JP6386287B2 - プラズマの安定性判定方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマの安定性判定方法及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Description

本発明は、処理容器内に供給した処理ガスをプラズマ化させて被処理体を処理するプラズマ処理装置におけるプラズマの安定性の判定方法及びプラズマ処理装置に関する。
半導体デバイスの製造においては、被処理体としての半導体ウェハ（以下、単に「ウェハ」という。）に対して、プラズマ処理装置を用いて成膜処理やエッチング処理が行われる。このような成膜処理やエッチング処理においては、ウェハが収容された減圧処理容器内にガスを導入し、当該ガスのプラズマによりウェハのプラズマ処理が行われる。
プラズマ処理を行う処理容器内では、様々な要因によりアーク放電等の異常放電が発生したり、処理容器内の構成部品に付着した反応生成物等が剥離してパーティクルが発生したりする場合があり、これらはいずれもウェハ欠陥の原因となりうる。
そして、このようなプラズマ処理は、半導体デバイス製造の比較的上流側の工程で用いられるため、プラズマ処理で異常があった場合、工程下流の欠陥検査工程で異常が発見されるまではウェハ処理が継続して行われてしまう。その結果、その間に不良品ウェハが大量に生産されることとなり、製品の歩留まりが低下しまう。したがって、プラズマ処理を安定して行うと共に、プラズマ処理における異常を早期に検出することが求められる。
そこで、例えば特許文献１では、プラズマ処理装置でのプラズマ処理の実行中に、所定のパラメータを監視することで、プラズマ処理装置の状態を診断する方法が提案されている。特許文献１の方法によれば、検査用のダミーウェハに対して、状態診断用のレシピを用いてプラズマ処理を実行して所定のパラメータを取得する。そして、この取得したパラメータと、プラズマ処理装置に異常がない状態で予め取得したパラメータを比較して、装置の異常の有無を診断している。
特開２００６−３２４３１６号公報
ところで、プラズマ処理において何らかの要因で異常放電が発生したりすると、換言すれば、処理容器内のプラズマが不安定になると、上述のパラメータが頻繁に、或いは大きく変動する場合がある。かかる場合、プラズマ処理の安定性が確保できず、ウェハ面内におけるプラズマ処理の均一性が低下してしまう。その結果、ウェハになんらかの欠陥が生じてしまう場合がある。
パラメータが変動した場合、その変動が例えば特許文献１に示される基準値を超える場合、特許文献１の方法により異常を検出することができる。しかしながら本発明者らによれば、特許文献１の方法において、パラメータの変動幅が基準値以内に収まっている場合であっても、ウェハに欠陥が生じてしまう場合が確認されている。パラメータが変動する場合、処理容器内に安定したプラズマを生成できておらず、それにより、ウェハ面内におけるプラズマ処理の均一性が低下してしまうことが欠陥の原因であると推察される。
そして、例えば特許文献１の方法で異常を検出できない場合、プラズマの安定性を欠いた状態でプラズマ処理が継続され、後続の欠陥検査工程で異常が発見されるまでは不良品のウェハが多量に生産されてしまう恐れがある。そのため、プラズマ処理装置におけるプラズマの安定性を判定する手法が求められている。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理装置において、プラズマの安定性を適正に判定することを目的としている。
前記の目的を達成するため、本発明は、処理容器内に供給した処理ガスをプラズマ化させてプラズマ処理するプラズマ処理装置において、プラズマの安定性を判定する方法であって、前記処理容器内でプラズマが生成している間に、当該処理容器内におけるプラズマの発光強度を検出し、前記発光強度の検出結果から、時間と発光強度の関係を表す第１の関数を生成し、前記第１の関数を時間微分して微分値を算出し、当該微分値の絶対値と時間との関係から第２の関数を生成し、前記第２の関数を時間で積分して積分値を算出し、当該算出された積分値に基づいて、プラズマの安定性を判定することを特徴としている。
本発明によれば、発光強度の検出結果に基づいて生成した第１の関数を時間微分し、当該微分値の絶対値に基づいて第２の関数を生成する。第２の関数は発光強度の変動の度合いを示すものであり、この第２の関数の積分値は、発光強度の変動の総量を示すものである。したがって、第２の関数の積分値が、例えば予め設定された所定の閾値を超えている場合はプラズマの安定性が無く、閾値以下である場合は安定性を有しているとの判定を行うことができる。
前記算出した積分値を、予め定められた閾値と比較することで、プラズマの安定性を判定してもよい。
前記発光強度を複数の波長の光毎に検出し、前記第１の関数及び前記第２の関数を、前記複数の波長の光毎に生成し、前記閾値を前記複数の波長の光毎に設定し、前記複数の波長の光における各積分値の少なくともいずれかが、前記閾値を超えている場合に、プラズマの安定性が無いと判定してもよい。
