JP2000124204A - プラズマ中の負イオンの測定方法、プラズマ処理方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用し
てプラズマを発生させ、そのプラズマにより半導体ウエ
ハに対して処理を行うにあたって、負イオンの密度の測
定値を制御ループに取り込むこと、及びその測定を簡単
に行うこと。 【解決手段】 探針６により先ずＡｒガスのプラズマに
接触させて、探針の電位を接地電位よりも高い側に変化
させ、探針６に流れる飽和電流Ｉｅｓ₁ を求め、また探
針の電位を接地電位よりも低い側に変化させ、その飽和
電流Ｉｉｓ₁ を求める。更にＡｒガスと処理ガス例えば
Ｃ₄ Ｆ₈ ガスとの混合ガスのプラズマと探針６を接触さ
せ、同様にＩｅｓ₂ ，Ｉｉｓ₂ を求める。磁場が存在す
ると、探針６のイオンや電子の捕集面積は断面として扱
えなくなるが、その値は一定であるため、Ｉｉｓ₁ とＩ
ｉｓ₁ との比、及びＩｅｓ₁ とＩｅｓ₂ との比を夫々求
めることによって、Ｃ₄ Ｆ₈ ガスのプラズマ中の負のイ
オン密度を測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ中の負イ
オンの密度を測定する方法、プラズマ処理方法及びプラ
ズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近において、成膜処理やエッチングな
どをプラズマを用いて行う手法の一つとして、磁場中で
の電子のサイクロトロン運動とマイクロ波との共鳴現象
を用いてマイクロ波放電を起こすＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ ＣｙｃｒｏｔｏｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）プラ
ズマ処理方法が注目されている。この方法によれば、高
真空で高密度のプラズマを無電極放電で生成できるた
め、高速な表面処理を実現でき、またウエハの汚染のお
それがないなどの利点がある。

【０００３】このＥＣＲプラズマ処理を行なう従来のプ
ラズマ処理装置の一例を、成膜処理を例にとって図７に
基づいて説明すると、プラズマ生成室９Ａ内に例えば
２．４５ＧＨｚのマイクロ波を図示しない導波管を介し
て供給すると同時に所定の大きさ、例えば８７５ガウス
の磁界を電磁コイル９０により印加してマイクロ波と磁
界との相互作用（共鳴）でプラズマ生成用ガス例えばＡ
ｒガスを高密度にプラズマ化し、このプラズマにより、
成膜室９Ｂ内に導入された反応性ガス例えばＣ₄Ｆ₈ ガ
スを活性化させて活性種を形成し、高周波バイアス印加
用の高周波電源９２が接続された載置台９１上のシリコ
ンウエハＷにスパッタエッチングと堆積とを同時進行で
施すようになっている。相反するスパッタエッチング操
作と堆積操作はマクロ的に見れば堆積操作の方が優勢と
なるようにコントロール（制御）され、全体としては堆
積が行われる。

【０００４】ところで本発明者は、プラズマ処理を行な
うにあたってプラズマ中の負イオンの量を測定すること
が重要であると考えている。その理由について以下に述
べる。例えば層間絶縁膜としてフッ素添加カーボン膜
（ＣＦ膜）を用いる場合、ＣＦ系のガスのプラズマによ
り成膜処理が行われるが、このときプラズマの安定化の
ために例えばＡｒガスが添加される。ここでＡｒガスの
みをプラズマ化した場合と、Ａｒガス及びＣＦ系のガス
例えばＣ₄ Ｆ₈ ガスの混合ガスをプラズマ化した場合と
の夫々についてそのプラズマの電子温度と電子密度とを
測定すると、いずれの場合も電子温度は変わらないが、
電子密度は、Ａｒガスのみよりも混合ガスの場合の方が
小さい。プラズマは中性であり、正イオンの密度をｎｉ
⁺、電子密度をｎｅ、負イオンの密度をｎｉ^- とする
と、 ｎｉ⁺ ＝ｎｅ＋ｎｉ^- …（１） となる。この（１）式と上述の現象とを照らし合わせて
みると、電子温度が変わらないということは、ｎｉ⁺ が
変わらないということであり、それにもかかわらずｎｅ
が減少するということは、ｎｉ^- が増えているというこ
とである。つまりＣ₄ Ｆ₈ ガスを添加することによって
負イオンが生成されるということである。

【０００５】上述のＥＣＲプラズマ装置に立ち返ってみ
ると、プラズマの挙動にはいまだ不明な点が多く、しか
もマイクロ波と磁場とが絡んでいるため、ウエハ面上で
均一なプラズマを生成することが困難であり、同じ条件
で処理したはずのウエハについて処理の状態例えば膜厚
の面内分布について調べてみると、その分布が一定でな
い場合がある。本発明は、このようにプラズマの状態を
コントロールしにくい要因の一つとして負イオンに注目
しており、負イオンの量が多いとプラズマ中の有効なラ
ジカルが減少し、またバイアスに悪影響を与えると考え
ている。そしてこの負イオンの量は例えばチャンバの内
壁面の状態などによって変わるため、負イオンの量もパ
ラメータとして制御ループの中に取り込むことが必要で
あると考えている。

【０００６】一般にプラズマ中の負イオンを測定するた
めには、ラングミュアプローブ測定法により正イオン密
度ｎｉ ⁺と電子密度ｎｅとを求め、既述の（１）式に基
づいてｎｉ^- を知る方法がある。この測定法について簡
単に述べると、この方法は、プラズマ内に探針を挿入
し、この探針とプラズマを生成するための放電電極であ
る陽極または陰極との間にＶＰなる電位差を与え、この
ＶＰを変化させたときの探針に流れる電流ＩＰに基づい
てｎｉ ⁺、ｎｅを求める方法である。

