CN101681832A - 等离子体处理装置、等离子体处理方法以及终点检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置(100)，其具备：在容器(1)内生成等离子体的等离子体生成机构、对向待处理体(晶片(W))移动的等离子体中的活性种的粒子数的累计值进行测量的测量部(60)、和当测量的累计值已达到设定值时进行控制以使等离子体处理结束的控制部(50)。测量部(60)从光源部(61)向等离子体照射规定的激光，由具备VUV单色光仪的检测部(63)接收，由此来测定活性种的粒子数。

Description

等离子体处理装置、等离子体处理方法以及终点检测方法
技术领域
本发明涉及利用等离子体对待处理体进行处理的等离子体处理装置、等离子体处理方法以及等离子体处理的终点检测方法。
背景技术
对于半导体晶片等待处理体，已知有使用等离子体进行氧化处理、氮化处理等的等离子体处理。等离子体处理可以进行400℃左右的低温处理，所以与热氧化处理等相比，具有所谓能够降低热预算(budget)抑制半导体晶片的热变形等的优点。
作为等离子体处理的问题可以举出一点：难以掌握准确的终点。在以往的等离子体处理中，基于处理的速度(例如氧化速度、氮化速度、蚀刻速度等)来预先设定处理时间，通过时间管理来使等离子体处理结束。但是，等离子体根据其生成条件使得其自由基、离子等活性种的量或种类发生变化，所以如果仅以时间为基准，处理结果会产生偏差。为了解决这样的问题，例如在日本特开2005-79289号公报中，提出了在容器内设置利用了光学手法的膜厚监视装置来进行蚀刻终点的检测的技术。另外，在日本特开2002-57149号公报中，提出了通过监视等离子体的发光来进行清洗终点的检测的技术。
日本特开2005-79289号的技术是通过测量作为被蚀刻对象的膜的残余厚度来检测等离子体处理的终点的技术，可以进行实时的监控。但是，由于该方法的测量对象是膜厚，所以难以用于蚀刻以外的处理例如等离子体氧化处理、等离子体氮化处理等的终点检测。另外，日本特开2002-57149号公报2的技术也是利用容器内的化学组成因清洗的进行而发生变化的技术，所以难以用于等离子体氧化处理、等离子体氮化处理。如此，在现有技术中提出的终点检测方法受到对象的限制。为此，可知由于等离子体的状态而处理结果有发生偏差的可能性，但以等离子体处理的时间为基准进行管理的方法依然被广泛应用。
发明内容
本发明是鉴于上述的实际情况而完成的发明，其目的在于，在等离子体处理中以良好的精度检测出其终点。
本发明的第一观点的等离子体处理装置，具备：对待处理体进行等离子体处理的处理室；在上述处理室内生成等离子体的等离子体生成机构；对上述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的测量机构；和当上述累计值达到设定值时控制该等离子体处理装置以使等离子体处理结束的控制机构。
在上述第一观点的等离子体处理装置中，上述活性种可以是作为氧化活性种的O(1D2)自由基。另外，上述测量机构具备：朝向等离子体照射规定的激光的光源部；和对已通过等离子体的激光进行检测的检测部，上述光源部及上述检测部按照从上述光源部朝向上述检测部的激光的光路位于在上述处理室内所配置的待处理体的附近的方式进行配置。进而，上述等离子体生成机构还可以具备用于向上述处理室内导入微波的具有多个狭缝的平面天线。
本发明的第二观点的等离子体处理方法，是在等离子体处理装置的处理室内对待处理体进行等离子体处理的方法，包括：在上述处理室内生成等离子体并开始等离子体处理的步骤、对上述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的步骤、和当上述累计值达到设定值时使等离子体处理结束的步骤。
在上述第二观点的等离子体处理方法中，上述活性种可以是作为氧化活性种的O(1D2)自由基。另外，上述活性种在上述处理室内的上部生成且向下方朝向待处理体移动，可以在待处理体的附近位置进行上述活性种的测量。进而，上述等离子体处理装置是通过具有多个狭缝的平面天线向上述处理室内导入微波的方式的等离子体处理装置。
本发明的第三观点的终点检测方法，是每当在等离子体处理装置的处理室内对待处理体进行等离子体处理时检测出等离子体处理的终点的终点检测方法，包括：在上述处理室内生成等离子体并开始等离子体处理的步骤、对上述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的步骤、和通过判断上述累计值是否已达到设定值来检测出等离子体处理的终点的步骤。
