(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部に誘電体窓を備えた真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、
前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内にマイクロ波を放射するための１つまたは複数のスロットを有し、前記誘電体窓の上に設けられる導体のスロット板と、
マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記スロット板および前記誘電体窓を介して前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と前記誘電体窓とを介して前記処理容器内の前記基板の表面を光学的に監視または計測する光学モニタ部と
を有し、
前記光学モニタ部は、
モニタ光を発生する光源と、
前記モニタ光に対する前記基板からの反射光を電気信号に変換するための受光部と、
前記受光部からの電気信号を所定の信号処理にかけてモニタ情報またはモニタ結果を出力するモニタ回路と、
前記モニタ光を前記スロット板のメッシュ状透孔および前記誘電体窓を介して前記基板保持部上の前記基板の表面に照射し、前記基板の表面からの反射光を前記誘電体窓および前記メッシュ状透孔を介して取り込むモニタヘッドと、
前記光源から前記モニタヘッドまで前記モニタ光を伝送するためのモニタ光伝送部と、
前記モニタヘッドから前記受光部まで前記反射光を伝送するための反射光伝送部と
を有し、
前記モニタヘッドは、
前記スロット板の上方に配置された密閉可能な導体からなるハウジングと、
前記ハウジング内で前記モニタ光または前記反射光が通る位置に配置されている所定の光学部品と、
前記ハウジング内にパージングガスを供給するパージングガス供給部と、
前記ハウジング内を排気する排気部と
を有する、
プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記モニタヘッドと前記誘電窓の間には、前記マイクロ波供給部からのマイクロ波を径方向に伝搬させながらその波長を短くするための誘電体板と前記誘電体板の上方にカバープレートが設けられ、
前記カバープレートにおいて、前記スロット板の前記メッシュ状透孔が分布する領域と重なる位置に、前記モニタヘッドの前記ハウジングと連通する貫通孔が形成されている、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記パージングガス供給部より前記ハウジング内に供給されたパージングガスは、前記カバープレートの貫通孔を通って前記排気部へ送られる、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
少なくとも一部に誘電体窓を備えた真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、
前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内にマイクロ波を放射するための１つまたは複数のスロットを有し、前記誘電体窓の上に設けられる導体のスロット板と、
マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記スロット板および前記誘電体窓を介して前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と前記誘電体窓とを介して前記処理容器内の前記基板の表面を光学的に監視または計測する光学モニタ部と
を有し、
前記スロット板の前記メッシュ状透孔が分布する領域の遮光部の上面が丸められている、
プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記メッシュ状透孔の遮光部の上面はウエットエッチングによって丸められている、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
少なくとも一部に誘電体窓を備えた真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、
前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内にマイクロ波を放射するための１つまたは複数のスロットを有し、前記誘電体窓の上に設けられる導体のスロット板と、
マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記スロット板および前記誘電体窓を介して前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、
前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と前記誘電体窓とを介して前記処理容器内の前記基板の表面を光学的に監視または計測する光学モニタ部と
を有し、
前記誘電体窓において、前記スロット板の前記メッシュ状透孔が分布する領域と重なる部分は少なくとも合成石英からなる、
プラズマ処理装置。
【請求項７】
前記誘電体窓において、前記スロット板の前記メッシュ状透孔が分布する領域と重ならない部分は溶融石英からなる、請求項６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
少なくとも一部に誘電体窓を備えた真空排気可能な処理容器内に被処理基板を収容し、前記処理容器内に処理ガスを供給するとともに、前記誘電体窓の上に設けられた１つまたは複数のスロットを有する導体のスロット板と前記誘電体窓とを介してマイクロ波を前記処理容器内に供給して、マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記基板の表面を光学的に監視または測定するための光学モニタ装置であって、
モニタ光を発生する光源と、
前記モニタ光に対する前記基板からの反射光を電気信号に変換するための受光部と、
前記受光部からの電気信号を所定の信号処理にかけてモニタ情報またはモニタ結果を出力するモニタ回路と、
前記モニタ光と前記基板の表面からの反射光とを通すために前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と、
前記モニタ光を前記スロット板のメッシュ状透孔および前記誘電体窓を介して前記基板保持部上の前記基板の表面に照射し、前記基板の表面からの反射光を前記誘電体窓および前記スロット板のメッシュ状透孔を介して取り込むモニタヘッドと、
前記光源から前記モニタヘッドまで前記モニタ光を伝送するためのモニタ光伝送部と、
前記モニタヘッドから前記受光部まで前記反射光を伝送するための反射光伝送部と
を有し、
前記スロット板には、前記モニタ光を通すための第１のメッシュ状透孔と、前記基板の表面からの反射光を通すための第２のメッシュ状透孔とが形成され、
前記モニタヘッドは、前記モニタ光を前記スロット板の前記第１のメッシュ状透孔および前記誘電体窓を介して前記基板保持部上の前記基板の表面に照射し、前記基板の表面からの反射光を前記誘電体窓および前記スロット板の前記第２のメッシュ状透孔を介して取り込む、
光学モニタ装置。
【請求項９】
前記モニタヘッドは、
密閉可能な導体からなるハウジングと、
前記ハウジング内で前記モニタ光または前記反射光が通過する位置に配置されている光学部品と、
