(57)【要約】      （修正有）【課題】装置自体の小型化及び簡素化を図りながら原子状ラジカルの密度を高精度及び高感度に測定することができる原子状ラジカル測定装置を提供する。【解決手段】容器内３に導入される原料ガスをラジカル化するラジカル発生装置において、容器内３に対して気密状に進入可能に設けられる中空体２７に対して先端側から、原料ガスに対応するガスをプラズマ化して原子光を発光する原子光発生装置３３と、該原子光発生装置３３に隣接し、容器内に発生するラジカルを吸収するラジカル吸収部４７と、原子光発生装置３３から照射されてラジカル吸収部４７のラジカルを透過した原子光を導波する光導波部４９と、光導波部４９により導波された原子光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する原子光検出部５３を順に備える。ラジカル吸収部内のラジカルを透過する原子光の光強度に基づいて原子状ラジカル密度を測定可能にする。【選択図】図２
2004354055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に導入される原料ガスをラジカル化するラジカル発生装置において、容器内に対して気密状に進入可能に設けられる中空体に対して先端側から、原料ガスに対応するガスをプラズマ化して原子光を発光する原子光発生装置と、該原子光発生装置に隣接し、容器内に発生するラジカルを吸収するラジカル吸収部と、原子光発生装置から照射されてラジカル吸収部のラジカルを透過した原子光を導波する光導波部と、光導波部により導波された原子光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する原子光検出部を順に備え、ラジカル吸収部内のラジカルを透過する原子光の光強度に基づいて原子状ラジカル密度を測定可能にした原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項２】
容器内に導入される原料ガスをラジカル化するラジカル発生装置において、容器内に対して気密状で進入可能に設けられる中空体に対して先端側から、反射板と、容器内に発生するラジカルを吸収するラジカル吸収部と、光導波部を順に設けると共に容器外に位置する中空体の基端部側に、原料ガスに対応するガスをプラズマ化して発光する原子光を中空体内に照射する原子光発生装置及び反射板により反射してラジカル吸収部を透過した原子光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する原子光検出部を設け、原子光発生装置から出射されて反射板により反射してラジカル吸収部内を透過して原子光検出部により受光される原子光の光強度に基づいて原子状ラジカル密度を測定可能にした原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項３】
請求項２において、中空体の光導波部に半透鏡を設けると共に容器外に位置する中空体の半透鏡箇所に原子光検出部を設け、半透鏡により原子光発生装置からの原子光を反射板に出射可能にすると共に反射板からの反射原子光を出射光軸と異なる位置にて原子光検出部に受光可能にする原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項４】
請求項２において、反射部は平面反射板を適宜角度を設けて配置すると共に容器外に位置する中空体の基端部に原子光発生装置及び原子光検出部を平面反射板の設置角度に応じた間隔をおいて設け、原子光発生装置から出射されて平面反射板から反射された原子光を原子光検出部に受光可能にした原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項５】
請求項２において、反射部は凹面反射板とすると共に容器外に位置する中空体の基端部に原子光発生装置及び原子光検出部を凹面反射板の反射角度に応じた間隔をおいて設け、原子光発生装置から出射されて凹面反射板から反射された原子光を原子光検出部に受光可能にした原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項６】
請求項１又は２において、ラジカル吸収部は中空体の一部を切り欠いて容器内と連通可能にした原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項７】
請求項１又は２において、中空体は駆動部材により容器内に進入可能に構成した原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項８】
請求項１又は２において、容器内の原子状ラジカル密度は容器内に対する原料ガスの非導入状態で、かつラジカルの非発生状態にて原子光発生装置から発光される原子光強度と、原子光発生装置による原子光の非発生状態で容器内に発生したラジカルからの原子光強度と、ラジカル発生状態で原子光発生装置から原子光を発光させてラジカル中を透過する原子光強度とに基づいて測定する原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項９】
請求項１又は２において、ラジカル吸収部は中空体内に一対のキャピラリープレートを移動可能に設けて吸収長を可変可能にした原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項１０】
請求項１又は２において、ラジカル吸収部は中空体内に一対の窓部材を移動可能に設けて吸収長を可変可能にした原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項１１】
請求項１又は２において、測定される原子は水素、窒素、酸素、塩素、フッ素、ケイ素、炭素、希ガスの少なくとも１種類からなる原子状ラジカル密度測定装置  。
【請求項１２】
請求項１又は２において、計測対象と異なり、計測対象原子光近傍の波長を有する原子又は分子のガスをプラズマ化して発光させる背景吸収率測定用原子光発生装置を設け、該背景吸収率測定用原子光発生装置からの光により測定されるラジカルの背景吸収率と計測対象の原子光強度とに基づいて原子状ラジカル密度を測定可能とした原子状ラジカル密度測定装置。
