CN112449473A - 等离子体探测装置、等离子体处理装置和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体探测装置、等离子体处理装置和控制方法。本发明的一方式的等离子体探测装置包括：天线部，其隔着将真空空间与大气空间之间密封的密封部件，安装在形成于处理容器的壁的开口部；和透光部，其设置于所述天线部的内部或者是所述天线部的至少一部分，能够使所述真空空间中生成的等离子体的发出光透射到所述大气空间。根据本发明，能够高精度地监视等离子体生成空间中的自由基密度。

Description

等离子体探测装置、等离子体处理装置和控制方法
技术领域
本发明涉及等离子体探测装置、等离子体处理装置和控制方法。
背景技术
作为监视等离子体的状态的方法之一，已知有发光光谱分析(例如，专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-207915号公报。
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明提供能够高精度地监视等离子体生成空间中的自由基密度的技术。
用于解决问题的技术手段
本发明的一方式的等离子体探测装置具有：天线部，其隔着将真空空间与大气空间之间密封的密封部件，安装在形成于处理容器的壁的开口部；和透光部，其设置于所述天线部的内部或者是所述天线部的至少一部分，能够使所述真空空间中生成的等离子体的发出光透射到所述大气空间。
发明效果
依照本发明，能够高精度地监视等离子体生成空间中的自由基密度。
附图说明
图1是表示微波等离子体处理装置的截面图的一例的图。
图2是表示微波等离子体处理装置的顶部的内壁的一例的图。
图3是表示第1结构例的等离子体探测装置的图。
图4是表示等离子体探测装置的配置的一例的图。
图5是表示等离子体探测装置的测量结果的一例的图。
图6是表示反馈控制处理的一例的流程图。
图7是用于说明反馈控制处理的图
图8是表示第2结构例的等离子体探测装置的图。
图9是表示第3结构例的等离子体探测装置的图。
图10是表示第4结构例的等离子体探测装置的图。
附图标记的说明
1 处理容器
1b 开口部
2 微波等离子体源
3 控制装置
11 载置台
50 微波辐射机构
70 等离子体探测装置
71 天线部
72 电极
73 O型圈
74 电介质支承部
75 电极
78 透光部
79a O型圈
79b 盖体
79c O型圈
100 微波等离子体处理装置。
具体实施方式
下面，参照所附的附图，对本发明的非限定性的例示的实施方式进行说明。在所附的所有附图中，对相同或相应的部件或者零件，标注相同或相应的附图标记，并省略重复的说明。
[等离子体处理]
在对等离子体处理进行最优化时，不仅监视等离子体电子密度、等离子体电子温度，还监视与化学气相沉积(CVD：Chemical Vapor Deposition)等成膜处理的处理特性直接相关的自由基密度是重要的。因此，使用通过发光光谱分析(OES：Optical EmissionSpectroscopy)来监视等离子体的状态的方法。
然而，在处理时在用于监视等离子体的发出光的监视透镜等的透射部的表面会沉积膜，由于沉积的膜而会使等离子体的发出光的强度降低，有时不能正确地监视等离子体生成空间中的自由基密度。
因此，本发明人对上述问题进行了锐意研究，结果发现了在成膜处理时也能够高精度地监视等离子体生成空间中的自由基密度的技术。下面，详细地进行说明。
[微波等离子体处理装置]
图1是表示一实施方式的微波等离子体处理装置100的截面图的一例的图。微波等离子体处理装置100具有收纳作为基片的一例的半导体晶片(以下称为“晶片W”。)的处理容器1。微波等离子体处理装置100是利用由微波形成在处理容器1的顶部的内壁面的表面波等离子体，对晶片W进行规定的等离子体处理的等离子体处理装置的一例。作为规定的等离子体处理，例如能够例示CVD等成膜处理。
微波等离子体处理装置100包括处理容器1、微波等离子体源2和控制装置3。
处理容器1是气密地构成的由铝、不锈钢等金属材料形成的大致圆筒状的容器，并且接地。
处理容器1具有主体部10，在内部形成等离子体的处理空间。主体部10是构成处理容器1的顶部的圆盘状的顶板。在处理容器1与主体部10的接触面设置有支承环129，由此，处理容器1的内部被气密地密封。主体部10由铝、不锈钢等金属材料形成。
微波等离子体源2包括微波输出部30、微波传送部40和微波辐射机构50。微波输出部30分配多个路径来输出微波。微波通过微波传送部40和微波辐射机构50被导入处理容器1的内部。被供给到处理容器1内的气体由导入的微波的电场激励，由此形成表面波等离子体。
在处理容器1内设置有载置晶片W的载置台11。载置台11由隔着绝缘部件12a立设于处理容器1的底部中央的筒状的支承部件12支承。作为构成载置台11和支承部件12的材料，例示表面进行了氧化铝(阳极氧化)处理的铝等金属或内部具有高频用的电极的绝缘部件(陶瓷等)。在载置台11也可以设置用于静电吸附晶片W的静电吸盘、温度控制机构、对晶片W的背面供给热传导用的气体的气体流路等。
载置台11经由匹配器13与高频偏置电源14连接。通过从高频偏置电源14对载置台11供给高频电功率，等离子体中的离子被吸引到晶片W侧。此外，高频偏置电源14也可以根据等离子体处理的特性来设置。
处理容器1的底部与排气管15连接，排气管15与包含真空泵的排气装置16连接。当使排气装置16工作时对处理容器1内进行排气，由此，能够快速地将处理容器1内减压至规定的真空度。在处理容器1的侧壁，设置有用于进行晶片W的送入送出的送入送出口17和对送入送出口17进行开闭的闸阀18。
