JP2008112965A - 均一なエッチング速度分布の陰極を備えたマスクエッチングプラズマリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】長方形又は正方形のマスク等のワークをエッチングするためのプラズマリアクタを提供する。
【解決手段】天井と側壁とを有する真空チャンバと、チャンバ内にワークを支持するための表面を有する陰極を含むワーク支持土台とを備え、表面が複数の各自領域を含み、表面の各自領域はそれぞれ異なる電気的特性の各自材料から形成されている。領域はウェハ支持土台の対称軸に対して同心円状に配置可能である。
【選択図】図１

Description

背景

超大規模集積（ＵＬＳＩ）回路の処理に用いるフォトリソグラフィマスクの製造には、半導体ウェハ処理よりもずっと高い程度のエッチング均一性を要する。単一のマスクパターンは、概して、石英マスク上の４平方インチの領域を占める。マスクパターンの画像は、ウェハ上の単一のダイの領域（１平方インチ）に集中され、次にウェハに亘って段階的に進められて各ダイの単一の画像を形成する。石英マスクにマスクパターンをエッチングするのに先立って、マスクパターンはフォトレジストに走査電子線によって書かれており、これはマスクのコストを非常に高くする時間の掛かる処理である。マスクエッチング処理はマスクの表面に亘って均一ではない。更に、電子ビームで書かれたフォトレジストパターンは、それ自体は非均一であり、ウェハ上の加工サイズが４５ｎｍの場合には、マスク全体に亘って２−３ｎｍほどの限界寸法（例えば、ライン幅）のばらつきを呈する。（このばらつきは、例えば、すべての測定されたライン幅の３σの偏差である。）フォトレジストの限界寸法におけるそのような非均一性は、典型的には、様々なマスクのソースあるいは顧客に応じて変化する。現在の要件を満たすにはマスクエッチング処理においてこのばらつきを１ｎｍ以上にしてはならず、こうすることによりエッチングされたマスクパターンのばらつきが３〜４ｎｍを超えずに留まる。これらの厳格な要件は、ウェハ上でのシャープな画像を達成するための石英マスクパターンにおける回析効果の使用から生じる。現在の技術では、そのような要件を満たすのは困難である。それは、２２ｎｍのウェハ加工サイズを持つかも知れない将来の技術にとっては更に困難になるであろう。この問題は、エッチングバイアスの現象によって悪化し、ここでは、マスクエッチングにおけるフォトレジストパターンの消耗は、石英マスク上のエッチングパターンにおけるライン幅（限界寸法）の減少をもたらす。これらの問題は、マスクエッチング処理に特有である。なぜなら、フォトレジストに関する典型的なマスク材料（例えば、石英、クロム、ケイ化モリブデン）のエッチング選択性が典型的には１未満であるので、その結果、マスクフォトレジストパターンがマスクエッチング処理中にエッチングされるからである。

いくつかのマスクパターンは、正確に規定された深さで石英マスクに周期的な開口をエッチングすることを要し、それは、マスクを通じたウェハの露出中の干渉光ビームの非常に微細な位相の位置決めを達成するのに重大である。例えば、位相シフトのマスクの１つの種類においては、各ラインは、クロムラインの各側に露出した薄い石英ラインを伴うクロムラインによって規定され、一側の石英ラインが、クロムラインのもう一方の側上のエッチングされていない石英ラインを通過する光に対して光の１８０度の位相シフトを提供する正確な深さにエッチングされる。石英におけるエッチング深さを正確に制御するために、エッチング処理は、石英におけるエッチング深さを測定するために、周期的にそれを中断することによって念入りに監視されなければならない。そのような検査は、各々、マスクエッチングリアクタチャンバからマスクを除去すること、フォトレジストを除去すること、エッチング深さを測定すること、その後、経過したエッチング処理時間に基づいた目標深さに達するまでの残りのエッチング処理時間を推定すること、新しいフォトレジストを蒸着すること、電子ビームがレジスト上のマスクパターンを描くこと、マスクエッチングチャンバ内にマスクを再導入すること、そして、エッチング処理を再開することを要する。所望する深さに達するまでの残りのエッチング時間の推定は、エッチング速度が安定及び均一なままであり、したがって、信頼性が低いと想定される。そのような厄介な処理の問題は、低い生産力及び高いコストを含み、同様に、フォトレジストパターンにおける汚染の導入あるいは欠陥の機会の増大を含んでいる。しかしながら、正確に制御されたエッチング深さの要求のために、そのような問題を回避する方法は存在しないようである。

限界寸法のばらつきの小さな許容範囲は、マスク表面に亘るエッチング速度の極めて均一な分布を要する。石英材料における正確なエッチング深さを要するマスクにおいては、２つの限界寸法があり、一方はライン幅であり、他方はエッチング深さであり、両方の種類の限界寸法の均一性は、マスクに亘る均一なエッチング速度分布を要する。エッチング速度分布における非均一性は、ソース電力アプリケータの利用によって或る程度まで低減することができ、それは、プラズマイオン密度の放射状分布を変えることができる（ウェハの上にある内側及び外側コイルアンテナからなる誘導ソース電力アプリケータ等）。しかしながら、そのようなアプローチは、対称な非均一性（即ち、中央が高い、あるいは、中央が低いエッチング速度分布）だけに対処することができる。実際には、エッチング速度分布での非均一性は、非対称（例えば、マスクの１つのコーナにおいて高いエッチング速度等）であることができる。より基本的な制限は、マスクエッチング処理がエッチング速度のそのような中央で極めて低い分布を有する傾向があり、調整可能な特徴（内側及び外側コイルを有するそのような誘導電力アプリケータ）が中央で低い体制からエッチング速度分布を変えることが可能ではないということである。

