KR101960826B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치의 운전 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

수율을 향상시킨 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
진공 용기 내부에 배치된 처리실 내에 형성되는 플라즈마를 이용하여 상기 처리실 내에 배치된 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 장치에 있어서, 상기 처리실 주위를 둘러싸는 상기 진공 용기의 측벽에 배치되어 상기 플라즈마로부터의 발광이 투과하는 일방의 창과, 이 일방의 창의 처리실을 사이에 둔 타방의 측에 배치되어 이 처리실 외부로부터의 광이 투과하는 타방의 창과, 상기 일방의 창의 외부에 배치되어 이 일방의 창으로부터의 광을 받아 검출하는 수광부와, 상기 타방의 창의 외부에 배치된 상기 외부의 광의 광원 및 이 광원과 상기 타방의 창과의 사이에 배치되어 상기 광원으로부터의 광을 상기 처리실 내로 향하는 광로 및 다른 방향으로 향하는 광로로 분기함과 함께 상기 타방의 광으로부터의 상기 처리실 내의 광을 또 다른 방향으로 반사하는 광 분기부와, 이 광 분기부로부터 상기 처리실을 통하여 상기 수광부에서 수광된 광과 상기 광 분기부에서 다른 방향으로 분기된 광 및 반사된 광이 전달되고 이러한 광을 이용하여 상기 수광부에서 수광한 상기 플라즈마로부터의 발광을 검출하는 검출부를 구비하고, 당해 결과에 의거하여 조절된 상기 처리의 조건에 의하여 상기 웨이퍼를 처리한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치의 운전 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은, 진공 용기 내부에 배치된 처리실 내에 형성한 플라즈마를 이용하여 당해 처리실 내에 배치한 반도체 웨이퍼 등의 기판상의 시료를 처리하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치의 운전 방법에 관련된 것이며, 특히, 처리실 내로부터의 광을 검출한 결과를 이용하여 상기 시료의 처리를 조절하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치의 운전 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 성능 향상을 위해, 반도체 웨이퍼 등의 기판상의 시료의 표면에 당해 디바이스의 회로를 플라즈마 에칭에 의해 형성하기 위해 웨이퍼 표면에 미리 배치된 마스크층과 처리 대상의 막층을 포함하는 복수의 막층을 가진 막 구조를 처리하는 공정에 있어서, 나노미터 레벨의 가공의 정밀도가 요구되고 있다. 또한, 이와 같은 디바이스의 생산성을 향상시키기 위해, 웨이퍼의 처리 장치에 있어서 이 정밀도를 유지한 상태에서 가능한 한 수많은 웨이퍼를 계속하여 처리하는 것이 요구되고 있다.
그러나, 이와 같은 양산으로의 공정의 계속에 의해, 처리실의 내벽이 플라즈마에 폭로되는 시간이 증가하고, 내벽 자체의 소모나 내벽 표면에의 내(耐)플라즈마성 화합물의 퇴적이 계속됨으로써, 당해 내벽의 표면의 상태가 시간의 경과와 함께 변화한다. 이와 같이 내벽 표면의 재질이 변동하면, 플라즈마 중의 반응성 및 퇴적성 라디칼의 내벽 표면에서의 소실량이나, 플라즈마와 내벽 재료의 반응에 의해 방출되는 원자 및 분자의 양이 변동하게 되어 플라즈마의 특성도 영향을 받아 변동하게 된다.
이러한 변동에 의해, 플라즈마를 구성하는 라디칼 및 하전 입자의 조성이 변동하고, 그것에 의해 처리의 결과로서의 가공 후의 구조의 형상의 치수가 변동한 결과, 변동량이 치수의 허용되는 범위를 초과한 경우에는 처리된 웨이퍼로부터 얻어지는 반도체 디바이스는 불량품이 되기 때문에, 생산의 수율이 손상된다는 점에서 처리를 계속할 수는 없다. 또, 내벽의 표면에서의 이와 같은 부착물의 퇴적의 양이 증가하면, 부착된 표면으로부터 조각이나 입자가 되어 다시 처리실 내로 유리(遊離)되어버리고, 이들이 웨이퍼의 표면에 부착되면, 예를 들어 소기의 치수가 얻어진 처리여도 당해 막 구조가 오염되어, 마찬가지로 처리의 수율이 저하되어버린다.
상기의 가공 형상의 변동을 제어하는 기술 중 하나로서, 플라즈마 상태나 장치 상태를 모니터하고, 그 결과를 이용하여 플라즈마 처리 설정에 피드백을 제공하여, 가공 형상을 액티브하게 제어하는 기술(이후 APC:Advanced Process Control이라고 칭한다)이 있다. 플라즈마 상태의 모니터 중 하나로서, 플라즈마광의 스펙트럼을 취득하는 분광(이하 OES:Optical Emission Spectroscopy라고 칭한다) 모니터가 이용되고 있고, APC에 적용되어 있다.
플라즈마광은, 플라즈마 중에 있어서, 전자의 충돌에 의해 여기된 원자 또는 분자가 탈(脫)여기할 때에 방출된다. 따라서, OES 데이터는 플라즈마 중의 라디칼량 및 종류, 전자수 밀도 및 에너지 분포를 반영하기 때문에, 전술한 플라즈마 상태의 변동을 취득할 수 있다.
또, 반도체 가공용의 플라즈마 장치의 처리실 내에는 진공 또는 감압 분위기에서 이용되기 때문에, 플라즈마광은, 플라즈마광이 투과 가능한 장치 내벽이나, 진공 용기 벽에 설치된 창 등을 통하여 취득된다. 따라서, OES에 의해 취득되는 플라즈마광은, 플라즈마광 자체의 변동과, 플라즈마광이 처리실 벽을 투과하는 과정에서 일어나는 반사, 산란 등의 영향을 받게 된다.
내벽 표면이 다른 상태에 있어서, 플라즈마 상태를 동일하게 제어함으로써 가공 형상을 동일하게 할 수 있었던 경우를 생각하면, 내벽 투과 전의 플라즈마광은 동일하다. 그러나, 이 내벽을 투과하여 취득하게 되는, 플라즈마광의 OES 데이터가 변동되어버린다. 따라서, 나노미터 레벨에서의 고정밀도인 APC를 실현하기 위해서는, 플라즈마광 자체와 내벽 표면의 변동을 각각 취득 가능할 필요가 있다.
이와 같은 기술로서는, 일본 공개특허 특개2003-264175호 공보(특허문헌 1), 일본 공개특허 특개평8-106992호 공보(특허문헌 2)에 개시된 것이 종래부터 알려져 있었다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 처리실 측방으로부터 외부 광원으로부터의 광(이후 외부광이라고 칭한다)을 입사시키고, 대향측의 처리실 측벽의 표면에 설치한 반사부를 이용하여, 입사광을 반사시키고 있다.
본 종래기술은, 이 내벽을 투과시킨 외부광의 OES 데이터를 이용하여, 내벽 표면을 투과한 플라즈마광의 OES 데이터를 보정함으로써, 내벽 투과 전의 플라즈마광의 OES 데이터를 구하고 있다. 또, 특허문헌 2에서는, 처리실 측방으로부터 입사된 외부광을, 대향측의 처리실 측벽으로부터 처리실 밖으로 투과시키고, 이 내벽을 투과시킨 외부광의 OES 데이터를 이용하여, 마찬가지로 내벽 투과 전의 플라즈마광의 OES 데이터를 구하고 있다.
한편, 웨이퍼의 표면에 회로 구조를 형성하는 처리를 개시하기 전에 처리실의 내벽의 표면에 원하는 피막을 형성하는 코팅 단계를 실시하여, 당해 피막의 존재에 의해 처리실 내 표면과 웨이퍼 처리 중에 생성되는 플라즈마와의 사이의 상호작용을 안정화시킴으로써, 플라즈마의 특성의 변동을 억제하여 처리 결과의 경시(經時)적인 변동을 저감하는 것이 고려되고 있다. 이와 같은 종래기술은, 웨이퍼의 처리를 개시하는 시점부터 종료까지의 동안에 처리실의 내벽 표면에 남도록 피막 막을 미리 형성해 둠으로써, 처리실의 내표면의 상태의 변화를 억제하는 것이다.
이와 같은 종래기술의 예는 일본 공개특허 특개2002-246320호 공보(특허문헌3)의 것이 알려져 있었다. 본 특허문헌 3에서는, 처리실의 내벽을 구성하는 금속의 표면에 생성물이 부착된 상태에서, 금속의 내벽 표면 및 부착물에 의한 막의 표면으로부터의 반사광으로 이루어지는 간섭광의 강도 변화를 검출한 결과를 이용하여 부착물의 막의 상태가 검출되고 있다. 본 종래기술은, 이 검출의 결과로부터 처리실 내벽의 금속의 표면을 노출시키지 않도록 클리닝을 종료시키는 것을 개시하고 있다.
일본 공개특허 특개2003-264175호 공보 일본 공개특허 특개평8-106992호 공보 일본 공개특허 특개2002-246320호 공보
상기 종래기술은 다음의 점에 대하여 고려가 불충분했기 때문에 문제가 생기고 있었다.
즉, 전술한 바와 같이, 반도체 디바이스 생산을 위한 플라즈마 에칭을 이용한 웨이퍼 처리에 있어서, 나노미터 레벨의 가공 정밀도를 유지하면서, 양산을 계속할 필요가 있다. 그 때문에 APC에는, 나노미터 레벨의 가공 편차를 평가할 수 있는, 고정밀도인 플라즈마광의 OES 데이터가 필요하다.
OES에서는 장치 내벽을 투과한 플라즈마광을 이용하여 정보를 취득하기 때문에, 그 데이터가 변동하는 부분에는 플라즈마광 자체의 변동과 함께 플라즈마광이 투과하는 처리실의 내벽의 표면 상태가 변동한 분(分)이 포함되어 있다. 이 양자를 나눌 필요가 있다. 이것으로부터, 피처리체인 반도체 웨이퍼 등의 기판상의 시료를 처리 중의 상태를 정밀도 좋게 검출하기 위해서는, OES의 데이터로부터 당해 내벽의 표면의 변동분과 플라즈마의 발광의 변동분을 나누어 추출할 수 있는 것이 필요하게 된다.
반도체 디바이스를 양산하기 위해 이용되는 플라즈마 처리 장치의 운전이 개시된 후의 진공 용기 내부의 처리실의 내벽 표면은, 통상 내벽 표면의 부재가 플라즈마와의 상호 작용에 의해 소모되거나, 또는 표면의 부재와 플라즈마 중 또는 처리실 내의 가스가 화합하여 형성된 화합물이 당해 표면에 부착하여 퇴적한다. 또, 이들 양방에 의해 소모된 내벽 표면상에 플라즈마 중 또는 시료의 표면에서의 반응에 의해 형성된 화합물이 퇴적하는 경우가 있다.
발명자들은, 운전을 중단하여 처리실의 내벽의 표면을 청소한 경우 또는 지금까지 운전에 제공되어 있지 않은 처리실을 이용하여, 미리 정해진 번들(bundle)의 매수의 동일 종류의 동일 막 구조가 형성된 시료를 연속 또는 단속적으로 한 장씩 처리하는 운전을 개시한 다음, 운전의 초기에서의 신품에 가까운 상태로부터, 예정된 매수의 중간 정도 또는 매수의 처리 종료 후에서의 상태까지의 내벽의 표면을 측정하고, 그 경시 동안의 변화를 검출하였다. 이 결과, 내벽의 표면의 상태는, 플라즈마에 폭로되어 있는 시간의 증가에 따라 소모되고, 운전의 개시시의 청정하고 평활한 표면으로부터 점점 면 거칠기 및 퇴적물의 두께나 양이 증가하는 것을 알았다.
도 15는, 종래기술에 관련된 플라즈마 처리 장치의 처리실 내측벽의 표면의 상하 방향이 다른 위치에 있어서의 처리실 내벽의 표면의 면 거칠기의 분포를 모식적으로 나타낸 그래프이다. 본 도면에 나타낸 바와 같이, 수 시간부터 수백 시간 플라즈마에 폭로된 후에는 최대 100㎛ 정도의 요철이나 구면(球面) 형상의 면 거칠기가 발생하고, 그 면 거칠기는 내측벽의 높이 방향의 위치에 의해 다르며, 상대적으로 하방의 내벽의 표면 쪽이 크다는 분포인 것을 알았다. 또한, 내벽의 표면의 부재와 처리실 내의 가스나 플라즈마의 화합물이 퇴적하는 경우에는, 그 퇴적물의 두께나 양도 내벽 표면의 위치에 따라 분포가 있는 것을 알았다.
이것으로부터, 전술의 내벽을 투과한 외부광 및 플라즈마광을 OES로 취득함에 있어서, 내벽의 표면을 투과하는 위치 및 면적에 따라, 이들 광이 처리실 벽을 투과하는 과정에서 일어나는 반사, 산란 등의 영향의 정도가 다른 것을 알 수 있다. 그리고, 상기한 플라즈마광을 이용한 OES의 데이터를 높은 정밀도로 검출하는 면에서, 이것을 통하여 플라즈마의 발광을 검출하는 내벽의 개소에서의 표면의 위치 및 면적의 상태를 검출한 데이터를 이용하는 경우에는, 이들의 위치나 면적과 플라즈마광시에 투과하는 내벽 표면의 위치 및 면적을 일치시킬 필요가 있다.
특허문헌 2에 개시된 기술은, 처리실의 내벽을 투과한 외부광 및 플라즈마광을 취득하는 경우, 계측 대상의 내벽 표면의 양측에 광 파이버의 발광 및 수광용의 단부의 축 단면(斷面)이 대향하도록 배치된 것이다. 이와 같은 구성에서는, 복수의 파이버로부터 구성된 광 파이버의 단면(端面)에는 그 개구의 수에 따른 최대 입사 각도(일반적으로 최대 방사 각도와 동일한 값이 되는 것)가 있고, 내벽의 상태를 검출하기 위해 처리 용기(처리실) 외부로부터 광 파이버의 단면으로부터 내부를 향하여 방사되는 광은, 단면으로부터 확산되어 방사된 최대 방사 각도 이내의 것이 처리실 내로 입사하여 반대측의 내벽의 표면에 배치된 투과 부재를 개재한 수광측에서는, 최대 입사 각도 이내의 광이 취득되게 된다.
이와 같은 배치에서는, 발광측의 단면으로부터 방사되어 대향하는 개소의 2개의 용기 벽면을 거쳐 도중에 경로가 굴곡되지 않고 수광측의 파이버의 단면으로 입사하는 광의 방사된 광 전체 중에서의 비율은, 쌍방의 파이버의 축을 연결하는 선(線) 상을 지나가는 것만의 극히 적은 분이며, 확산되어 방사되는 외부광의 대부분은 상기 대향하는 개소 이외의 처리실의 내측의 벽면에서 1회 이상 반사된 후에 수광된다고 생각된다. 이것으로부터, 내벽의 표면을 통과하여 수광측의 단면에 입사한 광으로부터 얻어지는 OES의 데이터는, 당해 광이 통과하는 경로상에 설치된 표면 모두의 상태가 영향을 주게 된다.
한편, 플라즈마로부터의 발광은, 처리실 내의 대부분의 영역에 존재하는 벌크 플라즈마 부분으로부터 방사되기 때문에, 수광측의 단부로 입사하는 광의 강도는, 금속 벽에서 반사하는 강도와 비교하여, 상대적으로 반사 없이 직접적으로 입사하는 광에 의한 것의 비율이 크다고 생각된다. 이상의 것으로부터, 외부광과 플라즈마광이 투과하는 내벽 표면의 위치 및 투과 횟수가 다르게 되고, 나아가서는, 전술한 바와 같이 내벽 표면의 상태에는 분포가 있기 때문에, 외부광의 OES 데이터를 이용한 경우여도, 플라즈마광 자체의 OES 데이터의 변화를 구할 수 없다는 문제가 있다.
또, 특허문헌 2에는, 수광측에 집광 렌즈를 배치한 구성이 개시되어 있다. 이 구성에 의하면 상기 수광되는 광 중 반사광의 성분을 제외하는 것도 가능하게 된다. 그러나, 이 경우에는, 외부광이 투과하는 내벽 표면의 위치 및 면적이, 방사측과 수광측에서 달라져 버린다는 문제가 생긴다.
예를 들면, 이 양자의 면적비는, 방사 위치로부터의 입사측 및 수광측 2개의 내벽 표면의 거리를 각각 2승한 값의 비가 된다. 직경 200mm의 웨이퍼에 대응하는 처리실의 경우에 있어서, 방사 위치로부터의 방사측 및 수광측의 내벽 표면까지의 거리를, 각각 10mm 및 300mm로 하면, 양 표면의 면적비는 900배나 된다. 이 때문에, 플라즈마광 자체의 OES 데이터의 변화를 정밀도 좋게 구하는 것이 곤란해져 버린다.
이 경우에, 외부광이 투과하는 면적에 대하여, 수광측을 φ10mm로 하면, 방사측에서는 φ0.33mm 정도가 된다. 전술한 바와 같이, 내벽 표면의 면 거칠기의 사이즈는 최대 100㎛ 정도로까지 증가하기 때문에, 방사측의 내벽 표면의 면 내에, 이와 같은 퇴적물이나 면 거칠기가 특이적으로 포함되는 경우에는, 외부광의 OES 데이터가 크게 변동되어 버린다는 문제가 생기고 있었다.
나아가서는, 플라즈마로부터의 광 또는 외부로부터 공급되는 광이 통과하는 처리실 내벽의 표면의 상태를 정밀하게 평가하는 면에서는, 당해 내벽의 표면을 투과하는 광의 스펙트럼을 높은 정밀도로 검출할 수 있는 것이 필요하게 된다. 이를 위해서는, OES에 의해 검출된 외부로부터 도입되는 광 자체(즉 처리실 내에 도입되기 전의 광)에 관한 데이터와, 내벽의 표면을 투과시킨 외부광의 OES 데이터를 취득하고, 이 양자를 고정밀도로 비교하여 차이를 검출 가능할 필요가 있다.
외부로부터 처리실 내로 광을 입사하여 내벽의 상태를 검출하기 위해서는, 계측 대상에 따른 복수의 광로를 이용할 필요가 있고, 각 계측 대상의 광을 분광기로 입사시킴으로써, OES 데이터를 취득한다. 각 계측 대상의 OES 데이터를 취득하고, 그것들을 고정밀도로 비교하기 위해서는, 각 광로에 따른 오차나, 분광기의 개체차에 기인하는 오차를 억제할 필요가 있다.
외부광을 이용하여 내벽 상태를 평가하기 위해서는, 계측 대상에 따른 복수의 광로를 이용할 필요가 있고, 각 계측 대상의 광을 입사시킴으로써 OES 데이터를 취득한다. 각 계측 대상의 OES 데이터를 취득하고, 그것들을 고정밀도로 비교하기 위해서는, 각 광로에 따른 오차나, 분광기의 개체차에 기인하는 오차를 억제할 필요가 있다.
또, 특허문헌 3에서는, 처리실 내벽의 금속제의 표면 및 부착물이 퇴적하여 형성된 막의 표면으로부터의 반사광에 의한 간섭광을 이용하여 당해 막의 상태를 검출하는 것이며, 내벽의 표면이 금속이기 때문에 이것에 입사한 광의 대부분이 반사되는 점에서 간섭광을 충분한 강도로 계측할 수 있다.
그러나, 처리실의 내벽으로서 광의 투과율이 높은 재료가 사용된 경우에는, 외부로부터 광을 처리실의 내벽 부재에 조사하더라도 내벽에 입사한 광의 대부분은 처리실로 투과되어버린다. 상기한 바와 같이, 이와 같은 재료의 내벽을 투과한 광은, 처리실을 구성하는 진공 용기 벽 등의 표면에서 반사됨으로써 미(迷)광이 되고, 내벽 및 막의 표면으로부터의 반사광에 의한 간섭광에 대한 노이즈가 되어 간섭광을 검출할 때의 노이즈가 되어버린다.
예를 들면, 석영제의 내벽의 표면에 퇴적한 부착물의 막의 상태를 검출하고자 하여, 외부로부터 당해 내벽에 조사된 가시광 영역의 광의 93% 이상은 내벽을 투과하여 내벽 표면에 퇴적한 부착물의 막에 입사한다. 한편, 내벽의 표면에 퇴적한 부착물의 막은 전형적인 플라즈마에 의해 웨이퍼를 처리하는 조건에 있어서는 10마이크로미터 이하의 박막이며, 그 막이 유기계 막이나 SiO계인 경우에는 당해 막에 입사한 광의 90% 이상은 처리실 내로 투과하고, 퇴적막의 종류에 따라서는 99% 이상이 처리실 내로 투과되어버린다.
