JP2006269268A - 電子温度計測方法、電子温度計測プログラム及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマパラメータとしての電子温度を正確に計測することができる電子温度計測方法を提供する。
【解決手段】 イオンエネルギーアナライザ４３によってチャンバ１１内のイオンエネルギー分布を実測し（ステップＳ９１）、電子温度を所定値に仮置きし（ステップＳ９２）、これに基づいてシースモデルによってイオンエネルギー分布をシミュレートし（ステップＳ９３）、実測されたイオンエネルギー分布におけるセカンダリーピーク及びシミュレートされたイオンエネルギー分布におけるセカンダリーピークを比較して、両ピークのエネルギー値のずれが許容値内であるか否かを判別し（ステップＳ９６）、エネルギー値のずれが許容値内である場合には、イオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられた電子温度をチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度として推定する（ステップＳ９８）。
【選択図】 図９

Description

本発明は、電子温度計測方法、電子温度計測プログラム及び記憶媒体に関する。

近年、真空処理室としてのチャンバ内において、基板としてのウエハに施されるエッチング加工の微細化や成膜される金属膜の薄膜化の進展に伴い、チャンバ内のプラズマの状態、特にプラズマパラメータを的確に計測することが求められている。

通常、チャンバ内のプラズマパラメータを計測する方法としては、チャンバ内に電位エネルギーを付与したプローブを直接挿入し、該挿入されたプローブに対するプラズマ中の電子やイオンの衝突に起因してプローブに流れる電流値に基づいてプラズマ密度、電子温度、プラズマ電位、及びシース電位等のプラズマパラメータを計測する、いわゆるラングミュアプローブ法が広く知られている。

また、ラングミュアプローブ法では電流−電圧特性を求め、さらに該特性を解析する必要があるため、プラズマパラメータの直読には適していないことから、プラズマパラメータを直読するプラズマパラメータ直読方法が開発されている。この方法では、２本のプローブを用い、各プローブを任意の適当な電位に設定し、同時に各プローブに流れる２電流の比からプラズマパラメータを決定する（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、プラズマはその密度に応じて吸収する電波の周波数が変化することから、チャンバ内に挿入したプローブから複数周波数の電波を発信し、各周波数における電波の吸収度合いを計測し、該計測された電波の吸収度合いに基づいてプラズマ密度を推定するプラズマ吸収プローブ法も開発されている。
特開平５−２９９１９４号公報

しかしながら、上述したいずれの方法もプラズマパラメータとしての電子温度を計測する方法としては不適切であった。

例えば、上記ラングミュアプローブ法やプラズマパラメータ直読方法では、プラズマ発生のための高周波電力の印加に起因するチャンバ内の電位の急速な時間変化に計測が追随することができないため、計測された電子温度は不安定となり、正確なものではない。

また、プラズマ吸収プローブ法ではプラズマ密度のみしか計測できないため、電子温度を計測することができない。

本発明の目的は、プラズマパラメータとしての電子温度を正確に計測することができる電子温度計測方法、電子温度計測プログラム及び記憶媒体を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の電子温度計測方法は、被処理体にプラズマ処理を施す真空処理室内に発生するプラズマの電子温度を計測する電子温度計測方法であって、前記真空処理室内のイオンエネルギー分布を実測するイオンエネルギー分布実測ステップと、設定された電子温度に基づいて前記真空処理室内のイオンエネルギー分布をシミュレートするイオンエネルギー分布シミュレーションステップと、前記実測されたイオンエネルギー分布及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布を比較するイオンエネルギー分布比較ステップと、該イオンエネルギー分布比較ステップにおける比較の結果に基づいて前記電子温度を推定する電子温度推定ステップとを有することを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項２記載の電子温度計測プログラムは、被処理体にプラズマ処理を施す真空処理室内に発生するプラズマの電子温度を計測する電子温度計測方法をコンピュータに実行させる電子温度計測プログラムであって、前記真空処理室内のイオンエネルギー分布を実測するイオンエネルギー分布実測モジュールと、設定された電子温度に基づいて前記真空処理室内のイオンエネルギー分布をシミュレートするイオンエネルギー分布シミュレーションモジュールと、前記実測されたイオンエネルギー分布及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布を比較するイオンエネルギー分布比較モジュールと、該イオンエネルギー分布比較モジュールにおける比較の結果に基づいて前記電子温度を推定する電子温度推定モジュールとを有することを特徴とする。

請求項３記載の電子温度計測プログラムは、請求項２記載の電子温度計測プログラムにおいて、前記イオンエネルギー分布比較モジュールは、前記実測されたイオンエネルギー分布における二次的な極値を示すエネルギー値及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布における二次的な極値を示すエネルギー値を比較することを特徴とする。

請求項４記載の電子温度計測プログラムは、請求項２又は３記載の電子温度計測プログラムにおいて、前記イオンエネルギー分布のシミュレーションに用いる電子温度を所定値に仮置きする電子温度仮置きモジュールを有することを特徴とする。

請求項５記載の電子温度計測プログラムは、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電子温度計測プログラムにおいて、前記イオンエネルギー分布比較モジュールにおける比較の結果に基づいてプラズマ密度及びシース電位を推定する他のプラズマパラメータ推定モジュールを有することを特徴とする。

