JP3582163B2

JP3582163B2 - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JP3582163B2
Application number: JP21044695A
Authority: JP
Inventors: 健二中田; 直行田村; 芳文小川; 武士椿
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1995-08-18
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2015-08-18
Also published as: JPH0964159A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はプラズマ処理方法に係り、特にモノポール式の静電チャックを用いて保持した試料をプラズマ処理するのに好適なプラズマ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静電チャックを用いた装置としては、例えば、特開昭６２−５４６３７号公報に記載のように、電極に印加される電圧を検出する手段を設け、電圧の値から被処理物の着脱状態を検出することにより、被処理物の落下あるいは未接着等の異常状態を検出して、信頼性を向上できるようにしたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマを利用したサブミクロン対応の半導体製造プロセスにおいては、異物低減等の目的から試料台上には被処理物であるウエハ以外の物、例えば、ウエハを保持するためのウエハ押さえ等の物体を配置しないでウエハを試料台に保持し、処理することが望まれる。
【０００４】
また、プラズマの熱からウエハを保護するために、ウエハと試料台の間に冷却ガスを流し、ウエハと試料台の間で熱交換を行わせてウエハを冷却する必要がある。
【０００５】
このようなことから、例えばプラズマを用いたエッチング装置では、上記従来技術のような静電チャック、特にモノポールタイプのものを用いた場合、プラズマの着火確認を行う機能が無いため時間制御にてプロセス処理を行う必要があり、場合によってはウエハが試料台に吸着・保持されていない状態でプロセス処理を実行してしまう可能性があった。
【０００６】
また、前述の時間制御の場合、ウエハ毎に実効的な処理時間の違いが発生する可能性があり、処理結果にばらつきが生じて歩留まりを悪くする可能性があった。
【０００７】
本発明の目的は、プロセス処理のバラツキを低減するとともに、確実な試料保持を行なうことのできるプラズマ処理方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、プラズマ生成前の真空容器内の光量Ｐ _０を測定する工程と、該工程の後、真空容器内にプラズマを生成する工程と、該工程後の真空容器内の光量Ｐ _１を測定する工程と、プラズマ生成前の光量Ｐ _０とプラズマ生成工程の後の光量Ｐ _１とを比較して光量Ｐ _１の方が光量Ｐ _０よりも大きいときにプラズマが生成されたと判断する工程と、プラズマの生成が確認できた時点をプラズマ処理開始の基準点とし、試料台への試料の静電吸着のための直流電圧を印加し、試料の裏面に伝熱ガスを導入するとともに、試料台にプリセットして印加された高周波バイアス電圧の値を所定の高周波バイアス電圧の値にする工程とを有することにより、達成される。
【００１１】
【作用】
プラズマ発生用電力を印加する前と後のプラズマの発光量とを比較して、プラズマが生成されたか否かを確認する。プラズマが生成されたことの確認により、モノポール式の静電吸着に必要な電気回路の形成が行なわれたことの確認ができ、これにより、静電吸着が実施されるとともにプロセス処理を行なうための試料裏面への伝熱ガスの供給および試料台へのバイアス電圧の印加等が行なわれ処理が開始される。これにより、確実な試料保持が行なえるとともに、プラズマ生成の時点をプロセス処理の開始時点として条件設定することができ、プロセス処理のバラツキを低減できる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１ないし図３により説明する。
