KR20230033593A - 플라스마 측정 방법 - Google Patents

Abstract

[과제] 프로세스 가스를 이용한 펄스 형상 플라스마 상태를 리얼타임으로 측정할 수 있는 플라스마 측정 방법을 제공한다.
[해결 수단] 기판을 수용한 처리 용기 내에 프로세스 가스를 도입하고, 전자기파 발진기로부터 발생시킨 전자기파를 펄스화 장치에서 가공한 전자기파 펄스를 이용하여 펄스 형상 플라스마를 생성하여 기판에 대해 플라스마 처리를 행할 때에, 프로브 장치를 이용하여 플라스마 상태를 측정하는 플라스마 측정 방법은, 프로브 장치를 통하여 펄스 형상 플라스마에 교류 전압을 인가하는 것과, 교류 전압에 근거하는 펄스 형상 플라스마로부터의 신호를, 프로브 장치를 통하여 전송하고, 전류치를 포함하는 데이터를 측정하는 것과, 측정한 데이터를 해석하여 펄스 형상 플라스마 상태를 파악하는 것을 갖고, 전자기파 펄스의 1주기의 기간 내에 있어서 펄스 형상 플라스마의 측정에 필요한 수의 데이터가, 허용 시간 내에 얻어지도록, 교류 전압의 주파수를 전자기파 펄스의 주파수로부터 어긋나게 한다.

Description

플라스마 측정 방법{PLASMA MEASUREMENT METHOD}

본 개시는, 플라스마 측정 방법에 관한 것이다.

종래부터, 플라스마 상태를 측정하기 위한 프로브를 챔버 내에 삽입하여, 측정용 전원으로부터 측정용 신호를 챔버 내에 공급하는 것에 의해 플라스마 상태를 측정하는 것이 행해지고 있다. 이러한 프로브로서는, 직류 전압을 인가하여 플라스마를 측정하는 직류 프로브(랭뮤어 프로브)가 일반적이지만, 프로세스 가스에 의한 플라스마(프로세스 플라스마)에서는 프로브 표면에 데포(deposition)막이 부착하여 플라스마 측정이 곤란하다. 이것에 대해서, 특허 문헌 1에는, 데포막이 부착하는 프로세스 플라스마에 있어서도 플라스마의 측정을 행할 수 있는 프로브로서, 절연막으로 피복되고 교류 전압을 인가하여 플라스마를 측정하는 교류 프로브가 제안되어 있다.

한편, 특허 문헌 2에는, 펄스화 플라스마가, 웨이퍼에 부여되는 평균 에너지의 저감과 플라스마 중의 전자 온도 증가의 억제를 실현 가능한 것이 기재되어 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특개 2019-46787호 공보 [특허 문헌 2] 일본 특표 2021-503700호 공보

본 개시는, 프로세스 가스를 이용한 펄스 형상 플라스마 상태를 리얼타임으로 측정할 수 있는 플라스마 측정 방법을 제공한다.

본 개시의 일 태양에 따른 플라스마 측정 방법은, 기판을 수용한 처리 용기 내에 프로세스 가스를 도입하고, 전자기파 발진기로부터 발생시킨 전자기파를 펄스화 장치에서 가공한 전자기파 펄스를 이용하여 펄스 형상 플라스마를 생성하여 기판에 대해 플라스마 처리를 행할 때에, 프로브 장치를 이용하여 플라스마의 상태를 측정하는 플라스마 측정 방법으로서, 상기 프로브 장치를 통하여 상기 펄스 형상 플라스마에 교류 전압을 인가하는 것과, 상기 교류 전압에 근거하는 상기 펄스 형상 플라스마로부터의 신호를, 상기 프로브 장치를 통하여 전송하고, 전류치를 포함하는 데이터를 측정하는 것과, 상기 측정한 데이터를 해석하여 상기 펄스 형상 플라스마 상태를 파악하는 것을 갖고, 상기 전자기파 펄스의 1주기의 기간 내에 있어서 상기 펄스 형상 플라스마의 측정에 필요한 수의 데이터가, 허용 시간 내에 얻어지도록, 상기 교류 전압의 주파수를 상기 전자기파 펄스의 주파수로부터 어긋나게 한다.

본 개시에 의하면, 프로세스 가스를 이용한 펄스 형상 플라스마 상태를 리얼타임으로 측정할 수 있다.

도 1은 일 실시 형태에 따른 플라스마 측정 방법이 적용되는 플라스마 처리 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 2는 일 실시 형태에 따른 플라스마 측정 방법이 적용되는 플라스마 처리 장치의 천벽부의 내벽 상태의 일례를 나타내는 저면도이다.
도 3은 일 실시 형태에 따른 플라스마 측정 방법이 적용되는 플라스마 처리 장치에 이용되는 프로브 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 4는 펄스 형상 플라스마의 파워를 온으로 한 경우와 오프로 한 경우의 전자 밀도와 전자 온도의 거동을 나타내는 도면이다.
도 5는 랭뮤어 프로브를 이용한 경우의 시간 분해 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 직류 프로브인 랭뮤어 프로브를 이용한 경우의 시간 분해 측정에 의해 얻어지는 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 교류 프로브를 이용한 일반적인 시간 분해 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 교류 프로브를 이용한 일반적인 시간 분해 측정에 의해 얻어지는 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시 형태의 플라스마 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시 형태의 플라스마 측정 방법에 의해 취득한 데이터를 나타내는 도면이다.
도 11은 f_pulse=f_probe인 경우의 전자기파 펄스 및 교류 전압의 관계 및 그때에 얻어지는 데이터를 나타내는 도면이다.
도 12는 f_pulse=2f_probe인 경우의 전자기파 펄스 및 교류 전압의 관계 및 그때에 얻어지는 데이터를 나타내는 도면이다.
도 13은 2f_pulse=3f_probe인 경우의 전자기파 펄스 및 교류 전압의 관계 및 그때에 얻어지는 데이터를 나타내는 도면이다.
도 14는 전자기파 펄스 1주기분의 t-V 영역 내의 데이터의 해석을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 1개의 측정 선을 긋는데 걸리는 시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 f_probe와 f_pulse가 거의 같지만, 조금 다른 경우에 있어서, 측정 시간이 짧은 경우와 긴 경우에서의 측정 영역의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 f_pluse보다 f_probe가 약간 큰 경우에 하나 하나의 「어긋남」인 ΔT를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 정수 m, n을 포함하는 (3)식을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 가상예로서 T₀/T_max=1/100, f_probe/f_pulse=1001/1000, m=n=1인 경우의 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 가상예로서 T₀/T_max=1/1000, f_probe/f_pulse=1001/1000, m=n=1인 경우의 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 f_probe/f_pulse=1000.1/1000=10001/10000=1.0001으로 하고, T_max를 10sec로 하여 (3)식을 이용하여 유도된 n/m=5002/5001인 경우에 얻어지는 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 n=11, m=5인 경우의 t-V 영역의 측정선을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 실시의 형태에 대해 구체적으로 설명한다.

＜플라스마 측정 방법이 적용되는 플라스마 처리 장치＞

도 1은, 일 실시 형태에 따른 플라스마 측정 방법이 적용되는 플라스마 처리 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.

플라스마 처리 장치(100)는, 마이크로파 등의 전자기파를 방사하여 플라스마 처리를 행하는 플라스마 처리 장치로서 구성된다.

플라스마 처리 장치(100)는, 기판으로서의 반도체 웨이퍼 W(이하, 단지 「웨이퍼 W」라고 적는다.)를 수용하는 처리 용기(챔버)(1)를 가진다. 플라스마 처리 장치(100)는, 처리 용기(1) 내에 방사된 전자기파에 의해 처리 용기(1) 내의 천벽부의 내벽면 근방에 형성되는 표면파 플라스마에 의해, 웨이퍼 W에 대해서 플라스마 처리를 행한다. 플라스마 처리로서는, 성막 처리, 에칭 처리, 애싱 처리 등이 예시된다. 또, 기판으로서는 웨이퍼에 한정하지 않고, FPD 기판이나 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.

