JP2017092116A - プラズマ処理装置及び処理状態検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理材のエッチング処理の状態を検出する精度を向上可能にする技術を提供する。【解決手段】内部にプラズマ３が形成される真空処理室２と、真空処理室２内の下方に配置され、処理対象の被処理材４が載置される試料台５と、を有し、被処理材４上面に予め配置された処理対象の膜層をエッチング処理するプラズマ処理装置１であって、真空処理室２の外部に配置されて被処理材４上面に照射光を照射するＬＥＤ光源９と、被処理材４からの反射光を受光する受光器１０と、所定の時間で受光器１０が受光する光の光量が予め定められた値となるように、ＬＥＤ光源９の照射時間または、受光器１０が光を受光する受光時間を調節する光量制御器１１とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、被処理材（例えば、ウエハ）を、真空処理室内に形成されたプラズマを用いてエッチング処理を行う際に、真空処理室内に照射光を入射させ、被処理材から反射された反射光を、受光器にて受光するプラズマ処理装置及び処理状態検出方法に関する。

特開２００３−８３７２０号公報（特許文献１）には、真空処理室内の処理室に配置された試料台上面上に被処理材であるウエハを載せてこれを保持し、ウエハ上方の処理室内の空間にプラズマを形成してウエハ表面のマスクと処理対象の膜層とを含む膜構造にエッチング処理する技術が記載されている。

さらに、特許文献１には、被処理材の処理対象の膜層がエッチング処理されるのに伴なって、各膜層で反射される照射光が干渉して形成される干渉光の強度の変化を検出し、この結果から処理対象の膜層の残り厚さを検出することが記載されている。また、特許文献１には、処理対象の膜層が所望の膜厚さ、若しくは深さに到達したかを判定することが記載されている。

また、特許文献１には、製品用のウエハの表面の膜構造と同等の膜構造からの干渉光について、その強度のパターンのデータベースを予め作成しておくことが記載されている。また、特許文献１には、製品用のウエハの処理中の任意の時刻に得られた干渉光の強度のパターンとデータベースのパターンのデータとを比較し、その差異が小さいデータのパターンに対応する値を当該時刻での膜の残り厚さとして判定することや、エッチング深さとして検出することが記載されている。

また、特開２０１１−２３８９５８号公報（特許文献２）には、プラズマチャンバ（プラズマチャンバの内部には、プラズマが形成される）の外部に配置されるランプが、プラズマチャンバ内に配置されるウエハに照射光を照射して、反射光を反射させることが記載されている。また、特許文献２には、ウエハから反射された反射光のスペクトルを検出してウエハ上の膜厚さを算出する技術が記載されている。そして、特許文献２には、ランプとして、照射光を予め定められた周期でパルス的に明滅させて発生させるフラッシュランプが用いられることが記載されている。また、特許文献２には、フラッシュランプの周期を反射光のスペクトルを検出する周期と同期させる技術が記載されている。

特開２００３−８３７２０号公報 特開２０１１−２３８９５８号公報

被処理材のエッチング処理の状態（ウエハの残り厚さや、エッチング深さなど）を検出する精度を高くするためには、ウエハ表面に入射する光量を一定に制御することが求められる。一方で、処理室内に形成されるプラズマからの発光の強度の大きさは、処理されたウエハの枚数などに応じて、経時的に変動してしまう。このため、特許文献１に記載されている技術では、経時的なプラズマの強度や分布の変動により、被処理材のエッチング処理の状態を検出する精度が低下する可能性があった。

特許文献２に記載されている技術では、ウエハに照射光を入射させる光源としてフラッシュランプなどが用いられており、フラッシュランプの発光強度は、供給される電力で調節される。しかしながら、供給される電力の値と、フラッシュランプの発光強度との関係は線形性が小さく、フラッシュランプの発光強度を目標値に正確に調整することが困難である。そのため、フラッシュランプの発光強度を調整することで被処理材のエッチング処理の状態を検出する精度を向上させることは、困難であった。

本発明の目的は、被処理材のエッチング処理の状態を検出する精度を向上可能にする技術を提供することである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。

本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置は、内部にプラズマが形成される真空処理室と、前記真空処理室内の下方に配置され、処理対象の被処理材が載置される試料台とを有し、被処理材上面に予め配置された処理対象の膜層をエッチング処理するプラズマ処理装置であって、前記真空処理室の外部に配置されて前記被処理材上面に照射光を照射する光源を有する。また、前記被処理材からの反射光を受光する受光器を有する。また、所定の時間で前記受光器が受光する前記反射光の光量が予め定められた値となるように、前記光源の照射時間または、前記受光器が前記反射光を受光する受光時間を調節する光量制御器を有する。