즉, 석영제의 내벽의 표면과 부착물의 막의 경계 및 당해 막과 처리실 내측의 공간과의 경계에 있어서 반사되는 광은, 막으로 입사한 광 중 10% 이하, 막의 종류에 따라서는 1% 이하가 되어버린다. 상기한 바와 같이, 내벽 부재 및 그 표면의 부착물의 막으로부터의 반사광에 의한 간섭광의 강도에 대하여 노이즈가 되는 처리실 내에 투과하여 반사된 광은 10에서 100배의 강도를 가지게 되기 때문에, 간섭광을 이용하여 퇴적막의 상태를 정밀도 좋게 계측하기 위해서는, 처리실 내로 투과한 광이 계측시의 노이즈가 되는 것을 억제할 필요가 있다.
이와 같은 과제에 대하여, 상기 종래기술에서는 고려되어 있지 않았다. 이 때문에 처리실 내의 처리의 상태를 정밀하게 검출할 수 없기 때문에, 처리실 내의 광을 검출한 결과를 이용하여 소기의 결과를 얻기 위한 처리의 조건을 정밀도 좋게 결정하는 것이 곤란하게 되어 있었다. 또는, 얻어지는 가공 결과가 소기의 것으로부터 어긋나버리는 크기가 허용 범위를 초과하여 커져 버려 수율이 손상되어버린다는 문제가 생기고 있었다.
발명의 목적은, 수율을 향상시킨 플라즈마 처리 장치 또는 그 운전 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적은, 진공 용기 내부에 배치된 처리실 내에 형성되는 플라즈마를 이용하여 상기 처리실 내에 배치된 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
상기 처리실의 주위를 둘러싸는 상기 진공 용기의 일방측의 측벽에 배치되어 상기 처리실 내의 플라즈마로부터의 광이 투과하는 일방의 창과, 이 일방의 창의 처리실을 사이에 둔 타방측에 배치되어 이 처리실로부터의 광이 투과하는 타방의 창과, 상기 일방의 창의 외측으로서 상기 처리실의 외측에 배치되어 당해 일방의 창을 투과하여 내측에 입사한 광 및 상기 처리실의 외측으로부터의 광이 상기 처리실 내에 되돌아가는 것이 억제되는 광 흡수부로서, 내측에 입사한 상기 광을 그 외부에 전달하지 않는 광 흡수부와, 상기 타방의 창의 외측으로서 상기 처리실의 외측에 배치된 광원과, 당해 광원과 상기 타방의 창의 사이에 배치되어 상기 광원으로부터의 광을 상기 처리실 내로 향하는 광로 및 다른 방향으로 향하는 광로로 분기함과 함께 상기 타방의 창으로부터의 상기 처리실 내의 광을 또 다른 방향으로 분기하는 광 분기부를 구비하고, 당해 광 분기부로부터 상기 처리실로 향하는 광과 상기 광 분기부에서 상기 다른 방향으로 분기된 광 및 상기 광 분기부에서 상기 또 다른 방향으로의 광의 각각이 수광부로 선택적으로 전달 가능하게 구성됨과 함께, 선택적으로 전달되어 상기 수광부에서 수광된 이러한 광의 양을 검출하는 검출부와, 당해 검출부가 검출한 결과에 의거하여 상기 웨이퍼를 처리하는 조건을 조절하는 제어부를 구비함으로써 달성된다.
외부광 및 플라즈마광의 OES 데이터 취득과, 플라즈마광 자체의 OES 데이터 및 표면 상태 데이터를 고정밀도로 구할 수 있는 플라즈마 장치 및 처리 방법을 제공할 수 있어, 고정밀도인 플라즈마광의 OES 데이터 및 장치의 내벽의 상태를 차지하는 데이터를 취득할 수 있다. 또한, 취득한 데이터를 이용함으로써, 고정밀도인 APC를 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 2는, 도 1에 나타낸 실시예에 있어서 셔터의 개폐의 조합과 각각으로 선택되는 광로의 측정 대칭이 되는 광을 나타낸 표이다.
도 3은, 도 1에 나타낸 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 운전에 있어서의 동작의 흐름을 나타낸 플로우 차트이다.
도 4는, 도 1에 나타낸 실시예의 외부 광원의 구성을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 5는, 도 1에 나타낸 실시예의 분기 파이버의 타방의 단부의 단면을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 6은, 도 1에 나타낸 실시예의 분기 파이버의 타방의 단부의 단면을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 7은, 도 1에 나타낸 실시예에 관련된 스플리터 및 스플리터 홀더의 변형예의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 8은, 도 1에 나타낸 실시예에 관련된 수광부 및 방사부의 광 시준용의 수단의 변형예를 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 9는, 도 1에 나타낸 실시예의 광학계를 복수 배치한 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 10은, 도 9에 나타낸 광학계 A, B를 연결하는 스플리터의 다른 예의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 11은, 도 9에 나타낸 광학계 A, B를 연결하는 스플리터의 다른 예의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 12는, 도 1에 나타낸 실시예의 변형예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
도 13은, 도 12의 변형예에 있어서 검출되는 처리실(100)의 내벽 표면의 막으로부터의 간섭광의 양 If의 시간의 변화에 대한 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는, 도 12의 변형예에 있어서의 처리실의 내벽 표면의 막의 두께 또는 그 상태를 검출하는 동작의 흐름을 나타낸 플로우 차트이다.
도 15는, 종래기술에 관련된 플라즈마 처리 장치의 처리실의 내측벽의 표면의 상하 방향이 다른 위치에 있어서의 처리실의 내벽의 표면의 면 거칠기의 분포를 모식적으로 나타낸 그래프이다.
본 발명에서는, 진공 용기 외부로부터 내부에 배치되어 플라즈마가 형성되는 처리실을 향하여 조사된 광을 이용하여 처리실의 내벽을 구성하는 부재의 표면의 상태를 검출하고, 플라즈마로부터의 발광의 변동 및 처리실 내벽의 표면 상태의 변동을 검출하는 구성을 구비하고 있다. 이 구성에 의해, 외부로부터의 참조광 및 플라즈마로부터의 발광에 대한 OES 데이터가 고정밀도로 검출되고, 당해 OES 데이터 및 내벽의 표면 상태가 높은 정밀도로 검출된다.
또, 웨이퍼의 처리 중에 형성되어 내벽의 표면상에 퇴적되는 부착물의 막이나 웨이퍼의 처리 전 또는 후에 내벽의 표면에 형성되는 피막에 외부로부터 참조광을 조사하여 내벽 및 막으로부터의 반사광에 의한 간섭광을 정밀도 좋게 검출하기 위해 처리실(100) 내로 투과하여 간섭광에 대한 노이즈가 되는 광에 의한 간섭광으로의 영향을 억제하였다. 이와 같은 구성에 의해, 내벽의 표면상에 형성된 막의 상태의 변동을 높은 정밀도로 검출하고, 이 결과를 이용하여 원하는 처리의 결과가 얻어지도록 처리의 조건을 높은 정밀도로 조절하는 APC를 실현할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.
[실시예]
본 발명의 실시예를 도 1 내지 8을 이용하여 이하에 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다. 본 도면에서는, 플라즈마 처리 장치의 진공 용기 및 그 외측에 배치되어 내부에 광을 방사 또는 내부로부터의 광을 받아 검출하는 구성을 특히 확대하여 나타내고 있다.
본 실시예의 진공 용기의 상부의 내부에 배치된 처리실(100)은, 내부에 처리 대상의 웨이퍼가 배치되는 공간으로서, 원통형을 가진 진공 용기 벽(5)과, 그 상단에 놓여져 석영 등의 전계를 투과할 수 있는 유전체제의 재료로 구성되고 진공 용기를 구성하는 원형을 가진 천판(2)에 의해 그 주위를 둘러싼 원통형을 가진 플라즈마가 형성되는 공간이다. 진공 용기 벽(5)의 원통의 부재상에는, 이것을 구성하여 내부의 처리실(100)과 외측과 대기압과 공간과의 사이에서 광이 통과하는 재료로 구성된 복수의 채광창(7)이, 원통의 중심부를 사이에 두고 서로(중심의 둘레에 180도의 각도의 위치에) 대향하여 배치되어 있다.
처리실(100)의 하방에서는, 진공 용기 하부에 도시하고 있지 않은 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프가 배치되어, 처리실(100) 하부의 개구와 진공 펌프 입구가 배기용 통로에 의해 연결되고, 이들 사이에 배치되어 회전함으로써 배기용 통로의 단(斷)면적을 증감하는 도시하지 않은 복수의 판 형상의 플랩 밸브의 동작에 의해 유량이 조절되면서, 진공 펌프의 동작에 의해 처리실(100) 내부가 배기되어 소정의 진공도까지 감압된다. 또한, 처리실(100)은, 진공 용기 벽(5)의 상단과 천판(2)의 외주연부 하면과의 사이 및 채광창(7)의 투광성을 가진 부재와 진공 용기 벽(5)의 원통형의 측벽을 구성하는 부재와의 사이에서, 이것들에 끼워진 O링(4)을 구비하고, 복수의 O링(4)에 의해 감압되는 내부와 대기압의 외부와의 사이가 기밀하게 밀봉되어 있다.
천판(2)의 상방에는, 처리실(100) 내에 공급되어 플라즈마를 형성하기 위한 전계가 형성 또는 전파되는 전력 도입부(105)가 배치되어 있다. 전계를 공급하는 수단으로서는, 본 실시예에서는 고주파 전력이 공급되는 판 형상의 금속제의 안테나나 전극 또는 코일이나, 마그네트론 등의 발진기에 의해 마이크로파를 형성하고 당해 마이크로파가 내부를 전파하는 도파관이나 관로 내의 동축 케이블 등이 고려된다. 또, 이러한 전력 도입부(105)는, 진공 용기 벽(5)의 외주 외측에 감겨 배치된 코일이나 처리실(100) 상방에 배치된 평판 형상의 전극을 이용해도 된다. 본 실시예에서는, 플라즈마를 생성하기 위해 전계로서 13.56MHz로부터 10GHz의 범위 내의 고주파의 것을 이용할 수 있다.
처리실(100) 내의 하부에는, 처리 대상의 웨이퍼가 그 원형의 상면 위에 재치되는 원통 형상을 가진 시료대(11)가 배치되어 있다. 또, 시료대(11) 내부에 배치된 금속제의 원판 또는 원통형의 부재인 기재는, 정합기(도시 생략)를 통하여 고주파 전원(도시 생략)이 전기적으로 접속되어 있고, 웨이퍼가 놓여진 상태 또는 처리실(100) 내에 플라즈마가 형성된 상태에서 주파수 100kHz에서 100MHz의 고주파 전력이 공급되고, 웨이퍼 또는 시료대(11) 상면의 상방에 플라즈마 중의 이온 등 하전 입자를 웨이퍼 표면으로 유인하기 위한 바이어스 전위가 형성된다.
또, 시료대(11) 내의 금속제의 기재의 내부에는, 다중의 동심 형상 또는 나선 형상으로 배치되어 내부가 소정의 온도로 조절된 냉매가 통류하는 냉매 유로가 배치되고, 기재를 통하여 시료대(11) 또는 웨이퍼의 온도가 처리에 적합한 값의 범위 내로 조절된다. 또, 기재 또는 그 상면을 덮어 배치된 유전체제의 피막의 내부에 전력이 공급되어 가열하는 히터가 배치되어 있어도 된다.
또한, 유전체제의 피막의 내부에는, 직류 전력이 공급되어 유전체 막을 통하여 웨이퍼와의 사이에 형성되는 정전기력에 의해 웨이퍼를 흡착하는 정전 척 용의 막 형상의 복수의 전극이 배치되고, 피막의 상면에는 웨이퍼가 유전체제의 막 위에 놓여진 상태에서 이들 사이의 틈으로 공급되는 열 전달을 촉진하는 He 등의 전열 가스의 공급구가 배치되어 있다. 기재 및 유전체제의 막의 내부에는 이들을 관통하여 전열 가스의 공급구와 연통한 가스 도입로가 배치되어 있다.
처리실(100) 내의 천판(2)의 하방이고 시료대(11)의 상방에는, 시료대(11)의 웨이퍼의 재치면과 대향하여 배치되고, 처리실(100)의 천장면을 구성하는 샤워 플레이트(3)가 배치되어 있고, 그 중앙부에는 플라즈마 생성용의 처리 가스가 통류하여 처리실(100) 내에 도입되는 복수의 관통 구멍이 배치되어 있다.
또, 처리실(100)에는, 형성된 플라즈마를 시료대(11)의 상방의 처리실(100) 내의 공간에 효율 좋게 가두기 위해, 배플(9)을 형성해도 된다. 본 실시예의 배플(9)은, 시료대(11)의 상부 외주의 측벽과 처리실(100)을 구획하는 진공 용기 벽(7)의 원통부의 내벽과의 사이의 링 형상의 공간에 배치되고, 상방의 처리실(100) 내의 가스나 플라즈마 내의 입자가 하방으로 통과하여 흐를 수 있는 복수의 관통 구멍을 구비하여 접지 전위가 된 도체제의 부재로 구성되어 있다. 처리실(100) 내의 배플(9)의 하방에는 축 둘레로 회전하여 처리실(100) 내부의 하방을 향한 가스 흐름의 유로 단면적을 조절하는 판 형상의 압력 제어 밸브(10)가 복수 배치되고, 이러한 밸브의 회전에 의한 배기량 속도의 조절에 의해, 처리실 내의 압력값이 처리에 적합한 범위 내가 되도록 조절된다.
처리 대상의 웨이퍼는, 진공 용기 벽(5)에 연결된 도시하지 않은 진공 용기로서 감압된 내부의 공간인 실내를 도시하지 않은 반송용의 로봇의 신축하는 아암 선단 위에 놓여져 유지된 상태로 반송되며, 처리실(100) 내의 시료대(11)에 수수(授受)되어 그 상면에 놓여진다. 이 상태에서, 반송 로봇의 아암이 처리실(100) 내로부터 반송실로 퇴출된 후, 처리실(100)과 반송실과의 사이를 기밀하게 밀봉하여 구획하는 게이트 밸브가 폐색된다.
다음으로, 시료대(11) 상면의 피막 내의 정전 척 용 전극에 직류 전력이 공급되어 웨이퍼가 시료대(11) 상면의 피막상에 흡착된 상태에서, 샤워 플레이트(3)의 관통 구멍으로부터 처리용 가스가 처리실(100) 내에 공급되면서 진공 펌프의 동작에 의해 처리실(100) 내가 배기되고, 이러한 처리실(100) 내로의 가스의 유입량의 속도와 앞으로의 배출량과의 밸런스에 의해 처리실(100) 내의 압력이 감압된 소정의 범위 내의 값이 된다.
전력 도입부(105)로부터 처리실(100) 내에 공급된 고주파 전력에 의해, 처리실(100) 내의 처리용 가스가 여기되어 플라즈마가 시료대(11) 상방에 형성되고, 시료대(11) 내의 기재에 공급된 고주파 전원으로부터의 전력에 의해 웨이퍼 상방에 형성되는 바이어스 전위와 플라즈마의 전위와의 전위차에 의해 웨이퍼상에 플라즈마 중의 하전 입자가 유인되어 웨이퍼 상면 상방에 미리 배치된 상하에 복수의 막층이 포개진 막 구조의 처리 대상의 막의 처리가 개시된다.
본 실시예에서는, 웨이퍼의 처리 중에 처리실(100) 내에 형성되는 반응 생성물이나 플라즈마 중의 여기된 입자로부터 방사되는 광을 수광하고 그 강도 등의 특성의 변화는 처리실(100) 밖에 배치된 검출기에 의해 검출되며, 이 결과를 이용하여 처리의 종점이나 처리가 진행되는 속도, 또는 플라즈마의 밀도의 분포나 특성 등이 검출된다. 처리 중에 플라즈마 내에 형성되는 반응 생성물로부터 방사되는 특정한 파장의 광의 강도가 임계치를 초과하여 증대하거나 또는 저하된 것을 검지하여 처리의 종점으로의 도달이 검출되면, 도시하지 않은 플라즈마 처리 장치의 제어부로부터 발신되는 지령 신호에 따라 기재로의 고주파 전력의 공급이 정지되며, 플라즈마가 소화되어 처리 가스의 공급이 정지되고 웨이퍼의 처리가 정지된다.
이후, 웨이퍼의 정전 흡착이 해제되고 상기 게이트 밸브가 개방되어 처리실(100) 내로 진입한 로봇의 아암 선단부에 시료대(11) 상방으로부터 웨이퍼가 수수되어 웨이퍼가 처리실(100)로부터 반출된다. 다음에 처리되어야 할 미처리의 웨이퍼가 존재하는 경우에는, 이후 당해 미처리의 웨이퍼가 로봇의 아암의 동작에 의해 처리실(100) 내로 반입되어, 상기와 마찬가지로 처리가 실행된다. 다음에 처리되어야 할 미처리의 웨이퍼가 없는 경우에는, 1로트로서의 번들의 매수의 복수 웨이퍼의 처리가 종료한 것이 제어부에 의해 판정되고, 제어부로부터의 지령에 따라 플라즈마 처리 장치에서의 운전이 정지 또는 중지되거나, 또는 내부를 세정하는 운전이 실시된다.
실시예의 플라즈마 처리 장치에서는, 복수매의 웨이퍼는 상기의 복수의 공정을 거쳐 처리실(100) 내에서 한 장씩 처리가 실시되고, 1로트로서 번들의 매수가 처리될 때까지 단속적으로 처리가 계속된다. 처리되는 웨이퍼의 매수가 증대하여 처리실(100) 내벽은 그 플라즈마로의 폭로 시간이 증가한다.
이것에 따라, 처리실(100) 내벽은 플라즈마와의 상호작용, 예를 들면 내벽 표면과 플라즈마의 전위차에 의해 플라즈마 중의 이온 등 하전 입자가 내벽 표면으로 유인되어 충돌하여 표면의 재료가 유리되거나 당해 하전 입자나 플라즈마 중의 여기된 원자, 분자와 내벽의 재료가 화합(化合)하여 형성된 물질이 휘발하여 생기는 내벽의 소모나 변형, 또는 처리 중에 처리실(100) 내에 형성된 반응 생성물이 내벽의 표면에 부착하여 생기는 퇴적에 의해, 내벽의 표면의 상태가 변화한다. 예를 들면, 발명자들의 검토에 의하면 표면의 면 거칠기는 처리 중의 플라즈마로 폭로되는 누적 시간의 증대에 따라 증대하는 것을 알고 있다.
이러한 부재로서는, 처리실(100) 내부의 표면을 구성하는 부재 및 처리실 내부에 설치되는 부재이며 진공 및 플라즈마 분위기에 폭로될 우려가 있는 표면을 가지는 부재이나, 본 실시예에 있어서는, 특히 이들 중에서 천판(2), 샤워 플레이트(3), 진공 용기 벽(5), 배플(9), 시료대(11)가 해당된다. 이러한 부재 중에는 플라즈마에 의한 소모에 의해, 전기적인 단락이나 진공의 깨짐 등의 위험 또한 치명적인 고장 원인이 될 수 있는 부재가 있다.
이와 같은 부재는 가능한 한 플라즈마로부터의 폭로를 피할 필요가 있고, 그래서, 시료대(11)의 측면에는, 이것이 플라즈마로부터 보호하여 이것에 직접 폭로되지 않도록, 시료대(11)측 벽면의 외주를 덮어 원통형을 가진 유전체제의 전극 커버(12) 및 시료대(11)의 상면의 외주단 가장자리부를 덮어 링 형상을 가진 유전체제의 서셉터(8)가 설치되어 있다. 또, 알루미늄이나 스테인리스 또는 이들 금속의 합금제의 진공 용기 벽(5)의 내측의 벽면을 보호하기 위해, 플라즈마로부터 보호하여 이것에 직접 폭로되지 않도록, 진공 용기 벽(5)의 내주 벽면상에는 이것을 덮어 유전체제 또는 금속제의 표면을 가진 원통형을 가진 라이너(6)가 구비되어 있다.
상기의 보호 부재로서 이용한 전극 커버(12), 서셉터(8), 라이너(6)를 포함시키고, 플라즈마에 직접 폭로되는 샤워 플레이트(3), 배플(9)과 같은 처리실(100)의 내측벽을 구성하는 부재의 표면은, 상기한 바와 같이, 플라즈마를 이용하여 실시되는 웨이퍼의 처리의 누적 시간의 증가에 따라 그 면 거칠기 등의 상태가 변동하게 된다. 또, 라이너(6), 샤워 플레이트(3), 서셉터(8) 및 전극 커버(12)를 이용하지 않는 경우에는, 천판(2), 진공 용기 벽(5), 채광창(7) 및 시료대(11)가 플라즈마에 직접 폭로되게 되고, 플라즈마와의 상호 작용에 의한 소모나 변형이 진행되어 그 표면 상태가 보다 크게 변동하게 된다.
