プラズマ処理を監視する装置
【課題】プラズマ処理チャンバの使用のために故障を検出する方法及び装置を提供する。
【解決手段】プラズマチャンバ内でプラズマ処理が開始され、前記プラズマ処理に関するプラズマパラメータデータが、平面イオン流束（ＰＩＦ）タイプのプローブ１１０の使用により得られ、プローブ１１０の感知表面１１７は、プラズマに曝され、かつ前記プラズマチャンバ内のシャワーヘッド電極１１８の表面と同じ平面にあり、故障状態を示すために前記プラズマパラメータデータが評価される。
【解決手段】プラズマチャンバ内でプラズマ処理が開始され、前記プラズマ処理に関するプラズマパラメータデータが、平面イオン流束（ＰＩＦ）タイプのプローブ１１０の使用により得られ、プローブ１１０の感知表面１１７は、プラズマに曝され、かつ前記プラズマチャンバ内のシャワーヘッド電極１１８の表面と同じ平面にあり、故障状態を示すために前記プラズマパラメータデータが評価される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理反応器の故障状態を検出する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
それぞれの連続した半導体技術世代で、ウエハ直径は大きくなり、トランジスタ寸法は小さくなる傾向にあり、その結果、ウエハ処理におけるさらに高い程度の正確性及び再現性が必要となる。シリコンウエハなどの半導体基板材料は、真空チャンバの使用を含む技術によって処理される。このような技術としては、スパッタリング蒸着などの非プラズマ応用例と、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、レジスト除去、及びプラズマエッチングなどのプラズマ応用例が挙げられる。
【０００３】
今日利用可能なプラズマ処理システムは、多くの特定の故障形態になりやすい。このような多くの形態は、実際の装置ウエハを処理する前に検出することが難しく、ウエハの誤処理につながる可能性がある。検出システムは、電界のイオン密度などプラズマの特定の側面を診断するために存在しているが、故障の検出には不十分な方法しか利用可能でない。特に、これは改良された均一性、整合性及び自己診断性を備えたプラズマチャンバが必要とされる。これらの目的の達成を容易にする改良型のプラズマ感知技術に、大きな需要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，９３６，４１３号
【特許文献２】米国特許第６，５４１，９８２号
【特許文献３】米国特許第６，８２４，６２７号
【特許文献４】米国特許第６，０９０，３０４号
【発明の概要】
【０００５】
好ましい実施形態によると、プラズマチャンバ内でプラズマ処理を開始するステップと、プラズマ処理に関するプラズマパラメータデータを得るステップと、故障状態を示すためにプラズマパラメータデータを評価するステップであって、プラズマパラメータデータがプローブの使用により得られ、プローブの感知表面がプラズマに曝され、プラズマチャンバ内の壁面又は構成部品表面と同じ平面にあるステップとを含む、プラズマ処理を直接監視する方法が提供される。
【０００６】
プラズマパラメータデータを評価する方法は、コンピュータ可読記憶媒体システム上にデータを記憶するステップ、データをフィルタリングするステップ、データにアルゴリズムを行うステップ、及び／又は、データを既存の基準データと比較し、それにより、解釈し、並びに、前記解釈に基づく状況報告及び警告の少なくともいずれかを発行するステップを含むことができる。
【０００７】
イオン流束、プラズマ電位、プラズマ密度、電子温度、イオン種温度、及び電子中性子衝突頻度などのプラズマパラメータは、様々な直接プロービング法を使用して測定することができる。この方法はプローブの使用を含み、プローブの感知表面がプラズマに曝され、プラズマチャンバ内の壁面又は構成部品表面とほぼ同一平面である。例示的な構成部品としては、接地シャワーヘッド電極、制限リング、ライナ、ガス分配プレート、及び基板支持体が挙げられる。
【０００８】
直接センサの好ましい実施形態は、平面イオン流束（ＰＩＦ）タイプである。他の実施形態では、直接センサは、変化する電圧が結合コンデンサを使用することなく直流電源によってプローブ表面に直接加えられ、電流が測定される、非容量結合ラングミュアタイプであってもよい。さらに他の実施形態では、検出システムが使用される。検出システムのタイプとしては、誘電プラズマインターフェイスで表面波を作り出し、表面波に基づいてプラズマ密度を測定するシステムが挙げられる。
【０００９】
故障状態の表示としては、
ａ）処理チャンバ内の処理副生成物の堆積を示す、プラズマ密度データのポストＲＦ斜面の傾斜の変化、
ｂ）ヘリウムの漏洩を示す、プラズマ密度の絶対値の約５％から約２０％の間のＲＦ斜面後のプラズマ密度の振動、
ｃ）整合システム再調整イベントを示す、ＲＦ斜面の後に発生する、その絶対値の５％未満の振幅と５秒未満の持続時間のプラズマ密度の振動、
ｄ）悪い安定化速度の発生を示す、その適切な均衡点に戻る前に、整合調整に約０．５秒以上かかった後の、プラズマ密度の振幅の安定性、及び
ｅ）プラズマ閉じ込めの損失の発生を示す、部分的回復の後の、その絶対値の約１５％より大きい量だけのプラズマ密度の急速な低下
が挙げられる。
【００１０】
他の好ましい実施形態では、検出器がプラズマ処理チャンバ内の表面に埋め込まれている場合、検出器は周辺壁表面との整合性を向上させる特徴を含むことができる。例えば、検出器は、局部壁面状態を整合させるように温度制御することができる。壁面がガス供給貫通孔を含む場合、検出器はまた、１つ又は複数のガス供給貫通孔で構成することができる。これは、検出器がない状態では存在する全体のガス分配パターンに近づけるように配置された、プローブの感知表面から背面へ貫通する少なくとも１つのガス通路を作り出すことによって行われる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】故障評価方法のフローチャートである。
【図２】ＰＩＦプローブの例示的な実施形態を示す図である。
【図３】ＰＩＦプローブ及び代表的な回路の例示的な略図である。
【図４】ノードＡでの例示的ＲＦ信号パルスを示す図である。
【図５】ノードＢでの反応信号を示す図である。
【図６Ａ】チャンバを清浄にする必要性を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】チャンバを清浄にする必要性を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図７Ａ】不適切に設置された電極アセンブリボルトによる、ヘリウム「発光」を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】不適切に設置された電極アセンブリボルトによる、ヘリウム「発光」を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図８Ａ】整合「再調整」イベントを検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】整合「再調整」イベントを検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図９】整合／プラズマ安定化速度を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図１０】プラズマ閉じ込めの損失を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図１１】プラズマ処理チャンバの上側電極内に配置されたＰＩＦプローブの一実施形態を示す図である。
【図１２】プラズマ処理チャンバの上側電極内に配置されたＰＩＦプローブの代替実施形態を示す図である。
【図１３】プラズマ処理チャンバの上側電極内に配置されたＰＩＦプローブの更なる代替実施形態を示す図である。
【図１４】プラズマ処理チャンバの上側電極の内側部分及び外側部分内に配置されたＰＩＦプローブの一実施形態を示す図である。
【図１５】例示的なプラズマ処理チャンバを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
シリコンウエハなどの半導体基板材料は、蒸着、エッチング、及びレジスト除去を含む様々なプラズマ処理を使用して、プラズマ処理チャンバ内で処理することができる。プラズマ処理システムは、プラズマ処理チャンバ、少なくとも１つの処理ガスをチャンバ内に供給するガス源、及び処理ガスを励起することによってプラズマを作り出すエネルギー源を備えることができる。ウエハを処理するための所与の一連のステップ及び入力パラメータ設定（例えば、ＲＦ電力、ガス流、開始時間など）は、所与の「プラズマ処理」と言うことができる。現代の半導体製造機器の複雑な要件により、典型的なプラズマ処理システムは、様々な化学的、電気的及び／又は機械的故障の影響を受けやすい。これらの故障としては例えば、清潔さが不十分な処理環境、真空及び大気制御機器内の漏洩、処理再現性の喪失、及びプラズマ閉じ込めの損失が上げられる。しばしば、このような故障は、１枚のウエハ又は１バッチのウエハが処理されるまで検出されない。
【００１３】
イオン流束、プラズマ電位、プラズマ密度、電子温度、イオン種温度、及び電子中性子衝突頻度などの特定のプラズマパラメータは、特定の故障と関連させることができることが分かっている。これら及び他のプラズマパラメータの検出は、それ故、これらの故障を検出し特定する方法を提供する。好ましい一実施形態では、プラズマパラメータ検出の過程が、監視されているプラズマの検出可能なかく乱を伴うことなく行われる。
【００１４】
処理中にプラズマパラメータを検出する方法は、直接的に検出する方法と、間接的に検出する方法に分類することができる。間接的方法は、電磁放射（例えば、光周波数又は高周波放射）などのプラズマから発せられる信号を解釈するステップを含み、信号からプラズマパラメータを抽出するために、測定の信頼性を小さくする特定の前提が必要である。直接的な検出方法は、プラズマに直接曝されるように検出器を配置するステップを含む。直接的方法による結果の解釈は、間接的方法による結果の解釈より少ない前提、より単純な解析、及びより大きな信頼性を伴うことができる。しかし、監視されているプラズマへ物体を直接露出するように挿入する必要性により、プラズマに対するかく乱につながる可能性があり、定期的な工業的処理監視に対してあまり採用しがたい。したがって、直接的検出の好ましい信頼性と間接的検出の好ましい慎み深さとを備えた方法であることが有利である。実施形態では、好ましい方法は、物体をプラズマ内に挿入することなく、プラズマに直接露出させることを含む。
【００１５】
好ましい一実施形態によると、プラズマエッチャなどのプラズマ処理チャンバ内で使用する故障検出方法は、プラズマチャンバ壁面又は構成部品内に取り付けられたセンサを使用する直接監視を含む。センサの感知表面は、チャンバ壁面又は構成部品表面の前に自然に存在するプラズマシースを介して、プラズマに直接曝されている。プラズマ（及び、特にプラズマシース）に対するかく乱は、感知表面が壁面又は構成部品表面と同一面になるように、感知装置を取り付ける表面によって減少されることが好ましい。
【００１６】
故障検出システムは、プラズマパラメータデータを収集し、故障状態を表示するためにプラズマパラメータデータを評価するように動作可能であることが好ましい。プラズマパラメータデータは、特定の故障を明らかにするために任意の仕方で、観察し、特徴付け、知られている故障のライブラリ（「基準データ」）と比較し、デジタル化し、処理し、又は解析することができる。好ましい一実施形態では、プラズマパラメータデータを評価する方法は、コンピュータ可読記憶媒体システムにプラズマパラメータデータを記憶するステップ、及び、解釈ステップを実行するステップを含む。解釈ステップは、フィルタリングし、アルゴリズムを行い、数学的計算を行い、及び／又はプラズマパラメータデータを既存の基準データと比較することによって、プラズマパラメータデータを解釈し、その結果解釈を得る、プラズマパラメータデータを解釈するステップを含む。解釈ステップはさらに、解釈を含む状況報告及び／又は警告をウエハ追跡システム又はユーザに発行するステップを含む。任意選択で、状況報告及び／又は警告は、システム内で修正ステップを開始させ、ログ含有ウエハ履歴内にイベントを記録させ、又は、プラズマチャンバ内の基板の処理を停止させる。例示的な方法が、図１のフローチャートに示されている。故障検出のためにこのように抽出された情報は、ウエハの連続処理のために処理設定を変更するのに使用されない。
【００１７】
好ましい一実施形態は、プラズマパラメータを測定するのにプローブ又はセンサを使用するステップを含む。プローブは、プラズマチャンバ壁面又は構成部品内に配置されており、プローブの感知表面がプラズマに露出されるように、反応器内の高周波（ＲＦ）バイアスされた又は接地された表面に配置することができる。故障検出システムはさらに、得られたデータを解析する。このような解析により、ウエハ処理中のプラズマ処理反応器内の故障モードのリアルタイム診断が可能になる。したがって、故障検出システムによって使用される方法は、プラズマチャンバ内でプラズマ処理を開始するステップと、プラズマから時間の関数としてプラズマパラメータデータを得るステップと、故障状態を示すためにプラズマパラメータデータを評価するステップを含む。
【００１８】
故障はさらに、チャンバ故障及びシステム故障に分類することができる。チャンバ故障は、汚れたチャンバなどのプラズマチャンバ内のエラー又は機械的問題の結果起こる故障であり、システム故障はガス供給又は電力源の問題など処理チャンバの外部で始まるエラーにより起こる故障である。
【００１９】
一実施形態では、検出器は平面イオン流束（ＰＩＦ）プローブである。ＰＩＦプローブは、パルス化ＲＦ源に容量結合された大面積平面ラングミュアプローブである。プローブ感知表面は、処理中のプラズマシースより大きいことが好ましい（例えば、プラズマシースはプラズマ状態によって、１から５ｍｍの範囲である可能性がある）。ＲＦバーストを加えている間、バイアス電圧は結合コンデンサの両端間に作り出される。ＲＦバーストが終了すると、コンデンサはその後、イオンをプラズマから収集するように、収集表面をバイアスするのに十分な電圧を提供する。バイアスが「イオン飽和」として知られる状態を達成するのに十分である場合、収集表面の領域によって分割される放電段階の「イオン飽和」部分の間に収集された測定電流は、イオン流束の測定を与える。さらに、バイアスコンデンサの両端間の電圧が減衰すると、収集した電流も減衰する。減衰段階全体の間の電圧対電流のプロットは、様々なプラズマパラメータに対する値を得るために解析することができる特徴的なトレースにつながる。
【００２０】
図２は、好ましい方法による、イオン流を測定するためのＰＩＦ検出器の一態様を略図的に示している。プローブ２０は、導体２２によって端子Ｂに連結された平面ディスク２１からなっている。ディスク２１は、イオン流を直接受け感知し、表面積Ｓｄを有する感知表面２５を有する。ディスクは、エッジ効果を少なくするために、導電性ガードリング２３で囲まれていることが好ましい。ガードリング２３は実質的に、平面ディスク２１を軸方向に下から囲んでいる。ガードリング２３は、感知表面２５と同一平面である、表面積Ｓｇの表面２６を有する。表面２６及び感知表面２５の同一平面性は、ガードリング及びディスクの上側表面が同一平面であるような高さを有する垂直壁面２７によって達成されることが好ましい。
