備える回路の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の様々な実施例は、複数の周波数（すなわち、複合波形）から成るＲＦ（無線周波数）信号をプラズマチャンバにマッチングさせて、信号の反射を最小限に抑えると同時に出力伝達を最大化するように構成される。これにより、高度な半導体処理に用いられるプラズマ反応器において、複合周波数を用いてイオンエネルギーを調整することが可能になる。
【００１９】
本発明は、複合波形を有するバイアス電圧の処理に特に適している。たとえば、電圧がパルスピークまで上昇した後に、パルスピークレベルより低い第１電圧レベルからさらに低い第２電圧レベルまで降下するように、複合波形を調整してもよい。（図示しない）ＤＣ阻止コンデンサに複合波形を印加する時間と、各サイクルにおける電圧降下の割合と、を選択することにより、処理チャンバ内に置かれた基板上のイオン蓄積の影響を補償して実質的に相殺し、電圧のパルスピーク間で、基板上のＤＣ自己バイアス電圧をほぼ一定に維持することができる。基板における複合波形のサイクルには、プラズマから基板に電子が吸引される期間である狭電圧パルス期間と、ＤＣ阻止コンデンサにより保持される基板の自己バイアスに起因する、それに続くほぼ一定のＤＣバイアス電圧期間と、が含まれる。バイアス電圧の各サイクルが単一の狭電圧パルスピークとそれに続く電圧降下とを含む場合、基板表面におけるイオンのイオンエネルギー分布関数は、特定のイオンエネルギー値を中心とした単一の狭ピークを与える。ＤＣ阻止コンデンサに印加したバイアス電圧の各サイクルが、２つの狭電圧パルスピークを有し、各パルスピーク後に電圧が降下するような構成でもよい。この場合、２つの電圧パルスピーク間の時間間隔、電圧パルスピークの高さ、及びパルスピーク間の電圧降下率を選択することにより、基板のバイアス電圧の各サイクルが２つの電圧パルスを含み、値が異なる２つのほぼ一定のＤＣ電圧値を与える２つのＤＣ自己バイアス電圧が各パルスに続くように形成できる。このようなバイアス電圧に基づくイオンエネルギー分布関数は、２つの特定イオンエネルギー値を中心とする２つのイオン流束ピークを与える一方で、他のイオンエネルギー値におけるイオン流束はほぼゼロになる。
【００２０】
当業者であれば、同時に生成される多数の周波数から成る上述したような複合波形を容易に想定することができるであろう。個々の周波数の振幅の整合性をとるために、プラズマチャンバとのインピーダンス・マッチングを各周波数で個別に行なう必要がある。ただし、いったんスペクトル周波数領域が既知になれば、インピーダンス・マッチングを適宜行なえばよい。
【００２１】
図２に示すスペクトル周波数領域グラフ２００では、生成されるＲＦバイアス電圧信号の基本周波数２０１（すなわち、第１高調波）は４００ｋＨｚである。４００ｋＨｚの基本周波数（ｆ0）正弦波は、従来のプラズマ発生システムで用いられている一般的なＲＦ入力信号である。スペクトル周波数領域グラフ２００において、（図示しない）入力複合波形により、ほぼ同じ電圧振幅値の第２高調波周波数（ｆ1）２０３、第３高調波周波数（ｆ2）２０５、第４高調波周波数（ｆ3）２０７及び第５高調波周波数（ｆ4）２０５が生成される。当業者には自明のことであるが、処理の種類によっては、必要性に応じて、電圧振幅値を異なる値としてもよい。スペクトル周波数領域グラフ２００の物理的な実装例を、図３を参照して、以下に説明する。
【００２２】
図３に示すフィルタ回路３００は、一組のフィルタを用いて、入力された複合波形を構成要素である高調波周波数に分割する。構成要素である各高調波周波数を、個別にプラズマ負荷とマッチングするようにしてもよい。図示した例のフィルタ回路３００は、一組のバンドパスフィルタから構成されているが、当業者に自明のように、同様のフィルタリング機能を有する回路を、当技術分野で周知の様々な種類のフィルタ、たとえば、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタや当技術分野で周知の種々のフィルタ部（Ｔ型、π型等）から形成されるノッチ・フィルタ等から構成するようにしてもよい。
