JP2004119995A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

　　【課題】　プラズマ発光を計測する計測ポートの透過率を低下させることなく、長時間にわたり安定して精度よく処理室内のプラズマ発光を計測できるプラズマ処理装置を提供する。
　　【解決手段】　処理室１００内部にプラズマＰを発生して試料Ｗを処理するプラズマ処理装置において、試料と対向する位置に配置されたＵＨＦアンテナ１１１に設置されたプレート１１５に複数の貫通孔１１５Ｂを密集して貫通させて形成し、貫通孔１１５Ｂの背面にほぼ接するように光伝送体１４１を設置して、当該光伝送体１４１の他端に光学伝送手段１５１を配置して、試料Ｗおよびプラズマからの光学情報を光伝送体１４１と光学伝送手段１５１を介して計測器１５２で計測する。長時間にわたる放電においても、貫通孔１１５Ｂで異常放電や異物を発生することがなく、かつ光伝送体１４１の端面の光学性能が劣化しないので、試料Ｗの表面やプラズマの状態を精度よく長期的に安定して計測できる。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、本発明は、プラズマ処理装置及び試料の処理方法、特に半導体製造工程における微細なパターンを形成するのに好適なプラズマ処理装置及び試料の処理方法に係る。特に、処理室内のプラズマ発光やウエハなどの試料表面の薄膜の状態を計測する装置及び試料の処理方法に関する。

　半導体製造工程では、エッチング、成膜、アッシングなどの微細加工プロセスで、プラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理装置は、真空処理室（リアクタ）の内部に導入されたプロセスガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、半導体ウエハ表面で反応させて微細な孔や溝などの加工あるいは成膜などの処理を行うとともに、揮発性の反応生成物を排気することにより所定の処理を行うものである。

　このプラズマ処理装置においては、処理中のプラズマからの発光を検出してエッチング処理の終点を検出したり、プラズマ発光のウエハ表面の薄膜における反射光や干渉信号などから膜厚やエッチング・成膜の速度（レート）をリアルタイムで測定してプラズマ処理の精度を向上させることが行われている。たとえば、特許文献１には、平行平板型プラズマエッチング装置において、ウエハと対向する電極面に２つ以上のプラズマ受光センサーをもうけることで、ウエハ上の複数点のプラズマ発光強度からレートや膜厚の均一性や分布に関する情報を得てプラズマ密度を均一化させる方法が記載されている。

　また、特許文献２には、平行平板型プラズマエッチング装置において、レーザ光を上部平板電極を貫いて上方からウエハに照射して反射レーザ光からエッチング量を測定して終点を検出する装置について、上部電極の汚れを防止するための石英製の電極カバーのレーザ光が通過する部分にφ１０ mm程度の穴を形成することで、電極カバーが汚れてもレーザ光が減衰することなく正確にエッチング量を測定して、安定に終点検出を行う方法が記載されている。

特開平５−１３６０９８号公報

特開平３−１４８１１８号公報

　しかしながら上記の方法では、次のような課題があった。まず、ウエハ表面の薄膜などの状態のモニタリングは、ウエハに対向する上方、あるいは４５度程度までの斜め上方から計測するのが望ましいが、こうした方法で計測が可能なプラズマ処理装置は方式や構造が限定されてしまう。たとえば、マイクロ波ＥＣＲ方式や誘導結合方式のプラズマ処理装置などでは、処理室内にマイクロ波を放射したり誘導電界を導入するために石英製の透明な窓や板をウエハの上方に設けることがあり、この場合にはウエハ表面の状態を上方から計測することができる。しかしながら、容量結合式のいわゆる平行平板型のプラズマ処理装置では、ウエハに対向する上部電極はアルミなどの導電性の金属であるため、ウエハ表面を直接透視できるような構造にはなっていない。このため、ウエハ表面を計測するには、特許文献１に記されたようにウエハと対向する電極面にプラズマ受光センサーをもうけることになる。しかしながら、実際には放電を重ねるにつれてプラズマ受光センサーには反応生成物が堆積していくので、長時間にわたって安定した計測を行うことは困難である。

　この課題を解決しようとしたのが、特許文献２に記された方法であり、プラズマに直接さらされる石英製の電極カバーのレーザ光が通過する計測部分にφ１０ mm程度の穴を形成することで、石英カバー表面に堆積膜が付着しても計測には影響を及ぼさないとしたものである。しかしながら、実際にはこの方法もまた、安定した計測は困難である。プラズマ処理に必要な所定のプラズマ密度を得るためには上部電極には数ｋＷもの大電力の高周波電力が印加されるので、上記公報に記されているようなφ１０ mm程度の穴を電極や電極カバーに形成すると、穴の部分で局部的な異常放電を引き起こしたり、穴の内部にプラズマが侵入したりして、上部電極や電極カバーが損傷を受けることになる。また、上部電極にはバイアスが印加されるので、電極カバーの穴をとおして上部電極がプラズマ中のイオンでスパッタされることになるが、上部電極はアルミなどの金属で形成されているために損傷したり異物発生の要因になったりするといった問題もある。

　もちろん、ウエハに対向する上方からでなく、処理室の側壁から浅い角度をもたせてウエハ表面を計測することも原理的には可能ではある。しかしながら、特に酸化膜エッチング装置では、プロセスガスの過剰な解離を抑制したりプロセス再現性を向上させるために、試料と対向しておよそ数１０ mm程度の距離を隔てた位置にシリコンなどの平板を対向させて設置する対向平板型の構造をとることが多い。この場合、ウエハに対する計測の角度は現実的には１０度程度とならざるをえず、計測精度を十分にとることは困難である。このため、対向平板型のプラズマ処理装置においても、ウエハに対向する上方からウエハ表面の状態を計測できる方法が望まれていた。

