(57)【要約】【課題】簡易な構成であるとともに、プラズマ処理装置の状態を包括的に監視可能なプラズマ処理装置の状態監視方法及びプラズマ処理装置の状態監視構造を提供する。【解決手段】本発明を適用したプラズマ処理装置の状態監視構造の一例である状態監視構造１は、ＲＦ電源２と、方向性結合器３と、発振測定手段４と、自動整合回路５と、プロセスチャンバー６を有している。プラズマ処理装置は、プラズマ処理室としてのプロセスチャンバー６を有している。プロセスチャンバー６の内部でプラズマを形成し、チャンバー内に配置された半導体ウェハにエッチング処理を行う。【選択図】図１
2016197495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電源と自動整合回路とプロセスチャンバーとを有するプラズマ処理装置の、前記ソース電源及び前記自動整合回路の間の領域から前記プロセスチャンバーに向けて周波数掃引用信号を発振する発振工程と、
前記プロセスチャンバーの内部で反射され、同プロセスチャンバーの外部へ伝達される前記周波数掃引用信号の反射波を前記ソース電源及び前記自動整合回路の間の領域で受信する反射波受信工程と、
該反射波受信工程で受信した前記反射波の共振周波数特性の変化に応じた高周波解析を行う解析工程とを備える
プラズマ処理装置の状態監視方法。
【請求項２】
前記発振工程は前記周波数掃引用信号を前記ソース電源から出力される高周波に重畳させる
請求項１に記載のプラズマ処理装置の状態監視方法。
【請求項３】
前記周波数掃引用信号の出力は前記ソース電源から出力される高周波出力の１％以下である
請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置の状態監視方法。
【請求項４】
前記発振工程は前記ソース電源からの出力が無い際に前記周波数掃引用信号を発振する
請求項１、請求項２または請求項３に記載のプラズマ処理装置の状態監視方法。
【請求項５】
ソース電源と、自動整合回路と、プロセスチャンバーとを有するプラズマ処理装置と、
前記ソース電源及び前記自動整合回路を繋ぐケーブルに挿入され、同ソース電源から前記プロセスチャンバーに出力される高周波に周波数掃引用信号を重畳可能であると共に、前記プロセスチャンバー内で反射され、同プロセスチャンバーの外部へ伝達される前記周波数掃引用信号の反射波を取り出し可能な信号重畳手段と、
該信号重畳手段に連結され、同信号重畳手段に向けて周波数掃引用信号を発振可能であると共に、前記信号重畳手段が取り出した前記反射波を受信し、該反射波の共振周波数特性の変化に応じた高周波解析が可能な発振測定手段とを備える
プラズマ処理装置の状態監視構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ処理装置の状態監視方法及びプラズマ処理装置の状態監視構造に関する。詳しくは、簡易な構成であるとともに、プラズマ処理装置の状態を包括的に監視可能なプラズマ処理装置の状態監視方法及びプラズマ処理装置の状態監視構造に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
反応性プラズマを用いて加工や表面処理を行うプラズマ処理装置が広く利用されている。特に半導体製造分野では、スパッタリング工程や、ドライエッチング工程等で利用され、製品の品質を決定づける重要な処理装置となっている。
【０００３】
また、近年では、半導体製品の市場拡大及び適用製品の多様化に伴い、より微細化した半導体を高歩留まりで製造することが強く要求される。プラズマ処理装置を安定して稼働させるためには、保守作業や装置の異常検出技術が重要となる。
【０００４】
ここで、プラズマ処理装置の歩留まりや製造処理能力に影響を及ぼす装置状態の変化が幾つか存在する。例えば、処理工程において発生したパーティクルと呼ばれる微粒子は、半導体ウェハの汚染物質となり、歩留まりを大きく下げる原因となる。
【０００５】
特に、プロセスチャンバー壁面上での汚染物質の形成が問題となる。プロセスチャンバー内壁表面に付着して堆積した膜が剥離してパーティクルが発生し、製造過程の半導体ウェハ上に付着し、歩留まりを大きく下げる場合がある。
【０００６】
一般的な製造現場では、プロセスチャンバーを一定期間ごとに洗浄することで対応を行っている。しかしながら、洗浄作業はプラズマ処理装置を止めた状態で行う必要があり、洗浄作業に手間を要するだけでなく、装置の稼働率を下げる要因となる。
