JP3643540B2

JP3643540B2 - Plasma processing equipment

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Publication number: JP3643540B2
Application number: JP2001045757A
Authority: JP
Inventors: 建人臼井; 俊夫増田; 満末広; 寛兼清; 秀之山本; 主人高橋; 弘充榎並
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2021-02-21
Also published as: JP2001313285A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置及び試料の処理方法、特に半導体製造工程における微細なパターンを形成するのに好適なプラズマ処理装置及び試料の処理方法に係る。特に、処理室内のプラズマ発光やウエハなどの試料表面の薄膜の状態を計測する装置及び試料の処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造工程では、エッチング、成膜、アッシングなどの微細加工プロセスで、プラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理装置は、真空処理室（リアクタ）の内部に導入されたプロセスガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、半導体ウエハ表面で反応させて微細な孔や溝などの加工あるいは成膜などの処理を行うとともに、揮発性の反応生成物を排気することにより所定の処理を行うものである。
【０００３】
このプラズマ処理装置においては、処理中のプラズマからの発光を検出してエッチング処理の終点を検出したり、プラズマ発光のウエハ表面の薄膜における反射光や干渉信号などから膜厚やエッチング・成膜の速度（レート）をリアルタイムで測定してプラズマ処理の精度を向上させることが行われている。たとえば、特開平５−１３６０９８号公報には、平行平板型プラズマエッチング装置において、ウエハと対向する電極面に２つ以上のプラズマ受光センサーをもうけることで、ウエハ上の複数点のプラズマ発光強度からレートや膜厚の均一性や分布に関する情報を得てプラズマ密度を均一化させる方法が記載されている。
【０００４】
また、特開平３−１４８１１８号公報には、平行平板型プラズマエッチング装置において、レーザ光を上部平板電極を貫いて上方からウエハに照射して反射レーザ光からエッチング量を測定して終点を検出する装置について、上部電極の汚れを防止するための石英製の電極カバーのレーザ光が通過する部分にφ１０ mm程度の穴を形成することで、電極カバーが汚れてもレーザ光が減衰することなく正確にエッチング量を測定して、安定に終点検出を行う方法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の方法では、次のような課題があった。
まず、ウエハ表面の薄膜などの状態のモニタリングは、ウエハに対向する上方、あるいは４５度程度までの斜め上方から計測するのが望ましいが、こうした方法で計測が可能なプラズマ処理装置は方式や構造が限定されてしまう。たとえば、マイクロ波ＥＣＲ方式や誘導結合方式のプラズマ処理装置などでは、処理室内にマイクロ波を放射したり誘導電界を導入するために石英製の透明な窓や板をウエハの上方に設けることがあり、この場合にはウエハ表面の状態を上方から計測することができる。しかしながら、容量結合式のいわゆる平行平板型のプラズマ処理装置では、ウエハに対向する上部電極はアルミなどの導電性の金属であるため、ウエハ表面を直接透視できるような構造にはなっていない。このため、ウエハ表面を計測するには、特開平５−１３６０９８公報に記されたようにウエハと対向する電極面にプラズマ受光センサーをもうけることになる。しかしながら、実際には放電を重ねるにつれてプラズマ受光センサーには反応生成物が堆積していくので、長時間にわたって安定した計測を行うことは困難である。
【０００６】
この課題を解決しようとしたのが、特開平３−１４８１１８号公報に記された方法であり、プラズマに直接さらされる石英製の電極カバーのレーザ光が通過する計測部分にφ１０ mm程度の穴を形成することで、石英カバー表面に堆積膜が付着しても計測には影響を及ぼさないとしたものである。しかしながら、実際にはこの方法もまた、安定した計測は困難である。プラズマ処理に必要な所定のプラズマ密度を得るためには上部電極には数ｋＷもの大電力の高周波電力が印加されるので、上記公報に記されているようなφ１０ mm程度の穴を電極や電極カバーに形成すると、穴の部分で局部的な異常放電を引き起こしたり、穴の内部にプラズマが侵入したりして、上部電極や電極カバーが損傷を受けることになる。また、上部電極にはバイアスが印加されるので、電極カバーの穴をとおして上部電極がプラズマ中のイオンでスパッタされることになるが、上部電極はアルミなどの金属で形成されているために損傷したり異物発生の要因になったりするといった問題もある。
【０００７】
もちろん、ウエハに対向する上方からでなく、処理室の側壁から浅い角度をもたせてウエハ表面を計測することも原理的には可能ではある。しかしながら、特に酸化膜エッチング装置では、プロセスガスの過剰な解離を抑制したりプロセス再現性を向上させるために、試料と対向しておよそ数１０ mm程度の距離を隔てた位置にシリコンなどの平板を対向させて設置する対向平板型の構造をとることが多い。この場合、ウエハに対する計測の角度は現実的には１０度程度とならざるをえず、計測精度を十分にとることは困難である。このため、対向平板型のプラズマ処理装置においても、ウエハに対向する上方からウエハ表面の状態を計測できる方法が望まれていた。
【０００８】
また、先に、マイクロ波ＥＣＲ方式や誘導結合方式のプラズマ処理装置などで、ウエハ上方の石英製の透明窓からウエハ表面の計測が可能であると述べたが、実際には放電を重ねるごとに石英製の窓の表面に反応生成物が付着して透過率が低下したり、逆に表面がエッチングされてあれたりするために、やはり長期にわたる安定した計測は難しいという問題があり、実用的ではなかった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、真空処理室の外部から、試料面やプラズマの状態あるいは真空処理室の壁面の状態を精度よく、かつ異常放電や異物を発生させることなく、長期的に安定して計測できるようなプラズマ処理装置及び試料の処理方法を提供することを目的とする。他の目的は、処理の再現性や安定性を向上させたプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題について、実用性と信頼性の観点から検討を重ねた結果、次のような解決方法を見出すにいたった。
本発明は、真空容器内に配置された試料台と、前記試料台上に載置される試料に対向する位置に配置され前記真空容器内に生成されるプラズマに面するプレートと、このプレートに設けられた孔であって該孔を経て前記真空容器内にガスが流入する複数の貫通孔と、この貫通孔及び前記プレートの背面に配置され前記貫通孔を通過した前記試料からの光が透過する前記光伝送体と、この光伝送体を介して前記光を検出する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の他の特徴は、前記貫通孔の大きさを直径φ０.１ mm以上５ mm以下、望ましくは直径φ０.３ mm以上２ mm以下とすることにある。
【００１２】
本発明のさらに他の特徴は、前記貫通孔を複数個形成して、該貫通孔が形成された領域の全面積に対する該貫通孔の開口面積の総和を５％〜５０％とすることにある。
【００１３】
本発明のさらに他の特徴は、前記光伝送体として石英およびサファイアを用いたことにある。
本発明のさらに他の特徴は、前記試料からの光を計測して表面状態を反映する光学情報を検出する手段と、前記光学情報の変動に基づき、異物の発生状況を判定する手段とを備えたことにある。
本発明のさらに他の特徴は、真空処理室内に処理ガスを供給して、プラズマ発生装置によりプラズマを発生させ、当該プラズマにより試料台上に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記真空処理室内に配置される光学的反射体と、前記真空処理室の光学的反射体と対向する位置でかつ前記プラズマと接する位置の構造体に形成された、深さ／直径の比が５以上１００以内の、少なくとも１個以上の貫通孔と、当該貫通孔を介して前記光学的反射体の表面状態を反映する光学情報を計測する手段と、前記光学情報の変動に基づき、前記構造体の消耗状況を判定する手段とを備えたことにある。
本発明のさらに他の特徴は、真空容器内に配置された試料台上に試料を載置し、前記真空容器内に処理ガスを供給して前記試料に対向する位置に配置された電極から放射される電磁波により前記真空容器内にプラズマを発生させて前記試料を処理する試料の処理方法であって、前記電極に対してプラズマに面する側に開口を有し前記試料に対向する位置に配置され深さと径との比が５以上１００以下の貫通孔及び前記真空容器内であって前記貫通孔の背面にほぼ接して設置された光伝送体を介して、前記試料からの光を計測して前記試料の表面の状態を検出しながら、この試料の処理を行うことにある。
【００１４】
本発明によれば、長時間の放電を重ねても、光伝送体の端面に反応生成物が付着して光透過特性が低下することが抑制される。
【００１５】
また、貫通孔内や光伝送体の部分での異常放電の発生が抑えられる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を、有磁場ＵＨＦ帯電磁波放射放電方式のプラズマエッチング装置へ適用した実施例を示すもので、当該プラズマエッチング装置の断面模式図である。
【００１９】
図１において、処理室１００は、１０^ー6 Torr程度の真空度を達成可能な真空容器であり、その上部にプラズマ発生手段としての電磁波を放射するアンテナ１１０を、その下部にはウエハなどの試料Ｗを載置する下部電極１３０を、それぞれ備えている。アンテナ１１０と下部電極１３０は、平行して対向する形で設置される。処理室１００の周囲には、たとえば電磁コイルとヨークからなる磁場形成手段１０１が設置されており、所定の分布と強度をもつ磁場が形成される。そして、アンテナ１１０から放射される電磁波と磁場形成手段１０１で形成される磁場との相互作用により、処理室内部に導入された処理ガスをプラズマ化して、プラズマＰを発生させ、下部電極１３０上の試料Ｗを処理する。