微波传送部40传送从微波输出部30输出的微波。参照表示图1的A－A截面的图2，微波传送部40内的中央微波导入部43b被配置在主体部10的中央，6个周缘微波导入部43a在主体部10的周边被等间隔地配置在圆周方向上。中央微波导入部43b和6个周缘微波导入部43a分别对应地设置，具有将从图1所示的放大部42输出的微波导入微波辐射机构50的功能和使阻抗匹配的功能。以下，将周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b总称为微波导入部43。
如图1和图2所示，6个电介质层123在6个周缘微波导入部43a的下方配置于主体部10的内部。并且，1个电介质层133在中央微波导入部43b的下方配置于主体部10的内部。此外，周缘微波导入部43a和电介质层123的个数并不限于6个，可以为2个以上。其中，周缘微波导入部43a和电介质层123的个数优选3个以上，例如可以为3个～6个。
图1所示的微波辐射机构50具有电介质顶板121、131、隙缝122、132和电介质层123、133。电介质顶板121、131由能够使微波的圆盘状的电介质形成，配置于主体部10的上表面。电介质顶板121、131由相对介电常数比真空大的例如石英、氧化铝(Al2O3)等陶瓷，聚四氟乙烯等氟类树脂、聚酰亚胺类树脂形成。由此，具有使透射到电介质顶板121、131内的微波的波长比在真空中传播的微波的波长短，并且缩小包含隙缝122、132的天线的功能。
在电介质顶板121、131之下，电介质层123、133经由形成于主体部10的隙缝122、132与主体部10的开口的背面抵接。电介质层123、133例如由石英、氧化铝(Al2O3)等陶瓷、聚四氟乙烯等氟类树脂、聚酰亚胺类树脂形成。电介质层123、133设置于从顶面以形成于主体部10的开口的厚度的量凹陷的位置，作为对等离子体生成空间U供给微波的电介质窗发挥作用。
周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b与筒状的外侧导体52和设置于其中心的棒状的内侧导体53同轴状地配置。在外侧导体52与内侧导体53之间，被供给微波电功率，形成微波向微波辐射机构50传播的微波传送路径44。
在周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b，设置有芯体(slag)54和位于其前端部的阻抗调节部件140。具有通过使芯体54移动，以使处理容器1内的负载(等离子体)的阻抗与微波输出部30的微波电源的特性阻抗匹配的功能。阻抗调节部件140由电介质形成，能够利用其相对介电常数来调节微波传送路径44的阻抗。
在主体部10设置有喷淋结构的气体导入部21。从气体供给源22供给的气体经由气体供给配管111从气体扩散室62通过气体导入部21，以喷淋状被供给到处理容器1内。气体导入部21是从形成于处理容器1的顶壁的多个气体供给孔60供给气体的气体喷淋头的一例。作为气体的一例，能够列举出例如Ar气体等的等离子体生成用的气体、例如O2气体或N2气体等的要用高能量分解的气体、硅烷气体等处理气体。
微波等离子体处理装置100的各部由控制装置3控制。控制装置3包括微处理器4、ROM(Read Only Memory：只读存储器)5和RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)6。在ROM5和RAM6存储有微波等离子体处理装置100的处理步骤和作为控制方案的处理方案。微处理器4是基于处理步骤和处理方案，控制微波等离子体处理装置100的各部的控制部的一例。此外，控制装置3具有触摸面板7和显示器8，能够根据处理步骤和处理方案来进行规定的控制时的输入和结果的显示。
在该微波等离子体处理装置100中进行等离子体处理时，首先，晶片W在被保持于输送臂(未图示)上的状态下，从设有开口的闸阀18通过送入送出口17被送入处理容器1内。闸阀18在送入晶片W后关闭。晶片W在被输送到载置台11的上方后，从输送臂被转移到升降销(未图示)，通过升降销下降而被载置到载置台11。处理容器1的内部的压力由排气装置16保持为规定的真空度。处理气体从气体导入部21以喷淋状被导入处理容器1内。经由周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b从微波辐射机构50辐射的微波在顶壁的内部表面传播。由于成为表面波而传播的微波的电场，气体被激励，用处理容器1侧的顶壁下的等离子体生成空间U所生成的表面波等离子体对晶片W实施等离子体处理。
[等离子体探测装置]
在处理容器1的侧壁在圆周方向上形成有多个开口部1b，安装有多个等离子体探测装置70。其中，安装于处理容器1的等离子体探测装置70可以为1个。等离子体探测装置70能够检测等离子体生成空间U中所生成的等离子体。控制装置3基于等离子体探测装置70的检测结果，例如等离子体电子温度Te、等离子体电子密度Ne、沉积膜的膜厚，来计算自由基密度。由此，能够推断等离子体的状态。
等离子体探测装置70在微波等离子体处理装置100的外部与监视装置80和光检测装置90连接。
监视装置80具有信号发射器，输出由信号发射器发射的规定频率的信号。该信号在同轴电缆81中传送，被传送到等离子体探测装置70，从等离子体探测装置70的前端的天线部71被传送到等离子体。等离子体探测装置70对传送到等离子体侧的信号，检测从等离子体侧反射的信号的电流值，并输送到监视装置80。检测出的信号的电流值从监视装置80被发送到控制装置3，由控制装置3的微处理器4进行FFT(频率)解析。由此，能够计算等离子体电子温度Te、等离子体电子密度Ne、沉积于等离子体探测装置70的膜的膜厚等。此外，同轴电缆81的屏蔽件接地或者与处理容器连接。
