(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の処理室内でプラズマを用いて予め定める処理を行なうための処理手段と、
前記処理室内の、所定の領域全体のプラズマの発光強度分布を同時に検出するための検出手段と、
前記検出手段の出力に基づいて前記予め定める処理の制御を行なうための制御手段とを含み、
前記検出手段は、前記処理手段のプラズマ発光源に対して集光領域を限定するためのスリットを有するスリット部材と、
前記所定の領域全体のプラズマ発光を集光するためのレンズ系と、
前記スリットを通過し、かつ前記レンズ系により集光されるプラズマ発光を分光するための分光手段と、
前記レンズ系により集光され、かつ前記分光手段により分光されるプラズマ発光の強度の、所定面上での分布を検出するためのエリアセンサとを含み、
前記スリット部材の有するスリットは長方形であり、
前記分光手段は、プラズマ発光強度の位置別および波長別の強度分布が得られるように、前記スリットに対して予め選択された位置に配置されており、
それによって、前記検出手段が、前記所定の領域全体のプラズマ発光の、前記集光領域内のそれぞれの位置における位置別かつ波長別の強度分布を同時に検出する、プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記予め定める処理が、半導体基板のプラズマエッチング処理である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記検出手段の出力に基づいて、プラズマエッチング処理の終点検出を行なうための手段を含む、請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記分光手段は回折格子を含み、
前記処理手段は、前記処理室内に設けられ、その上面に半導体基板が載置される基板載置手段を含み、
前記スリット部材は、前記スリットの長辺が前記基板載置手段上に載置された半導体基板の主表面と平行になるように配置され、
前記回折格子は、その格子の長手方向が前記スリット部材のスリットの長辺と平行となるように配置されている、請求項１記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的にプラズマを用いて所定の処理を行なうための装置および方法に関し、特に半導体製造工程中におけるプラズマエッチングの状態をモニタすることができるプラズマ処理装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１６および図１７に、従来の半導体製造工程中でプラズマを用いて半導体基板のエッチングを行なう平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図および平断面図を示す。図１６および図１７を参照してこの平行平板型プラズマエッチング装置は、エッチング室１と、エッチング室１内に上下に対向するように設けられた上部電極２ａおよび下部電極２ｂと、上部電極２ａおよび下部電極２ｂに接続された高周波電源３と、エッチング室１を真空引きするための真空排気装置８と、エッチング室１内のプラズマの発光強度をモニタするための、光センサからなる検出器５５と、検出器５５の出力を受けてプラズマエッチングの終点を検出する演算を行なう演算制御部５６と、エッチング室１内に供給される反応ガスの流量を制御するガス流量制御器８とを含む。下部電極２ｂの上面にはエッチングされる半導体基板（以下「ウェハ」と呼ぶ）が載置される。
【０００３】
図１６および図１７に示されるエッチング装置は次のように動作する。エッチング室１内を真空排気装置４により真空引きし、ガス流量制御器８を用いて一定流量のガスをエッチング室１内に供給する。高周波電源３を用いて、上部電極２ａおよび下部電極２ｂ間に高周波電力を印加する。これにより、両電極２ａおよび２ｂ間に電子、イオンおよびラジカルの混在したプラズマが発生する。このとき、下部電極２ｂ上にウェハ７が載置されていると、プラズマ中のイオン、ラジカルによりエッチングが進行する。
【０００４】
エッチング処理では、エッチングの終点を検出することが重要である。このプラズマエッチング装置では、プラズマの発光強度をモニタすることによりエッチングの終点を検出している。以下にエッチングの終点を検出するための方法について説明する。
【０００５】
図１６および図１７に示す検出器５５は、反応ガスまたは反応生成物特有の波長のみを通過するフィルタを内蔵しており、当該フィルタを透過した発光強度をモニタする。この検出器５５の出力に基づいて、エッチング中のプラズマの発光強度をＸ−Ｔレコーダに記録すると、図１８または図１９のようになる。図１８は反応ガス特有の波長の発光強度の時間変化を示しており、図１９は反応生成物特有の波長の発光強度の時間変化を示している。