　また、先に、マイクロ波ＥＣＲ方式や誘導結合方式のプラズマ処理装置などで、ウエハ上方の石英製の透明窓からウエハ表面の計測が可能であると述べたが、実際には放電を重ねるごとに石英製の窓の表面に反応生成物が付着して透過率が低下したり、逆に表面がエッチングされてあれたりするために、やはり長期にわたる安定した計測は難しいという問題があり、実用的ではなかった。

　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、真空処理室の外部から、試料面やプラズマの状態あるいは真空処理室の壁面の状態を精度よく、かつ異常放電や異物を発生させることなく、長期的に安定して計測できるようなプラズマ処理装置及び試料の処理方法を提供することを目的とする。

　本発明者らは、上記の課題について、実用性と信頼性の観点から検討を重ねた結果、次のような解決方法を見出すにいたった。本発明は、真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、前記真空処理室の、光学的反射体と対向する位置に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、当該貫通孔を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段、とを備えたことを特徴とする。
　本発明の他の特徴は、真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、前記真空処理室の光学的反射体と対向する位置でかつ前記プラズマと接する位置の構造体に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、当該貫通孔の背面に、その一方の端面が前記構造体にほぼ接するようにして設置された光伝送体と、当該光伝送体の他の端面に配置された光学伝送手段と、当該光伝送体と当該光学伝送手段を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段と、を備えたことにある。

　本発明の他の特徴は、前記貫通孔の大きさを直径φ０.１ mm以上５ mm以下、望ましくは直径φ０.３ mm以上２ mm以下とすることにある。

　本発明のさらに他の特徴は、前記貫通孔を複数個形成して、該貫通孔が形成された領域の全面積に対する該貫通孔の開口面積の総和を５％〜５０％とすることにある。

　本発明のさらに他の特徴は、前記光伝送体として石英およびサファイアを用いたことにある。
　本発明のさらに他の特徴は、前記真空処理室の大気開放時に、前記光伝送体を固定する一組の保持手段と真空封止手段のみを取外すことで、該光伝送体を容易に交換可能な構造としたことにある。
　本発明のさらに他の特徴は、真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、前記真空処理室の、光学的反射体と対向する位置に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、当該貫通孔を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段と、前記光学情報の変動に基づき、異物の発生状況を判定する手段とを備えたことにある。
　本発明のさらに他の特徴は、真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、前記真空処理室の光学的反射体と対向する位置でかつ前記プラズマと接する位置の構造体に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、当該貫通孔を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段と、前記光学情報の変動に基づき、前記構造体の消耗状況を判定する手段とを備えたことにある。
　本発明のさらに他の特徴は、真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理する試料の処理方法において、前記真空処理室の前記試料と対向する位置の前記真空処理室の壁に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔を介して、前記試料の表面状態を反映する光学情報を計測し、前記光学情報の変動に基づき、前記試料表面の薄膜の状態を計測しなから、前記試料の処理を行うことにある。

　本発明によれば、真空処理室内に配置される光学的反射体と、真空処理室の、光学的反射体と対向する位置に形成された、深さ／直径（アスペクト比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、当該貫通孔を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段とを備えているので、長時間の放電を重ねても、光伝送体の端面に反応生成物が付着して光透過特性が低下することはない。

　また、貫通孔の直径が小さく、かつアスペクト比が大きいために、プラズマが貫通孔の内部に侵入して異常放電を発生することがない。
　さらに、光伝送体として光透過特性にすぐれ、かつ耐プラズマ性の高い石英あるいはサファイアを用いることで、光伝送体の端面の損傷による光学的な性能の低下を十分に小さくできるので、長時間にわたって安定した計測が可能となる。

　さらに、複数の貫通孔を密集して配置して開口率を５％〜５０％とすることで、試料表面やプラズマ発光を十分な感度と精度をもって、計測することが可能となる。

　さらに、光伝送体を容易に交換可能な構造とすることで、プラズマ処理装置のウエットクリーニング時のダウンタイムを最小限にできるので、プラズマ処理装置の稼働率を低下させることがない。
　また、異物の原因となるサセプタ周りや処理室の側壁に堆積した反応生成物が反射体より剥れると反射体からの光量が変化するので、その変動を検出することにより、異物発生の多発を防止する警告を出すことができる。この警告により、適切な全掃時期を決定し、装置運用時の異常を未然に防止することが可能となる。さらに、プレートに設けられた貫通孔より計測される発光量を監視することにより、プレートの消耗を検知し、装置運用時の異常を未然に防止することが可能となる。

　以上説明したように、本発明によれば、真空処理室の外部から、試料面やプラズマの状態あるいは真空処理室の壁面の状態を精度よく、かつ異常放電や異物を発生させることなく、長期的に安定して計測できる。
　例えば、ウエハ面に対向してアンテナや電極などが設置された対向平板型の構造においても、試料Ｗの上方あるいは斜め上方の位置から、プラズマや試料表面の薄膜の状態を、異常放電や異物を発生させることなく、量産レベルでも長期的に安定して精度よく測定できる。この結果、エッチング処理の終点検出やエッチング・成膜のレート・均一性のin-situモニタリングが可能となるので、より進んだプロセス制御の方法が提供できるとともに、処理の再現性や安定性も向上できるので装置の稼働率や生産性の向上に寄与しうるプラズマ処理装置を提供することが可能となる。

　以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明を、有磁場ＵＨＦ帯電磁波放射放電方式のプラズマエッチング装置へ適用した実施例を示すもので、当該プラズマエッチング装置の断面模式図である。

