JP2012185948A - Plasma processing device, and control method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はプラズマ処理装置及びその制御方法に関するものである。 The present invention relates to a plasma processing apparatus and a control method thereof.
従来のプラズマ処理装置としては、例えば特許文献1には、誘導結合アンテナを用いたプラズマ処理において、誘導結合アンテナと容量結合アンテナの間からインピーダンスの大きさを可変可能な負荷を介してアースに接地し、負荷のインピーダンスの大きさを調整することで、真空容器内壁への反応生成物の付着を抑制することが記載されている。また、単一電源から2系統の前記誘導結合アンテナに分岐しており、一方のアンテナ側に可変負荷を配置することにより、2つの誘導結合アンテナの電流比を調整し、プラズマ分布の制御を行うものが知られている。
As a conventional plasma processing apparatus, for example, in
また、特許文献2には、処理チャンバ内に配置されたウエハを横切って制御可能なプラズマの均一性を与える処理チャンバ上に配置された複数のコイルへ、単一電源から電力を分配するための方法及び装置が記載されている。処理チャンバ上に配置された2つ以上のコイルへ電源から電力を分配するための装置は、電源と第1のコイル間の接続、電源と第2のコイルとの間に接続された直列可変キャパシタ、及び第2のコイルと電源間のノードに接続された並列可変キャパシタを用いて電力分配制御を行うものが知られている。
Also,
特許文献1の従来技術は、誘導結合アンテナと容量結合アンテナとの組み合わせにおいて、容量結合アンテナの電流制御によって、プラズマ状態が変化し、複数の誘導結合アンテナの電流比が変化する点について配慮されていなかった。すなわち、プラズマの変化に伴う誘導結合アンテナの電流比の変化という問題があった。
In the prior art of
なお、複数の誘導結合アンテナへの電流比を制御するものとして、特許文献2のような従来技術があるが、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御する点について十分配慮されていなかった。すなわち、誘導結合アンテナの電流比の調整手段である可変負荷への過電流発生という問題があった。このため、本発明は、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御することができるプラズマ処理装置及びその制御方法を提供する。
Although there is a conventional technique such as
本発明は、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された2系統以上の誘導結合アンテナと、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された容量結合アンテナとを有し、前記誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとを電気的に直列に接続したプラズマ処理装置において、前記各誘導結合アンテナを流れる高周波電流の大きさを調整する第一の調整回路と、前記各誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとに流れる高周波電流の割合を調整する第二の調整回路と、前記各誘導結合アンテナを流れるそれぞれの高周波電流の大きさを測定するセンサと、前記センサからの信号を基に前記第一の調整回路への過電流の監視と並行して各誘導結合アンテナを流れる電流の比率を一定に制御する制御手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置である。 The present invention includes two or more systems of inductively coupled antennas disposed with respect to a surface surrounding a region where plasma is formed, and a capacitively coupled antenna disposed with respect to a surface surrounding a region where plasma is formed. In the plasma processing apparatus in which the inductively coupled antenna and the capacitively coupled antenna are electrically connected in series, a first adjustment circuit for adjusting a magnitude of a high-frequency current flowing through each inductively coupled antenna, and each inductive coupling A second adjustment circuit for adjusting a ratio of the high-frequency current flowing through the antenna and the capacitive coupling antenna; a sensor for measuring the magnitude of each high-frequency current flowing through each inductive coupling antenna; and a signal from the sensor. And control means for controlling the ratio of the current flowing through each inductively coupled antenna to be constant in parallel with the overcurrent monitoring to the first adjustment circuit. It is a plasma processing apparatus.
