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図面 (16)

課題

例えばプラズマを用いて半導体ウエハに対して成膜エッチングなどの処理を行うにあたり、面内均一性の高い処理を行うこと。

解決手段

プラズマが発生する処理室1の外部に設けられたレーザ光出力部20から赤外半導体レーザ光をミラー23を介して、回転ミラー22に照射する。回転ミラー22の回転位置を変えることにより例えばミラーM1〜M4を介して処理室1内に4つの光路L1〜L4が形成され、各光路ごとのレーザ光減衰量を検出部3で検出し、光路の配列方向の例えばCF2ラジカルCFラジカル、SiF4分子などの粒子密度分布を測定する。この測定結果に基づき圧力、流量、マイクロ波パワーといったプロセス条件リアルタイムコントロールする。

概要

背景

半導体ウエハ(以下「ウエハ」という)の製造工程において、プラズマを用いて成膜エッチングを行うプラズマ処理技術があり、プラズマを発生させる手法としては、電子サイクロトロン共鳴を利用するECR方式、一対の平板を対向させてその間に電力印加する平行平板方式、ヘリコン波方式及びICP方式などがある。このようなプラズマ処理において、プラズマ中のラジカルが重要な役割を果たしていると考えられている。このため例えば特開平9−199485号公報には、赤外半導体レ−ザ光のスペクトル変化を検出して処理室内のラジカルの密度を測定し、その測定値に基づいてマイクロ波の出力を制御する技術が記載されている。

概要

例えばプラズマを用いて半導体ウエハに対して成膜やエッチングなどの処理を行うにあたり、面内均一性の高い処理を行うこと。

プラズマが発生する処理室1の外部に設けられたレーザ光出力部20から赤外半導体レーザ光をミラー23を介して、回転ミラー22に照射する。回転ミラー22の回転位置を変えることにより例えばミラーM1〜M4を介して処理室1内に4つの光路L1〜L4が形成され、各光路ごとのレーザ光減衰量を検出部3で検出し、光路の配列方向の例えばCF2ラジカル、CFラジカル、SiF4分子などの粒子密度分布を測定する。この測定結果に基づき圧力、流量、マイクロ波パワーといったプロセス条件リアルタイムコントロールする。

目的

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、例えばラジカルなどの粒子の密度分布を測定することができ、例えばプラズマ処理を行うときの被処理基板の均一性の向上に貢献することのできる装置を提供することにある。本発明の他の目的は、ラジカルなどの粒子の密度分布に基づいてプロセス条件を制御することにより被処理基板に対して面内均一性の高い処理を行うことのできる装置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、ラジカルなどの粒子の密度分布に基づいてプロセス条件を制御することにより被処理基板に対して面内均一性の高い処理を行うことのできるプラズマ処理方法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
4件

この技術が所属する分野

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請求項1

流体が供給される測定室とこの測定室の外部に設けられたレ−ザ光出力部と、このレ−ザ光出力部からのレ−ザ光を反射し、その位置に応じて前記測定室内にレ−ザ光の複数の光路を形成するようにその位置が可変できる可動ミラ−を含むミラ−部と、前記複数の光路を通ってきたレ−ザ光を順次受光し、各光路ごとのレ−ザ光の減衰量に基づいて測定室内の特定の粒子密度を検出するための検出部と、を備え、前記可動ミラ−を各位置に順次設定して、前記レ−ザ光出力部からのレ−ザ光を前記複数の光路に順次通過させ、各光路における粒子の密度に基づいて粒子の密度分布を求めることを特徴とする粒子の密度分布の測定装置

請求項2

可動ミラ−は回転自在に設けられた回転ミラ−により構成され、この回転ミラ−を各回転位置に順次設定して、前記レ−ザ光出力部からのレ−ザ光を前記複数の光路に順次通過させることを特徴とする請求項1記載の粒子の密度分布の測定装置。

請求項3

ミラ−部は、回転ミラ−からのレ−ザ光を反射して夫々光路を形成するための複数の固定ミラ−を含むことを特徴とする請求項2記載の粒子の密度分布の測定装置。

請求項4

測定室内の各光路を通ってきたレ−ザ光を夫々検出部に反射させるための複数のミラ−が設けられていることを特徴とする請求項1、2または3記載の粒子の密度分布の測定装置。