在上述第三观点的终点检测方法中，上述活性种可以是作为氧化活性种的O(1D2)自由基。另外，上述活性种在上述处理室内的上部生成且向下方朝向待处理体移动，可以在待处理体的附近位置进行上述活性种的测量。进而，上述等离子体处理装置是通过具有多个狭缝的平面天线向上述处理室内导入微波的方式的等离子体处理装置。
本发明的第四观点的计算机可读的存储介质，存储有在计算机上运行的控制程序，上述控制程序在执行时，按照每当在等离子体处理装置的处理室内对待处理体进行等离子体处理时检测出等离子体处理的终点的终点检测方法得以进行的方式，对上述等离子体处理装置进行控制，上述终点检测方法包括：在上述处理室内生成等离子体并开始等离子体处理的步骤、对上述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的步骤、和通过判断上述累计值是否已达到设定值来检测出等离子体处理的终点的步骤。
本发明的第五观点的等离子体处理装置，具备：用于使用等离子体对待处理体进行处理的处理室、用于向上述处理室内导入微波且具有多个狭缝的平面天线、向上述处理室内供给气体的气体供给机构、对上述处理室内进行排气减压的排气机构、和按照每当在上述处理室内对待处理体进行等离子体处理时检测出处理的终点的终点检测方法得以进行的方式对该等离子体处理装置的动作进行控制的控制部，上述终点检测方法包括：在上述处理室内生成等离子体并开始等离子体处理的步骤、对上述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的步骤、和通过判断上述累计值是否已达到设定值来检测出等离子体处理的终点的步骤。
根据本发明，通过对上述等离子体中所含的朝向待处理体移动的特定活性种的粒子数的累计值进行测量，能够以高精度检测出等离子体处理的终点。因此，通过在累计值已达到设定值的时刻结束等离子体处理，得到如下所述的效果，即可以在不受等离子体生成条件、等离子体的状态影响的情况下确实可靠地使目标处理完成，同时也可以确保晶片间、批次间的处理均匀性。
另外，本发明的方法用于以活性种的粒子数的累计值为指标检测出终点，与以时间为基准管理等离子体处理的方法相比，可以在不受等离子体状态影响的情况下更直接准确地检测出终点。另外，当与以待处理体的膜厚、等离子体的发光为指标进行终点检测的以往方法相比时，具有所谓可以用于更广范围的等离子体处理的优点。因此，得到所谓通过利用本发明的方法而可以准确且可靠地进行例如等离子体氧化处理、等离子体氮化处理、等离子体蚀刻处理、等离子体清洗处理等的终点检测的效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的等离子体处理装置的一例的简要剖视图。
图2是表示图1的等离子体处理装置的平面天线的结构的图。
图3是表示图1的等离子体处理装置的控制系统的简要构成的框图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的等离子体氧化处理方法的顺序的一例的流程图。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的终点检测方法的顺序的一例的流程图。
图6是表示等离子体氧化处理中的硅氧化膜的膜厚和等离子体中的O(1D2)自由基及O(3P2)自由基的通量的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。在本实施方式中，以利用等离子体对待处理体实施氧化处理的情况为例进行说明。图1是示意地表示本发明的第一实施方式所涉及的等离子体处理装置100的简要构成的剖视图。另外，图2是表示图1的等离子体处理装置100的平面天线的俯视图。进而，图3是表示图1的等离子体处理装置100的控制系统的简要构成例的图。
等离子体处理装置100构成为：通过具有多个作为贯通孔的狭缝的平面天线、特别是RLSA(Radial Line Slot Antenna：径向线狭缝天线)向处理室内导入微波而发生等离子体，由此作为能发生高密度且低电子温度的微波激发等离子体的RLSA微波等离子体处理装置。在等离子体处理装置100中，可以通过具有1×1010～5×1012/cm3的等离子体密度且具有0.7～2eV(在待处理体附近为1eV以下)的低电子温度的等离子体进行处理。因此，等离子体处理装置100在各种半导体装置的制造过程中，可以适当地用于对硅进行氧化来形成硅氧化膜。
