(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内に配置された試料台の上面に載せられた処理対象のウエハに光または電磁波を照射して当該ウエハ上面の膜層の上面に予め形成された当該膜層の化合物層を加熱して除去する工程を備えたウエハ処理方法であって、
前記工程において、前記ウエハの上面で反射された前記光または電磁波を受けて当該光または電磁波の波長をパラメータとする強度の時間的変化を示す信号を、前記試料台の前記上面の外周側の箇所で前記光または電磁波を受けて検出した当該光または電磁波の強度の情報を用いて補正して、前記膜層の残り膜厚さ或いは前記工程の終点を判定するウエハ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のウエハ処理方法であって、
前記ウエハの上面からの前記光または電磁波の干渉波を受光して検出した当該光または電磁波の波長をパラメータとする強度の時間的変化から前記膜層の残り膜厚さ或いは前記工程の終点を判定するウエハ処理方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のウエハ処理方法であって、
前記化合物層を除去する前記工程が複数回繰り返されるものであって、当該複数回の工程各々の開始と終了とに際して前記電磁波の照射が開始及び終了されるウエハ処理方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載のウエハ処理方法であって、
前記化合物層を除去する工程の前に実施され、プラズマを用いて形成された活性種を前記ウエハの上面に供給して前記化合物層を形成する工程を備えたウエハ処理方法。
【請求項５】
請求項１または２に記載のウエハ処理方法であって、
前記化合物層を除去する工程の前に実施され、プラズマを用いて形成された活性種を前記ウエハの上面に供給して前記化合物層を形成する工程を備え、当該化合物層を形成する工程と前記化合物層を除去する工程とを含む複数の工程を１つのサイクルとして当該サイクルを複数回実施するウエハ処理方法。
【請求項６】
真空容器内部の処理室と、当該処理室内に配置され処理対象のウエハが上面に載せられて保持される試料台と、前記真空容器内部の前記処理室上方に配置され内部に供給されたガスを用いてプラズマが形成されるプラズマ形成室と、当該プラズマ形成室と前記処理室との間を連通し前記プラズマ内の反応性粒子が内側を通って前記処理室内に導入され前記試料台の上面上方に下部の開口を有した導入路と、前記処理室の上方の前記導入路の外周側でこれを囲んで配置され前記ウエハを加熱する光または電磁波を照射する加熱器と、前記導入路内部に配置され前記反応性粒子が内部を通る複数の貫通孔を外周部に前記光または電磁波が透過する材料で構成された平板状の中央部とを有する導入板と、前記プラズマ形成室上部に配置され前記ウエハで反射され前記導入板の中央部を透過した前記光または電磁波を受けてその強度の変化を検出する第１の検出器とを備えたプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項６記載のプラズマ処理装置であって、
前記試料台の前記上面の外周側に配置され前記光または電磁波を受けて当該光または電磁波の強度を検出する第２の検出器と、前記第２の検出器が検出した結果を用いて補正した前記第１の検出器が検出した結果を用いて前記加熱器による前記ウエハを加熱して実施される処理の終点または当該ウエハ上面の処理対象の膜層の残り膜厚さを判定する判定器とを備えたプラズマ処理装置。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマ処理装置であって、
前記プラズマ形成室の上部に配置され、前記導入板の前記中央部を通して前記ウエハ上面に光または電磁波を照射する発光器及び照射されて前記ウエハで反射され前記導入板の前記中央部を通った前記光または電磁波を受光して当該光または電磁波の強度の時間変化を検出する第３の検出器を備え、前記判定器が、前記第３の検出器の検出した結果を用いて前記加熱器による前記ウエハを加熱して実施される処理の終点または前記ウエハ上面の処理対象の膜層の残り膜厚さ判定するプラズマ処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマ処理装置であって、
前記第３の検出器及び発光器が、上方から見て前記第１の検出器より前記ウエハの径方向の外周側に配置されたプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内部の処理室内に配置されたウエハ表面の処理対象の膜をプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置およびウエハ処理方法に係り、特に、前記処理対象の膜に対するプラズマの照射と電磁波の照射による加熱とにより行う膜のエッチング処理の量を検出するプラズマ処理装置およびウエハ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスでは低消費電力化や記憶容量増大の要求のため、更なる微細化、及び、デバイス構造の３次元化が進んでいる。３次元構造のデバイスの製造では、構造が立体的で複雑であるため、従来行われてきた処理対象の半導体ウエハの表面の面方向に対して垂直な方向にエッチングを行う「垂直性エッチング」に加え、横方向にもエッチングが可能な「等方性エッチング」の適用が検討されている。【０００３】
このような等方性のエッチングは、従来から、半導体ウエハ表面の膜層を薬液内を用いて処理するウエット処理により行われてきた。しかし、半導体デバイス構造の微細化の進展に伴って、薬液の表面張力によるパターン倒れや加工寸法の制御性といった問題が顕在化している。そのため、従来の薬液を用いたウエット処理から薬液を用いないドライ処理で等方性エッチングを行う必要性が高くなっている。【０００４】
一方、従来から、等方性エッチングをドライ処理で高精度に行う技術の１つとして、吸着および脱離工程を用いてエッチングを行うものが知られている。このような技術の例として、特開２０１５−１８５５９４号公報（特許文献１）では、先ずプラズマ等を用いて生成された高い反応性を有する原子または分子の活性種（ラジカル）を被処理体である半導体ウエハの処理対象の膜層の表面に吸着させ、活性種と膜層表面の材料との化学反応によって形成された化合物による反応層（または変質層）を形成させる（吸着工程）。次に、反応層に熱エネルギーを付与して加熱して反応層を脱離させ除去する（脱離工程）。この吸着工程と脱離工程を交互に繰り返すことにより、対象膜のエッチングが行われる。【０００５】
この従来技術では、吸着工程において表面に形成された反応層が所定の厚さに到達すると、反応層が処理対象の膜層にラジカルが到達することを阻害するようになるため、反応層の厚さの増大は急速に減速して条件に応じた厚さに漸近することになる。このことから、複雑なパターン形状の内部においてラジカルの入射量にばらつきがあっても、十分に長い時間の吸着工程を実施することによってウエハの面内方向で厚さのばらつきの小さい反応層を形成することができる。そして、このような反応層を加熱して除去することでパターン形状に依存せずエッチング量のばらつきの小さい処理を実現できる。【０００６】
また、このような１つの吸着工程および脱離工程の対を含む１サイクルあたりのエッチング量は、通常数ｎｍ程度以下であるため、数ｎｍの精度で加工の深さ（加工量）を調整できるメリットがある。さらに、処理対象の膜層の表面に反応層を形成するのに必要なラジカル種と非処理対象の膜をエッチングしてしまうラジカル種とを異ならせて、両者の選択比を高くしたエッチングを実現できる。【０００７】
さらに、プラズマを用いてウエハをエッチングするプラズマ処理装置では、ウエハ上の処理対象の膜の処理中に残り膜厚さやエッチング量を測定するための装置を搭載した従来技術が知られている。このような従来技術の例としては、例えば、特開２００７−２３４８５９号公報（特許文献２）には、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上面に保持されたウエハの処理中に、処理室の上方からウエハ表面に外部の光源からの光を照射して、ウエハ表面で反射して形成された干渉光を処理室の上方で受光し、当該受光した干渉光から得られた任意の波長の光の強度のパターンを予め取得した残り膜厚さに対する干渉光の強度の複数波長についての波長をパラメータとするパターンのデータと比較して、残り膜厚さを判定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−１８５５９４号公報
