(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に設けた加工電極にＲＦ電力を供給して発生するプラズマを用いて基板を加工するプラズマ処理装置において、基板を加工する処理室内の水分の量を分析する質量分析計と、前記質量分析計のデータを解析して前記水分の量を演算する演算手段と、前記演算手段での解析結果に基づいて前記加工電極にＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源を制御する制御手段を備えるプラズマ処理装置であって、
前記制御手段は、前記処理室内の水分の量が所定のレベルを越えたときに前記演算手段からの出力により、当該処理室での基板の加工をするプラズマ発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を停止する機能を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
処理室内に設けた加工電極にＲＦ電力を供給して発生するプラズマを用いて基板を加工するプラズマ処理装置において、基板を加工する処理室内の水分の量を分析する質量分析計と、前記質量分析計のデータを解析して前記水分の量を演算する演算手段と、前記演算手段での解析結果に基づいて前記加工電極にＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源を制御する制御手段を備えるプラズマ処理装置であって
前記制御手段は、前記処理室内に基板が加工されないパワーでのプラズマに基板を晒した状態での当該処理室内に発生した水分の量が所定レベルよりも低下したときに前記演算手段からの出力により、前記基板の加工をするパワーのプラズマ発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を開始する機能と、前記基板の加工をするプラズマ処理状態での当該処理室内の水分の量が所定のレベルを越えたときに前記演算手段からの出力により、当該処理室での基板の加工をするプラズマ発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を停止する機能を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
処理室内に設けた加工電極にＲＦ電力を供給して発生するプラズマを用いて基板を加工するプラズマ処理装置において、基板を加工する処理室内の水分の量を分析する質量分析計と、前記質量分析計のデータを解析して前記水分の量を演算する演算手段と、前記演算手段での解析結果に基づいて前記加工電極にＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源を制御する制御手段を備えるプラズマ処理装置であって
前記制御手段は、前記処理室内に基板が加工されないパワーでのプラズマに基板を晒した状態での当該処理室内に発生した水分の量が所定レベルよりも低下したときに前記演算手段からの出力により、前記基板の加工をするパワーのプラズマ発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を開始する機能と、前記基板の加工をするプラズマ処理状態での当該処理室内の水分の量が所定のレベルを越えたときに前記演算手段からの出力により、当該処理室での基板の加工をするプラズマ発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を停止する機能と、停止状態での前記処理室内の水分の量が所定のレベルよりも低下したときに前記基板の加工するパワーのプラズマ発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を再開する機能を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
処理室内に設けた加工電極にＲＦ電力を供給して処理室内においてプラズマを発生し、当該プラズマにより基板を加工するプラズマ処理方法において、処理室内の水分の量を常時計測し、前記計測値が所定レベルを越えたときに前記処理室でのプラズマの発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を停止する制御を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマを用いて基板を加工するプラズマ処理装置に装着し、特にプラズマ処理装置内での異常放電による処理不良を防止したプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いて基板を処理する半導体装置製造としてのプラズマ処理装置として、半導体ウェハ等の基板上に薄膜を形成する気相成長装置やスパッタ装置、不要な薄膜を除くエッチング装置、不純物をドーピングするイオン注入装置などがある。この種のプラズマ処理装置は、真空処理室内に設置された上部電極と下部電極からなる一対の加工電極を備え、加工される基板を下部電極上に固定すると共に、真空処理室内を所要の圧力のプロセスガスで満たし、加工電極間に高周波電圧を印加してプロセスガスをプラズマ化して基板に対して加工を行う構成がとられている。
