KR101475591B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마의 모니터링 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마의 모니터링 방법 Download PDF

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쥰이치 기타가와
노부히코 야마모토
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 처리 용기 내에 복수의 부위로부터 마이크로파를 도입하는 방식의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 복수의 마이크로파에 의해 생성한 복수의 플라즈마의 상태를 구별하여 모니터링한다.
(해결 수단) 플라즈마 처리 장치(1)는, 처리 용기(2) 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 장치(5)를 구비하고 있다. 마이크로파 도입 장치(5)는, 천정부(11)의 복수의 개구부에 감합하는 복수의 마이크로파 투과판(73)을 포함하고 있다. 발광 센서(92)는, 마이크로파 도입 장치(5)의 각 안테나 모듈(61)에 각각 마련되어 있다. 발광 센서(92)는, 마이크로파 투과판(73)을 통해서, 마이크로파 투과판(73)의 직하의 처리 용기(2) 내에서 생성한 플라즈마의 특정 파장의 발광을 검출한다. 검출 대상의 파장은, 서로 인접하는 2개의 마이크로파 투과판(73)으로부터 각각 도입된 마이크로파에 의해 생성되는 2개의 플라즈마에 있어서의 발광 강도의 비에 근거하여 선택된다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마의 모니터링 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA MONITORING METHOD}
본 발명은, 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 장치 및 그 플라즈마 처리 장치에 있어서의 플라즈마의 모니터링 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 대하여 소정의 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나를 이용하여 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성시키는 슬롯 안테나 방식의 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 또한, 다른 플라즈마 처리 장치로서, 코일 형상의 안테나를 이용하여 처리 용기 내에 고주파를 도입하여 플라즈마를 생성시키는 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma; ICP) 방식의 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 이들 플라즈마 처리 장치에서는, 처리 용기 내에서 고밀도의 플라즈마를 생성시키는 것이 가능하고, 생성된 플라즈마에 의해, 예컨대 산화 처리, 질화 처리, 퇴적 처리, 에칭 처리 등이 행해진다.
플라즈마 처리 장치에서는, 안정된 플라즈마 처리를 실현하기 위해, 처리 용기 내에서 행해지는 플라즈마의 상태를 파악하는 모니터링이 행해진다. 예컨대, 특허 문헌 1에서는 처리 용기 내에서 생성한 플라즈마의 발광을, 처리 용기의 측부에 마련한 계측창을 통해 발광 센서에 의해 계측할 수 있도록 한 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다.
그런데, 차세대 이후의 디바이스 개발을 향해, 예컨대 3차원 디바이스 가공이나 미세화에 대한 대응을 꾀하면서 생산성을 향상시키기 위해서는, 현재 300㎜ 지름의 반도체 웨이퍼를 450㎜ 지름으로 대형화시킬 필요가 있다. 그러나, 피처리체인 반도체 웨이퍼가 대형화되면, 그 면 내에 있어서의 처리의 균일성을 확보하는 것이 곤란하게 된다. 대형 피처리체의 면 내에 있어서의 처리의 균일성을 향상시키는 것을 목적으로 하여, 예컨대 특허 문헌 2에서는, 복수의 마이크로파 도입 수단을 마련하고, 복수의 부위로부터 마이크로파를 처리 용기 내에 도입하고, 이들 마이크로파에 의해 생성되는 플라즈마를 이용하는 기술이 제안되어 있다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 2001-77092(도 2 등)
(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 2003-188154(도 1 등)
상기 특허 문헌 2와 같이, 처리 용기 내에 복수의 부위로부터 마이크로파를 도입하는 방식의 플라즈마 처리 장치에서는, 도입된 복수의 마이크로파에 의해 복수의 플라즈마가 생성되고, 그것이 처리 용기 내에서 합성된다. 그 때문에, 상기 방식의 플라즈마 처리 장치에서는, 각각에 생성된 플라즈마의 상태를 구별하여 모니터링하는 것이 곤란하다고 하는 과제가 있었다. 예컨대, 특허 문헌 1과 같이, 처리 용기의 측부에 발광 센서를 마련하여 플라즈마의 발광을 검출하는 방법을 채용한 경우, 서로 겹쳐진 복수의 플라즈마 중 하나가 진화(鎭火)되어 있는 상태를 신속히 검출할 수는 없었다.
본 발명의 목적은, 처리 용기 내에 복수의 부위로부터 마이크로파를 도입하는 방식의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 복수의 마이크로파에 의해 생성된 복수의 플라즈마의 상태를 구별하여 모니터링하는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마의 모니터링 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는, 피처리체를 수용하는 처리 용기와, 상기 처리 용기의 내부에 배치되고, 상기 피처리체를 탑재하는 탑재면을 갖는 탑재대와, 상기 처리 용기 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 처리 용기 내에서 플라즈마를 생성시키기 위한 마이크로파를 각각 상기 처리 용기 내에 도입하는 복수의 마이크로파 도입 모듈과, 상기 처리 용기 내에서 행해지는 플라즈마 처리의 조건에 따라 미리 선택된 대상 파장에 근거하여, 상기 마이크로파 도입 모듈마다 생성하는 플라즈마의 발광을 검출하기 위해, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈에 각각 대응하여 마련된 복수의 발광 센서와, 상기 복수의 발광 센서의 검출 데이터에 근거하여, 상기 복수의 플라즈마의 상태를 각각 모니터링하는 제어부를 구비하고 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마의 모니터링 방법은, 플라즈마 처리 장치에 있어서 플라즈마의 모니터링을 행하는 것이다. 본 발명의 플라즈마의 모니터링 방법에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치는, 피처리체를 수용하는 처리 용기와, 상기 처리 용기의 내부에 배치되고, 상기 피처리체를 탑재하는 탑재면을 갖는 탑재대와, 상기 처리 용기 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 처리 용기 내에서 플라즈마를 생성시키기 위한 마이크로파를 각각 상기 처리 용기 내에 도입하는 복수의 마이크로파 도입 모듈과, 상기 처리 용기 내에서 행해지는 플라즈마 처리의 조건에 따라 미리 선택된 대상 파장에 근거하여, 상기 마이크로파 도입 모듈마다 생성하는 플라즈마의 발광을 검출하기 위해, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈에 각각 대응하여 마련된 복수의 발광 센서를 구비하고 있다. 그리고, 본 발명의 플라즈마의 모니터링 방법은, 상기 복수의 발광 센서의 검출 데이터에 근거하여, 상기 복수의 플라즈마의 상태를 각각 모니터링하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마의 모니터링 방법에 있어서, 상기 대상 파장은, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈 중, 서로 인접하는 2개의 마이크로파 도입 모듈로부터 각각 도입된 마이크로파에 의해 생성된 2개의 플라즈마에 있어서의 발광 강도의 비에 근거하여 선택된 것이더라도 좋다. 이 경우, 상기 발광 강도의 비는, 모니터링 대상의 플라즈마를 생성하기 위해 상기 마이크로파 도입 모듈에 의해 도입되는 마이크로파 파워 PA와, 그 모니터링 대상의 플라즈마에 인접하는 플라즈마를 생성시키기 위해 상기 마이크로파 도입 모듈에 의해 도입되는 마이크로파 파워 PB의 비 PB/PA를 5 이상으로 설정한 조건에서 각각 플라즈마를 생성시켜 계측된 것이더라도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마의 모니터링 방법은, 상기 플라즈마 처리가, 플라즈마 산화 처리이고, 상기 대상 파장이 777㎚ 부근이더라도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마의 모니터링 방법은, 상기 플라즈마 처리가, 플라즈마 질화 처리이고, 상기 대상 파장이 835㎚ 부근이더라도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마의 모니터링 방법에 있어서, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈은, 각각, 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 투과시켜 도입시키는 마이크로파 투과창을 갖고 있고, 상기 발광 센서는, 상기 마이크로파 투과창을 통해서 상기 플라즈마의 발광을 검출하는 위치에 마련되어 있더라도 좋다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마의 모니터링 방법에 있어서, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈은, 상기 처리 용기의 천정부의 중앙 부분에 1개의 중심 마이크로파 투과창이 위치하고, 상기 중심 마이크로파 투과창을 둘러싸도록 그 외측에 적어도 6개의 외측 마이크로파 투과창이 위치하도록, 배치되어 있더라도 좋다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마의 모니터링 방법에 의하면, 처리 용기 내에서 생성하는 복수의 플라즈마에 대하여, 각각, 착화, 진화, 프로세스 중에 있어서의 변동의 유무 등을, 정밀하게 모니터링할 수 있다. 따라서, 각각의 플라즈마의 불착화(不着火), 진화 등에 기인하는 프로세스 불량을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치의 개략의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 제어부의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 마이크로파 도입 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 마이크로파 도입 기구를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 마이크로파 도입 기구의 안테나부를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 4에 나타낸 마이크로파 도입 기구의 평면 안테나를 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 1에 나타낸 처리 용기의 천정부의 저면도이다.
도 8은 도 1에 나타낸 마이크로파 도입 장치에 있어서의 복수의 마이크로파 투과판의 배치를 나타내는 설명도이다.
도 9는 복수의 플라즈마원에서 생성한 플라즈마의 상태를 모식적으로 설명하는 원리도이다.
도 10은 서로 인접하는 2개의 플라즈마원에서 각각 생성한 플라즈마의 발광 강도의 비를 나타내는 차트이다.
도 11은 복수의 플라즈마원에서 생성한 플라즈마의 다른 상태를 모식적으로 설명하는 원리도이다.
도 12는 처리 용기 내에서의 플라즈마의 방전의 유무와, 마이크로파 센서에 의한 처리 용기 내의 마이크로파의 검출 결과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 복수의 플라즈마원에서 생성한 플라즈마의 또 다른 상태를 모식적으로 설명하는 원리도이다.
도 14는 플라즈마의 착화, 정합 개시, 정합 완료까지의 임피던스의 궤적을 나타내는 스미스차트이다.
