JP2001237234A - プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法 - Google Patents
プラズマ処理装置及びそれを用いた処理方法Info
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Abstract
電圧を加え、プラズマから流れる電流をを測定し、その
電流電圧特性からプラズマ特性を計測する従来技術があ
るが、プラズマ中の反応生成物がプローブ表面に付着す
るため正しくプラズマ特性を計測できない場合があると
いう問題があった。 【構成】被計測対象であるプラズマ中に装荷されたプロ
ーブ、このプローブに高周波を印加するための高周波電
源、プローブの電圧を測定する電圧計、プローブに流れ
る高周波電流を測定する電流計、高周波電流電圧からプ
ラズマ特性を推定するデータ処理機からなる。直流電圧
電流特性に換えて高周波電圧電流特性を用いることで、
プローブ表面の状態変動の外乱を受け難いプラズマ計測
が可能となる。
Description
ズマ処理を施すプラズマ処理装置及びそれを用いた処理
方法に係り、特に、プラズマ特性を計測してその処理の
品質を監視するものに関する。
て、例えば「Plasma Diagnostics
Volume 1」(Orlando Anciell
o, Daniel L. Flamm 編、Acad
emic Press刊)に開示されたように、プラズ
マ中にプローブを装荷してその直流的な電圧電流特性を
測定することでプラズマの密度、電子温度等を測定する
ラングミュアプローブ法と呼ばれる方法がある。また特
開平08−106992号公報に開示されたようにUL
SI等の製造においてプラズマを用いたドライエッチン
グ装置による加工が行われる。この工程でプラズマ処理
の品質を監視するためにプラズマの発光等の状態をモニ
タし、装置状態を把握することで部品交換等の保守作業
を効率よく行う方法がある。
ミュアプローブ法では、プラズマ中で形成される絶縁性
の反応生成物等がプローブ表面に付着する場合がある。
この反応生成物によりプローブに直流電流が流れること
を阻害するため、安定した測定が困難となる。
質の監視については、例えばプラズマ発光を処理室外部
に取り出すための窓表面に反応生成物が付着する、また
はプラズマ中のイオン等の作用により窓が削れるなどの
問題があり、安定して装置状態を監視することが困難で
あった。本発明が解決しようとする課題は、プラズマ処
理装置において、反応生成物等の付着があってもプラズ
マ特性の計測を可能とする計測方法を提供するとにあ
る。
置の装置状態監視にあたり、プラズマ処理に与える外乱
の小さい監視方法を提供することにある。
ガス供給系および真空排気系を有する処理室、該処理室
内に被処理基板を載置するための基板電極、該基板電極
を介して被処理基板に高周波バイアスを加えるための高
周波電源を備えたプラズマ処理装置において、前記処理
室内のプラズマ中に挿入するプローブ部と、該プローブ
部に高周波電圧を供給する高周波電源と、該プローブ部
の高周波電圧を測定する電圧計と、該プローブ部を介し
てプラズマに流入する高周波電流を測定する電流計から
なるプラズマ特性計測装置を備えたことを特徴とする。
測用プローブに高周波電力を印加し、その電圧電流特性
からプラズマ特性を測定することで解決できる。またプ
ラズマ処理装置において高周波電力を印加したプローブ
によりプラズマ特性を計測することで上記課題は解決で
きる。またプラズマ処理に用いる高周波の電圧電流の計
測によりプラズマ処理に与える外乱を小さくできる。
流特性からプローブとプラズマ界面に形成されるシース
の厚さを計測すること、およびプローブの直流電圧電流
特性を推定することによりプラズマ特性を測定すること
ができる。プローブ表面が絶縁性の反応生成物で覆われ
ても容量性インピーダンスを介して高周波電流は流れる
ためプラズマ特性の測定が可能である。
工程のうちプラズマを用いた基板のドライエッチング工
