(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に発生させたプラズマを用いて、該チャンバ内に置かれた被処理基板の表面処理をするプラズマ処理装置において、
該チャンバ内に設けられ、該表面処理の間に堆積物が堆積する複数のモニタ基板と、
該複数のモニタ基板内の選択されたモニタ基板上の該堆積物をプラズマエッチングするためのエッチング用電圧を、該選択されたモニタ基板に印加する電源と、
該チャンバ内壁に試料吸入口を有する分析装置であって、該プラズマエッチングの間に該選択されたモニタ基板表面から離脱する物質を該試料吸入口から吸い込んで分析する分析装置と、
該選択されたモニタ基板を該分析装置の試料吸入口近傍に移動するモニタ基板選択機構と
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
該モニタ基板選択機構は、該複数のモニタ基板が平板状の羽根を放射状に回転軸に取り付けた羽根車形状の該羽根を構成するよう設けられて、該回転軸を軸とする該複数のモニタ基板の回転により、該選択されたモニタ基板を該分析装置の試料吸入口近傍に移動することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
チャンバ内に発生させたプラズマを用いて、該チャンバ内に置かれた被処理基板の表面処理をするプラズマ処理方法であって、
該被処理基板を処理するためのプラズマ処理によりチャンバ内壁もしくは該被処理基板に堆積した堆積物を反映する堆積物が堆積するモニタ基板を、該チャンバ内壁に試料吸入口を有する分析装置の該試料吸入口近傍に移動する工程と、
該モニタ基板をプラズマエッチングする工程と、
該プラズマエッチングの間に該モニタ基板表面から離脱する物質を該試料吸入口から吸い込んで該分析装置で分析する工程とを含み、
該モニタ基板が、複数のモニタ基板から任意に選択されたモニタ基板であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理方法であって、
該プラズマエッチングする工程において、該モニタ基板にパルス状のエッチング電圧を印加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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマを用いて被処理基板の表面に薄膜を堆積し又は被処理基板の表面をエッチングするために使用されるプラズマ処理装置に関し、とくに処理装置内壁に堆積する堆積物の監視機構及び基板表面に堆積する膜質の監視機構に関する。
【０００２】
プラズマを用いた成膜工程では、プラズマ中に存在するイオンや活性種が処理基板の表面に到達し所望の薄膜として堆積する。また、プラズマを用いたエッチング工程では、プラズマから流出したイオンや活性種が処理基板の表面に吸着し、この吸着膜と処理基板表面との反応がイオン照射により促進されてエッチングが進行する。
【０００３】
このように、プラズマを用いたエッチング及び成膜等のプラズマ処理工程は、プラズマ中のイオンや活性種が被処理基板の表面に吸着又は堆積することで進行する。従って、かかる吸着又は堆積した膜質を知ることが、エッチング特性及び成膜特性を制御する上で極めて重要である。
他方、プラズマから流出するイオンや活性種は、被処理基板の表面以外の場所、例えばプラズマ処理装置のチャンバ内壁面にも到達し、吸着ないし堆積して、かかる被処理基板の表面以外の場所にも堆積物を形成する。このように被処理基板表面以外の場所に堆積した堆積物は、膜厚が厚くなると剥離して塵埃の発生源となる。また、かかる堆積物は、チャンバ内にプラズマが励起されると、温度上昇あるいはプラズマから流出するイオンや活性種との反応により、チャンバ内に意図せざる物質を放出する。その結果、チャンバ内に励起されたプラズマの組成変動を招来し、ひいてはエッチング特性又は成膜された堆積膜の物性を不安定なものにする。従って、このプラズマ組成の変動を一定限度内に抑制するために、チャンバ内壁面への堆積膜を監視し、限度を超えて堆積したときはチャンバ内の清掃を行い堆積膜を除去する必要がある。
【０００４】
【従来の技術】
