(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハを処理する半導体製造装置において、
真空処理室内にプラズマを発生させるユニットと、
前記真空処理室内に導入する半導体ウエハを保持するためのウエハステージと、
前記ウエハステージに高周波電圧を印加するための高周波電源と、
前記半導体ウエハの裏面において該半導体ウエハの電圧を測定するウエハ電位プローブと、
前記高周波電源からウエハステージに印加される電圧と電流の少なくとも一方を測定する電流・電圧プローブと、
前記ウエハ電位プローブにより測定された前記半導体ウエハの電圧値と、前記電流・電圧プローブにより測定された電圧値または電流値とに基づき、前記半導体ウエハからプラズマを介したアースまでのインピーダンスを求める算出部と、
該求めたインピーダンスに基づく処理を行う処理部とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めたインピーダンスを表示部に表示することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項３】
請求項１記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めたインピーダンスをもとに各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めたインピーダンスを前記半導体ウエハからプラズマを介した前記真空処理室内壁までのインピーダンスとし、該求めたインピーダンスをもとに前記各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項５】
請求項３記載の半導体製造装置において、前記各種の処理パラメータは、前記プラズマを発生させるための高周波電圧の周波数または電力、または前記ウエハステージに印加する高周波電圧の周波数または電力、または前記真空処理室を形成する壁の温度もしくは温度分布、または前記半導体ウエハの温度もしくは温度分布、または前記真空処理室の圧力、前記真空処理室に流し込む処理ガスの種類または流量または処理ガスの混合比のすくなくともいずれか、または前記真空処理室内に印加する磁場、またはエッチング時間のすくなくとも１種類以上であることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項６】
半導体ウエハを処理する半導体製造装置において、
真空処理室内にプラズマを発生させるユニットと、
前記真空処理室内に導入する半導体ウエハを保持するためのウエハステージと、
前記ウエハステージに高周波電圧を印加するための高周波電源と、
前記半導体ウエハの裏面において該半導体ウエハの電圧を測定するウエハ電位プローブと、
前記高周波電源からウエハステージに印加される電圧と電流の少なくとも一方を測定する電流・電圧プローブと、
前記真空処理室の内壁に付着した膜の厚さを測定する膜厚プローブ部と、
前記ウエハ電位プローブにより測定された前記半導体ウエハの電圧値と、前記電流・電圧プローブにより測定された電圧値または電流値とに基づき、前記半導体ウエハからプラズマを介したアースまでの第一のインピーダンスを求め、更に、前記膜厚プローブ部により測定された処理室内壁に付着した膜の厚さから前記付着膜の第二のインピーダンスを求め、該第一と第二のインピーダンスを用いて前記プラズマのインピーダンスを求める算出部と、
該求めた第一，第二インピーダンスの少なくとも一方に基づく処理を行う処理部とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項７】
請求項６記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第一，第二インピーダンスの少なくとも一方を表示部に表示することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項８】
請求項６記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第一，第二インピーダンスの少なくとも一方をもとに各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項９】
請求項８記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第一のインピーダンスを前記半導体ウエハからプラズマを介した前記真空処理室内壁までのインピーダンスとし、該求めた第一のインピーダンスをもとに前記各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１０】
半導体ウエハを処理する半導体製造装置において、
真空処理室内にプラズマを発生させるユニットと、
前記真空処理室内に導入する半導体ウエハを保持するためのウエハステージと、
前記ウエハステージに高周波電圧を印加するための高周波電源と、
前記高周波電源からウエハステージに印加される電圧と電流の少なくとも一方を測定する電流・電圧プローブと、
前記真空処理室の内壁に付着した膜の厚さを測定する膜厚プローブ部と、
前記電流・電圧プローブにより測定された電圧値または電流値とに基づき前記電流・電圧プローブの位置での第一のインピーダンスを求め、前記膜厚プローブ部により測定された処理室内壁に付着した膜の膜厚から前記付着膜の第二のインピーダンスを求め、該第一と第二のインピーダンスとあらかじめ用意しておいた前記電流・電圧プローブから前記ウエハステージを介したアースまでの等価回路モデルの合成インピーダンスとを演算処理して、前記半導体ウエハからプラズマを介した前記真空処理室の内壁までのインピーダンスを算出する算出部と、
該算出したインピーダンスに基づく処理を行う処理部とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該算出したインピーダンスを表示部に表示することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該算出したインピーダンスをもとに各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１３】
半導体ウエハを処理する半導体製造装置において、
真空処理室内にプラズマを発生させるユニットと、
前記真空処理室内に導入する半導体ウエハを保持するためのウエハステージと、
前記ウエハステージの外周を囲うように配置されたサセプタと、
前記ウエハステージと前記サセプタの少なくとも一方に高周波電圧を印加するための高周波電源と、
前記半導体ウエハの裏面において該半導体ウエハの電圧を測定するウエハ電位プローブと、
前記高周波電源からウエハステージに印加される電圧と電流の少なくとも一方を測定する電流・電圧プローブと、
前記サセプタの電圧を測定するサセプタ電位プローブと、
前記ウエハ電位プローブにより測定された前記半導体ウエハの電圧値と、前記電流・電圧プローブにより測定された電圧値または電流値と、前記サセプタ電位プローブより測定された電圧値に基づき、前記半導体ウエハからプラズマを介したアースまでの第一インピーダンスと、前記サセプタからプラズマを介したアースまでの第二インピーダンスとを求める算出部と、
該求めた第一，第二インピーダンスの少なくとも一方に基づく処理を行う処理部とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第一，第二インピーダンスの少なくとも一方を表示部に表示することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１５】
請求項１３記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第一，第二インピーダンスの少なくとも一方をもとに各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第一のインピーダンスを前記半導体ウエハからプラズマを介した前記真空処理室内壁までのインピーダンスとし、該求めた第一のインピーダンスをもとに前記各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１７】
半導体ウエハを処理する半導体製造装置において、
真空処理室内にプラズマを発生させるユニットと、
前記真空処理室内に導入する半導体ウエハを保持するためのウエハステージと、
前記ウエハステージの外周を囲うように配置されたサセプタと、
前記ウエハステージと前記サセプタの少なくとも一方に高周波電圧を印加するための高周波電源と、
前記半導体ウエハの裏面において該半導体ウエハの電圧を測定するウエハ電位プローブと、
前記高周波電源からウエハステージに印加される電圧と電流の少なくとも一方を測定する電流・電圧プローブと、
