(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に減圧されて処理対象のウェハを処理するためのプラズマが形成される処理室を有する真空容器と、この真空容器の上部でこれを構成し前記処理室の上方に配置されその下方の前記処理室内の空間に前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の板部材と、前記板部材の上方に配置され温度を検出する検出器と、この検出器が検出した結果に応じて前記プラズマの形成を調節する制御部とを備え、
前記検出器が、前記プラズマが形成される前の第一の時刻とこのプラズマが形成された後であって前記プラズマの放電が安定した所定の時間後の第二の時刻とこの第二の時刻後の前記プラズマが形成中の任意の第三の時刻とにおける放射エネルギーの量に基づいて前記第三の時刻の温度を検出するプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記検出器が、前記プラズマが形成された後の前記放射エネルギーの変化率が０とみなせる時刻が所定の期間連続したと判定された前記第二の時刻における前記放射エネルギーの量を検出した結果に基づいて前記第三の時刻の温度を検出するプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記検出器が、前記板部材の内部に装着されこの下部板部材の材料より低い熱伝導率を備えた部材から前記放射エネルギーの量を検出するプラズマ処理装置。
【請求項４】
真空容器内部に配置され減圧された処理室内に処理対象のウェハを配置し、前記真空容器の上部でこれを構成し前記処理室の上方に配置された誘電体製の板部材を透過してその下方の前記処理室内の空間に電界を供給して前記処理室内の空間にプラズマを形成して前記ウェハを処理するプラズマ処理方法であって、
前記板部材の上方に配置された検出器により、前記プラズマが形成される前の第一の時刻とこのプラズマが形成された後であって前記プラズマの放電が安定した所定の時間後の第二の時刻とこの第二の時刻後の前記プラズマが形成中の任意の第三の時刻とにおける放射エネルギーの量に基づいて前記第三の時刻の温度を検出し、この検出器が検出した結果に応じて前記プラズマの形成を調節するプラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理方法であって、
前記検出器により前記プラズマが形成された後の前記放射エネルギーの変化率が０とみなせる時刻が所定の期間連続したと判定された前記第二の時刻における前記放射エネルギーの量を検出した結果に基づいて前記第三の時刻の温度を検出するプラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載のプラズマ処理方法であって、
前記検出器により前記板部材の内部に装着されこの下部板部材の材料より低い熱伝導率を備えた部材から前記放射エネルギーの量を検出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、マイクロ波等の電界により形成したプラズマを用いて半導体ウェハ等の基板状の試料を処理するプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、所定の真空度まで減圧した真空容器内部の処理室内に処理用ガスを導入し、この処理用ガスを処理室内に供給したマイクロ波等の電界或いは磁界により放電を起こさせてプラズマを生成させ、このプラズマを用いて処理室内に配置した試料の表面に対してエッチングや薄膜形成等の処理を行わせるプラズマ処理装置において、上記処理をより高精度に行うために、処理室内部の壁面の温度を検出しこの情報を用いて上記処理を調節することが考えられてきた。例えば、プラズマに面してこれにより加熱される処理室の内壁面の温度をモニタしているものとしては、特開平８−２５０２９３号公報（特許文献１）に記載のものが知られている。この従来技術では、処理室の内壁面を構成する石英等の耐プラズマ性の高い壁部材及びこれと異なる材質（サファイア／シリコン）から構成された測定用窓とを備え、赤外線放射温度計を用いて当該壁部材の温度を検出するものが開示されている。
【０００３】
また、特開平４−０５６１４５号公報（特許文献２）には、放電中のウェハ温度を放射温度計によって測定するものとして、ウェハの表側と裏側にそれぞれ設置された特定の波長帯光を放射できる光源とその受光部と放射温度計から構成された複数の検出器を備え、これらの検出器からの出力を用いてプラズマからの熱の放射成分及び、ウェハの放射率εと温度とを算出するという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２５０２９３号公報
【特許文献２】特開平４−０５６１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、プラズマが形成されている間の処理室の内壁面の温度の変化により処理室内部のプラズマ密度が変わり試料の処理特性に影響することが判っており、このことは処理の特性を所望のものにする上でプラズマに面する処理室の内側壁面の温度を適切な範囲にすることが有効であることを意味している。このために、高い精度で処理室の内側壁面の温度の情報を得ることが重要となる。
【０００６】
しかしながら、従来は、特許文献１の様に、壁面の温度を測定するために処理室を構成する真空容器の壁面に放射温度計の受光波長帯を透過する耐プラズマ壁面と異なる材質から構成された窓部材を配置して用いていたが、このような窓材は真空容器内に面しているため、窓材付近でプラズマが発生した場合に窓材が削れたりこの窓部材の材料から異物や汚染が発生してしまう懸念がある。
【０００７】
