(57)【要約】【課題】プラズマ生成空間における複数の領域のそれぞれについてプラズマ着火の状態をモニタすることを目的とする。【解決手段】マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を処理容器の内部に放射するマイクロ波放射機構を有するプラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射機構は、マイクロ波を放射するアンテナと、前記アンテナから放射したマイクロ波を透過し、該マイクロ波により表面波プラズマを生成するための電界が形成される誘電体部材と、前記マイクロ波放射機構又は該マイクロ波放射機構の近傍に設けられ、生成されたプラズマの電子温度をモニタするセンサと、前記センサがモニタしたプラズマの電子温度に基づき、プラズマ着火の状態を判定する制御部と、を有する、プラズマ処理装置が提供される。【選択図】図４
2018181634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を処理容器の内部に放射するマイクロ波放射機構を有するプラズマ処理装置であって、
前記マイクロ波放射機構は、
マイクロ波を放射するアンテナと、
前記アンテナから放射したマイクロ波を透過し、該マイクロ波により表面波プラズマを生成するための電界が形成される誘電体部材と、
前記マイクロ波放射機構又は該マイクロ波放射機構の近傍に設けられ、生成されたプラズマの電子温度をモニタするセンサと、
前記センサがモニタしたプラズマの電子温度に基づき、プラズマ着火の状態を判定する制御部と、
を有する、プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記マイクロ波放射機構は、前記処理容器の天板の周方向にＮ（Ｎ≧２）個配置され、
前記センサは、Ｎ又はＮの倍数個設けられ、
前記制御部は、Ｎ又はＮの倍数個の前記センサがモニタしたプラズマの電子温度に基づき、Ｎ個の前記マイクロ波放射機構のそれぞれに対応するプラズマ着火の状態を判定する
請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
Ｎ又はＮの倍数個の前記センサは、少なくとも一部が前記マイクロ波放射機構に挿入されているか、又は該マイクロ波放射機構の近傍の前記天板に挿入されている、
請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記センサは、絶縁材料にてコーティングされている、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記処理容器の天板の内部表面の高さをＺ０＝０、高さＺ０にて前記センサにより計測されるプラズマの電子温度をＴｅ０、前記天板の内部表面から被処理体までの距離をＺ、前記処理容器内の圧力をｐとしたとき、以下の式（１）に基づき、前記センサにより計測されるプラズマの電子温度Ｔｅ０を被処理体におけるプラズマの電子温度Ｔｅ（Ｚ）に補正し、補正したプラズマの電子温度Ｔｅ（Ｚ）に基づきプラズマの分布を制御する、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【数１】
2018181634.tif 000005
【請求項６】
前記制御部は、前記処理容器の天板の内部表面の高さをＺ０＝０、高さＺ０にて前記センサにより計測されるプラズマの電子密度をＮｅ０、前記天板の内部表面から被処理体までの距離をＺ、前記処理容器内の圧力をｐとしたとき、以下の式（２）に基づき、前記センサにより計測されるプラズマの電子密度Ｎｅ０を被処理体におけるプラズマの電子密度Ｎｅ（Ｚ）に補正し、補正したプラズマの電子密度Ｎｅ（Ｚ）に基づきプラズマの分布を制御する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【数２】
2018181634.tif 000006
【請求項７】
前記制御部は、Ｎ個又はＮの倍数個の前記補正したプラズマの電子温度Ｔｅ（Ｚ）及びＮ個又はＮの倍数個の前記補正したプラズマの電子密度Ｎｅ（Ｚ）に基づき、Ｎ個の前記マイクロ波放射機構に放射されるマイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相の少なくともいずれかを制御する、
請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を処理容器の内部に放射するマイクロ波放射機構を有するプラズマ処理装置を使用して、プラズマを制御する制御方法であって、
前記マイクロ波放射機構は、
マイクロ波を放射するアンテナと、
前記アンテナから放射したマイクロ波を透過し、該マイクロ波により表面波プラズマを生成するための電界が形成される誘電体部材と、
前記マイクロ波放射機構又は該マイクロ波放射機構の近傍に設けられ、生成されたプラズマの電子温度をモニタするセンサとを有し、
前記センサがモニタしたプラズマの電子温度に基づき、プラズマ着火の状態を判定する、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマの状態をモニタする手法の一つに発光分光計測（ＯＥＳ：Optical Emission Spectroscopy）が知られている。発光分光計測では、試料中の対象元素を放電プラズマによって蒸発気化励起し、得られる元素固有の輝線スペクトル（原子スペクトル）の波長を定性し、発光強度から定量を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２０７９１５号公報
【特許文献２】特開平９−１９２４７９号公報
【特許文献３】特開２０１１−６０８５２号公報