請求項６記載の電子温度計測プログラムは、請求項５記載の電子温度計測プログラムにおいて、前記イオンエネルギー分布比較モジュールは、前記実測されたイオンエネルギー分布における一次的な極値を示すエネルギー値及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布における一次的な極値を示すエネルギー値を比較することを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項７記載の記憶媒体は、被処理体にプラズマ処理を施す真空処理室内に発生するプラズマの電子温度を計測する電子温度計測方法をコンピュータに実行させるプログラムを格納するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、前記プログラムは、前記真空処理室内のイオンエネルギー分布を実測するイオンエネルギー分布実測モジュールと、設定された電子温度に基づいて前記真空処理室内のイオンエネルギー分布をシミュレートするイオンエネルギー分布シミュレーションモジュールと、前記実測されたイオンエネルギー分布及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布を比較するイオンエネルギー分布比較モジュールと、該イオンエネルギー分布比較モジュールにおける比較の結果に基づいて前記電子温度を推定する電子温度推定モジュールとを有することを特徴とする。

請求項１記載の電子温度計測方法、請求項２記載の電子温度計測プログラム及び請求項７記載の記憶媒体によれば、真空処理室内のイオンエネルギー分布が実測され、設定された電子温度に基づいて真空処理室内のイオンエネルギー分布がシミュレートされ、実測されたイオンエネルギー分布及びシミュレートされたイオンエネルギー分布が比較され、該比較の結果に基づいて電子温度が推定される。真空処理室内のイオンエネルギー分布は電子温度と相関関係にある。また、イオンエネルギー分布は正確に実測することができ、さらに、イオンエネルギー分布は電子温度を所定値に設定するとシミュレートすることができる。したがって、実測されたイオンエネルギー分布とシミュレートされたイオンエネルギー分布とが一致若しくは近似した場合、イオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられた電子温度を、真空処理室内におけるプラズマの電子温度として推定することにより、プラズマパラメータとしての電子温度を正確に計測することができる。

請求項３記載の電子温度計測プログラムによれば、実測されたイオンエネルギー分布及びシミュレートされたイオンエネルギー分布の比較において、実測されたイオンエネルギー分布における二次的な極値を示すエネルギー値及びシミュレートされたイオンエネルギー分布における二次的な極値を示すエネルギー値が比較される。イオンエネルギー分布における二次的な極値を示すエネルギー値は電子温度と強い相関関係にある。したがって、二次的な極値を示すエネルギー値を比較することにより、プラズマパラメータとしての電子温度をより正確に計測することができる。

請求項４記載の電子温度計測プログラムによれば、イオンエネルギー分布のシミュレーションに用いる電子温度を所定値に仮置きするので、実測されたイオンエネルギー分布及びシミュレートされたイオンエネルギー分布の比較の結果に応じて繰り返されるイオンエネルギー分布のシミュレーションの回数を削減することができ、もってプラズマパラメータとしての電子温度を迅速に計測することができる。

請求項５記載の電子温度計測プログラムによれば、実測されたイオンエネルギー分布及びシミュレートされたイオンエネルギー分布の比較の結果に基づいて、プラズマ密度及びシース電位が推定される。真空処理室内のイオンエネルギー分布はプラズマ密度及びシース電位と相関関係にある。また、イオンエネルギー分布はプラズマ密度及びシース電位を所定値に設定するとシミュレートすることができる。したがって、実測されたイオンエネルギー分布とシミュレートされたイオンエネルギー分布とが一致若しくは近似した場合、イオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられたプラズマ密度及びシース電位を、真空処理室内におけるプラズマ密度及びシース電位と推定することにより、プラズマパラメータとしてのプラズマ密度及びシース電位を正確に計測することができる。

請求項６記載の電子温度計測プログラムによれば、実測されたイオンエネルギー分布及びシミュレートされたイオンエネルギー分布の比較において、実測されたイオンエネルギー分布における一次的な極値を示すエネルギー値及びシミュレートされたイオンエネルギー分布における一次的な極値を示すエネルギー値が比較される。イオンエネルギー分布における一次的な極値を示すエネルギー値はプラズマ密度及びシース電位と強い相関関係にある。したがって、一次的な極値を示すエネルギー値を比較することにより、プラズマパラメータとしてのプラズマ密度及びシース電位をより正確に計測することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る電子温度計測方法が適用される平行平板型のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。

図１において、所望のプラズマ処理としてのドライエッチング（Reactive Ion Etching）（以下、「ＲＩＥ」という。）処理を半導体デバイス用のウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）Ｗに施すプラズマ処理装置１０は、金属製、例えば、アルミニウム又はステンレス鋼製の円筒型チャンバ１１（真空処理室）を有し、該チャンバ１１内には、例えば、直径が３００ｍｍのウエハＷを載置する載置台（ステージ）としての円柱状のサセプタ１２が配置されている。

