JP2004095845A

JP2004095845A - プラズマ処理を用いて装置を製造する方法及び製造装置

Info

Publication number: JP2004095845A
Application number: JP2002254821A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Miwa; 三輪　和弘; Masato Kosugi; 小杉　眞人
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】真空容器の真空を解除することなく、ジグのエッチング量に起因するエッチング条件の変動量を検知することができる製造方法を提供する。
【解決手段】真空容器内に電極が配置されたプラズマ処理装置の該真空容器内に処理対象物を装填する。真空容器内に処理ガスを導入し、電極に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、プラズマ処理を行うとともに、電極に印加される高周波電圧及び該電極を介して流れる高周波電流により規定される物理量を測定する。で測定された物理量に基づいてプラズマ処理条件を決定する。プラズマ処理条件を、前記工程で決定されたプラズマ処理条件に変えて、プラズマ処理を継続する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理を用いて装置を製造する方法及びその製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマエッチング装置を用いてエッチングを行うと、エッチングレートが経時的に変化する。これは、プラズマエッチング装置の真空容器内に配置されたジグがエッチングされて、エッチング条件が変化してしまうことが一つの原因と考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
エッチングレートが経時的に変化すると、所望の深さのエッチングを行うことが困難になる。ジグのエッチング量を測定して、そのエッチング量からエッチングレートの変動分を予測することができる。ところが、ジグのエッチング量を測定するためには、真空容器の真空を一旦解除しなければならない。
【０００４】
本発明の目的は、真空容器の真空を解除することなく、ジグのエッチング量に起因するエッチング条件の変動量を検知することができる製造装置及びそれを用いた製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、（ａ）真空容器内に電極が配置されたプラズマ処理装置の該真空容器内に処理対象物を装填する工程と、（ｂ）前記真空容器内に処理ガスを導入し、前記電極に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、プラズマ処理を行うとともに、前記電極に印加される高周波電圧及び該電極を介して流れる高周波電流により規定される物理量を測定する工程と、（ｃ）前記工程ｂで測定された物理量に基づいてプラズマ処理条件を決定する工程と、（ｄ）プラズマ処理条件を、前記工程ｃで決定されたプラズマ処理条件に変えて、プラズマ処理を継続する工程とを有する装置の製造方法が提供される。
【０００６】
本発明の他の観点によると、真空容器と、前記真空容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、前記真空容器内を排気する排気手段と、前記真空容器内に配置された電極と、前記電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、前記電極に印加される高周波電圧及び該電極を介して流れる高周波電流によって規定される物理量を測定する測定器とを有する製造装置が提供される。
【０００７】
この装置により、上述の製造方法を実施することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるプラズマエッチング装置の概略断面図を示す。接地された導電性の真空容器１の底面上に下部電極３が配置されている。下部電極３と真空容器１とは、絶縁部材２により相互に絶縁されている。下部電極３の上に処理対象基板２０が保持される。処理対象基板２０は、ロードロックチャンバ等を介して、真空容器１内の真空を維持したまま真空容器１内に搬入され、また真空容器１から搬出される。
【０００９】
真空容器１内の上面に、上部電極５が取り付けられている。上部電極５と真空容器１とは、絶縁材料４により相互に絶縁されている。上部電極５の、下部電極３に対向する面の外周部近傍及び側面が内部ジグ６で覆われている。内部ジグ６は、石英、アルミナ等の絶縁材料や、シリコン等で形成されている。処理ガス導入管７を経由して、上部電極５に設けられたガス導入口まで処理ガスが輸送され、ガス導入口から真空容器１内に処理ガスが導入される。ガス排気管８を介して真空容器１内が排気される。
【００１０】
高周波電源１０が、インピーダンス整合器１１を介して、下部電極３に周波数８００ｋＨｚの高周波電圧を印加する。もう一つの高周波電源１５が、インピーダンス整合器１６を介して、上部電極５に２７ＭＨｚの高周波電圧を印加する。ＲＦセンサ１２が、下部電極３に印加される周波数８００ｋＨｚの高周波電圧、下部電極３を介して流れる高周波電流、及び両者の位相差を測定する。
