KR20210029093A - 플라스마 프로브 장치, 플라스마 처리 장치 및 제어 방법 - Google Patents

플라스마 프로브 장치, 플라스마 처리 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 플라스마 생성 공간에서의 라디칼 밀도를 높은 정밀도로 모니터링할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 형태에 의한 플라스마 프로브 장치는, 처리 용기의 벽에 형성된 개구부에, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하는 시일 부재를 개재해서 설치되는 안테나부와, 상기 안테나부의 내부에 마련되거나 또는 상기 안테나부의 적어도 일부이며, 상기 진공 공간에서 생성되는 플라스마의 발광을 상기 대기 공간에 투과시키는 투광부를 갖는다.

Description

플라스마 프로브 장치, 플라스마 처리 장치 및 제어 방법{PLASMA PROBE DEVICE, PLASMA PROCESSING APPARATUS, AND CONTROL METHOD}
본 개시는, 플라스마 프로브 장치, 플라스마 처리 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
플라스마의 상태를 모니터링하는 방법의 하나로 발광 분광 분석이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2016-207915호 공보
본 개시는, 플라스마 생성 공간에서의 라디칼 밀도를 높은 정밀도로 모니터링할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의한 플라스마 프로브 장치는, 처리 용기의 벽에 형성된 개구부에, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하는 시일 부재를 개재해서 설치되는 안테나부와, 상기 안테나부의 내부에 마련되거나 또는 상기 안테나부의 적어도 일부이며, 상기 진공 공간에서 생성되는 플라스마의 발광을 상기 대기 공간에 투과시키는 투광부를 갖는다.
본 개시에 의하면, 플라스마 생성 공간에서의 라디칼 밀도를 높은 정밀도로 모니터링할 수 있다.
도 1은 마이크로파 플라스마 처리 장치의 단면도의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 마이크로파 플라스마 처리 장치의 천장부의 내벽의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 제1 구성예의 플라스마 프로브 장치를 도시하는 도면이다.
도 4는 플라스마 프로브 장치의 배치의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 플라스마 프로브 장치에 의한 측정 결과의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 피드백 제어 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 피드백 제어 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 제2 구성예의 플라스마 프로브 장치를 도시하는 도면이다.
도 9는 제3 구성예의 플라스마 프로브 장치를 도시하는 도면이다.
도 10은 제4 구성예의 플라스마 프로브 장치를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 실시 형태에 대해서 설명한다. 첨부의 전체 도면 중, 동일하거나 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일하거나 또는 대응하는 참조 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
〔플라스마 프로세스〕
플라스마 프로세스를 최적화하는데 있어서, 플라스마 전자 밀도, 플라스마 전자 온도뿐만 아니라, 화학 기상 퇴적(CVD: Chemical Vapor Deposition) 등의 성막 처리의 프로세스 특성에 직결되는 라디칼 밀도를 모니터링하는 것이 중요하다. 그래서, 발광 분광 분석(OES: Optical Emission Spectroscopy)에 의해 플라스마의 상태를 모니터링하는 방법이 사용된다.
그러나, 프로세스 시에 플라스마의 발광을 모니터링하기 위한 모니터 렌즈 등의 투과부의 표면에 막이 퇴적되고, 퇴적된 막에 의해 플라스마의 발광 강도가 저하되어버려, 플라스마 생성 공간에서의 라디칼 밀도를 정확하게 모니터링할 수 없는 경우가 있다.
그래서, 본 발명자들은, 상기 문제점을 예의 검토한 결과, 성막 처리 시에 있어서도 플라스마 생성 공간에서의 라디칼 밀도를 높은 정밀도로 모니터링할 수 있는 기술을 알아내었다. 이하, 상세하게 설명한다.
〔마이크로파 플라스마 처리 장치〕
도 1은, 일 실시 형태의 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)의 단면도의 일례를 도시하는 도면이다. 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)는, 기판의 일례인 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼(W)」라고 함)를 수용하는 처리 용기(1)를 갖는다. 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)는, 마이크로파에 의해 처리 용기(1)의 천장부의 내벽면에 형성되는 표면파 플라스마에 의해, 웨이퍼(W)에 대하여 소정의 플라스마 처리를 행하는 플라스마 처리 장치의 일례이다. 소정의 플라스마 처리로서는, 예를 들어 CVD 등의 성막 처리가 예시된다.
마이크로파 플라스마 처리 장치(100)는, 처리 용기(1)와, 마이크로파 플라스마원(2)과, 제어 장치(3)를 갖는다.
처리 용기(1)는, 기밀하게 구성된 알루미늄, 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어지는 대략 원통상의 용기이며, 접지되어 있다.
처리 용기(1)는, 본체부(10)를 갖고, 내부에 플라스마의 처리 공간을 형성한다. 본체부(10)는, 처리 용기(1)의 천장부를 구성하는 원반상의 천장판이다. 처리 용기(1)와 본체부(10)의 접촉면에는 지지 링(129)이 마련되고, 이에 의해, 처리 용기(1)의 내부는 기밀하게 시일되어 있다. 본체부(10)는, 알루미늄, 스테인리스강 등의 금속 재료로 형성되어 있다.
마이크로파 플라스마원(2)은, 마이크로파 출력부(30)와, 마이크로파 전송부(40)와, 마이크로파 방사 기구(50)를 갖는다. 마이크로파 출력부(30)는, 복수 경로로 분배해서 마이크로파를 출력한다. 마이크로파는, 마이크로파 전송부(40)와 마이크로파 방사 기구(50)를 통해서 처리 용기(1)의 내부에 도입된다. 처리 용기(1) 내에 공급된 가스는, 도입된 마이크로파의 전계에 의해 여기되고, 이에 의해 표면파 플라스마가 형성된다.
처리 용기(1) 내에는 웨이퍼(W)를 적재하는 적재대(11)가 마련되어 있다. 적재대(11)는, 처리 용기(1)의 저부 중앙에 절연 부재(12a)를 개재해서 세워 설치된 통상의 지지 부재(12)에 의해 지지되어 있다. 적재대(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는, 표면을 알루마이트(양극 산화) 처리한 알루미늄 등의 금속이나 내부에 고주파용 전극을 가진 절연 부재(세라믹스 등)가 예시된다. 적재대(11)에는, 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼(W)의 이면에 열전달용 가스를 공급하는 가스 유로 등이 마련되어도 된다.
적재대(11)에는, 정합기(13)를 개재하여 고주파 바이어스 전원(14)이 접속되어 있다. 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 적재대(11)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 웨이퍼(W)측에 플라스마 중의 이온이 인입된다. 또한, 고주파 바이어스 전원(14)은, 플라스마 처리의 특성에 따라서는 마련하지 않아도 된다.
처리 용기(1)의 저부에는 배기관(15)이 접속되어 있고, 배기관(15)에는 진공 펌프를 포함하는 배기 장치(16)가 접속되어 있다. 배기 장치(16)를 작동시키면 처리 용기(1) 내가 배기되고, 이에 의해, 처리 용기(1) 내가 소정의 진공도까지 고속으로 감압된다. 처리 용기(1)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반입출을 행하기 위한 반입출구(17)와, 반입출구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 마련되어 있다.
마이크로파 전송부(40)는, 마이크로파 출력부(30)로부터 출력된 마이크로파를 전송한다. 도 1의 A-A 단면을 도시하는 도 2를 참조하면, 마이크로파 전송부(40) 내의 중앙 마이크로파 도입부(43b)는, 본체부(10)의 중앙에 배치되고, 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a)는, 본체부(10)의 주변에 원주 방향으로 등간격으로 배치된다. 중앙 마이크로파 도입부(43b) 및 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a)는, 각각에 대응해서 마련되는, 도 1에 도시하는 증폭기부(42)로부터 출력된 마이크로파를 마이크로파 방사 기구(50)에 도입하는 기능 및 임피던스를 정합하는 기능을 갖는다. 이하, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)를 총칭하여, 마이크로파 도입부(43)라고도 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 6개의 유전체층(123)은, 6개의 주연 마이크로파 도입부(43a)의 하방에서 본체부(10)의 내부에 배치되어 있다. 또한, 1개의 유전체층(133)은, 중앙 마이크로파 도입부(43b)의 하방에서 본체부(10)의 내부에 배치되어 있다. 또한, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 유전체층(123)의 개수는 6개에 한하지 않고, 2개 이상일 수 있다. 단, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 유전체층(123)의 개수는 3개 이상이 바람직하고, 예를 들어 3개 내지 6개이어도 된다.
