(57)【要約】【課題】波長精度を向上し、プラズマ発光を正確にモニタすることのできるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマ処理装置内で発生したプラズマ発光を導入する光ファイバ６と、光ファイバを介して導入したプラズマ発光を複数のスペクトルに分光する回折格子９と、回折格子で分光されたスペクトルの発光強度をスペクトル毎に検出する列状の受光素子１０と、前記列状の受光素子の検出出力をもとにプラズマ発光波長を所定の演算式に基づいて演算する信号処理装置１２を備え、該信号処理装置は、プラズマ処理に使用される処理ガスまたは被処理材の理論上のスペクトル波長と前記プラズマ処理装置を使用し前記処理ガスを用いて前記被処理材を処理した際に得られるスペクトル波長を比較し、該比較結果をもとに前記演算式を校正する。【選択図】図１
2009147207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理装置内で発生したプラズマ発光を導入する光ファイバと、
光ファイバを介して導入したプラズマ発光を複数のスペクトルに分光する回折格子と、
回折格子で分光されたスペクトルの発光強度をスペクトル毎に検出する列状の受光素子と、
前記列状の受光素子の検出出力をもとにプラズマ発光波長を所定の演算式に基づいて演算する信号処理装置を備え、
該信号処理装置は、プラズマ処理に使用される処理ガスまたは被処理材の理論上のスペクトル波長と前記プラズマ処理装置を使用し前記処理ガスを用いて前記被処理材を処理した際に得られるスペクトル波長を比較し、該比較結果をもとに前記演算式を校正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、
前記光ファイバによる導光路に光量を調整する絞りを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
プラズマ処理装置から光ファイバを介して導入したプラズマ発光を複数のスペクトルに分光する回折格子と、
回折格子で分光されたスペクトルの発光強度をスペクトル毎に検出する列状の受光素子と、
前記列状の受光素子の検出出力をもとにプラズマ発光波長を所定の演算式に基づいて演算する信号処理装置を備え、
該信号処理装置は、プラズマ処理に使用される処理ガスまたは被処理材の理論上のスペクトル波長と前記プラズマ処理装置を使用し前記処理ガスを用いて前記被処理材を処理した際に得られるスペクトル波長を比較し、該比較結果をもとに前記演算式を校正してプラズマ発光波長を演算し、演算した波長のスペクトル強度をもとにプラズマ処理の終点を検出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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置に係り、特にプラズマ発光を正確にモニタすることのできるプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置の多くは、複数波長（スペクトル）の発光強度を観測できるマルチチャンネル分光器を搭載し、複数波長のプラズマ発光をモニタしている。
【０００３】
マルチチャンネル分光器は、例えば１０００ピクセル程度の受光素子を内蔵し、この１０００ピクセルのそれぞれが、例えば２００ｎｍから８００ｎｍまでの波長に対応した光を受光する。受光素子のピクセルと波長の関連は、あらかじめ分光器の製造者により多項式で表されるパラメータとして与えられており、受光素子のピクセル毎に該当する波長を特定することができる。
【０００４】
このような分光器における波長校正の技術として、特許文献１が知られている。この従来技術は、回折格子を回転させ、ある特定の波長の光を取り出す分光器において、波長校正方法としてガスセルを用いた波長校正を実施している。すなわち、回折格子で分光された光をガスセルに入射し、該ガスセルを透過した光を光検出器に入射し、ガスセルの吸収スペクトルを利用して分光器の波長校正を実施している。
【特許文献１】特開２００４−１０８８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来技術によれば、以下の問題が生じる。（１）マルチチャンネル分光器の波長範囲は一般的に広く（例えば２００ｎｍから８００ｎｍ）、単一ガスでは幅広い波長校正は実施できない。（２）マルチチャンネル分光器を構成する入射スリット、回折格子、受光素子は固定され密閉されており、比較的小型であるため、ガスセルを回折格子、受光素子間に設置することは困難である。（３）ガスセルを配置するため実際に光を観測する測定系と厳密には等価ではない。
