(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物を処理するためのプラズマ加工処理システムであって、
プラズマに変換されるイオン化可能なガスが供給されるように適合されたプラズマチェンバーと、
前記プラズマチェンバー内に配置された、前記プラズマのイオンエネルギーレベルを制御するため、および加工物の保持のための電極と、
前記電極に接続され、前記加工物に直流バイアスを発生するために前記電極とともに設けられ、前記加工物への直流バイアスおよび前記プラズマのイオンエネルギーレベルに影響を及ぼすためのパラメーターを含む第１の高周波電源と、
前記プラズマを発生し、プラズマ密度を制御するためのコイルと、
前記コイルに接続され、前記プラズマチェンバーで前記イオン化可能なガスを前記プラズマに励起するためおよび前記プラズマの密度を制御するために前記コイルとともに設けられた第２の高周波電源と、
前記電極への前記第１の高周波電源の接続の結果としての前記加工物への直流バイアスおよび前記プラズマのイオンエネルギーレベルに影響を及ぼし、前記第１の高周波電源によって前記電極へ提供される少なくとも１つの電気的なパラメーターをモニターするためのセンサーを含み、前記モニターされた少なくとも１つの電気的なパラメーターおよび前記モニターされた少なくとも１つの電気的なパラメーターのための目標値によって決定されるフィードバック信号を引き出すため、並びに前記加工物への直流バイアスに影響を及ぼすための前記第１の高周波電源のパラメーターが前記目標値に制御され、前記プラズマチェンバー内のガス粒子のエネルギーレベルが前記直流バイアスによって制御され、かつ前記第２の高周波電源およびコイルの出力電圧に影響されないように、前記第１の高周波電源へ前記フィードバック信号を供給するために設けられたフィードバック回路とからなる。
【請求項２】
前記少なくとも１つの電気的なパラメーターは、前記電極に供給された電力、電圧または電流のいずれかを含む請求項１に記載のプラズマ加工処理システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマ加工処理システムにおいて、
前記コイルおよび第２の高周波電源は、前記プラズマチェンバー内のプラズマのプラズマ密度を制御するために設けられ、
前記第２の高周波電源およびコイルがプラズマに関して持つ影響の結果としての少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターをモニターするため、並びに前記モニターされた少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターおよび前記モニターされた少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターのための目標値によって決定される第２のフィードバック信号を引き出すための第２のセンサーを含み、前記モニターされた少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターが前記モニターされた少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターのための目標値へ制御されるように、前記第２の高周波電源へ前記第２のフィードバック信号を供給するために設けられた第２のフィードバック回路をさらに含み、
前記第２の高周波電源は、前記プラズマのプラズマ密度が当該第２の高周波電源の出力によって制御され、かつ前記第１の高周波電源および電極の出力電圧に影響されないように前記第２のフィードバック回路により制御される。
【請求項４】
前記第２のフィードバック回路によってモニターされた前記少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターは、前記コイルに供給された電力、電圧または電流のいずれかを含む請求項３に記載のプラズマ加工処理システム。
【請求項５】
前記第１の高周波電源および電極間に接続され、前記第１の高周波電源の出力インピーダンスと前記電極およびプラズマを含む負荷との間のインピーダンス整合を達成する整合回路をさらに備えた請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ加工処理システム。
【請求項６】
前記第２の高周波電源およびコイル間に接続され、前記第２の高周波電源の出力インピーダンスと前記コイルおよびプラズマを含む負荷との間のインピーダンス整合を達成する第２の整合回路をさらに備えた請求項５に記載のプラズマ加工処理システム。
【請求項７】
プラズマ加工処理システムで加工物を処理する方法であって、
前記プラズマ加工処理システムは、
