JP4515306B2

JP4515306B2 - プラズマ活性粒子の密度計測方法及び密度計測装置

Info

Publication number: JP4515306B2
Application number: JP2005097955A
Authority: JP
Inventors: 一樹滝澤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP2006278223A

Description

本発明は、プラズマ活性粒子の密度計測方法及び密度計測装置に関する。

プラズマはイオンやラジカルを含む電離されたガスである。これらのイオンやラジカルは、例えば、プラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、スパッタリング堆積、反応性イオンエッチング、アッシングなどの半導体ウェハー処理の際に重要な役割を果たしている。例えば、ＰＥＣＶＤによりＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を製造する場合、チャンバ内の電極から高周波の電磁波を放射して電極と基板面との間にプラズマを生じさせ、プロセスガスのラジカルを基板面に付着させて成膜する方法が行なわれている。

ところで、特定のプラズマ種によって生成された活性粒子の中には比較的寿命の長い粒子が存在する。このような粒子を用いてウェハー処理を行なうプラズマ形態（以下、リモートプラズマという）が知られている。例えば、プロセスガス供給源とチャンバを接続する中空管の一部を空洞部を有する共振キャビティで包囲し、この共振キャビティに取り付けられたマグネトロンから中空管内にマイクロ波のエネルギーを与えてプラズマを生じさせ、活性粒子のラジカルをチャンバ内に供給して成膜を行なうリモートプラズマの成膜装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

このようなマイクロ波を用いたリモートプラズマは、通常の高周波放電を用いる場合と比較して、例えば、プラズマの励起やプロセスガスの活性化の効率がよいという利点がある。また、マイクロ波の導波手段として共振キャビティを用いることにより、マイクロ波の供給効率を高くできる。

特開平１１−７４０９７号公報

しかしながら、特許文献１のように中空管内のプラズマ発生源（以下、リモートプラズマ源という）を有するプラズマプロセス装置の設計には、リモートプラズマ源で生成された活性粒子の中空管内での輸送過程が重要となる。例えば、中空管壁面への拡散や活性粒子同士の反応による消滅のレートが大きければ、リモートプラズマで生成した活性粒子をチャンバ内へ輸送するために、リモートプラズマ源をチャンバに近づけて設計する必要がある。反対に、活性粒子の消滅のレートが小さければ、例えば、プラズマで生成された別の活性粒子（イオンなど）が膜に衝突して悪影響を与えるおそれがあるため、リモートプラズマ源とチャンバを遠ざけて設計する必要がある。

このように、リモートプラズマ源を有するプラズマ装置を設計する際は、例えば、リモートプラズマ源で生成された活性粒子の中空管内での密度の空間分布を調べておけば、リモートプラズマ源を有するプロセス装置の設計上有利となる。

例えば、チャンバ内の活性粒子の空間密度を計測する方法として、チャンバの側壁から照射したレーザ光を対向する壁面で受光して、その減衰量を計測することにより、活性粒子の密度を求める技術が知られている。この場合、活性粒子の密度分布を把握するためには、例えば、上記の計測器をチャンバに複数配置することが考えられるが、装置構成が複雑になりコスト上の問題がある。また、計測器をスライドさせて複数箇所で計測する方法が考えられるが、この場合、計測器の発光系と受光系を光軸を一致させて移動させる必要があり、そのような移動機構は、装置の構成上好ましくない。このように、活性粒子の密度分布を計測することは容易でないため、簡単な構成で密度分布を計測する技術が求められている。

本発明は、リモートプラズマ源から供給される活性粒子の空間密度を簡単な構成で計測できるようにすることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、ガス流体が通流する中空管の管壁を介して中空管内にマイクロ波を照射して中空管内にプラズマを生じさせ、中空管の先端が挿入された容器内にプラズマにより生成される活性粒子を前記先端から導入し、容器内の中空管の前記先端付近の活性粒子に対し、中空管の軸方向と直交する方向から照射したレーザ光又は他の光源からのプラズマ光の減衰量を計測し、減衰量に基づいて活性粒子の密度を算出するプラズマ活性粒子の密度計測方法であって、マイクロ波を中空管に照射する位置を中空管の軸方向に沿って移動させて活性粒子の密度を計測することを特徴としている。

すなわち、例えば、容器内において中空管の先端付近にレーザ光の光路を位置させ、設定位置、つまりリモートプラズマ源の位置を変化させて、プラズマの活性粒子の空間密度を計測することにより、リモートプラズマ源を基点とする中空管内の活性粒子の密度分布を擬似的に知ることができる。ここで、容器内に照射する光は、レーザ光に限らず、例えば、プラズマ光などを光源とするものであってもよい。

このようにして得られた活性粒子の密度分布は、例えば、容器内において中空管の先端と基板面との間の活性粒子の密度分布を予測する上で参考データとなる。すなわち、中空管内から容器内に放出された活性粒子の空間密度は、中空管内の密度分布に対し、例えば、中空管から放出されるガス流量などの各種パラメータを組み合せることでシュミレーションすることができる。

