(57)【要約】【課題】  真空容器側面からの計測方法では、簡便な方法ではプラズマ発光強度の分布に関する情報を得ることが出来ず、また得るためには複数の検出器と複雑な演算が必要となるため、装置が高価になるという欠点があった。【解決手段】  本発明者は、透明誘電体窓と圧力調整手段を有する真空容器とスロットアンテナとを有し、スロットアンテナより透明誘電体窓を介して真空容器内に放出した高周波により真空容器内にプラズマを生成して処理を行う装置においては、誘電体窓とスロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光を取り出し、プラズマ発光強度の面内分布を計測することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明誘電体窓と圧力調整手段を有する真空容器とスロットアンテナとを有し、該スロットアンテナより該透明誘電体窓を介して該真空容器内に放出した高周波により該真空容器内にプラズマを生成装置のプラズマ発光強度分布計測方法において、前記誘電体窓と前記スロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光光を取り出して、プラズマ発光強度の面内分布を計測することを特徴とするプラズマ発光強度分布計測方法。
【請求項２】
前記光導出手段が光ファイバーであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発光強度分布計測方法。
【請求項３】
前記プラズマ処理装置のプラズマ源が、表面波プラズマ装置、ＳＩＰプラズマ装置、ＲＬＳＡプラズマ装置、ＥＣＲプラズマ装置、ＩＣＰプラズマ装置のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発光強度分布計測方法。
【請求項４】
透明誘電体窓と圧力調整手段を有する真空容器とを有し、該透明誘電体窓を介して該真空容器内に放出した高周波により該真空容器内にプラズマを生成して基板の処理を行うプラズマ処理装置において、該透明誘電体窓表面にプラズマ光反射手段を有し、該プラズマ光反射手段により反射されたプラズマ光を光導出手段を用いて装置外部に取り出すことにより、プラズマ発光強度の面内分布を計測する計測装置を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記プラズマ光反射手段が誘電体窓表面に加工された反射面を持つ窪みであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記光導出手段が透明誘電体外周部に設けられた光導出面が光ファイバーであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記プラズマ処理装置のプラズマ源が、表面波プラズマ装置、ＳＩＰプラズマ装置、ＲＬＳＡプラズマ装置、ＥＣＲプラズマ装置、ＩＣＰプラズマ装置のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スロットアンテナを用いて透明誘電体を介して高周波電力を導入してプラズマを生成する装置における、プラズマ発光強度面内分布の計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩのデザインルールの微細化にともない、ゲート絶縁膜に厚さ２ｎｍ以下のシリコン酸窒化膜が使用され始めている。シリコン酸窒化膜は高比誘電率であり、リーク電流抑制効果やゲート電極からのボロン拡散防止効果を有し、その優れた特性により７０ｎｍ世代までの使用が確実視されている。シリコン酸窒化膜の製造方法は、最初にシリコン熱酸化膜を成膜し、後でプラズマを用いて窒素を導入する方法が採用されている。
【０００３】
しかし、シリコン酸窒化膜製造工程の管理方法には大きな問題が発生している。従来はエリプソメトリー等の光学的膜厚測定手段により膜厚及びその面内分布の管理を行ってきたが、膜厚２ｎｍ以下のシリコン熱酸化膜の光学的手法で計測した膜厚と、キャパシタを作成して電気的に計測した膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ、電気的酸化膜換算膜厚）との相関がうまく取れないことが明らかとなってきた。相関が取れない理由は、プラズマで窒化した膜中の窒素原子の深さ方向分布に関係していると考えられている。即ち、膜表面よりイオン注入で導入された窒素原子は、膜表面で濃度が高く、奥に行くほど濃度が低下するという傾斜分布となっている。通常このような傾斜膜を光学的に測定する場合は、濃度の異なる膜を積層させてモデルを立て、フィッティングにより膜厚を求めている。しかし、２ｎｍ以下という膜厚において上記モデル計算を行っても、精度が得られないのが実情である。
【０００４】
以上に述べたように、モニターウエハを用いた膜厚管理が破綻したため、装置側でのより厳しい管理が求められている。具体的にはプラズマ密度のウエハ面内均一性、及びそのウエハ間再現性の管理である。しかし、従来の管理パラメータである圧力、ガス流量、パワーなどの入力パラメータは、間接的にプラズマに影響を及ぼすものの、結果として出来たプラズマを直接計測している訳ではない。そこで、プラズマを直接計測する方法として、プラズマ発光強度計測が再び脚光を浴びている。