플라스마 처리 장치(100)는, 처리 용기(1) 외에, 플라스마원(2)과, 가스 공급 기구(6)와, 프로브 유닛(7)과, 제어 장치(8)를 가진다.

처리 용기(1)는, 상부가 개구된 대략 원통 형상의 용기 본체(10)와, 용기 본체(10)의 상부 개구를 폐색하는 천벽부(20)를 갖고 있고, 내부에 플라스마 처리 공간이 형성된다. 용기 본체(10)는 알루미늄 또는 스텐레스강 등의 금속 재료로 이루어지고, 접지되어 있다. 천벽부(20)는, 알루미늄 또는 스텐레스강 등의 금속 재료로 이루어지고 원반 형상을 이룬다. 용기 본체(10)와 천벽부(20)의 접촉면에는 실(seal) 링(129)이 개재되고, 이것에 의해, 처리 용기(1)의 내부가 기밀하게 실되어 있다.

처리 용기(1) 내에는 웨이퍼 W를 탑재하는 탑재대(11)가 마련되어 있다. 탑재대(11)는, 처리 용기(1)의 저부 중앙에 절연 부재(12a)를 통하여 세워진 통 형상의 지지 부재(12)에 의해 지지되어 있다. 탑재대(11) 및 지지 부재(12)를 구성하는 재료로서는, 표면을 알루마이트 처리(양극 산화 처리)한 알루미늄 등의 금속이나 내부에 고주파용의 전극을 가진 절연 부재(세라믹스 등)가 예시된다. 탑재대(11)에는, 웨이퍼 W를 정전 흡착하기 위한 정전 척, 온도 제어 기구, 웨이퍼 W의 이면에 열 전달용의 가스를 공급하는 가스 유로 등이 마련되어도 좋다.

탑재대(11)에는, 정합기(13)를 통하여 고주파 바이어스 전원(14)이 접속되어 있다. 고주파 바이어스 전원(14)으로부터 탑재대(11)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 웨이퍼 W 측에 플라스마 중의 이온이 끌어 들여진다. 또한, 고주파 바이어스 전원(14)은 플라스마 처리의 특성에 따라서는 마련하지 않아도 좋다.

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, 이것에 의해, 처리 용기(1) 내가 소정의 진공도까지 고속으로 감압된다. 처리 용기(1)의 측벽에는, 웨이퍼 W의 반입출을 행하기 위한 반입출구(17)와, 반입출구(17)를 개폐하는 게이트 밸브(18)가 마련되어 있다.

플라스마원(2)은, 전자기파를 생성하고, 생성한 전자기파를 처리 용기(1) 내에 방사하여 플라스마를 생성하기 위한 것으로, 전자기파 출력부(30)와, 전자기파 전송부(40)와, 전자기파 방사 기구(50)를 가진다.

전자기파 출력부(30)는, 발진된 전자기파를 발생시키는 전자기파 발진기와, 발진된 전자기파를 펄스 형상으로 온/오프하는 펄스화 장치와, 발진된 전자기파를 증폭하는 앰프와, 증폭된 전자기파를 복수로 분배하는 분배기를 가진다. 그리고, 펄스화 장치에서 가공한 전자기파 펄스를 복수로 분배하여 출력한다. 전자기파의 주파수로서는, 예를 들면, 30kHz로부터 마이크로파 대역까지, 즉 30kHz~30GHz의 범위의 주파수를 이용할 수 있다. 또, 전자기파 펄스의 주파수로서는, 매우 적합하게는 500Hz~100kHz의 범위 내의 주파수를 이용할 수 있다.

전자기파 출력부(30)로부터 출력된 전자기파 펄스는, 전자기파 전송부(40)와 전자기파 방사 기구(50)를 통하여 처리 용기(1)의 내부에 방사된다. 또, 처리 용기(1) 내에는 후술하는 바와 같이 가스가 공급되고, 공급된 가스는, 도입된 전자기파의 전계에 의해 여기하고, 이것에 의해 표면파 플라스마가 형성된다.

전자기파 전송부(40)는, 전자기파 출력부(30)로부터 출력된 전자기파 펄스를 전송한다. 전자기파 전송부(40)는, 복수의 앰프부(42)와, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면인 도 2에 나타내는 바와 같이, 천벽부(20)의 중앙에 배치된 중앙 전자기파 도입부(43a)와, 천벽부(20)의 주연부에 등간격으로 배치된 6개의 주연 전자기파 도입부(43b)를 가진다. 복수의 앰프부(42)는, 전자기파 출력부(30)의 분배기에서 분배된 전자기파 펄스를 증폭하는 것으로, 중앙 전자기파 도입부(43a) 및 6개의 주연 전자기파 도입부(43b)의 각각에 대응하여 마련된다. 중앙 전자기파 도입부(43a) 및 6개의 주연 전자기파 도입부(43b)는, 각각에 대응하여 마련된 앰프부(42)로부터 출력된 전자기파 펄스를 전자기파 방사 기구(50)에 도입하는 기능 및 임피던스를 정합하는 기능을 가진다.

중앙 전자기파 도입부(43a) 및 주연 전자기파 도입부(43b)는, 통 형상의 외측 도체(52) 및 그 중심에 마련된 봉 형상의 내측 도체(53)를 동축상으로 배치하여 구성된다. 외측 도체(52)와 내측 도체(53) 사이는, 전자기파 전력이 급전되고, 전자기파 방사 기구(50)를 향해 전자기파가 전파하는 전자기파 전송로(44)로 이루어져 있다.

중앙 전자기파 도입부(43a) 및 주연 전자기파 도입부(43b)에는, 한 쌍의 슬러그(54)와, 그 선단부에 위치하는 임피던스 조정 부재(140)가 마련되어 있다. 슬러그(54)를 이동시키는 것에 의해, 처리 용기(1) 내의 부하(플라스마)의 임피던스를 전자기파 출력부(30)에 있어서의 전자기파 전원의 특성 임피던스에 정합시킨다. 임피던스 조정 부재(140)는, 유전체로 형성되고, 그 비유전률에 의해 전자기파 전송로(44)의 임피던스를 조정하게 되어 있다.

전자기파 방사 기구(50)는, 지파재(121) 및 (131), 슬롯(122) 및 (132)를 갖는 슬롯 안테나(124) 및 (134), 및, 유전체 부재(123) 및 (133)을 구비한다. 지파재(121) 및 (131)은, 각각 천벽부(20)의 상면의 중앙 전자기파 도입부(43a)에 대응하는 위치, 및 천벽부(20)의 상면의 주연 전자기파 도입부(43b)에 대응하는 위치에 마련되어 있다. 또, 유전체 부재(123) 및 (133)은, 각각 천벽부(20)의 내부의 중앙 전자기파 도입부(43a)에 대응하는 위치, 및 주연 전자기파 도입부(43b)에 대응하는 위치에 마련되어 있다. 슬롯(122) 및 (132)는, 각각 천벽부(20)의 지파재(121)와 유전체 부재(123) 사이의 부분, 천벽부(20)의 지파재(131)와 유전체 부재(133) 사이의 부분에 마련되고, 그들의 슬롯이 형성된 부분이 슬롯 안테나(124) 및 (134)가 된다.

지파재(121) 및 (131)는, 원판 형상을 이루고, 내측 도체(53)의 선단 부분을 둘러싸도록 배치되고, 진공보다 큰 유전율을 갖고 있고, 예를 들면, 석영, 세라믹스, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 구성되어 있다. 지파재(121) 및 (131)은, 전자기파의 파장을 진공 중보다 짧게 하여 안테나를 작게 하는 기능을 갖고 있다. 지파재(121) 및 (131)은, 그 두께에 의해 전자기파의 위상을 조정할 수 있고, 슬롯 안테나(124) 및 (134)가 정재파의 「배」가 되도록 지파재(121) 및 (131)의 두께를 조정하는 것으로, 반사는 최소화되고, 슬롯 안테나(124) 및 (134)의 방사 에너지는 최대화된다.

