JP2002100617A - プラズマ処理装置におけるプロセスモニター方法及びモニター装置及びそれを用いた試料の処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置におけるプロセスモニター方法及びモニター装置及びそれを用いた試料の処理方法

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JP2002100617A JP2001001301A JP2001001301A JP2002100617A JP 2002100617 A JP2002100617 A JP 2002100617A JP 2001001301 A JP2001001301 A JP 2001001301A JP 2001001301 A JP2001001301 A JP 2001001301A JP 2002100617 A JP2002100617 A JP 2002100617A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】プラズマを用いた半導体の表面処理装置で重要
な量であるウエハ上に発生するプラズマ電位差及びプラ
ズマ電流を装置の改造なしで測定する手段を提供する。 【解決手段】ウエハ105上に配置した発光ダイオード
201の光強度を測定し、これより発光素子の端子間の
電位差や発光素子に流れ込むプラズマ電流を求めた。発
光強度は、カメラで非接触に測定できるので、従来の探
針法のように導線の導入端子が不要になる。また、ウエ
ハに導線をつける必要がないので、ウエハの交換はエッ
チング時と同様にできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電位差、電流の測
定方法にかかわり、特に半導体製造工程において、試料
である半導体ウエハの表面処理加工を行うために半導体
ウエハをプラズマ発生装置内に配置した際に、プラズマ
中にある半導体ウエハ上に発生する電位差もしくはプラ
ズマ電流を測定する方法に関する。さらに、この電位差
もしくはプラズマ電流の測定結果を利用して、プラズマ
処理装置におけるプロセスモニターを行う装置およびそ
れを用いた試料の処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、半導体製造工程においては、半
導体ウエハに対してエッチング等の各種の表面加工を行
う必要があり、その表面加工を行う加工装置としては、
電磁波を用いてプラズマを発生させるプラズマ発生装置
を用いることが主流となっている。この場合、プラズマ
発生装置においては、電磁波やプラズマによって、プラ
ズマ発生装置内の空間部に強い電界強度が発生するだけ
でなく、処理台(試料台)上に載置した半導体ウエハ表
面にも強い電界強度が発生する。そして、半導体ウエハ
表面に強い電界強度が発生すると、その電界強度により
半導体ウエハ表面に電位差が発生し、その電位差が所定
値を超えるようになった場合、半導体ウエハが破損する
ことがある。このため、プラズマ発生装置を用いて半導
体ウエハの表面加工を行う際には、半導体ウエハ上の電
位差を測定することが重要になる。
【0003】この場合、プラズマ発生装置内の電界強度
や電位差を測定する方法としては、代表的なものとして
探針法(以下、これを既知の第1方法という)がある。
この既知の第1方法は、プラズマ雰囲気中に導体針を挿
入し、探針によって導体針の電圧-電流特性を検出する
ことにより、プラズマ発生装置内の電界強度や電位差を
測定するものである。
【0004】また、平成11年(1999年)春季第4
6回応用物理学関連連合講演会講演予稿集の第775ペ
ージには、プラズマ発生装置内にある半導体ウエハの電
位を測定する方法(以下、これを既知の第2方法とい
う)が開示されている。この既知の第2方法は、プラズ
マ発生装置内にあり、半導体ウエハを載置する試料台に
予め探針を埋め込んでおき、半導体ウエハの電位を測定
する代わりに、試料台に載置される半導体ウエハの位置
に発生すると思われる電位を埋め込んだ探針によって測
定するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、プラズマ発
生装置内にある半導体ウエハ上の電位差を測定する既知
の第1方法は、プラズマ雰囲気中で探針により導体針の
電圧-電流特性を検出するものであるため、導体針に発
生する検出出力を外部に取り出すための接続導線が必要
になったり、その上、プラズマが真空容器内に発生する
ものであることから、真空容器にこの接続導線を中継す
る中継端子を設ける必要があったりし、全体的にプラズ
マ発生装置の構造が複雑になり、簡便な手段による半導
体ウエハ上の電位差の測定ができないものである。
【0006】また、プラズマ発生装置内にある半導体ウ
エハ上の電位差を測定する既知の第2方法は、半導体ウ
エハを載置する試料台に探針を埋め込んでいるものであ
るため、特殊な構成の試料台が必要になるだけでなく、
この試料台を用いて半導体ウエハ上の電位差を測定した
後、この試料台上で半導体ウエハの表面加工を行うこと
が難しく、半導体ウエハ上の電位差の測定を行う場合と
半導体ウエハの表面加工を行う場合とで試料台を交換す
る必要があり、その分、プラズマ発生装置のコストが増
大し、かつ、処理工程が増えることになる。
【0007】本発明は、このような技術的背景に鑑みて
なされたもので、その目的は、簡単な構成を有する電位
差、電流測定部材を用い、被測定物体上の直流電位差を
簡便な手段によって測定を行うことを可能にした電位
差、電流測定方法を提供することにある。
【0008】本発明の他の目的は、簡単な構成の装置で
プロセスをモニターしながら効率よく試料を処理するこ
とのできる方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】発光ダイオードなどの発
光素子をプラズマ中に放置すると、発光素子の両端に、
プラズマからの荷電粒子(イオン、電子)の流れによっ
て発生する電位差により発光素子に電流が流れ、発光す
る。この発光素子の発光強度は発光素子の電圧や電流と
一定の相関がある。本発明は、発光素子のこの性質を利
用するものである。
【0010】本発明の特徴は、真空容器にガスを導入し
てプラズマを発生させ試料を処理するプラズマ処理装置
における、プラズマ処理の電位差を測定するものにおい
て、前記試料と同じ構成の測定用試料の上に発光素子を
形成し、プラズマから入射する荷電粒子量の差に対応し
て発生する電位差を利用し、前記発光素子の両端に発生
した電位差によって該発光素子に電流が流れ該電流に応
じて前記発光素子が発光することによる発光強度を測定
し、該発光強度の強弱に応じて前記測定用試料上の電位
差を測定することにある。
【0011】本発明の他の特徴は、真空容器にガスを導
入してプラズマを発生させ、被処理物にプラズマ処理を
施すプラズマ処理の電位差を測定するものにおいて、前
記被処理物の上に発光素子を形成し、該被処理物の表面
にプラズマから入射する荷電粒子の流れを、前記発光素
子に流れる電流に応じて該発光素子が発光する発光強度
として測定し、該発光強度の強弱に応じて前記被処理物
へ流れ込む電流を測定することにある。
【0012】例えば、発光素子の端子にプラズマからの
荷電粒子を捕捉するためのアンテナとなる導体を接続す
る。これを、プラズマ処理装置内あるいはウェハ上に設
置し、発光素子の発光強度を測定する。予め求めてある
発光素子の発光強度と電圧-電流との相関式により、こ
の発光強度を電圧に換算し2点間の電位差を測定、ま
た、電流に換算し2点間に流れるプラズマ電流を測定す
ることができる。
【0013】プラズマ電位差測定を行う場合、発光ダイ
オードの回路抵抗はプラズマを含む外部回路抵抗より大
きく、また、プラズマ電流測定を行う場合は小さくする
必要がある。この方法では、光強度を測定するための窓
があればよく、導線やその導入端子を必要としない。
【0014】前記目的を達成するために、本発明による
電位差測定方法は、一対の導体アンテナと、一対の導体
アンテナ間に接続された発光素子と、発光素子に並列接
続された交流電圧バイパス素子とを備えた電位差、電流
測定部材を用いるものであって、一対の導体アンテナを
被測定物体の電位測定点にそれぞれ配置接続し、そのと
きに発光素子が出力する発光強度を検出することによっ
て各電位測定点の直流電位差を測定する手段を具備す
る。
【0015】前記手段によれば、一対の導体アンテナを
被測定物体の各電位測定点にそれぞれ配置接続すると、
各電位測定点間に直流電位差がある場合、その直流電位
差に応じて発光素子、好ましくは発光ダイオードが発光
するので、被測定物体が内蔵されている機器、例えばプ
ラズマ発生層の外部からその発光強度を目視により、ま
たは、CCD(電荷結合素子)カメラ等の光学機器で検
出することにより、各電位測定点間の直流電位差を測定
することができるもので、検出出力を取り出すための接