【００２１】
ガードリング２３は、ディスク２１及び垂直壁面２７に対する物理的支持を与える、水平基部２８を備えており、ディスク２１が垂直壁面２７によって囲まれるような十分大きな直径をしている。ガードリング２３はまた、導体２２及び絶縁体２４を含むのに十分な大きさの内径の垂直円筒形中空軸を備えている。ガードリングは、図２に示すように作られたモノリシック片を備えることができる、又は電気接触した２つ以上の個別の片を備えることができる。導電性ディスクと導体２２の垂直壁面２７及び水平基部２８表面は、絶縁体２４によってガードリング２３から完全に絶縁されている。絶縁体２４は、連続であり、一定の厚さであることが好ましく、ディスクとガードリングの間の電気絶縁を保証するのに十分な完全性及び誘電率である。ガードリング２３はしたがって、導電性ディスク２１及び導体２２を周面的に囲んでいるが、どこでもこれらから電気的に絶縁されている。ＰＩＦプローブ及び解析方法の例は、引用することによってその内容全体をこのに合体する米国特許第５，９３６，４１３号に開示されている。
【００２２】
本実施形態によると、図３に示すように、プローブ２０のディスク２１はノードＢに連結されている。ノードＢはまた、オシロスコープ３４などの高インピーダンス電圧読取装置に連結されていることが好ましい。高インピーダンス読取装置のもう一方側は、接地されている。ノードＡとＢの間には、値Ｃｍである阻止コンデンサ３１が連結されている。ガードリング２３はまた、値Ｃｇのコンデンサ３３によってノードＡに電気接続されていることが好ましい。ノードＡはまた、低出力インピーダンス、通常５０オームを有する高周波（ＲＦ）電圧源３２の第１のノードに連結されている。ＲＦ源３２の第２のノードは、反応器壁面（図示せず）、及び、基準電位、通常アース（図示）に連結されている。ガードリングの電位をプローブ電位の近くに維持するために、ＣｇはＣｇ／Ｃｍ＝Ｓｇ／Ｓｄであるように選択されることが好ましい。任意の低インピーダンス電流測定装置３５は、放電電流の直接測定が可能である、コンデンサＣｍの放電経路内に維持されていることが好ましい。
【００２３】
プラズマパラメータ測定のためのＰＩＦプローブの使用は時に、Ｂｏｏｔｈ ａｎｄ Ｂｒａｉｔｈｗａｉｔｅ法と呼ばれる。この方法によると、ノードＡは図４で例示的に示す、連続した一連のＲＦ信号でパルス化される。パルスの平均はゼロボルトであり、振幅はＶｃｃによって与えられ、その持続時間はＴ１によって、及びパルス間の遅延はＴ２によって与えられる。ＲＦ振動周波数は、プラズマの励起周波数と異なることが好ましい。例えば、プラズマの励起周波数が１３．５６ＭＨｚである場合、ＲＦ振動周波数は１２．０ＭＨｚになるように選択することができる。
【００２４】
図５に示すノードＡでの駆動パルスのノードＢでの反応は、同じ振幅Ｖｃｃ、同じ周波数、及び同じ平均値ゼロの振動信号である。高周波電源３２のＲＦパルスの効果及びプラズマの効果のもとで、プローブに向かう電子の平均流は最初に、陽イオンの平均流を超えて、コンデンサ３１を充電させる。ノードＢでのパルスの平均電位は、電子及びイオン流束が等しく、平均電流がゼロである、Ｖｂｉａｓの飽和負値に到達するまで次第に減少する。
【００２５】
その後、パルスの終わりに、ＲＦ信号が遮断されると、プローブに向かう電子の平均流は再び、陽イオンの平均流と均衡するように復元される。しかし、Ｖｂｉａｓは、収集表面にイオンを引き付けながら、電子の流れを妨げるのに十分に負の電位である。Ｖｂｉａｓが十分高い場合、システムは「イオン飽和」として知られる状態にある。得られる正味イオン流はコンデンサ３１を放電し始める。この状態で、ノードＢの電位が最初は時間と共に直線的に減少し、収集領域（イオン流束）毎の正味イオン電流の決定を行うことができる。これは、以下の式によりイオン電流に比例する、オシロスコープ３３を介してｄＶＢ／ｄｔを決定することによって行うことができる。
ＩＢ＝ＣｍｄＶＢ／ｄｔ
ＩＢのこのような決定はその後、放電電流の測定として働く。
【００２６】
別の方法では、低インピーダンス電流測定装置３５をコンデンサＣｍの放電経路に導入することができる。このような装置は、放電電流の直接測定値を時間の関数として提供し、上記決定の検証として、又はそれに対する代替形態として使用することができる。放電電流を決定する直接測定技術の使用は、イオン飽和状態中に電流の値を測定するステップからなる。
【００２７】
加えて、電圧又は電流データを解析して、電子温度を決定することができる。Ｃｍをまたぐ電圧が、システムがイオン飽和状態５１から出る点まで減少する場合、放電電流は、収集表面に対する正味電子及びイオン流束が均衡される状態（図示せず）にシステムが戻るような時間まで指数的な減衰を示す。この指数的な減衰の間、放電電流（又はＣｍをまたぐ電圧）の解析を行うことができ、プラズマの電子温度の測定につながる。この状態では、プラズマシースは浮遊電位Ｖｆに近づく。
【００２８】
単一のＲＦパルス及び遮断シーケンスはしたがって、正味イオン流束又は他のプラズマパラメータの単一の測定値を収集するのに十分である。このような測定は、数ミリ秒からより長い期間にわたる広く変化する期間にわたって行うことができる。例えば、典型的なバースト時間は３〜５ミリ秒であり、典型的な遅延時間は５〜１０ミリ秒である。半導体基板を処理する間の一連のこれらの測定値の収集により、時間の関数として所与のプラズマパラメータのグラフの構成するための情報を提供することができる。
【００２９】
所与のパルス及び遮断シーケンスでは、その後、ＰＩＦプローブがイオン流束を直接測定する。プラズマ密度を測定するためには、以下の関係が考えられる。プラズマ理論によると、陽性プラズマでは、電流はボーム条件によって規定される。管理関係は以下の通りである。
Ｊｉ＝ｑｎｖＢ （１）
式中、Ｊｉはイオン電流密度（すなわち、イオン流束）であり、ｑは基本電荷であり、ｎはプラズマ又はイオン密度であり、ｖＢは以下の式で与えられるボーム速度である。
ｖＢ＝（ｋＴｅ／Ｍｉ）１／２ （２）
【００３０】
ここで、Ｔｅはプラズマ内の電子温度であり、Ｍｉはイオン質量である。プラズマ密度と測定したＩＢの関係はしたがって、以下の通りである。
ｎ＝Ｊｉ／（ｑｖＢ）＝ＩＢ／（ＳｄｑｖＢ） （３）
したがって、プラズマ密度をイオン流束データから決定するためには、Ｔｅ及びＭｉが分からなければならない。Ｍｉは使用されるガスから分かり、Ｔｅの決定は上で与えられた解析から行うことができる、又はＴｅを推測することができる。例えば、４ｅＶと推測することができる。
【００３１】
別の好ましい実施形態では、検出器は非容量タイプである。非容量センサの場合、電圧は結合コンデンサを使用することなく、直流電源によって表面に直接加えられる。電圧はその後、変更され、引かれた電流が測定される。その後、標準的なラングミュアプローブ理論を使用して、引かれて得られる電流対電圧データを解析することができる。ラングミュアプローブ理論の態様は、プラズマシースのＩ−Ｖ特性、すなわちシースの両端間の電圧降下の関数としてプラズマ内で表面に流れる電流密度の解析を含む。このような解析から抽出することができる例示的なプラズマパラメータとしては、電子温度、電子密度、及びプラズマ電位が挙げられる。特定の状況では、イオン密度、イオン温度及び電子エネルギー分布関数も決定することができる。非容量タイプセンサの好ましい幾何形状は平面である。
【００３２】
さらに別の好ましい実施形態では、誘電プラズマインターフェイスで表面波を作り出すステップ、及び、表面波に基づいてプラズマパラメータを測定するステップを含むシステムなどの他の検出システムを使用することができる。このようなシステムから抽出することができる例示的なプラズマパラメータとしては、プラズマ密度が挙げられる。このようなシステムは、引用することによってその内容全体をここに合体する、米国特許第６，５４１，９８２号に開示されている。他の例示的検出システムは、自励電子プラズマ共振分光法（ＳＥＥＲＳ）に基づいた、「ヘラクレス」プラズマ監視システムなどの電気的方法を含む。ヘラクレス法は、チャンバ壁面の一部として働く、チャンバの壁面内に挿入される同軸センサを使用する。ヘラクレス法の使用により、電子衝突速度、電子密度及びバルク電力などのプラズマパラメータを決定することができる。
【００３３】
好ましい一実施形態では、この方法はしたがって、少なくとも１つのプラズマパラメータをリアルタイムで検出するステップと、少なくとも１つのプラズマパラメータを時間の関数としてプロットするステップと、チャンバ又はシステム故障を特定するために１つ又は複数のプロットを査定するステップとを含む。別の方法では、１つ又は複数のプロットは、関連する故障を特定するために知られている故障のライブラリと比較することができる。故障が検出されると、オペレータ又はウエハ制御システムに任意選択で通知される。情報は、例えばチャンバを操作するのに使用されるモニタ上に情報メッセージを表示することによって、又は、チャンバを操作するのに使用されるシステムを「ダウン」としてログ記録することによって、オペレータに対する警報又は警告する形であってもよい。別の方法では、情報は後の評価のために、ウエハ追跡システム又は他のデータベース内に記憶することができる。
【００３４】
実施形態では、チャンバ内の様々な部位に取り付けられた複数のセンサの使用により、所与のプラズマパラメータの均一性の測定を行うことができる。プラズマ均一性のリアルタイム測定は、追加の故障検出方式を提供することができ、改良型の自己診断を可能にする。
【００３５】
好ましい一実施形態によるプラズマ処理チャンバ内の故障検出のいくつかの例をここに示す。全ての場合において、ＰＩＦプローブが半導体ウエハの処理中にプラズマパラメータデータを収集することを可能にするように、Ｅｘｅｌａｎ２３００（商標）プラズマエッチングシステムのシャワーヘッド電極の中心位置に埋め込まれた。ウエハは共通のエッチングレシピを使用して処理され、データは３０ミリ秒毎に１測定の公称周波数（約３３測定／秒）で収集された。これらの例では、決定されたプラズマパラメータはプラズマ密度であり、各場合において、時間の関数としてプロットされた。データ収集が高速度であることにより、プロットされたデータ点は実線であるように見える。例示的なプロットでは、データ収集は普通ハードウェア限界により約２７秒で遮断される。実施例１から６で使用されるレシピは、以下の条件の範囲内のエッチング処理を含む。チャンバ圧力：５０〜１５０ミリトール、２ＭＨｚＲＦ電力；２６００〜３６００Ｗ、２７ＭＨｚＲＦ電力：１７００〜２５００Ｗ、使用ガス；２５０〜３５０ｓｃｃｍのＡｒ、１３〜２３ｓｃｃｍのＣ４Ｆ８、４〜１２ｓｃｃｍのＯ２
【００３６】
［実施例１］
様々な処理を、プラズマ処理チャンバ内で行うことができる。エッチング及びレジスト除去処理は普通、プラズマ環境内で行われ、単一のプラズマチャンバ内で両方の処理を連続して行うことが望ましい。同じチャンバ内で異なるプラズマ処理ステップを行う能力が有利であると考えられる。というのは、全処理時間（「サイクル時間」）をそれによって短くすることができるからである。異なるプラズマ処理ステップが同じチャンバ内で連続して行われる場合、１つの処理ステップからの残留物は、次の処理ステップを開始する前に完全に取り除かれることが好ましい。残留物の完全な除去は処理の一貫性を促進し、「処理メモリ」−ウエハ間ベースでの処理性能のドリフトを引き起こす残留物堆積効果を少なくする。
【００３７】
したがって、チャンバ洗浄が必要である場合に対応するチャンバの故障状態を決定する方法を有することが有利である。このような方法は、最適な洗浄スケジュールの決定を促進し、ユーザがウエハ上の処理又は装置性能とチャンバ状態との間の相関関係を予期することを可能にする。チャンバをあまり頻繁に洗浄し過ぎることにより生産性が減少する可能性があり、一方、チャンバをあまり頻繁に洗浄しないことにより処理ドリフトにつながる可能性がある。
【００３８】
プラズマパラメータデータの第１の解析が、図６Ａ及び６Ｂに与えられている。図６Ａは、清浄なチャンバ内のウエハの処理中の時間の関数としてのプラズマ密度を示している。データは、ＲＦ斜面６３の後に減少する傾斜６１と最も高いプラズマ密度（約１７．５秒での）の達成を示している。図６Ｂは、追加の約５０個のウエハが処理された後の、同じチャンバ内で処理されたウエハに対する同じ曲線を示している。データは極めて類似した曲線を示しているが、ＲＦ斜面の後のデータの傾斜はより平坦６２、すなわちあまり負ではない傾斜を有する。あまり負ではない傾斜は、プラズマエッチング処理で普通見られるタイプの処理チャンバ内のフルオロカーボンベースのポリマー副生成物の堆積を示しており、システムをその元の処理状態に回復させるのにチャンバ洗浄が必要であることを示している。
【００３９】
好ましい一実施形態では、この状態は、ポストＲＦ斜面データの傾斜の絶対値が特定の値より数字的に下になる場合などのチャンバ故障を特定することができる。したがって、この方法を行うことによって、チャンバ清浄度の喪失によるチャンバ故障を特定することが可能である。他の実施形態では、ポストＲＦ斜面データの傾斜は、斜面と処理性能特性との間の関係を確立することによって、チャンバ清浄度の指標として使用することができる。このように、チャンバの状態を監視することができ、故障を予測することができる場合に関する決定を行うことができる。
【００４０】
代替実施形態では、測定した量のポリマーは、エッチング処理の実施の前にチャンバ壁面上に意図的に被着される。このような処理は、「チャンバ調整」と呼ばれる。ポストＲＦ斜面データの傾斜の絶対値が数値的に特定値の下になる上に詳述した方法は、チャンバがエッチング処理を開始する準備ができていないチャンバ故障を特定するために使用することができる。
【００４１】
［実施例２］
定期的保守及び他の修復の間、プラズマチャンバは洗浄、修復又はアップグレードのために分解することができる。プラズマチャンバ内の処理状態は高真空下で行われるので、保守後のチャンバの適切な組立てが重要である。組立て中、チャンバ及びチャンバ内の要素を固定するのに使用されるボルトは、チャンバが最適に機能するために、しばしば正確な順序で適切に締め付けるべきである。ヘリウム通路を組み込んだシャワーヘッド電力アセンブリ内、又はウエハ逆冷却用のヘリウム通路を有する底部電極内のボルトの不適切な締付けは、プラズマ処理中のヘリウム「発光」につながる可能性があり、裏側ヘリウムはプラズマ処理中にチャンバ内に不注意に案内され、イオン化してプラズマを形成する。
【００４２】
プラズマパラメータデータの第２の解析がしたがって、図７Ａ及び７Ｂに提供されている。図７Ａは、チャンバが不適切に締め付けられ、ヘリウムの漏洩につながっている底部電極ボルトの問題があるウエハの処理中の時間の関数としてのプラズマ密度を示している。データは、８×１０９イオン／ｃｍ３のオーダ、プラズマ密度の絶対値の約１０％でのＲＦ斜面７３後の振動７１を示している。プラズマのこのような振動は、視覚的に明らかではなかった。図７Ｂは、電極ボルトが締付けを修正された後に、同じチャンバ内で処理されたウエハに対する同じ曲線を示している。データは、極めて類似した曲線を示しているが、ポストＲＦ斜面の振動は実質的に取り除かれている（７２）。好ましい一実施形態では、チャンバ故障と分類されるこの状態は、チャンバ内の状態に関してオペレータに警告する、又はデータベースに記憶するのに使用することができる。したがって、この方法を行うことによって、ヘリウム漏洩によるチャンバ故障を特定することが可能である。
【００４３】
［実施例３］
