(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内でウェハの上方にプラズマを発生させ、
前記プラズマの電子密度を測定し、
前記プラズマの電子密度の大きさ又はその変化に基づいて前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求めることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記プラズマ発生領域にはＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力が印加され、該高周波電力が低下する際の前記電子密度の減衰率に基づき、前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求め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】
前記プラズマ発生領域にはＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力が印加され、該高周波電力が増加する際の前記電子密度の増加率に基づき、前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求め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】
前記プラズマ発生領域にはＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力が印加され、該高周波電力が増加する際の前記電子密度の立ち下がり時間に基づき、前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求め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】
前記プラズマ発生領域にはＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力が印加され、該高周波電力が増加する際の前記電子密度の立ち上がり時間に基づき、前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求め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６】
前記プラズマ発生領域にマイクロ波を照射して前記プラズマの領域を通過したマイクロ波と通過する前のマイクロ波の位相差に基づいて前記電子密度が求められ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７】
前記電子密度は、前記プラズマの領域を通過する前の前記マイクロ波の周波数に前記位相差を乗算した値に、さらに定数を掛けて求められることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理方法。
【請求項８】
前記パーティクルの検出量が許容レベルを越えた時点で前記チャンバをクリーニングす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９】
前記プラズマの領域にはエッチングガスが導入され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１０】
前記プラズマの領域には、成膜用の反応ガスが導入され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１１】
チャンバ内で高周波電力を印加してウェハの上方にプラズマを発生させて処理を行うプラズマ処理方法であって、
絶縁物で覆われた微小電極を前記プラズマ発生領域又はその近傍に配置し、該プラズマを発生させる高周波電力をオフした直後にその微小電極に電圧パルスを印加して電流応答を測定し、その電圧パルスの立ち下がりの際の電流応答の違いによりパーティクルの存在を検出することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１２】
前記プラズマ発生領域にＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力を印加してプラズマを発生させ、該高周波電力がオフした直後に前記微小電極に電圧パルスを印加して電流応答を測定することを特徴とする請求項１１記載のプラズマ処理方法。
【請求項１３】
チャンバ内でエッチング処理又は成膜処理が施される半導体ウェハを保持する手段と、前記チャンバ内にプラズマ発生のための高周波電力を投入する手段とを備えたプラズマ処理装置において、
前記チャンバ内のプラズマ発生領域にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
前記プラズマ発生領域内を透過した前記マイクロ波を受信する受信手段と、
前記受信手段に入射した前記マイクロ波と前記マイクロ波照射手段から照射する前記マイクロ波との位相差を求める位相差検出手段と、
前記位相差に基づいて前記プラズマ発生領域内の電子密度の大きさ或いは変化率を演算する演算手段と、
前記演算手段によって求められた電子密度の大きさ又は時間的変化によってパーティクルの大きさ又は量を求める分析手段と
を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１４】
