(57)【要約】【課題】周波数の高い高周波を使用した場合でも、サセプタの温度を精度良く測定することができ、良好な処理を行うことができる温度測定方法及びプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマエッチング装置の処理容器１の底部には、サセプタ２に印加される高周波が外部に漏れない大きさの温度測定用開口３０が形成されており、この温度測定用開口３０の外側には、サセプタ２の裏面側に形成された測温用の穴３２内から放射される赤外線３５を測定してサセプタ２の温度を検出する放射温度計３１が取り付けられている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタの温度を測定する温度測定方法において、
前記サセプタの裏面側の所定の測温部に対向する前記導体製容器の部位に前記高周波が外部に漏れない大きさの開口を形成し、当該開口の外部から、前記測温部から放射される赤外線を検出して前記サセプタの温度を放射温度計によって測定することを特徴とする温度測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の温度測定方法において、
前記開口の径を、前記高周波の波長の１／５０以下としたことを特徴とする温度測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の温度測定方法において、
前記高周波の周波数が４０ＭＨｚ以上であることを特徴とする温度測定方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載の温度測定方法において、
前記サセプタの前記測温部を、前記被処理基板の載置面側に凹陥された形状としたことを特徴とする温度測定方法。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の温度測定方法において、
前記サセプタの前記測温部を、前記赤外線に対して黒体として作用するよう構成したことを特徴とする温度測定方法。
【請求項６】
内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器と、
前記導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタと、
を具備したプラズマ処理装置であって、
前記サセプタの裏面側の所定の測温部に対向する前記導体製容器の部位に前記高周波が外部に漏れない大きさの開口を形成し、当該開口の外部から、前記測温部から放射される赤外線を検出して前記サセプタの温度を放射温度計によって測定するよう構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項６記載のプラズマ処理装置において、
前記開口の径が、前記高周波の波長の１／５０以下とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項６又は７記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波の周波数が４０ＭＨｚ以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項６〜８いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記サセプタの前記測温部が、前記被処理基板の載置面側に凹陥された形状とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】
請求項６〜９いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記サセプタの前記測温部が、前記赤外線に対して黒体として作用するよう構成されてい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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、プラズマエッチング装置の処理容器等、内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタの温度を測定する温度測定方法及びプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体装置の製造工程等では、内部にプラズマを発生させるための空間が形成された導体製容器内で、高周波によってプラズマを発生させ、半導体ウエハ等の被処理基板にこのプラズマを作用させて所定の処理を施すことが行われている。
【０００３】
例えば、半導体ウエハをエッチング処理するための平行平板型のプラズマエッチング装置では、図４に示すように、例えば、表面をアルマイト処理されたアルミニウム等の導電性材料を用いた導体製容器からなる処理容器１内に、下部電極を兼ねたサセプタ２が設けられており、このサセプタ（下部電極）２に対向するように上部電極３が配置されている。