プラズマ処理装置１０では、チャンバ１１の内側壁とサセプタ１２の側面とによって、サセプタ１２上方の気体分子をチャンバ１１の外へ排出する流路として機能する排気路１３が形成される。この排気路１３の途中にはプラズマの漏洩を防止する環状のバッフル板１４が配置される。また、排気路１３におけるバッフル板１４より下流の空間は、サセプタ１２の下方へ回り込み、可変式バタフライバルブである自動圧力制御弁（Automatic Pressure Control Valve）（以下、「ＡＰＣ」という。）１５に連通する。ＡＰＣ１５は、真空引き用の排気ポンプであるターボ分子ポンプ（Turbo Molecular Pump）（以下、「ＴＭＰ」という。）１６に接続され、さらに、ＴＭＰ１６を介して排気ポンプであるドライポンプ（以下、「ＤＰ」という。）１７に接続されている。ＡＰＣ１５、ＴＭＰ１６及びＤＰ１７によって構成される排気流路を以下、「本排気ライン」と称するが、この本排気ラインは、ＡＰＣ１５によってチャンバ１１内の圧力制御を行い、さらにＴＭＰ１６及びＤＰ１７によってチャンバ１１内をほぼ真空状態になるまで減圧する。

また、上述した排気路１３のバッフル板１４より下流の空間は、本排気ラインとは別の排気流路（以下、「粗引きライン」という。）にも接続されている。この粗引きラインは、上記空間とＤＰ１７とを連通する、直径が例えば、２５ｍｍである排気管１８と、排気管１８の途中に配置されたバルブ１９とを備える。このバルブ１９は、上記空間とＤＰ１７とを遮断することができる。粗引きラインはＤＰ１７によってチャンバ１１内の気体を排出する。

サセプタ１２には下部電極用の高周波電源２０が給電棒２１及び整合器（Matcher）２２を介して接続されており、該下部電極用の高周波電源２０は、所定の高周波電力をサセプタ１２に供給する。これにより、サセプタ１２は下部電極として機能する。また、整合器２２は、サセプタ１２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力のサセプタ１２への供給効率を最大にする。

サセプタ１２の内部上方には、導電膜からなる円板状の電極板２３が配置されている。電極板２３には直流電源２４が電気的に接続されている。ウエハＷは、直流電源２４から電極板２３に印加された直流電圧により発生するクーロン力又はジョンソン・ラーベック(Johnsen-Rahbek)力によってサセプタ１２の上面に吸着保持される。また、サセプタ１２の上方には、サセプタ１２の上面に吸着保持されたウエハＷの周りを囲うように円環状のフォーカスリング２５が配設される。このフォーカスリング２５は、後述する空間Ｓに露出し、該空間Ｓにおいて生成されたイオンやラジカルをウエハＷの表面に向けて収束し、ＲＩＥ処理の効率を向上させる。

また、サセプタ１２の内部には、例えば、円周方向に延在する環状の冷媒室２６が設けられる。この冷媒室２６には、チラーユニット（図示せず）から冷媒用配管２７を介して所定温度の冷媒、例えば、冷却水が循環供給され、当該冷媒の温度によってサセプタ１２上面に吸着保持されたウエハＷの処理温度が制御される。

サセプタ１２の上面においてウエハＷが吸着保持される部分（以下、「吸着面」という。）には、複数の伝熱ガス供給孔２８及び伝熱ガス供給溝（図示せず）が配されている。これらの伝熱ガス供給孔２８等は、サセプタ１２内部に配置された伝熱ガス供給ライン２９を介して伝熱ガス供給部３０に接続され、該伝熱ガス供給部３０は伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスを、吸着面とウエハＷの裏面との間隙に供給する。また、伝熱ガス供給ライン２９は、排気管１８に接続されてＤＰ１７により吸着面とウエハＷの裏面との間隙を真空引き可能に構成されている。

サセプタ１２の吸着面には、サセプタ１２の上面から突出自在なリフトピンとしての複数のプッシャーピン３１が配置されている。これらのプッシャーピン３１は、モータ（図示せず）とボールねじ（図示せず）を介して接続され、ボールねじによって直線運動に変換されたモータの回転運動に起因して図中上下方向に移動する。ウエハＷにＲＩＥ処理を施すためにウエハＷを吸着面に吸着保持するときには、プッシャーピン３１はサセプタ１２に収容され、ＲＩＥ処理が施されたウエハＷをチャンバ１１から搬出するときには、プッシャーピン３１はサセプタ１２の上面から突出してウエハＷをサセプタ１２から離間させて上方へ持ち上げる。

チャンバ１１の天井部には、サセプタ１２と対向し且つ平行となるようにガス導入シャワーヘッド３２が配置されている。ガス導入シャワーヘッド３２には整合器３３を介して上部電極用の高周波電源３４が接続されており、上部電極用の高周波電源３４は所定の高周波電力をガス導入シャワーヘッド３２に供給するので、ガス導入シャワーヘッド３２は上部電極として機能する。なお、整合器３３の機能は上述した整合器２２の機能と同じである。

ガス導入シャワーヘッド３２は、多数のガス穴３５を有する下面の電極板３６と、該電極板３６を着脱可能に支持する電極支持体３７とを有する。また、該電極支持体３７の内部にはバッファ室３８が設けられ、このバッファ室３８には処理ガス供給部（図示せず）からの処理ガス導入管３９が接続されている。この処理ガス導入管３９の途中には配管インシュレータ４０が配置されている。この配管インシュレータ４０は絶縁体からなり、ガス導入シャワーヘッド３２へ供給された高周波電力が処理ガス導入管３９によって処理ガス供給部へリークするのを防止する。ガス導入シャワーヘッド３２は、処理ガス導入管３９からバッファ室３８へ供給された処理ガスをガス穴３５を経由してチャンバ１１内へ供給する。