続導線や、検出用導体針を埋め込んだ試料台を設ける必
要がない。
【0016】この場合、発光素子に並列に交流電圧バイ
パス素子、好ましくはコンデンサが接続されているの
で、各電位測定点間に発生する交流電位差はこの交流電
圧バイパス素子によりバイパスされ、各電位測定点間の
直流電位差だけを測定することができるものである。
【0017】また、本発明によれば、簡単な構成を有す
る電位差、電流測定部材を用いた、効率の良い試料の処
理方法を提供することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
により説明する。図1は、本発明が適用されるECR方
式のエッチング装置の全体構成図である。マイクロ波電
源101から導波管102と導入窓103を介して真空
容器104内にマイクロ波が導入される。導入窓103
の材質は石英などの電磁波を透過する物質である。真空
容器104の回りには電磁石107が設置されており、
磁場強度はマイクロ波の周波数と共鳴を起こすように設
定されて、たとえば周波数が2.45GHzならば磁場強
度は875Gaussである。試料台108の上に、ウエハ
105(またはプラズマ電位差、電流測定装置200)
が設置される。ウエハに入射するイオンを加速するため
に、高周波電源109が試料台108に接続されてい
る。試料台108の周りにはこの高周波に対するアース
114が設けてある。
【0019】また、後に示す発光ダイオードの発光強度
を測定するために、導波管には窓112があり、ここか
らCCD(電荷結合素子)などを用いたカメラ110に
よりウエハ像をモニタする。カメラのデータはパソコン
111で処理される。プラズマ106の発光を除去する
ために、カメラ110には発光ダイオードの発光波長に
合わせた干渉フィルター113がつけてある。
【0020】図2は、本発明の一実施例になる測定用試
料、すなわちプロセス処理の対象となるウエハ105と
全く同じ構成(材料、形状)の測定用試料上に電位差、電
流測定部が形成され試料台108の上に載置されるプラ
ズマ電位差、電流測定装置200の上面図である。図3
はこのプラズマ電位差、電流測定装置200の断面図で
ある。
【0021】このプラズマ電位差、電流測定装置200
は、Si基板204上に酸化膜205を堆積して、その上
に発光ダイオード(LED)201を設置してある。発光ダ
イオードの両端には、被服導線を用いてアルミ製アンテ
ナ203が接続されている。エッチングに用いるプラズ
マ発生装置は、飽和イオン電流密度が0.5から5mA
/cm2 の範囲内である。一方、発光ダイオード201
のオン電流(発光時の通流電流)は1mA程度であるの
で、導体アンテナの面積は0.2から2cm2の範囲以
上にすればよい。一般にはアンテナ面積はプラズマ密度
に応じて変えればよい。
【0022】この装置では、図2中LED1からLED5で示
されるように発光ダイオードを1から5個直列に接続し
て、それぞれの両端に独立したアンテナが接続されてい
る。このようにして発光ダイオードの発光開始しきい値
をかえて、測定の精度をあげている。各発光ダイオード
には交流電圧成分を除去するためのフィルターとしてコ
ンデンサ202が並列に接続されている。コンデンサの
値は高周波電源109の周波数が800kHzの場合には
1μF程度が適当であるが、一般には周波数に応じて値
を変えればよい。また、この例ではあらかじめウエハ中
心の電位が周囲よりも大きいことを想定して、この電位
分布のときにダイオードが発光するような極性で接続さ
れている。発光ダイオード1個の場合のみ逆方向のダイ
オードも並列に接続されている。これにより周囲の電位
の方が高い場合を検出できる。
【0023】図4は、図1に示すエッチング装置でウエ
ハ105(またはプラズマ電位差、電流測定装置20
0)上に生じる電位分布を示す。プラズマ密度の不均一
や高周波電源109からの電流分布の不均一が原因で、
ウエハ上には電位の不均一が生じる。図4(a)ではウエハ
中心A点の電位がウエハ周囲B点よりΔVdcだけ高くなっ
ている。さらにウエハ上には高周波電源109の高周波
電圧成分が重なりAB間の電位は図4(b)のように時間的に
変動する。もし、ΔVdcがゼロでも発光ダイオードはこ
の高周波成分で発光するために、直流成分ΔVdcのみを
測定するために、発光ダイオード201にはコンデンサ
202が並列に接続されている。従って、図2に示す装
置をこのプラズマ中に設置するとΔVdcにより発光ダイ
オードが発光する。
【0024】図5は、直列に接続された発光ダイオード
にかかる電圧と発光強度の関係を示したもので、図5中
のLED1から5はそれぞれ直列接続されたダイオードの
数を示す。このダイオードの発光色は赤で、発光開始の
しきい値は1.5Vである。従って1個から5個直列に接
続すると発光しきい値はそれぞれ1.5V、3V、4.5V、6V、
7.5Vになる。
【0025】図6は、図2に示すプラズマ電位差、電流
測定装置200を図1のエッチング装置中に設置して発
光ダイオードの発光強度をカメラ110で測定した結果
である。横軸は時間で時間とともに高周波電源109の
出力を10Wから70Wまで変えている。図6では発光
ダイオードを3個接続したものと5個接続したものの発光
強度を例として示してある。20Wでダイオード3個接
続したものが発光を開始して、ΔVdcが4.5V以上発
生したことが分かる。また50Wでダイオード5個接続
したものが発光を開始して、ΔVdcが7.5V以上発生
したことが分かる。
【0026】以上の方法で、高周波電力とΔVdcの関係
を測定した結果を図7に示す。プラズマのガスは塩素7
4sccm + 酸素6sccmで、圧力0.4Paである。またマ
イクロ波電源101の出力は400Wである。これは半
導体素子に使われるpoly-Siをエッチングする条件であ
る。
【0027】プラズマ中に置かれたウエハ上に生じる電
位差ΔVdcはウエハに加工されたトランジスタのゲート
酸化膜の絶縁破壊に関連する量なので、この測定が重要
となる。エッチング装置の開発あるいはエッチング条件
の決定では、エッチング速度などの特性に加えて、ゲー
ト酸化膜の絶縁破壊が無いことが必要である。
【0028】従来は、公知例で述べた探針を埋め込んだ
電極で電位差を測定しながらその値が小さくなるよう
に、装置を設計したりエッチング条件を決め、その後通
常の試料台に置き換えて試料のエッチングを行う必要が
あった。
【0029】本発明ではΔVdcを測定する装置すなわ
ち、プラズマ電位差、電流測定装置200がウエハと同
じ形状を持つために、エッチング装置に何ら変更をする
ことなく、ΔVdcが測定でき、ΔVdcが十分小さい条件を
決定した後に、ウエハを交換するだけで半導体素子のエ
ッチングも行える。すなわち、作業時間が短縮できか
つ、装置も全く同じ構成でエッチング特性とウエハ面内
電位差の測定ができるので、精度も上がる。
【0030】以上の実施例において、各発光ダイオード
の両端のアンテナはウエハの中心と周囲に位置するよう
に配置してあるが、アンテナ位置はウエハ上の電位を知
りたい点に応じて変えればよい。
【0031】また、カメラで読む発光強度は、カメラと
発光ダイオードの距離や、窓材の光の透過率などに依存
する。したがって、電位差の絶対値を求めるためには、
距離や透過率を測定して読みを校正すればよい。また、
校正作業はなくてもウエハ面内の電位差の相対的な大小
は発光強度でわかる。
【0032】また、ウエハ上に発生する電位の分布はい
つも図4のように中心が高くなるとは限らないので発光
ダイオードを順方向と逆方向につないだものを1組とし
てウエハ上に設置することで、電位の極性が判定でき
る。
【0033】また、図2で発光ダイオード201やコン
デンサ202は必要に応じてポリイミドなどで被い、プ
ラズマからの損傷を防ぐことができる。
【0034】また、ウエハ上に発生する電位の交流成分
も合せて測定したい場合はコンデンサ202を接続しな
ければよい。また、発生するΔVdcの大きさに応じて、
直列接続する発光ダイオードの数、あるいは青色などの
発光しきい値の異なるダイオードを用いればよい。
【0035】また、発光強度測定用カメラ110は電磁
波対策を施した上で真空容器中104中に設置してもよ
い。また、受光部分に光ファイバなどを取り付けてもよ
い。
【0036】次に、図8aは、アンテナ203Aと20
3Bの間に発光回路801を挿入し、さらに交流成分を
除去するためにコンデンサー202を発光回路801と
並列に接続したものである.アンテナ203Aとアンテ
ナ203B間に電位差が生じたときには、その電位差に
応じて発光回路が発光し、その発光量を観察すること
で、電位差を知ることができる。交流成分を除去するに
はコンデンサー202を発光回路と並列に接続する代わ
りに、コイル802を発光回路801と直列に接続して
もよい。ここで、発光回路801とは発光ダイオード2
01や両端に印加される電圧に応じて抵抗が発光するい
