TWI437634B - A plasma processing device and an optical detection device - Google Patents

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Takahiro Senda
Shinya Nishimoto
Munetaka Yamagami
Kazuki Moyama
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Description

電漿處理裝置及光學偵測裝置
本發明係關於一種使用藉由微波放電所生成之電漿來對被處理基板施予所欲處理之電漿處理裝置。
在半導體元件或FPD(Flat Panel Display)製程中的蝕刻、沉積、氧化、濺鍍等處理中，為了使處理氣體能以較低溫來進行良好反應，通常會利用電漿。自以往，這類電漿處理係廣泛地使用藉由MHz帶域之高頻放電所生成的電漿，或是藉由GHz帶域之微波放電所生成的電漿。
藉由微波放電所生成之電漿具有能夠在低壓下生成電子溫度低的高密度電漿之優點，特別是藉由採用槽孔天線與平板狀之微波導入窗構造，便可有效率地生成大口徑電漿。又，由於不需要有磁場，因此亦具有可簡化電漿處理裝置之優點。
槽孔天線當中，特別是輻射狀槽孔天線，藉由從具有同心圓狀地配列之多個槽孔之槽孔板均勻且大範圍地放射微波，便可生成電漿密度均勻且具有優異控制性之大口徑電漿。
然而，微波電漿處理裝置中亦有透過原位(in-situ)偵測來即時地控制處理容器內所進行之製程。於具備上述槽孔天線之微波電漿處理裝置內建光學偵測裝置時，便需要有一種偵測用光導波路徑不會對槽孔天線之電磁波放射特性的均勻性，甚至對電漿密度的均勻性造成影響之裝置結構。
關於這一點，專利文獻1中揭示的微波電漿處理裝置所內建之光學偵測裝置，係利用一種微波傳送線路(其係將微波產生器所產生之微波朝處理容器傳送)的最終區間會在槽孔天線中心處於鉛直方向自正上方終結之同軸線路。同軸線路的內部導體係由中空管所構成。藉由使光線通過該中空管中，便能夠在原位(in-situ)光學性地偵測處理容器內所進行之製程。
該光學偵測裝置係設置有與同軸線路的中空管(內部導體)為連續地且貫穿槽孔天線中心之光導波路徑用孔洞。一般來說，平板槽孔天線的中心即為輻射狀導波道的中心，縱使於該處形成有光導波路徑用貫穿孔，仍舊不會對槽孔天線之電磁波放射特性的均勻性造成影響，故不會妨礙到電漿密度的均勻性或控制性。
專利文獻1：日本特開2008-251660
上述專利文獻1所揭示之習知的光學偵測裝置會有難以在微波傳送線路(同軸線路)中設置偵測用光導波路徑之困難點。亦即，由於電磁波之傳輸模式或特性阻抗，使得作為同軸線路的內部導體之中空管的口徑有其極限，例如在膜厚偵測中，姑且不論使用雷射光於偵測光之情況，就算是使用如燈光之波長帶域較廣的非同調性光於偵測光之情況仍無法獲得口徑(亦即光量)足夠大的光導波路徑。
又，上述習知的光學偵測裝置亦有無法將微波傳送線路(同軸線路)的中空管(內部導體)利用於處理氣體的供應道之限制。
本發明係為了解決上述習知技術問題點所發明者，其提供一種可使用不會對平板槽孔天線之電磁波放射特性的均勻性造成影響之波長帶域較廣的偵測光(特別是非同調性偵測光)，來高精確度地對處理容器內之被處理基板表面進行光學性偵測之光學偵測裝置及電漿處理裝置。
本發明之電漿處理裝置具備有：可真空排氣的處理容器，其頂板的至少一部份係由介電體窗所構成；基板保持部，係於該處理容器內保持被處理基板；處理氣體供應部，係為了對該基板施予所欲電漿處理，而將所欲處理氣體供應至該處理容器內；導體的槽孔板，係具有用以將微波放射至該處理容器內之1個或複數個槽孔，而設置於該介電體窗上；微波供應部，係為了藉由微波放電來產生該處理氣體的電漿，而透過該槽孔板及該介電體窗來對該處理容器內供應微波；及光學偵測部，係透過該槽孔板所形成之網狀透孔與該介電體窗來光學性地監視或測量該處理容器內之該基板表面。
本發明之光學偵測裝置係於電漿處理裝置中光學性地監視或測量基板表面之光學偵測裝置，其中該電漿處理裝置係將該被處理基板收納在頂板的至少一部份由介電體窗所構成之可真空排氣的處理容器內，而對該處理容器內供應處理氣體，並且，透過設置於該介電體窗上之具有1個或複數個槽孔之導體的槽孔板與該介電體窗來將微波供應至該處理容器內，而藉由微波放電來產生該處理氣體的電漿，且於該電漿下對該基板施予所欲電漿處理；該光學偵測裝置具備有：光源，係產生偵測光；感光部，係針對該偵測光而將來自該基板的反射光轉換成電氣訊號；偵測電路，係對來自該感光部的電氣訊號施予特定的訊號處理而輸出偵測資訊或偵測結果；網狀透孔，係形成於該槽孔板而用以供該偵測光與來自該基板表面的反射光通過；偵測頭，係透過該槽孔板的網狀透孔及該介電體窗來將該偵測光照射在該基板保持部上的該基板表面，並透過該介電體窗及該槽孔板的網狀透孔而引入來自該基板表面的反射光；偵測光傳送部，係用以將該偵測光從該光源傳送至該偵測頭；及反射光傳送部，係用以將該反射光從該偵測頭傳送至該感光部。
上述結構之微波電漿處理裝置中，從微波供應部所供應之微波係從槽孔板的槽孔透過介電體窗而被放射至處理容器內，並因該微波電場使得處理氣體被電離而生成電漿。在介電體窗附近所生成之電漿會在處理容器內擴散至下方，而在該電漿下對基板保持部上的基板表面進行微細加工或薄膜沉積等所欲處理。
