(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空プラズマ処理チェンバ内の電極を有するワークピースホルダ上のワークピースを処理する交流プラズマの制御方法であって、
チェンバに供給される少なくとも１種の気体、チェンバに供給される前記気体の流量、チェンバ内の圧力範囲、プラズマ用の励起リアクタンスに供給される電力範囲、電極に供給される電力範囲を含む１組のパラメータを有するレシピに従って実行され、
交流を第１交流電源からプラズマへ、励起リアクタンスと、第１および第２の可変リアクタンスを含む第１整合回路網とを含む第１回路を介して、供給するステップと、
第１回路から見たプラズマを含む負荷に関する第１の関数を検出するステップと、
検出された第１の関数に応じて、第１および第２の可変リアクタンスの値を制御して、（ａ）第１電源の出力インピーダンスの関数と（ｂ）第１電源が駆動するインピーダンスの関数との間の所定の関係を維持するステップと、
交流を第２交流電源からプラズマへ、電極と、第３および第４の可変リアクタンスを含む第２整合回路網とを介して、供給するステップと、
プラズマインピーダンスに関する第２の関数を検出するステップと、
第３および第４の可変リアクタンスの値を、検出された第２の関数に応じて制御して、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷のインピーダンスとの間の実質的な整合状態を維持するステップであって、第２電源へ反射される電力は、第３および第４の可変リアクタンスの少なくとも一方の値の、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷のインピーダンスとの間の整合を与える値からの小さな変化の結果、階段状に変化する傾向があり、前記少なくとも一方の小さな変化は少なくとも１つのパラメータの増加する変化に起因する一方で、その１つのパラメータは、レシピと整合する範囲に留まるステップと、
前記階段状に変化する傾向を、プラズマインピーダンスに関する前記第２の関数に応じて第２電源の出力電力を変化させることによって抑え、第２電源の出力電力を、第３および第４の可変リアクタンスの値が変化して前記階段状変化の傾向が生じる速度よりもはるかに速い速度で変化させるステップとを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
第２電源の出力電力を変化させるプラズマインピーダンスに関する前記第２の関数は、第２電源から整合回路網内を見たときの電気パラメータ値の検出に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスに関する前記第２の関数は、電極と結合したプラズマインピーダンスの関数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
整合回路網の入力端子内を見たときのインピーダンス値を検出するステップと、第３および第４の可変リアクタンスの値に関係するインピーダンス値を検出するステップと、プラズマインピーダンスを、（ａ）整合回路網の入力端子内を見たときの検出インピーダンス値と、（ｂ）整合回路網の入力端子の中を見てインピーダンスを測定した時点での第３および第４の可変リアクタンスの値に関係する検出インピーダンス値と、（ｃ）整合回路網の入力端子と電極との間の固定インピーダンス値とから計算するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスに関する前記第２の関数は、第２電源の出力端子へ反射される電力であり、第２電源の出力電力量を検出し、第２電源の出力電力を、第２電源の出力端子へ反射される電力と、第２電源の出力電力表示と、プラズマへ印加すべき電力に対する設定点との間の比較に応じて、制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスに関する前記第２の関数は、電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の検出値であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の検出値を、整合回路網の入力端子内を見たときの少なくとも１つの電気パラメータから得ることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
電極と結合したプラズマのインピーダンス成分の検出値を、ホルダとプラズマとの間のシースの厚みを検出し、シース厚みを第２整合回路網と結合したプラズマの負荷と相関させることによって得ることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
シース厚みを光学的に検出することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
励起リアクタンスにコイルが含まれることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載の方法を実施するための装置であって、検出ステップをセンサによって行い、制御ステップを制御手段によって行い、計算ステップを計算手段によって行うことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、ワークピースホルダ上のワークピースを処理するための真空プラズマ処理装置に関し、特に、整合回路網を介してワークピースホルダの電極に結合された交流電源を制御して、電源の出力電力を変化させることにより、電源に反射される電力量が不連続になる傾向を抑えるための方法および装置に関する。
【０００２】
本発明の他の態様は、プラズマ処理装置内のプラズマのインピーダンス成分を測定するための方法および装置に関し、特に、インピーダンス成分を、処理装置の真空チェンバの固体表面とチェンバ内のプラズマとの間のシース厚みに応答して測定する方法および装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
ワークピースを処理する（たとえば、ワークピースから材料をエッチングし、ワークピース上へ材料を堆積させる）ための真空処理装置は、典型的に、それぞれ真空ポンプに接続される第１および第２のポートと、１または複数のイオン化可能気体の供給源とを備える。第１交流電源（典型的には高周波電源またはマイクロ波電源）に応答するリアクタンスを含む電源によって気体を励起して、チェンバ内のプラズマにする。通常、第１の整合回路網が、第１交流電源とプラズマ励起用リアクタンスとの間に接続される。電源が高周波電源である場合には、リアクタンスは、磁界および電界を誘電窓を介してチェンバ内部に供給するためのコイルか、静電界をチェンバ内部に供給するための平行平板型容量配置である。
【０００４】
ワークピースは、典型的に半導体ウエハまたは誘電体シートまたは金属プレートであり、誘電体によって覆われる電極を備えることが多いワークピースホルダ、すなわちチャック上の所定の位置に固定される。典型的に、直流電圧を電極に印加することによって、ワークピースをその場でホルダ上に保持するための静電固定力がもたらされる。ワークピースは通常、冷却剤（たとえばヘリウム）をチャック内の凹部に供給することによって冷却される。プラズマ中のイオンをワークピースへ加速するために、第２の交流電源が整合回路網を経由して電極に接続されている。各整合回路網は、モータ（典型的にステップモータ）によって値が変化する１組の可変リアクタンスを備えている。