前記プラズマが生成している間に、基板の処理を行ってもよい。
別な観点による本発明は、処理容器内に供給した処理ガスをプラズマ化させてプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で前記処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、当該処理容器内で生成されたプラズマの発光強度を検出する発光検出機構と、前記発光検出機構による発光強度の検出結果から、時間と発光強度の関係を表す第１の関数を生成する第１の関数生成部と、前記第１の関数を時間微分して微分値を算出し、当該微分値の絶対値と時間との関係から第２の関数を生成する第２の関数生成部と、前記第２の関数を時間で積分して積分値を算出し、当該算出した積分値に基づいて、プラズマの安定性を判定する安定性判定部と、を有することを特徴としている。
前記安定性判定部は、前記算出した積分値を、予め定められた閾値と比較することで、プラズマの安定性を判定してもよい。
前記発光検出機構は、複数の波長の光毎に設けられ、前記第１の関数生成部及び前記第２の関数生成部は、前記第１の関数及び前記第２の関数を、前記複数の波長の光毎にそれぞれ生成し、前記安定性判定部は、前記複数の波長の光における各積分値の少なくともいずれかが、前記複数の波長の光毎に設定された閾値を超えている場合に、プラズマの安定性が無いと判定してもよい。
前記プラズマが生成している間に、基板の処理を行ってもよい。
本発明によれば、プラズマ処理装置において、プラズマの安定性を適正に判定することができる。
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 発光強度と時間との関係を表す第１の関数を示す説明図である。 発光強度と時間との関係を表す第１の関数を示す説明図である。 発光強度と時間との関係を表す第１の関数を示す説明図である。 第１の関数の微分値の絶対値と時間との関係を表す第２の関数を示す説明図である。 第２の関数を定積分して求めた積分値を示す説明図である。 複数のウェハについての第２の関数の積分値を示す説明図である。 制御部の構成の概略を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１の構成の概略を示す縦断面図である。なお、本実施の形態では、ウェハＷの表面に形成されたレジスト膜を、例えば酸素含有ガス及びフッ素含有ガスを用いたプラズマ処理によりエッチングする際に、当該プラズマ処理装置１におけるプラズマの安定性を判定する場合を一例にして説明する。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
プラズマ処理装置１は、内部を気密に保持する処理容器２と、プラズマ生成用のマイクロ波を処理容器２内に供給するラジアルラインスロットアンテナ３と、プラズマの安定性判定方法などを実行する制御部４を有している。処理容器２は上面が開口した略円筒状の本体部２ａと、本体部２ａの開口を気密に塞ぐ略円盤状の蓋体２ｂを有している。本体部２ａ及び蓋体２ｂは、例えばアルミニウム等の金属から形成されている。また、本体部２ａは接地線（図示せず）により接地されている。
処理容器２の本体部２ａ底面には、ウェハＷを載置するサセプタ１０が設けられている。サセプタ１０は、例えば円盤形状を有し、アルミニウム等の金属から形成されている。サセプタ１０には、整合器１１を介してバイアス用の高周波電源１２が接続されている。高周波電源１２は、ウェハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を出力する。なお、図示していないが、サセプタ１０には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャックが設けられており、ウェハＷをサセプタ１０上に静電吸着することができる。また、サセプタ１０の内部にはヒータ１３が設けられ、ウェハＷを所定の温度に加熱することができる。
なお、サセプタ１０の下方には、ウェハＷを下方から支持し昇降させるための昇降ピン（図示せず）が設けられている。昇降ピンは、サセプタ１０に形成された貫通孔（図示せず）を挿通し、サセプタ１０の上面から突出可能になっている。
サセプタ１０の上面には、ウェハＷを囲むように環状のフォーカスリング１４が設けられている。フォーカスリング１４には例えばセラミックスあるいは石英などの絶縁性材料が用いられる。処理容器２内に発生したプラズマは、当該フォーカスリング１４の作用によりウェハＷ上に収束し、これにより、ウェハＷ面内におけるプラズマ処理の均一性が向上する。
処理容器２の本体部２ａの底部には、例えば本体部２ａの側方に突出して排気室２０が形成されている。排気室２０の底面には、処理容器２内を排気する排気機構２１が、排気管２２を介して接続されている。排気管２２には、排気機構２１による排気量を調整する調整弁２３が設けられている。
