JP2021118045A - プラズマ観測システム及びプラズマ観測方法 - Google Patents

プラズマ観測システム及びプラズマ観測方法 Download PDF

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Abstract

【課題】処理容器内のプラズマの観測地点の特定と、観測地点におけるプラズマの状態の判定を行う。【解決手段】処理容器２内でプラズマにより基板を処理するプラズマ処理装置と、前記プラズマを測定する測定装置と、を有するプラズマ観測システムであって、前記プラズマ処理装置は、前記処理容器２にプラズマの発光状態を観測可能な複数の観測窓８０を有し、前記測定装置は、前記処理容器２内において交差する複数の光を複数の観測窓８０から受光する受光器１００と、受光した複数の光に基づき、プラズマの観測地点の特定と、前記観測地点のプラズマの状態判定と、を行う制御部と、を有する、プラズマ観測システムが提供される。【選択図】図４

Description

本開示は、プラズマ観測システム及びプラズマ観測方法に関する。
例えば、特許文献１は、プラズマ処理の終点を安定して正確に検出することが可能なプラズマ処理の終点検出方法及び終点検出装置を提案する。
また、例えば、特許文献２は、基板を処理中のプラズマの発光の所定の波長の光を検出し、検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出する。この抽出した信号成分の強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理の終点に基づいて基板の処理を終了することを提案する。
特開２００１−２５０８１２号公報 特開平１１−２８８９２１号公報
本開示は、処理容器内のプラズマの観測地点の特定と、観測地点におけるプラズマの状態の判定を行うことができる技術を提供する。
本開示の一の態様によれば、処理容器内でプラズマにより基板を処理するプラズマ処理装置と、前記プラズマを測定する測定装置と、を有するプラズマ観測システムであって、前記プラズマ処理装置は、前記処理容器にプラズマの発光状態を観測可能な複数の観測窓を有し、前記測定装置は、前記処理容器内において交差する複数の光を複数の観測窓から受光する受光器と、受光した複数の光に基づき、プラズマの観測地点の特定と、前記観測地点のプラズマの状態判定と、を行う制御部と、を有するプラズマ観測システムが提供される。
一の側面によれば、処理容器内のプラズマの観測地点の特定と、観測地点におけるプラズマの状態の判定を行うことができる。
実施形態に係るプラズマ観測システムを示す図。 実施形態に係る受光器を示す断面図。 第１実施形態に係るプラズマ観測方法の一例を示す図。 第２実施形態に係るプラズマ観測方法の一例を示す図。 実施形態に係るクリーニング処理を示すフローチャート。 プラズマ観測結果の一例を示す図。 第３実施形態に係るプラズマ観測方法の一例を示す図。 第４実施形態に係るプラズマ観測方法の一例を示す図。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［プラズマ観測システム］
一実施形態に係るプラズマ観測システムについて、図１を用いて説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマ観測システムの一例を示す図である。プラズマ観測システムは、処理容器２内でプラズマにより基板を処理するプラズマ処理装置１と、処理容器２内のプラズマを測定する測定装置４とを有する。
（プラズマ処理装置）
実施形態に係るプラズマ処理装置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を一例とする基板Ｗに対して、エッチング処理、クリーニング処理、成膜処理、拡散処理、アッシング処理等の基板処理を行う。
プラズマ処理装置１は、処理容器２と載置台２１とガス供給機構３と排気装置４０とマイクロ波導入モジュール５と制御部８とを有する。処理容器２は、被処理体である基板Ｗを収容する。載置台２１は、処理容器２の内部に配置され、基板Ｗを載置する載置面２１ａを有する。ガス供給機構３は、処理容器２内にガスを供給する。排気装置４０は、処理容器２内を減圧排気する。マイクロ波導入モジュール５は、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導入する。制御部８は、プラズマ処理装置１の各部を制御する。
処理容器２は、例えば略円筒形状を有する。処理容器２は、例えばアルミニウム及びその合金等の金属材料によって形成されている。処理容器２の基板Ｗの上方は、プラズマ空間１０Ｓとなっている。
処理容器２の側壁には、複数の観測窓８０が設けられている。観測窓８０は光を透過するサファイヤなどにより構成され、処理容器２内の気密を保持しながら処理容器２内のプラズマの状態を観測するために光を通す窓である。例えば、複数の観測窓８０から、プラズマの発光状態を観測可能である。観測窓８０は、処理容器２の側壁であって、載置面２１ａに載置された基板Ｗよりも上方に複数設けられる。図１の例では、観測窓８０は垂直方向に３つ設けられるが、観測窓８０の個数及び配置はこれに限られない。例えば、観測窓８０が水平方向（周方向）に複数設けられてもよいし、垂直方向及び水平方向の両方に複数設けられてもよい。観測窓８０を通過した光は、受光器１００により受光される。
処理容器２は、板状の天壁１１、底壁１３、及び天壁１１と底壁１３とを連結する側壁１２とを有している。天壁１１は、複数の開口部を有している。側壁１２は、処理容器２に隣接する図示しない搬送室との間で基板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基板Ｗの移送を可能にする。