また、本発明の一実施の形態の処理状態検出方法は、内部にプラズマが形成される真空処理室と、前記真空処理室内の下方に配置され、処理対象の被処理材が載置される試料台とを備え、被処理材上面に予め配置された処理対象の膜層をエッチング処理するプラズマ処理装置における、処理状態検出方法であって、光源が、前記真空処理室の外部に配置されて前記被処理材上面に照射光を照射する照射ステップを有する。また、受光器が、前記被処理材からの反射光を受光する受光ステップを有する。また、光量制御器が、所定の時間で前記受光器が受光する前記反射光の光量が予め定められた値となるように、前記光源の照射時間または、前記受光器が前記反射光を受光する受光時間を調節する調整ステップを有する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明の一実施の形態によれば、被処理材のエッチング処理の状態を検出する精度を向上できる。

本発明の一実施の形態における、プラズマ処理装置の構成例の概要を示す図である。 （ａ）と（ｂ）は、ＬＥＤ光源が照射する照射光の照射光強度と、ＬＥＤ光源が照射光を照射する時間との関係を示す図である。（ａ）は、ＬＥＤ光源が照射光の照射を継続する場合の例を示し、（ｂ）は、受光器の蓄積時間に応じてＬＥＤ光源が照射光を照射する場合の例を示す。 本発明の一実施の形態における、プラズマ処理装置によるエッチング処理の動作の流れを示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は、本発明の一実施の形態における、プラズマ処理装置１の構成例の概要を示す図である。図１に示されるように、プラズマ処理装置１は、真空処理室２と、真空処理室２と光ファイバ８を介して接続される受光器１０と、真空処理室２と光ファイバ７を介して接続される光源であるＬＥＤ光源９と、ＬＥＤ光源９および受光器１０と接続される光量制御器１１と、光量制御器１１と接続される表示器１３とを有する。

真空処理室２内の下方には、試料台５が配置される。試料台５には、被処理材（例えば、ウエハ）４が載置される。真空処理室２には、ガス供給孔（不図示）を介してエッチングガスが供給される。そして、真空処理室２に供給されたエッチングガスは、高周波電源（不図示）などによって、分解されプラズマ３になる。これによって、真空処理室２の内部には、プラズマ３が形成される。

試料台５に載置された被処理材４の上面に予め配置されている処理対象の膜層は、プラズマ３によりエッチング処理される。

ＬＥＤ光源９は、真空処理室２の外部に配置される。そして、ＬＥＤ光源９は、光ファイバ７を介して、照射光を真空処理室２内に照射する。ＬＥＤ光源９により真空処理室２内に照射された照射光は、エッチング処理されている被処理材４の上面に照射される。そして、被処理材４は、照射された照射光を反射する。

その後、被処理材４により反射された反射光は、光ファイバ８を介して受光器１０に照射される。また、真空処理室２内にて発生したプラズマ光についても、直接若しくは被処理材４により反射された後に、光ファイバ８を介して受光器１０に照射される。これによって、受光器１０は、被処理材４から反射された反射光を受光する。

受光器１０には、半導体センサが搭載されている。受光器１０の半導体センサはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどであり、受光した反射光を電荷に変換して、その素子内に蓄積する。そして、半導体センサが変換した電荷に基づき反射光の強度（以下、反射光強度と呼ぶ場合がある）が算出される。例えば、受光器１０は、素子内に蓄積された電荷を転送しＡＤ変換することで、反射光強度を算出する。

受光器１０は、受光した反射光の反射光強度（被処理材４から反射される反射光とプラズマ光（直接、受光器１０に照射されるプラズマ光と、被処理材４により反射された後に受光器１０に照射されるプラズマ光）とが合成された反射光の反射光強度）をデジタル信号に変換する。そして、受光器１０は、反射光強度のデジタル信号を光量制御器１１に入力する。また、受光器１０は、受光した反射光を分光する。

光量制御器１１は、受光器１０から入力された反射光強度が予め設定されている。光量制御器１１は、所定の期間（受光時間）内に受光器１０が受光する反射光の光量の合計値である反射光強度が、所定の光量目標値１２となるように、ＬＥＤ光源９と受光器１０との少なくともいずれか一方を制御する。例えば、光量制御器１１は、反射光強度が光量目標値１２になるように、ＬＥＤ光源９の照射時間を調整する。これによって、光量制御器１１は、反射光強度が光量目標値１２となる。なお、ＬＥＤ光源９から照射される照射光の照射光強度は、一定である。なお、光量制御器１１が、光量目標値１２から所定範囲内（例えば、光量目標値の９０％〜１１０％の範囲内）になるように、ＬＥＤ光源９の照射時間を調整しても良い。