【０００５】
プラズマ発光強度の計測装置は、プラズマエッチング、レジストアッシング、成膜装置のクリーニングの終点判定用として、広く利用されてきた装置である。また、プラズマ発光強度がプラズマの状態（密度、解離度など）を反映することから、放電安定性モニタとして、製造装置の管理パラメータとしても用いられている。以上のように、プラズマ発光強度モニタは、製造装置に適用可能な“プラズマを撹乱しない”という条件を満たしつつ、プラズマ状態を計測する、数少ない計測手段の一つである。
【０００６】
従来のプラズマ発光強度の計測装置は、真空容器側壁に開けられた窓よりプラズマ光を真空容器外部に導出して計測するものが主流であった。従来のプラズマ発光強度計測装置を図９を用いて説明する。図において、２１は真空容器、２２は高周波電源、２３は電極、２４はプラズマ、２５は透明石英窓、２６は光ファイバー、２７は分光器、２８は光電変換素子、２９はプラズマ発光強度モニタである。真空容器内に生成したプラズマからの発光は、真空容器側壁に設置された窓を介して真空容器外に取り出され、光ファイバー等を用いて分光器又はフィルターに導かれる。分光器で必要な波長を選択した後、光電変換素子で光の強度が電気信号に変換され、プラズマ発光強度モニタへと送られる。以上のように、プラズマ発光強度計測装置は、比較的簡単で且つ安価な装置であったため、広く普及している。しかし、上記のように一つのセンサーを用いてプラズマ発光強度を計測する装置では、得られる情報は集光される領域全体を積分したものであり、真空容器内での発光強度の分布に関する情報を得ることは出来なかった。
【０００７】
上記問題点を解決するため、例えば特開平２−２３０６９８号公報、特開平４−３０３５９９号公報では、チャンバー内の２方向にプラズマ発光強度モニタをアレイ状に配列し、得られた信号を演算することでプラズマ発光強度の面内分布を得る方法が開示されている。しかし、上記装置は、複雑な演算を要するため非常に高価になってしまい、また、真空容器側壁に多数の窓を設置する必要が生じるため、実際の製造装置へ取り付けるためには、制約事項が多いという問題点があった。
【０００８】
また、特開平５−８２２８９号公報では、マイクロ波空洞共振器を用いたプラズマ処理装置における発光強度分布計測装置が開示されている。本特許は、空洞共振器又は導波管上部にＣＣＤカメラを設置し、発光強度分布を直接観察するという、まさに本質的な手法である。しかし、本方法の適用範囲は空洞共振器型の装置のように上部からプラズマを直接観測できる装置に限られており、例えばスロットアンテナを用いてマイクロ波を導入する装置においては適用することが出来ないという問題点があった。
【特許文献１】特開平２−２３０６９８号公報
【特許文献２】特開平４−３０３５９９号公報
【特許文献３】特開平５−８２２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の様に、真空容器側面からの計測方法では、簡便な方法ではプラズマ発光強度の分布に関する情報を得ることが出来ず、また得るためには複数の検出器と複雑な演算が必要となるため、装置が高価になるという欠点があった。
【００１０】
また、空洞共振器上部から計測を行う方法は、空洞共振器型プラズマ処理装置以外に適用することが出来なかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、従来のプラズマ発光強度分布計測方法における上述した問題点を解決し、上記目的を達成すべく鋭意努力した結果、透明誘電体窓と圧力調整手段を有する真空容器とスロットアンテナとを有し、スロットアンテナより透明誘電体窓を介して真空容器内に放出した高周波により真空容器内にプラズマを生成して処理を行う装置においては、誘電体窓とスロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光を取り出し、プラズマ発光強度の面内分布を計測することを特徴とする。
【００１２】
また、透明誘電体窓と圧力調整手段を有する真空容器とを有し、透明誘電体窓を介して真空容器内に放出した高周波により真空容器内にプラズマを生成して処理を行う装置においては、誘電体窓表面にプラズマ光反射手段を設置し、プラズマ光反射手段により反射された光を光導出手段を用いて装置外部に取り出す事により、プラズマ発光強度の面内分布を計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
誘電体窓とスロットアンテナの間に光ファイバーを挿入してプラズマ発光強度分布を測定することにより、プラズマ密度の経時変化や均一性を、プラズマに非接触で測定することが可能となるという効果がある。
【００１４】
また、誘電体窓表面にプラズマ光反射手段を設置し、プラズマ光反射手段により反射された光を光導出手段を用いて装置外部に取り出してプラズマ発光強度の面内分布を計測することにより、プラズマ密度の経時変化や均一性を、プラズマに非接触で測定することが可能となるという効果がある。
【００１５】
