JP2009152304A - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】被加工試料面での光干渉により被加工材料のエッチング量を計測しエッチング終点を判定するプラズマ処理装置において、光導入部の長寿命化と採光量確保を両立し、長期安定稼動と正確なエッチング量検出による加工精度向上を可能とする。
【解決手段】シャワープレートと下部電極間にプラズマを生成し被加工試料を処理するプラズマ処理装置におけるシャワープレートを介して被加工試料表面からの光を検出する検出器は、光が入力される光伝送体からなる光導入部と、光導入部で得た光を分析する分光器を備え、光導入部の光が入力される端面は、前記シャワープレートのプラズマ側の端面から、該真空容器内でのガス分子の平均自由工程の５倍以上の距離を置いて配置される。
【選択図】図１
【解決手段】シャワープレートと下部電極間にプラズマを生成し被加工試料を処理するプラズマ処理装置におけるシャワープレートを介して被加工試料表面からの光を検出する検出器は、光が入力される光伝送体からなる光導入部と、光導入部で得た光を分析する分光器を備え、光導入部の光が入力される端面は、前記シャワープレートのプラズマ側の端面から、該真空容器内でのガス分子の平均自由工程の５倍以上の距離を置いて配置される。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体デバイスを製造する半導体製造装置に関するものであり、特にプラズマを用いて、レジスト材料等で形成されたマスクパタン形状どおりにシリコンやシリコン酸化膜等の半導体材料をエッチングするドライエッチング技術に関する。
ドライエッチングでは、真空排気手段を有する真空容器内に原料ガスを導入し、該原料ガスを電磁波によりプラズマ化して被加工試料にさらすことで被加工試料面のマスク部以外をエッチングすることで所望の形状を得る。被加工試料には、プラズマ生成とは別の高周波電圧が印加され、該高周波電圧により、プラズマからイオンを加速して被加工試料面に入射させることでエッチング効率向上と加工形状の垂直性を得ている（例えば、特許文献２参照）。
ドライエッチングでは、エッチング処理が所定量完了したかを判断する終点判定を、通常プラズマの発光観測で行う。具体的には、プラズマ中の被エッチング材料またはエッチング終了時に露出する下地材料の反応生成物からの発光量をモニタすることで実施される。しかし、近年になりエッチング精度の向上や工程簡略化によるコスト低減の観点から、下地材料でエッチングを終了させるのではなく、単一の材料の途中またはエッチング終了直前でエッチング処理を停止することが要求されるようになってきた。
この要求に対応するエッチングの終点判定には、前記したプラズマからの発光をモニタする方法では不可能であり、直接被エッチング材料のエッチング量または残膜量をモニタすることが必要となる。この被エッチング材料のエッチング量または残膜量をモニタする方法としては、被加工試料面で反射するプラズマからの光または独立に設けた光源からの光を採光し、被加工試料面上での被エッチング材料の減少に伴う光の干渉パタンを解析することで行われる（例えば、引用文献１参照）。
シリコン酸化膜等の絶縁膜材料をエッチングするエッチング装置では、被加工試料の対面にシリコン等の導体で形成されたシャワープレートを配置し、該シャワープレートを含む導体部全体に高周波電力を印加してプラズマを生成する。したがって、前記エッチング量を被エッチング材料の減少に伴う光の干渉パタンの解析で実施する場合の光導入部を被加工試料に対面する導体電極部に配置する必要がある。光導入部は石英またはサファイア等の光伝送体ロッドで真空容器外まで光を導き、その後光ファイバにて分光器等で構成される光干渉パタン解析部に導かれる構造が一般的である。
上記、光導入部である石英またはサファイアの光伝送体を、シリコン等で形成されるシャワープレート面に直接露出させると光伝送体ロッド端面がプラズマからの加速されたイオン等により消耗や堆積が生じ極短時間で採光が出来なくなる。その課題を克服するため特許文献１に示される公知例では、シリコンシャワープレートの一部にプラズマが浸入できない微細孔１１５Ｂを複数形成し、その背面に光伝送体ロッド１４１を配置する構造を採用している。
特許第３６４３５４０号公報
特開２００２−１８４７６６号公報
従来例では前記構造により、直接光伝送体ロッドをプラズマにさらす場合に比べ飛躍的に採光寿命を延ばすことが可能となった。