非均一なエッチング速度分布に関する別の問題は、エッチング速度分布が同じ設計の異なるリアクタの中で大きく変わる傾向があり、重要な部分あるいは消費可能な構成要素が交換（陰極の交換等）される場合には常に同じリアクタ内において広く変わることができるということである。エッチング速度分布は、消費可能な交換に際して予測不能な変化を伴って交換された部分の特徴における小さなばらつきに高度に敏感なようである。

概要

長方形又は正方形のマスク等のワークをエッチングするためのプラズマリアクタを提供する。一態様において、リアクタは天井と側壁とを有する真空チャンバと、チャンバ内にワークを支持するための表面を有する陰極を含むワーク支持土台とを備える。表面は複数の各自領域を含み、それぞれ異なる電気的特性の各自材料から形成されている。領域はウェハ支持土台の対称軸に対して同心円状に配置可能である。一実施形態において、内側領域は導体材料を含み、環状の外側領域は絶縁体を含む。別の実施形態において、領域は異なる電気的誘電率の異なる絶縁材料から成る。

別の態様において、陰極及びその下の表面板は金属から形成される。陰極は下面を有し、表面板は陰極の下面に面する上面を有し、これらは異なる金属のねじにより固締されている。ねじ頭におけるＲＦ非均一性を軽減するために、陰極と表面板との間に異なる金属から形成され陰極と表面板の周縁に位置された薄いリング層を設ける。陰極と表面板との間の導電性の均一性を改善するために、陰極と表面板の対向する表面の周縁に導電性の高いコーティングを施す。

発明の詳細な説明

高ＲＦ均一性を有する陰極
我々は、マスクエッチング処理における不均一なエッチング速度分布の原因の１つが、当該マスクエッチング処理が行なわれるプラズマリアクタ中のマスクを保持する支持土台あるいは陰極におけるＲＦ電気の不均一の存在にあることを見出した。ＲＦバイアス電力は、マスク表面のプラズマイオンエネルギを制御するために土台に加えられるのに対して、ＲＦソース電力は、プラズマイオンを生成するために、例えば、上部コイルアンテナに加えられる。ＲＦバイアス電力は、イオンエネルギに影響を与えるマスク表面の電界を制御する。マスク表面のイオンエネルギは、エッチング速度に影響を与えるために、土台におけるＲＦ電気の不均一は、マスク表面全体に亘るエッチング速度の分布における不均一を招く。我々は、土台におけるＲＦ不均一の原因のいくつかを見出した。１つは、アルミニウム土台（陰極）とアルミニウム表面板（ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ｐｌａｔｅ）とを螺合するチタンねじである。上記のねじは、土台の表面全体に亘って（つまり、マスク表面全体に亘って）電界パターンにおけるノードを形成する。なぜなら、上記ねじの電気的特性は、アルミニウム陰極のそれとは異なるからである。もう１つは、陰極と表面版との導電率の不均一な分布である。表面板と陰極との電気伝導は、主として表面板と陰極の周縁に限定される。これは、少なくとも部分的にはプラズマ処理中の真空圧力による陰極のそりに起因する。この周縁の伝導は、チタンねじの不均一な締め付け及び／又は表面板又は土台の周縁付近の表面仕上げの変化等、数多くの要因により不均一となることがある。我々は、土台全体に亘ってＲＦ電気の均一性を向上するいくつかの特徴を導入することにより、この問題を解決した。第一に、アルミニウム陰極にチタンねじが存在することによるＲＦ電界の不均一又は不連続性を、すべてのチタンねじの頭を被包する連続したチタンリングを陰極の上面周縁に延伸するように配することによって解決しようとするものである。表面の不均一又はチタンねじの不均一な締め付けによる導電率の変化を、高導電性ニッケルメッキを表面板と陰極の対向する表面周縁に施すこと、及び表面板と陰極との間に両者によりその周縁で圧縮されるＲＦガスケットの導入によって解決しようとするものである。

図１に示すように、マスクにパターンをエッチングするためのプラズマリアクタは、側壁１２とその上にある天井１４とにより密閉された真空チャンバ１０を備え、チャンバ圧力を調整する真空ポンプ１５によって真空引きされる。チャンバ１０内のマスク支持土台１６は、マスク１８を支持する。本明細書において後述するように、マスクは、典型的には石英基板からなり、また石英基板の上面に更にクロムやケイ化モリブデン等のマスク薄膜層を備えていてもよい。更に、パターン規定層が存在するが、それはフォトレジスト又はクロム層からなるハードマスクでも良い。他のマスクの種類としては、上記石英基板は、フォトレジストパターンを除いては被覆層を有していない。

プラズマソース電力は、各々ＲＦインピーダンス整合回路２８、３０を介して各ＲＦソース電力発生器２４、２６により駆動され、また、上方に位置する内側及び外側コイルアンテナ２０、２２により加えられる。側壁１２は、接地接続されたアルミニウム又は他の金属でもよいのに対して、天井１４は、典型的には、コイルアンテナ２０、２２からチャンバ１０内へのＲＦ電力の誘導結合を許容する絶縁材料である。処理ガスは、ガスパネル３６からガスマニホールド３４を通り、側壁１２の上部に等間隔に配置された噴射ノズル３２を介して導入される。ガスパネル３６は、各々のバルブ又はマスフローコントローラ４０を介してマニホールド３４に接続された出力バルブ又はマスフローコントローラ４２に接続された異なるガス供給源３８から構成されることが可能である。

