WO2004085704A1

WO2004085704A1 - 処理装置

Info

Publication number: WO2004085704A1
Application number: PCT/JP2003/003714
Authority: WO
Inventors: Toshio Goto; Masaru Hori; Nobuo Ishii
Original assignee: Tokyo Electron Limited
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-07
Also published as: US20050087296A1; AU2003227209A1; JP4087851B2; JPWO2004085704A1

Abstract

　被処理体（Ｗ）を収容する容器（１）と、この容器（１）内のラジカルを含む雰囲気（Ｐ）に向けて紫外光（ＵＶ）を出力する紫外光発生手段（４１）と、雰囲気（Ｐ）中を通過してきた紫外光（ＵＶ）を受光する紫外光受光手段（４２）と、この紫外光受光手段（４２）の出力信号に基づき雰囲気（Ｐ）中におけるラジカルの密度を求め、プロセスのパラメータを制御する解析制御手段（４３，４４）とを備えている。これにより、ラジカルの密度を一定に保持し、プロセスの再現性を向上させることができる。

Description

発明の背景

本発明は、 s iを含む雰囲気中でプロセスを行う処理装置に関する。

半導体装置やフラットパネルディ明スプレイ、有機 E L (electro luminescent panel) ディスプレイの製造において、酸化膜等の絶縁膜の形成や半導体層の結晶田

成長、エッチング、またァッシングなどの処理を行うために、プラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理装置の従来例として高周波プラズマ C V D 装置について説明する。図 6は、従来の高周.波プラズマ C V D (Chemical Vaper Deposition) 装置の要部構成を示す図である。

図 6に示す C V D装置は、プロセスチャンバ 1 0 1と、高周波によりプラズマ Pを生成するプラズマ源とから構成されている。チャンパ 1 0 1の内部には、基板 Wを載置するサセプタ 1 0 2が収容されている。サセプタ 1 0 2には、基板 W を所定の温度に加熱するヒータ 1 0 3が内蔵されている。チャンバ 1 0 1の下部には排気口 1 0 4が設けられており、排気口 1 0 4に連通する真空ポンプ (図示せず) により真空引きされる。

プラズマ源は、チャンバ 1 0 1内に高周波を供給するアンテナ 1 2 1と、原料ガスを導入するガス導入ノズル 1 1 1とから構成されている。アンテナ 1 2 1は、チャンバ 1 0 1の上部空間にサセプタ 1 0 2に対向して配置され、高周波導波管 1 2 4を介して高周波電源 (図示せず) に接続されている。

基板 W上に S i (シリコン）薄膜を形成する場合には、チャンパ 1 0 1内を真空引きし、ヒータ 1 0 2により基板 Wを 4 0 0 °C程度に加熱した状態で、ノズル 1 1 1から原料ガスとして S i H ₄と S i F 4を導入する。アンテナ 1 2 1から高周波を供給すると、 S i H₄と S i F ₄が解離して S i H xと S i F _x ( x = 1 , 2 , 3 ) のラジカルとなり、これらのラジカルが基板 Wの表面で反応して S i薄膜が形成される（以上は、例えば「第 6 2回応用物理学会学術講演会予稿集 1 4 a — Z F— 3」， 2 0 0 1年 9月， ρ · 7 3 6に記載されている）。

このように、プラズマを用いた薄膜形成にはラジカルが直接的に関与している。これはエツチングゃァッシングの処理を行う場合も同様である。

しかしながら、同一のブラズマ処理装置を使用して同一条件下でプ口セスを行つても、その都度プラズマの状態が変化するため、プロセスの再現性がよくなかつた。また、別々の装置を使用して同一条件下でプロセスを行っても、各装置間でプラズマの状態が異なり、プロセスを再現性よく行うことが困難であった。この結果、個々の基板 Wに対し均一な処理を施すことができないという問題があつた。 . 発明の概要

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、プロセスの再現性を向上させることにある。

本発明の発明者は、 S iを含む雰囲気の中でプロセスを行う場合には、 S iをモニタリングすることが再現性のよいプロセスを実現するために有効であることを見いだした。特に、 S iは紫外領域に吸収スぺクトルを有しており、簡易な方法で感度よく計測できるという特徴を有する。このような知見に基づいて本発明は考え出された。

すなわち、本発明に係る処理装置の特徴は、被処理体を収容する容器と、この容器内のラジカルを含む雰囲気に向けて紫外光または真空紫外光を出力する紫外光発生手段と、雰囲気中を通過してきた紫外光または真空紫外光を受光する紫外光受光手段と、この紫外光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中におけるラジカルの密度を求め、プロセスのパラメータを制御する解析制御手段とを備えたこと

(こめる。

ここで、解析制御手段は、紫外光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中を通過してきた紫外光または真空紫外光の減衰量を求め、この減衰量から雰囲気中におけるラジカルの密度を求めるものであってもよい。