また、チャンバ１１の側壁には、プッシャーピン３１によってサセプタ１２から上方へ持ち上げられたウエハＷの高さに対応する位置にウエハＷの搬入出口４１と、所定の高さにイオンエネルギーアナライザ４３とが設けられ、搬入出口４１には、該搬入出口４１を開閉するゲートバルブ４２が取り付けられている。

イオンエネルギーアナライザ４３は、例えば、フィルター電極を備え、イオン種の特定とそのエネルギー分析が可能な四重極型質量分析装置（Quadropole Mass Spectrometer：ＱＭＳ）であり、イオンエネルギーアナライザ４３に印加された電位を掃引しつつ、イオン種を特定するとともに、印加電位に対応して当該イオンエネルギーアナライザ４３に入射してくる、その種が特定されたイオンの個数を計測することにより、或る特定のイオン種に対応するイオンエネルギー分布を実測する。このように、イオンエネルギーアナライザ４３は、或る特定の印加電位、すなわち、或る特定のエネルギーに対応するイオンの個数を直接計測するため、イオンエネルギー分布を正確に実測することができる。また、イオンエネルギーアナライザ４３はＣＰＵ等を有するＰＣ（Personal Computer）４５に接続され、実測されたイオンエネルギー分布はイオンエネルギーアナライザ４３からＰＣ４５に電気信号として送信される。

ＰＣ４５のＣＰＵは、送信されたイオンエネルギー分布に基づいて、後述する電子温度計測処理に対応するプログラムに応じてチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度、プラズマ密度及びシース電位を推定する。

このプラズマ処理装置１０のチャンバ１１内では、上述したように、サセプタ１２及びガス導入シャワーヘッド３２に高周波電力を供給して、サセプタ１２及びガス導入シャワーヘッド３２の間の空間Ｓに高周波電力を印加することにより、該空間Ｓにおいてガス導入シャワーヘッド３２から供給された処理ガスから高密度のプラズマを発生させ、該プラズマによってウエハＷにＲＩＥ処理を施す。

具体的には、このプラズマ処理装置１０では、ウエハＷにＲＩＥ処理を施す際、先ずゲートバルブ４２を開弁し、加工対象のウエハＷをチャンバ１１内に搬入し、さらに、直流電圧を電極板２３に印加することにより、搬入されたウエハＷをサセプタ１２の吸着面に吸着保持する。また、ガス導入シャワーヘッド３２より処理ガス（例えば、所定の流量比率のＣＦ_４ガス、Ｏ₂ガス及びＡｒガスから成る混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１１内に供給すると共に、ＡＰＣ１５等によりチャンバ１１内の圧力を所定値に制御する。さらに、サセプタ１２及びガス導入シャワーヘッド３２によりチャンバ１１内の空間Ｓに高周波電力を印加する。これにより、ガス導入シャワーヘッド３２より導入された処理ガスをプラズマ化して、空間Ｓにおいてイオンやラジカルを生成し、該生成されるラジカルやイオンをフォーカスリング２５によってウエハＷの表面に収束し、ウエハＷの表面を物理的又は化学的にエッチングする。

ところで、先に述べたように、ラングミュアプローブ法やプラズマパラメータ直読方法では、プラズマ発生のための高周波電力の印加に起因するチャンバ内の電位の急速な時間変化に計測が追随することができないため、計測された電子温度は正確ではない。

本実施の形態に係る電子温度計測方法は、これに対応して、正確に実測することができるイオンエネルギー分布を利用して間接的に電子温度を計測する。また、本実施の形態に係る電子温度計測方法は、イオンエネルギー分布を利用するために、後述するシースモデルを活用する。

シースモデルは高周波電力が印加された電極上やチャンバ内壁上に発生するイオンの層であるシースの状態をシミュレートするための計算用モデルであり、ＰＣ４５のＣＰＵ上に再現される。このシースモデルは、電子温度等のプラズマパラメータに基づいて、シースに対向する空間Ｓのプラズマ（プラズマバルク）から該シースを通過して電極表面やチャンバ内壁面に達するイオンや電子のエネルギー分布、角度分布等をシミュレートするために用いられる。

通常、シースモデルとしては、Lieberman等の高周波シース理論が応用されたシースモデルが知られている。このシースモデルは、ＰＣ４５のＣＰＵ上に再現されたウエハＷ上のシース領域と、該シース領域に対向するプラズマバルク領域とからなる。このシースモデルにおいて電子やイオンの挙動・衝突は、ＰＩＣ−ＭＣＣ（Particle in Cell, Monte Carlo Collision）法に基づいてシミュレーションされる。

本発明者等によって、上記シースモデルは、プラズマポテンシャル、シース厚さ、電子又はイオンのエネルギー分布を高い精度をもってシミュレートすることが可能であることが確認されている（K. DENPOH, G. WAKAYAMA and K. NANBU，Sheath Model for Dual-Frequency Capacitively Coupled Plasma, Japanese Journal of Applied Physics, Japan, The Japan Society of Applied Physics, 2004, Vol.43, No.8A, pp. 5533〜5539）。

