JP2021144833A - プラズマ計測装置、及びプラズマ計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理のイオンエネルギーを測定すること。【解決手段】載置台は、チャンバー内に設けられる。プラズマ発生源は、チャンバー内にプラズマを生成する。無機ＥＬ基板は、載置台に載置され、電界が印加されることにより発光する。透過窓は、チャンバーに設けられ、光を透過する。分光器は、チャンバー外に配置され、透過窓を介して無機ＥＬ基板の発光を測定する。制御部は、分光器による測定結果からイオンエネルギーを計測する。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ計測装置、及びプラズマ計測方法に関する。

特許文献１は、イオンエネルギーを計測する方法として、測定用基板を用いてイオン電流を測定する方法を開示する。

特表２０１４−５１３３９０号公報

本開示は、プラズマ処理のイオンエネルギーを計測する技術を提供する。

本開示の一態様によるプラズマ計測装置は、チャンバーと、載置台と、プラズマ発生源と、無機ＥＬ（Electroluminescence）基板と、透過窓と、分光器と、制御部を有する。載置台は、チャンバー内に設けられる。プラズマ発生源は、チャンバー内にプラズマを生成する。無機ＥＬ基板は、載置台に載置され、電界が印加されることにより発光する。透過窓は、チャンバーに設けられ、光を透過する。分光器は、チャンバー外に配置され、透過窓を介して無機ＥＬ基板の発光を測定する。制御部は、分光器による測定結果からイオンエネルギーを計測する。

本開示によれば、プラズマ処理のイオンエネルギーを計測できる。

図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。 図２は、実施形態に係る無機ＥＬ基板の構成の一例を示す概略断面図である。 図３は、実施形態に係る基板をエッチングする際の表面の電気的な状態を模式的に示した図である。 図４は、実施形態に係る発光層の発光の強さと電界の強さの関係の一例を示した図である。 図５は、実施形態に係るイオンエネルギーの分布の一例を示す図である。 図６は、実施形態に係るプラズマ測定方法の流れの一例を示すフローチャートである。 図７は、実施形態に係る測定される発光強度の一例を示す図である。 図８は、実施形態に係るプラズマ測定方法の流れの他の一例を示すフローチャートである。 図９は、実施形態に係る無機ＥＬ基板の構成の他の一例を示す概略断面図である。 図１０は、実施形態に係る無機ＥＬ基板の構成の他の一例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照して本願の開示するプラズマ計測装置、及びプラズマ計測方法の実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態により、開示するプラズマ計測装置、及びプラズマ計測方法が限定されるものではない。

測定用基板を用いてプラズマ処理空間のイオンエネルギーを計測する場合、プラズマ処理空間内（チャンバー内）にある測定用基板とプラズマ処理空間外（チャンバー外）にある電圧計および電流計とを接続する配線が必要となる。この配線は、プラズマ生成のために印加した高周波電力が外部に漏れて他のシステムに誤動作を与えるおそれがあるため、ローパスフィルターを介して直流電流のみを抽出する必要がある。しかしながら、ローパスフィルターにより高周波電流を完全に除去することは難しく、基板からＧＮＤに高周波電流が流れ、測定上の誤差要因となりうる。また、測定用基板上の電位は−数ＫＶに達することがあることから、ＧＮＤと耐圧を取る必要がある。しかしながら、配線に数ＫＶの高耐圧を持たせることは極めて難しい。したがって、実際のプロセスで使用するような、高バイアス条件においてこの計測方法により測定を行うと、配線の耐圧がもたずに絶縁破壊が生じ、異常放電が生じうる。また、異常放電により測定系が破壊されるおそれもあった。このため、高パワー領域のイオンエネルギーを計測するのは困難であった。

そこで、プラズマ処理のイオンエネルギーを計測する新たな技術が期待されている。

［実施形態］
［装置構成］
実施形態について説明する。以下では、本開示のプラズマ測定装置の構成を、プラズマ処理装置に適用とした場合を例に説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置１の一例を示す概略断面図である。実施形態に係るプラズマ処理装置１は、例えば平行平板の電極を備える容量結合プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）タイプのプラズマエッチング装置である。プラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバー１０、ガス供給部２０、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力供給部３０及び排気システム４０を含む。また、プラズマ処理装置１は、支持部１１及び上部電極シャワーヘッド１２を含む。また、プラズマ処理装置１は、制御部５１を更に備える。

プラズマ処理チャンバー１０は、例えばアルミニウム等の材料により構成され、例えば略円筒形状に形成されている。プラズマ処理チャンバー１０は、内壁面に陽極酸化処理が施されている。また、プラズマ処理チャンバー１０は、保安接地されている。支持部１１は、プラズマ処理チャンバー１０内のプラズマ処理空間１０ｓの下部領域に配置される。上部電極シャワーヘッド１２は、支持部１１の上方に配置され、プラズマ処理チャンバー１０の天部（ｃｅｉｌｉｎｇ）の一部として機能し得る。

