JP2005072347A - 処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プロセスの再現性が悪い。
【解決手段】被処理体Ｗを載置するサセプタ２と、サセプタ２が収容される処理容器１の内部にプラズマ、ラジカル、荷電粒子の少なくとも１つを供給する粒子供給手段２０と、処理容器１の内部におけるプラズマ、ラジカル、荷電粒子の少なくとも１つの状態を検出し、その検出結果に基づき粒子供給手段を制御する粒子状態検出制御手段３０，３５とを備える。また、粒子供給手段２０は、複数の電極が積層された積層体に、電極のすべてを貫通する第１の貫通孔が形成され、互いに対向する電極対への電圧印加により第１の貫通孔の内部でマイクロカソード放電が生じるホローカソード電極部材２１と、第１の貫通孔へガスを供給するガス供給手段２２とを有する。また、粒子状態検出制御手段３０，３５は、電極対へ印加する電圧および第１の貫通孔へ供給するガスの少なくとも１つを制御する。
【選択図】 図１
【解決手段】被処理体Ｗを載置するサセプタ２と、サセプタ２が収容される処理容器１の内部にプラズマ、ラジカル、荷電粒子の少なくとも１つを供給する粒子供給手段２０と、処理容器１の内部におけるプラズマ、ラジカル、荷電粒子の少なくとも１つの状態を検出し、その検出結果に基づき粒子供給手段を制御する粒子状態検出制御手段３０，３５とを備える。また、粒子供給手段２０は、複数の電極が積層された積層体に、電極のすべてを貫通する第１の貫通孔が形成され、互いに対向する電極対への電圧印加により第１の貫通孔の内部でマイクロカソード放電が生じるホローカソード電極部材２１と、第１の貫通孔へガスを供給するガス供給手段２２とを有する。また、粒子状態検出制御手段３０，３５は、電極対へ印加する電圧および第１の貫通孔へ供給するガスの少なくとも１つを制御する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、プラズマ、ラジカルおよび荷電粒子の少なくとも１つを利用してプロセスを行う処理装置に関する。
本発明は半導体ないし半導体デバイス、液晶デバイス等の電子デバイス等の材料の製造に広く一般的に適用可能であるが、ここでは説明の便宜のために、半導体デバイスの背景技術を例にとって説明する。
半導体デバイスや、ＬＣＤおよび有機ＥＬなどのフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ処理装置が多用されている。プラズマ処理装置を用いることにより、高精度なプロセスを容易に行えることができる。
半導体デバイスや、ＬＣＤおよび有機ＥＬなどのフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ処理装置が多用されている。プラズマ処理装置を用いることにより、高精度なプロセスを容易に行えることができる。
プラズマ処理装置には、ＣＣＰ（平行平板プラズマ）処理装置およびＩＣＰ（誘導結合プラズマ）処理装置などあがる。これらのプラズマ処理装置では、ガスを供給した処理容器に電磁界を供給してガスをプラズマ化し、処理容器に配置されている基板に対し所定の処理を施す。従来のプラズマ処理装置は、基板の全域に均一な処理を施すため、処理容器に一様な電磁界を供給し、空間的に均一なプラズマが生成されるように設計されている（例えば、特許文献１，２を参照）。
しかしながら、同一のプラズマ処理装置を使用して同一条件下でプロセスを行っても、その都度プラズマの状態が変化するため、プロセスの再現性がよくなかった。また、別々の装置を使用して同一条件下でプロセスを行っても、各装置間でプラズマの状態が異なり、プロセスを再現性よく行うことが困難であった。この結果、個々の基板に対し均一な処理を施すことができないという問題があった。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平６−１６３４６７号公報
特開平７−５８０８７号公報
本発明が解決しようとする課題は、従来の処理装置では、プロセスの再現性が悪いことである。
このような課題を解決するために、本発明の処理装置は、被処理体を載置するサセプタと、このサセプタが収容される処理容器の内部にプラズマ、ラジカル、荷電粒子の少なくとも１つを供給する粒子供給手段と、処理容器の内部におけるプラズマ、ラジカル、荷電粒子の少なくとも１つの状態を検出し、その検出結果に基づき粒子供給手段を制御する粒子状態検出制御手段とを備え、粒子供給手段は、複数の電極が積層された積層体に、電極のすべてを貫通する第１の貫通孔が形成され、互いに対向する電極対への電圧印加により第１の貫通孔の内部でホローカソード放電が生じるホローカソード電極部材と、第１の貫通孔へガスを供給するガス供給手段とを有し、粒子状態検出制御手段は、電極対へ印加する電圧および第１の貫通孔へ供給するガスの少なくとも１つを制御することを特徴とする。
ここで、ホローカソード電極部材では、５０μｍ〜１ｍｍ程度のマイクロな領域のホローカソード放電（マイクロカソード放電）が生じるようにしてもよい。
また、ホローカソード電極部材は、第１の貫通孔を複数有するものであってもよい。この場合、ホローカソード電極部材は、第１の貫通孔を少なくとも１つ有する複数のセルに分割され、粒子状態検出制御手段は、複数のセルへの電圧印加を個別に制御するものであってもよい。
また、ホローカソード電極部材は、電極が２層または３層以上積層されることにより電極対を複数有し、粒子状態検出制御手段は、複数の電極対への電圧印加を個別に制御するものであってもよい。
また、粒子状態検出制御手段は、電極対への電圧印加を経時的に制御するものであってもよい。
また、ホローカソード電極部材は、第１の貫通孔を複数有するものであってもよい。この場合、ホローカソード電極部材は、第１の貫通孔を少なくとも１つ有する複数のセルに分割され、粒子状態検出制御手段は、複数のセルへの電圧印加を個別に制御するものであってもよい。
また、ホローカソード電極部材は、電極が２層または３層以上積層されることにより電極対を複数有し、粒子状態検出制御手段は、複数の電極対への電圧印加を個別に制御するものであってもよい。
また、粒子状態検出制御手段は、電極対への電圧印加を経時的に制御するものであってもよい。
また、粒子供給手段は、ホローカソード電極部材の処理容器の側に配置され、第１の貫通孔の内部で生成された荷電粒子を電圧印加により引き出す引き出し電極を有し、粒子状態検出制御手段は、引き出し電極への電圧印加を制御するものであってもよい。この場合、引き出し電極は、第１の貫通孔に対向する位置に第２の貫通孔を有するようにしてもよい。
また、上述した処理装置において、粒子状態検出制御手段は、処理容器の内部のラジカルを含む雰囲気に向けて、サセプタ上の被処理体の上方で被処理体の面に略平行な方向に可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光を出力する発光手段と、雰囲気中を通過してきた可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光を受光する受光手段と、この受光手段の出力信号に基づき雰囲気中におけるラジカルの密度を求め、プロセスのパラメータを制御する解析制御手段とを含むものであってもよい。
ここで、解析制御手段は、受光手段の出力信号に基づき雰囲気中を通過してきた可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光の減衰量を求め、この減衰量から雰囲気中におけるラジカルの密度を求めるものであってもよい。
ここで、解析制御手段は、受光手段の出力信号に基づき雰囲気中を通過してきた可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光の減衰量を求め、この減衰量から雰囲気中におけるラジカルの密度を求めるものであってもよい。
また、粒子状態検出制御手段は、さらに、可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光を間欠的に雰囲気に向けて出力するとともに、可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光の有無を示す光有無信号を出力する手段と、光有無信号に基づき、可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光があるときの受光手段の受光量から可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光が無いときの受光手段の受光量を差し引いた値を求め、この値から雰囲気中におけるラジカルの密度を求める手段とを含むものであってもよい。
また、粒子状態検出制御手段は、さらに、発光手段から出力された可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光を複数の光路を通過させて受光手段に受光させる手段を含み、解析制御手段は、受光手段の出力信号に基づき雰囲気中におけるラジカルの二次元的な密度分布を求めるものであってもよい。この場合、光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えていてもよい。
