(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数を有する第１の高周波電力と前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波電力とを１つの負荷に供給する高周波電源装置において前記第１の高周波電力に関する情報を検出するための高周波検出方法であって、
前記第１の周波数を有する第１の高周波信号と前記第２の周波数を有する第２の高周波信号との混合信号である第３の高周波信号を前記高周波電源装置の所定のノードで検出する第１のステップ、
前記第１および第２の周波数の間の第３の周波数だけ前記第１の周波数から高周波側または低周波側にずらした周波数を有する基準信号を生成する第２のステップ、
前記第１のステップで検出した第３の高周波信号と前記第２のステップで生成した基準信号との混合信号を生成する第３のステップ、
前記第３のステップで生成した混合信号から前記第３の周波数を有する第４の高周波信号を抽出する第４のステップ、および
前記第４のステップで抽出した第４の高周波信号に基づいて前記第１の高周波電力に関する情報を検出する第５のステップを含む、高周波検出方法。
【請求項２】
第１の周波数を有する第１の高周波電力と前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波電力とを１つの負荷に供給する高周波電源装置において前記第１の高周波電力に関する情報を検出するための高周波検出回路であって、
前記第１の周波数を有する第１の高周波信号と前記第２の周波数を有する第２の高周波信号との混合信号である第３の高周波信号を前記高周波電源装置の所定のノードで検出する信号検出回路、
前記第１および第２の周波数の間の第３の周波数だけ前記第１の周波数から高周波側または低周波側にずらした周波数を有する基準信号を生成する信号発生回路、
前記信号検出回路によって検出された第３の高周波信号と前記信号発生回路によって生成された基準信号との混合信号を生成するミキサ回路、
前記ミキサ回路によって生成された混合信号から前記第３の周波数を有する第４の高周波信号を抽出するフィルタ回路、および
前記フィルタ回路によって抽出された第４の高周波信号に基づいて前記第１の高周波電力に関する情報を検出する情報検出回路を備える、高周波検出回路。
【請求項３】
前記信号検出回路、前記信号発生回路、前記ミキサ回路および前記フィルタ回路は２組設けられ、
一方の組の信号検出回路は、前記所定のノードの高周波電圧を示す第３の高周波信号を検出し、
他方の組の信号検出回路は、前記所定のノードの高周波電流を示す第３の高周波信号を検出し、
前記情報検出回路は、２つのフィルタ回路によって抽出された２つの第４の高周波信号に基づいて前記第１の高周波電力に関する情報を検出する、請求項２に記載の高周波検出回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は高周波検出方法および高周波検出回路に関し、特に、第１の周波数を有する第１の高周波電力と第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波電力とを１つの負荷に供給する高周波電源装置において第１の高周波電力に関する情報を検出するための高周波検出方法および高周波検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、比較的高い周波数ｆの高周波電力と比較的低い周波数ｆ１の高周波電力とを１つの反応室に供給するプラズマプロセス技術が開発されている。このプラズマプロセス技術では、プラズマは主に周波数ｆの高周波電力で生成され、周波数ｆ１の高周波電力は基板近傍におけるイオンの挙動を制御するために用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなプラズマプロセス技術では、周波数ｆの電圧、電流、電力などを正確に測定することが重要であるが、ｆがｆ１の１０００倍程度以上になると、その測定は困難である。なぜなら、反応室内で周波数ｆの高周波電力が周波数ｆ１の高周波電力で変調されて周波数ｆ±ｎｆ１（ただし、ｎは０以上の整数である）の高周波電力が発生し、周波数ｆ±ｎｆ１の高周波信号から周波数ｆの高周波信号のみを抽出するフィルタ回路が現在では存在しないからである。