前記ハウジング内にパージングガスを供給するパージングガス供給部と、
前記ハウジング内を排気する排気部と
を有する、請求項８に記載の光学モニタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波放電によって生成されるプラズマを用いて被処理基板に所望の処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマがよく利用されている。従来より、この種のプラズマ処理には、ＭＨｚ領域の高周波放電を用いて生成されるプラズマか、もしくはＧＨｚ領域のマイクロ波放電を用いて生成されるプラズマが広く用いられている。
【０００３】
マイクロ波放電を用いて生成されるプラズマは、低圧下にて電子温度の低い高密度のプラズマを生成できるという利点があり、特にスロットアンテナと平板状のマイクロ波導入窓構造を採ることによって、大口径プラズマを効率的に生成できる。また、磁場を必要としないためプラズマ処理装置の簡略化をはかれるという長所を有している。
【０００４】
スロットアンテナの中でも、特にラジアルラインスロットアンテナは、同心円状に配列した多数のハの字状スロットを備えたスロット板からマイクロ波を均質かつ広範囲に放射することによって、プラズマ密度の均一性ないし制御性に優れた大口径のプラズマを生成することができる。
【０００５】
ところで、マイクロ波プラズマ処理装置においても、処理容器内にて行われているプロセスをin-situのモニタリングを通じてリアルタイムに制御することがある。上記のようなスロットアンテナを備えるマイクロ波プラズマ処理装置に光学モニタ装置を搭載する場合は、モニタリング用の光導波路がスロットアンテナの電磁波放射特性の均一性ひいてはプラズマ密度の均一性に影響を与えないような装置構成とする必要がある。
【０００６】
この点に関して、特許文献１に開示されるマイクロ波プラズマ処理装置に搭載される光学モニタ装置は、マイクロ波発生器から発生されるマイクロ波を処理容器に向けて伝送するマイクロ波伝送線路の最終区間がスロットアンテナの中心で鉛直方向に真上から終端する同軸線路であることを利用する。同軸線路の内部導体は、中空管にて構成される。該中空管の中に光を通すことによって、処理容器内で行われるプロセスをin-situで光学的にモニタするようになっている。
【０００７】
この光学モニタ装置は、同軸線路の中空管（内部導体）と連続するように、スロットアンテナの中心を貫通する光導波路用の孔を設ける。一般に、平板スロットアンテナの中心はラジアル導波路の中心であり、この場所に光導波路用の貫通孔を形成しても、スロットアンテナの電磁波放射特性の均一性に影響を与えることがなく、したがってプラズマ密度の均一性または制御性に支障を来すことはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２５１６６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１に開示される従来の光学モニタ装置は、マイクロ波伝送線路（同軸線路）の中にモニリタリング用の光導波路を設けることに難点がある。すなわち、電磁波の伝搬モードや特性インピーダンスの面から同軸線路の内部導体としての中空管の口径には限度があり、たとえば膜厚のモニタリングにおいて、レーザ光をモニタ光に用いる場合はともかく、ランプ光のような波長領域の広い非コヒーレントな光をモニタ光に用いる場合は、口径つまり光量の十分大きな光導波路を得ることができない。
【００１０】
また、上記従来の光学モニタ装置は、マイクロ波伝送線路（同軸線路）の中空管（内部導体）を処理ガスの供給路に利用することができないという制約もある。
【００１１】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、平板スロットアンテナの電磁波放射特性の均一性に影響を与えずに波長領域の広いモニタ光（特に非コヒーレントなモニタ光）を用いて処理容器内の被処理基板の表面に対する光学的なモニタリングを高精度に行えるようにした光学モニタ装置およびプラズマ処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の観点におけるプラズマ処理装置は、少なくとも一部に誘電体窓を備えた真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内にマイクロ波を放射するための１つまたは複数のスロットを有し、前記誘電体窓の上に設けられる導体のスロット板と、マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記スロット板および前記誘電体窓を介して前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と前記誘電体窓とを介して前記処理容器内の前記基板の表面を光学的に監視または計測する光学モニタ部とを有し、前記光学モニタ部は、モニタ光を発生する光源と、前記モニタ光に対する前記基板からの反射光を電気信号に変換するための受光部と、前記受光部からの電気信号を所定の信号処理にかけてモニタ情報またはモニタ結果を出力するモニタ回路と、前記モニタ光を前記スロット板のメッシュ状透孔および前記誘電体窓を介して前記基板保持部上の前記基板の表面に照射し、前記基板の表面からの反射光を前記誘電体窓および前記メッシュ状透孔を介して取り込むモニタヘッドと、前記光源から前記モニタヘッドまで前記モニタ光を伝送するためのモニタ光伝送部と、前記モニタヘッドから前記受光部まで前記反射光を伝送するための反射光伝送部とを有し、前記モニタヘッドは、前記スロット板の上方に配置された密閉可能な導体からなるハウジングと、前記ハウジング内で前記モニタ光または前記反射光が通る位置に配置されている所定の光学部品と、前記ハウジング内にパージングガスを供給するパージングガス供給部と、前記ハウジング内を排気する排気部とを有する。
本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、少なくとも一部に誘電体窓を備えた真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内にマイクロ波を放射するための１つまたは複数のスロットを有し、前記誘電体窓の上に設けられる導体のスロット板と、マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記スロット板および前記誘電体窓を介して前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と前記誘電体窓とを介して前記処理容器内の前記基板の表面を光学的に監視または計測する光学モニタ部とを有し、前記スロット板の前記メッシュ状透孔が分布する領域の遮光部の上面が丸められている。
