(57)【要約】【課題】  被処理体直上で異物粒子の発生をモニタする異物モニタを搭載したプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】  処理室と、処理室にガスを供給する手段と、処理室を減圧する排気手段と、被処理体を戴置するステージと、プラズマ生成用高周波電源と、コイルとを備えたプラズマ処理装置において、磁場によるプラズマ分布制御により異物粒子をステージ中心付近の上方に集め、異物が浮遊する高さ位置にレーザー光を照射することによってフォトダイオードまたはCCDカメラで異物粒子を検知できるようにした。【効果】  低パワーのレーザー光源でも異物粒子の発生を検出できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室と、処理室にガスを供給する手段と、処理室を減圧する排気手段と、プラズマ生成用高周波電源と、被処理体を戴置するためのステージと、磁場を生成するためのコイル、または内側と外側で電気的に２つに分割されたアンテナ、または被処理体外周付近の部材を過熱する過熱機構とを有するプラズマ装置において、
レーザー導入ポートと、レーザー光源と、レーザー光を拡大する拡大光学系と、
レーザー散乱光を測定するためのカメラと、
バンドパスフィルタとを備え、異物粒子を所定の場所に集め、該集まった異物粒子を該レーザー光によって検出することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
処理室と、処理室にガスを供給する手段と、処理室を減圧する排気手段と、プラズマ生成用高周波電源と、被処理体を戴置するためのステージと、磁場を生成するためのコイル、または内側と外側で電気的に２つに分割されたアンテナ、または被処理体外周付近の部材を過熱する過熱機構とを有するプラズマ装置において、
レーザー導入ポートと、レーザー光源と、レーザー光を拡大する拡大光学系と、レーザー光強度を測定するためのセンサーとを備え、異物粒子を所定の場所に集め、該集まった異物粒子を該レーザー光の減衰量に基づいて検出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または２に記載のプラズマ処理装置において、
シャワープレートに開けられた孔を介してプラズマ光を集光する集光光学系を具備し、測定したプラズマの発光スペクトルからガスの温度を算出し、処理空間のガス温度が所定の温度分布になっているかをモニタしながらプラズマ分布または処理室内の温度分布を制御す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または２に記載のプラズマ処理装置において、
処理室内を透過するレーザー光の断面積が100mm2以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
磁場強度によりプラズマ分布を制御し、該プラズマ分布に制御によってガスの温度分布を制御し、熱泳動力によって所定の位置に、プラズマ中を浮遊する異物粒子を集め、該集めた異物粒子をレーザー光を用いて検出する異物粒子の検出方法。
【請求項６】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
被処理体を戴置するステージを上下に駆動できるようにし、該ステージ高さを調整することにより、異物粒子の浮遊高さ位置とレーザー光の透過高さ位置を合わせることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ生成のための高周波電力、またはバイアス電力を調整することによって、異物粒子の浮遊高さ位置とレーザー光の透過高さ位置を合わせることを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
DRAMやマイクロプロセッサ等の半導体装置の製造工程において、プラズマエッチングやプラズマCVDが広く用いられている。プラズマを用いた半導体装置の加工における課題の１つに被処理体に付着する異物数を低減することが挙げられる。例えばエッチング処理中に被処理体の微細パターン上に異物粒子が付着すると、その部位は局所的にエッチングが阻害される。これにより断線などの不良が生じ歩留まり低下を引き起こす。
