(57)【要約】  プラズマ１１１を用いてウエハ１１４が処理される処理室１０１と、プラズマ１１１を生成するための高周波電力を供給する高周波電源１０６と、ＥＣＲを形成するための磁場形成をさせ、かつその磁束密度を制御する機構と、ウエハ１１４が載置される試料台１１３と、を備えるプラズマ処理装置である。上記プラズマ処理装置は、上記高周波電力と上記磁場の相互作用により生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さをプラズマ１１１の画像データを基にモニタし、上記モニタされたＥＣＲの高さが所定の高さとなるように上記高周波電力の周波数を制御する制御部１０７をさらに備える。
2020012704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを用いて試料が処理される処理室と、前記プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構とを備えるプラズマ処理装置において、
前記高周波電力と前記磁場の相互作用により生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さを前記プラズマの画像データを基にモニタし、前記モニタされたＥＣＲの高さが所定の高さとなるように前記高周波電力の周波数を制御する制御部をさらに備えることを特徴と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において、
前記ＥＣＲ高さをモニタするモニタ機構をさらに備え、
前記モニタ機構は、水平方向または斜め方向から前記プラズマを撮像するカメラと、ＥＣＲ面の上方から前記プラズマの発光強度を取得する第１の分光器と、前記ＥＣＲ面の下方から前記プラズマの発光強度を取得する第２の分光器とを具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御部は、前記プラズマの画像データと、前記処理室の高さ方向における前記プラズマの発光強度分布とを用いて前記ＥＣＲの高さを求めることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記磁場形成機構は、前記磁場を形成するコイルを具備し、
前記制御部は、前記コイルに流れる電流の応答遅れによる所定値に対する前記ＥＣＲの高さの変動を補正するように前記高周波電力の周波数を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、ソリッドマイクロ波電源であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
プラズマを生成するための高周波電力と磁場の相互作用により生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さをモニタするＥＣＲ高さモニタにおいて、
前記プラズマの画像データと、前記プラズマが生成される処理室の高さ方向における前記プラズマの発光強度分布とを用いて前記ＥＣＲの高さをモニタすることを特徴とするＥＣＲ高さモニタ。
【請求項７】
プラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理方法において、
前記プラズマを生成するための高周波電力と磁場の相互作用により生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さを前記プラズマの画像データを基にモニタする工程と、
前記モニタされた前記ＥＣＲの高さが所定の高さとなるように前記高周波電力の周波数を制御する工程と、
を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマ処理方法において、
前記高周波電力の周波数を所定量変化させた場合、前記ＥＣＲの高さが所定の高さ以上となるように前記磁場を形成するためのコイルに流す電流値を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
プラズマ処理条件を構成するステップを切り替える場合、前記ステップを切り替える前、前記コイルに流す電流を前記制御された電流値とすることを特徴と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、処理室内に形成したプラズマを用いて半導体ウエハ（以下、単にウエハとも記す）などの試料を処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に係り、特に処理室内に磁界を供給しプラズマに作用させて試料を処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、ＥＣＲ高さモニタに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの集積度の向上に伴い、加工形状の制御性とウエハ面内の均一性の向上との両立が要求されている。ウエハ面内の均一性の向上についてはプラズマ分布を均一化することでエッチングレートの均一化を図っている。【０００３】
マイクロ波の電界とソレノイドコイルで形成した磁界が相互作用を生起し、処理用ガスの原子、分子が励起されて処理室内にプラズマを形成し、そのプラズマを利用する電子マイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）方式のプラズマエッチング装置が知られている。上述のようなプラズマエッチング装置において、特許文献１には、プラズマ処理室の外周に設けた複数のソレノイドコイルにより磁場強度を変化させ、試料の処理時と試料のオーバーエッチング時とで、試料の被処理表面に対する平面状の共鳴領域の平行間隔距離を変えることにより、発生させるプラズマの位置を変化させる方法が開示されている。【０００４】