また、粒子状態検出制御手段は、さらに、発光手段から出力された可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光を複数の光路を通過させて受光手段に受光させる手段を含み、解析制御手段は、受光手段の出力信号に基づき雰囲気中におけるラジカルの二次元的な密度分布を求めるものであってもよい。この場合、光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えていてもよい。
また、上述した処理装置において、粒子状態検出制御手段は、雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を計測する温度計測手段を含み、解析制御手段は、受光手段の出力信号および温度計測手段の計測結果に基づきプロセスのパラメータを制御するものであってもよい。
ここで、温度計測手段は、雰囲気に向けてレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、雰囲気中を通過してきたレーザ光を受光するレーザ光受光手段と、このレーザ光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中を通過してきたレーザ光の減衰量スペクトルを求め、この減衰量スペクトルのパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める解析手段とを含むものであってもよい。
ここで、温度計測手段は、雰囲気に向けてレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、雰囲気中を通過してきたレーザ光を受光するレーザ光受光手段と、このレーザ光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中を通過してきたレーザ光の減衰量スペクトルを求め、この減衰量スペクトルのパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める解析手段とを含むものであってもよい。
また、温度計測手段は、さらに、レーザ光を間欠的に雰囲気に向けて出力するとともに、レーザ光の有無を示すレーザ光有無信号を出力する手段と、レーザ光有無信号に基づき、レーザ光があるときのレーザ光受光手段の受光量からレーザ光が無いときのレーザ光受光手段の受光量を差し引いた値のスペクトルを求め、このスペクトルのパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める手段とを含むものであってもよい。
また、上述した処理装置において、温度計測手段は、雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの発光スペクトルを計測し、そのスペクトルパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求めるものであってもよい。
また、温度計測手段は、レーザ発生手段から出力されたレーザ光を複数の光路を通過させてレーザ光手段に受光させる手段を含み、解析手段は、レーザ光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中における分子状または原子状ラジカルの二次元的な温度分布を求めるものであってもよい。この場合、光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えていてもよい。
また、温度計測手段は、レーザ発生手段から出力されたレーザ光を複数の光路を通過させてレーザ光手段に受光させる手段を含み、解析手段は、レーザ光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中における分子状または原子状ラジカルの二次元的な温度分布を求めるものであってもよい。この場合、光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えていてもよい。
本発明では、処理容器の内部におけるプラズマ等の状態を検出し、その検出結果に基づき粒子供給手段から処理容器へのプラズマ等の供給を制御することにより、同一のプラズマ等の属性値およびその分布を容易に実現できる。よって、プロセスの再現性を向上させ、被処理体に対し均一な処理を施すことができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、Ｓｉ薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置に本発明を適用した形態について説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。
処理容器１の内部には、被処理体であるガラス基板Ｗを載置するサセプタ２が収容されている。サセプタ２には、ガラス基板Ｗをサセプタ２に密着させるための静電チャックまたはメカニカルチャック（図示せず）と、ガラス基板Ｗを所定の温度に加熱するヒータ３が用意されている。ヒータ３の温度は、後述する制御部３５から出力される制御信号Ｓ７にしたがって変更される。サセプタ２にはまた、マッチングボックス４を介して高周波電源５に接続されている。高周波電源５によりサセプタ２と後述するホローカソード電極部材２１または処理容器１の側壁との間に電界を印加することにより、両者の間の空間Ｐからサセプタ２の方向に荷電粒子を引き出すことができる。高周波電源５の出力電力は、制御部３５から出力される制御信号Ｓ６にしたがって変更される。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。
処理容器１の内部には、被処理体であるガラス基板Ｗを載置するサセプタ２が収容されている。サセプタ２には、ガラス基板Ｗをサセプタ２に密着させるための静電チャックまたはメカニカルチャック（図示せず）と、ガラス基板Ｗを所定の温度に加熱するヒータ３が用意されている。ヒータ３の温度は、後述する制御部３５から出力される制御信号Ｓ７にしたがって変更される。サセプタ２にはまた、マッチングボックス４を介して高周波電源５に接続されている。高周波電源５によりサセプタ２と後述するホローカソード電極部材２１または処理容器１の側壁との間に電界を印加することにより、両者の間の空間Ｐからサセプタ２の方向に荷電粒子を引き出すことができる。高周波電源５の出力電力は、制御部３５から出力される制御信号Ｓ６にしたがって変更される。
処理容器１の下部には排気口６が設けられており、排気口６には真空ポンプ７が接続されている。真空ポンプ７は、制御部３５から出力される制御信号Ｓ５にしたがって、処理容器１内の圧力を調整する。
処理容器１の上部には、ガス導入ノズル８が設けられている。ノズル８はバルブ９、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０を介して、ガス供給源１１に接続されている。ガス供給源１１は原料ガスとしてＳｉＨ4，Ｈ2，ＳｉＦ4を供給する。ＭＦＣ１０は、制御部３５から出力される制御信号Ｓ４にしたがって、原料ガスの流量調整を行う。バルブ９は、流路の開閉を行う。
処理容器１の上部には、ガス導入ノズル８が設けられている。ノズル８はバルブ９、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１０を介して、ガス供給源１１に接続されている。ガス供給源１１は原料ガスとしてＳｉＨ4，Ｈ2，ＳｉＦ4を供給する。ＭＦＣ１０は、制御部３５から出力される制御信号Ｓ４にしたがって、原料ガスの流量調整を行う。バルブ９は、流路の開閉を行う。
サセプタ２の上部空間には、処理容器１内にプラズマ、ラジカル、荷電粒子（イオン、電子）の少なくとも１つを供給する粒子供給源２０が設けられている。
さらに、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置には、吸収分光法により処理容器１内のラジカル密度を計測するラジカル密度計測装置３０が設けられている。吸収分光法とは、原子または分子の準位により光の吸収波長が異なることを利用し、プラズマ中を通過してきた光の減衰量を基に、プラズマに含まれる所定準位の原子または分子の絶対密度を計測する方法である。この方法を用いることにより、例えばＳｉラジカルの密度を簡易にかつ高感度で計測することができる。
さらに、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置には、吸収分光法により処理容器１内のラジカル密度を計測するラジカル密度計測装置３０が設けられている。吸収分光法とは、原子または分子の準位により光の吸収波長が異なることを利用し、プラズマ中を通過してきた光の減衰量を基に、プラズマに含まれる所定準位の原子または分子の絶対密度を計測する方法である。この方法を用いることにより、例えばＳｉラジカルの密度を簡易にかつ高感度で計測することができる。
