JP2011113917A - プラズマ監視用プローブ、プラズマ監視装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマ監視用プローブ、プラズマ監視装置及びプラズマ処理装置に関し、従来のプラズマモニターでは検出できなかったより微弱のプラズマの変化を精度良く検出する。
【解決手段】 プラズマに対向する面の少なくとも一部に開口部が設けられた導電性支持部材の開口部に誘電体部材を設置し、前記誘電体部材の前記プラズマに対向する面と反対側の面にプローブ電極を設けるとともに、前記誘電体部材の前記プラズマに対向する前面にエネルギーフィルターを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明はプラズマ監視用プローブ、プラズマ監視装置及びプラズマ処理装置に関するものであり、例えば、被処理基体に高周波、或いは高電圧によるプラズマ放電を用いて処理するプラズマ処理装置におけるプラズマの微弱変動を精度良く検出するための構成に関する。

現在、半導体製造分野において、プラズマＣＶＤ、アッシング、エッチング、スパッタリング或いは表面処理等を目的として、被処理基体にプラズマ放電を用いて処理するプラズマ処理方法が広く用いられている。

そのプラズマ処置を施すプラズマ処理工程において、高電圧または高周波電源の高周波電圧を印加する際に、発生したプラズマの安定性、再現性の不良により被処理基体に設けた電子素子特性の変動を引き起こす問題がある。この様な問題に対処するためにプラズマの再現性、安定性の確認を的確に検出することが求められている。

この様な要請に応えるために様々な研究がなされており、異常放電においてはプラズマの発光強度の変化、電源の電圧・電流の変化、プラズマ・インピーダンスの変化、或いは、高調波の変化を検出することが試みられている。

また、プラズマの再現性、安定性つまり変動の確認においては、ガス圧の変動、発光スペクトルの変化を検出することによりプラズマの変動の検出が試みられている。

また、ＲＦ電源の電圧或いは電流の変化、或いはプラズマ・インピーダンスの変化をモニターするため、電源ラインに検出器を挿入することが行われている。

本発明者は、このようなプラズマの検出を精度良く行うために、プラズマ処理装置ののぞき窓（ビューポート）を利用した所謂窓型プローブを提案している（例えば、特許文献１参照）。この窓型プローブは、プロセスチャンバーののぞき窓に設けられた透明ガラスにＩＴＯからなるプローブ電極を設けたものである。

窓型プローブにおいては、ガス導入口より反応ガスをプロセスチャンバー内に導入し、一定の圧力の下でＲＦ電力を上部電極と下部電極との間に印加して電極間にプラズマを生成させる。生成されたプラズマには密度勾配があるためにプラズマを構成するイオンと電子がプロセスチェンバーの壁側へ拡散する。

この拡散するイオン及び電子の電流密度はプラズマ本体の密度に依存しているためプロセスチャンバーの一部に絶縁物であるガラス板を設置した場合、プラズマ本体より拡散してガラス板の表面近傍に形成されたシース（ｓｈｅａｔｈ）を通ってくるイオン流或いは電子流の量に応じ、プラズマ本体が持つ電位であるプラズマ電位と均衡がとれる様に壁電位と呼ばれる電位がガラス板の表面に誘起される。

この場合、プラズマ本体からのイオン流速より電子流速が多いため、ガラス板の表面に誘起された壁電位はシース電位分だけプラズマ電位より低くなる。直流放電では一定な電位を示し、一方、高周波放電の場合には、質量が軽い電子がプラズマの励起周波数に追従することから、プラズマの励起周波数に同期した電位変化を示す。

しかし、高周波放電の場合、プラズマ中の電子は、単一のエネルギーを持っているのではなく、電界による加速と繰り返して受ける衝突によって、速度あるいはエネルギーに分布を有している。特に、弱電離プラズマでは電子のエネルギー分布は、図１３に示すマックスウェル分布（Ｍａｘｗｅｌｌｉａｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）か、もしくはそれに近似した分布をもっている。この分布を電子エネルギー分布（ＥＥＤＦ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）と言う。

この電子エネルギー分布は、ＤＲＡＭ等に代表されるような各種半導体集積回路素子を製造する際のプラズマエッチング、プラズマＣＶＤ、プラズマクリーニングなどプラズマプロセスにおいて、重要な制御ファクターの一つとなる。即ち、電子エネルギー分布は、プラズマ反応容器内の圧力、プラズマ生成用ガスの組成、プラズマ励起エネルギーなどの装置操作上の条件に依存するため、プラズマ生成および各種反応ガス分子・原子の励起、解離、イオン化のレートを決定する因子となる。