【０００３】
プラズマ処理装置において異物粒子汚染による歩留まり低下を防ぐ方法として、異物の発生量が既定値を超えたら、装置を分解し、スワップパーツ等を洗浄する方法が採られている。異物による汚染レベルを測定する方法としては、例えば、検査用のウエハを処理室内に搬送して模擬放電等を行い、その際に付着した異物粒子の数を面板検査装置にてカウントする方法がよく用いされる。さらに、処理ガスを排気するためのガスラインの途中に異物数をカウントするパーティクルモニタを設置し、これにより異物数をカウントする方法もある。また、ウエハ直上に数W以上の出力のレーザー光源を用いてレーザーシート光を処理室内を照射し異物粒子による散乱光をCCDカメラ等で計測する方法もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記で述べた従来の異物数の測定方法において、検査用のウエハを用いて面板検査装置にて異物数を測定する方法では検査用ウエハのコストが高いため、これを用いずに検査する方法があれば望ましい。ガスの排気ラインの途中に設置して用いるパーティクルモニタでは、検査用のウエハが不要であることがメリットであるが、処理ウエハの設置位置から遠くはなれた位置での測定となるため、処理ウエハに付着する異物の数とガス排気ラインの途中で測定した異物数では相関が取れない問題がある。ウエハ直上にレーザーシート光を照射する方法では、レーザー光をシート状に拡大した際、十分な単位断面積あたりのレーザーパワーを確保する必要があるため、数ワット以上の高出力レーザーが必要であり装置コストが高い。また、レーザーシート光を導入するため、シート光の断面以上の大きな窓が必要であり、プラズマ処理装置に大掛かりな改造が必要であることもデメリットである。
【０００５】
レーザーシート光を用いて異物粒子を測定する場合、観測空間範囲を広げるためにレーザーシート光の断面積を大きくすれば、単位断面積あたりのレーザーパワーは低下するため、検出感度が低下し微小な異物粒子の検出が困難になる。そのため、観測範囲と検出限界異物粒子径はトレードオフの関係にある。もし、異物粒子を特定の場所に集めることができれば、観測範囲を広げるためにシート光を大きく拡大する必要が無くなり、低パワーの安価なレーザー光源でも異物粒子の発生を検知できるようになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では処理室と、処理室にガスを供給する手段と、処理室を減圧する排気手段と、被処理体を戴置するステージと、プラズマ生成用高周波電源と、コイルとを備えたプラズマ処理装置において、磁場によるプラズマ分布制御により異物粒子をステージ中心付近の上方に集め、異物が浮遊する高さ位置にレーザー光を照射することによってフォトダイオードまたはCCDカメラで異物粒子を検知できるようにした。
【発明の効果】
【０００７】
以上説明したように、本発明では異物粒子をステージの中心付近の直上に集めることにより、低パワーのレーザー光源を用いたレーザー異物モニタでも異物粒子の発生を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の第１の実施例について図１〜7を参照して説明する。図１は平行平板型UHF-ECRプラズマ処理装置の例を示している。図２は図1の処理室上方を上から見た図である。処理室１は接地してある。処理室１の上部には電磁波放射ためのアンテナ3が、被処理体2を戴置するためのステージ4と平行に設置されている。アンテナ3の下部には分散板６を介してシャワープレート5が設置されている。処理ガスは分散板内でガスを分散し、シャワープレートに設けられたガス孔を介して処理室内に供給される。また、分散板６は内側と外側の2つの領域に分割されており、ガスの流量や組成を被処理体の中心付近と外周付近で独立に制御することで被処理体面内の加工寸法を均一にできるようになっている。
【０００９】