請求項5

被処理基板処理ガスにより処理するための処理室と、この処理室の外部に設けられたレ−ザ光出力部と、このレ−ザ光出力部からのレ−ザ光を反射し、その位置に応じて前記処理室内にレ−ザ光の複数の光路を形成するようにその位置が可変できる可動ミラ−を含むミラ−部と、前記可動ミラ−が各位置に設定されることにより順次形成された複数の光路を通ってきたレ−ザ光を受光し、各光路ごとにレ−ザ光の減衰量に基づいて処理ガス中の特定の粒子の密度を検出するための粒子密度検出部と、この粒子密度検出部により検出された各光路ごとの粒子の密度に基づいて、処理室内で被処理基板に対して行われる処理についての処理条件を制御する手段と、を備えたことを特徴とする処理装置

請求項6

複数の光路は被処理基板の面方向に沿って並ぶことを特徴とする請求項5記載の処理装置。

請求項7

処理室は被処理基板をプラズマにより処理するためのものであり、特定の粒子はラジカルまたは分子であることを特徴とする請求項5または6記載の処理装置。

請求項8

被処理基板をプラズマにより処理するとは、被処理基板に対して成膜を行うことである請求項7記載の処理装置。

請求項9

被処理基板をプラズマにより処理するとは、被処理基板に対してエッチングを行うことである請求項7記載の処理装置。

請求項10

処理室内にプラズマを発生させてそのプラズマにより当該処理室内の被処理基板に対して処理を行う方法において、処理室内に複数の光路を形成してこれら光路にレ−ザ光を通過させ、各光路ごとにレ−ザ光の減衰量を求めてこれら減衰量に基づきプラズマ中の特定の粒子について被処理基板の面方向の密度分布を求め、求められた粒子の密度分布に基づいて処理条件を制御することを特徴とするプラズマ処理方法

技術分野

0001

本発明は、例えばガス中粒子密度分布をレ−ザ光により測定する装置、及び例えば半導体ウエハに対して処理を行う処理装置、並びにプラズマ処理方法に関する。

背景技術

0002

半導体ウエハ(以下「ウエハ」という)の製造工程において、プラズマを用いて成膜エッチングを行うプラズマ処理技術があり、プラズマを発生させる手法としては、電子サイクロトロン共鳴を利用するECR方式、一対の平板を対向させてその間に電力印加する平行平板方式、ヘリコン波方式及びICP方式などがある。このようなプラズマ処理において、プラズマ中のラジカルが重要な役割を果たしていると考えられている。このため例えば特開平9−199485号公報には、赤外半導体レ−ザ光のスペクトル変化を検出して処理室内のラジカルの密度を測定し、その測定値に基づいてマイクロ波の出力を制御する技術が記載されている。

発明が解決しようとする課題

0003

しかしながら例えばウエハの中央のラジカル密度を測定して中央部の膜厚エッチング加工形状を精度良く得られても、ウエハ上の他の部位のラジカル密度を考慮しなければ面内均一性の確保という観点からは十分な制御手法とはいえないという課題がある。例えばウエハの中央のラジカル密度が局所的に所定値から外れたときに他の部位のラジカル密度は所定値であったとしたら、局所的な情報によりかえって制御が乱れてしまい、面内均一性が悪くなるという懸念もある。

0004

またレ−ザ光をプラズマに照射し、分子がその光を吸収して蛍光を発することを利用して(この方法は一般的にはLIF法;Laser Induced Fluorescenceと呼ばれている)、蛍光を計測しその計測値に基づいてラジカル密度を推定することも考えられるが、この手法は計測値の信頼性が高くないので正確なプロセス制御ができないし、また光らないあるいは光っていないラジカル密度の推定ができないという課題がある。

0005

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、例えばラジカルなどの粒子の密度分布を測定することができ、例えばプラズマ処理を行うときの被処理基板の均一性の向上に貢献することのできる装置を提供することにある。本発明の他の目的は、ラジカルなどの粒子の密度分布に基づいてプロセス条件を制御することにより被処理基板に対して面内均一性の高い処理を行うことのできる装置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、ラジカルなどの粒子の密度分布に基づいてプロセス条件を制御することにより被処理基板に対して面内均一性の高い処理を行うことのできるプラズマ処理方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