【特許文献２】特開２００７−２３４８５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来技術では、次の点の考慮が不十分であったため、問題が生じていた。【００１０】
すなわち、特許文献１の技術では、ウエハの処理中に残り膜厚さを検出することについては、何ら考慮されていない。また、特許文献２に開示のように、プラズマを用いてウエハをエッチングする装置では、ウエハ上の処理対象の膜の膜厚さを測定するための構成を備えるものが知られている。しかしながら、このような技術を特許文献１に適用しようとしても、特許文献１のウエハが配置される処理室の天井面を構成するランプ窓の上方にＩＲランプユニットを搭載しようとしても、上部天板から見たとき、ウエハの外周部は、ウエハを効率的に加熱するために位置が定められたＩＲランプユニットの下方の投影領域内に入ってしまう。【００１１】
このような構成では、ランプユニットまたは窓部材の上方から窓部材を透過してウエハ表面に照射した参照光を反射された後に再度受光して精度良く残り膜厚さを判定できるように光路を確保して受光ユニットを配置することは困難であった。また、ウエハの中心部分の残り膜厚さを検出しようとする場合にも、特許文献１の構成では、プラズマ形成室の上部天板に配置されたガス導入部や、その下方でプラズマ形成室と処理室との間のラジカルの通路内であってウエハの中央部上方にはイオン遮蔽板が配置されており、ウエハ表面からの光の経路上に光の強度を損なわせてしまう虞があった。【００１２】
このため、従来技術では、残り膜厚さの検出の精度が損なわれて、処理の結果の形状のバラツキが大きくなり、ウエハの処理の歩留まりが損なわれていた問題について、考慮されていなかった。本発明の目的は、残り膜厚さを検出する精度を高め処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置およびウエハ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は、処理室内に配置された試料台の上面に載せられた処理対象のウエハに光または電磁波を照射して当該ウエハ上面の膜層の上面に予め形成された当該膜層の化合物層を加熱して除去する工程を備えたウエハ処理方法またはプラズマ処理方法であって、前記工程において、前記ウエハの上面で反射された前記光または電磁波を受けて当該光または電磁波の波長をパラメータとする強度の時間的変化を示す信号を、前記試料台の前記上面の外周側の箇所で前記光または電磁波を受けて検出した当該光または電磁波の強度の情報を用いて補正して、前記膜層の残り膜厚さ或いは前記工程の終点を判定することにより達成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置およびウエハ処理方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の外部光導入ユニットおよび集光ユニットの構成を模式的に示す縦断面図である。
【図３】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置においてウエハ外周部の残り膜厚さを処理室外部から照射した光を用いて検出する構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【図４】図１の実施例に係るプラズマ処理装置に用いられるイオン遮蔽板の構成の概略を示す上面図である。
【図５】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置が実施するウエハ２上面の処理対象の膜の処理の流れを模式的に示す図である。
【図６】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置が実施するウエハの処理の動作の流れを模式的に示すタイムチャートである。
【図７】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置においてサイクル数の増大に伴う被エッチング層の残り膜厚さの変化を模式的に示すグラフである。
【図８】図６に示す本実施例に係るウエハの処理の流れの変形例を示すタイムチャートである。
【図９】図１の実施例に係るプラズマ処理装置に用いられる外部光源またはＩＲランプから放射される光の強度の波長プロファイルの時間の経過あるいは温度の変化に伴う変化を模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の実施例を図１乃至図９を用いて説明する。【００１８】
図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本実施例のプラズマ処理装置は、真空容器とその下部に配置された処理室内のステージ上のウエハに赤外線（ＩＲ）を照射して加熱するランプとを含むものであって、真空容器の上部を構成して内部でプラズマが形成される放電室及び当該放電室と下方の処理室とを連通する通路、並びにその通路内側に配置されプラズマの形成により生じた反応性の高いラジカル等の活性種の粒子が通過する複数の隙間または孔を有するスリットとを備えたウエハ処理装置である。【００１９】
本例のプラズマ処理装置１００において、真空容器下部には内部に配置された処理対象の試料が処理される処理部が配置され、その上方の真空容器上部には試料を処理するためのプラズマが形成される放電部が配置されている。すなわち、真空容器下部の処理部を構成するベースチャンバ１１内部には、円筒形状を有した室である処理室１が配置されている。処理室１の内側の下部には、ウエハ２が円形を有した上面に戴置されるものであって円筒形を有したウエハステージ４が配置されている。【００２０】
さらに、ベースチャンバ１１の上方の真空容器上部の放電部には、円筒形状を有した石英チャンバ１２が配置され、その内側には、プラズマ源として内側でプラズマ１０が形成される円筒形状を有した放電室３が配置されている。さらに、放電室３と処理室１との間には、これらを連通して放電室３内で形成されたプラズマ１０の活性種（ラジカル）が内部を通って処理室１に導入される円筒形状を有した通路であるラジカル流路７５が配置されている。【００２１】
石英チャンバ１２の円筒形の外周側壁の外側には、当該側壁から隙間を開けてこれに沿って上下方向に複数段巻かれ、高周波電力が供給されるＩＣＰコイル３４が配置されている。プラズマ１０はＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）放電が用いられ、内側の放電室３内に導入された処理用のガスの原子または分子が、高周波電力による誘導磁界により励起され解離あるいは電離して形成される。【００２２】
ＩＣＰコイル３４には、プラズマ生成のための高周波電源２０が整合機２２を介して接続されている。本実施例の高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚなど、数十ＭＨｚの周波数帯を用いるものとする。【００２３】
円筒形の石英チャンバ１２の上端部上方には、円形を有した天板６がその外周部の下面と石英チャンバ１２の上端上面との間にＯリング等のシール部材を挟んで載せられている。真空容器を構成する石英チャンバ１２を含む真空容器の内部が減圧された状態で、シール部材により内部の放電室３と外部とが気密に封止される。【００２４】
さらに、本例の天板６および石英チャンバ１２を有する真空容器上部は、バルブと流量調節器とがガス種毎の複数の配管各々の上に配置されたマスフローコントローラ５０と連結されている。各配管を流れる各種類のガスは流量調節器によって流量またはその速度が調整された上で、複数の配管が１つの配管に結合されて当該１つの配管が天板６と連結されることで、各種のガスが当該１つの配管内で合流して所定の組成にされた処理用のガスとして放電室３内にシャワープレート５に形成された貫通孔を通して供給される。【００２５】
