JP2020194676A - プラズマ密度モニタ、プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理の際の実際のプラズマ密度をモニタすることができるプラズマ密度モニタ、ならびに、それを用いたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】表面波プラズマのプラズマ密度をモニタするプラズマ密度モニタは、チャンバの壁部からチャンバ内に向けて延びるように、かつチャンバの内壁面に対して垂直に設けられ、チャンバの壁部の近傍に形成される表面波を受信するモノポールアンテナと、モノポールアンテナで受信した信号から検出値を取り出す同軸線路と、モノポールアンテナの長さを調整する長さ調整部と、長さ調整部を制御し、モノポールアンテナの長さと、同軸線路を介して検出される表面波の検出値との関係から表面波の波長を求め、プラズマ密度と表面波の波長との関係に基づき、求められた表面波の波長から表面波プラズマのプラズマ密度を求めるコントローラとを有する。【選択図】 図６

Description

本開示は、プラズマ密度モニタ、プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、半導体基板にエッチング処理や成膜処理等にはプラズマ処理が多用されている。近時、このようなプラズマ処理を行うプラズマ処理装置としては、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。

特許文献１には、マイクロ波処理装置としてＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置が記載されている。ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面スロットアンテナを設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させる。そして、放射されたマイクロ波を、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過窓を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、そのマイクロ波電界によりチャンバ内に導入されたガスにより表面波プラズマを形成して半導体ウエハを処理する。

特開２０００−２９４５５０号公報

本開示は、プラズマ処理の際の実際のプラズマ密度をモニタすることができるプラズマ密度モニタ、ならびに、それを用いたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。

本開示の一態様に係るプラズマ密度モニタは、基板を収容するチャンバ内に表面波プラズマを形成して基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、前記表面波プラズマのプラズマ密度をモニタするプラズマ密度モニタであって、前記チャンバの壁部から前記チャンバ内に向けて延びるように、かつ前記チャンバの内壁面に対して垂直に設けられ、前記チャンバの前記壁部の近傍に形成される表面波を受信するモノポールアンテナと、前記モノポールアンテナで受信した信号から検出値を取り出す同軸線路と、前記モノポールアンテナの長さを調整する長さ調整部と、前記長さ調整部を制御し、前記モノポールアンテナの長さと、前記同軸線路を介して検出される前記表面波の検出値との関係から前記表面波の波長を求め、プラズマ密度と表面波の波長との関係に基づき、前記表面波の波長から前記表面波プラズマのプラズマ密度を求めるコントローラと、を有する。

本開示によれば、プラズマ処理の際の実際のプラズマ密度をモニタすることができるプラズマ密度モニタ、ならびに、それを用いたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法が提供される。

一実施形態のプラズマ密度モニタが搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の構成を示すブロック図である。 プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図である。 プラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す縦断面図である。 マイクロ波放射機構の給電機構を示す横断面図である。 プラズマ密度モニタの概略構成を示す断面図である。 モノポールアンテナがプラズマの表面波を受信する様子を示す模式図である。 モノポールアンテナの長さｄと表面波検出電流Ｉ_ＳＷとの関係を示す図である。 プラズマ密度（電子密度）と表面波の波長との関係を示す図である。 チャンバ壁部に凹部を設けずに壁部から突出してノポールアンテナを設置した例を示す断面図である。 チャンバ壁部のモノポールアンテナが設けられた凹部に誘電体部材を埋め込んだ例を示す断面図である。 チャンバ壁部から突出して設けられたモノポールアンテナの周囲に誘電体部材を設けた例を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。

＜プラズマ処理装置の構成＞
図１は、一実施形態のプラズマ密度モニタが搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図２は図１のプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の構成を示すブロック図、図３はプラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図、図４はプラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す断面図、図５はマイクロ波放射機構の給電機構を示す横断面図である。

プラズマ処理装置１００は、基板である半導体ウエハＷ（以下ウエハＷと記述する）に対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、表面波プラズマによるプラズマ処理を行う。プラズマ処理装置１００は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、チャンバ１内に表面波プラズマを形成するためのプラズマ源２と、プラズマ密度モニタ３とを有している。チャンバ１の上部には開口部１ａが形成されており、プラズマ源２はこの開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。

チャンバ１内にはウエハＷを水平に支持する支持部材であるサセプタ１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面を陽極酸化処理したアルミニウム等が例示される。

また、図示はしていないが、サセプタ１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４からサセプタ１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。そしてこの排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内のガスが排出され、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