チャンバ内でエッチング処理又は成膜処理が施される半導体ウェハを保持する手段と、前記チャンバ内にプラズマ発生のための高周波電力を投入する手段とを備えたプラズマ処理装置において、
前記チャンバ内のプラズマ発生領域にマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段と、
前記プラズマ発生領域内を透過した前記マイクロ波を受信する受信手段と、
前記受信手段に入射した前記マイクロ波と前記マイクロ波照射手段から照射する前記マイクロ波との位相差を求める位相差検出手段と、
前記位相差に基づいて前記プラズマ発生領域内の電子密度の大きさ或いは変化率を演算する演算手段と、
前記位相差検出手段によって前記位相差を検出する際に前記高周波電力の大きさを変化させる電力調整手段と
を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１５】
前記電力調整手段はＡＭ変調手段又はパルス変調手段であることを特徴とする請求項１４記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】
チャンバ内でエッチング処理又は成膜処理が施される半導体ウェハを保持する手段と、前記チャンバ内にプラズマ発生のための高周波電力を投入する手段とを備えたプラズマ処理装置において、
前記プラズマが発生する領域の中又はその近傍に配置され、かつ絶縁膜で覆われた微小電極と、
前記微小電極に電圧パルスを供給する電源と、
前記電源と前記微小電極の間を流れる電流を測定する電流測定手段と、
前記電流に基づいて前記プラズマ発生領域内の電子密度の大きさ、或いは、変化率を演算する演算手段と
を有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、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関し、より詳しくは、膜成長又はエッチングに用いられるプラズマに含まれるパーティクルの検出を含むプラズマ処理方法と、そのようなパーティクルの検出のための機構を有するプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体装置の製造工程においては、プラズマ気相成長法などによって半導体、絶縁体或いは導電体などの膜を形成したり、或いは、反応性イオンエッチング法、プラズマエッチング法などによって膜をエッチングする工程を含んでいる。そのような工程においてプラズマを発生させる構造としては、減圧雰囲気中に配置した一対の電極に高周波電力を印加する構造や、プラズマ発生領域の周囲に配置したコイルに高周波電力を印加する構造や、プラズマ発生領域に外部からマイクロ波を導入する構造など、種々のものが知られている。
【０００３】
そのようなプラズマの発生の際に問題になっているのは、プラズマ中に存在するパーティクル（浮遊微粒子）が、成長している膜中に混入したり、或いはパターニングされている膜に付着してパターン欠陥を生じさせることである。
そのようなパーティクルは、スパッタされた膜から発生したもの、或いは、チャンバ内壁から剥がれたクラスタがプラズマ中に飛散して発生したものが主となっている。
【０００４】
チャンバ内壁から飛散するクラスタの大きさは数十nm程度であり、プラズマ中で静電的に凝集したり、或いはクラスタを核としてそこに反応性のラジカル元素が成長することになり、これがパーティクルになって落下する。
従って、種々の方法によってプラズマ中のパーティクルの発生状況を検出することが行われており、例えばＣＣＤカメラによりパーティクルを監視することが特開平6-124902号及び特開平7-142410号公報に記載され、また、排気管を通るパーティクルの数を計数することが特開平3-226579号公報に記載され、また、パーティクルを捕集してその数を検出器によって計数することが特開平6-123693号公報に記載されている。
【０００５】
しかし、ＣＣＤカメラによるパーティクルの観察は現状のＣＣＤ解像度では十分に測定精度が上がらない。また、排気管を通るパーティクルの数を計数したり或いはパーティクルを捕集してその数を計数する方法によれば、パーティクル発生をリアルタイムに高精度で計数することは難しい。
これに対して、パーティクルの数をその場観察する方法として、レーザ散乱法による光学式が、例えばT Kamata, et al., Plasma Sources Sci. Technol. 3, 1994, pp 310-313に記載されている。これは、パーティクルにより発生するミー散乱光を光検出器により検出するものである。
【０００６】
そのパーティクル検出装置は、例えば図１９(a),(b) に示すような構造を有している。即ち、プラズマ領域Ａにレーザビームを照射するアルゴンイオンレーザ１と、パーティクルによるミー散乱光を受ける光検出器２と、回転検光子３と、集光レンズ４とが配置されている。
そして、プラズマ領域Ａ内でパーティクルに照射されたレーザビームにミー散乱が生じると、その散乱光は回転検光子３を通過し、そしてレンズ３によって平行にされて光検出器２に入射する。
【０００７】
回転検光子３は、光を直線偏光に変換して光検出器２に光を入射させるものであり、直線偏光のうち、レーザビームと散乱光方向の両方を含む面を観測面と定義すると、観測面に対して平行な光をＰ偏光成分、観測面に対して垂直な光をＳ偏光成分とする。そして、Ｓ／Ｐの大きさによってパーティクルの大きさを判断する。
【０００８】