【０００６】
図１８を参照して、時刻ｔ０で高周波電力の印加が開始されると、反応ガスから励起した分子が電力に対応した数だけ発生し、さらにそのうちある割合で基底状態に戻る。このとき、励起状態と基底状態にエネルギ差で決まるある特有の波長の光が発生される。したがって図１８に示されるように時刻ｔ０以降発光強度は増大する。
【０００７】
時刻ｔ１でエッチングが開始されると、励起した分子のうちエッチングに使用されるためにエネルギを失うものが増える。それに対応して、発光によりエネルギを失う分子の数が減るために、発光強度が低下する。時刻ｔ１〜ｔ２では、安定してウェハ面内全体がエッチングされており、そのため一定の発光強度が観測される。
【０００８】
ウェハ面内の一部でエッチングが終了すると、エッチングによってエネルギを失う分子の数が減り始める。この結果、発光によりエネルギを失う分子の数が増え始める。図１８では時刻ｔ２において一部においてエッチングが終了したものとする。図１８に示されるように時刻ｔ２以降発光強度は増加を始める。
【０００９】
ウェハ面内全体でエッチングが終了すると、もとの発光強度に戻る。図１８では時刻ｔ３においてウェハ面内全体のエッチングが終了している。その後所定時間オーバーエッチを行ない、高周波電力の印加を止める。図１８では時刻ｔ４で高周波電力の印加が止められている。
【００１０】
図１８において、時刻ｔ２〜ｔ３における発光強度の変化量を検知することにより、エッチングの終点を検出することができる。
【００１１】
図１９は、反応生成物の発光強度をモニタしている例である。図１９を参照して、エッチング中は、ある量の反応生成物が発生する。これは図１９において時刻ｔ１〜ｔ２に示されている。エッチングが終了すると反応生成物の量が減り、図１９において時刻ｔ２〜ｔ３に示されるように発光強度が減少する。この発光強度の変化量をモニタすることにより、エッチングの終点を検出できる。
【００１２】
図２０および図２１は、従来の半導体製造工程中においてエッチングを行なう装置の一例であるＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマエッチング装置の側断面図および平断面図をそれぞれ示す。図２０および図２１を参照してこのＥＣＲプラズマエッチング装置は、エッチング室１と、ＥＣＲプラズマ発生部２２と、エッチング室１内に設けられた、その上部に基板７が載置されるウェハステージ９と、ウェハステージ９に高周波電力を印加するための高周波電源３と、エッチング室１を真空引きするための真空排気装置４と、発光強度をモニタするための、光センサからなる検出器５５と、検出器５５の出力に基づいてエッチングの終点を検出するための演算制御部５６と、エッチング室に供給されるガス流量を制御するためのガス流量制御器８とを含む。
【００１３】
ＥＣＲプラズマ発生部２２は、マイクロ波発生装置２２ｃと、導波管２２ａと、図２０に示すように配置された電磁石２２ｂとを含む。
【００１４】
図２０および図２１に示されるＥＣＲプラズマエッチング装置は次のように動作する。エッチング室１内を真空排気装置４により真空引きを行なう。ガス流量制御器８により一定流量のガスをエッチング室１内に供給する。電磁石２２ｂと導波管２２ａにより導入されるマイクロ波とによりＥＣＲ条件を形成すると、電子、イオン、およびラジカルの混在したプラズマがエッチング室１内に発生する。このときウェハステージ９に高周波電源３により高周波電力を印加すると、ウェハステージ９上のウェハ７がプラズマ中のイオン、ラジカルによりエッチングされる。このＥＣＲプラズマエッチング装置でも、プラズマ状態のモニタ方法は、図１６〜図１９を参照して説明した平行平板型プラズマエッチング装置と同様である。
【００１５】
このような従来のプラズマを用いた半導体製造装置は、ウェハ上のある場所の発光強度の変化のみを検出している。そのため、エッチング速度のウェハ面内均一性が悪化したときに、これを検出することができず、そのためエッチング残りや寸法の変化が生じるという問題点があった。
【００１６】
このような問題点を解決する手段として、特開平５−１９０５０５号公報には、図２２および図２３に示されるようなモニタ方法が提案されている。図２２は図１７に示される平行平板型プラズマエッチング装置に対応するものであり、図２３は、図２１に示されるＥＣＲプラズマエッチング装置に対応するものである。
【００１７】