【０００３】
ところで、この種のプラズマ装置では異常放電が問題となることがある。例えば、基板と加工電極との間に放電が発生し、異常放電が起こった基板や電極の一部は溶融飛散して異物となって基板の表面に付着し、当該基板を汚染して基板上のパターンに欠陥を生じたり、異常放電が起こった部材が損傷を受け、プラズマリークなどが生じプロセス条件が変化する可能性がある。また、基板上で異常放電が起こると、基板に形成する回路の断線、絶縁不良が発生し、歩留まりが低下することにもなる。
【０００４】
このような異常放電の原因のひとつに、プラズマ放電をする雰囲気中に含まれる水分や、基板や処理室の内面に付着した水分が指摘されている。これらの水分を除去するために、特開昭６３−１４１３１９号公報に記載のドライエッチング装置は、真空容器内に挿入された基板を不活性ガスを介して加熱する方法を取っている。また、特開平５−１９８５１５号公報に記載の半導体処理装置では、特に異常放電については言及していないが、水分を除去するために、ウェット洗浄後、プロセス開始前の反応室を加熱処理して水分を除去している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水分の除去技術では、経験的に得られた加熱時間を制御して加熱処理しているのにすぎないため、水分除去の安定性や確実性、さらに再現性に問題がある。すなわち、処理室内での雰囲気中の水分や基板や処理室に付着した水分は、処理方法、処理環境、処理後の時間経過によって変動するため、一義的に制御、設定した加熱時間での加熱ではこれらの変動に対処することができないためである。
【０００６】
本発明の目的は、水分を安定かつ確実に、しかも再現性良く除去して、プラズマ処理装置における水分による異常放電を好適に防止することが可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、先ずプラズマ処理装置における異常放電の要因となる処理室内の水分量を実際に計測した。図５（ａ）は、基板処理の１サイクルについて、処理室内のガス量を質量分析計で計測したもので、図５（ｂ）は基板処理の１サイクルについて装置の稼動状態を示したものである。ここでは、プロセスガスとして、Ｏ2 （酸素）ガスとＳＦ6 （フッ化硫黄ガス）を処理室内に供給し、加工電極にＲＦ（高周波）電力を印加してプラズマを発生した場合のＯ2 ガスについて示している。なお、Ｈｅ（ヘリウム）ガスはウェハ冷却用ガス、Ｎ2 （窒素ガス）は配管内残留ガスである。図５（ｂ）から、プラズマを生成するＲＦパワーは、Ｈｅガスの導入と同時に投入され、ガスの停止と共に停止することがわかる。図５（ａ）では、Ｈｅが増加し始める時刻がプラズマ放電の開始時刻、反応ガスであるＯ2 が減少しはじめる時刻がプラズマ放電の停止時刻である。Ｈｅの減少とＯ2 の減少の時刻にずれがあるのは、Ｈｅの分子量が小さく排気が遅いためと考えられる。プラズマ放電中に水分量が急激に上昇するのは、プラズマにさらされた基板あるいは処理室の壁面が局所的に高温になり、付着していた水分が脱離するためである。
【０００８】
次に、基板を連続して処理した場合の処理室内の水分について計測した。図６（ａ）は処理室を水や酸、有機溶剤を用いてウェット洗浄した直後から、基板を処理しつづけた時の水分量変化である。処理数の増加とともに処理室内の水分量が下降する傾向が見られる。これは処理室の壁面に付着した水分が、プラズマ放電により脱離して排気されることを繰り返して、減少するためと考えられる。
【０００９】
一方、図６（ｂ）は、洗浄後に基板の処理を十分繰り返し、１８時間Ｎ2 ガスでパージした後に、基板を１６枚処理した時の処理室内の水分量変化である。図６（ａ）と異なり、水分量は処理数の増加とともに増加している。これは、処理室の壁面に付着した水分は十分低いレベルに除去されたので、主として基板から脱離する水分が観測されるようになったと考えられる。基板から脱離した水分が十分排気されないうちに、次の基板の処理で水分が脱離することを繰り返すため、処理室内に水分が蓄積すると予想される。つまり、ウェット洗浄直後の処理で処理室の壁面に付いた水分は除去されても、基板が処理室に持ち込む水分がパーティクルや異常放電を引き起こす可能性がある。また、装置の稼働率をよくするためには、連続処理で処理室雰囲気に蓄積された水分を最適なタイミングで除くこと、あるいは水分が蓄積しないようにすることが必要であることが判る。
【００１０】