なお、図１９中、符号１０はプラズマ処理装置、１１はチャンバ、１３は第一の電極、１４は第二の電極、１７はコンデンサ、１８は高周波電源、２０は光透過性の窓、２２は排気口をそれぞれ示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したレーザ散乱法を用いてパーティクルを検出する機構によれば、プラズマ領域を有する既存のチャンバ内に光検出器や光源を追加して設置することは難しい。
さらに、ミー散乱光は非常に微弱であり、しかも、光学的雑音も多いために、これを精度良く検出する装置は複雑化し、また、高価になってしまう。
【００１０】
本発明の目的は、機構が簡単で且つパーティクル数をリアルタイムで高感度で検出することができるプラズマ処理方法とそのような検出の機構を有するプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、図１、図２に例示するように、チャンバ内でウェハの上方にプラズマを発生させ、前記プラズマの電子密度を測定し、前記プラズマの電子密度の大きさ又はその変化量に基づいて前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求めることを特徴とするプラズマ処理方法によって解決する。
【００１２】
上記したプラズマ処理方法において、前記プラズマ発生領域にはＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力が印加され、該高周波電力が低下する際の前記電子密度の減衰率に基づき、前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求めることを特徴とする。
【００１３】
上記したプラズマ処理方法において、前記プラズマ発生領域にはＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力が印加され、該高周波電力が増加する際の前記電子密度の増加率に基づき、前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求めることを特徴とする。
【００１４】
上記したプラズマ処理方法において、前記プラズマ発生領域にはＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力が印加され、該高周波電力が低下する際の前記電子密度の立ち下がり時間に基づき、前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求めることを特徴とする。
上記したプラズマ処理方法において、前記プラズマ発生領域にはＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力が印加され、該高周波電力が増加する際の前記電子密度の立ち上がり時間に基づき、前記チャンバ内でのパーティクルの大きさ又は量を求めることを特徴とする。
【００１５】
上記したプラズマ処理方法において、前記プラズマ発生領域にマイクロ波を照射して前記プラズマの領域を通過したマイクロ波と通過する前のマイクロ波の位相差に基づいて前記電子密度が求められることを特徴とする。この場合、前記プラズマの領域を通過する前の前記マイクロ波の周波数に前記位相差を乗算した値に、更に定数を掛けて前記電子密度が求めてもよい。
【００１６】
上記したプラズマ処理方法において、前記パーティクルの検出量が許容レベルを越えた時点で前記チャンバをクリーニングすることを特徴とする。
上記した課題は、図１６乃至１８に例示するように、チャンバ内で高周波電力を印加してウェハの上方にプラズマを発生させて処理を行うプラズマ処理方法であって、絶縁物で覆われた微小電極を前記プラズマ発生領域又はその近傍に配置し、該プラズマを発生させる高周波電力をオフした直後にその微小電極に電圧パルスを印加して電流応答を測定し、その電圧パルスの立ち下がりの際の電流応答の違いによりパーティクルの存在を検出することを特徴とするプラズマ処理方法によって解決する。
この場合、前記プラズマ発生領域にＡＭ変調され又はパルス変調された高周波電力を印加してプラズマを発生させ、該高周波電力をオフした直後に前記微小電極に電圧パルスを印加して電流応答を測定ことを特徴とする。
【００１７】
上記した課題は、図１に例示するように、チャンバ１１内でエッチング処理又は成膜処理が施される半導体ウェハ１４を保持する手段と、前記チャンバ１４内にプラズマ発生のための高周波電力を投入する手段１８とを備えたプラズマ処理装置において、前記チャンバ１１内のプラズマ発生領域Ａにマイクロ波を照射するマイクロ波照射手段２３と、前記プラズマ発生領域Ａ内を透過した前記マイクロ波を受信する受信手段２４と、前記受信手段２４に入射した前記マイクロ波と前記マイクロ波照射手段２３から照射する前記マイクロ波との位相差を求める位相検出手段２７と、前記位相差に基づいて前記プラズマ発生領域Ａ内の電子密度の大きさ或いは変化率を演算する演算手段２８とを有することを特徴とするプラズマ処理装置によって解決する。
【００１８】
上記したプラズマ処理装置において、前記演算手段２８によって求められた電子密度の大きさ又は時間的変化によってパーティクルの大きさ又は量を求める分析手段２９ａをさらに有することを特徴とする。
上記したプラズマ処理装置において、前記位相差検出手段２７によって前記位相差を検出する際に前記高周波電力の大きさを変化させる電力量調整手段１５を有することを特徴とする。
【００１９】
上記したプラズマ処理装置において、前記電力量調整手段１５はＡＭ変調手段又はパルス変調手段であることを特徴とする。