たとえば図２２を参照して、エッチング室１に、所定の間隔で配置した複数のセンサ５５ａ〜５５ｇを設け、ウェハ面内全体を任意に区分した各部分の発光強度をそれぞれモニタし、このモニタ結果を演算してウェハ面内のエッチング速度の均一性をモニタするための演算制御部５７を設ける。図２３も同様である。このように多点センサを使用することにより、ウェハ面内全体を区分した各領域ごとにエッチング速度をモニタすることが可能となる。
【００１８】
なお図２２および図２３において、図１６および図１７ならびに図２０および図２１と同一の部品には同一の参照符号を与えており、それらの機能も同一である。したがってここではそれらについての詳しい説明は繰り返さない。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平５−１９０５０５号公報の提案に従うと、使用される検出器の数に応じて演算制御部５７にポートを設けることが必要である。また、位置の分解能を上げるためには、多数の検出器が必要であって、そのため実用的ではないという問題点がある。
【００２０】
さらに、多点センサを用いるにせよ用いないにせよ、発光の波長別の成分を測定することができず、これを測定できるようにすればより便利である。
【００２５】
それゆえに請求項１から４に記載の発明の目的は、多数の検出器を用いる必要なく、所定の領域全体の限定された集光領域における波長別の発光強度分布に基づいて処理の制御、特にプラズマエッチングの制御、さらに詳しくはプラズマエッチングの終点の検出を行なうことができるプラズマ処理装置を提供することである。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係るプラズマ処理装置は、所定の処理室内でプラズマを用いて予め定める処理を行なうための処理手段と、処理室内の、所定の領域全体のプラズマの発光強度分布を同時に検出するための検出手段と、検出手段の出力に基づいて予め定める処理の制御を行なうための制御手段とを含み、検出手段は、処理手段のプラズマ発光源に対して集光領域を限定するためのスリットを有するスリット部材と、所定の領域全体のプラズマ発光を集光するためのレンズ系と、スリットを通過し、かつレンズ系により集光されるプラズマ発光を分光するための分光手段と、レンズ系により集光され、かつ分光手段により分光されるプラズマ発光の強度の、所定面上での分布を検出するためのエリアセンサとを含み、スリット部材の有するスリットは長方形であり、分光手段は、プラズマ発光強度の位置別および波長別の強度分布が得られるように、スリットに対して予め選択された位置に配置されており、それによって、検出手段が、所定の領域全体のプラズマ発光の、集光領域内のそれぞれの位置における位置別かつ波長別の強度分布を同時に検出する。それにより、検出手段が、所定の領域全体のプラズマ発光の限定された集光領域における波長別の強度分布を同時に検出することができる。
請求項２に記載の発明に係るプラズマ処理装置は、請求項１に記載のプラズマ処理装置の構成において、予め定める処理が、半導体基板のプラズマエッチング処理であることを特徴としている。したがって、半導体基板のプラズマエッチング処理において、所定の領域全体のプラズマ発光の限定された集光領域における波長別の発光強度分布を同時に検出するための検出手段を設け、この検出手段の出力に基づいてプラズマエッチング処理の制御を行なうことができる。
請求項３に記載の発明のプラズマ処理装置は、請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、さらに、制御手段が、検出手段の出力に基づいて、プラズマエッチング処理の終点検出を行なうための手段を含んでいることを特徴とする。したがって、請求項３によれば、多数の検出器を用いなくても、所定の領域全体のプラズマ発光の限定された集光領域における発光強度分布を同時に検出する検出手段の出力に基づいて、プラズマエッチング処理の終点検出を行なうことができる。
【００３７】
請求項４に記載の発明に係るプラズマ処理装置は、請求項１記載の構成に加えて、分光手段は回折格子を含み、処理手段は、処理室内に設けられ、その上面に半導体基板が載置される基板載置手段を含む。スリット部材は、スリットの長辺が基板載置手段上に載置された半導体基板の主表面と平行になるように配置され、回折格子は、その格子の長手方向がスリット部材のスリットの長辺と平行となるように配置されている。
【００４２】
【発明の実施の形態】
実施形態１
図１に本願発明の実施形態１に係る平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図を、図２に平断面図をそれぞれ示す。図１および図２において、図１６および図１７に示した従来の平行平板型プラズマエッチング装置の部品と同一の部品には同一の参照符号および名称を付し、それらの説明については繰り返さないこととする。
