JP2000340550A

JP2000340550A - プラズマ処理方法、プラズマ処理装置およびプラズマモニタリング装置

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Publication number: JP2000340550A
Application number: JP11246175A
Authority: JP
Inventors: Junichi Tonoya; 純一戸野谷; Hiroyuki Fukumizu; 裕之福水
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2000-12-08
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP4619468B2

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ処理装置のチャンバ内部の処理状態
の変動を処理中の膜堆積の影響を殆ど受けずに高感度で
モニタリングしながらプラズマ処理することが可能なプ
ラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマ処理容器中でプラズマを発生さ
せて所定の処理を行うプラズマ処理方法であって、前記
プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入してプ
ラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小値に
対応する高周波電力の周波数を検出し、プラズマ処理中
の前記周波数の変化に基づいてプラズマの状態をモニタ
リングすることを特徴とするプラズマ処理方法およびプ
ラズマ処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
製造や液晶ディスプレイ用の薄膜トランジスタ等の電子
デバイスの製造で用いられるプラズマ処理方法、プラズ
マ処理装置およびプラズマモニタリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造や液晶ディスプレ
イ用の電子デバイスの製造においては、プラズマを用い
たドライエッチングによる微細加工が頻繁に用いられ
る。異なる材料の薄膜が重ねられた多層膜をドライエッ
チングする際には、エッチングの終点検出が重要であ
る。

【０００３】通常、ドライエッチングの終点検出は、薄
膜に入射した光からの反射光の強度変化や光の干渉を利
用して、またはプラズマからの発光スペクトル線の強度
変化を利用して行われる。前者の反射光等を利用した方
法は、光路を確保するための特別な装置が必要となるこ
とが多い。そのため、一般には後者の発光スペクトル線
の強度変化を利用する発光分光法が多く用いられる。

【０００４】しかし、発光分光法を利用した終点検出で
は、エッチング面積が小さくなるとエッチングによる反
応生成物の量が少なくなるため、エッチング終点での検
出感度が低下するという問題がある。例えば、反応生成
物中のラジカルの発光強度をモニターする場合には、エ
ッチング終点での発光スペクトル線の強度変化が小さす
ぎて、検出感度が小さくなる。また、プラズマ中のラジ
カルなどの発光は、透明な窓を通して検出されるが、窓
の光透過率はエッチングガスや反応生成物の堆積によっ
て低下する。そのため、発光分光法では、エッチング処
理量の増大に伴い終点検出ができなくなる場合があると
いう問題がある。

【０００５】そこで、発光分光法よりも高感度であり、
またプラズマプロセス中に起こる膜堆積の影響を受けに
くいエッチング終点検出方法が求められている。

【０００６】一方、プラズマを用いたドライエッチング
装置では、プロセスの安定化を図ることが重要である。
そのために、ガス流量、圧力、高周波電力、温度等のプ
ロセスパラメーターの変動を抑えるとともに、装置のチ
ャンバ内部での処理状態を一定に保つことが必要とされ
ている。

【０００７】前者のプロセスパラメーターの変動に対し
ては、通常、その変動量を常にモニタリングしている。
そして、変動量が所定の値を越えると装置のインターロ
ックが働いてプロセスが停止し、成膜や加工の不良を未
然に防ぐようにしている。後者の装置のチャンバ内部の
処理状態の変動に対しては、これを検出する有効手段が
ほとんどない。そのため、通常は一定の処理時間の後に
装置のチャンバ内部をクリーニングして処理を初期化す
ることが多い。このクリーニングには、チャンバ内を真
空に保ったまま行うプラズマクリーニングと、チャンバ
を大気解放して各パーツを薬液等で洗浄するウェットク
リーニングがある。プラズマクリーニングは、クリーニ
ング時間を決めて行うことが多い。しかし、どちらのク
リーニングを行うにせよ、装置の稼働率を低下させる要
因となるため、短時間で確実な初期化が必要とされてい
る。

【０００８】そこで、装置のチャンバ内部の処理状態の
変動を検出する方法が求められている。また、プラズマ
クリーニングにおいては、クリーニングによるチャンバ
内壁の状態の変化をモニタして初期化の終了が確認でき
る方法が求められている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、プラズマ処
理装置のチャンバ内部での処理状態の変動を処理中の膜
堆積の影響を殆ど受けずに高感度でモニタリングしなが
らプラズマ処理することが可能なプラズマ処理方法、プ
ラズマ処理装置、およびプラズマモニタリング装置を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、プラズ
マ処理容器中でプラズマを発生させて所定の処理を行う
プラズマ処理方法であって、前記プラズマへ高周波電力
を周波数を変えながら導入してプラズマからの反射波電
力を求め、反射波電力の極小値に対応する高周波電力の
周波数を検出し、プラズマ処理中の前記周波数の変化に
基づいてプラズマの状態をモニタリングすることを特徴
とするプラズマ処理方法が提供される。

【００１１】また、本発明によれば、プラズマ処理容器
と、プラズマ処理容器に設けられた透過窓と、透過窓を
通してプラズマへ導入するための高周波電力を放出する
機能を持つ第１のアンテナと、前記透過窓を通過したプ
ラズマからの反射波電力を検知する機能を持つ第２のア
ンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を
変化させながら導入し、前記第２のアンテナで検知した
反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波数を検
出する検出手段とを具備することを特徴とするプラズマ
処理装置が提供される。

【００１２】また、本発明によれば、プラズマ処理容器
と、プラズマ処理容器内に挿入された、先端が封じられ
た誘電体チューブと、誘電体チューブ内に挿入され、前
記チューブを通してプラズマへ導入するための高周波電
力を放出し、前記チューブを通過したプラズマからの反
射波電力を検知するアンテナと、前記アンテナへ高周波
電力を周波数を変化させながら導入し、前記アンテナで
検知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周
波数を検出する検出手段とを具備することを特徴とする
プラズマ処理装置が提供される。