上記したプラズマ処理装置において、前記プラズマ発生領域には、エッチングガスが導入され、または、成膜用の反応ガスが導入されることを特徴とする。
次に、本発明の作用について説明する。
【００２０】
本発明によれば、プラズマ領域での電子密度の大小、又は変化量を検出することによって、プラズマ発生中にリアルタイムでプラズマ領域中のパーティクルの有無、量などを検出するようにしている。
プラズマ領域での電子密度の変化は、プラズマ処理チャンバの外部からのマイクロ波照射などによって容易に検出できる。この場合の電子密度の検出機構は、マイクロ波の授受以外は全て電気的に処理できるために、大型化することはないので既存の設備にも容易に取付けることが可能である。
【００２１】
マイクロ波照射による電子密度の大きさは、プラズマ領域でのマイクロ波の位相のずれを測定し、その測定値を所定の式に代入する計算によって求められる。そのパーティクル量は、電子密度の大きさが減少する場合にはパーティクルが増加し、その反対に電子密度が増加する場合にはパーティクルが減少すると判断する。これは、パーティクルに電子が補足されてプラズマ領域で検出される電子密度が減少することによるものである。
【００２２】
また、プラズマを高周波電力によって発生させる機構のプラズマ発生装置においては、プラズマ発生のために一対の電極に印加する高周波電力の大きさを変化させると電子密度量も変化する。その電子密度の変化によってパーティクルの発生の有無、パーティクルの量などが検出される。
高周波電力を減少させてプラズマ発生能力を低減させる際にパーティクルが存在すると、両極性拡散による電子の損失が抑制されるため、プラズマ発生領域での電子密度の減少率が急速に小さくなるので、その減少率の大小によってパーティクル量が容易に判断できる。また、高周波電力を増加してプラズマ発生能力を増加させる際にパーティクルが存在すると、両極性拡散による電子の損失が抑制されるため、プラズマ発生領域での電子密度が急速に増加するようになるので、その増加率の大小によってパーティクル量が容易に判断できる。
【００２３】
このように、高周波電力の大きさを変化させる際の電子密度の立ち上がり時間や立ち下がり時間を調べることにより、パーティクルの有無、パーティクルの大きさなどが判断される。
なお、パーティクル量がある値よりも多すぎている場合には、チャンバをクリーニングすることになる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態を示すパーティクル検出機構を備えたプラズマ処理装置の構成図である。
まず、図１における容量結合型のＲＦプラズマ処理装置１０について説明する。
【００２５】
プラズマ処理装置１０においては、チャンバ１１内の天井部分に第一の電極１３が配置され、また、チャンバ１１の底部に第二の電極１４が配置されており、第一及び第二の電極１３，１４の間にある空間がプラズマ発生領域Ａとなっている。第一の電極１３には、ＡＭ変調器１５、増幅器１６及びコンデンサ１７を介して高周波電源（発振器）１８が接続され、さらに、電圧の振幅を測定するための電圧プローブ１９が接続されている。また、第二の電極１４は接地されるか又は定電圧源に接続されている。
【００２６】
チャンバ１１の側壁には石英よりなる一対の窓２０が相対向して取り付けられている。さらに、チャンバ１１内には、ガスを導入するガス導入口２１と、ガスを外部に排出する排気口２２が設けられている。
実験で使用するプラズマ処理装置１０のチャンバ１１は円筒形で、その内周の直径は３０cm、高さは２０cmである。また、電極の直径は１０cmである。さらに高周波電源１８の発振周波数を１３．５６MHz とし、ＡＭ変調のデューティ比を５０とした。
【００２７】
次に、プラズマ発生領域Ａのパーティクル測定装置について説明する。
チャンバ１１内の２つの窓２０の外側には第一のアンテナ２３と第二のアンテナ２４が取り付けられ、第一及び第二のアンテナ２３，２４は例えばホーン型であって２つの窓２０を通して互いに対向するように配置されている。
第一のアンテナ２３の端子は、マイクロ波発信器２５の出力信号を２つに分ける２分配器２６の第一の出力端に接続されている。その２分配器２６の第二の出力端は位相検出回路２７の第一の入力端に接続され、また、位相検出回路２７の第二の入力端には第二のアンテナ２４の端子が接続されている。その位相検出回路２７は、第二のアンテナ２４の出力信号と発信器２５の発信信号との位相差Δφを検出して演算回路２８に出力する構造を有している。
【００２８】
演算回路２８は、位相差Δφのデータを次式（１）に代入することにより、プラズマ発生領域Ａでのプラズマ電子密度Ｎe を求め、その密度の時間的変化を電子密度表示器２９と電子密度分析器２９ａに出力するように構成されている。
Ｎe ＝ｆΔφ／０．８４２Ｄ        …  （１）
その式（１）において、ｆはマイクロ波周波数（Hz）、Ｄはプラズマ幅（ｍ）を示している。なお、プラズマ幅は、マイクロ波がプラズマ発生領域Ａを透過した長さである。
【００２９】
位相検出回路２７においては、プラズマ発生領域Ａでの電子の数が多くなると、入力する発振器２５からのマイクロ波信号とアンテナ２４からのマイクロ波信号との干渉が変化する。その干渉によって生じたマイクロ波同士の位相のずれを検出し、パーティクルの大きさ又は数を判断する。また、電子密度分析器２９ａは電子密度の変化、例えば立ち上がり時間、立ち下がり時間、増加率、減衰率などを求めるものである。
【００３０】