しかしながら、特許文献１に示される構造を用いても放電時間１００〜２００時間で採光が困難となり、半導体装置の量産程度によっては、不十分な寿命しか得られていない。またシャワープレートに施す微細孔径を小さくしアスペクト比を稼ぐ等の工夫により、光導入部の寿命を幾分か延命することは可能であるが、光量が減少してしまい必要な精度が確保できなくなる問題点があった。
さらに、半導体量産工程では、光伝送体ロッドの光透過率が減少した場合の光伝送体ロッド交換作業を行う必要があるが、従来例では、その作業を簡便に行うことが困難であるという問題点があった。
しかしながら、特許文献１に示される構造を用いても放電時間１００〜２００時間で採光が困難となり、半導体装置の量産程度によっては、不十分な寿命しか得られていない。またシャワープレートに施す微細孔径を小さくしアスペクト比を稼ぐ等の工夫により、光導入部の寿命を幾分か延命することは可能であるが、光量が減少してしまい必要な精度が確保できなくなる問題点があった。
さらに、半導体量産工程では、光伝送体ロッドの光透過率が減少した場合の光伝送体ロッド交換作業を行う必要があるが、従来例では、その作業を簡便に行うことが困難であるという問題点があった。
本発明は、被加工試料面での光干渉により被加工材料のエッチング量を計測しエッチング終点を判定するプラズマ処理装置において、光導入部の長寿命化と採光量確保を両立し、長期安定稼動と正確なエッチング量検出による加工精度向上を可能とする手段を提供することを目的とする。
本発明のプラズマ処理装置は、真空容器内にシャワープレートを介して原料ガスを流出させる上部電極と、当該上部電極に対向して設けられ被加工試料を載置する下部電極と、前記シャワープレートを介して前記被加工試料表面からの光を検出する検出器を備え、前記シャワープレートと前記下部電極間にプラズマを生成し前記被加工試料を処理するプラズマ処理装置であって、前記検出器は、前記光が入力される光伝送体からなる光導入部と、当該光導入部で得た光を分析する分光器を備え、前記光導入部の光が入力される端面は、前記シャワープレートのプラズマ側の端面から、該真空容器内でのガス分子の平均自由工程の５倍以上の距離を置いて配置されることを特徴とする。
即ち、光伝送体ロッドの内部に空間を有する中空構造を設けた。また、光伝送体ロッドの交換を容易にするため、ロットに凸構造を設けた。さらに、光伝送体ロッドへの堆積物の付着を防止するため、中空構造内に円筒状部材を配置した。さらに、中空構造における異常なプラズマ生成を防止するため、中空構造に絶縁部材を配置する。
光検出部の端面の位置をプラズマの境界から真空容器内のガスの平均自由工程の５倍以上にすることにより、プラズマから加速されてくるイオンが無衝突で直接光導入部に到達する確率は１／１００以下となる。そのため、光導入部端面の消耗を劇的に抑制することが可能となり、光導入部の寿命を放電時間１０００時間以上とすることが可能となる。また、光伝送体ロットに凸構造を設けたことにより、ロッドの交換作業時間を１／１０以下に短縮することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明にかかるプラズマ処理装置の第１の実施例の構成を示す図であり、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の内部に配置されその内側でプラズマが形成されて半導体ウエハ等の基板状の試料が処理される空間であり、その真空容器内部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上のウエハ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０．５Ｐａ以上４Ｐａ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、構造体即ち円板状のプレート１１５が設置されており、ウエハＷまたはこれが載置される後述の下部電極１３０上面の円形の試料載置面と対向している。このプレート１１５は、円形の板状の導電性を備えた部材であって、その外周側で円板状導電体１１１に対して位置が保持されている。プレート１１５の処理室１００内のプラズマに面する略円形の部分の径は円形のウエハＷまたは試料載置面の径と同じか大きくされている。