支持部１１は、プラズマ処理空間１０ｓにおいて基板Ｗ１を支持するように構成される。一実施形態において、支持部１１は、下部電極１１１、静電チャック１１２、及びエッジリング１１３を含む。静電チャック１１２は、下部電極１１１上に配置され、静電チャック１１２の上面で基板Ｗ１を支持するように構成される。エッジリング１１３は、下部電極１１１の周縁部上面において基板Ｗ１を囲むように配置される。また、図示は省略するが、一実施形態において、支持部１１は、静電チャック１１２及び基板Ｗ１のうち少なくとも１つをターゲット温度に調節するように構成される温調モジュールを含んでもよい。温調モジュールは、ヒータ、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、冷媒、伝熱ガスのような温調流体が流れる。支持部１１は、プラズマ処理チャンバー１０の底面に設けられた支持部材１１４によって支持されている。支持部材１１４は、絶縁材料により構成される。プラズマ処理チャンバー１０と支持部１１は、支持部材１１４により絶縁される。

上部電極シャワーヘッド１２は、不図示の絶縁性の遮蔽部材を介して、プラズマ処理チャンバー１０の上部に支持されている。上部電極シャワーヘッド１２は、電極板１４、及び電極支持体１５を有する。電極板１４は、下面がプラズマ処理空間１０ｓに面している。電極板１４には複数のガス吐出口１４ａが形成されている。電極板１４は、例えばシリコンを含む材料により構成される。

電極支持体１５は、例えば、アルミニウム等の導電性材料により構成されている。電極支持体１５は、電極板１４を上方から着脱自在に支持する。電極支持体１５は、保安接地されている。電極支持体１５は、図示しない水冷構造を有し得る。電極支持体１５の内部には、拡散室１５ａが形成されている。拡散室１５ａからは、電極板１４のガス吐出口１４ａに連通する複数のガス流通口１５ｂが下方に（支持部１１に向けて）延びている。電極支持体１５には、拡散室１５ａに処理ガスを導くガス入口１５ｃが設けられており、ガス入口１５ｃには、配管を介して、ガス供給部２０が接続されている。

上部電極シャワーヘッド１２は、ガス供給部２０からの１又はそれ以上の処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに供給するように構成される。一実施形態において、上部電極シャワーヘッド１２は、１又はそれ以上の処理ガスをガス入口１５ｃからガス拡散室１２ｂ、ガス出口１２ｃ、ガス吐出口１４ａを介してプラズマ処理空間１０ｓに供給するように構成される。

ガス供給部２０は、１又はそれ以上のガスソース２１及び１又はそれ以上の流量制御器２２を含んでもよい。一実施形態において、ガス供給部２０は、１又はそれ以上の処理ガスを、それぞれに対応のガスソース２１からそれぞれに対応の流量制御器２２を介してガス入口１５ｃに供給するように構成される。各流量制御器２２は、例えばマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器を含んでもよい。さらに、ガス供給部２０は、１又はそれ以上の処理ガスの流量を変調又はパルス化する１又はそれ以上の流量変調デバイスを含んでもよい。

ＲＦ電力供給部３０は、ＲＦ電力、例えば１又はそれ以上のＲＦ信号を、下部電極１１１、上部電極シャワーヘッド１２、又は、下部電極１１１及び上部電極シャワーヘッド１２の双方のような１又はそれ以上の電極に供給するように構成される。これにより、プラズマ処理空間１０ｓに供給された１又はそれ以上の処理ガスからプラズマが生成される。従って、ＲＦ電力供給部３０は、プラズマ処理チャンバー１０において１又はそれ以上の処理ガスからプラズマを生成するように構成されるプラズマ生成部の少なくとも一部として機能し得る。一実施形態において、ＲＦ電力供給部３０は、２つのＲＦ生成部３１ａ，３１ｂ及び２つの整合回路３２ａ，３２ｂを含む。一実施形態において、ＲＦ電力供給部３０は、第１のＲＦ信号を第１のＲＦ生成部３１ａから第１の整合回路３２ａを介して下部電極１１１に供給するように構成される。例えば、第１のＲＦ信号は、２７ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲内の周波数を有してもよい。

また、一実施形態において、ＲＦ電力供給部３０は、第２のＲＦ信号を第２のＲＦ生成部３１ｂから第２の整合回路３２ｂを介して下部電極１１１に供給するように構成される。例えば、第２のＲＦ信号は、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有してもよい。代わりに、第２のＲＦ生成部３１ｂに代えて、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）パルス生成部を用いてもよい。

さらに、図示は省略するが、本開示においては他の実施形態が考えられる。例えば、ＲＦ電力供給部３０は、第１のＲＦ信号をＲＦ生成部から下部電極１１１に供給し、第２のＲＦ信号を他のＲＦ生成部から下部電極１１１に供給し、第３のＲＦ信号をさらに他のＲＦ生成部から下部電極１１１に供給するように構成されてもよい。加えて、他の代替実施形態において、ＤＣ電圧が上部電極シャワーヘッド１２に印加されてもよい。

またさらに、種々の実施形態において、１又はそれ以上のＲＦ信号（即ち、第１のＲＦ信号、第２のＲＦ信号等）の振幅がパルス化又は変調されてもよい。振幅変調は、オン状態とオフ状態との間、あるいは、２又はそれ以上の異なるオン状態の間でＲＦ信号振幅をパルス化することを含んでもよい。

排気システム４０は、例えばプラズマ処理チャンバー１０の底部に設けられた排気口１０ｅに接続され得る。排気システム４０は、圧力弁及び真空ポンプを含んでもよい。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、粗引きポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。