本例では、このような天板６のシャワープレート５は、放電室３の中央部とこれをリング上に囲む外周部とに配置され、各々のシャワープレート５に個別に１つの配管が連結された、当該各配管上にはガス分配器５１が配置されている。されており、放電室３の中心付近に供給するガスと外周付近に供給するガスの流量や組成が各々独立に調節されて供給される。このことにより、放電室３内に形成されるラジカルの分布を所望のものに調節できる。なお、図１ではＮＨ３，Ｈ２，ＣＨ２Ｆ２，ＣＨ３Ｆ，ＣＨ３ＯＨ，Ｏ２，ＮＦ３，Ａｒ，Ｎ２，ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｈ２Ｏを処理ガスとして図に記載してあるが、他のガスを用いてもよい。【００２６】
天板６およびシャワープレート５の下方の放電室３内の上部には、ガス分散板１７とシャワープレート５とが配置されている。ガス分散板１７は中心と放電室３の上下方向の中心軸に合致するように配置された円形の板部材であって、その外周縁は下方から上方を見てシャワープレート５より外周側に位置している。シャワープレート５から放電室３内に導入された処理ガスは、シャワープレート５または天板６とガスガス分散板１７との間の隙間で拡散して、ガス分散板１７の外周縁部と天板６との間の隙間を通して放電室３内に上方から導入される。【００２７】
ベースチャンバ１１の底面の下方には、処理室１および放電室３内部を排気して減圧するための排気ポンプ１５が真空排気配管１６を介して接続されている。本実施例の排気ポンプ１５には、例えば、ターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプやドライポンプが用いられ、真空排気配管１６の上端部はベースチャンバ１１の底部を貫通する貫通孔の開口である排気口と介して処理室１内部と連通されている。真空排気配管１６上には、排気ポンプ１５により真空容器内部の粒子が排気される流量を調節して処理室１や放電領域３の圧力を所望の範囲内の値に調節するための、調圧バルブ１４が備えられている。【００２８】
さらに、本実施例のプラズマ処理装置１００の処理室１の上方であってステージ４と放電室３との間には、赤外（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｒｅｄ：ＩＲ）光を照射してウエハ２を加熱するためのＩＲランプユニットが配置されている。ＩＲランプユニットは処理室１の中心軸周りに同心状に多重に配置されたＩＲランプ６２とＩＲランプ６２が発生するＩＲ光を反射して処理室１の側に向かわせる反射板６３と、ＩＲランプ６２および反射板６３の下方であって処理室１の上方に配置され、処理室１の天井面を構成してＩＲ光を透過するリング状の部材で構成されたＩＲ光透過窓７４とを備えている。【００２９】
本例のＩＲランプ６２は、半径方向について中央側、中間、外周側の３つの箇所に同心状に配置された３重のサークル型（円形状）のランプ６２−１，６２−２，６２−３が用いられている。なお、ＩＲランプ６２から放射される光は可視光から赤外光領域の光を主とする光（ここではＩＲ光と呼ぶ）を放出するものとする。【００３０】
本実施例では、３重の円形状のランプが配置されているものとしたが、半径方向の個数はこれに限られない。各ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３の上方には各個から放射されるＩＲ光を下方（ウエハ配置方向）および中心側に向けて反射する反射板６３が配置されている。【００３１】
各ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３にはランプ用電源６４−３等が接続されており、図中には外周側のＩＲランプ６２−３用のランプ用電源６４−３のみが示されている。各電源と各ＩＲランプとの間にはプラズマ１０生成用の高周波電力がノイズとして電源に流入することを抑制する高周波カットフィルタ（ローパスフィルタ）２５が備えられている。各ランプ用電源は、各ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３に供給される電力の大きさとこれによる各個の放射量を独立に調節することができ、ウエハ２に対する加熱の度合いのウエハ２の径方向にtういての分布を調節できるようになっている。【００３２】
ＩＲ光透過窓７４は、処理室１の天井面を構成し平坦なリング形状を有する部分とこのリング形状部分の内周縁の上方に配置された円筒形状の部分とを有して、少なくともリング形状部分と円筒形状の部分がラジカル流路７５を構成している。ラジカル流路７５の内側には、プラズマ１０中で生成されたイオンや電子等荷電粒子を遮蔽し中性のガスやラジカルを透過させてウエハ２に照射するため中心周りのリング状の領域に配置された複数の貫通孔あるいはスリットを有した、石英等のＩＲ光を透過する部材で構成された円板形状のイオン遮蔽板７８が配置されている。ラジカル流路７５の上下方向の中心は、処理室１内のステージ４またはそのウエハ載置面の中心軸と合致するように配置され、イオン遮蔽板７８の貫通孔を通り導入されるラジカルが下方のウエハ２の表面への付着の周方向についてのバラつきが小さくされる。【００３３】
本実施例のステージ４は、内部に円板または円筒形状を有する金属等導電体製の基材とその上面上方を覆って配置されポリイミド等の樹脂製の皮膜と基材上面中央部の円形のウエハ２の載置用の面の周囲で基材および樹脂製の皮膜の上方に配置され石英等のセラミクス製のリング上部材であるサセプタリング８とを有している。さらに、ステージ４の基材内部には、チラー３８と連結されチラー３８で所定の温度に調節された冷媒が内部を通流して循環する流路３９を有し、冷媒と基材との熱交換によりステージ４が冷却される。また、ウエハ２の載置用の面（載置面）を構成する誘電体膜内には、ウエハ２を静電気力によって吸着して保持するための膜状の静電吸着電極３０がステージ４の中心部と周囲の外周側の領域とに配置され、それぞれに直流電源３１が接続されている。【００３４】
また、ウエハ２とステージ４の載置面との間の熱伝達を促進するため、載置面を構成する皮膜の上面にはＨｅガスが導入用の開口が少なくとも１つ配置され、ウエハ２が誘電体膜状に静電吸着された状態でウエハ２の裏面とステージ４との間にＨｅガスが供給されるように、開口とマスフローコントローラ５０内部に配置されたＨｅガス用の配管は、シャワープレート５に接続された配管とは別の配管に、ステージ４の基材、誘電体膜を貫通する貫通路を介して連結されている。この別の配管は、ウエハ２がステージ４上に載せられていない状態ではＨｅガスが真空排気配管１６に排気されるように、真空排気配管１６にバルブ５２を介して連結されている。【００３５】
また、ウエハ２を吸着したまま加熱・冷却を行ってもウエハ２の裏面に傷がつかないようにするため、戴置面はポリイミド等の樹脂製の皮膜で構成されているものとする。また、ステージ４の内部にはステージの温度を測定するための熱電対７０が配置されており、この熱電対は熱電対温度計７１に接続されている。【００３６】
また、ステージ４には、その基材および皮膜を貫通してウエハ２の温度を測定するための光ファイバ９２が内部に配置された取り付け孔９１が少なくとも１つ配置されている。本例では、ステージ４のウエハ２の半径方向の異なる３箇所である中心部、これを囲むウエハ外周部およびこれらの中間の位置である径方向ミドル部の３箇所に取り付け孔９１が配置されている。【００３７】
各々の取り付け孔９１には、処理室１外部に配置された外部ＩＲ光源９３と連結され外部ＩＲ光源９３からのＩＲ光を伝送して先端部からウエハ２裏面に照射する光ファイバ９２−１あるいは、ウエハ２を透過あるいはこれから反射されたＩＲ光を受光して分光器へ伝送する光ファイバ９２−２が、各々配置されている。【００３８】
外部ＩＲ光源９３から放射された外部ＩＲ光は、光ファイバを通り光路をＯＮ／ＯＦＦさせるための光路スイッチ９４へ伝送される。さらに、光分配器９５に伝送されて複数に分岐された後、光ファイバ９２−１を通り先端からウエハ２の裏面側に照射される。【００３９】