도 15는 플라즈마 착화시의 임피던스와 플라즈마 발광의 시간 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치의 구성예에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치의 개략의 구성을 나타내는 단면도이다. 도 2는, 도 1에 나타낸 제어부의 구성을 나타내는 설명도이다. 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)는, 연속하는 복수의 동작을 따라, 예컨대 반도체 디바이스 제조용의 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 「웨이퍼」라고 적는다) W에 대하여, 성막 처리, 확산 처리, 에칭 처리, 애싱 처리 등의 소정의 처리를 실시하는 장치이다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 피처리체인 웨이퍼 W를 수용하는 처리 용기(2)와, 처리 용기(2)의 내부에 배치되고, 웨이퍼 W를 탑재하는 탑재면(21a)을 갖는 탑재대(21)와, 처리 용기(2) 내에 가스를 공급하는 가스 공급 기구(3)와, 처리 용기(2) 내를 감압 배기하는 배기 장치(4)와, 처리 용기(2) 내에 플라즈마를 생성시키기 위한 마이크로파를 발생시킴과 아울러, 처리 용기(2) 내에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 장치(5)와, 이들 플라즈마 처리 장치(1)의 각 구성부를 제어하는 제어부(8)를 구비하고 있다. 또, 처리 용기(2) 내에 가스를 공급하는 수단으로서는, 가스 공급 기구(3) 대신에, 플라즈마 처리 장치(1)의 구성에는 포함되지 않는 외부의 가스 공급 기구를 사용하더라도 좋다. 또한, 플라즈마 처리 장치(1)는, 처리 용기(2) 내의 마이크로파를 검출하는 마이크로파 센서(91)와, 마이크로파에 의해 생성하는 플라즈마의 발광을 검출하는 복수의 발광 센서(92)와, 마이크로파 전송로의 임피던스를 검출하는 복수의 마이크로파 센서(93)를 구비하고 있다.
처리 용기(2)는, 예컨대 대략 원통 형상을 이루고 있다. 처리 용기(2)는, 예컨대 알루미늄 및 그 합금 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 마이크로파 도입 장치(5)는, 처리 용기(2)의 상부에 마련되고, 처리 용기(2) 내에 전자파(마이크로파)를 도입하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 수단으로서 기능한다. 마이크로파 도입 장치(5)의 구성에 대해서는, 뒤에서 자세히 설명한다.
처리 용기(2)는, 판 형상의 천정부(11) 및 저부(13)와, 천정부(11)와 저부(13)를 연결하는 측벽부(12)를 갖고 있다. 천정부(11)는, 복수의 개구부를 갖고 있다. 측벽부(12)는, 처리 용기(2)에 인접하는 도시하지 않는 반송실과의 사이에서 웨이퍼 W의 반입출을 행하기 위한 반입출구(12a)를 갖고 있다. 처리 용기(2)와 도시하지 않는 반송실의 사이에는, 게이트 밸브 G가 배치되어 있다. 게이트 밸브 G는, 반입출구(12a)를 개폐하는 기능을 갖고 있다. 게이트 밸브 G는, 닫힌 상태에서 처리 용기(2)를 기밀하게 밀봉함과 아울러, 열린 상태에서 처리 용기(2)와 도시하지 않는 반송실의 사이에서 웨이퍼 W의 이송을 가능하게 한다. 또한, 처리 용기(2)의 측벽부(12)의 상부에는, 처리 용기(2) 내에 도입된 마이크로파를 검출하기 위한 마이크로파 센서(91)가 마련되어 있다. 마이크로파 센서(91)로서는, 예컨대 동축형 전계 센서 등을 이용할 수 있다. 마이크로파 센서(91)에서 검출된 신호는, 도시하지 않는 계측부에 있어서 연산 처리되어 데이터화되고, 제어부(8)의 프로세스 컨트롤러(81)에 송신된다. 마이크로파 센서(91)의 작용에 대해서는, 후술한다.
저부(13)는, 복수(도 1에서는 2개)의 배기구(13a)를 갖고 있다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 또한, 배기구(13a)와 배기 장치(4)를 접속하는 배기관(14)을 구비하고 있다. 배기 장치(4)는, APC 밸브와, 처리 용기(2)의 내부 공간을 소정의 진공도까지 고속으로 감압하는 것이 가능한 고속 진공 펌프를 갖고 있다. 이와 같은 고속 진공 펌프로서는, 예컨대 터보 분자 펌프 등이 있다. 배기 장치(4)의 고속 진공 펌프를 작동시키는 것에 의해, 처리 용기(2)는, 그 내부 공간이 소정의 진공도, 예컨대 0.133㎩까지 감압된다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 또한, 처리 용기(2) 내에 있어서 탑재대(21)를 지지하는 지지 부재(22)와, 지지 부재(22)와 처리 용기(2)의 저부(13)의 사이에 마련된 절연 재료로 이루어지는 절연 부재(23)를 구비하고 있다. 탑재대(21)는, 피처리체인 웨이퍼 W를 수평으로 탑재하기 위한 것이다. 지지 부재(22)는, 저부(13)의 중앙으로부터 처리 용기(2)의 내부 공간을 향해 연장되는 원통의 형상을 갖고 있다. 탑재대(21) 및 지지 부재(22)는, 예컨대 AlN 등에 의해 형성되어 있다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 또한, 탑재대(21)에 고주파 전력을 공급하는 고주파 바이어스 전원(25)과, 탑재대(21)와 고주파 바이어스 전원(25)의 사이에 마련된 정합기(24)를 구비하고 있다. 고주파 바이어스 전원(25)은, 웨이퍼 W에 이온을 끌어들이기 위해, 탑재대(21)에 고주파 전력을 공급한다.
도시하지 않지만, 플라즈마 처리 장치(1)는, 또한, 탑재대(21)를 가열 또는 냉각하는 온도 제어 기구를 구비하고 있다. 온도 제어 기구는, 예컨대, 웨이퍼 W의 온도를, 25℃(실온)~900℃의 범위 내에서 제어한다. 또한, 탑재대(21)는, 탑재면(21a)에 대하여 돌몰(突沒) 가능하게 마련된 복수의 지지핀을 갖고 있다. 복수의 지지핀은, 임의의 승강 기구에 의해 상하로 변위하고, 상승 위치에 있어서, 도시하지 않는 반송실과의 사이에서 웨이퍼 W를 주고받을 수 있도록 구성되어 있다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 또한, 처리 용기(2)의 천정부(11)에 마련된 가스 도입부(15)를 구비하고 있다. 가스 도입부(15)는, 원통 형상을 이루는 복수의 노즐(16)을 갖고 있다. 노즐(16)은, 그 하면에 형성된 가스 구멍(16a)을 갖고 있다. 노즐(16)의 배치에 대해서는, 뒤에서 설명한다.
가스 공급 기구(3)는, 가스 공급원(31)을 포함하는 가스 공급 장치(3a)와, 가스 공급원(31)과 가스 도입부(15)를 접속하는 배관(32)을 갖고 있다. 또, 도 1에서는, 1개의 가스 공급원(31)을 도시하고 있지만, 가스 공급 장치(3a)는, 사용되는 가스의 종류에 따라 복수의 가스 공급원을 포함하고 있더라도 좋다.
가스 공급원(31)은, 예컨대, 플라즈마 생성용의 희가스나, 산화 처리나 질화 처리에 사용되는 처리 가스 등의 가스 공급원으로서 이용된다. 또, 플라즈마 생성용의 희가스로서는, 예컨대, Ar, Kr, Xe, He 등이 사용된다. 산화 처리에 사용되는 처리 가스로서는, 예컨대, 산소 가스, 오존 가스 등의 산화성 가스가 사용된다. 질화 처리에 사용되는 처리 가스로서는, 예컨대, 질소 가스, NH3 가스 등이 사용된다. 또, 희가스는 산화 처리용의 처리 가스나, 질화 처리용의 처리 가스와 함께 사용되는 경우도 있다.
도시하지 않지만, 가스 공급 장치(3a)는, 또한, 배관(32)의 도중에 마련된 매스플로우 컨트롤러 및 개폐 밸브를 포함하고 있다. 처리 용기(2) 내에 공급되는 가스의 종류나, 이들 가스의 유량 등은, 매스플로우 컨트롤러 및 개폐 밸브에 의해 제어된다.
플라즈마 처리 장치(1)의 각 구성부는, 각각 제어부(8)에 접속되어, 제어부(8)에 의해 제어된다. 제어부(8)는, 전형적으로는 컴퓨터이다. 도 2에 나타낸 예에서는, 제어부(8)는, CPU를 구비한 프로세스 컨트롤러(81)와, 이 프로세스 컨트롤러(81)에 접속된 사용자 인터페이스(82) 및 기억부(83)를 구비하고 있다.
프로세스 컨트롤러(81)는, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 예컨대 온도, 압력, 가스 유량, 바이어스 인가용의 고주파 전력, 마이크로파 출력 등의 프로세스 조건에 관계하는 각 구성부(예컨대, 고주파 바이어스 전원(25), 가스 공급 장치(3a), 배기 장치(4), 마이크로파 도입 장치(5) 등)를 통괄하여 제어하는 제어 수단이다. 또한, 프로세스 컨트롤러(81)는, 마이크로파 센서(91), 발광 센서(92), 마이크로파 센서(93) 등의 센서류도 제어 대상으로 하고 있고, 이들 센서류로부터의 검출 신호를 받아 프로세스의 조건의 수정이나, 프로세스의 중지 등의 제어를 행한다.
사용자 인터페이스(82)는, 공정 관리자가 플라즈마 처리 장치(1)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나 터치 패널, 플라즈마 처리 장치(1)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등을 갖고 있다.
기억부(83)에는, 플라즈마 처리 장치(1)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(81)의 제어에 의해 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나, 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피 등이 보존되어 있다. 또한, 기억부(83)에는, 후술하는 발광 센서(92)를 이용하는 모니터링을 할 때에 측정 대상이 되는 파장을, 프로세스 조건에 관련지어 보존하여 둘 수도 있다. 프로세스 컨트롤러(81)는, 사용자 인터페이스(82)로부터의 지시 등, 필요에 따라, 임의의 제어 프로그램이나 레시피를 기억부(83)로부터 불러내어 실행한다. 이에 의해, 프로세스 컨트롤러(81)에 의한 제어 아래에서, 플라즈마 처리 장치(1)의 처리 용기(2) 내에 있어서 소망하는 처리가 행해진다.
상기 제어 프로그램 및 레시피는, 예컨대, CD-ROM, 하드디스크, 플렉시블디스크, 플래시메모리, DVD, 블루레이디스크 등의 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 저장된 상태인 것을 이용할 수 있다. 또한, 상기 레시피는, 다른 장치로부터, 예컨대 전용 회선을 통해 수시로 전송시켜 온라인에서 이용하는 것도 가능하다.
다음으로, 도 1, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 마이크로파 도입 장치(5)의 구성에 대하여 자세히 설명한다. 도 3은, 마이크로파 도입 장치(5)의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 4는, 도 3에 나타낸 마이크로파 도입 기구를 나타내는 단면도이다. 도 5는, 도 4에 나타낸 마이크로파 도입 기구의 안테나부를 나타내는 사시도이다. 도 6은, 도 4에 나타낸 마이크로파 도입 기구의 평면 안테나를 나타내는 평면도이다.