チャンバ１の上部には、リング状のガス導入部材２６がチャンバ壁に沿って設けられており、このガス導入部材２６には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このガス導入部材２６には、プラズマ生成ガスや処理ガス等のガスを供給するガス供給源２７が配管２８を介して接続されている。プラズマ生成ガスとしてはＡｒガス等の希ガスを好適に用いることができる。また、処理ガスとしては、通常エッチング処理に用いられるエッチングガス、例えばＣｌ_２ガス等を用いることができる。

ガス導入部材２６からチャンバ１内に導入されたプラズマ生成ガスは、プラズマ源２からチャンバ１内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化される。その後ガス導入部材２６から処理ガスを導入すると、プラズマ生成ガスのプラズマにより、処理ガスが励起されてプラズマ化し、この処理ガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理が施される。

＜プラズマ源＞
次に、プラズマ源２について説明する。
プラズマ源２は、チャンバ１内に表面波プラズマを形成するためのものであり、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持された円形をなす天板１１０を有しており、支持リング２９と天板１１０との間は気密にシールされている。天板１１０は、チャンバ１の上壁としても機能する。図２に示すように、プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送しチャンバ１内に放射するためのマイクロ波供給部４０とを有している。

マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、９１５ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、９１５ＭＨｚの他に、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の所望の周波数を用いることができる。

マイクロ波供給部４０は、分配器３４にて分配されたマイクロ波を主に増幅する複数のアンプ部４２と、複数のアンプ部４２のそれぞれに接続されたマイクロ波放射機構４１とを有している。

マイクロ波放射機構４１は、例えば図３に示すように、天板１１０上に、円周状に６個およびその中心に１個、合計７個配置されている。

天板１１０は、真空シールおよびマイクロ波透過板として機能し、金属製のフレーム１１０ａと、そのフレーム１１０ａに嵌め込まれ、マイクロ波放射機構４１が配置されている部分に対応するように設けられた石英等の誘電体からなるマイクロ波透過窓１１０ｂとを有している。

アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンプ部４２の位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることや、隣り合うアンプ部４２において９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ４７をアンプ部４２毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。

アイソレータ４９は、マイクロ波放射機構４１で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、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放射機構４１のアンテナ部４３で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、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。

マイクロ波放射機構４１は、図４に示すように、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路４４と、導波路４４を伝送されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４３とを有している。そして、マイクロ波放射機構４１からチャンバ１内に放射されたマイクロ波がチャンバ１内の空間で合成され、チャンバ１内で表面波プラズマが形成されるようになっている。

導波路４４は、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３が同軸状に配置されて構成されており、導波路４４の先端にアンテナ部４３が設けられている。導波路４４は、内側導体５３が給電側、外側導体５２が接地側となっている。外側導体５２および内側導体５３の上端は反射板５８となっている。

導波路４４の基端側にはマイクロ波（電磁波）を給電する給電機構５４が設けられている。給電機構５４は、導波路４４（外側導体５２）の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート５５を有している。マイクロ波電力導入ポート５５には、アンプ部４２から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体５６ａおよび外側導体５６ｂからなる同軸線路５６が接続されている。そして、同軸線路５６の内側導体５６ａの先端には、外側導体５２の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ９０が接続されている。

給電アンテナ９０は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン（登録商標）等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、誘電体からなる遅波材５９が設けられている。なお、２．４５ＧＨｚ等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材５９は設けなくてもよい。給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８により反射させることで、最大の電磁波を同軸構造の導波路４４内に伝送させる。その場合、給電アンテナ９０から反射板５８までの距離を約λｇ／４の半波長倍に設定することが好ましい。ただし、周波数の低いマイクロ波では、径方向の制約のため、これに当てはまらない場合もある。その場合には、給電アンテナ９０より発生させる電磁波の腹を給電アンテナ９０ではなく、給電アンテナ９０の下方に誘起させるように、給電アンテナの形状を最適化することが好ましい。

給電アンテナ９０は、図５に示すように、マイクロ波電力導入ポート５５において同軸線路５６の内側導体５６ａに接続され、電磁波が供給される第１の極９２および供給された電磁波を放射する第２の極９３を有するアンテナ本体９１と、アンテナ本体９１の両側から、内側導体５３の外側に沿って延び、リング状をなす反射部９４とを有し、アンテナ本体９１に入射された電磁波と反射部９４で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成されている。アンテナ本体９１の第２の極９３は内側導体５３に接触している。

