(57)【要約】【課題】処理室内に温度計を設置しなくても、処理室内の昇温状態を簡便に判別できる機能を搭載したプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室にガスを供給する手段と、前記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、被処理体を載置する載置電極とを有するプラズマ処理装置において、前記プラズマ処理の前に実施される昇温放電の終点を判定するための、昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタ及び昇温放電終点判定手段を有している。【選択図】  図１
2008235337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室にガスを供給する手段と、前記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、被処理体を載置する載置電極とを有するプラズマ処理装置において、
前記プラズマ処理の前に実施される昇温放電の終点を判定するための、昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタ及び昇温放電終点判定手段を有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室にガスを供給する手段と、前記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、被処理体を載置する載置電極と、前記載置電極に対向して設けられた上部電極と、前記上部電極に設けられたガス分散板とを有するプラズマ処理装置において、
前記プラズマ処理の前に実施される昇温放電の終点を判定するための、昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタ及び昇温放電終点判定手段を有し、
前記ガス分散板は、前記昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタが集光するための孔を有していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室にガスを供給する手段と、前記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、被処理体を載置する載置電極と、前記プラズマ処理の終点を判定するプラズマ処理終点判定用プラズマ発光モニタとを有するプラズマ処理装置において、
前記プラズマ処理の前に実施される昇温放電の終点を判定するための、昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタ及び昇温放電終点判定手段と、
前記昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタにて集光したプラズマの発光スペクトルから前記処理室内のガス分子の回転温度を算出する手段とを有してい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ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
前記昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタを、前記被処理体の外周部のプラズマ光を集光する位置に設置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
前記昇温放電に伴う前記処理室内のプラズマの発光スペクトルを前記昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタにて集光し、
前記昇温放電終点判定手段において前記発光スペクトルから分子の回転温度を算出し、前記昇温放電の終点を判定することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
前記昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタは、前記処理室の側壁に設置されてい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ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、
前記昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタは、１nm以下の波長分解能を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