底壁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４０とを接続する排気管１４を有する。排気装置４０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４０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と底壁１３との間に設けられた絶縁部材２３とを有する。載置台２１は、基板Ｗを水平に載置するためのものである。支持部材２２は、底壁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、例えば表面にアルマイト処理（陽極酸化処理）が施されたアルミニウム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（高周波パワー）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とを有する。高周波バイアス電源２５は、基板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。整合器２４は、高周波バイアス電源２５の出力インピーダンスと負荷側（載置台２１側）のインピーダンスを整合させるための回路を有する。
プラズマ処理装置１は、載置台２１を加熱または冷却する、図示しない温度制御機構を有してもよい。温度制御機構は、例えば、基板Ｗの温度を、２５℃（室温）〜９００℃の範囲内で制御する。
プラズマ処理装置１は、複数のガス導入管１７を有する。ガス導入管１７は、天壁１１に設けられ、ガス供給孔１７ａから処理ガスを供給する。なお、ガス導入管１７は、天壁１１及び／又は側壁１２に設けることができる。
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、窒化処理、成膜処理、エッチング処理およびアッシング処理に使用されるガス等のガス供給源として用いられる。
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と複数のガス導入管１７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。
ガス供給装置３ａは、更に、配管３２の途中に設けられた図示しない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。
マイクロ波導入モジュール５は、処理容器２の上部に配置され、処理容器２内に電磁波（本実施形態ではマイクロ波）を導入し、プラズマを生成するプラズマ生成部として機能する。
マイクロ波出力部５０は、電源部と、マイクロ波発振器と、マイクロ波発振器によって発振されたマイクロ波を増幅するアンプと、アンプ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とを有している。マイクロ波発振器は、所定の周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）でマイクロ波を発振させる。分配器は、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。
マイクロ波導入モジュール５は、処理容器２内に所望のマイクロ波のパワーを投入する複数のプラズマ源を有する。本実施形態では、マイクロ波導入モジュール５は、７本のプラズマ源を有する。各プラズマ源は、アンテナユニット６０を構成するアンプ部６２とマイクロ波導入機構６３とを有する。７本のプラズマ源は、それぞれ独立してマイクロ波のパワーを制御できる。本実施形態では、７本のプラズマ源の構成は全て同一である。アンテナユニット６０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を有し、アンプ部６２によって増幅されたマイクロ波をマイクロ波導入機構６３に導入する。
７つのマイクロ波導入機構６３は、天壁１１に設けられている。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とを有している。更に、マイクロ波導入機構６３は、上下方向に延びる円筒状の外側導体と、本体容器内において上下方向に延びる内側導体とを有している。外側導体および内側導体は同軸管を構成している。外側導体の内周面と内側導体の外周面との間の空間はマイクロ波伝送路を形成する。マイクロ波導入機構６３のマイクロ波伝送路を伝搬したマイクロ波は、誘電体窓７３を透過してプラズマ空間１０Ｓ内に導入される。
プラズマ処理装置１の各構成部は制御部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。制御部８は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ、プロセスコントローラに接続されたユーザーインターフェース及び記憶部を有する。
プロセスコントローラは、プラズマ処理装置１において、例えば温度、圧力、ガス流量、マイクロ波パワー等のプロセス条件に関係する各構成部を統括して制御する制御手段である。各構成部は、例えば、高周波バイアス電源２５、ガス供給装置３ａ、排気装置４０、マイクロ波導入モジュール５等が挙げられる。
ユーザーインターフェースは、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の制御によって実現するための制御プログラムや、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。プロセスコントローラは、ユーザーインターフェースからの指示等、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、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。
（測定装置）