マスク支持土台１６は、金属（例えば、アルミニウム）表面板４６上に支持される金属（例えば、アルミニウム）陰極４４からなる。陰極４４は、表面板４６における供給口及び排出口（図示せず）により供給又は真空引きされる内部冷却液又は加熱液流路（図示せず）を有する。ＲＦバイアス電力は、ＲＦバイアス電力発生器４８により、ＲＦインピーダンス整合回路５０を介して上記表面板に加えられる。ＲＦバイアス電力は、表面板４６と陰極４４との界面を通り、陰極４４の上面へと導通する。陰極４４は、その上に角形の石英マスクあるいは基板１８が支持される中央平坦部４４ａを有する。平坦部の寸法は、一般にマスク１８の寸法と一致している。しかし、後述するように、平坦部４４ａは若干小さく、その結果、マスク周縁部の小部分あるいは端縁１８ａが、平坦部４４ａを短い距離超えて延びている。平坦部４４ａを囲む土台リング５２は、（図２Ｂ又は図７に示す楔形又はパイ片状に）リング５２の約２／５を形成するカバーリング５２ａと、残余の３／５を形成するキャプチャリング５２ｂとに分割されている。キャプチャリング５２ｂは、マスク１８の端縁１８ａが載置される棚部５４を有する。３本のリフトピン５６（図１ではそのうち１本だけを示している）がキャプチャリング５２ｂを持ち上げるが、それにより、マスク１８は、マスク１８を支持土台１６から分離することが望まれる際はいつでも、端縁１８ａによって上昇させられる。土台リング５２は、バイアス電力発生器４８の周波数において、石英マスク１８とアルミニウム平坦部４４ａとの組合せにより得られるＲＦインピーダンスに整合するように選択された異なる電気的特性を持つ材料の層５３、５５からなる。（カバーリング５２ａとキャプチャリング５２ｂの両者は、異なる層５３、５５からなる。）更に、キャプチャリング５２の上面は、マスク１８の上面と共面をなし、そのために、マスク１８の端部を超えて延びる大きく均一な表面が、プラズマ処理中のマスク１８の表面全体に亘る均一な電界及びシース電圧を促進する。典型的には、下部リング層５５が石英で、上部リング層５３がアルミナ等のセラミックの場合にこうした条件が満たされる。処理コントローラ６０は、ガスパネル３６、ＲＦ発生器２４、２６、４８、及びウェハハンドリング装置６１を制御する。ウェハハンドリング装置は、リフトピン５６に接続されたリフトサーボ６２、ロボットブレードアーム６３、及びスリットバルブ６４をチャンバ１０の側壁１２中に備えることができる。

等間隔に配された一連のチタンねじ７０は、陰極４４と表面板４６とをその周縁に沿って固定する。アルミニウム陰極／表面板４４、４６とチタンねじ７０との電気的相違のために、ねじ７０は、陰極４４の上面でＲＦ電界に別々の不均一性を与える。陰極４４と表面板４６の対向する表面におけるばらつきは、陰極４４と表面板４６との間にその周縁に沿って導電性の不均一を作り出し、その結果、対応する不均一性がＲＦ電界にも生じる。陰極４４は、プラズマ処理中にその中央部がそり上がり易いために（チャンバの真空により）、陰極４４と表面板４６との主要な電気的接触は、その周縁においてなされる。陰極４４と表面板４６との間の導電率の感度を（ａ）様々なチタンねじ７０間の締め付けのばらつき、及び（ｂ）表面特性におけるばらつきに低減するために、ニッケル等の高導電材料からなる環状薄膜７２が、陰極４４の下面４４ｂの周縁に蒸着され、一方、対応する（例えば）ニッケルからなる環状薄膜７４が、表面板４６の上面４６ａ上に蒸着される。ニッケル膜７２、７２は、相互に位置合わせがなされ、その結果、２つの環状ニッケル薄膜７２、７４は、土台４４と表面板４６の対向する接触面を構成し、両者に非常に均一な分布の導電率を与える。更なる導電率の均一性向上は、環状溝７６を陰極４４の下面の周縁に沿って形成し、環状溝７６中に導電性ＲＦガスケット８０を配置することにより実現される。必要に応じて、環状溝７６と並ぶ環状溝７８を表面板４６の上面に形成することが可能なＲＦガスケット８０は、陰極４４と表面板４６が押圧されてねじ７０が締め付けられる際に圧縮される金属製つる巻細線等、適切な従来のものであることが可能である。チタンねじ７０の頭に生じ易い電界分布における点状不均一を抑制又は解消するために、連続したチタンリング８２が、陰極４４の上面の周縁における環状溝８４の周囲に配置される。

図２Ａは、マスク支持土台１６と、その下のリフト部品９０を示している。リフト部品９０は、空気圧アクチュエータあるいはリフトサーボ９４により駆動されるリフトスパイダ９２と、該リフトスパイダ９２状に載置される３本のリフトピン５６とを備えている。リフトピン５６は、極度に滑らかで殆ど摩擦のない動作（摩耗から生じる汚染を抑制するため）で、玉軸受９８を備えるリフトベローズ９６中を導かれる。図２Ｂは、キャプチャリング５２ｂとマスク１８と共に上昇させられた状態の陰極４４を示している。マスクが上昇させられた際のカバーとキャプチャリング５２ａ、５２ｂとの分離により形成された間隙により、ロボットブレードは、マスク１８へアクセスすることができる。