また、特許文献２には、ＥＣＲ条件を満足したマイクロ波の周波数を２．６６ＧＨｚ〜２．２４ＧＨｚの帯域で変調し、マイクロ波のエネルギーがプラズマ発生室全体に効率良く吸収され、高密度で、かつ均一なプラズマを発生させる方法が開示されている。【０００５】
また、加工形状の制御性の向上について、特許文献３には、例えばエッチングガスと保護膜を形成するデポジションガスとをプラズマを生成した状態のまま交互に繰り返し処理室に導入し、プラズマエッチング処理を行うという方法が開示されている。さらに、短時間にソースパワー電力、磁場、処理温度等のエッチングパラメータをステップで次々に変えていくという方法などが挙げられる。【０００６】
近年、エッチング処理のステップ数は数十から百数まで多ステップ化し、各ステップ時間は数秒程度と従来のエッチングステップに対して短くなってきている。さらにスループットやエッチング処理時間の短縮の観点から各ステップ間の切り替えはプラズマ放電を継続したまま行われることが多くなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１３０７１４号公報
【特許文献２】特開平６−７３５６８号公報
【特許文献３】特開平７−１３０７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のようにプラズマ放電を継続したままステップを切り替える（以下、放電継続ステップと記す）場合に、磁場を形成するコイル電流だけを変える技術では次の点で問題が生じている。【０００９】
上述の放電継続ステップで前ステップから後ステップへと移行する際、コイル電流の設定値が切り替わる時、実際はコイル電流の過渡応答時間によりコイル電流は遅れて切り替わる。これに伴い処理室内に形成される磁場もコイル電流と共に遅れて切り替わるため、後ステップで設定されたＥＣＲ高さへの変更がステップ切り替えから１秒〜３秒程度遅れることになる。【００１０】
その場合、後ステップの時間が十分長ければ問題は生じないが、例えば５秒程度の放電継続ステップでは約半分の時間は過渡期でプラズマ変動しながらエッチング処理が進むことになり、加工の均一性が十分得られなかったり、性能が再現しなかったりという問題が生じる。【００１１】
さらに同じコイル電流の条件で形成される磁場プロファイルの差や、各装置のマイクロ電源の発振周波数に個体差がありこれらが機差要因の１つとなっている。【００１２】
本発明の目的は、プラズマ処理の性能および再現性を向上させることが可能な技術を提供することにある。【００１３】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。【００１５】
本発明のプラズマ処理装置は、プラズマを用いて試料が処理される処理室と、上記プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、上記試料が載置される試料台と、上記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、を備えるプラズマ処理装置である。また、上記高周波電力と前記磁場の相互作用により生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さを上記プラズマの画像データを基にモニタし、上記モニタされたＥＣＲの高さが所定の高さとなるように上記高周波電力の周波数を制御する制御部をさらに備える。【００１６】
また、本発明のプラズマ処理方法は、プラズマを生成するための高周波電力と磁場の相互作用により生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さを上記プラズマの画像データを基にモニタする工程と、上記モニタされた上記ＥＣＲの高さが所定の高さとなるように上記高周波電力の周波数を制御する工程と、を有する。
また、本発明のＥＣＲ高さモニタは、プラズマを生成するための高周波電力と磁場の相互作用により生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さをモニタするものである。そして、ＥＣＲ高さモニタは、上記プラズマの画像データと、上記プラズマが生成される処理室の高さ方向における上記プラズマの発光強度分布とを用いて上記ＥＣＲの高さをモニタする。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。【００１８】
本発明によれば、コイル電流だけでＥＣＲ高さを制御する方法に比べて高速にＥＣＲ高さを制御することができる。また、放電継続ステップでステップ時間が短いエッチングプロセスなどにおいてプラズマ処理の性能と再現性を向上させることができる。特に低マイクロ波パワーである低解離プラズマ条件での処理ステップの切り替えを行う際に、均一性、形状制御性のプロセス性能を向上させることができ、さらに再現性も向上させることができる。また、機差を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置のＥＣＲ高さ測定器の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置のＥＣＲ高さ測定器のカメラの撮像状態とその画像を示す図であり、（ａ）は撮像状態、（ｂ）、（ｃ）はカメラ画像である。
