(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内にプラズマを励起して、前記処理室内の被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すように構成されたプラズマ処理装置のプラズマ電位測定装置において、
前記処理室内に生成したプラズマのプラズマ空間電位を測定するプラズマ空間電位検出器と、前記被処理体の電位を測定する被処理体電位検出器と、バイアス用高周波電力の電位を測定するバイアス電位検出器とを備え、前記プラズマ空間電位と前記被処理体の電位を前記バイアス用高周波電力の電位に同期させて測定し、前記プラズマ空間電位と前記被処理体の電位との差分からプラズマシース電位を求めることを特徴とする、プラズマ電位測定装置。
【請求項２】
前記被処理体電位検出器が接する前記被処理体の面は、少なくともその一部が導電性であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ電位測定装置。
【請求項３】
前記プラズマ空間電位検出器は、エミッシブプローブであることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ電位測定装置。
【請求項４】
処理室内にプラズマを励起して、前記処理室内の被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すように構成されたプラズマ処理装置のプラズマ電位測定方法において、
前記処理室内に生成したプラズマのプラズマ空間電位を測定するプラズマ空間電位検出器と、前記被処理体の電位を測定する被処理体電位検出器と、バイアス用高周波電力の電位を測定するバイアス電位検出器とを備え、前記プラズマ空間電位と前記被処理体の電位を前記バイアス用高周波電力の電位に同期させて測定する工程と、前記プラズマ空間電位と前記被処理体の電位との差分を求める工程と、その差分に基づいてプラズマシース電位を求める工程を有することを特徴とする、プラズマ電位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ電位測定装置及びその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ処理装置、例えば誘導結合型プラズマエッチング装置には、プラズマ発生装置として、処理容器の天井部等に誘電体を介して高周波アンテナが設けられている。プラズマ処理時には、所定の減圧雰囲気が保持された処理室内に所定の処理ガスを導入し、さらに高周波アンテナに高周波電力を印加することにより、誘導プラズマが励起される。また、被処理体が載置される下部電極には、バイアス用の高周波電力が印加されており、処理室内に励起されたプラズマが被処理体の被処理面に効果的に引き込まれ、所望のプラズマ処理を行うことができる。
【０００３】
ところで、処理室内で励起されるプラズマを高精度に調整するためには、処理室内のシース電圧を直接測定し、そのシース電圧に基づいて高周波アンテナに印加する高周波電力及びバイアス用高周波電力を調整することが望ましい。しかし、処理室内で励起されるプラズマは、交流成分を含む高周波電力によって生じており、またバイアス用高周波電力も交流成分を含んでいるため、シース電圧を直接測定することは困難であった。
【０００４】
そこで、従来のプラズマ電位測定装置及びその測定方法においては、下部電極に印加されるバイアス用高周波電力の電位を、整合器を介した後にバイアス電位検出器によって測定し、そのバイアス電位の波形のピークからピークまでの１周期分の電圧と、バイアス電位の電圧の平均からイオンエネルギーを算出して、処理室内のシース電圧を推定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記プラズマ電位測定装置及びその測定方法では、処理室内のプラズマ空間電位を直接測定していないため、処理条件によっては、実際のシース電圧と推定したシース電圧との間に大きな差が生じることがある。すなわち、例えばプラズマを高周波電力の印加により生成させるプラズマ装置においては、プラズマ処理時に電極間のいわゆる静電容量が変化し、バイアス電位検出器でバイアス電位を測定しても正しい値が得られないことがある。また、静電チャックを用いて被処理体を下部電極上に吸着保持すると、その静電チャックに印加される高圧直流電力の影響により、実際の被処理体の電位の波形と測定した電位の波形とが異なることがある。
【０００６】