マスク１８の表面全体における極度に中央部で低いエッチング速度分布の問題は、陰極平坦部４４ａの電気的物性（例えば、誘電率）の分布を変更することにより解決される。これは、一実施形態において、平坦部４４ａの上面に中央インサート１０２及び周辺外側インサート１０４を設けることにより達成され、この２つのインサートは、土台リング５２と共に連続した平坦な表面を形成すると共に、電気的に異なる材料からなる。例えば、エッチング速度分布が極端に中央部で低くなる傾向を抑制するために、中央インサート１０２は導電性材料（例えば、アルミニウム）のものであってもよく、一方、外側インサート１０４は絶縁材料（例えば、アルミナのようなセラミック）のものであることが可能である。この導電性の中央インサート１０２は、ＲＦ電流に更に低いインピーダンス経路を与え、マスク１８の中央部でイオンエネルギとエッチング速度とを増大させる一方、絶縁性外側インサート１０４は、より高いインピーダンスをもたらし、マスク１８の周辺のエッチング速度を減少させる。この組合せがエッチング速度分布を改善し、それをほぼ均一にさせる。この特徴によって、エッチング速度分布の微細な調整が、内側及び外側コイルアンテナ２０、２２に加えられる相対ＲＦ電力レベルを調整することにより可能となる。均一なエッチング速度分布を達成するのに要求されるプラズマイオン密度の放射状分布の変化は、はるかに少ない量にまで減少され、それは、均一なエッチング速度分布を得るための内側及び外側コイル２０、２２間のＲＦ電力配分の能力の範囲内である。図３は、内側及び外側インサート１０２、１０４の上面図である。他の実施形態において、インサート１０２、１０４は、異なる誘電率（電気的誘電率）を有する絶縁体であることが可能である。図４及び図５は、この概念の詳細を示し、４個の累進的に異なる電気的物性を持つ同心円状リング１０２、１０４、１０６、１０８がエッチング速度分布をより均一にするために用いられている。図６及び図７は、陰極４４のＲＦ電気的物性の分布のリアルタイム調整性を提供する他の実施形態を示している。プランジャ１１０は、陰極４４の中央内部の中空シリンダ１１４内で、可動アルミニウム板１１２の軸方向位置を調整する。アルミニウム板１１２は、アルミニウム平坦部４４ａの残部に電気的に接触している。絶縁体（例えば、セラミック）の上部フィルム１１６は、陰極４４の上部を覆うことができる。アルミニウム板１１２が押されてシリンダ１１４の上部へ近づくにつれ、陰極４４の中央領域を通じて電気インピーダンスは減少し、それによりマスク１８の中央でエッチング速度を増加させる。反対に、マスク中央のエッチング速度は、アルミニウム板１１２がシリンダ１１４内でマスク１８から遠ざかるように下方へ移動されるにつれて減少する。プランジャ１１０の軸方向の動きを調整するアクチュエータ１１８は、処理コントローラ６０（図１参照）により、均一性を最大限にするように又は不均一を補正するようにエッチング速度分布を調整するように制御されることができる。

マスク裏面におけるエッチング速度の監視と終了点検出
マスク上のエッチング深さ又は微小寸法を測定するためのエッチング処理の周期的中断による製造コストの上昇は、陰極４４及びマスク又は基板１８の裏面を介した光学的検出を用いることで抑制又は解消される。フォトレジストに対する低いエッチング選択性により、こうした周期的測定を行なうためにエッチング処理を中断することが必要であった。一般に、マスク材料は、フォトレジストよりも遅い速度でエッチングされる。この問題は、マスク上にフォトレジストの厚い層を蒸着することにより解決が図られるが、レジストの高いエッチング速度により、フォトレジスト表面には不規則な凹凸又は粗面ができる。この凹凸は、フォトレジストを通過する光に影響を与え、その結果、いかなる微小寸法やエッチング深さの光学的測定にもノイズを与えてしまう。そのために、フォトレジストは、ノイズのない光学的測定を確保するために周期的測定ごとに一時的に除去されるので、中断されたマスクエッチング処理を再開する前には、フォトレジストの再蒸着やレチクルパターンのフォトレジストへの再書き込みが必要となる。

図８に示すマスクエッチングプラズマリアクタは、このような困難を回避するもので、陰極４４中に設けられた裏面光学測定装置を用いることにより、全エッチング処理中の連続的な微小寸法の観察又はエッチング深さの測定を、マスク又は基板１８をマスク支持土台１６上に載置したままで行なうことが可能である。裏面測定装置は、典型的には、石英製のマスク基板１８の光学的に透明な性質を利用するものである。その上に蒸着されることが可能である薄膜（クロム又はケイ化モリブデン等）は不透明であることが可能であるが、マスク１８のレチクルパターンを規定するパターン状開口の形成は、光学的に検出される。このような層により反射又はこのような層を透過する光の強度の変化は、陰極４４を介してマスク裏面で観察されることが可能である。この観察は、エッチング処理終了点検出を行なうために用いられることが可能である。石英材料をエッチングする際には、マスク裏面で陰極４４を介して観察される光学干渉を、エッチング処理中にエッチング深さ測定をリアルタイムで行なうために検出することが可能である。利点の１つとしては、マスク裏面から検出される画像又は光学信号がフォトレジストのノイズにより影響されないこと、又は、少なくとも、マスク１８の上面（フォトレジスト側）からこのような測定を行なう試みと比較するとその影響が非常に少ないことがある。

これらの目的のために、図８のリアクタは、陰極４４の上面においてマスク又は基板１８の裏面に対向する光学軸を持つレンズ１２２を収容する凹部１２０を備える。一対の光ファイバ１２４、１２６は、その径がレンズ１２２に比べて小さく、且つ、レンズ１２２に接近あるいは接触する端部１２４ａ、１２６ａを有しており、また、両者は、レンズ１２２の光学軸において隣り合うよう並置されている。図８に示す光ファイバ１２４、１２６の各々は、実際には小さな複数の光ファイバの束であることが可能である。光ファイバ１２４は、その他端１２４ｂが光源１２８に接続されている。光源は、マスク１８が透明となる波長の光、典型的には石英マスクに対しては可視光を発する。干渉深さ測定の場合、光源１２８の波長スペクトルは、マスク１８のレチクルパターンにおける局所的コヒーレンスを容易にするように選択される。約４５ｎｍのエッチングされたマスク構造中の周期的形状（又は１ミクロン未満の周期的形状サイズ）に対しては、光源が可視光スペクトル中の光を放射するときに、この条件が満たされる。光ファイバ１２６は、その他端１２６ｂが光受容器１３０に接続されている。単純な終了点検出の場合、光受容器１３０は、単に光の強度を検出すればよい。微小寸法（例えば、線幅）測定の場合、光受容器１３０は、レンズ１２２の視野中にあるエッチングされた配線の画像を検出してもよく、それから線幅を判断することができる。エッチング深さ測定の場合、光受容器１３０は、干渉パターン又は干渉縞を検出してもよく、それによりエッチング深さが判断される（つまり、干渉又は回折パターンから推定又は干渉縞の計数から演算される）。他の実施形態において、光受容器１３０は、多数の波長の干渉測定を行なうための分光計を備えることが可能であり、それによりエッチング深さが推定又は演算されることが可能である。このような測定のために、処理コントローラ６０は、光受容器からの光学信号を処理することができる光学信号プロセッサ１３２を備えている。このような光学信号処理は、以下のいずれかを（特定の形態に応じて）含むことが可能である。周辺光の強度の変化からエッチング処理終了点検出を行なう；光受容器１３０によって検出される２次元画像から微小寸法を測定する；干渉縞を計数することによりエッチング深さを演算する；多数の波長の干渉スペクトルからエッチング深さを測定する。この場合、光受容器１３０は、分光計からなる。これに代えて、このような分光計は、プラズマから出射され透明マスク１８を透過する光を用いてウェハ裏側からの光学発光分光法によるエッチング処理終了点検出を行なうために採用されてもよく、その場合、光源１２８は、用いられない。