図１はプラズマ処理装置の一実施例を示す。図２は図１におけるプラズマ生成部の詳細示した図である。本実施例はプラズマを生成する手段としてマイクロ波と磁界を利用した例である。６１はマイクロ波を発生するマグネトロン、６２はマイクロ波を伝播する矩形の導波管、６３は円矩形変換導波管、６４は円筒空洞部、６４１は円筒空洞部６４の天板、６５は磁場を発生するソレノイドコイル、６６はマイクロ波透過窓（例えば石英平板）、６７は真空容器、６８は被処理物の試料であるウエハを配置する試料台、６９は試料台を上下に移動させる駆動機構、６１０はプラズマ処理、例えば、エッチング時に試料台に高周波バイアス電圧を印加するための高周波電源、６１１は処理ガス、例えば、エッチングガスを真空容器６７に導入するためのシャワープレート、１１１はシャワープレート６１１に設けられたガス吹き出し口、１１２はガス導入経路、６１２は真空容器６７内の圧力の調整を行うバリアブルバルブ、６１３は真空容器６７を真空に減圧するためのタ−ボ分子ポンプ、６１４は粗引用の真空ポンプ、６１６は試料台に配置されるウエハを静電吸着させるための静電吸着電源、７１はプラズマからの発光を取り入れるためのファイバケーブル、７２は分光器、７３は光電子倍増管、７４は制御装置である。
【００１３】
バッファ室３の下部には下部容器３１が取り付けられている。下部容器３１にはバッファ室３の開口に対応して試料台６８が設けられている。下部容器３１は途中にバリアブルバルブ６１２を有し、下部容器３１の端部にはターボ分子ポンプ６１３が設けられている。ターボ分子ポンプ６１３には粗引用の真空ポンプ６１４が連結されている。
【００１４】
試料台６８には駆動機構６９が設けられ、試料台上部が上下動可能となっている。試料台６８には高周波電源６１０が接続され、試料台６８に高周波バイアス電圧を印加可能になっている。
【００１５】
バッファ室３の上部には、円筒状の真空容器６７が取り付けられ、真空容器６７の上部開口部には平板状のマイクロ波透過窓６６が気密に取り付けられ、真空容器６７とマイクロ波透過窓６６とにってプラズマ発生室が形成される。マイクロ波透過窓６６の上部には、真空容器６７と略同径に構成された円筒壁６４２が真空容器６７と電気的に接続されて設けられ、円筒壁６４２の上部開口部には中央に円形の開口部を有する天板６４１が円筒壁６４２と電気的に接続されて設けられ、マイクロ波透過窓６６と円筒壁６４２と天板６４１とで囲まれた円筒空洞部６４が設けられる。天板６４１の中央の円形開口部には円矩形変換導波管６３が電気的に接続されて設けられ、円矩形変換導波管６３に続いて導波管６２およびマグネトロン６１が順次電気的に接続されて設けられる。
【００１６】
マイクロ波透過窓６６の下面には、図２に示すようにガス吹き出し口１１１を多数有するシャワープレート６１１がマイクロ波透過窓６６との間にわずかな隙間を有して設けてあり、マイクロ波透過窓６６とシャワープレート６１１との隙間にはガス導入経路１１２が接続されている。
【００１７】
バッファ室３には、バッファ室３内の試料搬送空間である通路と処理室６とを仕切る円筒状の仕切り弁であるリングゲート１５が設けられている。リングゲート１５は、真空容器６７の内径と同径もしくは略同径に形成され、バッファ室３の下方から組み込まれ、リングゲート１５の中心軸に対称に配置した２つのエアーシリンダ（図示省略）によって上下方向に駆動される。
【００１８】