また、処理室内部でプラズマに面する壁面を構成する部分には、処理室内の中央部に配置された試料台の外周側でこれを囲む処理室の側壁とともに、試料台の上方で試料台の上面と対向して配置され天井面を構成する部材がある。このような天井面を構成する部材としては、略円筒形状を有する処理室に合わせて円板形状の板部材であって、上記処理用ガスを処理室に上方から導入するための貫通孔が配置されたもの、例えばシャワープレートのような複数のガス導入用の貫通孔が試料台に対向する中央部分に備えられた円板が考えられる。
【０００８】
処理室外に処理室内に供給される電界の形成手段が配置され処理室の天井面を構成する板部材を介して電界が処理室内に供給されるものでは、一般に、天井面を構成する板部材は電界が透過できるとともに耐プラズマ性の高い材質の部材、例えば石英が用いられる。一方で、このような部材は真空容器を構成して内外を気密に区画することが必要であるため、所定の厚さと強度とを備えた部材で構成されることから、通常はシャワープレートの上方に強度の大きく電界が透過する材料で構成された板状の部材が配置される。このような部材は電界が処理室内に透過して供給される窓部材と呼ばれる。
【０００９】
すなわち、処理室上方には上下に並んで配置される円板状の部材（シャワープレート−窓部材）が配置されており、電界は処理室内にこれらを透過して進入する。同様に、処理室内で形成されるプラズマから放射される発光，電波，磁力線もこれらの部材を介して検出することが必要となる。すなわち、プラズマに面するシャワープレート等の処理室の天井面を構成する部材の温度を検出する場合には、外側の部材を介して検出しなければならないが、上記従来の技術では、このような構成においてリアルタイムに処理室の内側壁の温度を精度良く検出するための考慮が足りなかった。
【００１０】
本発明の目的は、プラズマが形成される処理室の内側壁面の温度を精度良く検出して試料の処理の安定性を向上することができるプラズマ処理装置及び処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、内部に減圧されて処理対象のウェハを処理するためのプラズマが形成される処理室を有する真空容器と、この真空容器の上部でこれを構成し前記処理室の上方に配置されその下方の前記処理室内の空間に前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の板部材と、前記板部材の上方に配置され温度を検出する検出器と、この検出器が検出した結果に応じて前記プラズマの形成を調節する制御部とを備え、前記検出器が、前記プラズマが形成される前の第一の時刻とこのプラズマが形成された後であって前記プラズマの放電が安定した所定の時間後の第二の時刻とこの第二の時刻後の前記プラズマが形成中の任意の第三の時刻とにおける放射エネルギーの量に基づいて前記第三の時刻の温度を検出するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法により達成される。
【００１３】
さらに、前記検出器が、前記プラズマが形成された後の前記放射エネルギーの変化率が０とみなせる時刻が所定の期間連続したと判定された前記第二の時刻における前記放射エネルギーの量を検出した結果に基づいて前記第三の時刻の温度を検出することにより達成される。
【００１４】
さらにまた、前記検出器が前記板部材の内部に装着されこの下部板部材の材料より低い熱伝導率を備えた部材から前記放射エネルギーの量を検出することにより達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一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。
【図２】図１に示す実施例における温度の検出手段の構成の概略を拡大して示す模式図である。
【図３】図２に示す温度の検出手段により検出される温度とマーカの温度の算出方法の説明するグラフである。
【図４】図１に示すプラズマ処理装置の変形例に係る真空容器の蓋部材の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【図５】図４に示す蓋部材を用いた変形例において温度検出手段の構成の概略を拡大して示す縦断面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施例について、以下、図面を用いて詳細に説明する。
【００１７】
〔実施例〕
図１は、本発明が適用され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。本実施例のプラズマ処理装置１００は、上方からプラズマ形成用の電磁界形成部，真空容器，排気手段に大きく分けられる。
【００１８】
プラズマ形成用電磁界部は、電界を真空容器内に供給する電界供給部と磁界を真空容器内に供給する磁界供給部とを備えている。
【００１９】
電界供給部は、真空容器内に供給される所定の周波数の電界を発生するためのマグネトロン等の電波源１０１と、この電波源１０１が導波管１０２と、内部が雰囲気ガス（大気）で満たされた空間である空洞共振部１０３と、ソレノイドコイル（静磁界の発生装置）１６１から構成される。本実施例では、電界はＵＨＦ帯の周波数（例えば２.４５ＧＨＺ）のものが用いられており、この発振周波数の電界が導波管１０２内部を空洞共振部１０３の室内に向けて伝播する。
【００２０】
また、電波源１０１は電源を介してアースに接続されており、隣接して整合器１０４が備えられている。この構成により、負荷インピーダンスを調整して反射波が低減，抑制される。
【００２１】
導波管１０２は、図示していないが特定の断面形状を備えたパイプまたは筒から構成されており、その断面は電波源１０１から空洞共振部１０３に向かうに伴って方形状から円形状に変化して、導波管１０２の円形の断面の下端部がこれより直径の大きな円筒状の空洞共振部１０３の上部に連結されて、導波管１０２内部を伝播してきた電界が空洞共振部１０３内部の室（空洞共振室）に伝達される。
【００２２】
