CN103069551A - 等离子体处理装置和光学监视装置 - Google Patents

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Abstract

不影响平板缝隙天线的电磁波辐射特性的均匀性就能够使用波长区域较宽的非相干监视光来高精度地对处理容器内的被处理基板的表面进行光学监视。该微波等离子体蚀刻装置中的光学监视装置（100）具有：监视头（102），其在比载置在基座（12）上的半导体晶圆（W）的边缘靠径向内侧且比同轴管（66）靠径向外侧的位置配置在冷却套筒板（72）之上；监视用的光波导路（104），其以从该监视头（102）起向铅垂下方纵穿盖板（72）、电介质板（56）、缝隙板（54）以及电介质窗（52）的方式设置；以及监视主体（108），其经由光纤（106）与监视头（102）光学耦合。

Description

等离子体处理装置和光学监视装置
技术领域
本发明涉及一种使用通过微波放电生成的等离子体对被处理基板实施所期望的处理的等离子体处理装置。
背景技术
在半导体装置、FPD（Flat Panel Display：平板显示器）的制造工艺中的蚀刻、沉积、氧化以及溅射等处理中，为了以较低的温度使处理气体进行良好的反应，经常利用等离子体。以往以来，在这种等离子体处理中，广泛使用利用MHz区域的高频放电而生成的等离子体或利用GHz区域的微波放电而生成的等离子体。
利用微波放电而生成的等离子体的优点在于，能够在低压下生成电子温度较低的高密度的等离子体，尤其是，通过采用缝隙天线和平板状的微波导入窗构造，能够有效率生成大口径等离子体。另外，由于不需要磁场，因此还具有能够谋求简化等离子体处理装置这样的优点。
同样，在缝隙天线中、尤其是在径向线缝隙天线中，通过自具有呈同心圆状排列的多个缝隙的缝隙板均质且大范围地辐射微波，能够生成等离子体密度的均匀性乃至控制性优异的大口径的等离子体。
另外，在微波等离子体处理装置中，也有时通过在当场的（in-situ）监视来实时地控制在处理容器内进行的工艺。在向具有上述那样的缝隙天线的微波等离子体处理装置搭载光学监视装置时，监视用的光波导路需要为对缝隙天线的电磁波辐射特性的均匀性以至等离子体密度的均匀性不会产生影响那样的装置结构。
关于该点，在专利文献1所公开的微波等离子体处理装置所搭载的光学监视装置利用如下结构：用于将自微波产生器产生的微波朝向处理容器传输的微波传输线路的最终区间是从正上方沿着铅垂方向在缝隙天线的中心终止的同轴线路。同轴线路的内部导体由中空管构成，通过使光在该中空管中通过而在当场光学监视在处理容器内进行的工艺。
在该光学监视装置中，以与同轴线路的中空管（内部导体）相连续的方式设有贯穿缝隙天线的中心的光波导路用的孔。通常，平板缝隙天线的中心是径向波导路的中心，即使在此场所形成光波导路用的通孔，也不会影响缝隙天线的电磁波辐射特性的均匀性，因此不会妨碍等离子体密度的均匀性或控制性。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008－251660
在上述专利文献1所公开的以往的光学监视装置中，在微波传输线路（同轴线路）之中设置监视用的光波导路存在难题。即，从电磁波的传播模式、特性阻抗这些方面来看，作为同轴线路的内部导体的中空管的口径存在极限，例如在膜厚的监视中，在将激光用作监视光的情况下姑且不谈，在将灯光那样的波长区域较宽的非相干光用作监视光的情况下，不能获得口径足够大的光波导路即光量足够大的光波导路。
另外，在上述以往的光学监视装置中，还存在不能将微波传输线路（同轴线路）的中空管（内部导体）用作处理气体的供给路径这样的限制。
发明内容
本发明用于解决上述那样的以往技术的问题，其目的在于提供一种不影响平板缝隙天线的电磁波辐射特性的均匀性就能够使用波长区域较宽的监视光（尤其是非相干的监视光）来高精度地对处理容器内的被处理基板的表面进行光学监视的光学监视装置和等离子体处理装置。
本发明的等离子体处理装置包括：处理容器，其能够被真空排气，其顶板的至少一部分由电介质窗构成；基板保持部，其用于在上述处理容器内保持被处理基板；处理气体供给部，其为了对上述基板实施所期望的等离子体处理而向上述处理容器内供给所期望的处理气体；导体的缝隙板，其设于上述电介质窗之上且具有用于向上述处理容器内辐射微波的1个或多个缝隙；微波供给部，其为了通过微波放电生成上述处理气体的等离子体而经由上述缝隙板和上述电介质窗向上述处理容器内供给微波；以及光学监视部，其经由上述电介质窗和形成于上述缝隙板的网状通孔来以光学方式监视或测量上述处理容器内的上述基板的表面。
本发明的光学监视装置用于在等离子体处理装置中以光学方式监视或测量基板的表面，在该等离子体处理装置中，在顶板的至少一部分由电介质窗构成的、能够被真空排气的处理容器内收纳被处理基板，向上述处理容器内供给处理气体，并且经由上述电介质窗和具有设于上述电介质窗之上的1个或多个缝隙的导体的缝隙板向上述处理容器内供给微波，通过微波放电来生成上述处理气体的等离子体，在上述等离子体的作用下对上述基板实施所期望的等离子体处理，其中，该光学监视装置包括：光源，其用于产生监视光；受光部，其用于将由上述基板对上述监视光进行反射而成的反射光转换成电信号；监视电路，其通过对来自上述受光部的电信号进行规定的信号处理而输出监视信息或监视结果；网状通孔，其为了使上述监视光和来自上述基板的表面的反射光通过而形成在上述缝隙板上；监视头，其用于将上述监视光经由上述缝隙板的网状通孔和上述电介质窗照射到上述基板保持部上的上述基板的表面，并经由上述电介质窗和上述缝隙板的网状通孔导入来自上述基板的表面的反射光；监视光传输部，其用于将上述监视光从上述光源传输到上述监视头；以及反射光传输部，其用于将上述反射光从上述监视头传输到上述受光部。
