(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理ガス導入手段、排気手段及び半導体ウエハを載置するウエハステージを備えた真空チャンバと、
該真空チャンバ内にインピーダンス整合手段を介して高周波電力を供給して前記真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ生成手段を備え、
前記ウエハステージに載置した半導体ウエハにプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記真空チャンバ内に供給する高周波電力の反射波電力を測定するセンサ、前記真空チャンバ内に供給する高周波電力の進行波電力を測定するセンサ、前記真空チャンバ内に高周波電力を供給する回路に挿入した整合回路を構成する回路素子における整合位置の変動量を測定するセンサ、および前記センサ出力をもとにプラズマの異常放電を検出する異常放電検出回路を備え、
該異常放電検出回路は、前記進行波電力が設定値以上であり、かつ前記回路素子における整合位置および前記進行波電力の所定時間における変化量が設定値以下であり、
更に、前記反射波電力を測定するセンサ出力の微分出力の前記所定時間における最大値および最小値がそれぞれ予め設定した値以上および以下であるときプラズマ放電の異常と判定することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記異常放電検出回路は異常放電を検出したときプラズマ処理を停止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１記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ放電の異常を検出する異常放電検出回路は前記センサ出力信号を収集するデータ収集手段を備え、センサ出力を前記収集手段に収集した正常放電時の収集データと比較することにより異常放電の発生を予測す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】
本発明はプラズマ処理装置及び処理方法に係り、特にプラズマ放電の異常（不安定放電を含む）に基づくプラズマ処理不良の発生を防止することのできるプラズマ処理装置等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＶＤ（化学的蒸着法）あるいはエッチング等のプラズマ処理装置においては、近年の半導体デバイスの微細化に対応して、ウエハ内に均一な処理結果が得られるプロセス条件の許容幅（プロセスウインドウ）が年々狭くなってきている。このためプラズマ処理装置は、より完全なプロセス条件での運用が望まれる。また、前記プロセス条件は、１枚のみでなく多数のウエハの処理期間に渡って安定していることが要求される。
【０００３】
一般に、プロセス条件は、処理を重ねるにしたがって発生した反応生成物の付着等によって変動する。ＣＶＤ（化学的蒸着法）あるいはエッチングにおいては、処理を重ねるにしたがって発生した反応生成物の付着等によってチャンバの状態が変化し、徐々にプラズマ処理の条件がが変化する。例えば、チャンバに付着した反応生成物によってパーティクルが発生し、また、プラズマ処理中に解離種の組成、プラズマの電位あるいは密度等が変化する。
【０００４】
以下、パーティクルの発生について具体的に述べる。通常、プラズマ処理を行う真空チャンバには、表面をアルマイト処理したアルミニウム等が用いられる。プラズマ処理を重ねて行くと前記アルマイト層上に反応生成物の堆積膜が生成される。この堆積膜の表面は、プラズマ中の電子によってチャージアップされやすくなっており、堆積膜表面の電子が過大な量となる。この電子がバルクプラズマ中に放出されることにより堆積膜が剥がれると、これらはダストとなってプラズマ中に放出される。このようなダストの一部はウエハ上に飛来し、プラズマ処理不良をもたらす。また、プラズマ中に異常放電が発生すると、ウエハ上の半導体素子がチャージアップし、過大な電流が流れることによって素子が破壊されることもある。更に、前記反応生成物の堆積膜によって、プラズマとチャンバの間の電気抵抗あるいは静電容量が変化したり、チャンバ表面における反応バランスが変わってプラズマ中の解離種の組成が変化することがある。この場合は、プラズマ放電自体が変化してプラズマの不安定を生じ、また、プラズマ処理の不良を引き起こす。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような異常放電やプラズマ不安定に起因するトラブルを未然に防ぐためには、堆積膜がある厚さ以上になる前に真空チャンバの洗浄等のメンテナンスを行うのが一般的である。しかしながら、メンテナンスを行うタイミングを正確に把握することは困難である。仮に、早めにメンテナンスを行うようにしても、プラズマ処理の履歴によっては、前記早めのメンテナンス周期内に異常放電や放電不安定による処理不良が発生する可能性は避けられない。