更に、マイクロ波電源やマイクロ波分配器にフィードバックすることにより、経時変化や面内均一性を大幅に改善する事ができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の誘電体窓とスロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光を取り出し、プラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、図１を用いて説明する。図１は、表面波干渉プラズマ処理装置の断面を示している。図において、１０１は真空容器、１０２は環状導波管、１０３はスロットアンテナ、１０４は石英製の誘電体窓、１０５は表面波プラズマ、１０６は基板支持台、１０７は光ファイバー、１０８は分光器、１０９は光電変換素子、１１０はプラズマ発光強度モニターを示している。まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内にガスが導入され、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、所定の圧力に設定される。次に、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波が放射され、プラズマが発生する。本発明における光ファイバーの設置方法の詳細図を図２に示す。図において、１０２は環状導波管、１０３はスロットアンテナ、１０４は石英製の誘電体窓、１０５は表面波プラズマ、１０７は光ファイバーである。スロットアンテナと誘電体窓の間には、窓冷却のためのエア流路、或いはスロット板側への熱伝導を向上させるための高熱伝導ゴムシート設置のために、１〜２ｍｍ程度の隙間が設けられている。その隙間を利用すれば、原理的にはスロット直下以外の任意の場所にファイバーを設置することが出来る。但し、スロットと誘電体窓間に隙間があるとマイクロ波が漏洩するため、ファイバー取り出し部以外の場所はスパイラルシール等の不図示の手段でマイクロ波漏洩を防止する必要がある。図３に、アンテナ上方から見たファイバー設置可能箇所を示す。スロット直下或いはその近傍にファイバーを設置すると、スロットから放射されるマイクロ波電磁界が乱されて、生成されるプラズマの密度や均一性に影響を与えるため、スロット近傍５ｍｍ以内に設置することは出来ない。しかし、それ以外の場所であれば任意の場所に設置可能である。ファイバーは、図３に示すように、径方向及び周方向にそれぞれ複数個設置する。複数個のファイバーを一つの基板或いは導電性ゴムシート上にアセンブリ化すると、取扱いが容易となり、更に好ましい。図４ａ〜ｄに、効率よく光を収集するための、光ファイバー先端形状の一例を示す。図４ａに示すように、先端を斜めに加工することで、下方からの光をファイバー内に導くことが出来る。しかし、この構造では斜め光も拾うため、位置分解能が低い。そこで、図４ｂに示すような曲げ、或いは図４ｃに示すようなプリズムを先端に取り付けることで、下方からの光をファイバー内に導くことが出来、測定の位置分解能が向上する。図４ｄは、図４ｃと同様に先端にプリズムを取り付けたものだが、ファイバー先端をプリズム状に削り出す事により、貼り合わせと比較して光透過のロスを防ぎ、安定した検出感度を実現することが出来る。光の反射面にＡｌ等の金属を蒸着する事で集光効率は改善するが、異常放電の原因となるので、金属部品は用いない方が望ましい。
【００１７】
本計測装置は、誘電体窓とスロットアンテナ間に設置した光ファイバー、及び市販の分光器、光電変換素子、プラズマ発光強度モニターで構成され、その装置構成は非常に簡単であり、また安価である。また放電原理がスロットアンテナを用い、透明誘電体窓を介して高周波を導入する形式であれば、いかなる構造のプラズマ源であっても容易に適用できるという特徴を持つ。上記特徴を持つプラズマ源としては、例えば表面波プラズマ、表面波干渉プラズマ、ＲＬＳＡプラズマなどが上げられる。各プラズマ源とも、スロットの配置や本数に独自の特徴を持つが、スロットのない空間があれば、如何なるプラズマ源に対しても適用することが可能である。
【００１８】
透明誘電体窓の材質は、石英のように可視光を全て透過するものが好ましいが、多少透過率が落ちる透光性アルミナのような材質でも使用可能である。また、例えばＡｌＮのように可視〜赤外光のみを透過させるような材料でも、プラズマ発光が透過可能波長領域にあれば、使用することが可能となる。
【００１９】
更に、本計測装置を用いて計測されたプラズマ発光強度の相対変動や面内分布を、プロセス条件にフィードバックすることにより、プラズマ処理速度の経時変化や面内分布の変動を高い精度で一定に保つことが可能である。
【００２０】