【００２３】
フィルタ回路３００は、複数のＲＦ発生器３０１と、任意選択的に備えられる周波数分析器３０３と、複数の周波数スプリッタ回路３０５と、複数のマッチングネットワーク３０７と、容量成分３２３Ａと抵抗成分３２３Ｂとから通常形成される無効負荷を備えるプラズマチャンバ３０９の回路構成と、を備える。
【００２４】
一実施例において、プラズマチャンバ３０９の容量成分３２３Ａの値は、１００ピコファラッド（ｐＦ）であり、抵抗成分の値は５０オームである。容量成分のインピーダンスＺCは、下記の式１に示すように、容量Ｃに反比例する。ここで、ω0は入力高調波信号の角周波数を示す。容量成分３２３Ａの値がかなり小さいため、インピーダンスは、容量成分３２３Ａの値と角周波数の両方に強く依存する。したがって、プラズマチャンバ３０９全体のインピーダンスは、駆動周波数に依存する。広い帯域の周波数を用いるため、以下に説明するように、各マッチングネットワーク３０７は、入力側と出力側で有意に異なるインピーダンスレベルの調整を行なう必要がある。
【００２５】
【数１】
0005679967.tif 000002
【００２６】
複数のＲＦ発生器３０１として、任意の個数（図示した例では５個）の発生器を用いることができ、各発生器は、一つのＲＦバイアス電圧を発生させる。複数のＲＦ発生器３０１の出力を、（図示していないが、当技術分野で周知の）加算器を用いて合計するようにしてもよい。あるいは、複数のＲＦ発生器３０１の代わりに、（図示しない）一つのデジタル信号発生器、たとえば、当技術分野で周知の高出力フーリエ信号発生器、を用いてもよい。
【００２７】
一実施例において、複数のＲＦ発生器３０１が、以下の表１に示す周波数を持つ図２のスペクトル周波数領域グラフ２００を生成可能な構成としてもよい。
【００２８】
【表１】
0005679967.tif 000003
【００２９】
任意選択的に備えられる周波数分析器３０３は、入力された複合波形を分析して、元の入力波形の周波数領域表現を生成する。すなわち、任意選択的に備えられる周波数分析器３０３は、入力された周波数を複合波形の個々の周波数表現すなわち周波数成分に分割する。
【００３０】
たとえば、方形波は、デジタル信号処理用途を含む様々な種類の電子回路で用いられる一般的な非正弦波形である。方形波自体は、本来非正弦波であるが、実際には、正弦波の奇数次高調波の無限級数から成っている。同様に、のこぎり波形は、正弦波の奇数次及び偶数次高調波の無限級数から成っている。
【００３１】
入力波形にかかわらず、任意選択的に備えられる周波数分析器３０３は、入力複合波形を形成する個々の周波数成分を、それら各高調波周波数の振幅と共に識別することができる。一実施例において、任意選択的に備えられる周波数分析器３０３は、当技術分野で周知の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムに基づくものでもよい。
【００３２】
任意選択的に備えられる周波数分析器３０３を、後述するように、各マッチングネットワーク３０７に（図示しない）フィードフォワード・ループを与えるように構成するものでもよい。また、任意選択的に備えられる周波数分析器３０３を、さらに、各周波数スプリッタ回路３０５に（図示しない）フィードフォワード・ループを与えるように構成してもよい。この結果、複合波形の各部の実際の構成周波数を二種類の回路に供給することになり、回路の完全な調整が可能になる。フィードフォワード・ループは、能動フィルタ及び／又は可変誘導及び容量成分を用いて、各種類の回路の調整を行なうことができる。このような能動フィルタ及び個々の可変成分は、当技術分野で周知である。
【００３３】
各構成周波数が既知で一定であるような実施形態では、任意選択的に備えられる周波数分析器３０３は不要となる場合もある。
【００３４】