また、光量制御器１１は、反射光強度が光量目標値１２になるように、受光器１０が反射光を受光する時間である蓄積時間を調整する。なお、蓄積時間は、受光器１０の半導体センサが反射光を受光する時間または、半導体センサが受光した反射光を電荷に変換して、電荷を蓄積した時間である。例えば、光量制御器１１は、光量目標値１２になるように、蓄積時間と、電荷を蓄積しない時間とを交互に繰り返させることで、蓄積時間を調整する。なお、光量制御器１１が、光量目標値１２から所定範囲内（例えば、光量目標値の９０％〜１１０％の範囲内）になるように、蓄積時間を調整しても良い。

より詳細には、受光器１０から入力された反射光強度が、光量目標値１２よりも低い場合に、光量制御器１１は、反射光強度が光量目標値１２になるまで、受光時間が長くなるように受光器１０を制御する。または、受光器１０から入力された反射光強度が、光量目標値１２よりも低い場合には、光量制御器１１は、反射光強度が光量目標値１２になるまで、照射時間が長くなるようにＬＥＤ光源９を制御する。これによって、反射光強度が光量目標値１２まで高くなる。

一方、反射光強度が光量目標値１２よりも高い場合には、光量制御器１１は、反射光強度が光量目標値１２になるまで、受光時間が短くなるように受光器１０を制御する。または、反射光強度が光量目標値１２よりも高い場合には、光量制御器１１は、反射光強度が光量目標値１２になるまで、照射時間が短くなるようにＬＥＤ光源９を制御する。これによって、反射光強度が光量目標値１２まで低くなる。

１つの被処理材４を複数の工程にてエッチング処理する場合にて、光量制御器１１は、エッチング処理の各工程が終了する度に、所定の期間（時間）内に受光器１０が受光する反射光の光量の合計値である反射光強度が所定の光量目標値１２となるように、ＬＥＤ光源９と受光器１０との少なくともいずれか一方を制御する。

また、光量制御器１１は、１つの被処理材４のエッチング処理が終了する度に、所定の期間（時間）内に受光器１０が受光する反射光の光量の合計値である反射光強度が所定の光量目標値１２となるように、ＬＥＤ光源９と受光器１０との少なくともいずれか一方を制御する。

そして、光量制御器１１は、調整された後の反射光強度に基づき、被処理材４のエッチング処理の状態を検出する。そして、光量制御器１１は、検出した被処理材４のエッチング処理の状態を表示器１３に表示させる。

図２（ａ）と図２（ｂ）は、ＬＥＤ光源９が照射する照射光の照射光強度と、ＬＥＤ光源９が照射光を照射する時間との関係を示す図である。図２（ａ）は、ＬＥＤ光源９が照射光の照射を継続する場合の例を示し、図２（ｂ）は、受光器１０の蓄積時間に応じてＬＥＤ光源９が照射光を照射する場合の例を示す。また、図２（ａ）と図２（ｂ）のグラフは、横軸が時間を示し、縦軸が照射光強度を示す。

図２（ａ）に示される場合、ＬＥＤ光源９は、同一の強度２０２または単位時間あたりで同じ光量の照射光を照射し続ける。そして、光量制御器１１は、光量目標値１２になるように、受光器１０の蓄積時間２０４を調整する。蓄積時間２０４を調整することで、蓄積時間２０４経過時に、被処理材４が受光する照射光の反射光強度は一定となる。そして、半導体センサが受光する時間あたりの反射光の量（反射光強度）が一定であれば、任意の期間にて受光器１０が受光する光量は、当該期間において半導体センサが受光した蓄積時間２０４の積分値となる。そのため、ＬＥＤ光源９が照射する照射光の光量が一定であれば、蓄積時間２０４を調整することにより、所望の光量目標値１２を得ることができる。

図２（ｂ）に示される場合、ＬＥＤ光源９は、受光器１０の蓄積時間２０９の間だけ、照射光を照射する。なお、蓄積時間２０９の開始時刻と終了時刻とがＬＥＤ光源９が照射している期間に含まれるようにしても良い。すなわち、光量制御器１１は、光量目標値１２になるように、ＬＥＤ光源９を蓄積時間２０９の間だけ、照射光を照射するように制御する。

ここで、ＬＥＤ光源９が照射する照射光の強度２０７を増加させることも可能である。しかし、供給される電力の量と、ＬＥＤ光源９の一例であるフラッシュランプの照射光強度との関係は線形性が小さい。そのため、蓄積時間２０９または照射光を照射する照射時間を調整した方が、より精度良く反射光強度を調整できる。

図３は、本発明の一実施の形態における、プラズマ処理装置１によるエッチング処理の動作の流れを示すタイムチャートである。図３のタイミングチャートは、横軸が時間を示し、縦軸が高周波電源の状態と、真空処理室２内へのエッチングガスの供給の有無と、受光器１０が受光する反射光の反射光強度とを示す。