【００１３】また、本発明によれば、処理中のプラズマ
へ導入する高周波電力を放出する第１のアンテナと、プ
ラズマからの反射波電力を検知するためにプラズマ処理
容器に取り付けられる第２のアンテナと、前記第１のア
ンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導入し、
前記第２のアンテナで検知した反射波電力の極小値に対
応する高周波電力の周波数を吸収周波数として検出する
検出手段とを具備することを特徴とするプラズマモニタ
リング装置が提供される。

【００１４】本発明においては、前記第１のアンテナと
前記第２のアンテナとがそれぞれ持つ前記機能を１本の
アンテナに持つことが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照して詳
細に説明する。図１は、本発明に係るプラズマ処理装置
の一例を示す概略断面図である。本発明に係るプラズマ
処理装置は、プラズマ処理部１０とプラズマモニタリン
グ部２０とを備える。

【００１６】プラズマ処理部１０は、当該技術分野にお
いて良く知られているプラズマを発生させて所定の処理
を行う装置、例えば、マイクロ波励起方式、ＥＣＲ（電
子サイクロトロン共鳴）方式、ＩＣＰ（誘導結合型プラ
ズマ）方式、ダウンフロー方式、平行平板方式などのプ
ラズマ処理装置を指している。これらの装置は、例え
ば、プラズマエッチング装置、プラズマクリーニング装
置、プラズマアッシング装置などに用いられる。

【００１７】図１は、例としてＩＣＰ方式のプラズマ処
理部１０を用いた装置を示す。図１において、チャンバ
１には石英窓２が設けられている。石英窓２の外側に
は、ループアンテナ３が取付けられ、ループアンテナ３
は整合器（マッチングボックス）４を介してプラズマ用
高周波電源５に接続されている。電源５で発生した高周
波電力は、整合器４でインピーダンスマッチングされた
後に、ループアンテナ３から石英窓２を通ってチャンバ
１内に導入される。また、チャンバ１には、チャンバ１
内にガス供給源（図示せず）からのプラズマ用ガスを導
入するためのガス導入口６と、チャンバ１内を排気ポン
プ（図示せず）によって排気するための排気口７が設け
られている。さらに、チャンバ１内には、シリコンウェ
ハーなどの被処理物を載置するための載置台を兼ねた基
板電極８が設けられている。

【００１８】本発明に係るプラズマモニタリング部２０
は、プラズマ処理部１０が処理を行う間、プラズマ状態
をモニタリングするためのものである。図２は、プラズ
マモニタリング部２０の一例を示す概略図である。図２
において、プラズマ処理装置のチャンバ１壁の開口部
に、シール部材２１を介して透過窓２２が取付けられて
いる。透過窓２２の大気側の表面の近傍には、または前
記表面に接触して、同軸ケーブル２３の一端が配置さ
れ、この一端には内部導体である芯線２４が露出してい
る。同軸ケーブル２３の他端は、検出手段２５に接続さ
れている。同軸ケーブル２３の外部導体は、図示しない
絶縁材によって内部導体２４と絶縁され、接地線２６に
よってチャンバ１とともに接地されている。

【００１９】透過窓２２は、後述するように芯線２４か
ら放出される高周波電力をプラズマ内へ導入し、またプ
ラズマからの反射波電力を大気側へと取出すためのもの
である。透過窓２２を形成する材料は、チャンバ１内の
真空雰囲気を維持でき、プラズマによる損傷を受けず、
高周波電力および反射波電力を透過させる誘電体材料で
ある。このような材料は、例えば、石英、酸化アルミ
（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、および窒化ボ
ロン（ＢＮ）などの無機物、または、ポリイミド、およ
びポリエーテルエチルケトンなどのエンジニアリングプ
ラスチックなどの有機物である。透過窓２２の厚みなど
の形状は、モニタリングするプラズマ処理の種類、使用
する高周波電力の周波数などに応じて適切なものを選
ぶ。透過窓２２の厚みは、例えば５ｍｍであるが、一般
に薄い方が好ましい。それは、後述するように、プラズ
マによって反射されずに吸収される高周波電力の割合
（以下、吸収率と言う）が増加するため、モニタリング
が容易になるからである。

【００２０】同軸ケーブル２３の露出する芯線２４は、
高周波電力を放射し、プラズマからの反射波電力を検知
するためのアンテナとして作用する。後述する検出手段
２５からの高周波電力は、同軸ケーブル２３によって伝
達されたのち芯線２４から放出されて、透過窓２２を通
ってチャンバ１内に導入される。高周波電力の周波数
は、例えば１〜１０ＧＨｚである。チャンバ１内に導入
された高周波電力は、ある特定の周波数（吸収周波数と
言う）のときに吸収される以外は、プラズマによって反
射されて、透過窓２２を通って大気側へ取り出される。
取り出された反射波電力は芯線２４によって検知され、
同軸ケーブル２３を通って検出手段２５へ送られる。

【００２１】アンテナ２４は、例えば、図２に示す直線
形状の他に、図３に示すような先端部がＬ字型をなすも
の（図３（ａ））、先端部がＴ字型をなすもの（図３
（ｂ））、先端部がループ（スパイラルを含む）をなす
もの（図３（ｃ））、または先端部が平板を有するもの
（図３（ｄ））などがある。図２に示した直線形状のア
ンテナ２４においては、直線部分が長いほど、高周波電
力の吸収率が増加し、また高周波電力の吸収が起きる吸
収周波数の数（吸収ピークの数）が増加する。アンテナ
２４の長さは、好ましくは２ｍｍ以上であり、より好ま
しくは８ないし１２ｍｍである。長さが２ｍｍを下回る
と高周波電力の吸収率が低すぎて、モニタリングが困難
となる。長さが１２ｍｍを上回ると、吸収ピークの数が
多すぎて同定が難しくなり、やはりモニタリングが困難
になる。特に、電子密度の大きいプラズマに対してはそ
の傾向が強いため、長さは短い方が良い。