また、上述した処理装置は、紫外光または真空紫外光を間欠的に雰囲気に向けて出力するとともに、紫外光または真空紫外光の有無を示す紫外光有無信号を出力する手段と、紫外光有無信号に基づき、紫外光または真空紫外光があるときの紫外光受光手段の受光量から紫外光または真空紫外光が無いときの紫外光受光手段の受光量を差し引いた値を求め、この値から雰囲気中におけるラジカルの密度を求める手段とを更に備えていてもよい。

また、上述した処理装置は、紫外光発生手段から出力された紫外光または真空紫外光を複数の光路を通過させて紫外光受光手段に受光させる手段を有していてもよい。ここで、光路のそれぞれに、相互に変調周波数が異なる変調器を配置してもよい。

また、上述した処理装置において、容器は、紫外光が透過する窓を有し、この窓が、加熱されるようにしてもよい。または、この窓が、筒状の構造を有するようにしてもよい。

また、上述した処理装置は、雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を計測する温度計測手段を更に備え、解析制御手段が、紫外光受光手段の出力信号および温度計測手段の計測結果に基づきプロセスのパラメータを制御するようにここで、温度計測手段は、雰囲気に向けてレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、雰囲気中を通過してきたレーザ光を受光するレーザ光受光手段と、このレ一ザ光受光手段の出力信号に基づき雰囲気中を通過してきたレーザ光の減衰量スぺクトルを求め、この減衰量スぺクトルのパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める解析手段とを備える構成としてもよい。また、レ一ザ光を間欠的に雰囲気に向けて出力するとともに、レーザ光の有無を示すレーザ光有無信号を出力する手段と、レーザ光有無信号に基づき、レーザ光があるときのレーザ光受光手段の受光量からレーザ紫外光が無いときのレーザ光受光手段の受光量を差し引いた値のスぺクトルを求め、このスぺクトルのパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める手段とを更に備える構成としてもよい。

または、温度計測手段は、雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの発光スぺクトルを計測し、そのスぺクトルパターンから雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求めるものであってもよい。また、上述した処理装置は、レーザ発生手段から出力されたレーザ光を複数の光路を通過させてレーザ光手段に受光させる手段を有していてもよい。ここで、光路のそれぞれ、相互に変調周波数が異なる変調器を配置してもよい。

また、上述した処理装置において、容器は、レーザ光が透過する窓を有し、この窓が、加熱されるようにしてもよい。または、この窓が、筒状の構造を有していてもよい。

また、上述した処理装置においえ、ラジカルは、原子状ラジカルであってもよい。例えば、 S i , N， 0， F , H， Cのいずれかを含んでいてもよい。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施例に係る高周波プラズマ C V D装置の構成を示す図である。

図 2は、本発明の第 2の実施例に係る高周波プラズマ C V D装置の構成を示す図である。

図 3は、本発明の第 3の実施例に係る高周波プラズマ C V D装置の一例を説明するための図である。

図 4は、本発明の第 3の実施例に係る高周波プラズマ C V D装置の他の例を説明するための図である。

図 5 A〜図 5 Cは、二次元的なパラメータ制御の一例を説明するための図である。

図 6は、従来の高周波プラズマ C V D装置の要部構成を示す図である。実施例の詳細な説明

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、 S i薄膜を形成する高周波プラズマ C V D装置に本発明を適用した形態について説明する。

第 1の実施例

図 1は、本発明の第 1の実施例に係る高周波プラズマ C V D装置の構成を示す図である。処理容器としてのプロセスチャンバ 1の内部には、被処理体であるガラス基板 Wを载置するサセプタ 2が収容されている。サセプタ 2には、ガラス基板 Wをサセプタ 2に密着させるための静電チャックまたはメカニカルチャック

(図示せず）が用意されている。サセプタ 2にはまた、ガラス基板 Wを所定の温度に加熱するヒータ 3が内蔵されている。ヒータ 3の温度は、後述する制御部 4 4から出力される制御信号 S 5にしたがって変更される。チャンバ 1の下部には排気口 4が設けられており、排気口 4には真空ポンプ 4 Aが接続されている。真空ポンプ 4 Aは、制御部 4 4から出力される制御信号 S 6にしたがって、チャンパ 1内の圧力を調整する。

• チャンバ 1の上部には、ガス導入ノズル 1 1が設けられている。ノズル 1 1にはバルブ 1 2を介してガス導入管 1 3が接続されている。ガス導入管 1 3には、バノレブ 1 4 A, 1 4 B , 1 4 Cおよびマスフローコントローラ（M F C ) 1 5 A, 1 5 B , 1 5 Cを介して、ガス供給源 1 6 A, 1 6 B , 1 6 Cがそれぞれ接練されている。ガス供給源 1 6 A〜 1 6 Cは原料ガスとしてそれぞれ S i H ₄, H ₂， S i F 4を供給する。 M F C 1 5 A〜l 5 Cは、制御部 4 4から出力される制御信号 S：!〜 S 3にそれぞれしたがって、原料ガスの流量調整を行う。

