WO2009110366A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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融 伊藤
澄江 瀬川
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Tokyo Electron Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
    • H05H1/0081—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature by electric means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
    • H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus used for plasma processing of a substrate.
  • plasma of a processing gas is generated in a processing chamber, and plasma processing of a substrate disposed in the processing chamber by this plasma, for example, a semiconductor wafer or a glass substrate for a liquid crystal display device, for example, A plasma processing apparatus that performs an etching process or a film forming process is used.
  • the state of processing performed on the substrate depends on the state of plasma. For this reason, for example, a technique for measuring the frequency of electromagnetic waves absorbed by electrons in plasma and measuring the density of electrons in plasma is known (see, for example, Patent Document 1). JP 2004-103264 A
  • the state of the plasma is monitored by measuring the electron density in the plasma.
  • the plasma state is not all represented by a single factor of electron density, and there is a development of a plasma monitoring method that can grasp the plasma state from various angles in detail. It was desired.
  • the present invention has been made in response to the above-described conventional circumstances, and an object thereof is to provide a plasma processing apparatus capable of grasping the state of plasma in various ways in detail.
  • the plasma processing apparatus a processing chamber in which a substrate to be processed is disposed, a gas supply mechanism for supplying a predetermined processing gas into the processing chamber, and an exhaust mechanism for exhausting from the processing chamber
  • a plasma generating mechanism for generating a plasma of the processing gas in the processing chamber
  • a coaxial cable disposed in the processing chamber
  • a probe connected to the coaxial cable and present in the plasma detected by the probe
  • a plasma monitoring device provided with a measuring unit for detecting the frequency distribution of the electromagnetic wave.
  • the plasma processing apparatus is the plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the measurement unit detects at least one of a different frequency component and a sideband component present in the plasma. .
  • the plasma processing apparatus is the plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the plasma processing apparatus includes a plurality of the processing chambers, and based on a detection result of the plasma monitoring apparatus, plasmas in the plurality of processing chambers are provided. It has a control part which controls plasma so that a state may correspond.
  • the plasma processing apparatus according to claim 4 is the plasma processing apparatus according to claim 3, wherein the control unit controls at least one of the gas supply mechanism, the exhaust mechanism, and the plasma generation mechanism.
  • a processing chamber in which a substrate to be processed is disposed, a gas supply mechanism for supplying a processing gas at a predetermined flow rate into the processing chamber, and a predetermined vacuum in the processing chamber.
  • An exhaust mechanism set at a time a plasma generating mechanism having a high-frequency power source and generating plasma of the processing gas in the processing chamber, a probe inserted into the plasma, and different frequency components present in the plasma and
  • a measurement unit that detects at least one of the sideband components, and a control unit that controls at least one of the gas supply mechanism, the exhaust mechanism, and the plasma generation mechanism based on the detection result.
  • FIG. 1 shows a configuration of a plasma etching apparatus as a plasma processing apparatus according to the present embodiment.
  • the plasma etching apparatus 1 is configured as a capacitively coupled parallel plate etching apparatus in which electrode plates face each other in the vertical direction and a power source for plasma formation is connected.
  • the plasma etching apparatus 1 has a processing chamber (processing container) 2 formed in a cylindrical shape made of, for example, aluminum whose surface is anodized, and the processing chamber 2 is grounded.
  • a substantially cylindrical susceptor support 4 for placing an object to be processed, for example, a semiconductor wafer W, is provided at the bottom of the processing chamber 2 via an insulating plate 3 such as ceramic. Further, a susceptor 5 constituting a lower electrode is provided on the susceptor support 4.
  • a high pass filter (HPF) 6 is connected to the susceptor 5.
  • a refrigerant chamber 7 is provided inside the susceptor support 4, and the refrigerant is introduced into the refrigerant chamber 7 through a refrigerant introduction pipe 8, circulated, and discharged from a refrigerant discharge pipe 9. Then, the cold heat is transferred to the semiconductor wafer W through the susceptor 5, whereby the semiconductor wafer W is controlled to a desired temperature.
  • the upper center portion of the susceptor 5 is formed into a convex disk shape, and an electrostatic chuck 11 having substantially the same shape as the semiconductor wafer W is provided thereon.
  • the electrostatic chuck 11 is configured by disposing an electrode 12 between insulating materials. Then, when a DC voltage of, for example, 1.5 kV is applied from the DC power source 13 connected to the electrode 12, the semiconductor wafer W is electrostatically attracted by, for example, Coulomb force.
  • the insulating plate 3, the susceptor support 4, the susceptor 5, and the electrostatic chuck 11 are formed with a gas passage 14 for supplying a heat transfer medium (for example, He gas) on the back surface of the semiconductor wafer W.