ウエハからウエハまでの処理一貫性では、処理チャンバは各ウエハに対して同じ一連のステップを受けることが好ましい。例えば、クランプ電圧は、ウエハが処理されるたびに、同じ大きさで同じ持続時間だけ加えられることが好ましい。ガス流は、設定された流量及び持続時間を達成しなければならず、これらの持続時間中の処理ステップ持続時間及びプラズマ状態は、一貫性のあるウエハ間処理を保証するために、高程度の正確さで再現しなければならない。したがって、一定のままであることが期待される場合、システムのパラメータが処理中にシフトすることは望ましくない。特に、ＲＦ整合システムが所望の調整点を見つけた後に、システムはエッチングステップ全体を通してその点を保持すべきであることが期待される。エッチングステップ中の整合システムのランダムな再調整は、未制御の処理変化につながる可能性がある。
【００４４】
プラズマパラメータデータの第３の解析がしたがって、図８Ａ及び８Ｂに提供されている。図８Ａは、整合システムが再調整される、ウエハの処理中の時間の関数としてのプラズマ密度を示している。この実施例では、再調整はＲＦ斜面８５の開始の約７秒後で、ポストＲＦ斜面期間中に起こり、データ内の短い振動８１につながる。プラズマ密度内の振動の振幅は、プラズマ密度の絶対値の５％未満であり、持続時間は５秒未満である。イベントは、整合システム再調整イベントとして、図８Ｂのスクリーン画像で確認される。図８Ｂは、時間の関数として２ＭＨｚ及び２７ＭＨｚのＲＦ源周波数を示す第１の組の２つの曲線８３、及びワットでの２ＭＨｚ及び２７ＭＨｚのＲＦ前方電力を示す第２の組の２つの曲線８４を示している。ＲＦ斜面８６の開始の約７秒後に対応する時間における、２ＭＨｚの前方電力８２で観察される急上昇は、図８Ａで見られる再調整イベントを確認する。
【００４５】
好ましい一実施形態では、システム故障として分類されるこの状態は、処理されている特定のウエハが処理中に再調整を受けていることをオペレータ又はウエハ追跡システムに警告するのに使用することができる。例えば、整合システム再調整イベントが非連続処理中のランダムな時に起こるという決定により、システム故障が存在し、プラズマシステムの検査が必要であると決定することができる。任意の整合システム再調整イベントの検出は、ハードウェア故障又は他のタイプの故障が起こっている可能性があることを示している。したがって、この方法を行うことによって、整合システム再調整イベントの発生によるシステム故障を特定することが可能である。これに応じて、オペレータは処理を停止し、保守処理を開始することができる。
【００４６】
［実施例４］
処理一貫性及びチャンバ診断では、システムに関する追加の要素が有用である可能性がある。あらゆるシステムの望ましい特徴は安定性である。エッチング処理の間に、プラズマに対するかく乱はエッチング速度の変化などの処理エラーにつながる可能性がある。これは、故障している質量流制御装置又は他のハードウェアエラーによる可能性がある。別の望ましい特徴は、速い安定化速度である。かく乱後に、システムはその適切な均衡点に迅速に戻るべきである。回復処理における余分な遅延はまた、プラズマ生成ハードウェアの調査を必要とする故障の特徴である。
【００４７】
プラズマパラメータデータの第４の解析がしたがって、図９に提供されている。上に論じた他のグラフと同様に、図９のグラフは時間の関数としてのプラズマ密度を示しているが、この場合、尺度は移動及び拡張され、それによってＲＦ斜面後の１１秒のみが示されている。整合調整を示す振動は、９１で示される、１７秒の周りに存在し、まるまる約１秒かかる調整の後の安定性を示している。この図はまた、約０．５秒だけしか続かない再調整イベントを示している。
【００４８】
好ましい一実施形態では、この状態を使用して、プラズマシステム又は個別のプラズマシステムに関する特定の特性を確立することができる。このような特性は、個別のチャンバ内の欠陥のチャンバ間特徴化及び特定に有用である可能性がある。この状態の原因としては、プラズマ閉じ込めの維持、及び設定ガス流の維持に関するハードウェアの故障が挙げられる。このような故障の検出の際、ウエハ処理を停止し、ウエハを廃棄することができる。整合調整と再調整イベントとの区別は、他のセンサとの相関関係によって確立することができる。他のセンサがより低い周波数、例えば０．１Ｈｚで関連する整合データを記録する場合、イベントは再調整イベントであると理解することができる。したがって、この方法を行うことによって、悪い安定化速度の発生によるシステム故障を特定することが可能である。
【００４９】
［実施例５］
あらゆるシステムの別の望ましい特性は、プラズマ特性がウエハ間で一定なままであるということである。このような特性の間で、プラズマ密度及びイオン流束は重要である。チャンバ故障イベントが、プラズマ密度又はイオン流がシフトする処理中に起こると、ウエハ処理に対する悪影響が起こる可能性がある。特に、エッチング速度が影響を受ける可能性があることが知られている。
【００５０】
プラズマパラメータデータの第５の解析がしたがって、図１０に提供されている。この場合、グラフは連続して処理される２つのウエハに対する時間の関数としてのプラズマ密度を示している。それらのウエハは、データ曲線１０３で示される「ウエハｎ」、及びデータ曲線１０４で示される「ウエハｎ＋１」と呼ばれる（ウエハｎ＋１に対するスプリアスデータ点が削除されている）。それらの曲線は重なっており、データが５秒で始まる時点から、約１４秒で起こる１０１で示したＲＦ斜面の始めまで、実質的に区別がつかない。約１７秒で起こるウエハｎ＋１のＲＦ斜面の間に、プラズマは閉じ込められる、すなわち閉じ込めリングを通したプラズマの漏洩が起こる。これは、部分的回復の後の、１０２で示すプラズマ密度の急激な低下によって影響を受ける。プラズマ密度の低下は、プラズマ密度の絶対値の１５％を超える。１０４で示すようなウエハｎ＋１に対する処理の残りは、処理シーケンス１０３内の同じ時間に対するウエハｎの処理中に起こるプラズマ密度より低いプラズマ密度で起こることが分かる。プラズマ密度のこのような減少の可能性のある結果は、ウエハが悪く処理される又は誤処理されることである。
【００５１】
好ましい一実施形態では、チャンバ故障又はシステム故障である可能性があるこのような状態を使用して、個別のプラズマチャンバに関する特定の特性を確立することができる。このような特性は、チャンバ間特徴化と、個別のチャンバ内の欠陥の特定に有用である可能性がある。この状態の原因としては、プラズマ閉じ込め又はガス流の維持に関するハードウェアの故障、汚いチャンバ状態、及び、レジスト膜内の汚染物質など表面上に望ましくない物質を有するウエハが挙げられる。このような故障の検出の際、ウエハ処理を停止し、ウエハを廃棄することができる。したがって、この方法を行うことによって、閉じ込めの損失による故障を特定することが可能である。
【００５２】
プラズマパラメータデータの解析はまた、同じタイプのウエハ上で同じ処理レシピを行う一群のプラズマチャンバ内でチャンバ整合の欠如を特定する、又は新しいチャンバ、又は洗浄あるいは保守が行われたチャンバが特定のチャンバ品質仕様と一致する又はこれを満たすことを保証するために使用することができる。例えば、一群の処理チャンバは構造的に同一であり、同じ処理状態で操作することができ、ＰＩＦプローブで得られるデータを使用した操作条件の下でこのようなチャンバの性能を比較することが望ましい。したがって、チャンバ整合を行うことによって、適切に機能していないチャンバを特定することが可能である。
【００５３】
好ましい一実施形態では、プラズマパラメータは、プラズマチャンバの内部に露出された感知表面を有するプローブの使用によって得られ、より好ましくは、プローブは接地電極などプラズマチャンバのチャンバ壁面又は構成部品内に埋め込まれている。多片シャワーヘッド電極アセンブリの内側電極部内に埋め込まれた、図２に示すものなどのＰＩＦプローブの例示的な略図が、図１１に示されている。プローブ１１０は、平面ディスク１１３の感知表面１１７がシャワーヘッド電極１１８と同一の広がりである（例えば、同一平面）であるように配置されていることが好ましく、それによってプローブはプラズマ上への衝撃を最小にする。プローブは、アルミニウム又はグラファイトなどの材料でできた導体１１１を備えている。図３に略図的に示すものなどの、プローブを操作するのに必要な電気回路を確立するためには、プローブ、導体１１１に対する電気接続は、チャンバ内側からチャンバ外側まで壁面、窓、真空貫通接続又はコネクタ（図示せず）を通してチャンバ閉じ込めを横切ることが好ましい。当業者は、プローブ１１０がプローブ２０に相当し、平面ディスク１１３が平面ディスク２１に相当し、導体１１１が導体２２に相当することが分かるだろう。図２の保護リング２３及び絶縁体２４は、図１１の絶縁体１１２に相当する。
【００５４】
導体１１１は、プローブを電極アセンブリから電気絶縁するために、電気絶縁体１１２によって囲まれている。絶縁体１１２は、石英などの絶縁材料でできていることが好ましく、プローブ２１１の背面を備えた表面を有する。プラズマ及びプラズマシースに対するかく乱は、シリコンなどの、シャワーヘッド電極を作るのに使用されるのと同じ材料で平面ディスク１１３を作ることによって小さくされることが好ましい。さらに、電極１１８が所与の抵抗までドーピングされる場合、平面ディスク１１３は同じ抵抗までドーピングされることが好ましいが、必要に応じて異なる抵抗力にドーピングされてもよい。例えば、石英絶縁体１１２がＲＦ経路をかく乱する場合、一定のＲＦ経路は、電極１１８のドーピングレベルと異なるディスク１１３のドーピングレベルでより良く達成することができる。必要に応じて、プローブ１１０は他のチャンバ表面内に取り付けることができ、かつ／又は、感知表面１１７はプラズマ処理状態に適合する誘電コーティングで覆うことができ、例えば、ディスク１１３は表面１１７上に陽極酸化層を備えたアルミニウム又はアルミニウム合金である可能性がある。
【００５５】
さらに、プローブのプラズマへの衝撃を最小とするために、プローブの温度、及びプローブ周りのガス流を変更することができる。特に、プローブは、例えば温度制御構成部品１１５を使用して加熱されることが好ましい。構成部品１１５は、電気抵抗加熱装置であってもよく、又は加熱又は冷却することができる温度調整流体を循環させる管であってもよい。電気抵抗加熱装置は、交流又は直流電力源（図示せず）によって電力を与えることができる。加熱は、温度制御装置（図示せず）によって制御し、感知表面１１７の温度がシャワーヘッド電極の温度と同じであるように設定することができる。
【００５６】
ガス供給貫通孔１１４によって通常提供されるガス流は、プローブの存在により妨げることができる。ガス流、したがってプラズマに対する妨害は、電極の後ろに配置されたグラファイト受け板１１９にガスを供給する共通のプレナム（図示せず）にガス通路を作り出す、プローブ内の１つ又は複数の任意のガス供給貫通孔１１６の使用で最小限に抑えられることが好ましい。石英絶縁体及び平面ディスク１１３内の同一線上のガス通路１１６は、連続ガス通路を形成し、プローブがない状態で存在する全体のガス分配パターンに近づくように配置されることが好ましい。好ましい一実施形態では、ガス通路は、プローブがない状態でシャワーヘッド電極内に通常配置される、プローブ内に配置される。
【００５７】
多片シャワーヘッド電極アセンブリの内側電極部に埋め込まれたＰＩＦプローブの例示的な代替実施形態の略図が、図１２に示されている。平面ディスク１１３は、感知表面の厚さを小さくすることによって寄生容量を少なくするようになっている。平面ディスク１２３は、位置合わせ及び導電性を促進するために、導体１２２を受け、これと協働して作用するようになっている管状延長部２２５を有する。平面ディスク１２３及び導体１２２は、導電性板ばね１２５を通して機械的及び電気的に連通している。板ばね１２５はまた、例えばプローブの他の部品を取り除くことなく、平面ディスク１２３の独立した除去を可能にすることによって、組立ての容易性を改善する。
【００５８】
導電性ねじ付きボルト２２６により、平面ディスク１２３の前進が、プラズマ環境への長期の露出による、ディスク１２３と露出したシリコン表面２２７との間のあらゆる微分磨耗率を補償することが可能になる。圧縮可能材料のシール１２７（例えば、Ｏリング）の存在により、ボルト２２６をシール１２７の拡張又は圧縮の限度内で前進又は後退させ、それによって表面２２７を所望の位置に移動させることができる。プローブ内のガス供給貫通孔が位置合わせされたままであることを保証するために、１本又は複数本のキー又はピン１２４は、前進している導電性ねじ付きボルト２２６の結果として平面ディスク１２３に供給されるトルクが平面ディスク１２３を絶縁体２２３に対して回転させないことを保証する。キー又はピン１２４を設けるためには、周囲の誘電材料２２３が、管状延長部２２５の周りで嵌合する２つの部品内にあることが好ましい。平面ディスク１２３及び導体１２２は、プローブ１２３、導体１２２、及びねじ付きボルト２２６を電極１２８及びグラファイト受け板１２９から電気絶縁させるように働く絶縁体２２３によって囲まれていることが好ましい。プローブを操作するのに必要な電気回路を確立するためには、導電性ねじ付きボルト２２６を通したプローブへの電気接続は、チャンバの内側からチャンバの外側まで壁面、窓、真空貫通接続又はコネクタ（図示せず）を通してチャンバ閉じ込めを横切ることが好ましい。
【００５９】
絶縁体２２３はまた、平面ディスク１２３を支持し、その向きをチャンバ内部に向かって維持するように働く。絶縁体２２３はしたがって、プローブ１２１の背面を備えている。電極アセンブリからのプローブの電気絶縁は、受け板１２９の上側でリセス内に嵌合する上側ショルダを備えた円筒形管の形である、外側絶縁体２２２によって終結される。絶縁体２２３上の同様のショルダが絶縁体２２２の上側ショルダ上にあるが、絶縁体２２２は絶縁体２２３を囲んでおり、これと密接に接触している。外側絶縁体２２２は、電極１２３の下側表面及び感知表面２２７まで延びており、これらと同一平面の表面を有する。プラズマの露出中、外側絶縁体２２２は磨耗を受ける可能性がある。外側絶縁体の利点としては、プラズマ環境への露出から生じる磨耗により交換しなければならない部品の寸法及び複雑性の減少が挙げられる。
【００６０】
プローブを通るガス流２２８は、ガス供給貫通孔２２９によって影響を受ける。石英絶縁体及び平面ディスク内の同一線上のガス供給貫通孔が、連続ガス通路を形成する。ガス通路は、プローブがない状態で存在する全体のガス分配パターンに近づくように配置されることが好ましい。好ましい一実施形態では、ガス通路は、プローブがない状態で通常シャワーヘッド電極内に配置される、プローブ内に配置される。
【００６１】
Ｏリング１２７を使用して、導体１２２の位置、及び導体１２２のシャワーヘッドアセンブリの部分からの電気絶縁を維持する。Ｏリング１２７及びキー１２４は、テフロン（登録商標）などの、非伝導性、耐熱性及び機械的弾力性がある材料でできていることが好ましい。温度制御構成部品２２１は、電気抵抗加熱装置、又は周囲の部品温度と一致するようにプローブを加熱又は冷却することができる温度調整流体を循環させる管であってもよい。
【００６２】
多片シャワーヘッド電極アセンブリの外側電極部に埋め込まれたＰＩＦプローブの追加の例示的代替実施形態の略図が、図１３に示されている。設計は、内側電極内での使用のために図１２に示す設計と同様であるが、特定の変更が含まれている。この設計では、任意選択のガス供給貫通孔が省略されている。加えて、露出したシリコン表面２２７とシャワーヘッド電極表面との間のあらゆる微分磨耗率を補償するための平面ディスク１３６Ａの前進の任意選択手段の詳細が、省略されている。