【０００５】
プラズマ（励起リアクタンスと結合し、チャック電極と結合する）に関係する電気パラメータ用のセンサから得られる信号によって、可変リアクタンス値の制御が助けられる。それぞれチェンバおよび第２ポートへの気体供給回路の中にある圧力変換器および流量変換器から得られる信号によって、チェンバ内の真空圧および第２ポートを通してチェンバ内へ流れる気体の流量の制御が助けられる。
【０００６】
マイクロプロセッサとメモリシステム（ハードドライブ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）を備える）とを備える制御装置が、変換器によって得られる信号とオペレータ入力制御装置からの信号とに応答して、可変リアクタンス、２つの交流電源の出力電力、チェンバ内の真空圧、第２ポートを通してチェンバへ供給される気体の流量を制御するための信号を発生させる。メモリシステムには複数のレシピが格納されており、各レシピは、異なる状況でのワークピースへの堆積およびエッチングを制御するための様々なパラメータを表わす信号の形態で格納されている。各レシピのパラメータは、特に、チェンバへ供給すべき気体種、気体種の流量、チェンバ内の真空圧、２つの交流電源の出力電力である。各レシピには、その他のパラメータ、たとえば各レシピの実行時間および／または堆積させる層の厚みが含まれていても良い。制御装置は、レシピのパラメータに応答して、チェンバ内への気体流入用のバルブ、チェンバ圧力、さらに第１および第２交流電源の出力電力を制御する。処理する間、制御装置が第１および第２の整合回路網のリアクタンスを制御することによって、第１および第２の交流電源とこれらが駆動する負荷との間のエネルギー伝達が能率的に行われる。その結果、第１および第２の交流電源の出力端子内を見たときのインピーダンスは、第１および第２の交流電源の出力端子から、第１および第２の整合回路網に接続されるケーブルの中をそれぞれ見たときのインピーダンスに実質的に等しい。
【０００７】
処理する間、チェンバ圧力と気体流量とにおいて異常が発生する。異常によって、励起リアクタンスと高周波バイアス電極とに結合されるプラズマインピーダンスに影響が出る。制御装置は、この異常に起因するプラズマインピーダンスの変化に応答して、第１および第２の整合回路網のリアクタンスを変化させ、第１および第２の交流電源の出力端子に反射される電力を常に最小限にしようとする。理想的には、反射される電力はゼロであるが、実際には、高周波バイアス電極を駆動する交流電源に反射される電力は、最小で約２％である。第１および第２の交流電源が駆動する負荷によって吸収される電力が最大になり、交流電源に結合される反射電力が最小になるのは、電源が駆動する負荷インピーダンスが、交流電源の出力端子内を見たときのインピーダンスの複素共役と等しいときである。（（Ａ＋ｊＢ）の複素共役は（Ａ−ｊＢ）である。そのため、実数成分Ａおよび虚数成分Ｂによって表わされる出力を有し、大きさが√(Ａ2＋Ｂ2)で、位相角がθ＝ａｒｃｔａｎＡ／Ｂである負荷との整合が起こるのは、電源が駆動する負荷の大きさが√(Ａ2＋Ｂ2)で、位相角が−θのときである。）
検出配置によって、整合回路網がどの程度良好に負荷に「チューニング」されているか、すなわち高周波電源の出力端子内を見たときのインピーダンスと、ケーブル（電源によって駆動され、また整合回路網を駆動する）の入力端子内を見たときのインピーダンスとの間の整合の程度がモニタされる。検出配置によって、多くの様々なパラメータ、たとえばケーブル内を見たときのインピーダンス、または交流発生器の出力端子へ反射される電力の割合を測定することができる。制御装置は、検出配置に応答して、フィードバック理論に従って整合回路網のリアクタンスを連続的に調整する。多くの様々なチューニング理論が、プラズマと交流電源との間の整合について開発されており、たとえば、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，６８９，２１５号および第５，７９３，１６２号において開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来、測定量であるケーブルの入力端子内を見たときのインピーダンスまたは交流電源の出力端子に反射される電力は、整合回路網の可変リアクタンス値の連続関数であると仮定されていた。言い換えれば、可変リアクタンスのどちらか一方の小さな変化は、ケーブル内を見たときのインピーダンスまたは反射される電力の小さな変化になると、これまで仮定されていた。この仮定は、プラズマ負荷インピーダンスが一定である場合には正しい。しかし、プラズマ負荷インピーダンスは一定ではなく、むしろプラズマに供給される交流電力の関数である。
【０００９】
発明者らは、第２電源からの電力を高周波バイアス電極へ結合する整合回路網の少なくとも一方の可変リアクタンスの値の小さな変化は、ある状況下では、ケーブル入力端子内を見たときのインピーダンスまたは第２交流電源の出力端子へ反射される電力の、階段状変化または不連続変化になることを見出した。発明者らは、階段状変化または不連続変化が起こるのは、高周波バイアス電極と結合されるプラズマ負荷インピーダンスが一定でないからだと考えている。むしろ、高周波バイアス電極からプラズマへ供給される交流電力は、明らかにプラズマ負荷インピーダンスに依存し、このインピーダンスも、高周波バイアス電極からプラズマへ供給される交流電力の量に依存する。高周波バイアス電極からプラズマへ供給される交流電力とプラズマ負荷インピーダンスとの間の相互依存性は、供給電力に影響を及ぼし、第２交流電源からケーブルの入力端子内を見たときのインピーダンス、または第２交流電源へ反射される電力における急速で不連続な変化を招く。
【００１０】
従来技術の装置においては、供給される交流電力と負荷インピーダンスとの間の相互依存性のせいで、整合状態の維持および適切な動作が妨げられることが多い。不連続性は、第２交流電源に反射される高周波バイアス電力が最小限になるように動作している整合回路網が、一方の整合回路網リアクタンスの非常に小さな変化に対して大きな階段状変化または不連続を有するような、最も臨界的な状況で起こる。発明者らは、反射される高周波バイアス電力は本質的に、リアクタンス値（たとえばｐＦ）の１つのステップ変化に関係する整合回路網リアクタンス（Ω）の変化によって、ゼロ振幅から約８０〜９０パーセント値へ変化することを見出した。言い換えれば、一方の整合回路網リアクタンスの非常に小さな変化によって、反射される電力が、理想的な実質的にゼロ反射電力の状態から、著しい不整合になる。
【００１１】