【００４３】
図１および図２に示される実施形態１の平行平板型プラズマエッチング装置が図１６および図１７に示される従来の平行平板型プラズマエッチング装置と異なるのは、従来の単なる光センサからなる検出器５５に代えて、集光のための簡単な光学系５ａと、発光波長を選択するためのフィルタ５ｂと、光学系５ａにより集光されフィルタ５ｂにより発光波長が選択されたプラズマ発光の強度を検出するためのエリアセンサ５ｃとを含む点にある。なお図１および図２では、光学系５ａとエリアセンサ５ｃとの間にフィルタ５ｂが配置されているが、フィルタ５ｂを光学系５ａよりも前に出しても差し支えない。
【００４４】
この実施形態１の平行平板型プラズマエッチング装置では、図１６および図１７に示される演算制御部５６に代えて、同様のハードウェアからなるが、内部で行なう演算処理の異なる演算制御部６を有している点で異なっている。これは、エリアセンサ５ｃから得られる出力が、エッチング室１内の全体のプラズマ発光の強度分布を反映したものとなるためである。光学系５ａは、エッチング室１内の全体の領域のプラズマ発光を集光してエリアセンサ５ｃ上の集光面上に集光するためのものである。
【００４５】
フィルタ５ｂは、従来の技術でも述べたように、たとえば反応ガスの波長のみを通過するフィルタ、または反応生成物特有の波長のみを通過するフィルタである。どのようなフィルタを使用するかによって、既に述べたように演算制御部６によって行われる演算が異なってくる。
【００４６】
図１を参照して、発光検出器５は、平行平板型プラズマエッチング装置の電極間距離をｈ２とすると、ウェハが載置される下部電極２ｂから１／２ｈ２に相当する位置よりも下部電極側に設けるのが望ましい。すなわち、発光検出器５の光軸と下部電極２ｂとの間の距離をｈ１とすると、ｈ１とｈ２との間に次のような関係が成立するように発光検出器の位置を定めるのが望ましい。これは、ウェハ７とプラズマ間に生じるシースに近い部分の発光情報を得るためである。
【００４７】
ｈ１≦ｈ２／２
図１を参照して、発光検出器５は、その光軸が平行平板型プラズマエッチング装置の下部電極２Ｂの中心を通る線付近に合されるように配置されることが望ましい。
【００４８】
光学系５ａとしては、下部電極２ｂの直径をＬ１、下部電極２ｂの中心からエッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次の式を満たすような入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。
【００４９】
θ１≧２・ｔａｎ−１（Ｌ１／Ｌ２）
エッチングのメカニズムに関しては、従来技術において説明したものと同様である。従来の技術で、図１６および図１７に示される装置では、単なる光学センサからなる１個の検出器５５を使用するか、図２２に示されるように複数個の光学センサを用いていた。しかしこの実施形態１では、図１および図２に示されるように、簡単な光学系５ａと、フィルタ５ｂと、エリアセンサ５ｃとの組合せからなる発光検出器５を１つだけ用いることにより、エッチング室１内全体の発光の測定を実現できる。発光検出器５としてはたとえば、発光波長選択用フィルタを装着した通常の写真撮影用のカメラのフィルム装填位置にＣＣＤエリアセンサを設けることにより実現できる。なおこの場合には図１および図２と異なり、フィルタ５ｂが光学系５ａよりも前に出ていることになる。
【００５０】
エッチング速度の面内均一性の分布は、大体において同心円状の分布を示す。たとえばウェハ面内の中央部においてエッチング速度が遅く、ウェハ周辺部にいくほどエッチング速度が速いものとする。このとき、ＣＣＤエリアセンサ５ｃから出力されるエッチング室１内の発光強度分布は図３に示されるようになる。図３に示されるようにこの実施形態１の発光検出器５によれば、ウェハの径方向と、ウェハに垂直な方向（高さ方向）とにおける２次元的な発光強度分布を、単一の発光検出器により得ることができる。このような２次元の光強度分布を受けて演算制御部６がデータ処理することにより、エッチング室１内の全体の光強度の時間変化をモニタすることが可能となり、エッチング速度のウェハ面内均一性を知ることができる。これによりウェハの終点検出の精度を高めることができ、エッチング処理自体の精度を高めることも可能になる。
【００５１】
なお、この実施形態１では、発光検出器５をエッチングの終点検出に用いているが、プラズマを用いる一般的なプラズマ処理装置、たとえばプラズマＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ）装置のモニタや、プラズマそのものの解析にも用いることが可能である。またこれは、以下に述べる他の実施例についてもあてはまる。
