JP2009206344A - Apparatus and method for processing plasma - Google Patents

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仁 田村
Motohiro Tanaka
基裕 田中
Yasuhiro Nishimori
康博 西森
Masamichi Sakaguchi
正道 坂口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the rate of operation in a plasma processing apparatus and maintain appropriate plasma processing capacity for a long period. <P>SOLUTION: The plasma processing apparatus includes: a processing chamber which includes a substrate electrode 112 to place a substrate to be processed and a gas supply device 109 to supply a process gas at a specified flow rate; a vacuum discharge means 118 which can control pressure or gas density in the processing chamber and change gas discharging speed; and a mechanism 101 to generate plasma in the processing chamber. Thus, the density of a gas in the processing chamber is controlled uniform by the mechanism for measuring the density thereof based on the measured gas density. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理技術に関わり、長期のプラズマ処理に対しても処理特性の変動を防止するのに好適なプラズマ処理装置および処理方法に関する。   The present invention relates to a plasma processing technique for plasma processing a substrate to be processed, and relates to a plasma processing apparatus and a processing method suitable for preventing fluctuations in processing characteristics even for long-term plasma processing.

プラズマ処理装置において、プラズマ処理を長期間に渡り続けると、初期の処理性能を維持することが困難となることがある。この場合、何らかの保守作業を行うことで、装置の状態を初期化して、プラズマ処理を再開することが行われる。なお、前記保守作業の直後は所望のプラズマ処理性能を得られないことが多く、予備放電等を行ってプラズマ処理室等の状態を調整することが必要となる。これらの保守作業や予備放電等の作業量や頻度が高くなると生産性を悪化させる。このため、長期間に渡ってプラズマ処理特性を維持することは重要な課題となっている。   In the plasma processing apparatus, if the plasma processing is continued for a long time, it may be difficult to maintain the initial processing performance. In this case, by performing some maintenance work, the state of the apparatus is initialized and the plasma processing is restarted. In many cases, the desired plasma processing performance cannot be obtained immediately after the maintenance work, and it is necessary to adjust the state of the plasma processing chamber or the like by performing preliminary discharge or the like. When the amount and frequency of such maintenance work and preliminary discharge increase, productivity deteriorates. For this reason, maintaining plasma processing characteristics over a long period of time is an important issue.

例えば、プラズマエッチング装置の場合、長期間のエッチング処理により、エッチング処理の加工形状が徐々に悪化したり、処理室内に堆積した反応生成物等が被処理基板上に付着してプラズマ処理特性を悪化させることがある。この場合の保守作業としては、処理室内に堆積した反応生成物等の除去や装置内部品の交換等を行うことが多い。しかし、これらの保守作業は通常真空状態に排気している処理室を大気開放して行うことが多く、処理室を再び使用可能な状態に戻すために長時間を要することが多い。   For example, in the case of a plasma etching apparatus, the processing shape of the etching process gradually deteriorates due to a long-term etching process, or reaction products deposited in the processing chamber adhere to the substrate to be processed and the plasma processing characteristics deteriorate. There are things to do. As maintenance work in this case, removal of reaction products accumulated in the processing chamber and replacement of parts in the apparatus are often performed. However, these maintenance operations are usually performed with the processing chamber being evacuated to a vacuum state open to the atmosphere, and it often takes a long time to return the processing chamber to a usable state again.

従来技術を用いたプラズマ処理特性安定化に関する公知例として、特許文献1がある。特許文献1には、被処理基板に印加するバイアスのピークトゥピーク電圧をモニタし設定値に制御することでプラズマエッチング処理の安定化を図ることが示されている。   There is Patent Document 1 as a publicly known example relating to stabilization of plasma processing characteristics using the prior art. Patent Document 1 discloses that the plasma etching process is stabilized by monitoring the peak-to-peak voltage of the bias applied to the substrate to be processed and controlling it to a set value.

また、従来技術を用いたプラズマ処理特性安定化に関する公知例として、特許文献2がある。特許文献2には、処理室の圧力制御用バルブの開度とバイアス電圧の両者をモニタし、一方または両者が予め設定された値から外れた場合にメンテナンスを行うことが示されている。   Moreover, there is Patent Document 2 as a publicly known example relating to stabilization of plasma processing characteristics using the prior art. Patent Document 2 shows that both the opening degree and the bias voltage of the pressure control valve in the processing chamber are monitored, and maintenance is performed when one or both deviate from a preset value.

また、従来技術を用いたプラズマ処理特性安定化に関する公知例として、特許文献3がある。特許文献3には、プラズマエッチングにおいて、自己バイアス電圧を測定し、測定値に基づいて高周波電力を調整してエッチングを行い、さらに各バッチで測定した自己バイアス電圧が等しくなるように高周波電力を制御することが示されている。
特開平8−199378号公報 特開2005−183756号公報 特開平8−165585号公報
Moreover, there is Patent Document 3 as a publicly known example relating to stabilization of plasma processing characteristics using the prior art. In Patent Document 3, in plasma etching, self-bias voltage is measured, high-frequency power is adjusted based on the measured value, etching is performed, and high-frequency power is controlled so that the self-bias voltage measured in each batch becomes equal. Has been shown to do.
JP-A-8-199378 JP 2005-183756 A JP-A-8-165585

しかしながら、特許文献1記載の技術では、被処理基板に印加するバイアスのピークトゥピーク電圧が変化する原因については考慮されていない。そのためピークトゥピーク電圧が変化する未知の原因により派生的に発生するプラズマ処理特性の経時変化については防止できない。   However, the technique described in Patent Document 1 does not consider the cause of the change in the peak-to-peak voltage of the bias applied to the substrate to be processed. Therefore, it is not possible to prevent a change in plasma processing characteristics with time due to an unknown cause of a change in peak-to-peak voltage.

また、特許文献2記載の技術では、メンテナンス間のプラズマ処理特性の経時変化については考慮されていない。例えばメンテナンスを実施後、次のメンテナンスを実施するまでの間のプラズマ処理特性の経時変化は防止できない。   Further, the technique described in Patent Document 2 does not take into account changes with time in plasma processing characteristics during maintenance. For example, it is not possible to prevent a change in plasma processing characteristics with time after the maintenance is performed until the next maintenance is performed.

また、特許文献3記載の技術では、自己バイアス電圧を変動させる要因については考慮されていない。そのため自己バイアス電圧を変化させる未知の原因により派生的に発生するプラズマ処理特性の経時変化については防止できない。   Further, the technique described in Patent Document 3 does not consider factors that cause the self-bias voltage to fluctuate. For this reason, it is impossible to prevent the time-dependent change in the plasma processing characteristics that is generated due to an unknown cause of changing the self-bias voltage.

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、プラズマ処理装置の稼働率を高め、長期間に渡り良好なプラズマ処理性能を維持することのできるプラズマ処理技術を提供するものである。   The present invention has been made in view of these problems, and provides a plasma processing technique capable of increasing the operating rate of a plasma processing apparatus and maintaining good plasma processing performance over a long period of time.

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。   In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.

被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、前記処理室内にプラズマを発生する機構とを備えたプラズマ処理装置において、前記処理室内のガス密度を測定する機構を備え、測定したガス密度をもとに処理室内のガス密度を一定に制御する。   A processing chamber provided with a substrate electrode for mounting a substrate to be processed and a gas supply device for supplying a processing gas at a predetermined flow rate, a vacuum exhaust means having a variable exhaust speed capable of controlling the pressure or gas density of the processing chamber, A plasma processing apparatus having a mechanism for generating plasma in the processing chamber is provided with a mechanism for measuring the gas density in the processing chamber, and the gas density in the processing chamber is controlled to be constant based on the measured gas density.

本発明は、以上の構成を備えるため、プラズマ処理装置の稼働率を高め、長期間に渡り良好なプラズマ処理性能を維持することができる。   Since the present invention has the above-described configuration, the operating rate of the plasma processing apparatus can be increased and good plasma processing performance can be maintained over a long period of time.

