(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ源、ガス供給系および真空排気系を有する処理室、該処理室内に被処理基板を載置するための基板電極、該基板電極を介して被処理基板に高周波バイアスを加えるための高周波電源を備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内のプラズマ中に挿入するプローブ部と、該プローブ部に高周波電圧を供給する高周波電源と、該プローブ部の高周波電圧Ｖを測定する電圧計と、該プローブ部を介してプラズマに流入する高周波電流Ｉを測定する電流計からなるプラズマ特性計測装置を備え、
測定された前記高周波電圧Ｖ及び高周波電流Ｉに基づき、以下の式（１）中のシース容量Ｃ、シース電流源Ｄを、前記測定された高周波電圧Ｖ及び高周波電流Ｉが式（１）を満足するように求めることにより、前記シース容量Ｃ及び前記シース電流源Ｄを前記プラズマの特性として算出する機能を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【数１】
0004633881.tif 000005
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記プラズマ中に挿入するプローブ部に、高周波を供給する電源を被処理基板に高周波バイアスを供給する高周波電源と共用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２記載のプラズマ処理装置において、前記被処理基板または前記基板電極をプラズマ中に挿入するプローブ部として用いることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
プラズマ源、ガス供給系および真空排気系を有する処理室、該処理室内に被処理基板を載置するための基板電極、該基板電極を介して被処理基板に高周波バイアスを加えるための高周波電源を備えたプラズマ処理装置における、プラズマを用いた基板の処理方法であって、
前記プラズマ中に挿入するプローブ部と、該プローブ部に高周波電圧を供給する高周波電源と、該プローブ部の高周波電圧Ｖを測定する電圧計、該プローブ部を介してプラズマに流入する高周波電流Ｉを測定する電流計からなるプラズマ特性計測装置により前記高周波電圧及び前記高周波電流を測定し、
測定された前記高周波電圧Ｖ及び高周波電流Ｉに基づき、以下の式（１）中のシース容量Ｃ、シース電流源Ｄを、前記測定された高周波電圧Ｖ及び高周波電流Ｉが式（１）を満足するように求めることにより、前記シース容量Ｃ及び前記シース電流源Ｄを前記プラズマの特性として算出することを特徴とするプラズマを用いた基板の処理方法。
【数２】
0004633881.tif 000006
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法に係り、特に、プラズマ特性を計測してその処理の品質を監視するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラズマ特性の計測方法について、例えば「Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ  Ｖｏｌｕｍｅ  １」（Ｏｒｌａｎｄｏ  Ａｎｃｉｅｌｌｏ，  Ｄａｎｉｅｌ  Ｌ．  Ｆｌａｍｍ  編、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ刊）に開示されたように、プラズマ中にプローブを装荷してその直流的な電圧電流特性を測定することでプラズマの密度、電子温度等を測定するラングミュアプローブ法と呼ばれる方法がある。また特開平０８−１０６９９２号公報に開示されたようにＵＬＳＩ等の製造においてプラズマを用いたドライエッチング装置による加工が行われる。この工程でプラズマ処理の品質を監視するためにプラズマの発光等の状態をモニタし、装置状態を把握することで部品交換等の保守作業を効率よく行う方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のラングミュアプローブ法では、プラズマ中で形成される絶縁性の反応生成物等がプローブ表面に付着する場合がある。この反応生成物によりプローブに直流電流が流れることを阻害するため、安定した測定が困難となる。
【０００４】
また、上記従来技術のうちプラズマ処理品質の監視については、例えばプラズマ発光を処理室外部に取り出すための窓表面に反応生成物が付着する、またはプラズマ中のイオン等の作用により窓が削れるなどの問題があり、安定して装置状態を監視することが困難であった。
本発明が解決しようとする課題は、プラズマ処理装置において、反応生成物等の付着があってもプラズマ特性の計測を可能とする計測方法を提供するとにある。
【０００５】
