JP7138497B2 - 測定装置、測定方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置、測定方法及びプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置内で行われるエッチングや成膜等のプラズマ処理では、エッチングレートや成膜レートを制御するために、プラズマの状態を把握することが重要である。そこで、プラズマの状態を測定するために、自己バイアス電圧Ｖｄｃを測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特許文献１は、自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定を、プラズマと直接接触しないデバイスにより間接的に行う。特許文献１では、デバイスは処理容器壁内に設けられ、デバイス内の誘電体で絶縁された電極にかかる電圧を測定し、その測定電圧から各寄生容量を考慮して自己バイアス電圧Ｖｄｃを算出する。

特許文献２は、自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定回路を整合器に組み込み、測定回路の入力抵抗を、シャワーヘッドの抵抗値よりも十分に大きな値にし、測定回路にて自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定を行う。

特開２００１－１４８３７４号公報 特開２００６－９３３４２号公報

しかしながら、上記手法では装置又は回路の設計変更が必要であり、簡易に自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定を行うことはできない。例えば、特許文献１では、デバイスを処理容器壁内に設けるために、処理容器壁に機械加工を行う。また、測定対象であるプラズマから離れた位置に測定用のプローブがあるため、測定の感度及び精度が低くなる。特許文献２では、自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定回路を整合器に組み込む必要があり、プラズマ処理装置の設計変更が必要となる。

以上から、特許文献１、２では、自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定を行うためのプローブや測定回路を組み込むために、プラズマ処理装置の機械設計の変更、高周波回路（整合器）の変更が必要となり、測定の汎用性及び簡易性に欠ける場合がある。

上記課題に対して、一側面では、本発明は、プラズマの自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定を簡易に行うことを目的とする。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、プラズマ処理装置内に配置される静電チャック内の電極であって、直流電圧が印加される前記電極の接続を切り替える切替部と、前記切替部に接続される静電容量を有する部材と、前記静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する測定部と、を有し、前記切替部は、プラズマによる基板処理の実行中に前記電極の接続を、前記静電容量を有する部材に切り替え、前記測定部は、前記基板処理の実行中に前記静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する、測定装置が提供される。

一の側面によれば、プラズマの自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定を簡易に行うことができる。

自己バイアス電圧を説明するための図。 一実施形態に係るプラズマ処理装置及び測定装置の一例を示す図。 一実施形態に係る自己バイアス電圧の測定タイミングを説明するための図。 一実施形態に係る自己バイアス電圧の測定シーケンスの一例を示す図。 一実施形態に係る自己バイアス電圧の測定シーケンスの一例を示す図。 一実施形態に係る自己バイアス電圧の計算に使用したモデルの一例を示す図。 一実施形態に係るモデルの等価回路の一例を示す図。 一実施形態に係る自己バイアス電圧の測定結果の一例を示す図。 一実施形態に係る自己バイアス電圧と堆積時間との相関情報の一例を示す図。 図９の相関情報を収集するために予め実行する測定の一例を示す図。 一実施形態に係る測定方法の一例を示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［自己バイアス電圧］
まず、プラズマの直流自己バイアス電圧（以下、「自己バイアス電圧Ｖｄｃ」という。）について図１を参照しながら説明する。図１（ａ）には、電極Ａと電極Ｋとが対向して配置された対向電極の一部が模式的に示されている。電極Ａは接地された接地電極であり、電極Ｋは、ブロッキングコンデンサＣ_Ｂを介して高周波電源（ＲＦ電源）に接続された高周波電極である。また、電極Ｋの面積は電極Ａの面積より小さい。

電極Ｋに高周波電力ＲＦを印加してガスを電離及び解離し、プラズマを生成する。電極Ｋには、サインカーブの正負が対称となる高周波電力ＲＦを印加するため、電極Ｋの電位はトータルではゼロになる。生成されたプラズマから電子と陽イオンが生成され、図１（ｂ）に示すように、電極Ｋがプラズマに対して正電位にあるときには電極Ｋに電子が流入し、負電位にあるときには陽イオンが流入する。

このとき、電子は質量が小さいため、電極Ｋの高速な電位変動に追従できる。この結果、電極Ｋに電子が流入する。一方、陽イオンは質量が大きいため、電極Ｋの高速な電位変動に追従できず、平均電界中を慣性の法則に従って移動する。このため、イオンの電極Ｋへの流入量は一定かつごくわずかになる。

電極ＫはブロッキングコンデンサＣ_Ｂによりグランドからフローティングしているため、電極Ｋに流入した電子はグランドに流れない。よって、電極Ｋの表面がプラズマに対して正電位にある周期（半サイクル）に電子が電極Ｋに流入し蓄積していく。しかし、蓄積した電子のために電極Ｋの表面は負に帯電してプラズマに対して負のバイアスが発生する。その負のバイアスにより、陽イオンが電極Ｋの表面に流入するようになる。これにより、電極Ｋの表面にシースが形成される。

最終的には、電極Ｋの表面は、１サイクル中の非常に短い時間だけプラズマに対して正電位となる。そのときに流入する電子と、負のバイアスにより定常的に流入する陽イオンとが平衡したときの電極Ｋの電位差のＤＣ成分が自己バイアス電圧Ｖｄｃである。