等离子体处理装置100，作为主要构成构件，具备：气密构成的容器(处理室)1、向容器1内供给气体的气体供给机构18、作为用于对容器1内进行排气减压的排气机构的排气装置24、设置在容器1的上部且向容器1内导入微波的微波导入机构27、作为对这些等离子体处理装置100的各构成部进行控制的控制机构的控制部50、和作为对等离子体中的活性种的粒子数的累计值进行测量的测量机构的测量部60。需要说明的是，气体供给机构18、排气装置24及微波导入机构27，构成在容器1内生成等离子体的等离子体生成机构。
容器1由接地的大致圆筒状的容器形成。需要说明的是，容器1可以由方形形状的容器形成。容器1具有由铝等材质形成的底壁1a和侧壁1b。
容器1的内部设置有用于水平支承作为待处理体的硅晶片(以下简称为“晶片”)W的载置台2。载置台2由导热性高的材质例如AIN等陶瓷构成。该载置台2由从排气室11的底部中央向上方延伸的圆筒状支承构件2支承。支承构件3例如由AIN等陶瓷构成。
在载置台2上设置有覆盖其外缘部且用于导引晶片W的覆盖环4。该覆盖环4例如是由石英、AIN、Al2O3、SiN等材质构成的环状构件。
在载置台2埋置有作为温度调节机构的电阻加热型的加热器5。该加热器5通过加热器电源5a的供电来加热载置台2，利用其热量均匀地加热作为被处理基板的晶片W。
在载置台2上配备有热电偶(TC)6。通过利用该热电偶6进行温度测量，例如可以在室温至900℃的范围内控制晶片W的加热温度。
在载置台2上设置有用于支承晶片W而使其升降的晶片支承销(未图示)。各晶片支承销设置成可以相对于载置台2的表面突没。
在容器1的内周设置有由石英构成的圆筒状的衬套7。另外，在载置台2的外周侧环状设置有具有多个排气孔8a的石英制遮护板8，该遮护板8用于使容器1内均匀地排气。该遮护板8由多个支柱9支承。
在容器1的底壁1a的大致中央部形成有圆形的开口部10。在底壁1a上设置有与该开口部10连通且朝向下方突出的排气室11。该排气室11与排气管12连接，借助该排气管12与排气装置24连接。
在形成容器1的侧壁1b的上端，接合有环状的上板13。上板13的内周下部朝向内侧(容器内空间)突出，形成了环状的支承部13a。
在容器1的侧壁1b上设置有成为环状的气体导入部15。该气体导入部15与供给含氧气体、等离子体激发用气体的气体供给机构18连接。需要说明的是，气体导入部15可以设置成喷嘴状或淋浴头状。
另外，在容器1的侧壁1b上设置有等离子体处理装置100、用于在与其相邻的搬送室(未图示)之间进行晶片W的搬入搬出的搬入搬出口、和对该搬入搬出口进行开闭的闸阀(均省略图示)。
气体供给机构18具有例如惰性气体供给源19a及含氧气体(含O气体)供给源19b。需要说明的是，气体供给机构18，作为上述以外的未图示的气体供给源，可以具有例如为了提高氧化速度而与氧气混合使用的氢气的供给源、在更换容器内气氛时使用的排除气体的供给源、在清洗容器1内时使用的清洗气体的供给源等。
作为惰性气体，例如可以使用N2气体或稀有气体。作为稀有气体，例如可以使用Ar气、Kr气、Xe气、He气等。另外，作为含氧气体，例如可以使用氧气(O2)。
惰性气体及含氧气体，从气体供给机构18的惰性气体供给源19a及含氧气体供给源19b，借助气体管线20到达气体导入部15，从气体导入部15被导入到容器1。在与个气体供给源连接的各气体管线20上，设置有质量流量控制器21及在其前后的开闭阀22。通过这样的气体供给机构18的构成，可以进行供给的气体的切换、流量等的控制。
作为排气机构的排气装置24，具备涡轮分子泵等高速真空泵。如前所述，排气装置24借助排气管12与容器1的排气室11连接。容器1内的气体均匀地流向排气室11的空间11a，进而通过使排气装置24动作，从空间11a借助排气管12向外部排气。由此，可以将容器1内快速地减压至规定的真空度例如0.133Pa。
接着，对微波导入机构27的构成进行说明。就微波导入机构27而言，作为主要构成，具备透射板28、平面天线31、滞波材料33、屏蔽盖体34、波导管37、匹配电路38及微波发生装置39。
透过微波的透射板28，配备于上板13向内周侧伸出的支承部13a上。透射板28由电介质例如石英或Al2O3、AIN等陶瓷构成。在该透射板28和支承部13a之间借助密封构件29进行气密性密封。因此，容器1被气密性地保持。
平面天线31在透射板28的上方设置成与载置台2对置。该平面天线31卡止于上板13的上端。平面天线31成为圆板状。需要说明的是，平面天线31的形状不限于圆板状，可以是例如方板状。
平面天线31例如由表面镀金或镀银的铜板或铝板构成。平面天线31具有放射微波的多个狭缝32。狭缝32以规定的图案贯通平面天线31而形成。
各狭缝32例如如图2所示成为细长的孔。此外，典型相邻的狭缝32以“T”字形成配对地配置。另外，这样组合配置成规定的形状(例如T字形)的狭缝32，进而整体配置成同心圆状。
