JP2017175138A - プラズマエッチング装置用の電極およびプラズマエッチング装置 - Google Patents

プラズマエッチング装置用の電極およびプラズマエッチング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数のガス導入孔の径の測定結果が管理されたプラズマエッチング装置用の電極およびこの電極を用いたプラズマエッチング装置を提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係るプラズマエッチング装置用の電極は、厚さ方向に貫通する複数のガス導入孔が設けられた板状の基材を備え、複数のガス導入孔の径の測定結果がシリアルナンバによって管理されたことを特徴とする。また、本発明の一態様に係るプラズマエッチング装置は、チャンバと、チャンバ内に設けられ、基材の厚さ方向に貫通するガス導入孔を有する上部電極と、チャンバ内に設けられ上部電極と対向する下部電極と、チャンバ内における上部電極と下部電極との間に高周波を印加する高周波印加部と、を備え、上部電極として上記電極が用いられたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマエッチング装置用の電極およびプラズマエッチング装置に関する。
プラズマエッチング装置は、真空チャンバ内でプラズマを発生させて半導体ウェーハ等の対象物にエッチングを施す装置である。真空チャンバ内には対象物を載置する載置台と、この載置台に対向して配置される上部電極とが設けられる。載置台には下部電極が設けられる。また、上部電極には真空チャンバ内にガスを導入するための孔（ガス導入孔）が設けられる。対象物に処理を施す際には、この孔から真空チャンバ内にガスを導入し、下部電極と上部電極との間に高周波電圧を印加してプラズマを発生させて対象物のエッチングを行う。
この装置の低温プラズマを用いた半導体素子のエッチング微細加工はドライエッチングとも呼ばれる。ドライエッチングは半導体素子のプロセスである。ドライエッチングは、フォトリソグラフィ後に硬化した被エッチング膜上のフォトレジストパターンをマスクにして、反応性ガスのプラズマによりシリコン・絶縁物膜（例えば、ＳｉＯ２、ＰＳＧ、ＢＰＳＧ）・金属膜（例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ）などに溝やホールのパターンをつけるプロセスである。これにより、リソグラフィ装置で形成したパターンに従い、正確に微細化加工が施される。
ドライエッチングを行うには、真空チャンバ内に被エッチング膜に合わせてエッチングガスを導入し、高周波を印加してプラズマを発生させる。ドライエッチングは、レジスト（マスク材）に覆われていない領域をイオンの衝突により削る反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）の工程を経て行われる。
プラズマ放電により生成したイオンをシリコンウェーハ上の被エッチング膜と表面化学反応をさせて、その生成物を真空排気することによってすることによってドライエッチングを進行させる。このプロセス後にレジストの有機物をアッシングプロセスにより、燃焼させる。微細パターンの寸法が被エッチング膜の厚みに近づくと、ＲＩＥが採用される。
現在の半導体素子の形成は、このドライエッチングが主流となっている。特に、３００ｍｍ（ミリメートル）サイズのシリコンウェーハを用いた半導体素子の超微細加工では集積度が高まり、線幅(Ｌｉｎｅ)と線間（Ｓｐａｃｅ）とのピッチが厳しくなってきている。このため、ドライエッチングによる加工特性、歩留まり、生産性の向上がより求められる。
ＣＭＯＳ半導体素子のデザインルールは１４ｎｍ（ナノメートル）でゲート長９ｎｍまで進み、エッチングの線幅と線間も同様に厳しくなる傾向にある。このような半導体素子の製造では、パターンの寸法精度だけではなく、パターンの腐蝕、発塵、チャージアップによるダメージ、経時変化等も克服すべき課題である。さらには、ウェーハの大口径化に対応できる反応ガスの導入により、発生させるプラズマを制御する技術が要望されている。
ドライエッチングにおいては、加工精度、パターン形状、エッチング選択比、ウェーハ面内での加工の均一性、エッチング速度などが重要な要素となる。例えば、ドライエッチングによって形成されるパターンの加工断面を垂直にするためには、側壁保護膜と呼ばれるデポジション膜が厚くなり過ぎてはならない。また、側壁保護膜の膜厚バラツキがあると寸法変動の原因となる。したがって、側壁保護膜を不要とする理想的な低温エッチングのような技術が重要である。また、パターンの底部での不十分な側壁保護膜形成、表面をマイグレートする粒子、表面の温度、底部でのガスの流れなども考慮する必要がある。
また、エッチングの均一性については、反応ガスの流れ、プラズマの均一性、バイアスの均一性、温度の均一性、反応生成物再付着の均一性など、各種条件の均一性が必要である。特に大口径（例えば、３００ｍｍサイズ）のウェーハに対して反応生成物再付着の不均一性は、エッチング処理の均一性にとって影響が大きい。
プラズマエッチング装置やエッチング処理のコストを低減するためには、効率のよいプラズマ処理、連続処理、部品の長寿命化によるランニングコスト低減などが必要である。効率のよいプラズマ処理技術あるいは高スループットであるためには、加工不良発生低減、シーズニング時問削減、高稼働率（低故障率）、メンテナンス頻度低減などをどのように実現するかが課題である。特に、プラズマエッチング装置の上部電極はエッチング処理とともに消耗していく部品である。したがって、エッチング処理とともに変化する上部電極の状態、ガス導入孔の状態や、未使用時の電極の状態および使用前後での状態を非破壊でモニタリングする技術は、ドライエッチングの各種の課題を解決するために非常に重要である。
ここで、プラズマエッチング装置において上部電極を製造するには、例えばシリコン単結晶の円盤にダイヤモンドドリルによるドリル加工などによってガス導入孔を形成している。特許文献１には、処理装置の構成部品（例えば、ガス噴出孔を有するシャワーヘッド部や上部電極）をエッチング液で表面処理する洗浄方法が開示されている。この技術では、ドリス穿孔加工時に発生するバリ等が除去され、構成部品の表面が平坦化される。
この上部電極に設けられるガス導入孔の内径は２００μｍ（マイクロメートル）から５００μｍ程度と非常に小さい。しかも、板厚を貫通する必要があるため、ガス導入孔の長さは１０ｍｍを超えることも多い。このようなガス導入孔が精度良く形成されていないと、プラズマエッチングに必要なガスをチャンバ内に均一に導入することができず、対象物への処理が面内で不均一になりやすい。近年ではウェーハ等の対象物が大型化しており、数多くのガス導入孔を精度良く形成することは非常に重要となっている。
ここで、上部電極に設けられた細長いガス導入孔の状態を非破壊で測定することは非常に難しい。このため、上部電極の寿命はガス導入孔の状態では管理されておらず、使用時間によって管理されている。すなわち、予め上部電極の使用時間とパーティクル発生量との関係をデータ取りしておき、このデータからパーティクル発生量が許容範囲を超える使用時間になった場合に上部電極の寿命であると判断している。
特開２００３−６８６５３号公報
ドライエッチングの被エッチング膜には、Ｓｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、Ａｌ、Ｗ、ｃｕ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＮ等が挙げられる。反応エッチングガスとしては、ＣＦ４、ＳＦ６、ＣＬ２、Ｈｂｒ、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、Ｈ２、Ｃ２Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、ＢＣＬ３等のハロゲン元素の化合物ガスが主に使用される。プラズマエッチング装置による被エッチング膜は、Ｓｉおよびｐｏｌｙ−Ｓｉ膜用、絶縁膜用、メタル膜用の３種に大別される。被エッチング膜の種類によってプラズマエッチング装置の構成要素に大きな差はなく、エッチングガスが違うことと、エッチングチャンバ内部の材質、エッチングの終点検出方法が被エッチング材料に応じて最適に設定される。
ＲＩＥにおいて、３００ｍｍサイズのシリコンウェーハのような広い面積に均一にイオンを発生させるためには、高密度プラズマを安定的に発生させる必要がある。このため、上部電極に反応生成物の付着があると、ウェーハ面内に均一にイオンシャワーを提供することができなくなり、エッチッグの規格外れを起こす程度のダストが発生する恐れもある。
ドライエッチング装置は、当初、上部・下部電極を備えた平行平板型の構造で電極間にエッチングガスを流し排出するタイプが用いられていた。現在では、上部電極に貫通孔を設け、蒸気圧の低い被エッチングガスをシャワー状に噴出させるＲＩＥ装置が用いられる。
