(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ処理容器内に前記基板を収容し、
位置を固定したアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、
予め測定された、前記アンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記アンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、
前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記処理がプラズマクリーニングであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記処理がプラズマエッチングであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記処理がプラズマアッシングであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記基板を収容するプラズマ処理容器と、
プラズマ処理容器に設けられた透過窓と、
透過窓を通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出する機能を持つ第１のアンテナと、
前記透過窓を通過したプラズマからの反射波電力を検知する機能を持つ第２のアンテナと、
前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＬ字型をなし、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部と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６】
プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記基板を収容するプラズマ処理容器と、
プラズマ処理容器に設けられた透過窓と、
透過窓を通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出する機能を持つ第１のアンテナと、
前記透過窓を通過したプラズマからの反射波電力を検知する機能を持つ第２のアンテナと、
前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＴ字型をなし、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部と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７】
プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記基板を収容するプラズマ処理容器と、
プラズマ処理容器に設けられた透過窓と、
透過窓を通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出する機能を持つ第１のアンテナと、
前記透過窓を通過したプラズマからの反射波電力を検知する機能を持つ第２のアンテナと、
前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部は平板を有し、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部と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８】
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとがそれぞれ持つ前記機能を１本のアンテナに持つことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記アンテナの先端部は前記窓と接触することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記基板を収容するプラズマ処理容器と、
プラズマ処理容器内に挿入された、先端が封じられた誘電体チューブと、
誘電体チューブ内に挿入され、前記チューブを通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出し、前記チューブを通過したプラズマからの反射波電力を検知するアンテナと、
前記アンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記アンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＬ字型をなし、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングすることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１１】
プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記基板を収容するプラズマ処理容器と、
プラズマ処理容器内に挿入された、先端が封じられた誘電体チューブと、
誘電体チューブ内に挿入され、前記チューブを通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出し、前記チューブを通過したプラズマからの反射波電力を検知するアンテナと、
前記アンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記アンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段と
を具備し、前記アンテナの先端部はＴ字型をなし、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部と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１２】
プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、
前記基板を収容するプラズマ処理容器と、
プラズマ処理容器内に挿入された、先端が封じられた誘電体チューブと、
誘電体チューブ内に挿入され、前記チューブを通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出し、前記チューブを通過したプラズマからの反射波電力を検知するアンテナと、
前記アンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記アンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段と
を具備し、前記アンテナの先端部は平板を有し、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部と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１３】