プラズマ処理チャンバー１０の側壁には、基板Ｗ１を搬入又は搬出するための開口１０ａが設けられている。開口１０ａは、ゲートバルブ１０ｂにより開閉可能とされている。

また、プラズマ処理チャンバー１０の側面には、光を透過する透過窓６０が設けられている。本実施形態では、開口１０ａの反対側となるプラズマ処理チャンバー１０の側面に透過窓６０が設けられている。透過窓６０は、例えば、石英基板により構成され、光（可視光）を透過する透過性を有する。

計測を行う際に、支持部１１には、基板Ｗに代えて、無機ＥＬ（Electroluminescence）基板Ｗ２が配置される。無機ＥＬ基板Ｗ２は、基板Ｗ１と同様のサイズに形成されており、電界が印加されることにより発光する。

図２は、実施形態に係る無機ＥＬ基板Ｗ２の構成の一例を示す概略断面図である。図２には、無機ＥＬ基板Ｗ２の一例が示されている。図２では、上側が上部電極シャワーヘッド１２側であり、下側が支持部１１側である。無機ＥＬ基板Ｗ２は、誘電体層７０と、発光層７１と、誘電体層７０および発光層７１を支持するシリコン基板７２とを有する。無機ＥＬ基板Ｗ２は、シリコン基板７２上に発光層７１が積層され、発光層７１上に誘電体層７０が積層されている。シリコン基板７２は、例えば、１２インチ（直径３００ｍｍ)で厚さが７７５ｕｍとする。発光層７１は、蛍光体によりシリコン基板７２の上面の全面に形成されており、厚さが数十ｎｍ（例えば、６０ｎｍ）とされている。発光層７１の蛍光体は、電界の強度に応じて発光の強度が変化する材料であればよい。発光層７１の蛍光体としては、例えば、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＺｎＳ：Ｍｏ、ＳｎＳ：Ｔｍ、ＳｎＳ：Ｓｍ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＣａＳ：Ｓｅが挙げられる。蛍光体として示した物質について、「：」の左側は蛍光体の主な材料を示し、「：」の右側は例えば、１％以下で添加された少量の材料を示している。例えば、ＳｒＳ：Ｃｅは、ＳｒＳが主な材料であり、Ｃｅが１％以下で添加されている。誘電体層７０は、誘電体によりシリコン基板７２の上面の全面に形成されており、厚さが数百ｎｍ（例えば、６５０ｎｍ）とされている。誘電体としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５が挙げられる。

無機ＥＬ基板Ｗ２は、電界が印加されることにより発光層７１が発光する。

図１に戻る。プラズマ処理チャンバー１０の透過窓６０の外側には、分光器６２が配置されている。分光器６２と透過窓６０との間には、複数枚のレンズ６３が設けられている。複数枚のレンズ６３は、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域のうちの一部の領域に焦点を合うように配置されている。複数枚のレンズ６３は、駆動機構６４により移動可能とされている。駆動機構６４は、モータなどのアクチュエータや、ギヤー、ロッドなどの動力伝達部品を含み、制御部５１の制御に基づき、複数枚のレンズ６３をそれぞれ移動する。複数枚のレンズ６３は、駆動機構６４により移動することで、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内で焦点の位置を移動できる。なお、駆動機構６４は、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内で焦点の位置が移動するようにレンズ６３及び分光器６２の両方を駆動させてもよく、また、分光器６２のみを駆動させてもよい。

分光器６２は、複数枚のレンズ６３により焦点が合った領域の無機ＥＬ基板Ｗ２が発光した光の波長及び発光強度を測定する。分光器６２は、駆動機構６４により複数枚のレンズ６３を移動させて無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内で焦点の位置を移動させることで、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域の発光を領域ごとに測定できる。分光器６２は、測定された波長及び発光強度の測定データを制御部５１へ出力する。

制御部５１は、本開示において述べられる種々の工程をプラズマ処理装置１に実行させるコンピュータ実行可能な命令を処理する。制御部５１は、ここで述べられる種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１の各要素を制御するように構成され得る。制御部５１は、例えばコンピュータを含んでもよい。コンピュータは、例えば、処理部（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５１１、記憶部５１２、及び通信インターフェース５１３を含んでもよい。処理部５１１は、記憶部５１２に格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。記憶部５１２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェース５１３は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信回線を介して他のプラズマ処理装置１など他の装置との間で通信してもよい。

次に、実施形態に係るプラズマ処理装置１により、プラズマ処理中のイオンエネルギーを測定する際の動作の流れを簡単に説明する。プラズマ処理チャンバー１０内には、ゲートバルブ１０ｂから、搬送アーム上に保持された無機ＥＬ基板Ｗ２が搬入され、静電チャック１１２上に無機ＥＬ基板Ｗ２が載置される。