【０００７】
また、プロセスチャンバー内壁表面に形成される汚染物質の堆積膜の形成速度は予測しうるものではなく、内部の洗浄時期を決定することが困難であった。
【０００８】
こうしたなか、高周波を利用してプラズマ処理装置の装置状態の判定を試みたプラズマ処理装置が存在し、例えば、特許文献１に記載のプラズマ処理装置が提案されている。
【０００９】
ここで、特許文献１には、図４に記載のプラズマ処理装置１００が記載されている。プラズマ処理装置１００は、プラズマ処理室としてのエッチングチャンバー１０１と、石英板１０２と、シャワープレート１０３と、電磁石１０４と、ガス導入手段１０５とを備えている。
【００１０】
また、プラズマ処理装置１００は、プラズマ分布とプラズマ面内の密度、部品消耗を検知する手段として、高周波解析手段１０６と、真空容器の内外に設置された高周波受信部（符号Ａ１〜Ａ１１）を有している。
【００１１】
また、プラズマ処理装置１００は、プローブ用電源であるプローブ高周波発振手段１０７を有する。プローブ高周波は、プラズマ生成用の電源系統であるＵＨＦ整合器１０８側からアンテナ１０９を通してチャンバー内に放射され、複数の高周波受信部の位置での反射係数、透過係数、インピーダンスを計測する。
【００１２】
プラズマ処理装置１００では、反射吸収ピークや透過ピークの周波数の時間変化を調べることで、発振装置と受信部で挟まれる経路に存在するプラズマの平均密度の変動、装置部品の消耗を検知する。共振周波数からプラズマ密度や部品消耗の算出は、高周波解析手段１０６または制御ＰＣにて実施する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−１４５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ここで、特許文献１に記載のプラズマ処理装置における、ＵＨＦ整合器へのプローブ高周波発生手段の接続や、チャンバー内部への高周波受信部の配置は、既存の量産装置の構造からみて改造を必要とするものである。即ち、既存装置への導入が容易でないものとなっている。
【００１５】
また、チャンバー内部に配置する測定用部品には、耐プラズマ性、耐熱性等の環境耐性が付与される必要があり、装置が複雑化するだけでなく、装置が高価格化する要因となる。
【００１６】
更に、高周波受信部を装置内部や周辺の様々な位置に設置するため、測定用の経路切り替えを要する構造となる。また、測定も多点測定となり、装置の監視対象となる部品が限定されるものとなってしまう。
【００１７】
本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、簡易な構成であるとともに、プラズマ処理装置の状態を包括的に監視可能なプラズマ処理装置の状態監視方法及びプラズマ処理装置の状態監視構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置の状態監視方法は、ソース電源と自動整合回路とプロセスチャンバーとを有するプラズマ処理装置の、前記ソース電源及び前記自動整合回路の間の領域から前記プロセスチャンバーに向けて周波数掃引用信号を発振する発振工程と、前記プロセスチャンバーの内部で反射され、同プロセスチャンバーの外部へ伝達される前記周波数掃引用信号の反射波を前記ソース電源及び前記自動整合回路の間の領域で受信する反射波受信工程と、該反射波受信工程で受信した前記反射波の共振周波数特性の変化に応じた高周波解析を行う解析工程とを備える。
【００１９】
ここで、プロセスチャンバーに向けて周波数掃引用信号を発振する発振工程によって、プロセスチャンバーの内部の部品の状態を反映した反射波スペクトルを得るための信号を発振することができる。また、周波数掃引用信号を用いることで、所定の範囲の周波数に基づく情報を得られるものとなる。
【００２０】
また、ソース電源と自動整合回路とプロセスチャンバーとを有するプラズマ処理装置のソース電源及び自動整合回路の間の領域からプロセスチャンバーに向けて周波数掃引用信号を発振する発振工程と、プロセスチャンバーの内部で反射され、プロセスチャンバーの外部へ伝達される周波数掃引用信号の反射波をソース電源及び自動整合回路の間の領域で受信する反射波受信工程によって、プロセスチャンバーの構造を改造することなく、周波数用信号を発振及び受信することができる。即ち、例えば、ソース電源及び自動整合回路の間をつなぐ同軸ケーブルに方向性結合器を挿入し、反射波の測定装置と接続する簡易な構造で信号の送受信が可能な構成とすることができる。