程で、エッチング中のプラズマの状況を監視することに
用いることができる。プラズマを監視することにより、
エッチング処理装置の状態を定量的に評価することが出
来るため、エッチング処理装置の安定稼動、装置異常の
早期発見に役立つ。
を用いて本発明の第1の実施例を説明する。まず、図1
に本発明を用いたプラズマ特性計測装置の測定回路を示
す。測定対象となるプラズマ101内に球状のプローブ
102が装荷されている。プラズマ101はプローブ1
02の表面積と比べて大きな面積を持つアース電極10
8を介して接地されているものとする。プローブ102
はステンレス鋼製である。プローブ102の形状は球に
限定されるものでなく平板、円柱等他の形状であっても
よい。またプローブ102の材質も、導電率が高く耐熱
性の高いものであれば銅、アルミニウム等であってもよ
い。
周波電源107は、コンデンサ105、表面をアルミナ
セラミック等で絶縁された電線103を介して接続され
ている。さらにプローブ102の電圧、電流を測定する
ための電圧計106、電流計104が接続されている。
電線103表面のアルミナセラミック等の絶縁物は高周
波電源107によって流れる高周波電流がプローブ10
2を介してのみプラズマ101に流れるようにするため
に用いている。本測定回路でプラズマの高周波電流電圧
特性を測定する。
性を推定する方法について説明する。一般にプラズマは
バルク部分のインピーダンスに比べシース部分のインピ
ーダンスが高く、図1に示した測定回路ではプローブと
プラズマの界面に生じるシースの特性が電圧電流特性に
現れるため図1に対応したプラズマはシース部分を考慮
しモデル化される。プラズマ中の高周波電流は主に質量
が小さい電子により担われる。そのため電子の密度が低
いイオンシースは高周波的にコンデンサとしてモデル化
される。また直流的には電圧に応じて電子とイオンが電
流を担う電流源とモデル化される。またコンデンサ、電
流源とも高周波電圧に依存してその容量、電流が変化す
る。そのためシース部は容量と電流源の並列回路として
モデル化され図1に示す測定回路は(式1)に示すよう
にモデル化される。
に、(式1)に従って測定した高周波電圧電流から求め
たシース容量、シース電流源の特性を図3に示す。プロ
ーブには周波数800kHzの電圧を加えた。
した高周波電流の値も合わせて示す。シース容量、シー
ス電流源の特性算出の手順を以下に示す。 (1)シース容量C(V)、シース電流源D(V)の特性を仮定
する。 (2)(式1)に従い高周波電流I'を求める。 (3)測定した高周波電流Iと(2)で求めたI'の二乗
誤差εを求める。 (4)εのシース容量C(V)、シース電流源D(V)に対する
勾配を求め、εを小さくする方向にシース容量C(V)、シ
ース電流源D(V)の特性を修正する。 (5)(2)に戻る。εが十分小さくなったところで手
順を終了する。
ク(電子通信学会編、オーム社(昭和54年))」に開
示されているようにシース厚さとシース面積により(式
2)のように現される。
入門」(内田岱二郎訳、丸善株式会社刊)に開示されて
いるようにデバイ長と呼ばれる厚さ程度であることが知
られており(式3)のように表現できる。
ることでプラズマ密度を推定することが出来る。
nostics Volume 1」(Orlando
Anciello, Daniel L. Flam
m編、Academic Press刊)に開示されて
いるように、シース電流特性よりプラズマ密度、電子温
度等のプラズマ特性を知ることが出来る。
からそれぞれプラズマ密度を求めることが出来るため、
プローブの表面状態を推定することが出来る。例えばプ
ローブ表面に絶縁物が付着すると見かけのシース厚さが
増えたように特性が変化するが、シース電流特性には影
響が出難い。そこで両者の差異を利用してプローブの表
面状態を推定することが出来る。プローブの表面状態に
より例えばクリーニング時期等の目安とすることが出来
る。
よって変化するモデルで実施例を説明したが、シース容
