JP2013171847A - プラズマ処理装置及びプラズマのモニタリング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 処理容器内に複数の部位からマイクロ波を導入する方式のプラズマ処理装置において、複数のマイクロ波によって生成した複数のプラズマの状態を区別してモニタリングする。
【解決手段】プラズマ処理装置１は、処理容器２内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置５を備えている。マイクロ波導入装置５は、天井部１１の複数の開口部に嵌合する複数のマイクロ波透過板７３を含んでいる。発光センサ９２は、マイクロ波導入装置５の各アンテナモジュール６１にそれぞれ設けられている。発光センサ９２は、マイクロ波透過板７３を介して、マイクロ波透過板７３の直下の処理容器２内で生成したプラズマの特定波長の発光を検出する。検出対象の波長は、互いに隣接する２つのマイクロ波透過板７３からそれぞれ導入されたマイクロ波により生成される２つのプラズマにおける発光強度の比に基づいて選択される。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いて被処理体を処理するプラズマ処理装置及び該プラズマ処理装置におけるプラズマのモニタリング方法に関する。
半導体ウエハ等の被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置として、複数のスロットを有する平面アンテナを用いて処理容器内にマイクロ波を導入してプラズマを生成させるスロットアンテナ方式のプラズマ処理装置が知られている。また、他のプラズマ処理装置として、コイル状のアンテナを用いて処理容器内に高周波を導入してプラズマを生成させる誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma；ＩＣＰ）方式のプラズマ処理装置が知られている。これらのプラズマ処理装置では、処理容器内で高密度のプラズマを生成させることが可能であり、生成されたプラズマによって、例えば酸化処理、窒化処理、堆積処理、エッチング処理等が行われる。
プラズマ処理装置では、安定したプラズマ処理を実現するために、処理容器内で行われるプラズマの状態を把握するモニタリングが行われる。例えば、特許文献１では、処理容器内で生成したプラズマの発光を、処理容器の側部に設けた計測窓を通して発光センサにより計測できるようにしたプラズマ処理装置が提案されている。
ところで、次世代以降のデバイス開発に向けて、例えば３次元デバイス加工や微細化への対応を図りながら生産性を向上させるためには、現在３００ｍｍ径の半導体ウエハを４５０ｍｍ径に大型化させる必要がある。しかし、被処理体である半導体ウエハが大型化すると、その面内における処理の均一性を確保することが困難になる。大型の被処理体の面内における処理の均一性を向上させることを目的として、例えば特許文献２では、複数のマイクロ波導入手段を設け、複数の部位からマイクロ波を処理容器内に導入し、これらのマイクロ波によって生成されるプラズマを利用する技術が提案されている。
特開２００１−７７０９２（図２など） 特開２００３−１８８１５４（図１など）
上記特許文献２のように、処理容器内に複数の部位からマイクロ波を導入する方式のプラズマ処理装置では、導入された複数のマイクロ波によって複数のプラズマが生成し、それらが処理容器内で合成される。そのため、上記方式のプラズマ処理装置では、個々に生成したプラズマの状態を区別してモニタリングすることが困難である、という課題があった。例えば、特許文献１のように、処理容器の側部に発光センサを設けてプラズマの発光を検出する方法を採用した場合、重なり合った複数のプラズマのうちの一つが鎮火している状態を迅速に検出することはできなかった。
本発明の目的は、処理容器内に複数の部位からマイクロ波を導入する方式のプラズマ処理装置において、複数のマイクロ波によって生成した複数のプラズマの状態を区別してモニタリングすることが可能なプラズマ処理装置及びプラズマのモニタリング方法を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記処理容器内でプラズマを生成させるためのマイクロ波をそれぞれ前記処理容器内に導入する複数のマイクロ波導入モジュールと、前記処理容器内で行われるプラズマ処理の条件に応じて予め選択された対象波長に基づき、前記マイクロ波導入モジュール毎に生成するプラズマの発光を検出するために、前記複数のマイクロ波導入モジュールにそれぞれ対応して設けられた複数の発光センサと、前記複数の発光センサの検出データに基づき、前記複数のプラズマの状態をそれぞれモニタリングする制御部と、を備えている。
また、本発明のプラズマのモニタリング方法は、プラズマ処理装置においてプラズマのモニタリングを行うものである。本発明のプラズマのモニタリング方法において、前記プラズマ処理装置は、被処理体を収容する処理容器と、前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、前記処理容器内でプラズマを生成させるためのマイクロ波をそれぞれ前記処理容器内に導入する複数のマイクロ波導入モジュールと、前記処理容器内で行われるプラズマ処理の条件に応じて予め選択された対象波長に基づき、前記マイクロ波導入モジュール毎に生成するプラズマの発光を検出するために、前記複数のマイクロ波導入モジュールにそれぞれ対応して設けられた複数の発光センサと、を備えている。そして、本発明のプラズマのモニタリング方法は、前記複数の発光センサの検出データに基づき、前記複数のプラズマの状態をそれぞれモニタリングすることを特徴とする。
本発明のプラズマ処理装置又はプラズマのモニタリング方法において、前記対象波長は、前記複数のマイクロ波導入モジュールのうち、互いに隣接する２つのマイクロ波導入モジュールからそれぞれ導入されたマイクロ波により生成された２つのプラズマにおける発光強度の比に基づいて選択されたものであってもよい。この場合、前記発光強度の比は、モニタリング対象のプラズマを生成するために前記マイクロ波導入モジュールにより導入されるマイクロ波パワーＰＡと、該モニタリング対象のプラズマに隣接するプラズマを生成させるために前記マイクロ波導入モジュールにより導入されるマイクロ波パワーＰＢとの比ＰＢ／ＰＡを５以上に設定した条件でそれぞれプラズマを生成させて計測されたものであってもよい。
また、本発明のプラズマ処理装置又はプラズマのモニタリング方法は、前記プラズマ処理が、プラズマ酸化処理であり、前記対象波長が７７７ｎｍ付近であってもよい。
また、本発明のプラズマ処理装置又はプラズマのモニタリング方法は、前記プラズマ処理が、プラズマ窒化処理であり、前記対象波長が８３５ｎｍ付近であってもよい。
また、本発明のプラズマ処理装置又はプラズマのモニタリング方法において、前記複数のマイクロ波導入モジュールは、それぞれ、前記処理容器内にマイクロ波を透過させて導入させるマイクロ波透過窓を有しており、前記発光センサは、前記マイクロ波透過窓を介して前記プラズマの発光を検出する位置に設けられていてもよい。
また、本発明のプラズマ処理装置又はプラズマのモニタリング方法において、前記複数のマイクロ波導入モジュールは、前記処理容器の天井部の中央部分に１つの中心マイクロ波透過窓が位置し、前記中心マイクロ波透過窓を囲むようにその外側に少なくとも６つの外側マイクロ波透過窓が位置するように、配置されていてもよい。
本発明のプラズマ処理装置又はプラズマのモニタリング方法によれば、処理容器内で生成する複数のプラズマについて、それぞれ、着火、鎮火、プロセス中における変動の有無などを、高精度にモニタリングできる。従って、個々のプラズマの不着火、鎮火などに起因するプロセス不良を未然に防止することができる。
本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の概略の構成を示す断面図である。 図１に示した制御部の構成を示す説明図である。 図１に示したマイクロ波導入装置の構成を示す説明図である。 図３に示したマイクロ波導入機構を示す断面図である。 図４に示したマイクロ波導入機構のアンテナ部を示す斜視図である。 図４に示したマイクロ波導入機構の平面アンテナを示す平面図である。 図１に示した処理容器の天井部の底面図である。 図１に示したマイクロ波導入装置における複数のマイクロ波透過板の配置を示す説明図である。 複数のプラズマ源で生成したプラズマの状態を模式的に説明する原理図である。 互いに隣接する２つのプラズマ源でそれぞれ生成したプラズマの発光強度の比を示すチャートである。 複数のプラズマ源で生成したプラズマの別の状態を模式的に説明する原理図である。 処理容器内でのプラズマの放電の有無と、マイクロ波センサによる処理容器内のマイクロ波の検出結果との関係を示すグラフ 複数のプラズマ源で生成したプラズマのさらに別の状態を模式的に説明する原理図である。 プラズマの着火、整合開始、整合完了までのインピーダンスの軌跡を示すスミスチャートである。 プラズマ着火時のインピーダンスとプラズマ発光の時間変化を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図１および図２を参照して、本発明の実施の形態のプラズマ処理装置の構成例について説明する。図１は、本実施の形態のプラズマ処理装置の概略の構成を示す断面図である。図２は、図１に示した制御部の構成を示す説明図である。本実施の形態のプラズマ処理装置１は、連続する複数の動作を伴って、例えば半導体デバイス製造用の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す。）Ｗに対して、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理等の所定の処理を施す装置である。
