(57)【要約】【課題】量産安定性と機差低減に関わるプラズマのイオンフラックスの量（プラズマ密度）と、その分布に関する装置状態を検知する手段を備えたプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】真空容器１０８、ガス導入手段１１１、圧力制御手段、プラズマソース電源１０１、被処理物１１２を真空容器内に載置する下部電極１１３、高周波バイアス電源１１７を具備するプラズマ処理装置において、プラズマソース電源１０１と高周波バイアス電源１１７とは異なる発振周波数をプラズマ処理室内に発振するプローブ高周波発振手段１０３と、プローブ高周波発振手段１０３から発振される高周波をプラズマに接する面で受信する高周波受信部１１４〜１１６と、プローブ高周波発振手段１０３と受信部１１４〜１１６から形成せられる電気回路内の発振周波数毎のインピーダンス、反射率および透過率を測定する高周波解析手段１１０を具備する。【選択図】図１
2010016124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器とガス導入手段と圧力制御手段とプラズマ発生手段と被処理物を真空容器内に載置する載置手段と該載置手段に高周波バイアスを印加する高周波バイアス印加手段を具備するプラズマ処理装置において、
前記プラズマ発生手段のプラズマソース電源と前記高周波バイアス印加手段の高周波バイアス電源とは異なる微小出力発振周波数をプラズマ処理室内に発振するプローブ高周波発振手段と、
プローブ高周波発振手段から発振される高周波をプラズマに絶縁層を介して接する面で受信する複数の高周波受信手段と、
前記プローブ高周波発振手段と前記高周波受信手段から形成せられる電気回路内の発振周波数毎のインピーダンス、または、発振周波数毎の反射率および透過率を測定する高周波解析手段を具備し、測定したインピーダンス、または、反射率および透過率を用いて、プラズマ密度演算する高周波解析装置とを有する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記複数の高周波受信手段は、それぞれ被処理体の表面に対して動径方向および垂直方向に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記プローブ高周波発振手段が周波数掃引手段を具備し、その発振周波数がプラズマの密度に対応するプラズマ振動数を含み、かつ、前記高周波受信手段が掃引周波数と同期する
ことを特徴とするプラズマ処理装置
【請求項４】
請求項３記載のプラズマ処理装置において、
前記プローブ高周波発振手段の掃引発振周波数の範囲が、１００ｋＨｚ以上３ＧＨｚ以下、発振出力が１Ｗ以下である
ことを特徴とするプラズマ処理装置
【請求項５】
請求項１乃至請求項４いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波受信手段をプラズマ処理室側壁と被処理物を載置する手段側に具備する
ことを特徴とするプラズマ処理装置
【請求項６】
請求項２乃至請求項５のいずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記プラズマの表面に対して垂直方向に配置される高周波受信手段が前記載置手段に設けて静電吸着用電極である
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項６記載のプラズマ処理装置において、
静電吸着用電極が、同心円状にふたつに分割されたダイポール型の静電吸着電極である
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記プローブ高周波発振手段からの高周波を真空容器内に配置されたアンテナから供給する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記プローブ高周波発振手段からの高周波を真空容器内に配置された前記載置手段から供給する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
被処理物を搬送し載置する工程とガスを導入する工程と圧力を調整する工程とプラズマを生成する工程と載置手段にバイアスを印加する工程、装置状態を検知する工程と処理後に装置をプラズマクリーニングする工程を有するプラズマ処理方法において、装置状態を検知する工程がプラズマのインピーダンスや反射率と透過率を検知し、その検知結果を元に、プラズマの密度と分布を一定にするよう、プラズマ処理中の装置制御パラメータにフィードバックする工程、もしくはプラズマ処理後のプラズマクリーニング工程の条件を変化させる工程を備えることを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置やフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）を製造するドライエッチング、ＣＶＤに使用されるプラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体やＦＰＤを製造する工程のひとつである、ドライエッチング工程では、エッチング装置の高稼働率と高歩留まりが要求される。この稼働率向上のために、一台の装置に複数チャンバーを備えるクラスター化が進んでおり、この場合、チャンバー間での性能差（チャンバー間機差）や装置間での性能差（装置間機差）の低減が必要とされている。
