JPH0964159A - プラズマ処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プロセス処理のバラツキを低減する。 【構成】マイクロ波導入前後の真空容器６７内の光量を
光電子倍増管７３により電気信号として測定し、これら
２つの電気信号を比較して真空容器６７内におけるプラ
ズマの生成を確認する。その後、試料裏面への冷却ガス
の供給および試料台６８へのバイアス電圧の印加を行な
い、プロセス処理を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ処理方法および
装置に係り、特にモノポール式の静電チャックを用いて
保持した試料をプラズマ処理するのに好適なプラズマ処
理方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、静電チャックを用いた装置として
は、例えば、特開昭６２−５４６３７号公報に記載のよ
うに、電極に印加される電圧を検出する手段を設け、電
圧の値から被処理物の着脱状態を検出することにより、
被処理物の落下あるいは未接着等の異常状態を検出し
て、信頼性を向上できるようにしたものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】プラズマを利用したサ
ブミクロン対応の半導体製造プロセスにおいては、異物
低減等の目的から試料台上には被処理物であるウエハ以
外の物、例えば、ウエハを保持するためのウエハ押さえ
等の物体を配置しないでウエハを試料台に保持し、処理
することが望まれる。

【０００４】また、プラズマの熱からウエハを保護する
ために、ウエハと試料台の間に冷却ガスを流し、ウエハ
と試料台の間で熱交換を行わせてウエハを冷却する必要
がある。

【０００５】このようなことから、例えばプラズマを用
いたエッチング装置では、上記従来技術のような静電チ
ャック、特にモノポールタイプのものを用いた場合、プ
ラズマの着火確認を行う機能が無いため時間制御にてプ
ロセス処理を行う必要があり、場合によってはウエハが
試料台に吸着・保持されていない状態でプロセス処理を
実行してしまう可能性があった。

【０００６】また、前述の時間制御の場合、ウエハ毎に
実効的な処理時間の違いが発生する可能性があり、処理
結果にばらつきが生じて歩留まりを悪くする可能性があ
った。

【０００７】本発明の第１の目的は、プロセス処理のバ
ラツキを低減することのできるプラズマ処理方法および
装置を提供することにある。

【０００８】本発明の第２の目的は、確実な試料保持を
行なうことのできる試料保持方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的は、処理
ガスが供給されるとともに所定圧力に減圧排気される真
空室と、真空室内の処理ガスをプラズマ化する手段と、
真空室内に設けられた試料台と、試料台に配置される試
料を静電吸着保持する手段と、試料台の試料配置面に開
口され試料の裏面に伝熱ガスを供給する手段と、真空室
内に生成されるプラズマの発光量を測定する手段と、プ
ラズマの生成前と後の発光量を比較しプラズマの着火を
確認する手段とを具備した装置とし、真空室内にプラズ
マを発生させるとともに、試料台に静電吸着電圧を印加
して試料台に配置した試料を静電吸着保持し、プラズマ
によって試料を処理するプラズマ処理方法において、プ
ラズマの着火を確認した後に、試料裏面への伝熱ガスの
供給および試料台へのバイアス電圧の印加を行なう方法
とすることにより、達成される。

【００１０】上記第２の目的は、真空室内でプラズマを
発生させるとともに試料台に静電吸着用電圧を印加し
て、試料台に配置した試料を静電吸着保持するモノポー
ル式の静電吸着による試料保持方法において、プラズマ
の発光量を検出してプラズマの着火を確認することによ
り、達成される。