  • a heat transfer medium for example, He gas
  • An annular focus ring 15 is disposed around the upper peripheral edge of the susceptor 5 so as to surround the semiconductor wafer W placed on the electrostatic chuck 11.
  • the focus ring 15 is made of, for example, a conductive material such as silicon, and has an effect of improving etching uniformity.
  • the upper electrode 21 is provided above the susceptor 5 so as to face the susceptor 5 in parallel.
  • the upper electrode 21 is supported on the upper portion of the processing chamber 2 via an insulating material 22.
  • the upper electrode 21 includes an electrode plate 24 and an electrode support 25 made of a conductive material that supports the electrode plate 24.
  • the electrode plate 24 is made of, for example, a conductor such as Si or SiC, or a semiconductor, and has a large number of discharge holes 23.
  • the electrode plate 24 forms a surface facing the susceptor 5.
  • a gas inlet 26 is provided at the center of the electrode support 25 in the upper electrode 21, and a gas supply pipe 27 is connected to the gas inlet 26. Further, a processing gas supply source 30 is connected to the gas supply pipe 27 via a valve 28 and a mass flow controller 29. An etching gas for plasma etching processing is supplied from the processing gas supply source 30.
  • An exhaust pipe 31 is connected to the bottom of the processing chamber 2, and an exhaust device 35 is connected to the exhaust pipe 31.
  • the exhaust device 35 includes a vacuum pump such as a turbo molecular pump, and is configured to be able to evacuate the processing chamber 2 to a predetermined reduced pressure atmosphere, for example, a predetermined pressure of 1 Pa or less.
  • a gate valve 32 is provided on the side wall of the processing chamber 2, and the semiconductor wafer W is transferred to and from an adjacent load lock chamber (not shown) with the gate valve 32 opened.
  • a first high-frequency power source 40 is connected to the upper electrode 21, and a matching unit 41 is inserted in the feeder line. Further, a low pass filter (LPF) 42 is connected to the upper electrode 21.
  • the first high frequency power supply 40 has a frequency in the range of 50 to 150 MHz. By applying such a high frequency, it is possible to form a high-density plasma in a preferable dissociated state in the processing chamber 2.
  • a second high frequency power supply 50 is connected to the susceptor 5 as a lower electrode, and a matching unit 51 is inserted in the power supply line.
  • the second high-frequency power supply 50 has a lower frequency range than the first high-frequency power supply 40, and damage to the semiconductor wafer W, which is the substrate to be processed, by applying a frequency in such a range. Appropriate ion action can be given without giving.
  • the frequency of the second high frequency power supply 50 is preferably in the range of 1 to 20 MHz, for example.
  • the plasma etching apparatus 1 is provided with a plasma monitoring apparatus 100.
  • the plasma monitoring apparatus 100 includes a measurement unit 101 and a coaxial cable 102 connected to the measurement unit 101.
  • One end of the coaxial cable 102 is inserted into a plasma generation region in the processing chamber 2, and a portion of the coaxial cable 102 disposed in the processing chamber 2 is covered with a quartz tube 103.
  • the quartz tube 103 is for preventing the metal constituting the coaxial cable 102 from being mixed into the semiconductor wafer W as an impurity when performing plasma etching of the semiconductor wafer W in the processing chamber 2. . Therefore, when the plasma monitoring is experimentally performed without processing the semiconductor wafer W, the plasma may be monitored without the quartz tube 103, that is, with the coaxial cable 102 exposed.
  • the end portion of the coaxial cable 102 on the side disposed in the processing chamber 2 is a probe 102a, and this portion exposes a core wire (internal conductor) 102b made of a conductor such as aluminum. It is assumed that An outer conductor 102c made of a copper pipe or the like is provided on the outer peripheral portion of the coaxial cable 102, and an insulating material 102d made of resin or the like is provided between the core wire (inner conductor) 102b and the outer conductor 102c. Yes.
  • the measurement unit 101 to which the coaxial cable 102 is connected is composed of an oscilloscope having a FFT (Fast Fourier Transform) analysis function, a spectrum analyzer, or the like. And the frequency distribution of the electromagnetic wave which exists in the plasma detected by the probe 102a part of the coaxial cable 102 is detected, and this detected frequency distribution can be displayed.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • the control unit 60 includes a process controller 61 that includes a CPU and controls each unit of the plasma etching apparatus 1, a user interface unit 62, and a storage unit 63.
  • the user interface unit 62 includes a keyboard that is used by a process manager to input commands to manage the plasma etching apparatus 1, a display that visualizes and displays the operating status of the plasma etching apparatus 1, and the like.