【０００４】
このため、従来は周波数ｆ±ｎｆ１の電圧、電流、電力などを周波数ｆの電圧、電流、電力などとして扱っていたので、周波数ｆ１の電圧、電流、電力などのレベル変化によって周波数ｆの電圧、電流、電力などのレベルも変化することとなり、測定の再現性が低かった。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、第１の周波数を有する第１の高周波電力と第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波電力とを１つの負荷に供給する高周波電源装置において、第１の高周波電力に関する情報を容易かつ正確に検出することが可能な高周波検出方法および高周波検出回路を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る高周波検出方法は、第１の周波数を有する第１の高周波電力と第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波電力とを１つの負荷に供給する高周波電源装置において第１の高周波電力に関する情報を検出するための高周波検出方法であって、第１の周波数を有する第１の高周波信号と第２の周波数を有する第２の高周波信号との混合信号である第３の高周波信号を高周波電源装置の所定のノードで検出する第１のステップと、第１および第２の周波数の間の第３の周波数だけ第１の周波数から高周波側または低周波側にずらした周波数を有する基準信号を生成する第２のステップと、第１のステップで検出した第３の高周波信号と第２のステップで生成した基準信号との混合信号を生成する第３のステップと、第３のステップで生成した混合信号から第３の周波数を有する第４の高周波信号を抽出する第４のステップと、第４のステップで抽出した第４の高周波信号に基づいて第１の高周波電力に関する情報を検出する第５のステップとを含むものである。
【０００７】
また、この発明に係る高周波検出回路は、第１の周波数を有する第１の高周波電力と第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波電力とを１つの負荷に供給する高周波電源装置において第１の高周波電力に関する情報を検出するための高周波検出回路であって、第１の周波数を有する第１の高周波信号と第２の周波数を有する第２の高周波信号との混合信号である第３の高周波信号を高周波電源装置の所定のノードで検出する信号検出回路と、第１および第２の周波数の間の第３の周波数から第１の周波数から高周波側または低周波側にずらした周波数を有する基準信号を生成する信号発生回路と、信号検出回路によって検出された第３の高周波信号と信号発生回路によって生成された基準信号との混合信号を生成するミキサ回路と、ミキサ回路によって生成された混合信号から第３の周波数を有する第４の高周波信号を抽出するフィルタ回路と、フィルタ回路によって抽出された第４の高周波信号に基づいて第１の高周波電力に関する情報を検出する情報検出回路とを備えたものである。
【０００８】
好ましくは、信号検出回路、信号発生回路、ミキサ回路およびフィルタ回路は２組設けられる。一方の組の信号検出回路は、所定のノードの高周波電圧を示す第３の高周波信号を検出する。他方の組の信号検出回路は、所定のノードの高周波電流を示す第３の高周波信号を検出する。情報検出回路は、２つのフィルタ回路によって抽出された２つの第４の高周波信号に基づいて第１の高周波電力に関する情報を検出する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施の形態による半導体製造装置の構成を示すブロック図である。図１において、この半導体製造装置は、高周波電源１，９、高周波センサ２，５、整合器３，８、コントローラ４、モニタ装置６、および反応室７を備える。この半導体製造装置は、高周波電源１からの比較的高い周波数ｆ（たとえば５００ＭＨｚ）の高周波電力と、高周波電源９からの比較的低い周波数ｆ１（たとえば８００ＫＨｚ）の高周波電力とを１つの反応室７に供給してプラズマを発生させるものである。