また本発明の他の課題は、プラズマ処理装置の装置状態監視にあたり、プラズマ処理に与える外乱の小さい監視方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プラズマ源、ガス供給系および真空排気系を有する処理室、該処理室内に被処理基板を載置するための基板電極、該基板電極を介して被処理基板に高周波バイアスを加えるための高周波電源を備えたプラズマ処理装置において、前記処理室内のプラズマ中に挿入するプローブ部と、該プローブ部に高周波電圧を供給する高周波電源と、該プローブ部の高周波電圧を測定する電圧計と、該プローブ部を介してプラズマに流入する高周波電流を測定する電流計からなるプラズマ特性計測装置を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、上記課題は、プラズマ計測用プローブに高周波電力を印加し、その電圧電流特性からプラズマ特性を測定することで解決できる。またプラズマ処理装置において高周波電力を印加したプローブによりプラズマ特性を計測することで上記課題は解決できる。またプラズマ処理に用いる高周波の電圧電流の計測によりプラズマ処理に与える外乱を小さくできる。
【０００８】
本発明によれば、プローブの高周波電圧電流特性からプローブとプラズマ界面に形成されるシースの厚さを計測すること、およびプローブの直流電圧電流特性を推定することによりプラズマ特性を測定することができる。プローブ表面が絶縁性の反応生成物で覆われても容量性インピーダンスを介して高周波電流は流れるためプラズマ特性の測定が可能である。
【０００９】
本発明は、例えば、半導体集積回路の製造工程のうちプラズマを用いた基板のドライエッチング工程で、エッチング中のプラズマの状況を監視することに用いることができる。プラズマを監視することにより、エッチング処理装置の状態を定量的に評価することが出来るため、エッチング処理装置の安定稼動、装置異常の早期発見に役立つ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
以下、図１から図３を用いて本発明の第１の実施例を説明する。まず、図１に本発明を用いたプラズマ特性計測装置の測定回路を示す。測定対象となるプラズマ１０１内に球状のプローブ１０２が装荷されている。プラズマ１０１はプローブ１０２の表面積と比べて大きな面積を持つアース電極１０８を介して接地されているものとする。プローブ１０２はステンレス鋼製である。プローブ１０２の形状は球に限定されるものでなく平板、円柱等他の形状であってもよい。またプローブ１０２の材質も、導電率が高く耐熱性の高いものであれば銅、アルミニウム等であってもよい。
【００１１】
プローブ１０２に高周波電力を供給する高周波電源１０７は、コンデンサ１０５、表面をアルミナセラミック等で絶縁された電線１０３を介して接続されている。さらにプローブ１０２の電圧、電流を測定するための電圧計１０６、電流計１０４が接続されている。電線１０３表面のアルミナセラミック等の絶縁物は高周波電源１０７によって流れる高周波電流がプローブ１０２を介してのみプラズマ１０１に流れるようにするために用いている。本測定回路でプラズマの高周波電流電圧特性を測定する。
【００１２】
次に、高周波電圧電流特性からプラズマ特性を推定する方法について説明する。一般にプラズマはバルク部分のインピーダンスに比べシース部分のインピーダンスが高く、図１に示した測定回路ではプローブとプラズマの界面に生じるシースの特性が電圧電流特性に現れるため図１に対応したプラズマはシース部分を考慮しモデル化される。プラズマ中の高周波電流は主に質量が小さい電子により担われる。そのため電子の密度が低いイオンシースは高周波的にコンデンサとしてモデル化される。また直流的には電圧に応じて電子とイオンが電流を担う電流源とモデル化される。またコンデンサ、電流源とも高周波電圧に依存してその容量、電流が変化する。そのためシース部は容量と電流源の並列回路としてモデル化され図１に示す測定回路は（式１）に示すようにモデル化される。
【００１３】
【数１】
0004633881.tif 000002
【００１４】
測定結果の高周波電圧、高周波電流を図２に、（式1）に従って測定した高周波電圧電流から求めたシース容量、シース電流源の特性を図３に示す。プローブには周波数８００ｋＨｚの電圧を加えた。
【００１５】
図２にシース容量、シース電流源から逆算した高周波電流の値も合わせて示す。
図２のａでは、測定した電圧（図中に「Voltage」と記載、実線により表示）、電流（図中に「Current」と記載、破線により表示）、式（１）より推定した電流（図中に「Fitting Current」と記載、三角形による表示）を横軸を時間（「Time」と記載）として表示している。式（１）により推定した電流値と測定した電流値がよく一致しており、式（１）による推定の精度が高いことを示している。また、図２のｂでは、同様に測定した電圧、測定した電流、式（１）により推定した電流を、横軸を測定した電圧（「Voltage」と記載）、縦軸を測定した電流および式（１）により推定した電流（Current）と記戴）して表示している。図２のｂの表示方法はリサージュ図形と呼ばれ、例えばオシロスコープで交流信号を測定する場合に垂直軸と水平軸に同時に交流信号を入力することにより得られる図形パターンである。
シース容量、シース電流源の特性算出の手順を以下に示す。
（１）シース容量C(V)、シース電流源D(V)の特性を仮定する。
