JP2009532916A - Ｐｉｆプロービング構成を用いるプラズマ処理の制御 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマプロセスに関連するいくつかのパラメータの相対的変化の絶対値を間接的に確認し、および／または該相対的変化を検出するための理論的根拠を開示し、かつ様々な方法を提案する。
【解決手段】
ＰＩＦ（Ｐｌａｎａｒ Ｉｏｎ Ｆｌｕｘ）プロービング構成を用いて、プラズマ電位及びイオン流束等のパラメータの絶対値および／または相対的変化を検出および／または得る方法及び装置が開示されている。検出した値および／または得られた値は、プラズマ処理プロセスを制御するのに用いられる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に、基板製造技術に関し、および具体的には、プラズマチャンバ内の相対平均プラズマ電位を測定する方法及び装置に関する。

基板、例えば、半導体ウェーハ、ＭＥＭＳデバイス、または、フラットパネルディスプレイ製造で使用されるパネル等のガラスパネルの処理においては、たいていプラズマが利用される。この処理の一部として、該基板は、複数のダイまたは矩形領域に分割され、それぞれのダイまたは領域は、集積回路になる。そして、該基板は、該基板上に電気的コンポーネントを形成するために、材料物質が選択的に除去（エッチング）され、堆積される（堆積）一連のステップにおいて処理される。

例示的なプラズマプロセスにおいて、基板は、エッチングの前に、硬化エマルジョンからなる薄膜（すなわち、例えば、フォトレジストマスク）で被覆される。次に、該硬化エマルジョンの領域は、選択的に除去されて、下にある層の一部を露出させる。次いで、該基板は、プラズマ処理チャンバ内において、チャックと呼ばれる単極または双極電極を備える基板支持構造上に置かれる。続いて、適当なエッチャントソースガス（例えば、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_６、ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_３、ＣＦ_４、ＣＨ_３Ｆ、Ｃ_２Ｆ_４、Ｎ_２、Ｏ_２、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｈ_２、ＮＨ_３、ＳＦ_６、ＢＣｌ_３、Ｃｌ_２等）が該チャンバ内に流される。そして、高周波エネルギが該チャンバに印加されて、プラズマが形成される。

以下に示すコンセプトとの混同を避けるために、プラズマの形成のために印加される全ての高周波エネルギを「チャンバＲＦ」と呼ぶことにする。チャンバＲＦの印加によって生成されたプラズマは、イオン化された活性種をもたらし、また、該基板の露出した領域をエッチングする表面化学反応を開始するために、該基板に向かって流されるソースガスから得られる中性分子残留物（ラジカル種）も生じる。この高周波エネルギは、容量型または誘導型手段のいずれかによって印加することができる。この高周波エネルギは、１つの周波数で、または、複数の周波数（例えば、２ＭＨｚ、２７ＭＨｚ及び６０ＭＨｚ）で印加することができる。この高周波エネルギは、プラズマ中に、一般的に、「プラズマ電位」と呼ばれる、チャンバの接地電位に対して、ある電位を生じる。実際の適用においては、プラズマ電位は、プラズマを維持するために用いられる、印加されたチャンバ高周波電力を踏まえた時間依存性である。しかし、本発明者等は、代わりに、プラズマ電位の時間平均に注目することにより、妥当性を失うことなく、議論をかなり単純化することとする。この平均プラズマ電位は、Ｖ_ｐで表される。

チャンバＲＦのプラズマに対する容量結合の場合、結合コンデンサを用いる。典型的には、通常、ブロッキングコンデンサと呼ばれるこのコンデンサは、基板ホルダ及びチャンバ高周波源の間に接続される。当業者には、このブロッキングコンデンサを介してチャンバＲＦエネルギを印加する場合、ＤＣ電圧が、このブロッキングコンデンサの両端に生じることは周知である。本願明細書においては、この電圧を、「チャンババイアス電圧」（Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ ｂｉａｓ}）と呼ぶことにする。該コンデンサは、該基板ホルダに接続されているため、このチャンババイアス電圧は、該基板ホルダのチャンバ接地電位に対する電圧も表す。チャンババイアス電圧は、以下で定義し、および論議する「プローブバイアス電圧」（Ｖ_ｂ）とは慎重に区別しなければならない。

高周波エネルギの該チャンバに対する誘導結合の場合、該基板ホルダは、ゼロのチャンババイアス電圧である（Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ ｂｉａｓ}＝０）と考えることができる。全ての高周波エネルギ結合スキームの場合において、（該基板ホルダを除く）チャンバ壁部は、Ｖ_ｗａｌｌで定義される、チャンバ接地電位に対するある電位を確保する。しかし、実用的見地から重要なほとんどの適用において、Ｖ_ｗａｌｌは、チャンバ接地電位に等しくなる傾向がある。

加えて、プラズマ全体を包囲し、および該チャンバ壁部及び基板ホルダからプラズマを分離させるのに役に立つプラズマシース層が発生する。プラズマ全体を包囲するこのシース層は、電界も含む。このシース領域を通過する荷電粒子は、電界による力を受けて、正味エネルギを獲得するか、または、エネルギの損失を被ることになる。獲得した正味エネルギは、電位差、および該基板表面／壁部とプラズマとの間の時間依存性に依存する。この電位差を、「シース電位」（Ｖ_{ｓｈｅａｔｈ}）と呼ぶ。

上記の議論から、プラズマが該基板ホルダを覆っている場合、シース電位は、プラズマ電位マイナスチャンババイアス電圧（Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ ｓｈｅａｔｈ}＝Ｖ_ｐ−Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ ｂｉａｓ}）で示される。壁部表面を覆うプラズマの場合、シース電位は、プラズマ電位マイナス壁部電圧（Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ ｓｈｅａｔｈ}＝Ｖ_ｐ−Ｖ_ｗａｌｌ）で表される。プラズマ電位は、時間依存性であるため、シース電位が時間依存性となることも予想できることに注意する。

上記の議論は、典型的なプラズマプロセスに関連する一部のパラメータ（例えば、シース電位）にのみ注目している。一般に、上述のプロセスの結果の特性は、例えば、荷電種衝撃エネルギを含む多数のパラメータに敏感に依存し、該衝撃エネルギは、該荷電種が最初にエネルギを得て、該基板の上のシースを通過するため、シース電位に相当する傾向がある。しかし、このシース電位の直接的な測定は、多くの場合、実用的ではない。

プロセス結果に影響を及ぼす可能性のある別の例示的なパラメータは、イオン化ガス種が該基板に供給される流量の速度（すなわち、イオン粒子束）である。しかし、イオン粒子束の直接測定は、実行するのが困難である。多くの場合、これらの及び他のパラメータの絶対的な測定可能値がない場合には、これら及び他のパラメータの変化は、プラズマプロセスを制御するのにも利用できる有益な情報をもたらす可能性がある。従って、絶対的な測定が不可能な場合であっても、これら及び他のパラメータの値の相対的変化の検出が望ましい。

本発明は、前記背景記述の問題点に鑑みたもので、その目的は背景技術の問題点を解消することにある。

上記の観点から、本願明細書に提示されている本発明は、プラズマプロセスに関連するいくつかのパラメータの相対的変化の絶対値を間接的に確認し、および／または該相対的変化を検出するための理論的根拠を開示し、かつ様々な方法を提案する。本発明はさらに、プラズマプロセスの様々な態様を制御する際の測定値および／または検出結果の利用について開示する。

