JP6560909B2 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の製造等において半導体ウエハ等の基板状の試料を真空容器内の処理室内部に配置して当該処理室内に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、処理中にプラズマからの発光を検出した結果を用いて処理の終点の判定や処理中の処理室内の状態或いは処理の特性を検出するプラズマ処理装置に関する。

半導体ウエハの製造では、ウエハの表面上に形成された様々な材料の層および特に誘電材料の層の除去またはパターン形成にドライエッチングが広く使用されている。このドライエッチング装置では、真空処理室内に導入されたエッチングガスをプラズマ化させイオンやラジカルとし、このイオンやラジカルをウエハ上の被処理膜と反応させることにより、被処理膜のエッチング加工を行なう。

半導体ウエハのドライエッチング処理中において、プラズマ光における特定波長の発光強度が、被処理膜のエッチング進行に伴って変化する。そこで、半導体ウエハのエッチング終点検出方法の１つとして、従来から、ドライエッチング処理中にプラズマからの特定波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づいて被処理膜がエッチングにより完全に除去されたエッチング終点を検出する方法がある。

被エッチング材料の露出面積の少ない低開口率ウエハのドライエッチング処理ではエッチング終点での発光強度の変化が微弱となる。またエッチング終点では、被エッチング材料がエッチングされ発生する反応生成物の波長の発光強度が減少する。

一方、エッチングガス（エッチャント）の波長の発光強度は増加する。反応生成物の波長の発光強度とエッチャントの波長の発光強度を除算することでエッチング終点での微弱な強度変化を増加する方法は特許文献１等で知られている。

この従来技術１では、低開口率ウエハなどのエッチング終点での発光強度の変化が微弱なエッチング処理において、エッチング終点で発光強度が増加する信号と発光強度が減少する信号とを除算することで微弱な強度変化を増加するものが開示されている。

特開２０１１−９５４６号公報

しかしながら、上記従来技術では次の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。すなわち、発光の強度のレベルが小さい信号と大きな信号とを比較すると、任意の波長または周波数におけるスペクトルを示す信号に含まれるノイズの成分は前者の方が相対的に大きなものとなる。そのため、エッチングの終点で発光強度が増加する信号強度と発光強度が減少する信号強度の差が著しく大きい場合、例えば、低開口率ウエハをエッチング処理する際の発光等では終点を示す微弱な発光の強度の変化がノイズに悪影響を及ぼされこれを正確に検出すること困難となる。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を考慮し、上記発光強度の差が大きい場合でもエッチング終点での微弱な信号強度変化を正確に検出し、安定した終点検出ができる半導体ウエハの処理方法および処理装置を提供することにある。

上記目的は、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上に載置されたウエハの表面に予め形成された複数の膜層を含む膜構造の処理対象の膜層を当該処理室内に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、前記処理中の前記処理室内からの複数の波長の光を所定の周期で交互に繰り返される異なる長さの複数の期間の各々で受光して得られた出力から前記複数の波長の光の強度を検出する検出器であって、前記複数の期間のうちの一方の期間の間において前記複数の波長の光各々を飽和させずに受光して得られた前記複数の波長の光の強度を示すデータ、及び他の期間の間において前記複数の波長のうちの一部のみを飽和させずに受光して得られた前記複数の波長の光の強度を示すデータの複数のデータのうち一方に含まれる少なくとも１つの波長の光の強度を示すデータを他方の前記１つの波長の光の強度を示すデータと合成して得られた複数の波長の光の強度を示すデータを用いて前記複数の波長毎の光の強度を検出する検出器と、当該検出器が前記所定の周期毎に検出された前記複数の波長毎の光の強度から得られた何れかの波長の当該強度の時間的変化に基づいて前記処理の終点を判定する判定器とを備えたことにより達成される。

