TW201537612A - 電漿處理裝置 - Google Patents

Abstract

提供一種提升處理精度而提高良率之電漿處理裝置。 一種電漿處理裝置，具備：處理室，配置於真空容器的內部；及第1高頻電源，輸出第1高頻電力，以便將用於處理對象的試料的處理之電漿，供給至形成於前述處理室內之電場；及試料台，配置於前述處理室內，將前述試料載置於其上面；及第2高頻電源，間歇性地輸出第2高頻電力，以便在配置於該試料台的內部之電極形成偏壓電位，且可將該輸出的時間予以可變地調節；其特徵為：具備下述功能，即，與該第2高頻電力的前述間歇性的輸出的開始同步，來檢測前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓波形隨著時間之變化，並利用其結果來調節前述電漿處理裝置的運轉。

Description

電漿處理裝置

本發明係有關將配置於真空容器內部的處理室內所配置之半導體晶圓等基板狀試料，運用形成於該處理室內的電漿予以處理之電漿處理裝置及電漿處理方法，特別是有關對於將試料載置於其上之試料台的內部所配置之電極供給高頻電力，藉此在試料上形成高頻偏壓電位以處理試料之電漿處理裝置及電漿處理方法。

過往以來，製造半導體裝置的其中一個工程，會運用下述技術，即，將配置於半導體晶圓等基板狀試料的表面之包括遮罩(mask)在內的複數個膜層，使用電漿予以蝕刻處理以形成電路的配線構造。像這樣使用電漿的習知技術之例子，可舉出藉由電子迴旋共振(Electron Cyclotron Resonance：ECR，以下略稱ECR)來形成電漿之電漿處理裝置。

使用該ECR造成的電漿來做蝕刻處理之電漿處理裝置，是在配置於真空容器內部之處理室中導入用來形成電漿之電場及磁場，將供給至處理室內之處理用氣體 的原子或分子予以激發而產生電漿。這樣的裝置中，藉由導入至處理室內之微波、VHF、UHF頻帶等的高頻電場而運動之電子，會因為同樣被導入之磁場而做迴旋運動，藉由選擇磁場的強度及高頻電場的頻率使得兩者共振，便能有效率地生成電漿。

又，為了促進蝕刻處理而以所求之高精度實現處理後的形狀，會將形成的電漿中的帶電粒子導入至試料的處理對象膜層，因此一般而言會進行下述事項，即，對於配置於處理室內而承載試料之試料台的內部所配置之金屬製電極供給高頻電力，以在試料台或試料的上面上方形成所求的偏壓電位。以下，針對施加於試料之高頻電力，以下稱為高頻偏壓電力，或簡稱高頻偏壓。

導入至處理室內而用來形成電漿之處理用氣體，係因應處理對象膜層的材料來選擇能夠有效率地處理其之物，但一般而言氯或氟等鹵素氣體係廣為使用。因電漿而產生之具有自由基(radical)等高活性的粒子或離子等帶電粒子會與處理對象膜層的材料反應，藉此進行蝕刻。

這樣的習知技術中，為了設計成使蝕刻處理造成的加工形狀精度更加提高，過往以來會進行下述事項，即，適當地控制高頻偏壓之供給。舉例來說，已知有下述技術，即，將被調變的或間歇性的高頻偏壓施加至試料台內部所配置之電極。又，已知有下述技術，即，除了高頻偏壓以外還將用來形成電漿之電場或將形成其之電力 予以調變而供給；或是使被調變而供給之電漿形成用的電力(電場)及被調變而供給之高頻偏壓這兩者的產生時期同步。

再者，日本特開2002-93781號公報(專利文獻1)揭示下述技術，即，間歇性的反覆供給用來形成電漿之電力或高頻偏壓電力，檢測其過渡狀態下電漿密度或強度等特性值所展現的時間性變化，並依此來控制試料的處理或進行電漿處理裝置的診斷。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2002-93781號公報

上述習知技術中，對於下述問題點考量不周全，因此產生了問題。

亦即，近年來電漿處理領域中講求以更高的尺寸精度來形成加工後獲得之形狀，為了實現該要求，必須更正確地檢測電漿密度或強度、電位等特性，並依此調節裝置的運轉或電漿的形成或處理條件。特別是，於試料處理中當被施加受到時間調變之間歇性的高頻偏壓的情形下，因應反覆間歇性地ON/OFF之高頻偏壓而形成之電漿的電位等特性亦會變動，於其電力供給的開始、停止前 後，容易因為從一方的穩定狀態過渡至另一方而出現過渡狀態。

因此，為了提升加工精度，必須正確地得知包括過渡狀態在內之電漿狀態或形成於試料上之高頻偏壓的狀態。而為了檢測這樣的電漿或高頻偏壓的過渡狀態，有效的作法是檢測過渡狀態下的高頻偏壓之電流電壓波形(偏壓波形)。

然而，當電漿處於過渡狀態的時間短的情形下，僅靠測定其時間的波形並不足夠。若電漿的過渡性變動和高頻偏壓的周期為近乎同等之時間尺度(time scale)，則為了正確得知其變動，必須以同等於高頻偏壓的周期或比其更短的周期，來判別高頻偏壓是否呈ON(被施加之狀態)，並檢測ON的期間，以檢測高頻偏壓波形的每個周期的變動。

又，上述習知技術中間歇性地供給高頻偏壓者，會反覆高頻偏壓的ON及OFF，藉此電漿亦會周期性地重複過渡狀態及穩定狀態。故，為了更正確地得知電漿的狀態，除了針對高頻偏壓以外，還要求針對電漿也判別其過渡狀態及穩定狀態，並檢測過渡狀態下的電漿狀態。

又，這樣的檢測，如同高頻偏壓般，須要求能夠檢測其電場或電力波形的每一周期的變動。此外，針對使高頻偏壓與電漿形成用的電力這雙方同步並予以時間調變之方法，也會產生同樣的課題。