本発明は、一実施形態において、基板処理プロセスを制御する方法に関し、該基板処理プロセスは、基板処理チャンバ内のプラズマを用いて、基板を処理するように構成されている。該方法は、ＰＩＦ（ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ）測定装置を設けることを含み、該ＰＩＦ測定装置は、プラズマのプラズマシースに曝される面を有するＰＩＦプローブを少なくとも含み、該基板は、該プラズマによって処理される。また、該方法は、該ＰＩＦプローブを介してプラズマにエネルギを与えるように構成されたエネルギ源を用いて、該ＰＩＦ装置のための帯電段階と休止段階を交互に引き起こすことを含む。加えて、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、該プラズマシースにかかる第１の電位差が、該プラズマのプラズマ電位に等しい、該ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表す。該方法はさらに、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}を確認することを含み、該時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}は、該プラズマシースにかかる第２の電位差が浮遊電位に等しい、該ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表し、この浮遊電位は、該ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの帯電段階の間の該プラズマシースにかかる電位差の値を表す。時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}における浮遊電位は、該ＰＩＦプローブに高周波電力が印加されている間に得られる。さらに、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}と時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}の時間差が、所定の条件を満たしている場合に、該基板処理プロセスにおいて、アラーム及び移行の少なくとも一方を引き起こす制御信号を生成することを含む。

別の実施形態においては、本発明は、基板処理プロセスを制御する方法に関し、該基板処理プロセスは、基板処理チャンバ内でプラズマを用いて基板を処理するように構成されている。該方法は、ＰＩＦ（ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ）測定装置を設けることを含み、該ＰＩＦ測定装置は、該基板がプラズマによって処理されている間、プラズマのプラズマシースに曝される面を有するＰＩＦプローブを少なくとも含む。また、該方法は、該ＰＩＦプローブを介してプラズマにエネルギを与えるように構成されたエネルギ源を用いて、該ＰＩＦ装置のための帯電段階と休止段階を交互に引き起こすことも含む。加えて、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、該プラズマシースにかかる第１の電位差が、該プラズマのプラズマ電位に等しい、該ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表す。該方法はさらに、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}におけるプローブバイアス電圧を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該プローブバイアス電圧は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該ＰＩＦプローブの表面と接地電位の電位差を表す。また、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該プローブバイアス電圧が所定の条件を満たしている場合に、該基板処理プロセスにおいて、アラーム及び移行の少なくとも一方を引き起こす制御信号を生成することを含む。

また別の実施形態において、本発明は、基板処理プロセスを制御する方法に関し、該基板処理プロセスは、基板処理チャンバ内でプラズマを用いて基板を処理するように構成されている。該方法は、ＰＩＦ（ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ）測定装置を設けることを含み、該ＰＩＦ測定装置は、該基板がプラズマによって処理されている間、プラズマのプラズマシースに曝される面を有するＰＩＦプローブを少なくとも含む。加えて、該方法は、該ＰＩＦプローブを介してプラズマにエネルギを与えるように構成されたエネルギ源を用いて、該ＰＩＦ装置のための帯電段階と休止段階を交互に引き起こすことも含む。該方法はさらに、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、該プラズマシースにかかる第１の電位差が、該プラズマのプラズマ電位に等しい、該ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表す。また、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}におけるプローブバイアス電圧を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該プローブバイアス電圧は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該ＰＩＦプローブの表面と接地電位との第２の電位差を表す。また、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}は、該プラズマシースにかかる第２の電位差が、該プローブへの印加ＲＦ信号がある場合の浮遊電位に等しい、該ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表し、該浮遊電位は、該ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの帯電段階の間のプラズマシースにかかる第３の電位差の値を示す。該方法はさらに、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}におけるプローブバイアス電圧を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}における該プローブバイアス電圧は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}における該ＰＩＦプローブの表面と接地電位との第４の電位差を表す。この第４の時点は、該プローブ表面への印加ＲＦの除去時の状態を表す。また該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}におけるプローブバイアス電圧と、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}におけるプローブバイアス電圧との差を確認することも含む。さらに、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該プローブバイアス電圧と、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}におけるプローブバイアス電圧との差が、所定の条件を満たしている場合に、該基板処理プロセスにおいて、アラーム及び移行の少なくとも一方を引き起こす制御信号を生成することを含む。

別の実施形態においては、本発明は、基板処理プロセスを制御する方法に関し、該基板処理プロセスは、基板処理チャンバ内でプラズマを用いて基板を処理するように構成されている。該方法は、ＰＩＦ（ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ）測定装置を設けることを含み、該ＰＩＦ測定装置は、該基板がプラズマによって処理されている間、プラズマのプラズマシースに曝される面を有するＰＩＦプローブを少なくとも含む。該方法はさらに、該ＰＩＦプローブを介してプラズマにエネルギを与えるように構成されたエネルギ源を用いて、該ＰＩＦ装置のための帯電段階と休止段階を交互に引き起こすことを含む。加えて、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、該プラズマシースにかかる第１の電位差が、該プラズマのプラズマ電位に等しい、該ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表す。また、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}におけるプローブバイアス電圧を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該プローブバイアス電圧は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該ＰＩＦプローブの表面と接地電位との第２の電位差を表す。さらに、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}は、該プラズマシースにかかる第２の電位差が浮遊電位に等しい、該ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表し、該浮遊電位は、該ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの帯電段階の間のプラズマシースにかかる第３の電位差の値を表す。また、該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}におけるプローブバイアス電圧を確認することを含み、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}における該プローブバイアス電圧は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}における該ＰＩＦプローブの表面と接地電位との第４の電位差を表す。該方法はさらに、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}におけるプローブバイアス電圧と、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ｂ}におけるプローブバイアス電圧との差を確認することも含む。該方法は、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における該プローブバイアス電圧と、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}におけるプローブバイアス電圧との差及び有効イオン質量の値を用いて、プラズマの電子温度を確認することを含む。該方法はさらに、該電子温度が所定の条件を満たしている場合に、該基板処理プロセスにおいて、アラーム及び移行の少なくとも一方を引き起こす制御信号を生成することを含む。

本発明のこれら及び他の特徴は、本発明の詳細な説明において、および添付図面に関連して、以下に詳細に記載されている。

本発明は、添付図面に例証として、および限定するためではなく、図示されており、また、添付図面においては、同様の参照数字は、同様の要素を指す。

次に、本発明を、添付図面に示されている本発明のいくつかの好適な実施形態を参照して詳細に説明する。以下の説明においては、多くの具体的な詳細は、本発明の完全な理解をもたらすために記載されている。しかし、当業者には、本発明をそれらの具体的な詳細の一部または全てを要することなく実施することができることは明らかであろう。他の例においては、周知のプロセスステップ、物理的効果および／または構造は、本発明をいたずらに分かりにくくしないために、詳細に記載されてはいない。

本発明者は、プロセス結果が、イオン化ガス種が基板に供給される速度（すなわち、荷電粒子束）に依存することを認識している。上述したように、前記プロセスの結果は、イオン化ガス種の影響によって基板表面に供給されたエネルギに敏感に依存することが周知されている。イオンに限定されたエッチングプロセス（エッチング処理においては、ごく普通のこと）の具体的なケースは、このケースにおいて、イオンエネルギの変化が、エッチング速度及びエッチングされた側断面の形状と密接に関連があることが周知されている１つの実施例を提供する。荷電種衝撃エネルギに対するエッチングプロセスの周知の敏感さは、荷電種衝撃エネルギのインジケータとして機能することが可能な信号を検出し、およびモニタするという要求を刺激する。

イオン化ガス種の到着率の測定を、荷電種衝撃エネルギのインジケータのモニタリングと同時に実行できる場合には、さらなるメリットが得られる。基板の荷電種衝撃エネルギは、主に、基板の上のシースの通過によって得られるため、荷電種衝撃エネルギと基板シース電位の間の直接的な対応になる。

