JPH05206078A

JPH05206078A - 処理装置

Info

Publication number: JPH05206078A
Application number: JP3850792A
Authority: JP
Inventors: Chishio Koshimizu; 地塩輿水
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1993-08-13
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: JP2936501B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光学系に通過する発光強度の損失量を大幅に
減少させる。【構成】処理手段２からの発光をモニタするモニタ手
段４を有する処理装置において、上記モニタ手段４の前
段に、集光レンズ４０を有する光学系３を設ける。そし
て、この集光レンズ４０にて集めた光を、光ファイバ等
の光吸収性を有する光案内媒体を何ら通過させることな
く直接光電変換器４８，５２へ導入する。これにより、
発光量の途中での損失を大幅に減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程において、例えばプラズ
マ処理装置を用いて行われるドライエッチングは微細な
パターンを形成するために欠くことができない技術とな
っている。このエッチングは、真空中で反応ガスを用い
てプラズマを生成し、プラズマ中のイオン、中性ラジカ
ル、原子、分子などを用いて対象物を除去して行く方法
である。ところで、エッチング対象物が完全に取り去ら
れた後においてもエッチングが継続されると、下地材料
が不必要に削られていったり、或いはエッチング形状が
変わってしまうため、これを防止するためにエッチング
の終点を正確に検出することは非常に重要な事項であ
る。

【０００３】そこで、エッチングの終点を検出するため
に従来行なわれていた代表的な方法は、エッチングによ
る反応生成物の発光強度を監視レンズ等を備えた光学系
により、この発光強度の変化を基に終点を判断してい
た。具体的には、プラズマ電極を備えた反応容器の外側
に、例えば直径数ｃｍの石英ガラス製の観察窓を設け、
この外側にレンズを含む光学系を固定的に設置してい
る。そして、プラズマによる例えばエッチング処理時に
発生する発光を上記光学系により集光してこれを光ファ
イバにより光電変換素子等に導き、この出力を判定部等
で処理することにより例えばエッチングの終点検出等を
行っていた。例えば二酸化珪素膜をＣＦ系のエッチング
ガスによりエッチングする場合には、反応生成物である
一酸化炭素の発光を、上記レンズを含む光学系を介して
集光して光電変換素子により電気信号へ変換し、この信
号を処理することにより発光強度を監視し、この強度変
化を基にエッチングの終点を判断していた。すなわち、
反応生成物はエッチング中には反応容器内に存在するが
エッチング対象物がなくなると生成されなくなるので、
この発光強度は減少し、従って、この減少を捉えればエ
ッチングの終点を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エッチング
を行なうにあたって、プラズマの安定性を得るために、
或いは下地膜やレジストに対する選択性を大きくするた
めに、エッチングガス以外の添加ガスを、エッチングガ
スに比べて多量に加えることが行なわれている。例えば
プラズマの安定性を図るためにアルゴンを用いることが
あるが、このアルゴンガス自体の発光スペクトルは帯状
に広がっており、このスペクトル中に反応生成物である
一酸化炭素のスペクトルが重なって埋もれてしまうこと
がある。このような重なりの起こる理由は、アルゴンと
一酸化炭素の強い発光波長範囲はともに３００〜８００
ｎｍであって、両範囲が非常に近似しているためであ
る。しかも、エッチングによる化学反応が生ずることに
なるエッチング対象領域は非常に小さいことから発生す
る一酸化炭素のガス量は微量であるが、これに対して導
入するアルゴンガス量はエッチングガス量の数倍〜１０
倍も多く、このために、アルゴンガスの発生強度は一酸
化炭素の発光強度に比べて非常に大きくなり、結果的に
前述したように一酸化炭素の発光スペクトルは、プラズ
マ自体の発光スペクトル中に埋もれてしまい、一酸化炭
素の発光強度を正確に検出することができないので例え
ばエッチングの終点を特定することが困難であった。

【０００５】そこで、本発明者は、先の出願において、
反応生成物の発光スペクトルに代えて、発光スペクトル
領域がアルゴンガスとは全く異なるエッチングガスの発
光スペクトルを監視し、エッチング対象物がなくなって
エッチングガス量が増加してこの発光量が増加したとき
をもって例えばエッチング終了点とする方法を開示し
た。しかしながら、微細化の傾向の推進によって、或い
は、コンタクトホールのみ、トレンチのみ、配線パター
ンのみのエッチングなどの特殊なエッチング工程の必要
性の増加によって、ウエハ全面積に対するエッチング対
象域の面積比を示す開口率が１％或いはそれ以下に小さ
くなる傾向にある昨今にあっては、エッチング終点前後
におけるエッチングガス量の変動すなわちエッチングガ
スの発光スペクトルの強度変化も非常に小さなものとな
り、また、発光量も非常に少ないので先に開示した方法
であっても十分なものでなくなった。

【０００６】更に、各ガスからの発光スペクトルの強度
は、電源電圧のわずかな変動、質量流量コントローラの
影響、処理圧力の変動、プラズマに起因する基板温度の
上昇等により絶えずゆらいでおり、このゆらぎが原因
で、上述のようにエッチングガスの発光スペクトルの強
度変化を監視していても例えばエッチング終点を特定す
るには比較的むずかしかった。このような状況におい
て、観測すべき発光強度の周波数は、アルゴンガスの発
光スペクトルを考慮してより短い波長、例えば２００ｎ
ｍへと移行する傾向にあるが、この波長領域においては
光学系にて使用する光ファイバの光吸収率がかなり大き
くなり、例えば導入した発光量の５０％も吸収してしま
う場合もある。

【０００７】更には、処理中において反応容器内にて発
生する反応生成物等が観察窓の内側に付着して曇ってし
まい、これより取り出すことができる発光量がより少な
くなってしまい、僅かな発光強度の変化自体も検出する
ことが要求される今日の状況において、上記した理由と
相俟ってエッチングの終点等の検出を更に一層困難にし
ている、という改善点があった。本発明は、以上のよう
な問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案された
ものである。本発明の目的は、発光強度の僅かな変化で
も確実に検出することができる処理装置を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、上記問題
点を解決するために、処理手段からの発光をモニタする
モニタ手段を有する処理装置において、前記モニタ手段
の前段に、前記処理手段からの発光を集光する集光レン
ズと前記集光レンズからの光を光案内媒体を用いること
なく直接導入して光電変換する光電変換器とを有する光
学系を備えるように構成したものである。第２の発明
は、上記問題点を解決するために、処理手段からの発光
を、外部のモニタ手段へ向けて通過せしめる観察窓を有
する処理装置において、前記観察窓に、これに付着する
付着物を除去するための付着物除去手段を設けるように
構成したものである。