ウエハＷ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３００ＭＨｚから９００ＭＨｚ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１００ｋＨｚ程度あるいは数ＭＨｚから１０ＭＨｚ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、３０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下、望ましくは５０ｍｍ以上１２０ｍｍ以下とする。本実施例では、アンテナ電源１２１は、４５０ＭＨｚ、アンテナバイアス電源１２２は１３．５６ＭＨｚの周波数として、ギャップは７０ｍｍ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ウエハＷを載置保持する。ウエハ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４００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚ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８００ｋＨｚとしている。さらに、下部電極１３０の下方の真空容器下部にはターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有する真空排気系１０４が接続され処理室１００の底部に配置された開口を介して処理室１００内と連通されており、真空排気系１０４の動作により処理室１００内のガスやプラズマ、生成された生成物等の粒子が処理室１００外に排出され処理室１００内部が所定の真空度の圧力にされる。
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１４０について説明する。本実施例では、計測ポート１４０は試料Ｗに対向したアンテナ１１０の内側に挿入されて取り付けられており、プレート１１５に形成された多数の貫通孔を通して、ウエハＷの表面の薄膜などの状態を垂直上方から計測できる。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中間部に限られるものではなく、１カ所のみあるいは２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１４０には、たとえば光ファイバやレンズなどの光学伝送手段１５１がプレート１１５を挟んでウエハＷの反対の側に設けられており、プラズマＰからの直接光やあるいは処理室１００内に供給された白色光等の参照光のプラズマ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、プレート１１５から光学伝送手段１５１を介して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１０４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Ｃ４Ｆ８とＡｒとＯ２が、ガス供給手段１１６から、所定の流量と混合比、たとえばＡｒ１０００
ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３ ４３ ｓｃｃｍ、ＣＦ４１０ 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２Ｐａになるように調整される。
ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３ ４３ ｓｃｃｍ、ＣＦ４１０ 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２Ｐａ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４５０ＭＨｚ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、さらにアンテナバイアス電源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３００Ｗ、アンテナバイアス電源１２３は２００Ｗ、バイアス電源１４１は１６０Ｗ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Ｗの表面状態を反映する光学情報が、計測ポート１４０を通して、光学伝送手段１５１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、プレート１１５の上方でこれに隣り合って覆う円板状導電体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。