プラズマ処理装置１は、被処理体であるウエハＷを収容する処理容器２と、処理容器２の内部に配置され、ウエハＷを載置する載置面２１ａを有する載置台２１と、処理容器２内にガスを供給するガス供給機構３と、処理容器２内を減圧排気する排気装置４と、処理容器２内にプラズマを生成させるためのマイクロ波を発生させると共に、処理容器２内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置５と、これらプラズマ処理装置１の各構成部を制御する制御部８とを備えている。なお、処理容器２内にガスを供給する手段としては、ガス供給機構３の代りに、プラズマ処理装置１の構成には含まれない外部のガス供給機構を使用してもよい。また、プラズマ処理装置１は、処理容器２内のマイクロ波を検出するマイクロ波センサ９１と、マイクロ波によって生成するプラズマの発光を検出する複数の発光センサ９２と、マイクロ波伝送路のインピーダンスを検出する複数のマイクロ波センサ９３と、を備えている。
処理容器２は、例えば略円筒形状をなしている。処理容器２は、例えばアルミニウムおよびその合金等の金属材料によって形成されている。マイクロ波導入装置５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。マイクロ波導入装置５の構成については、後で詳しく説明する。
処理容器２は、板状の天井部１１および底部１３と、天井部１１と底部１３とを連結する側壁部１２とを有している。天井部１１は、複数の開口部を有している。側壁部１２は、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１２ａを有している。処理容器２と図示しない搬送室との間には、ゲートバルブＧが配置されている。ゲートバルブＧは、搬入出口１２ａを開閉する機能を有している。ゲートバルブＧは、閉状態で処理容器２を気密にシールすると共に、開状態で処理容器２と図示しない搬送室との間でウエハＷの移送を可能にする。また、処理容器２の側壁部１２の上部には、処理容器２内に導入されたマイクロ波を検出するためのマイクロ波センサ９１が設けられている。マイクロ波センサ９１としては、例えば同軸型電界センサなどを用いることができる。マイクロ波センサ９１で検出された信号は、図示しない計測部において演算処理されてデータ化され、制御部８のプロセスコントローラ８１へ送信される。マイクロ波センサ９１の作用については、後述する。
底部１３は、複数（図１では２つ）の排気口１３ａを有している。プラズマ処理装置１は、更に、排気口１３ａと排気装置４とを接続する排気管１４を備えている。排気装置４は、ＡＰＣバルブと、処理容器２の内部空間を所定の真空度まで高速に減圧することが可能な高速真空ポンプとを有している。このような高速真空ポンプとしては、例えばターボ分子ポンプ等がある。排気装置４の高速真空ポンプを作動させることによって、処理容器２は、その内部空間が所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで減圧される。
プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２内において載置台２１を支持する支持部材２２と、支持部材２２と処理容器２の底部１３との間に設けられた絶縁材料よりなる絶縁部材２３とを備えている。載置台２１は、被処理体であるウエハＷを水平に載置するためのものである。支持部材２２は、底部１３の中央から処理容器２の内部空間に向かって延びる円筒状の形状を有している。載置台２１および支持部材２２は、例えばＡｌＮ等によって形成されている。
プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１に高周波電力を供給する高周波バイアス電源２５と、載置台２１と高周波バイアス電源２５との間に設けられた整合器２４とを備えている。高周波バイアス電源２５は、ウエハＷにイオンを引き込むために、載置台２１に高周波電力を供給する。
図示しないが、プラズマ処理装置１は、更に、載置台２１を加熱または冷却する温度制御機構を備えている。温度制御機構は、例えば、ウエハＷの温度を、２５℃（室温）〜９００℃の範囲内で制御する。また、載置台２１は、載置面２１ａに対して突没可能に設けられた複数の支持ピンを有している。複数の支持ピンは、任意の昇降機構により上下に変位し、上昇位置において、図示しない搬送室との間でウエハＷの受け渡しを行うことができるように構成されている。
プラズマ処理装置１は、更に、処理容器２の天井部１１に設けられたガス導入部１５を備えている。ガス導入部１５は、円筒形状をなす複数のノズル１６を有している。ノズル１６は、その下面に形成されたガス孔１６ａを有している。ノズル１６の配置については、後で説明する。
ガス供給機構３は、ガス供給源３１を含むガス供給装置３ａと、ガス供給源３１とガス導入部１５とを接続する配管３２とを有している。なお、図１では、１つのガス供給源３１を図示しているが、ガス供給装置３ａは、使用されるガスの種類に応じて複数のガス供給源を含んでいてもよい。
ガス供給源３１は、例えば、プラズマ生成用の希ガスや、酸化処理や窒化処理に使用される処理ガス等のガス供給源として用いられる。なお、プラズマ生成用の希ガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ等が使用される。酸化処理に使用される処理ガスとしては、例えば、酸素ガス、オゾンガス等の酸化性ガスが使用される。窒化処理に使用される処理ガスとしては、例えば、窒素ガス、ＮＨ３ガス等が使用される。なお、希ガスは酸化処理用の処理ガスや、窒化処理用の処理ガスと共に使用される場合もある。
図示しないが、ガス供給装置３ａは、更に、配管３２の途中に設けられたマスフローコントローラおよび開閉バルブを含んでいる。処理容器２内に供給されるガスの種類や、これらのガスの流量等は、マスフローコントローラおよび開閉バルブによって制御される。
プラズマ処理装置１の各構成部は、それぞれ制御部８に接続されて、制御部８によって制御される。制御部８は、典型的にはコンピュータである。図２に示した例では、制御部８は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ８１と、このプロセスコントローラ８１に接続されたユーザーインターフェース８２および記憶部８３とを備えている。
プロセスコントローラ８１は、プラズマ処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、バイアス印加用の高周波電力、マイクロ波出力等のプロセス条件に関係する各構成部（例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４、マイクロ波導入装置５等）を統括して制御する制御手段である。また、プロセスコントローラ８１は、マイクロ波センサ９１、発光センサ９２、マイクロ波センサ９３などのセンサ類も制御対象としており、これらのセンサ類からの検出信号を受け取ってプロセスの条件の修正や、プロセスの中止等の制御を行う。
ユーザーインターフェース８２は、工程管理者がプラズマ処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードやタッチパネル、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。
記憶部８３には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ８１の制御によって実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記録されたレシピ等が保存されている。また、記憶部８３には、後述する発光センサ９２を用いるモニタリングの際に測定対象とする波長を、プロセス条件に関連付けて保存しておくこともできる。プロセスコントローラ８１は、ユーザーインターフェース８２からの指示等、必要に応じて、任意の制御プログラムやレシピを記憶部８３から呼び出して実行する。これにより、プロセスコントローラ８１による制御下で、プラズマ処理装置１の処理容器２内において所望の処理が行われる。