わゆる豆電球の類位、あるいは半導体レーザーなどのレ
ーザーなど発光する素子を含んだ回路である。この発光
回路の種々の実施例に関しては後ほど説明する。また、
ここでは発光素子を含む発光回路801として説明する
が、発光素子の代わりとしては両端に印加される電圧に
応じた強度の紫外線、赤外線、X線などの電磁波や音波
を発する装置でもよい。ただし、その場合にはカメラ1
10や干渉フィルター113の代わりに、それらの信号
を検出できるようなセンサーやフィルターを用いること
は言うまでもない。重要な点は、両端に印加される電
圧、あるいはそれに応じた電流と対応関係のある何らか
の物理量を発し、その物理量を離れた位置で検出する手
段をもつことである。
【0037】次に、本発明のプラズマ電位差、電流測定
装置200を半導体デバイス製造時に用いる方法につい
て説明する。図9は半導体製造装置の構成例を示す。具
体的にはエッチング装置、CVD装置などである。
【0038】図9の半導体製造装置は、処理室901、
第二の処理室902、ウエハ搬送用ロボット903、ロ
ードロック室904、アンロードロック室905、ロー
ダー906、ストッカー907を有する。ストッカー9
07にはカセット908とダミーカセット909があ
る。ウエハを処理室901で処理するときには、ほぼ大
気圧条件にあるカセット908に入れられたウエハ10
5をローダー906でほぼ大気圧条件にあるロードロッ
ク室904に運び、ロードロック室を閉じる。ロードロ
ック室904の圧力を適当な圧力に減圧したのちに、ウ
エハ搬送用ロボット903でウエハ105を処理室90
1に搬送し、そこで適当な処理を施す。処理が終わる
と、ウエハ105をウエハ搬送用ロボット903でアン
ロードロック室905に搬送する。アンロードロック室
905の圧力をほぼ大気圧まで上昇させたのち、ローダ
ー906でカセット908に挿入する。通常はこのよう
な処理を繰り返す。
【0039】次に、図10で本発明の電位差、電流測定
装置200をプロセス処理に用いる方法を説明する。通
常は、処理室901、902でウエハー105の処理が
なされる(S1000)。定期的にあるいは不定期的
に、処理条件をチェックするときには、ダミーカセット
909に入れておいた前述の電位差、電流測定装置20
0を処理室に搬送し、処理条件をチェックすれば良い
(S1002)。すなわち、処理条件をチェックすると
きには、カセット908からウエハ105を取り出すの
ではなく、ダミーカセット909に入れておいた電位
差、電流測定装置200をローダー906でロードロッ
ク室904に運び、そののちウエハ搬送用ロボット90
3で処理室901に搬送する。それから、電位差、電流
測定装置200をあらかじめ決められた条件で処理し、
そのときの発光状態を観察し、異常の有無、程度を検知
する(S1004)。
【0040】異常がないときには、本電位差、電流測定
装置200をウエハ搬送用ロボット903で取り出し、
アンロードロック室905に入れ、ローダー906でダ
ミーカセット909に入れて、半導体の処理を再開する
(S1000)。
【0041】異常があると判断された場合は、できるだ
け処理室を真空状態に保ったままで、装置の状態を点検
し対策する(S1006)。対策後、再び本電位差、電
流測定装置をあらかじめ決められた条件で処理し、発光
状態を観察し(S1008)、異常の有無、程度を検知
する(S1010)。
【0042】このとき、異常がないと判断されれば、本
電位差、電流測定装置200をウエハ搬送用ロボット9
03で取り出し、アンロードロック室905に入れ、ロ
ーダー906でダミーカセット909に入れて、半導体
の処理を再開する(S1000)。このときにも異常が
あると判断されれば、本電位差、電流測定装置200を
ウエハ搬送用ロボット903で取り出し、アンロードロ
ック室905に入れ、ローダー906でダミーカセット
909に入れたのちに、処理室を大気開放して必要な処
理を行う(S1012)。ここで、必要な処理とは、具
体的には、消耗部品を交換すること、有機溶剤などで処
理室の各部に付着した膜を除去することなどである。
【0043】この処理を終えると、再び処理室を真空状
態にし、半導体の処理が可能な状態にする。このとき、
ただちに半導体の処理を再開するのではなく、本電位
差、電流測定装置200で本処理室901が正常な状態
に復帰しことを確認してから、半導体の処理を再開する
(S1014〜1016)。このとき、異常が検知され
れば、再び、処理室901あるいは本半導体製造装置全
体を点検し、先ほどの処理を繰り返したり、さらに大掛
かりな処理を施すことになる。
【0044】本発明の電位差、電流測定装置200を処
理する条件は、必ずしも半導体処理条件と一致しなくて
もよい。同じ条件であれば、その条件が正常に維持され
ているかを判断することになる。しかし、実際の処理条
件とは異なるが、異常の検知が容易な条件を用いること
により、時間が経るに連れてわずかに変化するような異
常状態をあらかじめ予測することができる。半導体処理
条件と異なる条件での処理であるから異常が検知されて
も、必ずしも半導体処理を中止する必要はない。ただし
この条件で異常が検知されると、半導体処理を再開して
から、再び本電位差、電流測定装置を用いて装置状態を
監視する時間を通常よりも短くするなどする。これによ
り装置の稼働率を落とさないで処理したウエハを無駄に
しないですむようになる。
【0045】また、説明上ここでは大気カセットを用い
たが、真空カセットを用いてもよい。次に、図11で本
電位差、電流測定装置200を処理装置901や処理プ
ロセスを開発するのに用いる方法を説明する。本電位
差、電流測定装置を開発したい半導体製造装置、たとえ
ば図1に示したエッチング装置に挿入する。
【0046】たとえば、ウエハ面内の電位差を小さくす
るための試料台108の高さを最適化するには、プラズ
マを発生させるためのマイクロ波電源の出力パワー、ウ
エハにバイアス電圧を印加するための高周波電源の出力
パワー、処理室の圧力、処理室に導入するガスの流量な
どを一定にした状態で、試料台108に本電位差、電流
測定装置200を載せ、発光状態を観察する。次に試料
台の高さのみを変えた条件で発光状態を観察する(S1
100)。このような実験を繰り返し、試料台の高さと
発光状態の関係を調べることで、ウエハ面内の電位差が
小さい条件を見つけることができる。本方法は、ウエハ
105の代わりに本電位差、電流測定装置を挿入するだ
けで可能なもので、特殊な電極などを必要としない。ま
た、本方法はその場で発光量、すなわち電位差が定量化
できるので、本測定の前、あるいは後で、ウエハ105
を用いて実際に処理を行ったり、本測定中あるいは前ま
たは後にプラズマ106の発光状態を分光分析したりす
ることも容易である。すなわち、ひとつの条件に対し
て、試料台108の高さとウエハ面内の電位差、そのと
きのプラズマの様子、ウエハの処理結果が得られ、多面
的に装置の構成を最適化することが可能である(S11
02〜1108)。ここでは、試料台108の高さを例
にとったが、本方法は試料台の大きさやガス導入口の位
置、アース114の大きさ、位置などを最適化するのに
も有効である。
【0047】また本手法は装置のハード的な構成の最適
化のみでなく、処理ガスの種類、圧力、磁場、マイクロ
波電源の出力パワー、周波数、高周波電源の出力パワ
ー、周波数などの各種処理条件を最適化するのにも有効
である(S1110〜1116)。
【0048】カセット、アッシャー901は本半導体製
造装置の反応室である。反応室901の例が図1に示し
たエッチング装置である。反応室901にウエハを搬送
するために、搬送装置902があり。902はダミーカ
セットである。
【0049】次に、図12は、本発明の他の実施例とし
ての、バイアス電圧が印加されない場合の電位差、電流
測定装置200の構成図である。図2の装置構成と異な
るのは、交流成分を除去するためのコンデンサー202
がないことである。バイアス電圧が印加されないときに
は、交流成分が無視でき、コンデンサー202を除いた
構成にしても問題はないことが多い。実際にCVDやア
ッシングでは、プラズマプロセスであってもバイアス電
圧を印加しないこともある。
【0050】図13はバイアスを印加しない装置、アッ
シング装置の例である。図13の構成は図1に示したも
のと似ているが、図13の構成では高周波電源109お
よびアース114がない。また、用いるガスはレジスト
を除去するためのガスで、アルゴン、酸素などである。
図12の電位差、電流測定装置はこのような装置に導入
して、使用する。
【0051】本発明の電位差、電流測定装置200は、
アンテナの片方が基板に導通したであっても良い。図1
4は、図2あるいは図12に示した電位差、電流測定装
置の変形である。この発明では、片方のアンテナが基板
204に導通していることが特徴である。通常の半導体
製造プロセスにおいては、基板の電位に対するゲートの
