特許 7307697 プラズマ源の状態を検出する方法およびプラズマ源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-04

(45)【発行日】2023-07-12

(54)【発明の名称】プラズマ源の状態を検出する方法およびプラズマ源

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20230705BHJP

   H05H 1/00 20060101ALI20230705BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20230705BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20230705BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 L

H05H1/00 A

H01L21/302 101C

H01L21/31 C

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020056769

(22)【出願日】2020-03-26

(65)【公開番号】P2021157946

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2022-10-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】納富 隼人

(72)【発明者】

【氏名】天立 茂樹

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１２－５１９３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５０３０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３４３６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１４３８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４９８１０８６（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０３０５９８８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １／００－１／５４

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｃ２３Ｃ １６／５０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘導結合型のプラズマ源の状態を検出する方法であって、
前記プラズマ源は、直流電源回路と、インバータ回路と、共振回路と、放電部とを備え、
前記方法は、
前記放電部において容量結合プラズマを発生させるステップと、
前記容量結合プラズマが発生した後に、前記直流電源回路の出力電力に対応する第１電力と、前記共振回路または前記放電部の少なくとも一方の少なくとも一部における電流と電圧との位相差とを取得するステップと、
前記位相差を前記第１電力で微分した値が、増加から減少に転じた場合に、第１信号を出力するステップと、
を備える、方法。

【請求項2】

前記第１信号は、プラズマが前記容量結合プラズマから誘導結合プラズマに変化したことを表す信号である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記直流電源回路の出力端と前記インバータ回路の入力端とが接続され、
前記インバータ回路の出力端と前記共振回路の入力端とが接続され、
前記共振回路の出力端と前記放電部の入力端とが接続される、
請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

誘導結合型のプラズマ源であって、
前記プラズマ源は、直流電源回路と、インバータ回路と、共振回路と、放電部とを備え、
前記プラズマ源は、
前記放電部において容量結合プラズマを発生させ、
前記容量結合プラズマが発生した後に、前記直流電源回路の出力端における電力に対応する第１電力と、前記共振回路または前記放電部の少なくとも一方の少なくとも一部における電流と電圧との位相差とを取得し、
前記位相差を前記第１電力で微分した値が、増加から減少に転じた場合に、第１信号を出力する、
プラズマ源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ源の状態を検出する方法およびプラズマ源に関する。

【背景技術】

【0002】

誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma、以下「ＩＣＰ」）は、半導体装置の製造を含む様々な用途に用いられ、たとえば半導体装置の製造では、シリコンウェハに対するエッチング工程や、ＣＶＤ法による膜の生成等に用いられる。特許文献１および２には、ＩＣＰを用いた半導体装置の製造技術が開示されている。

【0003】

ＩＣＰを発生させるプラズマ源（誘導結合型のプラズマ源）では、ＩＣＰを発生させるために、まず容量結合プラズマ（Capacitively Coupled Plasma、以下「ＣＣＰ」）を発生させ、これをＩＣＰに変化させるものが知られている。この場合において、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化したことを検出することが重要となる。

【0004】

従来技術では、ＣＣＰからＩＣＰへの変化を検出する際に、プラズマからの発光を計測し、発光強度に基づいて確認していた。特許文献１および２でも、発光強度に基づく判定が行われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００２－３４３６００号公報

【文献】特開２００８－１９８６９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の技術では、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化したことを正確に検出するのが困難であるという課題があった。

【0007】

たとえば、特許文献１および２のように発光強度に基づいて判断する場合には、そもそもプラズマはＣＣＰとして着火した場合に発光するので、ＣＣＰの発生と、ＣＣＰからＩＣＰへの変化とを区別して判断することが難しい。一般的にＩＣＰのほうが明るく、発光強度も大きいことがわかっているが、正確に判定できる閾値を設定することは困難である。

【0008】

また、ＣＣＰおよびＩＣＰの発光強度は、プラズマを構成するガスの種類によって変化するので、各種のガスに共通して使用できる閾値を設定するのは困難であり、単一の閾値が有効に機能する条件は限定的である。