【００５２】
実施形態２
図４に、本願発明をＥＣＲ型プラズマエッチング装置に適用した実施形態を図４および図５を参照して説明する。図４および図５において、図２０および図２１に示される従来のＥＣＲ型プラズマエッチング装置と同一の部品には同一の参照符号を付している。それらの名称も機能も同一である。したがってこれはそれらについての詳しい説明は繰り返さない。
【００５３】
この実施形態２のＥＣＲ型プラズマエッチング装置が、図２０および図２１に示される従来の装置と異なるのは、単なる光センサからなる検出器５５に代えて、集光のための簡単な光学系５ａと、発光波長を選択するためのフィルタ５ｂと、光学系５ａにより集光され、フィルタ５ｂにより発光波長が選択された発光強度を検出するためのＣＣＤエリアセンサ５ｃとを含む発光検出器５を用いる点である。この発光検出器５は、図１および図２に示される発光検出器５と同様のものである。また既に説明したように、フィルタ５ｂが光学系５ａよりも前に配置されていてもよい。
【００５４】
図４は、発光検出器５をＥＣＲ型プラズマエッチング装置に取付けるための位置を示す、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。図４を参照して、この発光検出器５は、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置において、ＥＣＲポイント１０とウェハステージ９との間の距離をｈ２とすると、ウェハステージ９の上面から１／２・ｈ２に相当する位置よりもウェハステージ９に近い位置に設けるのが望ましい。すなわち、発光検出器５の光軸とウェハステージ９との間の距離をｈ１とすると、次のような関係が成立する位置に発光検出器５を設けるのが望ましい。これは、実施形態１と同様に、ウェハ７とプラズマ間に生ずるシースに近い部分の発光情報を得るためである。
【００５５】
ｈ１≦１／２・ｈ２
図５は、発光検出器５をＥＣＲ型プラズマエッチング装置に取付ける位置を示し、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平断面図である。図５を参照して、発光検出器５は、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置のウェハステージ９の中心を通る線付近に光軸を合せるように配置されることが望ましい。また、光学系５ａとしては、ウェハステージ９の直径をＬ１、ウェハステージ９の中心からエッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次の関係を満たす入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。
【００５６】
θ１＞２・ｔａｎ−１（Ｌ１／Ｌ２）
エッチングのメカニズムに関しては、従来技術と同様である。この実施形態２でも、図２３に示されるように７つもの光センサを用いなくとも、単一の発光検出器５を設けることにより、エッチング室１内全体に発光の測定を実現することができる。この場合にも、発光検出器５の出力を演算するためには、実施形態１と同様の演算を行なう演算制御部６を設ければよい。
【００５７】
この実施形態２の発光検出器５を用いても、実施形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
実施形態３
図６〜図１２を参照して、本願発明の実施形態３に係る平行平板型プラズマエッチング装置について説明する。この実施形態３は、平行平板型プラズマエッチング装置であるが、図６および７を図１および図２と比較すればわかるように、実施形態１の発光検出器５に代えて、分光手段としての回折格子１５ｂを有した発光検出器１５を使用し、位置別および波長別の発光強度の分布を検出できるようにしている点が実施形態１と異なっている。したがってこの光学検出器１５の出力を演算するものとして、実施形態１のものとは異なる演算制御部１６が使用される。なおこの実施形態３では分光手段として回折格子を用いたが、これに限られるわけではなく、プリズム等、入射光を波長別に分光できるものであればどのようなものでもよい。
【００５９】
図６および図７において、図１および図２と同一の部品には同一の参照符号および名称を付し、それらの詳細な説明については省略する。
【００６０】
図８に、光学検出器１５を拡大して示す。図８を参照して、発光検出器１５は、簡単な光学系１５ａと、光学系１５ａにより集光されたプラズマ発光を分光するための回折格子１５ｂと、回折格子１５ｂにより分光されたプラズマ発光を受けて、位置別および波長別に発光強度の分布を検出して演算制御部１６に出力するためのＣＣＤエリアセンサ１５ｃとを含む。