【図４】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置のＥＣＲ高さ測定器の他の測定方法を示す図であり、（ａ）はプラズマ処理装置の一部を示す模式図、（ｂ）は他の測定状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置において、エッチングレシピを示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置において、コイル電流と発振周波数とを変化させた時の装置ＶＰＰ時刻データとウエハのレート分布を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置において、コイル電流と発振周波数とＥＣＲ高さのデータベースを説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置のＥＣＲ高さの算出手順を示す図であり、（ａ）はカメラ画像、（ｂ）は算出フロー、（ｃ）はＥＣＲ高さと発光比の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置において、マイクロ波の発振周波数を一定量変化させた時のＥＣＲの高さ制御範囲を示す図であり、（ａ）は高さ制御性が小の場合、（ｂ）は高さ制御性が大の場合の図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置において、発振周波数制御によるＥＣＲ高さ調整を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を以下、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態のプラズマ処理装置の構成を示す。また、図１に示すプラズマ処理装置は、マイクロ波電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）によりプラズマを生成し、この生成されたプラズマによりプラズマエッチング処理を行うプラズマエッチング装置（以下、プラズマ処理装置とも記す）である。
【００２２】
本実施の形態のプラズマ処理装置は、プラズマ１１１を用いてウエハ（試料）１１４へのプラズマ処理が行われる処理室（プラズマ処理室）１０１と、プラズマ１１１を生成する高周波電力を供給する高周波電源１０６と、処理室１０１に配置され、かつウエハ１１４が載置される試料台１１３と、電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲを形成する磁場形成部（磁場形成機構）と、を備えている。
【００２３】
さらに、処理室１０１には真空排気を行う排気装置１０９が接続されている。また、処理室１０１の上部には、シャワープレート１０２および石英天板１０３が配置されている。シャワープレート１０２は、複数の孔を有している。ガス供給機構１０８から供給されるプラズマエッチング処理用のガスをシャワープレート１０２の複数の孔を通じて処理室１０１内に導入する。
【００２４】
また、シャワープレート１０２の上方には、石英天板１０３が配置され、シャワープレート１０２と石英天板１０３との間にはガス供給用の間隙が設けられている。石英天板１０３は、上方からの電磁波を透過させ、処理室１０１の上方部分が気密状態となるように封止する。シャワープレート１０２および石英天板１０３は、材質として誘電体を用いているが、処理室１０１内のプラズマ発光を視認しやすくするように石英を用いるのが好ましい。
【００２５】
石英天板１０３の上部には、空洞共振部１０４が形成されている。空洞共振部１０４の上部は開口しており、垂直方向に延在する垂直導波管と電磁波の方向を９０度曲げるコーナーを兼ねた導波管変換器とからなる導波管１０５が接続されている。導波管１０５は、電磁波を伝播する発振導波管であり、導波管１０５の端部には、プラズマ生成用の高周波電源１０６が接続されている。
【００２６】
高周波電源１０６は、プラズマ生成用電磁波を発生するための電源であり、制御部１０７からの制御に基づいて電磁波を発生させる。高周波電源１０６から供給される高周波電力の発振周波数は中心周波数が２．４５ＧＨｚで２．４〜２．５ＧＨｚの範囲でマイクロ波の発振が可能なマイクロ波電源を用いている。
【００２７】
本実施の形態のマイクロ波電源は、狭帯域で、制御部１０７内の周波数の制御信号に従い高周波電力を発振しながら発振周波数を変化することが可能である。つまり、制御部１０７を含む機構によって高周波電源１０６から供給される高周波電力の周波数を変更することができる。
【００２８】
高周波電源１０６は、例えば高周波電源１０６の最大パワー１６００ワットに対して２パーセントの数十ワット出力の低パワー領域でもパワー制御性が高く、パルスや出力の応答性が高いという特徴を持つソリッドステート電源を用いることが望ましい。本実施の形態でも高周波電源１０６はマグネトロン電源ではなく、ソリッドステートマイクロ波（ソリッドマイクロ波とも言う）電源が用いられている。
【００２９】
高周波電源１０６から発生されたマイクロ波は、導波管１０５を伝播し、空洞共振部１０４、石英天板１０３、シャワープレート１０２を経由して処理室１０１内に伝播する。処理室１０１の外周には、磁場形成コイル（磁場形成部、磁場形成機構）１１０が配置されている。磁場形成コイル１１０は、上部コイル１１０ａ、中部コイル１１０ｂおよび下部コイル１１０ｃなどの複数のコイルからなっており、処理室１０１に磁場を形成する。プラズマ生成用の高周波電源１０６から発振された電力は、磁場形成コイル１１０により形成された磁場とＥＣＲとの相互作用により、処理室１０１内に高密度のプラズマ１１１を生成する。
【００３０】
プラズマ１１１中においてマイクロ波の発振周波数に対して電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の条件を満たす磁束密度となる面（以下、ＥＣＲ面１１２と記す）を形成する。プラズマ生成は主にＥＣＲ面１１２で行われるため，ＥＣＲ面１１２の高さ位置はプラズマ分布制御において重要である。
【００３１】
本実施の形態のプラズマ処理装置は、高周波電源１０６から供給される高周波電力と磁場の相互作用とにより生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さをプラズマ１１１の画像データを基にモニタし、上記モニタされたＥＣＲの高さが所定の高さとなるように上記高周波電力の周波数を制御する制御部１０７および制御部１２１を備えている。
