JP3580538B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマにより発生する反応種を用いて試料の表面の加工、成膜等の表面処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
対向する電極間に高周波電圧を印加し、この電極間に反応ガスを導入すれば、プラズマが発生することが知られている。このプラズマにより発生するイオン、ラジカル等の反応種を試料表面に付着させることにより、試料の表面に膜形成等の表面処理を行うことができる。
【０００３】
このようなプラズマを利用して試料表面の処理を行うプラズマ処理装置が、特開平３−１４２２８号公報に開示されている。このプラズマ処理装置について、図１０〜図１２に基づいて説明する。
【０００４】
図１０に示すプラズマ処理装置は、処理室３内に、上下に対向して設けられた下部電極板５と上部電極板２ａとを有している。下部電極板５上には、被処理物４が載置される。
【０００５】
処理室３内に反応ガスを導入し、高周波電源装置６により下部電極５に高周波電圧を印加すると、処理室３内にプラズマが発生する。下部電極板５の上に載置された被処理物４には、このプラズマにより発生するイオン、ラジカル等の反応種が表面に付着等され、被処理物５表面にエッチング、成膜等の表面処理がなされる。
【０００６】
上部電極板２ａ中央部には、ハンドル１が設けられている。ハンドル１は、処理室３の上面に設けられたねじ部７に対してネジ結合されており、外部からの回転操作によって上部電極２ａの中央部が下方に押圧及び上方に牽引される。したがって、このハンドル１を回転操作させると、図１１に示すように、上部電極板２ａの中央部は、下部電極板５から離れた凹状または下部電極板５に接近する凸状に湾曲し、上部電極板２ａ及び下部電極板５に不均一なギャップ分布が形成される。上部電極板２ａ及び下部電極板５の間に発生するプラズマの密度は、各電極間の間隔により変動するので、ハンドル１を回転させることにより、被処理物３の表面における膜形成等の速度が調整され、被処理物４の表面の膜厚等を均一なものとすることができる。
【０００７】
このプラズマ処理装置によって被処理物４の表面をプラズマ処理する際のフローを、図１２に基づいて説明する。
【０００８】
まず、ハンドル１を回転操作して、上側電極板２と被処理物４との間に形成される不均一なギャップ分布の初期条件を設定し、この初期条件に基づいて被処理物４の表面を実験的にプラズマ処理する。この場合、このプラズマ処理の後に、被処理物４の表面処理の均一性を、例えば被処理物４表面に形成される膜の厚さ等に基づいて確認する（図１２のステップＳ１１参照、以下同様）。しかし、被処理物４の表面が不均一であっても、それを修正するために、ギャップ分布をどの程度変化させれば、表面処理を均一にすることができるかは、不明である（ステップＳ１２）。
【０００９】
上記初期条件によりプラズマ処理を実験的に行った結果、被処理物４の表面処理が不均一であった場合、上記初期条件におけるギャップ分布を修正し、修正したギャップ分布により被処理物４の表面を再度プラズマ処理し、処理後の被処理物４の表面が均一に処理されているか否かを評価する（ステップＳ１３及びＳ１４）。
【００１０】
このように、プラズマ処理を繰り返して、その都度、表面処理の均一性の評価を繰り返すことにより、ギャップ分布が最適条件に近づく。したがって、このような操作を任意の回数にわたって繰り返すことにより、ギャップ分布の最適条件を得ることができる（ステップＳ１５）。
【００１１】
そして、上記のギャップ分布の最適条件を求めた後に、この最適条件に基づいて、本番処理として被処理物４のプラズマ処理を行う（ステップＳ１６）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記プラズマ処理装置によって被処理物４のプラズマ処理を行う場合、ギャップ分布の最適条件を決定するために、本番処理に入るまでに実験的にプラズマ処理を繰り返し、処理後の表面処理の均一性も繰り返して確認しなければならず、本番処理を行う前に、多大な時間、費用がかかるという問題がある。
【００１３】
また、被処理物４の処理条件を変更する場合には、再度、本番処理前に実験的にプラズマ処理等を行い、ギャップ分布の最適条件を決定しなければならず、したがって、被処理物４の処理条件を変更するごとに、多大な時間、費用がかかるという問題がある。
【００１４】
さらに、ギャップ分布の最適条件を決定した後に本番処理を行っても、大量生産ライン中において、被処理物４のプラズマ処理を繰り返した場合に（ステップＳ１７）、プラズマ処理装置の電極の損傷、汚染、磨耗等が発生するとともに、経時的に電極の損害等が広がるおそれがある（ステップＳ１８）。この場合には、本番処理前に決定したギャップ分布の最適条件が徐々に損なわれ、被処理物４の表面処理が経時的に不均一化するおそれがある。また、この場合に、電極交換、装置洗浄、その他メンテナンスにより、もとのギャップ分布の最適条件に戻すことができるが（ステップＳ１９）、電極交換等のためにプラズマ処理を休止しなければならないため、処理効率が低下する。
【００１５】
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本番のプラズマ処理を行うまでに時間及び費用がかからず、また、処理効率の向上を図ることができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のプラズマ処理装置は、表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理装置であって、前記反応種による前記試料の表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、または、その表面処理の際に発生する該試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするモニタリング手段と、前記ギャップを形成するように該試料の表面に対向して設けられたギャップ形成面を、該試料の表面における該ギャップの分布が変化するように変形させるギャップ分布調整手段と、前記モニタリング手段のモニタリング結果に基づいて、該試料の表面における前記パラメーターまたは試料の特性の分布が均一になるように該ギャップ分布調整手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置は、表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理装置であって、前記反応種による前記試料の表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、または、その表面処理の際に発生する該試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするモニタリング手段と、前記試料が載置される面を、該ギャップの分布が該試料の表面において変化するように、該試料とともに変形させるギャップ分布調整手段と、前記モニタリング手段のモニタリング結果に基づいて、該試料の表面における前記パラメーターまたは試料の特性の分布が均一になるように該ギャップ分布調整手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
前記モニタリング手段は、プラズマの発光強度分布をモニタリングする。
前記試料上に形成されるギャップをＧとすると、このＧは、
【数１】
を満たす範囲であることを特徴とする（ただし、Ｈは試料または試料に対向するギャップ形成面の厚さ、Ｌは特性値分布が存在する方向の試料または試料に対向するギャップ形成面の長さ、Ｅは試料またはギャップ形成面材料のヤング率、σpは試料またはギャップ形成面材料の比例限を示す。）。
前記モニタリング手段は、前記試料の表面における屈折率分布または反射率分布をモニタリングする。
本発明のプラズマ処理方法は、表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理方法であって、前記反応種による前記表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、もしくは、その表面処理の際に発生する前記試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするステップと、そのモニタリングにより得られた該試料の表面における前記パラメーターまたは前記試料の特性の分布が、該試料の表面において均一になるように、該試料の表面における前記ギャップの分布を演算するステップと、その演算結果によって得られた前記ギャップの分布となるように、前記試料の表面における前記ギャップの分布を調整するステップと、を包含する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明のプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。図２はプラズマＰが発生するギャップ形成面１１ａと接地電極１２との間を拡大して示した拡大図である。
【００２４】
プラズマ処理装置１０は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、接地された接地電極１２と、接地電極１２の上方に配置され、高周波電圧を印加する電源１６に接続された印加電極１１とを有している。
【００２５】
印加電極１１は、接地電極１２に対向して配置されるギャップ形成面１１ａを有する中空状に形成されており、この中空状に形成された印加電極１１とギャップ形成面１１ａとの間には、ギャップ分布調整部１５が設けられている。このギャップ分布調整部１５は、上下方向に延びるロッド１５ａとこのロッド１５ａを上下方向に移動可能に保持するシリンダ１５ｂとを有している。ギャップ分布調整部１５のロッド１５ａの下端は、ギャップ形成面１１ａの略中央部の上面に取り付けられており、ギャップ分布調整部１５は、制御部１９によって、ロッド１５ａが上下方向にスライドするように制御される。制御部１９によってロッド１５ａが下方にスライドされて、ロッド１５ａがギャップ形成面１１ａを下方に押圧すると、図１（Ａ）に示すように、ギャップ形成面１１ａは、下方に突出するように湾曲する。また、ロッド１５ａがギャップ形成面１１ａを上方に牽引すると、図１（Ｂ）に示すように、ギャップ形成面１１ａは、上方に突出するように湾曲する。