プラズマ処理の特性を示すエッチングレートや成膜レート等を制御するために、プラズマの状態を把握する必要がある。そこで、本実施形態では、プラズマ処理装置１００内のプラズマの状態を把握するために、自己バイアス電圧Ｖｄｃを測定する。

［プラズマ処理装置の構成］
図２に示す本実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、装置本体、リレーボックス６及び測定装置１０を有する。測定装置１０は、プラズマ処理装置１００の処理容器Ｃ内に配置される静電チャック２ａ内の吸着電極２１の電圧を測定する。リレーボックス６は、吸着電極２１の接続先を、直流電源７と測定装置１０との間で切り替える。吸着電極２１と測定装置１０とが接続されると、測定装置１０は、銅円板１２と銅板１３との間に挟まれたアクリル板１４に蓄積される電荷量に相当する値を示す、銅円板１２と銅板１３との間の電圧Ｖ_２を静電チャック２ａの吸着電極２１の電位差のＤＣ成分として測定し、測定結果に基づき自己バイアス電圧Ｖｄｃを算出する。これにより、本実施形態では、既存のプラズマ処理装置１００にリレーボックス６及び測定装置１０を付加するだけで、簡易かつ精度良く自己バイアス電圧Ｖｄｃの測定を行うことができる。以下では、本実施形態に係るプラズマ処理装置１００と測定装置１０の構成の一例について説明する。

（プラズマ処理装置の構成）
本実施形態にかかるプラズマ処理装置１００は、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置であり、略円筒形の処理容器Ｃを有している。処理容器Ｃの内面には、アルマイト処理（陽極酸化処理）が施されている。処理容器Ｃの内部は、プラズマによりエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理が行われる処理室となっている。処理容器Ｃ内にはステージ２が設けられている。

ステージ２には、基台２ｂ上にウエハＷを静電吸着するための静電チャック２ａが設けられている。基台２ｂは、たとえばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等から形成されている。ステージ２は下部電極としても機能する。

静電チャック２ａは、誘電体層２２内に吸着電極２１を有する構造になっている。静電チャック２ａの表面には、ドット状の凸部２２ａが形成されている。吸着電極２１はリレーボックス６に接続されている。リレーボックス６のスイッチ６ａを直流電源７に切り替え、直流電源７から吸着電極２１に直流電圧が供給されると、クーロン力によって基板の一例であるウエハＷが静電チャック２ａに吸着され、保持される。

静電チャック２ａの外周側の上部には、ウエハＷの外縁部を囲うように円環状のフォーカスリング８が載置される。フォーカスリング８は、例えば、シリコンから形成され、プラズマをウエハＷの表面に向けて収束し、プラズマ処理の効率を向上させるように機能する。

ステージ２には、第１高周波電源３から、第１周波数のプラズマ生成用の第１高周波電力（ＨＦ）が印加され、第２高周波電源４から、第１の周波数よりも低い周波数である第２周波数の、バイアス電圧発生用の第２高周波電力（ＬＦ）が印加される。第１高周波電源３は、整合器３ａを介してステージ２に電気的に接続される。第２高周波電源４は、整合器４ａを介してステージ２に電気的に接続される。第１高周波電源３は、例えば、４０ＭＨｚの高周波電力ＨＦをステージ２に印加する。第２高周波電源４は、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波電力ＬＦをステージ２に印加する。なお、本実施形態では、第１高周波電力をステージ２に印加するが、第１高周波電力はガスシャワーヘッド１に印加してもよい。

整合器３ａは、第１高周波電源３の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。整合器４ａは、第２高周波電源４の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。

ガスシャワーヘッド１は、その外縁部を被覆するシールドリングを介して処理容器Ｃの天井部の開口を閉塞するように取り付けられている。ガスシャワーヘッド１は、接地されている。ガスシャワーヘッド１は、シリコンにより形成されてもよい。ガスシャワーヘッド１は、ステージ２（下部電極）に対向する対向電極（上部電極）として機能する。

ガスシャワーヘッド１には、ガスを導入するガス導入口１ａが形成されている。ガスシャワーヘッド１の内部にはガスを拡散するための拡散室１ｂが設けられている。ガス供給部５から出力されたガスは、ガス導入口１ａを介して拡散室１ｂに供給され、拡散室１ｂ内にて拡散されて多数のガス供給孔１ｃから処理容器Ｃ内に導入される。

処理容器Ｃの底面には排気口が形成されており、排気口に接続された排気装置９によって処理容器Ｃ内が排気される。これにより、処理容器Ｃ内を所定の真空度に維持することができる。処理容器Ｃの側壁にはゲートバルブＧが設けられている。ゲートバルブＧは、処理容器ＣからウエハＷの搬入及び搬出を行う際に開閉する。

ガス供給部５から処理容器Ｃ内に処理ガスを供給し、第１高周波電源３及び第２高周波電源４からステージ２に第１及び第２高周波電力を印加すると、プラズマが生成され、ウエハＷに所定のプラズマ処理が施される。特に、第２高周波電源４からステージ２に第２高周波電力を印加すると、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。

プラズマ処理後、直流電源７から吸着電極２１にウエハＷの吸着時とは正負が逆の直流電圧が供給され、ウエハＷの電荷が除電される。これにより、ウエハＷは、静電チャック２ａから剥がされ、ゲートバルブＧから処理容器Ｃの外部に搬出される。