在上述结构的微波等离子体处理装置中，由微波供给部供给的微波自缝隙板的缝隙经由电介质窗辐射到处理容器内，利用该微波电场来使处理气体电离，从而生成等离子体。在电介质窗附近生成的等离子体在处理容器内向下方扩散，在该等离子体的作用下，对基板保持部上的基板表面施加微细加工或薄膜沉积等所期望的处理。
上述光学监视部或光学监视装置经由在导体缝隙板和电介质窗中通过的监视用的光波导路而以光学方式在当场对接受这种等离子体处理的被处理基板的表面进行监视或测量。在此，在缝隙板中，网状的通孔构成监视用的光波导路，另一方面，由微波供给部供给的微波在网状通孔的部位中与在除了缝隙以外的其他部位中同样地以无泄漏且顺畅地传播。由此，能够构筑不影响缝隙天线的电磁波辐射特性的均匀性（进而为等离子体密度的均匀性）而适合于传播波长区域较宽的监视光（尤其是非相干的监视光）的监视用的光波导路，从而能够高精度且稳定可靠地对被处理基板的表面地进行所期望的光学监视。
采用本发明的光学监视装置或等离子体处理装置，通过上述那样的结构和作用，能够不影响平板缝隙天线的电磁波辐射特性的均匀性就使用波长区域较宽的监视光（尤其是非相干的监视光）来高精度地对处理容器内的被处理基板的表面进行光学监视。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的微波等离子体处理装置的结构的图。
图2是表示搭载在图1的等离子体处理装置上的一实施方式中的光学监视装置的监视头和光波导路的结构的纵剖视图。
图3A是表示为了在实施方式的光学监视装置中构成光波导路而形成在缝隙板上的网状通孔的结构的俯视图。
图3B是表示上述缝隙板的分布有网状通孔的区域中的遮光部的纵剖面结构的剖视图。
图4是表示在上述缝隙板上制作网状通孔的方法的次序的图。
图5是表示合成石英和熔融石英的光透射率的波长依赖性的图。
图6是表示上述光学监视装置的监视主体内的结构的方框图。
图7是表示为了使用图1的等离子体处理装置来形成LDD构造的侧壁而进行的回蚀工序的次序的剖视图。
图8A是表示在LDD构造的侧壁形成过程中的不良回蚀结果的一个例子（凹部）的图。
图8B是表示在LDD构造的侧壁形成过程中的不良回蚀结果的一个例子（footing：脚状图形）的图。
图9是表示SiO2膜的反射率的波长依赖特性的图。
图10是表示图1的等离子体处理装置的一变形例的图。
图11是表示实施方式的光学监视装置中的监视头和光波导路的一变形例的剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的优选实施方式。
图1表示本发明的一实施方式的微波等离子体处理装置的结构。该微波等离子体处理装置构成为使用平板缝隙天线的平板状表面波激发型的微波等离子体蚀刻装置，其具有例如铝或不锈钢等金属制的圆筒型真空腔室（处理容器）10。腔室10安全接地。
首先，说明该微波等离子体蚀刻装置中的、与等离子体生成无关的各部分的结构。
在腔室10内的下部中央，作为兼用作高频电极的基板保持台而水平配置有圆板状的基座12，该基座12用于载置作为被处理基板的、例如半导体晶圆W。该基座12由例如铝构成，其由从腔室10的底部向铅垂上方延伸绝缘性的筒状支承部14支承。
在筒状支承部14的外周，在从腔室10的底部向铅垂上方延伸的导电性的筒状支承部16与腔室10的内壁之间形成有环状的排气路径18。在该排气路径18的上部或入口安装有环状的挡板20，且在该排气路径18的底部设有1个或多个排气口22。各排气口22经由排气管24连接到排气装置26。排气装置26具有涡轮分子泵等真空泵，其能够将腔室10内的等离子体处理空间减压至所期望的真空度。在腔室10的侧壁的外侧安装有用于对半导体晶圆W的输入输出口27进行开闭的闸阀28。
基座12经由匹配单元32和供电棒34电连接到RF偏压用的高频电源30。该高频电源30以规定的功率输出适合对被吸引至半导体晶圆W的离子的能量进行控制的恒定的频率、例如13.56MHz的高频电力。匹配单元32收纳有用于在高频电源30侧的阻抗与负载（主要是电极、等离子体、腔室）侧的阻抗之间进行匹配的匹配器，在该匹配器中含有自偏压生成用的隔直电容器。
在基座12的上表面设有利用静电吸附力来保持半导体晶圆W的静电吸盘36，在静电吸盘36的径向外侧设有呈环状围绕半导体晶圆W的周围的聚焦环（focus ring）38。静电吸盘36是通过将由导电膜构成的电极36a夹入在一对绝缘膜36b、36c之间而成的，电极36a经由开关42和被覆线43电连接到高压的直流电源40。半导体晶圆W在由直流电源40施加的直流电压产生的静电力的作用下吸附保持在静电吸盘36上。
在基座12的内部设有沿着例如圆周方向延伸的环状的制冷剂室44。从冷却单元（未图示）经由配管46、48向该制冷剂室44循环供给规定温度的制冷剂、例如冷却水cw。能够通过制冷剂的温度来控制静电吸盘36上的半导体晶圆W的处理温度。并且，来自导热气体供给部（未图示）的导热气体例如He气体经由气体供给管50供给到静电吸盘36的上表面与半导体晶圆W的背面之间。另外，为了进行半导体晶圆W的载入/卸载，还设有沿着铅垂方向贯穿基座12且能够上下移动的升降销和该升降销的升降机构（未图示）等。
接下来，说明该微波等离子体蚀刻装置中的、与等离子体生成有关的各部分的结构。
