(57)【要約】【課題】真空処理室内に生成されたのプラズマの発光強度の分布を簡易な構成で高速に測定する。【解決手段】真空処理室２、該真空処理室内に試料を載置して保持する試料台７、および前記真空処理室内に導入されたプロセスガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段４を備えたプラズマ処理装置において、生成されたプラズマからの発光を前記真空処理室の外部で受光する受光器１３と、前記受光器と真空処理室の間に設けられ、前記プラズマからの発光のうち前記受光器に導入されるプラズマの範囲を調整する受光調整器１４と、前記受光調整器を調整して受光器による受光範囲を変更して得られた受光量をもとにプラズマ処理装置を制御する制御装置１６を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室、該真空処理室内に試料を載置して保持する試料台、および前記真空処理室内に導入されたプロセスガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段を備えたプラズマ処理装置において、
生成されたプラズマからの発光を前記真空処理室の外部で受光する受光器と、
前記受光器と真空処理室の間に設けられ、前記プラズマからの発光のうち前記受光器に導入されるプラズマの範囲を調整する受光調整器と、
前記受光調整器を調整して受光器による受光範囲を変更して得られた受光量をもとにプラズマ処理装置を制御する制御装置を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
真空処理室、該真空処理室内に試料を載置して保持する試料台、および前記真空処理室内に導入されたプロセスガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段を備えたプラズマ処理装置において、
生成されたプラズマからの発光を前記真空処理室の外部で受光する受光器と、
前記受光器と真空処理室の間に向けられ、前記プラズマからの発光のうち前記受光器に導入されるプラズマの範囲を調整する受光調整器と、
前記受光調整器を調整して受光器による受光範囲を同心円状に多段階に変更するとともに、変更された各段階毎の受光量をもとに前記プラズマ処理装置の処理条件を変更する制御装置を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記制御装置は前記プラズマ生成手段または前記試料台に供給する高周波電力を調整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１記載のプラズマ処理装置において、
前記受光調整器は、前記受光器に導入されるプラズマの範囲を同心円状に多段階に変更するものであり、前記変更して得られた受光量をもとに同心円状のプラズマ発光の半径方向分布を求め、求められた半径方向分布をもとにプラズマ処理装置を制御す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記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ処理装置の処理条件を変更してプラズマ処理を施すとともにプラズマ処理装置の処理条件を変更した際のプラズマ発光の半径方向分布を検出し、検出した結果をもとに最適の処理条件を決定することを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処置装置に係り、特に処理室内に所望のプラズマ分布を得ることのできるプラズマ処置装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスに用いられているプラズマ処理装置では、真空処理室内に導入された処理ガスはプラズマ化されてイオンあるいはラジカルになる。プラズマ処理装置の一種であるプラズマエッチング装置では、このイオンあるいはラジカルをウェハと反応させることにより、ウエハのエッチング加工を行なう。
【０００３】
このため、プラズマ処理装置では真空処理室内のイオンやラジカルの分布が、処理性能の均一性を決める主要因となる。このようなイオンあるいはラジカルの分布を計測する技術としては次の文献が知られている。
【０００４】
特許文献１には、真空処理室内にプラズマ受光部を設置し、受光部を回転移動させることによって、処理室内のプラズマ発光分布を測定する測定システムが示されている。また、特許文献２には、真空処理室に設けた窓の外側に、レンズとプラズマ発光検出部を設け、該発光検出部をリニアモータで移動して焦点位置を変化させることによって、処理室内のプラズマ発光分布を測定する方法が示されている。
【特許文献１】特開２００６−３１３８４７号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０３７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の方法では、受光部が処理室内に存在するため、正確な測定が可能となるが、量産装置向きの構成ではない。また、特許文献２の方法では、リニアモータを駆動してプラズマ発光検出部を移動させることによりウエハ面内全点を測定するため、測定に時間がかかる。