이와 같은 내벽의 표면의 상태의 변동은, 플라즈마를 이용한 처리에 의해 웨이퍼의 표면에 형성되는 막 구조의 형상의 소기의 것으로부터의 변동이 증대하는 원인이 된다. 이와 같은 변동을 저감하기 위해, 종래부터 APC를 이용하여 처리의 조건을 적절한 것으로 조절하거나, 또는 종점의 판정의 정밀도를 향상시키는 등의 기술이 실시되어 있다. 앞으로 요구되는 더욱 높은 정밀도에서의 막 구조의 가공을 실현하기 위해서는, APC에 의한 조절의 정밀도를 높이는 것이 필요하게 되고, 이를 위해서는 경시적으로 변화하는 플라즈마 발광 자체와 내벽의 표면에 의한 영향의 변동을 보다 높은 정밀도로 검출하는 것이 요구되어 있다.
본 실시예의 처리실(100)에서는, 원판형 또는 이것으로 간주할 수 있을 정도로 근사한 형상을 가진 웨이퍼의 표면 방향에 있어서 처리의 결과로서의 가공 후의 형상의 불균일을 보다 저감하기 위해, 원통 형상을 가진 처리실(100)의 중심축에 대하여 축 둘레에 대칭이 되도록, 축을 일치시키거나 이것으로 간주할 수 있을 정도로 근사한 위치에 배치된 원판 및 원통 형상을 가지고 있다. 이와 같은 구성에 의해, 플라즈마 및 웨이퍼 표면의 전계, 전위나 온도의 분포를 둘레 방향 또는 축 둘레에 불균일을 저감한 것으로 할 수 있으며, 웨이퍼의 면내 방향에 있어서의 가공 처리의 불균일함을 저감시킬 수 있다.
다음으로, 본 실시예에 있어서, 플라즈마로부터의 발광과 내벽의 표면의 변동을 검출하는 구성에 대하여 설명한다.
본 실시예에서는, 시료대(11)의 상면의 상방에 있어서 샤워 플레이트(3)의 하방의 높이에서 처리실(100)의 중심을 사이에 두고 대향하는 위치의 진공 용기 벽(5)에 2개의 관통 구멍을 구비하고, 이들 관통 구멍의 외주측의 벽면상의 개구를 덮어 배치된 투광성의 재료에 의해 구성된 2개의 채광창(7)을 구비하고 있다. 일방의 채광창(7)으로부터 처리실(100) 내로 입사한 광을 타방의 채광창(7)을 통과하여 방사시키기 위해, 라이너(6)를 통과할 수 있는 구성을 구비하고 있다.
라이너(6)는, 석영이나 사파이어 등의 광이 투과하는 재료에 의해 구성되어 있다. 또, 채광창(7)도, 마찬가지로 광을 투과할 수 있는 석영 등의 재료에 의해 구성되며, 관통 구멍을 덮어 진공 용기 벽(5)에 장착된 상태에서 처리실(100)측의 표면의 외주연부가 진공 용기 벽(5)의 부재와 O링을 사이에 두고 변형시킴으로써, O링에 의해 채광창(7) 내외를 기밀하게 밀봉하고 있다.
본 실시예의 일방측(도면상 진공 용기의 좌측)에 배치된 채광창(7)은, 진공 용기 벽(5)의 외측에 배치된 수광부(101)가 이것을 덮어 장착되어 접속되어 있다. 수광부(101)는, 채광창(7)을 통하여 처리실(100) 내부로부터 외부로 방사된 광을 수광하기 위한 석영 등의 투광성 재료제의 원통형을 가진 부재를 구비한 수광 포트(15), 이 수광 포트(15)와 채광창(7)과의 사이에 배치되어 채광창(7)으로부터 사출된 광을 평행한 광으로 시준하기 위한 콜리메이트 렌즈(14) 및 콜리메이트 렌즈(14)를 내포하여 그 외측의 주위를 둘러싸고 조명 등의 주변으로부터의 환경광을 차폐하는 광로 실드(13)를 구비하여 구성된다.
타방측(도면상 우측)에 배치된 채광창(7)은, 진공 용기 벽(5)의 외측에 배치된 방사부(102)가 이것을 덮어 장착되어 접속되어 있다. 방사부(102)는, 수광부(101)와 동일하게, 일방의 채광창(7)으로부터 처리실(100) 내에 입사하는 광을 방사하기 위한 석영 등의 투광성 재료제의 원통형을 가진 부재를 구비한 방사 포트(16), 당해 방사 포트(16)와 채광창(7)과의 사이에 배치되어 입사하는 광을 평행하게 시준하는 콜리메이트 렌즈(14) 및 콜리메이트 렌즈(14)를 내포하여 그 외측의 주위를 둘러싸고 조명 등의 주변으로부터의 환경광을 차폐하는 광로 실드(13)를 구비하여 구성되어 있다.
천판(2) 또는 샤워 플레이트(3)의 재료로서 광을 투과하는 것을 이용하는 경우에는, 수광부(101) 및 방사부(102)에 주변의 환경광이 입사하는 것을 억제할 필요가 있다. 그 때문에, 본 실시예에서는, 진공 용기 벽(5)의 원통부의 상단 상방에 있어서 천판(2)의 전체를 덮어 배치된 차광 플라스틱제의 부재, 또는 흑색 등의 투광성이 작은 색의 도료를 도포한 것 또는 흑색 알루마이트 처리를 한 금속제의 실드(1)가 배치되어 있다.
또한, 진공 용기 벽(5)에 광을 투과하지 않은 금속 등의 재료를 채용함으로써도, 주변의 환경광이 수광부(101) 및 방사부(102)로 입사하는 것을 저감할 수 있다. 진공 용기 벽(5)에 광을 투과하는 재료를 채용하는 경우에는, 진공 용기 벽의 외주에 실드(1)와 동일한 차광을 위한 부재를 배치한다.
방사 포트(16)로부터 방출되는 광을 발생시키는 외부 광원(21)과 방사 포트(16)와의 사이에는, 당해 외부 광원(21)으로부터의 광을 복수의 방향의 경로로 분기시키는 스플리터(19)가 배치되어 있다. 스플리터(19)는 그 용기인 스플리터 홀더(20) 내에 밀폐되어 배치되며, 스플리터 홀더(20)의 용기 벽면에는 평판 형상을 가진 스플리터(19)의 표면을 사이에 두고 대향한 4개의 위치에 광 입출력용의 포트가 배치되어 있다.
이들 포트 중 1개인 외부광 입사용 포트로부터 스플리터 홀더(20)의 용기 내부에 사출된 광이 스플리터(19)를 통하여 3개의 방향의 포트 각각으로부터 다른 경로를 통해 전달된다. 이러한 스플리터(19)의 구성에 의해, 스플리터(19) 및 스플리터 홀더(20)의 각 포트로의 주변의 환경광의 입사가 저감되어 있다.
외부 광원(21)에 구비된 외부 광원 포트(22)로부터 출력되는 외부광은, 스플리터 홀더(20) 내의 스플리터(19)에 의해 2개 방향으로 분기된다. 분기된 하나의 광은, 기준 외부광으로서, 4개의 포트 중 1개인 기준광 포트(17)로부터 출력된다. 분기된 타방의 광은, 스플리터 홀더(20)의 포트 중 1개인 외부 참조광 포트를 지나 방사부(102)의 방사 포트(16)로 전달되어 여기에서 출력되며, 평행광으로서 처리실(100) 및 채광창(7) 및 라이너(6)를 투과하고, 수광부(101)의 수광 포트(15)에 내벽 투과 외부광으로서 수광된다.
또, 이와 같은 구성에 있어서는, 외부 광원(21)으로 형성된 외부광이 방사 포트(16)로부터 수광 포트(15)에 도달하기까지의 동안에 투과하는 각 부재의 표면에 있어서 반사광이 발생한다. 이들 반사광은 방사부(102)를 지나 방사 포트(16)로부터 스플리터(19)에 도달하여 분기되며, 그 분기된 일방의 광이 스플리터 홀더(20)의 용기에 배치된 반사 포트(18)로부터 내벽 반사 외부광으로서 외부로 출력된다. 라이너(6) 이외의 채광창(7) 및 콜리메이트 렌즈(14)의 표면에는 반사 방지용의 코팅막을 설치함으로써, 내벽 표면의 변동을 반영한 상기 반사광을 보다 고정밀도로 취득할 수 있다.
플라즈마의 발광은, 라이너(6), 채광창(7) 및 콜리메이트 렌즈(14)를 투과하여, 수광부(101)측 및 방사부측의 각각에 있어서 플라즈마로부터의 발광으로서 수광 포트(15) 및 방사 포트(16)로 입사한다. 또, 본 실시예에서는, 기준광 포트(17), 수광 포트(15) 및 반사 포트(18)로부터의 광은, 각각의 경로를 지나 분광기 포트(24)에 입사하여 분광기(23)로 입력되며, 이들 광으로부터 스펙트럼 연산부(28)에 있어서 각 광의 스펙트럼 데이터가 검출된다.
외부 광원 포트(22)와 스플리터 홀더(20)의 외부광 입사용 포트와의 사이, 스플리터 홀더(20)의 외부 참조광과 방사 포트(16)와의 사이, 기준광 포트(17)와 분기광 포트(24)와의 사이, 반사광 포트(18)와 분기광 포트(24)와의 사이에는, 그 양단에 파이버 커넥터(26)를 갖는 광로로서의 광 파이버(25)를 통하여 접속되며, 그 내부에 광이 전달된다. 또, 수광 포트(15)와 분광기 포트(24)와의 사이에는 이들을 연결하는 광 파이버로서, 기준광 포트(17)와 연결된 광로를 구성하는 광 파이버 및 반사광 포트(18)와 연결된 광로를 구성하는 광 파이버가 연결된 분기 파이버(27)가 배치되고, 3개의 광로에 전달되어 온 광이 모아져 분광기 포트(24)를 통하여 분광기(23)로 전달된다.
또한, 스플리터 홀더(20)의 4개의 포트와 이들 4개의 포트의 접속처의 포트와의 사이 및 수광 포트(15)와 분광기 포트(24)의 사이에는, 셔터(27a∼27e)가 설치되어 있다. 이들 셔터(27a∼27e)의 개폐에 의해, 광로의 차단 또는 접속을 사용자의 요구에 따라 전환할 수 있다. 이러한 셔터(27a∼27e)의 개폐 동작의 상태를 조합함으로써, 상기 각 포트끼리가 연결되어 구성되는 광로에 전달되는 광을 대칭으로 하여 검출하는 것이 가능하게 된다. 이와 같은 조합을 도 2에 나타낸다. 도 2는, 도 1에 나타낸 실시예에 있어서 셔터의 개폐의 조합과 각각으로 선택되는 광로의 측정 대칭이 되는 광을 나타낸 표이다. 이 표에 나타낸 바와 같이, 각 셔터의 개폐를 적절히 설정함으로써, 분광기(23)를 이용하여, 각각 다른 광을 계측의 대상으로 하여 검출할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에 있어서의 각 광로에는 주변의 환경광이 이것들에 입사하는 일이 없도록, 셔터(27a∼27e)와 같이, 광로가 주변으로부터 차폐되도록 덮거나, 적어도 주변 환경광이 광로로 직접 입사하는 일이 없도록 반사 방지 처리를 한 부재를 구비하고 있다.
각 광로를 지나 분광기(23)에 전달된 광은, 분광된 후 스펙트럼의 데이터가 스펙트럼 연산부(28)에 있어서 OES 데이터로서 산출되고 데이터베이스 작성부(29)에 있어서 이것에 유선 또는 무선의 통신 수단을 통하여 접속된 도시하지 않은 기억 장치 내의 데이터베이스에 저장되어 기록된다. 또한, 데이터베이스에는, 검출된 플라즈마의 방전의 밀도나 강도, 에너지의 분포를 포함하는 플라즈마의 상태에 대한 데이터와 처리 후에 별도의 검출용의 장치를 이용하여 얻어지는 가공된 웨이퍼상의 막 구조의 치수의 데이터 및 이들의 치수와 플라즈마의 상태의 데이터의 상관을 나타내는 데이터가 기억된다. 플라즈마 조건 제어부(30)는, 통신 수단을 통하여 판독한 하드 디스크나 반도체 디바이스로 구성된 RAM 등의 기억 장치에 유지되어 있는 데이터베이스의 데이터를 이용하여, 플라즈마 내의 입자에 관한 양의 분포 등의 플라즈마의 상태를 검출하고, 이 상태의 양에 따라 소기의 가공의 결과가 얻어지는 처리의 조건을 산출한다.
이 조건을 나타내는 데이터의 신호가 도시하지 않은 플라즈마 처리 장치의 제어부에 통신 수단을 통하여 송신된다. 제어부는 수신된 당해 신호로부터 조건을 검출하고 이것에 따라 플라즈마 처리 장치의 운전을 조절함으로써 APC가 실행된다.
다음으로, 본 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치 있어서의 OES 데이터를 검출하는 구성에 대하여 설명한다.
전술한 바와 같이, 처리실(100)은 중심축의 둘레에 대칭이 되도록 처리실(100) 내벽을 구성하는 부재가 배치되어 있다. 또한, 플라즈마의 발광을 검출하기 위한 구성인 수광부(101), 방사부(102)에 있어서도, 라이너(6)를 사이에 두고 대향한 위치에 채광창(7) 및 콜리메이트 렌즈(14), 광로 실드(13), 또한 수광 포트(15) 및 방사 포트(16)가 배치되어 있다.
이와 같은 구성에 의해, 라이너(6)를 투과하여 수광부(101)에 입사하는 광이 라이너(6)의 내벽 표면을 통과하는 부분의 면적인 수광측 내부 표면(103) 및 방사부(102)로부터 처리실(100) 내에 방사되는 광이 라이너(6)의 내벽을 통과하는 부분의 면적인 방사측 내부 표면(104)은 동일하거나 이것으로 간주할 수 있을 정도로 근사한 값으로 되어 있고, 처리실(100)의 중심축을 사이에 두고 대칭인(180도로 대향한) 위치에 배치되며, 그 높이(상하) 방향의 위치는 동일하거나 이것으로 간주할 수 있을 정도로 근사한 것으로 되어 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 외부광과 플라즈마광이 투과하는 내벽 표면의 위치 및 면적을 개략 일치시키고 있다.
또한, 본 실시예에서는, 콜리메이트 렌즈(14)의 초점 거리 또는 콜리메이트 렌즈(14)와 수광 포트(15) 및 방사 포트(16)의 위치 관계를 변경하는, 나아가서는 콜리메이트용의 렌즈를 복수 이용함으로써, 방사 포트(16)로부터 방사되어 채광창(7), 라이너(6)를 지나 처리실(100) 내에 평행하게 도입되는 광 및 처리실(100)로부터 라이너(6), 채광창(7)을 지나 수광부(101)의 콜리메이트 렌즈(14)에 입사하는 평행한 광의 광로의 단면적을 증감시키는 구성을 구비하고 있다. 이것에 의해, 수광측 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)의 면적을 변경할 수 있다.
수광측 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)은, 웨이퍼를 처리한 누적 시간이 증대함에 따라 라이너(6)의 내벽 표면의 면 거칠기 등의 형상이나 물성이 변동되어버림으로써 광의 검출에 영향을 미치게 되는 것을 억제하기 위해, 적어도 직경 1mm 이상으로 할 필요가 있다. 또, 플라즈마로부터의 광량 및 외부로부터의 광을 투과시키는 면적을 될 수 있는 한 크게 하여 광의 강도와 검출의 정밀도를 향상시키기 위해, 수광측 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)의 면적은, 직경 5mm 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또한 직경 10mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
단, 전력 도입부(105)로부터 공급되는 플라즈마를 형성하기 위한 전력 및 시료대(11) 내의 기재에 공급되는 고주파 전력이 누설되는 것을 방지하기 위해, 이와 같은 전력이 공급되는 개소 또는 전계에 노출되는 개소의 개구부, 예를 들면 수광측 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)의 직경, 진공 용기 벽(5)의 광 방사, 수광용의 관통 구멍이나 채광창(7)은, 적어도 전원으로서 이용되는 고주파(전자파)의 1/2 파장 이하로 할 필요가 있다. 예를 들면, 플라즈마 형성용의 전계로서 2.45GHz의 마이크로파를 이용한 경우에는, 상기 개구부의 직경을 개략 60mm 이하로 할 필요가 있다.
또, 본 실시예에서는, 콜리메이트 렌즈(14)에 의해 시준되어 평행하게 된 광이 처리실(100) 내로부터 수광부(101)에 입사 또는 방사부(102)로부터 처리실(100) 내에 도입되는 도중에 진공 용기 벽(5)의 벽면으로 반사되어버리는 것을 방지하기 위해, 평행한 광의 광로의 단면적은 진공 용기 벽(5)의 상기 개구부의 직경보다 작은 것으로 되어 있다.
다음으로, 본 실시예에 있어서 수광부(101)에서 수광되어 분광기(23)에 도입된 광으로부터 플라즈마로부터의 광의 데이터 및 내벽의 표면에 의해 영향을 준 데이터를 구하는 구성에 대하여 설명한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서는 셔터(27a∼e)의 개폐 상태의 조합에 의해, 복수의 광로의 각각을 선택하여 이것을 지나는 광을 수광부(101) 또는 분광기 포트(24)에 있어서 수광하여 분광기(23)에 있어서 이것을 이용하여 정보를 검출할 수 있다.
본 실시예에 있어서 검출이 선택되는 각각의 광로의 광의 양(단위 시간당의 방사속(束)을, 기준 외부광 IO, 내벽 투과 외부광 It, 수광부측 플라즈마광 Pm1, 내벽 반사 외부광 Ir, 방사부측 플라즈마광 Pm2라고 호칭한다. 수광부측 플라즈마광 Pm1은, 처리실(100) 내로부터(만약 있다면 라이너(6)의 표면상의 막이나 퇴적물을 지나) 수광측 내벽 표면(103) 및 라이너(6) 내부를 통과하고 수광부(101)에 입사하여 이것에 접속된 수광 포트(15)로부터 셔터(27e), 분기 파이버(27)와 분광기 포트(24)를 통하여 수광기(23)에 전달된 플라즈마로부터의 광의 스펙트럼으로부터 검출된 광의 양이다. 또, 방사부측 플라즈마광 Pm2는, 처리실(100) 내로부터(만약 있다면 라이너(6)의 표면상의 막이나 퇴적물을 지나) 수광측 내벽 표면(103) 및 라이너(6) 내부를 통과하고 방사부(102)에 입사하여 방사 포트(16)로부터 스플리터(19)로 반사되어 반사 포트(18)로부터 셔터(27c), 진공 용기 벽(5) 외부의 광 파이버 내의 광로를 지나 분기 파이버(27)와 분광기 포트(24)를 통하여 분광기(23)에 전달된 플라즈마로부터의 광의 스펙트럼으로부터 검출된 광의 양이다.
재료의 물리 특성 등의 사양으로부터 미리 판명되어 있는 스플리터(19)로 입사하는 광량에 대한 스플리터(19)를 투과하는 광 및 반사되는 광의 비율의 값을 St 및 Sr이라고 한다. 이러한 플라즈마 처리 장치의 사양상의 상수와 상기 검출된 Io, It, Ir, Pm1, Pm2는, 도시하지 않은 본 실시예의 플라즈마 처리 장치의 동작을 조절하는 제어부 또는 이것에 포함되는 플라즈마 조건 제어부(30) 내부에 배치된 RAM 또는 통신 가능하게 접속된 외부의 HDD 등의 기억 장치 내에 정보로서 기억된다. 스플리터(19)의 투과 및 반사의 비율의 값 St, Sr 및 광의 양 I0의 값을 이용하여 방사 포트(16)로부터 처리실로 방사되는 광의 양 Iin은 식 (1.1)을 이용하여 상기 제어부 내의 연산기에 의해 소정의 소프트웨어에 기재된 알고리즘을 따라 산출된다.
Figure 112018066554368-pat00001
또한, 수광부 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)에 있어서 처리실(100) 내에 형성된 플라즈마로부터 이들에 입사하는 광의 양을 P1 및 P2라고 한다. 또, 수광부 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)을 포함하는 라이너(6)의 수광부측의 내벽의 표면 및 방사부측의 내벽 표면의 광의 투과율을 t1 및 t2로 하면, 플라즈마가 형성되어 있지 않은 상태로 계측되지만, 내벽 투과 외부광 It는 식 (1.2)에 의해 미리 주어진다.