プラズマ処理装置内にプラズマを励起したときに被処理基板の表面に吸着又は堆積される膜質を監視するために、従来はダミーウエーハを使用していた。ダミーウエーハは、被処理基板の代わりにあるいは被処理基板の近くに置かれ、被処理基板と同様の処理を受ける。処理工程終了後、チャンバ内からダミーウェーハを取り出し、ダミーウエーハの表面状態、例えば堆積膜の厚さ及び膜質、エッチング状態、あるいは表面に付着した塵埃等を検査する。この検査の結果が所与の範囲を逸脱する場合は、プラズマ条件が許容範囲を超えて変動したと見做し、チャンバ内の清掃やプラズマ発生条件の再設定を行う。これにより、被処理基板の処理条件を初期設定と同様の条件に回復する。
【０００５】
しかし、ダミーウェーハの検査の間はプラズマ処理装置を使用することができない。このためプラズマ処理装置の稼働率が低下してしまう。プロセス条件を常に把握するためには検査を頻繁に行うことが望ましいが、頻繁な検査はますます稼働率を低下させる。また、頻繁な検査は、ダミーウェーハの大量消費につながる。今日、ダミーウェーハは大口径化が進展しており、ダミーウェーハの大量消費は無視することができないプロセス費用の増大を招く。他方、稼働率の低下を抑えるため検査間隔を延長するのでは、次の検査までの間に生ずるプロセス条件の経時変動が大きく、プロセス条件が適切な範囲内に留まることを担保することが難しい。
【０００６】
ダミーウェーハを使用した検査方法の他の問題は、検査の対象が、相前後する検査の間に行われた全てのプロセスの累積結果であり、プロセスの個々の条件を直接観測するものではないことにある。検査は、通常、複数回のプロセスを経過した後に、ダミーウェーハに堆積した堆積膜を検査対象として行われる。この堆積膜は複数回のプロセスを通して累積した膜であるから、これら複数のプロセス全体の平均値を表している。このため、プロセス変動が複数条件の変化を含む場合、変化した条件を特定することが難しい。これでは、プロセス変動の原因を解明し、変化した条件を特定して適切な再設定をすることができない。従って、ダミーウェーハを用いる検査方法では、プロセス結果の現状維持を確認するに留まり、プロセスの各条件を最適に保持することができない。
【０００７】
上述したダミーウェーハを用いる検査の欠陥を回避するため、プラズマ処理装置のチャンバ内にモニタ基板を設置し、その上に堆積した堆積膜を光学的に観測する方法が特許公開公報平７−２６８６２８号に開示されている。この方法では、モニタ基板に堆積した堆積膜からの反射光をスペクトル分析してプラズマ条件を監視する。
【０００８】
また、特許公開公報平８−４９０７４号には、イオンアシスト蒸着において、処理基板表面から放出される粒子を質量分析することでプラズマを監視する方法が開示されている。上述したようにプラズマの監視では、プラズマから流出して堆積する堆積物の組成、硬度、堆積量（膜厚）等の物性を直接観測することが望ましい。この観点から見て、イオンビームと質量分析装置の組み合わせは優れている。
【０００９】
上述の公開された分光分析又は質量分析を用いた方法では、モニタ基板上の堆積膜をその場観察することができる。従って、ダミーウェーハを使用することなく、常時プラズマを監視することができる。
しかし、上述した分光分析を利用する方法は、チャンバ壁を通してチャンバ内部のモニタ基板へ光を入射及び出射する機構が必要であり、処理装置が複雑かつ高価になる。また、イオンアシスト蒸着と質量分析装置を組み合わせた方法は、イオンアシスト法以外の一般のプラズマ処理装置にそのまま適用することができない。かりに、イオンビームと質量分析装置の組み合わせを他のプラズマ処理装置、例えば平行平板型のプラズマ処理装置に適用するとしても、プラズマ処理装置の中にイオンビーム源を新たに導入しなければならず装置が高価になる。このように、その場観察ないしチャンバへのウェーハの搬出、搬入をすることなく観察することができるプラズマ監視装置は、複雑かつ高価なものとなっていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、チャンバ内に励起されたプラズマを監視する方法として、従来はダミーウェーハが用いられていた。しかし、この方法は、監視の時間間隔を短縮すると、高価なダミーウェーハを多量に消費するという問題がある。また、複数プロセスの平均値を観測するため、プラズマの変動を各条件ごとの変化に分別して監視することができないという問題がある。
【００１１】
さらに、モニタ基板を用い、モニタ基板の堆積物を光学的にその場観察する方法、あるいはモニタ基板の堆積物をイオンビームによりエッチングし放出粒子を質量分析する方法では、プラズマ処理装置が複雑かつ高価になるという問題がある。