ガス供給部２０は、プラズマの生成に用いるプロセスガスを所定の流量及び流量比でプラズマ処理チャンバー１０内に導入する。また、排気システム４０は、プラズマ処理チャンバー１０内の圧力を設定値に減圧する。さらに、ＲＦ電力供給部３０は、２つのＲＦ生成部３１ａ，３１ｂからそれぞれ所定のパワーの第１のＲＦ信号及び第２のＲＦ信号の高周波電力を下部電極１１１に供給する。上部電極シャワーヘッド１２からシャワー状にプラズマ処理空間１０ｓに導入されたプロセスガスは、ＲＦ電力供給部３０の第１のＲＦ信号の高周波電力によりプラズマ化される。これにより、プラズマ処理空間１０ｓにプラズマが生成される。プラズマ中には、プロセスガスのラジカルやイオンが含まれる。プラズマ中のプラスのイオンは、第２のＲＦ信号の高周波電力により生じた高周波電力の電界によって支持部１１側に向かって加速される。プラズマ処理では、この加速されたプラスのイオンが支持部１１に載置された基板Ｗ１や無機ＥＬ基板Ｗ２に入射することにより、エッチングされる。

図３は、実施形態に係る基板Ｗの表面の電気的な状態を模式的に示した図である。下部電極に第１のＲＦ信号および第２のＲＦ信号を印加した場合、基板Ｗの近傍にはプラズマシースが形成される。基板Ｗは、セルフバイアスによりプラズマに対しマイナスの電位となる。このマイナスの電位の大きさは下部電極に印加する第１のＲＦ信号および第２のＲＦ信号のパワーによって変わる。基板Ｗにかかる負のセルフバイアスにより、シースに電界が生じこの電界により基板方向にプラスのイオンは加速される。基板Ｗは、加速されたプラスのイオン８０が入射することにより、エッチングされる。

無機ＥＬ基板Ｗ２は、ＲＦ生成部３１ａ，３１ｂから下部電極１１１に供給される第１のＲＦ信号及び第２のＲＦ信号の高周波電力による基板近傍のシース電圧によって電界が生じる。無機ＥＬ基板Ｗ２は、生じた電界に応じて発光層７１が発光する。第１のＲＦ信号は、例えば、４０ＭＨｚとする。第２のＲＦ信号は、例えば、４００ｋＨｚとする。無機ＥＬ基板Ｗ２の電界は、第１のＲＦ信号及び第２のＲＦ信号の２つの高周波電力が重畳された波形で変化する。無機ＥＬ基板Ｗ２の電界は、第２のＲＦ信号の高周波電力に第１のＲＦ信号の高周波電力が重畳されていることで、低周波の第２のＲＦ信号の周期で大きく変動する。つまり、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光層７１は、無機ＥＬ基板Ｗ２に印加される低周波の電界強度に応じて発光強度が大きく変化する。

図４は、実施形態に係る発光層７１の発光の強さと電界の強さの関係の一例を示した図である。図４の横軸は、発光層７１にかかる電界強度（電界の強さ）を示している。図４の縦軸は、発光層７１の発光強度（発光の強さ）を示している。発光層７１は、電界が強くなるほど発光の強さが増す傾向がある。よって、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光層７１の発光強度を測定することで、無機ＥＬ基板Ｗ２上に生じる、電界強度を計測することができる。

分光器６２は、透過窓６０を介して無機ＥＬ基板Ｗ２が発光した光の波長及び発光強度を測定する。分光器６２は、測定された波長及び発光強度の測定データを制御部５１へ出力する。

制御部５１は、分光器６２による測定結果からイオンエネルギーを計測する。例えば、制御部５１は、分光器６２から入力した測定データから、無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度を計測することで、間接的にイオンエネルギーを計測する。制御部５１は、駆動機構６４により複数枚のレンズ６３を移動させて無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内で焦点の位置を変え、発光領域内を網羅的に走査させて分光器６２により無機ＥＬ基板Ｗ２の発光を測定する。分光器６２は、移動させた位置ごと測定データを制御部５１へ出力する。制御部５１は、分光器６２から入力した測定データから、無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度を計測する。例えば、制御部５１は、無機ＥＬ基板Ｗ２の波長及び発光強度と電界強度との対応関係を求めたデータを記憶部５１２に記憶する。制御部５１は、記憶部５１２に記憶したデータに基づき、測定データから、無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度を計測する。一例として、制御部５１は、電界強度に応じて無機ＥＬ基板Ｗ２の発光強度が変化する特定の波長について、発光強度と電界強度との対応関係を求めたデータを記憶部５１２に記憶する。制御部５１は、入力した測定データから特定の波長の発光強度を求める。制御部５１は、記憶部５１２に記憶したデータから、求めた発光強度に対応する電界強度を求める。制御部５１は、測定データから、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内の部分ごとに無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度を求める。制御部５１は、求めた電界強度からイオンエネルギーを計測する。

図３に示したように、プラズマ中のプラスのイオン８０は、シース中の電界によって加速される。このため、イオン８０のイオンエネルギーは、シース中の電界と関係性があり、基板近傍の無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度からシース電圧を計測できる。よって、無機ＥＬ基板Ｗ２の電界強度を求めることで、基板近傍のシース電圧やイオンエネルギーを計測できる。例えば、制御部５１は、無機ＥＬ基板Ｗ２の電界強度とイオンエネルギーとの対応関係を求めたデータを記憶部５１２に記憶する。制御部５１は、記憶部５１２に記憶したデータに基づき、求めた電界強度から、イオンエネルギーを計測する。制御部５１は、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内の部分ごとの電界強度から、発光領域内の部分ごとにイオンエネルギーを計測する。これにより、エネルギー分布を計測できる。なお、制御部５１は、発光強度とシース電圧やイオンエネルギーとの対応関係を求めたデータを記憶し、記憶したデータから、発光強度に対応するシース電圧やイオンエネルギーを求めてもよい。