上述光學偵測部或光學偵測裝置係透過通過導體槽孔板及介電體窗之偵測用光導波路徑，而在原位(in-situ)光學性地監視或測量受到上述電漿處理之被處理基板表面。此處，於槽孔板處，網狀透孔係供作偵測用光導波路徑，另一方面，從微波供應部所供應之微波則會在網狀透孔的部位而與槽孔以外的其他部位同樣地不會溢漏來順暢地傳輸。藉此，便可建構出使用不會對槽孔天線之電磁波放射特性的均勻性(甚至對電漿密度的均勻性)造成影響且適於傳輸之波長帶域較廣的偵測光(特別是非同調性偵測光)之偵測用光導波路徑，來對被處理基板表面高精確度且穩定確實地進行所欲光學性偵測。
依據本發明之光學偵測裝置或電漿處理裝置，藉由上述構成及作用，便可使用不會對平板槽孔天線之電磁波放射特性的均勻性造成影響之波長帶域較廣的偵測光(特別是非同調性偵測光)來對處理容器內的被處理基板表面高精確度地進行光學性偵測。
以下，參酌添附圖式來針對本發明較佳實施形態加以說明。
圖1係顯示本發明一實施形態之微波電漿處理裝置之結構。該微波電漿處理裝置係構成為使用平板槽孔天線之平板狀表面波激發型的微波電漿蝕刻裝置，而具有例如鋁或不鏽鋼等金屬製的圓筒型真空處理室(處理容器)10。處理室10係安全接地。
首先說明該微波電漿蝕刻裝置中無關於電漿產生之各部結構。
用以載置被處理基板(例如半導體晶圓W)之圓板狀晶座12係作為基板保持台(亦兼作為高頻電極)而水平地配置於處理室10內下部中央處。該晶座12係由例如鋁所構成，而由自處理室10底部朝垂直上方延伸之絕緣性筒狀支撐部14所加以支撐。
筒狀支撐部14的外周係於自處理室10底部朝垂直上方延伸之導電性筒狀支撐部16與處理室10內壁之間形成有環狀排氣流路18。該排氣流路18的上部或入口處係安裝有環狀隔板20，且於底部設置有1個或複數個排氣埠22。各排氣埠22係透過排氣管24而連接有排氣裝置26。排氣裝置26係具有渦輪分子幫浦等真空幫浦，可將處理室10內的電漿處理空間減壓至所欲真空度。處理室10側壁外則安裝有能夠開閉半導體晶圓W的搬出入口27之閘閥28。
晶座12係透過匹配單元32及供電棒34而電連接有RF偏壓用高頻電源30。該高頻電源30會以特定功率輸出適於控制被吸引至半導體晶圓W的離子能量之一定頻率(例如13.56MHz)的高頻。匹配單元32係收納有能夠在高頻電源30側的阻抗與負荷(主要為電極、電漿、處理室)側的阻抗之間取得平衡之匹配器，而該匹配器中係包含有自偏壓產生用的阻隔電容器(blocking condenser)。
晶座12的上面係設置有以靜電吸附力來保持半導體晶圓W之靜電夾具36，靜電夾具36的半徑方向外側則設置有環狀地圍繞半導體晶圓W周圍之聚焦環38。靜電夾具36係於一對絕緣膜36b、36c之間挾置有導電膜所構成的電極36a，電極36a係透過開關42及被覆線43而電連接有高壓的直流電源40。半導體晶圓W會因從直流電源40所施加之直流電壓產生的靜電力而被吸附保持於靜電夾具36上。
晶座12內部係設置有延伸於例如圓周方向之環狀冷媒室44。該冷媒室44係從冷卻單元(未圖示)透過配管46、48而循環供應有特定溫度的冷媒(例如冷卻水cw)。藉由冷媒的溫度便可控制靜電夾具36上之半導體晶圓W的處理溫度。再者，來自傳熱氣體供應部(未圖示)之傳熱氣體(例如He氣)係透過氣體供應管50而被供應至靜電夾具36上面與半導體晶圓W內面之間。又，為了進行半導體晶圓W之載置與卸載，亦設置有於垂直方向貫穿晶座12且可上下移動之舉升銷及其升降機構(未圖示)等。
接下來，說明該微波電漿蝕刻裝置中關於電漿產生之各部結構。
處理室10之與晶座12呈對向的頂面係氣密地安裝有作為頂板之微波導入用的圓形介電體窗52。該介電體窗52係如後所詳加敘述般地以針對短波長光線(特別是紫外線)而透光率高的合成石英來構成偵測用光導波路徑104所通過之部分52a，並以成本較低之熔融石英來構成其他部分52b。
介電體窗52上係設置有平板型的槽孔天線，例如圓板形的輻射狀槽孔天線55。該輻射狀槽孔天線55係由槽孔板54、介電體板(延遲板)56及介電體板上面的金屬部(蓋板72的下面)所構成。
槽孔板54如圖3A所示，係具有作為放射微波之槽孔而同心圓狀地分佈之多個槽孔對(54a、54b)。再者，後續亦會詳加敘述，槽孔板54中，偵測用光導波路徑104所通過之部分54c係形成有網狀透(穿透)孔MH。
該輻射狀槽孔天線55係透過槽孔板54上方所設置之介電體板56而電磁性地結合於微波傳送線路58。介電體板56係以針對短波長光線(特別是紫外線)而透光率高的合成石英來構成偵測用光導波路徑104所通過之部分56a。而介電體板56的其他部分56b則係由適於壓縮(縮短)微波的波長之高介電率介電體(例如石英、氧化鋁、氮化鋁)所構成。此處係與介電體窗52同樣地由成本較低之熔融石英所構成。
微波傳送線路58係用以將從微波產生器60以特定功率所輸出之例如2.45GHz的微波傳送至輻射狀槽孔天線55之線路，而具有導波管62、導波管-同軸管轉換器64及同軸管66。導波管62係例如方形的導波管，並以TE模式作為傳送模式而將來自微波產生器60的微波朝向處理室10傳送至導波管-同軸管轉換器64。
導波管-同軸管轉換器64係結合方形導波管62的終端部與同軸管66的始端部，而將方形導波管62的傳送模式轉換成同軸管66的傳送模式。同軸管66係從導波管-同軸管轉換器64朝鉛直正下方延伸至處理室10的上面中心部，其同軸線路的終端或下端則係透過介電體板56而結合於槽孔板54的中心部。同軸管66係由圓筒體所構成，微波會在內部導體68與外部導體70之間的空間以TEM模式傳輸。