【００２０】
処理室１００は、真空室１０３に接続された真空排気系１０４と圧力制御手段１０５により真空排気と圧力調整がなされて、内部の圧力がたとえば０.５ Pa以上４ Pa以下程度の所定の値に制御できる。処理室１００および真空室１０３は、アース電位となっている。処理室１００の側壁１０２は、図示しない温度制御手段により、たとえば５０ ℃程度に温調されている。
【００２１】
電磁波を放射するアンテナ１１０は、円板状導電体１１１、誘電体１１２、誘電体リング１１３からなり、真空容器の一部としてのハウジング１１４に保持される。また、円板状導電体１１１のプラズマに接する側の面には、構造体即ちプレート１１５が設置される。試料のエッチング、成膜等の処理を行なう処理ガスは、ガス供給手段１１６から所定の流量と混合比をもって供給され、円板状導電体１１１の内部で均一化されて、プレート１１５に設けられた多数の孔を通して処理室１００に供給される。円板状導電体１１１は図示しない温度制御手段により、たとえば３０℃に温調されている。アンテナ１１０には、アンテナ電源１２１、アンテナバイアス電源１２３およびマッチング回路・フィルタ系１２２、１２４、１２５からなるアンテナ電源系１２０が導入端子１２６を介して接続される。アンテナ電源１２１は、望ましくは３００ MHzから９００ MHzのUHF帯周波数の電力を供給して、アンテナ１１０からUHF帯の電磁波を放射する。
【００２２】
アンテナバイアス電源１２３は、円板状導電体１１１を介してプレート１１５に、たとえば１００ kHz程度あるいは数MHzから１０ MHz程度の周波数のバイアスを印加して、プレート１１５の表面での反応を制御する。特にCF系のガスを用いた酸化膜エッチングにおいては、プレート１１５の材質を高純度のシリコンやカーボンなどとすることで、プレート１１５の表面でのＦラジカルやCFxラジカルの反応を制御して、ラジカルの組成比を調整することが可能である。本実施例では、プレート１１５には高純度のシリコンを用いている。また円板状導電体１１１およびハウジングにはアルミ、誘電体１１２および誘電体リング１１３には石英を用いている。プレート１１５の下面とウエハＷの距離（以下、ギャップと呼ぶ）は、３０ mm以上１５０ mm以下、望ましくは５０ mm以上１２０ mm以下とする。本実施例では、アンテナ電源１２１は、４５０ MHz、アンテナバイアス電源１２２は１３.５６ MHzの周波数として、ギャップは７０ mmに設定している。
【００２３】
処理室１００の下部には、アンテナ１１０に対向して下部電極１３０が設けられている。下部電極１３０は、静電吸着装置１３１により、その上面すなわち試料載置面にウエハなどの試料Ｗを載置保持する。試料Ｗの外周部には、たとえば高純度のシリコンで形成された試料台リング１３２が絶縁体１３３の上に設置されている。下部電極１３０には、望ましくは４００ kHzから１３.５６ MHzの範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源１３４が、マッチング回路・フィルタ系１３５を介して接続されて、試料Ｗに印加するバイアスを制御する。本実施例では、バイアス電源１３４は周波数を８００ kHzとしている。
【００２４】
次に、本実施例の要部である、試料Ｗの表面の状態を計測するために設置された計測ポート１４０Ａ、１４０Ｂについて説明する。本実施例では、計測ポート１４０Ａ、１４０Ｂは試料Ｗに対向したアンテナ１１０に取り付けられており、後述するように、プレート１１５に形成された多数の貫通孔を通して、試料Ｗの表面の薄膜などの状態を垂直上方から計測できる。そして、計測ポート１４０Ｂを試料Ｗの外周部を計測する位置、計測ポート１４０Ａを試料Ｗの外周と中心の中間位置に設置することで、試料Ｗの表面の面内分布に関する情報を得るようにしている。もちろん、計測ポートの取り付けはここで説明したように外周部と中間部の２カ所に限られるものではなく、１カ所のみあるいは３カ所以上としてもよく、あるいはたとえば円周上に配列するなど別の配置にしてもよいことはいうまでもない。
【００２５】
計測ポート１４０Ａ、１４０Ｂには、たとえば光ファイバやレンズなどの光学伝送手段１５１Ａ、１５１Ｂが設けられており、プラズマＰからの直接光やあるいはプラズマＰのウエハＷ表面での反射光あるいは干渉光などのウエハＷの表面状態を反映する光学情報が、たとえばカメラや干渉薄膜計あるいは画像処理装置などからなる計測器１５２に伝送されて計測される。計測器１５２は、計測器制御・演算手段１５３により制御されるとともに、さらに上位のシステム制御手段１５４と接続される。システム制御手段１５４は、制御インタフェース１５５を介して、装置システムの状態をモニタや制御を行う。
【００２６】
本実施例によるプラズマエッチング装置は以上のように構成されており、このプラズマエッチング装置を用いて、たとえばシリコン酸化膜のエッチングを行う場合の具体的なプロセスは次の通りである。
【００２７】
まず、処理の対象物であるウエハＷは、図示していない試料搬入機構から処理室１００に搬入された後、下部電極１３０の上に載置・吸着され、必要に応じて下部電極の高さが調整されて所定のギャップに設定される。ついで、処理室１００内は真空排気系１０６により真空排気され、一方、試料Ｗのエッチング処理に必要なガス、たとえばC₄F₈とArとO₂が、ガス供給手段１１６から、所定の流量と混合比、たとえばAr ４００ sccm、C₄F₈ １５ sccm、O₂ ５ sccmをもって、アンテナ１１０のプレート１１５から処理室１００に供給される。同時に処理室１００の内部が所定の処理圧力、例えば２ Paになるように調整される。他方、磁場形成手段１０１により、アンテナ電源１２１の周波数の４５０ MHzに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度に相当する概略１６０ガウスのほぼ水平な磁場がプレート１１５の下方付近に形成される。そして、アンテナ電源１２１によりアンテナ１１０からUHF帯の電磁波が放射され、磁場との相互作用により処理室１００内にプラズマＰが生成される。このプラズマＰにより、処理ガスを解離させてイオン・ラジカルを発生させ、さらにアンテナ高周波電源１２３、バイアス電源１３４を制御して、ウェハＷにエッチング等の処理を行う。
【００２８】
各電源の投入電力は、たとえばアンテナ電源１２１は１０００ W、アンテナ高周波電源１２３は３００ W、バイアス電源１４１は８００ W程度である。そして、エッチング処理の終了にともない、電力および処理ガスの供給を停止してエッチングを終了する。
【００２９】
この処理中のプラズマ発光やウエハ表面状態を反映する光学情報が、計測ポート１４０Ａ、１４０Ｂを通して、光学伝送手段１５１Ａ、１５１Ｂにより伝送されて計測器１５２で計測がなされ、計測器制御・演算手段１５３で計測結果に基づいて演算処理がなされ、上位のシステム制御手段１５４に伝達されて、制御インタフェース１５５を介してプラズマ処理装置システムが制御される。
【００３０】
次に、計測ポート１４０について、その詳細な構造を図２から図４を用いて説明する。
【００３１】
図２は、図１の実施例において、アンテナ１１０に取り付けられた計測ポート１４０の部分を拡大した断面図である。すでに図１で説明したように、アンテナ１１０を形成する円板状導電体１１１および誘電体１１２はハウジング１１４に保持され、また円板状導電体１１１にはプレート１１５が設置される。プレート１１５には多数のガス流出孔１１５Ａが設けられており、円板状導電体１１１においてガス流出孔１１５Ａと一致する位置に設けられたガス流出孔１１１Ａを通して処理ガスを処理室１００の内部に供給する。プレート１１５に設けられたガス透過孔１１５Ａは、たとえば直径φ０.１ mmないしφ５ mm程度、望ましくは直径φ０.３ mmないし直径φ２ mm程度の貫通孔であり、円板状導電体１１１に設けられたガス透過孔１１１Ａは、孔１１５Ａと同等かそれ以上の大きさとして、たとえば直径φ０.５ mmないしφ５ mm程度、望ましくは直径φ２ mm程度としている。また、プレート１１５の厚みは３ mmないし２０ mm程度であり、本実施例では６ mmとしている。
【００３２】
さて、プレート１１５には、計測ポート１４０に相当する部分に、多数の貫通孔１１５Ｂが密集して形成されている。そして、プレート１１５の背面（プラズマＰと反対側の面）にほぼ接するように光伝送体１４１が設置され、ハウジング１１４に対して保持手段１４２とたとえばＯリングなどの真空封止手段１４３により真空シールされて取り付けられる。そして、光伝送体１４１の大気側の端面に、たとえば光ファイバやレンズなどの光学伝送手段１５１が設けられている。そして、プラズマＰからの直接光１４５ＰやプラズマＰの試料Ｗの表面からの反射光や干渉光１４５Ｗが、破線で示す光路１４４のように、プレート１１５の貫通孔１１５Ｂを通過し、光伝送体１４１を透過して光学伝送手段１５１に達し、さらに計測器１５２に伝送されて計測される。
後述するように、通孔１１５Ｂのアスペクト比は、およそ５以上１００以内とするのが良い。
【００３３】
本実施例では、光伝送体１４１は石英製の円柱状のロッドとしている。光伝送体１４１の直径はφ５ mmからφ３０ mm程度が好適であり、本実施例では直径はφ１０ mmとしている。貫通孔１１５Ｂは、ガス流出孔１１５Ａと同様に、たとえば直径φ０.１ mmないし直径φ５ mm程度、望ましくは直径φ０.３ mmないしφ２ mm程度の大きさであり、本実施例では直径はφ０.５ mmとしている。また貫通孔１１５Ｂは、計測感度を向上させるために複数個、好ましくは数１０個以上設けるのが望ましい。本実施例では、次に述べるように、約４０個の孔が配置されている。
【００３４】
図３に、貫通孔１１５Ｂの配置の一実施例を示す。本実施例では、貫通孔１１５Ｂは、お互いに等間隔で正三角形をなすように、ピッチ１.５ mm間隔で、光伝送体１４１の端面に対応する領域に約４０個の孔が配置されている。貫通孔１１５Ｂの直径はすでに述べたように本実施例ではφ０.５ mmとしているので、開口率（光伝送体１４１の端面の面積に対する貫通孔１１５Ｂの開口部の総和の割合）は約１０％（＝（０.５²(mm²)×４０(個)）/（１０²）(mm²)）程度となり、十分な計測感度をとることができる。もちろん貫通孔の配置は、図３に限られるものではなく、たとえば図４のように、お互いに直交するように配置してもよく、あるいは同心円状に配置するなど様々な配置が可能である。
【００３５】
