プラズマ発光測定システム
【課題】
処理容器内のプラズマ発光分布を正確に測定することのできるプラズマ発光測定システムを提供する。
【解決手段】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段５と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台６と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段２とを備えたプラズマ処理装置におけるプラズマ発光を測定するプラズマ発光測定システムであって、観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部１３と、受光したプラズマ光を分光する分光器１７と、該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータ１８を備え、前記受光部１３は、真空処理室内に回転可能に配置されその受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能に構成した。
処理容器内のプラズマ発光分布を正確に測定することのできるプラズマ発光測定システムを提供する。
【解決手段】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段５と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台６と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段２とを備えたプラズマ処理装置におけるプラズマ発光を測定するプラズマ発光測定システムであって、観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部１３と、受光したプラズマ光を分光する分光器１７と、該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータ１８を備え、前記受光部１３は、真空処理室内に回転可能に配置されその受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能に構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発光測定システムに係り、特に処理容器内のプラズマ発光分布を正確に測定することのできるプラズマ発光測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスに用いられるプラズマ処理装置では、処理容器に導入した処理ガスはプラズマにより解離されてイオンやラジカルになる。プラズマＣＶＤ装置ではこれらのイオンやラジカルをウエハに照射してウエハ上に所望の膜質の薄膜を堆積させる。また、プラズマエッチング装置では、ウエハにバイアス電圧を印加することによりイオンをウエハに引き込み、イオンとラジカルによりウエハのエッチング加工を行う。エッチング加工の場合には、ウエハ上の材料が除去されるときに生じる反応生成物がウエハ上に拡散して分布しウエハに再入射することにより加工形状に影響を与える。
【０００３】
このように、これらのプラズマ加工装置では、処理容器内部のイオン、ラジカル、反応生成物などの処理容器内の分布が膜質や膜厚の均一性あるいは加工形状の均一性を決める主要因である。しかし、このようなプラズマやラジカルの処理容器内分布を計測するのは大変難しい。
【０００４】
例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３では処理容器に窓を設けＣＣＤカメラによりプラズマ密度分布を計測する方法が示されている。また、特許文献４には、小さな観測窓からプラズマ光を受けてプラズマ分布を測定する方法が示されている。また、特許文献５には処理容器に大きな窓を設け、レーザー光を処理容器に導入し、その側方からレーザー誘起光を観測することによりＬＩＦ（Laser Induced Fluorescence）を実施し、処理容器の縦断面内でのラジカルの分布を計測する方法が示されている。また、非特許文献１には、透明な石英筒を処理容器として用い、その周りを自在に動き回る自動制御のロボットを用いてプラズマ発光を多方向から観測し、ＣＴ（Computed Tomography）技術を適用することにより処理容器内部のラジカル分布を測定することが示されている。
【特許文献１】特開平６−２４３９９１号公報
【特許文献２】特開平７−２６３１７８号公報
【特許文献３】特開２００２−３８２７４号公報
【特許文献４】特開２０００−２６９１９１号公報
【特許文献５】特開平１０−２８５９号公報
【非特許文献１】Journal of Physics D, Vol.35, pp.454-461, 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の方法では、処理容器内部を観測窓を通して覗き込む必要がある。すなわち、これらの方法は、いずれも処理容器に大きな窓を設ける必要がある。プラズマは容器の壁と干渉しやすい特性を持つことから、窓の設置はプラズマの分布そのものに影響を与えることになる。このため、窓がない状態における本来の処理容器内のプラズマ分布を測定することはできない。
【０００６】
また、観測窓を用いる場合は、プラズマにさらされた観測窓の表面が不均一に削られて粗くなったり、あるいは窓に不均一な堆積膜が付着して、観測窓の面内位置により光の透過率が変化する。このため、観測された発光強度の変化がプラズマの分布によるものであるか、観測窓の透過率の分布によるものであるか区別することができない。
【０００７】
特許文献４の図９に開示されている方法では、小さな窓から処理容器内部を覗き込んでいる。このため、観測窓が処理容器内部の状態に影響を与えることは回避することができる。しかし、光学系を大きく移動させることが必要となるため測定精度を上げることは困難となる。また、観測窓を介して処理容器内部を観測するため、上記と同様に観測された発光強度の変化がプラズマの分布によるものであるか、観測窓の透過率の分布によるものであるかを区別することはできない。さらに、観測窓が小さい場合、観測窓と処理容器の境界部分でプラズマ密度分布が大きく変動するため、観測窓の削れや堆積膜の不均一性が顕著になる。
【０００８】
また、非特許文献１に示されるような、内部の観測しやすい透明チューブ内のプラズマを観測する方式は、実際には不透明なプラズマ加工装置に適用することは困難である。 本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、処理容器内のプラズマ発光分布を正確に測定することのできるプラズマ発光測定システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１０】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段とを備えたプラズマ処理装置におけるプラズマ発光を測定するプラズマ発光測定システムであって、観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部と、受光したプラズマ光を分光する分光器と、該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータを備え、前記受光部は、真空処理室内に回転可能に配置されその受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能に構成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、以上の構成を備えるため、処理容器内のプラズマ発光分布を正確に測定することのできるプラズマ発光測定システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態を説明する図である。主に半導体ウエハなどの試料をプラズマにより加工するプラズマ処理装置は前記プラズマの発光を測定するプラズマ発光測定システムを備えている。
【００１３】
図１において、プラズマ処理装置は、処理容器１内に供給する処理ガスの量を調整する流量制御器４およびガス供給管３を備えている。処理条件に応じて決められた流量の処理ガスが流量制御器４によって供給され、ガス供給管３を通り、ガス導入器５を介して処理容器１内に導入される。
【００１４】
ガス導入器５は、石英シャワープレートという石英製の多孔板を備え、処理ガスは石英製の多孔板の上面に形成した間隙を流れて多孔板の孔に到達し、そこから処理容器内に噴出する。プラズマ処理装置は処理ガスをプラズマ化するために必要な電磁エネルギを印加するための電磁エネルギ印加手段２を備える。また、処理ガスを排気して処理容器１内をを低圧状態に保つためのガス排気系９、および処理容器１内の圧力を調整するための圧力調整弁８を備えている。また、プラズマ処理装置は、ウエハ７を設置するための試料台６を有する。