【００１１】

【作用】プラズマ発生用電力を印加する前と後のプラズ
マの発光量とを比較して、プラズマが生成されたか否か
を確認する。プラズマが生成されたことの確認により、
モノポール式の静電吸着に必要な電気回路の形成が行な
われたことの確認ができ、これにより、静電吸着が実施
されるとともにプロセス処理を行なうための試料裏面へ
の伝熱ガスの供給および試料台へのバイアス電圧の印加
等が行なわれ処理がが開始される。これにより、確実な
試料保持が行なえるとともに、プラズマ生成の時点をプ
ロセス処理の開始時点として条件設定することができ、
プロセス処理のバラツキを低減できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図３に
より説明する。図１はプラズマ処理装置の一実施例を示
す。図２は図１におけるプラズマ生成部の詳細示した図
である。本実施例はプラズマを生成する手段としてマイ
クロ波と磁界を利用した例である。６１はマイクロ波を
発生するマグネトロン、６２はマイクロ波を伝播する矩
形の導波管、６３は円矩形変換導波管、６４は円筒空洞
部、６４１は円筒空洞部６４の天板、６５は磁場を発生
するソレノイドコイル、６６はマイクロ波透過窓（例え
ば石英平板）、６７は真空容器、６８は被処理物の試料
であるウエハを配置する試料台、６９は試料台を上下に
移動させる駆動機構、６１０はプラズマ処理、例えば、
エッチング時に試料台に高周波バイアス電圧を印加する
ための高周波電源、６１１は処理ガス、例えば、エッチ
ングガスを真空容器６７に導入するためのシャワープレ
ート、１１１はシャワープレート６１１に設けられたガ
ス吹き出し口、１１２はガス導入経路、６１２は真空容
器６７内の圧力の調整を行うバリアブルバルブ、６１３
は真空容器６７を真空に減圧するためのタ−ボ分子ポン
プ、６１４は粗引用の真空ポンプ、６１６は試料台に配
置されるウエハを静電吸着させるための静電吸着電源、
７１はプラズマからの発光を取り入れるためのファイバ
ケーブル、７２は分光器、７３は光電子倍増管、７４は
制御装置である。

【００１３】バッファ室３の下部には下部容器３１が取
り付けられている。下部容器３１にはバッファ室３の開
口に対応して試料台６８が設けられている。下部容器３
１は途中にバリアブルバルブ６１２を有し、下部容器３
１の端部にはターボ分子ポンプ６１３が設けられてい
る。ターボ分子ポンプ６１３には粗引用の真空ポンプ６
１４が連結されている。

【００１４】試料台６８には駆動機構６９が設けられ、
試料台上部が上下動可能となっている。試料台６８には
高周波電源６１０が接続され、試料台６８に高周波バイ
アス電圧を印加可能になっている。

【００１５】バッファ室３の上部には、円筒状の真空容
器６７が取り付けられ、真空容器６７の上部開口部には
平板状のマイクロ波透過窓６６が気密に取り付けられ、
真空容器６７とマイクロ波透過窓６６とにってプラズマ
発生室が形成される。マイクロ波透過窓６６の上部に
は、真空容器６７と略同径に構成された円筒壁６４２が
真空容器６７と電気的に接続されて設けられ、円筒壁６
４２の上部開口部には中央に円形の開口部を有する天板
６４１が円筒壁６４２と電気的に接続されて設けられ、
マイクロ波透過窓６６と円筒壁６４２と天板６４１とで
囲まれた円筒空洞部６４が設けられる。天板６４１の中
央の円形開口部には円矩形変換導波管６３が電気的に接
続されて設けられ、円矩形変換導波管６３に続いて導波
管６２およびマグネトロン６１が順次電気的に接続され
て設けられる。

【００１６】マイクロ波透過窓６６の下面には、図２に
示すようにガス吹き出し口１１１を多数有するシャワー
プレート６１１がマイクロ波透過窓６６との間にわずか
な隙間を有して設けてあり、マイクロ波透過窓６６とシ
ャワープレート６１１との隙間にはガス導入経路１１２
が接続されている。

【００１７】バッファ室３には、バッファ室３内の試料
搬送空間である通路と処理室６とを仕切る円筒状の仕切
り弁であるリングゲート１５が設けられている。リング
ゲート１５は、真空容器６７の内径と同径もしくは略同
径に形成され、バッファ室３の下方から組み込まれ、リ
ングゲート１５の中心軸に対称に配置した２つのエアー
シリンダ（図示省略）によって上下方向に駆動される。