また、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上にウエハを載置し、前記処理室内にプラズマを形成して前記ウエハの表面に予め形成された複数の膜層を含む膜構造の処理対象の膜層を処理するプラズマ処理方法であって、前記処理中の前記処理室内からの複数の波長の光を所定の周期で交互に繰り返される異なる長さの複数の期間の各々で受光して得られた出力から前記複数の波長の光の強度を検出する工程であって、前記複数の期間のうちの一方の期間の間において前記複数の波長の光各々を飽和させずに受光して得られた前記複数の波長の光の強度を示すデータ、及び他の期間の間において前記複数の波長のうちの一部のみを飽和させずに受光して得られた前記複数の波長の光の強度を示すデータの複数のデータのうち一方に含まれる少なくとも１つの波長の光の強度を示すデータを他方の前記１つの波長の光の強度を示すデータと合成して得られた複数の波長の光の強度を示すデータを用いて前記複数の波長毎の光の強度を検出する工程と、前記所定の周期毎に検出された前記複数の波長毎の光の強度から得られた何れかの波長の当該強度の時間的変化に基づいて前記処理の終点を判定する工程とを備えたことにより達成される。

終点検出に２つ以上の波長の発光を使用するエッチングにおいて、それらの発光強度の差が大きい場合でも高Ｓ／Ｎで安定して終点検出することができる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す図である。 図１に示す実施例および従来技術の分光器が処理室内部からの光を受光する時間の設定を示した図である。 図１に示す実施例において処理室内部からの光を用いて検出したスペクトルを示したグラフである。 図１に示す実施例において検出したスペクトルを合成する処理の流れの概略を示すフローチャートである。 図４に示す処理の結果得られたスペクトルの例を示すグラフである。 従来技術において得られた処理の終点の前後における複数の波長の光波形を模式的に示すグラフである。 図１に示す実施例に係る合成処理を用いて得られた処理の終点の前後における複数の波長の光波形を模式的に示すグラフである。 本発明の別の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図８に示す実施例に係るプラズマ処理装置が検出するスペクトルの任意の波長の光についての処理の終点の前後における光波形を模式的に示すグラフである。

本発明の実施の形態を、図面を用いて以下説明する。

以下、図１から図７に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。

本実施例に係るプラズマ処理装置を図１に示す。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す図である。

本実施例のプラズマ処理装置１は、真空容器内部に配置された真空処理室２と、その内側の下方に配置され処理対処の半導体ウエハ等の基板状の被処理材４が載せられて保持される試料台５とを備えている。

真空処理室２内に図示を省略したガス導入手段から導入されたエッチングガスは、図示していない導波管や平板状またはコイル状のアンテナ等の電界形成手段により生成され処理室内に供給れるマイクロ波等の電界またはソレノイドコイル等の磁界形成手段により生成され処理室内の供給される磁界により励起、分離或いは分解されてプラズマ３が形成される。真空処理室２内に形成されたプラズマ３中の荷電粒子と励起されて高い活性を備えた粒子とにより試料台５上の半導体ウエハ等の被処理材４の上面に予め形成されたマスクを含む複数の膜層を有した膜構造の処理対象の膜がエッチング処理される。

プラズマ４内の励起された粒子から放射される発光は、真空処理室２の側壁を構成する真空容器に配置された透過性の部材から構成された窓を通して、外部に配置された受光器で受光されこれに光学的に接続されたファイバ１１を通して分光器１２に導入される。分光器１２では、入射したプラズマの発光は、例えば２００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲で所定の間隔の波長毎に分光された後、分けられた各波長毎の光を受けた図示しない光センサによってその波長の光の強度を示すデジタル信号に変換される。

複数の波長毎の光の強度を示すこれらの信号は、スペクトル合成器１４に送信され複数の波長のスペクトルの強度を用いて特定の波長のスペクトルの光の強度を合成して演算する。算出された当該波長の光の強度を含む複数波長のスペクトルの強度を示す信号は波長決定器１５に送信され、これからあらかじめレシピなどで決められた終点の検出に使用する複数の波長のものが抽出される。当該波長決定器１５においてサンプリング信号として出力された信号は、時系列データｙｉとして図示しないＲＡＭ等の記憶装置に収納される。

この時系列データｙｉはデジタルフィルタ１６により平滑化処理され平滑化時系列データＹｉとしてＲＡＭ等の記憶装置に収納される。この平滑化時系列データＹｉを微分器１７により微係数値（１次微分値あるいは２次微分値）の時系列データｄｉが算出されＲＡＭ等の記憶装置に収納される。

