(57)【要約】      （修正有）【課題】処理の精度を向上し歩留まりを高めたプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】真空容器の内部に配置された処理室１０７と、処理対象の試料の処理に用いるプラズマを処理室内に形成する電界を供給するための第１の高周波電力を出力するマイクロ波電源１０３と、処理室内に配置され前記試料をその上面に載置する試料台１０９と、この試料台の内部に配置された電極にバイアス電位を形成するための第２の高周波電力を間欠的に出力し、この出力の時間を可変に調節可能な高周波バイアス電源１１０とを備えたプラズマ処理装置であって、この第２の高周波電力の間欠的な出力の開始に同期して第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の波形の時間に伴う変化を検出した結果を電流電圧センサ解析基板１１３を用いて、プラズマ処理装置の運転を調節する機能を備えた。【選択図】図１
2015185698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器の内部に配置された処理室と、処理対象の試料の処理に用いるプラズマを前記処理室内に形成する電界を供給するための第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源と、前記処理室内に配置され前記試料をその上面に載置する試料台と、この試料台の内部に配置された電極にバイアス電位を形成するための第２の高周波電力を間欠的に出力するものであってこの出力の時間を可変に調節可能な第２の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、
この第２の高周波電力の前記間欠的な出力の開始に同期して前記第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の波形の時間に伴う変化を検出した結果を用いて前記プラズマ処理装置の運転を調節する機能を備えたプラズマ処理装置。
【請求項２】
真空容器の内部に配置された処理室と、処理対象の試料の処理に用いるプラズマを前記処理室内に形成する電界を供給するための第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源と、前記処理室内に配置され前記試料をその上面に載置する試料台と、この試料台の内部に配置された電極にバイアス電位を形成するための第２の高周波電力を出力するものであって当該出力のオンとオフとの時間またはその比率を可変に調節可能な第２の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、
この第２の高周波電力の前記オンの期間の開始に同期して前記第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の波形の時間に伴う変化を検出した結果を用いて前記プラズマ処理装置の運転を調節する機能を備えたプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記第１の高周波電源が前記第２の高周波電力の出力に同期して前記第１の高周波電力を出力するプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記第２の高周波電力が基準となる周期的な信号に同期して出力されるものであって、この周期的な信号に同期して前記第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の波形の時間に伴う変化を検出するプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理装置であって、
前記第２の高周波電源が前記第２の高周波電力の波形が前記周期的な信号に同期するように当該第２の高周波電力を出力するものであって、前記第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の所定の時間長さにおける複数の波形同士を比較して前記波形の時間に伴う変化を検出するプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいすれかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の所定の時間長さにおいてその位相が他と揃えられた複数の波形同士を比較して前記波形の時間に伴う変化を検出するプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の波形の時間に伴う変化を検出した結果を用いて前記プラズマ処理装置の停止または前記処理の条件を変更を行うプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記過渡状態における所定の時間間隔毎に前記第２の高周波電力の前記波形を検出するプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器の内部に配置された処理室内に配置した半導体ウエハ等の基板状の試料を当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、特に試料をその上に載置する試料台の内部に配置された電極に供給される高周波電力により試料上に高周波バイアスの電位を形成して試料を処理するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体デバイスを製造する工程の一つとして、半導体ウエハ等の基板状の試料の表面に配置されたマスクを含む複数の膜層をプラズマを用いてエッチング処理して回路の配線の構造を形成する技術が用いられてきた。このようなプラズマを用いる従来技術の例としては、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ、以下、ＥＣＲと略称する）によってプラズマを形成するプラズマ処理装置が挙げられる。
【０００３】
このＥＣＲによるプラズマを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置は、真空容器の内部に配置された処理室にプラズマを形成するための電界及び磁界を導入し、処理室内に供給された処理用のガスの原子または分子を励起してプラズマを発生する。このような装置においては、処理室内に導入されたマイクロ波、ＶＨＦ，ＵＨＦ帯域等の高周波の電界によって運動する電子は同じく導入れた磁界によりサイクロトロン運動し、この磁界の強度と高周波の電界の周波数とを両者が共鳴するように選択することで効率よくプラズマを生成できる。
【０００４】
さらに、エッチング処理を促進し処理後の形状を所望の高い精度で実現するため、形成されたプラズマ中の荷電粒子を試料の処理対象の膜層に導入するため、処理室内に配置され試料を載せている試料台の内部に配置された金属製の電極に高周波電力を供給して、試料台または試料の上面上方に所望のバイアス電位を形成することが一般的に行われている。以下、試料に印加する高周波電力を以下、高周波バイアス電力、あるいは単に高周波バイアスと称する。