前記ガス分子の回転温度を算出する手段は、前記昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタで測定された前記処理室内のスペクトルプロファイルの測定データをメモリに保持する測定データ保持部と、予め計算により求められた回転温度計測用のガスの分子の回転温度に対応するスペクトルプロファイルのデータを保持するスペクトルプロファイルデータベースと、前記スペクトルプロファイルの測定値と前記スペクトルプロファイルのデータの比較から前記ガス分子の回転温度を推定する回転温度推定部と、推定された前記ガス分子の回転温度に基づき前記昇温放電の終点判定を行なう終点判定手段を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマ処理装置において、
前記スペクトルプロファイルデータベースは、前記ガス分子の回転温度を予め複数の回転温度に分離したスペクトルプロファイルデータを有し、
前記回転温度推定部は、前記ガス分子の回転温度を、前記複数の回転温度に対応するスペクトルプロファイルのいずれかと相関の大きいスペクトルプロファイルに基づいて推定す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】
本発明は半導体製造装置に係り、特に、プラズマ処理装置に関するものである。
【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装置やプラズマCVD装置が広く用いられている。
【０００３】
エッチング装置には通常、エッチングやクリーニングの終点を判定するため、あるいはプラズマ分布の均一性を測定するため、プラズマの発光スペクトルを計測する手段が設置されている。発光スペクトルの波長プロファイルはプラズマ中の分子やラジカルなどの密度を反映しているため、特定の波長の強度について、例えば時間変化を調べることにより、エッチングやクリーニングの終点を知ることができる。
【０００４】
この発光スペクトルの波長プロファイルには分子やラジカルの密度の情報に加え、分子やラジカルの振動・回転励起分布の情報が含まれている。分子やラジカルの回転励起分布は熱平衡状態では回転温度として評価することができる。回転温度の測定方法としては、例えば、特許文献１ないし特許文献４に開示された方法が知られている。
【０００５】
特許文献１には、プラズマ処理装置において、発光スペクトルからガスの温度を求める方法が述べられており、ガス温度から基板の温度を測定できることが記述されている。特許文献２及び特許文献３には、処理装置において、回転温度計測を用いてガス温度を計測し、ガスの温度に基づいてラジカルの密度の計測値を補正することが開示されている。特許文献４には、プラズマ発生装置において、ガス温度を調べる手段として、発行スペクトルから分子の回転温度を測定することが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平０１−２１２７７６号公報
【特許文献２】ＷＯ２００４−０８５７０４号公報
【特許文献３】特開２００５−７２３４７号公報
【特許文献４】特開２００５−２３５４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、量産安定性がある。この量産安定性とは、例えばエッチング装置において装置を休止状態から再稼動させたとき、最初に処理した被処理体面内の加工形状と、数十枚目に処理した被処理体面内の加工形状が等しく、被処理体間でばらつきがないことを指す。被処理体間で加工形状が異なる量産不安定性の要因の一つとして、処理室内壁や処理室内の構造物の温度の変化が挙げられる。これらの温度が変化すると、反応性ガスの材料表面での吸着や反射の確率が変化し、被処理体に入射する反応性ガスのフラックスの被処理体面内分布が変化する。さらに、処理室内の構造物の温度変化は、処理ガスの温度変化を引き起こすが、処理ガスの温度が変化すると、処理ガスの密度が変化するため、結果として被処理体間での加工形状の変化を引き起こす。
【０００８】
被処理体間の加工形状のばらつきを低減するため、一般に、エッチング装置を休止状態から再稼動させる際は、処理室内を所望の温度に加熱する（あるいはコンディショニングする）ための昇温放電を行い、処理室内の温度が十分上昇してから被処理体の処理を開始している。そして、昇温のための放電時間は例えば処理室内に設置した温度計による測定に基づき決定している。この温度測定には、一般に熱電対温度計や蛍光温度計、放射温度計などを用いて測定している。
【０００９】
しかし、蛍光温度計や熱電対を用いる場合は、温度計を内壁等に埋め込んでいるため必ずしも処理ガスが接している処理室内壁面の温度を測っているとは限らない。また温度計測手段を設置するために処理装置の部材に加工が必要である。また、放射温度計は部材表面の温度を測定できるが、観測窓を設ける必要があり、さらに室温に近い低温では精度よく測定することが難しい。
【００１０】