チヤンバ 1内の上部空間には、サセプタ 2に対向するようにディスクァンテナ 2 1が配置されている。ディスクアンテナ 2 1の上には石英板 2 2を挟んで円形の地板 2 3が配置されている。ディスクアンテナ 2 1および地板 2 3にはそれぞれ同軸導波管 2 4の内導体および外導体が接続されている。同軸導波管 2 4には矩形導波管 2 5を介して高周波電源 2 6が接続されている。高周波電源 2 6の出力電力は、制御部 4 4から出力される制御信号 S 4にしたがって変更される。なお、矩形導波管 2 5または同軸導波管 2 4には負荷整合器 2 7が設けられている。この C V D装置には更に、吸収分光法によるラジカル密度計測手段が設けられている。吸収分光法とは、原子または分子の準位により光の吸収波長が異なることを利用し、プラズマ中を通過してきた光の減衰量を基に、プラズマに含まれる所定準位の原子または分子の絶対密度を計測する方法である。この方法を用いることにより、 S iラジカルの密度を簡易にかつ高感度で計測することができる。本実施例におけるラジカル密度計測手段は、チャンバ 1の外部に配置されたホロー力ソードランプ (H C L ： Hollow Cathorde Lamp) 4 1と、ホロ一力ソードランプ 4 1とチャンバ 1とを接続する入力側導光管 4 1 Aと、入力側導光管 4 1 Aに設けられたチヨツバ（変調器） 4 5と、チャンバ 1の外部に配置された紫外光受光部 4 2と、紫外光受光部 4 2とチャンパとを接続する出力側導光管 4 2 A と、紫外光受光部 4 2の出力側に電気的に接続されたラジカル密度算出部 4 3とから構成されている。

ここで、入力側導光管 4 1 Aと出力側導光管 4 2 Aは、チャンパ 1の中心軸線と交差する同一直線上に配置されている。これらの高さは、ディスクアンテナ 2 1とサセプタ 2との間に生成されるプラズマ Pの高さに合わせてある。

ホロ一力ソードランプ 4 1は、 S iラジカルの吸収波長 2 8 8 . 2 n mおよび 2 5 1 . 6 n mの紫外光 U Vを出力する紫外光発生部として作用する。なお、プラズマ中では両波長を利用できるが、プラズマで生成された S iラジカルを引き出して行うプロセスでは 2 5 1 . 6 n mしか利用できない。前者の場合でも 2 5 1 . 6 n mの方が感度がよい。ホロ一力ソードランプ 4 1に代えて、リング色素レーザの発振器を用いてもよい。

チヨッパ 4 5は、ホロ一力ソードランプ 4 1から出力された紫外光 U Vに対しパルス変調を行う。チヨッパ 4 5からは、パルス変調された紫外光 U Vの O NZ O F Fに同期したトリガ信号 (紫外光有無信号) S 1 0が、紫外光受光部 4 2に出力される。

紫外光受光部 4 2は、チャンバ 1内部から出力される紫外光 U Vを受光する。また、チヨッパ 4 5から入力されるトリガ信号 S 1 0に基づき、紫外光 U Vがあるとき ( O N時) の受光と無いとき (O F F時) の受光とを判別し、紫外光 U V があるときの受光量から無いときの受光量を差し引いた値を求め、この値をラジ力ノレ密度算出部 4 3に出力する。なお、プロセスガスが導入されておらず、またプラズマ Pが発生していない状態で、前記紫外光 U Vの受光量を予め計測し、この受光量の値を紫外光 UVの発光量として、プロセスに先立ってラジカル密度算出部 4 3にしておく。

' ラジカル密度算出部 4 3は、予め入力された紫外光 U Vの発光量と紫外光受光部 4 2の出力信号とに基づき、プラズマ中を通過してきた紫外光 UVの減衰量を求め、この減衰量からプラズマ Pに含まれる S iラジカルの密度を算出し、制御部 4 4に出力する。

制御部 4 4は、ラジカル密度算出部 4 3により算出されたラジカル密度が設定値に近づくように、プラズマ生成のパラメータを制御する。具体的には、真空ポンプ 4 Aに制御信号 S 6を出力し、チャンバ 1内のガス圧を制御する。また、 M F C 1 5 A〜l 5 Cのそれぞれに制御信号 S 1〜S 3を出力し、 MF C 1 5 A〜 1 5 Cの流量調整を制御する。また、高周波電源 2 6に制御信号 S 4を出力し、出力電力を制御する。その一方で、ヒータ 3の電源に制御信号 5を出力してヒータ 3の温度を制御し、サセプタ 2の温度を調整する。

ラジカル密度算出部 4 3.と制御部 4 4とから解析制御手段が構成される。解析制御手段は、コンピュータにより構成され、演算処理部と、記憶部と、操作部と、入出力インタフェース部とを有している。記憶部には、計測データと、ラジカル密度を算出する際に必要なデータと、制御プログラムが記憶されている。演算処理部は、制御プログラムにしたがって、ラジカル密度の算出を行うとともに、後述するように装置全体の動作の制御を行う。操作部からはデータの入力が可能である。また、入出力インタフェース部を他の管理システム等に接続することにより、それらと通信を行うことも可能である。