Figure 112018066554368-pat00002
한편, 플라즈마광 P1 및 P2와 수광부측 플라즈마광 Pm1 및 방사부측 플라즈마광 Pm2의 관계는, 식 (1.3) 및 식 (1.4)에 나타내어지게 된다.
Figure 112018066554368-pat00003
Figure 112018066554368-pat00004
상기한 바와 같이, 웨이퍼의 면내 방향에 대한 처리 결과로서의 가공 형상의 불균일을 저감하기 위해, 플라즈마의 밀도나 강도의 분포는 보다 균일하거나 또는 축 대칭인 분포에 가까이하는 것이 바람직하다. 이들이 균일하게 된 경우에는, 식 (1.2)에 있어서 t1＝t2가 되고, 식 (1.1)로부터 Iin이 검출되며, 계측광 I0, It, 스플릿 비율 St, Sr의 값을 이용하여 t1 및 t2를 산출할 수 있다. 또, 상기 광로의 광을 검출한 결과에 있어서, Pm1＝Pm2/sr이 되는 것을 확인함으로써, t1＝t2가 충족되어 있는지의 여부, 즉 수광부측 내벽 및 방사부측 내벽의 표면의 상태가 동일한지를 판정할 수 있다.
한편, 동일 웨이퍼 면내에 있어서의 가공 편차 및 양산 처리되는 각 웨이퍼 간에서의 가공 편차에는, 수 nm 정도이지만, 허용값이 설정된다. 따라서, 웨이퍼 면내의 가공 치수에는, 허용값 이하의 편차가 있는 경우가 있고, 약간이지만, 플라즈마 분포의 치우침이 허용된다. 이 경우에는 t1≠t2, Pm1≠Pm2/Sr 및 P1≠P2가 되고, 상기의 식으로 검출되어 상기 광의 양과 상수의 값에서는, 처리실(100)의 중심을 사이에 두고 대향하는 개소에 배치된 수광부(101)측 및 방사부(102)측의 2개의 각각을 향하여 플라즈마로부터 입사하는 광의 양인 P1, P2의 값은 관계지어지기는 하나, 이러한 값은 일의(一意)로 정해지지 않는다.
본 실시예에서는, Pm1 및 Pm2를 검출한 결과를 이용하여, 내벽 투과율 및 플라즈마로부터의 광의 양을, 수광부측 내벽 및 방사부측 내벽에서의 광량의 값의 상승 평균값으로서 구할 수 있다. 투과율의 상승 평균 tg는, 식 (1.1) 및 식 (1.2)로부터, 식 (1.5)로 나타내어진 것이 된다.
Figure 112018066554368-pat00005
플라즈마로부터의 광의 양의 상승 평균 P는, 식 (1.3)∼식 (1.5)로부터, 식 (1.6)으로 나타내어진 것이 된다.
Figure 112018066554368-pat00006
이상으로, 검출된 각 광로의 광의 양 I, I, P, P 및 스플리터(19)에서의 광의 반사 및 투과의 비율 Sr, St로부터, t 및 P를 산출할 수 있다. 본 실시예에서는, 이와 같은 값을 이용하여 플라즈마의 분포가 불균일한 경우에 있어서도, 고정밀도인 플라즈마광의 OES 데이터를 검출하고, 이것을 이용하여 처리의 결과로서의 가공 형상의 편차를 산출할 수 있다.
또한, 초기 상태로부터 또는 클리닝 직후부터 처리실(100) 내에서 웨이퍼를 처리한 누계의 매수나 누계의 처리 시간의 증가에 따르는 플라즈마로부터의 발광의 상승 평균 P 또는 투과율의 상승 평균 t의 변동값 또는 변동률을, 처리실(100)에서 웨이퍼를 처리하는 운전을 정지하여, 앞으로 클리닝이나 보수, 점검을 하는 운전으로 바꾸는 판정을 하는 타이밍으로서 이용할 수 있다. 구체적으로는, 초기의 상태 또는 클리닝되어 처리실(100)의 내벽의 표면이 초기 상태에 가까운 청정한 상태가 된 상태에서 개시된 웨이퍼의 처리시의 검출한 것과 비교하여, P 또는 t의 변동율이 10% 이상이 되었다고 판정된 경우에 있어서, 당해 처리실(100)에서 처리되고 있는 웨이퍼의 처리가 종료 후에 보수, 점검을 하기 위해 이 플라즈마 처리 장치에서 반도체 디바이스를 제조하는 운전을 적어도 일시정지하는 것이 바람직하다.
보다 가공의 결과로서의 웨이퍼 상면의 막 구조의 치수의 편차를 작게 억제할 필요가 있는 경우에는, 이러한 변동률이 5% 이상이 되었다고 판정된 경우에 웨이퍼를 처리하는 운전을 정지하는 것이 바람직하다. 또한 가공 편차를 억제할 필요가 있는 경우에는, 이러한 파라미터의 상기 변동률의 허용 범위를 3%로 하는 것이 바람직하다. 또한, 반도체 디바이스를 제조하는 운전을 정지한 후에는, 처리실(100) 내에 배치되어 그 내표면을 구성하는 부품의 세정이나 점검, 교환 등의 보수의 작업이 실시된다.
ICP 및 TCP 등의 유도 결합형 플라즈마를 이용하는 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 유도 코일의 터미널 단(端)이 존재하는 경우나 코일 형상에 의존하여 플라즈마 분포가 치우치는 경우가 있고, 본 실시예의 상기 구성에 의해, 웨이퍼를 처리한 결과로서의 가공 후의 치수의 편차를 효과적으로 저감할 수 있다.
이하, 처리실(100)의 내벽의 표면과 플라즈마의 반응이 충분히 작고, 내벽 표면의 상태의 변화에 대한 플라즈마의 변동이 작은 조건에 있어서, 내벽 표면의 데이터의 t1, t2의 각각의 값 및 플라즈마 발광의 데이터를 구하는 방법을 설명한다. 먼저, 초기 상태 또는 메인터넌스가 실시된 후 웨이퍼의 처리를 개시하기 전의 처리실(100)에 있어서, 외부로부터 참조광을 처리실(100) 내에 조사하는 경우에 있어서, 당해 광의 양이나 광이 투과하는 각 부재의 투과율을, 기준 외부광(I00), 내벽 투과 외부광 It0, 처리실로 방사되는 광 IinO, 수광부측 내벽의 투과율 t10, 방사부측 내벽의 투과율 t20, 투과율의 상승 평균 tgO이라고 호칭한다.
또한, 본 예에서는, 복수매의 웨이퍼를 연속적으로 처리할 때에 처리실(100)의 내벽의 표면에 부착되는 부착물의 양 및 그 질이 변동되어 감으로써 변동하는 플라즈마의 발광의 양 및 그 내벽을 구성하는 부재에서의 투과율에 대하여, 기준이 되는 처리실(100) 내에서 형성되는 플라즈마를 정하여 이 플라즈마로부터의 광의 양과 그 투과율을 이용하여 검출한다. 초기 상태 또는 메인터넌스가 실시된 후 웨이퍼의 처리를 개시하기 전에 있어서의 기준이 되는 플라즈마로부터의 이들 광의 양과 그 투과율을, 이하, 수광부측 플라즈마광 Pm1O _ sp, 방사부측 플라즈마광 Pm2O _ sp, 플라즈마광의 상승 평균 PgO _ sp, 수광부측 내의 투과율 t1O _ sp, 방사부측 내의 투과율 t2O_sp, 투과율의 상승 평균 tg0_sp라고 한다.
수광부측 플라즈마광 Pm1O _ sp, Pm2O _ sp는, 상기의 Pm1, Pm2와 마찬가지로, 처리실(100) 내로부터(만약 있다면 라이너(6)의 표면상의 막이나 퇴적물을 지나) 수광측 내벽 표면(103) 및 라이너(6) 내부를 통과하고 수광부(101)에 입사하여 이것에 접속된 수광 포트(15)로부터 셔터(27e), 분기 파이버(27)와 분광기 포트(24)를 통하여 수광기(23)로 전달된 기준이 되는 플라즈마로부터의 광의 스펙트럼으로부터 검출된 광의 양 및 처리실(100) 내로부터(만약 있다면 라이너(6)의 표면상의 막이나 퇴적물을 지나) 수광측 내벽 표면(103) 및 라이너(6) 내부를 통과하고 방사부(102)에 입사하여 방사 포트(16)로부터 스플리터(19)로 반사되어 반사 포트(18)로부터 셔터(27c), 진공 용기 벽(5) 외부의 광 파이버 내의 광로를 지나 분기 파이버(27)와 분광기 포트(24)를 통하여 분광기(23)로 전달된 기준이 되는 플라즈마로부터의 광의 스펙트럼으로부터 검출된 광의 양이다. 또한, 초기 상태 또는 메인터넌스가 실시된 후 웨이퍼의 처리를 개시하기 전에 있어서의 수광부 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)에 입사하는 기준이 되는 플라즈마광을 P10_ SP 및 P20_ SP라고 한다.
본 예의 기준이 되는 플라즈마 및 플라즈마광을, 기준 플라즈마 및 기준 플라즈마광이라고 칭한다. 기준 플라즈마로서는, 내벽의 표면과의 화학 반응 및 내벽의 표면으로의 부착물에 의한 막의 형성이 충분히 작은 플라즈마가 바람직하다. 또한, 복수매의 웨이퍼를 연속적으로 플라즈마 처리했을 때에 생기는 내벽 표면의 상태의 변동으로부터 받은 영향이 충분히 작고, 처리된 웨이퍼의 매수 또는 시간의 누적의 값이 증대하더라도 플라즈마의 강도나 밀도의 분포, 플라즈마의 발광의 강도 등의 플라즈마의 특성의 변동이 충분히 작은 것이 바람직하다.
본 예에서는, 기준 플라즈마로서 희가스를 이용한 플라즈마를 이용할 수 있다. 내벽의 표면을 구성하는 부재의 재료로서 석영 또는 사파이어를 사용하는 경우에는, 이들 재료와의 반응이 충분히 작은 산소나 질소 가스를 이용한 플라즈마를 사용할 수 있다.
본 예에서는, 디바이스를 제조하기 위한 운전 중에 있어서 검출되는 기준 플라즈마로부터의 광의 양 및 투과율을, 수광부측 플라즈마광 Pm1 _ sp, 방사부측 플라즈마광 Pm2 _ sp, 플라즈마광의 상승 평균 Pg _ sp, 수광부측 내의 투과율 t1_ sp, 방사부측 내의 투과율 t2_ sp, 투과율의 상승 평균 tg_ sp라고 한다. 이들 광의 양은, 초기 상태 또는 메인터넌스가 실시된 후 웨이퍼의 처리를 개시하기 전에 있어서의 상기 Pm1O _ sp, Pm2O_sp 등과 동일한 광로를 통하여 디바이스를 제조하기 위한 운전 중에 있어서 검출되는 것이다. 또, 디바이스를 제조하기 위한 운전 중에 있어서 수광부 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)에 입사하는 플라즈마로부터의 광의 양을 P1_ sp 및 P2_sp라고 한다.
상기 초기 상태 또는 클리닝 후에 처리실(100)의 내벽의 표면이 초기 상태라고 간주할 수 있을 정도로 청정한 상태에 있어서, 형성된 기준 플라즈마로부터의 광의 처리실(100)의 중심 축을 사이에 두고 대향하는 2개의 측에 입사하는 광 및 이들 측에 배치된 수광부(101)측 및 방사부(102)를 통하여 검출되는 각 광의 양 및 라이너(6)의 내벽 표면에서의 투과율의 관계는, 식 (1.3) 및 식 (1.4)로부터, 식 (1.3a) 및 식 (1.4a)가 된다.
Figure 112018066554368-pat00007
Figure 112018066554368-pat00008
본 예에 있어서는, 처리실(100) 내에 배치되기 전 또는 디바이스의 제조를 위한 운전에 있어서의 최초의 웨이퍼의 처리가 개시되기 전에 있어서의 라이너(6)의 내벽을 구성하는 부재의 표면의 투과율 t10_ sp 및 t20_ sp가, 미리 측정되어 검출된다. 이 결과를 이용하여, 초기 상태 또는 메인터넌스가 실시된 후 웨이퍼의 처리를 개시하기 전에 있어서의 수광부 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)에 입사하는 기준 플라즈마로부터의 광의 양 P10_sp, P20_sp가 검출된다.
상기 투과율 t10_ sp 및 t20_ sp를 검출하기 위해, 도 1의 실시예의 광학계 및 방사부(102)로부터 수광부(101)의 경로에 놓여지는 부품 및 외부 광원(21) 등을 이용해도 된다. 수광부(101) 또는 수광부(101) 및 채광창을 처리실(100)측이 되는 내벽의 내측 또는 라이너(6)의 내측이 되는 공간에 설치하고, 방사부(102)와 대향시키도록 설치함으로써 투과율 t10_ sp를 검출할 수 있다. 또, 투과율 t20_ sp는, 방사부(102) 및 수광부(101)의 위치를 반대로 하거나, 라이너(6)를 t10_ sp의 검출시의 위치로부터 180° 회전시킨 위치로 하여 검출할 수 있다.
또, 상기 검출을 플라즈마 처리 장치의 메인터넌스 기간에 있어서, 처리실(100)에 라이너(6)를 설치한 상태로 실시해도 된다. 본 예에서는, 상기의 외부로부터의 광을 조사한 검출에 의해 얻어지는 투과율 t10, t20의 값을 투과율 t10_ sp 및 t20_sp로 간주할 수 있다고 하여, 이하에 설명하는 광의 양을 검출한다. 또는, 라이너(6)의 내벽의 표면의 형상을 변위계 등으로 검출한 결과를 이용하여, 투과율 t10_sp 및 t20_sp의 스펙트럼을 수치 계산에 의해 구해도 된다.
또, 지금까지 설명한 것과 마찬가지로, 검출된 광의 양이나 투과율의 값은, 도시하지 않은 본 실시예의 플라즈마 처리 장치의 동작을 조절하는 제어부 또는 이것에 포함되는 플라즈마 조건 제어부(30) 내부에 배치된 RAM 또는 통신 가능하게 접속된 외부의 HDD 등의 기억 장치 내에 정보로서 기억된다.
이와 같이 하여 검출된 투과율의 값을 이용하여 디바이스의 제조용의 운전에 있어서의 웨이퍼의 처리를 개시하기 전에 있어서 처리실(100) 내에 형성된 기준 플라즈마로부터의 광의 라이너(6)의 수광부측 내벽 및 방사부측 내벽의 투과율의 상승 평균 tg0_sp는 식 (1.5a)가 된다.
Figure 112018066554368-pat00009
또, 당해 처리의 개시 전에 있어서 외부 광원(21)으로부터의 광의 양 및 라이너(6)의 처리실(100) 내벽의 투과율의 관계는, 식 (1.1), 식 (1.2) 및 식 (1.5)를 이용하여, 식 (1.5b)가 된다.
Figure 112018066554368-pat00010
식 (1.5a) 및 식 (1.5b)의 투과율의 상승 평균이 동일해지는 것을 이용하여, 양자를 비교하여 사전에 검출된 투과율 t10_ sp 및 t20_ sp의 값의 정밀도가 허용 범위 내인지를 판정할 수도 있고, 미리 검출한 t10 및 IOO, It0, Sr, St를 이용하여 식 (1.5b)를 이용하여 산출되는 t20과 미리 검출한 t20의 값을 비교하여 검출의 정밀도가 허용 범위 내인지를 판정할 수도 있다.
디바이스를 제조하기 위한 운전이 개시되어 최초의 웨이퍼의 처리가 개시된 후에 있어서의 기준 플라즈마로부터의 광의 양 및 처리실(100) 내벽의 투과율의 관계는, 식 (1.3) 및 식 (1.4)로부터, 식 (1.3A) 및 식 (1.4A)가 된다.
Figure 112018066554368-pat00011
Figure 112018066554368-pat00012
디바이스 제조의 운전에 있어서의 처리실(100) 내의 내벽 표면의 투과율의 변동에 대하여, 기준 플라즈마로부터의 광의 양의 변화가 충분히 작은 경우에는, 식 (2.1) 및 식 (2.2)가 성립한다고 간주할 수 있다.
Figure 112018066554368-pat00013
Figure 112018066554368-pat00014
이 경우에는, 식 (1.3A), 식 (1.4A), 식 (2.1) 및 식 (2.2)로부터 디바이스 제조의 운전 중에 있어서의 라이너(6)의 수광부(101)측의 처리실(100) 내벽 표면의 투과율 t1_ SP, 방사부(102)측의 투과율 t2_ SP가, 라이너(6)의 내벽의 표면이 초기 상태 또는 메인터넌스 운전 후이고 웨이퍼의 처리를 개시하기 전에 있어서 메인터넌스 중에 클리닝이 실시되어 당해 내벽 표면이 초기 상태에 근사한 청정한 상태라고 간주될 수 있는 상태에서의 수광부(101)측 및 방사부(102)측으로 입사하는 기준 플라즈마의 광의 양과 디바이스를 제조하기 위한 운전에 있어서 웨이퍼의 처리가 개시된 후에 방사부(101), 수광부(102)를 통하여 검출되는 광의 양의 비율을 이용하고, 제어부 내의 연산기에 의해 소정의 알고리즘에 의거하여 산출된다.
검출된 이들 투과율 t1_ SP 및 t2_ SP와, 식 (1.3) 및 식 (1.4)를 이용함으로써, 식 (2.3) 및 식 (2.4)로부터, 이 디바이스 제조를 위한 운전에 있어서의 임의의 웨이퍼를 처리 중에 있어서 수광부(101)의 측 및 방사부(102)의 측으로 입사하는 플라즈마로부터 광의 양인 P1 및 P2가 산출된다.
Figure 112018066554368-pat00015
Figure 112018066554368-pat00016
본 예에서는, 디바이스를 제조하는 운전 중 및 그 전후에 있어서 기준 플라즈마로부터의 광의 양의 변화가 충분히 작은 것이 중요하다. 이것은, 식 (1.5)로부터 구해지는 디바이스를 제조하는 운전에 있어서 외부 광원(21)으로부터의 광을 이용한 경우의 라이너(6)의 처리실(100) 내벽 표면의 수광부측 및 방사측의 투과율의 상승 평균 tg와, 당해 운전 중에 처리실(100) 내에 형성된 기준 플라즈마로부터의 광의 상기 내벽 표면의 투과율의 상승 평균 tg_ SP의 차의 크기가 허용 범위 내인지를 판정함으로써 확인할 수 있다.
식 (1.5)로부터, 당해 투과율의 상승 평균 tg_ sp는, 식 (1.5A)로부터 구해진다.
Figure 112018066554368-pat00017
통상, 처리실(100) 내벽 표면이 클리닝되는 플라즈마 처리 장치의 메인터넌스 작업의 기간과 디바이스를 제조하기 위한 운전의 기간은, 서로 반복하여 실시된다. 그래서, 디바이스의 제조를 위한 운전 중 또는 메인터넌스 중의 클리닝 후이고 디바이스 제조를 위한 운전에 있어서의 웨이퍼의 처리의 개시 전의 각 광의 양 및 투과율의 값을 기억, 예를 들면 도시하지 않은 제어부 내에 배치된 RAM이나 HDD 등의 기억 장치 내에 기록해 두고, 임의의 디바이스를 제조하기 위한 운전에 있어서 그 개시보다 이전에 실시된 상기 클리닝 후나 디바이스 제조의 운전 중에 있어서 검출되어 기억된 광량 및 투과율의 값으로부터 기준 플라즈마의 광의 양 P10_ SP, P20_SP나 P1_SP 및 P2_SP의 정보를 얻을 수 있다.
이 경우에는, 상기한 바와 같이 라이너(6)의 내벽 표면의 투과율 t10_ SP 및 t20_SP를 디바이스 제조를 위한 웨이퍼의 처리의 개시 전에 미리 검출하지 않아도, 식 (1.3a) 및 식 (1.4a)로부터 t10_ SP 및 t20_ SP를 검출할 수 있다. 또한, 식 (1.5a) 및 식 (1.5b)를 이용하여, 검출된 투과율 t10_ SP 및 t20_ SP가 올바른 것을 확인할 수 있다. 또한, 식 (1.3A), 식 (1.4A) 및 식 (2.1)∼식 (2.4)를 이용하여 투과율 t1_SP, t2_ SP, 웨이퍼의 처리 중에 있어서의 플라즈마로부터의 광의 양 P1 및 P2를 구할 수 있다.