なお、隣り合う貫通孔同士の間の幅をある程度あける（たとえば１ mm以上）必要があるので、貫通孔の直径が小さいほど開口率は減少する。たとえば、直径φ０.３ mmの孔を１.３ mmピッチ（開口部分の間の幅が１ mm）でφ１０ mmの領域に形成する場合には、開口率は約５％となる。開口率が１％程度でも計測は可能ではあるが、エッチングレートなどをin-situに計測するためには、開口率が少なくとも５％程度以上であることが望ましく、したがって計測感度の観点から貫通孔の直径はφ０.３ mm程度以上であることが望ましい。一方、後に述べるように、貫通孔１１５Ｂの直径は分子の平均自由行程よりも十分に小さく設定することが望ましく、また異常放電を誘起させないためにも、貫通孔の直径はφ０.１ mm以上φ５ mm程度以下として、さらに好適には直径φ０.３ mm以上２ mm程度以下とするのが望ましい。
【００３６】
また、貫通孔１１５Ｂの直径は、ガス流出孔１１５Ａと同一にしておけばプレート１１５の加工工程が増えることがなくコスト上昇を抑制できる利点があるが、もちろん孔径を必ずしも同一にする必要はなく、計測の感度や安定性などから最適な値に設定すればよい。また、貫通孔１１５Ｂの孔径はすべて同一とする必要もなく、たとえば外周側で孔径を大きくするなどとしてもよい。
【００３７】
また、光伝送体１４１は、「透明」であること、すなわち可視光領域全域に対して透過性を持つことは必ずしも必要ではなく、計測する波長領域で十分な透過率を有していればよい。たとえば可視光領域をはさんで２００ nmの紫外線領域から８００ nmの近赤外領域を計測するのであれば石英やサファイアが好適である。一方、赤外領域で計測するのであれば、シリコンやあるいは赤外領域で良好な透過特性が得られるZnSなどの光学材料を使用してもよい。さらに、光伝送体１４１の端面に、イオンスパッタに対する耐性を向上させたり反射率を低減したりするなどの目的で、たとえばサファイアのAl₂O₃などの薄膜を形成してもよい。
【００３８】
計測ポート１４０は上記のような構造となっている。このような構成とすることにより、計測ポート１４０の部分で、異常放電や異物が発生したり、あるいは透過率などの光学的な性能が低下したりすることがなく、長期的に安定した計測が可能となる。以下、その理由を説明する。
【００３９】
先に従来技術の課題として言及したように、上部電極にφ１０ mm程度の大きな穴を形成すると、穴の部分でホローカソードにより局部的な異常放電が発生したり、穴の内部にプラズマが侵入して損傷を与えたりする。これに対して本実施例では、貫通孔の直径をφ０.５ mm程度と小さく設定しているため、貫通孔の部分で異常放電が発生することはなく、またプラズマが貫通孔の内部に侵入することもない。本発明者らは、実験の結果、貫通孔１１５Ｂの直径をφ５ mm程度以下、より望ましくはφ２ mm程度以下とすることで上記のような異常が発生することなく計測が可能なことを確認した。また、光伝送体１４１が貫通孔１１５Ｂの背面にほぼ接するように設置されているので、貫通孔１１５Ｂと光伝送体１４１の間に異常放電をひきおこすような空間が存在せず、この部分でも異常放電は発生しない。
【００４０】
また、本実施例では、光伝送体１４１の端面に反応生成物が付着することがなく、放電時間を重ねても透過率が低下することがないので、長期的に安定した計測が行える。
【００４１】
これは、第一に、貫通孔１１５Ｂの直径は、分子の平均自由行程に比べて十分に小さい値に設定されていることによる。処理室内の動作圧力は０.５ Pa〜４ Pa程度であり、この場合の分子の平均自由行程λはおよそ５ mmないし３０ mm程度である（Ar分子、２５℃の場合）。これに対して、貫通孔１１５Ｂの直径D_hはφ０.５ mm程度であるので、分子の平均自由行程λとの比、すなわちD_h／λの値は、およそD_h／λ＝０.０２〜０.１である。このように貫通孔１１５Ｂの直径D_hを分子の平均自由行程λよりも十分に小さく設定しているので、プラズマＰ中のガス分子が貫通孔１１５Ｂの内部に侵入する確率は小さい。
【００４２】
第二に、貫通孔１１５Ｂは、本実施例では、直径がφ０.５ mmであるのに対して、プレートの厚みである奥行き方向の深さは６ mmに設定している。このようにアスペクト比（＝深さ／直径）が１０以上であり、孔が十分に深いので、ラジカルが貫通孔１１５Ｂを通過して光伝送体１４１の端面に付着する確率は十分小さくおさえられる。
ラジカルが光伝送体１４１の端面に付着する確率は、端面における貫通孔１１５Ｂ（穴径：Ｄ、長さ：Ｌ）を見込む立体角dΩに比例する。図５に、立体角dΩのアスペクト比（ＡＲ=Ｌ/Ｄ）依存性を示す。図より、立体角dΩはＡＲの２乗に反比例し、立体角dΩがアスペクト比５以上であれば、立体角dΩは平面における立体角πの１／１００以下であり、ラジカルが光伝送体１４１の端面に到達する確率は十分小さくなる。従って、光伝送体１４１の端面における汚れ防止効果を得るには、貫通孔１１５Ｂのアスペクト比をおよそ５以上１００以内とすればよい。
また、プレート１１５はプラズマにより加熱されて表面温度が１００ ℃以上となるので、貫通孔１１５Ｂの内部への反応生成物の付着確率は小さく、貫通孔１１５Ｂ内面に堆積物が付着・成長して貫通孔の実効的な透過面積が減少したりすることはない。
【００４３】
第三に、プレート１１５には数１０ Vないし数１００ V程度のバイアス電圧が印加されるので、プラズマ中のイオンが貫通孔１１５Ｂの奥行き方向に引き込まれることになる。このため、光伝送体１４１の端面には、数１０ eVから数１００ eV程度のエネルギーを持ったイオンが高い確率ではないが到達しうる。このため、光伝送体１４１の端面に反応生成物が付着したとしても、イオンのスパッタ効果によりすみやかに除去される。そして、光伝送体１４１を耐プラズマ性の高いたとえば石英やサファイアで構成することにより、光伝送体１４１の端面の損傷による光学的な性能の低下を十分に小さくできる。
【００４４】
これらの効果の総合的な結果として、光伝送体１４１は、端面に反応生成物が付着したり表面があれたりすることがなく、光透過特性が放電を重ねても一定に保たれるので、長期にわたって安定した計測が可能となる。
【００４５】
本発明者らは、上記の３つの要因について実験的な検討を重ねた結果、試料Ｗ表面の酸化膜に対してエッチング処理を行う場合について、本実施例で説明したように貫通孔の直径をφ０.５ mm、プレートの厚みを６ mmとすることで、異常放電が発生することなく、安定して計測が行えることを確認するに至った。図６は本実験で得られた信号波形の模式図である。エッチング処理の進行にともなって酸化膜表面および下地からの反射光による干渉状態が変化することによる干渉信号が得られており、この周期からエッチングレートがin-situに測定できる。
また、プラズマからの直接光であるプラズマ発光信号も同時に得られている。そして、エッチング処理の終点において、これらの干渉信号およびプラズマ発光信号が同時に変化しており、エッチング処理の終点における表面状態およびプラズマ組成の変化を検出できていることがわかる。これらの信号は、少なくとも放電数１０時間以上にわたって十分な精度で検出可能であり、さらにこの間の異物の発生も２０個以下（０.２μm以上）のレベルであり、安定して計測が行えることを確認した。
【００４６】
なお、図２からわかるように、光伝送体１４１は保持手段１４２と真空封止手段１４３のみにより固定と真空シールがなされているので、処理室の大気開放時には、保持手段１４２をはずせば容易に交換可能な構造となっている。このため、プロセス条件によって光伝送体１４１の端面に堆積物が徐々に付着したり、イオンでスパッタされて表面があれたりした場合には、プラズマ処理装置を大気開放してウエットクリーニングを行う際に、光伝送体１４１を交換することが容易に可能であり、ウエットクリーニング（全掃）の際のダウンタイムを最小限にすることができる。
【００４７】
次に、貫通孔１１５Ｂをとおした計測をおこなう検出光学系について、他の実施例を図７から図８を用いて説明する。図２の実施例においては、光学伝送手段１５１には光ファイバを用いており、光路１４４の途中のプラズマＰからの直接光１４５ＰやプラズマＰの試料Ｗ表面での反射光・干渉光１４５Ｗのすべてが光ファイバに入射して計測される。これは、特にエッチング処理の進行にともなってプラズマ中のラジカル組成が変化する場合にその変化を検出するのに好適な構成である。一方、試料Ｗの薄膜の厚さなどの表面状態の変化を敏感に検出するためには、プラズマＰからの直接光は計測にとってはノイズ成分となるので、計測系には検出されない方が望ましいこともある。この場合には、光学系にはレンズなどを用いた結像光学系を用いるのが好適である。
【００４８】
図７は、このような光学系の一実施例を示したものである。本実施例では光学伝送手段１５１に結像手段としてのレンズ１５１Ａを用いており、試料Ｗ表面からの光学情報をたとえばカメラや画像処理装置などの計測器１５２の検出素子部１５２Ａに結像させている。検出素子１５２Ａの直前にしぼりやピンホールなどの空間フィルタ１５２Ｂを配置することで、プラズマＰからの直接光１４５Ｐを遮断して試料Ｗの表面からの光学情報１４５Ｗのみを検出素子１５２Ａに伝送できるので、試料Ｗの表面状態に対する検出・計測の感度を向上させることができる。
【００４９】
本実施例においては、光学系の途中に貫通孔１１５Ｂがあるので、光路がさえぎられて試料Ｗ表面の計測が困難であるように思われるかもしれない。しかしながら、貫通孔１１５Ｂのアスペクト比（＝深さ／直径）を試料Ｗ表面からの光の拡がりとの関係で適正な値に設定することで、貫通孔１１５Ｂが光路を遮断することなく計測が可能となる。
【００５０】
これを、図８を用いてより詳しく説明する。図８は、図７の実施例において、計測および光学系に関する部分のみを抜き出した模式図である。図中の記号は次のとおりである。
【００５１】
D_h：貫通孔１１５Ｂの直径
L_h：貫通孔１１５Ｂの深さ
（プレート１１５の厚みに等しい）
L_g：試料Ｗとプレート１１５の距離
（図１の実施例で説明したギャップに相当する）
L_z：試料Ｗから結像手段１５１Ａまでの距離
（L_z−L_gが図１の実施例で説明したアンテナ部分の厚みに相当する）
D_z：結像手段（本実施例ではレンズ）１５１Ａの有効径
（光伝送体１４１の直径D_rにほぼ等しい）
そして、本実施例におけるおのおのの実際の値は、すでに述べたように、
D_h＝φ０.５ mm、L_h＝６ mm、L_g＝７０ mm、D_r＝D_z＝φ１０ mm、
としている。また、アンテナ部分の厚みはL_z−L_g＝８０ mmであるので、
L_z＝１５０ mm
となっている。
【００５２】