レジスタ（抵抗器）３１１は、複数のインダクタ（３１３Ａ、３１５Ａ、．．．３２１Ａ）及びコンデンサ（３１３Ｂ、３１５Ｂ、．．．３２１Ｂ）と直列に配置される。複数のインダクタ（３１３Ａ、３１５Ａ、．．．３２１Ａ）及びコンデンサ（３１３Ｂ、３１５Ｂ、．．．３２１Ｂ）の各組み合わせにより、複数のマッチングネットワーク３０７の入力側に接続される複数の周波数スプリッタ回路３０５の各フィルタが形成される。当業者には自明のことであるが、任意の数のレジスタ、コンデンサ及びインダクタを種々の構成で用いて、同様の機能を有するフィルタスプリッタ回路を形成することができる。さらに、フィルタ構成によっては、さまざまな種類の伝送線や能動フィルタ（たとえば、当技術分野で周知の電動コンデンサ及び類似の構成部材）を用いることもできる。
【００３５】
一般に、高品質すなわち高Ｑマッチングネットワークを用いて、出力伝達を最大にすると共に、複数のＲＦ発生器３０１からプラズマチャンバ３０９の回路構成への反射を最小限に抑える。フィルタの品質（Ｑ）評価は、中心周波数と比較して狭い周波数帯域を選択または拒否するフィルタの能力に基づく。したがって、フィルタのＱ評価は、−３ｄＢにおける周波数帯域幅に対する中心周波数の比率で表わされる。すなわち、直列接続ＲＬＣ回路のＱ評価は下記の式２で表わされる。ここで、Ｒは、直列抵抗値であり、Ｌは直列インダクタンス値である。下記の支配方程式からわかるように、小さな直列抵抗値を選択することにより、高Ｑ値が得られる。フィルタ回路３００の一実施例において、レジスタ３１１の抵抗値を０．００１オームとすると、マッチングネットワークのＱ値が高くなる。以下の表２に、所定の高調波周波数に対する共振周波数のインダクタンス値及びキャパシタンス（静電容量）値を、Ｑ評価値及び０．００１オームの直列抵抗に対する帯域幅と共に示す。
【００３６】
【数２】
0005679967.tif 000004
【００３７】
【表２】
0005679967.tif 000005
【００３８】
さらに、図３に示すように、複数のマッチングネットワーク３０７は、本明細書で挙げた様々なフィルタ成分を備えるものでもよく、さらに、様々な種類の能動マッチングフィルタを備えるものでもよい。複数のマッチングネットワーク３０７が、Ｌ型、Ｔ型、π型等、様々な種類の受動フィルタや直線やカスケード形に配置されるこれらの型の組み合わせを備えるようにしてもよい。これらの型は、各々、当技術分野で周知である。また、能動フィルタ及び増幅器（たとえば、調節可能な狭帯域増幅器）を単独で、または、別の構成部材と組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００３９】
以上、本発明をいくつかの実施例を参照して説明してきたが、当業者には自明のように、特許請求の範囲に記載する本発明の要旨の範囲内で、さまざまな変形や変更が可能である。
【００４０】
複数種類の回路を所定の配置で構成した実施例を説明してきたが、当業者に自明のように、これら回路の種類や配置構成は変更可能であり、上述の実施例は、ＲＦバイアス電圧マッチングの新規な概念を説明するための例示に過ぎない。たとえば、当業者には自明のことであるが、各周波数スプリッタ回路を、各周波数用のマッチングネットワークの回路と組み合わせてもよい。さらに、当業者に自明のように、本明細書で説明した技術及び回路構成は、複合駆動波形を用いるマッチングネットワークを必要とする任意のシステムに適用可能である。半導体産業分野におけるプラズマチャンバへの適用例は、当業者に対して、本発明を説明する目的で例示したに過ぎない。
【００４１】
さらに、本明細書における用語「半導体」は、データ・ストレージ、フラットパネル・ディスプレイやこれに類似又はその他の産業分野を含むものと解釈される。上記及びその他の様々な実施形態は本発明の要旨の範囲内であり、明細書及び図面は本発明を何ら限定するものではなく、例示するものに過ぎない。
【図１】
0005679967.tif 000006
【図２】
0005679967.tif 000007
【図３】
0005679967.tif 000008