このＲＩＥ装置では、エッチングのプロセスチャンバ内にウェーハサセプタが下部電極上に設置される。このプロセスチャンバにはエッチングガス供給システムと真空（０．１Ｐａ前後）システムが接続される。下部電極には高周波電源とサセプターの温調システムが設けられる。
さらに、常にプロセスチャンバを真空に保つためにロードロックの前室を具備している。生産性と信頼性の向上のために、シリコンウェーハはエッチングチャンバに真空下で搬送される。この搬送機構はロードロック機構と呼ばれる。シリコンウェーハを枚葉式（Ｓｉｎｇｌｅ Ｗａｆｅｒ）で処理するエッチング装置では、シリコンウェーハを通常２５枚格納できるカセットボックスを使い、このカセットボックスをロボットによって搬送する。これにより、シリコンウェーハはセット・ツー・カセットで自動搬送される。
線幅１μｍ以下の超微細加工では、プラズマ発生において、従来１Ｔｏｒｒ〜数百ｍＴｏｒｒであったガス圧力を下げ、シリコンウェーハ表面に衝突するイオンの方向を改善することと、プラズマ密度を高めてスループット向上を計る必要性がある。そのために、０．５μｍ程度の貫通孔があるシリコン上部電極の貫通孔内面粗さ等の非破壊での把握は重要である。
パターンの加工寸法（ＣＤ：Critical Dimension）は、複雑反応であるドライエッチング生成物質とラジカルとイオンの不均一性に左右される。シリコン上部電極の貫通孔から導入されるエッチングガスと反応生成物の排気、下部シリコン電極の温度のシリコンウェーハ面内全体の均質性が要求される。
しかしながら、上部電極に設けられた細長いガス導入孔の状態を非破壊で測定することは非常に難しい。ここで、非破壊の測定としてＸ線画像による測定が考えられるが、上部電極には多数のガス導入孔が設けられているため、孔の長さ方向と直交する方向にＸ線画像を取得した場合、測定対象とするガス導入孔の画像に他の孔の画像が重複してしまい、精度の高い測定を行うことができないという問題が生じる。
また、実際にはまだ使用できるにもかかわらず時間管理によって寿命であると判断された場合には上部電極を新しいものに交換しなければならないという問題がある。
しかも、プラズマエッチング装置に装着された状態で上部電極のガス導入孔の状態を測定することは困難である。
また、上記のように、上部電極に設けられたガス導入孔の状態を非破壊で測定することは困難であるため、上部電極に設けられた多数のガス導入孔の状態を容易に把握できるようにする技術は開示されていない。このため、上部電極の管理は使用時間での管理にせざるを得ない。
本発明の目的は、複数のガス導入孔の径の測定結果が管理されたプラズマエッチング装置用の電極およびこの電極を用いたプラズマエッチング装置を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るプラズマエッチング装置用の電極は、厚さ方向に貫通する複数のガス導入孔が設けられた板状の基材を備え、複数のガス導入孔の径の測定結果がシリアルナンバによって管理されたことを特徴とする。これにより、ガス導入孔の径を正確に測定してシリアルナンバに管理されるため、プロセスに反映させることができる電極を提供することができる。
このプラズマエッチング装置用の電極において、電極の再生前後で複数のガス導入孔の径の測定結果がシリアルナンバによって管理されていてもよい。これにより、シリアルナンバによって再生電極の履歴を迅速かつ正確に把握することができる。
本発明の一態様に係るプラズマエッチング装置は、チャンバと、チャンバ内に設けられ、基材の厚さ方向に貫通するガス導入孔を有する上部電極と、チャンバ内に設けられ上部電極と対向する下部電極と、チャンバ内における上部電極と下部電極との間に高周波を印加する高周波印加部と、を備え、上部電極として上記電極が用いられたことを特徴とする。これにより、上部電極のガス導入孔の径がシリアルナンバに管理されるため、エッチングプロセスに反映させることができる。
図１（ａ）及び（ｂ）は、プラズマエッチング装置用の電極を例示する模式図である。 図２は、プラズマエッチング装置の構成を例示する模式図である。 図３は、測定装置を備えたプラズマエッチング装置の構成を例示する模式図である。 図４は、電極の製造方法を例示するフローチャートである。 図５は、電極の再生方法を例示するフローチャートである。 図６（ａ）及び（ｂ）は、再加工の例を示す断面図である。 図７は、本実施形態に係るガス導入孔の測定方法を例示する模式図である。 図８（ａ）〜（ｄ）は、ガス導入孔の状態と画像との関係を例示する模式図である。 図９（ａ）〜（ｄ）は、ガス導入孔の状態と画像との関係を例示する模式図である。 図１０（ａ）〜（ｃ）は、ガス導入孔と２次元画像とを示す写真である。 図１１（ａ）及び（ｂ）は、ガス導入孔の他の測定方法を例示する模式図である。 図１２（ａ）〜（ｈ）は、カメラで取得した画像と２次元画像とを例示する模式図である。 図１３は、ガス導入孔の角度について例示する模式図である。 図１４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る状態分布図を説明する図である。 図１５（ａ）及び（ｂ）は、状態分布図の表示方法を説明する図である。 図１６（ａ）及び（ｂ）は、状態分布図の表示例（その１）を示す図である。 図１７は、状態分布図の表示例（その２）を示す図である。 図１８は、状態（測定結果）の変化及び予測を説明する図である。 図１９（ａ）〜（ｃ）は、予測分布図の例を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
（プラズマエッチング装置用の電極および再生電極）
図１（ａ）及び（ｂ）は、プラズマエッチング装置用の電極および再生電極を例示する模式図である。図１（ａ）には電極の斜視図が表され、図１（ｂ）には電極の一部の拡大断面図が表される。なお、本実施形態においては、再生される前の電極を再生前電極１０Ｂとし、再生前電極１０Ｂ及び再生電極１０Ｒを区別しない場合には総称して電極１０と言うことにする。
図１（ａ）に表したように、電極１０は、例えば円盤状の基材１１に多数のガス導入孔１２が設けられた構造を備える。複数のガス導入孔１２は、基材１１の厚さ方向を貫通するように設けられる。複数のガス導入孔１２は、基材１１の表面の縦横に所定の間隔で配列される。複数のガス導入孔１２は、基材１１の中心に同心円状に配列されていてもよい。
基材１１の直径は、プラズマエッチングを施す対象物（ウェーハ等）の大きさに合わせて設定される。例えば、直径１００ｍｍ（ミリメートル）程度のウェーハを対象物とする場合、電極１０の直径は約１５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、直径１５０ｍｍ程度のウェーハを対象物とする場合、電極１０の直径は約２００ｍｍ以上２８０ｍｍ以下、直径２００ｍｍ程度のウェーハを対象物とする場合、電極１０の直径は約２８０ｍｍ以上３２０ｍｍ以下、直径３００ｍｍ程度のウェーハを対象物とする場合、電極１０の直径は約３２０ｍｍ以上３７６ｍｍ以下、直径４５０ｍｍ程度のウェーハを対象物とする場合、電極１０の直径は約４５０ｍｍ以上である。
基材１１の材料としては、シリコン、石英及び炭化珪素などが用いられる。基材１１は、２種類以上の材料によって構成されていてもよい。例えば、基材１１は、導電性材料を絶縁性材料で被覆した構成であってもよい。
図１（ｂ）に表したように、基材１１の厚さｔは、例えば５ｍｍ以上１３ｍｍ以下である。ガス導入孔１２の径ｄは、例えば２００μｍ以上６００μｍ以下である。ガス導入孔１２の径ｄの基材１１の厚さｔに対する比率は、例えば２％以上６％以下である。
一例として、本実施形態では、基材１１の直径は３７６ｍｍ、基材１１の厚さｔは１０ｍｍ、ガス導入孔１２の径ｄは５００μｍ、ガス導入孔１２の数は９１２個である。このように、電極１０には非常に細長いガス導入孔１２が多数設けられていることで、プラズマエッチングに必要な反応性ガスを均一に導入できるようになる。
ガス導入孔１２は、基材１１にドリル加工を施して形成される。このドリル加工の際にガス導入孔１２の内壁にバリが発生する。本実施形態に係る電極１０においては、ガス導入孔１２の内壁のバリが除去され、内壁面の粗さが抑制されている。ガス導入孔１２の状態は、後述する測定方法によって測定される。なお、本実施形態では、この測定方法を本測定方法とも言う。
ここで、再生前電極１０Ｂ及び再生電極１０Ｒのそれぞれにおいては、ガス導入孔１２の状態が定量的に測定されている。すなわち、本実施形態に係る再生電極１０Ｒにおいては、再生前電極１０Ｂのガス導入孔１２の状態が測定されているとともに、再生電極１０Ｒのガス導入孔１２の状態も測定されている。
再生電極１０Ｒは、再生前電極１０Ｂのガス導入孔１２の状態の測定結果に基づいて、基材１１の表面の研磨及びガス導入孔１２の内壁面の加工の少なくとも一方が施されたものである。再生前後のガス導入孔１２の状態が測定されていることで、再生前から再生後にかけてのガス導入孔１２の状態の変化（履歴）を客観的に管理することができる。ガス導入孔１２の状態を測定することで、時間管理で寿命と判断された再生前電極１０Ｂであっても、基材１１の表面やガス導入孔１２の内壁面の加工によって再度使用可能な再生電極１０Ｒとなる。