【請求項１３】
請求項１２における背景吸収率測定は、計測対象原子光の波長近傍の波長を有した背景吸収率測定用原子又は分子のガスが封入された背景吸収率測定用原子光発生装置を使用し、背景吸収率測定用原子光発生装置からプラズマ化した背景吸収率測定用原子又は分子の光を発光させて原料ガスが非導入状態でラジカル非発生状態の容器内を透過する光の光強度と、背景吸収率測定用原子光発生装置による原子光非発生状態において容器内にてラジカル化して発光する背景吸収率測定用原子又は分子の光強度と、背景吸収率測定用原子光発生装置から背景吸収率測定用原子又は分子の光を発光させて容器内のプラズマ中を透過する光の光強度に基づいて測定する原子状ラジカル密度測定装置  。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原料ガスをラジカル化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、ラジカル化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、ラジカル透過前の基準原子光強度とラジカル透過後の原子光強度とに基づいて原子状ラジカル密度を測定する原子状ラジカル測定装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の原子状ラジカル測定装置としては、▲１▼．原子光発光装置として低圧下での放電現象による発光を使用し、該発光をラジカル化した原料ガスに照射してラジカルを通過した光をレンズ系により分光器のスリット上に結像させて原子状ラジカル密度を測定する装置、▲２▼．原子光発光装置として電子サイクロトロン共鳴放電を利用し、電子サイクロトロン共鳴放電による発光をラジカル化した原料ガスに照射し、ラジカルを通過した光により原子状ラジカル密度を測定する装置等が知られている。
【０００３】
上記した▲１▼にあっては、原子光発光装置の発光面積が大きく、分光器に全ての光を入射させること自体が困難なため、分光器に検出される光の信号強度が小さくなって検出精度、感度が悪くなっていた。
【０００４】
また、▲２▼にあっては原料ガスが解離発光することにより原子光スペクトルに拡がりが生じている。このため、原子状ラジカル密度を測定する際には、原子光スペクトルの形状を仮定する必要があるが、解離発光による原子光スペクトルの形状近似を仮定することが極めて困難なため、原子状ラジカル密度を高精度で測定することができなかった。
【０００５】
本出願人は、上記した▲１▼及び▲２▼による欠点を解決するため、特許文献１に示すように、原料ガスをプラズマによりラジカル化して被処理体に原料ガス成分の薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理する際に、ラジカル化した原料ガスに対して原子光発生装置から原子光を照射し、ラジカル透過前の基準原子光の強度とラジカルを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中の原子状ラジカル密度を測定する方法において、原子光発生装置は容器内に、一部に所定の内径からなる孔が形成された陰極板を設け、容器内における少なくとも上記ガス中の被測定原子を含むガス及び希ガスを所定の圧力にし、陰電極及び先端部が陰電極の孔に近接して設けられた陽電極に電流を印加して陰電極の孔内にて上記ガスをプラズマ化して発光させることにより生成される所望の原子光をプラズマに照射し、プラズマ透過前の基準原子光の強度とプラズマを透過した原子光線の強度に基づいてプラズマ中における原子状ラジカル密度を測定する装置を提案した。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１２３９９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した原子状ラジカル測定装置を、例えばプロセス装置において具体化する際には、真空容器に互いに対向し合う２つのポートを必要とするため、装置自体が大型化及び複雑化すると共に既存のプロセス処理装置にあっては２つのポートを設けること自体が困難であった。
【０００８】
また、原子状ラジカル密度が高い場合には、密度に対して測定される吸収強度が飽和して測定不能になっている。この問題は、高密度の原子状ラジカル密度を測定する際に、プラズマ中に計測用ポートを挿入して吸収長を短くすることにより解決できるが、プラズマ中に計測ポートを挿入すると、該計測ポートから金属が析出して不純物による汚染が生じたり、対象とするプラズマ自体が擾乱して測定しようとするプラズマ中の原子状ラジカル密度を高精度に測定できない問題が生じている。
【０００９】
更に、プロセス制御や解析においては、プラズマ中における原子状ラジカルの空間分布状態に関する情報を得る必要があるが、上記装置はプラズマ中を通過する原子光の強度によりプラズマ中の原子状ラジカル密度を測定できるだけで、プラズマ中における原子状ラジカルの空間分布自体を測定できなかった。
【００１０】
本発明は、上記した従来の欠点を解決するために発明されたものであり、その課題とする処は、装置自体の小型化及び簡素化を図りながら原子状ラジカルの密度を高精度及び高感度に測定することができる原子状ラジカル測定装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の課題は、原子状ラジカルが飽和状態であっても原子状ラジカル密度を高い精度で確実に測定することができる原子状ラジカル測定装置を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の課題は、簡易な構成により原子状ラジカルの空間分布を高い精度で測定することができる原子状ラジカル測定装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の課題は、測定されるラジカルの擾乱を最小限に押えて原子状ラジカルを高精度に測定することができる原子状ラジカル測定装置を提供することにある。