【０００３】
一方、高歩留まりを実現のためには、被処理物の面内均一性向上と量産安定性が必要である。面内均一性や量産安定性を実現するために、エッチング原理に従い、中性粒子とイオンの入射フラックスとイオン入射エネルギーを被処理物の面内で一定にすること、それらの変動を抑制する必要がある。
【０００４】
量産安定性を実現するひとつの観点において異物や汚染を防止があるが、その手法として、静電吸着手段へ印加する直流電源や、バイアス印加手段やプラズマ生成手段にてプラズマインピーダンスをモニタし、異物等の装置異常を予知し、部品やメンテナンスする技術が開示されている。（例えば、特許文献1参照）
【０００５】
また、中性粒子やイオンのフラックス比の均一化、安定化の観点では、これらの量を何らかの形で検知し、装置パラメータへフィードバック制御する、Advanced Process Control（ＡＰＣ）技術が存在する。例えば、中性粒子の相対量的な変動を検知する手法として、プラズマの発光を分光する方法が一般的である。このとき、プラズマ発光の受光部を面内方向に複数備える方法で発光する中性粒子の面内分布の変化を検知し、プラズマの分布を補正したりする。
【０００６】
一方、イオンのフラックスの均一化、安定化を検知する方法として、金属プローブ測定が一般的であるが、異物や汚染、処理プラズマへの擾乱のため量産装置の適用が困難であった。近年、安定性に優れた簡便なプラズマ密度測定方法として高周波プローブを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、前述のインピーダンスをモニタする方法は、プラズマを電気素子とみなして、イオンフラックスの挙動を間接的に測定する１手法である。
【特許文献１】特開２００７−２５０７５５号公報
【特許文献２】特開２００５−２０３１２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
エッチングプロセスにおいて、性能安定性を阻害する主要因は、装置チャンバー内壁面状態の経時変化である。壁面状態が変化すると、壁面からの脱離量、吸着量の変化によりプラズマ中の中性粒子の組成が変化し、また壁面からの２次電子放出量の変化により、イオン（プラズマ）密度の面内分布が変化し、プラズマ全体の密度も変化していく。また、装置部品の削れや絶縁被膜の劣化もプラズマ密度の変化を引き起こす。
【０００８】
また、特許文献２記載の高周波プローブ方法によるプラズマ密度測定方法においては、金属汚染、安定性に対し優位であるが、高周波アンテナとそれを囲む誘電体に存在する表面波がそのプローブ周辺のプラズマと共振点を検知するという原理を考えるとプローブ周辺のプラズマ密度のみを測定するだけである。
【０００９】
本発明は、エッチング装置の量産安定性、機差低減に関わる、プラズマのイオンフラックスの量（またはプラズマ密度）とその分布に関する装置状態を検知する手段とそれを用いたプラズマ処理方法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】
上記目的は、真空容器とガス導入手段と圧力制御手段とプラズマ発生手段と被処理物を真空容器内に載置する載置手段と該載置手段に高周波バイアスを印加する高周波バイアス印加手段を具備するプラズマ処理装置において、前記プラズマ発生手段のプラズマソース電源と前記高周波バイアス印加手段の高周波バイアス電源とは異なる微小出力発振周波数をプラズマ処理室内に発振するプローブ高周波発振手段と、プローブ高周波発振手段から発振される高周波をプラズマに絶縁層を介して接する面で受信する複数の高周波受信手段と、前記プローブ高周波発振手段と前記高周波受信手段から形成せられる電気回路内の発振周波数毎のインピーダンス、または、発振周波数毎の反射率および透過率を測定する高周波解析手段を具備し、測定したインピーダンス、または、反射率および透過率を用いて、プラズマ密度演算する高周波解析装置とを有するプラズマ処理装置により実現できる。
【００１１】