本実施形態において、再生前電極１０Ｂ及び再生電極１０Ｒともに本測定方法によって測定されることが望ましい。
本実施形態に係る電極１０は、この測定方法によって測定されたガス導入孔１２を備える。例えば、複数のガス導入孔１２の径、内壁面の粗さ及び垂直度合いのうち少なくとも１つは、本実施形態に係る測定方法によって測定した場合に予め設定された一定の範囲内に収まっている。
一例として、本実施形態に係る測定方法により基材１１に設けられた全て（例えば、９１２個）のガス導入孔１２の直径を測定する。測定した直径から例えば標準偏差（σ）を求め、このσや３σなどが一定の値以下となる電極１０を構成する。本実施形態に係る測定方法によって測定される内壁面の粗さや垂直度合いについても同様である。
このようなガス導入孔１２を備えた本実施形態に係る電極１０では、径や垂直度合いのばらつきが抑制され、内壁面の粗さが抑制されていることから、ガス導入を円滑に行うことができ、プラズマの均一性が向上する。このため、プラズマエッチングの際のダメージを受けにくく、電極１０のロングライフ化を達成することができる。
また、基材１１に設けられるガス導入孔１２の径は、基材１１の面内において必ずしも一定でなくてもよい。すなわち、ガスの導入分布を意図的に変えるため、基材１１の面内の位置によってガス導入孔１２の径を変化させてもよい。本実施形態に係る測定方法によればガス導入孔１２の径を測定できることから、基材１１の面内におけるガス導入孔１２の径の分布を正確に得ることができる。
例えば、基材１１の面内における中央部分の孔径よりも周辺部分の孔径を大きくしたり、反対に、中央部分の孔径よりも周辺部分の孔径を小さくする。ガス導入孔１２の径の設定でガスの導入分布を制御して、プロセスに反映させることができる。本実施形態に係る測定方法を用いることで、ガス導入孔１２の径を正確に測定して、プロセスに反映させることができる電極１０を提供することが可能になる。
また、再生前電極１０Ｂに設けられたガス導入孔１２の状態を本測定方法により測定しておき、この測定結果と再生電極１０Ｒの測定結果とを比較できるようにしておいてもよい。本測定方法では、従来では困難であった細長いガス導入孔１２の状態を精度良く測定することができる。再生前後で同じ本測定方法でガス導入孔１２を測定することにより、１つの電極１０の再生による履歴を残しておくことができる。電極１０にシリアルナンバが付与されている場合には、このシリアルナンバと再生の履歴とのデータベースに記憶しておくとよい。シリアルナンバによってデータベースを検索することで、再生電極１０Ｒの履歴を迅速かつ正確に把握することができる。
なお、本実施形態では電極１０のガス導入孔１２の状態を測定したが、電極１０の電気的特性（例えば、抵抗値）を測定してもよい。すなわち、再生前電極１０Ｂの抵抗値と、再生電極１０Ｒの抵抗値とを測定しておく。電極１０の抵抗値は使用時間によって変化することから、再生前後の抵抗値を測定しておくことで再生電極１０Ｒの特性の多面的な管理を行うことができる。
（プラズマエッチング装置）
図２は、プラズマエッチング装置の構成を例示する模式図である。
図２に表したように、プラズマエッチング装置１００は、チャンバ１１０、上部電極１２０、下部電極１３０、ガス導入路１４０、排気路１５０、ポンプ１６０及び高周波印加部１７０を備える。すなわち、プラズマエッチング装置１００は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置である。
チャンバ１１０内はポンプ１６０によって減圧状態に維持される。上部電極１２０及び下部電極１３０は、チャンバ１１０内において互いに対向して配置される。本実施形態に係る電極１０は、上部電極１２０として適用される。上部電極１２０は、ガス導入路１４０のチャンバ１１０側に設けられた保持部１４１に取り付けられる。下部電極１３０は、静電チャック等によってウェーハ等の対象物Ｗを載置する載置部でもある。
プラズマエッチング装置１００によって対象物Ｗを処理するには、対象物Ｗを下部電極１３０の上に載置し、ポンプ１６０によってチャンバ１１０内を減圧状態にする。その後、ガス導入路１４０からチャンバ１１０内に反応性ガスを導入する。反応性ガスは、ガス導入路１４０から上部電極１２０のガス導入孔１２１（１２）からチャンバ１１０内に導入される。そして、反応性ガスを導入しながら高周波印加部１７０によって上部電極１２０と下部電極１３０との間に高周波（例えば、１３．５６ＭＨｚ）を印加する。これによりチャンバ１１０内にプラズマＰが発生して、対象物Ｗの表面にエッチングや成膜等の処理が施される。
プラズマエッチング装置１００の場合には、反応性ガスとしてＣＦ４、ＳＦ６、ＣＨＦ３、ＣＣｌ４、ＳｉＣｌ４、Ｃｌ２、Ｂｒ２、ＨＢｒなどが用いられる。反応性ガスは、エッチングする対象物Ｗの材料によって適宜が選択される。
プラズマエッチング装置１００の上部電極１２０として本実施形態に係る電極１０を用いると、反応性ガスは滑らかにガス導入孔１２１（１２）を通過してチャンバ１１０内に導入される。このため、反応性ガスは上部電極１２０と下部電極１３０との間に均一性高く導入され、対象物Ｗに対して安定した処理が施される。
ここで、プラズマエッチング装置１００は、例えばＣＦ４のプラズマで発生した反応性の高いＦ原子がＳｉと反応し、ＳｉＦ４となってエッチングが可能となる。そして、高周波（ＲＦ）を印加したカソード電極にイオンを加速するＤＣバイアスが発生することで、異方性エッチングが行われる。
反応性ガスとしてＣＦ４にＨ２を加えるとＳｉのエッチング速度が低下し、選択比が向上する。Ｓｉの表面では反応の中間生成物を含む反応層が形成されながらエッチングが進む。エッチング種が吸着した表面をイオンが衝撃することで、エッチング種と被エッチング材料との反応が促進される。イオンが衝撃するパターンの底面ではこの薄膜が除去されるために、異方性の加工が可能となる。
近年では、デバイス性能の物理限界を拡張するために、多岐にわたる新材料（ポーラスｌｏｗ−ｋ、ｈｉｇｈ−ｋ、高感度エキシマレジストなど）や新構造（ダマシン配線、歪みシリコン、Fin 型ゲートなど）が次々に登場している。これらに対応するため、プラズマエッチング装置およびプラズマエッチング技術においては、モニタリングとフィードバックとが重要である。
例えば、外部パラメータ（ガス種、圧力、ＲＦ電力など設定条件）と内部パラメータ（プラズマ密度、ラジカル組成・密度、イオン種・エネルギーなど）、エッチング特性（エッチング速度、形状など）の相関を科学的に理解することが必要である。また同時に基礎反応過程データベースの充実が必要である。これによりハードウェアによらず普遍的に活用できる反応データを蓄積していくことが可能となる。
また、数ｎｍの薄膜や界面層での高い選択比の実現が一層困難となっている状況で、均一性向上の効果は大きい。また，パターンの加工寸法（ＣＤ：Critical Dimension）の変換差の制御においても均一性が強く影響する。
さらに、半導体素子に用いられる絶縁膜のエッチングにおいては、イオンによりＳｉ−Ｏの結合を切り、Ｃ−Ｏの結合によりＯを除去し、比較的弱いＳｉ−Ｆの結合を可能にさせ，エッチングが進行すると考えられる。このような絶縁膜のエッチング反応に重要な条件設定を明確にする必要がある。エッチングメカニズムを解明するためには、様々なモニタリング技術を創出する必要がある。
（測定装置を備えたプラズマエッチング装置）
図３は、測定装置を備えたプラズマエッチング装置の構成を例示する模式図である。
図３に表したように、プラズマエッチング装置１００Ｂは、チャンバ１１０、上部電極１２０、下部電極１３０、ガス導入路１４０、排気路１５０、ポンプ１６０、高周波印加部１７０及び測定装置２００を備える。チャンバ１１０、上部電極１２０、下部電極１３０、ガス導入路１４０、排気路１５０、ポンプ１６０および高周波印加部１７０は、プラズマエッチング装置１００と同様である。
プラズマエッチング装置１００の上部電極１２０のガス導入孔１２１（１２）の状態は、測定装置２００によって測定される。測定装置２００は、発光部２１０と、受光部２２０と、画像処理部２２５と、を備える。
発光部２１０は、基材１１の一方面側からガス導入孔１２１（１２）に向けて光Ｌ１を照射する。発光部２１０は、例えば上部電極１２０を保持する保持部１４１に設けられる。発光部２１０は移動可能に設けられていてもよい。
受光部２２０は、ガス導入孔１２１（１２）を介して基材１１の他方面側に透過した光Ｌ２の２次元画像を取得する。受光部２２０は、上部電極１２０と下部電極１３０との間に進退可能に設けられていてもよい。受光部２２０は発光部２１０と連動して動くようになっていてもよい。
画像処理部２２５は、２次元画像に基づいてガス導入孔１２１（１２）の径、内壁面の粗さ及び垂直度合いのうち少なくとも１つを測定する処理を行う。