電位が問題にされることが多く、このような構成を取る
ことで、基板とゲートの電圧を測定可能である。また、
この装置では基板と導通していないアンテナ203はウ
エハ中心からの距離を変えて計3箇所設置されている。
アンテナ203とシリコン基板204の間の電位差が求
まる。
【0052】また、櫛形アンテナを用いても良い。図1
5(a)、(b)に示した電位差、電流測定部材は、櫛
形アンテナ1501とアンテナ203との間に、逆向き
に並列接続された2個の発光ダイオード201と、それ
に並列接続されたコンデンサ202とが接続された構成
のもので、シリコン基板204表面に被覆された絶縁膜
205上に配置接続されている。この場合、櫛形アンテ
ナ1501は、絶縁膜205上に配置された導体アンテ
ナ203の上にラインアンドスペース状に加工されたレ
ジスト1502によって形成されている。レジスト15
02におけるラインアンドスペース状のパターンは、半
導体製造工程中にリソグラフィーによって形成されるも
ので、ラインとスペースの各サイズは数μm以下の微細
なものである。アンテナ203を櫛形アンテナ1501
のような構造にすると、一般に電子シェーディングと呼
ばれる現象により、微細構造内に生じる直流電位差を測
定できる。プラズマ中に置かれたシリコン基板204に
入射するイオンは、加速されるためにシリコン基板20
4にほぼ垂直に入射する。一方、電子は質量が小さいた
めに、熱によるランダムな方向の速度が大きく、シリコ
ン基板204にランダムな方向から入射する。
【0053】このため、シリコン基板204上に数μm
以下の微細な溝や孔からなる微細パターンを持ったレジ
スト1502がある場合、大部分のイオンは微細パター
ンの底部まで到達するが、大部分の電子は底部に到達で
きない。その結果、レジスト1502は、微細パターン
の底部が正に、微細パターンの壁部が負に帯電するもの
で、この現象を電子シェーディングと呼んでいる。半導
体素子の加工においては、一般に微細パターンの底部が
ゲート酸化膜に接続されている場合が多く、それにより
ゲートが帯電して絶縁破壊が生じることになるので、電
子シェーディングの測定を行う必要がある。
【0054】図15(a)、(b)に図示の櫛形アンテ
ナ1501は、シリコン基板204が電子シェーディン
グにより正に帯電し、それにより櫛形アンテナ1501
とアンテナ203間に直流電位差を生じるので、2個の
発光ダイオード201の中のいずれかが光を出力し、そ
の光強度から電子シェーディングの発生の度合いを測定
することができる。電子シェーディングの測定において
は、位置間の直流電位差が重ならないように、2個の発
光ダイオード201の両端に接続される櫛形アンテナ1
501とアンテナ203とを近接配置するのが好まし
い。また、電子シェーディングとシリコン基板204表
面の直流電位差が重なったものを測定するときは、櫛形
アンテナ1501とアンテナ203とを離間配置すれば
よい。
【0055】櫛形アンテナ1501と平面的なアンテナ
203を近接配置して、発光ダイオード201の発光強
度を調べ、発光ダイオード201に流れる電流を求める
ことができる。発光ダイオード201に流れる電流は、
櫛形アンテナ1501の構造とプラズマ106のイオン
電流密度によって定まる量である。櫛形アンテナ150
1の構造は既知であるので、本装置の発光量を調べるこ
とで、イオン電流密度を求めることができる。
【0056】また、アンテナ203の厚さをアンテナ1
501の厚さよりも厚くしておいたものをプラズマに曝
し、アンテナ203、1501をエッチングすると、ア
ンテナ1501が残っている間は発光ダイオード201
の発光が観察できるが、アンテナ1501がエッチング
されると電流を集める面積が減り、発光ダイオード20
1が発光しなくなる。したがって、発光ダイオード20
1が発光している時間とアンテナ1501の厚さから、
エッチングレートが測定できる。レジスト1502のパ
ターンを変えれば、パターンに依存したエッチングレー
トが測定できる。たとえば、溝幅を変えたレジストのパ
ターン、複数の孔のあるレジストパターンなどである。
【0057】次にこの装置でウエハ面内のエッチングレ
ートの均一性を向上させる方法を示す。エッチング装置
の開発あるいはエッチング条件の決定では、エッチング
速度の均一性がウエハ全面で一定の基準を満たすことが
要求される。従来は、その場でエッチングレートを測定
するには、干渉を用いる方法が一般であるが、一度に複
数個所のレートをその場観察するのは、分光器を取り付
ける位置に制限があるなど、なかなか困難である。ま
た、複雑なパターンを有する場合は、回折の複雑な計算
を精度良く行う必要があり、簡単ではない。それに対
し、本方法はウエハ上に前述の装置を複数箇所に設置
し、エッチング中に発光回路801の発光を観察するだ
けの極めて簡便な手法である。
【0058】さて、ウエハ全面に渡って、平坦部のエッ
チングレートの均一性が高い条件とは、発光回路801
が発光している時間のばらつきが小さい条件である。従
って、図1のプラズマエッチング装置において、エッチ
ング中に導入するガスの流量などを変えたエッチングを
行い、そのたびに発光回路801が発光している時間の
ばらつきを計測し、発光回路801が発光している時間
のばらつきが小さい条件ほどがウエハ全面にわたって平
坦部のエッチングレートが均一な条件である。
【0059】パターン付きのアンテナを簡単に構成する
のに、導体の上に、微細なパターンのついた絶縁物を載
せればよい。この絶縁物として、たとえば、浜松ホトニ
クス社製のキャピラリープレート型式J5022-11を用い
る。このキャピラリープレートは直径が10μm、深さ
が400μmの穴が複数配置されたものである。実際の
半導体では約1μmあるいはそれより小さな領域の加工
が問題になることが多い。しかし、参考文献[1]によ
れば、平均自由行程やシース厚さなどの代表的な寸法に
対し、パターンの寸法が十分に小さければ、パターンが
相似であれば絶対的な大きは関係ないことがわかってい
る。すなわち、上記のキャピラリープレート、またはそ
れを加工したもの、あるいはその類似品などを用いるこ
とで、リソグラフィーなどを使用することなく、1μm
オーダーの状況を簡便に模擬できる。 参考文献[1]N. Mise et al.、 Proceedings of the
5th International Symposium on Plasma Process-Indu
ced Damage、 p.46、 2000 次に、本発明による、エネルギー制御について説明す
る。図16の実施例は、アンテナ203前面に電池16
01を接続したメッシュ1602を設けて、アンテナに
入る荷電粒子のエネルギーを測定する装置である。
(A)は発光ダイオード部分の拡大上面図、(B)は縦
断面図である。電池は絶縁膜205の開口部1503か
らシリコン基板204に接続されている。メッシュ16
02に電圧をかけるとその向きと大きさにより、イオン
や電子が反発されて、印加した電圧以上のエネルギーを
持つ粒子しかアンテナ203に到達しなくなり、発光強
度と電池1601の電圧から、あるエネルギー以上を持
つ電荷の数がわかる。図16では電圧の異なる電池16
02をつけたアンテナを複数個設置すると、エネルギー
の分布も測定できる。
【0060】次に、本発明の他の実施例を図17で説明
する。図17はアンテナ203の面積を変え測定を行っ
た場合の例を示す。この測定方法においては、発光ダイ
オードの発光強度を測定するために、発光ダイオードが
光るのに十分な電流を必要とする。電流の上限はアンテ
ナ面積とプラズマの密度で決まる値となる。また十分電
流が供給されても、発光ダイオード両端の電位差が低い
と、電圧で制限されて、発光強度は小さくなる。発光ダ
イオードの発光強度が電圧で制限されるか、電流で制限
されるかは発光ダイオードの電流電圧特性、ウエハ面上
に発生する電位差の大小、アンテナの大小、あるいはプ
ラズマ密度の大小などに依存するので、一義的には決ま
らない。測定では、発光強度が最も測定しやすい領域に
なるようにアンテナの面積を変えて調整をする必要があ
るが、図17の様にあらかじめ異なる面積のアンテナ2
03に接続された発光ダイオード201を複数個用意し
ておけば、一度で、広い電流範囲の測定ができる。
【0061】また、図18は、本発明の他の実施例にな
るウエハ上の電位差測定装置200の別構成図であり、
(A)は拡大上面図、(B)は縦断面の拡大図である。
この例は、発光素子として薄い酸化膜を用いた装置であ
る。シリコン基板204上に絶縁膜205が堆積してお
りその一部に薄いゲート酸化膜1801がある。ゲート
酸化膜1801にはポリシリコンなどでできたアンテナ
1802が接続している。薄い酸化膜も十分な電流が流
れると発光するので、発光ダイオード201と同様に使
うことができる。この構成は、より実際の半導体素子が
加工されるウエハに近いので、測定された値もより正確
になる。
