JPH07263180A - プラズマ測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマの均一性の確保と非接触によるプラ
ズマ中の電子密度の測定を同時に達成する。 【構成】 マイクロ波を真空容器中に導入しプラズマを
発生させるとマイクロ波の一部は該プラズマに吸収され
るが，一部はプラズマに反射される。この反射マイクロ
波の量は円偏波変換手段の導波管への取付角度により変
化し，ある取付角度で極小（最適値）となる。このよう
な反射マイクロ波の量は，反射マイクロ波測定手段によ
り測定され，適宜の駆動手段により円偏波変換手段が，
反射マイクロ波の量が最小となる角度に取り付けられ
る。その取付角度に基づいてその時のプラズマ電子密度
が算出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，プラズマにより生成さ
れるプラズマ粒子を被処理物に照射してエッチング，ス
パッタリング，ＣＶＤ等の精密処理を行うプラズマ処理
装置におけるプラズマ測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８はＥＣＲエッチング装置３０の模式
図であり，真空容器１を中心として，該真空容器１内に
磁場を印加するための磁気コイル１０ａ，１０ｂが真空
容器１の中心軸と同心に配置されると共に，真空容器１
の中心軸上の上端にはマイクロ波導入窓２が設けられ，
マイクロ波電源５からのマイクロ波を真空容器１内に導
入する導波管路１４が接続されている。真空容器１内に
設置された支持台１１上にはエッチング処理するための
基板１２が載置されており，真空容器１内は排気ポート
４から真空排気されて所定の真空状態に保たれる。上記
真空容器１内に磁場を印加する各磁気コイル１０ａ，１
０ｂには，同一方向に直流励磁電流が流されるので，各
磁気コイル１０ａ，１０ｂの半径方向に均一な磁束密度
で真空容器１内の中心軸方向に磁場が印加される。前記
導波管１４は，マイクロ波電源５から供給されるマイク
ロ波をマイクロ波導入窓２から真空容器１内に均一な電
力密度分布で導入するために，コーナー導波路６，ステ
ップ変換器７，円偏波変換器（ポーラライザ）８，ホー
ンアンテナ９を備えて構成されている。この導波管路１
４を伝播するマイクロ波は，直線偏波矩形モードのマイ
クロ波をコーナー導波路６で進行方向を変えた後，ステ
ップ変換器７によって直線偏波円形モードに変換し，更
に円偏波変換器８によって円偏波円形モードに変換し
て，ホーンアンテナ９からマイクロ波導入窓２を通して
真空容器１内に放射される。上記のように磁場と高周波
電場とが印加された真空容器１内にガス導入ポート３か
ら処理ガスを導入すると，電子サイクロトロン共鳴によ
って処理ガスはＥＣＲ領域１３においてプラズマ化し，
イオン，ラジカル等のプラズマ粒子が生成される。この
プラズマ粒子は磁力線の方向に流れて，支持台１１上に
載置された基板１２に照射され，基板１２に対してエッ
チング処理を行うことができる。

【０００３】現在の半導体素子の製造工程の中で，プラ
ズマを用いた薄膜形成および微細加工は非常に重要な役
割を果たしており，特に安定した加工精度・品質を得る
ために，プラズマを均一化・安定化させることは技術的
に重要な課題である。一方，プラズマ処理装置の反応室
は一般には真空容器で構成されており，薄膜形成および
微細加工を行う際には真空容器の壁面に反応物資が付着
・堆積する。このような真空容器の壁面の汚染はプラズ
マに影響を与え，プラズマを不均一・不安定にする要因
となっている。真空容器の壁面の汚染はプラズマ処理に
おいて不可避なものであり，従って特に半導体素子の量
産においてはプラズマの経時変化を追跡し，量産におけ
る品質基準から逸脱する直前で効率よく真空容器を洗浄
して初期状態に復帰させることが重要である。この経時
変化の追跡は，従来，各製造工程において，量産する半
導体素子が形成されるシリコンウエハと同じ品質の検査
用ウエハ（以下ダミー・ウエハ）をある一定期間ごとに
挿入し，薄膜形成および微細加工の品質を定期的に検査
することで行われている。しかし，このような経時変化
の追跡方法は，非常に多くの商品価値のないダミーウエ
ハを多量に消費し，また適切な真空容器の洗浄時期の特
定にも一定の誤差を伴うことから，真空容器中のプラズ
マの状態を随時観測できる方法が求められてきている。
従来，上記のようなプラズマの状態の経時変化を測定す
る手段としては，以下のような測定方法が用いられてき
た。 ラングミュアプローブ法：真空容器内のプラズマに金
属の短針を挿入し，外部から短針に直流電圧を印加・挿
引して得られた電流・電圧特性からプラズマ中の電子密
度，電子温度，等を推定する。 発光分光法：プラズマから発する各種ガス分子の発光
スペクトルを測定し，プラズマの密度・温度を推定す
る。 マイクロ波法：プラズマ中にプラズマ生成用のマイク
ロ波とは別のマイクロ波を入射し，その透過波あるいは
反射波からプラズマ密度を推定する。

