JP2004031398A

JP2004031398A - プラズマプロセスにおける発光モニタ用プローブ

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Publication number: JP2004031398A
Application number: JP2002181132A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Satake; 佐竹　司; Kiyoaki Hara; 原　清明
Original assignee: Horiba Ltd; Stec KK
Current assignee: Horiba Ltd; Stec KK
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】光学窓表面へのプロセス材料の付着を可及的に防止することができ、プラズマ光の透過効率が長期に亘って変動をきたさず、安定した光学的測定を行うことができる発光モニタ用プローブを提供すること。
【解決手段】プローブ本体２の一端側にプラズマプロセスにおけるプラズマ光３の入射口４が開設され、他端側に光学窓８が設けられ、前記光入射口４を経てプローブ本体２内に入射したプラズマ光３を、前記光学窓８を介して導出するように構成されたプラズマプロセスにおける発光モニタ用プローブ１において、前記プローブ本体２内に、前記プラズマプロセスに用いるガスに悪影響を及ぼさないガスを保護用ガス１１として、プラズマプロセスにおけるガス圧力よりも高くなるように供給し、プラズマプロセスにおいて発生するプロセス材料１８の前記光学窓８への付着を防止するようにした。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、プラズマプロセスにおける発光部位を光学的にモニタするのに用いられるプラズマプロセスにおける発光モニタ用プローブ（以下、単に発光モニタ用プローブという）の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体を製造する場合、例えばスパッタ、ＣＶＤ、ドライエッチングなどのプラズマプロセスが行われるが、このようなプラズマプロセスにおけるプラズマ発光部位の測定には、従来より、光ファイバの端面に発光モニタ用プローブを設けたものが用いられている。この発光モニタ用プローブは、プローブ本体の一端側にプラズマプロセスにおけるプラズマ光が入射する光入射口が開設され、他端側に溶融シリカディスクなどよりなる光学窓を設け、この光学窓の後面に光ファイバの端面を当接配置して、前記入射口を経てプローブ本体内に入射したプラズマ光を、前記光学窓の前面側から後面側に透過させて光ファイバ側に導出するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記発光モニタ用プロープは、プローブ本体の光入射口と光学窓との間が空間となっており、この空間内にプラズマプロセスにおいて発生するターゲット材からの派生物や副生成物（以下、これを総称してプロセス材料という）が侵入して、前記光学窓の前面（以下、表面ともいう）に付着し、当該光学窓における光の透過率が大きく低下または変動するなどして、測定の安定性に大きな悪影響が及ぼされることとなる。このため、従来の発光モニタ用プローブにおいては、メンテナンスを定期的に行うなどして、前記プロセス材料の光学窓への付着による不都合を可及的に抑制するようにしていた。
【０００４】この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、光学窓表面へのプロセス材料の付着を可及的に防止することができ、プラズマ光の透過効率が長期に亘って変動をきたさず、安定した光学的測定を行うことができる発光モニタ用プローブを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明では、プローブ本体の一端側にプラズマプロセスにおけるプラズマ光の入射口が開設され、他端側に光学窓が設けられ、前記光入射口を経てプローブ本体内に入射したプラズマ光を、前記光学窓を介して導出するように構成されたプラズマプロセスにおける発光モニタ用プローブにおいて、前記プローブ本体内に、前記プラズマプロセスに用いるガスに悪影響を及ぼさないガスを保護用ガスとして、プラズマプロセスにおけるガス圧力よりも高くなるように供給し、プラズマプロセスにおいて発生するプロセス材料の前記光学窓への付着を防止するようにしている（請求項１）。