また、これらの方法ではプロセスに直接影響するガスの温度を直接測定することはできない。さらに、量産装置には処理室内部の温度を測定するための温度測定手段が必ずしも搭載されているとは限らない。この場合、処理室内を加熱するための昇温放電の時間は、例えば一時的に温度計を処理室内に設置し、放電時間と処理室内壁の温度との相関を測定しその結果に基づいてあらかじめ決定しておく必要がある。
【００１１】
一方、特許文献１ないし特許文献４には、プラズマ処理装置において、ガスの回転温度を測定することが開示されているが、昇温放電の制御に配慮したものはない。
【００１２】
本発明の目的は、処理室内の温度状態を簡便かつ正確に把握して適切な昇温放電の制御を行う機能を備えた、プラズマ処理装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、プロセスに直接影響する処理室内のガスの温度を正確に測定して昇温放電の終点判定を行なう機能を備え、量産安定性に優れ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】
【００１４】
本発明の代表的な構成例を挙げれば、被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室にガスを供給する手段と、前記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、被処理体を載置する載置電極とを有するプラズマ処理装置において、前記プラズマ処理の前に実施される昇温放電の終点を判定するための、昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタ及び昇温放電終点判定手段を有している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガス温度計測に基づいて処理室内の温度状態を判定できるようにすることで、温度計を設置しなくても処理室内の温度状況を知り、適切な昇温放電の制御を行うことの出来るプラズマ処理装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の代表的な実施例によれば、プラズマの発光を計測するための分光計測系を備えたプラズマ処理装置において、測定したプラズマ発光からガスの分子やラジカルの回転温度を算出し、この回転温度からチャンバー内の昇温状態を判別する。電子励起状態が基底状態にあるガスの分子やラジカルが、電子衝突によって電子上準位に励起し、すぐに自然発光して電子下準位に緩和する過程では、発光スペクトルから求めた回転温度は、一般に、バックグラウンドのガスの温度と等しいとみなせる場合が多い。ガスの温度は、プラズマによる直接加熱とガスが接する部材の表面温度の２つを反映しているため、部材の温度が変わればガスの温度が変わる。さらに、ガスの温度の変化に合わせて、分子やラジカルの回転温度も同様に変化する。そのため、処理室内のガスの分子やラジカルの回転励起状態を計測すれば、処理室内の部材やガスの温度の情報を得ることができる。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の第１の実施例について図１〜９を参照して説明する。  
図１は、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の実施例の概略図を示すものである。図２（図２Ａ、図２Ｂ）は、図１の要部を拡大して説明する図である。
【００１８】
処理室１の上部には電磁波を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。処理室１は、接地されている。アンテナ３の下部にはガス分散板６を介してシャワープレート５が設置されている。処理ガス源２９から供給された処理ガスはガス分散板内で分散され、シャワープレート５に設けられたガス孔７を介して処理室内に供給される。
【００１９】
また、ガス分散板６は、一例として図２Ａに示したように、内側領域６Ａと外側領域６Ｂの２つの領域に分割しても良い。これにより、処理ガス源２９から供給されるガスの流量や組成をガス分散板の内側領域６Ａと外側領域６Ｂ、換言すると被処理体の中心付近と外周付近で夫々独立に制御し、被処理体面内の加工寸法の均一化を図ることができる。
【００２０】
図１に戻って、処理室１にはこの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のソース電源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１の外側には磁場生成のため、複数のソレノイドコイル２６とヨーク２７が設置されている。各ソレノイドコイル２６は、磁場制御装置２８により、磁場強度を制御可能に構成されている。
【００２１】
処理室１内において、プラズマは、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、磁場制御装置２８により磁場分布を制御することで処理室１内における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。