【０００４】しかし，これらの方法はすべて測定用の装
置をプラズマ処理装置と独立に設けねばならず，またラ
ングミュア・プローブのように金属の短針をプラズマ中
に挿入すると，短針表面の物質がプラズマのイオンによ
りスパッタされ，試料基板上に付着して素子の性能を低
下させる可能性がある。また，発光分光法ではプラズマ
中の複雑な効果の重ね合わせとして発光スペクトルの挙
動が観測されるために，プラズマ中のどのパラメータ
（電子密度，電子温度，等）が変化したのかを同定する
ためには使用するガスごとに複雑な解析が必要である。
マイクロ波法を用いた方法では，プラズマ中の電子密度
を非接触で測定できる利点を持つが，測定用の装置およ
び観測用の光学窓を新たに設置する必要がある。そこ
で，図２に示されるようなプラズマ中の電子密度測定方
法が開発された。これはマイクロ波導入用の導波管２４
に反射マイクロ波の反射強度と位相を測定する手段２６
を設け，上記導波管２４をマイクロ波導入用と測定用と
で共用することにより測定計による装置の大型化を防
ぎ，図３に示すように反射波と入射波との位相差からプ
ラズマの電子密度を測定する方法である。一方，エッチ
ング，スパッタリング，ＣＤＶ等に用いるプラズマ処理
装置では，前記のように処理層を均一化する必要がある
が，このためにはプラズマ中の電子密度を均一化させる
必要がある。図２に示す導波管２４と同じ導波管を用い
てプラズマ密度を均一化する手段として，図４，図５に
示される装置が開発された。この装置３０′では図４に
示すマイクロ波の円偏波変換器４１内にある図５に示す
誘電体板５２（円偏波変換手段）を可動にし，反射マイ
クロ波の強度を図４の測定手段４２で測定する。そし
て，最適な誘電体の設置角度を，図６に示すよううな反
射マイクロ波の強度が最小となる点で決定し，プラズマ
の均一性を各プロセス条件の変化に対応して確保してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように，実際のプ
ラズマ処理はプラズマが均一に発生するよう配慮され
る。従って真空容器の壁面の汚染度を測定するためにプ
ラズマ中の電子密度を測定する場合にも，プラズマが均
一に発生する状態下において測定する必要がある。この
ような条件を満たすには，単純に考えれば図２に示す装
置と図４に示す装置を合体させればよいが，これでは測
定手段２６と４２の両方が必要であり，装置の大型化，
コスト高は避けられない。本発明はかかる問題点の解消
を目的とするものであり，前記円偏波変換器４１の導波
管７への取付角度とプラズマ中の電子密度との間には一
定の相関があるとの本発明による知見に基づき，前記円
偏波変換器４１の取付角度を反射マイクロ波の強度に基
づいてプラズマが均一に生じる角度に調整すると共に，
その角度における電子密度を上記相関に基づいて演算す
るものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち，本発明は，磁場の
印加された真空容器に接続された導波管に，該導波管中
を伝播するマイクロ波を円偏波に変換する円偏波変換手
段が，該導波管に対する取付角度可変に設けられ，円偏
波に変換されたマイクロ波を処理ガスが導入された前記
真空容器内に供給することにより，前記処理ガスをプラ
ズマ化するプラズマ処理装置におけるプラズマの測定方
法において，前記導波管内の前記円偏波変換手段よりマ
イクロ波の導入方向上流部に，前記真空容器内からのマ
イクロ波の反射波の強度を測定する反射波測定手段を設
け，該反射波測定手段からの測定信号に基づいて前記反
射波の強度が最小となるように前記円偏波変換手段の導
波管に対する取付角度を調整し，その時の上記取付角度
に基づいてプラズマ処理粗におけるプラズマ中の電子密
度を演算することを特徴とするプラズマ測定方法として
構成されてる。