給電アンテナ９０がマイクロ波（電磁波）を放射することにより、外側導体５２と内側導体５３との間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、給電機構５４に供給されたマイクロ波電力がアンテナ部４３に向かって伝播する。

導波路４４にはチューナ６０が設けられている。チューナ６０は、外側導体５２と内側導体５３との間に設けられた２つのスラグ６１ａ，６１ｂと、反射板５８の外側（上側）に設けられたスラグを駆動するためのアクチュエータ７０とを有している。チューナ６０は、２つのスラグ６１ａ，６１ｂを独立して駆動することにより、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるものである。例えば、内側導体５３の内部空間に長手方向に延びるように螺棒からなる２本のスラグ移動軸（図示せず）を設け、アクチュエータ７０は各スラグ移動軸を独立して回転させる２つのモータを有するものとする。これにより、アクチュエータ７０のモータにより各スラグ移動軸を別個に回転させ、スラグ６１ａ，６１ｂを独立に上下動させることができる。

スラグ６１ａおよび６１ｂの位置は、スラグコントローラ７１により制御される。例えば、インピーダンス検出器（図示せず）により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ等により検出されるスラグ６１ａおよび６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ７１がアクチュエータ７０を構成するモータに制御信号を送る。これにより、スラグ６１ａおよび６１ｂの位置が制御され、インピーダンスが調整される。スラグコントローラ７１は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

アンテナ部４３は、平面状をなす平面スロットアンテナ８１と、平面スロットアンテナ８１の裏面（上面）に設けられた遅波材８２とを有している。遅波材８２の中心には内側導体５３に接続された導体からなる円柱部材８２ａが貫通し、円柱部材８２ａは平面スロットアンテナ８１に接続されている。遅波材８２および平面スロットアンテナ８１は、外側導体５２よりも大径の円板状をなしている。外側導体５２の下端は平面スロットアンテナ８１まで延びており、遅波材８２の周囲は外側導体５２で覆われている。

平面スロットアンテナ８１は、マイクロ波を放射するスロット８１ａを有している。スロット８１ａの個数、配置、形状は、マイクロ波が効率良く放射されるように適宜設定される。スロット８１ａには誘電体が挿入されていてもよい。

遅波材８２は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されている。遅波材８２は、マイクロ波の波長を真空中よりも短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材８２は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、平面スロットアンテナ８１が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、平面スロットアンテナ８１の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

平面スロットアンテナ８１のさらに先端側には、天板１１０のマイクロ波透過窓１１０ｂが配置されている。そして、メインアンプ４８で増幅されたマイクロ波が、内側導体５３と外側導体５２の周壁の間を通って平面スロットアンテナ８１からマイクロ波透過窓１１０ｂを透過してチャンバ１内の空間に放射される。なお、マイクロ波透過窓１１０ｂは、遅波材８２と同様の誘電体で構成することができる。

本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ６０と、平面スロット用アンテナ８１とは近接配置されている。そして、チューナ６０と平面スロットアンテナ８１とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつ平面スロットアンテナ８１、遅波材８２、マイクロ波透過窓１１０ｂは合成抵抗が５０Ωに設定されている。このため、チューナ６０はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。

プラズマ処理装置１００における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部２００により制御されるようになっている。制御部２００はプラズマ処理装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。

＜プラズマ密度モニタ＞
次に、プラズマ密度モニタ３について説明する。
図６はプラズマ密度モニタ３の概略構成を示す断面図である。プラズマ密度モニタ３は、チャンバ１内に形成される表面波プラズマのプラズマ密度（電子密度）をモニタするものである。プラズマ密度モニタ３は、チャンバ１の壁部（本例では上壁となる天板１１０）からチャンバ内に向けて長さ可変に設けられたモノポールアンテナ１４０を有する。モノポールアンテナ１４０の直径は２〜３ｍｍの範囲が好ましい。また、後述するように、プラズマ密度モニタ３は、さらに、モノポールアンテナ１４０の信号を取り出す同軸線路１５０と、モノポールアンテナ１４０の長さを調整する長さ調整部１６０と、コントローラ１８０とを有する。

チャンバ１の上壁となる天板１１０のフレーム１１０ａ部分には表面波が侵入可能な大きさの凹部１５８が設けられ、モノポールアンテナ１４０は、凹部１５８の底面から天板１１０の内面に対して垂直に突出している。モノポールアンテナ１４０は、チャンバ１の外方（上方）からチャンバ１の内部に向けて挿入されたアンテナロッド１４１のチャンバ１内（凹部１５８内）に存在する先端部分で構成されている。モノポールアンテナ１４０を含むアンテナロッド１４１は、アルミニウム等の導体（金属）からなる。