ウエハ２で吸収され反射されウエハ２の裏面から放射されたＩＲ光は、ファイバ９２−２の先端から内部を通って分光器９６−１に伝送されて予め定められた複数の波長毎に分けられた後、検出器９７に伝送されて各波長のスペクトルの強度を示すデータが検出される。また、３箇所の取り付け孔９１内に配置された３個の光ファイバ９２−２と分光器９６−１との間には光マルチプレクサ９８が配置されており、当該光マルチプレクサ９８によって中心部、ミドル部、外周部で受光した光ファイバ９２−２の光のうちの何れかが図示しない制御装置からの指令信号に応じて切り替えて分光器に伝送される。検出器９７で検出されたＩＲ光の強度の波長依存性を用いて、ウエハ２で吸収されるＩＲ光の波長とウエハを透過するＩＲ光との波長の境界を基に、ウエハ２の温度が推定されるものとする。【００４０】
さらに、本実施例のプラズマ処理装置１００は、天板６の上方に、ウエハ２上の膜厚さを検出するための構成を備えている。すなわち、放電室３の上方から処理室１内のステージ４上面上に配置されたウエハ２の表面に対して外部からの光を照射する外部光導入ユニット１０２、およびウエハ２の表面からの光を受光して放電室３外部に伝送する集光ユニット１０３が、天板６の上面に取り付けられている。さらに、集光ユニット１０３は、外部光導入ユニット１０２から照射されウエハ２上面から反射された光を受光する集光ユニット１０３−１およびＩＲランプユニットのＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３の何れかから照射されウエハ２上面から反射された光を受光する集光ユニット１０３−２を備えている。【００４１】
外部光導入ユニット１０２は、光ファイバ９２−３を介して外部光源１０１と連結され、光ファイバ９２−３を通して伝送された外部光源１０１からの光を、天板６の貫通孔を通して放電室３に放射する。放射された光は、放電室３内部とラジカル流路７８およびイオン遮蔽板７８、さらには下方の処理室１内部を通りウエハ２の中央部分に照射される。【００４２】
集光ユニット１０３−２は、天板６上の集光ユニット１０３−１の天板６あるいは放電室３の半径方向外側（外周側）の箇所に配置され、外部光導入ユニット１０２から照射されウエハ２上面の中央部で反射された外部光源１０１からの光を受光する。集光ユニット１０３−２の上部は、受光した光を伝送する光ファイバ９２−４の一端部が接続され、光ファイバ９２−４内部を伝送される受光した光は、光ファイバ９２−４の他端部と連結されて予め定められた複数の波長毎の光に分けて検出する分光器９６−２に伝送される。【００４３】
同様に、集光ユニット１０３−１は、天板６上の集光ユニット１０３−２の天板６あるいは放電室３の半径方向内側（中央側）の箇所に配置され、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３の何れかから照射されウエハ２上面の外周側部分で反射されたＩＲ光を受光する。集光ユニット１０３−１の上部は、受光した光を伝送する光ファイバ９２−５の一端部が接続され、伝送されるＩＲ光が他端部に連結された分光器９６−３に伝送され所定の複数の波長毎の光に分けられ検出される。分光器９６−２，９６−３，９６−４において複数の波長毎に分けられた光は、これらに接続された検出器９７−２，９７−３，９７−４に伝送されて波長ごとの強度が検出される。【００４４】
なお、本実施例のプラズマ処理装置１００は、図示していない別の真空容器であって内部の減圧された空間である搬送室を有する真空搬送容器の側壁とベースチャンバ１１の側壁とが連結され、処理室１と真空搬送室との間が、処理室１を囲むベースチャンバ１１の円筒形の形状を有した側壁上に配置されウエハ２が内側を通る貫通路と真空搬送容器の側壁に配置された貫通路とが繋げられて構成されたゲートを通して連通されている。搬送室の内側にはロボットアーム等の搬送機器が配置され、そのアーム先端の保持部上に載せられて保持されたウエハ２が複数のアームの回転と伸縮とにより搬送室内部および処理室１内部の間で搬送される。【００４５】
さらに、プラズマ処理装置１００は、高周波電源２０や整合器２２、直流電源３１、調圧バルブ１４，排気ポンプ３１、マスフローコントローラ５０、分配器５１、ＩＲランプ用電源６４あるいは図示しないゲートバルブの開閉等の各部位の動作、出力の大きさの調節、さらには熱電対温度計７１や検出器９７−１，９７−２，９７−３，９７−４の出力を受信して当該出力が示す検出の結果を算出し、検出の結果に基づいて電源、バルブ、ポンプ等の動作を処理に適したものに調節するための指令信号の発信といった、プラズマ処理装置１００の動作の調節を行う制御器９９を備えている。制御器９９は、後述するウエハ２上面の処理対象の膜の残り膜厚さを検出器９７−１，９７−２，９７−３，９７−４の出力から算出して、プラズマ処理装置の処理室１または放電室３に導入するガスの種類、組成や真空容器内の圧力等の処理の条件を変更、調節することも行う。【００４６】
次に、ウエハ２上の膜の厚さを検出する構成の詳細を、図２用いて説明する。図２は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の外部光導入ユニットおよび集光ユニットの構成を模式的に示す縦断面図である。【００４７】
上記の通り、ウエハ２の中央部分の表面の膜厚さを検出するために、天板６の上方の中心から所定の半径位置の箇所に、少なくとも１つの外部光導入ユニット１０２が配置されている。外部光導入ユニット１０２には光ファイバ９２−３が挿入されて取り付けられた状態で天板６にネジ８２あるいはボルトを用いて取り付けられている。【００４８】
外部光導入ユニット１０２は、天板６の所定の半径位置に配置され天板６を貫通する所定の径を有した貫通孔１２１の上方に配置された円板形状を有した石英窓１１３と、石英窓１１３の上方でこれを覆って配置され天板６に少なくとも１つのネジ８２で締結されて石英窓１１３を上方から下方の天板６上面に向けて押し付けるプランジャ１１５とを備えている。プランジャ１１５は、光ファイバ９２−３が取り付けられて真空容器外側の雰囲気に面する外部と、天板６に取り付けられた状態で石英窓１１３が内側に嵌め込まれる凹み部を有した下面との間を貫通する貫通孔を備えており、貫通孔の軸に合わせてコリメーティングレンズユニット１１１がプランジャ１１５の上面に取り付けられている。【００４９】
コリメーティングレンズユニット１１１は、円筒または円板形のフランジ部１１７と、フランジ部１１７の中央に配置された貫通孔と軸を合わせてフランジ部１１７の下側に突出してフランジ部１１７の下面に取り付けられた少なくとも１つの円板形状の凸または凹レンズで構成されたコリメーティングレンズ１１２とを備えている。フランジ部１１７はネジあるいはボルトによりプランジャ１１５の上面に締結されて取り付けられる。コリメーティングレンズユニット１１１は、プランジャ１１５の貫通孔の内側にコリメーティングレンズ１１２が挿入された状態でフランジ部１１７をプランジャ１１５上面に位置決めされて固定される。【００５０】
光ファイバ９２−３は、その下端部をフランジ部１１７の貫通孔と軸を合致させるようにフランジ部１１７の当該貫通孔内に挿入されて位置が固定され、フランジ部１１７の上面から上方に延在するようにフランジ部１１７に取り付けられている。本実施例では、コリメーティングレンズユニット１１１がプランジャ１１５に取り付けられた状態で、内部のコリメーティングレンズ１１２の中心軸および光ファイバ９２−３の下端部の軸は、プランジャ１１５の上面に垂直またはこれと見なせる程度に近似した角度にされると共に、プランジャ１１５の貫通孔の軸と合致またはこれと見なせる程度に近似した位置に位置決めされている。【００５１】
本例の外部光導入ユニット１０２では、光ファイバ９２−３およびその下端部から放射する光源からの光の軸の方向が、放電室３および処理室１を通過して下向き且つウエハ２の外周側から中心部に向けてウエハ２の上面に対し所定の角度だけ傾くようにコリメーティングレンズユニット１１１およびプランジャ１１５に配置される。すなわち、プランジャ１１５は、その上面が天板６またはこれと接続されるプランジャ１１５の下面に対して角度ａだけ傾きを有する形状を備え、コリメーティングレンズユニット１１１およびこれが取り付けられたプランジャ１１５を含む外部光導入ユニット１０２が天板６に取り付けられた状態で、光ファイバ９２−３の下端部の軸の方向が天板６の上面に対して図上角度ａ傾けられている。【００５２】