【0062】図18の構成では、発光素子はアンテナ面
積の異なる複数個の素子がウエハ上に配置してある。ま
た、図では1組しか書いていないが同様の組をウエハ全
面に配置して分布を測定できる。この構造ではアンテナ
1802とシリコン基板204間の電位差を測定する
が、構造を変えることで、いろいろな二点間の電位差を
測定できる。
【0063】また、発光ダイオードの材質に化合物半導
体ではなく、シリコンを用いると汚染の問題はない。シ
リコンで発光ダイオードを形成するれば、シリコン基板
を用いて半導体デバイスを製造するときに、たとえばス
クライブ領域やウエハの端の半導体デバイスとしては使
用しない領域に発光回路801を形成することもでき
る。このような領域に発光回路801を形成すれば、一
枚のウエハから取得できる半導体デバイス数が減少しな
くてすむ。しかも、このウエハを用いればデバイスを作
成しながら、プラズマに曝したときのウエハ面内の電位
差、ゲート酸化膜の破壊程度が測定できる。すなわち、
プラズマ装置の状態やプロセス条件をその場で評価する
ことができ、デバイスの歩留まりを予測することができ
る。
【0064】次に、図19に発光回路801の実施例を
示す。図19はアンテナ203の間に、二つの回路を並
列に接続した例である。一つ目の回路は発光素子190
1とツェナーダイオードZ1sを直接に接続したものに
別のツェナーダイオードZ1pを並列に接続し、それに
さらにダイオードD1を接続したものである。Z1sと
Z1pは極性を揃えておき、D1の極性はZ1sと逆向
きする。ツェナーダイオードに逆方向の電圧を印加した
ときに、急激に電流が流れ始める電圧をVZとする。こ
こでは、ツェナーダイオードZ1pの閾値電圧の絶対値
VZ1pがツェナーダイオードZ1sの閾値電圧の絶対
値VZ1sよりも大きくなるようにツェナーダイオード
Z1s、Z1pを選択する。二つ目の回路は、一つ目の
回路と同様の素子からなり、極性のあるものはすべて一
つ目の回路と反転させた回路である。ここでも、ツェナ
ーダイオードZ2pの閾値電圧の絶対値VZ2pがツェ
ナーダイオードZ2sの閾値電圧の絶対値VZ2sより
も大きくなるようにツェナーダイオードZ2s、Z2p
を選択する。ここで発光素子L1は極性を持たない素子
で、たとえばタングステンのフィラメントに流れる電流
により光を発する素子である。
【0065】図19のように発光回路を構成したとき
に、発光素子L1が発光する条件を説明する。L1とD
1は直列に接続されているので、少なくともΔV=VA
+VB>0のときしかL1は発光しないことがわかる。
しかし、AとBの電位差ΔVがダイオードD1の閾値よ
りも小さいとき、すなわちΔV<VD1のとき、ダイオ
ードD1の影響でL1に電流は流れない。さらに電位差
が上昇しても、ΔV<VD1+VZ1sではL1に電流
は流れない。なぜなら、ツェナーダイオードZ1sが降
伏していないためである。さらに、電位差が大きくなる
と(ΔV>VD1+VZ1s)、ツェナーダイオードZ
1sが降伏し、L1に電流が流れ始める。さらに電位差
ΔVが大きくなりΔV>VD1+VZ1pとなると、ツ
ェナーダイオードZ1pも降伏する。従ってΔV>VD
1+VZ1pの範囲で、電位差ΔVが大きくなっても、
L1とZ1sに印加される電圧はVD1+VZ1pの一
定値に保たれる。従って、ツェナーダイオードZ1pに
よって、発光素子L1の両端には過剰な電圧が印加され
ないように、あるいはL1には過剰な電流が流れないよ
うに、保護されていることになる。従って、VD1+V
Z1p<ΔV<VD1+VZ2pのときは、ΔVとL1
の発光強度が一対一に対応するが、ΔV>VD1+VZ
2pのときは、ΔVによらず発光強度は一定になる。
【0066】逆向きの電圧が印加されるときには、発光
素子L2が発光することになり、L1とL2が同時に発
光することはない。
【0067】具体例として、ツェナーダイオードZ1
s、Z2sに日立製作所製のツェナーダイオードHZ6
A1を、ツェナーダイオードZ1p、Z2pに日立製作
所製のツェナーダイオードHZ7A1を、ダイオードD
1、D2に日立製作所製のダイオードHSK110を用
いたときを考える。平成4年9月に発行された日立ダイ
オードデータブックによると、HZ6A1の降伏電圧は
5.2ボルトであり、HZ6A1の降伏電圧は-6.3
ボルトである。また、ダイオードHSK110の閾値電
圧は0.8ボルトである。このときアンテナAの電位V
AがアンテナBの電位VBに比べ6.0ボルトより高く
なると、発光素子L1が発光する。その差が7.1ボル
トよりも小さいときには、発光素子L1の発光強度は発
光素子L1に印加される電圧に応じて変化するが、 そ
の差が7.1ボルト以上になると、発光素子L1に印加
される電圧は変化しなくなり、発光強度はVAとVBの
差に無関係になる。VAとVBの極性が逆のときは、発
光素子L2が発光する。
【0068】ツェナーダイオードの代用として、ダイオ
ードを用いることもできる。一般にダイオードの閾値電
圧は1V程度で、あまり大きく変化することはない。そ
のため、希望するレンジの閾値を得るには、複数個のダ
イオードを直列に接続する必要がある。
【0069】また、図20に図19の変形例を示す。こ
の例は四つの回路をアンテナAとアンテナBの間に並列
に接続している。一つ目の回路は発光素子L1とツェナ
ーダイオードZ1とダイオードD1の直列接続である。
Z1とD1の極性は反対にしている。二つ目の回路は、
一つ目の回路と同様の構成で、極性があるものはすべて
一つ目のものとは反対にしている。三つ目の回路は、二
つのツェナーダイオードZ1p、Z2pを直列に極性を
反転させて接続したものである。四つ目の回路はコンデ
ンサーCである。このように構成したときのL1の発光
条件はVA+VB>VZ1s+VD1である。このと
き、L1に印加される電圧は(VZ1p+VZD2p)
+(VZ1s+VD1)であり、本発明は図31の発明
と同様に発光素子の保護回路機能を持つ。
【0070】図19、図20において発光素子L1(L
2)と並列に接続されているツェナーダイオードZ1p
(Z2p)を省くと、発光素子L1(L2)に印加され
る電圧を制限しないので、発光している範囲では発光強
度とVAとVBの差は一対一に対応する。従って、発光
強度を測定することで、発光している全範囲におけるア
ンテナAとアンテナBの電位差を決定することができ
る。ただしこの場合には、過電流が発光素子L1(L
2)に流れ、発光素子L1(L2)を破壊する恐れがあ
る。
【0071】また、図19、図20においてダイオード
D2を省くと、VA+VB>VZD2であれば、L2が
光る。すなわち、VA+VB>VZD2かつVA+VB
>VZ1+VD1であればL1もL2も光る。このと
き、L1とL2の発光する条件から、VA+VBの範囲
をさらに限定することも可能である。
【0072】また、図19、図20において、Z1s
(Z2s)を省くと、VA+VB>VD1でL1が発光
し、VB-VA>VD2でL2が発光する。
【0073】次に、図21で保護回路3について説明す
る。VA>VBがわかっているときには、発光回路を簡
単にすることができる。たとえば、図21に図20の発
明からツェナーダイオードZ2pを省いたものを示す。
このとき、0<VZ1+VD1<VZ2+VD2<VZ
3となるように各素子を選べば、L1のみが光るのはV
A+VB>VZ1+VD1のときで、L1もL2も光る
のはVZ1+VD1<VA+VB<VZ2+VD2であ
る。また、L1(L2)に印加される最大の電圧は V
Z3+VZ1+VD1(VZ3+VZ2+VD2)なの
で、L1(L2)は保護される。L1とL2の発光を観
測して、VA+VBを求める。
【0074】図19、20、21で説明した発光回路か
ら必要に応じて、要素を加減したり、組みあわせること
により、適切な発光回路を形成することができる。ま
た、図19、20、21では、発光素子としていわゆる
豆電球の類のように極性のないものを考えて、発光電圧
を説明したが、発光ダイオードのようにダイオード特性
のあるものは、その閾値が多少変化する。しかし、原理
は上記の通りである。また、発光素子としてダイオード
を用いるときは、図19、20、21の発明例では、そ
れぞれそれと直列のダイオードD1あるいはD2と極性
を揃えておく。
【0075】図22は、発光ダイオード201にかかる
電圧を調整するために、直列に抵抗2201を接続した
装置である。ウエハ面上に発生する電位差が大きすぎる
場合は、この構成を適用できる。発光ダイオード201
の発光強度より、電流Iが求まる。発光ダイオードの電
流−電圧特性より、ダイオード両端の電圧V1が求ま
り、I x Rで抵抗両端の電圧V2が求まる。発生した電位
はV1+V2で求まる。ここでは、値の異なる抵抗220
1(R1、R2)をそれぞれ発光ダイオード201に接続し
て、一度に広い範囲に電圧が測定できるようにしてあ
る。
【0076】続いて、図22は、本発明による電位差測
定方法に用いられる電位差、電流測定部材の第5の実施