処理室1には処理室内を減圧するためのターボ分子ポンプなどの排気手段１０がバタフライバルブ１１を介して取り付けられている。アンテナ3にはプラズマ生成のため高周波ソース電源２０が整合器２２−１とフィルタ２５−１を介して接続されている。処理室の外側には磁場生成のため、コイル２６とヨーク２７が設置されている。プラズマは該アンテナ3から放射されるプラズマ生成用の高周波電力と磁場との相互作用による電子サイクロトロン共鳴により効率的に生成される。また磁場分布を制御することでプラズマの生成分布とプラズマの輸送を制御することができる。アンテナ3には該アンテナに高周波バイアス電力を印加するためのバイアス電源２１−１が整合器２２−２とフィルタ２５−１を介して接続されている。該フィルタ２５−１はプラズマ生成用の高周波電力がアンテナのバイアス用高周波電源２１−１に流れ込まないようにするためと、アンテナのバイアス高周波電力がプラズマ生成用のソース電源側に流入しないようにするためのものでる。ステージ４には被処理体2に入射するイオンを加速するため、バイアス電源２１−２が整合器２２−３及びフィルタ２５−２を介して接続されている。
【００１０】
ステージ4に印加するバイアス用高周波電力と、前記アンテナ3に印加するアンテナバイアス用高周波電力はお互いに同じ周波数とする。そしてアンテナに印加するアンテナバイアス用の高周波電力とステージに印加するバイアス用の高周波電力の位相差は位相制御器２３によって制御する。該位相差を180°とすると、プラズマ閉じ込めが向上し、処理室の側壁に入射するイオンのフラックスやエネルギーが減少する。これにより壁の消耗等に起因する異物の発生量を減少させたり、壁材料のコーティングなどの寿命を延ばしたりすることができる。逆に処理室側壁に堆積したデポ物を除去するための酸素等によるクリーニング放電の際は、該位相差を0°とすることにより、プラズマを処理室側壁まで広げてクリーニング速度を速めることができる。
【００１１】
ステージ４には被処理体を静電吸着によって固定するためDC電源２４がフィルタ２５−２を介して接続されている。また、ステージ４には被処理体を冷却するため、被処理体裏面にヘリウムガスを供給できるようになっており、且つ被処理体と内側部分と被処理体の外周部分を独立に温度調整できるようにするため、被処理体裏面の内側部分にヘリウムガスを供給するためのガスラインと、被処理体裏面の外周部分にヘリウムガスを供給するためのガスラインが設置されている（図示せず）。
【００１２】
本装置にはエッチングやクリーニングの終点を判定するため、プラズマの発光を集光部４３−１にて集光し分光器４１−１にて分光測定している。また、被処理体径方向のプラズマ発光分布からガス温度分布等を測定するため、シャワープレートの孔を介して、複数の集光部４３−２によってプラズマの光を集光できるようになっている。集光部４３−２で集めたプラズマ光は光ファイバーで伝送され、分光器４１−２で分光測定される。集光ヘッド４３−２で集めた光は複数のファイバーに分かれているため、例えばマルチプレクサー４２にて、測定するチャンネルを切り替えて、分光器に伝送できるようになっている。もちろん、マルチプレクサーを用いず、ファイバーを並べて、分光器に設置されたCCDにチャンネル１次元、波長１次元の2次元の像として測定する方法でもよい。また分光器４１−１は例えば波長分解能が1nmと多少精度が悪くても広い波長範囲の計測ができるほうが望ましい場合が多いが、ガス温度を計測するのに用いる分光器４１−２は例えば0.1nm以下の高い波長分解能を有する分光器を用いるのが望ましい。
処理室１には被処理体直上を浮遊する異物を測定するため、レーザー導入ポート65にシート光学系61及びレーザー光源60が設置されており、これに対して反対側の処理室側壁には、レーザー出射ポート66、及びビームダンパー62が設置されている。
【００１３】
レーザー光源から発射されたレーザー光はシート光学系61により例えば断面が直径3mmの円形のシート光拡大され、処理室内に導入される。そして処理室内を透過したレーザー光はレーザー出射ポート６６を通り、ビームダンパー６２にて終端されるようになっている。異物粒子によって散乱されたレーザー光を測定する手段として、処理室側壁には観測ポート６７−２、６７−３を介してCCDカメラ６３が設置されている。
【００１４】