因に、ＵＨＦプラズマでは、低エネルギー電子が多く、且つ、高エネルギーテールを引く分布を示しマクスウェル分布から外れた状態であり、一方、ＲＦプラズマでは、電子エネルギー分布はマクスウェル分布となっていて、全体として高エネルギー電子が多いことが知られている。

ここで、プラズマが何らかの原因により変動、動揺した場合には、例えば、電源の変動、ガス圧の変動するような状況が発生した場合、プラズマの状態が変化する。このプラズマの状態変化に応じてプロセスチャンバーの壁部へ拡散するイオン流或いは電子流も敏感に変化するために、プロセスチャンバーに設置された誘電体の表面に誘起される壁電位も敏感に変化することになる。

そのため、ＤＣ放電では、壁電位波形は一定ではなくプラズマの変動に同期して変動した波形になる。一方、ＲＦ放電の場合では、プラズマの励起周波数に同期して電位波形が変動するとともに、プラズマの変動に同期して波形の歪或いは波高値等が変化する。

また、異常放電の発生等の様に突発的な変化が生じた場合では、プラズマが急激に萎縮し、質量が軽い電子が敏感に反応して壁電位も急激に変化する。壁電位が変化すると、プロセスチェンバーに設置されたガラス板に設けたプローブ電極に静電誘導によりプラズマの変化に応じた電位変化が誘発される。

この誘導電位を計測して、その電位情報を処理することで、壁電位の波高値、歪の状態等のプラズマの状態変化を検出できる。このプラズマの状態変化を指標にすることによって、プラズマの安定性、再現性、変動等の監視、確認を迅速に，且つ簡便に行うことが可能となる。

特開２００３−３１８１１５号公報 特開２００９−０４８８７９号公報 特開２００９−０４８８８１号公報

従来の窓型プローブやＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサは、プロセスチャンバー壁やウェーハステージ部で発生する比較的大きな異常放電に対しては十分な感度を持っているが、異常放電による製品ウェーハへの損傷や製造装置部品の損傷が相変わらず発生しているのが現状である。

即ち、半導体装置の更なる微細化に伴って顕在化しているウェーハ上で発生する異常放電は、プラズマ特性のみならずウェーハに形成されるデバイス構造に依存するところが大きく、製品ウェーハの損傷を引き起こしている。

このようなウェーハ上で発生する異常放電は微弱であるため、従来の窓型プローブやＡＥセンサでは検出することができなかった。したがって、異常放電により製造途中のウェーハに損傷が発生しても、そのまま、次の工程へ送られることになり、製造歩留り低下の大きな要因となっている。

したがって、本発明は、従来のプラズマモニターでは検出できなかったより微弱なプラズマの変化を精度良く検出することを目的とする。

（１）本発明は、プラズマ監視用プローブであって、プラズマに対向する面の少なくとも一部に開口部が設けられた導電性支持部材と、前記導電性支持部材の開口部に設置された誘電体部材と、前記誘電体部材の前記プラズマに対向する面と反対側の面に設けられたプローブ電極と、前記誘電体部材の前記プラズマに対向する前面に設けられたエネルギーフィルターとを少なくとも有する。

この様に、従来の所謂窓型プローブの誘電体部材のプラズマに対向する前面にエネルギーフィルターを設けることによって、従来の所謂窓型プローブより微弱な異常放電を精度良く且つ迅速に検知することができる。

即ち、エネルギーフィルターは、プラズマ中の電子の内の比較的高エネルギー側に分布する電子のみを透過させてプローブ電極による検出対象としているので、異常放電で生ずる比較的高エネルギーの電子を効率良く検出することができる。

（２）また、本発明は、上記（１）において、エネルギーフィルターを、メッシュ状或いはスリット状の電極とする。エネルギーフィルターは電子をエネルギーに応じて選択的に透過させるものであれば良く、電磁的なフィルターや円筒状のフィルターでも良いが、メッシュ状或いはスリット状の電極とすることが望ましい。

（３）また、本発明は、上記（２）において、エネルギーフィルターにバイアス用電源が備えられている。この様に、バイアス用電源を設けることによって、エネルギーフィルターを透過する電子のエネルギーを任意に調整することができる。

（４）また、本発明は、上記（２）または（３）のいずれかにおいて、エネルギーフィルターの表面を絶縁体で被覆する。この様に、エネルギーフィルターの表面を絶縁体で被覆することによって、プラズマ処理における反応ガスによりエネルギーフィルターが腐食されることを防止することができ、プラズマ監視用プローブの長寿命化が可能になる。

