JP3727620B2

JP3727620B2 - 計測用窓部を備えたプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3727620B2
Application number: JP2002257392A
Authority: JP
Inventors: 武新井; 博之中野; 俊彦中田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: JP2004095985A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置、特に半導体製造工程における微細なパターンを形成するのに好適なプラズマ処理装置に係り、特に処理室内のプラズマの状態や異物の発生状態、および基板の膜厚や堆積状態を計測する計測用窓に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程では、エッチング、成膜、アッシング等の微細加工プロセスを行うために、プラズマ処理装置が広く用いられている。これらプラズマプロセスでは、真空チャンバ内部に導入されたプロセスガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、膜堆積やエッチングを行うものである。
このプラズマ処理装置においては、成膜、膜堆積やエッチングにより生じるプラズマ発光について特定の発光種（ラジカルやイオン）の発光強度を計測したり、成膜した膜の分光反射率を計測したりしている。たとえばエッチング処理の終点を検出したり、成膜中のプラズマ状態を監視し均一な成膜が行われているかモニタしたりするといったことが行われている。
【０００３】
プラズマ処理装置のプラズマ生成にはＲＦ、ＵＨＦ、マイクロ波といった電磁波が利用されている。これら電磁波はモニタを行うための窓にガラスなどの誘電体を用いると処理室外に漏洩する。特にマイクロ波は、プラズマ処理装置に取付けられた計測機器を誤動作させたり、人体に悪影響を与えたりする。
【０００４】
図９は従来のプラズマ処理装置において、電磁波の漏洩によるモニタ信号に混入されるノイズを示す特性図であり、プラズマ処理中のｉｎ−ｓｉｔｕ異物モニタ検出器による検査結果を示す。図９において、横軸に計測時間を、縦軸に信号強度を示す。図に示すように、計測用窓から漏洩したマイクロ波がセンサの動作に影響し、ノイズ２８を増大させ、異物からの信号２９の検出を困難にしている。このように電磁波がセンサにノイズとしてのってしまうため、感度にバラツキが生じていた。
【０００５】
図１０は従来のプラズマ処理装置の計測用窓の断面図である。図において、プラズマ処理装置は、プラズマ処理室１、計測用窓部２、透明部材９から構成されている。従来、モニタを行うための窓９は、例えばプラズマ発光強度を観察するための窓はごく小さくし、また、人が目視観察する広い窓部９にはメッシュ１０などを取付けることで、電磁波の漏洩を防止している。なお、図において、１１はレーザ発生装置、１３、１０１は集光レンズ、１００はＰＢＳ１００、１０２は散乱光検出器である。
しかしながら、上記方法では、視野を広くするためには窓９にメッシュ１０を取付ける必要があるが、取付けられたメッシュ１０の開口部が小さいため、処理室１の内部の観察が困難であるという欠点がある。この様に、電磁波の漏洩を防止するために計測用窓９を、メッシュ１０を被う構造においては、レーザ１１を照射し、その散乱光を検出するｉｎ−ｓｉｔｕ異物検出器１０２では、メッシュ１０にレーザ発生装置１１からのレーザが当たることにより、この照射部１４において散乱光が発生してしまい、散乱光検出器１０２で処理室中からの異物を正確に検出するのは困難となる。
【０００６】
そこで、これまでにもこの対策として、マイクロ波を吸収する透明液体を入れた窓を設置することで開口部の改善を行っている（例えば、特許文献１）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−１７３０１３公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の方法では、液体による光学吸収が発生し、光学モニタ用の窓としては不向きである。また、液体を冷却するための手段を設ける必要があり、通常の計測窓と比べ大掛かりで、メンテナンスも困難となる。
【０００９】