次に、本実施形態に係るパーティクル検出装置によってプラズマ発生領域Ａ内でのパーティクル数を測定した結果と、従来のミー散乱によるパーティクル数の測定結果がどのような関係にあるかを調べた。
その実験は、図１に示した装置と、図１９（ａ）、（ｂ）に示した既知のミー散乱法を同時に配置して２つの方法でパーティクルの検出を行った。ミー散乱法の実施に用いるアルゴンイオンレーザ１から出力される光の波長を４８８nm、出力を１Ｗとし、そのレーザ光を電極１３、１４に平行に照射した。また、レーザ光の照射位置は、パーティクルの集まり易い電極１３の近傍、例えば電極１３から２mm離れた位置とした。この照射位置は、パーティクルが集まり易いシースバルク境界付近である。
【００３１】
まず、チャンバ１１内でのパーティクルの発生とその条件について説明する。第一の電極１３の下面にはパーティクル発生源としてテフロン板Ｗを取り付けた。
そして、ガス導入口２１からはアルゴン（Ar）ガスをチャンバ１１内に導入するとともに、チャンバ１１内の圧力を２００mTorr とした。また、高周波電源１８の周波数１３．５６MHz のパワーを、ＡＭ変調器１５によって８００Hzでパルス変調し且つ増幅器１６によって電圧振幅を１２０Ｖに増幅し、その変調増幅した交流電圧を第一の電極１３に印加した。その電圧の振幅は、電圧プローブ１９により測定した。
【００３２】
まず、マイクロ波を第一のアンテナ２３からプラズマ発生領域Ａを通して第二のアンテナ２４に向けて伝播させる。そして、第一及び第二の電極１３，１４の間に８００Hz、デューティー比５０でＡＭ変調した高周波電力を印加することによりプラズマ発生領域Ａ内にアルゴンプラズマを発生させると、プラズマ発生直後の状態では、図２(a) のようにテフロン板Ｗからのパーティクルがほとんど発生しない。このような状態での位相検出回路２７の出力が零となるように発振器２５の周波数を予め調整する。その調整は、図示しない位相器（不図示）によって行われる。
【００３３】
プラズマ発生開始から１００秒経過すると、図２（ｂ）に示すようにプラズマ発生領域Ａではテフロン板Ｗから放出されたクラスタ粒子が互いに静電的に凝集してサブミクロンオーダのパーティクルとなり、そのパーティクルは、図２（ｃ）に示すようにその重さによって落下する。したがって、パーティクルの発生を続けることによりはテフロン板Ｗは薄くなり、ついに消失してパーティクルが発生しなくなる。
【００３４】
以上のようにプラズマ発生開始前とパーティクル発生中のそれぞれの電子密度Ｎe がどのように異なるかを調べた。
その調査は、第一及び第二の電極１３，１４間に印加する高周波電力を図３のようにＡＭ変調して高レベルから低レベルに変化させた場合の電子密度Ｎe の変化を調べることによって行った。この場合の低レベルはパワーを零ワットに設定した。
【００３５】
そして、高周波電力の変化に伴う電子密度Ｎe の変化を位相検出回路２７を介して演算回路２８によって求め、これを電子密度表示器２９、即ちオシロスコープによって観察したところ、図４に示すような結果が得られた。図４では対数目盛りの縦軸は、電子密度の実測値を示している。
図４において破線で示すように、プラズマ発生領域Ａにパーティクルが存在しない場合には電子密度は電力の高レベル区間と低レベル区間では大きく変化し、低レベル区間では電力供給を停止すると電子密度が指数関数的に減少した。
【００３６】
これに対して、プラズマ発生領域Ａにパーティクルが存在する場合には、図４の実線で示すように、高レベル区間から低レベル区間に移行した場合の電子密度の変化は緩やかであり、しかも低レベル区間での電子密度の減衰率が小さくなった。
このようにパーティクルの数と電子密度には相関関係があるのは、パーティクルの大きさに応じてパーティクルの電荷蓄積が大きくなり数が多くなるからである。なお、パーティクルの有無は、パーティクルの存在しないことを示す図４の波線を基準値に使用して判断する。
【００３７】
次に、図１９(a),(b) で示すミー散乱法によるパーティクルの測定結果と、図４の実験結果を対応させて説明する。
ミー散乱法によりパーティクルの検出に使用するアルゴンイオンレーザ１の波長は４８８nmとし、パーティクルにより散乱される光は、レーザ光の進行方向に対して９０度方向に進んで図１９(b) の光検出器２により検出されるようにした。
【００３８】
ミー散乱によるＰ偏光強度とＳ偏光強度の経時的な変化は図５に示すようになった。図５において、ａ点は図２(a) の状態を示し、ｂ点は図２(b) の状態を示し、ｃ点は図２(c) の状態を示している。これによれば、テフロン板Ｗからのパーティクルの散乱光強度は、ある程度緩やかに増加してピークに達した後に、急峻に減衰している。
【００３９】
図４においてパーティクルを発生させない場合の電子密度は、ミー散乱法によるパーティクルの測定結果を示す図５の点ａに対応する。また、図４でのパーティクルが存在する場合の電子密度は、ミー散乱法によるパーティクルの測定結果を示す図５の点ｂに対応する。これらにより、パーティクルが存在する場合には、電子密度が小さくなることがわかる。
【００４０】
他方、ミー散乱理論によれば、Ｓ偏光の散乱光強度をＰ偏光の散乱光強度で割った値（Ｓ／Ｐ）を散乱光強度比として、パーティクルの粒子の直径と散乱強度比の相関関係が図６のようになることが確認されている。
したがって、図２(a) 〜(c) のようなパーティクルの発生過程におけるパーティクルの粒径を調べるために、ミー散乱法の測定結果を示す図５のＳ偏向とＰ偏向に基づいて散乱強度比を求めたところ、図７のようなデータが得られた。これにより、図５、図６及び図７に基づいて、図５の実験時のパーティクルの粒子径を知ることができる。