プラズマに変換されるイオン化可能なガスが供給されるプラズマチェンバーと、
前記プラズマチェンバー内に配置された、前記プラズマのイオンエネルギーレベルを制御するため、および加工物の保持のための電極と、
前記電極に接続され、前記電極とともに前記加工物に直流バイアスを発生し、前記加工物への直流バイアスおよび前記プラズマのイオンエネルギーレベルに影響を及ぼすためのパラメーターを含む第１の高周波電源と、
前記プラズマを発生し、プラズマ密度を制御するためのコイルと、
前記コイルに接続され、前記コイルとともに前記プラズマチェンバーで前記イオン化可能なガスを前記プラズマに励起し、前記プラズマの密度を制御する第２の高周波電源とからなり、
前記方法は、
前記電極への前記第１の高周波電源の接続の結果としての前記加工物への直流バイアスおよび前記プラズマのイオンエネルギーレベルに影響を及ぼし、前記電極への前記第１の高周波電源の供給によって提供される少なくとも１つの電気的なパラメーターをモニターし、
前記モニターされた少なくとも１つの電気的なパラメーターおよび前記モニターされた少なくとも１つの電気的なパラメーターのための目標値によって決定されるフィードバック信号を引き出し、
前記加工物への直流バイアスに影響を及ぼす前記第１の高周波電源のパラメーターが前記目標値によって制御され、前記プラズマチェンバー内のガス粒子のエネルギーレベルが前記直流バイアスによって制御され、かつ前記第２の高周波電源およびコイルの出力電圧に影響されないように、前記第１の高周波電源へ前記フィードバック信号を供給することを含む。
【請求項８】
前記少なくとも１つの電気的なパラメーターは、前記電極に供給された電力、電圧または電流のいずれかを含む請求項７に記載のプラズマ加工処理方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載のプラズマ加工処理方法において、
前記コイルおよび第２の高周波電源は、前記プラズマチェンバー内のプラズマのプラズマ密度を制御し、
前記方法は、
前記第２の高周波電源およびコイルがプラズマに関して持つ影響の結果としての少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターをモニターし、
前記少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターおよび前記モニターされた少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターのための目標値によって決定される第２のフィードバック信号を引き出し、
前記モニターされた少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターが前記モニターされた少なくとも１つの第２の電気的なパラメーターのための目標値へ制御され、前記プラズマのプラズマ密度が前記第２の高周波電源の出力によって制御され、かつ前記第１の高周波電源および電極の出力電圧に影響されないように、前記第２の高周波電源へ前記第２のフィードバック信号を供給することをさらに含む。
【請求項１０】
前記プラズマ加工処理システムは、前記第１の高周波電源および電極間に接続された整合回路をさらに備え、
前記方法は、前記整合回路によって、前記第１の高周波電源の出力インピーダンスと前記電極およびプラズマを含む負荷との間のインピーダンス整合を達成することをさらに含む請求項７乃至９のいずれかに記載のプラズマ加工処理方法。
【請求項１１】
前記プラズマ加工処理システムは、前記第２の高周波電源およびコイル間に接続された第２の整合回路をさらに備え、
前記方法は、前記第２の整合回路によって、前記第２の高周波電源の出力インピーダンスと前記コイルおよびプラズマを含む負荷との間のインピーダンス整合を達成することをさらに含む請求項１０に記載のプラズマ加工処理方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、プラズマ加工処理システムに関し、特に、誘導性結合されたプラズマ加工処理システムにおけるイオンエネルギーの量および／またはプラズマ密度を制御するための方法と装置に関する。
背景技術
イオン化されたガス、またはプラズマは、半導体デバイスの加工処理と製造を通して一般的に使われている。例えば、プラズマは、半導体集積回路ウェハーをエッチングしたりまたは半導体集積回路ウェハーから原料を取り去ったり、さらに、半導体、導体または絶縁体の表面上に原料をスパッタリングしたり蒸着するために使用できる。製造または製造過程において使用するためのプラズマを発生させることは、一般的に、様々なプロセスガスを、ガスが集積回路ウェハーなどの加工物と接触するプラズマ反応装置内のプラズマチェンバーに導入することによって始まる。チェンバー内のガス粒子は、外部の電源からプラズマチェンバーに供給された高周波（rf）エネルギーによって、プラズマ中でイオン化される。加工処理の間に、プラズマおよびイオン化された粒子が、加工物と接触する。