【0009】

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化したことをより正確に検出することができる方法およびプラズマ源を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る方法の一例は、
誘導結合型のプラズマ源の状態を検出する方法であって、
前記プラズマ源は、直流電源回路と、インバータ回路と、共振回路と、放電部とを備え、
前記方法は、
前記放電部において容量結合プラズマを発生させるステップと、
前記容量結合プラズマが発生した後に、前記直流電源回路の出力電力に対応する第１電力と、前記共振回路または前記放電部の少なくとも一方の少なくとも一部における電流と電圧との位相差とを取得するステップと、
前記位相差を前記第１電力で微分した値が、増加から減少に転じた場合に、第１信号を出力するステップと、
を備える。

【0011】

一例では、前記第１信号は、プラズマが前記容量結合プラズマから誘導結合プラズマに変化したことを表す信号である。

【0012】

一例では、前記直流電源回路の出力端と前記インバータ回路の入力端とが接続され、
前記インバータ回路の出力端と前記共振回路の入力端とが接続され、
前記共振回路の出力端と前記放電部の入力端とが接続される。

【0013】

本発明に係るプラズマ源の一例は、
誘導結合型のプラズマ源であって、
前記プラズマ源は、直流電源回路と、インバータ回路と、共振回路と、放電部とを備え、
前記プラズマ源は、
前記放電部において容量結合プラズマを発生させ、
前記容量結合プラズマが発生した後に、前記直流電源回路の出力端における電力に対応する第１電力と、前記共振回路または前記放電部の少なくとも一方の少なくとも一部における電流と電圧との位相差とを取得し、
前記位相差を前記第１電力で微分した値が、増加から減少に転じた場合に、第１信号を出力する。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る、プラズマ源の状態を検出する方法およびプラズマ源によれば、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化したことをより正確に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態１に係るプラズマ源の構成の例を示す図。

【図2】実施形態１において測定される電力と電流の位相との関係を示すグラフ。

【図3】実施形態１に係るプラズマ源の状態を検出する方法のフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

【0017】

実施形態１．
図１に、実施形態１に係るプラズマ源１０の構成の例を示す。プラズマ源１０は誘導結合型のプラズマ源である。実施形態１では、プラズマ源１０における電力の増加に対する電流と電圧との位相差の変化に応じて検出を行う。

【0018】

プラズマ源１０は、直流電源回路２０と、インバータ回路３０と、共振回路４０と、放電部５０と、制御手段６０とを備える。

【0019】

直流電源回路２０、インバータ回路３０、共振回路４０および放電部５０は、この順に接続される。すなわち、直流電源回路２０の出力端とインバータ回路３０の入力端とが接続され、インバータ回路３０の出力端と共振回路４０の入力端とが接続され、共振回路４０の出力端と放電部５０の入力端とが接続される。

【0020】

直流電源回路２０は直流電圧を供給する。インバータ回路３０は直流電圧を交流電圧に変換する。交流電圧の周波数はたとえばＲＦ周波数であり、より具体的な例としては２ＭＨｚまたは約２ＭＨｚである。

【0021】

共振回路４０は交流電圧を利用して共振現象を起こし、共振した電圧を放電部５０に供給する。本実施形態では、共振回路４０はＬＣ回路部４１およびコンデンサ４２を備え、コンデンサ４２はＬＣ回路部４１に対して放電部５０と並列に接続される。なお、共振回路４０の構成は図示のものに限らない。

【0022】

放電部５０は、放電管（とくに図示しない）とアンテナ５１とを備える。
放電管は、たとえば誘電体（絶縁体）で形成された円筒面状の放電容器であり、その内部でプラズマが生成される。アンテナ５１は、放電管を取り囲むようにコイル状に形成される導電体であり、共振回路４０に接続される。図１では放電部５０においてアンテナ５１に直列接続した抵抗５２を図示しているが、この抵抗５２は、無負荷時のコイルの抵抗値である。

【0023】

なお、アンテナ５１の形状はコイル状に限定されない。また、アンテナ５１は、放電管を冷却するために、パイプ形状で内部に水等の冷媒を流すようにしてもよい。また、アンテナ５１は必ずしも放電管を取り囲むように形成される必要は無く、放電管を形成する誘電体（絶縁体）の内部に形成するようにしてもよい。

【0024】

放電部５０は、供給される電圧を用いてプラズマを発生させる。たとえば、放電容器内にガスを流通させた状態でアンテナ５１に交流電圧が印加されると、アンテナ５１のコイルの端子間電圧によってガスが電離され、プラズマが生成される。これは、コイルの端子間の電界によって結合しているプラズマであり、すなわちＣＣＰである。