また、チャンバ内のシースにおけるイオンエネルギー分布には複数の極値が存在していることが知られている。具体的には、実測されたイオンエネルギー分布を、図２に示すように、横軸をイオンのエネルギー値とし、縦軸を各エネルギー値に対応するイオンの数を示すＩＥＤＦ（Ion Energy Distribution Function）としてグラフに示すと、ＩＥＤＦが最大値となる一次的な極値（Primary Peak、以下、「プライマリーピーク」という。）と、該プライマリーピークより低いエネルギー値において、ＩＤＥＦの二次的な極値（Secondary Peak、以下、「セカンダリーピーク」という。）とが発生する。

上記２種類のピークのうち、セカンダリーピークは、シースにおけるイオンと分子の間の電荷交換に起因して発生し、具体的には、下記（１）式を満たす場合に発生することが知られている（C. Wild and P. Koidl, Ion and electron dynamics in the sheath of radio-frequency glow discharges, Japanese Journal of Applied Physics, Japan, The Japan Society of Applied Physics, 1 March 1991, 69(5), pp.2909〜2922）。

τ_ion / τ_rf ＞ １ …… （１）
τ_ion はイオンがシースを通過するために要する時間、τ_rf は電極（サセプタ１１やガス導入シャワーヘッド３２）に印加される高周波電源の１周期
上述したセカンダリーピークの発生要因を検証するために、本発明者は、上記シースモデルにおいて、イオンと分子、例えば、ＡｒのプラスイオンとＡｒ分子の間の電荷交換を考慮に入れてイオンエネルギー分布をシミュレートすると共に、イオンと分子の間の電荷交換を考慮に入れずにイオンエネルギー分布をシミュレートし、これらのシミュレーション結果としてのイオンエネルギー分布を下記図３のグラフに示した。

図３は、シースにおけるイオンと分子の間の電荷交換とセカンダリーピークの発生との関係を示すグラフである。

図３では、イオンと分子の間の電荷交換を考慮に入れてイオンエネルギー分布をシミュレートした結果が実線で示され、イオンと分子の間の電荷交換を考慮に入れずにイオンエネルギー分布をシミュレートした結果が破線で示されている。

図３に示すように、破線のイオンエネルギー分布では、プライマリーピークは発生するものの、該プライマリーピークより低いエネルギー値においてセカンダリーピークは発生しない一方、実線のイオンエネルギー分布では、プライマリーピーク及びセカンダリーピークが共に発生していることが確認された。すなわち、セカンダリーピークはシースにおけるイオンと分子の間の電荷交換に起因して発生することが確認された。

なお、チャンバ１１内の圧力が低いほど、高周波電源の周波数が高いほど、若しくは、シース電位が高いほど、上記（１）式が成立し易いため、セカンダリーピークが発生しやすいことが分かる。

また、本発明者は、上記シースモデルにおいて、イオンと分子の間の電荷交換を考慮に入れてイオンエネルギー分布をシミュレートする際、電子温度を複数の温度、具体的には、１．０ｅＶ，１．２ｅＶ，２．０ｅＶ及び３．０ｅＶのそれぞれに設定したところ、セカンダリーピークを示すエネルギー値が変化するという知見を得た。

図４乃至図７は、チャンバ１１内にＡｒガスを導入し、チャンバ１１内の圧力を４．０×１０^３Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）に設定し、ガス導入シャワーヘッド３２の電極板３６に印加される高周波電力の周波数を６０ＭＨｚに設定し、シース電位を９２Ｖに設定し、プラズマ密度を３×１０^１０ｃｍ^−３に設定すると共に、電子温度を１．０ｅＶ，１．２ｅＶ，２．０ｅＶ及び３．０ｅＶのそれぞれに設定したときのイオンエネルギー分布のシミュレーション結果を示すグラフである。

図４乃至図７に示すように、電子温度が変化すると、セカンダリーピークを示すエネルギー値が変化していることが分かった。これにより、本発明者は、セカンダリーピークを示すエネルギー値は電子温度と強い相関関係にあるという知見を得た。

また、プライマリーピークのエネルギー値やＩＥＤＦはプラズマ密度及びシース電位の変化に応じて変化するため、プライマリーピークを示すエネルギー値やＩＥＤＦはプラズマ密度及びシース電位と強い相関関係にあることも知られている。なお、上述した図４乃至図７においてプライマリーピークのＩＥＤＦ及び該プライマリーピークを示すエネルギー値が変化しないのは、図４乃至図７において、プラズマ密度及びシース電位が一定値に設定されているためである。

本実施の形態に係る電子温度計測方法では、チャンバ１１内のイオンエネルギー分布におけるセカンダリーピークを示すエネルギー値は電子温度と強い相関関係にあること、イオンエネルギー分布は正確に実測することができること、また、イオンエネルギー分布は電子温度を所定値に設定するとシミュレートできることに基づいて、チャンバ１１内のイオンエネルギー分布を実測し、電子温度を所定値に設定し、これに基づいて上記シースモデルによってイオンエネルギー分布をシミュレートし、実測されたイオンエネルギー分布におけるセカンダリーピーク（以下、「実測セカンダリーピーク」という。）及びシミュレートされたイオンエネルギー分布におけるセカンダリーピーク（以下、「シミュレーションセカンダリーピーク」という。）を比較することによってチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度を推定する。