【特許文献４】特開２０１３−７７４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、発光分光計測では、プラズマ全体の状態をモニタするため、プラズマの分布をモニタすることはできない。よって、発光分光計測では、プラズマ全体の着火状態をモニタすることはできても、プラズマの部分の着火状態についてはモニタすることができない。
【０００５】
また、発光分光計測では、処理容器内に複数のガスを供給する場合、異なるガス励起種において発光スペクトルの波長が重複することがあり、プラズマ特性をモニタリングする際の精度に欠けることがある。
【０００６】
例えば、複数のマイクロ波放射機構からマイクロ波を処理容器内に導入する場合、発光分光計測では、複数のマイクロ波放射機構のうちのいずれか一方に対応するプラズマのみが消失した場合、これを検知することは困難である。
【０００７】
上記課題に対して、一側面では、本発明は、プラズマ生成空間における複数の領域のそれぞれについてプラズマ着火の状態をモニタすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、一の態様によれば、マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を処理容器の内部に放射するマイクロ波放射機構を有するプラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射機構は、マイクロ波を放射するアンテナと、前記アンテナから放射したマイクロ波を透過し、該マイクロ波により表面波プラズマを生成するための電界が形成される誘電体部材と、前記マイクロ波放射機構又は該マイクロ波放射機構の近傍に設けられ、生成されたプラズマの電子温度をモニタするセンサと、前記センサがモニタしたプラズマの電子温度に基づき、プラズマ着火の状態を判定する制御部と、を有する、プラズマ処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
一の側面によれば、プラズマ生成空間における複数の領域のそれぞれについてプラズマ着火の状態をモニタすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面の一例を示す図。
【図２】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の天板の内壁の一例を示す図。
【図３】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ源の構成の一例を示す図。
【図４】一実施形態に係るプローブ測定によるプラズマ着火の判定を説明する図。
【図５】一実施形態に係るプローブ測定によるプラズマ電子密度の電力依存性の一例を示す図。
【図６】一実施形態に係るプローブ測定によるプラズマの電子温度の電力依存性の一例を示す図。
【図７】一実施形態に係るプローブの取り付け位置の一例を示す図。
【図８】一実施形態に係るプローブの測定結果に応じたプラズマ着火判定処理の一例を示すフローチャート。
【図９】一実施形態に係るプローブの測定結果に応じたプラズマ分布制御処理の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【００１２】
［マイクロ波プラズマ処理装置］
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の断面図の一例を示す。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、ウェハＷを収容するチャンバ１を有する。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、マイクロ波によってチャンバ１側の表面に形成される表面波プラズマにより、半導体ウェハＷ（以下、「ウェハＷ」と称呼する）に対して所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の一例である。所定のプラズマ処理の一例としては、成膜処理またはエッチング処理が例示される。
【００１３】
チャンバ１は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の処理容器であり、接地されている。マイクロ波プラズマ源２は、チャンバ１の天板の内壁に形成された開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。マイクロ波プラズマ源２から開口部１ａを通ってチャンバ１内にマイクロ波が導入されると、チャンバ１内に表面波プラズマが形成される。
【００１４】
チャンバ１内にはウェハＷを載置する載置台１１が設けられている。載置台１１は、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持されている。載置台１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁部材（セラミックス等）が例示される。載置台１１には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウェハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。
【００１５】
載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
【００１６】
チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させるとチャンバ１内が排気され、これにより、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧される。チャンバ１の側壁には、ウェハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。
【００１７】
マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０とマイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射機構５０とを有する。マイクロ波出力部３０は、複数経路に分配してマイクロ波を出力する。
【００１８】
マイクロ波伝送部４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送する。マイクロ波伝送部４０に設けられた周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射機構５０に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有する。
【００１９】
周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３を同軸状に配置する。外側導体５２と内側導体５３の間には、マイクロ波電力が給電され、マイクロ波放射機構５０に向かってマイクロ波が伝送されるマイクロ波伝送路４４となっている。
【００２０】
周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂには、スラグ６１と、その先端部に位置するインピーダンス調整部材１４０とが設けられている。スラグ６１を移動させることにより、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる機能を有する。インピーダンス調整部材１４０は、誘電体で形成され、その比誘電率によりマイクロ波伝送路４４のインピーダンスを調整するようになっている。
【００２１】
マイクロ波放射機構５０は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング１２９に気密にシールされた状態で設けられ、マイクロ波出力部３０から出力され、マイクロ波伝送部４０を伝送したマイクロ波をチャンバ１内に放射する。マイクロ波放射機構５０は、チャンバ１の天板に設けられ、天井部の一部を構成している。
【００２２】
マイクロ波放射機構５０は、本体部１２０、遅波材１２１，１３１、マイクロ波透過部材１２２，１３２、スロット１２３，１３３及び誘電体層１２４を有する。本体部１２０は、金属から構成されている。
【００２３】
本体部１２０は、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａと１つの中央マイクロ波導入機構４３ｂとに接続されている。図２に、一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の天板の内壁の一例を示す。図２では、ガスの供給孔は省略している。図２に示すように、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａは、チャンバ１の天板（本体部１２０）の外側にて周方向に等間隔に配置される。１つの中央マイクロ波導入機構４３ｂは、チャンバ１の天板の中央に配置される。
【００２４】
図１に戻り、遅波材１２１は、周縁マイクロ波導入機構４３ａに接続された状態で本体部１２０に嵌め込まれている。遅波材１３１は、中央マイクロ波導入機構４３ｂに接続された状態で本体部１２０に嵌め込まれている。遅波材１２１，１３１は、マイクロ波を透過させる円盤状の誘電体から形成されている。遅波材１２１，１３１は、真空よりも大きい比誘電率を有しており、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成され得る。真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、遅波材１２１，１３１は、比誘電率が真空よりも大きい材料で構成されることにより、マイクロ波の波長を短くしてスロット１２３，１３３を含むアンテナを小さくする機能を有する。
【００２５】
遅波材１２１，１３１の下方では、円盤状のマイクロ波透過部材１２２，１３２が本体部１２０に嵌め込まれている。遅波材１２１とマイクロ波透過部材１２２との間の部分にはスロット１２３および誘電体層１２４が、上から遅波材１２１、スロット１２３、誘電体層１２４、マイクロ波透過部材１２２の順に形成されている。本体部１２０の遅波材１３１とマイクロ波透過部材１３２との間の部分にはスロット１３３が形成されている。
【００２６】
マイクロ波透過部材１２２，１３２は、マイクロ波を透過する材料である誘電体材料で構成されている。
【００２７】
図２に示すように、本実施形態では、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する６つのマイクロ波透過部材１２２が、本体部１２０において周方向に等間隔に配置され、チャンバ１の内部に円形に露出する。また、中央マイクロ波導入機構４３ｂに対応する１つのマイクロ波透過部材１３２が、チャンバ１の中央にて内部に向けて円形に露出する。
【００２８】
マイクロ波透過部材１２２，１３２は、周方向に均一な表面波プラズマを形成するための誘電体窓としての機能を有する。マイクロ波透過部材１２２，１３２は、遅波材１２１，１３１と同様、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されてもよい。
【００２９】