狭缝32的长度、排列间隔，根据微波的波长(λg)来决定。例如，狭缝32的间隔被配置成为λg/4、λg/2或λg。需要说明的是，在图2中，用Δr表示形成为同心圆状的相邻狭缝32之间的间隔。需要说明的是，狭缝32的形状例如可以是长方形、圆形、圆弧形等其他形状。进而，对狭缝32的配置形态没有特别限定，除了配置成同心圆状之外，还可以配置成例如螺旋状、放射状等。
在平面天线31的上面设置有由介质常数大于真空的材料例如石英、聚四氟乙烯树脂、聚酰亚胺树脂等形成的滞波材料33。关于该滞波材料33，由于微波的波长在真空中变长，所以具有缩短微波波长而对等离子体进行调整的功能。
需要说明的是，平面天线31和透射板28之间、滞波材料33和平面天线31之间，可以分别使其接触，也可以使其分离，但优选使其接触。
在容器1的上部，按照覆盖这些平面天线31及滞波材料33的方式设置有屏蔽盖体34。屏蔽盖体34例如由铝、不锈钢等金属材料形成。上板13的上端和屏蔽盖体34被密封构件35密封。另外，在屏蔽盖体34的内部形成有冷却水流路34a。通过冷却水在该冷却水流路34a中流过，可以对屏蔽盖体34、滞波材料33、平面天线31及透射板28进行冷却。需要说明的是，屏蔽盖体34被接地。
在屏蔽盖体34的上壁(顶棚部)中央形成有开口部36，该开口部36与波导管37连接。在波导管37的另一端侧，借助匹配电路38连接有发生微波的微波发生装置39。
波导管37具有：从上述屏蔽盖体34的开口部36向上方延伸的截面为圆形的同轴波导管37a、和在该同轴波导管37a的上端部借助模式转换器40连接的在水平方向上延伸的矩形波导管37b。模式转换器40具有将在矩形波导管37b内以TE模式传播的微波转换成TEM模式的功能。
在同轴波导管37a的中心延伸存在有内导体41。该内导体41在其下端部与平面天线31的中心连接固定。通过这样的结构，微波借助同轴波导管37a的内导体41以放射状高效均匀地向平面天线31传播。
通过如上所述的构成的微波导入机构27，由微波发生装置39发生的微波，借助波导管37向平面天线31传播，进而借助透射板28导入到容器1内。需要说明的是，作为微波的频率，例如优选使用2.45GHz，除此之外也可以使用8.35GHz、1.98GHz等。
测量部60如图3所示，具备：朝向等离子体照射规定的激光的光源部61、具备接收已通过等离子体中的激光的单色光仪(省略图示)的检测部63、和对检测部63的检测结果进行数值分析而算出自由基粒子数同时对该值进行累计的运算部65。作为单色光仪，使用VUV单色光仪。在本实施方式中，测量部60对作为等离子体中的氧化活性种之一的O(1D2)自由基进行测量。
关于光源部61，其详细结构的图示省略，具备例如激发波长308nm的激光的XeCl受激准分子激光器、和以该XeCl受激准分子激光器为泵浦光激发规定波长的光的多色素激光器。关于检测部63，除了上述VUV单色光仪之外，具备用于将由VUV单色光仪检测的波长数据转换成电信号的未图示的光电子倍增管(PMT)。运算部65虽省略图示，但具备CPU等运算机构、RAM等存储机构、和顺次累加性地对粒子数进行加法运算的粒子数计数器。另外，测量部60与控制部50的过程控制器51连接。
如图1所示，光源部61配置在容器的外部，检测部63配置在光源部的相反侧的容器的外部。从光源部61射出的激光，通过设置在容器1的侧壁透射窗67被导入到容器1内。此外，激光通过容器1内的等离子体形成空间，通过在容器1的侧壁的对置部位设置的透射窗69，射出到容器1外，被检测部63接收。
在通过测量部60测定微波等离子体时，从光源部61射向检测部63的激光所通过的光路R，设置在截断等离子体中部的位置即可，但优选光路R通过作为待处理体的晶片W的上方附近位置例如距晶片W表面的距离为1～10mm的范围内。因此，优选使自载置台2的晶片载置面至光路R为止的距离在1.5～12mm左右的范围内。由于在等离子体中存在的O(1D2)自由基也会在到达晶片W的中途失去活性，所以作为测定位置的光路R和晶片W之间的距离越大，在光路R上存在的O(1D2)自由基的粒子数和实际到达晶片W的自由基的粒子数的相关性就越低，所以难以得到准确的测定结果。因此，通过尽可能地将作为测定位置的光路R设定在晶片W的附近位置，可以更准确地掌握实际到达晶片W且有助于氧化的O(1D2)自由基的粒子数。
通过上述的测量部60，例如可以利用基于波长可变真空紫外激光器的真空紫外吸收分光法(Vacuum Ultra Violet Laser AbsorptionSpectroscopy)，用光学方法测量氧气等离子体中的O(1D2)自由基的密度。利用该方法，通过使用色素激光器和稀有气体元件，以波长可变的方式激发测定对象的氧原子的共振线附近的真空紫外激光，利用光谱仪测定上述激光通过作为吸收体的等离子体中时的吸收曲线、和上述激光的发光曲线，根据其比值来决定O(1D2)自由基密度。该测定方法是使用了光的非接触测定法，所以可以在不影响作为测定对象的等离子体的情况下，实时地在线测定。