【００１１】
図１に示したプラズマエッチング装置を用いて、処理対象基板２０のエッチングを行うと、内部ジグ６も少しずつエッチングされる。
図２に、図１に示した内部ジグ６の重量と、酸化シリコン膜のエッチングレートとの関係を示す。横軸は内部ジグ６の重量を単位「ｇ」で表し、縦軸はエッチングレートを単位「ｎｍ／分」で表す。酸化シリコン膜のエッチング条件は次の通りである。エッチングガスとしてＣＨＦ_３、ＣＦ_４、Ａｒ、及びＯ_２の混合ガスを用いた。エッチングガス流量は４９０ｓｃｃｍ、真空容器１内の圧力は６．７Ｐａ（約５０ｍＴｏｒｒ）、周波数８００ｋＨｚの印加電力は２ｋＷ、周波数２７ＭＨｚの印加電力は１．５ｋＷである。
【００１２】
内部ジグ６がエッチングされてその重量が低下するに従って、エッチングレートが遅くなっていることがわかる。図１に示した内部ジグ６がエッチングされて薄くなると、真空容器１内の処理ガスの流れが変化することによって圧力分布に変化が生じ、エッチングレートが変動したと考えられる。真空容器１内の圧力は、通常、特定の１箇所で測定されている。圧力分布が変化すると、圧力測定箇所の圧力が一定になるように制御しても、処理対象基板２０の表面上における圧力は一定にはならない。この圧力変動により、エッチングレートが変動したものと考えられる。
【００１３】
反応容器内の圧力変化によって、プラズマシース部分のキャパシタンスが変化することが知られている（Ｍ．　Ａ．　Ｓｏｂｏｌｅｗｓｋｉ，　ｅｔ．　ａｌ．，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂ　１６，　１７３（１９９８））。図１に示した装置においても、真空容器１内の圧力分布に変化が生じると、キャパシタンスが変化すると考えられる。実際に下部電極３に印加される高周波電圧と、下部電極３を介して流れる高周波電流とからインピーダンスを測定したところ、内部ジグ６がエッチングされるに従って、インピーダンスが変化することがわかった。
【００１４】
図３に、ＲＦセンサ１２で測定された電圧と電流とから求めたインピーダンスと、酸化シリコン膜のエッチングレートとの関係を示す。なお、図３に示したエッチングレートは、処理対象基板２０の中央部と周辺部におけるエッチングレートの平均である。横軸はインピーダンスを単位「Ω」で表し、縦軸はエッチングレートを単位「ｎｍ／分」で表す。このインピーダンスの変化は、図１に示した内部ジグ６がエッチングされたことに起因する。インピーダンスが増加するに従って、エッチングレートが遅くなっていることがわかる。
【００１５】
図４に、ＲＦセンサ１２で測定された電圧と電流とから求めたリアクタンスと、酸化シリコン膜のエッチングレートとの関係を示す。横軸はリアクタンスを単位「Ω」で表し、縦軸はエッチングレートを単位「ｎｍ／分」で表す。なお、図４に示したエッチングレートは、処理対象基板２０の中央部と周辺部におけるエッチングレートの平均である。リアクタンスが負の方向に大きくなるに従って、エッチングレートが遅くなっていることがわかる。
【００１６】
図５に、処理対象基板２０の中心部と周辺部とのエッチングレートを別々に示す。図中の黒丸が中心部のエッチングレートを示し、黒三角が周辺部のエッチングレートを示す。リアクタンスが負の方向に大きくなると、周辺部のエッチングレートが低下するが、中心部のエッチングレートは殆ど変化しないことがわかる。このグラフから、リアクタンスを測定することにより、基板面内に関するエッチングレートの不均一さの度合いを知ることができる。
【００１７】
図３〜図５に示したインピーダンスやリアクタンスの変化は、図１に示した内部ジグ６がエッチングされて薄くなることによって生ずる。従って、内部ジグ６のエッチング量を測定する代わりに、インピーダンスまたはリアクタンスを測定することにより、内部ジグ６のエッチングに起因するエッチングレートの変動量を推定することができる。
【００１８】
次に、本発明の第１の実施例による製造方法について説明する。以下に説明する実施例は、上記知見に基づいて導出されたものである。
まず、種々のインピーダンスにおけるエッチングレートを測定し、図３に示したインピーダンスとエッチングレートとの関係を求める。または、種々のリアクタンスにおけるエッチングレートを測定し、図４に示したリアクタンスとエッチングレートとの関係を求める。
【００１９】
図１に示した真空容器１内に、処理対象基板２０を装填し、処理ガスを導入する。処理ガスは、処理対象基板２０の表面に形成されたエッチングすべき膜の材料に基づいて選択される。下部電極３及び上部電極５に高周波電圧を印加してプラズマを発生させる。ＲＦセンサ１２で、下部電極３に印加される高周波電圧と、下部電極３を介して流れる高周波電流とを測定する。両者の測定結果から、インピーダンスまたはリアクタンスを求める。
【００２０】
予め求められているインピーダンスまたはリアクタンスとエッチングレートとの関係、及び測定されたインピーダンスまたはリアクタンスからエッチングレートを求める。求められたエッチングレート及び所望のエッチング量から、残りのエッチング時間を計算する。計算で求められた残りのエッチング時間だけプラズマエッチングを継続する。