【０００６】
一般に、真空容盤内で発生する複数波長のプラズマ発光をモニタするためには、前記真空容器へ光ファイバを取り付け、この光ファイバのもう一方の端にアイリス（絞り）を取り付け、さらにこのアイリスに別の光ファイバを取り付け、この光ファイバをマルチチャンネル分光器へ取り付ける。前記アイリスはその開度を変更することによりプラズマ発光強度の受光量の調整を行う装置である。
【０００７】
このようにプラズマが発生する真空容器と発光をモニタする分光器間には、多数の機器が接続されるため、分光器でプラズマ発光をモニタする場合、これら機器単体あるいは接続部分の影響により波長ずれが発生する場合がある。また、分光器の波長校正は出荷時に実施されているが、輸送時の衝撃等により波長ずれが発生する場合がある。
【０００８】
プラズマ処理装置は、分光器から得られた特定波長の発光強度の変化をもとに、例えばウエハのエッチング終点を検出している。しかし、上記理由により波長ずれが発生していた場合は、検出した発光強度変化が正しい波長のそれと異なるため、正しくエッチングの終点を検出できない。また、全く発光強度変化が得られない場合は終点を検出できず、エッチング不良となる。
【０００９】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、波長精度を向上し、プラズマ発光を正確にモニタすることのできるプラズマ処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１１】
プラズマ処理装置内で発生したプラズマ発光を導入する光ファイバと、光ファイバを介して導入したプラズマ発光を複数のスペクトルに分光する回折格子と、回折格子で分光されたスペクトルの発光強度をスペクトル毎に検出する列状の受光素子と、前記列状の受光素子の検出出力をもとにプラズマ発光波長を所定の演算式に基づいて演算する信号処理装置を備え、該信号処理装置は、プラズマ処理に使用される処理ガスまたは被処理材の理論上のスペクトル波長と前記プラズマ処理装置を使用し前記処理ガスを用いて前記被処理材を処理した際に得られるスペクトル波長を比較し、該比較結果をもとに前記演算式を校正する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上の構成を備えるため、波長精度を向上し、プラズマ発光を正確にモニタ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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかるエッチング処理装置を説明する図である。エッチング処理装置（プラズマ処理装置）１は、真空容器２を備えており、その内部に図示しないガス導入手段を介してエッチングガスを導入し、導入したガスにマイクロ波電力を照射してプラズマ３を生成する。このプラズマ３により試料台５上の半導体ウエハ等の被処理材４をエッチングする。
【００１４】
プラズマ３から生成される多波長の発光は光ファイバ６を介して分光器１１に導かれる。なお、真空容器２と光ファイバ６の間には図示を省略したレンズが取り付けてある。このレンズは真空容器２内のプラズマ光を光ファイバ６へ集光する役割を果たす。光ファイバ６の中間にはアイリス（絞り）７が設けられており、アイリス７により分光器１１へ入射する発光強度を調節することができる。光ファイバ６と接続されるアイリス７の両端には図示を省略したレンズが取り付けてある。光ファイバ６からアイリス７へ入射される光は上記レンズにより並行光となりアイリス７へ導かれる。アイリス７により強度が調整された光はもう一方のレンズにより集光され、分光器１１へ接続されている光ファイバ６へ導入される。
【００１５】
分光器１１に導かれた多波長の光はスリット８により入射量が制限される。その後、回折格子９により多波長の光は分光され受光素子１０にそれぞれ波長毎に入射する。受光素子１０では光電効果により、光信号が電気信号に変換され、光強度に応じた電気信号がデジタル処理装置１２へ送られる。デジタル処理装置１２は、多波長の光強度に応じた信号強度をモニタし、この信号強度変化によりエッチングの終点を検出する。
【００１６】
