JP5495476B2 - プラズマプローブ装置およびプラズマプローブ装置を備えたプラズマ処理チャンバ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、基板製造技術に関し、特に、プラズマにおける１組の電気的特性を測定するための装置に関する。

基板（例えば、半導体ウエハ、ＭＥＭＳ素子、または、平面ディスプレイの製造に用いるようなガラスパネルなど）の処理では、しばしば、プラズマが利用される。例えば、基板の処理（化学蒸着、プラズマ化学蒸着、物理蒸着、エッチングなど）の一部として、基板は、後にそれぞれが集積回路になる複数のダイすなわち長方形の領域に分割される。次いで、材料の選択的な除去（エッチング工程）や蒸着（蒸着工程）を含む一連の工程で、基板を処理して、基板上に電気構成要素を形成する。

プラズマ処理の一例では、基板は、エッチングの前に、硬化エマルジョンの薄膜（フォトレジストマスクなど）で被覆される。次いで、硬化エマルジョンの複数領域を選択的ｊに除去して、下層の複数部分を露出させる。次に、基板は、プラズマ処理チャンバ内で、単極または双極の電極を備える基板支持構造（いわゆる、チャック）上に配置される。次いで、適切なエッチャントソースガス（例えば、Ｃ₄Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₆、ＣＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₃、ＣＦ₄、ＣＨ₃Ｆ、Ｃ₂Ｆ₄、Ｎ₂、Ｏ₂、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｈ₂、ＮＨ₃、ＳＦ₆、ＢＣｌ₃、Ｃｌ₂など）を、チャンバ内に送り込んで、基板の露出領域をエッチングするためのプラズマを形成する。

その後、多くの場合、プラズマ処理の結果が一貫するように、プラズマにおける電気的特性（すなわち、イオン飽和電流、電子温度、浮動電位など）を測定すると有利である。例としては、チャンバ調整処理の終点の検出、チャンバの照合（例えば、名目上は同一である複数のチャンバ間の差異の検出）、チャンバ内での不具合や問題の検出などが挙げられる。

以上の点から、プラズマにおける１組の電気的特性を測定するための装置が望まれている。

上述の目的を実現するために、本発明の目的に従って、プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置が提供されている。第１の端部にプローブ面を有する半導体プローブ素子が設けられる。電気コネクタが、半導体プローブ素子に対して電気的に接続される。電気絶縁スリーブが、プローブ素子の少なくとも一部を囲む。プローブ面がプラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、半導体プローブに、調整装置が結合されている。

本発明の別の態様では、プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置が提供されている。第１の端部に半導体プローブ面を有する半導体プローブ素子が設けられる。電気コネクタが、半導体プローブ素子の第２の端部に対して電気的に接続される。電気絶縁スリーブが、プローブ素子の少なくとも一部を囲む。調整装置が、半導体プローブ素子に結合されており、プローブ面がプラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、半導体プローブ素子を調整する。スリーブ調整装置が、電気絶縁スリーブを調整する。電気絶縁スリーブは外縁を有し、スリーブ調整装置は、プローブ面と同一平面上に存在するように外縁を調整する。電流計を備えた検知用電子機器が、電気コネクタに対して電気的に接続される。

添付の図面を参照しつつ行う本発明の詳細な説明において、本発明の上述の特徴およびその他の特徴を詳述する。

以下では、添付図面に例示されたいくつかの好ましい実施形態を参照して、本発明の詳しい説明を行う。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくとも実施することが可能である。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の処理工程および／または構造については、詳細な説明を省略した。

図１は、本発明のプラズマイオン流束（ＰＩＦ）プローブ１４０を用いた誘導結合プラズマ処理システムを示す略図である。一般に、ガス供給システム１２２から、プラズマチャンバ壁１１７を有するプラズマチャンバ１０２内へ、適切な組み合わせのガスが流されてよい。次いで、静電チャック１１６上に端リング１１５で位置決めされた基板１１４（半導体基板やガラス枠など）の露出領域を処理（例えば、エッチングまたは蒸着）するために、これらのプラズマ処理ガスは、インジェクタ１０９において、もしくは、その近くの領域で、イオン化されて、プラズマ１１０を形成してよい。