이상에서, 처리실(100)의 내벽 표면이 초기 상태 또는 이것으로 간주할 수 있을 정도로 청정한 상태에 있어서 및 디바이스의 제조를 위한 운전 중에 있어서 웨이퍼의 처리가 개시된 후에 있어서 검출된 기준 플라즈마로부터의 광의 양 및 처리실(100) 내벽 표면의 투과율의 값과, 디바이스를 제조하기 위한 운전에 있어서의 웨이퍼의 처리 중의 플라즈마로부터의 광의 양을 이용하여, 당해 웨이퍼의 처리 중에 있어서의 수광부(101)의 측 및 처리실(100)의 중심부를 사이에 두고 이것에 대향하는 위치에 배치된 방사부(102)의 측에서의 플라즈마로부터의 광의 양이 고정밀도로 검출된다. 이 구성에 의해, 웨이퍼의 처리 중에 처리실(100) 내에 형성되는 플라즈마의 분포에 치우침이 생기고 있는 경우여도, 당해 플라즈마로부터의 광의 양 P1 및 P2에 대한 OES 데이터를 정밀도 좋게 얻을 수 있다. 또한, 이 데이터를 이용함으로써, 웨이퍼 표면의 막 구조가 에칭 처리된 형상의 치수의 편차를 고정밀도로 평가할 수 있으며, 처리실(100) 내에 플라즈마를 형성하여 웨이퍼를 처리하는 조건을 적절하게 조절하여 처리의 수율을 향상시킬 수 있다.
식 (1.1)∼(1.6)을 이용하여 설명한 바와 같이, 외부 광원(21)으로부터의 광의 양인 기준 외부광(I0)을 이용하여 구한 플라즈마로부터의 광의 양 P1 및 P2의 상승 평균 Pg를 이용함으로써, 플라즈마의 강도나 밀도에 처리실(100) 또는 웨이퍼의 반경 방향 또는 둘레 방향에 대하여 치우침이 있는 경우에 있어서도, 플라즈마로부터의 광에 관한 OES 데이터를 고정밀도로 얻을 수 있다. 단, 이 경우에는, 당해 플라즈마의 치우침이 커짐에 따라 Pg와 P1 또는 P2와의 차도 커진다.
또, P1이 증가하고 P2가 감소, 또는 P2가 증가하고 P1이 감소하도록 플라즈마의 치우침이 변화하는 경우에는, P1 및 P2의 상승 평균 Pg가 변화하지 않고, P1 또는 P2는 변화하는 경우가 있다. 기준 플라즈마의 광을 이용한 경우에는, P1 및 P2의 각각을 검출할 수 있기 때문에, Pg가 변화하지 않고 P1 또는 P2가 변화하는 경우에 있어서도 플라즈마의 강도나 밀도 등의 특성의 변동을 검출할 수 있어, 보다 플라즈마로부터의 광의 OES 데이터를 높은 정밀도로 취득할 수 있으며, 이것을 이용한 플라즈마에 의한 웨이퍼의 처리의 조건을 조절하여 가공 후의 형상의 분포가 초기의 것으로부터 불규칙하게 분포하는 것을 저감할 수 있다.
나아가서는, 웨이퍼를 처리하는 운전의 시간이나 처리의 매수의 증대에 따르는 플라즈마로부터의 광의 양 P1, P2나 투과율 t1, t2의 변동의 크기나 변동률을 검출하여, 이것에 의거하여 당해 운전의 정지를 판정할 수 있다. 또, 이들 P1과 P2와의 사이나 t1과 t2와의 사이의 차분 또는 비율을 이용하여 당해 운전의 정지를 판정해도 된다. 구체적인 판정의 기준은, 상기한 바와 같이, 필요한 가공 편차의 억제 폭에 따라, P1, P2, t1, t2 및 P1과 P2, t1과 t2의 차분 또는 비율의 변동률의 10% 또는 5% 또는 3%를 선택할 수 있다.
상기의 실시예에서는, 처리실(100) 내에 형성되는 기준 플라즈마 및 디바이스를 제조하는 운전에 있어서의 웨이퍼의 처리 중에 형성되는 플라즈마의 분포에 치우침이 있는 경우에 대하여 설명하였으나, 이들 플라즈마의 밀도나 강도 등의 특성을 나타내는 파라미터가 처리실(100) 또는 웨이퍼의 반경 방향 또는 둘레 방향에 대하여 충분히 작은 경우에 있어서도 동일한 방법으로 각 광의 양이나 투과율을 검출할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
다음으로, 도 3을 이용하여 본 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 운전 중의 동작을 설명한다. 도 3은, 도 1에 나타낸 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 운전에 있어서의 동작의 흐름을 나타낸 플로우 차트이다.
본 실시예에서는, 상기한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치는 메인터넌스의 공정(321)의 작업이 실시되고 있는 기간 중에 있어서, 처리실(100) 외부로 취출되어 내벽의 표면이 청소되고 청정화된 라이너(6)에 대하여 그 내벽의 표면의 투과율 t10_SP, t20_ SP가 검출된다(단계(301)). 이때, 외부 광원(21) 등의 도 1에 나타낸 참조광 및 플라즈마로부터의 광을 검출하기 위한 구성을 이용해도 된다.
다음으로, 단계(301)의 투과율이 검출되어 그 값이 도시하지 않은 제어부 내에 배치된 RAM이나 HDD 등의 기억 장치에 기억되면, 라이너(6)의 처리실(100) 내로의 장착을 포함하는 플라즈마 처리 장치의 조립 및 처리실(100) 내를 진공 배기한 리크의 체크 등의 작업이 실시된 후 메인터넌스가 종료한다(단계(302)). 그 후, 외부 광원(21)으로부터 소정의 양의 광이 조사되고, 도 2에 나타낸 셔터(27a∼d)의 선택적인 개폐의 동작에 따라 광 파이버를 포함하는 광로가 선택되어 기준 외부광 I00, 내벽 통과 외부광 It0의 각 광의 양이 검출되는 단계(303)), 검출된 I00, It0와 스플리터(19)의 사양으로부터 정해지는 투과광과 반사광의 비율 St, Sr의 값을 이용하여 방사 포트(16)로부터 처리실(100) 내로 방사되는 광의 양 IinO가 제어부 내에 배치된 연산기에 의해 산출된다.
또한, 처리실(100) 내에 희가스가 도입되어 기준 플라즈마가 형성되고, 이 기준 플라즈마로부터의 광에 대하여 Pm10 _ sp, Pm20 _ sp의 각 광의 양이 검출된다(단계(304)). 검출된 이들 Pm10 _ sp, Pm20 _ sp의 데이터로부터 이들의 상승 평균값 Pg0 _ sp, 기준 플라즈마로부터 라이너(6)의 수광부측 내벽 표면(103) 및 방사부측 내벽 표면(104)에 입사하는 광의 양 P10_ sp, P20_ sp가 제어부 내의 연산기에 의해 산출된다. 상기 검출 또는 산출된 광의 양이 투과율과 함께 제어부 내에 배치된 RAM이나 HDD 등의 기억 장치에 기억된다.
본 예에 있어서는, 단계(303, 304)의 전후의 순서는 상기와 반대여도 된다. 또, 메인터넌스 작업 중에 처리실(100) 안이 대기에 개방되어 있는 상태의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 라이너(6)의 내벽의 2개의 투과율을 검출하는 단계(301)는 단계(302)에 있어서 라이너(6)를 처리실(100) 내에 설치한 후에 실시해도 된다.
다음으로, 반도체 디바이스를 제조하기 위해 웨이퍼를 처리하는 운전의 공정(322)으로 이행한다. 당해 운전이 개시되고 단계(305)에 있어서, 처리실(100) 내가 고진공 배기되어 이전의 플라즈마의 형성시에 처리실(100) 내에 형성된 입자를 배기하여 일단 웨이퍼의 처리를 실시할 때의 압력보다 낮은 압력까지 감압된다.
그 후, 상기한 바와 같이, 처리 대상의 웨이퍼가, 진공 용기 벽(5)에 연결된 도시하지 않은 진공 용기이며 감압된 내부의 공간인 실내를 도시하지 않은 반송용의 로봇의 신축하는 아암 선단 위에 놓여져 유지된 상태에서 처리실(100) 내로 반송되고(단계(306)), 시료대(11)에 수수되어 그 상면에 놓여진다. 또한, 처리실(100)과 반송실과의 사이를 기밀하게 밀봉하게 구획하는 게이트 밸브가 폐색된다.
다음으로, 시료대(11) 상면의 피막 내의 정전 척 용 전극에 직류 전력이 공급되어 웨이퍼가 시료대(11) 상면의 피막상에 흡착된 상태에서, 샤워 플레이트(3)의 관통 구멍으로부터 처리용 가스가 처리실(100) 내로 공급되면서 진공 펌프의 동작에 의해 처리실(100) 내가 배기되어 처리실(100) 내의 압력이 처리에 적합한 값이 된다. 그 후, 처리실(100) 내에 공급된 고주파 전력에 의해 플라즈마가 시료대(11) 상방의 처리실(100) 내에 형성되고, 시료대(11)에 공급된 고주파 전력에 의해 웨이퍼 상방에 바이어스 전위가 형성되어 웨이퍼 상면 상방의 막 구조의 처리 대상의 막층의 에칭 처리가 개시된다(단계(307)).
본 실시예에서는, 단계(307)의 에칭 처리에서는 적어도 1 step 이상의 공정으로 구성되어 있고, 복수의 step으로 이루어지는 경우에는 각각의 step에 있어서 플라즈마를 형성하는 조건이나 고주파 전력의 크기, 처리실(100) 내의 압력의 값 등을 다르게 한 처리의 조건(소위, 레시피)으로 처리가 행해진다. 도면상에는 임의의 자연수 N개까지의 step으로 구성되어 있다.
또한, 에칭 처리의 step(복수의 경우에는 각각의 step)에 있어서 처리 중에 처리실(100) 내에 형성되는 플라즈마의 광이 수광부(101) 및 방사부(102)를 통하여 분광기(23)에서 수광되어 그 광의 양이 제어부에서 검출되며, 이들 검출된 광의 양으로부터, 처리 중의 라이너(6)의 수광부측 내벽 표면(103)과 방사부측 내벽 표면(104)으로 입사하는 플라즈마로부터의 광의 양이 연산기에 의해 산출된다. 제어부 또는 플라즈마 조건 제어부(30)의 연산기는, 기억 장치에 기억된 소프트웨어에 기재된 알고리즘을 따라, 라이너(6)의 내벽 표면이 대향하는 2개의 위치로의 플라즈마로부터의 광의 양에 의해, 처리실(100) 내의 플라즈마의 밀도나 강도의 분포를 산출하고, 필요에 따라 당해 밀도나 강도의 분포로부터 얻어지는 웨이퍼의 처리 후의 형상의 치수(예를 들면 CD)의 값을 산출한다. 또한, 그 산출한 값과 소정의 허용 범위의 값을 비교한 결과로부터 소기의 처리의 결과 또는 그 분포가 얻어지는 처리실(100) 내의 처리의 조건을 실현하는 지령을 산출하여, 이것을 플라즈마 처리 장치에 발신하여 그 동작을 조절한다.
분광기(23)로부터의 출력으로부터 에칭 처리의 종점의 도달이 도시하지 않은 제어부에 있어서 검출되면, 제어부로부터의 지령 신호에 의거하여 플라즈마가 소화되어 시료대(11)로의 고주파 전력의 공급이 정지된다. 이 다음에, 상기의 반송용 로봇의 아암이 처리실(100) 내에 진입하여 웨이퍼가 처리실(100) 밖으로 반출된다(단계(308)).
게이트 밸브가 폐색되어 처리실(100) 내가 다시 밀봉되면, 클리닝용의 가스가 처리실(100) 내에 도입되고, 이전의 웨이퍼의 에칭 중에 처리실(100) 내에 발생하여 내벽 부재의 표면에 부착된 생성물을 제거하기 위해 플라즈마가 형성되고, 플라즈마 클리닝이 실시된다(단계(309)). 이 단계(309)는, 처리의 조건이나 웨이퍼상의 막 구조나 처리실(100) 내벽을 구성하는 부재의 재료에 따라, 각 웨이퍼에 대한 처리가 종료할 때마다 실시되어도 되고, 소정의 매수의 웨이퍼의 처리가 종료할 때 마다여도, 각 웨이퍼의 처리를 구성하는 복수의 step 사이에 실시되어도 된다.
본 실시예에 있어서, 웨이퍼의 처리가 종료한 후에 클리닝된 것에 의해, 처리실(100) 내의 라이너(6)의 내벽 표면은, 반도체 디바이스를 제조하기 위한 운전의 최초의 웨이퍼에 대한 처리가 개시되기 전의 초기 상태와 동등 또는 이것으로 간주할 수 있을 정도로 청정한 상태가 되었다고 판정되면, 단계(303, 304)와 마찬가지로, 기준 플라즈마가 형성되어 당해 플라즈마로부터의 광의 양이 검출되고(단계(310)) 및 외부 광원(21)으로부터의 참조광이 처리실(100) 내에 방사부(102)와 채광창(7)을 통해 도입되어 처리실(100) 내의 라이너(6)를 투과한 당해 참조광의 양이 검출된다(단계(311)).
단계(303, 304)와 마찬가지로, 단계(310, 311)의 전후의 순서는 반대여도 되고, 단계(311)는 단계(305 내지 309)의 사이에 실시되어도 된다. 상기한 바와 같이, 단계(307)에 있어서의 복수의 step의 사이에 있어서 플라즈마가 일단 소화되는 경우에, 그 사이에 단계(311)가 실시되어도 된다.
또, 단계(307)의 공정 중에서 step의 기준 플라즈마로서 사용 가능한 처리의 조건이 있는 경우에는, 단계(310)를 대신하여 당해 step 중에 기준 플라즈마로부터의 광의 양 Pm10 _ sp, Pm20 _ sp를 검출해도 된다. 그때에는, 기준 플라즈마가 형성되는 step의 하나 전의 step이 라이너(6)의 내벽의 표면에 부착된 막을 제거할 수 있는 플라즈마인 것이 바람직하다.
예를 들면, 단계(307)의 step 3이 기준 플라즈마를 형성하는 공정인 경우에는, step 2에 있어서 상기 막이 제거되면 된다. 이 step 2에 있어서 부착물의 막을 제거 가능한 플라즈마로서 F(불소)나 Cl(염소)을 포함하는 플라즈마를 이용할 수 있다.
기준 플라즈마로부터의 광의 양의 검출은, 웨이퍼의 처리의 매수의 증대에 대한 처리 결과로서의 막 구조의 치수의 변동이 충분히 작은 경우에는, 웨이퍼 한 장의 처리마다 실시할 필요는 없고, 로트마다, 또는 100매, 500매, 1000매마다 등, 원하는 결과가 얻어지는 단계(309)의 플라즈마 클리닝과 단계(310)의 기준 플라즈마의 광의 양의 검출을 실시하는 웨이퍼의 처리 매수를 선택할 수 있다. 이러한 클리닝과 기준 플라즈마의 광의 양의 검출의 단계 간의 웨이퍼를 처리하는 매수를 크게 함으로써, 전체적으로 플라즈마 처리 장치에 의한 처리의 스루풋이 향상된다.
또, 스루풋의 향상은, 기준 플라즈마의 광의 양의 검출에 필요로 하는 시간을 작게 하는 것으로도 달성할 수 있으나, 한편 이와 같은 검출의 정밀도를 높게 유지할 수 있기 위해서는 기준 플라즈마가 단시간에 재현성 좋게 생성될 필요가 있다. 이것으로부터, 일정 시간 이상을 기준 플라즈마의 방전을 계속할 필요가 있고, 당해 방전의 시간으로서는 적어도 1초 이상이 바람직하며, 또한 기준 플라즈마의 재현성을 향상시키는 면에서는 5초 이상, 나아가서는 10초 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 스루풋 향상을 위해서는, 상기 방전 시간의 각각의 경우에 있어서, 방전 시간은 5초 이하, 10초 이하, 30초 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 검출된 광의 양이나 투과율은, 웨이퍼의 처리의 공정마다 시계열 데이터 또는 시간 평균 데이터로서 도시하지 않은 제어부와 통신 가능하게 접속된 외부의 기억 장치 내에 데이터베이스의 정보로서 저장된다. APC에 있어서는, 이들의 데이터가 실현하는 대상인 기준 파라미터로서의 CD를 예측하기 위해 이용된다.
이와 같은 데이터베이스에 저장되는 다른 데이터로서는, 처리의 결과로서의 웨이퍼 표면의 가공 후의 형상의 CD값 및 당해 처리에 관련된 웨이퍼의 처리의 조건이 있다. 이와 같은 처리의 조건으로서는, 처리실(100) 내에 도입된 가스의 종류와 조성, 가스의 유량, 처리실(100) 내의 압력, 플라즈마를 생성하기 위해 공급된 전력의 크기 등이 있다.
이들 데이터는 도시하지 않은 제어부 또는 이것과 통신 가능하게 접속된 호스트 컴퓨터 등의 계산기에 송신되어 미리 기억된 소프트웨어에 기재된 알고리즘을 따라 해석되며, 원하는 CD값과 그 분포를 실현할 수 있는 처리의 조건이나 당해 CD를 고정밀도로 예측 가능한 데이터가 산출 또는 추출되어, 고정밀도인 APC가 실시된다. 또, 플라즈마로부터의 광의 양 P1, P2가 검출되면, 상기 예측하기 위한 데이터로서 P1과 P2의 차분 또는 비율을 사용할 수 있다.
전술한 APC에 있어서 이용하는 OES 데이터의 파장은, 플라즈마 생성용의 가스 종류, 압력, 전원 출력, 전원 주파수 등의 플라즈마 생성용 파라미터에 부가하여, 웨이퍼 표면으로 가공되는 Si, SiO2, Sin, 아몰퍼스 카본, 레지스트, Ti, Al, W, Cu 등의 재질 및 형상에 따라, 다른 파장이 사용된다. 또, 특정한 파장 데이터에 부가하여, 복수의 파장 데이터를 이용하여 연산한 결과가 이용된다.
그 때문에, 본 실시예에 있어서 구하는 플라즈마로부터의 광 및 내벽의 투과율의 스펙트럼 데이터도 광대역의 스펙트럼인 것이 바람직하다. 외부 광원(21)으로부터 도입되는 광의 스펙트럼에 있어서 광의 방출이 없거나 또는 이것이 약한 파장의 영역에 대해서는, 플라즈마광 P1, P2, Pg 및 투과율 t1, t2, tg의 파장 특성을 취득할 수 없는 영역이 되기 때문에, 외부 광원(21)도 광대역의 광원으로 하는 것이 바람직하다.
또, 플라즈마를 형성하여 웨이퍼를 처리하는 시간의 누적이 수십 시간에서 수백 시간이 되는 매수의 웨이퍼를 연속적으로 처리하는 경우에 대응하는 면에서는, 외부 광원(21)의 출력이 소정의 값으로 안정되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 광원으로서는, 크세논 램프, 중수소 램프, 할로겐 램프, LED, 레이저 여기 광원 등을 이용할 수 있다. 나아가서는 이들의 광원을 복수 조합한, 단일의 광 출력 포트를 가지는 광원을 이용해도 된다.
외부 광원(21)에서는, 1개 또는 복수의 광원에 의한 발광의 형상이 점 형상, 선 형상, 또는 면 형상이며, 이와 같은 광원으로부터 방출되는 광을 집광하여 출력용의 외부 광원 포트(22)로 전달한다. 이와 같은 구성의 예를 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4는, 도 1에 나타낸 실시예의 외부 광원(21)의 구성을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
본 도면에 있어서, 외부 광원(21)은 광원으로서의 발광부가 점 형상인 예가 나타내어져 있다. 외부 광원(21)은 광원으로서의 램프를 내장한 램프 케이스(54)를 구비하고, 램프 케이스(54)의 내부에 대향하여 배치된 소켓(52)끼리의 사이로 램프 밸브(53)가 끼워져 유지되어 있다. 램프 밸브(53)의 내부에는 방전용 가스가 봉입된다.
램프 케이스(54) 내에서 소켓(52)을 통하여 2개의 방전침(51)이 도시하지 않은 전원에 접속되어 전력이 공급된다. 또, 각각의 일방의 단부는 방전침(51)은 대향하여 배치된 소켓(52)의 각각에 접속되고, 타방의 단은 서로 선단을 근접시켜 배치되며, 전력이 공급되어 소정의 값 이상의 전위차가 방전침(51)의 선단끼리의 사이에 형성된다.