（２）（式1）に従い高周波電流I'を求める。
（３）測定した高周波電流Iと（２）で求めたI'の二乗誤差εを求める。
（４）εのシース容量C(V)、シース電流源D(V)に対する勾配を求め、εを小さくする方向にシース容量C(V)、シース電流源D(V)の特性を修正する。εのような評価値を最小とするＣ（Ｖ）等のパラメータを求める手順（アルゴリズム）は数値計算の分野で種々の方法が提案されており、これらの公知の手法を適用することができる。
（５）（２）に戻る。εが十分小さくなったところで手順を終了する。
【００１６】
シース容量は例えば「電子通信ハンドブック（電子通信学会編、オーム社（昭和５４年））」に開示されているようにシース厚さとシース面積により（式２）のように現される。
【００１７】
【数２】
0004633881.tif 000003
【００１８】
また、シース厚さは例えば「プラズマ物理入門」（内田岱二郎訳、丸善株式会社刊）に開示されているようにデバイ長と呼ばれる厚さ程度であることが知られており（式３）のように表現できる。
【００１９】
【数３】
0004633881.tif 000004
【００２０】
シース容量から（式２）、（式３）を用いることでプラズマ密度を推定することが出来る。
【００２１】
同様に、例えば「Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ  Ｖｏｌｕｍｅ  １」（Ｏｒｌａｎｄｏ  Ａｎｃｉｅｌｌｏ，  Ｄａｎｉｅｌ  Ｌ．  Ｆｌａｍｍ  編、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ刊）に開示されているように、シース電流特性よりプラズマ密度、電子温度等のプラズマ特性を知ることが出来る。
【００２２】
さらに、シース容量およびシース電流特性からそれぞれプラズマ密度を求めることが出来るため、プローブの表面状態を推定することが出来る。例えばプローブ表面に絶縁物が付着すると見かけのシース厚さが増えたように特性が変化するが、シース電流特性には影響が出難い。そこで両者の差異を利用してプローブの表面状態を推定することが出来る。プローブの表面状態により例えばクリーニング時期等の目安とすることが出来る。
【００２３】
プラズマモデルとしてシース容量が電圧によって変化するモデルで実施例を説明したが、シース容量が変化しないプラズマモデルに簡略化することもできる。またプラズマモデルとして上記のようにシース部のみに着目したモデルとしたが、バルクプラズマの抵抗を考慮して、シース部を表す容量と電流源の並列回路に加えて抵抗を直列に接続したモデルとすることもできる。
【００２４】
プローブ表面を絶縁物であらかじめ被覆しておくこともできる。この場合電圧制御電流源の特性からプラズマ特性を求める際に直流電位が定まらないためプラズマポテンシャルが算出できないがシース容量から算出したプラズマ密度から逆算して最終的に直流電位を定めることができる。
【００２５】
［実施例２］
次に、本発明の第２〜第４の実施例を、図４から図６を用いて説明する。これらの実施例は、実施例１で示したプラズマ計測方法および装置を、プラズマ処理装置に適用した例である。図６に本発明を用いたエッチング装置を示す。図示しないガス供給系、真空排気系が接続された処理室６０２の内部にプラズマ源６０１によりプラズマを発生させる。被処理基板６０７を載置した基板電極６０８が処理室６０２内に設置されている。基板電極６０８には高周波電源６１１が整合器６１０、ブロッキングコンデンサ６０９を介して接続されており、被処理基板に高周波バイアス電圧を加えることができる。また処理室内にプローブ６０３が装荷され、ブロッキングコンデンサ６１２をかいして高周波信号源６０６が接続されている。またプローブ６０３に流れる電流を計測するための電流計６０４、電圧を計測するための電圧計６０５が接続されている。電圧計６０５、電流計６０４の計測値を用いて実施例１で説明した方法によりプラズマ特性を推定することができる。
【００２６】
高周波電源６１１による高周波により基板電極６０８に時間的に変動する電圧を加えるとプラズマ中の電子とイオンの移動度の違いにより直流バイアス電位が生じる。通常基板電極が負にバイアスされ、プラズマ中の正イオンを定常的に被処理基板６０７に向けて加速する。このイオンにより異方性の加工を施すことができる。
【００２７】
図６の実施例の構成をより簡略化した実施例として、図５に示すようにプローブに高周波を印加する信号源と基板に高周波バイアス電圧を加える電源を同一の高周波電源５０４としてもよい。なお、５０１はプローブ、５０２は電流計、５０３は電圧計、５０５は被処理基板を示す。
【００２８】
プローブ６０３（５０１）は、プラズマと接触する部分の形状を球状、円盤状、円柱状等の表面積が幾何学的に算出しやすい形状とすることができる。プローブ５０１に高周波を給電する線路はプラズマに高周波がもれないように同軸構造となっている。さらに同軸外部導体が直接プラズマに電気的に接続してプラズマ電位を変化させることを防止するためにアルミナセラミック等の絶縁物で被覆されている。またプローブ６０３の形状をリング状としてもよい。これによりプローブ構造を概略軸対称とすることができる。エッチング装置全体が概略軸対称な構造をとる場合、その中心軸に合わせてリング状のプローブ６０３を処理室内に配置することによりプローブ装荷による外乱でプラズマ分布が非軸対称となることを防止できる。またプローブ６０３の材質として被エッチング材に応じて汚染、異物等の問題が生じにくい導電性物質を用いることができる。例えば導電性材料をエッチングする場合には同じ導電性材料を用いることで汚染等の問題を避けることができる。また被処理基板がシリコンである場合にシリコンを用いてもよい。