도 1에 도시되는 마이크로파 방사 기구(50)는, 유전체 천장판(121, 131), 슬롯(122, 132) 및 유전체층(123, 133)을 갖는다. 유전체 천장판(121, 131)은, 마이크로파를 투과시키는 원반상의 유전체로 형성되고, 본체부(10)의 상면에 배치되어 있다. 유전체 천장판(121, 131)은, 비유전율이 진공보다도 큰, 예를 들어 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성되어 있다. 이에 의해, 유전체 천장판(121, 131) 내를 투과하는 마이크로파의 파장을, 진공 중을 전파하는 마이크로파의 파장보다도 짧게 해서 슬롯(122, 132)을 포함하는 안테나를 작게 하는 기능을 갖는다.
유전체 천장판(121, 131) 아래에는, 본체부(10)에 형성된 슬롯(122, 132)을 개재하여 유전체층(123, 133)이 본체부(10)의 개구의 이면에 맞닿아 있다. 유전체층(123, 133)은, 예를 들어 석영, 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹스, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성되어 있다. 유전체층(123, 133)은, 본체부(10)에 형성된 개구의 두께 분만큼 천장면으로부터 오목해진 위치에 마련되어, 마이크로파를 플라스마 생성 공간(U)에 공급하는 유전체 창으로서 기능한다.
주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)는, 통상의 외측 도체(52) 및 그 중심에 마련된 막대 형상의 내측 도체(53)를 동축 형상으로 배치한다. 외측 도체(52)와 내측 도체(53) 사이에는, 마이크로파 전력이 급전되어, 마이크로파 방사 기구(50)를 향해서 마이크로파가 전파하는 마이크로파 전송로(44)로 되어 있다.
주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)에는, 슬래그(54)와, 그 선단부에 위치하는 임피던스 조정 부재(140)가 마련되어 있다. 슬래그(54)를 이동시킴으로써, 처리 용기(1) 내의 부하(플라스마)의 임피던스를 마이크로파 출력부(30)에서의 마이크로파 전원의 특성 임피던스에 정합시키는 기능을 갖는다. 임피던스 조정 부재(140)는, 유전체로 형성되어, 그 비유전율에 의해 마이크로파 전송로(44)의 임피던스를 조정하도록 되어 있다.
본체부(10)에는, 샤워 구조의 가스 도입부(21)가 마련되어 있다. 가스 공급원(22)으로부터 공급되는 가스는, 가스 공급 배관(111)을 통해서 가스 확산실(62)로부터 가스 도입부(21)를 통과하여, 처리 용기(1) 내에 샤워 형상으로 공급된다. 가스 도입부(21)는, 처리 용기(1)의 천장벽에 형성된 복수의 가스 공급 구멍(60)으로부터 가스를 공급하는 가스 샤워 헤드의 일례이다. 가스의 일례로서는, 예를 들어 Ar 가스 등의 플라스마 생성용 가스나, 예를 들어 O2 가스나 N2 가스 등의 고에너지로 분해시키고 싶은 가스, 실란 가스 등의 처리 가스를 들 수 있다.
마이크로파 플라스마 처리 장치(100)의 각 부는, 제어 장치(3)에 의해 제어된다. 제어 장치(3)는, 마이크로프로세서(4), ROM(Read Only Memory)(5), RAM(Random Access Memory)(6)을 갖고 있다. ROM(5)이나 RAM(6)에는 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)의 프로세스 시퀀스 및 제어 파라미터인 프로세스 레시피가 기억되어 있다. 마이크로프로세서(4)는, 프로세스 시퀀스 및 프로세스 레시피에 기초하여, 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)의 각 부를 제어하는 제어부의 일례이다. 또한, 제어 장치(3)는, 터치 패널(7) 및 디스플레이(8)를 갖고, 프로세스 시퀀스 및 프로세스 레시피에 따라서 소정의 제어를 행할 때의 입력이나 결과의 표시가 가능하게 되어 있다.
이러한 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)에 있어서 플라스마 처리를 행할 때는, 먼저, 웨이퍼(W)가, 반송 암(도시하지 않음) 상에 보유 지지된 상태에서, 개구된 게이트 밸브(18)로부터 반입출구(17)를 통과하여 처리 용기(1) 내에 반입된다. 게이트 밸브(18)는 웨이퍼(W)를 반입한 후에 폐쇄된다. 웨이퍼(W)는, 적재대(11)의 상방까지 반송되면, 반송 암으로부터 푸셔 핀(도시하지 않음)으로 옮겨져, 푸셔 핀이 강하함으로써 적재대(11)에 적재된다. 처리 용기(1)의 내부 압력은, 배기 장치(16)에 의해 소정의 진공도로 유지된다. 처리 가스가 가스 도입부(21)로부터 샤워 형상으로 처리 용기(1) 내에 도입된다. 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)를 개재하여 마이크로파 방사 기구(50)로부터 방사된 마이크로파가 천장벽의 내부 표면을 전파한다. 표면파가 되어서 전파하는 마이크로파의 전계에 의해, 가스가 여기되어, 처리 용기(1)측의 천장벽 아래의 플라스마 생성 공간(U)에 생성된 표면파 플라스마에 의해 웨이퍼(W)에 플라스마 처리가 실시된다.
〔플라스마 프로브 장치〕
처리 용기(1)의 측벽에는 원주 방향으로 복수의 개구부(1b)가 형성되고, 복수의 플라스마 프로브 장치(70)가 설치되어 있다. 단, 처리 용기(1)에 설치되는 플라스마 프로브 장치(70)는 1개이어도 된다. 플라스마 프로브 장치(70)는, 플라스마 생성 공간(U)에서 생성되는 플라스마를 센싱한다. 제어 장치(3)는, 플라스마 프로브 장치(70)에 의한 센싱 결과에 기초하여, 예를 들어 플라스마 전자 온도(Te), 플라스마 전자 밀도(Ne), 퇴적 막의 막 두께, 라디칼 밀도를 산출한다. 이에 의해, 플라스마의 거동을 추정할 수 있다.
플라스마 프로브 장치(70)는, 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)의 외부에서, 모니터 장치(80) 및 광 검출 장치(90)에 접속되어 있다.
모니터 장치(80)는, 신호 발신기를 갖고, 신호 발신기에 의해 발신한 소정 주파수의 신호를 출력한다. 해당 신호는, 동축 케이블(81)에 전송되어, 플라스마 프로브 장치(70)에 전송되어, 플라스마 프로브 장치(70)의 선단의 안테나부(71)로부터 플라스마에 전송된다. 플라스마 프로브 장치(70)는, 플라스마측에 전송하는 신호에 대하여, 플라스마측으로부터 반사하는 신호의 전류값을 검출하여, 모니터 장치(80)에 보낸다. 검출한 신호의 전류값은, 모니터 장치(80)로부터 제어 장치(3)에 송신되어, 제어 장치(3)의 마이크로프로세서(4)에 의해 FFT(주파수) 해석된다. 이에 의해, 플라스마 전자 온도(Te), 플라스마 전자 밀도(Ne), 플라스마 프로브 장치(70)에 퇴적된 막의 막 두께 등이 산출된다. 또한, 동축 케이블(81)의 실드는, 접지되거나, 또는 처리 용기(1)에 접속된다.