ここで、半導体装置の製造では、形成されるパターンのアスペクト比が高くなっている。例えば、３Ｄ ＮＡＮＤの製造では、高アスペクト比のコンタクトホールエッチングが要求される。高アスペクト比のコンタクトホールエッチングは、高いイオンエネルギーが必要になる。イオンのイオンエネルギーは、プロセス形状に大きな影響を与える。プラズマ中のイオンエネルギーを計測するためには、例えば、特許文献１のように、測定用基板を用いて電位を直接測定する方法がある。しかし、実際のプラズマ処理の対象となる基板Ｗ１には、配線が存在しない。このため、配線を有する測定用基板で計測したイオンエネルギーは、配線を有しない基板Ｗ１におけるイオンエネルギーとは異なるおそれがある。また、測定用基板の電位が−１０００Ｖ以上の高電圧となる場合、ショートや異常放電が発生して測定用基板から配線を引き回して測定するのは困難である場合がある。

一方、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、プラズマ処理の対象となる基板Ｗ１と同様のシリコン基板７２上に発光層７１、誘電体層７０を積層した無機ＥＬ基板Ｗ２を作成する。プラズマ処理装置１は、作成した無機ＥＬ基板Ｗ２のプラズマ処理チャンバー１０内の支持部１１に載置し、プラズマを生成した際の無機ＥＬ基板Ｗ２の発光の発光強度を測定する。これにより、プラズマ処理装置１は、プラズマ処理の対象となる基板Ｗ１におけるイオンエネルギーを計測できる。また、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、実際のプラズマ処理の対象となる基板Ｗ１におけるイオンエネルギーをリアルタイムに測定できる。また、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、基板Ｗ１の電位が−１０００Ｖ以上の高電圧となる場合でも、イオンエネルギーを測定できる。

図５は、実施形態に係るイオンエネルギーの分布の一例を示す図である。図５では、イオンエネルギーが高い領域ほど濃いパターンでイオンエネルギーの分布を示している。このように実施形態に係るプラズマ処理装置１は、プラズマ処理空間１０ｓでのイオンエネルギーの面内分布を計測できる。

［プラズマ測定の流れ］
次に、実施形態に係るプラズマ処理装置１が実施するプラズマ計測方法の流れを説明する。図６は、実施形態に係るプラズマ計測方法の流れの一例を示すフローチャートである。

制御部５１は、プラズマ処理装置１の各要素を制御してプラズマ処理チャンバー１０内にプラズマを生成する（ステップＳ１０）。例えば、制御部５１は、ガス供給部２０を制御して、プラズマの生成に用いるプロセスガスを所定の流量及び流量比でプラズマ処理チャンバー１０内に導入する。また、制御部５１は、排気システム４０を制御して、プラズマ処理チャンバー１０内の圧力を設定値に減圧する。さらに、制御部５１は、ＲＦ電力供給部３０を制御して、２つのＲＦ生成部３１ａ，３１ｂからそれぞれ所定のパワーの第１のＲＦ信号及び第２のＲＦ信号の高周波電力を下部電極１１１に供給する。これにより、プラズマ処理空間１０ｓにプラズマが生成される。

制御部５１は、分光器６２及び駆動機構６４を制御し、分光器６２により、透過窓６０を介してプラズマの発光を測定する（ステップＳ１）。例えば、制御部５１は、駆動機構６４により複数枚のレンズ６３を移動させて、無機ＥＬ基板Ｗ２において発光領域となる領域内で焦点の位置を変え、発光領域となる領域内を網羅的に走査させて分光器６２によりプラズマの発光を測定する。分光器６２は、測定された波長及び発光強度の測定データを制御部５１へ出力する。

制御部５１は、分光器６２から入力した測定データからイオンエネルギーを計測し（ステップＳ１２）、処理を終了する。例えば、制御部５１は、測定データから、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内の位置ごとに、無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度を求める。制御部５１は、求めた電界強度からイオンエネルギーを計測する。

ところで、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、無機ＥＬ基板Ｗ２が発光した光と共に、プラズマが発光する光も分光器６２で測定される。図７は、実施形態に係る測定される発光強度の一例を示す図である。図７には、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光による発光波長ごと発光強度の分布Ｌ１と、プラズマの発光による発光波長ごと発光強度の分布Ｌ２が示されている。分光器６２では、無機ＥＬ基板Ｗ２が発光した光と共に、プラズマが発光する光も測定される。そこで、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、以下のように構成してもよい。