本発明の目的は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、プラズマプロセスにおける計測用窓部において、モニタの計測感度を低下させることの無い、透明且つ電磁波の漏洩を防止する計測用窓を備えたプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明では、エッチング工程、プラズマＣＶＤ工程に関わらず目的を達成することができる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、プラズマ処理装置の計測用窓部にＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）等の透明導電膜をコーティングした窓を用いる。これにより、計測用窓部による光検出感度を低下させること無く、電磁波の漏洩を防止することが可能となった。特にＩＴＯの導電膜は可視光領域の透過率が８０％以上と高く、ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ等の可視光レーザを用いたｉｎ−ｓｉｔｕ異物検査装置には有効な計測用窓である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、幾つかの実施例を用い、図を参照して説明する。
以下、本発明の第１の実施例として、平行平板型プラズマ処理装置のｉｎ−ｓｉｔｕ異物検出又はモニタをする場合を例に説明する。
【００１２】
図２は本発明による平行平板型エッチング装置の第１の実施例を示す断面図である。
本実施例では、エッチングにおけるプラズマ気相中に浮遊する異物（パーティクル）をモニタする場合について説明する。異物モニタでは、レーザ光を照射し（例えばＹＡＧの第２高調波：５３２ｎｍ）、パーティクルからの散乱光を検出する。パーティクルの大きさは数ミクロンからサブミクロンオーダーまで検出することができるため、電磁波による検出信号のノイズの増加は検出感度に大きく影響する。特に、０．２５μｍ以下のパーティクルでは散乱光の発生が、レイリー散乱領域であり、散乱光強度が粒径の６乗に反比例することから、微小なパーティクルの検出には、ノイズの変動・増加は致命的である。すなわち、検出系に優れた感度を有していても、計測用窓部２から漏洩した電磁波により、パーティクルの検出感度が大きく低下する可能性がある。
このような高感度な検出性能が必要とされるモニタリングにおいても、本発明による計測用窓部２を用いることにより、計測用窓部２からの電磁波の漏洩を抑制することができるため、微小パーティクルから発生する微小信号に対しても、安定検出が可能となる。
【００１３】
図２において、処理室１は１０^-4Ｐａ程度の真空度に到達できる真空容器であり、上部電極１６と下部電極１８から構成されている。その上部電極１６にはエッチングガス等のプロセスガス２３を導入するガス供給穴であるシャワープレート１７が設けられており、さらにプラズマを生成するための高周波電源１９（例えばＲＦ電源１３．５６ＭＨｚ）を印加できる構造になっている。下部電極１８上にはウエハなどの基板２４を搭載する構造になっているとともに、入射イオンを制御するためのバイアス電源２１が印加できる構造になっている。処理室１は排気管２２から、ターボ分子ポンプ２７等により常時排気されている。真空容器の側壁に設けられた開口部に計測用窓部２が取付けられ、この窓２を通してエッチングプラズマ中に発生した異物をセンサできる位置に異物センサ装置１５が備えられている。処理室１において、上部電極１６と下部電極１８間の空間はプラズマが発生されるプラズマ気相空間である。
【００１４】
図３は本発明によるプラズマ処理装置の一実施例を示す構成図である。エッチングガス等のプロセスガス２３を処理室１に導入する前に、真空排気装置２７を使って、排気バルブ２６から空気を排気して室内を２Ｐａレベルの真空に保つ。その後、ＭＦＣ（ＭａｓｓＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｏｒ）２５などにより任意の流量により制御されたプロセスガス２３が図２の上部電極１６のガス供給穴であるシャワープレート１７から供給され、処理室１内は例えば数Ｐａの任意の圧力に調整される。この状態で、上部電極１６に高周波電圧１９を印加することにより処理室１内にプラズマを生成する。供給されるプロセスガス２３にはＣＦ４、Ｃｌ２等のエッチング系ガスが用いられ、プラズマ分解することでイオンや中性活性種により基板２４上の被エッチング薄膜がエッチングされる。この時、計測窓部２を通してｉｎ−ｓｉｔｕ異物センサ１５によりプラズマ中に存在する異物を検出してプロセス管理をする。