광 검출 장치(90)는, 플라스마 생성 공간(U)에서 생성되어, 투광부(78)를 투과하여, 광 파이버 등의 전송부(91)를 통과해서 전송된 플라스마의 발광 강도를 검출한다. 검출된 플라스마의 발광 강도는, 광 검출 장치(90)로부터 제어 장치(3)에 송신된다. 제어 장치(3)의 마이크로프로세서(4)는, 산출한 플라스마 프로브 장치(70)에 퇴적된 막의 막 두께에 기초하여, 광 검출 장치(90)로부터 송신된 플라스마의 발광 강도를 보정한다. 또한, 제어 장치(3)의 마이크로프로세서(4)는, 보정한 플라스마의 발광 강도에 기초하여, 플라스마 생성 공간(U)에서의 라디칼 밀도를 산출한다. 또한, 보정한 플라스마의 발광의 검출광 강도에 기초하여 라디칼 밀도를 산출하는 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 공지된 발광 분광 분석(OES: Optical Emission Spectroscopy)을 이용할 수 있다.
〔플라스마 프로브 장치의 구성〕
도 3은, 제1 구성예의 플라스마 프로브 장치(70)를 도시하는 도면이다. 도 3의 (a)는 플라스마 프로브 장치(70)의 단면도이며, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에서의 영역(P)의 확대도이며, 도 3의 (c)는 도 3의 (a)의 플라스마 프로브 장치(70)를 플라스마 생성 공간(U)측에서 보았을 때의 평면도이다. 또한, 도 3에서는, 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에, 플라스마 처리에 의해 생기는 반응 생성물의 막(F)이 퇴적되어 있는 상태를 나타내고 있다.
플라스마 프로브 장치(70)는, 안테나부(71)와, 전극(72)과, 유전체 지지부(74)와, 투광부(78)를 갖는다.
안테나부(71)는, 처리 용기(1)의 측벽에 형성된 개구부(1b)에, O링(73)을 개재해서 설치된다. 안테나부(71)는, 플라스마 프로브 장치(70)의 선단을 포함해서 마련되어 있다. 일 실시 형태에서는, 안테나부(71)의 선단은, 원반상 부재(71a)이며, O링(73)을 개재해서 개구부(1b)의 개구를 막도록 배치된다. 안테나부(71)는, 투광부(78)를 삽입 관통 가능한 관통 구멍을 갖고, 알루미늄 등의 도체로 형성되어 있다. O링(73)은, 수지 등의 유전체로 형성되어 있다. 또한, 안테나부(71)의 선단은, 원반상에 한하지 않고, 예를 들어 직사각 형상이어도 된다.
안테나부(71)의 선단면과 처리 용기(1)의 벽의 개구부(1b) 부근의 이면은 격리되어, 소정의 폭의 간극(1d)이 형성되어 있다. 이렇게 안테나부(71)의 선단면과 처리 용기(1)의 벽의 사이에 간극(1d)이 형성되어 있지 않으면, 안테나부(71)가 처리 용기(1)의 벽과 DC적으로 접속되어버린다. 그러면, 모니터 장치(80)로부터 전송된 신호의 전류가 처리 용기(1)의 벽으로 흘러버려, 플라스마에 흐르는 전류의 비율이 낮아진다. 그 결과, 안테나부(71)가, 플라스마 프로브 장치(70)의 안테나로서 기능하지 않게 된다. 이 때문에, 안테나부(71)의 선단면과 처리 용기(1)의 벽의 개구부(1b) 부근의 이면에는, 소정의 폭의 간극(1d)이 형성되어 있다. 또한, 안테나부(71)로부터 처리 용기(1)의 벽에 흐르는 신호의 전류를 「부유 전류」라고 한다.
교류 전류가 처리 용기(1)의 벽측으로 흘러도 안테나부(71)는, 플라스마 프로브 장치(70)의 안테나로서 기능한다. 단, 플라스마 프로브 장치(70)의 감도를 높이기 위해서는, 직류 전류뿐만 아니라, 교류 전류도 포함해서 부유 전류가 처리 용기(1)의 벽측으로 흐르지 않는 편이 좋다.
한편, 상기 간극(1d)이 너무 넓으면, 간극(1d)에 가스나 플라스마가 들어가서, 플라스마에 의한 부식, 가스의 침입에 의한 파티클 및 이상 방전의 문제가 생긴다. 따라서, 간극(1d)은, 안테나부(71)가 처리 용기(1)의 벽과 DC적으로 접속되지 않을 정도로 넓은 공간이며, 플라스마나 가스가 들어가지 않을 정도로 좁은 공간으로 설계된다.
안테나부(71)는, 개구부(1b)가 형성된 처리 용기(1)의 내벽면보다도 오목해진 위치에 배치되고, 안테나부(71)의 표면은, 내벽면보다도 오목해진 위치에서 플라스마 생성 공간(U)측에 노출된다. 안테나부(71)의 표면을 오목하게 함으로써, 파티클의 발생원이 되는 안테나부(71)와 처리 용기(1)의 벽의 간극(1d)이 마련되는 위치를 웨이퍼(W)로부터 멀리 떨어지도록 한다. 이에 의해, 파티클의 발생과 가스의 플라스마 프로브 장치(70)에의 침입을 방지하여, 파티클에 의한 플라스마 처리의 특성에의 영향을 저감시켜, 플라스마에 의한 플라스마 프로브 장치(70)의 부식을 저감할 수 있다. 또한, 안테나부(71)의 표면을 처리 용기(1)의 내벽면과 동일한 높이로 하지 않고 오목하게 함으로써, 처리 용기(1)의 내벽면을 전파하는 표면파 플라스마의 모드 점프를 생기게 하기 어렵게 하여, 이상 방전을 피할 수 있다.
또한, 안테나부(71)의 표면(선단면)이며, 적어도 개구부(1b)로부터 O링(73)까지의 영역은, 산화이트륨(Y2O3)의 용사에 의해 절연체의 막(76)으로 덮여 있다. 또한, 처리 용기(1)의 벽면이며, 적어도 개구부(1b)의 측면으로부터 개구부(1b)의 이면을 통과하여 O링(73)까지의 영역은, Y2O3의 용사에 의해 절연체의 막(1c)으로 덮여 있다.
이에 의해, 또한 안테나부(71)로부터 처리 용기(1)의 벽측으로 직류 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다. 그 뿐만 아니라, 플라스마 내성을 높일 수 있다. 또한, 안테나부(71)의 O링(73)보다도 대기측의 면이나 처리 용기(1)의 내벽면을, 절연체의 막(77)에 의해 코팅하면, 플라스마 내성이 향상되어 더욱 바람직하다. 절연체의 막(76, 77, 1c)은, 알루마이트 가공에 의해 형성되어도 된다.
O링(73)은, 개구부(1b)측의 진공 공간과 플라스마 프로브 장치(70)의 설치측의 대기 공간 사이를 시일한다. O링(73)은, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하는 시일 부재의 일례이다.
이와 같이, 일 실시 형태에서는, 안테나부(71)의 선단면에서 개구부(1b) 부근의 처리 용기(1)의 벽의 이면에 O링(73)을 밀어붙임으로써, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하면서, 안테나부(71)와 처리 용기(1)의 벽의 간극에 가스가 들어가기 어렵게 한다. 이에 의해, 파티클의 발생을 저감시킬 수 있다.
또한, 안테나부(71)와 처리 용기(1)의 벽의 간극에 부식성의 가스가 들어가면, 안테나부(71)를 부식시켜, 플라스마 프로브 장치(70)의 성능을 저하시켜버린다. 이상으로부터, 플라스마 프로브 장치(70)를 처리 용기(1)의 개구부(1b)에 배치했을 때, 가능한 한 플라스마 프로브 장치(70)의 안쪽으로 가스가 들어가지 않도록, O링(73)에 의한 진공 시일을 보다 개구부(1b)의 개구 부근에서 행하도록 되어 있다.