本発明の第３の観点におけるプラズマ処理装置は、少なくとも一部に誘電体窓を備えた真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内で被処理基板を保持する基板保持部と、前記基板に所望のプラズマ処理を施すために、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内にマイクロ波を放射するための１つまたは複数のスロットを有し、前記誘電体窓の上に設けられる導体のスロット板と、マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成するために、前記スロット板および前記誘電体窓を介して前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部と、前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と前記誘電体窓とを介して前記処理容器内の前記基板の表面を光学的に監視または計測する光学モニタ部とを有し、前記誘電体窓において、前記スロット板の前記メッシュ状透孔が分布する領域と重なる部分は少なくとも合成石英からなる。
本発明の第４の観点におけるプラズマ処理装置は、少なくとも一部に誘電体窓を備えた真空排気可能な処理容器内に被処理基板を収容し、前記処理容器内に処理ガスを供給するとともに、前記誘電体窓の上に設けられた１つまたは複数のスロットを有する導体のスロット板と前記誘電体窓とを介してマイクロ波を前記処理容器内に供給して、マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記基板の表面を光学的に監視または測定するための光学モニタ装置であって、モニタ光を発生する光源と、前記モニタ光に対する前記基板からの反射光を電気信号に変換するための受光部と、前記受光部からの電気信号を所定の信号処理にかけてモニタ情報またはモニタ結果を出力するモニタ回路と、前記モニタ光と前記基板の表面からの反射光とを通すために前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と、前記モニタ光を前記スロット板のメッシュ状透孔および前記誘電体窓を介して前記基板保持部上の前記基板の表面に照射し、前記基板の表面からの反射光を前記誘電体窓および前記スロット板のメッシュ状透孔を介して取り込むモニタヘッドと、前記光源から前記モニタヘッドまで前記モニタ光を伝送するためのモニタ光伝送部と、前記モニタヘッドから前記受光部まで前記反射光を伝送するための反射光伝送部とを有し、前記スロット板には、前記モニタ光を通すための第１のメッシュ状透孔と、前記基板の表面からの反射光を通すための第２のメッシュ状透孔とが形成され、前記モニタヘッドは、前記モニタ光を前記スロット板の前記第１のメッシュ状透孔および前記誘電体窓を介して前記基板保持部上の前記基板の表面に照射し、前記基板の表面からの反射光を前記誘電体窓および前記スロット板の前記第２のメッシュ状透孔を介して取り込む。
【００１３】
本発明の光学モニタ装置は、天板の少なくとも一部が誘電体の窓からなる真空排気可能な処理容器内に被処理基板を収容し、前記処理容器内に処理ガスを供給するとともに、前記誘電体窓の上に設けられた１つまたは複数のスロットを有する導体のスロット板と前記誘電体窓とを介してマイクロ波を前記処理容器内に供給して、マイクロ波放電による前記処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記基板の表面を光学的に監視または測定するための光学モニタ装置であって、モニタ光を発生する光源と、前記モニタ光に対する前記基板からの反射光を電気信号に変換するための受光部と、前記受光部からの電気信号を所定の信号処理にかけてモニタ情報またはモニタ結果を出力するモニタ回路と、前記モニタ光と前記基板の表面からの反射光とを通すために前記スロット板に形成されたメッシュ状の透孔と、前記モニタ光を前記スロット板のメッシュ状透孔および前記誘電体窓を介して前記基板保持部上の前記基板の表面に照射し、前記基板の表面からの反射光を前記誘電体窓および前記スロット板のメッシュ状透孔を介して取り込むモニタヘッドと、前記光源から前記モニタヘッドまで前記モニタ光を伝送するためのモニタ光伝送部と、前記モニタヘッドから前記受光部まで前記反射光を伝送するための反射光伝送部とを有する。
【００１４】
上記構成のマイクロ波プラズマ処理装置においては、マイクロ波供給部より供給されるマイクロ波がスロット板のスロットより誘電体窓を介して処理容器内に放射され、そのマイクロ波電界によって処理ガスが電離して、プラズマが生成される。誘電体窓付近で生成されたプラズマは処理容器内で下方に拡散し、このプラズマの下で基板保持部上の基板表面に微細加工または薄膜堆積等の所望の処理が行われる。
【００１５】
上記光学モニタ部または光学モニタ装置は、導体スロット板および誘電体窓を通過するモニタリング用の光導波路を介して、そのようなプラズマ処理を受ける被処理基板の表面をin-situで光学的に監視または計測する。ここで、スロット板においては、メッシュ状の透孔がモニタリング用の光導波路を与える一方で、マイクロ波供給部より供給されたマイクロ波がメッシュ状透孔の部位をスロット以外の他の部位と同様に漏れなくスムースに伝搬する。これにより、スロットアンテナの電磁波放射特性の均一性（ひいてはプラズマ密度の均一性）に影響を与えずに、波長領域の広いモニタ光（特に非コヒーレントなモニタ光）を伝搬させるのに適したモニタリング用の光導波路を構築し、被処理基板の表面に対する所望の光学的なモニタリングを高い精度で安定確実に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光学モニタ装置またはプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、平板スロットアンテナの電磁波放射特性の均一性に影響を与えずに波長領域の広いモニタ光（特に非コヒーレントなモニタ光）を用いて処理容器内の被処理基板の表面に対する光学的なモニタリングを高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】図１のプラズマ処理装置に搭載される一実施形態における光学モニタ装置のモニタヘッドおよび光導波路の構成を示す縦断面図である。
【図３Ａ】実施形態の光学モニタ装置において光導波路を構成するためにスロット板に形成されるメッシュ状透孔の構成を示す平面図である。
【図３Ｂ】上記スロット板のメッシュ状透孔が分布する領域における遮光部の縦断面構造を示す断面図である。
【図４】上記スロット板にメッシュ状透孔を作成する方法の手順を示す図である。
【図５】合成石英および溶融石英の光透過率の波長依存性を示す図である。
【図６】上記光学モニタ装置のモニタ本体内の構成を示すブロック図である。
【図７】図１のプラズマ処理装置を用いてＬＤＤ構造の側壁を形成するために行われるエッチバック工程の手順を示す断面図である。
【図８Ａ】ＬＤＤ構造の側壁形成における不良なエッチバック結果の一例（リセス）を示す図である。
【図８Ｂ】ＬＤＤ構造の側壁形成における不良なエッチバック結果の一例（フッティング）を示す図である。
【図９】ＳiＯ2膜における反射率の波長依存特性を示す図である。
【図１０】図１のプラズマ処理装置の一変形例を示す図である。
【図１１】実施形態の光学モニタ装置におけるモニタヘッドおよび光導波路の一変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す。このマイクロ波プラズマ処理装置は、平板スロットアンテナを用いる平板状表面波励起型のマイクロ波プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。
【００２０】
先ず、このマイクロ波プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係しない各部の構成を説明する。