の形態を示す回路構成図であって、電位差、電流測定部
材において測定可能な直流電位差の範囲な拡大するよう
にした他の一つの回路例を示すものであり、発光ダイオ
ード201を流れる電流を制限する抵抗素子を直列接続
しているものである。
【0077】図22に図示されるように、本電位差、電
流測定装置200は、発光ダイオード201とコンデン
サ202との並列接続回路に直列に抵抗素子2201を
接続しているものである。抵抗素子2201を接続した
ことにより、発光ダイオード201に過剰電流が流れる
ことを防止するとともに、導体アンテナ203A、20
3B間の直流電位差が発光ダイオード201の端子間電
圧と抵抗素子2201の端子間電圧に分圧されるので、
発光ダイオード201に印加される電圧を導体アンテナ
203A、203B間の直流電位差よりも小さくするこ
とができ、その分、電位差、電流測定部材における測定
可能な直流電位差の範囲を拡大することができる。そし
て、この場合においても、発光ダイオード201から出
力される放射光の検出を、目視あるいはCCDカメラ等
で行うことができるので、検出出力の取り出しに別途接
続導線や探針等を必要としない。
【0078】次に前述した発光素子103の観察方法と
は別の観察方法について述べる。
【0079】図23に示したようなエッチング装置にお
いては、シリコン基板204の温度を測定するために、
試料台108には放射温度計の計測用孔2301が設け
られていることが多い。ない場合は基板204を観察す
るために試料台108に孔2301を設ける。試料台1
08に設けられた孔2301を利用して、基板204の
上に置かれた発光強度を観察する。このとき、発光回路
801が発する光が基板205を透過するように適切な
発光回路801を選択しておけば、基板204に孔を設
けることなく、基板204の裏側から観察することもで
きる。基板204の表側から発光回路801の発光状態
を観察するときと同様に、必要に応じてカメラ230
2、干渉フィルタ、パソコン、光ファイバーを用いる。
【0080】たとえばシリコンは、波長約1.3μm以
上の波長の光を透過しやすい性質を持っている。従っ
て、基板204が主としてシリコンで構成されている場
合、L1450-35Cという1450nmの波長を発する発光
ダイオードを用いると、 基板204に孔を設けること
なく、基板204の裏面から表面に位置する発光を観察
することができる。このように構成すれば、観察用窓1
12をあえて設ける必要がなくなる場合もある。
【0081】本発明の電位差、電流測定装置は、いろい
ろな場所に配置できる。すなわち、本発明の電位差、電
流装置を絶縁体に載せたものをパッケージ化しておくこ
とにより、このパッケージを任意の位置に、任意の個数
設置することができる。半導体製造装置の内壁につけ
て、内壁の状態を観察することも可能である。通常はプ
ラズマの影響が直接及ばない領域にも設けてもよい。た
とえば、試料台108の側面や、それに対向する反応室
の壁面、反応室を真空排気するためのポンプのすぐ上流
の位置(たとえば位置2401)である。この目的はプ
ラズマの異常放電を監視することで、異常を検知したら
すぐにウエハの処理を中断し、正常状態に復帰させる対
策を施す。この対策とは、たとえば、反応室を大気開放
して、反応室の壁面、排気系の流路を有機溶剤などを用
いてクリーニングすることである。また、導波管102
の内壁(たとえば位置2402)に取り付けて二点間の
電位差を測定することも可能である。
【0082】アンテナは基本的に導体で形成するが、金
属汚染の低減のため、その材質として不純物をドーピン
グされた多結晶シリコンやアルミニウムなどの軽金属あ
るいは導電性の高い炭素を用いるとよい。
【0083】発光ダイオードは、窒化ガリウム(Ga
N)やAlGaNなど化合物半導体を用いることが多い
が、これを外部に露出したまま、シリコン系の半導体製
造装置に入れるのは金属汚染の問題がある。この金属汚
染の問題を避けるため、必要な部分を発光が観察できる
適当な材料で覆うとよい。この材質の例として、酸化シ
リコン、プラスチックの樹脂などが挙げられる。
【0084】次に、図25でGaAs発光素子の例を述
べる。図25(a)、(b)、(c)は、本発明による
電位差測定方法に用いられる電位差、電流測定装置20
0を示す構成図であって、基板204上に電位差、電流
測定装置を一体形成した例を示すものであり、(a)は
上面図、(b)はそのA−A線部分の断面図、(c)は
そのB−B線部分の断面図である。
【0085】図25(a)乃至(c)に示される電位
差、電流測定装置200は、ガリウム砒素(GaAs)
等からなる基板204上に電位差、電流測定部材が形成
されたもので、基板204にイオン注入等によってn型
半導体領域2501 とp型半導体領域2502とから
なる発光ダイオードが形成され、このpn接合部が光を
出力する。発光ダイオードの形成部分を含む基板上に第
1絶縁膜2503が被覆され、第1絶縁膜2503は、
n型半導体領域2501上及びp型半導体領域2502
にそれぞれ基板204に達する開口2504、2505
を有している。第1導体26は、一端側が開口2505
を通してp型半導体領域2502に接続され、他端側が
第1絶縁膜2503上に沿って延在配置される。
【0086】一方のアンテナ203Aは、一端側が開口
2504を通してn型半導体領域2501に接続され、
他端側が第1絶縁膜2503上に沿って延在配置され
る。他方の導体アンテナ203Bは、第1導体2506
の他端に接続された状態で第1絶縁膜2503上に形成
される。第2絶縁膜2507は、他方の導体アンテナ2
03Bの一部の上側に形成配置される。第2導体250
8は、一方の導体アンテナ203Aに接続された状態で
第2絶縁膜2507の上側に形成配置される。第3絶縁
膜2509は、第1導体2506と第2導体2508と
他方の導体アンテナ203Bの各露出部を被覆するよう
に、かつ、第1導体2506と一方の導体アンテナ20
3Aとを絶縁するように配置形成される。この場合、第
2絶縁膜2507を介する他方の導体アンテナ203B
と第2導体2508との対向配置部分がコンデンサを形
成しており、このコンデンサが発光ダイオードに並列接
続される。
【0087】この実施の形態によれば、基板204上の
一方の導体アンテナ203Aと他方の導体アンテナ20
3B間の直流電位差に応じて発光ダイオードから放射光
が出力され、その光強度を検出することにより直流電位
差を測定することができる。
【0088】この場合、放射光は、第2導体2508ポ
リシリコン等の光透過性物質で、また、第3絶縁膜25
09を同じく光透過性物質で構成することにより、外部
に放射させることができる。また、放射光の通過部分に
透明絶縁膜で覆われた窓を設けるようにしても、同じよ
うに外部に放射させることができる。
【0089】この他に、発光ダイオードを形成する方法
としては、シリコン基板204上に、一方の導体アンテ
ナ203Aと他方の導体アンテナ203Bとを形成する
とともに、コンデンサを形成し、この後で一方の導体ア
ンテナ203A及び他方の導体アンテナ203Bまたは
コンデンサの形成領域にイオンビーム加工方法等を用い
て発光ダイオードの微細チップを埋込み、前記構成のも
のと同じものを形成するようにしてもよい。
【0090】また、以上の実施例はプラズマを用いたエ
ッチング装置での測定例を示したが、本発明によれば、
膜堆積装置や、レジスト除去装置など同じように測定で
きる。さらに、実施例の半導体製造装置では主に磁場と
マイクロ波を用いたプラズマ源の場合を説明したが、高
周波の誘導結合あるいは容量結合によりプラズマを発生
させる装置またUHF帯の電磁波によりプラズマを発生さ
せる装置など他の方式のプラズマ源を用いた装置でも同
様に適用できる。
【0091】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、簡
単な構成を有する電位差、電流測定部材を用い、被測定
物体上の直流電位差を簡便な手段によって測定を行うこ
とを可能にした電位差、電流測定方法を提供することが
できる。すなわち、プラズマを用いた半導体の表面処理
装置で重要な量であるウエハ上に発生するプラズマ電位
差及びプラズマ電流を装置の改造なしで測定する手段を
提供することができる。発光強度は、カメラで非接触に
測定できるので、従来の探針法のように導線の導入端子
が不要になる。また、ウエハに導線をつける必要がない
ので、ウエハの交換はエッチング時と同様にできる。
【0092】また、本発明によれば、簡単な構成を有す
る電位差、電流測定部材を用いた効率の良い試料の処理
方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ECRエッチング装置の全体構成図。
【図2】本発明の一実施例の電位差、電流測定装置の上
面図。
【図3】本発明の一実施例の電位差、電流測定装置の断
面図。
【図4】本発明原理を示す図。