【０００９】

【作用】第１の発明によれば、処理手段から観察窓を通
して放出された発光は光学系の集光レンズにて集光され
て、光ファイバ等の光吸収率の高い媒体を通ることな
く、大気中或いは真空中を通過して直接光電変換器に導
入されることになる。従って、発光量の損失が極力抑制
されるので発光強度の僅かな変動でもほぼ確実に捕える
ことが可能となる。また、第２の発明によれば、処理中
或いは処理後において付着物除去手段を駆動させること
により、処理領域に臨んで設けられた観察窓は加熱され
たり、或いはここに局所的なプラズマが立てられたりす
る。このために、観察窓の内側に付着する或いは付着し
ようとする反応生成物等の付着が排除され、結果的に処
理手段の観察窓を通過するときの発光量の損失は極力抑
制されるので、発光強度の僅かな変動でもほぼ確実に捕
えることができる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明に係るドライエッチング方法
の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発
明に係る処理装置を示す構成図である。本実施例にあっ
ては、処理装置としてプラズマによるエッチング装置を
例にとって説明する。図示するようにこのエッチング装
置は、実際に被処理体をエッチングする処理手段として
のプラズマ処理手段２と、この処理手段２からの発光強
度乃至発光をモニタするモニタ手段４とにより主に構成
されている。そして、上記モニタ手段４は、エッチング
時の発光を捕える光学系３と、この光学系３からの電気
信号を処理する処理系５とにより主に構成されている。
このプラズマ処理手段２は反応容器を構成する、例えば
アルミニウムよりなる真空チャンバ６を有しており、こ
の真空チャンバ６内には、平板状の電極８、１０が上下
に対向配置されており、例えば上部電極１０は接地され
ると共に、下部電極８はコンデンサ１２を介して高周波
電源１４に接続されている。

【００１１】これら電極８、１０は、平行平板電極を構
成しており、これら電極８、１０が真空チャンバ６を兼
用する場合もある。図示例にあっては、説明のために両
電極８、１０間を広く記載しているが、実際は両電極間
は５ｍｍ前後である。そして、上記下部電極８は、その
上面に被処理体である半導体基板１６が載置され、この
基板１６を確実に固定するように、例えばクランパ等が
設けられている。また、真空チャンバ６の側壁には、ガ
ス導入管２０が接続されており、このチャンバ内にＣＦ
系のエッチングガスやアルゴンなどのプラズマ安定化ガ
スを導入するように構成されている。また、他の側壁に
は真空排気管２２が接続されており、図示しない真空ポ
ンプ等により上記真空チャンバ６内を任意の圧力に真空
引きできるように構成されている。

【００１２】更に、この真空チャンバ６の側壁には、ゲ
ートベン２４を介してロードロック室２６が接続されて
おり、上記真空チャンバ６内を大気開放することなくこ
の中に図示しないアームにより半導体基板１６を搬出入
し得るように構成されている。また更に、この真空チャ
ンバ６の側壁には、前記電極８、１０間に発生したプラ
ズマの発光を外部に透過させるために、例えば短い波長
域の光を通す石英ガス等よりなる直径約２０ｍｍ程度の
観察窓２８が前記電極間に臨ませて設けられている。

【００１３】この観察窓２８には、図３にも示すように
エッチング処理時等にこの観察窓２８の内側に付着する
反応生成物等を除去して曇りをなくすための本願の第２
の発明の特長とする付着物除去手段３０が設けられてい
る。具体的には、この付着物除去手段３０は、上記観察
窓２８の周辺部にその周方向に沿って形成された加熱手
段、例えばセラミックヒータ３２を有している。このセ
ラミックヒータ３２にはこれに加熱電力を付与するため
のヒータ電源３４が接続されている。また、このセラミ
ックヒータ３２の近傍には、熱検知器、例えば熱電対３
６が設置されており、上記ヒータ３２及び観察窓２８の
加熱温度を測定し得るように構成されている。そして、
この熱電対３６には、例えばマイクロコンピュータ等よ
りなる制御部３８が接続されており、熱電対３６からの
出力値に応じて上記ヒータ電源３４を制御することによ
り上記観察窓２８を必要に応じて所定の温度に加熱維持
するように構成されている。従って、エッチング処理中
或いはエッチング処理後にこの付着物除去手段３０を駆
動することにより、観察窓２８を加熱してこれに付着物
が付くことを阻止している。

【００１４】一方、プラズマ処理手段２の処理領域Ａか
らの発光をモニタするモニタ手段４は、本願の第１の発
明の特長とする光学系３を有している。この光学系３
は、上記観察窓２８に接近させて臨ませた集光レンズ４
０を有しており、上記観察窓２８を透過した光を集光す
るように構成されている。この集光レンズ４０は円筒体
状のレンズ容器４２内の一端部に収容されると共にこの
集光レンズ４０から下流の光路には、例えば光ファイバ
のような多少なりとも光吸収特性を有する光案内媒体を
一切使用しない。すなわち、レンズ容器４２内の他端部
側であって上記集光レンズ４０からの光路Ｌには、集光
された光を約半分に分割して２つに分岐させるために光
路Ｌに対して４５゜に傾斜させたハーフミラー４４が設
けられており、透過光の光路Ｌ１とこれと直角になる反
射光の光路Ｌ２とを形成するように構成される。

