JP4695362B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特にプラズマ処理装置の処理特性の変動を抑制する技術に関する。

デバイスの微細化、高集積化及び構成材料の多様化に伴い、半導体の製造に用いるプラズマ処理装置においては、処理の高精度化だけでなく、同一装置における処理特性の長期安定化、複数装置間の処理特性差の抑制等、量産性が重要視されている。

例えば、プラズマエッチング装置では、処理を重ねると、反応室の内壁に堆積物が蓄積したり、内壁が磨耗したりする。このような堆積や磨耗に伴い、ウエハの処理特性は長期に渡って変化を続け、そのうち、微細パターン加工の許容加工特性変動の基準を逸脱して、製造されたデバイスの性能は基準値を満足しなくなる。更に、前記堆積物に剥がれが生じると微小異物を発生させる。また、処理室を構成する部品の磨耗は異常放電等を誘発し、デバイス不良の要因となる。

このため、近年のプラズマ処理装置では、処理状態に関係すると考えられる多くのパラメータ（発光スペクトル、バイアス波形のピークｔｏピーク電圧Ｖｐｐ、反射波の挙動等）を監視し続けることにより生産続行の可否を判断したり、堆積物を低減するためのプラズマクリーニング等の処理を活用したり、あるいは磨耗を防ぐために新規内壁材料を活用したり、というような施策が検討されている。これにより、製品不良の発生前に処理を止めたり、不良発生迄に要する時間を長期化することが可能となる。

しかしながら、将来的には、微細パターン加工の許容加工特性変動の基準は厳しくなる一方である（例えば４５ｎｍノードではゲート長は２０ｎｍ台となり、２ｎｍ以上の変動は許容されない）。このため、装置の種々のパラメータをもとに量産状況を監視し続けても、微妙に処理特性が変化しただけで、許容基準を逸脱してしまうことになる。

このような場合には、反応室の全掃作業、あるいは消耗部品交換作業が必要となり、全掃作業の周期が短くなり、また消耗部品交換頻度が高まることになる。結果として、稼働率の低下や消耗部品コスト増大を招く。プラズマクリーニングによるＳｉ系、Ｃ系、Ａｌ系等の堆積物の除去法も活用されているが、除去したいもののみを完全に除去し、反応室内壁面に余分なものを一切残さないクリーニング、あるいは反応室内壁面を一切削らないクリーニング（パーフェクトなプラズマクリーニング）は不可能であるため、反応室内部状態を完全にリセットすることは困難である。

このため、最近では、反応室内壁状態の微妙な変動や装置間の微妙な違いに対し、高精度に状態モニタ及び診断を行い、これに基づいてウエハ処理特性を一定化するための制御を行う技術の開発が重要となってきている。ウエハ処理特性を決定するパラメータには、圧力、ガス流量、壁面やウエハの温度、電源の整合特性等がある。それぞれ個別に高精度化するための開発が進められている。この中で、反応室のモニタ及び診断、並びに電源及び整合器の制御に関する特許文献の例を以下に示す。

特許文献１には、予め設定された着火ポイントにインピーダンス整合器のスタブを移動させた後、プラズマの着火を行い、プラズマを確実に着火させた後、プラズマが安定する整合点にスタブを移行させるものである。軌跡制御としては、初期設定点からプラズマ着火点、プラズマ安定点というように動作軌跡を描かせている。

特許文献２には、センサを整合器からプラズマ処理装置内の電極に至る経路の途中に取り付けることにより、処理特性やその変動を感度よく検出することが示されている。

また、特許文献３には、ウエハの処理中にインピーダンスを測定し、ウエハ処理の情報と共にデータベース化することで経験的な情報を蓄積し、ウエハの処理特性との関連付けを行うことが示されている。
特開平９−２６００９６号公報 特開２００３−１７４０１５号公報 特開２００４−３９７７２号公報

プラズマ処理装置においては、同一処理装置において処理特性を長期間にわたって安定化すること、及び異なる反応室間における処理特性差の差異を縮小化することが必須である。しかし、装置内壁の堆積物の増加や内壁の磨耗等により、処理特性は変動してしまう。また、反応室を構成する部品を極めて精度良く製作しても、製作した部品間には微妙な差異が生じる。このため複数装置間の処理特性差が許容値を逸脱することがある。