前記サセプタの電圧を測定するサセプタ電位プローブと、
前記真空処理室の内壁に付着した膜の厚さを測定する膜厚プローブ部と、
前記ウエハ電位プローブにより測定された前記半導体ウエハの電圧値と、前記電流・電圧プローブにより測定された電圧値または電流値と、前記サセプタ電位プローブより測定された電圧値に基づき、前記半導体ウエハからプラズマを介したアースまでの第一インピーダンスと、前記サセプタからプラズマを介したアースまでの第二インピーダンスと、前記膜厚プローブ部により測定された処理室内壁に付着した膜の厚さから前記付着膜の第三のインピーダンスとを求め、該第一と第二と第三のインピーダンスを用いて前記ウエハ表面から前記真空処理室の内壁に付着した膜までの第四インピーダンスと前記サセプタ表面から前記真空処理室の内壁に付着した膜までの第五インピーダンスを求める算出部と、
該求めた第四，第五インピーダンスの少なくとも一方に基づく処理を行う処理部とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第四，第五インピーダンスの少なくとも一方を表示部に表示することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１９】
請求項１７記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第四，第五インピーダンスの少なくとも一方をもとに各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２０】
請求項１９記載の半導体製造装置において、前記処理部は、該求めた第四と第五のインピーダンスを前記半導体ウエハからプラズマを介した前記真空処理室内壁までのインピーダンスとし、該求めた第一のインピーダンスをもとに前記各種の処理パラメータを制御することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２１】
半導体ウエハを処理する半導体製造装置において、
真空処理室内にプラズマを発生させるユニットと、
前記真空処理室内に導入する半導体ウエハを保持するためのウエハステージと、
前記ウエハステージの外周を囲うように配置されたサセプタと、
前記ウエハステージと前記サセプタとに独立して高周波電圧を印加するための高周波電源と、
前記半導体ウエハの裏面において該半導体ウエハの電圧を測定するウエハ電位プローブと、
前記高周波電源からウエハステージに印加される電圧と電流の少なくとも一方を測定する電流・電圧プローブと、
前記サセプタの電圧を測定するサセプタ電位プローブと、
前記ウエハ電位プローブにより測定された前記半導体ウエハの電圧値と、前記電流・電圧プローブにより測定された電圧値または電流値と、前記サセプタ電位プローブより測定された電圧値とに基づき、前記ウエハステージと前記サセプタに印加する高周波電圧を独立に制御する制御部とを備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２２】
真空処理室内にプラズマを発生させるユニットと、前記真空処理室内に導入する半導体ウエハを保持するためのウエハステージと、前記ウエハステージに高周波電圧を印加するための高周波電源とを備える半導体製造装置における、半導体ウエハを処理する方法は、
前記半導体ウエハの裏面において該半導体ウエハの電圧を測定するステップと、
前記高周波電源からウエハステージに印加される電圧と電流の少なくとも一方を測定するステップと、
前記ウエハ電位プローブにより測定された前記半導体ウエハの電圧値と、前記電流・電圧プローブにより測定された電圧値または電流値とに基づき、前記半導体ウエハからプラズマを介したアースまでのインピーダンスを求めるステップと、
該求めたインピーダンスに基づく処理を行うステップとを備えることを特徴とする半導体処理方法。
【請求項２３】
プラズマを用いて半導体ウエハを処理する半導体製造装置におけるウエハ電位プローブは、
測定すべき半導体ウエハの裏面に接触する、電気導電性を有する触針と、該触針を支持する電気導電性を有する弾性部材と、該弾性部材を支持しつつフランジ構造を有する電流導入端子とを備え、
前記触針の電位は大気側で測定可能であり、かつ前記触針の高さ方向の位置は大気側から調節可能であることを特徴とするウエハ電位プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマを用いて半導体ウエハを処理する半導体製造装置および処理方法、およびウエハ電位プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体素子の高集積化にともない回路パターンは微細化の一途をたどっており、要求される加工寸法精度はますます厳しくなってきている。また、生産性向上の目的でウエハサイズの大口径化が進んでいるほか、素子の性能を向上するめに新材料の適用や配線構造の変更が検討されている。また、これにともない新しいプロセス技術の開発が進められてきており、プロセス技術の開発は非常に困難かつコストのかかるものとなってきている。
【０００３】
また、半導体製造装置のうちプラズマを用いてウエハの処理をおこなう装置、例えばプラズマエッチャやプラズマＣＶＤなどでは、基板に入射するイオンのエネルギを正確に把握し制御することが非常に重要であり、ひいてはプロセス立ち上げ期間の短縮にもつながる。逆にイオンエネルギを正確に把握できないと製品の性能にばらつきが生じたり、歩留まりが低下するなどの問題が出てくる。
【０００４】
このようなプラズマ処理中の基板に入射するイオンのエネルギをモニタし制御する方法の一例は、例えば特開平７−１３５１８０号に開示されている。この開示例では、処理を施す基板を積載する電極をコンデンサを介して接地し、このコンデンサと電極間の電位を測定するための電位測定手段を設けることにより処理中の基板の電位を測定する方法が開示されている。
【０００５】
また、USP5808415およびUSP6061006にはプラズマに印加する電流と電圧を測定するプローブの製造方法と、プラズマチャンバ内のプラズマインピーダンスの求めかたが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−１３５１８０号の開示例では基板へ入射するイオンのエネルギを制御するために基板の表面電位を測定する方法として、基板の積載された電極と、この電極に接続されたコンデンサの間の電圧を電圧計で測定しており、直接基板の電位を測定しているわけではないため問題となる場合がある。例えば、基板を静電チャックで吸着固定し、エッチング処理している場合、ウエハの処理枚数が増加するにつれて静電チャックの表面にデポ物が付着してしまう例が挙げられる。図１０を用いて説明する。開示例では基板の表面電位Ｖｇを求めるために容量が既知のコンデンサＣ１を基板を積載している電極に接続している。そしてあらかじめ基板の容量Ｃｇを調べておき、開示例に示す手段により電位Ｖｓを測定しＶｇをＶｓ＋（Ｃ１／Ｃｇ）＊Ｖｓで計算して求める方法を開示している。電極が静電チャック機能を有し、電極表面に誘電膜などがついている場合にはＣｇを誘電膜の容量を考慮して補正すればよいことになる。もし、エッチング処理を開始した直後に比べて誘電膜の表面にデポ物が付着すれば、容量Ｃｇが変化してしまうため、結果的に基板の電位を正確に求めることができない。
【０００７】
また、実際の製造装置では電極に接続した端子は単に電極を介して電気的に基板と接続しているだけではなく、コンデンサ成分を介してアースに接続されている電気回路や、高周波電力を供給する給電ラインのインダクタンス成分が存在している。したがって、単純に電極に接続したコンデンサの両端の電位を測定したとしても実際の基板の電位を正確に測定しているわけではない。
【０００８】
また、例えばエッチング処理などにおいて、プラズマを閉じ込めている真空チャンバの内壁などに反応生成物などが付着してしまった場合、仮に開示例の方法により基板の電位が測定できたとしても、付着物によりプラズマの状態そのものが変化してしまった場合、基板の電圧を制御したとしても処理結果が変化してしまう可能性がある。
【０００９】
一方、USP5808415ならびにUSP6061006の開示例ではプラズマチャンバのインピーダンスネットワークをチャンバ抵抗，電極インダクタンス，電極対接地点キャパシタンス、及び漂遊キャパシタンスで表現し、放電中に存在する電流および電圧波形から真のプラズマインピーダンスを求める方法が開示されている。しかしながら、この開示例ではプラズマ中で処理されているウエハの表面電位を求めることはできないため、ウエハに入射するイオンエネルギを制御することはできないという問題がある。
【００１０】
これらの問題を解決するためには基板の電位とプラズマインピーダンスの両方を計測するかまたは計算により求め、場合によっては真空チャンバ内壁に付着した付着物のインピーダンスまでを計測するかまたは計算により求め、これらの情報をもとにエッチングパラメータを適切に制御することが必要となってくる。