処理コントローラ６０は、光学信号プロセッサ１３２からの処理終了点検出情報（又はエッチング深さ測定情報）に応答し、ＲＦ発生器２４、２６、４８、及びウェハハンドリング装置６１を含むプラズマリアクタの様々な要素を制御する。典型的には、処理コントローラ６０は、エッチング処理終了点に達したときに、エッチング処理を終了し、マスク１８が土台１６から除去されるようにする。

図９は、クロムエッチング処理（石英マスク表面上のクロム薄膜がマスクのレチクルパターンに応じてエッチングされる）中の時間に対するマスクの上面（フォトレジスト塗布面）から検出した周辺反射光強度の関係を示すグラフである。図９に示される強度の大きな変動は、フォトレジスト層の上面の凹凸により引き起こされるノイズを表わしている。破線は、ノイズ中に隠された階段関数信号を表わし、その階段関数は、クロムエッチング処理終了点と一致する。図１０は、図８のリアクタ中の陰極４４を介してウェハ裏面から行なった同様の測定のグラフであり、光受容器１３０が反射光レベルを検出している。フォトレジスト由来のノイズは、大きく減少し、その結果、終了点規定段階関数が光学データ中に明確に現れている。階段関数の端部は、エッチング処理がクロム薄膜の底部に達する際に反射光強度が下降する遷移点を表わし、その点では、クロムの反射表面積が急峻に減少している。

図１１及び図１２は、時間に対する（即ち、空間に対する）光強度のグラフであり、図１２においては、光受容器１３０によって検出されるように、光強度の周期的ピークが干渉縞に対応し、その間隔は、エッチング深さ、あるいは透明な石英マスク基板１８にエッチングされる近接した周期的間隔を持つ形状の異なる表面間の厚さの差を決定している。図１１は、マスク上面からフォトレジストを介して検出された強度を示し、干渉縞検出を阻害するフォトレジスト由来の大きなノイズが含まれているのを示している。図１２は、図８の光受容器１３０によってマスク裏面を介して検出された強度を示し、フォトレジスト由来のノイズは、実質的に存在しないことを示している。

図１３は、光受容器１３０が分光計からなり光源１２８が複数の波長スペクトルを発生する場合の波長に対する光強度の関係を表わすグラフである。図１３のグラフに示す強度スペクトラムの挙動は、干渉効果が透明マスク１８中に周期的間隔で配置されたサブミクロン形状中の異なる深さを持つ表面から反射される光の間で生じる場合に典型的なものである。低波長においては、ピークは、比較的周期的で等間隔であり、ここでは、主要な光効果は干渉である。より高い波長では、マスク１８中の周期的形状間の局所的コヒーランスは、さほど強くなく、そのため、回折効果は、波長が増大するにつれて大きくなり、図１３に示すように、高波長での強度の挙動は、より不等間隔でより複雑となる。図１３中のピークの間隔は、特に低波長において、エッチング深さの関数であり、エッチング深さは、ピーク間隔から推測される。

図１４は、図８のリアクタの一実施形態を例示しており、ここでは、光受容器１３０は、周辺光強度検出器であり、光学信号プロセッサ１３２は、図１０の終了点検出グラフに対応する反射光強度全体における大きな屈曲点（階段関数）を探すようにプログラムされている。この実施形態の光源１２８は、適切なものであればいかなる光源でもよい。これに代えて、光源１２８は、省略されてもよく、その場合、光センサ１３０は、単に透明マスク又は基板１８を透過するプラズマからの光に応答する。

図１５は、図８のリアクタの一実施形態を例示しており、ここでは、光受容器１３０は、干渉縞を解像するレンズ１２２よって充分にフォーカスされる干渉縞検出器であり、光学信号プロセッサ１３２は、透明石英マスク１８のエッチング深さを演算するために（例えば、図１２に示されるような時間に対する強度のデータから）干渉縞を計数するようにプログラムされている。この演算により、実質的に即時にエッチング深さが演算され、ロジック２００によりメモリ２０２に記憶されているユーザ規定による目標深さと比較される。ロジック２００は、記憶されている深さの値と測定された深さの値との一致を検出するために、従来の数的一致又は最小化ルーチンを用いることができる。一致によって、ロジック２００は、処理コントローラ６０に対するエッチング終了点のフラグを立てる。