需要说明的是，通过测量部60，也可以进行O(1D2)以外的自由基例如O(3Pj)自由基的测量，但O(3Pj)自由基的氧化作用弱，几乎无助于氧化反应。在使用等离子体处理装置100的等离子体氧化处理中，氧化反应主要由O(1D2)自由基进行，所以在本实施方式中，仅选择O(1D2)自由基的粒子数进行测量。由此，可以大致准确地掌握等离子体氧化处理的终点。
在通过利用波长可变真空紫外激光的真空紫外吸收分光法，由测量部60测定等离子体中的作为活性种的O(1D2)自由基的密度中，例如以Xe和Ar的混合稀有气体为非线性介质并通过光源部61的激光源激发波长115.2nm附近的O(1D2)自由基检测用激光，向等离子体照射。而且，用检测部63的VUV单色光仪检测在三次谐波的发生过程中的波长。通过光源部61，在作为测量对象自由基的O(1D2)自由基的吸收波长范围内扫描激光的波长，用检测部63对其进行测量，由此可以掌握各波长的吸收率。以该吸收率的波长依赖性和激光的发光曲线为基础用运算部65进行分析，由此算出测量对象自由基的绝对密度。如上所述的自由基密度的测量方法，是例如在“第五十三届应用物理学相关联合讲演会预备稿集”No.1，22p-ZL-1，p177；2006(日本国)中记载的公知方法。另外，只要知道了激光的吸收率，就可以通过公知的方法求出O(3P2)自由基的平动温度。
只要知道了O(1D2)自由基的绝对密度n(cm-3)及平动温度T(K)，O(1D2)自由基的通量(流束)Fr(cm-2sec-1)、即每单位时间通过绝对密度测量部位的单位面积的O(1D2)自由基的数量，可以由下式1求出。
Fr＝(1/4)·n·(8kT/πm)1/2…(式1)
在这里，k为波尔兹曼常数，m为自由基的质量。
从光源部61发出的真空紫外激光经检测部63来测量吸收率。通过运算部65根据该吸收率测量值算出O(1D2)自由基的绝对密度n以及平动温度T，进而使用上式1求出O(1D2)自由基的通量。该通量乘以处理时间得到的值成为自由基的粒子数。具体而言，通量的测定按照每规定时间t(t是例如1秒或其以下的值)进行。此外，运算部65的粒子数计数器是按规定时间t对通量Fr和规定时间t之积(规定时间t的期间通过单位面积的粒子数)进行累加的加法运算。如此测量得到的O(1D2)自由基的粒子数的累计值认为与等离子体处理期间已到达晶片W的O(1D2)自由基的粒子数大致相近。因此，通过等离子体处理装置100，可以实时地监控到与已到达晶片W的数量大致相等的O(1D2)自由基的粒子数。需要说明的是，O(1D2)自由基粒子数是作为任意的每单位面积(例如1cm2)粒子数测量的，所以通过粒子数计数器，可以累计每单位面积的粒子数，也可以累计已换算成晶片全面积的值。在该累计值已到达预先设定的值的时刻输出处理结束信号。需要说明的是，如果过程稳定，则该通量示出恒定值，所以也可以用作实时的过程诊断监视器。
等离子体处理装置100的各构成部成为与控制部50连接且被其控制的构成。关于控制部50，如图3所示，具备：具有CPU的过程控制器51、与该过程控制器51连接的用户接口52以及存储部53。过程控制器51在等离子体处理装置100中，例如对与温度、气体流量、压力、微波输出等过程条件有关的各构成部(例如加热器电源5a、气体供给机构18、排气装置24、微波发生装置39等)进行集中控制。另外，控制部50的过程控制器51也与测量部60的光源部61、检测部63及运算部65连接，对由测量部60测量的等离子体的数据进行分析，或基于该数据向等离子体处理装置100的各构成部输送控制信号。例如，就过程控制器51而言，将由运算部65的粒子数计数器累计的O(1D2)自由基的累计值和预先由配方(レシピ)规定的设定值进行比较，由此能够检测出等离子体氧化处理的终点，向各终端装置发送使等离子体氧化处理结束的内容的命令(控制信号)。
用户接口52具有：工序管理者为了管理等离子体处理装置100进行命令的输入操作等的键盘、将等离子体处理装置100的工作状况可视化显示的显示器等。另外，存储部53中保存有记录了控制程序(软件)、处理条件数据等的配方，所述控制程序(软件)、处理条件数据等用于通过过程控制器51的控制来实现由等离子体处理装置100执行的各种处理。
