JP3997258B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウエハに対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）の製造工程において、プラズマを用いて成膜やエッチングを行うプラズマ処理技術があり、プラズマを発生させる手法としては、電子サイクロトロン共鳴を利用するＥＣＲ方式、一対の平板を対向させてその間に電力を印加する平行平板方式、ヘリコン波方式及びＩＣＰ方式などがある。このようなプラズマ処理において、プラズマ中のラジカルが重要な役割を果たしていると考えられている。このため例えば特開平９−１９９４８５号公報には、赤外半導体レ−ザ光のスペクトル変化を検出して処理室内のラジカルの密度を測定し、その測定値に基づいてマイクロ波の出力を制御する技術が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら例えばウエハの中央のラジカル密度を測定して中央部の膜厚やエッチング加工形状を精度良く得られても、ウエハ上の他の部位のラジカル密度を考慮しなければ面内均一性の確保という観点からは十分な制御手法とはいえないという課題がある。例えばウエハの中央のラジカル密度が局所的に所定値から外れたときに他の部位のラジカル密度は所定値であったとしたら、局所的な情報によりかえって制御が乱れてしまい、面内均一性が悪くなるという懸念もある。
【０００４】
またレ−ザ光をプラズマに照射し、分子がその光を吸収して蛍光を発することを利用して（この方法は一般的にはＬＩＦ法；Laser Induced Fluorescenceと呼ばれている）、蛍光を計測しその計測値に基づいてラジカル密度を推定することも考えられるが、この手法は計測値の信頼性が高くないので正確なプロセス制御ができないし、また光らないあるいは光っていないラジカル密度の推定ができないという課題がある。
【０００５】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、プラズマ中のラジカルなどの粒子の密度分布に基づいてプロセス条件を制御することにより被処理基板に対して面内均一性の高い処理を行うことのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、処理ガスをプラズマ化して得たプラズマにより処理室内の被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、
前記処理室の外部に設けられたレ−ザ光出力部と、
このレ−ザ光出力部からのレ−ザ光を反射し、その位置に応じて前記処理室内に、被処理基板の面方向に並ぶレ−ザ光の複数の光路を形成するようにその位置が可変できる可動ミラ−を含むミラ−部と、
前記可動ミラ−が各位置に設定されることにより順次形成された複数の光路を通ってきたレ−ザ光を受光し、各光路ごとにレ−ザ光の減衰量に基づいて処理ガス中の特定の粒子の密度を検出するための粒子密度検出部と、
この粒子密度検出部により検出された各光路ごとの粒子密度の最大値と最小値との差に基づいて、前記処理室内の圧力を制御する手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この発明において、例えば可動ミラ−は回転自在な回転ミラ−により構成され、この回転ミラ−を各回転位置に順次設定して、前記レ−ザ光出力部からのレ−ザ光を前記複数の光路に順次通過させることができる。またミラ−部は、回転ミラ−からのレ−ザ光を反射して夫々光路を形成するための複数の固定ミラ−を含む構成とすることができる。更にはまた測定室内の各光路を通ってきたレ−ザ光を夫々検出部に反射させるための複数のミラ−を設ける構成とすることもできる。
【０００９】
特定の粒子は例えばラジカルまたは分子である。なおプラズマにより行う処理とは、例えば成膜処理やエッチング処理などを挙げることができる。
【００１０】
