JP5346256B2

JP5346256B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5346256B2
Application number: JP2009203057A
Authority: JP
Inventors: 慎司小濱; 昭孝牧野; 伸吾木村; 広則楠本; 誠浩角屋; 基裕田中
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-09-02
Also published as: JP2011054801A

Description

本発明は、マイクロ波エッチング装置などのプラズマ処理装置における、処理室内部の耐プラズマ壁温度をモニタ・制御し、ウェハ処理の変動を抑えるものであり、この装置構成・制御方法に関連する。

従来のプラズマ処理装置で耐プラズマ壁の温度をモニタしているものを例に上げると、特許文献１記載の様に、耐プラズマ壁材（石英）と、これと異なる材質（サファイア／シリコン）の赤外線温度測定用窓から構成され、赤外線放射温度計を用い、耐プラズマ壁温度を検出する方法が報告されている。

特開平８−２５０２９３号公報

上記従来の方法は、耐プラズマ壁材の直線透過波長帯と赤外線放射温度計の受光波長帯がオーバーラップしない組合せ、つまり、耐プラズマ壁から放射される赤外線の表面反射温度を測定していた。これを実現する為、窓材は受光波長帯を透過する材質を用いていた。この場合、赤外放射温度計は耐プラズマ壁材の表面で反射する赤外線を、窓材を介して受光し温度を測定していた。

しかし、耐プラズマ壁と同材質の窓材から材質を変更する必要性があり、窓材は真空内に配置している為、プラズマと接する可能性が高い。例えば、窓材付近でプラズマが発生した場合、窓材が削れ、異物の発生や窓材質により汚染の懸念がある。従って、通常このような真空処理室内に耐プラズマ壁以外の材質で、異物・汚染の要因となる材質を設置することは少ない。この方式では、耐プラズマ壁と窓材の材質を変更せずに、放射温度計で温度を検出する事は困難だった。

また、従来から耐プラズマ壁の温度制御は、プラズマによる昇温で安定させてきた。壁面温度が変化することで、プラズマ密度が変わり、ウェハ処理特性に影響する。特に、量産時のウェハ処理では、１枚目のウェハ処理温度とｎ枚目のウェハ処理温度が異なり、処理特性が変わることが判っている。このプラズマ昇温時間や条件は、適度／過度なのか指標は無く経験的に決められ、この評価試験は時間を要していた。

本発明の目的は、処理室内の耐プラズマ壁材を変えず、同材質が並ぶ配置のままでも耐プラズマ壁材温度を測定し、温度制御を行う事で、ウェハ処理特性を安定化するプラズマ処理装置及び制御方法を提供する事にある。

本発明のプラズマ処理装置は、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上面に載せられたウェハを前記処理室内で形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、前記処理室上方で前記試料台上面と対向して配置され前記プラズマを形成するための電界が透過して前記処理室内に供給される誘電体製の板部材と、前記板部材の内部に配置され前記板部材を透過する所定の範囲の電磁波を反射する部材と、前記部材から放出される前記電磁波を検知するセンサと、前記センサからの信号に基づいて前記部材の温度を検出する検出器と、を備え、前記検出器の検出結果を用いて前記処理に係る動作を調節し、前記部材がその熱伝導率が前記板部材の熱伝導率よりも小さい部材で構成されたことを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理装置では、前記部材は前記板部材内部でその周囲と隙間を開けて配置されたことを特徴とする

また、本発明のプラズマ処理装置は、前記検出器からの検出結果を用いて前記処理室内部を予め所定の温度に加熱して後前記ウェハの処理を開始することを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理装置は、前記部材がＹ_２０_３を含んで構成され所定の範囲の赤外線を反射するものであって、前記センサが当該赤外線を検知することを特徴とする。

本発明によれば、真空処理室内の壁面温度を、測定対象壁と同材質の部材が並ぶ配置でも、大気側に設けた赤外温度センサで検出することができる。

通常、壁材温度の検出は熱伝対や蛍光温度計のような接触型温度センサを使用するが、プラズマ中では高周波ノイズの影響で使用しにくい。赤外線放射温度計は非接触の為、ノイズの影響を受けず、温度検出に適している。しかし、処理室の耐プラズマ壁は石英を使用する事が多く、石英が並ぶ配列で、測定対象がセンサから最遠の石英の場合、この対象の温度を検出する事は難しい。

これに対し、本発明では石英を透過する波長帯の受光範囲をもつ赤外温度センサで、測定対象の石英に直線透過しない材質をマーカとして埋め込み、測定対象の石英から伝熱したマーカの温度を、これが表面反射する赤外線を受光する温度測定系を構築する事で温度測定を可能とした。これにより、処理室温度状態を監視し、顧客のノンプロダクトタイム（昇温／クリーニングなどのウェハ処理以外の時間）の適正化・顧客ウェハ毎の量産中の処理室温度ばらつきの低減が可能である。