さらに、上記目的は、上記プラズマ処理装置において、前記複数の高周波受信手段を、それぞれ被処理体の表面に対して動径方向および垂直方向に配置することにより実現できる。また、上記目的は、上記プラズマ処理装置において、前記プローブ高周波発振手段が周波数掃引手段を具備し、その発振周波数がプラズマの密度に対応するプラズマ振動数を含み、かつ、前記高周波受信手段が掃引周波数と同期することによって実現できる。さらに、そのときのプローブ高周波発振手段が掃引手段を具備し、その発振周波数がプラズマの密度に対応するプラズマ振動数を含み（１００ｋＨｚ以上３ＧＨｚ以下）、かつ、前記高周波受信手段が掃引周波数と同期しており、該高周波受信手段がプラズマ処理室側壁と被処理物を載置する手段側に設置されることにより実現することができる。
【００１２】
上記目的は、上記プラズマ処理装置において、前記高周波受信手段をプラズマ処理室側壁と被処理物を載置する手段側に具備すること、前記プラズマの表面に対して垂直方向に配置される高周波受信手段が前記載置手段に設けて静電吸着用電極であること、静電吸着用電極が、同心円状にふたつに分割されたダイポール型の静電吸着電極であることにより実現できる。また、上記目的は、上記のプラズマ処理装置において、前記プローブ高周波発振手段からの高周波を真空容器内に配置されたアンテナから供給すること、または、前記プローブ高周波発振手段からの高周波を真空容器内に配置された前記載置手段から供給することにより実現できる。
【００１３】
また、上記目的は、上記プラズマ処理装置において、被処理物を搬送し載置する工程とガスを導入する工程と圧力を調整する工程とプラズマを生成する工程と載置手段にバイアスを印加する工程、装置状態を検知する工程と処理後に装置をプラズマクリーニングする工程を有するプラズマ処理方法において、装置状態を検知する工程がプラズマのインピーダンスや反射率と透過率を検知し、その検知結果を元に、プラズマの密度と分布を一定にするよう、プラズマ処理中の装置制御パラメータにフィードバックする工程、もしくはプラズマ処理後のプラズマクリーニング工程の条件を変化させる工程を備えるプラズマ処理方法によって実現することができる。本発明においては、反射波のみならず、透過波も測定することで、反射受信部近辺の密度だけでなく、発振部―受信部間のプラズマ内の分布の変化を検知することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［実施例１］まず、本発明を具現化する装置の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。この図に示すプラズマ処理装置では、真空容器の内部に配置された処理室の内側でプラズマを形成し、このプラズマを用いてその処理室内に配置された半導体ウェハ等の被エッチング材料である基板状の試料を処理するプラズマ処理装置となっている。
【００１５】
このプラズマ処理装置におけるプラズマの発生手段は、エッチングチャンバー１０８と、石英板１０５と、シャワープレート１０６と、ガス導入手段１１１と、アンテナ１０４と、下部電極１１３と、サセプタ１２０と、プラズマ発生手段を構成するプラズマソース電源である４５０ＭＨｚのＵＨＦ電源１０１と、ＵＨＦ整合器１０２と、電磁石１０７と、直流電源１１８と、ＲＦバイアス電源１１７と、ＲＦバイアス整合器１１６と、プローブ高周波発振手段１０３と、高周波解析装置１１０と、チャンバー埋め込み型高周波受信部１１４またはサセプタ搭置型高周波受信部１１９と、方向性結合器１２１と、を備えて構成されている。
【００１６】
プローブ高周波受信部もしくはプローブ高周波発振部は、プラズマ（プローブ高周波）に絶縁層を介して接しており、プラズマ処理中にプローブ高周波受信部が汚染の原因とならないようにされている。
【００１７】
真空容器を構成するエッチングチャンバー１０８内へＵＨＦ波を放出するアンテナ１０４は、真空を維持する石英板１０５より大気側に設置されている。エッチングガスは、マスフローコントローラとストップバルブから構成されるガス導入手段１１１を通して、エッチングガスを混合した後、シャワープレート１０６から、エッチングチャンバー１０８内に導入される。
【００１８】
被エッチング材料であるＳｉ（シリコン）ウェハ１１２を設置する下部電極１１３は、その上面であってＳｉウェハ１１２が載せられる載置面の外周側及び側壁を覆って配置された略リング形状のサセプタ１２０を備え、温度制御手段等（図１中には未記載）を用いて、下部電極の温度を所定に制御することが可能である。エッチング処理中は、直流電源１１８で発生される−２０００〜＋２０００Ｖの直流電圧を用いてウェハ１１２を静電吸着させ、Ｓｉウェハ１１２と下部電極１１３の隙間にＨｅを充填し、圧力制御を行っている。このような静電吸着技術を用いることで、エッチング中のＳｉウェハ１１２の温度を調節している。
【００１９】