微波產生器60所輸出之微波會在上述微波傳送線路58的導波管62、導波管-同軸管轉換器64及同軸管66傳輸，再被供電至輻射狀槽孔天線55的介電體板56。然後，於介電體板56內波長一邊縮短一邊朝半徑方向擴散之微波，會從輻射狀槽孔天線55的各槽孔對54a、54b成為圓偏波(其係包含2個直交之偏波成分)的平面波，而朝向處理室10內放射。放射至處理室10內之微波會使得附近的氣體電離，而產生密度高且電子溫度低的電漿。此外，微波電場(表面波的電場)係沿著介電體窗52的表面與電漿而傳輸於輻射方向。
介電體板56上係設置有覆蓋處理室10上面而兼作為天線後面板之蓋板72。該蓋板72係由例如鋁所構成，其具有能夠吸收(散熱)在介電體窗52及介電體板56處所產生之介電損失的熱量或依製程而產生之熱量，並調整為任意溫度之功能。為了該冷卻功能，蓋板72內部所形成之流道74係從冷卻單元(未圖示)透過配管76、78而循環供應有特定溫度的冷媒(例如冷卻水cw)。該蓋板72中係於偵測用光導波路徑104所通過之部位處形成有垂直地貫穿板面之孔72a。
處理氣體供應部80係具有配置於處理室10外之處理氣體供應源82；自介電體窗52之較低位置處，而環狀地形成於處理室10側壁中之分歧管或緩衝室84；等間隔設置於圓周方向，且自緩衝室82面臨電漿產生空間之多個側壁氣體噴出孔86；從處理氣體供應源82延伸至緩衝室84之氣體供應管88。氣體供應管86中途係設置有MFC(質流控制器)90及開閉閥92。
該處理氣體供應部80中，從處理氣體供應源82以特定流量被送出之處理氣體會通過氣體供應管88而被導入至處理室10側壁內的緩衝室84，並在緩衝室84內使得周圍方向的壓力均勻化後再從側壁氣體噴出口86朝向處理室10中心略水平地噴出，而往電漿產生空間擴散。
控制部94係包含有微電腦，可控制該電漿蝕刻裝置內各部(例如排氣裝置26、高頻電源30、靜電夾具36用開關42、微波產生器60、處理氣體供應部80、傳熱氣體供應部(未圖示)、後述光學偵測裝置100等)之個別的動作及裝置整體的動作。
於該微波電漿蝕刻裝置中，蝕刻之進行首先係使閘閥28成為打開狀態來將加工對象(半導體晶圓W)搬入至處理室10內並載置於靜電夾具36上。然後，使閘閥28成為關閉狀態後，從處理氣體供應部80以特定流量來將處理氣體(亦即蝕刻氣體，一般來說為混合氣體)導入至處理室10內。又，從傳熱氣體供應部對靜電夾具36與半導體晶圓W的接觸界面供應傳熱氣體(He氣)，並打開開關42而藉由靜電夾具36的靜電吸附力來將傳熱氣體封入於上述接觸界面。然後，開啟微波產生器60，而將從微波產生器60以特定功率所輸出之微波，透過微波傳送線路58傳輸並供電至輻射狀槽孔天線55，再從輻射狀槽孔天線55將微波放射至處理室10內。再者，開啟高頻電源30而以特定功率輸出RF偏壓用高頻，並將該高頻透過匹配單元32及供電棒34施加在晶座12。
從處理氣體供應部80的側壁氣體噴出口86導入至處理室10內之蝕刻氣體會朝介電體窗52下方擴散，並因微波之電場使得氣體粒子被電離而產生表面激發之電漿。於電漿產生後，微波會成為沿著介電體窗52下面(與電漿呈對向之面)與電漿而傳輸於輻射方向之表面波。如此地，於介電體窗52下所生成之電漿便會擴散至下方，而對半導體晶圓W主面的被加工膜進行使用電漿中的自由基之等向性蝕刻及使用離子照射之垂直蝕刻。
該微波電漿蝕刻裝置係具備有當於處理室10內進行蝕刻製程的狀況(例如被加工膜的膜厚會隨著時間經過而減少)，能夠在原位(in-situ)或即時地進行光學性地偵測被加工膜的膜厚之光學偵測裝置100。
該光學偵測裝置100係設置於較晶座12上所載置之半導體晶圓W的邊緣要靠近半徑方向內側，且較同軸管66要靠近半徑方向外側之位置處。光學偵測裝置100係具有配置於蓋板72上之偵測頭102、偵測用光導波路徑104、以及透過光纖106而與偵測頭102光學性地結合之偵測本體108。偵測用光導波路徑104係從偵測頭102朝鉛直正下方縱貫蓋板72、介電體板56、槽孔板54及介電體窗52所加以設置。
圖2係顯示偵測頭102及光導波路徑104的結構。偵測頭102係具有導體(例如鋁)所構成之可密閉的蓋狀殼體110，而該殼體110中則設置有作為偵測用光學零件之例如光反射體112及光學透鏡114。
光反射體112係由例如鋁所構成，並如圖所示般地於殼體110內具有與終端之光纖106的端面呈對向而朝向斜下方之大約45°的傾斜面。從光纖106水平地射出之偵測光LB會在正面的光反射體112處朝垂直下方反射，並通過光導波路徑104而入射至正下方的半導體晶圓W。另一方面，從照射有偵測光LB之半導體晶圓W朝垂直上方射出的反射光HB則會通過光導波路徑104而碰撞到光反射板112，並從光反射體112朝水平方向反射而入射至光纖106。
光學透鏡114可使得從光纖106所射出之偵測光LB朝向光反射體112以一定的擴散角度放射，且使得來自光反射體112之反射光HB聚光而引入光纖106。光學透鏡114可如圖所示般一體地安裝在光纖106前端，抑或自光纖106分離而配置於特定位置處。
光纖106係由例如2芯的FO(Fan-out)光纖所構成，而將用以傳送偵測光LB之內側的往路光纖106a與用以傳送反射光HB之外側的復路光纖106b一體地結集成束。偵測光LB會從內側之往路光纖106a的端面射出，而反射光HB則會入射至外側之復路光纖106b的端面。光纖106係藉由收納在氣密安裝於殼體110之導體(例如鋁)所構成的套筒116中而與偵測頭102相連接。
偵測頭102內部係如上所述地藉由導體所構成的殼體110及光纖套筒116而自外部電磁性地被遮蔽。藉此，縱使是微波從介電體板56或輻射狀槽孔天線55通過光導波路徑104而進入偵測頭102內，仍不會溢漏至偵測頭102外。