本発明は、チャンバ内に励起されたプラズマに起因してモニタ基板に堆積する堆積物をその場観察ないし短い時間間隔で頻繁に観察しても、プラズマ処理装置の稼働率の低下が少なく、構造が簡単でかつ安価なプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の第一実施形態例断面図であり、平行平板型のプラズマ処理装置を表している。
上記課題を解決するための本発明の第一の構成では、図１を参照して、プラズマ処理装置のチャンバ１内に、エッチング用電圧を印加することができるモニタ基板３を設ける。エッチング用電圧は、プラズマ６からイオンを引き出しモニタ基板３表面の堆積物に衝突させ、モニタ基板３上の堆積物をエッチングするに十分なエネルギをイオンに付与する電圧であればよく、プラズマの種類及び所望のエッチング条件に応じて必要な電圧及びその正負の極性を選択することができる。このモニタ基板３の表面には、被処理基板２の表面処理をするプラズマ処理工程（以下「プラズマ処理工程」という。）の間、プラズマ６の発生に伴い生成される堆積物が堆積する。他方、モニタ基板３表面に堆積した堆積物を分析する工程（以下「分析工程」という。）の間、モニタ基板３へエッチング電圧が印加され、モニタ基板３表面の堆積物がエッチングされる。このエッチングされた堆積物はモニタ基板３表面からチャンバ１内に飛散し、分析装置５により分析される。こうして、プラズマ処理中にモニタ基板３表面に堆積した堆積物が分析される。
【００１３】
本第一の構成では、モニタ基板３表面に堆積した堆積物は、モニタ基板３にエッチング電圧を印加することでイオンエッチングされ、分析される。即ち、モニタ基板３表面に堆積した堆積物は分析工程でエッチングされ除去される。従って、堆積物が完全に除去されるまで分析工程を継続することで、モニタ基板３の状態が初期化され、次のプラズマ処理のモニタ基板３として再び利用することができる。このように本構成では検査毎に消費されるダミーウェーハを使用しないので経済的である。また、チャンバ１内からダミーウェーハを搬出及び搬入することなく堆積物の分析をすることができるから、極めて短時間で堆積物を分析することができる。このため、頻繁に分析を繰り返しても装置稼働率の低下は小さい。また、堆積物の分析を、プラズマ処理工程と同時に又はプラズマ処理工程の途中で行うこともできるので、その場観察又はプラズマ処理毎の若しくは途中での観察も容易である。このように、装置稼働率の低下やダミーウェーハの購入費用の増加を伴うことなく、プラズマを常時又は頻繁に監視することができるから、最適な時点で適切な処置をとることが容易になる。
【００１４】
本第一の構成の被処理基板２のプラズマ処理は、プラズマ６から流出する物質が被処理基板２表面又はチャンバ１内の露出部分のどこかに堆積する処理であればよく、例えばプラズマエッチング及びプラズマＣＶＤが含まれる。
本第一の構成において、プラズマ処理工程後に分析工程を続けることができる。このとき、プラズマ処理工程と分析工程とで用いるプラズマは、異なるガスのプラズマであってもよい。
【００１５】
例えば、プラズマ処理として、反応性ガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）又は原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ等によるエッチング又は成膜を行った後、プラズマ処理工程の反応性ガス又は原料ガスとは異なるガスを用いてプラズマを励起し、モニタ基板上にプラズマ処理工程で堆積した堆積物をエッチングし分析することができる。このようにプラズマ処理工程と分析工程のプラズマを異なるガスから生成することで、堆積物の成分分析のバックグランドを低下させ、また分析工程でのイオンエッチング速度を速くして感度を向上させることができる。もちろん、プラズマ処理工程に続く分析工程のプラズマを、プラズマ処理のガスと同一組成のガスから生成してもよい。
【００１６】
本第一の構成において、プラズマ処理工程と分析工程とを同時に行うこともできる。具体的には、被処理基板２のプラズマ処理中に、モニタ基板３にエッチング用電圧を印加することで分析することができる。この分析工程は、プラズマ処理期間中継続するその場観察としてもよく、複数回の分析工程に分割してもよい。ただ、分析工程ではモニタ基板３上の堆積物がエッチング除去される。このため、分析を連続して継続する場合は、エッチング速度を堆積速度に見合うまで遅くしなければならず、感度が制限される。従って、分析工程を分割して分析停止期間に十分な堆積物の膜厚を確保することが、感度の観点からは好ましい。