光检测装置90检测等离子体的发出光的强度，该等离子体是在等离子体生成空间U的透射透光部78并通过光纤等的传送部91传送来的等离子体。检测出的等离子体的发出光的强度从光检测装置90被发送到控制装置3。控制装置3的微处理器4基于计算出的沉积于等离子体探测装置70上的膜的膜厚，来校正从光检测装置90发送来的等离子体的发出光的强度。此外，控制装置3的微处理器4基于已校正的等离子体的发出光的强度，来计算等离子体生成空间U中的自由基密度。此外，基于已校正的等离子体的发出光的检测光强度来计算自由基密度的方法没有特别限定，但是能够利用例如公知的发光光谱分析(OES：OpticalEmission Spectroscopy)。
[等离子体探测装置的结构]
图3是表示第1结构例的等离子体探测装置70的图。图3的(a)是等离子体探测装置70的截面图，图3的(b)是图3的(a)中的区域P的放大图，图3的(c)是从等离子体生成空间U侧观察图3的(a)的等离子体探测装置70时的平面图。此外，在图3中，示出了在等离子体探测装置70的前端面沉积了由等离子体处理产生的反应生成物的膜F的状态。
等离子体探测装置70包括天线部71、电极72、电介质支承部74和透光部78。
天线部71隔着O型圈73安装在形成于处理容器1的侧壁的开口部1b。天线部71以包含等离子体探测装置70的前端的方式设置。在一实施方式中，天线部71的前端是圆盘状部件71a，隔着O型圈73堵塞开口部1b的开口地配置。天线部71具有可供透光部78插通的贯通孔，由铝等导体形成。O型圈73由树脂等电介质形成。此外，天线部71的前端并不限于圆盘状，例如也可以为矩形状。
天线部71的前端面与处理容器1的壁的开口部1b附近的背面隔开，形成有规定尺寸的间隙1d。当没有像这样在天线部71的前端面与处理容器1的壁之间形成间隙1d时，天线部71会与处理容器1的壁DC连接。这样一来，从监视装置80传送来的信号的电流会流到处理容器1的壁，流过等离子体的电流的比例变低。其结果，天线部71变得不能作为等离子体探测装置70的天线发挥作用。因此，在天线部71的前端面与处理容器1的壁的开口部1b附近的背面，形成有规定尺寸的间隙1d。此外，将从天线部71流到处理容器1的壁的信号的电流称为“杂散电流”。
即使交流电流流到处理容器1的壁一侧，天线部71也作为等离子体探测装置70的天线发挥作用。但是，为了提高等离子体探测装置70的灵敏度，优选使不仅包含直流电流还包含交流电流的杂散电流不流到处理容器1的壁一侧。
另一方面，当上述间隙1d过大时，气体和等离子体进入间隙1d，会发生因等离子体导致的腐蚀和气体的侵入所引起的颗粒和异常放电的问题。因此，间隙1d被设计为宽至天线部71与处理容器1的壁不DC连接的程度的空间，并且为窄至等离子体和气体不会进入的程度的空间。
天线部71配置在比形成有开口部1b的处理容器1的内壁面凹陷的位置，天线部71的表面在比内壁面凹陷的位置露出于等离子体生成空间U侧。通过使天线部71的表面凹陷，能够使设置成为颗粒的产生源的天线部71与处理容器1的壁的间隙1d的位置远离晶片W。由此，能够防止颗粒的产生和气体对等离子体探测装置70的侵入，减少颗粒对等离子体处理的特性的影响，降低等离子体对等离子体探测装置70的腐蚀。此外，通过使天线部71的表面不与处理容器1的内壁面为相同高度而凹陷，能够使在处理容器1的内壁面传播的表面波等离子体的波模跳变难以发生，而避免异常放电。
另外，在天线部71的表面(前端面)，从至少开口部1b至O型圈73为止的区域，通过氧化钇(Y2O3)的热喷涂覆盖绝缘体的膜76。此外，在处理容器1的壁面，从至少开口部1b的侧面通过开口部1b的背面至O型圈73为止的区域，通过Y2O3的热喷涂覆盖绝缘体的膜1c。
由此，还能够使直流电流不从天线部71向处理容器1的壁侧流动。而且，能够提高等离子体耐性。此外，在比天线部71的O型圈73靠大气侧的面、处理容器1的内壁面涂敷绝缘体的膜77时，等离子体耐性进一步提高。绝缘体的膜76、77、1c也可以通过耐酸氯加工而形成。
O型圈73将开口部1b侧的真空空间与等离子体探测装置70的安装侧的大气空间之间密封。O型圈73是将真空空间与大气空间之间密封的密封部件的一例。
像这样，在一实施方式中，通过在天线部71的前端面将O型圈73按压到开口部1b附近的处理容器1的壁的背面，能够将真空空间与大气空间之间密封，并且气体难以进入天线部71与处理容器1的壁的间隙。由此，能够减少颗粒的产生。
另外，当腐蚀性的气体进入天线部71与处理容器1的壁的间隙时，天线部71被腐蚀，使等离子体探测装置70的性能降低。如上所述，当将等离子体探测装置70配置于处理容器1的开口部1b时，在更靠近开口部1b的开口附近进行O型圈73的真空密封，以尽量使气体不进入等离子体探测装置70的里侧。
关于开口部1b的大小，当开口设置得越大时，从监视装置80传送来的信号的电流不变成杂散电流而流过等离子体的比例变高，因此天线部71的灵敏度变高。另一方面，当开口设置得越大时，等离子体和气体越容易侵入天线部71侧，因此天线部71被耐腐蚀性的气体和等离子体腐蚀，存在使等离子体探测装置70的性能降低，或者发生异常放电的可能性。此外，当等离子体探测装置70的灵敏度过高时，例如在等离子体处理中生成的反应生成物在等离子体探测装置70的表面等附着等处理容器1内的随时间的变化方面，等离子体探测装置70的测量结果会受到影响。由此，有时反而不能高精度地测量等离子体的状态。因此，考虑天线部71的灵敏度以及气体和等离子体的侵入，将开口部1b的开口在能够高精度地测量等离子体的状态的范围内设定为适当值。此外，开口部1b的形状可以是圆形，也可以是矩形或其他形状。