【００１５】
このプラズマ処理装置には、プラズマ発光をもとにプラズマ及びラジカルの分布を測定するプラズマ発光測定システムが設置されている。この測定システムは、モータ１０、回転フィードスルー１１、回転伝達軸１２、受光部１３、内部光ファイバ１４、光学フィードスルー１５、外部光ファイバ１６、分光器１７、コンピュータ１８を備える。
【００１６】
コンピュータ１８は、受光部１３の受光方向を所望の観測方向に向けるために必要な回転角をモータ１０に指示する。このため、モータ１０としてはステッピングモータを用いるとよい。ステッピングモータを用いるとコンピュータはモータに指示するパルス数によって正確に回転位置を決めることができる。また、回転位置を正確に決めるためには、モータの回転軸に角度センサを設け、受光方向を監視するとよい。
【００１７】
モータの回転駆動力は回転フィードスルー１１を備えた回転伝達軸１２を介して低圧に維持された処理容器１内に導入される。これにより、回転伝達軸１２の先端に取り付けた受光部１３の受光方向を所望の方向に向けることができる。受光部の不要な動きを最小限に押さえるためには、後述するように回転軸が受光部を通過するようになっていることが望ましい。
【００１８】
受光部１３は回転動作により向けられた所定の方向にあるプラズマの発する光を受光する。受光したプラズマ光は内部光ファイバ１４、光学フィードスルー１５を介して外部光ファイバ１６へと導かれて分光器１７に入射する。分光器１７は入射したプラズマ光を分光し、その分光されたプラズマ発光スペクトルがコンピュータ１８に送られる。
【００１９】
コンピュータ１８によりプラズマ発光スペクトルの所定の波長域にある光のみを抽出することにより所望のラジカルの発光強度を知ることができる。例えば、気相中のシリコンラジカルの発光スペクトルは２８８．１６ｎｍにピークを持つため、例えば２８７ｎｍから２８９ｎｍの波長域におけるスペクトル強度の平均値を取ることによりシリコンラジカルの発光強度が得られる。このようにしてユーザはコンピュータ１８に設定した所望の方向にある所望のラジカルの発光強度を観測することができる。
【００２０】
受光部１３および回転伝達軸１２は、電磁エネルギ印加手段２で生成されたプラズマを生成するための電磁波の分布を乱さないようにするため、絶縁性の材料を用いるのが好ましい。例えば回転伝達軸１２には、石英ロッド、セラミック材料、ポリイミド材料、テフロン（登録商標）材料などを使用するとよい。また、半導体製造装置では重金属の汚染が問題になることが多いため、このような汚染物質を含まない材料を使用することが望ましい。また、ガスの流れを乱さないようにするため受光部と回転伝達軸はできるだけ細くすることが望ましい。なお、前記受光部及び回転伝達軸を処理容器の外に設置し処理容器に観測窓を設ける方法も考えられるが、この場合には、前述のように観測窓に生じる光学的なムラ、例えば表面粗さのムラや観測窓の内側表面に堆積する膜などの影響で光路毎に観測窓の透過率が異なるために測定した発光強度の信頼性がなくなる。
【００２１】
図２は、受光部１３を説明する図である。受光部の本体であるホルダ３６にはプラズマの発光を取り込む観測窓３８があり、観測窓から腐食性のガスがホルダ内部に侵入しないように観測窓は石英板３０で覆われている。石英板３０は、例えば押さえネジ３７でホルダ３６に固定されている。
【００２２】
観測窓３８から取り込まれたプラズマ光は光ファイバ３５により取り出される。プラズマを発生するのに電磁波や高周波電界を用いている場合には、処理容器内に差し込む受光部１３が導体であると電磁波を乱すために好ましくない。このため、ホルダ３６は絶縁性の材料から成ることが好ましい。絶縁性の材料として石英などを用いても良いが、石英は加工が困難である。また、プラズマ光を遮ることができずにあらゆる方向からのプラズマ光が入射するため、好ましくない。また、ポリイミド材料のような加工の容易なものを選んでも良いが、熱膨張しやすいのと強度が十分でないために光学系を組み込む材料としてあまり好ましくない。このためホルダ３６の材料としてはポリベンゾイミダゾールのような遮光性と材料強度のある絶縁性材料を用いるとよい。
【００２３】
図３は、受光部１３の詳細を説明する図である。図１および図２に示すような受光部１３には入射したプラズマ光を９０度屈曲させて光ファイバを介して取り出す機能が必要とされる。このためには、観測窓３８を通過したプラズマ光の方向を反射ミラー３２により９０度屈曲させて回転軸の方向に向け、コリメーションレンズ３３を介してフェルール３４に導入し、さらにフェルール３４に接続された光ファイバ３５を介して取り出す。
【００２４】
プラズマ光の向きを回転軸と同方向に屈曲させる場合は、光ファイバ３５を回転軸（回転伝達軸）と同じ方向に向けることができ、受光部１３の回転動作時に光ファイバが処理容器１内で動き回るのを防ぐことができる。金属製の反射ミラー３２の代わりにプリズムを用いると金属を用いなくて済むために好ましいが、プラズマ光が弱い場合には光の反射率がよいミラーを用いるのが好ましい。また、プラズマ光が十分に強く、光ファイバが細くても十分な受光量が得られるときには、細い光ファイバを９０度屈曲させることによりミラーを用いなくても光を回転軸方向に屈曲させることができる。
【００２５】
一般に光ファイバの受光角は２０度程度の大きな角度範囲を持つため、コリメーションレンズ３３を用いて視野をビーム状に絞り、観測の空間解像度を上げることが重要である。コリメーションレンズ３３とフェルール３４の光学系を適切に設計すれば、受光部１３から５００ｍｍ離れた位置における観測範囲を５ｍｍ程度に抑えることができ、高解像度の空間分解能を得ることができる。なお、これらの光学系には、プラズマ中の腐食性ガスが進入しないように観測窓３８にはＯリング３１を設けてガスシールを行うとよい。
【００２６】
このように、受光部１３を回転伝達軸１２の回りに回転駆動することにより、所望の方向のラジカル発光強度分布を一つの光学系で観測することができる。このシステムでは、受光部ごと所望の方向に機械的に動かして観測するために、複数の光学系を用いて発光分布を観測する場合に比して、分光器や光ファイバの光学特性のばらつき、あるいは受光部の光学系の微妙なセッティングの相違による受光特性の相違に基づく影響を抑えることができる。更に、同一の条件で、複数の方向のラジカル発光強度を観測できるため、発光強度の分布の信頼性を高めることができる。また、前記観測窓３８が削られたり堆積膜が付着して光の透過率が変化したとしても、短時間に実行される全ての観測に対しては前記透過率の変化は無視することができる。このため、発光強度の分布を求める上で問題は無い。また、観測方向は回転角により決定されるため、観測点数を任意に設定できる。このため、ラジカルの発光強度の分布を高精度に観測する上で有利となる。
【００２７】
図４は、受光部１３の回転駆動により受光する範囲を説明する図である。前述の受光部１３を備えた測定システムによれば、任意の方向の所望のラジカルの発光強度が観測できるようになる。このため、この測定動作を繰り返すことにより、多数の方向のラジカル発光強度を観測することができる。例えば、図４に示したような扇形の領域のラジカル発光強度の分布を観測することができる。
【００２８】
ここで、図４に示すように、ウエハ７の中心を通る観測方向を基準方向とし、基準方向から観測方向４０までの角度４１をθｉとする。角度θｉ方向で観測したラジカルの発光強度をＩｉで表すとすると、角度θ０（＝０），θ１，θ２，θ３，・・・θＮに対して、それぞれ発光強度Ｉ０， Ｉ１， Ｉ２， Ｉ３，・・・ＩＮを得ることができる。観測点の数Ｎは回転角の増分を小さくすることにより任意に大きく取ることができるが、受光部のコリメータの性能などから３０点から５０点程度とするのが最適である。
【００２９】
各発光強度Ｉｉは観測方向θｉからくるプラズマ発光の線積分値であるが、プラズマ及びラジカルがほぼ軸対称である場合にはアーベル変換を用いてラジカル発光強度の半径方向分布を計算することができる。
【００３０】
図５は、線積分値として観測される発光強度とアーベル変換により得られるラジカル発光強度の半径方向分布の例を示す図である。
【００３１】
図５では観測された発光強度は中央部が平らで、上に凸型の分布となっているが、これをアーベル変換して各半径位置での発光強度を求めると半径１００ｍｍあたりにピークを持つドーナツ型の分布であることが分かる。
【００３２】
さらに、各ラジカルの発光強度Ｉは、プラズマ中の電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅおよびラジカル密度Ｎにより式１で表される。
【００３３】
Ｉ ＝ Ｎ×Ｎｅ×ｅｘｐ（−Ｅ／ｋＴｅ）・・・式１
