DE68925133T2

DE68925133T2 - Plasma-Bearbeitungsgerät und Verfahren zur Gastemperaturmessung

Info

Publication number: DE68925133T2
Application number: DE68925133T
Authority: DE
Inventors: Shin-Ichiro Ishirara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-02-18
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2009-02-18
Also published as: US4883560A; EP0329179B1; EP0329179A2; EP0329179A3; JPH01212776A; DE68925133D1; JPH0610356B2; KR890013967A; KR920007850B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Plasmabehandlungsvorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas aus einem Stickstoffatome enthaltenden gasförmigen Material zum Zweck des Abscheidens oder Ätzens sowie ferner ein Temperaturbestimmungsverfahren zum Messen der Temperaturen von Oberflächen erwärmter Halter, eines erwärmten Substrates oder lokaler Wärmequellen über den Vergleich einer gemessenen Emisionsintensitätsverteilung aufgrund von Rotationsquantenübergängen von Stickstoffmolekülen mit einer berechneten Verteilung.
Bislang wurden zum Messen von Oberflächentemperaturen sowie einer Temperaturverteilung eines Substrats während Abscheidungs- oder Ätzverfahren unter Verwendung eines Plasmas die Substrathalter berührende Thermoelemente eingesetzt. Möglichen Einflüssen durch die Gasmischungsverhältnisse oder Mischgasflußraten wurde keine Beachtung geschenkt.
Weil bei Plasmadissoziationsreaktionen Oberflächenreaktionen im allgemeinen vorherrschend sind, hängen die Einflüsse der Substrattemperatur auf die Filmabscheidung vom Aufbau des einzelnen Apparates sowie der Substrathalter ab.
Ferner wird die Substratoberflächentemperatur stark durch die Anordnung der Substrathalter beeinflußt. Folglich haben Temperaturmessungen mit Hilfe von Thermoelementen ihre Grenzen.
Die US-A-4 115 184 offenbart eine Plasmabehandlungsvorrichtung, in der die Temperatur in einer Plasmabehandlungskammer mittels eines Gaskolben-Druckwandlers, der als Gasthermometer wirkt, gemessen wird. Der US-A-4 115 184 ist ferner zu entnehmen, daß im Stand der Technik die Temperatur innerhalb des Plasmagehäuses mit verschiedenen Verfahren gemessen werden kann, beispielsweise mittels eines Thermoelementes, eines Thermistors oder eines Pyrometers, das außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Von D.M. Phillips durchgeführte Experimente (Journal of Physics D, Band 9, Seite 507, 1975), die die Grundlage für die bei dieser Erfindung eingesetzte Analyse bilden, bestehen darin, daß der Temperaturanstieg von Stickstoffmolekülen momentan vermessen wird und allein das Anregungslicht als Wärmequelle zum Erwärmen des Stickstoffgases benutzt wird. Diese Veröffentlichung sagt jedoch nichts über ein Substrat, ein Substraterwärmungsverfahren, und eine Substratbehandlung mit einem Plasma sowie über Einflüsse einer Gasmischung oder einer Gasmischungsflußrate aus.
Aus "SOLID STATE TECHNOLOGY", Band 25, Nr.4, Seiten 126 - 131, "Analysis of N&sub2; to Characterize Plasma Etching Systems", von W.R. Harshbarger, ist ferner bekannt, daß Plasmatemperaturen in einer Plasmabehandlungsvorrichtung mit spektroskopischen Verfahren bestimmt werden können. Das gleiche ist in "Journal of Applied Physics, Band 54, Nr.6, Seiten 3080- 3086 offenbart.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Zum Lösen der oben angesprochenen Probleme im Stand der Technik liefert diese Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren, bei dem eine Verteilung von Übergängen zwischen Rotationsquantenzuständen der zweiten positiven Emissionsgruppe von Stickstoff, die bei einer Plasmabehandlung auftreten, berechnet wird und das Ergebnis der Berechnung verglichen wird mit gemessenen Emissionsspektrumdaten von Stickstoffmolekülen, die erhalten werden, wenn die elektrische Leistung zum Erzeugen des Plasmas konstant gehalten wird, und der Sollwert für die Substrattemperatur geändert wird, sowie mit Emissionsdaten, die erhalten werden, wenn der Sollwert für die Substrattemperatur konstant gehalten wird und die elektrische Leistung zum Erzeugen des Plasmas geändert wird. Als Ergebnis dieses Vergleichs können Temperaturanstiege des Stickstoffgases bewirkende Faktoren voneinander unterschieden werden, um dadurch die Bestimmung der Oberflächentemperatur eines Substrates zu ermöglichen. Ferner werden diese Daten in einigen Rückkoppelschaltungen in der Plasmabehandlungsvorrichtung berücksichtigt.
Änderungen hinsichtlich der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit eines Substrats, die von den einzelnen Apparaten und Substrathaltern abhängen, die Abhängigkeit der Temperatur vom Ort und die Positionen, an denen unnormale Entladungen auftreten, werden durch lokale Messungen der Emissionsspektren von Stickstoffmolekülen bestimmt. Diese Ergebnisse werden ferner in Rückkoppelschaltungen in der Plasmabehandlungsvorrichtung berücksichtigt, um dadurch einen zuverlässigeren Betrieb der Plasmabehandlungsvorrichtung sicherzustellen.