　図１において、処理室１００は、１０^−６ Torr程度の真空度を達成可能な真空容器であり、その上部にプラズマ発生手段としての電磁波を放射するアンテナ１１０を、その下部にはウエハなどの試料Ｗを載置する下部電極１３０を、それぞれ備えている。アンテナ１１０と下部電極１３０は、平行して対向する形で設置される。処理室１００の周囲には、たとえば電磁コイルとヨークからなる磁場形成手段１０１が設置されており、所定の分布と強度をもつ磁場が形成される。そして、アンテナ１１０から放射される電磁波と磁場形成手段１０１で形成される磁場との相互作用により、処理室内部に導入された処理ガスをプラズマ化して、プラズマＰを発生させ、下部電極１３０上の試料Ｗを処理する。

　処理室１００は、真空室１０３に接続された真空排気系１０４と圧力制御手段１０５により真空排気と圧力調整がなされて、内部の圧力がたとえば０.５ Pa以上４ Pa以下程度の所定の値に制御できる。処理室１００および真空室１０３は、アース電位となっている。処理室１００の側壁１０２は、図示しない温度制御手段により、たとえば５０ ℃程度に温調されている。

　電磁波を放射するアンテナ１１０は、円板状導電体１１１、誘電体１１２、誘電体リング１１３からなり、真空容器の一部としてのハウジング１１４に保持される。また、円板状導電体１１１のプラズマに接する側の面には、構造体即ちプレート１１５が設置される。試料のエッチング、成膜等の処理を行なう処理ガスは、ガス供給手段１１６から所定の流量と混合比をもって供給され、円板状導電体１１１の内部で均一化されて、プレート１１５に設けられた多数の孔を通して処理室１００に供給される。円板状導電体１１１は図示しない温度制御手段により、たとえば３０℃に温調されている。アンテナ１１０には、アンテナ電源１２１、アンテナバイアス電源１２３およびマッチング回路・フィルタ系１２２、１２４、１２５からなるアンテナ電源系１２０が導入端子１２６を介して接続される。アンテナ電源１２１は、望ましくは３００ MHzから９００ MHzのUHF帯周波数の電力を供給して、アンテナ１１０からUHF帯の電磁波を放射する。

　アンテナバイアス電源１２３は、円板状導電体１１１を介してプレート１１５に、たとえば１００ kHz程度あるいは数MHzから１０ MHz程度の周波数のバイアスを印加して、プレート１１５の表面での反応を制御する。特にCF系のガスを用いた酸化膜エッチングにおいては、プレート１１５の材質を高純度のシリコンやカーボンなどとすることで、プレート１１５の表面でのＦラジカルやCFxラジカルの反応を制御して、ラジカルの組成比を調整することが可能である。本実施例では、プレート１１５には高純度のシリコンを用いている。また円板状導電体１１１およびハウジングにはアルミ、誘電体１１２および誘電体リング１１３には石英を用いている。プレート１１５の下面とウエハＷの距離（以下、ギャップと呼ぶ）は、３０ mm以上１５０ mm以下、望ましくは５０ mm以上１２０ mm以下とする。本実施例では、アンテナ電源１２１は、４５０ MHz、アンテナバイアス電源１２２は１３.５６ MHzの周波数として、ギャップは７０ mmに設定している。

　処理室１００の下部には、アンテナ１１０に対向して下部電極１３０が設けられている。下部電極１３０は、静電吸着装置１３１により、その上面すなわち試料載置面にウエハなどの試料Ｗを載置保持する。試料Ｗの外周部には、たとえば高純度のシリコンで形成された試料台リング１３２が絶縁体１３３の上に設置されている。下部電極１３０には、望ましくは４００ kHzから１３.５６ MHzの範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源１３４が、マッチング回路・フィルタ系１３５を介して接続されて、試料Ｗに印加するバイアスを制御する。本実施例では、バイアス電源１３４は周波数を８００ kHzとしている。

　次に、本実施例の要部である、試料Ｗの表面の状態を計測するために設置された計測ポート１４０Ａ、１４０Ｂについて説明する。本実施例では、計測ポート１４０Ａ、１４０Ｂは試料Ｗに対向したアンテナ１１０に取り付けられており、後述するように、プレート１１５に形成された多数の貫通孔を通して、試料Ｗの表面の薄膜などの状態を垂直上方から計測できる。そして、計測ポート１４０Ｂを試料Ｗの外周部を計測する位置、計測ポート１４０Ａを試料Ｗの外周と中心の中間位置に設置することで、試料Ｗの表面の面内分布に関する情報を得るようにしている。もちろん、計測ポートの取り付けはここで説明したように外周部と中間部の２カ所に限られるものではなく、１カ所のみあるいは３カ所以上としてもよく、あるいはたとえば円周上に配列するなど別の配置にしてもよいことはいうまでもない。

　計測ポート１４０Ａ、１４０Ｂには、たとえば光ファイバやレンズなどの光学伝送手段１５１Ａ、１５１Ｂが設けられており、プラズマＰからの直接光やあるいはプラズマＰのウエハＷ表面での反射光あるいは干渉光などのウエハＷの表面状態を反映する光学情報が、たとえばカメラや干渉薄膜計あるいは画像処理装置などからなる計測器１５２に伝送されて計測される。計測器１５２は、計測器制御・演算手段１５３により制御されるとともに、さらに上位のシステム制御手段１５４と接続される。システム制御手段１５４は、制御インタフェース１５５を介して、装置システムの状態をモニタや制御を行う。

　本実施例によるプラズマエッチング装置は以上のように構成されており、このプラズマエッチング装置を用いて、たとえばシリコン酸化膜のエッチングを行う場合の具体的なプロセスは次の通りである。