【００６３】
図１２と同様に、平面ディスク１３６Ａは寄生容量を減少させるようになっており、位置合わせ及び導電性を促進させるために導体１３５を受け、これと協働して作用する管状延長部１３６Ｂを有する。延長部１３６Ｂを備えた平面ディスク１３６Ａと導体１３５とは、プローブ及び導体１３５を周囲の電極１３９及びグラファイト受け板１３２から電気絶縁するように働く、絶縁体１３３によって囲まれている。絶縁体１３３は、平面ディスク１３６Ａを支持し、その向きをチャンバ内部に向かって維持するように、管状延長部１３６Ｂの周りに嵌合する２部品片であることが好ましい。電極アセンブリからのプローブの電気絶縁は、受け板１３２内のリセスと嵌合する上側ショルダを備えた円筒形管の形をした、外部絶縁体１３３Ａによって終結される。
【００６４】
Ｏリング１３８は、導体１３５の位置、及び導体１３５のシャワーヘッドアセンブリの残りからの電気絶縁を維持するのに使用される。Ｏリング１３８は、テフロンなどの、非伝導性、耐熱性及び機械的弾力性がある材料でできていることが好ましい。温度制御板１３１は、グラファイト受け板１３２と密接に接触している。プローブとの電気接触を確立するＲＦ供給ロッド１３４は、図では、導体１３５内に埋め込まれた図の平面と垂直である。プローブを操作するのに必要な電気回路を確立するためには、ＲＦ供給ロッド１３４は、チャンバ内側からチャンバ外側まで壁面、窓、真空貫通接続又はコネクタ（図示せず）を通してチャンバ閉じ込めを横切ることが好ましい。平面ディスク１３６Ａは、板ばね、及びインターフェイス１３７で延長部１３６Ｂに加えられる導電性スパッタコーティングの使用により、導体１３５と優れた電気接触を維持する。
【００６５】
１つ又は複数のプローブを含むことができるシャワーヘッドアセンブリ１００の片側半分の略図が、図１４に示されている。シャワーヘッドは、上部電極１４３と、上部電極１４３に固定された任意の裏当て部材１４２と、温度制御板１４１と、上部板１４６とを備えている。上部板１４６は、プラズマ処理チャンバの取外し可能な上部壁面を形成することができる。上部電極１４３は、内側電極部材１４５、及び任意の外側電極部材１４７を備えていることが好ましい。内側電極部材１４５は、単結晶シリコンでできた円筒形ディスクであることが好ましい。必要に応じて、内側及び外側電極１４５、１４７は、ＣＶＤ炭化ケイ素、単結晶シリコン、又は他の適切な材料などの材料の単片で作ることができる。
【００６６】
外側電極部材１４７は、連続部材（例えば、リングなどのポリシリコン又は炭化ケイ素部材）、又はセグメント部材（例えば、単結晶シリコンのセグメントなどの、リング構成で配置された２〜６個の別個のセグメント）であってもよい。上部電極１４３が多セグメント外側電極部材１４７を備えている実施形態では、セグメントは、下にある結合材料をプラズマへの露出から保護するために、互いに重なり合った縁部を有することが好ましい。プラズマ閉じ込めリングアセンブリ（図示せず）は、外側電極を囲んでいることが好ましい。内側電極部材１４５は、処理ガスを上部電極１４３の下のプラズマ反応チャンバ内の空間に注入するための多数のガス通路１４４を備えていることが好ましい。外側電極１４７は、電極１４３の周面で突起段差を形成することが好ましい。段差付き電極のさらなる詳細は、引用することによってその開示をここに合体する、同一の所有者の米国特許第６，８２４，６２７号で見ることができる。
【００６７】
図１４はまた、１つ又は複数のこのようなプローブを組み込むことができる、シャワーヘッド電極アセンブリ１４０内に埋め込まれた、図２に示すタイプのプローブの例示的な一実施形態を示している。図１１及び１２に示すプローブは任意のガス供給貫通孔を備えているので、上部電極１４３は図１１及び１２の１１８及び１２８にそれぞれ対応することが好ましい。また、裏当て部材１４２は、図１１及び１２の１１９及び１２９にそれぞれ対応することが好ましい。例えば、プローブ１４８は、図１１及び図１２に示すプローブと同様に、ガス供給貫通孔を備えて構成されていることが好ましい。図１３に示すプローブはガス供給貫通孔を備えていないので、外側電極１４７は図１３の電極１３９に対応することが好ましい。また、温度制御板１４１は、図１３の温度制御板１３１に対応することが好ましい。例えば、プローブ１４９は、図１３に示すプローブと同様に、ガス供給貫通孔なしで構成されていることが好ましい。
【００６８】
好ましい一実施形態によるプラズマ処理チャンバの例示的な略図が、図１５に示されている。図示したシステムは、Ｌａｍ Ｒｅｓｅａｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＥＸＥＬＡＮ（商標）２３００システムなどの、平行平板型プラズマシステム１５０である。システム１５０は、反応器の底部で出口に連結された真空ポンプ１５８によって、所望の真空圧で維持された内部１５７を有するチャンバを備えている。エッチングガスは、ガス供給部（図示せず）からプラズマ反応器に供給される。中密度プラズマは、ＲＦ源１５９からのＲＦエネルギーが整合ネットワーク（図示せず）を通して電力を与えられた下側電極１５１に供給される二重周波数配置によって反応器内で発生される。ＲＦ源１５９は図では、２７ＭＨｚ及び２ＭＨｚでＲＦ電力を供給するように構成されているが、異なる周波数源の多くの組合せを使用することができる。プラズマ閉じ込めは、閉じ込めリング１５４によって補助される。上側電極１５３は接地され、加熱された上部板１５２に連結されている。基板、例えばウエハ（図示せず）は、熱いエッジリング１５５に囲まれた、静電チャック（ＥＳＣ）１５６に固定されている。
【００６９】
加えて、ＥＸＥＬＡＮ（商標）ＨＰＴシリーズなどの他の容量結合反応器、又は、引用することによってその開示をここに合体する、共通の所有者の米国特許第６，０９０，３０４号に記載された二重周波数プラズマエッチング反応器など、ＲＦ電力が両方の電極に供給される容量結合反応器を使用することができる。好ましい実施形態を、容量結合プラズマ処理チャンバと合わせて論じたが、実施形態はまた、誘導結合プラズマ処理チャンバ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ又はＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからのＴＣＰ（商標）プラズマ処理チャンバなど）、又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ処理チャンバに適用される。
【００７０】
前述の図１４はシャワーヘッド電極内に組み込まれた平面プローブを示しているが、プローブ表面が壁面、ライナ、閉じ込めリング、焦点リング、ガス出口を備えていない電極、ガス分配板、及び基板支持体などのチャンバ内のプラズマ環境に曝されるとすれば、プローブは他のチャンバ部品内に組み込むことができる。平面プローブは、基板近くのプラズマパラメータを測定するために上側電極の中心部に配置することができる、又は基板の上に直接配置されないように、上側電極の外側部分に配置することができる。
【００７１】
別の実施形態では、プローブの感知表面がプラズマチャンバの内部に面しているように、複数のプローブが配置されている。複数のプローブは、プラズマの均一性に関する情報を提供することができる、又は内部の相対的なキャリブレーションを提供することができる。例えば、プローブはシャワーヘッド電極の中心に、又はその近くに配置することができ、追加のプローブはシャワーヘッド電極内の中心位置から異なる半径で配置することができる。本発明を、その特定の実施形態を参照して詳細に説明したが、頭記の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び変形を加えることができ、均等物を利用することができることは当業者には自明のことだろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理反応器の故障状態を検出する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
それぞれの連続した半導体技術世代で、ウエハ直径は大きくなり、トランジスタ寸法は小さくなる傾向にあり、その結果、ウエハ処理におけるさらに高い程度の正確性及び再現性が必要となる。シリコンウエハなどの半導体基板材料は、真空チャンバの使用を含む技術によって処理される。このような技術としては、スパッタリング蒸着などの非プラズマ応用例と、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、レジスト除去、及びプラズマエッチングなどのプラズマ応用例が挙げられる。
【０００３】
今日利用可能なプラズマ処理システムは、多くの特定の故障形態になりやすい。このような多くの形態は、実際の装置ウエハを処理する前に検出することが難しく、ウエハの誤処理につながる可能性がある。検出システムは、電界のイオン密度などプラズマの特定の側面を診断するために存在しているが、故障の検出には不十分な方法しか利用可能でない。特に、これは改良された均一性、整合性及び自己診断性を備えたプラズマチャンバが必要とされる。これらの目的の達成を容易にする改良型のプラズマ感知技術に、大きな需要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，９３６，４１３号
【特許文献２】米国特許第６，５４１，９８２号
【特許文献３】米国特許第６，８２４，６２７号
【特許文献４】米国特許第６，０９０，３０４号
【発明の概要】
【０００５】
好ましい実施形態によると、プラズマチャンバ内でプラズマ処理を開始するステップと、プラズマ処理に関するプラズマパラメータデータを得るステップと、故障状態を示すためにプラズマパラメータデータを評価するステップであって、プラズマパラメータデータがプローブの使用により得られ、プローブの感知表面がプラズマに曝され、プラズマチャンバ内の壁面又は構成部品表面と同じ平面にあるステップとを含む、プラズマ処理を直接監視する方法が提供される。
【０００６】
プラズマパラメータデータを評価する方法は、コンピュータ可読記憶媒体システム上にデータを記憶するステップ、データをフィルタリングするステップ、データにアルゴリズムを行うステップ、及び／又は、データを既存の基準データと比較し、それにより、解釈し、並びに、前記解釈に基づく状況報告及び警告の少なくともいずれかを発行するステップを含むことができる。
【０００７】
イオン流束、プラズマ電位、プラズマ密度、電子温度、イオン種温度、及び電子中性子衝突頻度などのプラズマパラメータは、様々な直接プロービング法を使用して測定することができる。この方法はプローブの使用を含み、プローブの感知表面がプラズマに曝され、プラズマチャンバ内の壁面又は構成部品表面とほぼ同一平面である。例示的な構成部品としては、接地シャワーヘッド電極、制限リング、ライナ、ガス分配プレート、及び基板支持体が挙げられる。
【０００８】
直接センサの好ましい実施形態は、平面イオン流束（ＰＩＦ）タイプである。他の実施形態では、直接センサは、変化する電圧が結合コンデンサを使用することなく直流電源によってプローブ表面に直接加えられ、電流が測定される、非容量結合ラングミュアタイプであってもよい。さらに他の実施形態では、検出システムが使用される。検出システムのタイプとしては、誘電プラズマインターフェイスで表面波を作り出し、表面波に基づいてプラズマ密度を測定するシステムが挙げられる。
【０００９】
故障状態の表示としては、
ａ）処理チャンバ内の処理副生成物の堆積を示す、プラズマ密度データのポストＲＦ斜面の傾斜の変化、
ｂ）ヘリウムの漏洩を示す、プラズマ密度の絶対値の約５％から約２０％の間のＲＦ斜面後のプラズマ密度の振動、
ｃ）整合システム再調整イベントを示す、ＲＦ斜面の後に発生する、その絶対値の５％未満の振幅と５秒未満の持続時間のプラズマ密度の振動、
ｄ）悪い安定化速度の発生を示す、その適切な均衡点に戻る前に、整合調整に約０．５秒以上かかった後の、プラズマ密度の振幅の安定性、及び
ｅ）プラズマ閉じ込めの損失の発生を示す、部分的回復の後の、その絶対値の約１５％より大きい量だけのプラズマ密度の急速な低下
が挙げられる。
【００１０】
他の好ましい実施形態では、検出器がプラズマ処理チャンバ内の表面に埋め込まれている場合、検出器は周辺壁表面との整合性を向上させる特徴を含むことができる。例えば、検出器は、局部壁面状態を整合させるように温度制御することができる。壁面がガス供給貫通孔を含む場合、検出器はまた、１つ又は複数のガス供給貫通孔で構成することができる。これは、検出器がない状態では存在する全体のガス分配パターンに近づけるように配置された、プローブの感知表面から背面へ貫通する少なくとも１つのガス通路を作り出すことによって行われる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】故障評価方法のフローチャートである。
【図２】ＰＩＦプローブの例示的な実施形態を示す図である。
【図３】ＰＩＦプローブ及び代表的な回路の例示的な略図である。
【図４】ノードＡでの例示的ＲＦ信号パルスを示す図である。
【図５】ノードＢでの反応信号を示す図である。
【図６Ａ】チャンバを清浄にする必要性を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】チャンバを清浄にする必要性を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図７Ａ】不適切に設置された電極アセンブリボルトによる、ヘリウム「発光」を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】不適切に設置された電極アセンブリボルトによる、ヘリウム「発光」を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図８Ａ】整合「再調整」イベントを検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】整合「再調整」イベントを検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図９】整合／プラズマ安定化速度を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図１０】プラズマ閉じ込めの損失を検出する診断方法の一実施形態を示す図である。
【図１１】プラズマ処理チャンバの上側電極内に配置されたＰＩＦプローブの一実施形態を示す図である。
【図１２】プラズマ処理チャンバの上側電極内に配置されたＰＩＦプローブの代替実施形態を示す図である。
【図１３】プラズマ処理チャンバの上側電極内に配置されたＰＩＦプローブの更なる代替実施形態を示す図である。
【図１４】プラズマ処理チャンバの上側電極の内側部分及び外側部分内に配置されたＰＩＦプローブの一実施形態を示す図である。
【図１５】例示的なプラズマ処理チャンバを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
