JPH0622217B2 - 表面処理装置及び表面処理方法 - Google Patents

表面処理装置及び表面処理方法

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JPH0622217B2
JPH0622217B2 JP9644984A JP9644984A JPH0622217B2 JP H0622217 B2 JPH0622217 B2 JP H0622217B2 JP 9644984 A JP9644984 A JP 9644984A JP 9644984 A JP9644984 A JP 9644984A JP H0622217 B2 JPH0622217 B2 JP H0622217B2
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定之 奥平
茂 西松
敬三 鈴木
健 二宮
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917Plasma diagnostics
    • H01J37/32935Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は導波路を用いたマイクロ波プラズマを利用する
装置において、エツチングあるいはデポジシヨンをモニ
タするに好適なプラズマ中の発光あるいは試料表面の膜
による干渉光を導波管に開孔した窓から導出する装置に
関する。
〔発明の背景〕
従来のマイクロ波を用いたプラズマ発生装置はマイクロ
波伝播のため導波管が用いられており、導波管には光が
透過できる壁がなかつたので、第1図のごとく導波管以
外の窓からプラズマ中の光をとり出さなければならない
ような欠点があつた。特に導波管の中でプラズマが閉じ
込められている場合には、試料近傍の発光を観測するこ
とができないという欠点があった。また試料表面の薄膜
の干渉色を見ることができない欠点があつた。
〔発明の目的〕
本発明の目的はマイクロ波プラズマを用いる装置におい
て、プラズマ中の発光あるいは干渉光を効率よく採光
し、エツチングあるいはデポジションの状況を精度よく
モニタリングする技術および装置を提供することにあ
る。
〔発明の概要〕
従来のマイクロ波プラズマ発生装置は、プラズマ発生部
と試料処理室で構成されており、プラズマ発生部から処
理室に拡散あるいは輸送されたプラズマの光を処理室に
設けた窓から採光する方法がとられていた。この場合最
も強いプラズマ発生部の光を採光することができず、特
にガス圧力が高い場合にはプラズマが輸送中に減衰し
て、処理室のプラズマ発光が見えなくなることがあつ
た。最近ではプラズマ発生部の近傍で試料を処理するこ
とがあり、この場合には第2図のごとくプラズマ発生が
外から見ることができなくなる。すなわち採光する窓が
ないため、光モニタが不可能になる。導波感に穴を開孔
すると採光可能となるが、マイクロ波が漏洩するので、
漏洩防止シールドが必要となる。またプラズマの発光を
採光する場合に、採光窓の位置により光の強度の差や、
発光スペクトルの差が発見された。
本発明の要旨は、次の二つにある。
(1)マイクロ波を用いて発生させたプラズマにより試
料を表面処理する表面処理装置において、前記マイクロ
波を伝播させる導波管又はその内部で前記プラズマが発
生する放電チャンバの壁面を構成する部材の一部に、前
記導波管内または前記放電チャンバ内から前記導波管外
又は前記電チャンバ外へ前記マイクロ波の漏洩を防ぎ、
かつ、前記プラズマ中からの発光光を前記導波管外また
は前記放電チャンバ外へ透過するための第一の手段を有
することを特徴とする表面処理装置。
(2)容器内に試料を準備し、導波管を伝播させて前記
容器にマイクロ波を供給し、前記マイクロ波を用いて発
生させたプラズマにより前記試料を表面処理し、前記表
面処理中に、前記容器内又は前記導波管内から前記容器
外又は前記導波管外への前記マイクロ波の漏洩を防ぎつ
つ、前記プラズマ中の発光光を採光し、採光した前記発
光光に基づいて前記表面処理の終点を検知することを特
徴とする表面処理方法。
〔発明の実施例〕
以下本発明の実施例を第3図により説明する。本装置の
構成はマイクロ波発生部となるマグネトロン1、マイク
ロ波回路2、放電部3が基本構成であり、放電管3の中
の領域放電部4は一般には一度真空排気されたあとに、
エツチングあるいはデポジションに適合するガスが減圧
状態で流入され、上記1,2,3を径たマイクロ波によ
つて放電状態(プラズマ)となつている。ここでプラズ
マ発生効率を向上させるため、あるいは低ガス圧力(1
−2Torr以下)でも強いプラズマを発生させるた
めに、外部から磁場を与えるための電磁石または永久磁
石5がとりつけることがある。磁場によつてエレクトロ
ン・サイクロトロン・レゾナンス (ECR)状態にすること
も可能である。上記プラズマは活性ガスあるいは不活性
ガスによる非平衡プラズマであつて、プラズマ中の活性
種あるいはイオンをエツチングあるいはデポジシヨン反