そこで、本発明のプラズマ処理装置は、処理室内に設けた加工電極にＲＦ電力を供給して発生するプラズマにより基板を加工する処理室内の水分の量を分析する質量分析計と、この質量分析計のデータを解析して水分の量を演算する演算手段と、この演算手段での解析結果に基づいて加工電極にＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源を制御する制御手段を備える構成とする。
【００１１】
また、本発明の他のプラズマ処理装置は、処理室内の水分の量が所定のレベルを越えたときに演算手段からの出力により、当該処理室での基板の加工をするプラズマ発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を停止する機能を有する構成とする。
【００１２】
本発明のプラズマ処理方法は、処理室内に設けた加工電極にＲＦ電力を供給して処理室内においてプラズマを発生し、当該プラズマにより基板を加工するプラズマ処理方法において、基板を加工する前に処理室内に基板が加工されないパワーでのプラズマに基板を晒すとともに、処理室内に発生した水分の量を常時計測し、この計測値が所定レベルよりも低下した後に基板の加工のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を開始する制御を行うことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の他のプラズマ処理方法は、処理室内に設けた加工電極にＲＦ電力を供給して処理室内においてプラズマを発生し、当該プラズマにより基板を加工するプラズマ処理方法において、計測値が所定レベルを越えたときに処理室でのプラズマの発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を停止する制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、異常放電の発生と関連がある処理室内の水分量を質量分析計で監視し、水分量が所定値以下の時のみ加工電極にＲＦ電力を供給してプラズマによる加工を行うことで、プラズマ処理装置の処理室内での異常放電を防止することができる。また、処理室でのプラズマ処理に先立って基板をプラズマに晒すことで、基板中の水分を除去し、基板のプラズマによる加工に際して処理室内の水分量が増えることを防止し、処理室内での異常放電を防止することができる。さらに、水分量が所定レベルを越えたときに処理室でのプラズマの発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を停止する制御を行う。これにより、処理室内での異常放電の原因となる水分を安定にかつ確実にしかも再現性良く除去することができ、突発的におきる異常にも対処することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明によるプラズマ処理装置の第１の実施形態の概略構成図である。真空処理室１０内には上部電極２１と下部電極２２からなる一対の加工電極２０が配置されており、前記下部電極２２上には加工される基板Ｗを図外のサセプタにより前記下部電極２２上に固定する。また、前記上部電極２１には、プロセスガスを真空処理室内に導入するためのプロセスガス導入口１１が開口され、プロセスガスを加工電極２０間に供給するようになっている。さらに、前記真空処理室１０内を所定の圧力に真空吸引するための排気口１２が開口され、図外の真空ポンプ等に接続される。一方、前記下部電極２２には、前記基板Ｗを静電吸着するための電位を与えるための吸着用電源３１と、加工電極２０にＲＦ（高周波）電力を供給するためのＲＦ電源３２が接続されている。
【００１６】
さらに、前記真空処理室１０には、前記加工電極２０間に臨む位置にサンプリング口１３を開口し、このサンプリング口１３にはガスを分析する質量分析計４０を取り付ける。なお、前記サンプリング口１３はなるべく基板Ｗの近くが好ましい。また、前記質量分析計４０には演算機５０が接続されており、前記質量分析計４０で分析したデータを当該演算機５０で解析し、必要なシグナルをコントローラ６０へ出力する。前記演算機５０は水分量に相当するシグナル、すなわちＨ2 Ｏの質量数である質量数１８のシグナルの強さを監視することができるように予め設定しておく。例えば、シグナル強さについて、第１しきい値ＴＨ１と第２しきい値ＴＨ２を設定する。第１しきい値ＴＨ１は異常放電が問題となる頻度で発生するシグナル強度を割り当て、第２しきい値ＴＨ２は異常放電が発生し始める値を割り当てる。これらの値は、プラズマ処理装置の構成、動作条件によって変わるので、予め実験、シミュレーション等を行って計測した値に基づいて設定する。また、前記コントローラ６０は、前記吸着用電源３１やＲＦ電源３２を制御するとともに、前記プロセスガスの図には現れない供給系統や真空排気系統、さらには真空処理室１０の温度等にかかわる各種の制御を行うように構成されている。