測定装置４は、複数の観測窓８０を介して処理容器２内のプラズマを測定する。測定装置４は、受光器１００と制御部８とを有する。受光器１００は、処理容器２内において光軸が交差する複数の光を、複数の観測窓８０から受光する。制御部８は、受光器１００が受光した複数の光に基づき、プラズマの観測地点の特定と、特定した観測地点におけるプラズマの状態判定とを行う。本実施形態では、受光器１００は、複数の観測窓８０を介してプラズマ空間１０Ｓ中のプラズマの発光状態を観測する。
受光器１００は、２以上の観測窓８０で共用される。例えば、受光器１００は、水平方向に設けられた２以上の観測窓８０で共用されてもよい。例えば、受光器１００は、垂直方向に設けられた２以上の観測窓８０で共用されてもよい。図１の例では、受光器１００は一つであり、垂直方向に設けられた３つの観測窓８０で共用される。これにより、受光器１００を観測窓８０に対して同数設ける必要がなく、受光器１００の数を減らすことができる。
（受光器）
次に、受光器１００の構成について、図２を参照しながら説明する。図２は、実施形態に係る受光器１００を示す図であり、図１の枠Ａの受光器１００の断面図である。
図１では、受光器１００は、処理容器２の観測窓８０に一カ所のみ示されているが、水平方向に複数の観測窓８０が設けられている場合、その観側窓８０と同数の受光器１００が各観測窓８０に設けられてもよい。図２に示すように、受光器１００は、ピンホール１０１ａ（指向性ピンホール）が形成された円筒状部材１０１と、真空隔壁用ガラス１０２と、分光センサ１０３と、保護カバー１０４とを有する。
円筒状部材１０１は、例えばアルミニウム等の導電性部材で形成されている。円筒状部材１０１は、間に円筒状の真空隔壁用ガラス１０２を挟んだ構成を有する。円筒状部材１０１は、長手方向の中心にピンホール１０１ａが貫通する。ピンホール１０１ａは、高周波電流が、ピンホール１０１ａの内部を流れない程度の穴の大きさに形成されている。真空隔壁用ガラス１０２は、例えばサファイヤで形成されている。真空隔壁用ガラス１０２は、ピンホール１０１ａによって処理容器２の真空空間と外部の大気空間とが連通することを遮断する隔壁として機能する。真空隔壁用ガラス１０２は、プラズマに晒されると、反応生成物等の付着によりガラスが曇り、光の透過率が悪化するため、円筒状部材１０１に挟まれた状態で、プラズマに晒されないようになっている。
円筒状部材１０１は、観測窓８０を介してプラズマ空間１０Ｓからの光がピンホール１０１ａに入光する位置及び向きに配置される。円筒状部材１０１の外側には、分光センサ１０３が保護カバー１０４により覆われた状態で円筒状部材１０１に近接して設けられる。円筒状部材１０１の外端部は円盤状の突出部１０１ｂが、処理容器２に設けられた段差に環状に接触する。
分光センサ１０３は、ピンホール１０１ａの延長線上にスリット部１０３ａが位置するように配置され、スリット部１０３ａを通った光を受光部１０３ｂで受光するようになっている。保護カバー１０４は、処理容器２の外側壁に接触し、分光センサ１０３を外側から囲み、遮光する。
円筒状部材１０１の観測窓８０側で処理容器２と接触する面にはＯリング１０５が設けられている。また、円筒状部材１０１のＯリング１０５が設けられる面と反対側の真空隔壁用ガラス１０２との接触面にはＯリング１０６が設けられている。Ｏリング１０５、１０６は、処理容器２の真空空間と外部の大気空間とを遮断し、処理容器２内の気密を保持する。
プラズマ空間１０Ｓで発光した光は、観測窓８０→ピンホール１０１ａ→真空隔壁用ガラス１０２→ピンホール１０１ａ→スリット部１０３ａを通って受光部１０３ｂで受光される。ピンホール１０１ａは、指向性を有し、受光した光の光軸を規定する。なお、図２では、分光センサ１０３を処理容器２の外壁に直接設置した形態を示す。しかし、複数の観測窓８０で分光センサ１０３を共用する場合や、１つの観測窓８０に複数の方向を向いたピンホール１０１ａを設ける場合には異なる形態であってもよ。この場合、観測窓８０には円筒状部材１０１のみを設置し、円筒状部材１０１と分光センサ１０３とを光ファイバで接続した上で、分光センサ１０３を共用可能な位置に設置してもよい。以下の説明では、分光センサ１０３を処理容器２の外壁に直接設置した形態だけでなく、円筒状部材１０１と分光センサ１０３とを光ファイバで接続した上で、分光センサ１０３を共用可能な位置に設置する形態を含めて、受光器１００として説明する。
［回転ミラー方式］
図１では垂直方向に３つの観測窓８０が配置され、３つの観測窓８０をそれぞれ通った光を一つの受光器１００で受光する。その一例としては、図４（ｂ）に示すように、３つの観測窓８０の近傍であって処理容器２の外側に、３つの観測窓８０に対して一対一に３つの回転ミラー（プリズム）１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃを配置する。回転ミラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは、異なる角度で回転棒１１１に固定されている。例えば、回転ミラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは回転棒１１１の周りに１２０°ずつ角度を異ならせて固定され、回転棒１１１に取り付けられたステッピングモータ１１０の駆動により回転する。垂直方向に配置された３つの観測窓８０のそれぞれを通ったプラズマの光は回転ミラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃで反射し、回転棒１１１の回転速度に応じた時間間隔で受光器１００に向けて光を反射する。
このようにして３つの観測窓８０を通ったプラズマの光のそれぞれは、回転ミラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃによりそれぞれ反射する。そして、回転ミラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃを回転させることにより回転ミラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃのそれぞれを反射した光が、異なるタイミングに受光器１００に向かって反射し、異なるタイミングに受光器１００で受光される。かかる構成により、受光器１００を垂直方向に設けられた複数の観測窓８０で共用することができる。