Atome oder Moleküle führen im Raum verschiedenartige Bewegungen aus und die Drehmomente davon ändern sich unter den Einflüssen externer Kräfte (wie etwa Licht, Magnetfelder, elektrischer Felder usw.). Wenn die Energie mittels einer äußeren Kraft auf ein höheres Niveau angehoben wird, wird der Zustand instabil und fällt in den Grundzustand zurück. Bei diesem Vorgang kann eine Lumineszenz oder eine Emission auftreten. Dieses Phänomen wird beispielsweise in einer elektrischen Entladung hervorgerufen. Detaillierte Studien über Emissionsspektren haben gezeigt, daß sich das Spektrum in Abhängigkeit von der Gastemperatur ändert.
Die Änderungen bei diesen Spektren resultieren aus Molekularbewegungen. Es ist ebenfalls bekannt, daß in einem Gaszustand, in dem eine Glimmentladung auftreten kann, eine Korrelation zwischen der Rotationsenergie und der Gastemperatur vorliegt. Die Rotationsenergie beträgt im Fall eines Stickstoffmoleküls etwa 1,6 cm&supmin;¹
In einer Glimmentladung zur Herstellung von amorphem Silizium (α- Si : H) liegt Wasserstoff in großen Mengen vor und wurde in der Vergangenheit im einzelnen untersucht. Folglich sind die detaillierten Eigenschaften von wasserstoff zur Zeit gut bekannt. Das Emissionsspektrum von Wasserstoff ist jedoch kontinuierlich und ein Wasserstoffmolekül besitzt keine Rotationsmode. Folglich kann die Gastemperatur nicht auf Grundlage einer Rotationsmode gemessen werden. Es ist bekannt, daß Wasserstoffmoleküle mittels einer Wasserstoffentladung dissoziiert werden, wenn die Gastemperatur ansteigt. Falls die Gastemperatur nicht bekannt ist, treten der Vorgang der Elektronenkollision und der Vorgang der Wärmedissoziation nicht deutlich hervor und können nicht voneinander unterschieden werden.
Im Unterschied zu Wasserstoff besitzt Stickstoff ein deutliches Emissionsspektrum, das seinen Ursprung in einer Rotationsmode hat. Das erfindungsgemäße Plasmatemperaturmeßverfahren basiert auf einer Untersuchung einer Glimmentladung von Stickstoff, die eine Analyse von Rotationsmoden zum Bestimmen des Wertes der Gastemperatur enthält. Dieses Verfahren ist nämlich eine sogenannte "Gastemperaturbestimmung auf Grundlage einer undissozuerten Emissionsbande in einer Stickstoffentladung". Slovetskii und Sokolov haben als erste die Rotationsmodentemperatur Tr über dieses Verfahren vermessen (Opt. Spectrosc., Band 36, Seite 265, 1974). Sie wählten einen sehr einfachen Weg zur Temperaturbestimmung, bei dem die Temperatur Tr durch Messen der Breite eines Spektrums bestimmt wird, wobei die Breite bei einem Emissionsintensitätsniveau von 1/3 des Spitzenwertes gemessen wird. Sie haben sich hinsichtlich der Substraterwärmung oder Gaserwärmung auf nichts anderes bezogen als die elektrische Leistung zur Erzeugung der Plasmaentladung. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden detaillierte Berechnungen hinsichtlich aller Rotationsmoden durchgeführt und gemessene Spektren werden mit den Ergebnissen dieser Rechnungen verglichen. Folglich können genaue Gastemperaturen erhalten werden. Bislang erforderte dieses Verfahren, daß die Entladung stationär gehalten wird und die Emissionslmien für die jeweiligen Quantenzahlen für ein mittels eines hochauflösenden Spektroskops gemessenen Spektrums spezifiziert werden. Daher kann dieses Verfahren nach dem Stand der Technik nicht angewendet werden, wenn die Ausführung der Messung zum Untersuchen eines zeitlichen Verlaufs einer Entladung in kurzer Zeit erfolgen muß oder wenn lediglich ein kleines Spektroskop verfügbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbst in diesen Fällen angewendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Gastemperatur durch Vergleichen der Form einer quantisierten Emission, die aufgrund einer schlechteren Auflösung eines Spektroskops als kontinuierliche Emission gemessen wird, mit einer entsprechenden theoretischen Emissionsform, die durch eine Simulation unter der Annahme einer schlechteren Auflösung erhalten wird, erhalten.
Die nachstehend beschriebene Analyse folgt im wesentlichen der oben erwähnten Veröffentlichtung von D.M. Phillips, angesichts der Merkmale dieser Erfindungen wurden jedoch einige Streichungen und Zusätze vorgenommen. Es wird sich hier lediglich auf eine Emissionslinie von N&sub2;¹&sup4;(C³πu - B³πg)0'-3" bezogen, die in einem Bereich von 400 - 406 nm des zweiten positiven Systems des Stickstoffplasmas erscheint.
Die Wellenlänge eines allgemeinen Rotationsüberganges der Art Cv'J' - Bv"J" kann über die folgende Gleichung berechnet werden:
in der YCpq, YBpq Rotationskonstanten im C-Zustand bzw. im B-Zustand sind, na die Dielektrizitätszahl von Luft ist, v', v" Rotationsschwingungsquantenzahlen des Überganges im C-Zustand bzw. im B-Zustand sind und J', J" die Gesamtdrehmomente der Atome sind.
Bei der tatsächlichen Berechnung wird angenommen, das gilt J' = J", das heißt, daß sich das Gesamtdrehmoment bei dem C-B-Übergang nicht ändert. Die YCpq, YBpq enthaltenden spektroskopischen Konstanten sind in Tabelle 1 dargestellt. Es wird angemerkt, daß die in Tabelle 1 verwendete Abkürzung eV Elektronenvolt bezeichnet, was eine Energieeinheit ist, die sich wie folgt zur Einheit cm -1 verhält:
1ev = 8,065465 x 10³ cm-1
und Å 0,1 nm bedeuten soll. Tabelle 1 Zustand Spektroskopische Konstanten in den Zuständen B³π g und C³πu
Die Gleichung 1 wird wie folgt in eine Reihenentwicklung des Überganges (C³πu - B³πg)0' - 3" (Die Bande liegt bei 4069,4 Å) entwickelt:
In der Gleichung (2) können andere Ausdrücke als diejenigen, die als Produkte der Gesamtdrehmomente J' und J" der Atome ausgedrückt werden, als Konstanten behandelt werden. Wenn sich J' und J" ändern, ändern sich die Frequenzen entsprechend proportional zu den Drehimpulsen und die Proportionalitätskonstante wird Rotationskonstante genannt, die mit B (oder Bv', B', Bv" oder B") bezeichnet wird. Die Frequenz jedes Zweiges wird als Funktion der Rotationskonstanten Bv', BV" und des Gesamtdrehmomentes J ausgedrückt.
P-Zweig ν = &sub0; - (Bv' + Bv")J
+ (Bv' - Bv")J²
Q-Zweig ν = &sub0; - (Bv' - Bv")J
+ (Bv' - Bv")J²
R-Zweig ν = &sub0; + 2Bv' + (3Bv' - Bv")J
+ (Bv' - Bv")J²
= &sub0; + (Bv' + Bv")(J + 1)
+ (Bv' - Bv")(J + 1)² ... (3)
Die durch Einsetzen der in Tabelle 1 angegebenen Zahlen in die Gleichung (2) erhaltenen Ergebnisse werden mit den mittels Gleichung (3) erhaltenen Ergebnissen verglichen. Angesichts der Zweigmerkmale wird der R-Zweig zum Vergleich ausgewählt. Die sich auf J' beziehende Konstante Bv' und die sich auf J" beziehende Konstante Bv" werden wie folgt ausgedrückt:
Bv' + 1.814902 cm&supmin;¹
Bv" = +1.5737782452 cm&supmin;¹ ... (4)
Die Emissionsintensität FnvJ eines allgemeinen Rotationsübergangs wird wie folgt ausgedrückt:
FnvJ = hνnvJNn'v'J'AnvJ' ... (5)
wobei FnvJ bedeutet
µ die Übergangsfrequenz (Hz) bezeichnet, Nn'v'J' die Anzahl der im energetisch höheren Rotationszustand n'v'J' vorliegenden Moleküle bezeichnet und AnvJ die Übergangswahrscheinlichkeit (S-1) für eine natürliche Emission bezeichnet.
Weil die elektronischen oder Oszillationseigenschaften eines Moleküls im wesentlichen unabhängig von der Rotationsbewegung sind, ist die Übergangswahrscheinlichkeit von einem Zweig zu einer Bande unabhängig von der Rotationsquantenzahl im Anfangzustand. Folglich gilt:
Wenn die Linienintensität SJ mittels der folgenden Gleichung normiert wird:
wird die Übergangswahrscheinlichkeit von einer Rotationslinie zu einer Bande durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Weil beim C-B-Übergang eines Stickstoffmoleküls gilt = 1 und S = 1, kann die folgende Gleichung abgeleitet werden:
Wenn Spinaufspaltungen vernachlässigt werden und die Linienintensitäten auf Quantenzahlen für jeden Zweig bezogen werden, werden die Linienintensitäten im allgemeinen durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
P-Zweig P(J+1) = 6(J+1) - 10/(J+1)
Q-Zweig Q(J) = 10/J + 10/(J+1)
R-Zweig R(J-1) = 6J - 10/J ... (10)
Ein allgemeiner Übergang der Art Cv'J' - Bv"J" eines Stickstoffmoleküls bei einer Temperatur T wird wie folgt ausgedrückt:
Die Breite einer Rotationslinie einer jeweiligen Quantenzahl hat einen Einfluß auf die Intensitätsverteilung in der Bande. Die Form einer Rotationslinie wird mit für eine gewünschte vereinfachte Berechnung hinreichender Genauigkeit durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
In dieser Gleichung besitzt g einen Maximalwert von 1 bei Δλ = 0, die Halbwärtsbreite beträgt W und beide Flanken erstrecken sich über einen Bereich von ± ½Wa½.
Die Wellenform des Übergangs (C³πu - B³πg)0'-3" von N&sub2;¹&sup4; wurde unter Verwendung der Gleichungen (3), (4), (10), (11) und (12) berechnet. Das Drehmoment im P-Zweig wurde auf 29 begrenzt, das Drehmoment im Q-Zweig wurde auf 20 begrenzt und das Drehmoment im R- Zweig wurde auf 25 begrenzt. Es wurde angenommen, daß W 0,18 nm (1,8Å) beträgt. Für den Wert a wurde 4 gewählt, weil der Wert a einen geringen Einfluß auf die Wellenform hat.
Die Ergebnisse der oben angegebenen Rechnung werden nachstehend beschrieben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Plasmabehandlungsvorrichtung;
Figur 2 zeigt eine berechnete Wellenform des Überganges (C³πu - B³πg)0'-3" von N&sub2;¹&sup4; für den Fall einer Rotationstemperatur von 500ºK;