【０００５】
処理室内に導入されてプラズマの形成に用いる処理用のガスとしては、処理対象の膜層の材料に応じてこれを効率良く処理できるものが選択されるが、一般的に塩素やフッ素などのハロゲンガスが広く使われている。プラズマにより発生したラジカル等の高い活性を有した粒子やイオン等の荷電粒子と処理対象の膜層の材料とが反応することによりエッチングが進行する。
【０００６】
このような従来技術において、エッチング処理による加工の形状の精度をより高いものにするために、従来より高周波バイアスの供給を適切に制御することが行われてきた。例えば、変調されたまたは間欠的な高周波バイアスを試料台の内部に配置した電極に印加する技術が知られている。さらに、高周波バイアスだけでなくプラズマを形成するための電界またはこれを形成する電力を変調して供給する技術や、変調されて供給されたプラズマ形成用の電力（電界）と変調されて供給される高周波バイアスとの発生時期を両者で同期させる技術が知られている。
【０００７】
さらには、プラズマを形成するための電力の供給または高周波バイアス電力の供給とを間欠的に繰り返し、その過渡状態におけるプラズマの密度や強度等の特性の値が示す時間的な変化を検出して、これに基づいて試料の処理を制御したり或いはプラズマ処理装置の診断を行う技術が、特開２００２−９３７８１号公報（特許文献１）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−９３７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の従来技術では、次の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。
【００１０】
すなわち、近来より高い寸法の精度で加工後に得られる形状を形成することが求められているプラズマ処理の分野において、要求の実現のためにはプラズマの密度や強度、電位等の特性をより正確に検出しこれに基いて装置の運転やプラズマの形成や処理の条件を調節することが必要となる。特に、試料の処理中に時間変調された間欠的な高周波バイアスが印加される場合には、間欠的にオンオフが繰り返される高周波バイアスに応じて形成されたプラズマの電位等の特性も変動することになり、その電力の供給の開始、停止の前後において一方の定常状態から他方に遷移するための過度状態が出現し易い。
【００１１】
このため加工の精度を向上させるためには、過渡状態を含めたプラズマの状態あるいは試料上に形成される高周波バイアスの状態を正確に知ることが必要となる。そして、このようなプラズマや高周波バイアスの過渡状態を検出するためには、過渡状態での高周波バイアスの電流電圧波形（バイアス波形）を検出することが有効である。
【００１２】
しかしながら、プラズマが過渡状態である時間が短い場合は、単にその時間の波形を測定するだけでは十分でない。プラズマの過渡的変動が高周波バイアスの周期と同等に近いタイムスケールであれば、その変動を正確に知るためには、高周波バイアスの周期と同等もしくはそれより短い周期で、高周波バイアスがオン（印加されていいる状態）となっているかを判別しオンの期間において検出し、高周波バイアスの波形の１周期毎の変動を検出する必要がある。
【００１３】
さらに、上記の従来技術において間欠的に高周波バイアスを供給するものにおいては、高周波バイアスのオンとオフが繰り返されることにより、プラズマも過渡状態と定常状態を周期的に繰り返すことになる。よって、より正確にプラズマの状態を知るためには、高周波バイアスについてのみでなく、プラズマについてもその過渡状態と定常状態についても判別し、その過渡状態においてのプラズマの状態の検出が求められる。
【００１４】
さらに、このような検出は、高周波バイアスと同様にその電界または電力の波形の１周期毎の変動を検出できることが求められる。また、高周波バイアスとプラズマ形成用の電力の双方を同期させて時間変調する方法においても同様な課題が生じる。
【００１５】
しかしながら、上記の従来技術では過渡状態における高周波バイアスの波形の変動を検出する課題について考慮されていなかった。このため、処理の精度延いては歩留まりが損なわれていた。
【００１６】
本発明の目的は、処理の精度を向上し歩留まりを高めたプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的は、真空容器の内部に配置された処理室と、処理対象の試料の処理に用いるプラズマを前記処理室内に形成する電界を供給するための第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源と、前記処理室内に配置され前記試料をその上面に載置する試料台と、この試料台の内部に配置された電極にバイアス電位を形成するための第２の高周波電力を間欠的に出力するものであってこの出力の時間を可変に調節可能な第２の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、この第２の高周波電力の前記間欠的な出力の開始に同期して前記第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の波形の時間に伴う変化を検出した結果を用いて前記プラズマ処理装置の運転を調節する機能を備えたことにより達成される。
【００１８】
また、真空容器の内部に配置された処理室と、処理対象の試料の処理に用いるプラズマを前記処理室内に形成する電界を供給するための第１の高周波電力を出力する第１の高周波電源と、前記処理室内に配置され前記試料をその上面に載置する試料台と、この試料台の内部に配置された電極にバイアス電位を形成するための第２の高周波電力を出力するものであって当該出力のオンとオフとの時間またはその比率を可変に調節可能な第２の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、この第２の高周波電力の前記オンの期間の開始に同期して前記第２の高周波電力の過渡状態における電流または電圧の波形の時間に伴う変化を検出した結果を用いて前記プラズマ処理装置の運転を調節する機能を備えたことにより達成される。
【発明の効果】
【００１９】
上記の構成により、プラズマが定常状態である期間とプラズマが過渡状態である期間とを選択して、プラズマの状態をより正確に検出し、これに基いてプラズマ処理装置の運転またはプラズマによる処理の条件を調節したり、その装置の状態やプラズマによる処理の条件を監視することができる。特に、その過渡状態における高周波バイアスの波形からセルフバイアスが発生するまでの時間、プラズマの密度の最大値および最小値やプラズマ密度の立上り時間等のプラズマの特性を検出してこれを用いることにより、処理の歩留まりや加工の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に説明する縦断面図である。
【図２】図１に示す実施例に係る電力解析基板およびパルス発生ユニットの構成の概略を模式的に示すブロック図である。
【図３】図１に示す実施例に係る高周波バイアスの測定のタイミングを模式的に示すグラフである。