なお、上記磁場形成機構は、磁場を形成する上記各コイルを具備しており、制御部１０７および制御部１２１は、各コイルに流れる電流の応答遅れによる所定値に対する上記ＥＣＲの高さの変動を補正するように上記高周波電力の周波数を制御する。
【００３２】
また、処理室１０１の下方には、石英天板１０３に対向して試料台１１３が配置されている。試料台１１３は被処理基板であるウエハ１１４を載置して保持する載置面１１３ａを備えている。また、導波管１０５から空洞共振部１０４への出口、処理室１０１、試料台１１３およびウエハ１１４のそれぞれの位置の中心軸は一致している。
【００３３】
試料台１１３は材質としてはアルミやチタンからなる。試料台１１３の一部である上面（載置面１１３ａ）には誘電体膜１１５が形成されている。試料台１１３の誘電体膜１１５の上面にはアルミナセラミックスなどによる溶射膜が配置されている。
【００３４】
また、誘電体膜１１５の内部にはウエハ１１４を静電吸着するための導電体膜（静電吸着膜）１１６があり、直流電圧（図示しない）を印加することによりウエハ１１４を静電吸着する。さらに試料台１１３にはＲＦバイアス電源１１７から高周波ＲＦバイアスが印加される。
【００３５】
また、ＲＦバイアス電源１１７は、マッチング回路１１８により整合がとられている。ＲＦバイアス電源１１７から試料台１１３へ印加された高周波ＲＦバイアス電圧のＶＰＰ（Ｖピークトウピーク）をモニタするため、ＲＦバイアス給電ライン上にＶＰＰモニタ（電圧モニタ）１２０が設置されている。
【００３６】
さらに、本実施の形態のプラズマ処理装置には、プラズマ１１１のＥＣＲ面１１２の円板上またはリング状の強い発光の高さ（以下、ＥＣＲ高さと呼ぶ）の位置をモニタするため、下記に定めるＥＣＲ高さモニタが設けられている。つまり、上記ＥＣＲ高さモニタは、プラズマ１１１の画像データと、プラズマ１１１が生成される処理室１０１の高さ方向におけるプラズマ１１１の発光強度分布とを用いて上記ＥＣＲの高さをモニタするものである。
【００３７】
ＥＣＲ高さモニタの一例として、図１、図２に示すように、処理室１０１内の試料台１１３の上方に生成されるプラズマ１１１の発光を上方斜め方向から眺めることができる位置に、ＥＣＲ高さ測定用のカメラ１１９が取り付けられている。つまり、カメラ１１９は、試料台１１３の上方に生成されるプラズマ１１１の発光を、載置面１１３ａに対して水平方向または上記水平方向と鋭角を成す斜め方向から撮像することが可能である。カメラ１１９には光ファイバーが取り付けられ、その光ファイバーの先端部を介して、透明な部材である石英天板１０３および石英製のシャワープレート１０２を経て処理室１０１内の図２に示す発光２０４の様子を視認することができる。プラズマ処理中にはＥＣＲ面１１２が形成される領域と、そのエッジ位置と、図２に示すチャンバ１０１ａ内の側壁１０１ｂとが、視野（画像（画像データ）２００）でカメラ１１９によって撮影できるものとなっている。
【００３８】
さらにカメラ１１９は、光量絞り、高速シャッター、および波長任意領域をフィルタリングすることが可能な機能を有している。これにより、図２および図３（ａ）に示すようにプラズマ１１１中のチャンバ１０１ａ内の全体的な発光の中からＥＣＲでマイクロ波吸収による円板またはリング状の強い発光２０４やプラズマ生成領域を区別することができる。図３（ｂ）、（ｃ）に示すカメラ画像の例のように、絞りと波長フィルタを調整することによりＥＣＲ発光のエッジ３０１も検出可能となっている。すなわち、図３（ｂ）のカメラ画像ではＥＣＲ発光のエッジ３０１の検出が困難であるのに対して、図３（ｃ）に示すシャッタースピードを調整した後のカメラ画像によれば、ＥＣＲ発光のエッジ３０１を検出することができる。
【００３９】
また、図２に示すように、処理室１０１内の側壁１０１ｂには図３のＥＣＲ面１１２の強い発光２０４の位置を検出できるよう目盛り２０１が取り付けられていてもよい。この目盛り２０１は、画像２００からＥＣＲの強い発光２０４のエッジ（図３参照）３０１の位置をより正確に測定し、ＥＣＲ高さおよび位置が分かるようにするのが目的であるが、カメラ１１９の固定や画像処理能力で特に必要なければ省くこともできる。
【００４０】
なお、ＥＣＲ面１１２の発光２０４のエッジ３０１の位置の径方向ついては、マイクロ波パワーや磁場プロファイルまたは処理圧力によって半径が僅かに変わる。高さについてもリング状の強い発光領域は厚みを有しているため、プラズマ発光のカメラ画像だけからＥＣＲ高さを正確に割り出すことは困難であるが、カメラ１１９によるＥＣＲ高さ検出の主目的はそのＥＣＲ高さの変動と変化量の測定であるため、支障を来すことは無い。
【００４１】
また、より正確なＥＣＲ高さ検出のため複数のカメラ１１９を配置して複数のカメラ１１９からＥＣＲ高さの位置を算出することも可能であるが、制御計算が困難である。本実施の形態では、カメラ１１９によるＥＣＲ高さの位置を補正するものとして、図２に示すようにチャンバ１０１ａ内の発光量を測定する発光量測定器１３０が設置されている。
具体的には、本実施の形態のプラズマ処理装置は、ＥＣＲ高さをモニタするモニタ機構を備えており、前記モニタ機構は、水平方向または斜め方向からプラズマ１１１を撮像するカメラ１１９と、ＥＣＲ面１１２の上方からプラズマ１１１の発光強度を取得する第１の分光器と、ＥＣＲ面１１２の下方からプラズマ１１１の発光強度を取得する第２の分光器とを具備している。
【００４２】