また、メンテナンス時に一旦取り外して再組み立てを行うと、同一の部品であっても、再組み立ての際の組付け状態の差異等により装置の特性が変化する。

このように、プラズマ処理装置においては、例え、プラズマ密度の一定化、インピーダンスの一定化、あるいは実効的入力パワーの一定化を図ったとしても、必ずしも処理特性の一定化を図ることはできない。

本発明はこれらの問題点に鑑み、さらにはプラズマ処理装置の内部状態を一定化して処理特性を一定化するためには、当然の前提として処理用のガスの圧力、流量などの周辺条件を高精度に制御した上で、電源とプラズマとの整合状態を制御することが有効であるとの知見に基づきなされたもので、プラズマ処理装置の処理特性の変動を検出し、さらには変動を抑制することのできるプラズマ処理技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

内部側壁を絶縁処理した反応容器と、反応容器内に配置した試料台、アンテナを備え、該アンテナにプラズマ発生用電源から高周波電力を供給して反応容器内に導入した処理ガスをプラズマ化して試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、プラズマ発生用電源とアンテナを含む負荷回路との間にインピーダンス整合をとるための整合器を備え、該整合器は、負荷電圧反射係数を測定するセンサを備え、測定した負荷電圧反射係数のスミスチャート上における位置のチャート内側方向に向かう変化をもとに反応室側面の内壁部の絶縁材質による保護コーティングの磨耗を判定し、時計方向へのシフトをもとに反応室上部の誘電体部品表面の削れを判定する。

本発明は、以上の構成を備えるため、プラズマ処理装置の処理特性の変動を検出し、さらには変動を抑制することができる。

〔実施例１〕
図１は第１の実施例に係るプラズマ処理装置の例として、ＵＨＦ帯の電磁波を用いたプラズマエッチング装置を説明する図である。

プラズマ処理を行う反応室１には、上部にプラズマ９生成用のＵＨＦ帯電磁波を導入するための誘電体真空窓２と、反応性の処理ガスを導入する誘電体製のガス放出板３が設けられる。エッチング処理による反応生成物は反応室１下方の排気口６より真空排気される。反応室１の内壁表面はアルミニウム母材の表面をアルマイト処理して形成した絶縁材質８による保護コーティングが形成されている。エッチング処理されるウエハ４は、試料台５の上面に設けた誘電体（高抵抗体）膜で形成された静電チャック上に載置され、ウエハ４を静電力により吸着する。

ウエハ４と静電吸着膜との間にはヘリウムガスを充填することにより試料台５との熱伝達を確保してウエハ４を効率的に温度制御する。また、試料台５にはウエハ４に高周波バイアスを印加するためのバイアス発生用電源１３と、前記静電力により吸着するために必要なＤＣ電源が接続されており、前記ウエハ及び高抵抗体の膜を通して流れる微小なＤＣ電流をモニタできるようになっている。

反応室１内には、反応性ガスを０．５Ｐａから１０Ｐａ程度の圧力を保持しながらガス放出板３より放出する。この状態で、磁場コイル７により反応室１内に磁場を印加し、プラズマ発生用電源１２からのＵＨＦ高周波出力を整合器１１を通して反応室１の上部に置かれたアンテナ１０から反応室１内に電磁波を放射することにより、反応室１内にプラズマ９を生成してエッチング処理を行う。

ここで、図１に示す処理装置に、Ｃｌ２ガス、ＨＢｒガス、ＣＦ４ガスの混合気体を導入して放電を行い、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成したウエハをエッチング処理した。

図２、３は、このときのウエハのエッチング処理特性の変動を自動的に修正するための処理を説明する図である。なお、図１の整合器１１は、各ウエハのプラズマ処理開始ごとに、例えば入力電圧反射係数が所定の値（整合到達点）に至るように回路定数を自動変更する。また、後述するように、整合到達点と整合軌跡を自動変更することが可能である（整合到達点及び整合軌跡の自動変更機能ＯＮの場合）。また、目的とする整合到達点及び整合到達点に至る整合軌跡は、例えば負荷電圧反射係数の推移に対応してデータベースに格納しておくことができ、整合器１１はデータベースに格納した値に基づいて整合器の回路定数を変更する。