前記アンテナの先端部は前記チューブの先端部の内面と接触することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか記載のプラズマ処理装置。
【請求項１４】
前記アンテナと前記検出手段との間に、特定の周波数をカットするためのフィルターが配置されることを特徴とする請求項５ないし１３のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】
プラズマ処理容器中で基板上の膜に対する所定の処理を行うために発生させたプラズマをモニタリングするプラズマモニタリング装置であって、
処理中のプラズマへ導入する高周波電力を放出する第１のアンテナと、
プラズマからの反射波電力を検知するためにプラズマ処理容器に取り付けられる第２のアンテナと、
前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を吸収周波数として検出する検出手段と
を具備し、前記アンテナの先端部はＬ字型をなし、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマモニタリング装置。
【請求項１６】
プラズマ処理容器中で基板上の膜に対する所定の処理を行うために発生させたプラズマをモニタリングするプラズマモニタリング装置であって、
前記基板を処理中のプラズマへ導入する高周波電力を放出する第１のアンテナと、
プラズマからの反射波電力を検知するためにプラズマ処理容器に取り付けられる第２のアンテナと、
前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を吸収周波数として検出する検出手段と
を具備し、前記アンテナの先端部はＴ字型をなし、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマモニタリング装置。
【請求項１７】
プラズマ処理容器中で基板上の膜に対する所定の処理を行うために発生させたプラズマをモニタリングするプラズマモニタリング装置であって、
前記基板を処理中のプラズマへ導入する高周波電力を放出する第１のアンテナと、
プラズマからの反射波電力を検知するためにプラズマ処理容器に取り付けられる第２のアンテナと、
前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を吸収周波数として検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部は平板を有し、
さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマモニタリング装置。
【請求項１８】
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとがそれぞれ持つ前記機能を１本のアンテナに持つことを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項記載のプラズマモニタリング装置。
【請求項１９】
前記アンテナと前記検出手段との間に、特定の周波数をカットするためのフィルターが配置されることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか１項記載のプラズマモニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造や液晶ディスプレイ用の薄膜トランジスタ等の電子デバイスの製造で用いられるプラズマ処理方法、プラズマ処理装置およびプラズマモニタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造や液晶ディスプレイ用の電子デバイスの製造においては、プラズマを用いたドライエッチングによる微細加工が頻繁に用いられる。異なる材料の薄膜が重ねられた多層膜をドライエッチングする際には、エッチングの終点検出が重要である。
【０００３】
通常、ドライエッチングの終点検出は、薄膜に入射した光からの反射光の強度変化や光の干渉を利用して、またはプラズマからの発光スペクトル線の強度変化を利用して行われる。前者の反射光等を利用した方法は、光路を確保するための特別な装置が必要となることが多い。そのため、一般には後者の発光スペクトル線の強度変化を利用する発光分光法が多く用いられる。
【０００４】
しかし、発光分光法を利用した終点検出では、エッチング面積が小さくなるとエッチングによる反応生成物の量が少なくなるため、エッチング終点での検出感度が低下するという問題がある。例えば、反応生成物中のラジカルの発光強度をモニターする場合には、エッチング終点での発光スペクトル線の強度変化が小さすぎて、検出感度が小さくなる。また、プラズマ中のラジカルなどの発光は、透明な窓を通して検出されるが、窓の光透過率はエッチングガスや反応生成物の堆積によって低下する。そのため、発光分光法では、エッチング処理量の増大に伴い終点検出ができなくなる場合があるという問題がある。
【０００５】
そこで、発光分光法よりも高感度であり、またプラズマプロセス中に起こる膜堆積の影響を受けにくいエッチング終点検出方法が求められている。
【０００６】
一方、プラズマを用いたドライエッチング装置では、プロセスの安定化を図ることが重要である。そのために、ガス流量、圧力、高周波電力、温度等のプロセスパラメーターの変動を抑えるとともに、装置のチャンバ内部での処理状態を一定に保つことが必要とされている。
【０００７】
前者のプロセスパラメーターの変動に対しては、通常、その変動量を常にモニタリングしている。そして、変動量が所定の値を越えると装置のインターロックが働いてプロセスが停止し、成膜や加工の不良を未然に防ぐようにしている。後者の装置のチャンバ内部の処理状態の変動に対しては、これを検出する有効手段がほとんどない。そのため、通常は一定の処理時間の後に装置のチャンバ内部をクリーニングして処理を初期化することが多い。このクリーニングには、チャンバ内を真空に保ったまま行うプラズマクリーニングと、チャンバを大気解放して各パーツを薬液等で洗浄するウェットクリーニングがある。プラズマクリーニングは、クリーニング時間を決めて行うことが多い。しかし、どちらのクリーニングを行うにせよ、装置の稼働率を低下させる要因となるため、短時間で確実な初期化が必要とされている。
【０００８】