然而，上述習知技術中並未考量檢測過渡狀 態下的高頻偏壓波形的變動之課題。因此，損及了處理精度乃至於良率。

本發明之目的，在於提供一種提升處理精度而提高良率之電漿處理裝置。

上述目的，係藉由一種電漿處理裝置，具備：處理室，配置於真空容器的內部；及第1高頻電源，輸出第1高頻電力，用來供給電場，以便將用於處理對象的試料的處理之電漿形成於前述處理室內；及試料台，配置於前述處理室內，將前述試料載置於其上面；及第2高頻電源，間歇性地輸出第2高頻電力，以便在配置於該試料台的內部之電極形成偏壓電位，且可將該輸出的時間予以可變地調節；其特徵為：具備下述功能，即，與該第2高頻電力的前述間歇性的輸出的開始同步，來檢測前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓波形隨著時間之變化，並利用其結果來調節前述電漿處理裝置的運轉；來達成。

此外，藉由一種電漿處理裝置，具備：處理室，配置於真空容器的內部；及第1高頻電源，輸出第1高頻電力，用來供給電場，以便將用於處理對象的試料的處理之電漿形成於前述處理室內；及試料台，配置於前述處理室內，將前述試料載置於其上面；及第2高頻電源，輸出第2高頻電力，以便在配置於該試料台的內部之電極 形成偏壓電位，且可將該輸出的ON及OFF之時間或其比率予以可變地調節；其特徵為：具備下述功能，即，與該第2高頻電力的前述ON期間的開始同步，來檢測前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓波形隨著時間之變化，並利用其結果來調節前述電漿處理裝置的運轉；來達成。

藉由上述構成，能夠選擇電漿處於穩定狀態之期間及電漿處於過渡狀態之期間，更正確地檢測電漿狀態，並依此調節電漿處理裝置的運轉或電漿所致之處理條件，或是監視裝置的狀態或電漿所致之處理條件。特別是，從其過渡狀態下的高頻偏壓波形中檢測自偏壓(self bias)發生為止之時間、電漿密度的最大值及最小值或電漿密度的上升(rise)時間等電漿特性，藉由運用此，處理良率或加工精度會提升。

101‧‧‧反應容器

102‧‧‧螺線管線圈

103‧‧‧微波電源

104‧‧‧磁控管

105‧‧‧導波管

106‧‧‧介電體窗

107‧‧‧處理室

108‧‧‧電漿

109‧‧‧晶圓平台

110‧‧‧高頻偏壓電源

111‧‧‧半導體晶圓

112‧‧‧電力感測器

113‧‧‧電力分析基板

114‧‧‧脈衝發生單元

201-1、2‧‧‧AD變換器

202-1、2‧‧‧記憶體

203‧‧‧CPU

204‧‧‧波形取得時間點調整電路

205‧‧‧時基計數器

206‧‧‧高頻偏壓輸出指令訊號生成部

207‧‧‧微波輸出指令訊號生成部

[圖1]本發明實施例之電漿處理裝置的構成概略模型說明用縱截面圖。

[圖2]圖1所示實施例之電力分析基板及脈衝發生單元的構成概略模型示意方塊圖。

[圖3]圖1所示實施例之高頻偏壓的測定時間點模型 示意圖表。

[圖4]圖1所示實施例的變形例之電漿處理裝置的構成概略模型說明用縱截面圖。

[圖5]圖4所示變形例之電力分析基板及脈衝發生單元的構成概略模型示意方塊圖。

[圖6]圖1所示實施例的另一變形例之電漿處理裝置中，微波、高頻偏壓及電漿密度的時間變化模型說明圖表。

[圖7]圖1所示實施例的另一變形例之電漿處理裝置中，對於處理中的微波、高頻偏壓及電漿密度的時間變化以及處理的過渡狀態下的電漿密度予以檢測之時間點模型說明圖表。

[圖8]圖1所示實施例的另一變形例之電漿處理裝置中，對於發送高頻偏壓輸出指令後的高頻偏壓的電壓波形，每隔20周期予以檢測之結果模型示意圖。

[圖9]圖1所示實施例之高頻偏壓電力的電流波形的隨時間變遷之變化模型示意圖。

[圖10]圖4所示變形例之電漿密度及高頻偏壓電流波形的隨時間變遷之變化模型示意圖。

[圖11]圖4所示變形例之高頻偏壓的測定時間點模型示意圖表。

以下，利用實施例說明用以實施本發明之形 態。

[實施例1]

利用圖1至3及圖9說明本發明之實施例。圖1為本發明實施例之電漿處理裝置的構成概略模型說明用縱截面圖。

本實施例之電漿處理裝置，是對配置於真空容器內部之處理室中導入用來形成電漿之電場及磁場，將供給至處理室內之處理用氣體的原子或分子予以激發而產生電漿。這樣的本實施例中，藉由導入至處理室內之微波、VHF、UHF頻帶等的高頻電場而運動之電子，會因為同樣被導入之磁場而做迴旋運動，藉由選擇磁場的強度及高頻電場的頻率使得兩者共振(電子迴旋共振：Electron Cyclotron Resonance：ECR)，來有效率地生成電漿。

真空容器的一部分，亦即上部具有圓筒形之反應容器101，於其內部具備具有圓筒形之處理室107。處理室107，在被減壓之內部具備供電漿形成的空間，在下方配置有試料台即晶圓平台109，供處理對象之半導體晶圓111等基板狀試料載置於其上面並保持之。此外，在反應容器101的下方，有排氣裝置與反應容器101的下面連結而配置，該排氣裝置包含渦輪分子泵浦(turbo molecular pump)等真空泵浦(未圖示)，其透過配置於晶圓平台109下方之排氣用開口而與處理室107連通，將其內側予以排氣減壓。

又，在反應容器101的上方，配置有電磁波形成部，包括：形成供給至處理室107的電場之磁控管(magnetron)103、和傳播電場的部分即導波管105；及螺線管線圈(solenoidal coil)102，配置於導波管105的下端部與處理室107之間，和共振部共同形成磁場而供給至處理室107，其中該共振部係供從導波管105導入之電場在內部發生共振且比導波管105還大口徑。另，反應容器101中作為真空容器之部分，係被介電體窗106區隔開來，該介電體窗106為石英等介電體製之構件且具有圓板形狀，配置於處理室107的上方亦即共振部的下方，將它們區隔開來；本實施例中係構成為介電體窗106下方的處理室107內部與其上方的外部被氣密地分隔開來，但為求簡便，包括和處理室107的圓筒形部分大致同口徑的共振部在內均稱為反應容器101。