プラズマ密度の面内分布を計測してプロセス条件にフィードバックするための装置構成の一例を、図５に示す。図において、１０１は真空容器、１０２は環状導波管、１０３はスロットアンテナ、１０４は石英製の誘電体窓、１０５は表面波プラズマ、１０６は基板支持台、１０８は分光器、１０９は光電変換素子、１１０はプラズマ発光強度モニター、５１１は導波管、５１２は整合器、５１３はマイクロ波発振器、５１４はマイクロ波分配器、５１５はマイクロ波分配器制御部、５１６は第１の光ファイバー、５１７は第２の光ファイバーを示している。第一及び第二の光ファイバーは、マイクロ波分配器により２つに分岐した導波管が、環状導波管１０２に接続された方向の誘電体外周部に設置される。放電中のプラズマ発光強度の分布は、第一の光ファイバー５１６及び第二の光ファイバー５１７により検出され、信号強度に比例した電圧値として、プラズマ発光強度モニター１１０から出力される。マイクロ波分配器制御部５１５では、第一の光ファイバー５１６及び第二の光ファイバー５１７の信号強度を比較し、両方の信号強度が等しくなる様にマイクロ波分配器の調整を行う。マイクロ波分配器では、可動分配板を動かすことにより、導波管断面積が大きくなった方向の導波管により多くのマイクロ波電力が供給される。例えば、第一の光ファイバー５１６側の発光強度、即ちプラズマ密度が減少した時は、可動分配板を第二の光ファイバー５１７側に動かすことにより、第一の光ファイバー５１６側のマイクロ波供給電力が増加する。その結果、第一の光ファイバー５１６側のプラズマ密度が上昇し、周方向に均一なプラズマが実現される。本例では導波管の分岐が２つの場合を例示したが、３つ以上に分岐して導入する場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００２１】
次に、誘電体窓表面にプラズマ光反射手段を設置し、プラズマ光反射手段により反射された光を光導出手段を用いて装置外部に取り出す事により、プラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、図６を用いて説明する。図６は、表面波干渉プラズマ処理装置の断面を示している。図において、１０１は真空容器、１０２は環状導波管、１０３はスロットアンテナ、１０４は石英製の誘電体窓、１０５は表面波プラズマ、１０６は基板支持台、１０７は光ファイバー、１０８は分光器、１０９は光電変換素子、１１０はプラズマ発光強度モニター、１１１はプラズマ光反射面を示している。まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内にガスが導入され、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、所定の圧力に設定される。次に、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波が放射され、プラズマが発生する。本発明におけるプラズマ光反射面の形状及びプラズマ光導出手段の設置方法の詳細図を図７に示す。図において、１０５は表面波プラズマ、１０７は光ファイバー、１１１はプラズマ光反射面、１１２はプラズマ光導出面である。光反射面は、透明誘電体窓表面に加工された窪みである。反射面と誘電体面との角度を４５°とすることで、プラズマ光反射面直下のプラズマ発光を効率よく反射することが出来る。反射面の大きさは、大きいほど周辺からの迷光に対するＳ／Ｎ比が向上して検出精度が向上するが、５ｍｍ×５ｍｍ程度の大きさがあれば十分である。但し、反射面を加工する際に鋭角の部分を作ると、熱履歴により誘電体が破損するため、角は丸く加工し、また厚くして強度を増す等の対策を施しておくことが重要である。また、円盤状の誘電体窓の場合、プラズマ光導出面を平面に加工しておくことで、効率よくプラズマ光を光ファイバーに導くことが出来る。当然ながら、光反射面及び透過面は鏡面研磨する必要がある。図８に、上方から見たプラズマ反射面の設置可能箇所を示す。スロット直下或いはその近傍に反射面を設置すると、スロットから放射されるマイクロ波電磁界が乱されて、生成されるプラズマの密度や均一性に影響を与えるため、スロット近傍５ｍｍ以内に設置することは出来ない。しかし、それ以外の場所であれば任意の場所に設置可能である。反射面は、図３に示すように、径方向及び周方向にそれぞれ複数個設置する。但し、径方向に複数個設置する時は、光を取り出す光軸をずらす必要がある。
【００２２】
本計測装置は、光反射面及び光導出面を加工した透明誘電体窓、光ファイバー、市販の分光器、光電変換素子、プラズマ発光強度モニターで構成され、その装置構成は非常に簡単である。また放電原理が透明誘電体窓を介して高周波を導入する形式であれば、いかなる構造のプラズマ源であっても容易に適用できるという特徴を持つ。上記特徴を持つプラズマ源としては、例えば表面波プラズマ、表面波干渉プラズマ、ＲＬＳＡプラズマＥＣＲプラズマ、ＩＣＰプラズマなどが上げられる。
【００２３】
透明誘電体窓の材質は、石英のように可視光を全て透過するものが好ましいが、多少透過率が落ちる透光性アルミナのような材質でも使用可能である。また、例えばＡｌＮのように可視〜赤外光のみを透過させるような材料でも、プラズマ発光が透過可能波長領域にあれば、使用することが可能となる。
【００２４】
更に、本計測装置を用いて計測されたプラズマ発光強度の相対変動や面内分布を、プロセス条件にフィードバックすることにより、プラズマ処理速度の経時変化や面内分布の変動を高い精度で一定に保つことが可能である。
【００２５】
以下実施例を挙げて本発明のプラズマ密度測定装置及び方法をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