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、プレート１１５の上方でこれに隣り合って覆う円板状導電体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に設けられたガス流出孔１１５Ａは、たとえば直径φ０．１ｍｍないしφ５ｍｍ程度、望ましくは直径φ０．３ｍｍないし直径φ２ｍｍ程度の貫通孔であり、円板状導電体１１１に設けられたガス流出孔１１１Ａは、ガス流出孔１１５Ａと同等かそれ以上の大きさとして、たとえば直径φ０．５ｍｍないしφ５ｍｍ程度、望ましくは直径φ２ｍｍ程度としている。また、プレート１１５の厚みは３ｍｍないし２０ｍｍ程度であり、本実施例では１０ｍｍとしている。
さて、プレート１１５には、計測ポート１４０がその背面に配置された相当する部分に、プレート１１５を貫通する円筒形状の孔である採光用微細孔１１５Ｂの複数が密集して形成されている。そして、プレート１１５のこれら採光用微細孔１１５Ｂの背面（プラズマＰと反対側の面）側の開口の上方であってプレート１１５の背面に近接して所定の隙間を空けて、または実質的に接していると見なせる程度に微小な隙間を介して、或いは背面に載せられて光伝送体１４１が設置されている。
本実施例の光伝送体１４１は、分離可能な上下に２つの部分を備え、下部の光伝送体１４１Ａはその下端がプレート１１５に対向または実質的に接して配置され、上部の光伝送体１４１Ｂはハウジング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１４３Ａ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からの直接光やプラズマＰの試料Ｗの表面からの反射光や干渉光が、プレート１１５の採光用微細孔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。
上部の光学伝送体１４１Ｂは、下部の光伝送体１４１Ａと光学伝送手段１５１との間に位置して光学伝送体１４１Ａから伝達された光または光学的情報を情報の光学伝送手段１５１に伝達する機能を有している。光学的伝送体１４１Ｂは、下方の径が大きくされてステップ状の段差を有する石英製の円筒形状の部材であり、下部の大径部はその径に合わせて形成された径を有した多段の段差を有する円筒形の開口の段差上面に嵌め込まれて上下方向の位置決めがされ、その上方から被せられる保持手段１４２により覆われて接地されて接地電位にされるハウジング１１４にねじ込まれて接合される。この接合の際に大径部周囲に配置されたＯリングが保持手段１４２のねじ込みによる締め付けに応じて光伝送体１４１Ｂに押し付けられて真空容器内部と外部とを気密に封止する。
本実施例では、光伝送体１４１Ａ，Ｂは石英製の段差を備えて連なった複数の異なる径の部分を有する円柱状のロッドとしている。光伝送体１４１Ａの上部の直径はφ５ｍｍからφ３０ｍｍ程度が好適であり、本実施例では直径はφ８ｍｍとしている。この光伝送体１４１Ａは計測ポート１４０が取り付けられた状態でプレート１１５の採光用微細孔１１５Ｂ側に向かい合う（対向する）端面からその内部が円柱の軸方向について所定の深さに凹まされた円筒形状の穴、謂わばくりぬかれた構造（くりぬき空間部１４１Ｃ）を備えている。
本実施例では、そのくりぬき空間部１４１Ｃの円筒形状の内径はφ６ｍｍで、深さは１５ｍｍである。採光用微細孔１１５Ｂは、ガス流出孔１１５Ａと同様に、たとえば直径φ０．１ｍｍないし直径φ５ｍｍ程度、望ましくは直径φ０．３ｍｍないしφ２ｍｍ程度の大きさであり、本実施例では直径はφ０．５ｍｍとしている。また採光用微細孔１１５Ｂは、計測感度を向上させるために複数個設けるのが望ましい。本実施例では、７個の孔が配置されている。
また、採光用微細孔１１５Ｂが形成される領域は、光伝送体１４１Ａがアンテナ１１０に取り付けられた状態で、くりぬき空間部１４１Ｃの下端の開口の内側に位置しており、光伝送体１４１Ａのくりぬき空間部１４１Ｃの外周縁が複数の採光用微細孔１１５Ｂを囲むように配置される。くりぬき空間部１４１Ｃは本実施例のように円柱形状に形成した石英部材の内部を一方の端面から他方の端面に向かって円柱の軸に沿って掘削してくりぬいても良く、円柱の部材とパイプ状の部材とを接合して形成しても良い。
さらに、光伝送体１４１Ａは、この光伝送体１４１Ａの取替え作業を容易に行うため、プレート１１５側の部分の外径がロッド直径より大きくなった構造（凸構造）をしている。本実施例では、特に、プレート１１５側の端部（下端部）が外周に向かって庇状に延在するフランジ状部分１１５Ｄを備えており、この部分の直径はφ１０ｍｍ、長さ１．５ｍｍである。そして、光伝送体１４１のくりぬき空間部１４１Ｃへの供給ガスの直接的な流入を防ぐために、光伝送体１４１の周囲には、Ｏリングなどの真空封止手段１４３Ｂや１４３Ｃが配置されている。