【図5】発光ダイオードに印加する電圧と発光強度の関
係を示す図。
【図6】本発明の適用した結果の一例を示す図。
【図7】本発明の適用した結果の一例を示す図。
【図8】本発明の電位差、電流測定装置の別構成図(交
流電流バイパス)。
【図9】本発明の電位差、電流測定装置を適用する半導
体処理装置の全体構成図。
【図10】本発明の電位差、電流測定装置を半導体処理
に適用して、生産性を向上させるためのフローチャー
ト。
【図11】本発明の電位差、電流測定装置を半導体処理
装置の最適化に適用するためのフローチャート。
【図12】本発明による電位差測定装置の別構成図及び
コンデンサーのない電位差、電流測定装置。
【図13】アッシング装置の全体構成図。
【図14】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図15】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図16】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図17】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図18】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図19】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図20】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図21】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図22】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【図23】本発明の電位差、電流測定装置の発光状態を
観察する方法を示す図。
【図24】本発明による電位差、電流測定装置を設置す
る場所を示す図。
【図25】本発明による電位差、電流測定装置の別構成
図。
【符号の説明】
101…マイクロ波電源、102…導波管、103…導
入窓、104…真空容器、105…ウエハ、106…プ
ラズマ、107…電磁石、108…試料台、109…高
周波電源、110…カメラ、111…パソコン、112
…窓、113…干渉フィルター、200…電位差、電流
測定装置、201…発光ダイオード、202…コンデン
サー、203…アンテナ(ふたつのアンテナを区別する
ときには203A、203B)、204…シリコン基
板、205…絶縁膜、206…プラズマ、208…試料
台、209…高周波電源、801…発光回路、901…
処理室、902…第二の処理室、903…ウエハ搬送用
ロボット、904…ロードロック室、905…アンロー
ドロック室、906…ローダー、907…ストッカー、
908…カセット、909…ダミーカセット、1401
…基板と導通したアンテナ、1501…上に絶縁物のパ
ターンの載ったアンテナ(絶縁物を含めて)、1502
…アンテナに載った絶縁物のパターン、1601…電
池、1602…メッシュ、1603…開口部、1801
…ゲート酸化膜、1802…ポリシリコンなどでできた
アンテナ、2201…抵抗、2301…計測用孔、23
02…カメラ、2401…本発明の電位差、電流測定装
置を取り付ける位置の例 2402…本発明の電位差、電流測定装置を取り付ける
位置の例 2501…n型半導体領域、2502…p型半導体領
域、2503…第1絶縁膜、2504…開口、2505
…開口、2506…第1導体、2507…第2絶縁膜、
2508…第2導体、2508…第3絶縁膜、L1、L
2…発光素子、D1、D2…ダイオード、Z1、Z2、
Z1s、Z2s、Z1p、Z2p…ツェナーダイオー
ド、C…コンデンサー。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 臼井 建人 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 (72)発明者 西尾 良司 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 (72)発明者 高橋 主人 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸事業所内 Fターム(参考) 5F004 BA14 BB32 BD01 BD04 CB05 CB09 5F045 AA08 AA10 AB32 EH02 EH17 GB02 GB08

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空容器にガスを導入してプラズマを発生
    させ試料を処理するプラズマ処理装置における、プラズ
    マ処理の電位差を測定するものにおいて、 前記試料と同じ構成の測定用試料の上に発光素子を形成
    し、プラズマから入射する荷電粒子量の差に対応して発
    生する電位差を利用し、前記発光素子の両端に発生した
    電位差によって該発光素子に電流が流れ該電流に応じて
    前記発光素子が発光することによる発光強度を測定し、
    該発光強度の強弱に応じて前記測定用試料上の電位差を
    測定することを特徴とするプラズマ処理の電位差測定方
    法。
  2. 【請求項2】真空容器にガスを導入してプラズマを発生
    させ、試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理のプラズ
    マ電流を測定するものにおいて、 前記試料と同じ構成の測定用試料の上に発光素子を形成
    し、該測定用試料の表面にプラズマから入射する荷電粒
    子の流れを、前記発光素子に流れる電流に応じて該発光
    素子が発光する発光強度として測定し、該発光強度の強
    弱に応じて前記測定用試料へ流れ込む電流を測定するこ
    とを特徴とするプラズマ処理のプラズマ電流測定方法。
  3. 【請求項3】真空容器にガスを導入してプラズマを発生
    させ、試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置にお
    けるプラズマ電位差、電流測定装置において、 前記試料と同じ構成の測定用試料の上に形成された発光
    素子と、プラズマから入射する荷電粒子量の差に対応し
    て発生する電位差を利用して前記発光素子の両端に発生
    した電位差によって発光素子に電流が流れ、該電流に応
    じて前記発光素子が発光する発光強度を測定する発光強
    度測定手段とを備え、前記発光強度の強弱に応じて前記
    測定用試料上の電位差を測定することを特徴とするプラ
    ズマ処理の電位差、電流測定装置。
  4. 【請求項4】真空容器にガスを導入してプラズマを発生
    させ、試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置にお
    けるプラズマ電位差、電流測定装置において、 前記試料と同じ構成の測定用試料の上に形成された発光
    素子と、前記測定用試料の表面にプラズマから入射する
    荷電粒子の流れを、前記発光素子に流れる電流に応じて
    該発光素子が発光する発光強度として測定する発光強度
    測定測定手段とを有し、該発光強度の強弱に応じて前記
    測定用試料へ流れ込む電流を測定することを特徴とする
    プラズマ処理のプラズマ電位差、電流測定装置。
  5. 【請求項5】一対の導体アンテナと、前記一対の導体ア
    ンテナ間に接続された発光素子と、前記発光素子に接続
    された交流電圧バイパス素子とを備えた電位差、電流測
    定部材を用いる電位差、電流測定方法であって、前記一
    対の導体アンテナを被測定物体の測定点にそれぞれ配置
    接続し、そのときに前記発光素子が出力する発光強度を
    検出することによって前記各測定点の直流電位差、直流
    電流を測定することを特徴とする電位差、電流測定方
    法。
  6. 【請求項6】請求項1、2あるいは5のいずれかに記載
    の電位差、電流測定方法において、前記電位差、電流測
    定部材は、前記被測定物体における離間した各測定点に
    それぞれ配置接続される複数の電位差、電流測定部材か
    らなることを特徴とする電位差、電流測定方法。
  7. 【請求項7】請求項1、2、5あるいは6のいずれかに
    記載の電位差、電流測定方法において、前記電位差、電
    流測定部材は、前記被測定物体における離間した各測定
    点にそれぞれ配置接続される複数の電位差、電流測定部
    材からなり、前記各電位差、電流測定部材の発光素子
    は、それぞれ直列接続された1個または複数個のフィラ
    メントの加熱により発光する素子とダイオードの組み合