まず、整合到達点及び整合軌跡の自動変更機能をＯＦＦにして、入力電圧反射係数、負荷電圧反射係数をインピーダンス表示できるスミスチャート上に表示した。この状態で、ウエハの連続処理を実施した。その結果、２５００枚までは、放電安定状態で処理が続行できた。しかし、ウエハのエッチング処理の結果を調べたところ、１枚目のウエハと比較して、５００枚目、１０００枚目、１５００枚目、‥‥、とウエハの処理枚数を重ねるにつれ、ほんのわずかなからエッチングによる微細パターンの仕上がり寸法が細くなっていっていることがわかった。１枚目の仕上がり寸法は５０ｎｍであったのに対し、１５００枚目では、４７ｎｍ、２０００枚目では４６ｎｍ、２５００枚目では４５ｎｍであった。 また、２２５０枚目以降に加工されたウエハで作成したＬＳＩデバイスは、特性不良が発生していることが後でわかった。さらに、２５００枚を超えたところから、放電安定性が劣化しはじめた。これを認知できないうちに、２６００枚までウエハ処理を進めてしまったため、更に１００枚の加工不良ウエハを出すという結果に陥り、２６００枚時点でウエハ処理を停止した。

このとき、２５００枚目までの入力電圧反射係数、及び負荷電圧反射係数のチャートを確認した結果、反射波は１枚目と変わらず０Ｗのままであった。すなわち、図２（ａ）に示すように、入力電圧反射係数は１枚目と変わらず終始インピーダンスチャートの原点１８を表示していた。しかし図２（ｂ）に示すように、負荷電圧反射係数の表示値は、１枚目の位置１９と比較して、反時計方向に１０°だけシフトした位置２０に移動していたことが判明した。

反時計方向のシフトはプラズマ発生用の高周波回路における静電容量が減少したことを示しており、これは、反応室１上部の誘電体部品表面に堆積した絶縁性の被膜の厚みが増していくことを示している。この堆積膜はＳＦ６ガスでプラズマクリーニングを施しても、減少する兆しがみえなかったため、やむなく、反応室を大気開放し、内部の堆積膜を全掃し、反応室を再組み立てしてから、真空状態にした後、ウエハ処理の準備を整えてから、試しに１枚だけ処理を行った。その結果、仕上がり寸法は元通り５０ｎｍに戻っており、また、負荷電圧反射係数もチャート上の元の位置１９に戻っていることがわかった。しかしながら、この状況のままでは、２回目以降は、安全の余裕をみると、処理枚数をせいぜい２０００枚程度迄にとどめるしかないことになる。

次に、整合到達点と整合軌跡の自動変更機能をＯＮに変更し、再び、ウエハの連続処理を進めた。ここで、自動変更機能の設定として、図３（ａ）に示すように、負荷電力反射係数が反時計方向にシフトするに従って、図３（ｂ）に示すように、入力電圧反射係数のチャート上における整合到達点をチャート上の０°の方向にシフトさせていくことにした。シフト量として、負荷電圧反射係数の反時計方向のシフト量１°あたり、入力電圧反射係数の整合到達点をチャート上の０°の方向０．０１ずつシフトするように設定した。

図４は、負荷電圧反射係数がチャート上でシフトした際の入力電圧反射係数のチャート上における整合到達点及び整合到達点に至る整合動作軌跡の変更処理を説明する図である。

まず、ステップＳ１において、整合器近傍に配置したセンサにより負荷インピーダンスを測定する。ステップ２において、この測定値に基づいて負荷電圧反射係数を算出し、この値をチャート（例えば負荷電圧反射係数を表すスミスチャート）上にプロットする。ステップ３において、基準となるチャート上の位置とのずれを判定する。ずれ量が基準値より大である場合は、処理に異常が発生した場合であるから、予め設定した警告の内容を判断するためのデータベース４２を参照して、該当する内容の警報を発報し、ステップＳ６において処理を終了する。