上記の制御プログラムおよびレシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスク等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用することができる。また、上記のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用することも可能である。
次に、図１、図３ないし図６を参照して、マイクロ波導入装置５の構成について詳しく説明する。図３は、マイクロ波導入装置５の構成を示す説明図である。図４は、図３に示したマイクロ波導入機構を示す断面図である。図５は、図４に示したマイクロ波導入機構のアンテナ部を示す斜視図である。図６は、図４に示したマイクロ波導入機構の平面アンテナを示す平面図である。
＜マイクロ波導入装置＞
前述のように、マイクロ波導入装置５は、処理容器２の上部に設けられ、処理容器２内に電磁波（マイクロ波）を導入してプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。図１および図３に示したように、マイクロ波導入装置５は、処理容器２の上部に配置され、複数の開口部を有する導電性部材である天井部１１と、マイクロ波を生成すると共に、マイクロ波を複数の経路に分配して出力するマイクロ波出力部５０と、マイクロ波出力部５０から出力されたマイクロ波を処理容器２に導入するアンテナユニット６０とを有している。本実施の形態では、処理容器２の天井部１１は、マイクロ波導入装置５の導電性部材を兼ねている。
マイクロ波出力部５０は、電源部５１と、マイクロ波発振器５２と、マイクロ波発振器５２によって発振されたマイクロ波を増幅するアンプ５３と、アンプ５３によって増幅されたマイクロ波を複数の経路に分配する分配器５４とを有している。マイクロ波発振器５２は、所定の周波数（例えば、８６０ＭＨｚ）でマイクロ波を発振（例えば、ＰＬＬ発振）させる。なお、マイクロ波の周波数は、８６０ＭＨｚに限らず、２．４５ＧＨｚ、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等であってもよい。分配器５４は、入力側と出力側のインピーダンスを整合させながらマイクロ波を分配する。
アンテナユニット６０は、複数のアンテナモジュール６１を含んでいる。複数のアンテナモジュール６１は、それぞれ、分配器５４によって分配されたマイクロ波を処理容器２内に導入する。本実施の形態では、複数のアンテナモジュール６１の構成は全て同一である。各アンテナモジュール６１は、分配されたマイクロ波を主に増幅して出力するアンプ部６２と、アンプ部６２から出力されたマイクロ波を処理容器２内に導入するマイクロ波導入機構６３とを有している。アンテナモジュール６１は、本発明におけるマイクロ波導入モジュールに対応する。
アンプ部６２は、マイクロ波の位相を変化させる位相器６２Ａと、メインアンプ６２Ｃに入力されるマイクロ波の電力レベルを調整する可変ゲインアンプ６２Ｂと、ソリッドステートアンプとして構成されたメインアンプ６２Ｃと、後述するマイクロ波導入機構６３のアンテナ部で反射されてメインアンプ６２Ｃに向かう反射マイクロ波を分離するアイソレータ６２Ｄとを含んでいる。
位相器６２Ａは、マイクロ波の位相を変化させて、マイクロ波の放射特性を変化させることができるように構成されている。位相器６２Ａは、例えば、アンテナモジュール６１毎にマイクロ波の位相を調整することによって、マイクロ波の指向性を制御してプラズマの分布を変化させることに用いられる。なお、このような放射特性の調整を行わない場合には、位相器６２Ａを設けなくてもよい。
可変ゲインアンプ６２Ｂは、個々のアンテナモジュール６１のばらつきの調整や、プラズマ強度の調整のために用いられる。例えば、可変ゲインアンプ６２Ｂをアンテナモジュール６１毎に変化させることによって、処理容器２内全体のプラズマの分布を調整することができる。
図示しないが、メインアンプ６２Ｃは、例えば、入力整合回路、半導体増幅素子、出力整合回路および高Ｑ共振回路を含んでいる。半導体増幅素子としては、例えば、Ｅ級動作が可能なＧａＡｓＨＥＭＴ、ＧａＮＨＥＭＴ、ＬＤ（Laterally Diffused）−ＭＯＳが用いられる。
アイソレータ６２Ｄは、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、後述するマイクロ波導入機構６３のアンテナ部で反射された反射マイクロ波をダミーロードへ導くものである。ダミーロードは、サーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換するものである。なお、前述のように、本実施の形態では、複数のアンテナモジュール６１が設けられており、複数のアンテナモジュール６１の各々のマイクロ波導入機構６３によって処理容器２内に複数のマイクロ波を導入できる。そのため、個々のアイソレータ６２Ｄは小型のものでもよく、アイソレータ６２Ｄをメインアンプ６２Ｃに隣接して設けることができる。
図１に示したように、複数のマイクロ波導入機構６３は、天井部１１に設けられている。図４に示したように、マイクロ波導入機構６３は、インピーダンスを整合させるチューナ６４と、増幅されたマイクロ波を処理容器２内に放射するアンテナ部６５と、金属材料よりなり、図４における上下方向に延びる円筒状の形状を有する本体容器６６と、本体容器６６内において本体容器６６が延びる方向と同じ方向に延びる内側導体６７とを有している。本体容器６６および内側導体６７は、同軸管を構成している。本体容器６６は、この同軸管の外側導体を構成している。内側導体６７は、棒状または筒状の形状を有している。本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間の空間は、マイクロ波伝送路６８を形成する。
図示しないが、アンテナモジュール６１は、更に、本体容器６６の基端側（上端側）に設けられた給電変換部を有している。給電変換部は、同軸ケーブルを介してメインアンプ６２Ｃに接続されている。アイソレータ６２Ｄは、同軸ケーブルの途中に設けられている。
アンテナ部６５は、本体容器６６における給電変換部とは反対側に設けられている。後で説明するように、本体容器６６におけるアンテナ部６５よりも基端側の部分は、チューナ６４によるインピーダンス調整範囲となっている。
図４および図５に示したように、アンテナ部６５は、本体容器６６の下部において、上部に比べて径が大きく拡大して形成されている。アンテナ部６５は、内側導体６７の下端部に接続された平面アンテナ７１と、平面アンテナ７１の上面側に配置されたマイクロ波遅波材７２と、平面アンテナ７１の下面側に配置されたマイクロ波透過板７３とを有している。マイクロ波透過板７３の下面は、処理容器２の内部空間に露出している。マイクロ波透過板７３は、本体容器６６を介して、マイクロ波導入装置５の導電性部材である天井部１１の開口部に嵌合している。マイクロ波透過板７３は、本発明におけるマイクロ波透過窓に対応する。
平面アンテナ７１は、円板形状を有している。また、平面アンテナ７１は、平面アンテナ７１を貫通するように形成されたスロット７１ａを有している。図５および図６に示した例では、４つのスロット７１ａが設けられており、各スロット７１ａは、４つに均等に分割された円弧形状を有している。なお、スロット７１ａの数は、４つに限らず、５つ以上であってもよいし、１つ以上３つ以下であってもよい。また、スロット７１ａの形状も円弧状に限らず、例えば矩形、細溝状など任意の形状とすることができる。
マイクロ波遅波材７２は、真空よりも大きい誘電率を有する材料によって形成されている。マイクロ波遅波材７２を形成する材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン樹脂等のフッ素系樹脂、ポリイミド樹脂等を用いることができる。マイクロ波は、真空中ではその波長が長くなる。マイクロ波遅波材７２は、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。また、マイクロ波の位相は、マイクロ波遅波材７２の厚みによって変化する。そのため、マイクロ波遅波材７２の厚みによってマイクロ波の位相を調整することにより、平面アンテナ７１が定在波の腹の位置になるように調整することができる。これにより、平面アンテナ７１における反射波を抑制することができると共に、平面アンテナ７１から放射されるマイクロ波の放射エネルギーを大きくすることができる。つまり、これにより、マイクロ波のパワーを効率よく処理容器２内に導入することができる。
マイクロ波透過板７３は、誘電体材料によって形成されている。マイクロ波透過板７３を形成する誘電体材料としては、例えば石英やセラミックス等が用いられる。マイクロ波透過板７３は、マイクロ波をＴＥモードで効率的に放射することができるような形状をなしている。図５に示した例では、マイクロ波透過板７３は、直方体形状を有している。なお、マイクロ波透過板７３の形状は、直方体形状に限らず、例えば円柱形状、五角形柱形状、六角形柱形状、八角形柱形状であってもよい。