シリコンウエハなどの半導体基板材料は、蒸着、エッチング、及びレジスト除去を含む様々なプラズマ処理を使用して、プラズマ処理チャンバ内で処理することができる。プラズマ処理システムは、プラズマ処理チャンバ、少なくとも１つの処理ガスをチャンバ内に供給するガス源、及び処理ガスを励起することによってプラズマを作り出すエネルギー源を備えることができる。ウエハを処理するための所与の一連のステップ及び入力パラメータ設定（例えば、ＲＦ電力、ガス流、開始時間など）は、所与の「プラズマ処理」と言うことができる。現代の半導体製造機器の複雑な要件により、典型的なプラズマ処理システムは、様々な化学的、電気的及び／又は機械的故障の影響を受けやすい。これらの故障としては例えば、清潔さが不十分な処理環境、真空及び大気制御機器内の漏洩、処理再現性の喪失、及びプラズマ閉じ込めの損失が上げられる。しばしば、このような故障は、１枚のウエハ又は１バッチのウエハが処理されるまで検出されない。
【００１３】
イオン流束、プラズマ電位、プラズマ密度、電子温度、イオン種温度、及び電子中性子衝突頻度などの特定のプラズマパラメータは、特定の故障と関連させることができることが分かっている。これら及び他のプラズマパラメータの検出は、それ故、これらの故障を検出し特定する方法を提供する。好ましい一実施形態では、プラズマパラメータ検出の過程が、監視されているプラズマの検出可能なかく乱を伴うことなく行われる。
【００１４】
処理中にプラズマパラメータを検出する方法は、直接的に検出する方法と、間接的に検出する方法に分類することができる。間接的方法は、電磁放射（例えば、光周波数又は高周波放射）などのプラズマから発せられる信号を解釈するステップを含み、信号からプラズマパラメータを抽出するために、測定の信頼性を小さくする特定の前提が必要である。直接的な検出方法は、プラズマに直接曝されるように検出器を配置するステップを含む。直接的方法による結果の解釈は、間接的方法による結果の解釈より少ない前提、より単純な解析、及びより大きな信頼性を伴うことができる。しかし、監視されているプラズマへ物体を直接露出するように挿入する必要性により、プラズマに対するかく乱につながる可能性があり、定期的な工業的処理監視に対してあまり採用しがたい。したがって、直接的検出の好ましい信頼性と間接的検出の好ましい慎み深さとを備えた方法であることが有利である。実施形態では、好ましい方法は、物体をプラズマ内に挿入することなく、プラズマに直接露出させることを含む。
【００１５】
好ましい一実施形態によると、プラズマエッチャなどのプラズマ処理チャンバ内で使用する故障検出方法は、プラズマチャンバ壁面又は構成部品内に取り付けられたセンサを使用する直接監視を含む。センサの感知表面は、チャンバ壁面又は構成部品表面の前に自然に存在するプラズマシースを介して、プラズマに直接曝されている。プラズマ（及び、特にプラズマシース）に対するかく乱は、感知表面が壁面又は構成部品表面と同一面になるように、感知装置を取り付ける表面によって減少されることが好ましい。
【００１６】
故障検出システムは、プラズマパラメータデータを収集し、故障状態を表示するためにプラズマパラメータデータを評価するように動作可能であることが好ましい。プラズマパラメータデータは、特定の故障を明らかにするために任意の仕方で、観察し、特徴付け、知られている故障のライブラリ（「基準データ」）と比較し、デジタル化し、処理し、又は解析することができる。好ましい一実施形態では、プラズマパラメータデータを評価する方法は、コンピュータ可読記憶媒体システムにプラズマパラメータデータを記憶するステップ、及び、解釈ステップを実行するステップを含む。解釈ステップは、フィルタリングし、アルゴリズムを行い、数学的計算を行い、及び／又はプラズマパラメータデータを既存の基準データと比較することによって、プラズマパラメータデータを解釈し、その結果解釈を得る、プラズマパラメータデータを解釈するステップを含む。解釈ステップはさらに、解釈を含む状況報告及び／又は警告をウエハ追跡システム又はユーザに発行するステップを含む。任意選択で、状況報告及び／又は警告は、システム内で修正ステップを開始させ、ログ含有ウエハ履歴内にイベントを記録させ、又は、プラズマチャンバ内の基板の処理を停止させる。例示的な方法が、図１のフローチャートに示されている。故障検出のためにこのように抽出された情報は、ウエハの連続処理のために処理設定を変更するのに使用されない。
【００１７】
好ましい一実施形態は、プラズマパラメータを測定するのにプローブ又はセンサを使用するステップを含む。プローブは、プラズマチャンバ壁面又は構成部品内に配置されており、プローブの感知表面がプラズマに露出されるように、反応器内の高周波（ＲＦ）バイアスされた又は接地された表面に配置することができる。故障検出システムはさらに、得られたデータを解析する。このような解析により、ウエハ処理中のプラズマ処理反応器内の故障モードのリアルタイム診断が可能になる。したがって、故障検出システムによって使用される方法は、プラズマチャンバ内でプラズマ処理を開始するステップと、プラズマから時間の関数としてプラズマパラメータデータを得るステップと、故障状態を示すためにプラズマパラメータデータを評価するステップを含む。
【００１８】
故障はさらに、チャンバ故障及びシステム故障に分類することができる。チャンバ故障は、汚れたチャンバなどのプラズマチャンバ内のエラー又は機械的問題の結果起こる故障であり、システム故障はガス供給又は電力源の問題など処理チャンバの外部で始まるエラーにより起こる故障である。
【００１９】
一実施形態では、検出器は平面イオン流束（ＰＩＦ）プローブである。ＰＩＦプローブは、パルス化ＲＦ源に容量結合された大面積平面ラングミュアプローブである。プローブ感知表面は、処理中のプラズマシースより大きいことが好ましい（例えば、プラズマシースはプラズマ状態によって、１から５ｍｍの範囲である可能性がある）。ＲＦバーストを加えている間、バイアス電圧は結合コンデンサの両端間に作り出される。ＲＦバーストが終了すると、コンデンサはその後、イオンをプラズマから収集するように、収集表面をバイアスするのに十分な電圧を提供する。バイアスが「イオン飽和」として知られる状態を達成するのに十分である場合、収集表面の領域によって分割される放電段階の「イオン飽和」部分の間に収集された測定電流は、イオン流束の測定を与える。さらに、バイアスコンデンサの両端間の電圧が減衰すると、収集した電流も減衰する。減衰段階全体の間の電圧対電流のプロットは、様々なプラズマパラメータに対する値を得るために解析することができる特徴的なトレースにつながる。
【００２０】
図２は、好ましい方法による、イオン流を測定するためのＰＩＦ検出器の一態様を略図的に示している。プローブ２０は、導体２２によって端子Ｂに連結された平面ディスク２１からなっている。ディスク２１は、イオン流を直接受け感知し、表面積Ｓｄを有する感知表面２５を有する。ディスクは、エッジ効果を少なくするために、導電性ガードリング２３で囲まれていることが好ましい。ガードリング２３は実質的に、平面ディスク２１を軸方向に下から囲んでいる。ガードリング２３は、感知表面２５と同一平面である、表面積Ｓｇの表面２６を有する。表面２６及び感知表面２５の同一平面性は、ガードリング及びディスクの上側表面が同一平面であるような高さを有する垂直壁面２７によって達成されることが好ましい。
【００２１】
ガードリング２３は、ディスク２１及び垂直壁面２７に対する物理的支持を与える、水平基部２８を備えており、ディスク２１が垂直壁面２７によって囲まれるような十分大きな直径をしている。ガードリング２３はまた、導体２２及び絶縁体２４を含むのに十分な大きさの内径の垂直円筒形中空軸を備えている。ガードリングは、図２に示すように作られたモノリシック片を備えることができる、又は電気接触した２つ以上の個別の片を備えることができる。導電性ディスクと導体２２の垂直壁面２７及び水平基部２８表面は、絶縁体２４によってガードリング２３から完全に絶縁されている。絶縁体２４は、連続であり、一定の厚さであることが好ましく、ディスクとガードリングの間の電気絶縁を保証するのに十分な完全性及び誘電率である。ガードリング２３はしたがって、導電性ディスク２１及び導体２２を周面的に囲んでいるが、どこでもこれらから電気的に絶縁されている。ＰＩＦプローブ及び解析方法の例は、引用することによってその内容全体をこのに合体する米国特許第５，９３６，４１３号に開示されている。
【００２２】
本実施形態によると、図３に示すように、プローブ２０のディスク２１はノードＢに連結されている。ノードＢはまた、オシロスコープ３４などの高インピーダンス電圧読取装置に連結されていることが好ましい。高インピーダンス読取装置のもう一方側は、接地されている。ノードＡとＢの間には、値Ｃｍである阻止コンデンサ３１が連結されている。ガードリング２３はまた、値Ｃｇのコンデンサ３３によってノードＡに電気接続されていることが好ましい。ノードＡはまた、低出力インピーダンス、通常５０オームを有する高周波（ＲＦ）電圧源３２の第１のノードに連結されている。ＲＦ源３２の第２のノードは、反応器壁面（図示せず）、及び、基準電位、通常アース（図示）に連結されている。ガードリングの電位をプローブ電位の近くに維持するために、ＣｇはＣｇ／Ｃｍ＝Ｓｇ／Ｓｄであるように選択されることが好ましい。任意の低インピーダンス電流測定装置３５は、放電電流の直接測定が可能である、コンデンサＣｍの放電経路内に維持されていることが好ましい。
【００２３】
プラズマパラメータ測定のためのＰＩＦプローブの使用は時に、Ｂｏｏｔｈ ａｎｄ Ｂｒａｉｔｈｗａｉｔｅ法と呼ばれる。この方法によると、ノードＡは図４で例示的に示す、連続した一連のＲＦ信号でパルス化される。パルスの平均はゼロボルトであり、振幅はＶｃｃによって与えられ、その持続時間はＴ１によって、及びパルス間の遅延はＴ２によって与えられる。ＲＦ振動周波数は、プラズマの励起周波数と異なることが好ましい。例えば、プラズマの励起周波数が１３．５６ＭＨｚである場合、ＲＦ振動周波数は１２．０ＭＨｚになるように選択することができる。
【００２４】
図５に示すノードＡでの駆動パルスのノードＢでの反応は、同じ振幅Ｖｃｃ、同じ周波数、及び同じ平均値ゼロの振動信号である。高周波電源３２のＲＦパルスの効果及びプラズマの効果のもとで、プローブに向かう電子の平均流は最初に、陽イオンの平均流を超えて、コンデンサ３１を充電させる。ノードＢでのパルスの平均電位は、電子及びイオン流束が等しく、平均電流がゼロである、Ｖｂｉａｓの飽和負値に到達するまで次第に減少する。
【００２５】
その後、パルスの終わりに、ＲＦ信号が遮断されると、プローブに向かう電子の平均流は再び、陽イオンの平均流と均衡するように復元される。しかし、Ｖｂｉａｓは、収集表面にイオンを引き付けながら、電子の流れを妨げるのに十分に負の電位である。Ｖｂｉａｓが十分高い場合、システムは「イオン飽和」として知られる状態にある。得られる正味イオン流はコンデンサ３１を放電し始める。この状態で、ノードＢの電位が最初は時間と共に直線的に減少し、収集領域（イオン流束）毎の正味イオン電流の決定を行うことができる。これは、以下の式によりイオン電流に比例する、オシロスコープ３３を介してｄＶＢ／ｄｔを決定することによって行うことができる。
ＩＢ＝ＣｍｄＶＢ／ｄｔ
ＩＢのこのような決定はその後、放電電流の測定として働く。
【００２６】
別の方法では、低インピーダンス電流測定装置３５をコンデンサＣｍの放電経路に導入することができる。このような装置は、放電電流の直接測定値を時間の関数として提供し、上記決定の検証として、又はそれに対する代替形態として使用することができる。放電電流を決定する直接測定技術の使用は、イオン飽和状態中に電流の値を測定するステップからなる。
【００２７】
加えて、電圧又は電流データを解析して、電子温度を決定することができる。Ｃｍをまたぐ電圧が、システムがイオン飽和状態５１から出る点まで減少する場合、放電電流は、収集表面に対する正味電子及びイオン流束が均衡される状態（図示せず）にシステムが戻るような時間まで指数的な減衰を示す。この指数的な減衰の間、放電電流（又はＣｍをまたぐ電圧）の解析を行うことができ、プラズマの電子温度の測定につながる。この状態では、プラズマシースは浮遊電位Ｖｆに近づく。
【００２８】
単一のＲＦパルス及び遮断シーケンスはしたがって、正味イオン流束又は他のプラズマパラメータの単一の測定値を収集するのに十分である。このような測定は、数ミリ秒からより長い期間にわたる広く変化する期間にわたって行うことができる。例えば、典型的なバースト時間は３〜５ミリ秒であり、典型的な遅延時間は５〜１０ミリ秒である。半導体基板を処理する間の一連のこれらの測定値の収集により、時間の関数として所与のプラズマパラメータのグラフの構成するための情報を提供することができる。
【００２９】
所与のパルス及び遮断シーケンスでは、その後、ＰＩＦプローブがイオン流束を直接測定する。プラズマ密度を測定するためには、以下の関係が考えられる。プラズマ理論によると、陽性プラズマでは、電流はボーム条件によって規定される。管理関係は以下の通りである。
Ｊｉ＝ｑｎｖＢ （１）
式中、Ｊｉはイオン電流密度（すなわち、イオン流束）であり、ｑは基本電荷であり、ｎはプラズマ又はイオン密度であり、ｖＢは以下の式で与えられるボーム速度である。
ｖＢ＝（ｋＴｅ／Ｍｉ）１／２ （２）
【００３０】
ここで、Ｔｅはプラズマ内の電子温度であり、Ｍｉはイオン質量である。プラズマ密度と測定したＩＢの関係はしたがって、以下の通りである。
ｎ＝Ｊｉ／（ｑｖＢ）＝ＩＢ／（ＳｄｑｖＢ） （３）
したがって、プラズマ密度をイオン流束データから決定するためには、Ｔｅ及びＭｉが分からなければならない。Ｍｉは使用されるガスから分かり、Ｔｅの決定は上で与えられた解析から行うことができる、又はＴｅを推測することができる。例えば、４ｅＶと推測することができる。
【００３１】
別の好ましい実施形態では、検出器は非容量タイプである。非容量センサの場合、電圧は結合コンデンサを使用することなく、直流電源によって表面に直接加えられる。電圧はその後、変更され、引かれた電流が測定される。その後、標準的なラングミュアプローブ理論を使用して、引かれて得られる電流対電圧データを解析することができる。ラングミュアプローブ理論の態様は、プラズマシースのＩ−Ｖ特性、すなわちシースの両端間の電圧降下の関数としてプラズマ内で表面に流れる電流密度の解析を含む。このような解析から抽出することができる例示的なプラズマパラメータとしては、電子温度、電子密度、及びプラズマ電位が挙げられる。特定の状況では、イオン密度、イオン温度及び電子エネルギー分布関数も決定することができる。非容量タイプセンサの好ましい幾何形状は平面である。
【００３２】
さらに別の好ましい実施形態では、誘電プラズマインターフェイスで表面波を作り出すステップ、及び、表面波に基づいてプラズマパラメータを測定するステップを含むシステムなどの他の検出システムを使用することができる。このようなシステムから抽出することができる例示的なプラズマパラメータとしては、プラズマ密度が挙げられる。このようなシステムは、引用することによってその内容全体をここに合体する、米国特許第６，５４１，９８２号に開示されている。他の例示的検出システムは、自励電子プラズマ共振分光法（ＳＥＥＲＳ）に基づいた、「ヘラクレス」プラズマ監視システムなどの電気的方法を含む。ヘラクレス法は、チャンバ壁面の一部として働く、チャンバの壁面内に挿入される同軸センサを使用する。ヘラクレス法の使用により、電子衝突速度、電子密度及びバルク電力などのプラズマパラメータを決定することができる。
【００３３】