【００２２】ところで、プラズマの電子密度が小さいと
きは、吸収率は低下する。また、プラズマの電子密度は
チャンバ壁の付近では低くなるような分布を有するた
め、チューブ３２がチャンバ１の壁に近づくと、やはり
吸収率が低下する。さらに、チューブ３２表面がプラズ
マによって汚染される場合には、汚染が進むにつれて吸
収率が低下する。このように、電子密度が小さいプラズ
マやプローブの表面を汚染するようなプラズマについて
電子密度の測定やモニタリングを行うときには、アンテ
ナ２４の形状やチューブ３２の形状を適正化して吸収率
を大きくし、測定感度を上げる必要がある。

【００２３】このような観点から、図２に示す直線形状
よりも図３に示す各形状のものの方が好ましい。図３に
示す形状では、透過窓２２に対向するアンテナ２４の領
域、言い換えれば、透過窓２２に投影されるアンテナ２
４の領域が増加する。そのため、アンテナ２４から透過
窓２２を介してプラズマ中へ導入される高周波電力の割
合が増加する。その結果、高周波電力の吸収率も増加し
てモニタリングが容易になる。従って、図３に示す形状
においては、透過窓２２に対向するＬ字、Ｔ字、および
ループの部分は長い方が、また平板の部分は大きい方
が、それぞれ好ましい。その際、直線部分はなるべく短
い方が好ましい。短くすることで、電子密度等のプラズ
マモニタリングの空間分解能の低下を抑え、また直線形
状のアンテナの所で述べたような吸収率の大きい複数の
ピークの発生を抑えられるためである。また、Ｌ字、Ｔ
字、ループ、および平板の各部分は透過窓２２に対して
平行になるように形成されることが好ましい。また、Ｌ
字とＴ字の部分の長さが同じ場合には、Ｌ字型よりもＴ
字型のアンテナ２４の方が、高周波電力の吸収率が増加
するため好ましい。

【００２４】図２において、アンテナ２４の先端部は、
透過窓２２の大気側の表面と接触する方が好ましい。接
触することで、後述するように、吸収周波数の数が最も
少なく吸収率が最も高いため、モニタリングが容易にな
る。

【００２５】検出手段２５は、アンテナ２４へ高周波電
力を周波数を変化させながら導入し、アンテナ２４で検
知した反射波電力の極小値に対応する高周波電力の周波
数を検出する。前述したように、吸収周波数のときに高
周波電力はプラズマによって吸収されるため、反射波電
力の値が極小となる。すなわち、検出手段２５は吸収周
波数を検出する。検出手段２５は、例えばネットワーク
アナライザーなどである。ネットワークアナライザー
は、周波数を掃引しながら高周波電力を発生させる機
能、高周波電力を発生させながら同時に反射波電力を測
定する機能、測定された反射波電力から吸収周波数を検
出する機能を備えている。また、該アナライザーは、所
定の時間間隔ごとに、周波数を掃引しながら高周波電力
を発生させて吸収周波数を求める機能も有する。

【００２６】アンテナ２４と検出手段２５との間の同軸
ケーブル２３に、特定の周波数をカットするためのフィ
ルターが配置されていることが好ましい。こうすること
で、チャンバー１内にプラズマを起こすための高周波電
力が、反射波電力の測定値に混入してノイズとなること
を防止することができる。このようなフィルターは、ハ
イパスフィルター、ローパスフィルター、およびバンド
パスフィルターなどである。

【００２７】図４は、プラズマモニタリング部２０の他
の例を示す概略図である。なお、説明を簡単にするため
に、図４の構成のモニタリング部２０は図１には示して
いない。図４において、プラズマ処理装置のチャンバ１
内にシール部材３１を介して誘電体チューブ３２が挿入
されている。誘電体チューブ３２内には、図２で示した
同軸ケーブル２３の一端が挿入され、他端は図２に示し
た検出手段２５に接続されている。同軸ケーブル２３の
露出する芯線２４は、チューブ３２の先端部の内面の近
傍に、または内面に接触して、配置されている。図示し
ていないが、図４の同軸ケーブル２３の外部導体も、図
２に示す同軸ケーブル２３と同様に、チャンバ１ととも
に接地されている。誘電体チューブ３２を形成する材料
は、図２に示す透過窓２２を形成する材料と同様の誘電
体材料である。誘電体チューブ３２を構成する誘電体の
厚みなどの形状も、モニタリングするプラズマ処理の種
類、使用する高周波電力の周波数などによって、適切な
ものを選ぶ。チューブ３２の厚み、特に先端部の厚み
は、透過窓２２と同様に一般に薄い方が好ましい。チュ
ーブ３２の先端部の厚みは、例えば２ｍｍである。ま
た、図４に示す誘電体チューブ３２の先端は曲面で封じ
られているが、チューブ３２の先端は平面で封じられて
いる方が好ましい。こうすることで、やはりプラズマに
よる高周波電力の吸収率が増加する。

【００２８】図４に示した芯線２４も、図２の芯線２４
と同様に、高周波電力を放射して反射波電力を検知する
ためのアンテナとして作用する。つまり、芯線２４から
放射された高周波電力は誘電体チューブ３２を透過して
チャンバ１内のプラズマへ導入され、プラズマからの反
射波電力は誘電体チューブ３２を透過した後に芯線２４
によって検知される。

【００２９】図４のアンテナ２４の形状および長さなど
は、図２および図３に示したアンテナ２４と同様であ
る。図４のアンテナ２４の先端部も、チューブ３２の先
端部の内面に接触する方が好ましい。なお、チューブ３
２の先端が平面でなく曲面で封じられているときには、
その曲面に合うようにアンテナ２４の先端部を変形させ
ることが好ましい。こうすることで、チューブ３２の先
端が曲面であっても、アンテナ２４の先端部をチューブ
３２の先端部の内面に十分に接触させることができる。