  • the storage unit 63 stores a recipe in which a control program (software) for realizing various processes executed by the plasma etching apparatus 1 under the control of the process controller 61 and processing condition data are stored. Then, if necessary, an arbitrary recipe is called from the storage unit 63 by an instruction from the user interface unit 62 and is executed by the process controller 61, so that the process in the plasma etching apparatus 1 is controlled under the process controller 61. Desired processing is performed.
  • recipes such as control programs and processing condition data may be stored in a computer-readable computer storage medium (eg, hard disk, CD, flexible disk, semiconductor memory, etc.), or It is also possible to transmit the data from other devices as needed via a dedicated line and use it online.
  • the gate valve 32 When performing plasma etching of the semiconductor wafer W by the plasma etching apparatus 1 having the above configuration, first, after the gate valve 32 is opened, the semiconductor wafer W is carried into the processing chamber 2 from a load lock chamber (not shown), It is placed on the electrostatic chuck 11. The semiconductor wafer W is electrostatically attracted onto the electrostatic chuck 11 by applying a DC voltage from the DC power source 13. Next, the gate valve 32 is closed, and the processing chamber 2 is evacuated to a predetermined degree of vacuum by the exhaust device 35.
  • valve 28 is opened, and the flow rate of a predetermined etching gas from the processing gas supply source 30 is adjusted by the mass flow controller 29 while passing through the processing gas supply pipe 27 and the gas inlet 26, so that the upper electrode 21 is hollow. Then, the liquid is uniformly discharged onto the semiconductor wafer W through the discharge holes 23 of the electrode plate 24 as shown by the arrows in FIG.
  • the pressure in the processing chamber 2 is maintained at a predetermined pressure. Thereafter, high frequency power having a predetermined frequency is applied to the upper electrode 21 from the first high frequency power supply 40. As a result, a high-frequency electric field is generated between the upper electrode 21 and the susceptor 5 as the lower electrode, and the etching gas is dissociated into plasma.
  • high frequency power having a frequency lower than that of the first high frequency power supply 40 is applied from the second high frequency power supply 50 to the susceptor 5 serving as the lower electrode.
  • ions in the plasma are drawn to the susceptor 5 side, and the anisotropy of etching is enhanced by ion assist.
  • the plasma is monitored by the plasma monitoring device 100.
  • the frequency distribution (spectrum) of the electromagnetic wave detected by the probe 102 a inserted in the processing chamber 2 is displayed on the measurement unit 101, where the vertical axis represents intensity (intensity) and the horizontal axis represents It is displayed as a graph with frequency.
  • Ar 350 sccm, pressure: 13.3 Pa (100 mTorr)
  • FIG. 3A due to the high frequency of 60 MHz, in addition to the 60 MHz peak (1), the peaks of the harmonics that are integral multiples of this 60 MHz are from the 2nd to the 19th. 18 appear.
  • FIG. 3 (b) due to the high frequency of 2 MHz having a low frequency, in addition to the peak (1) of 2 MHz, the peak of harmonics of an integral multiple of 2 MHz is 3rd to 3rd to 4th. It appears individually.
  • FIG. 3 (c) is an enlarged view of a part of FIG. 3 (a).
  • a high frequency of 60 MHz is reduced to a low frequency of 2 MHz.
  • a plurality of peaks called sidebands obtained by adding and subtracting an integer multiple of.
  • a peak of a different frequency whose cause is unknown appears near 80 MHz or 20 MHz between peak (1) (60 MHz) and peak (2) (120 MHz).
  • Ar / O 2 500/500 sccm
  • pressure 26.6 Pa (200 mTorr)
  • 100 shows the plasma monitoring state.
  • the peak (1) due to the high frequency of 60 MHz, the peak (1), the peak (2) (120 MHz), the peak (3) (180 MHz), Three harmonic peaks of peak (5) (300 MHz) appear.
  • FIG. 4B due to the low frequency of 2 MHz, only the peak of one harmonic of peak (2) (4 MHz) appears in addition to the peak (1) of 2 MHz. ing.
  • the peak (1) due to the high frequency of 60 MHz, the peak (1), the peak (2) (120 MHz), the peak (3) (180 MHz), Peaks of five harmonics of peak (5) (300 MHz), peak (6) (360 MHz), and peak (7) (420 MHz) appear.
  • FIG. 5B due to the low frequency of 2 MHz, only the peak of one harmonic of peak (2) (4 MHz) appears in addition to the peak (1) of 2 MHz. ing.
  • the plasma monitoring results by the plasma monitoring device 100 differ in the position where the peak appears, the height, and the like.
  • the monitoring status is shown.
  • the upper part of FIG. 6 is a case where the applied power of a high frequency of 2 MHz is 500 W
  • the middle part of FIG. 6 is a case where the applied power of a high frequency of 2 MHz is 1000 W
  • the lower part of FIG. is there.