【図４】図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に説明する縦断面図である。
【図５】図４に示す変形例に係る電力解析基板およびパルス発生ユニットの構成の概略を模式的に示すブロック図である。
【図６】図１に示す実施例のさらに別の変形例に係るプラズマ処理装置におけるマイクロ波、高周波バイアスおよびプラズマの密度の時間変化を模式的に説明するグラフである。
【図７】図１に示す実施例のさらに別の変形例に係るプラズマ処理装置における処理中のマイクロ波、高周波バイアスおよびプラズマの密度の時間変化と処理の過渡状態におけるプラズマの密度を検出するタイミングを模式的に説明するグラフである。
【図８】図１に示す実施例のさらに別の変形例に係るプラズマ処理装置における高周波バイアス出力指令の発信後の高周波バイアスの電圧の波形を２０周期毎に検出した結果を模式的に示すグラフである。
【図９】図１に示す実施例に係る高周波バイアス電力の電流の波形の時間の推移に伴う変化を模式的に示すグラフである。
【図１０】図４に示す変形例に係るプラズマ密度及び高周波バイアスの電流の波形の時間の推移に伴う変化を模式的に示すグラフである。
【図１１】図４に示す変形例に係る高周波バイアスの測定のタイミングを模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１乃至３及び図９を用いて本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に説明する縦断面図である。
【００２３】
本実施例のプラズマ処理装置は、真空容器の内部に配置された処理室にプラズマを形成するための電界及び磁界を導入し、処理室内に供給された処理用のガスの原子または分子を励起してプラズマを発生する。このような本実施例では、処理室内に導入されたマイクロ波、ＶＨＦ，ＵＨＦ帯域等の高周波の電界によって運動する電子は同じく導入れた磁界によりサイクロトロン運動し、この磁界の強度と高周波の電界の周波数とを両者が共鳴（電子サイクロトロン共鳴：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）するように選択することで効率よくプラズマが生成される。
【００２４】
真空容器の一部であって上部が円筒形を有した反応容器１０１は、その内部に円筒形を有した処理室１０７を備えている。処理室１０７は、減圧される内部にプラズマが形成される空間を備え、下方には処理対象の半導体ウエハ１１１等の基板状の試料がその上面に載置されてこれを保持する試料台であるウエハステージ１０９が配置されている。また、反応容器１０１の下方には、ウエハステージ１０９の下方に配置された排気用の開口を介して処理室１０７と連通されてこの内側を排気して減圧するターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示せず）を含む排気装置が反応容器１０１の下面と連結されて配置されている。
【００２５】
さらに、反応容器１０１の上方には処理室１０７に供給される電界を形成するマクネトロン１０３や電界を伝播する部分である導波管１０５およびその下端部と処理室１０７との間に配置されて導波管１０５から導入された電界が内部で共振を生起する導波管１０５より大径の共振部と共に磁界を形成して処理室１０７に供給するソレノイドコイル１０２とを含む電磁波形成部が配置されている。なお、反応容器１０１の真空容器としての部分は、処理室１０７の上方であって共振部の下方に配置されてこれらを区画する石英等の誘電体製の部材であって円板形状を有した誘電体窓１０６によって区画され、本実施例は誘電体窓１０６の下方の処理室１０７内部とその上方の外部とが気密に仕切られた構成であるが、便宜上、処理室１０７の円筒形部分と概ね同径の共振部を含めて反応容器１０１と称している。
【００２６】
反応容器１０１の上方及び側方の外部の周囲で処理室１０７を囲んで配置されたソレノイドコイル１０２は、これに直流電流が供給されて磁界を形成し、当該磁界が処理室１０７内に供給される。また、マグネトロン１０３はこれと電気的に接続されたマイクロ波電源１０４から高電圧が供給されて発振しマイクロ波を発生させる。発生されたマイクロ波の電界は導波管１０５を通して伝播して共振部に導入されて共振した特定のモードの電界が、共振部の底面を構成する誘電体窓１０６を透過して上方から処理室１０７に導入される。
【００２７】
処理室１０７のプラズマが形成される円筒形を有した空間の下方にはウエハステージ１０９が配置され、その上面を構成して半導体ウエハ１１１と同じかこれと見做せる程度に近似した円形状を有した載置面を備えている。載置面は誘電体製の膜により構成されその上に半導体ウエハ１１１が載せられた状態で、膜内に配置された図示しない膜状の電極にこれと電気的に接続された直流電源から電力が供給され、形成された静電気力により半導体ウエハ１１１を吸着して保持可能に構成されている。
【００２８】
ウエハステージ１０９上に半導体ウエハ１１１が吸着、保持された状態で、処理室１０７内に処理用のガス（プロセスガス）が図示しないガス源から反応容器１０１と連結された供給用の管路を介して処理室１０７内のプラズマ形成用の空間に供給される。また、ウエハステージ１０９の下方に配置された図示しない排気口を介して真空ポンプの動作により処理室１０７内部のガスや粒子が排気される。処理室１０７内に供給される処理用のガスと排気口からの真空ポンプによる排気との各々の流量、速度のバランスにより、処理室１０７内部の圧力が所望の範囲内の値に調節される。
【００２９】
プロセスガスが処理室１０７内に導入されて処理室１０７内が所定の圧力の範囲の値に維持された状態で、処理室１０７内にマイクロ波による電界と磁界とが供給される。これらの相乗効果により電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）が生起されて処理室１０７に導入したプロセスガスを励起してプラズマ１０８が生成される。
【００３０】
ウエハステージ１０９の内部には金属製の円筒形または円板形の電極が配置され、この電極は所定の範囲の周波数の電力を出力する高周波バイアス電源１１０と電気的に接続されている。半導体ウエハ１１１の処理中に高周波バイアス電源１１０からの高周波電力がウエハステージ１０９の電極に供給されることにより、ウエハステージ１０９の上面または半導体ウエハ１１１上面の上方に高周波によるバイアス電位が形成される。
【００３１】
このような高周波バイアスの電位とプラズマ１０８の電位との差（電位差）により、プラズマ１０８中のイオン等の荷電粒子を半導体ウエハ１１１の上面の処理対象の膜層に誘引して衝突させて、当該膜層と荷電粒子またはプラズマ１０８中のラジカル等の活性粒子との物理的または化学的な作用を促進する。また、この際に荷電粒子の半導体ウエハ１１１への入射エネルギーを適切に調節することで、上記の作用によるエッチング処理において高い異方性を実現する。
【００３２】