【００３０】なお、図４に示す形態のプラズマモニタリ
ング部２０よりも、図２に示したモニタリング部２０の
方が好ましい。図４の誘電体チューブ３２はチャンバ１
内に挿入して用いるが、図２の透過窓２２はチャンバ１
の壁に取り付けるだけである。そのため、図２のモニタ
リング部２０の方が、モニタリング中にプラズマに与え
る影響がより少ないからである。

【００３１】次に、図１に示した装置の動作を説明す
る。まず、プラズマ処理部１０は以下のようにしてプラ
ズマ処理を行う。最初にチャンバ１内を排気口７を通し
て排気して所定の圧力にした後に、ガス供給源（図示せ
ず）からガス導入口６を通してチャンバ１内にプラズマ
用ガスを導入する。プラズマ発生用の高周波電力を石英
窓２を通してチャンバ１内に導入してプラズマ用ガスを
イオン化し、プラズマを発生させる。発生したプラズマ
によって基板電極８上の被処理物がプラズマ処理され
る。

【００３２】プラズマモニタリング部２０は、以下のよ
うにしてプラズマをモニタリングする。検出手段２５か
らの高周波電力を周波数を変えながらチャンバ１内部に
導入して、同時に検出手段２５によってチャンバ１内部
のプラズマからの反射波電力を測定する。そして、反射
波電力の極小値に対応する吸収周波数を検出する。後述
するように、吸収周波数はチャンバ１内部のプラズマの
状態を反映する相関関係を有する。従って、吸収周波数
を繰り返して検出してこの周波数の時間の経過に伴う変
化を観測することにより、プラズマ処理中のプラズマ状
態をモニタリングすることができる。

【００３３】また、透過窓２２および誘電体チューブ３
２が前述したように誘電体材料によって形成されている
ことによって、プラズマ処理中に透過窓２２およびチュ
ーブ３２に膜が堆積されても、高周波電力および反射波
電力の透過には殆ど影響が出ない。そのため、処理中の
膜堆積の影響を殆ど受けずにモニタリングすることが可
能である。また、透過窓２２およびチューブ３２が誘電
体材料から形成されていることによって、プラズマ処理
中のチャンバ１の内壁および被処理物などを金属汚染す
ることなく、プラズマをモニタリングすることができ
る。

【００３４】上述したプラズマモニタリング部２０は、
図２および３に示したような構成の他に、検出手段２５
で求めた吸収周波数を所定の時間間隔ごとに入力して、
この周波数の変化を自動的にモニタリングするためのモ
ニタリング手段をさらに備えていても良い。モニタリン
グ手段は、検出手段２５で検出される吸収周波数の値が
時間の経過とともにシフトして予め設定した範囲から外
れたときに、外部に所定の表示を出す機能、または後述
するプラズマ調整手段などへ所定の信号を送る機能を有
する。モニタリング手段は、例えば所定のプログラミン
グがされたコンピューターなどである。

【００３５】なお、吸収周波数のモニタリングとして
は、以下の方法を採用しても良い。すなわち、検出手段
２５において周波数を固定して高周波電力をチャンバ１
内部へ導入しながら同時に反射波電力の値を測定する。
そして、測定される反射波電力の値の変化をモニタリン
グ手段でモニタリングする。固定された高周波電力の周
波数には、例えばプラズマ処理中に検出手段２５によっ
て一番最初に検出された吸収周波数の値を用いる。この
ように吸収周波数における反射波電力の変化をモニタリ
ングすることによっても、吸収周波数の変化を観測する
ことができる。それは、吸収周波数における反射波電力
は極小値を示しており、吸収周波数がシフトすれば反射
波電力の値は極小値から増加するためである。モニタリ
ング装置は、反射波電力の値がシフトして予め設定した
範囲から外れたときに、外部に所定の表示を出したり、
または後述するプラズマ調整手段などへ所定の信号を送
る。

【００３６】プラズマモニタリング部２０は、さらに必
要であれば、処理中のプラズマ状態を調整するためのプ
ラズマ調整手段をさらに備えていても良い。このプラズ
マ調整手段は、モニタリング手段からの信号を受けて、
処理中のプラズマの状態を調整する。このプラズマ調整
手段も、先のモニタリング手段と同様に、例えば所定の
プログラミングがされたコンピューターなどからなる。
プラズマ調整手段は、例えば、図１に示すプラズマ用高
周波電源５、整合器４、またはガス供給源（図示せず）
と接続されている。そして、モニタリング手段から信号
を受けたときに、これらの構成の少なくとも１つの動作
パラメーターを調整して、チャンバ１内部のプラズマ状
態を調整する。調整するパラメーターとしては、例え
ば、高周波電源５で発生させる高周波電力の電圧もしく
は周波数、ガス供給源（図示せず）から供給するガスの
流量などである。

【００３７】プラズマ調整手段でプラズマ状態を調整す
ることによって、例えばプラズマ処理部１０でのプラズ
マ処理を適切なタイミングで停止することができる。具
体的には、プラズマエッチング処理の停止、プラズマク
リーニング処理の停止、プラズマアッシング処理の停止
などを行うことができる。言い換えれば、プラズマエッ
チングの終点（エンドポイント）の検出、プラズマクリ
ーニングの終了時点の検出、またはプラズマアッシング
の終了時点の検出などを行うことができる。

【００３８】なお、以上説明したプラズマモニタリング
部２０を構成する部材のうち、図２または３に示した同
軸ケーブル２３の先端部のアンテナ（芯線）２４、検出
手段２５、また必要に応じて、モニタリング手段および
プラズマ調整手段を、まとめて外付け用のプラズマモニ
タリング用装置として用いても良い。このような構成の
モニタリング装置を、モニタリング機能を有さない既存
のプラズマ処理装置に取り付ければ、既存のプラズマ処
理装置についてもプラズマをモニタリングすることがで
きる。