【００１７】
本第一の構成におけるエッチング用電圧を、パルス電圧とすることができる。モニタ基板３上の堆積物から放出される物質の種類及び量は、エッチング電圧に追従して変化する。他方、プラズマを含めたチャンバ１内雰囲気中のイオン、活性種及び中性粒子は、モニタ基板３にエッチング電圧を印加してもその組成及び密度をあまり変えない。従って、パルス状のエッチング電圧を印加することで、分析結果からチャンバ１内雰囲気中の粒子の影響を分離することができる。従って、分析のノイズを減少することができる。
【００１８】
本第一の構成のモニタ基板３に、プラズマ処理の間、バイアス電圧を印加することもできる。モニタ基板３へのバイアス電圧の印加により、モニタ基板３への堆積物を制御することができる。例えば、バイアス電圧を選択して、プラズマの特定の条件に鋭敏に感応する堆積物を選んで分析することもできる。また、モニタ基板３の電位を被処理基板２と同電位とすることで、モニタ基板３へ堆積する堆積物を被処理基板２表面に堆積する堆積物と同質にすることもできる。このバイアス電圧は、必要により正負の極性を有することができ、さらにフローテング状態としてもよい。
【００１９】
上述した本第一の構成では、モニタ基板３上の堆積物のイオンエッチングは、モニタ基板３への電圧印加によりなされ他に特別の機構を必要としない。また、分析装置５は、通常のプラズマ処理装置に装着されている分析装置、例えば質量分析装置又はイオンゲージを使用することができ、他に特別の機構や特別の分析装置を用意する必要もない。このように、本発明を適用するために特別の機構又は装置を必要としないので、本構成のプラズマ処理装置は複雑にならずまた安価に製作することができる。
【００２０】
本発明の第二の構成は、第一の構成のモニタ基板を複数備えたプラズマ処理装置に関する。
第二の構成では、複数のモニタ基板の中から任意に選択したモニタ基板を、分析装置の試料吸入口の近くに移動するモニタ基板選択機構を有する。このモニタ基板選択機構は、選択されたモニタ基板のみにエッチング用電圧を印加できる。従って、複数のモニタ基板の中から任意のモニタ基板を選択して、その上に堆積した堆積物のみを分析することができる。
【００２１】
上述したように、分析対象とされたモニタ基板上の堆積物は分析工程でエッチングされて除去されるので、モニタ基板は分析工程毎に初期化される。従って、モニタ基板を一枚のみ備えたのでは、連続して複数回のプラズマ処理工程がなされる場合に各プラズマ処理工程毎に分析工程を挿入すると、各プラズマ工程の直前に常にモニタ基板が初期化されるので、常に単一のプラズマ処理工程の分析をすることになる。これでは、プラズマ処理回数に応じて累積される堆積膜について分析し、累積処理回数と堆積膜との関係を明確にすることができない。本第二の構成は、かかる累積された堆積膜の分析を可能にしたものである。
【００２２】
本構成では、複数のモニタ基板の中から任意のモニタ基板を選んで堆積物を分析することができる。この構成を用いると、複数回のプラズマ処理工程を通して堆積された堆積物を評価することができる。例えば、１〜Ｎ番目のモニタ基板を、それぞれＭ1 〜ＭN 回のプラズマ処理工程を累積するモニタ基板として対応づける。ここで、プラズマ処理工程の間、全てのモニタ基板上に堆積物を堆積させる。分析工程は、１〜Ｎ番目のモニタ基板に対して、それぞれＭ1 回〜ＭN 回のプラズマ処理工程がなされる毎に分析工程を行う。即ち、１番目のモニタ基板はＭ1 回（例えば１回）毎に分析される。また、Ｎ番目（例えば６番目）のモニタ基板はＭN 回（例えば６０回）毎に分析される。従って、１番目のモニタ基板の分析結果は、Ｍ1 回のプラズマ処理の間に堆積した堆積物、即ちＭ1 回のプラズマ処理の累積結果を表している。同様に、Ｎ番目のモニタ基板の分析結果は、ＭN 回のプラズマ処理の累積結果を表している。このようにして、複数回のプラズマ処理の累積結果を分析し評価することができる。
【００２３】