また、天板６の上面はウエハ２上面に平行に配置されており、傾きａは光ファイバ９２−３およびその下端から放射される光の軸とウエハ２上面に垂直な軸Ｘとの成す角度ｂと同じまたはこれと見なせる程度に近似した値にされている。【００５３】
石英窓１１３は、天板６との間にＯリング８１を挟んだ状態で、ネジ８２によってプランジャ１１５から天板６上面に押し付けられて位置が固定されている。Ｏリング８１は、プランジャから押し付け力を受けて変形して内外の気密を保持する。【００５４】
なお、光ファイバ９２−３の下端から放射され、光ファイバ９２−３下端に焦点を合わせて配置されたコリメーティングレンズ１１２により上記軸に平行にされた外部光源１０１からの外部光１１４は、プランジャ１１５の内部および石英窓１１３、貫通孔１２１を通り放電室３を通り、処理室１内のウエハ２に到達するまで遮られること無く照射される。ウエハ２上面に当該上面に垂直な軸に対し角度ｂで照射された外部光１１４は上面の処理対象の膜の上面と下面とで反射され、ウエハ２上面に垂直な軸Ｘに対して同様に角度ｂを成し、複数の面で反射された光同士が干渉して形成された干渉光として処理室１および放電室３、貫通孔１２１を通り、天板６の上面に配置された集光ユニット１０３−１で受光される。【００５５】
集光ユニット１０３−１は、ウエハ２の中心部の所定の箇所での上面に垂直な軸Ｘについて、天板６上の外部光導入ユニット１０２と軸対称な天板６の所定の半径位置に配置されている。本実施例の集光ユニット１０３−１の構成は、外部光導入ユニット１０２と同等であり、天板６の貫通孔１２１上方に配置された円板形の石英窓１１３と、その上方に配置され天板６に少なくとも１つのネジ８２で締結されて石英窓１１３を下方に押し付けて保持するプランジャ１１５とを備えている。【００５６】
プランジャ１１５は、外部光導入ユニット１０２のものと同様の形状、構造を有し、上面に光ファイバ９２−４が取り付けられる共に、石英窓１１３が内側に嵌め込まれる凹み部を有した下面との間を貫通する貫通孔を備え、貫通孔の軸に合わせてコリメーティングレンズユニット１１１がプランジャ１１５の上面に取り付けられている。集光ユニット１０３−１のプランジャ１１５およびコリメーティングレンズユニット１１１は、図上外部光導入ユニット１０２のものに対して軸Ｘについて対称な角度を成すように配置されプランジャ１１５の上面に取り付けられている。すなわち、集光ユニット１０３−１のプランジャ１１５上面と天板６上面との成す角度ａと、コリメーティングレンズ１１２および光ファイバ９２−４の軸と軸Ｘとの成す角度ｂは、外部光導入ユニット１０２と同じ値であって軸Ｘに対して対称な配置にされている。【００５７】
外部光導入ユニット１０２と同様に、石英窓１１３は、天板６との間にＯリング８１を挟んだ状態で、ネジ８２によってプランジャ１１５から天板６上面に押し付けられて位置が固定されて、Ｏリング８１が変形することにより、放電室３の内外の気密が封止される。さらに、プランジャ１１５の位置が天板６上で固定され、コリメーティングレンズユニット１１１に取り付けられた光ファイバ９２−４およびコリメーティングレンズ１１２のものと合致して配置された軸が天板６に対して角度ａおよびウエハ２に垂直な軸線に対して角度ｂを成して固定される。【００５８】
ウエハ２上面で反射された膜厚検出用の外部光１１４は、干渉光として、図示しないイオン遮蔽板７８を透過し、放電室３および貫通孔１２１を通って、集光ユニット１０３−１の石英窓１１３を透過する。コリメーティングレンズ１１２は、少なくとも１つの円板形を有した凸または凹レンズを備えて焦点の位置を光ファイバ９２−４の下端部に合わせて位置が調節されている。放電室３から石英窓１１３に入射した外部光１１４は、コリメーティングレンズ１１２によってファイバー９２−４下端部に集光されて光ファイバ９２−４下端で受光される。ウエハ２上面から集光レンズユニット１０３−１に至る光路においても、外部光１１４は遮られること無く石英窓１１３下面に照射される。【００５９】
外部光源１０１から光ファイバ９２−３内部を伝送された光は、天板６の半径方向の所定の位置上の外部光導入ユニット１０２に到達し、この内部で光ファイバ９２−３の下端部から天板６上面に対して所定の角度ａの傾きで放射される。当該光はその向きが、外部光導入ユニット１０２においてコリメーティングレンズ１１２を透過する際にコリメーティングレンズ１１２の軸方向に平行またはこれと見なせる程度に近似した方向に変えられ、窓部材１１３および貫通孔１２１を通して放電室３内に外部光１１４として放射される。【００６０】
放射された外部光１１４は、分散板１７およびイオン遮蔽板７８を透過して処理室１内のウエハ２の中心部の上面の所定の箇所に、ウエハ２の上面に垂直な軸線Ｘに対して角度ｂの傾きを成して照射される。ウエハ２表面の処理対象の膜層の上面および下面で反射され、両者の光の干渉光としての外部光１１４は、軸線Ｘに対して角度ｂを成して、再びイオン遮蔽板７８、分散板１７を透過して天板６の貫通孔１２１を通して集光ユニット１０３−１の窓部材１１３に入射する。進行方向に対して平行にされた状態で集光ユニット１０３−１に入射した外部光１１４は、当該集光ユニット１０３−１のコリメーティングレンズ１１２を通過する際に集中するように進行方向が変えられて光ファイバ９２−４下端部に受光されて伝送され、分光器９６−２において所定の複数の波長毎の光に分光された後、各々の波長の光の強度が検出される。【００６１】
なお、図２では、ウエハ２の中心部分の残り膜厚さを検出するために外部光１１４が中央部分の所定箇所に照射される構成の主要部を模式的に示している。【００６２】
次に、本実施例において、ウエハ２の外周部の残り膜厚さを検出する構成について図３を用いて説明する。図３は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置においてウエハ外周部の残り膜厚さを処理室外部から照射した光を用いて検出する構成の概略を模式的に示す縦断面図である。【００６３】
本例において、ウエハ２の外周側部分の残り膜厚さは、ウエハ２を加熱するために照射され外周側部分で反射されたＩＲ光が用いられる。図３に示す例では、ウエハ２の加熱用のＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３のうち、処理室１またはステージ４の半径方向の中間位置に配置されたＩＲランプ６２−２からのＩＲ光が用いられる。本図に示す通り、本例のＩＲランプ６２−２が配置された半径方向の位置ｊはウエハ２の外周縁の位置ｉよりも外周側に、且つ円筒または円板形状を有するステージ４の基材の外周縁の径ｋよりも中央側に配置されている。このことを利用して、ＩＲランプ６２−２から放射されるＩＲ光を用いて残り膜厚さが検出される。【００６４】
本例において、ＩＲランプユニットは処理室１またはステージ４の上方で、これらの上下方向の中心軸の周りでこれと同軸状にリング状に配置されており、特に、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３およびＩＲ光透過窓７４が、上方から見てこれらの投影面にステージ４の外周部が含まれる配置を有している。ＩＲランプ６２−２は、ＩＲ光を放射してウエハ２の外周側部分の上面に照射すると共に、ステージ４のウエハ２より外周側の領域にも照射する。本実施例では、ウエハ２の外周側部分上面の残り膜厚さは、当該外周側部分上面から反射されたＩＲ光とステージ４のウエハ２の外周側の領域に照射されたＩＲ光とが用いられて検出される。【００６５】
ウエハ２の外周側部分で反射されたＩＲ光１１６を受光して検出するために、天板６の外周側部分上面に集光ユニット１０３−２が配置されている。集光ユニット１０３−２は、窓部材１１３、Ｏリング８１、ボルト８２、プランジャ１１５、コリメーティングレンズユニット１１１等を有する構造や形状、寸法等の構成が集光ユニット１０３−１と同等のものにされている。集光ユニット１０３−２において受光したＩＲ光１１６は、これに接続された光ファイバ９２−５を通して分光器９６−３に伝送される。なお、集光ユニット１０３−２は、上述の通り、天板６または放電室３あるいは処理室１の上下方向の中心軸からの半径方向について集光ユニット１０３−１より中央側に配置されている。【００６６】