天板１１０のフレーム１１０ａ部分の裏面側の凹部１５８に対応する部分には、アンテナロッド１４１をガイドするガイド部材１４４が設けられている。ガイド部材１４４は、フレーム１１０ａに固定された金属製のリング状をなすフランジ部材１４２と、フランジ部材１４２の内部に嵌め込まれた誘電体部材１４３とを有している。誘電体部材１４３にはアンテナロッド１４１が挿通されており、誘電体部材１４３がアンテナロッド１４１をガイドする。

ガイド部材１４４の上方には、アンテナロッド１４１を固定し、アンテナロッド１４１を昇降可能とする昇降部材１４７が設けられている。昇降部材１４７は、金属製のリング部材１４５と、リング部材１４５の内部に嵌め込まれた誘電体部材１４６とを有する。アンテナロッド１４１の上端は、誘電体部材１４６に固定されている。昇降部材１４７には、同軸ケーブル１７０が接続されている。同軸ケーブル１７０の内部導体はアンテナロッド１４１に接続され、外部導体はリング部材１４５に接続されている。

ガイド部材１４４のフランジ部材１４２と、昇降部材１４７のリング部材１４５との間はベローズ１４８で連結されており、ベローズ１４８内部はチャンバ１内と同様の真空に保持されるようになっている。

昇降部材１４７は、スライダー１５１に連結され、スライダー１５１は垂直に延びるガイド部材１５２にガイドされて昇降可能となっている。また、フレーム１１０ａの裏面のガイド部材１５２の近傍には、モータ１５３が固定されており、モータ１５３の回転軸に連結された螺棒１５４が垂直に設けられている。モータ１５３としてはステッピングモータを用いることができる。スライダー１５１には螺棒１５４に螺合するナット部１５５が連結されており、モータ１５３により螺棒１５４を回転させることにより、ナット部１５５を介してスライダー１５１を昇降させ、それとともに昇降部材１４７を昇降させるようになっている。そして、昇降部材１４７の昇降にともなってアンテナロッド１４１が昇降し、アンテナロッド１４１の先端部のモノポールアンテナ１４０の長さが調整される。本例のモノポールアンテナ１４０の長さｄは、凹部１５８の底面である誘電体部材１４３の下面からアンテナロッド１４１の先端までの距離である。

アンテナロッド１４１のモノポールアンテナ１４０から上方に連続する部分が内部導体として機能し、フランジ部材１４２、ベローズ１４８、リング部材１４５が外部導体として機能して、これらと同軸ケーブル１７０とで同軸線路１５０を構成する。

また、モータ１５３、螺棒１５４、ナット部１５５、ガイド部材１５２、スライダー１５１は、モノポールアンテナ１４０の長さを調整する長さ調整部１６０を構成する。長さ調整部１６０のモータ１５３として高精度のステッピングモータを用いることにより、モノポールアンテナ１４０の長さｄを０．１ｍｍステップで高精度に調整することができる。

同軸線路１５０は、同軸ケーブル１７０を介してコントローラ１８０に接続される。図７に示すように、モノポールアンテナ１４０は、表面波プラズマの表面に形成され、チャンバ１の上壁として機能する天板１１０のフレーム１１０ａの内壁面近傍に存在する表面波１９０を受信する。受信した表面波１９０の電界強度は、同軸線路１５０で例えば表面波検出電流Ｉ_ＳＷとして取り出され、コントローラ１８０に送られる。表面波検出電流Ｉ_ＳＷの検出は、抵抗の電圧降下（電圧値）Ｖ_ＳＷを通して行うことができる。

コントローラ１８０は、長さ調整部１６０によるモノポールアンテナ１４０の長さを制御し、図８に示すモノポールアンテナ１４０の長さｄと表面波検出電流Ｉ_ＳＷ（電圧値Ｖ_ｓｗ）との関係に基づいて表面波の波長λ_ＳＷを求める。