개구부(1b)의 크기에 대해서는, 넓게 개구될수록, 모니터 장치(80)로부터 전송된 신호의 전류가 부유 전류로 되지 않고 플라스마에 흐르는 비율이 높아지기 때문에, 안테나부(71)의 감도는 좋아진다. 한편, 넓게 개구될수록, 플라스마나 가스가 안테나부(71)측에 침입하기 쉬워지기 때문에, 부식성의 가스나 플라스마에 의해 안테나부(71)가 부식되어, 플라스마 프로브 장치(70)의 성능을 저하시키거나, 이상 방전이 발생하거나 할 우려가 있다. 또한, 플라스마 프로브 장치(70)의 감도가 너무 좋으면, 예를 들어 플라스마 처리에서 생성된 반응 생성물이 플라스마 프로브 장치(70)의 표면 등에 부착되는 등, 처리 용기(1) 내의 경시적 변화에 플라스마 프로브 장치(70)의 측정 결과가 영향을 받아버린다. 이에 의해, 오히려 플라스마의 상태를 고정밀도로 측정할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 개구부(1b)의 개구는, 안테나부(71)의 감도와 가스나 플라스마의 침입을 고려하여, 플라스마의 상태를 고정밀도로 측정할 수 있는 범위에서 적정 값으로 설계된다. 또한, 개구부(1b)의 형상은, 원형이어도 되고, 직사각형이나 기타 형상이어도 된다.
전극(72)은, 안테나부(71)에 접속되어 있다. 전극(72)은, 플라스마의 상태를 나타내는 전류값을 측정하여, 동축 케이블(81)을 통해서 모니터 장치(80)에 전달한다.
유전체 지지부(74)는, 안테나부(71)를 주위로부터 지지한다. 유전체 지지부(74)는, 예를 들어 PTFE(polytetrafluoroethylene)에 의해 형성되어도 된다. 유전체 지지부(74)는, 안테나부(71)를 둘러싸서, 안테나부(71)와 O링(73)을 고정한다. 유전체 지지부(74)는, 안테나부(71)와 O링(73)을 개구부(1b) 부근에 고정한 상태에서, 알루미늄 등의 금속의 부재(1a)를 처리 용기(1)의 벽에 나사 고정해서 고정된다.
일 실시 형태에서는, 유전체 지지부(74)는, 2개의 유전체 지지 파츠(74a, 74b)로 분리되어 있지만, 이에 한정하지 않고, 일체로 되어 있어도 된다. 또한, 예를 들어 유전체 지지부(74)는, 안테나부(71)의 원반상 부재(71a)를 외주측으로부터 고정하는 유전체 지지 파츠(74a)만이어도 된다. 이 경우, 부재(1a)에 의해, 안테나부(71), 유전체 지지 파츠(74a) 및 O링(73)을 고정한다. 이 경우, 유전체 지지 파츠(74b)는 공간이어도 되고, PTFE를 충전해도 된다.
도 3의 (a)의 원반상 부재(71a)의 직경(B)에 대한 유전체 지지부(74)의 깊이 방향의 길이(C)의 비는 약 1/2, 구체적으로는 0.44 내지 0.54의 범위의 어느 것의 값으로 형성된다. 직경(B) 및 길이(C)가 작거나, 그 비율이 적정하지 않거나 하면, 전극(72)으로부터의 전류가 안테나부(71)를 통과해서 플라스마에 도달하지 않아, 감도가 나빠진다. 따라서, 직경(B) 및 길이(C)를 소정의 범위로 함으로써, 감도가 좋은 플라스마 프로브 장치(70)를 제공할 수 있다.
플라스마 프로브 장치(70)의 감도를 좋게 하기 위해서는, 안테나부(71)로부터 처리 용기(1)의 벽에 흐르는 부유 전류를 최소한으로 할 필요가 있다. 즉, 부유 전류에 대한 플라스마에 흐르는 전류의 비율을 높일수록 플라스마 프로브 장치(70)의 감도가 좋아진다. 그래서, 부유 전류에 대한 플라스마에 흐르는 전류의 비율을 높이기 위해서, 개구부(1b)에 노출되는 안테나부(71)의 표면적은 큰 편이 바람직하다.
그래서, 일 실시 형태에서는, 안테나부(71)의 선단면의 개구부(1b)로부터 노출되는 측의 영역에 오목부 또는 볼록부의 적어도 어느 것을 형성해도 된다. 혹은, 안테나부(71)의 선단면을 오목형 또는 볼록형으로 만곡시켜도 된다. 이에 의해, 안테나부(71)의 표면적을 크게 할 수 있다. 그 결과, 모니터 장치(80)로부터 동일한 전력의 신호를 발신한 경우에도, 플라스마에 흐르는 전류를 높일 수 있어, 플라스마 프로브 장치(70)의 감도를 보다 양호하게 할 수 있다.
투광부(78)는, 안테나부(71)에 형성된 관통 구멍에 삽입 관통 가능한 원기둥 형상의 유전체에 의해 형성되어 있고, 안테나부(71)에 형성된 관통 구멍에 삽입 관통되어 있다. 투광부(78)는, 진공 공간(플라스마 생성 공간(U))에서 생성되는 플라스마의 발광을 대기 공간에 투과시키는 유전체, 예를 들어 사파이어, 석영에 의해 형성되어 있다. 투광부(78)를 투과한 플라스마의 발광은, 광 파이버 등의 전송부(91)를 통과해서 광 검출 장치(90)에 전송된다. 투광부(78)의 선단면은, 안테나부(71)의 선단면과 같은 높이 또는 대략 같은 높이로 되어 있다. 이에 의해, 플라스마 처리 시, 안테나부(71)의 선단면과 투광부(78)의 선단면에는, 대략 동일한 막 두께의 막이 퇴적된다. 또한, 투광부(78)는, 원기둥 형상에 한하지 않고, 안테나부(71)에 형성되는 관통 구멍의 형상에 따라서 정해진다. 구체적으로는, 안테나부(71)에 형성되는 관통 구멍이 삼각 기둥, 사각 기둥 등의 각기둥 형상일 경우, 투광부(78)는, 삼각 기둥, 사각 기둥 등의 각기둥 형상으로 형성된다. 투광부(78)의 후단은, O링(79a) 및 덮개(79b)에 의해 시일되어 있다.
O링(79a)은, 개구부(1b)측의 진공 공간과 플라스마 프로브 장치(70)의 설치측의 대기 공간 사이를 시일한다. O링(79a)은, 수지 등의 유전체로 형성되어 있다. O링(79a)은, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하는 제2 시일 부재의 일례이다.
덮개(79b)는, 투광부(78)의 후단면을 덮도록 마련된다. 덮개(79b)는, 투광부(78)의 후단면을 덮은 상태에서, 안테나부(71)의 후단면에 O링(79a)을 밀어붙임으로써, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일한다. 이에 의해, 간단한 구조로 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일할 수 있다. 덮개(79b)의 크기에 대해서는, 안테나부(71)와 투광부(78)의 간극을 덮을 수 있으면 되고, 예를 들어 투광부(78)의 후단면에서의 외경보다도 크고, 안테나부(71)의 후단면에서의 외경보다도 작은 크기이면 된다. 단, 덮개(79b)의 크기는, 안테나부(71)의 후단면에서의 외경 이상의 크기이어도 된다. 덮개(79b)는, 플라스마 생성 공간(U)에서 생성되는 플라스마의 발광을 대기 공간에 투과시키는 유전체, 예를 들어 석영에 의해 형성되어 있다. 이에 의해, 플라스마 생성 공간(U)에서 생성되는 플라스마의 발광은, 투광부(78) 및 덮개(79b)를 투과하여, 광 파이버 등의 전송부(91)를 통해서, 광 검출 장치(90)에 전송된다.