高周波バイアス電源１１０とウエハステージ１０９（内部の電極）との間を電気的に接続する同軸ケーブル等の給電経路上には、高周波バイアス電源１１０より印加される高周波バイアスの電流または電圧を検知する電力センサ１１２が配置されている。本実施例において、電力センサ１１２の出力である電流モニタ信号と電圧モニタ信号とは、電力センサ１１２と電気的に接続された電力解析基板１１３に通信手段を介して伝達される。
【００３３】
さらに、本実施例では、電力解析基板１１３と高周波バイアス電源１１０とにはパルス発生ユニット１１４が電気的に接続されている。パルス発生ユニット１１４は、高周波バイアス電源１１０に対して高周波電力の出力の基となるクロック信号の基となる基準クロックと高周波バイアス出力指令信号とを出力すると共に、当該出力の変調を行うものである。
【００３４】
パルス発生ユニット１１４は、後述のようにパルス発生ユニット１１４の外部から使用者により入力されて指定されるオンとオフとの各時間の長さ及びその比率を示す情報に基いて、高周波バイアス出力指令信号のオン信号及びオフ信号を算出し高周波バイアス電源１１０に向けて発信する。さらに、パルス発生ユニット１１４からの基準クロックと高周波バイアス出力指令信号とは電力解析基板１１３にも通信手段を介して伝達され、後述のようにそのオン／オフの各期間と比率（デューティー比）とについて指定に合わせて調整（変調）された高周波バイアスの出力信号の当該オン
／オフの期間に同期した電流および電圧の測定とを可能にしている。
【００３５】
図２は、図１に示す実施例に係る電力解析基板１１３およびパルス発生ユニット１１４の構成の概略を模式的に示すブロック図である。本例における電力解析基板１１３およびパルス発生ユニット１１４は、以下に説明する要素のみで構成されるものではなく、説明を省略したその機能を達成するうえで必要とされる他の要件も具備している。
【００３６】
本実施例では、電力センサ１１２からの出力である電流モニタ信号と電圧モニタ信号とは、有線または無線に関わらず通信手段を介して電力解析基板１１３に伝達される。電力解析基板１１３の上に配置されたＡＤ変換器２０１−１、２０１−２が、電流モニタ信号、電圧モニタ信号の各々を受信してデジタル信号に変換する。
【００３７】
変換された信号の値はそれぞれメモリ２０２−１、２０２−２に伝達されてそれぞれの内部に格納され記憶される。さらに、ＣＰＵ２０３がメモリ２０２−１、２０２−２から内部に格納された値を読み出し、その結果を用いて電流、電圧のピーク、実効値、理想正弦波に対する歪み量、また、電流と電圧の位相差等の高周波電力の特性を示すパラメータの値を算出する。このとき、上記値のメモリ２０２−１、２０２−２への格納は、波形取得タイミング調整回路２０４によって算出され出力された波形取得タイミングの信号に応じて行われる。
【００３８】
波形取得タイミングは、パルス発生ユニット１１４からの出力である基準クロック（または基準クロック信号）及び高周波バイアス出力指令信号を受信した波形取得タイミング調整回路２０４において算出され、信号として出力される。パルス発生ユニット１１４が形成しこれから発信される基準クロックは、高周波バイアス出力指令信号さらに波形取得タイミングの基となる所定の周期で発信されるクロック信号であり、本実施例では周波数４００ＫＨｚ毎に発信されるものである。
【００３９】
パルス発生ユニット１１４は、その基板上に発信して基準クロックとなる周期的なパルス信号を発生する発振器と、所定の周期の波形を形成するベースカウンタ２０５及び高周波バイアス出力信号を形成するユニットである高周波バイアス出力信号生成部２０６を備えている。このようなパルス発生ユニット１１４は、基準クロックと、外部から与えられるパルス周期情報及び高周波バイアスパルスデューティー情報に基いて高周波バイアス出力指令信号を生成する。
【００４０】
ベースカウンタ２０５は、発振器から得られる基準のクロック信号及び通信手段を介して接続されたユニットの外部から得られたデータに含まれるパルス周期の情報から当該パルス周期の情報に対応する周期のパルス波形（本例では所定の大きさのオン状態と大きさ０のオフの状態の２値の方形波）を生成して出力し、その波形を示す出力が高周波バイアス出力指令信号生成部２０６に入力される。高周波バイアス出力指令信号生成部２０６では、受信した当該パルス波形と、同様に通信手段を介して接続された外部から得られたデータに含まれる高周波バイアスパルスデューティー情報に対応する指定された周期あるいはデューティー比となるような高周波バイアスの出力の時刻、タイミングとなる高周波バイアス出力指令信号を生成し出力する。本例では高周波バイアス出力指令信号はオンとオフとの２つを示す方形の信号となっている。
【００４１】
本実施例において、上記のＡＤ変換器２０１、メモリ２０２、ＣＰＵ２０３及び波形取得タイミング調整回路２０４、さらにベースカウンタ２０５、高周波バイアス出力指令生成部２０６あるいはさらに発振器は、それぞれが一つまたは通信手段で接続された複数のデバイスで構成されていても良く、一つのデバイスの内部に含まれる回路であっても良い。また、同様に、電力解析基板１１３、パルス発生ユニット１１４も各々が一つまたは通信手段で接続された複数のデバイスで構成されていても良く、一つのデバイスの内部に含まれる回路であっても良い。
【００４２】
図３を用いて本実施例における高周波バイアスの過渡状態とその検出のタイミングを説明する。図３は、図１に示す実施例に係る高周波バイアスの測定のタイミングを模式的に示すグラフである。
【００４３】
本図において、電力解析基板１１３において行われる高周波バイアスの大きさや波形の検出または検知のタイミングはパルス発生ユニット１１４から出力される基準クロックに基いて実行される。このような実施例においては、パルス状にオン及びオフされる基準クロックの信号の任意のパルスの立上りの時刻またはタイミングに対応して高周波バイアス出力指令信号生成部２０６からの高周波バイアス出力指令信号がオンとして高周波バイアス電源１１０に出力されて受信され高周波バイアス電力が出力される。
【００４４】
高周波バイアス電源１１０は、パルス発生ユニット１１４から発信される２つの信号に応じて、高周波バイアス電力を出力する。すなわち、オン／オフを示す方形波の信号である高周波バイアス出力指令信号に応じて高周波バイアスをオンとして出力しオフとして停止するとともに、基準クロック信号に対応して高周波バイアスの各周期の波形の出力を、予め定められた一定の位相で開始し且つ停止する。
【００４５】
高周波バイアス電力が出力されてウエハステージ１０９の電極に供給されると、半導体ウエハ１１１上には所謂セルフバイアス電圧と呼ばれる負の電圧が発生する。このようなセルフバイアス電圧が定常状態になるまでには、通常は１０μｓｅｃ程度以下の時間遅れが発生するが、本実施例においては、概ね１０μｓｅｃであった場合を例として説明する。
【００４６】
一方で、バイアス形成用の高周波電力の周波数は４００ｋＨｚであり、その周期２．５μｓｅｃであることから、セルフバイアスが発生する時間概ね１０μｓｅｃの間にバイアス波形は概ね４周期存在することになる。本実施例では、このようなセルフバイアスが発生して定常状態にまで遷移する際の高周波バイアスの過渡状態での電流電圧波形を検出するために、オン状態の開始として出力された高周波バイアス出力指令の開始の指令の信号から概ね４周期の高周波バイアス波形を検出する。本実施例でのこのような波形の検出は、上記の通り電力解析基板１１３において所定の時間間隔で実施されるが、この検出を精度良く実施できるためには、その高周波電力の電流または電圧の値検出する時間間隔は高周波バイアスの周期の１／１０以下の値であることが望ましい。