【００１１】
従って、本発明の第一の目的は、プラズマを用いた半導体製造装置において、処理中の基板の電位と基板からプラズマを介したアースまでのインピーダンスを計測するかまたは計算により求めるようにした半導体製造装置及び処理方法を提供することである。
【００１２】
本発明の第二の目的は、プラズマを用いた半導体製造装置において、処理中の基板の電位と基板からプラズマを介したアースまでのインピーダンスを計測するかまたは計算により求め、これらの情報をもとにエッチングパラメータを制御することができる半導体製造装置及び処理方法を提供することである。
【００１３】
本発明の第三の目的は、プラズマを用いた半導体製造装置において、処理室内壁に付着した膜の厚みをモニタすることにより、適切なクリーニング時期を容易に決定することができる半導体製造装置及び処理方法を提供することである。
【００１４】
本発明の第四の目的は、プラズマを用いた半導体製造装置において、処理中の基板の電位と、基板を囲うように配置されたサセプタの電位と、処理中の基板上のプラズマを介したアースまでのインピーダンスと、サセプタ上のプラズマを介したアースまでのインピーダンスを計測するかまたは計算により求め、これらの情報をもとに基板とサセプタに印加するバイアス電圧を独立に制御することができる半導体製造装置及び処理方法を提供することである。
【００１５】
本発明の第５の目的は、処理中の基板及び基板を囲うように配置されたサセプタの電位を計測できるプローブを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記第一の目的は、例えば、プラズマを用いて半導体ウエハに処理を施す半導体製造装置において、半導体ウエハの裏面から該半導体ウエハの電圧を測定するウエハ電位プローブと、高周波電源からウエハステージに印加される電圧値と電流値の少なくとも一方を測定する電流・電圧プローブを有し、ウエハ電位プローブにより測定された前記半導体ウエハの電圧値と、電流・電圧プローブにより測定された電圧または電流値から、半導体ウエハ上のプラズマを介したアースまでのインピーダンスを計算することにより達成できる。
【００１７】
また、第二の目的は、例えば、更にこの求めたインピーダンスとウエハの電位の少なくとも一方をもとに各種の処理パラメータを制御することにより達成できる。
【００１８】
また、例えば、電流・電圧プローブで測定された電圧と電流からインピーダンスを計算し、このインピーダンスと事前に求めておいた高周波電源（正確には電流・電圧プローブ）からプラズマを介したアースまでの等価回路モデルの合成インピーダンスの演算処理により、ウエハからプラズマを介したアースまでのインピーダンスとウエハの電位を計算し、このインピーダンスとウエハの電位をもとに各種の処理パラメータを制御することにより達成できる。
【００１９】
また、例えば、真空処理室内壁に付着した膜の膜厚を計測可能な膜厚プローブを設け、このプローブにより測定した膜厚のインピーダンスを計算すれば、ウエハから処理室内壁に付着した膜の表面までのインピーダンス（プラズマインピーダンス）が正確に計算できるため、この情報をもとに各種のパラメータを制御すればより精度よくエッチングを制御可能となる。
【００２０】
上記第三の目的は、例えば、プラズマを用いて半導体ウエハに処理を施す半導体製造装置において、真空処理室内壁に付着した膜の膜厚を測定可能な手段を設け、処理中の膜厚を監視することにより達成できる。
【００２１】
上記第四の目的は、例えば、プラズマを用いて半導体ウエハに処理を施す半導体製造装置において、半導体ウエハの裏面から該半導体ウエハの電圧を測定するウエハ電位プローブと、高周波電源からウエハステージに印加される電圧と電流値の少なくとも一方を測定する電流・電圧プローブと、半導体ウエハを囲うように配置されたサセプタの電圧を測定するサセプタ電位プローブを有し、ウエハ電位プローブにより測定された前記半導体ウエハの電圧値と、電流・電圧プローブにより測定された電圧または電流値と、サセプタ電位プローブにより測定されたサセプタの電圧値から、半導体ウエハ上のプラズマを介したアースまでのインピーダンスとサセプタ上のプラズマを介したアースまでのインピーダンスを計算し、半導体ウエハとサセプタに印加する高周波電圧を独立に制御することにより達成できる。
【００２２】
また、例えば、真空処理室内壁に付着した膜の膜厚を計測可能な膜厚プローブを設け、このプローブにより測定した膜厚のインピーダンスを計算すれば、ウエハから処理室内壁に付着した膜の表面までのインピーダンスとサセプタから処理室内壁に付着した膜の表面までのインピーダンスが計算できるため、この情報をもとに各種のパラメータを制御すればより精度よくエッチングを制御可能となる。
【００２３】
上記第五の目的は、例えば、電圧を測定すべき半導体ウエハの裏面に接触させる電気導電性を有する触針を、電気導電性を有する弾性部材により支持し、この弾性部材は真空チャンバに固定するためのフランジから電気的に絶縁した状態で大気側に露出させ、この部分の電圧を測定することにより達成できる。
【００２４】
また、例えば、触針の高さ方向の位置は大気側から調節可能にすることにより再現性よく測定可能となる。また、触針の材質をウエハ裏面に存在するシリコン酸化物の硬度よりも硬くすればより再現性よく測定可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をプラズマエッチング装置に適用した実施例について説明する。
【００２６】
先ず、本発明の第１実施例について図１ないし図３を用いて説明する。なお、以下の説明において、第１実施例の構成要素と同一の機能を有する構成要素については、第１実施例と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２７】
図１に本発明の第一の実施例であるプラズマエッチング装置の例を示す。処理室内に導入された処理ガス１は、高周波電源２に接続され両端に高周波電圧を印加されたコイル３の作る磁場と電界により、それぞれ誘導結合と容量結合しプラズマ４状態となっている。半導体ウエハ５はウエハステージ６上に積載されている。ウエハステージ６は表面にセラミックス製の誘電膜７が付けられており、静電チャック機能を有している。ウエハステージ６は電極８上にボルトで固定されており、絶縁板９により真空チャンバ１０と電気的に絶縁されている。また、ウエハステージ６と電気的に接続している電極８は、フランジ１１から電気的に絶縁されている給電棒１２と接続してあり、この給電棒１２を用い外部の電源から給電できるようになっている。本実施例では、プラズマ中のイオンをウエハに効果的に引き込むためにウエハにバイアス電圧を印加するため、周波数が８００ｋＨｚの高周波電源１３をマッチングボックス１４を介してウエハステージに接続している。１５と１６はインピーダンス整合用のコイルと容量可変コンデンサである。マッチングボックス１４の出口の電圧と電流値は電流・電圧プローブ１７によりモニタされており、外部のコンピュータ１８に入力されている。コンピュータ１８は、測定された電圧値または電流値等に基づき、半導体ウエハからプラズマを介したアースまでのインピーダンス等を求める算出部と、求めたインピーダンス等に基づく処理（例えば、表示処理，パラメータ制御処理等）を行う処理部を有する。また、給電棒１２には静電チャックを機能させるための直流電源１９も接続している。この直流電源は高周波電圧をカットするためのコイル２０を介して接続してあり、プラズマ４が着火している状態でウエハステージに直流電圧を印加するとウエハ７は、真空チャンバに接触しているために接地電位となっているプラズマを介して直流電圧回路が形成され、ウエハ７と電極８間に電位差が発生し誘電膜７に電荷がチャージしてクーロン力により吸着される。
２１は電極８とウエハステージ６の外周をプラズマから保護するためのカバーである。２２，２３は処理ガスや反応生成物の排気用のターボ分子ポンプとドライポンプである。２４はプラズマ処理中のウエハの電位を測定するためのウエハ電位プローブである。表示部８０はコンピュータにより求めたインピーダンス等を表示し、モニタするためのもので、例えば、ＣＲＴ等である。また、パラメータ制御装置８２は、コンピュータ１８からの指示に従い、半導体製造装置（プラズマエッチング装置）の各種パラメータを制御する。
【００２８】
図２にウエハ電位プローブ２４の詳細構成図を示す。図２において、ウエハ電位プローブ２４は、符号５−１０で示す構成要素以外の構成要素で構成される。本発明で使用される、ウエハ電位プローブは、測定すべき半導体ウエハの裏面に接触する、電気導電性を有する触針３６と、該触針を支持する電気導電性を有する弾性部材３５と、該弾性部材を支持しつつフランジ構造を有する電流導入端子２７とを備え、前記触針の電位は大気側で測定可能であり、かつ前記触針の高さ方向の位置は大気側から調節可能であるように構成される。以下に、その構成の詳細を説明する。