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態にかかるプラズマエッチング装置の概略を示す図である。マイクロ波源101から発振されたマイクロ波は方形導波管103を用いて伝送され、方形円形導波管変換機104により、円形導波管105に接続される。自動整合機102は、負荷インピーダンスを調整して反射波を自動的に抑制することができる。マイクロ波源としては発振周波数2.45GHzのマグネトロンを用いた。マイクロ波源保護のためにアイソレータ119を用いた。   Hereinafter, the best embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a plasma etching apparatus according to the present embodiment. Microwaves oscillated from the microwave source 101 are transmitted using the rectangular waveguide 103 and connected to the circular waveguide 105 by the rectangular circular waveguide converter 104. The automatic matching machine 102 can automatically suppress the reflected wave by adjusting the load impedance. As the microwave source, a magnetron having an oscillation frequency of 2.45 GHz was used. An isolator 119 was used to protect the microwave source.

円形導波管105は空洞共振部106に接続される。空洞共振部106はマイクロ波電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する働きを持つ。空洞共振部106の下部にはマイクロ波導入窓107、シャワープレート108を介してプラズマ処理室110がある。シャワープレート108はプラズマ処理室110に発生するプラズマに直接曝されるため、プラズマ耐性が高く、プラズマ処理に悪影響を及ぼさない材質が望ましい。マイクロ波導入窓107、シャワープレート108の材質としてはマイクロ波を効率よく透過し、プラズマ処理室を気密に保持する材料として石英を用いた。   The circular waveguide 105 is connected to the cavity resonance unit 106. The cavity resonance unit 106 has a function of adjusting the microwave electromagnetic field distribution to a distribution suitable for plasma processing. Below the cavity resonator 106 is a plasma processing chamber 110 via a microwave introduction window 107 and a shower plate 108. Since the shower plate 108 is directly exposed to the plasma generated in the plasma processing chamber 110, a material that has high plasma resistance and does not adversely affect the plasma processing is desirable. As a material for the microwave introduction window 107 and the shower plate 108, quartz was used as a material that efficiently transmits microwaves and keeps the plasma processing chamber airtight.

マイクロ波導入窓107とシャワープレート108の間には図示しない微小な間隙が設けられており、プラズマ処理に用いる処理ガスの供給系109より供給されるガスが供給される。シャワープレート108には図示しない微細なガス供給孔が複数設けられ、処理ガスをプラズマ処理室110にシャワー状に供給する。プラズマ処理室110内には被処理基板111を戴置するための基板電極112が設置されている。基板電極112には被処理基板111にバイアス電力を供給するために自動整合機113を介してバイアス電源114が接続されている。バイアス電源の周波数として400kHzのものを用いた。   A minute gap (not shown) is provided between the microwave introduction window 107 and the shower plate 108, and a gas supplied from a processing gas supply system 109 used for plasma processing is supplied. The shower plate 108 is provided with a plurality of fine gas supply holes (not shown) to supply the processing gas to the plasma processing chamber 110 in a shower shape. A substrate electrode 112 for placing a substrate to be processed 111 is installed in the plasma processing chamber 110. A bias power supply 114 is connected to the substrate electrode 112 via an automatic matching machine 113 in order to supply bias power to the substrate 111 to be processed. A frequency of 400 kHz was used as the frequency of the bias power source.

プラズマ処理室110の周囲には静磁界発生装置115が設けられ、プラズマ処理室110内に静磁界を加えることができる。電子サイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数が一致した場合にマイクロ波の電力が電子に共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴現象を用いると、通常はプラズマの発生が困難な高真空領域でもプラズマの発生が可能となり、プラズマ処理可能な領域が拡大する効果がある。また静磁界をプラズマ処理室に加えることでプラズマの損失を抑制しプラズマの着火性を高めたり、静磁界の分布を調整することでプラズマの発生領域や拡散を制御してプラズマの分布を制御することができる。 プラズマ分布の制御により、被処理基板111に施すプラズマ処理の均一性を制御することができる。マイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、電子サイクロトロン共鳴を起こす静磁界の大きさは0.0875テスラとなる。この場合、電子サイクロトロン共鳴現象を活用するにはプラズマ処理室内に0.0875テスラの静磁界を発生させる必要があり、処理室内の任意の場所にこの大きさの静磁界を発生させることができる静磁界発生装置を用いることが望ましい。静磁界の発生装置として多段の電磁石を用いた。多段の電磁石を用いることにより静磁界分布と大きさの調整が電磁石に流す電流により容易に制御できる効果がある。   A static magnetic field generator 115 is provided around the plasma processing chamber 110, and a static magnetic field can be applied to the plasma processing chamber 110. When the electron cyclotron resonance phenomenon, in which the microwave power is resonantly absorbed by electrons when the electron cyclotron frequency matches the microwave frequency, plasma is generated even in a high vacuum region where it is usually difficult to generate plasma. It becomes possible, and there is an effect that a region where plasma treatment can be performed is expanded. In addition, by applying a static magnetic field to the plasma processing chamber, plasma loss is suppressed and plasma ignitability is enhanced, and by adjusting the distribution of the static magnetic field, the plasma generation region and diffusion are controlled to control the plasma distribution. be able to. By controlling the plasma distribution, it is possible to control the uniformity of plasma processing performed on the substrate 111 to be processed. When the microwave frequency is 2.45 GHz, the magnitude of the static magnetic field that causes electron cyclotron resonance is 0.0875 Tesla. In this case, in order to utilize the electron cyclotron resonance phenomenon, it is necessary to generate a static magnetic field of 0.0875 Tesla in the plasma processing chamber, and a static magnetic field capable of generating a static magnetic field of this magnitude in any place in the processing chamber. It is desirable to use a magnetic field generator. A multistage electromagnet was used as a static magnetic field generator. By using a multi-stage electromagnet, there is an effect that the adjustment of the static magnetic field distribution and the size can be easily controlled by the current flowing through the electromagnet.

プラズマ処理室110はバルブ116、コンダクタンス可変バルブ117を介して接続された真空排気ポンプ118が接続され、排気されている。真空排気ポンプ118として排気側をロータリーポンプにより排気したターボ分子ポンプを用いた。プラズマ処理室110の圧力は圧力計120によりモニタしている。処理ガスの供給系109により供給されるガスやエッチング処理時に発生するガス等のガスを排気する排気速度をコンダクタンス可変バルブにより自動的に制御して、一定の圧力を保持する機構を設けた。   The plasma processing chamber 110 is evacuated by a vacuum exhaust pump 118 connected through a valve 116 and a conductance variable valve 117. As the vacuum exhaust pump 118, a turbo molecular pump whose exhaust side was exhausted by a rotary pump was used. The pressure in the plasma processing chamber 110 is monitored by a pressure gauge 120. There is provided a mechanism for maintaining a constant pressure by automatically controlling the exhaust speed for exhausting a gas such as a gas supplied by the processing gas supply system 109 or a gas generated during the etching process using a conductance variable valve.

プラズマエッチング特性の長期にわたる安定性を評価するために、図1に示すプラズマエッチング装置を用いて、装置のパラメータをモニタしながらエッチング処理を続ける実験を行った。処理室内および処理室内の部品を洗浄して装置を初期化し、実験を開始した。 モニタしたパラメータは、石英天板温度、圧力調整弁の開度(VV開度と表記)、処理ガスに含まれる不活性ガスの発光強度、バイアス電圧のピークトゥピーク電圧(Vppと表記)である。またプラズマエッチング時の処理ガスに不活性ガスを添加しており、この不活性ガスに起因するプラズマ発光の強度も併せてモニタした。さらに、プラズマエッチング特性のモニタとして、プラズマエッチングにより線状のパターンを加工した場合の線幅を測定した。形成された線状パターンの線幅からマスクパターンの線幅を差し引いた値を評価し、図に加工寸法として表記した。図7、図8に初期の値を100%として示す。   In order to evaluate the long-term stability of the plasma etching characteristics, an experiment was carried out using the plasma etching apparatus shown in FIG. 1 to continue the etching process while monitoring the parameters of the apparatus. The processing chamber and parts inside the processing chamber were cleaned to initialize the apparatus, and the experiment was started. The monitored parameters are the temperature of the quartz top plate, the opening of the pressure regulating valve (denoted as VV opening), the emission intensity of the inert gas contained in the processing gas, and the peak-to-peak voltage (denoted as Vpp) of the bias voltage. . Further, an inert gas was added to the processing gas at the time of plasma etching, and the intensity of plasma emission due to the inert gas was also monitored. Furthermore, as a monitor of plasma etching characteristics, the line width when a linear pattern was processed by plasma etching was measured. A value obtained by subtracting the line width of the mask pattern from the line width of the formed linear pattern was evaluated, and expressed as a processing dimension in the figure. 7 and 8 show the initial value as 100%.

