JP4867241B2 - プラズマ計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、プラズマ特性を計測するプラズマ計測装置に関する。

従来、半導体装置の製造において、プラズマを用いたドライエッチング装置による加工が多用されている。プラズマを用いてドライエッチングをする工程において、プラズマ処理の条件を決定したり、ドライエッチング装置の状態を把握して部品交換などの作業を効率よくおこなうため、プラズマ状態をモニタすることが有効である。

プラズマ特性を計測する手法として、プラズマ中にプローブを装荷して、その直流的な電圧電流特性を測定することにより、プラズマの密度、電子温度などを測定するラングミュアプローブ法と呼ばれる技術が知られている（たとえば、下記特許文献１参照。）。

特開２００１−２３７０９７号公報

しかしながら、上述した半導体の製造プロセスに使用されるドライエッチング装置では、金属汚染があると不良品が発生する原因となってしまうため、金属汚染が発生しないように容器（装置）内壁がアルマイトなどにより絶縁処理されている。このように、プラズマが接する容器内壁が絶縁処理されているため、容器内壁は基準電極として機能しない。この条件下においては、プローブ電流のリターンパスの抵抗が高くなるため、正バイアス側の電流が低い値にとどまってしまい、正確な測定ができないという問題点が一例として挙げられる。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、金属汚染がなく、精密にプラズマ特性を計測することができるプラズマ計測装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるプラズマ計測装置は、導電性の材質からなり、内壁が絶縁処理されたチャンバと、前記チャンバ内のプラズマ中に挿入されるプローブと、前記プローブに電圧を供給する電圧供給手段と、前記プローブにより検出された前記プラズマから流入するプローブ電流を測定する電流測定手段と、前記プローブ電流を測定する際の基準電位を得るために、前記チャンバ内に設置された基準電極と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかるプラズマ計測装置は、上記の発明において、前記チャンバには、前記プローブを当該チャンバ外部に導出する導電性の材質からなるプローブフランジが設けられており、前記プローブフランジは、前記基準電極に接続され、前記チャンバの外部において接地されていることを特徴とする。

また、本発明にかかるプラズマ計測装置は、上記の発明において、前記基準電極はリング状に形成され、前記チャンバの底面に設置される円形状の被処理基板の外周部に同心円状に設置されることを特徴とする。

また、本発明にかかるプラズマ計測装置は、上記の発明において、前記基準電極の少なくとも前記プラズマ中のイオンの降下方向に向いた部分が覆われるように絶縁部材を設けたことを特徴とする。

また、本発明にかかるプラズマ計測装置は、上記の発明において、前記絶縁部材は、前記基準電極の内周側壁面を露出するように設けたことを特徴とする。

上述した本発明によれば、プローブ電流のリターンパス抵抗の影響を防ぐことができる。そのため、精密にプラズマ特性を計測することができる。また、本発明によれば、基準電極の金属汚染を防ぐことができる。

本発明にかかるプラズマ計測装置によれば、金属汚染がなく、精密にプラズマ特性を計測することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるプラズマ計測装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかるプラズマ計測装置の概略を示す説明図である。図１において、測定対象となるプラズマ内に円筒状のプローブ１０１が装荷されている。プローブ１０１の形状は円筒に限らず、平板、球などであってもよい。また、プローブ１０１の材質には、タングステン、白金などを用いることができる。

また、プローブ１０１の他端には電線１０２が接続されている。プローブ１０１は、プローブに流れるプローブ電流を測定する電流計１０３と、プローブ１０１に電圧を印加する直流電源１０４とを介して接地されている。また、電線１０２の周囲は、アルマイト処理により形成された絶縁膜などで絶縁されている。

チャンバ１００内には、基準電極１０５となる直径３ｍｍのＳＵＳワイヤをリング状に形成したリングが設置されている。本実施の形態においては、ＳＵＳワイヤをリング状に形成したが、ＳＵＳワイヤはリング状でなくても、基準電極１０５としての目的を達成することができる。本実施の形態において、ＳＵＳワイヤをリング状にしたのは、発明者らが、基準電極１０５をリング状にしておいた方が、チャンバ１００内でバランスよくアースを取ることができると考えたためである。基準電極１０５は、プローブ電流を測定する際の基準電位を得るために設置されている。