そして、下部電極１１３には、プラズマ中からウェハ１１２にイオンを引き込み、そのイオンエネルギー分布を制御するためのＲＦバイアス電源１１７が接続されている。このＲＦバイアス電源１１７のバイアスパワーで入射イオンのエネルギーを制御する。最低１Ｗ程度から最大電力５００Ｗ程度（連続正弦波）／１２インチ径相当で出力でき、５００Ｈｚ〜３ｋＨｚの範囲でｏｎ−ｏｆｆ変調を行う、時間変調（Time Modulate：以下、ＴＭと表記することがある）機能を備えているものを用いた（変調時最大電力５００Ｗ程度）。
【００２０】
本発明では、このような従来のプラズマ処理装置にプラズマ分布とプラズマ面内の密度を検知する手段を具備するものである。それを実現する手段として、プローブ高周波発振手段１０３と高周波解析装置１１０、真空容器内に受信部（チャンバー埋め込み型高周波受信部１１４、もしくは、サセプタ搭置型高周波受信部１１９等）を有する。
【００２１】
まず、プローブ高周波発振手段１０３は、プラズマ生成やプラズマ処理に影響がないような数ｍＷ程度以下の正弦波を出力し、かつ、複数の周波数を連続、もしくは間欠的にエッチングチャンバー１０８内に発振する。このプローブ高周波は、アンテナ１０４からエッチングチャンバー１０８内に発振されてもよいし、チャンバー１０８内に設けたプローブ高周波受信部１１５などを発振部として発振されてもよい。エッチングチャンバー内に設置された複数の高周波受信部（アンテナ１０４、チャンバー埋め込み型高周波受信部１１４、チャンバー１０８内に設けたプローブ高周波受信部１１５、サセプタ搭置型高周波受信部１１９）で受信した信号は、高周波解析装置１１０で、発振された周波数に対する反射波と透過波の信号強度、位相を検知することで、プラズマを含む電気回路の発振周波数特性を検知することができる。
【００２２】
このとき、発振器-受信機の間に存在するプラズマは、コンダクタ（誘電体）/インダクタ、実抵抗を持つ電気素子と見立てることができる。例えば、プラズマの誘電率εＰの周波数特性は、下記（１）式であらわす事ができる。
【数１】
2010016124.tif 000003
【００２３】
ここで、ωpは、下記（２）式で表されるプラズマ振動数である。
【数２】
2010016124.tif 000004
上記（１）式、（２）式において、ｑは電荷素量、ｍｅは電子質量、ε０真空での誘電率、νｍは電子の衝突周波数である。つまり、（１）式で表される誘電率により、プラズマのインピーダンスが定義される。
【００２４】
このような周波数特性を持つ、電子密度ｎｅのプラズマに高周波（ｆ＝ω／２π）を真空容器に上方から発振した場合の真空容器内の等価回路を図２に示す。図２中のＺ０は発振部分の特性インピーダンス、Ｃｗは壁面とプラズマ間シース容量、Ｃｓはプラズマ−被処理物間シース容量、Ｚ１、Ｚ２は、其々動径密度方向、鉛直方向密度（下部電極方向）でのプラズマインピーダンスである。チャンバー埋め込み型高周波受信部１１４で検出される反射係数Γは、電気回路の経路上のインピーダンスＺ動径＝Ｚ１＋（ｊωＣｗ）−１として、下記（３）式で定義される。
【数３】
2010016124.tif 000005
【００２５】
鉛直方向密度Ｚ鉛直についてもＺ２を用いて同様に定義できる。このときＺ動径の虚数部分のインダクタ成分Ｌとキャパシタ成分Ｃから構成される下記（４）式で示される共振周波数で発振高周波が吸収されるため、共振周波数やその高調波でそのときの反射係数は小さくなる。
【数４】
2010016124.tif 000006
【００２６】
このとき、共振周波数は、（１）式、（２）式で示されるようにプラズマの密度の情報を反映したものとなっている。すなわち、この共振周波数の変化を計測すると、電気回路を構成する部分のプラズマの密度に比例した値となる。以上の原理により、本発明の方法の時間変化を調べることで、発振装置と受信部ではさまれる経路に存在するプラズマの平均密度の変動を検知することができる。共振周波数からプラズマ密度の算出は、高周波解析装置１１０、もしくは、制御ＰＣにて実施する。
【００２７】
図１は、プラズマ生成用の電源系統であるＵＨＦ整合器１０２側からアンテナ１０４を通してプラズマチャンバー内に放射させ、複数の接続点Ａ1、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ａ５の少なくとも１つをＡ点に接続し、反射係数、透過係数、インピーダンスを計測する手段をしめす実施例である。
【００２８】
点Ａ１はプラズマの動径方向の平均密度を含む経路のインピーダンス（図２のＺ１の経路に相当）、点Ａ２、点Ａ３、点Ａ４、点Ａ５はプラズマの鉛直方向の密度を含む経路のインピーダンスをそれぞれ計測する点である。鉛直方向密度を計測する点の中で、点Ａ３は、プラズマの密度情報以外に、下部電極１１３のインピーダンス（静電吸着膜やウェハのインピーダンス）の情報も含む。点Ａ４は、点Ａ３に加えＲＦバイアス整合器１１６のインピーダンスの情報を含む。このとき、プローブの周波数を掃引（１００ｋＨｚ〜３ＧＨｚ程度）されて得られる反射波と透過波の共振スペクトルパターンにおいて、プラズマ密度を反映したピークだけでなく、下部電極の状態変化（静電吸着部分の絶縁膜の厚さ等）等装置部品に起因する共振ピークの変化も調べることで、プラズマ密度の変化と同時に高周波回路を形成する装置部品の状態変化も同時に調べることが可能となる。