유전체 부재(123) 및 (133)은, 지파재(121) 및 (131)와 마찬가지로, 예를 들면, 석영, 알루미나(Al₂O₃) 등의 세라믹스, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌 등의 불소계 수지나 폴리이미드계 수지에 의해 형성되어 있다. 유전체 부재(123) 및 (133)은, 천벽부(20)의 내부에 형성된 공간에 끼워 넣어져 있고, 천벽부(20)의 하면의 유전체 부재(123) 및 (133)에 대응하는 부분에는 개구부가 형성되어 있다. 따라서, 유전체 부재(123) 및 (133)은, 처리 용기(1) 내에 노출되어 있고, 전자기파 펄스를 플라스마 생성 공간 U에 공급하는 유전체 창으로서 기능한다.

또한, 주연 전자기파 도입부(43b) 및 유전체 부재(133)의 개수는 6개로 한정하지 않고, 2개 이상이어도 좋지만, 3개 이상이 바람직하다.

가스 공급 기구(6)는, 가스 공급원(61)과, 천벽부(20)에 마련된 가스 도입부(62)와, 가스 공급원(61)으로부터 가스 도입부(62)에 가스를 공급하는 가스 공급 배관(63)을 가진다. 가스 도입부(62)는, 천벽부(20)에 링 형상으로 마련된 복수의 가스 확산실(64)과, 가스 확산실(64)로부터 처리 용기(1) 내에 가스를 토출하는 복수의 가스 토출 구멍(65)을 가진다. 그리고, 가스 공급원(61)으로부터 가스 공급 배관(63)에 공급된 가스가, 가스 도입부(62)의 가스 확산실(64)에 이르러, 가스 토출 구멍(65)을 통하여 처리 용기(1) 내에 샤워 형상으로 공급된다. 가스의 예로서는, 예를 들면 Ar 가스 등의 플라스마 생성용의 가스나, 처리에 이용되는 프로세스 가스를 들 수 있다. 또한, 가스 공급 기구(6)는, 본 예와 같이 천벽부(20)로부터 가스를 샤워 형상으로 토출하는 것에 한정하는 것은 아니다.

프로브 유닛(7)은, 프로브 장치(교류 프로브)(70)와, 전원·모니터부(80)를 갖고, 프로브 장치(70)를 통하여 플라스마에 교류 전압을 부여하는 것에 의해, 펄스 형상의 플라스마 상태를 측정한다. 프로브 장치(70)는 복수 마련되고, 처리 용기(1)의 측벽 상부에 원주 방향으로 배치되어 있다. 처리 용기(1)의 측벽 상부에는 프로브 장치(70)의 장착 부분에 대응하여 복수의 개구부(1b)가 서로 분리된 상태로 형성되어 있다. 또한, 개구부(1b)는, 복수로 분리된 상태가 아닌 연속하여 1개 형성되어 있어도 좋다. 전원·모니터부(80)는, 주파수 및 전압이 가변인 교류 전원과 모니터 장치를 가진다. 전원·모니터부(80)와 프로브 장치(70) 사이는 동축 케이블(81)로 접속되어 있다.

프로브 장치(70)는, 교류 전원으로부터 출력된 교류 전압을 플라스마에 인가하고, 플라스마로부터의 신호(전자 전류 및/또는 이온 전류)를 전원·모니터부(80)의 모니터 장치를 향해 전송한다.

도 3은, 프로브 장치(70)의 일례를 나타내는 단면도이다. (a)는 전체 도면이며, (b)는 파선으로 둘러싼 D 영역을 확대하여 나타내는 단면도이다. 프로브 장치(70)는, 처리 용기(1)의 측벽에 형성된 개구부(1b)에, O링(73)을 통하여 장착되는 안테나부(71)와, 안테나부(71)에 접속되는 전극(72)과, 안테나부(71)를 주위로부터 지지하는 유전체 지지부(74)를 가진다. 안테나부(71)는, 개구부(1b)에 면하는 선단 측의 판 형상 부재(71a)와, 판 형상 부재(71a)의 이면 중앙에서 후방 측으로 연장되는 로드부(71b)를 갖고, 로드부(71b)의 후단부에 전극(72)이 접속되어 있다. 동축 케이블(81)은, 전극(72)에 접속되어 있다. 또한, 판 형상 부재(71a)의 형상은 특히 한정되지 않고, 예를 들면, 원판 형상이나 직사각형 형상이어도 좋다.

판 형상 부재(71a)는, 수지 등의 유전체로 형성된 O링(73)을 통하여 개구부(1b)의 이면 측을 막도록 배치된다. 안테나부(71)의 선단 면과 처리 용기(1)의 벽의 개구부(1b) 부근의 이면은 격리되어, 간극(1d)이 형성되어 있다. 이와 같이 안테나부(71)의 선단 면과 처리 용기(1)의 벽의 사이에 간극(1d)이 형성되어 있는 것에 의해, 안테나부(71)가 처리 용기(1)의 벽과 DC적으로 접속되어 처리 용기(1)의 벽에 전류(부유 전류)가 흐르는 것이 방지된다. 다만, 간극(1d)이 너무 넓으면, 간극(1d)에 가스나 플라스마가 파고 들어가, 플라스마에 의한 부식, 가스의 침입에 의한 파티클의 생성 및 이상 방전의 문제가 생기므로, 간극(1d)은 플라스마나 가스가 파고 들어가지 않는 정도의 폭으로 설정된다.

안테나부(71) 선단 측의 판 형상 부재(71a)에 있어서의 O링(73) 내측의 표면은, 절연막(76)으로 덮이고, DC적으로는 플라스마로부터 절연되어 있다. 또, 처리 용기(1)의 벽면으로서, 적어도 개구부(1b)의 측면으로부터 개구부(1b)의 이면을 지나 O링(73)까지의 영역은, 절연막(1c)으로 덮여 있다. 절연막(76) 및 절연막(1c)은, 예를 들면 Y₂O₃ 등의 세라믹스 용사에 의해 형성된다. 절연막(76) 및 (1c)는 알루미늄의 양극 산화 처리로 형성되어도 좋다. 이와 같이 절연막(76) 및 (1c)가 형성되는 것에 의해, DC 전류를 방지하고, 또한, 플라스마 내성을 높일 수가 있다. 안테나부(71)의 O링(73)보다 대기 측의 면이나 처리 용기(1)의 내벽 면은 절연막(77)에 의해 코팅되어 있다. 이것에 의해, 플라스마 내성이 더 향상한다.

안테나부(71)의 절연막(76)이 형성된 표면은, 개구부(1b)가 형성된 처리 용기(1)의 내벽 면보다 오목한 위치에서, 플라스마 생성 공간 U측에 노출된다. 안테나부(71)의 표면을 오목하게 하는 것으로, 플라스마의 프로브 장치(70)에의 영향을 저감함과 함께, 파티클의 발생원이 되는 간극(1d)이 마련되는 위치를 웨이퍼 W로부터 멀리 떼어 놓아 파티클의 영향을 저감한다. 또, 안테나부(71)의 표면을 처리 용기(1)의 내벽 면과 동일 평면으로 하지 않고 오목하게 하는 것으로, 처리 용기(1)의 내벽 면을 전파하는 표면파 플라스마의 모드 점프를 일으키기 어렵게 하고, 이상 방전을 회피할 수 있다.

개구부(1b)의 크기는, 안테나부(71)의 감도와, 플라스마나 가스의 침입에 의한 안테나부(71)에의 악영향의 균형에 의해 결정된다. 즉, 개구부(1b)의 크기가 클수록, 안테나부(71)의 감도는 높아지지만, 플라스마나 가스가 안테나부(71) 측에 침입하기 쉬워지기 때문에, 안테나부(71)가 부식하기 쉬워지고, 프로브 장치(70)의 성능을 저하시키거나 이상 방전이 발생하거나 할 우려가 있다. 또, 개구부(1b)를 크게 하여 프로브 장치(70)의 감도를 너무 올리면, 생성된 반응 생성물의 부착 등에 의해 측정 결과의 영향을 받기 쉬워지고, 오히려 측정 정밀도가 저하해 버리는 경우가 있다. 개구부(1b)의 형상은 특히 한정되지 않는다. 원이나 직사각형 등 적의의 형상이어도 좋다.