上記のように構成されたマイクロ波導入機構６３では、メインアンプ６２Ｃで増幅されたマイクロ波は、本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間（マイクロ波伝送路６８）を通って平面アンテナ７１に達し、平面アンテナ７１のスロット７１ａからマイクロ波透過板７３を透過して処理容器２の内部空間に放射される。
＜発光センサ＞
本実施の形態のプラズマ処理装置１では、発光センサ９２は、マイクロ波導入装置５の各アンテナモジュール６１にそれぞれ設けられている。図４に示したように、各アンテナモジュール６１のマイクロ波導入機構６３における円筒状の本体容器６６の下部のアンテナ部６５は、上部に比べて径が大きく拡大している。この拡大部分に、本体容器６６の壁、マイクロ波遅波材７２及び平面アンテナ７１を貫通してマイクロ波透過板７３に達するセンサ装着用の開口６６ａが設けられている。開口６６ａは、平面アンテナ７１の径方向にスロット７１ａよりも内側（平面アンテナ７１の中心側）に設けられている。この開口６６ａに、発光センサ９２が装着されている。なお、図示は省略するが、開口６６ａは、スロット７１ａの数のｎ倍（ｎは１以上の整数）の数で複数箇所に設けられている。これら複数の開口６６ａは、同軸構造のマイクロ波導入機構６３の内側導体６７を中心に同一円周状に均等に設けられている。複数の開口６６ａをこのように均等に配置することによって、開口６６ａによる電磁波への影響が打ち消し合うため、電界分布を乱すことがなくなるので好ましい。
発光センサ９２は、図示しない受光素子を備えた光学センサである。発光センサ９２は、計測部９４と信号の送受信が可能に接続されている。計測部９４は、制御部８と信号の送受信が可能に接続されている。発光センサ９２は、マイクロ波透過板７３を介して、マイクロ波透過板７３の直下の処理容器２内で生成したプラズマの特定波長の発光を検出する。発光センサ９２は、計測する対象波長に応じて波長フィルタを交換してもよいし、複数の対象波長を切り替えて検出できるように構成してもよい。発光センサ９２で検出された信号は、計測部９４において演算処理されてデータ化され、制御部８のプロセスコントローラ８１へ送信される。これらの発光センサ９２の機能の詳細については、後述する。
＜マイクロ波センサ＞
図４に示したように、各マイクロ波導入機構６３における円筒状の本体容器６６の上部には、本体容器６６の壁を貫通してマイクロ波センサ９３が設けられている。マイクロ波センサ９３は、マイクロ波伝送路６８に挿入されており、マイクロ波伝送路６８におけるインピーダンスを検出する。マイクロ波センサ９３としては、例えば同軸型電界センサなどを用いることができる。マイクロ波センサ９３で検出された信号は、図示しない計測部において演算処理されてデータ化され、制御部８のプロセスコントローラ８１へ送信される。これらのマイクロ波センサ９３の機能については、後述する。
チューナ６４は、スラグチューナを構成している。具体的には、図４に示したように、チューナ６４は、本体容器６６のアンテナ部６５よりも基端部側（上端部側）の部分に配置された２つのスラグ７４Ａ，７４Ｂと、２つのスラグ７４Ａ，７４Ｂを動作させるアクチュエータ７５と、このアクチュエータ７５を制御するチューナコントローラ７６とを有している。
スラグ７４Ａ，７４Ｂは、板状且つ環状の形状を有し、本体容器６６の内周面と内側導体６７の外周面との間に配置されている。また、スラグ７４Ａ，７４Ｂは、誘電体材料によって形成されている。スラグ７４Ａ，７４Ｂを形成する誘電体材料としては、例えば、比誘電率が１０の高純度アルミナを用いることができる。高純度アルミナは、通常、スラグを形成する材料として用いられている石英（比誘電率３．８８）やテフロン（登録商標）（比誘電率２．０３）よりも比誘電率が大きいため、スラグ７４Ａ，７４Ｂの厚みを小さくすることができる。また、高純度アルミナは、石英やテフロン（登録商標）に比べて、誘電正接（ｔａｎδ）が小さく、マイクロ波の損失を小さくすることができるという特徴を有している。高純度アルミナは、更に、歪みが小さいという特徴と、熱に強いという特徴も有している。高純度アルミナとしては、純度９９．９％以上のアルミナ焼結体であることが好ましい。また、高純度アルミナとして、単結晶アルミナ（サファイア）を用いてもよい。
チューナ６４は、チューナコントローラ７６からの指令に基づいて、アクチュエータ７５によって、スラグ７４Ａ，７４Ｂを上下方向に移動させる。これにより、チューナ６４は、インピーダンスを調整する。例えば、チューナコントローラ７６は、終端部のインピーダンスが５０Ωになるように、スラグ７４Ａ，７４Ｂの位置を調整する。
本実施の形態では、メインアンプ６２Ｃ、チューナ６４および平面アンテナ７１は、互いに近接して配置されている。特に、チューナ６４および平面アンテナ７１は、集中定数回路を構成し、且つ共振器として機能する。平面アンテナ７１の取り付け部分には、インピーダンス不整合が存在する。本実施の形態では、チューナ６４によって、プラズマを含めて高精度でチューニングすることができ、平面アンテナ７１における反射の影響を解消することができる。また、チューナ６４によって、平面アンテナ７１に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができる。これにより、チューナ６４によって、高精度のプラズマ制御が可能になる。
次に、図７および図８を参照して、マイクロ波透過板７３の配置について説明する。図７は、図１に示した処理容器２の天井部１１の底面図である。図８は、本実施の形態における複数のマイクロ波透過板７３の配置を示す説明図である。なお、図７では、本体容器６６の図示を省略している。また、図７及び図８では、発光センサ９２の配置を示すために、開口６６ａの位置をマイクロ波透過板７３に重ねて示した。以下の説明では、マイクロ波透過板７３は、円柱形状を有するものとする。
マイクロ波導入装置５は、複数のマイクロ波透過板７３を含んでいる。前述のように、マイクロ波透過板７３は、本発明におけるマイクロ波透過窓に対応する。複数のマイクロ波透過板７３は、マイクロ波導入装置５の導電性部材である天井部１１の複数の開口部に嵌合した状態で、載置台２１の載置面２１ａに平行な１つの仮想の平面上に配置されている。また、複数のマイクロ波透過板７３は、上記仮想の平面において、その中心点間の距離が互いに等しいか、ほぼ等しい３つのマイクロ波透過板７３を含んでいる。なお、中心点間の距離がほぼ等しいというのは、マイクロ波透過板７３の形状精度やアンテナモジュール６１（マイクロ波導入機構６３）の組み立て精度等の観点から、マイクロ波透過板７３の位置は、所望の位置からわずかにずれていてもよいことを意味する。
本実施の形態では、複数のマイクロ波透過板７３は、六方最密配置になるように配置された７つのマイクロ波透過板７３からなるものである。具体的には、複数のマイクロ波透過板７３は、その中心点がそれぞれ正六角形の頂点に一致またはほぼ一致するように配置された６つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆと、その中心点が正六角形の中心に一致またはほぼ一致するように配置された１つのマイクロ波透過板７３Ｇからなるものである。図８において、符号ＰＡ〜ＰＧは、それぞれ、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇの中心点を示している。なお、頂点または中心点にほぼ一致するというのは、マイクロ波透過板７３の形状精度やアンテナモジュール６１（マイクロ波導入機構６３）の組み立て精度等の観点から、マイクロ波透過板７３の中心点は、上記の頂点または中心からわずかにずれていてもよいことを意味する。
図７に示したように、マイクロ波透過板７３Ｇは、天井部１１における中央部分に配置されている。６つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、マイクロ波透過板７３Ｇを囲むように、天井部１１の中央部分よりも外側に配置されている。従って、マイクロ波透過板７３Ｇは、本発明における中心マイクロ波透過窓に対応し、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、本発明における外側マイクロ波透過窓に対応する。なお、本実施の形態において、「天井部１１における中央部分」というのは、「天井部１１の平面形状における中央部分」を意味する。
マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇは、以下の第１および第２の条件を満たしながら配置されている。第１の条件は、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇの中心点ＰＡ〜ＰＧのうち、互いに隣接する３つの中心点を結ぶことによって平面状に６個の正三角形が形成されるというものである。第２の条件は、これら６個の正三角形によって仮想の正六角形が形成されるというものである。図８に示したように、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの中心点ＰＡ〜ＰＦを、マイクロ波透過板７３Ｇを囲むように結ぶと、上記の仮想の正六角形が形成される。