【００２９】
真空容器内の点Ａ２は、下部電極１１３をエッチングチャンバー１０８に支持する冶具上に設置されたチャンバー設置型高周波受信部１１５からの信号を取り込む点、点Ａ５は、下部電極１１３の周辺に設置しＲＦバイアスの漏れ防止のサセプタ内に埋め込まれたサセプタ搭置型高周波受信部１１９からの信号を計測する点である。真空容器内に設置する場合、点Ａ２、点Ａ５はその一例であるが、エッチング性能（形状、レート、汚染、経時変化）に影響を与えないような箇所にプラズマ処理装置の構造を考慮して設置することが望ましい。
【００３０】
真空内に設置され、汚染、異物発生抑制されたチャンバー埋め込み型高周波受信部１１４の構造の実施例を図３に示す。高周波受信部を構成する受信金属３０３は、周囲の壁面素材３０１から絶縁体３０４で囲まれており、エッチングチャンバー１０８から絶縁されている。エッチングチャンバー１０８の内周側、すなわちプラズマに接する表面自体にも、金属汚染と異物発生を防止するための絶縁層３０２が付着されている。したがって、受信部表面の絶縁層３０２は、チャンバー内壁３０２と同じ材料を付着することが望ましい。また、受信部分は、プラズマ生成用電力やＲＦバイアスの電界集中など起きないようにチャンバー内壁に対して平坦であることが望ましい。チャンバー１０８内の前記治具上に設けたチャンバー設置型高周波受信部１１５、サセプタ１２０に搭載したサセプタ搭置型高周波受信部１１９の構造も、チャンバー埋め込み型高周波受信部１１４と同様に、受信金属３０３の表面が壁面素材３０１や絶縁体３０４に囲まれた構造を持ち、ノイズに強く周波数特性の良好な同軸ケーブルを経て、受信金属３０３が高周波解析装置１１０に接続される。
【００３１】
点Ａ１、点Ａ２、点Ａ５の受信部（１１４、１１５、１１９）の設置場所以外に、Ａ点を装置グランドＡ８に落とすことも可能であるが、その場合は、発振周波数の電気回路の経路の足し合わせとなるので、一括ですべての経路の状態をモニタする場合有効である。
【００３２】
以上の測定構成を用いてプラズマ密度分布の変化を検知するには、まず、プラズマの動径方向密度受信部Ａ１、鉛直方向の密度受信部（点Ａ２または点Ａ５）との周波数比の変化を測定することで実現することができる。鉛直方向とは、プラズマがポンプ側へ拡散する方向、動径方向とは下部電極１１３より上側にあるエッチングチャンバー側壁部分に向かう方向である。したがって、高周波解析装置１１０は、２ポート以上を同時に計測できる手段を備える必要がある。
【００３３】
図４は、受信部Ａ１で受信した動径方向密度Ａ１と、受信部Ａ２で受信した鉛直方向密度Ａ２で反射係数を測定した結果の模式図である。この図を用いて、装置状態を管理するプラズマ処理方法の実施例を記載する。プラズマ処理当初は、Ａ１点の反射係数はｆ１、Ａ２点ではｆ２にピークが存在していたのだが、プラズマ処理枚数が増加するに従い、点Ａ１での検出ピークがｆ’１位置に変化していった。このような変化をした場合は、動径方向のプラズマ密度のみが壁面状態の変化などで部分的に増加（端部分の密度が上昇）したためと考えられる。したがって、プラズマの密度を減少させる装置制御パラメータ（例えば、ＵＨＦ電力）を変化させるではなく、分布を制御する装置制御パラメータ（例えば、コイル電流）を調整することで、加工形状の真の変動原因に即した変化を補正することで高精度なＡＰＣ制御（ Advanced Process Control ）が可能となる。
【００３４】
また、装置の出荷検査時に、同一のプローブ高周波発振手段１０３、高周波解析装置１１０にて、プラズマ密度と分布の程度を検査し、その結果を元に、出荷基準のプラズマ密度と分布に合致するよう装置制御パラメータの変換テーブルを構成し、そのテーブルを装置毎にすることで、プラズマ密度と分布に関する装置間やチャンバー間差を補正することが可能となる。
さらに、装置メンテナンスで部品交換した後、本発明の計測を実施することでプラズマ密度と分布に関わるソースパワー供給系やＲＦバイアス供給系の電気的、機械的な組み付けや、チャンバー側壁アース等の組み付け程度を精度よく管理でき、組み付け後の再現性を向上することができる。
【００３５】
上記、分布検知し装置状態を管理するプラズマ処理方法を実現するには、プローブ高周波発振手段１０３をプラズマ発生手段の電力供給系統に重畳させる必要があるため、プローブ高周波発振手段１０３は、プラズマ生成用の電源（例えばＵＨＦ電源１０１）の周波数と出力に対して高い耐圧と非干渉性（方向性）が必要である。例えば、ＵＨＦ整合器１０２内（例えば図１のＡ７に接続する場合）やＵＨＦ整合器１０２の外(例えばＡ５に接続する場合)に大電力用の方向性結合器とフィルタと減衰器を電力供給系に挿入したりすることで実現できる。そのときの発振周波数は、（１）式で示したプラズマ密度に比例する周波数領域をカバーできるように１００ＭＨｚから３ＧＨｚ程度を含むものとした。