また、ステージ４の基材のウエハ２の載置面の外周側には、基材を上下に貫通するＩＲ光検出孔１３１が配置されている。ＩＲ光検出孔１３１の上端の開口を含む、基材の載置面の外周側の上面は、石英等のＩＲ光が透過するセラミクス製のサセプタリング８が配置されて覆われている。ＩＲ光検出孔１３１は、ＩＲランプ６２−２から上端の開口の内部に入射したＩＲ光が直進して下端の出口から射出できる方向と寸法とを備えて配置されている。【００６７】
ステージ４の下面には、円筒形を有するＩＲ光検出孔１３１の下端の開口を覆って集光ユニット１０３−３が取り付けられている。集光ユニット１０３−３には光ファイバ９２−６の一端（上端）部が接続されている。光ファイバ９２−６の他端部は分光器９６−４に接続されており、ＩＲ光検出孔１３１内部に入射されて集光ユニット１０３−３に到達したＩＲ光が光ファイバ９２−６を通して分光器９６−４に伝送される。【００６８】
集光ユニット１０３−３は、集光ユニット１０３−１，１０３−２と同様に、窓部材１１３、プランジャ１１５、Ｏリング８１、ボルト８２、コリメーティングレンズユニット１１１を備え、コリメーティングレンズユニット１１１に光ファイバ９２−６が接続されており、プランジャ１１５は窓部材１１３をその上方のＯリング８１を挟んでボルト８２によりステージ４の下面に取り付けられＯリング８１を押し付けて変形させて内外を気密に封止している。【００６９】
集光ユニット１０３−３のコリメーティングレンズユニット１１１のコリメーティングレンズ１１２およびこの下方に配置された光ファイバ９２−６の軸の方向はＩＲ光検出孔１３１の軸と合致あるいは平行またはこれと見なせる程度に近似した方向となるように、プランジャ１１５を介してステージ４の下面に取り付けられている。すなわち、光ファイバ９２−６の上端からＩＲランプ６２−３までＩＲ光の光路は遮られることが無く構成され、光ファイバ９２−６の上端における上下方向の軸方向はＩＲ光検出孔１３１を通して円管形状を有するＩＲランプ６２−２の軸に合致している。本例では、コリメーティングレンズ１１２および光ファイバ９２−６上端部の軸はステージ４の下面またはプランジャ１１５の上面および下面に垂直にされている。【００７０】
ＩＲ光検出孔１３１内には、他のＩＲランプ６２−１または６２−３から放射されたＩＲ光が集光ユニット１０３−３に入射してファイバー９２−６に集光されないようにするため、例えば黒アルマイト処理などに反射防止等の処理を施されたスリーブ１３２が挿入され、内壁が覆われている。【００７１】
ＩＲランプ６２−２から放射されたＩＲ光１１６は、ウエハ２の上面に垂直な軸線に対して角度ｃを成してウエハ２の外周側の所定の箇所の上面に照射される。照射されたＩＲ光１１６は、当該所定箇所の膜の上面および下面でウエハ２上面に垂直な軸線に対して角度ｃを成して反射され、両者が干渉して形成された干渉光（干渉波）としてのＩＲ光１１６が、処理室１およびイオン遮蔽板７８、分散板１６を透過して貫通孔１２１を通り集光ユニット１０３−２に到達する。【００７２】
集光ユニット１０３−２の窓部材１１３に入射して透過したＩＲ光１１６は、コリメーティングレンズ１１２を通って光ファイバ９２−５の下端部に集光されて受光される。さらに、受光されたＩＲ光１１６は、光ファイバ９２−５を通して分光器９６−３に伝送され、所定の複数の波長毎に分光された後、各々の波長の光の強度が検出される。【００７３】
また、ＩＲランプ６２−２から下方に放射されたＩＲ光１１６は、サセプタリング８を透過してＩＲ光検出孔１３１内部に入射して貫通し、ＩＲ光検出孔１３１下端において集光ユニット１０３−３の窓部材１１３に到達する。窓部材１１３に入射して透過したＩＲ光１１６は、コリメーティングレンズ１１２を通って光ファイバ９２−６の上端部に集光されて受光され、さらに、光ファイバ９２−６を通して分光器９６−４に伝送され、所定の複数の波長毎に分光された後、各々の波長の光の強度が検出される。【００７４】
本実施例の、イオン遮蔽板７８の構成を図４を用いて説明する。図４は、図１の実施例に係るプラズマ処理装置に用いられるイオン遮蔽板の構成の概略を示す上面図である。【００７５】
本図に示すイオン遮蔽板７８は、ウエハ２の残り膜厚さを検出するための外部光１１４またはＩＲ光１１６を透過させるとともに、検出の精度を損なう反射や屈折を抑制するため、これらの光が透過する箇所は断面が平坦な形状を有した円板形状を備えている。イオン等の荷電粒子の通過を妨げ放電室３で形成されたラジカル等活性種は通過させるため、イオン遮蔽板７８の中心部分は上記平坦な形状の部分であり、その外周側の領域で中心軸から半径方向の所定の値の範囲の領域にイオン遮蔽板７８におけるラジカルやガスを通過させるためのガス穴７９が配置されている。また、イオン遮蔽板７８は、石英等の耐プラズマ性を有し外部光１１４およびＩＲ光１１６が透過できる透光性を有したセラミクスを材料として構成されている。【００７６】
次に、本実施例において、ステージ４のウエハ２の載置面の外周側に配置されたＩＲ光検出孔１３１を通して検出したＩＲ光１１６を用いてウエハ２上面の残り膜厚さを検出する構成について説明する。【００７７】
ウエハ２の上面に配置された処理対象の膜の厚さを処理中に当該膜からの光を用いて検出する際には、用いられる光はその光源から放射される光の強度の波長依存性が変化しないか変化の大きさができるだけ小さいことが、高い精度で検出する上で望ましい。そのため、本実施例においてウエハ２の中心部分の残り膜厚さを検出するためにウエハ２に照射される外部光１１４の外部光源１０１は、放射される外部光１１４の強度の波長プロファイルが時間の経過に伴って変化しない、或いはこのような変化を抑制できるように工夫が必要となる。【００７８】
そのため、本実施例では、外部光源１０１に、例えば白色ＬＥＤランプやハロゲンランプが用いられ、光あるいは電磁波が放射される。特に、ハロゲンランプはランプ自体の温度の変化によって波長プロファイルが変化するため、ウエハ２の処理が開始され残り膜厚さの検出が開始される時刻より所定の時間だけ前に点灯して、上記波長プロファイルが安定した状態にさせておく必要がある。また、ランプを短時間でＯＮおよびＯＦＦする、あるいはこれらを繰り返すことは望ましくない。【００７９】
同様に、ウエハ２を加熱するために用いられるＩＲランプ６２から放射されるＩＲ光も、通電されＩＲランプ６２のＩＲ光の放射が開始されてから、所定の期間（例えば数秒間）は光の強度の波長プロファイル（色温度）が変化するため、残り膜厚さを検出するための光源として用いる場合には、このような波長プロファイルの時間変化を補正する必要がある。【００８０】
このような光の強度の波長プロファイルの変化の例を図９を用いて説明する。図９は、図１の実施例に係るプラズマ処理装置に用いられる外部光源またはＩＲランプから放射される光の強度の波長プロファイルの時間の経過あるいは温度の変化に伴う変化を模式的に示すグラフである。【００８１】
本図に示したように、外部光源１０１またはＩＲランプ６２に通電されておらずＯＦＦ状態から電力が供給されて点灯を開始した直後からは、外部光源１０１またはＩＲランプ６２のからの光の強度の波長プロファイルはＩ−３→Ｉ−２→Ｉ−３の様に変化する。一方、逆に、供給される電力（電流または電圧）が小さくされた場合にはＩ−１→Ｉ−２→Ｉ−３の様に変化する。【００８２】
そこで、本実施例では、分光器９６−３において検出された複数の波長の光の強度から得られた波長プロファイルをＦ（λ）、分光器９６−４において得られた波長プロファイルをＧ（λ）として以下の式（１）のように、
Ｆ（λ）／Ｇ（λ）                                （１）
分光器９６−３から得られた複数の波長各々の光の強度に代えて、当該各波長の光の強度を分光器９６−４から得られた当該各々の波長の光の強度で除した値を用いて残り膜厚さを算出する。上記式（１）を用いてＩＲランプ６２−２からのＩＲ光の強度の波長プロファイルの時間の経過に伴う変化を補正して残り膜厚さを検出することで、高い精度で残り膜厚さを検出できる。【００８３】
また、図２の角度ｂと図３の角度ｃが同じ場合には、あらかじめ光源１０１の波長プロファイルを測定して得ておいて、これを基準として式（１）と同様の演算によって得られた各波長毎の光の強度比を用いて残り膜厚さの推定を行うことで、同じ基準の波長プロファイルのデータを用いて、ウエハ２の中心部分と外周側部分との残り膜厚さを検出できるというメリットがある。【００８４】