　まず、処理の対象物であるウエハＷは、図示していない試料搬入機構から処理室１００に搬入された後、下部電極１３０の上に載置・吸着され、必要に応じて下部電極の高さが調整されて所定のギャップに設定される。ついで、処理室１００内は真空排気系１０６により真空排気され、一方、試料Ｗのエッチング処理に必要なガス、たとえばC_４F_８とArとO_２が、ガス供給手段１１６から、所定の流量と混合比、たとえばAr ４００ sccm、C_４F_８ １５ sccm、O_２ ５ sccmをもって、アンテナ１１０のプレート１１５から処理室１００に供給される。同時に処理室１００の内部が所定の処理圧力、例えば２ Paになるように調整される。他方、磁場形成手段１０１により、アンテナ電源１２１の周波数の４５０ MHzに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度に相当する概略１６０ガウスのほぼ水平な磁場がプレート１１５の下方付近に形成される。そして、アンテナ電源１２１によりアンテナ１１０からUHF帯の電磁波が放射され、磁場との相互作用により処理室１００内にプラズマＰが生成される。このプラズマＰにより、処理ガスを解離させてイオン・ラジカルを発生させ、さらにアンテナ高周波電源１２３、バイアス電源１３４を制御して、ウェハＷにエッチング等の処理を行う。

　各電源の投入電力は、たとえばアンテナ電源１２１は１０００ W、アンテナ高周波電源１２３は３００ W、バイアス電源１４１は８００ W程度である。そして、エッチング処理の終了にともない、電力および処理ガスの供給を停止してエッチングを終了する。

　この処理中のプラズマ発光やウエハ表面状態を反映する光学情報が、計測ポート１４０Ａ、１４０Ｂを通して、光学伝送手段１５１Ａ、１５１Ｂにより伝送されて計測器１５２で計測がなされ、計測器制御・演算手段１５３で計測結果に基づいて演算処理がなされ、上位のシステム制御手段１５４に伝達されて、制御インタフェース１５５を介してプラズマ処理装置システムが制御される。

　次に、計測ポート１４０について、その詳細な構造を図２から図４を用いて説明する。

　図２は、図１の実施例において、アンテナ１１０に取り付けられた計測ポート１４０の部分を拡大した断面図である。すでに図１で説明したように、アンテナ１１０を形成する円板状導電体１１１および誘電体１１２はハウジング１１４に保持され、また円板状導電体１１１にはプレート１１５が設置される。プレート１１５には多数のガス流出孔１１５Ａが設けられており、円板状導電体１１１においてガス流出孔１１５Ａと一致する位置に設けられたガス流出孔１１１Ａを通して処理ガスを処理室１００の内部に供給する。プレート１１５に設けられたガス透過孔１１５Ａは、たとえば直径φ０.１ mmないしφ５ mm程度、望ましくは直径φ０.３ mmないし直径φ２ mm程度の貫通孔であり、円板状導電体１１１に設けられたガス透過孔１１１Ａは、孔１１５Ａと同等かそれ以上の大きさとして、たとえば直径φ０.５ mmないしφ５ mm程度、望ましくは直径φ２ mm程度としている。また、プレート１１５の厚みは３ mmないし２０ mm程度であり、本実施例では６ mmとしている。

　さて、プレート１１５には、計測ポート１４０に相当する部分に、多数の貫通孔１１５Ｂが密集して形成されている。そして、プレート１１５の背面（プラズマＰと反対側の面）にほぼ接するように光伝送体１４１が設置され、ハウジング１１４に対して保持手段１４２とたとえばＯリングなどの真空封止手段１４３により真空シールされて取り付けられる。そして、光伝送体１４１の大気側の端面に、たとえば光ファイバやレンズなどの光学伝送手段１５１が設けられている。そして、プラズマＰからの直接光１４５ＰやプラズマＰの試料Ｗの表面からの反射光や干渉光１４５Ｗが、破線で示す光路１４４のように、プレート１１５の貫通孔１１５Ｂを通過し、光伝送体１４１を透過して光学伝送手段１５１に達し、さらに計測器１５２に伝送されて計測される。
　後述するように、通孔１１５Ｂのアスペクト比は、およそ５以上１００以内とするのが良い。

　本実施例では、光伝送体１４１は石英製の円柱状のロッドとしている。光伝送体１４１の直径はφ５ mmからφ３０ mm程度が好適であり、本実施例では直径はφ１０ mmとしている。貫通孔１１５Ｂは、ガス流出孔１１５Ａと同様に、たとえば直径φ０.１ mmないし直径φ５ mm程度、望ましくは直径φ０.３ mmないしφ２ mm程度の大きさであり、本実施例では直径はφ０.５ mmとしている。また貫通孔１１５Ｂは、計測感度を向上させるために複数個、好ましくは数１０個以上設けるのが望ましい。本実施例では、次に述べるように、約４０個の孔が配置されている。

　図３に、貫通孔１１５Ｂの配置の一実施例を示す。本実施例では、貫通孔１１５Ｂは、お互いに等間隔で正三角形をなすように、ピッチ１.５ mm間隔で、光伝送体１４１の端面に対応する領域に約４０個の孔が配置されている。貫通孔１１５Ｂの直径はすでに述べたように本実施例ではφ０.５ mmとしているので、開口率（光伝送体１４１の端面の面積に対する貫通孔１１５Ｂの開口部の総和の割合）は約１０ ％（＝（０.５^２(mm^２)×４０(個)）/（１０^２）(mm^２)）程度となり、十分な計測感度をとることができる。もちろん貫通孔の配置は、図３に限られるものではなく、たとえば図４のように、お互いに直交するように配置してもよく、あるいは同心円状に配置するなど様々な配置が可能である。