【００２９】
真空チャンバ１０と絶縁板９，電極８，ウエハステージ６に同軸の貫通穴が設けてあり、この貫通穴の中にはプローブを電極やウエハステージから電気的に絶縁するためのセラミックス製の絶縁パイプ６８が埋め込まれている。ウエハ電位プローブは真空チャンバに取り付け可能なようにフランジ２５構造をしており、Ｏリング７０で真空封じしている。このフランジの中央には貫通穴が設けてあり、この貫通穴の一部はメスネジ２６が設けてある。この貫通穴にはウエハの電圧を測定するための端子２７が取り付けられている。端子２７は内部に中空の絶縁パイプ７１が埋め込まれており、さらに内部には導電性の芯線６９が埋め込まれた構造をしている。この端子２７の外周の一部はオスネジ２８構造となっており、フランジに設けられたメスネジ２６に取り付けられる。また、端子の上部にはＯリング２９が設けてあり、フランジ２５上部の内面３０をシールすることができる構成となっている。端子の芯線の真空側の終端には、導電性を有する連結棒３２が設けてある。この連結棒３２は、一端が芯線に迎合するようにソケット３３構造となっており、もう一方の一端にはばね止め３４を用いてコイルばね３５が取り付けられている。このコイルばね３５の上部には連結棒に沿って上下に駆動可能なように触針３６が設けている。触針はウエハステージ面よりも先端が突出するように取り付けられ、ウエハが乗ると重みで下方へ移動する。この突出量はコイルばねのばね定数との兼ね合いで決定される。望ましくは半導体ウエハがウエハステージに積載された場合に、自重で完全にウエハステージまで沈み込む程度であればよい。また、触針は導電性の材料で構成されており、その先端は半導体ウエハの裏面に存在する酸化膜や窒化膜を突き破る程度の曲率半径および硬度を有している。本実施例では触針の材質はタングステンカーバイトであるが、その他例えば導電性ダイヤモンドなども利用可能である。この曲率半径の値はコイルばねのばね定数と触針の突出量、すなわちばねの変形量によって決定されるべきものであり、実際に測定対象となる半導体ウエハの状態によって適宜決定される。一例として、コイルばね３５のばね定数がｋ、突出量がＬ、で８インチウエハの裏面に厚みｔの酸化膜がついている場合に必要な曲率半径Ｒを示す。８インチウエハの重量をＷとおき、触針のヤング率とポアソン比をそれぞれＥn，νnとおき、酸化膜のヤング率とポアソン比をそれぞれＥw，νWとおいた場合、触針の先端とウエハ裏面の酸化膜の接触円の半径ａは（１）式で表せる。
ａ＝{３ＷＲ((１−νn2）／Ｅn＋（１−νW2）／Ｅw）／４}1/3   （１）式
この時の接触部中心の圧力は（２）式で計算される。
ｐ＝３Ｗ／２πａ2                                           （２）式
この圧力ｐが酸化膜の硬さよりも大きければ触針は酸化膜を突き破り導電性のあるシリコンと電気的に接触し、ウエハの電位を測定することが可能となる。つまり、酸化膜のビッカース硬さをＨｖとすると、（３）式を満たす曲率半径Ｒであればよいことがわかる。
Ｈｖ＜ｐ                                                    （３）式
ウエハが載っていない状態での触針３６の突出量は、先に説明した端子２７の位置を調整して行う。触針の先端がウエハステージ７から突出する量を大気側から判定しやすいように、端子の大気側に目盛りを添付しておけば作業がより容易になる。端子２７の大気側にはナット３１を取り付けて触針の位置を決定後固定することができ、端子の上下方向の位置を任意に設定することができる。したがって、処理中のウエハの電位とほぼ同じ電位が端子の芯線で観測することができるので、この芯線の電圧を電圧計で測定することによりウエハの電位を測定することができる。また、６２はプローブをウエハステージ，電極，絶縁体から電気的に絶縁するための絶縁筒である。
【００３０】
続いてウエハからプラズマを介してアースまでのインピーダンス（プラズマインピーダンス）の求め方について説明する。図３に本発明の第一の実施例における、高周波電源（正確には電流・電圧プローブ）からウエハステージを介したアースまでの等価回路モデルを示す。この等価回路モデルはインピーダンス測定機などによりあらかじめ調べておけばよい。図中の番号を説明すると、３７は真空チャンバ１０の電位を表わしておりアースである。３８はウエハ上のプラズマインピーダンス、３９は誘電膜７の抵抗成分、４０は誘電膜７の容量成分、４１はブロッキングコンデンサであり、その他は前述の通りである。ウエハ電位プローブ２４で測定されたウエハの電位４２Ｖｗとマッチングボックスの出口に連結した電極の電圧４３Ｖｅと電極に流れ込む電流４４Ｉｅの測定値はコンピュータに取り込まれる。プラズマインピーダンス３８をＺｐと置いた場合、ある時間にＺｐに印加している電圧はウエハ電位プローブ２４の出力電圧すなわちウエハ電位Ｖｗであり、Ｚｐに流れる電流は電極に流れ込む電流４４Ｉｅであるので、
ＺｐはＶｗ／Ｉｅで計算できる。このＺｐの値はコンピュータ内で逐一演算処理され読みとることができる。本実施例ではＺｐを求めるために、電圧値としてマッチングボックス出口の電圧すなわち電極の電位４３Ｖｅではなく実際に処理中のウエハの電位４２Ｖｗを測定している。その理由は、本実施例ではウエハステージの表面に静電チャック機能を持たせる目的で誘電膜７を取り付けており、この部分で電圧降下が発生し、マッチングボックス出口の電圧、すなわち電極の電圧Ｖｅがウエハの電圧とならないためである。つまり、プラズマインピーダンスの値を求めるために、マッチングボックス出口で測定された電圧値Ｖｅを用いＶｅ／Ｉｅで計算すると実際のプラズマインピーダンスとはならないのである。
【００３１】
プラズマインピーダンスをＶｅ／Ｉｅで計算した場合の問題の一例を挙げると、ウエハの処理枚数が増加していくにつれてウエハステージ上の誘電膜の表面にデポ膜が付着した場合が考えられる。デポ性の膜が付着して誘電膜の容量が低下するとインピーダンスが増加するために、マッチングボックスの出口の電圧は上昇する。したがって、プラズマ状態は何も変化していないにもかかわらず、あたかもプラズマインピーダンスが上昇したような判断を下してしまう。この情報をもとにしてエッチングレートを一定に保つために電極の電圧Ｖｅを下げてしまうと、エッチングレートは低下してしまうことになり、エッチング不良を引き起こす。逆にプラズマインピーダンスを低下させるために、プラズマ生成用の高周波電源の投入電力を増加させてしまうと、エッチングレートが上がりすぎでオーバーエッチングにつながってしまう。結果、エッチング不良を引き起こしてしまう。
【００３２】
これに対して、本実施例の構成でプラズマインピーダンスＺｐを求めた場合、プラズマインピーダンスを計算するためにウエハの電圧を直接測定した結果を利用するので、より正確なインピーダンスとウエハの電位を測定または計算により求めることができるので、例えば処理中のウエハへ入射するイオンエネルギ、すなわちウエハのバイアス電圧を適宜調節することができ、エッチング不良を防止することができる。
【００３３】
以上本発明の第一の実施例のウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを求め、利用するまでの処理の流れを示すフローチャートを図１１に示す。なお、以下の図１１から図１６までの処理は図１，図４，図６，図８に示すコンピュータ１８内のプログラムにより実行される。まず、第一実施例における、高周波電源（正確には電流・電圧プローブ）からウエハステージを介したアースまでの等価回路モデルを図３に示すように決定する（ステップ１１０）。次に、ウエハ電位プローブと電流・電圧プローブを用いてウエハ電位Ｖｗ，ウエハステージの電流Ｉｅ，電圧Ｖｅを測定する(ステップ１１１)。次に、測定結果を取り込んだコンピュータ１８によりプラズマインピーダンスＺｐを計算する(ステップ１１２)。最終的には、利用者の判断により決定されるべきものであるが、ウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを監視する場合には表示部８０に表示する（ステップ１１３）。また、得られたインピーダンス等に基づきプロセスパラメータを制御する場合には、コンピュータ１８からプロセスパラメータの制御装置８２に信号，情報等を送り，制御装置８２から制御信号をパラメータ制御の対象となる個所、例えば、高周波電源１３等に送り各種パラメータを制御する（ステップ１１４）。
【００３４】
なお、プラズマ処理により処理室内壁の状態が変化しない条件か、もしくはクリーニングにより一定の条件を保たれている（処理室内壁にデポ膜が無い）場合には、上記の算出したインピーダンスを半導体ウエハからプラズマを介した真空処理室内壁までのインピーダンスとし、該算出したインピーダンスをもとに各種の処理パラメータを制御することにより、プラズマで処理中の半導体ウエハを処理することができる。
【００３５】
