(57)【要約】被処理体（Ｗ）を収容する容器（１）と、この容器（１）内のラジカルを含む雰囲気（Ｐ）に向けて紫外光（ＵＶ）を出力する紫外光発生手段（４１）と、雰囲気（Ｐ）中を通過してきた紫外光（ＵＶ）を受光する紫外光受光手段（４２）と、この紫外光受光手段（４２）の出力信号に基づき雰囲気（Ｐ）中におけるラジカルの密度を求め、プロセスのパラメータを制御する解析制御手段（４３，４４）とを備えている。これにより、ラジカルの密度を一定に保持し、プロセスの再現性を向上させることができる。
2004085704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を収容する容器と、
この容器内のラジカルを含む雰囲気に向けて紫外光または真空紫外光を出力する紫外光発生手段と、
前記雰囲気中を通過してきた紫外光または真空紫外光を受光する紫外光受光手段と、
この紫外光受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求め、プロセスのパラメータを制御する解析制御手段と
を備えたことを特徴とする処理装置。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載された処理装置において、
前記解析制御手段は、前記紫外光受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中を通過してきた前記紫外光または前記真空紫外光の減衰量を求め、この減衰量から前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求めることを特徴とする処理装置。
【請求項３】
請求の範囲第１項に記載された処理装置において、
前記紫外光または前記真空紫外光を間欠的に前記雰囲気に向けて出力するとともに、前記紫外光または前記真空紫外光の有無を示す紫外光有無信号を出力する手段と、
前記紫外光有無信号に基づき、前記紫外光または前記真空紫外光があるときの前記紫外光受光手段の受光量から前記紫外光または前記真空紫外光が無いときの前記紫外光受光手段の受光量を差し引いた値を求め、この値から前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求める手段と
を備えたことを特徴とする処理装置。
【請求項４】
請求の範囲第１項に記載された処理装置において、
前記紫外光発生手段から出力された前記紫外光または前記真空紫外光を複数の光路を通過させて前記紫外光受光手段に受光させる手段を有することを特徴とする処理装置。
【請求項５】
請求の範囲第４項に記載された処理装置において、
前記光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えたことを特徴とする処理装置。
【請求項６】
請求の範囲第１項に記載された処理装置において、
前記容器は、前記紫外光が透過する窓を有し、
この窓は、加熱されることを特徴とする処理装置。
【請求項７】
請求の範囲第１項に記載された処理装置において、
前記容器は、前記紫外光が透過する窓を有し、
この窓は、筒状の構造を有することを特徴とする処理装置。
【請求項８】
請求の範囲第１項に記載された処理装置において、
前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を計測する温度計測手段を備え、
前記解析制御手段は、前記紫外光受光手段の出力信号および前記温度計測手段の計測結果に基づき前記プロセスのパラメータを制御することを特徴とする処理装置。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載された処理装置において、
前記温度計測手段は、
前記雰囲気に向けてレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、
前記雰囲気中を通過してきたレーザ光を受光するレーザ光受光手段と、
このレーザ光受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中を通過してきた前記レーザ光の減衰量スペクトルを求め、この減衰量スペクトルのパターンから前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める解析手段と
を含むことを特徴とする処理装置。
【請求項１０】
請求の範囲第９項に記載された処理装置において、
前記レーザ光を間欠的に前記雰囲気に向けて出力するとともに、前記レーザ光の有無を示すレーザ光有無信号を出力する手段と、
前記レーザ光有無信号に基づき、前記レーザ光があるときの前記レーザ光受光手段の受光量から前記レーザ紫外光が無いときの前記レーザ光受光手段の受光量を差し引いた値のスペクトルを求め、このスペクトルのパターンから前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める手段と
を備えたことを特徴とする処理装置。
【請求項１１】
請求の範囲第８項に記載された処理装置において、