式１において、Ｅはラジカル種毎に決まるエネルギ定数、ｋはボルツマン定数である。各ラジカル種ごとにＮやＥの値が異なるため、全てのラジカルの発光を平均化した値は式１の不変項であるＮｅ、すなわちプラズマ密度にほぼ比例することになる。したがって、受光部１３で受光した光を分光せずにその強度のみを観測するか、分光した光の全ての波長域の値を平均化することによりプラズマ密度にほぼ比例する量を観測することができる。 この全波長の平均値をアーベル変換して求めた量をＮｅ’（ｒ）と記述し、各ラジカルの発光強度をアーベル変換して求めた量をＩ’（ｒ）と記述すると、式２によりラジカルの密度Ｎに比例する信号Ｎ’（ｒ）の分布が得られる。
【００３４】
Ｎ’（ｒ）＝Ｉ’（ｒ）／Ｎｅ’（ｒ）・・・式２
式２の計算によりプラズマ密度Ｎｅの分布の影響を取り去ることができ、信号Ｎ’（ｒ）はラジカルの密度Ｎにほぼ比例する量となる。観測したままの信号は図４に示したような視野範囲にあるラジカル発光の線積分であり、線路上の位置毎にＮｅが異なるため、式２の除算はアーベル変換の後に行うことが重要である。
【００３５】
また、アーベル変換を精度よく実施するためには観測範囲はできるだけ広いことが望ましい。このため受光部１３は、試料台６の一方の周辺部から他方の周辺部までを覆うような視野範囲がとれるように回転できることが望ましい。
【００３６】
アーベル変換を適用できるデータの取得手順は前記のような方法以外にも多数存在する。例えば、図４では処理容器内の左半分の領域のみを観測対象としているが、残りの右半分の領域も前記手順と同様な手順でプラズマ光を観測し、アーベル変換をしてラジカル発光強度分布を求めることができる。ラジカル分布が完全に軸対称であれば左半分でも右半分でも同じラジカル発光強度の半径方向分布が得られるが、観測データのノイズを減らすために右半分と左半分の観測データを平均化してからアーベル変換しても良い。さらに、ラジカルに偏りがあって非対称な分布をしているときには右半分と左半分で別々にアーベル変換をした結果を比較してラジカルの偏りの度合を把握することもできる。
【００３７】
図１１は、処理条件を調節して非対称なプラズマを生成し、これを左右別々にアーベル変換して分布を計算した結果を示す図である。非対称分布の場合には、正確にはアーベル変換の計算は正しくなくなるが、図１１に示したように非対称の度合を知る目安になるためにプラズマの対称性を確認する目的に適している。
【００３８】
これまでの説明では、所定方向のプラズマ光を観測している間には受光部が静止していることを前提に説明してきた。しかし必ずしも受光部が静止している必要はない。例えば、図４において、一つの方向に対する分光器でのプラズマ光の積算時間がｍ秒かかるとし、角度θ０からθＮまでにＮ＋１点の観測を行うとする。この場合にはモータを毎秒（θＮ−θ０）／｛（Ｎ＋１）ｍ｝度の一定のスピードで連続回転させ、モータの回転中にｍ秒毎にプラズマ光を取り込むことによりラジカル発光強度Ｉ’０， Ｉ’１， Ｉ’２， Ｉ’３，・・・Ｉ’Ｎを得ることができ、この観測値にアーベル変換を適用してラジカル発光強度の半径方向分布を計算することができる。
【００３９】
この方法によればプラズマ光を取り込むたびにモータを静止させる必要がないため短時間で一連のプラズマ光の取得を完了することができる。例えば、発光の積算時間を０．５秒に取ったときに、典型的なサーボモータを用いて毎回静止させる方式ではウエハ上を一回スキャンするのに３０秒かかるのに対して、連続回転させる方式では４秒でスキャンが終了する。スキャン時間が数秒で実施できると、各スキャンがプラズマの経時変化の影響を受けにくくなる。また、プラズマ処理中にスキャンを繰り返してプラズマ発光分布の時間変化を取得することも容易になる。
【００４０】
図６は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。図１に示す例では、受光部１３を回転駆動するための回転伝達軸１２をモータ１０の駆動軸に直結し、該駆動軸を処理容器１の下方から挿入している。
【００４１】
しかしながら、既存のプラズマ処理装置においては、上述のように、処理容器の下部にモータ等の測定システムを設置することは困難である場合が多い。しかし、プラズマ処理装置の下部側面にはメンテナンス用のポートなどが用意されていることが多く、このような場合には、前記メンテナンスポートの蓋を利用して計測システムを取り付けることができる。このためにはモータ１０を処理容器の側方に設け、処理容器の側方から回転フィードスルー１１を介してモータの回転駆動軸２０を挿入し、回転伝達軸１２に駆動力を伝達する。このとき、処理容器内に導入された回転駆動力はかさ歯歯車などの回転方向変換機２１を介して回転伝達軸１２に伝えられ、受光部１３を回転駆動する。
【００４２】
図７は、本発明の第３の実施形態を説明する図である。以上の例では、測定システムを構成する受光部１３や回転伝達軸１２などがプラズマにさらされるように設置されている。このため、これらの部品から汚染物質などが放出されることが懸念される。
【００４３】
そこで図７に示すように、処理容器１の下部に収納部４８を設け、そこに受光部４５’を収納するようにした。受光部は、その不使用時に収納部４８に格納する。なお、モータ１０は上下動作部４７に接続されており、上下動作部４７は上下動ガイドシャフト４６を案内軸としてモータ１０及びそれに接続された回転伝達軸１２、受光部４５を上下に駆動することができる。測定システムを使用するときには上下動作部４７により受光部４５を所望の高さまで持ち上げ、そこでモータ１０により受光部４５を所望の方向にむけプラズマの発光を観測することができる。
【００４４】
図８は、本発明の第４の実施形態を説明する図である。この例においては、受光部１３は回転するだけでなく上下動作することも可能である。これにより、受光部１３をウエハ上の所望の高さ位置に移動させてその高さ位置でのラジカル発光分布を計測することができる。また、回転角度方向と高さ方向のスキャンを組み合わせることにより、処理容器内部全体のラジカル発光分布を計測することができる。
【００４５】
図８に示す例では、上下動および回転駆動するための機構は処理容器の側面に設置したサブチャンバ６０内に収める例を示した。
【００４６】
モータ７１の回転駆動力は回転伝達軸６８を介してサブチャンバ６０内に伝達され、駆動スチールベルト６５を介して回転プーリー６７を回転させ、回転プーリー６７と結合した回転伝達軸１２を通して受光部１３を回転させることができる。回転プーリー６７は支持アーム６６上に設置されており、支持アーム６６はアームガイド６４に結合されている。アームガイド６４は結合子７２により上下動ガイド６３と結合されており、上下動ガイド６３は上下動ガイドシャフト６１と回転シャフト６２を案内として上下に動くことができる。上下動作部７０が上下動伝達軸６９を通して上下動ガイド６３を上下に移動させ、この動作により受光部１３が上下に移動する。したがって、図８に示す駆動系により受光部１３を所望の高さで、かつ所望の方向に向けることができる。
【００４７】
高さ方向の発光分布が計測できると、縦断面における分布も計算できるようになる。従って、異なる複数の高さ位置において前記のアーベル変換によってプラズマ発光の半径方向分布を計算し、各高さ位置での半径方向分布のデータから縦断面のプラズマ発光分布をプロットすることができる。また、処理容器内部全体のプラズマ発光分布を３次元的に表示することもできる。この機能の特殊な利用例としては、金属汚染源の特定などがある。 半導体デバイスの加工では、加工中にウエハが処理容器内のどこかから発生する金属に汚染されるとデバイス特性が悪化する。このためプラズマ処理装置では金属の汚染が発生したときに、処理容器内のどこから汚染源の金属が放出されるのかを調べる必要が生じる場合がある。例えば、アルミニウムＡｌは、Ａｌ自体でもアルミニウムの金属化合物ＡｌＣｌでも発光ピークをモニタすることができる。このため、金属あるいは金属化合物の処理容器内分布をモニタにより観測し、その強度が強いところを辿れば、金属汚染源を特定することができる。
【００４８】
図９は、本発明の第５の実施形態を説明する図である。図において図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）石英板３０’を取り除いた状態の正面図である。この図の例では、高さ方向における情報を複数の光学系を用いることによって取得する。このため、図９に示すように、受光部の高さ方向に複数の観測窓を設け、受光部を上下に駆動しなくとも複数の高さ位置におけるプラズマ光を観測できるようにする。
【００４９】
図９に示す例では、複数の光学系を細いホルダ３６内部に納めるために、反射ミラー３２、コリメーションレンズ３３、フェルール３４の光学系を交互に傾けて配置し、光ファイバ３５を配線して受光部を構成している。このように複数の光学系を用いる場合には、各光学系間に受光感度のばらつきがあるため、高さ位置の異なる光学系で検出した発光強度を比較する際には、前記受光感度のばらつきを補正する必要がある。なお、複数の光ファイバ３５で受けた光を別々の分光器で分光すると分光器の個体差の影響を受けるため、光スイッチ等を用いて一つの分光器を切り替えながら使用することが好ましい。
【００５０】