（第１実施形態に係るプラズマ観測）
次に、受光器１００を水平方向に設けられた２以上の観測窓８０で共用し、プラズマを観測する第１実施形態に係る構成について、図３を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態に係るプラズマ観測方法の一例を示す図である。この例では処理容器２に水平方向に１２の観測窓８０が設けられている。図３は、水平方向に１２の観測窓８０が形成された高さで、処理容器２を水平方向に切断した状態を上から見た図である。処理容器２の内部はプラズマ空間となっており、各観測窓８０からプラズマＰの発光が観測できる。
紙面の上側に位置する３つの観測窓８０の近傍であって処理容器２の外側には、３つの回転ミラー１２１ａ、１２２ａ、１２３ａが配置されている。回転ミラー１２１ａ、１２２ａ、１２３ａは、回転棒１１１に異なる角度に固定され、ステッピングモータ１１０の駆動により回転する。各観測窓８０を通ったプラズマの光は、回転ミラー１２１ａ、１２２ａ、１２３ａで反射し、回転棒１１１の回転速度に応じた時間間隔で受光器１００（１００ａ）により受光される。
紙面の右側に位置する３つの観測窓８０の近傍であって処理容器２の外側には、３つの回転ミラー１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂが配置されている。各観測窓８０を通ったプラズマの光は、回転ミラー１２１ｂ、１２２ｂ、１２３ｂで反射し、回転棒１１１の回転速度に応じた時間間隔で受光器１００（１００ｂ）により受光される。受光器１００ｂは、受光器１００ａと同一の受光器１００であってもよいし、異なる受光器１００であってもよい。
紙面の下側に位置する３つの観測窓８０に対応して３つの回転ミラー１２１ｃ、１２２ｃ、１２３ｃが配置されている。各観測窓８０を通ったプラズマの光は、回転ミラー１２１ｃ、１２２ｃ、１２３ｃで反射し、回転棒１１１の回転速度に応じた時間間隔で受光器１００（１００ｃ）により受光される。受光器１００ｃは、受光器１００ａ、１００ｂと同一の受光器１００であってもよいし、異なる受光器１００であってもよい。
紙面の左側に位置する３つの観測窓８０に対応して３つの回転ミラー１２１ｄ、１２２ｄ、１２３ｄが配置されている。各観測窓８０を通ったプラズマの光は、回転ミラー１２１ｄ、１２２ｄ、１２３ｄで反射し、回転棒１１１の回転速度に応じた時間間隔で受光器１００（１００ｄ）により受光される。受光器１００ｄは、受光器１００ａ、１００ｂ、１００ｃと同一の受光器１００であってもよいし、異なる受光器１００であってもよい。
紙面の上側に位置する３つの観測窓８０を通る光Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のそれぞれの光軸は、紙面の下側に位置する３つの観測窓８０を通る光Ｌ９、Ｌ８、Ｌ７のそれぞれの光軸と同一軸である。
紙面の右側に位置する３つの観測窓８０を通る光Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６のそれぞれの光軸は、紙面の左側に位置する３つの観測窓８０を通る光Ｌ１２、Ｌ１１、Ｌ１０のそれぞれの光軸と同一軸である。
受光器１００ａ〜受光器１００ｄ及び制御部８は、ステッピングモータ１１０に供給する指令値又は回転棒１１１の回転速度と、各回転ミラーの角度とに基づき、受光する光がそれぞれの３つの観測窓のいずれを通った光かを判断できる。例えば同時点に受光器１００ａがプラズマの光Ｌ１を受光し、受光器１００ｂがプラズマの光Ｌ４を受光した場合、制御部８は、受光器１００ａ及び受光器１００ｂのそれぞれが受光した光Ｌ１及び光Ｌ４の交点の座標（ｘ１、ｙ１）を観測地点に特定する。制御部８は、特定した観測地点の光Ｌ１及び光Ｌ４の強度をプラズマの発光強度と判定する。制御部８は、光Ｌ１及び光Ｌ４の強度の平均値をプラズマ空間１０Ｓの座標（ｘ１、ｙ１）におけるプラズマの発光強度と判定してもよい。なお、観測された発光強度は、観測対象のプラズマの状態の一例である。
また、受光器１００ａ、１００ｃがプラズマの光Ｌ１、Ｌ９を受光し、同時に受光器１００ｂ、１００ｄがプラズマの光Ｌ４、Ｌ１２を受光した場合、制御部８は、受光器１００ａ〜１００ｄが受光した光Ｌ１、Ｌ４、Ｌ９、Ｌ１２の交点の座標を観測地点とする。この場合も、制御部８は、座標（ｘ１、ｙ１）を観測地点とし、光Ｌ１、Ｌ４、Ｌ９、Ｌ１２の強度をプラズマの発光強度と判定する。制御部８は、光Ｌ１、Ｌ４、Ｌ９、Ｌ１２の強度の平均値を座標（ｘ１、ｙ１）におけるプラズマの発光強度と判定してもよい。
対向する受光器１００ａ、受光器１００ｃ及びそれぞれに対応する３つずつの回転ミラーはいずれか一方のみ設けられてもよい。同様に、対向する受光器１００ｂ、受光器１００ｄ及びそれぞれに対応する３つずつの回転ミラーはいずれか一方のみ設けられてもよい。
これによれば、複数の観測地点を特定でき、複数の観測地点における水平方向の平面的なセンシング、又は垂直方向も含めたプラズマ空間のセンシングを可能とする。すなわち、プラズマ空間１０Ｓの複数の観測地点の座標（ｘ１、ｙ１）〜（ｘ３、ｙ３）におけるプラズマの発光強度を簡易な構成で判定でき、これにより水平方向の平面的なセンシングを可能とする。また、ステッピングモータ１１０により回転ミラーを回転させて各観測窓８０を介して入射した光を、タイミングをずらして受光器１００に受光させる。これにより、水平方向と垂直方向のプラズマ空間のセンシングを可能とする。また、受光器１００を複数使用する場合においても、アイリスとコリメータに相当する光学系部品を円筒状部材１０１により簡易に構成しているため、比較的安価にプラズマ観測システムを構築できる。