【００１７】
以上の構成のプラズマ処理装置での処理方法について、図２のタイミング図を参照して説明する。先ず、予備処理として真空処理室内１０を清掃し、かつ清掃後に真空処理室１０内を真空引きする。そして、質量分析計４０及び演算機５０において水分を計測し、シグナルが第２しきい値ＴＨ２よりも低いことを確認した上で、基板Ｗに対する処理を開始する。すなわち、真空処理室１０内にプロセスガスを導入し、かつ所定の圧力に設定するとともに、基板Ｗを所定の温度に加熱し、さらに加工電極２０にＲＦ電力を印加する。これにより、真空処理室１０内においてプラズマが発生され、基板Ｗに対する処理が実行される。そして、このプラズマ処理の実行中においても質量分析計４０及び演算機５０による水分の計測を継続し、シグナルが第２しきい値ＴＨ２を超えしきい値１より小さい場合は、演算機５０から注意報を出力する。この注意報では特にコントローラ６０での制御が変化されることはない。
【００１８】
さらに、シグナルが第１しきい値ＴＨ１を超えた場合には、演算機５０から警報を出力する。この警報を受けて、コントローラ６０は各系を制御し、特にＲＦ電源３２によるＲＦ電力の印加を停止して真空処理室１０内でのプラズマの発生を停止することで実質的な基板Ｗの処理を停止する。その一方で真空処理室１０の真空引きを続けるるとともに、必要に応じて真空処理室１０内の温度を上げたり、乾燥したＮ2 やＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスをパージガスとして真空処理室１０内に少量ずつ流入させる。これにより、真空処理室１０内における水分排気効率が向上され、真空処理室１０内の水分が減少される。そして、演算機５０からのシグナルが第１しきい値ＴＨ１、好ましくは第２しきい値ＴＨ２よりも低減したときに、前述のようにプラズマ処理を再開する。この場合、再開に際しては作業者が確認した後、コントローラ６０を手動で再開させるようにしてもよい。
【００１９】
あるいは、異常放電の発生確率が許容範囲以上になる水分量を第１しきい値ＴＨ１として定め、第１しきい値ＴＨ１を超えた状態が別に定める設定時間よりも長くなった時に警報を発するようにしてもよい。この場合、パージおよび排気は、第１しきい値ＴＨ１よりも低く設定された異常放電の発生確率がほぼ「０」となる第２しきい値ＴＨ２に達するまで続けるようにする。
【００２０】
ここで、前記実施形態でのプラズマ処理において、真空処理室１０を清掃した後、基板Ｗをセットし、当該基板Ｗが加工されない、あるいは加工速度が十分に遅いＲＦパワー、例えば２００Ｗでプラズマ放電させ、水分のシグナルが第２しきい値ＴＨ２よりも低くなった時点で当該基板Ｗに対するプラズマ処理を開始するようにしてもよい。このように真空処理室１０内をプラズマに晒すことで、真空処理室１０の壁面や内部部品に付着した水分の脱離が促進され、プラズマ処理装置を加工可能な状態にするまでの時間が短縮できる。なお、この場合の基板にはダミー基板を用い、プラズマ処理を開始する直前に加工する基板に置き換えるようにしてもよい。また、基板が加工されない程度の低パワーでプラズマ放電するのは異常放電を防止するためである。
【００２１】
この第１の実施形態では、従来の真空処理室に質量分析機、演算機を付設し、コントローラのソフトウェア（プログラム）を一部変更することで対応できるため、既存設備の有効利用を図り、装置のコスト高を抑制することが可能である。また、処理に際してのプラズマ放電には、高価な半導体材料ガスを用いる必要はなく、乾燥したＮ2 やＡｒなどの不活性ガスや酸素を用いれば安価であり、真空処理室の壁面や内部部品の損傷も少なくなる。
【００２２】
図３は本発明の参照例としての第２の実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。この第２の実施形態では、基板Ｗが真空処理室１０内に持ち込む水分、すなわち基板Ｗに含まれる水分による真空処理室１０内の水分の増加を防止するようにしたものである。真空処理室１０の構造は第１の実施形態と同様であり、図１と同一符号を付してある。ここでは、前記真空処理室１０の隣に、予備処理室１０Ａを設け、両者を気密性のある基板搬送口１４によって連結する。この基板搬送口１４は、開けたときに基板を予備処理室１０Ａと真空処理室１０との間で搬送可能であり、閉じたときには少なくとも真空処理室１０の密封性を確保するものである。前記予備処理室１０Ａは基本的には真空処理室１０と同様な構成であり、プラズマ放電ができるよう一対の上部電極２１Ａ及び下部電極２２Ａからなる放電電極２０Ａを備えている。上部電極２１Ａにはガス導入口１１Ａが開口され、また下部電極２２には基板を固定することが可能とされ、基板を静電吸着するための電位を与えるための吸着用電源３１Ａと、放電電極２０ＡにＲＦ電力を供給するためのＲＦ電源３２Ａが接続されている。