整合状態におけるこのような突然の変化は、高周波バイアス電極を駆動する交流電源に悪影響を及ぼす可能性がある。発明者らは、反射される高周波バイアス電力量のこのような突然の変化によって、プラズマの光放出にスパイクが生じること見出した。プラズマ放出の光学的スパイクは、光学的エンドポイント検出を引き起こすため、ワークピースのエッチングが早く終了することが分かっている。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、プラズマ処理装置のプラズマを制御するための新規で改善された方法および装置を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、プラズマ処理装置のプラズマを、プラズマを駆動する交流電源に反射されるエネルギーの大きいかまたは不連続な変化が起きる傾向を回避するように、制御するための新規で改善された方法および装置を提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、反射エネルギー、または高周波バイアス電極を駆動する交流励起電源から見たインピーダンスの突然の変化が、交流電源と高周波バイアス電極との間に接続される整合回路網のリアクタンスの小さな変化の結果起こることを防ぐための、新規で改善された方法および装置を提供することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、プラズマ処理装置のプラズマを、整合回路網を介して高周波バイアス電極を駆動する交流電源に反射される電力の突然の変化に関係する光放出の突然の変化の結果、早すぎるエンドポイント検出が起こることがないように、制御するための新規で改善された装置および方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様によれば、真空プラズマ処理チェンバ内の電極を有するワークピースホルダ上のワークピースを処理する交流プラズマの制御方法が、チェンバへ供給する気体種、チェンバへ供給する気体の流量、チェンバ内の圧力、プラズマ用の励起リアクタンスへ供給する電力、電極へ供給する電力に関する１組のパラメータを含むレシピに従って実行される。本方法には、（１）交流を第１交流電源からプラズマへ、励起リアクタンスと、第１および第２の可変リアクタンスを含む第１整合回路網とを含む第１回路を介して、供給するステップと、（２）第１回路から見たプラズマを含む負荷に関する第１の関数を検出するステップと、（３）第１および第２のリアクタンスを、検出された第１の関数に応じて制御して、（ａ）第１電源の出力インピーダンスの関数と（ｂ）第１電源が駆動するインピーダンスの関数との間の所定の関係を維持するステップと、（４）交流を第２交流電源からプラズマへ、電極と、第３および第４の可変リアクタンスを含む第２整合回路網とを介して、供給するステップと、（５）プラズマインピーダンスに関係する第２の関数を検出するステップと、（６）第３および第４の可変リアクタンスを、検出された第２の関数に応じて制御して、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動するインピーダンスとの間の実質的な整合状態を維持するステップとが含まれる。第２電源へ反射される電力は、第３および第４リアクタンスの少なくとも一方の値の、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷との間の整合を与える第３および第４リアクタンスの値からの小さな変化の結果、階段状に変化する傾向がある。少なくとも一方の小さな変化は、少なくとも１つのパラメータの漸進的な変化に起因する一方で、その１つのパラメータの値は、レシピと関係づけられる範囲に留まる。階段状に変化する傾向を、プラズマインピーダンスの関数に応じて第２電源の出力電力を変化させることによって抑える。第２電源の出力電力を、第３および第４リアクタンスが変化して階段状変化の傾向が生じる速度よりもはるかに速い速度で変化させる。
【００１７】
１つの好ましい実施形態においては、第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、第２電源から整合回路網の方を見たときの電気パラメータの測定値から得られるため、第２整合回路網と電極との間のプローブが不要になる。
【００１８】
他の好ましい実施形態においては、第２電源の出力電力の変化をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合するプラズマインピーダンスの計算値である。プラズマインピーダンスの計算値は、以下のようにして求めることができる。（１）整合回路網の入力端子内を見たときのインピーダンスを測定する、（２）第３および第４リアクタンスの値に関係するインピーダンスの値を求める、（３）プラズマインピーダンスを、（ａ）整合回路網の入力端子内を見たときに測定されたインピーダンスと（ｂ）整合回路網の入力端子の中を見てインピーダンスを測定した時点での第３および第４リアクタンスの値に関係するインピーダンスの決定値と（ｃ）整合回路網の入力端子と電極との間のインピーダンスの固定値とから計算する。
【００１９】
別の好ましい実施形態においては、第２電源の出力電力をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、第２電源の出力端子へ反射される電力の量である。このような場合には、第２電源の出力電力を求め、第２電源の出力端子へ反射される電力と第２電源の出力電力の表示との比較に応じて、第２電源の出力電力を制御する。
【００２０】
また、第２電源の出力電力をもたらすプラズマインピーダンスの関数は、電極と結合するプラズマのインピーダンスの測定値から得ることができる。電極と結合するプラズマのインピーダンス測定値は、少なくとも１つの、整合回路網の出力端子から電極内を見たときの電気パラメータから得ることができる。
【００２１】
本発明の１つの態様においては、これは第２電源の出力電力の制御以外の目的にも用いることができるが、プラズマインピーダンスの測定値を、チェンバ内の固体表面とプラズマとの間のシースの厚みを測定することによって得る。シース厚みは、プラズマ負荷と相関がある。シース厚みは、光学的に測定することが好ましい。
【００２２】
本発明のさらなる態様は、ワークピースを処理するための装置と関係している。本装置は、真空プラズマ処理チェンバを備える。このチェンバは、（ａ）ワークピースに交流電圧を容量的に供給するための電極を備えるワークピースホルダと、（ｂ）イオン化可能気体をチェンバへ供給するための第１ポートと、（ｃ）真空ポンプ配置をチェンバに接続するための第２ポートとを有する。励起リアクタンスから十分な量の電気および磁気エネルギーが、イオン化可能気体へ供給されて、気体が励起されプラズマになる。第１交流電源と励起リアクタンスとの間に接続される第１整合回路網には、第１および第２の可変リアクタンスが設けられている。検出配置がプラズマインピーダンスに応答する。第２交流電源と電極との間に接続される第２整合回路網には、第３および第４の可変リアクタンスが設けられている。制御装置は、（ａ）真空ポンプ配置を制御してチェンバ内の真空を制御する、（ｂ）第１ポートへ供給される気体の流量を制御する、（ｃ）第１交流電源の出力電力を制御する、（ｄ）第２交流電源の出力電力を制御する、（ｄ）第１、第２、第３、第４の可変インピーダンスを制御する。制御装置には、入力装置と、チェンバ内の異なる状態に対する複数のレシピを格納するメモリとが設けられている。各レシピには、真空、流量、第１電源出力電力、第２電源出力電力のプリセット値に対する１組のパラメータが含まれている。制御装置が入力装置に応答してメモリにアクセスすることで、チェンバ内真空、気体流量、第１および第２電源の出力電力が、選択された１つのレシピに関係する所定範囲のプリセット値になる。制御装置は、検出配置に応答して、（ａ）第１および第２リアクタンスを制御して、プラズマから励起リアクタンスに負荷がかかっているときの、第１電源と、第１整合回路網から励起リアクタンス内を見たときのインピーダンスとの間の実質的なインピーダンス整合を得る。また（ｂ）第３および第４リアクタンスを制御して、プラズマから励起リアクタンス電極に負荷がかかっているときの、第２電源と、第２整合回路網から電極内を見たときのインピーダンスとの間の実質的なインピーダンス整合を得る。第２電源には、第３および第４リアクタンスの少なくとも一方の、第２電源の出力インピーダンスと第２電源が駆動する負荷との間の整合を与える値からの小さな変化の結果、階段状に変化する傾向がある。小さな変化は、少なくとも１つのパラメータの漸進的な変化に起因する一方で、その１つのパラメータは、選択されたレシピに対する１組のパラメータにおけるその範囲に留まる。制御装置は、検出配置に応答して、プラズマインピーダンスの関数に応じて第２電源の出力電力を変化させることによって、階段状変化が起きる傾向を抑える。第２電源の出力電力を、第３および第４リアクタンスが変化して階段状変化の傾向が生じる速度よりもはるかに速い速度で変化させる。