ここで、試料Ｗ表面からの拡がり角θは、結像手段１５１Ａの試料Ｗからの距離Lzと有効径Dzとの比Lz/Dzをもとにθz＝tan-１（(Dz/２) / Lz）で示される。本実施例の場合はθh＝１.９°となる。試料Ｗ表面からの光の拡がり角に相当するL_z／D_zは１５程度であり、これに対して貫通孔１１５Ｂのアスペクト比L_h／D_hにもとづく見込み角θhをθh ＝tan-１（(Dh/２) / Lh）で定義するとθz＝２.３°とθh＝よりもやや小さい値となっている。このように、試料Ｗ表面からの光の拡がり角θhを貫通孔１１５Ｂの見込み角θzよりもやや小さく設定することで、試料Ｗ表面からの光は貫通孔１１５Ｂで遮られることなく、結像手段１５１Ａに到達して、検出素子１５２Ａに焦点を結ぶことになる。
【００５３】
図８には、このことを実験的に確認した様子を示している。試料Ｗの表面に数mm角の大きさの文字の像Img１を記しておく。そして、プラズマ処理中に試料Ｗ表面を観察したところ、検出素子１５２Ａ上に像Img１が光学的に伝送されて、計測器１５２の表示画面１５２Ｃに像Img２が表示された。この像Img２は、その外周部に貫通孔１１５Ｂによる「けられ」の影響がわずかに認められる（図８では同心円状の破線で表現している）ものの、もとの像Img１の情報を十分に保有しており、試料Ｗ表面の薄膜の状態を測定するのに十分な質を有していた。そして、プラズマＰにより試料Ｗ表面の酸化膜に対してエッチング処理を行ったところ、エッチング処理の進行にともなう酸化膜の厚さの変化に対応して、図６で示したものと同様に酸化膜表面および下地からの反射光による干渉信号が得られて、エッチングレートがin-situに測定できることが実験的に確認できた。
【００５４】
ところで、これまでの実施例では、光伝送体１４１に石英製の棒状体（ロッド）を用いていたが、これは一例であって、別の構成も可能であることはいうまでもない。他の実施例を、図９により説明する。図９は、光伝送体１４１として、棒状体（ロッド）の内部をくりぬいて中空として、そこに光学伝送手段１５１として光ファイバを挿入した構成としている。また、図９においては、円板状導電体１１１の、貫通孔１１５Ｂに相当する部分にガス導入部分１１１Ｂがもうけられている。このため、光伝送体１４１の端面に反応生成物が付着しやすいようなプロセス条件であっても、プロセスガスがガス導入部分１１１Ｂからも供給されるので、反応生成物の堆積を防止することができる。また図９においては、光伝送体１４１を透過する光路を短くできるので、光学情報の損失を低減できる効果もある。
次に、異物発生の原因となるサセプタ周りや処理室の側壁に堆積する反応生成物量の変動を検出する実施例を図１０を用いて説明する。ここで、図１と同一部品の説明は省略する。光が反射する反射体１６９Ａや１９６Ｂをサセプタをカバーする絶縁体１３３の側壁や１処理室の側壁１０２に設置し、その反射体と対向した位置に本発明の貫通孔を有する計測ポート１６０Ａや１６１Ａを設置し、反射体からの反射光あるいは干渉光の変動を光伝送手段１６１Ａや１６１Ｂを介し、光計測器１５２に伝送し計測する。計測器１５２は計測器制御・演算手段１６２により制御されるとともに、計測される反射光あるいは干渉光が大きく変動した場合、表示手段１６４により警告が発せられる。
本実施例によれば、異物の原因となるサセプタ周りや処理室の側壁に堆積した反応生成物が反射体より剥れると反射体からの光量が変化するので、その変動を検出することにより、異物発生の多発を防止する警告を出すことができる。この警告により、適切な全掃時期を決定し、装置運用時の異常を未然に防止することが可能となる。
次に、連続エッチング処理時の装置診断に関するプレート１１５の消耗を検出する実施例を図１１、１２を用いて説明する。
プレート１１５は、ウェハのエッチング処理時に、アンテナ電源１２１により高周波電力が印加されるため、エッチングされ消耗する。図１１はプレート１１５にあるガス流出孔１１５Ａ断面の処理時間依存性を示したものである。図に示すように、エッチング処理時間が長くなると、プレートの厚みが減ると共に、処理室側の穴径が広がる。更にエッチング処理を続行すると、ガス流出孔１１５Ａは厚さ約４．５ｍｍ、穴径約１．３ｍｍの貫通穴となる。このようなガス流出孔では、穴の面積がエッチング処理初期に比べ約１０．６倍増加しているために、エッチングガス供給状態が大きく変化したり、ガス流出孔内での異常放電を誘発したり、異物が発生したりする可能性が高くなり、連続エッチング処理に重大な損傷を引き起こす。
図１２に、連続処理実験時のガス流出孔形状より換算し予想した立体角ｄΩの変化を実線により示す。また、その時の発光量変動を●印により重ねて示す。図より、処理時間４００ｈｒ以内においては、立体角ｄΩは大きく変化しないが、処理時間５００ｈｒ以上になると、急激に増加する、また発光量の変化も同様の傾向を持っていることがわかる。このことより、処理時間が５００ｈｒ以上になると、連続エッチング処理に重大な損傷を引き起こす可能性が高くなっていることがわかる。
本実施例によれば、本発明の貫通孔を有する計測ポートより計測される発光量を監視することにより、プレート１１５の消耗を検知し、装置運用時の異常を未然に防止することが可能となる。
【００５５】
なお、前記の各実施例は、いずれも有磁場UHF帯電磁波放射放電方式のプラズマ処理装置の場合であったが、放射される電磁波はUHF帯以外にも、たとえば２.４５ GHzのマイクロ波や、あるいは数１０ MHzから３００ MHz程度までのVHF帯でもよい。また、磁場強度は、４５０ MHzに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度である１６０ガウスの場合について説明したが、必ずしも共鳴磁場を用いる必要はなく、これよりも強い磁場やあるいは数１０ガウス程度以上の弱い磁場を用いてもよい。さらに電磁波放射放電方式だけでなく、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置やマグネトロン型のプラズマ処理装置、あるいは誘導結合型のプラズマ処理装置にも、本発明が同様に適用できることはいうまでもない。
【００５６】
特に、下部電極に高周波を印加して上部にアース板を設けるタイプのプラズマ処理装置では、ウエハと対向する上板の構造が比較的簡便なので、本発明と同様な計測ポートを設けることが容易に可能である。また、上部電極に高周波を印加してプラズマを発生させるいわゆる平行平板型のプラズマ処理装置では、上部電極に数kWの大電力の高周波を印加するので上部電極に孔や空隙などをもうけると異常放電が発生しやすいが、本発明の構造によれば計測ポート部分で異常放電などが発生することがない。特にいわゆる狭電極型の平行平板プラズマ装置では、上下電極の間隙が小さいためにウエハ表面の情報や上下電極間のプラズマの情報を側方から得ることはきわめて困難であるので、本発明による利点は大きい。
【００５７】
一方、誘導結合（ICP）型のプラズマ処理装置では、天板に透明な石英を用いる場合にはウエハ表面の状態計測もある程度可能ではあるが、たとえばアルミナ製のドームやシリコンプレートなどを用いる場合には、本発明による計測ポートが適用できる。具体的には、たとえばアルミナ製のプレートに図３で示したような多数の密集した孔を形成してその裏面に真空シール用の石英板をもうけるといった構造が当業者であれば容易に設計できるであろう。ICP型のプラズマ処理装置では、プロセス特性や再現性を得るために天版をたとえば１５０℃以上の高温に温調する必要がある場合があるが、このような温度条件でも本発明が適用できることは言うまでもない。
【００５８】
また、前記の各実施例は、いずれも処理対象が半導体ウエハであり、これに対するエッチング処理の場合であったが、本発明はこれに限らず、例えば処理対象が液晶基板の場合にも適用でき、また処理自体もエッチングに限らず、たとえばスパッタリングやＣＶＤ処理に対しても適用可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料面やプラズマの状態あるいは真空処理室内の状態を精度良く、または長期的に安定して計測できるプラズマ処理装置及び試料の処理方法を提供できる。あるいは、処理の再現性や安定性を向上させたプラズマ処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である、プラズマエッチング装置の断面模式図である。
【図２】本発明の要部である、貫通孔部分の構造を示す図である。
【図３】本発明における貫通孔の配置の一実施例を示す図である。
【図４】本発明における貫通孔の配置の他の実施例を示す図である。
【図５】本発明における貫通孔の立体角に対するアスペクト比依存性を示す図である。
【図６】本実施例において実験的に得られた信号波形の模式図を示す図である。
【図７】本発明の他の実施例として、結像光学系を用いた例を説明する図である。
【図８】図６の実施例における作用を説明する図である。
【図９】本発明の他の実施例として、光伝送体に中空型の構造を用いた例を説明する図である。
【図１０】本発明の他の実施例として、反射体をサセプタや処理室側壁に設けることにより装置診断を行った例を説明する図である。
【図１１】本発明の他の実施例として、ガス供給プレートの消耗検知に関する装置診断を行った例を説明するガス流出孔の断面図である。
【図１２】図１１の実施例における発光変化と立体角変化を説明する図である。
【符号の説明】
１００…処理室、１０１…磁場形成手段、１０２…側壁、１０３…真空室、１１０…アンテナ、１３０…下部電極、１１５…プレート、１１５Ｂ…貫通孔、１４１…光伝送体、１５１…光学伝送手段、１５２…計測器、Ｗ…試料。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus and a sample processing method, and more particularly to a plasma processing apparatus and a sample processing method suitable for forming a fine pattern in a semiconductor manufacturing process. In particular, the present invention relates to an apparatus for measuring a state of a thin film on a surface of a sample such as plasma emission or a wafer in a processing chamber, and a sample processing method.