図１０は、本発明の第６の実施形態を説明する図であり、図１０（ａ）は受光部を近接して配置する例を示す図、図１０（ｂ）は受光部を離間して配置する例を示す図である。
【００５１】
以上の説明では、処理容器内に受光部が一箇所のみ設置する例について説明した。しかし、図１０に示すように複数箇所に受光部を設置することもできる。ラジカルの分布がほぼ軸対称であるときには一箇所の設置でアーベル変換を用いることによりラジカルの半径方向分布が計算できる。しかし、ラジカルの分布が強い非対称性を持つ場合には複数箇所からの観測結果を用いてコンピューテッドトモグラフィ（ＣＴ）の技術を適用し、非対称なラジカル分布を計算することができる。
【００５２】
図１０（ａ）では、受光部を５０、５１、５２の３箇所に比較的近接して配置する例を示した。ただし、ＣＴを適用するには各受光部間の距離は図１０（ｂ）に示すように、できるだけ離したほうが発光のノイズ等による誤差の影響を受けにくくなるので好ましい。しかしながら、プラズマの場合にはプラズマ自身の発光するプラズマ光をプラズマが遮る減衰率が非常に低いため、医療などで用いるＣＴスキャンのように全方位から観測する必要はない。このため、図１０（ａ）に示すように片側の複数箇所（５０，５１，５２）に設置した受光部でスキャンした観測データを組み合わせ、逆２次元フーリエ変換することによりラジカル分布を得ることができる。
【００５３】
以上の説明では、受光部で受けた光を９０度屈曲する例について説明した。しかし、屈曲させる角度は９０度でなくても良い。また、受光部を回転するための機構は上記以外の機構を用いて実施することができる。また、プラズマ光の分光に際しては、分光器を用いることなく、検出波長の異なるモノクロメータを用いて実施することもできる。また、受光部からの光伝達にイメージングファイバを用いることにより、プラズマの内部状態を監視することもできる。この際、イメージングファイバの視野方向を調整するために魚眼レンズなどを用いることもできる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、視野角を絞った受光部を回転あるいは上下動させることにより観測窓の影響を受けることなく、処理容器内の任意箇所のプラズマ発光を測定できる。このため、特にアーベル変換に適したプラズマ発光の線積分データを測定することができ、また、プラズマ発光やそれを分光して得られるラジカル発光の空間分布を計測することができる。
【００５５】
また、処理容器に観測窓を設けることなく、処理容器内部の任意箇所のプラズマ発光を計測することができるため、特に処理容器内のプラズマ発光分布を計測しながらプラズマ処理条件を改良し、プラズマ処理の均一性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明する図である。
【図２】受光部１３を説明する図である。
【図３】受光部１３の詳細を説明する図である。
【図４】受光部１３の回転駆動により受光する範囲を説明する図である。
【図５】線積分値として観測される発光強度とアーベル変換により得られるラジカル発光強度の半径方向分布の例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を説明する図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を説明する図である。
【図９】本発明の第５の実施形態を説明する図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態を説明する図であ。
【図１１】処理条件を調節して非対称なプラズマを生成し、これを左右別々にアーベル変換して分布を計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 処理容器
２ 電磁エネルギ印加手段
３ ガス供給管
４ 流量制御器
５ ガス導入器
６ 試料台
７ ウエハ
８ 圧力調整弁
９ ガス排気系
１０ モータ
１１ 回転フィードスルー
１２ 回転伝達軸
１３ 受光部
１４ 内部光ファイバ
１５ 光学フィードスルー
１６ 外部光ファイバ
１７ 分光器
１８ コンピュータ
２０ 回転駆動軸
２１ 回転方向変換機
３０，３０’ 石英板
３１ Ｏリング
３２ 反射ミラー
３３ コリメーションレンズ
３４ フェルール
３５ 光ファイバ
３６ ホルダ
３７ 押さえネジ
３８ 観測窓
４０ 観測方向
４１ 観測角
４５ 受光部（収納時）
４５’ 受光部（使用時）
４６ 上下動ガイドシャフト
４７ 上下動作部
４８ 収納部
５０、５１，５２ 受光部の位置
６０ サブチャンバ
６１ 上下動ガイドシャフト
６２ 回転シャフト
６３ 上下動ガイド
６４ アームガイド
６５ 駆動スチールベルト
６６ 支持アーム
６７ 回転プーリー
６８ 回転伝達軸
６９ 上下動伝達軸
７０ 上下動作部
７１ モータ
７２ 結合子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ発光測定システムに係り、特に処理容器内のプラズマ発光分布を正確に測定することのできるプラズマ発光測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスに用いられるプラズマ処理装置では、処理容器に導入した処理ガスはプラズマにより解離されてイオンやラジカルになる。プラズマＣＶＤ装置ではこれらのイオンやラジカルをウエハに照射してウエハ上に所望の膜質の薄膜を堆積させる。また、プラズマエッチング装置では、ウエハにバイアス電圧を印加することによりイオンをウエハに引き込み、イオンとラジカルによりウエハのエッチング加工を行う。エッチング加工の場合には、ウエハ上の材料が除去されるときに生じる反応生成物がウエハ上に拡散して分布しウエハに再入射することにより加工形状に影響を与える。
【０００３】
このように、これらのプラズマ加工装置では、処理容器内部のイオン、ラジカル、反応生成物などの処理容器内の分布が膜質や膜厚の均一性あるいは加工形状の均一性を決める主要因である。しかし、このようなプラズマやラジカルの処理容器内分布を計測するのは大変難しい。
【０００４】
例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３では処理容器に窓を設けＣＣＤカメラによりプラズマ密度分布を計測する方法が示されている。また、特許文献４には、小さな観測窓からプラズマ光を受けてプラズマ分布を測定する方法が示されている。また、特許文献５には処理容器に大きな窓を設け、レーザー光を処理容器に導入し、その側方からレーザー誘起光を観測することによりＬＩＦ（Laser Induced Fluorescence）を実施し、処理容器の縦断面内でのラジカルの分布を計測する方法が示されている。また、非特許文献１には、透明な石英筒を処理容器として用い、その周りを自在に動き回る自動制御のロボットを用いてプラズマ発光を多方向から観測し、ＣＴ（Computed Tomography）技術を適用することにより処理容器内部のラジカル分布を測定することが示されている。
【特許文献１】特開平６−２４３９９１号公報
【特許文献２】特開平７−２６３１７８号公報
【特許文献３】特開２００２−３８２７４号公報
【特許文献４】特開２０００−２６９１９１号公報
【特許文献５】特開平１０−２８５９号公報
【非特許文献１】Journal of Physics D, Vol.35, pp.454-461, 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の方法では、処理容器内部を観測窓を通して覗き込む必要がある。すなわち、これらの方法は、いずれも処理容器に大きな窓を設ける必要がある。プラズマは容器の壁と干渉しやすい特性を持つことから、窓の設置はプラズマの分布そのものに影響を与えることになる。このため、窓がない状態における本来の処理容器内のプラズマ分布を測定することはできない。
【０００６】
また、観測窓を用いる場合は、プラズマにさらされた観測窓の表面が不均一に削られて粗くなったり、あるいは窓に不均一な堆積膜が付着して、観測窓の面内位置により光の透過率が変化する。このため、観測された発光強度の変化がプラズマの分布によるものであるか、観測窓の透過率の分布によるものであるか区別することができない。
【０００７】
特許文献４の図９に開示されている方法では、小さな窓から処理容器内部を覗き込んでいる。このため、観測窓が処理容器内部の状態に影響を与えることは回避することができる。しかし、光学系を大きく移動させることが必要となるため測定精度を上げることは困難となる。また、観測窓を介して処理容器内部を観測するため、上記と同様に観測された発光強度の変化がプラズマの分布によるものであるか、観測窓の透過率の分布によるものであるかを区別することはできない。さらに、観測窓が小さい場合、観測窓と処理容器の境界部分でプラズマ密度分布が大きく変動するため、観測窓の削れや堆積膜の不均一性が顕著になる。