本発明によれば、容器に複数の光源や光検出器を設けたり、これらの移動機能などを必要としないため、簡単な構成で活性粒子の空間密度を計測することができ、リモートプラズマ源を有するプロセス装置の設計上有利な情報を得ることができる。

具体的に、本発明の密度計測装置は、ガス流体が供給される容器と、ガス流体の供給源に一端が接続されて他端が容器内に延在する中空管と、中空管の管壁を介して中空管内にマイクロ波を照射するマイクロ波照射器と、容器内に延在する中空管の先端付近に中空管の軸方向と直交する方向から照射されたレーザ光又は他の光源からのプラズマ光を受光して減衰量を計測する計測器と、減衰量に基づいて前記先端付近のプラズマの活性粒子の密度を算出する密度算出手段と、マイクロ波照射器を中空管の軸方向に沿って移動させる移動手段とを備えることにより、上記課題を解決することができる。

本発明によれば、リモートプラズマ源から供給される活性粒子の空間密度を簡単な構成で計測することができる。

以下、本発明に係るプラズマの活性粒子の密度計測装置の一例について説明する。本実施形態の密度計測装置は、いわゆる量産用のＣＶＤ成膜装置とは異なり、主としてリモートプラズマによる活性粒子の密度分布を計測することを目的としている。すなわち、本実施形態の密度計測装置で得られた情報は、例えば、リモートマイクロ波プラズマを有する成膜装置として有用な設計情報となり、成膜品質を一層向上させることができる。

図１は、本実施の形態の密度計測装置の全体構成図である。図２は、図１の共振キャビティの部分拡大図である。なお、本実施形態では、プラズマ活性粒子としてラジカルを用いて説明する。

本実施形態の密度計測装置は、図１に示すように、チャンバ１、レーザ測定器３、ガス供給ユニット５、中空管７、Ｘ軸ステージ９、共振キャビティ１１、マイクロ波電源１３を備えて構成される。チャンバ１は、図示しない排気経路を介して真空ポンプと接続されており、内部を設定圧力に調整可能になっている。チャンバ１の対向する側壁には、それぞれ観測窓１５が設けられ、一方には、光源１７（発光系）が設置され、この光源１７から放射される赤外レーザ光の光路上に位置するように、他方には、光検出器１９（受光系）が設置されている。光検出器１９は、受光したレーザ光の発光強度を検出し、図示しない演算手段によりレーザ光の減衰量に基づいてラジカル密度（絶対密度）を算出するようになっている。なお、本実施形態では、実際の成膜処理は行わないため、例えば、成膜用の基板を設置するホルダーなどの成膜関連設備は備えていない。

中空管７は、一端がガス供給ユニット５の供給口と接続され、他端はチャンバ１の側壁を貫通して内部に延在して設けられている。本実施形態の中空管７はガラス管で形成されている。なお、チャンバ１内の中空管７の先端付近には、レーザ光の光路が中空管７の軸と直交するように位置している。中空管７の軸方向には後述するＸ軸ステージ９が設けられ、そのＸ軸ステージ９には、空洞部を有する箱型の共振キャビティ１１が中空管７を包囲して移動自在に配置されている。共振キャビティ１１には、同軸ケーブル２１を介してマイクロ波電源１３が接続されている。

次に、図２を用いて共振キャビティ１１の周辺構成を詳細に説明する。共振キャビティ１１には、同軸ケーブル２１を通じてマイクロ波電源１３からマイクロ波が供給される。共振キャビティ１１の内部は、空洞の箱型に形成され、対向する面の略中央を中空管７が貫いて形成されている。共振キャビティ１１と接続される同軸ケーブル２１の端部は、図示しないアンテナ素子と接続され、ここにおいて同軸ケーブル２１を通じて供給されたマイクロ波が共振キャビティ１１内に放射されるようになっている。共振キャビティ１１の内面は、導電性材料から構成されていることが好ましい。

共振キャビティ１１は、ロッド２３を介してロッドフォルダ２５と連結され、ロッドフォルダ２５は、Ｘ軸ステージ９上で移動可能に配置されている。なお、Ｘ軸ステージ９はベース２７上に固定されている。

次に、本実施形態の計測の動作について説明する。先ず、真空ポンプを作動させ、チャンバ１内と中空管７内を設定圧力に減圧する。次に、プロセスガス（例えば、酸素または窒素）をガス供給ユニット５から中空管７内を通過させてチャンバ１内に供給する。この状態で、チャンバ１内の圧力が安定したのち、マイクロ波電源１３を稼動させてマイクロ波を発振させ、同軸ケーブル２１を介してアンテナ素子から共振キャビティ１１内にマイクロ波のエネルギーを供給する。共振キャビティ１１内で振幅が大きくなったマイクロ波のエネルギーは、中空管７の管壁を介して内部のプロセスガスにエネルギーを付与してプラズマ３１を発生させる。これにより、中空管７内を通過するプロセスガスは、プラズマ３１を通過する過程で解離され、例えば、酸素ラジカルや窒素ラジカルを有する活性粒子が生じる。