此外，根据需要，根据来自用户接口52的指示等从存储部53调出任意配方而使过程控制器51执行，由此在过程控制器51的控制下，在等离子体处理装置100的容器1内进行需要的处理。另外，上述控制程序、处理条件数据等的配方，可以利用在计算机可读形式的存储介质、例如CD-ROM、硬盘、软盘、闪存存储器、DVD、蓝光盘等中储存的状态的配方，或者借助专用线路从其它装置随时传输来并在线利用。
在如此构成的等离子体处理装置100中，能够在基板(晶片)温度800℃以下、优选500℃以下的低温下对基底膜等进行无损害的等离子体处理。另外，等离子体处理装置100具有出色的等离子体均匀性，所以可以实现过程的均匀性。
接着，边参照图4，边对使用了本实施方式的等离子体处理装置100的等离子体氧化处理的顺序的一例进行说明。首先，工序管理者从例如用户接口52输入利用等离子体处理装置100进行等离子体氧化处理的指令。接收该指令，过程控制器51读出在存储部53中保存的配方。作为在基于配方的条件下使等离子体氧化处理得以执行的指令，从过程控制器51向等离子体处理装置100的各终端装置例如气体供给机构18、排气装置24、微波发生装置39、加热器电源5a等发送控制信号，同时也对测量部60发送控制信号以便进行自由基密度的测量。
此外，在步骤S1中，打开未图示的闸阀，从搬入搬出口将晶片W搬入到容器1内，载置于载置台2上。接着，在步骤S2中，边使排气装置24工作以对容器1内进行排气减压，边从气体供给机构18的惰性气体供给源19a及含氧气体供给源19b，以规定的流量分别借助气体导入部15将惰性气体以及含氧气体导入到容器1内。作为惰性气体，优选Ar、Kr、Xe等稀有气体，进而，在步骤S3中，调整排气量和气体供给量，将容器1内调节成规定压力。
接着，在步骤S4中，打开(接通)微波发生装置39的微波功率，发生微波。此外，已发生的规定频率例如2.45GHz的微波借助匹配电路38导向波导管37。导向波导管37的微波依次通过矩形波导管37b及同轴波导管37a，经由内导体41被提供给平面天线31。也就是说，微波在矩形波导管37b内以TE模式运送，该TE模式的微波通过模式转换器40被转换成TEM模式，在同轴波导管37a内向平面天线31传播。此外，微波从在平面天线31上贯通形成的狭缝32经由透射板28向容器1内的晶片W的上方空间放射。关于此时的微波的功率密度，可以根据目的在透射板28的每单位面积例如0.3～3W/cm2的范围内进行选择。
通过从平面天线31经过透射板28向容器1放射的微波，在容器1内形成电磁场，惰性气体以及含氧气体分别被等离子体化。就该微波激发等离子体而言，由于微波是从平面天线31的多个狭缝32发射出来，成为大致1×1010～5×1012/cm3的高密度且在晶片W附近为大致1.5eV以下的低电子温度的等离子体。如此形成的微波激发高密度等离子体，由离子等对基底膜造成的等离子体损害少。此外，通过等离子体中的活性种例如自由基或离子的作用，晶片W的表面被氧化，形成硅氧化膜(SiO2膜)的薄膜。
在本实施方式中，在等离子体氧化处理期间，通过测量部60实时测量等离子体中的与氧化有关的作为活性种的O(1D2)自由基向晶片W移动的粒子数的累计值。由此，在步骤S4中，在开始等离子体氧化处理的同时，开始利用测量部60测量O(1D2)自由基。
在这里，通过自由基测量的等离子体氧化处理的终点检测，按照例如如图5所述的步骤S11～步骤S14的顺序进行。在从过程控制器51接收进行自由基密度测量的内容的命令(控制信号)时，开始通过测量部60进行O(1D2)自由基粒子数的测量(步骤S11)。即，从光源部61向容器1内的等离子体照射激光，同时通过检测部63接收在等离子体中通过的光，利用上述方法测量自由基粒子数。此外，用运算部65的粒子数计数器(未图示)对已测量的O(1D2)自由基粒子数进行累计(步骤S12)。
过程控制器51从运算部65的粒子数计数器读出最新的累计值，与在配方内预先规定的设定值进行对照，由此判断累计值是否已达到该设定值(步骤S13)。在此使用的“设定值”，可以根据从事先测定的O(1D2)自由基粒子数的累计值和已实测的氧化膜厚的关系生成检量线等来确定。此外，当在步骤S13中判断为累计值已到达设定值(是)时，从过程控制器51向各终端装置发送使等离子体氧化处理结束的内容的命令(控制信号)(步骤S14)。
另一方面，当在步骤S13中判断为累计值未到达设定值(否)时，通过过程控制器51读出新的累计值，与设定值进行对照，反复步骤S13的判断。该步骤S13在等离子体氧化处理持续期间反复执行。
再次参照图4，在上述累计值已到达设定值时，或由于其它事由，从过程控制器51发送使等离子体氧化处理结束的内容的命令(控制信号)时，通过步骤S5中断开(切断)微波发生装置39的微波功率，等离子体氧化处理结束。同时，测量部60的自由基粒子数的测量也结束。接着，通过步骤S6对容器内进行升压，进而通过步骤S7停止处理气体从气体供给机构18的供给。此外，通过步骤S8从容器1内搬出晶片W，针对一个晶片W的等离子体处理结束。