本実施形態に係るプラズマエッチング装置１００では、上部電極１２０が装着された状態でガス導入孔１２１（１２）の状態を測定装置２００によって測定することができる。ガス導入孔１２１（１２）の状態は、この測定装置２００を用いて後述する本測定方法によって測定される。
本測定方法で測定したガス導入孔１２１（１２）を有する上部電極１２０を用いると、反応性ガスは滑らかにガス導入孔１２を通過してチャンバ１１０内に導入される。このため、反応性ガスは上部電極１２０と下部電極１３０との間に均一性高く導入され、対象物Ｗに対して安定した処理が施される。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング装置１００では、予め設定されたエッチング処理時間を経過したタイミングで測定装置２００によってガス導入孔１２１（１２）の状態を測定することができる。測定装置２００による測定は、上部電極１２０を保持部１４１から取り外すことなく、そのままの状態で行うことができる。
測定の結果、ガス導入孔１２１（１２）の径や内壁面の粗さ、垂直度合いのうち少なくとも１つを判定基準と比較して規定内であれば上部電極１２０はそのまま使用可能であると判断される。一方、規定外であれば上部電極１２０を交換する時期であると判断する。
このように、上部電極１２０を保持部１４１に装着したままガス導入孔１２１（１２）の状態を測定できるため、測定のために上部電極１２０を取り外す作業が不要となるとともに、上部電極１２０に触れることがなくなり汚染を発生させることなく測定を行うことが可能になる。さらに、プラズマエッチング処理で用いられる上部電極１２０のそのもののガス導入孔１２１（１２）の状態をモニタリングすることができる。
（電極の製造方法）
次に、本実施形態に係る電極１０の製造方法について説明する。
図４は、電極の製造方法を例示するフローチャートである。
先ず、基材１１を用意する（ステップＳ１０１）。基材１１としては、シリコン、石英及び炭化珪素などが用いられる。本実施形態では、一例として単結晶シリコンを用いる場合を説明する。ここでは、単結晶シリコンのインゴッドを約１２ｍｍの厚さに切り出した円盤状の基材１１を用意する。切り出した後、基材１１の上下面の研削処理を行い、面精度を５０μｍ以下にする。
次に、基材１１にガス導入孔１２を形成する（ステップＳ１０２）。本実施形態では、焼結ダイヤモンドドリルを用いて基材１１にガス導入孔１２を形成する。ここでは、先端が多面になっている焼結ダイヤモンドドリルを用いる。この焼結ダイヤモンドドリルを用いて基材１１にステップバック工法によって穿孔を行う。基材１１の厚さに対してドリル長が短い場合には、基材１１を反転させて表裏両面から孔を形成して、貫通させるようにしてもよい。
シリコンの基材１１にドリルによって微細孔加工を施すと、孔の内壁面に微細破砕層が形成される。本実施形態では、先端が多面になっている焼結ダイヤモンドドリルによって、微細破砕層の厚さが１０μｍ以下になるようにすることが望ましい。
基材１１へのドリル加工を行う場合、ドリルにシリコンスラッジが付着することがある。このため、定期的に基材１１を超音波洗浄装置で浸漬洗浄することが望ましい。これにより、ドリルの性能が維持され、孔の内壁面への微細破砕層の発生が抑制される。
次に、ガス導入孔１２を形成した基材１１を洗浄する（ステップＳ１０３）。ガス導入孔１２を形成した基材１１の孔内や基材１１の表面などにはドリル加工時の汚染物質が付着している。この汚染物質を除去するため、基材１１の洗浄が行われる。ここでの洗浄としては、例えば脱気超音波洗浄装置による洗浄が行われる。円筒状に形成された脱気超音波洗浄装置によって基材１１の孔内や表面に付着した汚染物質が洗浄させる。この洗浄を行うことで、後のエッチングによる溶解促進と、基材１１に発生する変色の抑制効果が高まる。
次に、基材１１のエッチングを行う（ステップＳ１０４）。このエッチングによってガス導入孔１２の内壁面に形成された微細破砕層が除去される。例えば、４０℃の酸溶液に基材１１を浸漬する。これにより、基材１１の表面（露出面）が溶解され、ガス導入孔１２の内壁面の微細破砕層が除去される。
このエッチングでは、酸溶液が入った槽に基材１１を浸漬し、回転運動を加えることで微細なガス導入孔１２に酸溶液を循環させる。この際、回転運動とともに揺動運動を行うことが好ましい。これにより、ガス導入孔１２の内部にしっかりと酸溶液を行き渡らせることができる。
基材１１の浸漬時間は１０秒以上１２００秒以下の間である。酸溶液への浸漬によるエッチングでは、エッチング作業の回数や時間によって溶解速度に相違が生じる。溶解処理を安定化させるため、エッチング時間や処理枚数を管理することが望ましい。
次に、基材１１の研削及び研磨を行う（ステップＳ１０５）。ここでは、例えばフライス加工機を用いて基材１１の外周部や取り付け穴の加工を行う。使用する工具としては、例えばメタルボンドタイヤモンド、レジンボンドダイヤモンド、電着ダイヤモンドが用いられる。
研削加工後、基材１１の表面にラップ加工及び平面研削加工を施す。この加工によって基材１１の厚さを調整するとともに、基材１１の表面粗さ（算術平均粗さ：Ｒａ）を例えば「１」以下にする。ここまでの処理で基材１１には金属等の汚染物質が付着しているため、再度、酸溶液を用いたエッチングを行う。この酸溶液は、ステップＳ１０４で用いたものと同様である。
その後、超純水を用いて基材１１を洗浄し、純水槽に基材１１を浸す水中保管する。水中保管によって基材１１の表面の酸化、染み及び汚れが抑制される。次に、基材１１を例えばコロイダルシリカ含有の研磨溶剤を用いて研磨装置で鏡面研磨する。鏡面研磨によって基材１１の表面粗さＲａを例えば「０．１」以下にする。
基材１１を鏡面研磨した後、純水洗浄を行い、温水引き上げ装置にて温水乾燥を行う。これにより、基材１１の水垢、染み等が抑制される。
次に、ガス導入孔１２の検査を行う（ステップＳ１０６）。ここで行うガス導入孔１２の検査として、後述する本実施形態の測定方法が適用される。検査後、最終精密洗浄を行う。これにより、電極１０が完成する。
このような方法によって製造された電極１０では、微細破砕層が除去された非常に滑らかな内壁面を有するガス導入孔１２を備えることになる。したがって、この電極１０を上部電極１２０として用いることで、反応性ガスを均一に導入できるとともに、ガス導入孔１２へのダメージが抑制されて電極１０の長寿命化を達成することができる。
（電極の再生方法）
図５は、本実施形態に係る電極の再生方法を例示するフローチャートである。
図５に表したように、本実施形態に係る電極１０の再生方法は、ガス導入孔１２の測定（ステップＳ２０１）と、基材１１の再加工（ステップＳ２０２）と、ガス導入孔１２の再度の測定（ステップＳ２０３）と、を備える。ガス導入孔１２の測定では、所定時間使用された電極１０のガス導入孔１２の状態を測定する処理を行う。ガス導入孔１２の測定方法は後述する。
プラズマエッチング装置１００においては、処理条件にもよるが、一般的に２０００時間程度使用することで電極１０の新品への交換が行われる。ステップＳ２０１では、例えば２０００時間を経過した電極１０（再生前電極１０Ｂ）をプラズマエッチング装置１００から取り出し、後述する測定方法によってガス導入孔１２の状態を非破壊で測定する。
測定するガス導入孔１２の状態としては、例えば、ガス導入孔１２の径、内壁面の粗さ及び垂直度合いのうち少なくとも１つである。また、測定では、ガス導入孔１２のガス放出側の開口の丸みの生じた領域の大きさを測定してもよい。
ステップＳ２０２の基材１１の再加工では、ステップＳ２０１の測定結果に基づき基材１１の表面の研磨及びガス導入孔１２の内壁面の加工の少なくとも一方を行う。ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１の測定結果に基づき最適な加工方法を選択する。
例えば、ガス導入孔１２の内壁面の粗さが予め設定された範囲内に収まっている場合には、基材１１の表面の研磨を行う。つまり、この場合にはガス導入孔１２の内壁面の粗さは規定範囲内であることから、内壁面に対する処理は不要と判断する。基材１１の表面は使用によって荒れていることから、基材１１の表面の研磨を施すことで再生を行う。
ここで、ガス導入孔１２の開口の丸みの生じた領域の大きさが測定されている場合には、その領域の大きさから丸みを除去できる研磨量を算出することができる。この研磨量の研磨を施すことで、ガス導入孔１２の開口の丸みが除去された電極１０を再生することができる。
図６（ａ）にはガス導入孔１２の開口の丸みが除去された再生電極１０Ｒが表される。使用によってガス導入孔１２のガス放出側の開口には丸みが生じやすい。基材１１の表面を研磨することで開口の丸みが除去されたガス導入孔１２へ再生できることになる。基材１１の表面加工の一例は、先ず、基材１１のガス放出側の面を研削し、基材１１の縁のＲ面取りを行う。次に、基材１１の表面のラッピングを行い、次にエッチングを施した後、ポリッシングを行う。
また、ガス導入孔１２の内壁面の粗さが予め設定された範囲内に収まっていない場合には、ガス導入孔１２の内壁面の加工を行う。内壁面の加工としては、ガス導入孔１２の径を大きくする穿孔加工及びガス導入孔１２の内壁面のエッチング加工の少なくともの一方である。