量が変化しないプラズマモデルに簡略化することもでき
る。またプラズマモデルとして上記のようにシース部の
みに着目したモデルとしたが、バルクプラズマの抵抗を
考慮して、シース部を表す容量と電流源の並列回路に加
えて抵抗を直列に接続したモデルとすることもできる。
ておくこともできる。この場合電圧制御電流源の特性か
らプラズマ特性を求める際に直流電位が定まらないため
プラズマポテンシャルが算出できないがシース容量から
算出したプラズマ密度から逆算して最終的に直流電位を
定めることができる。
実施例を、図4から図6を用いて説明する。これらの実
施例は、実施例1で示したプラズマ計測方法および装置
を、プラズマ処理装置に適用した例である。図6に本発
明を用いたエッチング装置を示す。図示しないガス供給
系、真空排気系が接続された処理室602の内部にプラ
ズマ源601によりプラズマを発生させる。被処理基板
607を載置した基板電極608が処理室602内に設
置されている。基板電極608には高周波電源611が
整合器610、ブロッキングコンデンサ609を介して
接続されており、被処理基板に高周波バイアス電圧を加
えることができる。また処理室内にプローブ603が装
荷され、ブロッキングコンデンサ612をかいして高周
波信号源606が接続されている。またプローブ603
に流れる電流を計測するための電流計604、電圧を計
測するための電圧計605が接続されている。電圧計6
05、電流計604の計測値を用いて実施例1で説明し
た方法によりプラズマ特性を推定することができる。
電極608に時間的に変動する電圧を加えるとプラズマ
中の電子とイオンの移動度の違いにより直流バイアス電
位が生じる。通常基板電極が負にバイアスされ、プラズ
マ中の正イオンを定常的に被処理基板607に向けて加
速する。このイオンにより異方性の加工を施すことがで
きる。
例として、図5に示すようにプローブに高周波を印加す
る信号源と基板に高周波バイアス電圧を加える電源を同
一の高周波電源504としてもよい。なお、501はプ
ローブ、502は電流計、503は電圧計、505は被
処理基板を示す。
接触する部分の形状を球状、円盤状、円柱状等の表面積
が幾何学的に算出しやすい形状とすることができる。プ
ローブ501に高周波を給電する線路はプラズマに高周
波がもれないように同軸構造となっている。さらに同軸
外部導体が直接プラズマに電気的に接続してプラズマ電
位を変化させることを防止するためにアルミナセラミッ
ク等の絶縁物で被覆されている。またプローブ603の
形状をリング状としてもよい。これによりプローブ構造
を概略軸対称とすることができる。エッチング装置全体
が概略軸対称な構造をとる場合、その中心軸に合わせて
リング状のプローブ603を処理室内に配置することに
よりプローブ装荷による外乱でプラズマ分布が非軸対称
となることを防止できる。またプローブ603の材質と
して被エッチング材に応じて汚染、異物等の問題が生じ
にくい導電性物質を用いることができる。例えば導電性
材料をエッチングする場合には同じ導電性材料を用いる
ことで汚染等の問題を避けることができる。また被処理
基板がシリコンである場合にシリコンを用いてもよい。
被処理基板の外周部にフォーカスリングと呼ばれる部材
を設置する場合がある。通常エッチング処理において反
応生成物の面内分布が面内均一性に影響を与える。フォ
ーカスリングにより被処理基板外周部での反応生成物分
布の均一化を図りエッチング処理の面内均一性を確保す
ることができる。このフォーカスリングが導電性を持つ
場合、フォーカスリングの電圧電流特性を測定し、プロ
ーブとして用いることができる。
した実施例として、図4に示すようにプローブに替えて
基板電極をプローブとして用いてもよい。図示しないガ
ス供給系、真空排気系が接続された処理室402の内部
にプラズマ源401によりプラズマを発生させる。被処
理基板403を載置した基板電極404が処理室402
内に設置されている。基板電極404には高周波電源4
09が整合器408、ブロッキングコンデンサ407を