【００４７】
図９を用いて、本実施例における高周波バイアスの出力の立上りにおける電流波形の例を示す。図９は、図１に示す実施例に係る高周波バイアス電力の電流の波形の時間の推移に伴う変化を模式的に示すグラフである。
【００４８】
通常、間欠的に供給される高周波バイアスのオンとなる期間が開始され電力の供給が開始されてセルフバイアス電圧が発生する過程で、半導体ウエハ１１１はプラズマ１０８中の電子を引き込み帯電してその極性は負となる。このようなセルフバイアスが発生するまでは、プラズマ１０８中の電子を引き込むため、高周波バイアスの電流の波形は、図示するように、プラス側の電流がマイナス側の電流に比べて大きくなるものとなる。
【００４９】
この後、セルフバイアスの値が定常状態となった状態では、高周波バイアスの電流の波形は、図９における電流波形の右側のグラフのように正負で対称かこれと見做せる程度にこれに近似したものとなる。このようにセルフバイアスが発生する途中の各タイミングでの波形を比較することによりセルフバイアスが発生する、あるいは発生してから定常状態に遷移するまでの過渡状態である時間を検出或いはその終了の時点の判定をすることができる。
【００５０】
エッチングにおいて、高い加工精度が要求される場合には、このセルフバイアスまたはその定常状態が発生するまでの時間が加工精度に影響する可能性も考えられる。例えば、セルフバイアスが生起して定常状態へ遷移する発生する速度が遅すぎる場合はエッチングの進行が遅くなり、エッチングストップ等を生じて加工精度が低下する恐れがある。
【００５１】
このような場合、高周波バイアスの立上りに同期して高周波バイアスの電流波形を検出した結果を用いてセルフバイアスの電位（電圧）が発生し定常状態に遷移するまでの時間を監視し、これが所定の許容される範囲を超えた場合は処理の結果としての処理後の形状の基準値からのズレの量が許容される範囲を超えるものと想定して、エッチング処理を停止するとともに当該停止をプラズマ処理装置の使用者に報知するようにする。本実施例でのこのような波形の検出は、上記の通り電力解析基板１１３において所定の時間間隔で実施されるが、この検出を精度良く実施できるためには、その高周波電力の電流または電圧の値検出する時間間隔は高周波バイアスの周期の１／１０以下の値であることが望ましい。
【００５２】
本例では、図９の高周波バイアスの波形において、高周波バイアス出力指令におけるバイアス出力開始指令（オン指令）の信号が出力されてから２周期後の波形と３周期後の波形との信号値の各周期内の各位相に相当する時刻同士の差分の２乗平均を算出する。セルフバイアスが発生して定常状態に遷移するまでの時間が予め使用者によって設定された適切な範囲内の値であれば、この差分の２乗平均は当該適切な範囲に対応した値となる。当該差分の２乗平均の値をＣＰＵ２０３により各時間間隔毎に、もしくは、予め定めた間欠の期間毎に複数回時間間隔毎に連続して検出し、当該値が許容の範囲を超えた場合に処理を停止する。
【００５３】
本実施例ではさらに、電流の波形の検出の際にＳＮ比を向上させるために、間欠的に繰り返される高周波バイアス出力指令のオン信号に対して基準クロックを用いて、検出された電流の波形の時刻または位相毎の値を重ね合わせ（足し合わせ）るまたはその平均を算出する。このような重ね合わせまたは平均の算出を実施する際には、検出された各波形の位相が揃っていることが必要である。本実施例では、電流波形の特定の位相、例えば、波形の値がゼロクロスする時点、すなわち位相が０度または１８０度の位相となる時点同士で重ね合わせて波形を揃えている。
【００５４】
本実施例においては、上記の通り、パルス発生ユニット１１４がその内部で形成される基準クロックと高周波バイアス出力指令信号とを電力解析基板１３３に出力し、電力解析基板１１３は受信した基準クロックに対応して波形取得タイミング調整回路２０４がタイミングを算出し、当該タイミングに沿ってＣＰＵ２０３によりメモリ２０２−１，２０２−２から格納された波形のデジタル値が読み出されると共に、パルス発生ユニット１１４は高周波電源１１０に対しても基準クロック及び高周波バイアス出力信号を出力する。
【００５５】
高周波電源１１０では、高周波バイアス出力信号に対応して高周波バイアスのオン／オフの信号値を出力するとともに、受信した基準クロックに合わせて高周波バイアスの電流または電位の各周期毎の出力を開始する。このことは、高周波バイアス出力指令信号がオンとなる開始時の位相と当該指令に応じて高周波バイアス電源１１０から出力が開始された電流または電圧の波形の開始の（つまり１周期目の開始からの）位相とが同期していることを意味すると共に、高周波バイアスの開始からの各周期毎の開始からの位相が基準クロックに合致するように高周波バイアスが出力されることを意味する。
【００５６】
このため、高周波バイアスの各電流波形、電圧波形は、高周波バイアス出力指令信号の立上りとともにこれらの波形の各周期の何れもが開始時の位相が揃えられている。このように、本実施例では、間欠的なバイアス形成用の高周波電力の印加の開始と波形の形成とが基準クロックを基準として出力され、高周波バイアスの波形の各周期は基準クロックを基準としたその位相が等しくされ、高周波バイアス出力指令におけるオン信号の開始に対応した高周波バイアスの開始時の位相は揃えられている。
【００５７】
このことにより、所定の同じ期間で間欠的に高周波バイアスが出力されている場合の各期間における開始から同じ時刻の電流波形同士は同期し（位相が揃えられ）ているのでこれらの波形を重ね合わせまたは平均化した結果を用いて精度良くプラズマ１０８の状態を検出でき、延いてはこの結果を用いてプラズマ処理装置の運転の調節または処理の条件の調節の精度を向上することができる。
【００５８】
また、電流の波形はセルフバイアスが発生するとプラス側に歪む。このため、電流の波形を測定してその歪みの度合いを検出した結果とを用いてセルフバイアスが発生しているかどうかを確認することができる。
【００５９】
セルフバイアスが発生しなければウエハにイオンを引き込むことができずエッチングを行えない。また、セルフバイアスが発生しても、セルフバイアス電圧が小さければウエハにイオンを引き込む効果が小さいため、エッチングの進行が遅くなり、エッチングストップ等を生じて加工精度が低下する恐れがある。
【００６０】
このような場合、高周波バイアスの印加を開始した後の電流の波形のプラス側のピーク値を検出し、この値が所定の値以下であると判定された場合には、処理を停止する、装置の運転を停止する或いは処理の条件を変更する。この際、当該停止や変更をその前後で使用者に報知しても良い。
【００６１】
また、プラス側のピーク値でなくとも、高周波バイアス出力の印加を開始した直後の電流の第１周期分の電流値の平均値を算出し、これが所定の値以下である場合には、上記と同様に処理の停止及び報知等をするようにしても良い。このような電流のピーク値、あるいは平均値を定期的にあるいは予め定めた間欠の間隔毎に所定の回数検出し、その値が許容される値以下となった場合、処理を停止等するようにしても良い。