【００１５】
本発明では、電磁波の漏洩を防止するために、計測用窓部２に透明導電膜を用いた構造になっている。
図１は本発明によるプラズマ処理装置の窓部の一実施例を示す断面図である。図に示すように、プラズマ処理室１に取付けられた計測用窓部２にガラスやサファイア基板といった透明部材の窓３に、スパッタリングや真空蒸着などによりＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）やＺｎＯ（酸化亜鉛）といった透明導電膜４をコーティングした計測窓を用いる。コーティング面はプラズマ処理室１の外側面、すなわち異物センサ装置１５側とし、処理室１側の面はコーティングの無い清浄面とする。この計測窓部２は可視領域で透過率８０％以上の透明性を有し、異物センサ装置１５の検出感度を保持することが可能である。また、抵抗率は１０^-4Ω・ｃｍ以下であり、導電部である透明導電膜４をプラズマ処理室１の壁と接続して同電位とすることで、プラズマ気相空間７からの電磁波の漏洩を防ぎ、センサへの影響や人体への影響を防ぐことが可能である。また、透明導電膜４に隣接して反射防止膜５が設けられる。
【００１６】
計測用窓部２の透明部材の窓３には、高真空（少なくとも１０^-4Ｐａ）に耐えうる厚さおよび材料の窓材３を、Ｏリング６を介して固定する。透明部材の窓３は測定波長領域、例えば赤外線か、紫外線かに応じて、測定波長の光を透過させることができる材質を選択する。プラズマプロセスでのエッチャントの化学反応によるエッチングをさらに避けるためには、エッチングに強いサファイアガラスを用いると好適である。
【００１７】
さらに、このエッチャントや反応生成物による計測用窓３の曇りを抑制するために、計測用窓部２の構造を下記のように構成すると有効である。エッチング処理の真空度は低圧条件下の数Ｐａ程度であり、分子の平均自由工程λが数ｍｍ程度（Ａｒ分子、２５℃の場合）あることから、処理室１内のプラズマ気相空間７から透明部材の窓３までの経路８の内、例えば、高さＨを分子の平均自由工程より短いか同程度に、長さＬを少なくとも平均自由工程と同程度か、長く構成する。こうすることで、分子は計測用窓部２の透明材の窓３に到達するよりも高い確率で、経路８の内壁に付着する。このように、経路８の寸法により窓３への反応生成物およびエッチャントの到達確立を低減させることができる。このような効果をより有効にするには、経路８の高さＨ、幅ともにできるだけ小さくし、奥行き方向の長さＬはできるだけ長くした構造が望ましい。
このように電磁波の漏洩を防止するとともに反応生成物とエッチャントの到達確立を減少させ、透明部材の窓３の曇りを抑制することで、電磁波によるノイズを除去するとともにプラズマによる透明部材の窓３の経時変化を抑制して、安定した高精度なモニタリングを可能にする。
【００１８】
本実施例では、照射レーザにより計測用窓部２の内壁からの散乱光が光検出に対して影響を与えないように、黒色アルマイト処理などの低反射表面コーティングを施すのが望ましい。また、透明部材の窓３にはレーザ光の反射光による光検出への影響を避けるために、レーザ入射側に透明導電膜４の上に反射防止膜５をコートする。
【００１９】
図４は本発明によるプラズマ処理装置において、電磁波の漏洩によるモニタ信号に混入されるノイズを示す特性図である。図において、横軸に計測時間を、縦軸に信号強度を示す。図９では、計測時間に対する散乱光の強度は電磁波ノイズにより、異物信号２９がノイズ信号２８と弁別困難であったのが、本実施例では、計測用窓部２の透明部材の窓３に透明導電膜４をコーティングして電磁波漏洩対策を施すことによって、透明導電膜４でノイズが遮断されるため、図４に示すように、ノイズ信号３０が低減される。このため、異物信号３１、３２を容易に検出することが可能となる。
【００２０】
以下、本発明の第２の実施例として、プラズマ処理中のウエハ膜厚計測や膜厚分布をウエハ設置面と対面方向からモニタする場合を例に説明する。