【０００６】そして、上記発光モニタ用プローブにおいて、プローブ本体の光入射口と光学窓との間にガス拡散素子を設け、このガス拡散素子を通して前記プローブ本体内に保護用ガスが供給されるようにしてあってもよい（請求項２）。
【０００７】上記構成の発光モニタ用プローブにおいては、プローブ本体内に保護用ガスがプラズマプロセスにおけるガス圧力よりも高くなるように供給されているので、プラズマプロセスにおいて生ずるプロセス材料がプローブ本体内に侵入するのが防止され、プローブ本体内の奥側に位置する光学窓の表面に前記プロセス材料が付着するのが大幅に低減される。特に、請求項２に記載されているように構成した場合、保護用ガスをプローブ本体内の特に光学窓の表面側において確実に拡散させることができ、前記光学窓の表面側に保護用ガスの層をより確実に形成することができる。
【０００８】したがって、上記構成の発光モニタ用プローブにおいては、光学窓におけるプラズマ光の透過効率を長期に亘って高い状態に安定して維持することができ、所望の光学的測定を長期に亘って安定して行うことができるとともに、そのメンテナンスの間隔を長く延ばすことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１および図２は、この発明の第１の実施の形態を示している。まず、図１は、この発明の発光モニタ用プローブ１の一例を示すもので、この図において、２はプローブ本体で、例えばステンレスなど耐腐食性に優れた素材よりなり、例えば外径１０ｍｍ、内径８ｍｍ、長さ１００ｍｍ程度の円筒体である。このプローブ本体２の一端側は、測定部位Ａ（図２参照、後述する）において発生するプラズマ光３を入射させるための光入射口４が形成されており、視野絞り５が設けられている。
【００１０】また、前記プローブ本体２の他端側には、その開口を封止するようにして、キャップ体６が装着され、このキャップ体６の中心を貫くようにして光ファイバ７が挿入接続されている。なお、この光ファイバ７の他端側は、プラズマ光３の強度および波長を計測する計測装置（図示していない）に接続されている。
【００１１】そして、前記キャップ体６よりもやや内側には、所定の厚みを有する板状の光学窓８がキャップ体６に保持されるようにして設けられている。この光学窓８は、例えば溶融シリカよりなる厚さ１ｍｍ、直径５〜６ｍｍ程度のディスク体で、その後面（キャップ体６側の面、光出射側の面）８ａには光ファイバ７の端部７ａが光学的に密な状態で当接し、前面（光入射口４側の面）８ｂに入射したプラズマ光３が光学窓８を透過し、光ファイバ７に漏れなく入射して、前記計測装置側に導出されるように構成されている。この発明の発光モニタ用プローブ１のここまでの構成は、従来のこの種の発光モニタ用プローブと変わるところはなく、以下のように構成した点が従来のものとは大きく異なる。
【００１２】すなわち、前記プローブ本体２の光学窓８の前面（光入射側の面）８ｂ側には、ガス拡散素子９が設けられるとともに、このガス拡散素子９に臨む前記前面８ｂ側のプローブ本体２の側壁２ａにはガス導入部１０が形成され、このガス導入部１０を経たガス１１がガス拡散素子９を経てプローブ本体２内の光学窓８から光入射口４までの空間２ｂ内を充填するように構成されている。
【００１３】より具体的には、前記ガス拡散素子９は、例えばステンレス鋼の粉末を焼結して多孔質体としたもので、適宜の肉厚を有する円筒体に形成され、プローブ本体２内に嵌設されている。また、ガス導入部１０にはガス供給管１２が接続され、このガス供給管１２から供給され、ガス拡散素子９を経てプローブ本体２に導入されるガス１１は、プラズマプロセスにおいて生ずるプロセス材料１８（図２参照、後述する）が光学窓８に付着するのを防止する保護用ガスとして機能するとともに、前記プラズマプロセスに悪影響を与えないようにするため、当該プラズマプロセスにおいて存在するガスに悪影響を及ぼさないガス、例えば、プラズマガスと同種のものが用いられ、しかも、プローブ本体２内における保護用ガス１１の圧力が前記プラズマプロセスにおけるガス圧力よりも若干高くなるように設定されている。
【００１４】図２は、スパッタリングを行うプラズマプロセスにおける発光部位をモニタするための構成を概略的に示すもので、この図において、１３は適宜の圧力状態に保持されたスパッタ空間１４内に設けられるマグネトロンで、その側方にはスパッタリング対象の基板１５が適宜の手法で立設保持されている。そして、前記発光モニタ用プローブ１を、その光入射口４が基板１５の表面１５ａ（測定部位Ａ）の斜め側方から臨ませた状態で設ける。