电极72与天线部71连接。电极72测量表示等离子体的状态的电流值，并将该电流值经由同轴电缆81传送到监视装置80。
电介质支承部74从周围支承天线部71。电介质支承部74例如可以由PTFE(polytetrafluoroethylene)形成。电介质支承部74包围天线部71，固定天线部71和O型圈73。电介质支承部74在将天线部71和O型圈73固定在开口部1b附近的状态下，将铝等金属的部件1a用螺纹件固定在处理容器1的壁。
在一实施方式中，电介质支承部74被分离成2个电介质支承件74a、74b，不过并不限定于此，也可以形成为一体的。此外，例如，电介质支承部74也可以仅是从外周侧固定天线部71的圆盘状部件71a的电介质支承件74a。该情况下，用部件1a对天线部71、电介质支承件74a和O型圈73进行固定。该情况下，电介质支承件74b可以是空的，也可以填充PTFE。
图3的电介质支承部74的深度方向的长度C与圆盘状部件71a的直径B之比形成为大约1/2，具体而言，为0.44～0.54的范围的任意值。当直径B和长度C小，或者其比例合适时，来自电极72的电流通过天线部71到达等离子体，灵敏度变差。因此，通过使长度B和长度C处于规定的范围，能够提高灵敏度高的等离子体探测装置70を提供。
为了提高等离子体探测装置70的灵敏度，需要使从天线部71流向处理容器1的壁的杂散电流为最小限度。即，流过等离子体的电流相对于杂散电流的比例越高，等离子体探测装置70的灵敏度变得越高。因此，为了提高流过等离子体的电流相对于杂散电流的比例，露出于开口部1b的天线部71的表面积越大越好。
因此，在一实施方式中，可以在天线部71的前端面的从开口部1b露出侧的区域形成凹部或者凸部的至少任一者。或者，也可以使天线部71的前端面弯曲为凹状或者凸状。由此，能够增大天线部71的表面积。其结果，在从监视装置80发射相同电功率的信号时，也能够提高流过等离子体的电流，能够使等离子体探测装置70的灵敏度更高。
透光部78由能够插通形成于天线部71的贯通孔的圆柱状的电介质形成，并插通在形成于天线部71的贯通孔中。透光部78由能够使真空空间(等离子体生成空间U)中生成的等离子体的发出光透射到大气空间的电介质，例如蓝宝石、石英形成。透射了透光部78的等离子体的发出光通过光纤等传送部91被传送到光检测装置90。透光部78的前端面与天线部71的前端面为同一面或者大致为同一面。由此，在等离子体处理时，在天线部71的前端面和透光部78的前端面，沉积大致相同膜厚的膜。此外，透光部78并不限于圆柱状，能够根据形成于天线部71的贯通孔的形状来决定。具体而言，形成于天线部71的贯通孔为三角柱、四方柱等方柱的情况下，透光部78形成为三角柱、四方柱等方柱。透光部78的后端由O型圈79a和盖体79b密封。
O型圈79a将开口部1b侧的真空空间与等离子体探测装置70的安装侧的大气空间之间密封。O型圈79a由树脂等电介质形成。O型圈79a是将真空空间与大气空间之间密封的第2密封部件的一例。
盖体79b被设置成覆盖透光部78的后端面。盖体79b在覆盖透光部78的后端面的状态下，通过将O型圈79a按压到天线部71的后端面，而将真空空间与大气空间之间密封。由此，能够用简单的结构将真空空间与大气空间之间密封。关于盖体79b的大小，只要能够覆盖天线部71与透光部78的间隙即可，例如可以比透光部78的后端面的外径大，也可以比天线部71的后端面的外径小。盖体79b的大小也可以为天线部71的后端面的外径以上的大小。盖体79b由使等离子体生成空间U中生成的等离子体的发出光透射到大气空间的电介质，例如石英形成。由此，等离子体生成空间U中生成的等离子体的发出光透射透光部78和盖体79b，经由光纤等的传送部91，被传送到光检测装置90。
[等离子体探测装置的配置]
图4是表示一实施方式的相对于微波等离子体处理装置100的等离子体探测装置70的配置的一例的图。一实施方式的微波等离子体处理装置100中，将处理容器1的侧壁的一部分环状地分离，在其圆周方向上等间隔地形成于多个开口部1b，在这些开口部1b隔着O型圈73分别安装有离子体探测装置70。从多个开口部1b至等离子体生成空间U侧，露出有涂敷于天线部71的Y2O3的绝缘体的膜76。开口部1b也可以是设置于处理容器1的壁的多个隙缝。此外，开口部1b也可以不将处理容器1的侧壁环状地分离，而形成于该侧壁。
在一实施方式中，多个开口部1b设置于处理容器1的侧壁的圆周方向，由电介质支承部74将天线部71隔着O型圈73按压到各开口部1b，这样来安装各等离子体探测装置70。其中，配置等离子体探测装置70的部件，并不限定于处理容器1的侧壁。
例如，也可以在处理容器1的顶壁即主体部10，在例如圆周方向上形成多个开口部1b，在这些开口部1b安装多个等离子体探测装置70。在顶壁安装等离子体探测装置70的情况下，涂敷于天线部71的绝缘体的膜也可以代替Y2O3而使用Al2O3。
[等离子体探测装置的测量]
利用如以上所说明的一实施方式的等离子体探测装置70，测量在微波等离子体处理装置100中生成的等离子体的状态而得的结果的一例，表示在图5中。图5的上侧的电流测量结果的图表所示的电流值I从等离子体探测装置70经由监视装置80被传送到控制装置3，由控制装置3的微处理器4进行FFT(傅里叶变换)。由此，如图5的下侧的图表所示，变换成各频率的振幅成分。