エッチング処理を続けると、主にプラズマからの入熱により石英天板の温度で代表される処理室温度が上昇した。プラズマ処理時の処理室内圧力を所定の値を維持するよう、コンダクタンス可変バルブにより真空排気系の排気速度を調整しているが、処理室の温度上昇に伴い該コンダクタンス可変バルブのコンダクタンスが増加して排気速度が増大した。不活性ガスに起因するプラズマ発光の強度は減少傾向にあった。さらにバイアス電源の出力一定としているが、処理室温度上昇に伴いバイアス出力のピークトゥピーク電圧(Vpp)が減少する結果となった。また加工寸法は細くなる傾向にあった。   When the etching process was continued, the temperature of the processing chamber represented by the temperature of the quartz top increased mainly due to heat input from the plasma. The evacuation speed of the evacuation system is adjusted by a conductance variable valve so that the processing chamber pressure during plasma processing is maintained at a predetermined value. However, the conductance of the conductance variable valve increases as the temperature of the processing chamber increases. Pumping speed increased. The intensity of plasma emission due to the inert gas tended to decrease. Furthermore, although the output of the bias power source is constant, the peak-to-peak voltage (Vpp) of the bias output decreases as the processing chamber temperature rises. In addition, the processing dimensions tended to become thinner.

排気速度の増大傾向は、処理室の温度が上昇すると、処理室内のガス温度が上昇して圧力が増大するため、排気速度を上げて圧力を一定とするように制御が働いた結果であると考えられる。不活性ガスの発光強度は不活性ガスの密度に概略比例すると考えられ、発光強度の減少はガス密度の減少を示すと考えられる。また、Vppの減少傾向はプラズマ密度が増加してプラズマのインピーダンスが下がったためと考えられる。圧力一定で温度が上昇した場合、ガスの密度は低下するが、ガス密度とプラズマ密度の関係はガス分子により異なり、ガス密度低下によりプラズマ密度が低下するガスと、逆にガス密度低下によりプラズマ密度が増加するガスがある。実験に用いたハロゲン系ガスの場合、ガス密度の低下に伴いプラズマ密度が増加した。ハロゲン系ガスの場合、電子がガス分子に付着し負イオンを生成する確率が高いため、ガス密度が低下することで電子の密度が増加したものと考えられる。そのためVpp減少の原因はガス密度の低下であると考えられる。Vppが下がるとプラズマから被処理基板に引き込むイオンのエネルギーが減少し、これに伴い加工寸法の変動が生じたものと考えられる。   The increasing tendency of the exhaust speed is the result of the control that increases the exhaust speed and keeps the pressure constant because the gas temperature in the processing chamber rises and the pressure increases when the temperature of the processing chamber rises. Conceivable. The emission intensity of the inert gas is considered to be approximately proportional to the density of the inert gas, and a decrease in emission intensity is considered to indicate a decrease in gas density. Moreover, the decreasing tendency of Vpp is thought to be because the plasma density increased and the plasma impedance decreased. When the temperature rises at a constant pressure, the gas density decreases, but the relationship between the gas density and the plasma density varies depending on the gas molecule, and the gas density decreases due to the gas density decrease, and conversely the plasma density decreases due to the gas density decrease. There is an increasing gas. In the case of the halogen-based gas used in the experiment, the plasma density increased as the gas density decreased. In the case of a halogen-based gas, since the probability that electrons attach to gas molecules and generate negative ions is high, it is considered that the density of electrons increased due to a decrease in gas density. Therefore, the cause of the decrease in Vpp is considered to be a decrease in gas density. When Vpp is lowered, the energy of ions drawn from the plasma to the substrate to be processed is reduced, and it is considered that the processing dimension fluctuates accordingly.

上記の過程をまとめると以下のようになり、エッチング処理に用いるガスの温度上昇がガス密度の低下、Vppの低下を介して加工寸法の変動をもたらしたと発明者は考察した。   The above process is summarized as follows, and the inventor considered that an increase in the temperature of the gas used for the etching process caused a change in processing dimensions through a decrease in gas density and a decrease in Vpp.

(1)処理室温度上昇
(2)ガス温度上昇
(3)圧力一定制御によりガス密度低下
(4)プラズマ密度増加
(5)バイアス電力一定制御によりVpp減少
(6)加工寸法の変動
ところで、理想気体について処理室内のガス温度とガス密度の関係は式(1)で表されることが知られている。
(1) Process chamber temperature increase (2) Gas temperature increase (3) Gas density decrease by constant pressure control (4) Plasma density increase (5) Vpp decrease by constant bias power control (6) Variation in machining dimensions By the way, ideal gas It is known that the relationship between the gas temperature in the processing chamber and the gas density is expressed by equation (1).

PV=nRT・・・式(1)
ここで
P: 処理室の圧力(Pa)
V: 処理室の体積(m3)
n: ガス分子の量(mol)
R: 気体定数(=8.314J/K/mol)
T: ガス温度(K:絶対温度)
実在のガスについてはガス分子の大きさ等により厳密には式(1)が満足されないが、近似的に式(1)が成立すると考えてよい。ガスの温度が変動すると、ほぼ式(1)に従い処理室内の圧力が変動する。上記のプラズマ処理室のように処理室圧力を一定に制御する場合、ガス温度が上昇すると、圧力を維持するためにガス密度が低下することがわかる。
PV = nRT (1)
Where P: processing chamber pressure (Pa)
V: Volume of processing chamber (m3)
n: amount of gas molecules (mol)
R: Gas constant (= 8.314 J / K / mol)
T: Gas temperature (K: Absolute temperature)
Strictly speaking, the equation (1) is not satisfied for an actual gas due to the size of gas molecules, but it may be considered that the equation (1) is approximately established. When the gas temperature fluctuates, the pressure in the processing chamber fluctuates substantially according to equation (1). When the processing chamber pressure is controlled to be constant as in the plasma processing chamber described above, it can be seen that when the gas temperature rises, the gas density decreases in order to maintain the pressure.

実在のガスに関しても式(1)に修正を施した式が古くから提案されており、たとえば基礎物理化学、Walter J. Moore著、細矢治夫、湯田坂雅子 訳、東京化学同人、等に記載されている。 As for the actual gas, a formula obtained by correcting the formula (1) has been proposed for a long time, for example, Basic Physical Chemistry, Walter J. et al. It is described by Moore, Haruo Hosoya, Masako Yudasaka, Tokyo Kagaku Doujin, etc.

この結果から、エッチング速度に代表されるエッチング特性の安定化を図るためには、下記の方策適用が有効である。   From this result, in order to stabilize the etching characteristics represented by the etching rate, application of the following measures is effective.

(1)処理室温度の安定化
処理室温度を安定化するために、処理室周囲にヒータを設置し所定の温度に加熱するほか、石英天板上にヒータを設置して作動させ、所定の温度に達した後、エッチング処理を開始することで処理室温度の安定化を図る。石英天板加熱用のヒータとして、石英天板にエネルギーを吸収する電磁波を照射する機構を用いても良い。石英天板上に設置したヒータはエッチング処理開始前に取り外しても良い。
(1) Stabilization of the processing chamber temperature In order to stabilize the processing chamber temperature, a heater is installed around the processing chamber and heated to a predetermined temperature, and a heater is installed on the quartz top plate and operated. After reaching the temperature, the processing chamber temperature is stabilized by starting the etching process. As a heater for heating the quartz top plate, a mechanism for irradiating the quartz top plate with electromagnetic waves that absorb energy may be used. The heater installed on the quartz top plate may be removed before starting the etching process.