つまり、小径の部分である上方の円柱（円筒）形状の部分の側壁の外周囲に真空封止手段１４１ＢであるＯリングが側壁と円板状導電体１１１の内側のガス溜りの空間との間をシールして配置されている。さらにフランジ状部分１１５Ｄの外終端と円板状導電体１１１のプラズマに面する側の面（下面）に配置された円筒形の凹みの内壁面との間には真空封止手段１４３ＣであるＯリングが嵌め込まれて、円板状導電体１１１とガス流出孔１１１Ａまたは１１５Ａとの間を気密に封止している。これら２つの真空封止手段１４３Ｂ，１４３Ｃにより光電相対１４１Ａの上部に処理室１００内に導入されるガスまたは処理室１００内のプラズマ、ガス等の粒子が進入してアンテナ１１０内部または光伝送体１４１Ａ、１４１Ｂの表面を汚染することが抑制される。
さらに、円板状導電体１１１の下面の光伝送体１４１Ａが挿入される貫通孔の周囲には、上記の通り円筒形状の凹み部が配置されて、光伝送体１４１Ａが円板状導電体１１１の貫通孔内に挿入された場合にフランジ部１４１Ｄがこの凹み部の内部に収納され凹み部の段差部１１１Ｂの上面で上下方向について位置が保持され、さらにフランジ部１４１Ｄの外周側の円板状導電体１１１の凹み部内に真空封止手段１４３ＣであるＯリングも嵌め込まれて収納される。
上記の通りプレート１１５が円板状導電体１１１に対して外周側で保持されて取り付けられると、真空封止手段１４３Ｃはプレート１１５、凹み部の段差部１１１Ｄ上面または側面とフランジ部１４１Ｄとの間で挟まれて保持されると共にこれらに押し付けられることで、光伝送体１４１Ｃの内部及び採光用微細孔１１５Ｂとガス流出孔１１１Ａ及び１１５Ａとの間が封止されるとともに、光伝送体１４１Ａは上下方向および左右方向についてその位置が決められて保持される。
また、光伝送体１４１Ａ，Ｂの材質は、石英、サファイア、ＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）およびイットリア結晶（Ｙ２０３）のいずれか、好ましくは、サファイア、ＹＡＧ（イットリウム−アルミニウム−ガーネット）およびイットリア結晶（Ｙ２０３）のいずれかを用いるものとする。サファイア、ＹＡＧ、イットリア結晶は、高価ではあるが一般的に石英に比べスパッタされにくく、石英を用いる場合より長寿命化が期待される。
本実施例では、ウエハＷからの反射光をシャワープレート１１５に形成した採光用微細孔１１５Ｂおよびくりぬき空間部１４１Ｃを介して採光する光伝送体ロッド１４１Ａ，Ｂを配置している。さらに、シャワープレート１１５のプラズマＰ側から、光伝送体ロッド１４１Ａのくりぬき空間部１４１Ｃの上端（プレート１１５を挟んだプラズマＰの反対（遠い側）の端面）までの距離を真空容器１４４内でのプラズマ生成雰囲気におけるガス圧力条件にて、ガス分子の平均自由工程の５倍以上の距離になるように、くりぬき空間部１４１Ｃの長さが設定されている。
シャワープレート１１５に施された採光用微細孔１１５Ｂは、プラズマＰの遮蔽機能を有する。本実施例では、採光用微細孔１１５Ｂのそれぞれの孔径は、０．５ｍｍである。これにより、くりぬき空間部１４１ＣにはプラズマＰ内のガス、荷電粒子等は浸入できない。そして、本実施例によれば、処理室からプレート１１５の背面に形成されたくりぬき空間部１４１Ｃの奥に配置された光伝送体ロッド１４１の端面は、プラズマＰから十分離れた場所に配置される。すなわち、本実施例では、長さ１５ｍｍのくりぬき空間部１４１Ｃを介して光伝送体ロッド端面が配置されている。
したがって、プラズマＰから光伝送体ロッド端面までの距離が２５ｍｍとなり、２Ｐａ雰囲気でのガス分子の平均自由工程の７〜８倍の距離を得ている。よって、光導入用ロッド端面はイオンの照射がほとんどなく、端面が消耗する機会が減少して長い寿命を得ることができる。このように、光伝送体ロッド１４１内にくりぬき空間部１４１Ｃを設けることにより、光伝送体ロッド１４１の寿命を延ばす効果があるとともに、光伝送体ロッド１４１を外周側に凸構造としたことにより、作業者が光伝送体１４１を掴んで取り扱いやすくなり部品交換作業時間の短縮化の効果がある。
また、くりぬき空間部１４１Ｃの内径を約φ５ｍｍ以上としたことにより、伝送体ロッド１４１Ａの洗浄を容易に行うことでき再生利用が可能となり、交換部品のコストを低減できる効果がある。さらに、本実施例では、光伝送体１４１は下部の飛皆伝送体１４１Ａと上部の光伝送体１４１Ｂとに分割されて構成されている。これらの光伝送体１４１Ａ，Ｂは各々が円板状導電体１１１及びハウジング１１４の貫通孔内に挿入されてアンテナ１１０内に保持される構成であって、各凹み部の段差部１１１Ｂおよびハウジング１１４の段差部１１４Ａの面上で各々が位置決めされている。