更に他の発明は、処理ガスをプラズマ化して得たプラズマにより処理室内の被処理基板を処理するプラズマ処理方法において、
処理室内に、被処理基板の面方向に並ぶ複数の光路を形成してこれら光路にレ−ザ光を通過させ、各光路ごとにレ−ザ光の減衰量を求めると共にこれら減衰量に基づきプラズマ中の特定の粒子についてプラズマ中の特定の粒子の密度を各光路ごとに検出する工程と、
この工程にて検出された各光路ごとの粒子密度の最大値と最小値との差に基づいて、前記処理室内の圧力を制御する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の測定装置をＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ装置の処理室内のラジカルを測定するための装置として構成した実施の形態を示す図である。まずプラズマ装置に関連する部分について簡単に述べると、図中１は横断面が正方形の処理室（特許請求の範囲の測定室に相当する）であり、この処理室１内にはウエハＷをほぼ水平に載置するための載置台１１が設けられている。処理室１の上面中央部には導波管１２が接続されており、この導波管１２からマイクロ波及び例えばＡｒ（アルゴン）ガスが処理室１内に導入されるようになっている。
【００１２】
載置台１１の上方にはこれと対向し、周方向に沿ってガス孔（図示せず）を備えたリング状のガス供給部１３が設けられ、ガス供給部１３からのガスがガス孔から内方側に噴出するようになっている。また処理室１の底部には例えば２個所において排気管１４が接続されており、更に処理室１の上下には夫々電磁コイル１５、１６が設けられている。
【００１３】
次に測定装置に関連する部分について述べると、処理室１の外側には赤外半導体レーザ光を出力するためのレーザー光出力部２０をなす赤外半導体レーザ光出力装置と、このレーザ光出力部２０から出力されるレーザ光の光路である４本の光路Ｌ１〜Ｌ４を形成するためのミラー部２と、前記レーザ光出力部からのレーザ光を受光してその強度を検出し、処理室１内の光路を通ったことによるレ−ザ光の減衰量に基づいて処理室１内のラジカルの密度（絶対密度）を求める検出部３と、前記光路Ｌ１〜Ｌ４を通って処理室１から出たレーザ光を夫々検出部３に反射させるための４個の受光側ミラー４１〜４４とが設けられている。なお処理室１の側壁のうちレーザ光の光路Ｌ１〜Ｌ４となる部分は例えば透明ガラスにより構成されている。
【００１４】
前記ミラー２は、図３に示すように回転機構２１によりほぼ鉛直な軸のまわりに回転可能な可動ミラ−である回転ミラー２２と、レーザ光出力部２０から出力されたレーザ光を反射して前記回転ミラー２２に入光させるためのミラー２３と、このミラー２３から回転ミラー２２を介して入光されたレーザ光を反射して、夫々前記４本の光路を形成するミラー（発光側ミラー）Ｍ１〜Ｍ４とを備えている。
【００１５】
前記検出部３は、受光した波数νｃのレーザ光の強度Ｉ（νｃ）を求めると共にこの強度Ｉ（νｃ）と予め分かっている発光側ミラーで反射されたレーザ光の強度Ｉ₀ （νｃ）とに基づいてラジカルの個数（絶対密度）を求める機能を持っている。具体的には、例えば下記の（数１）式に基づいて求める。
【数１】

ただしｎは絶対密度（個／ｃｍ³ ）、νｃは測定波数（ｃｍ^-1）、Ｓはνｃにおけるラインストレングス（ｃｍ／個）、Ｔは分子の並進温度（Ｋ）、Ｍは分子の質量（ｇ／ｍｏｌ）、Ｌは吸収長（処理室１内における光路長：ｃｍ）であり、νｃはＣＦ₂ の吸収波数例えば１１３２．７５３２ｃｍ^-1を用いている。この式は、スペクトルの形をドップラーラインシェイブと仮定して求めた式である。
【００１６】
次に上述実施の形態の作用について述べる。電磁コイル１５、１６によりウエハＷの全面においてほぼ垂直に磁力線が通るようにミラー磁界が形成され、マイクロ波Ｍと磁界とにより電子サイクロトロン共鳴が起こってＡｒガス及びガス供給部１３からのガス例えばＣ₄ Ｆ₈ ガスがプラズマ化される。図１の点線で囲まれる領域は青白く光っているいわば濃いプラズマが発生している領域である。