すなわち、表面波検出電流Ｉ_ＳＷ（すなわち電圧値Ｖ_ｓｗ）の値は、モノポールアンテナ１４０の長さｄがλ_ＳＷ／４のとき極大値となり、λ_ＳＷ／２のとき０になる。したがって、コントローラ１８０により長さ調整部１６０を制御して、例えば、モノポールアンテナ１４０の長さｄを変化させていき、電圧値Ｖ_ＳＷが最大になる長さｄの値を求め、その長さｄをλ_ＳＷ／４とする。または電圧値Ｖ_ＳＷが０になる長さｄの値を求め、その長さｄをλ_ＳＷ／２とする。これにより、表面波の波長λ_ＳＷを求めることができる。なお、表面波検出電流Ｉ_ＳＷ（電圧値Ｖ_ＳＷ）の極大値は（２ｎ−１）×λ_ＳＷ／４（ただし、ｎは１以上の自然数）で現れ、０はｎ×λ_ＳＷ／２（ただし、ｎは１以上の自然数）で現れるため、（２ｎ−１）×λ_ＳＷ／４、ｎ×λ_ＳＷ／２でｎが２以上のときのｄの値を用いてもよい。

一方、表面波プラズマのプラズマ密度（電子密度）ｎ_ｅと表面波の波長λ_ＳＷは、それぞれ、以下の（１）、（２）式で表される。

ただし、ｍ_ｅは電子の質量、ε_０は真空の誘電率、ｅは素電荷、ω_ｐｅは電子プラズマ周波数、ｃは光速、ωはマイクロ波の周波数、κ_ｄはモノポールアンテナ周囲の物質の比誘電率である。

この（１）、（２）式において、プラズマ密度（電子密度）ｎ_ｅと表面波の波長λ_ＳＷ以外は既知であるので、（１）、（２）式からプラズマ密度（電子密度）ｎ_ｅと表面波の波長λ_ＳＷとの関係を求めることができ、これらの関係は図９に示すようになる。コントローラ１８０は、上述のようにして求めた表面波の波長λ_ＳＷと図９との関係に基づいてプラズマ密度を求める。これにより表面波プラズマのプラズマ密度がモニタされる。図１のプラズマ処理装置においてマイクロ波の周波数の範囲を通常用いられる５００〜２４５０ＭＨｚとした場合、実験により求められたプラズマ密度と、図９の関係により表面波の波長λ_ＳＷを計算するとおよそ２〜４ｍｍ程度となる。したがって、例えば、モノポールアンテナ１４０の長さｄを最大値となるλ_ＳＷ／４で合わせる場合は、ｄがおよそ０．５〜１ｍｍの範囲となる。

このように、図８に示すモノポールアンテナ１４０の長さｄと表面波検出電流Ｉ_ＳＷの関係に基づいて表面波の波長λ_ＳＷを求めることができ、求めたλ_ＳＷから図９の関係に基づいてプラズマ密度ｎ_ｅを求めることができる。すなわち、モノポールアンテナ１４０の長さｄを変化させて表面波の波長λ_ＳＷを求めることにより、表面波プラズマのプラズマ密度をモニタすることができる。

図６の例では、モノポールアンテナ１４０を凹部１５８の底面から垂直に突出して設けることにより、モノポールアンテナ１４０がチャンバ１の上壁を構成する天板１１０（フレーム１１０ａ）の下面から突出し難い構成となっている。これにより、モノポールアンテナ１４０近傍での異常放電の発生が抑制される。ただし、このような異常放電の発生を考慮しなければ、図１０に示すように、凹部を設けずにモノポールアンテナ１４０を天板１１０（フレーム１１０ａ）の下面から突出させるようにしてもよい。また、異常放電の発生をより有効に防止する観点からは、図１１に示すように、凹部１５８に誘電体部材１８１を埋め込んでもよい。また、図１２に示すように、モノポールアンテナ１４０を天板１１０（フレーム１１０ａ）の下面から突出するように設け、モノポールアンテナ１４０の周囲に誘電体キャップ１８２を設けてもよい。図１１、図１２のようにモノポールアンテナ１４０の周囲に誘電体部材を設けた場合は、表面波の波長は実効波長λｇとなる。

＜プラズマ処理装置の動作＞
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置１００における動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、ガス供給源２７から配管２８およびガス導入部材２６を介してチャンバ１内にプラズマ生成ガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、プラズマ源２からマイクロ波をチャンバ１内に導入してプラズマを形成する。この際に形成されるプラズマは、表面波プラズマとなる。

プラズマが形成された後、処理ガス、例えばＣｌ_２ガス等のエッチングガスを処理ガス供給源２７から配管２８およびガス導入部材２６を介してチャンバ１内に吐出する。吐出された処理ガスは、プラズマ生成ガスのプラズマにより励起されてプラズマ化し、この処理ガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。