本実施形態では、周縁マイクロ波導入機構４３ａの数は６つであるが、これに限らず、Ｎ個配置される。Ｎは、２以上であればよいが、３以上が好ましく、例えば３〜６であってもよい。
【００３０】
図１に戻り、マイクロ波放射機構５０にはシャワー構造の第１のガス導入部２１が設けられており、第１のガス導入部２１には、ガス供給配管１１１を介して第１のガス供給源２２が接続されている。第１のガス供給源２２から供給される第１のガスは、第１のガス導入部２１を通ってチャンバ１内にシャワー状に供給される。第１のガス導入部２１は、チャンバ１の天井部に形成された複数のガス孔から第１の高さで第１のガスを供給する第１のガスシャワーヘッドの一例である。第１のガスの一例としては、例えばＡｒガス等のプラズマ生成用のガスや、例えばＯ２ガスやＮ２ガス等の高エネルギーで分解させたいガスが挙げられる。
【００３１】
チャンバ１内の載置台１１とマイクロ波放射機構５０との間の位置には、第２のガス導入部の一例であるガス供給ノズル２７がチャンバ１に設けられている。ガス供給ノズル２７は、チャンバ１の側壁からチャンバ１の内側に向けて水平方向に突出している。ガス供給ノズル２７は、チャンバ１の側壁のガス供給管２８ａに接続され、ガス供給管２８ａには第２のガス供給源２９が接続されている。
【００３２】
第２のガス供給源２９から、成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理の際に、極力分解させずに供給したい処理ガス、例えばＳｉＨ４ガスやＣ５Ｆ８ガス等の第２のガスが供給されるようになっている。ガス供給ノズル２７は、第１のガス供給源２２から供給される第１のガスを供給する複数のガス孔の高さよりも低い高さで複数のガス孔から第２のガスを供給する。なお、第１のガス供給源２２および第２のガス供給源２９から供給されるガスとしては、プラズマ処理の内容に応じた種々のガスを用いることができる。
【００３３】
マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部は、制御装置３により制御される。制御装置３は、マイクロプロセッサ４、ＲＯＭ（Read Only Memory）５、ＲＡＭ（Random Access Memory）６を有している。ＲＯＭ５やＲＡＭ６にはマイクロ波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンス及び制御パラメータであるプロセスレシピが記憶されている。マイクロプロセッサ４は、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに基づき、マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部を制御する制御部の一例である。また、制御装置３は、タッチパネル７及びディスプレイ８を有し、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに従って所定の制御を行う際の入力や結果の表示等が可能になっている。
【００３４】
かかる構成のマイクロ波プラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行う際には、まず、ウェハＷが、搬送アーム上に保持された状態で、開口したゲートバルブ１８から搬入出口１７を通りチャンバ１内に搬入される。ゲートバルブ１８はウェハＷを搬入後に閉じられる。ウェハＷは、載置台１１の上方まで搬送されると、搬送アームからプッシャーピンに移され、プッシャーピンが降下することにより載置台１１に載置される。チャンバ１の内部の圧力は、排気装置１６により所定の真空度に保持される。第１のガスが第１のガス導入部２１からシャワー状にチャンバ１内に導入され、第２のガスがガス供給ノズル２７からシャワー状にチャンバ１内に導入される。周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂを介して６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂの下面に設けられた各マイクロ波放射機構５０からマイクロ波が放射される。これにより、第１及び第２のガスが分解され、チャンバ１側の表面に生成される表面波プラズマによってウェハＷにプラズマ処理が施される。
【００３５】
［マイクロ波プラズマ源］
マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波出力部３０は、図３に示すように、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有する。
【００３６】
マイクロ波発振器３２は、所定周波数のマイクロ波を例えばＰＬＬ（Phase Locked Loop）発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失を極力抑えるように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の種々の周波数を用いることができる。
【００３７】
マイクロ波伝送部４０は、複数のアンプ部４２と、アンプ部４２に対応して設けられた周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂとを有する。アンプ部４２は、分配器３４にて分配されたマイクロ波を周縁マイクロ波導入機構４３ａ及び中央マイクロ波導入機構４３ｂに導く。アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。
【００３８】