在等离子体中，与规定的电压指数相关地流过电流。测量出的电流值中，包含具有基本频率的基波的成分、与基波相比波长为2倍的第1高频和波长为3倍的第2高频等高频成分。于是，通过FFT使用基波和高频的振幅的峰值，能够计算等离子体电子密度、等离子体电子温度。此外，FFT后的图表的“1ω”表示基波的成分，“2ω”表示第1高频的成分，“3ω”表示第2高频的成分。
[等离子体电子密度Ne和等离子体电子温度Te]
控制装置3使用由等离子体探测装置70测量出的电流值的FFT后的基波和高频的振幅，来计算等离子体电子密度Ne和等离子体电子温度Te。简单地说明该计算方法的一例。当对等离子体探测装置70的电极72施加交流时，在天线部71中流过(1)式所示的探测电流ipr。
Figure BDA0002648257910000121
此处，e是一个电子的电量，ns是等离子体鞘表面的电子密度，
Figure BDA0002648257910000122
是电子的平均速度，A是天线部71与等离子体接触的面积(即，开口部1b的面积)，VBias是探测施加电压，Φp是等离子体电位，Te是等离子体温度，uB是玻姆速度。此外，Vdc是自偏置电压，V0是从监视装置80施加到等离子体探测装置70的交流电压(例如4V～5V)。
使用第1种变形贝塞尔函数Ik对(1)式进行变形し，将探测电流ipr如(2)式所示那样分离为DC成分和AC成分。
Figure BDA0002648257910000131
(2)式的右边的上部的项是探测电流ipr的DC成分，(2)式的右边的下部的项是将cos(kωt)乘以变量而得的探测电流ipr的AC成分。探测电流ipr的DC成分表示在天线部71与等离子体之间流动的直流电流。在一实施方式的等离子体探测装置70的构成中，使(2)式的探测电流ipr的DC成分为0。其结果，能够导出(3)式。
Figure BDA0002648257910000132
将(3)进行傅里叶级数展开，得到(4)式。
Figure BDA0002648257910000133
(4)式的左边是实测值，表示基波(1ω)的电流i1ω的振幅与第1高频(2ω)的电流i2ω的振幅之比。(4)式的右边表示将探测电流用第1种变形贝塞尔函数展开时的基波与第1高频之比。
因此，根据(4)式，利用通过FFT计算出的基波(1ω)的振幅与第1高频(2ω)的振幅之比以及实测值之比，能够计算等离子体电子温度Te。此外，V0是监视电压(例如4V)。
而且，基波(1ω)中所得电流i1ω的DC成分在(5)式中表示。(5)式由于是电流i1ω的DC成分，因此为0。
Figure BDA0002648257910000134
电流i1ω的AC成分在(6)式中表示。
Figure BDA0002648257910000141
通过将使用(6)式计算出的基波(1ω)中的电流i1ω的绝对值代入(7)式，能够计算等离子体中的离子密度ni。离子密度ni等于等离子体电子密度Ne。如以上所述，能够计算等离子体电子密度Ne。
Figure BDA0002648257910000142
[沉积膜的膜厚]
控制装置3使用由等离子体探测装置70测量出的电流值的FFT后的基波和高频的振幅，来计算沉积于等离子体探测装置70的前端面的沉积膜的膜厚。简单地说明该计算方法的一例。通过在等离子体处理中在等离子体探测装置70的天线部71的前端面形成膜，如(8)式所示的那样，流过天线部71的探测电流ipr的波形发生变化。
Figure BDA0002648257910000143
此处，V0是从监视装置80施加到等离子体探测装置70的交流电压，|i1ω|是基波(1ω)的电流i1ω的振幅，C是沉积于天线部71的前端面的绝缘膜的静电电容，ω是从监视装置80施加到等离子体探测装置70的交流电压的频率，
Figure BDA0002648257910000144
是常数。
此处，求取将从监视装置施加到等离子体探测装置70的交流电压的频率w改变时的基波(1ω)的电流i1ω的振幅，将其代入(8)式，能够计算沉积于天线部71的前端面的绝缘膜的静电容量C。此外，在绝缘膜的静电容量C和绝缘膜的膜厚d之间，(9)式成立。
Figure BDA0002648257910000145
此处，C是沉积于天线部71的前端面的绝缘膜的静电电容，ε是绝缘膜的介电常数，S是绝缘膜的面积，d是绝缘膜的膜厚。
此处，通过将使用(8)式计算出的绝缘膜的静电容量C代入(9)式，能够计算绝缘膜的膜厚d。
像这样，通过在等离子体处理中在天线部71的前端面形成膜，监视装置80测量的流过天线部71的电流的波形发生改变。由此，本发明的微波等离子体处理装置100的控制装置3通过解析从监视装置80获取的信号的强度的变化，能够推算出附着于天线部71(透光部78)的前端面的膜的膜厚。
[反馈控制处理]
说明使用一实施方式的等离子体探测装置70对微波等离子体处理装置100的等离子体处理的条件进行反馈控制的处理(以下称为“反馈控制处理”。)的一例。
图6是表示反馈控制处理的一例的流程图。图6所示的反馈控制处理在例如使用微波等离子体处理装置100的等离子体处理时实施。
首先，控制装置3使用由等离子体探测装置70测量出的电流值的FFT后的基本波和高次谐波的振幅来计算等离子体电子密度Ne和等离子体电子温度Te(步骤S1)。
接着，控制装置3使用由等离子体探测装置70测量出的电流值的FFT后的基本波的振幅来计算沉积于等离子体探测装置70的前端面的绝缘膜的膜厚d(步骤S2)。
接着，控制装置3获取由光检测装置90检测出的等离子体的发出光的强度(以下也称为“检测光强度”。)(步骤S3)。