【００１８】円筒空洞部６４および真空容器６７の外周
部にはソレノイドコイル６５が設けてある。ソレノイド
コイル６５は、円筒空洞部６４および真空容器６７の外
周部に巻装したソレノイドコイル６５２および６５３
と、円筒空洞部６４の天板６４１上部に配置した内径が
小さく円周方向に巻数を多くしたソレノイドコイル６５
１とから成る。ソレノイドコイル６５１は主磁束用とし
て用いられ、ソレノイドコイル６５２および６５３は磁
力線の制御用として用いられる。さらに、ソレノイドコ
イル６５１，６５２および６５３の外周には、これらソ
レノイドコイルを囲んでヨーク６５４が設けてある。ヨ
ーク６５４のソレノイドコイル６５１に対応した内側上
端部は円筒空洞部６４および真空容器６７の軸心と同心
で、円筒空洞部６４に向けて下方に曲げて形成されてい
る。

【００１９】また、真空容器６７内のプラズマの有無お
よび真空容器６７内にて進行するプロセス状態を監視す
るために、ソレノイドコイル６５３にはその内部を貫通
させてプラズマの発光を測定するためのファイバケーブ
ル７１が気密に組み込まれている。ファイバケーブル７
１は、特定波長の光を選択するための分光器７２に接続
される。分光器７２は、光を電気信号に変換する光電子
倍増管７３に接続され、光電子倍増管７３からの電気信
号は制御装置７４に取り込まれる。

【００２０】真空容器６７の内面側には、図２に示すよ
うに、真空容器６７からの金属汚染をさけるために石
英，セラミックなどの耐プラズマ性の材料で形成された
円筒状の絶縁物カバー６７１を設置してある。また、真
空容器６７の内側には電極である試料台６８近傍に接地
電位の部材であるアース電極６７２を配置する。アース
電極６７２は、接地電位となっているバッファ室３に電
気的に接続され、真空容器６７の内側に向けて真空容器
６７との間に溝部を設けて取り付けられている。アース
電極６７２は、絶縁物カバー６７２によって電気的に絶
縁された真空容器６７とプラズマ６１５との電気導通性
を取る働きをする。絶縁物カバー６７１は、この場合、
真空容器６７の内壁面とアース電極６７２とにより形成
された溝部に落とし込まれて保持される。絶縁物カバー
６７２は、この場合、ソレノイドコイル６５３を貫通し
て設けたファイバケーブル７１へプラズマ光を通すため
に透明な石英製で形成してある。また、絶縁物カバー６
７２が不透明なセラミック製等である場合にはプラズマ
光を通す開口を設ける。

【００２１】上述のように構成された装置において、真
空容器６７内にプラズマを発生させるには、まず、真空
容器６７の内部はターボ分子ポンプ６１３と真空ポンプ
６１４によって減圧される。試料を処理する場合、プロ
セスガスをガス導入経路１１２からマイクロ波透過窓６
６とシャワープレート６１１の間に導入し、シャワープ
レート６１１に設けられたガス吹き出し口１１１から真
空容器６７に導く（図３ステップａ）。真空容器６７の
内部圧力はバリアブルバルブ６１２によって調節され
る。

【００２２】ここで、真空容器６７内にマイクロ波を入
射させてプラズマを発生させる前に、放電を行っていな
いときの真空容器６７内の光量を測定し基準光量とす
る。プラズマ生成前の真空容器６７内の光量の測定に当
たっては、真空容器６７内の光をファイバ７１および分
光器７２を介して光電子倍増管７３に入力し電気信号に
変換する。次に、光電子倍増管７３によって変換された
電気信号を制御装置７４に入力して電気信号強度を読み
取る。これにより、プラズマ生成前の真空容器６７内の
光量Ｐ₀を測定することができる（図３ステップｂ）。