図2は処理室加熱機構を説明する図である。プラズマ処理室側面を加熱するヒータ201とマイクロ波導入窓を加熱するヒータ202がある。ヒータは温度をモニタしながら所定の温度に保持する制御機構を有している。本実施例では両者共100℃に設定した。マイクロ波導入窓を加熱するヒータ202は着脱自在となっており、プラズマ処理を行う前にマイクロ波導入窓に設置して所定の温度まで加熱する。所定の温度に達した後、ヒータ202を取り外し、プラズマ処理を開始する。プラズマ処理を続けて行いマイクロ波導入窓付近の温度が安定している場合にはヒータ202によるマイクロ波導入窓の加熱は省略することができる。ヒータ202によるマイクロ波導入窓の加熱は前のプラズマ処理後長時間が経過した場合や、大気開放等の後の真空排気時間等、マイクロ波導入窓が冷えた場合に行うことが有効である。   FIG. 2 is a diagram illustrating the processing chamber heating mechanism. There are a heater 201 for heating the side surface of the plasma processing chamber and a heater 202 for heating the microwave introduction window. The heater has a control mechanism that maintains a predetermined temperature while monitoring the temperature. In this example, both were set to 100 ° C. The heater 202 for heating the microwave introduction window is detachable, and is installed in the microwave introduction window and heated to a predetermined temperature before plasma processing. After reaching a predetermined temperature, the heater 202 is removed and plasma processing is started. When the plasma treatment is continued and the temperature near the microwave introduction window is stable, the heating of the microwave introduction window by the heater 202 can be omitted. The heating of the microwave introduction window by the heater 202 is effective when a long time has elapsed after the previous plasma treatment, or when the microwave introduction window has cooled down, such as a vacuum exhaust time after opening to the atmosphere or the like.

プラズマ処理を長時間続けた場合に処理室内面が到達する飽和温度付近になるよう、ヒータ201、ヒータ202の温度を設定することが望ましい。   It is desirable to set the temperatures of the heater 201 and the heater 202 so that the surface of the processing chamber is close to the saturation temperature reached when the plasma processing is continued for a long time.

以下に述べるガス温度の安定化に用いるガスの加熱機構を用いてプラズマ処理に先立ち加熱したガスにより処理室を加熱し、処理室温度を安定化することも効果的である。処理室加熱のため処理室に流すガスはアルゴンや窒素等の化学的に不活性なガスであることが望ましい。またガスを流すことにより処理室内面などに付着した反応生成物などを予め除去することによりプラズマ処理特性を低下させる物質を排出させる効果もある。   It is also effective to stabilize the processing chamber temperature by heating the processing chamber with a gas heated prior to the plasma processing using a gas heating mechanism used for gas temperature stabilization described below. The gas flowing into the processing chamber for heating the processing chamber is preferably a chemically inert gas such as argon or nitrogen. Moreover, there is also an effect of discharging a substance that deteriorates plasma processing characteristics by previously removing reaction products and the like attached to the inside of the processing chamber by flowing a gas.

(2)ガス温度の安定化
ガス温度を安定化するために、ガス配管に加熱機構を設け、加熱したガスをプラズマ処理室に供給する。処理室内のガス温度を直接モニタすることは困難であるため、石英天板の温度が所定の温度になることを確認して、エッチング処理を開始することで、ガス温度の安定化を図ることができる。
(2) Stabilization of gas temperature In order to stabilize the gas temperature, a heating mechanism is provided in the gas pipe, and the heated gas is supplied to the plasma processing chamber. Since it is difficult to directly monitor the gas temperature in the processing chamber, it is possible to stabilize the gas temperature by starting the etching process after confirming that the temperature of the quartz top plate reaches a predetermined temperature. it can.

図3にガスの加熱機構を示す。ガス供給機構109から処理用のガスを供給する配管にガス加熱機構301を設けた。ガス加熱機構は100℃に設定した。加熱された処理ガスはマイクロ波導入窓107とシャワープレート108の間のガス流路を通過するためマイクロ波導入窓107とシャワープレート108も昇温されていることが望ましい。そのためにプラズマ処理に先立ち上述の処理室温度の安定化に記載した方法を用いてマイクロ波導入窓等を予備加熱しておくことが望ましい。   FIG. 3 shows a gas heating mechanism. A gas heating mechanism 301 is provided in a pipe for supplying a processing gas from the gas supply mechanism 109. The gas heating mechanism was set to 100 ° C. Since the heated processing gas passes through the gas flow path between the microwave introduction window 107 and the shower plate 108, it is desirable that the microwave introduction window 107 and the shower plate 108 are also heated. Therefore, it is desirable to preheat the microwave introduction window and the like using the method described in the stabilization of the processing chamber temperature described above prior to the plasma processing.

(3)ガス密度の安定化
ガス密度を安定化するために、図4に示す測定系でガス密度を測定した。本ガス密度の測定系は図1に示す圧力計120と置き換えるかまたは併用して使用する。ガス密度を測定する処理室401にガス温調機構付き配管402を介して圧力計403が接続されている。ガス温調機構付き配管402は配管内部に多孔質のセラミックス材が設置されており、配管内を通過するガス分子はセラミックス材と衝突し、セラミックス材と同じ温度に温調される。セラミックス材は外部から所定の温度に制御されている。セラミックス材を低温にするとプラズマ処理時の反応生成物が付着しやすくなる場合があり、高めの温度に設定することが望ましい。本実施例では100℃に設定した。制御したガス温度と測定した圧力からガス密度を算出し、処理室のガス密度制御に利用することができる。圧力計403として圧力計自身の温度を所定の値に制御する機構を有するかまたは圧力計の温度を測定して圧力計測値を補正する機能を持つ圧力計を用いることが望ましい。さらに圧力計403の温度を制御する場合、ガス温調機構付き配管402と同じ温度に制御することが望ましい。本実施形態では圧力計403を100℃に制御した。
(3) Stabilization of gas density In order to stabilize the gas density, the gas density was measured by the measurement system shown in FIG. This gas density measuring system is used in place of or in combination with the pressure gauge 120 shown in FIG. A pressure gauge 403 is connected to a processing chamber 401 for measuring the gas density via a pipe 402 with a gas temperature control mechanism. In the pipe 402 with a gas temperature control mechanism, a porous ceramic material is installed inside the pipe, and gas molecules passing through the pipe collide with the ceramic material and are adjusted to the same temperature as the ceramic material. The ceramic material is controlled to a predetermined temperature from the outside. When the temperature of the ceramic material is lowered, reaction products at the time of plasma treatment may easily adhere, and it is desirable to set the temperature higher. In this example, the temperature was set to 100 ° C. The gas density can be calculated from the controlled gas temperature and the measured pressure and used for gas density control in the processing chamber. As the pressure gauge 403, it is desirable to use a pressure gauge having a mechanism for controlling the temperature of the pressure gauge itself to a predetermined value or having a function of correcting the pressure measurement value by measuring the temperature of the pressure gauge. Furthermore, when controlling the temperature of the pressure gauge 403, it is desirable to control to the same temperature as the piping 402 with a gas temperature control mechanism. In this embodiment, the pressure gauge 403 is controlled to 100 ° C.

上記の例ではガス温度を所定の値に制御したが、多孔質セラミックスの温度を測定することでガス温度をモニタし、得られたガス温度と圧力からガス密度を算出しても良い。   In the above example, the gas temperature is controlled to a predetermined value. However, the gas temperature may be monitored by measuring the temperature of the porous ceramics, and the gas density may be calculated from the obtained gas temperature and pressure.

セラミックスの材質としてはプラズマダメージに強く、広い温度範囲で安定、熱伝達率の高い物質が望ましい。本実施形態では酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスを用いた。   The ceramic material is preferably a material that is resistant to plasma damage, stable over a wide temperature range, and has a high heat transfer coefficient. In this embodiment, a ceramic mainly composed of aluminum oxide is used.