円筒空洞部６４および真空容器６７の外周部にはソレノイドコイル６５が設けてある。ソレノイドコイル６５は、円筒空洞部６４および真空容器６７の外周部に巻装したソレノイドコイル６５２および６５３と、円筒空洞部６４の天板６４１上部に配置した内径が小さく円周方向に巻数を多くしたソレノイドコイル６５１とから成る。ソレノイドコイル６５１は主磁束用として用いられ、ソレノイドコイル６５２および６５３は磁力線の制御用として用いられる。さらに、ソレノイドコイル６５１，６５２および６５３の外周には、これらソレノイドコイルを囲んでヨーク６５４が設けてある。ヨーク６５４のソレノイドコイル６５１に対応した内側上端部は円筒空洞部６４および真空容器６７の軸心と同心で、円筒空洞部６４に向けて下方に曲げて形成されている。
【００１９】
また、真空容器６７内のプラズマの有無および真空容器６７内にて進行するプロセス状態を監視するために、ソレノイドコイル６５３にはその内部を貫通させてプラズマの発光を測定するためのファイバケーブル７１が気密に組み込まれている。ファイバケーブル７１は、特定波長の光を選択するための分光器７２に接続される。分光器７２は、光を電気信号に変換する光電子倍増管７３に接続され、光電子倍増管７３からの電気信号は制御装置７４に取り込まれる。
【００２０】
真空容器６７の内面側には、図２に示すように、真空容器６７からの金属汚染をさけるために石英，セラミックなどの耐プラズマ性の材料で形成された円筒状の絶縁物カバー６７１を設置してある。また、真空容器６７の内側には電極である試料台６８近傍に接地電位の部材であるアース電極６７２を配置する。アース電極６７２は、接地電位となっているバッファ室３に電気的に接続され、真空容器６７の内側に向けて真空容器６７との間に溝部を設けて取り付けられている。アース電極６７２は、絶縁物カバー６７２によって電気的に絶縁された真空容器６７とプラズマ６１５との電気導通性を取る働きをする。絶縁物カバー６７１は、この場合、真空容器６７の内壁面とアース電極６７２とにより形成された溝部に落とし込まれて保持される。絶縁物カバー６７２は、この場合、ソレノイドコイル６５３を貫通して設けたファイバケーブル７１へプラズマ光を通すために透明な石英製で形成してある。また、絶縁物カバー６７２が不透明なセラミック製等である場合にはプラズマ光を通す開口を設ける。
【００２１】
上述のように構成された装置において、真空容器６７内にプラズマを発生させるには、まず、真空容器６７の内部はターボ分子ポンプ６１３と真空ポンプ６１４によって減圧される。試料を処理する場合、プロセスガスをガス導入経路１１２からマイクロ波透過窓６６とシャワープレート６１１の間に導入し、シャワープレート６１１に設けられたガス吹き出し口１１１から真空容器６７に導く（図３ステップａ）。真空容器６７の内部圧力はバリアブルバルブ６１２によって調節される。
【００２２】
ここで、真空容器６７内にマイクロ波を入射させてプラズマを発生させる前に、放電を行っていないときの真空容器６７内の光量を測定し基準光量とする。プラズマ生成前の真空容器６７内の光量の測定に当たっては、真空容器６７内の光をファイバ７１および分光器７２を介して光電子倍増管７３に入力し電気信号に変換する。次に、光電子倍増管７３によって変換された電気信号を制御装置７４に入力して電気信号強度を読み取る。これにより、プラズマ生成前の真空容器６７内の光量Ｐ_０を測定することができる（図３ステップｂ）。
【００２３】
プラズマ生成前の真空容器内６７の光量を測定した後に、マグネトロン６１から設定電流値のマイクロ波電流となるマイクロ波を発振させる（図３ステップｃ）。
マグネトロン６１から発振した、この場合、２．４５ＧＨｚのマイクロ波は矩形の導波管６２，円矩形変換導波管６３を経由し、円筒空洞部６４内に導かれる。この場合、導波管６２内は矩形ＴＥ１０モードのマイクロ波が伝播され、円矩形変換導波管６３によって円形ＴＥ１１モードのマイクロ波に変換されて円筒空洞部６４に導かれる。円筒空洞部６４内に導入されたマイクロ波は、マイクロ波透過窓６６，シャワープレート６１１を経て真空容器６７内に導かれる。一方、真空容器６７の周囲に設けられたソレノイドコイル６５によって真空容器６７の内部には、真空容器６７の軸方向の磁界が形成される。真空容器６７内に導入されたマイクロ波及びソレノイドコイル６５による磁界の作用によって、プラズマ中の電子は磁界からローレンツ力を受けて旋回運動を行う。