また、制御の基準値は、装置の外部から設定してもよいし、装置自身で獲得するようにしてもよい。装置の外部から設定する場合には、例えばオペレータにより操作部から、または中央制御装置から入出力インタフェース部を介して設定される。一方、装置自身で獲得する場合には、例えばプロセスを開始してから特定時間経過後の値を基準値とする。前プロセスがあれば、そのプロセスでの値を基準値とする。

また、導光管 4 1 A， 4 2 Aの先端部、すなわち導光管 4 1 A， 4 2 A内とチヤンバ 1内との境界部には、それぞれ石英で形成された紫外光透過窓 5 A， 5 B が設けられている。透過窓 5 A, 5 Bに紫外光 U Vを吸収する汚染物質が付着すると、ラジカル密度の計測結果に誤差が生じする。これを防止するために、透過窓 5 A, 5 Bを 2 0 0 °C〜4 0 0 °C程度の高温に加熱し、汚染物質を付着しにくくしてもよレ、。または、透過窓 5 A， 5 Bを、アスペクト比 3以上の筒状の構造を有するキヤビラリ一プレートで構成してもよい。なお、キヤビラリ一プレートは有底であってもよい。

次に、本実施例に係るプラズマ処理装置の動作について説明する。

サセプタ 2上にガラス基板 Wを配置し、静電チャック等でガラス基板 Wをサセプタ 2に密着させ、ヒータ 3により基板温度を 400°Cにする。真空ポンプ 4 A によりチャンバ 1内を真空引するとともに、ノズル 1 1からチャンバ 1内に原料ガスを S i H4/H2/S i F 4 = 5/200/30 s c cm (standard cubic ce ntimeter/minute) の流量で導入し、チャンバ 1内の圧力を 1. 5 P aに保持する ₍ この状態で、電力が 800Wの高周波をチャンパ 1内に供給する。これにより、

S i H₄と S i F ₄が解離して S i Hxと .S i F x (x = 1， 2, 3) のラジカルとなり、これらのラジカルが基板 Wの表面で反応して S iが堆積していく。

このプロセスの際に、プラズマ (雰囲気） Pに含まれる S iラジカルの密度を計測する。まず、ホロ一力ソードランプ 41から波長 288. 2 nm, 251.

6 nmの紫外光 UVを出力すると、チヨッパ 45により紫外光 UVをパルス変調し、チャンバ 1内のプラズマ Pに向けて間欠的に出力する。紫外光 UVはチャンバ 1の直径方向を水平に通過していく。波長 288. 2 nm, 251. 6 nmの紫外光 UVは、プラズマ P中を通過する際、プラズマ Pに含まれる S iラジカルに一部吸収され、紫外光受光部 42に到達する。

紫外光受光部 42では、チヨッパ 45から入力される紫外光 UVの ON/OF

Fに基づくトリガ信号 S 1 0から、紫外光 UVがあるとき（ON時）の受光と無いとき (OFF時) の受光とを判別し、紫外光 UVがあるときの受光量から無いときの受光量を差し引いた値を求める。これにより、プラズマ P自体が発する光など、紫外光 UVとは無関係の背景光が除去され、紫外光 UVの受光量が得られる。

ラジカル密度算出部 43では、予め入力された紫外光 UVの発光量と紫外光受光部 42の出力信号とに基づき、紫外光 UVの減衰量を求め、この減衰量から S iラジカルの密度を算出する。そして、得られたラジカル密度が設定値に近づくように、制御部 44でプラズマ生成のパラメータを制御する。

なお、トリガ信号 S 10をラジカル密度算出部 43に与え、ラジカル密度算出部 43での演算処理により、紫外光 UVに対する背景光の影響を除去してもよい。この CVD装置では、ガス圧、ガスの混合比率、ガス全体の流量、高周波の電力おょぴサセプタ 2の温度を調整することにより、プラズマ生成を制御する。ガス圧を調整する場合には、真空ポンプ 4 Aに出力される制御信号 S 6を制御する。ラジカル密度が高い場合には、ガス圧を上げ、逆にラジカル密度が低い場合には、ガス圧を下げる。

ガスの混合比率、ガス全体の流量を調整する場合には、 MFC 15A〜15 C に出力される制御信号 S 1〜S 3を制御して、 S i H₄， H₂， S i F₄の流量調整を行う。ラジカル密度が高い場合には、 S i EU， S i F ₄の混合比を下げる、または全体の流量を下げる。逆にラジカル密度が低い場合には、 S i H₄， S i F 4 の混合比を上げる、または全体の流量を上げる。

高周波の電力を調整する場合には、高周波電源 26に出力される制御信号 S 4 を制御する。ラジカル密度が高い場合には、供給電力を小さくしてプラズマ生成を抑制し、逆にラジカル密度が低い場合には、供給電力を大きくしてプラズマ生成を促進させる。