次に、粒子供給源２０の構成について、さらに詳しく説明する。
粒子供給源２０は、ホローカソード電極部材２１と、ガス供給容器２２とを有している。
図２は、ホローカソード電極部材２１の一部を拡大した断面図である。また、図３は、ホローカソード電極部材２１の平面図である。
図２に示すように、ホローカソード電極部材２１は、スペーサ４２と、スペーサ４２を挟んで対向配置された対をなす電極板４１Ａ，４１Ｂとからなる積層体を有している。電極板４１Ａ，４１Ｂは、例えばＳｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、ＳＵＳなどの金属で形成され、スペーサ４２は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、石英、ポリイミドなどの高分子などの誘電体で形成されている。この積層体には、電極板４１Ａの上部から電極板４１Ｂの下部まで貫通する貫通孔（第１の貫通孔）４３が形成されている。図３に示すように、貫通孔４３は、二次元的に複数形成されている。
粒子供給源２０は、ホローカソード電極部材２１と、ガス供給容器２２とを有している。
図２は、ホローカソード電極部材２１の一部を拡大した断面図である。また、図３は、ホローカソード電極部材２１の平面図である。
図２に示すように、ホローカソード電極部材２１は、スペーサ４２と、スペーサ４２を挟んで対向配置された対をなす電極板４１Ａ，４１Ｂとからなる積層体を有している。電極板４１Ａ，４１Ｂは、例えばＳｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、ＳＵＳなどの金属で形成され、スペーサ４２は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、石英、ポリイミドなどの高分子などの誘電体で形成されている。この積層体には、電極板４１Ａの上部から電極板４１Ｂの下部まで貫通する貫通孔（第１の貫通孔）４３が形成されている。図３に示すように、貫通孔４３は、二次元的に複数形成されている。
図１に示すように、ホローカソード電極部材２１の下面（電極板４１Ｂの下面）は処理容器１の内部に面し、ホローカソード電極部材２１の上面（電極板４１Ａの上面）はガス供給容器２２の内部に面している。ガス供給容器２２には、ガス導入ノズル２３が設けられている。ノズル２３はバルブ２４、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２５を介して、ガス供給源２６に接続されている。ガス供給源２６は、プラズマガスとして不活性ガス（例えば、Ａｒなどの希ガスやＮ2またはＯ2）またはプロセスガスとしてＳｉＨ4、ＳｉＦ4などを供給する。ＭＦＣ２５は、制御部３５から出力される制御信号Ｓ３にしたがって、プラズマガスの流量調整を行う。バルブ２４は、流路の開閉を行う。ガス供給源２６からのプラズマガスをノズル２３よりガス供給容器２２に導入すると、プラズマガスがホローカソード電極部材２１の貫通孔４３を介して処理容器１へ流れていく。
一方、ホローカソード電極部材２１の電極板４１Ａと４１Ｂとの間には、電圧可変の直流電源２７が接続されている。また、ガス供給容器２２の天板２２Ａと上記電極板４１Ａとの間には、電圧可変の直流電源２８が接続されている。なお、ガス供給容器２２の天板２２Ａはアルミニウムなどの金属で形成され、ガス供給容器２２の側壁との間は絶縁されている。直流電源２７，２８の出力電圧は、それぞれ制御部３５から出力される制御信号Ｓ１，Ｓ２にしたがって変更される。
ガス供給容器２２にプラズマガスを導入しつつ、直流電源２８により天板２２Ａと電極板４１Ａとの間に電圧を印加すると、ガス供給容器２２内に発生する電界によりプラズマガスの分子が電離または解離し、プラズマが生成される。さらに、直流電源２７により電極板４１Ａと４１Ｂとの間に電圧を印加すると、貫通孔４３内でマイクロカソード放電（５０μｍ〜１ｍｍ程度のマイクロな領域のホローカソード放電）が発生する。このマイクロカソード放電により、図２における領域Ｑにプラズマが生成される。プラズマが生成されると、電子が貫通孔４３の内壁に衝突して、この内壁から電子（二次電子）がγ（ガンマ）作用により放出される。そして、放出された電子が次のプラズマガスの分子に衝突してその分子を電離させるα（アルファ）作用が生じ、放電が維持される。電極板４１Ａと４１Ｂとの間に印加する電圧により、マイクロカソード放電の放電量が変化するので、貫通孔４３で生成されるプラズマの密度を制御することができる。
また、この粒子供給源２０は、これを駆動する際のガス圧力に比較的に左右されず、良好なマイクロカソード放電に基づいたプラズマを生成することができる。言い換えれば、いわゆる低圧プラズマ（圧力０．１３３Ｐａ〜１３．３Ｐａ程度；ラジカル、イオン、電子の密度は一般的に１０11〜１０12／ｃｍ3程度）と比べて桁違いに高い密度の大気圧プラズマ（圧力１０１．３ｋＰａ程度；ラジカル、イオン、電子の密度は一般的に１０15／ｃｍ3程度）を容易に実現することができる。このような大気圧プラズマを用いた場合には、大気圧下で安定に放電させることが可能であり、電子温度がガス温度よりも高い、いわゆる非平衡プラズマを好適に実現することができる。
なお、本実施の形態では、ホローカソード電極部材２１の対をなす電極板間に直流電圧を印加してマイクロカソード放電を起こす例を示したが、上記電極板間には、高周波ないしマイクロ波を印加してもよい。
次に、ラジカル密度計測装置３０の構成について、さらに詳しく説明する。
ラジカル密度計測装置３０は、処理容器１の外部に配置されたホローカソードランプ（ＨＣＬ：Hollow Cathorde Lamp）３１と、ホローカソードランプ３１と処理容器１とを接続する入力側導光管３１Ａと、入力側導光管３１Ａに設けられたチョッパ（変調器）３２と、処理容器１の外部に配置された紫外光受光部３３と、紫外光受光部３３と処理容器１とを接続する出力側導光管３３Ａと、紫外光受光部３３の出力側に電気的に接続されたラジカル密度算出部３４とから構成されている。
ラジカル密度計測装置３０は、処理容器１の外部に配置されたホローカソードランプ（ＨＣＬ：Hollow Cathorde Lamp）３１と、ホローカソードランプ３１と処理容器１とを接続する入力側導光管３１Ａと、入力側導光管３１Ａに設けられたチョッパ（変調器）３２と、処理容器１の外部に配置された紫外光受光部３３と、紫外光受光部３３と処理容器１とを接続する出力側導光管３３Ａと、紫外光受光部３３の出力側に電気的に接続されたラジカル密度算出部３４とから構成されている。
ここで、入力側導光管３１Ａと出力側導光管３３Ａは、処理容器１の中心軸線と交差する同一直線上に配置されている。これらの高さは、粒子供給源２０とサセプタ２との間の空間Ｐに生成されるプラズマの高さに合わせてある。
ホローカソードランプ３１は、Ｓｉラジカルの吸収波長２８８．２ｎｍおよび２５１．６ｎｍの紫外光ＵＶを出力する紫外光発生部として作用する。なお、プラズマ中では両波長を利用できるが、プラズマで生成されたＳｉラジカルを引き出して行うプロセスでは２５１．６ｎｍしか利用できない。前者の場合でも２５１．６ｎｍの方が感度がよい。ホローカソードランプ３１に代えて、リング色素レーザの発振器を用いてもよい。
チョッパ３２は、ホローカソードランプ３１から出力された紫外光ＵＶに対しパルス変調を行う。チョッパ３２からは、パルス変調された紫外光ＵＶのＯＮ／ＯＦＦに同期したトリガ信号（光有無信号）Ｓ１１が、紫外光受光部３３に出力される。
ホローカソードランプ３１は、Ｓｉラジカルの吸収波長２８８．２ｎｍおよび２５１．６ｎｍの紫外光ＵＶを出力する紫外光発生部として作用する。なお、プラズマ中では両波長を利用できるが、プラズマで生成されたＳｉラジカルを引き出して行うプロセスでは２５１．６ｎｍしか利用できない。前者の場合でも２５１．６ｎｍの方が感度がよい。ホローカソードランプ３１に代えて、リング色素レーザの発振器を用いてもよい。
チョッパ３２は、ホローカソードランプ３１から出力された紫外光ＵＶに対しパルス変調を行う。チョッパ３２からは、パルス変調された紫外光ＵＶのＯＮ／ＯＦＦに同期したトリガ信号（光有無信号）Ｓ１１が、紫外光受光部３３に出力される。
紫外光受光部３３は、処理容器１内部から出力される紫外光ＵＶを受光する。また、チョッパ３２から入力されるトリガ信号Ｓ１１に基づき、紫外光ＵＶがあるとき（ＯＮ時）の受光と無いとき（ＯＦＦ時）の受光とを判別し、紫外光ＵＶがあるときの受光量から無いときの受光量を差し引いた値を求め、この値をラジカル密度算出部３４に出力する。なお、処理容器１内に原料ガスが導入されておらず、またプラズマが発生していない状態で、紫外光ＵＶの受光量を予め計測し、この受光量の値を紫外光ＵＶの発光量として、プロセスに先立ってラジカル密度算出部３４に出力しておく。
ラジカル密度算出部３４は、予め入力された紫外光ＵＶの発光量と紫外光受光部３３の出力信号とに基づき、プラズマ中を通過してきた紫外光ＵＶの減衰量を求め、この減衰量からプラズマに含まれるＳｉラジカルの密度を算出する。