プラズマ処理装置１００には、装置全体の動作を制御する制御部２００が設けられている。制御部２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０５、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１０及びＲＡＭ（Random Access Memory）２１５を有している。ＣＰＵ２０５は、ＲＡＭ２１５等の記憶領域に格納されたレシピに従って、エッチング等の所望の処理を実行する。レシピにはプロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、圧力（ガスの排気）、高周波電力や電圧、各種ガス流量、処理容器内温度（上部電極温度、処理容器の側壁温度、ウエハＷ温度、静電チャック温度等）、冷媒の温度等が設定されている。

また、制御部２００は、所定のタイミングにリレーボックス６のスイッチ６ａを切り替え、吸着電極２１を測定装置１０に接続する。測定装置１０が測定した電圧Ｖ_２は制御部２００に送信され、これにより、制御部２００は、電圧Ｖ_２に基づき、自己バイアス電圧Ｖｄｃを算出する。

なお、これらの動作を実行するためのプログラムや処理条件を示すレシピは、ハードディスクや半導体メモリに記憶されてもよい。また、レシピは、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で所定位置にセットされ、読み出されるようにしてもよい。

（測定装置の構成）
次に、測定装置１０の構成の一例について説明する。測定装置１０は、フィルタ１１、銅円板１２、銅板１３、アクリル板１４、プローブ１５、表面電位計１６及び信号記録装置１７を有する。プローブ１５及び表面電位計１６は、電位測定系１８を構成する。

また、図２では、リレーボックス６は、説明の便宜上、測定装置１０と分けて図示しているが、測定装置１０は、リレーボックス６を有する。リレーボックス６は、吸着電極２１の接続を、直流電源７と測定装置１０の静電容量を有する部材との間で切り替える。リレーボックス６は、自己バイアス電圧Ｖｄｃを測定するタイミングにリレーボックス６のスイッチ６ａを、測定装置１０に接続する。リレーボックス６は、高周波電力が印加される吸着電極２１の接続を、静電容量を有する部材に切り替える切替部の一例である。銅円板１２と銅板１３の間にアクリル板１４を挟んだ構成の部材は、静電容量を有する部材の一例である。静電容量を有する部材は、銅円板１２、銅板１３及びアクリル板１４の構成に限らず、絶縁された導体により構成することができる。

電位測定系１８では、銅円板１２と銅板１３の間のアクリル板１４に生じる電位を、銅円板１２の表面に非接触に設けられたプローブ１５を用いて表面電位計１６により測定する。電位測定系１８は、静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する測定部の一例である。プローブ１５は、銅円板１２と銅板１３の間の電位差を測定できれば、銅円板１２に接触していてもよいし、非接触であってもよい。

リレーボックス６と静電容量を有する部材との間には、高周波電力を除去するフィルタ１１が設けられ、高周波電力が測定装置１０側に伝播することを防ぐ。リレーボックス６のスイッチ６ａが直流電源７と接続される側から測定装置１０の静電容量を有する部材と接続される側へ切り替わると、静電容量を有する部材に生じた電圧Ｖ_２の測定、つまり、フローティング状態の吸着電極２１の電圧Ｖ_２の測定が可能となる。

具体的には、銅板１３は接地されており、銅円板１２の表面に非接触に設けられたプローブ１５を用いて表面電位計１６により測定された電位が、フローティング状態の吸着電極２１の電圧Ｖ_２となる。なお、銅円板１２の直径は例えば１００ｍｍ程度でもよいが、これに限らない。

表面電位計１６により測定された電圧Ｖ_２は、表面電位計１６に接続された信号記録装置１７に保存される。信号記録装置１７は、ＰＣやタブレット端末等のメモリを有する電子機器であってもよいし、クラウド上に設置されたクラウドコンピュータであってもよい。信号記録装置１７に記録された測定電圧Ｖ_２は、制御部２００に送信され、制御部２００にてプラズマ処理装置１００のエッチングレートや成膜レート等の制御に使用される。

静電容量を有する部材に蓄積される電荷量は、水分により影響を受ける。このため、銅円板１２、銅板１３、アクリル板１４及びプローブ１５は、真空容器内に設けられることが好ましい。銅円板１２、銅板１３、アクリル板１４及びプローブ１５を真空環境下に置くことで、環境による外乱の影響を受けずに精度よく電圧Ｖ_２を測定することができる。

［測定タイミング］
図３に、プラズマ処理装置１００においてウエハＷを処理する処理サイクルの一例を示す。処理が開始されると、まず、ウエハＷをプラズマ処理装置１００のゲートバルブＧから搬入する（ステップＳ１）。次に、直流電源７から所定の直流電圧を吸着電極２１に供給し、ウエハＷを静電チャック２ａに静電吸着させる（ステップＳ２）。次に、高周波電力をステージ２（吸着電極２１）に印加し、ガス供給部５から供給されたプロセスガスをプラズマ化し、ウエハＷにエッチング処理等のプラズマ処理を行う（ステップＳ３）。エッチング処理は、プラズマによる基板処理の一例である。高周波電力は、第１高周波電源３から出力される高周波電力ＨＦ又は第２高周波電源４から出力される高周波電力ＬＦのいずれかであってもよいし、両方であってもよい。