なお、図８において、符号Ｗは、ウエハＷの平面形状を、複数のマイクロ波透過板７３が配置された仮想の平面に投影して形成された図形（以下、単にウエハＷの平面形状と記す。）を示している。図８に示した例では、ウエハＷの平面形状は円形である。本実施の形態では、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの中心点ＰＡ〜ＰＦの基準となる正六角形の外縁は、ウエハＷの平面形状を包含している。マイクロ波透過板７３Ｇの中心点ＰＧは、ウエハＷの平面形状（円）の中心点に一致またはほぼ一致している。マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの中心点ＰＡ〜ＰＦは、ウエハＷの平面形状に対する同心円の円周上において、均等またはほぼ均等の間隔で配置されている。
本実施の形態では、全てのマイクロ波透過板７３において、互いに隣接する任意の３つのマイクロ波透過板７３の中心点間の距離は、互いに等しいか、ほぼ等しくなる。以下、これについて、マイクロ波透過板７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｇを例にとって説明する。図８に示したように、マイクロ波透過板７３Ａ，７３Ｂの中心点ＰＡ，ＰＢは、正六角形の隣接する２つの頂点に一致している。また、マイクロ波透過板７３Ｇの中心点ＰＧは、正六角形の中心点に一致している。図８に示したように、中心点ＰＡ，ＰＢ，ＰＧを結んで描いた図形は、正三角形になる。従って、中心点ＰＡ，ＰＢ，ＰＧ間の距離は互いに等しくなる。
上記のマイクロ波透過板７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｇについての説明は、互いに隣接する３つのマイクロ波透過板７３の組み合わせのいずれについても当てはまる。従って、本実施の形態では、全てのマイクロ波透過板７３において、互いに隣接する任意の３つのマイクロ波透過板７３の中心点間の距離は、互いに等しいか、ほぼ等しくなる。
図４に示したように、マイクロ波導入機構６３は、マイクロ波透過板７３を含んだ一体構造をなしている。本実施の形態では、複数のマイクロ波導入機構６３は、７つのマイクロ波導入機構６３からなるものである。各マイクロ波導入機構６３は、図７および図８に示したマイクロ波透過板７３が配置された位置に対応して配置されている。また、図７に示したように、ガス導入部１５の複数のノズル１６は、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆとマイクロ波透過板７３Ｇとの間において、マイクロ波透過板７３Ｇの周囲を囲むように配置されている。
図４、図７及び図８に示すように、７つの発光センサ９２（開口６６ａ）は、７つのマイクロ波透過板７３に対応して、各マイクロ波透過板７３とそれぞれ上下に重なるように配置されている。外側のマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆに対して、外側の６つの発光センサ９２（６つの開口６６ａ）は、中心点ＰＡ〜ＰＦを結ぶ正六角形又は円周よりも、ウエハＷの径方向外側に位置するように配置されている。好ましくは、外側の６つの発光センサ９２（６つの開口６６ａ）は、ウエハＷの中心からの距離が等しくなるように同一円周上に、かつ等間隔に配置される。内側のマイクロ波透過板７３Ｇに対して、発光センサ９２（開口６６ａ）は、外側の６つの発光センサ９２（開口６６ａ）との距離の違いが出来るだけ小さくなるように、内側のマイクロ波透過板７３Ｇに重ねて配置されている。なお、各発光センサ９２の配置は、図示の態様に限るものではない。
以上のように、プラズマ処理装置１では、互いに隣接するマイクロ波透過板７３の中心点間距離が、互いに等しいかほぼ等しくなるように設定される。隣接する複数のマイクロ波透過板７３の中心点間距離が異なるように配置されていると、各マイクロ波透過板７３に基づくマイクロ波プラズマの密度分布が全て同一の場合、プラズマ密度に偏りが生じ、ウエハＷの面内での処理の均一性を保つことが困難になる。これに対し、プラズマ処理装置１では、互いに隣接するマイクロ波透過板７３の中心点間距離が、互いに等しいかほぼ等しくなるように設定されることから、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが容易になる。このように、プラズマ処理装置１では、簡単な構成で、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが可能になり、ウエハＷの面内での処理の均一性が得られる。
また、プラズマ処理装置１では、マイクロ波透過板７３Ｇは、天井部１１における中央部分に配置され、６つのマイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆは、マイクロ波透過板７３Ｇを囲むように、天井部１１の中央部分よりも外側に配置されている。これにより、プラズマ処理装置１では、広い領域にわたって、マイクロ波プラズマの密度分布を均一化することが可能になる。また、プラズマ処理装置１では、複数のアンテナモジュール６１の構成は全て同一である。これにより、プラズマ処理装置１では、各アンテナモジュール６１において同様のプラズマ発生条件を用いることができ、マイクロ波プラズマの密度分布の調整が容易になる。なお、正六角形の内側に対応する領域の下方におけるプラズマ密度は、正六角形の外側に対応する領域の下方におけるプラズマ密度よりも大きくなる。本実施の形態では、図８を参照して説明したように、マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｆの中心点ＰＡ〜ＰＦの基準となる正六角形の外縁は、ウエハＷの平面形状を包含している。これにより、プラズマ処理装置１では、プラズマ密度が大きい領域にウエハＷを配置することができる。
次に、本実施の形態のプラズマ処理装置１において、センサ類を用いて行われるモニタリングについて説明する。
＜発光モニタリング＞
プラズマ処理装置１において、発光モニタリングは、発光センサ９２により行われる。プラズマ処理装置１では、各アンテナモジュール６１により処理容器２内に導入されたマイクロ波によって、各マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇの直下でプラズマが生成するため、各マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇに近接して一つずつ発光センサ９２を配置している。なお、以下の説明では、各マイクロ波透過板７３Ａ〜７３Ｇを含むマイクロ波導入機構６３を、それぞれ「プラズマ源」と表記することがある。
図９は、処理容器２内で３つのプラズマ源で生成したプラズマの状態を模式的に説明する原理図である。ここで、説明の便宜上、モニタリングの対象となる１つのプラズマ源をプラズマ源２００Ａ、このプラズマ源２００Ａに隣接するプラズマ源をプラズマ源２００Ｂ，２００Ｃとする。図９では、３つのプラズマ源のうち、中央に配置されたプラズマ源をプラズマ源２００Ａとしている。図９に示したように、プラズマ処理装置１では、各マイクロ波透過板７３を透過したマイクロ波によって、各マイクロ波透過板７３の直下でそれぞれプラズマ１００が生成する。プラズマ１００は処理容器２内で拡散するため、隣接するプラズマ１００どうしの間で部分的に重なりが生じる。そのため、プラズマ源２００Ａで生成したプラズマ１００の発光強度を検出しようとする場合に、計測対象波長によっては、プラズマ源２００Ｂで生成したプラズマ１００の発光強度が強いノイズとして検出されてしまう。その結果、プラズマ源２００Ａで生成したプラズマ１００の発光のみを精度よくモニタリングすることが困難になる。それに対し、本実施の形態のプラズマ処理装置１では、プラズマ源２００Ａで生成したプラズマ１００の発光強度と、プラズマ源２００Ｂで生成したプラズマ１００の発光強度との比から、予めプラズマ源２００Ｂで生成したプラズマ１００のノイズが小さくなる波長を対象波長として選択し、モニタリングを行う。対象波長の選択には、プラズマ源２００Ａの中心点Ｐから発光センサ９２による計測ポイントＰＭまでの水平方向の距離Ｌ１、及びプラズマ源２００Ｂの中心点Ｐから計測ポイントＰＭまでの水平方向の距離Ｌ２の差を利用する。
ここで、本発明の原理をより詳しく説明する目的で、本発明の基礎となった実験結果について説明する。図１０は、実験により得られた、互いに隣接する２つのプラズマ源でそれぞれ生成したプラズマ１００の発光強度の比を示すチャートである。ここでも、モニタリングの対象となる１つのプラズマ源をプラズマ源２００Ａ、このプラズマ源２００Ａに隣接する１つのプラズマ源をプラズマ源２００Ｂとする。図１０の縦軸は、プラズマ源２００Ａにより生成したプラズマ１００の各波長の発光強度ＩＡと、プラズマ源２００Ｂにより生成したプラズマ１００の各波長の発光強度ＩＢとの比（ＩＡ／ＩＢ）を示している。横軸は、発光強度を測定した波長を示している。