　なお、隣り合う貫通孔同士の間の幅をある程度あける（たとえば１ mm以上）必要があるので、貫通孔の直径が小さいほど開口率は減少する。たとえば、直径φ０.３ mmの孔を１.３ mmピッチ（開口部分の間の幅が１ mm）でφ１０ mmの領域に形成する場合には、開口率は約５％となる。開口率が１％程度でも計測は可能ではあるが、エッチングレートなどをin-situに計測するためには、開口率が少なくとも５％程度以上であることが望ましく、したがって計測感度の観点から貫通孔の直径はφ０.３ mm程度以上であることが望ましい。一方、後に述べるように、貫通孔１１５Ｂの直径は分子の平均自由行程よりも十分に小さく設定することが望ましく、また異常放電を誘起させないためにも、貫通孔の直径はφ０.１ mm以上φ５ mm程度以下として、さらに好適には直径φ０.３ mm以上２ mm程度以下とするのが望ましい。

　また、貫通孔１１５Ｂの直径は、ガス流出孔１１５Ａと同一にしておけばプレート１１５の加工工程が増えることがなくコスト上昇を抑制できる利点があるが、もちろん孔径を必ずしも同一にする必要はなく、計測の感度や安定性などから最適な値に設定すればよい。また、貫通孔１１５Ｂの孔径はすべて同一とする必要もなく、たとえば外周側で孔径を大きくするなどとしてもよい。

　また、光伝送体１４１は、「透明」であること、すなわち可視光領域全域に対して透過性を持つことは必ずしも必要ではなく、計測する波長領域で十分な透過率を有していればよい。たとえば可視光領域をはさんで２００ nmの紫外線領域から８００ nmの近赤外領域を計測するのであれば石英やサファイアが好適である。一方、赤外領域で計測するのであれば、シリコンやあるいは赤外領域で良好な透過特性が得られるZnSなどの光学材料を使用してもよい。さらに、光伝送体１４１の端面に、イオンスパッタに対する耐性を向上させたり反射率を低減したりするなどの目的で、たとえばサファイアのAl_２O_３などの薄膜を形成してもよい。

　計測ポート１４０は上記のような構造となっている。このような構成とすることにより、計測ポート１４０の部分で、異常放電や異物が発生したり、あるいは透過率などの光学的な性能が低下したりすることがなく、長期的に安定した計測が可能となる。以下、その理由を説明する。

　先に従来技術の課題として言及したように、上部電極にφ１０ mm程度の大きな穴を形成すると、穴の部分でホローカソードにより局部的な異常放電が発生したり、穴の内部にプラズマが侵入して損傷を与えたりする。これに対して本実施例では、貫通孔の直径をφ０.５ mm程度と小さく設定しているため、貫通孔の部分で異常放電が発生することはなく、またプラズマが貫通孔の内部に侵入することもない。本発明者らは、実験の結果、貫通孔１１５Ｂの直径をφ５ mm程度以下、より望ましくはφ２ mm程度以下とすることで上記のような異常が発生することなく計測が可能なことを確認した。また、光伝送体１４１が貫通孔１１５Ｂの背面にほぼ接するように設置されているので、貫通孔１１５Ｂと光伝送体１４１の間に異常放電をひきおこすような空間が存在せず、この部分でも異常放電は発生しない。

　また、本実施例では、光伝送体１４１の端面に反応生成物が付着することがなく、放電時間を重ねても透過率が低下することがないので、長期的に安定した計測が行える。

　これは、第一に、貫通孔１１５Ｂの直径は、分子の平均自由行程に比べて十分に小さい値に設定されていることによる。処理室内の動作圧力は０.５ Pa〜４ Pa程度であり、この場合の分子の平均自由行程λはおよそ５ mmないし３０ mm程度である（Ar分子、２５℃の場合）。これに対して、貫通孔１１５Ｂの直径D_hはφ０.５ mm程度であるので、分子の平均自由行程λとの比、すなわちD_h／λの値は、およそD_h／λ＝０.０２〜０.１である。このように貫通孔１１５Ｂの直径D_hを分子の平均自由行程λよりも十分に小さく設定しているので、プラズマＰ中のガス分子が貫通孔１１５Ｂの内部に侵入する確率は小さい。

　第二に、貫通孔１１５Ｂは、本実施例では、直径がφ０.５ mmであるのに対して、プレートの厚みである奥行き方向の深さは６ mmに設定している。このようにアスペクト比（＝深さ／直径）が１０以上であり、孔が十分に深いので、ラジカルが貫通孔１１５Ｂを通過して光伝送体１４１の端面に付着する確率は十分小さくおさえられる。
　ラジカルが光伝送体１４１の端面に付着する確率は、端面における貫通孔１１５Ｂ（穴径：Ｄ、長さ：Ｌ）を見込む立体角dΩに比例する。図５に、立体角dΩのアスペクト比（ＡＲ=Ｌ/Ｄ）依存性を示す。図より、立体角dΩはＡＲの２乗に反比例し、立体角dΩがアスペクト比５以上であれば、立体角dΩは平面における立体角πの１／１００以下であり、ラジカルが光伝送体１４１の端面に到達する確率は十分小さくなる。従って、光伝送体１４１の端面における汚れ防止効果を得るには、貫通孔１１５Ｂのアスペクト比をおよそ５以上１００以内とすればよい。
　また、プレート１１５はプラズマにより加熱されて表面温度が１００ ℃以上となるので、貫通孔１１５Ｂの内部への反応生成物の付着確率は小さく、貫通孔１１５Ｂ内面に堆積物が付着・成長して貫通孔の実効的な透過面積が減少したりすることはない。

　第三に、プレート１１５には数１０ Vないし数１００ V程度のバイアス電圧が印加されるので、プラズマ中のイオンが貫通孔１１５Ｂの奥行き方向に引き込まれることになる。このため、光伝送体１４１の端面には、数１０ eVから数１００ eV程度のエネルギーを持ったイオンが高い確率ではないが到達しうる。このため、光伝送体１４１の端面に反応生成物が付着したとしても、イオンのスパッタ効果によりすみやかに除去される。そして、光伝送体１４１を耐プラズマ性の高いたとえば石英やサファイアで構成することにより、光伝送体１４１の端面の損傷による光学的な性能の低下を十分に小さくできる。