【００２６】
接地電極１２及び印加電極１１のギャップ形成面１１ａの側方には、分布モニタリング手段１８が設けられている。この分布モニタリング手段１８は、例えば、レーザー光を試料１３の表面に照射し、この反射光の楕円偏光を解析することにより膜厚及び屈折率をモニタリングすることができる。また、加工量分布を測定する際には、適時、測定方法を設置する。
【００２７】
分布モニタリング手段１８は、ギャップ分布調整部１５を制御する制御部１９に接続されており、この制御部１９は、分布モニタリング手段１８のモニタリング結果に基づいてギャップ分布調整部１５を制御する。
【００２８】
次に、プラズマ処理装置の動作について説明する。
【００２９】
接地電極１２とギャップ形成面１１ａとの間に反応ガスを充填し、電源１６の電力を印加電極１１に印加すると、印加電極１１のギャップ形成面１１ａと接地電極１２との間には、充填された反応ガスに基づくプラズマＰが発生する。このプラズマＰによって発生するイオン、ラジカル等の反応種によって、試料１３の表面に、図２に示すように、膜１７が形成される。
【００３０】
通常、試料１３の表面に膜１７を形成する場合、プラズマＰが発生する印加電極１１と接地電極１２との間隙における温度分布、反応ガス濃度分布、流量分布が一定でないこと、また電源が高周波電源である場合には定在波分布等が一定でないこと等が原因となり、試料１３の表面上の膜１７には、試料１３の表面をｘ−ｙ平面とすると、不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が発生する。このような膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）の発生は、試料１３の表面積が大きくなるほど顕著になる。
【００３１】
分布モニタリング部１８は、試料１３上に膜１７を形成するプロセスにおいて、試料１３の表面上の膜１７の膜厚をモニタリングする。試料１３表面上の膜厚のモニタリング結果に基づく出力信号は、制御部１９に出力され、制御部１９は、分布モニタリング部１８の出力信号により、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）及び膜形成速度分布ｄｋ（ｘ、ｙ）／ｄｔを算出する。制御部１９は、これらの演算結果に基づいて、ギャップ分布調整部１５を制御する。
【００３２】
ここで、ギャップ分布調整部１５のロッド１５ａの上下の移動により湾曲されるギャップ形成面１１ａと試料１３間の不均一なギャップ分布をｇ（ｘ、ｙ）で表す。
【００３３】
例えば、分布モニタリング部１８が試料１３表面の膜厚をモニタリングした結果、試料１３の中央部分における膜厚がその周辺部分の膜厚より薄いという膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が発生した場合、制御部１９は、ギャップ分布調整部１５を制御して、図１（Ａ）に示すように、試料１３の中央部分でギャップが狭くなるようなギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成する。
【００３４】
このようなギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成すると、試料１３の中央部分の電界強度がその周辺部分より大きくなるため、試料１３の中央部でのプラズマＰによる反応種の発生が活性化され、試料１３の中央部分での膜形成速度ｄｋ（ｘ、ｙ）／ｄｔが大きくなる。このため、全体にわたって均一な膜１７が形成される。なお、試料１３の中央部分をその周囲より狭いギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）とする場合には、試料１３の中央部分の反応ガス流量が減少することを考慮する必要がある。
【００３５】
また、逆に、試料１３の中央部分の膜厚がその周囲の膜厚よりも厚くなるような膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が発生した場合、制御部１９はギャップ分布調整部１５を制御し、図１（Ｂ）に示すように、試料１３の中央部分のギャップがその周囲のギャップよりも広くなるようなギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）とすることによって、試料１３の中央部分の電界強度を低下させる。電界強度の低下により、試料１３の中央部分の成膜速度が減少し、全体として均一な膜厚の膜１７を得ることができる。この場合も上記と同様に、試料１３の中央部分に広いギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成することにより、試料１３の中央部分における反応ガス流量が増加する事も考慮しなければならない。
【００３６】
このように、ギャップ分布調整部１５を制御することにより、試料１３とギャップ形成面１１ａとの間に不均一なギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成することができるので、試料１３上に温度分布等が発生しても、適当なギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成することにより、プラズマＰが発生している試料１３表面上の電界分布、流量分布等を調整することができ、試料１３表面に形成される膜１７の膜厚を均一にすることができる。
【００３７】
次に、プラズマ処理装置１により、試料１３の表面をプラズマ処理する際のフローを、図９に基づいて説明する。
【００３８】
まず、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）の初期条件を設定し、この初期条件に基づいて試料１３の表面をプラズマ処理する（図９のステップＳ１参照、以下同様）。この初期条件によって試料１３の表面にプラズマ処理を行った場合に、膜１７に不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が発生するが、試料１３の膜厚を均一なものに修正するために、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）をどの程度変動させれば均一な膜厚が得られるかは、従来と同様に、不明である（ステップＳ２）。このために適当に調整されたギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）により、試料１３の表面をプラズマ処理する（ステップＳ３）。
【００３９】
試料１３の表面をプラズマ処理している間、分布モニタリング部１８は、試料１３表面上に形成される膜１７の膜厚を常時モニタリングする（ステップＳ４）。そして、分布モニタリング部１８の出力信号は、制御部１９に入力され、制御部１９は、膜１７の膜厚を全体にわたって均一にするために最適のギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を演算し、ギャップ分布調整部１５のロッド１５ａを上下に移動させることによって、ギャップ形成面１１ａを上下に湾曲させて、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整する（ステップＳ５）。これにより、試料１３の表面の膜厚は均一に形成される。
【００４０】
このように、本実施の形態１のプラズマ処理装置１においては、本番処理時において、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）を均一化させるギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）の最適条件を決定するために、予備的なプラズマ処理及び膜厚の評価を繰り返す必要がない。したがって、本番処理のプロセスに入るまでの時間、及びコストを低減することができる。
【００４１】
また、実験条件が変更されるごとに均一な膜厚を得るためのギャップ分布ｋ（ｘ、ｙ）の最適条件を決定する必要がないので、処理条件を変更した場合にも、すぐに本番処理に入ることができ、本番処理のプロセスに入るまでの時間、及びコストを低減することができる。
【００４２】
さらに、分布モニタリング部１５が試料１３の膜厚をモニタリングし、制御部１９の制御によりギャップ分布調整部１５がギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整するので、大量生産ライン中で試料１３のプラズマ処理プロセスを繰り返し行う際に、電極損傷、反応容器内の汚染、その他磨耗等が発生した場合においても、試料１３の表面の膜厚を均一に調整することができる。このために、電極の交換、反応容器の洗浄、その他のメンテナンスを適宜実施する場合に（ステップＳ６）、そのメンテナンス時間をプロセス稼動時間に対して短くすることができ、生産効率が向上する。
【００４３】
なお、分布モニタリング部１８は試料１３表面の膜厚と関連のある他のパラメータの分布をモニタリングし、このパラメータの分布をモニタリングすることによりギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整しても良い。例えば、プラズマＰ中の反応種の発光強度分布、レーザー吸収分布などのプラズマパラメーターの分布をモニタリングし、このプラズマパラメータ分布が均一になるようにギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整してもよい。
【００４４】
