(57)【要約】【課題】プラズマ処理装置の稼働率を高め、長期間に渡り良好なプラズマ処理性能を維持する。【解決手段】被処理基板を載置する基板電極１１２および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置１０９を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段１１８と、前記処理室内にプラズマを発生する機構１０１とを備えたプラズマ処理装置において、前記処理室内のガス密度を測定する機構および測定したガス密度をもとに処理室内のガス密度を一定に制御する。    【選択図】図１
2009206344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、
該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、
前記処理室内にプラズマを発生する機構とを備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内のガス密度を測定する機構を備え、測定したガス密度をもとに処理室内のガス密度を一定に制御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、
ガス密度の測定機構は、圧力計、ガス温度の測定機構を備え、前記圧力計の圧力信号と前記ガス温度の測定機構のガス温度信号からガス密度を算出することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
ガス密度の測定機構は、圧力計、ガス温度の制御機構を備え、前記圧力計の圧力信号と前記ガス温度の制御機構のガス温度信号からガス密度を算出することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、前記処理室内にプラズマを発生する機構を備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内の圧力を測定する機構、該圧力を測定する機構の内部を満たすガスの温度を測定する機構、および測定したガスの温度および圧力から所定の温度に換算した場合の圧力を算出する機構を備え、所定の温度に換算した場合の処理室圧力を一定になるよう制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、前記処理室内にプラズマを発生する機構を備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内の圧力を測定して処理室圧力を一定になるよう制御する機構の内部を満たすガスの温度を所定の値に制御する機構を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段、前記処理室内にプラズマを発生する機構を備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内のガス温度を制御する機構を備え、処理室のガス温度を所定の値に制御してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力を測定する機構と、前記処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、該真空排気手段を制御する制御手段、および前記処理室内にプラズマを生成する機構を備えたプラズマ処理装置において、
処理室内ガス密度を算出し、算出した処理室内ガス密度を所定の値に制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理技術に関わり、長期のプラズマ処理に対しても処理特性の変動を防止するのに好適なプラズマ処理装置および処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置において、プラズマ処理を長期間に渡り続けると、初期の処理性能を維持することが困難となることがある。この場合、何らかの保守作業を行うことで、装置の状態を初期化して、プラズマ処理を再開することが行われる。なお、前記保守作業の直後は所望のプラズマ処理性能を得られないことが多く、予備放電等を行ってプラズマ処理室等の状態を調整することが必要となる。これらの保守作業や予備放電等の作業量や頻度が高くなると生産性を悪化させる。このため、長期間に渡ってプラズマ処理特性を維持することは重要な課題となっている。