接着，对本实施方式的等离子体处理装置100中的等离子体氧化处理的终点检测的原理进行说明。如上所述，在以往的等离子体氧化处理中，处理的结束通过时间来管理。但是，在等离子体氧化处理的条件、等离子体的状态发生变化时，氧化速度也不同，所以会有即便时间相同而氧化膜厚不同的情况，在时间管理中难以进行严格的膜厚控制。
与此相对，在本实施方式中，代替时间管理，利用等离子体中的作为活性种的O(1D2)自由基的测量结果。图6示出使用等离子体处理装置100在下述的条件1～3下对由硅形成的晶片W的表面实施等离子体氧化处理时的氧化膜厚、和由测量部60测量的朝向硅基板移动的等离子体中的O(1D2)自由基及O(3P2)自由基的通量的关系。在这里，自由基的通量是指一秒内通过1cm2的面积的自由基的粒子数。
[通用条件]
处理气体：Ar及O2
处理温度：400℃
微波的功率密度(透射板28的单位面积)：1.46W/cm2
微波功率：1500W
透射板28的直径：362mm
处理时间：30秒
[条件1](图6中的方形图示)
Ar流量：500mL/min(sccm)
O2流量：5mL/min(sccm)
O2/Ar比率：1％O2
压力：133Pa
[条件2](图6中的菱形图示)
Ar流量：475mL/min(sccm)
O2流量：25mL/min(sccm)
O2/Ar比率：5％O2
压力：133Pa
[条件3](图6中的三角形图示)
Ar流量：500mL/min(sccm)
O2流量：5mL/min(sccm)
O2/Ar比率：1％O2
压力：667Pa
根据该图6，可以理解为如果等离子体中的作为氧化活性种的O(1D2)自由基的通量增多，氧化膜厚也增加，两者为正比例关系。这提示：只要能够测量朝向作为待处理体的晶片W移动的O(1D2)自由基的通量累计(即累计粒子数)，就可以唯一地掌握在晶片W表面形成的氧化膜的厚度。另一方面，在是与O(1D2)自由基一起存在于等离子体中的O(3P2)自由基的情况下，未见通量与氧化膜厚的关系成比例。因此，在进行等离子体中的自由基测量的情况下，认为重要的是选择有助于氧化反应的活性种来进行测定。
本发明正是基于如上所述的观点完成的发明。即通过测定等离子体中的O(1D2)自由基的粒子数来实时监控累计值，以另外生成的数据(例如检量线)为基础，可以掌握形成中的硅氧化膜的膜厚。此外，可以检测出在O(1D2)自由基的累计粒子数已到达规定值的时刻，已形成具有目标膜厚的硅氧化膜(也就是说，等离子体氧化处理的终点)。
在本实施方式的终点检测方法中，与以往的时间管理方法不同，仅将主要与氧化有关的等离子体中的活性种作为目标来监控其粒子数，所以其优点在于，例如即便等离子体的状态因某种原因而发生变化，也可以进行准确的终点检测。另外，即便在例如改变等离子体氧化处理的条件使氧化速度发生变化的情况下，也不受其影响，可以检测到准确的终点。因此，通过本实施方式的终点检测方法，等离子体氧化处理的终点检测变得容易，且可以高精度地控制氧化膜厚。另外，通过利用了本实施方式的终点检测方法的等离子体氧化处理，发挥如下效果，即不仅可以在晶片W表面以高精度形成需要膜厚的硅氧化膜，而且也可以确保晶片间、批次间的氧化膜厚的均匀性。
综上，叙述了本发明的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，可以进行各种变形。例如，在上述实施方式中，以对作为活性种的O(1D2)自由基进行测量的等离子体氧化处理为例进行了说明，但本发明的终点检测方法可以用于能测量活性种的所有等离子体处理。即，本发明的终点检测方法，通过选择适当的活性种作为测量对象，除了用于等离子体氧化处理之外，还可以用于例如等离子体氮化处理、使用CF系气体(CF4、C2F6、C4F8等)、SF6、F2Cl2、HBr等作为蚀刻气体的等离子体蚀刻处理、使用CIF3、NF3等作为清洗气体的等离子体清洗处理、等离子体CVD处理等。另外，成为测量对象的活性种不限于1种，也可以同时测量多个活性种。
例如，在将本发明的终点检测方法用于等离子体氮化处理的终点检测时，例如作为活性种，测量氮自由基即可。另外，在将本发明的终点检测方法用于等离子体氮化处理的终点检测时，例如作为活性种，测量氮自由基、氨自由基、一氧化氮自由基等即可。进而，即便在用于等离子体氧化处理的情况下，作为O(1D2)自由基以外的活性种，可以测量例如羟基自由基(OH自由基)等。

Claims (14)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备：