【０００６】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、異常放電発生時にプラズマ処理を停止してプラズマ処理不良の発生を防止することのできるプラズマ処理装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【０００８】
処理ガス導入手段、排気手段及び半導体ウエハを載置するウエハステージを備えた真空チャンバと、該真空チャンバ内にインピーダンス整合手段を介して高周波電力を供給して前記真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ生成手段を備え、前記ウエハステージに載置した半導体ウエハにプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記真空チャンバ内に供給する高周波電力の反射波電力を測定するセンサ、前記真空チャンバ内に供給する高周波電力の進行波電力を測定するセンサ、前記真空チャンバ内に高周波電力を供給する回路に挿入した整合回路を構成する回路素子における整合位置の変動量を測定するセンサ、および前記センサ出力をもとにプラズマの異常放電を検出する異常放電検出回路を備え、該異常放電検出回路は、前記進行波電力が設定値以上であり、かつ前記回路素子における整合位置および前記進行波電力の所定時間における変化量が設定値以下であり、更に、前記反射波電力を測定するセンサ出力の微分出力の前記所定時間における最大値および最小値がそれぞれ予め設定した値以上および以下であるときプラズマ放電の異常と判定する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示す図である。プラズマ処理装置２３におけるプラズマ処理部は、高周波電力発生手段（マイクロ波発生手段を含む）からの電力供給を受けてプラズマを生成するプラズマ生成手段１（例えば、高周波電圧が供給される電極等）、真空チャンバ２、真空チャンバにガスを導入する手段３、排気手段６などから構成される。また、真空チャンバの前記プラズマが生成される部分にはウエハステージ２７を備え、該ウエハステージ上には、図示しない搬送システムによって搬入したウエハを載置する。また、プラズマ生成手段１には、インピーダンス整合手段７を介して、高周波電力発生手段８が電気的に接続されている。
【００１０】
高周波電力発生手段８と整合手段７との間には、伝達される高周波の進行波電力及び反射波電力を検出するための方向性結合器９が設置されている。方向性結合器からは、高周波電力発生手段が発生する周波数の進行波電力及び反射波電力に比例した電圧波形が出力される。進行波電力及び反射波電力に比例した電圧波形は、それぞれ検波回路１０及び１１によって検波される。次いで、これらの検波出力は、それぞれ増幅回路１２及び１３によって適正な電圧に増幅された後、進行は電力に比例した電圧信号１４及び反射は電力に比例した電圧信号１５となって出力される。
【００１１】
ここで図２は方向性結合器から出力される反射波電力の波形５０を示す図、図３は反射波電力の検波後の波形５５を示す図である。
【００１２】
前記方向性結合器９、検波回路１０及び１１及び増幅回路１２及び１３は、通常、高周波電力発生手段８を含む電源システム２２に内蔵されており、アナログ出力として、前記信号１４、１５が出力されていることが多い。
【００１３】
図４は、プラズマに異常放電が発生した場合における検波後の波形６０を示す図である。図に示すように、種々のノイズを含んでいる。そこで第１のローパスフィルタ１６によって、高周波成分やノイズを取り除くことによって、図５に示すような信号６５が得られる。
【００１４】
次に、信号６５を微分回路１７に供給して一次微分を行う。一次微分を得るには、様々な方法があるが、S.J Orfanidis： “Introduction to Signal Processing”： Prentice Hall (1996)に記載されているSavitzky-Golay平滑化微分法を用いることにより、図６に示すような、ノイズの影響の比較的少ない一次微分値信号７０を得ることができる。
【００１５】
一次微分信号７０には若干のノイズ変動を含んでいるので、第２のローパスフィルタ１８をかけることにより、図７に示すような、最終的に異常放電の判別に用いる信号７５が得られる。
【００１６】
異常放電を検出する異常放電検出回路１９には、反射波電力を示す信号１５をローパスフィルタ１６，１８及び微分回路によって処理した信号と、進行波電力を示す信号１４及びインピーダンス整合手段の変動を示す信号２０が入力される。
【００１７】