次に、ステップＳ２において吸着電極２１に印加した直流電圧と正負が逆で大きさが同一の直流電圧を吸着電極２１に供給し、ウエハＷを静電チャック２ａから脱離し（ステップＳ４）、ウエハＷをプラズマ処理装置１００のゲートバルブＧから搬出する（ステップＳ５）。次に、クリーニング処理を行う（ステップＳ６）。

この時点で一のウエハＷの処理が終了し、一処理サイクルが完了する。次のウエハＷの処理サイクルを再開するとき、静電チャック２ａの表面処理（トリートメント等のクリーニング）を行い（ステップＳ６）、次のウエハＷを搬入し（ステップＳ１）、ステップＳ１以降の処理を繰り返す。

以上のサイクルの（１）クリーニング処理（Ｓ６）及び（２）エッチング処理（Ｓ３）において、リレーボックス６は、吸着電極２１の接続を、測定装置１０に切り替える。つまり、リレーボックス６は、プラズマによるウエハＷの処理又はクリーニング処理を実行中のタイミングに、吸着電極２１の接続を測定装置１０に切り替え、電位測定系１８においてフローティング状態の吸着電極２１の電圧Ｖ_２を測定する。

［測定シーケンス］
次に、（１）クリーニング処理及び（２）エッチング処理における測定シーケンスの一例について、図４及び図５の測定シーケンスチャートを参照しながら説明する。図４は、クリーニング処理における測定シーケンスの一例を示す。図５は、エッチング処理における測定シーケンスの一例を示す。クリーニング処理及びエッチング処理における測定シーケンスの制御は、制御部２００により行われる。

（１）クリーニング処理における測定シーケンス
図４に示すクリーニング処理における測定シーケンスは、ウエハレスドライクリーニング（ＷＬＤＣ）又はウエハレストリートメント（ＷＬＴ）中に行われる。本測定シーケンスが開始されるとき、吸着電極２１はオフ、つまり、直流電源７には接続されておらず、グランド（基準電位）に接続された状態である。

この状態において図４のＩにて測定シーケンスが開始され、ＩＩにてリレーボックス６のスイッチ６ａが測定装置１０と接続される側に切り替えられる。これにより、吸着電極２１の接続が、測定装置１０に切り替えられ、吸着電極２１はフローティング状態となる。

その後、ＩＩＩにて高周波電力がオンされ、電位測定系１８において銅円板１２の電圧Ｖ_２がプローブ１５を用いて表面電位計１６により測定され、信号記録装置１７に記録される。次に、ＩＶにて高周波電力がオフされ、Ｖにてリレーボックス６のスイッチ６ａが、直流電源７と接続される側に切り替えられ、測定シーケンスは終了する。以上の測定シーケンスが繰り返される。

（２）エッチング処理における測定シーケンス
図５に示すエッチング処理における測定シーケンスは、ウエハＷが静電チャック２ａに載置され、エッチング等のプラズマ処理中に行われる。本測定シーケンスが開始されるとき、吸着電極２１はオン、つまり、直流電源７に接続された状態である。

この状態において図５のＩにて測定シーケンスが開始され、ＩＩにてリレーボックス６のスイッチ６ａが、測定装置１０と接続される側に切り替えられる。これにより、吸着電極２１の接続が、測定装置１０に切り替えられ、吸着電極２１がフローティング状態となる。

その後、ＩＩＩにて高周波電力がオンされ、電位測定系１８において銅円板１２の電圧Ｖ_２がプローブ１５を用いて表面電位計１６により測定され、信号記録装置１７に記録される。次に、ＩＶにて高周波電力がオフされ、Ｖにてリレーボックス６のスイッチ６ａが、直流電源７と接続される側に切り替えられ、測定シーケンスが終了する。以上の測定シーケンスが繰り返される際、プラズマ処理中であれば、ＶＩにて吸着電極２１に直流電圧ＨＶを印加し、ウエハＷをステージ２に静電吸着させた後に、ＶＩＩ～ＸＩの測定シーケンスが実行され、ＸＩＩにて吸着電極２１への直流電圧ＨＶの印加をオフし、ウエハＷの吸着を停止する。ＶＩＩ～ＸＩの測定シーケンスは、上記に説明したＩＩ～Ｖの測定シーケンスと同様である。

このように、リレーボックス６は、吸着電極２１の接続を、直流電源７と測定装置１０の間で切り替える。リレーボックス６のスイッチ６ａが測定装置１０に切り替えられると、吸着電極２１がフローティング状態になり、その後、高周波電力が印加され、プラズマ処理装置１００のプラズマ処理空間においてガスがプラズマ化する。

高周波電力を印加した後、表面電位計１６は、プローブ１５を用いて銅円板１２の電圧Ｖ_２を測定し、制御部２００は、測定した電圧Ｖ_２に基づき、自己バイアス電圧Ｖｄｃを算出する。以下、測定した電圧Ｖ_２に基づき自己バイアスＶｄｃを算出する方法について説明する。