旋回運動の周期とマイクロ波の周波数がほぼ一致したとき、電子はマイクロ波から効率良くエネルギーを受け取り、電子サイクロトロン共鳴現象（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ、以下「ＥＣＲ」と略す。）によって密度の高いプラズマ６１５が生成される。本装置では、ＥＣＲ条件を満たす等磁界面（以下「ＥＣＲ面」と略す。）を真空容器６７の内部に存在させる。この場合、ＥＣＲ面における磁場の強さは８７５ガウスである。これによって、真空容器６７内に密度の高いプラズマ６１５を生成する。
【００２４】
プラズマ６１５が生成されたか否かの確認は、放電前後の真空容器６７内の光量を比較することによって行う。設定電流値のマイクロ波電流となるマイクロ波をマグネトロン６１から発振した後の真空容器６７内の光量は、前述したプラズマ生成前の光量測定と同じ手順で測定する。すなわち、真空容器６７内の光をファイバケーブル７１および分光器７２を介して光電子倍増管７３に入力し、光電子倍増管７３によって電気信号に変換して制御装置７４に入力し、制御装置７４によって電気信号強度を読み取る。これによって、プラズマ生成後の真空容器６７内の光量Ｐ_１を測定できる（図３ステップｄ）。
【００２５】
ここで、分光器７２は、プラズマが生成された場合に生じる特定の波長の光、すなわち、使用するプロセスガスおよび被処理物に依存した波長の光を検出する目的で設けられる。したがって、目的とするプラズマが生成されている場合には、分光器７２を介して特定波長の強い光が入力されるが、プラズマが生成されていない場合には該当する波長の光はほとんど無いため弱い光しかフィルタを通過しない。
【００２６】
これにより、プラズマの生成確認は光量Ｐ_１を測定することで行うことができることが判る。すなわち、制御装置７４によって、プラズマが生成されたときに生じる光量Ｐ_１とプラズマ生成前の光量Ｐ_０とを比べ、Ｐ_１の方がＰ_０よりも大きいときにプラズマが生成されたと判断する。プラズマが生成されれば期待する波長成分が増加するので、例えば、以下に示す式にてプラズマ生成の確認を行うことができる。
Ｐ_１＞α×Ｐ_０のときプラズマが生成されたと判断する。ここで、αは倍率を示す。
または、（Ｐ_１−Ｐ_０）＞Ｐｔのときプラズマが生成されたと判断する。ここで、Ｐｔは増分を示す。
上述の式は、プラズマが生成されたときに生じると期待される光量が判らない場合、または、プラズマ生成前にも当該波長成分を持つ光、例えば、照明光が真空容器６７に入る可能性がある場合に有効である。なお、単純にＰ_１＞Ｐ_０またはあらかじめ設定したしきい値Ｐａとの比較、すなわち、Ｐ_１＞Ｐａとしても問題なく行なうことができる場合もある。
【００２７】
プラズマの生成を確認した後に、静電吸着電源６１６よりウエハを試料台６８に吸着させるための直流電圧（ＳＤＣ）を出力する（図３ステップｅ）。プラズマ６１５を介してアース電極６７２，静電吸着電源６１６および試料台６８の間で構成される電気回路において、試料台６８とウエハおよびウエハ自体が容量成分を持つため、静電吸着電源６１６から出力された直流電圧は、試料台６８とウエハとの間にチャージされ、これによりウエハが試料台６８に吸着される。
【００２８】
ウエハが試料台に吸着された後に、試料台に吸着・保持されたウエハ裏面に冷却ガス導入バルブ（図示省略）を介して冷却ガスを導入し（図３ステップｆ）、さらに高周波電源６１０より設定電力の高周波バイアス電圧を出力し（図３ステップｇ）、プロセス処理を開始する。
【００２９】
これにより、プラズマの生成を起点としたプロセスを実行することができ、マグネトロンからの所定電流のマイクロ波の発振を起点とした時間管理による方式に比べて、複数のウエハに亘って実効的にウエハを処理することができる状態をできるだけ一定に保てるため、処理のばらつきを低減できる。また、プラズマが生成されていない状態で冷却ガスを導入すると、ウエハは試料台６８に吸着された状態になく、ウエハが試料台６８上でずれたり、または試料台６８上から落下する可能性がある。前記のごとくプラズマの生成を確認した後に直流電圧を印加すると、ウエハは確実に試料台に吸着され、これによりウエハ裏面に冷却ガスを供給しても、ウエハは試料台６８上でずれたり、または落下したりすることがない。