Figur 3 zeigt eine berechnete Wellenform des Übergangs (C³πu - B³πg)0'-3" von N&sub2;¹&sup4; für den Fall einer Rotationstemperatur von 500ºK für den P-, Q- bzw. R-Zweig;
Figur 4 zeigt eine berechnete Wellenform für den Fall einer Rotationstemperatur von 50ºK,
Figur 5 zeigt berechnete Wellenformen für den Übergang (C³πu - B³πg)0'-3" von N&sub2;¹&sup4; für den P-, Q- bzw. R-Zweig für den Fall einer Rotationstemperatur von 500ºK,
Figur 6 zeigt berechnete Wellenformen für die Fälle von Rotationstemperaturen von 300ºK und 800ºK,
Figur 7 zeigt eine berechnete Wellenform, die mittels eines eine hohe Auflösung von 0,1 Å aufweisenden Spektroskops für den Fall einer Rotationstemperatur von 500ºK erhalten wird,
Figur 8 zeigt eine Wellenform für den R-Zweig der Figur 7,
Figur 9 zeigt Wellenformen für P-, Q- und R-Zweige, die mittels eines eine hohe Auflösung von 0,1Å aufweisenden Spektroskops für den Fall einer Rotationstemperatur von 500ºK erhalten werden,
Figur 10 zeigt einen Vergleich zwischen berechneten Daten und gemessenen Daten und
Figur 11 zeigt eine Beziehung zwischen Temperatursollwerten und einer Stickstoffgastemperatur.
Figur 2 zeigt eine Wellenform für den Fall Tr = 500ºK.
Figur 3 zeigt den jeweiligen Zweigen entsprechende Wellenformen.
Figur 2 wird durch Überlagern der in Figur 2 dargestellten Wellenformen, die mit jeweiligen Wichtungsfaktoren multipliziert werden, erzeugt. Wenn die Temperatur Tr stark auf 50ºK verringert wird, werden eine in Figur 4 dargestellte Wellenform und die für die jeweiligen Zweige in Figur 5 dargestellten Wellenformen erhalten.
Aus diesen Figuren ist entnehmbar, daß die Übergangswahrscheinlichkeit von einer eine große Drehmomentquantenzahl aufweisenden Position ansteigt, wenn Tr höher wird und die Kurve sich dann mehr und mehr zur Seite kürzerer Wellenlängen verlagert. Dieses Phänomen ist in Figur 6 deutlicher dargestellt, in denen die Wellenformen bei Tr von 300ºK und bei Tr von 800ºK in einem Diagramm dargestellt sind, wobei ihre Emissionsmaximumswerte am selben Punkt liegen. Der tatsächliche Wert der maximalen Emissionsintensität ist im Zustand von 300ºK größer als im Zustand von 800ºK, weil die Übergangswahrscheinlichkeit im Zustand von 300ºK in einem Gebiet geringerer Energie vorliegt, verglichen mit derjenigen im Zustand von 800ºK. Wenngleich bei den oben angegebenen Zahlen für W 0,18 nm (1,8 Å) gewählt wird, was nahe bei dem tatsächlichen Wert liegt, wurde auch eine Berechnung für den Fall ausgeführt, in dem für W 0,01nm (0,1Å) gewählt wurde, was möglich ist, wenn ein Spektroskop mit einer hohen Auflösung verwendet wird, und die Ergebnisse sind dargestellt in der der Figur 2 entsprechenden Figur 7, der den R-Zweig nach Figur 3 entsprechenden Figur 8 und der der Figur 4 für ein Tr von 50ºK entsprechenden Figur 9. Wie vorstehend erwähnt, bringt der Einsatz eines Spektroskops mit einer hohen Auflösung jedoch einige Probleme mit sich, dahingehend, daß die Vorrichtung großformatig wird, die Oszillation in der Plasmabehandlungsvorrichtung nicht vernachlässigbar ist und eine lange Zeit für die Messung erforderlich ist, wodurch der praktische Nutzen der Vorrichtung sinkt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Plasmabehandlungsvorrichtung. Der Basishalter 1 besitzt einen Durchmesser von etwa 30 cm. Plasmaemissionen werden durch einen mit einer Schließeinrichtung 2 versehenen Sichtanschluß 3 herausgeführt und mit einem Spektroskop 4 analysiert. Es sind dargestellt eine Elektrode 5, die die elektrische Leistung zum Erzeugen des Plasmas liefert, eine elektrische Leistungsquelle 6, eine Anpassungsbox 7, ein Gaseinlaßanschluß 8, eine Substraterwärmungseinrichtung 9, ein Thermoelement 10 zum Überwachen eines Solltemperaturwertes für die Substraterwärmung sowie ein Vakuummeßgerät 11. Zum Messen der örtlichen Verteilung der Rotationstemperatur in dem Raum zwischen den Elektroden sind zwischen dem Sichtanschluß 3 und dem Spektroskop 4 eine Quarzlinse 12 sowie eine Lichtfaser 13 vorgesehen. Mit dem Spektroskop 4 erhaltene Daten werden in einer Aufzeichnungseinrichtung 14 aufgezeichnet und mittels einer Steuereinrichtung 15 eingesetzt zum Erhöhen oder Senken der elektrischen Leistung für die Erwärmungseinrichtung 9, zum Ändern der Gasflußrate, zum Erhöhen oder Senken der das Plasma erzeugenden elektrischen Leistung, zum Anheben oder Absenken der Höhe der Elektrode 5 oder zum Erhöhen oder Senken des Wirkleitwertes eines Abluftsystems 16. Falls erforderlich ist eine Wolframerwärmungseinrichtung in der Plasmabehandlungskammer 17 angeordnet zum Erzeugen einer lokalen Erwärmung. Die resultierenden Daten werden nachstehend beschrieben.