位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることにより放射特性を変調させることができる。例えば、周縁マイクロ波導入機構４３ａ及び中央マイクロ波導入機構４３ｂのそれぞれに導入されるマイクロ波の位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うマイクロ波導入機構において９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設けなくてもよい。
【００３９】
可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度を調整する。可変ゲインアンプ４７をアンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることができる。
【００４０】
ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する。アイソレータ４９は、スロットアンテナ部で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射機構５０に導入する。
【００４１】
［プローブ］
図１に示すように、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００には、各マイクロ波放射機構５０にプローブ８０が設けられている。プローブ８０は、７つのマイクロ波放射機構５０（マイクロ波透過部材１２２，１３２を含む）に対して７又は７の倍数個設けられる。各マイクロ波放射機構５０に設けられるプローブ８０の個数は同数である。本実施形態では、７つのプローブ８０が、７つのマイクロ波放射機構５０のそれぞれに１つずつ配置される。
【００４２】
ただし、プローブ８０の個数はこれに限らず、マイクロ波放射機構５０の個数をＮとしたときに、Ｎ又はＮの倍数個のプローブ８０が配置されるようにしてもよい。Ｎ又はＮの倍数個のプローブ８０のそれぞれは、Ｎ個のマイクロ波透過部材１２２，１３２のそれぞれの中心から等距離の位置に配置される。また、各プローブ８０は、チャンバ１に垂直に配置される。
【００４３】
プローブ８０は、少なくとも一部がマイクロ波放射機構５０の内部に挿入され、その先端は、チャンバ１に露出していない。しかしながら、プローブ８０の先端は、チャンバ１に露出していてもよい。ただし、プローブ８０の先端は、チャンバ１の内部に突き出さない。また、プローブ８０の少なくとも一部をマイクロ波放射機構５０の内部に挿入する必要があるのは、プローブ８０がチャンバ１の天板の外面に当接された状態では、プラズマの分布を精度良く検出できないためである。
【００４４】
各プローブ８０は、表面波プラズマの電子温度Ｔｅをモニタし、測定した表面波プラズマの電子温度Ｔｅに基づき、プラズマ着火の状態を判定する。
【００４５】
しかしながら、表面波プラズマの電子温度Ｔｅだけでは、プラズマの分布をモニタすることができない。そこで、本実施形態では、各プローブ８０を用いてプラズマの電子密度Ｎｅ及びプラズマの電子温度Ｔｅの両方をモニタし、測定した表面波プラズマの電子温度Ｔｅ及び電子密度Ｎｅに基づき、プラズマの分布を制御する。
【００４６】
プローブ８０は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の絶縁材料にて金属部分がコーティングされていることが好ましい。これにより、プラズマ処理中にプローブ８０によるチャンバ１内の金属汚染の発生を回避し、パーティクルの発生を抑制することができる。
【００４７】
制御装置３の制御によりプローブ８０に正弦波の電圧が印加されると、測定器８１は、プラズマ処理中にプローブ８０に流れる電流を測定する。プローブ８０に流れる電流は、チャンバ１内において生成される表面波プラズマに流れる電流と等価である。測定器８１は、測定した電流の波形を示す信号を制御装置３に送信する。信号を受信した制御装置３のマイクロプロセッサ４は、信号に含まれる電流の波形をフーリエ変換して解析し、表面波プラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅを算出する。これにより、図２に示すように、マイクロ波透過部材１２２，１３２の下方におけるプラズマの分布を７つのプローブ８０により夫々モニタすることができる。
【００４８】
表面波プラズマでは、天板の内部表面におけるプラズマの電子温度Ｔｅが高くなる。そこで、本実施形態では、チャンバ１の天板の内部表面にプローブ８０を露出させるか、マイクロ波透過部材１２２，１３２に穴を形成し、天板の内部表面の近傍までプローブ８０を挿入する。これにより、天板の内部表面におけるプラズマの電子温度Ｔｅを精度良く測定することができる。
【００４９】
制御装置３のマイクロプロセッサ４は、この測定結果に基づき、７つのマイクロ波放射機構５０の各マイクロ波透過部材１２２のチャンバ１への露出面及びその近傍に形成される表面波プラズマによるプラズマ着火の状態か否かを判定する。例えば、測定したプラズマの電子温度Ｔｅが予め定められた閾値よりも大きい場合、プラズマ着火の状態であると判定される。
【００５０】
これによれば、図４に示すように、各マイクロ波放射機構５０の下方のプラズマ処理空間の異なる領域に対してプラズマ着火の判定が行われる。図４の例では、左側及び右側のマイクロ波放射機構５０の下方の領域では、モニタしたプラズマの電子温度Ｔｅは５ｅＶよりも大きい結果となっている。この場合、マイクロプロセッサ４は、左側及び右側のマイクロ波放射機構５０の下方の領域では、プラズマ着火の状態であると判定する。
【００５１】