【0025】

ＣＣＰが発生している状態で、アンテナ５１に印加する電圧をさらに増大させると、コイルの周囲に磁場が形成されて誘導電界が発生し、それによりＩＣＰが発生する。ＩＣＰは、半導体装置の製造等に用いられるプラズマであり、用途に応じて維持および管理される。

【0026】

制御手段６０は、プラズマ源１０の動作を制御する。たとえば、制御手段６０は、ドライバーアンプ７０を介して直流電源回路２０に接続され、ドライバーアンプ８０を介してインバータ回路３０に接続される。

【0027】

制御手段６０は、直流電源回路２０の状態を表す測定信号（たとえば電圧信号Ｃ１および電流信号Ｃ２）を取得し、これに応じてプラズマ源１０を制御する。プラズマ源１０の制御は、たとえば直流電源回路２０に制御信号Ｃ３を送信し、インバータ回路３０に制御信号Ｃ４を送信することによって行われる。

【0028】

また、制御手段６０は、プラズマ源１０の回路における電圧および電流を取得することができる。このためにプラズマ源１０は測定手段を備える。実施形態１では測定手段はＶＩセンサ９０であり、インバータ回路３０と共振回路４０との間に配置される。制御手段６０は、ＶＩセンサ９０から測定信号Ｃ５を受信することによって電圧および電流を取得する。なお、図１におけるＶＩセンサ９０の位置は一例であり、電圧および電流を測定すべき回路部分に応じて適切な位置に変更することができる。

【0029】

直流電源回路２０、制御手段６０、ドライバーアンプ７０およびドライバーアンプ８０には、図示しない電源が接続され、これらに電力を供給する。

【0030】

図２は、プラズマ源１０を用いてＩＣＰを発生させた場合に、各部で測定される電力と、電流と電圧との位相差との関係を示すグラフである。横軸は、図略の電力測定手段で測定した直流電源回路２０の出力端における電力［Ｗ］を表す。左側の縦軸は、ＶＩセンサ９０によって測定される電流と電圧との位相差［度］を表す。右側の縦軸は、位相差の微分値である。

【0031】

図２において、■記号は電流と電圧との位相差［度］を示し、×記号は電流と電圧との位相差［度］を電力で微分した値を示す。

【0032】

実施形態１では、放電容器内のガスとして、水素と窒素を混合したものを供給した。水素および窒素の流量はいずれも１０００ｓｃｃｍとし、ガスの気圧は合計８７Ｐａとした。

【0033】

電力が低い範囲（大まかに１８００Ｗ程度以下）は、プラズマが発生していない無負荷の状態およびＣＣＰが発生している状態に対応する。この範囲では、電力の増加に対して電流は単調に増加し、電圧は単調に減少する。

【0034】

電力が約１８００Ｗ（破線で示す）に達すると、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化する。図２のグラフでは、電力が約１８００Ｗ（破線）を超えると、電流と電圧との位相差［度］の微分値が増加から減少に転じている。このように、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化する点の電力と、位相差の微分値が増加から減少に転じる点（位相差の変曲点）の電力とはよく一致している。

【0035】

図３は、実施形態１に係るプラズマ源の状態を検出する方法のフローチャートである。プラズマ源１０は、この方法を実行することによりプラズマ源１０の状態を検出する。プラズマ源１０の状態は、たとえばプラズマ源１０によって発生するプラズマの状態を含む。プラズマの状態は、たとえばプラズマがＣＣＰであるかＩＣＰであるかを表す。プラズマ源１０の放電容器にガスを流通させた状態で、図３の方法が開始される。

【0036】

まず、プラズマ源１０の放電部５０に電圧を印加し、これによって、放電部５０においてＣＣＰを発生させる（ステップＳ１）。ＣＣＰが発生した後、制御手段６０は、プラズマ源１０に係る電力（第１電力）と、電流と電圧との位相差とを測定して取得する（ステップＳ２）。

【0037】

図１の例では、この測定はＶＩセンサ９０を介して行われる。すなわち、制御手段６０は、インバータ回路３０および共振回路４０の接続点における電力と、当該接続点に流れる電流と電圧との位相差とを測定する。