本発明は、流体が供給される測定室とこの測定室の外部に設けられたレ−ザ光出力部と、このレ−ザ光出力部からのレ−ザ光を反射し、その位置に応じて前記測定室内にレ−ザ光の複数の光路を形成するようにその位置が可変できる可動ミラ−を含むミラ−部と、前記複数の光路を通ってきたレ−ザ光を順次受光し、各光路ごとのレ−ザ光の減衰量に基づいて測定室内の特定の粒子の密度を検出するための検出部と、を備え、前記可動ミラ−を各位置に順次設定して、前記レ−ザ光出力部からのレ−ザ光を前記複数の光路に順次通過させ、各光路における粒子の密度に基づいて粒子の密度分布を求めることを特徴とする粒子の密度分布の測定装置にある。

0007

この発明において、例えば可動ミラ−は回転自在な回転ミラ−により構成され、この回転ミラ−を各回転位置に順次設定して、前記レ−ザ光出力部からのレ−ザ光を前記複数の光路に順次通過させることができる。またミラ−部は、回転ミラ−からのレ−ザ光を反射して夫々光路を形成するための複数の固定ミラ−を含む構成とすることができる。更にはまた測定室内の各光路を通ってきたレ−ザ光を夫々検出部に反射させるための複数のミラ−を設ける構成とすることもできる。

0008

他の発明は、被処理基板を処理ガスにより処理するための処理室と、この処理室の外部に設けられたレ−ザ光出力部と、このレ−ザ光出力部からのレ−ザ光を反射し、その位置に応じて前記処理室内にレ−ザ光の複数の光路を形成するようにその位置が可変できる可動ミラ−を含むミラ−部と、前記可動ミラ−が各位置に設定されることにより順次形成された複数の光路を通ってきたレ−ザ光を受光し、各光路ごとにレ−ザ光の減衰量に基づいて処理ガス中の特定の粒子の密度を検出するための粒子密度検出部と、この粒子密度検出部により検出された各光路ごとの粒子の密度に基づいて、処理室内で被処理基板に対して行われる処理についての処理条件を制御する手段を備えたことを特徴とする処理装置にある。

0009

この場合複数の光路は被処理基板の面方向に沿って並ぶ。また処理室は被処理基板を例えばプラズマにより処理するためのものであり、特定の粒子は例えばラジカルまたは分子である。なおプラズマにより行う処理とは、例えば成膜処理エッチング処理などを挙げることができる。

0010

更に他の発明は、処理室内にプラズマを発生させてそのプラズマにより当該処理室内の被処理基板に対して処理を行う方法において、処理室内に複数の光路を形成してこれら光路にレ−ザ光を通過させ、各光路ごとにレ−ザ光の減衰量を求めてこれら減衰量に基づきプラズマ中の特定の粒子について被処理基板の面方向の密度分布を求め、求められた粒子の密度分布に基づいて処理条件を制御することを特徴とするプラズマ処理方法である。

発明を実施するための最良の形態

0011

図1及び図2は、本発明の測定装置をECR(電子サイクロトロン共鳴)プラズマ装置の処理室内のラジカルを測定するための装置として構成した実施の形態を示す図である。まずプラズマ装置に関連する部分について簡単に述べると、図中1は横断面が正方形の処理室(特許請求の範囲の測定室に相当する)であり、この処理室1内にはウエハWをほぼ水平に載置するための載置台11が設けられている。処理室1の上面中央部には導波管12が接続されており、この導波管12からマイクロ波及び例えばAr(アルゴンガスが処理室1内に導入されるようになっている。

0012

載置台11の上方にはこれと対向し、周方向に沿ってガス孔(図示せず)を備えたリング状のガス供給部13が設けられ、ガス供給部13からのガスがガス孔から内方側に噴出するようになっている。また処理室1の底部には例えば2個所において排気管14が接続されており、更に処理室1の上下には夫々電磁コイル15、16が設けられている。

0013

次に測定装置に関連する部分について述べると、処理室1の外側には赤外半導体レーザ光を出力するためのレーザー光出力部20をなす赤外半導体レーザ光出力装置と、このレーザ光出力部20から出力されるレーザ光の光路である4本の光路L1〜L4を形成するためのミラー部2と、前記レーザ光出力部からのレーザ光を受光してその強度を検出し、処理室1内の光路を通ったことによるレ−ザ光の減衰量に基づいて処理室1内のラジカルの密度(絶対密度)を求める検出部3と、前記光路L1〜L4を通って処理室1から出たレーザ光を夫々検出部3に反射させるための4個の受光側ミラー41〜44とが設けられている。なお処理室1の側壁のうちレーザ光の光路L1〜L4となる部分は例えば透明ガラスにより構成されている。