多孔質セラミックスとしてガス分子の通過しやすいものを用いると、処理室圧力の変動に対する圧力測定の時間的な応答性が高くなる効果がある反面、ガス温度の制御性が低下する。逆にガス温度の制御性を高めるためにガス分子の通過しにくい多孔質セラミックスを用いると、応答性が悪化する。応答速度とガス温度の制御性の観点から最適な多孔質セラミックスを選定する必要がある。   When porous ceramics that allow gas molecules to pass through are used, there is an effect of increasing the temporal response of pressure measurement to fluctuations in the processing chamber pressure, but the controllability of gas temperature is reduced. Conversely, if porous ceramics that hardly allow gas molecules to pass therethrough are used in order to improve controllability of the gas temperature, the responsiveness deteriorates. It is necessary to select an optimum porous ceramic from the viewpoint of response speed and controllability of gas temperature.

図5は、ガス温調機構付き配管402の他の例示す図である。温調された配管を曲げることでガス分子の配管内面との衝突確率を高め、配管を通過するガスの温度を温調機構501により所定の温度に制御している。配管内面とガス分子の衝突が多い場合には配管の曲げは省略しても良いし、途中にバルブ等を備えても良い。   FIG. 5 is a view showing another example of the pipe 402 with the gas temperature control mechanism. The probability of collision of gas molecules with the inner surface of the pipe is increased by bending the temperature-controlled pipe, and the temperature of the gas passing through the pipe is controlled to a predetermined temperature by the temperature control mechanism 501. When there are many collisions between the inner surface of the pipe and gas molecules, the bending of the pipe may be omitted or a valve or the like may be provided in the middle.

また本実施形態ではガス温度と圧力からガス密度を算出して制御する例を説明したが、ガス温度を一定に制御する場合には、圧力計403で計測される圧力を一定としても同様の効果が得られる。またガス温度を測定する場合には、ガス密度に代えて所定のガス温度に換算した場合の圧力を算出し、これを用いて制御しても良い。通常は処理室の圧力を一定として制御する場合が多いので、従来例と比較しやすくなる効果がある。   In the present embodiment, an example in which the gas density is calculated and controlled from the gas temperature and pressure has been described. However, when the gas temperature is controlled to be constant, the same effect can be obtained even if the pressure measured by the pressure gauge 403 is constant. Is obtained. Moreover, when measuring gas temperature, it replaces with gas density and calculates the pressure at the time of converting into predetermined gas temperature, and you may control using this. Usually, since the pressure in the processing chamber is often controlled to be constant, there is an effect of facilitating comparison with the conventional example.

上記の例では、圧力計の計測値とガス温度によりガス密度を算出したが、直接ガス密度を測定する機構を用いても良い。またガス温度を温調した配管等により制御する例を示したが、ある時点での圧力測定値を基準として用いてガス温度の変動を算出し、ガス密度の補正を行っても良い。   In the above example, the gas density is calculated from the measured value of the pressure gauge and the gas temperature, but a mechanism for directly measuring the gas density may be used. Moreover, although the example which controls by the piping etc. which temperature-controlled gas temperature was shown, the fluctuation | variation of gas temperature may be calculated using the pressure measured value at a certain time as a reference, and gas density correction may be performed.

図10は、ガス密度を測定する機構の他の例を説明する図である。処理室401にガス密度計1004が接続されている。ガス密度計1004は複数の計測器1002,1003と分岐配管1001により構成されている。1台の計測器でガス密度を正しく測定できることが望ましいが、ガスの種類や温度に応じて安定にガス密度を測定できない場合に、異なる計測器1002と計測器1003を併用することでガス密度を測定することが出来る。計測器1002と計測器1003は異なる測定原理により圧力またはガス密度を測定する。例えば、計測器1002と計測器1003とではそれぞれ圧力測定値のガス温度依存性が異なる。例えば、計測器1002として比較的ガス温度によらず、圧力を安定に計測できる計測器を用い、計測器1003として比較的ガス温度に依存して、圧力指示値が変化する計測器を用いる。両計測器の圧力とガス温度依存性を予め計測しておき、データベース化しておく。このデータベースから計測器1002の圧力指示値と計測器1003の圧力指示値によりガス温度を算出することが可能である。   FIG. 10 is a diagram for explaining another example of a mechanism for measuring a gas density. A gas density meter 1004 is connected to the processing chamber 401. The gas density meter 1004 includes a plurality of measuring instruments 1002 and 1003 and a branch pipe 1001. It is desirable that the gas density can be measured correctly with one measuring instrument, but when the gas density cannot be measured stably according to the type and temperature of the gas, the gas density can be adjusted by using different measuring instruments 1002 and 1003 together. It can be measured. Measuring instrument 1002 and measuring instrument 1003 measure pressure or gas density according to different measurement principles. For example, the measurement instrument 1002 and the measurement instrument 1003 have different gas temperature dependencies of the pressure measurement values. For example, a measuring instrument that can stably measure pressure regardless of the gas temperature is used as the measuring instrument 1002, and a measuring instrument that changes the pressure indication value relatively depending on the gas temperature is used as the measuring instrument 1003. The pressure and gas temperature dependency of both measuring instruments are measured in advance and stored in a database. The gas temperature can be calculated from the pressure indication value of the measuring instrument 1002 and the pressure indication value of the measuring instrument 1003 from this database.

図13は、ガス温度依存性の異なる2つの計測器を用いて真の圧力とガス温度を算出する方法を説明する図である。図13は縦軸に真の圧力、横軸にガス温度を取り、計測器の圧力指示値が一定となる線を表示した模式図である。計測器1002と計測器1003の真の圧力に対する圧力指示値とガス温度の依存性を予め取得しておく。実線1301で計測器1002、破線1302で計測器1003の特性を表示する。計測器1002と計測器1003の各圧力指示値に対応する線の交点から真の圧力とガス温度を算出することができる。図13に示す例では計測器1002がガス温度に関係なく一定の圧力指示値を示し、計測器1003でガス温度が高温の場合に圧力指示値が真の圧力に対し高めになる場合を示す。図13より明らかなように、ガス温度と真の圧力の測定を精度良く行うためには各計測器のガス温度に対する特性の差が大きい2つの計測器を選択することが望ましい。言い換えると2つの計測器の特性を図13のように表示した場合に、両者の特性を示す実線1301と破線1302の交点付近で両線が90度に近い角度で交差することが望ましい。   FIG. 13 is a diagram for explaining a method for calculating a true pressure and a gas temperature using two measuring instruments having different gas temperature dependencies. FIG. 13 is a schematic diagram in which a true pressure is taken on the vertical axis, a gas temperature is taken on the horizontal axis, and a line indicating a constant pressure indication value of the measuring instrument is displayed. The dependence of the pressure indication value and the gas temperature on the true pressure of the measuring instrument 1002 and the measuring instrument 1003 is acquired in advance. The solid line 1301 displays the characteristics of the measuring instrument 1002, and the broken line 1302 displays the characteristics of the measuring instrument 1003. The true pressure and gas temperature can be calculated from the intersection of the lines corresponding to the pressure indication values of the measuring instrument 1002 and the measuring instrument 1003. In the example shown in FIG. 13, the measuring instrument 1002 shows a constant pressure indication value regardless of the gas temperature, and the measuring instrument 1003 shows a case where the pressure indication value is higher than the true pressure when the gas temperature is high. As apparent from FIG. 13, in order to accurately measure the gas temperature and the true pressure, it is desirable to select two measuring instruments having a large difference in characteristics with respect to the gas temperature of each measuring instrument. In other words, when the characteristics of the two measuring instruments are displayed as shown in FIG. 13, it is desirable that the two lines intersect at an angle close to 90 degrees near the intersection of the solid line 1301 and the broken line 1302 indicating the characteristics of the two measuring instruments.