<마이크로파 도입 장치>
전술한 바와 같이, 마이크로파 도입 장치(5)는, 처리 용기(2)의 상부에 마련되고, 처리 용기(2) 내에 전자파(마이크로파)를 도입하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 수단으로서 기능한다. 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 도입 장치(5)는, 처리 용기(2)의 상부에 배치되고, 복수의 개구부를 갖는 도전성 부재인 천정부(11)와, 마이크로파를 생성함과 아울러, 마이크로파를 복수의 경로에 분배하여 출력하는 마이크로파 출력부(50)와, 마이크로파 출력부(50)로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기(2)에 도입하는 안테나 유닛(60)을 갖고 있다. 본 실시의 형태에서는, 처리 용기(2)의 천정부(11)는, 마이크로파 도입 장치(5)의 도전성 부재를 겸하고 있다.
마이크로파 출력부(50)는, 전원부(51)와, 마이크로파 발진기(52)와, 마이크로파 발진기(52)에 의해 발진된 마이크로파를 증폭하는 앰프(53)와, 앰프(53)에 의해 증폭된 마이크로파를 복수의 경로에 분배하는 분배기(54)를 갖고 있다. 마이크로파 발진기(52)는, 소정의 주파수(예컨대, 860㎒)로 마이크로파를 발진(예컨대, PLL 발진)시킨다. 또, 마이크로파의 주파수는, 860㎒에 한하지 않고, 2.45㎓, 8.35㎓, 5.8㎓, 1.98㎓ 등이더라도 좋다. 분배기(54)는, 입력측과 출력측의 임피던스를 정합시키면서 마이크로파를 분배한다.
안테나 유닛(60)은, 복수의 안테나 모듈(61)을 포함하고 있다. 복수의 안테나 모듈(61)은, 각각, 분배기(54)에 의해 분배된 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 도입한다. 본 실시의 형태에서는, 복수의 안테나 모듈(61)의 구성은 모두 동일하다. 각 안테나 모듈(61)은, 분배된 마이크로파를 주로 증폭하여 출력하는 앰프부(62)와, 앰프부(62)로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 도입하는 마이크로파 도입 기구(63)를 갖고 있다. 안테나 모듈(61)은, 본 발명에 있어서의 마이크로파 도입 모듈에 대응한다.
앰프부(62)는, 마이크로파의 위상을 변화시키는 위상기(62A)와, 메인 앰프(62C)에 입력되는 마이크로파의 전력 레벨을 조정하는 가변 게인 앰프(62B)와, 솔리드 스테이트 앰프로서 구성된 메인 앰프(62C)와, 후술하는 마이크로파 도입 기구(63)의 안테나부에서 반사되어 메인 앰프(62C)에 향하는 반사 마이크로파를 분리하는 아이솔레이터(62D)를 포함하고 있다.
위상기(62A)는, 마이크로파의 위상을 변화시켜, 마이크로파의 방사 특성을 변화시킬 수 있도록 구성되어 있다. 위상기(62A)는, 예컨대, 안테나 모듈(61)마다 마이크로파의 위상을 조정하는 것에 의해, 마이크로파의 지향성을 제어하여 플라즈마의 분포를 변화시키는 것에 이용된다. 또, 이와 같은 방사 특성의 조정을 행하지 않는 경우에는, 위상기(62A)를 마련하지 않더라도 좋다.
가변 게인 앰프(62B)는, 각각의 안테나 모듈(61)의 격차의 조정이나, 플라즈마 강도의 조정을 위해 이용된다. 예컨대, 가변 게인 앰프(62B)를 안테나 모듈(61)마다 변화시키는 것에 의해, 처리 용기(2) 내 전체의 플라즈마의 분포를 조정할 수 있다.
도시하지 않지만, 메인 앰프(62C)에는, 예컨대, 입력 정합 회로, 반도체 증폭 소자, 출력 정합 회로 및 고Q 공진 회로를 포함하고 있다. 반도체 증폭 소자로서는, 예컨대, E급 동작이 가능한 GaAsHEMT, GaNHEMT, LD(Laterally Diffused)-MOS가 이용된다.
아이솔레이터(62D)는, 서큘레이터와 더미로드(동축 종단기)를 갖고 있다. 서큘레이터는, 후술하는 마이크로파 도입 기구(63)의 안테나부에서 반사된 반사 마이크로파를 더미로드에 유도하는 것이다. 더미로드는, 서큘레이터에 의해 유도된 반사 마이크로파를 열로 변환하는 것이다. 또, 전술한 바와 같이, 본 실시의 형태에서는, 복수의 안테나 모듈(61)이 마련되어 있고, 복수의 안테나 모듈(61)의 각각의 마이크로파 도입 기구(63)에 의해 처리 용기(2) 내에 복수의 마이크로파를 도입할 수 있다. 그 때문에, 각각의 아이솔레이터(62D)는 소형이더라도 좋고, 아이솔레이터(62D)를 메인 앰프(62C)에 인접하여 마련할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 마이크로파 도입 기구(63)는, 천정부(11)에 마련되어 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 도입 기구(63)는, 임피던스를 정합시키는 튜너(64)와, 증폭된 마이크로파를 처리 용기(2) 내에 방사하는 안테나부(65)와, 금속 재료로 이루어지고, 도 4에 있어서의 상하 방향으로 연장되는 원통 형상을 갖는 본체 용기(66)와, 본체 용기(66) 내에 있어서 본체 용기(66)가 연장되는 방향과 같은 방향으로 연장되는 내측 도체(67)를 갖고 있다. 본체 용기(66) 및 내측 도체(67)는, 동축관을 구성하고 있다. 본체 용기(66)는, 이 동축관의 외측 도체를 구성하고 있다. 내측 도체(67)는, 봉 형상 또는 통 형상을 갖고 있다. 본체 용기(66)의 내주면과 내측 도체(67)의 외주면의 사이의 공간은, 마이크로파 전송로(68)를 형성한다.
도시하지 않지만, 안테나 모듈(61)은, 또한, 본체 용기(66)의 기단측(상단측)에 마련된 급전 변환부를 갖고 있다. 급전 변환부는, 동축 케이블을 통해 메인 앰프(62C)에 접속되어 있다. 아이솔레이터(62D)는, 동축 케이블의 도중에 마련되어 있다.
안테나부(65)는, 본체 용기(66)에 있어서의 급전 변환부와는 반대측에 마련되어 있다. 뒤에서 설명하는 바와 같이, 본체 용기(66)에 있어서의 안테나부(65)보다 기단측의 부분은, 튜너(64)에 의한 임피던스 조정 범위로 되어 있다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 안테나부(65)는, 본체 용기(66)의 하부에 있어서, 상부에 비하여 지름이 크게 확대되어 형성되어 있다. 안테나부(65)는, 내측 도체(67)의 하단부에 접속된 평면 안테나(71)와, 평면 안테나(71)의 상면측에 배치된 마이크로파 지파재(72)와, 평면 안테나(71)의 하면측에 배치된 마이크로파 투과판(73)을 갖고 있다. 마이크로파 투과판(73)의 하면은, 처리 용기(2)의 내부 공간에 노출되어 있다. 마이크로파 투과판(73)은, 본체 용기(66)를 사이에 두고, 마이크로파 도입 장치(5)의 도전성 부재인 천정부(11)의 개구부에 감합되어 있다. 마이크로파 투과판(73)은, 본 발명에 있어서의 마이크로파 투과창에 대응한다.
평면 안테나(71)는, 원판 형상을 갖고 있다. 또한, 평면 안테나(71)는, 평면 안테나(71)를 관통하도록 형성된 슬롯(71a)을 갖고 있다. 도 5 및 도 6에 나타낸 예에서는, 4개의 슬롯(71a)이 마련되어 있고, 각 슬롯(71a)은, 4개로 균등하게 분할된 원호 형상을 갖고 있다. 또, 슬롯(71a)의 수는, 4개로 한정되지 않고, 5개 이상이더라도 좋고, 1개 이상 3개 이하이더라도 좋다. 또한, 슬롯(71a)의 형상도 원호 형상으로 한정되지 않고, 예컨대 직사각형, 가는 홈 형상 등 임의의 형상으로 할 수 있다.
마이크로파 지파재(72)는, 진공보다 큰 유전율을 갖는 재료에 의해 형성되어 있다. 마이크로파 지파재(72)를 형성하는 재료로서는, 예컨대, 석영, 세라믹스, 폴리테트라플루오르에틸렌 수지 등의 불소계 수지, 폴리이미드 수지 등을 이용할 수 있다. 마이크로파는, 진공 중에서는 그 파장이 길어진다. 마이크로파 지파재(72)는, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다. 또한, 마이크로파의 위상은, 마이크로파 지파재(72)의 두께에 따라 변화한다. 그 때문에, 마이크로파 지파재(72)의 두께에 따라 마이크로파의 위상을 조정하는 것에 의해, 평면 안테나(71)가 정재파의 배(antinode)의 위치가 되도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 평면 안테나(71)에 있어서의 반사파를 억제할 수 있음과 아울러, 평면 안테나(71)로부터 방사되는 마이크로파의 방사 에너지를 크게 할 수 있다. 다시 말해, 이에 의해, 마이크로파의 파워를 효율적으로 처리 용기(2) 내에 도입할 수 있다.
마이크로파 투과판(73)은, 유전체 재료에 의해 형성되어 있다. 마이크로파 투과판(73)을 형성하는 유전체 재료로서는, 예컨대 석영이나 세라믹스 등이 이용된다. 마이크로파 투과판(73)은, 마이크로파를 TE 모드로 효율적으로 방사할 수 있는 형상을 이루고 있다. 도 5에 나타낸 예에서는, 마이크로파 투과판(73)은, 직방체 형상을 갖고 있다. 또, 마이크로파 투과판(73)의 형상은, 직방체 형상으로 한정되지 않고, 예컨대 원기둥 형상, 오각기둥 형상, 육각기둥 형상, 팔각기둥 형상이더라도 좋다.
상기와 같이 구성된 마이크로파 도입 기구(63)에서는, 메인 앰프(62C)에서 증폭된 마이크로파는, 본체 용기(66)의 내주면과 내측 도체(67)의 외주면의 사이(마이크로파 전송로(68))를 지나 평면 안테나(71)에 도달하고, 평면 안테나(71)의 슬롯(71a)으로부터 마이크로파 투과판(73)을 투과하여 처리 용기(2)의 내부 공간에 방사된다.