유전체 지지부(74)는, 예를 들면 PTFE와 같은 수지로 형성되고, 안테나부(71)를 둘러싸 지지한다. 유전체 지지부(74)의 이면 측에는, 유전체 지지부(74)를 덮도록 알루미늄 등의 금속으로 이루어지는 고정 부재(1a)가 장착되고, 고정 부재(1a)는 처리 용기(1)의 측벽에 나사 고정된다. 이것에 의해, O링(73)을 통하여 처리 용기(1)의 측벽의 개구부(1b)부근에 밀착된 상태의 안테나부(71)와 유전체 지지부(74)가 고정된다. 유전체 지지부(74)는, 본체부(74a)와, 안테나부(71)의 판 형상 부재(71a)의 표면 측 외주부에 마련된 고리 형상 부재(74b)로 분할된 구조를 갖고 있다. 다만, 유전체 지지부(74)는 하나의 구조여도 좋다.

도 3에 나타내는, 판 형상 부재(71a)의 직경 B에 대한 유전체 지지부(74)의 깊이 방향의 길이 C의 비는, 프로브 장치(70)의 감도를 양호하게 하는 관점에서 0.44~0.54의 범위가 바람직하다.

또한, 상기 예에서는 프로브 장치(70)를 복수 마련했지만, 프로브 장치(70)는 1개여도 좋다. 또, 상기 예에서는 프로브 장치(70)를 처리 용기(1)의 내벽에 마련했지만, 탑재대(11)의 외주부나 천벽부(20)의 내벽 등의 다른 위치에 마련해도 좋다.

제어 장치(8)는, 플라스마 처리 장치(100)의 각 구성부의 동작이나 처리, 예를 들면, 가스 공급 기구(6)의 가스 공급, 플라스마원(2)의 전자기파 펄스의 주파수나 출력, 배기 장치(16)에 의한 배기, 프로브 장치(70)에 인가하는 교류 전원의 주파수나 전압, 모니터 장치로부터의 신호의 연산 등의 제어를 행한다. 제어 장치(8)는, 전형적으로는 컴퓨터이며, 주 제어부와, 입력 장치와, 출력 장치와, 표시 장치와, 기억 장치를 구비하고 있다. 주 제어부는, CPU(중앙 처리 장치), RAM 및 ROM을 갖고 있다. 기억 장치는, 하드 디스크 등의 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체를 갖고 있고, 제어에 필요한 정보의 기록 및 판독을 행하도록 되어 있다. 제어 장치(8)에서는, CPU가, RAM을 작업 영역으로서 이용하여, ROM 또는 기억 장치의 기억 매체에 저장된 처리 레시피 등의 프로그램을 실행하는 것에 의해, 플라스마 처리 장치(100)를 제어한다.

＜플라스마 처리 장치에 있어서의 처리 동작＞

다음에, 이상과 같이 구성되는 플라스마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.

우선, 게이트 밸브(18)를 열고, 반송 암(도시하지 않음) 상에 유지된 웨이퍼 W를 반입출구(17)로부터 처리 용기(1) 내에 반입하고, 탑재대(11) 상에 탑재한다. 빈 반송 암을 처리 용기(1)로부터 퇴피시키고, 게이트 밸브(18)를 닫는다. 그리고, 가스 공급 기구(6)로부터 처리 용기(1) 내에 가스를 도입하면서 배기 장치(16)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기하여 압력 조정을 행한다. 그후, Ar 가스 등의 플라스마 생성 가스나 처리 가스를 도입하면서 플라스마를 생성한다. 플라스마 생성 가스만 도입하여 플라스마 발화 한 후에 처리 가스를 도입해도 좋다.

플라스마를 생성할 때에는, 처리 용기(1) 내에 가스를 도입하면서 플라스마원(2)의 전자기파 출력부(30)로부터, 본 예에서는, 연속 상태의 전자기파가 아니라, 펄스화 장치에서 펄스 형상으로 가공된 전자기파 펄스를 출력한다. 이때, 전자기파 출력부(30)로부터 분배되어 출력된 전자기파 펄스는, 전자기파 전송부(40)의 앰프부(42)에서 증폭된 후, 중앙 전자기파 도입부(43a) 및 주연 전자기파 도입부(43b)에 전송된다. 그리고, 이들에 전송된 전자기파 펄스는, 전자기파 방사 기구(50)의 지파재(121) 및 (131), 슬롯 안테나(124) 및 (134)의 슬롯(122) 및 (132), 및 전자기파 투과창인 유전체 부재(123) 및 (133)을 투과하여 처리 용기(1) 내에 방사된다. 이때, 슬러그(54)를 이동시키는 것에 의해 임피던스가 자동 정합되고, 전력 반사가 실질적으로 없는 상태에서, 전자기파 펄스가 공급된다. 방사된 전자기파 펄스는 천벽부(20)의 표면을 표면파가 되어 전파한다. 이 전자기파 펄스의 전계에 의해 가스가 여기되어, 처리 용기(1) 내의 천벽부(20) 직하의 플라스마 생성 공간 U에 펄스 형상의 표면파 플라스마가 형성된다. 이 펄스 형상의 표면파 플라스마에 의해, 웨이퍼 W에 플라스마 처리가 실시된다.

플라스마의 펄스 주파수는, 펄스화 장치의 주파수와 같은 주파수가 되고, 펄스화 장치와 같은 주기로 플라스마의 온 오프를 반복한다. 이와 같이 온 오프를 반복하는 펄스 형상의 플라스마에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 플라스마를 오프로 했을 때에, 전자 밀도 Ne의 저하 속도보다 전자 온도 Te의 저하 속도 쪽이 빠르다. 이 때문에, 평균치로서, 높은 전자 밀도 Ne를 확보하면서 전자 온도 Te를 저하시킬 수 있다. 이 때문에, 고전자 밀도에 의해 높은 처리 레이트를 유지하면서, 저전자 온도에 의해 웨이퍼 데미지를 저감할 수 있다.

본 실시 형태의 플라스마 처리 장치(100)에서는, 웨이퍼 W는, 플라스마 생성 영역과는 떨어진 영역에 배치되어 있고, 웨이퍼 W에는, 플라스마 생성 영역으로부터 확산한 플라스마가 공급되기 때문에, 본질적으로 저전자 온도로 고밀도의 플라스마가 된다. 이것에 더하여, 펄스 형상 플라스마에 의한 효과가 얻어지기 때문에, 한층 더, 고전자 밀도 및 저전자 온도의 플라스마 처리가 실현된다.

이러한 플라스마 처리를 행하고 있는 동안, 프로브 유닛(7)의 프로브 장치(교류 프로브)(70)를 통하여 플라스마에 교류 전압을 인가하는 것에 의해 펄스 형상 플라스마 상태를 측정한다. 측정을 함에 있어서는, 전원·모니터부(80)의 교류 전원으로부터의 교류 전압을, 동축 케이블(81)을 통하여 프로브 장치(70)에 전송하고, 프로브 장치(70)로부터 플라스마에 인가한다. 그리고, 플라스마 측으로부터의 신호를, 프로브 장치(70)를 통하여 전원·모니터부(80)의 모니터 장치에 전송하고, 전류치를 포함하는 데이터를 측정한다. 측정된 데이터를 모니터 장치로부터 제어 장치(8)에 송신하고, 전자 전류와 이온 전류로 이루어지는 데이터를 제어 장치(8)에 의해 해석하여 플라스마 상태를 파악한다. 예를 들면, 제어 장치(8)에 의해 전류치를 포함하는 데이터의 푸리에 변환(FFT)이 행해지고, 플라스마 상태로서, 플라스마 전자 온도 및/또는 플라스마 전자 밀도가 산출된다.

일반적인 플라스마 상태의 측정은, 이상과 같이 실시되지만, 펄스 형상 플라스마는 플라스마 상태가 단시간에 변동하기 때문에, 이상의 순서에 더하여, 데이터의 측정 방법이 중요하다. 이하, 펄스 형상 플라스마의 측정 방법에 대해 설명한다.

＜펄스 형상 플라스마의 측정 방법＞

이하, 펄스 형상 플라스마의 측정 방법에 대해 설명한다.

［종래의 펄스 형상 플라스마의 측정 방법］

우선, 종래의 펄스 형상 플라스마의 측정 방법에 대해 설명한다.