【０００８】
また、非特許文献１に示されるような、内部の観測しやすい透明チューブ内のプラズマを観測する方式は、実際には不透明なプラズマ加工装置に適用することは困難である。 本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、処理容器内のプラズマ発光分布を正確に測定することのできるプラズマ発光測定システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１０】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段とを備えたプラズマ処理装置におけるプラズマ発光を測定するプラズマ発光測定システムであって、観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部と、受光したプラズマ光を分光する分光器と、該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータを備え、前記受光部は、真空処理室内に回転可能に配置されその受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能に構成した。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、以上の構成を備えるため、処理容器内のプラズマ発光分布を正確に測定することのできるプラズマ発光測定システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態を説明する図である。主に半導体ウエハなどの試料をプラズマにより加工するプラズマ処理装置は前記プラズマの発光を測定するプラズマ発光測定システムを備えている。
【００１３】
図１において、プラズマ処理装置は、処理容器１内に供給する処理ガスの量を調整する流量制御器４およびガス供給管３を備えている。処理条件に応じて決められた流量の処理ガスが流量制御器４によって供給され、ガス供給管３を通り、ガス導入器５を介して処理容器１内に導入される。
【００１４】
ガス導入器５は、石英シャワープレートという石英製の多孔板を備え、処理ガスは石英製の多孔板の上面に形成した間隙を流れて多孔板の孔に到達し、そこから処理容器内に噴出する。プラズマ処理装置は処理ガスをプラズマ化するために必要な電磁エネルギを印加するための電磁エネルギ印加手段２を備える。また、処理ガスを排気して処理容器１内をを低圧状態に保つためのガス排気系９、および処理容器１内の圧力を調整するための圧力調整弁８を備えている。また、プラズマ処理装置は、ウエハ７を設置するための試料台６を有する。
【００１５】
このプラズマ処理装置には、プラズマ発光をもとにプラズマ及びラジカルの分布を測定するプラズマ発光測定システムが設置されている。この測定システムは、モータ１０、回転フィードスルー１１、回転伝達軸１２、受光部１３、内部光ファイバ１４、光学フィードスルー１５、外部光ファイバ１６、分光器１７、コンピュータ１８を備える。
【００１６】
コンピュータ１８は、受光部１３の受光方向を所望の観測方向に向けるために必要な回転角をモータ１０に指示する。このため、モータ１０としてはステッピングモータを用いるとよい。ステッピングモータを用いるとコンピュータはモータに指示するパルス数によって正確に回転位置を決めることができる。また、回転位置を正確に決めるためには、モータの回転軸に角度センサを設け、受光方向を監視するとよい。
【００１７】
モータの回転駆動力は回転フィードスルー１１を備えた回転伝達軸１２を介して低圧に維持された処理容器１内に導入される。これにより、回転伝達軸１２の先端に取り付けた受光部１３の受光方向を所望の方向に向けることができる。受光部の不要な動きを最小限に押さえるためには、後述するように回転軸が受光部を通過するようになっていることが望ましい。
【００１８】
受光部１３は回転動作により向けられた所定の方向にあるプラズマの発する光を受光する。受光したプラズマ光は内部光ファイバ１４、光学フィードスルー１５を介して外部光ファイバ１６へと導かれて分光器１７に入射する。分光器１７は入射したプラズマ光を分光し、その分光されたプラズマ発光スペクトルがコンピュータ１８に送られる。
【００１９】
コンピュータ１８によりプラズマ発光スペクトルの所定の波長域にある光のみを抽出することにより所望のラジカルの発光強度を知ることができる。例えば、気相中のシリコンラジカルの発光スペクトルは２８８．１６ｎｍにピークを持つため、例えば２８７ｎｍから２８９ｎｍの波長域におけるスペクトル強度の平均値を取ることによりシリコンラジカルの発光強度が得られる。このようにしてユーザはコンピュータ１８に設定した所望の方向にある所望のラジカルの発光強度を観測することができる。
【００２０】
受光部１３および回転伝達軸１２は、電磁エネルギ印加手段２で生成されたプラズマを生成するための電磁波の分布を乱さないようにするため、絶縁性の材料を用いるのが好ましい。例えば回転伝達軸１２には、石英ロッド、セラミック材料、ポリイミド材料、テフロン（登録商標）材料などを使用するとよい。また、半導体製造装置では重金属の汚染が問題になることが多いため、このような汚染物質を含まない材料を使用することが望ましい。また、ガスの流れを乱さないようにするため受光部と回転伝達軸はできるだけ細くすることが望ましい。なお、前記受光部及び回転伝達軸を処理容器の外に設置し処理容器に観測窓を設ける方法も考えられるが、この場合には、前述のように観測窓に生じる光学的なムラ、例えば表面粗さのムラや観測窓の内側表面に堆積する膜などの影響で光路毎に観測窓の透過率が異なるために測定した発光強度の信頼性がなくなる。
【００２１】
図２は、受光部１３を説明する図である。受光部の本体であるホルダ３６にはプラズマの発光を取り込む観測窓３８があり、観測窓から腐食性のガスがホルダ内部に侵入しないように観測窓は石英板３０で覆われている。石英板３０は、例えば押さえネジ３７でホルダ３６に固定されている。
【００２２】
観測窓３８から取り込まれたプラズマ光は光ファイバ３５により取り出される。プラズマを発生するのに電磁波や高周波電界を用いている場合には、処理容器内に差し込む受光部１３が導体であると電磁波を乱すために好ましくない。このため、ホルダ３６は絶縁性の材料から成ることが好ましい。絶縁性の材料として石英などを用いても良いが、石英は加工が困難である。また、プラズマ光を遮ることができずにあらゆる方向からのプラズマ光が入射するため、好ましくない。また、ポリイミド材料のような加工の容易なものを選んでも良いが、熱膨張しやすいのと強度が十分でないために光学系を組み込む材料としてあまり好ましくない。このためホルダ３６の材料としてはポリベンゾイミダゾールのような遮光性と材料強度のある絶縁性材料を用いるとよい。
【００２３】
図３は、受光部１３の詳細を説明する図である。図１および図２に示すような受光部１３には入射したプラズマ光を９０度屈曲させて光ファイバを介して取り出す機能が必要とされる。このためには、観測窓３８を通過したプラズマ光の方向を反射ミラー３２により９０度屈曲させて回転軸の方向に向け、コリメーションレンズ３３を介してフェルール３４に導入し、さらにフェルール３４に接続された光ファイバ３５を介して取り出す。
【００２４】
プラズマ光の向きを回転軸と同方向に屈曲させる場合は、光ファイバ３５を回転軸（回転伝達軸）と同じ方向に向けることができ、受光部１３の回転動作時に光ファイバが処理容器１内で動き回るのを防ぐことができる。金属製の反射ミラー３２の代わりにプリズムを用いると金属を用いなくて済むために好ましいが、プラズマ光が弱い場合には光の反射率がよいミラーを用いるのが好ましい。また、プラズマ光が十分に強く、光ファイバが細くても十分な受光量が得られるときには、細い光ファイバを９０度屈曲させることによりミラーを用いなくても光を回転軸方向に屈曲させることができる。
【００２５】
一般に光ファイバの受光角は２０度程度の大きな角度範囲を持つため、コリメーションレンズ３３を用いて視野をビーム状に絞り、観測の空間解像度を上げることが重要である。コリメーションレンズ３３とフェルール３４の光学系を適切に設計すれば、受光部１３から５００ｍｍ離れた位置における観測範囲を５ｍｍ程度に抑えることができ、高解像度の空間分解能を得ることができる。なお、これらの光学系には、プラズマ中の腐食性ガスが進入しないように観測窓３８にはＯリング３１を設けてガスシールを行うとよい。
【００２６】
このように、受光部１３を回転伝達軸１２の回りに回転駆動することにより、所望の方向のラジカル発光強度分布を一つの光学系で観測することができる。このシステムでは、受光部ごと所望の方向に機械的に動かして観測するために、複数の光学系を用いて発光分布を観測する場合に比して、分光器や光ファイバの光学特性のばらつき、あるいは受光部の光学系の微妙なセッティングの相違による受光特性の相違に基づく影響を抑えることができる。更に、同一の条件で、複数の方向のラジカル発光強度を観測できるため、発光強度の分布の信頼性を高めることができる。また、前記観測窓３８が削られたり堆積膜が付着して光の透過率が変化したとしても、短時間に実行される全ての観測に対しては前記透過率の変化は無視することができる。このため、発光強度の分布を求める上で問題は無い。また、観測方向は回転角により決定されるため、観測点数を任意に設定できる。このため、ラジカルの発光強度の分布を高精度に観測する上で有利となる。