都合の悪いことに、シース電位の直接測定は、一般に、実用的ではない。しかし、上述したように、基板シース電位は、プラズマ電位とチャンババイアス電位の差から得ることができる（すなわち、Ｖ_{ｓｈｅａｔｈ}＝Ｖ_ｐ−Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ ｂｉａｓ}）。チャンババイアス電位は、容易に測定可能な量である。チャンババイアス電位が、一定の値であることが分かっている場合、プラズマ電位の変化の検出は、荷電種衝撃エネルギの変化の良好なインジケータとして機能することができる。従来技術における利用によるプラズマ電位の測定は、典型的には、多くの工業関連用途にとっては非常に困難であり、かつ実用的ではない。従って、プラズマ電位の相対的測定のための新しく、かつより工業的に有用な方法が望まれる。

実際の実施においては、基板表面に衝突する各イオンによって供給されるエネルギは、幅広い値に及ぶ。所定のエネルギで基板に衝突する粒子の数の時間平均は、イオンエネルギ分布関数（ＩＥＤＦ）であると定義する。このエネルギの分布（ＩＥＤＦ）は、シース電位の時間変動の結果である。実際的関心のほとんどの状況においては、ＩＥＤＦの完全な詳細を知る必要はない。正確に言えば、たいていの場合、ＩＥＤＦの認識から得ることのできる平均イオンエネルギを知ることで十分である。上記の議論から予想されるように、平均イオンエネルギの変動は、プラズマ電位とチャンババイアス電位の差（すなわち、Ｖ_{ｓｈｅａｔｈ}＝Ｖ_ｐ−Ｖ_{ｃｈａｍｂｅｒ ｂｉａｓ}）の平均値の変動から推測できる。チャンババイアスが不変である場合は、このような変動を、プラズマ電位の変動のみから推測することも可能である。

産業的に重要な多くの用途においては、重要な公称条件からの逸脱の検出が重要である。従って、イオンエネルギ測定においては、多くの場合、平均エネルギの偏移を検出できる手段を有することで十分である。このことは、絶対的な平均イオンエネルギ測定に代わる、平均イオンエネルギの何らかの相対的インジケータによって実施することができる。例えば、シース電位の相対的変化を検出できる場合、これは、イオンエネルギの変化を推測する手段として用いることができる。チャンババイアス電圧が不変であることを測定または知ることができる場合には、プラズマ電位の変化に関するインジケータのモニタリングも、この目的を実現することができる。

産業上重要な用途は、検出されたプラズマ電位の変動と、検出された荷電種衝撃エネルギの変動との関連を確証しなくてもよい場合にも生じる。このような用途は、「チャンバフィンガープリント法」と呼ばれ、所定のプロセスに対するチャンバの「フィンガープリント」を確証する様々なチャンバパラメータの相対的変化を記録することによって、実施される。後のプロセスが実行される際、公称条件として確証されている範囲外のフィンガープリントは、多くの場合、故障状態を意味する。この状況において、プラズマ電位の変動の検出は、そのような変動を、チャンバ内で起きる物理的作用に関連付けるのに追加的な努力を要することなく、チャンバフィンガープリントのための入力として役に立つことが可能である。

多くのエッチングプロセスは、イオン流束の変化及びイオンエネルギの変化に対して敏感であることが分かっているため、イオン流束と、基板に供給される平均エネルギの変化に関するインジケータを同時にモニタすることのできる方法を有することが有利である。上述したように、プラズマ電位の変動の検出は、基板に供給される平均エネルギの変動に関する好ましいインジケータである。さらに、該方法は、エッチングプロセスの経過中、前記量を頻繁にサンプリングすることも有利である。具体的には、１００ｍｓ未満の間隔で、イオン流束と（相対的または絶対的な）プラズマ電位のサンプリングが好ましい。加えて、イオン流束及びイオンエネルギを、それによって、基板上の複数の箇所でモニタすることのできる手段（すなわち、構成または方法）を有することが有利である。従って、産業上重要なサンプリング頻度で、プラズマ処理チャンバ内でのプラズマ電位の局所的な変化及びイオン流束の局所的な変化を同時に検出する方法及び装置が望まれる。

理論に縛られたくはないが、本発明者は、高周波パルスによってバイアスがかけられている電気的プロービング装置によるプラズマシース全域に流れる電流の測定された変化の時間に対する導関数を、本願明細書に開示されている方法によって分析して、プラズマ電位の変化の相対的測定値を得ることができると考えている。さらに、シース浮動電圧または高周波チャンババイアス電圧及び印加されたチャンバ高周波電圧の適切な測定値が利用可能である場合には、絶対的な測定を実現するのに、公知の較正方法を用いることができる。

平均イオンエネルギ、プラズマ電位及びチャンババイアス電圧の間の周知の関係を用いると、平均イオンエネルギの変動を推測することも可能である。しかし、産業上重要なほとんどの用途においては、プラズマ電位の相対的指示で十分である。すなわち、該測定は、一定の具体的な値を生じる必要はないが、基準値と比較して計算することができる。例えば、プラズマ電位測定が、ある基準に対して行われ、その後すぐに、同じ基準に対して、別のプラズマ電位測定が行われた場合、両測定値の差は、該プラズマ電位の変動を表し、用いた基準の認識に依存しない。また、プラズマ電位の変動は、チャンババイアス電圧が不変であると分かっている場合、または、その変動が測定されている場合に、平均イオンエネルギの変化を推測するのにも用いることができる。

一実施形態において、イオン流束及びプラズマ電位のずれは、ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ（ＰＩＦ）プロービング装置からの、測定して収集された電流及びプローブバイアス電圧の分析によって確認される。ＰＩＦ装置は、一般に、プラズマチャンバ壁を越えてプラズマチャンバ自体までは及んでいない電流収集面（ＰＩＦプローブ）を用いて実施される。すなわち、該ＰＩＦプローブは、プラズマチャンバ面と実質的に同一平面上にあり、または、別法として、プラズマチャンバ壁内の凹所に設けてもよい。該ＰＩＦプローブは、「ラングミュアプローブ」と総称されているプラズマプロービング方法の種類の一部である。この「ＰＩＦプローブ」法は、本明細書に援用する先行特許（米国特許第５，９３６，４１３号）に詳細に記載されている。しかし、ＰＩＦプローブの動作の主要部分は、本発明とあまり関係ない。

次に、図１を参照すると、本発明の実施形態によるＰＩＦプローブの略図が示されている。一般的に、該プローブは、電流収集構造、導電性パス、および収集ディスク及び導電性パスを、該パス埋め込まれている領域から隔離する電気的絶縁バリアから成っている。該電流収集構造が埋め込まれている該領域は、典型的には、チャンバ壁またはＲＦ接地カウンター電極によって構成されている。しかし、該電流収集構造を基板表面に埋め込むのを妨げる原理は該方法にはない。

電流収集構造１０２は、プラズマと対向しており、一般に、プラズマチャンバ面と同一平面上にある、または、凹所にある導電性表面領域１０３で構成されている。一実施形態において、電流収集構造１０２は、円形領域であり、ワイヤを付着することのできる金属化面を有するドープシリコンから成っている。電流収集構造１０２はさらに導電性パス１０６と連結し、導電性パス１０６は一般的に、イオン流束プローブのチャンバ接地電位に対する電圧及び電流特性を、コンデンサＣ_ＰＩＦ（２０６）を充放電する遅い過渡電流及び電圧として測定することのできる電力／検知部品（図示せず）に接続されている。