【０００７】図８は、電圧ＶＰと電流ＩＰとの関係を示
す図であり、ＶＰは探針とこれに接続される電極との間
の電圧である。ＶＰは正側に大きくしていくとＩＰが飽
和するが、このときの飽和電流Ｉｅｓは、下記式で表わ
される。 Ｉｅｓ＝（Ｅ／４）・ｎｅ・（８ｋＴｅ／πｍｅ）^1/2 ・Ａ …（２） またＶＰを負側に大きくしていくとＩＰが飽和するが、
このときの飽和電流Ｉｉｓは下記式で表わされる。

【０００８】 Ｉｉｓ＝｛Ｅ／（ｅｘｐ）^1/2 ｝・ｎｉ ⁺・（ｋＴｅ／ｍｉ）^1/2 ・Ａ …（ ３） ただしＥは電子素量、ｋはボルツマン定数、Ｔｅは電子
温度、ｍｅ、ｍｉは夫々電子の質量及びイオンの質量、
Ａは探針におけるイオンや電子の捕集面積であり、一般
的には探針の金属部分の表面積Ｓである。

【０００９】（２）式によりｎｅが分かり、（３）式に
よりｎｉ⁺ が分かるため、（１）式から負イオン密度ｎ
ｉ^- が分かる。なおＴｅはＶＰが正側におけるＩＰの上
昇カーブの、傾きに基づいて求められる。

【００１０】このようにして一般的にはプラズマ中の負
イオンを測定することができるが、ＥＣＲにより生じた
プラズマについてはこの方法を適用できない。ＥＣＲプ
ラズマ装置では放電電極がないため図９に示すように探
針１００の基端側は可変電圧源２００を介して接地電位
を基準とって接地されるが、磁場Ｂが存在するため、上
述の（２）式における捕集面積は、探針の金属部分の表
面積Ｓよりも小さいＳ’となる。この理由は、磁場中で
は電子はラーマ半径が小さいため磁力線に巻き付いてお
り、金属部分の表面の一部が電子群の流れからみるとい
わば影となり、この結果捕集面積が小さくなるためと考
えられる。このため正側の飽和電流Ｉｅｓは、図７に示
すように磁場Ｂが存在しない場合に比べて小さくなる
が、Ｓ’の値が分からないためＩｅｓを求めることがで
きない。なお（３）式においては捕集面積はＳとして取
り扱えるので、Ｉｉｓを求めることができる。つまり磁
場Ｂが存在すると、正イオン密度ｎｉ（ｎｉ ⁺）につい
てはプローブ測定法により求めることができるが、電子
密度ｎｅについてはプローブ測定法により求めることが
できない。

【００１１】そこで従来ではｎｅについては、マイクロ
波干渉計を用い、マイクロ波の屈折率の変化を用いて求
め、このｎｅとプローブ測定法で求めたｎｉ ⁺とから負
イオン密度ｎｉ^- を求めるようにしていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらマイクロ
波干渉計を用いてｎｅを求める手法は操作が面倒である
ためリアルタイムの測定には不向きであり、また測定装
置が高価であるという欠点もある。なおプラズマに光を
照射し、負イオンから電子を飛び出させ、その電子の量
を測定し、この測定値に基づいて負イオンの量を求める
ということも考えられるが、この場合には全部の負イオ
ンから電子が飛び出すか保障できないため、精度的には
問題がある。

【００１３】本発明は、このような事情の下になされた
ものでありその目的は、電子サイクロトロン共鳴により
発生したプラズマ中の負イオンの密度を簡単に測定する
ことのできる方法を提供することにある。更に他の目的
は電子サイクロトロン共鳴により発生したプラズマによ
り被処理体に対して処理を行なうにあたって、処理状態
をより細かく制御することのできる技術を提供すること
にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】先ず従来のラングミュア
プローブ測定法について磁場が存在する場合の問題点
は、電子密度ｎｅの測定については、捕集面積Ａが探針
の金属部分の表面積Ｓとして取り扱えず、Ｓよりも小さ
いＳ’となるので既述の（２）式を用いることができな
いということであった。本発明は、捕集面積Ａは磁場が
存在すればＳとして取り扱えず、その値が不明なＳ’に
なるであろうが、このＳ’は定数である、つまりマイク
ロ波パワーなどを変えても変わらない値であるという点
に着目したことに基づいている。例えばＡｒ（アルゴ
ン）ガスをプラズマ化し、既述の（２）式及び（３）式
に基づいて夫々Ｉｅｓ及びＩｉｓを求め、マイクロ波の
パワーを変えたときにＩｅｓとＩｉｓとの比がどのよう
に変わるかを調べると、この比Ｉｉｓ／Ｉｅｓはパワー
の変化に対して一定であることを把握している。つまり
Ｉｉｓ／ＩｅｓはＳ／Ｓ’の関数であるが、これが定数
ということはＳ’が定数ということである。

【００１５】従ってＡｒガスのみをプラズマ化した場合
のＩｅｓと、Ｃ₄ Ｆ₈ ガスをプラズマ化した場合のＩｅ
ｓとの比をとればＳ’が消去でき、本発明は、この考え
を基に成り立っている。以下に本発明について詳述す
る。