応に有効に利用することになる。加工される試料6はプ
ラズマ発生部の近傍に位置した試料台7a、あるいはプ
ラズマ発生部から離れた位置の試料台7bに置かれる。
エツチングの場合でも、膜形成の場合でも試料6の表面
が加工される状況を測定する手段は、加工の制御上重要
である。加工状況を測定することをモニタリングと呼
ぶ。モニタリングの手段としてはプラズマ中の発光計
測、試料表面の膜厚計測にもとずく測定手段がある。マ
イクロ波プラズマ発生部は光を不透過にする導波管で覆
われているため、上記測定手段が活用できないことにな
る。本発明では試料面に垂直な方向にある導波管の一部
に光透過用の窓8、あるいは試料上部のプラズマ発光を
透過させるための窓9を設けた。ここで外部磁場を用い
た装置構成の場合には、電磁石あるいは永久磁石5の一
部に開孔を設けるのがよい。本実施例では窓8,9の穴
の径を1〜5mmの範囲で採光したが、いずれの場合もマ
イクロ波の漏洩が観測された。5mm以上の径の窓の場合
もマイクロ波の漏洩は起こり得る。したがつて、採光を
妨げない程度で、マイクロ波漏洩を防ぐための金属メツ
シュで窓の部分を覆つた。メツシュはかなり粗であつて
も支障はなかつた。またメツシュの代りに網入りガラス
で覆つても同一の効果でマイクロ波漏洩が防止できた。
網入りガラスの利点は、放電管3あるいは放電管と容器
フランジとの間の真空シール部を冷却するために導波管
内に冷却ガス(通常Nガス、または空気)を流す場合
に、採光窓から冷却ガスが漏れ出ることがない点にあ
る。しかし通常の網入りガラスの場合には、プラズマ発
光波長検出範囲が狭くなる。すなわち紫外波長の透過率
が悪いので、広範囲波長を検出する場合には網入り石英
ガラスと金属メツシユを重ねた構造でも同じで、マイク
ロ波漏洩防止可能であつた。
第4図は採光窓の位置によつてモニタリング効果を説明
する図である。試料11の面に垂直方向の窓10aと並
行方向にある窓10bを例として説明する。マイクロ波
で励起されたプラズマは容器12の領域から等方的に発
光するので、どの方向から採光しても、プラズマを観測
することができることは云うまでもない。しかし放電容
器12の中のプラズマはかならずしも均一でない。それ
は放電強度の不均一性、ガスの流れの不均一性、さらに
試料や容器の壁の近傍で発生する新たな反応生成物ガス
の濃度変化があるからである。特に試料をエツチングす
る場合には、エツチング反応生成物が試料11から発生
し、マイクロ波によつて励起、解離励起、イオン化され
る。プラズマ中のガスが第4図のごとく、試料台13の
下の方向14に排気される装置構成の例では、反応生成
物ガスの発光空間分布は容器12の下部15で強く、上
部16ほど弱くなる。したがつて反応生物の発光をモニ
タリングする場合には採光窓を10bの位置から行うと
効率よく、10aの位置では反応生成物の発光に比べ
て、流入ガスの発光強度が強いスペクトルが得られる。
例えばシリコン(Si)およびシリコン化合物をフツ素
(F)系ガスでエツチングしたとき、反応生成物が解離
励起したと考えられるSiFの発光スペクトル(波長44
00Åなど)が観測されるが、10aと10bでは第5図
のそれぞれ(a),(b)のスペクトルとなる。採光窓が10
bの位置のとき、SiF(波長4400Å)が他スペクトル
より相対的に強いことがわかる。この事実はモニタリン
グの検出感度を向上させることを意味している。すなわ
ち試料表面のエツチングされるべき面積が小さくなつた
場合には、モニタ波長が他のスペクトルに比べて小さく
なるので、S/N値が小さくなるが、採光窓の位置によ
つて改善することができる。この効果は他の材料(A
l,Al合金、W,W合金、Mo、Mo合金、Ta,T
a合金)をエツチングする場合も同じである。また反応
生成物ガスの発光スペクトルでモニタせず、エツチヤン
トガスや、その解離元素の発光スペクトルでモニタする
場合でも、できるだけ試料近傍のプラズマ発光だけを採
光する方向に窓をとりつけるのが有利である。もちろん
上部採光窓10aからプラズマ全体からの発光を検出し
てもモニタリングは可能である。
一方モニタリング方法を試料の膜厚変化を検出する場合
には、試料表面に垂直な方向10aからの採光が有利で
ある。この場合にはレーザなどの入射光も必要となるの
で、採光窓と入射光窓を複数箇所に設けたが、入出光を
同一窓で兼ねることも可能である。装置的には複数の採
光窓を備えておけば、使用しない窓はプラズマの発光や
色を観視する目視用窓として利用することができる。特
に採光窓をプラズマに対して対称に設けておけば、プラ
ズマ外部から一方の窓を径て光またはレーザを入射さ
せ、他方の窓で入射光の減衰や他スペクトルを観測する
ことが可能になる。
以上の実施例で示した装置構成以外に第6図のごとくマ
イクロ波イオン源にしばしば用いられている放電管部と
マイクロ波回路が一体となつている場合にも、放電部1
7の発光を金属壁18の一部に採光窓19を設けるこ
と、導波管部に採光窓20を設けることは本実施例と同
じである。
以下に採光窓を経た光を検出するまでの経路および処理