接着，控制装置3基于在步骤S2中计算出的沉积于等离子体探测装置70的前端面的绝缘膜的膜厚，来校正步骤S3中获得的等离子体发出光的检测光强度(步骤S4)。
此处，关于等离子体发出光的检测光强度的校正，参照图7进行说明。图7是用于说明反馈控制处理的图。图7的(a)表示由微波等离子体处理装置100处理的晶片W的个数(以下称为“晶片处理个数”。)与沉积于等离子体探测装置70的前端面的绝缘膜的静电容量的关系。图7的(b)表示晶片处理个数与沉积于等离子体探测装置70的前端面的绝缘膜的膜厚的关系。图7的(c)表示晶片处理个数与由光检测装置90检测的等离子体的发出光的检测光强度(校正前)的关系。图7的(d)表示晶片处理个数与由光检测装置90检测的等离子体的发出光的检测光强度(校正后)的关系。此外，在图7的(c)中，为了进行比较，用虚线表示在等离子体探测装置70的前端面没有沉积绝缘膜时的等离子体的发出光的检测光强度。
当晶片处理个数增加时，例如如图7的(a)所示绝缘膜的静电容量与晶片处理个数成反比例地减小，例如如图7的(b)所示沉积于等离子体探测装置70的前端面的绝缘膜的膜厚与晶片处理个数成比例地增加。当沉积于等离子体探测装置70的前端面的绝缘膜的膜厚增加时，等离子体生成空间U中生成并入射到透光部78的等离子体的发出光的一部分被绝缘膜反射或者吸收。因此，例如如图7的(c)所示，由光检测装置90检测的等离子体的发出光的检测光强度与晶片处理个数的增加成比例地降低。即，光检测装置90检测的等离子体的发出光的检测光强度变得比等离子体生成空间U中的等离子体的发出光的强度小。其结果，不能够正确地检测等离子体生成空间U中的等离子体的发出光的强度。
因此，在一实施方式中，控制装置3基于由步骤S2中计算出的绝缘膜的膜厚以及绝缘膜的膜厚与等离子体的发出光的衰减率相关联的关系信息，来校正步骤S3中获得的等离子体发出光的检测光强度。由此，如图7的(d)所示，即使在晶片处理个数增加了的情况下，也能够正确地检测等离子体生成空间U中的等离子体发出光的强度。绝缘膜的膜厚与等离子体发出光的衰减率相关联的关系信息，按例如绝缘膜的种类或等离子体处理时供给到处理容器1内的气体的种类通过准备实验等计算，作为数学式、表格被保存于控制装置3的ROM5和RAM6中。不过，绝缘膜的膜厚与等离子体发出光的衰减率相关联的关系信息能够由微处理器4访问即可，也可以保存在不同于控制装置3的其他存储装置中。
接着，控制装置3基于在步骤S4中校正了的等离子体的发出光的检测光强度，计算自由基密度(步骤S5)。由此，在等离子体处理时，能够正确地监视等离子体生成空间U的自由基密度。
接着，控制装置3基于步骤S1中计算出的等离子体电子密度、等离子体电子温度和步骤S5中计算出的自由基密度的至少任一者，来控制等离子体处理的条件(步骤S6)。
例如，控制装置3根据等离子体电子密度、等离子体电子温度和自由基密度，在等离子体处理中实时地控制从周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b被导入到处理容器1内微波的功率。具体而言，控制装置3根据等离子体电子密度、等离子体电子温度和自由基密度，来控制对周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b输出微波的放大部42。由此，通过调节被导入到对应的周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b的微波的等离子体强度，能够使等离子体的状态变化。
另外，例如，控制装置3根据等离子体电子密度、等离子体电子温度和自由基密度，以在等离子体处理中实时地控制在周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b中传送的微波的相位。具体而言，控制装置3根据等离子体电子密度、等离子体电子温度和自由基密度，控制对周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b输出微波的放大部42，使微波的相位变化以调制辐射特性。由此，通过调节被导入到周缘微波导入部43a和中央微波导入部43b的微波的相位来控制指向性，能够使等离子体的状态变化。
此外，在图6所示的例中，对控制装置3按照步骤S1、步骤S2和步骤S3的顺序实施的情况进行了说明，不过本发明并不限定于此。例如，可以调换步骤S1～S3的顺序，也可以同时实施步骤S1～S3的至少2者。
[等离子体探测装置的结构的变形例]
图8是表示第2结构例的等离子体探测装置70A的图。如图8所示，等离子体探测装置70A在透光部78的前端侧由O型圈79c密封这一点，与第1结构例的等离子体探测装置70不同。以下，以与等离子体探测装置70不同之处为中心进行说明。
等离子体探测装置70A包括天线部71、电极72和透光部78。
天线部71包括前端的圆盘状部件71a和固定于圆盘状部件71a的大气空间侧的筒状部件71b，在圆盘状部件71a隔着O型圈73安装在形成于处理容器1的侧壁的开口部1b。圆盘状部件71a和筒状部件71b具有可供透光部78插通的贯通孔，由铝等导体形成。此外，圆盘状部件71a和筒状部件71b也可以形成为一体。
电极72与天线部71的筒状部件71b连接，测量表示等离子体的状态的电流值，并将该电流值经由同轴电缆81传送到监视装置80。