磁界の供給部は静磁界を発生するソレノイドコイル１６１を備えて構成されている。ソレノイドコイル１６１は、真空容器の上部を囲んで配置されて、内部に三段のリング状電磁石が配置されている。これら電磁石に通電する電流を変えることで、ソレノイドコイル１６１が発生して真空容器内部に供給される静磁界の分布が所期のものに調節される。
【００２３】
本実施例の真空容器は、その内部にプラズマが形成される室を備えて複数の部材が上下方向に積み重ねられて構成されている。真空容器の内部と外部とは空洞共振部１０３の下部の部材であって真空容器を構成する円板形状を有した窓部材１１１により気密に仕切られている。窓部材１１１の下方には、その下面に並行に配置された円板形状を有した部材であるシャワープレート１４１が下方の真空容器内部の室である処理室１１０の上方を覆って配置されている。
【００２４】
窓部材１１１及びシャワープレート１４１は処理室１１０内に供給される上記マイクロ波の電界が透過する部材であり、このような電界が透過できるものであってプラズマとの相互作用に対して十分な耐性を備えて処理室１１０内外の圧力差を維持できる強度を備えた部材にできる材料が選択される。本実施例では、これらの部材は石英により構成される。これらの製造の工程において特定の材料を混入させ全体に均等に分散させて上記の円板と見なせる形状に整形してもよい。例えば、導電製の部材である炭素等を混入させても良い。このような場合、以下に述べる温度を検出するための放射線の波長帯に対する窓部材１１１，シャワープレート１４１等の蓋部材をプラズマＰからの赤外線等の放射線が透過する波長帯を適切に選択できるように材料を選択することが望ましい。
【００２５】
処理室１１０は、内部に処理対象の試料を処理するために形成されるプラズマが形成される空間であって略円筒形状を備えている。処理室１１０の下部であってプラズマが形成される空間の下方には、同じく略円筒状を有しその上に載せられた試料を保持する試料台である下部電極１２１が配置されている。下部電極１２１上部の試料が載せられる載置面は上方で処理室１１０の天井面を構成するシャワープレート１４１と対向して略平行に配置されている。
【００２６】
下部電極１２１の内部には図示しない導電性部材から構成された円板状の電極が配置されており、この電極は真空容器の外部に配置されたＲＦ電源１２２と電気的に接続され、ＲＦ電源１２２から整合器１２３を介して供給された高周波電力が電極に供給されることにより、下部電極１２１の試料載置面上に試料であるウェハ１７１が載せられた状態でその表面上にバイアス電位が形成される。
【００２７】
処理室１１０の底部には処理室１１０内部のガスや粒子が排出される円形の開口１９１が配置されており、この開口１９１の上方でこれを覆うように円筒形の下部電極１２１が配置されている。本実施例の下部電極１２１は、処理室１１０の下部で開口１９１との間に空間を空けて配置されているとともに、処理室１１０内で開口１９１及び処理室１１０と中心軸を合致させて配置されている。このために、本実施例は、一端側が下部電極１２１の外側壁に連結されてこれから外側に向けて水平に延在して外側の他端側が真空容器と連結する複数の梁を備え、これらの梁によって下部電極１２１がブロックとして処理室１１０内で高さ方向について中空に支持されている。
【００２８】
窓部材１１１とシャワープレート１４１とはこれらの間にすき間を空けて連結されており、両者によって区画された当該空間には真空容器外部に配置されたガス源１３１から供給された反応性ガスが導入される。シャワープレート１４１は、下方の下部電極１２１の試料載置面に対向して投影される領域を中心に前記空間と処理室１１０とを連通する複数の貫通孔が配置されており、空間に供給されて内部に充填された反応性ガスはこれらの貫通孔を介して下部電極１２１に向けて供給される。
【００２９】
ガス源１３１は１または複数の種類の反応性ガスが貯留された容器であり、このガス源１３１と前記窓部材１１１−シャワープレート１４１間の空間との間を連結するガス供給管路上には、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）１３２及びガスバルブ１３３が配置されている。ＭＦＣ１３２はガス供給管路を通り空間に供給されるガスの流量（速度）を調節するものでありガスバルブ１３３は管路を開放または遮断して当該ガスの供給を開始または終了する手段である。
【００３０】
なお、本実施例の真空容器は、プラズマが形成される空間を囲む円筒形状の真空容器の外側壁の上方にシャワープレート１４１を囲むリング状のヘッドピース１１２が載せられ、ヘッドピース１１２の外周縁部上方に窓部材１１１が載せられた積み上げ構造を備えている。これらの間には後述の通りＯリング等のシールが配置されて内側と外側とが気密に封止されている。また、処理室１１０のプラズマ形成空間の外周側には真空容器を構成してこれを囲む円筒形状の放電ブロック側壁１１３が配置され、この放電ブロック側壁１１３の下方に下部電極１２１の梁を挟んで処理室１１０の下方の空間を囲む下部チャンバ１１４が配置され、これらの部材の間はＯリング等のシールによって封止されており処理室１１０の内部が真空容器の外部に対して密封されている。
【００３１】
排気手段は、真空容器の下方であって下部電極１２１の直下方に配置されており、処理室１１０底部の開口１９１に連通するように真空容器の下部チャンバ１１４の底面に連結されている。本実施例の排気手段は、開口１９１の下方に配置された可動弁１５１及びＴＭＰ（ターボブンシポンプ）１５２を含む真空ポンプとこれらを連結する通路を構成する部材を備えて構成されている。
【００３２】
処理室１１０のプラズマ形成空間内のプラズマやガス，粒子は、ＴＭＰ１５２を含む真空ポンプの動作により、下部電極１２１の上方から下部電極１２１側壁外側の処理室１１０の空間であって放電ブロック側壁１１３または下部チャンバ１１４との間の空間を下向きに通り、下部電極１２１下方の空間から開口１９１を通って下方に向けて排気される。排気の流量または速度は、ＴＭＰ１５２の上流に配置された可動弁１５１の弁の開度の大きさに応じて調節され、シャワープレート１４１の貫通孔から導入される反応性ガスの流量（速度）と排気の流量（速度）との大小のバランスにより処理室１１０内の圧力が調節される。なお、開口１９１とＴＭＰ１５２のターボ部はそれぞれ略円筒形であり、開口１９１の中心軸とＴＭＰ１５２のターボ部の回転の軸とが合致するように配置され、この結果、処理室１１０，下部電極１２１，開口１９１及びＴＭＰ１５２とがこれらの軸を合わせて配置されている。
