JP2002093781A - プラズマ処理装置及び処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及び処理方法

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    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来から用いられているものと同じ各種プラ
ズマプロセスモニタを用いながら、これらのモニタによ
って検出される信号の情報量を飛躍的に向上させ、高精
度なプラズマ処理の制御を実現する。 【解決手段】 プラズマへの投入電力、処理圧力、ガス
流量、ウエハへの高周波バイアス電力といった制御パラ
メータを、ウエハのプラズマ処理結果に影響しない範囲
で、全体のプラズマ処理時間に比べてごく短い時間変動
させ、そのときに起こるプラズマ状態の非定常性をモニ
タすることにより、従来と同じプロセスモニタを用いて
も、時間軸に対する情報が増えることになり、得られた
データが含む情報量が飛躍的に増大する。このモニタ法
によって得られた信号を用いて、プラズマ処理の制御を
行うことにより、微細なエッチング加工や、高品質な成
膜加工、表面処理等が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体、液晶ディ
スプレイ用基板等の製造において有効なプラズマ処理装
置、及び処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスの微細化に対応して、プ
ラズマプロセスにおいては、ウエハ内で均一な処理結果
が実現できるプロセス条件（プロセスウインドウ）が年
々狭くなってきており、これからのプラズマプロセス装
置には、より完全なプロセス状態の制御が求められてい
る。これを実現するためには、プラズマの分布やプロセ
スガスの解離やリアクタ内の表面反応を極めて高精度に
制御できる装置が必要になる。
【０００３】このような高精度なプラズマ処理の制御を
実現するために、近年のプラズマ処理装置では、プラズ
マ処理中の現象のモニタ装置がいくつか装備されてお
り、これらの信号を用いて、プラズマ処理の制御が行わ
れている。プラズマエッチング装置を例にとると、最も
一般的なプロセスモニタ装置は、発光モニタであり、例
えば、特許公報第２６６６７６８号の様に、発光モニタ
による信号を用いて、ＲＦパワー、処理圧力、ガス流量
等の各種パラメータを制御することにより、エッチング
状態を制御する方法が考案されている。又、現在市販さ
れている殆どのプラズマエッチング装置において、特定
の波長の発光強度の変化や、複数の波長の発光強度の比
等を用いて、所望の膜厚のエッチング処理が終了したこ
とを判断するエッチング終点判定が行われている。ま
た、より高度なプラズマ処理や、装置管理のため、発光
モニタの他に、プラズマを生成する高周波回路の電流、
電圧、プラズマを含む負荷のインピーダンスを測定する
インピーダンスモニタや、質量分析器等、様々なプロセ
スモニタの有用性が検討されている。実際の製造ライン
で用いられている例は、希れであるが、実験室レベルで
は、レーザや赤外光の吸収を用いたプロセスモニタもあ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これらのプロセスモニ
タは、様々な局面で有用であるが、処理チャンバ内のプ
ラズマによって起こる現象は極めて複雑であるので、こ
れらのモニタから得られる情報量は十分ではない。例え
ば、発光モニタの場合、同一波長に複数の解離種による
発光が重なった場合、その変化がどの解離種によって起
こったものなのか判断するのが難しいときがある。複数
の波長を用いた演算処理等によって解決される場合もあ
るが、必ずしもすべての場合に、よい演算処理方法によ
って、このような問題が解決されるわけではない。
【０００５】現在、実際に半導体製造ラインで用いられ
ているプラズマ処理装置に装備される殆どのプロセスモ
ニタの共通点は、いずれもパッシブ（受動的）なモニタ
であることである。アクティブ（能動的）なモニタ方法
としては、例えば、前述のレーザ吸収法等が挙げられ
る。レーザ吸収方法では、レーザを照射するというアク
ティブな行為によって得られる情報量が増える訳であ
る。しかしながら、コスト面、装置の構造的な制約等か
ら実現するのは極めて困難である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記のような課題は、プ
ラズマへの投入電力、処理圧力、ガス流量、ウエハへの
高周波バイアス電力といった、従来からのプラズマプロ
セス制御パラメータを、ウエハのプラズマ処理結果に影
響しない範囲で、プラズマ処理時間に比べてごく短い時
間変動させ、そのときに起こるプラズマ状態の非定常性
をモニタすることによって実現される。プラズマ状態を
変化させるというアクティブな行為によって引き起こさ
れたプラズマ状態の非定常性をモニタすることにより、
従来と同じプロセスモニタを用いても、時間軸に対する
情報が増えることになり、得られたデータが含む情報量
が飛躍的に増大する。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明は、半導体デバイスの製造
の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの
製造や各種プラズマ表面処理等、様々な分野に適用が可
能であるが、ここでは、半導体デバイス製造用のプラズ
マエッチング装置を例にとって、実施例を示すことにす
る。
【０００８】図１に、本発明の一実施例を示す。図中の
処理チャンバ１は、例えば、真空容器であり、バタフラ
イバルブ２を介してポンプ３が接続される。処理チャン
バ３中には、半導体ウエハ１５を載置するための電極５
が設置され、この電極によってウエハには、高周波が印
加され、それによって、ウエハに入射するイオンエネル
ギを制御する。一方、ウエハと対向する位置には、高周
波電源１４と接続されるプラズマソース４があり、プラ
ズマ１１を生成する。この高周波電源１４は、パルス変
調され、間欠的に繰り返し電力をオフすることができ
る。このパルス変調に同期したトリガ１６は、ビューポ
ート６を介してプラズマの発光を取り込む発光モニタ７
や、ソースあるいはバイアスのラインに設置された電流
電圧インピーダンスモニタ８、１２に入力され、これら
のモニタをパルスのタイミングに同期して測定させるこ
とができる。これらのモニタによって測定された信号
は、１７．データ解析装置によって、その時間応答特性
が解析され、装置制御系にフィードバックされたり、半
導体工場内での各半導体製造装置の管理用コンピュータ
システム等にデータが送られ、装置診断のデータとな
る。この実施例は、発光モニタと電流電圧インピーダン
スモニタをプラズマプロセスモニタの例として示した
が、その他の光学的、電気的、磁気的、機械的、熱的、
圧力、温度、または、その他の物理的、化学的なあらゆ
るモニタ手段が、本発明に含まれる。
【０００９】図２は、従来方法によるプラズマエッチン
グ中のプラズマソース電源の投入電力の変化を示す。通
常、プラズマを発生させ、エッチング終了して切断する
まで、パワーは一定に保たれる。図３は、本発明による
一実施例であり、プラズマエッチング中の運転方法の模
式図を示す。プラズマへの投入電力は、例えば、１ｓお
きに１０−１００μｓの時間巾で切断される。エッチン
グ時間を大雑把に１００ｓとすると、約１００回のオフ
時間があり、発光等のプロセスモニタは、このオフ時間
に同期したタイミングで測定を行う。切断時間１０μｓ
のとき、オン時間とオフ時間の比は、１０００００であ
り、１００μｓのとき１００００であり、十分大きな値
である。したがって、プラズマをオフする影響は、エッ
チング結果に対してさほど無いといえる。図４は、オフ
時間中の発光強度の変化の模式図を示す。波長によっ
て、電力をオフじた後の減衰の様子が異なることが分か
る。通常、この程度の時間では、解離種の密度自体はさ
ほど減少しないので、電力をオフした後の発光強度の減
衰は、プラズマ中の電子密度及びエネルギの減少に対応
している。例えば、原子の発光は、一般に励起エネルギ
が高いので減衰が早い。しかし分子の発光は、励起エネ
ルギが低く減衰が緩やかである。したがって、これらの
発光強度のレスポンスをみることによって、解離種の判
別が出来る。また、これらの変化から、電子の損失の様
子を知ることができる。プロセスガスがさほど電気的に
陰性でない場合、電子の損失は、チャンバの表面状態に
よるところが大きいので、チャンバの表面状態を知るこ
とが出来るというメリットもある。図５に本発明の一実
施例となる運転方法の一例を示す。プラズマ生成方式に
よっては、完全に電力をオフすると不安定性が増すこと
がある。このような場合、プロセスモニタ側の感度は落
ちるが、図５に示すように、完全にオフせずパワーを変
化させるだけでも同様の効果がある。
【００１０】従来の運転方法においてもプラズマ着火時
ならびに切断時におけるプロセスモニタのデータには、
プラズマが着いている時間におけるプロセスモニタのデ
ータよりも多くの情報が含まれることがある。図６は、
これを狙ったモニタ方法である。２点しかデータが取れ
ないことが難点であるが、特にプラズマをオフするタイ
ミングにおける発光やプラズマソースの電流電圧の変化
によってリアクタの特に表面状態の安定性をチェックす
ることが出来る。
【００１１】図７は、本発明の一実施例であり、圧力や
流量、流量比といった比較的レスポンスの遅いパラメー
タを変動させた例である。この場合、ソース電力のよう
に短いパルスをかけるわけにはいかないので、エッチン
グ結果に影響を与えない範囲で、シグナルを振動させ、
プロセスモニタによって、この振動に起因する測定量の
変化を測定することによって、従来の方法よりも高感度
にリアクタ内のプラズマ状態を知ることが出来る。
【００１２】
【発明の効果】以上、本発明によれば、プラズマへの投
入電力、処理圧力、ガス流量、ウエハへの高周波バイア
ス電力といった制御パラメータを、ウエハのプラズマ処
理結果に影響しない範囲で、全体のプラズマ処理時間に
比べてごく短い時間変動させ、そのときに起こるプラズ
マ状態の非定常性をモニタすることにより、従来と同じ
プロセスモニタを用いても、時間軸に対する情報が増え
ることになり、得られたデータが含む情報量が飛躍的に
増大する。この方法によって得られた信号を用いて、プ
ラズマ処理の制御を行うことにより、微細なエッチング
加工や、高品質な成膜加工、表面処理等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す図。
【図２】従来技術を示す図。
【図３】本発明の一実施例を示す図。
【図４】電力オフ時における発光強度の変化を示す模式
図。
【図５】本発明の一実施例を示す図。
【図６】本発明の一実施例を示す図。