次に異物粒子の挙動及び検出方式について図３〜７を用いて説明する。図３は被処理体直上を浮遊する異物粒子の観測結果の例を示している。図４はエッチングレートの被処理体面内分布、即ちプラズマ分布であり、図４のエッチングレート分布Ａ，Ｂ、Ｃはそれぞれ図３のプラズマ分布Ａ、Ｂ、Ｃに対応している。図４には3種類のエッチングレート分布を示してあるが、これはコイルによって生成される磁場強度を変化させることによってプラズマ分布を変化させた結果である。図３のＢ、Ｃには異物粒子が多数集まってクラウド（雲）として観測されている。図３B、Cのように異物粒子をクラウドとして計測すれば、十分な数の異物粒子が集まれば例えば50nmの異物粒子も計測可能である。また、クラウドとして異物粒子を検出する場合は異物粒子を単一の粒子として計測する場合と比べて、異物モニタの検出感度が低くてもよいメリットがある。図３Ａでは異物粒子はほとんど見られない。このときのプラズマ分布は被処理体中心付近で密度が高い分布となっている（図４Ａ）。図３Ｂでは異物粒子が被処理体中心付近の直状に浮遊しており、このときのプラズマ分布は被処理体面内でほぼ均一なプラズマ分布となっている（図４Ｂ）。図３Ｃでは被処理体中心の直上に集まる異物数が図３Ｂよりも多くなっているが、このときのプラズマ分布は被処理体中心付近でプラズマ密度が低くなっている（図４Ｃ）。以上より、磁場により被処理体中心付近でプラズマ密度が低くなるようにプラズマ分布を変化させることにより異物粒子を被処理体直上に集めることができることがわかる。
【００１５】
図３に示した異物粒子測定の画像は図５に示すようような大型のレーザー異物モニタシステムを用いて撮影したものである。ここで、本発明の特徴を分かりやすくするため、まず図５の大型のレーザー異物モニタについて説明する。図１，２に示したレーザー異物モニタと図５の大型のレーザー異物モニタでは、レーザー光を用い光学的な手法によって異物粒子を検出するという基本原理は同じである。しかし、図５に示したような装置ではレーザーシート光の断面を例えば20×20mmに広げているため、レーザーの導入窓と出射窓は例えば30mm×30mmとレーザーシート光の断面より大きくしなければならない。さらに、被処理体面内の広い範囲を測定するため、大型の観測窓を設置している。また、レーザー光を20mm×20mmに拡大しても単位断面積あたりのレーザーパワー密度で10mW/mm2以上を確保するため、出力が10W程度の高出力のレーザー光源を用いている。また、CCDカメラにはイメージインテンシファイア付のI-CCDカメラを用い、レーザー光源にはパルス駆動式のものを用いることで、レーザーが発振するタイミングとI-CCDのイメージインテンシファイアーのゲートをパルスジェネレーターを用いて同期させ、レーザーが出ていないタイミングではCCDに電荷を蓄積しないようにしている。また、バックグラウンドのプラズマ光によるノイズを低減するため、バンドパスフィルターをI-CCDカメラの前に設置しCCDカメラに入射するプラズマ光を低減している。図５で示したような大型のレーザー異物モニタは、異物粒子をクラウドとして計測できるほか、例えば粒径約100nm以上の大きさの異物粒子であれば単一粒子の挙動を計測できるだけの高い検出感度を持っている。そのため、異物粒子のプラズマ中での挙動解明など研究で用いるには適している一方で、量産ラインで稼動しているプラズマ処理装置に適用するのはコストや、大型の観測ポートの設置等の大幅な改造が必要であることなどの観点から難しい。
【００１６】
図３に示したように磁場によりプラズマ分布を制御すれば異物粒子を被処理体の中心付近など、特定の位置に集めることができる。そのため、量産で用いるプラズマ処理装置に搭載する異物モニタは単一の粒子を検出するのではなく、クラウドとして計測するために必要な感度を持ち合わせた異物モニタを搭載し、異物粒子を集めて検出するのが現実的である。この場合、図３から分かるようにクラウドの高さ方向の幅はせいぜい1~2mmであるため、被処理体直上を透過するレーザー光の高さ方向の幅は例えば2mmでよい。もし、20×20mmのシート光でパワー密度が10mW/mm2のものと同じ感度を得ようとするならば、断面を直径2mmの円形のレーザー光とした場合100mW/mm2のパワー密度でよい（レーザー光のウエハに平行方向の幅が20mmから2mmに縮小したことを考慮した）。即ち、レーザー光源に必要なレーザーパワーは、シート光学系等での損失を無視すると、前者は4W、後者は0.4Wとなり、1桁レーザー光源のパワーを下げることができる。
【００１７】