【００２３】
発明者らは、同時係属中で本発明の譲受人に譲渡されたＰａｔｒｉｃｋらの特許出願である、発明の名称「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｉｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｉｎ  ａ  Ｐｌａｓｍａ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」（１９９７年４月１６日に出願、譲渡番号０８／８４３，４７６）のことを承知している。この同時係属中の出願では、真空プラズマ処理チェンバ内の気体を励起してワークピース（たとえば半導体ウエハ）を処理するためのプラズマにするコイルを備えるプラズマ処理装置が開示されている。ワークピースは、整合回路網を介して高周波が供給される電極を有するワークピースホルダ上に配置される。電極を駆動する高周波電源の出力電力によって、イオン化エネルギーがプラズマに供給される。電極に結合される高周波電源の出力電力を制御して、プラズマ内粒子のイオン化に起因する直流電圧を、実質的に一定に維持する。市販される電極配置によって、電極を駆動する高周波電源によるプラズマのイオン化に起因する直流バイアス電圧をモニタする。
【００２４】
同時係属中で本発明の譲受人に譲渡された特許出願の発明者らは、高周波電源の出力端子内を見たときのインピーダンスと、高周波電源の出力端子から整合回路網の方を見たときのインピーダンスとの間で実質的な整合が存在するように整合回路網を調整したときに、すなわち、整合状態に関係して高周波電源への反射電力が最小量であるときに、整合回路網のリアクタンスの小さな変化が起きると、反射電力の階段関数変化が起こる傾向を認識していなかった。同時係属中で本発明の譲受人に譲渡された特許出願の装置は本質的に、ワークピースホルダの電極に高周波を印加することに起因する直流バイアス電圧を制御している。
【００２５】
同時係属中の出願は、（１）高周波バイアス電源からチャック電極へ印加される電力の制御と、（２）高周波バイアス電源とチャック電極との間に接続された整合回路網のリアクタンスの制御との間の相対速度について、何ら開示していない。リアクタンスを制御する同じコンピュータプログラムによって、高周波バイアス電源からチャック電極へ印加される電力が制御されていると推測される。このことは、リアクタンスと高周波バイアス電源電力とが、同じ周波数で制御されていることを意味する。同時係属中の出願における開示では、制御速度が違わなければならない理由が何ら与えられていない。
【００２６】
したがって、Ｐａｔｒｉｃｋらの装置の動作は、高周波バイアス電力の制御が整合回路網リアクタンスの制御よりも非常に速い速度で行われる本発明とは異なっていると推測される。また、本発明の装置は本質的に、直流バイアス電圧ではなく、プラズマインピーダンスを制御する。高周波バイアス電源の高速制御は、発明者らが見出した階段関数問題の発生を防ぐには必須である。直流バイアス電圧ではなくプラズマインピーダンスを制御することによって、ワークピース処理のより高度な制御が実現する。
【００２７】
直流プラズマバイアス電圧のモニタリングは、チェンバに近接する電極を用いなければできない。電気パラメータをプラズマのすぐ近くでモニタすることには、ある程度の困難が伴うが、これは高周波バイアス電源の出力電力を制御するパラメータを高周波電源のすぐ近くで測定することによって、克服される。
【００２８】
さらに、本発明の他の態様は、真空プラズマ処理装置内の交流プラズマの電気負荷インピーダンスの容量成分を測定するための装置に関する。負荷は、電気エネルギーをプラズマへ供給する電気回路と結合している。プラズマは、チェンバ内の表面とプラズマとの間にシースが形成されるようなものである。装置は、シース厚みを測定して反応を得るための計器を備えている。検索構造が、計器によって得られた反応に応答することで、シースの電気負荷インピーダンスと相関する値を有する信号が得られる。好ましくは、計器は、シース厚みをモニタして画像化する電気光学素子である。
【００２９】
電気光学素子を用いて、プラズマとワークピースホルダ上のワークピースとの間のシースの容量インピーダンス成分をモニタするときには、視野が、ワークピースの処理面下方の点の間の領域から、シースとプラズマとの間の境界上方の点まで及ぶように電気光学素子を配置する。
【００３０】
本発明の上述したおよびさらなる目的、特徴、利点は、本発明のいくつかの具体的な実施の形態についての以下の詳細な説明を、特に添付図面とともに考慮することによって、明らかになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１に示したワークピース処理装置は、真空プラズマ処理チェンバアセンブリ１０と、チェンバアセンブリ１０内のイオン化可能な気体を励起してプラズマ状態にするためのリアクタンスを駆動する第１回路１２と、チェンバアセンブリ１０内のワークピースホルダに高周波バイアスを印加するための第２の回路１４と、チェンバアセンブリ１０と接続された種々のパラメータ用センサに応答して、チェンバアセンブリ１０内のプラズマに影響を及ぼす装置の制御信号を得る制御装置配置１６とを、備えている。制御装置１６は、チェンバアセンブリ１０と接続された種々のセンサ、ならびに回路１２および１４、オペレータ入力２２（たとえばキーボードの形態であり得る）からの信号に応答するマイクロプロセッサ２０を備える。マイクロプロセッサ２０は、ハードディスク２６、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２８、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）３０を備えるメモリシステム２４と結合している。マイクロプロセッサ２０は、送られてくる種々の信号に応答して、ディスプレイ３２（典型的なコンピュータモニタであり得る）を駆動する。
【００３２】
ハードディスク２６とＲＯＭ３０には、マイクロプロセッサ２０の動作を制御するためのプログラムと、チェンバアセンブリ１０内で実施するプロセス用の異なるレシピに関連するプリセットデータとが格納されている。異なるレシピは、異なるプロセスを行う間にチェンバアセンブリ１０に加えられる気体種および気体流量と、回路１２および１４に含まれる交流電源の出力電力と、チェンバアセンブリ１０内部の真空、回路１２および１４の整合回路網に含まれる可変リアクタンスの初期値とに関係する。
【００３３】
また制御装置配置は、回路１４に含まれる高周波バイアス電源の出力電力を制御するためのマイクロプロセッサ３４の形態の専用制御装置を備えていて、回路１４の高周波バイアス電源の出力電力を事実上瞬時に、すなわちマイクロプロセッサ１６が、その駆動する装置を制御するよりもはるかに速く制御する。すなわち、出力電力プロセッサ３４が高周波バイアス電力を制御する速度は、少なくともマイクロプロセッサ２０がその出力信号を制御するよりも速い速度のオーダである。たとえばマイクロプロセッサ２０が、その出力信号を２０ｍｓごとに１回制御するならば、マイクロプロセッサ３４は、その出力信号を１ｍｓごとに１回（またはもっと速く）制御する。