これら２つの発光強度ＩＡ，ＩＢは、いずれもプラズマ源２００Ａに設置された１つの発光センサ９２によって計測した値である。また、実験では、プラズマ源２００Ａにより処理容器２内に導入されるマイクロ波パワーＰＡと、プラズマ源２００Ｂにより処理容器２内に導入されるマイクロ波パワーＰＢとの比ＰＢ／ＰＡを５以上に設定した。具体的には、マイクロ波パワーＰＡを５０Ｗ、マイクロ波パワーＰＢを４００Ｗに設定した。このように、プラズマ源２００Ａから導入するマイクロ波パワーをプラズマ源２００Ｂから導入するマイクロ波パワーよりも小さくした理由は、発光強度の比ＩＡ／ＩＢが確実に大きくなる波長を見つけ出すためである。なお、プラズマ源２００Ａ，２００Ｂ間の距離は、マイクロ波透過板７３の中心点間の距離（つまり、図９のＬ１とＬ２の和）として、１７５ｍｍに設定した。
実験は、圧力を１２７Ｐａに設定し、処理ガスの種類と流量を以下のとおり変えて実施した。
（１）条件１：
Ａｒガス流量１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
（２）条件２：
Ａｒガス流量１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｎ２ガス流量２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
（３）条件３：
Ａｒガス流量９９０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２ガス流量１０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
（４）条件４：
Ａｒガス流量８００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２ガス流量２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
図１０に示す発光強度の比が大きいことは、プラズマ源２００Ａの発光センサ９２において、プラズマ源２００Ｂで生成したプラズマ１００の発光の影響をあまり受けずに、プラズマ源２００Ａで生成したプラズマ１００の発光強度を感度よく検出できていることを意味している。例えば、条件２の場合は、波長８３５ｎｍ付近に窒素含有プラズマを顕著に表す強いピークが現れており、条件４の場合は、７７７ｎｍ付近に酸素含有プラズマを顕著に表す強いピークが現れている。また、条件１、条件３の場合は、例えば、波長８１０ｎｍ〜８２０ｎｍ付近で発光強度の比が十分に大きくなっている。
このように、特定の波長において、隣接する２つのプラズマ源２００Ａ，２００Ｂで生成したプラズマ１００の発光強度の比が大きくなる理由は、該特定の波長における発光強度の検出値が各プラズマ１００から発光センサ９２による計測ポイントＰＭまでの距離に大きく依存することが原因であると考えられる。つまり、２つのプラズマ１００の発光強度ＩＡ，ＩＢを、プラズマ源２００Ａに設置された一つの発光センサ９２によって計測することにより、プラズマ源２００Ａとプラズマ源２００Ｂの位置の違いから、それぞれ計測ポイントＰＭまでの距離Ｌ１，Ｌ２に違いが生じる。例えば、図９の例では、Ｌ１はＬ２よりもかなり短くなっている（Ｌ１＜Ｌ２）。この距離Ｌ１，Ｌ２の違いによって、例えば距離Ｌ１では励起状態を維持して大きな発光強度が得られるが、距離Ｌ２では減衰して発光強度が小さくなる活性種の場合、計測ポイントＰＭでの発光強度の検出結果に大きな差が生じるものと考えられる。従って、プラズマ１００中の活性種の寿命を考慮し、発光強度の比ＩＡ／ＩＢが大きくなる波長を選択することによって、プラズマ源２００Ｂで生成したプラズマ１００の影響を最小限に抑制しながら、プラズマ源２００Ａで生成したプラズマ１００の発光強度を高感度に検出することができる。
また、図１０に示した実験結果は、プラズマ源２００Ａから導入したマイクロ波パワーＰＡと、プラズマ源２００Ｂから導入したマイクロ波パワーＰＢとの比ＰＢ／ＰＡを５以上に設定して得られたものである。このように、ＰＡ＜ＰＢとなる条件で、発光強度の比ＩＡ／ＩＢが大きく現れる波長を実験的に確認し、対象波長として選択すれば、プラズマ処理装置１で行われる通常のプラズマ処理において想定されるＰＡ＝ＰＢの条件では、発光強度の比ＩＡ／ＩＢがさらに大きくなり、高い検出精度が得られるはずである。つまり、プラズマ源２００Ａで生成するプラズマ１００の発光強度を、プラズマ源２００Ｂで生成するプラズマ１００の発光強度と区別して精度よく検出することが可能になる。対象波長を選定するための実験では、実際のプラズマ処理において発光強度の比ＩＡ／ＩＢが確実に大きくなる波長を見出してモニタリングを容易にする観点から、上記マイクロ波パワーの比ＰＢ／ＰＡを例えば５以上に設定することが好ましく、８以上に設定することがより好ましく、１０以上に設定することがさらに好ましい。なお、対象波長を選定するための実験において、上記マイクロ波パワーの比ＰＢ／ＰＡ以外の条件は、モニタリングを行う実際のプラズマ処理の条件に準ずることが好ましい。
以上の説明では、隣接する２つのプラズマ源２００Ａ，２００Ｂを例に挙げたが、例えば図８に示すマイクロ波透過板７３Ａ，７３Ｂ，７３Ｃ，７３Ｄ，７３Ｅ，７３Ｆ，７３Ｇをそれぞれ含む７つのプラズマ源のうち、任意の２つプラズマ源の間では、相互に、距離に応じて特定の波長の発光強度に差が生じる。従って、モニタリングの対象となる一つのプラズマ源と、他のプラズマ源との間で、上記発光強度の比が大きくなる波長のみを選択して発光センサ９２により検出を行うことにより、高感度に、モニタリング対象のプラズマ源におけるプラズマ１００のみの状態をモニタリングすることができる。具体的には、モニタリングの対象のプラズマ源で生成したプラズマについて、プロセスの開始時にプラズマ１００が正常に着火したか否か、プロセスの途中でプラズマ１００が鎮火したか否か、プロセス中におけるプラズマ１００の変動の有無などを、他の６つのプラズマ源で生成したプラズマ１００の影響を極力排除しながら高精度にモニタリングできる。
＜マイクロ波モニタリング＞
本実施の形態のプラズマ処理装置１において、処理容器２内のマイクロ波モニタリングは、マイクロ波センサ９１により行われる。複数のプラズマ源でそれぞれプラズマ１００を生成させるプラズマ処理装置１では、上述のとおり、複数の発光センサ９２を利用してプラズマ１００の着火、鎮火やプラズマ１００の状態をモニタリングすることが可能である。本実施の形態のプラズマ処理装置１では、発光センサ９２によるモニタリングを補完する目的で、さらに処理容器２内に導入されたマイクロ波をマイクロ波センサ９１で検出することによって、いずれかのプラズマ源におけるプラズマ１００の着火あるいは鎮火を迅速に把握することができる。
図１１は、処理容器２内で３つのプラズマ源で生成したプラズマ１００の状態を模式的に説明する原理図である。説明の便宜上、中央のプラズマ源をプラズマ源２００Ａ、その両側に隣接するプラズマ源をプラズマ源２００Ｂ、２００Ｃとする。図１１では、プラズマ源２００Ａのプラズマ１００が何等かの異常によって鎮火した状態を破線で示している。プラズマ源２００Ｂ，２００Ｃは、プラズマ１００が正常に放電している状態である。図１１に示すような状態では、仮に、特許文献１のように、処理容器２の側壁部１２に単一の発光センサを設けてプラズマの発光を検出しようとしても、該発光センサには複数のプラズマ１００の光が合成されて入射してくるため、一つのプラズマ源２００Ａでのプラズマ１００の鎮火を検知することは困難になる。プラズマ源の数が多くなるほど、この困難性は増してゆくことになる。そこで、本実施の形態のプラズマ処理装置１では、マイクロ波センサ９１を利用し、処理容器２内のマイクロ波を検出することによって、例えばプラズマ源２００Ａでプラズマ１００が鎮火した場合に、その事実を速やかに検知できるようにした。
図１２は、プラズマ処理装置１の処理容器２内でのプラズマ１００の放電の有無と、マイクロ波センサ９１による処理容器２内のマイクロ波の検出結果との関係を示すグラフである。この実験では、処理容器２内の圧力を２０Ｐａ、Ａｒガス流量を１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定して一つのプラズマ源でプラズマ１００を生成した。図１２の縦軸は、マイクロ波センサ９１によるマイクロ波の検出値を示し、横軸は、マイクロ波パワーを示している。また、図１２中の破線はプラズマの着火点を示しており、この破線から紙面に向かって右側の領域では、プラズマ放電が起きていることを意味している。
図１２から、プラズマ１００の着火前は、マイクロ波の検出値が、プラズマ源から導入されるマイクロ波パワーに比例して大きくなっている。そして、マイクロ波の検出値は、着火点の付近で急激に変動し、プラズマ放電中は、処理容器２内で検出されるマイクロ波が微弱になっていることがわかる。これは、処理容器２内に導入されたマイクロ波の大部分がプラズマ放電に寄与して消費されるか、反射波になっていることを示している。従って、図１１に示したように、複数のプラズマ源２００Ａ〜２００Ｃのうち、一つのプラズマ源２００Ａのプラズマ１００が着火あるいは鎮火した場合には、マイクロ波センサ９１による処理容器２内のマイクロ波の検出値の変動として検知することができる。また、マイクロ波センサ９１によって、プラズマ放電時の微弱なマイクロ波を検出することで、処理容器２内におけるプラズマ１００の放電状態をモニタリングすることも可能である。なお、マイクロ波センサ９１の代表例としては、電磁界プローブを挙げることができる。