【００２２】
アンテナ３には、この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。このフィルタ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ある。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。
【００２３】
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３９によって制御する。この位相差を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。
【００２４】
また、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。ステージ４の内部には、温度調節（冷却）のためにフロリナート等の絶縁性の冷媒が流れる通路が設けられており（図示せず）、冷媒の温度は、被処理体の制御目標の温度よりも低い値になるように制御される。ステージ４には、さらに、被処理体２の熱をステージに伝達して冷却するために、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）。シャワープレート５に関しても、その温度上昇を抑えるための冷却手段が設けられている。
【００２５】
エッチングやクリーニングの終点を判定するために、プラズマの発光を集光ヘッド４３−１にて集光し、分光器４１−１にて分光測定している。
【００２６】
また、被処理体の径方向のプラズマ発光分布を測定するために、ステージ４の中央から外周に対応する複数の位置に配置された複数の集光ヘッド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。各集光ヘッド４３−２は、シャワープレート５の孔を介して、処理室１内のプラズマ生成空間内を測定可能に構成されている。すなわち、処理室１内に温度計を設置する代わりに、ガス温度計測に基づいて処理室内のガスの回転温度を求め、これに基づき処理室内の温度状態を判定できるようにしている。なお、集光ヘッド４３−２で得られた情報は、被処理体の面内における温度分布の計測等にも使用できる。
【００２７】
ガスの回転温度を求める目的だけであれば、集光ヘッド４３−２の数は１個でもよい。また、ガスの回転温度計測のためには、図２Ｂに破線の円で示した領域（ステージ４の外周やシャワープレート５の外周付近の領域）内に対応する位置に、集光ヘッド４３−２を設置するのが望ましい。各集光ヘッド４３−２の集光用の孔としては、例えば、シャワープレート５に設けられた多数のガス孔７の一部の孔に相当する位置に、集光用として専用の孔を設ければ良い。
【００２８】
集光ヘッド４３−２で集めたプラズマ光は光ファイバー４０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４０に分かれているため、例えばマルチプレクサー４４にて、測定するチャンネルを切り替えて、分光器４１−２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。
【００２９】
また、分光器４１−１は、例えば波長分解能が１nm以上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。ただし、ガス温度を計測するのに用いる分光器４１−２は、１nm以下（例えば０.１nm）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。
【００３０】
分光器４１−１、４１−２で測定されたデータは制御装置１００に送られて処理されて、その結果得られたデータに基づいて、ソース電源２０、バイアス電源２１、磁場制御装置２８、処理ガス源２９、位相制御器３９などが制御される。
【００３１】
図３に、プラズマ処理装置の制御装置１００のブロック図を示す。制御装置１００は、分光器４１−２で測定された処理室１内のスペクトルプロファイルの測定データをメモリに保持する測定データ保持部１１０と、予め計算により求められた回転温度計測用ガス毎にその分子の複数の回転温度に対応するスペクトルプロファイルのデータを保持するスペクトルプロファイルデータベース１２０と、スペクトルプロファイルの測定値とスペクトルプロファイルのデータの比較からガス分子の回転温度を推定する回転温度推定部と１３０と、推定されたガス分子の回転温度に基づき昇温放電の終点判定を行なう終点判定手段１４０と、処理室１内における昇温放電の全体的な制御を行なう昇温放電制御部１５０とで構成されている。
【００３２】