排気室２０の上方には、処理容器２内を均一に排気するための円環状のバッフル板２４が、サセプタ１０の外側面及び本体部２ａの内側面に沿って設けられている。バッフル板２４には、当該バッフル板２４を厚み方向に貫通する開口（図示せず）が全周にわたって形成されている。
処理容器２の本体部２ａの側面であってバッフル板２４の上方には、開口部２ｃが形成されている。開口部２ｃには、処理容器２の内部を観察するための観察窓２５が設けられており、観察窓２５には、処理容器２内におけるプラズマの発光強度を検出する発光検出機構２６が設けられている。発光検出機構２６としては、例えば発光分光分析装置（ＯＥＳ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｍｉｓｓｉｔｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）が用いられる。発光検出機構２６での発光強度の検出結果は、制御部４に入力される。また、処理容器２の本体部２ａの側面には、外部との間でウェハＷの搬入出を行うための搬入出口（図示せず）と、当該搬入出口を気密に塞ぐゲートバルブ（図示せず）が形成されている。
処理容器２の天井面開口部には、処理容器２内にプラズマ生成用のマイクロ波を供給するラジアルラインスロットアンテナ３（ｒａｄｉａｌ ｌｉｎｅ ｓｌｏｔ ａｎｔｅｎｎａ）が設けられている。ラジアルラインスロットアンテナ３は、マイクロ波透過板３１、スロット板３２、遅波板３３を有している。マイクロ波透過板３１、スロット板３２、遅波板３３は、この順に下から積層して、処理容器２の本体部２ａの開口部に設けられている。遅波板３３の上面は、蓋体２ｂにより覆われている。
マイクロ波透過板３１と本体部２ａとの間は、例えばＯリング等のシール材（図示せず）により気密に保たれている。マイクロ波透過板３１には誘電体、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等が用いられ、マイクロ波透過板３１はマイクロ波を透過させる。
マイクロ波透過板３１の上面に設けられたスロット板３２には複数のスロットが形成され、スロット板３２はアンテナとして機能する。スロット板３２には、導電性を有する材料、たとえば銅、アルミニウム、ニッケル等が用いられる。
スロット板３２の上面に設けられた遅波板３３は、低損失誘電体材料、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等により構成されており、マイクロ波の波長を短縮する。
遅波板３３の上面を覆う蓋体２ｂは、その内部に例えば冷却媒体を流通させる円環状の流路３４が複数設けられている。流路３４を流れる冷却媒体によって、蓋体２ｂ、マイクロ波透過板３１、スロット板３２及び遅波板３３が所定の温度に調節される。
蓋体２ｂの中央部には同軸導波管４０が接続されている。同軸導波管４０の上端部には、矩形導波管４１およびモード変換器４２を介して、マイクロ波発生源４３が接続されている。マイクロ波発生源４３は、処理容器２の外部に設置されており、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させることができる。
同軸導波管４０は、内部導体４４と外管４５を有している。内部導体４４は、スロット板３２と接続されている。内部導体４４のスロット板３２側は円錐形に形成されて、スロット板３２に対してマイクロ波を効率よく伝播するようになっている。
かかる構成により、マイクロ波発生源４３から発生したマイクロ波は、矩形導波管４１、モード変換器４２、同軸導波管４０内を順次伝播し、遅波板３３で圧縮され短波長化される。そして、スロット板３２から円偏波状のマイクロ波が、マイクロ波透過板３１を透過して処理容器２内に照射される。このマイクロ波により処理容器２内では処理ガスがプラズマ化し、このプラズマによりウェハＷのプラズマ処理が行われる。
なお、本実施の形態では、ラジアルラインスロットアンテナ３、同軸導波管４０、矩形導波管４１、モード変換器４２及びマイクロ波発生源４３が、本発明におけるプラズマ生成部を構成している。
処理容器２の天井面中央部、すなわちラジアルラインスロットアンテナ３の中央部には、第１の処理ガス供給管５０が設けられている。第１の処理ガス供給管５０はラジアルラインスロットアンテナ３を上下方向に貫通し、当該第１の処理ガス供給管５０の一端部はマイクロ波透過板３１の下面において開口している。また、第１の処理ガス供給管５０は同軸導波管４０の内部導体４４の内部を貫通し、さらにモード変換器４２内を挿通している。当該第１の処理ガス供給管５０の他端部は第１の処理ガス供給源５１に接続されている。
第１の処理ガス供給源５１は、処理ガスとして、例えばＯ２ガス、ＣＦ４ガスをそれぞれ個別に供給可能に構成されている。なお、以下において、この処理ガスを「第１の処理ガス」という場合がある。また、第１の処理ガス供給管５０には、第１の処理ガスの流れを制御するバルブや流量調節部等を含む供給機器群５２が設けられている。第１の処理ガス供給源５１から供給された第１の処理ガスは、第１の処理ガス供給管５０を介して処理容器２内に供給され、サセプタ１０に載置されたウェハＷに向かって鉛直下方に流れる。