[0002]
[Prior art]
In semiconductor manufacturing processes, plasma processing apparatuses are widely used in microfabrication processes such as etching, film formation, and ashing. In the plasma processing apparatus, a process gas introduced into a vacuum processing chamber (reactor) is converted into plasma by a plasma generating means and reacted on the surface of a semiconductor wafer to perform processing such as processing of fine holes and grooves or film formation. At the same time, a predetermined treatment is performed by exhausting the volatile reaction product.
[0003]
In this plasma processing apparatus, the end point of the etching process is detected by detecting light emission from the plasma being processed, and the film thickness, etching and film formation are determined from the reflected light and interference signals on the thin film of the plasma light emitting wafer surface. The accuracy of plasma processing is improved by measuring the speed (rate) in real time. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 5-1336098, in a parallel plate type plasma etching apparatus, two or more plasma light receiving sensors are provided on an electrode surface facing a wafer, so that a rate is calculated from plasma emission intensities at a plurality of points on the wafer. And a method for obtaining a uniform plasma density by obtaining information on the uniformity and distribution of the film thickness.
[0004]
In Japanese Patent Laid-Open No. 3-148118, in a parallel plate type plasma etching apparatus, the end point is detected by measuring the etching amount from the reflected laser beam by irradiating the wafer with the laser beam from above through the upper plate electrode. By forming a hole of about φ10 mm in the part of the electrode cover made of quartz to prevent the upper electrode from being contaminated, the laser beam is not attenuated even if the electrode cover is dirty. Describes a method for stably detecting the end point by measuring the etching amount.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above method has the following problems.
First of all, it is desirable to monitor the state of the thin film on the wafer surface from the upper side facing the wafer or from an oblique upper side up to about 45 degrees. However, a plasma processing apparatus capable of measuring by this method has a method and structure. It will be limited. For example, in a microwave ECR system or inductively coupled plasma processing apparatus, a quartz transparent window or plate may be provided above the wafer in order to radiate microwaves or introduce an induced electric field into the processing chamber. In this case, the state of the wafer surface can be measured from above. However, in the so-called parallel plate type plasma processing apparatus of the capacitive coupling type, since the upper electrode facing the wafer is a conductive metal such as aluminum, the structure is not such that the wafer surface can be directly seen through. For this reason, in order to measure the wafer surface, a plasma light receiving sensor is provided on the electrode surface facing the wafer as described in JP-A-5-136098. However, in reality, reaction products accumulate on the plasma light receiving sensor as the discharge is repeated, and it is difficult to perform stable measurement over a long period of time.
[0006]
An attempt to solve this problem is the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 3-148118, in which a hole of about φ10 mm is formed in a measurement portion through which a laser beam of a quartz electrode cover directly exposed to plasma passes. By forming it, even if a deposited film adheres to the quartz cover surface, the measurement is not affected. However, in practice, this method is also difficult to measure stably. In order to obtain a predetermined plasma density required for plasma processing, high-frequency power of several kW is applied to the upper electrode. Therefore, a hole with a diameter of about 10 mm as described in the above publication is provided as an electrode or electrode. If it is formed on the cover, local abnormal discharge is caused in the hole portion, or plasma enters the inside of the hole, so that the upper electrode and the electrode cover are damaged. Also, since a bias is applied to the upper electrode, the upper electrode is sputtered with ions in the plasma through the hole in the electrode cover, but the upper electrode is made of metal such as aluminum. There are also problems such as damage and the occurrence of foreign matter.