【００６１】
図６に示されるように、発光検出器１５は、この平行平板型プラズマエッチング装置の電極間距離をｈ２とすると、ウェハ７が載置される下部電極２ｂの上面から１／２・ｈ２に相当する位置よりも下部電極側に設けるのが望ましい。すなわち発光検出器１５の光軸と下部電極２ｂの上面との距離をｈ１とすると、次の関係が成立するように発光検出器１５の位置を選択するのが望ましい。
【００６２】
ｈ１≦１／２・ｈ２
これは、平行平板型プラズマエッチング装置において、ウェハ７とプラズマ間に生じるシースに近い部分の発光情報を得るためである。
【００６３】
また図７に示されるように、発光検出器は、その光軸が平行平板型プラズマエッチング装置の下部電極２ｂの中心を通る線付近に合せられるように配置することが望ましい。
【００６４】
光学系１５ａは、図８に示されるように、集光領域を制限するためのスリットを有するスリット部材１５ａ１と、スリット部材１５ａ１のスリットにより制限された光を集光するためのレンズ１５ａ２とを含む。特に図７を参照して、光学系１５ａは、下部電極２ｂの直径をＬ１、下部電極２ｂの中心からエッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次の式を満足する入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。
【００６５】
θ１＞２・ｔａｎ−１（Ｌ１／Ｌ２）
ここで、スリットはたとえば縦５０〜１００μｍ（波長分解能を要する場合は１０〜２０μｍ）、横３０ｍｍ（受光素子であるＣＣＤの大きさを超えない範囲）の長方形をしており、長辺は平行平板型プラズマエッチング装置の両電極に平行に設け、電極全域の情報が取込めるように配置する。
【００６６】
図８および図９を参照して、スリット１５ａ１で制限されレンズ１５ａ２で集光された光は、回折格子１５ｂ上に集光される。スリット部材１５ａ１のスリットを通過した光を回折格子１５ｂ上に集光させるとき、スリットの長辺が、回折格子１５ｂの格子と平行となるようにスリットと回折格子との位置を定める。そうすることにより、回折格子１５ｂで回折した光は短辺方向に広がり、波長情報がスプリットされる。
【００６７】
回折格子１５ｂへの光の入射角をφ、回折格子１５ｂ上の溝間隔をｄとすると、波長λと回折角θとの関係は次のようになる。
【００６８】
θ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎφ−ｎλ／ｄ）
ただしｎは回折次数を表わす。通常は回折強度が最も強くなるようにｎ＝１とする。
【００６９】
たとえば格子間隔ｄが１μｍの回折格子１５ｂを用いて、入射角３０°で波長７５０〜８００ｎｍの光を分光した場合、代表的な波長における回折角は次の表１に示すようになる。
【００７０】
【表１】
0003609890.tif 000002
【００７１】
この表１は、回折格子１５ｂとＣＣＤエリアセンサ１５ｃとの距離を１０ｃｍとした場合の、波長７５０ｎｍの光の結像位置を基準として、代表的な波長の相対的な結像位置を示している。表１に示されるように、ＣＣＤエリアセンサ１５ｃ上には、ウェハ上の位置の情報と、プラズマの発光波長の情報とが同時に得られる。したがって、ＣＣＤエリアセンサ１５ｃの出力を演算装置１６により演算することで、ウェハ上の任意の位置の任意の波長の光強度を同時に評価することが可能となった。なお、当然のことながら表１の値は格子間隔および回折格子１５ｂとＣＣＤエリアセンサ１５ｃとの距離が変わればそれにつれて変化する。
【００７２】
この実施形態３の平行平板型プラズマエッチング装置におけるエッチングのメカニズムは、実施形態１および図１６および１７に示される従来の技術におけるものと同じである。実施形態１では、集光のための簡単な光学系５ａと、発光波長を選択するためのフィルタ５ｂと、集光されたエッチング室１内全体の発光の強度分布を検出するためのＣＣＤエリアセンサ５ｃとによって、エッチング室１内全体の特定波長の発光強度の分布の測定を実現しているが、この実施形態３では、以上述べたように集光のための簡単な光学系１５ａと、発光波長を分光するための回折格子１５ｂと、このように集光されかつ分光された発光強度の分布を検知するためのＣＣＤエリアセンサ１５ｃとを設けることにより、エッチング室１内全体の任意の波長の任意の位置の発光強度を測定できる。
【００７３】
この実施形態３から得られる発光強度分布は、たとえば図１０に示されるようになる。図１０において、横軸は発光波長を、縦軸（奥行）は位置をそれぞれ示す。このような２次元の光強度分布から、演算制御部１６によりデータ処理をすることで、エッチング室１内全体の光強度の時間変化をモニタすることが可能となる。そのためエッチング速度のウェハ面内均一性を精度よく知ることができる。