また、図１に示すように、処理容器２の上部の内周面には、第２の処理ガス供給管６０が設けられている。第２の処理ガス供給管６０は、処理容器２の内周面に沿って等間隔に複数設けられている。第２の処理ガス供給管６０には、第２の処理ガス供給源６１が接続されている。第２の処理ガス供給源６１の内部には、処理ガスとして、例えばＯ２ガス、ＣＦ４ガスをそれぞれ個別に供給可能に構成されている。なお、以下において、この処理ガスを「第２の処理ガス」という場合がある。また、第２の処理ガス供給管６０には、第２の処理ガスの流れを制御するバルブや流量調節部等を含む供給機器群６２が設けられている。第２の処理ガス供給源６１から供給された第２の処理ガスは、第２の処理ガス供給管６０を介して処理容器２内に供給され、サセプタ１０に載置されたウェハＷの外周部に向かって流れる。このように、第１の処理ガス供給管５０からの第１の処理ガスはウェハＷの中心部に向けて供給され、第２の処理ガス供給管６０からの第２の処理ガスはウェハＷの外周部に向けて供給される。
なお、第１の処理ガス供給管５０と第２の処理ガス供給管６０から処理容器２内にそれぞれ供給される処理ガスは、同種のガスであっても、別種類のガスであってもよく、各々独立した流量で、或いは任意の流量比で供給することができる。
次に、制御部４について説明するにあたり、先ず本発明にかかるプラズマの安定性判定方法の原理について説明する。
プラズマ処理装置１でのプラズマ処理中に、例えば発光検出機構２６を用いて処理容器２内のプラズマの発光強度を検出すると、例えば図２〜図４に示すように時間と発光強度との関係を表すグラフを得ることができる。図２〜図４では、横軸を時間、縦軸を発光強度としている。図２は、発光強度の変動が、振幅、頻度（周期）共に大きくない場合の例である。ここで、図２に示すような発光強度分布を有するプラズマ処理においては、ウェハＷに対して適正に処理が行われており、後続の欠陥検査工程においてウェハＷに異常がないことが確認されているものとする。換言すれば、図２に示すような発光強度分布を有する場合、処理容器２内でのプラズマが安定しており、その結果、安定性のあるプラズマ処理が行われている。
図３は、図２と比較して発光強度の変動周期は同程度であるものの、振幅の変動幅が非常に大きい場合の例である。また、図４は、図３、図２と比較して、発光強度の変動周期は同程度か或いはやや大きいものの、振幅の変動幅は図３より小さく且つ図２よりも大きい場合の例である。
なお、図３及び図４に示すような発光強度分布を有するプラズマにより行われるプラズマ処理においては、後続の欠陥検査工程において、ウェハＷにプラズマ処理に起因する異常が発見されることが確認されているものとする。即ち、図３に示すような発光強度分布を有する場合、プラズマの安定性が十分であるとはいえない。
そして、プラズマ処理の適否を判定するにあたり例えば特許文献１に示される方法を用いると、即ち発光検出機構２６で検出したプラズマ由来の光の発光強度を所定の基準値と比較すると、例えば図３に示すような発光強度が得られた場合には異常を検出できるものの、図４に示すような発光強度では異常を検出できない場合がある。具体的には、例えば図３に示すように、基準値（図３の破線Ｑ）が「３００００」に設定されており、プラズマの発光強度の極小値（図３の点Ｐ）が基準値を明確に下回っていれば、プラズマ処理におけるプラズマの異常は容易に検出できる。
その一方で、図４に示すように、発光強度が頻繁に変動していても、発光強度が基準値を下回っていない場合は、特許文献１に示される方法を用いても異常を検出することができない。そうすると、図４に示す場合では直ちに異常が検出できず、後続の欠陥検査工程で異常が発見されるまでは不良品のウェハが多量に生産されてしまう恐れがある。
そのような事態を避けるためには、例えばオペレータがウェハＷの処理毎に、或いは所定の枚数の処理毎に、発光検出機構２６で検出した発光強度の波形を確認したり、異常を判定するための基準値を高く設定したりすることも考えられる。しかしながら、オペレータによる確認は、オペレータへの負担が多大なものとなる。仮に、オペレータによる発光強度の確認作業を行ったとしても、図４に示すような強度分布を有する場合、即ち、発光強度の極小値が基準値を下回っていないような場合は異常であるか否かの判定が困難であり、オペレータの熟練度によっても判定結果が大きく異なってしまうことが考えられる。また、基準値を高く設定すると、本来は異常でない場合も異常と判定されてしまう可能性が高くなるので好ましくない。
そこで、本発明者らは、プラズマ処理装置１におけるプラズマの安定性を判定する手法について鋭意検討し、例えば発光強度の変化の程度を定量化、換言すれば発光強度の安定性を定量化することで、定量化した情報に基づいてプラズマの安定性を判定できると考えた。そして、発光強度の安定性を定量化する手法についてさらに検討し、例えば図２〜図４に示すような発光強度と時間との関係を時間微分し、その微分値の絶対値を求めることで、発光強度の変動の頻度や大きさを定量化できると想到した。