处理室，其对待处理体进行等离子体处理；
等离子体生成机构，其在所述处理室内生成等离子体；
测量机构，其对所述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量；和
控制机构，其当所述累计值达到设定值时对该等离子体处理装置的动作进行控制以使等离子体处理结束。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述活性种是作为氧化活性种的O(1D2)自由基。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述测量机构具备：朝向等离子体照射规定的激光的光源部、和对已通过等离子体的激光进行检测的检测部，所述光源部及所述检测部按照从所述光源部朝向所述检测部的激光的光路位于在所述处理室内所配置的待处理体的附近的方式进行配置。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述等离子体生成机构具备用于向所述处理室内导入微波的具有多个狭缝的平面天线。
5.一种等离子体处理方法，是在等离子体处理装置的处理室内对待处理体进行等离子体处理的等离子体处理方法，其特征在于，包括：
在所述处理室内生成等离子体，开始等离子体处理的步骤；
对所述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的步骤；和
当所述累计值达到设定值时使等离子体处理结束的步骤。
6.根据权利要求5所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述活性种是作为氧化活性种的O(1D2)自由基。
7.根据权利要求5所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述活性种在所述处理室内的上部生成且向下方朝向待处理体移动，在待处理体的附近位置进行所述活性种的测量。
8.根据权利要求5～7中任意一项所述的等离子体处理方法，其特征在于，
所述等离子体处理装置是通过具有多个狭缝的平面天线向所述处理室内导入微波的方式的等离子体处理装置。
9.一种终点检测方法，是每当在等离子体处理装置的处理室内对待处理体进行等离子体处理时检测出等离子体处理的终点的终点检测方法，其特征在于，包括：
在所述处理室内生成等离子体，开始等离子体处理的步骤；
对所述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的步骤；和
通过判断所述累计值是否已达到设定值来检测出等离子体处理的终点的步骤。
10.根据权利要求9所述的终点检测方法，其特征在于，
所述活性种是作为氧化活性种的O(1D2)自由基。
11.根据权利要求9所述的终点检测方法，其特征在于，
所述活性种在所述处理室内的上部生成且向下方朝向待处理体移动，在待处理体的附近位置进行所述活性种的测量。
12.根据权利要求9～11中任意一项所述的终点检测方法，其特征在于，
所述等离子体处理装置是通过具有多个狭缝的平面天线向所述处理室内导入微波的方式的等离子体处理装置。
13.一种计算机可读的存储介质，其特征在于，
存储有在计算机上运行的控制程序，所述控制程序在执行时，按照每当在等离子体处理装置的处理室内对待处理体进行等离子体处理时检测出等离子体处理的终点的终点检测方法得以进行的方式，对所述等离子体处理装置进行控制，所述终点检测方法包括：
在所述处理室内生成等离子体，开始等离子体处理的步骤；
对所述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的步骤；和
通过判断所述累计值是否已达到设定值来检测出等离子体处理的终点的步骤。
14.一种等离子体处理装置，其特征在于，具备：
处理室，其用于使用等离子体对待处理体进行处理；
具有多个狭缝的平面天线，其用于向所述处理室内导入微波；
气体供给机构，其向所述处理室内供给气体；
排气机构，其对所述处理室内进行排气减压；和
控制部，其按照每当在所述处理室内对待处理体进行等离子体处理时检测出处理的终点的终点检测方法得以进行的方式，对该等离子体处理装置的动作进行控制，
所述终点检测方法包括：
在所述处理室内生成等离子体，开始等离子体处理的步骤；
对所述等离子体中所含的朝向待处理体移动的活性种的粒子数的累计值进行测量的步骤；和
通过判断所述累计值是否已达到设定值来检测出等离子体处理的终点的步骤。
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