本発明の第１の実施例として、誘電体窓とスロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光を取り出しプラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、表面波干渉プラズマ処理装置に適用した例を示す。表面波干渉プラズマ処理装置の構造は、図１に示したものと同様である。誘電体窓は、直径３２７ｍｍ、厚さ１３ｍｍの石英を用いた。また、スロットアンテナは、６０°毎に６本のスロットを放射状に配置した形状のものを用いた。さらに、誘電体窓とスロットアンテナの間に加工を施した光ファイバーの先端を挿入し、もう一方の先端を分光器に接続した。先端部の形状は、図４ｄの形状とした。光ファイバーは、スロットの間の半径１３５ｍｍの位置で、周方向に５ｍｍ間隔で２５本設置した。
【００２７】
まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内に２００ｓｃｃｍのＡｒガスを導入し、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、圧力を１００Ｐａに設定した。次に、不図示の２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を発振させ、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内にマイクロ波を放射し、表面波プラズマを発生させた。
【００２８】
次に、発光強度モニタにより、プラズマ発光強度分布を測定した。周方向の強度測定の結果、スロット間に３つのピークが観測された。
【００２９】
次に、真空容器下部の基板支持台を取り除き、ビューポートを設置して、プラズマの発光パターンをデジタルカメラで撮影したところ、スロット間に３つの発光強度が強い部分が観察され、測定が正しく行われたことが確認された。
【実施例２】
【００３０】
本発明の第２の実施例として、誘電体窓とスロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光を取り出しプラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、表面波干渉プラズマ処理装置に適用し、周方向のプラズマの均一性を測定した例を示す。表面波干渉プラズマ処理装置の構造は、図１に示したものと同様である。誘電体窓は、直径３２７ｍｍ、厚さ１３ｍｍの石英を用いた。また、スロットアンテナは、６０°毎に６本のスロットを放射状に配置した形状のものを用いた。さらに、誘電体窓とスロットアンテナの間に加工を施した光ファイバーの先端を挿入し、もう一方の先端を分光器に接続した。先端部の形状は、図４ｄの形状とした。光ファイバーは、周方向に６０°おきに６本、スロットアンテナより３０°回転した位置に設置した。
【００３１】
まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内に２００ｓｃｃｍのＡｒガスを導入し、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、圧力を１３Ｐａに設定した。次に、不図示の２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を発振させ、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内にマイクロ波を放射し、表面波プラズマを発生させた。表面波プラズマの発光パターンを覗き窓から目視観察すると、径方向には２個、周方向には１８個の発光強度が強い部分が観察された。
【００３２】
次に、プラズマ発光強度モニタにより、プラズマ発光強度分布を測定した。周方向６点の電圧測定値は測定点１：２．５４Ｖ、測定点２：２．６３Ｖ、測定点３：２．７５Ｖ、測定点４：２．８２Ｖ、測定点５：２．７０Ｖ、測定点６：２．６０Ｖであった。測定は、誘電体の中心より１３５ｍｍの位置で行った。この結果より、測定点４の位置でプラズマ発光強度が強く、測定点１の位置でプラズマ発光強度が弱いという結果が得られた。発光強度の均一性は、５．２％であった。続いて、装置内に、８インチＳｉ基板上にフォトレジストを５００ｎｍ塗布したウエハを設置し、同様のＡｒプラズマを発生させて、Ａｒプラズマによるフォトレジストのエッチング速度の面内分布を測定した。その結果、プラズマ発光強度測定で強度の強かった測定点４の方向でエッチング速度が高く、プラズマ発光強度の低かった測定点１の方向でエッチング速度が低かった。エッチング速度の面内均一性は、６．７％という結果が得られた。以上の様に、エッチング速度の面内分布とプラズマ発光強度の分布とに強い相関があり、プラズマ発光強度分布はプラズマ密度分布を反映した物であることが明らかとなった。この結果から、プラズマ発光強度分布をモニタリングすることにより、プラズマ処理速度の均一性を管理する事が可能となった。
【実施例３】
【００３３】