プラズマチェンバーに加えられた高周波（rf）エネルギーは、その時、電子とイオンのさらなる生成を引き起こす個々のガス粒子に対して衝突する電子を加速する電界をもたらす。プラズマ反応装置内に電界をもたらすために、いくつかの方法がある。プラズマ加工処理システムの２種類の一般的なタイプが、容量性結合されたプラズマ加工処理システムと誘導性結合されたプラズマ加工処理システムである。
図１は、例えば、１９９７年マグロウヒル発行の「マイクロチップの製造」第３版（Van Zant,pp.267,268）に開示されるような、半導体デバイスの加工処理と製造に使用される典型的な容量性結合されたプラズマ加工処理システム１０を例示している。図に示されるように、プラズマ加工処理システム１０は、その中にプラズマチェンバー１３を有するプラズマ反応装置１２を備えている。プラズマ加工処理チェンバー１３内には、コンデンサーを形成する２つの電極１４ａおよび１４ｂが設けられている。電極１４ａはグラウンドに結合され、電極１４ｂは整合ネットワーク１８を介して電源１６から高周波（rf）エネルギーを受け取るために接続されている。電源１６がエネルギーを与えられるときには、高周波（rf）エネルギーは、電極１４ａと１４ｂの間に成形された容量性回路に加えられる。もしその時、プラズマチェンバー１３内にイオン化可能なガスが供給されるならば、高周波信号が加えられるときにプラズマ２２が形成される。
プラズマ加工処理システム１０は、ただ１つの電源１６を備えているので、電源１６により生成された高周波エネルギーの電力を増大させることは、電極１４ｂとウェハー２４においてプラズマの密度（すなわち、プラズマ密度）と直流（dc）バイアスを増大させる傾向がある。直流バイアスの増加は、通常、ウェハー２４と接触しているイオン化された粒子のエネルギー（すなわち、イオンエネルギー）を増大させるプラズマシース２６を横切る電位降下に対応した増加を引き起こす。
また、図２は、半導体デバイスの加工処理と製造のための従来の誘導性結合されたプラズマ加工処理システム３０を示す図である。図２に示されるシステムは、米国特許第4,946,458及び5,571,366に開示されるタイプのものである。誘導性結合されたプラズマ加工処理システム３０は、その中にプラズマチェンバー３３を有するプラズマ反応装置３２を含んでいる。図１のプラズマ加工処理システム１０と違って、誘導性結合されたプラズマ加工処理システム３０は、２つの電源３４と３６を含み、これらはプラズマチェンバー３３内に発生されたプラズマに影響を与える。電源３４は、プラズマ反応装置３２内に置かれた電極である受け台（例えば、加工物ホルダー）４０に、整合ネットワーク３８を介して高周波（rf）エネルギー信号を供給するために設けられている。電源３４の高周波（rf）エネルギーは、一般的に受け台４０の一番上の表面４４に置かれるウェハー４２に直流バイアスを生じさせる電極４０に供給される。
電源３６は、プラズマチェンバー３３の近くに配置されたコイル４８に、整合ネットワーク４６を介して高周波（rf）エネルギーを供給するために設けられている。窓５０、例えばセラミックのプレートは、プラズマチェンバー３３からコイル４８を分離する。また、図に示されるように、一般的に、プラズマ反応装置３２に対して、製造工程のために必要な最適な化学反応を供給するガス供給メカニズム５２が設けられている。ガス排気メカニズム５４は、プラズマチェンバー３３内の粒子を取り去り、プラズマチェンバー３３内に特定の気圧を維持する。結果として、電源３６により生成された高周波（rf）エネルギーが、プラズマチェンバー３３に供給されるイオン化可能なガスを伴うプラズマ５６を発生する。
プラズマ放電における高周波（rf）電力の制御と供給は、プラズマ加工処理において基本的な重要性をもっている。プラズマチェンバーにおける実際の電力の量は、プロセス条件に大いに影響している。プラズマチェンバーに供給された実際の電力の大きな変動は、気圧、温度、そしてエッチング速度などの他のプロセス可変パラメーターの予期されている作用を変化させてしまう。
図１と図２において説明されるように、プラズマチェンバー内に前もって決定された高周波電力を得るための最も一般的に使われる方法は、電力回路内に整合ネットワークを備えることである。整合ネットワークは、プラズマ放電のインピーダンス（容量性のまたは誘導性のリアクタンス）を、本質的に、電源に対する実質的な抵抗負荷に変換する。単一のまたは複数の電源は、その時、要求されたプロセスパラメーターに依存する前もって決定された電力レベルに設定できる。