  • Ar 350 sccm
  • pressure 13.3 Pa (100 mTorr)
  • the upper part of FIG. 7 is a case where the applied power of a high frequency of 60 MHz is 500 W
  • the middle part of FIG. 7 is a case where the applied power of a high frequency of 60 MHz is 1000 W
  • the lower part of FIG. is there.
  • harmonic peaks appear at 2 MHz, 4 MHz, 6 MHz, and 8 MHz, and when attention is paid to the spectral intensity of 2 MHz, the power value is about 0.2 (Arb.Units.) And the power value is 1000 W. About 0.4 (Arb.Units.) And about 0.6 (Arb.Units.) At a power value of 1500 W, the harmonic intensity increases in proportion to the power value.
  • the peak of the harmonic appears at 60 MHz, 120 MHz, and 180 MHz, and the intensity increases as the power value increases.
  • FIGS. 3A and 3B In a state where a large number of 60 MHz harmonics and 2 MHz harmonics appear in FIGS. 3A and 3B, and in a state where sidebands and different frequencies of 20 MHz and 80 MHz appear as shown in FIG. It is estimated that the applied high frequency power is not efficiently used and there is a large loss of high frequency power. That is, when FIG. 3A is compared with FIG. 4A, FIG. 3A shows that there are as many as 19 harmonic peaks of 60 MHz and high-frequency power is dispersed, whereas FIG. ) Has only four harmonic peaks, and it can be said that the loss of high-frequency power is extremely small. Further, when FIG. 3B is compared with FIG. 4B, FIG.
  • FIG. 3B shows four harmonic peaks at 2 MHz, whereas FIG. 4B shows two harmonic peaks.
  • FIG. 4B is about 10 times that of FIG.
  • the loss of high-frequency power applied to the lower electrode 5 is large.
  • FIG. 3B in a state where a large number of harmonics appear, or in a state where different frequencies or sideband peaks appear, the applied high-frequency power is not efficiently used, Power loss is large.
  • the conditions for generating plasma for example, at least one of the supply state of the processing gas, the exhaust state, and the application state of the high-frequency power
  • the monitoring state as shown in FIGS. Therefore, it is possible to perform plasma processing with high efficiency and high processing speed.
  • plasma monitoring is continuously performed by the plasma monitoring apparatus 100, it is possible to detect the occurrence of any troubles in the apparatus, changes in the plasma generation state due to the consumption of consumable parts, and the like.
  • the peak of the high frequency component on the low frequency side is lowered, it is predicted that the etching rate will decrease, so the applied power of the high frequency on the low frequency side is increased.
  • the applied power of the high frequency on the low frequency side is increased.
  • a plurality of (three in the example of FIG. 8) processing chambers 2 are provided via a load lock chamber 211 for one transfer mechanism 210 that transfers a semiconductor wafer in the atmosphere. Evaluation of machine differences and suppression of machine differences in each processing chamber 2 of the connected plasma processing apparatus 200 can be performed.
  • each processing chamber 2 is provided with the probe 102a of the plasma monitoring device 100 described above, and the control unit 60 determines that each processing chamber is based on the monitoring results of the plasma measured by the probe 102a and the measuring unit 101. Control is performed so that the plasma states in the two are the same. Thereby, the difference of the processing state by the machine difference of each processing chamber 2 is suppressed.
  • reference numeral 212 denotes a mounting table on which a cassette or a FOUP containing a semiconductor wafer is mounted.
  • Specific control when a plurality of processing chambers 2 are provided as described above is performed as follows, for example. That is, a frequency distribution during an actual process in each processing chamber 2 is obtained for each processing chamber 2 and, for example, spectral intensities having a frequency of 60 MHz are compared. Then, by controlling the power of the high frequency power, the pressure, the flow rate of the processing gas, and the like so that the spectrum intensities of 60 MHz coincide with each other, the plasma state in each processing chamber 2 is made the same and the machine difference is reduced.
  • the plasma processing apparatus is not limited to the parallel plate type upper and lower high-frequency application type shown in FIG. 1, but can be applied to various plasma processing apparatuses.
  • the plasma processing apparatus of the present invention can be used in the field of manufacturing semiconductor devices. Therefore, it has industrial applicability.