【００２１】
チャンバ１０内の下部中央には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が、高周波電極を兼ねる基板保持台として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。
【００２２】
筒状支持部１４の外周には、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成されている。この排気路１８の上部または入口には、環状のバッフル板２０が取り付けられるとともに、底部に１つまたは複数の排気ポート２２が設けられている。各排気ポート２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内のプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁の外には、半導体ウエハＷの搬入出口２７を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。
【００２３】
サセプタ１２には、ＲＦバイアス用の高周波電源３０がマッチングユニット３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。この高周波電源３０は、半導体ウエハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波を所定のパワーで出力する。マッチングユニット３２は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中には、自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
【００２４】
サセプタ１２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力を用いて保持するための静電チャック３６が設けられ、静電チャック３６の半径方向外側に半導体ウエハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング３８が設けられる。静電チャック３６は導電膜からなる電極３６ａを一対の絶縁膜３６ｂ，３６ｃの間に挟み込んだものであり、電極３６ａには高圧の直流電源４０がスイッチ４２および被覆線４３を介して電気的に接続されている。半導体ウエハＷは、直流電源４０から印加される直流電圧による静電気力にて静電チャック３６上に吸着保持される。
【００２５】
サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット（図示せず）から配管４６，４８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水ｃｗが循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック３６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５０を介して静電チャック３６の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。また、半導体ウエハＷのローディング／アンローディングのためにサセプタ１２を垂直方向に貫通して上下移動可能なリフトピンおよびその昇降機構（図示せず）等も設けられている。
【００２６】
次に、このマイクロ波プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係する各部の構成を説明する。
【００２７】
チャンバ１０のサセプタ１２と対向する天井面には、マイクロ波導入用の円形の誘電体窓５２が天板として気密に取り付けられる。この誘電体窓５２は、後に詳しく述べるように、モニタリング用の光導波路１０４が通過する部分５２ａを短波長の光（特に紫外線）に対して透過率の高い合成石英にて構成され、他の部分５２ｂをコストの低い溶融石英にて構成されている。
【００２８】
誘電体窓５２の上には、平板型のスロットアンテナ、たとえば円板形のラジアルラインスロットアンテナ５５が設けられている。このラジアルラインスロットアンテナ５５は、スロット板５４、誘電体板（遅延板）５６および誘電体板上面の金属部（カバープレート７２の下面）によって構成されている。
【００２９】
スロット板５４は、図３Ａに示すように、マイクロ波を放射するためのスロットとして同心円状に分布する多数のハの字スロットペア（５４ａ，５４ｂ）を有している。さらに、後に詳しく述べるが、スロット板５４において、モニタリング用の光導波路１０４が通過する部分５４ｃにはメッシュ状の透（すかし）孔ＭＨが形成されている。
【００３０】
このラジアルラインスロットアンテナ５５は、スロット板５４の上に設けられた誘電体板５６を介してマイクロ波伝送線路５８に電磁的に結合されている。誘電体板５６は、モニタリング用の光導波路１０４が通過する部分５６ａを短波長の光（特に紫外線）に対して透過率の高い合成石英にて構成されている。誘電体板５６の他の部分５６ｂは、マイクロ波の波長を圧縮（短縮）するのに適した高誘電率の誘電体たとえば石英、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムにて構成されている。ここでは、誘電体窓５２と同様にコストの低い溶融石英にて構成されている。
【００３１】
マイクロ波伝送線路５８は、マイクロ波発生器６０から所定のパワーにて出力されるたとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をラジアルラインスロットアンテナ５５まで伝送する線路であり、導波管６２と導波管−同軸管変換器６４と同軸管６６とを有している。導波管６２は、たとえば方形導波管であり、ＴＥモードを伝送モードとしてマイクロ波発生器６０からのマイクロ波をチャンバ１０に向けて導波管−同軸管変換器６４まで伝送する。
【００３２】
導波管−同軸管変換器６４は、方形導波管６２の終端部と同軸管６６の始端部とを結合し、方形導波管６２の伝送モードを同軸管６６の伝送モードに変換する。同軸管６６は、導波管−同軸管変換器６４からチャンバ１０の上面中心部まで鉛直下方に延びて、その同軸線路の終端または下端が誘電体板５６を介してスロット板５４の中心部に結合されている。同軸管６６は、円筒体からなり、マイクロ波は内部導体６８と外部導体７０の間の空間をＴＥＭモードで伝播する。
【００３３】
マイクロ波発生器６０から出力されたマイクロ波は、上記のようなマイクロ波伝送線路５８の導波管６２、導波管−同軸管変換器６４および同軸管６６を伝播して、ラジアルラインスロットアンテナ５５の誘電体板５６に給電される。そして、誘電体板５６内にて波長を短縮しながら半径方向に広げられたマイクロ波はラジアルラインスロットアンテナ５５の各スロットペア５５ａ，５５ｂから２つの直交する偏波成分を含む円偏波の平面波となってチャンバ１０内に向けて放射される。チャンバ１０内に放射されたマイクロ波は、付近のガスが電離させ、高密度かつ電子温度の低いプラズマを生成する。なお、マイクロ波電界（表面波の電界）は、誘電体窓５２の表面とプラズマに沿ってラジアル方向に伝播する。
【００３４】