【００１６】特許請求の範囲でいう不活性ガスである第
１のガスとしては、例えば、Ａｒガスを挙げることがで
き、負イオンを生成する第２のガスとしてはＣ₄ Ｆ₈ ガ
スなどを挙げることができる。そして探針をアースに対
して正側の電位にしたときの飽和電流Ｉｅｓの表示とし
て、第１のガスのプラズマについて測定したＩｅｓをＩ
ｅｓ₁ ，第２のガスのプラズマについて測定したＩｅｓ
をＩｅｓ₂ とする。更に探針をアースに対して負側の電
位にしたときの飽和電流Ｉｉｓの表示として、第１のガ
スのプラズマについて測定したＩｉｓをＩｉｓ₁ ，第２
のガスのプラズマについて測定したＩｉｓをＩｉｓ₂ と
する。同様にイオン密度ｎｉ、電子密度ｎｅ、イオンの
質量ｍｉ、電子温度Ｔｅについても、第１のガスのプラ
ズマについて測定した場合にはｎｉ₁ 等の１の添字を記
載し、第２のガスのプラズマについて測定した場合には
ｎｉ₂ 等の２の添字を記載することにする。このように
表示の仕方を決めて従来技術の項で示した（３）式に基
づいてＩｉｓを求めると、Ｉｉｓ₁ 及びＩｉｓ₂ は夫々
（４）、（５）式で表わされる。 Ｉｉｓ₁ ＝｛Ｅ／（ｅｘｐ）^1/2 ｝・ｎｉ₁ ⁺ ・（ｋＴｅ₁ ／ｍｉ₁ ）^1/2 ・ Ｓ …（４） Ｉｉｓ₂ ＝｛Ｅ／（ｅｘｐ）^1/2 ｝・ｎｉ₂ ⁺ ・（ｋＴｅ₂ ／ｍｉ₂ ）^1/2 ・ Ｓ …（５） 従ってＩｉｓ₁ とＩｉｓ₂ との比は（６）式で表わされ
る。

【００１７】 Ｉｉｓ₂ ／Ｉｉｓ₁ ＝（ｎｉ₂ ⁺ ／ｎｉ₁ ⁺ ）・（Ｔｅ₂ ／Ｔｅ₁ ）^1/2 ・（ ｍｉ₁ ／ｍｉ₂ ）^1/2 …（６） 故にｎｉ₂ ⁺ とｎｉ₁ ⁺ との比は（７）式で表わされ
る。 ｎｉ₂ ⁺ ／ｎｉ_{1 +} ＝（Ｉｉｓ₂ ／Ｉｉｓ₁ ）・（Ｔｅ₁ ／Ｔｅ₂ ）^1/2 ・（ ｍｉ₂ ／ｍｉ₁ ）^1/2 …（７） 一方従来技術の項で示した（３）式に基づいてＩｅｓを
求めると、Ｉｅｓ₁ 及びＩｅｓ₂ は夫々（８）、（９）
式で表わされる。 Ｉｅｓ₁ ＝（Ｅ／４）・ｎｅ₁ ・（８ｋＴｅ₁ ／πｍｅ）^1/2 ・Ｓ’…（８） Ｉｅｓ₂ ＝（Ｅ／４）・ｎｅ₂ ・（８ｋＴｅ₂ ／πｍｅ）^1/2 ・Ｓ’…（９） 従ってＩｅｓ₁ とＩｅｓ₂ との比は（１０）式で表わさ
れる。 Ｉｅｓ₂ ／ｌｅｓ₁ ＝（ｎｅ₂ ／ｎｅ₁ ）・（Ｔｅ₂ ／Ｔｅ₁ ）^1/2 …（１０ ） 故にｎｅ₂ とｎｅ₁ との比は（１１）式で表わされる。 ｎｅ₂ ／ｎｅ₁ ＝（Ｉｅｓ₂ ／Ｉｅｓ₁ ）・（Ｔｅ₁ ／Ｔｅ₂ ）^1/2 …（１１ ） 一方従来技術の項で記載した（１）式より（１２）式が
成り立ち、この両辺をｎｉ₁ ⁺ で割ると（１３）式が成
り立つ。 ｎｉ₂ ⁺ ＝ｎｅ₂ ＋ｎｉ^- …（１２） （ｎｉ₂ ⁺ ／ｎｉ₁ ⁺ ）＝（ｎｅ₂ ／ｎｅ₁ ）＋（ｎｉ^- ／ｎｉ₁ ⁺ ） ＝（ｎｅ₂ ／ｎｅ₁ ）＋（ｎｉ^- ／ｎｅ₁ ）…（１３ ） なおこの式の変形において、不活性ガス例えばＡｒガス
のプラズマ中には負イオンは存在しないのでｎｉ₁ ⁺ ＝
ｎｅ₁ である点を考慮している。

【００１８】この（１３）式に（７）式で求めた（ｎｉ
₂ ⁺ ／ｎｉ₁ ⁺ ）と、（１１）式で求めた（ｎｅ₂ ／ｎ
ｅ₁ ）を代入する。なお第１のガスをプラズマ化すると
きと第２のガスをプラズマ化するときとの磁場の強さ及
びマイクロ波周波数は同じであり、またマイクロ波パワ
ー（電力）も同じであることから、Ｔｅ₁ とＴｅ₂ との
差はほとんどなく、（Ｔｅ₁ ／Ｔｅ₂ ）はほぼ１として
取り扱うことができるので、（１４）式が成り立つ。
（１４）式は近似式であるが、本明細書を作成するワー
プロの機種の制限により、近似等号を等号（＝）として
記載している。 （Ｉｉｓ₂ ／Ｉｉｓ₁ ）・（ｍｉ₂ ／ｍｉ₁ ）^1/2 ＝（Ｉｅｓ₂ ／Ｉｅｓ₁ ）＋ （ｎｉ^- ／ｎｅ₁ ）…（１４） 即ち本発明は、この（１４）式に基づいて、Ｉｉｓ₁ ，
Ｉｉｓ₂ 、Ｉｅｓ₁ 、Ｉｅｓ₂ の測定値から負イオン密
度ｎｉ^- を求めるものである。