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Abstract

　プラズマモニタリング装置１００は、測定部１０１と、この測定部１０１に接続された同軸ケーブル１０２とを備えている。同軸ケーブル１０２の一端は、処理チャンバー２内のプラズマ生成領域内に挿入されている。同軸ケーブル１０２の先端部分は、プローブとされており、この部分は芯線が露出した状態とされている。測定部１０１は、同軸ケーブル１０２のプローブ部分で検出されたプラズマ中に存在する電磁波の周波数分布を検出し、この検出した周波数分布を表示する。

Description

プラズマ処理装置
　本発明は、基板のプラズマ処理に使用するプラズマ処理装置に関する。
　従来から半導体装置の製造工程においては、処理チャンバー内に処理ガスのプラズマを発生させ、このプラズマによって処理チャンバー内に配置した基板、例えば半導体ウエハや液晶表示装置用のガラス基板のプラズマ処理、例えば、エッチング処理や成膜処理を行うプラズマ処理装置が使用されている。
　上記のようなプラズマ処理装置では、プラズマの状態によって、基板に施される処理の状態が左右される。このため、例えばプラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定しプラズマ中の電子密度を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４－１０３２６４公報
　上記のように従来の技術では、プラズマ中の電子密度を測定すること等によって、プラズマの状態をモニタリングしていた。しかしながら、プラズマの状態は電子密度という単一のファクターのみでその全てが表されるものではなく、さらに別の角度から多角的に詳細にプラズマの状態を把握することのできるプラズマモニタリング方法の開発が望まれていた。
　本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、多角的に詳細にプラズマの状態を把握することのできるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
（課題を解決するための手段）
　請求項１記載のプラズマ処理装置は、内部に被処理基板が配置される処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に所定の処理ガスを供給するガス供給機構と、前記処理チャンバー内から排気する排気機構と、前記処理チャンバー内に前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、プローブが前記処理チャンバー内に配置される同軸ケーブルと、前記同軸ケーブルと接続され、前記プローブによって検出されたプラズマ中に存在する電磁波の周波数分布を検出する測定部とを備えたプラズマモニタリング装置と、を具備したことを特徴とする。
　請求項２記載のプラズマ処理装置は、請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記測定部は、プラズマ中に存在する異周波成分及びサイドバンド成分の少なくとも一方を検出することを特徴とする。
　請求項３記載のプラズマ処理装置は、請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記処理チャンバーを複数具備し、前記プラズマモニタリング装置の検出結果に基づいて、複数の前記処理チャンバー内のプラズマの状態が一致するようにプラズマを制御する制御部を有することを特徴とする。
　請求項４記載のプラズマ処理装置は、請求項３記載のプラズマ処理装置であって、前記制御部は、前記ガス供給機構、前記排気機構、及び前記プラズマ発生機構の少なくとも一つを制御することを特徴とする。
　請求項５記載のプラズマ処理装置は、内部に被処理基板が配置される処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に所定の流量の処理ガスを供給するガス供給機構と、前記処理チャンバー内を所定の真空度に設定する排気機構と、高周波電源を有し、前記処理チャンバー内に前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、前記プラズマにプローブを挿入して、プラズマ中に存在する異周波成分およびサイドバンド成分の少なくとも一方を検出する測定部と、前記検出結果に基づいて、前記ガス供給機構、前記排気機構および前記プラズマ発生機構の少なくとも一つを制御する制御手段と、を具備したことを特徴とする。
本発明の一実施形態のプラズマエッチング装置の構成を示す図。 同軸ケーブルの構成を拡大して示す図。 プラズマモニタリング結果の例を示すグラフ。 プラズマモニタリング結果の例を示すグラフ。 プラズマモニタリング結果の例を示すグラフ。 プラズマモニタリング結果の例を示すグラフ。 プラズマモニタリング結果の例を示すグラフ。 本発明の他の実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す図。
発明を実施するための形態
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置の構成を示すものである。
　プラズマエッチング装置１は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
　プラズマエッチング装置１は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に成形された処理チャンバー（処理容器）２を有しており、この処理チャンバー２は接地されている。処理チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理物、例えば半導体ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられている。さらに、このサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５には、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
　サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し冷媒排出管９から排出される。そして、その冷熱がサセプタ５を介して半導体ウエハＷに対して伝熱され、これにより半導体ウエハＷが所望の温度に制御される。
　サセプタ５は、その上側中央部が凸状の円板状に成形され、その上に半導体ウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２を配置して構成されている。そして、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷを静電吸着する。
　絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、静電チャック１１には、半導体ウエハＷの裏面に、伝熱媒体（例えばＨｅガス等）を供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱が半導体ウエハＷに伝達され半導体ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
　サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置された半導体ウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５は、例えば、シリコンなどの導電性材料から構成されており、エッチングの均一性を向上させる作用を有する。
　サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、処理チャンバー２の上部に支持されている。上部電極２１は、電極板２４と、この電極板２４を支持する導電性材料からなる電極支持体２５とによって構成されている。電極板２４は、例えば、ＳｉやＳｉＣ等の導電体または半導体で構成され、多数の吐出孔２３を有する。この電極板２４は、サセプタ５との対向面を形成する。
　上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、このガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されている。さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマエッチング処理のためのエッチングガスが供給される。
　処理チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、処理チャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、処理チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開いた状態で、半導体ウエハＷを隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送する。
　上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０～１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有している。このように高い周波数を印加することにより処理チャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができる。
　下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は、第１の高周波電源４０より低い周波数の範囲を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理基板である半導体ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、例えば１～２０ＭＨｚの範囲が好ましい。
　また、このプラズマエッチング装置１には、プラズマモニタリング装置１００が設けられている。このプラズマモニタリング装置１００は、測定部１０１と、この測定部１０１に接続された同軸ケーブル１０２とを備えている。同軸ケーブル１０２の一端は、処理チャンバー２内のプラズマ生成領域内に挿入されており、同軸ケーブル１０２の処理チャンバー２内に配置されている部分は、石英管１０３によって覆われている。なお、この石英管１０３は、処理チャンバー２内で半導体ウエハＷのプラズマエッチングを行う際に、同軸ケーブル１０２を構成する金属等が半導体ウエハＷに不純物として混入することを防止するためのものである。したがって、半導体ウエハＷの処理を行わずに、実験的にプラズマのモニタリングを行う場合は、石英管１０３のない状態、つまり同軸ケーブル１０２が露出した状態でプラズマのモニタリングを行ってもよい。
　図２に示すように、同軸ケーブル１０２の処理チャンバー２内に配置されている側の先端部分は、プローブ１０２ａとされており、この部分はアルミニウム等の導体からなる芯線（内部導体）１０２ｂが露出した状態とされている。同軸ケーブル１０２の外周部には、銅パイプ等からなる外部導体１０２ｃが設けられており、芯線（内部導体）１０２ｂと外部導体１０２ｃとの間には、樹脂等からなる絶縁材１０２ｄが設けられている。
　上記同軸ケーブル１０２が接続された、測定部１０１は、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）解析機能を有するオシロスコープ、又はスペクトラムアナライザ等から構成されている。そして、同軸ケーブル１０２のプローブ１０２ａ部分で検出されたプラズマ中に存在する電磁波の周波数分布を検出し、この検出した周波数分布を表示することができるようになっている。
　図１に示すように、上記構成のプラズマエッチング装置１は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置１の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース部６２と、記憶部６３とが設けられている。
　ユーザインターフェース部６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置１を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
　記憶部６３には、プラズマエッチング装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース部６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置１での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
　上記構成のプラズマエッチング装置１によって、半導体ウエハＷのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室から処理チャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、半導体ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、処理チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。
　その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から所定のエッチングガスが、マスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図１の矢印に示すように、半導体ウエハＷに対して均一に吐出される。
　そして、処理チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。その後、第１の高周波電源４０から所定の周波数の高周波電力が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。