特に、プラズマＰにより、試料１３表面上にＳｉ膜を形成する場合、図８に示されるように、ＳｉＨラジカル及びＳｉラジカルの発光強度（図８において横軸）とＳｉ膜成膜速度（図８において縦軸）とがほぼ比例関係になっていることが分かっているので、分布モニタリング部１８がＳｉＨラジカルまたはＳｉラジカルの発光して、一定の発光強度になるようにギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整することにより、Ｓｉ膜の膜形成速度を一定にすることができ、試料１３の表面に均一な膜厚のＳｉ膜を形成することができる。
【００４５】
また、同様に、膜１７の屈折率、反射率等が膜厚に関連している場合には、分布モニタリング手段１５は、屈折率分布、反射率分布等をモニタリングして、そのモニタリング結果に基づいてギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整するすることにより、試料１３の表面に形成される膜１７の膜厚を均一にすることができる。
【００４６】
図３及び図４は、実施の形態１の他の例のプラズマ処理装置を示している。すなわち、図３は、複数のギャップ調整手段を有するプラズマ処理装置２０の概略を示し、図４は、ギャップ形成面を接地電極側に有するプラズマ処理装置３０の概略を示している。
【００４７】
図３に示すプラズマ処理装置２０は、印加電極１１の内部に複数のギャップ分布調整部１５を有している。その他の構成は、図１に示すプラズマ処理装置１０と同じであるので、詳しい説明は省略する。
【００４８】
このプラズマ処理装置２０は、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）のモニタリング結果に基づいて、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を複数箇所で調整することができるので、試料１３上の膜１７の膜厚の均一性をさらに向上させることができる。
【００４９】
図４に示すプラズマ処理装置３０は、接地電極１２がギャップ形成面１２ａを有する中空状に形成されており、内部にギャップ形成面１２ａを上下方向に湾曲させるギャップ分布調整部１５が設けられている。印加電極１１は接地電極１２のギャップ形成面１２ａの上側に対向して設けられている。他の構成は、図１に示すプラズマ処理装置１０と同様である。
【００５０】
このプラズマ処理装置３０は、試料１３が載置されるギャップ形成面１２ａを上下に湾曲させることができるので、試料１３がフレキシブル基板等の場合には、ギャップ形成面１２ａと共に試料１３も湾曲させることができ、これにより、試料１３と印加電極１１と間に形成されるギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を容易に調整することができる。
【００５１】
このような構成のプラズマ処理装置３０において、試料１３にかかる力とギャップ形成面１０２ａの変形量及びその変形量とギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）との関係について説明する。
【００５２】
図７（Ａ）は、試料１３にかかる力ｆとこの力ｆによる試料１３の変形量分布ｗ（ｘ１、ｙ１）の関係を表す概念図である。ｘ１、ｙ１、ｚ１は、図７（Ｂ）に示すように、試料１３が平坦な時における３次元座標を表している。また、試料１３は、縦方向（ｙ１軸方向）にＭ、横方向（ｚ１軸方向）にＬ、厚さ方向（ｚ１軸方向）にＨの寸法を有している。試料１３にかかる力ｆは、ｚ１軸方向にのみかかり、試料１３に均等にかかっているとする。ただし、力ｆはｘ１方向の単位長さあたりの力である。ｗ（ｘ１、ｙ１）は力ｆによる試料１０３のｚ１軸方向への変形量分布を示す。
【００５３】
試料１３は接地電極１２のギャップ形成面１２ａに装着されている。
【００５４】
ここで、説明を簡単にするため、ギャップ形成面１２ａは、ｙ１方向には一様な変形量となっており、変化量分布を持っていないものとし、試料１３には、ｚ１方向成分のみの均等な力ｆがかかっているものとする。
【００５５】
この時、試料１３の形状及び試料１３にかかる力ｆは、ｙ１方向には一様であるので、試料１３の変形量分布ｗ（ｘ１、ｙ１）は、ｙ１方向には一様であり、ｘ１向にのみ分布を有する。この変形量分布ｗ（ｘ１、ｙ１）は、次の（１）式で表される。
【００５６】
【数３】
ただし、Ｅは試料１３のヤング率である。
【００５７】
この（１）式により、最大変形量ｗｍａｘは、ｘ１＝Ｌ／２の位置において、次の（２）式で表される。
【００５８】
【数４】
また、試料１３にかかる最大曲げ応力ｋｍａｘは試料１３中央の最外縁の位置において、次の（３）式で表される。
【００５９】
【数５】
ここで、試料１３は表面に膜１７を形成した後に、もとの平坦な状態に戻らなければならないので、試料１３の弾性限をσｐとすると、弾性限度において試料１３にかかっている力ｆｍａｘは、ｋｍａｘにσｐを代入し、ｆについて解けばよく、次の（４）式によって得られる。
【００６０】
【数６】
したがって、弾性変形によって実現できる最大変形量ｗｍａｘは、（２）式に（４）式を代入することにより、次の（５）式によって得られる。
【００６１】
【数７】
この最大変形量ｗｍａｘは、試料１３の材質に基づく値、Ｅ（ヤング率）及び弾性限σｐと、試料の大きさ、Ｌ（横寸法）、Ｈ（厚さ寸法）とによって決まるので、試料１３の材質と大きさにより決まる値である。
【００６２】
この最大変形量ｗｍａｘが、試料１３と印加電極１１との間のギャップＧに比べて比較できる程度の大きさを有するとき、すなわち、次の（６）式によって規定される範囲にギャップＧが設定されれば、試料１３を最大変形量ｗｍａｘに変形させたときに、試料１３表面上の膜１７の膜厚を均一にすることができる。
【００６３】
【数８】
また、上記のように設定されるギャップＧの範囲は、図４に示すプラズマ処理装置３０のように、試料１３を直接変形させる場合に適用したものであるが、図１に示すプラズマ処理装置１０のように、印加電極１２側のギャップ形成面１２ａを弾性変形させる場合においても同様に適用できる。ただし、図１に示すプラズマ処理装置１０の場合には、印加電極１２側のギャップ形成面１２ａを変形させているので、変形は弾性変形に限定されず、塑性変形域まで許容される場合を考慮しなければならない。その場合、印加電極１２側のギャップ形成面１２ａが破断しないようにするため、印加電極１２側のギャップ形成面１２ａを変形させることにより、試料１３表面の膜１７の膜厚の均一化に効果が現れるギャップＧの範囲は、（６）式中の弾性限σｐを引張り強さσｔに置き換えることによって、次の（７）式によって得られる。
【００６４】
【数９】
【００６５】
（実施の形態２）
実施の形態２のプラズマ処理装置について、図面に基づいて、具体的に説明する。
【００６６】
図５は、実施の形態２に係るリモートプラズマ処理装置４０を示す概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示している。
【００６７】
このリモートプラズマ処理装置４０は、高周波電圧を印加する電源１６に接続された印加電極１１を上側、地面に接地した接地電極１２を下側とする対向する一対の電極を有しており、電源１６により印加電極１１に電圧が印加されると、印加電極１１と接地電極１２との間にプラズマＰを発生する。
【００６８】
接地電極１２の側方（図５（ａ）において左側））には、接地電極１２に連続して、試料１３を載置する載置板４１が設けられている。この載置板４１の上方には、載置板４１に対向するギャップ形成面１２ａが、印加電極１１に連続して設けられている。ギャップ形成面１２ａは、中空のボックス４２の下面に形成されており、ボックス４２内には、ギャップ形成面１２ａを上下に湾曲させる３つのギャップ分布調整部１５が、所定の間隔をあけて設けられている。
【００６９】
ギャップ分布調整部１５は、図１に示すプラズマ処理装置１０と同様の構成になっており、各ギャップ分布調整部１５は、分布モニタリング部１８にてモニタリングされる膜厚分布に基づいて制御部１９により制御される。
【００７０】
次に、このプラズマ処理装置４０の動作について説明する。
【００７１】
電源１６により高周波電圧を印加電極１１に印加すると、印加電極１１と接地電極１２との間に予め充填された所望の反応ガスに基づくプラズマＰが発生される。このプラズマＰによって、イオン、ラジカル等の反応種が発生し、この反応種は、拡散流によって、印加電極１１及び接地電極１２に連続して設けられたギャップ形成面１２ａ及び載置板４１間に流れ、試料１３上に流れる反応種によって、試料１３上に膜１７が形成される。この場合、試料１３上に流れるイオン、ラジカル量は載置板４１上の全面にわたって均一にはならず、試料１３表面の座標（ｘ、ｙ）において、不均一な供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が発生するため、試料１３上に形成される膜１７も不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）になる。
【００７２】
分布モニタリング部１８は、試料１３上に膜１７を形成するプロセスにおいて、試料１３の表面上の膜１７の膜厚をモニタリングしており、試料１３表面上の膜厚のモニタリング結果に基づく出力信号は、制御部１９に出力される。制御部１９は、分布モニタリング部１８の出力信号により、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）及び膜形成速度分布ｄｋ（ｘ、ｙ）／ｄｔを算出する。制御部１９は、これらの演算結果に基づいて、各ギャップ分布調整部１５をそれぞれ制御する。
【００７３】
ここで、試料１３表面上の反応種の供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）は、プラズマＰ中における反応種の密度分布ｎ（ｘ、ｙ）と試料１３上の流量分布ｕ（ｘ，ｙ）の積によって次の（８）式にて表す事ができる。なお、Ａは、定数であるが、試料１３の温度分布等によって変動する。
【００７４】
【数１０】