【００４１】
図５における９０秒から２４０秒の間の散乱光強度比を図７に当てはめ、その時間帯に現れたパーティクル粒子の直径を図６から求めると、２００〜３００nmとなっていることがわかった。また、図４の実線は図５の点ｂに相当することから、図５の１００秒から２２０秒の間で散乱光強度比が１．０から２．０にほぼ連続的に変化していることから、その間にパーティクルの大きさが約２００nmから約３００nmへと増加していることがわかる。即ち、１００秒〜２２０秒の間で電子密度の曲線は図４の波線から実線の間に移動する。
【００４２】
なお、図７の点ｂは、図５の点ｂに対応している。
上述した図４では、チャンバ１１内でパーティクルを発生させた場合と発生させない場合とを比べ、図３に示すＡＭ変調された高周波電力の低レベル区間での電子密度曲線の減衰率、即ち立ち下がり時間の相違について説明した。
次に、本発明者らは、ＡＭ変調された高周波電力の高レベル区間での電子密度曲線の立ち上がり時間の相違にも着目し、チャンバ１１内でパーティクルを発生させた場合と発生させない場合のそれぞれの電子密度曲線の立ち上がり時間の相違について調べた。
【００４３】
パーティクルが存在する場合と存在しない場合のそれぞれの電子密度の波形を図８に示すように規格化して波高値を同じにした。
図８の電子密度曲線を得るためにパーティクル発生に使用したガスはアルゴンであり、そのガス圧力を３００ mTorrとし、また、ＡＭ変調器１５による変調周波数を１kHz とし、高周波電力のオン時間を０．５ｍｓ、オフ時間を０．５ｍｓとした。また、パーティクルが発生した場合の電子密度の最大値は１×１０9atoms／cm3 であった。
【００４４】
図８によれば、パーティクルが存在しない場合の立ち上がり時間は２６０μｓとなる一方で、直径２００nm程度のパーティクルが存在した場合の立ち上がり時間は２００μｓとなった。即ち、パーティクルが存在しない場合よりも存在する場合の方が電子密度曲線の立ち上がり時間が短くなった。
これは、パーティクルが発生すると、両極性拡散が小さくなるために電子の消滅レートが下がるからである。電子密度の立ち上がり時間は電子の生成レートと電子損失レートで決まるが、電子損失レートが低下すれば電子の立ち上がり時間は短くなる。
【００４５】
他方、規格化された電子密度曲線の立ち下がり時間をみると、パーティクルが存在する場合の立ち下がり時間は２７５μｓとなり、パーティクルが存在しない場合には１２５μｓと短くなり、立ち下がり時間の相違は図４と同じようになっている。
ここで、立ち上がり時間が長いことは電子密度の増加率が小さく、短いことは電子密度の増加率が大きいことを意味する。また、立ち下がり時間が長いことは電子密度の減少率が小さく、短いことは電子密度の減少率が大きいことを意味する。
【００４６】
以上は、ＡＭ変調された高周波電力のオン，オフ１周期分の電子密度の変化について述べたが、ＡＭ変調は図３に示すようなものに限るものではない。
例えば、図９(a) に示すように、高周波電源からのパワーを一時的に高くして図９(b) に示すようにパーティクル発生領域Ａでの電子密度の波形を得て、その波形の立ち上がり又は立ち下がりの時間を調べてパーティクルの有無や大きさを測定してもよい。
【００４７】
また、図１０(a) に示すように、高周波電源からのパワーを一時的に低くして図１０(b) に示すようにパーティクル発生領域Ａでの電子密度の波形を得て、その波形の立ち下がり又は立ち上がりの時間を調べてパーティクルの有無や大きさを測定してもよい。
さらに、図１１(a) の左側に示すように、高周波電力の印加開始の際に図１１(b) の左側に示すようにパーティクル発生領域Ａでの電子密度の波形を得て、その波形の立ち上がりの時間を調べてパーティクルの有無や大きさを測定してもよい。或いは、図１１(a) の右側に示すように、高周波電力の印加停止の際に図１１(b) の右側に示すようにパーティクル発生領域Ａでの電子密度の波形を得て、その波形の立ち下がりの時間を調べてパーティクルの有無や大きさを測定してもよい。
【００４８】
なお、図９(a) の高レベルを維持する時間と、図１０(a) の低レベルを維持する時間は、プラズマ処理装置の大きさ、高周波電力の大きさにもよるが、それぞれ少なくとも１マイクロ秒（μｓ）にすることが好ましい。これは、１μｓよりも小さいと電子密度の相違を検出することが難しくなるからである。なお、その時間の上限は、数ミリ秒（ｍｓ）あればよい。
【００４９】
上記した例は、プラズマ発生装置の構成を示した。その他の例として、プラズマエッチング装置のチャンバ内又はプラズマＣＶＤ装置のチャンバ内に図１に示すアンテナ、マイクロ波干渉系回路を取り付けて、そのチャンバ内のパーティクル数量を測定してもよい。
プラズマエッチング装置としてＩＥＭ型を使用する場合には、例えば図１２に示すように、チャンバ４１内で半導体ウェハ４２に対向する上部電極４３に高周波電源１８、ＡＭ変調器１５、電圧プローブ１９を取り付け、さらにチャンバ４１の両側の石英製窓４４の外側に一対のアンテナ２３，２４を配置し、さらに一対のアンテナ２３，２４に図１に示す電子密度算出回路３０を接続し、その電子密度算出回路３０に電子密度表示器２９を接続する構造を採用する。
【００５０】
これにより、半導体ウェハ４２上の膜４２ａをエッチングしながらパーティクルの測定が行えることになる。エッチングの最中に電子密度測定のために高周波電力の供給を停止することが好ましくない場合には、図９(a) 、図１０(a) 、図１１(a) に示すように高周波電源１８から供給されるパワーの値を一時的に変化させ、これにより図４又は図８のような波形を得てパーティクルの存在を判断したり、その大きさや量を判断することが可能になる。