在腔室10的与基座12相对的顶面上气密地安装有作为顶板的、微波导入用的圆形的电介质窗52。如后面详细说明那样，该电介质窗52的供监视用的光波导路104通过的部分52a由相对于短波长的光（尤其是紫外线）而言透射率较高的合成石英构成，其他部分52b由成本较低的熔融石英构成。
在电介质窗52之上设有平板型的缝隙天线、例如圆板形的径向线缝隙天线55。该径向线缝隙天线55由缝隙板54、电介质板（延迟板）56以及电介质板上表面的金属部（盖板72的下表面）构成。
如图3A所示，缝隙板54具有呈同心圆状分布的、作为用于辐射微波的缝隙的多个缝隙对（54a、54b）。并且，在缝隙板54中，在监视用的光波导路104所通过的部分54c形成有网状的通孔（空隙）MH，对此，会在后面详细说明。
该径向线缝隙天线55隔着设于缝隙板54之上的电介质板56与微波传输线路58电磁耦合。电介质板56的供监视用的光波导路104通过的部分56a由相对于短波长的光（尤其是紫外线）而言透射率较高的合成石英构成。电介质板56的其他部分56b由适合于将微波的波长压缩（缩短）的高介电常数的电介质、例如石英、氧化铝、氮化铝构成。此处，与电介质窗52同样，其他部分56b由成本较低的熔融石英构成。
微波传输线路58是用于将从微波产生器60以规定的功率输出的例如2.45GHz的微波传输到径向线缝隙天线55的线路，该微波传输线路58具有导波管62、导波管－同轴管转换器64以及同轴管66。导波管62例如是方形导波管，其以TE模式为传输模式将来自微波产生器60的微波朝向腔室10传输到导波管－同轴管转换器64。
导波管－同轴管转换器64将方形导波管62的终端部和同轴管66的始端部结合，并将方形导波管62的传输模式转换成同轴管66的传输模式。同轴管66从导波管－同轴管转换器64向铅垂下方延伸到腔室10的上表面中心部，其同轴线路的终端或下端隔着电介质板56与缝隙板54的中心部结合。同轴管66由圆筒体构成，微波以TEM模式在内部导体68与外部导体70之间的空间中传播。
从微波产生器60输出的微波在上述那样的微波传输线路58的导波管62、导波管－同轴管转换器64以及同轴管66中传播而被供给到径向线缝隙天线55的电介质板56。然后，在电介质板56内一边缩短波长一边在径向上扩展的微波成为含有自径向线缝隙天线55的各缝隙对55a、55b射出的两个正交的偏振波成分的圆偏振波的平面波并朝向腔室10内辐射。辐射到腔室10内的微波使附近的气体电离而生成高密度且电子温度较低的等离子体。此外，微波电场（表面波的电场）以沿着电介质窗52的表面和等离子体的方式在径向上传播。
在电介质板56之上，以覆盖腔室10的上表面的方式设有兼用作天线背面板的盖板72。该盖板72由例如铝构成，并具有将在电介质窗52和电介质板56中产生的介电损耗的热量、因工艺而产生的热量吸收（放热）而调整至任意温度的功能。为了实现该冷却功能，从冷却单元（未图示）经由配管76、78向形成于盖板72的内部的流路74循环供给规定温度的制冷剂、例如冷却水cw。在该盖板72中，在监视用的光波导路104所通过的部位形成有垂直地贯穿板面的孔72a。
处理气体供给部80包括：处理气体供给源82，其配置在腔室10的外侧；歧管或缓冲室84，其呈环状形成在腔室10的侧壁之中的、比电介质窗52低一些的位置；多个侧壁气体喷出孔86，其沿着圆周方向等间隔地设置，自缓冲室82面对等离子体生成空间；以及气体供给管88，其从处理气体供给源82延伸到缓冲室84。在气体供给管86的途中设有MFC（质量流量控制器）90和开闭阀92。
在该处理气体供给部80中，自处理气体供给源82以规定的流量送出的处理气体通过气体供给管88被导入到腔室10侧壁内的缓冲室84中，在缓冲室84内使周向的压力均匀化之后，从侧壁气体喷出口86朝向腔室10的中心大致水平地喷出，并向等离子体生成空间扩散。
控制部94含有微型计算机，其用于控制该等离子体蚀刻装置内的各部分、例如排气装置26、高频电源30、静电吸盘36用的开关42、微波产生器60、处理气体供给部80、导热气体供给部（未图示）以及后述的光学监视装置100等每一个的动作和装置整体的动作。
在该微波等离子体蚀刻装置中，为了进行蚀刻，首先，使闸阀28成为打开状态，将作为加工对象的半导体晶圆W输入到腔室10内并将其载置在静电吸盘36之上。然后，在使闸阀28成为关闭状态之后，以规定的流量将处理气体即蚀刻气体（通常为混合气体）从处理气体供给部80导入到腔室10内。另外，从导热气体供给部向静电吸盘36与半导体晶圆W间的接触界面供给导热气体（He气体），并连通（on）开关42而利用静电吸盘36的静电吸附力将导热气体约束在上述接触界面。并且，连通（on）微波产生器60，使以规定功率从微波产生器60输出的微波经由微波传输线路58传播而供给到径向线缝隙天线55，使微波从径向线缝隙天线55辐射到腔室10内。并且，连通（on）高频电源30并使其以规定的功率输出RF偏压用的高频电力，将该高频电力经由匹配单元32和供电棒34施加到基座12。
从处理气体供给部80的侧壁气体喷出口86导入到腔室10内的蚀刻气体向电介质窗52之下扩散，气体粒子因微波的电场而发生电离，从而生成表面激发的等离子体。在生成等离子体后，微波成为以沿着电介质窗52的下表面（与等离子体相对的面）和等离子体的方式在径向上传播的表面波。这样，在电介质窗52之下生成的等离子体向下方扩散，对半导体晶圆W的主表面的被加工膜进行利用等离子体中的自由基的各向同性蚀刻和利用离子照射的垂直蚀刻。