本発明の第３の実施例として、誘電体窓とスロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光を取り出しプラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、表面波干渉プラズマ処理装置に適用し、プラズマ発光強度の経時変化を測定した例を示す。表面波干渉プラズマ処理装置の構造は、図１に示したものと同様である。誘電体窓は、直径３２７ｍｍ、厚さ１３ｍｍの石英を用いた。また、スロットアンテナは、６０°毎に６本のスロットを放射状に配置した形状のものを用いた。さらに、誘電体窓とスロットアンテナの間に加工を施した光ファイバーの先端を挿入し、もう一方の先端を分光器に接続した。先端部の形状は、図４ｄの形状とした。光ファイバーは、誘電体窓中心と中心より１２０ｍｍの位置の２箇所に設置した。
【００３４】
まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内に２００ｓｃｃｍのＮ２ガスを導入し、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、圧力を１３Ｐａに設定した。次に、不図示の２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を発振させ、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内にマイクロ波を放射し、表面波プラズマを発生させた。表面波プラズマの発光パターンを覗き窓から目視観察すると、径方向には２個、周方向には１８個の発光強度が強い部分が観察された。
【００３５】
次に、プラズマ発光強度モニタにより、プラズマ発光強度分布を測定した。実験開始時の２点の電圧測定値は、中心：２．３５Ｖ、周辺：２．６５Ｖであった。続いて、装置内に、１．６ｎｍのシリコン酸化膜を成膜した８インチＳｉウエハを設置し、同様のＮ２プラズマに１０秒間さらして、Ｎ２プラズマによりシリコン酸化膜中に導入された窒素の濃度をＳＩＭＳを用いて測定した。その結果、中心部で１１．５ａｔ％、周辺部で１２．３ａｔ％という値が得られた。次に、断続的に２５０時間のＮ２放電を行った。放電中にプラズマ発光強度は±１％の範囲で安定し、２５０時間経過後には、中心：２．３１Ｖ、周辺：２．５９Ｖであった。この時の酸化膜中窒素濃度は中心部で１１．０ａｔ％、周辺部で１１．６ａｔ％であった。更に断続的にＮ２放電を行い、合計５００時間放電を行ったところ、４５０時間付近から、徐々に発光強度の低下が及び均一性の悪化が観測された。５００時間経過後には、中心：２．１０Ｖ、周辺：２．５１Ｖであった。この時の酸化膜中窒素濃度は中心部で９．８ａｔ％、周辺部で１１．３ａｔ％であった。以上の様に、窒素濃度とプラズマ発光強度とに強い相関があるため、プラズマ発光強度をモニタリングすることにより、窒化処理後のウエハの窒素濃度測定を行わなくても、窒素濃度の変動を予測する事が可能となった。
【実施例４】
【００３６】
本発明の第４の実施例として、誘電体窓とスロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光を取り出しプラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、表面波干渉プラズマ処理装置に適用し、プラズマ発光強度の面内均一性を測定してマイクロ波分配器にフィードバックする装置を作成した例を示す。表面波干渉プラズマ処理装置の構造は、図５に示したものと同様である。誘電体窓は、直径３２７ｍｍ、厚さ１３ｍｍの石英を用いた。また、スロットアンテナは、６０°毎に６本のスロットを放射状に配置した形状のものを用いた。さらに、誘電体窓とスロットアンテナの間に加工を施した光ファイバーの先端を挿入し、もう一方の先端を分光器に接続した。先端部の形状は、図４ｄの形状とした。光ファイバーは、誘電体窓中心より１２０ｍｍの径で、環状導波管へのマイクロ波導入部近傍で１８０°離れた２箇所に設置した。また、発光強度モニターの出力をマイクロ波分配器制御部に接続した。マイクロ波分配器制御部内にはＰＩＤ制御回路を組込み、２つのアンテナの発光強度が常に同じになる様にマイクロ波分配板の角度を変化させた。
【００３７】
まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内にＮ２ガスを２００ｓｃｃｍの流量で導入し、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、圧力を１３Ｐａに設定した。次に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源よりマイクロ波を発振させ、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内にマイクロ波を放射し、表面波プラズマを発生させた。ここで、誘電体窓は、意図的に板厚傾斜を持ったものを準備し、２つのマイクロ波導入部の一方で誘電体厚が厚く、一方で誘電体厚が薄くなる様に窓を設置した。板厚は、厚い部分で１３ｍｍ、薄い部分で１２ｍｍであった。
【００３８】
まず、分配器の制御を行わない状態で表面波プラズマの発光パターンを覗き窓から目視観察すると、誘電体窓が薄い方向で発光強度が強く、厚い方向で弱かった。次に、プラズマ発光強度モニタにより、プラズマ発光強度分布を測定した。２点の電圧測定値は、厚い側：２．３５Ｖ、薄い側：２．９１Ｖであった。続いて、装置内に、１．６ｎｍのシリコン酸化膜を成膜した８インチＳｉウエハを設置し、同様のＮ２プラズマに５秒間さらして、Ｎ２プラズマによりシリコン酸化膜中に導入された窒素の濃度をＳＩＭＳを用いて測定した。その結果、厚い側で７．１ａｔ％、薄い側で８．８ａｔ％という値が得られた。