次に、本実施例のプラズマ処理装置１００が実施するウエハ２の処理対象の膜層の処理の流れを図５，６および８を用いて説明する。さらに、ウエハ２が処理される際の残り膜厚さが検出されるタイミングについて述べる。図５は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置が実施するウエハ２上面の処理対象の膜の処理の流れを模式的に示す図である。特に、本図では、処理の複数の工程における処理対象の膜層の構造が模式的に縦断面図として示されている。図６は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置が実施するウエハの処理の動作の流れを模式的に示すタイムチャートである。【００８５】
本実施例のウエハ２上面の処理対象の膜を含む膜の構造は、図５に示すように、下地層２０２の上に被エッチング層２０１が積層された構成を有している。処理開始前の初期の状態が図５（ａ）に示されている。【００８６】
このような膜構造が上面に予め形成されたウエハ２が処理室１内のステージ４に保持された状態でラジカル等活性種が処理室１内に供給され、処理対象の膜である被エッチング層２０１表面に活性種が吸着して当該被エッチング層２０１を構成する材料と反応して生成物を生成して反応層２０３が形成される（図５（ｂ））。この工程を吸着工程と呼称する。【００８７】
次に、ウエハ２にＩＲ光１１６を照射してウエハ２を加熱して反応層２０３が昇華あるいは気化する温度まで上昇させて反応層２０３を被エッチング層２０１の上面から取り除く（図５（ｃ））。この工程を脱離工程と呼称する。次に、ウエハ２へのＩＲ光１１６の照射が停止あるいは低減され、ステージ４内部の流路３９内を循環して通流する冷媒との熱交換によりステージ４およびその載置面上に保持されたウエハ２の温度が低減される（図５（ｄ）、冷却工程）。【００８８】
本実施例では、上記（ｂ）乃至（ｃ）または（ｂ）乃至（ｄ）の工程を１つのサイクルとして、被エッチング層２０１が所望の残り膜厚さに到達するまで少なくとも１回以上繰り返される。すなわち、吸着工程（ｂ）において形成される反応層２０３の厚さは、活性種と被エッチング層２０１の材料との反応が反応層２０３の厚さの増大に伴って低下する傾向を有していることから、所定の時間の経過後は増大の割合が小さくなり特定の値に漸近することになる。特定の値が所望のエッチング量に満たない場合には、エッチング量に到達するまで複数回のサイクルが実施される。【００８９】
図６を用いて、本実施例のプラズマ処理装置１００のウエハ２の処理の流れを説明する。まず、制御器９９からの指令信号に基づいて、処理室１を囲むベースチャンバ１１の円筒形の形状部分の側壁に配置された貫通孔であってウエハ２が処理室１内部と外部との間で搬入出されるゲート（図示せず）を通り、ロボットアームによりウエハ２が処理室１へ搬入されてステージ４に受け渡され載置面に載せられた後に、静電吸着のための直流電源３１から供給された電力により形成された静電気力を用いてウエハ２がステージ４の載置面上に固定される。さらに、ウエハ２の裏面に熱伝達を促進するためのＨｅガスが供給される（時刻ｔ１）。【００９０】
そして、複数のマスフローコントローラー５０の動作によって、処理に適した組成の分布および流量に調整された処理ガスが放電室３内にシャワープレート５を通して導入され、分散板１６で放電室３の半径方向および周方向に分散されて供給される。高周波電源２０からの電力が供給されたＩＣＰコイル３４から生起された誘導磁界および電界により、処理ガスの原子または分子はイオン化や解離を起こし放電室３内にプラズマ１０が形成される（時刻ｔ２）。【００９１】
プラズマ１０中に形成されたイオン等の荷電粒子はイオン遮蔽板７８によりラジカル流路７５から処理室１への移動が妨げられ、一方ラジカル等の活性種や中性のガスはイオン遮蔽板７８のガス孔７９を通過して処理室１内に導入され、上方からウエハ２の表面に照射される。【００９２】
このような膜構造が上面に予め形成されたウエハ２がステージ４に保持された処理室１内に供給されたラジカル等活性種は、処理対象の膜である被エッチング層２０１表面に吸着して当該被エッチング層２０１を構成する材料と反応して生成物を生成して反応層２０３が形成される（（ｂ）吸着工程）。本実施例の被エッチング層２０１は、Ｓｉ，ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＳｉＧｅ，Ｗ，ＴｉＮ，ＴｉＯ，Ａｌ２Ｏ３等の少なくとも１種の材料から構成されている。【００９３】
吸着工程の開始から所定の時間が経過して反応層２０３が所定の膜厚さまで形成されると、高周波電源２０からの高周波電力の供給が停止されプラズマ１０が消火される（時刻ｔ３）。そして、ウエハ２裏面とステージ４載置面上面との隙間へのＨｅガスの供給が停止されるとともに、バルブ５２が開放され、Ｈｅガスの供給路およびウエハ２とステージ４との隙間内のＨｅガスを処理室１内に放出する。このことでウエハ２の裏面の隙間内の圧力が処理室１内部の圧力と同程度にされる（時刻ｔ４）。【００９４】
さらに、ＩＲランプ用電源６４から電力が供給されてＩＲランプ６２が点灯され、ＩＲランプ６２から放射されたＩＲ光がＩＲ光透過窓７４を透過しウエハ２に照射されウエハ２の加熱が開始され、反応層２０３を脱離させる脱離工程が開始される。本実施例では、ウエハ２の温度が予め定められた値に到達したことが、熱電対７０からの出力を受信した熱電対温度計７１が検出すると、ＩＲランプ用電源６４の出力が低減され、熱電対温度計７１の検出する温度を示す出力に基づいて、ウエハ２の温度が許容範囲内の値に維持されつつ反応層２０３を脱離させる脱離工程が継続される。【００９５】
その後、時刻ｔ４から予め定められた時間が経過したことが検出されると、ＩＲランプ用電源６４の出力が停止されＩＲランプ６２の出力が低減または停止されてウエハ２の加熱が停止される。さらに、処理室１内にマスフローコントローラ５０の動作により、流量が調節されたＡｒガスが供給されると共にウエハ２の裏面にＨｅガスが供給され、ウエハ２を冷却する冷却工程が開始される（時刻ｔ５）。ウエハ２の温度が所定の値以下に低下したことが検出されると、冷却工程が終了したことが判定される。【００９６】
上記脱離工程または冷却工程において、ウエハ２に照射された外部光１１４およびＩＲ光１１６の被エッチング層２０１からの反射光が集光ユニット１０３−１，１０３−２，１０３−３に光ファイバ９２−４，９２−５，９２−６を介して接続された分光器９６−２，９６−３，９６−４に伝送され、検出器９７−２，９７−３，９７−４で検出された複数の波長の光の強度を示すデータが制御器９９に送信されて、制御器９９が被エッチング層９９の残り膜厚さの値と目標の値への到達を判定する。目標へ到達したことが判定されるとウエハ２のエッチングが終了され、ウエハ２が処理室１から真空搬送室に搬出される。目標に到達していないと判定された場合は、次のサイクルが開始され、吸着工程として高周波電源２０からの高周波電力を用いて放電室３内でプラズマ１０が形成されラジカル当活性種がウエハ２表面の被エッチング層２０１に再度供給される（時刻ｔ６）。【００９７】
被エッチング層２０１が所望の残り膜厚さに到達したことが制御器９９において判定されるまで、吸着工程と脱離工程と冷却工程とを有する１つの処理のサイクルがこの順で繰り返され、被エッチング層２０１のエッチングが実施される（時刻ｔ６乃至ｔ１４）。【００９８】
上記の通り、吸着工程、脱離工程、冷却工程を有する１つのサイクルを繰り返すことで、被エッチング層２０１のエッチング量を増大させることができる。被エッチング層２０１の材質の厚さ方向にバラつきが許容範囲内であって、吸着工程、脱離工程の処理の条件のバラつきも許容範囲内である場合には、制御器９９が脱離工程ので反応層２０３の初期値を含む残り膜厚さと時刻ｔ５，ｔ９，ｔ１３において反応層２０３の除去とを検出し、図７に示すように、サイクル数の増大に伴うエッチング量の増大（残り膜厚さの低減）の相関を示すデータから、各サイクルの終了時のエッチング量（残り膜厚さ）を算出して目標への到達を判定しても良い。【００９９】