在反應容器101的上方及側方之外部周圍圍繞著處理室107而配置之螺線管線圈102，係對其供給直流電流來形成磁場，該磁場被供給至處理室107內。此外，磁控管103是從與其電性連接之微波電源104被供給高電壓而振盪，以產生微波。產生的微波的電場會通過導波管105而傳播，被導入至共振部而共振之特定模態的電場，會穿透構成共振部底面之介電體窗106而從上方導入至處理室107。

在處理室107中供電漿形成之具有圓筒形的空間的下方，配置著晶圓平台109，其具備載置面，係構 成其上面，且具有和半導體晶圓111相同或者近似至可視為相同程度之圓形狀。載置面由介電體製的膜所構成，在其上承載著半導體晶圓111的狀態下，對於配置於膜內之未圖示膜狀電極，從與它電性連接之直流電源供給電力，而構成為可藉由形成之靜電力來吸附保持半導體晶圓111。

在半導體晶圓111被吸附保持於晶圓平台109上的狀態下，從未圖示氣體源透過與反應容器101連結之供給用管路，對處理室107內供給處理用氣體(製程氣體)至處理室107內的電漿形成用空間。此外，透過配置於晶圓平台109下方之未圖示排氣口，藉由真空泵浦的動作將處理室107內部的氣體或粒子予以排氣。被供給至處理室107內之處理用氣體，以及真空泵浦所致之從排氣口的排氣，藉由各者的流量、速度之平衡，處理室107內部的壓力便被調節至所求範圍內之值。

在製程氣體被導入至處理室107內而處理室107內維持在規定壓力範圍值的狀態下，對處理室107內供給微波所造成的電場與磁場。藉由它們的乘數效應引起電子迴旋共振(ECR)，激發導入至處理室107之製程氣體，生成電漿108。

在晶圓平台109的內部，配置有金屬製之圓筒形或圓板形的電極，該電極係與輸出規定範圍頻率的電力之高頻偏壓電源110電性連接。於半導體晶圓111處理中，來自高頻偏壓電源110的高頻電力被供給至晶圓平台 109的電極，藉此，在晶圓平台109的上面或半導體晶圓111上面的上方便形成高頻所致之偏壓電位。

藉由這樣高頻偏壓的電位與電漿108的電位之差(電位差)，會引誘電漿108中的離子等帶電粒子使其衝撞半導體晶圓111上面的處理對象膜層，促進該膜層與帶電粒子或電漿108中的自由基等活性粒子之間的物理性或化學性作用。此外，此時藉由適當地調節帶電粒子對於半導體晶圓111的入射能量，便會於上述作用所致之蝕刻處理中實現高度的異方性(anisotropy)。

在將高頻偏壓電源110與晶圓平台109(內部的電極)之間予以電性連接之同軸電纜等供電路徑上，配置有電力感測器112，其偵測藉由高頻偏壓電源110施加之高頻偏壓的電流或電壓。本實施例中，電力感測器112的輸出亦即電流監視訊號及電壓監視訊號，會透過通訊手段傳遞給與電力感測器112電性連接之電力分析基板113。

又，本實施例中，脈衝發生單元114係電性連接至電力分析基板113及高頻偏壓電源110。脈衝發生單元114，係對高頻偏壓電源110輸出基準時脈及高頻偏壓輸出指令訊號，且進行該輸出之調變；其中該基準時脈為時脈訊號的基礎，而時脈訊號為高頻電力的輸出的基礎。

脈衝發生單元114，如後述般，依據使用者從脈衝發生單元114的外部輸入並指定之示意ON和OFF的 各時間長度及其比率之資訊，來算出高頻偏壓輸出指令訊號的ON訊號及OFF訊號，並向高頻偏壓電源110發訊。又，來自脈衝發生單元114的基準時脈及高頻偏壓輸出指令訊號，也會透過通訊手段傳遞給電力分析基板113，如後述般，可測定電流及電壓，該電流及電壓係與配合指定而其ON/OFF的各期間及比率(工作比，duty ratio)受到調整(調變)之高頻偏壓輸出訊號的該ON/OFF期間同步。

圖2為圖1所示實施例之電力分析基板113及脈衝發生單元114的構成概略模型示意方塊圖。本例中電力分析基板113及脈衝發生單元114，並非僅由以下說明之要素所構成，還具備雖省略說明但為達成其功能所必要之其他要件。

本實施例中，來自電力感測器112的輸出亦即電流監視訊號及電壓監視訊號，是透過有線或無線任一種之通訊手段而傳遞給電力分析基板113。配置於電力分析基板113上之AD變換器201-1、201-2，係接收電流監視訊號、電壓監視訊號各者並變換成數位訊號。

被變換的訊號值會分別被傳遞給記憶體202-1、202-2，並被存儲記憶於各者的內部。又，CPU203會從記憶體202-1、202-2讀出內部存儲之值，並利用其結果來算出電流、電壓的峰值，有效值，相對於理想正弦波之失真量，以及電流與電壓的相位差等示意高頻電力特性之參數值。此時，上述值對於記憶體202-1、202-2的存 儲，是因應由波形取得時間點調整電路204算出並輸出之波形取得時間點的訊號來進行。

波形取得時間點，是在接收來自脈衝發生單元114的輸出亦即基準時脈(或基準時脈訊號)及高頻偏壓輸出指令訊號之波形取得時間點調整電路204中被算出，並被輸出成為訊號。脈衝發生單元114所形成之從其發訊之基準時脈，為以規定周期發訊之時脈訊號，其係高頻偏壓輸出指令訊號以及波形取得時間點的基礎，本實施例中是每隔頻率400kHz發訊。

脈衝發生單元114，具備：振盪器，於其基板上發訊以產生作為基準時脈之周期性脈衝訊號；及時基計數器205，形成規定周期的波形；及高頻偏壓輸出訊號生成部206，為形成高頻偏壓輸出訊號之單元。這樣的脈衝發生單元114，係依據基準時脈、及從外部給予之脈衝周期資訊及高頻偏壓脈衝負載(duty)資訊，來生成高頻偏壓輸出指令訊號。