前記温度計測手段は、前記雰囲気中の前記分子状または原子状ラジカルの発光スペクトルを計測し、そのスペクトルパターンから前記雰囲気中の前記分子状または原子状ラジカルの温度を求めることを特徴とする処理装置。
【請求項１２】
請求の範囲第９項に記載された処理装置において、
前記レーザ発生手段から出力された前記レーザ光を複数の光路を通過させて前記レーザ光手段に受光させる手段を有することを特徴とする処理装置。
【請求項１３】
請求の範囲第１２項に記載された処理装置において、
前記光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えたことを特徴とする処理装置。
【請求項１４】
請求の範囲第９項に記載された処理装置において、
前記容器は、前記レーザ光が透過する窓を有し、
この窓は、加熱されることを特徴とする処理装置。
【請求項１５】
請求の範囲第９項に記載された処理装置において、
前記容器は、箭記レーザ光が透過する窓を有し、
この窓は、筒状の構造を有することを特徴とする処理装置。
【請求項１６】
請求の範囲第１項に記載された処理装置において、
前記ラジカルは、原子状ラジカルであることを特徴とする処理装置。
【請求項１７】
請求の範囲第１６項に記載された処理装置において、
前記原子状ラジカルは、Ｓｉ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｈ，Ｃのいずれかを含むことを特徴とする処理装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、Ｓｉを含む雰囲気中でプロセスを行う処理装置に関する。
半導体装置やフラットパネルディスプレイ、有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｐａｎｅｌ）ディスプレイの製造において、酸化膜等の絶縁膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理装置の従来例として高周波プラズマＣＶＤ装置について説明する。図６は、従来の高周波プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置の要部構成を示す図である。
図６に示すＣＶＤ装置は、プロセスチャンバ１０１と、高周波によりプラズマＰを生成するプラズマ源とから構成されている。チャンバ１０１の内部には、基板Ｗを載置するサセプタ１０２が収容されている。サセプタ１０２には、基板Ｗを所定の温度に加熱するヒータ１０３が内蔵されている。チャンバ１０１の下部には排気口１０４が設けられており、排気口１０４に連通する真空ポンプ（図示せず）により真空引きされる。
プラズマ源は、チャンバ１０１内に高周波を供給するアンテナ１２１と、原料ガスを導入するガス導入ノズル１１１とから構成されている。アンテナ１２１は、チャンバ１０１の上部空間にサセプタ１０２に対向して配置され、高周波導波管１２４を介して高周波電源（図示せず）に接続されている。
基板Ｗ上にＳｉ（シリコン）薄膜を形成する場合には、チャンバ１０１内を真空引きし、ヒータ１０２により基板Ｗを４００℃程度に加熱した状態で、ノズル１１１から原料ガスとしてＳｉＨ４とＳｉＦ４を導入する。アンテナ１２１から高周波を供給すると、ＳｉＨ４とＳｉＦ４が解離してＳｉＨｘとＳｉＦｘ（ｘ＝１，２，３）のラジカルとなり、これらのラジカルが基板Ｗの表面で反応してＳｉ薄膜が形成される（以上は、例えば「第６２回応用物理学会学術講演会予稿集  １４ａ−ＺＦ−３」，２００１年９月，ｐ．７３６に記載されている）。
このように、プラズマを用いた薄膜形成にはラジカルが直接的に関与している。これはエッチングやアッシングの処理を行う場合も同様である。
しかしながら、同一のプラズマ処理装置を使用して同一条件下でプロセスを行っても、その都度プラズマの状態が変化するため、プロセスの再現性がよくなかった。また、別々の装置を使用して同一条件下でプロセスを行っても、各装置間でプラズマの状態が異なり、プロセスを再現性よく行うことが困難であった。この結果、個々の基板Ｗに対し均一な処理を施すことができないという問題があった。
発明の概要
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、プロセスの再現性を向上させることにある。
本発明の発明者は、Ｓｉを含む雰囲気の中でプロセスを行う場合には、Ｓｉをモニタリングすることが再現性のよいプロセスを実現するために有効であることを見いだした。特に、Ｓｉは紫外領域に吸収スペクトルを有しており、簡易な方法で感度よく計測できるという特徴を有する。このような知見に基づいて本発明は考え出された。
すなわち、本発明に係る処理装置の特徴は、被処理体を収容する容器と、この容器内のラジカルを含む雰囲気に向けて紫外光または真空紫外光を出力する紫外光発生手段と、雰囲気中を通過してきた紫外光または真空紫外光を受光する紫外光受光手段と、この紫外光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中におけるラジカルの密度を求め、プロセスのパラメータを制御する解析制御手段とを備えたことにある。