Datensatz 1:

Figur 10 zeigt einen typischen Vergleich zwischen mit einer strichlierten Linie bezeichneten berechneten Werten und mit einer durchgezogenen Linie bezeichneten gemessenen Werten. In diesem Fall wird einer Rotationstemperatur Tr von 505ºK erhalten.

Datensatz 2:

Eine Änderung von Tr in Abhängigkeit von einer Änderung der Entfernung d zwischen dem Substrathalter 1 und der Elektrode 5 wurde gemessen, während der Druck in der Kammer 17, die elektrische Leistung Po zum Erzeugen des Plasmas und der Temperatursollwert Ts für das Substrat konstant gehalten wurden. Wenn die Entfernung d verringert wird, bleibt Tr konstant, bis die Entfernung einen bestimmten Wert erreicht und sinkt, wenn die Entfernung weiter verringert wird. (p = 1,33 x 10²pa (1 Torr) , Po = 30 W, Ts = 200ºC.

Datensatz 3:

Eine Änderung von Tr wurde gemessen, während der Druck Po, die Entfernung d und die Temperatur Ts konstant gehalten wurden und der Druck p geändert wurde. Wenn der Druck p gesenkt wird, bleibt Tr konstant, bis p einen bestimmten Wert erreicht und sinkt, wenn der Druck p weiter verringert wird.

Datensatz 4:

Eine Änderung Tr wurde gemessen, während p, Po und d konstant gehalten wurden und Tr geändert wurde. Das Ergebnis ist in Figur 11 dargestellt. Die Messung wurde so ausgeführt, daß Tr gemessen wurde, nachdem zwei Stunden nach der Zeit der Änderung von Ts verstrichen waren und dieser Meßvorgang wurde wiederholt. Wie in Figur 11 dargestellt, wurde dargelegt, daß Tr proportional zu Ts ansteigt (p= 1,33 x 10² Pa (1 Torr), Po = 30W, d = 18 mm).

Datensatz 5:

Eine Änderung von Tr wurde gemessen, während p, Po, d und Ts konstant gehalten wurden und das Stickstoffgas mit einem SiH&sub4;-Gas gemischt wurde. Wenn die Flußrate von SiH&sub4;, Si&sub2;H&sub6; erhöht wird, fällt Tr rasch ab, bis die Flußrate einen bestimmten Wert erreicht und bleibt konstant, wenn die Flußrate weiter erhöht wird (p = 1,33 x 10² Pa (1 Torr), Po = 30W, d = 18 mm, Ts = R.T. oder 300ºC).

Datensatz 6:

Eine Änderung von Tr wurde gemessen während p, Po, d und Ts konstant gehalten wurden und das Stickstoffgas gemischt wurde mit NH&sub3;, NH&sub4;OH, H&sub2;O, H&sub2;, SiF&sub4;, CH&sub4;, SF&sub6;, CF&sub4;, N&sub2;O, NF&sub3; und NO&sub2;. Wenn die Gasflußrate erhhht wird, fällt Tr allmählich ab, bis die Flußrate einen bestimmten Wert erreicht und bleibt konstant, wenn die Flußrate weiter erhöht wird (p = 1,33 x 10²Pa (1 Torr), Po = 30 W, d = 18 mm, Ts = RT. oder 300ºC).

Datensatz 7:

Eine Änderung von Tr wurde gemessen während p, d, Ts und das Stickstoffgas konstant gehalten wurden und Po geändert wurde. Tr steigt im wesentlichen proportional zum Anstieg von Po an. Durch einen Vergleich mit dem Datensatz 4 wird herausgefunden, daß Ts etwas geringer ist als Tr für den Fall von Po = 0 W. Dieser Wert hängt selbstverständlich von der einzelnen Vorrichtung und der Montageanordnung sowie der Position des Thermoelementes zum Überwachen der Solltemperatur des Substrates ab. Dieser Datensatz ist der gleiche, der in der oben erwähnten Veröffentlichung von D.D. Phillips (J. Phys. D., Band 9, Seite 507, 1975) enthalten ist. Diese Veröffentlichung bezieht sich jedoch lediglich auf die Art und Weise, in der die Stickstoffgastemperatur gemäß der Länge der Bestrahlungszeit mit Anregungslaserstrahlen erhöht wird.