上述の発光量測定器１３０は、ＥＣＲ面１１２の上方および下方から光ファイバーを経てプラズマ１１１の発光量を測定できる２つの分光器からなり、ＥＣＲ高さを測定する測定機構である上方発光量測定器（第１の分光器）２０２と下方発光量測定器（第２の分光器）２０３とが設置されている。発光量のサンプリング時間は、およそ１０から１００ミリ秒であり、波長は約２００〜８００ナノメートルまで取得可能である。測定方向は特に定めないが上方と下方ともにウエハ１１４の面内において同じ半径の位置の発光２０４を測定できるようにしておくことが望ましい。発光量測定器１３０を用いたＥＣＲ高さの値を得る方法としては、まず、カメラ１１９によって撮影された図２に示す画像２００や図８（ａ）に示す画像データである画像８０１を処理し、画像８０２、画像８０３から概略（具体的には３ｍｍオーダー）でＥＣＲ高さを導き出す。その際、上方および下方から光ファイバーを経て発光量を測定できる２つの分光器からなる上方発光量測定器２０２と下方発光量測定器２０３とを用いて、それぞれ上方側発光量測定と下方側発光量測定とを行い、得られた測定値から画像による検出、もしくは上下発光比（差）を求めてＥＣＲ高さを導き出す。つまり、本実施の形態のプラズマ処理装置は、上記測定機構による上記ＥＣＲの高さの測定値が所定値となるように、制御部１０７によって高周波電源１０６から供給される高周波電力の周波数を制御する。さらに、上記ＥＣＲの高さとして、処理室１０１内のプラズマ１１１の発光画像と、処理室１０１内の高さ方向の発光強度分布と、によってＥＣＲ面１１２の高さを算出する。
【００４３】
具体的には、図８（ｂ）に示すように、まず、ステップＳ１のプラズマ生成を実施する。さらに、ステップＳ２−１に示す上方／下方の発光量測定器のそれぞれの情報取得を実施する。ここでは、プラズマ１１１を生成するための高周波電力と磁場の相互作用とにより生じる電子サイクロトロン共鳴であるＥＣＲの高さをプラズマ１１１の画像データを基にモニタする。まず、図２に示す上方発光量測定器２０２と下方発光量測定器２０３とによって上方と下方の発光量を測定する。次に、ステップＳ３−１に示す上方と下方の発光比を求めてＥＣＲ高さを算出する。この時、発光比から求めたＥＣＲ高さを補正して、最終的にＥＣＲ高さを算出する（ステップＳ４）。つまり、図８（ｃ）に示す発光量の比の関係式曲線８０４から１ｍｍ精度のＥＣＲ高さを導き出すことができる。なお、図２に示す発光量測定器１３０においては、上方発光量測定器２０２と下方発光量測定器２０３によって測定された測定値による上下発光比（差）からＥＣＲ高さを求める。さらにこのＥＣＲ高さの測定値に応じて、制御部１０７に対してフィードバックをかけ、制御部１０７によって発振周波数を調整する。同様に、ＥＣＲ高さの測定値に応じて、図２に示す制御部１２１に対してフィードバックをかけ、制御部１２１によってコイル電流を調整する。例えば、磁場における上記コイル電流と上記ＥＣＲの高さとの相関関係を予め作成しておいて、ＥＣＲ高さの測定を実施する。その際の上記ＥＣＲの高さの測定値が予め作成しておいた上記相関関係のＥＣＲの高さと異なる場合に、上記コイル電流を変化させ、かつ高周波電源１０６から供給される高周波電力の周波数を微調整して、測定による上記ＥＣＲの高さを上記相関関係における上記ＥＣＲの高さに合わせる。つまり、上記モニタされたＥＣＲの高さが所定の高さとなるように上記高周波電力の周波数を制御する。
なお、制御部１０７および制御部１２１は、プラズマ１１１の画像データと、処理室１０１の高さ方向におけるプラズマ１１１の発光強度分布とを用いて上記ＥＣＲの高さを求める。
【００４４】
また、図８（ｂ）のステップＳ２−２に示すように、リング状または円板状のＥＣＲの発光２０４を検出できるようにフィルタ波長、しきい値を設定し、さらにステップＳ３−２に示すように、画像でエッジ３０１の位置／高さを検出し、ＥＣＲ高さを算出してもよい（ステップＳ４）。
【００４５】
また、ＥＣＲ高さをモニタする上記以外の他の方法としては、図４（ａ）に示すように、円筒型の処理室１０１の内部の一部にプラズマ１１１の発光のみが透過可能な垂直方向に長いスリット４０１を設け、垂直方向の発光強度の分布を計測できる受光素子４０２を付設した機構を用いる。上記機構を用いることで、図４（ｂ）に示すように、垂直方向で最も発光強度の高い箇所を表す曲線４０３をＥＣＲ高さとみなすことにより、ＥＣＲ高さを大凡決めることができる。
【００４６】
しかしながら、高いマイクロ波パワーのハイモード領域において、印加したマイクロ波パワーをプラズマ側で吸収する領域がＥＣＲ面主体ではなくなる。この結果、ＥＣＲ面１１２での面状の強いプラズマ発光が垂直方向に拡がることがあるため、発光強度ピークが拡がったり、２つになったりして。正しく発光強度ピークであるＥＣＲ高さが得られない可能性がある。
【００４７】
この方法だけではＥＣＲ高さを決定することは難しいため、上述したＥＣＲの上方および下方から光ファイバーを経て発光量を測定できる２つの分光器からなる上方発光量測定器（第１の分光器）２０２と下方発光量測定器（第２の分光器）２０３とからＥＣＲ高さ値を補正するようにすることが望ましい。
次に、本実施の形態のプラズマ処理装置におけるプラズマ処理について説明する。
【００４８】
図１に示すように、ウエハ１１４は、処理室１０１内に搬送され、試料台１１３の誘電体膜１１５上に載置される。そして、載置されたウエハ１１４は、直流電源によって印加された直流電圧により発生する静電気力によって試料台１１３上の所定位置に静電吸着されて保持される。その後、内部が減圧された真空状態の処理室１０１には、ガス供給機構１０８からプラズマエッチング処理用のガスが図示しないマスフローコントロ−ラを介して供給される。
【００４９】
そして、当該ガスは、石英天板１０３とシャワープレート１０２との間隙を通過してシャワープレート１０２の複数の孔から処理室１０１内に導入される。真空用の排気装置１０９を制御しながら、処理室１０１内を所定の圧力に制御する。その後、プラズマ生成用の高周波電源１０６から電磁波を発振させ、処理室１０１内に伝送された電磁波と、複数（本実施の形態では３系統）の磁場形成コイル１１０により形成された磁場との相互作用により、処理室１０１内にプラズマ１１１を生成させる。
【００５０】
高周波電源１０６には、制御部１０７からの発振周波数の制御信号を受けてその発振周波数を変更することができる。発振周波数を変化させた場合（式１）に基づいてＥＣＲ高さを変化させることが可能である。
【００５１】