【００５１】
なお、図１２中符号４５は、半導体ウェハ４２の載置台の機能を有する下部電極であり、この下部電極４５には数百キロヘルツの高周波バイアス電力が供給される。符号４６はガス導入口、４７はガス排出口を示している。
また、プラズマＣＶＤ装置についても、例えば図１３に示すように、チャンバ５１内で半導体ウェハ５２に対向するガスシャワー兼上部電極５３に増幅器１６、ＡＭ変調器１５を介して高周波電源１８を接続し、ガスシャワー兼上部電極５３に電圧プローブ１９を取り付け、チャンバ５１の側壁に形成した石英製窓５４の外側に一対のアンテナ２３，２４を配置し、さらに、一対のアンテナ２３，２４に図１に示す電子密度算出回路３０を接続し、その電子密度算出回路３０に電子密度表示器２９を接続する構造を採用する。
【００５２】
これにより、半導体ウェハ５２上に絶縁体、導電体又は半導体よりなる膜５２ａを成長しながら、パーティクルの有無を検出したり、パーティクル量などを検出することが可能になる。
図１３中、符号５５は半導体ウェハ５２の載置台としての機能を有する下部電極、５３ａはガス導入管、５６はガス排気口を示している。
【００５３】
なお、プラズマ処理装置は、一つに電極に高周波電力を供給して発生される構造だけでなく、プラズマ発生領域の周囲にその領域を囲むアンテナ又は導電コイルを配置し、そのアンテナ又は導電コイルに高周波電力を供給する構造や、或いは外部からプラズマ発生領域にマイクロ波を導入する構造のものなどがあり、そのような構造のプラズマ処理装置にも本実施形態のパーティクル測定装置を取り付けてもよい。
【００５４】
ところで、既に述べたように、チャンバ１１，４１，５１内のパーティクル量については、電子密度の測定に基づいてパーティクルの有無又は量を測定している。そのパーティクル検出結果は、チャンバ保守サイクルにおいて、チャンバをクリーニングするタイミングを知るためのデータとして用いる。
例えば、図４の実線で示した電子密度の減衰率は、パーティクルの量によって変化する。例えば、エッチング装置又は成膜装置において、半導体ウェハの処理枚数が増える毎にチャンバ内の汚染程度が図１４に示すように変化する。即ち、チャンバ１１，４１，５１内では半導体ウェハの処理枚数が増えるにつれて、即ちプラズマ処理の繰り返し回数が増えるにつれて図４の実線で示す電子密度の減衰率が減少することになる。図１４は、縦軸が電子密度の減衰率を示し、横軸がプラズマ処理の繰り返し回数を示している。
【００５５】
一方、プラズマ処理後の半導体ウェハ上のパーティクルの個数とプラズマ処理の繰り返し回数との関係は図１５に示す関係があり、ある回数を越えたところで急激に増加する傾向にある。したがって、図１４、図１５によれば、半導体ウェハ上に付着したパーティクルの個数の増加は電子密度の減衰率の変化に遅れて現れ且つ急激に増加する傾向となる。
【００５６】
図１５の破線をウェハのパーティクル汚染許容レベルとすると、電子密度の減衰率の変化はパーティクルの汚染許容レベルを越えるプラズマ回数よりも先行することがわかる。これは、上述したプラズマ処理方法が、ウェハ表面検査装置に比べてはるかに小さい粒子径を検出する能力を有するからである。
したがって、電子密度の減衰率の経時変化をモニタすることにより、半導体ウェハがパーティクルにより汚染される前にチャンバを洗浄するなどの処理を施して深刻な汚染を未然に防ぐことが可能になり、しかも、的確なチャンバ１１，４１，５１の汚染のタイミングを知ることができる。
【００５７】
そのタイミングは図１に示すチャンバ汚染表示器（パーティクル量判別器）２９ｂによって検出する。即ち、プラズマ処理毎に、図４の実線に示す電子密度波形のピーク値ｐのデータを電子密度分析器２９ａからチャンバ汚染表示器２９ｂに出力し、そのピーク値ｐの経時的な減衰率をチャンバ汚染表示器２９ｂ内で演算し、その減衰率が所定の大きさになった時点でチャンバ汚染がある段階まで進んだと判断する。
【００５８】
チャンバを洗浄する方法としては、チャンバ１１、４１、５１を成膜装置又はエッチング装置から取り外す方法、或いは、チャンバ１１、４１、５１を成膜装置又はエッチング装置に取付けた状態でチャンバ１１、４１、５１内にクリーニング用のガスを流す方法などがある。
電子密度の変化によってパーティクルを検出する方法及び装置は上記した構造に限るものではない。
【００５９】
例えば、図１６に示すように、絶縁膜６２に覆われた針状の微小電極６１をチャンバ１１，４１，５１の側壁に取付け、その微小電極６１の先端をプラズマ発生領域Ａ内又はその近傍に位置させる構造を採用する。例えば針状の微小電極６１はアルミニウムから構成され、それを覆う絶縁膜６２はアルミナから構成される。また、針状の微小電極６１の直径を例えば数百μｍとする。
【００６０】
その微小電極６１にはパルス電源６３が接続されている。また、パルス電源６３と微小電極６１に流れる電流は電流計６４によって測定され、電流計６４に流れた電流の時間当たりの変化率は電流変化率演算手段６５により求められる。さらに、電流変化演算手段６５の演算に基づいてパーティクル量判定手段６６は、電流の変化の時間に基づいてパーティクルの有無、量の判断をする。
【００６１】