時基計數器205，係依照從振盪器獲得之基準時脈訊號、及從透過通訊手段連接之單元的外部獲得之資料中含有的脈衝周期資訊，來生成並輸出和該脈衝周期資訊相對應之周期的脈衝波形(本例中為規定大小之ON狀態及大小為0之OFF狀態的二元值方波)，示意該波形之輸出會被輸入至高頻偏壓輸出指令訊號生成部206。高頻偏壓輸出指令訊號生成部206中，係生成並輸出高頻偏壓輸出指令訊號以作為成為指定周期或工作比之高頻偏壓 的輸出時刻、時間點，而該指定周期或工作比係與接收之該脈衝波形以及同樣透過通訊手段連接而從外部獲得之資料中包含的高頻偏壓脈衝負載資訊相對應。本例中，高頻偏壓輸出指令訊號為示意ON或OFF這2者之方形訊號。

本實施例中，上述AD變換器201、記憶體202、CPU203及波形取得時間點調整電路204、以及時基計數器205、高頻偏壓輸出指令生成部206或甚至振盪器，可由一個裝置或以通訊手段連接之複數個裝置來構成，亦可為一個裝置的內部所含有之電路。此外，同樣地，電力分析基板113、脈衝發生單元114各者亦可由一個裝置或以通訊手段連接之複數個裝置來構成，亦可為一個裝置的內部含有之電路。

利用圖3，說明本實施例中高頻偏壓的過渡狀態及其檢測時間點。圖3為圖1所示實施例之高頻偏壓的測定時間點模型示意圖表。

本圖中，於電力分析基板113進行之高頻偏壓的大小或波形之檢測，或偵測之時間點，是依據從脈衝發生單元114輸出之基準時脈來執行。這樣的實施例中，因應以脈衝狀ON及OFF之基準時脈訊號的任意脈衝的上升時刻或時間點，來自高頻偏壓輸出指令訊號生成部206的高頻偏壓輸出指令訊號會成為ON而被輸出至高頻偏壓電源110並被接收，便輸出高頻偏壓電力。

高頻偏壓電源110，因應從脈衝發生單元114發訊之2個訊號，來輸出高頻偏壓電力。也就是說，因應 示意ON/OFF之方波訊號亦即高頻偏壓輸出指令訊號，來使高頻偏壓成為ON而輸出或成為OFF而停止，且和基準時脈訊號相對應，以事先訂定好的一定相位來開始且停止高頻偏壓的各周期波形之輸出。

一旦高頻偏壓電力被輸出而供給至晶圓平台109的電極，便會在半導體晶圓111上發生所謂自偏壓之負電壓。在這樣的自偏壓達到穩定狀態之前，通常會發生10μsec程度以下的時間延遲，而本實施例中以大致10μsec之情形為例來做說明。

另一方面，偏壓形成用的高頻電力的頻率為400kHz，其周期為2.5μsec，因此在自偏壓發生之時間即大致10μsec的期間，偏壓波形會大致存在4個周期。本實施例中，在這樣的自偏壓發生而過渡至穩定狀態為止時之高頻偏壓的過渡狀態下，為了檢測電流電壓波形，會從輸出作為ON狀態的開始之高頻偏壓輸出指令的開始指令訊號起算，檢測大致4個周期的高頻偏壓波形。本實施例中這樣的波形的檢測，係如上述般是於電力分析基板113以規定的時間間隔實施，但為了能夠精度良好地實施該檢測，理想是檢測該高頻電力的電流或電壓值之時間間隔，為高頻偏壓的周期的1/10以下之值。

利用圖9，揭示本實施例中高頻偏壓的輸出的上升(rise)之電流波形例。圖9為圖1所示實施例之高頻偏壓電力的電流波形的隨時間變遷之變化模型示意圖。

通常，在間歇性供給之高頻偏壓成為ON的期 間開始，電力供給開始而自偏壓發生之過程中，半導體晶圓111會拉攏電漿108中的電子而帶電，其極性成為負。在這樣的自偏壓發生之前，會拉攏電漿108中的電子，因此高頻偏壓的電流波形如圖示般，正端的電流會比負端的電流來得大。

其後，在自偏壓之值達到穩定狀態的狀態下，高頻偏壓的電流波形如圖9中電流波形的右側曲線般，會成為正負對稱或者近似於可視為對稱之程度。像這樣藉由比較自偏壓發生途中的各時間點的波形，便能夠檢測自偏壓發生、或是檢測從發生起過渡至穩定狀態為止之過渡狀態的時間，或判定其結束時間點。

於蝕刻時，當要求高加工精度的情形下，該自偏壓或其穩定狀態發生為止之時間，亦被認為可能影響加工精度。舉例來說，當自偏壓出現而過渡至穩定狀態之發生速度過慢的情形下，蝕刻進度會變慢，恐發生蝕刻停止(etching stop)等而加工精度降低。

這樣的情形下，係設計成，利用與高頻偏壓的上升(rise)同步而檢測高頻偏壓的電流波形之結果，來監視自偏壓的電位(電壓)發生並過渡至穩定狀態為止之時間，當其超出規定容許範圍的情形下，設想處理之結果亦即處理後的形狀與基準值之偏差量會超出容許範圍，而停止蝕刻處理同時將該停止通報給電漿處理裝置的使用者。本實施例中這樣的波形的檢測，係如上述般是於電力分析基板113以規定的時間間隔實施，但為了能夠精度良 好地實施該檢測，理想是檢測該高頻電力的電流或電壓值之時間間隔，為高頻偏壓的周期的1/10以下之值。

本例中，於圖9的高頻偏壓波形中，從高頻偏壓輸出指令中的偏壓輸出開始指令(ON指令)訊號被輸出開始起算，算出2周期後的波形及3周期後的波形之訊號值的和各周期內的各相位相當之時刻彼此的差值的平方平均。若自偏壓發生而過渡至穩定狀態為止之時間落在使用者事先設定好的適當範圍內之值，則該差值的平方平均會成為和該適當範圍相對應之值。將該差值的平方平均之值，藉由CPU203而每隔各時間間隔，或是每隔事先訂定好的間歇期間每隔複數次時間間隔予以連續檢測，當該值超過容許範圍的情形下便停止處理。