【０００４】
そして、処理ガス供給系４から、上部電極３に設けられた多数の細孔５を介して所定の処理ガスを供給するとともに、サセプタ２に、高周波電源６から、整合器７を介して所定周波数の高周波を印加することによって、処理ガスのプラズマを発生させ、このプラズマをサセプタ２上に載置された半導体ウエハＷに作用させて所定のエッチング処理を施すように構成されている。
【０００５】
なお、処理容器１の底部には、排気系８が接続されており、サセプタ２の周囲に設けられ、多数の透孔９が形成された排気リング１０を介して、処理容器１内の排気を行うようになっている。
【０００６】
また、サセプタ２の上面には、静電チャックが形成されており、この静電チャックの電極１１に、直流電源１２から所定の直流電圧を印加することによって、半導体ウエハＷをクーロン力等によって吸着保持するように構成されている。さらに、サセプタ２上に配置された半導体ウエハＷの周囲を囲むように、環状に構成されたフォーカスリング１３が設けられている。
【０００７】
一方、処理容器１の側壁部の外側には、環状に形成され、処理容器１内に磁場を形成して、プラズマを制御するための磁場形成機構１４が設けられている。この磁場形成機構１４には、回転機構１５が設けられており、この回転機構１５によって、磁場形成機構１４を処理容器１の周囲で回転させることが可能とされている。
【０００８】
なお、同図において、１６は、サセプタ２を処理容器１に対して電気的に絶縁した状態で支持するための絶縁性支持部材、１７は、サセプタ２に高周波を印加するための給電棒である。
【０００９】
上記のようなプラズマエッチング装置で半導体ウエハＷにエッチング処理等を施す場合、半導体ウエハＷは、プラズマに晒されるので温度が上昇する。このため、サセプタ２には、例えば、冷媒等を循環させて温度を制御する図示しない温度制御機構が設けられており、サセプタ２の温度を所定温度に制御することによって、半導体ウエハＷの温度を間接的に制御することが行われている。
【００１０】
また、上記の温度制御機構による温度制御を行うため、サセプタ２には、サセプタ２の温度を測定するための温度センサー２０が設けられている。この温度センサー２０は、例えば、Ｐｔセンサー、ＴＣセンサー等からなり、図５にも示すように、その先端部が、サセプタ２の裏面側に穿設された取付穴２１内に挿入されている。
【００１１】
上記のような温度センサー２０を設ける場合、高周波の電界が形成されている処理容器１内に上記の温度センサー２０及びこの温度センサー２０から検出信号を導出するための信号線２２を設けなければならないため、接地電位とされた処理容器１に接続されたシース２３によって、信号線２２等が覆われたシース型センサーを用いることによって、高周波の外部への漏洩の防止、及び高周波が温度検出信号に影響することを防止している。
【００１２】
また、サセプタ２は、下部電極を兼ねていることからアルミニウム等の導体によって構成されている。このため、サセプタ２と、温度センサー２０との接触部位には、比較的熱伝導がよく誘電損失の少ない絶縁性材料（例えば、ＢＮ等）から円筒状等に構成された絶縁性部材２４等が配置され、サセプタ２と、温度センサー２０との間を電気的に絶縁することが行われている。
【００１３】
しかしながら、サセプタ２には高周波が印加されることから、導体であるサセプタ２と温度センサー２０との間に、上記した絶縁性部材２４を介した容量結合が形成され、温度センサー２０やシース２３に電流が流れてダメージを与えたり、絶縁性部材２４が誘電加熱されることによって精度良くサセプタの温度を測定できない等の可能性がある。このため、実用上は、絶縁性部材２４の厚みを十分確保することによって、かかる問題を回避している。
【００１４】
ところが、近年では、プラズマ処理に用いられる高周波の周波数が高くなる傾向にあり、例えば、従来から使用されていた１３．５６ＭＨｚに換えて、４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、さらには１００ＭＨｚ等の周波数の高い高周波が使用されるようになって来ている。
【００１５】
このため、上述した容量結合のインピーダンスが低下してしまい、さらに絶縁性部材２４の厚さを厚くしないと、十分な絶縁性を確保できなくなりつつある。例えば、絶縁性部材２４として、外径が６ｍｍ、長さが３０ｍｍの円柱状部材  （ＢＮ）を使用し、この円柱状部材に温度センサー２０を挿入するための穴として、直径が１．７ｍｍ、深さが２８ｍｍの穴を形成した場合について検討すると、高周波の周波数が１３．５６ＭＨｚの場合、
容量＝８．３ｐＦ
インピーダンス＝１４０７Ω
Ｖｐｐが１ＫＶの電圧印加時の流入電流＝０．５１Ａ
Ｖｐｐが２ＫＶの電圧印加時の誘導加熱＝０．０７Ｗ