【０００３】
例えば、プラズマエッチング装置の場合、長期間のエッチング処理により、エッチング処理の加工形状が徐々に悪化したり、処理室内に堆積した反応生成物等が被処理基板上に付着してプラズマ処理特性を悪化させることがある。この場合の保守作業としては、処理室内に堆積した反応生成物等の除去や装置内部品の交換等を行うことが多い。しかし、これらの保守作業は通常真空状態に排気している処理室を大気開放して行うことが多く、処理室を再び使用可能な状態に戻すために長時間を要することが多い。
【０００４】
従来技術を用いたプラズマ処理特性安定化に関する公知例として、特許文献１がある。特許文献１には、被処理基板に印加するバイアスのピークトゥピーク電圧をモニタし設定値に制御することでプラズマエッチング処理の安定化を図ることが示されている。
【０００５】
また、従来技術を用いたプラズマ処理特性安定化に関する公知例として、特許文献２がある。特許文献２には、処理室の圧力制御用バルブの開度とバイアス電圧の両者をモニタし、一方または両者が予め設定された値から外れた場合にメンテナンスを行うことが示されている。
【０００６】
また、従来技術を用いたプラズマ処理特性安定化に関する公知例として、特許文献３がある。特許文献３には、プラズマエッチングにおいて、自己バイアス電圧を測定し、測定値に基づいて高周波電力を調整してエッチングを行い、さらに各バッチで測定した自己バイアス電圧が等しくなるように高周波電力を制御することが示されている。
【特許文献１】特開平８−１９９３７８号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３７５６号公報
【特許文献３】特開平８−１６５５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の技術では、被処理基板に印加するバイアスのピークトゥピーク電圧が変化する原因については考慮されていない。そのためピークトゥピーク電圧が変化する未知の原因により派生的に発生するプラズマ処理特性の経時変化については防止できない。
【０００８】
また、特許文献２記載の技術では、メンテナンス間のプラズマ処理特性の経時変化については考慮されていない。例えばメンテナンスを実施後、次のメンテナンスを実施するまでの間のプラズマ処理特性の経時変化は防止できない。
【０００９】
また、特許文献３記載の技術では、自己バイアス電圧を変動させる要因については考慮されていない。そのため自己バイアス電圧を変化させる未知の原因により派生的に発生するプラズマ処理特性の経時変化については防止できない。
【００１０】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、プラズマ処理装置の稼働率を高め、長期間に渡り良好なプラズマ処理性能を維持することのできるプラズマ処理技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、前記処理室内にプラズマを発生する機構とを備えたプラズマ処理装置において、前記処理室内のガス密度を測定する機構を備え、測定したガス密度をもとに処理室内のガス密度を一定に制御する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以上の構成を備えるため、プラズマ処理装置の稼働率を高め、長期間に渡り良好なプラズマ処理性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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プラズマエッチング装置の概略を示す図である。マイクロ波源１０１から発振されたマイクロ波は方形導波管１０３を用いて伝送され、方形円形導波管変換機１０４により、円形導波管１０５に接続される。自動整合機１０２は、負荷インピーダンスを調整して反射波を自動的に抑制することができる。マイクロ波源としては発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロンを用いた。マイクロ波源保護のためにアイソレータ１１９を用いた。
【００１５】