本實施例中更進一步，為了於檢測電流波形時提升SN比，對於間歇性地反覆之高頻偏壓輸出指令的ON訊號，利用基準時脈，將檢測出的電流波形的每個時刻或每個相位之值予以疊加(加總)或算出其平均。像這樣實施疊加或算出平均時，檢測出的各波形的相位必須一致。本實施例中，是在電流波形成為特定相位，例如波形的值為零交叉(zero cross)之時間點，亦即相位成為0度或180度相位之時間點彼此予以疊加來使波形一致。

本實施例中，如上述般，脈衝發生單元114將其內部形成之基準時脈與高頻偏壓輸出指令訊號輸出至電力分析基板133，電力分析基板113因應接收之基準時脈而波形取得時間點調整電路204算出時間點，沿著該時 間點，藉由CPU203從記憶體202-1，202-2讀出存儲的波形的數位值，同時脈衝發生單元114對高頻電源110也輸出基準時脈及高頻偏壓輸出訊號。

高頻電源110中，因應高頻偏壓輸出訊號而輸出高頻偏壓的ON/OFF訊號值，同時配合接收之基準時脈，開始高頻偏壓的電流或電位的各個周期之輸出。此一事實，意味著高頻偏壓輸出指令訊號成為ON之開始時相位，係與因應該指令而從高頻偏壓電源110開始輸出之電流或電壓的波形的開始(亦即從第1周期開始起算之)相位同步，也意味著高頻偏壓是以下述方式輸出，即，從高頻偏壓開始起算之從各個周期開始起算的相位，與基準時脈相符。

因此，高頻偏壓的各電流波形、電壓波形，會隨著高頻偏壓輸出指令訊號的上升而該些波形的各周期的任一者於開始時的相位均一致。像這樣，本實施例中，間歇性偏壓形成用的高頻電力的開始施加、與波形的形成，是以基準時脈為基準來輸出，而高頻偏壓波形的各周期，其以基準時脈為基準之相位係被做成相等，與高頻偏壓輸出指令中ON訊號開始相對應之高頻偏壓開始時的相位係被做成一致。

藉此，在規定的相同期間，高頻偏壓被間歇性地輸出的情形下，於各期間中從開始起算相同時刻之電流波形彼此會同步(相位被做成一致)，故能夠利用將該些波形疊加或平均化之結果來精度良好地檢測電漿108的 狀態，甚至於能夠利用該結果來提升電漿處理裝置的運轉調節精度或處理條件的調節精度。

此外，電流的波形若自偏壓發生則正端會失真。因此，利用測定電流波形並檢測其失真程度之結果，便能確認自偏壓是否發生。

若自偏壓未發生，則無法將離子拉攏至晶圓而無法進行蝕刻。此外，即使自偏壓發生，若自偏壓小則將離子拉攏至晶圓之效果小，因此蝕刻的進度會變慢，恐發生蝕刻停止等而加工精度降低。

這樣的情形下，於開始施加高頻偏壓後檢測電流波形的正端峰值，當判定該值為規定值以下的情形下，便停止處理、停止裝置運轉或變更處理條件。此時，亦可於該停止或變更前後通報使用者。

此外，就算不依據正端峰值，亦可設計成算出開始施加高頻偏壓輸出後一瞬間的電流的第1周期份的電流值平均值，當其為規定值以下的情形下，如同上述般做停止處理停止及通報等。亦可設計成，這樣的電流峰值或平均值，係定期地或每隔事先訂定好的間歇間隔便檢測規定次數，當該值成為容許值以下的情形下便停止處理等。

上述實施例中，處理室107內的排氣、半導體晶圓111於晶圓平台上的保持、微波電場或高頻偏壓的供給與停止、電漿的形成與消失、電漿或高頻偏壓的電流或電壓檢測時間點的調節或執行，這些電漿處理裝置的運 轉中的動作，係受到未圖示之控制裝置所指示來調節該些動作。控制裝置，係與構成本例電漿處理裝置之上述螺線管線圈102、磁控管103、微波電源104、高頻偏壓電源110、晶圓平台109、真空泵浦等排氣裝置、電力感測器112、電力分析基板113、脈衝發生單元114這些感測器、機器、部位等可通訊地連接，且具有下述功能，即，接收來自它們之示意動作狀態之資料、依據該資料算出動作指令、將該動作指令發訊給它們當中的對象機器。藉由控制裝置的動作，電漿處理裝置的運轉、半導體晶圓111的處理條件及處理狀態便受到控制，以便獲得使用者指定之所求加工結果。

利用圖4，5，11，說明上述實施例的變形例。圖4為圖1所示實施例的變形例之電漿處理裝置的構成概略模型說明用縱截面圖。

本圖中，本例與圖1所示實施例之差異點在於，脈衝發生單元114係輸出微波輸出指令訊號，該訊號被傳遞給微波電源104及電力分析基板113。其他構成中，針對和實施例及其構成及作用同等之物，以下省略說明。

本例中，係將脈衝發生單元114透過通訊手段以無線或有線任一方式可通訊訊號地連接至電力分析基板113、高頻偏壓電源110及微波電源104。脈衝發生單元114，將形成的基準時脈及高頻偏壓輸出指令訊號，透過通訊手段輸出至高頻偏壓電源110，並將同樣形成的微 波輸出指令訊號輸出至微波電源103，微波電源104及高頻偏壓電源110因應接收之輸出訊號來輸出高頻電力。

此外，高頻偏壓電源110在基於接收之基準時脈的時間點，配合其指定來進行調變後之輸出，同時微波電源104和高頻偏壓的調變同步，針對其輸出之微波電力的輸出進行調變。又，各輸出指令訊號及各輸出指令訊號的基準即基準時脈，也會被輸入至電力分析基板113，可和調變後之高頻偏壓電力及微波電場的輸出同步來檢測高頻偏壓的電流及電壓。