なお、図３の第１実施形態に係るプラズマ観測方法では、観測窓８０を水平方向に略均等な間隔で設けた。しかしながら、観測窓８０は、水平方向に略均等な間隔で設けなくてもよい。また、観測窓８０は、水平方向に複数設けるとともに、垂直方向に複数設けてもよい（図４（ｂ）参照）。処理容器２には、内部で光軸が交わる光を観測できるように配置された２以上の観測窓８０が設けられていればよい。
［回転ミラー方式とチョッピング方式の組み合わせ］
（第２実施形態に係るプラズマ観測）
次に、受光器１００を水平方向に設けられた２つの観測窓８０と垂直方向に設けられた３つの観測窓８０とで共用する構成について、図４を参照しながら説明する。図４は、第２実施形態に係るプラズマ観測方法の一例を示す図である。この例では処理容器２に水平方向に２つの観測窓８０が設けられている。図４（ａ）は、２つの観測窓８０が形成された高さで、処理容器２を水平方向に切断した状態を上から見た図である。処理容器２の内部はプラズマ空間となっており、各観測窓８０からプラズマＰの発光が観測できる。なお、図４（ａ）及び（ｂ）に示す受光器１００ａと受光器１００ｂとは、同一の受光器１００であってもよいし、異なる受光器１００であってもよい。
図４（ａ）に示すように、一方の観測窓８０に図示されているＡ〜Ｅは、一方の観測窓８０から観測可能なＡ〜Ｅの５つの方向の光である。他方の観測窓８０に図示されているＦ〜Ｊは、他方の観測窓８０から観測可能なＦ〜Ｊの５つの方向の光である。
一方の観測窓８０から受光した光は、５本の光ファイバ９１を介してチョッパー９０ａに入光され、受光器１００（受光器１００ａとする。）により受光される。チョッパー９０ａは幅が異なるスリットを有し、Ａ〜Ｅの異なる方向からの光を分離可能に構成される。すなわち、チョッパー９０ａの回転により、例えば、Ａの方向の光は長い周期で点滅し、Ｂはより短い周期で点滅する等、光の点滅時間間隔を検出することで、チョッパー９０ａによりＡ〜Ｅの５つの方向の光を分離して検出できる。
このようにして５つの光ファイバ９１からの光をチョッパー９０ａで分離し、各方向からの光を受光器１００ａで受光する。他方の観測窓８０に図示されているＦ〜Ｊの方向の光についても同様にして、５本の光ファイバ９２を介してチョッパー９０ｂに入光され、チョッパー９０ｂで分離し、受光器１００（１００ｂ）で受光する。これにより、２つの観測窓８０と受光器１００ａ、１００ｂによって、プラズマ空間１０Ｓの複数の観測地点Ｃ１〜Ｃ２１におけるプラズマの発光強度を簡易な構成で判定できる。
さらに、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の２つの観測窓に対してそれぞれ垂直方向に３つの観測窓８０を設ける。この場合、３つの観測窓８０の近傍であって処理容器２の外側に、回転ミラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃを配置する。３つの観測窓８０を通った光は、回転ミラー１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃで反射し、回転棒１１１の回転速度に応じた時間間隔で受光器１００（１００ａ、１００ｂ）により受光する。
かかる構成により、６つの観測窓８０と２つの受光器１００によって、プラズマ空間１０Ｓの水平方向及び垂直方向に対して６３（＝２１×３）の観測地点の座標におけるプラズマの発光強度を簡易な構成で判定でき、測定の分解能を高めることができる。また、第２実施形態に係るプラズマ観測では、プラズマ空間１０Ｓの観測地点、つまり、各光Ｌ１〜Ｌ１０の交点を処理容器２の側壁又は天壁に近い位置に設定することで、側壁又は天壁近傍のプラズマの状態を観測することができる。
なお、観測地点を特定するために、水平方向及び／又は垂直方向に少なくとも２つの観測窓８０が配置され、各観測窓８０で受光する光が交わっていれば、水平方向の観測窓８０の個数及び垂直方向の観測窓８０の個数は幾つであってもよい。つまり、２以上の観測窓８０から受光する光は２以上の異なる方向の光であって、互いに交わっていればよい。
［クリーニング処理］
次に、実施形態に係るクリーニング処理について、図５を参照しながら説明する。図５は、実施形態に係るクリーニング処理を示すフローチャートである。本クリーニング処理では、各実施形態に係るプラズマ観測システムを使用して、クリーニング処理の終点を検出する。本処理は、制御部８により制御される。
本処理が開始されると、制御部８は、ステッピングモータ１１０を動作させ、回転棒１１１を所望の回転速度で回転させる（ステップＳ１）。次に、制御部８は、ガス供給源３１から例えばＮＦ３ガス等のクリーニングガスを処理容器２内に供給し、マイクロ波出力部５０から出力されるマイクロ波のパワーにより、プラズマ空間１０Ｓにてクリーニングガスのプラズマを生成する（ステップＳ２）。生成されたクリーニングガスのプラズマで、処理容器２内のクリーニングが行われる。
次に、制御部８は、複数の観測窓８０に通された光を受光器１００により受光する（ステップＳ３）。複数の観測窓８０に通され、受光器１００により受光する光は、プラズマ空間１０Ｓにて光軸が交差する２以上の光である。
次に、制御部８は、受光した２以上の光が交差する位置を観測地点として特定し、受光した２つ以上の光の発光強度を、特定した観測地点における発光強度と判定する（ステップＳ４）。
次に、制御部８は、クリーニングの処理条件切り替え用の終点を検出したかを判定する（ステップＳ５）。クリーニングの処理条件切り替え用の終点は予め定められている。例えば観測地点として特定された第１の箇所が７０％程度クリーニングされた時点を処理条件切り替え用の終点として予め定めてもよい。処理条件を切り替えて第１のクリーニング箇所から、次の観測地点である第２の箇所に重点クリーニングの箇所を変えても、第１の箇所も多少クリーニングされるので、第１の箇所も最終的には１００％のクリーニングが行われることになる。