【００１４】
【問題点を解決するための手段】
このため請求項１の原子状ラジカル測定装置は、容器内に導入される原料ガスをラジカル化するラジカル発生装置において、容器内に対して気密状に進入可能に設けられる中空体に対して先端側から、原料ガスに対応するガスをプラズマ化して原子光を発光する原子光発生装置と、該原子光発生装置に隣接し、容器内に発生するラジカルを吸収するラジカル吸収部と、原子光発生装置から照射されてラジカル吸収部のラジカルを透過した原子光を導波する光導波部と、光導波部により導波された原子光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する原子光検出部を順に備え、ラジカル吸収部内のラジカルを透過する原子光の光強度に基づいて原子状ラジカル密度を測定可能にしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の原子状ラジカル測定装置は、容器内に導入される原料ガスをラジカル化するラジカル発生装置において、容器内に対して気密状で進入可能に設けられる中空体に対して先端側から、反射板と、容器内に発生するラジカルを吸収するラジカル吸収部と、光導波部を順に設けると共に容器外に位置する中空体の基端部側に、原料ガスに対応するガスをプラズマ化して発光する原子光を中空体内に照射する原子光発生装置及び反射板により反射してラジカル吸収部を透過した原子光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する原子光検出部を設け、原子光発生装置から出射されて反射板により反射してラジカル吸収部内を透過して原子光検出部により受光される原子光の光強度に基づいて原子状ラジカル密度を測定可能にしたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る原子状ラジカル測定装置を、高周波誘電結合型プラズマ処理装置に適用して水素原子ラジカル密度を測定する実施形態に基づいて説明する。
【００１７】
実施形態１
図１〜図５において、ラジカル発生装置を構成し、成膜処理或いはエッチング処理に使用するプロセス処理装置として使用するプラズマ処理装置１は、高周波誘電結合型プラズマ処理装置で、真空容器３の上部には石英管製の放電室５が設けられ、該放電室５の周囲には高周波電源７に接続された高周波アンテナ９が設けられている。この高周波アンテナ９は高周波電源７から印加される高周波電力により放電室５及び真空容器３内にプラズマを生成する。
【００１８】
上記した高周波としては、ＲＦ帯域（１３．５６ＭＨｚ）、ＶＨＦ帯域〔１００ＭＨｚ〕、ＵＨＦ帯域（５００ＭＨｚ）或いはマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）の何れであってもよく、また、直流電力或いは熱によりプラズマを生成してもよい。
【００１９】
真空容器３の上部には混合ガスの導入口１３が設けられている。導入される混合ガスとしては、被処理体１７をＳｉＯ２／Ｓｉ選択エッチングする場合には、フルオロカーボンガスに水素を含有したガスを添加した混合ガス、又非結晶シリコン薄膜、微結晶シリコン薄膜及び多結晶シリコン薄膜を成膜する場合には、シリコン原子を含有したガスと水素原子を含有したガスの混合ガス、更にダイヤモンド薄膜を成膜する場合には、炭素原子を含有したガスと水素を含有した混合ガスを使用する。
【００２０】
真空容器３内には電極としての載置台１５が設けられ、該載置台１５上には半導体ウェハーやＬＣＤ用ガラス基板等の被処理体１７が、必要に応じて静電チャック等の保持部材１９を介して載置される。尚、載置台１５には液体窒素等の冷媒を循環させて冷却する冷却手段或いは加熱ヒーター（何れも図示せず）が必要に応じて設けられ、被処理体１７が所望の温度になるように調整する。
【００２１】
載置台１５にはバイアス電源２１が接続され、該バイアス電源２１は任意のパルス幅のバイアス電圧を載置台１５に印加してマイナスバイアスを生じさせている。また、載置台１５には真空排気装置（図示せず）に接続された排気管２３が設けられ、導入口１３から原料ガスを導入しながら排気管２３から真空容器３内を排気して真空容器３及び放電室５内を所定のガス圧に保っている。
【００２２】
真空容器３の側壁には本発明に係る原子状ラジカル密度測定装置２５が設けられる。該原子状ラジカル密度測定装置２５の中空体を構成するパイプ２７は少なくとも真空容器３の側壁から中心部に至る長さで、細径のパイプからなり、側壁に設けられた孔２９に対してＯリング等の気密部材２９ａにより気密状態を保ちながら軸線方向へ摺動可能に支持される。
【００２３】
該パイプ２７は真空容器３外に設けられた数値制御可能なサーボモータ等のパイプ駆動装置３１により真空容器３の上下方向と直交する左右方向へ往復移動される。尚、真空容器３に対してパイプ２７を手動で進入操作してもよいことは勿論である。
【００２４】
真空容器３内に位置するパイプ２７の先端部には水素原子光発生装置３３が取付けられている。該水素原子光発生装置３３を詳述すると、水素原子光発生装置３３のケース３５の内部には陰極板３７が隔壁状に設けられている。該陰極板３７は極薄銅板等の金属板からなり、中心部には微小径の孔３７ａが形成されている。該陰極板３の厚さ及び孔３７ａの内径は、装置構成等により放電条件が異なるため、所望する原子スペクトルが得られるように各サイズを設定すればよい。
【００２５】
また、ケース３５内には針状の陽電極３９が、電気的絶縁状態で、かつその先端が陰極板３７の孔３７ａの中心に近接するように位置決めされて取付けられている。該陽電極３９は直径が孔３７ａと同程度で、タングステン（Ｗ）等の金属線ワイヤからなる。
【００２６】
そしてケース３５内には水素ガス及びヘリウムガスの混合ガスが所定の圧力で封入されている。即ち、混合ガスの圧力は以下に示すような条件により設定されるものであり、該圧力範囲で要求される水素原子光を得ることができる。
水素原子発光寿命＞解離励起された高速の水素原子が他の粒子と衝突し、
減速するまでの時間