ｆｃ＝ｑ×Ｂ／２πｍ（ｆｃ：共鳴周波数，Ｂ；磁束密度，ｑ：電荷，ｍ：質量）・・・（式１）
【００５２】
本実施の形態は、プラズマ着火と同時に制御部１０７の制御により、処理室１０１内の試料台１１３にＲＦバイアス電源１１７から高周波電圧を印加する。このＲＦバイアス電源１１７からの高周波電圧により、プラズマ１１１からウエハ１１４にイオンを引き込む作用が生じる。これらによりウエハ１１４に対してプラズマエッチング処理が行われる。その際、ガスやエッチングにより発生した反応生成物は、処理室１０１の下部に設けられた排気装置１０９を通じて排気される。
【００５３】
次に、図５に示すエッチング処理用のレシピ（処理条件）であるエッチングレシピに沿って、切り替え前のステップである前ステップから切り替え後のステップである後ステップに跨がって放電継続する状況において、処理ステップ（以下、単にステップと記す）でレシピを切り替える際の発光量、ＶＰＰ、エッチングの区間レートについて説明する。ここでは、コイル電流のみでＥＣＲ高さを変えた場合と、コイル電流と高周波の発振周波数とを同時に変更して高速にＥＣＲ高さを変えた場合とで、それぞれの発光量、ＶＰＰ、エッチングの区間レートについて図６（ａ）を用いて説明する。
【００５４】
図５に示すエッチングレシピ（処理条件）に従い、例えば切り替えの前ステップにおいてマイクロ波電源の発振周波数は中心周波数の２．４５ＧＨｚで電力量は、Ｘｉワット発振されて、ＲＦバイアスのＲｉワットとする。そして、上部コイル（図５のＡコイル）１１０ａ、中部コイル（図５のＢコイル）１１０ｂ、下部コイル（図５のＣコイル）１１０ｃの電流は、それぞれＡｉ、Ｂｉ、Ｃｉ（アンベア）で既に設定値どおりに印加されている状態である。この状態で、その時のモニタＶＰＰは、Ｚｉ（Ｖ）、プラズマ発光のある波長の発光量が計測されていて、ＥＣＲの高さはウエハ１１４の上方Ｘｉ（ミリメートル）で安定したプラズマでエッチング処理が行われているものとする。
【００５５】
次に、ステップ切り替えの後ステップのエッチングレシピ（処理条件）の設定に従い、マイクロ波の電力量（ワット）はＸｉ＋１、ＲＦバイアス（ワット）はＹｉ＋１、Ａコイル、Ｂコイル、Ｃコイルのそれぞれの電流（アンペア）は、それぞれＡｉ＋１、Ｂｉ＋１、Ｃｉ＋１に切り替わる。マイクロ波の電力量（ワット）はＸｉ＋１、ＲＦバイアス（ワット）はＹｉ＋１となり、変更後ただちに数ミリ秒から数十ミリ秒で電力量の変更が完了する。
【００５６】
一方、コイル電流は電流値の変化速度に比例した高い自己誘導電圧が発生し影響するため、ただちにコイル電流量（アンペア）がＡｉからＡｉ＋１にならない。図６（ａ）、（ｂ）の曲線６０１のコイル電流が有する定格電力や自己誘導や相互誘導電圧から決められる応答時定数の影響で、遅れを伴ってコイル電流値の変更が完了する。おおよそ１０（アンペア）の電流値を変更するのには約１から３秒程度遅れてコイル電流の変更が完了している。
【００５７】
これはコイル電流が形成する磁場も変更するのに同じ時間がかかり、結果的に図５に示すＥＣＲ高さＸｉ（ミリメートル）からをステップ切り替え後に設定したＥＣＲ高さＸｉ＋１（ミリメートル）にするのに約１から３秒程度時間がかかることを意味している。
【００５８】
また、このステップ間のＲＦバイアスのＶＰＰモニタの挙動についても、図６（ａ）のＶＰＰの曲線６０２に示すように、ステップ切り替え時、まず設定ＲＦバイアスの変更により数ミリ秒から数十ミリ秒の間にＲＦバイアスの電力の変更は完了するが、ＥＣＲ高さの変化の遅れ、プラズマ１１１の変更遅れ影響を受け、１から３秒程度時間が遅れてＶＰＰが変動しついに設定したＶＰＰに到達する。
【００５９】
プラズマ発光強度についても設定マイクロ波のパワー変更によりただちに発光量が変動し、次いでＥＣＲ高さの変動の影響を受けＶＰＰの挙動と同様にこれも１から２秒程度時間が遅れて発光量が変化する。
【００６０】
図２に示す発光量測定器１３０（ＥＣＲ高さ測定器）のカメラ１１９からの画像は、ステップ切り替え直後にシャッタースピードや絞りを全体のプラズマ発光量に応じて変化させる必要はあるが、ＥＣＲ面１１２を捉えた画像には大きな変化が無く、遅れてＥＣＲ高さの変動がＥＣＲ面１１２の円板上もしくはリング状の強い発光量域がゆっくりと上昇あるいは下降していくのが見て取れる。
【００６１】
同様に、上方発光量測定器２０２や下方発光量測定器２０３においても、ステップ切り替え直後はマイクロ波パワーの変化により発光量は大きく変化するが、マイクロ波パワーの変更が完了すると、上方と下方の発光強度の比または差（本実施の形態では発光強度比とする）は大きな変化が無く、基本的にはＥＣＲ面の高さは高い。つまり強い発光体が上方にあればあるほど、上方側の下方側に対する発光強度比は大きくなるため、ＥＣＲ高さを測定することができる。
【００６２】
また、コイル電流の制御だけでＥＣＲ高さを制御する方法の場合、エッチングレートは図６（ａ）の区間エッチングレートＫ１に示すように、前ステップのコイル電流の条件であるＥＣＲ高さのまま、マイクロ波パワーおよびＲＦバイアス電源だけが変化している状態でのエッチングが１秒前後なされている。したがって、この過渡ステップの状況でエッチングレートが凸型の曲線６０４（図６（ａ）の遷移区間エッチングレートＫ２に対応するエッチングレートの曲線６０４）となっている。
【００６３】
なお、コイルは、本実施の形態では３つあるが、ステップ前後のコイル電流の差により、相互誘導電圧の影響の度合いが変わるため、３つのコイル電流の組み合わせごとに遅れとなる応答速度も変化することになる。このように３つすべてのコイル条件を変更するステップ切り替えでは、さらにＥＣＲ高さの変更が遅れたり、再現性に問題が発生したりする。
【００６４】
次に前ステップから後ステップに跨がって放電を継続する状態でステップを切り替える際、コイル電流とマイクロ波の発振周波数とを同時に変化、制御する方法を図６（ｂ）に示す。
【００６５】