【００６２】
上記の実施例において、処理室１０７内の排気、半導体ウエハ１１１のウエハステージ上での保持、マイクロ波の電界や高周波バイアスの供給と停止、プラズマの形成と消失、プラズマや高周波バイアスの電流や電圧の検出のタイミングの調節や実行といった、プラズマ処理装置の運転における動作は、図示しない制御装置により指令されそれらの動作が調節される。制御装置は、本例のプラズマ処理装置を構成する上記のソレノイドコイル１０２、マグネトロン１０３、マイクロ波電源１０４、高周波バイアス電源１１０、ウエハステージ１０９、真空ポンプ等排気装置、電力センサ１１２、電力解析基板１１３、パルス発生ユニット１１４といったセンサ、機器、部位等と通信可能に接続され、これらからの動作状態を示すデータを受信し、当該データに基いて動作指令を算出し、当該動作指令をこれらのもののうち対称となる機器に発信する機能を有している。制御装置の動作により、プラズマ処理装置の運転、半導体ウエハ１１１の処理の条件及び処理の状態が使用者が指定した所期の加工結果が得られるように制御される。
【００６３】
図４，５，１１を用いて上記実施例の変形例を説明する。図４は、図１に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に説明する縦断面図である。
【００６４】
本図において、本例と図１に示す実施例との差異は、パルス発生ユニット１１４がマイクロ波出力指令信号を出力し、当該信号がマイクロ波電源１０４と電力解析基板１１３とに伝達される点である。他の構成において、実施例とその構成及び作用が同等であるものについては、以下において説明を省略している。
【００６５】
本例において、電力解析基板１１３、高周波バイアス電源１１０及びマイクロ波電源１０４には、パルス発生ユニット１１４と通信手段を介して信号を無線または有線に関らず通信可能に接続されている。パルス発生ユニット１１４は形成した基準クロックと高周波バイアス出力指令信号とを、通信手段を介して高周波バイアス電源１１０に出力し、同じく形成したマイクロ波出力指令信号をマイクロ波電源１０３に出力し、マイクロ波電源１０４及び高周波バイアス電源１１０は受信した出力信号に応じて高周波電力を出力する。
【００６６】
また、高周波バイアス電源１１０は受信した基準クロックに基いたタイミングでその指定に合わせて変調された出力を行うとともに、マイクロ波電源１０４は高周波バイアスの変調に同期させてこれが出力するマイクロ波の電力の出力についての変調を行う。さらに、各出力指令信号と各出力指令信号の基準となる基準クロックが電力解析基板１１３にも入力されており、変調された高周波バイアス電力およびマイクロ波の電界の出力に同期して高周波バイアスの電流および電圧の検出を可能としている。
【００６７】
図５は、図４に示す変形例に係る電力解析基板１１３およびパルス発生ユニット１１４の構成の概略を模式的に示すブロック図である。本図に示す電力解析基板１１３およびパルス発生ユニット１１４の構成と図２に示す実施例の構成との差異は、パルス発生ユニット１１４にマイクロ波出力指令信号生成部２０７が配置され、電力解析基板１１３に配置された波形取得タイミング調整回路２０４がマイクロ波出力指令信号生成部２０７から出力された信号を受信可能に構成された点である。
【００６８】
実施例と同様に、電力センサ１１２からの出力である電流モニタ信号と電圧モニタ信号とは電力解析基板１１３に取り込まれ、これらモニタ信号各々がＡＤ変換器２０１−１，２０１−２各々に入力されてデジタル値に変換される。変換された各々の値は通信手段を介して各々メモリ２０２−１，２０２−２に格納され記憶される。さらに、ＣＰＵ２０３がメモリ２０２−１、２０２−２から値を読み出して、得られた値を用いて電流、電圧値のピーク、実効値、理想正弦波に対する歪み量、或いは電流と電圧の位相差等の高周波電力の特性を算出する。
【００６９】
このとき、上記メモリ２０１−１，２０２−２への電流または電圧のデジタル値の格納は、パルス発生ユニット１１４からの出力である基準クロック（または基準クロック信号）及び高周波バイアス出力指令信号を受信した波形取得タイミング調整回路２０４が算出し出力した信号に応じた波形取得タイミングで行われる。このとき、上記値のメモリ２０２−１、２０２−２への格納は、波形取得タイミング調整回路２０４によって算出され出力された波形取得タイミングの信号に応じて行われる点も、上記実施例と同様である。
【００７０】
パルス発生ユニット１１４においては、ベースカウンタ２０５が、実施例と同様の基準クロックと外部から得られたパルス周期情報及び高周波バイアスパルスデューティー情報並びにマイクロ波パルスデューティー情報から高周波バイアス出力指令信号及びマイクロ波出力指令信号を生成する。基準クロックは、高周波バイアス出力指令信号、マイクロ波出力指令信号、さらに波形取得タイミング調整回路の出力が基準として形成されるクロック信号であり、本実施例では周波数４００ｋＨｚである。尚、本例においてもマイクロ波出力指令信号及び高周波バイアス出力指令信号はオンとオフとの２つを示す方形の信号となっている。
【００７１】
ベースカウンタ２０５は、基準クロックとパルス周期の情報とに基いてパルス周期の情報に指定された周期のパルス波形を生成し、その波形が高周波バイアス出力指令信号生成部２０６、マイクロ波出力指令信号生成部２０７に入力される。高周波バイアス出力指令信号生成部２０６では、パルス波形と高周波バイアスパルスデューティー情報とから指定された周期及びデューティー比の高周波バイアス出力指令信号を生成し出力する。また、マイクロ波出力指令信号生成部２０７では、パルス波形とマイクロ波パルスデューティー情報とから、指定された周期、デューティー比のマイクロ波出力指令信号を生成し出力する。
【００７２】
図１１を用いて、本例における高周波バイアスの過渡状態とその検出のタイミングを説明する。図１１は、図４に示す変形例に係る高周波バイアスの測定のタイミングを模式的に示すグラフである。
【００７３】
本例においても、電力解析基板１１３において行われる高周波バイアスの大きさや波形の検出または検知のタイミングは、パルス発生ユニット１１４から出力される基準クロックに基いて実行され、パルス状にオン及びオフされる基準クロックの信号の任意のパルスの立上りの時刻またはタイミングに対応して高周波バイアス出力指令信号生成部２０６からの高周波バイアス出力指令信号がオンとして高周波バイアス電源１１０に出力され、マイクロ波出力指令信号生成部２０７からマイクロ波出力指令信号が出力され、これらの出力指令信号各々に対応してマイクロ波及び高周波バイアスが出力される。
【００７４】
さらに、高周波バイアス電源１１０は、高周波バイアス出力指令信号に応じて高周波バイアスをオンとして出力しオフとして停止するとともに、パルス状の基準クロック信号に対応して高周波バイアスの各周期の波形の出力を、予め定められた一定の位相で開始し且つ停止する。また、本例においても、セルフバイアス電圧が定常状態になるまでの過渡状態の時間が概ね１０μｓｅｃであった場合を例として説明する。