好ましい一実施形態では、この方法はしたがって、少なくとも１つのプラズマパラメータをリアルタイムで検出するステップと、少なくとも１つのプラズマパラメータを時間の関数としてプロットするステップと、チャンバ又はシステム故障を特定するために１つ又は複数のプロットを査定するステップとを含む。別の方法では、１つ又は複数のプロットは、関連する故障を特定するために知られている故障のライブラリと比較することができる。故障が検出されると、オペレータ又はウエハ制御システムに任意選択で通知される。情報は、例えばチャンバを操作するのに使用されるモニタ上に情報メッセージを表示することによって、又は、チャンバを操作するのに使用されるシステムを「ダウン」としてログ記録することによって、オペレータに対する警報又は警告する形であってもよい。別の方法では、情報は後の評価のために、ウエハ追跡システム又は他のデータベース内に記憶することができる。
【００３４】
実施形態では、チャンバ内の様々な部位に取り付けられた複数のセンサの使用により、所与のプラズマパラメータの均一性の測定を行うことができる。プラズマ均一性のリアルタイム測定は、追加の故障検出方式を提供することができ、改良型の自己診断を可能にする。
【００３５】
好ましい一実施形態によるプラズマ処理チャンバ内の故障検出のいくつかの例をここに示す。全ての場合において、ＰＩＦプローブが半導体ウエハの処理中にプラズマパラメータデータを収集することを可能にするように、Ｅｘｅｌａｎ２３００（商標）プラズマエッチングシステムのシャワーヘッド電極の中心位置に埋め込まれた。ウエハは共通のエッチングレシピを使用して処理され、データは３０ミリ秒毎に１測定の公称周波数（約３３測定／秒）で収集された。これらの例では、決定されたプラズマパラメータはプラズマ密度であり、各場合において、時間の関数としてプロットされた。データ収集が高速度であることにより、プロットされたデータ点は実線であるように見える。例示的なプロットでは、データ収集は普通ハードウェア限界により約２７秒で遮断される。実施例１から６で使用されるレシピは、以下の条件の範囲内のエッチング処理を含む。チャンバ圧力：５０〜１５０ミリトール、２ＭＨｚＲＦ電力；２６００〜３６００Ｗ、２７ＭＨｚＲＦ電力：１７００〜２５００Ｗ、使用ガス；２５０〜３５０ｓｃｃｍのＡｒ、１３〜２３ｓｃｃｍのＣ４Ｆ８、４〜１２ｓｃｃｍのＯ２
【００３６】
［実施例１］
様々な処理を、プラズマ処理チャンバ内で行うことができる。エッチング及びレジスト除去処理は普通、プラズマ環境内で行われ、単一のプラズマチャンバ内で両方の処理を連続して行うことが望ましい。同じチャンバ内で異なるプラズマ処理ステップを行う能力が有利であると考えられる。というのは、全処理時間（「サイクル時間」）をそれによって短くすることができるからである。異なるプラズマ処理ステップが同じチャンバ内で連続して行われる場合、１つの処理ステップからの残留物は、次の処理ステップを開始する前に完全に取り除かれることが好ましい。残留物の完全な除去は処理の一貫性を促進し、「処理メモリ」−ウエハ間ベースでの処理性能のドリフトを引き起こす残留物堆積効果を少なくする。
【００３７】
したがって、チャンバ洗浄が必要である場合に対応するチャンバの故障状態を決定する方法を有することが有利である。このような方法は、最適な洗浄スケジュールの決定を促進し、ユーザがウエハ上の処理又は装置性能とチャンバ状態との間の相関関係を予期することを可能にする。チャンバをあまり頻繁に洗浄し過ぎることにより生産性が減少する可能性があり、一方、チャンバをあまり頻繁に洗浄しないことにより処理ドリフトにつながる可能性がある。
【００３８】
プラズマパラメータデータの第１の解析が、図６Ａ及び６Ｂに与えられている。図６Ａは、清浄なチャンバ内のウエハの処理中の時間の関数としてのプラズマ密度を示している。データは、ＲＦ斜面６３の後に減少する傾斜６１と最も高いプラズマ密度（約１７．５秒での）の達成を示している。図６Ｂは、追加の約５０個のウエハが処理された後の、同じチャンバ内で処理されたウエハに対する同じ曲線を示している。データは極めて類似した曲線を示しているが、ＲＦ斜面の後のデータの傾斜はより平坦６２、すなわちあまり負ではない傾斜を有する。あまり負ではない傾斜は、プラズマエッチング処理で普通見られるタイプの処理チャンバ内のフルオロカーボンベースのポリマー副生成物の堆積を示しており、システムをその元の処理状態に回復させるのにチャンバ洗浄が必要であることを示している。
【００３９】
好ましい一実施形態では、この状態は、ポストＲＦ斜面データの傾斜の絶対値が特定の値より数字的に下になる場合などのチャンバ故障を特定することができる。したがって、この方法を行うことによって、チャンバ清浄度の喪失によるチャンバ故障を特定することが可能である。他の実施形態では、ポストＲＦ斜面データの傾斜は、斜面と処理性能特性との間の関係を確立することによって、チャンバ清浄度の指標として使用することができる。このように、チャンバの状態を監視することができ、故障を予測することができる場合に関する決定を行うことができる。
【００４０】
代替実施形態では、測定した量のポリマーは、エッチング処理の実施の前にチャンバ壁面上に意図的に被着される。このような処理は、「チャンバ調整」と呼ばれる。ポストＲＦ斜面データの傾斜の絶対値が数値的に特定値の下になる上に詳述した方法は、チャンバがエッチング処理を開始する準備ができていないチャンバ故障を特定するために使用することができる。
【００４１】
［実施例２］
定期的保守及び他の修復の間、プラズマチャンバは洗浄、修復又はアップグレードのために分解することができる。プラズマチャンバ内の処理状態は高真空下で行われるので、保守後のチャンバの適切な組立てが重要である。組立て中、チャンバ及びチャンバ内の要素を固定するのに使用されるボルトは、チャンバが最適に機能するために、しばしば正確な順序で適切に締め付けるべきである。ヘリウム通路を組み込んだシャワーヘッド電力アセンブリ内、又はウエハ逆冷却用のヘリウム通路を有する底部電極内のボルトの不適切な締付けは、プラズマ処理中のヘリウム「発光」につながる可能性があり、裏側ヘリウムはプラズマ処理中にチャンバ内に不注意に案内され、イオン化してプラズマを形成する。
【００４２】
プラズマパラメータデータの第２の解析がしたがって、図７Ａ及び７Ｂに提供されている。図７Ａは、チャンバが不適切に締め付けられ、ヘリウムの漏洩につながっている底部電極ボルトの問題があるウエハの処理中の時間の関数としてのプラズマ密度を示している。データは、８×１０９イオン／ｃｍ３のオーダ、プラズマ密度の絶対値の約１０％でのＲＦ斜面７３後の振動７１を示している。プラズマのこのような振動は、視覚的に明らかではなかった。図７Ｂは、電極ボルトが締付けを修正された後に、同じチャンバ内で処理されたウエハに対する同じ曲線を示している。データは、極めて類似した曲線を示しているが、ポストＲＦ斜面の振動は実質的に取り除かれている（７２）。好ましい一実施形態では、チャンバ故障と分類されるこの状態は、チャンバ内の状態に関してオペレータに警告する、又はデータベースに記憶するのに使用することができる。したがって、この方法を行うことによって、ヘリウム漏洩によるチャンバ故障を特定することが可能である。
【００４３】
［実施例３］
ウエハからウエハまでの処理一貫性では、処理チャンバは各ウエハに対して同じ一連のステップを受けることが好ましい。例えば、クランプ電圧は、ウエハが処理されるたびに、同じ大きさで同じ持続時間だけ加えられることが好ましい。ガス流は、設定された流量及び持続時間を達成しなければならず、これらの持続時間中の処理ステップ持続時間及びプラズマ状態は、一貫性のあるウエハ間処理を保証するために、高程度の正確さで再現しなければならない。したがって、一定のままであることが期待される場合、システムのパラメータが処理中にシフトすることは望ましくない。特に、ＲＦ整合システムが所望の調整点を見つけた後に、システムはエッチングステップ全体を通してその点を保持すべきであることが期待される。エッチングステップ中の整合システムのランダムな再調整は、未制御の処理変化につながる可能性がある。
【００４４】
プラズマパラメータデータの第３の解析がしたがって、図８Ａ及び８Ｂに提供されている。図８Ａは、整合システムが再調整される、ウエハの処理中の時間の関数としてのプラズマ密度を示している。この実施例では、再調整はＲＦ斜面８５の開始の約７秒後で、ポストＲＦ斜面期間中に起こり、データ内の短い振動８１につながる。プラズマ密度内の振動の振幅は、プラズマ密度の絶対値の５％未満であり、持続時間は５秒未満である。イベントは、整合システム再調整イベントとして、図８Ｂのスクリーン画像で確認される。図８Ｂは、時間の関数として２ＭＨｚ及び２７ＭＨｚのＲＦ源周波数を示す第１の組の２つの曲線８３、及びワットでの２ＭＨｚ及び２７ＭＨｚのＲＦ前方電力を示す第２の組の２つの曲線８４を示している。ＲＦ斜面８６の開始の約７秒後に対応する時間における、２ＭＨｚの前方電力８２で観察される急上昇は、図８Ａで見られる再調整イベントを確認する。
【００４５】
好ましい一実施形態では、システム故障として分類されるこの状態は、処理されている特定のウエハが処理中に再調整を受けていることをオペレータ又はウエハ追跡システムに警告するのに使用することができる。例えば、整合システム再調整イベントが非連続処理中のランダムな時に起こるという決定により、システム故障が存在し、プラズマシステムの検査が必要であると決定することができる。任意の整合システム再調整イベントの検出は、ハードウェア故障又は他のタイプの故障が起こっている可能性があることを示している。したがって、この方法を行うことによって、整合システム再調整イベントの発生によるシステム故障を特定することが可能である。これに応じて、オペレータは処理を停止し、保守処理を開始することができる。
【００４６】
［実施例４］
処理一貫性及びチャンバ診断では、システムに関する追加の要素が有用である可能性がある。あらゆるシステムの望ましい特徴は安定性である。エッチング処理の間に、プラズマに対するかく乱はエッチング速度の変化などの処理エラーにつながる可能性がある。これは、故障している質量流制御装置又は他のハードウェアエラーによる可能性がある。別の望ましい特徴は、速い安定化速度である。かく乱後に、システムはその適切な均衡点に迅速に戻るべきである。回復処理における余分な遅延はまた、プラズマ生成ハードウェアの調査を必要とする故障の特徴である。
【００４７】
プラズマパラメータデータの第４の解析がしたがって、図９に提供されている。上に論じた他のグラフと同様に、図９のグラフは時間の関数としてのプラズマ密度を示しているが、この場合、尺度は移動及び拡張され、それによってＲＦ斜面後の１１秒のみが示されている。整合調整を示す振動は、９１で示される、１７秒の周りに存在し、まるまる約１秒かかる調整の後の安定性を示している。この図はまた、約０．５秒だけしか続かない再調整イベントを示している。
【００４８】
好ましい一実施形態では、この状態を使用して、プラズマシステム又は個別のプラズマシステムに関する特定の特性を確立することができる。このような特性は、個別のチャンバ内の欠陥のチャンバ間特徴化及び特定に有用である可能性がある。この状態の原因としては、プラズマ閉じ込めの維持、及び設定ガス流の維持に関するハードウェアの故障が挙げられる。このような故障の検出の際、ウエハ処理を停止し、ウエハを廃棄することができる。整合調整と再調整イベントとの区別は、他のセンサとの相関関係によって確立することができる。他のセンサがより低い周波数、例えば０．１Ｈｚで関連する整合データを記録する場合、イベントは再調整イベントであると理解することができる。したがって、この方法を行うことによって、悪い安定化速度の発生によるシステム故障を特定することが可能である。
【００４９】
［実施例５］
あらゆるシステムの別の望ましい特性は、プラズマ特性がウエハ間で一定なままであるということである。このような特性の間で、プラズマ密度及びイオン流束は重要である。チャンバ故障イベントが、プラズマ密度又はイオン流がシフトする処理中に起こると、ウエハ処理に対する悪影響が起こる可能性がある。特に、エッチング速度が影響を受ける可能性があることが知られている。
【００５０】
プラズマパラメータデータの第５の解析がしたがって、図１０に提供されている。この場合、グラフは連続して処理される２つのウエハに対する時間の関数としてのプラズマ密度を示している。それらのウエハは、データ曲線１０３で示される「ウエハｎ」、及びデータ曲線１０４で示される「ウエハｎ＋１」と呼ばれる（ウエハｎ＋１に対するスプリアスデータ点が削除されている）。それらの曲線は重なっており、データが５秒で始まる時点から、約１４秒で起こる１０１で示したＲＦ斜面の始めまで、実質的に区別がつかない。約１７秒で起こるウエハｎ＋１のＲＦ斜面の間に、プラズマは閉じ込められる、すなわち閉じ込めリングを通したプラズマの漏洩が起こる。これは、部分的回復の後の、１０２で示すプラズマ密度の急激な低下によって影響を受ける。プラズマ密度の低下は、プラズマ密度の絶対値の１５％を超える。１０４で示すようなウエハｎ＋１に対する処理の残りは、処理シーケンス１０３内の同じ時間に対するウエハｎの処理中に起こるプラズマ密度より低いプラズマ密度で起こることが分かる。プラズマ密度のこのような減少の可能性のある結果は、ウエハが悪く処理される又は誤処理されることである。
【００５１】
好ましい一実施形態では、チャンバ故障又はシステム故障である可能性があるこのような状態を使用して、個別のプラズマチャンバに関する特定の特性を確立することができる。このような特性は、チャンバ間特徴化と、個別のチャンバ内の欠陥の特定に有用である可能性がある。この状態の原因としては、プラズマ閉じ込め又はガス流の維持に関するハードウェアの故障、汚いチャンバ状態、及び、レジスト膜内の汚染物質など表面上に望ましくない物質を有するウエハが挙げられる。このような故障の検出の際、ウエハ処理を停止し、ウエハを廃棄することができる。したがって、この方法を行うことによって、閉じ込めの損失による故障を特定することが可能である。
【００５２】
プラズマパラメータデータの解析はまた、同じタイプのウエハ上で同じ処理レシピを行う一群のプラズマチャンバ内でチャンバ整合の欠如を特定する、又は新しいチャンバ、又は洗浄あるいは保守が行われたチャンバが特定のチャンバ品質仕様と一致する又はこれを満たすことを保証するために使用することができる。例えば、一群の処理チャンバは構造的に同一であり、同じ処理状態で操作することができ、ＰＩＦプローブで得られるデータを使用した操作条件の下でこのようなチャンバの性能を比較することが望ましい。したがって、チャンバ整合を行うことによって、適切に機能していないチャンバを特定することが可能である。
【００５３】
好ましい一実施形態では、プラズマパラメータは、プラズマチャンバの内部に露出された感知表面を有するプローブの使用によって得られ、より好ましくは、プローブは接地電極などプラズマチャンバのチャンバ壁面又は構成部品内に埋め込まれている。多片シャワーヘッド電極アセンブリの内側電極部内に埋め込まれた、図２に示すものなどのＰＩＦプローブの例示的な略図が、図１１に示されている。プローブ１１０は、平面ディスク１１３の感知表面１１７がシャワーヘッド電極１１８と同一の広がりである（例えば、同一平面）であるように配置されていることが好ましく、それによってプローブはプラズマ上への衝撃を最小にする。プローブは、アルミニウム又はグラファイトなどの材料でできた導体１１１を備えている。図３に略図的に示すものなどの、プローブを操作するのに必要な電気回路を確立するためには、プローブ、導体１１１に対する電気接続は、チャンバ内側からチャンバ外側まで壁面、窓、真空貫通接続又はコネクタ（図示せず）を通してチャンバ閉じ込めを横切ることが好ましい。当業者は、プローブ１１０がプローブ２０に相当し、平面ディスク１１３が平面ディスク２１に相当し、導体１１１が導体２２に相当することが分かるだろう。図２の保護リング２３及び絶縁体２４は、図１１の絶縁体１１２に相当する。