ラジカル密度算出部３４は、予め入力された紫外光ＵＶの発光量と紫外光受光部３３の出力信号とに基づき、プラズマ中を通過してきた紫外光ＵＶの減衰量を求め、この減衰量からプラズマに含まれるＳｉラジカルの密度を算出する。
ラジカル密度算出部３４による算出結果は、制御部３５に入力される。制御部３５は、ラジカル密度算出部３４により算出されたラジカル密度が設定値に近づくように、処理容器１内でのプラズマ生成のパラメータを制御する。具体的には、粒子供給源２０の直流電源２７，２８にそれぞれ制御信号Ｓ１，Ｓ２を出力し、ＭＦＣ２５に制御信号Ｓ３を出力して、粒子供給源２０から処理容器１内に供給されるプラズマの量などを制御する。また、ＭＦＣ１０に制御信号Ｓ４を出力し、ノズル８から処理容器１内に導入される原料ガスの流量を制御する。また、真空ポンプ７に制御信号Ｓ５を出力し、処理容器１内のガス圧を制御する。また、高周波電源５に制御信号Ｓ６を出力し、サセプタ２上に引き出されるＳｉイオンの量を制御する。その一方で、ヒータ３の電源に制御信号７を出力してヒータ３の温度を制御し、サセプタ２の温度を調整する。
本実施の形態では、ラジカル密度算出部３４と制御部３５とから解析制御手段が構成される。解析制御手段は、コンピュータにより構成され、演算処理部と、記憶部と、操作部と、入出力インタフェース部とを有している。記憶部には、計測データと、ラジカル密度を算出する際に必要なデータと、制御プログラムが記憶されている。演算処理部は、制御プログラムにしたがって、ラジカル密度の算出を行うとともに、後述するように装置全体の動作の制御を行う。操作部からはデータの入力が可能である。また、入出力インタフェース部を他の管理システム等に接続することにより、それらと通信を行うことも可能である。
また、制御の基準値は、装置の外部から設定してもよいし、装置自身で獲得するようにしてもよい。装置の外部から設定する場合には、例えばオペレータにより操作部から、または中央制御装置から入出力インタフェース部を介して設定される。一方、装置自身で獲得する場合には、例えばプロセスを開始してから特定時間経過後の値を基準値とする。前プロセスがあれば、そのプロセスでの値を基準値とする。
また、導光管３１Ａ，３３Ａの先端部、すなわち導光管３１Ａ，３３Ａ内と処理容器１内との境界部には、それぞれ石英で形成された紫外光透過窓１２Ａ，１２Ｂが設けられている。透過窓１２Ａ，１２Ｂに紫外光ＵＶを吸収する汚染物質が付着すると、ラジカル密度の計測結果に誤差が生じする。これを防止するために、透過窓１２Ａ，１２Ｂを２００℃〜４００℃程度の高温に加熱し、汚染物質を付着しにくくしてもよい。または、透過窓１２Ａ，１２Ｂを、アスペクト比が略３以上の筒状の構造を有するキャピラリープレートで構成してもよい。なお、キャピラリープレートは有底であってもよい。また、透過窓１２Ａ，１２Ｂには、フッ化マグネシウムなどの材料を用いてもよい。
次に、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の動作について説明する。
サセプタ２上にガラス基板Ｗを配置し、静電チャック等でガラス基板Ｗをサセプタ２に密着させ、ヒータ３により基板温度を４００℃にする。真空ポンプ７により処理容器１内を真空引するとともに、ノズル２３からガス供給容器２２内にプラズマガスをＡｒ／Ｎ2／Ｈ2＝１０００／１００／１００ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter/minute）の流量で導入し、ノズル８から処理容器１内に原料ガスをＳｉＨ4／ＳｉＦ4＝５／３０ｓｃｃｍの流量で導入し、処理容器１内の圧力を１．５Ｐａに保持する。この状態で、粒子供給源２０の対をなす電極板４１Ａと４１Ｂとの間に直流電源２７により１〜１０Ｗ／ｃｍ2を印加する。これにより、粒子供給源２０の貫通孔４３内でＡｒ、Ｎ2およびＨ2がプラズマとなり、処理容器１内に供給される。処理容器１内に供給されたプラズマは、ＳｉＨ4とＳｉＦ4を電離または解離し、ＳｉＨxとＳｉＦx（ｘ＝１，２，３）およびＮとＨのラジカルが生成される。これらのラジカルが基板Ｗの表面で反応し、Ｓｉが堆積していく。
サセプタ２上にガラス基板Ｗを配置し、静電チャック等でガラス基板Ｗをサセプタ２に密着させ、ヒータ３により基板温度を４００℃にする。真空ポンプ７により処理容器１内を真空引するとともに、ノズル２３からガス供給容器２２内にプラズマガスをＡｒ／Ｎ2／Ｈ2＝１０００／１００／１００ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter/minute）の流量で導入し、ノズル８から処理容器１内に原料ガスをＳｉＨ4／ＳｉＦ4＝５／３０ｓｃｃｍの流量で導入し、処理容器１内の圧力を１．５Ｐａに保持する。この状態で、粒子供給源２０の対をなす電極板４１Ａと４１Ｂとの間に直流電源２７により１〜１０Ｗ／ｃｍ2を印加する。これにより、粒子供給源２０の貫通孔４３内でＡｒ、Ｎ2およびＨ2がプラズマとなり、処理容器１内に供給される。処理容器１内に供給されたプラズマは、ＳｉＨ4とＳｉＦ4を電離または解離し、ＳｉＨxとＳｉＦx（ｘ＝１，２，３）およびＮとＨのラジカルが生成される。これらのラジカルが基板Ｗの表面で反応し、Ｓｉが堆積していく。
このプロセスの際に、処理容器１内のプラズマ（雰囲気）に含まれるＳｉラジカルの密度を計測する。まず、ホローカソードランプ３１から波長２８８．２ｎｍ，２５１．６ｎｍの紫外光ＵＶを出力すると、チョッパ３２により紫外光ＵＶをパルス変調し、処理容器１内のプラズマに向けて間欠的に出力する。紫外光ＵＶは処理容器１の直径方向を水平に通過していく。波長２８８．２ｎｍ，２５１．６ｎｍの紫外光ＵＶは、プラズマ中を通過する際、プラズマに含まれるＳｉラジカルに一部吸収され、紫外光受光部３３に到達する。
紫外光受光部３３では、チョッパ３２から入力される紫外光ＵＶのＯＮ／ＯＦＦに基づくトリガ信号Ｓ１１から、紫外光ＵＶがあるとき（ＯＮ時）の受光と無いとき（ＯＦＦ時）の受光とを判別し、紫外光ＵＶがあるときの受光量から無いときの受光量を差し引いた値を求める。これにより、プラズマ自体が発する光など、紫外光ＵＶとは無関係の背景光が除去され、紫外光ＵＶの受光量が得られる。
ラジカル密度算出部３４では、予め入力された紫外光ＵＶの発光量と、紫外光受光部３３で得られた紫外光ＵＶの受光量とから、紫外光ＵＶの減衰量を求め、この減衰量からＳｉラジカルの密度を算出する。そして、得られたラジカル密度が設定値に近づくように、処理容器１内でのプラズマ生成のパラメータを制御部３５で制御する。
なお、トリガ信号Ｓ１１をラジカル密度算出部３４に与え、ラジカル密度算出部３４での演算処理により、紫外光ＵＶに対する背景光の影響を除去してもよい。
なお、トリガ信号Ｓ１１をラジカル密度算出部３４に与え、ラジカル密度算出部３４での演算処理により、紫外光ＵＶに対する背景光の影響を除去してもよい。
このプラズマＣＶＤ装置では、粒子供給源２０から処理容器１へのプラズマの供給量、原料ガスの混合比率および全体の流量、ガス圧、高周波電源５の出力電力およびサセプタ２の温度を調整することにより、処理容器１内でのプラズマ生成とＳｉ成膜を制御する。
粒子供給源２０からのプラズマの供給量を調整する場合には、まず、直流電源２７に出力される制御信号Ｓ１により、電極板４１Ａ，４１Ｂ間に印加される電圧を制御する。ラジカル密度が高い場合には、印加電圧を下げ、逆にラジカル密度が低い場合には、印加電圧を上げる。また、ＭＦＣ２５に出力される制御信号Ｓ３により、プラズマガスの流量制御を行う。ラジカル密度が高い場合には、プラズマガスの流量を下げ、逆にラジカル密度が低い場合には、プラズマガスの流量を上げる。
粒子供給源２０からのプラズマの供給量を調整する場合には、まず、直流電源２７に出力される制御信号Ｓ１により、電極板４１Ａ，４１Ｂ間に印加される電圧を制御する。ラジカル密度が高い場合には、印加電圧を下げ、逆にラジカル密度が低い場合には、印加電圧を上げる。また、ＭＦＣ２５に出力される制御信号Ｓ３により、プラズマガスの流量制御を行う。ラジカル密度が高い場合には、プラズマガスの流量を下げ、逆にラジカル密度が低い場合には、プラズマガスの流量を上げる。
原料ガスの混合比率および全体の流量を調整する場合には、ＭＦＣ１０に出力される制御信号Ｓ４により、原料ガスの流量制御を行う。ラジカル密度が高い場合には、ＳｉＨ4，ＳｉＦ4の混合比を下げるか、全体の流量を下げる。逆にラジカル密度が低い場合には、ＳｉＨ4，ＳｉＦ4の混合比を上げるか、全体の流量を上げる。
ガス圧を調整する場合には、真空ポンプ７に出力される制御信号Ｓ５を制御する。ラジカル密度が高い場合には、ガス圧を上げ、逆にラジカル密度が低い場合には、ガス圧を下げる。
ガス圧を調整する場合には、真空ポンプ７に出力される制御信号Ｓ５を制御する。ラジカル密度が高い場合には、ガス圧を上げ、逆にラジカル密度が低い場合には、ガス圧を下げる。
高周波電源５の出力電力を調整する場合には、制御信号Ｓ６を制御する。ラジカル密度が高い場合には、高周波電源５の出力電力を下げ、逆にラジカル密度が低い場合には、出力電力を上げる。