　これらの効果の総合的な結果として、光伝送体１４１は、端面に反応生成物が付着したり表面があれたりすることがなく、光透過特性が放電を重ねても一定に保たれるので、長期にわたって安定した計測が可能となる。

　本発明者らは、上記の３つの要因について実験的な検討を重ねた結果、試料Ｗ表面の酸化膜に対してエッチング処理を行う場合について、本実施例で説明したように貫通孔の直径をφ０.５ mm、プレートの厚みを６ mmとすることで、異常放電が発生することなく、安定して計測が行えることを確認するに至った。図６は本実験で得られた信号波形の模式図である。エッチング処理の進行にともなって酸化膜表面および下地からの反射光による干渉状態が変化することによる干渉信号が得られており、この周期からエッチングレートがin-situに測定できる。　また、プラズマからの直接光であるプラズマ発光信号も同時に得られている。そして、エッチング処理の終点において、これらの干渉信号およびプラズマ発光信号が同時に変化しており、エッチング処理の終点における表面状態およびプラズマ組成の変化を検出できていることがわかる。これらの信号は、少なくとも放電数１０時間以上にわたって十分な精度で検出可能であり、さらにこの間の異物の発生も２０個以下（０.２μm以上）のレベルであり、安定して計測が行えることを確認した。

　なお、図２からわかるように、光伝送体１４１は保持手段１４２と真空封止手段１４３のみにより固定と真空シールがなされているので、処理室の大気開放時には、保持手段１４２をはずせば容易に交換可能な構造となっている。このため、プロセス条件によって光伝送体１４１の端面に堆積物が徐々に付着したり、イオンでスパッタされて表面があれたりした場合には、プラズマ処理装置を大気開放してウエットクリーニングを行う際に、光伝送体１４１を交換することが容易に可能であり、ウエットクリーニング（全掃）の際のダウンタイムを最小限にすることができる。

　次に、貫通孔１１５Ｂをとおした計測をおこなう検出光学系について、他の実施例を図７から図８を用いて説明する。図２の実施例においては、光学伝送手段１５１には光ファイバを用いており、光路１４４の途中のプラズマＰからの直接光１４５ＰやプラズマＰの試料Ｗ表面での反射光・干渉光１４５Ｗのすべてが光ファイバに入射して計測される。これは、特にエッチング処理の進行にともなってプラズマ中のラジカル組成が変化する場合にその変化を検出するのに好適な構成である。一方、試料Ｗの薄膜の厚さなどの表面状態の変化を敏感に検出するためには、プラズマＰからの直接光は計測にとってはノイズ成分となるので、計測系には検出されない方が望ましいこともある。この場合には、光学系にはレンズなどを用いた結像光学系を用いるのが好適である。

　図７は、このような光学系の一実施例を示したものである。本実施例では光学伝送手段１５１に結像手段としてのレンズ１５１Ａを用いており、試料Ｗ表面からの光学情報をたとえばカメラや画像処理装置などの計測器１５２の検出素子部１５２Ａに結像させている。検出素子１５２Ａの直前にしぼりやピンホールなどの空間フィルタ１５２Ｂを配置することで、プラズマＰからの直接光１４５Ｐを遮断して試料Ｗの表面からの光学情報１４５Ｗのみを検出素子１５２Ａに伝送できるので、試料Ｗの表面状態に対する検出・計測の感度を向上させることができる。

　本実施例においては、光学系の途中に貫通孔１１５Ｂがあるので、光路がさえぎられて試料Ｗ表面の計測が困難であるように思われるかもしれない。しかしながら、貫通孔１１５Ｂのアスペクト比（＝深さ／直径）を試料Ｗ表面からの光の拡がりとの関係で適正な値に設定することで、貫通孔１１５Ｂが光路を遮断することなく計測が可能となる。

　これを、図８を用いてより詳しく説明する。図８は、図７の実施例において、計測および光学系に関する部分のみを抜き出した模式図である。図中の記号は次のとおりである。

　D_h：貫通孔１１５Ｂの直径
　L_h：貫通孔１１５Ｂの深さ
　　（プレート１１５の厚みに等しい）
　L_g：試料Ｗとプレート１１５の距離
　　（図１の実施例で説明したギャップに相当する）
　L_z：試料Ｗから結像手段１５１Ａまでの距離
　　（L_z−L_gが図１の実施例で説明したアンテナ部分の厚みに相当する）
　D_z：結像手段（本実施例ではレンズ）１５１Ａの有効径
　　（光伝送体１４１の直径D_rにほぼ等しい）
そして、本実施例におけるおのおのの実際の値は、すでに述べたように、
　D_h＝φ０.５ mm、L_h＝６ mm、L_g＝７０ mm、D_r＝D_z＝φ１０ mm、
としている。また、アンテナ部分の厚みはL_z−L_g＝８０ mmであるので、
　L_z＝１５０ mm
となっている 。

　ここで、試料Ｗ表面からの拡がり角θは、結像手段１５１Ａの試料Ｗからの距離Lzと有効径Dzとの比Lz/Dzをもとにθz＝tan-１（(Dz/２) / Lz）で示される。本実施例の場合はθh＝１.９°となる。試料Ｗ表面からの光の拡がり角に相当するL_z／D_zは１５程度であり、これに対して貫通孔１１５Ｂのアスペクト比L_h／D_hにもとづく見込み角θhをθh ＝tan-１（(Dh/２) / Lh）で定義するとθz＝２.３°とθh＝よりもやや小さい値となっている。このように、試料Ｗ表面からの光の拡がり角θhを貫通孔１１５Ｂの見込み角θzよりもやや小さく設定することで、試料Ｗ表面からの光は貫通孔１１５Ｂで遮られることなく、結像手段１５１Ａに到達して、検出素子１５２Ａに焦点を結ぶことになる。