【００３４】
プラズマチェンバアセンブリ１０は、チェンバ４０を備えている。チェンバ４０は、金属製で非磁性の円筒状の側壁４２と、金属製で非磁性の基部４４とを有し、両方とも電気的に接地されている。誘電体の（典型的には石英の）窓４６が、壁４２の上端部に固定して配置されている。壁４２、基部４４、窓４６は、好適なガスケットを用いて互いに動かないように接続されているため、チェンバ４０内部に真空を発生させることができる。平面型プラズマ励起コイル４８（たとえば、Ｏｇｌｅの米国特許公報第４，９４８，４５８号、またはＨｏｌｌａｎｄらの米国特許公報第５，７５９，２８０号に記載されているような構成）が、窓４６の上面にまたは上面に非常に近接して配置されている。コイル４６（電気リアクタンス）は、リアクタンス的に（ｒｅａｃｔｉｖｅｌｙ）に高周波磁場および電場をチェンバ４０内部に供給することによって、チェンバ内のイオン化可能気体を励起してプラズマ（図１に、参照数字５０で概略的に示す）にする。
【００３５】
基部４４の上面には、ワークピース５４のためのホルダ５２が配置されている。ワークピース５４は典型的には、円形状の半導体ウエハ、矩形状の誘電体プレート（たとえばフラットパネルディスプレイで使用されるもの）または金属プレートである。ワークピースホルダ５２は典型的に、金属プレート電極５６を備え、金属プレート電極５６の上には誘電層５８が配置されている。金属プレート電極５６は、誘電層６０の上に配置され、誘電層６０は基部４４の上に配置されている。ワークピースハンドリングメカニズム（図示せず）によって、ワークピース５４が誘電層５８の上面上に配置される。ワークピース５４は、ヘリウムを好適な供給源６２から誘電層５８の下側へ、ダクト６４および電極５６内の溝（図示せず）を通して供給することによって冷却される。ワークピース５４を誘電層５８上の所定の位置に配置した状態で、直流電源６６から好適な電圧をスイッチ（図示せず）を通して電極５６に供給して、ワークピース５４をホルダ（すなわちチャック）５２に固定、すなわちチャックする。
【００３６】
ワークピース５４をチャック５２上の所定の位置に固定した状態で、１または複数種のイオン化可能な気体を、１または複数の供給源６８から、チェンバ４０内にダクト７０および側壁４２のポート７２を通して流す。便宜上、１つの気体源６８のみを図１に示す。ダクト７０の内部には、バルブ７４と流量計７６とが設けられ、それぞれ、ポート７２を通ってチェンバ４０内部に流れる気体流量を制御し、またポート７２を通る気体流量を測定する。バルブ７４は、マイクロプロセッサ２０が得た信号に応答し、一方で流量計７６は、マイクロプロセッサにダクト７０内の気体流量を示す電気信号を送る。メモリシステム２４には、チェンバ４０内で処理される各ワークピース５４の各レシピに対して、ダクト７０内での所望の気体流量を示す信号が格納されている。マイクロプロセッサ２０は、メモリシステム２４に格納された所望の気体流量に対する信号と、流量計７６が得たモニタされた流量信号とに応答することによって、バルブ７４を制御する。
【００３７】
真空ポンプ８０が、チェンバ４０の基部４４のポート８２に、ダクト８４によって接続されている。真空ポンプ８０によって、チェンバ内部が排気されて好適な圧力（典型的には、１から１００ｍＴｏｒｒの範囲）にされる。圧力計８６（チェンバ４０内部）からマイクロプロセッサ２０に、チェンバ４０内の真空圧を示す信号が送られる。
【００３８】
メモリシステム２４には、各レシピに対するチェンバ４０内部の所望の真空圧を示す信号が格納されている。マイクロプロセッサ２０は、メモリシステム２４が各レシピに対して得て格納した所望圧力の信号と、圧力計８６からの電気信号とに応答して、電気信号を真空ポンプ８０に送り、チェンバ４０内の圧力を、各レシピに対する設定点すなわち予め設定した値に維持する。
【００３９】
光学分光計９０によって、プラズマ５０の光放射がモニタされている。これは分光計９０が、プラズマから放射され側壁４２の窓９２を通して分光計に結合された光学的エネルギーに応答することによって、行われる。分光計９０は、プラズマ５０によって放射された光学的エネルギーに応答して、電気信号をマイクロプロセッサ２０へ送る。マイクロプロセッサ２０は、光学計９０が得た信号に応答して、プラズマ５０がワークピース５４に対して行う（エッチングまたは堆積）プロセスの終点を検出する。マイクロプロセッサ２０は、分光計９０が得た信号と、メモリシステム２４に格納された、終点と関係する分光計出力の特性を示す信号とに応答して、メモリに適切な信号を送り、レシピが完了したことを知らせる。次に、マイクロプロセッサ２０は、メモリシステム２４からの信号に応答して、完了したレシピと関係するある動作を停止した後、チェンバ４０内ですでに処理されたワークピースに対して新しいレシピを開始するか、またはワークピース５４をチャック５２から取り外して、新しいワークピースをチャックに運ぶことを命令し、その後、別の一連の処理レシピが行われる。
【００４０】
コイル４８を駆動するための励起回路１２は、一定周波数の高周波電源１００（典型的には、周波数は１３．５６ＭＨｚである）を備えている。電源１００によって、可変利得の電力増幅器１０２（典型的には、出力電力は１００から３０００Ｗの範囲である）が駆動される。増幅器１０２は一般的に５０Ωの出力インピーダンスを示し、その成分は抵抗成分のみで、リアクタンス成分はない。したがって、増幅器１０２の出力端子内を見たときのインピーダンスは典型的に（５０＋ｊ０）Ωで表され、ケーブル１０６は特性インピーダンスが５０Ωとなるように選択される。
【００４１】
メモリシステム２４には、どの特定のレシピに対しても、増幅器１１２の所望する出力電力に対する信号が格納されている。メモリシステム２４から、増幅器１０２の所望する出力電力が、マイクロプロセッサ２０を通って増幅器に送られる。増幅器１０２の出力電力は、メモリシステム２４に格納された信号に応答して開ループ方法で制御することもできるし、増幅器１０２の出力電力の制御を、閉ループフィードバックベースで行うこともできる。このことは、当該技術分野では周知のことであり、たとえば前述した同時継続中の特許出願に記載されている。
【００４２】
増幅器１０２の出力電力によって、ケーブル１０６と整合回路網１０８とを介して、コイル４８が駆動される。整合回路網１０８は、「Ｔ」字の構成をなし、可変コンデンサ１１２および１１６を含む２つの直列支脈と、固定コンデンサ１１４を含む分路支脈とを備える。コイル４８は、入力および出力端子１２２および１２４を備え、それぞれ、コンデンサ１１２の一方の電極に接続され、また直列のコンデンサ１２６の第１電極（接地された第２の電極を有する）に接続されている。コンデンサ１２６の値は、本発明の譲受人に譲渡された前述のＨｏｌｌａｎｄらの特許に記載されているように選ぶのが好ましい。電気モータ１１８および１２０（ステップ型が好ましい）は、マイクロプロセッサ２０からの信号に応答して、コンデンサ１１２および１１６の値を、比較的小さな増分で制御する。こうして、増幅器１０２の出力端子からケーブル１０６内を見たときのインピーダンスと、ケーブル１０６から増幅器１０２の出力端子内を見たときのインピーダンスとの間で、インピーダンス整合が維持されるようにする。したがって、前述した増幅器１０２の（５０＋ｊ０）Ωの出力インピーダンスと、ケーブル１０６の５０Ωの特性インピーダンスとに対しては、マイクロプロセッサ２０はモータ１１８および１２０を制御して、ケーブル１０６から整合回路網１０８内を見たときのインピーダンスができるだけ（５０＋ｊ０）Ωに近づくようにする。