【００１７】
そしてレーザ光出力部２０によりレーザ光がミラー２３、回転ミラー２２、ミラーＭ１を介して光路Ｌ１を通るように回転ミラー２２の回転位置を設定しておき、ＣＦ₂ ラジカルの吸収波数である１１３２．７５３２ｃｍ^-1の赤外半導体レーザ光をレーザ光出力部２０から出力する。これによってレーザ光出力部２０よりのレーザ光が光路Ｌ１を通り、ミラー４１を介して検出部３にて受光される。検出部３は受光したレーザ光の強度を検出し、レ−ザ光の減衰量に応じたＣＦ₂ ラジカルの密度（絶対密度）を求める。
【００１８】
次に回転ミラー２２を、光路Ｌ２が形成されるように、つまりミラー２３からのレーザ光が回転ミラー２２及びミラーＭ２を介して光路Ｌ２を通るように回転位置を設定し、同様にしてＣＦ₂ ラジカルの密度を求める。更に回転ミラー２２を順次回転させて同様にして光路Ｌ３及びＬ４に対応するＣＦ₂ ラジカルの密度を求める。さてここで得られた密度は処理室１内の各光路Ｌ１（Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）における平均密度であるが、例えば図４（ａ）に示すように処理室１内の密度分布を仮定して（黒丸同士、白丸同士は同じ密度であり、かつ黒丸、白丸は互いに異なる密度である）密度の対称性と密度の連続性などから適当な演算を施してコンピュ−タ解析により処理室１の平面方向の密度分布を求めることができる。
【００１９】
また処理室１が円筒状であればア−ベル変換などを行うことによって求めることができる。即ち図４（ｂ）に示すように同心円状の密度が等しいとして取扱うと、（数式２）が成り立つ。
【００２０】
【数２】

図４（ｂ）は、同心円状に複数（Ｎ個）のリング状領域に分割し、各リング状領域の中ではラジカル密度が等しく、その中を光が矢印のように透過している様子を概念的に示している。Ｉ（ｙ）は各ｙ位置において求めた平均密度を処理室の中心からＹ軸に沿って壁面まで積分した値であり、ｒは処理室の中心からの半径方向の距離、ε（ｒ）は半径方向の密度分布、Ｒは処理室の半径（処理室の壁面でラジカル密度がゼロになるとして取り扱っている）である。数２式を逆変換すれば（数式３）が得られ、半径方向の密度分布が求められる。
【００２１】
【数３】

従って光路Ｌ１（Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）の方向をＸ方向とすれば、これら光路Ｌ１（Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）に直交する方向即ちＹ方向におけるＣＦ₂ ラジカルの密度分布が得られる。具体的には、Ｉ（ｙ）を求めるためのプロット（光路に沿って夫々求めたラジカル平均密度の値）は光路の数だけとなるので上述の場合４個となり、この４個の値をなめらかな曲線となるように補間してｙの値を増やすことによりＩ（ｙ）を求める。従って光路の数を増やせばＩ（ｙ）はより精度よく求まる。そしてこのＩ（ｙ）をｙで微分し、（数３）式に入れて積分すればε（ｒ）が求まる。なお本発明では、前記光路と直交する方向にも光路を形成し、Ｘ，Ｙ方向の光路がクロスする点の密度をコンピュ−タトモグラフィ（断層撮影）と同様な手法で求めるようにしてもよい。
【００２２】
この実施の形態によれば、プラズマが発生している処理室１について、回転ミラー２２を用い、その回転位置に対応して処理室１内に複数の光路を形成しているため、ラジカルの密度分布を測定することができる。従ってプラズマの状態を調べることができ、更にＣＦ₂ ラジカルがフッ素化カーボン膜（フルオロカ−ボン膜）の成膜や例えばシリコン酸化膜のエッチングのメカニズムに関連していて、ＣＦ₂ ラジカルの密度と膜厚や加工形状との面内均一性とが関連していると考えられることから、例えば後述の実施の形態のように測定結果をプロセス条件にフィードバックすることにより処理の均一性の向上に役立たせることもできる。
【００２３】