再者，偵測頭102的室內空間係自大氣空間被阻隔，而藉由從殼體110上面所設置之吹淨氣體供應口118所導入之吹淨氣體(例如氮(N2 )氣)來經常地進行吹淨。此處，吹淨氣體供應口118係透過氣體供應管120而連接於吹淨氣體供應源122。
此實施形態中，為了充份地進行偵測頭102內吹淨，偵測頭102底部係氣密地設置有導體(例如鋁)所構成之厚壁的基底板124。該基底板124係於光導波路徑104之通過位置處形成有與蓋板72的貫穿孔72Aa相連續之貫穿孔124a，且形成有與蓋板72的排氣流道72b相連續之排氣流道124b。排氣流道124b的出口則透過排氣管126而連接於例如排氣扇所構成的排氣部128。蓋板72內係透過下端所設置之連通道72c來將構成光導波路徑104之貫穿孔72a與排氣流道72b加以連接。
由於從吹淨氣體供應口118被供應至殼體110內之吹淨氣體(N2 氣體)會在充滿殼體110內後流經基底板124的貫穿孔124a→蓋板72的貫穿孔72a→連通道72c→排氣流道72b→基底板124的排氣流道124b的密閉空間，再被排出至外部的排氣部128。
此實施形態之光學偵測裝置100中，用以偵測半導體晶圓W之被加工膜膜厚之偵測光LB並非使用單一波長的同調性雷射光，而是使用含有大範圍(例如185nm~785nm)的多種波長之非同調性燈光。此處，由於偵測光LB所包含之短波長(特別是200nm以下)容易被氧吸收，因此若是曝露在大氣中便會明顯衰退。
此實施形態中，如上所述，由於偵測頭102內的空間，甚至是偵測用光導波路徑104的空間係經常以吹淨氣體(N2 氣體)來進行吹淨，因此從光纖106射出後的偵測光LB，甚至是被引入至光纖106前的反射光HB便不會接觸到大氣，而不容易衰退。藉此便可提高光學偵測裝置100的偵測精確度。
又，為了同時兼顧光學偵測裝置100的偵測精確度與輻射狀槽孔天線55之電磁波放射特性的均勻性，於槽孔板54中偵測用光導波路徑104所通過之部位處或區域54c形成有網狀透孔MH之結構亦非常地重要。
如圖3A所示，於槽孔板54的光導波路徑通過區域54c(網孔)內係以特定密度而分佈有特定形狀及特定尺寸的透孔MH。為了提高偵測精確度，網孔54c的開口率愈大為佳，較佳為70%以上。此處，對提高網孔54c的開口率來說，使透孔MH的開口形狀為多角形而會較圓形要來得佳，最佳為正六角形(即蜂巢式構造)。
依據蜂巢式構造，例如，使透孔MH之一邊的長度為j(mm)，使對邊的長度為k(mm)，當j=1.0mm、k=1.73mm時開口率為76.3%，當j=0.8mm、k=1.39mm時開口率為71.8%。但當j=0.5mm、k=0.89mm時，則開口率會降低至60.3%。
如此地，於槽孔板54之光導波路徑通過區域(網孔)54c中，若透孔MH的尺寸愈大，便會獲得較大的開口率。但為了使微波之來自網孔的溢漏較少，透孔MH的開口尺寸便有其上限。一般來說，當透孔MH的開口尺寸為介電體窗內之波長的1/10以下時，微波的溢漏會明顯變少。例如，使用石英板作為介電體窗52材質的情況，由於石英內之微波(2.45GHz)的波長為61mm，因此透孔MH的開口尺寸期望為6mm以下。
此外，供微波放射之槽孔對54a、54b的開口尺寸例如長邊為36mm，短邊為6mm。
該實施形態中，光導波路徑通過區域(網孔)54c係自微波傳送線路58的同軸管66分離獨立。於是，光導波路徑通過區域(網孔)54c的口徑便可在不會對輻射狀槽孔天線55之電磁波放射特性的均勻性造成影響之範圍內選擇任意尺寸，通常只要選擇在10mm~20mm左右即可。
該實施形態中，網狀透孔MH的其他特徵為於光導波路徑通過區域54c內，隔著相鄰接之透孔MH的格子部分或遮光部TD的上面會如圖3B所示般地形成為圓形凸面。
如此地，當遮光部TD的上面為圓形凸面時，從正上方入射之偵測光LB便不會反射至垂直上方而是會斜向地反射，因此便可減少從遮光部TD返回到偵測頭102而成為SN比降低的原因之迷失光線。此亦大大地有助於提高光學偵測裝置100的偵測精確度。
圖4係顯示於該實施形態中，在槽孔板54製作上述網狀透孔MH之較佳方法。此外，槽孔板54的材質為了確保良好的電氣傳導度，較佳係於表面施有鍍金之導體(例如銅或鐵-鎳合金)。特別是鐵-鎳合金由於線膨脹率低，因此可抑制槽孔板的位移。
首先，如圖4(A)、(B)所示，於槽孔板54上所設定之光導波路徑通過區域54c處藉由例如沖孔加工來形成網狀透孔MH。此階段中，光導波路徑通過區域54c的格子部分仍為平坦面。接下來，將槽孔板54的光導波路徑通過區域54c浸漬在蝕刻液後，如圖4(c)所示般地各透孔MH邊緣部的角部便會被削成圓形，甚至格子部分的上面會被整體地削成圓形而成為凸面。蝕刻液可使用例如氧化劑、無機鹽及含有氯離子之藥液。此外，雖然光導波路徑通過區域54c的內面(下面)處之格子部分或遮光部的表面被削成圓形亦可，但若非如此(仍是平坦面)的話亦不會有特別的問題。
由於該實施形態之光學偵測裝置100係如上所述地，為了供偵測用光導波路徑104通過而於導體的槽孔板54形成有網狀透孔MH，因此微波便會在網狀透孔MH部位處，而與在除了槽孔對54a、54b之其他的槽孔板部位處同樣地往輻射方向(不會溢漏至外部)順暢地傳輸。藉此，便不會對輻射狀槽孔天線55之電磁波放射特性的均勻性(甚至對電漿密度的均勻性)造成影響，而可建構出適於傳輸非同調性且大範圍(多種波長)的偵測光之偵測用光導波路徑104。槽孔板54上之光導波路徑通過區域(網孔)54c的位置設定自由度很大，基本上可將導波路徑通過區域(網孔)54c設置在同軸管66的徑向外側且不會干擾到槽孔對54a、54b之任意位置處。