<발광 센서>
본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 발광 센서(92)는, 마이크로파 도입 장치(5)의 각 안테나 모듈(61)에 각각 마련되어 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 각 안테나 모듈(61)의 마이크로파 도입 기구(63)에 있어서의 원통 형상의 본체 용기(66)의 하부의 안테나부(65)는, 상부에 비하여 지름이 크게 확대되어 있다. 이 확대 부분에, 본체 용기(66)의 벽, 마이크로파 지파재(72) 및 평면 안테나(71)를 관통하여 마이크로파 투과판(73)에 도달하는 센서 장착용의 개구(66a)가 마련되어 있다. 개구(66a)는, 평면 안테나(71)의 지름 방향으로 슬롯(71a)보다 내측(평면 안테나(71)의 중심측)에 마련되어 있다. 이 개구(66a)에, 발광 센서(92)가 장착되어 있다. 또, 도시는 생략하지만, 개구(66a)는, 슬롯(71a)의 수의 n배(n은 1 이상의 정수)의 수로 복수 부분에 마련되어 있다. 이들 복수의 개구(66a)는, 동축 구조의 마이크로파 도입 기구(63)의 내측 도체(67)를 중심으로 동일 원주 형상으로 균등하게 마련되어 있다. 복수의 개구(66a)를 이와 같이 균등하게 배치하는 것에 의해, 개구(66a)에 의한 전자파에 대한 영향이 없어지기 때문에, 전계 분포를 어지럽히는 일이 없어지므로 바람직하다.
발광 센서(92)는, 도시하지 않는 수광 소자를 구비한 광학 센서이다. 발광 센서(92)는, 계측부(94)와 신호의 송수신이 가능하게 접속되어 있다. 계측부(94)는, 제어부(8)와 신호의 송수신이 가능하게 접속되어 있다. 발광 센서(92)는, 마이크로파 투과판(73)을 통해서, 마이크로파 투과판(73)의 직하의 처리 용기(2) 내에서 생성한 플라즈마의 특정 파장의 발광을 검출한다. 발광 센서(92)는, 계측하는 대상 파장에 따라 파장 필터를 교환하더라도 좋고, 복수의 대상 파장을 전환하여 검출할 수 있도록 구성하더라도 좋다. 발광 센서(92)에서 검출된 신호는, 계측부(94)에 있어서 연산 처리되어 데이터화되고, 제어부(8)의 프로세스 컨트롤러(81)에 송신된다. 이들 발광 센서(92)의 기능의 상세에 대해서는, 후술한다.
<마이크로파 센서>
도 4에 나타낸 바와 같이, 각 마이크로파 도입 기구(63)에 있어서의 원통 형상의 본체 용기(66)의 상부에는, 본체 용기(66)의 벽을 관통하여 마이크로파 센서(93)가 마련되어 있다. 마이크로파 센서(93)는, 마이크로파 전송로(68)에 삽입되어 있고, 마이크로파 전송로(68)에 있어서의 임피던스를 검출한다. 마이크로파 센서(93)로서는, 예컨대 동축형 전계 센서 등을 이용할 수 있다. 마이크로파 센서(93)에서 검출된 신호는, 도시하지 않는 계측부에 있어서 연산 처리되어 데이터화되고, 제어부(8)의 프로세스 컨트롤러(81)에 송신된다. 이들 마이크로파 센서(93)의 기능에 대해서는, 후술한다.
튜너(64)는, 슬러그 튜너를 구성하고 있다. 구체적으로는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 튜너(64)는, 본체 용기(66)의 안테나부(65)보다 기단부측(상단부측)의 부분에 배치된 2개의 슬러그(74A, 74B)와, 2개의 슬러그(74A, 74B)를 동작시키는 액추에이터(75)와, 이 액추에이터(75)를 제어하는 튜너 컨트롤러(76)를 갖고 있다.
슬러그(74A, 74B)는, 판 형상 또는 환 형상의 형상을 갖고, 본체 용기(66)의 내주면과 내측 도체(67)의 외주면의 사이에 배치되어 있다. 또한, 슬러그(74A, 74B)는, 유전체 재료에 의해 형성되어 있다. 슬러그(74A, 74B)를 형성하는 유전체 재료로서는, 예컨대, 비유전율이 10인 고순도 알루미나를 이용할 수 있다. 고순도 알루미나는, 통상, 슬러그를 형성하는 재료로서 이용되고 있는 석영(비유전율 3.88)이나 테프론(등록상표)(비유전율 2.03)보다 비유전율이 크기 때문에, 슬러그(74A, 74B)의 두께를 작게 할 수 있다. 또한, 고순도 알루미나는, 석영이나 테프론(등록상표)에 비하여, 유전 정접(tanδ)이 작고, 마이크로파의 손실을 작게 할 수 있다고 하는 특징을 갖고 있다. 고순도 알루미나는, 또한, 왜곡이 작다고 하는 특징과, 열에 강하다고 하는 특징도 갖고 있다. 고순도 알루미나로서는, 순도 99.9% 이상의 알루미나 소결체인 것이 바람직하다. 또한, 고순도 알루미나로서, 단결정 알루미나(사파이어)를 이용하더라도 좋다.
튜너(64)는, 튜너 컨트롤러(76)로부터의 지령에 근거하여, 액추에이터(75)에 의해, 슬러그(74A, 74B)를 상하 방향으로 이동시킨다. 이에 의해, 튜너(64)는, 임피던스를 조정한다. 예컨대, 튜너 컨트롤러(76)는, 종단부의 임피던스가 50Ω이 되도록, 슬러그(74A, 74B)의 위치를 조정한다.
본 실시의 형태에서는, 메인 앰프(62C), 튜너(64) 및 평면 안테나(71)는, 서로 근접하여 배치되어 있다. 특히, 튜너(64) 및 평면 안테나(71)는, 집중 정수 회로를 구성하고, 또한 공진기로서 기능한다. 평면 안테나(71)의 설치 부분에는, 임피던스 부정합이 존재한다. 본 실시의 형태에서는, 튜너(64)에 의해, 플라즈마를 포함시켜 정밀하게 튜닝할 수 있고, 평면 안테나(71)에 있어서의 반사의 영향을 해소할 수 있다. 또한, 튜너(64)에 의해, 평면 안테나(71)에 이르기까지의 임피던스 부정합을 정밀하게 해소할 수 있고, 실질적으로 부정합 부분을 플라즈마 공간으로 할 수 있다. 이에 의해, 튜너(64)에 의해, 정밀한 플라즈마 제어가 가능하게 된다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여, 마이크로파 투과판(73)의 배치에 대하여 설명한다. 도 7은, 도 1에 나타낸 처리 용기(2)의 천정부(11)의 저면도이다. 도 8은, 본 실시의 형태에 있어서의 복수의 마이크로파 투과판(73)의 배치를 나타내는 설명도이다. 또, 도 7에서는, 본체 용기(66)의 도시를 생략하고 있다. 또한, 도 7 및 도 8에서는, 발광 센서(92)의 배치를 나타내기 위해, 개구(66a)의 위치를 마이크로파 투과판(73)에 겹쳐 나타냈다. 이하의 설명에서는, 마이크로파 투과판(73)은, 원기둥 형상을 갖는 것으로 한다.
마이크로파 도입 장치(5)는, 복수의 마이크로파 투과판(73)을 포함하고 있다. 전술한 바와 같이, 마이크로파 투과판(73)은, 본 발명에 있어서의 마이크로파 투과창에 대응한다. 복수의 마이크로파 투과판(73)은, 마이크로파 도입 장치(5)의 도전성 부재인 천정부(11)의 복수의 개구부에 감합된 상태에서, 탑재대(21)의 탑재면(21a)에 평행한 1개의 가상의 평면 위에 배치되어 있다. 또한, 복수의 마이크로파 투과판(73)은, 상기 가상의 평면에 있어서, 그 중심점 사이의 거리가 서로 같거나, 거의 같은 3개의 마이크로파 투과판(73)을 포함하고 있다. 또, 중심점 사이의 거리가 거의 같다고 하는 것은, 마이크로파 투과판(73)의 형상 정밀도나 안테나 모듈(61)(마이크로파 도입 기구(63))의 조립 정밀도 등의 관점에서, 마이크로파 투과판(73)의 위치는, 소망하는 위치로부터 약간 어긋나 있더라도 좋은 것을 의미한다.
본 실시의 형태에서는, 복수의 마이크로파 투과판(73)은, 육방 최밀 배치가 되도록 배치된 7개의 마이크로파 투과판(73)으로 이루어지는 것이다. 구체적으로는, 복수의 마이크로파 투과판(73)은, 그 중심점이 각각 정육각형의 정점에 일치 또는 거의 일치하도록 배치된 6개의 마이크로파 투과판(73A~73F)과, 그 중심점이 정육각형의 중심에 일치 또는 거의 일치하도록 배치된 1개의 마이크로파 투과판(73G)으로 이루어지는 것이다. 도 8에 있어서, 부호 PA~PG는, 각각, 마이크로파 투과판(73A~73G)의 중심점을 나타내고 있다. 또, 정점 또는 중심점에 거의 일치한다고 하는 것은, 마이크로파 투과판(73)의 형상 정밀도나 안테나 모듈(61)(마이크로파 도입 기구(63))의 조립 정밀도 등의 관점에서, 마이크로파 투과판(73)의 중심점은, 상기 정점 또는 중심으로부터 약간 어긋나 있더라도 좋은 것을 의미한다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 투과판(73G)은, 천정부(11)에 있어서의 중앙 부분에 배치되어 있다. 6개의 마이크로파 투과판(73A~73F)은, 마이크로파 투과판(73G)을 둘러싸도록, 천정부(11)의 중앙 부분보다 외측에 배치되어 있다. 따라서, 마이크로파 투과판(73G)은, 본 발명에 있어서의 중심 마이크로파 투과창에 대응하고, 마이크로파 투과판(73A~73F)은, 본 발명에 있어서의 외측 마이크로파 투과창에 대응한다. 또, 본 실시의 형태에 있어서, 「천정부(11)에 있어서의 중앙 부분」이라고 하는 것은, 「천정부(11)의 평면 형상에 있어서의 중앙 부분」을 의미한다.
마이크로파 투과판(73A~73G)은, 이하의 제 1 및 제 2 조건을 만족시키면서 배치되어 있다. 제 1 조건은, 마이크로파 투과판(73A~73G)의 중심점 PA~PG 중, 서로 인접하는 3개의 중심점을 잇는 것에 의해 평면 형상으로 6개의 정삼각형이 형성된다고 하는 것이다. 제 2 조건은, 이들 6개의 정삼각형에 의해 가상의 정육각형이 형성된다고 하는 것이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 투과판(73A~73F)의 중심점 PA~PF를, 마이크로파 투과판(73G)을 둘러싸도록 이으면, 상기 가상의 정육각형이 형성된다.