上部の光伝送体１４１Ｂは保持手段１４２のねじ込みによって真空封止手段１４３Ａと保持手段１４２とから段差部１１４Ａの上面に押し付けられて上下方向の位置が決められて保持される。また、下部の光伝送体１４１Ａは、ハウジング１１４が上方に回動して処理室１００内が開放されプレート１１５が円板状導電体１１１に対して取り外された状態でアンテナ１１０または円板状導電体１１１とほぼ垂直に着脱される構成であって、円板状導電体１１１の貫通孔に嵌め込まれてフランジ部１４１Ｄが凹み部の段差部１１１Ｂ内に嵌められ、更に外周側に真空封止手段１４３Ｃが凹み部内に装着されてプレート１１５が取り付けられると、フランジ部１４１Ｄの円板状導電体１１１に対向する（上）面が段差部１１１Ｂの面に対して位置決めされる。
例えば、Ｏリングである真空封止手段１４３Ｃはプレート１１５とフランジ部１４１Ｄとの間に位置してフランジ部１４１Ｄに対して円板状導電体１１１の段差部１１１Ｂ方向に（ハウジング１１４が閉じられた状態で上方向）に押し付ける力を印加して光伝送体１４１Ａを円板状導電体１１１（の段差部１１１Ｂ）と真空封止手段１４３Ｃ（またはプレート１１５）との間で挟持して上下方向の位置を決めることができる。
この場合、フランジ部１４１Ｄのプレート側の端面とプレート１１５の背面との間は微小な隙間が形成されており、この隙間の大きさは供給される高周波の電界による異常放電が生じない程度の値になるように段差部１１１Ｂの形状及びフランジ部１４１Ｄの形状が構成されている。或いはフランジ部１４１Ｄとプレート１１５の背面との間が接続または実質的に接触していると見なせる程度に近接して配置される一方で、フランジ部１４１Ｄと円板状導電体１１１の段差部１１１Ｂとの間に異常放電が生じない程度に微小な隙間が形成されるようにしてもよい。
さらに、上下で各々位置決めされる円筒形状の光伝送体１４１Ａ，Ｂの上端面、下端面との間も、上記高周波の電界によって異常放電が生じない程度に微小な隙間となるように各々位置決めらされている。このような位置決めにより、光伝送体１４１Ａ，Ｂの周囲及びこれら同士間での隙間に異常な放電が生じることが抑制されるとともに、処理室１００内の光が採光用微細孔１１５Ｂ、くりぬき空間部１４１Ｃを通って光伝送体１４１Ａを透過して光伝送体１４１Ｂへ伝達される際の異常な反射や屈折による減衰が抑制され、くりぬき空間部１４１Ｃ内のプラズマＰの粒子による汚染や損傷等に起因する光学的減衰の抑制と併せて、光伝送体１４１の信頼性が向上される。
図３を用いて、平均自由工程の倍数に対する分子・原子の無衝突での通過割合を示す。分子・原子の無衝突での通過割合は、平均自由工程の倍数に対して指数関数的に減少する。図３より、平均自由工程の約５倍の距離を分子・原子が通過すると、無衝突で通過できる確率は１％以下となり、ほとんどの原子・分子は気相中で衝突し初期の運動エネルギーを失うことになる。平均自由工程が７〜８倍程度の距離では、無衝突で通過できる確率は０．１％以下となる。
よって、本実施例で示した構成により、プラズマＰから加速されたイオンが、光伝送体ロッド端面に無衝突で到達するイオンは、０．１％以下となる。従来方法であるシャワープレート１１５の直後に光伝送体ロッド端面を配置する場合は、平均自由工程が２〜３倍であるため、図３に従えば、光伝送体ロッド端面に無衝突で到達するイオンの割合は、５％〜１５％程度である。したがって、本実施例の構成は、従来の構成に比べて光伝送体ロッド端面に無衝突で到達するイオンの割合は、１／５０〜１／１５０であり、光伝送体ロッド端面の寿命を大幅に延命することが可能となる。実際の評価の結果、本実施例の形態では、従来方式の５倍以上で１０００時間の放電時間に対しても十分な採光量を確保することが示された。
［変形例１］
本発明の変形例を、図４を用いて説明する。図４は、第１の実施例の図２と同様に、計測ポート１４０の詳細構造を示す図である。図４では、光伝送体ロッド１４１のくりぬき空間部１４１Ｃに内部に筒状部材１４５を備えたことを特徴とする。筒状部材１４５は、光伝送体ロッド１４１のくりぬき空間部１４１Ｃの内側に配置された構造となっている。
本発明の変形例を、図４を用いて説明する。図４は、第１の実施例の図２と同様に、計測ポート１４０の詳細構造を示す図である。図４では、光伝送体ロッド１４１のくりぬき空間部１４１Ｃに内部に筒状部材１４５を備えたことを特徴とする。筒状部材１４５は、光伝送体ロッド１４１のくりぬき空間部１４１Ｃの内側に配置された構造となっている。