【０００６】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので真空処理室内のプラズマ分布（発光強度の分布）を簡易な構成で高速に測定することのできるプラズマ処置装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【０００８】
真空処理室、該真空処理室内に試料を載置して保持する試料台、および前記真空処理室内に導入されたプロセスガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段を備えたプラズマ処理装置において、生成されたプラズマからの発光を前記真空処理室の外部で受光する受光器と、前記受光器と真空処理室の間に設けられ、前記プラズマからの発光のうち前記受光器に導入されるプラズマの範囲を調整する受光調整器と、前記受光調整器を調整して受光器による受光範囲を変更して得られた受光量をもとにプラズマ処理装置を制御する制御装置を備えた。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、以上の構成を備えるため、真空処理室内のプラズマ分布を簡易な構成で高速に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。プラズマ処理装置１は、真空処理室２、真空処理室２に処理ガスを供給するマスフローコントローラ３、真空処理室２に供給された処理ガスをプラズマ化するためのプラズマ生成用高周波電源４、および真空処理室２内のガスを排気するガス排気系５を備える。
【００１１】
被処理基板であるウエハ６は、プラズマ処理装置１の真空処理室２内に配置された試料台７上に載置される。
【００１２】
プラズマ処理に使用する処理ガスは、マスフローコントローラ３を通して装置内に導入され、導入された処理ガスはプラズマ発生用高周波電源４から供給される高周波エネルギによりプラズマ化される。プラズマ８内の荷電粒子（イオン）は、試料台７に接続されたバイアス用高周波電源９により形成されるバイアス電界により加速され、試料台７上に載置したウエハ６表面に引き込まれる。
【００１３】
これによりウエハ６の表面が活性化され、プラズマ８内の反応性ガスとウエハ６の表面が化学反応することによりプラズマ処理が行なわれる。
【００１４】
なお、真空処理室２内の圧力は、圧力計１０からの測定値を基準値と比較し、前記比較した結果をもとに可変コンダクタンスバルブ１１の開閉角度を調整して排気速度を調整することにより一定に保持することができる。
【００１５】
プラズマ８の発光強度は、観察窓１２を通して受光器１３により観測される。観測窓１２と受光器１３の間には受光調整器１４が配置される。受光調整器１４は少なくとも２つの受光用レンズを有し、そのうち少なくとも一つの受光用レンズを上下に移動させることにより、プラズマ８の観測範囲を同心状に拡大・縮小させる。
【００１６】
受光器１３により観測されたプラズマ８の発光強度は、モニタ装置１５に伝送され、ここでプラズマ分布が測定される。プラズマ処理装置１を制御する制御部１６は、モニタ装置１５が測定したプラズマ分布の程度にしたがって、例えばプラズマ処理におけるプロセスデータを補正し、あるいはアラームを発して処理を停止する。
【００１７】
図２は、プラズマ分布を測定する原理を説明する図である。前述したように、本発明では、受光調整器１４内の受光用レンズを上下に移動させることにより、プラズマ８の観測範囲を同心円状に拡大または縮小させることができる。また、観測範囲を拡大または縮小させて取得した複数のプラズマ発光強度の測定値を用いてプラズマ発光強度の分布を測定することができる。
【００１８】
以下に、図２を用いてプラズマ８の観測範囲（２１〜２４）を、時間（ｔ１〜ｔ４）にしたがって４段階に変化させる場合を例にして、プラズマ分布を測定する方法を説明する。なお、プラズマ８の観測範囲を変化させる段階は２段階以上であればよいが、ウエハ６の大きさあるいは求められるプラズマ処理性能によって段階の数を変化させることが望ましい。
【００１９】
まず、時間ｔ１ではウエハ６全体にかかるプラズマの範囲（観測範囲２１）を観測するように受光調整器１４の受光用レンズ位置を調整し、プラズマ発光強度を観測する。続いて、時間ｔ２→ｔ３→ｔ４と時間を経る毎に、観測範囲２２→観測範囲２３→観測範囲２４と観測範囲を例えば同心円状に狭くしていき、それぞれの観測範囲のプラズマ発光強度を観測する。
【００２０】
続いて、時間ｔ２で観測した観測範囲２１のプラズマ発光強度と、時間ｔ１で観測した観測範囲２２のプラズマ発光強度の差分を取ることにより、観測範囲３１に示すようなリング状の範囲のプラズマ発光強度を算出する。同様に、観測範囲２２と観測範囲２３の差分から観測範囲３２のプラズマ発光強度を算出し、観測範囲２３と観測範囲２４の差分から観測範囲３３のプラズマ発光強度を算出する。
【００２１】
続いて、前期算出した観測範囲３１，３２，３３のプラズマ発光強度と観測範囲２４のプラズマ発光強度を合成することにより、プラズマ分布３５を得ることができる。