ここで、微係数時系列データｄiの算出について説明する。デジタルフィルタ回路１６としては、例えば２次バタワース型のローパスフィルタを用いる。２次バタワース型のローパスフィルタにより平滑化時系列データＹｉは式（１）により求められる。

Ｙｉ＝ｂ１・ｙｉ＋ｂ２・ｙｉ−１＋ｂ３・ｙｉ−２−［ａ２・Ｙｉ−１＋ａ３・Ｙｉ−２］…（１）

ここで、係数ａｎ，ｂｎ（ｎ＝１〜３）はサンプリング周波数およびカットオフ周波数により数値が異なる乗数である。例えば、本例例としてサンプリング周波数１０Ｈｚ、カットオフ周波数１Ｈｚの場合では、ａ２＝−１．１４３，ａ３＝０．４１２８，ｂ１＝０．０６７４５５，ｂ２＝−０．０１３４９１，ｂ３＝０．０６７４５５である。

２次微係数値の時系列データｄｉは、微分器１７において、例えば５点の時系列データＹｉの多項式適合平滑化微分法を用いて式（２）から以下のように算出される。

j=2
di = Σwj・Yi+j ・・・（２）
j=-2

ここで、上記の例において、重み係数ｗｊ（ｊ＝−２〜２）は、ｗ−２＝２，ｗ−１＝−１，ｗ０＝−２，ｗ１＝−１，ｗ２＝２である。また、上記の例では微分器１７の演算は多項式平滑化微分法を用いたものであるが、差分法を用いることもできる。

微分器１７で得られた２次微分値（あるいは１次微分値）がレシピ等で予め決められた条件を満たすかどうかが終点判定器１８において判断される。条件を満たしていると判定された場合には、表示器１９にて終点の検出を表示するとともにプラズマ処理装置１に備えられた検知器及び可動部分各々と通信可能に接続され可動部分の動作を調節する制御器７へ通知する。当該通信を受けた制御器７は、被処理体４の次の処理のステップもしくは被処理体４の処理を終了させるため必要な指令信号を算出しこれを図示を省略したガス導入手段やマイクロ波電源、ソレノイドコイル等のプラズマ形成手段に送信する。

被処理体４として低開口率のウエハ上の膜構造をエッチングする処理では、エッチングの終点でのプラズマからの発光の強度の変化が相対的に小さくなる。さらには、場合によってはノイズとの強度の比率（ＳＮ比）が発光の強度の変化を検出困難となる程度に小さいものとなる。

また、エッチングの終点では、被処理体４上のエッチング処理対称の膜材料がエッチングされ発生する反応生成物の波長の発光の強度も減少する。一方、エッチングガス（エッチャント）の波長の発光強度は増加する。反応生成物の波長の発光強度とエッチャントの波長の発光強度を除算することによりエッチング終点での波形変化を大きくできることが一般的に知られている。

ここで、従来の技術における終点を検出する構成について、図２、図３、図６を用いて説明する。図２は、図１に示す実施例および従来技術の分光器が処理室内部からの光を受光する時間の設定を示した図である。図３は、図１に示す実施例および従来技術の分光器が処理室内部からの光を用いて検出したスペクトルの一例を示したグラフである。図６は、従来技術において得られた処理の終点の前後における複数の波長の光波形を模式的に示すグラフである。

図２（Ｂ）は，従来の技術の分光器が処理室内部からの光を受光する時間の設定を示した図である。つまり、従来の技術では、期間を区切って分光器１２において発光のスペクトルデータを連続して受光した結果得られた発光に関するデータを検出しており、図２（ｂ）は、被処理体４の処理中において、処理時間の経過に伴って変動する、分光器の受光センサが発光を受光する１つの単位としての期間（図上は「蓄積時間」と呼称）の連なりを模式的に示している。

図２（Ｂ）に示す通り、従来の技術では同じ蓄積時間Ｂで連続的に受光して、蓄積時間Ｂ毎に発光スペクトルを連続して取得することで、プラズマの発光スペクトルの変化を検出する。ここで、ＣＣＤセンサ等を利用したマルチチャンネル分光器の蓄積時間について説明する。