次に、圧力計に用いられる代表的な圧力の測定原理について以下に簡単に説明する。最初にキャパシタンスマノメータと呼ばれる圧力計で用いられる圧力の測定原理を図11を用いて説明する。キャパシタンスマノメータ1101は処理室401と同じ圧力になるよう配管1105で接続された測定室1102と隔壁1104により分離された基準室1103に分離されている。基準室1103内には既知のガスが封入され既知の圧力に調整、保持されている。隔壁1104はそれぞれ測定室1102内のガス分子1107、基準室1103内のガス分子1106の衝突による力を各部屋に接する面より受ける。この力の差は基準室1103と測定室1102の圧力差により生じるもので、この力の差を測定することで測定室1102の圧力を測定することが出来る。この力は隔壁1104の変形量から測定する。隔壁1104の変形量は隔壁1104と対向して設置した図示しない面との静電容量の変化を測定することで算出することが多い。   Next, a typical pressure measurement principle used in a pressure gauge will be briefly described below. First, the principle of pressure measurement used in a pressure gauge called a capacitance manometer will be described with reference to FIG. The capacitance manometer 1101 is separated into a measurement chamber 1102 connected by a pipe 1105 and a reference chamber 1103 separated by a partition wall 1104 so as to have the same pressure as the processing chamber 401. A known gas is sealed in the reference chamber 1103 and adjusted and held at a known pressure. The partition walls 1104 receive forces from collisions between the gas molecules 1107 in the measurement chamber 1102 and the gas molecules 1106 in the reference chamber 1103 from the surfaces in contact with the rooms. This force difference is caused by the pressure difference between the reference chamber 1103 and the measurement chamber 1102, and the pressure in the measurement chamber 1102 can be measured by measuring this force difference. This force is measured from the amount of deformation of the partition wall 1104. In many cases, the deformation amount of the partition wall 1104 is calculated by measuring a change in electrostatic capacitance with a surface (not shown) provided to face the partition wall 1104.

キャパシタンスマノメータによる圧力測定原理は上記で説明したように、圧力により隔壁に加わる力を直接測定するもので、測定雰囲気のガス温度等が変化しても正しい圧力を示すことが期待できる。しかし隔壁に加わる力は微小な場合が多く、この微小な力を測定する際に周囲温度等の外乱を受ける場合があり、市販のキャパシタンスマノメータでは外乱の影響を最小限に留めるための工夫を行っている場合が多い。   As described above, the principle of pressure measurement using a capacitance manometer directly measures the force applied to the partition wall by pressure, and it can be expected that the correct pressure is exhibited even if the gas temperature in the measurement atmosphere changes. However, there are many cases where the force applied to the partition wall is very small, and when measuring this small force, disturbances such as ambient temperature may occur, and commercially available capacitance manometers are devised to minimize the influence of the disturbance. There are many cases.

次にピラニ真空計と呼ばれる圧力計で用いられる圧力の測定原理について図12を用いて説明する。圧力を測定する処理室401にピラニ真空計1201が接続されている。ピラニ真空計1201は内部に線状の高温部1203があり、測定雰囲気のガス分子1202が高温部1203に衝突することで熱を奪う。高温部1203から奪われた熱量を計測することで雰囲気の圧力を測定することができる。一般に低圧では衝突するガス分子数が少なく奪われる熱量は小さいが、高圧ではガス分子の衝突頻度が高く多くの熱量が奪われる。市販のピラニ真空計では高温部1203は例えばタングステンや白金材料が用いられることが多い。高温部1203には電流を流して加熱し、例えば200℃程度の一定温度に維持したときに奪われる熱量から圧力を算出することが多い。   Next, the measurement principle of pressure used in a pressure gauge called a Pirani gauge will be described with reference to FIG. A Pirani gauge 1201 is connected to the processing chamber 401 for measuring pressure. The Pirani gauge 1201 has a linear high-temperature part 1203 inside, and takes heat by the gas molecules 1202 in the measurement atmosphere colliding with the high-temperature part 1203. The atmospheric pressure can be measured by measuring the amount of heat taken from the high temperature part 1203. In general, at low pressure, the number of gas molecules that collide is small and the amount of heat lost is small, but at high pressure, the collision frequency of gas molecules is high and a large amount of heat is lost. In the commercially available Pirani gauge, for example, tungsten or platinum material is often used for the high temperature portion 1203. The high temperature part 1203 is heated by flowing an electric current, and the pressure is often calculated from the amount of heat taken when the temperature is kept at a constant temperature of about 200 ° C., for example.

ピラニ真空計では直接圧力を測定するのではなく、奪われる熱量を測定して圧力に換算する。一般にガス中の熱の伝達は同じ圧力でもガス種により異なるため、ピラニ真空計ではガス種により測定される圧力に差が生じることになる。また測定雰囲気ガスへの熱伝達で圧力を測定するため、ガス温度による影響を受けやすい。   The Pirani gauge does not measure pressure directly, but measures the amount of heat lost and converts it to pressure. In general, since the heat transfer in the gas differs depending on the gas type even at the same pressure, the Pirani vacuum gauge has a difference in the pressure measured by the gas type. Moreover, since the pressure is measured by heat transfer to the measurement atmosphere gas, it is easily affected by the gas temperature.

このようにキャパシタンスマノメータとピラニ真空計ではガス温度に対する依存性が異なり、図12における計測器1002と計測器1003として使用することができる。しかし他の計測器1002と計測器1003として用いる計測器はガス温度に対する圧力指示値の特性が異なればよく、他の計測器あるいは計測方法を用いても良い。   Thus, the capacitance manometer and the Pirani vacuum gauge have different dependencies on the gas temperature, and can be used as the measuring instrument 1002 and the measuring instrument 1003 in FIG. However, other measuring instruments 1002 and measuring instruments used as the measuring instrument 1003 only need to have different pressure indication value characteristics with respect to the gas temperature, and other measuring instruments or measuring methods may be used.

図13において複数の特性の異なる計測器を組み合わせて用いることでガス密度を測定する方法について説明したが、ガスの温度と圧力は式(1)の関係に従うことから、基準となるガスの温度と圧力の測定データを準備しておくことでガスの密度または温度を測定することが出来る。以下の手順1から手順3に説明する方法を用いてガス密度またはガス温度を測定しても良い。   Although the method for measuring the gas density by using a combination of measuring instruments having different characteristics in FIG. 13 has been described, the temperature and pressure of the gas follow the relationship of the equation (1). Gas density or temperature can be measured by preparing pressure measurement data. The gas density or gas temperature may be measured using the method described in Procedure 1 to Procedure 3 below.

手順1
装置の温度が安定した状態で所定の排気速度に調整し、所定流量の所定ガスを流して、処理室の圧力を測定し、基準圧力P0[Pa]とする。この状態のガス温度を絶対温度T0[K]とする。なお、装置各部が常温の場合にはガス温度が常温であると推定して式(1)に従い、ガス密度(ガス分子の量を処理室体積で除した値)を計算しても良い。
Step 1
The apparatus is adjusted to a predetermined exhaust speed while the temperature of the apparatus is stable, and a predetermined gas at a predetermined flow rate is flowed to measure the pressure in the processing chamber to obtain a reference pressure P0 [Pa]. The gas temperature in this state is defined as an absolute temperature T0 [K]. In addition, when each part of the apparatus is at room temperature, the gas density (a value obtained by dividing the amount of gas molecules by the volume of the processing chamber) may be calculated according to Equation (1) assuming that the gas temperature is normal temperature.

手順2
手順1の基準圧力を測定した場合と同じ条件(所定の排気速度、所定流量の所定ガスを流す)にて処理室の圧力を測定する。このときの測定結果をP1[Pa]とする。推定するガス温度を絶対温度T1[K]とし、T1を式(2)により計算する。
Step 2
The pressure in the processing chamber is measured under the same conditions as in the case of measuring the reference pressure in Procedure 1 (a predetermined exhaust velocity and a predetermined flow of a predetermined gas are allowed to flow). The measurement result at this time is P1 [Pa]. The estimated gas temperature is defined as an absolute temperature T1 [K], and T1 is calculated by Equation (2).

T1=(P1/P0)*T0 ・・・・式(2)
手順3
ガス密度(ガス分子の量を処理室体積で除した値)を式(1)に従い求める。
T1 = (P1 / P0) * T0 (2)
Step 3
The gas density (value obtained by dividing the amount of gas molecules by the volume of the processing chamber) is obtained according to the equation (1).