【００２７】
図４は、受光部１３の回転駆動により受光する範囲を説明する図である。前述の受光部１３を備えた測定システムによれば、任意の方向の所望のラジカルの発光強度が観測できるようになる。このため、この測定動作を繰り返すことにより、多数の方向のラジカル発光強度を観測することができる。例えば、図４に示したような扇形の領域のラジカル発光強度の分布を観測することができる。
【００２８】
ここで、図４に示すように、ウエハ７の中心を通る観測方向を基準方向とし、基準方向から観測方向４０までの角度４１をθｉとする。角度θｉ方向で観測したラジカルの発光強度をＩｉで表すとすると、角度θ０（＝０），θ１，θ２，θ３，・・・θＮに対して、それぞれ発光強度Ｉ０， Ｉ１， Ｉ２， Ｉ３，・・・ＩＮを得ることができる。観測点の数Ｎは回転角の増分を小さくすることにより任意に大きく取ることができるが、受光部のコリメータの性能などから３０点から５０点程度とするのが最適である。
【００２９】
各発光強度Ｉｉは観測方向θｉからくるプラズマ発光の線積分値であるが、プラズマ及びラジカルがほぼ軸対称である場合にはアーベル変換を用いてラジカル発光強度の半径方向分布を計算することができる。
【００３０】
図５は、線積分値として観測される発光強度とアーベル変換により得られるラジカル発光強度の半径方向分布の例を示す図である。
【００３１】
図５では観測された発光強度は中央部が平らで、上に凸型の分布となっているが、これをアーベル変換して各半径位置での発光強度を求めると半径１００ｍｍあたりにピークを持つドーナツ型の分布であることが分かる。
【００３２】
さらに、各ラジカルの発光強度Ｉは、プラズマ中の電子密度Ｎｅ、電子温度Ｔｅおよびラジカル密度Ｎにより式１で表される。
【００３３】
Ｉ ＝ Ｎ×Ｎｅ×ｅｘｐ（−Ｅ／ｋＴｅ）・・・式１
式１において、Ｅはラジカル種毎に決まるエネルギ定数、ｋはボルツマン定数である。各ラジカル種ごとにＮやＥの値が異なるため、全てのラジカルの発光を平均化した値は式１の不変項であるＮｅ、すなわちプラズマ密度にほぼ比例することになる。したがって、受光部１３で受光した光を分光せずにその強度のみを観測するか、分光した光の全ての波長域の値を平均化することによりプラズマ密度にほぼ比例する量を観測することができる。 この全波長の平均値をアーベル変換して求めた量をＮｅ’（ｒ）と記述し、各ラジカルの発光強度をアーベル変換して求めた量をＩ’（ｒ）と記述すると、式２によりラジカルの密度Ｎに比例する信号Ｎ’（ｒ）の分布が得られる。
【００３４】
Ｎ’（ｒ）＝Ｉ’（ｒ）／Ｎｅ’（ｒ）・・・式２
式２の計算によりプラズマ密度Ｎｅの分布の影響を取り去ることができ、信号Ｎ’（ｒ）はラジカルの密度Ｎにほぼ比例する量となる。観測したままの信号は図４に示したような視野範囲にあるラジカル発光の線積分であり、線路上の位置毎にＮｅが異なるため、式２の除算はアーベル変換の後に行うことが重要である。
【００３５】
また、アーベル変換を精度よく実施するためには観測範囲はできるだけ広いことが望ましい。このため受光部１３は、試料台６の一方の周辺部から他方の周辺部までを覆うような視野範囲がとれるように回転できることが望ましい。
【００３６】
アーベル変換を適用できるデータの取得手順は前記のような方法以外にも多数存在する。例えば、図４では処理容器内の左半分の領域のみを観測対象としているが、残りの右半分の領域も前記手順と同様な手順でプラズマ光を観測し、アーベル変換をしてラジカル発光強度分布を求めることができる。ラジカル分布が完全に軸対称であれば左半分でも右半分でも同じラジカル発光強度の半径方向分布が得られるが、観測データのノイズを減らすために右半分と左半分の観測データを平均化してからアーベル変換しても良い。さらに、ラジカルに偏りがあって非対称な分布をしているときには右半分と左半分で別々にアーベル変換をした結果を比較してラジカルの偏りの度合を把握することもできる。
【００３７】
図１１は、処理条件を調節して非対称なプラズマを生成し、これを左右別々にアーベル変換して分布を計算した結果を示す図である。非対称分布の場合には、正確にはアーベル変換の計算は正しくなくなるが、図１１に示したように非対称の度合を知る目安になるためにプラズマの対称性を確認する目的に適している。
【００３８】
これまでの説明では、所定方向のプラズマ光を観測している間には受光部が静止していることを前提に説明してきた。しかし必ずしも受光部が静止している必要はない。例えば、図４において、一つの方向に対する分光器でのプラズマ光の積算時間がｍ秒かかるとし、角度θ０からθＮまでにＮ＋１点の観測を行うとする。この場合にはモータを毎秒（θＮ−θ０）／｛（Ｎ＋１）ｍ｝度の一定のスピードで連続回転させ、モータの回転中にｍ秒毎にプラズマ光を取り込むことによりラジカル発光強度Ｉ’０， Ｉ’１， Ｉ’２， Ｉ’３，・・・Ｉ’Ｎを得ることができ、この観測値にアーベル変換を適用してラジカル発光強度の半径方向分布を計算することができる。
【００３９】
この方法によればプラズマ光を取り込むたびにモータを静止させる必要がないため短時間で一連のプラズマ光の取得を完了することができる。例えば、発光の積算時間を０．５秒に取ったときに、典型的なサーボモータを用いて毎回静止させる方式ではウエハ上を一回スキャンするのに３０秒かかるのに対して、連続回転させる方式では４秒でスキャンが終了する。スキャン時間が数秒で実施できると、各スキャンがプラズマの経時変化の影響を受けにくくなる。また、プラズマ処理中にスキャンを繰り返してプラズマ発光分布の時間変化を取得することも容易になる。
【００４０】
図６は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。図１に示す例では、受光部１３を回転駆動するための回転伝達軸１２をモータ１０の駆動軸に直結し、該駆動軸を処理容器１の下方から挿入している。
【００４１】
しかしながら、既存のプラズマ処理装置においては、上述のように、処理容器の下部にモータ等の測定システムを設置することは困難である場合が多い。しかし、プラズマ処理装置の下部側面にはメンテナンス用のポートなどが用意されていることが多く、このような場合には、前記メンテナンスポートの蓋を利用して計測システムを取り付けることができる。このためにはモータ１０を処理容器の側方に設け、処理容器の側方から回転フィードスルー１１を介してモータの回転駆動軸２０を挿入し、回転伝達軸１２に駆動力を伝達する。このとき、処理容器内に導入された回転駆動力はかさ歯歯車などの回転方向変換機２１を介して回転伝達軸１２に伝えられ、受光部１３を回転駆動する。
【００４２】
図７は、本発明の第３の実施形態を説明する図である。以上の例では、測定システムを構成する受光部１３や回転伝達軸１２などがプラズマにさらされるように設置されている。このため、これらの部品から汚染物質などが放出されることが懸念される。
【００４３】
そこで図７に示すように、処理容器１の下部に収納部４８を設け、そこに受光部４５’を収納するようにした。受光部は、その不使用時に収納部４８に格納する。なお、モータ１０は上下動作部４７に接続されており、上下動作部４７は上下動ガイドシャフト４６を案内軸としてモータ１０及びそれに接続された回転伝達軸１２、受光部４５を上下に駆動することができる。測定システムを使用するときには上下動作部４７により受光部４５を所望の高さまで持ち上げ、そこでモータ１０により受光部４５を所望の方向にむけプラズマの発光を観測することができる。
【００４４】
図８は、本発明の第４の実施形態を説明する図である。この例においては、受光部１３は回転するだけでなく上下動作することも可能である。これにより、受光部１３をウエハ上の所望の高さ位置に移動させてその高さ位置でのラジカル発光分布を計測することができる。また、回転角度方向と高さ方向のスキャンを組み合わせることにより、処理容器内部全体のラジカル発光分布を計測することができる。
【００４５】
図８に示す例では、上下動および回転駆動するための機構は処理容器の側面に設置したサブチャンバ６０内に収める例を示した。
【００４６】
モータ７１の回転駆動力は回転伝達軸６８を介してサブチャンバ６０内に伝達され、駆動スチールベルト６５を介して回転プーリー６７を回転させ、回転プーリー６７と結合した回転伝達軸１２を通して受光部１３を回転させることができる。回転プーリー６７は支持アーム６６上に設置されており、支持アーム６６はアームガイド６４に結合されている。アームガイド６４は結合子７２により上下動ガイド６３と結合されており、上下動ガイド６３は上下動ガイドシャフト６１と回転シャフト６２を案内として上下に動くことができる。上下動作部７０が上下動伝達軸６９を通して上下動ガイド６３を上下に移動させ、この動作により受光部１３が上下に移動する。したがって、図８に示す駆動系により受光部１３を所望の高さで、かつ所望の方向に向けることができる。