【００２７】
上記の式は、ケース３５内圧力の下限を規定するもので、解離性発光による原子光スペクトルの拡がりが生じない条件である。解離性発光による原子光スペクトルの拡がりの原因は、高速な原子が発光するために生ずる現象であり、高速な原子が発光するまでの時間（水素原子発光寿命）よりも、高速な原子が他の粒子と衝突し、減速するまでの時間（水素原子平均衝突時間）が小さくなるように容器内圧力を設定すればよいことを意味する。具体的な圧力例としては、大気圧程度であればよい。
【００２８】
封入される混合ガスは水素ガスに希釈ガスとしてヘリウムガス（Ｈｅ）を混入して水素ガス濃度を希釈する。尚、希釈ガスとしては、ヘリウムのように質量が水素原子と大差のないガスが望ましいが、これ以外にも例えばアルゴン等の希ガスであってもよい。又、水素ガスの代わりに水素原子を含有したガスであってもよい。
【００２９】
そして陰極板３７及び陽電極３９間に所定電圧を印加すると、孔３７ａ内の水素ガスをプラズマ化して波長１２２ｎｍの水素原子光を発光してケース３５に設けられた光学レンズ４１を透過してパイプ２７内に向かって照射する。尚、上記光学レンズ４１に隣設するパイプ２７内には第１キャピラリープレート４３が設けられている。該第１キャピラリープレート４３に付いては第２キャピラリープレート４５と共にその詳細を後述する。
【００３０】
この水素原子光は、小さな容積の孔３７ａ内でガスがプラズマ化した際に発光するため、従来の手法と比べ、プラズマ化を支配する電子が集中して電子密度が増え、ガスの解離が進む。このため、ガス分子の発光が減少し、所望する原子光の発光が増加する。これは入力した電子が所望する原子光の発光に有効に使われ、従来の手法に比べ、原子光の発光が増加することを意味する。
【００３１】
又、上記した圧力範囲にて孔３７ａ内のガスをプラズマ化するには、孔３７ａの内径が微小であることが必要である。そして発光面が微小であり、所望する原子光の輝度が大きく、吸収分光用光源としては最適である。これは、高感度な原子状ラジカル密度測定を可能にすることを意味している。
【００３２】
水素原子光発生装置３３の基端部側に位置するパイプ２７は外周に複数の切欠き部２７ａが形成されて真空容器３内と連通し、該真空容器３内に発生しているプラズマが進入するように構成される。そして切欠き部２７ａの両側に位置するパイプ２７内には上記した第１及び第２キャピラリープレート４３・４５が所定の間隔をおいて取付けられて区画された空洞部からなる水素原子光吸収部４７が設けられている。水素原子光吸収部４７を構成する第１及び第２キャピラリープレート４３・４５は軸線方向に対する相互間隔幅が可変可能に構成される。
【００３３】
上記した第１及び第２キャピラリープレート４３・４５は所定厚さのガラス板やプラスティク板で、μｍオーダの微小径からなる多数の貫通孔を有した構造からなり、水素原子光発生装置３３の光学レンズ４１や後述する光導波路４９内に設けられる光学レンズ５１にプラズマ中の堆積物が付着して水素原子光が減衰するのを防止する。
【００３４】
即ち、第１及び第２キャピラリープレート４３・４５はプラズマ中の堆積物を貫通孔の内周面に付着させることにより光学レンズ４１・５１に付着するのを防止する。また、第１及び第２キャピラリープレート４３・４５は水素原子光吸収部４７の吸収長が長くなるのを規制する。
【００３５】
尚、光導波路４９内を真空容器３より高真空にすることにより不純物を除去して水素原子光の減衰を最小限にすると共に光学レンズ５１に不純物が付着堆積するのを防止して水素原子光の強度検出を高感度に行なうことができる。また、第２キャピラリープレート４５の貫通孔を通過してプラズマ中の水素原子が光導波路４９内に進入した場合であっても、該光導波路４９を高真空形成して水素原子を除去することにより光吸収長が長くなるのを回避して水素原子ラジカル密度を高精度に測定することができる。
【００３６】
上記したようにパイプ２７の基端部には光学レンズ５１が取付けられ、該光学レンズ５１と第２キャピラリープレート４５との間に位置するパイプ２７は光導波路４９を形成している。また、パイプ２７の基端部には水素原子光検出部５３が設けられ、水素原子光吸収部４７内のプラズマを透過した水素原子光の光強度を検出する。水素原子光検出部５３としては、真空紫外分光器を用いてもよいし、所望する原子光のみを検出する検出器を用いてもよい。
【００３７】
上記のように構成された原子状ラジカル密度測定装置２５による水素原子ラジカル密度の測定作用を説明する。
【００３８】
先ず、高周波アンテナ９に高周波電力が印加されていない、従ってプラズマが発生していない状態で、かつ真空容器３内に原料ガスが導入されていない状態で、パイプ２７の先端部を真空容器３内の中心部に位置するように進入させた状態で水素原子光発生装置３３の陽電極３９及び陰電極３７間に電圧を印加して水素原子光を発光させて水素原子光検出部５３に受光させることによりプラズマを透過していない水素原子光の強度Ｉ０を測定しておく。
【００３９】
また、プラズマ中の水素原子ラジカル密度を測定する場合、プラズマ中における水素原子以外の原子による電離吸収が生じる。このため、例えば水素原子光（波長：１２２ｎｍ）を測定する場合には、これに近い波長の原子光、例えば波長：１２０ｎｍの窒素原子光を使用して吸収率を計測しておく。具体的には水素原子光発生装置３３とは別に窒素原子光発生装置（図示せず）を用意しておき、窒素原子光発生装置が取付けられたパイプ２７を真空容器３内のプラズマ中に位置させてプラズマ中における水素原子以外の原子による吸収率を測定しておく。（背景吸収率の測定）
【００４０】
背景吸収率の測定は、計測対象原子の計測原子光波長近傍の波長の光を、計測対象プラズマに含まれない原子または分子を含有したプラズマの原子・分子光を用いて行なう。ここで波長近傍とは計測対象原子光波長を含む。
【００４１】
具体的には、水素原子計測（水素原子光波長１２２ｎｍを使用）では、窒素原子を含有したプラズマの窒素原子光（波長１２０ｎｍ）や重水素原子を含有したプラズマより発光する波長１２２ｎｍ近傍の光やアルゴン原子を含有したプラズマより発光する波長１２２ｎｍ近傍の光を用いる。尚、計測対象プラズマに背景吸収率計測に用いる原子や分子を含有する、例えばメタンプラズマやシランプラズマの場合の水素原子計測の場合には、窒素を含有したプラズマからの窒素原子光のようにそれ以外の原子・分子光を使用する。