该微波等离子体蚀刻装置包括光学监视装置100，该光学监视装置100用于在当场或实时对在腔室10内进行的蚀刻工艺的状况、例如随着时间经过而减少的被加工膜的膜厚进行光学监视。
该光学监视装置100设置在比载置在基座12上的半导体晶圆W的边缘靠径向内侧且比同轴管66靠径向外侧的位置。光学监视装置100具有：监视头102，其配置在盖板72之上；监视用的光波导路104；以及监视主体108，其经由光纤106与监视头102光学耦合。监视用的光波导路104以从监视头102起向铅垂下方纵穿盖板72、电介质板56、缝隙板54以及电介质窗52的方式设置。
图2表示监视头102和光波导路104的结构。监视头102具有由导体例如铝构成的能够密闭的帽状的壳体110，在该壳体110之中设有作为监视用的光学零件的例如光反射体112和光学透镜114。
光反射体112由例如铝构成，如图所示，光反射体112具有与在壳体110内终止的光纤106的端面相对地斜向下倾斜大约45°的倾斜面。从光纤106水平射出的监视光LB被正面的光反射体112向铅垂下方反射并通过光波导路104而入射到正下方的半导体晶圆W。另一方面，从被照射监视光LB的半导体晶圆W向铅垂上方射出的反射光HB通过光波导路104而达到光反射板112，并从光反射体112向水平方向反射而入射到光纤106。
光学透镜114将自光纤106射出的监视光LB以恒定的扩散角朝向光反射体112辐射，并将来自光反射体112的反射光HB聚光而导入到光纤106。如图所示，光学透镜114既可以与光纤106成为一体安装在该光纤106的顶端，也可以与光纤106分开地配置在规定位置。
光纤106由例如两芯的FO（Fan-out：扇出）线缆构成，其将用于传输监视光LB的内侧的正向路径线缆106a和用于传输反射光HB的外侧的反向路径线缆106b捆束成一体。监视光LB从内侧的正向路径线缆106a的端面射出，反射光HB入射到外侧的反向路径线缆106b的端面。光纤106通过收纳于气密地安装在壳体110上的由导体例如铝构成的套筒116中而与监视头102相连接。
监视头102的内部被如上所述那样由导体构成的壳体110和光纤套筒116电磁遮蔽而与外部隔断。由此，即使微波自电介质板56或径向线缝隙天线55通过光波导路104进入到监视头102内，该微波也不会泄露到监视头102之外。
并且，监视头102的室内空间与大气空间隔断，并且始终利用从设于壳体110的上表面的吹扫气体供给口118导入的吹扫气体、例如氮气（N2）来对该监视头102的室内空间进行吹扫。在此，吹扫气体供给口118经由气体供给管120连接到吹扫气体供给源122。
在该实施方式中，为了充分进行监视头102内的吹扫，在监视头102的底部气密地设有由导体、例如铝构成的厚壁的底板124。在该底板124上，在光波导路104所通过的位置形成有与盖板72的通孔72a连续的通孔124a，并且形成有与盖板72的排气流路72b连续的排气流路124b。排气流路124b的出口经由排气管126连接到由例如排气扇构成的排气部128。在盖板72内，用于构成光波导路104的通孔72a与排气流路72b经由设于下端的连通路径72c连接起来。
从吹扫气体供给口118供给到壳体110内的吹扫气体（N2气体）在充满壳体110内之后，在底板124的通孔124a→盖板72的通孔72a→连通路径72c→排气流路72b→底板124的排气流路124b这一密闭空间中流动，从而向外侧的排气部128排出。
该实施方式的光监视装置100没有使用单一波长的相干激光而使用包括例如185nm～785nm的宽波段的多波长在内的非相干灯光作为用于监视半导体晶圆W的被加工膜的膜厚的监视光LB。在此，由于监视光LB中含有的短波长（尤其是200nm以下的短波长）易被氧气吸收，因此若暴露在大气中，则会显著衰减。
如上所述，在该实施方式中，由于始终利用吹扫气体（N2气体）来对监视头102内的空间以及监视用的光波导路104的空间进行吹扫，因此从光纤106射出后的监视光LB以及导入到光纤106前的反射光HB不会与大气接触，从而不易衰减。由此，提高了光监视装置100的监视精度。
另外，为了兼顾光监视装置100的监视精度和径向线缝隙天线55的电磁波辐射特性的均匀性，在缝隙板54中，在监视用的光波导路104所通过的部位或区域54c中形成有网状的通孔MH的结构也是非常重要的。
如图3A所示，在缝隙板54的光波导路通过区域54c（网格）内，以恒定的密度分布有恒定形状和恒定尺寸的通孔MH。为了提高监视精度，网格54c的开口率越大越好，优选为70%以上。在此，为了增大网格54c的开口率，与将通孔MH的开口形状形成为圆形相比，优选将通孔MH的开口形状形成为多边形，最优选为正六边形即蜂窝结构。
采用蜂窝结构，例如，若将通孔MH的一边的长度设为j（mm）、将对边的长度设为k（mm），则在j=1.0mm、k=1.73mm时，开口率为76.3%，在j=0.8mm、k=1.39mm时，开口率为71.8%。但是，若设为j=0.5mm、k=0.89mm，则开口率会降低到60.3%。
这样，在缝隙板54的光波导路通过区域（网格）54c处，通孔MH的尺寸越大，越能够获得较大的开口率。但是，为了减少微波自网格的泄漏，通孔MH的开口尺寸存在上限。通常，在通孔MH的开口尺寸为电介质窗内的波长的1/10以下时，微波的泄漏显著减少。例如，在使用石英板作为电介质窗52的材质的情况下，由于石英内的微波（2.45GHz）的波长为61mm，因此，优选通孔MH的开口尺寸为6mm以下。
此外，用于辐射微波的缝隙对54a、54b的开口尺寸为例如其长边为36mm，短边为6mm。