ここで、解析制御手段は、紫外光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中を通過してきた紫外光または真空紫外光の減衰量を求め、この減衰量から雰囲気中におけるラジカルの密度を求めるものであってもよい。
また、上述した処理装置は、紫外光または真空紫外光を間欠的に雰囲気に向けて出力するとともに、紫外光または真空紫外光の有無を示す紫外光有無信号を出力する手段と、紫外光有無信号に基づき、紫外光または真空紫外光があるときの紫外光受光手段の受光量から紫外光または真空紫外光が無いときの紫外光受光手段の受光量を差し引いた値を求め、この値から雰囲気中におけるラジカルの密度を求める手段とを更に備えていてもよい。
また、上述した処理装置は、紫外光発生手段から出力された紫外光または真空紫外光を複数の光路を通過させて紫外光受光手段に受光させる手段を有していてもよい。ここで、光路のそれぞれに、相互に変調周波数が異なる変調器を配置してもよい。
また、上述した処理装置において、容器は、紫外光が透過する窓を有し、この窓が、加熱されるようにしてもよい。または、この窓が、筒状の構造を有するようにしてもよい。
また、上述した処理装置は、雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を計測する温度計測手段を更に備え、解析制御手段が、紫外光受光手段の出力信号および温度計測手段の計測結果に基づきプロセスのパラメータを制御するようにしてもよい。
ここで、温度計測手段は、雰囲気に向けてレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、雰囲気中を通過してきたレーザ光を受光するレーザ光受光手段と、このレーザ光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中を通過してきたレーザ光の減衰量スペクトルを求め、この減衰量スペクトルのパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める解析手段とを備える構成としてもよい。また、レーザ光を間欠的に雰囲気に向けて出力するとともに、レーザ光の有無を示すレーザ光有無信号を出力する手段と、レーザ光有無信号に基づき、レーザ光があるときのレーザ光受光手段の受光量からレーザ紫外光が無いときのレーザ光受光手段の受光量を差し引いた値のスペクトルを求め、このスペクトルのパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める手段とを更に備える構成としてもよい。
または、温度計測手段は、雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの発光スペクトルを計測し、そのスペクトルパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求めるものであってもよい。
また、上述した処理装置は、レーザ発生手段から出力されたレーザ光を複数の光路を通過させてレーザ光手段に受光させる手段を有していてもよい。ここで、光路のそれぞれ、相互に変調周波数が異なる変調器を配置してもよい。
また、上述した処理装置において、容器は、レーザ光が透過する窓を有し、この窓が、加熱されるようにしてもよい。または、この窓が、筒状の構造を有していてもよい。
また、上述した処理装置においえ、ラジカルは、原子状ラジカルであってもよい。例えば、Ｓｉ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｈ，Ｃのいずれかを含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１の実施例に係る高周波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。
図２は、本発明の第２の実施例に係る高周波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。
図３は、本発明の第３の実施例に係る高周波プラズマＣＶＤ装置の一例を説明するための図である。
図４は、本発明の第３の実施例に係る高周波プラズマＣＶＤ装置の他の例を説明するための図である。
図５Ａ〜図５Ｃは、二次元的なパラメータ制御の一例を説明するための図である。
図６は、従来の高周波プラズマＣＶＤ装置の要部構成を示す図である。
実施例の詳細な説明
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、Ｓｉ薄膜を形成する高周波プラズマＣＶＤ装置に本発明を適用した形態について説明する。
第１の実施例
図１は、本発明の第１の実施例に係る高周波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。処理容器としてのプロセスチャンバ１の内部には、被処理体であるガラス基板Ｗを載置するサセプタ２が収容されている。サセプタ２には、ガラス基板Ｗをサセプタ２に密着させるための静電チャックまたはメカニカルチャック（図示せず）が用意されている。サセプタ２にはまた、ガラス基板Ｗを所定の温度に加熱するヒータ３が内蔵されている。ヒータ３の温度は、後述する制御部４４から出力される制御信号Ｓ５にしたがって変更される。チャンバ１の下部には排気口４が設けられており、排気口４には真空ポンプ４Ａが接続されている。真空ポンプ４Ａは、制御部４４から出力される制御信号Ｓ６にしたがって、チャンバ１内の圧力を調整する。