ステップ３において、ずれ量が基準値以下の場合には、ステップＳ４において、負荷電圧反射係数の推移に対応して、整合到達点あるいは整合到達点に至る整合軌跡を変更する。なお、整合到達点及び整合到達点に至る整合軌跡の変更に際しては、負荷電圧反射係数の推移に対応して最適な整合到達点あるいは整合到達点に至る整合軌跡を格納したデータベース４１を参照することができる。なお、この処理はプログラム等で実現可能である。また、処理部をハードウエアで実現することも可能である。

図４に示すフローに従って処理を進めた場合、入力電圧反射係数を示すチャート上の整合軌跡はその到達点がシフトしていくに伴って少しずつ変化していくことになる。途中経過として、処理が２０００枚まで進んだ時点で、ウエハの処理特性を微細パターンの仕上がり寸法で調べたところ、４９ｎｍであることがわかった。さらに、連続処理を進めたが、２５００枚目でも特に放電安定性の劣化が見られず、結局、５０００枚迄安定に処理が進めることができた。また、この時点でウエハの処理特性を微細パターンの仕上がり寸法で調べると４７．５ｎｍである。また、この時点でエッチング処理されたウエハを用いて作成したＬＳＩデバイス特性を調べたところ、デバイス動作不良は見出されなかった。

また５０００枚以降は負荷電圧反射係数のシフトも飽和してほとんど止まり、微細パターンの仕上がり寸法も４７ｎｍより細くはならなかった。この状況を見届けながら、最終的に８０００枚まで処理を継続し、それまでに処理したウエハにはデバイスの動作不良率の増加は見られないことを確認できた。

このように、プラズマ内部状態をなるべく一定に保つように、整合到達点とそこに至る軌跡を制御することで、微細パターンのエッチング処理の特性変動を抑えることができることがわかった。

〔実施例２〕
図５は、第２の実施例に係るプラズマ処理装置の例として、ＨＦ帯の電磁波（１３．５６ＭＨｚ）を用いたプラズマエッチング装置を説明する図である。

プラズマ処理を行う反応室１は、上部に反応性の処理ガスを導入する導電性（シリコン製）のガス放出板３が設けられており、反応室１の内壁表面はアルミニウム母材の表面をアルマイト処理して形成した絶縁材質８による保護コーティングが形成されている。この導電性のガス放出板は、本実施例では、反応室内の接地電極の役割も果たしている。

エッチング処理されるウエハ４は、試料台５上部に設けた誘電体（高抵抗体）膜で形成された静電チャック上に載置され、ウエハ４を静電力により吸着する。ウエハ４と静電吸着膜との間にはヘリウムガスを充填することで試料台５との熱伝達を確保してウエハを良好に温度制御する。プラズマ９生成用のＨＦ帯の電磁波は、この装置では、整合器１１を通してウエハ４を載置している試料台５に印加される。

本実施例２では、第１の実施例と異なり、プラズマ生成用の電磁波を試料台５側より印加するタイプの装置である。このように、本発明はプラズマ生成用の電磁波を反応室上部から印加する場合でも、下部から試料台を通して印加する場合でも適用することができるまた、プラズマ生成用の電磁波の周波数に依らず適用できる。すなわち、プラズマ装置の一般的名称で言えば、反応室上部の誘電体窓を通してプラズマ生成用のパワーを導入する方式としてのマイクロ波プラズマ、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）、実施例１に示すＵＨＦプラズマ、及びパワー導入に誘電体窓を通さない方式としての、プラズマ内部に設置された上部電極よりパワーを導入する平行平板型プラズマ、下部試料台よりパワーを導入する平行平板型プラズマ（本実施例２）等種々のプラズマ処理装置に適用できる。

図５において、エッチング処理による反応生成物の排気は反応室１下方の排気口６より真空排気される。また、試料台５にはウエハ４に高周波バイアスを印加するためのバイアス発生用電源１３と静電吸着するために必要なＤＣ電源が接続されている。反応室１内に反応性ガスを典型的には０．５Ｐａから１０Ｐａ程度の圧力を保持しながらガス放出板３より放出する。この状態でプラズマ発生用電源１２からのＨＦ高周波出力を整合器１１を介して試料台５から反応室１内に放射することで、プラズマ９を生成してエッチング処理を行う。ここで、図５で説明した装置により、ＣＦ４ガス、Ｏ２ガス、Ａｒガスの混合気体を用いて放電を行い、ＳｉＯ２膜が形成されたウエハをエッチング処理した。