図１６は、図８のリアクタの一実施形態を示し、ここでは、図１３の干渉分光法が透明石英マスク又は基板１８のエッチング深さを測定又は判断するために用いられる。この場合、光源１２８は、可視領域の多数の波長又はスペクトラム（約数百ナノメートル以下の周期的なマスク形状のサイズに対して）を出射する。光受容器１３０は、分光計である。複合信号調整器兼アナログ−デジタル変換器２２０は、分光計１３０により収集されたスペクトル情報（図１３のグラフに対応する）を光学信号プロセッサ１３２が取り扱うことができるデジタルデータに変換する。終了点検出を行なうことができる１つのモードでは、上述したように、エッチング深さを図１３に示すデータの低波長領域中の周期的ピーク間の間隔から演算する。比較ロジック２００は、瞬時に測定されたエッチング深さをメモリ２０２に記憶されたユーザが規定した目標深さと比較し、エッチング処理終了点に達したか否かを判断することができる。他のモードでは、比較ロジック２００は、充分にロバストであり、分光計１３０の即時出力を表わすデジタル化された波長スペクトル（図１３のグラフに対応）と所望のエッチング深さに対応する周知のスペクトルとを比較できる。この周知のスペクトラムは、メモリ２０２に記憶されることが可能である。比較ロジック２００により検出される、測定されたスペクトルと記憶されているスペクトラムとの一致又は近似的一致により、エッチング処理終了点フラグが処理コントローラ６０に送られることになる。

図１７は、図８のリアクタの一実施形態を示し、ここでは光受容器１３０は、チャンバ中のプラズマによって出射される光学的放射からの輝線を区別可能で、光学発光分光（ＯＥＳ）を行なう光学発光分光計である。プロセッサ１３２は、エッチングされる層中の材料を示す化学種に対応する選択された光学線の強度を追跡する（又はその消失を検出する）ようにプログラムされたＯＥＳプロセッサである。所定の移行（例えば、クロムエッチング処理中のＯＥＳスペクトラムにおけるクロム波長線の消失）の際には、プロセッサ１３２は、処理コントローラ６０にエッチング処理終了点検出フラグを送る。

図１８は、我々が構成した一実施形態を示し、ここでは、間隔を置いた凹部２３１、２３３中に各々一対のレンズ２３０、２３２が設けられており、レンズ２３０、２３２は、干渉縞を解像するようフォーカスされており、集光された光は、各々レンズ２３０、２３２に対向又は接触する光ファイバ２３４、２３６によって伝送される。光ファイバ２３４、２３６は、干渉検出器２３８（これは、干渉縞検出器あるいは分光計であることが可能である）に接続され、検出器２３８は、処理コントローラ６０に接続された出力を有している。レンズ２３０、２３２は、光源２４０から光ファイバ２４２、２４４を介して光を受ける。この光は、マスク１８の上面からレンズ２３０、２３２に向かって反射され、光ファイバ２３４、２３６によって検出器２３８に伝送される。更に、図１８の実施形態は、光ファイバ２５２を介してＯＥＳ分光計２５４に接続される第３のレンズ２５０を収容する第３の凹部２４９が陰極表面に備えられている。ＯＥＳプロセッサ２５６は、ＯＥＳ分光計２５４の出力を処理し、終了点検出を実行し、処理コントローラ６０にその結果を送信する。図１８の実施形態の陰極４４が図１９に示されており、ここでは、レンズ２３０、２３２、２５０を各々収容する３つの凹部２３１、２３３、２４９が示されている。図２０は、表面板４６中にレンズ２３０、２３２、２５０をサポートする光学機器を収容するための対応する孔２６０、２６１、２６２を示している。図２１は、土台１６中の光ファイバとレンズとの接続を示す断面図である。

図１６、図１７、図１８では、分光計１３０（図１６及び図１７）及び２５４（図１８）が用いられているが、分光計１３０又は２５４は、所定の波長用に調整された一又は複数の光学波長フィルタで置き換えられてもよい。上記の各光学波長フィルタは、信号強度を増強するために、光電子増倍管と組み合わせることが可能である。

裏面終了点検出マスクエッチング処理
図２２Ａ及び図２２Ｂは、マスクの石英材料中にレチクルパターンをエッチングする処理を示している。図２２Ａにおいて、石英マスク基板２１０は、間隔を空けた線２１４及びフォトレジスト層２１２中に定められた開口２１６による周期的構造を有するフォトレジスト層２１２によって覆われている。図１５及び図１６のリアクタにおいては、ＣＨＦ_３＋ＣＦ_４＋Ａｒの石英エッチング処理ガスがチャンバ１０内に導入され、電力がＲＦ発生器２４、２６、４８により加えられ、また、石英材料は、フォトレジスト層２１２中に形成された開口２１６の中でエッチングされる。石英中のエッチング深さは、石英基板２１０のエッチングされた上面から反射された光２１８とエッチングされていない上面から反射された光２１９との干渉により連続的に測定される。エッチング処理は、所望のエッチング深さに達すると即時に中断される（図２２Ａ）。そして、所望のマスクを形成するためにフォトレジストが除去される（図２２Ｂ）。

図２３Ａ〜図２３Ｅは、下層石英マスク基板２１０、ケイ化モリブデン層２６０（モリブデン−酸化シリコン窒化物［ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ ｏｘｙ−ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ］）、クロム層２６２、酸化クロム反射防止コーティング２６４及びフォトレジスト層２６６からなると共に、フォトレジスト層２６６に開口２６８が形成された３層マスク構造（図２３Ａ）をエッチングする処理を示している。図２３Ｂのステップにおいて、クロム層２６２及び反射防止コーティング２６４は、単純な反射終了点検出を有するプラズマリアクタチャンバ（図１４のチャンバ）又はＯＥＳ終了点検出を有するチャンバ（図１７のチャンバ）中で、Ｃｌ_２＋Ｏ_２＋ＣＦ_４等のクロムエッチング処理ガスを用いてエッチングされる。フォトレジスト層２６６が除去される（図２３Ｃ）。その後、図２３Ｄに示すように、ケイ化モリブデン層２６０が、ＳＦ_６＋Ｃｌ_２等のケイ化モリブデンのエッチング剤である処理ガスを用い、クロム層２６２をハードマスクとして用いてエッチングされる。このステップは、図１４又は図１７のチャンバのような単純な周辺反射による又はＯＥＳ終了点検出による終了点検出を行なうプラズマリアクタ中で行なわれる。図２３Ｅにおいて、クロム層２６２及び酸化クロム反射防止コーティング２６４は、ＣＨ_３＋ＣＦ_４＋Ａｒ等のクロムエッチング処理ガスを用いて除去される。このステップは、エッチング深さ測定を伴わない単純な終了点検出を行なう図１４又は図１７のリアクタを用いて行なわれる。これにより、レチクルパターンが規定されたケイ化モリブデンの被覆層を有する石英マスク基板が残される。