サセプタ２の温度を調整するには、ヒータ３の電源に出力される制御信号Ｓ７を制御する。ラジカル密度が高い場合には、サセプタ２の温度を高くしガス温度を上昇させてＳｉの堆積を抑制し、逆にラジカル密度が低い場合には、サセプタ２の温度を低くしガス温度を下降させてＳｉの堆積を促進させる。
これらの制御は、比例制御、微分制御、積分制御を組み合わせて行われる。
このようにしてラジカル密度を一定に保つことにより、プロセスの再現性を向上させ、個々のガラス基板Ｗ上に均一なＳｉ薄膜を形成することができる。
サセプタ２の温度を調整するには、ヒータ３の電源に出力される制御信号Ｓ７を制御する。ラジカル密度が高い場合には、サセプタ２の温度を高くしガス温度を上昇させてＳｉの堆積を抑制し、逆にラジカル密度が低い場合には、サセプタ２の温度を低くしガス温度を下降させてＳｉの堆積を促進させる。
これらの制御は、比例制御、微分制御、積分制御を組み合わせて行われる。
このようにしてラジカル密度を一定に保つことにより、プロセスの再現性を向上させ、個々のガラス基板Ｗ上に均一なＳｉ薄膜を形成することができる。
本実施の形態では、ラジカル密度の計測に紫外光ＵＶを用いる例を示したが、真空紫外光ＶＵＶを用いることもできる。後述する他の実施の形態でも同様である。真空紫外光ＶＵＶを用いる場合には、ホローカソードランプ３１と処理容器１との間に接続された導光管３１Ａおよび紫外光受光部３３と処理容器１との間に接続された導光管３３Ａの内部を真空にすることにより、真空紫外光ＶＵＶの減衰を抑制できる。
また、本実施の形態では、原子状のＳｉラジカルの密度計測を行ったが、分子状のＳｉＨx，ＳｉＦx（ｘ＝１，２，３）ラジカルの密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。また、これらすべての密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、原子状のＳｉラジカルの密度計測を行ったが、分子状のＳｉＨx，ＳｉＦx（ｘ＝１，２，３）ラジカルの密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。また、これらすべての密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、処理容器１におけるプラズマ生成のパラメータ制御を二次元的に行うものである。
図４は、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置で使用される粒子供給源のホローカソード電極部材の概念図である。この図には、図３に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。
本発明の第２の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、処理容器１におけるプラズマ生成のパラメータ制御を二次元的に行うものである。
図４は、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置で使用される粒子供給源のホローカソード電極部材の概念図である。この図には、図３に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。
図４に示すホローカソード電極部材１２１は、少なくとも１つの貫通孔４３を有する複数のホローカソード電極セル１２１Ａに分割されている。セル１２１Ａは、図２と同様の構造を有し、制御部３５は、それぞれのセル１２１Ａの電極板４１Ａ，４１Ｂへの電圧印加を個別に制御する。なお、隣り合うセル１２１Ａの間は絶縁分離されている。それぞれのセル１２１Ａへの電圧印加を個別に制御することにより、それぞれのセル１２１Ａの貫通孔４３からのプラズマの供給量を変えることができる。したがって、プラズマ供給量を二次元的（平面的）に制御することができる。
図５は、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置で使用されるラジカル密度計測装置を説明するための図である。この図には、処理容器１の中心軸線に垂直な断面を示し、図１に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。また、説明の便宜のため、処理容器１の中心を原点とするＸＹ座標を示している。
図５に示すラジカル密度計測装置では、ラジカル密度計測に用いる紫外光ＵＶの光路を、サセプタ２の載置面に平行な面上に複数設定する。例えば、それぞれの光路をＸ軸に平行にする場合には、それぞれの光路のＹ座標の絶対値が相互に異なるようにする。
図５に示すラジカル密度計測装置では、ラジカル密度計測に用いる紫外光ＵＶの光路を、サセプタ２の載置面に平行な面上に複数設定する。例えば、それぞれの光路をＸ軸に平行にする場合には、それぞれの光路のＹ座標の絶対値が相互に異なるようにする。
それぞれの光路に紫外光ＵＶを通過させるために、ホローカソードランプ３１から出力されたＵＶを反射してそれぞれの光路に導く入力側ミラー５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ，５１Ｇと、それぞれの光路を通過してきた紫外光ＵＶを反射して紫外光受光部３３に導く出力側ミラー５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ，５２Ｆ，５２Ｇと、それぞれの光路上に配置された紫外光透過窓１２とが設けられている。入力側ミラー５１Ａ〜５１Ｇおよび出力側ミラー５２Ａ〜５２Ｇの反射面を順次回転させることにより、それぞれの光路を紫外光が順次通過する。これにより、複数の光路を時間分割により設定することができる。
それぞれの光路を通過してきた紫外光ＵＶから算出されたラジカル密度は、その光路上におけるラジカル密度の積分値を表している。したがって、ラジカルが処理容器１の中心軸線の周りに同心円状に分布していると仮定すれば、複数の光路を通過してきた紫外光ＵＶのそれぞれからラジカル密度を求め、アベール変換を行うことにより、二次元的なラジカル密度分布を得ることができる。なお、アベール変換は円筒の形状に適用できるので、この場合には処理容器１の形状は円筒形であることが望ましい。また、ラジカル密度分布の解像度と同じ量以上の光路数が必要となる。
このようにして得られた二次元的なラジカル密度分布に基づき、制御部３５は、図４に示した粒子供給源に対し、処理容器１へのプラズマ供給量を二次元的に制御する。より具体的には、ホローカソード電極部材１２１の各セル１２１Ａと、処理容器１内における各セル１２１Ａ直下の領域とを対応付け、各領域におけるラジカル密度に基づき、その領域に対応するセル１２１Ａのプラズマ供給量を制御する。
例えば、アベール変換した結果、図６（ａ）に示すように、処理容器１の中心部で高密度のラジカル密度分布が得られたとする。この場合、ホローカソード電極部材１２１の中心部のセルへの印加電圧を小さくし、周辺部のセルほど印加電圧を大きくする。これにより、図６（ｂ）に示すように、処理容器１の中心部へのプラズマ供給量が少なくなり、周辺部へ行くほどプラズマ供給量が多くなる。その結果、図６（ｃ）に示すように、ラジカル密度分布が均一になる。
このように、二次元的なラジカル密度分布に基づいてプラズマ生成のパラメータ制御を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。
このように、二次元的なラジカル密度分布に基づいてプラズマ生成のパラメータ制御を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。
図５に示したラジカル密度計測装置では複数の光路を時間分割により設定したが、複数の光路を周波数分割により設定することもできる。図７は、この方式のラジカル密度計測装置の他の例を説明するための図である。
このラジカル密度計測装置では、それぞれの光路上に、紫外光ＵＶに対しＣＷ変調（Carrier Wave modulation)を行うチョッパ（変調器）５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇを配置する。チョッパ５３Ａ〜５３Ｇの変調周波数はそれぞれ異なっている。また、入力側ミラー５１Ａ〜５１Ｇとして、紫外光の一部を反射し、残りを透過させるものを用いる。それぞれの光路を通過してきた紫外光ＵＶは搬送波の周波数が異なるので、紫外光受光部３３において紫外光ＵＶを搬送波の周波数で分離し、分離された紫外光ＵＶのそれぞれからラジカル密度を求め、アベール変換を行うことにより、二次元的なラジカル密度分布を得ることができる。
このラジカル密度計測装置では、それぞれの光路上に、紫外光ＵＶに対しＣＷ変調（Carrier Wave modulation)を行うチョッパ（変調器）５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ，５３Ｅ，５３Ｆ，５３Ｇを配置する。チョッパ５３Ａ〜５３Ｇの変調周波数はそれぞれ異なっている。また、入力側ミラー５１Ａ〜５１Ｇとして、紫外光の一部を反射し、残りを透過させるものを用いる。それぞれの光路を通過してきた紫外光ＵＶは搬送波の周波数が異なるので、紫外光受光部３３において紫外光ＵＶを搬送波の周波数で分離し、分離された紫外光ＵＶのそれぞれからラジカル密度を求め、アベール変換を行うことにより、二次元的なラジカル密度分布を得ることができる。