図２は、分光器内部の受光素子と光波長の関係について説明する図である。分光器１１の内部の受光素子は例えば１０００ピクセルのＣＣＤラインセンサで構成される。この受光素子には図１で示した回折格子９で分光された各波長の光が入射される。このときの入射された光の波長と受光素子のピクセル番号の関係は、例えば式（１）のような多項式で与えられる。なお、この式は、分光器の光学系において、分光グレーティングからの光を受けるＣＣＤの画素素子が並べられたイメージセンサが全ての波長の光が平行となるように配置されておらず、このために各波長が同じ光量でも素子の出力に差異が生じることを補正するために用いている。
【００１７】
λ＝ａ＋ｂ＊Ｐｉｘ＋ｃ＊Ｐｉｘ＊Ｐｉｘ＋ｄ＊Ｐｉｘ＊Ｐｉｘ＊Ｐｉｘ
＋ｃ＊Ｐｉｘ＊Ｐｉｘ＊Ｐｉｘ＊Ｐｉｘ  ・・・（１）
ここでａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは波長パラメータを示し、λは波長、Ｐｉｘは受光素子のピクセル番号（Ｐｉｘ：１〜１０００）を示す。これらａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの波長パラメータは分光器の出荷時にあらかじめ製造者により決定されている。この式（１）とａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの波長パラメータによりある波長の強度に対応した受光素子のピクセル番号が分かる。
【００１８】
図２に示すように、例えば受光素子の第１ピクセル（左端のピクセル）は波長λが２００ｎｍのスペクトル強度を検出している。
【００１９】
前記ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの波長パラメータは分光器の出荷時に製造者が適当な光を入射し求めたパラメータであるが、エッチング装置に取り付け後、実際のプラズマ発光をモニタした場合に発光波長がずれている場合がある。この理由には二通りあり、その一つは輸送中の振動等により分光器内部の回折格子や受光素子位置がずれ、これにより発光波長がずれる場合である。もう一つは、エッチングチャンバ内で発生したプラズマ強度をモニタする経路には、光ファイバ６、アイリス７、分光器１１等のハードウェアが介在しており、例えば光ファイバ６の取り付けに際して、ねじれ負荷が掛かった状態で取り付けられた場合には、波長シフトが発生することが知られている。つまり波長シフトは部品単体だけでなく、部品接合部によっても発生する。
【００２０】
本実施形態では、上記の波長ずれを解決するために、光ファイバ６、アイリス７、分光器１１で構成される分光器システム全体での波長校正を実施する。
【００２１】
エッチング時の発光スペクトルはエッチングに使用するガス、ウエハ膜種によって異なる強度を示し、エッチングガスやウエハ膜種に依存した強度スペクトルとなる。そこで、本実施形態ではエッチングガスとしてＡｒとＣｌ２を使用し、ウエハとしてはＳｉウエハを使用し、前記ウエハをエッチングした際の発光強度スペクトルを利用して波長校正を実施する。
【００２２】
この例では、装置運用上利用しやすいガスやウエハをとして上記ウエハおよびガスを選択したが、他の種類のガスやウエハを使用しても良い。この場合は発光スペクトルの形状が本実施形態の例とは異なることになる。
【００２３】
なお、分光器システムの波長校正の検定を行う場合には、特定の膜構造を有した検定用のウエハを試料台５上に載置した状態で検定を実施する。なお、前記検定用のウエハはカセット内に収納されて装置の大気側に配置されたカセット台上に載せておき、エッチング装置の搬送手段を用いて前記カセット台上に装着する。また、検定用のウエハはクリーニング等に使用されるダミーウエハでもよい。
【００２４】
図３は、波長校正に際して行われるエッチングで使用するＡｒ，Ｃｌ２，Ｓｉの主な発光スペクトル波長（理論波長）を示す図である。エッチング時の発光スペクトルには主に図３に示した波長に強度ピークが存在する。
【００２５】
図４は、ＳｉウエハをエッチングガスＡｒ，Ｃｌ２を用いてエッチングした際の発光スペクトルを示す図である。
【００２６】
この発光スペクトル内には、図３に示す波長付近でピークが存在していることがわかる。この発光スペクトルのピーク波長と図３に示す理論波長とが一致していれば、前記波長ずれは発生していないということができる。
【００２７】
前記発光スペクトルのピーク波長と図３に示す理論波長とが一致していない場合は、波長ずれが発生しており、式（１）のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅで表現される波長パラメータを再計算する必要がある。波長パラメータの再計算には、実際のエッチング時の発光スペクトルデータを使用する。