一例として、典型的な整合ネットワークは、整合させる構成要素として（低い方から高い方までの高周波のための）可変のコンデンサーおよび／またはインダクタ、さらには、（マイクロ波周波数での使用のための）可変のキャビティータップまたは整合スタブを含んでいる。整合ネットワークは、手動によってまたは自動的に調整できが、ほとんどの整合ネットワークは変化する負荷条件に対して自動的に適合する。
プラズマチェンバーに供給される高周波（rf）電力の量をさらに制御する努力において、典型的なプラズマ加工処理システムでは、単一のまたは複数の電源からの出力が、監視され、そして制御される。これは、通常、電源自身の出力において、ある程度、整合ネットワークでの電力損失を無視してよいという仮定に基づいている。
しかし、プラズマチェンバーに供給される高周波（rf）電力は、例えば整合ネットワーク自体における予期しない損失のために、実質的に高周波電源出力よりも少ないことが突き止められた。容量性結合されたプラズマ加工処理システムの整合ネットワークでの損失を明らかにするために、付加的な感知回路と制御回路が電力回路に付加された。例えば、米国特許第5175472、5474648、および5556549は、プラズマチェンバー内の要求された高周波電力レベルに達するために、電源の出力を調整する付加的なフィードバック制御ループ回路を提供するために、高周波センサーとコントローラの使用の種々の方法を開示している。
コイルに供給された高周波電力がプラズマ密度を制御し、受け台に供給された高周波電力が、（すなわち、直流バイアスを制御することによって）ウェハーと接触しているイオンのエネルギーを制御するという点で、２つの電源がお互いに独立であると、長い間信じられていたので、そのようなフィードバック技術は、誘導性結合されたプラズマ加工処理システムにおいて使われなかった。そのため、２つの電源を持つことによって、プロセス上の付加的な制御は、２つの電源の出力を独立に設定して、それらを開ループモードで（すなわち、フィードバックなしで）操作することによって本来提供されると想定されていた。
しかし、実際には、プラズマ密度とイオンエネルギーは、ソースとウェハー受け台に供給された電力の間で結合しているので、真に独立したものではない。この結合は、図３に示されており、例えば、それは、コイルに供給される高周波電力を設定する様々な高周波電力、およびプラズマチェンバーのトップとウェハーの表面の間の様々なギャップ（すなわち、４または６ｃｍ）にふさわしい、直流バイアスに対するウェハーに供給された高周波電力のグラフである。図３にプロットされたデータは、カリフォルニア、フレモントのラム・リサーチ・コーポレーションから入手できるＴＣＰ９６００ＳＥ加工処理システムから収集された。図に示されるように、受け台に供給された高周波電力（すなわち、底部の電力）が増大する時に直流バイアスの大きさは増加する傾向がある。しかし、与えられた底部電力のために生じる直流バイアスは、また、コイルに供給される高周波電力（すなわち、ＴＣＰ電力）に依存し、さらにある程度はギャップ間隔６０に依存する。また、２つの高周波電源の間のこの結合は、ウェハーと接触しているイオンのエネルギーに反映している。従って、プラズマ密度がＴＣＰ電源によってもっぱら制御されるような場合、一方においてイオンエネルギーは、底部電源によって独占的に制御されることがない。
従って、誘導性結合されたプラズマ加工処理システムにおいて、プラズマ密度とイオンエネルギーをより効果的に制御するための方法と装置が必要とされている。
発明の概要
本発明の一実施例のとおり、プラズマ加工処理システムは、プラズマ反応装置、第１の電力回路、第２の電力回路、およびフィードバック回路を含んでいる。プラズマ反応装置内には、１つのプラズマ反応炉を有する。第１の電力回路は、プラズマチェンバー内の第１の高周波（rf）エネルギーを供給するために設けられている。第１の高周波エネルギーは、プラズマチェンバー内に置かれた加工物に直流バイアスを発生させるのに適したものである。第２の電力回路は、プラズマチェンバー内に第２の高周波エネルギーを供給するために設けられている。第２の高周波エネルギーは、プラズマチェンバー内で例えばプラズマチェンバーに供給されたガス分子と原子をイオン化してプラズマを打つのに適したものである。フィードバック回路は、第１の電力回路に結合され、第１の高周波エネルギーと関連した少なくとも１つのパラメーターを検出するために設けられている。フィードバック回路は、その時、検出されたパラメーターに基づくフィードバック制御信号を第１の電力回路に出力する。第１の電力回路は、このフィードバック制御信号にすぐに反応し、プラズマチェンバー内のイオン化された粒子のエネルギーレベルが第１の高周波エネルギーによって発生した直流バイアスを介して実質的に制御されるような第１の高周波エネルギーをプラズマチェンバーに供給する。