0014

前記ミラー2は、図3に示すように回転機構21によりほぼ鉛直な軸のまわりに回転可能な可動ミラ−である回転ミラー22と、レーザ光出力部20から出力されたレーザ光を反射して前記回転ミラー22に入光させるためのミラー23と、このミラー23から回転ミラー22を介して入光されたレーザ光を反射して、夫々前記4本の光路を形成するミラー(発光側ミラー)M1〜M4とを備えている。

0015

前記検出部3は、受光した波数νcのレーザ光の強度I(νc)を求めると共にこの強度I(νc)と予め分かっている発光側ミラーで反射されたレーザ光の強度I0 (νc)とに基づいてラジカルの個数(絶対密度)を求める機能を持っている。具体的には、例えば下記の(数1)式に基づいて求める。

0016

次に上述実施の形態の作用について述べる。電磁コイル15、16によりウエハWの全面においてほぼ垂直に磁力線が通るようにミラー磁界が形成され、マイクロ波Mと磁界とにより電子サイクロトロン共鳴が起こってArガス及びガス供給部13からのガス例えばC4 F8 ガスがプラズマ化される。図1点線で囲まれる領域は青白く光っているいわば濃いプラズマが発生している領域である。

0017

そしてレーザ光出力部20によりレーザ光がミラー23、回転ミラー22、ミラーM1を介して光路L1を通るように回転ミラー22の回転位置を設定しておき、CF2ラジカルの吸収波数である1132.7532cm-1の赤外半導体レーザ光をレーザ光出力部20から出力する。これによってレーザ光出力部20よりのレーザ光が光路L1を通り、ミラー41を介して検出部3にて受光される。検出部3は受光したレーザ光の強度を検出し、レ−ザ光の減衰量に応じたCF2ラジカルの密度(絶対密度)を求める。

0018

次に回転ミラー22を、光路L2が形成されるように、つまりミラー23からのレーザ光が回転ミラー22及びミラーM2を介して光路L2を通るように回転位置を設定し、同様にしてCF2ラジカルの密度を求める。更に回転ミラー22を順次回転させて同様にして光路L3及びL4に対応するCF2 ラジカルの密度を求める。さてここで得られた密度は処理室1内の各光路L1(L2、L3、L4)における平均密度であるが、例えば図4(a)に示すように処理室1内の密度分布を仮定して(黒丸同士、白丸同士は同じ密度であり、かつ黒丸、白丸は互いに異なる密度である)密度の対称性と密度の連続性などから適当な演算を施してコンピュ−タ解析により処理室1の平面方向の密度分布を求めることができる。

0019

また処理室1が円筒状であればア−ベル変換などを行うことによって求めることができる。即ち図4(b)に示すように同心円状の密度が等しいとして取扱うと、(数式2)が成り立つ。

0020

ID=000004HE=020 WI=100 LX=0550 LY=2050
図4(b)は、同心円状に複数(N個)のリング状領域に分割し、各リング状領域の中ではラジカル密度が等しく、その中を光が矢印のように透過している様子を概念的に示している。I(y)は各y位置において求めた平均密度を処理室の中心からY軸に沿って壁面まで積分した値であり、rは処理室の中心からの半径方向の距離、ε(r)は半径方向の密度分布、Rは処理室の半径(処理室の壁面でラジカル密度がゼロになるとして取り扱っている)である。数2式を逆変換すれば(数式3)が得られ、半径方向の密度分布が求められる。

0021

ID=000005HE=030 WI=074 LX=1130 LY=2300
従って光路L1(L2、L3、L4)の方向をX方向とすれば、これら光路L1(L2、L3、L4)に直交する方向即ちY方向におけるCF2ラジカルの密度分布が得られる。具体的には、I(y)を求めるためのプロット(光路に沿って夫々求めたラジカル平均密度の値)は光路の数だけとなるので上述の場合4個となり、この4個の値をなめらか曲線となるように補間してyの値を増やすことによりI(y)を求める。従って光路の数を増やせばI(y)はより精度よく求まる。そしてこのI(y)をyで微分し、(数3)式に入れて積分すればε(r)が求まる。なお本発明では、前記光路と直交する方向にも光路を形成し、X,Y方向の光路がクロスする点の密度をコンピュ−タトモグラフィ断層撮影)と同様な手法で求めるようにしてもよい。