また、中央のマイクロ波放射機構５０の下方の領域では、モニタしたプラズマの電子温度Ｔｅは２ｅＶよりも小さい結果となっている。この場合、マイクロプロセッサ４は、中央のマイクロ波放射機構５０の下方の領域では、プラズマ着火の状態でないと判定する。なお、マイクロプロセッサ４は、プローブ８０を一例とするセンサがモニタしたプラズマの電子温度Ｔｅに基づき、プラズマ着火の状態を判定する制御部の一例である。なお、図４では、各マイクロ波放射機構５０の構成を簡略化して示している。
【００５２】
［電子温度Ｔｅ（Ｚ）及び電子密度Ｎｅ（Ｚ）］
本実施形態に係るマイクロプロセッサ４は、プローブ８０を使用してモニタしたプラズマの電子温度から、ウェハＷの高さにおけるプラズマの電子温度を算出する。
【００５３】
図４に示すように、チャンバ１の天板の内部表面の高さＺ０＝０ｍｍとし、天板の内部表面からウェハＷまでの距離をＺとする。高さＺ０にてプローブ８０により計測されるプラズマの電子温度をＴｅ０とし、チャンバ１内の圧力をｐとしたとき、マイクロプロセッサ４は、以下の式（１）に基づき、高さＺ０にてプローブ８０により計測されるプラズマの電子温度Ｔｅ０をウェハＷにおけるプラズマの電子温度Ｔｅ（Ｚ）に補正する。
【００５４】
【数１】
2018181634.tif 000003
また、高さＺ０にてプローブ８０により計測されるプラズマの電子密度をＮｅ０とし、チャンバ１内の圧力をｐとしたとき、マイクロプロセッサ４は、以下の式（２）に基づき、高さＺ０にてプローブ８０により計測されるプラズマの電子密度Ｎｅ０をウェハＷにおけるプラズマの電子密度Ｎｅ（Ｚ）に補正する。
【００５５】
【数２】
2018181634.tif 000004
マイクロプロセッサ４は、補正後の電子温度Ｔｅ（Ｚ）及び電子密度Ｎｅ（Ｚ）に基づきプラズマの分布を制御する。具体的には、マイクロプロセッサ４は、天板から距離Ｚだけ離れた位置における７つのプラズマの電子温度Ｔｅ（Ｚ）及び７つのプラズマの電子密度Ｎｅ（Ｚ）に基づき、７個のマイクロ波放射機構５０のそれぞれの下方領域のウェハＷ近傍のプラズマの分布状態を判定する。
【００５６】
マイクロプロセッサ４は、プラズマの分布状態の判定結果に基づき、７つのマイクロ波伝送路４０を伝送するマイクロ波のパワー及び７つのマイクロ波伝送路４０を伝送するマイクロ波の位相の少なくともいずれかを、プラズマ処理中においてリアルタイムに制御する。
【００５７】
具体的には、マイクロプロセッサ４は、補正後の電子温度Ｔｅ（Ｚ）及び電子密度Ｎｅ（Ｚ）に応じて、対応するマイクロ波導入機構４３にマイクロ波を出力するアンプ部４２の可変ゲインアンプ４７を制御する。これにより、マイクロプロセッサ４は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整する。このようにして、マイクロプロセッサ４は、対応するマイクロ波導入機構４３に導入されるマイクロ波のプラズマ強度を調整することで、ウェハＷ近傍のプラズマの状態を変化させることができる。
【００５８】
また、マイクロプロセッサ４は、補正後の電子温度Ｔｅ（Ｚ）及び電子密度Ｎｅ（Ｚ）に応じて、対応するマイクロ波導入機構４３にマイクロ波を出力するアンプ部４２の位相器４６を制御する。これにより、マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の放射特性を変調させる。このようにして、マイクロプロセッサ４は、対応するマイクロ波導入機構４３に導入されるマイクロ波の位相を調整することで、マイクロ波の指向性を制御し、ウェハＷ近傍のプラズマの状態を変化させることができる。
【００５９】
このように、本実施形態では、マイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相を制御するが、マイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相の少なくともいずれかを制御すればよい。ただし、マイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相の両方を制御することが好ましい。
【００６０】
図５のグラフは、本実施形態に係るプローブ８０により測定したプラズマの電子密度Ｎｅと、比較例のラングミュアプローブにより測定した電子密度Ｎｅの電力依存性を比較した結果の一例である。本グラフによれば、本実施形態に係るプローブ８０により測定した場合と、ラングミュアプローブにて測定した場合とでは、プラズマの電子密度Ｎｅの電力依存性はほぼ一致することがわかる。
【００６１】
図６のグラフは、本実施形態に係るプローブ８０により測定したプラズマの電子温度Ｔｅと、比較例のラングミュアプローブにより測定した電子温度Ｔｅの電力依存性を比較した結果の一例である。本グラフによれば、本実施形態に係るプローブ８０により測定した場合と、ラングミュアプローブにて測定した場合とでは、プラズマの電子温度Ｔｅの電力依存性はほぼ一致することがわかる。
【００６２】
つまり、プラズマの電気的特定の測定結果は、本実施形態に係るプローブ８０とラングミュアプローブとでほぼ同一の特性を示し、本実施形態に係るプローブ８０は、ラングミュアプローブと同じように機能することが確認できた。なお、ラングミュアプローブによるプラズマの電気的特定の測定の一例が、特開２００９−１９４０３２号公報に示されている。
【００６３】
以上に説明したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、７つのマイクロ波放射機構５０に対応して設けられた７つのプローブ８０によりプラズマを電気的に測定することができる。これにより、測定結果に基づき、プラズマ生成空間における、対応する７つの領域についてプラズマ着火の状態をモニタすることができる。また、測定結果を式（１）及び式（２）を用いて補正することにより、対応するウェハＷ上の７つの領域についてプラズマの分布及びプラズマの特性をモニタすることができる。これにより、プラズマの分布又はプラズマの均一性を制御することができ、プロセスの最適化に要する時間及びコストを低減できる。