【００４２】
窒素原子計測（窒素原子光波長１２０ｎｍを使用）では、水素原子を含有したプラズマの水素原子光（波長１２２ｎｍ）や水素分子を含有したプラズマの水素分子光の波長１２０ｎｍ近傍の光や重水素原子を含有したプラズマより発光する波長１２０ｎｍ近傍の光やアルゴン原子を含有したプラズマより発光する波長１２０ｎｍ近傍の光を用いる。尚、計測対象プラズマに背景吸収率計測に用いる原子や分子を含有する、例えばアンモニアプラズマの場合の窒素原子計測の場合には、水素原子や水素分子を含有しないプラズマからの水素原子光のようにそれ以外の原子・分子光を使用する。
【００４３】
酸素原子計測（酸素原子光：１３０ｎｍ）では、水素分子を含有したプラズマの波長１３０ｎｍ近傍の水素分子光や重水素原子を含有したプラズマより発光する波長１３０ｎｍ近傍の光やクリプトン原子を含有したプラズマより発光する波長１３０ｎｍ近傍の光を用いる。尚、計測対象プラズマに背景吸収率計測に用いる原子や分子を含有する、例えば酸素分子プラズマの場合の酸素原子計測の場合には、水素分子を含有したプラズマからの波長１３０ｎｍ近傍の分子光のようにそれ以外の原子・分子光を使用する。
【００４４】
炭素原子計測（炭素原子光：１５６ｎｍ又は１６６ｎｍ）の場合には、水素分子を含有したプラズマの波長１５６ｎｍまたは１６６ｎｍ近傍の水素分子光や重水素原子を含有したプラズマより発光する波長１５６ｎｍ又は１６６ｎｍ近傍の光やキセノン原子を含有したプラズマより発光する波長１５６ｎｍ又は１６６ｎｍ近傍の光を用いる。尚、計測対象プラズマに背景吸収率計測に用いる原子や分子を含有する場合は、それ以外の原子・分子光を使用する。
【００４５】
塩素原子計測（塩素原子光：１３５ｎｍ）では、水素分子を含有したプラズマの波長１３５ｎｍ近傍の水素分子光や重水素原子を含有したプラズマより発光する波長１３５ｎｍ近傍の光やクリプトン原子を含有したプラズマより発光する波長１３５ｎｍ近傍の光を用いる。尚、計測対象プラズマに背景吸収率計測に用いる原子や分子を含有する場合は、それ以外の原子・分子光を使用する。
【００４６】
フッ素原子計測（フッ素原子光：９６ｎｍ）では、水素原子を含有したプラズマの水素原子光波長９５ｎｍやネオン原子やヘリウム原子を含有したプラズマより発光する波長９６ｎｍ近傍の光を用いる。尚、計測対象プラズマに背景吸収率計測に用いる原子や分子を含有する場合は、それ以外の原子・分子光を使用する。
【００４７】
このように上記背景吸収を考慮しないと、計測対象原子を計測する原子光による吸収率には背景吸収分が含まれて算出されて密度が多くなるが、背景吸収率を考慮することにより原子密度を正確に算出できる。
【００４８】
次に、真空容器３内に原料ガスを導入して高周波アンテナ９に高周波電力を印加してプラズマを発生させた状態で、先ず、水素原子光発生装置３３の非駆動状態で水素原子光吸収部４７内に侵入したプラズマ中の水素原子ラジカルが発光する水素原子光の強度Ｉ１を水素原子光検出部５３により測定する。
【００４９】
そして水素原子光発生装置３３を駆動して水素原子光を発光させてプラズマ中を透過する水素原子光の強度Ｉ２を水素原子光検出部５３により測定する。これにより測定される水素原子光の強度Ｉ２はプラズマ中の水素原子自体が発光する水素原子光の光強度Ｉ１とプラズマ中の水素原子ラジカルに一部が吸収された水素原子光の強度Ｉ３との和になり、これから原子光の吸収率を求める。そして背景吸収率との関係から水素原子のラジカル密度Ｎを求める。
【００５０】
即ち、今、原子光の光強度は上記したようにＩ２＝Ｉ１＋Ｉ３になり、その際の原子光の吸収率Ａは、数式１により求めることができる。
【００５１】
【数１】
2004354055.tif 000003
上記式１において、ＳＹＭＢＯＬ  １１０  ￥ｆ  ”Ｓｙｍｂｏｌ”  ￥ｓ  １２は周波数、ｆ１（ＳＹＭＢＯＬ  １１０  ￥ｆ  ”Ｓｙｍｂｏｌ”  ￥ｓ  １２）は原子光発生装置から発光する原子光のスペクトル形状、ｆ２（ＳＹＭＢＯＬ  １１０  ￥ｆ  ”Ｓｙｍｂｏｌ”  ￥ｓ  １２）はプラズマにおける原子の吸収スペクトル形状、Ｌは原子光が通るプラズマの距離、ｋＢＡは背景吸収係数、Ｉ０は真空容器内を非プラズマ化した状態で水素原子光発生装置３３から計測用の原子光を発光させた際に検出される原子光強度とする。そしてｋＢＡは下記の背景吸収率ＢＡを求める数式２から求める。尚、原子光のスペクトル形状は、原子光発生装置を用いることでスペクトル形状を単純化でき、同定可能である。また、プラズマの吸収スペクトル形状は、理論的に求めることができる。
【００５２】
【数２】
2004354055.tif 000004
上記数式２において、ＩＢＡ０とＩＢＡ３は、原子光における計測で計測対象になる光の波長を背景吸収計測に変更した場合の各光強度で、例えば水素原子光計測時に、窒素原子光１２０ｎｍで背景吸収率を測定した場合、ＩＢＡ０はプラズマＯＦＦ、窒素原子光発生装置ＯＮにおける窒素原子光強度、ＩＢＡ３はプラズマを通過した後の窒素原子光発生装置から発光した窒素原子光強度である。
【００５３】
上記した数式１の第１式から計測対象になる原子の吸収係数ｋ０が求まり、このｋ０から下記の数式３より計測対象の原子密度Ｎを求める。尚、数式３におけるＸは、個々の計測対象原子光により決まる定数である。
【数３】
2004354055.tif 000005
次に、プラズマ中における水素原子ラジカルの空中分布を測定する場合について説明すると、先ず、上記したようにパイプ２７の先端部を真空容器３内に中心部に位置した状態で上記した方法により真空容器３内で発生しているプラズマ中の水素原子ラジカル密度を測定した後にパイプ２７を所定距離づつ外側へ移動させながら夫々の位置にてプラズマ中における水素原子ラジカルの密度を測定することによりプラズマ中における水素原子ラジカルの空中分布状態を測定する。
【００５４】