制御部８は、処理条件を切り替えるための終点を検出しないと判定した場合、ステップＳ３に戻り、現状の処理条件でクリーニングを続行する。一方、制御部８は、処理条件を切り替えるための終点を検出したと判定した場合、ステップＳ６に進む。制御部８は、処理容器２内の圧力、マイクロ波のパワー、クリーニングガスの流量の少なくともいずれかを制御し、次の観測地点である第２の箇所のクリーニングを続行する（ステップＳ６）。
次に、制御部８は、指標となる箇所、つまり全観測地点のクリーニングの終点を検出したかを判定する（ステップＳ７）。これにより、処理容器内のクリーニングが完了したか否かを判断する。クリーニングの終点は、受光したある波長の光の発光強度に所望の変化が生じたとき、制御部８は、クリーニングの終点を検出したと判定し、本処理を終了する。なお、図４（ａ）の観測地点Ｃ１９〜Ｃ２１は、処理容器２の壁面に近いため、壁面のクリーニングをオーバーエッチングすることなく完全にクリーニングするための観測地点として好ましいと言える。
一方、制御部８は、指標となる箇所のクリーニングの終点を検出していないと判定した場合、ステップＳ３に戻り、ステップＳ３〜Ｓ７を再度実行し、再び複数の観測窓８０から光を受光する。そして、特定した観測地点の発光強度から、再び特定した観測地点のクリーニングの終点を検出する。ステップＳ４にて処理容器２の側壁付近の観測地点の発光強度からその観測地点にて終点を検出し、かつ天壁１１付近の観測地点の発光強度からその観測地点にて終点を検出していない場合、処理条件切り替えの終点を検出したと判定する（ステップＳ５）。そして、クリーニングを終了させず、この場合、天壁１１付近のクリーニングを強化するように処理容器２内の圧力等、処理条件を切り替え、クリーニング処理を続行する。ステップＳ３〜Ｓ５のループ及びステップＳ３〜Ｓ７のループを繰り返し、ステップＳ７において、制御部８が指標となる箇所、つまり全観測地点のクリーニングの終点を検出した場合、処理容器内のクリーニングが完了したと判定し、本処理を終了する。
観察した発光強度の強弱で観測地点におけるクリーニングの完了の状態がわかる。クリーニングが完了していない観測地点では、ガスの流量を変える及び／又は圧力を変える等の制御が行われる。例えば、圧力を制御することで、クリーニングガスの広がりを制御することができる。これにより、判定結果に応じてよりクリーニングが促進されるようにプラズマの状態を変化させる制御を行いながら、クリーニングの終点を検出することができる。
図６は、プラズマ観測結果の一例を示す図である。図６（ａ）は、実施形態に係る受光器１００に内蔵された半値幅１５ｎｍ程度の比較的安価な分光センサ１０３を用いてプラズマの発光強度を観察した結果の一例を示す。図６（ｂ）は、半値幅１ｎｍ程度の比較的高価な分光センサを用いてプラズマの発光強度を観察した結果の一例を示す。
図６（ａ）及び（ｂ）は、いずれもＳｉＮ膜をＮＦ３ガスのプラズマでクリーニングしたときに分光センサで受光した各波長の発光強度を示す。このクリーニング処理では、ＳｉＮ膜のエッチングで生成されたＳｉの反応生成物を除去する。この場合、図６（ａ）及び（ｂ）に示すいずれの分光センサによる観測結果においても、ＮＦ３ガス中のＦとＳｉが反応してＳｉＦに対応する波長Ｗ１の発光が見られる。ＳｉＦに対応する波長Ｗ１の発光が所与の閾値よりも低くなったらその観測地点におけるＳｉの反応生成物を除去できたと判定し、その観測地点におけるクリーニングの終点と判定できる。
図６（ａ）及び（ｂ）に示すいずれの分光センサによる観測結果においても、波長Ｗ１の発光の高低が見られた。これにより、図６（ａ）の実施形態に係る受光器１００に内蔵された半値幅１５ｎｍ程度の分光センサ１０３を用いてプラズマの発光強度を観察した結果、図６（ｂ）と同様の発光強度の高低が検出でき、クリーニング処理の終点を検出できることがわかった。つまり、実施形態に係る受光器１００を用いたプラズマ観測システムでは、半値幅１ｎｍ程度の高価な分光センサを用いてプラズマの発光強度を観察した図６（ｂ）の結果と比較して遜色ない観測結果を得られた。
なお、波長Ｗ２の発光から、処理容器２内のフッ素（Ｆ）の状態を判定することができるが、図６（ａ）及び（ｂ）に示すいずれの分光センサによる観測結果においても、波長Ｗ２の発光の高低が見られた。
上記実施形態では、各実施形態に係るプラズマ観測システムを用いたクリーニング処理の終点を検出し、クリーニング処理の完了を判定する例について説明したが、実施形態に係るプラズマ観測システムは、エッチング処理の終点検出に使用してもよい。これにより、観測地点における発光強度からエッチング処理の完了を判定することができる。
なお、観測するプラズマの状態は、発光強度に基づくクリーニング又はエッチングの終点検出に限らず、発光強度に基づくプラズマ密度の分布であってもよい。観測したプラズマ密度分布に基づき、成膜の状態、エッチングの状態、クリーニングの状態を判定できる。これにより、成膜処理の膜厚分布制御などをしてもよい。
観測位置については、実行するプロセスによって適正な位置がある。例えば、エッチング処理や成膜処理の場合、基板の上方の発光強度を観察することが好ましい。これに対して、クリーニング処理の場合、基板の上方と、処理容器２の側壁及び天壁付近との両方の発光強度を観察することが好ましい。
よって、エッチング処理や成膜処理などのプロセスでは、基板の上方の比較的基板に近い高さに、水平方向に複数の観測地点が特定されるように、水平方向に設けられた２以上の観測窓８０から複数の光を受光することが好ましい。これにより、基板の上方に水平方向に配置された複数の観測地点の発光強度を判定することで、基板の上方の水平方向の複数の観測地点におけるプラズマの状態を判定できる。さらに垂直方向に設けられた観測窓８０からも光を受光し、垂直方向にも複数の観測地点を特定することがより好ましい。これにより、基板の上方の水平方向及び垂直方向のプラズマ空間１０Ｓに複数の観測地点を特定し、各観測地点における発光強度を判定することで、基板の上方の３次元空間のプラズマの状態を判定できる。