サセプタ 2の温度を調整するには、ヒータ 3の電源に出力される制御信号 S 5 を制御する。ラジカル密度が高い場合には、サセプタ 2の温度を高くしガス温度を上昇させて S iの堆積を抑制し、逆にラジカル密度が低い場合には、サセプタ 2の温度を低くしガス温度を下降させて S iの堆積を促進させる。

これらの制御は、比例制御、微分制御、積分制御を組み合わせて行われる。このようにしてラジカル密度を一定に保つことにより、プロセスの再現性を向上させ、個々のガラス基板 W上に均一な S i薄膜を形成することができる。

本実施例では、ラジカル密度の計測に紫外光 UVを用いる例を示したが、真空紫外光 VUVを用いることもできる。後述する他の実施例でも同様である。真空紫外光 VUVを用いる場合には、ホロ一力ソードランプ 41とチャンバ 1との間に接続された導光管 41 Aおよび紫外光受光部 42とチャンバ 1との間に接続された導光管 42 Aの内部を真空にすることにより、真空紫外光 VUVの減衰を抑制できる。

また、本実施例では、原子状の S iラジカルの密度計測を行ったが、分子状の S i H x, S i F x (x= 1, 2， 3) ラジカルの密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。また、これらすベての密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。

第 2の実施例

チャンパ 1の体積は一定であるから、圧力一定の下では、プラズマ Pに含まれるラジカルの密度は、分子状または原子状ラジカルを含むガスの温度に反比例する。例えば、ガスの温度が高くなるほど、ラジカルの密度は小さくなる。一方、ガスの温度が高くなるほど、ラジカルの速度が大きくなる。このため、吸収分光法でラジカルの密度を計測する場合には、ガスの温度が高くなると紫外光 U Vの光路上に現れ.るラジカルの数が増え、プラズマ P中を通過してきた紫外光 U Vの減衰量が大きくなり、ラジカルの密度が実際より大きく計測される。したがって、プラズマの密度に基づくパラメータ制御をより正確に行うには、ガスの温度を考盧する必要がある。以下、このような機能を有する高周波プラズマ C V D装置について説明する。

図 2は、本発明の第 2の実施例に係る高周波プラズマ C V D装置の構成を示す図である。この図には、チャンバ 1の中心軸線に垂直な断面を示し、図 1に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。

本実施例に係る C V D装置は、ラジカル密度計測手段に加えて、ガス温度計測手段を備えている。このガス温度計測手段では、温度により分子の準位が変わり、また準位により光の吸収波長が異なることを利用し、プラズマ中を通過してきた光の減衰量を基に、プラズマに含まれるガスの温度を計測する。具体的には、ガス温度計測手段は、チヤンバ 1の外部に配置されたレーザ光出力部 5 1と、レーザ光受光部 5 2と、ガス温度算出部（解析手段） 5 3とから構成されている。ここで、レーザ光出力部 5 1は、出力するレーザ光 Lの波長を 2 5 1 . 6 n m を中心として掃引する。レーザ光出力部 5 1にはリング色素レーザの発振器などが用いられる。レーザ光出力部 5 1から出力されたレーザ光 Lは、チャンバ 1の側壁に設けられたレーザ光透過窓 6 Aを介して、チャンバ 1に入力される。

レーザ光受光部 5 2は、チャンパ 1の側壁に設けられたレーザ光透過窓 6 Bを介してチャンバ 1から出力されるレーザ光 Lを受光し、その受光量をガス温度算出部 5 3に出力する。なお、プロセスガスが導入されておらず、またプラズマ P が発生していない状態で、前記レーザ光 Lの受光量を予め計測し、この受光量の値をレーザ光 Lの発光量として、プロセスに先立ってガス温度算出部 5 3にしておく。

なお、透過窓 6 A, 6 Bは石英で形成され、チャンパ 1の中心軸線を挟んだ対向位置に配置し、レーザ光 Lの光路をラジカル密度計測に用いられるレーザ光 L の光路と同じ高さにする。透過窓 6 A, 6 Bは、汚染物質が付着しないように、第 1の実施例で説明した紫外光透過窓 5 A, 5 Bと同様の構成にする。すなわち、 2 0 0 °C〜4 0 0 °C程度の高温に加熱するか、またはァスぺクト比 3以上の筒状の構造を有するキヤビラリ一プレートで構成する。キヤビラリ一プレートは有底であってもよレヽ。

ガス温度算出部 5 3は、予め入力されたレーザ Lの発光量とレーザ光受光部 5 2の出力信号とに基づき、プラズマ中を通過してきたレーザ光 Lの減衰量スぺクトルを求め、この減衰量スぺクトルのパターンから波長に対するラジカル吸収プ口ファイルを求め、プラズマ Pに含まれるガスの温度を算出し、制御部 4 4 Aに出力する。なお、ラジカル密度計測の場合と同様に、レーザ光出力部 5 1とチヤンパ 1との間の光路にチヨッパを配置し、レーザ光受光部 5 2においてレーザ光 Lがあるときの受光量から無いときの受光量を差し引くことにより、背景光の影響が除去され正確な温度が算出される。