（５）また、本発明は、上記（１）乃至（４）のいずれかにおいて、誘電体部材が、光学的に透明なガラスからなる。壁電位が誘起される誘電体部材は、不透明でも良いが、光学的に透明なガラスを用いることが望ましく、それによって、プロセスチャンバー内部の反応等を光学的に観測することが可能になる。

（６）また、本発明は、上記（５）において、プローブ電極が、光学的に透明な導電性物質からなる。壁電位の検出感度を高めるためにプローブ電極の面積を大きくした場合には、この窓型プローブを介してプロセスチャンバー内部の反応等を光学的に観測するためには、プローブ電極も光学的に透明な導電性物質で構成する必要がある。

（７）また、本発明は、上記（１）乃至（６）のいずれかにおいて、導電性支持部材に設けた開口部に、のぞき窓の機能を持たせる。この様に、のぞき窓の機能を持たせることによって、プロセスチャンバーに設けられているビューポート、即ち、のぞき窓と兼用することができ、装置構成を簡素化することができる。

（８）また、本発明は、プラズマ監視装置において、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のプラズマ監視用プローブを用い、このプラズマ監視用プローブの出力端に、電圧波形を計測する電圧波形計測部を備える。

この様に、上記のプラズマ監視用プローブを用いてプラズマ監視装置を構成する場合には、プラズマ監視用プローブの出力端に、電圧波形を計測する電圧波形計測部を設け、電圧波形によってプラズマ状態を監視すれば良い。なお、電圧波形計測部は、例えば、電圧波形をアナログ／ディジタル変換するＡ／Ｄ変換部及び電圧波形を処理して平均波形、平均電圧、平均振幅等を導出してプラズマの状態を監視するデータ処理部とを少なくとも備えたものとする。また、平均波形としては、高価な高速ＡＤ変換器を必要としない高周波成分を除去した信号処理でも良い。

（９）また、本発明は、上記（８）において、電圧波形計測部により検出した電圧波形の周期的な波形の変化の不一致量を検出してプラズマの安定性を検出するプロセスモニター機構を有する。この様に、電圧波形の周期的な波形の変化の不一致量を検出することによって、プラズマプロセス中のプラズマ状態を精度良くモニターすることができる。

（１０）また、本発明は、上記（８）において、電圧波形計測部により検出した電圧波形の変化によりプラズマの異常放電を検出する異常放電モニター機構を有する。この様に、電圧波形計測部により検出した電圧波形の変化によりプラズマの異常放電を検出することによって、プラズマプロセス中に突発する異常放電をモニターすることができる。

（１１）また、本発明は、プラズマ処理装置において、上記（８）乃至（１０）のいずれかに記載のプラズマ監視装置を備える。この様に、プラズマ処理装置に上記のプラズマ監視装置を備えることによって、デバイス特性に影響を与える微弱な異常放電を精度良く検出することができる。それによって、再現性の高いプラズマ処理を行うことが可能になる。

（１２）また、本発明は、上記（１１）において、開口部が設けられた導電性支持部材５が、反応容器ののぞき窓を構成するフランジ部であり、誘電体部材１がフランジ部を密閉する透明ガラス板である。

この様に、既成のプラズマ処理装置にプラズマ監視装置を取り付ける際には、のぞき窓、即ち、ビューポートを構成するフランジ部を利用すれば良く、それによって、プローブを取り付けるための特別のスペースは不要になるので、装置構成を簡素化することができる。

開示のプラズマ監視用プローブ、プラズマ監視装置及びプラズマ処理装置によれば、従来検知できなかった異常放電等による微弱なプラズマ変化を検知することが可能になり、それによって、再現性の高い安定したプラズマ処理が可能になる。

本発明の実施の形態のプラズマ監視用プローブの概念的構成図である。 Ｅフィルターを設けた場合の酸素プラズマによる電位変化の説明図である。 検出波高値のバイアス電圧依存性の説明図である。 接地電位とフローティング電位における検出波形のＶ_ＰＰの説明図である。 本発明の実施例１のプラズマ監視プローブ付きプラズマ処理装置の概略的構成図である。 本発明の実施例１のプラズマ処理装置に用いるプラズマ監視用プローブの概略的構成図である。 異常放電検出結果の説明図である。 プラズマ変動における検出波形の説明図である。 各種プローブによる異常放電検出結果の説明図である。 模擬ウェーハの概略的平面図である。 カプトンテープなしのＴｉウェーハの検出信号の説明図である。 カプトンテープ有りのＴｉウェーハの検出信号の説明図である。 マクスウェル型電子エネルギー分布関数の説明図である。