円形導波管１０５は空洞共振部１０６に接続される。空洞共振部１０６はマイクロ波電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する働きを持つ。空洞共振部１０６の下部にはマイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８を介してプラズマ処理室１１０がある。シャワープレート１０８はプラズマ処理室１１０に発生するプラズマに直接曝されるため、プラズマ耐性が高く、プラズマ処理に悪影響を及ぼさない材質が望ましい。マイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８の材質としてはマイクロ波を効率よく透過し、プラズマ処理室を気密に保持する材料として石英を用いた。
【００１６】
マイクロ波導入窓１０７とシャワープレート１０８の間には図示しない微小な間隙が設けられており、プラズマ処理に用いる処理ガスの供給系１０９より供給されるガスが供給される。シャワープレート１０８には図示しない微細なガス供給孔が複数設けられ、処理ガスをプラズマ処理室１１０にシャワー状に供給する。プラズマ処理室１１０内には被処理基板１１１を戴置するための基板電極１１２が設置されている。基板電極１１２には被処理基板１１１にバイアス電力を供給するために自動整合機１１３を介してバイアス電源１１４が接続されている。バイアス電源の周波数として４００ｋＨｚのものを用いた。
【００１７】
プラズマ処理室１１０の周囲には静磁界発生装置１１５が設けられ、プラズマ処理室１１０内に静磁界を加えることができる。電子サイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数が一致した場合にマイクロ波の電力が電子に共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴現象を用いると、通常はプラズマの発生が困難な高真空領域でもプラズマの発生が可能となり、プラズマ処理可能な領域が拡大する効果がある。また静磁界をプラズマ処理室に加えることでプラズマの損失を抑制しプラズマの着火性を高めたり、静磁界の分布を調整することでプラズマの発生領域や拡散を制御してプラズマの分布を制御することができる。  プラズマ分布の制御により、被処理基板１１１に施すプラズマ処理の均一性を制御することができる。マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、電子サイクロトロン共鳴を起こす静磁界の大きさは０．０８７５テスラとなる。この場合、電子サイクロトロン共鳴現象を活用するにはプラズマ処理室内に０．０８７５テスラの静磁界を発生させる必要があり、処理室内の任意の場所にこの大きさの静磁界を発生させることができる静磁界発生装置を用いることが望ましい。静磁界の発生装置として多段の電磁石を用いた。多段の電磁石を用いることにより静磁界分布と大きさの調整が電磁石に流す電流により容易に制御できる効果がある。
【００１８】
プラズマ処理室１１０はバルブ１１６、コンダクタンス可変バルブ１１７を介して接続された真空排気ポンプ１１８が接続され、排気されている。真空排気ポンプ１１８として排気側をロータリーポンプにより排気したターボ分子ポンプを用いた。プラズマ処理室１１０の圧力は圧力計１２０によりモニタしている。処理ガスの供給系１０９により供給されるガスやエッチング処理時に発生するガス等のガスを排気する排気速度をコンダクタンス可変バルブにより自動的に制御して、一定の圧力を保持する機構を設けた。
【００１９】
プラズマエッチング特性の長期にわたる安定性を評価するために、図１に示すプラズマエッチング装置を用いて、装置のパラメータをモニタしながらエッチング処理を続ける実験を行った。処理室内および処理室内の部品を洗浄して装置を初期化し、実験を開始した。  モニタしたパラメータは、石英天板温度、圧力調整弁の開度（ＶＶ開度と表記）、処理ガスに含まれる不活性ガスの発光強度、バイアス電圧のピークトゥピーク電圧（Ｖｐｐと表記）である。またプラズマエッチング時の処理ガスに不活性ガスを添加しており、この不活性ガスに起因するプラズマ発光の強度も併せてモニタした。さらに、プラズマエッチング特性のモニタとして、プラズマエッチングにより線状のパターンを加工した場合の線幅を測定した。形成された線状パターンの線幅からマスクパターンの線幅を差し引いた値を評価し、図に加工寸法として表記した。図７、図８に初期の値を１００％として示す。
【００２０】