上記したプロセス制御において、プラズマ中における水素原子ラジカル密度の測定結果を以下のように反映させる。
【００５５】
即ち、被処理体１７にシリコン薄膜を成膜するプロセス処理においては、排気管２３から真空容器３内の空気を排出しながら導入口１３からシリコン原子を含有したガス、例えばシランガス（ＳｉＨ４）と水素ガスを混合した原料ガスを導入して真空容器３内を所定の圧力にした状態で高周波アンテナ９に高周波電力を印加して高周波電界により混合ガスを反応性プラズマ化させる。これにより該反応性プラズマ中のシリコン原子を被処理体１７上に堆積させてシリコン薄膜を成膜させる。
【００５６】
また、被処理体１７をエッチングするプロセス処理においては、導入口１３からフルオロカーボンガス等と水素ガスや酸素ガスを混合した原料ガスを導入して上記と同様に反応性プラズマ化させた状態で載置台１５にバイアス電圧を印加すると、反応性プラズマ中から陽イオンを飛び出させて被処理体１７に衝突させることにより被処理体１７をエッチング処理する。尚、エッチングにはラジカル種も関与する。
【００５７】
上記したようなエッチング処理及び成膜処理等のプロセス処理においては、混合ガス中の水素ガスはプラズマ中においてラジカル化してエッチング処理及び成膜処理に大きく寄与している。このため、上記処理時においては、プラズマ中における水素原子ラジカル密度を上記した方法によりリアルタイムで測定し、この測定結果により高周波アンテナ９に印加される高周波電力等の放電パラメータ（他にガス流量、容器内圧力等）を制御したり、載置台１５に印加されるバイアス電圧を制御したり、更に原子ラジカル源（図示せず）により水素原子ラジカルを真空容器３内に注入することにより反応性プラズマ中の水素原子ラジカル密度を制御することにより成膜される薄膜の厚さを制御したり、エッチングの選択比、加工精度を調整することができる。
【００５８】
尚、高周波アンテナ９に印加される高周波電力等の放電パラメータ（他にガス流量、容器内圧力等）や載置台１５に印加されるバイアス電圧をフィードバック制御するため、水素原子ラジカル密度の基準値は、被処理体の種類、プロセスの種類、プロセス条件等によって大きく異なるため、これらの条件に応じてその都度設定することが望ましい。
【００５９】
本実施形態は、真空容器３内に気密状態で進入するように設けたパイプ２７に水素原子発生装置３３、水素原子光吸収部４７及びその基端部に水素原子光検出部５３を設ける簡易な構造により真空容器３内におけるプラズマ中の水素原子ラジカル密度を高精度に測定することができる。
【００６０】
また、真空容器３内に対するパイプ２７の進入状態を可変することによりプラズマ中における水素原子ラジカル密度の空中分布状態を高精度に測定することができる。
【００６１】
実施形態２
本実施形態の原子状ラジカル密度測定装置６０は、図６に示すように真空容器３内に対して気密状態で軸線方向へ移動可能に支持される金属製パイプのパイプ６１の先端部には空洞部からなる原子光吸収部６３が形成され、該原子光吸収部６３は空洞部を介してパイプ６１内に挿嵌された第１及び第２キャピラリープレート４３・４５により軸線方向幅が可変可能に形成される。そしてパイプ６１の先端には反射板６５が取り付けられる。
【００６２】
一方、真空容器３の外部に位置するパイプ６１の基端には上記した水素原子光発生装置３３が設けられ、該水原子光発生装置３３はパイプ６１内の光導波路４９を通過して上記反射板６５に向かって水素原子光を照射する。また、真空容器３の外部に位置するパイプ６１の基端側にはパイプ６１の軸線と直交する方向へ延出する原子光導出部６７が一体形成され、該原子光導出部６７の端部には水素原子光検出部５３が設けられている。
【００６３】
そして水素原子光発生装置３３の光軸と水素原子光検出部５３の光軸とが交差するパイプ６１内には半透鏡６９が設けられ、該半透鏡６９は水素原子光発生装置５３から反射板６５に向かって照射される水素原子光を透過させる一方、反射板６５により反射して原子光吸収部６３内を透過した水素原子光を原子光導出部６７に向かうように反射させる。
【００６４】
尚、上記したパイプ６１は真空容器３に対してパイプ駆動装置３１により軸線方向へ移動可能に構成される。また、実施形態１と同一の部材に付いては実施形態１の説明で使用した符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００６５】
そして本実施形態は、原子光発生装置３３を真空容器３の外に設けることができ、原子光の発光に伴って温度上昇する原子光発生装置３３の冷却を容易化して原子光を長時間にわたって安定的に発光させることができる。
【００６６】
また、真空容器３の外部に設けられた水素原子光発生装置３３から反射板６５に向かって水素原子光を照射し、該反射板６５により反射した水素原子光を原子光吸収部６３内を透過させることにより、該原子光吸収部６３内におけるプラズマ中の水素原子ラジカルの密度を測定する点において実施形態１と相違するのみで、その測定原理については上記した実施形態１と同一であるため、その詳細な説明を省略する。
【００６７】
以下に、本発明の変更例を説明する。
１．上記説明は、ラジカル発生装置を真空容器内にプラズマを発生させて原料ガスをラジカル化するプラズマ発生装置としたが、本発明のラジカル発生装置としては、蒸着法、スパッタ法、レーザアブレーション法、熱フィラメント法（触媒作用を付加した熱フィラメントを使用する場合も含む）等のように公知の手法によりラジカルを発生するラジカル発生装置であっても良いことは勿論である。
【００６８】
２．上記説明は、水素原子光を発生させてプラズマ中における水素原子ラジカル密度を測定する場合について説明したが、本発明は窒素原子ラジカル密度を測定してもよい。
【００６９】
即ち、プラズマ処理装置１に原料ガスとして窒素ガスを導入してプロセス処理する際には窒素原子ラジカル密度を測定する必要がある。この場合にあっては、原子光発生装置に、窒素、酸素、塩素、フッ素、ケイ素、炭素や準安定原子である希ガス（ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトン）の少なくとも１種類を含有したガスを封入し、それぞれの原子光を発生させることによりプラズマ中の原子状ラジカル密度を測定するようにしてもよい。