チャンバ１の上部には、ガス導入ノズル１１が設けられている。ノズル１１にはバルブ１２を介してガス導入管１３が接続されている。ガス導入管１３には、バルブ１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃおよびマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを介して、ガス供給源１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃがそれぞれ接続されている。ガス供給源１６Ａ〜１６Ｃは原料ガスとしてそれぞれＳｉＨ４，Ｈ２，ＳｉＦ４を供給する。ＭＦＣ１５Ａ〜１５Ｃは、制御部４４から出力される制御信号Ｓ１〜Ｓ３にそれぞれしたがって、原料ガスの流量調整を行う。
チャンバ１内の上部空間には、サセプタ２に対向するようにディスクアンテナ２１が配置されている。ディスクアンテナ２１の上には石英板２２を挟んで円形の地板２３が配置されている。ディスクアンテナ２１および地板２３にはそれぞれ同軸導波管２４の内導体および外導体が接続されている。同軸導波管２４には矩形導波管２５を介して高周波電源２６が接続されている。高周波電源２６の出力電力は、制御部４４から出力される制御信号Ｓ４にしたがって変更される。なお、矩形導波管２５または同軸導波管２４には負荷整合器２７が設けられている。
このＣＶＤ装置には更に、吸収分光法によるラジカル密度計測手段が設けられている。吸収分光法とは、原子または分子の準位により光の吸収波長が異なることを利用し、プラズマ中を通過してきた光の減衰量を基に、プラズマに含まれる所定準位の原子または分子の絶対密度を計測する方法である。この方法を用いることにより、Ｓｉラジカルの密度を簡易にかつ高感度で計測することができる。
本実施例におけるラジカル密度計測手段は、チャンバ１の外部に配置されたホローカソードランプ（ＨＣＬ：Ｈｏｌｌｏｗ  Ｃａｔｈｏｒｄｅ  Ｌａｍｐ）４１と、ホローカソードランプ４１とチャンバ１とを接続する入力側導光管４１Ａと、入力側導光管４１Ａに設けられたチョッパ（変調器）４５と、チャンバ１の外部に配置された紫外光受光部４２と、紫外光受光部４２とチャンバとを接続する出力側導光管４２Ａと、紫外光受光部４２の出力側に電気的に接続されたラジカル密度算出部４３とから構成されている。
ここで、入力側導光管４１Ａと出力側導光管４２Ａは、チャンバ１の中心軸線と交差する同一直線上に配置されている。これらの高さは、ディスクアンテナ２１とサセプタ２との間に生成されるプラズマＰの高さに合わせてある。
ホローカソードランプ４１は、Ｓｉラジカルの吸収波長２８８．２ｎｍおよび２５１．６ｎｍの紫外光ＵＶを出力する紫外光発生部として作用する。なお、プラズマ中では両波長を利用できるが、プラズマで生成されたＳｉラジカルを引き出して行うプロセスでは２５１．６ｎｍしか利用できない。前者の場合でも２５１．６ｎｍの方が感度がよい。ホローカソードランプ４１に代えて、リング色素レーザの発振器を用いてもよい。
チョッパ４５は、ホローカソードランプ４１から出力された紫外光ＵＶに対しパルス変調を行う。チョッパ４５からは、パルス変調された紫外光ＵＶのＯＮ／ＯＦＦに同期したトリガ信号（紫外光有無信号）Ｓ１０が、紫外光受光部４２に出力される。
紫外光受光部４２は、チャンバ１内部から出力される紫外光ＵＶを受光する。また、チョッパ４５から入力されるトリガ信号Ｓ１０に基づき、紫外光ＵＶがあるとき（ＯＮ時）の受光と無いとき（ＯＦＦ時）の受光とを判別し、紫外光ＵＶがあるときの受光量から無いときの受光量を差し引いた値を求め、この値をラジカル密度算出部４３に出力する。なお、プロセスガスが導入されておらず、またプラズマＰが発生していない状態で、前記紫外光ＵＶの受光量を予め計測し、この受光量の値を紫外光ＵＶの発光量として、プロセスに先立ってラジカル密度算出部４３にしておく。
ラジカル密度算出部４３は、予め入力された紫外光ＵＶの発光量と紫外光受光部４２の出力信号とに基づき、プラズマ中を通過してきた紫外光ＵＶの減衰量を求め、この減衰量からプラズマＰに含まれるＳｉラジカルの密度を算出し、制御部４４に出力する。
制御部４４は、ラジカル密度算出部４３により算出されたラジカル密度が設定値に近づくように、プラズマ生成のパラメータを制御する。具体的には、真空ポンプ４Ａに制御信号Ｓ６を出力し、チャンバ１内のガス圧を制御する。また、ＭＦＣ１５Ａ〜１５Ｃのそれぞれに制御信号Ｓ１〜Ｓ３を出力し、ＭＦＣ１５Ａ〜１５Ｃの流量調整を制御する。また、高周波電源２６に制御信号Ｓ４を出力し、出力電力を制御する。その一方で、ヒータ３の電源に制御信号５を出力してヒータ３の温度を制御し、サセプタ２の温度を調整する。