【００６４】
［プローブの取り付け位置］
次に、プローブ８０の取り付け位置について、図７を参照しながら説明する。図７（ａ）に示すプローブ８０は、マイクロ波放射機構５０の遅波材１２１及びマイクロ波透過部材１２２を貫通し、その先端がマイクロ波透過部材１２２からチャンバ１側に露出する。図７（ａ）では、プローブ８０が各マイクロ波放射機構５０内に１本ずつ配置される。
【００６５】
図７（ｂ）に示すプローブ８０は、マイクロ波放射機構５０の近傍の天板（本体部１２０）を貫通し、その先端がマイクロ波透過部材１２２からチャンバ１側に露出する。図７（ｂ）では、プローブ８０が各マイクロ波放射機構５０の近傍に１本ずつ配置される。
【００６６】
図７（ｃ）に示す２本のプローブ８０は、マイクロ波放射機構５０の内部を貫通し、その先端がマイクロ波透過部材１２２からチャンバ１側に露出する。図７（ｃ）では、プローブ８０が各マイクロ波放射機構５０内に２本ずつ配置される。
【００６７】
図７（ｄ）に示す２本のプローブ８０は、マイクロ波放射機構５０の近傍の天板を貫通し、その先端がマイクロ波透過部材１２２からチャンバ１側に露出する。図７（ｄ）では、プローブ８０がマイクロ波放射機構５０の近傍に２本ずつ配置される。
【００６８】
なお、図７に示すプローブ８０の取り付け位置は一例であり、プローブ８０は、マイクロ波放射機構５０又はその近傍に１又は複数本配置され得る。各マイクロ波放射機構５０に配置されるプローブ８０の本数は、同数であることが好ましいが、異なる本数であってもよい。
【００６９】
［プラズマ着火判定］
次に、本実施形態に係るプローブ８０を用いた測定結果に応じたプラズマ着火判定処理の一例を、図８のフローチャートを参照して説明する。本処理は、制御装置３のマイクロプロセッサ４により実行される。
【００７０】
本処理が開始されると、マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が開始されたかを判定する（ステップＳ１０）。
【００７１】
マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が開始されたと判定すると、７つのマイクロ波放射機構５０のそれぞれに設けられた７つのプローブ８０に電圧を印加する（ステップＳ１２）。次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎに「０」を設定する（ステップＳ１４）。
【００７２】
次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎに「１」を加算する（ステップＳ１６）。測定器８１は、第Ｎのプローブ８０に流れる電流を測定し、測定結果を示す信号を制御装置３に送信する（ステップＳ１８）。
【００７３】
マイクロプロセッサ４は、測定器８１から信号を受信し、信号が示す電流の波形を取得する。マイクロプロセッサ４は、取得した電流の波形をフーリエ変換して解析し、表面波プラズマの電子温度Ｔｅを算出する（ステップＳ２０）。これにより、７つのマイクロ波放射機構５０に設けられたプローブ８０のうち、使用した１つのプローブ８０により測定される一のマイクロ波放射機構５０の下方領域におけるプラズマ着火の状態をモニタすることができる。
【００７４】
次に、マイクロプロセッサ４は、表面波プラズマの電子温度Ｔｅが所定の閾値よりも大きいかを判定する（ステップＳ２２）。マイクロプロセッサ４は、表面波プラズマの電子温度Ｔｅが所定の閾値よりも大きいと判定した場合、プラズマ着火の状態であると判定し（ステップＳ２３）、ステップＳ２６に進む。
【００７５】
一方、マイクロプロセッサ４は、表面波プラズマの電子温度Ｔｅが所定の閾値以下であると判定した場合、プラズマ着火の状態でないと判定し（ステップＳ２４）、ステップＳ２６に進む。
【００７６】
次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが７以上かを判定する（ステップＳ２６）。マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが７未満の場合、全てのプローブ８０についての測定が終わっていないと判定し、ステップＳ１６に戻り、ステップＳ１６〜Ｓ２４の処理を繰り返す。一方、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが７以上の場合、全てのプローブ８０についての測定が終わっていると判定し、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されたか否かを判定する（ステップＳ２８）。マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されていないと判定すると、ステップＳ１４に戻り、変数Ｎを初期化し（ステップＳ１４）、以降の処理を繰り返す。一方、マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されたと判定すると、本処理を終了する。
【００７７】
［プラズマ分布制御］
最後に、本実施形態に係るプローブ８０を用いた測定結果に応じたプラズマ分布制御処理の一例を、図９のフローチャートを参照して説明する。本処理は、制御装置３のマイクロプロセッサ４により実行される。
【００７８】