エッチング処理を続けると、主にプラズマからの入熱により石英天板の温度で代表される処理室温度が上昇した。プラズマ処理時の処理室内圧力を所定の値を維持するよう、コンダクタンス可変バルブにより真空排気系の排気速度を調整しているが、処理室の温度上昇に伴い該コンダクタンス可変バルブのコンダクタンスが増加して排気速度が増大した。不活性ガスに起因するプラズマ発光の強度は減少傾向にあった。さらにバイアス電源の出力一定としているが、処理室温度上昇に伴いバイアス出力のピークトゥピーク電圧（Ｖｐｐ）が減少する結果となった。また加工寸法は細くなる傾向にあった。
【００２１】
排気速度の増大傾向は、処理室の温度が上昇すると、処理室内のガス温度が上昇して圧力が増大するため、排気速度を上げて圧力を一定とするように制御が働いた結果であると考えられる。不活性ガスの発光強度は不活性ガスの密度に概略比例すると考えられ、発光強度の減少はガス密度の減少を示すと考えられる。また、Ｖｐｐの減少傾向はプラズマ密度が増加してプラズマのインピーダンスが下がったためと考えられる。圧力一定で温度が上昇した場合、ガスの密度は低下するが、ガス密度とプラズマ密度の関係はガス分子により異なり、ガス密度低下によりプラズマ密度が低下するガスと、逆にガス密度低下によりプラズマ密度が増加するガスがある。実験に用いたハロゲン系ガスの場合、ガス密度の低下に伴いプラズマ密度が増加した。ハロゲン系ガスの場合、電子がガス分子に付着し負イオンを生成する確率が高いため、ガス密度が低下することで電子の密度が増加したものと考えられる。そのためＶｐｐ減少の原因はガス密度の低下であると考えられる。Ｖｐｐが下がるとプラズマから被処理基板に引き込むイオンのエネルギーが減少し、これに伴い加工寸法の変動が生じたものと考えられる。
【００２２】
上記の過程をまとめると以下のようになり、エッチング処理に用いるガスの温度上昇がガス密度の低下、Ｖｐｐの低下を介して加工寸法の変動をもたらしたと発明者は考察した。
【００２３】
（１）処理室温度上昇
（２）ガス温度上昇
（３）圧力一定制御によりガス密度低下
（４）プラズマ密度増加
（５）バイアス電力一定制御によりＶｐｐ減少
（６）加工寸法の変動
ところで、理想気体について処理室内のガス温度とガス密度の関係は式（１）で表されることが知られている。
【００２４】
ＰＶ＝ｎＲＴ・・・式（１）
ここで
Ｐ：  処理室の圧力（Ｐａ）
Ｖ：  処理室の体積（ｍ３）
ｎ：  ガス分子の量（ｍｏｌ）
Ｒ：  気体定数（＝８．３１４Ｊ／Ｋ／ｍｏｌ）
Ｔ：  ガス温度（Ｋ：絶対温度）
実在のガスについてはガス分子の大きさ等により厳密には式（１）が満足されないが、近似的に式（１）が成立すると考えてよい。ガスの温度が変動すると、ほぼ式（１）に従い処理室内の圧力が変動する。上記のプラズマ処理室のように処理室圧力を一定に制御する場合、ガス温度が上昇すると、圧力を維持するためにガス密度が低下することがわかる。
【００２５】
実在のガスに関しても式（１）に修正を施した式が古くから提案されており、たとえば基礎物理化学、Ｗａｌｔｅｒ  Ｊ．  Ｍｏｏｒｅ著、細矢治夫、湯田坂雅子  訳、東京化学同人、等に記載されている。
【００２６】
この結果から、エッチング速度に代表されるエッチング特性の安定化を図るためには、下記の方策適用が有効である。
【００２７】
（１）処理室温度の安定化
処理室温度を安定化するために、処理室周囲にヒータを設置し所定の温度に加熱するほか、石英天板上にヒータを設置して作動させ、所定の温度に達した後、エッチング処理を開始することで処理室温度の安定化を図る。石英天板加熱用のヒータとして、石英天板にエネルギーを吸収する電磁波を照射する機構を用いても良い。石英天板上に設置したヒータはエッチング処理開始前に取り外しても良い。
【００２８】
図２は処理室加熱機構を説明する図である。プラズマ処理室側面を加熱するヒータ２０１とマイクロ波導入窓を加熱するヒータ２０２がある。ヒータは温度をモニタしながら所定の温度に保持する制御機構を有している。本実施例では両者共１００℃に設定した。マイクロ波導入窓を加熱するヒータ２０２は着脱自在となっており、プラズマ処理を行う前にマイクロ波導入窓に設置して所定の温度まで加熱する。所定の温度に達した後、ヒータ２０２を取り外し、プラズマ処理を開始する。プラズマ処理を続けて行いマイクロ波導入窓付近の温度が安定している場合にはヒータ２０２によるマイクロ波導入窓の加熱は省略することができる。ヒータ２０２によるマイクロ波導入窓の加熱は前のプラズマ処理後長時間が経過した場合や、大気開放等の後の真空排気時間等、マイクロ波導入窓が冷えた場合に行うことが有効である。