図６は、ウエハのエッチング処理特性の変動を自動的に修正するための処理を説明する図である。

まず、整合到達点と整合軌跡の自動変更機能をＯＦＦにして、入力電圧反射係数、負荷電圧反射係数をインピーダンスチャート上に表示した。この状態で、ウエハの連続処理を実施した。２５００枚まで処理を続行したが、ウエハのエッチング処理の結果を調べたところ、２４５０枚目まではエッチング形状のシフトは若干あるものの、なんとか許容範囲内におさまっていた。ところが２４５０枚を超えたところから、放電安定性が劣化しはじめ、気がついたときには、２５００枚までウエハ処理を進めてしまっていた。このため、２５００枚時点でウエハ処理を停止した。

１枚目のウエハエッチング前に入力電圧反射係数のスミスチャート上で放電安定性を調べたときには、図６（ｂ）に示す不安定領域２２は、図における「１枚」の表記の領域であり、整合動作の軌跡とは離れた領域にあったが、２５００枚時点で不安定領域２２を再確認したところ、図６（ｂ）の「２５００枚」の表記の領域に移動していることがわかった。この状況では、２回目以降は、安全のため、処理枚数をせいぜい２０００枚程度迄にとどめるしかないことになる。

そこで、整合到達点と整合軌跡の自動変更機能をＯＮに変え、再び、ウエハの連続処理を進めることにした。ここで、自動変更機能の設定として、図６（ａ）に示すように、負荷電力反射係数が反時計方向にシフトするに従って、ここでは、入力電圧反射係数のチャート上における、整合到達点は変更せずに、図６（ｂ）に示すように整合軌跡のみを、不安定領域を回避するようにシフトさせていくことにした。

この設定による制御のフローを図４に示す。この設定では、図４におけるステップＳ４において、不安定域を記憶した「データベース」を参照して、整合軌跡を変更する。この状態で連続処理を進めた結果、２５００枚目までの間に、特に放電安定性の劣化は見られず、放電が揺らいで処理特性が大きく劣化してしまう事態には陥らなかった。結局、そのまま続行し、５０００枚迄安定に処理が進められ、エッチング処理されたウエハを用いて作成したＬＳＩデバイス特性を調べたところ、デバイス動作不良は見出されなかった。この実施例では、整合到達点を少しずつ変更する制御は行わなかったため、エッチング形状は多少シフトしたが、５０００枚でも規格内に入っていた。また、本実施例では、整合動作の軌跡を変えたことで、２４５０枚目以降の処理において、放電不安定に陥ることなく処理を続行できた点で、軌跡制御による不安定性回避の効果があることが確認できた。

〔実施例３〕
図７，８は、反応室内壁の部品が磨耗した場合における負荷電圧反射係数の変化の例を説明する図である。ウエハのエッチングを長期間にわたって実施する場合、反応室内壁の部品が磨耗して処理特性が急激に変化する。この変化をその直前に警告する例を説明する。

まず、図１に示す処理装置を用いて、実施例１に引き続き８０００枚以降の処理を続行した。結果として８５００枚まで安定に処理を続行できた。しかし、８５００〜８６００枚まで処理では、負荷電圧反射係数がこれまでの変化とは異なり、図７に示すように、チャートの内側方向に向かって急激に変化しはじめた。また、１〜８６００枚迄のウエハをのせる試料台に流れるＤＣ電流を確認したところ、８５００枚まではほとんど変化していないが、８６００枚時点でこれまでよりも１０％程低くなっていることがわかった。

この時点で連続処理を終了し、反応室を大気開放して内部を全掃する際に注意深く調べたところ、反応室側面の内壁部の下端部付近の絶縁材質８による保護コーティングが磨耗により無くなっていることが判明した。また、８６００枚目のウエハの処理特性を調べたところ、微細パターンの仕上がり寸法は４９ｎｍであり、なぜか再び寸法が増大しはじめていた。極めて大きな変動とはいえないものの、断面形状を調べると、テーパ形状になっており、形状が変化し始めていることがわかった。