分布モニタリング部１８のモニタリングに基づき、制御部１９が試料１３の中央部分の膜厚が薄いと判断した場合、制御部１９は、ギャップ分布調整部１５をそれぞれ制御して試料１３の中央部分のギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を広くする。これにより、試料１３の中央部分の反応種の流量分布ｕ（ｘ、ｙ）が増大することにより、試料１３の中央部分における反応種の供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が増大し、試料１３の表面の全体にわたる供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が均一になって、試料１３の表面の膜厚が均一にされる。
【００７５】
分布モニタリング部１８のモニタリングに基づき、試料１３の中央部分の膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が薄いと判断した場合は、同様にギャップ分布調整部１５をそれぞれ制御することにより、試料１３の中央部分のギャップを狭くする。これにより、流量分布ｕ（ｘ、ｙ）が減少して、全体として試料表面に対する供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が均一になり、試料１３の表面の膜厚が均一にされる。
【００７６】
次に、図６に示すリモートプラズマ処理装置５０について説明する。
【００７７】
このリモートプラズマ処理装置５０は、試料１３が載置されるギャップ形成面１２ａを上面に有する中空のボックス４２を有しており、このボックス４２内に３つのギャップ分布調整部１５が所定の間隔をあけて設けられている。各ギャップ分布調整部１５は、図１に示すプラズマ処理装置１０のギャップ分布調整部１５の構成と同じである。ボックス４２の上方には、それぞれ垂直な状態で相互に対向して設けられた一対の電極１１及び１２を有しており、各電極１１及び１２は、互いに高周波電圧を印加する電源１６に接続されている。この電極１１及び１２間に所望の反応ガスを導入し、両電極１１及び１２間に電源１６から高周波電圧を印加することにより、プラズマＰが発生され、このプラズマＰによりイオン、ラジカル種等の反応種が発生する。発生した反応種は、試料１３上に流れる。
【００７８】
各ギャップ分布調整部１５は、試料１３上に形成される膜１７の膜厚をモニタリングする分布モニタリング手段１８のモニタリング結果に基づいて、それぞれ制御部１９によって制御される。
【００７９】
次に、このような構成のリモートプラズマ処理装置５０の動作について説明する。
【００８０】
電極１１と電極１２との間に所望の反応ガスを導入し、高周波電源１６により、各電極１１及び１２に電圧を印加すると、電極１１と電極１２との間には、プラズマＰが発生する。このプラズマＰにより発生するイオン、ラジカル種等の反応種は、拡散流によって、試料１３表面上にまで流れ、試料１３上に膜１７を形成する。
【００８１】
この場合、試料１３上に流れていくイオン、ラジカル量は、試料１３の全面にわたって均一にはならず、試料１３表面の座標（ｘ、ｙ）において、不均一な供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が発生するため、試料１３上には形成される膜１７も不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）となる。
【００８２】
分布モニタリング部１８は、試料１３上に膜１７を形成するプロセスにおいて、試料１３の表面上の膜１７の膜厚を常時モニタリングする。試料１３表面上の膜厚のモニタリング結果に基づく出力信号は、制御部１９に出力され、制御部１９は、分布モニタリング部１８の出力信号により、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）及び膜形成速度分布ｄｋ（ｘ、ｙ）／ｄｔを算出する。制御部１９は、これらの演算結果に基づいて、各ギャップ分布調整部１５をそれぞれ制御する。
【００８３】
このリモートプラズマ処理装置５０は、図５に示すリモートプラズマ処理装置４０と同様に、試料１３上に生じる温度分布、流量分布等の反応種密度分布等によって生じる不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）を各ギャップ分布調整部１５によってギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整することによって調整している。各ギャップ分布調整部１５によってギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整すると、試料１３表面上に生じる流量分布ｕ（ｘ，ｙ）が調整され、試料１３表面上の供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が試料１３の表面の全体にわたって均一になり、その結果、試料１３表面の膜厚を均一にすることができる。
【００８４】
このように、印加電極１１と接地電極１２との間にプラズマＰを発生させ、拡散流によってプラズマＰにより発生するイオン、ラジカル等の反応種を試料１３上に流す構成としても、温度分布、流量分布等によるプラズマＰの反応種密度分布等の不均一によって生じる不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）を、各ギャップ分布調整部１５を調整することにより、流量分布等が変化するため、試料１３表面上の膜厚を均一にすることができる。
【００８５】
本発明のプラズマ処理装置１〜３及びリモートプラズマ処理装置４及び５は、上記のように、試料１３の表面の膜厚を均一にする場合に限らず、試料１３表面の膜厚や膜質等の膜特性値分布を均一にする場合、プラズマエッチング等の加工における加工量分布等の加工特性値を均一にする場合、または、試料１３の表面処理における処理特性を均一にする場合等においても同様に行うことができる。
【００８６】
また、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を決定する際に、分布モニタリング手段１８によりモニタリングする表面処理のパラメーター及び試料１３の特性値は、上記実施の形態に示したものに限らず、反応種の発光分光、吸収分光等の表面反応の主となる反応種に関するモニタリングを行うものでもよい。例えば、フッ素系のガスを用いたエッチングであれば、フッ素系を含む反応種の発光分光、吸収分光等に関してモニタリングを行うことができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したことからも明らかなように、本発明は、プラズマＰにより発生する反応種により、試料表面を処理する場合に、モニタリング手段が試料の膜厚等をモニタリングし、このモニタリング手段によるモニタリング結果に基づいて、制御手段がギャップ分布調整部を制御して、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整するので、試料表面の処理を行いながら試料表面の特性値分布を均一にすることができる。このため、プラズマ処理を行う前に、予備的な実験・評価を繰り返し行う必要がない。したがって、プラズマ処理を行うまでの時間、及びコストを低減することができる。
【００８８】
また、処理条件が変更されるごとに試料表面の処理を行うための最適条件を決定する必要がないので、処理条件を変更した場合にも、プラズマ処理を行うまでの時間、及びコストを低減することができる。
【００８９】
また、大量生産ライン中で試料のプラズマ処理を繰り返し行う際に、電極損傷、反応容器内の汚染、その他の磨耗等が累積した場合においても、予め、決定されたギャップ分布の最適条件でプラズマ処理を行うものではなく、プラズマ処理を行う都度、モニタリング手段が試料の特性値分布をモニタリングし、制御手段によりギャップ分布調整部がギャップ分布を調整するので、特性値分布を均一にすることができ、したがって、メンテナンス時間に対するプロセス稼動時間を長くすることができ、歩留まりが向上する。
【００９０】
また、試料を変形させるようにすることにより、試料に対向する電極を変形させることが困難な場合においても試料の特性値分布を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るプラズマ処理装置１の概略を示す概略図である。（Ａ）は、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を試料の中央部分で狭くした場合、（Ｂ）は、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を試料の中央部分で広くした場合を示す。
【図２】図１の概略図において、プラズマＰ付近を拡大した拡大図である。
【図３】実施の形態１のプラズマ装置の他の例を示す概略図である。
【図４】実施の形態１のプラズマ処理装置の他の例を示す概略図である。
【図５】実施の形態２に係るリモートプラズマ処理装置の概略を示す概略図である。
【図６】実施の形態２のプラズマ装置の他の例を示す概略図である。
【図７】試料にかかる力ｆと試料の変形量分布ｗ（ｘ１、ｙ１）の関係を表す概念図である。
【図８】ＳｉＨラジカル発光強度とＳｉ膜成膜速度の関係を表す図である。
【図９】均一な膜厚分布を得るための電極形状の決定方法のフロー図である。
【図１０】従来のプラズマ処理装置の概略図である。
【図１１】従来のプラズマ処理装置の概略図である。
【図１２】従来のプラズマ処理装置によって、試料のプラズマ処理を行う際のフロー図である。
【符号の説明】
１０ プラズマ処理装置
１１ 印加電極
１１ａ ギャップ形成面
１２ 接地電極
１３ 試料
１５ ギャップ分布調整部
１６ 電源
１８ 分布モニタリング部
１９ 制御部
ｇ（ｘ、ｙ） 印加電極１１のギャップ形成面１１ａと，接地電極１２との間のギャップ分布