在该实施方式中，光波导路通过区域（网格）54c与微波传输线路58的同轴管66分开独立。因此，在不影响径向线缝隙天线55的电磁波辐射特性的均匀性的范围内，光波导路通过区域（网格）54c的口径能够选择任意的尺寸，通常可以选择10mm～20mm左右。
在该实施方式中，作为网状通孔MH所附带的另一个特征，在光波导路通过区域54c内隔开相邻的通孔MH的栅格部分或遮光部TD的上表面如图3B所示那样形成为变圆的凸面。这样，当遮光部TD的上表面变圆为凸面时，由于从正上方入射到该凸面的监视光LB被倾斜地反射，而不会向铅垂上方反射，因此能够减少从遮光部TD返回到监视头102的、成为SN比降低的原因的杂散光。这也很有助于提高光监视装置100的监视精度。
图4是表示在该实施方式中在缝隙板54上制作上述那样的网状通孔MH的优选方法。此外，为了确保良好的电导率，缝隙板54的材质优选对表面实施了镀金的导体例如铜、铁镍合金。尤其是，铁镍合金由于线膨胀率较低而能够抑制缝隙板的位移。
首先，如图4的（a）和图4的（b）所示，在设定在缝隙板54上的光波导路通过区域54c通过例如冲孔加工而形成网状的通孔MH。在该阶段中，光波导路通过区域54c的栅格部分为平坦面。接着，在将缝隙板54的光波导路通过区域54c浸泡在蚀刻液中时，如图4的（c）所示，从各通孔MH的缘部的角开始被以变圆的方式削去，进而栅格部分的整个上表面被以变圆的方式削去而成为凸面。对于蚀刻液，例如可以使用含有氧化剂、无机盐以及氯离子的药液。此外，在光波导路通过区域54c的背面（下表面），也可以使栅格部分或遮光部的表面变圆为凸面，但即使不是这样（即使为平坦面），也不会产生特别的问题。
如上所述，该实施方式的光监视装置100为了使微波在监视用的光波导路104中通过而在导体的缝隙板54上形成了网状的通孔MH，因此微波会在网状通孔MH的部位中与在缝隙板的除了缝隙对54a、54b之外的其他部位中同样地沿着径向（不会向外泄漏）顺畅地传播。由此，能够构成不影响径向线缝隙天线55的电磁波辐射特性的均匀性（进而为等离子体密度的均匀性）而适合于传播非相干的宽波段（多波长）的监视光的监视用的光波导路104。缝隙板54上的光波导路通过区域（网格）54c的位置设定的自由度较大，基本上能够将光波导路通过区域（网格）54c设于同轴管66的径向外侧且不与缝隙对54a、54b干涉的任意位置。
并且，如上所述，该光监视装置100由于由相对于短波长的光（尤其是紫外线）而言透射率的较高的合成石英构成在电介质窗52和电介质板56中的监视用的光波导路104所通过的部分52a、56a，因此，能够将使用含有例如185nm～785nm的宽波段的多波长的非相干的监视光LB和反射光HB的膜厚监视的精度进一步提高。
图5表示合成石英和熔融石英的光透射率的波长依赖性。如图所示，在270nm以上的波长区域中，熔融石英的光透射率为90%以上，但在波长短于270nm时，熔融石英的光透射率会降低，尤其是在波长短于200nm时，熔融石英的光透射率会显著降低（降低至50%以下）。与此相对，合成石英的光透射率在监视光LB和反射光HB的全波长区域（185nm～785nm）中处于85%～92%的范围内，均质性较高且稳定。
合成石英的难题是价格较高。但是，在该实施方式中，限于在监视用的光波导路104所通过的部分52a、56a处局部地使用合成石英。尤其是，具有较大的厚度（体积）的电介质窗52由廉价的熔融石英构成除了光波导路104的区域52a以外的余下的大部分52b，因此电介质窗52的成本不会变高。电介质板56也是相同的。
此外，在电介质窗52中，熔融石英部分52b与合成石英部分52a间的交界可以利用例如熔接进行真空密封。在电介质板56中，由于不必进行真空密封，因此，也可以仅将具有光波导路104的口径的合成石英的小圆板56a嵌入到为了使监视用的光波导路104通过而形成在熔融石英的板体56b上的圆形的孔中。
图6表示监视主体108内的结构例。该实施方式中的光监视装置100为了在当场监视半导体晶圆W表面的被加工膜的膜厚而在监视主体108内具有光源130、受光部132以及监视电路134。
光源130具有例如卤素灯或氙气灯，至少产生185nm～785nm区域的多波长的监视光LB。光源130经由未图示的光学透镜与光纤106的正向路径线缆106a光学耦合，并根据来自控制部94的控制信号RSa而打开（点灯）/关闭（熄灯）。
受光部132具有例如光电二极管等光电转换元件，其将经由光纤106的反向路径线缆106b发送来的、来自半导体晶圆W表面的反射光HB分解成185nm～785nm区域内的多个频谱，并针对每个频谱生成用于表示反射光强度、即反射率的电信号（反射率信号SHB）。
监视电路134具有参考设定部136、比较判断部138以及监视输出部140。参考设定部136将自控制部94供给的各种设定值RSb所含有的监视用的基准值或参考数据RHB供给到比较判断部138。在进行膜厚监视的情况下，参考数据RHB针对从受光部132获得的频谱反射率信号SHB所具有的规定属性而供给设定值或基准值。
比较判断部138将自受光部132接收的频谱反射率信号SHB与参考数据RHB相比较（对照），当规定属性的值或特性在两者SHB、RHB之间一致或近似时，输出用于表示半导体晶圆W表面的被加工膜的膜厚达到了设定值（或进行预读而判断被加工膜的膜厚会在规定时间后达到设定值）的监视信息或监视结果。于是，自监视输出部140输出该情况的监视信号MS，控制部94（图1）对该监视信号MS作出响应而停止或切换蚀刻工艺。