[0007]
Of course, it is possible in principle to measure the wafer surface not from above the wafer, but at a shallow angle from the side wall of the processing chamber. However, particularly in an oxide film etching apparatus, in order to suppress excessive dissociation of the process gas and improve process reproducibility, a flat plate made of silicon or the like is placed at a position facing the sample at a distance of about several tens of millimeters. In many cases, it has a structure of an opposed flat plate that is installed facing each other. In this case, the measurement angle with respect to the wafer must be practically about 10 degrees, and it is difficult to obtain sufficient measurement accuracy. For this reason, there has been a demand for a method that can measure the state of the wafer surface from above, which faces the wafer, even in the opposed flat plate type plasma processing apparatus.
[0008]
In addition, it was mentioned earlier that it is possible to measure the wafer surface from a quartz transparent window above the wafer using a microwave ECR system or an inductively coupled plasma processing apparatus. Since the reaction product adheres to the surface of the quartz window and the transmittance decreases, or the surface is etched, there is still a problem that stable measurement over a long period of time is difficult. There wasn't.
[0009]
  The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and generates abnormal discharge and foreign matter from the outside of the vacuum processing chamber with high accuracy in the state of the sample surface, plasma, or wall surface of the vacuum processing chamber. It is an object of the present invention to provide a plasma processing apparatus and a sample processing method that can be measured stably over a long period of time.Another object is to provide a plasma processing apparatus with improved process reproducibility and stability.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  As a result of repeated studies on the above problems from the viewpoints of practicality and reliability, the present inventors have found the following solution.
  The present inventionA sample stage arranged in the vacuum vessel, a plate facing the plasma generated in the vacuum vessel arranged at a position facing the sample placed on the sample stage, and a hole provided in the plate A plurality of through holes through which the gas flows into the vacuum vessel through the holes, and the light transmission through which light from the sample that is disposed on the back surface of the through holes and the plate and passes through the through holes is transmitted. Body and means for detecting the light through the optical transmission bodyIt is characterized by comprising.
[0011]
Another feature of the present invention is that the size of the through-hole is set to a diameter of 0.1 mm to 5 mm, preferably a diameter of 0.3 mm to 2 mm.
[0012]
Still another feature of the present invention resides in that a plurality of the through holes are formed, and the total opening area of the through holes with respect to the total area of the region where the through holes are formed is 5% to 50%. .
[0013]
Still another feature of the present invention is that quartz and sapphire are used as the optical transmission body.is there.
Yet another feature of the present invention is:Means for measuring light from the sample and detecting optical information reflecting the surface state;Means for determining the occurrence of foreign matter based on the variation of the optical information.
Still another feature of the present invention is a plasma processing apparatus for supplying a processing gas into a vacuum processing chamber, generating plasma by a plasma generator, and plasma processing a sample placed on a sample stage by the plasma. A depth / diameter ratio of 5 is formed in the optical reflector disposed in the vacuum processing chamber and the structure at a position facing the optical reflector in the vacuum processing chamber and in contact with the plasma. Based on at least one or more through holes within 100 or more, means for measuring optical information reflecting the surface state of the optical reflector through the through holes, and the structure based on fluctuations in the optical information And a means for determining the state of wear of the device.
Yet another feature of the present invention is:A sample is placed on a sample stage disposed in a vacuum vessel, and the vacuum vesselSupply the processing gas insideAn electromagnetic wave radiated from an electrode disposed at a position facing the sample enters the vacuum container.Generate plasmaLet the sampleSample processing methodA through hole having an opening on the side facing the plasma with respect to the electrode and facing the sample and having a depth to diameter ratio of 5 to 100 and the vacuum vessel The light from the sample is measured through an optical transmission body installed almost in contact with the back surface of the through hole, and the surface of the sample is measured.While detecting the condition,thisIt is to process the sample.
[0014]
According to the present inventionIfEven if the discharge is repeated for a long time, reaction products adhere to the end face of the optical transmission body and the light transmission characteristics deteriorate.Is suppressed.
[0015]
Also, the through holeInside or in the optical transmission partAbnormal dischargeofOccurrenceIs suppressed.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an embodiment in which the present invention is applied to a magnetic field UHF band electromagnetic wave radiation discharge type plasma etching apparatus, and is a schematic sectional view of the plasma etching apparatus.
[0019]
In FIG. 1, a processing chamber 100 has 10^-6 A vacuum vessel capable of achieving a degree of vacuum of about Torr, an antenna 110 that radiates electromagnetic waves as plasma generating means is provided on the upper part thereof, and a lower electrode 130 on which a sample W such as a wafer is placed is provided on the lower part thereof. ing. The antenna 110 and the lower electrode 130 are installed so as to face each other in parallel. Around the processing chamber 100, a magnetic field forming unit 101 including, for example, an electromagnetic coil and a yoke is installed, and a magnetic field having a predetermined distribution and strength is formed. Then, due to the interaction between the electromagnetic wave radiated from the antenna 110 and the magnetic field formed by the magnetic field forming means 101, the processing gas introduced into the processing chamber is turned into plasma to generate plasma P, and on the lower electrode 130. Sample W is processed.
[0020]
The processing chamber 100 is evacuated and pressure-adjusted by the evacuation system 104 and the pressure control means 105 connected to the vacuum chamber 103 so that the internal pressure becomes a predetermined value of, for example, about 0.5 Pa to 4 Pa. Can be controlled. The processing chamber 100 and the vacuum chamber 103 are at ground potential. The side wall 102 of the processing chamber 100 is adjusted to a temperature of, for example, about 50 ° C. by temperature control means (not shown).
[0021]
An antenna 110 that radiates electromagnetic waves includes a disk-shaped conductor 111, a dielectric 112, and a dielectric ring 113, and is held by a housing 114 as a part of a vacuum vessel. Further, a structure, that is, a plate 115 is provided on the surface of the disk-shaped conductor 111 on the side in contact with the plasma. A processing gas for performing processing such as etching and film formation of the sample is supplied from the gas supply means 116 at a predetermined flow rate and mixing ratio, and is uniformized inside the disc-shaped conductor 111 and provided on the plate 115. It is supplied to the processing chamber 100 through a large number of holes. The disk-shaped conductor 111 is temperature-controlled at 30 ° C., for example, by a temperature control means (not shown). The antenna 110 is connected to an antenna power supply system 120 including an antenna power supply 121, an antenna bias power supply 123, and matching circuit / filter systems 122, 124, and 125 via an introduction terminal 126. The antenna power supply 121 preferably supplies power of a UHF band frequency of 300 MHz to 900 MHz, and radiates UHF band electromagnetic waves from the antenna 110.
[0022]
The antenna bias power supply 123 controls the reaction on the surface of the plate 115 by applying a bias having a frequency of about 100 kHz or about several MHz to 10 MHz to the plate 115 via the disk-shaped conductor 111. In particular, in oxide film etching using a CF-based gas, the material of the plate 115 is made of high-purity silicon, carbon, or the like, so that the reaction of F radicals or CFx radicals on the surface of the plate 115 is controlled. It is possible to adjust the composition ratio. In this embodiment, the plate 115 is made of high purity silicon. Further, aluminum is used for the disk-shaped conductor 111 and the housing, and quartz is used for the dielectric 112 and the dielectric ring 113. The distance between the lower surface of the plate 115 and the wafer W (hereinafter referred to as a gap) is 30 mm to 150 mm, preferably 50 mm to 120 mm. In this embodiment, the antenna power source 121 has a frequency of 450 MHz, the antenna bias power source 122 has a frequency of 13.56 MHz, and the gap is set to 70 mm.
[0023]
A lower electrode 130 is provided below the processing chamber 100 so as to face the antenna 110. The lower electrode 130 mounts and holds a sample W such as a wafer on its upper surface, that is, the sample mounting surface, by the electrostatic chuck 131. On the outer periphery of the sample W, a sample stage ring 132 made of, for example, high-purity silicon is installed on the insulator 133. A bias power supply 134 for supplying a bias power preferably in the range of 400 kHz to 13.56 MHz is connected to the lower electrode 130 via a matching circuit / filter system 135 to control the bias applied to the sample W. . In the present embodiment, the bias power supply 134 has a frequency of 800 kHz.
[0024]
Next, the measurement ports 140A and 140B installed to measure the surface state of the sample W, which is a main part of the present embodiment, will be described. In this embodiment, the measurement ports 140A and 140B are attached to the antenna 110 facing the sample W. As will be described later, the state of the thin film on the surface of the sample W through a large number of through holes formed in the plate 115. Can be measured from vertically above. Then, the measurement port 140B is installed at a position where the outer periphery of the sample W is measured, and the measurement port 140A is installed at an intermediate position between the outer periphery and the center of the sample W, so that information on the in-plane distribution of the surface of the sample W is obtained. Yes. Of course, the mounting of the measurement port is not limited to the two locations of the outer peripheral portion and the intermediate portion as described here, but may be only one location or three or more locations, or another arrangement such as arranging on the circumference, for example. Needless to say, it may be arranged.