［自己バイアスＶｄｃの算出方法］
本実施形態に係る自己バイアスＶｄｃの計算に使用したモデルの一例を図６に示す。図６の静電チャック２ａの表面の一部の拡大図に示されているように、静電チャック２ａの表面に形成されたドット状の凸部２２ａの上面の面積をｂ_ｄｏｔとし、凸部２２ａの高さをｄ_ｄｏｔとする。また、吸着電極２１からドットの上面までの高さをＴとし、静電チャック２ａの表面の面積に対する凸部２２ａの上面の面積の面積比をａ_ｅｌとする。

静電チャック２ａのドット状の凸部２２ａ間の空間部分の静電容量をＣ_１１とし、凸部２２ａ間の空間下の吸着電極２１との間の静電容量をＣ_１２とし、凸部２２ａの上面と吸着電極２１の間の静電容量をＣ_１３とする。

静電容量Ｃ_１１は、以下の（１）式から算出される。

静電容量Ｃ_１２は、以下の（２）式から算出される。

静電容量Ｃ_１３は、以下の（３）式から算出される。

（１）式～（３）式において、ε_０は真空の誘電率を示し、ε_ｒは比誘電率、つまり、静電チャック２ａの誘電体層２２の誘電率εと真空の誘電率ε_０の比（＝ε／ε_０）を示し、Ｓは吸着電極２１の面積を示す。

静電容量Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_１３は、設計パラメータから求まる固定値であるため、静電チャック２ａの静電容量Ｃ_１は、以下の（４）式に静電容量Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_１３を代入することにより固定値として算出される。

算出された静電チャック２ａの静電容量Ｃ_１と、図６のモデルの等価回路である図７に示す静電チャック２ａに印加された電圧Ｖ_１と静電チャック２ａに蓄積された電荷ｑ_１とを用いて、クーロンの法則により以下の（５）式の関係が成り立つ。

Ｃ_１Ｖ_１＝ｑ_１・・・（５）
銅円板１２と銅板１３（グランド）の間の静電容量をＣ_２とし、フィルタ１１の静電容量をＣ_３とし、銅円板１２と銅板１３の間及びフィルタ１１に印加される電圧をＶ_２とする。また、銅円板１２と銅板１３の間及びフィルタ１１にそれぞれ蓄積される電荷をｑ_２、ｑ_３とすると、クーロンの法則により以下の（６）式の関係が成り立つ。

なお、静電容量をＣ_２は、銅円板１２と銅板１３とアクリル板１４の構成により決定される、設計パラメータから求まる固定値である。同様に、静電容量Ｃ_３は、フィルタ１１の構成により決定される、設計パラメータから求まる固定値である。尚、静電容量Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は、設計パラメータから定まる固定値だけでなく、当然測定による実測値によっても定めることができる。

（Ｃ_２＋Ｃ_３）Ｖ_２＝ｑ_２＋ｑ_１・・・（６）
静電チャック２ａに蓄積される電荷ｑ_１、銅円板１２と銅板１３の間に蓄積される電荷ｑ_２、及びフィルタ１１に蓄積される電荷ｑ_３には、以下の（７）式の関係が成り立つ。
ｑ_１－（ｑ_２＋ｑ_３）＝０ ・・・（７）
式（７）を変形すると、
ｑ_１＝（ｑ_２＋ｑ_３） ・・・（８）
（８）式に（５）式と（６）式を代入すると、
Ｃ_１Ｖ_１＝（Ｃ_２＋Ｃ_３）Ｖ_２・・・（９）
（９）式を変形すると、
Ｖ_１＝Ｖ_２×（Ｃ_２＋Ｃ_３）／Ｃ_１・・・（１０）
Ｖ_２＝Ｖ_１×Ｃ_１／（Ｃ_２＋Ｃ_３）・・・（１１）
（１０）式と（１１）式とから、図７の自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃは、（１２）式により算出される。
Ｖ_ｄｃ＝Ｖ_１＋Ｖ_２・・・（１２）
（１２）式に（１０）式を代入すると、
Ｖ_ｄｃ＝Ｖ_２×（Ｃ_２＋Ｃ_３）／Ｃ_１＋Ｖ_２・・・（１３）
（１３）式に測定装置１０にて測定した電圧Ｖ_２と、固定値の静電容量Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３を代入すると、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃが算出される。静電容量Ｃ_１は、（４）式から求まるＣ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_１３の合成容量値である。静電容量Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３は、設計パラメータから定まる固定値である。

以上に説明したように、本実施形態に係る測定方法によれば、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃは、（１３）式に基づき、表面電位計１６の測定値である電圧Ｖ_２と、静電チャック２ａの静電容量Ｃ_１と、静電容量を有する部材の静電容量Ｃ_２と、フィルタ１１の静電容量Ｃ_３とから簡易かつ精度良く導出できる。

［測定結果］
図８に、本実施形態に係る測定装置１０による電圧Ｖ_２の測定結果と、電圧Ｖ_２から算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの一例を示す。図８の横軸は、プラズマ処理装置１００の処理容器Ｃ内の圧力を示す。図８では、処理容器Ｃ内の圧力を変化させて、測定装置１０により測定した電圧Ｖ_２を測定値として示す。また、（１３）式に基づき、静電容量Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３と、測定値の電圧Ｖ_２とから換算された自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを換算値として示す。