【００３３】
上記説明した構成を備えた本実施例におけるウェハ１７１を処理する動作は、例えば次のように実施される。まず、プラズマによってエッチング等の処理が施される試料である任意のウェハ１７１は、図示しない大気側に配置されたカセットの内部の特定の位置から取り出され搬送装置によって、真空容器の外側壁面に配置されたゲートを通って処理室１１０内に搬送されて下部電極１２１の上面の載置面上に載せられる。この後、載置面を構成する誘電体製の皮膜内部に配置された電極に供給された直流電力によって形成された静電気によって皮膜上に吸着されその中央部に保持される。保持されている間にウェハ１７１と皮膜との間に熱伝達用ガスを供給して両者の間の熱伝達を向上させる。
【００３４】
搬送装置が処理室１１０外部に退出すると、図示していないバルブが動作されウェハ１７１が通過した開口であるゲートを閉塞して内部を封止して密封する。この後、処理室１１０内部は上記排気手段の動作により減圧すべく排気されるとともに、シャワープレート１４１の貫通孔からウェハ１７１を処理するための反応性ガスが処理室１１０内部に導入され、反応性ガスの供給と排気とのバランスにより処理室１１０内が所定の圧力に維持される。
【００３５】
この後、電波源１０１から供給された所定の周波数の電界が導波管１０２を用いて伝送されて空洞共振部１０３に供給される。空洞共振部１０３内部では所期の電界の共振のモードが励起されて窓部材１１１から導入される電界の分布がプラズマの形成と処理とに適した分布に調整される。
【００３６】
処理室１１０内に導入された電界と、ソレノイドコイル１６１によって形成されて供給された磁界とのＥＣＲ作用によって、処理室１１０の下部電極１２１上方の空間内で反応性ガスが励起されプラズマが形成される。ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）は、磁界の磁力線に沿って処理室１１０内の電子が回転しながら移動するところに、その回転の周期に対応した周波数の電界を入射することで電子を選択的に加熱することを言い、プラズマの効果的な加熱法である。また、ソレノイドコイル１６１を用いて静磁界を供給してプラズマを形成することにより、静磁界の分布を変化させることでＥＣＲが発生する位置を変化，調節することができ、プラズマの発生領域を所望のものにすることができる。さらに、プラズマは磁力線に対して垂直な方向に拡散が抑制されることが知られており、ソレノイドコイル１６１の発生する磁力線の分布を調節してプラズマの拡散を制御しプラズマの損失を低減することが可能となる。
【００３７】
プラズマが形成されたことが確認されると、ＲＦ（Radio Frequency）電源１２２から周波数４００ｋＨｚの高周波が整合器１２３を介して下部電極１２１内部の電極部材に印加されて、ウェハ１７１上面の上方に所定のバイアス電位が形成され、プラズマとバイアス電位との電位差に応じてプラズマ中からイオン等の荷電粒子がウェハ１７１の表面に向けて誘因され衝突する。この荷電粒子の衝突によりプラズマまたは反応性ガス中の反応性粒子とウェハ１７１表面に配置された処理対象の膜の材料との物理的，化学的反応が促進され処理速度が向上される。あるいはバイアス電位の調節により加工形状の精度が向上される。
【００３８】
ウェハ１７１の処理対象の膜の処理が予め定められた終点に到達したことが、図示しない検出装置により判定，検出されると、ＲＦ電源からの電力の供給が停止されて処理が停止される。また、反応性ガスの供給が停止されるとともに窓部材１１１からの電界の供給が停止されてプラズマが消失する。
【００３９】
その後、所定の範囲の処理室１１０内の圧力であることが確認されると、ウェハ１７１の静電吸着が解除され、上記の搬入と逆の経路，手順によりウェハ１７１は搬送装置によって処理室１１０から搬出されて、元のカセットの元の位置に戻される。次に処理すべき対象の別のウェハ１７１が当該カセット内部に存在していると判定された場合には別のウェハ１７１が、上記の手順に沿ってプラズマ処理装置１００内に搬入される。なお、本実施例のプラズマ処理装置１００の上記動作は、図示しない制御装置から通信手段を介した指令の送受信により、適切なシーケンスで動作するようにそのタイミング，動作量が調節される。
【００４０】
本実施例では、空洞共振部１０３の上部に配置されたプラズマに面した処理室１１０内側壁の温度を光学的または電磁波を検知した結果を用いて検出する手段を備えている。さらに、この検出された結果を用いてこの結果に応じてプラズマの形成，処理の開始等の動作が調節される。この構成について以下説明する。
【００４１】
図２は、図１に示す実施例における耐プラズマ壁の温度検出手段の構成の概略を示す縦断面図である。本実施例では、処理室１１０内側壁面であるシャワープレート１４１の表面の温度の検出のために、窓部材１１１上方に放射温度計１８１を配置している。放射温度計１８１は物体が放出する赤外線を検知しその放射量を温度に換算して温度を検出する温度計であり、その一般的な構成は、測定対象から放出された赤外線をレンズを介して受光し光学フィルタ等により必要な特定の波長域の赤外線を検出用の素子に入射させて電気信号として外部に出力するものである。
【００４２】
処理室１１０内壁等プラズマに面する部材の表面はプラズマからの熱を受けて昇温する。処理室１１０内壁、特にプラズマに面する内壁面は、プラズマと相互作用を生じ当該相互作用は処理対象のウェハ１７１表面の膜のプラズマによる処理の反応にも大きな影響を与えることから、これを所期のものに調節することで、処理の精度や歩留まりを向上することが求められてきた。