なお、この例では、プラズマ処理がされると常に全てのモニタ基板へ堆積物が堆積するように構成したが、特定のプラズマ処理期間中特定のモニタ基板にバイアス電圧を印加して、その特定のプラズマ処理工程での堆積を停止させその影響を除外することもできる。これにより、特定のプラズマ処理の影響を明確にさせることができる。また、堆積の停止に代えて、被処理基板あるいは他のモニタ基板と異なるバイアス電圧を印加して物性の異なる堆積物を堆積することもできる。これにより、プラズマ処理の特定の条件に関する影響を明確にすることができる。
【００２４】
図３は本発明の第二実施形態例斜視図であり、モニタ基板選択機構を表している。上記第二の構成のモニタ基板選択機構は、羽根車状にモニタ基板を配置した機構により実現することができる。図３を参照して、２枚のモニタ基板３−１ａ、３−１ｂを張り合わせて１枚の平板状羽根を形成し、この平板状羽根を羽根車形状になるように回転軸３１に放射状に取り付ける。回転軸３１はチャンバ内壁面１ａに例えば垂直に取り付けられる。このチャンバ内壁面１ａには、分析装置５の試料吸入口４が開口する。この試料吸入口４は、試料吸入口中心軸４ａが回転軸３１に平行に、かつ回転軸３１を頂点とするＶ字型の内面として互いに対向するモニタ基板、例えばモニタ基板３−２ａ、３−３ｂの間を通るように配置される。さらに、分析工程では、この試料吸入口４を挟み互いに対向する２枚のモニタ基板３−２ａ、３−３ｂにのみエッチング用電圧が印加され、この２枚のモニタ基板３−２ａ、３−３ｂ上の堆積物が分析される。
【００２５】
本構成のモニタ基板選択機構は、回転軸３１を回転することで、Ｖ字型の内面として対向する２枚のモニタ基板のうちの任意の組みを選択して試料吸入口４近くに移動して、この組みのモニタ基板を分析することができる。なお、Ｖ字型の内面として対向する２枚のモニタ基板に代えて、一枚のモニタ基板あるいは張り合わせた羽根の両面を構成するモニタ基板を選択して試料吸入口４近くに移動し分析しても差し支えない。
【００２６】
図５は本発明の第四実施形態例側面図、図６は本発明の第四実施形態例正面図であり、モニタ基板選択機構を表している。上記第二の構成のモニタ基板選択機構は、さらにモニタ基板を重ねて配し、重ねた方向に直線移動する本第四実施形態例の機構により実現することができる。図５及び図６を参照して、複数のモニタ基板３−１、〜３−４を、チャンバ内壁面１ａに平行移動する機構（支持棒３３）に移動方向に重ねて搭載する。この移動機構を用いて、任意のモニタ基板３−２をチャンバ壁面に開設された分析装置５の試料吸入口４近傍に移動し，このモニタ基板３−２のみにエッチング用電圧を印加することで、任意のモニタ基板３−２を特定して分析することができる。この構成において、試料吸入口４に最も近いモニタ基板３−２の片面（図５では下面）のみにエッチング電圧を印加することもできる。また、試料吸入口４を挟み対向する基板３−２、３−３の２つの対向面にのみエッチング電圧を印加してもよい。
【００２７】
図４は、本発明の第三実施形態例斜視図であり、グリッドを有するモニタ基板選択機構を表している。上述したモニタ基板３−１ａ〜３−６ｂに、モニタ基板３−１ａ〜３−６ｂと同じ電圧が印加されるグリッド３２を設けてもよい。このグリッド３２はモニタ基板３−１ａ〜３−６ｂと同電位にあるため、常にモニタ基板３−１ａ〜３−６ｂと同じ堆積物が堆積し、この堆積物はモニタ基板３−１ａ〜３−６ｂ上の堆積の分析と同時に分析される。グリッド３２は平板よりも表面積が大きいため多量の堆積物が堆積するので、分析感度が向上する。なお、グリッド３２をモニタ基板３−１ａ〜３−６ｂの近傍に配置しても、雰囲気中の堆積粒子の大部分は妨げられることなくグリッド３２を通過するから、グリッドの有無によりモニタ基板３−１ａ〜３−６ｂ上の堆積物の量及び質はほとんど変化しない。
【００２８】
さらに、このグリッドは、複数のモニタ基板を配置する上述の第二の構成にも適用される。例えば、図３を参照して，モニタ基板３−１ａ〜３−６ｂを羽根車状に取り付けたモニタ基板選択機構の先端に、グリッド３２を取り付ける。また、図５及び図６を参照して、モニタ基板を重ねて配置したモニタ選択機構の前端（図５の右端）に配置することもできる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を平行平板型のプラズマ処理装置に適用した実施形態例を参照しつつ説明する。
本発明の第一実施形態例は、平行平板型のプラズマ処理装置に一個のモニタ基板を配置した例である。図１を参照して、プラズマ処理装置は、プラズマ処理がなされるチャンバ１と、チャンバ１の内壁面に試料吸入口４を有する分析装置５とを備える。
【００３０】