以上のように本発明によれば、プラズマインピーダンスによりプラズマの状態をモニタしつつ、ウエハの電位を正確に測定しながら処理することができるので、これらの結果をもとにウエハの電位を制御すれば正確にウエハへ入射するイオンエネルギを利用することができるので、再現性の良いエッチングを達成し、歩留まりの低下を防止することができる。
【００３６】
本実施例ではプラズマインピーダンスを用いて制御したパラメータとしてバイアス電圧を制御した場合を説明したが、必ずしもこれだけに限るわけではない。その他の制御パラメータとしては例えば、プラズマを発生させるための高周波電源の周波数または電力，ウエハステージに印加する高周波電源の周波数または電圧または電力，真空チャンバの壁の温度や温度分布，ウエハの温度や温度分布，処理圧力，処理ガスのガス種や流量や混合比，プラズマに印加する磁場の強度及び強度分布，エッチング時間、などが挙げられる。またこれらのパラメータを複数個組み合わせて制御することも考えられる。
【００３７】
また、本実施例に記載された処理方法で記載された半導体製品には、本実施例の方法を適用しないで製造された製品に比べて重要な利点がある。それは、常にウエハの処理が一定の条件の範囲で行われるために非常に再現性の良い処理を施されるため、製品間の性能のばらつきがない、すなわち信頼性が高い製品となるのである。したがって、製造時の歩留まりもよいためコストが低く、低価格の製品となる。
【００３８】
本実施例ではプラズマインピーダンスをウエハの電位とマッチングボックス出口の電圧と電流値をもとに計算により求め、この結果をもとにエッチングパラメータを制御していたが、実際の利用法としては必ずしもエッチングパラメータを制御するばかりではない。例えば、エッチング状態の監視としてプラズマインピーダンスを利用することも考えられるし、場合によってはウエハの電位やマッチングボックスの出口の電圧や電流をモニタし、この変化の情報で装置停止や装置メンテナンスの時期を決定することも考えられる。例えば、ウエハ電位をモニタしながらエッチング処理枚数を重ねていき、ある処理中に急激なウエハ電位の変化を認めた場合、何らかの異常が起きたと容易に予想できる。つまり、エッチング処理が正常に進行しているかどうかのモニタとしても利用可能であり、この場合装置に異常が発生したことが即座に判断できるのでウエハの無駄を最小限に押さえることができる。
【００３９】
また、本実施例では触針を支持する弾性部材としてコイルばねを有する棒体を利用したが必ずしもそうである必要はなく、板ばねを利用してもよい。重要な点は触針が上下方向に弾性を有することと、触針全体の位置を上下方向に本体側から任意に調節可能である点である。
【００４０】
さらに、本実施例ではウエハの電位を測定するプローブはウエハ裏面に直接接触させるタイプのプローブを使用したが、必ずしもこれだけに限るものではない。例えば、静電容量型の非接触の電位計をウエハステージに埋め込んでおき、これによりウエハの電位を測定する方法も考えられる。ただし、この場合にも電位計の取り付け位置によりウエハの電圧の絶対値が変化することが考えられるので、本実施例のように真空チャンバの外部から取り付け位置を調整できる構成とする必要がある。
【００４１】
また、本実施例ではウエハからプラズマを介したアースまでのインピーダンス（プラズマインピーダンス）を求めるためにウエハの電圧を実測していた。しかしながら、インピーダンスやウエハの電圧を、等価回路モデルとマッチングボックスの出口に連結した電極の電圧４３Ｖｅと電極に流れ込む電流４４Ｉｅから計算で求めることも可能である。この方法は、ウエハ電位プローブ２４の触針がウエハ裏面で接触，摺動することにより発生するウエハ裏面からの摩耗紛（異物）によるクリーン度をも問題とするようなプロセスで有効な方法である。例えば、ウエハ裏面に付着した異物がプラズマプロセスの次に行われる処理（例えばウエット洗浄など）でウエハの表面に転写されてしまう場合などがこれにあたる。以下説明する。
【００４２】
まず、電極の電圧４３Ｖｅの時間変化にともなう波形Ｖｅ(ｔ)と電流４４Ｉｅの時間変化にともなう波形Ｉｅ(ｔ)から取り込んだコンピュータの演算処理により位相差θを求めておく。このときマッチングボックス出口のインピーダンスを虚数表示してａ＋ｂｊとおく。ここで、
ａ＝Ｚ／(１＋(tanθ)2)0.5、
ｂ＝Ｚ＊tanθ／(１＋(tanθ)2)0.5、
Ｚ＝Ｖｅ／Ｉｅ
となる。同様に、プラズマインピーダンスを虚数表示してｃ＋ｄｊとおく。前述のプラズマインピーダンスＺｐは虚数表示されたｃ＋ｄｊの大きさであり、この場合(ｃ2＋ｄ2)0.5となる。このとき、マッチングボックス出口からプラズマを介してアースまでの合成インピーダンスＺtotalは、抵抗成分３９（Ｒ（Ω）とおく）と容量成分４０（Ｘｃ（Ω）とおく）を用いて下式で表せる。
Ｚtotal＝（ｃ＋Ｒ＊Ｘｃ2／（Ｒ2＋Ｘｃ2））＋（ｄ−Ｒ2＊Ｘｃ／（Ｒ2＋Ｘｃ2））ｊ
この合成インピーダンスＺtotalはマッチングボックス出口でのインピーダンスａ＋ｂｊと等しいので実数成分と虚数成分を比較して下の式からｃ，ｄの値を求めることができる。
Ｚ／(１＋(tanθ)2)0.5＝ｃ＋Ｒ＊Ｘｃ2／(Ｒ2＋Ｘｃ2)
Ｚ＊tanθ／(１＋(tanθ)2)0.5＝ｄ−Ｒ2＊Ｘｃ／(Ｒ2＋Ｘｃ2)
ｃ，ｄの値が求められれば、プラズマインピーダンスＺｐとウエハ電位Ｖｗは下式で計算される。
Ｚｐ＝(ｃ2＋ｄ2)0.5
Ｖｗ＝Ｉｅ＊Ｚｐ
このような手順で計算することにより、ウエハの電圧Ｖｗをプローブ２４で測定する必要がなくなる。従って、ウエハ電位プローブ２４の触針がウエハ裏面で接触，摺動することによりウエハ裏面からの摩耗紛（異物）が発生し、それによりクリーン度が低下するということがなくなる。ただし、本実施例ではデポ膜がウエハステージ上に付着していくような場合には等価回路モデルの値そのものが変化してしまうことになるので正確でなくなるという問題がある。しかし、ウエハステージの表面をプラズマでクリーニングしながら処理を行うような、コンディションが一定に保てるような条件ではクリーンなプラズマインピーダンスのモニタ方法として利用できる。
【００４３】
以上の方法によりウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを求め、利用するまでの流れを示すフローチャートを図１２に示す。まず、本実施例における、高周波電源（正確には電流・電圧プローブ）からウエハステージを介したアースまでの等価回路モデルを図３に示すように決定する（ステップ１２０）。次に、電流・電圧プローブからプラズマを介してアースまでの合成インピーダンスを計算する（ステップ１２１）。次に、電流・電圧プローブを用いてウエハ電位の波形Ｖｗ(ｔ)，ウエハステージの電流の波形Ｉｅ(ｔ)を測定し、位相差を求める（ステップ１２２）。次に、これらの値に基づき、電流・電圧プローブの位置でのインピーダンスを計算する（ステップ１２３）。次に、先に計算しておいた合成インピーダンスとステップ１２３で求めたインピーダンスを比較してプラズマインピーダンスＺｐ，ウエハ電位Ｖｗを計算する（ステップ１２４）。最終的には、利用者の判断により決定されるべきものであるが、ウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを監視する場合にはそれらを表示部８０に表示し（ステップ１２５）、プロセスパラメータを制御する場合にはプロセスパラメータの制御装置８２に情報を送りプロセスパラメータを制御する（ステップ１２６）。
【００４４】
以上の方法では、電極に流れ込む電流Ｉｅを必ず測定することになるが、Ｉｅを計算により求めプラズマインピーダンスを計算することも可能である。この場合には、ウエハ電位プローブでウエハの電圧波形Ｖｗ(ｔ)と電極の電圧波形Ｖｅ(ｔ)を求め、誘電膜部のインピーダンスＺｍから回路を流れる電流波形Ｉｅ(ｔ)を計算すればよい。この時、誘電膜部のインピーダンスＺｄと電流波形Ｉｅ(ｔ)は下式で計算できる。
Ｚｄ＝ＲＸｃ2／(Ｘｃ2＋Ｒ2）−ｊＸｃＲ2／(Ｘｃ2＋Ｒ2）
Ｉｅ(ｔ)＝（Ｖｗ(ｔ)−Ｖｅ(ｔ)）／Ｚｄ
この結果から、プラズマインピーダンスＺｐは下式で計算される。
Ｚｐ＝Ｖｗ／Ｉｅ
以上プラズマインピーダンスの計算の方法を３通り示したが、いずれの手法によるかはプロセスなどに応じて適宜選択すればよい。
【００４５】
以上の方法によりウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを求め、利用するまでの流れを示すフローチャートを図１４に示す。まず、等価回路モデルを図３のように決定する（ステップ１４０）。次に、ウエハ電位プローブと電流・電圧プローブによりウエハの電圧波形Ｖｗ(ｔ)とウエハステージの電圧波形Ｖｅ(ｔ)を測定する（ステップ１４１）。次に、等価回路モデルとステップ１４１で求めた電圧波形からウエハステージの電流の波形Ｉｅ(ｔ)を計算する（ステップ１４２）。次に、プラズマインピーダンスＺｐを計算する（ステップ１４３）。最終的には、利用者の判断により決定されるべきものであるが、ウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを監視する場合には表示部８０に表示し（ステップ１４５）、プロセスパラメータを制御する場合にはプロセスパラメータの制御装置８２に情報を送りプロセスパラメータを制御する（ステップ１４６）。