【００４３】
このような相互作用の特性は部材表面の温度に支配的に影響されることから、その温度や変化の割合を処理に適切な範囲にすることが上記課題の解決に必要となる。例えば、耐プラズマ壁面であるシャワープレート１４１の温度が変化することで、プラズマの密度の分布が変化してしまい、ウェハ１７１の処理の特性が大きく影響を受ける。
【００４４】
また、量産時の処理では、複数枚の製品製造用のウェハ１７１を連続的に処理をすることが行われることが一般的であるが、このような量産の動作をさせる場合に、１枚目のウェハ１７１を処理する際における内側壁の表面の温度と任意の枚数（ｎ枚目）のウェハ１７１の処理における温度とが大きく異なってしまい、処理の特性が異なるために加工の結果得られる形状が大きく異なってしまい、処理の歩留まりが損なわれてしまうことに繋がることが判っている。一方、従来はこのような上昇した内壁面の温度の値や変化の時間や速度は経験的に求めざるを得ず、所望の処理結果を得る条件を導出するための装置の評価には長期間の実験等時間を要していた。
【００４５】
本実施例は、大気側の空洞共振部１０３上部に設けられた放射温度計１８１が所定の波長の電磁波または光を受けてシャワープレート１４１の温度を検出する構成を備えている。シャワープレート１４１及び窓部材１１１は共に透過波長帯が０.２μｍ〜２.５μｍである同じ材質でできたものが並列に配置されている。温度を測定する対象物であるシャワープレート１４１内部には、放射温度計１８１の受光して検知できる波長の範囲（例えば１.８μｍ〜２.５μｍ）に対しては表面反射を示すＹ２Ｏ３等の材料が表面に配置された部材がマーカ２０１として配置されている。例えば、電磁波透過範囲が７μｍ〜９μｍであるＹ２Ｏ３が被覆された矩形状の板部材がマーカ２０１としてシャワープレート１４１の上面に配置された凹部内に収納されその上方をシャワープレート１４１と同じ材質の石英のカバーで覆うことでシャワープレート１４１内部に埋め込まれている。
【００４６】
放射温度計１８１は、その測定する範囲がシャワープレート１４１内部のマーカ２０１の直上方の空洞共振部１０３の天板を貫通して受光部を下に向けて配置されることで、マーカ２０１から放射され石英製の窓部材１１１と透過した電磁波または光を直接検知できる。本実施例のマーカ２０１は、シャワープレート１４１に段差を有する穴を設け、深い段の底部にマーカ２０１を配置し上方の浅い段目に石英製のカバーを置き、シャワープレート１４１とカバーとを溶着している。
【００４７】
この際、マーカ２０１の線膨張係数を考慮し２段目の穴径をマーカ寸法より広めに取り空間を持たせることで、異なる部材を高い温度で溶着する時の線膨張による割れを防ぐことができる。また、このマーカ２０１には、測定対象の熱伝導率ρより低い材質を用いることで測定対象からの熱伝導の影響を受けやすく、測定対象の温度に近い温度を測定できる。
【００４８】
シャワープレート１４１はその下面が処理室１１０の下部電極１２１の上方のプラズマ形成空間に存在するプラズマＰに接するのでプラズマＰからの輻射及び伝導により温度が上昇する。この加熱されたシャワープレート１４１から受ける熱の伝導及び輻射により加熱されたマーカ２０１は赤外線エネルギーを放出する。放射温度計１８１はマーカ２０１から放出された温度計自身が持つ受光波長帯のエネルギーのみを受光し、温度として検出する。
【００４９】
なお、図２に示す本実施例は、上記の通り、処理室１１０の内側と真空容器の外側との間はシャワープレート１４１または窓部材１１１とヘッドピース１１２，放電ブロック側壁１１３との間に配置されたＯリング等のシールにより気密に封止されて、窓部材１１１の外周縁下面から延びる点線の上方側の大気圧と下方側の処理室１１０内（真空容器内）部の圧力差を実現している。本図に示す通り、プラズマＰの形成空間である処理室１１０を囲む円筒形状の放電ブロック側壁１１３の上端部の外側に延在するフランジ部とリング状のヘッドピース１１２の下面とが対向してＯリング２０２を挟んでこれを押圧した状態で接続され、Ｏシング２０２の封止性能により処理室１１０の減圧された圧力が維持される。
【００５０】
同様に、リング状のヘッドピース１１２の上面と石英製の円板形状を有する窓部材１１１の外周縁部の下面とが、Ｏリング２０３を挟んでこれを押圧して押し潰した状態で接続され、窓部材１１１の下方のシャワープレート１４１との間のすき間や処理室１１０内部が外側の雰囲気との間で気密に封止される。なお、窓部材１１１の上方の空洞共振部１０３内部は雰囲気で満たされて大気圧にされている。また、ヘッドピース１１２の内周側に中央側に向けて延在するフランジ部の上面と上方のシャワープレート１４１の外周縁部の下面とがＯリングである２０４を挟んでこれを押し潰した状態で接続されており、Ｏリング２０４の封止性能の発揮により、処理室１１０内部と真空容器外部との間、或いはシャワープレート１４１上方の反応性ガスが充填される窓部材１１１との間の空間に対して、処理室１１０内部を気密に封止する。
【００５１】
図２に示す構成においては、処理室１１０内にプラズマＰが形成されている場合にプラズマＰの発光に含まれる放射温度計が受光する波長帯の赤外線エネルギーも窓部材１１１を上方に透過して空洞共振部１０３内の大気を通り放射温度計１８１に到達する。このため、放射温度計１８１が検知する赤外線エネルギーは処理室１１０内のプラズマＰの形成（放電）の開始の前後で急激に増大し、放射温度計１８１の出力は高温を示す側に変化する。シャワープレート１４１の温度はプラズマからの赤外線エネルギーの増減に直接的に支配されて変化されないので、本実施例の構成では、このプラズマから放射されるエネルギーの変化の影響を考慮して正確なシャワープレート１４１の処理中の温度を精度良く検出するための工夫が必要となる。
【００５２】
本実施例では、プラズマＰの生成（放電の開始）の前後の少なくとも３つの時刻を含む期間で放射温度計１８１を用いてマーカ２０１からの赤外線エネルギーを検知して出力した時系列のデータを用いて、これら放電開始前，放電開始後、測定時の出力の値からマーカ２０１の表面の温度を検出する。この検出した結果を用いてシャワープレート１４１の温度を検出する。