チャンバ１上部に、多数のガス導入孔１５を有する上部電極１１が設けられている。プラズマ処理に用いられるガス（以下「プラズマ処理ガス」という。）は、ガス導入管１４から上部電極１１内部に導入され、ガス導入孔１５からチャンバ１内部に流入し、チャンバ１下部に開設された排気口１３から真空排気される。チャンバ１下部に、下部電極を兼ねる基板ホルダ１２が設けられ、その上面に被処理基板２、例えばシリコンウェーハが載置される。基板ホルダ１２には、プラズマ処理の特性を制御するために、バイアス電圧が印加される。分析装置５は、例えば四重極質量分析装置であり、従来、チャンバ１内の雰囲気の組成を監視するために設けられたものである。分析装置５内は、排気口５ｃから真空排気され、チャンバ１と差動排気されている。その結果、チャンバ１内の雰囲気から物質を吸引し、イオン化器５ａでイオン化した物質を分析部５ｂにより分析する。上述したこれらの構造は、従来のプラズマ処理装置と同様である。
【００３１】
本実施例では、試料吸入口４の近くのチャンバ１壁面に、モニタ基板３を備える。モニタ基板３は、その表面から離脱する物質が試料吸入口４に効率良く吸い込まれ捕捉されるように、ほぼ水平に設けることが好ましい。必要ならば、他の状態、例えば垂直に又はチャンバ壁面に垂直に設けることもできる、また、モニタ基板３をチャンバ１壁面から離して置き場合、分析装置５の試料吸入口４を管状にしてモニタ基板３の近くに延ばすこともできる。これにより、チャンバ１の中央に置かれた被処理基板２の近くに、モニタ基板３を設置することができる。
【００３２】
モニタ基板３は、電圧が印加できる導電性物質、例えばステンレス鋼で作製される。必要ならば表面に絶縁膜を被覆し、又はシリコン基板を載置して、導電性物質がエッチングされてプラズマを汚染することを回避することもできる。電源７は、モニタ基板３にエッチング用電圧及びバイアス電圧を印加する。エッチング電圧は通常数ｋＶ、バイアス電圧は通常数百Ｖ以下である。これらの電圧は、必要に応じて適切な値に調整される。なお、対象とするイオン種、プラズマ処理条件等に応じて、正負いずれの極性をもとり得る。
【００３３】
図２は本発明の第一実施形態例分析結果説明図であり、上述した第一実施形態例のプラズマ処理装置を用いてシリコンウエーハをエッチングしたときの分析結果である。即ち、プラズマ処理工程が、シリコンウェーハのプラズマエッチングの場合である。
プラズマ処理ガスとしてＣ2 Ｆ6 を用い、生成されたプラズマ６にシリコンウェーハ表面を晒してエッチングした。モニタ基板３上に図外のシリコン基板を載置し、エッチング処理の間プラズマに暴露してシリコン基板表面に堆積した堆積物を分析した。分析では、プラズマ処理ガスに代えてＡｒガスを導入し、Ａｒプラズマ６を生成した後、モニタ基板３に３ｋＶのエッチング用電圧を印加し、モニタ基板３上に載置されたシリコン基板表面から放出される物質を四重極質量分析装置５により分析した。なお、質量分析でイオン化させるときの電子衝突エネルギは２０ｅＶとした。
【００３４】
図２（ａ）及び（ｂ）は、プラズマ処理工程の処理時間が異なる場合の分析結果である。それぞれの場合にモニタ基板３上のシリコン基板に堆積した堆積物の膜厚をエリプソメータを用いて測定したところ、図２（ａ）では５００ｎｍ、図２（ｂ）では２０ｎｍであった。なお、いずれも屈折率を１．５として計算した。図２の横軸は、分析工程の間にモニタ基板３に照射されたＡｒ+ イオンの単位面積当たりの累積ドーズ量である。縦軸は分析装置で計数された各種イオンの時間当たりの粒子数を表している。なお、Ａｒ+ イオンの照射強度は分析工程の間は一定に保持されている。
【００３５】
図２を参照して、堆積物の膜厚が５００ｎｍ及び２０ｎｍのいずれの場合も、ＣＦ+ 、ＣＦ2 + 及びＣＦ3 + イオンが観測された。これは、Ｃ2 Ｆ6 プラズマから流出したイオンや活性種が、モニタ基板３上のシリコン基板表面に到達してフロロカーボンの堆積膜を形成したことを示している。
図２（ａ）及び（ｂ）を比較すると、累積ドーズ量が１×１０16ｃｍ-2を超えるとイオン強度の初期変化が落ち着く。この時点でのＣＦ3 + のイオン強度は、膜厚が５００ｎｍの（ａ）の場合が膜厚が２０ｎｍの（ｂ）の場合より５倍程度大きい。これは、膜厚の相違に起因するもので、従って、イオン強度を測定して堆積物の膜厚を観測することができる。また、図２（ａ）と（ｂ）とでＣＦ2 + とＣＦ3 + とのイオン強度比が異なる。これは堆積物の組成、化学結合又は硬度が異なることを示しており、イオン種とそのイオン強度比からも堆積物の膜質を分析することができる。