また、本発明は、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置された2系統以上の誘導結合アンテナと、プラズマが形成される領域を囲む面に対して配置され前記誘導アンテナと電気的に直列に接続された容量結合アンテナと、前記各誘導結合アンテナを流れる高周波電流の大きさを調整する第一の調整回路と、前記各誘導結合アンテナと前記容量結合アンテナとに流れる高周波電流の割合を調整する第二の調整回路と、前記各誘導結合アンテナを流れるそれぞれの高周波電流の大きさを測定するセンサとを備えるプラズマ処理装置を用いた制御方法において、前記センサからの信号を基に前記第一の調整回路への過電流の監視と並行して各誘導結合アンテナを流れる電流の比率を一定に制御することを特徴とする制御方法である。 Further, the present invention provides two or more systems of inductively coupled antennas arranged with respect to a surface surrounding a region where plasma is formed, and an electrical connection between the induction antenna and the surface surrounding a region where plasma is formed. A capacitive coupling antenna connected in series, a first adjustment circuit for adjusting a magnitude of a high frequency current flowing through each inductive coupling antenna, and a ratio of a high frequency current flowing through each inductive coupling antenna and the capacitive coupling antenna In a control method using a plasma processing apparatus comprising a second adjustment circuit that adjusts the frequency and a sensor that measures the magnitude of each high-frequency current flowing through each inductively coupled antenna, the control method using the signal from the sensor In the control method, the ratio of the current flowing through each inductive coupling antenna is controlled to be constant in parallel with the overcurrent monitoring to the first adjustment circuit.
本発明の構成により、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御することができる。 With the configuration of the present invention, the current ratio of a plurality of inductively coupled antennas can be stably controlled over a wide range.
以下、本発明の実施例を図1より説明する。図1に、本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の概略断面図を示す。真空容器2は、この場合、内部にプラズマ生成部を形成する絶縁材料(例えば、石英,セラミック等の非導電性材料)でなる放電部2aと、被処理物である試料、例えばウエハ13を載置するための電極5が内部に設置された処理部2bからなる。処理部2bはアースに接地されており、電極5は絶縁材を介して処理部2bに取り付けられている。放電部2aの外側には2系統のコイル状の誘電結合アンテナである第一の誘導結合アンテナ1a,第二の誘導結合アンテナ1bが配置されている。また、放電部2aの大気側には、プラズマ6と静電容量的に結合する円盤状の容量結合アンテナであるファラデーシールド8が設けられている。第一の誘導結合アンテナ1a,第二の誘導結合アンテナ1bとファラデーシールド8は、整合器3の中にあるインピーダンスマッチング回路12を介して第一の高周波電源10に直列に接続されている。また、第二の誘導結合アンテナ1bにはインピーダンスの大きさが可変可能な可変負荷16が直列に接続されており、ファラデーシールド8には並列に接続された可変可能な可変負荷17がコイル18を介してアースに接地されている。さらに、第一の誘導結合アンテナ1a,第二の誘導結合アンテナ1bは第一の電流センサ14a,第二の電流センサ14bを介してアンテナ電流比制御・過電流検出回路15に接続されており、ファラデーシールド8はFSV検出・制御回路19に接続されている。ここで、FSV(Faraday Shield Voltage)とはファラデーシールドに印加された高周波電圧のことで以下、FSVと称する。真空容器2内にはガス供給装置4から処理ガスが供給され、真空容器2内は排気装置7によって所定の圧力に減圧排気されている。電極5には、第二の高周波電源11が接続されている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention. In this case, the