図３に示されるように、初期の状態では、真空処理室２内へエッチングガスが供給されておらず、高周波電源がＯＦＦされており、受光器１０に反射光が照射されていない。

まず、真空処理室２内へエッチングガスが供給される。次に、高周波電源がＯＮされることにより、真空処理室２内にプラズマが形成される。その後のエッチング処理により真空処理室２の内壁には、堆積物と呼ばれる被処理材４とガスの反応性生物や、スパッタ効果により被処理材４を形成する材料の一部が付着する。この付着した堆積物は、被処理材４の処理枚数の増加とともに増加する。また、照射光が通過する石英に堆積物は付着するため、堆積物の増加とともに受光器１０の反射光強度は徐々に減少する。

石英を透過する光量変化の影響を防ぐため、プラズマ３による光強度が安定した後に、光量制御器１１は、反射光強度が予め設定した光量目標値１２となるように、被処理材４への照射量を調整する。詳細には、反射光強度が、光量目標値１２よりも低い場合に、光量制御器１１は、受光時間が長くなるように、または照射時間が長くなるように受光器１０またはＬＥＤ光源９を制御する。

一方、反射光強度が、光量目標値１２よりも高い場合には、光量制御器１１は、受光強度が短くなるように、または照射時間が短くなるように受光器１０またはＬＥＤ光源９を制御する。

なお、図３では反射光強度調整タイミング３０１にて、反射光強度を調整しており単一ステップの場合の光量調整について説明している。一方で、複数ステップにわたるエッチングプロセスの場合は、各ステップのプラズマが安定したタイミングで光量調整を実施する。

＜本実施の形態の効果＞
以上説明した本実施の形態におけるプラズマ処理装置１によれば、光量制御器１１が、所定の時間で受光器１０が受光する反射光の光量が予め定められた値となるように、光源の照射時間または、受光器１０が反射光を受光する時間を調節することで、被処理材４のエッチング処理の状態を検出する精度を向上できる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１…プラズマ処理装置、２…真空処理室、３…プラズマ、４…被処理材、５…試料台、７…光ファイバ、８…光ファイバ、９…ＬＥＤ光源、１０…受光器、１１…光量制御器、１２…光量目標値、１３…表示器。

Claims (10)

1. 内部にプラズマが形成される真空処理室と、前記真空処理室内の下方に配置され、処理対象の被処理材が載置される試料台と、を有し、被処理材上面に予め配置された処理対象の膜層をエッチング処理するプラズマ処理装置であって、
   前記真空処理室の外部に配置されて前記被処理材上面に照射光を照射する光源と、
   前記被処理材からの反射光を受光する受光器と、
   所定の時間で前記受光器が受光する前記反射光の光量が予め定められた値となるように、前記光源の照射時間または、前記受光器が前記反射光を受光する受光時間を調節する光量制御器と、
   を有する、プラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載するプラズマ処理装置において、
   前記光量制御器は、前記光源からの光の強度を一定にさせて、前記受光器が受光する前記反射光の前記光量が予め定められた値となるように、前記受光時間を調節する、プラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記光量制御器は、前記受光器が前記反射光を受光して電荷を蓄積する蓄積時間と、前記電荷を蓄積しない時間とを交互に繰り返させることで、前記受光時間を調整する、プラズマ処理装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記光源がＬＥＤ光源である、プラズマ処理装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記受光時間が、前記照射時間に含まれる、プラズマ処理装置。
6. 内部にプラズマが形成される真空処理室と、前記真空処理室内の下方に配置され、処理対象の被処理材が載置される試料台と、を有し、被処理材上面に予め配置された処理対象の膜層をエッチング処理するプラズマ処理装置における、処理状態検出方法であって、
   光源が、前記真空処理室の外部に配置されて前記被処理材上面に照射光を照射する照射ステップと、
   受光器が、前記被処理材からの反射光を受光する受光ステップと、
   光量制御器が、所定の時間で前記受光器が受光する前記反射光の光量が予め定められた値となるように、前記光源の照射時間または、前記受光器が前記反射光を受光する受光時間を調節する調整ステップと、
   を有する、処理状態検出方法。
7. 請求項６に記載の処理状態検出方法において、
   前記調整ステップは、前記光源からの光の強度を一定にさせて、前記受光器が受光する前記反射光の前記光量が予め定められた値となるように、前記受光時間を調節する、処理状態検出方法。
8. 請求項６または７に記載の処理状態検出方法において、
   前記調整ステップは、前記受光器が前記反射光を受光して電荷を蓄積する蓄積時間と、前記電荷を蓄積しない時間とを交互に繰り返させることで、前記受光時間を調整する、処理状態検出方法。
9. 請求項６〜８の何れか一項に記載の処理状態検出方法において、
   前記光源がＬＥＤ光源である、処理状態検出方法。
10. 請求項６〜９の何れか一項に記載の処理状態検出方法において、
    前記受光時間が前記光源からの照射の時間に含まれる、処理状態検出方法。

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