図２４Ａ〜図２４Ｅは、透明石英マスク上に形成され、周期的間隔で石英が露出する空間の横に位置する周期的なクロム線からなるバイナリマスクを製造する処理を示しており、上記石英が露出する空間は、１つおきに透過光が所望の角度（例えば、１８０度）で位相偏移する深さまでエッチングされている。図２４Ａは、石英マスク基板３００、クロム層３０２、酸化クロム反射防止コーティング３０４、及びフォトレジスト層３０６からなる初期構造を示している。図２４Ｂのステップでは、クロム及び酸化クロム層３０２、３０４は、図１４又は図１７のチャンバのようなリアクタチャンバ中のＣｌ_２＋Ｏ_２＋ＣＦ_４の処理ガスの中でエッチングされる。図２４Ｃのステップでは、フォトレジスト層３０６が除去され、その後、石英マスク基板３００の露出部分が図２４Ｄに示すようにＣＨＦ_３＋ＣＦ_４＋Ａｒの石英エッチング処理ガス中でエッチングされる。図２４Ｄの石英エッチングのステップは、図１５又は図１６のチャンバのような、石英マスク基板３００中のエッチング深さを検出又は監視できるリアクタチャンバの中でエッチングされる。このエッチング処理中に、即時エッチング深さが連続的に監視され、エッチング処理は、マスク３００上で目標エッチング深さに達するとすぐに中止される。最終結果物を図２４Ｅに示している。

マスク表面に亘るエッチング速度分布の連続的監視
図２５及び図２６は、図１のウェハ支持土台１６の一実施形態を示し、ここでは、マトリクス状の裏面エッチング深さ検出素子（レンズ及び光ファイバ）が陰極４４の上面に設けられており、それによりエッチング処理中のマスク又は基板の全表面に亘るエッチング速度分布又はエッチング深さ分布の瞬間的画像又はサンプルが、エッチング処理を中断することなくまたマスク基板を乱すことなく、連続的に得ることができる。アルミニウム平坦部４４ａは、その上面にマトリクス状の開口３２０を有し、各開口は、マスク基板３００の裏面に対向するレンズ３２２を保持している。光源３２４は、各々レンズ３２２と接続された出力光ファイバ３２６を介して光を供給する。レンズ３２２は、干渉縞を解像するのに充分なフォーカシングを与える。干渉検出器３２８は、干渉縞の計数を容易にするセンサ又は分光計でもよく、各々レンズ３２２と接続された入力光ファイバ３３０と接続されている。スイッチ又はマルチプレクサ３３２は、各入力光ファイバ３３０から検出器３２８へ光が順に入るようにする。図２５及び図２６の装置が動作するモードには、３種類のモードがある。第１のモードでは、所定の１つのレンズ３２２の視野中のエッチング深さが干渉縞の間隔から演算される。第２のモードでは、検出器３２８は、分光計であり、所定の１つのレンズ３２２の視野中のエッチング深さが、多数の波長の干渉スペクトルでの低波長ピーク間隔（図１３に対応）から演算される。第３のモードでは、多数の波長の干渉スペクトルが一定の時間に検出され、対応するエッチング深さが分かっているスペクトラムのライブラリ３４０と比較される。エッチング速度分布は、エッチング深さと経過時間から演算される。この分布は、処理のエッチング不均一を記録し、処理コントローラ１３２に送られる。コントローラ１３２は、リアクタの調整可能な特性を調整することによって応答し、エッチング速度分布の不均一性を減少することができる。

図２５及び図２６の実施形態では、３×３のマトリクス状のエッチング深さセンサ又はレンズ３２２が平坦部４４ａの上面に備えられているが、こうしたセンサのマトリクスにはいかなる数の行及び列が採用されてもよく、そのために、マトリクスはｎ×ｍのマトリクスであり、ここで、ｍ及びｎは適切な整数である。

一実施形態において、処理コントローラ１３２は、エッチング速度分布が中央部で高いか中央部で低いかを（分光計又はセンサ１３０により供給されるエッチング速度分布情報から）推定するようにプログラムされることが可能である。処理コントローラ６０は、この情報にリアクタの調整可能な特性を調整することによって応答し、不均一性を減らすことができる。例えば、処理コントローラ６０は、内側及び外側コイル２０、２２間のＲＦ電力の配分を変更することが可能である。これに代えて、あるいは、これに加えて、処理コントローラ６０は、図６及び図７のリアクタ中の可動アルミニウム板１１２の高さを変更することが可能である。平坦部４４ａ中のエッチング深さ検出素子のアレイ又はマトリクスからのフィードバックによって、処理コントローラ６０は、エッチング速度分布の均一性をリアクタの調整可能要素の連続的な試行錯誤調整により改善することができる。

以上の説明は、本発明の実施形態のいくつかに向けられているが、その基本的範囲から逸脱することなく本発明の他の及び追加的な形態が実施されてもよく、その範囲は特許請求の範囲に基づいて定められる。

本発明の上記記載の特徴が詳細に理解されることができるように、上記で簡潔に要約された本発明のより具体的な説明は、その実施形態への参照によって理解されることが可能であり、それは添付図面に例示されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態を図示するに過ぎず、本発明はその他の同等に効果的な実施形態も認め得るため本発明の発明を制限すると捉えられるものではない。