【００４７】
高さ方向の発光分布が計測できると、縦断面における分布も計算できるようになる。従って、異なる複数の高さ位置において前記のアーベル変換によってプラズマ発光の半径方向分布を計算し、各高さ位置での半径方向分布のデータから縦断面のプラズマ発光分布をプロットすることができる。また、処理容器内部全体のプラズマ発光分布を３次元的に表示することもできる。この機能の特殊な利用例としては、金属汚染源の特定などがある。 半導体デバイスの加工では、加工中にウエハが処理容器内のどこかから発生する金属に汚染されるとデバイス特性が悪化する。このためプラズマ処理装置では金属の汚染が発生したときに、処理容器内のどこから汚染源の金属が放出されるのかを調べる必要が生じる場合がある。例えば、アルミニウムＡｌは、Ａｌ自体でもアルミニウムの金属化合物ＡｌＣｌでも発光ピークをモニタすることができる。このため、金属あるいは金属化合物の処理容器内分布をモニタにより観測し、その強度が強いところを辿れば、金属汚染源を特定することができる。
【００４８】
図９は、本発明の第５の実施形態を説明する図である。図において図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）石英板３０’を取り除いた状態の正面図である。この図の例では、高さ方向における情報を複数の光学系を用いることによって取得する。このため、図９に示すように、受光部の高さ方向に複数の観測窓を設け、受光部を上下に駆動しなくとも複数の高さ位置におけるプラズマ光を観測できるようにする。
【００４９】
図９に示す例では、複数の光学系を細いホルダ３６内部に納めるために、反射ミラー３２、コリメーションレンズ３３、フェルール３４の光学系を交互に傾けて配置し、光ファイバ３５を配線して受光部を構成している。このように複数の光学系を用いる場合には、各光学系間に受光感度のばらつきがあるため、高さ位置の異なる光学系で検出した発光強度を比較する際には、前記受光感度のばらつきを補正する必要がある。なお、複数の光ファイバ３５で受けた光を別々の分光器で分光すると分光器の個体差の影響を受けるため、光スイッチ等を用いて一つの分光器を切り替えながら使用することが好ましい。
【００５０】
図１０は、本発明の第６の実施形態を説明する図であり、図１０（ａ）は受光部を近接して配置する例を示す図、図１０（ｂ）は受光部を離間して配置する例を示す図である。
【００５１】
以上の説明では、処理容器内に受光部が一箇所のみ設置する例について説明した。しかし、図１０に示すように複数箇所に受光部を設置することもできる。ラジカルの分布がほぼ軸対称であるときには一箇所の設置でアーベル変換を用いることによりラジカルの半径方向分布が計算できる。しかし、ラジカルの分布が強い非対称性を持つ場合には複数箇所からの観測結果を用いてコンピューテッドトモグラフィ（ＣＴ）の技術を適用し、非対称なラジカル分布を計算することができる。
【００５２】
図１０（ａ）では、受光部を５０、５１、５２の３箇所に比較的近接して配置する例を示した。ただし、ＣＴを適用するには各受光部間の距離は図１０（ｂ）に示すように、できるだけ離したほうが発光のノイズ等による誤差の影響を受けにくくなるので好ましい。しかしながら、プラズマの場合にはプラズマ自身の発光するプラズマ光をプラズマが遮る減衰率が非常に低いため、医療などで用いるＣＴスキャンのように全方位から観測する必要はない。このため、図１０（ａ）に示すように片側の複数箇所（５０，５１，５２）に設置した受光部でスキャンした観測データを組み合わせ、逆２次元フーリエ変換することによりラジカル分布を得ることができる。
【００５３】
以上の説明では、受光部で受けた光を９０度屈曲する例について説明した。しかし、屈曲させる角度は９０度でなくても良い。また、受光部を回転するための機構は上記以外の機構を用いて実施することができる。また、プラズマ光の分光に際しては、分光器を用いることなく、検出波長の異なるモノクロメータを用いて実施することもできる。また、受光部からの光伝達にイメージングファイバを用いることにより、プラズマの内部状態を監視することもできる。この際、イメージングファイバの視野方向を調整するために魚眼レンズなどを用いることもできる。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、視野角を絞った受光部を回転あるいは上下動させることにより観測窓の影響を受けることなく、処理容器内の任意箇所のプラズマ発光を測定できる。このため、特にアーベル変換に適したプラズマ発光の線積分データを測定することができ、また、プラズマ発光やそれを分光して得られるラジカル発光の空間分布を計測することができる。
【００５５】
また、処理容器に観測窓を設けることなく、処理容器内部の任意箇所のプラズマ発光を計測することができるため、特に処理容器内のプラズマ発光分布を計測しながらプラズマ処理条件を改良し、プラズマ処理の均一性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明する図である。
【図２】受光部１３を説明する図である。
【図３】受光部１３の詳細を説明する図である。
【図４】受光部１３の回転駆動により受光する範囲を説明する図である。
【図５】線積分値として観測される発光強度とアーベル変換により得られるラジカル発光強度の半径方向分布の例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態を説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を説明する図である。
【図８】本発明の第４の実施形態を説明する図である。
【図９】本発明の第５の実施形態を説明する図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態を説明する図であ。
【図１１】処理条件を調節して非対称なプラズマを生成し、これを左右別々にアーベル変換して分布を計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 処理容器
２ 電磁エネルギ印加手段
３ ガス供給管
４ 流量制御器
５ ガス導入器
６ 試料台
７ ウエハ
８ 圧力調整弁
９ ガス排気系
１０ モータ
１１ 回転フィードスルー
１２ 回転伝達軸
１３ 受光部
１４ 内部光ファイバ
１５ 光学フィードスルー
１６ 外部光ファイバ
１７ 分光器
１８ コンピュータ
２０ 回転駆動軸
２１ 回転方向変換機
３０，３０’ 石英板
３１ Ｏリング
３２ 反射ミラー
３３ コリメーションレンズ
３４ フェルール
３５ 光ファイバ
３６ ホルダ
３７ 押さえネジ
３８ 観測窓
４０ 観測方向
４１ 観測角
４５ 受光部（収納時）
４５’ 受光部（使用時）
４６ 上下動ガイドシャフト
４７ 上下動作部
４８ 収納部
５０、５１，５２ 受光部の位置
６０ サブチャンバ
６１ 上下動ガイドシャフト
６２ 回転シャフト
６３ 上下動ガイド
６４ アームガイド
６５ 駆動スチールベルト
６６ 支持アーム
６７ 回転プーリー
６８ 回転伝達軸
６９ 上下動伝達軸
７０ 上下動作部
７１ モータ
７２ 結合子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段とを備えたプラズマ処理装置におけるプラズマ発光を測定するプラズマ発光測定システムであって、
観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部と、
受光したプラズマ光を分光する分光器と、
該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータを備え、
前記受光部は、真空処理室内に回転可能に配置されその受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能に構成したことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項２】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段とを備えたプラズマ処理装置におけるプラズマ発光を測定するプラズマ発光測定システムであって、
透明な観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部と、
受光したプラズマ光を分光する分光器と、
該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータを備え、