第１のＲＦ生成器１３４は、プラズマを生成しつつ、上側電極１０４によってプラズマ密度を制御し、第２のＲＦ生成器１３８は、ＤＣバイアスおよびイオン衝撃エネルギを制御するために一般的に用いられるバイアスＲＦを生成する。さらに、電源ＲＦ生成器１３４には整合回路網１３６ａが、バイアスＲＦ生成器１３８には整合回路網１３６ｂが接続されており、ＲＦ電源のインピーダンスをプラズマ１１０のインピーダンスに整合させる機能を奏する。また、プラズマチャンバ１０２から雰囲気を排出して、プラズマ１１０の維持、および／または、処理の副生成物の除去に必要な圧力を実現するために、バルブ１１２と１組のポンプ１１１とを備えた真空システム１１３が一般的に用いられる。

ＰＩＦプローブ１４０は、プローブ素子の表面がチャンバ壁１１７の内面と同一平面上に存在するように取り付けられる。ＰＩＦプローブ１４０には、検知用電子機器１４２が電気的に接続されている。

図２は、本発明のプラズマイオン流束（ＰＩＦ）プローブ２４０を用いた容量結合プラズマ処理システムを示す略図である。一般に、容量結合プラズマ処理システムは、１つのＲＦ電源または複数の別個のＲＦ電源を備えるよう構成されてよい。プラズマを生成して、容量結合によりプラズマ密度を制御するために、電源ＲＦ生成器２３４によって生成される電源ＲＦが一般に用いられる。ＤＣバイアスおよびイオン衝撃エネルギを制御するために、バイアスＲＦ生成器２３８によって生成されるバイアスＲＦが一般に用いられる。さらに、電源ＲＦ生成器２３４およびバイアスＲＦ生成器２３８には、整合回路網２３６が接続されており、ＲＦ電源のインピーダンスをプラズマ２２０のインピーダンスに整合させる機能を奏する。他の態様の容量リアクタは、複数のＲＦ電源と、上部電極２０９に接続された複数の整合回路網を備える。さらに、同様のＲＦおよび電極の構成を有するトリオードのような複数アノードシステムも有る。

一般に、上部電極２０９の流入口を通して、ガス供給システム２２２から、プラズマチャンバ壁２１７を有するプラズマチャンバ２０２内へ、適切な組み合わせのガスが流される。次いで、電極としても機能する静電チャック２１６上に端リング２１５で位置決めされた基板２１４（半導体基板やガラス枠など）の露出領域を処理（例えば、エッチングまたは蒸着）するために、これらのプラズマ処理ガスは、イオン化されて、プラズマ２２０を形成してよい。さらに、プラズマチャンバ２０２から雰囲気を排出して、プラズマ２２０の維持に必要な圧力を実現するために、バルブ２１２と１組のポンプ２１１とを備えた真空システム２１３が一般的に用いられる。

図３は、本発明の一実施形態のＰＩＦプローブ１４０を示す斜視図である。図４は、線分Ａ−Ａで切断した図３のＰＩＦプローブ１４０を示す断面図である。シリコンのプローブ素子３０４は、プラズマの検出に用いられるプローブ面３０８を、プローブ素子の第１の端部に有する。プローブ面３０８から離れたプローブ素子の第２の端部には、アルミニウムの電気コネクタ３１２が配置されている。プローブ素子３０４の第１の端部の周りには、電気絶縁スリーブ３１６が配置されている。プローブ素子３０４の第２の端部および電気コネクタ３１２の周りには、分割されたカバー３２０が配置されている。この実施形態では、分割カバー３２０は、Ｏ−リング３２４によって結合された第１の片側部分３２０ａおよび第２の片側部分３２０ｂを有する。

プローブ素子３０４は、広い第１の端部を有することで、広いプローブ面３０８を提供する。狭いネック部３１０が、プローブ素子３０４の第１の端部と、プローブ素子３０４の第２の端部３１４とをつないでいる。この実施形態では、プローブ素子３０４の第２の端部３１４の背面は、金属化されることで、プローブ素子３０４とアルミニウムの電気コネクタ３１２との間の良好な電気的接触を提供している。

分割カバーの片側部分３２０ａおよび３２０ｂは、それぞれ、プローブ素子の第２の端部３１４に係合するための第１のリップ部３３２と、電気コネクタ３１２に係合するための第２のリップ部３３６とを有する。この実施形態では、第２のリップ部３３６は、図に示すように、斜めの角度で電気コネクタ３１２に係合して斜めの接触部を形成する斜面を有しており、この構成によって、Ｏ−リング３２４が、分割カバーの片側部分３２０ａおよび３２０ｂを互いに向かって圧迫した際に、電気コネクタ３１２が、プローブ素子３０４の第２の端部３１４の金属化表面に向かって押しつけられ、良好な電気的接触が実現される。別の実施形態では、電気コネクタ３１２は、第２のリップ部と電気コネクタとの間で斜めの接触部を形成するための斜面を有する。別の実施形態では、プローブ素子の第２の端部３１４は、分割カバーのリップ部との間に斜めの接触部を形成する。