【００５４】
導体１１１は、プローブを電極アセンブリから電気絶縁するために、電気絶縁体１１２によって囲まれている。絶縁体１１２は、石英などの絶縁材料でできていることが好ましく、プローブ２１１の背面を備えた表面を有する。プラズマ及びプラズマシースに対するかく乱は、シリコンなどの、シャワーヘッド電極を作るのに使用されるのと同じ材料で平面ディスク１１３を作ることによって小さくされることが好ましい。さらに、電極１１８が所与の抵抗までドーピングされる場合、平面ディスク１１３は同じ抵抗までドーピングされることが好ましいが、必要に応じて異なる抵抗力にドーピングされてもよい。例えば、石英絶縁体１１２がＲＦ経路をかく乱する場合、一定のＲＦ経路は、電極１１８のドーピングレベルと異なるディスク１１３のドーピングレベルでより良く達成することができる。必要に応じて、プローブ１１０は他のチャンバ表面内に取り付けることができ、かつ／又は、感知表面１１７はプラズマ処理状態に適合する誘電コーティングで覆うことができ、例えば、ディスク１１３は表面１１７上に陽極酸化層を備えたアルミニウム又はアルミニウム合金である可能性がある。
【００５５】
さらに、プローブのプラズマへの衝撃を最小とするために、プローブの温度、及びプローブ周りのガス流を変更することができる。特に、プローブは、例えば温度制御構成部品１１５を使用して加熱されることが好ましい。構成部品１１５は、電気抵抗加熱装置であってもよく、又は加熱又は冷却することができる温度調整流体を循環させる管であってもよい。電気抵抗加熱装置は、交流又は直流電力源（図示せず）によって電力を与えることができる。加熱は、温度制御装置（図示せず）によって制御し、感知表面１１７の温度がシャワーヘッド電極の温度と同じであるように設定することができる。
【００５６】
ガス供給貫通孔１１４によって通常提供されるガス流は、プローブの存在により妨げることができる。ガス流、したがってプラズマに対する妨害は、電極の後ろに配置されたグラファイト受け板１１９にガスを供給する共通のプレナム（図示せず）にガス通路を作り出す、プローブ内の１つ又は複数の任意のガス供給貫通孔１１６の使用で最小限に抑えられることが好ましい。石英絶縁体及び平面ディスク１１３内の同一線上のガス通路１１６は、連続ガス通路を形成し、プローブがない状態で存在する全体のガス分配パターンに近づくように配置されることが好ましい。好ましい一実施形態では、ガス通路は、プローブがない状態でシャワーヘッド電極内に通常配置される、プローブ内に配置される。
【００５７】
多片シャワーヘッド電極アセンブリの内側電極部に埋め込まれたＰＩＦプローブの例示的な代替実施形態の略図が、図１２に示されている。平面ディスク１１３は、感知表面の厚さを小さくすることによって寄生容量を少なくするようになっている。平面ディスク１２３は、位置合わせ及び導電性を促進するために、導体１２２を受け、これと協働して作用するようになっている管状延長部２２５を有する。平面ディスク１２３及び導体１２２は、導電性板ばね１２５を通して機械的及び電気的に連通している。板ばね１２５はまた、例えばプローブの他の部品を取り除くことなく、平面ディスク１２３の独立した除去を可能にすることによって、組立ての容易性を改善する。
【００５８】
導電性ねじ付きボルト２２６により、平面ディスク１２３の前進が、プラズマ環境への長期の露出による、ディスク１２３と露出したシリコン表面２２７との間のあらゆる微分磨耗率を補償することが可能になる。圧縮可能材料のシール１２７（例えば、Ｏリング）の存在により、ボルト２２６をシール１２７の拡張又は圧縮の限度内で前進又は後退させ、それによって表面２２７を所望の位置に移動させることができる。プローブ内のガス供給貫通孔が位置合わせされたままであることを保証するために、１本又は複数本のキー又はピン１２４は、前進している導電性ねじ付きボルト２２６の結果として平面ディスク１２３に供給されるトルクが平面ディスク１２３を絶縁体２２３に対して回転させないことを保証する。キー又はピン１２４を設けるためには、周囲の誘電材料２２３が、管状延長部２２５の周りで嵌合する２つの部品内にあることが好ましい。平面ディスク１２３及び導体１２２は、プローブ１２３、導体１２２、及びねじ付きボルト２２６を電極１２８及びグラファイト受け板１２９から電気絶縁させるように働く絶縁体２２３によって囲まれていることが好ましい。プローブを操作するのに必要な電気回路を確立するためには、導電性ねじ付きボルト２２６を通したプローブへの電気接続は、チャンバの内側からチャンバの外側まで壁面、窓、真空貫通接続又はコネクタ（図示せず）を通してチャンバ閉じ込めを横切ることが好ましい。
【００５９】
絶縁体２２３はまた、平面ディスク１２３を支持し、その向きをチャンバ内部に向かって維持するように働く。絶縁体２２３はしたがって、プローブ１２１の背面を備えている。電極アセンブリからのプローブの電気絶縁は、受け板１２９の上側でリセス内に嵌合する上側ショルダを備えた円筒形管の形である、外側絶縁体２２２によって終結される。絶縁体２２３上の同様のショルダが絶縁体２２２の上側ショルダ上にあるが、絶縁体２２２は絶縁体２２３を囲んでおり、これと密接に接触している。外側絶縁体２２２は、電極１２３の下側表面及び感知表面２２７まで延びており、これらと同一平面の表面を有する。プラズマの露出中、外側絶縁体２２２は磨耗を受ける可能性がある。外側絶縁体の利点としては、プラズマ環境への露出から生じる磨耗により交換しなければならない部品の寸法及び複雑性の減少が挙げられる。
【００６０】
プローブを通るガス流２２８は、ガス供給貫通孔２２９によって影響を受ける。石英絶縁体及び平面ディスク内の同一線上のガス供給貫通孔が、連続ガス通路を形成する。ガス通路は、プローブがない状態で存在する全体のガス分配パターンに近づくように配置されることが好ましい。好ましい一実施形態では、ガス通路は、プローブがない状態で通常シャワーヘッド電極内に配置される、プローブ内に配置される。
【００６１】
Ｏリング１２７を使用して、導体１２２の位置、及び導体１２２のシャワーヘッドアセンブリの部分からの電気絶縁を維持する。Ｏリング１２７及びキー１２４は、テフロン（登録商標）などの、非伝導性、耐熱性及び機械的弾力性がある材料でできていることが好ましい。温度制御構成部品２２１は、電気抵抗加熱装置、又は周囲の部品温度と一致するようにプローブを加熱又は冷却することができる温度調整流体を循環させる管であってもよい。
【００６２】
多片シャワーヘッド電極アセンブリの外側電極部に埋め込まれたＰＩＦプローブの追加の例示的代替実施形態の略図が、図１３に示されている。設計は、内側電極内での使用のために図１２に示す設計と同様であるが、特定の変更が含まれている。この設計では、任意選択のガス供給貫通孔が省略されている。加えて、露出したシリコン表面２２７とシャワーヘッド電極表面との間のあらゆる微分磨耗率を補償するための平面ディスク１３６Ａの前進の任意選択手段の詳細が、省略されている。
【００６３】
図１２と同様に、平面ディスク１３６Ａは寄生容量を減少させるようになっており、位置合わせ及び導電性を促進させるために導体１３５を受け、これと協働して作用する管状延長部１３６Ｂを有する。延長部１３６Ｂを備えた平面ディスク１３６Ａと導体１３５とは、プローブ及び導体１３５を周囲の電極１３９及びグラファイト受け板１３２から電気絶縁するように働く、絶縁体１３３によって囲まれている。絶縁体１３３は、平面ディスク１３６Ａを支持し、その向きをチャンバ内部に向かって維持するように、管状延長部１３６Ｂの周りに嵌合する２部品片であることが好ましい。電極アセンブリからのプローブの電気絶縁は、受け板１３２内のリセスと嵌合する上側ショルダを備えた円筒形管の形をした、外部絶縁体１３３Ａによって終結される。
【００６４】
Ｏリング１３８は、導体１３５の位置、及び導体１３５のシャワーヘッドアセンブリの残りからの電気絶縁を維持するのに使用される。Ｏリング１３８は、テフロンなどの、非伝導性、耐熱性及び機械的弾力性がある材料でできていることが好ましい。温度制御板１３１は、グラファイト受け板１３２と密接に接触している。プローブとの電気接触を確立するＲＦ供給ロッド１３４は、図では、導体１３５内に埋め込まれた図の平面と垂直である。プローブを操作するのに必要な電気回路を確立するためには、ＲＦ供給ロッド１３４は、チャンバ内側からチャンバ外側まで壁面、窓、真空貫通接続又はコネクタ（図示せず）を通してチャンバ閉じ込めを横切ることが好ましい。平面ディスク１３６Ａは、板ばね、及びインターフェイス１３７で延長部１３６Ｂに加えられる導電性スパッタコーティングの使用により、導体１３５と優れた電気接触を維持する。
【００６５】
１つ又は複数のプローブを含むことができるシャワーヘッドアセンブリ１００の片側半分の略図が、図１４に示されている。シャワーヘッドは、上部電極１４３と、上部電極１４３に固定された任意の裏当て部材１４２と、温度制御板１４１と、上部板１４６とを備えている。上部板１４６は、プラズマ処理チャンバの取外し可能な上部壁面を形成することができる。上部電極１４３は、内側電極部材１４５、及び任意の外側電極部材１４７を備えていることが好ましい。内側電極部材１４５は、単結晶シリコンでできた円筒形ディスクであることが好ましい。必要に応じて、内側及び外側電極１４５、１４７は、ＣＶＤ炭化ケイ素、単結晶シリコン、又は他の適切な材料などの材料の単片で作ることができる。
【００６６】
外側電極部材１４７は、連続部材（例えば、リングなどのポリシリコン又は炭化ケイ素部材）、又はセグメント部材（例えば、単結晶シリコンのセグメントなどの、リング構成で配置された２〜６個の別個のセグメント）であってもよい。上部電極１４３が多セグメント外側電極部材１４７を備えている実施形態では、セグメントは、下にある結合材料をプラズマへの露出から保護するために、互いに重なり合った縁部を有することが好ましい。プラズマ閉じ込めリングアセンブリ（図示せず）は、外側電極を囲んでいることが好ましい。内側電極部材１４５は、処理ガスを上部電極１４３の下のプラズマ反応チャンバ内の空間に注入するための多数のガス通路１４４を備えていることが好ましい。外側電極１４７は、電極１４３の周面で突起段差を形成することが好ましい。段差付き電極のさらなる詳細は、引用することによってその開示をここに合体する、同一の所有者の米国特許第６，８２４，６２７号で見ることができる。
【００６７】
図１４はまた、１つ又は複数のこのようなプローブを組み込むことができる、シャワーヘッド電極アセンブリ１４０内に埋め込まれた、図２に示すタイプのプローブの例示的な一実施形態を示している。図１１及び１２に示すプローブは任意のガス供給貫通孔を備えているので、上部電極１４３は図１１及び１２の１１８及び１２８にそれぞれ対応することが好ましい。また、裏当て部材１４２は、図１１及び１２の１１９及び１２９にそれぞれ対応することが好ましい。例えば、プローブ１４８は、図１１及び図１２に示すプローブと同様に、ガス供給貫通孔を備えて構成されていることが好ましい。図１３に示すプローブはガス供給貫通孔を備えていないので、外側電極１４７は図１３の電極１３９に対応することが好ましい。また、温度制御板１４１は、図１３の温度制御板１３１に対応することが好ましい。例えば、プローブ１４９は、図１３に示すプローブと同様に、ガス供給貫通孔なしで構成されていることが好ましい。
【００６８】
好ましい一実施形態によるプラズマ処理チャンバの例示的な略図が、図１５に示されている。図示したシステムは、Ｌａｍ Ｒｅｓｅａｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているＥＸＥＬＡＮ（商標）２３００システムなどの、平行平板型プラズマシステム１５０である。システム１５０は、反応器の底部で出口に連結された真空ポンプ１５８によって、所望の真空圧で維持された内部１５７を有するチャンバを備えている。エッチングガスは、ガス供給部（図示せず）からプラズマ反応器に供給される。中密度プラズマは、ＲＦ源１５９からのＲＦエネルギーが整合ネットワーク（図示せず）を通して電力を与えられた下側電極１５１に供給される二重周波数配置によって反応器内で発生される。ＲＦ源１５９は図では、２７ＭＨｚ及び２ＭＨｚでＲＦ電力を供給するように構成されているが、異なる周波数源の多くの組合せを使用することができる。プラズマ閉じ込めは、閉じ込めリング１５４によって補助される。上側電極１５３は接地され、加熱された上部板１５２に連結されている。基板、例えばウエハ（図示せず）は、熱いエッジリング１５５に囲まれた、静電チャック（ＥＳＣ）１５６に固定されている。
【００６９】
加えて、ＥＸＥＬＡＮ（商標）ＨＰＴシリーズなどの他の容量結合反応器、又は、引用することによってその開示をここに合体する、共通の所有者の米国特許第６，０９０，３０４号に記載された二重周波数プラズマエッチング反応器など、ＲＦ電力が両方の電極に供給される容量結合反応器を使用することができる。好ましい実施形態を、容量結合プラズマ処理チャンバと合わせて論じたが、実施形態はまた、誘導結合プラズマ処理チャンバ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ又はＬａｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからのＴＣＰ（商標）プラズマ処理チャンバなど）、又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ処理チャンバに適用される。
【００７０】
前述の図１４はシャワーヘッド電極内に組み込まれた平面プローブを示しているが、プローブ表面が壁面、ライナ、閉じ込めリング、焦点リング、ガス出口を備えていない電極、ガス分配板、及び基板支持体などのチャンバ内のプラズマ環境に曝されるとすれば、プローブは他のチャンバ部品内に組み込むことができる。平面プローブは、基板近くのプラズマパラメータを測定するために上側電極の中心部に配置することができる、又は基板の上に直接配置されないように、上側電極の外側部分に配置することができる。
【００７１】
別の実施形態では、プローブの感知表面がプラズマチャンバの内部に面しているように、複数のプローブが配置されている。複数のプローブは、プラズマの均一性に関する情報を提供することができる、又は内部の相対的なキャリブレーションを提供することができる。例えば、プローブはシャワーヘッド電極の中心に、又はその近くに配置することができ、追加のプローブはシャワーヘッド電極内の中心位置から異なる半径で配置することができる。本発明を、その特定の実施形態を参照して詳細に説明したが、頭記の特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び変形を加えることができ、均等物を利用することができることは当業者には自明のことだろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理を監視する方法であって、
プラズマチャンバ内でプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ処理に関するプラズマパラメータデータを得るステップであって、前記プラズマパラメータデータがプローブの使用により得られ、前記プローブの感知表面がプラズマに曝され、かつ前記プラズマチャンバ内の壁面又は構成部品表面と同じ平面にあるステップと、