図５は本発明によるプラズマ処理装置の第２の実施例を示す模式図であり、プラズマ処理装置としてＩＣＰ（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｓｍａ）装置を用いた場合を示す。図に示すように、石英板３９の上にプラズマを生成するためのコイル３４が配置されている。生成されたプラズマは磁石３５によって、処理室３３内で均一なプラズマ分布になるように制御される。プラズマ処理室３３と同電位のコイルカバー３８はコイル３４と安定放電条件を満たす間隔が設けられている。プラズマ生成コイル３４のカバー３８には、試料台３６に設置されたウエハ３７上部から膜厚や膜厚分布を計測するための窓部４０ａ、４０ｂが設けられている。窓部４０には観察用レンズ（図示せず）が設置され、ファイバ４１ａ、４１ｂを通して分光器及び解析装置４２に観察光が送信され、分光解析される。必要に応じて白色照明や単色光を照射し、膜厚や膜厚分布を計測する。
膜厚及び膜厚分布計測をする際には、計測用窓４０ａ、４０ｂにコーティングした透明導電膜の分光特性を考慮して、解析することでより精度高く測定することが可能となる。
【００２１】
ウエハ面を観察するために窓部４０ａ、４０ｂを設けると、カバー３８の一部に穴を開けることによって、その部分はアース電位から開放されるため、電磁波が漏洩し、プラズマの生成にも影響を与える。
図６はカバーの一部がアース電位から開放された場合のプラズマの状態を示す特性図である。図において、横軸は磁石３５の間の位置を示し、縦軸に電子密度を示す。電子密度を測定するには、例えば、処理室３３内にプローブを挿入し、その位置を変えることによって測定することができる。その際のプラズマ状態の一例として、放電位置に対する電子密度の分布を示す。カバー３８に窓部４０ａ、４０ｂを設けるための穴を開けることによって、図６に示すように、電子密度のバラツキが、電子密度４３ａと電子密度４４ａのように差が大きくなる。これに対して、窓部４０ａ、４０ｂに透明導電膜をコーティングした窓を用いることによって、図７に示すような電子密度になる。
図７はカバーの窓部に透明導電膜を設けた場合のプラズマの状態を示す特性図である。図において、横軸は磁石３５の間の位置を示し、縦軸に電子密度を示す。図に示すように、電子密度４３ｂと４４ｂのようにプラズマの分布の均一性を維持することができる。
【００２２】
以下、本発明の第３の実施例として、マイクロ波プラズマ処理装置でのプラズマ処理中のウエハ膜厚計測や膜厚分布をウエハ設置面と対面方向からモニタする場合を例に説明する。
図８は本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施例を示す模式図である。図において、カバー５４に計測用窓部５１ａ、５１ｂが設けられる。また、マイクロ波導波管４５を伝播したマイクロ波はカバー５４内に導かれる。試料台４８上には処理基板４９が載置され、その上部の処理室５０には磁石４７によってプラズマが生成される。処理室５０の内部の散乱光は窓部５１ａ、５１ｂ、光ファイバ５２ａ、５２ｂを通して分光器及び解析装置５３に入力され、膜厚などが解析される。
マイクロ波は漏洩すると計測器の誤動作を引き起こしたり、人体に悪影響を与えたりする。そのためマイクロ波導波管４５を伝播されたマイクロ波を計測窓部５１ａ、５１ｂから漏洩させないために、透明導電膜をコーティングした窓を用いている。これにより、マイクロ波の漏洩を防止することができるため、ウエハ分布を測定するのに必要な十分な大きさの計測用窓部５１ａ、５１ｂを用いることができる。
【００２３】
上記実施例は、エッチングプロセスを対象としているが、本発明の計測用窓部２は、スパッタリング、プラズマＣＶＤなどのプロセスにおいても、同様に用いることが可能である。
また、上記実施例では、ｉｎ−ｓｉｔｕ異物センサ（モニタ）と膜厚測定を例に説明したが、これらに限らず各プラズマ処理装置に取付けるモニタに対して有効である。
【００２４】
以上述べたように、本発明のプラズマ処理装置に計測用窓部２を採用することで、電磁波の漏洩による検出装置やモニタ装置の誤動作や検出感度の低減を除去し、安定検出を可能にすることができる。また、人体への悪影響も抑制することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、計測用窓を備えたプラズマ処理装置において、計測用窓に透明導電膜をコーティングした電磁波漏洩防止機構を有した構造とすることで、これまで電磁波漏洩のために設置していたメッシュで課題であった低開口率や、散乱光検出ではメッシュ自体からの生じる散乱を除くことができ、これによりモニタ装置本来の検出感度を維持することができる。