ここで、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態のプラズマ監視用プローブの概念的構成図である。プラズマ監視用プローブは導電性支持部材２のプラズマ１に対向する面に設けられた開口部に設置された誘電体部材３と、誘電体部材３のプラズマ１に対向する面と反対側の面に設けられたプローブ電極４と、誘電体部材３のプラズマ１に対向する前面に設置されたＥフィルター（エネルギーフィルター）電極５と有している。

Ｅフィルター５は、電子をエネルギーに応じて選択的に透過させるものであれば良く、電磁的なフィルターや円筒状のフィルターでも良い。ここでは、メッシュ状或いはスリット状にしており、メッシュ或いはスリットを電子が透過できるようになっている。例えば、線径が、０．２〜０．８ｍｍのＳＵＳ或いはＡｌ等の金属線により構成され、メッシュピッチ或いはスリットピッチを０.５ｍｍ〜２.０ｍｍとする。このＥフィルター５には可変バイアス電圧電源６が接続される。また、Ｅフィルター５の表面をＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁体で被覆しても良く、それによって、プラズマ処理中におけるＥフィルター５の腐食を防止することができる。

また、開口部をのぞき窓として利用する場合には、誘電体部材３を透明ガラス板にするとともに、プローブ電極４は、ＩＴＯ等の透明導電膜で形成することが望ましい。プローブ電極４の表面はポリエステル等の透明絶縁膜７で絶縁被覆され、透明絶縁膜７の上にはプローブ電極４を電磁的にシールドするＩＴＯ等の電磁シールド８が設けられる。このプローブ電極４と電磁シールド８にはインピーダンス変換器９が接続される。

基本的な検出原理は、上述の特許文献１において詳述している従来の窓型プローブと同様であるが、本発明の実施の形態においては、電子のエネルギーの選択手段となるＥフィルター５を設けてプラズマ変動の検出感度をあげているので、その原理を説明する。

図２は、Ｅフィルターを設けた場合の酸素プラズマによる電位変化の説明図であり、ここでは、直径が０．３ｍｍのＡｌ線を２ｍｍのピッチで配置してＥフィルター３を形成している。図２（ａ）は、酸素流量を２００ｓｃｃｍとした場合の電位変化を示しており、図２（ｂ）は、酸素流量を５０ｓｃｃｍとした場合の電位変化を示している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）のいずれの場合も、周波数１３．５６ＭＨｚ、放電電力５００Ｗ、圧力３０Ｐａとした放電条件でプラズマを発生させている。波高値が大きい波形がＥフィルターなしの場合に誘電体部材表面に誘起される電位変化であり、波高値が小さい波形がＥフィルターを設けた場合に誘電体部材表面に誘起される電位変化である。

図に示すように、Ｅフィルターなしの場合、酸素流量が異なることによって検出波形が変化しておりプラズマ状態が変わっていることが分かる。Ｅフィルター有りの場合では、それぞれの流量の場合で検出波形の波高値は小さくなっている。Ｅフィルターなしの場合の波高値に対してＥフィルター有りの場合の波高値の比をとると、２００ｓｃｃｍの場合は波高値比＝０．１８／０．６＝０．３であり、５０ｓｃｃｍの場合は波高値比＝０．３／０．８＝０．３７５である。また、その波形も５０ｓｃｃｍの場合には高調波成分も出現した形状となり２００ｓｃｃｍの場合の波形と異なっている。これは、拡散する電子のエネルギー分布によって誘電体表面に誘起される電位変化が異なっていることを示している。

図３は、検出波高値のバイアス電圧依存性の説明図である。ここでは、放電条件を、高周波電源周波数１３．５６ＭＨｚ、電力１０００Ｗ、ガス種ＳＦ_６＋Ｏ_２、圧力３０Ｐａ、ガス流量ＳＦ_６／Ｏ_２＝１１５ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍとし、ウェーハとして８インチのＴｉウェーハを使用している。また、Ｔｉウェーハをステージに固定する静電チャック（ＥＳＣ）電圧を＋３５０Ｖとして、Ｅフィルターに印加するバイアス電圧の範囲を、−１００Ｖ〜０Ｖ〜＋１００Ｖとして１０Ｖステップで測定を行った。

図３においては、Ｅフィルターを接地電位（０Ｖ）にした場合の検出波形のＶ_ＰＰ（ピークｔｏピーク電圧）を基準として、各バイアス電圧におけるプローブの検出波形の変化率として示している。図から明らかなように、接地電位、即ち、Ｅフィルターのバイアス電圧を０Ｖとした場合に、プラズマ放電の周波数１３．５６ＭＨｚのプローブ検出波形のＶ_ＰＰが最大となっている。