【００３０】
また、プロセス処理の終了に伴い、静電吸着されたウエハを試料台６８から取り外す際の除電は、まず、ウエハ裏面へ供給していた冷却ガスの供給を停止する（図３ステップｈ）し、次に、静電吸着電源６１６よりウエハを試料台６８に吸着させるための直流電圧（ＳＤＣ）の供給を停止する（図３ステップｉ）。その後、試料台６８への高周波電力の供給を停止し（図３ステップｊ）、引き続きマイクロ波を発振するマグネトロン６１への電力の供給を停止する（図３ステップｋ）。これにより真空容器６７内に生成されていたプラズマが消滅する（図３ステップｌ）。その後、プロセスガスの供給を停止させる（図３ステップｍ）。
以上説明したように、本実施例によれば、マイクロ波導入前後の真空容器内の光量を比較することにより、真空容器内の状態に影響を受けることなくプラズマ生成確認を行うことができる。
また、プラズマの生成を確認することにより、静電吸着に必要な電気回路が形成されていることを確認することができる。
さらに、プラズマが生成された時点、言い替えれば、プラズマの生成が確認できた時点をプラズマ処理開始の基準点として用いることができ、ウエハ静電吸着以降のウエハに対するプロセス処理開始は、プラズマが生成されるまで開始しないというプロセスの開始条件にできるので、設定電流値のマイクロ波を発振させたことを開始条件とするよりもさらに確かな開始条件が得られ、ウエハに対するプロセス処理のばらつきを低減できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマが確実に生成された時点をプロセス処理開始の条件とすることができるので、プロセス処理のバラツキを低減できるとともに、プラズマが確実に生成されたことを確認できるので、静電吸着に必要な電気回路が形成されたことが確認でき、確実な試料保持が行なえるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のプラズマ処理装置を示す縦断面図である。
【図２】図１の装置のプラズマ生成部の詳細示した図である。
【図３】図１の装置の運転ステップを示すタイムチャート図である。
【符号の説明】
６１…マグネトロン、６２…導波管、６３…円矩形変換導波管、６４…円筒空洞部、６５…ソレノイドコイル、６６…マイクロ波透過窓、６７…真空容器、６８…試料台、６１０…高周波電源、６１１…シャワープレート、６１３…タ−ボ分子ポンプ、６１５…高密度プラズマ、６１６…静電吸着電源、７１…ファイバケーブル、７２…分光器、７３…光電子倍増管、７４…制御装置。

Claims

真空容器内に処理ガスを導入すると共にプラズマ生成手段の電力をプラズマを発生させる設定値よりも小さい値であってプラズマを発生させることのない値に設定して供給し、該状態によるプラズマ生成前の前記真空容器内の光量Ｐ₀を測定する工程と、
該工程の後、前記真空容器内に前記プラズマ生成手段の電力をプラズマを発生させる設定値に設定して供給する工程と、
該工程後の前記真空容器内の光量Ｐ₁ を測定する工程と、
前記プラズマ生成前の光量Ｐ₀ と前記設定値でのプラズマ発生用電力供給工程後の光量Ｐ₁ とを比較して光量Ｐ₁ の方が光量Ｐ₀ よりも大きいときにプラズマが生成されたと判断する工程と、
前記プラズマの生成が確認できた時点をプラズマ処理開始の基準点とし、試料台への試料の静電吸着のための直流電圧を印加し、前記試料の裏面に伝熱ガスを導入するとともに、前記試料台にプリセットして印加された高周波バイアス電圧の値を所定の高周波バイアス電圧の値にする工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。