【００３９】なお、プラズマ処理装置が、チャンバ１内
部を観測するための透明窓のための開口部を予め有する
場合には、この開口部に図２の透過窓２２を取り付けれ
ば良く、プラズマ処理装置本体に新しく開口部を設ける
必要がない。従って、既存のプラズマ処理装置に対し
て、図２に示す構成を含むモニタリング用装置を容易に
取り付けることができる。また、図１に示したようにＩ
ＣＰ方式のプラズマ処理部１０の場合には、チャンバー
１の誘電体部品を透過窓２２として共用しても良い。こ
のような部品は、例えば、チャンバー１内に高周波電力
を印加するための石英窓２、または基板電極８の被覆材
（フォーカスリング）などである。こうすることで、透
過窓２２などの新たな誘電体部品を設ける必要がなくな
る。

【００４０】図５は、図１に示す装置を用いてプラズマ
を発生させ、チャンバ１内部に高周波電力を周波数を変
えながら導入して反射波電力を測定したときの測定結果
を模式的に示した図である。図５の横軸は高周波電力の
周波数、縦軸は反射波電力を高周波電力の値で除した反
射係数比である。図５に示すように、測定される反射係
数比には極小値のピークが現れる（このピークの高さ
が、前述の高周波電力の吸収率に対応する）。前述した
ように、極小値が現れるのは、チャンバ１内部に導入さ
れた高周波電力の一部がプラズマに吸収されるからであ
る。図５では、一例として複数の極小値ａ、ｂ、ｃ、ｄ
が現れる場合を示している。これらの極小値のそれぞれ
に対応する高周波電力の周波数が吸収周波数である。そ
れぞれの吸収周波数は、プラズマ処理中のプラズマの変
化を反映して時間とともにシフトする。このシフト量を
観測することによって、処理中のプラズマ状態をモニタ
リングすることができる。なお、図５に示すように吸収
周波数が複数あるときには、そのうちの１つの周波数に
着目して、その変化をモニタリングする。

【００４１】吸収周波数は、プラズマ状態に対応する量
であり、より詳細にはプラズマの電子密度に対応する量
である。プラズマの電子密度は、プラズマとチャンバ１
内壁との間の相互作用の変動、すなわちチャンバ１内部
での処理状態の変動を敏感に反映して変化する。すなわ
ち、プラズマの電子密度は、例えば、プラズマ中の活性
種のチャンバ１内壁表面での失活、電子の損失、チャン
バ１の内壁表面からプラズマ中への粒子の再放出等によ
って、プラズマ中のガス組成が変化するために変化す
る。より具体的には、電子密度の変化は、例えばエッチ
ング中に反応生成物が生じたりエッチングガスの一部が
反応で消費されたりしてプラスマ中のガス組成が変化す
るために起こる。このような電子密度の増減は、プラズ
マ中のガスが電子を放出しやすくなるか、取り込みやす
くなるかによって変わり、エッチング材料によってその
増減量が変化する。従って、吸収周波数の変化をモニタ
リングすることによって、処理中のプラズマ状態、ひい
てはチャンバ１内部での処理状態を高感度でモニタリン
グすることができる。

【００４２】なお、図４の構成のモニタリング部２０を
採用した場合には、測定される吸収周波数の値は、チュ
ーブ３２の長さ方向での同軸ケーブル２３の位置ととも
にシフトする。これは、吸収周波数の値が、誘電体チュ
ーブ３２を形成する絶縁物表面付近に存在する表面波の
異なるモードに対応していると考えられるからである。
特に、図５に示すように吸収周波数が複数ある場合に
は、最も周波数の低い吸収周波数（例えば図５のピーク
ａの周波数）は同軸ケーブル２３の位置を移動させても
シフトせず、他の吸収周波数（例えば図５のピークｂ〜
ｄの周波数）がシフトする。これらの周波数は全て、同
軸ケーブル２３の芯線（アンテナ）２４の先端位置を誘
電チューブ３２の最先端位置（チューブ３２の先端部外
表面の位置）に外挿した点で、値が一致する。この一致
した吸収周波数は表面波共鳴周波数に一致すると考えら
れ、この周波数から下式（１）に従ってプラズマの電子
密度を求めることができる。

【００４３】ｎ_e＝（ε₀・ｍ_e／ｅ²）・（１＋ε_d）ω² ………………（１）ここで、ｎ_eは電子密度、ε₀は真空中の誘電率、ｍ_e
は電子の質量、ｅは電子の電荷素量、ε_dは誘電体チュ
ーブの誘電率、ωは外挿点での吸収周波数である。

【００４４】しかし、同軸ケーブル２３の位置を動かし
てピークｂ〜ｄをシフトさせ、前述のように外挿点で一
致する周波数を求めるのは煩雑であり時間がかかる。ま
た、シフトしないピークａの周波数は、外挿点で一致す
る周波数を常に示しているわけだが、他のｂ〜ｄのピー
クに比べて大きさが小さく、周波数の同定が難しい。

【００４５】そこで、通常は、シフトするピークのうち
最もその値の大きいピーク（例えばピークｄ）とシフト
しないピークａとの間で、周波数の相関関係を測定して
おく。測定は、同軸ケーブル２３の位置を固定した状態
で、あるガス種のプラズマに対して電子密度を様々に変
化させて図５のデータを取り、これらのデータから２つ
のピークａ、ｄの周波数の間の関係を求めて行う。一度
この相関関係を求めておけば、プラズマのモニタリング
中に測定された図５のデータから、プラズマの電子密度
を容易にかつ迅速に求めることが可能となる。すなわ
ち、図５のデータからピークｄの周波数を求め、前記相
関関係および式（１）を使って電子密度を求めれば良
い。また、前述したような電子密度を求めるために同軸
ケーブル２３の位置を動かす必要もない。