【００３６】
図２を参照して、累積ドーズ量が少ない分析の初期段階では、イオン強度は急速に減少する。これは、Ａｒ+ イオンの照射量が少ない初期段階では、Ａｒ+ イオン照射による堆積物の変質が少なく、堆積した状態の物性がそのまま反映されるのに対して、Ａｒ+ イオンの照射量が多い段階では堆積物の変質が大きく元の物性が変化するためである。従って、分析の初期段階は堆積物の堆積した状態の物性をより反映している。図２の（ａ）と（ｂ）の初期、即ち累積ドーズ量が０近傍のＣＦ3 + イオン強度を累積ドーズ量を変数とする指数関数で近似すると、（ａ）では２．５×１０-16 、（ｂ）では３．５×１０-16 となり、膜厚が薄い方がイオン強度の減少が大きい。これは、薄い膜では、膜質が軟質でエッチング速度が大きいことを示唆している。さらに、初期段階のＣＦ2 + イオンとＣＦ3 + イオンのイオン強度比は、（ａ）と（ｂ）とで異なる。これは膜厚の相違により組成が異なること示している。
【００３７】
本実施形態例では、エッチングをプラズマ処理工程とする例について説明したが、Ｃ2 Ｆ6 を含むガスを用いるプラズマＣＶＤについても同様の分析することができる。また、分析工程でモニタ基板に印加するエッチング用電圧をパルスとし、分析のＳ／Ｎ比向上することもできる。
さらに、分析工程のＡｒプラズマに代えて、プラズマ処理工程と同じＣ2 Ｆ6 を含むガスのプラズマを分析工程で使用することができる。このとき、分析工程とプラズマ処理工程とを同時に行うその場観察とすることもできる。
【００３８】
本発明の第二実施形態例は、第一の実施形態例のモニタ基板を複数枚羽根車形状に設けたモニタ基板選択機構を有するプラズマ処理装置に関する。
図３を参照して、このモニタ基板選択機構では、チャンバ内壁面１ａに垂直に設置された回転軸３１に、羽根車の羽根様に平板が放射状に取り付けられている。そして、この平板の両面に互いに絶縁されたステンレス製モニタ基板３−１ａ〜３−６ｂが貼着されている。回転軸３１に平行な試料吸入口中心軸４ａを有する試料吸入口４が、回転軸３１近くのチャンバ内壁面１ａに開設されている。
【００３９】
分析時には、回転軸３１を回転して、任意の羽根様の平板を試料吸入口中心軸４ａ上に移動する。ついで、その平板の両面に貼着されたモニタ基板３−３ａ、３−３ｂにのみエッチング用様電圧を印加する。その結果、平板の両面に貼着されたモニタ基板３−３ａ、３−３ｂについて分析がなされる。これに続く二度目の分析工程では、回転軸３１を回転して他のモニタ基板、例えばモニタ基板３−４ａ、３−４ｂを試料吸入口中心軸４ａ上に移動し、エッチング電圧を印加して分析する。この二度目の分析工程では、最初に分析されたプラズマ処理工程と二度目に分析されるプラズマ処理工程とで累積して堆積した堆積物が分析対象とされる。同様に、羽根の枚数分だけ、累積回数が異なる堆積物を分析できる。なお、最初の分析と二度目の分析とを、プラズマ処理工程がそれぞれ所与の累積回数に達した毎に行うことで、累積回数と堆積物の慶治変動との関係を監視することができる。
【００４０】
第二実施形態例において、Ｖ字状に対向する二枚のモニタ基板３−２ａ、３−３ｂを試料吸入口中心軸４ａを挟むように移動し、この二枚のモニタ基板３−２ａ、３−３ｂのみにエッチング用電圧を印加して分析することもできる。もちろん一方のモニタ基板にのみモニタ電圧を印加してもよい。
本発明の第三実施形態例は、第二実施形態例のモニタ基板選択機構の先端にグリッドを設けた例に関する。
【００４１】
図４を参照して、Ｖ字状に対向する二枚のモニタ基板、例えばモニタ基板３−２ａ、３−３ｂと同電位にあるグリッド３２−２を、チャンバ１の中央に近い側のモニタ基板選択機構先端付近に配置する。このグリッド３２には、分析対象となるモニタ基板と同じ電圧が印加されるので、同一の堆積物が堆積し、同時に分析される。従って、実質的にモニタ基板の表面積が増加するので分析感度が高くなる。
【００４２】
本発明の第四の実施形態例は、直線移動するモニタ基板選択機構に関する。