実施形態に係るプラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバー１０の内部に無機ＥＬ基板Ｗ２が未配置の状態と、無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態とでそれぞれ個別に発光を測定する。例えば、プラズマ処理装置１は、プラズマ処理の対象となる通常の基板Ｗ１を支持部１１に載置した状態でプラズマを生成し、無機ＥＬ基板Ｗ２が未配置の状態でのプラズマの発光を分光器６２により測定する。プラズマ処理装置１は、搬送アームにより基板Ｗ１と無機ＥＬ基板Ｗ２とを交換して無機ＥＬ基板Ｗ２を支持部１１に載置する。そして、プラズマ処理装置１は、無機ＥＬ基板Ｗ２を支持部１１に載置した状態でプラズマを生成し、無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態でのプラズマと無機ＥＬ基板Ｗ２の発光を分光器６２により測定する。制御部５１は、無機ＥＬ基板Ｗ２が未配置の状態で測定された測定データと、無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態で測定された測定データとを比較する。制御部５１は、比較結果から、無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度を求める。無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態で測定された測定データと無機ＥＬ基板Ｗ２を配置していない状態で測定された測定データとの差分を求めることで、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光分のデータを求めることができる。制御部５１は、無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態で測定された測定データと無機ＥＬ基板Ｗ２を配置していない状態で測定された測定データとの差分のデータを求める。制御部５１は、差分のデータから無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度を求める。そして、制御部５１は、求めた電界強度からイオンエネルギーを計測する。例えば、制御部５１は、電界強度とイオンエネルギーとの対応関係を求めたデータを記憶部５１２に記憶する。制御部５１は、記憶部５１２に記憶したデータに基づき、求めた電界強度から、イオンエネルギーを計測する。

この場合、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、例えば、以下ようにプラズマの測定を実施する。図８は、実施形態に係るプラズマ計測方法の流れの他の一例を示すフローチャートである。

プラズマ処理装置１では、搬送アームによりプラズマ処理の対象となる通常の基板Ｗ１を支持部１１に載置する（ステップＳ２０）。

制御部５１は、プラズマ処理装置１の各要素を制御し、プラズマ処理チャンバー１０の内部に基板Ｗ１を配置した状態（無機ＥＬ基板Ｗ２が未配置の状態）でプラズマ処理チャンバー１０内にプラズマを生成する（ステップＳ２１）。例えば、制御部５１は、ガス供給部２０を制御して、プラズマの生成に用いるプロセスガスを所定の流量及び流量比でプラズマ処理チャンバー１０内に導入する。また、制御部５１は、排気システム４０を制御して、プラズマ処理チャンバー１０内の圧力を設定値に減圧する。また、制御部５１は、ＲＦ電力供給部３０を制御して、２つのＲＦ生成部３１ａ，３１ｂからそれぞれ所定のパワーの第１のＲＦ信号及び第２のＲＦ信号の高周波電力を下部電極１１１に供給する。これにより、プラズマ処理空間１０ｓにプラズマが生成される。

制御部５１は、分光器６２及び駆動機構６４を制御し、分光器６２により、透過窓６０を介してプラズマの発光を測定する（ステップＳ２２）。例えば、制御部５１は、駆動機構６４により複数枚のレンズ６３を移動させて、無機ＥＬ基板Ｗ２の場合において発光領域となる領域内で焦点の位置を変え、発光領域となる領域内を網羅的に走査させて分光器６２によりプラズマの発光を測定する。分光器６２は、測定された波長及び発光強度の測定データを制御部５１へ出力する。

プラズマ処理装置１では、プラズマ処理チャンバー１０の内部に無機ＥＬ基板Ｗ２を配置する（ステップＳ２３）。例えば、プラズマ処理装置１では、搬送アームにより支持部１１から基板Ｗ１を取り出し、無機ＥＬ基板Ｗ２を支持部１１に載置する。

制御部５１は、プラズマ処理装置１の各要素を制御し、プラズマ処理チャンバー１０の内部に無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態でプラズマ処理チャンバー１０内にプラズマを生成する（ステップＳ２４）。このプラズマを生成する条件は、上述のステップＳ２１と同じであることが好ましい。例えば、制御部５１は、ステップＳ２１と同種のガス、同じ圧力、同じ周波数、電力のパワーでプラズマを生成する。

制御部５１は、分光器６２及び駆動機構６４を制御し、分光器６２により、透過窓６０を介してプラズマ及び無機ＥＬ基板Ｗ２の発光を測定する（ステップＳ２５）。例えば、制御部５１は、駆動機構６４により複数枚のレンズ６３を移動させて、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内で焦点の位置を変え、発光領域内を網羅的に走査させて分光器６２により発光領域の発光を測定する。分光器６２は、測定された波長及び発光強度の測定データを制御部５１へ出力する。

制御部５１は、無機ＥＬ基板Ｗ２が未配置の状態で測定された測定データと、無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態で測定された測定データとを比較し、比較結果から、イオンエネルギーを計測し（ステップＳ２６）、処理を終了する。例えば、制御部５１は、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光領域内の位置ごとに、同じ位置で測定された無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態の測定データと無機ＥＬ基板Ｗ２が未配置の状態の測定データとの差分のデータを求める。制御部５１は、求めた差分のデータから、発光領域内の位置ごとに無機ＥＬ基板Ｗ２の発光分のデータを求める。制御部５１は、求めた発光分のデータから発光領域内の位置ごとに、無機ＥＬ基板Ｗ２に生じる電界強度を求める。制御部５１は、求めた電界強度からイオンエネルギーを計測する。

なお、制御部５１は、プラズマの発光強度のデータが別途得られている場合、無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態の測定データとプラズマの発光強度のデータとの差分のデータを求めて、電界強度を求めてもよい。また、制御部５１は、プラズマの発光量が小さい場合、無機ＥＬ基板Ｗ２を配置した状態で測定された測定データから電界強度を求めてもよい。