具体的には、図８のグラフに示すように、実線で示される複数の実測セカンダリーピークを示すエネルギー値と、破線で示される複数のシミュレーションセカンダリーピークを示すエネルギー値とを比較して、各実測セカンダリーピークとこれらに対応するシミュレーションセカンダリーピークと（図中において互いに矢印で関連付けられるピーク同士）のエネルギー値のずれが無い場合又は許容値内である場合、イオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられた電子温度をチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度として推定する。

また、本実施の形態に係る電子温度計測方法では、チャンバ１１内のイオンエネルギー分布におけるプライマリーピークを示すエネルギー値はプラズマ密度及びシース電位と強い相関関係にあること、また、イオンエネルギー分布はプラズマ密度及びシース電位を所定値に設定するとシミュレートできることに基づいて、プラズマ密度及びシース電位を所定値に設定し、これらに基づいて上記シースモデルによってイオンエネルギー分布をシミュレートし、実測されたイオンエネルギー分布におけるプライマリーピーク（以下、「実測プライマリーピーク」という。）及びシミュレートされたイオンエネルギー分布におけるプライマリーピーク（以下、「シミュレーションプライマリーピーク」という。）を比較することによってチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマ密度及びシース電位を推定する。

具体的には、実測プライマリーピークを示すエネルギー値と、シミュレーションプライマリーピークを示すエネルギー値とを比較して、実測プライマリーピークとこれに対応するシミュレーションプライマリーピークとのエネルギー値のずれが許容値内である場合、イオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられたプラズマ密度及びシース電位をチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマ密度及びシース電位として推定する。

次に、本実施の形態に係る電子温度計測方法に係る電子温度計測処理について説明する。この電子温度計測処理は、該電子温度計測処理に対応するプログラムに応じてＰＣ４５のＣＰＵが実行する。

図９は、図１におけるＰＣのＣＰＵが実行する電子温度計測処理のフローチャートである。

図９において、まず、ＰＣ４５のＣＰＵは、イオンエネルギーアナライザ４３によってチャンバ１１内のイオンエネルギー分布を実測する（ステップＳ９１）。

次いで、ＣＰＵは、電子温度を所定値、例えば、前回の処理において計測された電子温度に仮置きし（ステップＳ９２）、さらに、プラズマ密度及びシース電位を所定値に設定して、これら設定されたプラズマパラメータに基づいて上記シースモデルによってイオンエネルギー分布をシミュレートする（ステップＳ９３）。

続くステップＳ９４では、実測プライマリーピーク及びシミュレーションプライマリーピークを比較して、実測プライマリーピークとこれに対応するシミュレーションプライマリーピークとのエネルギー値のずれが許容値内であるか否かを判別する。

判別の結果、エネルギー値のずれが許容値内である場合（ステップＳ９４でＹＥＳ）には、ステップＳ９６へ進み、エネルギー値のずれが許容値内ではない場合（ステップＳ９４でＮＯ）には、プラズマ密度及びシース電位を所定値だけ変更してステップＳ９３へ戻り、再度イオンエネルギー分布をシミュレートする。

続くステップＳ９６では、複数の実測セカンダリーピーク及び複数のシミュレーションセカンダリーピークを比較して、各実測セカンダリーピークとこれらに対応するシミュレーションセカンダリーピークとのエネルギー値のずれが許容値内であるか否かを判別する。

判別の結果、エネルギー値のずれが許容値内である場合（ステップＳ９６でＹＥＳ）には、ステップＳ９８へ進み、エネルギー値のずれが許容値内ではない場合（ステップＳ９６でＮＯ）には、電子温度を所定値だけ変更してステップＳ９３へ戻り、再度イオンエネルギー分布をシミュレートする。

次いで、ＣＰＵは、ステップＳ９３のイオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられた電子温度をチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度として推定し（ステップＳ９８）、上記シミュレーションにおいて用いられたプラズマ密度及びシース電位をチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマ密度及びシース電位として推定し（ステップＳ９９）、本処理を終了する。

本実施の形態に係る電子温度計測方法によれば、チャンバ１１内のイオンエネルギー分布が実測され（ステップＳ９１）、所定値に仮置きされた電子温度に基づいて上記シースモデルによってイオンエネルギー分布がシミュレートされ（ステップＳ９３）、各実測セカンダリーピークとこれらに対応するシミュレーションセカンダリーピークとのエネルギー値のずれが許容値内であるか否かが判別され（ステップＳ９６）、判別の結果、エネルギー値のずれが許容値内である場合にはイオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられた電子温度がチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度として推定される（ステップＳ９８）。

上述したように、イオンエネルギー分布におけるセカンダリーピークを示すエネルギー値は電子温度と強い相関関係にある。また、イオンエネルギー分布は正確に実測することができ、さらに、イオンエネルギー分布は電子温度を所定値に設定するとシミュレートすることができる。したがって、各実測セカンダリーピークとこれらに対応するシミュレーションセカンダリーピークとのエネルギー値のずれが許容値内である場合、イオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられた電子温度を、チャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度として推定することにより、電子温度を正確に計測することができる。