【００４６】以上、説明したように、本発明において
は、処理中のプラズマに高周波電力を導入して反射波電
力を測定することによって、プラズマ状態の変化をモニ
タリングしている。このようにモニタリングすること
で、プラズマ状態、ひいてはプラズマ処理装置のチャン
バ１内部での処理状態の変動を高感度でモニタリングし
ながらプラズマ処理することが可能である。また、誘電
体材料からなる透過窓２２またはチューブ３２を通して
高周波電力や反射波電力の導入または測定をしているた
め、プラズマ処理中の膜のプラズマモニタリング部への
堆積の影響を殆ど受けない。

【００４７】なお、本明細書中の例（プラズマ処理装置
およびプラズマモニタリング装置）では、高周波電力の
導入と反射波電力の測定とを１本のアンテナ２４で行っ
たが、それぞれ互いに近接する複数のアンテナに分けて
行なっても良い。

【００４８】

【実施例】（実施例１）図１に示したプラズマ処理装置
を用いて、ＭｏＷ基板をエッチング処理した。そして、
エッチング中とエッチング後とで、チャンバ１内部に高
周波電力を導入して反射波電力を測定し、吸収周波数を
求めた。エッチングは、プラズマ用ガスとしてＳＦ₆／
Ｏ₂をそれぞれ１００／１００ｓｃｃｍで導入し、ガス
圧を２０ｍＴｏｒｒに保ち、プラズマ用高周波電力とし
て６００Ｗを用いて行った。また、プラズマモニタリン
グ部２０には、図２に示したような石英からなる透過窓
２２を用いる構成のものを用いた。

【００４９】図６に、エッチング中に反射波電力を測定
した結果の一例を示す。図６の横軸はチャンバ１内部へ
導入した高周波電力の周波数であり、縦軸は反射係数比
である。図６から分かるように、反射係数比の極小値の
ピークに対応する吸収周波数は、約０．８５ＧＨｚに位
置する。図７は、エッチング終了後に反射波電力を測定
した結果の一例である。図７から分かるように、吸収周
波数は約０．７５ＧＨｚに位置している。これらの結果
から分かるように、エッチング後の吸収周波数は、エッ
チング中の吸収周波数よりも約０．１ＧＨｚだけ低周波
数側にシフトしている。このように、本発明によってエ
ッチングの終点を検出できることが分かり、本発明の効
果が確かめられた。

【００５０】（実施例２）図１に示す装置を用いてチャ
ンバ１内にプラズマを発生させた。そのとき、図４に示
す構成のプラズマモニタリング部２０を用いてプラズマ
状態を観測して、図５に示した複数の吸収周波数を伴う
反射波電力のデータを測定した。そして、同軸ケーブル
２３の位置とともに移動するピークと移動しないピーク
との間の周波数の相関関係を求めた。

【００５１】プラズマは、ＳＦ₆、Ｏ₂、ＳＦ₆／
Ｏ₂、Ａｒをそれぞれ１００〜２００ｓｃｃｍで導入し
てガス圧を１０〜２０ｍＴｏｒｒに保ち、プラズマ用高
周波電力として３００〜８００Ｗを用いて発生させた。
そして、プラズマの電子密度は、ガス流量、ガス圧、高
周波電力を変化させることによって様々に変化させた。
また、誘電体チューブ３２には石英チューブを採用し、
同軸ケーブル２３は石英チューブ３２の先端部の内面に
接触させて使用した。

【００５２】図８に、測定結果の一例を示す。図８の横
軸は図５のピークｄのような同軸ケーブル２３とともに
移動するピークの吸収周波数、縦軸は図５のピークａの
ような移動しないピークの吸収周波数である。図８の結
果から、両ピークの間にはきれいな比例関係があること
が分かった。そして、この比例関係および式（１）を用
いれば、モニタリング中に測定される図５のようなデー
タから容易にかつ迅速にプラズマの電子密度を求められ
ることが確認できた。

【００５３】（実施例３）図１の装置を用いて、図４に
示すチューブ３２内の芯線２４（アンテナ）の位置と反
射係数比との関係を測定した。プラズマは、Ａｒ＝５０
ｓｃｃｍ、１０ｍＴｏｒｒ、２００Ｗの条件で発生させ
た。また、アンテナ２４は長さ６ｍｍの直線形状のもの
を使用した。図９に測定結果の一例を示す。図９から明
らかなように、アンテナ２４先端部がチューブ内面に接
触している（図のＸ＝０ｍｍ）ときには２つのピーク
Ｂ、Ｄしか発生しないが、アンテナ２４がチューブ３２
内面から離れる（図のＸ＝６ｍｍ、１０ｍｍ）と、３つ
ピークＡ、Ｂ、Ｄが発生する。ピークＢ、Ｄの周波数は
アンテナ２４の位置によって変化し、また、アンテナ２
４がチューブ３２内面に接触しているときに発生する高
周波側のピークＤが、アンテナ２４の位置を変化させた
ときのどのピークよりも大きい。このことから、モニタ
リング中のアンテナ２４すなわち芯線２４の位置は、チ
ューブ３２内部で固定することが好ましいことが分かっ
た。また、アンテナ２４先端部は、チューブ３２先端部
の内面に接触していることが好ましいことが確認され
た。以下の実施例はすべて、アンテナ２４の先端部をチ
ューブ３２内面に接触させて行った。

【００５４】（実施例４）図１の装置を用いて、図４に
示すチューブ３２外表面の汚染状態と高周波電力の吸収
率との関係を調べた。チューブ３２外表面の汚染は、Ｒ
ＩＥ方式のプラズマチャンバにチューブ３２を挿入した
状態でプラズマを起こし、チューブ３２外表面に堆積物
を形成して行った。汚染時のプラズマは、Ｃ₄Ｆ₈＝５０
ｓｃｃｍ、１５０ｍＴｏｒｒを、２００Ｗの放電で発生
させた。一方、吸収率の測定は、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、
２０ｍＴｏｒｒ、４００Ｗのプラズマ中で行った。アン
テナ２４は、３ｍｍおよび１０ｍｍの長さの直線形状の
ものを使用した。