【００１０】
高周波電源１は、周波数ｆの高周波電力を反応室７に与えるためのメイン電源装置である。高周波電源１は、図２に示すように、発振器１０、増幅器１１、方向性結合器１２、フィルタ回路１３，１６、出力電力検出器１４、出力電力表示部１５、反射電力検出器１７および反射電力表示部１８を含む。
【００１１】
発振器１０は、周波数ｆの高周波信号を出力する。増幅器１１は、発振器１０で生成された高周波信号を所望の電力の信号に増幅する。増幅された高周波信号は、方向性結合器１２を介して整合器３に与えられる。
【００１２】
方向性結合器１２は、図３に示すように、主同軸線路２０、副同軸線路２１および抵抗素子２２，２３を含む。主同軸線路２０は、内部導体２０ａおよび外部導体２０ｂを含み、増幅器１１と整合器３の間の同軸線路の一部を構成している。副同軸線路２１は、内部導体２１ａおよび外部導体２１ｂを含む。外部導体２０ｂ，２１ｂは、ともに接地されている。副同軸線路２１の中央部は、主同軸線路２０のインピーダンス変化がなるべく小さくなるようにして、主同軸線路２０の一部に疎結合されている。抵抗素子２２は、副同軸線路２１の内部導体２１ａの上流側端部と接地電位ＧＮＤのラインとの間に接続されている。抵抗素子２３は、副同軸線路２１の内部導体２１ａの下流側端部と接地電位ＧＮＤのラインとの間に接続されている。抵抗素子２２と２３は、同じ抵抗値Ｒを有する。
【００１３】
主同軸線路２０の特性インピーダンスＺ0と、主同軸線路２０および副同軸線路２１間の結合静電容量Ｃ0と、主同軸線路２０および副同軸線路２１間の相互インダクタンスＭと、抵抗素子２２，２３の抵抗値Ｒとは、Ｚ0＝Ｍ／Ｃ0Ｒの関係を有する。抵抗素子２２，２３の端子間電圧をそれぞれＶ１，Ｖ２とし、比例定数をＫとすると、進行波電力Ｐｆおよび反射波電力ＰｒはそれぞれＫ（Ｖ１）2，Ｋ（Ｖ２）2となる。方向性結合器１２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２は、それぞれフィルタ回路１３，１６に与えられる。
【００１４】
フィルタ回路１３は、へテロダイン方式により、周波数ｆ±ｎｆ１の高周波信号Ｖ１を周波数Δｆの高周波信号Ｖ１′に変換するものである。周波数Δｆは、高周波電源１の周波数ｆよりも十分に低く、高周波電源９の周波数ｆ１よりも高い周波数（たとえば１０．６ＭＨｚ）である。すなわち、フィルタ回路１３は、図４に示すように、局部発振器２５、ミキサ２６およびバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２７を含む。局部発振器２５は、高周波電源１の周波数ｆと所定の周波数Δｆとの和の周波数ｆ＋Δｆの高周波信号ＶＲを生成してミキサ２６に与える。ミキサ２６は、方向性結合器１２の出力信号Ｖ１と局部発信器２５の出力信号ＶＲとを混合する。
【００１５】
ここで、信号Ｖ１は、２つの高周波電源１，９の出力信号の混合波になっており、図５に示すように、周波数ｆ±ｎｆ１の成分を有する。ミキサ２６の出力信号Ｖ１×ＶＲは、中心周波数ｆ±ｎｆ１と周波数Δｆ±ｎｆ１，２ｆ＋Δｆ±ｎｆ１の３成分を有する。ｆ／ｆ１は１０００程度であるので周波数ｆ±ｎｆ１の成分を有する信号Ｖ１から周波数ｆの成分を抽出するバンドパスフィルタを作成するのは困難であるが、Δｆ／ｆ１は１０程度であるので周波数Δｆ±ｎｆ１の成分を有する信号Ｖ１×ＶＲから周波数Δｆの成分を抽出するバンドパスフィルタを作成するのは可能である。バンドパスフィルタ２７は、信号Ｖ１×ＶＲから周波数Δｆの信号成分Ｖ１′を抽出する。信号Ｖ１′のレベル情報および位相情報は、信号Ｖ１の周波数ｆの成分のレベル情報および位相情報を含んでいる。