【0038】

ここで、ＶＩセンサ９０が測定する電力に基づいて直流電源回路２０の出力電力を算出することができるので、ＶＩセンサ９０が測定する電力（第１電力）は直流電源回路２０の出力電力に対応する電力であるということができる。

【0039】

ステップＳ２で取得される第１電力および電流と電圧との位相差の測定方法は、図１に示すＶＩセンサ９０を用いる方法に限らない。たとえば電力は、直流電源回路２０の出力電力に換算できる電力であれば等価であり、たとえば直流電源回路２０の出力電力そのものを直接的に測定した値であってもよいし、インバータ回路３０の入力端における電力を測定した値であってもよいし、インバータ回路３０の出力端における電力を測定した値であってもよいし、共振回路４０の入力端における電力を測定した値であってもよいし、共振回路４０の出力端における電力を測定した値であってもよいし、放電部５０の入力端における電力を測定した値であってもよい。

【0040】

また、電流と電圧との位相差は、共振回路４０または放電部５０の少なくとも一方の少なくとも一部における位相差であればよい。たとえば共振回路４０の入力端および出力端の間における位相差を測定した値であってもよいし、コンデンサ４２における位相差を測定した値であってもよいし、放電部５０における位相差を測定した値であってもよい。どの部分の位相差を用いても、本実施形態の判定方法は適切に機能する。

【0041】

ステップＳ２の後、制御手段６０は、電流と電圧との位相差を、ステップＳ２で取得される第１電力で微分した値（微分値）を取得し、この微分値が、増加から減少に転じたか否かを判定する（ステップＳ３）。たとえば、制御手段６０は、電力が増加するように直流電源回路２０を制御しつつ、位相差の挙動を監視してもよい。

【0042】

微分値は、微分係数または導関数とも呼ばれる。微分値の具体的な取得方法は、当業者が公知技術に基づき適宜設計可能であるが、たとえば、第１電力がある値Ｐから別の値Ｐ＋ΔＰに増加したときに、位相差がある値Ｃから別の値Ｃ＋ΔＣに変化した場合には、ΔＣ／ΔＰを位相差の微分値として算出することができる。別の例として、公知の微分器または微分回路を用いてもよい。

【0043】

位相差の微分値が、増加から減少に転じていない場合（たとえば、微分値が増加することなく減少している場合、微分値が増加し続けている場合、等）には、ステップＳ２およびＳ３が繰り返される。たとえば、制御手段６０は、ステップＳ２およびＳ３を実行する都度、電力を増加させる。

【0044】

一方、位相差の微分値が増加から減少に転じた場合には、制御手段６０はこれを表す信号（第１信号）を出力する（ステップＳ４）。これは、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化したと判定することに対応する。すなわち、第１信号は、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化したことを表す信号であるといえる。

【0045】

実施形態１では、この判定に発光強度を用いないので、従来技術より正確に判定を行うことができる。とくに、この方法は発光強度に依存しないので、発光強度が異なる様々な種類のガスに適用することが可能であり、また、ガスの圧力が異なる場合にも適用することが可能である。なお、変形例として、判定に発光強度を併用することも可能である。

【0046】

第１信号の内容、形式、出力態様および利用方法は、当業者が適宜設計可能である。たとえば、制御手段６０には表示装置が接続されていてもよく、その表示装置に第１信号が出力されたことを示す情報が表示されてもよい。情報の具体例としては、プラズマの状態がＣＣＰからＩＣＰに変化したことを示すメッセージまたは画像とすることができる。

【0047】

また、たとえば、制御手段６０は、第１信号の出力に応じて特定の処理の実行を開始してもよい。より具体的な例としては、タイマーを起動してもよい。このタイマーの値は、ＩＣＰが発生してからの経過時間を示す値として利用することができる。

【0048】

以上説明するように、実施形態１に係るプラズマ源１０および図３に示す方法によれば、プラズマがＣＣＰからＩＣＰに変化したことをより正確に検出できる。

【符号の説明】

【0049】

１０…プラズマ源
２０…直流電源回路
３０…インバータ回路
４０…共振回路
４１…ＬＣ回路部
４２…コンデンサ
５０…放電部
５１…アンテナ
５２…抵抗
６０…制御手段
７０，８０…ドライバーアンプ
９０…ＶＩセンサ

【図1】

【図2】

【図3】