なお出力部２０の出力窓を処理室１と対向させ、レーザ光出力部２０をＹ方向に移動させることは理論上可能であるがレーザ光出力部２０例えば赤外半導体レーザ光出力装置は、およそ２ｍ程度もある大型の大重量物であるため、これを動かす移動機構を組み立てることは、移動機構が非常に大掛りになり、レーザ光出力部が大型であることと相俟ってスペース的に無理があるし、コスト的にも無理があり、現実には実施できない。
【００２４】
ただしレーザ光を検出する側においては、例えばミラー４１〜４４を用いずに図５に示すようにレ−ル３ａに沿って検出部３をＹ方向に移動させてもよい。またミラーＭ１〜Ｍ４及びミラ−２３を用いずにレーザ光出力部２０と回転ミラー２２とを組み合わせ、回転ミラー２２を既述の図２のミラ−２３の位置に置くと共に回転させて処理室１内に複数の光路を形成するようにしてもよいし、あるいはまた図６に示すようにガイドレール２４に沿ってＹ方向に移動自在な基台２５の上にミラー２６を載せ、基台２５をＹ方向に移動させてミラー２６の位置を変え、こうして光路Ｌ１〜Ｌ４を形成するようにしてもよい。この場合ミラー２６は可動ミラーに相当する。なお光路の数は４個に限定されるものではない。
【００２５】
更に本発明ではＣＦ₂ ラジカルに限らず他のラジカル例えばＣＦやＣＦ₃ ラジカルの密度分布を測定するようにしてもよいし、ラジカル以外の粒子、例えばイオン、原子、分子などを測定するようにしてもよく、あるいはガス中の粒子に限らず液体中のイオン、原子、分子などの粒子を測定するようにしてもよい。そしてまたレ−ザ光としては赤外半導体レ−ザ光に限らず例えば可視領域や紫外領域などのレ−ザ光であってもよい。
以下にＣ₄ Ｆ₈ ガスを用いてプラズマを発生させ、ＣＦ₂ のラジカルの密度について測定した結果を実施例１〜３に、またＣＦラジカルの密度について測定した結果を実施例４、５に夫々記載し、更にＳｉＦ₄ ガスを用いてプラズマを発生させＳｉＦ₄ 分子の密度について測定した結果を実施例６に示す。
【００２６】
（実施例１）
図１の装置において処理室１として例えば一辺が５０ｃｍ、高さ５０ｃｍの角筒状のものを用い、８インチサイズのウエハＷを例えばＥＣＲポイントの下方約１３ｃｍの位置に載置した。マイクロ波の周波数及びパワーは夫々２．４５ＧＨｚ及び１０００Ｗとし、磁場についてはＥＣＲポイントにおいて８７５Ｇ（ガウス）の強さとなるように設定すると共にウエハＷ上で直径約２５ｃｍのプラズマ（濃いプラズマ）が閉じ込められるようにミラー磁場を形成した。Ｃ₄ Ｆ₈ ガスは流量６０ｓｃｃｍでガス供給部１３から導入した。
【００２７】
処理室１内における圧力を４．０Ｐａ、１．３Ｐａ及び０．４Ｐａの３通りに設定し、各圧力下においてウエハＷから１ｃｍ上方の位置に、ＣＦ₂ ラジカルの吸収波数である１１３２．７５３２ｃｍ^-1のレーザ光を通してＣＦ₂ ラジカルの密度分布を求めたところ図７に示す結果が得られた。この結果から、圧力が高い程ＣＦ₂ ラジカルの密度が高くなると共にウエハＷ面上に比べて処理室１の内壁に近いところの方が前記密度が高く、またウエハＷ面上における前記密度の均一性は圧力が低い程高いことが分かる。
【００２８】
（実施例２）
処理室１内の圧力を１．３Ｐａに設定し、マイクロ波のパワーを５００Ｗ、１０００Ｗ及び２５００Ｗの３通りに設定し、各条件下においてＣＦ₂ ラジカルの密度分布を求めたところ図８に示す結果が得られた。他の条件は実施例１と同様である。この結果からマイクロ波パワーが大きい程ＣＦ₂ ラジカルの密度が低くなることが分かった。またウエハＷ面上における前記密度の均一性は、どの条件下においてもほぼ同じであった。
【００２９】
（実施例３）
処理室１内の圧力を１．３Ｐａに、マイクロ波パワーを１０００Ｗに夫々設定し、Ｃ₄ Ｆ₈ ガスの流量を３０ｓｃｃｍ，６０ｓｃｃｍ及び１５０ｓｃｃｍの３通りに設定し、各条件下においてＣＦ₂ ラジカルの密度分布を求めたところ図９に示す結果が得られた。他の条件は実施例１と同様である。この結果からＣ₄ Ｆ₈ ガスの流量を多くするとＣＦ₂ ラジカルの密度が大きくなり、また流量によってウエハＷ面上の密度の均一性が左右されることが分かった。なおウエハＷ面上に比べて処理室１の内壁面近傍の方がＣＦ₂ ラジカルの密度が大きい理由は、ウエハＷ面上の方がプラズマの電気的な衝撃によりＣＦ₂ ラジカルの分離が促進され、また壁面近傍では、壁面に付着した反応生成物とフッ素とが反応してＣＦ₂ ラジカルが生成されることが一因と考えられる。