電気コネクタ３１２には、軸３５２が結合されている。軸３５２は、電気コネクタ３１２内にねじ込まれてよい。

この実施形態のプローブ素子３０４は、汚染の観点から、シリコンで形成される。プローブ素子は、エッチング中に他の物質源から得られる材料からなることが好ましい。さらに、プローブ素子は、半導体材料からなることが好ましい。この実施形態では、スリーブ３１６は、石英から形成される。カバー３２０は、フッ素ポリマの上に形成される。

プローブ１４０の組み立ての際には、プローブ素子３０４のネック部３１０の周りに、少なくとも１つのスペーサ３４０が配置される。プローブ素子の第２の端部３１４は、スリーブ３１６の開口部を通り抜ける。スリーブによって形成されたリップ部３３８が、スペーサ３４０と係合する。スペーサ３４０は、リップ部がスペーサ３４０に当たった時にスリーブ３１６の外縁がプローブ面３０８とほぼ同一面に存在するように、追加または除去される。石英のスリーブは、シリコンのプローブ素子３０４よりも速く腐食すると思われるため、スリーブ３１６が速く腐食した場合に、スペーサを除去して、プローブ面とスリーブ３１６の外縁とのほぼ同一面の配置を維持できるように、最初に、複数のスペーサを設けることが好ましい。

電気コネクタ３１２は、プローブ素子３０４の第２の端部３１４に接触するよう配置される。分割されたカバー３２０は、プローブ素子３０４の第２の端部３１４および電気コネクタ３１２の周りに配置される。Ｏ−リング３２４が、分割カバー３２０の周りに配置されて、分割カバー３２０を圧迫することで、分割カバー３２０が、プローブ素子３０４の第２の端部３１４の金属化表面に向かって電気コネクタ３１２を押し付けて、良好な電気接触を実現する。このように、プローブ１４０が形成される。プローブ２４０は、軸３５２を挿入するプローブ開口部の中へ向かって、チャンバの内側から設置されてよい。軸３５２は、電気コネクタ３１２の穴に挿入されてよく、その場合、軸３５２は、その穴と適合するネジ山を有する。軸３５２は、プローブ１４０に対して、電気的な接触と機械的な支持との両方を提供する。

軸３５２により、プローブ１４０の取り付けが容易になる。軸３５２は、調節可能であり、すなわち、プローブ面３０８と、スリーブ３１６の外縁とが、チャンバ表面とほぼ同一平面上に配置されるように、プローブの調整を行うことを可能にする。

プローブ面３０８と、スリーブ３１６の外縁とは、チャンバの表面と同一平面上に配置されることが好ましい。石英からなるスリーブ３１６の外縁と、プローブ面３０８と、上側電極１０４とは、異なる材料で形成されてよいため、摩耗や腐食の速さが異なる場合があり、それによって、プローブ面３０８またはスリーブ３１６の外縁が、チャンバの表面と同一平面上に存在しないようになる。

図５は、チャンバ壁１１７およびプローブ１４０を示す拡大断面図である。軸３５２は、プローブ１４０から伸びて、軸保持部３６０の第１の端部に結合される。軸保持部の第２の端部は、電気的な真空フィードスルー３６４の第１の端部に結合される。フィードスルー３６６の接地部分は、チャンバ壁１１７の背面に固定される。フィードスルー３６４と軸保持部３６０との間のバネ３６８は、チャンバ壁１１７と軸保持部３６０との間の良好な熱的接触に必要な力を維持する。軸保持部３６０は、電気絶縁性と熱伝導性とを備える材料３６２によって、チャンバ壁１１７から電気的に絶縁されている。かかる材料の例としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、および、これらのセラミクスで満たしたポリマが挙げられるが、それらに限定されない。

動作の際には、ネジ回しやレンチなどの工具を用いて、プローブ軸３５２がねじ込まれた軸保持部３６０を回転させてよい。この動作は、電気的なフィードスルー３６４を取り外して行われる。軸保持部３６０の回転に応じて、プローブ軸３５２およびプローブ１４０は、軸保持部３６０およびチャンバ壁１１７の背面に向かうよう、もしくは、それらから離れるよう摺動されるため、チャンバ壁１１７の内面に対してプローブ面３０８を調整することが可能になる。