再者，該光學偵測裝置100係如上所述地，於介電體窗52及介電體板56中，以相對於短波長光線(特別是紫外線)而透光率高之合成石英來構成偵測用光導波路徑104所通過之部分52a、56a，因此可更加提高使用含有大範圍(例如185nm~785nm)的多種波長之非同調性偵測光LB及反射光HB之膜厚偵測的精確度。
圖5係顯示合成石英與熔融石英之透光率的波長依存性。如圖所示，熔融石英的透光率在270nm以上的波長帶域中雖為90%以上，但若波長短於270nm便會降低，特別是當短於200nm時會明顯降低(降低至50%以下)。相對於此，合成石英的透光率則會遍佈偵測光LB及反射光HB的全波長帶域(185nm~785nm)而集中在85%~92%的範圍內，顯示高一致性且穩定。
合成石英的缺點為價格較高。但此實施形態中，只在偵測用光導波路徑104所通過之部分52a、56a局部地使用合成石英。特別是，具有大厚度(體積)之介電體窗52除了光導波路徑104之區域52a以外，其餘的大部分52b係由價錢較便宜的熔融石英所構成，因此不會有成本過高之情況。而介電體板56亦是同樣地。
此外，於介電體窗52中，熔融石英部分52b與合成石英部分52a的交界可藉由例如熔接來加以真空密封。由於介電體板56中不需真空密封，因此亦可只在為了供偵測用光導波路徑10通過而形成於熔融石英的板體56b之圓形孔洞嵌入有口徑相同於光導波路徑104之合成石英的小圓板56a。
圖6係顯示偵測本體108內的結構例。該實施形態之光學偵測裝置100為了能夠在原位(in-situ)偵測半導體晶圓W表面之被加工膜的膜厚，係於偵測本體108內具備有光源130、感光部132及偵測電路134。
光源130係具有例如鹵素燈或氙氣燈，可產生至少185nm~785nm帶域之多種波長的偵測光LB。光源130係透過光學透鏡(未圖示)而光學性地結合於光纖106的往路光纖106a，並依據來自控制部94之控制訊號RSa而開啟(On)或關閉(Off)。
感光部132具有例如光電二極體等光電轉換元件，係將經由光纖106的復路光纖106b所傳送而來之來自半導體晶圓W表面的反射光HB分解成185nm~785nm帶域內之多種光譜，每個光譜會產生顯示反射光強度(即反射率)之電氣訊號(反射率訊號SHB )。
偵測電路134係具有參考設定部136、比較判定部138及偵測輸出部140。參考設定部136係將控制部94提供之各種設定值RSb所包含的偵測用基準值或參考數據RHB 提供給比較判定部138。膜厚偵測的情況，參考數據RHB 係依據從感光部132獲得之光譜反射率訊號SHB 所具有的特定屬性而提供設定值或基準值。
比較判定部138係會將從感光部132所接收的光譜反射率訊號SHB 與參考數據RHB 作比較(對照)，當兩者SHB 、RHB 之間特定屬性的值或特性一致或近似時，則輸出顯示半導體晶圓W表面之被加工膜的膜厚到達設定值(或事先讀取而在特定時間後到達設定值)之偵測資訊或偵測結果。然後，從偵測輸出部140輸出上述要旨的偵測訊號MS，則控制部94(圖1)便會對應於該偵測訊號MS來進行蝕刻製程的停止或切換。
可適當地使用此實施形態之光學偵測裝置100的膜厚偵測功能之蝕刻製程的一例為例如於MOS電晶體的製造步驟中所具有的蝕刻步驟，其係用以形成LDD(Lightly Doped Drain)構造或極淺接合構造的側壁。
圖7係顯示此實施形態之蝕刻步驟的順序。此外，在蝕刻前，如圖7(a)所示，半導體晶圓W表面係藉由CVD(Chemical Vapor Deposition)法而形成有SiO2 膜142。此處，閘極電極146下層的薄膜144為閘極絕緣膜，係例如膜厚5nm左右的熱氧化膜(SiO2 膜)。閘極電極146兩側的基板表面係注入有不純物的離子。
此實施形態中用來形成側壁之蝕刻步驟如圖7(b)所示，係由使得除了閘極電極146上及其兩側的側壁部分以外之SiO2 膜142的殘膜膜厚直到成為設定值THs 為止全面性地進行蝕刻之第1蝕刻步驟，與如圖7(c)所示，使側壁142w殘留在閘極電極146兩側而將SiO2 膜142的殘膜直到完全地去除為止全面性地進行蝕刻之第2蝕刻步驟所構成。
第1蝕刻步驟係依例如以下配方來進行異向性強的蝕刻。
蝕刻氣體：Ar/O2 /CH2 F2 =1000/2/5sccm
處理室內壓力：20mTorr
微波功率：2000W
偏壓用高頻電功率：120W
第2蝕刻步驟係依例如以下配方來進行異向性弱的蝕刻。
蝕刻氣體：Ar/CH2 F2 =360/20sccm
處理室內壓力：100mTorr
微波功率：2000W
偏壓用高頻電功率：75W
上述蝕刻步驟中，為了不會造成圖8A所示般的凹部(recess)或圖8B所示般的足部(footing)，而作成圖7(c)所示般的理想側壁構造，上述膜厚設定值THs 較佳係選擇基板快要露出前的小尺寸，例如選擇為1nm。
該實施形態之微波電漿蝕刻裝置當進行上述2階段蝕刻製程之情況，係藉由光學偵測裝置100的膜厚偵測功能來檢測出或推定第1蝕刻步驟中SiO2 膜142的膜厚到達設定值THs 之時間點，而在該時間點停止第1蝕刻步驟，接著開始第2蝕刻步驟。
於此情況下，光學偵測裝置100會在第1蝕刻步驟進行當中開啟光源130，來使偵測光LB經由偵測頭102、光導波路徑104而照射在晶座12上的半導體晶圓W表面。然後，將由光導波路徑104及偵測頭102而引入之來自半導體晶圓W表面的反射光HB利用感光部132來進行光電轉換，再藉由施予偵測電路134的訊號處理，便可即時地偵測半導體晶圓W表面之SiO2 膜142的膜厚隨著蝕刻製程的時間經過而減少之樣態。