そこで、装置のチャンバ内部の処理状態の変動を検出する方法が求められている。また、プラズマクリーニングにおいては、クリーニングによるチャンバ内壁の状態の変化をモニタして初期化の終了が確認できる方法が求められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、プラズマ処理装置のチャンバ内部での処理状態の変動を処理中の膜堆積の影響を殆ど受けずに高感度でモニタリングしながらプラズマ処理することが可能なプラズマ処理方法、プラズマ処理装置、およびプラズマモニタリング装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理方法であって、前記プラズマ処理容器内に前記基板を収容し、位置を固定したアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記アンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記アンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングすることを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記基板を収容するプラズマ処理容器と、プラズマ処理容器に設けられた透過窓と、透過窓を通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出する機能を持つ第１のアンテナと、前記透過窓を通過したプラズマからの反射波電力を検知する機能を持つ第２のアンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＬ字型をなし、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記基板を収容するプラズマ処理容器と、プラズマ処理容器に設けられた透過窓と、透過窓を通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出する機能を持つ第１のアンテナと、前記透過窓を通過したプラズマからの反射波電力を検知する機能を持つ第２のアンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＴ字型をなし、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記基板を収容するプラズマ処理容器と、プラズマ処理容器に設けられた透過窓と、透過窓を通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出する機能を持つ第１のアンテナと、前記透過窓を通過したプラズマからの反射波電力を検知する機能を持つ第２のアンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部は平板を有し、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１２】
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記基板を収容するプラズマ処理容器と、プラズマ処理容器内に挿入された、先端が封じられた誘電体チューブと、誘電体チューブ内に挿入され、前記チューブを通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出し、前記チューブを通過したプラズマからの反射波電力を検知するアンテナと、前記アンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記アンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＬ字型をなし、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記基板を収容するプラズマ処理容器と、プラズマ処理容器内に挿入された、先端が封じられた誘電体チューブと、誘電体チューブ内に挿入され、前記チューブを通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出し、前記チューブを通過したプラズマからの反射波電力を検知するアンテナと、前記アンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記アンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＴ字型をなし、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中でプラズマを発生させて基板上の膜に対する所定の処理を行うプラズマ処理装置であって、前記基板を収容するプラズマ処理容器と、プラズマ処理容器内に挿入された、先端が封じられた誘電体チューブと、誘電体チューブ内に挿入され、前記チューブを通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出し、前記チューブを通過したプラズマからの反射波電力を検知するアンテナと、前記アンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記アンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部は平板を有し、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中で基板上の膜に対する所定の処理を行うために発生させたプラズマをモニタリングするプラズマモニタリング装置であって、処理中のプラズマへ導入する高周波電力を放出する第１のアンテナと、プラズマからの反射波電力を検知するためにプラズマ処理容器に取り付けられる第２のアンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を吸収周波数として検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＬ字型をなし、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマモニタリング装置が提供される。
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中で基板上の膜に対する所定の処理を行うために発生させたプラズマをモニタリングするプラズマモニタリング装置であって、前記基板を処理中のプラズマへ導入する高周波電力を放出する第１のアンテナと、プラズマからの反射波電力を検知するためにプラズマ処理容器に取り付けられる第２のアンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を吸収周波数として検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部はＴ字型をなし、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマモニタリング装置が提供される。