電気的絶縁バリア１０４は、電流収集構造１０２及び導電性パス１０６を、プラズマチャンバ（図示せず）から離隔する。一実施形態において、電気的絶縁バリア１０４は、石英等の絶縁体を備える。一実施形態において、電気的絶縁バリア１０４は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等の電気絶縁セラミックから成っている。一実施形態において、電気的絶縁バリア１０４は、エア（真空）ギャップ内でのプラズマ生成を防ぐのに十分小さいが、導電性パス１０６とプラズマチャンバ（図示せず）との間でのアーク放電を防ぐのには十分に大きいエアギャップによって構成されている。

次に、図２を参照すると、本発明の一実施形態によるＰＩＦプローブ測定装置の略図が示されている。一般的に、ＰＩＦプローブ２０８は、プラズマシース２１３及びプラズマ１１０に対向しており、一般に、前述のとおり、プラズマチャンバ面２１２と同一平面上にあるか、または、該プラズマチャンバ面の凹所にある導電性表面領域で構成されている。一実施形態において、パルスプローブ高周波源（ＲＦバースト源）２０２は、チャンバ接地電位と、ＤＣブロッキングコンデンサＣ_ＰＩＦ２０６との間に接続されている。このブロッキングコンデンサは、（図２には図示されていない）チャンバＲＦが、それを通って印加される前述したブロッキングコンデンサとは区別すべきであり、かつ混同すべきではない。そして、ＤＣブロッキングコンデンサＣ_ＰＩＦ２０６は、プラズマシース２１３及びプラズマ１１０に対向しているＰＩＦプローブ２０８にも接続されている。一般的に、Ｃ_ＰＩＦ２０６は、誘電体によって互いに離間及び絶縁されている２枚の金属プレートとして構成されている。

プラズマシース（プローブシース）２１３は、プラズマ１１０と、該プローブの表面との間にある。一般に、プラズマシースは、印加された電圧に応じて電流を流す。プラズマシースに印加される電圧を、シース電圧（Ｖ_{ｓｈｅａｔｈ}）と呼ぶ。プラズマシース２１３に印加される電圧の特定の事例をプローブシース電圧（Ｖ_{ｐｒｏｂｅ ｓｈｅａｔｈ}）と呼ぶ。実用的見地から重要性のあるほとんどの場合、プラズマ１１０全体は、等電位であると見なすことができる。このため、チャンバ接地電位に対して測定した場合のこの等電位は、プラズマ電位（Ｖ_ｐ）と呼ばれる。所定のシースに加わるシース電圧（Ｖ_{ｓｈｅａｔｈ}）を変えることが可能である場合、該シースを通るフローを引き起こす伝導電流は、周知の電圧・電流関係（Ｉ−Ｖ曲線）に従って変化する。このような電圧−電流関係（Ｉ−Ｖ曲線）の典型的な実施例を図３に示す。

図２は、表面１０３によって収集された電流を測定する手段が、電流センサ２０４のかたちで設けられていることも図示している。分析の都合上、電流センサ２０４は、一般に、ＤＣ〜可聴周波数の信号のみに応答するように設計される。ＲＦ周波数範囲の信号（例えば、５００ＫＨｚ以上）は、典型的には拒絶される。キルヒホッフの電流の法則は、電流センサ２０４が、プラズマシース２１３を流れる電流も測定していることを示していることに留意する。

図４は、電流センサ２０４によって収集されたデータの典型的な実施例を示す。この実施例のデータは、３００ｍｍ基板をエッチングするために構成された、Ｌａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ２３００ Ｅｘｅｌａｎ（商標）エッチングシステムを用いて収集した。プラズマは、２７ＭＨｚチャンバＲＦにより、２０℃のチャンバ温度及び基板温度で維持した。他の動作パラメータを、以下の表１に列挙する。

分析の都合上、電流センサ２０４によって収集される電流密度（単位面積当たりの電流）の測定を得るために、収集面１０３の領域によって収集電流を分けるのが一般的な方法である。この一般的な方法に従って、図４は、時間の関数ｍＡ／ｃｍ^２の単位で実施例の収集した電流密度をプロットしている。

図５は、図４に示されているのと同じデータを、時間に関する導関数としてプロットしている。電流センサ２０４は、可聴範囲の周波数のみに応答するように設計されているため、図４及び図５は、ＲＦが印加されるＲＦバースト間隔（図４及び図５のポイント１とポイント３の間の間隔）において、全ＲＦ波形によって引き起こされる電流変動を示してはいない。事実上、図４及び図５に示されていることは、各ポイントにおけるＲＦサイクルの間に、時間平均として得られる電流である。

図２に戻ると、高インピーダンス電圧センサ（２１０）も設けられていることが分かる。分析の都合上、この高インピーダンス電圧センサ（２１０）は、一般的に、ＤＣ〜可聴範囲の周波数の信号のみに応答するように設計されている。 ＲＦ範囲の周波数（例えば、５００ＫＨｚ以上）における信号は、典型的には拒絶される。高インピーダンス電圧センサ（２１０）は、チャンバ接地電位に対する収集面１０３の電圧の測定を実行できる。この電圧は、プローブバイアス電圧（Ｖ_ｐ）であると定義する。プローブバイアス電圧（Ｖ_ｐ）は、プラズマシース２１３にかかる電圧であると定義されている図３に示すプローブシース電位（Ｖ_{ｐｒｏｂｅ ｓｈｅａｔｈ}）とは慎重に区別すべきである。

図６は、図４及び図５にプロットされている実施例のデータを得るのに用いた同じ条件の場合の時間の関数として、実施例のプローブバイアス電圧（Ｖ_ｐ）をプロットした図である。電圧センサ２１０は、可聴範囲の周波数のみに応答するように設計されているため、図６は、ＲＦが印加されるＲＦバースト間隔（図６のポイント１とポイント３の間の間隔）においては、全ＲＦ波形による電圧変動は示していない。事実上、図示されていることは、各ポイントにおけるＲＦサイクルの間に時間平均として得られる電圧である。上記の論考から、式Ｖ_ｂ＝Ｖ_{ｐｒｏｂｅ ｓｈｅａｔｈ}＋Ｖ_ｐにより、該プローブバイアス電圧が、プローブシース電圧（Ｖ_{ｐｒｏｂｅ ｓｈｅａｔｈ}）とプラズマ電位（Ｖ_ｐ）とに関連していることにも気付くであろう。

パルスプローブ高周波源２０２は、その間に、プローブ高周波源２０２がターンオフされる間隔（休止間隔）が後に続く、一定の振幅の典型的には単一の周波数ＲＦの間隔（ＲＦバースト間隔）を供給する。図４、図５、図６に示されているデータを得るのに用いられる例示的な実施形態の場合、周波数は、ＲＦがターンオンされるＲＦバースト間隔の間、１１．５ＭＨｚに固定した。この場合、単に一例として示すが、該ＲＦバースト間隔は、２．５ミリ秒に固定し、ＲＦがオフになる休止間隔は、３０ミリ秒に固定した。該休止間隔は、通常、電荷の平衡配位を確立するために、該システムにとって十分に長くなるように選定される。この電荷の平衡分布は、該システムに流れる伝導電流のネットフローがないようになる。

電荷分布の詳細は、チャンバ設計、およびチャンバＲＦ電圧がそれによって印加される方法の詳細によって決まる。該システムが、この平衡状態を実現しており、かつ伝導電流が流れていない場合、プラズマシース２１３にかかる電圧（シース電圧）は、「浮遊電位」（Ｖ_ｆ）になっていると呼ばれる。この量は、例証として、図３のポイント３ａ、５として示されている。