【００１６】
出力電圧検出器１４は、信号Ｖ１′のレベル情報Ｖ（たとえば振幅）を検出し、数式Ｐｆ＝Ｋ′Ｖ2（ただし、Ｋ′は比例定数である）に基づいて周波数ｆの進行波電力Ｐｆを検出する。出力電力表示部１５は、出力電力検出器１４で検出された進行波電力Ｐｆをたとえばデジタル表示する。
【００１７】
フィルタ回路１６も、フィルタ回路１３と同じ構成である。フィルタ回路１６から反射電力検出器１７に、信号Ｖ２の周波数ｆの成分のレベル情報および位相情報を含む信号Ｖ２′が与えられる。反射電力検出器１７は、信号Ｖ２′のレベル情報Ｖを検出し、数式Ｐｒ＝Ｋ′Ｖ2に基づいて周波数ｆの反射波電力Ｐｒを検出する。反射電力表示部１８は、反射電力検出器１７で検出された反射波電力Ｐｒをたとえばデジタル表示する。
【００１８】
高周波センサ２は、図６に示すように、同軸線路３０、コイル３１，３２、コンデンサ３３〜４４、ダイオード４５〜４８、抵抗素子４９〜５７、可変抵抗素子５８，５９、およびフィルタ回路６０〜６３を含む。フィルタ回路６０〜６３の各々は、図４で示したフィルタ回路１３と同じ構成である。同軸線路３０は、内部導体３０ａおよび外部導体３０ｂを含み、高周波電源１と整合器３の間の同軸線路の一部を構成している。
【００１９】
コイル３１は同軸線路３０の内部導体３０ａと電磁誘導結合されており、コイル３１には内部導体３０ａに流れる電流に応じたレベルおよび位相の電流Ｉが流れる。コイル３１の一方端子は、フィルタ回路６０の入力ノード６０ａに接続される。キャパシタ３３，３４は、内部導体３０ａとフィルタ６１の入力ノード６１ａとの間に直列接続される。ノード６１ａには、内部導体３０ａの電圧に応じたレベルおよび位相の電圧Ｖが発生する。ダイオード４６、抵抗素子５２、可変抵抗素子５８、抵抗素子４９およびダイオード４５はフィルタ回路６１，６０の出力ノード６１ｂ，６０ｂ間に直列接続され、可変抵抗素子５８の摺動端子５８ａは所定位置に固定されている。端子５８ａには、電圧Ｖと電流Ｉの比Ｚの特性インピーダンスＺ0（たとえば５０Ω）に対するずれに相当する信号ＶＺが現われる。信号ＶＺのレベルは、整合時に０になる。
【００２０】
コイル３２は、同軸線路３０の内部導体３０ａと電磁誘導結合されており、コイル３２には内部導体３０ａに流れる電流に応じたレベルおよび位相の電流Ｉが流れる。コイル３２の２つの端子は、それぞれフィルタ回路６２，６３の入力ノード６２ａ，６３ａに接続される。キャパシタ３９，４０は、内部導体３０ａとノードＮ５４との間に直列接続される。ノードＮ５４には、内部導体３０ａの電圧に応じたレベルおよび位相の電圧Ｖが発生する。ノードＮ５４は、抵抗素子５４，５６を介してコイル３２の２つの端子に接続されるとともに、抵抗素子５５を介して接地される。
【００２１】
ダイオード４７、抵抗素子５３、可変抵抗素子５９、抵抗素子５１およびダイオード４８はフィルタ回路６２，６３の出力ノード６２ａ，６３ａ間に直列接続され、可変抵抗素子５９の摺動端子５９ａは所定位置に固定されている。抵抗素子５４〜５６およびダイオード４７，４８は、バランス・モジュールを構成する。端子５９ａには、電圧Ｖと電流Ｉの位相差φに比例するレベルの信号Ｖφが現われる。信号Ｖφのレベルは、整合時に０になる。なお、コンデンサ３５〜３８，４１〜４４および抵抗素子４９，５２，５３，５７は、ノイズ除去および電位平滑化のために設けられている。
【００２２】
整合器３は、図７に示すように、整合素子６４，６５および駆動装置６６，６７を含む。整合素子６４，６５の各々のインピーダンスは制御可能になっている。整合器３の入力端子側から反応室７側を見たインピーダンスが高周波電源１および整合器３間の同軸線路の特性インピーダンスＺ0に等しくなると、反射電力Ｐｒが最小値になる。駆動装置６６，６７の各々は、モータ、ギアなどを含み、整合素子６４，６５を駆動させる。
【００２３】