すなわち、負荷電圧反射係数が、チャートの内側方向に向かって急激に変化した場合には、反応室側面の内壁部の絶縁材質８による保護コーティングが磨耗された場合であり、下地の金属部品がプラズマと接触することで、プラズマ電位が低下し、これに伴いエッチングウエハをのせる試料台に流れる直流電流が減少し、このタイミングで微細パターンの断面形状が劣化し始めていることがわかった。従って、上記の現象に対して、反応室内壁の金属部品表面の絶縁材質８による保護コーティングの磨耗の警告メッセージを発すると好都合である
次いで、反応室側部の内壁部品を新品に交換後、反応室内の全掃を実施した。次に、別のプロセスについても調べるため、エッチングガスをＣＦ４ならびにＳＦ６の混合ガスとし、図５に示す処理装置を用いて連続処理を開始し、４５００枚まで処理を進めた。この場合には、４５００枚までの処理の間に、エッチングウエハをのせる試料台に流れる直流には大きな変化は無かった。しかし、負荷電圧反射係数が、図８に示すように、チャートを時計回りに変化していく様子がみられた。時計方向のシフトはプラズマ発生用の高周波の回路に対して静電容量が増加したことを示しており、これは、反応室１上部の誘電体部品表面が削れていく方向を示している。そこで、４５００枚で処理を中止して、反応室の内部を注意深くしらべたところ、フッ素（Ｆ）濃度の高いプラズマを連続したため、反応室上面の石英部品の削れが進んでいることがわかった。

以上により、反応室側部の内壁部品上の絶縁材質の保護コーティングが磨耗した場合と、反応室上部の石英部品の削れが進んだ場合には、スミスチャート上での特性変化が異なる挙動を示すことがわかった。

〔実施例４〕
次に、同一反応室における反応室内部品の組付け状態または部品個体の寸法等が微妙に異なる場合にプラズマ状態の一定化を行う例、及びこれより複数の反応室間の特性差を低減する例を図１，２，３を用いて説明する。

図１に示す装置の反応室を分解掃除し、更に磨耗部品を新品に取り換えて、再び組み立てた。次いで、反応室を真空にしてから、通常の手順でウエハ処理の放電を開始した。このとき、反応室側を見込んだ負荷インピーダンスを測定したところ、図２（ｂ）の負荷電圧反射係数チャート上の１枚目処理時の位置１９と比較すると、反時計方向に５°だけずれている状態であることがわかった。

反応室内部の部品への堆積物はきちんと掃除してあり、また、磨耗していた部品も取り換えたため、堆積や磨耗の点では、初期状態に戻っている。従って、この５°は、反応室内部の部品の組付け状態または部品個体の寸法等の微妙な違いによるものであると考えられる。

実施例１では、反応室内部の状態の変化によって、図３（ａ）の負荷電圧反射係数チャート上の１枚目処理時の位置１９に対し反時計方向に１°ずれた場合に、入力電圧反射係数の整合到達点をチャートの０°の方向に０．０１シフトする設定で制御した。

これに対して、反応室内部の部品の組付け状態または部品個体の寸法等の違いにより、５°ずれた場合、実施例１の場合と同様に、反応室内部状態のシフトを修正するため入力電圧反射係数の到達値を０°の方向に０．０５シフトさせるべきか、あるいは、反応室内部の部品への堆積物は掃除してあり、磨耗部品も取り換えたのであるから０．０５シフトさせずに、０、すなわち、原点から始めるべきかを明らかにするために、入力電圧反射係数の到達値を０°の方向に０．０５シフトさせる場合と、０のままとする場合の２通りで、ウエハの処理を試行した。

その結果、０．０５シフトさせた場合には、微細パターンの仕上がり寸法は４９．４ｎｍ、０のまま行った場合には、４７．５ｎｍであることがわかった。これにより、反応室内部の部品の組付け状態または部品個体の寸法等の違いにより、インピーダンス特性がずれた場合にも、堆積物や磨耗により反応室の内部状態がシフトしたときと同様に、入力電圧反射係数の到達値をシフトさせた方が、微細パターンの仕上がり寸法のずれが小さいことがわかった。言い換えると、反応室内部の部品の組付け状態または部品個体の寸法等の違いによる影響も、実施例１と同様の制御により抑制できることがわかった。