となる。一方、高周波の周波数が１００ＭＨｚでは、
容量＝８．３ｐＦ
インピーダンス＝１９１Ω
Ｖｐｐが１ＫＶの電圧印加時の流入電流＝３．７４Ａ
Ｖｐｐが２ＫＶの電圧印加時の誘導加熱＝０．５３Ｗ
となる。
【００１６】
しかしながら、絶縁性部材２４の厚さを厚くすると、絶縁性部材２４は金属に比べて熱伝導率が低いため、サセプタ２との間に温度差が生じたり、サセプタ２の温度変化に対する応答速度が遅くなるという問題が生じ、精度良く温度測定を行うことができなくなるという問題がある。
【００１７】
なお、このような問題は、プラズマの持つインピーダンスが、例えば、１０〜５０Ω程度であることから、このプラズマの持つインピーダンスに比べて、絶縁性部材２４のインピーダンスが十分大きく取れなくなる約４０ＭＨｚ以上の高い周波数を使用する場合に特に顕著となる。
【００１８】
なお、上述のように高周波を使用したプラズマ処理以外の処理、例えば、基板を加熱して気相化学反応により成膜を行う処理においては、基板若しくはサセプタ表面の温度を光入射窓を介して放射温度計により測定する方法（例えば、特許文献１参照。）、例えば、表面にコートされたフォトレジストを硬化させるための加熱処理においては、ホットプレート上に配置された未加工の半導体ウエハの温度を、その表面からの反射光を検出して測定する方法（例えば、特許文献２参照。）、等が知られている。
【００１９】
しかしながら、上記のようにして半導体ウエハやサセプタの温度を測定する方法は、プラズマを用いたエッチング処理等では、例えば、透明な窓用部材を挿入された窓の部分から高周波が漏洩してしまったり、プラズマからの光が雑音となってしまったりするため、そのまま適用することは困難である。また、未加工の半導体ウエハを用いて予め温度を測定する方法では、実際の処理中の温度を精度良く測定することができない。
【００２０】
【特許文献１】
特開平６−２１４７号公報（第２−４頁、第１−２図）
【特許文献２】
特開２００１−４４５２号公報（第４−６頁、第１−２図）
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、高周波を用いたプラズマ処理では、温度測定を精度良く行うことができないという問題があり、かかる問題は、より周波数の高い高周波を用いるようになったことにより、より深刻化する傾向にある。
【００２２】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、周波数の高い高周波を使用した場合でも、サセプタの温度を精度良く測定することができ、良好な処理を行うことのできる温度測定方法及びプラズマ処理装置を提供しようとするものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタの温度を測定する温度測定方法において、前記サセプタの裏面側の所定の測温部に対向する前記導体製容器の部位に前記高周波が外部に漏れない大きさの開口を形成し、当該開口の外部から、前記測温部から放射される赤外線を検出して前記サセプタの温度を放射温度計によって測定することを特徴とする。
【００２４】
請求項２の発明は、請求項１記載の温度測定方法において、前記開口の径を、前記高周波の波長の１／５０以下としたことを特徴とする。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の温度測定方法において、前記高周波の周波数が４０ＭＨｚ以上であることを特徴とする。
【００２６】
請求項４の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の温度測定方法において、前記サセプタの前記測温部を、前記被処理基板の載置面側に凹陥された形状としたことを特徴とする。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の温度測定方法において、前記サセプタの前記測温部を、前記赤外線に対して黒体として作用するよう構成したことを特徴とする。
【００２８】
請求項６の発明は、内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器と、前記導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタと、を具備したプラズマ処理装置であって、前記サセプタの裏面側の所定の測温部に対向する前記導体製容器の部位に前記高周波が外部に漏れない大きさの開口を形成し、当該開口の外部から、前記測温部から放射される赤外線を検出して前記サセプタの温度を放射温度計によって測定するよう構成されたことを特徴とする。
【００２９】
請求項７の発明は、請求項６記載のプラズマ処理装置において、前記開口の径が、前記高周波の波長の１／５０以下とされていることを特徴とする。
【００３０】