　図８には、このことを実験的に確認した様子を示している。試料Ｗの表面に数mm角の大きさの文字の像Img１を記しておく。そして、プラズマ処理中に試料Ｗ表面を観察したところ、検出素子１５２Ａ上に像Img１が光学的に伝送されて、計測器１５２の表示画面１５２Ｃに像Img２が表示された。この像Img２は、その外周部に貫通孔１１５Ｂによる「けられ」の影響がわずかに認められる（図８では同心円状の破線で表現している）ものの、もとの像Img１の情報を十分に保有しており、試料Ｗ表面の薄膜の状態を測定するのに十分な質を有していた。そして、プラズマＰにより試料Ｗ表面の酸化膜に対してエッチング処理を行ったところ、エッチング処理の進行にともなう酸化膜の厚さの変化に対応して、図６で示したものと同様に酸化膜表面および下地からの反射光による干渉信号が得られて、エッチングレートがin-situに測定できることが実験的に確認できた。

　ところで、これまでの実施例では、光伝送体１４１に石英製の棒状体（ロッド）を用いていたが、これは一例であって、別の構成も可能であることはいうまでもない。他の実施例を、図９により説明する。図９は、光伝送体１４１として、棒状体（ロッド）の内部をくりぬいて中空として、そこに光学伝送手段１５１として光ファイバを挿入した構成としている。また、図９においては、円板状導電体１１１の、貫通孔１１５Ｂに相当する部分にガス導入部分１１１Ｂがもうけられている。このため、光伝送体１４１の端面に反応生成物が付着しやすいようなプロセス条件であっても、プロセスガスがガス導入部分１１１Ｂからも供給されるので、反応生成物の堆積を防止することができる。また図９においては、光伝送体１４１を透過する光路を短くできるので、光学情報の損失を低減できる効果もある。
　次に、異物発生の原因となるサセプタ周りや処理室の側壁に堆積する反応生成物量の変動を検出する実施例を図１０を用いて説明する。ここで、図１と同一部品の説明は省略する。光が反射する反射体１６９Ａや１９６Ｂをサセプタをカバーする絶縁体１３３の側壁や１処理室の側壁１０２に設置し、その反射体と対向した位置に本発明の貫通孔を有する計測ポート１６０Ａや１６１Ａを設置し、反射体からの反射光あるいは干渉光の変動を光伝送手段１６１Ａや１６１Ｂを介し、光計測器１５２に伝送し計測する。計測器１５２は計測器制御・演算手段１６２により制御されるとともに、計測される反射光あるいは干渉光が大きく変動した場合、表示手段１６４により警告が発せられる。
　本実施例によれば、異物の原因となるサセプタ周りや処理室の側壁に堆積した反応生成物が反射体より剥れると反射体からの光量が変化するので、その変動を検出することにより、異物発生の多発を防止する警告を出すことができる。この警告により、適切な全掃時期を決定し、装置運用時の異常を未然に防止することが可能となる。

　次に、連続エッチング処理時の装置診断に関するプレート１１５の消耗を検出する実施例を図１１、１２を用いて説明する。
　プレート１１５は、ウェハのエッチング処理時に、アンテナ電源１２１により高周波電力が印加されるため、エッチングされ消耗する。図１１はプレート１１５にあるガス流出孔１１５Ａ断面の処理時間依存性を示したものである。図に示すように、エッチング処理時間が長くなると、プレートの厚みが減ると共に、処理室側の穴径が広がる。更にエッチング処理を続行すると、ガス流出孔１１５Ａは厚さ約４．５ｍｍ、穴径約１．３ｍｍの貫通穴となる。このようなガス流出孔では、穴の面積がエッチング処理初期に比べ約１０．６倍増加しているために、エッチングガス供給状態が大きく変化したり、ガス流出孔内での異常放電を誘発したり、異物が発生したりする可能性が高くなり、連続エッチング処理に重大な損傷を引き起こす。
　図１２に、連続処理実験時のガス流出孔形状より換算し予想した立体角ｄΩの変化を実線により示す。また、その時の発光量変動を●印により重ねて示す。図より、処理時間４００ｈｒ以内においては、立体角ｄΩは大きく変化しないが、処理時間５００ｈｒ以上になると、急激に増加する、また発光量の変化も同様の傾向を持っていることがわかる。このことより、処理時間が５００ｈｒ以上になると、連続エッチング処理に重大な損傷を引き起こす可能性が高くなっていることがわかる。
　本実施例によれば、本発明の貫通孔を有する計測ポートより計測される発光量を監視することにより、プレート１１５の消耗を検知し、装置運用時の異常を未然に防止することが可能となる。

　なお、前記の各実施例は、いずれも有磁場UHF帯電磁波放射放電方式のプラズ
マ処理装置の場合であったが、放射される電磁波はUHF帯以外にも、たとえば２.４５ GHzのマイクロ波や、あるいは数１０ MHzから３００ MHz程度までのVHF帯でもよい。また、磁場強度は、４５０ MHzに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度である１６０ガウスの場合について説明したが、必ずしも共鳴磁場を用いる必要はなく、これよりも強い磁場やあるいは数１０ガウス程度以上の弱い磁場を用いてもよい。さらに電磁波放射放電方式だけでなく、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置やマグネトロン型のプラズマ処理装置、あるいは誘導結合型のプラズマ処理装置にも、本発明が同様に適用できることはいうまでもない。