【００２１】
また、反射波受信工程で受信した反射波の共振周波数特性の変化に応じた高周波解析を行う解析工程によって、プロセスチャンバーの内部の部品の状態を確認することができる。即ち、内部の部品への膜堆積等に伴う固有の共振周波数のずれを反射波の解析により検知し、損耗や汚染等の装置の状態異常として捉えることができる。
【００２２】
また、発振工程で周波数掃引用信号をソース電源から出力される高周波に重畳させる場合には、プラズマ処理装置が稼働中であっても状態監視を行うことが可能となる。即ち、プラズマ処理装置のソース電源からの電力伝送ラインに信号を重畳させて、反射波を受信することができる。
【００２３】
また、周波数掃引用信号の出力がソース電源から出力される高周波出力の１％以下である場合には、信号を重畳させた際にプラズマプロセスが変動しにくいものとなり、より一層、プラズマ処理装置の稼働中の状態監視を行いやすいものとなる。
【００２４】
また、発振工程でソース電源からの出力が無い際に周波数掃引用信号を発振する場合には、経時的な状態監視を行うことができる。また、複数回のプロセス処理の、どのタイミングで装置異常が生じたかを容易に確認できるものとなる。
【００２５】
また、上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置の状態監視構造は、ソース電源と、自動整合回路と、プロセスチャンバーとを有するプラズマ処理装置と、前記ソース電源及び前記自動整合回路を繋ぐケーブルに挿入され、同ソース電源から前記プロセスチャンバーに出力される高周波に周波数掃引用信号を重畳可能であると共に、前記プロセスチャンバー内で反射され、同プロセスチャンバーの外部へ伝達される前記周波数掃引用信号の反射波を取り出し可能な信号重畳手段と、該信号重畳手段に連結され、同信号重畳手段に向けて周波数掃引用信号を発振可能であると共に、前記信号重畳手段が取り出した前記反射波を受信し、該反射波の共振周波数特性の変化に応じた高周波解析が可能な発振測定手段とを備える。
【００２６】
ここで、信号重畳手段に連結され、信号重畳手段に向けて周波数掃引用信号を発振可能である発振測定手段によって、プロセスチャンバーの内部の部品の状態を反映した反射波スペクトルを得るための信号を発振することができる。また、周波数掃引用信号を用いることで、所定の範囲の周波数に基づく情報を得られるものとなる。
【００２７】
また、ソース電源からプロセスチャンバーに出力される高周波に周波数掃引用信号を重畳可能であると共に、プロセスチャンバー内で反射され、プロセスチャンバーの外部へ伝達される周波数掃引用信号の反射波を取り出し可能な信号重畳手段と、信号重畳手段に連結され、信号重畳手段に向けて周波数掃引用信号を発振可能であると共に、信号重畳手段が取り出した前記反射波を受信し、反射波の共振周波数特性の変化に応じた高周波解析が可能な発振測定手段によって、プロセスチャンバーの構造を改造することなく、周波数用信号を発振及び受信することができる。即ち、簡易な構造で信号の送受信が可能な構成とすることができる。
【００２８】
また、ソース電源及び自動整合回路を繋ぐケーブルに挿入され、ソース電源からプロセスチャンバーに出力される高周波に周波数掃引用信号を重畳可能であると共に、プロセスチャンバー内で反射され、プロセスチャンバーの外部へ伝達される周波数掃引用信号の反射波を取り出し可能な信号重畳手段によって、プラズマ処理装置が稼働中であっても状態監視を行うことが可能となる。即ち、プラズマ処理装置のソース電源からの電力伝送ラインに信号を重畳させて、反射波を取り出すことが可能となる。
【００２９】
また、信号重畳手段が取り出した反射波を受信し、反射波の共振周波数特性の変化に応じた高周波解析が可能な発振測定手段によって、プロセスチャンバーの内部の部品の状態を確認することができる。即ち、内部の部品への膜堆積等に伴う固有の共振周波数のずれを反射波の解析により検知し、損耗や汚染等の装置の状態異常として捉えることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係るプラズマ処理装置の状態監視方法は、簡易な構成であるとともに、プラズマ処理装置の状態を包括的に監視可能な方法となっている。