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマにより発生する反応種を用いて試料の表面の加工、成膜等の表面処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
対向する電極間に高周波電圧を印加し、この電極間に反応ガスを導入すれば、プラズマが発生することが知られている。このプラズマにより発生するイオン、ラジカル等の反応種を試料表面に付着させることにより、試料の表面に膜形成等の表面処理を行うことができる。
【０００３】
このようなプラズマを利用して試料表面の処理を行うプラズマ処理装置が、特開平３−１４２２８号公報に開示されている。このプラズマ処理装置について、図１０〜図１２に基づいて説明する。
【０００４】
図１０に示すプラズマ処理装置は、処理室３内に、上下に対向して設けられた下部電極板５と上部電極板２ａとを有している。下部電極板５上には、被処理物４が載置される。
【０００５】
処理室３内に反応ガスを導入し、高周波電源装置６により下部電極５に高周波電圧を印加すると、処理室３内にプラズマが発生する。下部電極板５の上に載置された被処理物４には、このプラズマにより発生するイオン、ラジカル等の反応種が表面に付着等され、被処理物５表面にエッチング、成膜等の表面処理がなされる。
【０００６】
上部電極板２ａ中央部には、ハンドル１が設けられている。ハンドル１は、処理室３の上面に設けられたねじ部７に対してネジ結合されており、外部からの回転操作によって上部電極２ａの中央部が下方に押圧及び上方に牽引される。したがって、このハンドル１を回転操作させると、図１１に示すように、上部電極板２ａの中央部は、下部電極板５から離れた凹状または下部電極板５に接近する凸状に湾曲し、上部電極板２ａ及び下部電極板５に不均一なギャップ分布が形成される。上部電極板２ａ及び下部電極板５の間に発生するプラズマの密度は、各電極間の間隔により変動するので、ハンドル１を回転させることにより、被処理物３の表面における膜形成等の速度が調整され、被処理物４の表面の膜厚等を均一なものとすることができる。
【０００７】
このプラズマ処理装置によって被処理物４の表面をプラズマ処理する際のフローを、図１２に基づいて説明する。
【０００８】
まず、ハンドル１を回転操作して、上側電極板２と被処理物４との間に形成される不均一なギャップ分布の初期条件を設定し、この初期条件に基づいて被処理物４の表面を実験的にプラズマ処理する。この場合、このプラズマ処理の後に、被処理物４の表面処理の均一性を、例えば被処理物４表面に形成される膜の厚さ等に基づいて確認する（図１２のステップＳ１１参照、以下同様）。しかし、被処理物４の表面が不均一であっても、それを修正するために、ギャップ分布をどの程度変化させれば、表面処理を均一にすることができるかは、不明である（ステップＳ１２）。
【０００９】
上記初期条件によりプラズマ処理を実験的に行った結果、被処理物４の表面処理が不均一であった場合、上記初期条件におけるギャップ分布を修正し、修正したギャップ分布により被処理物４の表面を再度プラズマ処理し、処理後の被処理物４の表面が均一に処理されているか否かを評価する（ステップＳ１３及びＳ１４）。
【００１０】
このように、プラズマ処理を繰り返して、その都度、表面処理の均一性の評価を繰り返すことにより、ギャップ分布が最適条件に近づく。したがって、このような操作を任意の回数にわたって繰り返すことにより、ギャップ分布の最適条件を得ることができる（ステップＳ１５）。
【００１１】
そして、上記のギャップ分布の最適条件を求めた後に、この最適条件に基づいて、本番処理として被処理物４のプラズマ処理を行う（ステップＳ１６）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記プラズマ処理装置によって被処理物４のプラズマ処理を行う場合、ギャップ分布の最適条件を決定するために、本番処理に入るまでに実験的にプラズマ処理を繰り返し、処理後の表面処理の均一性も繰り返して確認しなければならず、本番処理を行う前に、多大な時間、費用がかかるという問題がある。
【００１３】
また、被処理物４の処理条件を変更する場合には、再度、本番処理前に実験的にプラズマ処理等を行い、ギャップ分布の最適条件を決定しなければならず、したがって、被処理物４の処理条件を変更するごとに、多大な時間、費用がかかるという問題がある。
【００１４】
さらに、ギャップ分布の最適条件を決定した後に本番処理を行っても、大量生産ライン中において、被処理物４のプラズマ処理を繰り返した場合に（ステップＳ１７）、プラズマ処理装置の電極の損傷、汚染、磨耗等が発生するとともに、経時的に電極の損害等が広がるおそれがある（ステップＳ１８）。この場合には、本番処理前に決定したギャップ分布の最適条件が徐々に損なわれ、被処理物４の表面処理が経時的に不均一化するおそれがある。また、この場合に、電極交換、装置洗浄、その他メンテナンスにより、もとのギャップ分布の最適条件に戻すことができるが（ステップＳ１９）、電極交換等のためにプラズマ処理を休止しなければならないため、処理効率が低下する。
【００１５】
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本番のプラズマ処理を行うまでに時間及び費用がかからず、また、処理効率の向上を図ることができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のプラズマ処理装置は、表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理装置であって、前記反応種による前記試料の表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、または、その表面処理の際に発生する該試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするモニタリング手段と、前記ギャップを形成するように該試料の表面に対向して設けられたギャップ形成面を、該試料の表面における該ギャップの分布が変化するように変形させるギャップ分布調整手段と、前記モニタリング手段のモニタリング結果に基づいて、該試料の表面における前記パラメーターまたは試料の特性の分布が均一になるように該ギャップ分布調整手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理装置は、表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理装置であって、前記反応種による前記試料の表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、または、その表面処理の際に発生する該試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするモニタリング手段と、前記試料が載置される面を、該ギャップの分布が該試料の表面において変化するように、該試料とともに変形させるギャップ分布調整手段と、前記モニタリング手段のモニタリング結果に基づいて、該試料の表面における前記パラメーターまたは試料の特性の分布が均一になるように該ギャップ分布調整手段を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
前記モニタリング手段は、プラズマの発光強度分布をモニタリングする。
前記試料上に形成されるギャップをＧとすると、このＧは、
【数１】
前記モニタリング手段は、前記試料の表面における屈折率分布または反射率分布をモニタリングする。
本発明のプラズマ処理方法は、表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理方法であって、前記反応種による前記表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、もしくは、その表面処理の際に発生する前記試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするステップと、そのモニタリングにより得られた該試料の表面における前記パラメーターまたは前記試料の特性の分布が、該試料の表面において均一になるように、該試料の表面における前記ギャップの分布を演算するステップと、その演算結果によって得られた前記ギャップの分布となるように、前記試料の表面における前記ギャップの分布を調整するステップと、を包含する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明のプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。図２はプラズマＰが発生するギャップ形成面１１ａと接地電極１２との間を拡大して示した拡大図である。
【００２４】
プラズマ処理装置１０は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、接地された接地電極１２と、接地電極１２の上方に配置され、高周波電圧を印加する電源１６に接続された印加電極１１とを有している。
【００２５】
印加電極１１は、接地電極１２に対向して配置されるギャップ形成面１１ａを有する中空状に形成されており、この中空状に形成された印加電極１１とギャップ形成面１１ａとの間には、ギャップ分布調整部１５が設けられている。このギャップ分布調整部１５は、上下方向に延びるロッド１５ａとこのロッド１５ａを上下方向に移動可能に保持するシリンダ１５ｂとを有している。ギャップ分布調整部１５のロッド１５ａの下端は、ギャップ形成面１１ａの略中央部の上面に取り付けられており、ギャップ分布調整部１５は、制御部１９によって、ロッド１５ａが上下方向にスライドするように制御される。制御部１９によってロッド１５ａが下方にスライドされて、ロッド１５ａがギャップ形成面１１ａを下方に押圧すると、図１（Ａ）に示すように、ギャップ形成面１１ａは、下方に突出するように湾曲する。また、ロッド１５ａがギャップ形成面１１ａを上方に牽引すると、図１（Ｂ）に示すように、ギャップ形成面１１ａは、上方に突出するように湾曲する。