ラジカル密度算出部４３と制御部４４とから解析制御手段が構成される。解析制御手段は、コンピュータにより構成され、演算処理部と、記憶部と、操作部と、入出力インタフェース部とを有している。記憶部には、計測データと、ラジカル密度を算出する際に必要なデータと、制御プログラムが記憶されている。演算処理部は、制御プログラムにしたがって、ラジカル密度の算出を行うとともに、後述するように装置全体の動作の制御を行う。操作部からはデータの入力が可能である。また、入出力インタフェース部を他の管理システム等に接続することにより、それらと通信を行うことも可能である。
また、制御の基準値は、装置の外部から設定してもよいし、装置自身で獲得するようにしてもよい。装置の外部から設定する場合には、例えばオペレータにより操作部から、または中央制御装置から入出力インタフェース部を介して設定される。一方、装置自身で獲得する場合には、例えばプロセスを開始してから特定時間経過後の値を基準値とする。前プロセスがあれば、そのプロセスでの値を基準値とする。
また、導光管４１Ａ，４２Ａの先端部、すなわち導光管４１Ａ，４２Ａ内とチャンバ１内との境界部には、それぞれ石英で形成された紫外光透過窓５Ａ，５Ｂが設けられている。透過窓５Ａ，５Ｂに紫外光ＵＶを吸収する汚染物質が付着すると、ラジカル密度の計測結果に誤差が生じする。これを防止するために、透過窓５Ａ，５Ｂを２００℃〜４００℃程度の高温に加熱し、汚染物質を付着しにくくしてもよい。または、透過窓５Ａ，５Ｂを、アスペクト比３以上の筒状の構造を有するキャピラリープレートで構成してもよい。なお、キャピラリープレートは有底であってもよい。
次に、本実施例に係るプラズマ処理装置の動作について説明する。
サセプタ２上にガラス基板Ｗを配置し、静電チャック等でガラス基板Ｗをサセプタ２に密着させ、ヒータ３により基板温度を４００℃にする。真空ポンプ４Ａによりチャンバ１内を真空引するとともに、ノズル１１からチャンバ１内に原料ガスをＳｉＨ４／Ｈ２／ＳｉＦ４＝５／２００／３０ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｕｂｉｃ  ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ／ｍｉｎｕｔｅ）の流量で導入し、チャンバ１内の圧力を１．５Ｐａに保持する。この状態で、電力が８００Ｗの高周波をチャンバ１内に供給する。これにより、ＳｉＨ４とＳｉＦ４が解離してＳｉＨｘとＳｉＦｘ（ｘ＝１，２，３）のラジカルとなり、これらのラジカルが基板Ｗの表面で反応してＳｉが堆積していく。
このプロセスの際に、プラズマ（雰囲気）Ｐに含まれるＳｉラジカルの密度を計測する。まず、ホローカソードランプ４１から波長２８８．２ｎｍ，２５１．６ｎｍの紫外光ＵＶを出力すると、チョッパ４５により紫外光ＵＶをパルス変調し、チャンバ１内のプラズマＰに向けて間欠的に出力する。紫外光ＵＶはチャンバ１の直径方向を水平に通過していく。波長２８８．２ｎｍ，２５１．６ｎｍの紫外光ＵＶは、プラズマＰ中を通過する際、プラズマＰに含まれるＳｉラジカルに一部吸収され、紫外光受光部４２に到達する。
紫外光受光部４２では、チョッパ４５から入力される紫外光ＵＶのＯＮ／ＯＦＦに基づくトリガ信号Ｓ１０から、紫外光ＵＶがあるとき（ＯＮ時）の受光と無いとき（ＯＦＦ時）の受光とを判別し、紫外光ＵＶがあるときの受光量から無いときの受光量を差し引いた値を求める。これにより、プラズマＰ自体が発する光など、紫外光ＵＶとは無関係の背景光が除去され、紫外光ＵＶの受光量が得られる。
ラジカル密度算出部４３では、予め入力された紫外光ＵＶの発光量と紫外光受光部４２の出力信号とに基づき、紫外光ＵＶの減衰量を求め、この減衰量からＳｉラジカルの密度を算出する。そして、得られたラジカル密度が設定値に近づくように、制御部４４でプラズマ生成のパラメータを制御する。
なお、トリガ信号Ｓ１０をラジカル密度算出部４３に与え、ラジカル密度算出部４３での演算処理により、紫外光ＵＶに対する背景光の影響を除去してもよい。
このＣＶＤ装置では、ガス圧、ガスの混合比率、ガス全体の流量、高周波の電力およびサセプタ２の温度を調整することにより、プラズマ生成を制御する。
ガス圧を調整する場合には、真空ポンプ４Ａに出力される制御信号Ｓ６を制御する。ラジカル密度が高い場合には、ガス圧を上げ、逆にラジカル密度が低い場合には、ガス圧を下げる。
ガスの混合比率、ガス全体の流量を調整する場合には、ＭＦＣ１５Ａ〜１５Ｃに出力される制御信号Ｓ１〜Ｓ３を制御して、ＳｉＨ４，Ｈ２，ＳｉＦ４の流量調整を行う。ラジカル密度が高い場合には、ＳｉＨ４，ＳｉＦ４の混合比を下げる、または全体の流量を下げる。逆にラジカル密度が低い場合には、ＳｉＨ４，ＳｉＦ４の混合比を上げる、または全体の流量を上げる。
高周波の電力を調整する場合には、高周波電源２６に出力される制御信号Ｓ４を制御する。ラジカル密度が高い場合には、供給電力を小さくしてプラズマ生成を抑制し、逆にラジカル密度が低い場合には、供給電力を大きくしてプラズマ生成を促進させる。
サセプタ２の温度を調整するには、ヒータ３の電源に出力される制御信号Ｓ５を制御する。ラジカル密度が高い場合には、サセプタ２の温度を高くしガス温度を上昇させてＳｉの堆積を抑制し、逆にラジカル密度が低い場合には、サセプタ２の温度を低くしガス温度を下降させてＳｉの堆積を促進させる。