実際には、該プラズマシースにかかる電圧の直接的な測定は、（プローブを含む）チャンバ内のどの箇所においても、非常に困難であり、めったに行われない。上述した実施例の、および図４、図５、図６を得るのに用いたデータセットの場合、該シースにかかる電圧は測定されず、その結果、浮遊電位Ｖ_ｆの実際の値は得られない。しかし、図４を検討すると、ポイント０、３ａ及び５においては、電流がゼロであることが分かる。浮遊電位は、電流が流れていないプラズマシースにかかる電圧であると定義されるため、図４の０、３ａ及び５は、プローブシース電圧が浮遊電位になる状態を示している。これらと同様のポイントが、図６のポイント０、３及び５にも示されていることに留意する。

このことは、シース浮遊電位は、ゼロではないプローブバイアス電圧（Ｖ_ｂ）でより多く生じる可能性があることを示している。休止間隔中、該プローブシースは、約１ボルトのプローブバイアス電圧に対応して、図６のポイント０において、浮遊電位になる。ＲＦが図示する実施例に対して印加された場合の間隔中、該シースは、−６７．５ボルトのプローブバイアス電圧に対応して、図６のポイント３において、浮遊電位になる。

バーストＲＦの印加中に、シース浮遊電位を実現するのに必要なプローブバイアス電圧のずれは、次のように理解することができる。該ＲＦバーストの印加は、該シースに現れるＲＦ電圧Ｖ_{ｓｈｅａｔｈＲＦ}をもたらす。しかし、図３から明らかなように、該プローブは、非線形デバイスである。この非線形性は、以下に示す関係を踏まえて、シース電位のＤＣシフトを生じることを示している。

ただし、Ｔ_ｅは、電子温度であり、Ｖ_{ｓｈｅａｔｈＲＦ}は、該シースにかかる電圧振動の振幅である。この電圧シフトは、シース電圧を浮遊電位から移動させ、伝導電流を、図３のＩ−Ｖ関係に従って、該シースに流す。この伝導電流のフローは、Ｃ_ＰＩＦのプレートに電荷蓄積をもたらす。該コンデンサは、上記の式によって与えられるシース電位のＲＦ誘導シフトと逆極性の電位に達するまで、電荷を獲得し続ける。最終的には、新たな均衡状態が確立され、該プラズマシースが浮遊電位に戻っていることを示す正味電流フローはない。図４、図５、図６の実施例のデータの具体的な場合において、該システムは、該コンデンサを、シース電圧を浮遊電位に戻すために、−６７．５ボルトまで充電する必要があった。

この結果として、ＲＦがＲＦバースト源２０２から印加された直後に、Ｃ_ＰＩＦ２０６及びプラズマ１１０に、プローブＲＦ電圧が印加される。バーストＲＦの印加の最初の瞬間、Ｃ_ＰＩＦ２０６は、充電されず、その端子の両端において、ゼロＤＣ電位を呈する。さらに、バーストＲＦの印加の瞬間には、プローブシース電位にずれを生じる。

ほとんどの実施において、プローブＲＦ電圧振幅は、該シースを、図３に示す「電子飽和」領域にバイアスするのに十分な大きさのプローブシース電位シフトをもたらすのに十分大きい。図３、図４、図５、図６におけるポイント１は、プローブＲＦが最初に印加された瞬間を示す。従って、プローブＲＦ電圧印加の開始時に、伝導電流は、Ｃ_ＰＩＦ２０６に流れる。プローブシース電位が、電子飽和状態に入るのに十分にシフトすると、充電電流の大きさは、「電子飽和電流」に制限される。

電子飽和電流、または、Ｉ_ｅは、電子密度及び温度等のプラズマの基本的なパラメータに付随する限定条件を表す。電子飽和電流を、それによって算出することのできるメカニズム及び手段は、一般に、当業者には周知されている。さらに、電流を飽和値Ｉ_ｅに制限するメカニズムの詳細は、本発明の理解とはあまり関係ない。

プローブＲＦの印加中、通常、電子は、プラズマから該ＰＩＦプローブへ流れる。電流が流れるにつれて、Ｃ_ＰＩＦは、充電を開始し、正電荷がプレート２１４に蓄積され、負電荷がプレート２１６に蓄積される。このＣ_ＰＩＦに関する電荷構成も、充電Ｃ_ＰＩＦに流れる電流の大きさを減少させる。最終的には、均衡構成が実現される。このことは、図３におけるポイント１からポイント２へ、そして最終的にポイント３ａ、５への移動として理解することができる。

上記の全般的な説明により、Ｃ_ＰＩＦにかかる電位は、印加されたＲＦによって誘導されるプローブシース電圧シフトをオフセットするのに十分な図６におけるポイント３に達するまで、図６におけるポイント１から減少する。図６のポイント３に達するために、該システムは、プラズマ電位に関連のあるプローブバイアス電圧を表す図６のポイント２を通過しなければならない。この特定のプローブバイアス電圧の重要性について、以下に詳細に説明する。図６のポイント３で示す電位に達するとき、Ｃ_ＰＩＦによって引き込まれる電流は、ごくわずかであり、プローブバイアス電圧は、値Ｖ_{ｂ−ｍａｘ}になり、この結果、プローブシース電位は、その浮遊電位Ｖ_ｆ近くになり、該コンデンサは、電荷をさらに獲得することをやめる。この状態においては、該コンデンサは、印加されたＲＦによって誘導されるシース電位のシフトを平衡させるのに必要な電位まで充電されることに留意する。この平衡状態は、図６のポイント３ａ、５に示されている。

しかし、一旦、ＲＦバースト源２０２がターンオフすると、ＲＦが誘導したシース電圧のシフトは、取り除かれる。この瞬間、プローブシース電圧は、図６のポイント３に示されているＣ_ＰＩＦ２０６の電位によって決まる。このことは、図３のポイント３ａからポイント３ｂへの不連続のジャンプとしても表されている。プローブシース電圧は、プローブバイアス電圧によって、最大の負の値に追い立てられ、当初は、Ｖ_{ｓｈｅａｔｈ−ｍａｘ}に等しい。実現されたプローブシース電圧は、典型的には、該シースを、図３に示すイオン飽和領域として知られている状態にバイアスするのに十分である。

接地２０３に流れる電流の大きさは、通常、イオン飽和電流、または、Ｉ_{ｉ−ｓａｔ}と呼ばれ、一般に、ＲＦがターンオフするときに生じるプローブバイアス電圧の変化によって、シース２１３が追い立てられる最大電圧（Ｖ_{ｓｈｅａｔｈ ｍａｘ（−）}）で生じる。Ｉ_{ｉ−ｓａｔ}は、電子密度及び温度等のプラズマの基本的なパラメータに付随する限定条件を表す。電子飽和電流を、それによって算出することのできるメカニズム及び手段は、一般に、当業者に周知されている。さらに、この効果のメカニズム及び算出の詳細は、本発明の理解とはあまり関係ない。

Ｃ_ＰＩＦ２０６が放電を始めると、プローブバイアス電圧Ｖ_ｂも減少し始め、プラズマから引き込まれる電流の減少をもたらす。最終的には、この伝導電流はゼロになる。該伝導電流がゼロ値になると、該プローブシース電位は、浮遊電位Ｖ_ｆになり、さらなる電流フローはなくなる。減少電流とプローブバイアス電圧の関数関係は、該プラズマを特徴付ける様々なパラメータを得るために解析することができる。例えば、ポイント３ｂからポイント４への電流減少の線形部分は、電流収集面で起きるイオン流束の測定を得るために、解析することができる。