플라스마를 측정하는 방법으로서, 직류 전압을 인가하여 플라스마를 측정하는 일반적인 랭뮤어 프로브를 이용하는 방법이 이용된다. 펄스 형상 플라스마의 측정에 있어서도 랭뮤어 프로브를 이용할 수 있다. 그러나, 랭뮤어 프로브의 프로브 전압의 스윕 속도는 1초/10V정도이며, 펄스의 피크 폭(온 시간)은 100μsec~10msec 정도이기 때문에, 플라스마 상태를 그대로 측정해도 펄스 온 시와 오프 시의 특성이 섞인 것 같은 특성이 되어 해석이 곤란하다. 그래서, 도 5에 나타내는 바와 같은 시간 분해 측정을 행한다. 즉, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 펄스 파형(점선)에 대해서 프로브 전압을 설정하고, 오실로스코프로 플라스마의 전류 파형을 측정하는 것을, 복수의 전압에서 반복하고, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 얻어진 파형을 시간마다 구획지어, 시간마다 도 5(c)에 나타내는 바와 같은 I-V 특성의 그래프를 작성한다. 이때, 도 6에 나타내는 바와 같이, 펄스의 1주기 중에서의 시간에 대해서 부여하는 전압을 변화시켜 측정을 행하고, 세로의 파선 화살표로 나타내는 바와 같이, 측정점을 시간마다 다시 늘어놓아 전압 V 및 시간 t를 변수로 하는 2변수 함수로서의 전류치 I(V, t)를 구하고, 해석을 행한다.

이러한 랭뮤어 프로브를 이용한 시간 분해 측정은, 기초 평가에는 유효하지만, 직류 전압이 인가되기 때문에, 프로세스 가스를 공급하여 플라스마 처리를 행할 때의 프로세스 플라스마에서는 데포가 생성하고, 데포에 의해 전류가 저해되어 적용이 곤란하다. 또, 프로브 전압을 조금씩 바꾸어 측정을 행할 필요가 있기 때문에 시간이 걸린다. 또한, 측정 결과를 나중에 해석할 필요가 있어, 리얼타임의 해석은 할 수 없다.

［교류 프로브를 이용한 일반적인 시간 분해 측정］

본 실시 형태의 프로브 장치(70)와 같이 교류 전압을 공급하여 플라스마의 측정을 행하는 프로브 장치를, 이하, 교류 프로브라고 칭한다. 교류 프로브는 교류 전압을 인가하기 때문에, 표면에 데포가 부착되어 있어도 전류가 흘러 플라스마 상태를 측정하는 것이 가능하고, 프로세스 플라스마에서도 사용 가능하다. 또, 교류 프로브는 리얼타임의 측정이 가능하다. 특허 문헌 1에는, 교류 프로브를 이용하여 플라스마 처리를 행하고 있을 때에, 프로세스 플라스마 상태를 리얼타임으로 측정하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 특허 문헌 1에는 펄스 형상 플라스마 상태를 측정하는 점에 대해서는 기재되어 있지 않다.

교류 프로브를 이용하여, 펄스 형상의 프로세스 플라스마 상태를 리얼타임으로 측정하는 경우, 단순하게 일반적인 시간 분해로 측정하려고 하면, 펄스 형상 플라스마의 주파수와 교류 프로브의 교류 주파수의 관계는 도 7에 나타낸 바와 같이 된다. 또, 전류치의 측정 시에는, 펄스의 1주기 중에서의 시간에 대해서 교류 전압을 부여하여 측정을 행하고, 전류치의 데이터, 전형적으로는 2변수 함수인 전류치 I(V, t)를 구하고 해석을 행한다. 이때, 부여하는 전압이 교류 전압이므로, 도 8에 나타내는 바와 같이, 화살표의 측정선은 기운 선이 된다. 또, 측정선의 기울기는 교류 전압의 주파수에 대응하고, 기울기가 클수록 주파수가 커진다. 또, 실제로는, 직류 전압을 인가하는 경우보다 V의 폭은 작다.

이 경우, 도 7에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 펄스 형상 플라스마의 주파수가 10kHz인 경우, 일반적인 시간 분해로 충분한 측정점을 얻으려면, 교류 프로브에 있어서의 교류 전압의 주파수로서는 200kHz~1MHz 정도로 20배 내지 100배 정도의 높은 값이 필요하다. 주파수가 오르면, 취급이 어려워지고, 부유 용량으로 가는 신호가 증가하고, 또, 발진기의 코스트가 높아지는 등의 문제가 생긴다. 또, 교류 프로브를 이용한 경우의 계산은, 신호 중에서 플라스마가 변화하지 않는 것을 전제로 하고 있으므로, 1~10주기 정도의 동안, 플라스마가 변화하지 않는다고 간주할 수 있을 정도로 높은, 예를 들면 1MHz 정도의 샘플링 주파수가 필요하게 된다. 또한, 신호 처리는 1회당 10μsec라고 하는 매우 짧은 시간에 행할 필요가 있다. 이와 같이, 교류 주파수를 200kHz~1MHz로 높게 한 다음, 1회당 10μsec라고 하는 단시간의 데이터 처리를 행하는 것은 실현이 지극히 곤란하다.

［일 실시 형태에 따른 플라스마 측정 방법］

일 실시 형태에서는, 펄스 형상의 프로세스 플라스마의 측정을 교류 프로브에 의해 행하지만, 상술한 바와 같은 일반적인 시간 분해 측정이 아니라, 플라스마에 인가하는 교류 전압의 주파수를 펄스화 장치에서 가공한 전자기파 펄스의 주파수로부터 어긋나게 하는 것에 의해, 전류치의 측정을 행한다.

구체적으로는, 이하와 같다.

본 실시 형태의 펄스 형상 플라스마 측정은, 상술한 바와 같이, 전원·모니터부(80)의 교류 전원으로부터 프로브 장치(70)를 통하여 펄스 형상의 프로세스 플라스마에 교류 전압을 인가하고, 교류 전압에 근거하는 프로세스 플라스마로부터의 신호를, 프로브 장치(70)를 통하여 전송하고, 모니터 장치에 내장된 애널라이저(analyzer)에 의해 전류치를 포함하는 데이터를 측정하고, 측정한 데이터를 제어 장치(8)에서 해석하여 펄스 형상의 프로세스 플라스마 상태를 파악한다.

이때, 교류 전원으로부터는 펄스 주파수로부터 어긋난 주파수의 교류 전압을 복수의 펄스의 기간 계속적으로 부여하고, 복수의 펄스 각각의 다른 포인트의 데이터를 중첩하는 것에 의해, 펄스의 1주기분의 기간 내에 있어서 상기 주기의 어긋남에 대응하는 수의 전류치의 데이터, 전형적으로는 2변수 함수인 전류치 I(V, t)를 얻을 수 있다. 이때의 데이터의 수 및 펄스의 1주기분의 기간 내의 측정 시간은, 프로브 전압의 주파수의 전자기파 펄스 주파수로부터의 「어긋남」에 의해 변화한다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 복수의 펄스 형상 플라스마의 펄스의 1주기의 기간 내에 있어서 펄스 형상의 프로세스 플라스마의 측정에 필요한 수의 데이터가, 허용 시간 내에 얻어지도록, 프로브 전압의 주파수(f_probe)를 전자기파 펄스의 주파수(f_pulse)로부터 어긋나게 한다. 도 9는, f_probe를 f_pulse보다 약간 작아지도록 한 예를 나타내지만, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 펄스 12주기분의 시간에서, 펄스 온의 기간에 대응하는 복수의 데이터를 얻을 수 있다. 도 9(b)는, 프로브 전압 중 전압 V_B의 측정점을 나타낸 것이다. 펄스 오프의 기간도 마찬가지로 데이터를 취득할 수 있다.