本発明の他の実施例において、第２の電力回路に結合された第２のフィードバック回路は、第２の高周波エネルギーと関連した少なくとも１つのパラメーターを検出する。第２のフィードバック回路は、パラメーターに基づく第２のフィードバック制御信号を第２の電力回路に出力する。第２の電力回路は、第２のフィードバック制御信号に反応して、プラズマチェンバー内のプラズマ密度のレベルが実質的に制御されるような第２の高周波エネルギーをプラズマチェンバーに供給する。
さらに、本発明の他の実施例のとおり、第１の電力回路および第２の電力回路を備えている誘導性結合されたプラズマ反応装置においては、制御回路は、イオンエネルギーとプラズマ密度を独立して制御する。この制御回路は、プラズマ反応装置内の電極に供給するとき、第１の電力回路からの出力信号の少なくとも１つのパラメーターの測定量に反応する。制御回路は、測定されたパラメーターと要求パラメーターレベルに基づいて第１の電力回路からの出力信号を調整する。従って、第１の電力回路の出力が、イオンエネルギーレベルを制御する直流（dc）バイアスを電極に発生させるので、イオンエネルギーは、第１の電力回路の出力の大きさを介して独立に制御される。さらに、プラズマ密度も、プラズマを発生させる第２の電力回路の出力の大きさをによって独立に制御される。
さらに、本発明の他の実施例のとおり、この方法は、第１のソースからプラズマ反応装置に第１の高周波（rf）エネルギーを供給すること、第１のソースからの第１の高周波エネルギーに応じて加工物上に直流バイアスを発生させること、第２のソースからプラズマ反応装置にエネルギーを供給すること、第２のソースからの高周波エネルギーによってプラズマチェンバー内にプラズマを打つこと、第１の高周波ソースがプラズマに供給するエネルギーに関わるパラメーターを検出すること、このパラメーターと要求パラメーターとを比較すること、および比較結果に基づいて、第１の高周波ソースによって設定されるように加工物と接触しているイオン化された粒子のエネルギーレベルが直流バイアスの大きさを介して実質的に制御されるように第１の高周波ソースの出力を修正することをさらに含んでいる。
さらに本発明の別の実施例のとおり、この方法は、第２のソースがプラズマに供給する高周波エネルギーの第２のパラメーターを検出すること、この第２のパラメーターを第２の要求パラメーターレベルと比較し、比較結果に基づいて、プラズマ反応装置内のプラズマ密度が実質的に制御されるように第２の高周波ソースを修正することを含んでいる。
本発明に関して割愛したことおよび本発明の他の特徴、様相、および利点は、添付図面を用いた本発明の以下の詳細な説明からより明白になる。
【図面の簡単な説明】
図１は、単一な電源を備えている従来の容量性結合されたプラズマ加工処理システムを説明するブロック図である。
図２は、２つの電源を備えている従来の誘導性結合されたプラズマ加工処理システムを説明するブロック図である。
図３は、図２のコイルに供給される電力と図２の加工物ホルダーに供給される電力の関数として直流（dc）バイアスレベルをグラフ化したものである。
図４ａは、本発明の一実施形態における、フィードバック回路を備えることで、改善された誘導性結合されたプラズマ加工処理システムを説明するブロック図である。
図４ｂは、本発明の一実施形態における、２つのフィードバック回路を備えることで、改善された誘導性結合されたプラズマ加工処理システムを説明するブロック図である。
図５は、図４ａおよび図４ｂの誘導性結合されたプラズマ加工処理システムにおいて使われ得る本発明の実施形態におけるフィードバック回路の１つの実施例を説明するブロック図である。
図６ａは、図２に示されるような従来の誘導性結合されたプラズマ加工処理システムのプラズマチェンバーに供給された結果として生じている負荷電力を説明するグラフである。
図６ｂは、本発明の一実施形態における、図４ａに示されるような改善された誘導性結合されたプラズマ加工処理システムのプラズマチェンバーに供給された結果として生じている負荷電力を説明するグラフである。
図７は、図２に示されるような従来の誘導性結合されたプラズマ加工処理システムにおいて電源から見た好適な整合ネットワークと処理チェンバー負荷を説明する簡素化された概略回路図である。
図８は、図６ａおよび図６ｂにおいてプロットされたデータに相当している負荷抵抗と電力送り出し効率との関係を説明するグラフである。
好適な実施形態の詳細な説明