また、本発明によれば、プラズマ処理容器中で基板上の膜に対する所定の処理を行うために発生させたプラズマをモニタリングするプラズマモニタリング装置であって、前記基板を処理中のプラズマへ導入する高周波電力を放出する第１のアンテナと、プラズマからの反射波電力を検知するためにプラズマ処理容器に取り付けられる第２のアンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を吸収周波数として検出する検出手段とを具備し、前記アンテナの先端部は平板を有し、さらに、位置を固定した前記第１のアンテナから前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出し、予め測定された、前記第１のアンテナの位置を移動した場合にシフトする極小値と前記第１のアンテナの位置を移動してもシフトしない極小値との間の周波数の相関関係に基づいて、前記反射波電力の前記シフトする極小値に対応するプラズマ処理中の前記高周波電力の前記周波数の変化から、プラズマの状態をモニタリングするプラズマモニタリング部とを備えていることを特徴とするプラズマモニタリング装置が提供される。
【００１４】
本発明においては、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとがそれぞれ持つ前記機能を１本のアンテナに持つことが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。本発明に係るプラズマ処理装置は、プラズマ処理部１０とプラズマモニタリング部２０とを備える。
【００１６】
プラズマ処理部１０は、当該技術分野において良く知られているプラズマを発生させて所定の処理を行う装置、例えば、マイクロ波励起方式、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）方式、ダウンフロー方式、平行平板方式などのプラズマ処理装置を指している。これらの装置は、例えば、プラズマエッチング装置、プラズマクリーニング装置、プラズマアッシング装置などに用いられる。
【００１７】
図１は、例としてＩＣＰ方式のプラズマ処理部１０を用いた装置を示す。図１において、チャンバ１には石英窓２が設けられている。石英窓２の外側には、ループアンテナ３が取付けられ、ループアンテナ３は整合器（マッチングボックス）４を介してプラズマ用高周波電源５に接続されている。電源５で発生した高周波電力は、整合器４でインピーダンスマッチングされた後に、ループアンテナ３から石英窓２を通ってチャンバ１内に導入される。また、チャンバ１には、チャンバ１内にガス供給源（図示せず）からのプラズマ用ガスを導入するためのガス導入口６と、チャンバ１内を排気ポンプ（図示せず）によって排気するための排気口７が設けられている。さらに、チャンバ１内には、シリコンウェハーなどの被処理物を載置するための載置台を兼ねた基板電極８が設けられている。
【００１８】
本発明に係るプラズマモニタリング部２０は、プラズマ処理部１０が処理を行う間、プラズマ状態をモニタリングするためのものである。
図２は、プラズマモニタリング部２０の一例を示す概略図である。
図２において、プラズマ処理装置のチャンバ１壁の開口部に、シール部材２１を介して透過窓２２が取付けられている。透過窓２２の大気側の表面の近傍には、または前記表面に接触して、同軸ケーブル２３の一端が配置され、この一端には内部導体である芯線２４が露出している。同軸ケーブル２３の他端は、検出手段２５に接続されている。同軸ケーブル２３の外部導体は、図示しない絶縁材によって内部導体２４と絶縁され、接地線２６によってチャンバ１とともに接地されている。
【００１９】
透過窓２２は、後述するように芯線２４から放出される高周波電力をプラズマ内へ導入し、またプラズマからの反射波電力を大気側へと取出すためのものである。透過窓２２を形成する材料は、チャンバ１内の真空雰囲気を維持でき、プラズマによる損傷を受けず、高周波電力および反射波電力を透過させる誘電体材料である。このような材料は、例えば、石英、酸化アルミ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、および窒化ボロン（ＢＮ）などの無機物、または、ポリイミド、およびポリエーテルエチルケトンなどのエンジニアリングプラスチックなどの有機物である。透過窓２２の厚みなどの形状は、モニタリングするプラズマ処理の種類、使用する高周波電力の周波数などに応じて適切なものを選ぶ。透過窓２２の厚みは、例えば５ｍｍであるが、一般に薄い方が好ましい。それは、後述するように、プラズマによって反射されずに吸収される高周波電力の割合（以下、吸収率と言う）が増加するため、モニタリングが容易になるからである。
【００２０】
同軸ケーブル２３の露出する芯線２４は、高周波電力を放射し、プラズマからの反射波電力を検知するためのアンテナとして作用する。後述する検出手段２５からの高周波電力は、同軸ケーブル２３によって伝達されたのち芯線２４から放出されて、透過窓２２を通ってチャンバ１内に導入される。高周波電力の周波数は、例えば１〜１０ＧＨｚである。チャンバ１内に導入された高周波電力は、ある特定の周波数（吸収周波数と言う）のときに吸収される以外は、プラズマによって反射されて、透過窓２２を通って大気側へ取り出される。取り出された反射波電力は芯線２４によって検知され、同軸ケーブル２３を通って検出手段２５へ送られる。
【００２１】
アンテナ２４は、例えば、図２に示す直線形状の他に、図３に示すような先端部がＬ字型をなすもの（図３（ａ））、先端部がＴ字型をなすもの（図３（ｂ））、先端部がループ（スパイラルを含む）をなすもの（図３（ｃ））、または先端部が平板を有するもの（図３（ｄ））などがある。
図２に示した直線形状のアンテナ２４においては、直線部分が長いほど、高周波電力の吸収率が増加し、また高周波電力の吸収が起きる吸収周波数の数（吸収ピークの数）が増加する。アンテナ２４の長さは、好ましくは２ｍｍ以上であり、より好ましくは８ないし１２ｍｍである。長さが２ｍｍを下回ると高周波電力の吸収率が低すぎて、モニタリングが困難となる。長さが１２ｍｍを上回ると、吸収ピークの数が多すぎて同定が難しくなり、やはりモニタリングが困難になる。特に、電子密度の大きいプラズマに対してはその傾向が強いため、長さは短い方が良い。
【００２２】
ところで、プラズマの電子密度が小さいときは、吸収率は低下する。また、プラズマの電子密度はチャンバ壁の付近では低くなるような分布を有するため、チューブ３２がチャンバ１の壁に近づくと、やはり吸収率が低下する。さらに、チューブ３２表面がプラズマによって汚染される場合には、汚染が進むにつれて吸収率が低下する。このように、電子密度が小さいプラズマやプローブの表面を汚染するようなプラズマについて電子密度の測定やモニタリングを行うときには、アンテナ２４の形状やチューブ３２の形状を適正化して吸収率を大きくし、測定感度を上げる必要がある。
【００２３】