マルチチャンネル分光器１２では、光センサが蓄積時間の間分光されたプラズマの発光の所定の波長の光を受けることで当該センサまたは回路の内部に電荷が蓄積され、当該チャージされた電荷量は蓄積時間の終了後に出力される。このような予め定められた波長毎の電荷量は、例えば図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す発光スペクトルとして波長をパラメータとして示すことができる。蓄積時間と出力される電荷量との関係はおおよそ比例する関係にあり蓄積時間を倍にすると出力電荷量も倍となる。

図３（Ｂ）に、従来技術におけるエッチング処理中の発光からに得られたスペクトルの一例を示す。図３（Ｂ）中の波長１がエッチング終点で発光強度が増加し、波長２がエッチング終点で発光強度が減少している。

図６は、図２，３に示した従来技術において得られた処理の終点の前後における複数の波長の光波形を模式的に示すグラフである。これらの図において、左側の図は発光強度を示す値のグラフであり、右側の図は、左図のデータを２次微分して得られた値を示すグラフである。

図６（ａ）に示すように、波長１のスペクトルの光強度はノイズを含んでおり時間の変化に伴って増減し、その値はエッチングの終点でわずかに増加する。一方、図６（ｂ）に示すように、波長２のスペクトルの強度はノイズを含んで時間の変化に伴なって増減するとともにエッチング終点でわずかに減少する。

これらの２つの波長の光の強度を時刻毎に除算した場合の時間的変化を図６（ｃ）の左図に示す。便宜上、除算データは図６（ｃ）に示す通り、３００００カウントに規格化している。この除算したデータの２次微分値を図６（ｃ）右図に示す。

これらの図では、平滑化された矢印の線に示されるようにエッチング終点の変化は１０秒で発生していると見做すことができる。このようなエッチング終点での２次微分の最大値をシグナルと定義すると、シグナルは２７３．９である。また、１０秒以前の値はノイズ量として定義でき、そのノイズ量は１７０．６である。従って、このエッチング処理での２次微分値のＳ／Ｎ（ＳＮ比）は１．６である。

これらのパラメータを図６（ｄ）として纏めて表に示した。通常、発明者らの検討によれば、終点検出を安定的に実施できるＳ／Ｎ（ＳＮ比）の目安は４．０以上であり、この目安に拠れば従来の技術においてはこのような安定した終点検出は不可能であることになる。

次に、本実施例におけるエッチング処理の終点の検出の構成について図２（ａ）、図３、図４、図５、図７を用いて説明する。

繰り返しになるが、図３（ｂ）にエッチング処理中のプラズマ発光から検出されたスペクトルを示す。図３（ｂ）中の波長１がエッチング終点で発光強度が増加し、波長２がエッチング終点で発光強度が減少している。また、波長１の発光強度は高く波長２は相対的に低い。分光器１２内の回路におけるノイズはプラズマの発光の強度には依存しないため、光センサが検出して分光器１２において出力された当該発光の強度が低い波長のスペクトルの信号にはノイズの割合が多くなりＳ／Ｎが低いことが知られている。

そこで、本例では、波長２の発光強度を上げるため、異なる複数の値の蓄積時間を交互に繰り返して分光器１２において発光の強度を検出する。すなわち、図２（ａ）に示すように、分光器１２において、相対的に長い蓄積時間Ａと短い蓄積時間Ｂとが交互に連続的に繰り返されて光センサで処理室内からの光を受光させる。

図２（ａ）に示す受光のパターンを用いて発光を検出した結果を図３（ａ）に示す。図３（ａ）に示すように、検出される発光のスペクトルは波長２において発光の強度が高くなりＳ／Ｎは良くなることが判る。しかし、蓄積時間Ａの期間が所定値より長くなると、同図に示す通り波長１のスペクトルの値は光センサにおいて蓄積可能な電荷の限度を超えてしまい出力が飽和してしまうことがわかった。

飽和した出力は、図上示されるように、出力のデータ上は最大限の値で一定の値を示す周波数または波長の領域のデータとなり、当該最大値以上の値を示しているはずの波長の光の強度の値は出力されず表示されない。本実施例では、この表示されていない出力、あるいは出力されていない値を、分光器１２において異なる蓄積時間、例えばより短い期間に受光した光を分光した結果を用いて検出したデータを用いて補う、あるいは合成して形成することを考えた。