誘電体板５６の上には、アンテナ後面板を兼ねるカバープレート７２がチャンバ１０の上面を覆うように設けられている。このカバープレート７２は、たとえばアルミニウムからなり、誘電体窓５２および誘電体板５６にて発生する誘電損失の熱やプロセスに応じ発生する熱を吸収（放熱）し任意の温度に調整する機能を有している。この冷却機能のために、カバープレート７２の内部に形成されている流路７４には、チラーユニット（図示せず）から配管７６，７８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水ｃｗが循環供給される。このカバープレート７２においては、モニタリング用の光導波路１０４が通過する箇所に、板面を垂直に貫通する孔７２ａが形成されている。
【００３５】
処理ガス供給部８０は、チャンバ１０の外に配置された処理ガス供給源８２と、誘電体窓５２より幾らか低い位置でチャンバ１０の側壁の中に環状に形成されたマニホールドまたはバッファ室８４と、円周方向に等間隔に設けられバッファ室８２からプラズマ生成空間に臨む多数の側壁ガス吐出孔８６と、処理ガス供給源８２からバッファ室８４まで延びるガス供給管８８とを有している。ガス供給管８６の途中にはＭＦＣ（マス・フロー・コントローラ）９０および開閉弁９２が設けられている。
【００３６】
処理ガス供給部８０において、処理ガス供給源８２から所定の流量にて送出された処理ガスは、ガス供給管８８を通ってチャンバ１０側壁内のバッファ室８４に導入され、バッファ室８４内にて周回方向の圧力を均一化してから側壁ガス吐出口８６からチャンバ１０の中心に向かって略水平に吐出され、プラズマ生成空間へ拡散するようになっている。
【００３７】
制御部９４は、マイクロコンピュータを含んでおり、このプラズマエッチング装置内の各部、たとえば排気装置２６、高周波電源３０、静電チャック３６用のスイッチ４２、マイクロ波発生器６０、処理ガス供給部８０、伝熱ガス供給部（図示せず）、後述する光学モニタ装置１００等の個々の動作および装置全体の動作を制御する。
【００３８】
このマイクロ波プラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック３６の上に載置する。そして、ゲートバルブ２８を閉状態にした後、処理ガス供給部８０から処理ガスつまりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量にてチャンバ１０内に導入する。また、伝熱ガス供給部から静電チャック３６と半導体ウエハＷとの接触界面に伝熱ガス（Ｈeガス）を供給するとともに、スイッチ４２をオンにして静電チャック３６の静電吸着力により伝熱ガスを上記接触界面に閉じ込める。そして、マイクロ波発生器６０をオンにし、マイクロ波発生器６０から所定パワーにて出力されるマイクロ波をマイクロ波伝送線路５８を介して伝搬させてラジアルラインスロットアンテナ５５に給電し、ラジアルラインスロットアンテナ５５からチャンバ１０内にマイクロ波を放射させる。さらに、高周波電源３０をオンにして所定のパワーにてＲＦバイアス用の高周波を出力させ、この高周波をマッチングユニット３２および給電棒３４を介してサセプタ１２に印加する。
【００３９】
処理ガス供給部８０の側壁ガス吐出口８６からチャンバ１０内に導入されたエッチングガスは誘電体窓５２の下へ拡散し、マイクロ波の電界によってガス粒子が電離し、表面励起のプラズマが生成される。プラズマが生成されると、マイクロ波は、誘電体窓５２の下面（プラズマと対向する面）とプラズマに沿ってラジアル方向に伝播する表面波となる。こうして、誘電体窓５２の下で生成されたプラズマは下方に拡散し、半導体ウエハＷの主面の被加工膜に対してプラズマ中のラジカルを用いた等方性エッチングおよびイオン照射を用いた垂直エッチングが行われる。
【００４０】
このマイクロ波プラズマエッチング装置は、チャンバ１０内にて行われるエッチングプロセスの状況、たとえば時間の経過とともに減少する被加工膜の膜厚をin-situまたはリアルタイムで光学的にモニタリングするための光学モニタ装置１００を備えている。
【００４１】
この光学モニタ装置１００は、サセプタ１２上に載置される半導体ウエハＷのエッジよりも半径方向内側にあって、かつ同軸管６６よりも半径方向外側の位置に設けられる。光学モニタ装置１００は、カバープレート７２の上に配置されるモニタヘッド１０２と、モニタリング用の光導波路１０４と、光ファイバ１０６を介してモニタヘッド１０２と光学的に結合されるモニタ本体１０８とを有している。モニタリング用の光導波路１０４は、モニタヘッド１０２から鉛直下方にカバープレート７２、誘電体板５６、スロット板５４および誘電体窓５２を縦断して設けられる。
【００４２】
図２に、モニタヘッド１０２および光導波路１０４の構成を示す。モニタヘッド１０２は、導体たとえばアルミニウムからなる密閉可能なキャップ状のハウジング１１０を有し、このハウジング１１０の中にモニタ用の光学部品として、たとえば光反射体１１２および光学レンズ１１４を配置している。
【００４３】
光反射体１１２は、たとえばアルミニウムからなり、図示のようにハウジング１１０内にて終端する光ファイバ１０６の端面と対向して斜め下向きに約４５°の傾斜面を有している。光ファイバ１０６から水平に出射されるモニタ光ＬＢは、正面の光反射体１１２にて垂直下方に反射し、光導波路１０４を通って直下の半導体ウエハＷに入射するようになっている。一方で、モニタ光ＬＢが照射された半導体ウエハＷから垂直上方に出る反射光ＨＢは、光導波路１０４を通って光反射板１１２に当たり、光反射体１１２から水平方向に反射して光ファイバ１０６に入射するようになっている。
【００４４】
光学レンズ１１４は、光ファイバ１０６から出射されるモニタ光ＬＢを光反射体１１２に向けて一定の拡がり角にて放射し、光反射体１１２からの反射光ＨＢを集光して光ファイバ１０６に取り込むようになっている。光学レンズ１１４は、図示のように光ファイバ１０６に先端に一体に取り付けられていてもよく、あるいは光ファイバ１０６から分離して所定位置に配置されてもよい。
【００４５】
光ファイバ１０６は、たとえば２芯のＦＯ（Fan-out）ケーブルからなり、モニタ光ＬＢを伝送する内側の往路ケーブル１０６ａと反射光ＨＢを伝送する外側の復路ケーブル１０６ｂとを一体に束ねている。モニタ光ＬＢは内側の往路ケーブル１０６ａの端面から出射し、反射光ＨＢは外側の復路ケーブル１０６ｂの端面に入射されるようになっている。光ファイバ１０６は、ハウジング１１０に気密に取り付けられた導体たとえばアルミニウムからなるスリーブ１１６の中に収められることによってモニタヘッド１０２と接続されている。
【００４６】
モニタヘッド１０２の内部は、上記のように導体からなるハウジング１１０および光ファイバスリーブ１１６によって外部から電磁的に遮蔽されている。これよって、誘電体板５６あるいはラジアルラインスロットアンテナ５５から光導波路１０４を通ってマイクロ波がモニタヘッド１０２内に入って来たとしても、モニタヘッド１０２の外に漏れるようなことはない。
【００４７】
さらに、モニタヘッド１０２の室内空間は、大気空間から遮断され、ハウジング１１０の上面に設けられたパージガス供給口１１８から導入されるパージガスたとえば窒素（Ｎ2）ガスによって常時パージングされるようになっている。ここで、パージガス供給口１１８は、ガス供給管１２０を介してパージガス供給源１２２に接続されている。
【００４８】