これによれば、処理容器Ｃ内の圧力の変化に関わらず、３点の測定値と換算値とは、一対一に対応している。つまり、フローティング状態の吸着電極２１の電圧を電位測定系１８により静電容量を有する部材を用いて測定し、測定した電圧Ｖ_２を用いて自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを精度良く算出できていることがわかる。また、（１３）式から、静電容量を有する部材の静電容量Ｃ_２と、フィルタ１１の静電容量Ｃ_３が小さい程、測定した電圧Ｖ_２（測定値）と自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃ（換算値）とが漸近していく。

以上に説明したように、本実施形態によれば、プラズマ処理装置を設計変更することなく、切替部と測定装置とをプラズマ処理装置に設けるだけで、プラズマの自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの測定を簡易に行うことができる。

[測定方法]
ウエハＷのずれや割れは、静電チャック２ａの表面に残留した電荷によって引き起こされる。そのウエハＷのずれや割れの原因となる静電チャック２ａの表面の残留吸着状態、つまり、電荷の蓄えやすさ又は帯電状態を示す電圧Ｖ_２を上記測定装置１０により測定し、（１３）式に基づき自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを算出することができる。

この電圧Ｖ_２の測定及び自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの算出を、ウエハＷが搬入される前の静電チャック２ａの状態において行う。そして、算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃに応じて、その時点における静電チャック２ａの表面の残留吸着状態を判断し、静電チャック２ａのクリーニング処理時間や処理容器Ｃを開放して行う静電チャック２ａのメンテナンス等の実行の有無を制御する。このようにして、静電チャック２ａの表面の残留吸着状態をウエハＷを載置することなく、算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃに基づき予め判定することで、ウエハＷ搬出時のプッシャーピンの上昇によってウエハＷが割れるリスクをなくすことができる。

つまり、従前は、ウエハＷ搬出時にプッシャーピンを上昇させるときのピントルクの大きさを見て残留吸着を確認するか、プローブやセンサを挿入して静電チャック２ａの表面電位を測定していた。これに対して、上記測定方法によれば、ウエハＷが割れるリスクを防止しながら、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの値に応じて静電チャック２ａの表面の残留吸着状態を判断し、メンテナンスを実行するか否かを判定できる。これにより、判定結果に基づき、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃに応じて実行するクリーニングの頻度やクリーニング処理時間、その他のメンテナンスの実行タイミング等の運用方法の最適化及び運用の改善の指針を得ることができる。

例えば、図９～図１１を参照して、上記の判定を含む一実施形態に係る測定方法の一例を説明する。図９は、一実施形態に係る自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃと堆積時間との相関情報の一例を示すグラフである。図１０は、図９のグラフに一例を示す相関情報を収集するために予め行う工程の一例を示す図である。図１１は、一実施形態に係る測定方法の一例を示すフローチャートである。

図９は、横軸の堆積時間の累積値と縦軸の自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃとの相関情報を、測定した銅円板１２と銅板１３との間の電圧Ｖ_２に基づき導き出した。横軸の堆積物の堆積時間の累積値は、堆積性ガスを供給して印加した高周波電力の印加時間の累積値に等しく、静電チャック２ａの表面に堆積する堆積物の厚さに比例する。横軸の堆積時間の累積値は、静電チャック２ａの残留吸着状態を示す値の一例である。ただし、静電チャック２ａの残留吸着状態を示す値は、堆積時間の累積値に限られず、静電チャック２ａ上の堆積物の厚さの測定値であってもよいし、高周波電力の印加時間の累積値であってもよい。

また、縦軸の自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃは、測定した前記電荷量に相当する値の一例である。測定した前記電荷量に相当する値は、電圧Ｖ_２から算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃに限られず、測定した電圧Ｖ_２であってもよい。

本実施形態では、図１０の（ａ）～（ｉ）の工程により、図９の堆積時間の累積値と自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃとの相関情報を導き出した。ただし、測定した前記電荷量に相当する値と静電チャック２ａの残留吸着状態を示す値との相関関係を示すグラフは、直線に限られない。

例えば、図１０（ａ）の工程では、測定装置１０が、表面に堆積物がない状態（つまり、堆積時間０秒）の静電チャック２ａ上にウエハＷを載置し、Ｏ_２ガスのプラズマを生成し、銅円板１２と銅板１３との間の電圧Ｖ_２を測定した。そして、（１３）式に基づき、測定結果の電圧Ｖ_２から初期時の静電チャック２ａの表面の残留吸着状態を示す自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを算出した。このときのデータは、図９の堆積時間が０（ｓ）のときのＶ_ｄｃ（＝－７０Ｖ）であり、このデータを制御部２００のＲＡＭ２１５等の記憶部に記憶した。

次に、図１０（ｂ）の工程では、ウエハＷを搬出後、堆積性ガスの一例であるＣＦ系ガスを供給しながら高周波電力を所定時間（本実施形態では３０秒）印加することでＣＦ系ガスのプラズマを生成し、静電チャック２ａの表面にＣＦ系のポリマーである堆積物Ｒを堆積させた。