【００１９】以上の説明は、Ｃ₄ Ｆ₈ ガスを単独でプラ
ズマ化した場合の負イオン密度を問題にしているが、実
際にＣ₄ Ｆ₈ ガスを用いて半導体ウエハなどに対して成
膜やエッチングを行う場合には、プラズマを安定化させ
るためにＣ₄ Ｆ₈ ガスにＡｒガスを添加してその混合ガ
スをプラズマ化している。この場合既述の（１４）式中
のｍｉ₂ つまりＣ₄ Ｆ₈ ガスとＡｒとの混合ガスの正イ
オンの中で支配的な正イオンの換算質量は、ＣＦ₂ ⁺ の
質量をｍ（ＣＦ₂ ⁺ ）とし、Ａｒガスの全体に対する流
量比をαとすると、ｍ₁ ・α＋ｍ（ＣＦ₂ ⁺ ）・（１−
α）となる。

【００２０】またＣ₄ Ｆ₈ プラズマの中で主イオン種が
複数である条件の場合には、次のように取り扱う。即ち
Ｃ₄ Ｆ₈ ガスから分解した主イオン種がＣＦ₄ ⁺ ，Ｃ₂
Ｆ₄ ⁺ 、…であるとした場合、ｎｉ₂ ⁺ は（１５）式で
表わされるものとする。 ｎｉ₂ ⁺ ＝ｎｉ（Ａｒ⁺ ）＋ｎｉ（ＣＦ₄ ⁺ ）＋ｎｉ（Ｃ₂ Ｆ₄ ⁺ ）＋… …（１５） この場合混合ガス中の換算質量ｍｉ₂ は（１６）式で表
わされる。

【００２１】ｍｉ₂ ＝分子／分母…（１６） 分子＝ｎｉ（Ａｒ⁺ ）・ｍｉ₁ ＋ｎｉ（ＣＦ₄ ⁺ ）・ｍ
（ＣＦ_{4 +} ）＋ｎｉ（Ｃ₂ Ｆ₄ ⁺ ）・ｍ（Ｃ₂ Ｆ₄ ⁺ ） 分母＝ｎｉ（Ａｒ⁺ ）＋ｎｉ（ＣＦ₄ ⁺ ）＋ｎｉ（Ｃ₂
Ｆ₄ ⁺ ）＋… ここで本発明方法を実施する装置の一例について模式的
に図１に示しておく。図中１は円筒状の真空室、１１は
電磁コイルである。真空室１内の点線部分は、電磁コイ
ル１１により形成された磁場において磁束密度が８７５
ガウスとなる領域（ＥＣＲポイント）であり、透過窓１
２を介して真空室１内に導入された２、４５ＧＨｚのマ
イクロ波と磁場とによりＥＣＲポイントで電子サイクロ
トロン共鳴が起こり、ガス導入管１３により導入された
ガスが、電子サイクロトロン共鳴に基づいてプラズマ化
される。１４は排気管である。

【００２２】図中１５は探針であり、例えばＥＣＲポイ
ント付近に設けられている。この探針１５は可変電圧源
１６及び電流計１７を介して接地されており、可変電圧
源１６の電圧は電圧計１８により検出される。電流計１
７及び電圧計１８で夫々検出された電流値及び電圧値は
演算部２に入力され、この演算部１９では可変電圧源１
６の電圧を変えたときの電流−電圧特性データの取得な
どを行なう。

【００２３】本発明方法は具体的には次のａ〜ｆの工程
を含む。

【００２４】ａ．不活性ガスである第１のガスを真空室
内に供給し、この第１のガスに例えばマイクロ波と磁場
とを印加して電子サイクロトロン共鳴により第１のガス
をプラズマ化する工程。

【００２５】ｂ．基端が可変電圧源を介して接地された
探針に前記工程で生成されたプラズマを接触させる工
程。

【００２６】ｃ．前記可変電圧源により前記探針の電位
を接地電位よりも高い側に変化させ、探針の電位の変化
に対して探針に流れる電流が飽和したときの飽和電流Ｉ
ｅｓ₁ と、前記可変電圧源により前記探針の電位を接地
電位よりも低い側に変化させ、探針の電位の変化に対し
て探針に流れる電流が飽和したときの飽和電流Ｉｉｓ₁
とを求める工程。

【００２７】ｄ．負イオンを生成するガスを含む第２の
ガスを真空室内に供給し、この第２のガスに例えばマイ
クロ波と磁場とを印加して電子サイクロトロン共鳴によ
り第２のガスをプラズマ化する工程。

【００２８】ｅ．基端が可変電圧源を介して接地された
探針に前記工程で生成された第２のガスのプラズマを接
触させる工程。

【００２９】ｆ．前記可変電圧源により前記探針の電位
を接地電位よりも高い側に変化させ、探針の電位の変化
に対して探針に流れる電流が飽和したときの飽和電流Ｉ
ｅｓ₂ と、前記可変電圧源により前記探針の電位を接地
電位よりも低い側に変化させ、探針の電位の変化に対し
て探針に流れる電流が飽和したときの飽和電流Ｉｉｓ₂
とを求める工程。