【００２３】プラズマ生成前の真空容器内６７の光量を
測定した後に、マグネトロン６１から設定電流値のマイ
クロ波電流となるマイクロ波を発振させる（図３ステッ
プｃ）。マグネトロン６１から発振した、この場合、
２.４５ＧＨｚのマイクロ波は矩形の導波管６２，円矩
形変換導波管６３を経由し、円筒空洞部６４内に導かれ
る。この場合、導波管６２内は矩形ＴＥ１０モードのマ
イクロ波が伝播され、円矩形変換導波管６３によって円
形ＴＥ１１モードのマイクロ波に変換されて円筒空洞部
６４に導かれる。円筒空洞部６４内に導入されたマイク
ロ波は、マイクロ波透過窓６６，シャワープレート６１
１を経て真空容器６７内に導かれる。一方、真空容器６
７の周囲に設けられたソレノイドコイル６５によって真
空容器６７の内部には、真空容器６７の軸方向の磁界が
形成される。真空容器６７内に導入されたマイクロ波及
びソレノイドコイル６５による磁界の作用によって、プ
ラズマ中の電子は磁界からローレンツ力を受けて旋回運
動を行う。旋回運動の周期とマイクロ波の周波数がほぼ
一致したとき、電子はマイクロ波から効率良くエネルギ
ーを受け取り、電子サイクロトロン共鳴現象（Electron
Cyclotron Resonance、以下「ＥＣＲ」と略す。）によ
って密度の高いプラズマ６１５が生成される。本装置で
は、ＥＣＲ条件を満たす等磁界面（以下「ＥＣＲ面」と
略す。）を真空容器６７の内部に存在させる。この場
合、ＥＣＲ面における磁場の強さは８７５ガウスであ
る。これによって、真空容器６７内に密度の高いプラズ
マ６１５を生成する。

【００２４】プラズマ６１５が生成されたか否かの確認
は、放電前後の真空容器６７内の光量を比較することに
よって行う。設定電流値のマイクロ波電流となるマイク
ロ波をマグネトロン６１から発振した後の真空容器６７
内の光量は、前述したプラズマ生成前の光量測定と同じ
手順で測定する。すなわち、真空容器６７内の光をファ
イバケーブル７１および分光器７２を介して光電子倍増
管７３に入力し、光電子倍増管７３によって電気信号に
変換して制御装置７４に入力し、制御装置７４によって
電気信号強度を読み取る。これによって、プラズマ生成
後の真空容器６７内の光量Ｐ₁を測定できる（図３ステ
ップｄ）。

【００２５】ここで、分光器７２は、プラズマが生成さ
れた場合に生じる特定の波長の光、すなわち、使用する
プロセスガスおよび被処理物に依存した波長の光を検出
する目的で設けられる。したがって、目的とするプラズ
マが生成されている場合には、分光器７２を介して特定
波長の強い光が入力されるが、プラズマが生成されてい
ない場合には該当する波長の光はほとんど無いため弱い
光しかフィルタを通過しない。

【００２６】これにより、プラズマの生成確認は光量Ｐ
₁を測定することで行うことができることが判る。すな
わち、制御装置７４によって、プラズマが生成されたと
きに生じる光量Ｐ₁とプラズマ生成前の光量Ｐ₀とを比
べ、Ｐ₁の方がＰ₀よりも大きいときにプラズマが生成さ
れたと判断する。プラズマが生成されれば期待する波長
成分が増加するので、例えば、以下に示す式にてプラズ
マ生成の確認を行うことができる。Ｐ₁＞α×Ｐ₀のとき
プラズマが生成されたと判断する。ここで、αは倍率を
示す。または、（Ｐ₁−Ｐ₀）＞Ｐｔのときプラズマが生
成されたと判断する。ここで、Ｐｔは増分を示す。上述
の式は、プラズマが生成されたときに生じると期待され
る光量が判らない場合、または、プラズマ生成前にも当
該波長成分を持つ光、例えば、照明光が真空容器６７に
入る可能性がある場合に有効である。なお、単純にＰ₁
＞Ｐ₀またはあらかじめ設定したしきい値Ｐａとの比
較、すなわち、Ｐ₁＞Ｐａとしても問題なく行なうこと
ができる場合もある。