【００２６】
接地電極１２及び印加電極１１のギャップ形成面１１ａの側方には、分布モニタリング手段１８が設けられている。この分布モニタリング手段１８は、例えば、レーザー光を試料１３の表面に照射し、この反射光の楕円偏光を解析することにより膜厚及び屈折率をモニタリングすることができる。また、加工量分布を測定する際には、適時、測定方法を設置する。
【００２７】
分布モニタリング手段１８は、ギャップ分布調整部１５を制御する制御部１９に接続されており、この制御部１９は、分布モニタリング手段１８のモニタリング結果に基づいてギャップ分布調整部１５を制御する。
【００２８】
次に、プラズマ処理装置の動作について説明する。
【００２９】
接地電極１２とギャップ形成面１１ａとの間に反応ガスを充填し、電源１６の電力を印加電極１１に印加すると、印加電極１１のギャップ形成面１１ａと接地電極１２との間には、充填された反応ガスに基づくプラズマＰが発生する。このプラズマＰによって発生するイオン、ラジカル等の反応種によって、試料１３の表面に、図２に示すように、膜１７が形成される。
【００３０】
通常、試料１３の表面に膜１７を形成する場合、プラズマＰが発生する印加電極１１と接地電極１２との間隙における温度分布、反応ガス濃度分布、流量分布が一定でないこと、また電源が高周波電源である場合には定在波分布等が一定でないこと等が原因となり、試料１３の表面上の膜１７には、試料１３の表面をｘ−ｙ平面とすると、不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が発生する。このような膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）の発生は、試料１３の表面積が大きくなるほど顕著になる。
【００３１】
分布モニタリング部１８は、試料１３上に膜１７を形成するプロセスにおいて、試料１３の表面上の膜１７の膜厚をモニタリングする。試料１３表面上の膜厚のモニタリング結果に基づく出力信号は、制御部１９に出力され、制御部１９は、分布モニタリング部１８の出力信号により、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）及び膜形成速度分布ｄｋ（ｘ、ｙ）／ｄｔを算出する。制御部１９は、これらの演算結果に基づいて、ギャップ分布調整部１５を制御する。
【００３２】
ここで、ギャップ分布調整部１５のロッド１５ａの上下の移動により湾曲されるギャップ形成面１１ａと試料１３間の不均一なギャップ分布をｇ（ｘ、ｙ）で表す。
【００３３】
例えば、分布モニタリング部１８が試料１３表面の膜厚をモニタリングした結果、試料１３の中央部分における膜厚がその周辺部分の膜厚より薄いという膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が発生した場合、制御部１９は、ギャップ分布調整部１５を制御して、図１（Ａ）に示すように、試料１３の中央部分でギャップが狭くなるようなギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成する。
【００３４】
このようなギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成すると、試料１３の中央部分の電界強度がその周辺部分より大きくなるため、試料１３の中央部でのプラズマＰによる反応種の発生が活性化され、試料１３の中央部分での膜形成速度ｄｋ（ｘ、ｙ）／ｄｔが大きくなる。このため、全体にわたって均一な膜１７が形成される。なお、試料１３の中央部分をその周囲より狭いギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）とする場合には、試料１３の中央部分の反応ガス流量が減少することを考慮する必要がある。
【００３５】
また、逆に、試料１３の中央部分の膜厚がその周囲の膜厚よりも厚くなるような膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が発生した場合、制御部１９はギャップ分布調整部１５を制御し、図１（Ｂ）に示すように、試料１３の中央部分のギャップがその周囲のギャップよりも広くなるようなギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）とすることによって、試料１３の中央部分の電界強度を低下させる。電界強度の低下により、試料１３の中央部分の成膜速度が減少し、全体として均一な膜厚の膜１７を得ることができる。この場合も上記と同様に、試料１３の中央部分に広いギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成することにより、試料１３の中央部分における反応ガス流量が増加する事も考慮しなければならない。
【００３６】
このように、ギャップ分布調整部１５を制御することにより、試料１３とギャップ形成面１１ａとの間に不均一なギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成することができるので、試料１３上に温度分布等が発生しても、適当なギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を形成することにより、プラズマＰが発生している試料１３表面上の電界分布、流量分布等を調整することができ、試料１３表面に形成される膜１７の膜厚を均一にすることができる。
【００３７】
次に、プラズマ処理装置１により、試料１３の表面をプラズマ処理する際のフローを、図９に基づいて説明する。
【００３８】
まず、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）の初期条件を設定し、この初期条件に基づいて試料１３の表面をプラズマ処理する（図９のステップＳ１参照、以下同様）。この初期条件によって試料１３の表面にプラズマ処理を行った場合に、膜１７に不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が発生するが、試料１３の膜厚を均一なものに修正するために、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）をどの程度変動させれば均一な膜厚が得られるかは、従来と同様に、不明である（ステップＳ２）。このために適当に調整されたギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）により、試料１３の表面をプラズマ処理する（ステップＳ３）。
【００３９】
試料１３の表面をプラズマ処理している間、分布モニタリング部１８は、試料１３表面上に形成される膜１７の膜厚を常時モニタリングする（ステップＳ４）。そして、分布モニタリング部１８の出力信号は、制御部１９に入力され、制御部１９は、膜１７の膜厚を全体にわたって均一にするために最適のギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を演算し、ギャップ分布調整部１５のロッド１５ａを上下に移動させることによって、ギャップ形成面１１ａを上下に湾曲させて、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整する（ステップＳ５）。これにより、試料１３の表面の膜厚は均一に形成される。
【００４０】
このように、本実施の形態１のプラズマ処理装置１においては、本番処理時において、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）を均一化させるギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）の最適条件を決定するために、予備的なプラズマ処理及び膜厚の評価を繰り返す必要がない。したがって、本番処理のプロセスに入るまでの時間、及びコストを低減することができる。
【００４１】
また、実験条件が変更されるごとに均一な膜厚を得るためのギャップ分布ｋ（ｘ、ｙ）の最適条件を決定する必要がないので、処理条件を変更した場合にも、すぐに本番処理に入ることができ、本番処理のプロセスに入るまでの時間、及びコストを低減することができる。
【００４２】
さらに、分布モニタリング部１５が試料１３の膜厚をモニタリングし、制御部１９の制御によりギャップ分布調整部１５がギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整するので、大量生産ライン中で試料１３のプラズマ処理プロセスを繰り返し行う際に、電極損傷、反応容器内の汚染、その他磨耗等が発生した場合においても、試料１３の表面の膜厚を均一に調整することができる。このために、電極の交換、反応容器の洗浄、その他のメンテナンスを適宜実施する場合に（ステップＳ６）、そのメンテナンス時間をプロセス稼動時間に対して短くすることができ、生産効率が向上する。
【００４３】
なお、分布モニタリング部１８は試料１３表面の膜厚と関連のある他のパラメータの分布をモニタリングし、このパラメータの分布をモニタリングすることによりギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整しても良い。例えば、プラズマＰ中の反応種の発光強度分布、レーザー吸収分布などのプラズマパラメーターの分布をモニタリングし、このプラズマパラメータ分布が均一になるようにギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整してもよい。
【００４４】
特に、プラズマＰにより、試料１３表面上にＳｉ膜を形成する場合、図８に示されるように、ＳｉＨラジカル及びＳｉラジカルの発光強度（図８において横軸）とＳｉ膜成膜速度（図８において縦軸）とがほぼ比例関係になっていることが分かっているので、分布モニタリング部１８がＳｉＨラジカルまたはＳｉラジカルの発光して、一定の発光強度になるようにギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整することにより、Ｓｉ膜の膜形成速度を一定にすることができ、試料１３の表面に均一な膜厚のＳｉ膜を形成することができる。