本発明によれば、プラズマ処理室の石英壁面を大気側に設けたヒーターやプラズマ放電により加熱し、温度センサで、測定対象の石英から伝熱して過熱したマーカの温度を検出し、測定対象の石英温度を検出することにより、石英が温度センサに対して並列に配置した構造でも対象物の温度を検出できる。

図１は本発明の一実施例のマイクロ波プラズマエッチング装置に温度測定系を装備した全体説明図である。図２は耐プラズマ壁の温度検出方法を拡大した説明図である。図３は耐プラズマ壁内にマーカを埋め込む方法の説明図である。図４は温度モニタを用いた装置温度制御フローの説明図である。図５は温度モニタを用いた装置温度制御タイムチャートの説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明の実施例を図１乃至５を用いて説明する。本発明の実施例を、マイクロ波プラズマエッチング装置を例に取り説明する。

図１は、本発明を実施したマイクロ波プラズマエッチング装置である。マイクロ波発振器１０１から励起されたマイクロ波は導波管１０２を通り石英板１０３及び石英シャワープレート１０４を透過し、プラズマ処理室に導入され、プラズマ１０５が発生する。プラズマ処理を施すためのウェハ１０６は電極１０７に載置され、プラズマからイオンを引き込むバイアスを印加する為の高周波電源１０８が接続されている。

プラズマ処理室の周囲には電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によりマイクロ波を共鳴吸収する為の磁場を発生させるコイル１０９が設置されている。プラズマ処理室内である真空中の石英シャワープレート１０４の温度を検出する為、大気側に放射温度計の赤外センサ１１０を設けている。石英シャワープレート１０４の温度は、エッチング性能のばらつきを低減する事が試験的に判っており、この温度を測定対象とした。

この温度測定系の拡大図を図２に示す。プラズマ処理室内に、０．２μｍ〜２．５μｍ電磁波透過率が同じ材質の石英シャワープレート１０４と石英板が並列に配置した構造に対し、この波長領域を透過する赤外センサを大気側に設け、温度測定対象である石英シャワープレート１０４の中に、赤外センサの受光電磁波範囲２０１（例えば１．８μｍ〜２．５μｍ）に対し、表面反射を示すＹ _２Ｏ _３材（電磁波透過範囲７μｍ〜９μｍ）のマーカ２０２を埋め込む。

石英シャワープレート１０４はプラズマに接する為、輻射熱及び伝熱により温度上昇を起す。そして、このマーカ２０２に石英から伝熱した温度及び輻射熱によりマーカ２０２が加熱され、赤外線エネルギーを放出する。この温度に依るエネルギー量を、センサの受光波長帯で検出する。このマーカ２０２は、測定対象の熱伝導率ρより低い材質をマーカ２０２として埋め込むことで測定対象からの熱伝導の影響を受けやすく、測定対象の温度に近い温度を測定出来る。

同材質が並ぶ構造で遠い側の測定対象温度を放射温度計で測定する場合、透過波長範囲外のマーカ材を埋め込むもしくは、測定対象表面に別材を付けなければならない。しかし、石英シャワープレート１０４表面にマーカ材を溶射／接着した場合、石英シャワープレート１０４はエッチングによる削れ・デポ付着により消耗する為、交換・洗浄を周期的に行う必要がある。この為、マーカ材を測定対象に埋め込む方式の場合、これらの懸念が無くなるため、従来通りに使用することが出来る。

このマーカ２０２を測定対象に埋め込む実施例を図３に示す。図３の（ａ）は、測定対象の石英シャワープレート１０４基材に２段穴３０１を設け、２段目にマーカ２０２を置き、１段目に２段穴用石英カバー３０２を置き、石英同士を溶着して埋め込む方式を示している。

このマーカ２０２の線膨張係数を考慮し２段目の穴径をマーカ寸法より広めに取り空間を持たせる。これにより、異なる部材を高い温度で溶着する時の線膨張による割れを防ぐ。図３の（ｂ）は、石英シャワープレート１０４基材に斜め１段穴３０３を設け、マーカ２０２が入る穴を設け更に、基材穴角度に水平な斜め用石英カバー３０４を用意し、この斜め用石英カバー３０４内にマーカ２０２を入れ、石英基材と石英カバーを溶着し仕上げる方式である。