介して接続されており、被処理基板に高周波バイアス電
圧を加えることができる。高周波電源409により基板
電極404に流れる電流を計測するための電流計40
5、基板電極の電位を計測するための電圧計406が基
板電極404に接続されている。
流特性やそこから推定したプラズマ特性により、エッチ
ング装置の状態を知ることができる。装置状態を定量的
に評価できるため、装置の劣化、経時変化等を監視でき
る。
板をドライエッチング処理する工程は基板1枚あたり数
十秒程度必要とすることが多い。エッチング中には被エ
ッチング材と反応する活性種(以下エッチャントと呼
ぶ。)が反応により減少する一方で反応生成物の密度が
高くなっている。エッチングがほぼ終了するころには被
エッチング材はほぼ除去されているため反応生成物の密
度は低く、エッチャントの密度が相対的に高くなる。こ
ういったエッチング処理の時間経過に伴い、プラズマの
密度、温度等のパラメータも変化する。エッチング処理
開始から各時刻の高周波電圧電流特性を記録し、この特
性からエッチング中のプラズマパラメータ変化を捉える
ことができる。
のエッチング処理に伴う変動を記録し、これを装置が正
常な場合の記録と比較することにより装置異常を早期に
発見することができる。またエッチングの初期、エッチ
ング中、エッチング終了直前等、時刻を決め、これによ
り装置の状態を判定することもできる。装置の状態を監
視できるため、装置の安定した稼動が可能となる。
物等がプローブに付着する等による外乱の影響を受け難
いプラズマ計測装置を、半導体集積回路等を製造するた
めのプラズマ処理装置に適用することにより、プラズマ
処理装置の安定稼動を可能とすることができる。
図。
断面図。
の断面図。
の断面図。
Claims (5)
- 【請求項1】プラズマ源、ガス供給系および真空排気系
を有する処理室、該処理室内に被処理基板を載置するた
めの基板電極、該基板電極を介して被処理基板に高周波
バイアスを加えるための高周波電源を備えたプラズマ処
理装置において、 前記処理室内のプラズマ中に挿入するプローブ部と、該
プローブ部に高周波電圧を供給する高周波電源と、該プ
ローブ部の高周波電圧を測定する電圧計と、該プローブ
部を介してプラズマに流入する高周波電流を測定する電
流計からなるプラズマ特性計測装置を備えたことを特徴
とするプラズマ処理装置。 - 【請求項2】請求項1記載のプラズマ処理装置におい
て、前記プラズマ中に挿入するプローブ部に、高周波を
供給する電源を被処理基板に高周波バイアスを供給する
高周波電源と共用することを特徴とするプラズマ処理装
置。 - 【請求項3】請求項2記載のプラズマ処理装置におい
て、前記被処理基板または前記基板電極をプラズマ中に
挿入するプローブ部として用いることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。 - 【請求項4】プラズマ源、ガス供給系および真空排気系
を有する処理室、該処理室内に被処理基板を載置するた
めの基板電極、該基板電極を介して被処理基板に高周波
バイアスを加えるための高周波電源を備えたプラズマ処
理装置における、プラズマを用いた基板の処理方法であ
って、 前記プラズマ中に挿入するプローブ部と、該プローブ部
に高周波電圧を供給する高周波電源と、該プローブ部の
高周波電圧を測定する電圧計、該プローブ部を介してプ
ラズマに流入する高周波電流を測定する電流計からなる
プラズマ特性計測装置により前記高周波電圧及び前記高
周波電流を測定し、 該電圧、電流の測定値からプラズマ特性を推定し、エッ
チング中のプラズマの状況を監視することを特徴とする
プラズマを用いた基板の処理方法。 - 【請求項5】請求項4記載の基板の処理方法において、
該高周波電圧、該高周波電流を回路素子からなるプラズ
マモデルのパラメータにフィッティングすることでプラ
ズマ特性を推定することを特徴とする基板の処理方法。
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