Datensatz 8:

Die räumliche Verteilung der Rotationstemperatur Tr zwischen den Elektroden wurde gemessen, während alle Bedingungen konstant gehalten wurden. Die Plasmaemissionen werden durch eine Quarzlinse 12 gesammelt und die gesammelten Emissionen werden durch feines Einstellen der Lage der Spitze einer optischen Faser 13 auf die Position der gesammelten Emissionen durch Einsatz eines X-Y-Manipulators gemessen. Tr ist in der Nähe des Basishalters 1 am höchsten, fällt mit dem Abstand vom Basishalter 1 allmählich ab und wird in der Nähe der eine elektrische Leistung zum Erzeugen des Plasmas anliegenden Elektrode 3 erneut höher. Diese Tendenz ändert sich nicht, selbst wenn irgendeine Bedingung geändert wird. Im allgemeinen ist Tr am Zentrum des Basishalters 1 am höchsten und fällt mit Annäherung an den Rand des Basishalters ab, obwohl die Temperaturverteilung sich in Abhängigkeit von den Bedingungen der elektrischen Entladung ändert.

Datensatz 9:

Wenn eine Wolframerwärmungsvorrichtung in der Plasmabehandlungskammer 10 angeordnet wird, steigt Tr in der Umgebung der Wolframerwärmungseinrichtung erheblich an.

Datensatz 10:

Wenn die Entladungsbedingungen vom normalen Zustand abweichen, um das Erzeugen lokaler unnormaler Entladungen in der Plasmabehandlungskammer zu gestatten, steigt Tr an und in der Umgebung der Positionen der unnormalen Entladung an.
Auf Grundlage dieser Daten wurden Verfahren zum Halten einer Plasmabehandlungsvorrichtung in einem stabilen Zustand untersucht, wobei Ausführungsformen davon nachstehend beschrieben werden.

Ausführungsform 1:

Nachstehend wird ein Verfahren zum Verarbeiten von mittels eines Spektroskops 4 erhaltenen und mit einer Aufzeichnungseinrichtung 14 aufgezeichneten Daten unter Verwendung einer Steuereinrichtung 15 beschrieben. Ein Beispiel der von der Aufzeichnungseinrichtung 14 empfangenen Daten ist in Figur 10 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Es benötigt zu viel Zeit und eine großdimensionierte Steuereinrichtung, die gemessenen Daten über den gesamten Datenbereich mit den berechneten Werten zu vergleichen und durch den Einsatz der Steuereinrichtung 15 dafür zu sorgen, daß diese Daten zusammenfallen. Bei dieser Erfindung wurde der Tatsache Beachtung geschenkt, daß die Emissionintensitätsspitzen dieser Daten am selben Punkt bei etwa 406 nm angeordnet sind. Wenngleich sich die Wellenformen bei sehr niedrigen Temperaturen, wie in Figur 4 dargestellt, beträchtlich ändern, verschiebt sich die Emissionintensitätskurve im Bereich von 406 - 402 nm parallel in Richtung auf eine höhere Position oder eine niedrige Position innerhalb eines Temperaturbereichs, in dem die Plasmavorrichtung eingesetzt werden kann. Für verschiedene Stickstoffgastemperaturen erhaltene, berechnete Daten werden mit den Emissionsintensitätsspitzenwerten normiert, dazu gebracht, zusammenzufallen und als Datenbasis verwendet. Die Temperaturen werden in Intervallen von 5ºK eingestellt. Andererseits werden die gemessenen Daten für die Plasmaemissionsintensität ebenfalls in ähnlicher Weise mittels der Steuereinrichtung 15 mit dem Spitzenwert in der Nähe von 406 nm normiert, ähnlich der oben beschriebenen berechneten Datenbasis. Die normierten, gemessenen Daten werden mit der Emissionsintensität bei einer Wellenlänge von 404,5 nm verglichen. Wenn die gemessenen Daten größer sind als die entsprechenden Daten in der Datenbasis, was bedeutet, daß die Stickstoffgastemperatur für die Plasmabehandlung höher ist, wird ein in der Steuereinrichtung 15 auf Grundlage der oben angegebenen Datensätze 1 - 10 erzeugtes Rückkoppelsignal rückgekoppelt zum Steuern der elektrischen Leistungsquelle zum Erzeugen des Plasmas, der Entfernung zwischen der Leistungsversorgungselektrode und dem Substrat und/oder der elektrischen Leistungsquelle zum Erwärmen des Substrates zum Einstellen der Stickstofftemperatur auf einen gewünschten Wert. Zum Verringern der Stickstoffgastemperatur ist es wirksam, die elektrische Leistung für das Plasma zu senken, die Entfernung zwischen den Elektroden zu verringern, den Druck in der Plasmabehandlungskammer zu verringern oder die elektrische Leistung zum Erwärmen des Substrates zu verringern. Durch Einsatz dieser Funktionen kann das Stickstoffgas mit einer Genauigkeit von ± 10ºK gesteuert werden. Die Reproduzierbarkeit dieser Plasmabehandlungsvorgänge wurde bestätigt.