この実施形態では、モニタヘッド１０２内のパージングを十全に行うために、モニタヘッド１０２の底部には導体たとえばアルミニウムからなる肉厚のベース板１２４が気密に設けられている。このベース板１２４には、光導波路１０４の通る位置にカバープレート７２の貫通孔７２ａと連続する貫通孔１１８ａが形成されるとともに、カバープレート７２の排気流路７２ｂと連続する排気流路１２４ｂが形成されている。排気流路１２４ｂの出口は、排気管１２６を介してたとえば排気ファンからなる排気部１２８に接続されている。カバープレート７２内では、光導波路１０４構成する貫通孔７２ａと排気流路７２ｂとが下端に設けられた連通路７２ｃを介して繋がっている。
【００４９】
パージガス供給口１１８からハウジング１１０内に供給されたパージガス（Ｎ2ガス）は、ハウジング１１０内に充満してから、ベース板１２４の貫通孔１２４ａ→カバープレート７２の貫通孔７２ａ→連通路７２ｃ→排気流路７２ｂ→ベース板１２４の排気流路１２４ｂの密閉空間を流れて、外の排気部１２８へ排出されるようになっている。
【００５０】
この実施形態における光モニタ装置１００は、半導体ウエハＷの被加工膜の膜厚をモニタリングするためのモニタ光ＬＢとして、単一波長のコヒーレントなレーザ光ではなく、たとえば１８５ｎｍ〜７８５ｎｍのワイドレンジな多波長を含む非コヒーレントなランプ光を使用する。ここで、モニタ光ＬＢに含まれる短波長（特に２００ｎｍ以下）は、酸素に吸収されやすいため、大気中に晒されたならば著しく減衰する。
【００５１】
この実施形態では、上記のように、モニタヘッド１０２内の空間、さらにはモニタリング用の光導波路１０４の空間がパージガス（Ｎ2ガス）によって常時パージングされているので、光ファイバ１０６から出た後のモニタ光ＬＢ、さらには光ファイバ１０６に取り込まれる前の反射光ＨＢは、大気に触れることはなく、減衰し難くなっている。このことによって、光モニタ装置１００はモニタ精度を向上させている。
【００５２】
また、光モニタ装置１００のモニタ精度とラジアルラインスロットアンテナ５５の電磁波放射特性の均一性とを両立させるうえで、スロット板５４においてモニタリング用の光導波路１０４が通過する箇所または領域５４ｃにメッシュ状の透孔ＭＨを形成している構成も非常に重要である。
【００５３】
図３Ａに示すように、スロット板５４の光導波路通過領域５４ｃ（メッシュ）内には、一定形状および一定サイズの透孔ＭＨが一定の密度にて分布している。モニタ精度を上げるうえで、メッシュ５４ｃの開口率は大きいほどよく、７０％以上が好ましい。ここで、メッシュ５４ｃの開口率を大きくするには、透孔ＭＨの開口形状を円形よりも多角形とするのが好ましく、正六角形つまりハニカム構造が最も好ましい。
【００５４】
ハニカム構造によれば、たとえば、透孔ＭＨの一辺の長さをｊ（ｍｍ）、対辺の長さをｋ（ｍｍ）とすると、ｊ＝１．０ｍｍ、ｋ＝１．７３ｍｍでは開口率が７６．３％であり、ｊ＝０．８ｍｍ、ｋ＝１．３９ｍｍでは開口率が７１．８％である。しかし、ｊ＝０．５ｍｍ、ｋ＝０．８９ｍｍにすると、開口率は６０．３％に下がる。
【００５５】
このように、スロット板５４の光導波路通過領域（メッシュ）５４ｃにおいては、透孔ＭＨの寸法が大きいほど、大きな開口率が得られる。しかし、マイクロ波のメッシュからの漏れを少なくするには、透孔ＭＨの開口寸法には上限がある。一般に、透孔ＭＨの開口寸法が誘電体窓内の波長の１／１０以下であると、マイクロ波の漏れが著しく少なくなる。たとえば、誘電体窓５２の材質に石英板を用いる場合は、石英内のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）の波長は６１ｍｍであるから、透孔ＭＨの開口寸法は６ｍｍ以下が望ましい。
【００５６】
なお、マイクロ波を放射するためのスロットペア５４ａ，５４ｂの開口寸法は、たとえば長辺が３６ｍｍ、短辺が６ｍｍである。
【００５７】
この実施形態では、光導波路通過領域（メッシュ）５４ｃがマイクロ波伝送線路５８の同軸管６６から分離独立している。このため、光導波路通過領域（メッシュ）５４ｃの口径は、ラジアルラインスロットアンテナ５５の電磁波放射特性の均一性に影響を与えない範囲内において任意のサイズに選ぶことが可能であり、通常は１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度に選ばれてよい。
【００５８】
この実施形態においては、メッシュ状透孔ＭＨに付随する更なる特徴として、光導波路通過領域５４ｃ内にて相隣接する透孔ＭＨを隔てる格子部分または遮光部ＴＤの上面を図３Ｂに示すように丸まった凸面に形成している。このように、遮光部ＴＤの上面が凸面に丸まっていると、真上からそこに入射したモニタ光ＬＢは垂直上方にではなく斜めに反射されるため、遮光部ＴＤからモニタヘッド１０２へ戻ってＳＮ比低下の原因となる迷光を少なくすることができる。このことも、光モニタ装置１００のモニタ精度を上げるのに大いに寄与する。
【００５９】
図４に、この実施形態においてスロット板５４に上記のようなメッシュ状透孔ＭＨを作成するための好適な方法を示す。なお、スロット板５４の材質は、良好な電気伝導度を確保するために表面に金メッキを施した導体たとえば銅や鉄−ニッケル合金が好ましい。特に鉄−ニッケル合金は、線膨張率が低いためスロット板の変位を抑制することができる。
【００６０】
先ず、図４の（ａ），（ｂ）に示すように、スロット板５４上に設定された光導波路通過領域５４ｃに、たとえばパンチング加工によってメッシュ状の透孔ＭＨを形成する。この段階では、まだ光導波路通過領域５４ｃの格子部分が平坦面になっている。次に、スロット板５４の光導波路通過領域５４ｃをエッチング液に浸けると、図４の（ｃ）に示すように、各透孔ＭＨの縁部の角から丸く削られ、さらには格子部分の上面全体が丸く削られて凸面になる。エッチング液には、たとえば酸化剤、無機塩および塩素イオンを含む薬液を使用してよい。なお、光導波路通過領域５４ｃの裏面（下面）においても、格子部分または遮光部の表面を凸面に丸めてよいが、そうでなくても（平坦面であっても）特段の不都合はない。
【００６１】
この実施形態における光モニタ装置１００は、上記のように、モニタリング用の光導波路１０４を通過させるために、導体のスロット板５４にメッシュ状の透孔ＭＨを形成しているので、マイクロ波はメッシュ状透孔ＭＨの部位をスロットペア５４ａ，５４ｂを除く他のスロット板部位と同様にラジアル方向に（外へ漏れることなく）スムースに伝搬する。これにより、ラジアルラインスロットアンテナ５５の電磁波放射特性の均一性（ひいてはプラズマ密度の均一性）に影響を与えずに、非コヒーレントなワイドレンジ（多波長）のモニタ光を伝搬させるのに適したモニタリング用の光導波路１０４を構築することができる。スロット板５４上における光導波路通過領域（メッシュ）５４ｃの位置設定の自由度は大きく、基本的には、同軸管６６の径方向外側であってスロットペア５４ａ，５４ｂと干渉しない任意の位置に導波路通過領域（メッシュ）５４ｃを設けることができる。
【００６２】
さらに、この光モニタ装置１００は、上記のように、誘電体窓５２および誘電体板５６においてモニタリング用の光導波路１０４が通過する部分５２ａ，５６ａを短波長の光（特に紫外線）に対して透過率の高い合成石英で構成しているので、たとえば１８５ｎｍ〜７８５ｎｍのワイドレンジな多波長を含む非コヒーレントなモニタ光ＬＢおよび反射光ＨＢを用いる膜厚モニタリングの精度を一層向上させている。
【００６３】