これは、バイアス電圧が負電位の場合は、その電位が大きくなるにつれて、励振周波数波形を生成する主原因である質量の小さい負電荷の電子は、Ｅフィルターから反発力となる静電力を受けることにより、電子エネルギー分布における高いエネルギーの電子しか透過できなくなる。その結果、Ｅフィルターを透過できる電子流量が減少するためにＶ_ＰＰが小さくなる。

一方、バイアス電圧が正電位の場合は、逆にＥフィルターから吸引力となる静電力を電子が受けるために、Ｅフィルターに捕獲されて可変バイアス電圧電源へと流れる。その結果、負のバイアス電圧の場合と同様に、Ｅフィルターを透過できる電子流量が減少するため、Ｖ_ＰＰが小さくなりバイアス電圧０Ｖの場合に最も荷電粒子の透過量が多くなっていると考えられる。

したがって、プロセスチャンバーの一部に設置された誘電体部材の前面に設置されたＥフィルターによりプラズマから拡散してくる荷電粒子のエネルギーを選択することにより、プラズマ状態を示す指標である電子エネルギー分布を反映した電位変動を検出することができる。

図４は、接地電位とフローティング電位における検出波形のＶ_ＰＰの説明図である。図４（ａ）は、Ｅフィルターを接地電位にした場合のプローブ検出信号波形であり、図４（ｂ）は、Ｅフィルターをバイアス電圧無印加のフローティング状態とした場合のプローブ検出信号波形である。図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較すると、フローティング状態の場合のＶ_ＰＰは約３．５Ｖであり、一方、接地電位の場合のＶ_ＰＰは約２．０Ｖであり、フローティング状態の場合が約１．６倍大きくなっている。

フローティング状態のＥフィルターには、電子温度とイオンの分子量によって決まるプラズマ電位に対して負電位となる浮動電位（フローティングポテンシャル）が形成され、この浮動電位を超えないエネルギーの電子は追い返されて、イオン流量と電子流量とは平衡状態となる。また、フローティング状態にあるのでＥフィルターからは電子のバイアス電圧電源への流入はない。一方、Ｅフィルターを接地電位とした場合には、あるエネルギー以下の電子がバイアス電圧電源へ流入することになる。

図４に示すようにフローティング状態のＥフィルターの場合のＶ_ＰＰが大きくなっているということは、浮動電位により追い返される電子流量より、バイアス電圧０ＶのＥフィルターに捕獲されて可変バイアス電圧電源へと流れる電子流量が多いことを示している。したがって、フィルター効果として異なっていることが分かる。

このことは、フローティング電位のＥフィルターを備えた新型プローブは、反応性プラズマに曝される場合、絶縁性の薄膜に覆われても測定不能に陥ることはない、つまり、Ｅフィルターを構成するグリッドメッシュに絶縁膜がついても安定に測定可能であることを示しており、量産装置への適用の観点からは大きな利点となる。

プラズマが何らかの原因により変動、動揺する場合、例えば、プロセスチャンバー内で異常放電が発生した場合にプラズマ状態が変化する。つまり、電子エネルギー分布状態が変化し、その状況変化に応じてプロセスチャンバー壁へ拡散するイオン流或いは電子流も敏感に変化するため、プロセスチャンバーに設置された誘電体に誘起される電位も敏感は変化することになる。

このことは、異常放電の発生する部位、例えば、プロセスチャンバーの内壁なのか、ウェーハテージのシールド部分なのか、あるいは、ウェーハ表面のデバイス上なのか、それぞれの状態、あるいは異常放電に規模によってプラズマ変化状態も異なり、それに応じた電子エネルギー分布になる。本発明においては図３に示すように、エネルギーフィルターによってエネルギーが選別された荷電粒子による電位変動を検出しているので、全体としては電子エネルギー分布に埋没している異常放電の発生状況に対応した拡散荷電粒子の変化をより高感度に捉えることができる。

以上を前提として、次に、図５及び図６を参照して、本発明の実施例１のプラズマ監視用プローブ付プラズマ処理装置を説明する。図５は本発明の実施例１のプラズマ監視用プローブ付きプラズマ処理装置の概略的構成図である。プラズマ処理装置は、ガス導入口１２、排気口１３、及び、プローブ取付け部１４を有するプロセスチャンバー１１、プロセスチャンバー内に配置された、Ｓｉウェーハ１６を載置する下部電極１５と導入ガスを噴射するシャワーヘッドを兼ねる上部電極１７とを対向させた平行平板電極、下部電極１５にブロッキングコンデンサ等から構成されるインピーダンス整合をとる整合器１８を介して１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を印加する高周波電源１９、及び、上部電極１７を接地する接地配線２０から構成される。