一方、クリーニング処理の場合には、基板の上方に観測地点が設けられ、かつ、処理容器２の天壁１１の近くにも観測地点が設けられるように、垂直方向に配置された複数の観測窓８０から光を受光することが好ましい。これにより、基板の上方に垂直方向に配置された複数の観測地点の発光強度を判定することで、基板の上方の基板付近と天壁付近の垂直方向のプラズマ状態を観測することができる。さらに側壁の近くにも観測地点が設けられるように、水平方向及び垂直方向に複数の観測窓８０から光を受光することがより好ましい。これにより、基板付近、天壁付近及び側壁付近のプラズマ状態を観測することができ、クリーニングが不十分な観測地点を把握し、プラズマの状態を変更するように圧力等を制御できる。この結果、効率的なクリーニングが可能になる。
なお、プラズマの観測地点の特定と、プラズマの状態判定との結果に基づき、処理容器２内のプラズマの状態を変化させる工程では、処理容器２内の圧力、マイクロ波パワー及びガスの流量の少なくともいずれかを制御してもよい。
特定した観測地点におけるプラズマの状態の判定結果と圧力、マイクロ波パワー及びガスの流量の少なくともいずれかの制御量と、を学習機に入力し、プラズマ密度分布を出力させる機械学習を行わせてもよい。これにより学習した学習済みモデルを用いて、プラズマ観測システムで観測したプラズマの観測地点とプラズマの状態の判定結果とに基づき、圧力、マイクロ波パワー、ガス流量をどのように制御すべきかを推定することができる。これにより、精度良く所望のプラズマ密度分布を得る制御を行うことができる。
特に、図１に示すプラズマ処理装置１は、７本のプラズマ源（図１のアンテナユニット６０及びマイクロ波導入機構６３を参照）を持ち、それぞれのプラズマ源を独立して制御し、それぞれのプラズマ源から所望のマイクロ波のパワーを処理容器２内に供給する。このため、７本のプラズマ源の位置に応じて物理的に処理容器２内に照射されるマイクロ波のパワーに強弱が生じ易く、周方向のプラズマの状態に偏りが生じる場合がある。
これに対して、本実施形態に係るプラズマ観測方法によれば、基板の上方の水平方向及び垂直方向のプラズマ状態を観測することができる。そして、観測結果に基づき、７本のプラズマ源から照射されるマイクロ波のパワーを制御することで、プラズマ密度分布を制御することや発光強度を制御することができる。これにより、クリーニング及びエッチングの終点検出を精度良く行ったり、成膜処理を精度良く行ったりすることができる。
[その他のプラズマ観測]
その他のプラズマ観測方法の一例を、図７及び図８に示す。図７は、第３実施形態に係るプラズマ観測方法の一例を示す図である。図８は、第４実施形態に係るプラズマ観測方法の一例を示す図である。
図７に示す第３実施形態に係るプラズマ観測方法では、図７（ａ）に示すように周方向の水平方向に１２の観測窓８０を均等に配置し、光Ｌ１〜Ｌ１２を受光する。例えば、光Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８、Ｌ１０、Ｌ１２は、処理容器２の中心方向から比較的浅い角度で入射する光を受光器１００で受光する。光Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７、Ｌ９、Ｌ１１は、処理容器２の中心方向から光Ｌ２等よりも深い角度で入射された光を受光器１００で受光する。なお、図７（ａ）及び（ｂ）に示す受光器１００ａ、１００ｂ・・・は、同一の受光器１００であってもよいし、異なる受光器１００であってもよい。図７（ａ）では、光Ｌ５を受光する受光器１００ａ及び光Ｌ４を受光する受光器１００ｂが図示されているが、各観測窓８０に光を受光する受光器１００が設けられ、受光器１００は、複数の観測窓８０で共用可能に構成されている。
また、図７（ｂ）に示すように図７（ａ）に示す各観測窓８０の垂直方向に３つの観測窓８０を配置し、回転ミラー方式を用いて受光器１００を共用する。第３実施形態に係るプラズマ観測方法では、円周上に配置された観測窓８０により多角度で光が受光されるため、光の交点が多く、分解能が高く、プラズマ空間１０Ｓを広範囲に観測できる。
図８に示す第４実施形態に係るプラズマ観測では、図８（ａ）に示すように、周方向の水平方向に２つの観測窓８０を配置する。そして、チョッパー方式を用いて一方の観測窓８０で方向の異なる光Ｌ１〜Ｌ５を受光し、他方の観測窓８０で方向の異なる光Ｌ６〜Ｌ１０を受光する。更に、図８（ｂ）に示すように、周方向の水平方向に３つの観測窓８０を均等に配置するとより観測地点が多くなる。この場合にも、チョッパー方式を用いて一つ目の観測窓８０で方向の異なる光Ｌ１〜Ｌ５を受光し、二つ目の観測窓８０で方向の異なる光Ｌ６〜Ｌ１０を受光し、三つ目の観測窓８０で方向の異なる光Ｌ１１〜Ｌ１５を受光する。
図８（ａ）に示すプラズマ観測方法では、受光器１００等の測定装置の設置領域の省スペース化を図ることができる。図８（ｂ）に示すプラズマ観測方法では、図８（ａ）に示すプラズマ観測よりも光の交点が多く、分解能が高く、プラズマ空間１０Ｓを広範囲に観測できる。
特に、７本のプラズマ源から処理容器２内にマイクロ波のパワーを照射するプラズマ処理装置の場合（図１参照）、周方向のプラズマ密度のバラツキが生じ易いため、周方向のプラズマ密度を観測することが望まれる。このために、周方向に比較的均等に光の交点、つまり観測地点がある図７や図８（ｂ）に示すプラズマ観測方法が好ましい。
以上に説明したように、本実施形態のプラズマ観測システム及びプラズマ観測方法によれば、処理容器２内のプラズマの観測地点の特定と、特定した観測地点におけるプラズマの状態の判定を簡易に行うことができる。また、回転ミラー方式により受光器１００の数を低減させることができる。また、受光器１００を複数使用する場合においても、アイリスとコリメータに相当する光学系部品を円筒状部材１０１により簡易に構成しているため、比較的安価にプラズマ観測システムを構築でき、コストメリットがある。