【００４６】
また、逆にウエハ電位プローブによりウエハの電位を実測しながら、前述した等価回路モデルによりウエハの電位を計算すれば、ウエハステージの誘電膜表面のデポの状態を表示部８０することが可能となる。図１３を用いて手順を説明する。まず、ウエハ電位プローブでウエハ電位Ｖｗを測定する（ステップ１３０）。次に、電流・電圧プローブでウエハステージの電流波形Ｉｅ(ｔ)と電圧波形
Ｖｅ(ｔ)を測定し、位相差θを求める（ステップ１３１）。次に、図３の等価回路モデルを用いてＩｅ，Ｖｅ，θからウエハの電圧Ｖｗ′を計算する（ステップ１３２）。次に、先にウエハ電位プローブで測定したウエハ電圧Ｖｗと計算で求めたウエハ電圧Ｖｗ′の差Ｖｗ−Ｖｗ′を求める（ステップ１３３）。もし、誘電膜の表面にデポ膜が付着したり、誘電膜の表面がエッチングされて減少しているということがなく、問題がない状態であれば、ウエハ電位プローブで測定されたウエハの電位と等価回路により計算で求めたウエハ電位はほぼ一致するので
Ｖｗ−Ｖｗ′は０に近い値となる。具体的にはあらかじめＶｗ−Ｖｗ′の値の範囲を決めておき、一定の範囲内であればウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを出力する。この場合、誘電膜は問題無いことがわかる。もし、誘電膜表面にデポ膜が付着して膜厚が増加したり、エッチングされて膜厚が減少している場合、ＶｗとＶｗ′の差は一定の範囲を超えた値となる。この場合は、等価回路モデルの誘電膜の容量４０の値ＣをΔＣだけ変化させて（ステップ１３４）、この変化させた誘電膜の容量４０の値Ｃ′(＝Ｃ＋ΔＣ)に基づき再度Ｖｗ′を計算しＶｗ−Ｖｗ′を求める（ステップ１３２）。この再度求めた値Ｖｗ′が前述したようにあらかじめ決めておいた範囲内に入った場合、ΔＣとＶｗとＺｐを得て、判定を行う（ステップ１３５）。即ち、この場合のΔＣの値が正の場合は、誘電膜の表面がエッチングされて膜厚が減少した場合であり、ΔＣの値が負の値の場合には誘電膜の表面にデポ膜が付着して膜厚が厚くなったと判断できる。以上のように、誘電膜のデポ膜モニタとして利用することも可能である。なお、この処理は図６の実施例においても適用可能である。また、本実施例では等価回路モデルとしてウエハステージの誘電膜の抵抗成分と容量成分のみを考慮したが必ずしもこれに限るものでなく、ウエハステージと高周波電源間のインダクタンス成分や、ウエハステージと例えば真空チャンバの壁の間の容量成分などを盛り込んでもよい。この場合、より詳細なプラズマインピーダンスの計算を行うことができ、結果的にプラズマ処理のモニタの精度や再現性の向上につながる効果が期待できる。
【００４７】
以上、第一の実施例は、プラズマ処理により処理室内壁の状態が変化しない条件か、もしくはクリーニングにより一定の条件を保たれている場合には成立するが、処理室内壁にデポ膜などが形成されるような条件では問題となる場合がある。しかし、そのような場合でも本実施例を発展させた構成とすることにより問題を回避することができる。以下に説明する。
【００４８】
図４に本発明の第二の実施例の構成を示す。図５は、第二実施例における、高周波電源（正確には電流・電圧プローブ）からウエハステージを介したアースまでの等価回路モデルを示す。本実施例では真空チャンバの内壁に付着膜６５が付着するプロセスにおいて実施している。この付着膜のために、ウエハからアースまでのインピーダンスが変化するため、第一の実施例の方法ではプラズマインピーダンスを正確に求めることができない。そこで本実施例では付着膜のインピーダンスを求めるため、第一の実施例の装置構成に加え、処理中のプラズマの電位を測定する膜厚プローブ６３，膜厚プローブ６３により測定された電位等の信号に基づき膜厚を計算する演算回路６４を設けている。膜厚プローブ６３と演算回路６４で膜厚プローブ部を構成する。なお、演算回路６４はコンピュータ１８内に設けても良い。膜厚プローブとしては、例えば水晶振動子式膜厚測定器や干渉波等を利用した光学式膜厚測定器などが挙げられる。膜厚プローブを用いれば真空チャンバ内壁に付着している膜の厚みを測定することができ、この膜の厚さから付着膜の静電容量６７とインピーダンスを計算することができる。例えば、比誘電率がεの付着膜が厚みＴで面積Ｓの領域に付着している場合、真空の誘電率をε0 とすると、容量Ｃｍはεε0Ｓ／Ｔ となる。高周波電源１３の周波数がｆの場合、膜のインピーダンスＺｍは１／２πｆＣｍとなる。このときのプラズマインピーダンスＺｐをｃ＋ｄｊとおくと、ウエハからアースまでの合成インピーダンスはｃ＋(ｄ−Ｚｍ)ｊとおける。等価回路モデルより抵抗成分３９（Ｒ(Ω)とおく）と容量成分４０（Ｘｃ(Ω)とおく）との合成インピーダンスＺtotalは下式で表せる。
Ｚtotal＝（ｃ＋Ｒ＊Ｘｃ2／（Ｒ2＋Ｘｃ2））＋（ｄ−Ｚｍ−Ｒ2＊Ｘｃ／(Ｒ2＋Ｘｃ2))ｊ
これが電流・電圧プローブで測定されたインピーダンスと同じであるので、実数成分と虚数成分を比較して下式よりｃ，ｄの値を求めることができる。マッチングボックス出口のインピーダンスは第一の実施例と同様にａ＋ｂｊと表記した場合以下のように表せる。
ａ＝Ｚ／(１＋(tanθ)2)0.5、
ｂ＝Ｚ＊tanθ／(１＋(tanθ)2)0.5、
Ｚ＝Ｖｅ／Ｉｅ
したがって、実数成分と虚数成分を比較し低下の式を解くことによりｃ，ｄが求められる。
Ｚ／(１＋(tanθ)2)0.5＝ｃ＋Ｒ＊Ｘｃ2／(Ｒ2＋Ｘｃ2）
Ｚ＊tanθ／(１＋(tanθ)2)0.5＝ｄ−Ｚｍ−Ｒ2＊Ｘｃ／(Ｒ2＋Ｘｃ2）
この時のプラズマインピーダンスの大きさは(ｃ2＋ｄ2)0.5 で計算することができる。したがって、第一の実施例に加え付着膜の厚みを計測する機能を付加すれば、処理室内壁に付着物が付着してしまいプラズマの状態が変化してしまう場合であっても正確にプラズマインピーダンスを計算することができ、プラズマの状態をモニタすることができる。また、ウエハの電位はウエハ電位プローブにより直接測定するか、電流・電圧プローブの測定結果と等価回路モデルにより計算で求めることができるために、これらの情報にもとづきウエハの電位を制御すればウエハに入射するイオンのエネルギを制御することができる。
【００４９】
以上の方法によりウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを求め、利用するまでの流れを示すフローチャートを図１５に示す。まず、膜厚プローブ６３の出力に基づき、処理室内壁に付着したデポ膜の厚みを測定する（ステップ150)。次に、デポ膜のインピーダンスを計算する（ステップ１５１）。次に、等価回路モデルを決定するステップ１５２）。次に、電流・電圧プローブからプラズマ，デポ膜を介してアースまでの合成インピーダンスを計算する(ステップ１５３)。次に、電流・電圧プローブを用いてウエハ電位の波形Ｖｗ(ｔ)，ウエハステージの電流の波形Ｉｅ(ｔ)を測定し、位相差を求める（ステップ１５４）。次に、電流・電圧プローブの位置でのインピーダンスを計算する（ステップ１５５）。次に、先に計算しておいた合成インピーダンスとステップ１５５で求めたインピーダンスを比較してプラズマインピーダンスＺｐ、ウエハ電位Ｖｗを計算する
（ステップ１５６）。最終的には、利用者の判断により決定されるべきものであるが、ウエハ電位ＶｗとプラズマインピーダンスＺｐを監視する場合には表示部８０に表示し（ステップ１５７）、プロセスパラメータを制御する場合にはプロセスパラメータの制御装置８２に情報を送りプロセスパラメータを制御する（ステップ１５８）。
【００５０】
したがって、本実施例では第一の実施例と同様にプラズマインピーダンスをもとに各種の処理パラメータを制御することができ、再現性の良い製造装置を提供することができる。また、この処理方法で製造された製品は第一の実施例同様、低価格で性能が安定しているという特徴がある。
【００５１】
さらに、本実施例の場合に期待できる第一の実施例とは異なる効果を説明する。処理室内壁に膜が付着するプロセスでは、処理を重ねていくと膜の厚みが徐々に厚くなっていく。この膜はある一定の厚みに達すると膜応力により剥がれ落ち、これがウエハ上に乗ると製品不良を引き起こすことがあり問題となる。これに対して、本実施例に示す方法で付着膜の厚みを監視すれば、クリーニング時期を容易に決定可能となり、異物により製品不良を出さずにすむ効果がある。
【００５２】