具体的には、例えば図３に示すような、発光強度と時間との関係を時間微分して、さらにその微分値の絶対値を求める。そうすると、例えば図５に示すような波形のグラフが得られる。図５の横軸は時間、縦軸は発光強度の時間微分値である。
そして、図５に示すグラフをさらに所定期間について定積分すると、図５に示すグラフと横軸とに囲まれた部分の面積を図６に示すように数値（積分値）として求めることができる。そして、例えば予め試験を行い、異常なくプラズマ処理が行われた場合と、何らかの異常が生じた場合についてそれぞれ発光強度を検出し、それに基づき図６のような積分値をそれぞれについて求める。そして、求めた積分値に基づいて所定の閾値を設定し、その閾値に基づいてプラズマ処理の際のプラズマの発光強度を評価すれば、特許文献１の方法では検出できない、プラズマの安定性に起因する異常を検出することができる。
本発明の基本的な原理は上述の通りであり、次に、この原理に基づいてプラズマの安定性を判定する制御部４について説明する。
制御部４は、例えば図８に示すように、発光検出機構２６による発光強度の検出結果を入力する入力部７０と、発光強度の検出結果から、時間と発光強度の関係を表す第１の関数を生成する第１の関数生成部７１と、第１の関数を時間微分して微分値を算出し、当該微分値の絶対値と時間との関係から第２の関数を生成する第２の関数生成部７２と、第２の関数の積分値を算出し、当該算出された積分値に基づいて、プラズマの安定性を判定する安定性判定部７３と、安定性判定部７３での判定結果を出力する出力部７４と、を有している。
第１の関数生成部７１には、プラズマ処理の際に発光検出機構２６で検出された処理容器２内のプラズマの発光強度が、電気信号として入力部７０を介して入力される。第１の関数生成部７１では、入力された電気信号に基づいて、例えば上述の図２〜図４に示すような、発光強度と時間との関係を表す第１の関数ｆ（ｔ）（以下、単に「第１の関数」という場合がある）を生成する。なお、本実施の形態において、図２〜４に示す発光強度は、例えば波長が７７７ｎｍである酸素プラズマ由来のものである。
第２の関数生成部７２では、第１の関数生成部７１で生成した第１の関数ｆ（ｔ）を時間微分して、ｆ’（ｔ）を求める。次いで、ｆ’（ｔ）の絶対値と時間との関係から、図５に示すような、第２の関数｜ｆ’（ｔ）｜（以下、単に「第２の関数」という場合がある）を生成する。なお、図５に示す第２の関数は、既述のように、図３に示す第１の関数から求めたものである。
安定性判定部７３では、先ず第２の関数の積分値を算出する。具体的には、第２の関数を所定の期間について定積分して、例えば図６に示すように、発光強度の変動量を数値として求める。そして、安定性判定部７３では、第２の関数の積分値を予め定められた閾値と比較し、例えば積分値が閾値を超えていれば、当該発光強度分布が検出されたプラズマは安定性が十分であるとはいえず、何らかの異常があるものと判定する。なお、プラズマの安定性を判定するための閾値は、例えばプラズマ処理装置１でプラズマ処理を行ったウェハＷの検査結果と、当該検査結果に対応する発光強度のデータを複数蓄積し、当該蓄積したデータに基づいて決定したり、予め行った試験の結果に基づいて決定したり、様々な方法により適宜決定できる。
出力部７４には、安定性判定部７３でのプラズマの安定性の判定結果や、例えば図２〜図６に示される各種のデータが表示される。
なお上述の制御部４は、例えばＣＰＵやメモリなどを備えたコンピュータにより構成され、例えばメモリに記憶されたプログラムを実行することによって、プラズマ処理装置１におけるプラズマ処理を実現できる。なお、プラズマ処理装置１におけるプラズマ処理を実現するための各種プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどの記憶媒体に記憶されていたものであって、その記憶媒体から制御部４にインストールされたものが用いられている。
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１は以上のように構成されている。次に、本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１で行われるウェハＷのプラズマ処理について説明する。本実施の形態では、上述したようにウェハＷの表面に形成されたレジスト膜を処理ガスのプラズマによりエッチングする場合を例にして説明する。
ウェハＷの処理にあたっては、先ず、処理容器に設けられた図示しないゲートバルブが開き、処理容器２内にウェハＷが搬入される。ウェハＷは、昇降ピンを介してサセプタ１０上に載置される。それと共に、静電チャックに直流電圧が印可され、クーロン力によりウェハＷがサセプタ１０上に静電吸着する。そして、ゲートバルブを閉じ、処理容器２内を密閉した後、排気機構２１を作動させ、処理容器２内を所定の圧力、例えば４００ｍＴｏｒｒ（＝５３Ｐａ）に減圧する。