이때의 데이터 취득에 대해 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은, 횡축에 펄스 1주기 중에서의 시간 t를 취하고, 종축에 프로브 전압(교류 전압) V를 취하여, 취득한 2변수 함수인 전류치 I(V, t)의 데이터를 나타내는 도면이다. 도 10 중의 원 숫자는, 데이터 취득의 차례를 나타내고 있다. 도 10에 나타내는 바와 같이, f_probe를 f_pulse보다 조금 작게 한 경우, 플라스마 측정에 필요한, 측정하고 싶은 영역(펄스 1주기분의 t-V 영역)의 전체를 채우는 데이터를 취득할 수 있다. 이때의 데이터 측정에 필요한 시간은, 후술하는 바와 같이, 대략 1/(f_pulse-f_probe)으로 계산할 수 있다. 이것은 「맥놀이」와 같은 원리이다.

상술한 바와 같이 f_pulse는 500Hz~100kHz의 범위가 바람직하다. 또, f_probe는 500Hz~100kHz의 범위가 바람직하다. 또한, 전술의 교류 프로브를 이용한 일반적인 시간 분해 측정과 같이 f_probe를 f_pulse에 대해서 극단적으로 높게 할 필요는 없고, f_probe는 f_pulse의 10배 미만이어도 좋다.

여기서, f_probe를 f_pulse로부터 어긋난 주파수로 한다는 것은, f_probe와 f_pulse를, 간단한 정수비(1：1, 1：2, 2：3 등)로부터 어긋나게 하는 것을 의미한다. 예를 들면, f_pulse=10kHz인 경우는, f_probe=11kHz를 들 수 있다. 이 경우, 11kHz-10kHz=1kHz의 간격으로, t-V의 그래프를 그릴 수가 있다. 또, f_pulse=10kHz인 경우, 그 반인 5kHz(f_pulse=2f_probe인 경우에 대응)로부터 어긋나게 하여, f_probe=5.5kHz로 하는 경우여도 좋다. 또, f_pulse=10kHz인 경우, 그 1.5배인 15kHz(2f_pulse=3f_probe인 경우에 대응)로부터 어긋나게 하여, f_probe=15.5kHz로 하는 경우여도 좋다.

간단한 정수비인 경우, 예를 들면, f_pulse=f_probe인 경우, f_pulse=2f_probe인 경우, 2f_pulse=3f_probe인 경우는, 각각, 도 11, 도 12, 도 13의 (a)에 나타내는 바와 같이 되고, 펄스 주기 중의 데이터가 적고, 각 도면의 (b)에 나타내는 바와 같이, 측정하고 싶은 영역(펄스 1주기분의 t-V 영역)을 만족할 수 있는 밀도로 채울 수 없고, 플라스마 상태를 정확하게 파악하기 위해서 필요한 데이터를 취득할 수 없다. 또, 예를 들면, f_pulse=10kHz, f_probe=10.0001kHz와 같이 어긋나게 하는 양이 적으면, 데이터 취득 간격이 0.0001kHz(즉 10초에 1회의 데이터 취득)가 되어, 리얼타임성이 부족하고, 또한 측정하고 싶은 영역(펄스 1주기분의 t-V 영역)을 채우는데 시간이 걸린다. 다만, 시간이 걸려도 괜찮은 경우도 있을 수 있고, 그러한 경우는, 이와 같이 어긋나게 하는 양이 적은 경우도 허용된다. 측정 시간은 10sec 이하가 바람직하다.

펄스 1주기분의 t-V 영역 내를 다 채우는 데이터를 취득할 수 있으면, 도 14에 나타내는 바와 같이, 각 시간으로 구획지어 해석한다. 통상, 측정점은 반드시 해석하고 싶은 시간의 축 t_analize 상에 존재한다고 할 수 없다. 그러한 경우는, 선형 보간이나 스플라인 보간 등을 이용하여 t_analize 상의 값으로 보정하여 해석하면 좋다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 펄스의 1주기의 기간 내에 있어서 플라스마 측정에 필요한 수의 전류치의 데이터, 전형적으로는 2변수 함수인 전류치 I(V, t)가, 요구되는 시간 내에 얻어지도록, 프로브 전압의 주파수(f_probe)를 전자기파 펄스의 주파수(f_pulse)로부터 어긋나게 한다. 이것에 의해, 단순하게 일반적인 시간 분해로 측정하는 경우와 같은, 전자기파 펄스 주파수의 20~100배의 높은 주파수의 교류 전압을 이용하지 않고 시간 분해 측정이 가능해져, 비교적 간이하게 프로세스 가스를 이용한 펄스 형상 플라스마 상태를 리얼타임으로 측정하는 것이 가능해진다.

또, 본 실시 형태의 플라스마 측정 방법은, 1데이터당의 측정에 필요한 시간은 비교적 길지만, 랭뮤어 프로브를 이용한 경우와 같은 전압 조건을 바꾸어 시간 분해 측정할 필요는 없기 때문에, 토털의 측정 시간을 짧게 할 수 있다. 또한, 전원·모니터부(80)의 모니터 장치에 애널라이저가 내장되어 있기 때문에, 오실로스코프(oscilloscope)와 같은 부가적인 설비는 불필요하다.

또, 전류의 샘플링 주파수 f_sample도, f_probe와 마찬가지로 f_pulse로부터 「어긋나게 하는」 것으로, f_pulse보다 극단적으로 크게 하지 않아도 측정할 수 있다. 또, 측정의 허용 시간 상한을 T_max로 하면, T_max는 10sec 이하로 하는 것이 바람직하다.

［플라스마 측정의 상세한 조건］

다음에, 펄스 형상 플라스마를 측정할 때의 상세한 조건에 대해 설명한다.

우선, 상술한 도 10에 나타내는 t-V 그래프에 있어서 1개의 측정 선을 긋는데 걸리는 시간에 대해 검토한다. 도 15(a)는 f_probe＞f_pulse인 경우이다. 이 측정선을 1개 긋는데 걸리는 시간을 T₀로 한다. 이 경우, f=1/T로부터, T_probe＜T_pulse이며, T₀=T_probe이다. 도 15(b)는 f_probe＜f_pulse인 경우이다. 이 경우는, T_probe＞T_pulse이며, T₀=T_pulse이다.

이것들을 정리하면, 이하의 식으로 나타나게 된다.

T₀=min(T_probe, T_pulse)

=min(1/f_probe, 1/f_pulse)

=1/max(f_probe, f_pulse)

또한, 이상의 식에 있어서, min은 괄호 내의 2개의 수치 중의 최소치를 나타내고, max는 괄호 내의 2개의 수치 중의 최대치를 나타낸다(이하 동일).

다음에, f_probe와 f_pulse가 거의 같지만, 조금 다른 경우를 생각한다. 이때, 짧은 시간의 측정에서는, 도 16(a)에 나타내는 바와 같이, 측정 영역은 외관 상 t-V그래프 상의 1개의 선의 영역이 된다. 다만, 확대하면 몇 개의 선이 이어지게 된다. 그러나, 이 측정을 긴 시간 계속하면, 이윽고 도 16(b)에 나타내는 바와 같이 t-V그래프 상의 영역을 다 채운다.

즉, 측정의 허용 시간 상한을 T_max로 하여, T_max≒T₀인 경우, 도 16(a)와 같이, T_max의 시간에서는 t-V 그래프 상의 1개의 선의 영역밖에 측정 선을 그을 수 없기 때문에, 지극히 정밀도가 나쁜 측정이 된다. 한편, T_max＞＞T₀인 경우, 측정 시간이 길기 때문에, 도 16(b)과 같이 t-V 그래프 상의 영역을 다 채울 수 있어, 반대로 지극히 정밀도가 좋은 측정이 된다.

f_pluse보다 f_probe가 약간 큰 경우, T₀=T_probe이며, 도 17에 나타내는 바와 같이 측정선 한 개 한 개의 「어긋남」을 ΔT로 하면, ΔT=T_pulse-T_probe가 된다. t-V 그래프 상의 영역을 다 채우려면 , 이하의 (1)식으로 나타내는 개수의 선을 그을 필요가 있고, 거기에 걸리는 시간은, 이하의(2)식으로 나타내어진다.