방전침(51)의 사이에서 소정의 값 이상의 전위차가 형성됨으로써 이들 사이의 램프 밸브(53) 내의 공간에 방전이 일어나고, 이 방전이 생긴 영역에 광원 발광부(50)가 형성되어 광이 방사된다. 광원 발광부(50)의 크기는, 조건에 따라 다르지만 실시예에서는 수백 nm로부터 수 밀리 정도이기 때문에, 램프 밸브(53)를 교환하였을 때에 새로운 것을 램프 케이스(54)에 장착한 전후에 외부광 출력 포트(22)로부터 출력되는 광량의 변화가 저감되기 위해서는, 램프의 발광이나 치수의 개체차나 램프 밸브(53)의 장착 오차에 따른 외부광 출력 포트(22)로 전달되는 광 의 양의 편차를 조절할 필요가 생긴다.
본 실시예에서는, 램프 케이스(54) 내부에서 램프 밸브(53)와 램프 케이스(54)의 측벽에 이것을 관통하여 장착된 원통형의 투광성 부재로부터 구성된 외부 광원 포트(22)와의 사이에 배치되어 광원 발광부(50)로부터 램프 밸브(53) 밖으로 방사되는 광을 외부 광원 포트(22)의 방향으로 수속시키는 집광 렌즈(140)를 구비하고, 집광 렌즈(140)와 광원 발광부(50)와의 사이의 상대적인 위치를 조절할 필요가 있다. 외부광 출력 포트(22)를 복수 구비한 경우에는, 광원 발광부(50)와 각 외부광 출력 포트(22)와의 사이의 상대 위치의 각각을 모두 원하는 범위 내의 것으로 조정하는 것이 어렵게 되기 때문에, 각 외부 출력 포트로의 광량을 일정하게 하는 것이 어렵다. 따라서, 외부 광원(21)으로부터 광을 취출하는 외부 광원 포트(22)는 단일의 포트로 하는 것이 바람직하다.
처리실(100) 내의 표면의 상태가 변동하는 원인 중 하나는, 상기한 바와 같이, 내벽을 구성하는 부재의 표면의 재료가 플라즈마와의 상호 작용에 의해 소모되거나 플라즈마 중의 물질, 입자가 표면에 부착되는 것이다. 이와 같은 부재가 투광성을 가지고 있는 경우, 내벽의 표면을 투과하는 광은 내벽의 표면의 거칠기 등의 형상이나 부착물의 재질, 조성 또는 그 두께 등의 양에 의존하여 산란이나 반사 또는 흡수 등의 작용을 받는다.
내벽의 표면의 면 거칠기의 크기나 부착물의 두께 등의 크기와 비교하여 투과하는 광의 파장이 작아질수록, 내벽의 표면에 입사한 광은 산란한다. 따라서, 단파장의 광일수록 미소한 표면의 형상의 변동에 대하여 산란이 일어나기 쉽고, 수광부측까지 도달하는 광의 강도가 감소하게 되어, 그 결과 투과율 t1, t2, tg가 감소한다.
따라서, 내벽의 표면의 투과율을 나타내는 데이터로서는, 투과율의 스펙트럼 데이터를 이용하는 것 이외에도 그 스펙트럼 데이터를 파장에 관하여 적분한 데이터를 이용할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 넓은 대역에서 스펙트럼 데이터를 취득하기 위해, 처리실(100) 내의 라이너(6), 채광창(7), 콜리메이트 렌즈(14), 포트끼리를 연결하는 파이버(25)나 스플리터(19)에도, 거기에 대응한 스펙트럼을 투과하는 것을 사용할 필요가 있다.
각 광로의 광의 양을 보다 정확하게 취득하기 위해서는, 개체차에 따른 영향을 배제하기 위해 1대의 분광기(23)로 모든 광로의 광을 검출할 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 각 포트로부터의 각 광이 분광기(23) 내부에 배치된 분광 소자부로 입사하는 경우의 효율을 일정하게 하는 것이 바람직하다. 그러기 위해서는, 분광기(23)로의 입력 포트인 분광기 포트(24)를 단일로 하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 수광 포트(15), 기준광 포트(17) 및 반사 포트(18)의 각 출력용의 포트와 분광기 포트(24)의 사이에 이들을 연결하는 분기 파이버(27)를 배치하고 있다. 분기 파이버(27)는, 분기측이 되는 각 포트로부터의 복수의 파이버의 단부가 접속되는 측을 일방단으로 하고, 이들 복수의 파이버가 묶어진 것이 타방의 단부에 있어서 분광기 포트(24)에 광학적으로 접속된 광 파이버이다.
도 5, 6에, 분기 파이버(27)의 타방의 단부의 단면의 구성을 설명한다. 도 5 및 6은, 도 1에 나타낸 실시예의 분기 파이버(27)의 타방의 단부의 단면을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
분광기 포트(23)에는 분기 파이버(27) 내에 전달되어 온 광의 일부를 분광기(23) 내부의 분광 소자부를 향하여 그 내측을 통과시키는 슬릿인 분광기 슬릿(60)이 배치되어 있다. 본 실시예에서는, 이 분광기 슬릿(60)의 슬릿은 도면상 상하 방향으로 세로가 긴 직사각형 형상을 가진 관통 구멍이며, 그 긴 변 방향의 길이가 0.1mm에서 수 mm의 범위 내의 것이다. 분광기 슬릿(60)은 분기 포트(27)의 복수의 광 파이버의 단면에 대향하여 배치되며, 전달되어 온 광 중 내측의 영역에 입사한 것만이 내측의 틈을 통과하는 슬릿의 주위를 차광할 수 있는 재료로 구성되어 있다.
본 실시예에서는, 분기 파이버(27)의 일방의 단부인 분기측의 각 포트로부터 방사된 광이 분광기 슬릿(60)에 입사하는 효율을, 각 포트로부터의 파이버의 타방의 단부인 번들(61), 번들(62) 및 번들(63)의 사이에서 일정 또는 차이를 저감하기 위해, 분광기 슬릿(60)에 대한 각 광 파이버의 배열을, 도 4, 5에 나타낸 배치로 한다. 도 4의 예에서는, 분광기 슬릿(60)의 긴 변 방향을 가로지르는 방향(도면상 좌우 방향)으로 각 번들(61, 62, 63)을 구성하는 복수의 광 파이버의 집합이 병렬로 배치되며, 이들 집합이 긴 변 방향에 접하도록 포개져 배치되어 있다. 도 5의 예에서는, 3개의 광로를 구성하는 복수의 광 파이버의 집합인 번들(61, 62, 63)이 전체적으로 육방 밀집으로 배치되고, 또한 각 번들의 광 파이버 각각은 그 주위를 단면의 축의 둘레 방향에 대하여 다른 2개의 집합의 번들의 광 파이버 3개씩이 번갈아 둘러싸서 배치된 구성으로 되어 있다.
이와 같이 복수 번들속이 배치된 구성에 있어서, 분광기 슬릿(60)이 형성된 면에 대하여 분기 파이버(27)의 타방의 단면이 평행이 되거나 또는 이것으로 간주할 수 있을 정도로 근사한 상대 각도가 되는 배치로 함으로써, 분기 파이버(27)의 타방의 단면에 대하여 분광기 슬릿(60)은 수직이거나 이것에 근사한 각도로 대향하여, 단면에서의 각 번들마다의 면적을 균등하게 가까이하고, 이것에 의해 각 번들의 일방의 단부로부터 전달된 소정의 양의 광이 분광기 슬릿(60)에 면한 각각의 타방의 단면으로부터 방사되는 양의 불균일을 저감할 수 있다. 이것에 의해, 분광기(23)에 전달되는 광이 다른 광로로부터의 광에서의 당해 각 광로마다의 개체차를 저감하여, 광의 양과 이들 비교에 의해 얻어지는 내벽의 표면의 상태에 대하여 높은 정밀도로 검출을 행할 수 있다.
또, 상기 분기 파이버(27)의 타방의 단면과 분광기 슬릿(60)과의 사이의 상대적인 배치나 각도 위치를 장기간에 걸쳐 정확하게 실현하기 위해, 각 번들을 구성하는 광 파이버에 회전 정지의 홈이나 푸시 록형의 각(角)형의 커넥터를 구비한 것을 이용할 수 있다. 또, 분기 파이버(27)로부터 출력되는 광을 분광기 슬릿(60)과의 사이에 배치한 렌즈 등의 집광 수단에 의해 광로를 집중시켜 분광기 슬릿(60)으로 조사해도 된다.
상기의 본 실시예의 구성에 의해, 외부 광원(21)의 단일의 외부 광원 포트(22)로부터 방사된 광을 스플리터(19)를 이용하여 2개의 광로로 분기하고, 그 분기된 광의 양의 투과 및 반사의 비율 St 및 Sr을 이용하여, 기준 외부광 I0보다, 방사 포트(16)로부터 처리실(100) 내로 방사되는 광 Iin의 양을 고정밀도로 검출할 수 있다. 또한, 수광부(101)의 수광 포트(15), 스플리터 홀더(20)의 기준광 포트(17) 및 반사 포트(18)의 각 출력 포트로부터 각각의 광로를 지나온 광을 분기 파이버(27)에 있어서 모아, 그 단부로부터 단일의 분광기 포트(24)로 방사하여 분광기(23)에 입력한다.
본 실시예는, 각 광의 분광기(23)로의 입사의 효율의 차이가 억제되는 구성을 구비하고, 기준 외부광 I0, 내벽 투과 외부광 It, 수광부측 플라즈마광 Pm1, 방사부측 플라즈마광 Pm2의 양을 높은 정밀도로 검출할 수 있다. 이들 검출한 광의 양을 나타내는 데이터를 이용하여, 식 (1.1)∼(1.6)을 따라 수광부 내벽 표면(103) 및 방사측 내벽 표면(104)에 입사하는 플라즈마광 P1 및 P2, 양 플라즈마광의 상승 평균 Pg, 수광부측 내벽 및 방사부측 내벽의 투과율 t1 및 t2, 양 투과율의 상승 평균 tg를 높은 정밀도로 검출할 수 있다.
또한, 얻어진 상기 광로의 광의 양의 데이터나 플라즈마 자체로부터의 발광의 양 및 내벽의 표면 상태의 데이터는, 데이터베이스의 데이터를 나타내는 신호로서 기록되며, 이들 데이터를 이용하여 처리실(100) 내의 플라즈마 또는 이것을 이용한 처리의 상태가 높은 정밀도로 검출된다. 이 결과를 이용하여 플라즈마 처리 장치의 동작의 조건이나 처리의 조건이 보다 정확하게 산출되며, APC에 의해 동작이 조절되는 플라즈마 처리 장치에 의한 처리의 수율이 향상된다.
상기의 실시예에 있어서, 스플리터(19)로서, 이것에 의해 외부 광원(21)으로부터의 광이 투과 및 반사되는 비율 st 및 sr이 개략 동일해지는 하프 미러를 이용할 수 있다. 또, st 및 sr이 서로 다른 스플리터를 사용해도 된다.
또, 도 7에 나타낸 바와 같이 스플리터(19)로서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 중앙부에 관통 구멍을 구비한 양면 전반사 미러를 이용해도 된다. 도 7은, 도 1에 나타낸 실시예에 관련된 스플리터(19) 및 스플리터 홀더(20)의 변형예의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
본 도면에 있어서, 스플리터(19)로서 구멍이 있는 경사 거울(190)이 이용되어 있다. 구멍이 있는 경사 거울(190)에 입사하는 투과 방향의 광은 중앙부에 배치된 관통 구멍을 통과하고, 반사 방향의 광은 관통 구멍 주위의 반사성이 높은 부재에 의해 반사된다. 이 관통 구멍의 직경을 변경함으로써, St 및 Sr을 변경할 수 있다. 또, 구멍이 있는 경사 거울(190)의 부재는 광을 완전히 차단하거나 차광 성능이 높은 부재를 이용할 수 있다.
또한, 수광부(101) 및 방사부(102)에 있어서, 도 7에 나타낸 바와 같은 반사형의 콜리메이트 미러(141)를 이용해도 된다. 도 7은, 도 1에 나타낸 실시예에 관련된 수광부(101) 및 방사부(102)의 광 시준용의 수단의 변형예를 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
본 도면에 있어서, 콜리메이트 미러(141)는, 수광부(101)의 광로 실드(13)의 내부에 있어서 채광창(7)에 대향하는 위치의 내측 벽면상에 배치되고, 채광창(7)에 대향하는 면은 당해 채광창(7)을 지나 입사하는 평행한 광을, 광로 실드(13)의 하부측(도면상 하방측)의 내벽에 이것을 관통하여 장착된 수광 포트(15)의 단면을 향하여 집중하도록 반사하는 곡면으로 구성된 반사면을 구비하고 있다.
검출하는 대칭의 광의 강도가 너무 강하기 때문에 분광기(23)로 검출할 수 없는 경우에는, 이와 같은 광의 강도나 양을 감쇠시킬 필요가 있다. 그 때문에 셔터(27)의 전후의 광로에 있어서, ND 필터나 아이리스에 의한 광 감쇠기를 설치할 수 있다. 또, 셔터(27)를 감쇠율 가변형의 광 감쇠기로 함으로써, 광의 차단과, 광 투과시의 투과량 조절을 해도 된다.
이와 같은 감쇠기를 사용한 경우에는, 상술한 식 (1.1)∼(1.6)에, 감쇠기로의 입력광에 대한, 감쇠기 투과 후의 투과율이 추가된다. 셔터(27a∼27e) 위치 또는 그 전후의 광로에 설치한 감쇠기 투과 후의 투과율을 aa∼ae로 하면, 식 (1.1)∼식 (1.2)의 I0, Iin, It, Pm1, Pm2를, aaI0, abIin, aeIt, aePm1, abacPm2로 치환함으로써, 내벽 투과율 t1, t2, tg 및 플라즈마광 P1, P2, Pg를 얻을 수 있다.
도 9에 상기 실시예에 나타낸 광학계를 복수 배치한 구성의 예를 나타낸다. 도 9는, 도 1에 나타낸 실시예의 광학계를 복수 배치한 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
본 도면의 변형예는, 도 1의 실시예가 구비하는 외부 광원(21) 및 분광기(23)의 사이에서 처리실(100)의 내부 및 외부의 각각에 외부 광원(21)으로부터의 참조광을 분기하는 스플리터(19) 및 분기된 광의 각각을 전달하는 광 파이버와 처리실(100)의 내부에 방사하는 방사부(102) 및 수광부(102)를 구비한 OES 데이터를 검출하기 위한 광학계가 1개의 플라즈마 처리 장치의 1개의 처리실(100)에 복수조 배치된 구성을 구비하고 있다. 즉, 도 9의 변형예는, 도 1의 실시예에 있어서의 것과 동등한 구성을 구비한 광학계 A와 광학계 B가 각각의 스플리터와 수광부와의 사이를 광 파이버로 접속되어 연결되고, 일방으로부터 타방에 외부 광원(21)으로부터의 참조광이 전달되며, 광학계 A, B에서 병행하여 처리실(100) 내벽의 표면의 상태와 처리실(100) 내의 플라즈마로부터의 광으로부터 OES 데이터가 검출 가능하게 구성되어 있다.
본 예의 광학계 A에는, 도 1의 스플리터 홀더(20)에 구비된 기준광 포트(17)에 상당하는 광학계 A의 스플리터 홀더(2000)의 포트와 분광기 포트(24)와의 사이에 스플리터(1901)를 내부에 구비한 스플리터 홀더(2001)가 배치되고, 이들이 광 파이버에 의해 광을 전달 가능하게 접속되어 있다. 광학계 A의 스플리터 홀더(2000)에 도입되어 내부의 스플리터(1900)에 의해 분기된 외부 광원(21)으로부터의 참조광은, 스플리터 홀더(2001)에 도입되어 그 내부의 스플리터(1901)에 의해, 광학계 A를 구성하여 분광기 포트(24)에 광 파이버를 통하여 광을 전달 가능하게 접속된 포트 D0 및 광학계 B의 스플리터 홀더(2010)의 포트에 광 파이버를 통하여 광 전달 가능하게 접속된 포트로 분기되어, 이들에 공급된다.
본 예에 있어서, 처리실(100)의 다른 개소에 배치되어 각각이 처리실(100) 내부의 다른 광로를 구성하는 광학계 A, B에 외부 광원(21)으로부터의 참조광이 전달 가능하게 구성되고, 광 파이버상에 배치된 셔터의 개폐를 조절함으로써 각각의 광학계에 있어서 병행하여 또는 독립하여 처리실(100) 내로부터의 광 및 외부 광원(21)으로부터의 광의 양 및 처리실(100) 내벽의 투과율이 검출된다. 광학계 B에는 외부 광원(21)이 직접 접속되어 있지 않으나, 광학계 A에 배치된 스플리터(1901)를 통하여 공급된 참조광을 광학계 B의 기준 외부광으로서 사용할 수 있다.
또, 광학계 B의 스플리터(1911)를 투과하는 기준 외부광이 통과하는 포트에, 광학계 B와 동일한 구성을 구비하여 처리실(100)의 다른 개소에 배치된 광학계를 광 파이버를 통하여 접속할 수 있다. 이와 같이 다른 광학계를 광 파이버와 스플리터를 이용하여 염주처럼 엮어 접속함으로써, 스플리터에 의해 분기된 외부 광원(21)으로부터의 참조광을 기준 외부광으로서 이용하고, 처리실(100)의 복수점에 있어서의 플라즈마와 처리실(100)의 내벽 표면의 상태의 변동을 검출할 수 있다.
예를 들면, 광학계 A, B…를 가진 복수의 광학계의 각각을, 원통형을 가진 처리실(100)의 원통의 중심축 방향 또는 이것에 수직인 면내 방향의 다른 위치에 각각의 광학계의 처리실(100) 내의 광로가 위치하도록 배치함으로써, 처리실(100)의 중심 축(높이의) 방향 및 수평 방향(또는 둘레 방향)의 플라즈마의 강도는 밀도 또는 처리실(100) 내벽의 상태의 분포를 검출할 수 있다. 또, 검출된 이들의 결과를, 기억 장치 내에 데이터베이스의 데이터로서 저장하고, 해석함으로써, 보다 고정밀도인 APC가 가능하게 된다.
도 10, 11은, 도 9에 나타낸 구성에 있어서의 광학계 A, B를 연결하는 스플리터(1901)의 다른 구성의 예를 모식적으로 나타낸 종단면도이다. 본 예에서는, 도 9에 나타낸 스플리터 홀더(2000, 2001, 2010, 2011)를 광 파이버를 통하여 접속하는 구성 대신, 각 홀더의 측벽에 배치된 관통 구멍끼리를 연통시키도록 홀더의 외측 벽면끼리가 서로 접속된 구성을 구비하고, 이들 복수의 스플리터 홀더를 번들의 부재로서 취급하는 것이 가능하게 되어 있다.
또, 도 11에 나타낸 바와 같이, 이들의 스플리터 홀더(2000, 2001, 2010, 2011)를 외측 벽면끼리를 접속하여 직선 형상으로 연결시켜, 번들의 스플리터 홀더로서 구성할 수도 있다. 도 11은, 광학계 A, B를 처리실(100)에 설치하는 경우에 적용되는 구성이다. 또한, 이들의 도면에 있어서는, 도 9에 나타낸 스플리터 홀더에 접속되는 각 포트와 도 10에 나타낸 각 포트는 포트(A0∼D0, A1∼D1 및 E1)로서 동일한 명칭을 주어 대응시키고 있다.
또한 광학계를 늘리는 경우에는, 도 11의 스플리터 홀더를 또 하나 준비하고, 1번째의 스플리터 홀더의 포트 E1을 분리하고, 2번째의 스플리터 홀더의 포트 A0을 분리하고, 양 스플리터 홀더의 포트 E1 및 A0을 접속하면 된다. 또한, 2개의 스플리터를 하나의 스플리터 홀더에 설치한 것을 복수 이용해도 된다. 상기한 바와 같이, 복수의 스플리터가 설치된 스플리터 홀더를 이용함으로써, 스플릿 홀더 간의 파이버 및 스플릿 홀더에 접속되는 포트의 수를 적게 할 수 있다.
〔변형예〕
다음으로, 상기의 실시예의 변형예를 도 12 내지 15를 이용하여 설명한다. 도 12는, 도 1에 나타낸 실시예의 변형예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
본 예에 관련된 플라즈마 처리 장치는, 처리실(100) 내에 배치된 라이너(6)의 내벽의 표면상에 웨이퍼의 처리 중에 형성되는 부착물의 막, 또는 처리 전 또는 후에 내벽을 보호할 목적으로 형성된 피막의 상태의 변동을 검출한다. 도 12에 나타내어진 광 흡수부(450), 분기 파이버(27) 및 퇴적막(400) 이외의 구성은 도 1에 나타낸 실시예에 있어서 설명한 것과 동등하며, 특별히 필요로 하지 않는 한 설명을 생략한다.