本発明は、従来のプラズマ電位測定装置及びその測定方法が有する上記のような問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、処理室内のプラズマ空間電位及び被処理体の電位を直接測定し、処理時のシース電圧を正確に求めることが可能な、新規かつ改良されたプラズマ電位測定装置及びその測定方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のある観点によれば、処理室内にプラズマを励起して、上記処理室内の被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すように構成されたプラズマ処理装置のプラズマ電位測定装置において、上記処理室内に生成したプラズマのプラズマ空間電位を測定するプラズマ空間電位検出器と、上記被処理体の電位を測定する被処理体電位検出器と、バイアス用高周波電力の電位を測定するバイアス電位検出器とを備え、上記プラズマ空間電位と上記被処理体の電位を前記バイアス用高周波電力の電位に同期させて測定し、上記プラズマ空間電位と上記被処理体の電位との差分からプラズマシース電位を求めることを特徴とするプラズマ電位測定装置が提供される。
【０００８】
また、上記被処理体電位検出器が接する上記被処理体の面は、少なくともその一部が導電性であってもよい。
【０００９】
また、上記プラズマ空間電位検出器は、エミッシブプローブであってもよい。
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の別の観点によれば、処理室内にプラズマを励起して、上記処理室内の被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すように構成されたプラズマ処理装置のプラズマ電位測定方法において、上記処理室内に生成したプラズマのプラズマ空間電位を測定するプラズマ空間電位検出器と、上記被処理体の電位を測定する被処理体電位検出器と、バイアス用高周波電力の電位を測定するバイアス電位検出器とを備え、上記プラズマ空間電位と上記被処理体の電位を前記バイアス用高周波電力の電位に同期させて測定する工程と、上記プラズマ空間電位と上記被処理体の電位との差分を求める工程と、その差分に基づいてプラズマシース電位を求める工程を有することを特徴とするプラズマ電位測定方法が提供される。
【００１１】
本発明は、以上のように構成されているので、プラズマ空間電位と被処理体の電位を、バイアス用高周波電力の電位に同期させて測定することにより、実際のシース電圧により近い値を求めることができる。また、プラズマ空間電位検出器としてエミッシブプローブを用いることにより、プラズマ処理中に処理室内の温度が高温となっても、あるいはプラズマに曝されても、プラズマ空間電位を直接測定することができる。さらに、被処理体電位検出器と被処理体の面が接しているため、被処理体を静電チャックを用いて下部電極上に吸着保持しても、被処理体電位検出器により被処理体の電位を直接正確に測定することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら、本発明にかかるプラズマ電位測定装置及びその測定方法を、誘導結合型プラズマエッチング装置に適用し、半導体ウェハ（以下、「ウェハ」と称する。）Ｗを被処理体として、処理室内のシース電圧を測定する際の、実施の一形態について詳細に説明する。
【００１３】
図１に示すエッチング装置１００は、導電性素材、例えば表面に酸化アルマイト処理が施されたアルミニウムからなる、略円筒形状に成形された処理容器１０２を有しており、所定のエッチング処理は、この処理容器１０２内に形成される処理室１０４内で行われる。
【００１４】
処理容器１０２は接地線１０６により接地されており、さらにその底部には絶縁素材、例えばセラミックからなる絶縁支持台１０８を介して、被処理体、例えばウェハＷを載置可能な略円柱状の導電性素材、例えば表面に酸化アルマイト処理が施されたアルミニウムからなる下部電極１１０が設けられている。
【００１５】
下部電極１１０には、マッチング回路１１２を介して第１高周波電源１１４が接続されており、プラズマ処理時に所定の高周波、例えば１．２ＭＨｚの高周波電力を印加することにより、バイアス電位を生じさせ、処理室１０４内に励起されたプラズマをウェハＷ上の被処理面に効果的に引き込むことが可能である。
【００１６】
また、下部電極１１０とマッチング回路１１２との間には、本実施の形態にかかるバイアス電位検出器１１６が接続されており、さらにこのバイアス電位検出器１１６は、後述の差動入力アンプ１４２に接続されている。従って、プラズマ処理中のバイアス電位を測定し、その電気的信号を差動入力アンプ１４２へ供給するように構成されている。なお、バイアス電位検出器１１６と差動入力アンプ１４２との間には、処理容器１０２に接地されているシールド１１７が接続されており、ノイズを軽減するように構成されている。
【００１７】
下部電極１１０内には、不図示の熱媒循環手段が設けられており、下部電極１１０を介して、ウェハＷ上の被処理面を所定の温度、例えば２５゜Ｃに調節することができる。
【００１８】