【００５３】
この検出について図３を用いて説明する。図３は、図２に示す温度の検出手段により検出される温度とマーカの温度の算出方法の説明するグラフである。
【００５４】
図３に示す通り、本実施例のプラズマ処理装置は、放射温度計１８１を用いてプラズマの放電の開始を含む所定の時間におけるマーカ２０１から放射される赤外線エネルギーを予め定められた周期で継続的に検知してその検知結果の出力から温度を検出する。通常、処理室１１０内部に形成されるプラズマＰの放電開始とともに、放射温度計１８１の受光部に測定対象であるマーカ２０１からの放射エネルギーに加えてプラズマＰからの放射エネルギーが流入する。このため、放射温度計１８１は実際の測定対象の温度とかけ離れた温度を検出してしまう。
【００５５】
図３は、図１の実施例のプラズマ処理装置において、製品用のウェハ１７１の処理の開始前に予め処理室１１０内のプラズマ形成空間内にプラズマＰを形成して処理室１１０のプラズマに面する内壁の表面を所定の条件に近づけるシーズニング処理或いは加熱して温度を所望のものに近づけるプレヒート処理の際に、プラズマＰの放電を開始したその前後の時刻とシーズニングまたはプレヒート処理を終了してプラズマＰを消失させた時点までの時間を含む期間の放射温度計１８１が受光して得られた放射エネルギーの時間変化に伴う変化を示している。
【００５６】
本図に示す放射エネルギーの値は、上記の期間において所定の周期毎の各時刻で放射温度計１８１の窓部材１１１の上面（空洞共振部１０３内部の共振室の底面）に対向した受光部で受光して検知されて得られた値を用いて、プランクの公式により、測定時の放射温度計１８１が受光した所定の波長における放射エネルギーを算出したものである。プランクの公式を数１に示す。
【００５７】
【数１】
0005577160.tif 000002
【００５８】
図３において、プラズマＰは時刻ｔ０で形成（放電の開始）が行われる。時刻ｔ０までの時間で放射温度計１８１において検出されるマーカ２０１以外からの放射エネルギーは所謂背景放射であって実質的に０と考えてもよく、この時刻ｔ０以前の放射エネルギーの値Ｌ０がマーカ２０１の温度の判定の基準として用いることができる。時刻ｔ０直後からプラズマＰの発光により生じる放射エネルギーのうち、放射温度計１８１の受光部において検知できる所定の波長の範囲（本実施例では１.８μｍ〜２.５μｍ）のものは、シャワープレート１４１及び窓部材１１１の石英を透過して検知される。一般的に、放電の開始直後の上記放射エネルギーはその大きさは急激に増大して後に任意の時刻ｔ１で安定したものに漸近する。
【００５９】
放射エネルギーの大きさ及び変化の割合が急激に変化するｔ０からｔ１までの期間は、プラズマＰの放電が安定していない状態から定常の状態に遷移する期間であると考えられる。時刻ｔ１以降、プラズマＰの生成およびこれによる放射エネルギーが安定しシャワープレート１４１及び内部に配置されたマーカ２０１は連続的に加熱されて温度が上昇する。これに伴って放射温度計１８１の受光部から検出される放射エネルギーの大きさも漸増する。時刻ｔ３に処理室１１０内に供給される電界または磁界が停止または強度が急激に低減されてプラズマＰが消失する。この後、処理室１１０内に供給されるガスは処理用ガスから不活性ガス等ウェハ１７１に悪影響を与えないガスが処理室１１０内に導入された状態で、処理対象としてのウェハ１７１が処理室１１０に搬入され下部電極１２１の載置面上に載せられて保持される等上記の動作の流れに沿ってウェハ１７１の処理が時刻ｔ４にプラズマＰが形成されて開始される。
【００６０】
時刻ｔ３においてプラズマＰが消失すると、時刻ｔ０の際とは逆に窓部材１１１を透過して放射温度計１８１の受光部に到達する放射エネルギーが急激に低減して実質的に０に近い値となる。このため、放射温度計１８１ではマーカ２０１からの放射エネルギーＬ３のみが検出されることになるため、その放射エネルギーから検出される温度がマーカ２０１の温度の値に、又プラズマＰ放電開始前と消失後との放射エネルギーの差（Ｌ３−Ｌ０）の値がマーカ２０１の温度差に対応するものとなり、これらの値からシャワープレート１４１の温度を容易に検出することが可能となる。
【００６１】
発明者らの検討によれば、放電が安定する時刻ｔ１での放射エネルギーＬ１と時刻ｔ３直前（プラズマＰが形成されている時刻）での放射エネルギーとの差ΔＬは、時刻ｔ０とｔ３直後（プラズマＰが消失している時刻）での放射エネルギーＬ１との差ΔＬ′とはほぼ等しいと見なせることが判った。これは時刻ｔ０〜ｔ１の時間は、プラズマＰが遷移状態であるためプラズマＰと処理室１１０内壁との相互作用も小さくプラズマＰからの熱の伝達も小さいためと考えられる。
【００６２】
そこで、時刻ｔ０からｔ３の期間においてプラズマＰの放電による放射エネルギーの伝達が一定であると見なせれば、時刻ｔ１以降の任意の時刻ｔにおいて検出される放射エネルギーＬｔと時刻ｔ１における放射エネルギーＬ１との差ΔＬｔを時刻ｔにおけるマーカ２０１が放射する放射エネルギーの増加（変化）分であり、ΔＬｔとＬ０との和をマーカ２０１の温度に対応する値であると見なすことができることが判った。つまり、放電中にプラズマＰから放射温度計１８１が受光する放射エネルギーが一定であると考えると、放電開始直後から測定時の放射エネルギーの増加分ΔＬが、測定対象であるマーカ２０１から放出される放射エネルギーの増加分ΔＬ′と等しくなる。よって、放電開始前の放射エネルギーＬ０に増加分ΔＬを加えることで、測定時に測定対象から放出されている放射エネルギーを算出することができる。
【００６３】