このような観点から、図２に示す直線形状よりも図３に示す各形状のものの方が好ましい。図３に示す形状では、透過窓２２に対向するアンテナ２４の領域、言い換えれば、透過窓２２に投影されるアンテナ２４の領域が増加する。そのため、アンテナ２４から透過窓２２を介してプラズマ中へ導入される高周波電力の割合が増加する。その結果、高周波電力の吸収率も増加してモニタリングが容易になる。従って、図３に示す形状においては、透過窓２２に対向するＬ字、Ｔ字、およびループの部分は長い方が、また平板の部分は大きい方が、それぞれ好ましい。その際、直線部分はなるべく短い方が好ましい。短くすることで、電子密度等のプラズマモニタリングの空間分解能の低下を抑え、また直線形状のアンテナの所で述べたような吸収率の大きい複数のピークの発生を抑えられるためである。また、Ｌ字、Ｔ字、ループ、および平板の各部分は透過窓２２に対して平行になるように形成されることが好ましい。また、Ｌ字とＴ字の部分の長さが同じ場合には、Ｌ字型よりもＴ字型のアンテナ２４の方が、高周波電力の吸収率が増加するため好ましい。
【００２４】
図２において、アンテナ２４の先端部は、透過窓２２の大気側の表面と接触する方が好ましい。接触することで、後述するように、吸収周波数の数が最も少なく吸収率が最も高いため、モニタリングが容易になる。
【００２５】
検出手段２５は、アンテナ２４へ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、アンテナ２４で検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する。前述したように、吸収周波数のときに高周波電力はプラズマによって吸収されるため、反射波電力の値が極小となる。すなわち、検出手段２５は吸収周波数を検出する。検出手段２５は、例えばネットワークアナライザーなどである。ネットワークアナライザーは、周波数を掃引しながら高周波電力を発生させる機能、高周波電力を発生させながら同時に反射波電力を測定する機能、測定された反射波電力から吸収周波数を検出する機能を備えている。また、該アナライザーは、所定の時間間隔ごとに、周波数を掃引しながら高周波電力を発生させて吸収周波数を求める機能も有する。
【００２６】
アンテナ２４と検出手段２５との間の同軸ケーブル２３に、特定の周波数をカットするためのフィルターが配置されていることが好ましい。こうすることで、チャンバー１内にプラズマを起こすための高周波電力が、反射波電力の測定値に混入してノイズとなることを防止することができる。このようなフィルターは、ハイパスフィルター、ローパスフィルター、およびバンドパスフィルターなどである。
【００２７】
図４は、プラズマモニタリング部２０の他の例を示す概略図である。なお、説明を簡単にするために、図４の構成のモニタリング部２０は図１には示していない。図４において、プラズマ処理装置のチャンバ１内にシール部材３１を介して誘電体チューブ３２が挿入されている。誘電体チューブ３２内には、図２で示した同軸ケーブル２３の一端が挿入され、他端は図２に示した検出手段２５に接続されている。同軸ケーブル２３の露出する芯線２４は、チューブ３２の先端部の内面の近傍に、または内面に接触して、配置されている。図示していないが、図４の同軸ケーブル２３の外部導体も、図２に示す同軸ケーブル２３と同様に、チャンバ１とともに接地されている。誘電体チューブ３２を形成する材料は、図２に示す透過窓２２を形成する材料と同様の誘電体材料である。誘電体チューブ３２を構成する誘電体の厚みなどの形状も、モニタリングするプラズマ処理の種類、使用する高周波電力の周波数などによって、適切なものを選ぶ。チューブ３２の厚み、特に先端部の厚みは、透過窓２２と同様に一般に薄い方が好ましい。チューブ３２の先端部の厚みは、例えば２ｍｍである。また、図４に示す誘電体チューブ３２の先端は曲面で封じられているが、チューブ３２の先端は平面で封じられている方が好ましい。こうすることで、やはりプラズマによる高周波電力の吸収率が増加する。
【００２８】
図４に示した芯線２４も、図２の芯線２４と同様に、高周波電力を放射して反射波電力を検知するためのアンテナとして作用する。つまり、芯線２４から放射された高周波電力は誘電体チューブ３２を透過してチャンバ１内のプラズマへ導入され、プラズマからの反射波電力は誘電体チューブ３２を透過した後に芯線２４によって検知される。
【００２９】
図４のアンテナ２４の形状および長さなどは、図２および図３に示したアンテナ２４と同様である。図４のアンテナ２４の先端部も、チューブ３２の先端部の内面に接触する方が好ましい。なお、チューブ３２の先端が平面でなく曲面で封じられているときには、その曲面に合うようにアンテナ２４の先端部を変形させることが好ましい。こうすることで、チューブ３２の先端が曲面であっても、アンテナ２４の先端部をチューブ３２の先端部の内面に十分に接触させることができる。
【００３０】
なお、図４に示す形態のプラズマモニタリング部２０よりも、図２に示したモニタリング部２０の方が好ましい。図４の誘電体チューブ３２はチャンバ１内に挿入して用いるが、図２の透過窓２２はチャンバ１の壁に取り付けるだけである。そのため、図２のモニタリング部２０の方が、モニタリング中にプラズマに与える影響がより少ないからである。
【００３１】
次に、図１に示した装置の動作を説明する。
まず、プラズマ処理部１０は以下のようにしてプラズマ処理を行う。最初にチャンバ１内を排気口７を通して排気して所定の圧力にした後に、ガス供給源（図示せず）からガス導入口６を通してチャンバ１内にプラズマ用ガスを導入する。プラズマ発生用の高周波電力を石英窓２を通してチャンバ１内に導入してプラズマ用ガスをイオン化し、プラズマを発生させる。発生したプラズマによって基板電極８上の被処理物がプラズマ処理される。
【００３２】
プラズマモニタリング部２０は、以下のようにしてプラズマをモニタリングする。検出手段２５からの高周波電力を周波数を変えながらチャンバ１内部に導入して、同時に検出手段２５によってチャンバ１内部のプラズマからの反射波電力を測定する。そして、反射波電力の極小値に対応する吸収周波数を検出する。後述するように、吸収周波数はチャンバ１内部のプラズマの状態を反映する相関関係を有する。従って、吸収周波数を繰り返して検出してこの周波数の時間の経過に伴う変化を観測することにより、プラズマ処理中のプラズマ状態をモニタリングすることができる。
【００３３】
また、透過窓２２および誘電体チューブ３２が前述したように誘電体材料によって形成されていることによって、プラズマ処理中に透過窓２２およびチューブ３２に膜が堆積されても、高周波電力および反射波電力の透過には殆ど影響が出ない。そのため、処理中の膜堆積の影響を殆ど受けずにモニタリングすることが可能である。また、透過窓２２およびチューブ３２が誘電体材料から形成されていることによって、プラズマ処理中のチャンバ１の内壁および被処理物などを金属汚染することなく、プラズマをモニタリングすることができる。
【００３４】
上述したプラズマモニタリング部２０は、図２および３に示したような構成の他に、検出手段２５で求めた吸収周波数を所定の時間間隔ごとに入力して、この周波数の変化を自動的にモニタリングするためのモニタリング手段をさらに備えていても良い。モニタリング手段は、検出手段２５で検出される吸収周波数の値が時間の経過とともにシフトして予め設定した範囲から外れたときに、外部に所定の表示を出す機能、または後述するプラズマ調整手段などへ所定の信号を送る機能を有する。モニタリング手段は、例えば所定のプログラミングがされたコンピューターなどである。