下部電極１１０の上面中央部には、ウェハＷと略同型の静電チャック１１８が設けられており、この静電チャック１１８は、２枚のフィルム、例えば高分子ポリイミドフィルム１１８ａ及び１１８ｃによって、導電層１１８ｂが挟持された構成を有している。従って、導電層１１８ｂに対して、処理容器１０２外部の高圧直流電源１２０から高圧直流電力、例えば１．５ｋＶの高圧直流電力を印加することによって、この静電チャック１１８上面に載置されたウェハＷは、クーロン力によってその位置で吸着保持されるように構成されている。
【００１９】
静電チャック１１８内には、不図示の伝熱ガス供給孔が略同心円状に形成されており、各伝熱ガス供給孔には不図示の伝熱ガス供給手段から伝熱ガス、例えばヘリウムガスが、ウェハＷの裏面と静電チャック１１８の上面との間に形成される微小空間に供給され、伝熱効率を高めるように構成されている。
【００２０】
下部電極１１０の上端周縁部には、静電チャック１１８上に載置されたウェハＷを囲むように、略環状のフォーカスリング１２２が配置されている。このフォーカスリング１２２は、反応性イオン等を引き寄せない絶縁性素材、例えば石英からなり、処理室１０４内に励起されたプラズマを、その内側のウェハＷ上の被処理面だけに、効果的に入射するように構成されている。
【００２１】
下部電極１１０上に載置されたウェハＷの裏面が接するフォーカスリング１２２の面内には、ウェハＷの電位を測定する、本実施の形態にかかる被処理体電位検出器、例えばマイクロプローブ１２４が埋設されている。ウェハＷに接するマイクロプローブ１２４の面は、導電性素材、例えば銅やアルミニウムから構成されることが好ましく、これによりウェハＷの電位の検出性能が向上し、安定した測定が可能となる。なお、マイクロプローブ１２４に接するウェハＷの面は少なくともその一部が導電性であること、例えばウェハＷがシリコン酸化膜で覆われている場合、少なくともマイクロプローブ１２４に接する面のシリコン酸化膜は、剥離されていることが望ましい。
【００２２】
従って、マイクロプローブ１２４は、後述の差動入力アンプ１４２に電気的に接続されているため、プラズマ処理中のウェハＷの電位を測定して、その電気的信号を差動入力アンプ１４２に供給するように構成されている。また、マイクロプローブ１２４と差動入力アンプ１４２との間には、処理容器１０２に接地されているシールド１２５が接続されており、ノイズを軽減するように構成されている。
【００２３】
処理容器１０２の側壁下方には、排気管１２６が設けられており、さらにこの排気管１２６には不図示の真空引き手段、例えばターボ分子ポンプが接続されているため、この真空引き手段を作動することによって、排気管１２６を介して処理室１０４内は所定の減圧雰囲気、例えば１〜１００ｍＴｏｒｒまでの任意の減圧度まで、真空引きできるように構成されている。
【００２４】
処理容器１０２の側壁上方には、ガス導入管１２８が設けられており、さらにこのガス導入管１２８には不図示のマスフローコントローラ及びガス供給源が設けられているため、ガス供給源から所定の処理ガス、例えばＣ4Ｆ8ガスがマスフローコントローラにより流量を調節された後、ガス導入管１２８を介して処理室１０４内に導入されるように構成されている。
【００２５】
処理容器１０２の天井部は、誘電性素材、例えば石英からなる誘電体１３０によって構成され、その外壁面には、例えば渦巻きコイルから成る高周波アンテナ１３２が設けられており、この高周波アンテナ１３２には、マッチング回路１３４を介して第２高周波電源１３６が接続されている。従って、所定のプラズマ処理条件が整った処理室１０４において、第２高周波電源１３６から所定の高周波、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力がマッチング回路１３４を介して高周波アンテナ１３２に導入されると、処理室１０４内にプラズマが励起し、バイアス用高周波電力が印加されている下部電極１１０上のウェハＷの被処理面にプラズマが引き込まれて、所望のプラズマ処理が可能なように構成されている。
【００２６】
処理容器１０２の側壁から処理室１０４の略中心方向に向かって、本実施の形態にかかるプラズマ空間電位を測定するための検出器、例えばエミッシブプローブ１３８が、フィードスルー１３８ａによって処理容器１０２の側壁に気密に取り付けられている。このエミッシブプローブ１３８の略先端に設けられているプラズマ空間電位の検出部、例えばフィラメント状のプローブ１３８ｂは、導電性及び耐熱性の素材、例えばタングステン、プラチナ、トリエデットタングステンあるいはレニウムタングステンなどから構成されることが好ましい。また、処理室１０４内におけるプローブ１３８ｂの位置は、処理室内に発生するバルクプラズマ領域にあることが好ましく、例えば処理室１０４内のウェハＷ上の被処理面に対して略水平方向では被処理面の略中心に、その略垂直方向では被処理面上から３〜１０ｍｍの位置にあることが好ましい。
【００２７】