ガス導入孔１２の内壁面の粗さだけを除去する場合にはエッチング加工を施すことが望ましい。これにより、ガス導入孔１２の径をほとんど変更することなく滑らかな内壁面のガス導入孔１２を有する電極１０が再生される。
また、ガス導入孔１２の内壁面の粗さの除去だけでは不十分な場合や、元のガス導入孔１２よりも大きな径のガス導入孔１２を有する電極１０に再生したい場合には、ガス導入孔１２の径を大きくする穿孔加工を施す。この穿孔加工は、元のガス導入孔１２を基準として、元の孔径よりも大きなドリルによる再度の穿孔を施す加工である。これにより、元のガス導入孔１２を基準として径の拡大したガス導入孔１２を有する電極１０への再生が行われる。
図６（ｂ）にはガス導入孔１２に再度の穿孔を施した再生電極１０Ｒが表される。再度の穿孔によってガス導入孔１２の径は大きくなるものの、内壁面の粗さが除去されて滑らかな内壁面を有するガス導入孔１２へ再生できることになる。
なお、穿孔加工を行った場合には、ガス導入孔１２の内壁面にバリが生じている場合もあるため、穿孔加工の後にエッチング加工を行うことが望ましい。これにより、穿孔加工で生じた内壁面のバリを除去して滑らかな内壁面のガス導入孔１２を有する電極１０への再生が行われる。
加工を施した後は、ステップＳ２０３に示すように、加工後のガス導入孔１２の状態の測定を行う。この測定方法はステップＳ２０１で行った測定方法と同じである。この測定によって加工後のガス導入孔１２の状態（例えば、径、内壁面の粗さ、垂直度合い）が非破壊で測定される。これにより、再生された電極１０のガス導入孔１２の状態を客観的に把握することができる。
ステップＳ２０３の測定結果によって、例えばガス導入孔１２の径が予め設定された一定の範囲内に収まっているものを良品として判定すればよい。内壁面の粗さや垂直度合いについても同様である。また、ガス導入孔１２の状態を客観的に測定できるため、仕様に合致したガス導入孔１２を有する電極１０への再生も可能である。
（ガス導入孔の測定方法）
次に、ガス導入孔１２の測定方法について説明する。
図７は、本実施形態に係るガス導入孔の測定方法を例示する模式図である。
図７に表したように、本実施形態に係るガス導入孔１２の測定方法は、発光部２１０からガス導入孔１２に光Ｌ１を照射し、ガス導入孔１２を透過する光Ｌ２を受光部２２０で受けて、受光像に基づき測定を行う方法である。
ガス導入孔１２の測定を行うための測定装置２００は、発光部２１０、コントローラ２１５、受光部２２０及び画像処理部２２５を備える。発光部２１０は、例えばレーザ光やＬＥＤ光を出射する。先に説明したように、発光部２１０は上部電極１２０の保持部１４１に移動可能に設けられていてもよい。測定に用いる光Ｌ１としては、コヒーレント光が望ましい。本実施形態では、発光部２１０としてレーザ光を出射するレーザ光源が用いられる。コントローラ２１５は、発光部２１０から出射する光Ｌ１の量や出射タイミングを制御する。
発光部２１０から出射される光Ｌ１の波長は、例えば６２０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下程度の赤色、４９５ｎｍ以上５７０ｎｍ以下程度の緑色、４５０ｎｍ以上４９５ｎｍ以下程度の青色、７５０ｎｍ以上１４００ｎｍ以下程度の赤外が用いられる。
光Ｌ１のスポット径は、ガス導入孔１２の内径よりも大きい。これにより、光Ｌ１をガス導入孔１２に確実に入射する。光Ｌ１は、基材１１の表面に対して実質的に垂直に出射される。ここで、実質的に垂直とは、基材１１の厚さをｔ、ガス導入孔１２の径をｄとした場合、垂直に対してｔａｎ（ｄ／ｔ）°未満のことをいう。
受光部２２０は、ガス導入孔１２を透過した光Ｌ２を２次元像として受けるエリアセンサである。光Ｌ２は、発光部２１０から出射された光Ｌ１のガス導入孔１２の透過光である。受光部２２０は、この光Ｌ２を２次元像として受けて電気信号に変換する。
なお、光Ｌ１として赤外を用いる場合であっても、受光部２２０は基材１１を透過する光ではなく、ガス導入孔１２を透過した光を受ける。つまり、光Ｌ１として赤外を使用する場合、基材１１を透過する光もあるが、受光部２２０は、基材１１を透過する光をほとんど受けることなく、ガス導入孔１２を抜けてくる光を受ける。
ここで、受光部２２０はガス導入孔１２を透過した光Ｌ２を直接受けても、半透過スクリーンＳＣＬを介して光Ｌ２を受けるようにしてもよい。半透過スクリーンＳＣＬは、基材１１と受光部２２０との間に配置される。半透過スクリーンＳＣＬは、受光部２２０とともに進退可能に設けられていてもよい。また、半透過スクリーンＳＣＬは基材１１の面に密着させてもよい。光Ｌ２の強度が高い場合には、半透過スクリーンＳＣＬに投影された光Ｌ２の像を受光部２２０で受けるようにすれば、半透過スクリーンＳＣＬによるフィルタ効果を得られる。
画像処理部２２５は、受光部２２０から出力される電気信号に基づき画像処理を行い、ガス導入孔１２の測定を行う。すなわち、画像処理部２２５は、受光部２２０で受けた光Ｌ２の２次元像を画像処理して、この処理結果に基づきガス導入孔１２の状態を測定結果として出力する。
本実施形態に係るガス導入孔１２の測定方法では、ガス導入孔１２の状態によってガス導入孔１２を透過する光Ｌ２の量、進路、反射状態などが変化することを利用して、光Ｌ２の２次元画像に基づきガス導入孔１２の状態を非破壊で測定する。電極１０に設けられたガス導入孔１２は非常に細く、アスペクト比が高く、しかも基材１１に多数設けられている。このため、電極１０の表面画像からはガス導入孔１２の内部まで検査することはできない。また、表面に沿った方向でＸ線画像を取得しても、他のガス導入孔１２の画像と重複するため、精度の高い測定を行うことができない。ガス導入孔１２をドリルで穿孔し、内面粗さを規定したい場合、電極１０を破壊しなければ分からない。本実施形態のように、ガス導入孔１２に光Ｌ１を照射し、透過する光Ｌ２の２次元画像を取得し、２次元画像とガス導入孔１２の状態との相関からガス導入孔１２を非破壊で高精度に測定することができる。
次に、ガス導入孔１２と光Ｌ２の２次元画像との相関について説明する。
図８（ａ）〜図９（ｄ）は、ガス導入孔の状態と画像との関係を例示する模式図である。
図８（ａ）には、内壁面の平坦度が高く、基材１１に対してほぼ垂直に設けられたガス導入孔１２の断面図が表される。このようなガス導入孔１２に光Ｌ１が照射された場合、光Ｌ１の多くはガス導入孔１２を真っ直ぐ透過していくことになる。
図８（ｂ）には、図８（ａ）に表したガス導入孔１２を透過した光Ｌ２の２次元画像Ｇ１の例が表される。この２次元画像Ｇ１では、ガス導入孔１２の像がシャープに現れている。図８（ｂ）には、２次元画像Ｇ１の走査線ＳＬ１上での信号ＳＧ１の例が示される。画像処理部２２５は、２次元画像Ｇ１の走査線ＳＬ１上に沿った信号ＳＧ１の変化（傾斜等）を演算する。例えば、信号ＳＧ１の境界部分での信号変化（微分値、２次微分値など）によってガス導入孔１２の内壁面の平坦性を測定することができる。また、画像処理部２２５は、２次元画像Ｇ１の境界からガス導入孔１２の真円度を測定することができる。
図８（ｃ）には、内壁面の平坦性が高くないガス導入孔１２の断面図が表される。このようなガス導入孔１２に光Ｌ１が照射された場合、光Ｌ１はガス導入孔１２の内壁面の凹凸に当たり、反射を繰り返しながら透過していくことになる。
図８（ｄ）には、図８（ｃ）に表したガス導入孔１２を透過した光Ｌ２の２次元画像Ｇ２の例が表される。この２次元画像Ｇ２では、ガス導入孔１２の像がシャープに現れない。図８（ｄ）には、２次元画像Ｇ２の走査線ＳＬ２上での信号ＳＧ２の例が示される。画像処理部２２５は、信号ＳＧ２の境界部分での信号変化によってガス導入孔１２の内壁面の平坦性を測定することができる。２次元画像Ｇ２では、２次元画像Ｇ１に比べて境界部分の信号変化が緩くなる。この信号変化によってガス導入孔１２の内壁面の平坦性を測定することができる。
さらに、画像処理部２２５は、信号ＳＧ２の変化から２次元画像Ｇ２の中央領域（輝度の高い領域）Ｒ１と周辺領域（中央領域Ｒ１よりも輝度の低い領域）Ｒ２とを領域分けし、これらの面積の比率によってガス導入孔１２の内壁面の平坦性を定量的に求めるようにしてもよい。例えば、２次元画像Ｇ２として表れる全体の領域をＲ０として、領域Ｒ０の面積に対する周辺領域Ｒ２の面積の割合によって内壁面の平坦性を求める。内壁面の平坦性が低い（凹凸が多い）ほど、領域Ｒ０の面積に対して周辺領域Ｒ２の面積の割合が高くなる。この特性を利用することで、内壁面の平坦性を定量的に求めることができる。
図９（ａ）には、基材１１に対して斜めに設けられたガス導入孔１２の断面図が表される。このようなガス導入孔１２に光Ｌ１が照射された場合、ガス導入孔１２に入った光Ｌ１の一部は内壁面で遮られることになる。