【００３５】
なお、吸収周波数のモニタリングとしては、以下の方法を採用しても良い。すなわち、検出手段２５において周波数を固定して高周波電力をチャンバ１内部へ導入しながら同時に反射波電力の値を測定する。そして、測定される反射波電力の値の変化をモニタリング手段でモニタリングする。固定された高周波電力の周波数には、例えばプラズマ処理中に検出手段２５によって一番最初に検出された吸収周波数の値を用いる。このように吸収周波数における反射波電力の変化をモニタリングすることによっても、吸収周波数の変化を観測することができる。それは、吸収周波数における反射波電力は極小値を示しており、吸収周波数がシフトすれば反射波電力の値は極小値から増加するためである。モニタリング装置は、反射波電力の値がシフトして予め設定した範囲から外れたときに、外部に所定の表示を出したり、または後述するプラズマ調整手段などへ所定の信号を送る。
【００３６】
プラズマモニタリング部２０は、さらに必要であれば、処理中のプラズマ状態を調整するためのプラズマ調整手段をさらに備えていても良い。このプラズマ調整手段は、モニタリング手段からの信号を受けて、処理中のプラズマの状態を調整する。このプラズマ調整手段も、先のモニタリング手段と同様に、例えば所定のプログラミングがされたコンピューターなどからなる。プラズマ調整手段は、例えば、図１に示すプラズマ用高周波電源５、整合器４、またはガス供給源（図示せず）と接続されている。そして、モニタリング手段から信号を受けたときに、これらの構成の少なくとも１つの動作パラメーターを調整して、チャンバ１内部のプラズマ状態を調整する。調整するパラメーターとしては、例えば、高周波電源５で発生させる高周波電力の電圧もしくは周波数、ガス供給源（図示せず）から供給するガスの流量などである。
【００３７】
プラズマ調整手段でプラズマ状態を調整することによって、例えばプラズマ処理部１０でのプラズマ処理を適切なタイミングで停止することができる。具体的には、プラズマエッチング処理の停止、プラズマクリーニング処理の停止、プラズマアッシング処理の停止などを行うことができる。言い換えれば、プラズマエッチングの終点（エンドポイント）の検出、プラズマクリーニングの終了時点の検出、またはプラズマアッシングの終了時点の検出などを行うことができる。
【００３８】
なお、以上説明したプラズマモニタリング部２０を構成する部材のうち、図２または３に示した同軸ケーブル２３の先端部のアンテナ（芯線）２４、検出手段２５、また必要に応じて、モニタリング手段およびプラズマ調整手段を、まとめて外付け用のプラズマモニタリング用装置として用いても良い。このような構成のモニタリング装置を、モニタリング機能を有さない既存のプラズマ処理装置に取り付ければ、既存のプラズマ処理装置についてもプラズマをモニタリングすることができる。
【００３９】
なお、プラズマ処理装置が、チャンバ１内部を観測するための透明窓のための開口部を予め有する場合には、この開口部に図２の透過窓２２を取り付ければ良く、プラズマ処理装置本体に新しく開口部を設ける必要がない。従って、既存のプラズマ処理装置に対して、図２に示す構成を含むモニタリング用装置を容易に取り付けることができる。また、図１に示したようにＩＣＰ方式のプラズマ処理部１０の場合には、チャンバー１の誘電体部品を透過窓２２として共用しても良い。このような部品は、例えば、チャンバー１内に高周波電力を印加するための石英窓２、または基板電極８の被覆材（フォーカスリング）などである。こうすることで、透過窓２２などの新たな誘電体部品を設ける必要がなくなる。
【００４０】
図５は、図１に示す装置を用いてプラズマを発生させ、チャンバ１内部に高周波電力を周波数を変えながら導入して反射波電力を測定したときの測定結果を模式的に示した図である。図５の横軸は高周波電力の周波数、縦軸は反射波電力を高周波電力の値で除した反射係数比である。図５に示すように、測定される反射係数比には極小値のピークが現れる（このピークの高さが、前述の高周波電力の吸収率に対応する）。前述したように、極小値が現れるのは、チャンバ１内部に導入された高周波電力の一部がプラズマに吸収されるからである。図５では、一例として複数の極小値ａ、ｂ、ｃ、ｄが現れる場合を示している。これらの極小値のそれぞれに対応する高周波電力の周波数が吸収周波数である。それぞれの吸収周波数は、プラズマ処理中のプラズマの変化を反映して時間とともにシフトする。このシフト量を観測することによって、処理中のプラズマ状態をモニタリングすることができる。なお、図５に示すように吸収周波数が複数あるときには、そのうちの１つの周波数に着目して、その変化をモニタリングする。
【００４１】
吸収周波数は、プラズマ状態に対応する量であり、より詳細にはプラズマの電子密度に対応する量である。プラズマの電子密度は、プラズマとチャンバ１内壁との間の相互作用の変動、すなわちチャンバ１内部での処理状態の変動を敏感に反映して変化する。すなわち、プラズマの電子密度は、例えば、プラズマ中の活性種のチャンバ１内壁表面での失活、電子の損失、チャンバ１の内壁表面からプラズマ中への粒子の再放出等によって、プラズマ中のガス組成が変化するために変化する。より具体的には、電子密度の変化は、例えばエッチング中に反応生成物が生じたりエッチングガスの一部が反応で消費されたりしてプラスマ中のガス組成が変化するために起こる。このような電子密度の増減は、プラズマ中のガスが電子を放出しやすくなるか、取り込みやすくなるかによって変わり、エッチング材料によってその増減量が変化する。従って、吸収周波数の変化をモニタリングすることによって、処理中のプラズマ状態、ひいてはチャンバ１内部での処理状態を高感度でモニタリングすることができる。
【００４２】
なお、図４の構成のモニタリング部２０を採用した場合には、測定される吸収周波数の値は、チューブ３２の長さ方向での同軸ケーブル２３の位置とともにシフトする。これは、吸収周波数の値が、誘電体チューブ３２を形成する絶縁物表面付近に存在する表面波の異なるモードに対応していると考えられるからである。特に、図５に示すように吸収周波数が複数ある場合には、最も周波数の低い吸収周波数（例えば図５のピークａの周波数）は同軸ケーブル２３の位置を移動させてもシフトせず、他の吸収周波数（例えば図５のピークｂ〜ｄの周波数）がシフトする。これらの周波数は全て、同軸ケーブル２３の芯線（アンテナ）２４の先端位置を誘電チューブ３２の最先端位置（チューブ３２の先端部外表面の位置）に外挿した点で、値が一致する。この一致した吸収周波数は表面波共鳴周波数に一致すると考えられ、この周波数から下式（１）に従ってプラズマの電子密度を求めることができる。
【００４３】
ｎe ＝（ε0 ・ｍe ／ｅ2 ）・（１＋εd ）ω2   ………………（１）
ここで、ｎe は電子密度、ε0 は真空中の誘電率、ｍe は電子の質量、ｅは電子の電荷素量、εd は誘電体チューブの誘電率、ωは外挿点での吸収周波数である。