プローブ１３８ｂには直流電源１３８ｃが接続されており、この直流電源１３８ｃから直流電流、例えば１０Ａの直流電流がプローブ１３８ｂに印加されると、プローブ１３８ｂが加熱され、熱電子放出が行われるように構成されている。処理室１０４内に露出しているエミッシブプローブ１３８のプローブ１３８ｂ以外の部分は、耐プラズマ性及び耐熱性の絶縁性素材、例えばセラミックチューブ１３８ｄによって覆われており、プラズマ処理中に発生したプラズマによりエッチングされることを抑制するように構成されている。また、エミッシブプローブ１３８と後述の差動入力アンプ１４２との間には、処理容器１０２に接地されているシールド１４０が接続されており、ノイズを軽減するように構成されている。
【００２８】
ここで、本実施の形態にかかるエミッシブプローブ１３８のプラズマ空間電位の測定方法について説明する。エミッシブプローブ１３８の略先端に設けられているプローブ１３８ｂは、プラズマ空間電位を検出する部材であるとともに、上記の如く直流電源１３８ｃから直流電流が印加されると加熱されるように構成されている。プラズマ処理中において、まずプローブ１３８ｂに直流電流を印加しないで未加熱の状態、すなわち熱電子放出を行っていない状態のプローブ１３８ｂの電流及び電圧を測定する。次にプローブ１３８ｂに少なくとも２つの異なる条件で直流電流を印加して加熱した状態、すなわち少なくとも２つの異なる条件で熱電子放出を行っている状態のプローブ１３８ｂの電流及び電圧を測定する。そして、熱電子放出を行っていない状態のプローブ１３８ｂで測定した電流と電圧との曲線と、少なくとも２つの異なる条件で熱電子放出を行っている状態で測定したプローブ１３８ｂの電流と電圧との曲線の交点が、プラズマ空間電位となる。
【００２９】
エミッシブプローブ１３８のプローブ１３８ｂによって測定されたプラズマ空間電位の電気的信号は、シース電圧算出手段、例えば差動入力アンプ１４２に供給される。この差動入力アンプ１４２には、プローブ１３８ｂによって測定されたプラズマ空間電位の電気的信号の他に、バイアス電位検出器１１６によって測定されたバイアス電位、及びマイクロプローブ１２４によって測定されたウェハＷの電位の電気的信号が供給されている。
【００３０】
本実施の形態にかかる、差動入力アンプ１４２におけるシース電圧算出方法について説明するため、それぞれ別々に、バイアス電位検出器１１６によって測定されたバイアス電位を図２に、エミッシブプローブ１３８によって測定されたプラズマ空間電位を図３に、マイクロプローブ１２４によって測定されたウェハＷの電位を図４に示し、そしてそれらの電位から算出されたシース電圧を図５に示す。図５に示すシース電圧は、図１に示すバイアス電位に同期させて測定した図３に示すプラズマ空間電位と、同様にして測定した図４に示すウェハＷの電位との差から算出している。
【００３１】
従って、上記の如くバイアス電位に同期させて各電位を測定することによって、処理室１０４内に励起されたプラズマがどのようなタイミングで下部電極１１０に引き込まれているのか、あるいはどの程度の加速電圧でプラズマが下部電極１１０に引き込まれているのかを知ることが可能となる。なお、図２〜４に示した各測定値は、処理室１０４内に処理ガスとしてＡｒガスを導入し、真空引き手段により２０ｍＴｏｒｒの減圧雰囲気に維持した後、下部電極１１０にバイアス用の１．２ＭＨｚで５００Ｗの高周波電力を印加し、高周波アンテナ１３２に１３．５６ＭＨｚで１．０、１．５及び２．０ｋＷの高周波電力をそれぞれ印加して得られたものである。
【００３２】
再び図１に戻り、本実施の形態にかかるシース電圧測定装置及びその測定方法においては、図２〜４のようにバイアス電位、プラズマ空間電位及びウェハＷの電位は別々に表示されることなく、差動入力アンプ１４２によってそれら各電位からシース電圧を算出し、その算出されたシース電圧は電気的信号により表示手段、例えばデジタルオシロスコープ１４４に供給され、表示されるように構成されている。
【００３３】
ここで、上記シース電圧と、ウェハＷのエッチングレートとの関係について説明すると、図６に示したようにシース電圧とエッチングレートには比例関係が認められ、シース電圧の増加とともにエッチングレートも増加する。従って、本実施の形態にかかるシース電圧測定装置及びその測定方法によって正確なシース電圧が求められるため、正確なエッチングレートを把握することが可能となり、ウェハＷに対して最適なプラズマ処理を行うことができる。なお、図６に示した測定値は、処理室１０４内に処理ガスとしてＣ4Ｆ8ガスを導入し、真空引き手段により２０ｍＴｏｒｒの減圧雰囲気に維持した後、下部電極１１０にバイアス用の８００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚで５００Ｗ〜２．０ｋＷの高周波電力をそれぞれ印加し、高周波アンテナ１３２に１３．５６ＭＨｚで２．０ｋＷの高周波電力を印加して得られたものである。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施の形態について、シース電圧測定装置及びその測定方法を例に挙げて説明したが、本発明はかかる構成に限定されるものではない。当業者であれば、特許請求の範囲の技術的思想の範疇において、各種修正例及び変更例に想到し得るはずであり、それらについても本発明の技術的範囲に当然属するものと解される。