上記のように構成された装置では、ガス供給装置4によって真空容器2内に処理ガスを供給し、第一の誘導結合アンテナ1a,第二の誘導結合アンテナ1bと容量結合アンテナであるファラデーシールド8により発生する電界の作用によって、上記の処理ガスをプラズマ化する。プラズマ化された処理ガスは、排気装置7によって排気される。第一の高周波電源10により発生した、例えば13.56MHz,27.12MHz,40.68MHzなどのHF帯や、さらに周波数が高いVHF帯などの高周波電力を第一の誘導結合アンテナ1aと第二の誘導結合アンテナ1b、そしてファラデーシールド8に供給することにより、プラズマ生成用の誘導磁場や電場を得ているが、電力の反射を抑えるためにインピーダンスマッチング回路12を用いて、アンテナのインピーダンスを第一の高周波電源10の出力インピーダンスに一致させている。インピーダンスマッチング回路12は、一般的な逆L型とも呼ばれる静電容量を可変可能なバリコンを2個用いたものを使用している。また、処理されるウエハ13は電極5上に載置され、プラズマ中のイオンをウエハ13に引き込むために、電極5に第二の高周波電源11によりバイアス電圧を印加する。
In the apparatus configured as described above, the process gas is supplied into the
図1のように構成された装置では、2系統の第一の誘導結合アンテナ1a,第二の誘導結合アンテナ1bに流れる高周波電流の大きさを制御することで、プラズマ分布を制御することができる。以下、プラズマ分布の制御方法について述べる。
In the apparatus configured as shown in FIG. 1, the plasma distribution can be controlled by controlling the magnitude of the high-frequency current flowing in the two systems of the first inductively coupled
図2は真空容器2の縦断面図である。2系統の誘導結合アンテナである第一の誘導結合アンテナ1aと第二の誘導結合アンテナ1bが作る誘導磁場が強い領域はそれぞれ領域24aと領域24bである。また、ファラデーシールド8が作る電界が強い領域は24cである。これらの誘導磁場と電界が強い領域でプラズマの生成が行われる。真空容器2の放電部2aは、上方に向かい径を小さくすることにより、領域24aの径と領域24bの径のそれぞれの大きさが異なる。この場合は、領域24aの径の大きさが領域24bの径の大きさより小さくなっている。これに伴って第一の誘導結合アンテナ1aが作るプラズマは中央の密度が高いプラズマとなり、第二の誘導結合アンテナ1bが作るプラズマは外周の密度が高いプラズマとなる。したがって、誘導結合アンテナである第一の誘導結合アンテナ1aと第二の誘導結合アンテナ1bとに流れる電流の割合を調整することによって、プラズマ分布を制御することができる。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the
次に第一の誘導結合アンテナ1aと第二の誘導結合アンテナ1bに流れる高周波電流の割合を調整する方法について説明する。図3に図1の放電部2a及び整合器3の等価回路を示す。図1中の第一の誘導結合アンテナ1aを負荷9a、第二の誘導結合アンテナ1bを負荷9b、ファラデーシールド8を負荷22として等価的に示している。負荷9aのインピーダンスの大きさをZa、負荷9bと可変可能な可変負荷16を合成したインピーダンスの大きさをZbとすると、負荷9aと負荷9bに流れる高周波電流の大きさは、1/Zaと1/Zbに比例する。誘導結合アンテナは正のリアクタンスを持つが、負のリアクタンスをもつバリコンでZbを正の値からゼロまで変化させることで、電流を制御することができる。
Next, a method for adjusting the ratio of the high-frequency current flowing through the first inductively coupled
第一の電流センサ14aにより負荷9a、第二の電流センサ14bにより負荷9bに流れる高周波電流を検出し、アンテナ電流比制御・過電流検出回路15にて任意の電流比になるよう制御を行う。
The first
図4にプラズマ処理装置に一般的に使用されている可変負荷の静電容量と最大許容電流の関係を示す。可変負荷の静電容量は仕様の範囲で可変させることができるが、ある静電容量以下では、静電容量の減少にしたがって、その最大許容電流が減衰していくことが分かる。そのため、仕様としての最大許容電流以下の電流でも、静電容量が低ければ可変負荷に過電流が流れる恐れがあり、可変負荷の寿命の低下、あるいは可変負荷の故障の原因となる。 FIG. 4 shows the relationship between the capacitance of a variable load generally used in a plasma processing apparatus and the maximum allowable current. Although the capacitance of the variable load can be varied within the specification range, it can be seen that the maximum allowable current decreases as the capacitance decreases below a certain capacitance. For this reason, even if the current is less than the maximum allowable current as a specification, if the capacitance is low, an overcurrent may flow through the variable load, resulting in a decrease in the life of the variable load or a failure of the variable load.