【００２９】
プラズマ処理を長時間続けた場合に処理室内面が到達する飽和温度付近になるよう、ヒータ２０１、ヒータ２０２の温度を設定することが望ましい。
【００３０】
以下に述べるガス温度の安定化に用いるガスの加熱機構を用いてプラズマ処理に先立ち加熱したガスにより処理室を加熱し、処理室温度を安定化することも効果的である。処理室加熱のため処理室に流すガスはアルゴンや窒素等の化学的に不活性なガスであることが望ましい。またガスを流すことにより処理室内面などに付着した反応生成物などを予め除去することによりプラズマ処理特性を低下させる物質を排出させる効果もある。
【００３１】
（２）ガス温度の安定化
ガス温度を安定化するために、ガス配管に加熱機構を設け、加熱したガスをプラズマ処理室に供給する。処理室内のガス温度を直接モニタすることは困難であるため、石英天板の温度が所定の温度になることを確認して、エッチング処理を開始することで、ガス温度の安定化を図ることができる。
【００３２】
図３にガスの加熱機構を示す。ガス供給機構１０９から処理用のガスを供給する配管にガス加熱機構３０１を設けた。ガス加熱機構は１００℃に設定した。加熱された処理ガスはマイクロ波導入窓１０７とシャワープレート１０８の間のガス流路を通過するためマイクロ波導入窓１０７とシャワープレート１０８も昇温されていることが望ましい。そのためにプラズマ処理に先立ち上述の処理室温度の安定化に記載した方法を用いてマイクロ波導入窓等を予備加熱しておくことが望ましい。
【００３３】
（３）ガス密度の安定化
ガス密度を安定化するために、図４に示す測定系でガス密度を測定した。本ガス密度の測定系は図１に示す圧力計１２０と置き換えるかまたは併用して使用する。ガス密度を測定する処理室４０１にガス温調機構付き配管４０２を介して圧力計４０３が接続されている。ガス温調機構付き配管４０２は配管内部に多孔質のセラミックス材が設置されており、配管内を通過するガス分子はセラミックス材と衝突し、セラミックス材と同じ温度に温調される。セラミックス材は外部から所定の温度に制御されている。セラミックス材を低温にするとプラズマ処理時の反応生成物が付着しやすくなる場合があり、高めの温度に設定することが望ましい。本実施例では１００℃に設定した。制御したガス温度と測定した圧力からガス密度を算出し、処理室のガス密度制御に利用することができる。圧力計４０３として圧力計自身の温度を所定の値に制御する機構を有するかまたは圧力計の温度を測定して圧力計測値を補正する機能を持つ圧力計を用いることが望ましい。さらに圧力計４０３の温度を制御する場合、ガス温調機構付き配管４０２と同じ温度に制御することが望ましい。本実施形態では圧力計４０３を１００℃に制御した。
【００３４】
上記の例ではガス温度を所定の値に制御したが、多孔質セラミックスの温度を測定することでガス温度をモニタし、得られたガス温度と圧力からガス密度を算出しても良い。
【００３５】
セラミックスの材質としてはプラズマダメージに強く、広い温度範囲で安定、熱伝達率の高い物質が望ましい。本実施形態では酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスを用いた。
【００３６】
多孔質セラミックスとしてガス分子の通過しやすいものを用いると、処理室圧力の変動に対する圧力測定の時間的な応答性が高くなる効果がある反面、ガス温度の制御性が低下する。逆にガス温度の制御性を高めるためにガス分子の通過しにくい多孔質セラミックスを用いると、応答性が悪化する。応答速度とガス温度の制御性の観点から最適な多孔質セラミックスを選定する必要がある。
【００３７】
図５は、ガス温調機構付き配管４０２の他の例示す図である。温調された配管を曲げることでガス分子の配管内面との衝突確率を高め、配管を通過するガスの温度を温調機構５０１により所定の温度に制御している。配管内面とガス分子の衝突が多い場合には配管の曲げは省略しても良いし、途中にバルブ等を備えても良い。
【００３８】
また本実施形態ではガス温度と圧力からガス密度を算出して制御する例を説明したが、ガス温度を一定に制御する場合には、圧力計４０３で計測される圧力を一定としても同様の効果が得られる。またガス温度を測定する場合には、ガス密度に代えて所定のガス温度に換算した場合の圧力を算出し、これを用いて制御しても良い。通常は処理室の圧力を一定として制御する場合が多いので、従来例と比較しやすくなる効果がある。