請求項８の発明は、請求項６又は７記載のプラズマ処理装置において、前記高周波の周波数が４０ＭＨｚ以上であることを特徴とする。
【００３１】
請求項９の発明は、請求項６〜８いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、前記サセプタの前記測温部が、前記被処理基板の載置面側に凹陥された形状とされていることを特徴とする。
【００３２】
請求項１０の発明は、請求項６〜９いずれか１項記載のプラズマ処理装置において、前記サセプタの前記測温部が、前記赤外線に対して黒体として作用するよう構成されていることを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００３４】
図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置の全体の概略構成を模式的に示すもので、図４に示した前述のプラズマエッチング装置と対応する部分には、対応する符号が付してある。
【００３５】
本実施形態のプラズマエッチング装置において、処理容器１は、例えば、表面をアルマイト処理されたアルミニウム等の導電性材料を用いた導体製容器から構成されており、処理容器１内には、下部電極を兼ねたサセプタ２と、このサセプタ（下部電極）２に対向するように上部電極３が配置されている。この処理容器１は、接地電位とされており、高周波電源６から、サセプタ２に所定周波数（例えば、４０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ）の高周波を印加してエッチング処理等を行った際に、高周波が、処理容器１の外部に漏洩しないよう考慮されている。
【００３６】
また、上記処理容器１の底部には、図２にも示すように、サセプタ２の温度を当該サセプタ２の裏面側から測定するための温度測定用開口３０が形成されており、この温度測定用開口３０の外側には、所定波長の赤外線強度から温度を算出する放射温度計３１が取り付けられている。
【００３７】
一方、上記温度測定用開口３０の上部に位置するサセプタ２の部位は、測温部とされている。この測温部には、できるだけサセプタ２のウエハＷが載置される上面に近い部分の温度を検出するため、載置面側に凹陥された形状となるように測温用の穴３２が形成されている。そして、この測温用の穴３２内の頂部３３は、例えば、黒体テープを貼着したり、あるいは、黒体塗料を塗布することにより、黒体として作用する処理（黒体化処理）がなされている。
【００３８】
ここで、黒体とは、放射温度計３１の検出する赤外線領域で放射率が高いようなもの（物質）であり、黒体化処理とは、黒体として機能するような処理を行うことであって、必ずしも可視光域において黒色をしているとは限らない。
【００３９】
また、黒体としては、アルマイトであっても良く、サセプタ２がアルミニウム製の場合には、測温用の穴３２の頂部３３の部分にアルマイト処理（例えば、硫酸硬質アルマイト５０μｍ）を行っても、十分に黒体としての機能を得られた。
なお、サセプタ２を支持するための絶縁性支持部材１６には、上記した測温用の穴３２より若干径の大きな透孔３４が形成されており、測温用の穴３２内から放射される赤外線３５を、放射温度計３１によって検出し、サセプタ２の温度を測定することができるようになっている。
【００４０】
前述したとおり、処理容器１は、その全体がアルマイト処理されたアルミニウム等の導電性材料を用いた導体製容器となっており、かつ、接地電位とされることで、高周波が外部に漏洩することを防止している。したがって、上記温度測定用開口３０から高周波が外部に漏洩することを防止する必要がある。このため、温度測定用開口３０の開口径は、高周波電源６からサセプタ２に印加される高周波の波長の１／５０以下とされている。
【００４１】
例えば、高周波電源６からサセプタ２に印加される高周波の周波数が１００ＭＨｚの場合、その周波数は約３００ｃｍであるので、この場合は、温度測定用開口３０の開口径は、約６ｃｍ以下に設定する。なお、本実施形態では、温度測定用開口３０の開口径は、略１０ｍｍとされている。
【００４２】
上記のように、温度測定用開口３０の開口径を、使用する高周波の波長の１／５０以下とすることにより、温度測定用開口３０から外部に高周波が漏洩することを防止することができる。なお、この温度測定用開口３０は、例えば、電気信号用のケーブルや、光ファイバー等が導出されるものではなく、単に開口を形成するのみとされている。
【００４３】
その理由は、このような開口を通じて電気信号用のケーブルや光ファイバー等を導出するようにすると、高周波が漏洩し易くなるからである。また、このような開口を閉塞するために透明な窓用部材等を設けても、高周波が漏洩し易くなるため、このような部材も設けないようにすることが好ましい。なお、本実施形態のプラズマエッチング装置では、サセプタ２の裏面側は、常圧雰囲気とされる構成になっているので、気密封止等のために、透明な窓用部材等を設ける必要はない。