作为能够较佳地应用该实施方式的光监视装置100的膜厚监视功能的蚀刻工艺的一个例子，例如，在MOS晶体管的制造工序中，存在为了实现LDD（Lightly Doped Drain：轻掺杂漏极）构造、超浅接合（ultra-shallow junction）构造而用于形成侧壁的回蚀工序。
图7表示该实施方式的回蚀工序的次序。此外，在进行回蚀之前，如图7的（a）所示，在半导体晶圆W的表面利用CVD（Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积）法形成有SiO2膜142。在此，栅极电极146的下层的薄膜144是栅极绝缘膜，例如是具有5nm左右的膜厚的热氧化膜（SiO2膜）。在栅极电极146的两侧的基板表面注入有作为杂质的离子。
该实施方式中的用于形成侧壁的回蚀工序由第1蚀刻工序和第2蚀刻工序构成，在该第1蚀刻工序中，如图7的（b）所示，进行整面蚀刻，直到SiO2膜142的除了栅极电极146之上和其两侧的侧壁部分以外的部分的残膜的膜厚成为设定值THS为止，在该第2蚀刻工序中，如图7的（c）所示，进行整面蚀刻，直到在栅极电极146的两侧保留侧壁142w且完全去除SiO2膜142的残膜为止。
在第1蚀刻工序中，例如利用如下那样的制程来进行各向异性较强的蚀刻。
蚀刻气体：Ar/O2/CH2F2=1000/2/5sccm
腔室内的压力：20mTorr
微波功率：2000W
偏压用高频电力：120W
在第2蚀刻工序中，例如利用如下那样的制程来进行各向异性较弱的蚀刻。
蚀刻气体：Ar/CH2F2=360/20sccm
腔室内的压力：100mTorr
微波功率：2000W
偏压用高频电力：75W
在上述那样的回蚀工序中，为了不产生图8A所示那样的凹部或图8B所示那样的脚状图形而制作图7的（c）所示那样的理想的侧壁构造，上述膜厚设定值THS优选为基板即将暴露之前的较小的尺寸，例如选择为1nm。
该实施方式的微波等离子体蚀刻装置在进行上述那样的两阶段回蚀的工艺的情况下，利用光监视装置100的膜厚监视功能来检测或推算在第1蚀刻工序中SiO2膜142的膜厚达到设定值THS的时刻，在该时刻停止第1蚀刻工序，接着开始第2蚀刻工序。
在该情况下，光监视装置100在正在进行第1蚀刻工序时连通（on）光源130，将监视光LB经由监视头102、光波导路104照射到基座12上的半导体晶圆W的表面。并且，使用受光部132对经由光波导路104和监视头102导入的、来自半导体晶圆W表面的反射光HB进行光电转换，并由监视电路134进行信号处理，从而能够对半导体晶圆W表面的SiO2膜142的膜厚随着蚀刻工艺的时间经过而减少的情况进行实时监视。
图9表示在光监视装置100中向半导体晶圆W表面的SiO2膜照射185nm～785nm区域的监视光LB而由此获得的反射光HB的频谱反射率的波长依赖特性根据SiO2膜的膜厚而变化的特性。
如图所示，在为SiO2膜的情况下，大体上，膜厚越薄，反射率在整个波长区域中越低，尤其是在200nm以下的短波长区域，膜厚依赖特性的差别变得明显。因此，例如，能够根据200nm附近的有限的波长区域的反射率特性或者根据大范围的整个波长区域（185nm～785nm）的反射率特性的图形（波形）来检测或推算SiO2膜142的膜厚成为设定值THS（1nm）的时刻。
该实施方式的反射率的波长依赖特性（图9）将除了SiO2膜142的除了栅极电极146的侧壁之外的部分完全被去除了的状态、即基板（基底）暴露的状态（与图7的（c）的状态等价的状态）下获得的反射率设为标准化的基准值（1.00）。这样，通过将利用完全去除了作为蚀刻对象的薄膜时的基底获得的反射率设为基准值，即使是1nm左右非常薄的膜厚，也能够高精度地进行监视。
此外，在上述两阶段的回蚀工序中，对于使第2蚀刻工序停止的时刻（终点检测），既可以利用例如计时功能，或者也可以使用通过使等离子体光分光来进行检测的公知的方法（发光监视）。在该情况下，也可以将光学监视装置100的光波导路104用于发光监视用的窗中。这样，该实施方式的光学监视装置100能够用于各种形态的膜厚监视或其他光学监视中。
以上，说明了本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在其保护范围内，能够采用其他实施方式或进行各种变形。
例如，如图10所示，也能够将用于构成微波传输线路58的同轴管66的内部导体68构成为中空管，并将该中空管68用于处理气体供给部80的中心气体供给路径中。在该情况下，以与中空管68连续的方式设置将径向线缝隙天线55的中心贯穿的气体喷出口150。径向线缝隙天线55的中心是径向波导路的中心，即使在此处形成气体喷出用的通孔150，也不会影响径向线缝隙天线55的电磁波辐射特性的均匀性，且不产生任何与光学监视装置100抵触或相反的关系。
在该结构例的处理气体供给部80中，自处理气体供给源82送出的处理气体的一部分如上述那样通过气体供给管88而从腔室10侧壁的气体喷出孔86导入到腔室10内。另外，自处理气体供给源82送出的处理气体的另一部分通过气体供给管152和同轴管66的内部导体68而从顶部中心部的气体喷出孔150导入到腔室10内。此外，在气体供给管152的途中设有MFC（质量流量控制器）154和开闭阀156。
用于构成光学监视装置100各部分也能够进行各种变形。例如，如图11所示，也能够将设于径向线缝隙天线55周围的监视用的光波导路104分割为正向路径用（监视光LB专用）的光波导路104L和反向路径（反射光HB专用）的光波导路104R。在该情况下，在电介质窗52、缝隙板54、电介质板56以及盖板72中，在正向路径用（监视光LB专用）的光波导路104L所通过的位置或部位上与反向路径（反射光HB专用）的光波导路104R所通过的位置或部位上分别单独地设置合成石英52a、网状通孔MH、合成石英56a以及通孔72a。