【００２２】
なお、エッチングレート等のプラズマ処理性能のウエハ６の面内分布は、ウエハ６の中心部よりも外周部の方が急峻な変化を示すことが多い。このため、外周部のリングである観測範囲３１のリング幅を最も狭くし、観測範囲３２，３３と進むごとに観測範囲のリング幅を徐々に広くしていくのが望ましい。例えば、観測範囲２４，３１，３２，３３の面積を同一にするのも良い。
【００２３】
図３は、プラズマ分布（プラズマ発光の強度分布）を測定する手順を示したフローチャートである。以下に各ステップについて順を追って説明する。
【００２４】
まず、ステップ４１では、プラズマ処理装置１でプラズマ処理を実施する。ステップ４２では、前記プラズマ処理中において、観測範囲２１〜２４のそれぞれにおけるプラズマ発光強度を取得する。
【００２５】
ステップ４３では、前記取得した各観測範囲のプラズマ発光強度の中から、予め設定された１つ以上の波長の発光強度のみを選択して抽出する。例えば、塩素系のガスでポリシリコンをエッチングする際には、Ｓｉの発光波長である２５１ｎｍ，２８８ｎｍ，ＳｉＣｌの発光波長である３９０ｎｍ，Ｃｌの発光波長である７２６ｎｍ，８３８ｎｍなどの波長の発光強度を抽出すると良い。
【００２６】
また、フロロカーボン系のガスで窒化シリコンをエッチングする際には、ＣＮの発光波長である３５９ｎｍ，３８７ｎｍ，Ｃ２の発光波長である４７０ｎｍ，５１７ｎｍ，Ｆの発光波長である７０３ｎｍ，７７５ｎｍなどの波長の発光強度を選択すると良い。また希釈ガスとしてアルゴンが添加されている場合には、Ａｒの発光波長である４２０ｎｍ，６０３ｎｍ，７５２ｎｍなどの波長の発光強度を選択すると良い。また添加ガスとして酸素が添加されている場合には、Ｏ２の発光波長である７７７ｎｍ，８４５ｎｍなどの波長の発光強度を選択すると良い。
【００２７】
ステップ４４では、前記抽出した波長の発光強度と観測範囲の面積との積を算出する。前記の積を算出する目的は以下のとおりである。受光器１３で観測されるプラズマ発光強度は、観測範囲のプラズマ発光強度の平均値であるため、例えば、プラズマ分布がウエハ６面内でまったく同じであった場合、観測範囲２１の発光強度と観測範囲２２の発光強度は同じになり、前記２つの観測範囲の差分は０となってしまう。そこで、各観測範囲の面積との積を算出することにより、前記２つの観測範囲の差分を算出した際に、観測範囲３１のプラズマ発光強度を得ることができる。
【００２８】
ステップ４５では、前記算出した各観測範囲における波長強度と面積の積同士の差分を算出することにより、リング状の観測範囲におけるプラズマ発光強度を取得することができる。
【００２９】
ステップ４６では、前記リング状の観測範囲におけるプラズマ発光強度をリング状の観測範囲における面積で除算する。これにより、前記リング状の観測範囲におけるプラズマ発光強度の平均値を得ることができる。これにより、例えば観測範囲２４，３１，３２，３３の面積が異なる場合においても、各観測範囲における発光強度（平均値）を比較することができる。
【００３０】
なお、ステップ４４，４５，４６における処理は式（１）で表すことができる。なお、式（１）は、観測範囲３１における発光強度Ｉ３１を表している。
【００３１】
Ｉ３１＝（Ｉ２１＊Ｓ２１−Ｉ２２＊Ｓ２２）／（Ｓ２１−Ｓ２２）        （１）
Ｉ２１：観測範囲２１で測定されたプラズマ発光強度
Ｉ２２：観測範囲２２で測定されたプラズマ発光強度
Ｓ２１：観測範囲２１の面積
Ｓ２２：観測範囲２２の面積
ステップ４７では前記算出した観測範囲２４，３１，３２，３３のプラズマ発光強度（平均値）をもとにり、前記波長毎のプラズマ発光強度分布３５（図２参照）を作成する。
【００３２】
以上の手順により、前記波長毎のプラズマ発光強度分布を例えばマップとして得ることができる。
【００３３】
図４は、最適なプラズマ分布を得ることのできる処理条件を探索する手順を示したフローチャートである。以下に各ステップについて順を追って説明をする。
【００３４】
まず、ステップ５１では、ガス流量・圧力値・高周波電源出力値・試料台温度等のプラズマ処理条件の初期値，変更するパラメータ，パラメータの変更範囲，所望のプラズマ分布等を設定する。
【００３５】
ステップ５２では、前記処理条件に基づき、プラズマ処理を開始する。
【００３６】
ステップ５３では、図３のステップ４２〜４７の手順にしたがってプラズマ処理中のプラズマ分布を測定する。
【００３７】
ステップ５４では、前記プラズマ分布測定後、プラズマ処理を終了する。
【００３８】
ステップ５５では、前記パラメータの変更範囲内のプラズマ処理がすべて終了したか否かを判定する。
【００３９】
すべての処理条件が終了したと判定した場合、ステップ５７に進み、前記すべての処理条件におけるプラズマ分布の比較を行なう。その後、ステップ５１において設定した所望のプラズマ分布に近い処理条件から順にリストアップし、図示していない表示装置に表示する。
【００４０】
すべての処理条件が終了していないと判定した場合、ステップ５６に進み、ステップ５１にて設定した変更パラメータ設定に従い、処理条件を変更し、再びステップ５２のプラズマ処理を開始する。