【００１５】上記構成によって、前記基板１５の表面１５ａに例えばＳｉ層をスパッタリングによって形成する場合、前記スパッタ空間１４内をスパッタガスとしてのＡｒで満たし、マグネトロン１３を動作させてスパッタ空間１４内をＡｒのプラズマ状態とする。そして、前記発光モニタ用プローブ１には、スパッタガスＡｒと同種のガスであるＡｒを光学窓８の保護用ガス１１として供給し、そのプローブ本体２内に、前記スパッタ室１４内におけるガス圧力よりも若干高い圧力となるように供給する。この場合、保護用ガス１１は、図２中において符号１１ａで示すように、光入射口４からプローブ本体２の外部に、若干流れ出るようにしておくのがよいが、可及的に最小の流量が好ましい。
【００１６】前記状態において、スパッタ空間１４内に、ターゲット材としてのＳｉを含む適宜の化合物（ガス）１６を導入する。これによって、基板１５の表面１５ａには、Ｓｉよりなる膜１７が形成される。このとき、膜１７が形成される基板表面１５ａにおいてはプラズマ発光３が生じ、この発光３は、発光モニタ用プローブ１の光入射口４からプローブ本体２内に入り、光学窓８を経て光ファイバ７に入射し、この光ファイバ７を介して計測装置に到達する。
【００１７】そして、前記プラズマプロセスにおいては、そのスパッタ空間１４内に、図２において符号１８で示すようなターゲット材よりなるプロセス材料が発生し、これが発光モニタ用プローブ１の光入射口４からプローブ本体２内に侵入しようとするが、プローブ本体２内には、保護用ガスとしてのＡｒ１１がスパッタ空間１４内のガス圧力より高い状態で充填されており、しかも、前記保護用ガス１１が光入射口４からプローブ本体２の外部に吹き出しているので、プラズマプロセスにおいてプロセス材料１８が生じても、これがプローブ本体２内に侵入するのが巧みに防止される。
【００１８】上述のように、この発明の発光モニタ用プローブ１においては、従来の発光モニタ用プローブとは異なり、プローブ本体２内に、プラズマプロセスに用いるガス１６に悪影響を及ぼさないガス１１を保護用ガスとして、プラズマプロセスにおけるガス圧力よりも高くなるように供給しているので、プラズマプロセスにおいてプロセス材料１８が発生しても、このプロセス材料１８のプローブ本体２内への侵入が巧みに防止され、また、仮に、プロセス材料１８のプローブ本体２内への侵入があったとしても、光学窓８の前面８ｂ側には保護用ガス１１が存在しているので、光学窓８の前面８ｂにプロセス材料１８が付着して、その透過率が低下または変動されるといったことが極力抑制され、所望の光学的測定を長期に亘って安定して行うことができるとともに、そのメンテナンスの間隔を長く延ばすことができる。
【００１９】そして、上記実施の形態においては、プローブ本体２内に、ガス拡散素子９を介して保護用ガス１１を導入しているので、保護用ガス１１を確実にプローブ本体２内の空間２ｂ、特に、光学窓８の前面８ｂ側に滞留させるように拡散させることができる。また、プローブ本体２の光入射口４側に視野絞り５を設けているので、プラズマ発光３が生じている部分にのみ観察視野を限定することができ、プラズマ発光３の光学的測定を確実に行うことができる。
【００２０】上記発光モニタ用プローブ１は、種々に変形して実施することができる。例えば、プローブ本体２内への保護用ガス１１の導入部１０の位置は、光学窓８と光入射口４との間であればどこでもよく、その場合、ガス拡散素子９もそれに合わせて設ければよい。また、ガス拡散素子９は、セラミックなど他の焼結材料によって形成してもよい。そして、このガス拡散素子９は、必ずしも設ける必要はなく、例えば、プローブ本体２の側壁２ａの同一高さ位置に複数のガス導入用の小孔を開設し、これを介して保護用ガス１１をプローブ本体２内に吹き出すようにしたり、前記側壁２ａにガス吹き出し用のノズルを設けてもよい。さらに、保護用ガス１１は、Ａｒに限られるものではなく、プラズマプロセスにおいて用いるガスと同種のものであればよく、例えばＨｅ、Ｎ_２などのガスであってもよい。また、光学窓８の後面８ａに光ファイバ７を設け、これにより、光学窓８を透過したプラズマ発光３を外部に取り出すようにしているが、光学窓８の後面８ａに分光器などを設けるようにしてあってもよい。
【００２１】図３は、この発明の発光モニタ用プローブ１を、ドライエッチングを行うプラズマプロセスにおけるプラズマ発光３のモニタに用いた場合の構成を概略的に示すもので、この図において、２０は処理対象のＳｉ基板で、ヒータ２１によって加熱されるように適宜の載置台２２上に載置されている。２３は載置台２２とは適宜の間隔をおいて対向配置されるプラズマ電極で、ヒータ２１との間に高周波電源２４による高周波電圧が印加されるようにしてあり、ヒータ２１との間の空間２５に例えばプラズマガス２６としてＡｒを供給したとき、プラズマ空間２５が形成されるようにしてある。そして、この発明の発光モニタ用プローブ１を、その光入射口４が基板２０の表面２０ａ（測定部位Ａ）を斜め上方から臨ませた状態で設け、プローブ本体２内に保護用ガス１１としてＡｒを供給しておく。