制御部 4 4 Aは、ラジカル密度算出部 4 3およびガス温度算出部 5 3のそれぞれの出力信号に基づき、吸収分光法により計測されたラジカル密度の温度誤差を考慮して、プラズマ生成のパラメータを制御する。

このようにして、パラメ一タ制御の温度補正を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。

なお、本実施例では、ガス温度算出部 5 3の算出結果を制御部 4 4 Aに出力する例を示したが、その算出結果をラジカル密度算出部に出力してラジカル密度の温度補正を行い、補正後のラジカル密度を制御部 4 4に出力し、第 1の実施例と同様にしてパラメータ制御を行なうようにしてもよい。

第 3の実施例

図 3は、本発明の第 3の実施例に係る高周波プラズマ C V D装置の一例を説明するための図である。この図には、チャンパ 1の中心軸線に垂直な断面を示し、図 1に示した構成要素と同じ構成要素には同一符号を付している。また、説明の便宜のため、チャンバ 1の中心を原点とする X Y座標を示している。

本実施例では、ラジカル密度計測に用いる紫外光 U Vの光路を、サセプタ 2の載置面に平行な面上に複数設定する。例えば図 3に示すように、それぞれの光路を X軸に平行にする場合には、それぞれの光路の Y座標の絶対値が相互に異なるようにする。

それぞれの光路に紫外光 UVを通過させるために、ホロ一力ソードランプ 4 1 から出力された U Vを反射してそれぞれの光路に導く入力側ミラー 6 1 A, 6 1 B , 6 1 C , 6 1 D , 6 1 E , 6 1 F , 6 1 Gと、それぞれの光路を通過してきた紫外光 U Vを反射して紫外光受光部 4 2に導く出力側ミラー 6 2 A, 6 2 B , 6 2 C , 6 2 D , 6 2 E , 6 2 F , 6 2 Gと、それぞれの光路上に配置された紫外光透過窓 5とが設けられている。入力側ミラー 6 1 A〜6 1 Gおよび出力側ミラー 6 2 A〜6 2 Gの反射面を順次回転させることにより、それぞれの光路に紫外光が順次通過する。これにより、複数の光路を時間分割により設定することができる。

それぞれの光路を通過してきた紫外光 U Vから算出されたラジカル密度は、その光路上におけるラジカル密度の積分値を表している。したがって、ラジカルがチャンバ 1の中心軸線の周りに同心円状に分布していると仮定すれば、複数の光路を通過してきた紫外光 U Vのそれぞれからラジカル密度を求め、ァベール変換を行うことにより、二次元的なラジカル密度分布を得ることができる。なお、ァベール変換は円筒の形状に適用できるので、この場合にはチャンパ 1の形状は円筒形であることが望ましい。また、ラジカル密度分布の解像度と同じ量以上の光路数が必要となる。

そして、得られたラジカル密度分布に基づいてプラズマ生成のパラメータ制御を二次元的に行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。ブラズマ生成のパラメータ制御を二次元的に行うには、例えば原料ガスをチャンバ 1内に導入するガス導入口をチャンバ 1の径方向に複数設け、それぞれのガス導入口に対してガス流量を個別に制御できるようにする。また、サセプタ 2に内蔵されるヒータを同心円状に複数設け、それぞれのヒータの温度を個別に制御できるようにする。

例えば、ァベール変換した結果、図 5 Aに示すようにチヤンパ 1の中心部で高密度のラジカル密度分布が得られたとする。この場合、図 5 Bに示すように、チヤンパ 1の中心部へのガス流量を小さくし、周辺部へ行くほどガス流量を大きくする制御を行う。これにより、図 5 Cに示すように、ラジカル密度分布が均一になる。

また、複数の光路を周波数分割により設定することもできる。この場合には、それぞれの光路上に、紫外光 U Vに対し CW変調 (Carrier Wave modulation)を行うチヨッパ（変調器) 6 3 A, 6 3 B , 6 3 C , 6 3 D , 6 3 E , 6 3 F , 6 3 Gを配置する。チヨッパ 6 3 A〜6 3 Gの変調周波数はそれぞれ異なっている。また、入力側ミラー 6 1 A〜6 1 Gとして、紫外光の一部を反射し、残りを透過させるものを用いる。それぞれの光路を通過してきた紫外光 U Vは搬送波の周波数が異なるので、紫外光受光部 4 2において紫外光 U Vを搬送波の周波数で分離し、分離された紫外光 U Vのそれぞれからラジカル密度を求め、ァベール変換を行うことにより、二次元的なラジカル密度分布を得ることができる。

さらに、ラジカル密度計測用の紫外光透過窓をチャンバ 1の軸線方向（ z方向）に複数設け、 Z方向のラジカル密度分布を計測することにより、三次元的なラジカル密度分布を得ることができる。このラジカル密度分布に基づいてプラズマ生成のパラメータ制御を行うことにより、プロセスの再現性を更に向上させることができる。