なお、プラズマ観測システムとして、光源を別途設けてもよい。光源は、レーザ光源、ＬＥＤ光源又はランプ光源であってもよい。光源は、受光器１００の反対側に配置されてもよいし、受光器１００側に配置されてもよいし、受光器１００に内蔵されてもよい。例えば、受光器１００にレーザ光源が内蔵されている場合、レーザ光源は、ある波長のレーザ光をプラズマ空間１０Ｓに向けて出射する。レーザ光は、プラズマ空間１０Ｓに生成されたプラズマ中のある粒子により吸収され、減衰する。このようにして減衰しながら処理容器２の内壁を反射して観測窓８０に戻ってきた光を受光器１００で受光する。制御部８は、受光した光から、処理容器２内のプラズマの観測地点の特定と、観測地点におけるプラズマの状態の判定を行ってもよい。
今回開示された一実施形態に係るプラズマ観測システム及びプラズマ観測方法は、すべての点において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、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
本開示のプラズマ処理装置は、マイクロ波プラズマ処理装置であったが、これに限られず、Atomic Layer Deposition(ALD)装置、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプのプラズマ処理装置でも適用可能である。
１…プラズマ処理装置、２…処理容器、３…ガス供給機構、４…測定装置、５…マイクロ波導入モジュール、８…制御部、１１…天壁、１７…ガス導入管、１７ａ…ガス供給孔、２１…載置台、４０…排気装置、８０…観測窓、９０ａ、９０ｂ…チョッパー、１００…受光器、１０３…分光センサ、１１１…回転棒、１２０ａ〜１２０ｃ、１２１ａ〜１２１ｄ、１２２ａ〜１２２ｄ、１２３ａ〜１２３ｄ…回転ミラー、Ｗ…基板

Claims (16)

  1. 処理容器内でプラズマにより基板を処理するプラズマ処理装置と、前記プラズマを測定する測定装置と、を有するプラズマ観測システムであって、
    前記プラズマ処理装置は、
    前記処理容器にプラズマの発光状態を観測可能な複数の観測窓を有し、
    前記測定装置は、
    前記処理容器内において交差する複数の光を複数の観測窓から受光する受光器と、
    受光した複数の光に基づき、プラズマの観測地点の特定と、前記観測地点のプラズマの状態判定と、を行う制御部と、
    を有する、プラズマ観測システム。
  2. 前記プラズマ処理装置は、
    前記処理容器内に所望のパワーを投入する複数のプラズマ源を有する、
    請求項１に記載のプラズマ観測システム。
  3. 前記受光器は、受光した前記光を通す指向性ピンホールを有する、
    請求項１又は２に記載のプラズマ観測システム。
  4. 前記受光器は、複数の前記観測窓で共用される、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ観測システム。
  5. 前記受光器は、水平方向に設けられた複数の前記観測窓で共用される、
    請求項４に記載のプラズマ観測システム。
  6. 前記受光器は、垂直方向に設けられた複数の前記観測窓で共用される、
    請求項４又は５に記載のプラズマ観測システム。
  7. 複数の前記観測窓に対して一対一に設けられた複数の回転ミラーであって、複数の前記観測窓のそれぞれを介して入射した光を、回転により異なるタイミングに前記受光器に向けて反射させる複数の前記回転ミラーを有し、
    前記受光器は、複数の前記回転ミラーで反射した光を異なるタイミングに受光する、
    請求項４〜６のいずれか一項に記載のプラズマ観測システム。
  8. 前記観測窓を介して入射した光を、異なる方向の光に分割するチョッパーを有し、
    前記受光器は、前記チョッパーにより分割された異なる周波数の光を受光する、
    請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ観測システム。
  9. 前記プラズマの状態判定は、受光した前記光が交差する点のプラズマの発光強度を判定する、
    請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ観測システム。
  10. プラズマ処理装置内のプラズマを観測するプラズマ観測方法であって、
    処理容器に設けられた、プラズマの発光状態を観測可能な複数の観測窓から、前記処理容器内において交差する複数の光を受光する工程と、
    受光した複数の光に基づき、プラズマの観測地点の特定と、前記観測地点のプラズマの状態判定とを行う工程と、
    を有するプラズマ観測方法。
  11. 前記観測地点と前記プラズマの状態判定の結果とに基づき、前記処理容器内のプラズマの状態を変化させる工程を有する、
    請求項１０に記載のプラズマ観測方法。
  12. 前記プラズマの状態を変化させる工程は、前記処理容器内の圧力を制御する、
    請求項１１に記載のプラズマ観測方法。
  13. 前記プラズマの状態を変化させる工程は、複数のプラズマ源のそれぞれから前記処理容器内に投入するマイクロ波パワーを前記プラズマ源毎に制御する、
    請求項１１又は１２に記載のプラズマ観測方法。
  14. 前記プラズマの状態を変化させる工程は、前記処理容器内に供給するガスの流量を制御する、
    請求項１１〜１３のいずれか一項に記載のプラズマ観測方法。
  15. 前記プラズマの状態を変化させて、前記処理容器内のクリーニングの終点又はエッチングの終点を判定する工程を有する、
    請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のプラズマ観測方法。
  16. 前記観測地点と前記プラズマの前記状態判定は、前記観測地点におけるクリーニングの終点又はエッチングの終点の判定である、
    請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のプラズマ観測方法。
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