【００４５】
また、同様に、膜１７の屈折率、反射率等が膜厚に関連している場合には、分布モニタリング手段１５は、屈折率分布、反射率分布等をモニタリングして、そのモニタリング結果に基づいてギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整するすることにより、試料１３の表面に形成される膜１７の膜厚を均一にすることができる。
【００４６】
図３及び図４は、実施の形態１の他の例のプラズマ処理装置を示している。すなわち、図３は、複数のギャップ調整手段を有するプラズマ処理装置２０の概略を示し、図４は、ギャップ形成面を接地電極側に有するプラズマ処理装置３０の概略を示している。
【００４７】
図３に示すプラズマ処理装置２０は、印加電極１１の内部に複数のギャップ分布調整部１５を有している。その他の構成は、図１に示すプラズマ処理装置１０と同じであるので、詳しい説明は省略する。
【００４８】
このプラズマ処理装置２０は、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）のモニタリング結果に基づいて、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を複数箇所で調整することができるので、試料１３上の膜１７の膜厚の均一性をさらに向上させることができる。
【００４９】
図４に示すプラズマ処理装置３０は、接地電極１２がギャップ形成面１２ａを有する中空状に形成されており、内部にギャップ形成面１２ａを上下方向に湾曲させるギャップ分布調整部１５が設けられている。印加電極１１は接地電極１２のギャップ形成面１２ａの上側に対向して設けられている。他の構成は、図１に示すプラズマ処理装置１０と同様である。
【００５０】
このプラズマ処理装置３０は、試料１３が載置されるギャップ形成面１２ａを上下に湾曲させることができるので、試料１３がフレキシブル基板等の場合には、ギャップ形成面１２ａと共に試料１３も湾曲させることができ、これにより、試料１３と印加電極１１と間に形成されるギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を容易に調整することができる。
【００５１】
このような構成のプラズマ処理装置３０において、試料１３にかかる力とギャップ形成面１０２ａの変形量及びその変形量とギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）との関係について説明する。
【００５２】
図７（Ａ）は、試料１３にかかる力ｆとこの力ｆによる試料１３の変形量分布ｗ（ｘ１、ｙ１）の関係を表す概念図である。ｘ１、ｙ１、ｚ１は、図７（Ｂ）に示すように、試料１３が平坦な時における３次元座標を表している。また、試料１３は、縦方向（ｙ１軸方向）にＭ、横方向（ｚ１軸方向）にＬ、厚さ方向（ｚ１軸方向）にＨの寸法を有している。試料１３にかかる力ｆは、ｚ１軸方向にのみかかり、試料１３に均等にかかっているとする。ただし、力ｆはｘ１方向の単位長さあたりの力である。ｗ（ｘ１、ｙ１）は力ｆによる試料１０３のｚ１軸方向への変形量分布を示す。
【００５３】
試料１３は接地電極１２のギャップ形成面１２ａに装着されている。
【００５４】
ここで、説明を簡単にするため、ギャップ形成面１２ａは、ｙ１方向には一様な変形量となっており、変化量分布を持っていないものとし、試料１３には、ｚ１方向成分のみの均等な力ｆがかかっているものとする。
【００５５】
この時、試料１３の形状及び試料１３にかかる力ｆは、ｙ１方向には一様であるので、試料１３の変形量分布ｗ（ｘ１、ｙ１）は、ｙ１方向には一様であり、ｘ１向にのみ分布を有する。この変形量分布ｗ（ｘ１、ｙ１）は、次の（１）式で表される。
【００５６】
【数３】
【００５７】
この（１）式により、最大変形量ｗｍａｘは、ｘ１＝Ｌ／２の位置において、次の（２）式で表される。
【００５８】
【数４】
【００５９】
【数５】
【００６０】
【数６】
【００６１】
【数７】
【００６２】
この最大変形量ｗｍａｘが、試料１３と印加電極１１との間のギャップＧに比べて比較できる程度の大きさを有するとき、すなわち、次の（６）式によって規定される範囲にギャップＧが設定されれば、試料１３を最大変形量ｗｍａｘに変形させたときに、試料１３表面上の膜１７の膜厚を均一にすることができる。
【００６３】
【数８】
【００６４】
【数９】
（実施の形態２）
実施の形態２のプラズマ処理装置について、図面に基づいて、具体的に説明する。
【００６６】
図５は、実施の形態２に係るリモートプラズマ処理装置４０を示す概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示している。
【００６７】
このリモートプラズマ処理装置４０は、高周波電圧を印加する電源１６に接続された印加電極１１を上側、地面に接地した接地電極１２を下側とする対向する一対の電極を有しており、電源１６により印加電極１１に電圧が印加されると、印加電極１１と接地電極１２との間にプラズマＰを発生する。
【００６８】
接地電極１２の側方（図５（ａ）において左側））には、接地電極１２に連続して、試料１３を載置する載置板４１が設けられている。この載置板４１の上方には、載置板４１に対向するギャップ形成面１２ａが、印加電極１１に連続して設けられている。ギャップ形成面１２ａは、中空のボックス４２の下面に形成されており、ボックス４２内には、ギャップ形成面１２ａを上下に湾曲させる３つのギャップ分布調整部１５が、所定の間隔をあけて設けられている。
【００６９】
ギャップ分布調整部１５は、図１に示すプラズマ処理装置１０と同様の構成になっており、各ギャップ分布調整部１５は、分布モニタリング部１８にてモニタリングされる膜厚分布に基づいて制御部１９により制御される。
【００７０】
次に、このプラズマ処理装置４０の動作について説明する。
【００７１】
電源１６により高周波電圧を印加電極１１に印加すると、印加電極１１と接地電極１２との間に予め充填された所望の反応ガスに基づくプラズマＰが発生される。このプラズマＰによって、イオン、ラジカル等の反応種が発生し、この反応種は、拡散流によって、印加電極１１及び接地電極１２に連続して設けられたギャップ形成面１２ａ及び載置板４１間に流れ、試料１３上に流れる反応種によって、試料１３上に膜１７が形成される。この場合、試料１３上に流れるイオン、ラジカル量は載置板４１上の全面にわたって均一にはならず、試料１３表面の座標（ｘ、ｙ）において、不均一な供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が発生するため、試料１３上に形成される膜１７も不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）になる。
【００７２】
分布モニタリング部１８は、試料１３上に膜１７を形成するプロセスにおいて、試料１３の表面上の膜１７の膜厚をモニタリングしており、試料１３表面上の膜厚のモニタリング結果に基づく出力信号は、制御部１９に出力される。制御部１９は、分布モニタリング部１８の出力信号により、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）及び膜形成速度分布ｄｋ（ｘ、ｙ）／ｄｔを算出する。制御部１９は、これらの演算結果に基づいて、各ギャップ分布調整部１５をそれぞれ制御する。
【００７３】
ここで、試料１３表面上の反応種の供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）は、プラズマＰ中における反応種の密度分布ｎ（ｘ、ｙ）と試料１３上の流量分布ｕ（ｘ，ｙ）の積によって次の（８）式にて表す事ができる。なお、Ａは、定数であるが、試料１３の温度分布等によって変動する。
【００７４】
【数１０】
【００７５】
分布モニタリング部１８のモニタリングに基づき、試料１３の中央部分の膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）が薄いと判断した場合は、同様にギャップ分布調整部１５をそれぞれ制御することにより、試料１３の中央部分のギャップを狭くする。これにより、流量分布ｕ（ｘ、ｙ）が減少して、全体として試料表面に対する供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が均一になり、試料１３の表面の膜厚が均一にされる。
【００７６】
次に、図６に示すリモートプラズマ処理装置５０について説明する。
【００７７】
このリモートプラズマ処理装置５０は、試料１３が載置されるギャップ形成面１２ａを上面に有する中空のボックス４２を有しており、このボックス４２内に３つのギャップ分布調整部１５が所定の間隔をあけて設けられている。各ギャップ分布調整部１５は、図１に示すプラズマ処理装置１０のギャップ分布調整部１５の構成と同じである。ボックス４２の上方には、それぞれ垂直な状態で相互に対向して設けられた一対の電極１１及び１２を有しており、各電極１１及び１２は、互いに高周波電圧を印加する電源１６に接続されている。この電極１１及び１２間に所望の反応ガスを導入し、両電極１１及び１２間に電源１６から高周波電圧を印加することにより、プラズマＰが発生され、このプラズマＰによりイオン、ラジカル種等の反応種が発生する。発生した反応種は、試料１３上に流れる。
【００７８】
各ギャップ分布調整部１５は、試料１３上に形成される膜１７の膜厚をモニタリングする分布モニタリング手段１８のモニタリング結果に基づいて、それぞれ制御部１９によって制御される。
【００７９】
次に、このような構成のリモートプラズマ処理装置５０の動作について説明する。
【００８０】
電極１１と電極１２との間に所望の反応ガスを導入し、高周波電源１６により、各電極１１及び１２に電圧を印加すると、電極１１と電極１２との間には、プラズマＰが発生する。このプラズマＰにより発生するイオン、ラジカル種等の反応種は、拡散流によって、試料１３表面上にまで流れ、試料１３上に膜１７を形成する。