以上のように、実施形態に係るプラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバー１０と、支持部１１（載置台）と、ＲＦ電力供給部３０（プラズマ発生源）と、無機ＥＬ基板Ｗ２と、透過窓６０と、分光器６２と、制御部５１とを有する。支持部１１は、プラズマ処理チャンバー１０内に設けられる。ＲＦ電力供給部３０は、プラズマ処理チャンバー１０内にプラズマを生成する。無機ＥＬ基板Ｗ２は、支持部１１に載置され、電界が印加されることにより発光する。透過窓６０は、プラズマ処理チャンバー１０に設けられ、光を透過する。分光器６２は、プラズマ処理チャンバー１０外に配置され、透過窓６０を介して無機ＥＬ基板Ｗ２の発光を測定する。制御部５１は、分光器６２による測定結果からイオンエネルギーを計測する。これにより、プラズマ処理装置１は、プラズマ処理のイオンエネルギーを計測できる。

また、透過窓６０は、プラズマ処理チャンバー１０の側壁に設けられている。レンズ６３は、透過窓６０と分光器６２との間に配置され、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光する発光領域のうちの一部の領域に焦点を合わせる。これにより、プラズマ処理装置１は、無機ＥＬ基板Ｗ２の発光する発光領域内のレンズ６３で焦点を合わせた位置のイオンエネルギーを計測できる。

また、駆動機構６４は、発光領域内で焦点の位置が移動するようにレンズ６３又は分光器６２の何れか一方又は両方を駆動させる。これにより、プラズマ処理装置１は、駆動機構６４によりレンズ６３を駆動させることで、発光領域内の部分ごとにイオンエネルギーを計測でき、エネルギー分布を計測できる。

また、無機ＥＬ基板Ｗ２は、誘電体層７０と、発光層７１と、誘電体層７０および発光層７１を支持するシリコン基板７２とを有する。また、発光層７１は、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＺｎＳ：Ｍｏ、ＳｎＳ：Ｔｍ、ＳｎＳ：Ｓｍ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＣａＳ：Ｓｅの何れかを含む。これにより、無機ＥＬ基板Ｗ２は、電界が印加されることにより発光層７１が発光する。

以上、実施形態について説明してきたが、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。実に、上述した実施形態は、多様な形態で具現され得る。また、上述した実施形態は、請求の範囲及びその趣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、上述した実施形態では、駆動機構６４によりレンズ６３又は分光器６２の何れか一方又は両方を駆動させることで、焦点の位置を移動させる場合を例に説明した。しかし、これに限定されるものではない。焦点の位置を移動させることができれば、何れの構成を用いてもよい。例えば、レンズやミラーなどの光学部品を駆動させることで、焦点の位置を移動させてもよい。また、例えば、複数のレンズを光軸が異なるように配置し、これら複数のレンズで収集した光を光ファイバを介して分光器６２に供給して走査してもよい。

また、無機ＥＬ基板Ｗ２は、その他層を有してもよい。図９は、実施形態に係る無機ＥＬ基板Ｗ２の構成の他の一例を示す概略断面図である。図９に示す無機ＥＬ基板Ｗ２は、誘電体層７０と、発光層７１とに加え、発光層７１とシリコン基板７２との間に反射防止膜７３が形成されている。誘電体層７０は、厚さを数百ｎｍ（例えば、６５０ｎｍ）とし、例えば、ＳｉＯ_２により形成する。発光層７１は、厚さを数十ｎｍ（例えば、６０ｎｍ）とし、例えば、ＺｎＳ：Ｍｏにより形成する。反射防止膜７３は、厚さを数十から数百ｎｍ（例えば、１００ｎｍ）とし、例えば、アルミニウム等の金属材料により形成する。反射防止膜７３は、発光層７１の光を反射する。これにより、無機ＥＬ基板Ｗ２は、誘電体層７０側がより強く発光する。図１０は、実施形態に係る無機ＥＬ基板Ｗ２の構成の他の一例を示す概略断面図である。図１０に示す無機ＥＬ基板Ｗ２は、誘電体層７０と、発光層７１とに加え、発光層７１とシリコン基板７２との間に、反射防止膜７３及び誘電体層７４が形成されている。シリコン基板７２上には反射防止膜７３が形成されている。反射防止膜７３上には誘電体層７４が形成されている。誘電体層７０は、厚さを数百ｎｍ（例えば、６５０ｎｍ）とし、例えば、ＳｉＯ_２により形成する。発光層７１は、厚さを数十ｎｍ（例えば、６０ｎｍ）とし、例えば、ＺｎＳ：Ｍｏにより形成する。誘電体層７４は、厚さを数百ｎｍ（例えば、６５０ｎｍ）とし、例えば、ＳｉＯ_２により形成する。反射防止膜７３は、厚さを数十から数百ｎｍ（例えば、１００ｎｍ）とし、例えば、アルミニウム等の金属材料により形成する。反射防止膜７３は、発光層７１の光を反射する。この場合も、無機ＥＬ基板Ｗ２は、誘電体層７０側がより強く発光する。