そこで、これを、複数の反応室間のウエハ処理特性差の低減、即ち、機差低減に応用できるのかどうかの確認を行うため、Ａ〜Ｄの４台の処理装置を用意し、反応室内部の部品への堆積物をきちんと掃除し、磨耗していた部品も取り換えた。

次いで各処理装置における反応室のインピーダンス特性は、図３（ａ）の負荷電圧反射係数チャート上の１枚目処理時の位置１９に対し、Ａが反時計回りに６°、Ｂが０°、Ｃが２°、Ｄは−１８°（つまり、時計方向に１８°）ずれていることがわかった。ここで、Ｄのみは、極めてズレが大きく、装置がインピーダンス特性の異常の警告を発したため、反応室周りを分解確認したところ、部品のはめ合い部分に微小な金属のかけらがはさまっていて、組付け不良であることがわかった。再度、組みなおしたところ、Ｄは反時計方向に４°となったので、微細パターンの仕上がり寸法の確認試験に移行した。

その結果、入力電圧反射係数の整合到達点をシフトさせずに試験した結果は、Ａが４７ｎｍ、Ｂが５０ｎｍ、Ｃが４９ｎｍ、Ｄが４８ｎｍとなった。一方、入力電圧反射係数の整合到達点を、図３に示すように、０°の方向に向かって、Ａでは０．０６、Ｂでは０、Ｃでは０．０２、Ｄでは０．０４だけシフトさせて試験した結果は、Ａが４９．３ｎｍ、Ｂが５０ｎｍ、Ｃが４９．８ｎｍ、Ｄが４９．５ｎｍとなった。即ち、機差低減に応用できることが確認できた。

以上により、一定基準値を逸脱するインピーダンス特性差がある場合に、警告を発することができる。また、一定基準値を逸脱しないインピーダンス特性差がある場合に、この特性差が微細パターンの処理特性に与える影響を抑制することができる。

なお、実施例１ないし実施例４においては、センサで測定される負荷のインピーダンス、整合器による制御の到達点や軌跡に関わる整合器入力端から見たインピーダンスを、負荷電圧反射係数表示、あるいは入力電圧反射係数表示で、スミスチャート上に表したが、本発明は負荷インピーダンスの変化に伴い、整合動作を制御できれば良いので、スミスチャートで解析することが必須条件ではない。他のインピーダンス表記法、例えばＲ＋ｊＸ表記でチャートに表し、処理特性との関連を分析、把握すれば、同様に整合動作の制御が可能であることは言うまでもない。

また、例えば、反応室内の誘電体部品が磨耗し、厚みが薄くなったときに、チャート上の負荷反射係数が静電容量が大きくなる方向へシフトする場合は、理論に沿った動きであり説明可能である。しかし、複雑な反応室形態やつかみきれない組付け状態の違い、異常放電現象などで、インピーダンスシフト方向に関して論理的に十分な説明ができないケースもある。このような場合においても、あらかじめ傾向をつかんで、データベースに格納しておくことにより、経験的な制御指示を行うことができ、これにより特性変動を抑制することができる。

以上説明したように、複数の反応室の製作時に微妙な特性差が生じていたり、反応室内壁への堆積物の蓄積や、反応室内壁の磨耗等によって、処理特性に微妙な差異が生じても、これを高精度にモニタし、特性がシフトしている方向を認識した上で、特性をそろえる方向に整合特性を変更できるので、反応室間の処理特性差や反応室内壁の長期の変化に対する特性変動を打ち消すことができる。これにより、従来、特性が一定基準値以上に逸脱した場合に行う反応室内部の全掃、あるいは比較的磨耗状況が軽微であってもウエハ処理特性を元の状態に戻す必要性から行う部品交換の周期を長期化することができ、結果として、稼働率が向上し消耗部品コストを低減することができる。

また、そのシフトが一定基準値以上に大きくなった場合に警告を発することができるため、ＬＳＩデバイスに多くの不良を作りこむ事態をくい止めることができる。また、核反応室毎に装置状態のモニタ、特性の修正、特性逸脱の警告、特性逸脱理由の判別が可能となる。このため、不良発生の防止だけでなく、反応室内の全掃のタイミングや消耗部品の交換タイミングを自動的に示すことができる等、量産管理に対して有用な情報を発することができる。