〔플라스마 프로브 장치의 배치〕
도 4는, 일 실시 형태의 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)에 대한 플라스마 프로브 장치(70)의 배치의 일례를 도시하는 도면이다. 일 실시 형태의 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)에서는, 처리 용기(1)의 측벽의 일부를 링상으로 분리하고, 그 원주 방향으로 등간격으로 복수의 개구부(1b)가 형성되고, 그러한 개구부(1b)에 O링(73)을 개재해서 플라스마 프로브 장치(70)가 각각 설치되어 있다. 복수의 개구부(1b)로부터는, 플라스마 생성 공간(U)측에, 안테나부(71)를 코팅하는 Y2O3의 절연체 막(76)이 노출되어 있다. 개구부(1b)는, 처리 용기(1)의 벽에 복수개 마련되는 슬릿이어도 된다. 또한, 개구부(1b)는, 처리 용기(1)의 측벽을 링상으로 분리시키지 않고, 해당 측벽에 형성되어도 된다.
일 실시 형태에서는, 복수의 개구부(1b)는, 처리 용기(1)의 측벽의 원주 방향으로 마련되고, 각 개구부(1b)에 O링(73)을 개재해서 안테나부(71)가 유전체 지지부(74)에 의해 압박되도록 해서 각 플라스마 프로브 장치(70)가 설치된다. 단, 플라스마 프로브 장치(70)가 배치되는 부재는, 처리 용기(1)의 측벽에 한정되지 않는다.
예를 들어, 처리 용기(1)의 천장벽, 즉 본체부(10)에서, 예를 들어 원주 방향으로 복수의 개구부(1b)를 형성하고, 그러한 개구부(1b)에 복수의 플라스마 프로브 장치(70)를 설치해도 된다. 천장벽에 플라스마 프로브 장치(70)를 설치할 경우에는, 안테나부(71)를 코팅하는 절연체의 막은, Y2O3 대신에 Al2O3을 사용해도 된다.
〔플라스마 프로브 장치의 측정〕
이상으로 설명한, 일 실시 형태의 플라스마 프로브 장치(70)에 의해, 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)에서 생성한 플라스마의 상태를 측정한 결과의 일례를 도 5에 도시한다. 도 5의 상측의 전류 측정 결과의 그래프에 나타내는 전류값(I)은, 플라스마 프로브 장치(70)로부터 모니터 장치(80)를 개재하여 제어 장치(3)에 전송되어, 제어 장치(3)의 마이크로프로세서(4)에 의해 FFT(푸리에 변환)된다. 이에 의해, 도 5의 하측의 그래프에 나타내는 바와 같이, 각 주파수에 대한 진폭 성분으로 변환된다.
플라스마에서는, 소정의 전압에 대하여 지수 함수적으로 전류가 흐른다. 측정한 전류값에는, 기본 주파수를 갖는 기본파의 성분과, 기본파에 대하여 파장이 2배인 제1 고조파, 파장이 3배인 제2 고조파 등의 고조파 성분이 포함되어 있다. 그래서, FFT에 의해 기본파 및 고조파의 진폭의 피크를 사용하여, 플라스마 전자 밀도, 플라스마 전자 온도를 산출할 수 있다. 또한, FFT 후의 그래프의 「1ω」는 기본파의 성분을 나타내고, 「2ω」는 제1 고조파의 성분을 나타내고, 「3ω」는 제2 고조파의 성분을 나타낸다.
〔플라스마 전자 밀도(Ne) 및 플라스마 전자 온도(Te)〕
제어 장치(3)는, 플라스마 프로브 장치(70)에 의해 측정한 전류값의 FFT 후의 기본파 및 고조파의 진폭을 사용해서 플라스마 전자 밀도(Ne) 및 플라스마 전자 온도(Te)를 산출한다. 그 산출 방법의 일례를 간단하게 설명한다. 플라스마 프로브 장치(70)의 전극(72)에 교류를 인가하면, 안테나부(71)에 (1)식에 나타내는 프로브 전류(ipr)가 흐른다.
Figure pat00001
(1)식을 제1 종 변형 베셀 함수(Ik)를 사용해서 변형하여, 프로브 전류(ipr)를 (2)식과 같이 DC 성분과 AC 성분으로 분리한다.
Figure pat00002
(2)식의 우변 상단의 항은, 프로브 전류(ipr)의 DC 성분이며, (2)식의 우변 하단의 항은, cos(kωt)에 변수를 곱셈한 프로브 전류(ipr)의 AC 성분이다. 프로브 전류(ipr)의 DC 성분은, 안테나부(71)와 플라스마 사이에 흐르는 직류 전류를 나타낸다. 일 실시 형태의 플라스마 프로브 장치(70)의 구성에서는, (2)식의 프로브 전류(ipr)의 DC 성분은 0으로 한다. 그 결과, (3)식이 유도된다.
Figure pat00003
(3)식을 푸리에 급수 전개하면 (4)식이 얻어진다.
Figure pat00004
(4)식의 좌변은, 실측값이며, 기본파(1ω)의 전류(i1ω)의 진폭과 제1 고조파(2ω)의 전류(i2ω)의 진폭의 비를 나타낸다.
(4)식의 우변은, 프로브 전류를 제1 종 변형 베셀 함수로 전개했을 때의 기본파와 제1 고조파의 비를 나타낸다.
따라서, (4)식으로부터, FFT에 의해 산출한, 기본파(1ω)의 진폭과 제1 고조파(2ω)의 진폭의 비와, 실측값의 비로부터 플라스마 전자 온도(Te)를 산출할 수 있다. 또한, V0은 모니터 전압(예를 들어 4V)이다.
또한, 기본파(1ω)에서의 전류(i1ω)의 DC 성분을 (5)식에 나타내었다. (5)식은, 전류(i1ω)의 DC 성분이기 때문에, 0이 된다.
Figure pat00005
전류(i1ω)의 AC 성분을 (6)식에 나타내었다.
Figure pat00006
(6)식을 사용해서 산출한 기본파(1ω)에서의 전류(i1ω)의 절댓값을 (7)식에 대입함으로써, 플라스마 중의 이온 밀도(ni)가 산출된다. 이온 밀도(ni)는 플라스마 전자 밀도(Ne)와 동등하다. 이상으로부터, 플라스마 전자 밀도(Ne)가 산출된다.
Figure pat00007
〔퇴적 막의 막 두께〕
제어 장치(3)는, 플라스마 프로브 장치(70)에 의해 측정한 전류값의 FFT 후의 기본파의 진폭을 사용해서 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에 퇴적된 퇴적 막의 막 두께를 산출한다. 그 산출 방법의 일례를 간단하게 설명한다. 플라스마 처리 중에 플라스마 프로브 장치(70)의 안테나부(71)의 선단면에 막이 붙음으로써, (8)식에 나타낸 바와 같이, 안테나부(71)에 흐르는 프로브 전류(ipr)의 파형이 바뀐다.
Figure pat00008
모니터 장치(80)로부터 플라스마 프로브 장치(70)에 인가하는 교류 전압의 주파수(w)를 변경했을 때의 기본파(1ω)의 전류(i1ω)의 진폭을 구하여, (8)식에 대입하면, 안테나부(71)의 선단면에 퇴적된 절연막의 정전 용량(C)을 산출할 수 있다. 또한, 절연막의 정전 용량(C)과 절연막의 막 두께(d) 사이에는 (9)식이 성립한다.
Figure pat00009
(8)식을 사용해서 산출한 절연막의 정전 용량(C)을 (9)식에 대입함으로써, 절연막의 막 두께(d)가 산출된다.
이와 같이, 플라스마 처리 중에 안테나부(71)의 선단면에 막이 붙음으로써, 모니터 장치(80)가 측정하는, 안테나부(71)에 흐르는 전류의 파형이 바뀐다. 따라서, 본 개시의 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)의 제어 장치(3)는, 모니터 장치(80)로부터 취득하는 신호의 강도의 변화를 해석함으로써, 안테나부(71)(투광부(78))의 선단면에 부착된 막의 막 두께를 추정할 수 있다.