【００４４】
しかし、同軸ケーブル２３の位置を動かしてピークｂ〜ｄをシフトさせ、前述のように外挿点で一致する周波数を求めるのは煩雑であり時間がかかる。また、シフトしないピークａの周波数は、外挿点で一致する周波数を常に示しているわけだが、他のｂ〜ｄのピークに比べて大きさが小さく、周波数の同定が難しい。
【００４５】
そこで、通常は、シフトするピークのうち最もその値の大きいピーク（例えばピークｄ）とシフトしないピークａとの間で、周波数の相関関係を測定しておく。測定は、同軸ケーブル２３の位置を固定した状態で、あるガス種のプラズマに対して電子密度を様々に変化させて図５のデータを取り、これらのデータから２つのピークａ、ｄの周波数の間の関係を求めて行う。一度この相関関係を求めておけば、プラズマのモニタリング中に測定された図５のデータから、プラズマの電子密度を容易にかつ迅速に求めることが可能となる。すなわち、図５のデータからピークｄの周波数を求め、前記相関関係および式（１）を使って電子密度を求めれば良い。また、前述したような電子密度を求めるために同軸ケーブル２３の位置を動かす必要もない。
【００４６】
以上、説明したように、本発明においては、処理中のプラズマに高周波電力を導入して反射波電力を測定することによって、プラズマ状態の変化をモニタリングしている。このようにモニタリングすることで、プラズマ状態、ひいてはプラズマ処理装置のチャンバ１内部での処理状態の変動を高感度でモニタリングしながらプラズマ処理することが可能である。また、誘電体材料からなる透過窓２２またはチューブ３２を通して高周波電力や反射波電力の導入または測定をしているため、プラズマ処理中の膜のプラズマモニタリング部への堆積の影響を殆ど受けない。
【００４７】
なお、本明細書中の例（プラズマ処理装置およびプラズマモニタリング装置）では、高周波電力の導入と反射波電力の測定とを１本のアンテナ２４で行ったが、それぞれ互いに近接する複数のアンテナに分けて行なっても良い。
【００４８】
【実施例】
（実施例１）
図１に示したプラズマ処理装置を用いて、ＭｏＷ基板をエッチング処理した。そして、エッチング中とエッチング後とで、チャンバ１内部に高周波電力を導入して反射波電力を測定し、吸収周波数を求めた。エッチングは、プラズマ用ガスとしてＳＦ6 ／Ｏ2 をそれぞれ１００／１００ｓｃｃｍで導入し、ガス圧を２０ｍＴｏｒｒに保ち、プラズマ用高周波電力として６００Ｗを用いて行った。また、プラズマモニタリング部２０には、図２に示したような石英からなる透過窓２２を用いる構成のものを用いた。
【００４９】
図６に、エッチング中に反射波電力を測定した結果の一例を示す。図６の横軸はチャンバ１内部へ導入した高周波電力の周波数であり、縦軸は反射係数比である。図６から分かるように、反射係数比の極小値のピークに対応する吸収周波数は、約０．８５ＧＨｚに位置する。図７は、エッチング終了後に反射波電力を測定した結果の一例である。図７から分かるように、吸収周波数は約０．７５ＧＨｚに位置している。これらの結果から分かるように、エッチング後の吸収周波数は、エッチング中の吸収周波数よりも約０．１ＧＨｚだけ低周波数側にシフトしている。このように、本発明によってエッチングの終点を検出できることが分かり、本発明の効果が確かめられた。
【００５０】
（実施例２）
図１に示す装置を用いてチャンバ１内にプラズマを発生させた。そのとき、図４に示す構成のプラズマモニタリング部２０を用いてプラズマ状態を観測して、図５に示した複数の吸収周波数を伴う反射波電力のデータを測定した。そして、同軸ケーブル２３の位置とともに移動するピークと移動しないピークとの間の周波数の相関関係を求めた。
【００５１】
プラズマは、ＳＦ6 、Ｏ2 、ＳＦ6 ／Ｏ2 、Ａｒをそれぞれ１００〜２００ｓｃｃｍで導入してガス圧を１０〜２０ｍＴｏｒｒに保ち、プラズマ用高周波電力として３００〜８００Ｗを用いて発生させた。そして、プラズマの電子密度は、ガス流量、ガス圧、高周波電力を変化させることによって様々に変化させた。また、誘電体チューブ３２には石英チューブを採用し、同軸ケーブル２３は石英チューブ３２の先端部の内面に接触させて使用した。
【００５２】
図８に、測定結果の一例を示す。図８の横軸は図５のピークｄのような同軸ケーブル２３とともに移動するピークの吸収周波数、縦軸は図５のピークａのような移動しないピークの吸収周波数である。図８の結果から、両ピークの間にはきれいな比例関係があることが分かった。そして、この比例関係および式（１）を用いれば、モニタリング中に測定される図５のようなデータから容易にかつ迅速にプラズマの電子密度を求められることが確認できた。
【００５３】
（実施例３）
図１の装置を用いて、図４に示すチューブ３２内の芯線２４（アンテナ）の位置と反射係数比との関係を測定した。プラズマは、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒ、２００Ｗの条件で発生させた。また、アンテナ２４は長さ６ｍｍの直線形状のものを使用した。図９に測定結果の一例を示す。図９から明らかなように、アンテナ２４先端部がチューブ内面に接触している（図のＸ＝０ｍｍ）ときには２つのピークＢ、Ｄしか発生しないが、アンテナ２４がチューブ３２内面から離れる（図のＸ＝６ｍｍ、１０ｍｍ）と、３つピークＡ、Ｂ、Ｄが発生する。ピークＢ、Ｄの周波数はアンテナ２４の位置によって変化し、また、アンテナ２４がチューブ３２内面に接触しているときに発生する高周波側のピークＤが、アンテナ２４の位置を変化させたときのどのピークよりも大きい。このことから、モニタリング中のアンテナ２４すなわち芯線２４の位置は、チューブ３２内部で固定することが好ましいことが分かった。また、アンテナ２４先端部は、チューブ３２先端部の内面に接触していることが好ましいことが確認された。
以下の実施例はすべて、アンテナ２４の先端部をチューブ３２内面に接触させて行った。
【００５４】
（実施例４）
図１の装置を用いて、図４に示すチューブ３２外表面の汚染状態と高周波電力の吸収率との関係を調べた。チューブ３２外表面の汚染は、ＲＩＥ方式のプラズマチャンバにチューブ３２を挿入した状態でプラズマを起こし、チューブ３２外表面に堆積物を形成して行った。汚染時のプラズマは、Ｃ4Ｆ8＝５０ｓｃｃｍ、１５０ｍＴｏｒｒを、２００Ｗの放電で発生させた。一方、吸収率の測定は、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、２０ｍＴｏｒｒ、４００Ｗのプラズマ中で行った。アンテナ２４は、３ｍｍおよび１０ｍｍの長さの直線形状のものを使用した。
【００５５】
図１０に測定結果の一例を示す。図１０の横軸は汚染時の堆積時間であり、縦軸は測定された吸収率である。図１０から明らかなように、汚染時間が長くなるにつれ、つまりプローブの表面が汚れるに従って吸収率は低下する。アンテナが３ｍｍのとき、約９０分の汚染では吸収率が小さくピークを検出することはできなかった。しかし、１０ｍｍのアンテナでは９０分でもピークを検出でき、さらにより長い時間までピークを検出できた。このように、堆積性プラズマの電子密度測定やモニタリングにおいては、表面の汚染によって吸収率が低下するので、より感度の高いアンテナが求められ、アンテナの形状が直線形状のものでは、その長さが長い方が感度が良いことが確認された。