【００５５】図１０に測定結果の一例を示す。図１０の
横軸は汚染時の堆積時間であり、縦軸は測定された吸収
率である。図１０から明らかなように、汚染時間が長く
なるにつれ、つまりプローブの表面が汚れるに従って吸
収率は低下する。アンテナが３ｍｍのとき、約９０分の
汚染では吸収率が小さくピークを検出することはできな
かった。しかし、１０ｍｍのアンテナでは９０分でもピ
ークを検出でき、さらにより長い時間までピークを検出
できた。このように、堆積性プラズマの電子密度測定や
モニタリングにおいては、表面の汚染によって吸収率が
低下するので、より感度の高いアンテナが求められ、ア
ンテナの形状が直線形状のものでは、その長さが長い方
が感度が良いことが確認された。

【００５６】（実施例５）図１の装置を用いて、図４に
示すチューブ内３２でのアンテナ２４の長さと、高周波
電力の吸収率との関係を測定した。アンテナ２４には直
線形状のものを使用した。プラズマは、Ａｒ＝５０ｓｃ
ｃｍ、１０ｍＴｏｒｒ、４００Ｗの条件で発生させた。
図１１に測定結果の一例を示す。図１１（ａ）から明ら
かなように、アンテナ２４の長さが長くなるほど吸収率
が大きくなることが確認された。一方、図１１（ｂ）に
示すように、アンテナ２４の長さが２０mm程度になる
と、複数の吸収率のピーク（図の反射係数比の極小値の
ピーク）の高さが同程度になって、ピークの同定が困難
になることも確かめられた。これらの結果より、アンテ
ナ２４の直線部分の長さは８ｍｍ以上１２ｍｍ以下が適
切であることが確認された。

【００５７】（実施例６）図１の装置、ならびに図４に
示すチューブ３２およびアンテナ２４を用いて、アンテ
ナ２４に入力する高周波電力の周波数と吸収率との関係
を調べた。プラズマは、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、１０ｍＴ
ｏｒｒのもとでＲＦパワー（すなわち周波数）を様々に
変化させて発生させた。アンテナ２４は、１０ｍｍの長
さの直線形状のものを使用した。

【００５８】図１２に測定結果の一例を示す。図１２か
ら分かるように、周波数が小さい（ＲＦパワーが小さ
い）ほど、すなわちプラズマの電子密度が小さいほど、
吸収率が低下することが確かめられた。

【００５９】一方、周波数を上げていくと、吸収率も増
加するが８００Ｗ程度で複数のピークが発生した。これ
は、前述したように、高周波電力の周波数が大きくなっ
て波長が短くなったために、余計なモードの波が発生し
たからであると考えられる。このように、直線形状のア
ンテナ２４については、電子密度の大きいプラズマに対
しては、長さは短い方が良いことが確かめられた。

【００６０】（実施例７）図１の装置を用いて、図４に
示すチューブ３２内でのアンテナ２４の形状と、高周波
電力の吸収率との関係を測定した。各アンテナ２４の直
線部分の長さはほぼ３．０ｍｍに固定し、直線形状、Ｌ
字型先端部、Ｔ字型先端部の各アンテナ形状について測
定した。プラズマは、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、２０ｍＴｏ
ｒｒ、５００Ｗの条件で発生させた。

【００６１】図１３に測定結果の一例を示す。図１３か
ら明らかなように、直線形状よりもＬ字型の方が吸収率
が高いことが確認された。また、Ｌ字部分およびＴ字部
分の長さが同じであれば、Ｌ字型よりもＴ字型のアンテ
ナ２４の方がさらに吸収率が高いことが確められた。さ
らに、Ｌ字部分またはＴ字部分がそれぞれ長くなるほ
ど、吸収率が高くなることも確認された。

【００６２】（実施例８）図１の装置を用いて、図４に
示すチューブ３２の先端部の形状および先端の厚みと、
高周波電力の吸収率との関係を測定した。チューブ３２
には、図１４（ａ）に示すように先端が曲面で封じられ
たものと、図１４（ｂ）に示すように先端が平面で封じ
られたものを用いた。各チューブ３２とも石英製で、そ
れぞれ外径は８ｍｍ、内径は５ｍｍであった。アンテナ
２４は、長さ３ｍｍの直線形状のものを使用した。プラ
ズマは、Ａｒ＝５０ｓｃｃｍ、７．５ｍＴｏｒｒ、４
００Ｗの条件で発生させた。

【００６３】まず、先端の厚みが等しい両チューブ３２
について吸収率を測定したところ、図１４（ｂ）のチュ
ーブ３２の方が図１４（ａ）のチューブ３２よりも約４
０％高い吸収率を示した。この結果より、先端が平面で
封じられたチューブ３２を用いる方が吸収率が高いこと
が確認された。

【００６４】次に、図１４（ｂ）のチューブ３２の先端
の厚みを変えて吸収率を測定した。測定結果の一例を下
表１に示す。

【００６５】

【表１】

【００６６】上表１から明らかなように、チューブ３２
の先端部の厚みが小さいほど吸収率が大きいことが確か
められた。

【００６７】

【発明の効果】以上、詳述した通り、本発明によれば、
プラズマ処理装置の内面状態の変動を処理中の膜堆積の
影響を殆ど受けずに高感度でモニタリングしながら処理
することが可能なプラズマ処理方法およびその装置、な
らびにプラズマモニタリング装置を提供することができ
る。本発明によれば、プラズマ処理装置のメンテナンス
が必要な時期を検出できて、メンテナンス終了直後の装
置がプラズマ処理を再開できる状態に戻る時期を検出す
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す概
略断面図。