【００３６】
一方、高周波解析装置１１０に対しても、ＲＦバイアス供給側に設けた受信部Ａ３、受信部Ａ４を高周波解析装置１１０のＡに接続する場合もあるので、ＲＦバイアス電力や、漏れてくるプラズマ周波数電力に対する耐圧性能を有する必要がある。受信部Ａ３、受信部Ａ４は、ＲＦバイアス整合器１１６内に設置されていると、配線が整理され余分なノイズ等混入が防げるため好ましい。さらに、図４のような反射係数の周波数依存性を取得するためには、プローブ高周波発振手段１０３から発振される周波数の掃引タイミングに合わせて、受信帯域も同期して変化する機能を有している。
【００３７】
このように、ＲＦバイアス電源とプラズマ発生手段の電源周波数と異なる発振器を具備することで、ＲＦバイアスを出力しないプラズマ条件、例えば、レジストのマスク寸法を小さくするトリミング工程や被処理物を下部電極に載置せずに行うＩｎ−ｓｉｔｕクリーニング工程等でもプラズマ密度と分布、プラズマインピーダンスを検知することが可能である。また、本発明と、従来の発光分光を組み合わせることで、プラズマの電気的特性と中性粒子の変動を組み合わせることでより、高精度な装置状態の変化を検知し、その原因に即した最適な補正を実施することが可能となる。例えば、発光ラジカルの強度比が変化したが、プラズマ密度分布が変化していない場合は、プラズマ密度のパワーや分布調整ではなく、中性ラジカルの組成比を変化するためのガス比を変化させたりするというように、変動要因をより分類して、補正することが可能となる。
【００３８】
［実施例２］上記、動径方向密度と鉛直方向密度を検知する以外に、本発明の手段でプラズマ密度と分布を検知する方法を以下に記載する。実施例１では動径方向密度と鉛直方向密度の相対比を検知したが、複数の周波数に対するそれぞれの反射、透過特性（もしくは、インピーダンス）の比率の変化を調べることでも可能である。
【００３９】
アンテナ１０４の中心部と端部からの放射された高周波に対してチャンバー埋め込み型高周波受信部１１４で受ける場合の等価回路を考えた場合、図２（ｂ）に示すように、端部と中心部では、プラズマの部分的な密度差、誘電率差に起因するインピーダンスの差δＺが生じている。その差は、プラズマ中の磁場が大きいほど大きくなる。このときのインピーダンスの虚部は（１）式、（２）式で記述されるように、周波数に依存するため、インピーダンスの周波数特性の変化を検知することで面内分布の変化を検知することができる。このインピーダンスは、高周波解析装置１１０で測定した反射係数、透過係数から算出する。
【００４０】
図５は、プラズマ密度の分布が変化した場合のインピーダンス変化を示した模式図である。例えば、動径方向密度を検知する受信部において、低周波数側（１００ｋＨｚ程度）から高周波数側（１００ＭＨｚ程度）まで周波数掃引したときのインピーダンスをプラズマ処理時のある時点で調べると、始点インピーダンス５０２点が、周波数の掃引に伴い終点インピーダンス５０３へと、右回りで変化していく周波数特性５０１が得られる。この周波数特性５０１を得た状態からプラズマ処理の進行に伴い、始点インピーダンス５０５から終点インピーダンス５０６をたどる周波数特性５０４のようにプラズマ密度の動径分布が変化した。
【００４１】
このように、高周波解析装置１１０にて、インピーダンスの周波数特性に変換し、高周波数側で違いが顕著である場合は、ウェハ面内のバイアスの均一性が変化していると判断することができる。そして、次のウェハ処理においてバイアスの面内分布が均一となるようにバイアスの面内分布を調整することで、バイアス均一性をフィードバック制御して、歩留まり低下を抑制することが可能となる。
【００４２】
［実施例３］図１とは異なるプローブ高周波発振手段と高周波解析装置の接続形態の異なる実施例を、図６を用いて説明する。この実施例にかかるプラズマ処理装置は、図１に示したプラズマ処理装置と、下記の点で相違しており、その余の点は図１と同じに構成されている。図１と同一符号は同じ構成要素を指し示す。すなわち、この実施例にかかるプラズマ処理装置は、高周波解析装置１１０を、方向性結合器１２１を介してプローブ高周波発振手段１０３と、ＲＦバイアス整合器１１６および下部電極１１３の接続点Ｂ１に接続するとともに、プローブ高周波発振部１１４´をチャンバー１０８の周壁に絶縁層を介して設け、さらに、ＵＨＦ電源１０１とＵＨＦ整合器１０２との間およびＵＨＦ整合器１０２とアンテナ１０４との間に、それぞれ受信部Ａ６、Ａ７を設けた点が相違している。
【００４３】