Ausführungsform 2:

Diese Ausführungsform ist geeignet, wenn eine genauere Temperatursteuerung erforderlich ist. Anstelle einer Wellenlänge von 404,5 nm bei der Ausführungsform 1 wird eine Mehrzahl von Wellenlängen für den Vergleich gewählt. Nämlich fünf Wellenlängen von 403,0 nm, 403,5 nm, 404,0 nm, 404,5 nm und 406,0 nm oder sechs Wellenlängen von 404,0 nm bis 405,0 nm mit Intervallen von 0,2 nm werden ausgewählt und bei diesen Wellenlängen werden Einstellungen ausgeführt, um zu bewirken, daß die gemessene Emissionsintensität mit dem Wert in der Datenbasis zusammenfällt oder daß die Summe der Differenzen dazwischen minimal wird. Diese Summe ist nicht eine Summe von Absolutwerten, sondern sie ist eine algebraische Summe. Bei dieser Ausführungsform wurde die Stickstoffgastemperatur mit einer Genauigkeit von ±5ºK gesteuert.

Ausführungsform 3:

Ein Gesichtspunkt zum Steuern der Stickstoffgastemperatur besteht darin, wie die gemessenen Daten mit den Daten in der Datenbasis verglichen werden können. Ein weiterer Gesichtspunkt besteht darin, wie das zu messende Emissionsspektrum erhalten wird. Wie vorstehend erwähnt, hängt die Stickstoffgastemperatur von der Summe der Energien ab, die von einer von einer elektrischen Leistungsquelle zum Erzeugen des Plasmas gelieferten elektrischen Leistung und von Oberflächentemperaturen der mit dem Plasma oder dem in der Plasmabehandlungskammer zu einem Plasma umzuwandelnden Gas in Kontakt stehenden Teilen vorgegeben werden. Die Merkmale der Stickstoffgastemperaturen sollten hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von den lokalen Positionen und hinsichtlich ihrer Linearität entsprechend auf einen Anstieg oder eine Senkung dieser Energien bekannt sein. Die Gastemperatur wurde untersucht, während einer der oben angegebenen Einflußfaktoren einzeln oder beide Faktoren gleichzeitig geändert wurden. Als Ergebnis wurde die Genauigkeit der gemessenen Gastemperatur erhöht durch einen Vergleich einer Temperatur am Zentrum des Substrathalters 1 in der Plasmabehandlungskammer 17 mit mindestens einer Temperatur am Rand des Halters und Einstellen der Vorrichtung derart, daß diese beiden Temperaturen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der Stickstoffgastemperatur gehalten werden. Bei dem Verfahren nach dieser Ausführungsform mußte beachtet werden, daß bei einer Messung, bei der die Plasmaemissionen zum Erhöhen der Emissionsmenge von einem ziemlich breiten Gebiet herausgeführt werden, die Messung durch eine durch überlagerte Temperaturen hervorgerufene lokale Dispersion der Stickstoffgastemperatur gestört wird.

Ausführungsform 4:

Diese Ausführungsform hat ihren Ursprung in dem Fall einer Messung, bei der es unmöglich war, die Stickstoffgastemperatur so zu steuern, daß sie mit einer Temperatur in der Datenbasis zusammenfällt. Dieser Fehler wurde von einer unnormalen Entladung hervorgerufen. Für den Fall, daß die Stickstoffgastemperatur durch Ändern einer vorgegebenen Entladungsbedingung nicht gesteuert werden kann, wurde ein Anzeigesystem zum Anzeigen einer Unnormalität für die Steuereinrichtung bereitgestellt. Dieses Anzeigesystem war nicht nur zum Erfassen einer unnormalen Entladung wirksam, sondern auch zum Erfassen anderer verschiedenartiger bei der Herstellung eines Plasmas auftretender Unnormalitäten, wie etwa Unnormalitäten eines Leitwertänderungsventils eines Abluftsystems oder eines der Gaszufuhr dienenden Einlaßventils, Unnormalitäten einer Erwärmungseinrichtung 9 für ein Substrat, wie etwa ein Bruch oder ein Kurzschluß, Unnormalitäten eines Vakuummeßgerätes 11, eines Thermoelementes 10, einer Leistungsquelle zum Erzeugen des Plasmas, eines Schleiers einer Abscheidung aus einem von dem Plasma erzeugten Film auf dem Sichtanschluß 3 usw.

Ausführungsform 5:

Bei den oben angegebenen Ausführungsformen wurde als Rohmaterialgas eingesetzt ein Gas aus reinem Stickstoff oder eine Gasmischung aus Stickstoff und Gasen, die keinen ernsthaften Einfluß auf die Stickstoffgastemperatur in einem Plasmazustand oder auf die Emissionswellenform in einem Bereich von 406 nm bis 402 nm ausüben. Tatsächlich üben alle sich von Stickstoff unterscheidenden Gase einigen Einfluß auf das Stickstoffplasma aus. Bei dieser Ausführungsform wurden die Einflüsse eines Mischgases auf die Stickstoffgastemperatur und auf die Emissionswellenform in einem Bereich von 406 nm bis 402 nm durch Einarbeitung der mittels der oben angegebenen Datensätze 5 und 6 erhaltenen Stickstoffgastemperaturen und Emissionswellenlängen minimiert sowie durch Einsatz einer dem ein spezielles Mischungsverhältnis aufweisenden Mischgas entsprechenden Datenbasis.