【００７５】
さらにまた、高周波バイアスの周波数は４００ｋＨｚであり、高周波バイアスの出力指令の開始の信号が発信されセルフバイアスが生起してから定常状態に至るまでの高周波バイアスの電流、電圧の波形を概ね４周期の高周波バイアスの波形を検出する。本例では、高周波バイアスの出力指令のオン信号の出力はマイクロ波出力指令信号のオン信号の出力と同期して出力されるか、高周波バイアスの出力（オン）の開始のタイミングとマイクロ波の電界の出力（オン）の開始のタイミングとが同期するように調節される。
【００７６】
本図に示すように、マイクロ波によるプラズマ１０８の密度もマグネトロン１０３からのマイクロ波の電界またはマイクロ波電源１０４からの出力が開始された時点から密度の値が定常なものになるまでその大きさが変化する、所謂過渡状態が存在する。このプラズマ１０８の過渡状態の期間は通常はセルフバイアスの過渡状態の期間よりも長いものであるが、セルフバイアスの過渡状態における高周波バイアスの波形の検出と同様に、過渡状態の期間の長さ及びこの間の高周波バイアスの電流、電位の波形、ピーク値、時間平均値等の特性を検出しても良い。
【００７７】
図１０を用いて、本例における高周波バイアスの出力の立上りにおける電流波形の例を示す。図１０は、図４に示す変形例に係るプラズマ密度及び高周波バイアスの電流の波形の時間の推移に伴う変化を模式的に示すグラフである。
【００７８】
上記の通り、セルフバイアスが生起して定常状態に遷移するまでは、プラズマ１０８中の電子を引き込むためプラス側の電流がマイナス側の電流に比べて多くなり高周波バイアスの電流の波形はプラス側に歪むことになるので、このようなセルフバイアスが定常状態になるまでの途中の各タイミングでの高周波バイアスの波形を検出し、基準値と比較することによりセルフバイアスの過渡状態の時間を検出、あるいはその終了の時点の判定をすることができる。
【００７９】
特に、本願発明は、高周波バイアス電力とプラズマ１０８生成用の電力との双方を同期させてその出力のタイミングと時間とを可変に調節（変調）して出力可能な構成を備えている。このような構成においては、高周波バイアスの印加と同期してプラズマ１０８生成用高周波電力も印加され、プラズマ１０８が生成されるため、高周波バイアスのみを変調する場合に比べてセルフバイアス電圧の過渡的変動、そして高周波バイアス電流波形の過渡的変動はより大きくなると考えられる。つまり、高周波バイアスが過渡的な状態におけるその電流または電圧の波形の変動を検出する意義はより大きい。
【００８０】
エッチングにおいて、高い加工精度が要求される場合には、このセルフバイアスが発生するまでの時間が加工精度に影響する可能性も考えられる。例えば、セルフバイアスが発生する速度が遅すぎる場合はエッチングの進行が遅くなり、エッチングストップ等を生じて加工精度が低下する恐れがある。
【００８１】
このような場合、高周波バイアスの立上りに同期して高周波バイアスの電流の波形を検出し、セルフバイアスの電圧が発生する時間を検出し、これが所定の範囲を逸脱したと判定された場合に処理を停止する、或いは処理の条件を変更する、報知する等を実施するようにしても良い。例えば、図１０において、高周波バイアスの過渡状態における電流の波形の時間の経過に伴う（時間的な）変化を検出する、より具体的な例としては、２周期後の波形と３周期後の波形の差分の２乗平均を算出する。
【００８２】
セルフバイアスが発生して定常状態に遷移するまでの時間が予め使用者によって設定された適切な範囲内の値であれば、この差分の２乗平均は当該適切な範囲に対応した上限値以下となる。当該差分の２乗平均の値をＣＰＵ１１３により各時間間隔毎に、もしくは、予め定めた間欠の期間毎に複数回時間間隔毎に連続して検出し、当該値が許容の範囲を超えた場合に処理を停止する。
【００８３】
本実施例ではさらに、電流の波形の検出の際にＳＮ比を向上させるために、間欠的に繰り返される高周波バイアス出力指令のオン信号に対して対して基準クロックを用いて、検出された電流の波形の重ね合わせまたはその平均を算出する。このような重ね合わせまたは平均の算出を実施する際には、検出された各波形の位相が揃っていることが必要である。本実施例では、電流波形の特定の位相、例えば、波形の値がゼロクロスする時点、すなわち位相が０度または１８０度の位相となる時点同士で重ね合わせて波形を揃えている。
【００８４】
また、本例においても、実施例と同様に、パルス発生ユニット１１４からの基準クロックが高周波バイアス電源１１０及び電力解析基板１１３の波形取得タイミング調整回路２０４に入力される構成を備え、高周波バイアスの各電流波形、電圧波形は、高周波バイアス出力指令信号の立上りとともにこれらの波形の各周期の何れもが開始時の位相が揃えられ、同じ期間で間欠的に高周波バイアスが出力されている場合の各期間における開始から同じ時刻の電流波形同士は同期し（位相が揃えられ）ている。このため、これらの波形を重ね合わせまたは平均化した結果を用いて精度良くプラズマ１０８の状態を検出でき、延いてはこの結果を用いてプラズマ処理装置の運転の調節または処理の条件の調節の精度を向上することができる。また、セルフバイアスの過渡状態の電流の波形の歪みを検出することでセルフバイアスの過渡状態の期間及びその終了を検出することができる。
【００８５】
また、間欠的に印加される高周波バイアスの各印加の開始後の電流または電圧のプラス側のピーク値を監視し、所定の値以下であれば処理を停止するように制御しても良い。また、プラス側のピーク値でなくとも、高周波バイアス出力印加直後の電流波形１周期分の平均値を算出してこれを用いても良い。プラス側のピーク値、あるいは、該平均値を常時、もしくは、定期的に監視し、所定の値以下となった場合、処理を停止するようにしても良い。
【００８６】
図６乃至８を用いてさらに別の変形例を説明する。本例に係るプラズマ処理装置は、図４，５に示す変形例と同等の構成を備えている。
【００８７】
図６は、図１に示す実施例のさらに別の変形例に係るプラズマ処理装置における、マイクロ波、高周波バイアスおよびプラズマ１０８の密度の時間変化を模式的に説明するグラフである。本例においても、基準クロックの信号に基いて、マイクロ波出力指令信号及び高周波バイアス出力指令信号がパルス発生ユニット１１４から発信されるとともに基準クロックに基いて電力解析基板１１３において高周波バイアスの電流または電圧の波形が検出される。
【００８８】
即ち、オンとオフとを示す２値の方形波であるマイクロ波出力指令のオン信号は基準クロックの任意のパルスの立上りと同期して発信あるいはマイクロ波電源１０４で受信或いはマイクロ波電源１０４の電力が出力され、マグネトロン１０３からマイクロ波の電界が出力される。また、このようなマイクロ波出力に係る任意の基準クロックに同期して高周波バイアス出力指令信号の方形波のオン信号がパルス発生ユニット１１４から発信あるいは高周波電源１１０で受信あるいはさらに高周波電源１１０の電力が出力され、高周波バイアスがウエハステージ１０９または半導体ウエハ１１１上に形成される。
【００８９】