【００７４】
発光波長７７７ｎｍ付近の光についての位置と発光強度との測定結果の一例を図１１に示す。このように位置別に発光強度を知ることができるので、面内のどの部分においてエッチングが進んでいるかを容易に、かつ精度よく知ることが可能である。
【００７５】
また、ＬＳＩ（大規模集積回路）の多結晶シリコンゲートを加工する際には、ＢｒラジカルとＯラジカルとの比を大きくすることで、多結晶シリコンとゲート絶縁膜との選択比が上がることが知られている。Ｂｒラジカルによる発光は波長７８０ｎｍ、Ｏラジカルによる発光は７７７ｎｍであるので、この実施形態３の装置によりこれら波長の異なる発光を同時に観測することが可能になったことにより、より精度の高いエッチングを行なうことができる。位置１０００における、発光波長別の発光強度の分布の測定結果の一例を図１２に示している。
【００７６】
実施形態４
図１３および図１４に、本願発明を図２０および図２１、ならびに図４および図５に示されるようなＥＣＲ型プラズマエッチング装置に適用した第２の実施形態を説明する。図１３にはこのＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図を、図１４には平断面図をそれぞれ示す。
【００７７】
この実施形態４のＥＣＲ型プラズマエッチング装置は、図４および図５に示される発光検出器５および演算部６に代えて、実施形態３と同様の発光検出器１５および演算部１６を設けた点でのみ実施形態２と異なっている。他の点ではこの実施形態４のＥＣＲ型プラズマエッチング装置は、実施形態２のＥＣＲ型プラズマエッチング装置と同様である。また発光検出器１５は、実施形態３の発光検出器１５と同じものである。したがってここではそれについての詳しい説明は繰り返さない。
【００７８】
図１３を参照して、発光検出器１５は、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置において、ＥＣＲポイント１０とウェハステージ９の上面との距離をｈ２とすると、ウェハステージ９の上面から１／２・ｈ２に相当する高さよりもウェハステージ９に近い部分に設けるのが望ましい。すなわち、発光検出器１５の光軸とウェハステージ９の上面との間の距離をｈ１とすると、次のような関係が成立する位置に発光検出器を配置するのが望ましい。
【００７９】
ｈ１≦１／２・ｈ２
これは、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置において、ウェハ７とプラズマ間に生じるシーズに近い部分の発光情報を得るようにするためである。
【００８０】
また図１４を参照して、発光検出器１５は、その光軸がＥＣＲ型プラズマエッチング装置のウェハステージ９の中心を通る線付近に合うような位置に配置することが望ましい。
【００８１】
光学系１５ａとしては、ウェハステージ９の直径をＬ１、ウェハステージ１９の中心からエッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次のような式を満足する入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。
【００８２】
θ１≧２・ｔａｎ−１（Ｌ１／Ｌ２）
この実施形態４のＥＣＲ型プラズマエッチング装置でも、実施形態３と同様にウェハ上の任意の位置の任意の波長の光強度を同時に評価することが可能である。回折次数ｎ＝１とし、格子間隔ｄが１μｍの回折格子１５ｂを用いて、入射角３０°で波長７５０〜８００ｎｍの光を分光した場合の、代表的な波長における回折角は既に掲げた表１に示すものと同様である。
【００８３】
この実施形態４の装置でも、実施形態３と同様にエッチング室１内全体の任意の波長の任意の位置の発光強度を測定できる。エリアセンサ１５ｃの出力を演算制御部１６によりデータ処理することで、エッチング室１内全体の光強度の時間変化を波長別にかつ位置別にモニタすることが可能となり、エッチング速度のウェハ面内均一性を高い精度で知ることができる。また、波長の異なる光についても強度を同時に測定できるので、たとえばＢｒラジカルとＯラジカルとによる発光をそれぞれ同時に、かつ個別に観測することができ、たとえばＬＳＩの多結晶シリコンゲートを加工する際に、より精度の高いエッチングを行なうことが可能になる。
【００８４】
なお、実施形態３および実施形態４の発光検出器１５に代えて、図１５に示す発光検出器２５を用いることもできる。発光検出器２５がたとえば図８に示されている発光検出器１５と異なるのは、集光光学系２５ａ２よりも回折格子１５ｂに近い側にスリット部材２５ａ１を配置した光学系２５ａ用いている点である。他の点ではこの発光検出器２５は図８に示される発光検出器１５と同じである。したがって他の部分についての詳細な説明はここでは繰り返さない。