筒状部材１４５が配置されていない場合は、くりぬき空間部１４１Ｃで散乱されたイオンや分子・原子は、くりぬき空間部１４１Ｃの側壁に付着し、側壁に堆積物が蓄積し、光伝送体ロッド１４１端面の寿命より短い使用時間のうちに、側壁に付着した堆積物が剥がれ、異物となりエッチング処理の量産工程が中断させ、光伝送体ロッド１４１の取替え作業が必要となる可能性がある。筒状部材１４５を光伝送体ロッド１４１のくりぬき空間部１４１Ｃに内部に設置することにより、散乱されたイオンや分子・原子の堆積物を筒状部材１４５の内壁に蓄積させ、取替え作業の際に筒状部材１４５の交換だけの短時間作業で行う事が可能となる。
また、筒状部材１４５によりくりぬき空間部１４１Ｃ内で壁面が多重に構成されることになり、またこれらの内壁に凹凸をつける内壁表面積を大きくする事により、筒状部材１４５の内壁堆積物の厚みを薄くすることができ、筒状部材１４５取替え寿命を長くする事ができる。例えば、内径φ４．５ｍｍ長さ１４．５ｍｍの円筒状部材１４５に内径φ４．７５ｍｍの溝幅０．１ｍｍの凹凸を加工した場合、内壁の表面積は２３０．５ｍｍ２は７７０ｍｍ２となり表面積は約３．３、また溝幅０．０１ｍｍの凹凸を加工した場合の表面積は５５０８ｍｍ２溝で約７倍となり寿命を延ばすことが可能である。
このように、筒状部材１４５を配置することにより、光伝送体ロッド１４１の寿命を延ばす効果があるとともに、異物発生時の部品交換作業時間の短縮化の効果がある。また、光伝送体ロッド１４１の寿命を延ばすことにより交換部品のコストを低減できる効果がある。なお、複数の採光用微細孔１１５Ｂの少なくとも１つをくりぬき空間部１４１Ｃのプレート側端部の内壁の外周縁と筒状部材１４５の端部の外周縁との間に配置して、両者の間の空間にプラズマＰからの粒子が進入するようにしても良い。
［変形例２］
本発明の第２の変形例を、図５を用いて説明する。図５は、第１の実施例の図２と同様に、計測ポート１４０の詳細構造を示す図である。図４では、光伝送体ロッド１４１の円筒状の凹み部であるくりぬき空間部１４１Ｃに内部にその中心の軸に合わせてくりぬき空間部１４１Ｃの底部からプレート１１５の背面に向かって延在する円柱状の石英から構成される絶縁部材部１４６を備えたことを特徴とする。
本発明の第２の変形例を、図５を用いて説明する。図５は、第１の実施例の図２と同様に、計測ポート１４０の詳細構造を示す図である。図４では、光伝送体ロッド１４１の円筒状の凹み部であるくりぬき空間部１４１Ｃに内部にその中心の軸に合わせてくりぬき空間部１４１Ｃの底部からプレート１１５の背面に向かって延在する円柱状の石英から構成される絶縁部材部１４６を備えたことを特徴とする。
円柱状の絶縁部材部１４６は光伝送体１４１Ａ本体の形成の際に併せて一体に形成しても良く、また別の円柱状の部品を作成後に光伝送体１４１Ａのくりぬき空間部１４１Ｃ内に挿入して嵌め合わせて両者を一体に構成しても良い。なお、絶縁体部１４６のプレート１１５側先端とこれが対向するプレート１１５背面との間には微小な隙間があり、このプレート１１５背面の部分には採光用微細孔１１５Ｂは配置されないことが好ましい。
絶縁部材部１４６が配置されていない場合は、エッチング条件（ガス圧力が高い場合やアンテナ電源１２１のパワが高い場合、アンテナ高周波電源１２３のパワが高い場合、または、バイアス電源１４１のパワは高い場合など）によっては、光伝送体ロッド１４１を取り囲む円板状導電体１１１が作る電場によりくりぬき空間部１４１Ｃに強い電界（中空電界）が形成されることがある。
この電界によりくりぬき空間部１４１Ｃのイオンが加速されガスを電離し、くりぬき空間部１４１Ｃにプラズマを生成させることがある。この電界強度はくりぬき空間部の中央が強いので、この領域に絶縁部材部１４６を挿入することにより、イオンの加速と電離を抑制し、プラズマ生成を防止することが可能である。また、絶縁部材部１４６のプレート１１５側の採光用微細孔１１５Ｂからのイオン流入を防ぐために、絶縁部材部１４６直下の採光用微細孔は存在しない方が絶縁部材部１４６の寿命を延ばす。このように、絶縁部材部１４６を挿入することにより、異常なプラズマ生成を防止し、光伝送体ロッド１４１の寿命を延ばす効果がある。
１００ 処理室
１０１ 磁場形成手段
１０２ 処理室側壁
１０３ 真空室
１０４ 真空排気系
１０５ 圧力制御手段
１１０ アンテナ
１１１ 円板状導電体
１１１Ａ ガス流出孔
１１２ 誘電体
１１３ 誘電体リング
１１４ ハウジング
１１５ プレート
１１５Ａ ガス流出孔
１１５Ｂ 採光用微細孔
１１６ ガス供給手段
１２０ アンテナ電源系
１２１ アンテナ電源
１２２ マッチング回路・フィルタ系
１２３ アンテナ
１２４ マッチング回路・フィルタ系
１２５ マッチング回路・フィルタ系
１２６ 導入端子