透光部78由能够插通形成于天线部71的贯通孔的圆柱状的电介质形成，并插通在形成于天线部71的贯通孔中。透光部78由能够使真空空间(等离子体生成空间U)中生成的等离子体的发出光透射到大气空间的电介质，例如蓝宝石、石英形成。透射了透光部78的等离子体的发出光通过光纤等传送部91被传送到光检测装置90。透光部78的前端面与天线部71的前端面为同一面或者大致同一面。由此，在等离子体处理时，在天线部71的前端面和透光部78的前端面，沉积大致相同膜厚的膜。透光部78的前端具有凸部78a，通过使透光部78的凸部78a嵌合在形成于圆盘状部件71a的凹部以按压O型圈79c，将真空空间与大气空间之间密封。O型圈79c由树脂等电介质形成。O型圈79c是将真空空间与大气空间之间密封的第2密封部件的一例。
图9是表示第3结构例的等离子体探测装置70B的图。图9的(a)是等离子体探测装置70B的截面图，图9的(b)是将图9的(a)在B－B面切断的图。如图9所示，等离子体探测装置70B中，在天线部71由使等离子体的发出光透射的电介质形成，在内部埋设有电极75，透光部78是天线部71的一部分这点，与第1结构例的等离子体探测装置70不同。以下，以与等离子体探测装置70不同之处为中心进行说明。
等离子体探测装置70B具有天线部71、电极75和透光部78。
天线部71隔着O型圈73安装在形成于处理容器1的侧壁的开口部1b。天线部71由使等离子体的发出光透射的圆盘状的电介质，例如蓝宝石、石英形成，在内部埋设有电极75。
电极75埋设于天线部71。电极75测量表示等离子体的状态的电流值，并将该电流值经由同轴电缆81传送到监视装置80。电极75例如形成为网状。由此，电极75的面积变大，因此等离子体探测装置70B的测量灵敏度提高。此外，形成为网状的电极75使等离子体的发出光透射，因此即使在电极75没有设置开口，也能够使等离子体生成空间U中生成的等离子体的发出光透射到大气空间。因此，能够使电极75的面积最大化。
透光部78是天线部71的一部分，使等离子体生成空间U中生成的等离子体的发出光透射到大气空间。透射到透光部78的等离子体的发出光通过光纤等的传送部91被传送到光检测装置90。
在第3结构例的等离子体探测装置70B中，天线部71由电介质形成，在天线部71中从开口部1b露出的天线部71的前端面的附近电极75以不露出的方式被埋入其中。由此，电极75不从开口部1b露出，因此能够防止发生污染。
另外，在第3结构例的等离子体探测装置70B中，在配置有O型圈73的处理容器1的侧壁与天线部71之间没有设置间隙。这是因为，由于处理容器1的侧壁是导体且天线部71是电介质，所以这两个部件不电导通。由此，即使不设置间隙也能够获得处理容器1的侧壁与天线部71不电连接的状态。由此，能够使从O型圈73的附近泄漏的杂散电流基本为0，能够提高等离子体探测装置70B的测量灵敏度和精度。
另外，依照第3结构例的等离子体探测装置70B，天线部71作为透光部78发挥作用，因此没有必要另外设置透光部78。因此，等离子体探测装置70B的结构简单。
另外，为了提高等离子体探测装置70B的测量灵敏度，电极75的面积尽可能越大越好。另一方面，为了得到规定的探测特性，优选使电极75与处理容器1的侧壁的金属不重叠。因此，如图9的(b)所示，电极75优选以从开口部1b的缘部起的距离L为2～3mm程度隔开间隔的方式形成为圆形。
图10是表示第4结构例的等离子体探测装置70C的图。图10的(a)是等离子体探测装置70C的截面图，图10的(b)是将图10的(a)在B－B面切断的图。如图10所示，等离子体探测装置70C在电极75形成为具有开口75a的板状或者膜状这一点，与第3结构例的等离子体探测装置70B不同。以下，以与等离子体探测装置70B不同之处为中心进行说明。
等离子体探测装置70C包括天线部71、电极75和透光部78。
天线部71隔着O型圈73安装在形成于处理容器1的侧壁的开口部1b。天线部71由使等离子体的发出光透射的圆盘状的电介质，例如蓝宝石、石英形成，在内部埋设有电极75。
电极75埋设于天线部71。电极75测量表示等离子体的状态的电流值，并将该电流值经由同轴电缆81传送到监视装置80。电极75形成为例如板状或者膜状。在电极75形成为板状或者膜状的情况下，从防止因电极75使透射天线部71的等离子体的发出光衰减的观点出发，优选在电极75形成有开口75a。
透光部78是天线部71的一部分，使等离子体生成空间U中生成的等离子体的发出光透射到大气空间。透射了透光部78的等离子体的发出光通过光纤等的传送部91被传送到光检测装置90。
在第4结构例的等离子体探测装置70C中，天线部71由电介质形成，在天线部71中从开口部1b露出的天线部71的前端面的附近电极75以不露出的方式埋入在其中。由此，电极75不从开口部1b露出，因此能够防止发生污染。
另外，在第4结构例的等离子体探测装置70C中，在配置有O型圈73的处理容器1的侧壁与天线部71之间没有设置间隙。这是因为，由于处理容器1的侧壁是导体且天线部71是电介质，所以这两个部件不电导通。由此，即使不设置间隙也能够获得处理容器1的侧壁与天线部71不电连接的状态。由此，能够使从O型圈73的附近泄漏的杂散电流基本为0，能够提高等离子体探测装置70C的测量灵敏度和精度。
另外，依照第4结构例的等离子体探测装置70C，天线部71作为透光部78发挥作用，因此没有必要另外设置透光部78。因此，等离子体探测装置70C的结构简单。
另外，为了提高等离子体探测装置70C的测量灵敏度，电极75的面积尽可能越大越好。另一方面，为了得到规定的探测特性，优选使电极75与处理容器1的侧壁的金属不重叠。因此，如图10的(b)所示，电极75优选以从开口部1b的缘部起的距离L为2～3mm程度隔开间隔的方式形成为圆形。