すなわち、この実施例は、プローブ高周波発振手段１０３を下部電極１１３のＲＦ電源供給ラインに接続する実施例である。この場合、受信部Ａ６、受信部Ａ７からの信号を高周波解析装置１１０に接続することで鉛直方向密度を検知することができる。また、点Ａ1の回転対称位置にプローブ高周波発振部１１４´を設けて点Ｂ２とＢ端を接続し、受信部１１４に接続される点Ａ1をＡ端と接続することで、プラズマを動径方向に横切る電気回路のパスが特定できるようになるので、面内分布の情報を直接的に得ることができチャンバー動径方向を横切るプラズマの平均密度や分布状態変化を検知することが可能である。
【００４４】
［実施例４］また、下部電極１１３が、ウェハをダイポール方式で静電吸着させる方式の場合の実施例を下部電極１１３の構造を示す図７を用いて説明する。この実施例では、下部電極１１３内に設けた静電吸着用電極を、同心円状に中心部側静電吸着用電極６０１と端部側静電吸着用電極６０２の２分割しており、例えば、図１に示すように、プローブ高周波をプローブ高周波発振手段１０３から方向性結合器１２１を介してアンテナ１０４（プラズマソース側）から発振させ、それぞれの静電吸着用電極６０１、６０２と異なる電圧の２つの直流電源６０３、６０４の間の受信点Ａ９、受信点Ａ９´を高周波解析装置１１０のＡ端に、それぞれ接続する。このように、ダイポール方式の静電吸着の場合は、下部電極１１３内の既存の静電吸着用電極６０１、６０２を高周波発振部分とすることができ、被処理物上の面内分布を直接検知することが可能となる。
【００４５】
また、図７において、プローブ高周波発振手段１０３を点Ａ９もしくは点Ａ´９点を介して静電吸着用電極６０１、６０２に接続して、プローブ高周波をチャンバー１０８内に供給する場合、すなわち、静電吸着用電極６０１、６０２をプローブ高周波発振用の電極として兼用する場合は、受信部分は、図６中のチャンバー埋め込み型高周波受信部１１４に接続される受信点Ａ１、チャンバー埋め込み型高周波受信部１１５に接続される受信点Ａ２、高周波発振部１１４´を受信部として接続される受信点Ｂ2、ＵＨＦ電源１０１とＵＨＦ整合器１０２との間の受信点Ａ６、アンテナ１０４を受信部として接続される受信点Ａ７など、プラズマをプローブ高周波発振電極との中間に介する地点とすることが望ましい。このように、この実施例によれば、下部電極１１３の静電吸着用電源をプローブ高周波受信手段としも、プローブ高周波発振手段としても用いることができる。
【００４６】
この実施例のように、既存のプラズマ処理装置にチャンバー埋め込み型高周波受信部１１４、１１５、高周波受信部１１９を設けたプラズマ処理装置を利用して、プローブ高周波発振手段と高周波解析装置を接続する方式とすることで、従来の突起型高周波プローブを用いた場合のような異物の発生による汚染等のプラズマ処理に擾乱を与えずにプラズマ密度と分布を測定することが可能となる。さらに、反射波と透過波の周波数スペクトルにより、プラズマ密度の変化だけでなく下部電極部品の状態変化も検知することが可能となる。また、同一の機材のプローブ高周波発振手段１０３と高周波解析装置１１０を用いてエッチング処理装置、またはチャンバー毎に設置された送信部、受信部での反射波と透過波のスペクトルを取得し比較することで、装置間、チャンバー間のプラズマ密度や装置状態の機差を評価することが可能となる。
【００４７】
図６に示すような下部電極１１３からプローブ高周波を導入させる方式は、マイクロ波の導波管のようにカットオフ周波数を持つ伝送経路が混在するプラズマ源の場合は、点Ａ６、点Ａ７を使えないので有効である。つまり、図６もしくは図７のように下部電極側からプローブ高周波を発振させ、受信部Ａ1で受信し、実施例２で示したプラズマインピーダンスの周波数特性をモニタすることで、動径方向密度分布の変化を検知することができる。このとき、動径方向のプラズマ密度分布の変化を検知するためには、チャンバーの軸対称軸部分から発振させ、軸対称に配置された複数の受信手段を用いて、平均化して使用すると誤差を低減することができる。もしくは、マイクロ波プラズマ源の場合は、下部電極側からプローブ高周波供給する以外に、図６のＢ端を点Ａ1に接続し、チャンバー埋め込み型高周波受信部１１４を発振部としてチャンバー内にプローブ高周波を放射して、受信部Ａ２、図７の受信部Ａ９、受信部Ａ´９、もしくは図１の受信部Ａ３、受信部Ａ４部分を高周波解析装置１１０のＡ端に接続することで実施例１、２に記載した装置状態管理方法を実現することが可能となる。
【００４８】
このように、実施例１〜４において述べた、プラズマ中にプローブ高周波を発振し、プラズマ中からプローブ高周波を受信する機構（たとえば、図１、図６中のチャンバー埋め込み型高周波受信部１１４、１１５、静電吸着用電極６０１、６０２、アンテナ１０４等）は、途中プラズマを介するように接続すればよく、構造も図３に示したように、受信手段および送信手段ともに同様の構成とすることができるので、それぞれを区別する必要はないが、送信部分については、反射波の情報を最も知りたい地点を用いることが望ましい。例えば、プラズマ処理室壁面への付着、デポ、削れ具合等も検知したい場合は、チャンバー埋め込み型高周波受信部１１４に接続される点Ａ1、チャンバー埋め込み型高周波受信部１１４´に接続される点Ｂ2を、Ｂ端に接続するといった具合である。