또, 도 8에 있어서, 부호 W는, 웨이퍼 W의 평면 형상을, 복수의 마이크로파 투과판(73)이 배치된 가상의 평면에 투영하여 형성된 도형(이하, 간단히 웨이퍼 W의 평면 형상이라고 적는다)을 나타내고 있다. 도 8에 나타낸 예에서는, 웨이퍼 W의 평면 형상은 원형이다. 본 실시의 형태에서는, 마이크로파 투과판(73A~73F)의 중심점 PA~PF의 기준이 되는 정육각형의 외연은, 웨이퍼 W의 평면 형상을 포함하고 있다. 마이크로파 투과판(73G)의 중심점 PG는, 웨이퍼 W의 평면 형상(원)의 중심점에 일치 또는 거의 일치하고 있다. 마이크로파 투과판(73A~73F)의 중심점 PA~PF는, 웨이퍼 W의 평면 형상에 대한 동심원의 원주 위에 있어서, 균등 또는 거의 균등한 간격으로 배치되어 있다.
본 실시의 형태에서는, 모든 마이크로파 투과판(73)에 있어서, 서로 인접하는 임의의 3개의 마이크로파 투과판(73)의 중심점 사이의 거리는, 서로 같거나, 거의 같게 된다. 이하, 이것에 대하여, 마이크로파 투과판(73A, 73B, 73G)을 예로 들어 설명한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 투과판(73A, 73B)의 중심점 PA, PB는, 정육각형의 인접하는 2개의 정점에 일치하고 있다. 또한, 마이크로파 투과판(73G)의 중심점 PG는, 정육각형의 중심점에 일치하고 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 중심점 PA, PB, PG를 이어 그린 도형은, 정삼각형이 된다. 따라서, 중심점 PA, PB, PG 사이의 거리는 서로 같아진다.
상기 마이크로파 투과판(73A, 73B, 73G)에 대한 설명은, 서로 인접하는 3개의 마이크로파 투과판(73)의 조합 중 어느 것에 대해서도 들어맞는다. 따라서, 본 실시의 형태에서는, 모든 마이크로파 투과판(73)에 있어서, 서로 인접하는 임의의 3개의 마이크로파 투과판(73)의 중심점 사이의 거리는, 서로 같거나, 거의 같아진다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 마이크로파 도입 기구(63)는, 마이크로파 투과판(73)을 포함한 일체 구조를 이루고 있다. 본 실시의 형태에서는, 복수의 마이크로파 도입 기구(63)는, 7개의 마이크로파 도입 기구(63)로 이루어지는 것이다. 각 마이크로파 도입 기구(63)는, 도 7 및 도 8에 나타낸 마이크로파 투과판(73)이 배치된 위치에 대응하여 배치되어 있다. 또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 가스 도입부(15)의 복수의 노즐(16)은, 마이크로파 투과판(73A~73F)과 마이크로파 투과판(73G)의 사이에 있어서, 마이크로파 투과판(73G)의 주위를 둘러싸도록 배치되어 있다.
도 4, 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 7개의 발광 센서(92)(개구(66a))는, 7개의 마이크로파 투과판(73)에 대응하여, 각 마이크로파 투과판(73)과 각각 상하로 겹치도록 배치되어 있다. 외측의 마이크로파 투과판(73A~73F)에 대하여, 외측의 6개의 발광 센서(92)(6개의 개구(66a))는, 중심점 PA~PF를 잇는 정육각형 또는 원주보다, 웨이퍼 W의 지름 방향 외측에 위치하도록 배치되어 있다. 바람직하게는, 외측의 6개의 발광 센서(92)(6개의 개구(66a))는, 웨이퍼 W의 중심으로부터의 거리가 같아지도록 동일 원주 위에, 또한 같은 간격으로 배치된다. 내측의 마이크로파 투과판(73G)에 대하여, 발광 센서(92)(개구(66a))는, 외측의 6개의 발광 센서(92)(개구(66a))와의 거리의 차이가 가능한 한 작아지도록, 내측의 마이크로파 투과판(73G)에 겹쳐 배치되어 있다. 또, 각 발광 센서(92)의 배치는, 도시한 형태에 한하는 것은 아니다.
이상과 같이, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 서로 인접하는 마이크로파 투과판(73)의 중심점 사이의 거리가, 서로 같거나 거의 같아지도록 설정된다. 인접하는 복수의 마이크로파 투과판(73)의 중심점 사이의 거리가 다르도록 배치되어 있으면, 각 마이크로 투과판(73)에 근거하는 마이크로파 플라즈마의 밀도 분포가 모두 동일한 경우, 플라즈마 밀도에 편향이 생기고, 웨이퍼 W의 면 내에서의 처리의 균일성을 유지하는 것이 곤란해진다. 이에 비하여, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 서로 인접하는 마이크로파 투과판(73)의 중심점 사이의 거리가, 서로 같거나 거의 같아지도록 설정되는 것으로부터, 마이크로파 플라즈마의 밀도 분포를 균일화하는 것이 용이하게 된다. 이와 같이, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 간단한 구성으로, 마이크로파 플라즈마의 밀도 분포를 균일화하는 것이 가능하게 되고, 웨이퍼 W의 면 내에서의 처리의 균일성을 얻을 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 마이크로파 투과판(73G)은, 천정부(11)에 있어서의 중앙 부분에 배치되고, 6개의 마이크로파 투과판(73A~73F)은, 마이크로파 투과판(73G)을 둘러싸도록, 천정부(11)의 중앙 부분보다 외측에 배치되어 있다. 이에 의해, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 넓은 영역에 걸쳐, 마이크로파 플라즈마의 밀도 분포를 균일화하는 것이 가능하게 된다. 또한, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 복수의 안테나 모듈(61)의 구성은 모두 동일하다. 이에 의해, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 각 안테나 모듈(61)에 있어서 같은 플라즈마 발생 조건을 이용할 수 있고, 마이크로파 플라즈마의 밀도 분포의 조정이 용이하게 된다. 또, 정육각형의 내측에 대응하는 영역의 아래쪽에 있어서의 플라즈마의 밀도는, 정육각형의 외측에 대응하는 영역의 아래쪽에 있어서의 플라즈마 밀도보다 커진다. 본 실시의 형태에서는, 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 마이크로파 투과판(73A~73F)의 중심점 PA~PF의 기준이 되는 정육각형의 외연은, 웨이퍼 W의 평면 형상을 포함하고 있다. 이에 의해, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 플라즈마 밀도가 큰 영역에 웨이퍼 W를 배치할 수 있다.
다음으로, 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 센서류를 이용하여 행해지는 모니터링에 대하여 설명한다.
<발광 모니터링>
플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 발광 모니터링은, 발광 센서(92)에 의해 행해진다. 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 각 안테나 모듈(61)에 의해 처리 용기(2) 내에 도입된 마이크로파에 의해, 각 마이크로파 투과판(73A~73G)의 직하에서 플라즈마가 발생하기 때문에, 각 마이크로파 투과판(73A~73G)에 근접하여 1개씩 발광 센서(92)를 배치하고 있다. 또, 이하의 설명에서는, 각 마이크로파 투과판(73A~73G)을 포함하는 마이크로파 도입 기구(63)를, 각각 「플라즈마원」으로 표기하는 경우가 있다.
도 9는, 처리 용기(2) 내에서 3개의 플라즈마원에서 생성한 플라즈마의 상태를 모식적으로 설명하는 원리도이다. 여기서, 설명의 편의상, 모니터링의 대상이 되는 1개의 플라즈마원을 플라즈마원(200A), 이 플라즈마원(200A)에 인접하는 플라즈마원을 플라즈마원(200B, 200C)으로 한다. 도 9에서는, 3개의 플라즈마원 중, 중앙에 배치된 플라즈마원을 플라즈마원(200A)으로 하고 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 각 마이크로파 투과판(73)을 투과한 마이크로파에 의해, 각 마이크로파 투과판(73)의 직하에서 각각 플라즈마(100)가 생성된다. 플라즈마(100)는 처리 용기(2) 내에서 확산되기 때문에, 인접하는 플라즈마(100)끼리의 사이에서 부분적으로 중첩이 생긴다. 그 때문에, 플라즈마원(200A)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광 강도를 검출하고자 하는 경우에, 계측 대상 파장에 따라서는, 플라즈마원(200B)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광 강도가 강한 노이즈로서 검출되어 버린다. 그 결과, 플라즈마원(200A)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광만을 정밀하게 모니터링하는 것이 곤란하게 된다. 그에 비하여, 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 플라즈마원(200A)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광 강도와, 플라즈마원(200B)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광 강도의 비로부터, 미리 플라즈마원(200B)에서 생성한 플라즈마(100)의 노이즈가 작아지는 파장을 대상 파장으로서 선택하고, 모니터링을 행한다. 대상 파장의 선택에는, 플라즈마원(200A)의 중심점 P로부터 발광 센서(92)에 의한 계측 포인트 PM까지의 수평 방향의 거리 L1, 및 플라즈마원(200B)의 중심점 P로부터 계측 포인트 PM까지의 수평 방향의 거리 L2의 차이를 이용한다.
여기서, 본 발명의 원리를 보다 자세히 설명할 목적에서, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대하여 설명한다. 도 10은, 실험에 의해 얻어진, 서로 인접하는 2개의 플라즈마원에서 각각 생성한 플라즈마(100)의 발광 강도의 비를 나타내는 차트이다. 여기서도, 모니터링의 대상이 되는 1개의 플라즈마원을 플라즈마원(200A), 이 플라즈마원(200A)에 인접하는 1개의 플라즈마원을 플라즈마원(200B)으로 한다. 도 10의 세로축은, 플라즈마원(200A)에 의해 생성한 플라즈마(100)의 각 파장의 발광 강도 IA와, 플라즈마원(200B)에 의해 생성한 플라즈마(100)의 각 파장의 발광 강도 IB의 비(IA/IB)를 나타내고 있다. 가로축은, 발광 강도를 측정한 파장을 나타내고 있다.