これらの制御は、比例制御、微分制御、積分制御を組み合わせて行われる。
このようにしてラジカル密度を一定に保つことにより、プロセスの再現性を向上させ、個々のガラス基板Ｗ上に均一なＳｉ薄膜を形成することができる。
本実施例では、ラジカル密度の計測に紫外光ＵＶを用いる例を示したが、真空紫外光ＶＵＶを用いることもできる。後述する他の実施例でも同様である。真空紫外光ＶＵＶを用いる場合には、ホローカソードランプ４１とチャンバ１との間に接続された導光管４１Ａおよび紫外光受光部４２とチャンバ１との間に接続された導光管４２Ａの内部を真空にすることにより、真空紫外光ＶＵＶの減衰を抑制できる。
また、本実施例では、原子状のＳｉラジカルの密度計測を行ったが、分子状のＳｉＨｘ，ＳｉＦｘ（ｘ＝１，２，３）ラジカルの密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。また、これらすべての密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。
第２の実施例
チャンバ１の体積は一定であるから、圧力一定の下では、プラズマＰに含まれるラジカルの密度は、分子状または原子状ラジカルを含むガスの温度に反比例する。例えば、ガスの温度が高くなるほど、ラジカルの密度は小さくなる。一方、ガスの温度が高くなるほど、ラジカルの速度が大きくなる。このため、吸収分光法でラジカルの密度を計測する場合には、ガスの温度が高くなると紫外光ＵＶの光路上に現れるラジカルの数が増え、プラズマＰ中を通過してきた紫外光ＵＶの減衰量が大きくなり、ラジカルの密度が実際より大きく計測される。したがって、プラズマの密度に基づくパラメータ制御をより正確に行うには、ガスの温度を考慮する必要がある。以下、このような機能を有する高周波プラズマＣＶＤ装置について説明する。
図２は、本発明の第２の実施例に係る高周波プラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。この図には、チャンバ１の中心軸線に垂直な断面を示し、図１に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。
本実施例に係るＣＶＤ装置は、ラジカル密度計測手段に加えて、ガス温度計測手段を備えている。このガス温度計測手段では、温度により分子の準位が変わり、また準位により光の吸収波長が異なることを利用し、プラズマ中を通過してきた光の減衰量を基に、プラズマに含まれるガスの温度を計測する。具体的には、ガス温度計測手段は、チャンバ１の外部に配置されたレーザ光出力部５１と、レーザ光受光部５２と、ガス温度算出部（解析手段）５３とから構成されている。
ここで、レーザ光出力部５１は、出力するレーザ光Ｌの波長を２５１．６ｎｍを中心として掃引する。レーザ光出力部５１にはリング色素レーザの発振器などが用いられる。レーザ光出力部５１から出力されたレーザ光Ｌは、チャンバ１の側壁に設けられたレーザ光透過窓６Ａを介して、チャンバ１に入力される。
レーザ光受光部５２は、チャンバ１の側壁に設けられたレーザ光透過窓６Ｂを介してチャンバ１から出力されるレーザ光Ｌを受光し、その受光量をガス温度算出部５３に出力する。なお、プロセスガスが導入されておらず、またプラズマＰが発生していない状態で、前記レーザ光Ｌの受光量を予め計測し、この受光量の値をレーザ光Ｌの発光量として、プロセスに先立ってガス温度算出部５３にしておく。
なお、透過窓６Ａ，６Ｂは石英で形成され、チャンバ１の中心軸線を挟んだ対向位置に配置し、レーザ光Ｌの光路をラジカル密度計測に用いられるレーザ光Ｌの光路と同じ高さにする。透過窓６Ａ，６Ｂは、汚染物質が付着しないように、第１の実施例で説明した紫外光透過窓５Ａ，５Ｂと同様の構成にする。すなわち、２００℃〜４００℃程度の高温に加熱するか、またはアスペクト比３以上の筒状の構造を有するキャピラリープレートで構成する。キャピラリープレートは有底であってもよい。
ガス温度算出部５３は、予め入力されたレーザＬの発光量とレーザ光受光部５２の出力信号とに基づき、プラズマ中を通過してきたレーザ光Ｌの減衰量スペクトルを求め、この減衰量スペクトルのパターンから波長に対するラジカル吸収プロファイルを求め、プラズマＰに含まれるガスの温度を算出し、制御部４４Ａに出力する。なお、ラジカル密度計測の場合と同様に、レーザ光出力部５１とチャンバ１との間の光路にチョッパを配置し、レーザ光受光部５２においてレーザ光Ｌがあるときの受光量から無いときの受光量を差し引くことにより、背景光の影響が除去され正確な温度が算出される。
制御部４４Ａは、ラジカル密度算出部４３およびガス温度算出部５３のそれぞれの出力信号に基づき、吸収分光法により計測されたラジカル密度の温度誤差を考慮して、プラズマ生成のパラメータを制御する。
このようにして、パラメータ制御の温度補正を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。