〔피드백 제어 처리〕
일 실시 형태의 플라스마 프로브 장치(70)를 사용해서 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)의 플라스마 처리의 조건을 피드백 제어하는 처리(이하, 「피드백 제어 처리」라고 함)의 일례에 대해서 설명한다.
도 6은, 피드백 제어 처리의 일례를 나타내는 흐름도이다. 도 6에 도시되는 피드백 제어 처리는, 예를 들어 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)를 사용한 플라스마 처리 시에 실행된다.
먼저, 제어 장치(3)는, 플라스마 프로브 장치(70)에 의해 측정한 전류값의 FFT 후의 기본파 및 고조파의 진폭을 사용해서 플라스마 전자 밀도(Ne) 및 플라스마 전자 온도(Te)를 산출한다(스텝 S1).
계속해서, 제어 장치(3)는, 플라스마 프로브 장치(70)에 의해 측정한 전류값의 FFT 후의 기본파의 진폭을 사용해서 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에 퇴적된 절연막의 막 두께(d)를 산출한다(스텝 S2).
계속해서, 제어 장치(3)는, 광 검출 장치(90)에 의해 검출된 플라스마의 발광 강도(이하, 「검출광 강도」라고도 함)를 취득한다(스텝 S3).
계속해서, 제어 장치(3)는, 스텝 S2에서 산출한 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에 퇴적된 절연막의 막 두께에 기초하여, 스텝 S3에서 취득한 플라스마 발광의 검출광 강도를 보정한다(스텝 S4).
여기서, 플라스마 발광의 검출광 강도의 보정에 대해서, 도 7을 참조하면서 설명한다. 도 7은, 피드백 제어 처리를 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 (a)는 마이크로파 플라스마 처리 장치(100)에서 처리한 웨이퍼(W)의 매수(이하, 「웨이퍼 처리 매수」라고 함)와 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에 퇴적된 절연막의 정전 용량의 관계를 나타낸다. 도 7의 (b)는 웨이퍼 처리 매수와 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에 퇴적된 절연막의 막 두께의 관계를 나타낸다. 도 7의 (c)는 웨이퍼 처리 매수와 광 검출 장치(90)에 의한 플라스마의 발광의 검출광 강도(보정 전)의 관계를 나타낸다. 도 7의 (d)는 웨이퍼 처리 매수와 광 검출 장치(90)에 의한 플라스마의 발광의 검출광 강도(보정 후)의 관계를 나타낸다. 또한, 도 7의 (c)에서는, 비교를 위해서, 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에 절연막이 퇴적되지 않는 경우의 플라스마의 발광의 검출광 강도를 파선으로 나타내고 있다.
웨이퍼 처리 매수가 증가하면, 예를 들어 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 절연막의 정전 용량은 웨이퍼 처리 매수에 반비례해서 작아지고, 예를 들어 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에 퇴적되는 절연막의 막 두께가 웨이퍼 처리 매수에 비례해서 증가한다. 플라스마 프로브 장치(70)의 선단면에 퇴적되는 절연막의 막 두께가 증가하면, 플라스마 생성 공간(U)에서 생성되어 투광부(78)에 입사하는 플라스마의 발광은, 일부가 절연막에 의해 반사 또는 흡수된다. 그 때문에, 예를 들어 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 광 검출 장치(90)에 의해 검출되는 플라스마의 발광의 검출광 강도는, 웨이퍼 처리 매수의 증가에 비례해서 저하된다. 즉, 광 검출 장치(90)가 검출하는 플라스마의 발광의 검출광 강도는, 플라스마 생성 공간(U)에서의 플라스마의 발광 강도보다 작아진다. 그 결과, 플라스마 생성 공간(U)에서의 플라스마의 발광 강도를 정확하게 검출할 수 없다.
그래서 일 실시 형태에서는, 제어 장치(3)는, 스텝 S2에서 산출한 절연막의 막 두께와, 절연막의 막 두께와 플라스마의 발광의 감쇠율이 대응지어진 관계 정보에 기초하여, 스텝 S3에서 취득한 플라스마 발광의 검출광 강도를 보정한다. 이에 의해, 도 7의 (d)에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 처리 매수가 증가한 경우에도, 플라스마 생성 공간(U)에서의 플라스마 발광의 강도를 정확하게 검출할 수 있다. 절연막의 막 두께와 플라스마 발광의 감쇠율이 대응지어진 관계 정보는, 예를 들어 절연막의 종류나 플라스마 처리 시에 처리 용기(1) 내에 공급하는 가스의 종류마다 예비 실험 등에 의해 산출되어, 수학식, 테이블로서 제어 장치(3)의 ROM(5)이나 RAM(6)에 저장되어 있다. 단, 절연막의 막 두께와 플라스마 발광의 감쇠율이 대응지어진 관계 정보는, 마이크로프로세서(4)에 의해 액세스 가능하면 되고, 제어 장치(3)와는 다른 기억 장치에 저장되어 있어도 된다.
계속해서, 제어 장치(3)는, 스텝 S4에서 보정한 플라스마의 발광의 검출광 강도에 기초하여, 라디칼 밀도를 산출한다(스텝 S5). 이에 의해, 플라스마 처리 시에, 플라스마 생성 공간(U)의 라디칼 밀도를 정확하게 모니터링할 수 있다.
계속해서, 제어 장치(3)는, 스텝 S1에서 산출한 플라스마 전자 밀도, 플라스마 전자 온도 및 스텝 S5에서 산출한 라디칼 밀도의 적어도 어느 것에 기초하여, 플라스마 처리의 조건을 제어한다(스텝 S6).
예를 들어, 제어 장치(3)는, 플라스마 전자 밀도, 플라스마 전자 온도 및 라디칼 밀도에 따라, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)로부터 처리 용기(1) 내에 도입되는 마이크로파의 파워를 플라스마 처리 중에 실시간으로 제어한다. 구체적으로는, 제어 장치(3)는, 플라스마 전자 밀도, 플라스마 전자 온도 및 라디칼 밀도에 따라, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)에 마이크로파를 출력하는 증폭기부(42)를 제어한다. 이에 의해, 대응하는 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)에 도입되는 마이크로파의 플라스마 강도를 조정함으로써 플라스마의 상태를 변화시킬 수 있다.
또한, 예를 들어 제어 장치(3)는, 플라스마 전자 밀도, 플라스마 전자 온도 및 라디칼 밀도에 따라, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)를 전파하는 마이크로파의 위상을 플라스마 처리 중에 실시간으로 제어한다. 구체적으로는, 제어 장치(3)는, 플라스마 전자 밀도, 플라스마 전자 온도 및 라디칼 밀도에 따라, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)에 마이크로파를 출력하는 증폭기부(42)를 제어하여, 마이크로파의 위상을 변화시켜서 방사 특성을 변조시킨다. 이에 의해, 주연 마이크로파 도입부(43a) 및 중앙 마이크로파 도입부(43b)에 도입되는 마이크로파의 위상을 조정함으로써 지향성을 제어하여, 플라스마의 상태를 변화시킬 수 있다.
또한, 도 6에 도시되는 예에서는, 제어 장치(3)가 스텝 S1, 스텝 S2 및 스텝 S3을 이 순으로 실행하는 경우를 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 스텝 S1 내지 S3의 순번을 바꾸어도 되고, 스텝 S1 내지 S3의 적어도 2개를 동시에 실행하도록 해도 된다.
〔플라스마 프로브 장치의 구성의 변형예〕
도 8은, 제2 구성예의 플라스마 프로브 장치(70A)를 도시하는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 플라스마 프로브 장치(70A)는, 투광부(78)의 선단측이 O링(79c)에 의해 시일되어 있는 점에서, 제1 구성예의 플라스마 프로브 장치(70)와 다르다. 이하, 플라스마 프로브 장치(70)와 다른 점을 중심으로 설명한다.
플라스마 프로브 장치(70A)는, 안테나부(71)와, 전극(72)과, 투광부(78)를 갖는다.