本実施例では、発明者らのこのような知見に基づいて想起されたものであり、時刻ｔ０から時刻ｔ３の間に処理室１１０内に形成されるプラズマＰは不活性ガス（本実施例ではＡｒ）のみまたは主成分とするガスを処理室１１０内に導入して形成される。このことによりプラズマＰの強度，密度の分布を安定させることができるので、プラズマＰからの放射エネルギーが安定する。このようにプラズマＰからの放射エネルギーの量が安定して変化が抑制されているので、放射温度計１８１により検出される放射エネルギーの変化の量、特に放電が安定したと見なせる時刻ｔ１以降の変化の量をマーカ２０１からの放射エネルギーの量の変化の量と同等と見なすことができる。
【００６４】
時刻ｔ１以降時刻ｔまでのマーカ２０１からの放射エネルギーの変化量（増加量）及び時刻ｔ０以前の放射エネルギーとの和から、時刻ｔのマーカ２０１の温度、さらにはシャワープレート１４１の温度を算出できる。このために、実験での測定等により予め放射温度計１８１により検出されるマーカ２０１から放射エネルギーの量の値とマーカ２０１またはシャワープレート１４１の処理室１１０に面する表面（下面）の温度の値との対応関係や相関を検出してメモリーやハードディスク装置といった記憶装置にデータベースとして記録しておき、シーズニングやプレヒートの処理中の（プラズマＰの放電，放射エネルギーが安定して後の）任意の時刻ｔに検出されたマーカ２０１からの放射エネルギーを示す値と記憶装置に記録されたデータベースや相関関係を示すデータとを比較、或いは放射エネルギー値に対応する何れかの温度の値を選択，検出する。
【００６５】
このように、シーズニングやプレヒート処理の間に処理室１１０の内壁であるシャワープレート１４１の温度を検出する。この検出した当該温度の値またはこれに相当するデータをフィードバックしてプラズマＰの継続／停止が制御装置において判定され実行される。すなわち、検出した当該温度の値またはこれに相当するデータと所望の温度またはデータ値とが比較され、所望の温度に到達したと判定されると、この時刻を上記時刻ｔ３として、制御装置が処理室１１０内への電界，磁界の供給を停止してプラズマＰを消失させる。本実施例では、このような温度の値の検出は、上記制御装置内に配置された演算手段により、予めメモリー等の記憶手段に記憶されたプログラムが実行されて算出される。当該演算手段が放射温度計１８１が検知して出力する信号から放射エネルギーの値を検出するようにしてもよい。
【００６６】
また、本実施例では、時刻ｔ０以降のプラズマＰからの放射エネルギーを放射温度計１８１で連続的に検出し、その変化が急激な増大を示した後変化の割合が０に漸近したこと、或いは所定の期間放射エネルギーの変化率の値が所定の範囲内であることが持続した場合に、プラズマＰの放射エネルギーの放出が安定したと制御装置が判定する。すなわち、本実施例では、時刻ｔ１において放射温度計１８１により検出され出力される信号の変化率が０または実質的に０と見なせる程度の値の範囲となる。時刻ｔ１での変化率が０となることが検出された時刻の放射エネルギーをＬ１として以降検出される放射エネルギーの変動値ΔＬｔが制御装置により検出されてマーカ２０１またはシャワープレート１４１が所望の温度に到達したか否かが判定される。
【００６７】
上記のような構成により、シーズニングやプレヒート処理の際にプラズマＰによって加熱される処理室内壁，シャワープレート１４１の温度を所望の値にすることができるので、製品の製造用のウェハ１７１の処理を反応性ガスを用いたプラズマＰの放電を形成して開始する際の処理室１１０の温度等処理の条件を処理に適切なものに近づけることができ加工の精度が向上し、ひいては処理の歩留まりや効率が改善される。時刻ｔ３でのプラズマＰの消失から時刻ｔ４の製品ウェハ１７１の処理のためのプラズマＰの形成までの時間には、処理室１１０内の排気による圧力の調節，ウェハの搬入が行われるとともにシャワープレート１４１等処理室１１０内壁面の温度が変化（低下）することが考えられる。この場合には、この変動分を見積って時刻ｔ３における所期の温度は予め高く設定することができる。
【００６８】
上記の実施例のプラズマ処理装置１００は、放射温度計１８１はシャワープレート１４１内部に配置されたマーカ２０１から放射される放射エネルギーから温度を検出するものである。マーカ２０１はシャワープレート１４１のものと異なる材質が用いられるためにシャワープレート１４１の温度の分布が不均一になる虞が有り、またこれらの温度の値によってシャワープレート１４１の表面とマーカ２０１の温度の差の大きさが変化するためにシャワープレート１４１の温度の検出の精度を損なわれる虞が有る。一方で、窓部材１１１とシャワープレート１４１とが上記の積層された構造を備えているためにシャワープレート１４１の表面の放射エネルギーを直接放射温度計１８１により検出して温度の値を得るということが困難となってしまうという問題があった。
【００６９】
そこで、図４に示す変形例として、シャワープレート１４１と窓部材１１１とを接合して一体とした石英部品を用いてプラズマ処理装置１００を構成する。放射温度計１８１はシャワープレート１４１と一体の部材となった窓部材１１１の上面の温度を検出した結果からシャワープレート１４１の温度を精度良く検出することができる。
【００７０】
図４に、シャワープレート１４１と窓部材１１１とを接合して一体とした真空容器の蓋部材を示す。図４は、図１に示すプラズマ処理装置の変形例に係る真空容器の蓋部材の構成の概略を示す縦断面図である。本図において示す蓋部材４０１，４０２は、図１に示す窓部材１１１及びシャワープレート１４１を接合して一体の部材としたものであり、上部の円板形状の部分が窓部材１１１に相当しその外周縁部の下面がヘッドピース１１２の上面とシールを挟んで対向して接続される。下部は両者の間に配置されるすき間に供給される反応性ガスが処理室１１０の上方に流入する貫通孔が複数配置されたシャワープレート１４１に相当する部分である。これらは一体の部材として接合され図１の実施例に係る窓部材１１１と同様に、真空容器の上部に連結され取り付けられて真空容器内の処理室１１０内外を気密に封止する蓋部材として機能する。
【００７１】