ＥＣＲ高さを高速に次のステップの高さに制御しようとする場合、図７に示すように、複数のコイルＡ〜Ｃの電流のそれぞれの値をＥＣＲ高さの対応表に相当するデータベースをあらかじめ構築しておくことが望ましい。これにより、前ステップと後ステップの各ＥＣＲ高さが図５のようにＸｉおよびＸｉ＋１が前もって導かれており。コイル電流の応答遅れに対してどの程度までマイクロ波の発振周波数の補正変動を行うかが明らかとなり、マイクロ波の発振周波数を制御し易くすることができるという利点がある。本実施の形態のプラズマ処理装置では、プラズマ処理条件を構成する処理ステップの切り替えを行う場合、上記処理ステップを切り替える前、上記コイルに流す電流を上記制御された電流値とする。
【００６６】
マイクロ波の発振周波数、例えば図７に示すように２．４０、２．４５、２．５０ＧＨｚそれぞれでのコイル電流とＥＣＲ高さのデータベースを取得していれば、ステップ変更後、過渡期のある時刻でのコイル電流の組み合わせから瞬時にＥＣＲ高さを導き出し、そこからマイクロ波の発振周波数を制御して目標とするＥＣＲ高さになるまでその制御を繰り返すという形を取ることが望ましい。これにより、複数のコイル電流の変更を伴うステップ切り替えにおいてもＥＣＲ高さを精度良く、また過制御を起こさない形で速やかに後ステップのＥＣＲ高さに変更することができる。
【００６７】
後ステップで設定したＥＣＲ高さに到達した後の制御としては、図６（ｂ）のマイクロ波電源の曲線６０３に示すように、ＥＣＲ高さに到達してもコイル電流が遅れて電流変更が完了するまで、マイクロ波の発振周波数がＥＣＲ高さを保つように制御し続けて、最終的にはステップ切り替え前の発振周波数（あるいは中心周波数の２．４５ＧＨｚ）に戻す制御をする。本実施の形態でもステップ切り替えの過渡状態以外は２．４５ＧＨｚを使うことが安定性の装置運用の観点から望ましい。
【００６８】
ＶＰＰモニタ値およびＥＣＲ高さモニタ値も後ステップに切り替えた後０．１秒以内で所定の値に到達して安定し、過渡時エッチングレートが存在しないので良好なエッチングレート分布（図６（ｂ）の区間エッチングレートＫ３に対応するエッチングレートの曲線６０５）を実現することができた。
【００６９】
なお、継続するステップ間のＥＣＲ高さの変位がマイクロ波の発振周波数の変化のみで十分足りる場合は、コイル電流を一切変化させずに発振周波数のみを変化させる方式を採用しても問題ない。この場合、マイクロ波パワーの変化時間と同様に数ミリ秒でＥＣＲ高さを制御することができる。
【００７０】
本実施の形態のプラズマ処理装置では、ＥＣＲ高さの制御量は、概ね載置用電極に載置されたウエハ１１４の上面を基準として、大凡５０ｍｍから１５０ｍｍの範囲で制御可能となっている。マイクロ波電源の中心周波数が２．４５ＧＨｚの場合、磁場の条件にもよるが、ＩＳＭ(Industry Science Medical)周波数帯の観点から２．４から２．５ＧＨｚの範囲で発振周波数を変化させることが実用的となる、この範囲でのＥＣＲ高さの制御範囲は従来の磁場条件だと高々１０ｍｍ程度しか制御できない。
【００７１】
また、高周波電力の発振周波数の範囲を２ＧＨｚから３ＧＨｚと大きくする方法も考えられるが、そもそも導波管１０５あるいは空洞共振部１０４で想定する周波数が２．４５ＧＨｚ付近であり、周波数を２．４５ＧＨｚから大きく変えるとプラズマ１１１に伝送されるパワーやマイクロ波の発振パワー自体が変化するため、発振周波数の範囲は限定する必要がある。
この場合のＥＣＲ高さの制御方法については、後述する実施の形態２に示す。
【００７２】
また、ＥＣＲ高さの測定方法については、従来は、十分な磁場測定を行っておいて得られたデータベースからＥＣＲ高さを計算する方法、またはエッチング処理の後に装置処理データのコイル電流から、またはプラズマ発光の強度から、あるいはＲＦバイアスのＶＰＰのデータから解析する方法が挙げられる。しかしながら何れの方法も間接的な手法でありエッチング処理中に直接リアルタイムでＥＣＲ高さを計測する方法ではない。つまり、ＥＣＲ高さを高速に制御するためにはＥＣＲ高さをリアルタイムで測定できる機構が必要である。
【００７３】
そのＥＣＲ高さ値をフィードバックし、コイル電流やマイクロ波の発振周波数を同時に変化させることにより、ＥＣＲ高さが短時間で所定値となるような制御を行うことが実現できる。
すなわち、本実施の形態のプラズマ処理装置においては、コイル電流だけでＥＣＲ高さを制御する方法に比べて高速にＥＣＲ高さを制御することができる。また、放電継続ステップでステップ時間が短いエッチングプロセスなどにおいてプラズマ処理の性能と再現性を向上させることができる。特に低マイクロ波パワーである低解離プラズマ条件での処理ステップの切り替えを行う際に、均一性、形状制御性のプロセス性能を向上させることができ、さらに再現性も向上させることができる。また、機差を低減することができる。
（実施の形態２）
【００７４】
マイクロ波の発振周波数が２．４から２．５ＧＨｚの制限範囲でＥＣＲ高さの変動量を大きくする手法としては、図９（ａ）、（ｂ）に示すようにＥＣＲ高さは同じとし、さらに磁場勾配をなだらかな状態にしておく必要がある。高い位置ほど磁束密度が高く、低い位置ほど磁束密度が低いのが一般的であるが、その度合いをなだらかにしておく必要がある。なお、図９（ａ）は、ＥＣＲの高さ制御において高さ制御性が小さい場合を示しており、一方、図９（ｂ）は、ＥＣＲの高さ制御において高さ制御性が大きい場合を示している。
【００７５】
このようにＥＣＲ高さに対する磁束密度の差ΔＢを小さくしてマイクロ波の発振周波数ｆを定量（Δｆ）変化させた時のＥＣＲ共鳴の式は、
【００７６】
ｆ±Δｆ＝ｑ（Ｂ±ΔＢ）／２πｍ（ｆｃ：共鳴周波数、Ｂ：磁束密度、ｑ：電荷、ｍ：質量）・・・（式２）と表せられる。
【００７７】
本実施の形態では、上記（式２）を満たすＥＣＲの高さ領域が広くなるように設定する。これは前ステップの切り替え直前までに予め磁場プロファイル、つまりコイルＡ、コイルＢ、コイルＣの各電流、を変更しておく必要がある。