圖5為圖4所示變形例之電力分析基板113及脈衝發生單元114的構成概略模型示意方塊圖。本圖所示電力分析基板113及脈衝發生單元114的構成與圖2所示實施例的構成之差異點在於，脈衝發生單元114中配置有微波輸出指令訊號生成部207，而配置於電力分析基板113之波形取得時間點調整電路204可接收從微波輸出指令訊號生成部207輸出之訊號。

如同實施例般，來自電力感測器112的輸出亦即電流監視訊號及電壓監視訊號，係被取入至電力分析基板113，該些監視訊號各者被輸入至AD變換器201-1，201-2各者而被變換成數位值。變換後的各個值透過通訊手段各自被存儲記憶於記憶體202-1，202-2。又，CPU203從記憶體202-1、202-2讀出值，利用獲得的值來算出電流、電壓值的峰值，有效值，相對於理想正弦波的失真量，或電流與電壓的相位差等高頻電力之特性。

此時，對於上述記憶體201-1，202-2之電流或電壓數位值的存儲，是因應接收來自脈衝發生單元114的輸出亦即基準時脈(或基準時脈訊號)及高頻偏壓輸出指令訊號之波形取得時間點調整電路204所算出並輸出的訊號，而於波形取得時間點進行。此時，上述值對於記憶體202-1、202-2的存儲，是因應由波形取得時間點調整電路204算出並輸出之波形取得時間點的訊號來進行，這點亦和上述實施例相同。

脈衝發生單元114中，時基計數器205，如同實施例是由基準時脈、及從外部獲得之脈衝周期資訊及高頻偏壓脈衝負載資訊、以及微波脈衝負載資訊，來生成高頻偏壓輸出指令訊號及微波輸出指令訊號。基準時脈，係高頻偏壓輸出指令訊號、微波輸出指令訊號、以及波形取得時間點調整電路的輸出以其為基準而形成之時脈訊號，本實施例中為頻率400kHz。另，本例中微波輸出指令訊號及高頻偏壓輸出指令訊號亦為示意ON或OFF這2者之方形訊號。

時基計數器205，係依據基準時脈與脈衝周期之資訊來生成脈衝周期之資訊所指定之周期的脈衝波形，其波形被輸入至高頻偏壓輸出指令訊號生成部206、微波輸出指令訊號生成部207。高頻偏壓輸出指令訊號生成部206中，依照脈衝波形及高頻偏壓脈衝負載資訊來生成並輸出指定之周期及工作比的高頻偏壓輸出指令訊號。此外，微波輸出指令訊號生成部207中，依照脈衝波形及微 波脈衝負載資訊來生成並輸出指定之周期、工作比的微波輸出指令訊號。

利用圖11，說明本例中高頻偏壓的過渡狀態及其檢測時間點。圖11為圖4所示實施例之高頻偏壓的測定時間點模型示意圖表。

本例中同樣地，於電力解析基板113進行之高頻偏壓大小或波形的檢測或偵測時間點，是依據從脈衝發生單元114輸出之基準時脈來執行，因應以脈衝狀ON及OFF之基準時脈訊號的任意脈衝的上升時刻或時間點，來自高頻偏壓輸出指令訊號生成部206的高頻偏壓輸出指令訊號會成為ON而被輸出至高頻偏壓電源110，又從微波輸出指令訊號生成部207會輸出微波輸出指令訊號，因應該些輸出指令訊號各者便輸出微波及高頻偏壓。

又，高頻偏壓電源110，因應高頻偏壓輸出指令訊號，來使高頻偏壓成為ON而輸出或成為OFF而停止，且和脈衝狀的基準時脈訊號相對應，以事先訂定好的一定相位來開始且停止高頻偏壓的各周期波形之輸出。此外，本例中同樣地，是以自偏壓達到穩定狀態之前的過渡狀態的時間為大致10μsec之情形為例來做說明。

再者，高頻偏壓的頻率為400kHz，從高頻偏壓輸出指令的開始訊號被發訊而自偏壓發生起算，檢測達到穩定狀態為止之高頻偏壓的電流、電壓波形，檢測大概4周期的高頻偏壓波形。本例中，高頻偏壓輸出指令的ON訊號輸出，是與微波輸出指令訊號的ON訊號輸出同 步而被輸出，但高頻偏壓的輸出(ON)開始時間點與微波電場的輸出(ON)開始時間點係被調節成為同步。

如本圖所示，微波所造成的電漿108的密度，從來自磁控管103的微波電場或來自微波電源104的輸出開始之時間點起算至密度值達到穩定之前，其大小亦會變化，即存在所謂過渡狀態。該電漿108的過渡狀態期間，通常比自偏壓的過渡狀態期間來得長，但如同自偏壓的過渡狀態中檢測高頻偏壓波形般，亦可檢測過渡狀態期間的長度及該期間的高頻偏壓的電流、電位波形、峰值、時間平均值等特性。

利用圖10，揭示本例中高頻偏壓的輸出的上升(rise)之電流波形例。圖10為圖4所示變形例之電漿密度及高頻偏壓電流波形的隨時間變遷之變化模型示意圖。

如上述般，自偏壓發生到過渡至穩定狀態為止，為了拉攏電漿108中的電子，正端的電流會變得比負端的電流多，高頻偏壓的電流波形會往正端失真，故在這樣的自偏壓達到穩定狀態為止，藉由檢測途中的各時間點的高頻偏壓波形，並與基準值比較，便能檢測自偏壓的過渡狀態時間、或判定其結束時間點。

特別是，本案發明具備下述構成，即，可使高頻偏壓電力與電漿108生成用電力雙方同步，並可變地調節(調變)其輸出時間點及時間來輸出。這樣的構成中，與高頻偏壓的施加同步，也會施加電漿108生成用高 頻電力，而生成電漿108，因此相較於僅調變高頻偏壓之情形，可認為自偏壓的過渡性變動、及高頻偏壓電流波形的過渡性變動會變得更大。也就是說，檢測高頻偏壓於過渡性狀態中的電流或電壓波形的變動就更有意義。