【００４１】
以上の手順により、所望のプラズマ分布に近い処理条件を得ることができる。通常プラズマ処理においては、所望する処理結果を得るため、予めガス流量・圧力値・高周波電源出力値・試料台温度といった処理条件（レシピ）を決定し、処理を行なう。
【００４２】
従来、最適な処理条件を決定するには、エンジニアの勘や経験に頼る部分が大きく、例えばプラズマエッチング処理においては、仮レシピを決定した後、エッチングレート等の処理性能を評価し、前記処理性能が最適となるよう、処理条件をチューニングする方法が一般的であった。このため、多くの労力および処理性能評価用ウエハを消費することになる。
【００４３】
しかし、図４のフローチャートにしたがって処理を実施することにより、所望のプラズマ分布を得ることのできる処理条件を半自動的に探索することができる。これにより、エンジニアの労力低減および処理性能評価用ウエハの浪費を低減することが可能となる。
【００４４】
前述のように、図４の手順を実行することにより、所望のプラズマ分布を発生させるための処理条件を得ることができる。しかしながら、通常のプラズマ処理においては、真空処理室２内への反応生成物の付着物あるいは真空処理室２内の部品の消耗などにより、プラズマ分布が経時変化し、プラズマ処理性能が悪化することがある。このため、安定したプラズマ処理を行なうためには、プラズマ分布を長期に渡って維持することが重要となる。
【００４５】
図５は、最適なプラズマ分布を維持するための手順を示したフローチャートである。以下に各ステップについて順を追って説明をする。
【００４６】
まず、ステップ６１では、図４の手順で決定した処理条件、および所望のプラズマ分布およびプラズマ分布の許容範囲等を設定する。
【００４７】
ステップ６２では、前記処理条件に基づき、プラズマ処理を開始する。
【００４８】
ステップ６３では、プラズマ処理を終了するか否かを判定する。プラズマ処理を終了しないと判定した場合、ステップ６４に進み、図３のステップ４２〜４７の手順に基づき、プラズマ処理中のプラズマ分布を測定する。
【００４９】
ステップ６５では、前記測定したプラズマ分布がステップ６１にて設定した許容範囲内か否かを判定する。許容範囲内であればプラズマ処理を続行し、ステップ６３へ戻る。プラズマ分布が許容範囲を超えている場合はステップ６６に進む。
【００５０】
ステップ６６では、処理条件を変更する。処理条件の変更は、図４において取得した所望のプラズマ分布に近い処理条件（複数）の中から選択するのが良い。また、前記複数の処理条件と前記処理した際のプラズマ分布からデータベースを作成し、前記データベースを用いて処理条件を決定するのも良い。
【００５１】
ステップ６３において、プラズマ処理を終了すると判定した場合はステップ６７に進み、プラズマ処理を終了する。
【００５２】
以上の手順により、最適なプラズマ分布を維持することができる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によれば、真空処理室上部からプラズマを観測し、プラズマ観測範囲を同心状に変更しながらプラズマ発光強度を観測する。また、それぞれの観測範囲で取得したデータの差分を取ることで、プラズマの発光強度の半径方向分布を測定することができる。また、受光調整器１４内の受光用レンズを移動させることにより、プラズマ８の観測範囲を同心円状に拡大または縮小させることができる。このため、真空処理室内のプラズマ分布を、容易な構成で高速に測定することができる。
【００５４】
なお、以上の例では、複数のレンズのうちの少なくとも１枚を移動させて、受光器１３とレンズ間の焦点距離を変化させることによって、プラズマ観測範囲を同心状に変更したが、受光器をＣＣＤ等の受光素子の集合体で構成し、この集合体で構成される受光範囲自体を同心状に変更することによってプラズマ観測範囲を同心状に変更することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施形態にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】プラズマ分布を測定する原理を説明する図である。
【図３】プラズマ分布（プラズマ発光の強度分布）を測定する手順を説明する図である。
【図４】最適なプラズマ分布を得ることのできる処理条件を探索する手順を説明する図である。
【図５】最適なプラズマ分布を維持するための手順を説明する図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  プラズマ処理装置
２  真空処理室
３  マスフローコントローラ
４  プラズマ生成用高周波電源
５  ガス排気系
６  ウエハ
７  試料台
８  プラズマ
９  バイアス用高周波電源
１０  圧力計
１１  可変コンダクタンスバルブ
１２  観測窓
１３  受光器
１４  受光調整器
１５  モニタ装置
１６  制御部
【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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