另外，在监视头102中，对正向路径用（监视光LB专用）的光波导路104L单独分配光学系统（112L、114L）和壳体110L，对反向路径（反射光HB专用）的光波导路104R单独分配光学系统（112R、114R）和壳体110R。
光纤106的正向路径线缆106a借助导体套筒116L安装在正向路径侧的壳体110L上，光纤106的反向路径线缆106b借助导体套筒116R结合在反向路径侧的壳体110R上。另外，自共同的吹扫气体供给源122经由各自分开的气体供给管120L、120R和气体导入口118L、118R向壳体110L、110R供给吹扫气体。
此外，正向路径用（监视光LB专用）的光波导路104L和反向路径（反射光HB专用）的光波导路104R可以形成为相对于铅垂线倾斜一些的V字状，壳体110L、110R也可以彼此分开。
另外，也能够在监视头102与监视主体108之间省略光纤106而使用镜（mirror）等其他的光传输系统。
上述实施方式的微波等离子体处理装置中的微波放电机构的结构、尤其是微波传输线路58和径向线缝隙天线55是一个例子，也能够使用其他方式或形态的微波传输线路和缝隙天线。
在上述实施方式中，在电介质窗52中，将相对于短波长（尤其是200nm以下）而言光透射率较高的合成石英用于监视用的光波导路104所通过的部分52a。但是，在监视光LB不含有这样的短波长的情况下，也可以将熔融石英或其他透明电介质用于该光波导路通过部分52a。另外，在电介质窗52中，除了光波导路通过部分52a以外的部分也可以使用氧化铝等非透明的电介质。
由于上述实施方式中的微波等离子体蚀刻装置在无磁场的情况下生成微波等离子体，因此不必在腔室10的周围设置永磁铁、电子线圈等磁场形成机构，从而相应地使微波等离子体蚀刻装置成为简单的装置结构。不过，本发明也可以应用于利用电子回旋共振（ECR：Electron Cyclotron Resonance）的等离子体处理装置。
本发明并不限定于上述实施方式中的微波等离子体蚀刻装置，也能够应用于等离子体CVD装置、等离子体ALD装置、等离子体氧化装置、等离子体氮化装置、等离子体掺杂装置以及溅射装置等其他微波等离子体处理装置。另外，本发明中的被处理基板并不限于半导体晶圆，也可以是平板显示器用的各种基板、光掩膜、CD基板以及印刷基板等。
附图标记说明
10、腔室；12、基座（下部电极）；26、排气装置；30、（RF偏压用）高频电源；52、电介质窗（顶板）；52a、合成石英（光波导路通过部分）；54、缝隙板；54a、54b、缝隙对；54c、光波导路通过区域（网格）；MH、网状通孔；55、径向线缝隙天线；56、电介质板；58、微波传输线路；60、微波产生器；66、同轴管；72、盖板；72a、通孔（光波导路通过部分）；80、处理气体供给部；94、控制部；100、光学监视装置；102、监视头；108、监视主体。

Claims (22)

1.一种等离子体处理装置，其中，
该等离子体处理装置包括：
处理容器，其能够被真空排气，在至少一部分处具有电介质窗；
基板保持部，其用于在上述处理容器内保持被处理基板；
处理气体供给部，为了对上述基板实施所期望的等离子体处理，该处理气体供给部向上述处理容器内供给所期望的处理气体；
导体的缝隙板，其设于上述电介质窗之上且具有用于向上述处理容器内辐射微波的1个或多个缝隙；
微波供给部，其为了通过微波放电生成上述处理气体的等离子体而经由上述缝隙板和上述电介质窗向上述处理容器内供给微波；以及
光学监视部，其经由上述电介质窗和形成于上述缝隙板的网状通孔来以光学方式监视或测量上述处理容器内的上述基板的表面。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
上述缝隙板的分布有上述网状通孔的区域设于不与上述缝隙干涉的位置。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
上述光学监视部包括：
光源，其用于产生监视光；
受光部，其用于将由上述基板对上述监视光进行反射而成的反射光转换成电信号；
监视电路，其对来自上述受光部的电信号进行规定的信号处理而输出监视信息或监视结果；
监视头，其用于将上述监视光经由上述缝隙板的网状通孔和上述电介质窗照射到上述基板保持部上的上述基板的表面，并经由上述电介质窗和上述缝隙板的网状通孔导入来自上述基板的表面的反射光；
监视光传输部，其用于将上述监视光从上述光源传输到上述监视头；以及
反射光传输部，其用于将上述反射光从上述监视头传输到上述受光部。
4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其中，
上述光学监视装置监视或测量上述基板表面的被加工膜的膜厚。
5.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其中，
上述监视光含有200nm以下的波长成分。
6.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其中，
上述监视光含有185nm～785nm频带的波长成分。
7.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其中，
上述监视头包括：