加えて、ポイント４からポイント５への非線形電流減少は、プラズマ電子温度の推定値を得るために解析することができる。そのような解析が、それによって実施される方法は、従来のラングミュアプローブの態様に詳述されており、当業者には周知されている。

ＲＦバースト間隔を思い起こすと、ＰＩＦシステムは、図３、図４、図５、図６のポイント３に達するまで充電する。本発明者は、図３、図４、図５、図６のポイント３に達するためには、該システムは、図３、図４、図５、図６のポイント２を通過しなければならないことに気付いた。図３を見て分かるように、ポイント２は、図３のプロットにおける強化された湾曲（「膝」）の始まりであるシース電圧（Ｖ_ｐ）を示す。

この独特のポイントにおいては、シース電位がプラズマ電位に等しくなる状況が生じる。該システムが図３のポイント２を通過する際、「膝」は、電流の湾曲（傾き）のかく乱を、プローブ電圧の関数として引き起こす。このかく乱は、図４のポイント２としてプロットされている。このことが起きるプローブ電圧の正確な値、およびこのかく乱の状態の詳細は、シース電圧及びプラズマ電位の常時依存の作用の相互作用の非常に複雑な平均化効果の結果である。この平均化効果の詳細は、本発明にはあまり関係ない。

本発明の態様によれば、図４のポイント２にプロットされているようなこのかく乱は、電流の時間に対する導関数をとることにより、さらに増幅する可能性がある。この増幅は、高信号対雑音比の信号を生じ、自動プロセス制御、終点検出、システム障害検出等のアプリケーションを可能にする。

図４の時間導関数をプロットした実施例を図５に示す。図５は、ポイント２で示す容易に区別可能なピークを示し、これは、図４のポイント２で示す湾曲のかく乱に相当する。このポイント２は、ＲＦのバースト段階中、すなわち、該ＰＩＦシステムの充電段階に生じ、一般に、ＲＦがターンオンしたとき（ポイント１）と、プラズマシース電位が、浮遊電位に等しいとき（ポイント３）の間に生じることに留意する。このことが生じるときのプローブバイアス電圧は、図６を参照することによって分かり、図４のポイント２の電圧は、図５、図６のポイント２と同じ瞬間に相当する。

従って、本発明者は、プラズマ電位の相対的測定を実行できる方法が実現されたと考える。該方法は、要約すると、以下のようになる。

バーストＲＦ段階中で、プローブ電流の湾曲の変わり目があるポイントを見つける。このことは、プローブ電流を時間に関して区別し、バーストＲＦの印加中に生じる電流の導関数におけるピークを探すことによって、良好になされる。

（前述した）電流湾曲の変わり目が生じる時間に留意する（該変わり目は、例えば、電流の導関数プロットで見つかったピークに相当する）。

時間の関数としてのプローブ電圧を調べて、ステップ２で決まったプローブ電圧を決める。ここで、この電圧は、Ｖ_{ｐｌａｓｍａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｐｒｏｂｅ}であると定義する。

本発明者は、上記の処理手順によって分かった該プローブバイアス電圧が、プラズマ電位の相対的測定値であると考える。該シース電圧の詳細を、プローブバイアス電圧のこの値の場合に確認できる場合、該方法は、絶対的なものとなる。ＲＦバイアスの印加後を思い起こすと、該システムは、該シースが浮遊電位になっている値であるプローブバイアス電圧Ｖ_{ｂ−ｍａｘ}（図６のポイント３）を得る。

理論に束縛されることは望まないが、本発明者は、Ｖ_{ｐｌａｓｍａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｐｒｏｂｅ}とＶ_{ｂ−ｍａｘ}の差が、シース浮遊電位とプラズマ電位の差の測定を表していると考える。この観察は、有利には、確立したラングミュアプローブ理論は、シース浮遊電圧及びプラズマ電位の両方が、同じ基準に関して測定された場合に、シース浮遊電圧とプラズマ電位の差に対する以下の関係を主張しているため、診断価値がある。この関係は、以下の式２に示されている（Ｂｒａｉｔｈｗａｉｔｅら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（２００３）２８３７−２８４４）。

上記の式２において、Ｍは、正のイオン種の質量であり、または、多数のイオン種がある場合の適当な有効質量である。Ｔは、電子温度であり、ｍは電子質量である。ＰＩＦ法は、Ｔｅの測定を得るのにも利用することができるため、Ｍは、シース浮遊電圧とプラズマ電位の差から推測することができることが分かる。この差も、上述した本発明の方法から特定可能である。

本願明細書においては、特に、プラズマ処理チャンバ内でプラズマを用いる基板処理プロセスを制御する本発明の実施形態に関する多くの可能な適用がある。この制御は、モニタリングし、アラームを生成し、または、プロセスの移行に影響を与えるために、自動プロセス制御、終点検出、メンテナンスモニタリング、システム障害検出等の一部として実行することができる。該移行は、例えば、終点状態を検出する際の終点処理手順の開始を含むことができる。別の実施例として、該移行は、障害状態を検出する際の障害処理手順の開始を含むことができる。別の実施例として、該移行は、プラズマプロセスの新たなサブステップの開始を含むことができる。これらの移行は、例えば、本発明の実施形態を用いて検出された値が、所定のウィンドウに含まれ、ある所定の値に等しく、または、所定の値以下であり、あるいは、所定の値を超える場合に実行することができる。

例えば、バーストＲＦ段階のプローブ電流湾曲の変わり目が生じる時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}（例えば、図４及び図５におけるポイント２）と、プローブシース電圧が、該バーストＲＦ段階中に、浮遊電位になる時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}（例えば、図４及び図５におけるポイント３ａ）の時間差の変動は、プラズマイオンエネルギの変化の代わりとして利用することができる。上述したように、この変わり目は、例えば、図５に示すような時間導関数を採用する等の方法によって、より確実に検出することができる。この時間差は、例えば、イオンエネルギが、許容可能な作動条件を反映しているか、プロセスステップの終点に達しているか、プロセス障害状態が生じているか等を確認するために、所定のウィンドウまたは所定の値に対して比較することができる。

同様に、ある基準電圧に対する（プローブ電圧が、上述した変わり目が、プローブ電流湾曲のバーストＲＦ段階において生じる時間ｔ_ｘと、プローブ電圧湾曲における同様の時間ｔ_ｘとを関連付けることにより得られる）バーストＲＦ段階のプローブ電流の変わり目に相当するプローブ電圧の大きさの変動も、プラズマイオンエネルギの変化の代わりとして利用することができる。バーストＲＦ段階のプローブ電流の変わり目に相当するプローブ電圧の大きさは、例えば、イオンエネルギが許容可能な作動条件を反映しているか、プロセスステップの終点に達しているか、プロセス障害状態が発生しているか等を確認するために、所定のウィンドウまたは所定の値に対して比較することができる。

本発明の実施形態の別の適用として、長い間のＶ_{ｐｌａｓｍａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｐｒｏｂｅ}とＶ_{ｂ−ｍａｘ}の確認された差は、プラズマ化学反応の変化を検出するのに利用することができる。従って、該プラズマ化学反応の変化の検出は、（所定の層がエッチングされたときの判断等の）終点検出、自動プロセス制御、メンテナンスモニタリングおよび／またはシステム障害検出等の用途に利用することができる。前述したように、Ｖ_{ｐｌａｓｍａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｐｒｏｂｅ}とＶ_{ｂ−ｍａｘ}の差は、シース浮遊電位とプラズマ電位の差の測定を表す。また、該シース浮遊電位とプラズマ電位の差は、式２による有効イオン質量Ｍに関連する。換言すれば、有効イオン質量Ｍの変化は、Ｖ_{ｐｌａｓｍａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｐｒｏｂｅ}及びＶ_{ｂ−ｍａｘ}の値に影響を及ぼす。長い間のＶ_{ｐｌａｓｍａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｐｒｏｂｅ}とＶ_{ｂ−ｍａｘ}の差をモニタリングすることにより、有効イオン質量の変化を、上述した用途に用いるために確認することができる。