また、プローブ取付け部１４は、通常のビューポートを構成するフランジ部材からなるものであり、このフランジ部材にプラズマ監視用プローブ３０を取付け、プラズマ監視用プローブ３０からの検出出力は同軸ケーブルを介してディジタルオシロスコープ２１に入力される。なお、このディジタルオシロスコープ２１の入力インピーダンスは、例えば、５０オームとする。

図６は、本発明の実施例１のプラズマ処理装置に用いるプラズマ監視用プローブの概略的構成図である。プラズマ監視用プローブ３０は、通常のビューポートに用いられる光学的に透明なコパールガラス等のガラス板３１、このガラス板３１のプラズマ２２,２３との対向面に設けられるメッシュ状のＥ（エネルギー）フィルター電極３２と、プラズマ２２,２３に対して外側に設けられたＩＴＯ等からなるプローブ電極３３を備えている。プローブ電極３３の表面をポリエステル等の透明絶縁膜３４で絶縁被覆し、その上にＩＴＯシールド３５を設けてプローブ電極３３を電磁的にシールドする。

この場合、プローブ電極３３はプローブ取付け部１４と電気的に短絡しないように、周辺部が欠如されており、また、ＩＴＯシールド３５及び透明絶縁膜３４には微小開口部が設けられており、この微小開口部を通してプローブ電極３３は同軸ケーブルによってインピーダンス変換器３６に接続される。また、このプローブ取付け部１４は、通常のビューポートと同様に、Ｏ−リング及びグリース等を用いることによって真空に密閉する構成となっている。

なお、この場合、プローブ電極３３と同軸ケーブルとの間の接触には、例えば、スプリングピンを使用しており、また、ＩＴＯシールド３５とプローブ取付け部１４との間の接触も同様にして行う。

また、Ｅフィルター３２は、ここでは、直径が０．３ｍｍのＡｌ線を用いて、２ｍｍピッチのものと、１ｍｍピッチの２種類のＥフィルターを用意した。このＥフィルター３２には、同軸ケーブル３７を介して可変バイアス電圧電源３８が接続される。

次に、本発明の実施例１のプラズマ監視用プローブを備えたプラズマ処理装置の異常放電検出性能を説明する。ここでは、高周波電源周波数１３．５６ＭＨｚ、電力１０００Ｗ、ガス種ＳＦ_６＋Ｏ_２ 、圧力３０ｐａ、ガス流量ＳＦ_６／Ｏ_２＝１１５ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍとし、８インチのＴｉウェーハを使用し、ウェーハをステージに固定する静電チャック電圧を＋１０００Ｖとした放電条件で、プロセスチャンバー壁に異常放電を人為的に発生させた。

異常放電の検出は、フローティング電位の２ｍｍピッチメッシュのＥフィルター、接地電位の２ｍｍピッチメッシュのＥフィルター、接地電位の１ｍｍピッチメッシュのＥフィルターを用いて行った。また、比較のために、従来の窓型プローブ及びＡＥセンサによっても異常放電の検出を行った。

図７は、異常放電検出結果の説明図であり、バイアス電圧０Ｖの接地電位のＥフィルターを有するプローブの検出波形（図７の上の波形）は異常放電発生時には、１３．５６ＭＨｚ周波数の信号波形が上から下へ急激に変化する反応を示している。一方、従来のＥフィルターなしの窓型プローブの検出波形（図７の下の波形）では、それより遅れて反応変化している。

このことから、プロセスチャンバー内壁面上に発生する異常放電においては、従来型窓型プローブに比べてＥフィルターを設けた本発明の検出プローブの方が高感度に反応していることを確認できた。但し、両検出プローブのゲインの違いによる信号波形Ｖ_ＰＰの正規化は行っていないので、Ｖ_ＰＰの差に意味はない。

さらに、図８に示すように従来の窓型プローブは検出波形が一定で変化のない場合にも、本発明のプラズマ監視用プローブの検出波形では、下から上へ変化する反応を示している波形が検出されているように、従来の窓型プローブでは検出できないプラズマの微妙な変化をも捉えている。

図９は、各種のプローブによる検出波形の説明図であり、従来の窓型プローブ及び本発明の各種の新型のプローブともに上下に振動する波形を検出している。また、それと同期してチャンバー外壁に貼り付けたＡＥセンサも超音波信号を検出しているので、プロセスチャンバーの内壁面で異常放電が発生していることが判る。