【００２８】
再計算に際しては、図３に示す元素毎の１４個の波長（Ａｒの９波長、Ｓｉの３波長、Ｃｌの２波長）におけるスペクトル強度のピークを検出したピクセル（ピークピクセル）の番号と波長（理論波長）の関係を抽出し、線形回帰近似により式（１）の波長パラメータを求める。
【００２９】
なお、この例では図３に示した１４波長のデータを用いて式（１）に示す波長パラメータを求めたが、式（１）の場合、少なくとも５波長分のデータがあれば波長パラメータを求めることができる。
【００３０】
図５は、波長校正の処理を説明する図である。まず、ステップ５０１において、波長校正に使用するＳｉウエハを真空容器（エッチングチャンバ）２内に搬送する（ステップ５０１、５０２）。次に、Ａｒ，Ｃｌ２ガスを用いて搬入されたＳｉウエハにエッチングを施す（ステップ５０３）。このときエッチング中の発光スペクトルをデジタル処理装置１２に記憶する（ステップ５０４）。
【００３１】
次に記憶した発光スペクトルにおけるピーク波長と、例えば図３に示した１４個のピーク波長（理論値）が一致（許容値未満）しているか否かを判定する（ステップ５０５）。
【００３２】
記憶した発光スペクトルにおけるピーク波長と、図３に示したピーク波長（理論値）の全てが一致している場合には波長校正結果は正常であり、波長校正を終了する（ステップ５０７）。ここで前記許容値は±１ｎｍとした。
【００３３】
ここで１４個の波長のうち、ひとつでも許容値を外れていた場合には、波長ずれが発生していると判断し、１４個の波長におけるそれぞれのピークを検出したピクセル（ピークピクセル）の番号と理論波長の関係から線形回帰により式（１）の波長パラメータａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを求める（ステップ５０６）。この求めた波長パラメータを正しい値として次回より使用する。
【００３４】
以上の説明では、Ｓｉウエハを使用して波長校正を実施する例を示してきたが、校正後の処理する製品の材料と同じ膜種のダミーウエハを使用して校正しても良い。製品と同じ膜種のダミーウエハで波長校正を行うことにより、終点判定に使用する波長を波長校正に盛り込むことができ、より最適な波長校正が可能となる。
【００３５】
波長校正の実施のタイミングについては、エッチング装置の組み立て完了後に行い分光器システムとしての正しい波長パラメータを求めておく。また分光器システムを構成する部品を交換したタイミングやアイリス７による受光強度調整を実施したタイミングで波長校正を実施することが望ましい。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、プラズマ処理装置の分光器システムによるプラズマ発光モニタにおいて、発光スペクトルを正確な波長で取得することができる。
【００３７】
また、実際の測定系を用いての波長校正を実施するため、複数台のプラズマ処理装置間においても波長ずれの無い分光器システムを提供することができる。このように各ハードウェア単体もしくは機器間の接続により発生する波長ずれを包含した波長校正を行うことができるため、正しい波長をモニタできる分光器システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態にかかるエッチング処理装置を説明する図である。
【図２】分光器内部の受光素子と光波長の関係について説明する図である。
【図３】波長校正に際して行われるエッチングで使用するガス発光スペクトル波長（理論波長）を示す図である。
【図４】Ｓｉウエハをエッチングガスを用いてエッチングした際の発光スペクトルを示す図である。
【図５】波長校正の処理を説明する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  エッチング装置
２  真空容器
３  プラズマ
４  被処理材
５  試料台
６  光ファイバ
７  アイリス（絞り）
８  スリット
９  回折格子  
１０  受光素子
１１  分光器
１２  デジタル処理装置
【図１】
2009147207.tif 000003
【図２】
2009147207.tif 000004
【図３】
2009147207.tif 000005
【図４】
2009147207.tif 000006
【図５】
2009147207.tif 000007