プラズマ処理は、例えば半導体ウェハーなどの加工物の処理結果を評価することによって、最終的に最適化され、そして特徴付けられる。この処理結果は、プラズマ処理パラメーターの関数として特徴付けることができ、その関数は、例えば高周波電力、プラズマガス気圧、温度、プラズマチェンバーのギャップ間隔、プラズマ形成に用いるガスのタイプ、そしてガス流量等である。上記のように、プラズマ処理のよりよい制御のために、処理チェンバーに実際供給される高周波電力の特性を制御することが望ましい。
本発明の様々な実施形態の方法と装置は、誘導性結合されたプラズマ加工処理システムにおけるプラズマ密度および／またはイオンエネルギー上の改善された制御を提供する。例えば、本発明によって、プラズマ密度とイオンエネルギーは、プラズマチェンバーに適用されるような電源のそれぞれの高周波電力の影響を本質的に結び付けない１つ以上のフィードバック制御回路によって独立して制御できる。
この考えをもって、図４ａは、本発明の一実施形態に従って、バイアス電力回路の付加的なフィードバック回路１００を除いて、図２に示されたプラズマ加工処理システムと同様な改善された誘導性結合されたプラズマ加工処理システム３０’を説明するブロック図である。
図に示されるように、フィードバック回路１００は、受け台４０と電源３４の間に連結され、整合ネットワーク３８によって受け台４０に供給された高周波信号の少なくとも１つのパラメーターを測定する。このパラメーターは、例えば、電流、電圧、電力、インピーダンス、および／または電力回路とプラズマ反応装置３２内の受け台４０と負荷に供給されたときの高周波信号に関連した位相角等を含んでいる。これらの感知されたパラメーターのうちの１つ以上に基づいて、例えば、供給された高周波電力または負荷インピーダンスが、測定され、および／または、派生される。
フィードバック回路１００は、例えば受け台４０に供給された高周波信号の電圧（例えば、実効値電圧）を監視し、供給された電力を計算し、供給された電力と要求された電力レベルとを比較するために設けられている論理回路および／またはコンピュータ処理回路を含んでいる。この比較結果は、例えばフィードバック制御信号として電源３４に供給される。このフィードバック制御信号は、要求された電力レベルと一致するように、電源３４の出力を調整する。
当業者ならば、他のパラメーターが監視されて、これらのパラメータが、同様に、受け台４０に供給された高周波信号を調整するために使用できることを認識するだろう。一例としては、もしユーザーが、気圧、ガス供給量またはＴＣＰ電力などの他の処理パラメーターを変える場合に、固定したイオンエネルギーを維持したいならば、コントローラは、固定した実効値電圧レベルを受け台４０に維持するために設定できる。これは、同様に、直流バイアスとイオンエネルギーを固定することに相当するであろう。
図４ｂは、本発明の別の実施例に従って、プラズマを発生する電力回路の第２のフィードバック回路１０２を除いて、図４ａに示されたプラズマ加工処理システムと同様な改善された誘導性結合されたプラズマ加工処理システム３０”を説明するブロック図である。
図に示されるように、フィードバック回路１０２は、コイル４８と電源３６の間に連結され、整合ネットワーク４６によってコイル４８に供給された高周波信号の少なくとも１つのパラメーターを測定する。フィードバック回路１００と同様に、パラメーターは、例えば、電流、電圧、電力、インピーダンス、および／または電力回路とプラズマ反応装置３２内のコイル４８と負荷に供給された高周波エネルギーに関連した位相角等を含んでいる。これらの感知されたパラメーターのうちの１つ以上に基づいて、例えば、供給された高周波電力または負荷インピーダンスが計算される。
一例として、フィードバック回路１０２は、コイル４８に加えられた高周波信号の電圧（例えば、実効値電圧）を監視し、供給された電力を計算し、供給された電力と要求された電力レベルとを比較するための論理回路および／またはコンピュータ処理回路を含んでいる。この比較結果は、例えばフィードバック制御信号として電源３６に供給される。このフィードバック制御信号は、要求された電力レベルと一致するように、電源３６の出力を調整する。
さらに、フィードバック回路１００と１０２を、命令を実行するコンピュータと、このコンピュータを走らせる他のコンピュータのような一般的なコンピュータ処理回路に分けることができることが知られている。分けられたコンピュータ処理回路は、１つ以上のフィードバック制御信号を発生することにおいて、電源から、感知されたパラメーターのそれぞれだけでなく製造プロセスの状態を考慮するデータをさらに含むことができる。
図５は、例えば図４ａおよび図４ｂにおいて、誘導性結合されたプラズマ加工処理システムの電源にフィードバック制御信号を供給するために使用されるフィードバック回路１００’の一実施例を説明するブロック図である。フィードバック回路１００’は、センサー１０４とコントローラ１０６を含んでいる。センサー１０４は、負荷に供給した高周波（rf）信号の１つ以上のパラメータ（例えば、ケーブル、コネクタ、受け台、コイル／共鳴器、プラズマ、ウェハー、または同類、およびこれらに関連した要素）を測定または検出し、感知されたパラメーター信号をコントローラ１０６に出力する。