次に、回転温度推定部１３０における昇温放電時のガス温度の推定に用いる、回転温度の計測方法について述べる。図４は一例として、窒素分子のスペクトルプロファイルの計算値（スペクトルプロファイルデータベース１２０に保持された値）と測定値（測定データ保持部１１０の値）との比較を示したものである。放電ガスは窒素とCF４の混合ガスを用いた。図４の(Ａ)は波長が３３４〜３３８nmの範囲、図４の（Ｂ）は図４の（Ａ）の波長が３３５〜３３７nmの範囲を拡大して示したものである。丸印は測定値を示している。計算値は、窒素分子の回転温度を仮定して求めたものであり、回転温度は３００K（太線）、４２７K（中線）、６００K（細線）の３つの場合について示した。
【００３３】
図４から分かるように、窒素分子の回転温度により、スペクトルのプロファイルが変化する。図４の例では、測定したスペクトルプロファイルは、回転温度を４２７Kと仮定したときのスペクトルプロファイルの計算値とよく一致している。制御装置１００の回転温度推定部１３０では、測定したスペクトルプロファイルと、計算で求めたスペクトルプロファイルを比較し、最も一致する（ベストフィット）回転温度を探すことにより、分子の回転温度（ここでは４２７K）を求める。このようにして求めた分子の回転温度は、既に述べたようにバックグラウンドのガスの温度とみなすことができる。
【００３４】
次に、制御装置１００の終点判定手段１４０及び昇温放電制御部１５０動作、すなわち、ガス温度計測基づく昇温放電の制御の方法について図５を用いて説明する。図５の例では、プラズマ処理装置の処理室１内を加熱するための昇温放電の他に、エッチングやクリーニング放電も制御している。すなわち、プラズマ処理装置の休止状態５００→昇温放電５１０→エッチング５２０→クリーニング放電５３０→・・・→エッチング５２０→クリーニング放電５３０→装置休止状態５００の運用サイクルにおける、ガス温度計測の活用例を示した。なお、昇温放電時（５１０）には、ステージ４にダミーウエハを載置してプラズマ放電（昇温放電）を行い、処理室１内を所望の温度まで加熱する。エッチング時（５２０）には、ステージ４に被処理体であるウエハを載置してプラズマによるエッチング処理を行なう。クリーニング放電時（５３０）には、ステージ４にダミー等のウエハを載置せずにプラズマ放電（クリーニング放電）を行い、処理室１内のクリーニングを行なう。
【００３５】
まず、昇温放電時（５１０）にガス温度を測定し（５１２）、ガス温度が所定の温度に達した（５１４）、あるいはガス温度の時間変化量が所定の値に達したことを検知したら、これを昇温の終点として昇温放電を終了する（５１６）。
【００３６】
なお、回転温度に基づくガス温度計測は、プラズマ処理装置の異常やエッチングプロセスの異常の検知にも用いることができる。例えば、エッチング処理中（５２０）や、クリーニング中（５３０）に回転温度に基づいてガス温度を計測し（５２２，５３２）、ガス温度が所定の範囲内であればそのまま処理を続行する（５２４，５３４）。もし、計測されたガス温度が所定の値を超えた、あるいは下回ったときは、あるいは、ガス温度変化のパターンが通常とは異なる時間変化を示したときは、制御パネルに異常を検知したことを表示するなどして警告を発するようにする（５２６、５３６）。当然、放電を途中で自動的に中断するようにしてもよい。
【００３７】
異常検知で用いるガス温度は、被処理体外周付近に限らず、被処理体中心付近などの測定値を用いてもよい。また、操作パネルのディスプレイ等にリアルタイムで、ガス温度やガス温度の推移を表示するようにするのが望ましい。
【００３８】
なお、本実施例ではシャワープレートの孔を介してプラズマ光を集光しているが、これに代えて、シャワープレートの外側に設置されている石英などの部分に集光ヘッドを設置してプラズマ光を測定してもよい。
【００３９】
次に、回転温度、即ちガス温度の時間変化について、図６を例に説明する。図６は、フォーカスリング真上にあるシャワープレートの孔を介して測定したスペクトルの解析より算出したガス温度の時間変化を示している。本測定は、プラズマ処理装置を数時間放置することで処理室内の壁や部材を室温程度に一旦冷却した状態から、放電を開始し測定したものである。
【００４０】
放電を開始した直後、ガス温度は４００Kであり、放電継続時間の経過とともに回転温度が上昇する。上昇速度は、例えば放電開始後１分では、２０K/min程度であるが、６００秒経過した時点では、温度上昇はほぼ無くなり、４６０K程度でほぼ一定になる。ガス温度の上昇が止まるのは、処理室の内壁やステージ等の温度が十分上昇し安定した状態になってことを意味している。
【００４１】
本実験では、７２０秒放電した後一旦プラズマをOFFにし、約２００秒経過してから再び放電を開始した。再び放電を開始したとき、初期のガス温度は４３０Kであり、１回目の放電終了直前のガス温度４６０Kに比べて３０K低い。これは、処理室内の温度が低下したためである。ただし、１回目の放電開始直後の回転温度４００Kよりは３０K高く、処理室内が完全には室温程度に下がらなかったことを示している。
【００４２】