於蝕刻時，當要求高加工精度的情形下，該自偏壓發生為止之時間，亦被認為可能影響加工精度。舉例來說，當自偏壓發生速度過慢的情形下，蝕刻進度會變慢，恐發生蝕刻停止等而加工精度降低。

在這樣的情形下，亦可與高頻偏壓的上升(rise)同步來檢測高頻偏壓的電流波形，並檢測自偏壓的電壓發生時間，當判定其脫離規定範圍的情形下，便實施停止處理，或變更處理條件，通報等。舉例來說，圖10中，係檢測高頻偏壓於過渡狀態下電流波形隨著時間經過(時間性)之變化，更具體的例子，是算出2周期後的波形與3周期後的波形之差值的平方平均。

若自偏壓發生而過渡至穩定狀態為止之時間落在使用者事先設定好的適當範圍內之值，則該差值的平方平均會成為和該適當範圍相對應之上限值以下。將該差值的平方平均之值，藉由CPU113而每隔各時間間隔，或是每隔事先訂定好的間歇期間每隔複數次時間間隔予以連續檢測，當該值超過容許範圍的情形下便停止處理。

本實施例中更進一步，為了於檢測電流波形時提升SN比，對於間歇性地反覆之高頻偏壓輸出指令的ON訊號，利用基準時脈，算出檢測出的電流波形的疊加 或其平均。像這樣實施疊加或算出平均時，檢測出的各波形的相位必須一致。本實施例中，是在電流波形成為特定相位，例如波形的值為零交叉(zero cross)之時間點，亦即相位成為0度或180度相位之時間點彼此予以疊加來使波形一致。

此外，本例中，如同實施例般，具備來自脈衝發生單元114之基準時脈係輸入至高頻偏壓電源110及電力分析基板113的波形取得時間點調整電路204之構成；高頻偏壓的各電流波形、電壓波形，是隨著高頻偏壓輸出指令訊號的上升而該些波形的各周期的任一者的開始時相位被做成一致，當在同一期間中高頻偏壓被間歇性地輸出的情形下，各期間中從開始起算相同時刻之電流波形彼此會同步(相位被做成一致)。因此，能夠利用將該些波形疊加或平均化之結果來精度良好地檢測電漿108的狀態，甚至於能夠利用該結果來提升電漿處理裝置的運轉調節精度或處理條件的調節精度。此外，藉由檢測自偏壓的過渡狀態的電流波形失真，便能檢測自偏壓的過渡狀態期間及其結束。

此外，亦可如下述般控制，即，監視間歇性地施加之高頻偏壓於各施加開始後的電流或電壓的正端峰值，當落在規定值以下則停止處理。此外，就算不依據正端峰值，亦可算出施加高頻偏壓輸出後一瞬間的電流波形的1周期份的平均值並採用它。亦可設計成常時或定期地監視正端峰值或該平均值，當成為規定值以下的情形下便 停止處理。

利用圖6至8，說明又另一變形例。本例之電漿處理裝置，具備和圖4，5所示變形例同等之構成。

圖6為圖1所示實施例的又另一變形例之電漿處理裝置中，微波、高頻偏壓及電漿108密度的時間變化模型說明圖表。本例中同樣地，依據基準時脈的訊號，從脈衝發生單元114發出微波輸出指令訊號及高頻偏壓輸出指令訊號，同時依據基準時脈於電力分析基板113檢測高頻偏壓的電流或電壓波形。

也就是說，示意ON或OFF之二元值方波亦即微波輸出指令的ON訊號，會與基準時脈的任意脈衝的上升同步而發訊或在微波電源104被接收或輸出微波電源104的電力，而從磁控管103輸出微波電場。此外，這樣的微波輸出中與任意基準時脈同步，高頻偏壓輸出指令訊號的方波的ON訊號會從脈衝發生單元114發出或在高頻電源110被接收或進一步輸出高頻電源110的電力，高頻偏壓便形成於晶圓平台109或半導體晶圓111上。

一旦被輸出的微波電場會透過導波管105、介電體窗106供給至處理室107內，處理室107內的電漿108的密度便開始上昇。其後，電漿108的密度在微波輸出的期間(ON期間)會維持規定之相對較高值而達到穩定狀態，若微波電場的供給停止而成為OFF，則會從規定值逐漸降低，本例中會恢復至微波供給開始前之值。另，本例中電漿108即使於微波成為OFF的狀態下仍不會在 處理室107內完全消失。

此處，當電漿108的密度落在所求值的容許範圍以外，也就是當電漿108的密度變得過高或過低的情形下，會對蝕刻處理所致之加工形狀精度造成不良影響。舉例來說，電漿108的密度變得過高的情形中，當處理室107內的電漿108中形成之反應性相對較高的自由基之密度上昇的情形下，可能會發生側向蝕刻(side etch)等加工不良。此外，反之當堆積性相對較大的自由基之密度上昇的情形下，可能會發生蝕刻停止等，同樣造成加工不良。

此外，當電漿108的密度變得過低，可能會發生和上述相反之加工不良。針對這樣的問題，本例中，於半導體晶圓111的蝕刻處理中，在與處理基準時脈亦即脈衝波形同步而微波電場成為OFF前一瞬間的時間點、以及微波電場成為ON後一瞬間的時間點檢測高頻偏壓的電壓或電流波形，並利用該結果來檢測電漿108的密度最大值及最小值。又，本例中，當該些最大值、最小值脫離規定範圍的情形下，便停止電漿處理裝置的運轉或該半導體晶圓的處理、或變更處理條件，藉此能夠提升半導體晶圓111乃至於從該晶圓製造出之半導體裝置的良率。另，亦可設計成於運轉或處理停止、或處理條件變更發生後一瞬間，或是於該些任一者實施之前通報使用者。

圖7為本例中對處理中的微波、高頻偏壓及電漿密度的時間變化以及處理的過渡狀態下的電漿密度予 以檢測之時間點模型說明圖表。本圖中，藉由來自微波電源104的輸出，磁控管103將微波電場輸出至導波管105內，如此便如上述般，電場被傳遞至處理室107而電漿108的密度開始上昇，其後過渡至穩定狀態，亦即到達一定的容許範圍內之值並維持。