【００３９】
上記の例では、圧力計の計測値とガス温度によりガス密度を算出したが、直接ガス密度を測定する機構を用いても良い。またガス温度を温調した配管等により制御する例を示したが、ある時点での圧力測定値を基準として用いてガス温度の変動を算出し、ガス密度の補正を行っても良い。
【００４０】
図１０は、ガス密度を測定する機構の他の例を説明する図である。処理室４０１にガス密度計１００４が接続されている。ガス密度計１００４は複数の計測器１００２，１００３と分岐配管１００１により構成されている。１台の計測器でガス密度を正しく測定できることが望ましいが、ガスの種類や温度に応じて安定にガス密度を測定できない場合に、異なる計測器１００２と計測器１００３を併用することでガス密度を測定することが出来る。計測器１００２と計測器１００３は異なる測定原理により圧力またはガス密度を測定する。例えば、計測器１００２と計測器１００３とではそれぞれ圧力測定値のガス温度依存性が異なる。例えば、計測器１００２として比較的ガス温度によらず、圧力を安定に計測できる計測器を用い、計測器１００３として比較的ガス温度に依存して、圧力指示値が変化する計測器を用いる。両計測器の圧力とガス温度依存性を予め計測しておき、データベース化しておく。このデータベースから計測器１００２の圧力指示値と計測器１００３の圧力指示値によりガス温度を算出することが可能である。
【００４１】
図１３は、ガス温度依存性の異なる２つの計測器を用いて真の圧力とガス温度を算出する方法を説明する図である。図１３は縦軸に真の圧力、横軸にガス温度を取り、計測器の圧力指示値が一定となる線を表示した模式図である。計測器１００２と計測器１００３の真の圧力に対する圧力指示値とガス温度の依存性を予め取得しておく。実線１３０１で計測器１００２、破線１３０２で計測器１００３の特性を表示する。計測器１００２と計測器１００３の各圧力指示値に対応する線の交点から真の圧力とガス温度を算出することができる。図１３に示す例では計測器１００２がガス温度に関係なく一定の圧力指示値を示し、計測器１００３でガス温度が高温の場合に圧力指示値が真の圧力に対し高めになる場合を示す。図１３より明らかなように、ガス温度と真の圧力の測定を精度良く行うためには各計測器のガス温度に対する特性の差が大きい２つの計測器を選択することが望ましい。言い換えると２つの計測器の特性を図１３のように表示した場合に、両者の特性を示す実線１３０１と破線１３０２の交点付近で両線が９０度に近い角度で交差することが望ましい。
【００４２】
次に、圧力計に用いられる代表的な圧力の測定原理について以下に簡単に説明する。最初にキャパシタンスマノメータと呼ばれる圧力計で用いられる圧力の測定原理を図１１を用いて説明する。キャパシタンスマノメータ１１０１は処理室４０１と同じ圧力になるよう配管１１０５で接続された測定室１１０２と隔壁１１０４により分離された基準室１１０３に分離されている。基準室１１０３内には既知のガスが封入され既知の圧力に調整、保持されている。隔壁１１０４はそれぞれ測定室１１０２内のガス分子１１０７、基準室１１０３内のガス分子１１０６の衝突による力を各部屋に接する面より受ける。この力の差は基準室１１０３と測定室１１０２の圧力差により生じるもので、この力の差を測定することで測定室１１０２の圧力を測定することが出来る。この力は隔壁１１０４の変形量から測定する。隔壁１１０４の変形量は隔壁１１０４と対向して設置した図示しない面との静電容量の変化を測定することで算出することが多い。
【００４３】
キャパシタンスマノメータによる圧力測定原理は上記で説明したように、圧力により隔壁に加わる力を直接測定するもので、測定雰囲気のガス温度等が変化しても正しい圧力を示すことが期待できる。しかし隔壁に加わる力は微小な場合が多く、この微小な力を測定する際に周囲温度等の外乱を受ける場合があり、市販のキャパシタンスマノメータでは外乱の影響を最小限に留めるための工夫を行っている場合が多い。
【００４４】