これら上下の部材はほぼ同じ組成の石英で構成され、これらの接合は接着剤によるものや低融点融着法，光学溶着（オプティカルコンタクト）等の従来より用いられている方法を用いることができる。図４（ａ）に示すこれら上下の部材の接合には、両者の間に所定の厚さのリング状の石英板４０１ｃを挟み、石英板４０１ｃの上下面と上下の部材とが接合される。リング状の石英板４０１ｃは、反応性ガスが導入される上記すき間の外周を囲む部材となりその高さが当該すき間の高さと同じくされている。
【００７２】
また、図４（ｂ）のように窓部材１１１もしくはシャワープレート１４１に相当する部材の中央部に凹みや溝を予め形成して両者の外周縁部同士を上記の方法により接合するようにしても良い。この場合、上述の反応性ガスが導入されるすき間は上記凹み，溝によって構成されることになり、その深さがすき間の高さに相当する。
【００７３】
図４（ａ）に示す変形例において接着剤を用いた接合では、プラズマによる昇温で接着剤の溶出や接合部の剥離が起こらない、接合部が透明である、熱伝導性が十分高い、また洗浄時の耐薬品性といった特性を十分考慮した上で適当な接着剤を選定する必要がある。また、低融点融着は、真空にされた反応槽内において窓部材，シャワープレート相当部材の両者を密着させた状態で軟化点以下の低い温度領域で加熱し、そこに両者を相互に押し付ける力を印加して接合する。本方法では、石英同士の接合のため耐熱性／耐薬品性に優れ、石英の融点に対して十分に低い温度で加工を行われるため、加熱変形が少なく高精度な組立接合が可能となる。よって、本実施例のような中空溝構造部品も容易に製造することができる。
【００７４】
光学溶着は、光学研磨されたガラス平面同士を密着させ、基板表面の分子間力により接合する。本方法も、石英同士の接合のため耐熱性／耐薬品性に優れ、精度，強度においても安定している。また、無加圧で接合するため光学面を損なわず良好な光学特性を維持することができる。
【００７５】
図５は、図４に示す蓋部材を用いた変形例において温度検出手段の構成の概略を拡大して示す縦断面である。図２に示す処理室１１０下部に配置された下部電極１２１の上部の載置面にほぼ平行に並列に配置されているシャワープレート１４１と窓部材１１１とに換えて図４に示す蓋部材４０１が配置されている。
【００７６】
蓋部材４０１に換えて蓋部材４０２を用いても良い。図２に示す実施例と同様に蓋部材４０１下面とヘッドピース１１２上面との間に挟まれて配置されたシール２０３により処理室１１０内部とが封止されており、図上水平方向の点線の上方と下方とで大気圧の大気側と所定の真空度の低圧にされた真空側の領域とに処理室１１０内外とが気密に区画されている。
【００７７】
また、図２に示す実施例と同様に、大気側の領域に配置された空洞共振部１０３の天井部を構成する円板部材に放射温度計１８１が、その下部の受光部が蓋部材４０１の上面と対向して配置されている。放射温度計１８１の受光部は、蓋部材４０１の材料である石英を透過しない波長帯（６.０〜１６.０μｍ）を検知可能な範囲に持つセンサを備えており、蓋部材４０１の上面からの放射エネルギーを抽出して検知可能に構成されている。このような放射温度計１８１を用いて蓋部材４０１の表面の放射エネルギーを検出しその結果から蓋部材４０１またはその処理室１１０に面する内側表面の温度を検出する。
【００７８】
本変形例では、上述の通り、シャワープレート及び窓部材を一体化させることで、プラズマＰにより加熱されて昇温した内側表面を構成するシャワープレート１４１に相当する部分から空洞共振部１０３の空洞共振室の底面を構成する窓部材１１１に相当する部材への熱の伝導性を向上させている。このことにより、両者の温度は同等もしくは温度差が広い温度の範囲で変動を少なくして安定させることができる。このため蓋部材４０１の表面から放射される放射エネルギーを検出することで検出対象である内側表面であるシャワープレート１４１に相当する部材の表面の温度を精度良く検出できる。
【００７９】
また、本変形例では、放射温度計１８１が受光する波長帯の赤外線は石英製の蓋部材を透過しないか、その透過する電磁波，放射エネルギーの量は著しく低減されており、プラズマＰが形成されている間においてもプラズマＰからの放射エネルギーの影響が抑制され、よりリアルタイムに蓋部材４０１の温度を検出することができ、検出の精度がさらに向上する。
【００８０】
上記の通り、上記実施例または変形例によれば、プラズマの放電中においても、リアルタイムに処理室内壁面の温度を監視することができ、処理室内のシーズニングやプレヒートの処理中における内壁面部材の加熱の継続，停止を温度の検出結果をフィードバックして調節できる。このため、温度確認のために放電を中断するという作業が省略でき、歩留まりが高く処理の効率に優れた装置を提供することができる。また、プラズマ処理装置での非処理時間（ノンプロダクトタイム）時間、特に製品製造用のウェハを実質的に処理していない時間でのプラズマによる加熱による温度の値や変化を精度良く検出して加熱を適切に調節できる。このため、複数のウェハの処理における処理室温度ばらつきを低減して歩留まりを向上でき、量産性に優れた装置が実現できる。
【符号の説明】
【００８１】
１００  プラズマ処理装置
１０１  電波源
１０２  導波管
１０３  空洞共振部
１０４，１２３  整合器
１１０  処理室
１１１  窓部材
１１２  ヘッドピース
１１３  放電ブロック側壁
１１４  下部チャンバ
１２１  下部電極
１２２  ＲＦ電源
１３１  ガス源
１３２  ＭＦＣ
１３３  ガスバルブ
１４１  シャワープレート
１５１  可動弁
１５２  ＴＭＰ
１６１  ソレノイドコイル
１７１  ウェハ
１８１  放射温度計
１９１  開口
２０１  マーカ
４０１，４０２  蓋部材
【図１】
0005577160.tif 000003
【図２】
0005577160.tif 000004
【図３】
0005577160.tif 000005
【図４】
0005577160.tif 000006
【図５】
0005577160.tif 000007