なお、マイクロ波センサ９１は、処理容器２の側壁部１２に配備するだけでなく、例えば天井部１１に配備してもよく、あるいは発光センサ９２と同様にプラズマ源に配備してもよい。また、マイクロ波センサ９１は、複数のプラズマ源毎に配備してもよく、あるいは処理容器２の側壁部１２の複数個所に配備してもよい。
＜インピーダンスモニタリング＞
本実施の形態のプラズマ処理装置１において、インピーダンスモニタリングは、各プラズマ源に配備されたマイクロ波センサ９３により行われる。複数のプラズマ源でそれぞれプラズマ１００を生成させるプラズマ処理装置１では、上述のとおり、複数の発光センサ９２を利用してプラズマ１００の着火、鎮火やプラズマ１００の状態をモニタリングすることが可能である。本実施の形態のプラズマ処理装置１では、発光センサ９２によるモニタリングを補完する目的で、さらにマイクロ波センサ９３を用い、プラズマ１００の着火に伴うインピーダンスの変化を測定する。具体的には、マイクロ波センサ９３によって、マイクロ波伝送路６８におけるマイクロ波の進行波と反射波からインピーダンスを求めることによって、各プラズマ源でプラズマ１００が着火しているか否かを迅速に把握することができる。
図１３は、プラズマ処理装置１の処理容器２内で３つのプラズマ源で生成したプラズマ１００の状態を模式的に説明する原理図である。ここで、説明の便宜上、中央のプラズマ源をプラズマ源２００Ａ、その両側に隣接するプラズマ源をプラズマ源２００Ｂ、２００Ｃとする。図１３中、プラズマ源２００Ａは、何等かの異常によってプラズマ源２００Ｂ，２００Ｃよりも時間的に遅れてプラズマ１００が着火したとする。プラズマ源２００Ｂ，２００Ｃでは、正常なタイミングでプラズマ１００が着火している。仮に、特許文献１のように、処理容器２の側壁部１２に単一の発光センサを設けた場合、該発光センサには複数のプラズマ１００からの光が合成されて入射するため、プラズマ源の数が多くなるほど、一つのプラズマ源の状態、例えばプラズマ源２００Ａのプラズマ１００が正常に着火しているか否か、を検知することが困難になる。それに対し、本実施の形態のプラズマ処理装置１では、マイクロ波センサ９３を用い、マイクロ波伝送路６８のインピーダンスを検出することによって、プラズマ源２００Ａでプラズマが着火しているか否かを速やかに検知できる。
ここで、図１４及び図１５を参照しながら、プラズマ１００の着火時におけるインピーダンスと発光の変動の関係について調べた実験結果を説明する。この実験では、処理容器２内の圧力を２０Ｐａ、Ａｒガス流量を１０００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）に設定して一つのプラズマ源でプラズマ１００を生成した。図１４は、マイクロ波パワーのオン（ＯＮ）から、着火、整合開始、整合完了までのインピーダンスの軌跡をスミスチャートに示したものである。図１４において、ひし形のプロットの間隔は一定ではないが、プロット間の時間は等しい。図１４において、プロットＰＳ１は微量なマイクロ波パワーを入力しているがプラズマ１００が着火されていない状態である。インピーダンスの軌跡を辿ると、以下のようになる。プロットＰＳ１からプラズマ１００が着火すると、プラズマ１００の負荷によって大きな変動を伴って全反射条件であるプロットＰＳ２に達する。このプロットＰＳ１からＰＳ２間の変動がプラズマ１００の着火を表している。さらに、プロットＰＳ２に隣接するプロットＰＳ３からチューナ６４の２つのスラグ７４Ａ，７４Ｂを移動させ、整合を開始することにより、最終的に反射係数の小さなプロットＰＳ４に至り、整合が完了する。
一方、図１５は、プラズマ着火時のインピーダンスとプラズマ発光の時間変化を示すグラフである。図１５の紙面に向かって左側の縦軸はマイクロ波パワーを示し、右側の縦軸は、プラズマ１００の発光の変動及びインピーダンスの変動を規格化して表している。図１５に示すインピーダンス変動のプロットにおいて、横軸の１０．５秒からマイクロ波パワーをオン（ＯＮ）にした後、１０．７秒前後から始まる急な立ち上がりは、プラズマの着火を示しており、図１４のプロットＰＳ１からＰＳ２に対応している。そして、図１５において、プラズマ１００が着火した後、約１１．３秒前後までの間は、発光強度の変化が少なく、インピーダンスもほとんど変化していない。その後、発光強度が大きく変化しはじめると、インピーダンスも大きく変化していることがわかる。
図１４及び図１５から、プラズマ発光強度の変動とインピーダンスの変動との間には関連性があることが理解される。従って、発光強度の検出に替えてインピーダンスの検出を行うことによって、例えば図１３に示したプラズマ源２００Ａでプラズマが着火しているか否かを速やかに検知できる。図１３に示したケースのように、複数のプラズマ源のうち、一つのプラズマ源２００Ａで時間的に遅れてプラズマ１００が着火した場合には、プラズマ源２００Ａのマイクロ波センサ９３により検出されるマイクロ波伝送路６８のインピーダンスが、他のプラズマ源２００Ｂ，２００Ｃとは違う検出値となる。従って、各プラズマ源に配備されたマイクロ波センサ９３によりインピーダンスのモニタリングを行うことによって、発光センサ９２によるモニタリングを代替もしくは補完することができる。
なお、プラズマ処理装置１において、各マイクロ波センサ９３は、インピーダンスの整合に必要な構成であり、新たな設備の付加を要しないため、これらをプラズマ１００のモニタリングに利用することは、コスト面でも有利である。
次に、プラズマ処理装置１におけるプラズマ処理の手順の一例について説明する。ここでは、処理ガスとして酸素を含有するガスを使用して、ウエハＷの表面に対してプラズマ酸化処理を施す場合を例に挙げて、プラズマ処理の手順について説明する。まず、例えばユーザーインターフェース８２から、プラズマ処理装置１においてプラズマ酸化処理を行うように、プロセスコントローラ８１に指令が入力される。次に、プロセスコントローラ８１は、この指令を受けて、記憶部８３またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存されたレシピを読み出す。次に、レシピに基づく条件によってプラズマ酸化処理が実行されるように、プロセスコントローラ８１からプラズマ処理装置１の各エンドデバイス（例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４、マイクロ波導入装置５等）に制御信号が送出される。
次に、ゲートバルブＧが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが、ゲートバルブＧおよび搬入出口１２ａを通って処理容器２内に搬入される。ウエハＷは、載置台２１の載置面２１ａに載置される。次に、ゲートバルブＧが閉状態にされて、排気装置４によって、処理容器２内が減圧排気される。次に、ガス供給機構３によって、所定の流量の希ガスおよび酸素含有ガスが、ガス導入部１５を介して処理容器２内に導入される。処理容器２の内部空間は、排気量およびガス供給量を調整することによって、所定の圧力に調整される。
次に、マイクロ波出力部５０において、処理容器２内に導入するマイクロ波を発生させる。マイクロ波出力部５０の分配器５４から出力された複数のマイクロ波は、アンテナユニット６０の複数のアンテナモジュール６１に入力され、各アンテナモジュール６１によって、処理容器２内に導入される。各アンテナモジュール６１では、マイクロ波は、アンプ部６２およびマイクロ波導入機構６３を伝搬する。マイクロ波導入機構６３のアンテナ部６５に到達したマイクロ波は、平面アンテナ７１のスロット７１ａから、マイクロ波透過板７３を透過して、処理容器２内におけるウエハＷの上方の空間に放射される。このようにして、各アンテナモジュール６１から、それぞれ別々にマイクロ波が処理容器２内に導入される。
上記のように複数の部位から処理容器２内に導入されたマイクロ波は、それぞれ処理容器２内に電磁界を形成する。これにより、処理容器２内に導入された希ガスや酸素含有ガス等の処理ガスをプラズマ化する。そして、プラズマ中の活性種、例えばラジカルやイオンの作用によって、ウエハＷのシリコン表面が酸化されてシリコン酸化膜ＳｉＯ２の薄膜が形成される。
プロセスコントローラ８１からプラズマ処理装置１の各エンドデバイスにプラズマ処理を終了させる制御信号が送出されると、マイクロ波の発生が停止されると共に、希ガスおよび酸素含有ガスの供給が停止されて、ウエハＷに対するプラズマ処理が終了する。次に、ゲートバルブＧが開状態にされて、図示しない搬送装置によって、ウエハＷが搬出される。
なお、酸素含有ガスの代りに窒素含有ガスを使用することにより、ウエハＷに対して窒化処理を施し、シリコン窒化膜ＳｉＮの薄膜を形成することができる。