この場合、図３の（ａ）のように赤外センサに対して垂直にマーカ２０２を入れ、測定対象温度を検出するだけでなく、マーカ２０２を斜めに挿入している為、赤外センサを斜めに取り付ける事も可能にする。図３の（ｃ）は、石英シャワープレート１０４基材に１段穴３０５でマーカ２０２を１段穴用石英カバー３０６で埋め込む方式を示している。この基材に段穴を設けマーカ２０２の線熱膨張を考慮し埋め込む事が本質である。

上記、温度測定系を用いプラズマ処理装置の温度制御フローを図４に示す。赤外センサにより測定対象内のマーカ温度を検出後、ウェハ処理前に処理室内コンディショニングの為、プラズマによる耐プラズマ壁の昇温及び壁に堆積したデポ除去クリーニングを行う。

図４の温度制御フローでは、ステップＳ４０1において、赤外センサにより測定対象内のマーカ温度を検出する温度モニタリングを開始後、ステップＳ４０２において、プラズマを発生（プラズマオン）させると、ステップＳ４０３において、石英シャワープレート１０４等のパーツはプラズマに接する為、輻射熱及び伝熱により温度上昇を起す。ステップＳ４０５において、赤外センサにより測定対象内のマーカ温度の下限温度を検出し、ステップＳ４０６において、赤外センサにより測定対象内のマーカ温度の設定温度を検出する。設定温度を検出すると、ステップＳ４０６において、プラズマの発生を停止（プラズマオフ）して、ステップＳ４０７において、ウェハ処理を開始する。

このプラズマによる昇温（ステップＳ４０３）で石英シャワープレートの温度を監視し、予めウェハ毎のＣＤ／レートなどウェハ歩留まりが起きにくい下限温度を設定し、この下限温度を検出（ステップＳ４０４）した後、プラズマオフ後の温度マージン及び、処理室までのウェハ搬送時間を考慮した設定温度を設け、この設定温度になったタイミング（ステップＳ４０５）でプラズマを切り（（ステップＳ４０６）、ウェハの搬送開始及び処理開始（ステップＳ４０７）を行う。この温度検出はプラズマ放電中のみならず、放電を切り温度検出・制御しても良い。

また、ウェハ量産時はロット（１ロット＝ウェハ２５枚：通常）が連続して装置に流れてくる為、このロット間の性能を揃える為、通常ロットの最初にプラズマによるコンディショニングを実施している。このコンディショニングの時間はウェハ生産に寄与しない時間のため、顧客先の生産性を落とす。

この歩留まりを低減し、生産性を上げる制御タイムチャートを図５に示す。曲線は温度測定対象の検出温度を時間経過で表わしている。ロットが装置に到着し、プラズマによる昇温で処理室のコンディションを整え、処理室にウェハ搬入時間などを考慮した下限検出温度を検出し、歩留まり低減の為の設定温度を検出した後にウェハ処理を開始する。

２５枚のウェハ処理終了後、次ロットが装置に到着する間はアイドル時間となり、測定対象温度は低下する。次ロットが到着後、コンディショニングを開始するが、アイドル時間が短い場合、測定対象温度は大きく低下しない。これまで、固定のコンディショニングを余剰な時間で行っていたが、赤外センサで測定対象の下限温度と設定温度を検出する為、設定温度を検出した時点でコンディショニングを終了させ、適切な時間で次ウェハ処理を実施する事が出来る。

１０１マイクロ波発振器
１０２導波管
１０３石英板
１０４石英シャワープレート
１０５プラズマ
１０６ウェハ
１０７電極
１０８高周波電源
１０９コイル
１１０放射温度計
２０１放射温度計受光波長帯
２０２マーカ
３０１２段穴
３０２２段穴用石英カバー
３０３斜め１段穴
３０４斜め用石英カバー
３０５１段穴
３０６１段穴用石英カバー

Claims

真空容器内部の処理室内に配置された試料台上面に載せられたウェハを前記処理室内で形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、
前記処理室上方で前記試料台上面と対向して配置され前記プラズマを形成するための電界が透過して前記処理室内に供給される誘電体製の板部材と、
前記板部材の内部に配置され前記板部材を透過する所定の範囲の電磁波を反射する部材と、
前記部材から放出される前記電磁波を検知するセンサと、
前記センサからの信号に基づいて前記部材の温度を検出する検出器と、を備え、
前記検出器の検出結果を用いて前記処理に係る動作を調節し、
前記部材がその熱伝導率が前記板部材の熱伝導率よりも小さい部材で構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記部材は前記板部材内部でその周囲と隙間を開けて配置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記検出器からの検出結果を用いて前記処理室内部を予め所定の温度に加熱した後、前記ウェハの処理を開始することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記部材がＹ _２Ｏ _３を含んで構成され所定の範囲の赤外線を反射するものであって、
前記センサが当該赤外線を検知することを特徴とするプラズマ処理装置。