【００２２】上記構成において、プラズマ空間２５内にエッチングガスとしてＣＦ_４またはＣ_２Ｆ_６を供給すると、ラジカルが発生し、Ｓｉ基板２０の表面２０ａがドライエッチングされて、図中において、符号２０ｂで示すような穴が形成される。このとき、前記孔２０ｂが形成される表面２０ａからＳｉＦ_４のような副生成物がプロセス材料１８として生成するが、この場合、発光モニタ用プローブ１のプローブ本体２内には保護用ガス１１としてＡｒを供給されているので、前記図２に示した実施の形態と同様に、前記副生成物１８がプローブ本体２内に侵入することはないのである。
【００２３】ところで、従来のドライエッチングにおいては、基板２０の表面２０ａに形成される穴２０ｂの深さは、それほど深いものではなかったが、近時においては、穴径：穴深さが例えば１：４０というように、穴径の割りに深い穴２０ｂを形成することが要求される至っており、このような微細な深い穴２０ｂを、従来において一般的に用いられてきたＯＥＳ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）によってモニタするのは困難であるが、図３に示すような構成によれば、前記微細な深い穴２０ｂにおいても、プラズマ発光をきわめて容易かつ正確にモニタすることができるのである。
【００２４】この発明の発光モニタ用プローブ１は、上記スパッタリングやドライエッチングといったプラズマプロセスのみならず、図示は省略しているが、ＣＶＤなどのプラズマプロセスにおいても同様に利用することができる。
【００２５】ところで、半導体基板の表面に形成された薄膜の厚みや光学的特性を測定するものとして、エリプソメータがある。前記発光モニタ用プローブ１を、図４に示すように、基板３０に対する光の出射側および入射側の双方に用いるようにしてもよい。特に、基板３０に薄膜を形成したプロセスに引きつづいて製造プロセスに近い条件下において、薄膜の測定を行うような場合、前記発光モニタ用プローブ１は、その威力を大いに発揮することが予測される。
【００２６】さらに、前記発光モニタ用プローブ１は、上述の半導体以外の分野において、プラズマプロセスを応用する下記のような用途においても、有用に用いることができる。すなわち、
ａ．樹脂・フィルム上への成膜：基体透過性の制御、色調の制御
ｂ．刃物・切削バイト上への成膜：硬度・強度の制御
ｃ．衣類用生地上への成膜：色の調整など
ｄ．ガラス上への成膜：透過波長・反射波長およびそれらの光強度の調整・色調整
【００２７】
【発明の効果】この発明の発光モニタ用プローブによれば、光学窓表面へのプロセス材料の付着を可及的に防止することができ、光学窓におけるプラズマ光の透過率を長期に亘って高い状態に安定して維持することができ、所望の光学的測定を長期に亘って安定して行うことができるとともに、そのメンテナンスの間隔を長く延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の発光モニタ用プローブの一例を示す縦断面図である。
【図２】前記発光モニタ用プローブを用いてスパッタリングにおける発光部位の光学的モニタを行うための概略構成図である。
【図３】前記発光モニタ用プローブを用いてドライエッチングにおける発光部位の光学的モニタを行うための概略構成図である。
【図４】前記発光モニタ用プローブの他の使用例を示す図である。
【符号の説明】１…発光モニタ用プローブ、２…プローブ本体、３…プラズマ光、４…光入射口、８…光学窓、９…ガス拡散素子、１１…保護用ガス、１８…プロセス材料。

Claims

プローブ本体の一端側にプラズマプロセスにおけるプラズマ光の入射口が開設され、他端側に光学窓が設けられ、前記光入射口を経てプローブ本体内に入射したプラズマ光を、前記光学窓を介して導出するように構成されたプラズマプロセスにおける発光モニタ用プローブにおいて、前記プローブ本体内に、前記プラズマプロセスに用いるガスに悪影響を及ぼさないガスを保護用ガスとして、プラズマプロセスにおけるガス圧力よりも高くなるように供給し、プラズマプロセスにおいて発生するプロセス材料の前記光学窓への付着を防止するようにしたことを特徴とするプラズマプロセスにおける発光モニタ用プローブ。
プローブ本体の光入射口と光学窓との間にガス拡散素子を設け、このガス拡散素子を通してプローブ本体内に保護用ガスが供給されるようにしてある請求項１に記載のプラズマプロセスにおける発光モニタ用プローブ。