そこで、本実施例では、蓄積時間Ａと蓄積時間Ｂとを交互に繰り返して連続的に発光を受光して検出して、各々の蓄積時間に対応したスペクトルの強度の分布を取得する。すなわち、図３（ａ），（ｂ）各々に示されるスペクトルの分布のデータを検出する。

本実施例では、スペクトル合成器１４において、このような同じ処理中に得られた異なる期間の発光の強度のスペクトルのデータから、発光強度が強い波長１と発光強度が強い波長２といった異なる波長の各々の同一の処理中での発光の異なる値の強度の信号が検出される。さらに、これらの発光スペクトルを用いて蓄積時間Ａにおいて波長１の強度の信号がが飽和してしまった発光スペクトル（スペクトルＡ）の飽和した領域を補って合成した合成スペクトルが算出される。

図４を用いて、合成スペクトルの算出アルゴリズムを説明する。図４は、図１に示す実施例において検出したスペクトルを補って合成する処理の流れの概略を示すフローチャートである。

まず、ステップ４０１で処理を開始した後、蓄積時間Ａの期間で処理室内のプラズマからの発光を受光器１４で受光して発光スペクトルＡを検出する（ステップ４０２）。次に、蓄積時間Ａに引き続いた蓄積時間Ｂの期間で発光スペクトルＢを検出する（ステップ４０３）。

次に、発光スペクトルＡ，Ｂで飽和している領域を検出する（ステップ４０４）。その後、ステップ４０５において、発光スペクトルＡ、Ｂから両者のスペクトル比を求める。

スペクトル比の算出方法は発光スペクトルＡ，Ｂで飽和していない発光強度の高いピークの比を用いる。または、発光スペクトルＡ，Ｂで飽和していない領域の各発光強度の全部もしくは一部の平均値の比を用いることもできる。

ステップ４０６において発光スペクトル強度Ａ，Ｂの強度を比較し、強度が強いスペクトルの飽和領域を強度の低いスペクトルに４０５で求めたスペクトル比を乗算した値で合成することにより、図５に示す合成スペクトルを算出する（ステップ４０７，４０８）。

図７に、合成スペクトルでの複数の波長の発光の各強度及びこれらの比を示す。図７は、図１に示す実施例に係るスペクトルを合成して得られた処理の終点の前後における複数の波長の光波形を模式的に示すグラフである。図７（ａ）は、波長１の図７（ｂ）は波長２の、図７（ｃ）は波長１／波長２の発光の強度値の時間的変化（左図）とその２次微分値の時間変化（右図）とを示す。

本図に、波長１の２次微分値（図７（ａ）右図）、波長２の２次微分値（図７（ｂ）右図）、波長１／波長２の２次微分値（図７（ｃ）右図）を図示する。図７（ｃ）左図および右図に、エッチング終点の変化は１０秒で発生している。このエッチング終点での２次微分の最大値をシグナルと定義すると、シグナルは２３６．２である。また、１０秒以前の値はノイズ量として定義でき、そのノイズ量は４５．３である。従ってこのエッチング時の２次微分値のＳ／Ｎは５．２である。

これらのパラメータを纏めて表として図７（ｄ）として示す。上記の通り、通常終点検出を安定的に実施できるＳ／Ｎの目安は４．０以上であり、本エッチングは安定して終点検出が可能であることがわかる。

上記の実施例では、分光器１２において発光のスペクトルを検出しているが、本発明はこのような構成に限られず、分光器１２の光センサが蓄積時間に蓄積して出力した電荷の量を示す信号を受信したスペクトル合成器１４がこれに基づいて合成前のスペクトルを検出する機能を有していても良い。また、蓄積時間はプラズマ処理装置１の使用者が図示しない表示器付きのコンピュータ端末等の指示装置を用いて任意に設定可能としても処理の条件（所謂レシピ）の情報を受信した装置制御器７がこれ応じて予め定められたアルゴリズム或いは表等のデータに応じて設定しても良い。