【００７８】
本実施の形態では、コイル１（上部コイル１１０ａ）、コイル２（中部コイル１１０ｂ）、コイル３（下部コイル１１０ｃ）の電流（アンペア）をそれぞれ２７Ａ／２６Ａ／４Ａおよびマイクロ波の発振周波数が２．４５ＧＨｚの時、ＥＣＲ高さが１５０ｍｍであり、発振周波数が２．５ＧＨｚの時は、ＥＣＲ高さが１５６ｍｍである。
【００７９】
しかし、磁場プロファイル（磁場条件）を変更し、コイル１、コイル２、コイル３の電流をそれぞれ１７Ａ、１８Ａ、１２Ａとすれば、マイクロ波の発振周波数が２．４５ＧＨｚの時、ＥＣＲ高さが１５０ｍｍであり、２．５ＧＨｚの時は１８５ｍｍとなる。
【００８０】
すなわち、高周波電源１０６から供給される高周波電力の発振周波数を所定量変化させた場合、上記ＥＣＲの高さが所定の高さ以上となるように磁場を形成するための上記各コイルに流す電流値を制御することが好ましい。
【００８１】
この例に示すようにＥＣＲ高さをどの範囲で変化させるかにより対応は異なるが、ＥＣＲ高さをチャンバ１０１ａの高さと同程度の量変更する必要がある場合は、上述の方法が必須となる。
（実施の形態３）
【００８２】
次に各エッチング装置の機差対策でマイクロ波の発振周波数を調整する方法を図１０を用いて説明する。
【００８３】
ＥＣＲ高さモニタがある場合では、ガス種、圧力条件、コイル電流とマイクロ波パワーも固定で放電エッチングを実施する、その時のＥＣＲ高さのモニタ値とマイクロ波の発振周波数を記録する。例えば、図１０に示す装置１〜装置５の各装置で基準となるＥＣＲ高さと同じになるようにマイクロ波の発振周波数を調整し、マイクロ波の発振周波数を記録する。これにより、上記エッチング条件に対して全装置で同じＥＣＲ高さとなる。
【００８４】
上記発振周波数の調整と記録を各エッチング条件や各コイル電流に適用することで、各装置の基準となるＥＣＲ高さのデータベースを構築することができ、その結果、コイル電流ごとに、どのマイクロ波パワーでＥＣＲ高さの基準との差つまり機差があるかを検出することができる。
【００８５】
これに加え、マイクロ波の発振周波数の範囲を広げて適用することで、マイクロ波の発振周波数とコイル電流とＥＣＲ高さの関係のデータベースを構築することができる。これは上述の実施の形態１の図７のコイル電流と発振周波数とＥＣＲ高さに相当するデータベースであり、これによりマイクロ波の発振周波数を制御しやすくすることができる。
【００８６】
なお、ＥＣＲ高さモニタが無い場合でもプラズマ発光とＶＰＰが基準と同じとなるようマイクロ波の発振周波数を調整する方法がある。
【００８７】
詳細は基準となるガス種と圧力を定め、マイクロ波パワー（低パワー領域、例えば２００ワットが望ましい）、コイル電流およびＲＦバイアス電力も１つの条件として放電エッチング処理を行う。
【００８８】
高周波電源とＲＦバイアス電力の構成が完了していることが前提となるが、その時のＶＰＰが各装置で同じとなるようなマイクロ波の発振周波数に補正するという手順でＥＣＲ高さのバラツキをチェックし、それに起因する機差を低減することができる。
【００８９】
ＥＣＲ高さの機差がなければ理論上はプラズマ発光も同じとなり、上方発光量測定器２０２および下方発光量測定器２０３から検知される発光量も同じとなる。しかしながら、エッチング生成物がビューボート部品に付着するなどの理由により検知される発光量が変わるため、プラズマ発光量を同じにするだけではＥＣＲ高さを同じにすることにはならない。
【００９０】
つまりＶＰＰとプラズマ発光を複合的にチェックしてマイクロ波の発振周波数を補正することが望ましい。
【００９１】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【００９２】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【００９３】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
【００９４】
本発明は、マイクロ波ＥＣＲを利用したプラズマ処理装置に好適であるが、それに限らずＥＣＲ方式の成膜装置やアッシャーについても適用可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１０１  処理室
１０１ａ  チャンバ
１０１ｂ  側壁
１０２  シャワープレート
１０３  石英天板
１０４  空洞共振部
１０５  導波管
１０６  高周波電源
１０７  制御部
１０８  ガス供給機構
１０９  排気装置
１１０  磁場形成コイル（磁場形成部）
１１０ａ  上部コイル
１１０ｂ  中部コイル
１１０ｃ  下部コイル
１１１  プラズマ
１１２  ＥＣＲ面
１１３  試料台
１１４  ウエハ（試料）
１１５  誘電体膜
１１６  導電体膜
１１７  ＲＦバイアス電源
１１８  マッチング回路
１１９  カメラ
１２０  ＶＰＰモニタ
１２１  制御部
１３０  発光量測定器
２００  画像（画像データ）
２０１  目盛り
２０２  上方発光量測定器（第１の分光器）
２０３  下方発光量測定器（第２の分光器）
２０４  発光
３０１  エッジ
４０１  スリット
４０２  受光素子
４０３  曲線
６０１、６０２、６０３、６０４、６０５  曲線
８０１、８０２、８０３  画像
８０４  関係式曲線
【図１】
2020012704.tif 000003
【図２】
2020012704.tif 000004
【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】
2020012704.tif 000010
【図９】
2020012704.tif 000011
【図１０】
2020012704.tif 000012
【国際調査報告】
2020012704.tif 000013
2020012704.tif 000014
2020012704.tif 000015
2020012704.tif 000016