【００８１】
この場合、試料１３上に流れていくイオン、ラジカル量は、試料１３の全面にわたって均一にはならず、試料１３表面の座標（ｘ、ｙ）において、不均一な供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が発生するため、試料１３上には形成される膜１７も不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）となる。
【００８２】
分布モニタリング部１８は、試料１３上に膜１７を形成するプロセスにおいて、試料１３の表面上の膜１７の膜厚を常時モニタリングする。試料１３表面上の膜厚のモニタリング結果に基づく出力信号は、制御部１９に出力され、制御部１９は、分布モニタリング部１８の出力信号により、膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）及び膜形成速度分布ｄｋ（ｘ、ｙ）／ｄｔを算出する。制御部１９は、これらの演算結果に基づいて、各ギャップ分布調整部１５をそれぞれ制御する。
【００８３】
このリモートプラズマ処理装置５０は、図５に示すリモートプラズマ処理装置４０と同様に、試料１３上に生じる温度分布、流量分布等の反応種密度分布等によって生じる不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）を各ギャップ分布調整部１５によってギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整することによって調整している。各ギャップ分布調整部１５によってギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整すると、試料１３表面上に生じる流量分布ｕ（ｘ，ｙ）が調整され、試料１３表面上の供給量分布ｓ（ｘ、ｙ）が試料１３の表面の全体にわたって均一になり、その結果、試料１３表面の膜厚を均一にすることができる。
【００８４】
このように、印加電極１１と接地電極１２との間にプラズマＰを発生させ、拡散流によってプラズマＰにより発生するイオン、ラジカル等の反応種を試料１３上に流す構成としても、温度分布、流量分布等によるプラズマＰの反応種密度分布等の不均一によって生じる不均一な膜厚分布ｋ（ｘ、ｙ）を、各ギャップ分布調整部１５を調整することにより、流量分布等が変化するため、試料１３表面上の膜厚を均一にすることができる。
【００８５】
本発明のプラズマ処理装置１〜３及びリモートプラズマ処理装置４及び５は、上記のように、試料１３の表面の膜厚を均一にする場合に限らず、試料１３表面の膜厚や膜質等の膜特性値分布を均一にする場合、プラズマエッチング等の加工における加工量分布等の加工特性値を均一にする場合、または、試料１３の表面処理における処理特性を均一にする場合等においても同様に行うことができる。
【００８６】
また、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を決定する際に、分布モニタリング手段１８によりモニタリングする表面処理のパラメーター及び試料１３の特性値は、上記実施の形態に示したものに限らず、反応種の発光分光、吸収分光等の表面反応の主となる反応種に関するモニタリングを行うものでもよい。例えば、フッ素系のガスを用いたエッチングであれば、フッ素系を含む反応種の発光分光、吸収分光等に関してモニタリングを行うことができる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したことからも明らかなように、本発明は、プラズマＰにより発生する反応種により、試料表面を処理する場合に、モニタリング手段が試料の膜厚等をモニタリングし、このモニタリング手段によるモニタリング結果に基づいて、制御手段がギャップ分布調整部を制御して、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を調整するので、試料表面の処理を行いながら試料表面の特性値分布を均一にすることができる。このため、プラズマ処理を行う前に、予備的な実験・評価を繰り返し行う必要がない。したがって、プラズマ処理を行うまでの時間、及びコストを低減することができる。
【００８８】
また、処理条件が変更されるごとに試料表面の処理を行うための最適条件を決定する必要がないので、処理条件を変更した場合にも、プラズマ処理を行うまでの時間、及びコストを低減することができる。
【００８９】
また、大量生産ライン中で試料のプラズマ処理を繰り返し行う際に、電極損傷、反応容器内の汚染、その他の磨耗等が累積した場合においても、予め、決定されたギャップ分布の最適条件でプラズマ処理を行うものではなく、プラズマ処理を行う都度、モニタリング手段が試料の特性値分布をモニタリングし、制御手段によりギャップ分布調整部がギャップ分布を調整するので、特性値分布を均一にすることができ、したがって、メンテナンス時間に対するプロセス稼動時間を長くすることができ、歩留まりが向上する。
【００９０】
また、試料を変形させるようにすることにより、試料に対向する電極を変形させることが困難な場合においても試料の特性値分布を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るプラズマ処理装置１の概略を示す概略図である。（Ａ）は、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を試料の中央部分で狭くした場合、（Ｂ）は、ギャップ分布ｇ（ｘ、ｙ）を試料の中央部分で広くした場合を示す。
【図２】図１の概略図において、プラズマＰ付近を拡大した拡大図である。
【図３】実施の形態１のプラズマ装置の他の例を示す概略図である。
【図４】実施の形態１のプラズマ処理装置の他の例を示す概略図である。
【図５】実施の形態２に係るリモートプラズマ処理装置の概略を示す概略図である。
【図６】実施の形態２のプラズマ装置の他の例を示す概略図である。
【図７】試料にかかる力ｆと試料の変形量分布ｗ（ｘ１、ｙ１）の関係を表す概念図である。
【図８】ＳｉＨラジカル発光強度とＳｉ膜成膜速度の関係を表す図である。
【図９】均一な膜厚分布を得るための電極形状の決定方法のフロー図である。
【図１０】従来のプラズマ処理装置の概略図である。
【図１１】従来のプラズマ処理装置の概略図である。
【図１２】従来のプラズマ処理装置によって、試料のプラズマ処理を行う際のフロー図である。
【符号の説明】
１０ プラズマ処理装置
１１ 印加電極
１１ａ ギャップ形成面
１２ 接地電極
１３ 試料
１５ ギャップ分布調整部
１６ 電源
１８ 分布モニタリング部
１９ 制御部
ｇ（ｘ、ｙ） 印加電極１１のギャップ形成面１１ａと，接地電極１２との間のギャップ分布
Claims (6)
- 表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理装置であって、
前記反応種による前記試料の表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、または、その表面処理の際に発生する該試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするモニタリング手段と、
前記ギャップを形成するように該試料の表面に対向して設けられたギャップ形成面を、該試料の表面における該ギャップの分布が変化するように変形させるギャップ分布調整手段と、
前記モニタリング手段のモニタリング結果に基づいて、該試料の表面における前記パラメーターまたは試料の特性の分布が均一になるように該ギャップ分布調整手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理装置であって、
前記反応種による前記試料の表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、または、その表面処理の際に発生する該試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするモニタリング手段と、
前記試料が載置される面を、該ギャップの分布が該試料の表面において変化するように、該試料とともに変形させるギャップ分布調整手段と、
前記モニタリング手段のモニタリング結果に基づいて、該試料の表面における前記パラメーターまたは試料の特性の分布が均一になるように該ギャップ分布調整手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記モニタリング手段は、プラズマの発光強度分布をモニタリングする、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
- 前記試料上に形成されるギャップをＧとすると、このＧは、
- 前記モニタリング手段は、前記試料の表面における屈折率分布または反射率分布をモニタリングする、請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
- 表面処理が行われる試料の表面上に、プラズマにより発生した反応種が充填されるギャップを形成して、該ギャップに充填された反応種によって該試料の表面処理を行なうプラズマ処理方法であって、
前記反応種による前記表面処理の間に、その表面処理に関するパラメーター、もしくは、その表面処理の際に発生する前記試料の特性の、該試料の表面における分布をモニタリングするステップと、
そのモニタリングにより得られた該試料の表面における前記パラメーターまたは前記試料の特性の分布が、該試料の表面において均一になるように、該試料の表面における前記ギャップの分布を演算するステップと、
その演算結果によって得られた前記ギャップの分布となるように、前記試料の表面における前記ギャップの分布を調整するステップと、
を包含するプラズマ処理方法。
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