コントローラ４は、高周波センサ２からの信号ＶＺのレベルが最小値になるように駆動装置６６を介して整合素子６４のインピーダンスを調整するとともに、高周波センサ２からの信号Ｖφのレベルが最小値になるように駆動装置６７を介して整合素子６５のインピーダンスを調整する。
【００２４】
図１に戻って、高周波センサ５は、整合器３と反応室７の間の配線の電圧Ｖおよび電流Ｉを検出する。高周波センサ５は、たとえば、図６に示した高周波センサ２のうちのコイル３１、コンデンサ３３，３４、抵抗素子５０およびフィルタ回路６０，６１を含む。フィルタ回路６０，６１の出力ノード６０ｂ，６１ｂは、モニタ装置６に接続される。モニタ装置６は、たとえばオシロスコープで構成される。モニタ装置６により、反応室７の電極間電圧、電流、インピーダンスをモニタすることができ、電極間プラズマの状態を検知することができる。
【００２５】
高周波電源９は、周波数ｆ１の高周波電力を反応室７に与えるためのバイアス電源装置である。整合器８は、高周波電源９への反射波電力を最小値に抑えるために設けられている。整合器８は、コイルおよびキャパシタを含み、高周波電源１からの高周波電力が高周波電源９に入力されるのを防止する役目も果たしている。
【００２６】
反応室７内には、図８に示すように、たとえば２枚の平行平板電極７１，７２が設けられている。電極７１，７２には、それぞれ高周波電源１，９からの高周波電力が与えられる。電極７２の表面には、基板７３がセットされる。
【００２７】
エッチングまたは成膜時は、まず真空ポンプ（図示せず）によって反応室７内の空気が排出される。次いで所定のガスが所定流量で反応室７内に導入されるとともに真空ポンプの排気速度が調整されて、反応室７内が所定の圧力に調整される。
【００２８】
次に、高周波電源１，９がオンされて所定の高周波電力が反応室７に与えられる。これにより、電極７１，７２間のガスが電離されてプラズマ状態になる。ガスをプラズマ化させるための電力は主に高周波電源１から供給され、ガスイオンを基板７３に入射させるための電力は主に高周波電源９から供給される。エッチング用のガス（たとえばＣＦ4）を用いた場合は基板７３の表面がエッチングされ、成膜用のガス（たとえばＳｉＨ4）を用いた場合は基板７３の表面に膜が堆積する。
【００２９】
この実施の形態では、周波数ｆの高周波信号と周波数ｆ１の高周波信号との混合信号をヘテロダイン方式を用いて周波数Δｆ（ｆ＞Δｆ＞ｆ１）の高周波信号に変換し、その高周波信号に基づいて周波数ｆの高周波電圧、電流、それらの比、それらの位相差、電力などを検出する。したがって、周波数ｆの高周波電圧などを容易かつ正確に検出することができ、高周波電力を正確に制御することができる。
【００３０】
なお、この実施の形態では、局部発振器２５は高周波電源１の周波数ｆと所定の周波数Δｆとの和の周波数ｆ＋Δｆの高周波信号ＶＲを生成してミキサ２６に与えたが、局部発振器２５がｆとΔｆの差の周波数ｆ−Δｆの高周波信号ＶＲを生成しても同じ結果が得られることは言うまでもない。ただし、この場合は、ミキサ２６の出力信号Ｖ１×ＶＲは、中心周波数ｆ±ｎｆ１と周波数Δｆ±ｎｆ１,２ｆ−Δｆ±ｎｆ１の３成分を有する。
【００３１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る高周波検出方法では、第１の周波数を有する第１の高周波電力と第２の周波数を有する第２の高周波電力との混合信号である第３の高周波信号を高周波電源装置の所定のノードで検出する第１のステップと、第１および第２の周波数の間の第３の周波数だけ第１の周波数から高周波側または低周波側にずらした周波数を有する基準信号を生成する第２のステップと、第１のステップで検出した第３の高周波信号と第２のステップで生成した基準信号との混合信号を生成する第３のステップと、第３のステップで生成した混合信号から第３の周波数を有する第４の高周波信号を抽出する第４のステップと、第４のステップで抽出した第４の高周波信号に基づいて第１の高周波電力に関する情報を検出する第５のステップとが行われる。したがって、第１の周波数の第１の高周波信号と第２の周波数の第２の高周波信号との混合信号である第３の高周波信号をヘテロダイン方式を用いて第１および第２の周波数の間の第３の周波数の第４の高周波信号に変換し、その第４の高周波信号に基づいて第１の高周波電力に関する情報を検出するので、第１の高周波電力に関する情報を容易かつ正確に検出することができ、高周波電源装置を正確に制御することができる。