なお、本実施例では、ガス温度算出部５３の算出結果を制御部４４Ａに出力する例を示したが、その算出結果をラジカル密度算出部に出力してラジカル密度の温度補正を行い、補正後のラジカル密度を制御部４４に出力し、第１の実施例と同様にしてパラメータ制御を行なうようにしてもよい。
第３の実施例
図３は、本発明の第３の実施例に係る高周波プラズマＣＶＤ装置の一例を説明するための図である。この図には、チャンバ１の中心軸線に垂直な断面を示し、図１に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。また、説明の便宜のため、チャンバ１の中心を原点とするＸＹ座標を示している。
本実施例では、ラジカル密度計測に用いる紫外光ＵＶの光路を、サセプタ２の載置面に平行な面上に複数設定する。例えば図３に示すように、それぞれの光路をＸ軸に平行にする場合には、それぞれの光路のＹ座標の絶対値が相互に異なるようにする。
それぞれの光路に紫外光ＵＶを通過させるために、ホローカソードランプ４１から出力されたＵＶを反射してそれぞれの光路に導く入力側ミラー６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ，６１Ｅ，６１Ｆ，６１Ｇと、それぞれの光路を通過してきた紫外光ＵＶを反射して紫外光受光部４２に導く出力側ミラー６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄ，６２Ｅ，６２Ｆ，６２Ｇと、それぞれの光路上に配置された紫外光透過窓５とが設けられている。入力側ミラー６１Ａ〜６１Ｇおよび出力側ミラー６２Ａ〜６２Ｇの反射面を順次回転させることにより、それぞれの光路に紫外光が順次通過する。これにより、複数の光路を時間分割により設定することができる。
それぞれの光路を通過してきた紫外光ＵＶから算出されたラジカル密度は、その光路上におけるラジカル密度の積分値を表している。したがって、ラジカルがチャンバ１の中心軸線の周りに同心円状に分布していると仮定すれば、複数の光路を通過してきた紫外光ＵＶのそれぞれからラジカル密度を求め、アベール変換を行うことにより、二次元的なラジカル密度分布を得ることができる。なお、アベール変換は円筒の形状に適用できるので、この場合にはチャンバ１の形状は円筒形であることが望ましい。また、ラジカル密度分布の解像度と同じ量以上の光路数が必要となる。
そして、得られたラジカル密度分布に基づいてプラズマ生成のパラメータ制御を二次元的に行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。プラズマ生成のパラメータ制御を二次元的に行うには、例えば原料ガスをチャンバ１内に導入するガス導入口をチャンバ１の径方向に複数設け、それぞれのガス導入口に対してガス流量を個別に制御できるようにする。また、サセプタ２に内蔵されるヒータを同心円状に複数設け、それぞれのヒータの温度を個別に制御できるようにする。
例えば、アベール変換した結果、図５Ａに示すようにチャンバ１の中心部で高密度のラジカル密度分布が得られたとする。この場合、図５Ｂに示すように、チャンバ１の中心部へのガス流量を小さくし、周辺部へ行くほどガス流量を大きくする制御を行う。これにより、図５Ｃに示すように、ラジカル密度分布が均一になる。
また、複数の光路を周波数分割により設定することもできる。この場合には、それぞれの光路上に、紫外光ＵＶに対しＣＷ変調（Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｗａｖｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行うチョッパ（変調器）６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃ，６３Ｄ，６３Ｅ，６３Ｆ，６３Ｇを配置する。チョッパ６３Ａ〜６３Ｇの変調周波数はそれぞれ異なっている。また、入力側ミラー６１Ａ〜６１Ｇとして、紫外光の一部を反射し、残りを透過させるものを用いる。それぞれの光路を通過してきた紫外光ＵＶは搬送波の周波数が異なるので、紫外光受光部４２において紫外光ＵＶを搬送波の周波数で分離し、分離された紫外光ＵＶのそれぞれからラジカル密度を求め、アベール変換を行うことにより、二次元的なラジカル密度分布を得ることができる。
さらに、ラジカル密度計測用の紫外光透過窓をチャンバ１の軸線方向（Ｚ方向）に複数設け、Ｚ方向のラジカル密度分布を計測することにより、三次元的なラジカル密度分布を得ることができる。このラジカル密度分布に基づいてプラズマ生成のパラメータ制御を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。
また、上述した二次元的なラジカル密度分布を計測した場合と同様に、ガス温度計測に用いるレーザ光Ｌの光路をサセプタ２の載置面に平行な面上に時間分割または周波数分割により複数設定し、それぞれの光路を通過してきたレーザ光Ｌから二次元的なガス温度分布を求め、二次元的なラジカル密度分布の温度誤差を考慮してプラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。それぞれの光路にレーザ光Ｌを通過させるためには、ラジカル密度計測の場合と同様に、ミラーまたはそれに加えてチョッパを用いればよい。