(4)プラズマ密度の安定化
プラズマ密度の変動を抑制するために、下記方策が有効である。
(4) Stabilization of plasma density The following measures are effective to suppress fluctuations in plasma density.

1.プラズマ発生用マイクロ波電力の制御
2.ガス密度の安定化
図6は、プラズマ発生用マイクロ波電力の制御について説明する図である。被処理基板には前述の様に自動整合機、基板電極を介してバイアス電圧が加えられる。バイアス電圧のピークトゥピーク電圧(以下Vpp値)はVppモニタ601により測定され、モニタ値は制御器602に伝えられる。基板電極、被処理基板、プラズマに加えられたバイアス電圧はそれぞれのインピーダンスに応じて分圧されるが、基板電極、被処理基板のインピーダンスは低いのでピークトゥピーク電圧はほぼプラズマに印加される。そのためVppモニタの計測値でプラズマのインピーダンス変動をモニタすることができる。さらにプラズマ密度の変動は直接プラズマインピーダンスに反映するため、結果的にVpp値でプラズマ密度変動をモニタすることができる。バイアス電力が一定の場合、高いVpp値は低いプラズマ密度に対応し、低いVpp値は高いプラズマ密度に対応する。
1. 1. Control of microwave power for plasma generation Stabilization of Gas Density FIG. 6 is a diagram for explaining control of microwave power for plasma generation. As described above, a bias voltage is applied to the substrate to be processed through the automatic aligner and the substrate electrode. The peak-to-peak voltage (hereinafter referred to as Vpp value) of the bias voltage is measured by the Vpp monitor 601, and the monitor value is transmitted to the controller 602. The bias voltage applied to the substrate electrode, the substrate to be processed, and the plasma is divided according to the respective impedances. However, since the impedance of the substrate electrode and the substrate to be processed is low, the peak-to-peak voltage is almost applied to the plasma. Therefore, it is possible to monitor the impedance fluctuation of the plasma with the measured value of the Vpp monitor. Furthermore, since the plasma density fluctuation is directly reflected in the plasma impedance, the plasma density fluctuation can be monitored as a result of the Vpp value. When the bias power is constant, a high Vpp value corresponds to a low plasma density and a low Vpp value corresponds to a high plasma density.

上述の様にVpp値でプラズマ密度をモニタできる。またプラズマ密度はマイクロ波電力で制御できる。Vpp値によりプラズマ密度を監視し、マイクロ波電力によりプラズマ密度を制御することができる。制御器602はVpp値が低下するとプラズマ密度が増大したと判断し、マイクロ波発振器603に低いマイクロ波出力設定信号を送る。マイクロ波発振器603はマイクロ波出力設定信号に従い、マイクロ波電力を出力し、出力されたマイクロ波電力はマイクロ波出力モニタ604でモニタされる。逆にVpp値が増加すると制御器602は逆の動作をする。制御器の動作によりプラズマ密度を安定化することが可能となる。   As described above, the plasma density can be monitored by the Vpp value. The plasma density can be controlled by microwave power. The plasma density can be monitored by the Vpp value, and the plasma density can be controlled by the microwave power. The controller 602 determines that the plasma density has increased when the Vpp value decreases, and sends a low microwave output setting signal to the microwave oscillator 603. The microwave oscillator 603 outputs microwave power according to the microwave output setting signal, and the output microwave power is monitored by the microwave output monitor 604. Conversely, when the Vpp value increases, the controller 602 performs the reverse operation. The operation of the controller can stabilize the plasma density.

(5)バイアスピークトゥピーク電圧の安定化
図9は、被処理基板にバイアス電位を印加する系統を説明する図である。バイアス電源からの出力は自動整合機を介して基板電極部に伝送される。基板電極部は主に被処理基板の温度制御機構や被処理基板の保持機構からなる。被処理基板の保持機構は静電チャック機構を用いた。基板電極部には電圧をモニタするための電圧検出部が設けられている。被処理基板の電圧はプラズマ処理特性に大きな影響を与えるため、被処理基板の電圧を直接モニタすることが望ましい。しかし静電チャック機構により被処理基板を保持しているため、被処理基板の電圧を直接モニタすることは困難であり、静電チャック機構のバイアス電源側に電圧検出部を設け、この位置の電圧をモニタしている。
(5) Stabilization of Bias Peak-to-Peak Voltage FIG. 9 is a diagram illustrating a system for applying a bias potential to a substrate to be processed. The output from the bias power source is transmitted to the substrate electrode unit via the automatic matching machine. The substrate electrode portion mainly includes a temperature control mechanism for the substrate to be processed and a holding mechanism for the substrate to be processed. The holding mechanism for the substrate to be processed was an electrostatic chuck mechanism. The substrate electrode part is provided with a voltage detection part for monitoring the voltage. Since the voltage of the substrate to be processed greatly affects the plasma processing characteristics, it is desirable to directly monitor the voltage of the substrate to be processed. However, since the substrate to be processed is held by the electrostatic chuck mechanism, it is difficult to directly monitor the voltage of the substrate to be processed. A voltage detector is provided on the bias power source side of the electrostatic chuck mechanism, and the voltage at this position is Is being monitored.

静電チャック機構は電気的には容量の大きなコンデンサとして働くため、高周波に対する電圧降下は小さく、実効的に被処理基板の高周波電圧をモニタしているとして良い。ただし、静電チャック機構は直流的には大きなインピーダンスを持っており、図9に示す電圧検出部の位置では被処理基板の直流電位のモニタはできない。より高精度に被処理基板の電位を検出したい場合には、予め基板保持機構のインピーダンスを測定しておき、さらに電圧検出部に加えて経路を流れる電流の検出部を付加して、基板保持機構での電圧降下を算出して補正することで被処理基板の電位をより正確にモニタすることができる。   Since the electrostatic chuck mechanism works as a capacitor having a large capacity electrically, the voltage drop with respect to the high frequency is small, and the high frequency voltage of the substrate to be processed may be effectively monitored. However, the electrostatic chuck mechanism has a large impedance in terms of direct current, and the direct current potential of the substrate to be processed cannot be monitored at the position of the voltage detector shown in FIG. If you want to detect the potential of the substrate to be processed with higher accuracy, measure the impedance of the substrate holding mechanism in advance, and add a detection unit for the current flowing through the path in addition to the voltage detection unit. By calculating and correcting the voltage drop at, the potential of the substrate to be processed can be monitored more accurately.

電圧検出部112からの電圧信号は制御器901に伝えられる。制御器901では被処理基板111の電圧を所望の値に保つようバイアス電源114の出力電力を制御するための電力信号をバイアス電源に送る。   A voltage signal from the voltage detector 112 is transmitted to the controller 901. The controller 901 sends a power signal for controlling the output power of the bias power supply 114 to the bias power supply so as to keep the voltage of the substrate 111 to be processed at a desired value.

なお、本発明は第1図に示すプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、他のプラズマ発生方法によるプラズマエッチング装置にも適用可能である。   The present invention is not limited to the plasma etching apparatus shown in FIG. 1, but can be applied to plasma etching apparatuses using other plasma generation methods.

以上説明したように、本実施形態によれば、プラズマ処理室温度、プラズマ処理室内のガス温度、ガス密度、プラズマ密度、バイアスピークトゥピーク電圧などのプラズマ処理に関わるパラメータを安定化することにより、プラズマ処理装置の稼働率が向上し生産性改善が可能となる。   As described above, according to the present embodiment, by stabilizing parameters related to plasma processing such as plasma processing chamber temperature, gas temperature in the plasma processing chamber, gas density, plasma density, and bias peak-to-peak voltage, The operating rate of the plasma processing apparatus is improved and productivity can be improved.