マスクエッチング処理を行なうプラズマリアクタを示す図である。 図１のリアクタの下部を示す図である。 上昇させられた位置の図１のリアクタのマスク支持土台を示す図である。 図１のリアクタの陰極の平面図である。 〜 陰極の他の実施形態の平面及び側面図である。 〜 陰極の他の実施形態の平面及び側面図である。 裏面終了点検出装置を有するプラズマリアクタの簡略図である。 〜 マスクの上面及び裏面から各々得られる光学終了点検出信号のグラフである。 〜 マスクの上面及び裏面から各々得られる干渉縞光学信号のグラフである。 図８のリアクタの一実施形態において得られる多波長干渉スペクトル信号のグラフである。 図１０に対応する、全体的な反射光強度に基づく裏面終了点検出を伴う図８のリアクタの実施形態を示す図である。 図１２に対応する、干渉縞計数に基づく裏面終了点検出を伴う図８のリアクタの実施形態を示す図である。 多波長干渉分光測定に基づく裏面終了点検出を伴う図８のリアクタの実施形態を示す図である。 発光分光（ＯＥＳ）に基づいた裏面終了点検出を伴う図８のリアクタの実施形態を示す図である。 ＯＥＳ及び干渉の両方に基づいた裏面終了点検出を有する例を示す図である。 〜 図１８の実施形態の陰極及び表面板の各々の斜視図である。 図１９の陰極の断面図である。 〜 裏面終了点検出を利用する石英マスクエッチング処理におけるステップのシーケンスを示す図である。 〜 裏面終了点検出を利用するクロム−モリブデンシリサイド−石英マスクエッチング処理におけるステップのシーケンスを示す図である。 〜 裏面終了点検出を利用するクロム−石英マスクエッチング処理におけるステップのシーケンスを示す図である。 〜 リアルタイムのエッチング速度分布がマスクの裏面から連続的に測定される実施形態の側面及び平面図である。

理解を容易にするために、図面間で共通する同一の要素を指定するためには可能な限り同一の参照符号が使用されている。一実施形態の要素及び構成が、更なる記述なしに、他の実施形態に有益に組み込まれることが可能であると意図されている。しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態だけを例示し、従ってその範囲を限定するものとは解釈されず、本発明に対して他の等しく有効な実施形態を認めることが可能である。

Claims (20)

1. ワークを処理するプラズマリアクタであって、
   天井と側壁とを有する真空チャンバと、
   前記チャンバ内にワークを支持するための表面を有する陰極を含むワーク支持土台とを備え、前記陰極が異なる電気的特性の複数の各自領域を備えるリアクタ。
2. 前記領域が前記ウェハ支持土台の対称軸に対して同心円状に配置されている請求項１記載の装置。
3. 前記各自領域が前記陰極の前記表面上において異なる電気的特性の各自材料から形成されており、前記領域が内側領域と環状の外側領域とを含み、前記内側領域の材料が導体を含み、前記外側領域の材料が絶縁体を含む請求項２記載の装置。
4. 前記各自材料が異なる電気的誘電率の絶縁材料を含む請求項２記載の装置。
5. 前記陰極が上面を有するアルミニウム部材を備え、前記表面の前記複数の各自領域が各自材料から形成された各自のインサートを含む請求項１記載の装置。
6. 前記各自のインサートが同心円状である請求項５記載の装置。
7. 前記各自のインサートが導電性材料から形成された第１インサートと、非導電性材料から形成された第２インサートを含む請求項５記載の装置。
8. 前記各自のインサートが異なる電気的誘電率の各自材料を含む請求項５記載の装置。
9. 前記第１インサートが円盤状の中央インサートを含み、前記第２インサートが環状の外側インサートを含む請求項７記載の装置。
10. 前記陰極が第１金属から形成され、
    前記第１金属から形成された表面板を備え、前記陰極が下面を有し、前記表面板が前記陰極の下面に面した上面を有し、
    前記第１金属より高い強度と異なる電気的特性を有する第２金属から形成され、前記陰極と前記表面板とを前記陰極と表面板の周縁に沿って連結するための複数の細長い固締具と、
    前記陰極と前記表面板との間の、前記第２金属から形成され前記陰極と表面板の周縁に位置された薄いリング層と、
    前記陰極の前記下面の周縁上の第３金属のコーティングと、前記表面板の前記上面の周縁上の前記第３金属のコーティングとを更に備え、前記第３金属の導電性が前記第１金属の導電性より高い請求項１記載の装置。
11. 前記陰極が、
    その内部に形成された中空空間と、
    前記中空空間内に在り、前記各自領域の１つに対応する可動式金属要素と、
    前記金属要素と前記支持面との間の距離を制御するための機構とを備える請求項１記載の装置。
12. 前記中空空間が、前記支持面にカバー層を更に備え前記中空空間をシールする前記陰極内を延びる孔を含む請求項１１記載の装置。
13. 前記カバー層が絶縁材料を含む請求項１２記載の装置。
14. 前記陰極が円盤体と前記メイン表面から前記天井に向かって延びる角形平坦部とを備え、前記支持面が前記天井に面する前記平坦部の表面を含み、前記中空空間が少なくとも部分的に前記平坦部内に延びている請求項１１記載の装置。
15. 前記角形平坦部が角形マスクを支持するように適合されている請求項１４記載の装置。
16. 前記支持表面が複数の各自領域を含み、前記表面の前記各自領域が異なる電気的特性の各自材料から形成されている請求項１１記載の装置。
17. 前記表面の前記各自領域が前記ウェハ支持土台の対称軸に対して同心円状に配置されている請求項１６記載の装置。
18. 前記表面の前記各自領域が内側領域と環状の外側領域とを含み、前記内側領域の材料が導体を含み、前記外側領域の材料が絶縁体を含む請求項１７記載の装置。
19. 前記各自材料が異なる電気的誘電率の絶縁材料を含む請求項１６記載の装置。
20. 前記陰極が上面を有するアルミニウム部材を備え、前記表面の前記複数の各自領域が各自材料から形成された各自のインサートを含む請求項１６記載の装置。

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