上記プラズマ処理において、処理容器２内での各プラズマの着火、鎮火、さらに生成した各プラズマの状態は、各プラズマ源に個別に配置された発光センサ９２で特定の対象波長の発光を検出することによって、プラズマ源毎に区別してモニタリングすることができる。また、マイクロ波センサ９１を用い、処理容器２内のマイクロ波を検出することによって、処理容器２内でのプラズマの着火や鎮火を把握することもできる。さらに、マイクロ波センサ９３を用い、各プラズマ源のインピーダンスを個別に検出することによって、処理容器２内で生成する各プラズマの状態を把握することもできる。
なお、発光センサ９２等を利用したモニタリングで、例えばプロセスを行う前に一つのプラズマ源でプラズマが着火されていないことが検出された場合は、プロセスコントローラ８１からプロセスの実行を中止する制御信号を送出することができる。また、例えばプロセス途中で一つのプラズマ源でプラズマが鎮火したことが検出された場合は、プロセスコントローラ８１から該プラズマ源で再度の着火を実行するように制御信号を送出したり、あるいはプロセスを中断する制御信号を送出したりすることができる。
以上のように、本実施の形態のプラズマ処理装置１によれば、複数のプラズマ源のうち、一つないし複数のプラズマ源で生成したプラズマ１００について、正常に着火したか否か、プロセスの途中で鎮火したか否か、プロセス中における変動の有無などを、高精度にモニタリングできる。従って、個々のプラズマ源におけるプラズマ１００の不着火や鎮火などによるプロセス不良などを未然に防止することができる。また、複数のプラズマを個別にモニタリングすることによって、品質管理用ウエハを使用しなくても、プラズマの変動に起因するプロセスの変動を常時確認できるため、工業規模での量産において有利である。
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明のプラズマ処理方法は、半導体ウエハを被処理体とする場合に限らず、例えば太陽電池パネルの基板やフラットパネルディスプレイ用基板を被処理体とする場合にも適用できる。
また、プラズマ処理装置としては、例えばＩＣＰプラズマ方式、ＥＣＲプラズマ方式、表面波プラズマ方式、マグネトロンプラズマ方式等の他の方式のプラズマ処理装置を用いることもできる。また、真空処理に限らず、大気圧プラズマを利用することもできる。
１…プラズマ処理装置、２…処理容器、３…ガス供給機構、４…排気装置、５…マイクロ波導入装置、８…制御部、１４…排気管、１５…ガス導入部、１６…ノズル、２１…載置台、２１ａ…載置面、２４…整合器、２５…高周波バイアス電源、５０…マイクロ波出力部、５１…電源部、５２…マイクロ波発振器、５３…アンプ、５４…分配器、６０…アンテナユニット、６１…アンテナモジュール、６２…アンプ部、６３…マイクロ波導入機構、６４…チューナ、６５…アンテナ部、６６…本体容器、６７…内側導体、７１…平面アンテナ、７１ａ…スロット、７２…マイクロ波遅波材、７３…マイクロ波透過板、８１…プロセスコントローラ、８２…ユーザーインターフェース、８３…記憶部、９１…マイクロ波センサ、９２…発光センサ、９３…マイクロ波センサ、Ｗ…半導体ウエハ。

Claims (14)

  1. 被処理体を収容する処理容器と、
    前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
    前記処理容器内でプラズマを生成させるためのマイクロ波をそれぞれ前記処理容器内に導入する複数のマイクロ波導入モジュールと、
    前記処理容器内で行われるプラズマ処理の条件に応じて予め選択された対象波長に基づき、前記マイクロ波導入モジュール毎に生成するプラズマの発光を検出するために、前記複数のマイクロ波導入モジュールにそれぞれ対応して設けられた複数の発光センサと、
    前記複数の発光センサの検出データに基づき、前記複数のプラズマの状態をそれぞれモニタリングする制御部と、
    を備えたプラズマ処理装置。
  2. 前記対象波長は、前記複数のマイクロ波導入モジュールのうち、互いに隣接する２つのマイクロ波導入モジュールからそれぞれ導入されたマイクロ波により生成された２つのプラズマにおける発光強度の比に基づいて選択されたものである請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記発光強度の比は、モニタリング対象のプラズマを生成するために前記マイクロ波導入モジュールにより導入されるマイクロ波パワーＰＡと、該モニタリング対象のプラズマに隣接するプラズマを生成させるために前記マイクロ波導入モジュールにより導入されるマイクロ波パワーＰＢとの比ＰＢ／ＰＡを５以上に設定した条件でそれぞれプラズマを生成させて計測されたものである請求項２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記プラズマ処理が、プラズマ酸化処理であり、前記対象波長が７７７ｎｍ付近である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記プラズマ処理が、プラズマ窒化処理であり、前記対象波長が８３５ｎｍ付近である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記複数のマイクロ波導入モジュールは、それぞれ、前記処理容器内にマイクロ波を透過させて導入させるマイクロ波透過窓を有しており、前記発光センサは、前記マイクロ波透過窓を介して前記プラズマの発光を検出する位置に設けられている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記複数のマイクロ波導入モジュールは、前記処理容器の天井部の中央部分に１つの中心マイクロ波透過窓が位置し、前記中心マイクロ波透過窓を囲むようにその外側に少なくとも６つの外側マイクロ波透過窓が位置するように、配置されている請求項６に記載のプラズマ処理装置。
  8. プラズマ処理装置においてプラズマのモニタリングを行うプラズマのモニタリング方法であって、
    前記プラズマ処理装置は、
    被処理体を収容する処理容器と、
    前記処理容器の内部に配置され、前記被処理体を載置する載置面を有する載置台と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給機構と、
    前記処理容器内でプラズマを生成させるためのマイクロ波をそれぞれ前記処理容器内に導入する複数のマイクロ波導入モジュールと、
    前記処理容器内で行われるプラズマ処理の条件に応じて予め選択された対象波長に基づき、前記マイクロ波導入モジュール毎に生成するプラズマの発光を検出するために、前記複数のマイクロ波導入モジュールにそれぞれ対応して設けられた複数の発光センサと、
    を備えており、
    前記複数の発光センサの検出データに基づき、前記複数のプラズマの状態をそれぞれモニタリングすることを特徴とするプラズマのモニタリング方法。
  9. 前記対象波長は、前記複数のマイクロ波導入モジュールのうち、互いに隣接する２つのマイクロ波導入モジュールからそれぞれ導入されたマイクロ波により生成された２つのプラズマにおける発光強度の比に基づいて選択されたものである請求項８に記載のプラズマのモニタリング方法。
  10. 前記発光強度の比は、モニタリング対象のプラズマを生成するために前記マイクロ波導入モジュールにより導入されるマイクロ波パワーＰＡと、該モニタリング対象のプラズマに隣接するプラズマを生成させるために前記マイクロ波導入モジュールにより導入されるマイクロ波パワーＰＢとの比ＰＢ／ＰＡを５以上に設定した条件でそれぞれプラズマを生成させて計測されたものである請求項９に記載のプラズマのモニタリング方法。
  11. 前記プラズマ処理が、プラズマ酸化処理であり、前記対象波長が７７７ｎｍ付近である請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のプラズマのモニタリング方法。
  12. 前記プラズマ処理が、プラズマ窒化処理であり、前記対象波長が８３５ｎｍ付近である請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のプラズマのモニタリング方法。
  13. 前記複数のマイクロ波導入モジュールは、それぞれ、前記処理容器内にマイクロ波を透過させて導入させるマイクロ波透過窓を有しており、前記発光センサは、前記マイクロ波透過窓を介して前記プラズマの発光を検出する位置に設けられている請求項８ないし１２のいずれか１項に記載のプラズマのモニタリング方法。
  14. 前記複数のマイクロ波導入モジュールは、前記処理容器の天井部の中央部分に１つの中心マイクロ波透過窓が位置し、前記中心マイクロ波透過窓を囲むようにその外側に少なくとも６つの外側マイクロ波透過窓が位置するように、配置されている請求項１３に記載のプラズマのモニタリング方法。
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