また、上述した電子温度計測方法では、イオンエネルギー分布のシミュレーションに用いる電子温度を所定値に仮置きするので、各実測セカンダリーピークのエネルギー値とこれらに対応するシミュレーションセカンダリーピークのエネルギー値との比較の結果に応じて繰り返されるイオンエネルギー分布のシミュレーションの回数を削減することができ、もって電子速度を迅速に計測することができる。

さらに、上述した電子温度計測方法では、所定値に設定されたプラズマ密度及びシース電位に基づいて上記シースモデルによってイオンエネルギー分布がシミュレートされ（ステップＳ９３）、実測プライマリーピークとこれに対応するシミュレーションプライマリーピークとのエネルギー値のずれが許容値内であるか否かが判別され（ステップＳ９４）、判別の結果、エネルギー値のずれが許容値内である場合にはイオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられたプラズマ密度及びシース電位がチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマ密度及びシース電位として推定される（ステップＳ９９）。

上述したように、イオンエネルギー分布におけるプライマリーピークを示すエネルギー値はプラズマ密度及びシース電位と強い相関関係にある。また、イオンエネルギー分布はプラズマ密度及びシース電位を所定値に設定するとシミュレートすることができる。したがって、実測プライマリーピークとこれに対応するシミュレーションプライマリーピークとのエネルギー値のずれが許容値内である場合、イオンエネルギー分布のシミュレーションにおいて用いられたプラズマ密度及びシース電位を、チャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマ密度及びシース電位として推定することにより、プラズマ密度及びシース電位を正確に計測することができる。

上述した本実施の形態に係る電子温度計測方法では、イオンエネルギーアナライザ４３が確実にアースされるのが好ましい。これにより、イオンエネルギーアナライザ４３の帯電を防止してイオンのエネルギー値を正確に計測することができる。

また、上述した本実施の形態に係る電子温度計測方法では、イオンエネルギーアナライザ４３をチャンバ１１の側壁に設けたが、イオンエネルギーアナライザを上部電極又は下部電極に併設してもよい。

上述した本実施の形態に係る電子温度計測方法では、ＰＣ４５のＣＰＵが、電子温度等が変更される度に、シースモデルによってイオンエネルギー分布のシミュレーションを繰り返したが、ＰＣ４５が備えるＨＤＤ等に、複数の設定された電子温度に基づいて予めシミュレートされたイオンエネルギー分布の結果を保持し、実測セカンダリーピークのエネルギー値と保持されたイオンエネルギー分布におけるセカンダリーピークのエネルギー値とを比較してもよい。この場合、実測セカンダリーピークとエネルギー値のずれが許容値内であるセカンダリーピークを有するイオンエネルギー分布を検索し、該検索されたイオンエネルギー分布のシミュレーションに用いられた電子温度をチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度として推定する。これにより、イオンエネルギー分布のシミュレーションを繰り返す必要を無くすことができるので、より迅速に電子温度を計測することができる。

また、上述した本実施の形態に係る電子温度計測方法では、ＰＣ４５のＣＰＵが図９の電子温度計測処理を実行したが、プラズマ処理装置１０が、該プラズマ処理装置１０の各構成要素の動作を制御する制御ユニットを備え、該制御ユニットが図９の電子温度計測処理を実行してもよい。この場合、プラズマ処理装置１０はＰＣ４５を備える必要が無く、プラズマ処理装置１０の省スペース化を促進させることができる。

また、プラズマ密度はプラズマ吸収プローブ法によって比較的正確に測定することができるので、上述した本実施の形態に係る電子温度計測方法において、プラズマ密度を推定しなくてもよい。これにより、イオンエネルギー分布のシミュレーションにおいてプラズマ密度を所定値に設定する必要を無くし、より迅速に電子温度を計測することができる。

上述した本実施の形態に係る電子温度計測方法が適用されるプラズマ処理装置１０は、ウエハＷにＲＩＥ処理を施すエッチング処理装置であったが、本実施の形態に係る電子温度計測方法が適用されるプラズマ処理装置はこれに限られず、例えば、基板洗浄装置又は成膜装置等であってもよい。

さらに、上述したプラズマ処理装置１０では、処理されるウエハＷが半導体デバイス用のウエハであったが、処理される基板はこれに限られず、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＦＰＤ（Flat Panel Display）等のガラス基板であってもよい。

また、上述したプラズマ処理装置１０では、イオンエネルギーアナライザ４３に接続されたＰＣ４５のＣＰＵが、送信されたイオンエネルギー分布に基づいて、チャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度、プラズマ密度及びシース電位を推定したが、ＰＣ４５とインターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等によって接続された他のＰＣが、ＰＣ４５からイオンエネルギー分布を受信し、該他のＰＣのＣＰＵが上述した電子温度計測処理に対応するプログラムに応じてチャンバ１１内の空間Ｓにおけるプラズマの電子温度、プラズマ密度及びシース電位を推定してもよい。

本発明の目的は、上述した実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、ＰＣ４５に供給し、ＰＣ４５のＣＰＵが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施の形態の機能を実現することになり、プログラムコード及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ＲＡＭ、ＮＶ−ＲＡＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ）、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のＲＯＭ等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることによりＰＣ４５に供給されてもよい。