【００３９】
次に、分配器の制御を行って表面波プラズマの発光パターンを覗き窓から目視観察すると、誘電体窓が薄い方向と厚い方向のプラズマ発光強度はほぼ同じとなった。この時のマイクロ波分配板の角度は、誘電体窓が薄い側に１２°傾斜していた。この状態で、プラズマ発光強度モニタにより、プラズマ発光強度分布を測定した。２点の電圧測定値は、厚い側：２．６２Ｖ、薄い側：２．６４Ｖであった。続いて、装置内に、１．６ｎｍのシリコン酸化膜を成膜した８インチＳｉウエハを設置し、同様のＮ２プラズマに５秒間さらして、Ｎ２プラズマによりシリコン酸化膜中に導入された窒素の濃度をＳＩＭＳを用いて測定した。その結果、厚い側で７．９ａｔ％、薄い側で８．０ａｔ％という値が得られた。
【００４０】
以上の様に、プラズマ発光強度を面内で一定に保つ様にマイクロ波分配器を調節することにより、窒素濃度の均一性を大幅に改善すると共に、常に一定に保つ事が可能となった。
【実施例５】
【００４１】
本発明の第５の実施例として、誘電体窓とスロットアンテナの間に光導出手段を挿入してプラズマ発光を取り出しプラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、表面波干渉プラズマ処理装置に適用し、プラズマ発光強度の面内分布を測定してプラズマ処理装置制御部でデータを監視する装置を作成した例を示す。表面波プラズマ処理装置の構造は、図１に示したものと同様である。誘電体窓は、直径３２７ｍｍ、厚さ１３ｍｍの石英を用いた。また、スロットアンテナは、６０°毎に６本のスロットを放射状に配置した形状のものを用いた。さらに、誘電体窓とスロットアンテナの間に加工を施した光ファイバーの先端を挿入し、もう一方の先端を分光器に接続した。先端部の形状は、図４ｄの形状とした。光ファイバーは、誘電体窓中心より１２０ｍｍの径で、各スロット中間の６箇所に設置した。また、発光強度モニターの出力をプラズマ処理装置制御部Ａ／Ｄ変換ボードに接続し、画面上に電圧値を表示すると共に、電圧値の均一性が３％を超えるとエラーが発生するように設定した。
【００４２】
まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内にＮ２ガスを２００ｓｃｃｍの流量で導入し、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、圧力を１３Ｐａに設定した。次に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源よりマイクロ波を発振させ、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内にマイクロ波を放射し、表面波プラズマを発生させた。表面波プラズマの発光パターンを覗き窓から目視観察すると、径方向には２個、周方向には１８個の発光強度が強い部分が観察された。
【００４３】
次に、８インチシリコンウエハを挿入し、処理時間３分のレシピでＮ２放電の連続処理を行った。約８０００枚の処理を行った時点で、放電中に均一性エラーが発生して処理が停止した。真空容器を分解して調査したところ、発光強度に異常が観測された付近で、Ｏ−ｒｉｎｇの劣化によりリークが発生していることが判明した。Ｏ−ｒｉｎｇを交換すると、発光強度は元通りに戻った。
【００４４】
以上の様に、プラズマ発光強度の均一性を常時監視することにより、プラズマの異常を瞬時に発見し、製品への被害を最小限に食い止めることが可能となった。
【実施例６】
【００４５】
本発明の第６の実施例として、誘電体窓表面にプラズマ光反射手段を設置し、プラズマ光反射手段により反射された光を光導出手段を用いて装置外部に取り出す事によりプラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、表面波干渉プラズマ処理装置に適用した例を示す。表面波干渉プラズマ処理装置の構造は、図１に示したものと同様である。誘電体窓は、直径３２７ｍｍ、厚さ２０ｍｍの石英を用いた。また、スロットアンテナは、６０°毎に６本のスロットを放射状に配置した形状のものを用いた。さらに、誘電体窓に、スロット間に収まるように、角度５０度で半径１３５ｍｍの位置に円弧状の反射面を加工した。誘電体窓外周部には、１０ｍｍ間隔で１１本の光ファイバーを設置し、もう一方の先端を分光器に接続した。
【００４６】
まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内に２００ｓｃｃｍのＡｒガスを導入し、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、圧力を１００Ｐａに設定した。次に、不図示の２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を発振させ、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内にマイクロ波を放射し、表面波プラズマを発生させた。