Ausführungsform 6:

Bei den oben angegebenen Ausführungsformen wurde ein Stickstoff enthaltendes Gas als Rohmaterialgas benutzt. Nachstehend wird nun beschrieben, daß diese Erfindung selbst in solchen Vorgängen angewendet werden kann, bei denen kein Stickstoff im Rohmaterialgas enthalten ist oder so in einem Rohmaterialgas enthalten ist, daß die folgenden drei Bedingungen erfüllt werden.

1. Kein Einfluß:

Ein Ätzverfahren zum Ätzen eines dünnen Films aus der Si-Gruppe unter Einsatz von SF&sub6; zeigte keinen Einfluß durch den Stickstoff, wenn der Stickstoffanteil geringer als 1 % war. In diesem Fall wurden, obwohl die Emissionintensität im allgemeinen verringert wird, Temperaturanstiege des Stickstoffgases aufgrund einer Erwärmung an Bereichen höherer Temperaturen in der Plasmabehandlungskammer, wie etwa am Substrat und dergleichen und auch Temperaturabfälle davon aufgrund einer Abkühlung an nicht geätzten Stellen, wie etwa am Sichtanschluß oder verschiedenartigen Sensoren beobachtet.

2. Vernachlässigbarer Einfluß:

Ein Abscheidungsverfahren zum Abscheiden eines Films aus α-Si : H unter Einsatz von SiH&sub4; Gas zeigte keinen wesentlichen Einfluß durch das zugemischte Stickstoffgas, wenn der Stickstoffgasanteil geringer als 1 % war, hinsichtlich seiner Lichtleitfähigkeit oder seiner Elektronenbewegungen. In dem Plasma wurden Stickstoffgasemissionen beobachtet und können zum Überwachen der Temperaturen an der Substratoberfläche usw. verwendet werden.
3. Der Einfluß ist nicht vernachlässigbar, aber es können in späteren Prozessen Korrekturen vorgenommen werden:
Bei einem Ätzverfahren zum Ätzen eines dünnen Films aus der Si-Gruppe unter Einsatz eines aus CF&sub4; und 0&sub2; gemischten Gases war das Ätzverfahren möglich, selbst wenn Stickstoffgas mit einem Anteil von etwa 10% beigemischt wurde. Obwohl eine dünne Schicht aus dem Fremdstoff auf der Oberfläche blieb, kann sie mit Einsatz von Fluorwasserstoffsäure entfernt werden. In diesem Fall wurden ebenfalls Stickstoffgasemissionen beobachtet.
Wie vorstehend erläutert können erfindungsgemäß die Oberflächentemperaturen des Substrates im Verlauf einer Plasmabehandlung, die im Stand der Technik schwierig zu erfassen waren, erfaßt werden. Hochtemperaturbereiche und Bereiche niederer Temperaturen können durch Messen der Stickstoffplasmagastemperaturen in einer Plasmabehandlungskammer erfaßt werden. Daher kann jedwede Unnormalität bei einer Plasmabehandlung auf einfache Weise erfaßt werden.

Claims

1. Plasmabehandlungsvorrichtung mit:

einer elektrischen Leistungsquelle (6), die zum Erzeugen eines Plasmas in einem Stickstoffatome enthaltenden gasförmigen Material mit Elektroden (5) verbunden ist;

einer Plasmabehandlungskammer (17),

einem während eines Ätzvorgangs oder eines Abscheidungsvorgangs unter Verwendung des Plasmas zu verwendenden Substrat,

einer Einrichtung (3, 4, 12, 13) zum Bestimmen von für das Plasma in der Plasmabehandlungskammer (17) repräsentativen Daten und

einer Steuereinrichtung (15) zum Steuern der elektrischen Leistungsquelle (6), einer Gasflußrate innerhalb der Plasmabehandlungskammer (17), der Stellung der Elektroden (5) und/oder der Temperatur des Substrats zum Einstellen der Temperatur des Plasmas in der Plasmabehandlungskammer (17) auf Grundlage von aus der Datenbestimmungseinrichtung erhaltenen Daten,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Datenbestimmungseinrichtung (3, 4, 12, 13) auf weist ein Spektroskop (4), das zum Erfassen von Emissionen aufgrund von übergängen zwischen unterschiedlichen Quantenzuständen von Stickstoffmolekülen fähig ist und außerhalb der Plasmabehandlungskammer angeordnet ist, sowie dadurch, daß die Steuereinrichtung (15) zum Vergleichen von mit der Datenbestimmungseinrichtung (3, 4, 12, 13) bestimmten Daten mit als Datenbasis verwendeten, berechneten Daten betreibbar ist.

2. Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Plasmas in einer Plasmabehandlungsvorrichtung, gekennzeichnet durch die Schritte:

Berechnen einer für Emissionen aus einem Stickstoffplasma repräsentativen Intensitätsverteilung unter der Annahme einer speziellen Plasmatemperatur,

Messen einer tatsächlich vom Stickstoffplasma emittierten Intensitätsverteilung,

Vergleichen der gemessenen Intentsitätsverteilung mit der berechneten Intensitätsverteilung,

Erzeugen eines Rückkoppelsignals zum Steuern des Plasmas in der Plasmabehandlungsvorrichtung auf Grundlage des Ergebnisses des Vergleichs zwischen der berechneten Intensitätsverteilung und der gemessenen Intensitätsverteilung.