이들 2개의 발광 강도 IA, IB는, 모두 플라즈마원(200A)에 설치된 1개의 발광 센서(92)에 의해 계측한 값이다. 또한, 실험에서는, 플라즈마원(200A)에 의해 처리 용기(2) 내에 도입되는 마이크로파 파워 PA와, 플라즈마원(200B)에 의해 처리 용기(2) 내에 도입되는 마이크로파 파워 PB의 비 PB/PA를 5 이상으로 설정했다. 구체적으로는, 마이크로파 파워 PA를 50W, 마이크로파 파워 PB를 400W로 설정했다. 이와 같이, 플라즈마원(200A)으로부터 도입하는 마이크로파 파워를 플라즈마원(200B)으로부터 도입하는 마이크로파 파워보다 작게 한 이유는, 발광 강도의 비 IA/IB가 확실히 커지는 파장을 찾아내기 위해서이다. 또, 플라즈마원(200A, 200B)의 사이의 거리는, 마이크로파 투과판(73)의 중심점 사이의 거리(다시 말해, 도 9의 L1과 L2의 합)로서, 175㎜로 설정했다.
실험은, 압력을 127㎩로 설정하고, 처리 가스의 종류와 유량을 이하와 같이 바꾸어 실시했다.
(1) 조건 1 :
Ar 가스 유량 1000㎖/min(sccm)
(2) 조건 2 :
Ar 가스 유량 1000㎖/min(sccm)
N2 가스 유량 200㎖/min(sccm)
(3) 조건 3 :
Ar 가스 유량 990㎖/min(sccm)
O2 가스 유량 10㎖/min(sccm)
(4) 조건 4 :
Ar 가스 유량 800㎖/min(sccm)
O2 가스 유량 200㎖/min(sccm)
도 10에 나타내는 발광 강도의 비가 큰 것은, 플라즈마원(200A)의 발광 센서(92)에 있어서, 플라즈마원(200B)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광의 영향을 그다지 받지 않고서, 플라즈마원(200A)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광 강도를 감도 좋게 검출할 수 있는 것을 의미하고 있다. 예컨대, 조건 2의 경우는, 파장 835㎚ 부근에 질소 함유 플라즈마를 현저히 나타내는 강한 피크가 나타나고 있고, 조건 4의 경우는, 777㎚ 부근에 산소 함유 플라즈마를 현저히 나타내는 강한 피크가 나타나고 있다. 또한, 조건 1, 조건 3의 경우는, 예컨대, 파장 810㎚~820㎚ 부근에서 발광 강도의 비가 충분히 크게 되어 있다.
이와 같이, 특정한 파장에 있어서, 인접하는 2개의 플라즈마원(200A, 200B)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광 강도의 비가 커지는 이유는, 그 특정한 파장에 있어서의 발광 강도의 검출치가 각 플라즈마(100)로부터 발광 센서(92)에 의한 계측 포인트 PM까지의 거리에 크게 의존하는 것이 원인이라고 생각된다. 다시 말해, 2개의 플라즈마(100)의 발광 강도 IA, IB를, 플라즈마원(200A)에 설치된 1개의 발광 센서(92)에 의해 계측하는 것에 의해, 플라즈마원(200A)과 플라즈마원(200B)의 위치의 차이로부터, 각각 계측 포인트 PM까지의 거리 L1, L2에 차이가 생긴다. 예컨대, 도 9의 예에서는, L1은 L2보다 상당히 짧게 되어 있다(L1<L2). 이 거리 L1, L2의 차이에 의해, 예컨대 거리 L1에서는 여기 상태를 유지하여 큰 발광 강도를 얻을 수 있지만, 거리 L2에서는 감쇠하여 발광 강도가 작아지는 활성종의 경우, 계측 포인트 PM에서의 발광 강도의 검출 결과에 큰 차이가 생기는 것이라고 생각된다. 따라서, 플라즈마(100) 중의 활성종의 수명을 고려하고, 발광 강도의 비 IA/IB가 커지는 파장을 선택하는 것에 의해, 플라즈마원(200B)에서 생성한 플라즈마(100)의 영향을 최소한으로 억제하면서, 플라즈마원(200A)에서 생성한 플라즈마(100)의 발광 강도를 고감도로 검출할 수 있다.
또한, 도 10에 나타낸 실험 결과는, 플라즈마원(200A)으로부터 도입한 마이크로파 파워 PA와, 플라즈마원(200B)으로부터 도입한 마이크로파 파워 PB의 비 PB/PA를 5 이상으로 설정하여 얻어진 것이다. 이와 같이, PA<PB가 되는 조건에서, 발광 강도의 비 IA/IB가 크게 나타나는 파장을 실험적으로 확인하고, 대상 파장으로서 선택하면, 플라즈마 처리 장치(1)에서 행해지는 통상의 플라즈마 처리에 있어서 상정되는 PA=PB의 조건에서는, 발광 강도의 비 IA/IB가 더 커지고, 높은 검출 정밀도를 얻을 수 있을 것이다. 다시 말해, 플라즈마원(200A)에서 생성하는 플라즈마(100)의 발광 강도를, 플라즈마원(200B)에서 생성하는 플라즈마(100)의 발광 강도와 구별하여 정밀하게 검출하는 것이 가능하게 된다. 대상 파장을 선정하기 위한 실험에서는, 실제의 플라즈마 처리에 있어서 발광 강도의 비 IA/IB가 확실히 커지는 파장을 찾아내어 모니터링을 용이하게 하는 관점에서, 상기 마이크로파 파워의 비 PB/PA를 예컨대 5 이상으로 설정하는 것이 바람직하고, 8 이상으로 설정하는 것이 보다 바람직하고, 10 이상으로 설정하는 것이 더 바람직하다. 또, 대상 파장을 선정하기 위한 실험에 있어서, 상기 마이크로파 파워의 비 PB/PA 이외의 조건은, 모니터링을 행하는 실제의 플라즈마 처리의 조건에 준하는 것이 바람직하다.
이상의 설명에서는, 인접하는 2개의 플라즈마원(200A, 200B)을 예로 들었지만, 예컨대 도 8에 나타내는 마이크로파 투과판(73A, 73B, 73C, 73D, 73E, 73F, 73G)을 각각 포함하는 7개의 플라즈마원 중, 임의의 2개의 플라즈마원의 사이에서는, 서로, 거리에 따라 특정한 파장의 발광 강도에 차이가 생긴다. 따라서, 모니터링의 대상이 되는 1개의 플라즈마원과, 다른 플라즈마원의 사이에서, 상기 발광 강도의 비가 커지는 파장만을 선택하여 발광 센서(92)에 의해 검출을 행하는 것에 의해, 고감도로, 모니터링 대상의 플라즈마원에 있어서의 플라즈마(100)만의 상태를 모니터링할 수 있다. 구체적으로는, 모니터링의 대상의 플라즈마원에서 발생한 플라즈마에 대하여, 프로세스의 개시시에 플라즈마(100)가 정상적으로 착화했는지 여부, 프로세스의 도중에 플라즈마(100)가 진화되었는지 여부, 프로세스 중에 있어서의 플라즈마(100)의 변동의 유무 등을, 다른 6개의 플라즈마원에서 생성한 플라즈마(100)의 영향을 최대한 배제하면서 정밀하게 모니터링할 수 있다.
<마이크로파 모니터링>
본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 처리 용기(2) 내의 마이크로파 모니터링은, 마이크로파 센서(91)에 의해 행해진다. 복수의 플라즈마원에서 각각 플라즈마(100)를 생성시키는 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 상술한 바와 같이, 복수의 발광 센서(92)를 이용하여 플라즈마(100)의 착화, 진화나 플라즈마(100)의 상태를 모니터링하는 것이 가능하다. 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 발광 센서(92)에 의한 모니터링을 보완할 목적에서, 처리 용기(2) 내에 도입된 마이크로파를 마이크로파 센서(91)에서 검출하는 것에 의해, 어느 하나의 플라즈마원에 있어서의 플라즈마(100)의 착화 혹은 진화를 신속히 파악할 수 있다.
도 11은, 처리 용기(2) 내에서 3개의 플라즈마원에서 생성한 플라즈마(100)의 상태를 모식적으로 설명하는 원리도이다. 설명의 편의상, 중앙의 플라즈마원을 플라즈마원(200A), 그 양측에 인접하는 플라즈마원을 플라즈마원(200B, 200C)으로 한다. 도 11에서는, 플라즈마원(200A)의 플라즈마(100)가 어떠한 이상에 의해 진화된 상태를 파선으로 나타내고 있다. 플라즈마원(200B, 200C)은, 플라즈마(100)가 정상적으로 방전되고 있는 상태이다. 도 11에 나타내는 상태에서는, 가령, 특허 문헌 1과 같이, 처리 용기(2)의 측벽부(12)에 단일 발광 센서를 마련하여 플라즈마의 발광을 검출하고자 하더라도, 그 발광 센서에는 복수의 플라즈마(100)의 광이 합성되어 입사하여 오기 때문에, 1개의 플라즈마원(200A)에서의 플라즈마(100)의 진화를 검지하는 것은 곤란하게 된다. 플라즈마원의 수가 많아질수록, 이 곤란성은 늘어가게 된다. 그래서, 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 마이크로파 센서(91)를 이용하고, 처리 용기(2) 내의 마이크로파를 검출하는 것에 의해, 예컨대 플라즈마원(200A)에서 플라즈마(100)가 진화된 경우에, 그 사실을 신속하게 검지할 수 있게 했다.
도 12는, 플라즈마 처리 장치(1)의 처리 용기(2) 내에서의 플라즈마(100)의 방전의 유무와, 마이크로파 센서(91)에 의한 처리 용기(2) 내의 마이크로파의 검출 결과의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 실험에서는, 처리 용기(2) 내의 압력을 20㎩, Ar 가스 유량을 1000㎖/min(sccm)으로 설정하여 1개의 플라즈마원에서 플라즈마(100)를 생성했다. 도 12의 세로축은, 마이크로파 센서(91)에 의한 마이크로파의 검출치를 나타내고, 가로축은, 마이크로파 파워를 나타내고 있다. 또한, 도 12 중의 파선은 플라즈마의 착화점을 나타내고 있고, 이 파선으로부터 지면을 향해 우측의 영역에서는, 플라즈마 방전이 일어나고 있는 것을 의미하고 있다.