【００２１】
このように、測定されたインピーダンスまたはリアクタンスからエッチングレートを求めるため、内部ジグ６がエッチングされていることによってエッチングレートが初期の値から変動していたとしても、所望の量だけエッチングを行うことができる。また、インピーダンスやリアクタンスは、真空容器１内の真空状態を維持したまま測定することができるため、真空容器１内を大気にさらす必要がない。
【００２２】
なお、予め規定のエッチングレートＥＲ_０と、規定のエッチング時間Ｔ_０とを定めておいてもよい。測定されたインピーダンスまたはリアクタンスから求められたエッチングレートをＥＲ_１、実際にエッチングすべき時間をＴ_１とする。実際にエッチングすべき時間Ｔ_１は、以下の式で求めることができる。
【００２３】
【数１】
Ｔ_１＝（ＥＲ_０／ＥＲ_１）Ｔ_０
上記第１の実施例ではエッチングレートの変動に依存してエッチング時間を変えることによって所望のエッチング量を確保したが、エッチング時間以外の他のプラズマ処理条件を変化させてもよい。例えば、インピーダンスが初期の値から増加したことを検出すると、真空容器１内の圧力を高めてエッチングレートの低下を補償するようにしてもよい。
【００２４】
次に、図１に示したプラズマエッチング装置を用いて窒化シリコン膜をエッチングする場合を例にとって、本発明の第２の実施例について説明する。
図６に、図１の下部電極３に印加される高周波電圧の第５次高調波と、下部電極３を介して流れる高周波電流の第５次高調波との位相差の時間変化を示す。横軸はエッチングを開始したときからの経過時間を単位「秒」で表し、縦軸は位相差を単位「度」で表す。なお、位相差が負であることは、電流の位相が電圧の位相よりも進んでいる（キャパシティブである）ことを意味している。図中の曲線ａは、内部ジグ６を新しいものに交換した直後の初期状態における位相差の変化を示し、曲線ｂは、複数枚の処理対象基板のプラズマ処理を行い、内部ジグ６がある程度エッチングされた状態における位相差の変化を示す。曲線ａで示す初期状態の位相差を基準位相差と呼ぶこととする。曲線ｂの状態でエッチングを行ったときのエッチングレートが、初期状態でエッチングを行ったときのエッチングレートよりも速かった。
【００２５】
図６に示すように、内部ジグ６がエッチングされると、位相差が負の方向に大きくなる。エッチング中の現時点の位相差と、初期状態における位相差との差を検出することにより、現在のエッチングレートを推測することができる。
【００２６】
エッチングを開始してから所定時間経過後、例えば５秒後の位相差を測定し、測定時点における基準位相差と比較する。測定された位相差と基準位相差との差からエッチングレートを推測することができる。推測されたエッチングレートに基づいて残りのエッチング時間を決定し、決定された残りのエッチング時間だけエッチングを継続する。
【００２７】
推測されたエッチングレートに基づいてエッチング時間を決定するため、内部ジグ６がエッチングされてエッチングレートが変動していたとしても、所望の量だけエッチングを行うことができる。
【００２８】
また、エッチングを開始してから所定の時間間隔で位相差を複数回測定し、各測定時点における基準位相差と比較してもよい。この場合、各測定ごとにエッチングレートが推測される。推測された複数のエッチングレートの平均を計算し、この平均のエッチングレートに基づいて、残りのエッチング時間を決定することができる。この方法によると、位相差を複数回測定するため、測定誤差や経過時間による位相差のばらつきの影響を軽減することができる。
【００２９】
上記第２の実施例では、印加する高周波電圧の第５次高調波の位相差を測定したが、基本波または他の高調波の位相差を測定してもよい。また、実際に下部電極３を介して流れる高周波電流の波形を測定して、基準波形との差を評価することにより、エッチングレートを推測することも可能である。
【００３０】
上記実施例では、フロロカーボンガスを用いて酸化シリコンや窒化シリコンをプラズマエッチングする方法を例に挙げたが、他のガスを用いてアモルファスシリコンや多結晶シリコン等をプラズマエッチングする際にも上記実施例の技術的思想を適用することが可能である。
【００３１】
また、プラズマ処理の一例としてプラズマエッチングを例に挙げて実施例を説明したが、上記実施例の技術的思想はプラズマエッチング以外のプラズマ処理、例えば、プラズマ励起型化学気相成長（ＰＥ−ＣＶＤ）を行う場合にも適用可能である。ＰＥ−ＣＶＤを行う場合には、エッチングレートの変動ではなく成膜速度の変動による膜厚のばらつきを抑制することができる。
【００３２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３３】
上述の実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
（付記１）　（ａ）真空容器内に電極が配置されたプラズマ処理装置の該真空容器内に処理対象物を装填する工程と、
（ｂ）前記真空容器内に処理ガスを導入し、前記電極に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、プラズマ処理を行うとともに、前記電極に印加される高周波電圧及び該電極を介して流れる高周波電流により規定される物理量を測定する工程と、