その後、第１の処理ガス供給管５０から処理容器２内に第１の処理ガスを供給し、第２の処理ガス供給管６０から処理容器２内に第２の処理ガスを供給する。このとき、第１の処理ガス供給管５０から供給されるＡｒガスの流量は例えば１００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）であり、第２の処理ガス供給管６０から供給されるＡｒガスの流量は例えば７５０ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）である。
処理容器２内に第１の処理ガス、第２の処理ガスを供給すると共に、マイクロ波発生源４３を作動させ、当該マイクロ波発生源４３において、例えば２．４５ＧＨｚの周波数で所定の電力のマイクロ波を発生させる。マイクロ波は、矩形導波管４１、モード変換器４２、同軸導波管４０、ラジアルラインスロットアンテナ３を介して、処理容器２内に照射される。このマイクロ波によって処理容器２内では処理ガスがプラズマ化し、プラズマ中で処理ガスの解離が進み、その際に発生したラジカル（活性種）によってウェハＷ上のレジスト膜がエッチング処理される。
処理容器２内でのプラズマ処理の開始と並行して、発光検出機構２６により処理容器２内のプラズマに由来する光の発光強度が検出される。発光検出機構２６で検出された発光強度は、入力部７０を介して第１の関数生成部７１に電気信号として入力される。第１の関数生成部７１では、この入力に基づいて第１の関数ｆ（ｔ）を生成する。
第１の関数生成部７１で第１の関数が生成されると、第２の関数生成部７２では、第１の関数に基づいて第２の関数を生成する。次いで、安定性判定部７３では、生成された第２の関数を所定の期間について定積分し、積分値を算出する。定積分を行う所定の期間を定めることにより、プラズマの安定性の判定対象となる期間が決定する。そのため、本実施の形態のようにプラズマ処理におけるプラズマの安定性を判定する際には、プラズマ処理によるエッチングの開始からエッチング終了までの期間が定積分を行う所定の期間として設定される。なお、定積分を行う期間としては、少なくともプラズマ処理を行う期間を含んでいればよく、例えばプラズマの着火からプラズマの消火まで、処理容器２内にプラズマが生成されている期間の全部にわたって定積分を行ってもよい。定積分をどの程度の期間について行うかは、予め行う試験等に基づいて適宜設定される。また、通常、例えばプラズマ処理によるエッチングの終点検出（ＥＰＤ：Ｅｎｄ Ｐｏｉｎｔ
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）は、反応生成物の発光の変化に基づいて行われるため、プラズマ処理装置１には処理容器２内の発光を検出するための手段が設けられる。そのため、この発光検出用の手段を発光検出機構２６として用いてもよい。
積分値が算出されると、安定性判定部７３では積分値と閾値との比較を順次行う。例えば３枚のウェハＷに対して順次プラズマ処理によるエッチングが行われ、
図７に示すように、積分値Ｘ、Ｙ、Ｚがそれぞれ得られた場合、安定性判定部７３では、積分値Ｘ、Ｙ、Ｚと閾値Ｓを順次比較し、積分値が閾値Ｓを超えているＹではプラズマの安定性が十分でないと判定し、閾値Ｓ以下であるＸ、Ｚではプラズマの安定性が確保されていると判定する。なお、例えば図７では閾値Ｓが「６００００」に設定されている場合を描図しているが、閾値Ｓの値は本実施の形態の内容に限定されるものではなく、任意に設定が可能である。
安定性判定部７３での判定結果は出力部７４に出力され、例えば定積分により算出した数値が閾値を超えている場合は、プラズマ処理装置１に異常があるとして警報が併せて出力される。
なお、ウェハＷにプラズマ処理を行っている間、高周波電源１２により例えば１３．５６ＭＨｚの周波数で所定の電力の高周波がサセプタ１０に印加される。適切な範囲でのＲＦバイアスの印加により、プラズマ中のイオンをウェハＷへ引き込むように作用するため、エッチングレートを向上させることができる。また、マイクロ波プラズマを用いることでプラズマの電子温度を低く維持できるので、ウェハＷへのダメージがなく、しかも、高密度プラズマにより、処理ガスの分子が解離されやすいので、反応が促進される。
エッチング処理が進行し、ウェハＷ上からレジスト膜が除去されると、処理ガスと、マイクロ波の照射が停止される。その後、ウェハＷは処理容器２から搬出されて、一連のプラズマ処理が終了する。そして、このプラズマ処理が順次繰り返し行われ、その都度、安定性判定部７３によりプラズマ処理装置１におけるプラズマの安定性の判定行われる。
そして、例えば連続して積分値が閾値を上回ったり、積分値が大幅に閾値を上回ったりするような場合は、プラズマ処理装置１に何らかの異常が生じているものと判断し、適宜プラズマ処理装置１のクリーニングやメンテナンスが行われる。
以上の実施の形態によれば、発光検出機構２６で検出された発光強度の情報に基づいて、第１の関数生成部７１により第１の関数を生成し、さらに第２の関数生成部７２で第２の関数を生成する。次いで、安定性判定部７３において、この第２の関数を定積分して積分値を得ることにより、処理容器２内における発光強度の変動量を把握する。そして、この変動量、即ち積分値を、予め設定された閾値と比較することで、従来の方法、例えば特許文献１の方法のように、検出された発光強度を予め設定された基準値と比較した場合では判定することが困難な、プラズマの安定性を適正に判定することができる。