本処理が開始されると、マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が開始されたかを判定する（ステップＳ１０）。
【００７９】
マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が開始されたと判定すると、７つのプローブ８０に電圧を印加する（ステップＳ１２）。次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎに「０」を設定する（ステップＳ１４）。
【００８０】
次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎに「１」を加算する（ステップＳ１６）。測定器８１は、第Ｎのプローブ８０に流れる電流を測定し、測定結果を示す信号を制御装置３に送信する（ステップＳ１８）。
【００８１】
マイクロプロセッサ４は、測定器８１から信号を受信し、信号が示す電流の波形を取得する。マイクロプロセッサ４は、取得した電流の波形をフーリエ変換して解析し、プラズマの電子密度Ｎｅ及びプラズマの電子温度Ｔｅを算出する（ステップＳ３０）。
【００８２】
次に、マイクロプロセッサ４は、算出したプラズマの電子温度ＴｅをＺが０のときの電子温度Ｔｅ０とし、式（１）に基づきウェハＷにおけるプラズマの電子温度Ｔｅ（Ｚ）に補正する（ステップＳ３１）。また、マイクロプロセッサ４は、算出したプラズマの電子密度ＮｅをＺが０のときの電子密度Ｎｅ０とし、式（２）に基づきウェハＷにおけるプラズマの電子密度Ｎｅ（Ｚ）に補正する（ステップＳ３１）。
【００８３】
次に、マイクロプロセッサ４は、補正した電子温度Ｔｅ（Ｚ）及び電子密度Ｎｅ（Ｚ）に基づき、対応する可変ゲインアンプ４７を制御してマイクロ波のパワーをリアルタイムに制御する（ステップＳ３２）。また、対応する位相器４６を制御してマイクロ波の位相をリアルタイムに制御する（ステップＳ３２）。
【００８４】
次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが７以上かを判定する（ステップＳ３４）。マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが７未満の場合、全てのプローブ８０についての測定が終わっていないと判定し、ステップＳ１６に戻り、ステップＳ１６以降の処理を繰り返す。一方、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが７以上の場合、全てのプローブ８０についての測定が終わっていると判定し、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されたか否かを判定する（ステップＳ３６）。マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されていないと判定すると、ステップＳ１４に戻り、変数Ｎを初期化し（ステップＳ１４）、以降の処理を繰り返す。一方、マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されたと判定すると、本処理を終了する。
【００８５】
以上に説明したように、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば、プローブ８０を用いて各マイクロ波放射機構５０の下方の所定領域毎のプラズマ着火の状態をモニタすることができる。また、プラズマの分布及びプラズマの特性を制御することができる。
【００８６】
以上、プラズマ処理装置及び制御方法を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマ処理装置及び制御方法は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
【００８７】
本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、ＥＥＤＦ（electric energy distribution function）を用いて、電子の運動エネルギーのエネルギー分布を見ることができる。
【００８８】
本明細書では、被処理体の一例として半導体ウェハＷを挙げて説明した。しかし、被処理体は、これに限らず、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＰＤ（Flat Panel Display）に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。
【符号の説明】
【００８９】
１      チャンバ
２      マイクロ波プラズマ源
３      制御装置
１１    載置台
２１    第１のガス導入部
２２    第１のガス供給源
２７    ガス供給ノズル
２８    リング状部材
２８ａ  ガス供給管
２９    第２のガス供給源
３０    マイクロ波出力部
４０    マイクロ波伝送部
４３ａ  周縁マイクロ波導入機構
４３ｂ  中央マイクロ波導入機構
４４    マイクロ波伝送路
５０    マイクロ波放射機構
５２    外側導体
５３    内側導体
６１    スラグ
８０    プローブ
８１    測定器
１００  マイクロ波プラズマ処理装置
１２０  本体部
１２１  遅波材
１２２  マイクロ波透過部材
１２３  スロット
１２４  誘電体層
１２９  共振機構
１４０  インピーダンス調整部材
【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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