【０００７】

【作用】マイクロ波を真空容器中に導入しプラズマを発
生させると，マイクロ波の一部は該プラズマに吸収され
るが，一部はプラズマに反射される。この反射マイクロ
波の量は円偏波変換手段の導波管への取付角度により変
化し，ある取付角度で極小となる。このような反射マイ
クロ波の量は，反射マイクロ波測定手段により測定さ
れ，適宜の駆動手段により円偏波変換手段が，反射マイ
クロ波の量が最小となる角度に取り付けられる。そして
上記円偏波変換手段の導波管への取付角度に基づいてそ
の時のプラズマ電子密度が算出される。この算出は経験
的に得られたデータを用いてもよく，また理論式に基づ
くものであってもよい。

【０００８】

【実施例】以下，この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例に用いるプラズマ処理
装置の概略構成図である。プラズマ処理装置２０は，真
空容器１内に磁気コイル１０ａ，１０ｂにより磁場を印
加するとともに，マイクロ波導入窓２からマイクロ波を
供給して，ガスポート３から導入した処理ガスをプラズ
マ化し，プラズマにより生成されるイオン，ラジカルを
支持台１１上に載置された非処理物である基板１２に照
射して，エッチング処理を行うことができるように構成
されている。真空容器１の所定位置に設けられたマイク
ロ波導入窓２から真空容器１内にマイクロ波を導入する
ために，マイクロ波電源５からマイクロ波導入窓２間に
導波管１９が形成されている。マイクロ波電源５から発
生した直線円偏波モードのマイクロ波は，自動整合機１
７が配備された矩形導波管１８からコーナー導波路６に
入って進行方向を直角方向に変え，ステップ変換器７に
よって直線偏波円形モードに変換される。さらに，次段
の円偏波変換器（円偏波変換手段）１５によって円偏波
円形モードに変換された後，マイクロ波導入窓２に接続
されたホーンアンテナ９から真空容器１内に供給され
る。上記導波路１９内に配置された円偏波変換器１５
は，図５に示す円偏波変換器４１と同じものであり，図
５に示すように円形導波管５１内に石英ガラス等により
形成された誘電体板５２が（円偏波変換手段）円形導波
管５１の中心軸を中心として回動可能に設置して構成さ
れている。誘電体板５２の長さは，該誘電体板５２内を
長辺方向に通過したマイクロ波が誘電体板５２外を通過
したマイクロ波より９０度位相が遅れるように，誘電体
板５２を形成する材料の誘電率を勘案して決定する。こ
のように構成された円偏波変換器１５を導波管路１９中
に配置して，誘電体板５２の角度を調整することによ
り，ホーンアンテナ９から真空容器１内に供給されるマ
イクロ波は，円周方向に均一化された同心円状の電力密
度分布として放射される。

【０００９】ここで，誘電体板５２の設置角度は，導波
管１９に配置したコントロール系１６によって制御され
る。反射マイクロ波の反射率および位相を測定する手段
１６ａから演算機能を備えたコントローラ１６ｂへ随時
反射マイクロ波の測定結果が転送される。コントローラ
１６ｂは上記誘電体板５２を随時回転させ，その都度測
定手段１６ａから随時転送される上記反射マイクロ波の
測定結果を受信し，この結果をもとに図６に示す反射率
最小となる最適な誘電体の設置角度に誘電体板５２を制
御する。上記のようなプラズマに対する誘電体板５２の
設置角度の最適化の動作が終了した時点で，コントロー
ラ１６ｂは電子密度演算装置１６ｃに最適な設置角度の
値を転送する。電子密度演算装置１６ｃは予め図７のよ
うな最適な設置角度と電子密度の数値的な相関関係を記
憶しており，最適な設置角度の値から電子密度を演算
し，手段装置１６ｄに結果を転送する。上記図７に示す
相関関係は，種々の取付角度時におけるプラズマ電子密
度をラングミュアプローブ法等の従来の測定方法により
予め測定しておいたデータを用いる。