【００８５】
図１５の光学系２５ａを用いた発光検出器２５によっても、実施形態３および４と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
以上のように本発明によれば、簡単な光学系と、波長選択用のフィルタまたは発光波長分光用の回折格子と、エリアセンサとを含む終点検出器を設けたので、エッチング室内全体の発光強度の分布と、さらには発光強度分布および発光波長分布を同時にモニタすることができる。実施形態１〜４では平行平板型プラズマソースおよびＥＣＲプラズマソースを用いたが、ヘリコン型プラズマソースやＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）ソース、ＴＣＰソースおよび表面波プラズマソース等、プラズマ源の種類によらず全く同様の効果が得られることは言うまでもない。したがって、エッチング速度の面内均一性や選択比を精度よくモニタすることができ、たとえばプラズマエッチング処理などによって、精度高く加工された半導体基板を得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のプラズマ処理装置である平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図２】図１に示される平行平板型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【図３】実施形態１の装置により得られる発光強度分布の一例を模式的に示す図である。
【図４】本願発明の実施形態２のプラズマ処理装置であるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図５】図４に示されるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【図６】本願発明の実施形態３のプラズマ処理装置である平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図７】図６に示される平行平板型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【図８】実施形態３の発光検出器１５を拡大して示す模式図である。
【図９】実施形態３の回折格子とスリットとの関係を模式的に示す図である。
【図１０】実施形態３の発光検出器の出力の一例を模式的に示す図である。
【図１１】実施形態３の装置の発光検出器によって、特定の波長について位置別に得られる発光強度の分布を示すグラフである。
【図１２】実施形態３の装置により得られる、特定の位置についての、発光波長別の発光強度の分布を示すグラフである。
【図１３】実施形態４のプラズマ処理装置であるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図１４】図１３に示されるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【図１５】回折格子を用いた発光検出器の他の例を模式的に示す図である。
【図１６】従来の平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図１７】図１６に示される装置の平断面図である。
【図１８】エッチング中の反応ガスの発光強度と時間との関係を模式的に示す図である。
【図１９】エッチング中の反応生成物の発光強度と時間との関係を模式的に示す図である。
【図２０】従来のＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図２１】図２０に示される装置の平断面図である。
【図２２】図１６および図１７に示される従来の平行平板型プラズマエッチング装置に対する改良を示す、従来技術の一例の装置の平断面図である。
【図２３】図２０および図２１に示される装置の改良を示す、従来技術のＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【符号の説明】
１  エッチング室
３  高周波電源
４  真空排気装置
５、１５、２５  発光検出器
６、１６  演算制御部
７  ウェハ
８  ガス流量制御器
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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