본 예에 있어서, 도 1에 나타낸 실시예의 진공 용기 벽(5)의 수광부(101)와 동일한 높이 위치이며 진공 용기 벽(5)의 외측에 배치된 광 흡수부(450)는, 그 외벽면을 구성하여 참조광을 투과시키지 않은 부재로 구성된 광로 실드(13) 및 이 광로 실드(13) 내부에서 진공 용기 벽(5)의 관통 구멍과 대향한 개소에 배치된 광 흡수체(451)를 구비하고 있다. 광로 실드(13)는, 관통 구멍 및 광 흡수체(451)에 대하여 플라즈마 처리 장치의 주위에 배치된 조명 등의 광원으로부터의 광을 차폐하여, 이들 주위의 광원으로부터의 광이 처리실(100) 내로 입사하여 분광기(23)를 통하여 검출되는 처리실(100) 내로부터의 광에 대한 노이즈 광이 되는 것을 억제한다.
또, 광 흡수부(450)의 내부에 있어서, 광 흡수체(451)가, 방사부(102)의 방사 포트(16) 및 채광부(7)에 처리실(100)의 플라즈마가 형성되는 공간을 사이에 두고 대향한 진공 용기 벽(5) 상의 위치에 배치된 관통 구멍을 통하여 채광부(7)와 대향하여 면하고 있다. 이것에 의해, 처리실(100) 내부를 지나 광 흡수부(450)로 도달한 광이 광 흡수부(450) 내에서 반사되어 방사 포트(16)로 되돌아가는 것이 억제된다.
이 작용·효과를 효과적으로 나타내기 위해, 광 흡수체(451)는 콜리메이트 렌즈로부터의 평행광의 단면적 이상의 크기로 할 필요가 있다. 또, 광 흡수체(451)는 콜리메이트 렌즈로부터의 평행광의 광로를 차단하는 형태로 설치되어 있으면 되고, 진공 용기 벽(5)의 관통 구멍을 통하여 방사부(102)측의 채광창(7)에 대향하는 형태로 광 흡수부(450)의 광로 실드(13) 내의 공간에 배치된다. 광 흡수체(451)가 광로 실드(13)의 내벽 표면을 덮어 이것을 피복해도 되고, 또 광 실드(13) 내부의 공간은 광 흡수체(451)를 메워 조밀하게 충전되어도 된다.
또, 채광창(7)의 대기측 측면 또는 대기측 표면 전체에 광 흡수체(451)를 배치해도 된다. 또, 채광창(7)의 처리실(100)측(진공측)의 표면 또는 채광창(7)을 갖지 않는 진공 용기 벽(5)에 있어서 콜리메이트 렌즈로부터의 평행광이 조사되는 면에 광 흡수체(451)를 배치해도 된다.
광 흡수체(451)는, 광로 실드(13)의 내측 표면에 흑색 도료를 도포하거나, 또는 반사 방지 필름을 접착하는, 당해 내측 표면을 양극(陽極) 산화시켜 흑색 알루마이트 처리하거나, 또는 모스아이 구조 등의 반사 방지용 미세 패턴을 형성하는 등의 수단에 의해 배치된다. 또, 광로 실드(13) 내부에 이들의 표면 처리가 실시된 판 형상의 부재를 배치하여 구성해도 된다. 또한, 광로 실드(13)의 처리실(100)측의 진공 용기 벽(5)의 관통 구멍을 막아 배치된 별도의 채광창의 표면에 상기 표면 처리를 실시하여 구성해도 된다.
분기 파이버(27)로서는 2개로 분기되는 파이버를 이용하고 있고, 이 분기 파이버(27)가 내부에 갖는 번들을 2세트로 하여, 분광기(23)의 슬릿에 대한 파이버 배열 및 파이버 고정시의 각도, 파이버의 커넥터의 구성을 도 5, 6에 나타낸 것으로 함으로써, 처리실(100) 내로부터의 광의 양이나 처리실(100)의 내벽의 투과율이 보다 높은 정밀도로 검출되어 부착물의 막 또는 보호용의 피막 상태의 검출의 정밀도가 향상된다.
처리실(100)의 내벽을 구성하는 라이너(6) 및 샤워 플레이트(3)의 표면에는, 부착물의 막 또는 보호용의 피막인 퇴적막(400)이 형성된다. 또한, 본 예에 있어서는, 도시하고 있지 않으나, 이 퇴적막(400)은, 이것 이외에, 처리실(100)의 내측 벽면을 구성하는 부재인 천판(2), 진공 용기 벽(5), 채광창(7), 서셉터(8), 배플(9), 시료대(11) 및 전극 커버(12)의 표면에도 형성된다.
방사부(102)로부터 처리실(100) 내에 라이너(6)를 투과하여 도입되는 외부 광원(21)으로부터의 참조광 및 처리실(100) 내부에서 형성된 플라즈마로부터의 광은, 처리실(100)의 내 또는 밖에서 반사되어 방사 포트(16)로 되돌아가는 것을 억제하기 때문에, 도 1에 나타낸 구성을 이용할 수 있다. 도 1에서는, 수광부(101)로 입사하는 외부 광원(21)으로부터의 참조광 및 플라즈마로부터의 광은, 수광 포트(15)로 입사되어 분광기 포트(24)로 입력되기 때문에, 수광부(101) 내에서 반사되어 방사 포트(16)로 되돌아가는 광의 강도를 충분히 작게 할 수 있다.
또, 본 예에 있어서도, 분광기(23)에 있어서 검출된 각 광의 스펙트럼 데이터는, 스펙트럼 연산부(28)에서 연산되고, OES 데이터로서 데이터베이스 작성부(29)의 데이터베이스에 보존된다. 이 데이터는 플라즈마 조건 제어부(30)에 송신되어 사용되며, 연산기가 미리 정해진 알고리즘에 의거하여 산출한 목표값이 되도록 조절하는 지령 신호가 발신되어 APC가 실행된다.
다음으로, 본 변형예에 있어서, 검출된 각 광의 양과 투과율의 정보로부터, 처리실(100)의 내벽 표면상에 형성되는 부착물의 막 또는 보호용의 피막 상태의 변동을 검출하는 구성을 설명한다. 본 예에 있어서 검출되는 광의 양으로서는, 기준 외부광 I0, 백그라운드광 Ib, 간섭 계측광 Im, 간섭광 If, 방사부측 플라즈마광 Pm2가 이용된다. 상기의 실시예와 마찬가지로, 기준 외부광 I0 및 방사부측 플라즈마광 Pm2는, 스플리터 홀더(20)의 기준광 포트(17) 및 방사 포트(16)의 각각을 통하여 접속된 광 파이버로부터 분기 파이버 및 분광기(23)를 통하여 전달되어 검출되는 광의 양이다.
백그라운드광 Ib는, 플라즈마 및 라이너(6)의 내벽 표면상에 부착물의 막 또는 보호용의 막이 없거나 이것으로 간주할 수 있을 정도로 적은 상태에 있어서, 방사 포트(16)로부터 외부 광원(21)으로부터의 참조광을 방사했을 때에, 처리실(100) 내 또는 밖에서 반사되어 방사 포트(16)나 스플리터(19) 등을 경유하여 분광기(23)로 입사하는 광의 양이다. 또한, 본 예에 있어서는, 실시예와 달리 수광부(101)가 구비되지 않고, 방사부(102)측의 스플리터 홀더(200)에 구비된 반사 포트(27c)에 광로가 분기 파이버(27)를 통하여 접속된 분광기 포트(24) 및 분광기(23)에 있어서, 라이너(6)의 수광측 내벽 표면(103) 및 그 표면의 피막에서 반사된 것과 함께 방사측 내벽 표면(104)에 입사하는 플라즈마로부터의 광이 수광되는 구성이며, 방사부측 플라즈마광 Pm2는 수광부측 플라즈마광이라고도 말할 수 있다.
석영과 진공 또는 대기와의 계면으로 입사한 가시광 영역의 광은 수 % 반사되기 때문에, 상기의 백그라운드광 Ib가 발생한다. 처리실(100) 내벽 표면의 막의 상태를 간섭광 If를 이용하여 검출하는 정밀도를 향상시키기 위해서는, 백그라운드광 Ib의 강도를 억제하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 대기 중에 설치 또는 대기에 접하는 각 광 입출력 포트, 렌즈 및 창의 표면에는 반사 방지막을 배치하는 것이 바람직하다.
간섭 계측광 Im은, 플라즈마가 형성되어 있는 동안 또는 플라즈마가 정지되어 있는 상태이면서 처리실(100)의 내벽 표면상에 막이 형성되어 있는 상태에 있어서, 방사 포트(16)로부터 외부 광원(21)으로부터의 특정한 파장의 것을 포함하는 참조광을 방사했을 때에, 분광기(23)로 입사하는 특정한 파장의 것을 포함하는 광의 양이다. 간섭 계측광 Im에는, 상기한 백그라운드광 Ib, 플라즈마가 형성 중인 앞으로의 광인 방사부측 플라즈마광 Pm2 및 내벽의 표면상의 막에 있어서 발생하는 간섭광 If가 포함되기 때문에, 간섭 계측광 Im을 검출한 결과를 이용하여 당해 막의 상태를 검출할 수 있다. 또, 기준 외부광 I0의 강도의 변동에 따른 백그라운드광 Ib 및 간섭광 If의 강도의 변동을 보정하면 간섭 계측광 Im과의 관계는 식 (3.1)에 나타낸 바와 같은 것이 된다.
Figure 112018066554368-pat00018
이 식 (3.1)을 이용하여 간섭광 If는 식 (3.2)로부터 도시하지 않은 제어부의 연산기에 의해 소정의 알고리즘이 이용되어 산출된다.
Figure 112018066554368-pat00019
또한, 처리실(100) 내에 플라즈마가 없는 상태에서는 식 (3.1) 및 식 (3.2)에 있어서 Pm2＝0이 된다. 이러한 식으로부터, 분광기(23)의 출력을 이용하여 기준 외부광 I0, 백그라운드광 Ib 및 수광부측 플라즈마광 Pm2의 값을 검출함으로써, 간섭광 If 만을 산출할 수 있기 때문에, 정밀도 좋게 막의 상태를 검출할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 간섭 계측광 Im과 방사부측 플라즈마광 Pm2는 플라즈마가 형성되어 있는 동안의 동일한 시각의 것을 분광기(23)의 출력으로부터 동시에 검출할 수는 없기 때문에, 플라즈마가 형성되어 있는 동안에 형성 또는 분해가 진행되는 내벽 표면의 막으로부터 간섭광 If를 정밀도 좋게 검출하는 면에서, 가능한 한 작은 시간차로 간섭 계측광 Im과 수광부측 플라즈마광 Pm2를 검출할 필요가 있다. 이 때문에, 외부 광원(21)으로부터의 참조광의 방사의 On/Off 또는 셔터(27d)의 개폐에 따라, 방사 포트(16)로부터의 처리실(100) 내로의 참조광의 방사의 On/Off를 반복해도 된다.
플라즈마가 형성된 직후에는, 일반적으로 플라즈마의 발광의 변화가 크기 때문에, 참조광의 방사의 On/Off의 전환은 1초 이내로 실시되는 것이 바람직하고, 처리실(100)의 내벽 표면의 막의 상태를 검출하는 정밀도나 시간 분해능을 향상시키는 면에서는, 0.5초 이내로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, 0.1초 이내에 전환할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 기준 외부광 I0, 백그라운드광 Ib, 간섭 계측광 Im, 간섭광 If, 방사부측 플라즈마광 Pm2를 검출할 때에는, 도 2에 나타낸 셔터(27)를 개폐하는 동작과 동일하게, 본 변형예에서 구비되는 각 광로의 차단 또는 접속을 적절히 선택하면 된다. 백그라운드광 Ib 및 간섭 계측광 Im을 계측할 때에는, 셔터의 27a 및 27e를 닫고, 27b, 27c 및 27d를 열면 된다. 또 상기한 외부 광원(21)으로부터의 참조광의 방사를 On/Off하기 위해서는 셔터 27d를 개폐하면 된다.
플라즈마를 형성하여 웨이퍼의 처리를 개시한 후의 처리가 진행되는 시간의 경과에 따라 내벽 표면상에 형성되어 두께가 변화되어 가는 막으로부터의 간섭광 If의 변화를 도 13에 나타낸다. 도 13은, 도 12의 변형예에 있어서 검출되는 처리실(100)의 내벽 표면의 막으로부터의 간섭광의 양 If의 시간의 변화에 대한 변화를 나타낸 그래프이다.
본 도면의 세로축 및 가로축은, 파장 및 플라즈마에 의한 웨이퍼의 처리가 개시되고나서의 시간이며, 그 색의 농담이 간섭광 If의 각 파장의 광의 강도의 대소를 나타내고 있다. 즉, 본 도면에 있어서, 본 변형예의 처리실(100)의 내벽 표면상에 막이 형성됨에 따르는 간섭광의 파장을 파라미터로 하는 강도의 패턴과 그 시간 변화가 나타내어져 있다. 본 도면에서 얻어지는 간섭광 If의 변화의 패턴을 간섭 스펙트럼 패턴이라고 칭한다.
또, 도 13의 가로축의 처리 중의 각 시각 또는 처리 개시 후의 시간의 값은 내벽 표면상의 막의 두께에 대응하고 있고, 동일한 웨이퍼 처리의 공정에 있어서 형성된 플라즈마의 특성이 안정되어 변화가 충분히 작은 경우에는, 각 시각에서의 막의 두께를 간섭 스펙트럼 패턴상에서 대응하는 값으로부터 검출하는 것이 가능하다. 반대로, 동일한 조건으로 플라즈마의 형성을 반복한 경우여도 간섭 스펙트럼 패턴이 변동되어버리는 경우에는, 막의 막 두께 또는 재질이 변동하고 있는 것을 나타내고 있다.
이상으로부터, 처리실(100) 내에 플라즈마가 형성되어 내벽 표면상에 막이 형성되는 처리 후, 또는 퇴적막을 제거하기 위한 플라즈마 클리닝이 실시된 후에 있어서의 간섭광 스펙트럼에 대하여, 웨이퍼의 처리 매수 또는 플라즈마를 형성하여 처리가 실시된 시간의 누계의 값이 증대함에 따르는 스펙트럼의 변동을 검출함으로써, 막의 상태의 변동을 검출하는 것이 가능하게 된다.
또, 내벽의 표면상에 막이 형성되어 있거나 또는 당해 막을 클리닝에 있어서 제거하고 있을 때의 간섭광 스펙트럼 패턴을 취득하고, 누계의 처리 매수 또는 처리 시간의 증대에 따르는 간섭 스펙트럼 패턴의 변동을 취득함으로써, 막의 상태의 변동을 검출하는 것도 가능하다. 간섭 스펙트럼 패턴의 변동을 취득하는 방법으로서는, 플라즈마를 형성한 처리 중의 특정한 시각에서의 스펙트럼 패턴의 변동, 또는 특정한 파장의 광 강도의 시간 변화를 이용하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 변형예에 있어서도, 처리실(100) 내벽 표면상에 형성되는 막의 상태의 변동을 검출하기 위해서는, 간섭 스펙트럼 또는 간섭 스펙트럼 패턴을 취득하기 위해, 외부 광원(21)을 광대역의 광원으로 하는 것이 바람직하다.
실시예와 동일하게 하여 본 예에 있어서도, 누계의 처리 매수 또는 처리 시간의 증대에 따르는 간섭 계측광 Im, 간섭광 If 또는 간섭광 스펙트럼 패턴의 변동값 또는 변동률을, 디바이스를 제조하기 위한 장치의 운전에 있어서 웨이퍼의 처리를 정지시킬지 판정하는 파라미터로서 이용할 수 있다. 구체적인 웨이퍼 처리의 정지 타이밍은, 전술한 바와 같이, 필요한 가공 편차의 억제 폭에 따라, 간섭 계측광 Im, 간섭광 If 또는 간섭광 스펙트럼 패턴의 변동률이 10%, 5% 및 3% 중 어느 하나 사용자가 선택한 값 이상이 된 타이밍으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 퇴적막 및 코팅막의 상태의 계측에 의해 취득하는 각 광은, 양산 개시 전 및 양산 중 웨이퍼마다의 시계열 데이터 또는 시간 평균 데이터로서 데이터베이스에 저장된다. APC에 있어서, 이들 데이터는 제어 대상인 CD를 예측하기 위한 계측 데이터로서 이용한다.
그 외에 데이터베이스에 저장되는 데이터로서는, 전술한 바와 같이, 검증 결과가 되는 CD 데이터 및 플라즈마 조건이 있다. 플라즈마 조건으로서는, 가스 종류, 가스 유량, 압력, 플라즈마 생성 전력 등의 다수의 항목이 있다. 이러한 데이터를 해석하고, CD를 제어 가능한 플라즈마 조건 및 CD를 고정밀도로 예측 가능한 계측 데이터를 찾아냄으로써, 고정밀도인 APC가 가능하게 된다.
도 14를 이용하여 본 변형예에 있어서의 처리실(100)의 내벽 표면의 막의 두께 또는 그 상태를 검출하는 동작의 흐름을 설명한다. 도 14는, 도 12의 변형예에 있어서의 처리실의 내벽 표면의 막의 두께 또는 그 상태를 검출하는 동작의 흐름을 나타낸 플로우 차트이다.
실시예와 동일하게, 기준 외부광 IO 등 및 방사부측 플라즈마광 Pm2 등은, 각각이 기준광 포트(17) 및 방사 포트(16)로부터 도 2에 나타낸 셔터(27a∼d)의 선택적인 개폐 동작에 의해 광 파이버에 의해 구성된 광로가 선택되어 검출되는 광의 양이다.
본 예의 플라즈마 처리 장치에 있어서도, 실시예와 동일하게, 메인터넌스의 공정(1421)의 작업이 실시되고 있는 기간 중에 있어서, 처리실(100) 외부로 취출되고 내벽의 표면이 청소되어 청정화된 라이너(6)의 내벽의 표면 중 방사부(102)측의 표면에서의 기준 플라즈마로부터의 광의 투과율 t20_ sp 및 광 흡수부(450)측의 표면에서의 반사율 r10_ sp가 검출된다(단계(1401)). 이때, 외부 광원(21) 등의 도 12에 나타낸 외부 광원(21)으로부터의 참조광 및 플라즈마로부터의 광을 검출하기 위한 구성을 이용해도 되고, 또, 라이너(6)를 진공 용기 벽(5) 내의 처리실(100) 내에 설치한 상태에서 이들 투과율, 반사율을 검출해도 된다.
본 예에서도, 단계(1401)에 있어서 외부 광원(21)으로부터의 참조광을 이용하여 검출된 라이너(6)의 내벽의 반사율 r10과 투과율 t20의 값이, 기준 플라즈마로부터의 광에 대한 라이너(6)의 내벽의 반사율 r10_ sp와 투과율 t20_ sp의 각각과 동일하다고 간주할 수 있다고 하여 이하에 설명한다. 이들 r10_ sp, t20_ sp를 투과율 등이라고 칭한다.
단계(1401)에 있어서 검출된 투과율 등 r10_ sp, t20_ sp의 값은, 상기한 바와 같이, 플라즈마 조건 제어부(30) 내에 배치된 RAM이나 플라즈마 조건 제어부(30)와 통신 가능하게 배치된 원격한 개소의 HDD 등의 기억 장치에 기억된다. 다음으로, 라이너(6)의 처리실(100) 내로의 장착을 포함하는 플라즈마 처리 장치의 조립 및 처리실(100) 내를 진공 배기한 리크의 체크 등의 작업이 실시된 후 메인터넌스가 종료한다(단계(1402)).
그 후, 외부 광원(21)으로부터의 소정의 양의 참조광이 조사되고, 도 2에 나타낸 셔터(27a∼d)의 선택적인 개폐 동작에 따라 광 파이버를 포함하는 광로가 선택되어 I00, It0의 각 광의 양이 검출된다(단계(1403)). 검출된 I00, ItO와 미리 사양상에서 정해지는 스플리터(19)의 투과 및 반사의 비율의 값 St, Sr을 이용하여 방사광의 양 IinO이 산출된다. 계속하여, 방사 포트(16)로부터 외부 광원(21)으로부터의 소정의 양의 참조광이 방사되어 백그라운드광 Ib0이 검출된다(단계(1404)).