【００１５】そして、上記透過光の光路Ｌ１上であっ
て、上記レンズ容器４２の他端部には、例えばプラズマ
エッチング時の活性種であるＣＦ₂ ガスからの発光を通
すために特定波長、例えば波長２５９．５ｎｍ程度の領
域の光を選択的に透過する第１干渉フィルタ４６及びこ
のフィルタ４６を通過した光を電気信号に変換するため
の、例えばホトダイオードのような第１光電変換素子４
８が設けられており、透過した光を電気信号に変えるよ
うに構成されている。また、上記反射光の光路Ｌ２であ
って、上記レンズ容器４２の他端部側の側壁上には、プ
ラズマエッチング時の反応生成物である例えばＣＯガス
からの発光を通すために特定波長、例えば波長４８２．
７ｎｍ程度の領域の光を選択的に透過する第２干渉フィ
ルタ５０及びこのフィルタ５０を通過した光を電気信号
に変換するための、例えばホトダイオードのような第２
光電変換素子５２が連続的に設けられており、反射した
光を電気信号に変えるように構成されている。尚、上記
した比較的安価な干渉フィルタ４６，５０に替えて、分
光精度の良好な分光器を設けるようにしてもよい。

【００１６】このようにこの光学系３には、比較的短い
波長域の光を吸収する傾向にある光案内媒体を何ら使用
していないので、発光強度の弱い光或いは僅かな強度変
化も確実に検知することが可能となる。そして、上記レ
ンズ４０を収容するレンズ容器４２は、図２にも示すよ
うにこれを真空チャンバ６内の処理領域Ａすなわち観察
窓２８に対して上下（Ｚ）方向、左右（Ｙ）方向及び前
後（Ｘ）方向へ移動可能とするために、移動機構５４に
取り付けられている。具体的には、この移動機構５４
は、基台５６上にＸ方向レール６６を介してリニアモー
タ等によりＸ方向、すなわちレンズ４０の焦点方向へ移
動可能に設置されたＸテーブル６８と、このＸテーブル
６８上にＹ方向レール６２を介してリニアモータ等によ
りＹ方向へ移動可能に設置されたＹテーブル６４と、こ
のＹテーブル６４上にボールネジ等の昇降手段５８を介
して取り付けられて上下動可能になされたＺテーブル６
０とにより主に構成されており、このＸテーブル６８上
に上記レンズ容器４２を取り付け固定して各テーブルを
移動することにより処理領域Ａ内の所望の位置、すなわ
ち発光強度のピーク点にレンズ４０の焦点Ｆを位置させ
得るように構成されている。

【００１７】そして、上記各テーブルの移動は、移動機
構制御部５３からの制御信号により行われる。上記レン
ズ容器４２及び第１フィルタ４６、第２フィルタ５０の
Ｘ，Ｙ，Ｚテーブル上の移動により、光路Ｌ，Ｌ１，Ｌ
２が上下、左右方向に移動することになるが、実際には
これらの移動距離は僅かであり、光路がハーフミラー面
や干渉フィルタ４６，５０の面から外れることはない
し、また、光路が外れないような大きさにハーフミラー
や干渉フィルタを設定しておく。また、本実施例のよう
にレンズ４０、ハーフミラー４４、第１及び第２干渉フ
ィルタ４６，５０、第１及び第２光電交換器４８，５２
のすべて、すなわち光学系３の全体は、テーブル上に取
り付けて一体的に動くようになされているので、上記し
たようにレンズ４０を通過した光は、確実にハーフミラ
ー４４に届くことになる。

【００１８】一方、上記光学系３の第１光電変換器４８
から出力される出力線７０は、処理系５の信号増幅用の
第１増幅器７２へ接続されると共にこの第１増幅器７２
の出力は、観測帯域以外の周波数成分を除去するため
に、例えば１０Ｈｚ程度の第１ローパスフィルタ７４に
接続されている。そして、この第１ローパスフィルタ７
４の出力はアナログ信号をデジタル化するための第１Ａ
／Ｄ変換器７６へ入力されると共にこの変換器７６の出
力は、例えばマイクロコンピュータよりなる判定部７８
へ入力されている。また、上記第２光電変換器５２から
出力される出力線８０は、処理系５の信号増幅用の第２
増幅器８２へ接続されると共にこの第２増幅器８２の出
力は、前記と同様に観測帯域以外の周波数成分を除去す
るために、例えば１０Ｈｚ程度の第２ローパスフィルタ
８４に接続される。そして、この第２ローパスフィルタ
８４の出力はアナログ信号をデジタル化するための第２
Ａ／Ｄ変換器８６へ入力されると共にこの変換器８６の
出力は、上記判定部７８へ入力され、この変換器８６か
ら入力される反応生成物の発光強度を示す信号と上記第
１Ａ／Ｄ変換器７６から入力される活性種の発光強度を
示す信号との比をとっており、この比の変化量が所定量
以上になったときにエッチングの終点を検出するように
構成されている。

【００１９】ここで上記の第１及び第２ローパスフィル
タ７４，８４の帯域は１０Ｈｚに限定されるものではな
く、この帯域周波数は後段のＡ／Ｄ変換器７６，８６の
サンプリング周波数との関係で設定されるものであり、
原信号を忠実に表現するためにはローパスフィルタの帯
域周波数の少なくとも４倍以上のサンプリング周波数、
例えば本実施例においては約４０Ｈｚ以上のサンプリン
グ周波数でＡ／Ｄ変換を行う。これにより、発光強度の
変化を正確に捕らえることができ、更に平均化すること
で直流成分のみを取り出すことが可能となる。一方、上
記判定部７８の出力は、オーバエッチングを行う時間を
設定するためのオーバエッチングタイマ回路８８へ接続
されており、エッチング終了後に所定時間だけオーバエ
ッチングを施して例えばエッチング時のテーパ角度を適
宜調整し得るように構成されている。このように、オー
バエッチングを施す理由は、例えば円形の半導体基板の
周辺部と中心部とではガス濃度が異なることからエッチ
ング速度に差が生じてエッチングの程度が不均一になっ
たり、或いは、レジストによりエッチングされない部分
とエッチングされる部分との接線にダレ等が生じたりす
ることから、これらを是正するために行うのである。