以上のように、発光強度が異なる２つ以上の波長を使用して終点検出する場合において各々の波長の発光強度が大きくなる（おおむね飽和容量の半分以上）ようにＣＣＤセンサの積時間を各々設定することにより、各々の波長の発光強度の時間的変化におけるＳ／Ｎ（ＳＮ比）が向上し、さらにそれらを除算することにより高いＳ／Ｎ（ＳＮ比）で終点検出することができる。

また、スペクトルを合成して算出することにより、エッチング処理中の発光スペクトルＡ，Ｂを１つのスペクトルにまとめることができる。これにより図示していないがＨＤ等の主記憶装置への記憶領域を少なくすることができる。

次に、本発明の別の実施例について、図８，９を用いて説明する。図８は、本発明の別の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図９は、図８に示す実施例に係るスペクトルを合成して得られた処理の終点の前後における複数の波長の光波形を模式的に示すグラフである。

図８に示すプラズマ処理装置８０１は、図１に示したプラズマ処理装置１とその構成の主要な部分を同じくしている。図１に示した実施例では、スペクトル合成器１４からの出力は波長決定器１５に送信されて後その送信されたデータが微分された結果が終点判定器１８に送信されて終点が判定され当該判定の結果が表示器に表示されるが、本実施例では、スペクトル合成器１４と通信可能に接続され内部にハードディスクドライブやＣＤ−ＲＯＭ等のリムーバブルディスクドライブ或いはＲＡＭ、フラッシュＲＯＭ等のメモリデバイスといった記憶装置を有するデータ保存器８０２を備え、スペクトル合成器１４からの出力はデータ保存器８０２に送信されて、受信された信号のデータは内部の記憶装置内に記憶される。

本例においても、スペクトル合成器１４では、光またはその強度を示す信号を蓄積する時間を異ならせて受光して検出した複数の波長のスペクトルを用いて１つの合成スペクトルを算出する。スペクトル合成器１４から出力された当該合成スペクトルを示す信号を受信したデータ保存器１５では、当該信号のデータをハードディスク等の補助記憶装置やＲＡＭ等の記憶装置に記憶して保存する。

本例では、分光器１２からの複数波長データを時系列で取得したデータをＯＥＳデータと呼称し、このＯＥＳデータ内の合成スペクトルの予め定められた波長のデータを用いて、処理中の真空処理室２内部の状態やプラズマを用いた処理の特性や条件について解析が行われる。半導体デバイスの高集積化、複雑化に伴い半導体ウエハ上の被処理材の面積（開口）はますます少なくなっており、プラズマ処理中の被処理材の処理の終点を含むその前後の期間でのプラズマの発光の強度やその波長毎の分布の変化は非常に小さいものとなる。このような条件において、特に微小な変化を検出するためにＯＥＳデータの解析を行うものでは、各波長の発光のデータのＳ／Ｎがその精度を高くするうえで非常に重要である。

本例においても、図１に示した実施例と同様に、分光器１２は指定された蓄積時間だけ分光されたプラズマ光によりチャージされた電荷量を出力する。この電荷量が例えば図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す発光スペクトルとして示される。

この蓄積時間と出力電荷量の関係はおおよそ比例関係にあり、蓄積時間を倍にすると出力電荷量も倍となる。本例でも、分光器１２において分光され得られる複数の波長の光の各々について、異なる長さの蓄積時間Ａ，Ｂを所定の回数繰り返して受光して、各々に対応するスペクトルＡ，Ｂを検出する。図３に示したものと同様に、検出されるスペクトルＡは波長１の光の強度が飽和し波長２が飽和していないもの、スペクトルＢは波長１，２ともにその光の強度は飽和していないものとなる。

図９を用いて、本実施例が検出するスペクトルを構成する複数の波長のうち波長２の光の強度を示すデータの時間的変化を説明する。図９は、図８に示す実施例に係るプラズマ処理装置がスペクトルの任意の波長の光について検出した処理の終点の前後における光波形の例を模式的に示すグラフである。

蓄積時間Ａで受光された予め定められた波長２の光の強度の時間的変化の例を図９の左側に示す。蓄積時間Ｂで受光された波長２の光の強度の時間的な変化を右側に示す。図９（ａ），（ｂ）は各々プラズマの発光の強度を示すグラフ及びその２次微分値を示すグラフである。