【００７０】
窒素を例に具体的に説明すると、原子光発生装置に窒素ガスとネオンの混合ガスを封入して陰極板と陽電極に電流を印加したところ、所望する高輝度で自己吸収のない窒素原子光スペクトル（例えば波長１２０ｎｍ）を得た。希ガスとしては、ネオンのように質量が窒素ガスと大差のないガスが望ましいが、これ以外の希ガスであってもよい。尚、陰極板に窒素原子を含有した導電性材料を使用してもよい。
【００７１】
また、例えばシリコン酸化膜成膜プラズマ（誘導結合型酸素プラズマ、基板はシリコンウェハ）にあっては、プラズマ中の酸素原子ラジカル密度、アルミニウムエッチングプラズマ（誘導結合型塩素プラズマ、基板はアルミニウム）にあっては塩素原子ラジカル密度、シリコン系薄膜成膜プラズマ（誘導結合型シラン、水素混合ガスプラズマ）にあってはケイ素原子ラジカル密度、ダイヤモンド成膜プラズマ（誘導結合型メタン、水素混合ガスプラズマ）にあっては炭素原子ラジカル密度を測定する必要がある。
【００７２】
いずれの場合であっても、原子光発光装置に封入されるガスを測定しようとする原子を含むガス（具体的には酸素原子ラジカル密度の測定の場合は酸素を含有したガスと希ガス、例えば酸素ガスとネオンの混合ガス、塩素原子ラジカル密度の測定の場合には塩素を含有したガスと希ガス、例えば塩素ガスとアルゴンの混合ガス、ケイ素原子ラジカル密度の測定の場合にはケイ素を含有したガスと希ガス、例えばシランガスとアルゴンの混合ガス及び炭素原子ラジカル密度測定の場合には炭素を含有したガスと希ガス、例えばメタンガスとネオンの混合ガス）を封入して夫々の原子光を発光させることにより夫々の原子状ラジカル密度を測定することができる。
【００７３】
３．上記説明は一種類の原子状ラジカル密度を測定する場合について説明したが、本発明は複数の原子状ラジカル密度を同時に測定することもできる。
【００７４】
具体的には、例えば原子光発生装置にＮＨ３ガスとヘリウムガスを封入して所望する高輝度で自己吸収のない水素原子光スペクトル（例えば波長１２２ｎｍ）及び窒素原子光スペクトル（例えば波長１２０ｎｍ）を発光させ、これら原子光により夫々の原子状ラジカル密度を測定する。
この場合にあっては、封入するガスとして計測対象になる原子のガスと、計測
【００７５】
対象原子の波長近傍の波長を有した原子の背景吸収率測定用ガスとし、プラズマの背景吸収率の測定と計測対象である原子状ラジカル密度の測定とを同時に行ってもよい。
【００７６】
また、封入するガスとしては、水素、炭素、窒素、及び酸素を含む有機化合物ガスを使用することにより４種類の原子状ラジカルを同時に測定するようにしてもよい。
【００７７】
４．上記説明は、原子光発生装置に測定しようとする原子を含むガス及び希ガスの混合ガスを封入して所望の原子光を発光させたが、陰電極に、測定しようとする原子を含む材料を使用して所望の原子光を発光させてもよい。
【００７８】
５．更に、上記説明においてラジカル発生装置を構成するプラズマ処理装置を高周波誘電結合型プラズマ処理装置としたが、プラズマ処理装置としてはこれに限定されるものではなく、直流プラズマ処理装置であってもよいことは勿論である。
【００７９】
６．上記説明は、原子光発生装置の陰極板に１個の孔を設けた構成としたが、図７に示すように陰極板３７複数個（図は３個の場合を示す）の孔３７ａを近接させて設け、それぞれの孔３７ａ内での放電により得られる原子光を使用して原子状ラジカル密度を測定してもよい。
【００８０】
陰極板３７に設ける孔３７ａは、本来小さい孔とすることにより光を効率的に発光させることができるが、孔３７ａが小さい場合には計測に必要な光量を得ることが困難である。このため、陰極板３７に小さい内径からなる複数個の孔３７ａを、相互が近接した状態で設けることにより放電効率を高めながら計測に必要な光量を得るようにした。
【００８１】
７．上記説明は、陽極板の先端部に相対する陰極板の箇所に孔を設けたが、この場合にあっては、孔３７ａの周縁が露出しているため、放電は孔内だけでなく、孔の周縁でも発生し、プラズマの発生効率が悪くなる。この欠点は、陽極板の先端部と陰極板における孔の位置合わせを正確に行うことによりある程度、解決できるが、位置合せ作業に手間がかかっていた。
【００８２】
これを解決するため、図８に示すように陰極板３７における孔３７ａ周縁の表裏面に絶縁体３７ｂをそれぞれ設け、孔３７ａ周縁での放電を抑制し、孔３７ａ内における放電を効率的に発生させるように構成してもよい。
８．実施形態２においては、半透鏡を使用して原子光発生装置３３からの原子光を反射板６５に向かって照射可能にすると共に反射板から反射した原子光を反射光軸を出射光軸と直交するようにして導出させて原子光検出部５３に受光させるように構成したが、図９に示すように平面反射板９１を所定の微小角度を設けて配置すると共にパイプ６１の基端部側に原子光発生装置３３及び原子光検出部５３を、上記した平面反射板９１の設置角度に応じた間隔をおいて配置する構成であってもよい。
【００８３】
この構成にあっては、原子光発生装置３３からの原子光の出射光軸と平面反射板９１からの反射光軸とを異ならせることができ、これによりパイプ６１の基端部に原子光発生装置３３及び原子光検出部５３を設けて原子状ラジカル密度を測定することができる。
【００８４】
また、図１０に示すように反射部を凹面反射板１０１とすると共にパイプ６１の基端部側に原子光発生装置３３及び原子光検出部５３を、上記した凹面反射板１０１の収束角度に応じた間隔をおいて配置する構成であってもよい。
【００８５】
この場合においても、原子光発生装置３３からの原子光の出射光軸と凹面反射板１０１からの反射光軸とを異ならせることができ、これによりパイプ６１の基端部に原子光発生装置３３及び原子光検出部５３を設けて原子状ラジカル密度を測定することができる。
【００８６】
尚、図においては、実施形態１及び２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００８７】