出力されたマイクロ波の電界が導波管１０５、誘電体窓１０６を介して処理室１０７内に供給されると、処理室１０７内のプラズマ１０８の密度は上昇を開始する。その後、プラズマ１０８の密度はマイクロ波が出力されている間（オンの間）は所定の相対的に高い値で維持され定常状態となり、マイクロ波の電界の供給が停止されオフになると所定の値から徐々に低下して、本例ではマイクロ波の供給が開始される前の値に戻る。尚、本例ではプラズマ１０８はマイクロ波がオフとなった状態でも処理室１０７内においては完全に消失していない。
【００９０】
ここで、プラズマ１０８の密度が所期の値の許容範囲から外れてしまう、つまりプラズマ１０８の密度が高くなり過ぎる或いは低くなり過ぎる場合にはエッチング処理による加工形状の精度に悪影響を及ぼしてしまう。例えば、プラズマ１０８の密度が高くなりすぎた場合において、処理室１０７内のプラズマ１０８中に形成される反応性の相対的に高いラジカルの密度が上昇した場合、サイドエッチ等の加工不良が発生する可能性がある。また、逆に堆積性の相対的に大きなラジカルの密度が上昇した場合にはエッチストップ等が生じてしまい、同様に加工不良となる可能性がある。
【００９１】
また、プラズマ１０８の密度が低くなり過ぎた場合には、上記と逆の加工不良が生じる可能性がある。このような問題に対して、本例は、半導体ウエハ１１１のエッチング処理中に処理基準クロックであるパルス波形に同期してマイクロ波の電界がオフになる直前のタイミング、また、マイクロ波の電界がオンになった直後のタイミングで高周波バイアスの電圧あるいは電流波形を検出した結果を用いて、プラズマ１０８の密度の最大値および最小値を検出する。そして、本例は、これら最大値、最小値が所定の範囲を逸脱した場合にプラズマ処理装置の運転または当該半導体ウエハの処理を停止、或いは処理の条件の変更することで、半導体ウエハ１１１延いては当該ウエハから製造される半導体デバイスの歩留まりを向上することができる。なお、運転または処理の停止や処理の条件の変更が生じた直後かこれらの何れかが実施される前に使用者に報知するようにしても良い。
【００９２】
図７は、本例における処理中のマイクロ波、高周波バイアスおよびプラズマの密度の時間変化と処理の過渡状態におけるプラズマの密度を検出するタイミングを模式的に説明するグラフである。本図において、マイクロ波電源１０４からの出力によりマグネトロン１０３がマイクロ波の電界を導波管１０５内に出力すると、上記の通り、電界が処理室１０７に伝達されてプラズマ１０８の密度が上昇を開始し、その後一定の許容範囲内の値に達してこれが維持される定常状態に遷移する。
【００９３】
一般的に、このようなプラズマ１０８の密度の上昇から定常状態になるまでの過渡状態の時間は数百μｓｅｃであり、本例においては特におよそ２００μｓｅｃであった場合を説明する。また、高周波バイアス電力の周波数は４００ｋＨｚであり、すなわち周期２．５μｓｅｃであることから、プラズマ１０８の過渡状態の期間２００μｓｅｃの間に高周波バイアスの電流または電圧の波形は概ね８０周期存在することになる。
【００９４】
本例においては、このようなプラズマ１０８の立上りにおける過渡状態において高周波バイアスの電流または電圧の波形を検出しているが、８０周期すべてについて測定する必要はなく、適切な数の範囲の周期のみ或いは特定の数の周期毎に検出しても良い。例えば、高周波バイアス出力指令信号のオン信号が発信された後の２０周期毎の波形を検出しても良い。
【００９５】
図８は、本例における高周波バイアス出力指令の発信後の高周波バイアスの電圧の波形を２０周期毎に検出した結果を模式的に示すグラフである。本図では、電圧の波形を当該２０周期毎に１波長のみ検出したものを各々の位相を揃えて重ねて示したものである。
【００９６】
本図に示すように、高周波バイアス出力指令と同期するように発信されたマイクロ波出力指令の信号に応じてマイクロ波の電界が供給され処理室１０７内のプラズマ１０８の密度が上昇を開始すると、プラズマ１０８のインピーダンスが小さくなるため高周波バイアスの電圧の波形のピークは小さくなる。プラズマ１０８の密度の値が大きくなるほどインピーダンスが小さくなるため、高周波バイアス出力指令信号のオン信号の発信後の過渡状態において２０周期毎に検出される高周波バイアスの電圧の波形は周期数が２０の倍数で増大するに伴なって振幅あるいはピーク値が小さくなることが判る。
【００９７】
このように、プラズマ１０８の密度が上昇する過渡状態における適切な複数のタイミングで高周波バイアスの波形を検出し、これらから得られる値を比較するで、プラズマ１０８の過渡状態の期間またはその終了を判定することができる。尚、図７では電圧の波形を例として示したが電流の波形を使用しても両者を使用しても良い。
【００９８】
また、マイクロ波の電界の供給またはプラズマ１０８の過渡状態の開始に同期して供給される高周波バイアスの電流または電圧波形を過渡状態において検出して得られる過渡状態の時間が所定の許容範囲を逸脱したと判定された場合に、プラズマ処理装置の運転またはプラズマ処理の停止あるいは処理の条件を変更するようにしても良い。例えば、図８において６０周期後の波形と８０周期後の波形の差分の２乗平均を算出し、これが所定の値以上となったと判定された場合に処理を停止しても良い。
【００９９】
本例においても、検出される高周波バイアスの波形のＳＮ比を向上させるために、基準クロックのパルス波形に対応させて検出した複数の時点における波形を重ね合わせ或いは平均を算出する。この算出の際には波形の位相を揃えるために波形の特定の位相同士を合わせて重ね合わせる或いは平均を算出する。本例でも、電流または電圧の波形は、基準クロックのパルス波形に対応して発信される高周波バイアス出力指令と同期して検出されるため、高周波バイアスの各波形の位相は基準クロックのパルス波形に同期していることにより、２０周期毎の波形の同じ位相同士の値が重ね合わされ或いは平均が算出され、精度の高い波形の値の検出ができ、延いては加工の精度と処理の歩留まりを向上できる。
【符号の説明】
【０１００】
１０１…反応容器
１０２…ソレノイドコイル
１０３…マイクロ波電源
１０４…マグネトロン
１０５…導波管
１０６…誘電体窓
１０７…処理室
１０８…プラズマ
１０９…ウエハステージ
１１０…高周波バイアス電源
１１１…半導体ウエハ
１１２…電力センサ
１１３…電力解析基板
１１４…パルス発生ユニット
２０１−１，２…ＡＤ変換器
２０２−１，２…メモリ
２０３…ＣＰＵ
２０４…波形取得タイミング調整回路
２０５…ベースカウンタ
２０６…高周波バイアス出力指令信号生成部
２０７…マイクロ波出力指令信号生成部。
【図１】
2015185698.tif 000003
【図２】
2015185698.tif 000004
【図３】
2015185698.tif 000005
【図４】
2015185698.tif 000006
【図５】
2015185698.tif 000007
【図６】
2015185698.tif 000008
【図７】
2015185698.tif 000009
【図８】
2015185698.tif 000010
【図９】
2015185698.tif 000011
【図１０】
2015185698.tif 000012
【図１１】
2015185698.tif 000013