【００２０】そして、このオーバエッチングタイマ回路
８８の出力は、高周波電源１４のオン，オフ制御等を行
うための高周波制御回路９０へ接続されており、上記オ
ーバエッチングタイマ回路８８からのオーバエッチング
終了信号を受けたときに、上記高周波電源１４の駆動を
完全に停止し得るように構成されている。次に、以上の
ように構成された本実施例の動作について説明する。ま
ず、プラズマ処理手段２においてすでにロードロック室
２６内に搬入されている半導体基板１６を、ゲートベン
２４を介して図示しないアームにより下部電極８上に載
置する。この半導体基板の二酸化珪素膜上には所定のパ
ターン形状になされたマスクが露光工程を経て形成され
ている。

【００２１】このように半導体基板１６を真空チャンバ
６内に導入したならば、この内部を真空排気管２２を介
して所定の圧力まで真空引きし、ガス導入管２０より、
エッチングガスとしてＣＦ系ガス、例えばＣＨＦ₃ガス
及びＣＦ₄ガスをいずれも６０ＳＣＣＭの流量で導入す
ると共に、プラズマ安定化ガスとして、例えばアルゴン
ガスを１０００ＳＣＣＭの流量で導入し、所定の真空
度、例えば１．２Ｔｏｒｒ程度に設定する。そして、高
周波電源１４を駆動することにより真空チャンバ６内の
電極８、１０間に周波数１３．５６ＭＨ_z或いは３８０
ＫＨ_z、電力値７５０Ｗの高周波電力を印加してプラズマ
を発生させ、基板１６の二酸化珪素膜のエッチングを行
う。この時、基板４の温度は例えば−５０〜４０℃に設
定する。

【００２２】チャンバ６内へ導入されたＣＨＦ₃ガスや
ＣＦ₄ガスは、プラズマ中にて解離して多種類の活性種
を発生し、これがエッチング反応に関与する。例えば、
活性種としてＣＦ₂ ラジカルを例にとると、このＣＦ₂
ラジカルは下記式のように二酸化珪素と反応する。Ｓ_iＯ₂＋２ＣＦ₂→Ｓ_iＦ₄＋２ＣＯここで、プラズマ安定化ガスであるアルゴンガス、エッ
チングガスであるＣＦ₂ガスおよび反応生成物であるＣ
Ｏガス等はプラズマ中にてそれぞれ特有のスペクトルを
もって発光するが、観察窓２８を透過した発光は、光学
系３の集光レンズ４０により集められて光ファイバ等の
光案内媒体を何ら通過することなく大気中を、或いはこ
の光学系３全体が真空系になされている場合には真空中
を光路Ｌに沿って通過してハープミラー４４に当たり、
ここで透過光と反射光の２つに分岐される。

【００２３】透過光は、大気中或いは真空中の光路Ｌ１
を通ってＣＦ系ガスの活性種用の第１干渉フィルタ４６
に入り所定の波長の光が取り出され、その光の強度、す
なわち発光強度は第１光電変換器４８により電気信号へ
変換される。そして、この活性種の発光強度を示す電気
信号は、処理系５の第１増幅器７２にて増幅された後第
１ローパスフィルタ７４を通過して低周波成分、例えば
周波数１０Ｈｚ以下の成分のみが取り出され、この信号
は、第１Ａ／Ｄ変換器７６にて上記周波数の例えば４倍
以上の周波数でサンプリングされてデジタル化され、判
定部７８へ入力される。一方、上記ハーフミラー４４に
おける反射光は、大気中或いは真空中の光路Ｌ２を通っ
て反応生成物用の第２干渉フィルタ５０に入り所定の波
長の光が取り出され、その光の強度、すなわち発光強度
は第２光電変換器５２により電気信号へ変換される。

【００２４】そして、反応生成物の発光強度を示す電気
信号は、処理系５の第２増幅器８２にて増幅された後第
２ローパスフィルタ８４を通過して前記と同様に低周波
数成分例えば１０Ｈｚ以下の成分のみが取り出され、こ
の信号は第２Ａ／Ｄ変換器８６にて上記周波数の例えば
４倍以上の周波数でサンプリングされてデジタル化さ
れ、判定部７８へ入力される。そして、マイクロコンピ
ュータ等よりなるこの判定部７８では、入力された発光
強度の比の変動に基づいて、エッチングの終点を検出す
る。この判定部７８では、上記変動値が所定値以上変動
したことに応じてエッチング操作が終了したものと見な
してエッチング終了信号を後段のオーバエッチング回路
８８へ出力する。このオーバエッチング回路８８は、エ
ッチング終了信号を受信すると、これをオーバエッチン
グ開始信号として認識し、このタイマ回路に予め設定さ
れた時間だけ更にオーバエッチング処理を行う。実際に
は、エッチング終了の判定は、例えば常に最新の１０秒
間の変動値の平均を基準にして行われることから、エッ
チング終了の判定が出た場合にはすでに１０秒間のオー
バエッチング操作を行っていることになるが、実際のオ
ーバエッチング操作は１０秒間以上行うことから問題は
生じない。

【００２５】そして、所定の時間オーバエッチングがな
されたならば、この回路８８は、後段の高周波電源制御
回路９０に向けてオーバエッチング終了信号を出力す
る。このオーバエッチング終了信号を受けると、この高
周波電源制御回路９０は電周波電源１４の電源を直ちに
遮断し、エッチング操作を完全に終了する。本実施例に
おいては、ＣＦ系ガスの活性種としてＣＦ₂ラジカルの
発光スペクトルを第１干渉フィルタ４６にて分光し、反
応生成物としてのＣＯガスの発光波長のスペクトル領域
とアルゴンガスの発光波長のスペクトル領域は、ともに
３００〜８００ｎｍであってほぼ完全に重なってしま
い、且つアルゴンガスは多量に流されていてその発光強
度も大きいので、ＣＯガスの発光は埋もれてしまってこ
れを取り出すことは困難であるが、ミクロ的に見れば上
記スペクトル領域中に多数の発光ピークが存在する。従
って、ＣＯガスの発光強度を検出するために、アルゴン
ガスの発光ピークの谷間で発光量が少なく、しかもＣＯ
ガスの発光量が多くなるような特定の波長にて、ＣＯガ
スの発光強度を測定する。例えば図４は、分解能を高く
した場合のアルゴンガスの発光スペクトルを示すグラフ
であるが、ピーク波長４８０．６ｎｍとピーク波長４８
４．６ｎｍとの間においてアルゴンガスの発光量が極端
に少ないところ、すなわち谷が存在し、しかもこの部
分、すなわち波長４８３．５ｎｍ或いは４８２．７ｎｍ
はＣＯガスの発光が存在するところである。