また、ＣＰＵが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、ＣＰＵ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、ＰＣ４５に挿入された機能拡張ボードやＰＣ４５に接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、ＯＳに供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。

本発明の実施の形態に係る電子温度計測方法が適用される平行平板型のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 実測されたチャンバ内のシースにおけるイオンエネルギー分布を示すグラフである。 シースにおけるイオンと分子の間の電荷交換とセカンダリーピークの発生との関係を示すグラフである。 電子温度を１．０ｅＶに設定したときのイオンエネルギー分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 電子温度を１．２ｅＶに設定したときのイオンエネルギー分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 電子温度を２．０ｅＶに設定したときのイオンエネルギー分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 電子温度を３．０ｅＶに設定したときのイオンエネルギー分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 チャンバ内のプラズマの電子温度を推定するために、複数の実測セカンダリーピークを示すエネルギー値と複数のシミュレーションセカンダリーピークを示すエネルギー値とを比較する方法を示すグラフである。 図１におけるＰＣのＣＰＵが実行する電子温度計測処理のフローチャートである。

符号の説明

Ｗ ウエハ
１０ プラズマ処理装置
１１ チャンバ
１２ サセプタ
１３ 排気路
１４ バッフル
１５ ＡＰＣ
１６ ＴＭＰ
１７ ＤＰ
１８ 排気管
１９ バルブ
２０ 下部電極用の高周波電源
２１ 給電棒
２２，３３ 整合器
２３，３６ 電極板
２４ 直流電源
２５ フォーカスリング
２６ 冷媒室
２７ 冷媒用配管
２８ 伝熱ガス供給孔
２９ 伝熱ガス供給ライン
３０ 伝熱ガス供給部
３１ プッシャーピン
３２ シャワーヘッド
３４ 上部電極用の高周波電源
３５ ガス穴
３７ 電極支持体
３８ バッファ室
３９ 処理ガス導入管
４０ 配管インシュレータ
４１ 搬入出口
４２ ゲートバルブ
４３ イオンエネルギーアナライザ
４５ ＰＣ

Claims (7)

1. 被処理体にプラズマ処理を施す真空処理室内に発生するプラズマの電子温度を計測する電子温度計測方法であって、
   前記真空処理室内のイオンエネルギー分布を実測するイオンエネルギー分布実測ステップと、
   設定された電子温度に基づいて前記真空処理室内のイオンエネルギー分布をシミュレートするイオンエネルギー分布シミュレーションステップと、
   前記実測されたイオンエネルギー分布及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布を比較するイオンエネルギー分布比較ステップと、
   該イオンエネルギー分布比較ステップにおける比較の結果に基づいて前記電子温度を推定する電子温度推定ステップとを有することを特徴とする電子温度計測方法。
2. 被処理体にプラズマ処理を施す真空処理室内に発生するプラズマの電子温度を計測する電子温度計測方法をコンピュータに実行させる電子温度計測プログラムであって、
   前記真空処理室内のイオンエネルギー分布を実測するイオンエネルギー分布実測モジュールと、
   設定された電子温度に基づいて前記真空処理室内のイオンエネルギー分布をシミュレートするイオンエネルギー分布シミュレーションモジュールと、
   前記実測されたイオンエネルギー分布及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布を比較するイオンエネルギー分布比較モジュールと、
   該イオンエネルギー分布比較モジュールにおける比較の結果に基づいて前記電子温度を推定する電子温度推定モジュールとを有することを特徴とする電子温度計測プログラム。
3. 前記イオンエネルギー分布比較モジュールは、前記実測されたイオンエネルギー分布における二次的な極値を示すエネルギー値及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布における二次的な極値を示すエネルギー値を比較することを特徴とする請求項２記載の電子温度計測プログラム。
4. 前記イオンエネルギー分布のシミュレーションに用いる電子温度を所定値に仮置きする電子温度仮置きモジュールを有することを特徴とする請求項２又は３記載の電子温度計測プログラム。
5. 前記イオンエネルギー分布比較モジュールにおける比較の結果に基づいてプラズマ密度及びシース電位を推定する他のプラズマパラメータ推定モジュールを有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電子温度計測プログラム。
6. 前記イオンエネルギー分布比較モジュールは、前記実測されたイオンエネルギー分布における一次的な極値を示すエネルギー値及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布における一次的な極値を示すエネルギー値を比較することを特徴とする請求項５記載の電子温度計測プログラム。
7. 被処理体にプラズマ処理を施す真空処理室内に発生するプラズマの電子温度を計測する電子温度計測方法をコンピュータに実行させるプログラムを格納するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、前記プログラムは、
   前記真空処理室内のイオンエネルギー分布を実測するイオンエネルギー分布実測モジュールと、
   設定された電子温度に基づいて前記真空処理室内のイオンエネルギー分布をシミュレートするイオンエネルギー分布シミュレーションモジュールと、
   前記実測されたイオンエネルギー分布及び前記シミュレートされたイオンエネルギー分布を比較するイオンエネルギー分布比較モジュールと、
   該イオンエネルギー分布比較モジュールにおける比較の結果に基づいて前記電子温度を推定する電子温度推定モジュールとを有することを特徴とする記憶媒体。

Images