圖9係顯示於光學偵測裝置100中，將185nm~785nm帶域之偵測光LB照射在半導體晶圓W表面的SiO2 膜，藉此所獲得之反射光HB的光譜反射率的波長依存特性會對應於SiO2 膜的膜厚而改變之特性。
如圖所示，SiO2 膜的情況，大致來說，當膜厚愈薄則在全波長帶域中反射率愈低，特別是在200nm以下的短波長帶域中，膜厚依存特性的差會變得顯著。因此，根據例如200nm附近之有限波長帶域的反射率特性，或根據大範圍(185nm~785nm)之全波長帶域的反射率特性圖形(波形)，便可檢測或推定出SiO2 膜142的膜厚成為設定值THs (1nm)之時間點。
該實施形態之反射率的波長依存特性(圖9)係以除了閘極電極146的側壁而SiO2 膜142被完全地去除之狀態(亦即基板(下層)為露出之狀態(同等於圖7(c)之狀態))下所獲得時的反射率作為標準化之基準值(1.00)。如此地，藉由以蝕刻對象的薄膜被完全地去除時之下層所獲得的反射率作為基準值，則即便是1nm左右之非常薄的膜厚，仍能夠高精確度地偵測。
此外，於上述2階段的蝕刻步驟中，停止第2蝕刻步驟之時間點(終點檢出)可利用例如計時器功能，或對電漿光進行光譜分析來加以檢測之公知的手法(發光偵測)。此情況下，亦可將光學偵測裝置100的光導波路徑104利用於發光偵測用窗。如此地，該實施形態之光學偵測裝置100便可利用於各種形態的膜厚偵測或其他光學性偵測。
以上，雖已說明本發明較佳實施形態，但本發明不限於上述實施形態，可在其技術思想範圍內而有其他實施形態或做各種變化。
例如圖10所示，亦可將構成微波傳送線路58的同軸管66之內部導體68構成為中空管，而將該中空管68使用在處理氣體供應部80的中心氣體供應道。此情況下，係設置有與中空管68為連續地且貫穿輻射狀槽孔天線55中心之氣體噴出口150。輻射狀槽孔天線55的中心乃輻射狀導波道的中心，縱使於該場所形成有氣體噴出用的貫穿孔150，仍不會對輻射狀槽孔天線55之電磁波放射特性的均勻性造成影響，且不會妨礙到光學偵測裝置100或有任何不良的影響。
於該結構例之處理氣體供應部80中，從處理氣體供應源82所送出之處理氣體的一部分會如上所述地通過氣體供應管88而從處理室10側壁的氣體噴出孔86被導入至處理室10內。又，從處理氣體供應源82所送出之處理氣體的其他部分則會通過氣體供應管152及同軸管66的內部導體68而從頂板中心部的氣體噴出孔150被導入至處理室10內。此外，氣體供應管152中途係設置有MFC(質流控制器)154及開閉閥156。
構成光學偵測裝置100之各部亦可有各種變化。例如圖11所示，亦可為將輻射狀槽孔天線55周圍所設置之偵測用光導波路徑104分割為往路用(偵測光LB專用光導波路徑104L與復路用(反射光HB專用)光導波路徑104R之結構。此情況下，介電體窗52、槽孔板54、介電體板56及蓋板72中，往路用(偵測光LB專用)的光導波路徑104L所通過之位置處或部位與復路用(反射光HB專用)光導波路徑104R所通過之位置處或部位係分別地各自設置有合成石英52a、網狀透孔MH、合成石英56a、貫穿孔72a。
又，偵測頭102中，係針對往路用(偵測光LB專用)的光導波路徑104L而個別地設置有光學系統(112L、114L)及殼體110L，且針對復路用(反射光HB專用)的光導波路徑104R而個別地設置有光學系統(112R、114R)及殼體110R。
光纖106之往路光纖106a係透過導體套116L而安裝在往路側的殼體110L，復路光纖106b則係透過導體套116R而結合於復路側的殼體110R。又，殼體110L、110R係從共通的吹淨氣體供應源122透過個別的氣體供應管120L、120R及氣體導入口118L、118R而供應有吹淨氣體。
此外，往路用(偵測光LB專用)光導波路徑104L與復路用(反射光HB專用)光導波路徑104R可形成為相對於鉛直線呈現某種程度的傾斜之V字狀，而殼體110L、110R亦可為相互分離。
又，偵測頭102與偵測本體108之間亦可省略光纖106，而使用透鏡等其他的光傳送系統。
上述實施形態之微波電漿處理裝置中之微波放電機構的結構，特別是微波傳送線路58及輻射狀槽孔天線55僅為其中一例，而亦可使用其他方式或形態的微波傳送線路及槽孔天線。
上述實施形態中，介電體窗52係於供偵測用光導波路徑104通過之部分52a使用相對於短波長(特別是200nm以下)而透光率高的合成石英。但當偵測光LB未含有上述短波長的情況則亦可於該光導波路徑通過部分52a使用熔融石英或其他的透明介電體。又，介電體窗52中，除了光導波路徑通過部分52a以外的部分亦可使用氧化鋁等非透明的介電體。
由於上述實施形態之微波電漿蝕刻裝置可在無磁場下產生微波電漿，因此不需在處理室10周圍設置永久磁石或電子線圈等的磁場形成機構，而為簡易的裝置結構。再者，本發明亦可適用於利用電子迴旋加速共振(ECR：Electron Cyclotron Resonance)之電漿處理裝置。
本發明不限於上述實施形態之微波電漿蝕刻裝置，而亦可適用於電漿CVD、電漿ALD、電漿氧化、電漿氮化、電漿植入、濺鍍等其他的微波電漿處理裝置。又，本發明之被處理基板不限於半導體晶圓，而亦可為平板顯示器用之各種基板或遮罩、CD基板、印刷基板等。
cw．．．冷卻水
HB．．．反射光
LB．．．偵測光
MH．．．透孔