도 12로부터, 플라즈마(100)의 착화 전은, 마이크로파의 검출치가, 플라즈마원으로부터 도입되는 마이크로파 파워에 비례하여 크게 되어 있다. 그리고, 마이크로파의 검출치는, 착화점의 부근에서 급격히 변동하고, 플라즈마 방전 중은, 처리 용기(2) 내에서 검출되는 마이크로파가 미약하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 처리 용기(2) 내에 도입된 마이크로파의 대부분이 플라즈마 방전에 기여하여 소비되거나, 반사파가 되고 있는 것을 나타내고 있다. 따라서, 도 11에 나타낸 바와 같이, 복수의 플라즈마원(200A~200C) 중, 1개의 플라즈마원(200A)의 플라즈마(100)가 착화 혹은 진화된 경우에는, 마이크로파 센서(91)에 의한 처리 용기(2) 내의 마이크로파의 검출치의 변동으로서 검지할 수 있다. 또한, 마이크로파 센서(91)에 의해, 플라즈마 방전시의 미약한 마이크로파를 검출하는 것에 의해, 처리 용기(2) 내에 있어서의 플라즈마(100)의 방전 상태를 모니터링하는 것도 가능하다. 또, 마이크로파 센서(91)의 대표예로서는, 전자계 프로브를 들 수 있다.
또, 마이크로파 센서(91)는, 처리 용기(2)의 측벽부(12)에 구비할 뿐 아니고, 예컨대 천정부(11)에 구비하더라도 좋고, 혹은 발광 센서(92)와 같이 플라즈마원에 구비하더라도 좋다. 또한, 마이크로파 센서(91)는, 복수의 플라즈마원마다 구비하더라도 좋고, 혹은 처리 용기(2)의 측벽부(12)의 복수 부분에 구비하더라도 좋다.
<임피던스 모니터링>
본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 임피던스 모니터링은, 각 플라즈마원에 구비된 마이크로파 센서(93)에 의해 행해진다. 복수의 플라즈마원에서 각각 플라즈마(100)를 생성시키는 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 상술한 바와 같이, 복수의 발광 센서(92)를 이용하여 플라즈마(100)의 착화, 진화나 플라즈마(100)의 상태를 모니터링하는 것이 가능하다. 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 발광 센서(92)에 의한 모니터링을 보완할 목적에서, 마이크로파 센서(93)를 이용하여, 플라즈마(100)의 착화에 따르는 임피던스의 변화를 측정한다. 구체적으로는, 마이크로파 센서(93)에 의해, 마이크로파 전송로(68)에 있어서의 마이크로파의 진행파와 반사파로부터 임피던스를 구하는 것에 의해, 각 플라즈마원에서 플라즈마(100)가 착화하고 있는지 여부를 신속하게 파악할 수 있다.
도 13은, 플라즈마 처리 장치(1)의 처리 용기(2) 내에서 3개의 플라즈마원에서 생성한 플라즈마(100)의 상태를 모식적으로 설명하는 원리도이다. 여기서, 설명의 편의상, 중앙의 플라즈마원을 플라즈마원(200A), 그 양측에 인접하는 플라즈마원을 플라즈마원(200B, 200C)으로 한다. 도 13 중, 플라즈마원(200A)은, 어떠한 이상에 의해 플라즈마원(200B, 200C)보다 시간적으로 늦게 플라즈마(100)가 착화한 것으로 한다. 플라즈마원(200B, 200C)에서는, 정상적인 타이밍에 플라즈마(100)가 착화하고 있다. 가령, 특허 문헌 1과 같이, 처리 용기(2)의 측벽부(12)에 단일 발광 센서를 마련한 경우, 그 발광 센서에는 복수의 플라즈마(100)로부터의 광이 합성되어 입사하기 때문에, 플라즈마원의 수가 많아질수록, 1개의 플라즈마원의 상태, 예컨대 플라즈마원(200A)의 플라즈마(100)가 정상적으로 착화하고 있는지 여부를 검지하는 것이 곤란하게 된다. 그에 비하여, 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 마이크로파 센서(93)를 이용하여, 마이크로파 전송로(68)의 임피던스를 검출하는 것에 의해, 플라즈마원(200A)에서 플라즈마가 착화하고 있는지 여부를 신속하게 검지할 수 있다.
여기서, 도 14 및 도 15를 참조하면서, 플라즈마(100)의 착화시에 있어서의 임피던스와 발광의 변동의 관계에 대하여 조사한 실험 결과를 설명한다. 이 실험에서는, 처리 용기(2) 내의 압력을 20㎩, Ar 가스 유량을 1000㎖/min(sccm)으로 설정하여 1개의 플라즈마원에서 플라즈마(100)를 생성했다. 도 14는, 마이크로파 파워의 온(ON)으로부터, 착화, 정합 개시, 정합 완료까지의 임피던스의 궤적을 스미스차트로 나타낸 것이다. 도 14에 있어서, 마름모꼴의 플롯의 간격은 일정하지 않지만, 플롯 사이의 시간은 같다. 도 14에 있어서, 플롯 PS1은 미량의 마이크로파 파워를 입력하고 있지만 플라즈마(100)가 착화되고 있지 않은 상태이다. 임피던스의 궤적을 따라가면, 이하와 같이 된다. 플롯 PS1로부터 플라즈마(100)가 착화하면, 플라즈마(100)의 부하에 의해 큰 변동을 동반하여 전반사 조건인 플롯 PS2에 도달한다. 이 플롯 PS1로부터 PS2 사이의 변동이 플라즈마(100)의 착화를 나타내고 있다. 또한, 플롯 PS2에 인접하는 플롯 PS3으로부터 튜너(64)의 2개의 슬러그(74A, 74B)를 이동시켜, 정합을 개시하는 것에 의해, 최종적으로 반사 계수가 작은 플롯 PS4에 이르고, 정합이 완료된다.
한편, 도 15는, 플라즈마 착화시의 임피던스와 플라즈마 발광의 시간 변화를 나타내는 그래프이다. 도 15의 지면을 향해 좌측의 세로축은 마이크로파 파워를 나타내고, 우측의 세로축은, 플라즈마(100)의 발광의 변동 및 임피던스의 변동을 규격화하여 나타내고 있다. 도 15에 나타내는 임피던스 변동의 플롯에 있어서, 가로축의 10.5초로부터 마이크로파 파워를 온(ON)으로 한 후, 10.7초 전후로부터 시작되는 급한 상승은, 플라즈마의 착화를 나타내고 있고, 도 14의 플롯 PS1로부터 PS2에 대응하고 있다. 그리고, 도 15에 있어서, 플라즈마(100)가 착화한 후, 약 11.3초 전후까지의 사이는, 발광 강도의 변화가 적고, 임피던스도 거의 변화하지 않고 있다. 그 후, 발광 강도가 크게 변화하기 시작하면, 임피던스도 크게 변화하고 있는 것을 알 수 있다.
도 14 및 도 15로부터, 플라즈마 발광 강도의 변동과 임피던스의 변동의 사이에는 관련성이 있는 것이 이해된다. 따라서, 발광 강도의 검출 대신에 임피던스의 검출을 행하는 것에 의해, 예컨대 도 13에 나타낸 플라즈마원(200A)에서 플라즈마가 착화하고 있는지 여부를 신속하게 검지할 수 있다. 도 13에 나타낸 케이스와 같이, 복수의 플라즈마원 중, 1개의 플라즈마원(200A)에서 시간적으로 늦게 플라즈마(100)가 착화한 경우에는, 플라즈마원(200A)의 마이크로파 센서(93)에 의해 검출되는 마이크로파 전송로(68)의 임피던스가, 다른 플라즈마원(200B, 200C)과는 다른 검출치가 된다. 따라서, 각 플라즈마원에 구비된 마이크로파 센서(93)에 의해 임피던스의 모니터링을 행하는 것에 의해, 발광 센서(92)에 의한 모니터링을 대체 또는 보완할 수 있다.
또, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 각 마이크로파 센서(93)는, 임피던스의 정합에 필요한 구성이고, 새로운 설비의 부가를 요하지 않기 때문에, 이들을 플라즈마(100)의 모니터링에 이용하는 것은, 비용면에서도 유리하다.
다음으로, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서의 플라즈마 처리의 수순의 일례에 대하여 설명한다. 여기서는, 처리 가스로서 산소를 함유하는 가스를 사용하여, 웨이퍼 W의 표면에 대하여 플라즈마 산화 처리를 실시하는 경우를 예로 들어, 플라즈마 처리의 수순에 대하여 설명한다. 우선, 예컨대 사용자 인터페이스(82)로부터, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 플라즈마 산화 처리를 행하도록, 프로세스 컨트롤러(81)에 지령이 입력된다. 다음으로, 프로세스 컨트롤러(81)는, 이 지령을 받아, 기억부(83) 또는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 보존된 레시피를 읽어낸다. 다음으로, 레시피에 근거하는 조건에 의해 플라즈마 산화 처리가 실행되도록, 프로세스 컨트롤러(81)로부터 플라즈마 처리 장치(1)의 각 최종 장치(예컨대, 고주파 마이어스 전원(25), 가스 공급 장치(3a), 배기 장치(4), 마이크로파 도입 장치(5) 등)에 제어 신호가 송출된다.
다음으로, 게이트 밸브 G가 열린 상태가 되어, 도시하지 않는 반송 장치에 의해, 웨이퍼 W가, 게이트 밸브 G 및 반입출구(12a)를 통해 처리 용기(2) 내에 반입된다. 웨이퍼 W는, 탑재대(21)의 탑재면(21a)에 탑재된다. 다음으로, 게이트 밸브 G가 닫힌 상태가 되어, 배기 장치(4)에 의해, 처리 용기(2) 내가 감압 배기된다. 다음으로, 가스 공급 기구(3)에 의해, 소정의 유량의 희가스 및 산소 함유 가스가, 가스 도입부(15)를 통해 처리 용기(2) 내에 도입된다. 처리 용기(2)의 내부 공간은, 배기량 및 가스 공급량을 조정하는 것에 의해, 소정의 압력으로 조정된다.
다음으로, 마이크로파 출력부(50)에 있어서, 처리 용기(2) 내에 도입하는 마이크로파를 발생시킨다. 마이크로파 출력부(50)의 분배기(54)로부터 출력된 복수의 마이크로파는, 안테나 유닛(60)의 복수의 안테나 모듈(61)에 입력되고, 각 안테나 모듈(61)에 의해, 처리 용기(2) 내에 도입된다. 각 안테나 모듈(61)에서는, 마이크로파는, 앰프부(62) 및 마이크로파 도입 기구(63)를 전파한다. 마이크로파 도입 기구(63)의 안테나부(65)에 도달한 마이크로파는, 평면 안테나(71)의 슬롯(71a)으로부터, 마이크로파 투과판(73)을 투과하여, 처리 용기(2) 내에 있어서의 웨이퍼 W의 위쪽의 공간에 방사된다. 이와 같이 하여, 각 안테나 모듈(61)로부터, 각각 따로따로 마이크로파가 처리 용기(2) 내에 도입된다.