【００２３】
そして、前記予備処理室１０Ａにはサンプリング口１３Ａが開口され、このサンプリング口１３Ａに質量分析計４０が取付られる。また、前記質量分析計４０には演算機５０が接続され、前記質量分析計４０で分析したデータを当該演算機５０で解析し、必要なシグナルをコントローラ６０へ出力する。前記コントローラ６０は前記演算機５０からのシグナルを受けて、少なくとも予備処理室１０ＡのＲＦ電源３２Ａ、その他図外のガス供給系、排気系等の各系を制御するように構成される。
【００２４】
この第２の実施形態におけるプラズマ処理方法を図４のタイミング図を参照して説明する。先ず、予備処理室１０Ａに基板Ｗを搬入した上で、基板Ｗが加工されない程度の低いＲＦパワーを印加して予備処理室１０Ａ内にプラズマを発生し、当該プラズマに基板Ｗを晒す。これと同時に質量分析計４０で予備処理室１０Ａ内のガス中の水分（質量数１８のシグナル）を計測し、演算機５０からシグナルを出力する。図５（ａ）に示したように、プラズマ放電に晒されている間はガス中の水分が増加するので予め設定した時間だけ行った後、排気処理を行う。この動作を繰り返すこと、すなわちプラズマ処理と排気処理を交互に間欠的に行うことにより、水分のピークは徐々に低下して行く。この間、コントローラ６０は演算機５０からのシグナルを監視し、水分のピークが所定レベルＴＨよりも低下した後に十分排気を行なった上で、基板搬送口１４から基板Ｗを真空処理室１０に移し、当該真空処理室１０内においてプラズマ処理による加工を開始する。なお、前述の予備処理室１０Ａでのプラズマ放電においては、高価な半導体材料ガスを用いる必要はなく、乾燥したＮ2 やＡｒなどの不活性ガスや酸素を用いれば安価であり、予備処理室の壁面や内部部品の損傷も少なくなる。
【００２５】
ここで、第２の実施形態では、真空処理室は従来のものがそのまま利用できるため、前述した構成の予備処理室を付設することで実現できる。特に、予備処理室は真空処理室と同じ構成のものが利用できる。また、この場合に、真空処理室についても、第１の実施形態と同様に質量分析機、演算機、コントローラによる水分の計測を行うことができるように構成しておけば、第１の実施形態と同様に水分を監視しながらのプラズマ処理が実行できる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、異常放電の発生と関連がある処理室内の水分量を質量分析計で監視し、水分量が所定値以下の時のみ加工電極にＲＦ電力を供給してプラズマによる加工を行うことで、プラズマ処理装置の処理室内での異常放電を防止することができる。また、処理室でのプラズマ処理に先立って基板をプラズマに晒すことで、基板中の水分を除去し、基板のプラズマによる加工に際して処理室内の水分量が増えることを防止し、処理室内での異常放電を防止することができる。さらに、水分量が所定レベルを越えたときに処理室でのプラズマの発生のためのＲＦ電源から加工電極へのＲＦ電力供給を停止する制御を行う。これにより、処理室内での異常放電の原因となる水分を安定にかつ確実にしかも再現性良く除去することができ、突発的におきる異常にも対処することが可能になる。また、本発明は処理室に質量分析計を取り付け、プロセス制御のソフトウェアを変更するだけで、現存するプラズマ装置に適用でき、汎用性が高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】図１のプラズマ処理装置のプラズマ処理方法を説明するためのタイミング図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図４】図３のプラズマ処理装置のプラズマ処理方法を説明するためのタイミング図である。
【図５】基板処理１サイクルでのガス量の変化と、その際の装置稼動状態を示す図である。
【図６】処理室の清掃直後に行なった基板処理中の水分量の変化と、処理室の清掃後から基板処理を十分繰り返し、窒素パージを行なった後の基板処理中の水分量の変化を示す図である。
【符号の説明】
１０プラズマ装置の真空処理室
１１  プロセスガス導入口
１２  排気口
１３  サンプリング口
１４  基板搬送口
２０  加工電極
２０Ａ  放電電極
２１，２１Ａ  上部電極
２２，２２Ａ  下部電極
３１，３１Ａ  吸着用電源
３２，３２Ａ  ＲＦ電源
４０  質量分析計
５０  演算機
６０  コントローラ
Ｗ  基板
【図１】
0004074079.tif 000002
【図２】
0004074079.tif 000003
【図３】
0004074079.tif 000004
【図４】
0004074079.tif 000005
【図５】
0004074079.tif 000006
【図６】
0004074079.tif 000007