【００４４】
上記構成のプラズマエッチング装置では、高周波が外部に漏洩しない大きさに設定された温度測定用開口３０を通じて、処理容器１の外部に設けられた放射温度計３１によって、サセプタ２の裏面側に設けられた測温用の穴３２内から放射される赤外線を検出し、サセプタ２の温度を測定する。
【００４５】
したがって、サセプタ２の測温部分との間に絶縁性部材等を介在させることなく、より直接的にサセプタ２の裏面側の温度を測定することができ、精度良くサセプタ２の温度を検出することができる。また、処理容器１の内部にセンサや信号線等を配置することがないので、サセプタ２に印加される高周波の成分が、測定信号等に重畳して雑音が発生することもない。
【００４６】
図３は、上記のプラズマエッチング装置における放射温度計３１による温度測定信号の時間変化の様子を示すものである。同図に示すように、放射温度計３１による温度測定信号は、サセプタ２に高周波を印加した時点（図中ＲＦｏｎの矢印で示す。）の前後で特に変化がなく、高周波を印加しても、高周波の成分が測定信号に影響を与えていないことが分かる。
【００４７】
また、本実施形態では、測温用の穴３２内の頂部３３に、黒体化する処理がなされているので、サセプタ２の温度をより精度良く測定することができる。
【００４８】
次に、上記のように構成されたプラズマエッチング装置によるプラズマエッチング処理の手順について説明する。
【００４９】
まず、処理容器１に設けられた図示しないゲートバルブを開放し、このゲートバルブに隣接して配置されたロードロック室（図示せず）を介して、搬送機構  （図示せず）により半導体ウエハＷを処理容器１内に搬入し、サセプタ２上に載置する。そして、搬送機構を処理容器１外へ退避させた後、ゲートバルブを閉じる。また、静電チャック用電極１１に、直流電源１２から所定電圧の直流電圧を印加することによって、半導体ウエハＷを吸着保持する。
【００５０】
この後、排気系８の真空ポンプにより処理容器１内を所定の真空度、例えば、１．３３Ｐａ〜１３３Ｐａに排気しつつ、処理ガス供給系１から、処理容器１内に所定の処理ガスを供給する。
【００５１】
そして、この状態で、高周波電源６から整合器７を介して、所定周波数、例えば、４０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波を、サセプタ２に印加し、サセプタ２と上部電極３との間に空間にプラズマを発生させ、プラズマによる半導体ウエハＷのエッチングが行う。
【００５２】
このようなプラズマによる半導体ウエハＷのエッチングの際に、放射温度計３１によって、サセプタ２の温度が測定され、図示しない温度制御機構により、サセプタ２の温度が制御されるが、前述したとおり、放射温度計３１によって、サセプタ２の温度を精度良く測定することができるので、サセプタ２の温度を所定温度に精度良く制御することができ、半導体ウエハＷを所定の温度に保った状態で、良好なエッチング処理を施すことができる。
【００５３】
そして、所定のエッチング処理が実行されると、高周波電源６からの高周波電力の供給を停止することによって、エッチング処理を停止し、上述した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷを処理容器１外に搬出する。
【００５４】
なお、上記の実施形態では、本発明を半導体ウエハＷのプラズマエッチングに適用した場合について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、あらゆる被処理物のあらゆるプラズマ処理に適用できることは勿論である。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の温度測定方法及びプラズマ処理装置によれば、周波数の高い高周波を使用した場合でも、サセプタの温度を精度良く測定することができ、良好な処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のプラズマ処理装置の概略構成を示す図。
【図２】図１のプラズマ処理装置の要部概略構成を示す図。
【図３】図１のプラズマ処理装置における温度測定信号の例を示す図。
【図４】従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す図。
【図５】図４のプラズマ処理装置の要部概略構成を示す図。
【符号の説明】
Ｗ……半導体ウエハ、１……処理容器、２……サセプタ、３０……温度測定用開口、３１……放射温度計、３２……測温用の穴、３５……赤外線。
【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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