基準電極１０５は、被処理基板１０６の周囲に設置されている。また、基準電極１０５は、図示しない下部電極とのショートを防ぐために、被処理基板１０６の外周部に設置されているフォーカスリング１０７のさらに外周部に設置されている。また、基準電極１０５は、被処理基板１０６からできるだけ離れた位置に設置することが好ましい。後述するＡｒプラズマの測定には、基準電極１０５をチャンバ１００の内壁１０８から１０ｍｍ程度内側となるように設置して測定をおこなった。

チャンバ１００は導電性の材質からなり、チャンバ１００の内壁１０８は、アルマイトなどの絶縁コートが施されている。さらに、チャンバ１００の内部を真空に保つために密閉されている。そのため、基準電極１０５と、導電性の材質が顕わになっているプローブ取り付けフランジ１０９（以下、「プローブフランジ」という）とを電線１１０により接続し、プローブフランジ１０９を接地することにより、基準電極１０５の接地を実現している。ここで、プローブフランジ１０９は、チャンバ１００の外部において接地されている。また、プローブフランジ１０９は、一方が開口した円筒状からなりこの開口とチャンバ１００に形成した開口とが対向するようにチャンバ１００と接続する。プローブフランジ１０９の他方は電線１０２が通されているが、チャンバ１００の内部が真空に保たれるように密閉されている。また、電線１１０との接続箇所以外のプローブフランジ１０９の内面およびプローブフランジ１０９との接続箇所以外の電線１１０の表面はアルマイト処理されていることが望ましい。

また、基準電極１０５の上部には、絶縁部材１１１が設けられている。絶縁部材１１１は、チャンバ１００の底面の方向に向かって加速されたイオンが直接基準電極１０５に接しないように設けられており、金属汚染が起こらないようにされている。絶縁部材１１１の例については、後述する。以上のような構成により、チャンバ１００内が金属汚染されることなく、プローブ電流のリターンパス抵抗の影響を受けずにプラズマ特性の計測が可能となる。

つぎに、絶縁部材１１１について説明する。図２は、絶縁部材１１１の例について示す説明図である。図２において、チャンバ１００の底部の略中央には、被処理基板１０６が置かれている。被処理基板１０６の下には、図示しない基板電極（下部電極）が設置されており、基準電極１０５は、基板電極とショートしないように被処理基板１０６から離れて設置されている。

基準電極１０５には、絶縁性のチューブ状の絶縁部材１１１が覆い被せられている。絶縁部材１１１は、基準電極１０５全体を覆い被せるため、略円環状に形成されている。図２においては、絶縁部材１１１は、基準電極１０５を覆うように設けられているが、絶縁部材１１１は、少なくとも基準電極のプラズマ中のイオンの降下方向に向いた部分が覆われる様に設けられていればよい。たとえば、絶縁部材１１１は、内周側面に切欠き１１１ａが形成されて、基準電極１０５の内周側壁面が露出するようになっている。図２においては、絶縁部材１１１の断面２０１は略円形となっているが、断面２０１の形状は円形には限らない。

（プラズマ計測装置の処理手順）
つぎに、本発明のプラズマ計測装置によりプラズマ特性を計測して、ドライエッチングをするまでの処理手順について説明する。図３は、本発明のプラズマ計測装置によりプラズマ特性を計測して、ドライエッチングをするまでの処理手順について示すフローチャートである。図３のフローチャートにおいて、まず、被処理基板１０６を設置し（ステップＳ３０１）、被処理基板１０６の周囲に基準電極１０５を設置する（ステップＳ３０２）。

つぎに、絶縁部材１１１を設置し（ステップＳ３０３）、チャンバ１００内を真空にする（ステップＳ３０４）。そして、チャンバ１００の内部にプラズマを発生させ（ステップＳ３０５）、プラズマ特性を計測する（ステップＳ３０６）。つぎに、プラズマ条件を設定し（ステップＳ３０７）、被処理基板１０６をドライエッチングする（ステップＳ３０８）。