【００４３】
モータ１１８および１２０を制御して、増幅器１３２の出力端子内を見たときのインピーダンスと、増幅器１３２が駆動するインピーダンスとに対する整合状態を維持するように、マイクロプロセッサ２０は、通常のセンサ配列１０４からの信号（ケーブル１０６から整合回路網１０８内を見たときのインピーダンスを示す）に応答する。その代わりに、増幅器１０２からその出力端子に供給される電力と、整合回路網１０８によってケーブル１０６に反射される電力とを示す信号を得るために、センサを設けても良い。マイクロプロセッサ２０は、すでに知られている種々の方法の何れか１つの方法で、センサ配列１０４が得た検出信号に応答して、モータ１１８および１２０を制御し、整合状態を実現する。
【００４４】
プラズマ５０に影響を与えるチェンバ４０内部の状態が変動するために、プラズマは可変インピーダンスを有している。その状態とは、ポート７２を通って流れる気体の流量および種類の違い、チェンバ４０内の圧力その他の要因の違いである。また、モータ１１８および１２０に時々ノイズが入るために、モータがコンデンサ１１２および１１６の値を変えることがある。これらの要因はすべて、プラズマ５０を含む負荷によって増幅器１０２の出力端子へ反射されるインピーダンスに影響を与える。マイクロプロセッサ２０は、方向性結合器１０４の出力信号に応答して、モータ１１８および１２０を制御する。こうして、コンデンサ１１２および１１６の値を変えて、増幅器１０２の出力端子によって駆動されるインピーダンスを、比較的一定に維持する。しかし、マイクロプロセッサ２０の基本的なサイクル時間は典型的に２０ｍｓのオーダであり、増幅器１０２の出力端子における整合状態を回復するためには複数の動作サイクルが要求されることが多いため、これらの変動に対する整合回路網１０８の応答時間は、通常少なくとも４０ｍｓである。
【００４５】
高周波バイアスを電極５６を介してワークピース５４へ供給するための回路１４は、構成が回路１２といくらか似ている。回路１４は、一定周波数の高周波電源１３０（典型的には、周波数はたとえば４００ｋＨｚ、２．０ｍＨｚ、または１３．５６ｍＨｚである）を備える。電源１３０の一定周波数の出力によって、可変利得の電力増幅器１３２が駆動され、次に増幅器１３２によって、方向性結合器１３４、ケーブル１３６、整合回路網１３８を含むカスケード配列が駆動される。整合回路網１３８は、固定インダクタンスコイル１４０と可変コンデンサ１４２との直列の組合せを含む直列支脈、および固定インダクタンスコイル１４４と可変コンデンサ１４６とを含む分路支脈を備える。モータ１４８および１５０（ステップモータが好ましい）は、マイクロプロセッサ２０からの信号に応答して、それぞれコンデンサ１４２および１４６の値を変える。
【００４６】
整合回路網１３８の出力端子１５２から高周波バイアス電圧が、直列の結合コンデンサ１５４（整合回路網１３８を、直流電源６６のチャッキング電圧から隔離する）を通して電極５６に印加される。回路１４から電極５６に加えられる高周波エネルギーは、誘電層４８、ワークピース５４、ワークピースとプラズマとの間のプラズマシースを介して、チャック５２に近接するプラズマ５０の部分と容量結合されている。チャック５２がプラズマ５０と結合させる高周波エネルギーによって、直流バイアスがプラズマ内に発生する。直流バイアスは典型的に、５０から１０００Ｖの値である。回路１４から電極５２に加えられた高周波エネルギーに起因する直流バイアスによって、プラズマ５０内のイオンがワークピース５４に向かって加速される。
【００４７】
マイクロプロセッサ２０は、ケーブル１３６から整合回路網１３８内を見たときのインピーダンスを示す信号（周知のセンサ配列１３９から得られる）に応答して、モータ１４８および１５０、そしてコンデンサ１４２および１４６の値を制御する。制御の仕方は、整合回路網１０８のコンデンサ１１２および１１６の制御に関して前述した方法と同様である。したがってコンデンサ１４２および１４６の値の最小変化に対する最小時間は、マイクロプロセッサ２０の１サイクル時間であり、前述の例では２０ｍｓである。
【００４８】
メモリシステム２４には、各プロセスレシピに対して、方向性結合器１３４からケーブル１３６へ流れる正味電力に対する設定点信号が格納されている。方向性結合器１３４からケーブル１３６へ流れる正味電力は、増幅器１３２の出力電力から、負荷および整合回路網１３８によってケーブル１３６を通して、ケーブル１３６と接続された方向性結合器１３４の端子に反射される電力を引いたものに等しい。メモリシステム２８から、回路１４に関係する正味電力の設定点信号がマイクロプロセッサ２０に送られ、次にマイクロプロセッサ２０から、この設定点信号がマイクロプロセッサ３４に送られる。またマイクロプロセッサ３４は、方向性結合器１３４から電力センサ配列１４１へ送られる出力信号にも応答する。電力センサ配列１４１によって、増幅器１３２の出力電力と、ケーブル１３６によって増幅器１３２の出力端子の方へ反射される電力とを示す信号が得られる。
【００４９】
マイクロプロセッサ３４は、マイクロプロセッサ２０の各サイクル時間よりも著しく速い速度で動作する。マイクロプロセッサ３４は、設定点と、センサ配列１４１が得た測定信号（増幅器１３２の出力電力と増幅器に反射される電力とを示す）とに応答する。マイクロプロセッサ３４は、その入力信号に応答して、増幅器１３２の利得を制御する。増幅器１３２には電子利得制御があり、その応答時間は、マイクロプロセッサ２０が、モータ１１８および１２０ならびにコンデンサ１１２および１１６を制御する応答時間よりも速い時間のオーダである。したがって、マイクロプロセッサ３４による増幅器１３２の利得の制御は、マイクロプロセッサ２０によるコンデンサ１１２および１１６の値の変化の制御よりも、はるかに速い。マイクロプロセッサ３４を、アナログ制御装置と取り替えても良い。アナログ制御装置は、電力設定点、増幅器１３２の出力電力、ケーブル１３６によって増幅器に反射される電力を示すアナログ出力信号に瞬時に応答する。
【００５０】
１つの実施形態においては、マイクロプロセッサ３４は、方向性結合器１３４とマイクロプロセッサ２０とが送ってきた信号に応答して、増幅器１３２の利得を制御することによって、増幅器１３２の出力電力が、Ｐset＝ＰG−ＰRに従って変化するようにする。ここで、Ｐsetは設定点電力、ＰGは増幅器１３２の出力電力、ＰRは、プラズマによって、整合回路網１３８とケーブル１３６とを介して増幅器１３２の出力端子に反射される電力である。整合回路網１３８、ケーブル１３６、方向性結合器１３４における電力損失は、どの特定のレシピに対しても事実上同じである。そのため、方向性結合器１３４によってモニタされる反射電力を、電極５６とプラズマ５０との間で結合される電力と関係付けることは容易である。マイクロプロセッサ２０からマイクロプロセッサ３４へ送られる設定点信号には、これらの電力損失に対する補償が、各レシピに対して含まれている。マイクロプロセッサ３４は、ワークピース５４が特定のレシピに従って処理されている時間の間、すなわちマイクロプロセッサ２０が、光学分光計９０の終点を示す出力に応答するまで、増幅器１３２の利得を連続的に制御する。
【００５１】