【００３５】
上記実施の形態において、エミッシブプローブ１３８のプローブ１３８ｂの形状をフィラメント状にし、直流電流を印加することで加熱する構成を例に挙げて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、交流電流を印加して加熱する構成としてもよく、あるいはプローブ１３８ｂの形状を略球状や略円筒形状などにして、その部分に、例えば炭酸ガスレーザを照射して加熱する構成としてもよい。
【００３６】
また、上記実施の形態において、マイクロプローブ１２４をウェハＷの裏面が接するフォーカスリング１２２の面に設ける構成を例に挙げて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、ウェハＷに接する場所であればいかなる場所においても設けることが可能である。
【００３７】
さらに、上記実施の形態において、シース電圧算出手段に差動入力アンプ１４２を例に挙げて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、バイアス電位に同期して、プラズマ空間電位とウェハＷの電位との差からシース電圧を算出可能な手段であれば、いかなる算出手段においても適用することが可能であり、またバイアス電位、プラズマ空間電位及びウェハＷをそれぞれ別々に測定し、その後にシース電圧を求める構成としてもよい。
【００３８】
また、上記実施の形態において、プラズマ処理装置に誘導結合型プラズマ処理装置を例に挙げて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、電極にバイアス用の高周波電力を印加する構成のプラズマ処理装置であれば、いかなるプラズマ処理装置においても適用することが可能である。
【００３９】
さらに、上記実施の形態において、エッチング装置を例に挙げて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、プラズマを利用した各種装置、例えばアッシング装置やプラズマＣＶＤ装置などに対しても適用することが可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づいて構成されたプラズマ電位測定装置及びその測定方法によれば、プラズマ処理時に、各電極に交流成分からなる高周波電力が印加され、さらに被処理体が高圧直流電力を用いた静電チャックによって載置台上に吸着保持されていても、プラズマ空間電位及び被処理体の電位を直接測定することが可能となる。そして、それらプラズマ空間電位と被処理体の電位をバイアス電位に同期させて測定し、プラズマ空間電位と被処理体の電位との差分からプラズマ電位を算出するため、実際のプラズマ電位により近い値を求めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なプラズマ処理装置の実施の一形態を示す概略的な断面図である。
【図２】本実施の形態にかかるバイアス電位検出器によってバイアス電位を測定した結果である。
【図３】本実施の形態にかかるエミッシブプローブによってプラズマ空間電位を測定した結果である。
【図４】本実施の形態にかかるマイクロプローブによって半導体ウェハの電位を測定した結果である。
【図５】本実施の形態にかかる差動入力アンプによって算出したシース電圧の結果である。
【図６】本実施の形態にかかる差動入力アンプによって算出したシース電圧とエッチングレートとの関係を示した図である。
【符号の説明】
１０２      処理容器
１０４      処理室
１１０      下部電極
１１４      第１高周波電源
１１６      バイアス電位検出器
１１８      静電チャック
１２２      フォーカスリング
１２４      マイクロプローブ
１３０      誘電体
１３２      高周波アンテナ
１３６      第２高周波電源
１３８      エミッシブプローブ
１３８ｂ    プローブ
１４２      差動入力アンプ
１４４      デジタルオシロスコープ
【図１】
0003698823.tif 000002
【図２】
0003698823.tif 000003
【図３】
0003698823.tif 000004
【図４】
0003698823.tif 000005
【図５】
0003698823.tif 000006
【図６】
0003698823.tif 000007