【図７】本発明の一実施例を示す図。
【符号の説明】
１ 処理チャンバ ２ バタフライバルブ ３ ポンプ ４ プラズマソース ５ 電極 ６ ビューポート ７ 発光モニタ ８ 電流電圧インピーダンスモニタ ９ 高周波電源 １０ 整合器 １１ プラズマ １２ 電流電圧インピーダンスモニタ １３ 整合器 １４ 高周波電源 １５ ウエハ １６ パルス変調に同期したトリガ信号 １７ データ解析装置 １８ 装置制御系または装置管理コンピュータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池永 和幸 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 5F004 AA16 BB18 CA02 CA03 CA08 CA09 CB02 CB07 CB10 CB11 5F045 AA08 BB00 DP02 EE17 EH19 GB06 GB08 GB16

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラズマへの投入電力、処理圧力、ガス
    流量、ウエハへの高周波バイアス電力といったそのプロ
    セスを制御するパラメータを、ウエハのプラズマ処理結
    果に影響しない範囲で変動させ、そのときに起こるプラ
    ズマ状態の非定常性を、光学的、電気的、磁気的、機械
    的、熱的、圧力、温度、または、その他の物理的、化学
    的なモニタ手段で検出し、検出した信号を用いて、プラ
    ズマ処理の制御、装置の診断を行うことを特徴とするプ
    ラズマ処理装置。
  2. 【請求項２】 プラズマへの投入電力または、ウエハへ
    の高周波バイアスを間欠的に繰り返し切断しながら運転
    し、切断直後のプラズマ状態の時間的な変化を、光学
    的、電気的、磁気的、機械的、熱的、圧力、温度、また
    は、その他の物理的、化学的なモニタ手段で検出し、検
    出した信号を用いて、プラズマ処理の制御、装置の診断
    を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 【請求項３】 プラズマ着火直後、あるいは切断直後に
    おけるプラズマ状態の時間的な変化を、光学的、電気
    的、磁気的、機械的、熱的、圧力、温度、または、その
    他の物理的、化学的なモニタ手段で検出し、検出した信
    号を用いて、プラズマ処理の制御、装置の診断を行うこ
    とを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 【請求項４】 プラズマへの投入電力、処理圧力、ガス
    流量、ウエハへの高周波バイアス電力といったそのプロ
    セスを制御するパラメータを、ウエハのプラズマ処理結
    果に影響しない範囲で変動させ、そのときに起こるプラ
    ズマの発光状態の非定常性を検出し、プラズマ発光の時
    間的な変化を利用して、プラズマ状態、プロセス状態を
    解析し、そのデータを用いて、プラズマ処理の制御、装
    置の診断を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 【請求項５】 プラズマへの投入電力、処理圧力、ガス
    流量、ウエハへの高周波バイアス電力といったそのプロ
    セスを制御するパラメータを、ウエハのプラズマ処理結
    果に影響しない範囲で変動させ、そのときに起こるプラ
    ズマ状態の非定常性を、光学的、電気的、磁気的、機械
    的、熱的、圧力、温度、または、その他の物理的、化学
    的なモニタ手段で検出し、検出した信号を用いて、プラ
    ズマ処理の制御、装置の診断を行うことを特徴とするプ
    ラズマ処理方法。
  6. 【請求項６】 プラズマへの投入電力を間欠的に繰り返
    し切断しながら運転し、切断直後のプラズマ状態の時間
    的な変化を、光学的、電気的、磁気的、機械的、熱的、
    圧力、温度、または、その他の物理的、化学的なモニタ
    手段で検出し、検出した信号を用いて、プラズマ処理の
    制御、装置の診断を行うことを特徴とするプラズマ処理
    方法。
  7. 【請求項７】 プラズマ着火直後、あるいは切断直後に
    おけるプラズマ状態の時間的な変化を、光学的、電気
    的、磁気的、機械的、熱的、圧力、温度、または、その
    他の物理的、化学的なモニタ手段で検出し、検出した信
    号を用いて、プラズマ処理の制御、装置の診断を行うこ
    とを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 【請求項８】 プラズマへの投入電力、処理圧力、ガス
    流量、ウエハへの高周波バイアス電力といったそのプロ
    セスを制御するパラメータを、ウエハのプラズマ処理結
    果に影響しない範囲で変動させ、そのときに起こるプラ
    ズマの発光状態の非定常性を検出し、プラズマ発光の時
    間的な変化を利用して、プラズマ状態、プロセス状態を
    解析し、そのデータを用いて、プラズマ処理の制御、装
    置の診断を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
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