次に、図１０（ｃ）の工程では、静電チャック２ａ上にウエハＷを載置し、Ｏ_２ガスのプラズマを生成し、銅円板１２と銅板１３との間の電圧Ｖ_２を測定した。そして、（１３）式に基づき、測定結果の電圧Ｖ_２からこの時点における静電チャック２ａの表面の残留吸着状態を示す自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを算出した。このときのデータが、図９の堆積時間が３０秒のときのＶ_ｄｃ（＝－６８Ｖ）であり、このデータを制御部２００のＲＡＭ２１５等の記憶部に記憶した。

次に、図１０（ｄ）の工程では、ウエハＷを搬出後、ＣＦ系ガスを供給しながら高周波電力を所定時間（本実施形態では更に３０秒）印加することでＣＦ系ガスのプラズマを生成し、静電チャック２ａの表面にＣＦ系のポリマーの堆積物Ｒをさらに堆積させた。

次に、図１０（ｅ）の工程では、静電チャック２ａ上にウエハＷを載置し、Ｏ_２ガスのプラズマを生成し、銅円板１２と銅板１３との間の電圧Ｖ_２を測定した。そして、（１３）式に基づき、測定結果の電圧Ｖ_２からこの時点における静電チャック２ａの表面の残留吸着状態を示す自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃ（＝－６６Ｖ）を算出した。このときのデータが、図９の堆積時間が６０秒（＝３０＋３０）のときのＶ_ｄｃであり、このデータを制御部２００のＲＡＭ２１５等の記憶部に記憶した。

図１０（ｆ）及び（ｇ）、図１０（ｈ）及び（ｉ）の工程では、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）の工程と同様の動作を２回繰り返し行った。つまり、図１０（ｇ）の測定では、図９の堆積時間が９０秒のときのＶ_ｄｃ（＝－６４Ｖ）が算出され、図１０（ｈ）の測定では、図９の堆積時間が１２０秒のときのＶ_ｄｃ（＝－６２Ｖ）が算出され、これらのデータを制御部２００のＲＡＭ２１５等の記憶部に記憶した。

かかる測定を予め行うことで、記憶部には、図９に一例を示す堆積時間と自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃとの相関関係を示す相関情報が蓄積される。なお、図９の堆積時間と自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃとの相関関係を示す相関情報は、予め測定した電荷量に相当する値と静電チャック２ａの残留吸着状態を示す値との相関関係を示す相関情報の一例である。

このようにして蓄積された図９の相関情報は、図１１に示す一実施形態に係る測定方法にて参照される。図１１に示す測定方法は、ウエハＷを搬入する前に制御部２００により実行され、クリーニング処理等のメンテナンスを実行するか否かの判定工程を含む。これにより、本実施形態に係る測定方法によれば、所定の場合には、ウエハＷを搬入する前にクリーニング処理等のメンテナンスが実行されるため、静電チャック２ａの表面の残留吸着によるウエハＷのずれや割れを防止することができる。

図１１の処理が開始されると、制御部２００は、リレーボックス６のスイッチ６ａを切り替え、吸着電極２１を測定装置１０に接続する。測定装置１０は、電圧Ｖ_２を測定する(ステップＳ１０)。測定した電圧Ｖ_２は制御部２００に送信され、これにより、制御部２００は、電圧Ｖ_２に基づき、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを算出する(ステップＳ１２)。

次に、制御部２００は、算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が予め定められた閾値Ｔｈ_１を上回るかを判定する（ステップＳ１４）。制御部２００は、算出したＶ_ｄｃの絶対値が予め定められた閾値Ｔｈ_１を上回らないと判定すると、静電チャック２ａの残留吸着状態はウエハＷの除電及び搬出時にウエハの割れを生じさせる程ではないと判定し、本処理を終了する。

一方、ステップＳ１４において、制御部２００は、算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が予め定められた閾値Ｔｈ_１を上回ると判定すると、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が予め定められた閾値Ｔｈ_２を上回るかを判定する（ステップＳ１６）。

例えば、閾値Ｔｈ_１及び閾値Ｔｈ_２は、図１１に示すように、閾値Ｔｈ_１の絶対値が閾値Ｔｈ_２の絶対値よりも小さい関係にある。例えば、閾値Ｔｈ_１は、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が閾値Ｔｈ_１よりも大きいときには、プッシャーピンのピントルクが高くなり、除電時にウエハＷに割れが生じることがある程度の残留吸着状態であることを示す指標の一例である。

また、例えば、閾値Ｔｈ_２は、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が閾値Ｔｈ_２よりも大きいときには、除電時にウエハＷに割れが生じる可能性が高い残留吸着状態であり、処理容器Ｃを開けてメンテナンスを行う必要があることを示す指標の一例である。

よって、ステップＳ１６において、制御部２００は、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が予め定められた閾値Ｔｈ_２を上回ると判定すると、処理容器Ｃを開けて静電チャック２ａの表面をアルコール拭きする等のメンテナンスを行うように制御し、本処理を終了する。

一方、ステップＳ１６において、制御部２００は、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が予め定められた閾値Ｔｈ_２を上回ないと判定すると、クリーニング処理時間を通常よりも長くして、ウエハレスドライクリーニングを行うように制御し、本処理を終了する。クリーニング処理時間を通常よりも長くする一例としては、例えば、通常のクリーニング処理時間が２０秒である場合、８０秒程度に長くする制御が挙げられる。