さらに、ラジカル密度計測用の紫外光透過窓を処理容器１の軸線方向（Ｚ方向）に複数設け、Ｚ方向のラジカル密度分布を計測することにより、三次元的なラジカル密度分布を得ることができる。このラジカル密度分布に基づいてプラズマ生成のパラメータ制御を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、粒子供給源を三次元または四次元的に制御するものである。
図８は、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置で使用される粒子供給源の一部の構成を示す断面図である。この図には、図２に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。
本発明の第３の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、粒子供給源を三次元または四次元的に制御するものである。
図８は、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置で使用される粒子供給源の一部の構成を示す断面図である。この図には、図２に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。
図８に示す粒子供給源では、ホローカソード電極部材２２１が、スペーサとこれを挟んで対向配置された電極板対とからなる積層体が、複数積層された構成を有している。具体的には、電極板４１Ａ、スペーサ４２Ａ、電極板４１Ｂ、スペーサ４２Ｂ、電極板４１Ｃ、スペーサ４２Ｃ、電極板４１Ｄが、上からこの順で積層されている。この場合も、電極板４１Ａの上部から電極板４１Ｄの下部まで貫通する貫通孔４３が形成されている。また、対をなす電極板４１Ａと電極板４１Ｂとの間、電極板４１Ｂと電極板４１Ｃとの間、電極板４１Ｃと電極板４１Ｄとの間に、それぞれ直流電源２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃが接続されている。制御部３５は、制御信号Ｓ１Ａ，Ｓ１Ｂ，Ｓ１Ｃにより、直流電源２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃの出力電力を個別に制御する。このように上記積層体を複数段構成にすることにより、圧力降下を大きくするとともに、プラズマ密度の減衰を防ぐことができる。よって、プラズマをより安定して生成することができる。
このホローカソード電極部材２２１を第２の実施の形態と同様に複数のセルに分割し、制御部３５によりそれぞれのセルへの電圧印加を個別に制御することにより、粒子供給源を三次元的（空間的）に制御することができる。
さらに、制御部３５によりそれぞれのセルへの電圧印加を経時的に個別に制御するようにしてもよい。言い換えれば、セル毎に電圧を印加する時間を変える制御を行ってもよい。これにより、粒子供給源を四次元的（時空間的）に制御することができる。
さらに、制御部３５によりそれぞれのセルへの電圧印加を経時的に個別に制御するようにしてもよい。言い換えれば、セル毎に電圧を印加する時間を変える制御を行ってもよい。これにより、粒子供給源を四次元的（時空間的）に制御することができる。
［第４の実施の形態］
処理容器１の体積は一定であるから、圧力一定の下では、処理容器１内のプラズマに含まれるラジカルの密度は、分子状または原子状ラジカルを含むガスの温度に反比例する。例えば、ガスの温度が高くなるほど、ラジカルの密度は小さくなる。一方、ガスの温度が高くなるほど、ラジカルの速度が大きくなる。このため、吸収分光法でラジカルの密度を計測する場合には、ガスの温度が高くなると紫外光ＵＶの光路上に現れるラジカルの数が増え、プラズマ中を通過してきた紫外光ＵＶの減衰量が大きくなり、ラジカルの密度が実際より大きく計測される。したがって、プラズマの密度に基づくパラメータ制御をより正確に行うには、ガスの温度を考慮する必要がある。以下、このような機能を有するプラズマＣＶＤ装置について説明する。
処理容器１の体積は一定であるから、圧力一定の下では、処理容器１内のプラズマに含まれるラジカルの密度は、分子状または原子状ラジカルを含むガスの温度に反比例する。例えば、ガスの温度が高くなるほど、ラジカルの密度は小さくなる。一方、ガスの温度が高くなるほど、ラジカルの速度が大きくなる。このため、吸収分光法でラジカルの密度を計測する場合には、ガスの温度が高くなると紫外光ＵＶの光路上に現れるラジカルの数が増え、プラズマ中を通過してきた紫外光ＵＶの減衰量が大きくなり、ラジカルの密度が実際より大きく計測される。したがって、プラズマの密度に基づくパラメータ制御をより正確に行うには、ガスの温度を考慮する必要がある。以下、このような機能を有するプラズマＣＶＤ装置について説明する。
図９は、本発明の第４の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。この図には、処理容器１の中心軸線に垂直な断面を示し、図１に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。
本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、ラジカル密度計測装置３０に加えて、ガス温度計測装置を備えている。このガス温度計測装置では、温度により分子の準位が変わり、また準位により光の吸収波長が異なることを利用し、プラズマ中を通過してきた光の減衰量を基に、プラズマに含まれるガスの温度を計測する。具体的には、ガス温度計測装置は、処理容器１の外部に配置されたレーザ光出力部６１と、レーザ光受光部６２と、ガス温度算出部（解析手段）６３とから構成されている。
本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、ラジカル密度計測装置３０に加えて、ガス温度計測装置を備えている。このガス温度計測装置では、温度により分子の準位が変わり、また準位により光の吸収波長が異なることを利用し、プラズマ中を通過してきた光の減衰量を基に、プラズマに含まれるガスの温度を計測する。具体的には、ガス温度計測装置は、処理容器１の外部に配置されたレーザ光出力部６１と、レーザ光受光部６２と、ガス温度算出部（解析手段）６３とから構成されている。
ここで、レーザ光出力部６１は、出力するレーザ光Ｌの波長を２５１．６ｎｍを中心として掃引する。レーザ光出力部６１にはリング色素レーザの発振器などが用いられる。レーザ光出力部６１から出力されたレーザ光Ｌは、処理容器１の側壁に設けられたレーザ光透過窓１３Ａを介して、処理容器１に入力される。
レーザ光受光部６２は、処理容器１の側壁に設けられたレーザ光透過窓１３Ｂを介して処理容器１から出力されるレーザ光Ｌを受光し、その受光量をガス温度算出部６３に出力する。なお、原料ガスが導入されておらず、またプラズマが発生していない状態で、レーザ光Ｌの受光量を予め計測し、この受光量の値をレーザ光Ｌの発光量として、プロセスに先立ってガス温度算出部６３に出力しておく。
レーザ光受光部６２は、処理容器１の側壁に設けられたレーザ光透過窓１３Ｂを介して処理容器１から出力されるレーザ光Ｌを受光し、その受光量をガス温度算出部６３に出力する。なお、原料ガスが導入されておらず、またプラズマが発生していない状態で、レーザ光Ｌの受光量を予め計測し、この受光量の値をレーザ光Ｌの発光量として、プロセスに先立ってガス温度算出部６３に出力しておく。
なお、透過窓１３Ａ，１３Ｂは例えば石英で形成され、処理容器１の中心軸線を挟んだ対向位置に配置し、レーザ光Ｌの光路をラジカル密度計測に用いられるレーザ光Ｌの光路と同じ高さにする。透過窓１３Ａ，１３Ｂは、汚染物質が付着しないように、第１の実施の形態で説明した紫外光透過窓１２Ａ，１２Ｂと同様の構成にする。すなわち、２００℃〜４００℃程度の高温に加熱するか、またはアスペクト比が略３以上の筒状の構造を有するキャピラリープレートで構成する。キャピラリープレートは有底であってもよい。また、透過窓１３Ａ，１３Ｂには、フッ化マグネシウムなどの材料を用いてもよい。
ガス温度算出部６３は、予め入力されたレーザＬの発光量とレーザ光受光部６２の出力信号とに基づき、プラズマ中を通過してきたレーザ光Ｌの減衰量スペクトルを求め、この減衰量スペクトルのパターンから波長に対するラジカル吸収プロファイルを求め、プラズマに含まれるガスの温度を算出し、制御部３５Ａに出力する。なお、ラジカル密度計測の場合と同様に、レーザ光出力部６１と処理容器１との間の光路にチョッパを配置し、レーザ光受光部６２においてレーザ光Ｌがあるときの受光量から無いときの受光量を差し引くことにより、背景光の影響が除去され正確な温度が算出される。