本開示の技術は、任意のプラズマ処理装置に採用され得る。例えば、プラズマ処理装置１は、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively-coupled plasma）タイプや、マイクロ波といった表面波によってガスを励起させるプラズマ処理装置のように、任意のタイプのプラズマ処理装置であってもよい。

また、上記した実施形態では、プラズマ処理装置１として、プラズマエッチング処理装置を例に説明したが、開示の技術はこれに限られない。プラズマを用いる成膜装置や、改質装置等に対しても、開示の技術を適用することができる。

また、上述した実施形態では、基板を半導体ウエハとした場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。基板は、ガラス基板など、他の基板であってもよい。

なお、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。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣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。

Ｗ１ 基板
Ｗ２ 無機ＥＬ基板
１ プラズマ処理装置
１０ プラズマ処理チャンバー
１１ 支持部
１２ 上部電極シャワーヘッド
３０ ＲＦ電力供給部
６０、６１ 透過窓
６２ 分光器
６３ レンズ
６４ 駆動機構

Claims (11)

1. チャンバーと、
   前記チャンバー内に設けられた載置台と、
   前記チャンバー内にプラズマを生成するプラズマ発生源と、
   前記載置台に載置され、電界が印加されることにより発光する無機ＥＬ（Electroluminescence）基板と、
   前記チャンバーに設けられ、光を透過する透過窓と、
   前記チャンバー外に配置され、前記透過窓を介して前記無機ＥＬ基板の発光を測定する分光器と、
   分光器による測定結果からイオンエネルギーを計測する制御部と、
   を有するプラズマ計測装置。
2. 前記透過窓は、前記チャンバーの側壁に設けられ、
   前記透過窓と前記分光器との間に配置され、前記無機ＥＬ基板の発光する発光領域のうちの一部の領域に焦点を合わせるレンズを更に有する
   請求項１に記載のプラズマ計測装置。
3. 前記発光領域内で焦点の位置が移動するように前記レンズ又は前記分光器の何れか一方又は両方を駆動させる駆動機構を更に有する
   請求項２に記載のプラズマ計測装置。
4. 前記無機ＥＬ基板は、誘電体層と、発光層と、前記誘電体層および前記発光層を支持するシリコン基板とを有する
   請求項１〜３の何れか１項に記載のプラズマ計測装置。
5. 前記発光層は、ＳｒＳ：Ｃｅ、ＺｎＳ：Ｔｍ、ＺｎＳ：Ｍｏ、ＳｎＳ：Ｔｍ、ＳｎＳ：Ｓｍ、ＣａＳ：Ｅｕ、ＣａＳ：Ｓｅの何れかを含む
   請求項４に記載のプラズマ計測装置。
6. 電界が印加されることにより発光する無機ＥＬ基板が内部に設けられた載置台に配置され、光を透過する透過窓が設けられたチャンバー内にプラズマを生成する工程と、
   前記チャンバー外に配置された分光器により、前記透過窓を介して前記無機ＥＬ基板の発光を測定する工程と、
   測定結果から、イオンエネルギーを計測する工程と、
   を有するプラズマ計測方法。
7. 前記無機ＥＬ基板を前記載置台に配置する工程を含み、
   前記プラズマを生成する工程は、前記チャンバーの内部に前記無機ＥＬ基板が未配置の状態で前記チャンバー内に第１のプラズマを生成する工程と、前記チャンバーの内部に前記無機ＥＬ基板を配置した状態で前記チャンバー内に第２のプラズマを生成する工程とを有し、
   前記測定する工程は、前記第１のプラズマを生成した際に前記透過窓を介して前記無機ＥＬ基板の発光を測定する工程と、前記第２のプラズマを生成した際に前記透過窓を介して前記無機ＥＬ基板の発光を測定する工程とを有し、
   前記計測する工程は、前記第１のプラズマを生成した際に測定された第１データと前記第２のプラズマを生成した際に測定された第２データとを比較し、比較結果から、前記無機ＥＬ基板に生じた電界強度を求め、求めた電界強度からイオンエネルギーを計測する
   請求項６に記載のプラズマ計測方法。
8. 前記無機ＥＬ基板は、誘電体層と、発光層と、前記誘電体層および前記発光層を支持するシリコン基板とを有する
   請求項６または７に記載のプラズマ計測方法。
9. 前記第１のプラズマを生成する工程は、無機ＥＬが無い基板を配置した状態でプラズマを生成する
   請求項７に記載のプラズマ計測方法。
10. 前記第１のプラズマ及び前記第２のプラズマは、同種のガスで生成される
    請求項７または９に記載のプラズマ計測方法。
11. 前記測定する工程は、前記透過窓と前記分光器との間に配置され、前記無機ＥＬ基板の発光する発光領域のうちの一部の領域に焦点を合わせるレンズ、又は、前記分光器の何れか一方又は両方を前記発光領域内で焦点の位置が移動するように駆動機構により駆動させて、前記第１のプラズマを生成した際と前記第２のプラズマを生成した際に前記無機ＥＬ基板の発光をそれぞれ測定し、
    前記計測する工程は、前記発光領域内の同じ位置で測定された前記第１データと前記第２データとを比較し、比較結果から、位置ごとにイオンエネルギーを計測する
    請求項１０に記載のプラズマ計測方法。

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