また、上述した二次元的なラジカル密度分布を計測した場合と同様に、ガス温度計測に用いるレーザ光 Lの光路をサセプタ 2の載置面に平行な面上に時間分割または周波数分割により複数設定し、それぞれの光路を通過してきたレーザ光 L から二次元的なガス温度分布を求め、二次元的なラジカル密度分布の温度誤差を考慮してプラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。それぞれの光路にレーザ光 Lを通過させるためには、ラジカル密度計測の場合と同様に、ミラ一またはそれに加えてチヨッパを用いればよい。

さらに、三次元的なガス温度分布を求め、上述した三次元的なラジカル密度分布の温度誤差を考慮してプラズマ生成のパラメータを制御するようにしてもよい。第 4の実施例

本発明の第 4の実施例では、第 1の実施例で計測されたラジカル密度からブラズマ Pの電子温度を推定し、推定された電子温度が設定値に近づくようにプラズマ生成のパラメータを制御する。

例えば、 S i H₄および S i F₄は、以下の反応式にしたがって分解する。なお, 括弧内は解離エネルギーである。

(1) S i H₄→S i Ha+ H (8. 7 5 e V)

S i H₄→S i H₂+ 2H (9. 4 7 e V)

S i H₄→S i H + 3 H (9. 4 7 e V)

S i H₄→S i +4H (1 0. 3 3 e V)

(2) S i F₄→S i F₃+ F (7. 2 5 e V)

S i F₄→S i F₂+ 2 F (4. 6 e V)

S i F.,→S i F + 3 F (6. 8 e V)

S i F₄→S i + 4 F (6. 0 e V)

以上の反応式から分かるように、 S i H₄, S i F₄から S iまで分解するには、高いエネルギーの電子が必要になる。したがって、 S iラジカルの挙動（密度の大小) を計測することにより、電子のエネルギーすなわち電子温度を推定することができる。上述したように、電子温度は解離を決定する上で非常に重要なパラメータである。

第 5の実施例

本発明の第 5の実施例では、第 1の実施例で計測された S iラジカルの密度が小さくなるように、プラズマ生成のパラメータを制御する。

S iは反応定数が高いので、

S i +S i F₄→S i ₂ F 4

のように反応し、次々と高次の分子ラジカルを生成する。したがって、 S iラジカルの密度を計測することにより、高次のラジカルの挙動についての情報を得ることができる。高次のラジカルはゴミゃパーティクルを発生する。このため、 S iラジカルの密度が小さくなるように制御することにより、高次のラジカルの生成を抑制し、ゴミ等の発生を防止することができる。

第 6の実施例

本発明は高周波プラズマエッチング装置にも適用できる。その形態を第 6の実施例として説明する。

S i薄膜または S i o₂薄膜のエッチングには、エッチングガスとしてそれぞれ C l ₂または C_xF_y (例えば、 CF₄， C4F8, CS F T) が用いられる。ことのき、薄膜上では次のような反応が起こっている。

S i + C 1₂→S. i C 12 または S i + 4 C 1→S i C 1₄

これらの反応において生成される副生成物は、 S i C 1₂や S i C 1₄、 S i F 2、 S i F₄である。これらの副生成物はエッチングプロセス中にプラズマ中で分解され、 S iラジカルが発生する。したがって、エッチングプロセスにおいて、 S iラジカルの密度計測を行い、プラズマ生成のパラメータを制御することにより、プロセスの再現性ゃェツチングの特性を確保し、制御することができる。以上の実施例では、高周波プラズマ装置の例を示したが、容量結合形プラズマ装置、誘導結合形プラズマ装置、 ECRプラズマ装置など、いずれのプラズマ装置にも適用できる。ただし、少なくとも S iを含有するガスを用いたプラズマ、または、固体表面から少なくとも S iを含有する副生成物が生成されるプラズマが対象になる。

しかし、プラズマを用いたプロセスでなくてもよく、雰囲気中でガスが解離して S iが発生するプロセスにも適用できる。例えば、 C a t CVDや触媒利用などの CVDにも適用できる。さらに、ガスを用いたプロセスでなくてもよく、例えばスパッタにも適用できる。

また、 N₂ガスを含む S i基板（層）または S i〇₂膜の窒化プロセスや、 0₂ガスを含む S i基板（層）の酸化プロセスにも適用できる。窒化プロセスや酸化プロセスでは、直接反応に関与する Nラジカルや Oラジカルの密度の現在値を計測し、その密度が一定になるように制御できるので、十分な効果が得られる。 Nラジカルの密度計測には、波長がおよそ 120 nmの真空紫外光が使用され、 Oラジカルの密度計測には、波長がおよそ 13 Onmの真空紫外光が使用される。なお、 N系ガスについては、例えば Nラジカルの発光スペクトルを計測することにより、その発光スペクトルの包絡線の強度分布から、回転温度がわかる。平衡状態においては回転温度は並進温度と一致する。よって、得られたガス温度により Nラジカル密度を温度補正することができる。