また、プラズマ処理中に検出されるプラズマの発光強度の絶対値は、例えば用いる処理ガスの種類、処理容器２内の圧力、プラズマの電子温度等、様々な要因で変動する。そのため、従来のように、発光強度そのものを所定の基準値と比較するには、プラズマ処理のレシピに対応して基準値も複数設ける必要がある。かかる場合、レシピ毎の設定値を設けるために、例えばダミーウェハを用いた試験をレシピ数に応じて行う必要があるため、多大な時間と労力が必要であった。それに対して、本実施の形態のように、発光強度そのものの絶対値ではなく、発光強度の変動の頻度や単位時間当たりの変動量、即ち本実施の形態における第２の関数に相当する情報に基づいて判定することで、レシピの内容によらず、プラズマの安定性を適正に判定することができる。なお、本発明者らによれば、プラズマ処理におけるプラズマの発光強度の変動の周期や単位時間当たりの変動量といった、本実施の形態における第２の関数に相当する情報については、レシピの内容によらず概ね同様な傾向を有することが確認されている。
また、特許文献１のようにダミーウェハを用いるのではなく、製品となるウェハＷのプラズマ処理中にプラズマの安定性を判定することができるので、ウェハ処理のスループットを低下させることがない。特に、プラズマが不安定になる、換言すれば、プラズマの発光強度が変動する原因としては、処理容器２内の反応生成物が剥離して飛散したり、処理容器２内のパーツの破損であったり、メンテナンス時のパーツの組み立て誤差であったりと、様々な要因があるが、本発明では、プラズマの安定性を連続的に監視することで、異常の原因を推定することも可能となる。つまり、例えばメンテナンス後に連続して異常と判定されるような場合は、組み立て誤差が原因であると推定され、ある処理以降に連続して異常と判定されるような場合は、例えばパーツの破損が疑われる。また、異常と判定された後、後続の処理で異常と判定されることがなければ、その異常は偶発的なものであり、その原因としては、例えば処理容器２内の反応生成物が偶発的に剥離して飛散したことによるものであると推定できる。
さらには、既述のように、プラズマ処理においては終点検出のためにプラズマの発光状態を監視することが通常であり、本発明のプラズマ処理装置１では、この終点検出に用いる発光強度の情報に基づいてプラズマの安定性を判定することができるので、新たな機器を追加する必要がない。
以上の実施の形態では、例えば製品となるウェハＷに対してプラズマ処理を行っていたが、本発明は、例えば検査用のダミーウェハに対してプラズマ処理を行う場合にも当然適用できる。例えば、メンテナンスやクリーニングを行った後にダミーウェハを用いてプラズマ処理を行い、当該プラズマ処理におけるプラズマの安定性を確認した後に製品となるウェハＷの処理を行うことで、歩留まりが低下することを避けることができる。また、プラズマの発光強度に基づいてプラズの安定性を判定するという観点からは、ウェハＷやダミーウェハは必ずしも必要ではなく、処理容器２内にウェハＷやダミーウェハを搬入していない状態で当該処理容器２内にプラズマを生成し、そのプラズマの発光強度を監視するようにしてもよい。処理容器２内にウェハＷやダミーウェハを搬入していない状態でプラズマの安定性を判定する際には、例えばプラズマの着火からプラズマの消火まで、処理容器２内にプラズマが生成されている期間の全部にわたって安定性判定部７３で定積分が行われるが、プラズマの着火から消火までの時間は適宜設定が可能である。なお、処理容器２内にウェハＷやダミーウェハを搬入した状態であるか否かによらず、プラズマの着火直後はプラズマの静定時と比較して当該プラズマが不安定な状態にあるので、定積分を行う期間については、プラズマの着火直後を除くなどして短縮するようにしてもよい。どの程度の期間短縮するかについては、発光強度のデータなどに基づいて適宜決定される。
以上の実施の形態では、安定性判定部７３における閾値は予め設定していたが、例えば出力部７４に閾値変更用の設定画面を設けるなどして、適宜閾値を変更するようにしてもよい。
以上の実施の形態では、発光検出機構２６により例えば酸素プラズマ由来の発光強度を検出した場合を例に説明したが、検出する光の波長は本実施の形態の内容に限定されるものではなく、他の波長、例えばフッ素プラズマ由来の７０３．７ｎｍの波長について発光強度を検出するようにしてもよい。本発明者らによれば、プラズマが不安定になる場合、処理容器２内で検出される波長の光のいずれにおいても同様の傾向が得られることが確認されている。したがって、プラズマの安定性の判定においては、プラズマ処理装置１から検出可能な任意の波長の光を用いることができる。但し、波長ごとに発光強度の絶対値が異なるため、閾値は波長ごとに設定することが好ましい。
また、複数の波長の光について並行して発光強度を検出し、複数の発光強度について第１の関数及び第２の関数を生成してそれぞれ積分値を算出し、算出した積分値うち、いずれかにおいて閾値を超えた場合にプラズマの安定性が無いと判定するようにしてもよい。