MS．．．偵測訊號
RHB ．．．參考數據
RSa．．．控制訊號
RSb．．．設定值
SHB ．．．光譜反射率訊號
TD．．．遮光部
THs ．．．設定值
W．．．半導體晶圓
10．．．真空處理室(處理容器)
12．．．晶座(下部電極)
14、16．．．支撐部
18．．．排氣流路
20．．．隔板
22．．．排氣埠
24．．．排氣管
26．．．排氣裝置
27．．．搬出入口
28．．．閘閥
30．．．RF偏壓用高頻電源
32．．．匹配單元
34．．．供電棒
36．．．靜電夾具
36a．．．電極
36b、36c．．．絕緣膜
38．．．聚焦環
40．．．直流電源
42．．．開關
43．．．被覆線
44．．．冷媒室
46、48．．．配管
50．．．氣體供應管
52．．．介電體窗(頂板)
52a．．．合成石英部分(光導波路徑通過部分)
52b．．．熔融石英部分
54．．．槽孔板
54a、54b．．．槽孔對
54c．．．光導波路徑通過區域(網孔)
55．．．槽孔天線
56．．．介電體板(延遲板)
56a．．．合成石英部分(光導波路徑通過部分)
56b．．．熔融石英部分
58．．．微波傳送線路
60．．．微波產生器
62．．．導波管
64．．．導波管-同軸管轉換器
66．．．同軸管
68．．．內部導體
70．．．外部導體
72．．．蓋板
72a．．．貫穿孔(光導波路徑通過部分)
72b．．．排氣流道
72c．．．連通道
74．．．流道
76、78．．．配管
80．．．處理氣體供應部
82．．．處理氣體供應源
84．．．緩衝室
86．．．側壁氣體噴出孔
88．．．氣體供應管
90．．．MFC(質流控制器)
92．．．開閉閥
94．．．控制部
100．．．光學偵測裝置
102．．．偵測頭
104．．．偵測用光導波路徑
104L．．．往路用(偵測光LB專用)光導波路徑
104R．．．復路用(反射光HB專用)光導波路徑
106．．．光纖
106a．．．往路光纖
106b．．．復路光纖
108．．．偵測本體
110、110L、110R．．．殼體
112．．．光反射體
112L、112R、114L、114R．．．光學系統
114．．．光學透鏡
116．．．套筒
116L、116R．．．導體套
118．．．吹淨氣體供應口
118L、118R．．．氣體導入口
120．．．氣體供應管
120L、120R．．．氣體供應管
122．．．吹淨氣體供應源
124．．．基底板
124a．．．貫穿孔
124b．．．排氣流道
126．．．排氣管
128．．．排氣部
130．．．光源
132．．．感光部
134．．．偵測電路
136．．．參考設定部
138．．．比較判定部
140．．．偵測輸出部
142．．．SiO2 膜
142w．．．側壁
144．．．閘極絕緣膜
146．．．閘極電極
150．．．氣體噴出口
152．．．氣體供應管
154．．．MFC(質流控制器)
156．．．開閉閥
圖1係顯示本發明一實施形態之微波電漿處理裝置的結構之圖式。
圖2係顯示圖1之一實施形態中，電漿處理裝置所內建之光學偵測裝置的偵測頭及光導波路徑的結構之縱截面圖。
圖3A係顯示實施形態之光學偵測裝置中，為了構成光導波路徑而形成於槽孔板之網狀透孔的結構之平面圖。
圖3B係顯示上述槽孔板的網狀透孔所分佈之區域中，遮光部的縱截面構造之截面圖。
圖4係顯示於上述槽孔板製作網狀透孔之方法的步驟順序之圖式。
圖5係顯示合成石英及熔融石英之透光率的波長依存性之圖式。
圖6係顯示上述光學偵測裝置之偵測本體內的結構之方塊圖。
圖7係顯示為了使用圖1之電漿處理裝置來形成LDD構造的側壁所進行之蝕刻步驟的順序之截面圖。
圖8A係顯示LDD構造之側壁形成中，不良蝕刻結果的一例(凹部)之圖式。
圖8B係顯示LDD構造之側壁形成中，不良蝕刻結果的一例(足部)之圖式。
圖9係顯示SiO2 膜處反射率的波長依存特性之圖式。
圖10係顯示圖1之電漿處理裝置的一變形例之圖式。
圖11係顯示顯示實施形態之光學偵測裝置中偵測頭及光導波路徑的一變形例之截面圖。
cw．．．冷卻水
MS．．．偵測訊號
RSa．．．控制訊號
W．．．半導體晶圓
10．．．真空處理室(處理容器)
12．．．晶座(下部電極)
14、16．．．支撐部
18．．．排氣流路
20．．．隔板
22．．．排氣埠
24．．．排氣管
26．．．排氣裝置
27．．．搬出入口
28．．．閘閥
30．．．RF偏壓用高頻電源
32．．．匹配單元
34．．．供電棒
36．．．靜電夾具
36a．．．電極
36b、36c．．．絕緣膜
38．．．聚焦環
40．．．直流電源
42．．．開關
43．．．被覆線
44．．．冷媒室
46、48．．．配管
50．．．氣體供應管
52．．．介電體窗(頂板)
52a．．．合成石英部分(光導波路徑通過部分)
52b．．．熔融石英部分
54．．．槽孔板
54c．．．光導波路徑通過區域(網孔)
55．．．槽孔天線
56．．．介電體板(延遲板)
56a．．．合成石英部分(光導波路徑通過部分)
56b．．．熔融石英部分
58．．．微波傳送線路
60．．．微波產生器
62．．．導波管
64．．．導波管-同軸管轉換器
66．．．同軸管
68．．．內部導體
70．．．外部導體
72．．．蓋板
74．．．流道
76、78．．．配管
80．．．處理氣體供應部
82．．．處理氣體供應源
84．．．緩衝室
86．．．側壁氣體噴出孔
88．．．氣體供應管
90．．．MFC(質流控制器)
92．．．開閉閥
94．．．控制部
100．．．光學偵測裝置
102．．．偵測頭