Fラジカルまたは Hラジカルの密度計測には、それぞれ波長がおよそ 96 nm または 121. 6 nmの紫外光を使用し、それぞれの密度が一定になるように制御することもできる。 Cラジカルについても同様に、密度計測の結果に基づく制御が可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 被処理体を収容する容器と、

この容器内のラジカルを含む雰囲気に向けて紫外光または真空紫外光を出力する紫外光発生手段と、

前記雰囲気中を通過してきた紫外光または真空紫外光を受光する紫外光受光手段と、

この紫外光受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求め、プロセスのパラメータを制御する解析制御手段と

を備えたことを特徴とする処理装置。

2 . 請求の範囲第 1項に記載された処理装置において、

前記解析制御手段は、前記紫外光受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中を通過してきた前記紫外光または前記真空紫外光の減衰量を求め、この減衰量から前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求めることを特徴とする処理装置。

3 . 請求の範囲第 1項に記載された処理装置において、

前記紫外光または前記真空紫外光を間欠的に前記雰囲気に向けて出力するとともに、前記紫外光または前記真空紫外光の有無を示す紫外光有無信号を出力する手段と、

前記紫外光有無信号に基づき、前記紫外光または前記真空紫外光があるときの前記紫外光受光手段の受光量から前記紫外光または前記真空紫外光が無いときの前記紫外光受光手段の受光量を差し引いた値を求め、この値から前記雰囲気中における前記ラジカルの密度を求める手段と

を備えたことを特徴とする処理装置。

4 . 請求の範囲第 1項に記載された処理装置において、

前記紫外光発生手段から出力された前記紫外光または前記真空紫外光を複数の光路を通過させて前記紫外光受光手段に受光させる手段を有することを特徴とする処理装置。

5 . 請求の範囲第 4項に記載された処理装置において、前記光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えたことを特徴とする処理装置。

6 . 請求の範囲第 1項に記載された処理装置において、

前記容器は、前記紫外光が透過する窓を有し、

この窓は、加熱されることを特徴とする処理装置。

7 . 請求の範囲第 1項に記載された処理装置において、

前記容器は、前記紫外光が透過する窓を有し、

この窓は、筒状の構造を有することを特徴とする処理装置。

8 . 請求の範囲第 1項に記載された処理装置において、

前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を計測する温度計測手段を備え、

前記解析制御手段は、前記紫外光受光手段の出力信号および前記温度計測手段の計測結果に基づき前記プロセスのパラメータを制御することを特徴とする処理

9 . 請求の範囲第 8項に記載された処理装置において、

前記温度計測手段は、

前記雰囲気に向けてレーザ光を出力するレーザ光発生手段と、

前記雰囲気中を通過してきたレーザ光を受光するレーザ光受光手段と、このレーザ光受光手段の出力信号に基づき前記雰囲気中を通過してきた前記レ一ザ光の減衰量スぺクトルを求め、この減衰量スぺクトルのパターンから前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める解析手段と

を含むことを特徴とする処理装置。

1 0 . 請求の範囲第 9項に記載された処理装置において、

前記レーザ光を間欠的に前記雰囲気に向けて出力するとともに、前記レーザ光の有無を示すレーザ光有無信号を出力する手段と、

前記レーザ光有無信号に基づき、前記レーザ光があるときの前記レーザ光受光手段の受光量から前記レーザ紫外光が無レ、ときの前記レーザ光受光手段の受光量を差し引いた値のスぺクトルを求め、このスぺクトルのパターンから前記雰囲気中の分子状または原子状ラジカルの温度を求める手段とを備えたことを特徴とする処理装置。

1 1 . 請求の範囲第 8項に記載された処理装置において、

前記温度計測手段は、前記雰囲気中の前記分子状または原子状ラジカルの発光スぺクトルを計測し、そのスぺクトルパターンから前記雰囲気中の前記分子状または原子状ラジカルの温度を求めることを特徴とする処理装置。

1 2 . 請求の範囲第 9項に記載された処理装置において、

前記レーザ発生手段から出力された前記レーザ光を複数の光路を通過させて前記レーザ光手段に受光させる手段を有することを特徴とする処理装置。

1 3 . 請求の範囲第 1 2.項に記載された処理装置において、

前記光路のそれぞれに配置され、相互に変調周波数が異なる変調器を備えたことを特徴とする処理装置。

1 4 . 請求の範囲第 9項に記載された処理装置において、

前記容器は、前記レーザ光が透過する窓を有し、

この窓は、加熱されることを特徴とする処理装置。

1 5 . 請求の範囲第 9項に記載された処理装置において、

前記容器は、前記レーザ光が透過する窓を有し、

1 6 . 請求の範囲第 1項に記載された処理装置において、

前記ラジカルは、原子状ラジカルであることを特徴とする処理装置。

1 7 . 請求の範囲第 1 6項に記載された処理装置において、

前記原子状ラジカルは、 S i , N, O , F , H, Cのいずれかを含むことを特徴とする処理装置。