制御装置１６によって、増幅器１３２の利得が連続的に制御され、その応答時間はコンデンサ１４２および１４６の値よりもはるかに速い。そのため、増幅器１３２の出力端子に反射される電力と、コンデンサ１４２および１４６の値との間の関数に対する理想的な応答曲線に近づくように、コンデンサの値を変化させることができる。図２の点線の曲線１６０は、整合回路網１３８の直列のコンデンサ１４２のリアクタンスの値と、反射されるバイアス電力とを関係づける理想的な応答曲線である。なお反射されるバイアス電力は、パーセントで表しており、すなわちプラズマ５０および電極５６から増幅器１３２の出力端子に反射される電力の、増幅器１３２の出力電力に対する百分率である。したがって図２において、反射されるバイアス電力（パーセント）＝１００（ＰR／ＰG）である。前述したように、マイクロプロセッサ２０からマイクロプロセッサ３４へ送られる設定点信号には、方向性結合器１３４からマイクロプロセッサ３４へ送られる反射電力の信号に対する固定された補償が含まれている。固定された補償は、方向性結合器１３４、ケーブル１３６、整合回路網１３８の、特定のレシピに対する損失から求まる。
【００５２】
理想曲線１６０は、塩素ガスを、ポート７２を通してチェンバ４０内部へ１００毎分標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）で流し、一方で、ポンプ８０によってチェンバ４０内部を排気して１０ｍＴｏｒｒにし、また発生器１０２の出力電力を４００Ｗにすることに基づいている。また曲線１６０は、マイクロプロセッサ２０によってモータ１５０が作動することによって、分路コンデンサ１４６の値が、増幅器１３２の出力端子内を見たときのインピーダンスと、増幅器１３２の出力端子から見たときのインピーダンスとの間の完全なインピーダンス整合が、事実上実現可能となるようなものになっているという前提に基づいている。こうして曲線１６０は、反射されるバイアス電力を、コンデンサ１４２のリアクタンス（Ω）の関数として百分率で表している。同様の曲線が、ワークピース５４の各処理レシピにおけるコンデンサ１４６の変化に対して、存在する。
【００５３】
曲線１６０には、ゼロ反射電力値と関係づけられる最小点１６２がある。これは、モータ１４８がコンデンサ１４２を調整して、コンデンサの値が２２．３３Ωのリアクタンスと関係付けられるときである。理想的には、曲線１６０は、点１６２に関してほぼ対称形をなしている。マイクロプロセッサ２０とモータ１４８とによってコンデンサ１４２を調整して、コンデンサの値が、２２．３３Ωよりも大または小のリアクタンスと関係付けられるようにしたときに、増幅器１３２の出力端子に反射される電力の量は、理想的な応答曲線の点１６２から反対方向に延びる１６４および１６６の部分によって示されるように、徐々にかつ連続して変化する。
【００５４】
しかし発明者らは、曲線１６０によって示される理想的な状態（増幅器１３２によって駆動されるプラズマ負荷は一定であると仮定している）は、マイクロプロセッサ３４による制御を含めない限り、実際には生じないことを見出した。特に発明者らは、理想的な応答曲線１６０は、高周波増幅器１３２から一定量の電力が方向性結合器１３４へ供給されるときには起こらないことを見出した。増幅器１３２の出力電力を、前述したようにＰG＝Ｐsetに等しくなるような高速で連続的な制御をしない場合には、コンデンサ１４２または１４６の一方または両方の値が最小反射点１６２から少し変化すると、不連続変化すなわち階段状変化が反射されるバイアス電力に生じる（応答曲線１６８の部分１７０によって示されている）。特に、応答曲線１６８の部分１７０は、最小反射点１６２と点１７２との間において階段状で不連続である。コンデンサ１４２のリアクタンス性の値の２２．３３Ω（点１６２）から２２．４Ω（点１７２）への最小の階段状変化に応じて、曲線１６８は、ゼロ反射バイアス電力パーセンテージから約８５パーセントの反射バイアス電力パーセンテージへと急激に立ち上がっている。したがって、コンデンサ１４２値の最小の階段状変化に応じて、整合した状態から実質的に全く不整合な状態への非常に大きな変化が起きる。同様の変化が、分路コンデンサ１４６の値の最小変化に応じて起こる。
【００５５】
発明者らは、波形部分１７０の階段状変化が発生するのは、プラズマ５０が電極５８に結合させるインピーダンスと、電極からプラズマへ供給される電力との間に非線形な関係があるからだと考えている。発生器出力電力ＰＧが一定であるならば、反射される電力ＰＲは、ある範囲の同調コンデンサ値に対して、同調コンデンサ値の三重値関数である。３つの反射電力の中心は不安定であるため、低い値から高い値へと不連続に変化する反射電力が観測される。
【００５６】
曲線１６８は、最小反射バイアス電力点１６２に対する非対称性が大きく、曲線１６８の点１６２から左側の部分１７４は、波形部分１７０よりも傾斜が非常に小さい。また部分１７４は、理想的な応答曲線１６０の部分１６４または１６６のどちらの傾斜と比べても、傾斜が小さい。発明者らは、これは、電極５６によって駆動されるプラズマ５０の負荷が、電極５６へ供給される電力の関数だからであると考えている。
【００５７】
発明者らは、応答１６８の不連続部分１７０が発生すると、時間の関数として反射バイアス電力に大きなスパイクが生じ、またこのスパイクは、ワークピース５４の処理、特にエッチプロセスに対して有害であることを見出した。また発明者らは、この有害な影響は克服可能であり、増幅器１３２の出力電力を高速ベースで連続して制御して、前述したようにＰs＝ＰG−ＰRとなるようにすることで、理想的な応答曲線１６０を実現できることを見出した。Ｐs＝ＰG−ＰRを維持することによって、電極５６からプラズマ５０へ供給される電力が一定に保たれる。電極５６からプラズマ５０へ供給される電力を一定に保つことによって、プラズマインピーダンスが実質的に一定に保たれる。
【００５８】
電極５６からプラズマ５０へ供給される電力と、プラズマインピーダンスの実部および虚部との関係を、図３にプロットして、応答曲線１７５および１７６によって示す。応答曲線１７５および１７６は、それぞれ、電極５６と結合するプラズマインピーダンスの実部および虚部（Ω）を、供給バイアス電力の関数として示している。応答曲線１７５および１７６はそれぞれ、滑らかな連続曲線であり、供給バイアス電力が低いところでは比較的値が高く、供給バイアス電力が高いところでは比較的値が低い。応答曲線１７５および１７６は、ポリシリコン半導体ウエハをエッチングしているときの実際の測定値を示している。エッチングは、Ｃｌ2を１００ｓｃｃｍで真空チェンバ（１０ｍＴｏｒｒまで排気）に流し、本発明の譲受人に譲渡されたＨｏｌｌａｎｄらの特許に開示されたタイプのコイルを４００Ｗで駆動して行った。これは、図２の応答曲線１６０および１６８に関係する測定値に対してうまく行く条件と同じ条件である。
【００５９】
図３は、電極からプラズマへ供給される電力が一定のままならば、プラズマ５０が電極５６と結合するインピーダンスの実部および虚部も一定のままであることを示している。したがって、電極５６からプラズマ５０へ供給される電力を一定に維持すれば、理想的な応答曲線が実現できて、階段型で不連続な部分１７０を有する非対称な応答曲線１６８が回避される。
【００６０】
図１の装置において、方向性結合器１３４における反射されるパラメータが、増幅器１３２の出力と、整合回路網１３８から離れたケーブル１３６の端との間で、モニタされる。この配置は、整合回路網１３８と電極５６との間のリード線における電気モニタリングプローブに対する必要性を回避しているため、好ましい。しかし、本発明の原理の多くは、整合回路網１３８と電極５６とを接続するリード線における負荷パラメータをモニタリングすることにも、同様に適用できることを理解されたい。また他の装置および技術を用いて、電極５６上のプラズマ５０の負荷インピーダンスをモニタすることもできる。