図４は、プラズマ計測装置によりＡｒプラズマを測定した結果を示すグラフである。図４のグラフにおいて、縦軸は、電流［Ａ］を示しており、横軸は、電圧［Ｖ］を示している。また、グラフ中の実線４０１は、基準電極１０５を設置して測定した結果を示しており、点線４０２は、基準電極１０５を設置せずに測定した結果を示している。

また、プラズマの測定は、Ａｒ：１００ｓｃｃｍ，Ｗｓ（ソースパワー）：２００Ｗ，Ｗｂ（バイアスパワー）：０Ｗ，Ｐ：２５ｍＴｏｒｒの条件下で測定をおこなった。グラフに示すように、基準電極１０５を設置して測定した結果（図中実線４０１）は、基準電極１０５を設置せずに測定した結果（図中点線４０２）に比べて、正バイアス側の電流の値が一桁高くなり、正確なプラズマ測定ができている。

また、本発明のプラズマ計測装置は、たとえば、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）装置、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲＰ）装置などに適用することができる。

以上説明したように、プラズマ計測装置によれば、金属汚染を防ぐことができる。また、プローブ電流のリターンパス抵抗の影響を防ぐことができる。そのため、精密にプラズマ特性を計測することができる。

以上のように、本発明にかかるプラズマ計測装置は、プラズマ特性の計測に有用であり、特に、プラズマを用いたドライエッチング装置に適している。

実施の形態にかかるプラズマ計測装置の概略を示す説明図である。 絶縁部材の例について示す説明図である。 本発明のプラズマ計測装置によりプラズマ特性を計測して、ドライエッチングをするまでの処理手順について示すフローチャートである。 プラズマ計測装置によりＡｒプラズマを測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１００ チャンバ
１０１ プローブ
１０２ 電線
１０３ 電流計
１０４ 直流電源
１０５ 基準電極
１０６ 被処理基板
１０７ フォーカスリング
１０８ 内壁
１０９ プローブフランジ
１１０ 電線
１１１ 絶縁部材
１１１ａ 切欠き

Claims (4)

1. 導電性の材質からなり、内壁が絶縁処理されたチャンバと、
   前記チャンバ内のプラズマ中に挿入されるプローブと、
   前記プローブに電圧を供給する電圧供給手段と、
   前記プローブにより検出された前記プラズマから流入するプローブ電流を測定する電流測定手段と、
   前記プローブ電流を測定する際の基準電位を得るために、前記チャンバ内に設置された基準電極と、
   を備え、
   前記チャンバには、前記プローブを当該チャンバ外部に導出する導電性の材質からなるプローブフランジが設けられており、
   前記プローブフランジは、前記基準電極に接続され、前記チャンバの外部において接地されていることを特徴とするプラズマ計測装置。
2. 導電性の材質からなり、内壁が絶縁処理されたチャンバと、
   前記チャンバ内のプラズマ中に挿入されるプローブと、
   前記プローブに電圧を供給する電圧供給手段と、
   前記プローブにより検出された前記プラズマから流入するプローブ電流を測定する電流測定手段と、
   前記プローブ電流を測定する際の基準電位を得るために、前記チャンバ内に設置された基準電極と、
   を備え、
   前記基準電極はリング状に形成され、前記チャンバの底面に設置される円形状の被処理基板の外周部に同心円状に設置されることを特徴とするプラズマ計測装置。
3. 導電性の材質からなり、内壁が絶縁処理されたチャンバと、
   前記チャンバ内のプラズマ中に挿入されるプローブと、
   前記プローブに電圧を供給する電圧供給手段と、
   前記プローブにより検出された前記プラズマから流入するプローブ電流を測定する電流測定手段と、
   前記プローブ電流を測定する際の基準電位を得るために、前記チャンバ内に設置された基準電極と、
   を備え、
   前記基準電極の少なくとも前記プラズマ中のイオンの降下方向に向いた部分が覆われるように絶縁部材を設けたことを特徴とするプラズマ計測装置。
4. 前記絶縁部材は、前記基準電極の内周側壁面を露出するように設けたことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ計測装置。

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