【００３０】ｍｉ₁ は第１のガスのイオン例えばＡｒ⁺
の質量である。ｍｉ₂ は第２のガスのプラズマ中の支配
的なイオンの換算質量であり、例えば支配的なイオンが
一つであればそのイオンの質量として取扱ってよいが、
支配的なイオンが複数ある場合には既述のようにして求
めた換算質量として取り扱う。ｎｅ₁ はｎｉ⁺ と同じと
して取り扱えるので、（４）式から求めることができ
る。

【００３１】また本発明では（Ｔｅ₁ ／Ｔｅ₂ ）を１と
して取り扱ってもよいが、Ｔｅ₁ ，Ｔｅ₂ の値を夫々求
めてもよい。その求め方については、図２に示す探針の
電流と電圧ＶＰとの関係を示すグラフにおいて、電流値
がゼロより上方にあり、飽和するまでの領域における傾
き（点線）が（８ｋＴｅ／πｍｅ）に相当するので、こ
の傾きに基づいて求めることができる。

【００３２】本発明は、プラズマの状態を解明するため
に利用できるのみならず、例えばＥＣＲにより生成した
処理ガスのプラズマにより被処理体例えばウエハに対し
て成膜処理やエッチング処理を行なう場合に適用するこ
とができる。この場合には、得られた（推定された）負
イオンの密度に基づいてプラズマを制御するための制御
パラメータ例えば真空室内の圧力やガス流量などを制御
する。なおガスをプラズマ化する手法としては、電子サ
イクロトロン共鳴を利用する手法に限られるものではな
く、本発明は、例えばマイクロ波のエネルギ−でガスを
プラズマ化する場合にも適用できる。

【００３３】更にまた本発明は、次のように構成された
プラズマ処理装置においても成り立つものである。即ち
本発明は、真空室内に供給された処理ガスをプラズマ化
し、そのプラズマにより被処理体に対して処理を行う装
置において、基端が可変電圧源を介して接地され、前記
真空室で生成されたプラズマに接触される探針と、この
探針に流れる電流を検出する電流検出部と、不活性ガス
をプラズマ化したときと、処理ガス及び不活性ガスの混
合ガスをプラズマ化したときの夫々において、前記可変
電圧源により探針の電圧を変化させて探針の電圧と電流
とのデ−タを採取し、それらデ−タに基づいて処理ガス
の成分の負イオンの密度を計測する手段と、この手段で
計測された負イオンの密度に基づいてプラズマを制御す
るための制御パラメ−タを制御する手段と、を備えたこ
とを特徴とする。

【００３４】

【発明の実施の形態】図３は本発明方法を適用して被処
理体であるウエハに対してプラズマ処理を行なうための
装置の一例を示す図である。

【００３５】図中３１は例えばアルミニウムを材質とし
たチャンバよりなる真空処理室であって、接地されてお
り、この真空処理室３１は小径の円筒状の第１の真空室
３２及び大径の円筒状の第２の真空室３３を接続してな
る。第１の真空室３２内には、周方向に沿って均等に配
置したプラズマガスノズル３０が突入して設けられてい
る。第２の真空室３３内には、リング状のガス供給部３
４が設けられており、ガス供給管３５から導入された成
膜ガスがガス供給部３４から真空処理室３１内に供給さ
れる。このガス供給管３５の途中には流量調整部３６が
設けられ、図示しないガス供給源から送られるガスの流
量を調整できるように構成されている。

【００３６】また第２の真空室３３内には、基板である
半導体ウエハＷを載置するための載置台４が設けられて
おり、この載置台４には、ウエハＷにイオンを引き込む
ためのバイアス電圧が印加されるように図示しない高周
波電源が接続されている。３７は排気管であり、この排
気管３７には例えばバタフライバルブよりなる圧力調整
部３８を介して図示しない真空ポンプが接続されてい
る。

【００３７】第１の真空室３２の周囲及び第２の真空室
３３の下部には、夫々磁界形成手段として主電磁コイル
４１及び補助電磁コイル４２が設けられており、これら
電磁コイル４１及び４２によって真空処理室３１内に所
定形状の磁束の流れを形成し、ＥＣＲポイントにて８７
５ガウスの磁界を形成するようになっている。

【００３８】真空処理室３１の上端面はマイクロ波を透
過するための誘電体からなる透過窓３８により構成され
ており、この透過窓３８の上面には、第１の真空室３２
内にマイクロ波発振器５１からの例えば２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波をＴＭモード例えばＴＭ01モードで供給す
るための導波管５２が設けられている。

【００３９】一方真空室３３内には探針６が、真空室３
３の側壁から気密に挿脱自在に突入された支持ロッド６
１の先端に取り付けて設けられている。この探針６は可
変電圧源６２及び電流計６３を介して接地されている。
この可変電圧源６２の両端には電圧計６４が接続されて
おり、電流計６３の電流値及び電圧計６４の電圧値は制
御部７に取り込まれる。制御部７は、取り込んだ電流値
及び電圧値の値に基づいてプラズマ中の負イオンの密度
を演算して求め、その結果に基づいて前記流量調整部３
６及び圧力調整部３８に制御信号を出力する機能を有す
る。

【００４０】ここで探針６について述べておくと、図４
に示すように探針６は例えばステンレス管６５の中に例
えば線径が０．１ｍｍのタングステンなどの金属線６６
を配線し、更に先端部にて金属線６６がわずかに露出す
るようにセラミック材６７により金属線６６を覆って構
成されている。またこの例では金属線６６にＣＦ膜が付
着しないように図５に示すように交流電力を金属線６６
に与えて加熱するように構成している。なお図５中６８
はスライダック、６９は変圧器、Ｄはダイオードであ
る。