104．．．偵測用光導波路徑
106．．．光纖
108．．．偵測本體

Claims (9)

  1. 一種電漿處理裝置，其具備有：可真空排氣的處理容器，係於至少一部份具有介電體窗；基板保持部，係於該處理容器內保持被處理基板；處理氣體供應部，係為了對該基板施予所欲電漿處理，而將所欲處理氣體供應至該處理容器內；導體的槽孔板，係具有用以將微波放射至該處理容器內之1個或複數個槽孔，而設置於該介電體窗上；微波供應部，係為了藉由微波放電來產生該處理氣體的電漿，而透過該槽孔板及該介電體窗來對該處理容器內供應微波；及光學偵測部，係透過該槽孔板所形成之網狀透孔與該介電體窗來光學性地監視或測量該處理容器內之該基板表面；該光學偵測部具備有：光源，係產生偵測光；感光部，係針對該偵測光而將來自該基板的反射光轉換成電氣訊號；偵測電路，係對來自該感光部的電氣訊號施予特定的訊號處理而輸出偵測資訊或偵測結果；偵測頭，係透過該槽孔板的網狀透孔及該介電 體窗來將該偵測光照射在該基板保持部上的該基板表面，並透過該介電體窗及該網狀透孔而引入來自該基板表面的反射光；偵測光傳送部，係用以將該偵測光從該光源傳送至該偵測頭；及反射光傳送部，係用以將該反射光從該偵測頭傳送至該感光部；該偵測頭具備有：殼體，係配置於該槽孔板上方而由可密閉之導體所構成；特定的光學零件，係配置於該殼體內且為該偵測光或該反射光所通過之位置處；吹淨氣體供應部，係對該殼體內供應吹淨氣體；及排氣部，係將該殼體內排氣。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿處理裝置，其中該偵測頭與該介電體窗之間係設置有一邊使來自該微波供應部的微波朝徑向傳輸一邊縮短其波長之介電體板與位在該介電體板上方之蓋板；該蓋板中，在與該槽孔板的該網狀透孔所分佈之區域相重疊之位置處係形成有與該偵測頭的該殼體相連通之貫穿孔。
  3. 如申請專利範圍第2項之電漿處理裝置，其中從該吹淨氣體供應部被供應至該殼體內之吹淨氣體係 通過該蓋板的貫穿孔而被傳送至該排氣部。
  4. 一種電漿處理裝置，其具備有：可真空排氣的處理容器，係於至少一部份具有介電體窗；基板保持部，係於該處理容器內保持被處理基板；處理氣體供應部，係為了對該基板施予所欲電漿處理，而將所欲處理氣體供應至該處理容器內；導體的槽孔板，係具有用以將微波放射至該處理容器內之1個或複數個槽孔，而設置於該介電體窗上；微波供應部，係為了藉由微波放電來產生該處理氣體的電漿，而透過該槽孔板及該介電體窗來對該處理容器內供應微波；及光學偵測部，係透過該槽孔板所形成之網狀透孔與該介電體窗來光學性地監視或測量該處理容器內之該基板表面；該槽孔板分佈該網狀透孔之區域的遮光部上面係呈現圓形。
  5. 如申請專利範圍第4項之電漿處理裝置，其中該網狀透孔的遮光部上面係藉由濕蝕刻而呈現圓形。
  6. 一種電漿處理裝置，其具備有：可真空排氣的處理容器，係於至少一部份具有介電體窗； 基板保持部，係於該處理容器內保持被處理基板；處理氣體供應部，係為了對該基板施予所欲電漿處理，而將所欲處理氣體供應至該處理容器內；導體的槽孔板，係具有用以將微波放射至該處理容器內之1個或複數個槽孔，而設置於該介電體窗上；微波供應部，係為了藉由微波放電來產生該處理氣體的電漿，而透過該槽孔板及該介電體窗來對該處理容器內供應微波；及光學偵測部，係透過該槽孔板所形成之網狀透孔與該介電體窗來光學性地監視或測量該處理容器內之該基板表面；該介電體窗中，與該槽孔板分佈該網狀透孔之區域相重疊之部分係至少由合成石英所構成。
  7. 如申請專利範圍第6項之電漿處理裝置，其中該介電體窗中，未與該槽孔板分佈該網狀透孔之區域相重疊之部分係由熔融石英所構成。
  8. 一種光學偵測裝置，係於電漿處理裝置中光學性地監視或測量被處理基板表面之光學偵測裝置，其中該電漿處理裝置係將該被處理基板收納在至少一部份具有介電體窗之可真空排氣的處理容器內，而對該處理容器內供應處理氣體，並且，透過設置於該介電體窗上之具有1個或複數個槽孔之導體的 槽孔板與該介電體窗來將微波供應至該處理容器內，而藉由微波放電來產生該處理氣體的電漿，且於該電漿下對該被處理基板施予所欲電漿處理；該光學偵測裝置具備有：光源，係產生偵測光；感光部，係針對該偵測光而將來自該被處理基板的反射光轉換成電氣訊號；偵測電路，係對來自該感光部的電氣訊號施予特定的訊號處理而輸出偵測資訊或偵測結果；網狀透孔，係形成於該槽孔板而用以供該偵測光與來自該被處理基板表面的反射光通過；偵測頭，係透過該槽孔板的網狀透孔及該介電體窗來將該偵測光照射在基板保持部上的該被處理基板表面，並透過該介電體窗及該槽孔板的網狀透孔而引入來自該被處理基板表面的反射光；偵測光傳送部，係用以將該偵測光從該光源傳送至該偵測頭；及反射光傳送部，係用以將該反射光從該偵測頭傳送至該感光部；該槽孔板係形成有供該偵測光通過之第1網狀透孔與供來自該被處理基板表面的反射光通過之第2網狀透孔；該偵測頭係透過該槽孔板的該第1網狀透孔及該介電體窗來將該偵測光照射在該基板保持部 上的該被處理基板表面，並透過該介電體窗及該槽孔板的該第2網狀透孔而引入來自該被處理基板表面的反射光。
  9. 如申請專利範圍第8項之光學偵測裝置，其中該偵測頭具備有：殼體，係由可密閉之導體所構成；光學零件，係配置於該殼體內且為該偵測光或該反射光所通過之位置處；吹淨氣體供應部，係對該殼體內供應吹淨氣體；及排氣部，係將該殼體內排氣。
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