方法を説明する。上記実施例で設けた透光窓は装置構成
において、直接分光器に光を導くことが困難な場合が多
い。各透光窓から分光器までの間を光フアイバーで結ぶ
と採光窓の位置によらず効率よく発光スペクトルを分光
器に導くことができる。分光器の代りに光フイルタとし
ても同じである。この場合光フアイバに石英フアイバを
用いれば波長検出範囲が広くなることは云うまでもな
い。第7図はプラズマ全体の発光強度を採光窓21から
とり出し、光フアイバ22を介して、分光器あるいは光
フイルタ23、あるいは全波長領域の光を直接受光する
光センサ24の信号をマグネトロン電源25、あるいは
ガス流量調整器26、排気量調整器27に帰還し、プラ
ズマの発光強度を安定に保つ構成である。また採光窓2
8からも光フアイバ22′介して、分光器あるいは光フ
イルタ23′によつて、モニタに適する波長を検知する
光センサ24′の信号を、モニタ信号処理器29で処理
し、所定の処理が終つた時点を判定したときマグネトロ
ン電源25を切る自動終点のシステムを備えることも可
能である。
〔発明の効果〕
本発明によればエツチングやデポジシヨン装置における
モニタリング可能となり、モニタ精度を向上させること
ができるので、半導体プロセスをはじめ、各種表面微細
加工プロセスにおける信頼度の高い加工技術が得られ、
製品の歩留り向上の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のバツチ式マイクロ波プラズマエツチング
装置の断面図、第2図は従来の枚葉式マイクロ波プラズ
マ装置の断面図、第3図は本発明マイクロ波プラズマ装
置の断面図、第4図は放電部の採光窓の関係の説明図、
第5図は放電容器上部(a)、放電容器側部(b)で得られる
発光スペクトルの図、第6図はマイクロ波イオン源の断
面図、第7図は発光スペクトルを利用した制御方式の構
成図である。 1……マグネトロン、2……マイクロ波回路、3……放
電管、4……放電部、5……電磁石または永久磁石、6
……試料、7a,7b……試料台、8,9……採光窓、
10a,10b……採光窓、11……試料、12……放
電容器、13……試料台、14……排気方向、15……
放電部下部領域、16……放電部上部領域、17……放
電部、18……金属壁、19,20……採光窓、21,
28……採光窓、22,22′……光フアイバ、23,
23′……分光器あるいは光フイルタ、24,24′…
…光センサ、25……マグネトロン電源、26……ガス
流量調整器、27……排気量調整器、29……モニタ信
号処理器。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マイクロ波を用いて発生させたプラズマに
    より試料を表面処理する表面処理装置において、前記マ
    イクロ波を伝播させる導波管又はその内部で前記プラズ
    マが発生する放電チャンバの壁面を構成する部材の一部
    に、前記導波管内または前記放電チャンバ内から前記導
    波管外又は前記放電チャンバ外へ前記マイクロ波の漏洩
    を防ぎ、かつ、前記プラズマ中からの発光光を前記導波
    管外または前記放電チャンバ外へ透過するための第一の
    手段を有することを特徴とする表面処理装置。
  2. 【請求項2】前記第一の手段は前記導波管の一部に開け
    た穴に付設した金属メッシュ、メッシュ入りガラスまた
    はメッシュ入り石英であることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の表面処理装置。
  3. 【請求項3】前記第一の手段から採光した光を分光する
    ための第二の手段を有することを特徴とする特許請求の
    範囲第1項又は第2項記載の表面処理装置。
  4. 【請求項4】前記第二の手段は分光器又は光フィルタで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の表面
    処理装置。
  5. 【請求項5】前記第一の手段と前記第二の手段との間
    に、前記第一の手段から前記光を採光し、前記第二の手
    段に導入するための第三の手段を有することを特徴とす
    る特許請求の範囲第3項又は第4項記載の表面処理装
    置。
  6. 【請求項6】前記第三の手段は光ファイバーであること
    を特徴とする特許請求の範囲第5項記載の表面処理装
    置。
  7. 【請求項7】容器内に試料を準備し、導波管を伝播させ
    て前記容器にマイクロ波を供給し、前記マイクロ波を用
    いて発生させたプラズマにより前記試料を表面処理し、
    前記表面処理中に、前記容器内又は前記導波管内から前
    記容器外又は前記導波管外への前記マイクロ波の漏洩を
    防ぎつつ、前記プラズマ中の発光光を採光し、採光した
    前記発光光に基づいて前記表面処理の終点を検知するこ
    とを特徴とする表面処理方法。
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