상기와 같이 복수의 부위로부터 처리 용기(2) 내에 도입된 마이크로파는, 각각 처리 용기(2) 내에 전자계를 형성한다. 이에 의해, 처리 용기(2) 내에 도입된 희가스나 산소 함유 가스 등의 처리 가스를 플라즈마화한다. 그리고, 플라즈마 중의 활성종, 예컨대 라디칼이나 이온의 작용에 의해, 웨이퍼 W의 실리콘 표면이 산화되어 실리콘 산화막 SiO2의 박막이 형성된다.
프로세스 컨트롤러(81)로부터 플라즈마 처리 장치(1)의 각 최종 장치에 플라즈마 처리를 종료시키는 제어 신호가 송출되면, 마이크로파의 발생이 정지됨과 아울러, 희가스 및 산소 함유 가스의 공급이 정지되어, 웨이퍼 W에 대한 플라즈마 처리가 종료된다. 다음으로, 게이트 밸브 G가 열린 상태가 되어, 도시하지 않는 반송 장치에 의해, 웨이퍼 W가 반출된다.
또, 산소 함유 가스 대신에 질소 함유 가스를 사용하는 것에 의해, 웨이퍼 W에 대하여 질화 처리를 실시하고, 실리콘 질화막 SiN의 박막을 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 처리에 있어서, 처리 용기(2) 내에서의 각 플라즈마의 착화, 진화 또한 생성한 각 플라즈마의 상태는, 각 플라즈마원에 개별적으로 배치된 발광 센서(92)에서 특정한 대상 파장의 발광을 검출하는 것에 의해, 플라즈마원마다 구별하여 모니터링할 수 있다. 또한, 마이크로파 센서(91)를 이용하여, 처리 용기(2) 내의 마이크로파를 검출하는 것에 의해, 처리 용기(2) 내에서의 플라즈마의 착화나 진화를 파악할 수도 있다. 또한, 마이크로파 센서(93)를 이용하여, 각 플라즈마원의 임피던스를 개별적으로 검출하는 것에 의해, 처리 용기(2) 내에서 생성하는 각 플라즈마의 상태를 파악할 수도 있다.
또, 발광 센서(92) 등을 이용한 모니터링에서, 예컨대 프로세스를 행하기 전에 1개의 플라즈마원에서 플라즈마가 착화되어 있지 않은 것이 검출된 경우는, 프로세스 컨트롤러(81)로부터 프로세스의 실행을 중지하는 제어 신호를 송출할 수 있다. 또한, 예컨대 프로세스 도중에 1개의 플라즈마원에서 플라즈마가 진화된 것이 검출된 경우는, 프로세스 컨트롤러(81)로부터 그 플라즈마원에서 다시 착화를 실행하도록 제어 신호를 송출하거나, 혹은 프로세스를 중단하는 제어 신호를 송출하거나 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시의 형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 의하면, 복수의 플라즈마원 중, 1개 내지 복수의 플라즈마원에서 생성한 플라즈마(100)에 대하여, 정상적으로 착화했는지 여부, 프로세스의 도중에 진화되었는지 여부, 프로세스 중에 있어서의 변동의 유무 등을, 정밀하게 모니터링할 수 있다. 따라서, 개개의 플라즈마원에 있어서의 플라즈마(100)의 불착화(不着火)나 진화 등에 의한 프로세스 불량 등을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 복수의 플라즈마를 개별적으로 모니터링하는 것에 의해, 품질 관리용 웨이퍼를 사용하지 않더라도, 플라즈마의 변동에 기인하는 프로세스의 변동을 상시 확인할 수 있기 때문에, 공업 규모에서의 양산에 있어서 유리하다.
또, 본 발명은, 상기 각 실시의 형태에 한정되지 않고, 다양한 변경이 가능하다. 예컨대, 본 발명의 플라즈마 처리 방법은, 반도체 웨이퍼를 피처리체로 하는 경우에 한정되지 않고, 예컨대 태양 전지 패널의 기판이나 플랫 패널 디스플레이용 기판을 피처리체로 하는 경우에도 적용할 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치로서는, 예컨대 ICP 플라즈마 방식, ECR 플라즈마 방식, 표면파 플라즈마 방식, 마그네트론 플라즈마 방식 등의 다른 방식의 플라즈마 처리 장치를 이용할 수도 있다. 또한, 진공 처리에 한정하지 않고, 대기압 플라즈마를 이용할 수도 있다.
1 : 플라즈마 처리 장치 2 : 처리 용기
3 : 가스 공급 기구 4 : 배기 장치
5 : 마이크로파 도입 장치 8 : 제어부
14 : 배기관 15 : 가스 도입부
16 : 노즐 21 : 탑재대
21a : 탑재면 24 : 정합기
25 : 고주파 바이어스 전원 50 : 마이크로파 출력부
51 : 전원부 52 : 마이크로파 발진기
53 : 앰프 54 : 분배기
60 : 안테나 유닛 61 : 안테나 모듈
62 : 앰프부 63 : 마이크로파 도입 기구
64 : 튜너 65 : 안테나부
66 : 본체 용기 67 : 내측 도체
71 : 평면 안테나 71a : 슬롯
72 : 마이크로파 지파재 73 : 마이크로파 투과판
81 : 프로세스 컨트롤러 82 : 사용자 인터페이스
83 : 기억부 91 : 마이크로파 센서
92 : 발광 센서 93 : 마이크로파 센서
W : 반도체 웨이퍼

Claims (14)

  1. 피처리체를 수용하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기의 내부에 배치되고, 상기 피처리체를 탑재하는 탑재면을 갖는 탑재대와,
    상기 처리 용기 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 처리 용기 내에서 플라즈마를 생성시키기 위한 마이크로파를 각각 상기 처리 용기 내에 도입하는 복수의 마이크로파 도입 모듈과,
    상기 처리 용기 내에서 행해지는 플라즈마 처리의 조건에 따라 미리 선택된 대상 파장에 근거하여, 상기 마이크로파 도입 모듈마다 생성하는 플라즈마의 발광을 검출하기 위해, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈에 각각 대응하여 마련된 복수의 발광 센서와,
    상기 복수의 발광 센서의 검출 데이터에 근거하여, 상기 복수의 플라즈마의 상태를 각각 모니터링하는 제어부
    를 구비하되,
    상기 대상 파장은, 상기 복수의 플라즈마에 있어서의 발광 강도의 비에 근거해서 선택된 것인
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 강도의 비는, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈 중, 서로 인접하는 2개의 마이크로파 도입 모듈로부터 각각 도입된 마이크로파에 의해 생성된 2개의 플라즈마에 있어서의 발광 강도의 비인 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 강도의 비는, 모니터링 대상의 플라즈마를 생성하기 위해 상기 마이크로파 도입 모듈에 의해 도입되는 마이크로파 파워 PA와, 상기 모니터링 대상의 플라즈마에 인접하는 플라즈마를 생성시키기 위해 상기 마이크로파 도입 모듈에 의해 도입되는 마이크로파 파워 PB의 비 PB/PA를 5 이상으로 설정한 조건에서 각각 플라즈마를 생성시켜 계측된 것인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리가, 플라즈마 산화 처리이고, 상기 대상 파장이 777㎚인 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리가, 플라즈마 질화 처리이고, 상기 대상 파장이 835㎚인 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 도입 모듈은, 각각, 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 투과시켜 도입시키는 마이크로파 투과창을 갖고 있고, 상기 발광 센서는, 상기 마이크로파 투과창을 통해서 상기 플라즈마의 발광을 검출하는 위치에 마련되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 도입 모듈은, 상기 처리 용기의 천정부의 중앙 부분에 1개의 중심 마이크로파 투과창이 위치하고, 상기 중심 마이크로파 투과창을 둘러싸도록 그 외측에 적어도 6개의 외측 마이크로파 투과창이 위치하도록, 배치되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  8. 플라즈마 처리 장치에 있어서 플라즈마의 모니터링을 행하는 플라즈마의 모니터링 방법으로서,
    상기 플라즈마 처리 장치는,
    피처리체를 수용하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기의 내부에 배치되고, 상기 피처리체를 탑재하는 탑재면을 갖는 탑재대와,
    상기 처리 용기 내에 처리 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 처리 용기 내에서 플라즈마를 생성시키기 위한 마이크로파를 각각 상기 처리 용기 내에 도입하는 복수의 마이크로파 도입 모듈과,
    상기 처리 용기 내에서 행해지는 플라즈마 처리의 조건에 따라 미리 선택된 대상 파장에 근거하여, 상기 마이크로파 도입 모듈마다 생성하는 플라즈마의 발광을 검출하기 위해, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈에 각각 대응하여 마련된 복수의 발광 센서
    를 구비하고 있고,
    상기 복수의 발광 센서의 검출 데이터에 근거하여, 상기 복수의 플라즈마의 상태를 각각 모니터링하되,
    상기 대상 파장은, 상기 복수의 플라즈마에 있어서의 발광 강도의 비에 근거해서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마의 모니터링 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 발광 강도의 비는, 상기 복수의 마이크로파 도입 모듈 중, 서로 인접하는 2개의 마이크로파 도입 모듈로부터 각각 도입된 마이크로파에 의해 생성된 2개의 플라즈마에 있어서의 발광 강도의 비인 플라즈마의 모니터링 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 발광 강도의 비는, 모니터링 대상의 플라즈마를 생성하기 위해 상기 마이크로파 도입 모듈에 의해 도입되는 마이크로파 파워 PA와, 상기 모니터링 대상의 플라즈마에 인접하는 플라즈마를 생성시키기 위해 상기 마이크로파 도입 모듈에 의해 도입되는 마이크로파 파워 PB의 비 PB/PA를 5 이상으로 설정한 조건에서 각각 플라즈마를 생성시켜 계측된 것인 플라즈마의 모니터링 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리가, 플라즈마 산화 처리이고, 상기 대상 파장이 777㎚인 플라즈마의 모니터링 방법.
  12. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리가, 플라즈마 질화 처리이고, 상기 대상 파장이 835㎚인 플라즈마의 모니터링 방법.
  13. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 도입 모듈은, 각각, 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 투과시켜 도입시키는 마이크로파 투과창을 갖고 있고, 상기 발광 센서는, 상기 마이크로파 투과창을 통해서 상기 플라즈마의 발광을 검출하는 위치에 마련되어 있는 플라즈마의 모니터링 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로파 도입 모듈은, 상기 처리 용기의 천정부의 중앙 부분에 1개의 중심 마이크로파 투과창이 위치하고, 상기 중심 마이크로파 투과창을 둘러싸도록 그 외측에 적어도 6개의 외측 마이크로파 투과창이 위치하도록, 배치되어 있는 플라즈마의 모니터링 방법.
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