【００３３】
また、この発明に係る高周波検出回路では、第１の周波数を有する第１の高周波電力と第２の周波数を有する第２の高周波電力との混合信号である第３の高周波信号を高周波電源装置の所定のノードで検出する信号検出回路と、第１および第２の周波数の間の第３の周波数だけ第１の周波数から高周波側または低周波側にずらした周波数を有する基準信号を生成する信号発生回路と、信号検出回路によって検出された第３の高周波信号と信号発生回路によって生成された基準信号との混合信号を生成するミキサ回路と、ミキサ回路によって生成された混合信号から第３の周波数を有する第４の高周波信号を抽出するフィルタ回路と、フィルタ回路によって抽出された第４の高周波信号に基づいて第１の高周波電力に関する情報を検出する情報検出回路とが設けられる。したがって、第１の周波数の第１の高周波信号と第２の周波数の第２の高周波信号との混合信号である第３の高周波信号をヘテロダイン方式を用いて第１および第２の周波数の間の第３の周波数の第４の高周波信号に変換し、その第４の高周波信号に基づいて第１の高周波電力に関する情報を検出するので、第１の高周波電力に関する情報を容易かつ正確に検出することができ、高周波電源装置を正確に制御することができる。
【００３４】
好ましくは、信号検出回路、信号発生回路、ミキサ回路およびフィルタ回路が２組設けられ、一方の組の信号検出回路は所定のノードの高周波電圧を示す第３の高周波信号を検出し、他方の組の信号検出回路は所定のノードの高周波電流を示す第３の高周波信号を検出し、情報検出回路は、２つのフィルタ回路によって抽出された２つの第４の高周波信号に基づいて第１の高周波電力に関する情報を検出する。この場合は、高周波電圧、高周波電流、それらの比、それらの位相差などを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施の形態による半導体製造装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  図１に示した高周波電源１の構成を示すブロック図である。
【図３】  図２に示した方向性結合器の構成を示す回路図である。
【図４】  図２に示したフィルタ回路の構成を示すブロック図である。
【図５】  図４に示したフィルタ回路の動作を説明するためのスペクトル図である。
【図６】  図１に示した高周波センサ２の構成を示す回路ブロック図である。
【図７】  図１に示した整合器３の構成を示すブロック図である。
【図８】  図１に示した反応室の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，９  高周波電源、２，５  高周波センサ、３，８  整合器、４  コントローラ、６  モニタ装置、７  反応室、１０  発振器、１１  増幅器、１２  方向性結合器、１３，１６，６０〜６３  フィルタ回路、１４  出力電力検出器、１５  出力電力表示部、１７  反射電力検出器、１８  反射電力表示部、２０，２１，３０  同軸線路、２０ａ，２１ａ，３０ａ  内部導体、２０ｂ，２１ｂ，３０ｂ  外部導体、２２，２３，４９〜５７  抵抗素子、２５  局部発振器、２６ミキサ、２７  バンドパスフィルタ、３１，３２  コイル、３３〜４４  コンデンサ、４５〜４８  ダイオード、５８，５９  可変抵抗素子、６４，６５  整合素子、６６，６７  駆動装置、７１，７２  平行平板電極、７３  基板。
【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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