【００４１】次に上述実施の形態の作用について述べ
る。先ず探針６を載置台４と対向する領域から壁側に寄
った所に位置させ、ウエハＷの処理に対して邪魔になら
ないようにする。そして図示しない搬送アームによりウ
エハＷを真空室３３内に搬入して載置台４上に載置し、
プラズマガスノズル３０からＡｒガスを例えば２００ｓ
ｃｃｍの流量で、またガス供給部３４から処理ガスであ
るＣ₄ Ｆ₈ ガスを例えば５０ｓｃｃｍの流量で夫々真空
処理室３１内に導入すると共に、排気管３７を通じて排
気し、真空処理室３１内を例えば１ミリＴｏｒｒ〜５ミ
リＴｏｒｒの圧力に維持する。一方マイクロ波発振器５
１から例えば２．４５ＧＨｚ、１５００ｗのマイクロ波
を真空処理室３１内に導入すると共に、例えば点線で示
した領域Ｐが８７５ガウスの磁束密度となるように電磁
コイル４１、４２により磁場を形成する。ＥＣＲポイン
トＰにおける電子サイクロトロン共鳴に基づいてＡｒガ
ス及びＣ₄ Ｆ₈ ガスをプラズマ化し、そのプラズマによ
りウエハＷ上にフッ素添加カーボン膜（ＣＦ膜）を成膜
する。なおＡｒガスは、プラズマを安定化させるため及
びウエハＷ表面に対してスパッタエッチングを行なうた
めに添加している。そしてウエハＷを所定枚数処理した
後、探針６を載置台４の中央部と対向する位置まで移動
し、プラズマ中の負イオンの密度を測定する。この測定
は次のようにして行われる。なおこのときウエハＷに対
するプラズマ処理は行わない。先ず図６の工程図のステ
ップ１に示すように第１のガスであるＡｒガスをプラズ
マガスノズル３０から例えば２００ｓｃｃｍの流量で真
空処理室１内に導入し、Ｃ₄ Ｆ₈ ガスを導入しない他は
先のプラズマ処理時と同様にしてプラズマを生成する。
そして可変電圧源６２の電圧を変えて探針６の電位を負
側と正側との間で変化させ、そのときの電圧計６４にお
ける電圧値と電流計６３における電流値とを制御部７に
取り込み（ステップ２）、Ｉｉｓ₁ 及びＩｅｓ₁ を求め
る（ステップ３）。Ａｒ⁺ の質量（ｍｉ₁ ）は分かって
おり、またＩｅｓ₁ のカーブからＴｅ₁ が求まり、既述
の（４）式において探針６の捕集面積は探針６の金属線
６６の露出部分の表面積Ｓとして扱えるので、（４）式
に基づいてｎｉ₁ ⁺ が求まる（ステップ３）。なおこの
ｎｉ₁ ⁺ はｎｅ₁ となる。

【００４２】続いてガス供給部３４からＡｒガス及びＣ
₄ Ｆ₈ ガスを処理時と同様の流量で真空処理室３１内に
導入し、ウエハＷを処理したときと同じ状態でプラズマ
を生成する。（ステップ４）。そして同様にして制御部
７にてＩｉｓ₂ 及びＩｅｓ₂を求め（ステップ５、
６）、プラズマ中の支配的なイオンをＡｒ⁺ 及びＣＦ₂
⁺として以下のようにして求めたイオンの質量ｍｉ
₂ と、Ａｒ⁺ の質量ｍｉ₁ と、既に求めたＩｉｓ₁ 、Ｉ
ｅｓ₁ 、ｎｉ₁ ⁺ と、Ｉｉｓ₂ 、Ｉｅｓ₂ とを既述の
（１４）式に代入して負イオンの密度ｎｉ_- を求める
（ステップ７）。なおｍｉ₂は、ＣＦ₂ ⁺ イオンの質量
をｍ（ＣＦ₂ ⁺ ）とすると、ＡｒガスとＣ₄ Ｆ₈ ガスと
の流量を考慮して、ｍｉ₁ ・（２００／２５０）＋ｍ
（ＣＦ₂ ⁺ ）・（５０／２５０）となる。

【００４３】次に制御部７は負イオンの密度ｎｉ^- に基
づいて流量調整部３６及び圧力調整部３８に制御信号を
送り、Ｃ₄ Ｆ₈ ガスの流量及び真空処理室３１内の圧力
を制御する（ステップ８）。負イオンの量が多いと、ウ
エハＷの処理に対して有効なラジカルが減少するのでＣ
₄ Ｆ₈ ガスの流量を少なくし、圧力を低くくする。負イ
オンの密度がどの程度になったら流量及び圧力を夫々ど
のくらい変えるかということについては、予め実験をし
て負イオンの密度とウエハＷの処理の状態例えば膜厚の
面内均一性との関係を把握しておくと共に、膜厚の均一
性が悪いときの負イオンの密度と、その場合のガス流量
及び圧力の適切な調整量とを把握しておき、制御レシピ
としてメモリ内に書き込むようにしておいてもよい。ま
た負イオンの密度の測定結果に基づいて制御する制御パ
ラメータとしては、Ａｒガスの流量やマイクロ波のパワ
ー（電力）、電磁コイル４１、４２の電流値などであっ
てもよいし、またこれらの組み合わせであってもよい。

【００４４】このように負イオンの密度に基づいて制御
パラメータを調整した後、探針６を載置台４の上方から
待避させ、その後ウエハＷの処理を再開する。また処理
ガスとしてはＣ₄ Ｆ₈ ガスに加えてＣ₂ Ｈ₄ などの炭化
水素ガスを用いてもよい。