これらの図において、横軸の１０秒付近の変化がエッチングの終了点（終点）である。この終点を含む前後の期間での発光の変化と１０秒以前の揺らぎ（ノイズ）成分との比を評価するため、２次微分を算出した。２次微分値での１０秒以前の揺らぎをノイズ成分、１０秒以後の変化を信号成分としてＳ／Ｎを算出した結果が図９（ｃ）の左右各々に表９０１，９０２として纏められて示されている。本図の表９０１，９０２に示されるように、蓄積時間Ａに係るデータのＳ／Ｎは２．６となり、蓄積時間ＢでのＳ／Ｎは１．６となった。

波長１と波長２を解析に使用する場合を検討する。分光器１２内の回路のノイズは発光強度に依存しないため、発光強度が低い信号はノイズの割合が多くＳ／Ｎが低い。そこで、波長２の発光強度を上げるため、分光器の蓄積時間をより長くして発光スペクトルＡを取得すると波長２の発光強度は高くなり発光スペクトルＢの波長２と比較するとＳ／Ｎが向上する一方で波長１が飽和してしまう場合が生じる。

そこで、本実施例においても図２（Ａ）のに示す通り、蓄積時間Ａと蓄積時間Ｂを繰り返し、図３に示すものと同様に各々の蓄積時間に対応した２つの発光スペクトルＡと発光スペクトルＢとを検出する。これにより発光強度が強い波長１のデータとＳ／Ｎが高い波長２のデータとの両方を有するＯＥＳデータを検出することができる。

上記のように取得した２つのＯＥＳデータをそれぞれデータ保存する場合には保存データ容量は倍になる。さらに、ＯＥＳデータ内の合成スペクトルの予め定められた波長のデータを用いて処理中の真空処理室２内部の状態やプラズマを用いた処理の特性や条件について解析が行われる場合には、波長１，２の光に係るデータを同一の強度レンジで解析することが必要になる。

そこで、本実施例では、上記のように分光器１２において異なる蓄積時間で検出された２つ以上のＯＥＳデータから１つの合成したＯＥＳデータを作成する。このような合成されたＯＥＳデータを算出する処理の流れは、図４に示したフローチャートと同様のものとなる。

すなわち、ステップ４０１で処理を開始した後、蓄積時間Ａの期間で処理室内のプラズマからの発光を受光器１４で受光して発光スペクトルＡを検出する（ステップ４０２）。次に、蓄積時間Ａに引き続いた蓄積時間Ｂの期間で発光スペクトルＢを検出する（ステップ４０３）。

次に、発光スペクトルＡ，Ｂで飽和している領域を検出する（ステップ４０４）。その後、ステップ４０５において、発光スペクトルＡ、Ｂから両者のスペクトル比を求める。

スペクトル比の算出方法は発光スペクトルＡ，Ｂで飽和していない発光強度の高いピークの比を用いる。または、発光スペクトルＡ，Ｂで飽和していない領域の各発光強度の全部もしくは一部の平均値の比を用いることもできる。

ステップ４０６において発光スペクトル強度Ａ，Ｂの強度を比較し、強度が強いスペクトルの飽和領域を強度の低いスペクトルに４０５で求めたスペクトル比を乗算した値で合成することにより、図５に示す合成スペクトルを算出する（ステップ４０７，４０８）。

以上説明したように、プラズマ発光の強度が大きく異なる２つ以上の波長を用いて処理の特性や処理室内部の状態の解析に使用する場合において、当該複数の波長の発光強度が大きくなる（おおむね飽和容量の半分以上）ようにＣＣＤセンサの蓄積時間を設定した複数の発光スペクトル強度を取得する。この構成により、解析に使用する複数の波長の発光強度の時間的変化におけるＳ／Ｎが向上した合成スペクトルをＯＥＳデータとして記録する。

この合成スペクトルを使用して発光解析を行うことでより精度の良い解析結果を得ることができる。また合成スペクトルをＯＥＳデータとして記録することにより図示していないがハードディスク等の記憶装置への記憶領域を少なくすることができる。