上記プラズマを生成するに際し、プラズマ源２では、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振されたマイクロ波電力はアンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部４０へ導かれる。マイクロ波供給部４０においては、このように複数に分配されたマイクロ波電力は、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８で個別に増幅され、マイクロ波放射機構４１の導波路４４に給電される。マイクロ波放射機構４１において、チューナ６０によりインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態で、アンテナ部４３の平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａおよびマイクロ波透過窓１１０ｂを介してチャンバ１内に放射されて空間合成される。

マイクロ波放射機構４１の導波路４４への給電は、同軸線路５６を介して側面から行われる。すなわち、同軸線路５６から伝播してきたマイクロ波（電磁波）は、導波路４４の側面に設けられたマイクロ波電力導入ポート５５から導波路４４に給電される。マイクロ波（電磁波）が給電アンテナ９０の第１の極９２に到達すると、アンテナ本体９１に沿ってマイクロ波（電磁波）が伝播して行き、アンテナ本体９１の先端の第２の極９３から放射される。また、アンテナ本体９１を伝播するマイクロ波（電磁波）が反射部９４で反射し、それが入射波と合成されることにより定在波が発生する。給電アンテナ９０の配置位置で定在波が発生すると、内側導体５３の外壁に沿って誘導磁界が生じ、それに誘導されて誘導電界が発生する。これらの連鎖作用により、マイクロ波（電磁波）が導波路４４内を伝播し、アンテナ部４３へ導かれる。

マイクロ波放射機構４１は、アンテナ部４３とチューナ６０とが一体となっているので、極めてコンパクトである。このため、表面波プラズマ源２自体をコンパクト化することができる。さらに、メインアンプ４８、チューナ６０および平面スロットアンテナ８１が近接して設けられ、特にチューナ６０と平面スロットアンテナ８１とは集中定数回路として構成することができる。また平面スロットアンテナ８１、遅波材８２、マイクロ波透過窓１１０ｂの合成抵抗を５０Ωに設計することにより、チューナ６０により高精度でプラズマ負荷をチューニングすることができる。また、チューナ６０は２つのスラグ６１ａ，６１ｂを移動することによりインピーダンス整合を行うことができるスラグチューナを構成しているのでコンパクトで低損失である。さらに、このようにチューナ６０と平面スロットアンテナ８１とが近接し、集中定数回路を構成してかつ共振器として機能することにより、平面スロットアンテナ８１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ので、チューナ６０により高精度のプラズマ制御が可能となる。

ところで、プラズマ処理装置において、プラズマ処理を行っている際にプラズマ密度をモニタリングする技術は、プロセス管理や装置管理等の観点から切望されている。しかし、実際のプロセスにおいて、実験で用いるような測定プローブを用いてプラズマ密度を測定しようとすると、プロセス分布の悪化や、コンタミ、パーティクルの発生等により実現は難しい。したがって、実際のプラズマ処理においてプラズマ密度をリアルタイムでモニタすることは未だ成功していない。

そこで、発明者らはプラズマ密度をモニタする技術を検討した。その結果、本実施形態のような表面波プラズマの場合、チャンバ１内の壁面近傍にモノポールアンテナ１４０を設置し、その長さを変化させて表面波検出電流Ｉ_ＳＷを検出することにより表面波の波長λ_ＳＷを検出できることが見出された。そして、プラズマ処理において表面波の波長λ_ＳＷがプラズマ密度に依存することを利用すれば、検出された表面波の波長λ_ＳＷからプラズマ密度を求めることができ、プラズマ密度をモニタできることが判明した。

したがって、本実施形態では、チャンバ１の内壁面からチャンバ１内に垂直に突出したモノポールアンテナ１４０の長さを調整して表面波検出電流Ｉ_ＳＷを検出することにより、表面波の波長λ_ＳＷを検出し、これに基づいて表面波プラズマの密度をモニタする。

本実施形態のような、マイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するプラズマ処理においては、マイクロ波自体の波長は周波数から把握できるものの、表面波プラズマの表面波の波長自体は従来把握されていなかった。これに対して、本実施形態では、モノポールアンテナ１４０をチャンバ１内に挿入して長さを変化させながら、表面波検出電流Ｉ_ＳＷを検出するという簡易な手法により表面波プラズマの表面波の波長を把握できることが見出された。そして、プラズマ密度と表面波の波長との関係から、表面波プラズマのプラズマ密度をモニタすることができるようになった。

実験で用いるような測定プローブを実際のプロセスで用いることは、プロセス分布の悪化や、コンタミ、パーティクルの発生等により現実的ではないが、本実施形態のように表面波の波長λ_ＳＷをモノポールアンテナ１４０を用いて検出する場合は、このような不都合は生じない。