【００１０】この発明により，常にプラズマ中の電子密
度を測定することができ，例えば異常放電の発生，マイ
クロ波やコイルの故障等の異常を速やかに発見すること
ができる。また，ウエハ一枚毎のプラズマの状態を記憶
しておけることから，製造した電子素子に何らかの異常
があった場合，原因究明に役立てることができる。さら
に，プラズマ処理中に発生した反応生成物の付着により
真空容器１の内壁の状態が変化すると，プラズマ中の電
子密度が変化するため，適切なクリーニング時期を検出
することができる。上記図７に示すような相関関係は，
必要に応じて理論的に求めた式により算出してもよい。
図１における出力装置１６ｄをプラズマ処理装置２０全
体の制御装置Ａに置き換え，上記制御装置Ａによりマイ
クロ波電源５，コイル１０の電源，等を制御するように
設定すると，電子密度演算装置１６ｃからの結果によ
り，例えば電子密度が低下した場合はマイクロ波の出力
を制御して電子密度をもとの状態へ戻すことができる。
従って，例えばプラズマ処理中に発生した反応生成物の
付着により真空容器１の内壁の状態が変化したり，マイ
クロ波電源の異常により入射マイクロ波の電力が低下し
た等の場合に，プラズマの状態を一定に保つことができ
るので，高品質なプラズマ処理を長時間行うことができ
る。

【００１１】

【発明の効果】本発明により，いかなるプラズマ状態に
おいてもプラズマの均一性を確保し，かつプラズマ中の
電子密度を測定することができる。この際，導波管に測
定装置を２種類以上付加することなく装置の大型化，コ
ストアップを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る測定方法を実施する
装置例を示す模式図。

【図２】 従来のプラズマ処理装置の一例を示す模式
図。

【図３】 反射マイクロ波の位相差と発生プラズマの電
子密度の関係を示すグラフ。

【図４】 従来のプラズマ処理装置の他の例を示す模式
図。

【図５】 円偏波変換器の構造の一例を示す斜視図。

【図６】 誘電体板（円偏波変換手段）の取付角度とマ
イクロ波の反射率との関係を示すグラフ。

【図７】 マイクロ波の反射率が最小となる（最適値）
誘電体板の取付角度とプラズマ中の電子密度の関係を示
すグラフ。

【図８】 従来のプラズマ処理装置の更に別の例を示す
模式図。

【符号の説明】

１…真空容器 ２…マイクロ波導入窓 １３…プラズマ領域 １４…導波管（導波管路） １２…基板 １６…コントロール弁 １６ａ…反射率及び位相を測定する手段 １６ｂ…コントローラ １６ｃ…電子密度演算装置 １６ｄ…出力装置 ５２…誘電体板（円偏波変換装置）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁場の印加された真空容器に接続された
   導波管に，該導波管中を伝播するマイクロ波を円偏波に
   変換する円偏波変換手段が，該導波管に対する取付角度
   可変に設けられ，円偏波に変換されたマイクロ波を処理
   ガスが導入された前記真空容器内に供給することによ
   り，前記処理ガスをプラズマ化するプラズマ処理装置に
   おけるプラズマの測定方法において，前記導波管内の前
   記円偏波変換手段よりマイクロ波の導入方向上流部に，
   前記真空容器内からのマイクロ波の反射波の強度を測定
   する反射波測定手段を設け，該反射波測定手段からの測
   定信号に基づいて前記反射波の強度が最小となるように
   前記円偏波変換手段の導波管に対する取付角度を調整
   し，その時の上記取付角度に基づいてプラズマ処理装置
   におけるプラズマ中の電子密度を演算することを特徴と
   するプラズマ測定方法。