또한, 처리실(100) 내에 희가스가 도입되어 기준 플라즈마가 형성되고, 이 기준 플라즈마로부터의 광에 대하여 방사부측 플라즈마광의 양 Pm20 _ sp가 검출된다(단계(1405)). 상기 I00, ItO, IinO 등의 검출 또는 산출된 상기 광의 양이 제어부 내에 배치된 RAM이나 통신 가능하게 접속된 원격한 개소의 HDD 등의 기억 장치 내에 기억된다.
본 예에 있어서는, 단계(1403, 1404)의 전후의 순서는 상기와 반대여도 된다. 또, 메인터넌스 작업 중에서 처리실(100) 내가 대기에 개방되어 있는 상태의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 라이너(6)의 방사부(102)측의 내벽 표면의 투과율을 검출하는 단계(1401)는 단계(1402)에 있어서 라이너(6)를 처리실(100) 내에 설치한 후에 실시해도 된다.
다음으로, 반도체 디바이스를 제조하기 위해 웨이퍼를 처리하는 운전의 공정(1422)으로 이행한다. 당해 운전이 개시되고 단계(1406)에 있어서, 처리실(100) 내가 고진공 배기되어 이전 플라즈마의 형성시에 처리실(100) 내에 형성된 입자를 배기하여 일단 웨이퍼의 처리를 실시할 때의 압력보다 낮은 압력까지 감압된다(단계(1406)).
다음으로, 본 변형예에서는, 처리실(100) 내에 그 내측 표면을 보호하는 피막을 형성하기 위한 플라즈마가 형성되고, 이 피막을 형성하는 공정의 기간 중에, 미리 정해진 시간에 외부 광원(21)으로부터의 참조광이 처리실(100) 내에 방사 포트(16)를 통하여 방사되어 얻어진 라이너(6)의 내벽 표면으로부터의 간섭광이 방사부(102)를 통하여 분광기(23)에서 수광되며, 그 광의 양인 간섭 계측광 Im이 제어부에 있어서 검출된다. 그리고, 참조광을 조사하고 있지 않은 시간에 있어서 플라즈마로부터의 광이 방사부(102)를 통하여 분광기(23)에서 수광되고 방사부측 플라즈마광 Pm2가 제어부에서 검출된다(단계(1407)).
또한, 본 단계에 있어서 검출된 Im과 단계(1401 내지 1405)에 있어서 검출된 기준 외부광 I00, Ib를 이용하여 제어부의 연산기에 의해 보호막으로부터의 간섭 광의 양 If가 산출된다. 간섭 계측광 Im은, 미리 정해진 간격 및 시간으로 검출되며, 이들 간격으로 검출된 Im의 결과에 의거하여 간섭광 If가 산출되고, 이 간섭광 If의 강도의 변화로부터 보호용 피막의 두께가 제어부 내의 연산기에 의해 산출된다.
이 두께의 산출은, 상기한 바와 같이, 미리 디바이스 제조용의 웨이퍼상의 것과 동등한 구성을 가진 테스트용의 웨이퍼상의 막 구조를 디바이스를 제조하는 것과 동등한 조건으로 처리한 차이에 취득된 기준이 되는 막 두께의 변화에 대한 파장을 파라미터로 하는 간섭광 If의 강도의 변화의 패턴을 비교하고, 당해 기준이 되는 패턴 중에서 단계(1407)에서 산출된 간섭광의 양 If의 패턴과의 차이가 최소가 되는 막 두께의 패턴이 산출된다. 그리고, 이것을 간섭 계측광 Im이 검출된 피막을 형성중인 타이밍(시각)에서의 피막의 막 두께로서 판정하여 행해진다.
또한, 이와 같은 간섭 계측광 Im 및 간섭광 If 및 보호용의 피막의 두께의 값의 시계열의 데이터는, 제어부 내 또는 이것과 통신 가능하게 접속된 기억 장치 내의 데이터베이스 내에 그 정보로서 데이터베이스 작성부(29)의 동작에 의해 저장된다.
또, 단계(1407)에 있어서의 피막의 형성이 종료한 후의 처리실(100)의 내벽 표면으로부터의 간섭광의 스펙트럼의 강도의 패턴과 그 변화가 검출되며, 당해 변화의 양에 따라 피막의 상태의 변동이 제어부에 있어서 검출된다. 또, 피막의 형성 중에 있어서도, 간섭광의 스펙트럼의 패턴의 변동이 검출되어 피막의 상태가 검출된다. 본 예에서는, 이들 변동의 크기가 소정의 허용 범위를 초과하였다고 제어부가 판정하면, 플라즈마 처리 장치의 디바이스를 제조하는 운전이 정지되고 메인터넌스의 운전으로 전환되어 메인터넌스의 운전으로 이행된 것, 또는 디바이스 제조의 운전의 정지 및 메인터넌스의 운전으로의 이행을 해야 하는 것이 통지된다.
그 후, 상기한 바와 같이, 처리 대상의 웨이퍼가, 진공 용기 벽(5)에 연결된 도시하지 않은 진공 용기로서 감압된 내부의 공간인 실내를 도시하지 않은 반송용의 로봇의 신축하는 아암 선단 위에 놓여져 유지된 상태로 처리실(100) 내로 반송되며(단계(1408)), 시료대(11)에 수수되어 그 상면에 놓여진다. 또한, 처리실(100)과 반송실과의 사이를 기밀하게 밀봉하여 구획하는 게이트 밸브가 폐색된다.
다음으로, 시료대(11) 상면의 피막 내의 정전 척 용 전극에 직류 전력이 공급되어 웨이퍼가 시료대(11) 상면의 피막 위에 흡착된 상태에서, 샤워 플레이트(3)의 관통 구멍으로부터 처리용 가스가 처리실(100) 내에 공급되면서 진공 펌프의 동작에 의해 처리실(100) 내가 배기되어 처리실(100) 내의 압력이 처리에 적합한 값이 된다. 그 후, 처리실(100) 내에 공급된 고주파 전력에 의해 플라즈마가 시료대(11) 상방의 처리실(100) 내에 형성되고, 시료대(11)에 공급된 고주파 전력에 의해 웨이퍼 상방에 바이어스 전위가 형성되어 웨이퍼 상면 상방의 막 구조의 처리 대상의 막층의 에칭 처리가 개시된다(단계(1409)).
본 실시예에서는, 단계(1409)의 에칭 처리에서는 적어도 1 step 이상의 공정으로 구성되어 있고, 복수의 step으로 이루어지는 경우에는 각각의 step에 있어서 플라즈마를 형성하는 조건이나 고주파 전력의 크기, 처리실(100) 내의 압력의 값 등을 다르게 한 처리의 조건(소위, 레시피)으로 처리가 행해진다. 도면상에는 임의의 자연수 N개까지의 step으로 구성되어 있다. 또한, 에칭 처리의 step(복수의 경우에는 각각의 step)에 있어서 처리 중에, 단계(1406)와 동일하게, 처리실(100) 내에 형성되는 플라즈마의 광이 수광부(101)를 통하여 분광기(23)에서 수광됨과 함께, 미리 정해진 간격마다에 미리 정해진 기간으로 플라즈마로부터의 광 의 양 Pm2와 라이너(6)의 내벽 표면으로부터의 간섭광의 양(간섭 계측광) Im이 수광되어 제어부에서 검출된다.
에칭 처리의 step(복수의 경우에는 각각의 step)에 있어서 검출된 방사부측 플라즈마광 Pm2, 간섭 계측광 Im과 단계(1401 내지 1405)에 있어서 검출된 기준 외부광 I00, Ib를 이용하여 제어부의 연산기에 의해 보호막으로부터의 간섭광의 양 If가 산출된다. 그리고, 산출된 간섭광의 양 If의 복수의 파장을 파라미터로 하는 패턴과, 사전에 데이터로서 취득된 기준이 되는 당해 막의 두께의 변화에 따르는 간섭광 If의 강도의 패턴이 비교되어, 기준이 되는 패턴 중 차이가 가장 작은 것에 대응하는 막 두께가 처리 중의 소정의 시각에서의 막 두께로서 검출된다.
이와 같은 간섭광을 이용한 피막의 두께의 변화의 검출은, 적어도 복수 step 중에서 부착성이 큰 물질이 플라즈마 중에 형성되는 것이나 피막에 작용을 미치게 하여 그 두께를 작게 하는 것에 있어서, 실시된다. 한편, 처리실(100) 내의 표면의 막의 두께나 재질의 변동이 작은 조건으로 실시되는 step에서는, 방사부측 플라즈마광 Pm2를 시계열로 검출한 데이터 및 사양상에서 미리 정해지는 스플리터(19)의 투과 및 반사의 비율 St, Sr로부터, 처리실(100) 내로부터 수광부(101)의 측에 입사하는 플라즈마의 광의 양 P2의 시계열의 데이터가 제어부에 있어서 산출되며, 이들의 데이터를 OES에 이용하여 웨이퍼상의 처리의 조건이 고정밀도로 조절된다.
또한, 각 step에 있어서 검출된 방사부측 플라즈마광 Pm2, 간섭 계측광 Im 및 간섭광 If 및 보호용의 피막의 두께의 값의 시계열의 데이터는, 제어부 내 또는 이것과 통신 가능하게 접속된 기억 장치 내의 데이터베이스 내에 그 정보로서 데이터베이스 작성부(29)의 동작에 의해 저장된다.
분광기(23)로부터의 출력으로부터 에칭 처리의 종점의 도달이 제어부에 있어서 검출되면, 제어부로부터의 지령 신호에 의거하여 플라즈마가 소화되어 시료대(11)로의 고주파 전력의 공급이 정지된다. 이 다음에, 상기의 반송용 로봇의 아암이 처리실(100) 내로 진입하여 웨이퍼가 처리실(100) 밖으로 반출된다(단계(1410)).
게이트 밸브가 폐색되어 처리실(100) 내가 다시 밀봉되면, 클리닝용의 가스가 처리실(100) 내에 도입되고, 이전 웨이퍼의 에칭 중에 처리실(100) 내에 발생하여 내벽 부재의 표면에 부착된 생성물과 처리실 내벽에 미리 형성된 피막을 제거하기 위해 플라즈마가 형성되고, 플라즈마 클리닝이 실시된다(단계(1411)). 이 단계(1411)는, 처리의 조건이나 웨이퍼상의 막 구조나 처리실(100) 내벽을 구성하는 부재의 재료에 따라, 각 웨이퍼에 대한 처리가 종료할 때마다 실시되어도 되고, 소정의 매수의 웨이퍼의 처리가 종료할 때 마다여도 되고, 각 웨이퍼의 처리를 구성하는 복수의 step의 사이에 실시되어도 된다.
이 플라즈마에 의한 클리닝의 처리 중에 있어서도, 단계(1407)와 동일하게 하여, 방사부측 플라즈마광 Pm2, 간섭 계측광 Im과 미리 검출된 백그라운드광 Ib를 이용하여, 간섭광의 양 If의 시계열 데이터가 산출되고, 처리 중의 임의의 타이밍(시각)에서의 간섭광 If의 패턴과 미리 취득된 기준이 되는 패턴과의 비교로부터 상기 타이밍에서의 피막의 막 두께가 검출된다. 피막의 두께가 감소하는 단계(1410)는, 미리 정해진 피막의 막 두께의 도달이 제어부에 의해 판정되면 정지된다.
또한, 단계(1411)에 있어서의 피막의 제거가 종료한 후의 처리실(100)의 내벽 표면으로부터의 간섭광의 스펙트럼의 강도의 패턴과 그 변화가 검출되고, 당해 변화의 양에 따라 피막의 상태의 변동이 제어부에 있어서 검출된다. 또, 피막의 제거 중에 있어서도, 간섭광의 스펙트럼의 패턴의 변동이 검출되어 피막의 상태가 검출된다. 본 예에서는, 이들 변동의 크기가 소정의 허용 범위를 초과하였다고 제어부가 판정하면, 플라즈마 처리 장치의 디바이스를 제조하는 운전이 정지되어 메인터넌스의 운전으로 전환되며 메인터넌스의 운전으로 이행된 것, 또는 디바이스 제조의 운전의 정지 및 메인터넌스의 운전으로의 이행을 해야 하는 것이 통지된다.
본 예에 있어서도, 웨이퍼의 처리가 종료한 후에 클리닝된 것에 의해, 처리실(100) 내의 라이너(6)의 내벽 표면은, 반도체 디바이스를 제조하기 위한 운전의 최초의 웨이퍼에 대한 처리가 개시되기 전의 초기 상태와 동등 또는 이것으로 간주할 수 있을 정도로 청정한 상태가 되었다고 판정되면, 단계(1403, 1405)와 동일하게, 처리실(100) 내에 기준 플라즈마가 형성되어 당해 플라즈마로부터의 광의 양이 검출되고(단계(1412)) 및 외부 광원(21)으로부터의 참조광이 처리실(100) 내에 방사부(102)와 채광창(7)을 통하여 도입되어 처리실(100) 내의 라이너(6)를 투과한 당해 참조광의 양이 검출된다(단계(1413)).
다음으로, 단계(1414)에 있어서, 1404와 동일하게 백그라운드광의 양 Ib를 방사부(102) 및 스플리터(19)를 통하여 분광기(23)에서 수광한 출력을 이용하여 검출한다. 이들 중 단계(1413, 1414)의 전후의 순서는 반대여도 되고, 단계(1413)는 단계(1405 내지 1410)의 사이에 실시되어도 된다. 상기한 바와 같이, 단계(1409)에 있어서의 복수의 step의 사이에 있어서 플라즈마가 일단 소화되는 경우에, 그 사이에 단계(1413) 및 단계(1414)가 실시되어도 된다.
또, 단계(1409)의 공정 중에서 step의 기준 플라즈마로서 사용 가능한 처리의 조건이 있는 경우에는, 단계(1412) 대신 당해 step 중에 기준 플라즈마로부터의 광의 양 Pm20 _ sp를 검출해도 된다. 그때에는, 기준 플라즈마가 형성되는 step의 하나 전의 step이 라이너(6)의 내벽의 표면에 부착된 막을 제거할 수 있는 플라즈마인 것이 바람직하다. 예를 들면, 단계(1409)의 step 3이 기준 플라즈마를 형성하는 공정인 경우에는, step 2에 있어서 상기 막이 제거되면 된다. 이 step 2에 있어서 부착물의 막을 제거 가능한 플라즈마로서 F(불소)나 Cl(염소)을 포함하는 플라즈마를 이용할 수 있다.
또한, 단계(1412 내지 1414)에 있어서, 제어부의 연산기가 검출된 방사부측 플라즈마광의 양 Pm2 _ sp의 정보를 이용하여 라이너(6)의 방사측 내벽 표면(104)에 입사하는 기준 플라즈마의 광의 양 P2_ sp를 산출하고, 기준 외부광 I0, 간섭 계측광 Im, Sr, St로부터 방사부로부터 처리실(100)로 방사되는 광의 양 Itin을 산출하고, 검출 또는 산출된 Pm2 _ sp, P2_ sp, I0, Im 등의 광의 양은, 제어부 내 또는 이것과 통신 가능하게 접속된 기억 장치 내에 기억된다.
그 후, 다음에 처리되어야 할 웨이퍼의 유무가 판정되며(단계(1415)), 웨이퍼가 존재한다고 판정된 경우(No)에는 단계(1405)로 되돌아가고, 디바이스를 제조하기 위한 웨이퍼의 처리를 계속한다. 또, 웨이퍼가 존재하지 않는다고 판정된 경우(Yes)에는 단계(1416)로 이행하여 플라즈마 처리 장치에 있어서의 디바이스를 제조하기 위해 운전을 종료한다(단계(1416)).
상기의 변형예의 공정에 있어서, 처리실(100) 내에 피막을 형성 또는 이것을 제거하는 처리 중에 피막의 두께 또는 상태를 간섭광을 이용하여 검출하고, 그 결과를 APC에 있어서 웨이퍼의 처리 결과로서의 처리 후의 형상의 치수를 예측하기 위한 데이터로서 이용할 수 있다. 또한, 가스 종류, 가스의 조성과 각각의 유량, 압력, 플라즈마 형성을 위한 전력의 값 등의 플라즈마의 조건과 함께, 간섭광으로부터 얻어지는 피막의 두께나 상태의 데이터를 이용하여, 형상의 치수와 이것을 실현하는 플라즈마의 조건을 고정밀도로 예측할 수 있으며, 이것을 이용함으로써 웨이퍼의 처리의 재현성이나 수율을 향상시킬 수 있다.
1…실드
2…천판
3…샤워 플레이트
4…O링
5…진공 용기 벽
6…라이너
7…채광창
8…서셉터
9…배플
10…압력 제어 밸브
11…시료대
12…전극 커버
13…광로 실드
14…콜리메이트 렌즈
15…수광 포트
16…방사 포트
17…기준광 포트
18…반사 포트
19…스플리터
20…스플리터 홀더
21…외부 광원
22…외부 광원 포트
23…분광기
24…분광기 포트
25…파이버
26…파이버 커넥터
27…분기 파이버
28…스펙트럼 연산부
29…데이터베이스 작성부
30…플라즈마 조건 제어부

Claims (7)

  1. 진공 용기 내부에 배치된 처리실 내에 형성되는 플라즈마를 이용하여 상기 처리실 내에 배치된 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 처리실의 주위를 둘러싸는 상기 진공 용기의 일방측의 측벽에 배치되어 상기 처리실 내의 플라즈마로부터의 광이 투과하는 일방의 창과, 이 일방의 창의 처리실을 사이에 둔 타방측에 배치되어 이 처리실로부터의 광이 투과하는 타방의 창과, 상기 일방의 창의 외측으로서 상기 처리실의 외측에 배치되어 당해 일방의 창을 투과하여 내측에 입사한 광 및 상기 처리실의 외측으로부터의 광이 상기 처리실 내에 되돌아가는 것이 억제되는 광 흡수부로서, 내측에 입사한 상기 광을 그 외부에 전달하지 않는 광 흡수부와, 상기 타방의 창의 외측으로서 상기 처리실의 외측에 배치된 광원과, 당해 광원과 상기 타방의 창의 사이에 배치되어 상기 광원으로부터의 광을 상기 처리실 내로 향하는 광로 및 다른 방향으로 향하는 광로로 분기함과 함께 상기 타방의 창으로부터의 상기 처리실 내의 광을 또 다른 방향으로 분기하는 광 분기부를 구비하고,
    당해 광 분기부로부터 상기 처리실로 향하는 광과 상기 광 분기부에서 상기 다른 방향으로 분기된 광 및 상기 광 분기부에서 상기 또 다른 방향으로의 광의 각각이 수광부로 선택적으로 전달 가능하게 구성됨과 함께,
    선택적으로 전달되어 상기 수광부에서 수광된 이러한 광의 양을 검출하는 검출부와, 당해 검출부가 검출한 결과에 의거하여 상기 웨이퍼를 처리하는 조건을 조절하는 제어부를 구비한 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 타방의 창에 입사하는 광을 평행하게 하는 기구를 구비하고,
    상기 수광부는, 상기 광원으로부터의 광이 평행하게 된 후에 상기 타방의 창을 투과하여 상기 처리실에 입사하여 상기 일방의 창으로부터 반사된 광을 수광하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광 흡수부가 상기 일방의 창의 외측의 대기압으로 된 부재의 표면 상에 배치된 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 검출부가, 상기 수광부에서 수광된 광의 양을 이용하여 상기 처리실의 내벽의 표면에 형성된 퇴적막의 상태를 검출하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 검출부가, 상기 검출한 상기 처리실 내의 내벽의 표면에 형성된 퇴적막의 상태를 파라미터로 하여 상기 플라즈마의 조건과 상기 처리 후에 얻어지는 웨이퍼의 표면의 형상의 치수와의 상관을 나타내는 데이터를 이용하여, 상기 웨이퍼를 처리하는 조건을 조절하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 플라즈마가 형성되는 상기 웨이퍼 처리 중에, 상기 광원으로부터의 광이 상기 타방의 창을 투과하여 상기 처리실 내에 방사되는 기간 및 방사되지 않는 기간을 가지고, 상기 검출부가, 상기 방사되는 기간에 상기 수광부에서 수광된 광의 양과 상기 방사되지 않는 기간에 상기 수광부에서 수광된 광의 양을 이용하여 상기 퇴적막의 상태를 검출하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 진공 용기 내부의 상기 일방 및 타방의 창의 내측에 배치되고 상기 처리실 내의 상기 플라즈마가 형성되는 공간을 둘러싸서 배치되어 당해 공간으로부터의 광 및 상기 광원으로부터의 광이 투과하는 라이너를 구비하고, 상기 검출부가, 상기 수광부에서 수광된 광의 양을 이용하여 상기 라이너의 내벽의 표면에 형성된 퇴적막의 상태를 검출하는 플라즈마 처리 장치.
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