制御部３５Ａは、ラジカル密度算出部３４およびガス温度算出部６３のそれぞれの出力信号に基づき、吸収分光法により計測されたラジカル密度の温度誤差を考慮して、プラズマ生成のパラメータを制御する。
このようにして、パラメータ制御の温度補正を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。
なお、本実施の形態では、ガス温度算出部６３の算出結果を制御部３５Ａに出力する例を示したが、その算出結果をラジカル密度算出部に出力してラジカル密度の温度補正を行い、補正後のラジカル密度を制御部３５に出力し、第１の実施の形態と同様にしてパラメータ制御を行なうようにしてもよい。
このようにして、パラメータ制御の温度補正を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。
なお、本実施の形態では、ガス温度算出部６３の算出結果を制御部３５Ａに出力する例を示したが、その算出結果をラジカル密度算出部に出力してラジカル密度の温度補正を行い、補正後のラジカル密度を制御部３５に出力し、第１の実施の形態と同様にしてパラメータ制御を行なうようにしてもよい。
また、上述した二次元的なラジカル密度分布を計測した場合と同様に、ガス温度計測に用いるレーザ光Ｌの光路をサセプタ２の載置面に平行な面上に時間分割または周波数分割により複数設定し、それぞれの光路を通過してきたレーザ光Ｌから二次元的なガス温度分布を求め、二次元的なラジカル密度分布の温度誤差を考慮してプラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。それぞれの光路にレーザ光Ｌを通過させるためには、ラジカル密度計測の場合と同様に、ミラーまたはそれに加えてチョッパを用いればよい。
さらに、三次元的なガス温度分布を求め、上述した三次元的なラジカル密度分布の温度誤差を考慮してプラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。
さらに、三次元的なガス温度分布を求め、上述した三次元的なラジカル密度分布の温度誤差を考慮してプラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。
［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、粒子供給源からプラズマまたはラジカル、イオン、電子を選択的に供給できるようにしたものである。
図１０は、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置で使用される粒子供給源の一部の構成を示す断面図である。この図には、図２または図８に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。
本発明の第５の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置は、粒子供給源からプラズマまたはラジカル、イオン、電子を選択的に供給できるようにしたものである。
図１０は、本実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置で使用される粒子供給源の一部の構成を示す断面図である。この図には、図２または図８に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。
図１０に示す粒子供給源３２０では、ホローカソード電極部材２１の処理容器１の側に、引き出し電極７１が設けられている。引き出し電極７１とホローカソード電極部材２１との距離は、ホローカソード電極部材２１と引き出し電極７１の作動条件にもよるが、１〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。引き出し電極７１には、ホローカソード電極部材２１の貫通孔４３と対向する位置に、粒子が通過する貫通孔（第２の貫通孔）７２が複数形成されている。
引き出し電極７１には、出力電圧Ｖが正から負まで変化可能な直流電源７３が接続されている。直流電源７３の出力電圧Ｖは、制御部３５から出力される制御信号Ｓ８によって制御される。
引き出し電極７１には、出力電圧Ｖが正から負まで変化可能な直流電源７３が接続されている。直流電源７３の出力電圧Ｖは、制御部３５から出力される制御信号Ｓ８によって制御される。
電圧Ｖがプラズマ電位または浮遊電位の場合には、ホローカソード電極部材２１の貫通孔４３から、ラジカルまたはプラズマが引き出される。ここで、プラズマ電位とは、接地に対しプラズマ自体が有している電位をいう。電圧Ｖがプラズマ電位より高いの場合には、貫通孔４３から電子または負イオンが引き出される。電圧Ｖがプラズマ電位よりも低いの場合には、貫通孔４３から正イオンが引き出される。なお、正・負イオンを引き出す過程において、貫通孔４３の側壁に正負イオンを衝突させて中性化し、高エネルギーを有するラジカルを引き出すこともできる。
貫通孔４３から引き出された粒子は、引き出し電極７１に形成された貫通孔７２を介して、処理容器１内に供給される。したがって、上述したように引き出し電極７１に印加する電圧を制御することにより、処理容器１内にプラズマまたはラジカル、イオン、電子を選択的に供給することができる。
貫通孔４３から引き出された粒子は、引き出し電極７１に形成された貫通孔７２を介して、処理容器１内に供給される。したがって、上述したように引き出し電極７１に印加する電圧を制御することにより、処理容器１内にプラズマまたはラジカル、イオン、電子を選択的に供給することができる。
本実施の形態でも、処理容器１内におけるプラズマ、ラジカル、イオン、電子の密度を計測し、その計測結果に基づいて制御部３５がホローカソード電極部材２１の電極板４１Ａ〜４１Ｃおよび引き出し電極７１への電圧印加を制御し、所定の粒子を所定量だけ処理容器１内に供給することにより、プロセスの再現性を向上させることができる。
イオン密度の計測には、例えばプローブ法などを用いることができる。また、電子密度の計測には、例えばプローブ法、マイクロ波干渉法、プラズマ吸収プローブ（「H.Kokura,K.Nakamura,I.P.Ghanashev and H.Sugai,Plasma Absorption Probe for Measuring Electron Density in an Environment Soiled with Processing Plasmas,Japanese Journalof Applied Physics,Vol.38(1999),pp.5262-5266」を参照）、シュタルク広がりによる計測法、トムソン散乱法などを用いることができる。特に、シュタルク広がりによる計測法およびトムソン散乱法は、圧力を選ばないので、大気圧下で電子密度を計測することができる。
イオン密度の計測には、例えばプローブ法などを用いることができる。また、電子密度の計測には、例えばプローブ法、マイクロ波干渉法、プラズマ吸収プローブ（「H.Kokura,K.Nakamura,I.P.Ghanashev and H.Sugai,Plasma Absorption Probe for Measuring Electron Density in an Environment Soiled with Processing Plasmas,Japanese Journalof Applied Physics,Vol.38(1999),pp.5262-5266」を参照）、シュタルク広がりによる計測法、トムソン散乱法などを用いることができる。特に、シュタルク広がりによる計測法およびトムソン散乱法は、圧力を選ばないので、大気圧下で電子密度を計測することができる。
上述した第１および第２の実施の形態では、ラジカル密度計測装置３０を用いてＳｉラジカルの密度を計測する例を説明したが、Ｓｉラジカル以外の密度計測も可能である。例えば、Ｎラジカルの密度計測には、波長がおよそ１２０ｎｍの真空紫外光が使用され、Ｏラジカルの密度計測には、波長がおよそ１３０ｎｍの真空紫外光が使用される。なお、Ｎ系ガスについては、例えばＮラジカルの発光スペクトルを計測することにより、その発光スペクトルの包絡線の強度分布から、並進温度がわかる。平衡状態においては並進温度は回転温度と一致する。よって、得られたガス温度によりＮラジカル密度を温度補正することができる。
また、ＦラジカルまたはＨラジカルの密度計測には、それぞれ波長がおよそ９６ｎｍまたは１２１．６ｎｍの紫外光を使用し、それぞれの密度が一定になるように制御することもできる。Ｃラジカルについても同様に、密度計測の結果に基づく制御が可能である。
また、可視光または赤外光を用いた密度計測も可能である。
また、ＦラジカルまたはＨラジカルの密度計測には、それぞれ波長がおよそ９６ｎｍまたは１２１．６ｎｍの紫外光を使用し、それぞれの密度が一定になるように制御することもできる。Ｃラジカルについても同様に、密度計測の結果に基づく制御が可能である。
また、可視光または赤外光を用いた密度計測も可能である。