図５及び図６を参照して、本実施形態例のモニタ基板選択機構は、チャンバ内壁面１ａに平行に直線移動する二本の支持棒３３を有する。モニタ基板３−１〜３−４は、両端を支持棒３３に挟持されて、移動方向３３ａに積み重なるように配置される。分析工程では、任意のモニタ基板、例えばモニタ基板３−２をチャンバ内壁面１ａに開設する試料吸入口４の近くに移動し、このモニタ基板３−２にのみエッチング電圧を印加する。あるいは、上下に重なる二枚のモニタ基板の対向面、例えばモニタ基板３−２の下面とモニタ基板３−３の上面にのみエッチング電圧を印加することもできる。このとき、上下に重なるモニタ基板３−２、３−３の中間に試料吸入口４が位置するように支持棒３３を移動する。さらに、モニタ基板の前面にモニタ基板と同電位にあるグリッドを設けてもよく、また、エッチング用電圧をパルスとしてもよい。
【００４３】
上述した本明細書に開示された発明には、以下に述べる付記記載の発明が含まれている。
（付記１）チャンバ内に発生させたプラズマを用いて該チャンバ内に置かれた被処理基板の表面処理をするプラズマ処理装置において、
該チャンバ内に設けられ、該表面処理の間に堆積物が堆積するモニタ基板と、該モニタ基板上の該堆積物をプラズマエッチングするためにエッチング用電圧を該モニタ基板に印加する電源と、
該プラズマエッチングの間に該モニタ基板表面から離脱する物質を分析する分析装置とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【００４４】
（付記２）該エッチング用電圧は、パルス電圧であることを特徴とする付記１記載のプラズマ処理装置。
（付記３）該電源は、該表面処理の間、該堆積物の物性を制御するバイアス電圧を該モニタ基板に印加することを特徴とする付記１又は２記載のプラズマ処理装置。
【００４５】
（付記４）移動可能に配設された複数の該モニタ基板の中から任意に選択されたモニタ基板を該分析装置の試料吸入口近傍に移動し、かつ該選択されたモニタ基板に該エッチング用電圧を印加するモニタ基板選択機構を更に備えたことを特徴とする付記１、２又は３記載のプラズマ処理装置。
（付記５）複数の該モニタ基板が、平板状の羽根を放射状に回転軸に取り付けた羽根車形状の該羽根を構成するように設けられ、
該回転軸を軸とする該モニタ基板の回転により、任意の該モニタ基板を該分析装置の試料吸入口近傍に移動し、かつ該選択されたモニタ基板に該エッチング用電圧を印加するモニタ基板選択機構を有することを特徴する付記１、２又は３記載のプラズマ処理装置。
【００４６】
（付記６）複数の該モニタ基板が直線移動する直線移動機構上に相互に間隔を設け該直線移動方向に重ねて配設され、
該直線移動により、該分析装置の試料吸入口近傍に選択された該モニタ基板を移動し、かつ該選択されたモニタ基板に該エッチング用電圧を印加するモニタ基板選択機構を更に有することを特徴する付記１、２又は３記載のプラズマ処理装置。
【００４７】
（付記７）該複数のモニタ基板先端の近傍に、各モニタ基板と略同電位のグリッドを設けたことを特徴とする付記５又は６記載のプラズマ処理装置。
【００４８】
【発明の効果】
本発明に係るプラズマ処理装置では、プラズマ処理工程でプラズマを発生したときにモニタ基板に堆積する堆積物を直接分析することができるから、プラズマの変動の各要因を分析し適切に対応することができる。また、分析に要する時間を著しく短縮できるから、プラズマ処理条件等の修正を最適な時期に行うことができる。さらに、高価なダミーウェーハや高価な機構を必要としないので、装置及びプロセスに必要な費用が安価である。従って、半導体装置の製造歩留りの向上に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態例断面図
【図２】本発明の第一実施形態例分析結果説明図
【図３】本発明の第二実施形態例斜視図
【図４】本発明の第三実施形態例斜視図
【図５】本発明の第四実施形態例側面図
【図６】本発明の第四実施形態例正面図
【符号の説明】
１  チャンバ
１ａ  チャンバ内壁面
２  被処理基板
３  モニタ基板
３−１ａ、３−１ｂ〜３−６ａ、３−６ｂ  モニタ基板
４  試料吸入口
４ａ  試料吸入口中心軸
５  分析装置
５ａ  イオン化器
５ｂ  分析部
５ｃ  排気口
６  プラズマ
７  電源
１１  上部電極
１２  基板ホルダ
１３  排気口
１４  ガス導入管
１４ａ  ガス導入口
３１  回転軸
３２、３２−１〜３２−６  グリッド
３３  支持棒
３３ａ  移動方向
【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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