【００４９】
また、下部電極１１３側にプローブ高周波を導入させる方式においては、ウェハ直上の密度変化に敏感なため、エッチング処理中の反射係数の時間変化を検知することで、プラズマ密度や分布の変化とともに、エッチング終点判定にも使用することが可能である。
【００５０】
誘導結合型プラズマ処理装置（ＩＣＰ）、容量結合型プラズマ処理装置（ＣＣＰ）のような他のプラズマ源は、プラズマ励起周波数の違いに伴い、図１のアンテナ１０４に関する部分が異なるが、基本的には、図１と同じようにプラズマソース電源側からプローブ高周波発振手段を接続して、受信部を図１同様に設置することで、本発明の分布と密度を検知するプラズマ処理方法を実現することが可能である。または、図６のようにプローブ高周波を、被処理物を設置する下部電極側から発振するようにしてもよい。
【００５１】
［実施例５］本発明にかかる上記プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法について、以下に説明する、この実施例にかかるプラズマ処理方法は、上記プラズマ処理装置の真空容器内に被処理物を搬送し前記載置手段に載置する工程と真空容器内にガスを導入する工程と真空容器内の圧力を調整する工程とプラズマ生成用高周波電圧を印加して真空容器内にプラズマを生成する工程と載置手段にバイアス電圧を印加する工程、その後、被処理物をプラズマ処理中にプローブ高周波発振手段からプローブ高周波を真空装置内に投入してそのインピーダンスの変化や反射波および透過波を検出して装置状態を演算して検知する工程と、被処理物のプラズマ処理後に装置をプラズマクリーニングする工程を有するプラズマ処理方法において、前記装置状態を検知する工程がプラズマのインピーダンスや反射率と透過率を検知し、その検知結果を元に、プラズマの密度と分布を一定にするよう、プラズマ処理中の装置制御パラメータにフィードバックする工程、もしくはプラズマ処理後のプラズマクリーニング工程の条件を変化させる工程を備えている。
【００５２】
このことにより、被処理物のプラズマ処理中に真空容器内の装置状態を監視することができ、プラズマ処理装置内の状態を把握することができる。
【００５３】
以上のように、本発明においては、アンテナおよびチャンバーに設けたチャンバー埋め込み型プローブ高周波受信手段ならびにダイポール静電吸着用電極を、プローブ高周波発振手段として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の断面図。
【図２】本発明の電気回路として記載した、動径方向と鉛直方向の等価回路、および放射部の中心と端のインピーダンス差を示した等価回路を示す図。
【図３】真空容器内に設置するチャンバー埋め込み型高周波受信部の断面図。
【図４】動径方向密度Ａ１と鉛直方向密度Ａ２で反射係数を測定した結果の模式図。
【図５】プラズマ密度の分布が変化した場合のインピーダンス変化を示した模式図。
【図６】高周波発振手段を下部電極側に接続する場合の実施例を示す図。
【図７】静電吸着電極をダイポール静電吸着部分とした場合の構造を示す図。
【符号の説明】
【００５５】
１０１：ＵＨＦ電源、１０２：ＵＨＦ整合器、１０３：高周波発振手段、１０４：アンテナ、１０５：石英板、１０６：シャワープレート、１０７：電磁石、１０８：エッチングチャンバー、１０９：ヒータ、１１０：高周波解析装置、１１１：ガス導入手段、１１２：Ｓｉウェハ、１１３：下部電極、１１４：チャンバー埋め込み型高周波受信部、１１４´：チャンバー埋め込み型高周波発振部、１１５：チャンバー設置型高周波受信部、１１６：ＲＦバイアス整合器、１１７：ＲＦバイアス電源、１１８：直流電源、１１９：サセプタ搭置型高周波受信部、１２０：サセプタ、１２１：方向性結合器、３０１：壁面素材、３０２：絶縁層、３０３：受信金属、３０４：絶縁体、５０１：動径方向密度受信部で計測された周波数特性、５０２：始点のインピーダンス、５０３：終点インピーダンス、５０４：プラズマ密度分布を変化させた場合の周波数特性、５０５：密度を変化させた場合の始点インピーダンス、５０６：密度を変化させた場合の終点インピーダンス、６０１：静電吸着用電極中心部、６０２：静電吸着用電極端部、６０３：中心部用直流電源、６０４：端部用直流電源。
【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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