また、検出された信号強度に関しては、フローティング電位の２ｍｍピッチメッシュのＥフィルター、接地電位の２ｍｍピッチメッシュのＥフィルター、接地電位の１ｍｍピッチメッシュのＥフィルター、従来の窓型プローブの順となっている。しかしながら、窓型プローブ以外の本発明の三つの新型プローブの検出信号はすべて飽和している。特に、フローティング電位の２ｍｍピッチメッシュのＥフィルターの検出波形に着目すると、異常放電によるプラズマの急激な変化の検出以外に、微妙なプラズマの変化を捉えている。

次に、ウェーハ上で発生した異常放電の検出能力を説明する。ここでは、高周波電源周波数１３．５６ＭＨｚ、電力１０００Ｗ、ガス種ＳＦ_６＋Ｏ_２、圧力３０ｐａ、ガス流量ＳＦ_６／Ｏ_２＝１１５ｓｃｃｍ／１５ｓｃｃｍとし、８インチのＴｉウェーハを使用し、Ｔｉウェーハをステージに固定する静電チャック電圧を＋３５０Ｖとした放電条件で、プロセスチャンバー壁に異常放電を発生させない条件で実験を行った。

図１０は、模擬ウェーハの概略的平面図であり、８インチのＴｉウェーハ４１の表面に絶縁体である大面積のカプトンテープ４２と小面積のカプトンテープ４３（面積比約１１２）を用意した。小面積のカプトンテープ４３を鋭角な頂角を有する三角形の形状として、大面積カプトンテープ４２と約０．２ｍｍ程度以下に近接して配置するように貼り付けた。

このような模擬ウェーハに対して上述の放電条件でプラズマを発生させると、プラズマ照射によってウェーハ上のデバイス内に不均一な帯電電位分布が生じる。その電位差が耐圧以上なると、絶縁破壊による異常放電が発生する。この模擬ウェーハの場合には、カプトンテープ４２，４３の間で電荷移動を誘発させて人為的に異常放電を発生させている。なお、比較のためにカプトンテープなしのＴｉウェーハについても同じ放電条件で実験を行った。

確認実験では、同一放電条件で５０秒間のエッチング処理を行った際に、プロセスチャンバー外壁の互いに異なった位置に貼り付けた２つのＡＥセンサ、従来型の窓型プローブ、接地電位の２ｍｍピッチメッシュのＥフィルター、フローティング電位の２ｍｍピッチメッシュのＥフィルターにより異常放電の検出を試みた。但し、ここでは、長時間の波形データ収集のため、ディジタルオシロスコープのサンプリングレートを落とし帯域を１ＭＨｚ以下にしているので、検出波形においては放電周波数である１３．５６ＭＨｚの信号はカットされている。

図１１は、カプトンテープなしのＴｉウェーハの検出信号の説明図であり、全ての検出器の信号において波形の変動はない。したがって、上述の放電条件ではプロセスチャンバー壁に異常放電が発生していないことは明らかである。なお、各検出波形における右側の波形は、エッチング処理のちの放電パワーを下げた除電プラズマに移行した際のＥＥＤＦの変化を反映した検出波形であり、異常放電に対応する波形ではない。

図１２は、カプトンテープ有りのＴｉウェーハの検出信号の説明図であり、２つのＡＥセンサおよび従来型の窓型プローブの検出波形にはなんの変化も現れてない。一方、本発明の２種類のＥフィルターを用いた新型プローブは、ともに検出波形に変化が現れている。

つまり、面積の異なるカプトンテープを近接して貼ることによって、ウェーハ上において電荷の移動を伴う異常放電が発生し、電子エネルギー分布に変化をもたらしたものと推察される。このことは、従来型の窓型プローブおよびＡＥセンサでは、波形が全く検出できていないことから、プロセスチャンバー壁面上での異常放電に比べて極めて微弱な異常放電であることを示している。

また、本発明の２つの異なった条件のＥフィルターを用いた新型プローブの場合は、プラズマエッチング処理工程の前半、また途中より上下に振動する波形の変化を捉えている。接地電位のＥフィルターの振動波形のＶ_ＰＰに比べてフローティング電位のＥフィルターの振動波形のＶ_ＰＰの方が約２倍となり感度が高くなっている。

このことは、フローティング状態のＥフィルターを用いた新型プローブは、反応性プラズマに曝される場合、絶縁性の薄膜に覆われても測定不能に陥ることはない、つまり、Ｅフィルターのグリッドメッシュに絶縁膜がついても 安定に測定可能であることを示しており、量産装置への適用の観点からは重要な利点となる。