【００２９】
被処理基板の面内均一性を確保するために被処理基板の外周部にフォーカスリングと呼ばれる部材を設置する場合がある。通常エッチング処理において反応生成物の面内分布が面内均一性に影響を与える。フォーカスリングにより被処理基板外周部での反応生成物分布の均一化を図りエッチング処理の面内均一性を確保することができる。このフォーカスリングが導電性を持つ場合、フォーカスリングの電圧電流特性を測定し、プローブとして用いることができる。
【００３０】
また、図６の実施例の構成をさらに簡略化した実施例として、図４に示すようにプローブに替えて基板電極をプローブとして用いてもよい。図示しないガス供給系、真空排気系が接続された処理室４０２の内部にプラズマ源４０１によりプラズマを発生させる。被処理基板４０３を載置した基板電極４０４が処理室４０２内に設置されている。基板電極４０４には高周波電源４０９が整合器４０８、ブロッキングコンデンサ４０７を介して接続されており、被処理基板に高周波バイアス電圧を加えることができる。高周波電源４０９により基板電極４０４に流れる電流を計測するための電流計４０５、基板電極の電位を計測するための電圧計４０６が基板電極４０４に接続されている。
【００３１】
プローブを用いて測定された高周波電圧電流特性やそこから推定したプラズマ特性により、エッチング装置の状態を知ることができる。装置状態を定量的に評価できるため、装置の劣化、経時変化等を監視できる。
【００３２】
半導体集積回路の製造工程のうち被処理基板をドライエッチング処理する工程は基板１枚あたり数十秒程度必要とすることが多い。エッチング中には被エッチング材と反応する活性種（以下エッチャントと呼ぶ。）が反応により減少する一方で反応生成物の密度が高くなっている。エッチングがほぼ終了するころには被エッチング材はほぼ除去されているため反応生成物の密度は低く、エッチャントの密度が相対的に高くなる。こういったエッチング処理の時間経過に伴い、プラズマの密度、温度等のパラメータも変化する。エッチング処理開始から各時刻の高周波電圧電流特性を記録し、この特性からエッチング中のプラズマパラメータ変化を捉えることができる。
【００３３】
高周波電流電圧特性、プラズマパラメータのエッチング処理に伴う変動を記録し、これを装置が正常な場合の記録と比較することにより装置異常を早期に発見することができる。またエッチングの初期、エッチング中、エッチング終了直前等、時刻を決め、これにより装置の状態を判定することもできる。装置の状態を監視できるため、装置の安定した稼動が可能となる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマ中の反応生成物等がプローブに付着する等による外乱の影響を受け難いプラズマ計測装置を、半導体集積回路等を製造するためのプラズマ処理装置に適用することにより、プラズマ処理装置の安定稼動を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いたプラズマ計測装置を示す説明図。
【図２】プローブの高周波電圧電流特性を示すグラフ。
【図３】プラズマ特性の推定結果を示すグラフ。
【図４】本発明を用いたプラズマ処理装置の一実施例の断面図。
【図５】本発明を用いたプラズマ処理装置の他の実施例の断面図。
【図６】本発明を用いたプラズマ処理装置の他の実施例の断面図。
【符号の説明】
１０１．．．．．プラズマ
１０２．．．．．プローブ
１０３．．．．．電線
１０４．．．．．電流計
１０５．．．．．コンデンサ
１０６．．．．．電圧計
１０７．．．．．高周波電源
１０８．．．．．アース電極
４０１．．．．．プラズマ源
４０２．．．．．処理室
４０３．．．．．被処理基板
４０４．．．．．基板電極
４０５．．．．．電流計
４０６．．．．．電圧計
４０７．．．．．ブロッキングコンデンサ
４０８．．．．．整合器
４０９．．．．．高周波電源
５０４．．．．．高周波電源
６０１．．．．．プラズマ源
６０２．．．．．処理室
６０３．．．．．プローブ
６０４．．．．．電流計
６０５．．．．．電圧計
６０６．．．．．高周波信号源
６０７．．．．．被処理基板
６０８．．．．．基板電極
６０９．．．．．ブロッキングコンデンサ
６１０．．．．．整合器
６１１．．．．．高周波電源
６１２．．．．．ブロッキングコンデンサ
【図１】
0004633881.tif 000007
【図２】
0004633881.tif 000008
【図３】
0004633881.tif 000009
【図４】
0004633881.tif 000010
【図５】
0004633881.tif 000011
【図６】
0004633881.tif 000012