【００３０】
（実施例４）
ＣＦラジカルの吸収波数である１１０８．６７０２ｃｍ^-1のレーザ光を通してＣＦラジカルの密度分布を求めた他は、実施例１と同様にして測定を行い、ＣＦラジカルの密度分布の圧力依存性を求めた。この場合も処理室１内における圧力を実施例１と同様に４．０Ｐａ、１．３Ｐａ及び０．４Ｐａの３通りに設定している。結果は図１０に示す通りである。この結果から、圧力が高い程ＣＦラジカルの密度が低くなり、実施例１と比べるとＣＦ₂ ラジカルの場合とは逆の傾向にあることが分かる。またウエハＷ面上における前記密度の均一性は、０．４Ｐａ及び４．０Ｐａの圧力よりも１．３Ｐａの圧力の方が高い。
【００３１】
（実施例５）
ＣＦラジカルの吸収波数である１１０８．６７０２ｃｍ^-1のレーザ光を通してＣＦラジカルの密度を求めた他は実施例２と同様にして測定を行い、ＣＦ₂ ラジカルの密度分布のマイクロ波パワー依存性を求めた。この場合もマイクロ波パワーを実施例３と同様に５００ｗ、１０００ｗ及び２５００ｗの３通りに設定している。結果は図１１に示す通りである。
この結果からマイクロ波パワーが大きい程ＣＦラジカルの密度が高くなり、実施例３と比べるとＣＦ₂ ラジカルの場合と逆の傾向にあることがわかる。またマイクロ波パワーの増加に伴って、壁近傍のＣＦラジカルの密度がウエハＷ中心付近に比べて増加している。これは先の実施例３のところで考察した理由、及び処理室１上部からのＣＦラジカルの回り込みなどが考えられる。更にウエハＷ面上における前記密度の均一性はマイクロ波パワーが２５００ｗの場合に比べて、１０００ｗ、５００ｗの場合の方が高い。
以上の結果からラジカル密度の圧力依存性及びマイクロ波パワー依存性は、ラジカル種によって異なることが分かり、その原因はプラズマの電気的な衝撃によるラジカルの分離の程度や壁面におけるラジカルの生成の程度がラジカルによって異なるからであると推測される。
【００３２】
（実施例６）
処理室１内にＣ₄ Ｆ₈ ガスの代りにＳｉＦ₄ ガスを９０ｓｃｃｍの流量で導入し、処理室１内の圧力を１．３Ｐａに設定した。そしてマイクロ波のパワーを０ｗ、１０００ｗ、１５００ｗ及び２５００ｗの４通りに設定し、ＳｉＦ₄ 分子の吸収波数である１０３２．１３１ｃｍ^-1のレーザ光を通し、ＳｉＦ₄ 分子の密度分布のマイクロ波パワー依存性を求めた。他の条件は実施例１と同じである。結果は図１２に示す通りである。この結果からマイクロ波パワーが大きい程、ＳｉＦ₄ の解離が進んで全体のＳｉＦ₄ 分子密度が小さくなっていることが分かる。またマイクロ波パワーをかけたときには壁面に比べて中央部の分子密度が大きくなっているが、これはウエハＷの中心に近い程プラズマエネルギーが大きく、ＳｉＦ₄ の解離が促進されていることに基づくものと考えられる。
なお本発明者は、ＳｉＦ₄ 分子における上記波数に対応するラインストレングスＳの値を把握していなかったが、次のようにしてＳを求めた。即ちマイクロ波パワーを印加しないときには、ＳｉＦ₄ ガスを理想気体とみなし、圧力、温度、体積が分かっているので気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）からＳｉＦ₄ の密度ｎが求まる。室温で１．３Ｐａの条件下ではｎは３．２×１０¹⁴ｃｍ^-3であった。従ってこのときにｋ（νｃ）を求めれば、先の（数１）式からＳが求まり、Ｓは３．５×１０^-20 ｃｍ／個であった。このようにしてＳが分かれば、マイクロ波パワーを印加したときにＫ（νｃ）を求めればｎが求まる。
【００３３】