本发明公开的实施方式在所有方面均是例示，而不应认为是限定性的。上述的实施方式在不脱离所附的权利要求及其思想的情况下，能够以各种各样的方式省略、置换、改变。
在上述的实施方式中，作为等离子体处理装置，以使用微波的等离子体处理装置为例进行了说明，但是本发明并不限定于此。等离子体处理装置例如可以为电容耦合型等离子体(CCP：Capacitively Coupled Plasma)、电感耦合型等离子体(ICP：InductivelyCoupled Plasma)、使用径向线隙缝天线的等离子体处理装置、螺旋波激励型等离子体(HWP：Helicon Wave Plasma)装置、电子回旋共振等离子体(ECR：Electron CyclotronResonance Plasma)装置。
在上述的实施方式中，作为基片以半导体晶片为例进行了说明，但是本发明并不限定于此。基片例如可以是平板显示器(FPD：Flat Panel Display)用的大型基片、EL元件或者太阳电池用的基片。

Claims (16)

1.一种等离子体探测装置，其特征在于，具有：
天线部，其隔着将真空空间与大气空间之间密封的密封部件，安装在形成于处理容器的壁的开口部；和
透光部，其设置于所述天线部的内部或者是所述天线部的至少一部分，能够使所述真空空间中生成的等离子体的发出光透射到所述大气空间。
2.如权利要求1所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述天线部由具有可供所述透光部插通的贯通孔的导体形成，
所述透光部插通在所述贯通孔中。
3.如权利要求2所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述透光部隔着将所述真空空间与所述大气空间之间密封的第2密封部件安装在所述天线部。
4.如权利要求3所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述第2密封部件至少设置于所述透光部的所述大气空间一侧。
5.如权利要求3所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述第2密封部件至少设置于所述透光部的所述真空空间一侧。
6.如权利要求2至5中任一项所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述透光部由圆柱状的电介质形成。
7.如权利要求6所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述电介质是石英。
8.如权利要求1至7中任一项所述的等离子体探测装置，其特征在于：
具有由电介质形成的从周围支承所述天线部的电介质支承部。
9.如权利要求1所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述天线部由使所述等离子体的发出光透射的电介质形成，在内部埋设有电极，
所述透光部是所述天线部的至少一部分。
10.如权利要求9所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述电极形成为网状。
11.如权利要求9所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述电极形成为具有开口的板状或者膜状。
12.如权利要求1至11中任一项所述的等离子体探测装置，其特征在于：
将所述天线部与所述壁的相对面以规定尺寸隔开间隔并从所述开口部露出的所述天线部的面，与形成有该开口部的所述壁的等离子体生成空间侧的面相比是凹陷的。
13.如权利要求1至12中任一项所述的等离子体探测装置，其特征在于：
还具有控制部，
所述控制部在等离子体处理时，基于由所述天线部检测出的沉积于所述天线部的所述真空空间侧的面上的膜的膜厚，来校正透射了所述透光部的所述等离子体的发出光的强度，基于已校正的所述等离子体的发出光的强度，来控制所述等离子体处理的条件。
14.如权利要求13所述的等离子体探测装置，其特征在于：
所述控制部基于由所述天线部检测出的等离子体电子密度和等离子体电子温度的至少任一者，来控制所述等离子体处理的条件。
15.一种等离子体处理装置，其具有：将从微波等离子体源中的输出部输出的微波辐射到处理容器内的多个微波辐射机构；和等离子体探测装置，所述等离子体处理装置的特征在于：
所述等离子体探测装置具有：
天线部，其隔着将真空空间与大气空间之间密封的密封部件，安装在形成于处理容器的壁的开口部；和
透光部，其设置于所述天线部的内部或者是所述天线部的至少一部分，能够使所述真空空间中生成的等离子体的发出光透射到所述大气空间。
16.一种使用具有多个微波辐射机构和等离子体探测装置的等离子体处理装置来控制等离子体的控制方法，其特征在于：
所述多个微波辐射机构构成为分别能够将从微波等离子体源中的输出部输出的微波辐射到处理容器内，
所述等离子体探测装置具有：
天线部，其隔着将真空空间与大气空间之间密封的密封部件，安装在形成于处理容器的壁的开口部；和
透光部，其设置于所述天线部的内部或者是所述天线部的至少一部分，能够使所述真空空间中生成的等离子体的发出光透射到所述大气空间，
所述控制方法在等离子体处理时，基于由所述天线部检测出的沉积于所述天线部的所述真空空间侧的面上的膜的膜厚，来校正透射了所述透光部的所述等离子体的发出光的强度，基于已校正的所述等离子体的发出光的强度，来控制所述等离子体处理的条件。
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