パルス電源６３から出力されるパルスは、図１７に示すように、チャンバ１１，４１，５１内の一対の電極１３，４３，５４、１４，４２，５２間に印加するＡＭ変調された高周波電力がが零になった時から時間ｔ1 、例えば１５０μｓを経過した後に微小電極６１に印加される。例えば、図１８に示すように、１個の矩形波電圧パルスを微小電極６１に印加したところ、パーティクルの有無によって電流応答に違いが生じた。
【００６２】
即ち、微小電極に矩形パルスを印加すると、立ち下がりの際には、まず、微小電極６１には短い時間で変位電流が流れた後に、伝導電流が流れる。パーティクルが存在すると、電流の立ち下がり時間は長くなる。しかも、パーティクルが存在すると、電流密度は小さくなって電流の減衰時間は長くなる。
なお、図１７に示す矩形波電圧パルスの波高値は５Ｖ、時間幅ｔ0 は１００μ秒である。
【００６３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、プラズマ領域での電子密度の大小、増加率又は減衰率によってプラズマ中のパーティクルの大きさ、量を検出するようにしたので、外部からのマイクロ波照射などによって高感度でパーティクル数をリアルタイムに検出することができる。
【００６４】
マイクロ波照射によって電子密度を検出する場合には、プラズマ領域でのマイクロ波の位相のずれを測定し、その測定値に基づく計算により電子密度を簡単に求めることができるので、プラズマ処理装置に配置する大きな機器としてはマイクロ波を送信、受信するための１組のアンテナが必要となるだけなので、既存設備に容易に取付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態を示すパーティクル検出装置の構成図である。
【図２】図２(a) 〜(c) は、本発明の一実施形態を説明するための実験に用いたパーティクル発生状態を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態における高周波電力のＡＭ変調の一例を示す波形図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態におけるパーティクルの有無による電子密度の経時変化を高周波電力のオン、オフの１周期で示した波形図である。
【図５】図５は、従来のミー散乱によるパーティクル検出法を用いた場合の実験による散乱光強度の経時的な変化を示す図である。
【図６】図６は、従来のミー散乱法によるパーティクル粒径と散乱強度比との関係を示す図である。
【図７】図７は、従来のミー散乱法による時間と散乱光強度比の関係を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態におけるパーティクルの有無による電子密度の経時変化を高周波電力のオン、オフの１周期で規格化して示した波形図である。
【図９】図９(a) は、本発明の一実施形態においてパーティクル検出時に高周波電力の大きさを高くすることを示す波形図、図９(b) は、図９(a) の高周波電力の変化に応じた電子密度の変化を示す波形図である。
【図１０】図１０(a) は、本発明の一実施形態においてパーティクル検出時に高周波電力の大きさを低くすることを示す波形図、図１０(b) は、図１０(a) の高周波電力の変化に応じた電子密度の変化を示す波形図である。
【図１１】図１１(a) は、本発明の一実施形態においてプラズマ発生のための高周波電力のオン、オフを示す波形図、図１１(b) は、図１１(a) の高周波電力の変化に応じた電子密度の変化を示す波形図である。
【図１２】図１２は、本発明のパーティクル検出機構を備えたプラズマエッチング装置の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明のパーティクル検出機構を備えたプラズマＣＶＤ装置の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、プラズマ処理を繰り返す回数に対する電子密度の減衰率の変化を示す図である。
【図１５】図１５は、プラズマ処理を繰り返す回数に対するウェハ付着パーティクル個数の変化を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明のプラズマ処理装置において、微小電極を用いた電子密度の変化を調べる機構の腰部である。
【図１７】図１７は、図１６に示す微小電極に印加するパルス電圧の波形とプラズマ発生用高周波電力を変調した波形の関係を示す波形図である。
【図１８】図１８は、図１６に示す微小電極に印加するパルス電圧の波形と微小電極に流れる電流の変化を示す波形図である。
【図１９】図１９(a),(b) は、従来のミー散乱によるパーティクル検出法を示す構成図である。
【符号の説明】
１０…プラズマ処理装置、１１…プラズマ発生領域、１２…石英板、１３…第一の電圧、１４…第二の電極、１５…変調器、１６…増幅器、１７…コンデンサ、１８…高周波電源（ＲＦ）、１９…電圧プローブ、２０…窓、２１…ガス導入口、２２…排気口、２３…第一のアンテナ、２４…第二のアンテナ、２５…発振器、２６…分配器、２７…位相検出回路、２８…演算回路、２９…電子密度表示器、２９ａ…電子密度分析器、２９ｂ…チャンバ汚染表示器（パーティクル量判別器）、３０…電子密度算出回路、６１…微小電極、６２…絶縁物、６３…パルス電源、６４…電流計、６５…電流変化率演算手段、６６…パーティクル量判定手段。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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