【００２６】従って、本実施例にあっては、第２干渉フ
ィルタ５０を波長４８２．７ｎｍに設定してこの波長の
光を取出し、反応生成物であるＣＯガスからの発光強度
を測定した。また、活性種であるＣＦ₂ガスは、アルゴ
ンガスのスペクトル領域から外れた波長２５９．５ｎｍ
に発光ピークを有しているので、第１干渉フィルタ４６
をこの波長に設定してＣＦ₂ガスの発光強度を測定し
た。図５は、前記条件により実際のエッチングを行った
ときの各ガスの発光強度及びその比を示すグラフであ
る。尚、グラフ中においては両ガスの発光強度の変化を
パーセントに補正して記載している。図示するようにエ
ッチングが進行するに従ってＣＦ₂ガス及びＣＯガスの
発光強度は徐々に小さくなって行く。この発光強度の低
下の原因は、エッチングの進行に従って基板温度が上昇
するからである考えられている。そして、ＣＦ₂ ガスの
発光強度は、エッチングの終点と思われるポイントを過
ぎると僅かに増加するが、この発光強度のみを監視して
いたのでは、上記増加量はＣＦ₂ガスの発光強度のゆら
ぎの大きさとそれほど差がなく、エッチング終点を正確
に把握することは困難である。また、ＣＯガスの発光強
度は、エッチング終点を思われるポイントを過ぎると、
僅かではあるが傾斜が急になってはいるが、この発光強
度単独では上記と同様にエッチング終点を正確に把握す
ることができない。

【００２７】これに対して、上記ＣＯガスとＣＦ₂ガス
の発光強度の比をとった値は、エッチング過程において
は、ゆらぎつつもほぼ一定であるが、あるポイントを過
ぎると急激に上昇し、この値のゆらぎの幅以上の大きさ
の増加量を示している。その後、比の値は再度一定とな
り、エッチングが終わった事を示している。ＳＥＭ（走
査型電子顕微鏡）による測定の結果、このエッチング終
点と思われるポイント、すなわちエッチング時間約１２
８秒の点が、実際のエッチング終点であることが判明
し、従って、ＣＯガスとＣＦ₂ ガスの発光強度の比をと
って、この変化量を監視することにより、正確に、しか
も確実にエッチング終点を検出することが可能となる。
このように、活性種と反応生成物の発光強度の比の変化
を監視することにより、エッチングの終点を検出するよ
うにしたので、両発光強度のゆらぎが相殺されてしま
い、しかも感度を理論上２倍にすることができ、従来検
出することが困難であった開口率１０％以下の半導体基
板のエッチング終点も確実に検出することが可能とな
る。

【００２８】そして、例えばオーバエッチング時間を例
えば３０秒に設定していた場合には、上記したエッチン
グ終点がオーバエッチングの開始点となることからエッ
チング時間約１５８秒の点がオーバエッチング終点とな
る。また、スペクトルの重なりとは、完全に重なる場合
のみならず、例えば分光測定の際に一方の裾に他方のス
ペクトルが重なる場合のような一部の重なりも含まれ
る。ところで、このようなエッチング過程においては、
半導体基板１６のサイズ、処理工程またはガス条件等の
相異によりチャンバ６内のプラズマの立ち方が異なり、
その結果、電極８，１０間の処理領域Ａにおける発光強
度のピーク点が、図２にて示すように例えばＰ１，Ｐ
２，Ｐ３と僅かではあるが移動する場合があり、これを
放置して集光レンズ４０の焦点Ｆを常に点Ｐ１に設定し
ておくと、全体としてのプラズマの発光強度が弱い場合
或いは発光強度の変動が少ない場合には、発光強度の変
動を十分に捕えることができない場合がある。

【００２９】このような場合には、光学系３の移動機構
５４を移動機構制御部５３からの制御信号により或いは
自動的に駆動することにより、集光レンズ４０の焦点Ｆ
を常に発光ピーク点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に位置させる。例
えば、発光ピーク点が点Ｐ１からその上方の点Ｐ２に移
動した場合にはＺテーブル６０を上昇させることにより
集光レンズ４０の焦点Ｆを点Ｐ２に移す。また、発光ピ
ーク点が点Ｐ１から水平方向遠方（焦点深度方向）の点
Ｐ３に移動した場合にはＸテーブル６８をチャンバ６側
に水平移動させて集光レンズ４０の焦点Ｆを点Ｐ３に移
す。同様に、発光ピーク点が点Ｐ１から図面垂直方向に
移動した場合には、Ｙテーブル６４を移動させて焦点Ｆ
を常に発光ピーク点に位置させる。

【００３０】このように、ＸＹＺ方向へ移動可能な移動
機構５４により集光レンズ４０を移動させてこの焦点Ｆ
を常に処理領域Ａの発光ピーク点に位置させることがで
きるので、僅かな発光強度の変化でも確実に捕えること
ができ、従って、エッチング終点等を確実に求めること
が可能となる。尚、上記実施例において、発光強度のピ
ーク点を求めるための検出器を別途設けてこの出力を上
記移動機構制御部５３に入力することにより自動的に焦
点位置制御を行うことが可能となる。また、従来装置に
おいては、プラズマの発光強度を捕える光学系に、光案
内媒体として例えば光ファイバを用いていたが、この光
ファイバは光の透過率が良いといえども本実施例におい
て選択されるような短い波長域においては光の吸収率も
比較的高くなってしまい、例えば５０％程度も光が吸収
されてしまって発光強度の変動を十分に捕えることがで
きない場合があった。