0022

この実施の形態によれば、プラズマが発生している処理室1について、回転ミラー22を用い、その回転位置に対応して処理室1内に複数の光路を形成しているため、ラジカルの密度分布を測定することができる。従ってプラズマの状態を調べることができ、更にCF2 ラジカルがフッ素化カーボン膜(フルオロカボン膜)の成膜や例えばシリコン酸化膜のエッチングのメカニズムに関連していて、CF2 ラジカルの密度と膜厚や加工形状との面内均一性とが関連していると考えられることから、例えば後述の実施の形態のように測定結果をプロセス条件にフィードバックすることにより処理の均一性の向上に役立たせることもできる。

0023

なお出力部20の出力窓を処理室1と対向させ、レーザ光出力部20をY方向に移動させることは理論上可能であるがレーザ光出力部20例えば赤外半導体レーザ光出力装置は、およそ2m程度もある大型の大重量物であるため、これを動かす移動機構を組み立てることは、移動機構が非常に大掛りになり、レーザ光出力部が大型であることと相俟ってスペース的に無理があるし、コスト的にも無理があり、現実には実施できない。

0024

ただしレーザ光を検出する側においては、例えばミラー41〜44を用いずに図5に示すようにレ−ル3aに沿って検出部3をY方向に移動させてもよい。またミラーM1〜M4及びミラ−23を用いずにレーザ光出力部20と回転ミラー22とを組み合わせ、回転ミラー22を既述の図2のミラ−23の位置に置くと共に回転させて処理室1内に複数の光路を形成するようにしてもよいし、あるいはまた図6に示すようにガイドレール24に沿ってY方向に移動自在な基台25の上にミラー26を載せ、基台25をY方向に移動させてミラー26の位置を変え、こうして光路L1〜L4を形成するようにしてもよい。この場合ミラー26は可動ミラーに相当する。なお光路の数は4個に限定されるものではない。

0025

更に本発明ではCF2ラジカルに限らず他のラジカル例えばCFやCF3 ラジカルの密度分布を測定するようにしてもよいし、ラジカル以外の粒子、例えばイオン原子、分子などを測定するようにしてもよく、あるいはガス中の粒子に限らず液体中のイオン、原子、分子などの粒子を測定するようにしてもよい。そしてまたレ−ザ光としては赤外半導体レ−ザ光に限らず例えば可視領域や紫外領域などのレ−ザ光であってもよい。以下にC4 F8ガスを用いてプラズマを発生させ、CF2 のラジカルの密度について測定した結果を実施例1〜3に、またCFラジカルの密度について測定した結果を実施例4、5に夫々記載し、更にSiF4 ガスを用いてプラズマを発生させSiF4 分子の密度について測定した結果を実施例6に示す。

0026

(実施例1)図1の装置において処理室1として例えば一辺が50cm、高さ50cmの角筒状のものを用い、8インチサイズのウエハWを例えばECRポイントの下方約13cmの位置に載置した。マイクロ波の周波数及びパワーは夫々2.45GHz及び1000Wとし、磁場についてはECRポイントにおいて875G(ガウス)の強さとなるように設定すると共にウエハW上で直径約25cmのプラズマ(濃いプラズマ)が閉じ込められるようにミラー磁場を形成した。C4 F8ガスは流量60sccmでガス供給部13から導入した。

0027

処理室1内における圧力を4.0Pa、1.3Pa及び0.4Paの3通りに設定し、各圧力下においてウエハWから1cm上方の位置に、CF2ラジカルの吸収波数である1132.7532cm-1のレーザ光を通してCF2 ラジカルの密度分布を求めたところ図7に示す結果が得られた。この結果から、圧力が高い程CF2 ラジカルの密度が高くなると共にウエハW面上に比べて処理室1の内壁に近いところの方が前記密度が高く、またウエハW面上における前記密度の均一性は圧力が低い程高いことが分かる。

0028

(実施例2)処理室1内の圧力を1.3Paに設定し、マイクロ波のパワーを500W、1000W及び2500Wの3通りに設定し、各条件下においてCF2ラジカルの密度分布を求めたところ図8に示す結果が得られた。他の条件は実施例1と同様である。この結果からマイクロ波パワーが大きい程CF2 ラジカルの密度が低くなることが分かった。またウエハW面上における前記密度の均一性は、どの条件下においてもほぼ同じであった。