次に上述の測定装置を組み込んだ基板処理装置の実施の形態であるＥＣＲを利用したプラズマ処理装置について図１３〜図１５を参照しながら説明する。この装置は筒状の第１の真空室５１と、レーザ光の透過窓５２ａを備えた第２の真空室５２とからなる真空容器２を備え、高周波電源部５３からのマイクロ波が導波管５４及び透過窓５５を介して真空容器２の上端から真空容器２内に導入されるように構成されている。５６、５７は夫々主電磁コイル及び補助電磁コイルであり、これら電磁コイル５６、５７によりミラー磁場が形成される。なお電磁コイルは導波管５４の周囲を巻装するように設けられていてもよい。６１、６２は夫々ガス供給ノズル及びリング状のガス供給部であり、ガス供給ノズル６１からは例えばＡｒガスが供給されると共に、ガス供給部６２からは成膜を行う場合には例えばＣ₄ Ｆ₈ ガス及びＣ₂ Ｈ₄ ガスが、またエッチングを行う場合にはＣＦ系のガスが夫々供給される。６３はウエハ載置台、６４は排気管、６５は載置台６３にバイアス電力を印加するためのバイアス電源部である。
【００３４】
そして真空容器２の外部には、図９に示すように既述のラジカル測定装置が設けられており、例えばウエハＷの中心端から周縁部に亘って４本の光路Ｌ１〜Ｌ４が形成される。図１４において３１はラジカル密度検出部、３２はラジカルの密度分布解析部であり、密度分布解析部３２は、ラジカル密度検出部３１で検出した各光路Ｌ１〜Ｌ４ごとのラジカル密度に基づいてその密度分布を解析する機能を持っている。密度分布を解析するとは、例えば各光路Ｌ１〜Ｌ４ごとのラジカル密度の最大値と最小値との差を求めることやあるいは既述の密度分布のグラフを作成することなどを意味し、前者の場合にはその差に基づいてプロセス条件を変える場合に役立てられ、後者の場合にはプラズマの状態を後で解析する場合などに用いられる。
【００３５】
図１５は、図１３に示すプラズマ処理装置において、密度分布解析部３２で解析された結果に基づいてリアルタイムでプロセス条件を制御するための装置を示す図である。図１５において７は主制御部、７１は高周波電源部５３の電力をパルス変調するためのパルス発生器である。マイクロ波があるデューティ比のパルスでパルス変調されているとすると、主制御部７は密度分布解析部３２から得られた例えばラジカルの密度の最大値と最小値との差Δｄに応じた制御信号をパルス発生器７１に出力し、前記デューティー比を調整する。なおマイクロ波は例えばＴＭモ−ドあるいはＴＥモ−ドで導かれる。
【００３６】
マイクロ波をパルス変調することによりプラズマの電子温度を制御することができ、これによりラジカル例えばＣＦ₂ ラジカルの密度を制御できるため、特定のラジカルの密度分布に基づいて前記デューティー比を制御すれば、ウエハ面内におけるラジカルの密度をきめ細かく制御することができ、この結果ウエハＷ上の膜厚やエッチングの加工形状について高い面内均一性を確保することができる。この例ではＣ₄ Ｆ₈ ガス及びＣ₂ Ｈ₂ ガスによりフッ素化カーボン膜が得られ、その膜厚の面内均一性が向上する。なおデューティー比の制御の手法としては、ラジカル密度が予め定めた上限設定値を越えたときや下限設定値以下になったときにデューティー比を変えるための制御信号を出力するようにしてもよいし、上述の制御と組み合わせてもよい。またマイクロ波を制御するについては、デュ−ティ比の制御に限らずパワ−（電力値）や壁面温度を制御するようにしても良い。
【００３７】
更に密度分布解析部３２の解析結果に基づいて主制御部７から出力される制御信号は、電磁コイル５６、５７を夫々制御する電流制御部７２、７３に与え、励磁電流を調整して磁界の強さや磁力線の形状を変えるようにしてもよい。
また前記制御信号はガス供給部６２に送られるガスの流量を調整するための流量調整部７２に与え、ガスの総流量や混合比を調整するようにしてもよいし、排気管６４に設けられた排気量調整部例えばバタフライ弁の開度を調整して処理室１内の圧力を調整するようにしてもよい。
そしてまたバイアス電源部６５についても、電力値を制御してもよいし、パルス発生部７６でパルス変調する場合には前記制御信号によりパルス発生部７６を介してデューティー比を制御するようにしてもよく、この場合には特にウエハＷ上の薄膜のエッチングを行う場合に有効である。