一般而言，從這樣的電漿108的密度上昇至達到穩定狀態為止之過渡狀態時間為數百μsec，本例中特別以大約200μsec之情形來說明。此外，高頻偏壓電力的頻率為400kHz，也就是周期2.5μsec，因此在電漿108的過渡狀態期間200μsec之間，高頻偏壓的電流或電壓波形會大致存在80個周期。

本例中，係檢測這樣的電漿108的啟動(rise)之過渡狀態中高頻偏壓的電流或電壓波形，但不必針對80周期全部測定，只要檢測適當數量範圍的周期或每隔特定數量周期檢測即可。舉例來說，亦可檢測高頻偏壓輸出指令訊號的ON訊號發訊後的每隔20周期之波形。

圖8為本例中對於發送高頻偏壓輸出指令後的高頻偏壓的電壓波形，每隔20周期予以檢測之結果模型示意圖。本圖中，將每隔該20周期僅檢測1個波長的電壓波形而得者，使各者的相位一致予以重疊表示。

如本圖所示，因應與高頻偏壓輸出指令同步而被發訊之微波輸出指令的訊號來供給微波電場，一旦處理室107內的電漿108的密度開始上昇，則電漿108的阻 抗會變小，因此高頻偏壓的電壓波形峰值會變小。電漿108的密度值變得愈大則阻抗愈小，因此可以看出於高頻偏壓輸出指令訊號的ON訊號發訊後的過渡狀態下，每隔20周期檢測出之高頻偏壓的電壓波形，會隨著周期數以20的倍數增大而振幅或峰值變小。

像這樣，電漿108的密度上昇之過渡狀態中，藉由在適當的複數個時間點檢測高頻偏壓的波形，並比較從它們獲得之值，便能判定電漿108的過渡狀態期間或其結束。另，圖7中雖以電壓波形為例來揭示，但亦可使用電流波形，或使用兩者。

此外，亦可設計成，針對與微波電場的供給或與電漿108的過渡狀態開始同步而供給之高頻偏壓的電流或電壓波形，當判定於過渡狀態下檢測並獲得之過渡狀態時間脫離了規定容許範圍之情形下，則停止電漿處理裝置的運轉或電漿處理、或變更處理條件。舉例來說，圖8中，亦可算出60周期後的波形與80周期後的波形之差值的平方平均，當判定其成為規定值以上之情形下便停止處理。

本例中同樣地，為了提升檢測出之高頻偏壓波形的SN比，係將與基準時脈的脈衝波形相對應而檢測之複數個時間點的波形予以疊加或算出平均。於該算出時，為了使波形的相位一致，係將波形的特定相位彼此對準而疊加或算出平均。本例中同樣地，電流或電壓波形，係與因應基準時脈的脈衝波形而發訊之高頻偏壓輸出指令 同步來檢測，因此高頻偏壓的各波形相位與基準時脈的脈衝波形同步，藉此，每隔20周期的波形的相同相位彼此之值被疊加或被算出平均，便能做高精度之波形值檢測，乃至於能提升加工精度及處理良率。

101‧‧‧反應容器

102‧‧‧螺線管線圈

103‧‧‧微波電源

104‧‧‧磁控管

105‧‧‧導波管

106‧‧‧介電體窗

107‧‧‧處理室

108‧‧‧電漿

109‧‧‧晶圓平台

110‧‧‧高頻偏壓電源

111‧‧‧半導體晶圓

112‧‧‧電力感測器

113‧‧‧電力分析基板

114‧‧‧脈衝發生單元

Claims (8)

1. 一種電漿處理裝置，具備：處理室，配置於真空容器的內部；及第1高頻電源，輸出第1高頻電力，用來供給電場，以便將用於處理對象的試料的處理之電漿形成於前述處理室內；及試料台，配置於前述處理室內，將前述試料載置於其上面；及第2高頻電源，間歇性地輸出第2高頻電力，以便在配置於該試料台的內部之電極形成偏壓電位，且可將該輸出的時間予以可變地調節；其特徵為：具備下述功能，即，與該第2高頻電力的前述間歇性的輸出的開始同步，來檢測前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓波形隨著時間之變化，並利用其結果來調節前述電漿處理裝置的運轉。
2. 一種電漿處理裝置，具備：處理室，配置於真空容器的內部；及第1高頻電源，輸出第1高頻電力，用來供給電場，以便將用於處理對象的試料的處理之電漿形成於前述處理室內；及試料台，配置於前述處理室內，將前述試料載置於其上面；及第2高頻電源，輸出第2高頻電力，以便在配置於該試料台的內部之電極形成偏壓電位，且可將該輸出的ON及OFF之時間或其比率予以可變地調節；其特徵為：具備下述功能，即，與該第2高頻電力的前述ON期間的開始同步，來檢測前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓波形隨著時間之變化，並利用其結果來調節前 述電漿處理裝置的運轉。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電漿處理裝置，其中，前述第1高頻電源與前述第2高頻電力的輸出同步，來輸出前述第1高頻電力。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之電漿處理裝置，其中，前述第2高頻電力係與作為基準之周期性訊號同步而被輸出，且與該周期性訊號同步來檢測前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓波形隨著時間之變化。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電漿處理裝置，其中，前述第2高頻電源，係以前述第2高頻電力的波形與前述周期性訊號同步之方式來輸出該第2高頻電力，且將前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓的規定時間長度中的複數個波形彼此比較，來檢測前述波形隨著時間之變化。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項任一項所述之電漿處理裝置，其中，前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓的規定時間長度中，將其相位和其他一致之複數個波形彼此比較，來檢測前述波形隨著時間之變化。
7. 如申請專利範圍第1項至第6項任一項所述之電漿處理裝置，其中， 檢測前述第2高頻電力於過渡狀態下的電流或電壓波形隨著時間之變化，並利用其結果來進行前述電漿處理裝置之停止或前述處理條件之變更。
8. 如申請專利範圍第1項至第7項任一項所述之電漿處理裝置，其中，每隔前述過渡狀態下的規定時間間隔，檢測前述第2高頻電力的前述波形。