ＵＨＦ帯の電磁波を用いたプラズマエッチング装置を説明する図である。 ウエハのエッチング処理特性の変動を自動的に修正するための処理説明する図である。 ウエハのエッチング処理特性の変動を自動的に修正するための処理説明する図である。 負荷電圧反射係数がチャート上でシフトした際の入力電圧反射係数のチャート上における整合到達点及び整合到達点に至る整合動作軌跡の変更処理を説明する図である。 ＨＦ帯の電磁波を用いたプラズマエッチング装置を説明する図である。 ウエハのエッチング処理特性の変動を自動的に修正するための処理を説明する図である。 反応室内壁の部品が磨耗した場合における負荷電圧反射係数の変化の例を説明する図である。 反応室内壁の部品が磨耗した場合における負荷電圧反射係数の変化の例を説明する図である。

符号の説明

１ 反応室
２ 誘電体真空窓
３ ガス放出板
４ ウエハ
５ 試料台
６ 排気口
７ 磁場コイル
８ 絶縁材質
９ プラズマ
１０ アンテナ
１１ 整合器
１２ プラズマ発生用電源
１３ バイアス発生用電源
１８ 入力電圧反射係数チャートの原点
１９ 負荷電圧反射係数チャート上の１枚目処理時の位置
２０ 反時計方向に１０°だけシフトした位置
２１ 整合動作開始点
２２ 不安定領域
２３ 導電性のガス放出板

Claims (4)

1. 内部側壁を絶縁処理した反応容器と、
   反応容器内に配置した試料台、アンテナを備え、該アンテナにプラズマ発生用電源から高周波電力を供給して反応容器内に導入した処理ガスをプラズマ化して試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   プラズマ発生用電源とアンテナを含む負荷回路との間にインピーダンス整合をとるための整合器を備え、
   該整合器は、負荷電圧反射係数を測定するセンサを備え、
   測定した負荷電圧反射係数のスミスチャート上における位置のチャート内側方向に向かう変化をもとに反応室側面の内壁部の絶縁材質による保護コーティングの磨耗を判定し、時計方向へのシフトをもとに反応室上部の誘電体部品表面の削れを判定することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 内部側壁を絶縁処理した反応容器と、
   反応容器内に配置した試料台、アンテナを備え、該アンテナにプラズマ発生用電源から高周波電力を供給して反応容器内に導入した処理ガスをプラズマ化して試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   プラズマ発生用電源とアンテナを含む負荷回路との間にインピーダンス整合をとるための整合器を備え、
   該整合器は、負荷電圧反射係数を測定するセンサを備え、
   測定した負荷電圧反射係数のスミスチャート上における位置の反時計方向へのシフトをもとに反応室上部の誘電体部品表面に堆積した絶縁性の被膜の厚みの増加を判定することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 内部側壁を絶縁処理した反応容器と、
   反応容器内に配置した試料台、アンテナを備え、該アンテナにプラズマ発生用電源から高周波電力を供給して反応容器内に導入した処理ガスをプラズマ化して試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において、
   プラズマ発生用電源とアンテナを含む負荷回路との間にインピーダンス整合をとるための整合器を備え、
   該整合器は、負荷電圧反射係数を測定するセンサを備え、
   測定した負荷電圧反射係数のスミスチャート上における位置のチャート内側方向に向かう変化をもとに反応室側面の内壁部の絶縁材質による保護コーティングの磨耗を判定し、時計方向へのシフトをもとに反応室上部の誘電体部品表面の削れを判定することを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 内部側壁を絶縁処理した反応容器と、
   反応容器内に配置した試料台、アンテナを備え、該アンテナにプラズマ発生用電源から高周波電力を供給して反応容器内に導入した処理ガスをプラズマ化して試料台上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において、
   プラズマ発生用電源とアンテナを含む負荷回路との間にインピーダンス整合をとるための整合器を備え、
   該整合器は、負荷電圧反射係数を測定するセンサを備え、
   測定した負荷電圧反射係数のスミスチャート上における位置の反時計方向へのシフトをもとに反応室上部の誘電体部品表面に堆積した絶縁性の被膜の厚みの増加を判定することを特徴とするプラズマ処理方法。

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