図５に、合成石英と溶融石英の光透過率の波長依存性を示す。図示のように、溶融石英の光透過率は、２７０ｎｍ以上の波長領域では９０％以上であるが、波長が２７０ｎｍより短いと低下し、特に２００ｎｍより短くなると著しく（５０％以下に）低下する。これに対して、合成石英の光透過率は、モニタ光ＬＢおよび反射光ＨＢの全波長領域（１８５ｎｍ〜７８５ｎｍ）に亘って８５％〜９２％の範囲内に収まっており、均質性が高くて安定している。
【００６４】
合成石英の難点は価格が高いことである。しかし、この実施形態では、モニタリング用の光導波路１０４が通過する部分５２ａ，５６ａに限って局所的に合成石英を使用する。特に、大きな厚み（体積）を有する誘電体窓５２は、光導波路１０４の領域５２ａを除いた残りの大部分５２ｂを安価な溶融石英にて構成するので、コスト高になることはない。誘電体板５６においても同様である。
【００６５】
なお、誘電体窓５２においては、溶融石英部分５２ｂと合成石英部分５２ａとの境界はたとえば溶着により真空封止されてよい。誘電体板５６においては、真空封止する必要性はないので、モニタリング用の光導波路１０４を通すために溶融石英の板体５６ｂに形成した円形の孔に、光導波路１０４の口径を有する合成石英の小円板５６ａを嵌め込むだけでもよい。
【００６６】
図６に、モニタ本体１０８内の構成例を示す。この実施形態における光モニタ装置１００は、半導体ウエハＷ表面の被加工膜の膜厚をin-situでモニタリングするために、モニタ本体１０８内に光源１３０、受光部１３２およびモニタ回路１３４を備えている。
【００６７】
光源１３０は、たとえばハロゲンランプまたはキセノンランプを有し、少なくとも１８５ｎｍ〜７８５ｎｍ領域の多波長のモニタ光ＬＢを発生する。光源１３０は、図示しない光学レンズを介して光ファイバ１０６の往路ケーブル１０６ａに光学的に結合されており、制御部９４からの制御信号ＲＳａにしたがってオン（点灯）／オフ（消灯）する。
【００６８】
受光部１３２は、たとえばフォトダイオード等の光電変換素子を有し、光ファイバ１０６の復路ケーブル１０６ｂを介して送られてきた半導体ウエハＷ表面からの反射光ＨＢを１８５ｎｍ〜７８５ｎｍ領域内の多数のスペクトラムに分解して、各スペクトラム毎に反射光強度つまり反射率を表わす電気信号（反射率信号ＳHB）を生成する。
【００６９】
モニタ回路１３４は、リファレンス設定部１３６、比較判定部１３８およびモニタ出力部１４０を有している。リファレンス設定部１３６は、制御部９４から与えられる各種設定値ＲＳｂに含まれるモニタリング用の基準値またはリファレンスデータＲHBを比較判定部１３８に与える。膜厚モニタリングの場合、リファレンスデータＲHBは、受光部１３２から得られるスペクトラム反射率信号ＳHBの有する所定の属性について設定値または基準値を与える。
【００７０】
比較判定部１３８は、受光部１３２から受け取るスペクトラム反射率信号ＳHBをリファレンスデータＲHBと比較（照合）し、両者ＳHB，ＲHBの間にて所定の属性の値または特性が一致または近似したときに、半導体ウエハＷ表面の被加工膜の膜厚が設定値に達した（あるいは先読みし所定時間後に設定値に達する）ことを示すモニタ情報またはモニタ結果を出力する。すると、モニタ出力部１４０からその旨のモニタ信号ＭＳが出力され、このモニタ信号ＭＳに応答して制御部９４（図１）がエッチングプロセスの停止または切換を行うようになっている。
【００７１】
この実施形態における光モニタ装置１００の膜厚モニタリング機能を好適に適用できるエッチングプロセスの一例として、たとえばＭＯＳトランジスタの製造工程の中においてＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造や極浅接合構造のため側壁を形成するためのエッチバック工程がある。
【００７２】
図７に、この実施形態におけるエッチバック工程の手順を示す。なお、エッチバックに先立って、図７の（ａ）に示すように、半導体ウエハＷの表面にはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によるＳiＯ2膜１４２が形成されている。ここで、ゲート電極１４６の下層の薄膜１４４は、ゲート絶縁膜であり、たとえば、５ｎｍ程度の膜厚を有する熱酸化膜（ＳiＯ2膜）である。ゲート電極１４６の両側の基板表面には不純物のイオンが注入されている。
【００７３】
この実施形態における側壁形成のためのエッチバック工程は、図７の（ｂ）に示すようにゲート電極１４６の上およびその両側の側壁部分を除いたＳiＯ2膜１４２の残膜の膜厚が設定値ＴＨsになるまで全面エッチングする第１のエッチング工程と、図７の（ｃ）に示すようにゲート電極１４６の両側に側壁１４２ｗを残してＳiＯ2膜１４２の残膜を完全に除去するまで全面エッチングする第２のエッチング工程とからなる。
【００７４】
第１のエッチング工程では、たとえば次のようなレシピにより異方性の強いエッチングを行う。
エッチングガス：  Ａr／Ｏ2／ＣＨ2Ｆ2＝１０００／２／５sccm
チャンバ内の圧力：  ２０mTorr
マイクロ波パワー：  ２０００Ｗ
バイアス用高周波電力：  １２０Ｗ
【００７５】
第２のエッチング工程では、たとえば次のようなレシピにより異方性の弱いエッチングを行う。
エッチングガス：  Ａr／ＣＨ2Ｆ2＝３６０／２０sccm
チャンバ内の圧力：  １００mTorr
マイクロ波パワー：  ２０００Ｗ
バイアス用高周波電力：  ７５Ｗ
【００７６】
上記のようなエッチバック工程において、図８Ａに示すようなリセス、あるいは図８Ｂに示すようなフッティングを起こさずに、図７の（ｃ）に示すような理想的な側壁構造を作成するためには、上記膜厚設定値ＴＨsは基板が露出するぎりぎり手前の小さな寸法に選ばれるのが好ましく、たとえば１ｎｍに選ばれる。
【００７７】
この実施形態のマイクロ波プラズマエッチング装置は、上記のような２段階エッチバックのプロセスを行う場合に、第１のエッチング工程においてＳiＯ2膜１４２の膜厚が設定値ＴＨsに達するタイミングを光モニタ装置１００の膜厚モニタリング機能によって検出または推定し、このタイミングで第１のエッチング工程を停止し、次いで第２のエッチング工程を開始するようにしている。
【００７８】
この場合、光モニタ装置１００は、第１のエッチング工程が行われている最中に、光源１３０をオンにして、モニタ光ＬＢをモニタヘッド１０２、光導波路１０４を介してサセプタ１２上の半導体ウエハＷの表面に照射する。そして、光導波路１０４およびモニタヘッド１０２を介して取り込まれる半導体ウエハＷ表面からの反射光ＨＢを受光部１３２を用い光電変換し、さらにモニタ回路１３４の信号処理にかけることにより、半導体ウエハＷ表面のＳiＯ2膜１４２の膜厚がエッチングプロセスの時間経過とともに減少していく様子をリアルタイムでモニタすることができる。
【００７９】
図９に、光モニタ装置１００において、半導体ウエハＷ表面のＳiＯ2膜に１８５ｎｍ〜７８５ｎｍ領域のモニタ光ＬＢを照射し、それによって得られる反射光ＨＢのスペクトラム反射率の波長依存特性がＳiＯ2膜の膜厚に応じて変化する特性を示す。
【００８０】
図示のように、ＳiＯ2膜の場合は、概して膜厚が薄くなるほど全波長領域で反射率が低くなり、特に２００ｎｍ以下の短波長領域では膜厚依存特性の差が顕著になる。したがって、たとえば２００ｎｍ付近の限られた波長領域の反射率特性に基づいて、あるいは広範囲な全波長領域（１８５ｎｍ〜７８５ｎｍ）の反射率特性のプロファイル（波形）に基づいて、ＳiＯ2膜１４２の膜厚が設定値ＴＨs（１ｎｍ）になるタイミングを検出または推定することができる。