図６の結果から、ガス分子の回転温度、即ちガス温度を計測することにより、処理室内の温度状態、即ち、処理室内の温度が十分に上昇したのか、あるいは室温程度に冷えているのか、あるいは完全には冷えていないかを把握することができる。
【００４３】
なお、図４では窒素分子の発光スペクトルから回転温度を求める例を示したが、回転温度の測定の対象とする分子は窒素以外の、酸素や塩素などの分子でもよい。当然２原子分子である必要はなく、３原子以上の分子でもよい。
【００４４】
また、レーザーで積極的に分子を励起させ、発光するスペクトルを測定してもよい。この場合、処理室内にレーザー等の機器の設置が必要であるが、ガスの温度をより正確に測定できる。また吸収スペクトルを測定する方法によってもガス温度を測定することが可能である。
【００４５】
また、図４の例では窒素とCF４の放電ガスを用いたが、もし、昇温やエッチングの放電において、窒素や酸素など、回転温度の計測に適したガスを含まないガスを用いている場合、プロセスや、昇温に極力影響を与えない範囲で、処理室内に供給される処理ガスに、微量の窒素ガス等をトレーサーガスとして添加させると良い。
【００４６】
また、放電ガスにヘリウムやアルゴンが含まれると、これらのメタステーブルの励起原子の影響で、発光スペクトルから求められる分子の回転励起分布がガスの温度から乖離する場合がある。そのため、ガス温度を測定するため、これらの原子を含まないガス系で放電するステップを設けてもよい。
【００４７】
また、回転励起分布がボルツマン分布から逸脱している場合でも、フィッティングにより１温度の回転温度として評価する方法もあるが、回転励起分布を２つ以上の複数の回転温度に分離して求め、バックグラウンドのガス温度の反映していない回転温度の情報を除去する方法を用いるのが望ましい。
【００４８】
次に、ガス温度を計測するときの観測位置の重要性について述べる。図７は、放電時間のガス温度依存性について異なる場所で観測した時の違いを示している。１つはウエハ中心付近の上方にあるシャワープレートの孔を介して測定したスペクトルから求めたガス温度、もう１つはフォーカスリング真上のシャワープレートの孔を介して測定したスペクトルから求めたガス温度を示している。後者は、放電時間と共にガス温度が６０K上昇するが、前者は２０K程度しか上昇しない。これは、被処理体及びシャワープレートが冷却されているため、放電を行ってもあまり温度が上昇せず、これに伴って、被処理体中心付近のガス温度の温度上昇も少ないことによる。
【００４９】
従って、回転温度計測から処理室内の温度の情報を得るためには、放電によって温度が上昇しやすい部位付近、この場合、図２Ｂに示した領域４５すなわち、ステージ４の外周やシャワープレート５の外周付近のガスの温度を計測することが望ましい。
【００５０】
次に、回転温度の計測に基づくプラズマ処理装置の運用方法について、図８、図９を用いて説明する。図８はプラズマ処理装置を休止した状態から再度稼動したときの、回転温度の計測に基づく処理室１内の温度変化例を示したものである。図８の（Ａ）は昇温のための放電ステップを省略して被処理体の加工を行った場合の温度変化を示している。ＴCは目標の処理室１内の温度を示す。処理室内温度被処理体の処理中はプラズマによる加熱によって処理室内の温度が上昇し処理が終わると処理室内が冷えるが、この熱サイクルにおいて、例えば被処理体の処理開始時の処理室内温度、あるいは処理終了直前の処理室内の温度を被処理体間で比較すると、１枚目、２枚目、―、と被処理体を加工する毎に、だんだんと温度が上がって行き（状態Ｓ１）、その後に処理室内の温度が安定する（状態Ｓ２）ことが分かる。これは被処理体によって異なる温度条件で加工していることを示しており、被処理体間での加工形状のばらつきの原因となる。
【００５１】
そのため、通常は、図８の（Ｂ）に示したように、昇温のための放電により処理室内を暖めて処理室内の温度が安定した状態（状態Ｓ２）から、被処理体の処理を行う。昇温放電により処理室内を加熱すれば、被処理体間での温度条件の変化を抑えることができ、被処理体間の加工寸法ばらつきを低減することができる。
【００５２】
ただし、図８の（Ｃ）に示したように、過剰に昇温放電を行うと処理室内の温度が上がりすぎ、処理を重ねるにつれてだんだんと温度が下がって行き（状態Ｓ３）、最初の被処理体の処理時は数枚処理後の被処理体の処理時に比べて高い処理室温度の条件で加工することになってしまう。これは、被処理体間の加工形状ばらつきの原因となってしまう。そのため昇温放電の時間は適切に決定しなければならない。
【００５３】
さらに、図９にはアイドルタイム（休止時間）の長さで異なる（Ａ）と（Ｂ）の例について示した。図９の（Ａ）は（Ｂ）に比べてアイドルタイムが短くなっている。アイドルタイムが短い（Ａ）ではアイドルタイム後に昇温放電する際、処理室内の温度の低下が少ないため、昇温に必要な放電時間はアイドルタイムが長い図９の（Ｂ）に比べて短くなっている。即ち、アイドルタイムの長さによって昇温のための放電時間を調整する必要がある。