　他方、第２の高周波電源５０から、上記の第１の高周波電源４０より低い周波数の高周波電力が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。
　そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー２内から搬出される。
　上記のプラズマエッチング工程等において、処理チャンバー２内にプラズマを発生させた際に、プラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリングを行う。この時、測定部１０１には、図３に示すように、処理チャンバー２内に挿入されたプローブ１０２ａによって検出された電磁波の周波数分布（スペクトル）が、縦軸を強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）、横軸を周波数としたグラフ等で表示される。
　図３は、処理ガス：Ａｒ＝３５０ｓｃｃｍ、圧力：１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、高周波：６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝１５００／１０００Ｗ、の条件でプラズマを発生させた際のプラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリング状態を示している。この時、図３（ａ）に示すように、周波数の高い６０ＭＨｚの高周波に起因しては、６０ＭＨｚのピーク（１）の他、この６０ＭＨｚの整数倍の高調波のピークが２～１９番目まで１８個表れている。また、図３（ｂ）に示すように、周波数の低い２ＭＨｚの高周波に起因しては、２ＭＨｚのピーク（１）の他、この２ＭＨｚの整数倍の高調波のピークが２～４番目まで３個表れている。
　また、図３（ｃ）は、図３（ａ）の一部を拡大して示したもので、ピーク（１）、ピーク（２）の周囲には、高い周波数の６０ＭＨｚから、低い周波数の２ＭＨｚの整数倍を足し引きしたサイドバンドと呼ばれる複数のピークが表れている。さらに、ピーク（１）（６０ＭＨｚ）とピーク（２）（１２０ＭＨｚ）との間の８０ＭＨｚ付近や２０ＭＨｚ付近には、原因の不明な異周波のピークが表れている。
　また、図４は、処理ガス：Ａｒ／Ｏ２＝５００／５００ｓｃｃｍ、圧力：２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）、高周波：６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝２０００／１０００Ｗ、の条件でプラズマを発生させた際のプラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリング状態を示している。この場合、図４（ａ）に示すように、周波数の高い６０ＭＨｚの高周波に起因しては、６０ＭＨｚのピーク（１）の他、ピーク（２）（１２０ＭＨｚ）、ピーク（３）（１８０ＭＨｚ）、ピーク（５）（３００ＭＨｚ）の３つの高調波のピークが表れている。また、図４（ｂ）に示すように、周波数の低い２ＭＨｚの高周波に起因しては、２ＭＨｚのピーク（１）の他、ピーク（２）（４ＭＨｚ）の１つの高調波のピークのみが表れている。
　また、図５は、処理ガス：ＣＦ４＝２００ｓｃｃｍ、圧力：２６．６Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）、高周波：６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝５００／１００Ｗ、の条件でプラズマを発生させた際のプラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリング状態を示している。この場合、図５（ａ）に示すように、周波数の高い６０ＭＨｚの高周波に起因しては、６０ＭＨｚのピーク（１）の他、ピーク（２）（１２０ＭＨｚ）、ピーク（３）（１８０ＭＨｚ）、ピーク（５）（３００ＭＨｚ）、ピーク（６）（３６０ＭＨｚ）、ピーク（７）（４２０ＭＨｚ）の５つの高調波のピークが表れている。また、図５（ｂ）に示すように、周波数の低い２ＭＨｚの高周波に起因しては、２ＭＨｚのピーク（１）の他、ピーク（２）（４ＭＨｚ）の１つの高調波のピークのみが表れている。
　上記のように、使用する処理ガスの種類、流量、圧力、高周波電力等の相違があると、プラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリング結果は、ピークの出現する位置、高さ等が相違する。
　図６は、処理ガス：Ａｒ＝３５０ｓｃｃｍ、圧力：１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、高周波：６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝１０００／５００，１０００，２０００Ｗ、の条件でプラズマを発生させた際のプラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリング状態を示している。この時、図６の上段は、２ＭＨｚの高周波の印加電力が５００Ｗ、図６の中段は、２ＭＨｚの高周波の印加電力が１０００Ｗ、図６の下段は、２ＭＨｚの高周波の印加電力が２０００Ｗの場合である。また、図７は、処理ガス：Ａｒ＝３５０ｓｃｃｍ、圧力：１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、高周波：６０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝５００，１０００，２０００／０Ｗ、の条件でプラズマを発生させた際のプラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリング状態を示している。この時、図７の上段は、６０ＭＨｚの高周波の印加電力が５００Ｗ、図７の中段は、６０ＭＨｚの高周波の印加電力が１０００Ｗ、図７の下段は、６０ＭＨｚの高周波の印加電力が２０００Ｗの場合である。
　図６からわかるように、２ＭＨｚ、４ＭＨｚ、６ＭＨｚ、８ＭＨｚに高調波のピークが現れ、２ＭＨｚのスペクトル強度に着目すると、電力値５００Ｗ時で約０．２（Ａｒｂ．Ｕｎｉｔｓ．）、電力値１０００Ｗ時で約０．４（Ａｒｂ．Ｕｎｉｔｓ．）、電力値１５００Ｗ時で約０．６（Ａｒｂ．Ｕｎｉｔｓ．）、というように、高調波の強度は、電力値に比例するように増加する。同様に、６０ＭＨｚの高調波は、図７に示すように、６０ＭＨｚ、１２０ＭＨｚ、１８０ＭＨｚで高調波のピークが現れ、電力値の増加に伴って強度も増加する。これらの図６，７に示されるように、ガス種、ガス流量、圧力の条件が一定で、印加する高周波の電力のみを変更した場合は、ピークの出現する位置については略同一であり、電力値に略比例するようにピークの高さが高くなっている。したがって、ピークの高さで高周波電力の印加状態を検出することができる。