実施形態にかかるプラズマエッチング装置の概略を示す図である。It is a figure showing the outline of the plasma etching device concerning an embodiment. 処理室加熱機構を説明する図である。It is a figure explaining a process chamber heating mechanism. ガスの加熱機構を説明する図である。It is a figure explaining the heating mechanism of gas. ガス密度の測定系を説明する図である。It is a figure explaining the measurement system of a gas density. ガス温調機構付き配管の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of piping with a gas temperature control mechanism. プラズマ発生用マイクロ波電力の制御について説明する図である。It is a figure explaining control of the microwave electric power for plasma generation. 加工寸法の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of a processing dimension. 加工寸法の変化を説明する図である。It is a figure explaining the change of a processing dimension. 被処理基板にバイアス電位を印加する系統を説明する図である。It is a figure explaining the system | strain which applies a bias potential to a to-be-processed substrate. ガス密度を測定する機構の他の例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of the mechanism which measures a gas density. キャパシタンスマノメータで用いられる圧力の測定原理を説明する図である。It is a figure explaining the measurement principle of the pressure used with a capacitance manometer. ピラニ真空計の測定原理について説明する図である。It is a figure explaining the measurement principle of a Pirani gauge. ガス温度依存性の異なる2つの計測器を用いて真の圧力とガス温度を算出する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of calculating a true pressure and gas temperature using two measuring instruments from which gas temperature dependence differs.

符号の説明Explanation of symbols

101 マイクロ波発生装置
102 自動整合機
103 方形導波管
104 方形円形導波管変換機
105 円形導波管
106 空洞共振部
107 マイクロ波導入窓
108 シャワープレート
109 ガス供給装置
110 プラズマ処理室
111 被処理基板
112 基板電極
113 自動整合機
114 バイアス電源
115 静磁界発生装置
201 ヒータ
202 ヒータ
301 ガス加熱機構
401 処理室
402 ガス温調機構付き配管
403 圧力計
501 温調機構
601 Vppモニタ
1001 分岐配管
1002 計測器
1003 計測器
1004 ガス密度計
1101 キャパシタンスマノメータ
1102 測定室
1103 基準室
1104 隔壁
1105 配管
1106 ガス分子
1107 ガス分子
1201 ピラニ真空計
1202 測定雰囲気のガス分子
1203 高温部
1301 計測器1002の特性
1302 計測器1003の特性
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Microwave generator 102 Automatic matching machine 103 Rectangular waveguide 104 Rectangular circular waveguide converter 105 Circular waveguide 106 Cavity resonance part 107 Microwave introduction window 108 Shower plate 109 Gas supply apparatus 110 Plasma processing chamber 111 Processed Substrate 112 Substrate electrode 113 Automatic alignment machine 114 Bias power supply 115 Static magnetic field generator 201 Heater 202 Heater 301 Gas heating mechanism 401 Processing chamber 402 Pipe with gas temperature adjustment mechanism 403 Pressure gauge 501 Temperature adjustment mechanism 601 Vpp monitor 1001 Branch pipe 1002 Measuring instrument 1003 Measuring instrument 1004 Gas density meter 1101 Capacitance manometer 1102 Measurement chamber 1103 Reference chamber 1104 Bulkhead 1105 Pipe 1106 Gas molecule 1107 Gas molecule 1201 Pirani vacuum gauge 1202 Gas molecule 1203 in measurement atmosphere High temperature Part 1301 Characteristic 1302 of Measuring Instrument 1002 Characteristic of Measuring Instrument 1003

Claims (7)

被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、
該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、
前記処理室内にプラズマを発生する機構とを備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内のガス密度を測定する機構を備え、測定したガス密度をもとに処理室内のガス密度を一定に制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
A processing chamber including a substrate electrode on which a substrate to be processed is placed and a gas supply device for supplying a processing gas at a predetermined flow rate;
Evacuation means with variable evacuation speed capable of controlling the pressure or gas density of the processing chamber;
A plasma processing apparatus including a mechanism for generating plasma in the processing chamber;
A plasma processing apparatus comprising a mechanism for measuring a gas density in the processing chamber and controlling the gas density in the processing chamber to be constant based on the measured gas density.
請求項1記載のプラズマ処理装置において、
ガス密度の測定機構は、圧力計、ガス温度の測定機構を備え、前記圧力計の圧力信号と前記ガス温度の測定機構のガス温度信号からガス密度を算出することを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1,
The gas density measuring mechanism includes a pressure gauge and a gas temperature measuring mechanism, and calculates a gas density from a pressure signal of the pressure gauge and a gas temperature signal of the gas temperature measuring mechanism.
請求項1記載のプラズマ処理装置において、
ガス密度の測定機構は、圧力計、ガス温度の制御機構を備え、前記圧力計の圧力信号と前記ガス温度の制御機構のガス温度信号からガス密度を算出することを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1,
The gas density measuring mechanism includes a pressure gauge and a gas temperature control mechanism, and calculates a gas density from a pressure signal of the pressure gauge and a gas temperature signal of the gas temperature control mechanism.
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、前記処理室内にプラズマを発生する機構を備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内の圧力を測定する機構、該圧力を測定する機構の内部を満たすガスの温度を測定する機構、および測定したガスの温度および圧力から所定の温度に換算した場合の圧力を算出する機構を備え、所定の温度に換算した場合の処理室圧力を一定になるよう制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
A processing chamber provided with a substrate electrode for mounting a substrate to be processed and a gas supply device for supplying a processing gas at a predetermined flow rate, a vacuum exhaust means having a variable exhaust speed capable of controlling the pressure or gas density of the processing chamber, In a plasma processing apparatus having a mechanism for generating plasma in a processing chamber,
A mechanism for measuring the pressure in the processing chamber, a mechanism for measuring the temperature of a gas that fills the inside of the mechanism for measuring the pressure, and a mechanism for calculating a pressure when converted into a predetermined temperature from the measured temperature and pressure of the gas The plasma processing apparatus is characterized in that the processing chamber pressure when converted to a predetermined temperature is controlled to be constant.
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、前記処理室内にプラズマを発生する機構を備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内の圧力を測定して処理室圧力を一定になるよう制御する機構の内部を満たすガスの温度を所定の値に制御する機構を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
A processing chamber provided with a substrate electrode for mounting a substrate to be processed and a gas supply device for supplying a processing gas at a predetermined flow rate, a vacuum exhaust means having a variable exhaust speed capable of controlling the pressure or gas density of the processing chamber, In a plasma processing apparatus having a mechanism for generating plasma in a processing chamber,
A plasma processing apparatus comprising: a mechanism for controlling a temperature of a gas that fills an inside of a mechanism that measures the pressure in the processing chamber and controls the processing chamber pressure to be constant, to a predetermined value.
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段、前記処理室内にプラズマを発生する機構を備えたプラズマ処理装置において、
前記処理室内のガス温度を制御する機構を備え、処理室のガス温度を所定の値に制御してプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
A processing chamber provided with a substrate electrode for placing a substrate to be processed and a gas supply device for supplying a processing gas at a predetermined flow rate, a vacuum exhaust means with variable exhaust speed capable of controlling the pressure or gas density of the processing chamber, and the processing In a plasma processing apparatus equipped with a mechanism for generating plasma in a room,
A plasma processing apparatus comprising a mechanism for controlling the gas temperature in the processing chamber, and performing plasma processing by controlling the gas temperature in the processing chamber to a predetermined value.
被処理基板を載置する基板電極および所定流量の処理ガスを供給するガス供給装置を備えた処理室と、該処理室の圧力を測定する機構と、前記処理室の圧力またはガス密度を制御可能な排気速度可変の真空排気手段と、該真空排気手段を制御する制御手段、および前記処理室内にプラズマを生成する機構を備えたプラズマ処理装置において、
処理室内ガス密度を算出し、算出した処理室内ガス密度を所定の値に制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
A processing chamber equipped with a substrate electrode for placing a substrate to be processed and a gas supply device for supplying a processing gas at a predetermined flow rate, a mechanism for measuring the pressure of the processing chamber, and the pressure or gas density of the processing chamber can be controlled. In a plasma processing apparatus comprising a vacuum exhaust means with variable exhaust speed, a control means for controlling the vacuum exhaust means, and a mechanism for generating plasma in the processing chamber,
A plasma processing method characterized by calculating a gas density in a processing chamber and controlling the calculated gas density in the processing chamber to a predetermined value.
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