【００４５】上述の実施の形態によれば、負イオンの密
度を測定してその測定結果に基づいてプラズマを制御す
る制御パラメータ例えばガス流量や圧力を調整している
ので、プラズマに対して、よりきめ細かい制御を行うこ
とができ、例えば膜厚についてのウエハの面内均一性を
向上させることができ、またウエハ間でのばらつきを少
なくすることができる。更に第１のガス（Ａｒガス）の
プラズマと第１のガス及び第２のガスの混合ガス（Ａｒ
ガス＋Ｃ₄ Ｆ₈ ガス）のプラズマとについて探針６によ
りデータを求めればよいので、負イオンの測定が簡単で
あると共に、プラズマに光を照射して飛び出した電子を
測定する場合などに比べて信頼性の高い測定を行うこと
ができる。

【００４６】以上において不活性ガスとしてはＡｒガス
に限らず、クリプトンガスやキセノンガスなどであって
もよいし、また処理ガスとしては、Ｃ₄ Ｆ₈ ガスなどの
ＣＦ系ガスに限らず、ＳｉＯ₂ 膜を成膜する場合に用い
るＳｉＨ₄ ガスなどのシラン系のガスなどであってもよ
い。更にまた本発明は、成膜処理に限らず、例えばＳｉ
Ｏ₂ 膜をＣＦ系のガスによりエッチングする場合にも適
用できる。

【００４７】

【実施例】図１に示す円筒状の真空室１を用い、ガス供
給管１３からＡｒガスを３０ｓｃｃｍの流量で導入して
プラズマを発生させてＩｉｓ₁ 、Ｉｅｓ₁ 、及びｎｅ₁
求め、次いでガス供給管からＡｒガス及びＣ₄ Ｆ₈ ガス
を夫々２２．５ｓｃｃｍ及び７．５ｓｃｃｍの流量で導
入してＩｉｓ₂ 及びＩｅｓ₂ を求めた。真空室１内の圧
力はいずれも１．５ｍＴｏｒｒとし、マイクロ波の周波
数及びパワーは夫々２．４５ＧＨｚ，２ｋｗとした。ま
た主イオン種は、ＣＦ⁺ 及びＣ2 Ｆ4 ⁺ が半々に存在し
ているものとしている。

【００４８】各因子の値は次の通りである。 Ｉｉｓ₁ ＝０．７５ｍＡ Ｉｅｓ₁ ＝３７ｍＡ ｎｅ₁ ＝２．５×１０¹⁰／ｃｍ² ｍｉ₁ ＝６．７×１０^-23 ｇ ｍｉ₂ ＝７．８×１０^-23 ｇ Ｉｉｓ₂ ＝０．６３ｍＡ Ｉｅｓ₂ ＝１３ｍＡ これらの値を既述の（１４）式に代入してｎｉ^- ＝１．
４×１０¹⁰／ｃｍ² が得られた。

【００４９】

【発明の効果】本発明の負イオンの測定方法によれば、
電子サイクロトロン共鳴により発生したプラズマ中の負
イオンの密度を簡単に測定することができる。また本発
明のプラズマ処理方法及びその装置によれば、被処理体
に対してプラズマ処理を行うにあたり、処理状態をより
細く制御することができ、例えば面内均一性の高い処理
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の負のイオンの測定方法を実施するため
の装置の一例を示す断面図である。

【図２】探針の電流−電圧特性図である。

【図３】本発明のプラズマ処理方法を実施するための装
置の一例を示す断面図である。

【図４】探針を示す側面図である。

【図５】探針に接続する回路の具体例を示す回路図であ
る。

【図６】本発明のプラズマ処理方法の一例を示す工程図
である。

【図７】従来のＥＣＲプラズマ処理装置を示す概略図で
ある。

【図８】ラングミュアプローブ法における探針の捕集面
積を模式的に示す説明図である。

【図９】ラングミュアプローブ法により得られる探針の
電流−電圧特性図である。

【符号の説明】

１ 真空室 １１ 電磁コイル １５ 探針 １６ 可変電圧源 １７ 電流計 １８ 電圧計 ２ 演算部 ３０ プラズマガスノズル ３１ 真空処理室 ３４ ガス供給部 ３６ 流量調整部 ３８ 圧力調整部 ４ 載置台 ５１ マイクロ波発振器 ６２ 可変電圧源 ６３ 電流計 ６４ 電圧計 ７ 制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 信雄 東京都港区赤坂五丁目３番６号 東京エレ クトロン株式会社内 (72)発明者 川上 聡 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番41 号 東京エレクトロン東北株式会社相模事 業所内 Ｆターム(参考） 5F004 AA16 BA14 CA02 CA03 CB06 DA00 DA23 DB03 5F045 AA10 AB39 AC02 AC16 AE15 DP03 EH17 EH19 GB08 GB15