図5に、可変負荷16の静電容量と、第二の誘導結合アンテナ1bおよび可変負荷16に流れる電流の関係を示す。可変負荷16に流れる電流は、可変負荷の静電容量が最も低いときに最も大きく、静電容量が増加すると減少していく。そのため、可変負荷16が低い静電容量のとき、過電流が流れている恐れがある。過電流による故障を防ぐためには、最大許容電流が変化しない領域で可変負荷の静電容量を変化させればよいが、静電容量の可変範囲が狭くなるため、制御できる電流比の範囲が制限されてしまう。本発明では誘導結合アンテナの電流比を広範囲で安定して制御するためにアンテナ電流比制御・過電流検出回路15が設けられている。
FIG. 5 shows the relationship between the capacitance of the
図6にアンテナ電流比制御・過電流検出回路の構成を示す。第一の電流センサ14a,第二の電流センサ14bより得られた値からアンテナ電流比制御部・過電流検出部23において誘導結合アンテナの電流比を算出する。そして予め設定された任意の電流比と比較し、偏差を検出して、偏差が減少する向きにVC4のステッピングモータ26が駆動するようステッピングモータ駆動回路25に信号を送る。以上の動作を上記の偏差が予め設定された偏差内に収まるまで繰り返されることにより、2系統の誘導アンテナに流れる電流の電流比を、所望の電流比に維持することができる。
FIG. 6 shows the configuration of the antenna current ratio control / overcurrent detection circuit. The antenna current ratio controller /
また、過電流検出部では、第二の電流センサ14bから得られた電流値に基づいて、可変負荷への過電流が検出されると、第一の高周波電源10からの出力を中断するため、異常信号の伝送を行う。この場合の過電流と判定する電流値は、以下のようにして設定される。先ず、アンテナ電流比制御部・過電流検出部23へ位置検出器21から可変負荷の静電容量が可変範囲のどの位置にあるのかを示す情報が送られており、この情報を基に可変負荷の静電容量を算出する。次に、図4のような可変負荷16の静電容量に対する最大許容電流の特性に基づいて、上記の算出された静電容量の値に応じて最大許容電流値を算出し、この算出された最大許容電流値を過電流と判定するための電流値に設定する。このように過電流を設定するため、可変負荷の静電容量に応じて適正な過電流の電流値を設定できる。このため、可変負荷の静電容量が低いときにも許容電流を超えることがなく、電流比を広範囲に安定して制御することができる。
Further, in the overcurrent detection unit, when the overcurrent to the variable load is detected based on the current value obtained from the second
以上、上述した通り、本発明は、可変負荷の静電容量が小さい範囲で発生し易いアンテナ電流比制御・過電流検出回路15への過電流を防止して、複数の誘導結合アンテナの電流比を一定に制御できるので、複数の誘導結合アンテナの電流比を広範囲に安定して制御することができる。
As described above, the present invention prevents the overcurrent to the antenna current ratio control /
1a 第一の誘導結合アンテナ
1b 第二の誘導結合アンテナ
2 真空容器
2a 放電部
2b 処理部
3 整合器
4 ガス供給装置
5 電極
6 プラズマ
7 排気装置
8 ファラデーシールド
9a,9b,20,22 負荷
10 第一の高周波電源
11 第二の高周波電源
12 インピーダンスマッチング回路
13 ウエハ
14a 第一の電流センサ
14b 第二の電流センサ
15 アンテナ電流比制御・過電流検出回路
16,17 可変負荷
18 コイル
19 FSV検出・制御回路
21 位置検出器
23 アンテナ電流比制御部・過電流検出部
24a,24b,24c 領域
25 ステッピングモータ駆動回路
26 ステッピングモータ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記センサからの信号を基に前記第一の調整回路への過電流の監視と並行して各誘導結合アンテナを流れる電流の比率を一定に制御することを特徴とする制御方法。 Two or more systems of inductively coupled antennas arranged with respect to the surface surrounding the region where plasma is formed, and electrically connected in series with the induction antenna disposed over the surface surrounding the region where plasma is formed A capacitive coupling antenna; a first adjustment circuit for adjusting a magnitude of a high-frequency current flowing through each inductive coupling antenna; and a second adjustment circuit configured to adjust a ratio of a high-frequency current flowing through each inductive coupling antenna and the capacitive coupling antenna. In a control method using a plasma processing apparatus comprising an adjustment circuit and a sensor for measuring the magnitude of each high-frequency current flowing through each inductive coupling antenna,
A control method characterized in that the ratio of the current flowing through each inductively coupled antenna is controlled to be constant in parallel with monitoring of the overcurrent to the first adjustment circuit based on a signal from the sensor.
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