図７は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置においてサイクル数の増大に伴う被エッチング層の残り膜厚さの変化を模式的に示すグラフである。本図では、横軸をサイクル数、縦軸を被エッチング層２０１の残り膜厚さとして、被エッチング層２０１の残り膜厚さがサイクル数の増大に応じて一様に低下する１次関数の比例関係にあることが示されている。【０１００】
このような相関を示すデータを記憶装置内に格納した制御器９９が、脱離工程における反応層２０１の除去を検出すると共に、サイクル数を計数して被エッチング層２０１の目標とする除去量に到達したこと計数結果から判定し、次のサイクルを開始せずにプロセスを終了し、ウエハを処理室から搬出しても良い。【０１０１】
なお、本例において、１サイクルの全体にわたり、ウエハ２を載置面上に保持するための静電吸着用電極３０へ直流電源３１から出力がされウエハ２の静電吸着が継続される。制御器９９は、所望の残り膜厚さに到達したことを検出し被エッチング層２０１のエッチング終了を判定すると、直流電源３１による静電吸着を停止し、必要に応じて静電気を取り除いてウエハ２をステージ４から離脱させた後、真空搬送室に搬出させる。【０１０２】
上記の例では、ウエハ２をＩＲランプ６２からＩＲ光１１６を照射して所定の温度まで加熱して昇温させた後、ウエハを許容範囲内に維持するようにＩＲ光１１６の照射とこれによるウエハ２の加熱、昇温の度合いを調節している。この脱離工程の図６に示す期間ｘ−１，ｘ−２，ｘ−３において被エッチング層２０１および反応層２０３の膜厚さが、外部光１１４およびＩＲ光１１６を用いて検出される。脱離工程において検出された反応層２０３の膜厚さが検出されその値が０または次の工程への移行が可能であると判断できる程度の十分に小さいことが制御器９９において判定されると、制御器９９からの司令信号に応じてＩＲ光のウエハ２への照射が停止または低減されて脱離工程が終了される。また、制御器９９により、冷却工程において外部光１１４を用いてウエハ２の中央部の被エッチング層２０１の膜厚さを検出して、次のサイクルの要否が判定されても良い。【０１０３】
また、本実施例において、所定のサンプリング時刻毎に被エッチング層２０１と反応層２０３との各々の膜厚さが検出されても良い。また、各サンプリング時刻での被エッチング層２０１と反応層２０３とに照射されて反射された外部光１１４またはＩＲ光１１６の複数の波長の干渉光について光の強度と波長との相関を示すパターン（干渉光パターン）を検出し、予め得られた標準として用いる同等の構成を有したウエハ２の膜構造の各膜の残り膜厚さごとの干渉光パターンと比較して、合致するパターンに対応する反応層２０３の膜厚さ或いは被エッチング層の膜厚さを、処理中の当該サンプリング時刻での膜厚さとして検出しても良い。あるいは、干渉光パターンの時間の経過に伴う変化の大きさが所定のしきい値以下になったことを制御器９９が検出した場合に、反応層２０１の除去が終了したと判定し（時刻ｔ５，ｔ９，ｔ１３）、ウエハ２の冷却工程を開始しても良い。【０１０４】
次に、ウエハ２の処理の変形例を図８を用いて説明する。図８は、図６に示す本実施例に係るウエハの処理の流れの変形例を示すタイムチャートである。なお、本例では、図６に示した例との差を説明するものとし、必要のない限り同じ符号、同じ動作については説明を省略する。【０１０５】
図８の例では、ＩＲランプ６２でウエハ２を加熱して所定の値の温度まで昇温させた後、ウエハ２の冷却をすぐに開始する例を示している。本例はウエハ２の温度が所定の値以上になると短時間に反応層２０３が脱離し除去される場合に好ましい方法である。この場合、ウエハ２の温度が極大の値に達した後の短い期間に残り膜厚さの検出を行うことも可能であるが、ウエハ２の冷却中の予め定めた間隔で複数回残り膜厚さを検出してその平均値を用いて残り膜厚さを判定しても良い。【０１０６】
本例では、脱離期間の開始時刻ｔ４（あるいはｔ９，ｔ１３）から符号Ｈで示す所定の期間だけＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３に大きな電力を供給して点灯させてウエハ２の急速な加熱を行う。期間Ｈの終了後、時刻ｔ５（あるいはｔ１０，ｔ１４）においてＩＲランプ６２−１と６２−３への電力の供給を停止し、集光ユニット１０３−３およびこれに接続された分光器９６−３が対象としているＩＲランプ６２−２のみ低出力でＩＲ光１１６を符号Ｌの期間だけ照射させる。その期間Ｌ（時刻ｔ５乃至ｔ６，ｔ１０乃至ｔ１１，ｔ１４乃至ｔ１５）に、放射されるＩＲ光１１６を用いて被エッチング層２０１の膜厚さを検出する（図８中のｙ−１，ｙ−２，ｙ−３）。【０１０７】
そして、膜厚さの検出が終了するとＩＲランプ６２−２への電力も停止される。そして、被エッチング層２０１の残り膜厚さが目標とする値に到達していたことが制御器９９により判定された場合は、次のサイクルに開始せずに、エッチング処理が終了される。【０１０８】
上記実施の形態によれば、ランプからの照射光でウエハ２を加熱して上面の処理対象の膜をエッチングする際に、ランプからの照射光または外部光をウエハ２に照射してウエハ２上面の残り膜厚さを精度よく検出でき、処理の結果としてのウエハ２の表面の形状のバラつきを低減して歩留まりを向上させることができる。特に、ランプから照射される光の強度の複数の波長のパターンが照射の時間あるいは温度に応じて変動することに対応して、ウエハ２の外周側の領域での箇所でランプの照射光を検出した結果を用いて、ウエハ２上面に照射されて反射した光の強度を補正した結果を用いて、高い精度で残り膜厚さを検出することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１…処理室、
２…ウエハ、
３…放電室、
４…ステージ、
５…ガス分散部品、
６…天板、
７…ガス孔、
８…サセプタリング、
１０…放電室、
１１…ベースチャンバ、
１２…石英チャンバ、
１４…調圧バルブ、
１５…排気ポンプ、
１６…真空排気配管、
１７…ガス分散板、
２０…高周波電源、
２２…整合器、
２４…直流電源、
２５…フィルタ、
３０…静電吸着用電極、
３１…直流電源、
３４…ＩＣＰコイル、
３８…チラー、
３９…流路、
５０…マスフローコントローラ、
５２…バルブ、
６２，６２−１，６２−２，６２−３…ＩＲランプ、
６３…反射板、
６４−３…ＩＲランプ用電源、
７４…ＩＲ光透過窓、
７０…熱電対、
７１…熱電対温度計、
７５…ラジカル流路、
７８…イオン遮蔽板、
７９…ガス孔、
８１…Ｏリング、
８２…ねじ、
８３…押さえ、
８４…ファイバヘッド、
８５…石英ロッド、
９１…取り付け孔、
９２…光ファイバ、
９３…外部ＩＲ光源、
９４…光路スイッチ、
９５…光分配器、
９６，９６−１，９６−２，９６−３，９６−４…分光器、
９７−１，９７−２，９７−３，９７−４…検出器
９８…光マルチプレクサ、
９９…制御器、
１０１…外部光源、
１０２…外部光導入ユニット、
１０３−１，１０３−２…集光ユニット、
１１１…コリメーティングレンズユニット、
１１２…コリメーティングレンズ、
１１３…窓部材、
１１４…外部光、
１１５…プランジャ、
１１６…ＩＲ光、
１３１…ＩＲ光検出孔、
１３２…スリーブ、
２０１…被エッチング層、
２０２…下地層、
２０３…反応層。
【要約】
処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置およびウエハ処理方法を提供する。処理室内に配置された試料台の上面に載せられた処理対象のウエハに光または電磁波を照射して当該ウエハ上面の膜層の上面に予め形成された当該膜層の化合物層を加熱して除去する工程を備えたウエハ処理方法であって、前記工程において、前記ウエハの上面で反射された前記光または電磁波を受けて当該光または電磁波の波長をパラメータとする強度の時間的変化を示す信号を、前記試料台の前記上面の外周側の箇所で前記光または電磁波を受けて検出した当該光または電磁波の強度の情報を用いて補正して、前記膜層の残り膜厚さ或いは前記工程の終点を判定する。【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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