また、これまでプラズマの均一性、電磁波の漏洩で困難とされてきたウエハ対面部からの膜厚・膜厚分布計測が本発明により可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の窓部の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明による平行平板型エッチング装置の第１の実施例を示す断面図である。
【図３】本発明によるプラズマ処理装置の一実施例を示す構成図である。
【図４】本発明によるプラズマ処理装置において、電磁波の漏洩によるモニタ信号に混入されるノイズを示す特性図である。
【図５】本発明によるプラズマ処理装置の第２の実施例を示す模式図である。
【図６】カバーの一部がアース電位から開放された場合のプラズマの状態を示す特性図である。
【図７】カバーの窓部に透明導電膜を設けた場合のプラズマの状態を示す特性図である。
【図８】本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施例を示す模式図である。
【図９】従来のプラズマ処理装置において、電磁波の漏洩によるモニタ信号に混入されるノイズを示す特性図である。
【図１０】従来のプラズマ処理装置の計測用窓の断面図である。
【符号の説明】
１…プラズマ処理装置、２…計測用窓部、３、９…透明部材の窓、４…透明導電膜、５…反射防止膜、６…Ｏリング、７…プラズマ気相空間、８…経路、１０…メッシュ、１１…レーザ発生装置、１３…集光レンズ、１４…レーザ照射部、１５…異物センサ装置、１６…上部電極、１７…シャワープレート、１８…下部電極、１９…高周波電源、２０…アース、２１…バイアス制御電源、２２…排気管、２３…プロセスガス、２４…基板、２５…ＭＦＣ、２６…排気バルブ、２７…真空排気装置、２８、３０…電磁波漏洩ノイズ信号、２９、３１、３２…異物信号、３３…プラズマ処理装置、３４…プラズマ生成コイル、３５、４７…磁石、３６、４８…試料台、３７、４９…処理基板、３８、５４…カバー、３９、４６…石英板、４０、５１…計測用窓、４１、５２…ファイバ、４２、５３…分光器および解析装置、４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂ…電子密度数、４５…マイクロ波導波管、

Claims

試料を載置する試料台が設けられた処理室と、該処理室内に処理ガスを供給してプラズマを発生させるプラズマ発生装置とを備え、該プラズマ発生装置により発生したプラズマにより前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、
レーザ光を前記処理室内に照射し、前記処理室内に存在する異物から発生する散乱光を透過させる計測用窓部を前記処理室の内壁に設け、前記処理室の内部から前記計測用窓部への経路を設け、前記計測用窓部には、該計測用窓部の内壁への低反射表面コーティングと、透明部材の窓と、該透明部材の窓上に設けられた前記処理室の内壁と電気的に接続して同電位とする透明導電膜と、該透明導電膜上の前記レーザ光の入射側に設けられた反射防止膜とを有することを特徴とする計測用窓部を備えたプラズマ処理装置。
試料が載置される試料台が設けられ、処理ガスが供給される処理室と、該処理室において前記試料と対向する面に設けられた石英板と、該石英板の上に配置され、前記処理室内にプラズマを生成するためのコイルと、該コイルを安定放電条件を満たす間隔で覆うための前記処理室と同電位のカバー部と、前記コイルによって生成されたプラズマを前記処理室内で均一なプラズマ分布になるように制御する磁石手段とを備え、
前記試料と対向する前記カバー部の位置から前記石英板を通して前記プラズマによって処理された試料の状態の光学計測を可能とする計測用窓部を前記カバー部の位置に設け、該計測用窓部には、前記カバー部と電気的に接続して同電位とする透明導電膜を有することを特徴とする計測用窓部を備えたプラズマ処理装置。
試料が載置される試料台が設けられ、処理ガスが供給される処理室と、該処理室において前記試料と対向する面に設けられた石英板と、該石英板の上にマイクロ波導波管を伝播したマイクロ波を導入する室を形成するカバー部と、前記マイクロ波が前記石英板を通して導入される前記処理室内においてプラズマを生成するための磁石手段とを備え、
前記試料と対向する前記カバー部の位置から前記石英板を通して前記プラズマによって処理された試料の状態の光学計測を可能とする計測用窓部を前記カバー部の位置に設け、前記計測用窓部には、前記カバー部と電気的に接続して同電位とする透明導電膜を有することを特徴とする計測用窓部を備えたプラズマ処理装置。