また、本発明に係るプラズマ処理装置の状態監視構造は、簡易な構成であるとともに、プラズマ処理装置の状態を包括的に監視可能なものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明を適用したプラズマ処理装置の状態監視構造の一例を示す概略図である。
【図２】実施例におけるプラズマ処理装置の状態監視構造の一例を示す概略図である。
【図３】実施例における検出結果の一例を示すスペクトルである。
【図４】従来のプラズマ処理装置の状態監視構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１は、本発明を適用したプラズマ処理装置の状態監視構造の一例を示す概略図である。なお、以下に示す構造は本発明の一例であり、本発明の内容はこれに限定されるものではない。
【００３３】
図１に示す本発明を適用したプラズマ処理装置の状態監視構造の一例である状態監視構造１は、ＲＦ電源２と、方向性結合器３と、発振測定手段４と、自動整合回路５と、プロセスチャンバー６を有している。発振測定手段４としては、発振機能を有するスペクトラムアナライザまたはネットワークアナライザ等の手段が使用できる。
【００３４】
図１に示すプラズマ処理装置は、プラズマ処理室としてのプロセスチャンバー６を有している。プロセスチャンバー６の内部でプラズマを形成し、チャンバー内に配置された半導体ウェハにエッチング処理を行う。
【００３５】
ＲＦ電源２はプロセスチャンバー６内の電極に高周波電力を印加するための電源である。自動整合回路５は、ＲＦ電源２とプロセスチャンバー６の間のインピーダンスを整合し、高周波電力を効率よくプロセスチャンバー６に伝達させるものである。
【００３６】
ＲＦ電源２、自動整合回路５及びプロセスチャンバー６は、特に限定されるものではなく、既存のプラズマ処理装置を構成するものであってよい。
【００３７】
方向性結合器３は、ＲＦ電源２から伝送される電力ラインに対して、発振測定手段４から発振される高周波掃引信号を重畳させる機能を有している。また、プロセスチャンバー６内で反射された反射波の信号を電力伝送ライン上から取り出して発振測定手段４に送信する。なお、図１中の符号Ｘで示す矢印は、重畳される高周波掃引信号の向きを示し、符号Ｙは、反射波の向きを示している。
【００３８】
方向性結合器３は、ＲＦ電源２と自動整合回路５を繋ぐ同軸ケーブルに挿入して配置されている。この同軸ケーブルへの方向性結合器３の挿入は、既存のプラズマ処理装置の構造に対する装置構成の改造が不要であり、既存の構造にそのまま採用することが可能である。
【００３９】
発振測定手段４は高周波掃引信号を発振し、発振された信号は方向性結合器３を介してＲＦ電源２からの電力ラインに重畳される。ここで発振される高周波掃引信号の出力は、ＲＦ電源２から伝送される電力の出力に対して、−２０ｄＢ以下の出力となっている。
【００４０】
また、発振測定手段４は、高周波掃引信号がプロセスチャンバー６の内部で反射された反射波を、方向性結合器３を介して受信する。
【００４１】
発振測定手段４は反射波特性を測定する機能を有している。反射波測定では、周波数ごとの振幅レベル（電力）を測定することが可能である。
【００４２】
続いて、プラズマ処理装置の状態監視構造１における状態監視の検出原理について説明する。
【００４３】
プロセスチャンバー６の負荷インピーダンスＺＬでは、ＺＬの虚数部分のインダクタ成分Ｌとキャパシタ成分Ｃ（静電容量）から、下記（１）式で示される共振周波数（ω）で発振高周波が吸収される。プロセスチャンバー６内の装置部品の共振周波数で反射係数は小さくなる。なお、反射係数は、下記（２）式で記述できる。Ｚ０は回路の特性インピーダンスである。
【００４４】
【数１】
2016197495.tif 000003
【００４５】
【数２】
2016197495.tif 000004
【００４６】
以上の原理により、反射吸収ピークの周波数の時間変化を調べることで、プロセスチャンバー内６の装置部品の損耗や汚染を検知することができる。なお、本発明の構成では、プロセスチャンバー内の装置部品だけでなく、自動整合回路５の構成部品の異常も検出することができる。
【００４７】
例えば、装置部品の損耗が生じた際には、上記（１）式において、静電容量が増加するため、それに伴い共振周波数が低下する。また、装置部品の汚染時には、上記（１）式において、静電容量が減少するため、それに伴い共振周波数が大きくなる。これらの共振周波数の変化は、発振測定手段４にて解析され、共振周波数のスペクトルの特性の変化として検出される。