【００５６】
（実施例５）
図１の装置を用いて、図４に示すチューブ内３２でのアンテナ２４の長さと、高周波電力の吸収率との関係を測定した。アンテナ２４には直線形状のものを使用した。プラズマは、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒ、４００Ｗの条件で発生させた。図１１に測定結果の一例を示す。図１１（ａ）から明らかなように、アンテナ２４の長さが長くなるほど吸収率が大きくなることが確認された。一方、図１１（ｂ）に示すように、アンテナ２４の長さが２０mm程度になると、複数の吸収率のピーク（図の反射係数比の極小値のピーク）の高さが同程度になって、ピークの同定が困難になることも確かめられた。これらの結果より、アンテナ２４の直線部分の長さは８ｍｍ以上１２ｍｍ以下が適切であることが確認された。
【００５７】
（実施例６）
図１の装置、ならびに図４に示すチューブ３２およびアンテナ２４を用いて、アンテナ２４に入力する高周波電力の周波数と吸収率との関係を調べた。プラズマは、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒのもとでＲＦパワー（すなわち周波数）を様々に変化させて発生させた。アンテナ２４は、１０ｍｍの長さの直線形状のものを使用した。
【００５８】
図１２に測定結果の一例を示す。図１２から分かるように、周波数が小さい（ＲＦパワーが小さい）ほど、すなわちプラズマの電子密度が小さいほど、吸収率が低下することが確かめられた。
【００５９】
一方、周波数を上げていくと、吸収率も増加するが８００Ｗ程度で複数のピークが発生した。これは、前述したように、高周波電力の周波数が大きくなって波長が短くなったために、余計なモードの波が発生したからであると考えられる。このように、直線形状のアンテナ２４については、電子密度の大きいプラズマに対しては、長さは短い方が良いことが確かめられた。
【００６０】
（実施例７）
図１の装置を用いて、図４に示すチューブ３２内でのアンテナ２４の形状と、高周波電力の吸収率との関係を測定した。各アンテナ２４の直線部分の長さはほぼ３．０ｍｍに固定し、直線形状、Ｌ字型先端部、Ｔ字型先端部の各アンテナ形状について測定した。プラズマは、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、２０ｍＴｏｒｒ、５００Ｗの条件で発生させた。
【００６１】
図１３に測定結果の一例を示す。図１３から明らかなように、直線形状よりもＬ字型の方が吸収率が高いことが確認された。また、Ｌ字部分およびＴ字部分の長さが同じであれば、Ｌ字型よりもＴ字型のアンテナ２４の方がさらに吸収率が高いことが確められた。さらに、Ｌ字部分またはＴ字部分がそれぞれ長くなるほど、吸収率が高くなることも確認された。
【００６２】
（実施例８）
図１の装置を用いて、図４に示すチューブ３２の先端部の形状および先端の厚みと、高周波電力の吸収率との関係を測定した。チューブ３２には、図１４（ａ）に示すように先端が曲面で封じられたものと、図１４（ｂ）に示すように先端が平面で封じられたものを用いた。各チューブ３２とも石英製で、それぞれ外径は８ｍｍ、内径は５ｍｍであった。アンテナ２４は、長さ３ｍｍの直線形状のものを使用した。プラズマは、 Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、７．５ｍＴｏｒｒ、４００Ｗの条件で発生させた。
【００６３】
まず、先端の厚みが等しい両チューブ３２について吸収率を測定したところ、図１４（ｂ）のチューブ３２の方が図１４（ａ）のチューブ３２よりも約４０％高い吸収率を示した。この結果より、先端が平面で封じられたチューブ３２を用いる方が吸収率が高いことが確認された。
【００６４】
次に、図１４（ｂ）のチューブ３２の先端の厚みを変えて吸収率を測定した。
測定結果の一例を下表１に示す。
【００６５】
【表１】
0004619468.tif 000002
【００６６】
上表１から明らかなように、チューブ３２の先端部の厚みが小さいほど吸収率が大きいことが確かめられた。
【００６７】
【発明の効果】
以上、詳述した通り、本発明によれば、プラズマ処理装置の内面状態の変動を処理中の膜堆積の影響を殆ど受けずに高感度でモニタリングしながら処理することが可能なプラズマ処理方法およびその装置、ならびにプラズマモニタリング装置を提供することができる。本発明によれば、プラズマ処理装置のメンテナンスが必要な時期を検出できて、メンテナンス終了直後の装置がプラズマ処理を再開できる状態に戻る時期を検出することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図。
【図２】本発明に係るプラズマモニタリング部の一例を示す概略図。
【図３】本発明に係るアンテナの形状の一例を示す斜視図。
【図４】本発明に係るプラズマモニタリング部の他の例を示す概略図。
【図５】本発明に係る反射波電力の測定結果の一例を示す図。
【図６】本発明の実施例におけるエッチング中の測定結果の一例。
【図７】本発明の実施例におけるエッチング後の測定結果の一例。
【図８】本発明の実施例における２つの吸収周波数の間の相関関係を測定した結果の一例を示す図。
【図９】本発明の実施例におけるアンテナの位置と反射係数比との間の関係を測定した結果の一例を示す図。
【図１０】本発明の実施例におけるチューブ外表面の汚染状態と高周波電力の吸収率との間の関係を測定した結果の一例を示す図。
【図１１】本発明の実施例におけるアンテナの長さと吸収率との間の関係を測定した結果の一例を示す図。
【図１２】本発明の実施例における高周波電力の周波数と吸収率との間の関係を測定した結果の一例を示す図。
【図１３】本発明の実施例におけるアンテナの形状と吸収率との間の関係を測定した結果の一例を示す図。
【図１４】本発明の実施例で用いたチューブの形状の一例を示す断面図。
【符号の説明】
１…チャンバ
２…石英窓
３…ループアンテナ
４…整合器
５…プラズマ用高周波電源
６…ガス導入口
７…排気口
８…基板電極
１０…プラズマ処理部
２０…プラズマモニタリング部
２１、３１…シール部材
２２…透過窓
２３…同軸ケーブル
２４…芯線
２５…検出手段
２６…接地線
３２…誘電体チューブ
【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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【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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