好適な実施例におけるセンサー１０４は、コロラドのフォートコリンズにあるアドバンスト・エネルギー・コーポレーション（Advanced Energy Corporation）から入手できるＲＦＺ６０高周波プローブである。ＲＦＺ６０を用いて、電力、電圧、および複素数インピーダンスが、順方向および反射方向の高周波のベクトル結合を表現する低レベルの信号から取り出される。センサーは、様々な知られている負荷、および（アドバンスト・エネルギー・コーポレーションから提供される）推定アルゴリズムを使って較正され、高調波はプローブ内のフィルタで抑圧される。
コントローラ１０６は、センサー１０４から、感知されたパラメーター信号を受け取り、フィードバック制御信号を電源（例えば、電源３４または３６）に供給する。コントローラ１０６は、さらに、電源に対するオペレーションの要求レベルを定義する要求パラメーターレベルの指示を受け取る。例えば、要求パラメーターレベルは、コントローラ１０６，或いは、コントローラ１０６に情報を供給する別の回路／デバイス（電源自身など）に対して直接ユーザーによって設定または信号入力される。コントローラ１０６は、例えば、プロセッサ、メモリー、および入出力メカニズムを含んでいるコンピュータシステムである。
好ましい実施例では、コントローラ１０６は、アドバンスト・エネルギー・コーポレーションから入手できるインテリジェントケーブルデバイスを含んでいる。インテリジェントケーブルデバイスは、ＲＦＺ６０プローブと電源の電力制御回路に連結される。インテリジェントケーブルは、どのような残留計算でも完遂し、電源内の電力制御回路（図示せず）から受け取れるように、要求パラメーターレベルに基づくフィードバック制御信号を生成する。さらに、インテリジェントケーブルは、能力を監視および／または制御する付加的なパラメータを供給するために、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のコンピュータシステムに連結される。
フィードバック回路１００’無しでは、電力回路は、本質的に開ループモードで動作し、要求された電力が（例えば）マシンコンソールにおいて設定されて、電源は整合ネットワークと負荷にその量の電力を供給する。しかし、フィードバック回路１００’を備えると、電力回路は、本質的に、要求された電力レベルが実際にセンサー１０４によって測定されたように負荷に加えることを保証するために、電源から供給された高周波電力、電圧および／または電流の量を制御する閉ループモードで動作する。
本発明の様々な実施例の利点は、ラムリサーチＴＣＰ９６００ＳＥシステムから収集されたデータのテスト結果を示す図６ａおよび図６ｂにおいて明確に説明される。図６ａのデータは、システムが、データを収集するために高周波プローブが使用されたことを例外として図２に例示するように構成され開ループモードで動作されたときに収集された。図６ｂのデータは、システムが、図４ａと図５に従って配置された閉ループモードで動作されたときに収集された。
図６ａに例示するような開ループモードでは、受け台に加えられた高周波電力の測定電圧は、電源３４（バイアス電力）と電源３６（ＴＣＰ電力）からの出力の関数である。電源３４によって生成された電圧は垂直軸に沿ってプロットされ、センサー１０４によって測定された実際の負荷電力は水平軸に沿ってプロットされている。この例において、バイアス電力のレンジは１００ワットから５００ワットまでであり、ＴＣＰ電力のレンジは０ワットから８００ワットまでであり、双方とも１００ワット間隔でプロットされている。
図６ｂに例示するような閉ループモードでは、また、電源３４によって生成された高周波信号の電圧が垂直軸に沿ってプロットされ、センサー１０４によって測定された実際の負荷電力が水平軸に沿ってプロットされている。また、この例では、バイアス電力のレンジは１００ワットから５００ワットまでであり、ＴＣＰ電力のレンジは０ワットから８００ワットまでであり、双方とも１００ワット間隔でプロットされている。図に示されるように、供給された高周波電力は、今度は実質的に一定で、ＴＣＰ電力から独立している。
この考えをもって、今や電力回路の効率が考慮される。負荷への電力供給の効率は、種々のシステムの間で製法を移す時に、かなりの関心と重要性をもっている。ネットワークを通る電力転送の効率は次のように定義される。
効率＝（ＰL／ＰG）      …（等式１）