【００３１】このような場合には、第１の発明の特長と
する光学系３は、何ら光ファイバ等を用いることなく空
気中、或いは真空中を直進する発光をフィルタ等を介し
て直接光電変換器４８，５２へ導入させているので光路
途中における光の損失がほとんどなく、従って、低い発
光強度でも感度良く検知することができるので発光強度
の微小な変動もほぼ確実に捕えることができ、エッチン
グの終点等を確実に求めることが可能となる。また、更
に、エッチング過程においては、エッチングガスの性質
上、その装置の一番温度の低いところに生成物等が付着
する傾向にあるが、一般的にはチャンバ６に設けた観察
窓２８は他の部分と比較して温度が低いことからこの観
察窓２８の内面に生成物が付着して曇り、十分な発光量
を取り出せないことからエッチング終点を検出できなか
ったり、十分な発光強度を取り出すためにしばしば観察
窓２８のクリーニング操作をしなければならなった。

【００３２】このような場合には、本実施例における観
察窓２８には図３にも示すような第２の発明の特長とす
る付着物除去手段３０が設けられているので、この除去
手段３０を駆動することによりヒータ電源３４からセラ
ミックヒータ３２に通電し、この観察窓２８の全体を生
成物等が付かないような温度、例えば１００℃前後に加
熱する。この時の加熱温度は熱電対３６によりモニタさ
れて、フィードバックが掛けられており、この熱電対３
６からの信号を受けた制御部３８は観察窓２８の温度が
常に上記所定値を維持するようにヒータ電源３４を制御
することになる。この観察窓２８の加熱操作は、エッチ
ング処理中常時行ってもよいし、また、エッチング処理
が完全に終了してからでもよい。このように、エッチン
グ処理中における観察窓２８への生成物等の付着を防止
することにより、プラズマの発光量を損失させることな
く観察窓２８の外方へ放出せしめることができ、従っ
て、発光強度の僅かな変動でも確実に捕えることができ
るのでエッチング終点等を確実に検地することができ、
しかも人的な観察窓のクリーニング操作も行う必要がな
い。

【００３３】尚、上記実施例にあっては付着物除去手段
３０として、セラミックヒータ３２等の加熱器を設けた
が、これに限定されず、図６に示すように局所的プラズ
マ発生機構１００を設けるようにしてもよい。具体的に
は、チャンバ６の側壁に開口部１０２を形成し、この部
分に石英ガラス等により直径約２０ｍｍ、長さ例えば約
数１０ｍｍの断面凹部状に成形された円筒体状の観察窓
１０４をＯリング１０６を介して気密に取り付け固定す
る。そして、この円筒体状の観察窓１０４の外周に高周
波コイル１０８を巻回し、これにマッチング回路１１０
を備えたＲＦ発生器１１２を接続してこの凹部状の観察
窓１０４内のみにクリーニング用プラズマを発生し得る
ように構成する。このＲＦ発生器１１２の駆動は、ＲＦ
制御部１１４によって行われ、例えばエッチング処理が
完全に終了した後に、クリーニング用ガス、例えばＯ₂
ガスをチャンバ６内へ導入し、ＲＦ発生器１１２を駆動
することによりこの凹部状の観察窓１０４内のみに局所
的にプラズマを立てる。この時の処理条件は、例えば１
３．５６ＭＨｚの高周波を４０Ｗの出力で約３０秒程行
う。

【００３４】これにより、エッチング処理時に観察窓１
０４内に付着した生成物は局所的に発生したプラズマに
よりスパッタされて除去される。従って、前述と同時に
窓１０４の曇りがなくなってチャンバ内の発光量を損失
することがなく外に取り出すことができる。このような
クリーニング操作は、プロセスの終了毎、またはロット
毎に行われ、例えば窓１０４の外側に設けた図示しない
モニタ装置により生成物の付着具合を認識しつつ行う。
特に、このクリーニング用のプラズマは局所的にしか発
生しないのでこれがチャンバ６内をスパッタすることも
ない。また、上記したＲＦ発生器１１２は、これを単独
で用いることなくプラズマ処理時に用いる高周波電源１
４を切り換え可能として共用するようにしてもよい。更
に、この種の付着物除去手段３０は、本実施例にて説明
したプラズマエッチング装置に限らず、アッシャー装
置、ＣＶＤ装置等の生成物等が容器内壁に付着する可能
性がある処理装置には全て適用することができる。

【００３５】尚、上記実施例にあっては、活性種の発光
強度と反応生成物の発光強度の比に基づいてエッチング
終点等を検出した。しかしながら、エッチング中に発光
量が減少し、更に２波長で減少率が異なる場合には、単
なる２波長の比をとっても終点の判定は難しい。そこ
で、以下に記すようにこれらの発光強度に所定の演算処
理、すなわち両者の発光強度の変化曲線の傾きを一致さ
せる演算処理を施した後、これらの比をとれば非常にシ
ンプルに終点を判定できる。すなわち、光の発光強度は
エッチングの経過とともに図７に示すような変化曲線を
描いて漸次変化する。図７（Ａ）は活性種に関する発光
強度の変化（第１光電変換器４８の出力ＣＨ０）及び生
成ガスに関する発光強度の変化（第２光電交換器５２の
出力ＣＨ１）を示したものである。判定部７８は、まず
（１）このような変化曲線の指定された区間の平均値Ａ
ＶＥ０，ＡＶＥ１を計算し、（２）指定区間内のＮ個の
測定値ＣＨ０，ＣＨ１と平均値ＡＶＥ０，ＡＶＥ１との
差の絶対値を計算し指定区間平均Ａ０，Ａ１をとる（面
積計算）。Ａ０＝Σ｜ＣＨ０−ＡＶＥ０｜／ＮＡ１＝Σ｜ＣＨ１−ＡＶＥ１｜／Ｎ（３）指定区間平均Ａ０，Ａ１の比Ｒをとる。Ｒ＝Ａ０／Ａ１