【００６１】
図４は、ワークピース５４と結合したプラズマ５０の容量リアクタンスを効果的にモニタリングするための配置を示す概略図である。図４に示した装置に関連する原理は、プラズマ５０とチェンバ４０内部の何らかの表面との間の容量を効果的に測定することに適用できる。
【００６２】
図４の配置は、プラズマシースの厚みの変化に起因する負荷容量の変化が、図２の階段型部分または不連続部分１７０を含む非対称な応答曲線１６８の主な原因であるという原理に基づいている。そのため、プラズマ５０が電極５６に対して起こす負荷インピーダンスの虚部をモニタして制御するだけで、Ｐs＝ＰG−ＰRの関係が実現するように増幅器１３２の出力電力を制御するのには十分である場合が多い。言い換えれば、プラズマ５０とワークピース５４との間のシースの厚みをモニタすれば、プラズマインピーダンスの虚部を示す信号を得ることができる。シース厚みを示す信号を用いて増幅器１３２の出力電力を制御することによって、シース厚みが一定に維持される。このような動作によって、図２の理想曲線１６０がほぼ実現され、非対称な応答曲線１６８に基づく動作が防がれる。
【００６３】
プラズマシースは、プラズマと、このプラズマに近接する、プラズマが発生する真空チェンバの表面との間の暗部であるので、プラズマシースからの光放出は全くない。したがってプラズマシースの厚みは、ワークピース５４と光を放出するプラズマ５０との間の暗部の高さを、図４に示す装置を用いて測定することによって、光学的にモニタできる。
【００６４】
図４において、光学的に透明な窓１８０がチェンバ４０の側壁４２に設けられている。チェンバ４０の外側に、窓１８０に沿って一直線に配置された光学的検出器アレイ１８２によって、プラズマ５０の底部とワークピース１５４の上面との間のプラズマシース１８４の厚みが検出される。アレイ１８２には、垂直に配列された５つの光検出器１９１〜１９５が設けられており、各検出器はそれぞれレンチキュラレンズ（ｌｅｎｔｉｃｕｌａｒ）２０１〜２０５に接続されている。光検出器１９１〜１９５およびレンズ２０１〜２０５は、光検出器１９１の視野が実際上ワークピース５４の上面のすぐ上にあり、光検出器１９５の視野がシース１８４の予想される最大厚みのすぐ下にくるように、配置される。光検出器１９２〜１９４の視野は、光検出器１９１および１９５の視野の間にある。
【００６５】
光検出器１９１〜１９５によって、各光検出器に関係する視野にプラズマ５０からの放出が含まれるかどうかに関係した二層の電気出力が得られる。プラズマ５０がある特定の光検出器の視野の中にない場合、その光検出器からの反応は暗く、その特定の光検出器によるシース１８４の画像に対応づけられる。したがって、出力が低い光検出器１９１〜１９５の数は、特定の光検出器の視野の中にあるシース１８４に関係づけられ、シース１８４の厚みにほぼ近い値を示す。
【００６６】
メモリシステム２４には、光検出器１９１〜１９５によって得られるシース厚みの表示と、ワークピース５４上のシースの容量とを相関させる信号が格納されたテーブル索引が含まれている。光検出器１９１〜１９５から、二層の信号がマイクロプロセッサ２４および３４に送られることによって、シース１８４の厚みが示される。容量マイクロプロセッサ２０は、光検出器１９１〜１９５によって得られたシース厚みの表示とワークピース５４上のシースの容量とを相関させるメモリシステムの信号と、光検出器１９１〜１９５が得たシース厚みの信号とに応答して、シース容量を示す信号を計算する。マイクロプロセッサ２０から、シース容量を示す信号が、ディスプレイ３２へ送られる。
【００６７】
またメモリシステム２４には、増幅器１３２の出力端子とワークピース５４との間の回路における（いろいろな値のコンデンサ１４０および１４６に対する）抵抗性およびリアクタンス性のインピーダンスを示す信号と、増幅器１３２の出力端子とワークピース５４との間の容量インピーダンスを計算するためのプログラムが格納されている。さらにメモリシステム２４には、各レシピに対する所望の（設定点の）容量インピーダンスを示す信号が格納されている。マイクロプロセッサ２０は、プログラムと、メモリシステム２４に入っている、増幅器１３２の出力端子とワークピース５４との間の回路における（いろいろな値のコンデンサ１４０および１４６に対する）抵抗性およびリアクタンス性のインピーダンスを示す信号と、所望の（設定点の）容量インピーダンスを示す信号とに応答して、増幅器１３２の所望の出力電力に関する設定点信号を、シース１８４の高さの関数として計算する。
【００６８】
マイクロプロセッサ３４は、光検出器１９１〜１９５からの信号と、マイクロプロセッサ２０からマイクロプロセッサ３４に送られるシース１８４の厚みに対する設定点信号とに応答する。設定点信号は、コンデンサ１４２および１４６の瞬間値と、処理中のワークピース５４の特定のレシピとの関数である。マイクロプロセッサ３４には、マイクロプロセッサ２０が得たシース高さ設定点信号と、光検出器１９１〜１９５が得た信号によって示される測定シース高さとの関数としての、増幅器１３２の利得に対する制御プログラムが含まれている。マイクロプロセッサ３４は、光検出器１９１〜１９５からの信号と、マイクロプロセッサ２０が得たシース高さ設定点信号とに応答して、増幅器１３２の出力電力を、増幅器１３２の利得を変化させることによって制御する。
【００６９】
図４に５つの光検出器が含まれているのは、説明のためだけであることを理解されたい。実際には、所望する分解能を与えるために、５つよりも著しく多い光検出器が要求される。その代わりに、光検出器１９１〜１９５と同じ視野と、シース厚み１８４の厚みによって決定される抵抗とを有する、連続した光検出器ストリップを用いて、シース１８４の厚みをモニタしても良い。このような場合、アナログディジタル変換器によって、ストリップの抵抗をディジタル信号に変化して、マイクロプロセッサ３４を駆動する。また、いろいろな計器および測定装置から、マイクロプロセッサ２０および３４にアナログの形態で信号が送られ、マイクロプロセッサはこれらのアナログ信号を変換してディジタル信号にすることも理解されたい。また、マイクロプロセッサには、必要に応じて、図１に示した様々な装置（たとえばバルブ７４および真空ポンプ８０）を駆動するためのディジタルアナログ変換器が備わっている。
【００７０】
本発明の特定の実施形態について説明し例示してきたが、添付した請求の範囲で規定される本発明の本来の趣旨と範囲とから逸脱することなく、具体的に例示し説明した実施の形態の詳細において変形を行っても良いことが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好ましい実施形態に係るプラズマ処理装置の全体のブロックダイアグラムを示す図
【図２】  従来技術および本発明の好ましい実施形態に係る、交流電源と高周波バイアス電極との間に接続された整合回路網の容量の関数としての、反射されるバイアス電力のプロットを示す図
【図３】  供給電力に対するプラズマインピーダンスの実部および虚部成分を示す応答曲線を示す図
【図４】  シースの厚みを測定することによって、高周波バイアス電極に対するプラズマ負荷の容量インピーダンス成分を測定するための光学画像装置が設けられた真空プラズマ処理チェンバの側面図を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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