次に図６に本発明の第三の実施例の構成を示す。本実施例では、第一の実施例のウエハステージの周囲を囲うようにサセプタ４５を配置した構成となっている。このサセプタ４５はセラミックス製のカバーの表面にドーナツ状のシリコンプレート４６をプラズマ４に対向する面に取り付けた構成となっている。また、シリコンプレート４６は他の部品と電気的に絶縁４７された給電棒４８に接続されており、真空チャンバの外部に設けられた容量可変コンデンサ４９を介してマッチングボックス１４出口の給電部に接続されている。また、シリコンプレートの裏面側には電気的に接続した端子５０が設けてあり、この端子５０は他の部品と電気的に絶縁されたソケット部５１を有するサセプタ電位プローブ６６に連結し、真空チャンバの外側に引き出され第一の実施例同様コンピュータ１８に取り込まれる。したがって、このサセプタ電位プローブの芯線の電位を電圧計で計測すれば処理中のシリコンプレート４６の電圧を測定することができる。また、シリコンプレートの電圧を測定するためにはこのような構成とするほかに、シリコンプレートに連結した給電棒４８の電圧を計測してもよい。サセプタ表面にシリコンプレートを配置する理由は、酸化膜のエッチング処理などでフッ素系のガスを使用した場合に、ウエハ面内に発生するフッ素ラジカル分布の不均一を解消するためである。すなわち、プラズマ中のフッ素ラジカルがウエハ中のシリコンと反応してエッチングが進行しているわけであるが、実際にウエハが存在している領域とサセプタのようにシリコンが存在していない領域では消費されるフッ素ラジカルの量に差があるため、ウエハの中心付近と外周付近ではフッ素ラジカルの量が異なりエッチングレートに差が出てしまうのである。そこで、サセプタ上にもシリコンを配置することにより、フッ素ラジカルをウエハの存在する領域と同程度消費して均一分布とするのである。５２は給電棒に高周波電圧を印加したことにより異常放電が発生しないようにするためのアース部材である。
【００５３】
本実施例ではウエハ中心領域と外周付近のフッ素ラジカルの分布を積極的に制御するために、コンデンサ４９の容量を変化させてマッチングボックスから供給されるバイアス電力をウエハステージとサセプタ上のシリコンプレートに適切に分配している。以下に本実施例でのウエハ上のプラズマインピーダンスの求めかたと、バイアス電力の分配方法を説明する。
【００５４】
図７に本発明の第三の実施例の等価回路モデル図を示す。本等価回路モデルではアース部材５２やシリコンプレート４６を追加したために第一の実施例の等価回路モデルよりも若干複雑になっている。例えば、５３は電極とアース部材間に存在している空間の静電容量成分、５４はシリコンプレートに連結した容量可変のコンデンサ４９の容量成分、５５はウエハとシリコンプレート４６間の静電容量成分である。これらの静電容量成分４０，５３，５５の値は実際の装置構成で、ウエハステージに印加するバイアス電圧と同じ周波数の高周波電圧を印加した場合について容量センサを用いて実験により求めることができる。本実施例では実際に容量を測定したところ、８００ｋＨｚ時には４０は３ｎＦ、５３は０.３ｎＦ、５５は０.１ｎＦ であった。このような等価回路をあらかじめ把握している場合、ウエハ上のプラズマインピーダンス５６Ｚｗとシリコンプレート上のプラズマインピーダンス５７Ｚｓは以下に示す手順で計算できる。まず、マッチングボックスの出口と電極の間に設けられた電流・電圧プローブ１７により、電極の電圧(この場合はウエハステージの電位に等しい)４３の波形Ｖｅ(ｔ)とマッチングボックスから流れ出ている電流４４の波形Ｉｅ(ｔ)を測定する。次に、第一の実施例のプローブと同一のウエハ電位プローブ２４を用いて処理中のウエハ電圧波形Ｖｗ(ｔ)を測定する。また、端子５０の電圧を電圧計により測定することで処理中のシリコンプレートの電位５８の波形Ｖｓ(ｔ)が求まる。電流４４Ｉｅ(ｔ)の内、シリコンプレート側に流れ込む電流５９Ｉｓ(ｔ)は、コンデンサ５４のインピーダンスをＺｃとすると下式で求められる。
Ｉｓ(ｔ)＝（Ｖｓ(ｔ)−Ｖｅ(ｔ)）／Ｚｃ
ここで、インピーダンスＺｃはバイアス電圧の周波数とコンデンサ５４の容量から容易に計算できる。また、容量５３を介してアースに流れる電流は、容量
５３のインピーダンスをＺとすると、Ｖｅ(ｔ)／Ｚで計算できる。
【００５５】
したがって、電流４４Ｉｅ(ｔ)の内、ウエハ側に流れる電流値６０Ｉｗ(ｔ)は下式で求められる。
Ｉｗ(ｔ)＝Ｉｅ(ｔ)−Ｉｓ(ｔ)−Ｖｅ(ｔ)／Ｚ
また、ウエハとシリコンプレート間で流れる電流６１Ｉｗｓ(ｔ)はウエハとシリコンプレート間のインピーダンスをＺｗｓとすると下式で求められる。
Ｉｗｓ(ｔ)＝（Ｖｗ(ｔ)−Ｖｓ(ｔ)）／Ｚｗｓ
以上より、ウエハ上のプラズマインピーダンス５６Ｚｗとシリコンプレート上のプラズマインピーダンス５７Ｚｓに流れ込む電流値６２Ｉｚｗ(ｔ)，６３Ｉzs(ｔ)は下式のように求められる。
Ｉｚｗ(ｔ)＝Ｉｗ(ｔ)−Ｉｗｓ(ｔ)
Ｉｚｓ(ｔ)＝Ｉｓ(ｔ)＋Ｉｗｓ(ｔ)
また、電圧Ｖｗ(ｔ)，Ｖｓ(ｔ)はそれぞれ測定されているので、Ｚｗ，Ｚｓはそれぞれ下式で求められる。
Ｚｗ＝Ｖｗ(ｔ)／Ｉｚｗ(ｔ)
Ｚｓ＝Ｖｓ(ｔ)／Ｉｚｓ(ｔ)
また、本構成では容量可変コンデンサ５４の容量を変化させることによりウエハとシリコンプレートに印加されるバイアス電力を任意に変化させることができる。したがって、酸化膜のエッチングではフッ素ラジカルの消費を制御することができるのでエッチングのウエハ面内分布を制御することができる。また、処理中のウエハとシリコンプレートの電位とプラズマを介したアースまでのインピーダンスを同時に計測することできるので、この信号をもとにエッチング条件を制御することが可能となる。
【００５６】
以上の方法によりプラズマインピーダンスＺｗとＺｓ、およびウエハ電位Ｖｗとサセプタ電位Ｖｓを求め、利用するまでの流れを示すフローチャートを図１６に示す。まず、図７に示す本実施例における等価回路モデルを決定する（ステップ１６０）。次に、ウエハ電位プローブとサセプタ電位プローブ、および電流・電圧プローブによりウエハの電圧波形Ｖｗ(ｔ)とサセプタの電圧波形Ｖｓ(ｔ)、およびウエハステージの電流波形Ｉｅ(ｔ)，電圧波形Ｖｅ(ｔ)を測定する（ステップ１６１）。次に、ウエハからプラズマに流れ込む電流波形Ｉｚｗ(ｔ)とサセプタからプラズマに流れ込む電流波形Ｉｚｓ(ｔ)を計算する（ステップ１６２）。次に、プラズマインピーダンスＺｗ，Ｚｓを計算する（ステップ１６３）。最終的には、利用者の判断により決定されるべきものであるが、ウエハ電位Ｖｗとサセプタ電位Ｖｓ、およびプラズマインピーダンスＺｗ，Ｚｓを監視する場合には表示部８０に表示し（ステップ１６５）、プロセスパラメータを制御する場合にはプロセスパラメータの制御装置８２に情報を送りプロセスパラメータを制御する（ステップ１６６）。
【００５７】
フッ素系のガスを用いて酸化膜のエッチングを行っていた場合に、実際に適用した一例を説明する。処理中のウエハ電位，シリコンプレート電位，ウエハ上のプラズマインピーダンス，シリコンプレート上のプラズマインピーダンスを同時にモニタしながらエッチング処理を連続して行っていたところ、ある処理枚数経過後からシリコンプレートの電位が徐々に上昇する現象がみられた。過去の経験から、電位が上昇しはじめた処理枚数程度ではシリコンプレートに僅かずつではあるがデポ物が付着している可能性が高いことがわかっていたので、この場合容量可変コンデンサの容量を大きくして、電極に印加した高周波バイアスの内シリコンプレートにより大きな電力を投入させてデポ物をクリーニングした。その結果、通常の処理条件にすばやく復帰することができた。この例では、従来の方法ではエッチング不良が発生してから初めて原因を調査し、対策するという手順を踏んでいたために、時間がかかるほか無駄になったウエハのコストが製造コストに影響する問題があったが、本実施例ではエッチングをしながらエッチングの進行状況を把握することができ、すばやく対応できる利点がある。したがって、装置稼働率が高く製造コストも低く押さえることが可能となる。
【００５８】
さらに、エッチング中のプラズマインピーダンスや、ウエハやシリコンサセプタの電圧をモニタしていて急激な変化を観察した場合には何らかの問題が発生している可能性が高いが、このような場合にもすぐに装置を停止させるなどの処置を行うことができるのでウエハの無駄を最小限に押さえることができる。すなわち装置稼働率を向上させ、製造コストを低減する効果を期待することができる。
【００５９】
本実施例ではマッチングボックス出口からのウエハステージとシリコンプレートへのバイアス電力の分配量を制御するのに、容量可変式のコンデンサを使用しているが必ずしもそうである必要はない。例えば、ウエハステージへバイアス電圧を印加する電源とは異なる別の電源を用いてバイアス電圧を印加することも可能である。ただし、プロセス制御の観点からウエハステージに印加するバイアス電圧とシリコンプレートに印加するバイアス電圧の位相をそろえる必要がある場合には、別に位相制御器を設けて位相を一致させることも可能である。
【００６０】