【００３６】以上のように指定区間につき平均値ＡＶＥ
０，ＡＶＥ１及び比Ｒを演算した後、これら係数を基に
光電変換器４８の出力ＣＨ０に対し、以下のような演算
を行い、求められた計算値と光電変換器５２の出力ＣＨ
１との比を計算する。（４）測定値ＣＨ０から平均値ＡＶＥ０を引く。ＣＨ０’＝ＣＨ０−ＡＶＥ０ＣＨＯ’は図２（Ｂ）の曲線Ｅで示される。（５）ＣＨＯ’を比Ｒで割る。これによりＣＨ０の曲線
とＣＨ１の曲線の傾きが一致する。ＣＨ０’’＝ＣＨ０’／ＲＣＨＯ’’は図２（Ｂ）の曲線Ｃで示される。（６）ＣＨ０’’にＣＨ１の平均値ＡＶＥ１を加える。
これによりＣＨ１の曲線と一致する。ＣＨ０’’’＝ＣＨ０’’＋ＡＶＥ１（７）計算値ＣＨ０’’’と出力ＣＨ１との比Ｒを計算
する。そして比の値が予め設定された所定の閾値以上に
変化したときを判定し、これをエッチング終点とする。

【００３７】尚、この演算例では出力ＣＨ０を係数によ
って変換するようにしたが、出力ＣＨ１を変換してもよ
いことはいうまでもない。また、判定部７８の演算は、
上述した方法に限定されるものではなく、例えば両出力
の変化曲線の近似曲線を求め、これら近似曲線の傾きを
一致させて比を求めるなど適当な変更を加えることがで
きる。以上の判定部７８の判定に基づき、自動的に或い
は手動でエッチングを終了する。また、被処理体によっ
てオーバーエッチングが必要な場合には判定部７８が終
点を判定したときから、オーバエッチングタイマ回路８
８で設定された所定のオーバエッチング時間の後、エッ
チングを終了する。

【００３８】尚、以上の実施例にあっては、ここの発光
強度、すなわち活性種の発光強度と反応生成物の発光強
度の比等に基づいて、エッチング終点等を検出するよう
にしたが、これに限定されず、例えば活性種の発光強度
のみに基づいてエッチング終点等を検出するようにして
もよく、その実施例について以下に説明する。この原理
は、エッチング処理中にあってはエッチング対象物があ
ることから活性種が消費され、一方エッチング対象物が
なくなると、すなわちエッチング終点になると活性種が
消費されずに急激に増加することからその発光量も増大
することになることを利用している。この場合において
は、図１における反応生成物用の発光強度検出系、すな
わち光路Ｌ２を遮断して活性種用の発光強度検出系、す
なわち光路Ｌ１を使用する。また、判定部７８において
は、例えば活性種の発光強度の変動が所定値以上にあっ
たときにエッチング終点を認識するように、プログラミ
ングする。

【００３９】まず、シリコン基板上に二酸化珪素膜を形
成した半導体基板１６を下部電極８上に載置し、真空チ
ャンバ６内に、Ｃ−Ｆ系のガスである、例えばＣＨＦ₃
ガス及びＣＦ₄ ガスをいずれも６０ＳＣＣＭの流量でガ
ス導入管２０を介して導入すると共に、プラズマを安定
させるための添加ガスとして例えばアルゴンガスを１０
００ＳＣＣＭの流量でガス導入管２０を介して導入し、
図示しない真空ポンプにより真空引きしてガス圧を例え
ば１．２Ｔｏｒｒに設定する。そして電極８，１０間に
周波数１３．５６ＭＨ、電力値７５０Ｗの高周波電力を
印加してプラズマを発生させ、基板１６のＳｉＯ₂ 膜の
エッチングを行う。この時基板１６の温度は−２０〜４
０℃に設定する。ここでこの実施例では、電極８，１０
間に発生したプラズマ状態の活性種の中の一つであるＣ
Ｆ₂ ラジカルに着目し、このＣＦ₂ ラジカルの発光波長
の中の例えば２６２．８ｎｍの波長の光を第１干渉フィ
ルタ４６を用いて取り出す。そして分光された光の強度
を（発光強度）を判定部７８により監視し、プラズマが
安定した時点から例えば１．４％増加した時点をエッチ
ングの終点と判定し、更に、その後所定時間オーバエッ
チングを行って電力の印加を停止する。

【００４０】以上においてＣＦ₂ ラジカルの発光スペク
トルの波長は複数あるが、その中で波長２６２．８ｎｍ
の光（実施例で用いた波長）と波長２５９．５ｎｍの光
とについて、上述と同様のエッチングを行った時の発光
強度を調べた結果を夫々図８に実線（１）及び点線
（２）に示す。ただしエッチング前後の発光強度の平均
を１００としている。この結果からわかるようにＣＦ₂
ラジカルの発光スペクトルの波長に対応する光の強度
は、エッチング終了前後で大きく変化しており、その変
化率は、夫々約１．４％，０．８５％である。上述のよ
うに発光強度の増加した時点がエッチング終点であると
いうことを確認するために、上述と全く同条件のエッチ
ングを行い、発光強度が大きく（例えば１．４％）増加
する直前の時点でプラズマ発生を停止した場合の基板１
６と、発光強度が大きく増加した直後の時点でプラズマ
発生を停止した場合の基板１６とについて、その表面を
ＳＥＭ（電子走査型顕微鏡）写真で確認したところ、前
者の（発光強度変化前）基板１６については、二酸化珪
素膜が非常に薄くてその一部から下地の単結晶シリコン
基板表面が露出していたが、後者は全面に亙って単結晶
シリコン基板表面が露出していた。従って発光強度の測
定対象であるＣＦ₂ ラジカルは当該エッチングに関与し
ていること、即ち下記式の様に二酸化珪素膜と直接反応
して、これを除去していることが裏付けられており、ＳｉＯ₂ ＋２ＣＦ₂ →ＳｉＦ₄ ＋２ＣＯ

【００４１】エッチング対象である二酸化珪素膜が除去
された後は、それまでエッチングで消費されていた分だ
け増加するので、この増加を捉えることによりエッチン
グの終点が検出できるのである。そして、この実施例に
おいても本発明の特長とする、光学系３を移動する移動
機構５４を駆動することにより、光学系３の集光レンズ
３０をＸ，Ｙ，Ｚ方向へ適宜移動し、この焦点Ｆを発光
ピーク点に常に維持させて、常に発光ピーク点を注視す
る。また、エッチング処理中においては、付着物除去手
段３０を駆動することにより、観察窓２８を所定の温度
に加熱維持し、これに反応生成物等が付着することを防
止して取り出される発光強度が低下することを防止す
る。