　図３（ａ），（ｂ）に示す、６０ＭＨｚの高調波と、２ＭＨｚの高調波が多数現れる状態や、図３（ｃ）に示す、サイドバンドと２０ＭＨｚと８０ＭＨｚの異周波が現れる状態では、印加された高周波電力が効率良く利用されておらず、高周波電力のロスが多い状態と推測される。すなわち、図３（ａ）と図４（ａ）を比較すると、図３（ａ）は、６０ＭＨｚの高調波ピークが１９個と多く、高周波電力が分散しているのに対し、図４（ａ）は、高調波ピークが４個と少なく、高周波電力のロスが極めて少ないと言える。さらに、図３（ｂ）と図４（ｂ）を比較すると、図３（ｂ）は、２ＭＨｚの高調波ピークが４個に対し、図４（ｂ）は、高調波ピークが２個であり、また、各々の強度を比較すると、下部電極５に印加する高周波電力値は１０００Ｗで同じであるにもかかわらず、図４（ｂ）は図３（ｂ）の約１０倍であり、図３に示すプロセス条件では、下部電極５に印加する高周波電力のロスが大きい。上記のとおり、図３に示されるように、多数の高調波が表れる状態や、異周波やサイドバンドのピークが表れている状態では、印加された高周波電力が効率良く利用されておらず、高周波電力のロスが大きい。したがって、図４，５に示されるようなモニタリング状態となるように、プラズマを発生させる条件（例えば、処理ガスの供給状態、排気の状態、高周波電力の印加状態の少なくとも一つ）を調整することによって、効率良く、処理速度の速いプラズマ処理を行うことが可能となる。
　また、プラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリングを継続的に行えば、何らかの装置のトラブルの発生、消耗部品の消耗によるプラズマ発生状態の変化等を検知することができる。この場合、例えば、周波数の低い側の高周波の成分のピークが低下したような場合は、エッチングレートの低下が生じると予測されることから、周波数の低い側の高周波の印加電力を上昇させる等の対処を行うことによって、エッチングレートが低下してしまうことを回避することができる。
　さらに、プラズマモニタリング装置１００によるプラズマのモニタリング結果から、複数台の装置の機差評価も行うことができる。この場合、例えば、実際にプロセスを実行し、その結果をＳＥＭ等を用いて計測する場合に比べて、プラズマ発生中のプラズマをモニタリングすることにより、短時間で容易に評価を行うことができる。
　また例えば、図８に示すように、大気中で半導体ウエハを搬送する１つの搬送機構２１０に対して、夫々ロードロックチャンバ２１１を介して複数（図８の例では３つ）の処理チャンバー２が接続されたプラズマ処理装置２００の各処理チャンバー２における機差の評価及び機差の抑制を行うことができる。
　この場合、各処理チャンバー２には、前述したプラズマモニタリング装置１００のプローブ１０２ａが設けられており、これらのプローブ１０２ａ及び測定部１０１によって測定されるプラズマのモニタリング結果から、制御部６０が各処理チャンバー２内のプラズマの状態が同一となるように制御する。これによって、各処理チャンバー２の機差による処理状態の差が抑制される。なお、図８において、２１２は、半導体ウエハが収容されたカセット又はフープ（ＦＯＵＰ）が載置される載置台である。
　上記のように複数の処理チャンバー２が設けられている場合の具体的な制御は、例えば、以下のように行う。すなわち、各処理チャンバー２における実際のプロセス中の周波数分布を処理チャンバー２毎に求め、例えば周波数が６０ＭＨｚのスペクトル強度を比較する。そして、この６０ＭＨｚのスペクトル強度を一致させるように、高周波電力のパワー、圧力、処理ガスの流量等を制御することによって、各処理チャンバー２におけるプラズマの状態を同一とし、機差を低減する。
　以上説明したとおり、本実施形態によれば、多角的に詳細にプラズマの状態を把握することができる。なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、プラズマ処理装置は、図１に示した平行平板型の上下部高周波印加型に限らず、各種のプラズマ処理装置に適用することができる。
　本発明のプラズマ処理装置は、半導体装置の製造分野等で利用することができる。したがって、産業上の利用可能性を有する。

Claims (5)

  1. 　内部に被処理基板が配置される処理チャンバーと、
    　前記処理チャンバー内に所定の処理ガスを供給するガス供給機構と、
    　前記処理チャンバー内から排気する排気機構と、
    　前記処理チャンバー内に前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、
    　プローブが前記処理チャンバー内に配置される同軸ケーブルと、前記同軸ケーブルと接続され、前記プローブによって検出されたプラズマ中に存在する電磁波の周波数分布を検出する測定部とを備えたプラズマモニタリング装置と、
    　を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 　請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
    　前記測定部は、プラズマ中に存在する異周波成分及びサイドバンド成分の少なくとも一方を検出することを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 　請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
    　前記処理チャンバーを複数具備し、前記プラズマモニタリング装置の検出結果に基づいて、複数の前記処理チャンバー内のプラズマの状態が一致するようにプラズマを制御する制御部を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 　請求項３記載のプラズマ処理装置であって、
    　前記制御部は、前記ガス供給機構、前記排気機構、及び前記プラズマ発生機構の少なくとも一つを制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 　内部に被処理基板が配置される処理チャンバーと、
    　前記処理チャンバー内に所定の流量の処理ガスを供給するガス供給機構と、
    　前記処理チャンバー内を所定の真空度に設定する排気機構と、
    　高周波電源を有し、前記処理チャンバー内に前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と、
    　前記プラズマにプローブを挿入して、プラズマ中に存在する異周波成分およびサイドバンド成分の少なくとも一方を検出する測定部と、
    　前記検出結果に基づいて、前記ガス供給機構、前記排気機構および前記プラズマ発生機構の少なくとも一つを制御する制御手段と、
    　を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
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