[0025]
The measurement ports 140A and 140B are provided with optical transmission means 151A and 151B such as optical fibers and lenses, for example, such as direct light from the plasma P or reflected light or interference light of the plasma P on the surface of the wafer W. Optical information reflecting the surface state of the wafer W is transmitted to and measured by a measuring instrument 152 composed of, for example, a camera, an interference thin film meter, or an image processing apparatus. The measuring instrument 152 is controlled by the measuring instrument control / calculation means 153 and is further connected to a higher-level system control means 154. The system control unit 154 monitors and controls the state of the apparatus system via the control interface 155.
[0026]
The plasma etching apparatus according to the present embodiment is configured as described above. A specific process in the case of etching a silicon oxide film, for example, using this plasma etching apparatus is as follows.
[0027]
First, a wafer W that is an object to be processed is loaded into the processing chamber 100 from a sample loading mechanism (not shown), and then placed and sucked on the lower electrode 130, and the height of the lower electrode is adjusted as necessary. Is adjusted and set to a predetermined gap. Next, the inside of the processing chamber 100 is evacuated by the evacuation system 106, while a gas necessary for etching the sample W, for example, C_FourF₈And Ar and O₂From the gas supply means 116, for example, Ar 400 sccm, C_FourF₈ 15 sccm, O₂ 5 sccm is supplied from the plate 115 of the antenna 110 to the processing chamber 100. At the same time, the inside of the processing chamber 100 is adjusted to a predetermined processing pressure, for example, 2 Pa. On the other hand, the magnetic field forming means 101 forms a substantially horizontal magnetic field of approximately 160 gauss corresponding to the electron cyclotron resonance magnetic field intensity with respect to the frequency of the antenna power supply 121 of 450 MHz near the lower portion of the plate 115. Then, an electromagnetic wave in the UHF band is radiated from the antenna 110 by the antenna power source 121, and plasma P is generated in the processing chamber 100 by interaction with the magnetic field. With this plasma P, the processing gas is dissociated to generate ions and radicals, and the antenna high frequency power supply 123 and bias power supply 134 are controlled to perform processing such as etching on the wafer W.
[0028]
For example, the antenna power supply 121 is about 1000 W, the antenna high-frequency power supply 123 is about 300 W, and the bias power supply 141 is about 800 W. Then, along with the end of the etching process, the supply of electric power and processing gas is stopped to end the etching.
[0029]
Optical information reflecting the plasma emission and the wafer surface state during processing is transmitted by the optical transmission means 151A and 151B through the measurement ports 140A and 140B and measured by the measuring instrument 152, and the measuring instrument control / calculating means 153 Arithmetic processing is performed based on the measurement result, and is transmitted to the host system control means 154 to control the plasma processing apparatus system via the control interface 155.
[0030]
Next, the detailed structure of the measurement port 140 will be described with reference to FIGS.
[0031]
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the measurement port 140 attached to the antenna 110 in the embodiment of FIG. As already described in FIG. 1, the disk-shaped conductor 111 and the dielectric 112 that form the antenna 110 are held by the housing 114, and the plate 115 is installed on the disk-shaped conductor 111. A large number of gas outflow holes 115A are provided in the plate 115, and a processing gas is supplied into the processing chamber 100 through the gas outflow holes 111A provided at positions corresponding to the gas outflow holes 115A in the disk-shaped conductor 111. To do. The gas perforation hole 115A provided in the plate 115 is a through hole having a diameter of about 0.1 mm to 5 mm, preferably about 0.3 mm to 2 mm, and is provided in the disk-shaped conductor 111. Further, the gas transmission hole 111A has a size equal to or larger than that of the hole 115A, for example, a diameter of about 0.5 mm to 5 mm, and preferably about a diameter of 2 mm. The thickness of the plate 115 is about 3 mm to 20 mm, and is 6 mm in this embodiment.
[0032]
In the plate 115, a large number of through holes 115B are formed densely in a portion corresponding to the measurement port 140. An optical transmission body 141 is installed so as to be substantially in contact with the back surface of the plate 115 (the surface opposite to the plasma P), and the housing 114 is vacuum-sealed by the holding means 142 and a vacuum sealing means 143 such as an O-ring. Attached. An optical transmission means 151 such as an optical fiber or a lens is provided on the end face of the optical transmission body 141 on the atmosphere side. Then, the direct light 145P from the plasma P, the reflected light from the surface of the sample W of the plasma P, and the interference light 145W pass through the through-hole 115B of the plate 115 as in the optical path 144 indicated by the broken line, and the optical transmission body 141 is transmitted. Is transmitted to the optical transmission means 151 and further transmitted to the measuring device 152 for measurement.
As will be described later, the aspect ratio of the through-hole 115B is preferably about 5 or more and 100 or less.
[0033]
In this embodiment, the optical transmission body 141 is a cylindrical rod made of quartz. The diameter of the optical transmission body 141 is preferably about 5 mm to 30 mm, and in this embodiment, the diameter is 10 mm. The through hole 115B has a diameter of, for example, about φ0.1 mm to φ5 mm, preferably about φ0.3 mm to φ2 mm, as in the gas outflow hole 115A. In this embodiment, the diameter is φ0. 5 mm. Further, it is desirable to provide a plurality of through holes 115B, preferably several tens or more in order to improve measurement sensitivity. In the present embodiment, as described below, about 40 holes are arranged.
[0034]
FIG. 3 shows an example of the arrangement of the through holes 115B. In the present embodiment, the through-holes 115B are arranged with approximately 40 holes in a region corresponding to the end face of the optical transmission body 141 at a pitch of 1.5 mm so as to form regular triangles at regular intervals. Yes. Since the diameter of the through hole 115B is φ0.5 mm in this embodiment as described above, the aperture ratio (the ratio of the sum of the openings of the through holes 115B to the area of the end face of the optical transmission body 141) is about 10%. (= (0.5²(mm²) X 40 (pieces)) / (10²) (Mm²)), And sufficient measurement sensitivity can be obtained. Of course, the arrangement of the through-holes is not limited to that shown in FIG. 3. For example, as shown in FIG. 4, they may be arranged so as to be orthogonal to each other, or various arrangements such as concentric arrangement are possible.
[0035]
In addition, since it is necessary to open a certain width between adjacent through holes (for example, 1 mm or more), the aperture ratio decreases as the diameter of the through hole decreases. For example, when holes with a diameter of 0.3 mm are formed in a region of φ10 mm with a pitch of 1.3 mm (width between opening portions is 1 mm), the aperture ratio is about 5%. Although it is possible to measure even with an aperture ratio of about 1%, in order to measure the etching rate in-situ, it is desirable that the aperture ratio is at least about 5%. The diameter is preferably about φ0.3 mm or more. On the other hand, as will be described later, it is desirable that the diameter of the through hole 115B is set to be sufficiently smaller than the mean free path of the molecule, and in order not to induce abnormal discharge, the diameter of the through hole is φ0.1 mm or more and φ5. The diameter is preferably about mm or less, more preferably about φ0.3 mm or more and about 2 mm or less.
[0036]
Further, if the diameter of the through-hole 115B is the same as that of the gas outflow hole 115A, there is an advantage that the processing steps of the plate 115 are not increased and the cost increase can be suppressed, but of course, the hole diameter is not necessarily the same, What is necessary is just to set to the optimal value from the sensitivity of measurement, stability, etc. Further, it is not necessary that all the through holes 115B have the same hole diameter, and for example, the hole diameter may be increased on the outer peripheral side.
[0037]
Further, the optical transmission body 141 is not necessarily required to be “transparent”, that is, to have transparency with respect to the entire visible light region, and may have sufficient transmittance in the wavelength region to be measured. . For example, quartz and sapphire are suitable if the near-infrared region of 800 nm is measured from the ultraviolet region of 200 nm across the visible light region. On the other hand, if measurement is performed in the infrared region, silicon or an optical material such as ZnS that can obtain good transmission characteristics in the infrared region may be used. Furthermore, for the purpose of improving the resistance to ion sputtering or reducing the reflectance on the end face of the optical transmission body 141, for example, Al of sapphire₂O_ThreeYou may form thin films, such as.
[0038]
The measurement port 140 has the above structure. By adopting such a configuration, the measurement port 140 does not cause abnormal discharge or foreign matter, or optical performance such as transmittance does not deteriorate, and stable measurement can be performed for a long time. It becomes possible. The reason will be described below.