以上の実施例の説明では、ウエハの電位もしくはウエハからアースまでのインピーダンス、もしくはサセプタの電圧とサセプタからアースまでのインピーダンスをモニタし、異常発生の検出やウエハステージとサセプタ上のシリコンプレートのいずれか、もしくは両方に印加する高周波電力を制御していたが、必ずしもこれに限られるわけではない。例えば、エッチングレートやウエハ面内のエッチングレート分布，真空チャンバに堆積したデポ膜の厚み，ウエハの静電チャックによる吸着の状態，素子ダメージの発生、などの現象とウエハ電位やプラズマインピーダンスとの相関をあらかじめ把握しておけば、ウエハの処理中のウエハ電位やプラズマインピーダンスと逐一比較することにより積極的にエッチングパラメータを変更したり、クリーニング時期を決定することができる。したがって、歩留まりの向上，製造コスト低減の効果が期待できる。
【００６１】
なお本実施例では、第一の実施例や第二の実施例で示したように、Ｚｓ，Ｚｗを裏面から電圧４２，５８を測定することなく等価回路モデルから計算で求めることはできない。理由はＺｗとＺｓの実数成分，虚数成分が２個ずつ合計４個あるのに対し、Ｖｅ４３とＩｅ４４を測定したポイントの実数成分と虚数成分が各１個ずつしか得られないためである。しかし、実用上は例えばＺｗとＺｓをプラズマに対向する面積の比で配分するなどの仮定をすることにより簡易的に計算することができる。この場合第一，第二の実施例で説明したように全体の合成インピーダンスを計算でもとめ、これをＶｅ，Ｉｅの測定ポイントでのインピーダンスと比較することで計算できる。このようにすれば、ウエハの電圧やシリコンプレートの電圧を直接測定する必要がないのでよりクリーンなモニタ方法を提供することができる。
【００６２】
図８に本発明の第四の実施例の構成を示す。図９は、第四実施例における、高周波電源（正確には電流・電圧プローブ）からウエハステージを介したアースまでの等価回路モデルを示す。本実施例では真空チャンバの内壁に第二の実施例と同様に付着膜６５が付着するプロセスを実施している。そこで第二の実施例と同様の理由で、本実施例では付着膜のインピーダンスを求めるため、第三の実施例の装置構成に加え、真空チャンバ内壁に付着した膜の膜厚を測定する膜厚プローブ６３，演算回路６４を設けている。膜厚プローブを用いれば膜厚を測定することができ、第二の実施例で説明したのと同じ手順により容量ＣｍとインピーダンスＺｍを計算することができる。したがって、第三の実施例の等価回路モデルに容量Ｃｍを追加して計算することにより、ウエハ上のプラズマインピーダンスとサセプタ上のプラズマインピーダンスを計算することができる。
【００６３】
したがって、付着膜の厚みを計測する機能を付加すれば、処理室内壁に付着物が付着してしまいプラズマの状態が変化してしまう場合であっても正確にプラズマインピーダンスを計算することができ、プラズマの状態をモニタすることができる。また、ウエハの電位とサセプタの電位は電位プローブにより直接測定するか、電流・電圧プローブの測定結果と等価回路モデルにより計算で求めることができるために、ウエハに入射するイオンのエネルギを制御することができる。
【００６４】
これまで本発明をドライエッチャに適用した例を用いて説明してきたが、プラズマＣＶＤ装置に適用した場合にも大きな効果を期待することができる。例えば、プラズマＣＶＤ装置ではウエハ上にプラズマを用いて成膜するために、真空チャンバの内壁にもデポ物が大量に付着する。このデポ物はある一定の厚みを超えると、チャンバ内壁からはがれウエハの異物汚染を引き起こす問題がある。しかし本実施例の方法により処理室内壁に付着した膜の厚みを予測することができるので製品不良をだす前にクリーニング時期を決定することができる。この場合、ウエハを無駄にすることがないので製造コストを低く押さえることが可能となる。また、ウエハ電位とプラズマインピーダンスを精度よくモニタできるので、これをもとに印加する高周波電圧を制御すればウエハに入射するイオンエネルギを制御できるので再現性の良いエッチングを実現することができる。これにより、歩留まりの向上が期待でき、結果コストの削減の効果がある。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、プラズマで処理中のウエハの電位とプラズマに流れている電流を測定することができるので、正確にウエハ電位とプラズマインピーダンスを求めることができ、この情報をもとにエッチングパラメータを制御しイオンエネルギを制御することにより再現性の良いエッチングを達成し、歩留まりの低下を防止することができる。すなわち、製造コストの低い半導体製造装置を提供することができる。
【００６６】
また、処理中のウエハの電位を直接モニタすることができるので、ウエハ電位の急激な変化を観測した場合にはエッチング異常が起こっているという判断をすばやく行うことができ、ウエハの無駄を最小限に押さえる、すなわち製造コストを低くする効果を期待できる。
【００６７】
また本発明によれば、プラズマで処理中のウエハ電位とウエハ周囲に配置されたシリコンサセプタの電位，ウエハからプラズマに流れ込む電流，シリコンサセプタからプラズマに流れ込む電流を測定することができるので、ウエハ上のプラズマインピーダンスとシリコンサセプタ上のプラズマインピーダンスを計算することができる。したがって、ウエハ電位とプラズマインピーダンスの情報をもとにエッチング条件を制御することにより、再現性のよいエッチングのできる半導体製造装置を提供することができる。
【００６８】
また、本発明によればウエハに印加する高周波電圧とシリコンプレートに印加する高周波電圧を分配できるので、ウエハに入射するプラズマの分布を制御できる。よって、ウエハ面内のエッチング分布が制御可能な半導体製造装置を提供できる。
【００６９】
さらに、本発明によればプラズマで処理中のウエハ電位をウエハ裏面から測定可能なプローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例によるプラズマエッチング装置の構成例を示す図。
【図２】本発明において用いられるウエハ電位プローブの構成例を示す断面図。
【図３】本発明の第一実施例の要部の等価回路図。
【図４】本発明の第二実施例によるプラズマエッチング装置の構成例を示す図。
【図５】本発明の第二実施例の要部の等価回路図。
【図６】本発明の第三実施例によるプラズマエッチング装置の構成例を示す図。
【図７】本発明の第三実施例の要部の等価回路図。
【図８】本発明の第四実施例によるプラズマエッチング装置の構成例を示す図。
【図９】本発明の第四実施例の要部の等価回路図。
【図１０】従来技術によるプラズマエッチング装置の要部の等価回路図。
【図１１】第一実施例におけるインピーダンスの算出処理を説明するフローチャート。
【図１２】第一実施例におけるインピーダンスの別の算出処理を説明するフローチャート。
【図１３】第一実施例におけるウエハステージの誘電膜表面のデポの状態のモニタ処理を説明するフローチャート。
【図１４】第一実施例における、求めたプラズマインピーダンスの利用処理を説明するフローチャート。
【図１５】第二実施例におけるインピーダンスの算出処理を説明するフローチャート。
【図１６】第三実施例におけるインピーダンスの別の算出処理を説明するフローチャート。
【符号の説明】
１…処理ガス、２…高周波電源、３…コイル、４…プラズマ、５…半導体ウエハ、６…ウエハステージ、７…誘電膜、８…電極、９…絶縁板、１０…真空チャンバ、１１…フランジ、１２，４８…給電棒、１３…高周波電源、１４…マッチングボックス、１５，２０…コイル、１６…容量可変コンデンサ、１７…電流・電圧プローブ、１８…コンピュータ、１９…直流電源、２１…カバー、２２…ターボ分子ポンプ、２３…ドライポンプ、２４…ウエハ電位プローブ、２５…フランジ、２６…メスネジ、２７…端子、２８…オスネジ、２９，７０…Ｏリング、３０…フランジ上部内面、３１…ナット、３２…連結棒、３３…ソケット、３４…ばね止め、３５…コイルばね、３６…触針、３７…アース、３８…プラズマインピーダンス、３９…誘電膜の抵抗成分、４０…誘電膜の容量成分、４１…ブロッキングコンデンサ、４２…ウエハの電位、４３…電極の電圧、４４，５９，６０，６１，７２，７３…電流、４５…サセプタ、４６…シリコンプレート、４７…絶縁、４９…容量可変コンデンサ、５０…端子、５１…ソケット、５２…アース部材、５３…電極とアース部材間の静電容量、５４…容量可変コンデンサ、５５…ウエハとシリコンプレート間の静電容量、５６…ウエハ上のプラズマインピーダンス、５７…シリコンプレート上のプラズマインピーダンス、５８…シリコンプレート電位、６２…絶縁筒、６３…膜厚プローブ、６４…演算回路、６５…付着膜、６６…サセプタ電位プローブ、６７…付着膜の静電容量、６８…絶縁パイプ、６９…芯線、７１…絶縁パイプ、８０…表示部、８２…パラメータの制御装置。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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