ここで、ＰLは負荷に供給された電力であり、ＰGは電源から供給された電力である（ケーブルでの電力損失を無視し、反射電力が低いと仮定する）。例えば、ＰLとＰGは、定義された間隔によってセンサーとコントローラにより測定されて、記録できる。
図７は、電源から見たときの好適な整合ネットワークと処理チェンバー負荷を説明する簡素化された概略回路２００を示す図である。回路２００は、整合抵抗ＲM２０２、整合インダクタンス２０４、整合連続静電容量２０６、負荷インピーダンス２０８、および電流（i）２１０を含んでいる。
従って、効率は次の式によって表すことができる。
効率＝ＰL／（ＰL＋ＰM）
＝（ｉ2×ＲL）／｛（ｉ2×ＲL）＋（ｉ2×ＲM）｝
＝ＲL／（ＲL＋ＲM）      …（等式２）
ここで、ＰMは、整合ネットワークにおいて浪費された電力である。もし整合抵抗ＲMが一定であるなら、そのとき、等式１対ＲLから得られた効率のプロットは、ＲMの値が抽出できる等式２の簡単な形状を持っているべきである。ＲLが単一に０と等しいとき、ＲLがＲMよりもずっと大きく、そしてプロットは化学反応、電力、気圧などから独立であり、整合ネットワークと負荷抵抗にだけ依存するときには、効率は０から上がる。もし整合ネットワークが異なる内部抵抗を持っているならば、整合ネットワークは同じ電源に対して異なる供給電力を引き起こす。それにもかかわらず、効率を知り、フィードバック回路を使うことによって、供給電力はより効果的に制御できる。
図８は、電力送出効率と図６ａおよび図６ｂのデータに相当している負荷抵抗との関係を説明するグラフである。データは、上記等式２によって記述された曲線のまわりで接近してかたまりになっており、さらに、その効率はプラズマ負荷の大きさに従って変わることを例示している。従って、閉ループモードにおいては、供給電力が、要求された値に正確に設定できるのに対して、開ループモードでは、プラズマに実際に供給された電力は本質的に未知である。
さらに、図４ｂにおいて説明されたシステム構成（すなわち、２つのフィードバック回路）においては、整合ネットワーク、浮遊容量、インダクタンス、または電力回路と加工処理システムの他の要素が原因となる、効率におけるどのような損失からも独立な（理論的）ソースにおいて、供給電力を制御することができるという付加された利益がある。
本発明の一実施例のとおり、プラズマ反応装置のイオンエネルギーを制御するための方法方法は、（ａ）第１のソースからプラズマ反応装置に高周波エネルギーを供給すること、（ｂ）連結された第１のソースからプラズマ反応装置内に置かれた加工物に高周波エネルギーによって直流バイアスを発生させること、（ｃ）第２のソースからプラズマ反応装置に第２の高周波エネルギーを供給し、さらに、第２の高周波ソースからのエネルギーによってプラズマ反応装置内にプラズマを打つこと、（ｄ）高周波センサーで高周波エネルギーのパラメーター、即ち、第１のソースからの高周波エネルギーが整合ネットワークによって生成されそして調節された後に検出されたパラメーターを検出すること、（ｅ）この検出されたパラメーターと要求されたパラメーターレベルとを比較すること、さらに、（ｆ）比較結果に基づいて、高周波信号によって設定されるように、加工物と接触しているイオン化された粒子のエネルギーレベルが直流バイアスの大きさを介して制御されるように第１のソースの高周波出力を修正することを含んでいる。
本発明の別の実施例のとおり、上記と同様な方法は、プラズマ密度を制御する。そのために、この同様な方法は、第２の高周波ソースによってプラズマに供給された高周波の第２のパラメーターを検出すること、この第２のパラメーターと第２の要求パラメーターレベルとを比較すること、および、この第２の比較結果に基づいて、プラズマ反応装置内のプラズマの密度が制御されるように第２の高周波ソースの出力を修正することを含んでいる。
本発明の方法と装置は、直流バイアスを発生させるための電源と、プラズマを発生させるための電源の、少なくとも２つの電源を備えている他のプラズマ加工処理システムに適用可能である。一例として、本発明は、誘導性結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）、変圧器結合プラズマ（Transformer Coupled Plasma：ＴＣＰ）、電子サイクロトロン共鳴（Electroncyclotron：ＥＣＲ）、およびヘリコンまたはヘリカルに共鳴しているプラズマ加工処理システムに適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図７】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図８】
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