図９（ｂ）には、図９（ａ）に表したガス導入孔１２を透過した光Ｌ２の２次元画像Ｇ３の例が表される。この２次元画像Ｇ３では、境界部分はシャープに現れるものの全体の形状が真円にならない。すなわち、ガス導入孔１２の光の入口側の開口の中心と出口側の開口の中心とがずれるため、基材１１の真上から見て両開口の重複する領域Ｒ３だけ光が透過する。したがって、２次元画像Ｇ３は、この領域Ｒ３に相当する略楕円形となる。画像処理部２２５は、２次元画像Ｇ３の形状に基づき、ガス導入孔１２の基材１１に対する垂直度合いを測定することができる。垂直度合いとしては、例えばガス導入孔１２の基材１１の表面に対する垂直軸を基準とした角度のほか、垂直軸からの角度ずれが許容範囲内であるか否かを含む。
図９（ｃ）には、ガス出射側の開口の隅部が消耗したガス導入孔１２の断面図が表される。電極１０が劣化するとガス導入孔１２のガス出射側の開口の隅部が丸みを帯びるようになる。このようなガス導入孔１２に光Ｌ１が照射された場合、光Ｌ１の多くはガス導入孔１２を真っ直ぐ透過する。また、光Ｌ１の一部はガス導入孔１２のガス出射側の開口の隅部に当たり散乱することになる。
図９（ｄ）には、図９（ｃ）に表したガス導入孔１２を透過した光Ｌ２の２次元画像Ｇ４の例が表される。この２次元画像Ｇ４では、中央領域Ｒ１にガス導入孔１２の像が比較的シャープに現れるとともに、その周辺領域Ｒ２には散乱光の像が現れる。画像処理部２２５は、中央領域Ｒ１に現れる比較的シャープな像の大きさがガス導入孔１２の径とほぼ等しく、その周辺領域Ｒ２に拡散光の像が現れている場合に、ガス導入孔１２のガス出射側の開口の隅部に丸みが発生していると判断することができる。
また、ガス出射側の開口の隅部に丸みが発生していると判断した場合、周辺領域Ｒ２の面積によって隅部の丸みの大きさが判断される。すなわち、偶部の丸みが大きいほど周辺領域Ｒ２の面積が大きくなる。この特性を利用することで、ガス出射側の開口の偶部の丸みの大きさを定量的に求めることができる。
このように、本実施形態に係るガス導入孔１２の測定方法では、受光部２２０で受ける光Ｌ２の２次元画像とガス導入孔１２の状態との関係を利用して、画像処理部２２５で２次元画像を処理することで、ガス導入孔１２がどのような状態であるかを非破壊で測定することが可能になる。
また、本実施形態に係る測定方法によってガス導入孔１２の状態を測定することができることから、この測定結果に基づきプラズマエッチング装置１００の電極１０としての寿命を判断することができる。先ず、電極１０として使用する前（新品）のガス導入孔１２の状態を本実施形態に係る測定方法で測定しておく。次に、ある時間使用したあとの電極１０のガス導入孔１２の状態を同様な方法で測定する。
この使用後に測定したガス導入孔１２の状態が予め定めた規定を超えている場合には電極１０の寿命であると判断する。また、定期的にガス導入孔１２の状態を測定することで、測定結果の変化に基づき電極１０の残りの寿命を予測することも可能である。
図１０（ａ）〜（ｃ）は、ガス導入孔の２次元画像を例示する写真である。
図１０（ａ）には、シリコンを用いた電極１０の使用前のガス導入孔１２の２次元画像Ｇ１０が表される。この画像は、ガス導入孔１２を透過した光Ｌ２を受光部２２０で直接撮影したものである。使用前においては、輪郭がシャープに表れた２次元画像Ｇ１０となっている。
図１０（ｂ）には、シリコンを用いた電極１０の使用後のガス導入孔１２の２次元画像Ｇ２０が表される。この画像は、ガス導入孔１２を透過した光Ｌ２を半透過スクリーンＳＣＬに投影して受光部２２０で撮影したものである。この電極１０は、プラズマエッチング装置１００で約２０００時間使用されたものである。使用後においては、輪郭がボケた２次元画像Ｇ２０となっていることが分かる。また、２次元画像Ｇ２０のガス導入孔１２の内壁面における凹凸が生じた部分に対応して色調（または濃淡）の変化が認められる。この変化している領域に基づいてガス導入孔１２の内壁面の状態を定量的に測定することができる。
図１０（ｃ）には、石英を用いた電極１０の使用前のガス導入孔１２の２次元画像Ｇ３０が表される。この画像は、ガス導入孔１２を透過した光Ｌ２を半透過スクリーンＳＣＬに投影して受光部２２０で撮影したものである。石英を用いた電極１０においては照射した光がガス導入孔１２の周辺の基材１１に当たって拡散するため、シャープな２次元画像Ｇ３０にはならない。しかし、２次元画像Ｇ３０の信号波形を用いることで、使用前後の信号波形の相違からガス導入孔１２の状態を測定することができる。
測定対象物であるガス導入孔１２の径ｄは非常に小さく、また厚さｔに対する径ｄの比率は数％程度である。このように非常に細長いガス導入孔１２に光を照射して、ガス導入孔１２を透過する光の像を得る場合、一般的な対象物に対して光を用いた測定では得られない特殊な画像を得ることができる。例えば、シリコン単結晶からなる基材１１に設けられたガス導入孔１２に青色のレーザ光を照射した場合、ガス導入孔１２を透過する光の２次元画像では、ガス導入孔１２の内壁面の凹凸に対応した部分に色の変化が認められる。このように、基材１１の材料、光の波長、ガス導入孔１２の状態との関係を利用することで、単に光を照射して得られた画像から測定を行う方法とは異なる特徴的な測定を行うこともできる。
（ガス導入孔の他の測定方法）
次に、ガス導入孔１２の他の測定方法について説明する。
図１１（ａ）及び（ｂ）は、ガス導入孔の他の測定方法を例示する模式図である。
この測定方法は、先に説明した光Ｌ１の照射による２次元画像の取得とともに、基材１１の表面側からガス導入孔１２の画像（開口部画像）を取得して、これらの画像に基づき測定を行う方法である。
この測定を行うための測定装置３００は、先に説明した測定装置２００の構成に加え、カメラ３１０と画像処理部３１５とを備える。カメラ３１０は、電極１０の表面の画像を取り込む。カメラ３１０は電極１０の保持部１４１に移動可能に設けられていてもよい。カメラ３１０によってガス導入孔１２の光Ｌ１の入射側の開口部の画像を取得する。画像処理部３１５は、カメラ３１０で取得した開口部画像の処理を行う。なお、画像処理部３１５は、画像処理部２２５と兼用でもよい。
この測定装置３００によってガス導入孔１２の測定を行うには、先ず、図１１（ａ）に表したように、カメラ３１０によってガス導入孔１２の開口部画像を取得する。すなわち、カメラ３１０を測定対象となるガス導入孔１２の直上に配置して、ガス導入孔１２の開口部画像を取得する。
次に、図１１（ｂ）に表したように、測定対象となるガス導入孔１２の直上に発光部２１０を配置するとともに、ガス導入孔１２の真下に受光部２２０を配置する。そして、発光部２１０からガス導入孔１２に光Ｌ１を照射し、ガス導入孔１２を透過した光Ｌ２の２次元画像を受光部２２０で取得する。
次に、カメラ３１０で取得した開口部画像を画像処理部３１５で処理するとともに、受光部２２０で取得した２次元画像を処理することで、ガス導入孔１２の状態を測定する。つまり、この測定方法では、カメラ３１０で取得したガス導入孔１２の開口部の画像と、ガス導入孔１２を透過した光Ｌ２の２次元画像との両方を用いてガス導入孔１２の状態を非破壊で測定する。
図１２（ａ）〜（ｈ）は、カメラで取得した画像と２次元画像とを例示する模式図である。
図１２（ａ）、（ｃ）、（ｅ）及び（ｇ）にはカメラ３１０で取得した開口部画像の例が表され、図１２（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）及び（ｈ）には受光部２２０で取得した２次元画像が表される。
図１２（ａ）及び（ｂ）に表した例は、図８（ａ）に表したガス導入孔１２の測定例である。このガス導入孔１２は、平坦度の高い内壁面を有し、基材１１に対してほぼ垂直に設けられている。このような場合、図１２（ａ）に示すカメラ３１０で取得した開口部画像Ｇ１１の直径と、図１２（ｂ）に示す受光部２２０で取得した２次元画像Ｇ１２の直径とはほぼ等しくなる。また、２次元画像Ｇ１２はシャープに現れる。したがって、このような開口部画像Ｇ１１及び２次元画像Ｇ１２が得られた場合には、ガス導入孔１２の入口から出口にかけて真っ直ぐ孔が形成され、内壁面の平坦度も高いと判断される。
図１２（ｃ）及び（ｄ）に表した例は、図８（ｃ）に表したガス導入孔１２の測定例である。このガス導入孔１２は、平坦度の高くない内壁面を有している。このような場合、図１２（ｃ）に示すカメラ３１０で取得した開口部画像Ｇ１３の直径はガス導入孔１２の径の設計値とほぼ等しい。図１２（ｄ）に示す受光部２２０で取得した２次元画像Ｇ１４はシャープに現れない。したがって、このような開口部画像Ｇ１３及び２次元画像Ｇ１４が得られた場合には、設計値に近い径のガス導入孔１２は形成されているものの、内壁面の平坦度は高くないと判断される。
図１２（ｅ）及び（ｆ）に表した例は、図９（ａ）に表したガス導入孔１２の測定例である。このガス導入孔１２は、基材１１に対して斜めに形成されている。このような場合、図１２（ｅ）に示すカメラ３１０で取得した開口部画像Ｇ１５の直径はガス導入孔１２の径の設計値とほぼ等しい。図１２（ｆ）に示す受光部２２０で取得した２次元画像Ｇ１６は、領域Ｒ１６に相当する略楕円形となる。したがって、このような開口部画像Ｇ１５及びＧ１６が得られた場合には、設計値に近い径のガス導入孔１２は形成されているものの、基材１１に対して斜めに形成されていると判断される。