本実施形態においては、モノポールアンテナ１４０の長さを調整する長さ調整部１６０は、モータ１５３により螺棒１５４を回転させることにより、ナット部１５５を介してスライダー１５１を昇降させ、それとともに昇降部材１５７を昇降させる。この場合、モータ１５３として高精度のステッピングモータを用いることにより、モノポールアンテナ１４０の長さｄを０．１ｍｍステップで高精度に調整することができる。

また、モノポールアンテナ１４０の長さを調整して表面波検出電流Ｉ_ＳＷを検出することにより、表面波の波長λ_ＳＷを検出する場合、具体的には、図８に基づいて行うことができる。すなわち、表面波検出電流Ｉ_ＳＷ（すなわち電圧値Ｖ_ｓｗ）の値は、モノポールアンテナ１４０の長さｄがλ_ＳＷ／４のとき極大値となり、λ_ＳＷ／２のとき０になることを利用して、電圧値（Ｖ_ＳＷ）が最大または０になるｄの値により表面波の波長λ_ＳＷを求める。なお、表面波検出電流Ｉ_ＳＷ（すなわち電圧値Ｖ_ｓｗ）の値は、（２ｎ−１）×λ_ＳＷ／４のときに極大となり、ｎ×λ_ＳＷ／２のときに０となるから、λ_ＳＷ／４、λ_ＳＷ／２に限らず、（２ｎ−１）×λ_ＳＷ／４、ｎ×λ_ＳＷ／２を利用することができる。

さらに、モノポールアンテナ１４０がチャンバ１内に突出した状態で露出していると、モノポールアンテナ１４０近傍で異常放電が発生するおそれがある。これに対し、本実施形態では、チャンバ１の上壁を構成する天板１１０のフレーム１１０ａ部分に表面波が侵入可能な大きさの凹部１５８を設け、凹部１５８の底面からモノポールアンテナ１４０をチャンバ１内に突出させている。このため、モノポールアンテナ１４０はプラズマ空間に突出した状態で露出することが回避され、モノポールアンテナ１４０に起因する異常放電が防止される。また、図１１、図１２ではモノポールアンテナ１４０を誘電体部材で覆っているので、モノポールアンテナ１４０に起因する異常放電をより効果的に防止することができる。

マイクロ波プラズマ処理装置において、モノポールアンテナを用いて表面波を測定する技術は、特開２０１３−７７４４１号公報に記載されている。しかし、この技術は誘電体を伝播する表面波をモニタするものであり、プラズマの表面波の波長を検出すること、およびプラズマ密度をモニタすることは意図していない。

＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

例えば、上記実施形態では、プラズマ源として、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路と、平面スロットアンテナと、マイクロ波透過窓とを有するマイクロ波放射機構を複数有するものを例にとって説明したが、一つのマイクロ波放射機構を有するものであってもよい。

また、上記実施形態では、プラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、成膜処理、酸窒化膜処理、アッシング処理等の他のプラズマ処理であってもよい。さらにまた、基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１；チャンバ
２；プラズマ源
３；プラズマ密度モニタ
４１；マイクロ波放射機構
４３；アンテナ部
４４；導波路
８１；平面スロットアンテナ
８２；遅波材
１００；プラズマ処理装置
１１０；天板
１１０ａ；フレーム
１１０ｂ；マイクロ波透過窓
１４０；モノポールアンテナ
１４１；アンテナロッド
１５０；同軸線路
１５８；凹部
１６０；長さ調整部
１８０；コントローラ
１８１；誘電体部材
１８２；誘電体キャップ
１９０；表面波
Ｗ；半導体ウエハ（基板）

Claims (18)