안테나부(71)는, 선단의 원반상 부재(71a)와, 원반상 부재(71a)의 대기 공간측에 고정된 통 형상 부재(71b)를 갖고, 원반상 부재(71a)가 처리 용기(1)의 측벽에 형성된 개구부(1b)에 O링(73)을 개재해서 설치된다. 원반상 부재(71a) 및 통 형상 부재(71b)는, 투광부(78)를 삽입 관통 가능한 관통 구멍을 갖고, 알루미늄 등의 도체로 형성되어 있다. 또한, 원반상 부재(71a)와 통 형상 부재(71b)는 일체로서 형성되어 있어도 된다.
전극(72)은, 안테나부(71)의 통 형상 부재(71b)에 접속되어, 플라스마의 상태를 나타내는 전류값을 측정하여, 동축 케이블(81)을 통해서 모니터 장치(80)에 전달한다.
투광부(78)는, 안테나부(71)에 형성된 관통 구멍에 삽입 관통 가능한 원기둥 형상의 유전체에 의해 형성되어 있고, 안테나부(71)에 형성된 관통 구멍에 삽입 관통되어 있다. 투광부(78)는, 진공 공간(플라스마 생성 공간(U))에서 생성되는 플라스마의 발광을 대기 공간에 투과시키는 유전체, 예를 들어 사파이어, 석영에 의해 형성되어 있다. 투광부(78)를 투과한 플라스마의 발광은, 광 파이버 등의 전송부(91)를 통과해서 광 검출 장치(90)에 전송된다. 투광부(78)의 선단면은, 안테나부(71)의 선단면과 같은 높이 또는 대략 같은 높이로 되어 있다. 이에 의해, 플라스마 처리 시, 안테나부(71)의 선단면과 투광부(78)의 선단면에는, 대략 동일한 막 두께의 막이 퇴적된다. 투광부(78)의 선단은 볼록부(78a)를 갖고, 원반상 부재(71a)에 형성된 오목부에 투광부(78)의 볼록부(78a)를 끼워 맞춰서 O링(79c)을 밀어붙임으로써, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일한다. O링(79c)은, 수지 등의 유전체로 형성되어 있다. O링(79c)은, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하는 제2 시일 부재의 일례이다.
도 9는, 제3 구성예의 플라스마 프로브 장치(70B)를 도시하는 도면이다. 도 9의 (a)는 플라스마 프로브 장치(70B)의 단면도이며, 도 9의 (b)는 도 9의 (a)를 B-B면으로 절단한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 플라스마 프로브 장치(70B)는, 안테나부(71)가 플라스마의 발광을 투과하는 유전체에 의해 형성되고, 내부에 전극(75)이 매설되어 있고, 투광부(78)가 안테나부(71)의 일부인 점에서, 제1 구성예의 플라스마 프로브 장치(70)와 다르다. 이하, 플라스마 프로브 장치(70)와 다른 점을 중심으로 설명한다.
플라스마 프로브 장치(70B)는, 안테나부(71)와, 전극(75)과, 투광부(78)를 갖는다.
안테나부(71)는, 처리 용기(1)의 측벽에 형성된 개구부(1b)에, O링(73)을 개재해서 설치된다. 안테나부(71)는, 플라스마의 발광을 투과하는 원반상의 유전체, 예를 들어 사파이어, 석영에 의해 형성되고, 내부에 전극(75)이 매설되어 있다.
전극(75)은 안테나부(71)에 매설되어 있다. 전극(75)은, 플라스마의 상태를 나타내는 전류값을 측정하여, 동축 케이블(81)을 통해서 모니터 장치(80)에 전달한다. 전극(75)은, 예를 들어 메쉬 형상으로 형성되어 있다. 이에 의해, 전극(75)의 면적이 커지기 때문에, 플라스마 프로브 장치(70B)의 측정 감도가 향상된다. 또한, 메쉬 형상으로 형성된 전극(75)은, 플라스마의 발광을 투과하기 때문에, 전극(75)에 개구를 마련하지 않아도, 플라스마 생성 공간(U)에서 생성되는 플라스마의 발광을 대기 공간에 투과시킬 수 있다. 그 때문에, 전극(75)의 면적을 최대화할 수 있다.
투광부(78)는, 안테나부(71)의 일부이며, 플라스마 생성 공간(U)에서 생성되는 플라스마의 발광을 대기 공간에 투과시킨다. 투광부(78)를 투과한 플라스마의 발광은, 광 파이버 등의 전송부(91)를 통과해서 광 검출 장치(90)에 전송된다.
제3 구성예의 플라스마 프로브 장치(70B)에서는, 안테나부(71)가 유전체에 의해 형성되고, 안테나부(71) 내이며 개구부(1b)로부터 노출되는 안테나부(71)의 선단면 근방에 전극(75)이 노출되지 않도록 매립되어 있다. 이에 의해, 개구부(1b)로부터 전극(75)이 노출되지 않기 때문에, 콘타미네이션의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 제3 구성예의 플라스마 프로브 장치(70B)에서는, O링(73)이 배치된 처리 용기(1)의 측벽과 안테나부(71) 사이에 간극이 마련되어 있지 않다. 이것은, 처리 용기(1)의 측벽은 도체이며, 안테나부(71)는 유전체이기 때문에, 양쪽 부재는 전기적으로 도통하지 않는다. 따라서, 간극을 마련하지 않아도 처리 용기(1)의 측벽과 안테나부(71)가 전기적으로 접속하지 않는 상태를 만들 수 있기 때문이다. 이에 의해, O링(73)의 부근으로부터 누설되는 부유 전류를 거의 0으로 할 수 있어, 플라스마 프로브 장치(70B)의 측정 감도 및 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제3 구성예의 플라스마 프로브 장치(70B)에 의하면, 안테나부(71)가 투광부(78)로서 기능하기 때문에, 투광부(78)를 별도 마련할 필요가 없다. 그 때문에, 플라스마 프로브 장치(70B)의 구조가 심플하다.
또한, 플라스마 프로브 장치(70B)의 측정 감도를 높이기 위해서는, 전극(75)의 면적은 가능한 한 큰 편이 좋다. 한편, 소정의 프로브 특성을 얻기 위해서는, 전극(75)과 처리 용기(1)의 측벽의 금속은 겹치지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그래서, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 전극(75)은, 개구부(1b)의 연부로부터의 거리(L)가 2 내지 3mm 정도 이격되도록 원 형상으로 하는 것이 바람직하다.
도 10은, 제4 구성예의 플라스마 프로브 장치(70C)를 도시하는 도면이다. 도 10의 (a)는 플라스마 프로브 장치(70C)의 단면도이며, 도 10의 (b)는 도 10의 (a)를 B-B면으로 절단한 도면이다. 도 10에 도시되는 바와 같이, 플라스마 프로브 장치(70C)는, 전극(75)이 개구(75a)를 갖는 판상 또는 필름상으로 형성되어 있는 점에서, 제3 구성예의 플라스마 프로브 장치(70B)와 다르다. 이하, 플라스마 프로브 장치(70B)와 다른 점을 중심으로 설명한다.
플라스마 프로브 장치(70C)는, 안테나부(71)와, 전극(75)과, 투광부(78)를 갖는다.
안테나부(71)는, 처리 용기(1)의 측벽에 형성된 개구부(1b)에, O링(73)을 개재해서 설치된다. 안테나부(71)는, 플라스마의 발광을 투과하는 원반상의 유전체, 예를 들어 사파이어, 석영에 의해 형성되고, 내부에 전극(75)이 매설되어 있다.