（ｃ）前記工程ｂで測定された物理量に基づいてプラズマ処理条件を決定する工程と、
（ｄ）プラズマ処理条件を、前記工程ｃで決定されたプラズマ処理条件に変えて、プラズマ処理を継続する工程と
を有する装置の製造方法。
【００３４】
（付記２）　前記工程ｂで測定される物理量が、インピーダンス、リアクタンス、高周波電圧と高周波電流との位相差、及び高周波電流の波形からなる群より選択された１つの物理量である付記１に記載の装置の製造方法。
【００３５】
（付記３）　前記工程ｃで決定されるプラズマ処理条件が、プラズマ処理時間または前記真空容器内の処理ガスの圧力である付記１または２に記載の装置の製造方法。
【００３６】
（付記４）　前記工程ｄで継続されるプラズマ処理が、前記処理対象物のエッチングであり、
前記工程ａの前に、さらに、
（ｅ）前記工程ｂで測定される物理量と、前記処理対象物のエッチング速度との関係を得る工程を有し、
前記工程ｃにおいて、前記工程ｂで測定された物理量と、前記工程ｅで得られた関係とに基づいて、プラズマ処理条件を決定する付記１〜３のいずれかに記載の装置の製造方法。
【００３７】
（付記５）　真空容器と、
前記真空容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、
前記真空容器内を排気する排気手段と、
前記真空容器内に配置された電極と、
前記電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、
前記電極に印加される高周波電圧及び該電極を介して流れる高周波電流によって規定される物理量を測定する測定器と
を有する製造装置。
【００３８】
（付記６）　前記測定器が、インピーダンス、リアクタンス、高周波電圧と高周波電流との位相差、及び高周波電流の波形からなる群より選択された１つの物理量を測定する付記５に記載の製造装置。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、真空容器内に配置された内部ジグを直接観察することなく、その形状変化に起因するプラズマ処理結果のばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるプラズマ処理装置の概略断面図である。
【図２】プラズマ処理装置の真空容器内に配置された内部ジグの重量と、エッチングレートとの関係を示すグラフである。
【図３】インピーダンスと平均エッチングレートとの関係を示すグラフである。
【図４】リアクタンスと平均エッチングレートとの関係を示すグラフである。
【図５】リアクタンスと、処理対象基板の中心部及び周辺部のエッチングレートとの関係を示すグラフである。
【図６】プラズマ処理装置の真空容器内に配置された電極に印加される高周波電圧と、その電極を介して流れる高周波電流との位相差を、プラズマ処理開始からの経過時間の関数として示すグラフである。
【符号の説明】
１　真空容器
２、４　絶縁部材
３　下部電極
５　上部電極
６　内部ジグ
７　ガス導入管
８　ガス排気管
１０、１５　高周波電源
１１、１６　インピーダンス整合器
１２　ＲＦセンサ

Claims

（ａ）真空容器内に電極が配置されたプラズマ処理装置の該真空容器内に処理対象物を装填する工程と、
（ｂ）前記真空容器内に処理ガスを導入し、前記電極に高周波電圧を印加してプラズマを発生させ、プラズマ処理を行うとともに、前記電極に印加される高周波電圧及び該電極を介して流れる高周波電流により規定される物理量を測定する工程と、
（ｃ）前記工程ｂで測定された物理量に基づいてプラズマ処理条件を決定する工程と、
（ｄ）プラズマ処理条件を、前記工程ｃで決定されたプラズマ処理条件に変えて、プラズマ処理を継続する工程と
を有する装置の製造方法。
前記工程ｂで測定される物理量が、インピーダンス、リアクタンス、高周波電圧と高周波電流との位相差、及び高周波電流の波形からなる群より選択された１つの物理量である請求項１に記載の装置の製造方法。
前記工程ｄで継続されるプラズマ処理が、前記処理対象物のエッチングであり、
前記工程ａの前に、さらに、
（ｅ）前記工程ｂで測定される物理量と、前記処理対象物のエッチング速度との関係を得る工程を有し、
前記工程ｃにおいて、前記工程ｂで測定された物理量と、前記工程ｅで得られた関係とに基づいて、プラズマ処理条件を決定する請求項１または２に記載の装置の製造方法。
真空容器と、
前記真空容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、
前記真空容器内を排気する排気手段と、
前記真空容器内に配置された電極と、
前記電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、
前記電極に印加される高周波電圧及び該電極を介して流れる高周波電流によって規定される物理量を測定する測定器と
を有する製造装置。
前記測定器が、インピーダンス、リアクタンス、高周波電圧と高周波電流との位相差、及び高周波電流の波形からなる群より選択された１つの物理量を測定する請求項４に記載の製造装置。