[수 1]

도 18에 나타내는 측정선 L은 f_probe/f_pulse의 선이다. 또, 측정선의 「편차」의 허용량은 T₀/T_max로 나타내어진다. 이 경우, 이하에 나타내는 (3)식을 만족시키도록 최소의 양의 정수 m, n을 취했을 때, 이것이 f_probe/f_pulse의 필요한 정밀도에서의 근사가 된다. 즉, (3)식은, f_probe/f_pulse를 n/m으로 정수 근사한 식이며, 도 18에 나타내는 바와 같이, (3)식의 좌변은, f_probe/f_pulse=n/m의 선으로부터, 1개 선을 그을 때마다 어느 정도 어긋나 가는지를 나타내는 것이며, (3)식은, 좌변의 어긋남이 허용 범위가 되는 최소의 양의 정수의 세트인 m, n을 구하는 식이다.

[수 2]

다음에, 상기 (3)식에 대해 상세하게 설명한다.

가상예로서 T₀/T_max=1/100, f_probe/f_pulse=1001/1000, m=n=1인 경우를 생각한다. 이 경우, (3)식은 이하의 (4)식으로 나타내어진다.

[수 3]

이때, 도 19에 나타내는 바와 같이, 측정선은 1：1의 라인으로부터 1/1000씩밖에 어긋나 가지 않으며, 1회의 어긋남의 양은, 그 허용치의 최저치인 T₀/T_max=1/100의 1/10이다. 이 때문에 T_max에서 t-V 그래프의 영역을 다 채우지 못하고, 측정으로서는 f_probe/f_pulse=1인 지극히 정밀도가 나쁜 것이 된다(오히려 측정으로서 거의 성립하고 있지 않다).

T_max가 10배가 되어 T₀/T_max=1/1000이 된 경우를 생각하면, 도 20에 나타내는 바와 같이, 측정선은 1：1의 라인으로부터 1/1000씩 어긋나 가지만, T_max가 크고, T₀/T_max의 간격과 (4)식의 좌변의 간격이 동일한 정도이므로, 측정선의 어긋남이 t-V 그래프의 영역의 전체를 다 덮는 것을 기다릴 수 있으며, f_probe/f_pulse=1001/1000인 정밀도가 좋은 측정이 성립할 수 있다. 다만, 이때, 1000×T₀=T_max이므로, 측정 시간은 빠듯하게 한계 이내로 된다.

다음에, 상기 (3)식에 실제로 숫자를 적용시켜 시산한다.

여기에서는, f_probe=1000.1Hz, f_pulse=1000Hz로 한다. 이때, T₀=1/(max(f_probe, f_pulse)이기 때문에, T0=1/1000.1sec이다. 설명을 간단하게 하기 위해 T₀=1/1000sec로 근사한다(근사해도, 하지 않아도 결과는 거의 같다).

이때,

f_probe/f_pulse=1000.1/1000=10001/10000=1.0001이며, 이것을 상기 (3)식에 적용시키면, 이하의 (5)식이 된다.

[수 4]

그리고, T_max를 0.1sec, 1sec, 10sec로 변화시킨 경우, 상기 (5)식은 이하와 같이 된다.

[수 5]

T_max가 0.1sec 및 1sec인 경우는, n=m=1으로 식이 성립되어 정밀도가 좋은 측정은 할 수 없다. 한편, T_max가 10sec에서는 n=m=1에서는 식이 성립되지 않고, 보다 큰 m, n이 필요하다. n/m=5002/5001로 하면, (5)식의 좌변이 0.00009996이 되어 식을 만족시킨다. 즉, T_max가 10sec까지 늘어나면, 갑자기 큰 m, n이 필요하다. 후술하는 바와 같이, m, n은 측정선의 개수를 규정하는 것이기 때문에, 이와 같이 m, n의 값이 커지면, 정밀도가 좋은 측정이 실현된다.

그러나, f_probe/f_pulse=10001/10000이므로, t-V 그래프의 영역을 다 채우려면 n/m=10001/10000이 되는 것이 요구되고, n/m=5002/5001에서는, 도 21에 나타내는 바와 같이, t-V 그래프의 영역의 반 밖에 다 채울 수 없다.

이것은, (5)식의 원이 되는 (3)식의 좌변을 절대치로 한 것에 기인한다. 즉, 단순하게 (5)식의 절대치를 제외하면, 이하와 같이 된다.

-0.0001＜1.0001-(n/m)＜0.0001

1＜n/m＜1.0001＋0.0001=1.0002

즉, 최대치의 마지막 자리수가 배가 되어 있다. 이 식에서는, 1.0001에 가까운 10001/10000이 아니라, 1.0002에 가까운 5002/5001이 (5)식을 만족시키는 최소의 양의 정수의 m, n이 된다.

이러한 것을 회피하기 위해, 상기 (3)식을 f_pulse＜f_probe와, f_pulse≥f_probe로 경우 나눔(Division into cases)하면, 이하의 (6)식과 같이 된다. 그리고, 경우 나눔의 2개의 식을 1개의 식으로 정리하면 (7)식과 같이 된다.

[수 6]

다음에, 상기 (7)식을 이용하여 시산한다. 여기에서는, 상기 (3)식의 시산과 같이, f_probe=1000.1Hz, f_pulse=1000Hz, T₀=1/1000sec로 한다.

이때, f_probe/f_pulse=1000.1/1000=10001/10000=1.0001이며, 이것을 상기 (7)식에 적용시키면, 이하의(8)식이 된다.

[수 7]

T_max=10sec일 때

1.0001-(n/m)＜0.0001이 된다.

이 경우, n=m=1에서는 식이 성립되지 않고, 보다 큰 n, m이 필요하다. 이 경우, n/m=5002/5001에서는, 1.0001-(n/m)=-0.00009996이 되어, 마이너스가 되기 때문에 상기 (8)식을 만족시키지 않는다. 따라서, m, n을 더 증가시킬 필요가 있다. n/m=10001/10000까지 m, n을 증가시키면, 1.0001-(n/m)=1.0001-(10001/10000)=0이 되어 상기 (8)식을 만족시킨다. 이와 같이, 상기 (8)식을 이용하는 것에 의해 기대한 m, n이 얻어진다. 즉, 상기 (8)식이 펄스 형상 플라스마의 측정을 위한 매우 적합한 조건의 1개가 된다.

또한, 이상은, 경계를 명확하게 하기 위해서 f_probe와 f_pulse가 근접하고 있는 경우를 예로 들어 설명했지만, f_probe와 f_pulse가 근접하고 있지 않은 경우도 마찬가지로 상기 (8)식을 만족시키는 m, n이 얻어진다

이상 설명한 m, n은, 도 22에 예시하는 바와 같이, 복수의 측정선이 각각 t-V 그래프의 t 라인 및 V 라인과 교차하는 점의 수로서 나타나고, 측정선의 개수를 규정하는 것이다. 도 22는, m=5, n=11의 예이다. 도 22의 테두리로 둘러싼 선은, 2개로 나누어져 있지만, 좌단으로부터 우단에 도착할 때까지를 1개로 세면, 선의 수는 전부 11개가 된다. 즉, 본 예에서는 측정선의 개수 N=max(n, m)이 된다. 이것은, 상술한 바와 같이 T₀=1/max(f_probe, f_pulse)와, 큰 쪽의 주파수가 사용되는 것에 대응한다. 이때, t-V 영역을 다 채울 때까지의 측정 시간은, NT₀=11T_pulse가 된다.

m, n이 작으면 측정선의 수가 적게 되어, 측정 정밀도가 저하한다. 측정선의 수가 10 이상이면 충분한 측정 정밀도를 확보할 수 있다. 이 때문에, 매우 적합한 측정 정밀도 요건으로서 이하의 (9)식을 들 수 있다.

max(m, n)≥10···(9)

또, t-V 영역을 다 채울 때까지의 측정 시간은, 상술한 바와 같이 NT₀로 나타내어진다. 이 NT₀가 T_max보다 작은 것이 요구된다. 즉, N=max(n, m), T₀=1/max(f_probe, f_pulse)이기 때문에, 측정 시간의 요건으로서, 이하의 (10)식을 들 수 있다. 이 식은, m, n이 너무 크면 측정 시간을 만족시킬 수 없는 것을 나타내는 것이다.