0029

(実施例3)処理室1内の圧力を1.3Paに、マイクロ波パワーを1000Wに夫々設定し、C4 F8ガスの流量を30sccm,60sccm及び150sccmの3通りに設定し、各条件下においてCF2ラジカルの密度分布を求めたところ図9に示す結果が得られた。他の条件は実施例1と同様である。この結果からC4 F8 ガスの流量を多くするとCF2 ラジカルの密度が大きくなり、また流量によってウエハW面上の密度の均一性が左右されることが分かった。なおウエハW面上に比べて処理室1の内壁面近傍の方がCF2 ラジカルの密度が大きい理由は、ウエハW面上の方がプラズマの電気的な衝撃によりCF2 ラジカルの分離が促進され、また壁面近傍では、壁面に付着した反応生成物フッ素とが反応してCF2ラジカルが生成されることが一因と考えられる。

0030

(実施例4)CFラジカルの吸収波数である1108.6702cm-1のレーザ光を通してCFラジカルの密度分布を求めた他は、実施例1と同様にして測定を行い、CFラジカルの密度分布の圧力依存性を求めた。この場合も処理室1内における圧力を実施例1と同様に4.0Pa、1.3Pa及び0.4Paの3通りに設定している。結果は図10に示す通りである。この結果から、圧力が高い程CFラジカルの密度が低くなり、実施例1と比べるとCF2ラジカルの場合とは逆の傾向にあることが分かる。またウエハW面上における前記密度の均一性は、0.4Pa及び4.0Paの圧力よりも1.3Paの圧力の方が高い。

0031

(実施例5)CFラジカルの吸収波数である1108.6702cm-1のレーザ光を通してCFラジカルの密度を求めた他は実施例2と同様にして測定を行い、CF2ラジカルの密度分布のマイクロ波パワー依存性を求めた。この場合もマイクロ波パワーを実施例3と同様に500w、1000w及び2500wの3通りに設定している。結果は図11に示す通りである。この結果からマイクロ波パワーが大きい程CFラジカルの密度が高くなり、実施例3と比べるとCF2 ラジカルの場合と逆の傾向にあることがわかる。またマイクロ波パワーの増加に伴って、壁近傍のCFラジカルの密度がウエハW中心付近に比べて増加している。これは先の実施例3のところで考察した理由、及び処理室1上部からのCFラジカルの回り込みなどが考えられる。更にウエハW面上における前記密度の均一性はマイクロ波パワーが2500wの場合に比べて、1000w、500wの場合の方が高い。以上の結果からラジカル密度の圧力依存性及びマイクロ波パワー依存性は、ラジカル種によって異なることが分かり、その原因はプラズマの電気的な衝撃によるラジカルの分離の程度や壁面におけるラジカルの生成の程度がラジカルによって異なるからであると推測される。

0032

(実施例6)処理室1内にC4 F8ガスの代りにSiF4 ガスを90sccmの流量で導入し、処理室1内の圧力を1.3Paに設定した。そしてマイクロ波のパワーを0w、1000w、1500w及び2500wの4通りに設定し、SiF4分子の吸収波数である1032.131cm-1のレーザ光を通し、SiF4 分子の密度分布のマイクロ波パワー依存性を求めた。他の条件は実施例1と同じである。結果は図12に示す通りである。この結果からマイクロ波パワーが大きい程、SiF4 の解離が進んで全体のSiF4分子密度が小さくなっていることが分かる。またマイクロ波パワーをかけたときには壁面に比べて中央部の分子密度が大きくなっているが、これはウエハWの中心に近い程プラズマエネルギーが大きく、SiF4 の解離が促進されていることに基づくものと考えられる。なお本発明者は、SiF4 分子における上記波数に対応するラインストレングスSの値を把握していなかったが、次のようにしてSを求めた。即ちマイクロ波パワーを印加しないときには、SiF4 ガスを理想気体とみなし、圧力、温度、体積が分かっているので気体状態方程式PV=nRT)からSiF4 の密度nが求まる。室温で1.3Paの条件下ではnは3.2×1014cm-3であった。従ってこのときにk(νc)を求めれば、先の(数1)式からSが求まり、Sは3.5×10-20 cm/個であった。このようにしてSが分かれば、マイクロ波パワーを印加したときにK(νc)を求めればnが求まる。