次にピラニ真空計と呼ばれる圧力計で用いられる圧力の測定原理について図１２を用いて説明する。圧力を測定する処理室４０１にピラニ真空計１２０１が接続されている。ピラニ真空計１２０１は内部に線状の高温部１２０３があり、測定雰囲気のガス分子１２０２が高温部１２０３に衝突することで熱を奪う。高温部１２０３から奪われた熱量を計測することで雰囲気の圧力を測定することができる。一般に低圧では衝突するガス分子数が少なく奪われる熱量は小さいが、高圧ではガス分子の衝突頻度が高く多くの熱量が奪われる。市販のピラニ真空計では高温部１２０３は例えばタングステンや白金材料が用いられることが多い。高温部１２０３には電流を流して加熱し、例えば２００℃程度の一定温度に維持したときに奪われる熱量から圧力を算出することが多い。
【００４５】
ピラニ真空計では直接圧力を測定するのではなく、奪われる熱量を測定して圧力に換算する。一般にガス中の熱の伝達は同じ圧力でもガス種により異なるため、ピラニ真空計ではガス種により測定される圧力に差が生じることになる。また測定雰囲気ガスへの熱伝達で圧力を測定するため、ガス温度による影響を受けやすい。
【００４６】
このようにキャパシタンスマノメータとピラニ真空計ではガス温度に対する依存性が異なり、図１２における計測器１００２と計測器１００３として使用することができる。しかし他の計測器１００２と計測器１００３として用いる計測器はガス温度に対する圧力指示値の特性が異なればよく、他の計測器あるいは計測方法を用いても良い。
【００４７】
図１３において複数の特性の異なる計測器を組み合わせて用いることでガス密度を測定する方法について説明したが、ガスの温度と圧力は式（１）の関係に従うことから、基準となるガスの温度と圧力の測定データを準備しておくことでガスの密度または温度を測定することが出来る。以下の手順１から手順３に説明する方法を用いてガス密度またはガス温度を測定しても良い。
【００４８】
手順１
装置の温度が安定した状態で所定の排気速度に調整し、所定流量の所定ガスを流して、処理室の圧力を測定し、基準圧力Ｐ０［Ｐａ］とする。この状態のガス温度を絶対温度Ｔ０［Ｋ］とする。なお、装置各部が常温の場合にはガス温度が常温であると推定して式（１）に従い、ガス密度（ガス分子の量を処理室体積で除した値）を計算しても良い。
【００４９】
手順２
手順１の基準圧力を測定した場合と同じ条件（所定の排気速度、所定流量の所定ガスを流す）にて処理室の圧力を測定する。このときの測定結果をＰ１［Ｐａ］とする。推定するガス温度を絶対温度Ｔ１［Ｋ］とし、Ｔ１を式（２）により計算する。
【００５０】
Ｔ１＝（Ｐ１／Ｐ０）＊Ｔ０  ・・・・式（２）
手順３
ガス密度（ガス分子の量を処理室体積で除した値）を式（１）に従い求める。
【００５１】
（４）プラズマ密度の安定化
プラズマ密度の変動を抑制するために、下記方策が有効である。
【００５２】
１．プラズマ発生用マイクロ波電力の制御
２．ガス密度の安定化
図６は、プラズマ発生用マイクロ波電力の制御について説明する図である。被処理基板には前述の様に自動整合機、基板電極を介してバイアス電圧が加えられる。バイアス電圧のピークトゥピーク電圧（以下Ｖｐｐ値）はＶｐｐモニタ６０１により測定され、モニタ値は制御器６０２に伝えられる。基板電極、被処理基板、プラズマに加えられたバイアス電圧はそれぞれのインピーダンスに応じて分圧されるが、基板電極、被処理基板のインピーダンスは低いのでピークトゥピーク電圧はほぼプラズマに印加される。そのためＶｐｐモニタの計測値でプラズマのインピーダンス変動をモニタすることができる。さらにプラズマ密度の変動は直接プラズマインピーダンスに反映するため、結果的にＶｐｐ値でプラズマ密度変動をモニタすることができる。バイアス電力が一定の場合、高いＶｐｐ値は低いプラズマ密度に対応し、低いＶｐｐ値は高いプラズマ密度に対応する。
【００５３】
上述の様にＶｐｐ値でプラズマ密度をモニタできる。またプラズマ密度はマイクロ波電力で制御できる。Ｖｐｐ値によりプラズマ密度を監視し、マイクロ波電力によりプラズマ密度を制御することができる。制御器６０２はＶｐｐ値が低下するとプラズマ密度が増大したと判断し、マイクロ波発振器６０３に低いマイクロ波出力設定信号を送る。マイクロ波発振器６０３はマイクロ波出力設定信号に従い、マイクロ波電力を出力し、出力されたマイクロ波電力はマイクロ波出力モニタ６０４でモニタされる。逆にＶｐｐ値が増加すると制御器６０２は逆の動作をする。制御器の動作によりプラズマ密度を安定化することが可能となる。
【００５４】
（５）バイアスピークトゥピーク電圧の安定化