図１０と図１２の検出信号の波形を比較すると、各種の新型プローブともに上下する振動波形の立ち上がりはプロセスチャンバーの壁面上の異常放電では急峻であるのに対して、ウェーハ上の異常放電では比較的緩やかな立ち上がりである。加えて、ウェーハ上の異常放電の場合の振動波形のＶ_ＰＰは壁面上の異常放電に比べて０．２〜０．１倍程度であることから、ウェーハ上の異常放電の検出波形は、通常の内壁面上に発生する異常放電の検出波形とは異なっている。

これを電子エネルギー分布関数の観点で考察すると、Ｅフィルターを備えた新型プローブは従来の窓型プローブに比べて相対的高いエネルギーの電子による電位変化を検出している。したがって、従来の窓型プローブでは異常放電が検出されていない以上、ウェーハ上の異常放電の場合の電子エネルギー分布の変化は、比較的高いエネルギー領域のものが変化していると推察される。

また、Ｅフィルターを接地電位或いはバイアス電圧を印加した場合は、フローティング電位の場合に対して、より高エネルギー領域の分布的には少ない電子のみを透過させることになるため、ウェーハ上の異常放電に対しての感度が低くなったものと推察する。

なお、上記の実施の形態の説明及び実施例の具体的な説明においては、Ｅフィルターをメッシュ状として説明しているが、スリット状或いは円筒状としても良い。なお、円筒状にした場合には、筒の長さと中空開口部の比、即ち、アスペクト比を変えることによって、エネルギー選別を変えることができる。

また、Ｅフィルターをフローティング電位で使用する場合には、金属線で形成する必要は必ずしもなく、誘電体でメッシュ状フィルターを構成しても良く、この場合も誘電体フィルターには壁電位が誘起される。

１ プラズマ
２ 導電性支持部材
３ 誘電体部材
４ プローブ電極
５ Ｅフィルター
６ 可変バイアス電圧電源
７ 透明絶縁膜
８ 電磁シールド
９ インピーダンス変換器
１１ プロセスチャンバー
１２ ガス導入口
１３ 排気口
１４ プローブ取付け部
１５ 下部電極
１６ Ｓｉウェーハ
１７ 上部電極
１８ 整合器
１９ 高周波電源
２０ 接地配線
２１ ディジタルオシロスコープ
２２,２３ プラズマ
３０ プラズマ監視用プローブ
３１ ガラス板
３２ Ｅフィルター
３３ プローブ電極
３４ 透明絶縁膜
３５ ＩＴＯシールド
３６ インピーダンス変換器
３７ 同軸ケーブル
３８ 可変バイアス電圧電源
４１ Ｔｉウェーハ
４２，４３ カプトンテープ

Claims (12)

1. プラズマに対向する面の少なくとも一部に開口部が設けられた導電性支持部材と、
   前記導電性支持部材の開口部に設置された誘電体部材と、
   前記誘電体部材の前記プラズマに対向する面と反対側の面に設けられたプローブ電極と、
   前記誘電体部材の前記プラズマに対向する前面に設けられたエネルギーフィルターと
   を少なくとも有するプラズマ監視用プローブ。
2. 前記エネルギーフィルターが、メッシュ状或いはスリット状の電極である請求項１に記載のプラズマ監視用プローブ。
3. 前記エネルギーフィルターに接続するバイアス電源を備えている請求項２に記載のプラズマ監視用プローブ。
4. 前記エネルギーフィルターの表面を絶縁体で被覆した請求項２または請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ監視用プローブ。
5. 前記誘電体部材が、光学的に透明なガラスからなる請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ監視用プローブ。
6. 前記プローブ電極が、光学的に透明な導電性物質からなる請求項５に記載のプローブ監視用プローブ。
7. 前記導電性支持部材に設けた開口部が、のぞき窓の機能を有する請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ監視用プローブ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプラズマ監視用プローブを用いたプラズマ監視装置において、前記プラズマ監視用プローブの出力端に、電圧波形を計測する電圧波形計測部を具備してなるプラズマ監視装置。
9. 前記電圧波形計測部により検出した電圧波形の周期的な波形の変化の不一致量を検出してプラズマの安定性を検出するプロセスモニタ機構を有する請求項８に記載のプラズマ監視装置。
10. 前記電圧波形計測部により検出した電圧波形の変化によりプラズマの異常放電を検出する異常放電モニタ機構を有する請求項８に記載のプラズマ監視装置。
11. 請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載のプラズマ監視装置を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 前記開口部が設けられた導電性支持部材が、反応容器ののぞき窓を構成するフランジ部であり、前記誘電体部材がフランジ部を密閉する透明ガラス板である請求項１１に記載のプラズマ処理装置。

Images