故障状態を示すために前記プラズマパラメータデータを評価するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記プラズマパラメータデータを評価する方法は、
コンピュータ可読記憶媒体システム上に前記プラズマパラメータデータを記憶するステップと、
前記プラズマパラメータデータをフィルタリングするステップと、
前記プラズマパラメータデータにアルゴリズムを行うステップと、
前記プラズマパラメータデータに数学的演算を行うステップと、
前記プラズマパラメータデータを既存の基準データを比較し、それにより、解釈し、並びに、前記解釈に基づく状況報告及び警告の少なくともいずれかを発行するステップと、の任意の組合せを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プラズマパラメータデータは、前記プラズマを実質的にかく乱することなく得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プローブは、高周波バイアス表面内に延びているリセス内に、又は、接地表面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記プローブは、平面イオン流束（ＰＩＦ）タイプ又は非容量結合プローブであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プラズマパラメータデータは、誘電プラズマインターフェイスで表面波を生成し、プラズマ密度を前記表面波に基づき測定することによって得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
（ａ）前記プラズマパラメータデータが、ウエハの処理中に一連の測定値として収集され、
（ｂ）前記プラズマパラメータデータが、ポストＲＦ斜面プラズマ密度データを含み、かつ／又は、
（ｃ）前記プラズマパラメータデータが、前記プラズマチャンバのＲＦ整合システムのランダム再調整を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
時間の関数としてのプラズマパラメータの前記一連の測定値が、グラフの形でプロットされていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記故障状態が、処理チャンバ内の処理副生成物の堆積、又はヘリウムの漏洩であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
（ａ）前記ポストＲＦ斜面プラズマ密度データの前記傾斜の変化は、前記プラズマチャンバ故障状態が前記処理チャンバ内の処理副生成物の堆積であることを示すのに使用され、
（ｂ）前記プラズマ密度の絶対値の約５％から約２０％の間のＲＦ斜面の後の前記プラズマ密度の振動は、前記プラズマチャンバ故障状態がヘリウムの漏洩であることを示すのに使用され、かつ／又は、
（ｃ）前記ＲＦ斜面後に起こる、前記プラズマ密度の前記絶対値の５％未満の振幅と５秒未満の持続時間と前記プラズマ密度の振動は、前記プラズマチャンバ故障状態が前記整合システムのランダム再調整であることを示すのに使用される、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記プラズマパラメータデータは、前記プラズマチャンバ故障状態が悪い安定化速度の発生であることを示すのに使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
整合調整後の前記プラズマ密度の振幅の安定性は、その適切な均衡点に戻る前に約０．５秒以上かかり、前記プラズマチャンバ故障状態が悪い安定化速度の発生であることを示すことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記プラズマパラメータデータは、前記プラズマチャンバ故障状態がプラズマ閉じ込めの損失の発生であることを示すのに使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記プラズマパラメータデータは、前記プラズマチャンバ故障状態が、同じタイプのウエハ上で同じ処理レシピを行う一群のプラズマチャンバ内でチャンバの整合の欠如の発生であることを示すのに使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
（ａ）前記状況報告及び警告の少なくともいずれかは、前記システム内で修正ステップを開始させ、
（ｂ）前記状況報告及び警告の少なくともいずれかは、ログ含有ウエハ履歴内に前記解釈を記録させ、かつ／又は、
（ｃ）前記状況報告及び警告の少なくともいずれかは、前記プラズマチャンバ内のウエハの処理を停止させる、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法を行う装置であって、
（ａ）前記プローブが、前記壁面内、又は、シャワーヘッド電極、ライナ、閉じ込めリング、焦点リング、ガス出口を備えていない電極、ガス分配板、及び基板支持体のいずれかであるプラズマ処理チャンバの構成部品に埋め込まれており、
（ｂ）前記プローブが温度制御構成部品を使用して加熱され、
（ｃ）前記プローブは、前記プローブの感知表面と前記プローブが中に埋め込まれたチャンバ構成部品の隣接する周囲の表面との間の微分磨耗率を補償することが可能であり、かつ／又は、
（ｄ）前記プローブは、容量結合プラズマ処理チャンバ、誘導結合プラズマ処理チャンバ、及び電子サイクロトロン共鳴プラズマ処理チャンバのいずれかに埋め込まれている、ことを特徴とする装置。
【請求項１７】
前記ＰＩＦプローブが、多片シャワーヘッド電極アセンブリの前記内側電極部又は外側電極部内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記プローブがシャワーヘッド電極内に配置され、前記プローブは、前記プローブの前記感知表面から背面へ貫通するガス通路を作り出す１つ又は複数のガス供給貫通孔を備えており、（ａ）前記ガス供給貫通孔が、前記プローブのない状態では存在する全ガス分配パターンに近づくように配置される、又は（ｂ）前記ガス供給貫通孔が、前記プローブのない状態では前記シャワーヘッド電極内に配置されるが、前記プローブ内に配置されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記プラズマパラメータデータが、複数のプローブの使用によって得られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記複数のプローブは、前記プローブそれぞれの感知表面が前記プラズマに曝され、前記プラズマチャンバ内の壁面又は構成部品表面と実質的に同一平面であるように配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項１】
プラズマ処理を監視する方法であって、
プラズマチャンバ内でプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ処理に関するプラズマパラメータデータを得るステップであって、前記プラズマパラメータデータがプローブの使用により得られ、前記プローブの感知表面がプラズマに曝され、かつ前記プラズマチャンバ内の壁面又は構成部品表面と同じ平面にあるステップと、
故障状態を示すために前記プラズマパラメータデータを評価するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記プラズマパラメータデータを評価する方法は、
コンピュータ可読記憶媒体システム上に前記プラズマパラメータデータを記憶するステップと、
前記プラズマパラメータデータをフィルタリングするステップと、
前記プラズマパラメータデータにアルゴリズムを行うステップと、
前記プラズマパラメータデータに数学的演算を行うステップと、
前記プラズマパラメータデータを既存の基準データを比較し、それにより、解釈し、並びに、前記解釈に基づく状況報告及び警告の少なくともいずれかを発行するステップと、の任意の組合せを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プラズマパラメータデータは、前記プラズマを実質的にかく乱することなく得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プローブは、高周波バイアス表面内に延びているリセス内に、又は、接地表面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記プローブは、平面イオン流束（ＰＩＦ）タイプ又は非容量結合プローブであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記プラズマパラメータデータは、誘電プラズマインターフェイスで表面波を生成し、プラズマ密度を前記表面波に基づき測定することによって得られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
（ａ）前記プラズマパラメータデータが、ウエハの処理中に一連の測定値として収集され、
（ｂ）前記プラズマパラメータデータが、ポストＲＦ斜面プラズマ密度データを含み、かつ／又は、
（ｃ）前記プラズマパラメータデータが、前記プラズマチャンバのＲＦ整合システムのランダム再調整を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
時間の関数としてのプラズマパラメータの前記一連の測定値が、グラフの形でプロットされていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記故障状態が、処理チャンバ内の処理副生成物の堆積、又はヘリウムの漏洩であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
（ａ）前記ポストＲＦ斜面プラズマ密度データの前記傾斜の変化は、前記プラズマチャンバ故障状態が前記処理チャンバ内の処理副生成物の堆積であることを示すのに使用され、
（ｂ）前記プラズマ密度の絶対値の約５％から約２０％の間のＲＦ斜面の後の前記プラズマ密度の振動は、前記プラズマチャンバ故障状態がヘリウムの漏洩であることを示すのに使用され、かつ／又は、
（ｃ）前記ＲＦ斜面後に起こる、前記プラズマ密度の前記絶対値の５％未満の振幅と５秒未満の持続時間と前記プラズマ密度の振動は、前記プラズマチャンバ故障状態が前記整合システムのランダム再調整であることを示すのに使用される、ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記プラズマパラメータデータは、前記プラズマチャンバ故障状態が悪い安定化速度の発生であることを示すのに使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
整合調整後の前記プラズマ密度の振幅の安定性は、その適切な均衡点に戻る前に約０．５秒以上かかり、前記プラズマチャンバ故障状態が悪い安定化速度の発生であることを示すことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記プラズマパラメータデータは、前記プラズマチャンバ故障状態がプラズマ閉じ込めの損失の発生であることを示すのに使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記プラズマパラメータデータは、前記プラズマチャンバ故障状態が、同じタイプのウエハ上で同じ処理レシピを行う一群のプラズマチャンバ内でチャンバの整合の欠如の発生であることを示すのに使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
（ａ）前記状況報告及び警告の少なくともいずれかは、前記システム内で修正ステップを開始させ、
（ｂ）前記状況報告及び警告の少なくともいずれかは、ログ含有ウエハ履歴内に前記解釈を記録させ、かつ／又は、
（ｃ）前記状況報告及び警告の少なくともいずれかは、前記プラズマチャンバ内のウエハの処理を停止させる、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法を行う装置であって、
（ａ）前記プローブが、前記壁面内、又は、シャワーヘッド電極、ライナ、閉じ込めリング、焦点リング、ガス出口を備えていない電極、ガス分配板、及び基板支持体のいずれかであるプラズマ処理チャンバの構成部品に埋め込まれており、
（ｂ）前記プローブが温度制御構成部品を使用して加熱され、
（ｃ）前記プローブは、前記プローブの感知表面と前記プローブが中に埋め込まれたチャンバ構成部品の隣接する周囲の表面との間の微分磨耗率を補償することが可能であり、かつ／又は、
（ｄ）前記プローブは、容量結合プラズマ処理チャンバ、誘導結合プラズマ処理チャンバ、及び電子サイクロトロン共鳴プラズマ処理チャンバのいずれかに埋め込まれている、ことを特徴とする装置。
【請求項１７】
前記ＰＩＦプローブが、多片シャワーヘッド電極アセンブリの前記内側電極部又は外側電極部内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記プローブがシャワーヘッド電極内に配置され、前記プローブは、前記プローブの前記感知表面から背面へ貫通するガス通路を作り出す１つ又は複数のガス供給貫通孔を備えており、（ａ）前記ガス供給貫通孔が、前記プローブのない状態では存在する全ガス分配パターンに近づくように配置される、又は（ｂ）前記ガス供給貫通孔が、前記プローブのない状態では前記シャワーヘッド電極内に配置されるが、前記プローブ内に配置されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記プラズマパラメータデータが、複数のプローブの使用によって得られることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記複数のプローブは、前記プローブそれぞれの感知表面が前記プラズマに曝され、前記プラズマチャンバ内の壁面又は構成部品表面と実質的に同一平面であるように配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１３８３６６（Ｐ２０１２−１３８３６６Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−４４１３０（Ｐ２０１２−４４１３０）
【出願日】平成２４年２月２９日（２０１２．２．２９）
【分割の表示】特願２００９−５１４３０３（Ｐ２００９−５１４３０３）の分割
【原出願日】平成１９年５月２５日（２００７．５．２５）
【出願人】（５９２０１００８１）ラム リサーチ コーポレーション (467)
【氏名又は名称原語表記】ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４４１３０（Ｐ２０１２−４４１３０）
【出願日】平成２４年２月２９日（２０１２．２．２９）
【分割の表示】特願２００９−５１４３０３（Ｐ２００９−５１４３０３）の分割
【原出願日】平成１９年５月２５日（２００７．５．２５）
【出願人】（５９２０１００８１）ラム リサーチ コーポレーション (467)
【氏名又は名称原語表記】ＬＡＭ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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