【００４２】更に、光学系３は、光吸収の原因となる光
ファイバ等を使用しないで集光レンズ４０からの光を直
接検知するようにしている。従って、発光強度の僅かな
変動もほぼ確実に認識することができ、従って、エッチ
ング終了等も確実に決定することができる。上記実施例
においては、活性種の発光強度を検出するにあたり、波
長２６０ｎｍ近傍の発光を追跡するようにしたが、この
波長域に限定されず、例えばＣＦ₂では２４０〜３８０
ｎｍ、ＣＦ₁ では２０２．４，２０８ｎｍの発光を測定
し、反応生成物の場合、例えば２１０ｎｍ〜２３６ｎｍ
の範囲、特に、波長２１９．２１０ｎｍ〜２３６ｎｍの
範囲、特に、波長２１９．０ｎｍ，２３０．０ｎｍ，２
１１．２ｎｍ，２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍ
のところで一酸化炭素またはＣＯ⁺ イオンに起因する発
光を追跡するようにしてもよい。また、上記実施例にあ
っては、エッチングガスとして使用するＣＦ系及びＣＨ
Ｆ系ガスとしてＣＦ₄ ，ＣＨ₃ を用いた場合について説
明したが、これに限定されず、本発明は他にＣ₂ Ｆ₆ ，
Ｃ₃ Ｆ₈ ，Ｃ₄ Ｆ₈ ，ＣＨ₂ Ｆ₂ ，ＣＦ₃ Ｃｌ，Ｃ₂ Ｆ
₅ Ｃｌ，ＣＦ₂ Ｃｌ₂ ，ＣＦ₃ Ｂｒ及びＣ₂ Ｆ₅ Ｂｒ等
を、または他にＣＣｌ₄ を用いる場合にも適用すること
ができる。

【００４３】また、本発明は、二酸化珪素膜をエッチン
グすることに限定されるものではなく、ポリシリコン膜
や或いはアルミニウム合金膜などをエッチングする場合
にも適用でき、また、被エッチング膜の下地である材質
としては、単結晶シリコン以外の材質、例えばポリシリ
コン酸化膜などであってもよい。すなわち、被処理体と
してはＳｉＯ₂ に限定されず、ポリシリコン、シリコン
ナイトライド、アモルファスシリコン、ガリウムヒ素
（ＧａＡｓ）、アルミニウム（Ａｌ）等も使用でき、被
処理体としてガリウムヒ素を用いる場合には、エッチン
グガスとしてＣＦ₄ −Ｏ₂ ガスが、またアルミニウムを
用いる場合には、ＣＣｌ₄ ，ＢＣｌ₄ ，ＳｉＣｌ₄ 等を
用いることができる。更に、本発明は、陰極側に基板を
置いたカソードカップリング形、陽極側に基板を置いた
アノードカップリング形のいずれのエッチング装置にも
適用することができるし、また、別途、熱電子源などに
よって反応性ガスプラズマを放電室で発生させ、これを
エッチング領域に導くようになされたエッチング方法に
も適用することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような優れた作用効果を発揮することができる。第１
の発明によれば、集光レンズにより集光した発光を比較
的光吸収率の高い光ファイバ等に通すことなく直接光電
交換器へ導入するようにしたので光量の損失を大幅に抑
制することができる。従って、処理領域における発光強
度の僅かな変動でもほぼ確実に捕えることができる。第
２の発明によれば、観察窓に付着する反応生成物等をほ
ぼ確実に除去することができるので、これを通過する発
光に生ずる損失を大幅に減少させることができる。従っ
て、前述と同様に処理領域における発光強度の僅かな変
動もほぼ確実に捕えることができる。以上の理由によ
り、従来検出が困難であった開口率の低い被処理体のエ
ッチング終点等も確実に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る処理装置を示す概略構成図であ
る。

【図２】第１の発明の特長とする移動機構を設けた光学
系を示す概略構成図である。

【図３】第２の発明の特長とする付着物除去手段を示す
概略構成図である。

【図４】アルゴンガスの発光スペクトルの一部を示すグ
ラフである。

【図５】活性種と反応生成物の発光強度とこれら発光強
度の比の時間的変化を示すグラフである。

【図６】付着物除去手段の変形例を示す概略構成図であ
る。

【図７】発光強度に特定の演算を施すときの演算を説明
するための図である。

【図８】ＣＦ₂ ラジカルの発光強度の変化を示す特性図
である。

【符号の説明】

２プラズマ処理手段（処理手段）３光学系４モニタ手段５処理系６真空チャンバ（反応容器）８，１０電極１４高周波電源１６半導体基板（被処理体）２８観察窓３０付着物除去手段３２セラミックヒータ（加熱手段）３４ヒータ電源３６熱電対３８制御部４０集光レンズ４２レンズ容器４４ハーフミラー４６第１干渉フィルタ４８第１光電変換器５０第２干渉フィルタ５２第２光電変換器５４移動機構５６基台５８昇降手段６０Ｚテーブル６４Ｙテーブル６８Ｘテーブル７８判定部８８オーバエッチングタイマ回路９０高周波電源制御回路１００局所的プラズマ発生機構Ａ処理領域Ｆ焦点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３発光ピーク点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理手段からの発光をモニタするモニタ
手段を有する処理装置において、前記モニタ手段の前段
に、前記処理手段からの発光を集光する集光レンズと前
記集光レンズからの光を光案内媒体を用いることなく直
接導入して光電変換する光電変換器とを有する光学系を
備えるように構成したことを特徴とする処理装置。
【請求項２】処理手段からの発光を、外部のモニタ手
段へ向けて通過せしめる観察窓を有する処理装置におい
て、前記観察窓に、これに付着する付着物を除去するた
めの付着物除去手段を設けるように構成したことを特徴
とする処理装置。
【請求項３】前記付着物除去手段は、前記観察窓を加
熱する加熱手段よりなることを特徴とする請求項２記載
の処理装置。
【請求項４】前記付着物除去手段は、前記観察窓に巻
回された高周波コイルを有する局所的プラズマ発生機構
よりなることを特徴とする請求項２記載の処理装置。