【００２７】プラズマの生成を確認した後に、静電吸着
電源６１６よりウエハを試料台６８に吸着させるための
直流電圧（ＳＤＣ）を出力する（図３ステップｅ）。プ
ラズマ６１５を介してアース電極６７２，静電吸着電源
６１６および試料台６８の間で構成される電気回路にお
いて、試料台６８とウエハおよびウエハ自体が容量成分
を持つため、静電吸着電源６１６から出力された直流電
圧は、試料台６８とウエハとの間にチャージされ、これ
によりウエハが試料台６８に吸着される。

【００２８】ウエハが試料台に吸着された後に、試料台
に吸着・保持されたウエハ裏面に冷却ガス導入バルブ
（図示省略）を介して冷却ガスを導入し（図３ステップ
ｆ）、さらに高周波電源６１０より設定電力の高周波バ
イアス電圧を出力し（図３ステップｇ）、プロセス処理
を開始する。

【００２９】これにより、プラズマの生成を起点とした
プロセスを実行することができ、マグネトロンからの所
定電流のマイクロ波の発振を起点とした時間管理による
方式に比べて、複数のウエハに亘って実効的にウエハを
処理することができる状態をできるだけ一定に保てるた
め、処理のばらつきを低減できる。また、プラズマが生
成されていない状態で冷却ガスを導入すると、ウエハは
試料台６８に吸着された状態になく、ウエハが試料台６
８上でずれたり、または試料台６８上から落下する可能
性がある。前記のごとくプラズマの生成を確認した後に
直流電圧を印加すると、ウエハは確実に試料台に吸着さ
れ、これによりウエハ裏面に冷却ガスを供給しても、ウ
エハは試料台６８上でずれたり、または落下したりする
ことがない。

【００３０】また、プロセス処理の終了に伴い、静電吸
着されたウエハを試料台６８から取り外す際の除電は、
まず、ウエハ裏面へ供給していた冷却ガスの供給を停止
する（図３ステップｈ）し、次に、静電吸着電源６１６
よりウエハを試料台６８に吸着させるための直流電圧
（ＳＤＣ）の供給を停止する（図３ステップｉ）。その
後、試料台６８への高周波電力の供給を停止し（図３ス
テップｊ）、引き続きマイクロ波を発振するマグネトロ
ン６１への電力の供給を停止する（図３ステップｋ）。
これにより真空容器６７内に生成されていたプラズマが
消滅する（図３ステップｌ）。その後、プロセスガスの
供給を停止させる（図３ステップｍ）。以上説明したよ
うに、本実施例によれば、マイクロ波導入前後の真空容
器内の光量を比較することにより、真空容器内の状態に
影響を受けることなくプラズマ生成確認を行うことがで
きる。また、プラズマの生成を確認することにより、静
電吸着に必要な電気回路が形成されていることを確認す
ることができる。さらに、プラズマが生成された時点、
言い替えれば、プラズマの生成が確認できた時点をプラ
ズマ処理開始の基準点として用いることができ、ウエハ
静電吸着以降のウエハに対するプロセス処理開始は、プ
ラズマが生成されるまで開始しないというプロセスの開
始条件にできるので、設定電流値のマイクロ波を発振さ
せたことを開始条件とするよりもさらに確かな開始条件
が得られ、ウエハに対するプロセス処理のばらつきを低
減できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマが確実に生成
された時点をプロセス処理開始の条件とすることができ
るので、プロセス処理のバラツキを低減できるという効
果がある。

【００３２】また、プラズマが確実に生成されたことを
確認できるので、静電吸着に必要な電気回路が形成され
たことが確認でき、確実な試料保持が行な得るという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のプラズマ処理装置を示す縦
断面図である。