次に、計測対象のラジカルの吸収波長となる真空紫外〜近赤外域のレーザ光を光源１７から出力する。このレーザ光は、中空管７の先端付近の光路を通り、光検出器１９にて受光される。光検出器１９は、受光したレーザ光の強度を検出し、レーザ光の減衰量に応じたラジカルの密度を求める。次に、Ｘ軸ステージ９上で共振キャビティ１１を移動させる。これにより、中空管７内でプラズマ３１の発生位置が移動し、このときのラジカル密度を上記と同様に求める。以下同様に、共振キャビティ１１の位置を一定方向に設定量ずつ移動させてラジカル密度の検出を行い、これらのデータを記録する。

このように、本実施形態によれば、ラジカル密度の測定位置、つまり光源１７と光検出器１９との光軸を固定した状態で、共振キャビティ１１の位置、つまりリモートプラズマ源の位置とラジカルの密度計測位置との距離に応じたラジカル密度を求めることができるため、擬似的に中空管７内のラジカル密度分布を求めることができる。

また、ここで得られた中空管７内のラジカルの密度分布は、例えば、チャンバ１内において中空管７から放出された後のラジカルの密度分布を予測する上で参考データとなる。すなわち、チャンバ１内のラジカル密度分布は、中空管７内の密度分布に対し、中空管７から放出されるガス流量などの各種パラメータを組み合せることでシュミレーションすることができる。

また、本実施形態では、レーザ光を用いてラジカル密度を計測する方法について説明したが、これに限定されず、例えば、プラズマ光などの他の光源からの光を用いて計測するようにしてもよい。

また、本実施形態において、共振キャビティ１１をＸ軸ステージ９上で中空管７の軸方向に移動させる場合、共振キャビティ１１とマイクロ波電源１３を接続する同軸ケーブル２１はフレキシブル構造のため、固定されたマイクロ波電源１３から支障なくマイクロ波を供給することができる。このため、本実施形態では、チャンバ１に複数の光源や光検出器を配置したり、これらを移動させる機能を必要とせず、簡単な構成でラジカルの空間密度を計測することができ、リモートプラズマ源を有するプロセス装置の設計上有利な情報を得ることができる。

また、本実施形態の密度計測装置は、量産用のＣＶＤ成膜装置ではなく、リモートプラズマによる活性粒子の密度分布の計測を目的とする計測装置を例として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、量産用の成膜装置に必要な機能を付加させて実際の装置内で計測するようにしてもよい。

また、本実施形態の密度計測装置は、マイクロ波を、共振キャビティを通じて伝達させてリモートプラズマを生じさせる例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、チャンバ内に配置した電極に高周波の電磁波を供給しプラズマを生じさせる構成のＣＤＶ装置においても適用することができ、その他、薄膜太陽電池の製造、液晶薄膜の製造、薄膜トランジスタの製造、半導体などのエッチングその他の工業的用途に広く用いることができる。

本発明に係る実施の形態の密度計測装置の全体構成図である。図１の共振キャビティの部分拡大図である。

符号の説明

１チャンバ
３レーザ測定器
５ガス供給ユニット
７中空管
９Ｘ軸ステージ
１１共振キャビティ
１３マイクロ波電源
１５観測窓
１７光源
１９光検出器
２１同軸ケーブル
２７ベース
３１プラズマ

Claims

ガス流体が通流する中空管の管壁を介して該中空管内にマイクロ波を照射して該中空管内にプラズマを生じさせ、前記中空管の先端が挿入された容器内に前記プラズマにより生成される活性粒子を前記先端から導入し、前記容器内の前記中空管の前記先端付近の前記活性粒子に対し、該中空管の軸方向と直交する方向から照射したレーザ光又は他の光源からのプラズマ光の減衰量を計測し、該減衰量に基づいて前記活性粒子の密度を算出するプラズマ活性粒子の密度計測方法であって、前記マイクロ波を前記中空管に照射する位置を前記中空管の軸方向に沿って移動させて前記活性粒子の密度を計測することを特徴とするプラズマ活性粒子の密度計測方法。
ガス流体が供給される容器と、前記ガス流体の供給源に一端が接続されて他端が前記容器内に延在する中空管と、該中空管の管壁を介して前記中空管内にマイクロ波を照射するマイクロ波照射器と、前記容器内に延在する前記中空管の先端付近に該中空管の軸方向と直交する方向から照射されたレーザ光又は他の光源からのプラズマ光を受光して減衰量を計測する計測器と、前記減衰量に基づいて前記先端付近のプラズマの活性粒子の密度を算出する密度算出手段と、前記マイクロ波照射器を前記中空管の軸方向に沿って移動させる移動手段とを備えてなるプラズマ活性粒子の密度計測装置。