８．実施形態１及び２は、真空容器に対して１個の原子状ラジカル密度測定装置２５・６０を進入可能に設けて真空容器３内に発生するラジカル密度を測定する構成としたが、本発明の応用例としては、図１１に示すように異なる種類のガスがそれぞれ充填された実施形態１或いは２の原子光発生装置及び原子光検出部を備えた複数個（図は実施形態１の原子状ラジカル密度測定装置で、４個設けた例を示す）の原子状ラジカル密度測定装置１１１・１１３・１１５・１１７を真空容器３内に進入可能に設けた構成であってもよい。この場合にあっては、複数種類の原料ガスを混合した混合原料ガスのラジカル密度を一度の作業で測定することができる。
【００８８】
また、図１２に示すように真空容器３に対して実施形態１及び２に示す複数個（図は２個の場合を示す）の２個の原子状ラジカル密度測定装置１２１・１２３を進入可能に設けて複数種類のラジカルを同時測定する場合にあっては、原子状ラジカル密度測定装置１２１・１２３を実施形態２に示すように構成し、それぞれの原子光導出部１２５・１２７に共通の原子光検出部１２９を設けて１個の原子光検出部１２９により原子光強度を検出可能にしてもよい。
【００８９】
この場合にあっては、それぞれの原子状ラジカル密度測定装置１２１・１２３における各原子光発生装置１２２・１２４に対する電圧の印加周期、従って原子光の発光周期を異ならせて発光させる一方、それぞれの発光周期に応じたタイミングで原子光検出部１２９により検出される原子光強度に応じた電圧を読み取るようにすることにより１個の原子光検出部１２９でそれぞれのラジカル密度を測定することができる。
【００９０】
９．実施形態１に示す原子状ラジカル密度測定装置の原子光発生装置にあっては、原子光発光時に内部のガスが高温化し、時間の経過に伴って原子光強度が低下して測定不能になる恐れを有している。これを防止するため、図１３に示すようにパイプ２７の壁に、その基端部から原子光発生装置３３に至る１個または複数個のガス供給流路１３１及びガス回収流路１３３を形成し、原子光発生装置３３内のガスが高温化するのを防止するように構成すればよい。
【００９１】
具体的には、図１３に示すようにガス供給流路１３１の供給口部とガス回収流路１３３の回収口部に循環ポンプ１３５を設け、ガス供給流路１３１及びガス回収流路１３３と原子光発生装置３３内に封入されたガスを循環させると共に真空容器３の外に位置するパイプ２７部分を流通する際にガスを冷却させるように構成すればよい。尚、図中の１３７は真空容器３の外に位置し、外部に露出するパイプ２７の外周面に設けられた放熱フィンである。
【００９２】
また、図１４に示すようにガス供給流路１３１の供給口部にガスボンベ１３９を接続すると共にガス回収流路１３３の回収口部を大気開放し、原子光発生装置３３内に対してガスを継続的に供給してガスが高温化するのを防止するように構成すればよい。
【００９３】
更に、図１５に示すように原子光発生装置３３の内部或いはパイプ２７の外周面にペルチェ素子１４（図は内部に設けた例を示す）を設け、該ペルチェ素子を通電制御して原子光発生装置３３内部のガスを冷却するように構成すればよい。
【００９４】
【発明の効果】
本発明は、装置自体の小型化及び簡素化を図りながら発生した原子状ラジカルの密度を高精度及び高感度に測定することができる。また、原子状ラジカルが飽和状態であっても原子状ラジカル密度を高い精度で確実に測定することができる。更に、簡易な構成により原子状ラジカルの空間分布を高い精度で測定することができる。また更に、測定されるラジカルの擾乱を最小限に抑えて原子状ラジカルを高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】原子状ラジカル密度測定装置が適用された高周波誘電結合型プラズマ処理装置の概略を示す概略断面図である。
【図２】原子状ラジカル密度測定装置の説明図である。
【図３】水素原子光吸収部を拡大し、一部を破断して示す説明図である。
【図４】原子光発光装置の概略を示す説明図である。
【図５】プラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
【図６】実施形態２の原子状ラジカル密度測定装置の説明図である。
【図７】陰極板における孔の変更実施形態を示す説明図である。
【図８】陰極板の変更実施形態を示す説明図である。
【図９】実施形態２の変更実施例を示す説明図である。
【図１０】実施形態２の変更実施例を示す説明図である。
【図１１】容器に対して複数個の原子状ラジカル密度測定装置を設ける場合を示す説明図である。
【図１２】容器に対して２個の原子状ラジカル密度測定装置を設け、１個の原子光検出部により原子光強度を検出する例を示す説明図である。
【図１３】原子光発光装置の冷却例を示す説明図である。
【図１４】原子光発光装置の冷却例を示す説明図である。
【図１５】原子光発光装置の冷却例を示す説明図である。
【図１】
2004354055.tif 000006
【図２】
2004354055.tif 000007
【図３】
2004354055.tif 000008
【図４】
2004354055.tif 000009
【図５】
2004354055.tif 000010
【図６】
2004354055.tif 000011
【図７】
2004354055.tif 000012
【図８】
2004354055.tif 000013
【図９】
2004354055.tif 000014
【図１０】
2004354055.tif 000015
【図１１】
2004354055.tif 000016
【図１２】
2004354055.tif 000017
【図１３】
2004354055.tif 000018
【図１４】
2004354055.tif 000019
【図１５】
2004354055.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月29日(2003.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
【数１】
2004354055.tif 000021