【００４７】
次に、発光強度モニタにより、プラズマ発光強度分布を測定した。周方向の強度測定の結果、スロット間に３つのピークが観測された。
【００４８】
次に、真空容器下部の基板支持台を取り除き、ビューポートを設置して、プラズマの発光パターンをデジタルカメラで撮影したところ、スロット間に３つの発光強度が強い部分が観察され、測定が正しく行われたことが確認された。
【実施例７】
【００４９】
本発明の第７の実施例として、誘電体窓表面にプラズマ光反射手段を設置し、プラズマ光反射手段により反射された光を光導出手段を用いて装置外部に取り出す事によりプラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を、表面波干渉プラズマ処理装置に適用し、周方向のプラズマの均一性を測定した例を示す。表面波干渉プラズマ処理装置の構造は、図１に示したものと同様である。誘電体窓は、直径３２７ｍｍ、厚さ２０ｍｍの石英を用いた。また、スロットアンテナは、６０°毎に６本のスロットを放射状に配置した形状のものを用いた。さらに、誘電体窓表面に、誘電体の中心より１３５ｍｍの位置で、周方向に６０°おきに６個、スロットアンテナより３０°回転した位置にプラズマ光反射面を加工した。更に、プラズマ光反射面の光軸に合わせて、誘電体窓外周部にプラズマ光導出面を加工し、光ファイバーを設置した。
【００５０】
まず、不図示のターボ分子ポンプにより排気された真空容器内に２００ｓｃｃｍのＡｒガスを導入し、不図示の可変コンダクタンスバルブを調整して、圧力を１３Ｐａに設定した。次に、不図示の２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を発振させ、環状導波管下部に開口されたスロットアンテナより、誘電体窓を介して、真空容器内にマイクロ波を放射し、表面波プラズマを発生させた。表面波プラズマの発光パターンを覗き窓から目視観察すると、径方向には２個、周方向には１８個の発光強度が強い部分が観察された。
【００５１】
次に、プラズマ発光強度モニタにより、プラズマ発光強度分布を測定した。周方向６点の電圧測定値は測定点１：１．０２Ｖ、測定点２：１．０４Ｖ、測定点３：１．０７Ｖ、測定点４：１．０９Ｖ、測定点５：１．０６Ｖ、測定点６：１．０４Ｖであった。この結果より、測定点４の位置でプラズマ発光強度が強く、測定点１の位置でプラズマ発光強度が弱いという結果が得られた。発光強度の均一性は、３．３％であった。続いて、装置内に、８インチＳｉ基板上にフォトレジストを５００ｎｍ塗布したウエハを設置し、同様のＡｒプラズマを発生させて、Ａｒプラズマによるフォトレジストのエッチング速度の面内分布を測定した。その結果、プラズマ発光強度測定で強度の強かった測定点４の方向でエッチング速度が高く、プラズマ発光強度の低かった測定点１の方向でエッチング速度が低かった。エッチング速度の面内均一性は、４．８％という結果が得られた。以上の様に、エッチング速度の面内分布とプラズマ発光強度の分布とに強い相関があり、プラズマ発光強度分布はプラズマ密度分布を反映した物であることが明らかとなった。この結果から、プラズマ発光強度分布をモニタリングすることにより、プラズマ処理速度の均一性を管理する事が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明における誘電体窓とスロットアンテナの間に光ファイバーを挿入してプラズマ発光強度分布を測定する装置を模式的に示した図である。
【図２】本発明における光ファイバーの詳細な設置位置を示した断面図である。
【図３】本発明における光ファイバーの詳細な設置位置を示した平面図である。
【図４】本発明における光ファイバーの先端形状の一例である。
【図５】本発明における、プラズマ発光強度をマイクロ波分配器にフィードバックする装置の構成を模式的に示した図である。
【図６】本発明における誘電体窓表面にプラズマ光反射手段を設置し、プラズマ光反射手段により反射された光を光導出手段を用いて装置外部に取り出してプラズマ発光強度の面内分布を計測する装置を模式的に示した図である。
【図７】本発明におけるプラズマ光反射手段と光導出手段の詳細な設置位置を示した断面図である。
【図８】本発明におけるプラズマ光反射手段と光導出手段の詳細な設置位置を示した平面図である。
【図９】従来のプラズマ発光強度計測装置の構造を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０１  真空容器
１０２  環状導波管
１０３  スロットアンテナ
１０４  石英製誘電体窓
１０５  表面波プラズマ
１０６  基板支持台
１０７  光ファイバー
１０８  分光器
１０９  光電変換素子
１１０  プラズマ発光強度モニター
５１１  導波管
５１２  整合器
５１３  マイクロ波発振器
５１４  マイクロ波分配器
５１５  マイクロ波分配器制御部
５１６  第１の光ファイバー
５１７  第２の光ファイバー
【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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