【００３８】
このようにウエハＷの面方向におけるラジカルの密度分布を測定し、その測定結果に基づいてリアルタイムでマイクロ波、圧力及びガス流量などのプロセス条件を制御すれば、ラジカルの密度分布をきめ細かく制御することができる。ここでウエハＷの処理の状態例えば膜厚の均一性やエッチング加工の均一性についてはプラズマ中のラジカルと関連していることから、例えばプロセス条件を目標値に設定した場合にも、ラジカルの密度分布が変化したときには、その密度分布に基づいて目標値を変更するといったきめ細かい制御を行うことができるので、結果としてプラズマ処理の面内均一性を向上させることができ、ウエハの大口径化が進む中で、スループットの向上を図る上で有効な手法である。
ここで本発明は、フッ素化カ−ボン膜の成膜に限らず、例えばＳｉＦ₄ ガスを前記ガス供給部６２から、また酸素ガス及びアルゴンガスを前記ガス供給ノズル６１から夫々真空容器２内に導入し、ＳｉＯＦ膜を成膜する場合に、ＳｉＦ₄ 分子の密度を検出し（実施例６で記載したようにＳｉＦ₄ 分子の密度は測定できる）、その検出結果に基づいてプロセズ条件を制御するようにしてもよい。またＣＦ系のガスでＳｉＯ₂ 膜をエッチングする場合にはＳｉＦ₄ が発生するので、ＳｉＦ₄ の密度に基づいてプロセズ条件を制御してエッチングを行うようにしてもよい。
【００３９】
以上において本発明は、ＥＣＲ以外のヘリコン波タイプのもの、平行平板タイプのもの、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）タイプのものなどにも用いることができ、更に成膜やエッチング以外のプラズマ処理例えばレジストの灰化処理（アッシング）などにも適用することができる。またプラズマ処理以外にも処理ガスを用いて基板を処理する他の装置例えば熱ＣＶＤ装置などに対しても適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、ミラーを動かして測定室内に複数の光路を形成しているため、大掛かりな装置とすることなく測定室中のラジカル、イオン、原子あるいは分子などの粒子の密度分布を測定することができ、例えばプラズマの状態をより正確に把握できるなどの効果がある。
【００４１】
また本発明の処理装置によれば、上述の測定装置を用いて処理室内のラジカルなどの密度分布を測定し、その結果に基づいてプロセス条件を制御しているため、きめ細かい制御を行うことができ、その結果基板上の処理の面内均一性を向上させることができる。
【００４２】
更に本発明のプラズマ処理方法によれば、ラジカルの密度分布に基づいてプロセス条件を制御しているため、プラズマの状態をきめ細かく制御でき、基板上の処理の面内均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定装置に係る実施の形態を示す縦断側面図である。
【図２】本発明の測定装置に係る実施の形態を示す横断平面図である。
【図３】上記実施の形態で用いられる可動ミラーを示す斜視図である。
【図４】ラジカル密度分布の推定のためのモデルの例を示す説明図である。
【図５】本発明の測定装置に係る他の実施の形態を示す横断平面図である。
【図６】本発明の測定装置に係る更に他の実施の形態を示す横断平面図である。
【図７】圧力を変えたときにおける処理室内の位置とＣＦ₂ ラジカル密度との関係を示す特性図である。
【図８】マイクロ波パワーを変えたときにおける処理室内の位置とＣＦ₂ ラジカル密度との関係を示す特性図である。
【図９】ガスの流量を変えたときにおける処理室内の位置とＣＦ₂ ラジカル密度との関係を示す特性図である。
【図１０】圧力を変えたときにおける処理室内の位置とＣＦラジカル密度との関係を示す特性図である。
【図１１】マイクロ波パワーを変えたときにおける処理室内の位置とＣＦラジカル密度との関係を示す特性図である。
【図１２】マイクロ波パワーを変えたときにおける処理室内の位置とＳｉＦ₄ 分子密度との関係を示す特性図である。