    わせあるいは発光ダイオードであることを特徴とする電
    位差、電流測定方法。
  8. 【請求項8】請求項5に記載の電位差、電流測定方法に
    おいて、前記発光素子は、互いに逆極性に並列接続され
    た一対のフィラメントの加熱により発光する素子とダイ
    オードとダイオードの組み合わせあるいは発光ダイオー
    ドであり、前記一対のフィラメントの加熱により発光す
    る素子とダイオードとダイオードの組み合わせあるいは
    発光ダイオードの発光または非発光を検出することによ
    って前記被測定点の直流電位差とその電圧極性とを測定
    することを特徴とする記載の電位差、電流測定方法。
  9. 【請求項9】請求項3、4あるいは6のいずれかに記載
    の電位差、電流測定装置において、前記電位差、電流測
    定部材は、前記被測定物体における離間した各測定点に
    それぞれ配置接続される複数の電位差、電流測定部材か
    らなることを特徴とする電位差、電流測定装置。
  10. 【請求項10】請求項3、4あるいは6のいずれかに記
    載の電位差、電流測定装置において、前記電位差、電流
    測定部材は、前記被測定物体における離間した各測定点
    にそれぞれ配置接続される複数の電位差、電流測定部材
    からなり、前記各電位差、電流測定部材の発光素子は、
    それぞれ直列接続された1個または複数個のフィラメン
    トの加熱により発光する素子とダイオードの組み合わせ
    あるいは発光ダイオードであることを特徴とする電位
    差、電流測定装置。
  11. 【請求項11】請求項9または10に記載の電位差、電
    流測定装置において、前記発光しきい値を異にする発光
    ダイオードは、発光色が異なる発光ダイオードであるこ
    とを特徴とする電位差、電流測定装置。
  12. 【請求項12】請求項9または10に記載の電位差、電
    流測定装置において、前記発光素子は、前記フィラメン
    トの加熱により発光する素子とダイオードの組み合わせ
    あるいは発光ダイオードは順方向と逆方向を一組にして
    同等な2点間の電位を測定することを特徴とする電位
    差、電流測定装置。
  13. 【請求項13】請求項9または10に記載の電位差、電
    流測定装置において、前記発光素子は半導体素子におけ
    る薄いゲート酸化膜を含むことを特徴とする電位差、電
    流測定装置。
  14. 【請求項14】請求項9または10に記載の電位差、電
    流測定装置において、前記交流電圧バイパス素子は、コ
    ンデンサであることを特徴とする電位差、電流測定装
    置。
  15. 【請求項15】請求項7に記載の電位差、電流測定方法
    において、前記電位差、電流測定部材は、前記発光素子
    に直列または並列に抵抗素子が接続されていることを特
    徴とする電位差、電流測定方法。
  16. 【請求項16】請求項7に記載の電位差、電流測定方法
    において、前記電位差、電流測定部材は、前記発光素子
    に近接配置された光ファイバーを備え、前記発光素子の
    発光を前記光ファイバーを通して検出していることを特
    徴とする電位差、電流測定方法。
  17. 【請求項17】請求項7に記載の電位差、電流測定方法
    において、前記測定用試料は、半導体ウエハであり、前
    記測定点は、前記半導体ウエハ表面の離間した2点であ
    ることを特徴とする電位差、電流測定方法。
  18. 【請求項18】請求項7に記載の電位差、電流測定方法
    において、前記測定用試料である半導体ウエハは、表面
    処理加工を行うプラズマ発生装置内に配置されているも
    のであることを特徴とする電位差、電流測定方法。
  19. 【請求項19】請求項7に記載の電位差、電流測定方法
    において、前記発光素子は、前記測定用試料である半導
    体基板を透過する波長の光を発することを特徴とする電
    位差、電流測定方法。
  20. 【請求項20】請求項7に記載の電位差、電流測定方法
    において、前記前記発光素子が発光する光を観測するの
    に、前記測定用試料である半導体基板の裏面から測定す
    ることを特徴とする電位差、電流測定方法。
  21. 【請求項21】請求項9に記載の電位差、電流測定装置
    において、前記発光素子と並列にダイオードを接続した
    発光回路を有することを特徴とする電位差、電流測定装
    置。
  22. 【請求項22】請求項5記載の電位差、電流測定装置に
    おいて、一対の導体アンテナと、前記一対の導体アンテ
    ナ間に接続された発光素子を備えた電位差、電流測定部
    材を用いる電位差、電流測定装置において、片方のアン
    テナに容易に取り外しの可能な絶縁体の構造物を乗せた
    ことを特徴とする電位差、電流測定装置。
  23. 【請求項23】請求項5記載の電位差、電流測定装置に
    おいて、前記アンテナは、不純物がドーピングされたシ
    リコンあるいはアルミニウムやマグネシウムなどの軽金
    属、あるいは導電性のあるカーボンからなることを特徴
    とした電位差、電流測定装置。
  24. 【請求項24】片方のアンテナAは導体部がおおよそ平
    面的に露出する構造で、もう片方のアンテナBは導体部
    が絶縁体に囲まれた状態で露出している構造とし、その
    間に接続された発光素子の発光を測定するときに、発光
    強度の時間依存性を調べ、発光が始まってから終わるま
    での時間と、アンテナBの導体の厚さから、エッチング
    レートを測定することを特徴とするエッチングレート測
    定装置。
  25. 【請求項25】片方のアンテナAは導体部がおおよそ平
    面的に露出する構造で、もう片方のアンテナBは導体部
    が絶縁体に囲まれた状態で露出している構造とし、その
    間に接続された発光素子の発光を測定するときに、発光
    強度の時間依存性を調べ、発光が始まってから終わるま
    での時間と、アンテナBの導体の厚さから、エッチング
    レートを測定することを特徴とするエッチングレート測
    定方法。
  26. 【請求項26】真空容器にガスを導入してプラズマを発
    生させるプラズマ処理装置を適切に設定する方法おい
    て、 前記電位差、電流測定部材を前記処理装置内に設置し、 ガスを導入する位置、反応室の形状、試料台など、装置
    を形状と前記電位差、電流測定部材の発光素子が発光の
    関係から、エッチング装置条件を最適化することを特徴
    とするプラズマエッチング装置の最適化方法。
  27. 【請求項27】真空容器にガスを導入してプラズマを発
    生させるプラズマ処理条件を適切に制御する方法におい
    て、 前記電位差、電流測定部材を前記処理装置内に設置し、 導入するガスの種類、流量、印加するパワーなどの条件
    と前記電位差、電流測定部材の発光素子が発光の関係か
    ら、エッチング条件を最適化することを特徴とするプラ
    ズマエッチング条件の最適化方法。
  28. 【請求項28】真空容器にガスを導入してプラズマを発
    生させ試料を処理する試料の処理方法において、 電位差測定用の手段として、前記試料と同じ構成の測定
    用試料の上に発光素子を形成し、プラズマから入射する
    荷電粒子量の差に対応して発生する電位差を利用し、前
    記発光素子の両端に発生した電位差によって該発光素子
    に電流が流れ該電流に応じて前記発光素子が発光するこ
    とによる発光強度を測定し、該発光強度の強弱に応じて
    前記測定用試料上の電位差を測定するように構成し、 前記真空容器内において前記試料を所定枚数処理する毎
    に、前記測定用試料を用いて前記電位差を測定し、 前記電位差が所定値を越えた場合、前記試料の処理を中
    断することを特徴とする試料の処理方法。
  29. 【請求項29】真空容器にガスを導入してプラズマを発
    生させ試料を処理する試料の処理方法において、 プラズマ電流測定用の手段として、前記試料と同じ構成
    の測定用試料の上に発光素子を形成し、該測定用試料の
    表面にプラズマから入射する荷電粒子の流れを、前記発
    光素子に流れる電流に応じて該発光素子が発光する発光
    強度として測定し、該発光強度の強弱に応じて前記測定
    用試料へ流れ込む電流を測定するように構成し、 前記真空容器内において前記試料を所定枚数処理する毎
    に、前記測定用試料を用いてプラズマ電流を測定し、 前記プラズマ電流が所定値を越えた場合、前記試料の処
    理を中断することを特徴とする試料の処理方法。
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