0033

次に上述の測定装置を組み込んだ基板処理装置の実施の形態であるECRを利用したプラズマ処理装置について図13図15を参照しながら説明する。この装置は筒状の第1の真空室51と、レーザ光の透過窓52aを備えた第2の真空室52とからなる真空容器2を備え、高周波電源部53からのマイクロ波が導波管54及び透過窓55を介して真空容器2の上端から真空容器2内に導入されるように構成されている。56、57は夫々主電磁コイル及び補助電磁コイルであり、これら電磁コイル56、57によりミラー磁場が形成される。なお電磁コイルは導波管54の周囲を巻装するように設けられていてもよい。61、62は夫々ガス供給ノズル及びリング状のガス供給部であり、ガス供給ノズル61からは例えばArガスが供給されると共に、ガス供給部62からは成膜を行う場合には例えばC4 F8 ガス及びC2 H4 ガスが、またエッチングを行う場合にはCF系のガスが夫々供給される。63はウエハ載置台、64は排気管、65は載置台63にバイアス電力を印加するためのバイアス電源部である。

0034

そして真空容器2の外部には、図9に示すように既述のラジカル測定装置が設けられており、例えばウエハWの中心端から周縁部に亘って4本の光路L1〜L4が形成される。図14において31はラジカル密度検出部、32はラジカルの密度分布解析部であり、密度分布解析部32は、ラジカル密度検出部31で検出した各光路L1〜L4ごとのラジカル密度に基づいてその密度分布を解析する機能を持っている。密度分布を解析するとは、例えば各光路L1〜L4ごとのラジカル密度の最大値最小値との差を求めることやあるいは既述の密度分布のグラフを作成することなどを意味し、前者の場合にはその差に基づいてプロセス条件を変える場合に役立てられ、後者の場合にはプラズマの状態を後で解析する場合などに用いられる。

0035

図15は、図13に示すプラズマ処理装置において、密度分布解析部32で解析された結果に基づいてリアルタイムでプロセス条件を制御するための装置を示す図である。図15において7は主制御部、71は高周波電源部53の電力をパルス変調するためのパルス発生器である。マイクロ波があるデューティ比パルスでパルス変調されているとすると、主制御部7は密度分布解析部32から得られた例えばラジカルの密度の最大値と最小値との差Δdに応じた制御信号をパルス発生器71に出力し、前記デューティー比を調整する。なおマイクロ波は例えばTMモ−ドあるいはTEモ−ドで導かれる。

0036

マイクロ波をパルス変調することによりプラズマの電子温度を制御することができ、これによりラジカル例えばCF2 ラジカルの密度を制御できるため、特定のラジカルの密度分布に基づいて前記デューティー比を制御すれば、ウエハ面内におけるラジカルの密度をきめ細かく制御することができ、この結果ウエハW上の膜厚やエッチングの加工形状について高い面内均一性を確保することができる。この例ではC4 F8ガス及びC2 H2 ガスによりフッ素化カーボン膜が得られ、その膜厚の面内均一性が向上する。なおデューティー比の制御の手法としては、ラジカル密度が予め定めた上限設定値を越えたときや下限設定値以下になったときにデューティー比を変えるための制御信号を出力するようにしてもよいし、上述の制御と組み合わせてもよい。またマイクロ波を制御するについては、デュティ比の制御に限らずパワ−(電力値)や壁面温度を制御するようにしても良い。

0037

更に密度分布解析部32の解析結果に基づいて主制御部7から出力される制御信号は、電磁コイル56、57を夫々制御する電流制御部72、73に与え、励磁電流を調整して磁界の強さや磁力線の形状を変えるようにしてもよい。また前記制御信号はガス供給部62に送られるガスの流量を調整するための流量調整部72に与え、ガスの総流量や混合比を調整するようにしてもよいし、排気管64に設けられた排気量調整部例えばバタフライ弁開度を調整して処理室1内の圧力を調整するようにしてもよい。そしてまたバイアス電源部65についても、電力値を制御してもよいし、パルス発生部76でパルス変調する場合には前記制御信号によりパルス発生部76を介してデューティー比を制御するようにしてもよく、この場合には特にウエハW上の薄膜のエッチングを行う場合に有効である。