【図１３】本発明の処理装置に係る実施の形態を示す縦断側面図である。
【図１４】本発明の処理装置に係る実施の形態を示す横断平面図である。
【図１５】本発明の処理装置に係る実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 処理室
２ ミラー部
Ｗ 半導体ウエハ
２０ レーザ光出力部
２２，２６ 回転ミラー
２５ 基台
Ｍ１〜Ｍ４、２３ ミラー
３ 検出部
４１〜４４ ミラー
Ｌ１〜Ｌ４ 光路
５ 真空容器
５３ 高周波電源部
６１ ガスノズル
６２ ガス供給部
６５ バイアス電源部
３１ ラジカル密度検出部
３２ 密度分布解析部
７ 主制御部
７１、７６ パルス発生部
７２、７３ 電流制御部
７４ 流量制御部
７５ 圧力調整部

Claims (8)

1. 処理ガスをプラズマ化して得たプラズマにより処理室内の被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、
   前記処理室の外部に設けられたレ−ザ光出力部と、
   このレ−ザ光出力部からのレ−ザ光を反射し、その位置に応じて前記処理室内に、被処理基板の面方向に並ぶレ−ザ光の複数の光路を形成するようにその位置が可変できる可動ミラ−を含むミラ−部と、
   前記可動ミラ−が各位置に設定されることにより順次形成された複数の光路を通ってきたレ−ザ光を受光し、各光路ごとにレ−ザ光の減衰量に基づいて処理ガス中の特定の粒子の密度を検出するための粒子密度検出部と、
   この粒子密度検出部により検出された各光路ごとの粒子密度の最大値と最小値との差に基づいて、前記処理室内の圧力を制御する手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 可動ミラ−は回転自在に設けられた回転ミラ−により構成され、この回転ミラ−を各回転位置に順次設定して、前記レ−ザ光出力部からのレ−ザ光を前記複数の光路に順次通過させることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. ミラ−部は、回転ミラ−からのレ−ザ光を反射して夫々光路を形成するための複数の固定ミラ−を含むことを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 測定室内の各光路を通ってきたレ−ザ光を夫々検出部に反射させるための複数のミラ−が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
5. 特定の粒子はラジカルまたは分子であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。。
6. 被処理基板をプラズマにより処理するとは、被処理基板に対して成膜を行うことである請求項１ないし５のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
7. 被処理基板をプラズマにより処理するとは、被処理基板に対してエッチングを行うことである請求項１ないし５のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
8. 処理ガスをプラズマ化して得たプラズマにより処理室内の被処理基板を処理するプラズマ処理方法において、
   処理室内に、被処理基板の面方向に並ぶ複数の光路を形成してこれら光路にレ−ザ光を通過させ、各光路ごとにレ−ザ光の減衰量を求めると共にこれら減衰量に基づきプラズマ中の特定の粒子についてプラズマ中の特定の粒子の密度を各光路ごとに検出する工程と、
   この工程にて検出された各光路ごとの粒子密度の最大値と最小値との差に基づいて、前記処理室内の圧力を制御する工程と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理方法。

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