インピーダンス整合手段７は、処理する周波数によってその形態が異なるが、高周波帯ないしＵＨＦ帯の整合器においては、内部に２つないし３つの可変コンデンサを有しており、これらの可変コンデンサの容量を変化させることによりインピーダンス整合をとる。したがって、前記インピーダンス整合手段の変動を示す信号２０は高周波帯ないしＵＨＦ帯の整合器においては、前記可変コンデンサの容量を示す信号とすることができる。
【００１８】
なお、前記電源システム２２を含むプラズマ処理装置２３の全体は、制御システム４によって制御され、ウエハステージ２７上に載置されるウエハに対して順次プラズマ処理が施される。
【００１９】
図８は、異常放電検出回路１９の動作を示すフローチャートである。まず、検出回路は、進行波電力信号Pf（信号１４）を常時モニタしており、信号１４が予め設定した値Pf0より大きい場合、プラズマ処理が開始されたものとして、動作を開始する（ステップ１）。検出回路は一定時間ごと（この場合は５秒毎）に、整合器に内蔵された３個の可変コンデンサの容量の変動の最大値ΔCmax、進行波電力信号Pfの変動ΔPfをチェックし（ステップ２）、これらの変動が、予め設定した値ΔC0、ΔPf0より大きい場合、プラズマの着火直後や処理ステップの切り替えなどの際中であるとして、異常放電の検出処理を行わない（ステップ４）。そうでない場合、プラズマがある程度安定した（異常放電や不安定が無いという意味ではない）状態であると判断し、異常放電の検出を開始する（ステップ５）。まず５秒間の反射波信号を図４ないし図７で説明したように、ローパスフィルタ１６、Savitzky-Golay平滑化微分回路１７、第２のローパスフィルタ１８によって処理し（ステップ５、６，７，８）、図７に示したような信号７５（最終的に異常放電の検出に用いる信号）を得る。
【００２０】
次いで、前記５秒間における信号７５の最大値α（正）、最小値β（負）を判断の基準とし、最大値α、最小値βが、予め設定した値α0、及びβ0に対して、α＞α0、かつβ＜β0を満たしたとき、反射波の変動が異常に大きいとみなして、異常放電であると判断する（ステップ９、１０）。ここで、α＞α0、かつβ＜β0であることを異常放電の有無の判断に使用するのは、反射波が“増えて減る”、あるいは“減って増える”のが異常放電に特有な反射波の変動パターンであるからである。例えば、前記５秒間中にただ大きく減少した場合は、β＜β0を満たすが、α＞α0を満たさないため、安定放電と判断できる（ステップ１１）。
【００２１】
図８に示したフローチャートにおいては、５秒間といった一定時間毎に異常放電の有無を判断したが、図７に示すように、まず最初の５秒間の処理を行った後、次に来る５秒間の処理を行っても良いし、あるいは、図９に示すように、ある時刻から５秒間さかのぼった時刻までの信号の履歴を用いて連続的に異常放電の有無を判断する処理を行っても良い。
【００２２】
異常放電検出回路１９によって異常放電が発生したと判断した場合、異常放電検出信号２１を制御システム４に出力する。制御システム４は、直ちにプラズマ処理を停止することができる。なお、発生した異常放電の程度によってはプラズマ処理に対して重大な影響を与えない場合もあるため、処理中のウエハはそのままプラズマ処理を実行し、次以降のウエハのプラズマ処理を中断してもよい。あるいは警報を発報してもよい。
【００２３】
以上の説明においては、プラズマの異常放電を検出するための信号としてプラズマ生成用高周波電力の反射波を用いていたが、本発明は反射波に限定されることなく、プラズマ処理状態を示す電気的あるいは光学的な信号の全てが利用可能である。
【００２４】
また、プラズマの異常放電を検出するための信号としては、プラズマ生成用高周波電力の反射波の外に他の手段からの検出信号を組み合わせて利用することができる。
【００２５】
例えば、インピーダンス整合手段７の変動を示す信号２０（可変コンデンサの容量を示す信号）等を利用することができる。この場合は検出した高周波電力の反射波の時間的な変動の程度が大きく、かつ前記整合手段の変動を示す信号２０の時間的な変動の程度が小さい場合に異常放電が発生したと判別することができる。
【００２６】
図１０は、他の実施形態を示す図である。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。プラズマ処理装置においては、被処理物に入射するイオンエネルギーを制御するために、プラズマ生成用電源とは別の高周波電源３１（以下、バイアス用電源と呼ぶ）が、バイアス用整合器３０を介して被処理物を載置するウエハステージ２７に接続される。図１０では、プラズマ生成用の高周波電力の反射波に替えて、このバイアス用電源３１のピーク電圧３２、ＤＣ成分３３、反射電力３４等のバイアス用電源に係る信号を第１のローパスフィルタ１６に供給する。ローパスフィルタ１６，微分回路１７及び第２のローパスフィルタ１８はこれらの信号をフィルタ及び微分処理を行った後、異常放電検出回路１９に供給する。異常放電検出回路はこれらの信号、あるいはこれらの信号と前記インピーダンス整合手段７の変動を示す信号２０（可変コンデンサの容量を示す信号）等を利用することにより、プラズマ生成用電力の反射波を検出する場合と同様にプラズマの不安定や異常放電を検出することが可能である。