また、受光部２２０と基材１１のガス導入孔１２のエッジとの距離によって傾斜角度が演算される。図１３に示すように、基材１１の厚さをｄ１、受光部２２０上に投影されるガス導入孔１２のエッジの位置と、基材１１側のガス導入孔１２のエッジの位置との受光部２２０の受光面に沿った距離をｄ２とした場合、ｔａｎ−１（ｄ２／ｄ１）によってガス導入孔１２の傾斜角度θを演算することができる。
図１２（ｇ）及び（ｈ）に表した例は、ガス導入孔１２の径が小さい場合の測定例である。このガス導入孔１２の径は、設計値よりも小さくなっている。このような場合、図１２（ｇ）に示すカメラ３１０で取得した開口部画像Ｇ１７の直径と、図１２（ｈ）に示す受光部２２０で取得した２次元画像Ｇ１８の直径とはほぼ等しくなる。しかしながら、この直径は設計値よりも小さくなる。したがって、このような開口部画像Ｇ１７及び２次元画像Ｇ１８が得られた場合には、ガス導入孔１２の入口から出口にかけて真っ直ぐ孔が形成されているものの、設計値よりも径が小さいと判断される。
なお、設計値よりも径が大きいガス導入孔１２の場合には、カメラ３１０で取得した開口部画像の直径と、受光部２２０で取得した２次元画像の直径とはほぼ等しくなるとともに、その径が設計値よりも大きく現れることになる。
このように、カメラ３１０で取得した画像と、受光部２２０で取得した２次元画像との関係に基づいて、より詳細なガス導入孔１２の状態を測定することが可能となる。なお、上記は一例であり、これらの組み合わせや、他の関係によってガス導入孔１２の種々の状態を検出することが可能になる。
特に、本実施形態に係るガス導入孔１２の測定方法は、ガス導入孔１２に光Ｌ１を照射し、ガス導入孔１２を透過する光Ｌ２を受けて測定を行うため、内壁面の平坦性に優れたガス導入孔１２を測定する場合に好適である。したがって、基材１１にドリル加工で穿孔した後、エッチング処理によって内壁面を平坦化したガス導入孔１２の測定に特に有効である。
また、プラズマエッチング装置１００においてドライエッチングを行うことにより生成される物質がガス導入孔１２の内壁に付着する場合もある。このように物質が付着したガス導入孔１２であっても、ガス導入孔１２を透過した光Ｌ２を取り込むことで、物質の付着の状態を定量的に測定することもできる。
なお、本実施形態に係るガス導入孔１２の測定方法において、ガス導入孔１２は基材１１の一方面から他方面にかけて真っ直ぐ設けられたものを対象として説明したが、基材１１の途中で屈曲したガス導入孔１２を対象としてもよい。ガス導入孔１２が屈曲していても、基材１１の一方面から照射した光Ｌ１は、ガス導入孔１２の内壁で反射しながら進むことができ、光Ｌ２となって受光部２２０で取り込まれる。光Ｌ１として基材１１を透過しない波長の光を用いることで、屈曲したガス導入孔１２であってもガス導入孔１２の内部を通過してきた光を受光部２２０で受けることができ、ガス導入孔１２の状態を測定することができる。
また、本実施形態に係るガス導入孔１２の測定方法を適用することにより、ガス導入孔１２の均一性を判断することができる。したがって、基材１１に複数のガス導入孔１２を備えた電極１０において、基材１１の一方面側から照射した光Ｌ１が、複数のガス導入孔１２を通して基材１１の他方面側まで到達する電極１０を選別することができる。
この選別では、電極１０において、複数のガス導入孔１２を透過した光Ｌ２の強度のばらつき（例えば、標準偏差σ）が予め設定された一定の値以下であれば、良品の電極１０であると判断することができる。
上記のような電極１０（複数のガス導入孔１２において光Ｌ１を透過可能な電極、または光Ｌ２の強度ばらつきが一定の値以下の電極）を上部電極１２０として用いたプラズマエッチング装置１００によれば、上部電極１２０と下部電極１３０との間に反応性ガスを均一性高く導入することができ、対象物Ｗに対して安定した処理を施すことができるようになる。
プラズマエッチング装置用の電極におけるガス導入孔については、反応ガスの導入に均一性やメンテナンス等の観点から様々な形態が考えられている。しかし、いずれの形態において、実際の電極のガス導入孔に適用した場合、設定された形状になっているのかを非破壊で把握することは困難である。
本実施形態に係るガス導入孔１２の測定方法によれば、実際にプラズマエッチング装置１００に使用される（または使用中の）電極１０そのものを非破壊で測定することができ、ガス導入孔１２の客観的なデータを得ることができる。本願発明者はこのような測定方法によってガス導入孔１２の客観的なデータを得ることができるという新たな知見を得た。そして、本実施形態に係るガス導入孔１２の測定方法で測定して複数のガス導入孔１２の状態を特定し、その測定が行われた電極１０を用いてプラズマエッチング装置１００によるドライエッチングを施す。これにより、ドライエッチングによる加工特性、歩留まり、生産性の向上を図ることができる。
また、実際にプラズマエッチング装置１００に用いる電極１０のガス導入孔１２の詰まり、ガス導入孔１２の内径の拡がり、ガス導入孔１２の内壁面への堆積物の付着の状態を把握することができるため、電極１０からシリコンウェーハ上へ堆積物が落下したり、チャンバ内にパーティクルとして浮遊したりすることで、半導体素子が不良品になるリスクを軽減または回避することができる。
（状態分布図）
図１４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る状態分布図を説明する図である。図１４（ａ）には状態分布図ＭＰの一例が表され、図１４（ｂ）には状態分布図を作成するためのデータの一例が表される。
図１４（ａ）に表したように、本実施形態に係る状態分布図ＭＰは、プラズマエッチング装置用の電極１０における基材１１を厚さ方向に貫通するよう設けられた複数のガス導入孔の状態を表示する図である。状態分布図ＭＰは、基材１１の面内における複数のガス導入孔の位置に対応して複数のガス導入孔のそれぞれの状態を、その状態に対応した表示態様で表示したものである。
ここで、本実施形態に係る状態分布図ＭＰの詳細な説明を行うにあたり、プラズマエッチング装置用の電極１０、この電極１０が用いられるプラズマエッチング装置及び電極１０の製造方法について説明する。
（状態分布図の表示方法）
次に、状態分布図の表示方法について説明する。
図１５（ａ）及び（ｂ）は、状態分布図の表示方法を説明する図である。図１５（ａ）には状態分布図ＭＰを表示するためのコンピュータ５００の構成が表され、図１５（ｂ）には状態分布図ＭＰの表示方法を例示するフローチャートが表される。
状態分布図ＭＰの表示方法は、例えばコンピュータ５００によるプログラム処理によって実現される。このプログラムはＣＤ−ＲＯＭ等の媒体に記録されたり、サーバ等の記憶装置に記憶されたり、ネットワークを介して配信されたりする。
コンピュータ５００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１１、インタフェース５１２、出力部５１３、入力部５１４、主記憶部５１５及び副記憶部５１６を備える。
ＣＰＵ５１１は、各種プログラムの実行によって各部を制御する。ＣＰＵ５１１は、状態分布図ＭＰを表示するプログラムを実行する部分でもある。インタフェース５１２は、外部機器との情報入出力を行う部分である。インタフェース５１２は、コンピュータ５００をＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）に接続する部分でもある。インタフェース５１２は、後述する測定装置２００からガス導入孔１２の状態の測定結果（データ）を入力する部分でもある。
出力部５１３は、コンピュータ５００で処理した結果を出力する部分である。出力部５１３は、状態分布図ＭＰを表示する部分でもある。入力部５１４は、ユーザから情報を受け付ける部分である。入力部５１４には、キーボードやマウスなどが用いられる。また、入力部５１４は、記録媒体ＭＭに記録された情報を読み取る機能を含む。
主記憶部５１５には、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）が用いられる。主記憶部５１５の一部として、副記憶部５１６の一部が用いられてもよい。副記憶部５１６には、例えばＨＤＤ（Hard disk drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）が用いられる。副記憶部５１６は、ネットワークを介して接続された外部記憶装置であってもよい。
図１５（ｂ）に表したように、状態分布図ＭＰの表示方法は、先ず、複数のガス導入孔１２のそれぞれの状態の測定結果（データ）をコンピュータ５００に取り込む処理を行う（ステップＳ３０１）。データは、少なくとも図１３（ｂ）に表したようなＸ，Ｙ座標及び状態の測定結果である。ＣＰＵ５１１は、このデータから所定の条件に基づいて良好、普通、不良の判定を行うとともに、判定結果に対応した表示対応を求める。
次に、状態分布図ＭＰへの変換処理を行う（ステップＳ３０２）。ＣＰＵ５１１は、取り込んだデータのＸ，Ｙ座標及び各座標に対応した表示態様に基づき、状態分布図ＭＰを表示するための画像データに変換する処理を行う。