【００４８】
発振測定手段４では、横軸が周波数（Ｈｚ）、縦軸が電力（ｄｂ）のスペクトルとして表示することが可能である。部品が高周波掃引信号を受信し、その部品の種類固有の共振周波数帯で発振周波数が吸収されるため、チャンバー外へ伝搬する反射波の強度が低下する。この変化によりチャンバー内の検知対象部品の損耗や汚染を検出できるものとなっている。
【００４９】
また、周波数のずれとして損耗や汚染が検出しづらい場合には、反射係数、即ち、反射波のスペクトル強度値で検出を行うことができる。この場合、結果を数値で判定可能となり、厳密な判定を行うことが可能となる。なお、測定機器において、透過率を可能な構成として、透過率を用いた異常検出を行う構成とすることも可能である。
【００５０】
以上のように、本発明のプラズマ処理装置の状態監視方法は、簡易な構成であるとともに、プラズマ処理装置の状態を包括的に監視可能なものとなっている。
また、本発明のプラズマ処理装置の状態監視装置は、簡易な構成であるとともに、プラズマ処理装置の状態を包括的に監視可能なものとなっている。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００５２】
（１）装置構成及び測定方法
実施例として、プロセスチャンバーの内壁材料への水分付着の検出を行った。実施例における装置の構成を図２に示す。
図２に示すように、プロセスチャンバー６は上部電極７、ウェハステージとなる下部電極８及びウェハ９を有している。上部電極７及び下部電極８の間に発生するプラズマを符号１０で模式的に示している。また、プロセスチャンバー６は、前述した自動整合回路５、方向性結合器３、発振測定手段４及びＲＦ電源２に連結されている。
【００５３】
プロセスチャンバー６の内壁１１には、エッチング処理に伴い反応生成物が付着し、内壁１１の上に膜を形成しながら堆積していく。堆積した反応生成物堆積膜１２はやがてパーティクル１３となって剥離してウェハ９上に落ち、ウェハ９を汚染してしまうものとなる。また、反応生成物の他、水蒸気等に起因する水分が、反応生成物と同様に内壁１１に付着すると、やはりウェハ９の汚染源となるパーティクルの発生源となる。
【００５４】
本実施例では、６回のプロセス処理を行い、各プロセス処理中に高周波掃引信号の反射波について、周波数１．２〜１．５ＧＨｚの周波数範囲の電力を測定し、図３に示すようにスペクトルデータを得た。また、３回目と４回目のプロセス処理の間で、意図的にプロセスチャンバー６の内壁１１に水分を付着させて測定を行った。なお、周波数１．２〜１．５ＧＨｚの周波数範囲は、プロセスチャンバー６の内壁１１を構成する内壁材料固有の共振周波数を含む周波数範囲となっている。測定する周波数範囲は、チャンバーの形状や構造で決定される共振周波数に併せて設定することができる。検出したい部分の周波数帯をあらかじめ把握しておくことで、装置構成に併せた検知が可能となる。
【００５５】
（３）検出結果
前述した流れで検出したスペクトルデータを図３に示す。図３の横軸は１．２〜１．５ＧＨｚの周波数、縦軸が周波数の電力量（ｄＢ）となっている。
図３に示すように、意図的に水分を内壁１１に付着させた４回目のプロセス処理時の測定結果である符号１４で示すスペクトルでは、その他の５回の測定結果のスペクトルと比較して、共振周波数のずれが生じた結果となった。この共振周波数のずれは内壁１１への水分の付着に起因するものであり、本実施例において、プロセスチャンバー６内の内壁１１における異常検出が可能であることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００５６】
１      プラズマ処理装置の状態監視構造
２      ＲＦ電源
３      方向性結合器
４      発振測定手段
５      自動整合回路
６      プロセスチャンバー
７      上部電極
８      下部電極
９      ウェハ
１０      プラズマ
１１      内壁
１２      反応生成物堆積膜
１３      パーティクル
１４      ４回目のプロセス処理時の測定結果
【図１】
2016197495.tif 000005
【図２】
2016197495.tif 000006
【図３】
2016197495.tif 000007
【図４】
2016197495.tif 000008