さらに、三次元的なガス温度分布を求め、上述した三次元的なラジカル密度分布の温度誤差を考慮してプラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。
第４の実施例
本発明の第４の実施例では、第１の実施例で計測されたラジカル密度からプラズマＰの電子温度を推定し、推定された電子温度が設定値に近づくようにプラズマ生成のパラメータを制御する。
例えば、ＳｉＨ４およびＳｉＦ４は、以下の反応式にしたがって分解する。なお、括弧内は解離エネルギーである。
（１）ＳｉＨ４→ＳｉＨ３＋  Ｈ  （８．７５ｅＶ）
ＳｉＨ４→ＳｉＨ２＋２Ｈ  （９．４７ｅＶ）
ＳｉＨ４→ＳｉＨ＋３Ｈ    （９．４７ｅＶ）
ＳｉＨ４→Ｓｉ  ＋４Ｈ（１０．３３ｅＶ）
（２）ＳｉＦ４→ＳｉＦ３＋  Ｆ  （７．２５ｅＶ）
ＳｉＦ４→ＳｉＦ２＋２Ｆ  （４．６ｅＶ）
ＳｉＦ４→ＳｉＦ  ＋３Ｆ  （６．８ｅＶ）
ＳｉＦ４→Ｓｉ  ＋４Ｆ    （６．０ｅＶ）
以上の反応式から分かるように、ＳｉＨ４，ＳｉＦ４からＳｉまで分解するには、高いエネルギーの電子が必要になる。したがって、Ｓｉラジカルの挙動（密度の大小）を計測することにより、電子のエネルギーすなわち電子温度を推定することができる。上述したように、電子温度は解離を決定する上で非常に重要なパラメータである。
第５の実施例
本発明の第５の実施例では、第１の実施例で計測されたＳｉラジカルの密度が小さくなるように、プラズマ生成のパラメータを制御する。
Ｓｉは反応定数が高いので、
Ｓｉ＋ＳｉＨ４→Ｓｉ２Ｈ４
Ｓｉ＋ＳｉＦ４→Ｓｉ２Ｆ４
のように反応し、次々と高次の分子ラジカルを生成する。したがって、Ｓｉラジカルの密度を計測することにより、高次のラジカルの挙動についての情報を得ることができる。高次のラジカルはゴミやパーティクルを発生する。このため、Ｓｉラジカルの密度が小さくなるように制御することにより、高次のラジカルの生成を抑制し、ゴミ等の発生を防止することができる。
第６の実施例
本発明は高周波プラズマエッチング装置にも適用できる。その形態を第６の実施例として説明する。
Ｓｉ薄膜またはＳｉＯ２薄膜のエッチングには、エッチングガスとしてそれぞれＣｌ２またはＣｘＦｙ（例えば、ＣＦ４，Ｃ４Ｆ８，Ｃ５Ｆ７）が用いられる。ことのき、薄膜上では次のような反応が起こっている。
Ｓｉ＋Ｃｌ２→ＳｉＣｌ２  または  Ｓｉ＋４Ｃｌ→ＳｉＣｌ４
ＳｉＯ２＋ＣＦ２→ＳｉＦ２＋ＣＯ２
これらの反応において生成される副生成物は、ＳｉＣｌ２やＳｉＣｌ４、ＳｉＦ２、ＳｉＦ４である。これらの副生成物はエッチングプロセス中にプラズマ中で分解され、Ｓｉラジカルが発生する。したがって、エッチングプロセスにおいて、Ｓｉラジカルの密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御することにより、プロセスの再現性やエッチングの特性を確保し、制御することができる。
以上の実施例では、高周波プラズマ装置の例を示したが、容量結合形プラズマ装置、誘導結合形プラズマ装置、ＥＣＲプラズマ装置など、いずれのプラズマ装置にも適用できる。ただし、少なくともＳｉを含有するガスを用いたプラズマ、または、固体表面から少なくともＳｉを含有する副生成物が生成されるプラズマが対象になる。
しかし、プラズマを用いたプロセスでなくてもよく、雰囲気中でガスが解離してＳｉが発生するプロセスにも適用できる。例えば、ＣａｔＣＶＤや触媒利用などのＣＶＤにも適用できる。さらに、ガスを用いたプロセスでなくてもよく、例えばスパッタにも適用できる。
また、Ｎ２ガスを含むＳｉ基板（層）またはＳｉＯ２膜の窒化プロセスや、Ｏ２ガスを含むＳｉ基板（層）の酸化プロセスにも適用できる。窒化プロセスや酸化プロセスでは、直接反応に関与するＮラジカルやＯラジカルの密度の現在値を計測し、その密度が一定になるように制御できるので、十分な効果が得られる。Ｎラジカルの密度計測には、波長がおよそ１２０ｎｍの真空紫外光が使用され、Ｏラジカルの密度計測には、波長がおよそ１３０ｎｍの真空紫外光が使用される。なお、Ｎ系ガスについては、例えばＮラジカルの発光スペクトルを計測することにより、その発光スペクトルの包絡線の強度分布から、回転温度がわかる。平衡状態においては回転温度は並進温度と一致する。よって、得られたガス温度によりＮラジカル密度を温度補正することができる。
ＦラジカルまたはＨラジカルの密度計測には、それぞれ波長がおよそ９６ｎｍまたは１２１．６ｎｍの紫外光を使用し、それぞれの密度が一定になるように制御することもできる。Ｃラジカルについても同様に、密度計測の結果に基づく制御が可能である。
【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６】
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【国際調査報告】
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