１３０ 下部電極
１３１ 静電吸着装置
１３２ 試料台リング
１３３ 絶縁体
１３４ バイアス電源
１３５ マッチング回路・フィルタ系
１４０ 計測ポート
１４１，１４１Ａ，１４１Ｂ 光伝送体
１４１Ｃ くりぬき空間部
１４２ 保持手段
１４３ 真空封止手段
１４３Ａ 真空封止手段
１４３Ｂ 真空封止手段
１４３Ｃ 真空封止手段
１４５ 筒状部材
１４６ 絶縁部材部
１５１ 光学伝送手段
１５２ 計測器
１５３ 計測器制御・演算手段
１５４ システム制御手段
１５５ 制御インタフェース
Ｐ プラズマ
Ｗ ウエハ
１０１ 磁場形成手段
１０２ 処理室側壁
１０３ 真空室
１０４ 真空排気系
１０５ 圧力制御手段
１１０ アンテナ
１１１ 円板状導電体
１１１Ａ ガス流出孔
１１２ 誘電体
１１３ 誘電体リング
１１４ ハウジング
１１５ プレート
１１５Ａ ガス流出孔
１１５Ｂ 採光用微細孔
１１６ ガス供給手段
１２０ アンテナ電源系
１２１ アンテナ電源
１２２ マッチング回路・フィルタ系
１２３ アンテナ
１２４ マッチング回路・フィルタ系
１２５ マッチング回路・フィルタ系
１２６ 導入端子
１３０ 下部電極
１３１ 静電吸着装置
１３２ 試料台リング
１３３ 絶縁体
１３４ バイアス電源
１３５ マッチング回路・フィルタ系
１４０ 計測ポート
１４１，１４１Ａ，１４１Ｂ 光伝送体
１４１Ｃ くりぬき空間部
１４２ 保持手段
１４３ 真空封止手段
１４３Ａ 真空封止手段
１４３Ｂ 真空封止手段
１４３Ｃ 真空封止手段
１４５ 筒状部材
１４６ 絶縁部材部
１５１ 光学伝送手段
１５２ 計測器
１５３ 計測器制御・演算手段
１５４ システム制御手段
１５５ 制御インタフェース
Ｐ プラズマ
Ｗ ウエハ
Claims (7)
- 真空容器内にシャワープレートを介して原料ガスを流出させる上部電極と、当該上部電極に対向して設けられ被加工試料を載置する下部電極と、前記シャワープレートを介して前記被加工試料表面からの光を検出する検出器を備え、前記シャワープレートと前記下部電極間にプラズマを生成し前記被加工試料を処理するプラズマ処理装置において、
前記検出器は、前記光が入力される光伝送体からなる光導入部と、当該光導入部で得た光を分析する分光器を備え、
前記光導入部の光が入力される端面は、前記シャワープレートのプラズマ側の端面から、該真空容器内でのガス分子の平均自由工程の５倍以上の距離を置いて配置されることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記シャワープレートは、前記原料ガスが通過する複数のガス用貫通孔と、前記被加工試料からの光を通過させる光導入用貫通孔を備え、
前記上部電極は、前記シャワープレートと、当該シャワープレートの前記ガス用貫通孔に連通するように原料ガス用の通路が形成されたガス通過部材と、高周波電源に接続された放電用部材の積層構造体であり、
前記光導入部は、前記放電用部材に備えられることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記シャワープレートは、前記原料ガスが通過する複数のガス用貫通孔と、前記被加工試料からの光を通過させる光導入用貫通孔を備え、
前記上部電極は、前記シャワープレートと、当該シャワープレートの前記ガス用貫通孔に連通するように原料ガス用の通路が形成されたガス通過部材と、高周波電源に接続された放電用部材の積層構造体であり、
前記光導入部は、前記放電用部材に備えられ、
前記光導入部は光導入部端面とシャワープレートとの間に、空間部を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項３記載のプラズマ処理装置において、前記光導入部は石英製の円柱状のロッドから形成され、前記空間部は前記円柱状のロッドの内部がくりぬかれた構造のくりぬき空間部であることを特徴とするプラズマ処理装置。
- 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
前記光導入部は、外形が凸構造を持つ部材であることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
前記光導入部の前記空間部の内部に、筒状部材を配置することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
前記光導入部の前記空間部の中央部に、絶縁部材の突起構造を持つことを特徴とするプラズマ処理装置。
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