以上の実施の形態では、マイクロ波によりプラズマを生成していたが、プラズマを生成する手段についても本実施の形態の内容に限定されるものではなく、例えばマイクロ波以外にも、平行平板プラズマや、やＩＣＰプラズマ等、他の手段により生成されたプラズマに対しても、本発明を適用することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、以上の実施の形態では、本発明をエッチング処理を行うプラズマ処理に適用していたが、本発明は、エッチング処理以外の基板処理、例えば成膜処理やスパッタリングを行うプラズマ処理にも適用できる。さらに、本発明のプラズマ処理で処理される被処理体は、ガラス基板、有機ＥＬ基板、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）用の基板等のいずれのものであってもよい。
本発明は、例えば半導体ウェハ等をプラズマ処理する際に有用である。
１ プラズマ処理装置
２ 処理容器
３ ラジアルラインスロットアンテナ
４ 制御部
１０ サセプタ
１１ 整合器
１２ 高周波電源
１３ ヒータ
１４ フォーカスリング
２０ 排気室
２１ 排気機構
２２ 排気管
２３ 調整弁
２４ バッフル板
３１ マイクロ波透過板
３２ スロット板
３３ 遅波板
４０ 同軸導波管
７１ 第１の関数生成部
７２ 第２の関数生成部
７３ 安定性判定部
Ｗ ウェハ

Claims (8)

  1. 処理容器内に供給した処理ガスをプラズマ化させてプラズマ処理するプラズマ処理装置において、プラズマの安定性を判定する方法であって、
    前記処理容器内でプラズマが生成している間に、当該処理容器内におけるプラズマの発光強度を検出し、
    前記発光強度の検出結果から、時間と発光強度の関係を表す第１の関数を生成し、
    前記第１の関数を時間微分して微分値を算出し、当該微分値の絶対値と時間との関係から第２の関数を生成し、
    前記第２の関数を時間で積分して積分値を算出し、当該算出した積分値に基づいて、プラズマの安定性を判定することを特徴とする、プラズマの安定性判定方法。
  2. 前記算出した積分値を、予め定められた閾値と比較することで、プラズマの安定性を判定することを特徴とする、請求項１に記載のプラズマの安定性判定方法。
  3. 前記発光強度を複数の波長の光毎に検出し、
    前記第１の関数及び前記第２の関数を、前記複数の波長の光毎に生成し、
    前記閾値を前記複数の波長の光毎に設定し、
    前記複数の波長の光における各積分値の少なくともいずれかが、前記閾値を超えている場合に、プラズマの安定性が無いと判定することを特徴とする、請求項２に記載のプラズマの安定性判定方法。
  4. 前記プラズマが生成している間に、基板の処理を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマの安定性判定方法。
  5. 処理容器内に供給した処理ガスをプラズマ化させてプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
    前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記処理容器内で前記処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    当該処理容器内で生成されたプラズマの発光強度を検出する発光検出機構と、
    前記発光検出機構による発光強度の検出結果から、時間と発光強度の関係を表す第１の関数を生成する第１の関数生成部と、
    前記第１の関数を時間微分して微分値を算出し、当該微分値の絶対値と時間との関係から第２の関数を生成する第２の関数生成部と、
    前記第２の関数を時間で積分して積分値を算出し、当該算出した積分値に基づいて、プラズマの安定性を判定する安定性判定部と、を有することを特徴とする、プラズマ処理装置。
  6. 前記安定性判定部は、前記算出した積分値を、予め定められた閾値と比較することで、プラズマの安定性を判定することを特徴とする、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記発光検出機構は、複数の波長の光毎に設けられ、
    前記第１の関数生成部及び前記第２の関数生成部は、前記第１の関数及び前記第２の関数を、前記複数の波長の光毎にそれぞれ生成し、
    前記安定性判定部は、前記複数の波長の光における各積分値の少なくともいずれかが、前記複数の波長の光毎に設定された閾値を超えている場合に、プラズマの安定性が無いと判定することを特徴とする、請求項６に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記プラズマが生成している間に、基板の処理を行うことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
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