0038

このようにウエハWの面方向におけるラジカルの密度分布を測定し、その測定結果に基づいてリアルタイムでマイクロ波、圧力及びガス流量などのプロセス条件を制御すれば、ラジカルの密度分布をきめ細かく制御することができる。ここでウエハWの処理の状態例えば膜厚の均一性やエッチング加工の均一性についてはプラズマ中のラジカルと関連していることから、例えばプロセス条件を目標値に設定した場合にも、ラジカルの密度分布が変化したときには、その密度分布に基づいて目標値を変更するといったきめ細かい制御を行うことができるので、結果としてプラズマ処理の面内均一性を向上させることができ、ウエハの大口径化が進む中で、スループットの向上を図る上で有効な手法である。ここで本発明は、フッ素化カ−ボン膜の成膜に限らず、例えばSiF4ガスを前記ガス供給部62から、また酸素ガス及びアルゴンガスを前記ガス供給ノズル61から夫々真空容器2内に導入し、SiOF膜を成膜する場合に、SiF4分子の密度を検出し(実施例6で記載したようにSiF4 分子の密度は測定できる)、その検出結果に基づいてプロセズ条件を制御するようにしてもよい。またCF系のガスでSiO2 膜をエッチングする場合にはSiF4 が発生するので、SiF4 の密度に基づいてプロセズ条件を制御してエッチングを行うようにしてもよい。

0039

以上において本発明は、ECR以外のヘリコン波タイプのもの、平行平板タイプのもの、ICP(誘導結合プラズマ)タイプのものなどにも用いることができ、更に成膜やエッチング以外のプラズマ処理例えばレジスト灰化処理アッシング)などにも適用することができる。またプラズマ処理以外にも処理ガスを用いて基板を処理する他の装置例えば熱CVD装置などに対しても適用することができる。

発明の効果

0040

本発明の測定装置によれば、ミラーを動かして測定室内に複数の光路を形成しているため、大掛かりな装置とすることなく測定室中のラジカル、イオン、原子あるいは分子などの粒子の密度分布を測定することができ、例えばプラズマの状態をより正確に把握できるなどの効果がある。

0041

また本発明の処理装置によれば、上述の測定装置を用いて処理室内のラジカルなどの密度分布を測定し、その結果に基づいてプロセス条件を制御しているため、きめ細かい制御を行うことができ、その結果基板上の処理の面内均一性を向上させることができる。

0042

更に本発明のプラズマ処理方法によれば、ラジカルの密度分布に基づいてプロセス条件を制御しているため、プラズマの状態をきめ細かく制御でき、基板上の処理の面内均一性を向上させることができる。

図面の簡単な説明

0043

図1本発明の測定装置に係る実施の形態を示す縦断側面図である。
図2本発明の測定装置に係る実施の形態を示す横断平面図である。
図3上記実施の形態で用いられる可動ミラーを示す斜視図である。
図4ラジカル密度分布の推定のためのモデルの例を示す説明図である。
図5本発明の測定装置に係る他の実施の形態を示す横断平面図である。
図6本発明の測定装置に係る更に他の実施の形態を示す横断平面図である。
図7圧力を変えたときにおける処理室内の位置とCF2 ラジカル密度との関係を示す特性図である。
図8マイクロ波パワーを変えたときにおける処理室内の位置とCF2 ラジカル密度との関係を示す特性図である。
図9ガスの流量を変えたときにおける処理室内の位置とCF2 ラジカル密度との関係を示す特性図である。
図10圧力を変えたときにおける処理室内の位置とCFラジカル密度との関係を示す特性図である。
図11マイクロ波パワーを変えたときにおける処理室内の位置とCFラジカル密度との関係を示す特性図である。
図12マイクロ波パワーを変えたときにおける処理室内の位置とSiF4分子密度との関係を示す特性図である。
図13本発明の処理装置に係る実施の形態を示す縦断側面図である。
図14本発明の処理装置に係る実施の形態を示す横断平面図である。
図15本発明の処理装置に係る実施の形態を示すブロック図である。

--

0044

1処理室
2ミラー部
W半導体ウエハ
20レーザ光出力部
22,26回転ミラー
25基台
M1〜M4、23 ミラー
3 検出部
41〜44 ミラー
L1〜L4光路
5真空容器
53高周波電源部
61ガスノズル
62ガス供給部
65バイアス電源部
31ラジカル密度検出部
32密度分布解析部
7 主制御部
71、76パルス発生部
72、73電流制御部
74流量制御
75圧力調整

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