これによれば、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃと堆積時間との相関情報を記憶した記憶部を参照して、測定した電圧Ｖ_２から算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃに基づき静電チャック２ａの表面の残留吸着状態を判定する判定工程が実行される。そして、判定工程において、前記記憶部を参照して、測定した算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が予め定められた閾値Ｔｈ_１又は閾値Ｔｈ_２の少なくともいずれかを上回るとき、制御部２００は、静電チャック２ａ又は処理容器Ｃ内のクリーニング処理又はその他のメンテナンスを実行すると判定する。なお、判定工程では、測定した電圧Ｖ_２に基づき静電チャック２ａの表面の残留吸着状態を判定してもよい。

これにより、算出した自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃに応じて、クリーニングの頻度やクリーニング時間、静電チャック２ａのメンテナンス等を実行するタイミングであるか等の運用方法の最適化及び運用の改善の指針を得ることができる。

以上、測定装置、測定方法及びプラズマ処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明にかかる測定装置、測定方法及びプラズマ処理装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

本発明に係る基板処理装置は、Capacitively Coupled Plasma(CCP),Inductively Coupled Plasma(ICP),Radial Line Slot Antenna, Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR),Helicon Wave Plasma(HWP)のどのタイプでも適用可能である。

本明細書では、基板の一例としてウエハＷを挙げて説明した。しかし、基板は、これに限らず、LCD(Liquid Crystal Display)、FPD(Flat Panel Display)に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。

１ ガスシャワーヘッド
２ａ 静電チャック
２ｂ 基台
３ 第１高周波電源
４ 第２高周波電源
５ ガス供給部
６ リレーボックス
８ フォーカスリング
９ 排気装置
１０ 測定装置
１１ フィルタ
１２ 銅円板
１３ 銅板
１４ アクリル板
１５ プローブ
１６ 表面電位計
１７ 信号記録装置
１８ 電位測定系
２１ 吸着電極
２２ 誘電体層
１００ プラズマ処理装置
２００ 制御部

Claims (13)

1. プラズマ処理装置内に配置される静電チャック内の電極であって、直流電圧が印加される前記電極の接続を切り替える切替部と、
   前記切替部に接続される静電容量を有する部材と、
   前記静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する測定部と、
   を有し、
   前記切替部は、プラズマによる基板処理の実行中に前記電極の接続を、前記静電容量を有する部材に切り替え、
   前記測定部は、前記基板処理の実行中に前記静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する、測定装置。
2. 前記切替部は、前記電極の接続を、前記電極に直流電圧を印加する直流電源と前記静電容量を有する部材との間で切り替える、
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記切替部と前記静電容量を有する部材との間に、高周波電力を除去するフィルタを有する、
   請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記切替部が、前記電極の接続を、前記静電容量を有する部材に切り替えた後、高周波電源が高周波電力を印加する、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 前記測定した電荷量に相当する値に基づき、プラズマの自己バイアス電圧を測定する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記測定部は、前記静電容量を有する部材の表面に非接触又は接触に設けられたプローブを有し、
   前記静電容量を有する部材と前記プローブとは、真空容器内に設けられる、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の測定装置。
7. プラズマ処理装置内に配置される静電チャック内の電極の接続を切り替える切替工程と、
   前記静電チャックに高周波電力を印加する印加工程と、
   前記切り替えにより前記電極に接続される静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する測定工程と、
   を有し、
   前記切替工程は、プラズマによる基板処理の実行中に前記電極の接続を、前記静電容量を有する部材に切り替え、
   前記測定工程は、前記基板処理の実行中に前記静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する、測定方法。
8. 前記切替工程は、前記電極の接続を、直流電源と前記静電容量を有する部材との間で切り替える、
   請求項７に記載の測定方法。
9. 前記切替工程が、前記電極の接続を、前記静電容量を有する部材に切り替えた後、前記印加工程は、高周波電力を印加する、
   請求項７又は８に記載の測定方法。
10. 前記切替工程は、プラズマにより基板処理又はクリーニング処理を実行中に前記電極の接続を、前記静電容量を有する部材に切り替え、
    前記測定工程は、前記基板処理又は前記クリーニング処理を実行中に前記静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する、
    請求項９に記載の測定方法。
11. 予め測定した前記電荷量に相当する値と、前記静電チャックの残留吸着状態を示す値との相関情報を記憶した記憶部を参照して、測定した前記電荷量に相当する値に基づき基板の残留吸着状態を判定する判定工程を有する、
    請求項７～１０のいずれか一項に記載の測定方法。
12. 前記判定工程は、前記記憶部を参照して、測定した前記電荷量に相当する値の絶対値が予め定められた閾値を上回ると判定したとき、クリーニング処理又は静電チャックのメンテナンスを実行すると判定する、
    請求項１１に記載の測定方法。
13. 高周波電力を印加する高周波電源と、
    プラズマ処理装置内に配置される静電チャック内の電極であって、直流電圧が印加される前記電極の接続を切り替える切替部と、
    前記切替部に接続される静電容量を有する部材と、
    前記静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する測定部と、
    を有し、
    前記切替部は、プラズマによる基板処理の実行中に前記電極の接続を、前記静電容量を有する部材に切り替え、
    前記測定部は、前記基板処理の実行中に前記静電容量を有する部材に蓄積される電荷量に相当する値を測定する、プラズマ処理装置。

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