また、レーザー光源にCW（連続発振）のタイプを用いた場合、I-CCDのイメージインテンシファイアのゲートとレーザーパルスの連動ができなくなるが、レーザー光源のパワーが大きいものを用いれば、単位断面積あたりのパワー密度を稼げるため十分な検出感度が得られる。さらに、処理室内を透過するレーザー光の直径が例えば2mmと小さい場合、処理室側壁に設置するレーザー導入ポート、及びレーザー出射ポートの内径は数mmでよい。このような小さな内径のポートはプラズマの発光を集光することを目的に一般のプラズマ処理装置には取り付けられている場合が多く、レーザー異物モニタ用の小さなポートを増設するのは容易である。
【００１８】
また異物粒子によって散乱されたレーザー散乱光は観測ポートに設置されたCCDカメラまたはI-CCDカメラによって測定する。本実施例の場合、観測位置は異物粒子が集めた被処理体中心付近の直上であるため、観測すべき領域は狭く、観測ポートは内径が例えば10mm以下の小型のものでよい。また図２には異物粒子観測のための観測ポートが２つあるが、これは２つの異なった方向から観測することにより異物粒子の散乱光強度の角度依存性を得るためであり、散乱光強度の角度依存性から異物粒子の粒子径を知ることができる。
【００１９】
異物粒子のステージまたは被処理体からの浮遊高さはプラズマ密度やプラズマ電位等によって変化するため、プラズマ生成のためのソース電力やステージに印加するバイアス電力、放電に用いるガス系によって異物の浮遊高さをある程度調整できる。しかし、異物粒子の浮遊高さの調整範囲は一般に10mm程度が装置のスペック等の観点から限界であるため、ステージが上下方向に駆動しない固定方式の場合、被処理体の戴置面より5mm程度上方をレーザー光が透過するようにレーザー導入・出射ポートを設置するのが望ましい。対して、ステージが上下方向に駆動できる場合は、ステージが一番下にある位置から一番上にある位置の範囲であって、その範囲に約5mmを加えた高さのどこかの高さ位置にレーザー導入・出射ポート設置すればよい。
【００２０】
図３では磁場によるプラズマ分布制御により異物粒子を所定の位置に集めることを示したが、異物粒子を所定の位置に集める他の方法について説明するため、次に図３で示したように異物粒子が被処理体の中心付近に集まるメカニズムについて説明する。図６はシャワープレートのガス孔を介して測定したプラズマの発光スペクトルより求めた窒素分子の回転温度の径方向分布である。窒素分子の回転温度はバックグラウンドのガスの温度と等しいとしてみなすことができる。図６のガス温度分布A、Cは図４のプラズマ分布AとCにそれぞれ対応している。図４と図６の比較より、被処理体中心付近でプラズマ密度が大きくなると、被処理体中心付近のガス温度が高くなることが分かる。異物粒子が被処理体中心付近の直上に集まるのは被処理体中心付近のガス温度が被処理体外周付近のガス温度に比べてより低いときである。これは異物粒子が集まるメカニズムが図７に示すように熱泳動力によるものであることによることを示している。熱泳動力とはガス温度が高いところからガス温度が低い方向へ微粒子を動かす力である。図７Aに示したように、ガス温度が被処理体中心付近で高いと、処理ガスによるガス粘性力と熱泳動力の両方が異物粒子を被処理体の外周方向へ輸送する。対してガス温度が被処理体中心で低いと、熱泳動力は異物粒子を被処理体中心方向へ輸送するように働く。ただし、ガス粘性力は異物粒子を被処理体外周方向へ輸送するように働くため、熱泳動力がガス粘性力に打ち勝つようにしないと、異物粒子を被処理体中心付近に集められない。異物粒子を被処理体中心付近の直上に集めるためには、できるだけ被処理対外周のプラズマ密度を大きくしてガス温度の勾配を大きくすること、及び供給ガスの流量を少なくすることが必要である。また、図６ではプラズマ分布にかかわらず、被処理体外周でガス温度が高くなっているが、これはフォーカスリングやサセプタ、シャワーシャワープレート外周の石英リング等が温調されていないため、プラズマによって加熱され、これらの高温のパーツが被処理対外周部のガスを過熱したためである。従って、被処理体外周部のガス温度を高めるためには、フォーカスリングやサセプタ等の被処理体周辺のパーツの温積極的に過熱することも有効である。これらの部材を冷却する機構が具備されている場合は、異物粒子の測定時はこの機能をOFFにすると異物粒子を被処理体中心付近の直上に集めやすくなる。