壳体，其能够密闭，由导体构成，配置在上述缝隙板的上方；
规定的光学零件，其配置在上述壳体内的、上述监视光或上述反射光所通过的位置；
吹扫气体供给部，其用于向上述壳体内供给吹扫气体；以及
排气部，其用于对上述壳体内进行排气。
8.根据权利要求7所述的等离子体处理装置，其中，
在上述监视头和上述电介质窗之间设有电介质板和盖板，该电介质板用于一边使来自上述微波供给部的微波沿着径向传播一边缩短该微波的波长，该盖板设于上述电介质板的上方，
在上述盖板中，在与上述缝隙板的分布有上述网状通孔的区域重叠的位置形成有与上述监视头的上述壳体相连通的通孔。
9.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其中，
自上述吹扫气体供给部供给到上述壳体内的吹扫气体通过上述盖板的通孔而被送往上述排气部。
10.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
上述缝隙板的分布有上述网状通孔的区域的遮光部的上表面为圆弧面。
11.根据权利要求10所述的等离子体处理装置，其中，
上述网状通孔的遮光部的上表面通过湿蚀刻而变圆。
12.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
上述缝隙板的分布有上述网状通孔的区域的开口率是70%以上。
13.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
上述网状通孔具有多边形的开口形状。
14.根据权利要求13所述的等离子体处理装置，其中，
上述网状通孔具有蜂窝结构。
15.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
上述缝隙板构成径向线缝隙天线。
16.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，
在上述电介质窗中，至少与上述缝隙板的分布有上述网状通孔的区域重叠的部分由合成石英构成。
17.根据权利要求16所述的等离子体处理装置，其中，
在上述电介质窗中，不与上述缝隙板的分布有上述网状通孔的区域重叠的部分由熔融石英构成。
18.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其中，
在上述电介质板中，至少与上述缝隙板的分布有上述网状通孔的区域重叠的部分由合成石英构成。
19.一种光学监视装置，其用于在等离子体处理装置中以光学方式监视或测量基板的表面，在该等离子体处理装置中，在至少一部分具有电介质窗的、能够被真空排气的处理容器内收纳被处理基板，向上述处理容器内供给处理气体，并且经由上述电介质窗和具有设于上述电介质窗之上的1个或多个缝隙的导体的缝隙板向上述处理容器内供给微波，通过微波放电来生成上述处理气体的等离子体，在上述等离子体的作用下对上述基板实施所期望的等离子体处理，其中，
该光学监视装置包括：
光源，其用于产生监视光；
受光部，其用于将由上述基板对上述监视光进行反射而成的反射光转换成电信号；
监视电路，其通过对来自上述受光部的电信号进行规定的信号处理而输出监视信息或监视结果；
网状通孔，其形成在上述缝隙板上，以使上述监视光和来自上述基板的表面的反射光通过；
监视头，其用于将上述监视光经由上述缝隙板的网状通孔和上述电介质窗照射到上述基板保持部上的上述基板的表面，并经由上述电介质窗和上述缝隙板的网状通孔导入来自上述基板的表面的反射光；
监视光传输部，其用于将上述监视光从上述光源传输到上述监视头；以及
反射光传输部，其用于将上述反射光从上述监视头传输到上述受光部。
20.根据权利要求19所述的光学监视装置，其中，
在上述缝隙板上形成有供上述监视光通过的第1网状通孔和供来自上述基板的表面的反射光通过的第2网状通孔，
上述监视头将上述监视光经由上述缝隙板的上述第1网状通孔和上述电介质窗照射到上述基板保持部上的上述基板的表面，并经由上述电介质窗和上述缝隙板的上述第2网状通孔导入来自上述基板的表面的反射光。
21.根据权利要求19所述的光学监视装置，其中，
上述监视头包括：
壳体，其能够密闭，由导体构成；
光学零件，其配置在上述壳体内的、上述监视光或上述反射光所通过的位置；
吹扫气体供给部，其用于向上述壳体内供给吹扫气体；以及
排气部，其用于对上述壳体内进行排气。
22.一种等离子体处理装置，其在至少一部分具有电介质窗的、能够被真空排气的处理容器内收纳被处理基板，向上述处理容器内供给处理气体，并向上述处理容器内供给能量，使用上述能量来生成上述处理气体的等离子体，在上述等离子体的作用下根据自光学监视装置获得的信号来对上述基板实施所期望的等离子体处理，其中，
该光学监视装置包括：
光源，其用于产生监视光；
受光部，其用于将由上述基板对上述监视光进行反射而成的反射光转换成电信号；
监视电路，其对来自上述受光部的电信号进行规定的信号处理而输出监视信息或监视结果；
监视头，其用于将上述监视光照射到上述基板保持部上的上述基板的表面并导入来自上述基板的表面的反射光；
监视光传输部，其用于将上述监视光从上述光源传输到上述监视头；以及
反射光传输部，其用于将上述反射光从上述监视头传输到上述受光部。
上述监视头包括：
壳体，其能够密闭，配置于上述处理容器；
吹扫气体供给部，其用于向上述壳体内供给吹扫气体；以及
排气部，其用于对上述壳体内进行排气。
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