次に、状態分布図ＭＰの表示を行う（ステップＳ３０３）。ＣＰＵ５１１は、先のステップＳ３０２で変換した画像データを出力部５１３に画像として表示する処理を行う。これにより、出力部５１３に状態分布図ＭＰが表示される。
（状態分布図の表示例）
図１６（ａ）及び（ｂ）は、状態分布図の表示例（その１）を示す図である。
図１６（ａ）には電極１０の画像１０Ｇ及び基材１１の画像１１Ｇの面内にガス導入孔１２の状態の分布がＸＹ平面上に表される。この状態分布図ＭＰによって、電極１０（基材１１）における複数のガス導入孔１２の状態の面内分布を視覚的に把握することができる。
また、図１６（ｂ）には、図１６（ａ）における状態分布図ＭＰのスキャンラインＳＬに沿った状態分布が表される。コンピュータ５００の出力部５１３に表示された図１６（ａ）に示す状態分布図ＭＰを参照しながら、ユーザは入力部５１４（マウス等）を操作してスキャンラインＳＬを所望の位置に設定する。これにより、スキャンラインＳＬ上に沿ったガス導入孔１２の状態が図１６（ｂ）に示すように表される。ユーザがスキャンラインＳＬを移動させると、これに合わせて図６（ｂ）に示す状態が連動して変化する。
図１６（ｂ）に示すスキャンラインＳＬ上のガス導入孔１２の状態表示では、それぞれのガス導入孔１２の状態に対応した色分けの表示とともに、測定結果が高さに対応して表示されている。ユーザは、孔径や内壁面粗さなどの任意の測定項目を選択することで、その測定結果を高さでも把握できるようになる。
なお、スキャンラインＳＬはＸ軸に沿った方向に限定されず、Ｙ軸に沿った方向、斜め方向であってもよい。また、スキャンラインＳＬは直線に限定されず、折れ曲がり線や曲線など、任意に設定可能である。
図１７は、状態分布図の表示例（その２）を示す図である。
図１７に表した状態分布図ＭＰでは、電極１０の画像１０Ｇ及び基材１１の画像１１Ｇが３次元表示されるとともに、複数のガス導入孔１２の状態を示す表示を高さで表したものである。また、この表示では、ガス導入孔１２の状態を高さで表すとともに、状態に対応した色分けでも表示している。状態分布図ＭＰを３次元表示することで、電極１０の全体としてのガス導入孔１２の状態をより把握しやすくなる。
なお、状態分布図ＭＰの３次元表示の角度はユーザによって任意に設定可能である。例えば、入力部５１４（マウス等）の操作によって傾斜角度や参照角度を任意に選択することができる。
また、本実施形態に係る状態分布図ＭＰ及びその表示方法においては、電極１０をプラズマエッチング装置１００に使用する時間の経過とともに状態分布図ＭＰを求めておいてもよい。これにより、電極１０の消耗具合を時系列に並ぶ状態分布図ＭＰで把握することができる。
また、時系列に並ぶ状態分布図ＭＰにおける各時間の差分を求めて状態分布図ＭＰとして表示させてもよい。この差分を示す状態分布図ＭＰから、電極１０の面内位置と対応したガス導入孔１２の劣化具合を容易に把握することができる。
（状態の予測）
次に、状態の予測について説明する。
本測定方法ではガス導入孔１２の状態を定量的に測定できることから、定期的に測定を行うことで測定結果の変化から電極１０の交換時期を予測することも可能になる。
図１８は、状態（測定結果）の変化及び予測を説明する図である。図１８の横軸は時間、縦軸は状態（測定結果）を表している。
図１８には、一例として３つのガス導入孔１２の測定結果ｍ１、ｍ２及びｍ３の経時変化（時間ｔ１〜ｔ４）が示されている。この各測定結果ｍ１、ｍ２及びｍ３の時間ｔ１〜ｔ４のプロットから近似曲線を求める。そして、この近似曲線と閾値Ｔｈとが交わる時間が、ガス導入孔１２の不良となる時間であると予測される。
例えば、測定結果ｍ１では、近似曲線と閾値Ｔｈとの交わる時間がｔｘ１である。時間ｔｘ１は時間ｔ４と時間ｔ５との間であり、この時間ｔｘ１でガス導入孔１２の状態が不良になると予測される。また、測定結果ｍ２では、近似曲線と閾値Ｔｈとの交わる時間がｔｘ２である。時間ｔｘ２は時間ｔ５と時間ｔ６との間であり、この時間ｔｘ２でガス導入孔１２の状態が不良になると予測される。測定結果ｍ３では、近似曲線と閾値Ｔｈとの交わる時間が時間ｔ６までの間には生じない。したがって、このガス導入孔１２では、時間ｔ６までに状態が不良になるとは予測されない。このように、各ガス導入孔１２の測定結果の経時変化から、それぞれのガス導入孔１２の状態を予測でき、これに基づき電極１０の交換時期を予測することができる。
図１９（ａ）〜（ｃ）は、予測に基づく状態分布図の例を示す図である。
先に説明したように、本測定方法によってガス導入孔１２の状態を定期的に測定して経時変化を求めておくと、その測定結果からガス導入孔１２の状態の変化を予測することができる。図１９（ａ）〜（ｃ）には、この予測結果を状態分布図ＭＰ（１）〜ＭＰ（３）として表した例が示される。図１９（ａ）に示す状態分布図ＭＰ（１）、図１９（ｂ）に示す状態分布図ＭＰ（２）、図１９（ｃ）に示す状態分布図ＭＰ（３）の順に予測時間が進んでいる。予測結果を状態分布図ＭＰ（１）〜ＭＰ（３）で表すことで、視覚的に電極１０の状態や交換時期を把握することができる。
以上説明したように、本実施形態に係るガス導入孔の測定方法及び電極によれば、プラズマエッチング装置用の電極に設けられたガス導入孔を高精度に測定することができ、精度の高いガス導入孔を備えた電極を提供することができる。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング装置用の電極１０の再生方法によれば、使用済みの電極１０を再生させることができる。これにより、時間管理する場合に比べて同じ基材１１の電極１０を長く使用することができ、プラズマエッチング装置１００のランニングコストを低下させることが可能となる。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング装置用の電極１０の再生方法によれば、使用済みの電極１０を再生させることができる。これにより、時間管理する場合に比べて同じ基材１１の電極１０を長く使用することができ、プラズマエッチング装置１００のランニングコストを低下させることが可能となる。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング装置によれば、プラズマエッチング装置用の電極に設けられたガス導入孔を高精度に測定することができ、精度の高いガス導入孔を備えた電極を提供することができる。
また、本実施形態に係る状態分布図ＭＰ及びその表示方法によれば、プラズマエッチング装置用の電極に設けられたガス導入孔の状態を容易に把握することができ、電極１０の状態や寿命を客観的かつ視覚的に判断することができる。
なお、上記に本実施形態およびその他の例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、本実施形態ではガス導入孔１２の測定として本測定方法を適用したが、本測定方法以外の測定方法を用いてガス導入孔１２の状態を測定してもよい。また、本実施形態で表した状態分布図ＭＰは一例であり、判定や表示態様はこれに限定されるものではない。また、前述の各実施形態またはその他の例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
１０…電極
１１…基材
１２…ガス導入孔
１００…プラズマエッチング装置
１１０…チャンバ
１２０…上部電極
１２１…ガス導入孔
１３０…下部電極
１４０…ガス導入路
１４１…保持部
１５０…排気路
１６０…ポンプ
１７０…高周波印加部
２００…測定装置
２１０…発光部
２１５…コントローラ
２２０…受光部
２２５…画像処理部
３００…測定装置
３１０…カメラ
３１５…画像処理部
Ｌ１，Ｌ２…光
ＭＰ，ＭＰ（１），ＭＰ（２），ＭＰ（３）…状態分布図
ＳＣＬ…半透過スクリーン
Ｗ…対象物

Claims (3)

  1. プラズマエッチング装置用の電極であって、
    厚さ方向に貫通する複数のガス導入孔が設けられた板状の基材を備え、
    前記複数のガス導入孔の径の測定結果がシリアルナンバによって管理されたことを特徴とするプラズマエッチング装置用の電極。
  2. 前記電極の再生前後で前記複数のガス導入孔の径の測定結果が前記シリアルナンバによって管理された、請求項１記載のプラズマエッチング装置用の電極。
  3. チャンバと、
    前記チャンバ内に設けられ、基材の厚さ方向に貫通するガス導入孔を有する上部電極と、
    前記チャンバ内に設けられ前記上部電極と対向する下部電極と、
    前記チャンバ内における前記上部電極と前記下部電極との間に高周波を印加する高周波印加部と、
    を備え、
    前記上部電極には請求項１または２に記載の電極が用いられたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
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