また、以上では、本発明をプラズマＣＶＤ装置に適用する形態を例にして説明したが、本発明はエッチング装置など、他の処理装置にも適用できる。また、プラズマを用いたプロセスでなくてもよく、例えば触媒ＣＶＤにも適用できる。さらに、ガスを用いたプロセスでなくてもよく、例えばスパッタにも適用できる。
１…処理容器、２…サセプタ、３…ヒータ、４…マッチングボックス、５…高周波電源、６…排気口、７…真空ポンプ、８，２３…ガス導入ノズル、９，２４…バルブ、１０，２５…マスフローコントローラ、１１，２６…ガス源、１２Ａ，１２Ｂ…紫外線透過窓、２０…粒子供給源、２１…ホローカソード電極部材、２２…ガス供給容器、２２Ａ…天板、２７，２８…直流電源、３０…ラジカル密度計測装置、３１…ホローカソードランプ、３１Ａ…入力側導光管、３２…チョッパ、３３…紫外光受光部、３４…ラジカル密度算出部、３５…制御部、Ｓ１〜Ｓ７…制御信号、ＵＶ…紫外光、Ｗ…基板、４１Ａ，４１Ｂ…電極板、４２…スペーサ、４３…貫通孔。
Claims (19)
- 被処理体を載置するサセプタと、
このサセプタが収容される処理容器の内部にプラズマ、ラジカル、荷電粒子の少なくとも１つを供給する粒子供給手段と、
前記処理容器の内部におけるプラズマ、ラジカル、荷電粒子の少なくとも１つの状態を検出し、その検出結果に基づき前記粒子供給手段を制御する粒子状態検出制御手段とを備え、
前記粒子供給手段は、
複数の電極が積層された積層体に、前記電極のすべてを貫通する第１の貫通孔が形成され、互いに対向する電極対への電圧印加により前記第１の貫通孔の内部でホローカソード放電が生じるホローカソード電極部材と、
前記第１の貫通孔へガスを供給するガス供給手段とを有し、
前記粒子状態検出制御手段は、前記電極対へ印加する電圧および前記第１の貫通孔へ供給するガスの少なくとも１つを制御する
ことを特徴とする処理装置。 - 請求項１に記載された処理装置において、
前記ホローカソード電極部材では、５０μｍ〜１ｍｍ程度のマイクロな領域のホローカソード放電が生じることを特徴とする処理装置。 - 請求項１または２に記載された処理装置において、
前記ホローカソード電極部材は、前記第１の貫通孔を複数有することを特徴とする処理装置。 - 請求項３に記載された処理装置において、
前記ホローカソード電極部材は、前記第１の貫通孔を少なくとも１つ有する複数のセルに分割され、
前記粒子状態検出制御手段は、前記複数のセルへの電圧印加を個別に制御することを特徴とする処理装置。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載された処理装置において、
前記ホローカソード電極部材は、前記電極が３層以上積層されることにより前記電極対を複数有し、
前記粒子状態検出制御手段は、複数の電極対への電圧印加を個別に制御することを特徴とする処理装置。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載された処理装置において、
前記粒子状態検出制御手段は、前記電極対への電圧印加を経時的に制御することを特徴とする処理装置。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載された処理装置において、
前記粒子供給手段は、前記ホローカソード電極部材の前記処理容器の側に配置され、前記第１の貫通孔の内部で生成された荷電粒子を電圧印加により引き出す引き出し電極を有し、
前記粒子状態検出制御手段は、前記引き出し電極への電圧印加を制御することを特徴とする処理装置。 - 請求項７に記載された処理装置において、
前記引き出し電極は、前記第１の貫通孔に対向する位置に第２の貫通孔を有することを特徴とする処理装置。 - 請求項１〜８のいずれか１項に記載された処理装置において、
前記粒子状態検出制御手段は、
前記処理容器の内部のラジカルを含む雰囲気に向けて可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光を出力する発光手段と、
前記雰囲気中を通過してきた可視光、赤外光、紫外光または真空紫外光を受光する受光手段と、
この受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求め、プロセスのパラメータを制御する解析制御手段と
を含むことを特徴とする処理装置。 - 請求項９に記載された処理装置において、
前記解析制御手段は、前記受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中を通過してきた前記可視光、前記赤外光、前記紫外光または前記真空紫外光の減衰量を求め、この減衰量から前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求めることを特徴とする処理装置。 - 請求項９または１０に記載された処理装置において、
前記粒子状態検出制御手段は、
前記可視光、前記赤外光、前記紫外光または前記真空紫外光を間欠的に前記雰囲気に向けて出力するとともに、前記可視光、前記赤外光、前記紫外光または前記真空紫外光の有無を示す光有無信号を出力する手段と、
前記光有無信号に基づき、前記可視光、前記赤外光、前記紫外光または前記真空紫外光があるときの前記受光手段の受光量から前記可視光、前記赤外光、前記紫外光または前記真空紫外光が無いときの前記受光手段の受光量を差し引いた値を求め、この値から前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求める手段と
を含むことを特徴とする処理装置。 - 請求項９〜１１のいずれか１項に記載された処理装置において、
前記粒子状態検出制御手段は、前記発光手段から出力された前記可視光、前記赤外光、前記紫外光または前記真空紫外光を複数の光路を通過させて前記受光手段に受光させる手段を含み、
前記解析制御手段は、前記受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中における前記ラジカルの二次元的な密度分布を求めることを特徴とする処理装置。 - 請求項１２に記載された処理装置において、
前記光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えたことを特徴とする処理装置。 - 請求項９〜１３のいずれか１項に記載された処理装置において、
前記粒子状態検出制御手段は、前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を計測する温度計測手段を含み、
前記解析制御手段は、前記受光手段の出力信号および前記温度計測手段の計測結果に基づき前記プロセスのパラメータを制御することを特徴とする処理装置。 - 請求項１４に記載された処理装置において、
前記温度計測手段は、
前記雰囲気に向けてレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、
前記雰囲気中を通過してきたレーザ光を受光するレーザ光受光手段と、
このレーザ光受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中を通過してきた前記レーザ光の減衰量スペクトルを求め、この減衰量スペクトルのパターンから前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める解析手段と
を含むことを特徴とする処理装置。 - 請求項１５に記載された処理装置において、
前記温度計測手段は、
前記レーザ光を間欠的に前記雰囲気に向けて出力するとともに、前記レーザ光の有無を示すレーザ光有無信号を出力する手段と、
前記レーザ光有無信号に基づき、前記レーザ光があるときの前記レーザ光受光手段の受光量から前記レーザ光が無いときの前記レーザ光受光手段の受光量を差し引いた値のスペクトルを求め、このスペクトルのパターンから前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める手段と
を含むことを特徴とする処理装置。 - 請求項１４に記載された処理装置において、
前記温度計測手段は、前記雰囲気中の前記分子状または原子状ラジカルの発光スペクトルを計測し、そのスペクトルパターンから前記雰囲気中の前記分子状または原子状ラジカルの温度を求めることを特徴とする処理装置。 - 請求項１５または１６に記載された処理装置において、
前記温度計測手段は、前記レーザ発生手段から出力された前記レーザ光を複数の光路を通過させて前記レーザ光手段に受光させる手段を含み、
前記解析手段は、前記レーザ光受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中における分子状または原子状ラジカルの二次元的な温度分布を求めることを特徴とする処理装置。 - 請求項１８に記載された処理装置において、
前記光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えたことを特徴とする処理装置。
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