【図２】図１の装置のプラズマ生成部の詳細示した図で
ある。

【図３】図１の装置の運転ステップを示すタイムチャー
ト図である。

【符号の説明】

６１…マグネトロン、６２…導波管、６３…円矩形変換
導波管、６４…円筒空洞部、６５…ソレノイドコイル、
６６…マイクロ波透過窓、６７…真空容器、６８…試料
台、６１０…高周波電源、６１１…シャワープレート、
６１３…タ−ボ分子ポンプ、６１５…高密度プラズマ、
６１６…静電吸着電源、７１…ファイバケーブル、７２
…分光器、７３…光電子倍増管、７４…制御装置。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ (72)発明者 椿 武士 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空室内にプラズマを発生させるととも
   に、試料台に静電吸着電圧を印加して前記試料台に配置
   した試料を静電吸着保持し、前記プラズマによって前記
   試料を処理するプラズマ処理方法において、前記プラズ
   マの着火を確認した後に、前記試料裏面への伝熱ガスの
   供給および前記試料台へのバイアス電圧の印加を行なう
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】請求項１記載において、前記プラズマ着火
   の確認は、前記プラズマの発光量を測定することにより
   行なうプラズマ処理方法。
3. 【請求項３】請求項１記載において、前記プラズマの発
   光量を測定し、プラズマ発生用電力印加前の発光量と前
   記プラズマ発生用電力印加後の発光量とを比較して、前
   記プラズマの着火を確認するプラズマ処理方法。
4. 【請求項４】プラズマ発生室内に導入したマイクロ波を
   用いてプラズマを発生させるとともに、試料台に静電吸
   着電圧を印加して前記試料台に配置した試料を静電吸着
   保持し、前記プラズマによって前記試料を処理するプラ
   ズマ処理方法において、前記プラズマ発生室内でのプラ
   ズマの着火を確認した後に、前記試料裏面への伝熱ガス
   の供給および前記試料台へのバイアス電圧の印加を行な
   うことを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 【請求項５】請求項４記載において、前記マイクロ波を
   前記プラズマ発生室に導入する前の発光量と前記マイク
   ロ波を導入した後の発光量を比較することによって、前
   記プラズマの着火を確認するプラズマ処理方法。
6. 【請求項６】真空室内でプラズマを発生させるとともに
   試料台に静電吸着用電圧を印加して、前記試料台に配置
   した試料を静電吸着保持するモノポール式の静電吸着に
   よる試料保持方法において、前記プラズマの発光量を検
   出して前記プラズマの着火を確認することを特徴とする
   試料保持方法。
7. 【請求項７】処理ガスが供給されるとともに所定圧力に
   減圧排気される真空室と、前記真空室内の前記処理ガス
   をプラズマ化する手段と、前記真空室内に設けられた試
   料台と、前記試料台に配置される試料を静電吸着保持す
   る手段と、前記試料台の前記試料配置面に開口され前記
   試料の裏面に伝熱ガスを供給する手段と、前記真空室内
   に生成されるプラズマの発光量を測定する手段と、前記
   プラズマの生成前と後の発光量を比較しプラズマの着火
   を確認する手段とを具備したことを特徴とするプラズマ
   処理装置。
8. 【請求項８】処理ガスが供給されるとともに所定圧力に
   減圧排気される真空室と、前記真空室内にマイクロ波を
   導入する手段と、前記マイクロ波を発生させる手段と、
   前記真空室内に設けられた試料台と、前記試料台に配置
   される試料を静電吸着保持する手段と、前記試料台に吸
   着保持された前記試料の裏面に伝熱ガスを供給する手段
   と、前記マイクロ波によって前記真空室内に生成される
   プラズマの発光量を測定する手段と、前記前記真空室へ
   の前記マイクロ波の導入前後の発光量を比較しプラズマ
   の着火を確認する手段とを具備したことを特徴とするプ
   ラズマ処理装置。