　特に、下部電極に高周波を印加して上部にアース板を設けるタイプのプラズマ処理装置では、ウエハと対向する上板の構造が比較的簡便なので、本発明と同様な計測ポートを設けることが容易に可能である。また、上部電極に高周波を印加してプラズマを発生させるいわゆる平行平板型のプラズマ処理装置では、上部電極に数kWの大電力の高周波を印加するので上部電極に孔や空隙などをもうけると異常放電が発生しやすいが、本発明の構造によれば計測ポート部分で異常放電などが発生することがない。特にいわゆる狭電極型の平行平板プラズマ装置では、上下電極の間隙が小さいためにウエハ表面の情報や上下電極間のプラズマの情報を側方から得ることはきわめて困難であるので、本発明による利点は大きい。

　一方、誘導結合（ICP）型のプラズマ処理装置では、天板に透明な石英を用い
る場合にはウエハ表面の状態計測もある程度可能ではあるが、たとえばアルミナ製のドームやシリコンプレートなどを用いる場合には、本発明による計測ポートが適用できる。具体的には、たとえばアルミナ製のプレートに図３で示したような多数の密集した孔を形成してその裏面に真空シール用の石英板をもうけるといった構造が当業者であれば容易に設計できるであろう。ICP型のプラズマ処理装
置では、プロセス特性や再現性を得るために天版をたとえば１５０℃以上の高温に温調する必要がある場合があるが、このような温度条件でも本発明が適用できることは言うまでもない。

　また、前記の各実施例は、いずれも処理対象が半導体ウエハであり、これに対するエッチング処理の場合であったが、本発明はこれに限らず、例えば処理対象が液晶基板の場合にも適用でき、また処理自体もエッチングに限らず、たとえばスパッタリングやＣＶＤ処理に対しても適用可能である。

本発明の一実施例である、プラズマエッチング装置の断面模式図である。 本発明の要部である、貫通孔部分の構造を示す図である。 本発明における貫通孔の配置の一実施例を示す図である。 本発明における貫通孔の配置の他の実施例を示す図である。 本発明における貫通孔の立体角に対するアスペクト比依存性を示す図である。 本実施例において実験的に得られた信号波形の模式図を示す図である。 本発明の他の実施例として、結像光学系を用いた例を説明する図である。 図６の実施例における作用を説明する図である。 本発明の他の実施例として、光伝送体に中空型の構造を用いた例を説明する図である。 本発明の他の実施例として、反射体をサセプタや処理室側壁に設けることにより装置診断を行った例を説明する図である。 本発明の他の実施例として、ガス供給プレートの消耗検知に関する装置診断を行った例を説明するガス流出孔の断面図である。 図１１の実施例における発光変化と立体角変化を説明する図である。

符号の説明

　１００…処理室、１０１…磁場形成手段、１０２…側壁、１０３…真空室、、１１０…アンテナ、１３０…下部電極、１１５…プレート、１１５Ｂ…貫通孔、１４１…光伝送体、１５１…光学伝送手段、１５２…計測器、Ｗ…試料。

Claims (14)

1. 　真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
   　前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、
   　前記真空処理室の、光学的反射体と対向する位置に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、
   　当該貫通孔を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段、とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 　真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
   　前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、
   　前記真空処理室の光学的反射体と対向する位置でかつ前記プラズマと接する位置の構造体に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、
   　当該貫通孔の背面に、その一方の端面が前記構造体にほぼ接するようにして設置された光伝送体と、
   　当該光伝送体の他の端面に配置された光学伝送手段と、
   　当該光伝送体と当該光学伝送手段を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段と、
   　を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 　請求項１または２のプラズマ処理装置において、前記貫通孔の大きさを直径φ０.１ mm以上５ mm以下としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 　請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報が、前記プラズマの前記光学的反射体表面での反射光あるいは干渉光であることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 　請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、前記光学的反射体が、前記試料台上に載置された前記試料である、ことを特徴とするプラズマ処理装置。　
6. 　請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、前記光学的反射体が、前記真空処理室の壁面に設けられた鏡体である、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 　請求項１ないし６のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、前記貫通孔を複数個形成し、
   　該複数個の貫通孔が形成された領域の全面積に対する該貫通孔の開口面積の総和を、５％〜５０％としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 　請求項１ないし７のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、前記光伝送体として石英またはサファイアを用いたことを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 　請求項１ないし８のいずれかに記載のプラズマ処理装置において、前記光伝送体を一組の保持手段と真空封止手段のみで、前記真空処理室に交換可能に固定したことを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 　真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
    　前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、
    　前記真空処理室の、光学的反射体と対向する位置に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、
    　当該貫通孔を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段と、
    　前記光学情報の変動に基づき、異物の発生状況を判定する手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
11. 　請求項１０記載のプラズマ処理装置において、前記光学情報として計測される反射光あるいは干渉光が大きく変動した場合に警告を発する表示手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 　真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
    　前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、
    　前記真空処理室の光学的反射体と対向する位置でかつ前記プラズマと接する位置の構造体に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、
    　当該貫通孔を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段と、
    　前記光学情報の変動に基づき、前記構造体の消耗状況を判定する手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
13. 　請求項１２記載のプラズマ処理装置において、前記構造体が高純度のシリコンもしくはカーボン製のプレートであることを特徴とするプラズマ処理装置。
14. 　真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理する試料の処理方法において、
    　前記真空処理室内の前記試料と対向する位置の前記真空処理室の壁に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔を介して、前記試料の表面状態を反映する光学情報を計測し、
    　前記光学情報の変動に基づき、前記試料表面の薄膜の状態を計測しなから、前記試料の処理を行うことを特徴とする試料の処理方法。
    

Images