１…プラズマ処理装置
２…真空処理室
３…プラズマ
４…被処理材
５…試料台
７…制御器
１１…光ファイバ
１２…分光器
１３…蓄積時間設定器
１４…スペクトル合成器
１５…波長決定器
１６…デジタルフィルタ
１７…微分器
１８…終点判定器
１９…表示器
６０１…従来技術での２次微分値のＳ／Ｎ結果
７０１…本発明での２次微分値のＳ／Ｎ結果。

Claims (6)

1. 真空容器内部の処理室内に配置された試料台上に載置されたウエハの表面に予め形成された複数の膜層を含む膜構造の処理対象の膜層を当該処理室内に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、
   前記処理中の前記処理室内からの複数の波長の光を所定の周期で交互に繰り返される異なる長さの複数の期間の各々で受光して得られた出力から前記複数の波長の光の強度を検出する検出器であって、前記複数の期間のうちの一方の期間の間において前記複数の波長の光各々を飽和させずに受光して得られた前記複数の波長の光の強度を示すデータ、及び他の期間の間において前記複数の波長のうちの一部のみを飽和させずに受光して得られた前記複数の波長の光の強度を示すデータの複数のデータのうち一方に含まれる少なくとも１つの波長の光の強度を示すデータを他方の前記１つの波長の光の強度を示すデータと合成して得られた複数の波長の光の強度を示すデータを用いて前記複数の波長毎の光の強度を検出する検出器と、当該検出器が前記所定の周期毎に検出された前記複数の波長毎の光の強度から得られた何れかの波長の当該強度の時間的変化に基づいて前記処理の終点を判定する判定器とを備えたプラズマ処理装置。
   
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記検出器は、前記複数のデータのうち、前記複数の期間のうち予め定められた所定の長さより短い期間で前記複数の波長の光各々を飽和させずに受光して得られた出力から得られた前記一方のデータ、及び前記所定の長さより長い期間で前記複数の波長のうちの一部のみを飽和させずに得られた前記他方のデータを用いて、前記少なくとも１つの波長であって前記他方のデータに含まれ飽和した波長の光の強度を示すデータを合成して前記複数の波長毎の光の強度を検出するプラズマ処理装置。
   
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記判定器からの出力を受けて前記プラズマの形成を調節する制御器を備えたプラズマ処理装置。
   
4. 真空容器内部の処理室内に配置された試料台上にウエハを載置し、前記処理室内にプラズマを形成して前記ウエハの表面に予め形成された複数の膜層を含む膜構造の処理対象の膜層を処理するプラズマ処理方法であって、
   前記処理中の前記処理室内からの複数の波長の光を所定の周期で交互に繰り返される異なる長さの複数の期間の各々で受光して得られた出力から前記複数の波長の光の強度を検出する工程であって、前記複数の期間のうちの一方の期間の間において前記複数の波長の光各々を飽和させずに受光して得られた前記複数の波長の光の強度を示すデータ、及び他の期間の間において前記複数の波長のうちの一部のみを飽和させずに受光して得られた前記複数の波長の光の強度を示すデータの複数のデータのうち一方に含まれる少なくとも１つの波長の光の強度を示すデータを他方の前記１つの波長の光の強度を示すデータと合成して得られた複数の波長の光の強度を示すデータを用いて前記複数の波長毎の光の強度を検出する工程と、前記所定の周期毎に検出された前記複数の波長毎の光の強度から得られた何れかの波長の当該強度の時間的変化に基づいて前記処理の終点を判定する工程とを備えたプラズマ処理方法。
   
5. 請求項４に記載のプラズマ処理方法であって、
   前記複数の波長の強度を検出する工程において、前記複数のデータのうち、前記複数の期間のうち予め定められた所定の長さより短い期間で前記複数の波長の光各々を飽和させずに受光して得られた出力から得られた前記一方のデータ、及び前記所定の長さより長い期間で前記複数の波長のうちの一部のみを飽和させずに得られた前記他方のデータを用いて、前記少なくとも１つの波長であって前記他方のデータに含まれ飽和した波長の光の強度を示すデータを合成して前記複数の波長毎の光の強度を検出するプラズマ処理方法。
   
6. 請求項４または５に記載のプラズマ処理方法であって、
   前記処理の終点を判定する工程の結果に応じて前記プラズマの形成を調節する工程を備えたプラズマ処理方法。

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