図９は、被処理基板にバイアス電位を印加する系統を説明する図である。バイアス電源からの出力は自動整合機を介して基板電極部に伝送される。基板電極部は主に被処理基板の温度制御機構や被処理基板の保持機構からなる。被処理基板の保持機構は静電チャック機構を用いた。基板電極部には電圧をモニタするための電圧検出部が設けられている。被処理基板の電圧はプラズマ処理特性に大きな影響を与えるため、被処理基板の電圧を直接モニタすることが望ましい。しかし静電チャック機構により被処理基板を保持しているため、被処理基板の電圧を直接モニタすることは困難であり、静電チャック機構のバイアス電源側に電圧検出部を設け、この位置の電圧をモニタしている。
【００５５】
静電チャック機構は電気的には容量の大きなコンデンサとして働くため、高周波に対する電圧降下は小さく、実効的に被処理基板の高周波電圧をモニタしているとして良い。ただし、静電チャック機構は直流的には大きなインピーダンスを持っており、図９に示す電圧検出部の位置では被処理基板の直流電位のモニタはできない。より高精度に被処理基板の電位を検出したい場合には、予め基板保持機構のインピーダンスを測定しておき、さらに電圧検出部に加えて経路を流れる電流の検出部を付加して、基板保持機構での電圧降下を算出して補正することで被処理基板の電位をより正確にモニタすることができる。
【００５６】
電圧検出部１１２からの電圧信号は制御器９０１に伝えられる。制御器９０１では被処理基板１１１の電圧を所望の値に保つようバイアス電源１１４の出力電力を制御するための電力信号をバイアス電源に送る。
【００５７】
なお、本発明は第１図に示すプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、他のプラズマ発生方法によるプラズマエッチング装置にも適用可能である。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、プラズマ処理室温度、プラズマ処理室内のガス温度、ガス密度、プラズマ密度、バイアスピークトゥピーク電圧などのプラズマ処理に関わるパラメータを安定化することにより、プラズマ処理装置の稼働率が向上し生産性改善が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施形態にかかるプラズマエッチング装置の概略を示す図である。
【図２】処理室加熱機構を説明する図である。
【図３】ガスの加熱機構を説明する図である。
【図４】ガス密度の測定系を説明する図である。
【図５】ガス温調機構付き配管の他の例を示す図である。
【図６】プラズマ発生用マイクロ波電力の制御について説明する図である。
【図７】加工寸法の変化を説明する図である。
【図８】加工寸法の変化を説明する図である。
【図９】被処理基板にバイアス電位を印加する系統を説明する図である。
【図１０】ガス密度を測定する機構の他の例を説明する図である。
【図１１】キャパシタンスマノメータで用いられる圧力の測定原理を説明する図である。
【図１２】ピラニ真空計の測定原理について説明する図である。
【図１３】ガス温度依存性の異なる２つの計測器を用いて真の圧力とガス温度を算出する方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１  マイクロ波発生装置
１０２  自動整合機
１０３  方形導波管
１０４  方形円形導波管変換機
１０５  円形導波管
１０６  空洞共振部
１０７  マイクロ波導入窓
１０８  シャワープレート
１０９  ガス供給装置
１１０  プラズマ処理室
１１１  被処理基板
１１２  基板電極
１１３  自動整合機
１１４  バイアス電源
１１５  静磁界発生装置
２０１  ヒータ
２０２  ヒータ
３０１  ガス加熱機構
４０１  処理室
４０２  ガス温調機構付き配管
４０３  圧力計
５０１  温調機構
６０１  Ｖｐｐモニタ
１００１  分岐配管
１００２  計測器
１００３  計測器
１００４  ガス密度計
１１０１  キャパシタンスマノメータ
１１０２  測定室
１１０３  基準室
１１０４  隔壁
１１０５  配管
１１０６  ガス分子
１１０７  ガス分子
１２０１  ピラニ真空計
１２０２  測定雰囲気のガス分子
１２０３  高温部
１３０１  計測器１００２の特性
１３０２  計測器１００３の特性
【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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