前記受光部は、真空処理室内に回転可能に配置され、受光部に入射した光の進行方向を該受光部の回転軸に一致する方向に反射するミラー、該ミラーによる反射光を集光する集光レンズおよび集光した光を導出する光ファイバを備え、前記受光部の受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能に構成したことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項３】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部の受光方向は前記試料台の一方の周辺部から他方の周辺部までの範囲で調整可能であることを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項４】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記コンピュータは、プラズマ光の観測データをアーベル変換することによりラジカル発光の半径方向分布を演算することを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項５】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部は試料台の試料載置面と直交する方向に回転軸を有し、該回転軸を試料台の試料載置面と平行する回転軸により駆動する回転方向変換機を備えたことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項６】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部は試料台の試料載置面と直交する方向に回転軸を有し、該受光部は前記回転軸に沿って上下に駆動する駆動機構を備えたことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項７】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部は試料台の試料載置面と直交する方向に回転軸を有し、かつ前記回転軸に沿ってプラズマ発光を観測する複数の観測窓を備えたことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項８】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部を真空処理容器内のプラズマ生成部周辺に複数個備えたことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項９】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段とを備えたプラズマ処理装置であって、
観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部と、
受光したプラズマ光を分光する分光器と、
該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータを備え、
前記受光部は、真空処理室内に回転可能に配置されその受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能であり、かつ前記受光部を不使用時に格納する格納部を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段とを備えたプラズマ処理装置におけるプラズマ発光を測定するプラズマ発光測定システムであって、
観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部と、
受光したプラズマ光を分光する分光器と、
該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータを備え、
前記受光部は、真空処理室内に回転可能に配置されその受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能に構成したことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項２】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段とを備えたプラズマ処理装置におけるプラズマ発光を測定するプラズマ発光測定システムであって、
透明な観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部と、
受光したプラズマ光を分光する分光器と、
該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータを備え、
前記受光部は、真空処理室内に回転可能に配置され、受光部に入射した光の進行方向を該受光部の回転軸に一致する方向に反射するミラー、該ミラーによる反射光を集光する集光レンズおよび集光した光を導出する光ファイバを備え、前記受光部の受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能に構成したことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項３】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部の受光方向は前記試料台の一方の周辺部から他方の周辺部までの範囲で調整可能であることを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項４】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記コンピュータは、プラズマ光の観測データをアーベル変換することによりラジカル発光の半径方向分布を演算することを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項５】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部は試料台の試料載置面と直交する方向に回転軸を有し、該回転軸を試料台の試料載置面と平行する回転軸により駆動する回転方向変換機を備えたことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項６】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部は試料台の試料載置面と直交する方向に回転軸を有し、該受光部は前記回転軸に沿って上下に駆動する駆動機構を備えたことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項７】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部は試料台の試料載置面と直交する方向に回転軸を有し、かつ前記回転軸に沿ってプラズマ発光を観測する複数の観測窓を備えたことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項８】
請求項１または２記載のプラズマ発光測定システムにおいて、
前記受光部を真空処理容器内のプラズマ生成部周辺に複数個備えたことを特徴とするプラズマ発光測定システム。
【請求項９】
真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、試料を載置し前記処理室内に保持する試料台と、真空処理室に導入した処理ガスに電磁エネルギを印加してプラズマを生成する電磁エネルギ印加手段とを備えたプラズマ処理装置であって、
観測窓を有し該観測窓に入射するプラズマ光を受光する受光部と、
受光したプラズマ光を分光する分光器と、
該分光器の分光出力を蓄積または解析するコンピュータを備え、
前記受光部は、真空処理室内に回転可能に配置されその受光方向は少なくとも前記試料台の中心部からその一方の周辺部までの範囲で調整可能であり、かつ前記受光部を不使用時に格納する格納部を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−３１３８４７（Ｐ２００６−３１３８４７Ａ）
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１３６２４８（Ｐ２００５−１３６２４８）
【出願日】平成１７年５月９日（２００５．５．９）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月１６日（２００６．１１．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月９日（２００５．５．９）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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