【図２】本発明に係るプラズマモニタリング部の一例を
示す概略図。

【図３】本発明に係るアンテナの形状の一例を示す斜視
図。

【図４】本発明に係るプラズマモニタリング部の他の例
を示す概略図。

【図５】本発明に係る反射波電力の測定結果の一例を示
す図。

【図６】本発明の実施例におけるエッチング中の測定結
果の一例。

【図７】本発明の実施例におけるエッチング後の測定結
果の一例。

【図８】本発明の実施例における２つの吸収周波数の間
の相関関係を測定した結果の一例を示す図。

【図９】本発明の実施例におけるアンテナの位置と反射
係数比との間の関係を測定した結果の一例を示す図。

【図１０】本発明の実施例におけるチューブ外表面の汚
染状態と高周波電力の吸収率との間の関係を測定した結
果の一例を示す図。

【図１１】本発明の実施例におけるアンテナの長さと吸
収率との間の関係を測定した結果の一例を示す図。

【図１２】本発明の実施例における高周波電力の周波数
と吸収率との間の関係を測定した結果の一例を示す図。

【図１３】本発明の実施例におけるアンテナの形状と吸
収率との間の関係を測定した結果の一例を示す図。

【図１４】本発明の実施例で用いたチューブの形状の一
例を示す断面図。

【符号の説明】

１…チャンバ２…石英窓３…ループアンテナ４…整合器５…プラズマ用高周波電源６…ガス導入口７…排気口８…基板電極１０…プラズマ処理部２０…プラズマモニタリング部２１、３１…シール部材２２…透過窓２３…同軸ケーブル２４…芯線２５…検出手段２６…接地線３２…誘電体チューブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ処理容器中でプラズマを発生さ
せて所定の処理を行うプラズマ処理方法であって、前記プラズマへ高周波電力を周波数を変えながら導入し
てプラズマからの反射波電力を求め、反射波電力の極小
値に対応する高周波電力の周波数を検出し、プラズマ処
理中の前記周波数の変化に基づいてプラズマの状態をモ
ニタリングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】前記処理がプラズマクリーニングである
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】前記処理がプラズマエッチングであるこ
とを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】前記処理がプラズマアッシングであるこ
とを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】プラズマ処理容器と、プラズマ処理容器に設けられた透過窓と、透過窓を通してプラズマへ導入するための高周波電力を
放出する機能を持つ第１のアンテナと、前記透過窓を通過したプラズマからの反射波電力を検知
する機能を持つ第２のアンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させな
がら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力
の極小値に対応する高周波電力の周波数を検出する検出
手段とを具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】前記第１のアンテナと前記第２のアンテ
ナとがそれぞれ持つ前記機能を１本のアンテナに持つこ
とを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】前記アンテナの先端部は前記窓と接触す
ることを特徴とする請求項５または６項記載のプラズマ
処理装置。
【請求項８】プラズマ処理容器と、プラズマ処理容器内に挿入された、先端が封じられた誘
電体チューブと、誘電体チューブ内に挿入され、前記チューブを通してプ
ラズマへ導入するための高周波電力を放出し、前記チュ
ーブを通過したプラズマからの反射波電力を検知するア
ンテナと、前記アンテナへ高周波電力を周波数を変化させながら導
入し、前記アンテナで検知した反射波電力の極小値に対
応する高周波電力の周波数を検出する検出手段とを具備
することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】前記アンテナの先端部は前記チューブの
先端部の内面と接触することを特徴とする請求項８記載
のプラズマ処理装置。
【請求項１０】前記アンテナは直線形状であることを
特徴とする請求項５ないし９記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】前記アンテナの先端部はＬ字型をなす
ことを特徴とする請求項５ないし９記載のプラズマ処理
装置。
【請求項１２】前記アンテナの先端部はＴ字型をなす
ことを特徴とする請求項５ないし９記載のプラズマ処理
装置。
【請求項１３】前記アンテナの先端部はループをなす
ことを特徴とする請求項５ないし９記載のプラズマ処理
装置。
【請求項１４】前記アンテナの先端部は平板を有する
ことを特徴とする請求項５ないし９記載のプラズマ処理
装置。
【請求項１５】前記アンテナと前記検出手段との間
に、特定の周波数をカットするためのフィルターが配置
されることを特徴とする請求項５ないし１４いずれか１
項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】処理中のプラズマへ導入する高周波電
力を放出する第１のアンテナと、プラズマからの反射波
電力を検知するためにプラズマ処理容器に取り付けられ
る第２のアンテナと、前記第１のアンテナへ高周波電力を周波数を変化させな
がら導入し、前記第２のアンテナで検知した反射波電力
の極小値に対応する高周波電力の周波数を吸収周波数と
して検出する検出手段とを具備することを特徴とするプ
ラズマモニタリング装置。
【請求項１７】前記第１のアンテナと前記第２のアン
テナとがそれぞれ持つ前記機能を１本のアンテナに持つ
ことを特徴とする請求項１６記載のプラズマモニタリン
グ装置。
【請求項１８】前記アンテナは直線形状であることを
特徴とする請求項１６または１７記載のプラズマモニタ
リング装置。
【請求項１９】前記アンテナの先端部はＬ字型をなす
ことを特徴とする請求項１６または１７記載のプラズマ
モニタリング装置。
【請求項２０】前記アンテナの先端部はＴ字型をなす
ことを特徴とする請求項１６または１７記載のプラズマ
モニタリング装置。
【請求項２１】前記アンテナの先端部はループをなす
ことを特徴とする請求項１６１７記載のプラズマモニタ
リング装置。
【請求項２２】前記アンテナの先端部は平板を有する
ことを特徴とする請求項１６または１７記載のプラズマ
モニタリング装置。
【請求項２３】前記アンテナと前記検出手段との間
に、特定の周波数をカットするためのフィルターが配置
されることを特徴とする請求項１６ないし２２いずれか
１項記載のプラズマモニタリング装置。