【００２７】
また、真空チャンバに設けた光検出器２８によって得られたプラズマ発光を検出し、検出したプラズマ発光を分光及び信号増幅ユニット２９を介して分光し、この分光信号を第１のローパスフィルタ１６，微分回路１７及び第２のローパスフィルタ１８を介して異常信号検出回路に供給するようにしても上記と同様にプラズマの異常放電を検出することが可能である。
【００２８】
図１１は、さらに他の実施形態を示す図である。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００２９】
図において、データ収集部２５は制御システム４からプロセスレシピデータ信号２６を受信することにより、真空チャンバに供給するガス流量、電力、ガス圧力等、プラズマ処理に必要なプロセスレシピデータを常時収集する。また、進行波電力、反射波電力、インピーダンス整合手段の変動を示す信号も同様に収集する。
【００３０】
異常放電検出回路１９は、これら全てのデータを常時監視する。全く同じプロセスレシピにおいて、既に処理したウエハに対するこれらの処理信号の履歴信号に対して、新たに行ったプラズマ処理信号が大きく異なる場合はこれを検出し、制御システム４に異常信号を送り、ユーザに警告を発する。あるいは、処理実行中のウエハのプラズマ処理もしくは処理実行中のウエハの次以降のウエハのプラズマ処理を停止する。
【００３１】
図１に示す例においては、予め異常放電を判断するための適切なパラメータ（α0、β0）を設定しておく必要があるが、この例においては、プロセスレシピデータと、たとえは反射波電力の変動を示す信号データとを蓄積し、正常な処理をおこなったときの履歴データと現在行っている処理信号とを比較をすることにより、異常放電発生の検出あるいは予測を行うことができる。
【００３２】
以上説明したように、真空チャンバへの反応生成物の堆積に伴う異常放電を速やかに検知することができる。また、この検知に基づき、例えばプラズマ処理を中断し、パーティクル、チャージアップダメージ、プロセスのシフト等に起因するプラズマ処理不良を防止することができる。従って、全体としてのプラズマ処理性能、および装置の稼働率が向上し、微細なエッチング加工や、高品質な成膜加工、表面処理加工等が可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、異常放電発生時にプラズマ処理を停止してプラズマ処理不良の発生を防止することのできるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を示す図である。
【図２】方向性結合器から出力される反射電力の波形を示す図である。
【図３】反射電力の検波後の波形を示す図である。
【図４】プラズマに異常放電が発生した場合の検波後の波形を示す図である。
【図５】ローパスフィルタによる処理後の波形を示す図である。
【図６】一次微分信号を示す図である。
【図７】異常放電の判別に用いる信号の波形を示す図である。
【図８】異常放電検出回路の動作を示すフローチャートである。
【図９】履歴を用いて行う異常放電の判別を説明する図である。
【図１０】他の実施形態を説明する図である。
【図１１】さらに他の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
１  プラズマ生成手段
２  真空チャンバ
３  ガス導入手段
４  プラズマ処理装置の制御システム
５  半導体ウエハ
６  排気手段
７  インピーダンス整合器
８  高周波電力発生手段
９  方向性結合器
１０，１１  検波回路
１２，１３  増幅回路
１６  第１のローパスフィルタ
１７  一次微分回路
１８  第２のローパスフィルタ
１９  異常放電検出回路
２２  電源システム
２３  プラズマ処理装置
２５  データ収集部
２７  ウエハステージ
２８  光検出器
２９  分光及び信号増幅ユニット
３０  バイアス用整合器
３１  バイアス用高周波電源
【図１】
0003893276.tif 000002
【図２】
0003893276.tif 000003
【図３】
0003893276.tif 000004
【図４】
0003893276.tif 000005
【図５】
0003893276.tif 000006
【図６】
0003893276.tif 000007
【図７】
0003893276.tif 000008
【図８】
0003893276.tif 000009
【図９】
0003893276.tif 000010
【図１０】
0003893276.tif 000011
【図１１】
0003893276.tif 000012