【００８１】
この実施形態における反射率の波長依存特性（図９）は、ゲート電極１４６の側壁を除いてＳiＯ2膜１４２が完全に除去されている状態つまり基板（下地）が露出している状態（図７の（ｃ））と等価な状態）で得られるときの反射率を正規化の基準値（１．００）にしている。このように、エッチング対象の薄膜が完全に除去されているときの下地にて得られる反射率を基準値にすることで、１ｎｍ程度の非常に薄い膜厚でも高精度にモニタリングすることができる。
【００８２】
なお、上記２段階のエッチバック工程において、第２のエッチング工程を停止させるタイミング（終点検出）は、たとえばタイマ機能を利用してもよく、あるいはプラズマ光を分光して検出する公知の手法（発光モニタ）を用いることができる。その場合、光学モニタ装置１００の光導波路１０４を発光モニタ用の窓に利用することも可能である。このように、この実施形態における光学モニタ装置１００は、様々な形態の膜厚モニタリングあるいは他の光学的モニタリングに利用可能である。
【００８３】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限るものではなく、その技術的思想の範囲内で他の実施形態または種種の変形が可能である。
【００８４】
たとえば、図１０に示すように、マイクロ波伝送線路５８を構成する同軸管６６の内部導体６８を中空管に構成し、この中空管６８を処理ガス供給部８０の中心ガス供給路に用いることも可能である。この場合、中空管６８と連続するように、ラジアルラインスロットアンテナ５５の中心を貫通するガス吐出口１５０を設ける。ラジアルラインスロットアンテナ５５の中心はラジアル導波路の中心であり、この場所にガス吐出用の貫通孔１５０を形成しても、ラジアルラインスロットアンテナ５５の電磁波放射特性の均一性に影響を与えることがなく、しかも光学モニタ装置１００との抵触または相反関係は一切ない。
【００８５】
この構成例の処理ガス供給部８０においては、処理ガス供給源８２から送出される処理ガスの一部は、上記のようにガス供給管８８を通ってチャンバ１０側壁のガス吐出孔８６からチャンバ１０内に導入される。また、処理ガス供給源８２から送出される処理ガスの他の一部は、ガス供給管１５２および同軸管６６の内部導体６８を通って天井中心部のガス吐出孔１５０からチャンバ１０内に導入される。なお、ガス供給管１５２の途中にはＭＦＣ（マス・フロー・コントローラ）１５４および開閉弁１５６が設けられている。
【００８６】
光学モニタ装置１００を構成する各部においても種種の変形が可能である。たとえば、図１１に示すように、ラジアルラインスロットアンテナ５５周りに設けるモニタリング用の光導波路１０４を往路用（モニタ光ＬＢ専用）の光導波路１０４Ｌと復路（反射光ＨＢ専用）の光導波路１０４Ｒとに分割する構成も可能である。この場合、誘電体窓５２、スロット板５４、誘電体板５６およびカバープレート７２において、往路用（モニタ光ＬＢ専用）の光導波路１０４Ｌが通過する位置または部位と復路（反射光ＨＢ専用）の光導波路１０４Ｒが通過する位置または部位とに、合成石英５２ａ、メッシュ状透孔ＭＨ、合成石英５６ａ、貫通孔７２ａがそれぞれ個別に設けられる。
【００８７】
また、モニタヘッド１０２においては、往路用（モニタ光ＬＢ専用）の光導波路１０４Ｌに対して光学系（１１２Ｌ，１１４Ｌ）およびハウジング１１０Ｌが個別に宛がわれ、復路（反射光ＨＢ専用）の光導波路１０４Ｒに対して光学系（１１２Ｒ，１１４Ｒ）およびハウジング１１０Ｒが個別に宛がわれる。
【００８８】
光ファイバ１０６は、往路ケーブル１０６ａが往路側のハウジング１１０Ｌに導体スリーブ１１６Ｌを介して取り付けられ、復路ケーブル１０６ｂが復路側のハウジング１１０Ｒに導体スリーブ１１６Ｒを介して結合される。また、ハウジング１１０Ｌ，１１０Ｒには、共通のパージガス供給源１２２から別々のガス供給管１２０Ｌ，１２０Ｒおよびガス導入口１１８Ｌ，１１８Ｒを介してパージガスが供給される。
【００８９】
なお、往路用（モニタ光ＬＢ専用）の光導波路１０４Ｌと復路（反射光ＨＢ専用）の光導波路１０４Ｒとは、鉛直線に対して幾らか斜めに傾いたＶ字状に形成されていてもよく、ハウジング１１０Ｌ，１１０Ｒが互いに分離していてもよい。
【００９０】
また、モニタヘッド１０２とモニタ本体１０８との間では、光ファイバ１０６を省いて、ミラー等の他の光伝送系を用いることも可能である。
【００９１】
上記実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置におけるマイクロ波放電機構の構成、特にマイクロ波伝送線路５８およびラジアルラインスロットアンテナ５５は一例であり、他の方式または形態のマイクロ波伝送線路およびスロットアンテナも使用可能である。
【００９２】
上記実施形態では、誘電体窓５２において、モニタリング用の光導波路１０４を通過させる部分５２ａに短波長（特に２００ｎｍ以下）に対して光透過率の高い合成石英を用いた。しかし、モニタ光ＬＢがそのような短波長を含まない場合は、その光導波路通過部分５２ａに溶融石英あるいは他の透明誘電体を用いてもよい。また、誘電体窓５２において、光導波路通過部分５２ａを除いた部分には、アルミナ等の非透明な誘電体を用いてもよい。
【００９３】
上記実施形態におけるマイクロ波プラズマエッチング装置は、無磁場でマイクロ波プラズマを生成するので、チャンバ１０の周りに永久磁石や電子コイル等の磁界形成機構を設ける必要がなく、そのぶん簡易な装置構成となっている。もっとも、本発明は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）を利用するプラズマ処理装置にも適用可能である。
【００９４】
本発明は、上記実施形態におけるマイクロ波プラズマエッチング装置に限定されるものではなく、プラズマＣＶＤ、プラズマＡＬＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、プラズマドーピング、スパッタリング等の他のマイクロ波プラズマ処理装置にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１０    チャンバ
１２    サセプタ（下部電極）
２６    排気装置
３０    （ＲＦバイアス用）高周波電源
５２    誘電体窓（天板）
５２ａ    合成石英（光導波路通過部分）
５４    スロット板
５４ａ，５４ｂ    スロットペア
５４ｃ    光導波路通過領域（メッシュ）
ＭＨ    メッシュ状透孔
５５    ラジアルラインスロットアンテナ
５６    誘電体板
５８    マイクロ波伝送線路
６０    マイクロ波発生器
６６    同軸管
７２    カバープレート
７２ａ    貫通孔（光導波路通過部分）
８０    処理ガス供給部
９４    制御部
１００    光学モニタ装置
１０２    モニタヘッド
１０８    モニタ本体
【図１】
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【図２】
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【図３Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３Ａ】
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