【００２１】
また異物粒子が検出できなかったとき、処理室内を浮遊する異物粒子が少ないのか、あるいは異物粒子を被処理体中心付近に集められなかっただけのどちらであるのかを判断するため、例えば上記で述べた方法等によって処理室内のガス温度分布をモニタする機能を搭載しているほうが望ましい。
【００２２】
次に本発明の第２の実施例について図８を用いて説明する。図８は図２と同様に処理室を上方から見たときの概略を示している。図８では異物粒子の検出部にフォトダイオード64を用いている。レーザー光源60から出たレーザー光はシート光学系61によって直径2mmのレーザー光に拡大され、レーザー導入ポート65から処理室内に導入される。このレーザー光は被処理体直上を透過し、レーザー出射ポート66を介して大気側へ出て、最後はフォトダイオードによって検出される。異物粒子が被処理体中心付近の直上に浮遊している場合、レーザー光は異物粒子によって散乱されるため、浮遊異物数の増加に伴って、フォトダイオード64に入射するレーザー光の強度は減少することになる。本実施例の場合、レーザーの終端部が異物検出部を兼ねるため、処理室側壁に設置するポートを削減できるメリットがある。
【００２３】
次に本発明の第３の実施例について図９を用いて説明する。図１と同様な構成については説明を省略する。本装置はアンテナを内側部分と外側部分の２つの領域に電気的に分割しており、プラズマ生成のためのソース電力は電力分配器29にて２つに分岐され、一方は内側のアンテナ、他方は外側のアンテナに印加する。本装置では内側のアンテナに印加するソース電力と、外側のアンテナに印加するソース電力の電力比を調整することにより、プラズマ分布を変化させることができる。即ち、図４に示したようなプラズマ分布の制御ができる。従って、プラズマ分布を図４Cのようにすれば、被処理体外周付近のガス温度が被処理体中心付近のガス温度分布に対して高くなるため、熱泳動力によって異物粒子を被処理体中心付近の直上に集めることができ、低パワーのレーザー光源を用いたレーザー異物モニタでも異物粒子を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を平行平板型ＥＣＲプラズマ処理装置に適用した第１の実施例の概略図である。
【図２】処理室を上方から見た概略である。
【図３】異物粒子の挙動を説明する図である。
【図４】プラズマ分布を説明する図である。
【図５】大型のレーザー異物モニタシステムを説明する図である。
【図６】処理室内のガス温度分布を説明する図である。
【図７】異物粒子が被処理体中心付近の直上に集まるメカニズムを説明する図である。
【図８】本発明を適用した第２の実施例を説明する図である。
【図９】本発明を適用した第３の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
【００２５】
１：処理室、２：被処理体、３：アンテナ、４：ステージ、５：シャワープレート、６：分散板、７：ガス孔、８：フォーカスリング、１０：排気手段、１１：バタフライバルブ、１６：サセプタ、２０：ソース電源、２１：バイアス電源、２２：整合器、２３：位相制御器、２４：DC電源、２５：フィルタ、２６：コイル、２７：ヨーク、２８：絶縁物、２９：電力分配器、４０：光ファイバー、４１：分光器、４２：マルチプレクサー、４３：集光部、５０：異物粒子、６０：レーザー光源、６１：シート光学系、６２：ビームダンパー、６３：CCDカメラ、６４：フォトダイオード、６５：レーザー導入ポート、６６：レーザー出射ポート、６７：観測ポート、６８：バンドパスフィルター
６９：パルスジェネレーター、７０：レーザー光、８０：パソコン。
【図１】
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【図２】
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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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【図３】
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