プローブとスリーブとを独立して調整できることにより、容易に調整可能なように、プローブをチャンバの内部に取り付けることができる。石英のスリーブ３１６がプローブ素子３０４よりも速く腐食する場合、石英のスリーブ３１６が大幅に腐食した際には、石英のスリーブ３１６がプローブ面３０８とほぼ同一平面上になるように、スペーサ３４０を取り外してよい。

動作中に、プローブ１４０は、プローブ面における電流を測定することにより、プラズマを測定する。電流は、プローブ面からプローブ素子を通って電気コネクタに流れ、さらに、支持軸および検知用電子機器に流れる。したがって、検知用電子機器は、電流計など、電流を測定および記録するための装置を備える。プラズマによって、スリーブの外縁とプローブ素子のプローブ面とのエッチングが引き起こされる。外縁に対するエッチングの方が速く、外縁がプローブ面よりも深くエッチングされた場合には、外縁がプローブ面とほぼ同一面上になるように、プローブを取り外して、プローブからスペーサを除去する。その後、エッチングを再開してもよい。

別の実施形態では、チャンバ表面と同一平面上になるようにプローブ面を調整するために、プローブに対して軸をさらにねじ込むことを可能にする構成など、別のプローブ調整機構を用いてもよい。かかるプローブ調整機構は、軸に結合されることが好ましいが、他の装置を介して実施されてもよい。スペーサは、スリーブの外縁とプローブ面とが、異なる速さで腐食する際に、スリーブの外縁をプローブ面と同一平面上に維持することを可能にする。別の実施形態では、スリーブの外縁がプローブ面と同一平面上に維持されるよう調整するために、別のスリーブ調整機構を用いてもよい。かかるスリーブ調整機構は、プローブとスリーブとの間に配置されることが好ましい。

図６は、本発明の別の実施形態のプローブ６４０を示す断面図である。プローブ６４０は、プローブ面６０８を有するプローブ素子６０４を備える。金網バネおよびエラストマ接着ボンド６２０が、プローブ素子６０４の第２の端部を電気コネクタ６１２に、電気的かつ機械的に接続している。電気コネクタ６１２には、支持軸６５２が結合されている。電気絶縁スリーブ６１６が、プローブ素子６０４および電気コネクタ６１２を取り囲んでいる。別の実施形態では、プローブ素子６０４は、ろう付けによって電気コネクタに接着されてもよい。

以上、いくつかの好ましい実施形態を参照しつつ本発明について説明したが、本発明の範囲内で、様々な代替物、置換物、および等価物が存在する。また、本発明の方法および装置を実施する他の態様が数多く存在することにも注意されたい。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲内に含まれる代替物、置換物、および等価物の全てを網羅するものとして解釈される。

プラズマプローブを利用する処理チャンバを示す説明図である。 プラズマプローブを利用する別の処理チャンバを示す説明図である。 プラズマプローブを示す斜視図である。 線分Ａ−Ａで切断した図３のプラズマプローブを示す断面図である。 チャンバ壁およびプローブを示す拡大断面図である。 別のプラズマプローブを示す断面図である。

Claims (19)

1. プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置であって、
   第１の端部にプローブ面を有するプローブ素子と、
   前記プローブ素子に対して電気的に接続された電気コネクタと、
   前記プローブ素子の少なくとも一部を囲む電気絶縁スリーブと、
   前記プローブ素子に結合された調整装置であって、前記プローブ面が前記プラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、前記プローブ素子を調整する調整装置と、
   前記電気絶縁スリーブを調整するためのスリーブ調整装置と
   を備え、
   前記電気絶縁スリーブは外縁を有し、前記スリーブ調整装置は、前記プローブ面と同一平面上に存在するように前記外縁を調整する
   プラズマプローブ装置。
2. 請求項１に記載のプラズマプローブ装置であって、前記プローブ素子は半導体プローブ素子であり、前記プローブ面は半導体プローブ面であるプラズマプローブ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマプローブ装置であって、前記スリーブ調整装置は、前記電気絶縁スリーブと前記半導体プローブ素子との間に配置された少なくとも１つの着脱可能なスペーサを備えるプラズマプローブ装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、
   前記電気コネクタと、前記プローブ素子の少なくとも一部とを囲む分割カバーと、
   前記分割カバーを囲む少なくとも１つのＯ−リングと
   を備えるプラズマプローブ装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、支持軸を備え、
   前記調整装置は、前記支持軸に対して機械的に結合されており、調整の際に前記支持軸を移動させる
   プラズマプローブ装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置であって、
   前記プローブ素子は、
   前記プローブ面を有する第１の端部と、
   前記第１の端部から離れた位置の第２の端部と、
   前記第１の端部と前記第２の端部との間のネック部と
   を備え、
   前記ネック部は、前記第１の端部の断面および前記第２の端部の断面よりも小さい断面を有する
   プラズマプローブ装置。
7. 請求項６に記載のプラズマプローブ装置であって、
   前記絶縁スリーブは、さらに、リップ部を備え、
   前記リップ部は、前記プローブ素子の前記第２の端部および前記ネック部は通過でき、かつ前記プローブ素子の前記第１の端部は通過できない開口部を形成し、
   前記少なくとも１つの着脱可能なスペーサは、前記リップ部と、前記プローブ素子の前記第１の端部における前記プローブ面の反対側の面との間に配置される
   プラズマプローブ装置。
8. 請求項６または請求項７に記載のプラズマプローブ装置であって、
   前記分割カバーは、
   前記プローブ素子の前記第２の端部と係合する第１のリップ部と、
   前記電気コネクタと係合する第２のリップ部と
   を備え、
   前記第１のリップ部および前記第２のリップ部により、前記プローブ素子の前記第２の端部が前記電気コネクタに向かって押し付けられる
   プラズマプローブ装置。
9. 請求項８に記載のプラズマプローブ装置であって、
   前記第２のリップ部は、前記電気コネクタと斜めに接触する面を有することで、前記プローブ素子の前記第２の端部を前記電気コネクタに向かって押し付けるプラズマプローブ装置。
10. 請求項８または請求項９に記載のプラズマプローブ装置であって、
    前記第１のリップ部は、前記電気コネクタと斜めに接触する面を有することで、前記プローブ素子の前記第２の端部を前記電気コネクタに向かって押し付けるプラズマプローブ装置。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、前記プローブ素子の前記第２の端部を前記電気コネクタに対して電気的に接続する金網バネおよびエラストマ接着剤を備えるプラズマプローブ装置。
12. 請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、前記プローブ素子と、前記電気コネクタとは、ろう付けされたプラズマプローブ装置。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置であって、前記プローブ面はシリコンであるプラズマプローブ装置。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置であって、さらに、前記電気コネクタに対して電気的に接続された検知用電子機器を備え、前記検知用電子機器は電流計を備えるプラズマプローブ装置。
15. 請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置であって、前記電気絶縁スリーブは石英であるプラズマプローブ装置。
16. プラズマ処理チャンバで利用されるプラズマプローブ装置であって、
    第１の端部に半導体プローブ面を有する半導体プローブ素子と、
    前記半導体プローブ素子の第２の端部に対して電気的に接続された電気コネクタと、
    前記プローブ素子の少なくとも一部を囲む電気絶縁スリーブと、
    前記半導体プローブ素子に結合された調整装置であって、前記プローブ面が前記プラズマ処理チャンバのチャンバ内面と同一平面上に存在するように、前記半導体プローブ素子を調整する調整装置と、
    前記電気絶縁スリーブを調整するためのスリーブ調整装置であって、前記電気絶縁スリーブは外縁を有し、前記スリーブ調整装置は、前記プローブ面と同一平面上に存在するように前記外縁を調整するスリーブ調整装置と、
    前記電気コネクタに対して電気的に接続され、電流計を備えた検知用電子機器と
    を備えるプラズマプローブ装置。
17. 請求項１６に記載のプラズマプローブ装置であって、前記プローブ面はシリコンであるプラズマプローブ装置。
18. 請求項１６または請求項１７に記載のプラズマプローブ装置であって、前記電気絶縁スリーブは石英であるプラズマプローブ装置。
19. プラズマ処理チャンバであって、
    プラズマ処理チャンバの区画を形成するチャンバ壁と、
    前記プラズマ処理チャンバ内にウエハを支持する基板支持部と、
    プラズマを制御するために前記プラズマ処理チャンバ容器にエネルギを付与する少なくとも一つの電極と、
    前記プラズマ処理チャンバ内にガスを供給するガス流入口と、
    請求項１ないし請求項１８のいずれか一項に記載のプラズマプローブ装置と
    を備えたプラズマ処理チャンバ。

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