一実施形態において、有効イオン質量Ｍは、単独で確認され、電子温度Ｔｅの変化は、式２と、（上述したように、Ｖ_{ｐｌａｓｍａ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｐｒｏｂｅ}とＶ_{ｂ−ｍａｘ}の差に関連する）シース浮遊電位とプラズマ電位の差とを用いて得ることができる。従って、本発明の実施形態は、多くのプロセスにおいて、モニタリングする重要なパラメータである電子温度（Ｔｅ）の変化を検出する方法を実現できる。

他の適用も可能である。例えば、（プラズマ電位が、上述したように、プローブ電圧に関連する）相対的プラズマ電位から得られる、上述したパラメータ（例えば、イオンエネルギ、有効イオン質量、電子温度等）のうちの１つ以上を、進行中のメンテナンスプログラムの一部として、チャンバ状態をモニタするのに用いることができる。別法として、または、加えて、バーストＲＦ段階のプローブ電流および／またはバーストＲＦ段階のプローブ電圧は、進行中のメンテナンスプログラムの一部として、チャンバ状態をモニタするのに用いることができる。このようなモニタリングは、プラズマ処理システムのオペレータに、プラズマチャンバおよび／またはパーツの電流状態ならびに実行する必要のある次のメンテナンスタスクに関する情報を提供することができる。

本発明を、いくつかの好適な実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲に含まれる代替例、置換及び等価物がある。例えば、図２は、本発明の実施形態による相対的プラズマ電位を確認するのに用いることのできる構成を開示しているが、他の構成も可能である。例えば、面１０３にバイアスをかける可変電圧源を用いることが可能である。この可変電圧源は、図３のポイント１からポイント０、３ａ及び５への移行に影響を及ぼすのに用いることのできる様々な時間依存性の波形（例えば、四角、三角、正弦曲線等）を供給することができる。同様に、受動および／または能動コンポーネントの適切な構成も、面１０３にバイアス電圧を印加するのに用いることができる。別の実施例として、本発明を説明するために、エッチング用途を用いたが、他の用途（例えば、異なる種類のプラズマ堆積）も、本発明から恩恵を受けることが可能である。従って、本発明の方法を実施するのに、多くの代替的な方法があることに留意すべきである。

例示的な実施形態及び最良の態様を開示したが、以下の請求の範囲によって定義される本発明の主題及び趣旨の範囲内で、開示した実施形態に対して、変更及び変形を行うことができる。

ＰＩＦプローブの略図を示す。 本発明の実施形態による、ＰＩＦ測定装置の略図を示す。 ＰＩＦシステムによって得られる典型的な電圧と電流の関係（Ｉ−Ｖ曲線）を示す。 電流センサによって集められた電流データの典型的な実施例を示す。 本発明の実施形態による、図４に示されているのと同じデータであるが、時間に対する導関数であるデータをプロットした図である。 図４及び図５にプロットされている実施例のデータを得るのに用いられる同じ条件の場合の時間の関数としての実施例のプローブバイアス電圧（Ｖ_ｂ）をプロットした図である。

Claims (44)