[수 8]

이상과 같이, 상기 (8)식, (9)식, (10)식을 만족시키는 것에 의해, 최적인 m, n을 구할 수 있고, 보다 확실히, 펄스 형상 플라스마의 펄스의 1주기의 기간 내에 있어서의 플라스마 측정에 필요한 데이터를 요구되는 시간 내에 얻을 수 있다.

［신호 처리］

프로브 장치(70)를 통하여 펄스 형상 플라스마에 교류 전압을 인가했을 때에 얻어지는 플라스마 측으로부터의 신호는, 모니터 장치에 보내진다. 그리고, 내장된 애널라이저에서 전류치의 데이터, 전형적으로는 2변수 함수인 전류치 I(V, t)가 측정된다. 측정된 데이터는 제어 장치(8)에 송신되고, 제어 장치(8)에서 해석되고, 펄스 형상 플라스마 상태가 측정된다. 이때의 데이터 해석은, 전류치를 푸리에 변환(FFT)하는 것에 의해 행해진다.

플라스마에서는, 부여된 전압에 대해서 지수 함수적으로 전류가 흐른다. 검출한 전류치에는, 기본 주파수를 갖는 기본파의 성분과, 기본파에 대해서 파장이 2배인 제 1 고조파, 파장이 3배인 제 2 고조파 등의 고조파 성분이 포함되어 있다. 그래서 FFT에 의해 기본파 및 고조파의 진폭의 피크를 이용하여, 플라스마의 전자 밀도 및 플라스마의 전자 온도를 산출한다. 이 경우의 전자 밀도 및 전자 온도의 산출은, 상기 특허 문헌 1(일본 특개 2019-46787호 공보)에 기재된 식을 이용하여 행할 수 있다.

특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 교류 프로브(프로브 장치(70))를 이용한 경우의 플라스마의 전자 밀도 및 전자 온도 등의 전기적 특성의 측정 결과는, 직류 프로브인 랭뮤어 프로브와 동등하다.

＜다른 적용＞

이상, 실시 형태에 대해 설명했지만, 이번 개시된 실시 형태는, 모든 점에 있어서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 하는 것이다. 상기의 실시 형태는, 첨부의 특허 청구의 범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 여러 가지 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.

예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 플라스마 처리 장치로서, 복수의 전자기파 도입부로부터 처리 용기 내에 마이크로파 등의 전자기파를 방사하여 생성된 표면파 플라스마에 의해 플라스마 처리를 행하는 것을 예시했지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 전자기파 도입부는 1개여도 좋다. 또, 플라스마 처리 장치로서는, 전자기파를 방사하여 플라스마를 생성하는 것에 한정하지 않고, 예를 들면, 용량 결합형 플라스마(CCP)나, 유도 결합형 플라스마(ICP), 자기 공명(ECR) 플라스마 등, 다른 여러 가지의 플라스마를 이용한 플라스마 처리 장치여도 좋다.

또, 상기 실시 형태에서는, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용한 경우에 대해 나타냈지만, 반도체 웨이퍼에 한정하지 않고, LCD(액정 디스플레이)용 기판으로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.

1；처리 용기
2；플라스마원
6；가스 공급 기구
7；교류 프로브 유닛
8；제어 장치
11；탑재대
20；천벽부
30；전자기파 출력부
40；전자기파 전송부
50；전자기파 방사 기구
61；가스 공급원
62；가스 도입부
70；프로브 장치
71；안테나부
80；전원·모니터부
100；플라스마 처리 장치
W；반도체 웨이퍼(기판)

Claims (14)

1. 기판을 수용한 처리 용기 내에 프로세스 가스를 도입하고, 전자기파 발진기로부터 발생시킨 전자기파를 펄스화 장치에서 가공한 전자기파 펄스를 이용하여 펄스 형상 플라스마를 생성하여 기판에 대해 플라스마 처리를 행할 때에, 프로브 장치를 이용하여 플라스마 상태를 측정하는 플라스마 측정 방법으로서,
   상기 프로브 장치를 통하여 상기 펄스 형상 플라스마에 교류 전압을 인가하는 것과,
   상기 교류 전압에 근거하는 상기 펄스 형상 플라스마로부터의 신호를, 상기 프로브 장치를 통하여 전송하고, 전류치를 포함하는 데이터를 측정하는 것과,
   상기 측정한 데이터를 해석하여 상기 펄스 형상 플라스마 상태를 파악하는 것을 갖고,
   상기 전자기파 펄스의 1주기의 기간 내에 있어서 상기 펄스 형상 플라스마의 측정에 필요한 수의 데이터가, 허용 시간 내에 얻어지도록, 상기 교류 전압의 주파수를 상기 전자기파 펄스의 주파수로부터 어긋나게 하는 플라스마 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 교류 전압을 복수의 상기 전자기파 펄스의 기간 계속적으로 부여하고, 복수의 상기 전자기파 펄스의 각각의 다른 포인트의 데이터를 중첩하는 것에 의해 상기 전자기파 펄스의 1주기 내에 있어서의 상기 필요한 수의 데이터를 얻는 플라스마 측정 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 교류 전압의 주파수를 f_probe, 상기 전자기파 펄스의 주파수를 f_pulse로 한 경우에, 이하의 (1)식, (2)식, (3)식에 나타내는 관계를 만족시키는 플라스마 측정 방법.
   [수 1]
   

   

   
   다만, m, n은 상기 (1)식을 만족시키는 최소의 양의 정수의 세트를 나타내고, T_max는 상기 데이터의 측정의 상기 허용 시간 상한을 나타낸다.
4. 기판을 수용한 처리 용기 내에 프로세스 가스를 도입하고, 전자기파 발진기로부터 발생시킨 전자기파를 펄스화 장치에서 가공한 전자기파 펄스를 이용하여 펄스 형상 플라스마를 생성하여 기판에 대해 플라스마 처리를 행할 때에, 프로브 장치를 이용하여 플라스마 상태를 측정하는 플라스마 측정 방법으로서,
   상기 프로브 장치를 통하여 상기 펄스 형상 플라스마에 교류 전압을 인가하는 것과,
   상기 교류 전압에 근거하는 상기 펄스 형상 플라스마로부터의 신호를, 상기 프로브 장치를 통하여 전송하고, 전류치를 포함하는 데이터를 측정하는 것과,
   상기 측정한 데이터를 해석하여 상기 펄스 형상 플라스마 상태를 파악하는 것을 갖고,
   상기 교류 전압의 주파수를 f_probe, 상기 전자기파 펄스의 주파수를 f_pulse로 한 경우에, 이하의 (1)식, (2)식, (3)식에 나타내는 관계를 만족시키는 플라스마 측정 방법.
   [수 2]
   

   

   
   다만, m, n은 상기 (1)식을 만족시키는 최소의 양의 정수의 세트를 나타내고, T_max는 상기 데이터의 측정의 허용 시간 상한을 나타낸다.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서
   상기 T_max는, 10sec 이하인 플라스마 측정 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전류치를 포함하는 데이터는, 전압과 시간을 변수로 하는 2변수 함수로서의 전류치인 플라스마 측정 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 교류 전압의 주파수는, 500Hz~100kHz의 범위인 플라스마 측정 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자기파 펄스의 주파수는, 500Hz~100kHz의 범위인 플라스마 측정 방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   상기 교류 전압의 주파수는, 상기 전자기파 펄스의 주파수의 10배 미만인 플라스마 측정 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터를 해석할 때의 샘플링 주파수는, 상기 전자기파 펄스의 주파수로부터 어긋나게 하는 플라스마 측정 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터를 시간으로 구획지어 해석하고, 그때에, 상기 데이터를 시간 축에 존재시키도록, 선형 보간 또는 스플프라인 보간을 이용하여 상기 데이터를 보정하는 플라스마 측정 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터를 해석하는 것에 의해, 상기 펄스 형상 플라스마의 전자 밀도 및/또는 전자 온도를 산출하는 플라스마 측정 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 데이터의 해석은, 상기 전류치를 푸리에 변환하는 것에 의해 행해지는 플라스마 측정 방법.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로브 장치는, 상기 펄스 형상 플라스마에 접하는 표면에 절연막이 형성되고, 상기 펄스 형상 플라스마로부터 DC적으로 절연되어 있는 플라스마 측정 방법.

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