1. 基板を収容するチャンバ内に表面波プラズマを形成して基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、前記表面波プラズマのプラズマ密度をモニタするプラズマ密度モニタであって、
   前記チャンバの壁部から前記チャンバ内に向けて延びるように、かつ前記チャンバの内壁面に対して垂直に設けられ、前記チャンバの前記壁部の近傍に形成される表面波を受信するモノポールアンテナと、
   前記モノポールアンテナで受信した信号から検出値を取り出す同軸線路と、
   前記モノポールアンテナの長さを調整する長さ調整部と、
   前記長さ調整部を制御し、前記モノポールアンテナの長さと、前記同軸線路を介して検出される前記表面波の検出値との関係から前記表面波の波長を求め、プラズマ密度と表面波の波長との関係に基づき、前記表面波の波長から前記表面波プラズマのプラズマ密度を求めるコントローラと、
   を有する、プラズマ密度モニタ。
2. 前記同軸線路で取り出される前記検出値は、前記表面波の電流値である、請求項１に記載のプラズマ密度モニタ。
3. 前記電流値の検出は、抵抗の電圧降下を通して行われる、請求項２に記載のプラズマ密度モニタ。
4. 前記コントローラは、前記表面波の電流値が最大値となるときの前記モノポールアンテナの長さを、（２ｎ−１）×λ_ＳＷ／４（ただし、λ_ＳＷは表面波の波長、ｎは１以上の自然数）として前記表面波の波長を求める、請求項２または請求項３に記載のプラズマ密度モニタ。
5. 前記コントローラは、前記表面波の電流値が０となるときの前記モノポールアンテナの長さを、ｎ×λ_ＳＷ／２（ただし、λ_ＳＷは表面波の波長、ｎは１以上の自然数）として前記表面波の波長を求める、請求項２または請求項３に記載のプラズマ密度モニタ。
6. 前記モノポールアンテナは、前記チャンバの上壁を構成する天板から、前記チャンバ内に向けて延びる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ密度モニタ。
7. 前記モノポールアンテナは、前記チャンバの上方から前記チャンバの内部に向けて挿入されたアンテナロッドの前記チャンバ内に存在する先端部分で構成されている、請求項６に記載のプラズマ密度モニタ。
8. 前記長さ調節部は、前記アンテナロッドを昇降させることにより、前記モノポールアンテナの長さを調整する、請求項７に記載のプラズマ密度モニタ。
9. 前記アンテナロッドの前記モノポールアンテナ以外の部分は、前記同軸線路の内部導体を形成する、請求項７または請求項８に記載のプラズマ密度モニタ。
10. 前記モノポールアンテナの周囲には誘電体部材が設けられている、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のプラズマ密度モニタ。
11. 前記モノポールアンテナは、前記チャンバの内壁に設けられた凹部の底面から垂直に突出して設けられる、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のプラズマ密度モニタ。
12. 前記凹部には誘電体が埋め込まれている、請求項１１に記載のプラズマ密度モニタ。
13. 基板に対してプラズマにより処理を施すプラズマ処理装置であって、
    基板を収容するチャンバと、
    マイクロ波を出力するマイクロ波出力部と、
    前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路に設けられ、マイクロ波を放射するスロットを有するスロットアンテナ、および前記スロットから放射されたマイクロ波を透過する誘電体からなるマイクロ波透過窓を有するマイクロ波放射機構と、
    前記マイクロ波放射機構から放射されたマイクロ波により前記チャンバ内に形成される前記表面波プラズマのプラズマ密度をモニタする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のプラズマ密度モニタと、
    を有する、プラズマ処理装置。
14. 基板を収容するチャンバ内に表面波プラズマを形成して基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
    前記チャンバの壁部から前記チャンバ内に向けて延びるように、かつ前記チャンバの内壁面に対して垂直に、前記チャンバの前記壁部の近傍に形成される表面波を受信するモノポールアンテナを長さ調整可能に設けることと、
    前記チャンバ内に表面波プラズマを形成して基板に対してプラズマ処理を行うことと、
    前記プラズマ処理の際に、前記モノポールアンテナの長さを調整し、前記モノポールアンテナの長さと、前記同軸線路を介して検出される前記表面波の検出値との関係から前記表面波の波長を求めることと、
    プラズマ密度と表面波の波長との関係に基づき、前記表面波の波長から前記表面波プラズマのプラズマ密度を求めることと、
    を有するプラズマ処理方法。
15. 前記同軸線路で取り出される前記検出値は、前記表面波の電流値である、請求項１４に記載のプラズマ処理方法。
16. 前記電流値の検出は、抵抗の電圧降下を通して行われる、請求項１５に記載のプラズマ処理方法。
17. 前記表面波の波長は、前記表面波の電流値が最大値となるときの前記モノポールアンテナの長さを、（２ｎ−１）×λ_ＳＷ／４（ただし、λ_ＳＷは表面波の波長、ｎは１以上の自然数）として求める、請求項１５または請求項１６に記載のプラズマ処理方法。
18. 前記表面波の波長は、前記表面波の電流値が０となるときの前記モノポールアンテナの長さを、ｎ×λ_ＳＷ／２（ただし、λ_ＳＷは表面波の波長、ｎは１以上の自然数）として求める、請求項１５または請求項１６に記載のプラズマ処理方法。

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