1. 基板処理チャンバ内のプラズマを用いて基板を処理するように構成された基板処理プロセスを制御する方法であって、
   前記基板が前記プラズマによって処理されている間、前記プラズマのプラズマシースに曝される面を有するＰＩＦプローブを少なくとも含むＰＩＦ（ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ）測定装置を設けることと、
   前記ＰＩＦプローブを介して前記プラズマにエネルギを与えるように構成されたエネルギ源を用いて、前記ＰＩＦ装置のための帯電段階と休止段階を交互に引き起こすことと、
   前記プラズマシースにかかる第１の電位差が、前記プラズマのプラズマ電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の前記帯電段階の間の時間を表す時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}を確認することと、
   前記プラズマシースにかかる第２の電位差が、浮遊電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の前記帯電段階の間の時間を表す時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}を確認することであって、前記浮遊電位は、前記ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの前記帯電段階の間の前記プラズマシースにかかる電位差の値を表すことと、
   前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}と前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}との時間差が所定の条件を満たしている場合に、前記基板処理プロセスにおいて、アラーム及び移行の少なくとも一方を引き起こす制御信号を生成することと、
   を備える方法。
2. 前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、少なくとも、前記充電段階中に、前記ＰＩＦプローブを流れる電流の時間導関数を分析することによって決まり、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、前記ＰＩＦプローブを流れる前記電流の前記時間導関数におけるピークを検出することによって確認され、前記ピークは、前記充電段階が始まる時間と、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}との間に生じる、請求項１に記載の方法。
3. 前記エネルギ源は、バースト高周波源を指す、請求項１に記載の方法。
4. 前記エネルギ源は、可変電圧源を指す、請求項１に記載の方法。
5. 前記可変電圧源は、時間依存性の波形を生成するように構成されている、請求項３に記載の方法。
6. 前記所定の条件は、前記時間差が、所定のウィンドウの値の範囲内である場合に満たされる、請求項１に記載の方法。
7. 前記所定の条件は、前記時間差が、所定の値に等しいか、または、該所定の値を超える場合に満たされる、請求項１に記載の方法。
8. 前記所定の条件は、前記時間差が、所定の値に等しいか、または、該所定の値未満である場合に満たされる、請求項１に記載の方法。
9. 前記移行は、終点処理手順を指す、請求項１に記載の方法。
10. 前記移行は、障害状態処理手順を指す、請求項１に記載の方法。
11. 前記移行は、前記基板処理プロセスの異なるサブステップの開始を指す、請求項１に記載の方法。
12. 基板処理チャンバ内でプラズマを用いて基板を処理するように構成された基板処理プロセスを制御する方法であって、
    前記基板が前記プラズマによって処理されている間、前記プラズマのプラズマシースに曝される面を有するＰＩＦプローブを少なくとも含むＰＩＦ（ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ）測定装置を設けることと、
    前記ＰＩＦプローブを介して前記プラズマにエネルギを与えるように構成されたエネルギ源を用いて、前記ＰＩＦ装置のための帯電段階と休止段階を交互に引き起こすことと、
    前記プラズマシースにかかる第１の電位差が、前記プラズマのプラズマ電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の前記帯電段階の間の時間を表す時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}を確認することと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記ＰＩＦプローブの表面と接地電位との電位差を表す時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}におけるプローブバイアス電圧を確認することと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧が所定の条件を満たしている場合に、前記基板処理プロセスにおいて、アラーム及び移行の少なくとも一方を引き起こす制御信号を生成することと、
    を備える方法。
13. 前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、少なくとも、前記充電段階中に、前記ＰＩＦプローブを流れる電流の時間導関数を分析することによって決まり、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、前記ＰＩＦプローブを流れる前記電流の前記時間導関数におけるピークを検出することによって確認され、前記ピークは、前記充電段階が始まる時間と、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}との間に生じ、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}は、前記プラズマシースにかかる第２の電位差が浮遊電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の前記充電段階の間の時間を示し、前記浮遊電位は、前記ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの前記充電段階中の前記プラズマシースにかかる電位差の値を示す、請求項１２に記載の方法。
14. 前記エネルギ源は、バースト高周波源を指す、請求項１２に記載の方法。
15. 前記エネルギ源は、可変電圧源を指す、請求項１２に記載の方法。
16. 前記可変電圧源は、時間依存性の波形を生成するように構成されている、請求項１４に記載の方法。
17. 前記所定の条件は、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧が、所定のウィンドウの値の範囲内である場合に満たされる、請求項１２に記載の方法。
18. 前記所定の条件は、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧が、所定の値に等しいか、または、該所定の値を超える場合に満たされる、請求項１２に記載の方法。
19. 前記所定の条件は、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧が、所定の値に等しいか、または、該所定の値未満である場合に満たされる、請求項１２に記載の方法。
20. 前記移行は、終点処理手順を示す、請求項１２に記載の方法。
21. 前記移行は、障害状態処理手順を指す、請求項１２に記載の方法。
22. 前記移行は、前記基板処理プロセスの異なるサブステップの開始を指す、請求項１２に記載の方法。
23. 基板処理チャンバ内でプラズマを用いて基板を処理するように構成された基板処理プロセスを制御する方法であって、
    前記基板が前記プラズマによって処理されている間、前記プラズマのプラズマシースに曝される面を有するＰＩＦプローブを少なくとも含むＰＩＦ（ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ）測定装置を設けることと、
    前記ＰＩＦプローブを介して前記プラズマにエネルギを与えるように構成されたエネルギ源を用いて、前記ＰＩＦ装置のための帯電段階と休止段階を交互に引き起こすことと、
    前記プラズマシースにかかる第１の電位差が、前記プラズマのプラズマ電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表す時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}を確認することと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記ＰＩＦプローブの前記表面と接地電位との第２の電位差を表す、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}におけるプローブバイアス電圧を確認することと、
    前記プラズマシースにかかる第２の電位差が、浮遊電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の帯電段階の間の時間を表す時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}を確認することであって、前記浮遊電位は、前記ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの前記帯電段階の間の前記プラズマシースにかかる第３の電位差の値を示すことと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}における前記ＰＩＦプローブの前記表面と前記接地電位との第４の電位差を表す前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}におけるプローブバイアス電圧を確認することと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧と前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}におけるプローブバイアス電圧との差を確認することと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧と前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}における前記プローブバイアス電圧との差が、所定の条件を満たしている場合に、前記基板処理プロセスにおいて、アラーム及び移行の少なくとも一方を引き起こす制御信号を生成することと、
    を備える方法。
24. 前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、少なくとも、前記充電段階中に、前記ＰＩＦプローブを流れる電流の時間導関数を分析することによって決まり、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、前記ＰＩＦプローブを流れる前記電流の前記時間導関数におけるピークを検出することによって確認され、前記ピークは、前記充電段階が始まる時間と、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}との間に生じ、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}は、前記プラズマシースにかかる第２の電位差が浮遊電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の前記充電段階の間の時間を示し、前記浮遊電位は、前記ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの前記充電段階中の前記プラズマシースにかかる電位差の値を示す、請求項２３に記載の方法。
25. 前記エネルギ源は、バースト高周波源を指す、請求項２３に記載の方法。
26. 前記エネルギ源は、可変電圧源を指す、請求項２３に記載の方法。
27. 前記可変電圧源は、時間依存性の波形を生成するように構成されている、請求項２５に記載の方法。
28. 前記所定の条件は、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧と、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}における前記プローブバイアス電圧との前記差が、所定のウィンドウの値の範囲内である場合に満たされる、請求項２３に記載の方法。
29. 前記所定の条件は、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧と、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}における前記プローブバイアス電圧との前記差が、所定の値に等しいか、または、該所定の値を超える場合に満たされる、請求項２３に記載の方法。
30. 前記所定の条件は、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧と、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}における前記プローブバイアス電圧との前記差が、所定の値に等しいか、または、該所定の値未満である場合に満たされる、請求項２３に記載の方法。
31. 前記移行は、終点処理手順を示す、請求項２３に記載の方法。
32. 前記移行は、障害状態処理手順を指す、請求項２３に記載の方法。
33. 前記移行は、前記基板処理プロセスの異なるサブステップの開始を指す、請求項２３に記載の方法。
34. 基板処理チャンバ内でプラズマを用いて基板を処理するように構成された基板処理プロセスを制御する方法であって、
    前記基板が前記プラズマによって処理されている間、前記プラズマのプラズマシースに曝される面を有するＰＩＦプローブを少なくとも含むＰＩＦ（ｐｌａｎａｒ ｉｏｎ ｆｌｕｘ）測定装置を設けることと、
    前記ＰＩＦプローブを介して前記プラズマにエネルギを与えるように構成されたエネルギ源を用いて、前記ＰＩＦ装置のための帯電段階と休止段階を交互に引き起こすことと、
    前記プラズマシースにかかる第１の電位差が、前記プラズマのプラズマ電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の前記帯電段階の間の時間を表す時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}を確認することと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記ＰＩＦプローブの前記表面と接地電位との第２の電位差を表す前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}におけるプローブバイアス電圧を確認することと、
    前記プラズマシースにかかる第２の電位差が浮遊電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の前記帯電段階の間の時間を表す時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}を確認することであって、前記浮遊電位は、前記ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの前記帯電段階の間の前記プラズマシースにかかる第３の電位差の値を表すことと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}における前記ＰＩＦプローブの前記表面と前記接地電位との第４の電位差を表す前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}におけるプローブバイアス電圧を確認することと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧と前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}におけるプローブバイアス電圧との差を確認することと、
    前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}における前記プローブバイアス電圧と前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３}における前記プローブバイアス電圧との前記差及び有効イオン質量の値を用いて、前記プラズマの電子温度を確認することと、
    前記電子温度が所定の条件を満たしている場合に、前記基板処理プロセスにおいて、アラーム及び移行の少なくとも一方を引き起こす制御信号を生成することと、
    を備える方法。
35. 前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、少なくとも、前記充電段階中に、前記ＰＩＦプローブを流れる電流の時間導関数を分析することによって決まり、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ２}は、前記ＰＩＦプローブを流れる前記電流の前記時間導関数におけるピークを検出することによって確認され、前記ピークは、前記充電段階が始まる時間と、時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}との間に生じ、前記時間ｔ_{ｐｏｉｎｔ３ａ}は、前記プラズマシースにかかる第２の電位差が浮遊電位に等しい、前記ＰＩＦ測定装置の前記充電段階の間の時間を示し、前記浮遊電位は、前記ＰＩＦプローブに電流が流れていないときの前記充電段階中の前記プラズマシースにかかる電位差の値を示す、請求項３４に記載の方法。
36. 前記エネルギ源は、バースト高周波源を指す、請求項３４に記載の方法。
37. 前記エネルギ源は、可変電圧源を指す、請求項３４に記載の方法。
38. 前記可変電圧源は、時間依存性の波形を生成するように構成されている、請求項３６に記載の方法。
39. 前記所定の条件は、前記電子温度が、所定のウィンドウの値の範囲内である場合に満たされる、請求項３４に記載の方法。
40. 前記所定の条件は、前記電子温度が、所定の値に等しいか、または該所定の値を超える場合に満たされる、請求項３４に記載の方法。
41. 前記所定の条件は、前記電子温度が、所定の値に等しいか、または、該所定の値未満である場合に満たされる、請求項３４に記載の方法。
42. 前記移行は、終点処理手順を指す、請求項３４に記載の方法。
43. 前記移行は、障害状態処理手順を指す、請求項３４に記載の方法。
44. 前記移行は、前記基板処理プロセスの異なるサブステップを開始することを指す、請求項３４に記載の方法。