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不活性ガスである第１のガスを真空室内
   に供給し、この第１のガスをプラズマ化する工程と、 基端が可変電圧源を介して接地された探針に前記工程で
   生成されたプラズマを接触させる工程と、 前記可変電圧源により前記探針の電位を接地電位よりも
   高い側に変化させ、探針の電位の変化に対して探針に流
   れる電流が飽和したときの飽和電流Ｉｅｓ₁ と、前記可
   変電圧源により前記探針の電位を接地電位よりも低い側
   に変化させ、探針の電位の変化に対して探針に流れる電
   流が飽和したときの飽和電流Ｉｉｓ₁ とを求める工程
   と、 負イオンを生成するガスを含む第２のガスを真空室内に
   供給し、この第２のガスをプラズマ化する工程と、 基端が可変電圧源を介して接地された探針に前記工程で
   生成された第２のガスのプラズマを接触させる工程と、 前記可変電圧源により前記探針の電位を接地電位よりも
   高い側に変化させ、探針の電位の変化に対して探針に流
   れる電流が飽和したときの飽和電流Ｉｅｓ₂ と、前記可
   変電圧源により前記探針の電位を接地電位よりも低い側
   に変化させ、探針の電位の変化に対して探針に流れる電
   流が飽和したときの飽和電流Ｉｉｓ₂ とを求める工程
   と、 第１のガスの正イオンの質量をｍｉ₁ とし、第２のガス
   の正イオンの中で支配的な正イオンの換算質量をｍｉ₂
   とし、第１のガスをプラズマ化したときの電子密度をｎ
   ｅ₁ とすると、Ｉｉｓ₁ ／Ｉｉｓ₂ 、Ｉｅｓ₁ ／Ｉｅｓ
   ₂ 、ｍｉ₁ 、ｍｉ₂ 及びｎｅ₁ に基づいて、第２のガス
   をプラズマ化したときの負イオンの密度ｎｉ₁ ^- を求め
   る工程と、を含むことを特徴とするプラズマ中の負イオ
   ンの測定方法。
2. 【請求項２】 下記の近似式に基づいて、負イオンの密
   度ｎｉ₁ ^- を求めることを特徴とする請求項１記載のプ
   ラズマ中の負イオンの測定方法。 記 （Ｉｉｓ₂ ／Ｉｉｓ₁ ）・（ｍｉ₂ ／ｍｉ₁ ）^1/2 ＝
   （Ｉｅｓ₂ ／Ｉｅｓ₁ ）＋（ｎｉ^- ／ｎｅ₁ ）
3. 【請求項３】 第１のガスをプラズマ化する工程、及び
   第２のガス２をプラズマ化する工程は、ガスにマイクロ
   波と磁場とを印加して電子サイクロトロン共鳴によりプ
   ラズマ化する工程であることを特徴とする請求項１また
   は２記載のプラズマ中の負イオンの測定方法。
4. 【請求項４】 真空室内に供給された処理ガスをプラズ
   マ化し、そのプラズマにより被処理体に対して処理を行
   う方法において、 不活性ガスである第１のガスを真空室内に供給し、この
   第１のガスをプラズマ化する工程と、 基端が可変電圧源を介して接地された探針に前記工程で
   生成されたプラズマを接触させる工程と、 前記可変電圧源により前記探針の電位を接地電位よりも
   高い側に変化させ、探針の電位の変化に対して探針に流
   れる電流が飽和したときの飽和電流Ｉｅｓ₁ と、前記可
   変電圧源により前記探針の電位を接地電位よりも低い側
   に変化させ、探針の電位の変化に対して探針に流れる電
   流が飽和したときの飽和電流Ｉｉｓ₁ とを求める工程
   と、 負イオンを生成する処理ガスを含む第２のガスを真空室
   内に供給し、この第２のガスをプラズマ化する工程と、 基端が可変電圧源を介して接地された探針に前記工程で
   生成された第２のガスのプラズマを接触させる工程と、 前記可変電圧源により前記探針の電位を接地電位よりも
   高い側に変化させ、探針の電位の変化に対して探針に流
   れる電流が飽和したときの飽和電流Ｉｅｓ₂ と、前記可
   変電圧源により前記探針の電位を接地電位よりも低い側
   に変化させ、探針の電位の変化に対して探針に流れる電
   流が飽和したときの飽和電流Ｉｉｓ₂ とを求める工程
   と、 第１のガスの正イオンの質量をｍｉ₁ とし、第２のガス
   の正イオンの中で支配的な正イオンの換算質量をｍｉ₂
   とし、第１のガスをプラズマ化したときの電子密度をｎ
   ｅ₁ とすると、Ｉｉｓ₁ ／Ｉｉｓ₂ 、Ｉｅｓ₁ ／Ｉｅｓ
   ₂ 、ｍｉ₁ 、ｍｉ₂ 及びｎｅ₁ に基づいて、第２のガス
   をプラズマ化したときの負イオンの密度ｎｉ₁ ^- を求め
   る工程と、 この工程で求められた負イオンの密度ｎｅ₁ に基づい
   て、プラズマを制御するための制御パラメ−タを制御す
   る工程と、を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 【請求項５】 下記の近似式に基づいて、負イオンの密
   度ｎｉ₁ ^- を求めることを特徴とする請求項４記載のプ
   ラズマ処理方法。 記 （Ｉｉｓ₂ ／Ｉｉｓ₁ ）・（ｍｉ₂ ／ｍｉ₁ ）^1/2 ＝
   （Ｉｅｓ₂ ／Ｉｅｓ₁ ）＋（ｎｉ^- ／ｎｅ₁ ）
6. 【請求項６】 真空室内に供給された処理ガスをプラズ
   マ化し、そのプラズマにより被処理体に対して処理を行
   う装置において、 基端が可変電圧源を介して接地され、前記真空室で生成
   されたプラズマに接触される探針と、 この探針に流れる電流を検出する電流検出部と、 不活性ガスをプラズマ化したときと、処理ガス及び不活
   性ガスの混合ガスをプラズマ化したときの夫々におい
   て、前記可変電圧源により探針の電圧を変化させて探針
   の電圧と電流とのデ−タを採取し、それらデ−タに基づ
   いて処理ガスの成分の負イオンの密度を計測する手段
   と、 この手段で計測された負イオンの密度に基づいてプラズ
   マを制御するための制御パラメ−タを制御する手段と、
   を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。