【００５４】
本実施例では、昇温放電終点判定用プラズマ発光モニタで処理室内の回転温度を測定しながら、昇温放電を行なう。すなわち、図５に示したように、昇温放電時にガス温度を測定し、ガス温度が所定の温度、例えば図８に示した目標の処理室温度ＴCに達したら、あるいはガス温度の時間変化量が所定の値に達したことを検知したら、これを昇温放電終点判定手段により、昇温の終点として昇温放電を終了する。
【００５５】
そのため、本実施例によれば、処理室内に温度計を設置することなく、ガス温度計測に基づいて処理室内の温度状態を判定でき、温度計を設置しなくても処理室内の温度状況を知ることができる。
【実施例２】
【００５６】
次に、本発明の第２の実施例を、図１０で説明する。図１０は処理室内を上方から見た図である。図１と同じ構成部分は説明を省略する。本装置では集光ヘッド４３−１と４３−３の２つが処理室１の側壁に設置されている。４３−１は被処理体直上のプラズマ状態を計測するためのものであり、例えばエッチングの終点判定に用いる。対して４３−３は領域４５として示した、ウエハ２の外周、または処理室１の壁近傍、またはステージ４の外周付近の領域におけるプラズマ発光を測定するためのものである。これは昇温のためのガス温度計測は、図７に示したように被処理体外周付近の計測が必要であることによる。もちろん集光ヘッド４３−３を設置せず、集光ヘッド４３−１を用いて測定したプラズマ光でも、被処理体中心付近の他に被処理体外周付近や壁近傍のガス温度の情報も含まれるため、昇温によるガス温度変化を測定することは可能であるが、精度は低くなる。
【実施例３】
【００５７】
次に、本発明の第３の実施を、図１１を例に説明する。実施例１と同様の構成部分は説明を省略する。本装置では被処理体外周部、あるいはステージエッジ付近、あるいは壁近傍のプラズマ発光を測定するため、処理室１の底部に集光ヘッド４３−２を設置し、処理室１の下部から上方のプラズマ光を測定できるようにした。これにより処理室内の外周部のガス温度を計測し、昇温状態を判別することが可能である。
【００５８】
以上の各実施例では、被処理体外周部付近等のプラズマ発光を測定するために１個あるいは複数個の集光ヘッドを設置する例について述べたが、これに代えて、例えば、周方向にスキャン可能な可動式集光ヘッドを処理室の側壁に設置し、この集光ヘッドで複数の方向をスキャンしてアーベル変換によって発光スペクトルの径方向分布を算出し、被処理体外周付近等の発光スペクトルを抽出して回転温度を算出するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【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２Ａ】第１の実施例の要部を拡大して説明する図である。
【図２Ｂ】第１の実施例における集光ヘッドの設置位置を説明する図である。
【図３】第１の実施例における制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】第１の実施例によるプラズマ処理装置の運用方法を説明する図である。
【図５】第１の実施例による回転温度の評価方法を説明する図である。
【図６】第１の実施例によるガス温度の放電時間依存性を説明するための、実験データの図である。
【図７】第１の実施例に関し、測定位置によるガス温度変化の違いを説明する図である。
【図８Ａ】第１の実施例に関し、熱サイクルによる処理室内の温度変化を説明する図である。
【図８Ｂ】第１の実施例に関し、熱サイクルによる処理室内の温度変化を説明する図である。
【図８Ｃ】第１の実施例に関し、熱サイクルによる処理室内の温度変化を説明する図である。
【図９Ａ】第１の実施例に関し、昇温のための放電時間を説明する図である。
【図９Ｂ】第１の実施例に関し、昇温のための放電時間を説明する図である。
【図１０】本発明をプラズマ処理装置に適用した第２の実施例を説明する図である。
【図１１】本発明をプラズマ処理装置に適用した第３の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
【００６０】
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：ガス分散板、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、２０：ソース電源、２１：バイアス電源、２２：整合器、２４：DC電源、２５：フィルタ、２６：コイル、２７：ヨーク、３９：位相制御器、４０：光ファイバー、４１：分光器、４２：マルチプレクサー、４３：集光部、４４：マルチプレクサー。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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