전극(75)은 안테나부(71)에 매설되어 있다. 전극(75)은, 플라스마의 상태를 나타내는 전류값을 측정하여, 동축 케이블(81)을 통해서 모니터 장치(80)에 전달한다. 전극(75)은, 예를 들어 판상 또는 필름상으로 형성되어 있다. 전극(75)이 판상 또는 필름상으로 형성되어 있는 경우, 안테나부(71)를 투과하는 플라스마의 발광이 전극(75)에 의해 감쇠하는 것을 방지한다는 관점에서, 전극(75)에 개구(75a)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
투광부(78)는, 안테나부(71)의 일부이며, 플라스마 생성 공간(U)에서 생성되는 플라스마의 발광을 대기 공간에 투과시킨다. 투광부(78)를 투과한 플라스마의 발광은, 광 파이버 등의 전송부(91)를 통해서 광 검출 장치(90)에 전송된다.
제4 구성예의 플라스마 프로브 장치(70C)에서는, 안테나부(71)가 유전체에 의해 형성되고, 안테나부(71) 내이며 개구부(1b)로부터 노출되는 안테나부(71)의 선단면의 근방에 전극(75)이 노출되지 않도록 매립되어 있다. 이에 의해, 개구부(1b)로부터 전극(75)이 노출되지 않기 때문에, 콘타미네이션의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 제4 구성예의 플라스마 프로브 장치(70C)에서는, O링(73)이 배치된 처리 용기(1)의 측벽과 안테나부(71) 사이에 간극이 마련되어 있지 않다. 이것은, 처리 용기(1)의 측벽은 도체이며, 안테나부(71)는 유전체이기 때문에, 양쪽 부재는 전기적으로 도통하지 않는다. 따라서, 간극을 마련하지 않아도 처리 용기(1)의 측벽과 안테나부(71)가 전기적으로 접속하지 않는 상태를 만들 수 있기 때문이다. 이에 의해, O링(73)의 부근으로부터 누설되는 부유 전류를 거의 0으로 할 수 있어, 플라스마 프로브 장치(70C)의 측정 감도 및 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 제4 구성예의 플라스마 프로브 장치(70C)에 의하면, 안테나부(71)가 투광부(78)로서 기능하기 때문에, 투광부(78)를 별도 마련할 필요가 없다. 그 때문에, 플라스마 프로브 장치(70C)의 구조가 심플하다.
또한, 플라스마 프로브 장치(70C)의 측정 감도를 높이기 위해서는, 전극(75)의 면적은 가능한 한 큰 편이 좋다. 한편, 소정의 프로브 특성을 얻기 위해서는, 전극(75)과 처리 용기(1)의 측벽의 금속은 겹치지 않도록 하는 것이 바람직하다. 그래서, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 전극(75)은 개구부(1b)의 연부로부터의 거리(L)가 2 내지 3mm 정도 이격되도록 원 형상으로 하는 것이 바람직하다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태에서 생략, 치환, 변경되어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 플라스마 처리 장치로서 마이크로파를 사용한 플라스마 처리 장치를 예로 들어 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 플라스마 처리 장치는, 예를 들어 용량 결합형 플라스마(CCP: Capacitively Coupled Plasma), 유도 결합형 플라스마(ICP: Inductively Coupled Plasma), 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 사용한 플라스마 처리 장치, 헬리콘파 여기형 플라스마(HWP: Helicon Wave Plasma) 장치, 전자 사이클로트론 공명 플라스마(ECR: Electron Cyclotron Resonance Plasma) 장치이어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되지 않는다. 기판은, 예를 들어 플랫 패널 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)용 대형 기판, EL 소자 또는 태양 전지용 기판이어도 된다.

Claims (16)

  1. 처리 용기의 벽에 형성된 개구부에, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하는 시일 부재를 개재해서 설치되는 안테나부와,
    상기 안테나부의 내부에 마련되고 또는 상기 안테나부의 적어도 일부이며, 상기 진공 공간에서 생성되는 플라스마의 발광을 상기 대기 공간에 투과시키는 투광부
    를 포함하는 플라스마 프로브 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안테나부는, 상기 투광부를 삽입 관통 가능한 관통 구멍을 포함하는 도체에 의해 형성되어 있고,
    상기 투광부는, 상기 관통 구멍에 삽입 관통되어 있는, 플라스마 프로브 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 투광부는, 상기 안테나부에, 상기 진공 공간과 상기 대기 공간 사이를 시일하는 제2 시일 부재를 개재해서 설치되어 있는, 플라스마 프로브 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 시일 부재는, 적어도 상기 투광부의 상기 대기 공간의 측에 마련되어 있는, 플라스마 프로브 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 시일 부재는, 적어도 상기 투광부의 상기 진공 공간의 측에 마련되어 있는, 플라스마 프로브 장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투광부는, 원기둥 형상의 유전체에 의해 형성되어 있는, 플라스마 프로브 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 유전체는, 석영인, 플라스마 프로브 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 유전체에 의해 형성되고, 상기 안테나부를 주위로부터 지지하는 유전체 지지부를 더 포함하는, 플라스마 프로브 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 안테나부는, 상기 플라스마의 발광을 투과하는 유전체에 의해 형성되고, 내부에 전극이 매설되어 있고,
    상기 투광부는, 상기 안테나부의 적어도 일부인, 플라스마 프로브 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전극은, 메쉬 형상으로 형성되어 있는, 플라스마 프로브 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 전극은, 개구를 포함하는 판상 또는 필름상으로 형성되어 있는, 플라스마 프로브 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안테나부와 상기 벽의 대향면을 미리 정해진 폭으로 격리하고, 상기 개구부로부터 노출되는 상기 안테나부의 면은, 해당 개구부가 형성된 상기 벽의 상기 진공 공간의 측의 면보다도 오목해져 있는, 플라스마 프로브 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 플라스마 처리 시, 상기 안테나부에 의해 검출한 상기 안테나부의 상기 진공 공간의 측의 면에 퇴적된 막의 막 두께에 기초하여, 상기 투광부을 투과한 상기 플라스마의 발광 강도를 보정하고, 상기 보정한 상기 플라스마의 발광 강도에 기초하여, 상기 플라스마 처리의 조건을 제어하는, 플라스마 프로브 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 안테나부에 의해 검출한 플라스마 전자 밀도 및 플라스마 전자 온도의 적어도 어느 것에 기초하여, 상기 플라스마 처리의 조건을 제어하는, 플라스마 프로브 장치.
  15. 마이크로파 플라스마원에서의 출력부로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하는 복수의 마이크로파 방사 기구와, 플라스마 프로브 장치를 포함하는 플라스마 처리 장치이며,
    상기 플라스마 프로브 장치는,
    상기 처리 용기의 벽에 형성된 개구부에, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하는 시일 부재를 개재해서 설치되는 안테나부와,
    상기 안테나부의 내부에 마련되거나 또는 상기 안테나부의 적어도 일부이며, 상기 진공 공간에서 생성되는 플라스마의 발광을 상기 대기 공간에 투과시키는 투광부
    를 포함하는 플라스마 처리 장치.
  16. 복수의 마이크로파 방사 기구와 플라스마 프로브 장치를 포함하는 플라스마 처리 장치를 사용해서 플라스마를 제어하는 제어 방법이며,
    상기 복수의 마이크로파 방사 기구는, 각각 마이크로파 플라스마원에서의 출력부로부터 출력된 마이크로파를 처리 용기 내에 방사하도록 구성되고,
    상기 플라스마 프로브 장치는,
    처리 용기의 벽에 형성된 개구부에, 진공 공간과 대기 공간 사이를 시일하는 시일 부재를 개재해서 설치되는 안테나부와,
    상기 안테나부의 내부에 마련되거나 또는 상기 안테나부의 적어도 일부이며, 상기 진공 공간에서 생성되는 플라스마의 발광을 상기 대기 공간에 투과시키는 투광부를 포함하고,
    플라스마 처리 시, 상기 안테나부에 의해 검출한 상기 안테나부의 상기 진공 공간의 측의 면에 퇴적된 막의 막 두께에 기초하여, 상기 투광부를 투과한 상기 플라스마의 발광 강도를 보정하고, 상기 보정한 상기 플라스마의 발광 강도에 기초하여, 상기 플라스마 처리의 조건을 제어하는, 제어 방법.
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