[0039]
As mentioned above as a problem of the prior art, when a large hole of about φ10 mm is formed in the upper electrode, a local abnormal discharge is generated by the hollow cathode at the hole portion, or plasma penetrates into the hole. Damage it. In contrast, in this embodiment, the diameter of the through hole is set to be as small as about φ0.5 mm, so that no abnormal discharge occurs in the through hole portion, and plasma penetrates into the through hole. I don't have to. As a result of experiments, the present inventors have confirmed that measurement can be performed without causing the above-described abnormality by setting the diameter of the through-hole 115B to about φ5 mm or less, more preferably about φ2 mm or less. . Further, since the optical transmission body 141 is installed so as to be substantially in contact with the back surface of the through hole 115B, there is no space that causes abnormal discharge between the through hole 115B and the optical transmission body 141. There is no discharge.
[0040]
Further, in this embodiment, no reaction product adheres to the end face of the optical transmission body 141, and the transmittance does not decrease even if the discharge time is repeated, so that stable measurement can be performed over a long period.
[0041]
First, this is because the diameter of the through-hole 115B is set to a value sufficiently smaller than the mean free path of the molecule. The operating pressure in the processing chamber is about 0.5 Pa to 4 Pa, and the mean free path λ of the molecules in this case is about 5 mm to 30 mm (Ar molecule, at 25 ° C.). In contrast, the diameter D of the through-hole 115B_hIs about 0.5 mm, so the ratio to the mean free path λ of the molecule, ie D_hThe value of / λ is approximately D_h/Λ=0.02-0.1. Thus, the diameter D of the through hole 115B_hIs set to be sufficiently smaller than the mean free path λ of the molecules, the probability that the gas molecules in the plasma P enter the through holes 115B is small.
[0042]
Secondly, in the present embodiment, the through hole 115B has a diameter of φ0.5 mm, whereas the depth in the depth direction, which is the thickness of the plate, is set to 6 mm. Thus, since the aspect ratio (= depth / diameter) is 10 or more and the hole is sufficiently deep, the probability that radicals pass through the through-hole 115B and adhere to the end face of the optical transmission body 141 is sufficiently small.
The probability that radicals adhere to the end face of the optical transmission body 141 is proportional to the solid angle dΩ in which the through hole 115B (hole diameter: D, length: L) is expected in the end face. FIG. 5 shows the dependency of the solid angle dΩ on the aspect ratio (AR = L / D). From the figure, the solid angle dΩ is inversely proportional to the square of AR, and if the solid angle dΩ is an aspect ratio of 5 or more, the solid angle dΩ is 1/100 or less of the solid angle π in the plane, and the radical is the light transmitter 141. The probability of reaching the end face is sufficiently small. Therefore, in order to obtain a stain preventing effect on the end face of the optical transmission body 141, the aspect ratio of the through hole 115B may be set to about 5 or more and 100 or less.
In addition, since the plate 115 is heated by the plasma and has a surface temperature of 100 ° C. or higher, the reaction product has a low probability of attaching to the inside of the through hole 115B, and deposits adhere and grow on the inner surface of the through hole 115B. The effective transmission area of the holes is not reduced.
[0043]
Third, since a bias voltage of about several tens of volts to several hundreds of volts is applied to the plate 115, ions in the plasma are drawn in the depth direction of the through hole 115B. For this reason, ions having energy of about several tens of eV to several hundreds of eV can reach the end face of the optical transmission body 141 with a high probability. For this reason, even if the reaction product adheres to the end face of the optical transmission body 141, it is quickly removed by the ion sputtering effect. By configuring the optical transmission body 141 with, for example, quartz or sapphire having high plasma resistance, it is possible to sufficiently reduce a decrease in optical performance due to damage to the end face of the optical transmission body 141.
[0044]
As a comprehensive result of these effects, the light transmission body 141 does not have reaction products attached to the end face or the surface thereof, and the light transmission characteristics are kept constant even after repeated discharges. Stable measurement is possible for a long time.
[0045]
As a result of repeated experimental studies on the above three factors, the inventors have made the diameter of the through-hole as described in the present embodiment for the case where the oxide film on the surface of the sample W is etched. By setting the diameter to 0.5 mm and the thickness of the plate to 6 mm, it has been confirmed that stable measurement can be performed without causing abnormal discharge. FIG. 6 is a schematic diagram of signal waveforms obtained in this experiment. As the etching process proceeds, an interference signal is obtained by changing the interference state due to the light reflected from the oxide film surface and the base, and the etching rate can be measured in-situ from this period.
In addition, a plasma emission signal that is direct light from plasma is also obtained. Then, it can be seen that at the end point of the etching process, the interference signal and the plasma emission signal are changed at the same time, and the change in the surface state and the plasma composition at the end point of the etching process can be detected. These signals can be detected with sufficient accuracy for at least 10 hours of discharge, and the generation of foreign matter during this period is at the level of 20 or less (0.2 μm or more), and can be measured stably. confirmed.
[0046]
As can be seen from FIG. 2, the optical transmission body 141 is fixed and vacuum-sealed only by the holding means 142 and the vacuum sealing means 143. Therefore, when the processing chamber is opened to the atmosphere, it is easy to remove the holding means 142. It has a replaceable structure. For this reason, when deposits gradually adhere to the end face of the optical transmission body 141 or are sputtered by ions depending on the process conditions, the plasma processing apparatus is opened to the atmosphere and wet cleaning is performed. The optical transmission body 141 can be easily replaced, and the downtime during wet cleaning (full sweep) can be minimized.
[0047]
Next, another embodiment of the detection optical system that performs measurement through the through hole 115B will be described with reference to FIGS. In the embodiment of FIG. 2, an optical fiber is used for the optical transmission means 151, and all of the direct light 145P from the plasma P in the optical path 144 and the reflected light / interference light 145W on the surface of the sample W of the plasma P are all. Is incident on the optical fiber and measured. This is a configuration suitable for detecting a change in the radical composition in the plasma, particularly as the etching process proceeds. On the other hand, in order to detect a change in the surface state such as the thickness of the thin film of the sample W sensitively, it is desirable that the direct light from the plasma P becomes a noise component for the measurement and therefore not be detected by the measurement system. There is also. In this case, it is preferable to use an imaging optical system using a lens or the like as the optical system.
[0048]
FIG. 7 shows an embodiment of such an optical system. In this embodiment, the optical transmission means 151 uses a lens 151A as an imaging means, and optical information from the surface of the sample W is imaged on, for example, a detection element portion 152A of a measuring instrument 152 such as a camera or an image processing apparatus. Yes. By arranging a spatial filter 152B such as a squeeze or pinhole immediately before the detection element 152A, the direct light 145P from the plasma P can be blocked and only the optical information 145W from the surface of the sample W can be transmitted to the detection element 152A. The sensitivity of detection and measurement with respect to the surface state of the sample W can be improved.
[0049]
In the present embodiment, since the through-hole 115B is provided in the middle of the optical system, it may seem that the optical path is blocked and it is difficult to measure the surface of the sample W. However, by setting the aspect ratio (= depth / diameter) of the through hole 115B to an appropriate value in relation to the spread of light from the surface of the sample W, measurement is possible without the through hole 115B blocking the optical path. It becomes.
[0050]
This will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic diagram in which only the part relating to the measurement and optical system is extracted from the embodiment of FIG. The symbols in the figure are as follows.
[0051]
D_h: Diameter of through-hole 115B
L_h: Depth of through-hole 115B
(Equal to the thickness of the plate 115)
L_g: Distance between sample W and plate 115
(Corresponding to the gap described in the embodiment of FIG. 1)
L_z: Distance from sample W to imaging means 151A
(L_z−L_g(This corresponds to the thickness of the antenna portion described in the embodiment of FIG. 1)
D_z: Effective diameter of imaging means (lens in this embodiment) 151A
(Diameter D of the optical transmission body 141_rIs almost equal to
And the actual value of each in this example, as already mentioned,
D_h= Φ0.5 mm, L_h= 6 mm, L_g= 70 mm, D_r= D_z= Φ10 mm,
It is said. The thickness of the antenna part is L_z−L_g= 80 mm
L_z= 150 mm
It has become.
[0052]
Here, the divergence angle θ from the surface of the sample W is determined based on the ratio Lz / Dz between the distance Lz from the sample W of the imaging means 151A and the effective diameter Dz to θz = tan-1 ((Dz / 2) / Lz). In this embodiment, θh = 1.9 °. L corresponding to the divergence angle of light from the surface of the sample W_z/ D_zIs about 15, and the aspect ratio L of the through hole 115B is_h/ D_hIf the prospective angle θh based on the above is defined by θh = tan−1 ((Dh / 2) / Lh), θz = 2.3 °, which is slightly smaller than θh =. Thus, by setting the light divergence angle θh from the surface of the sample W to be slightly smaller than the expected angle θz of the through-hole 115B, the light from the surface of the sample W is not blocked by the through-hole 115B, and the imaging means 151A is reached and the detection element 152A is focused.
[0053]
FIG. 8 shows a state in which this is confirmed experimentally. A character image Img1 having a size of several mm square is recorded on the surface of the sample W. Then, when the surface of the sample W was observed during the plasma processing, the image Img1 was optically transmitted on the detection element 152A, and the image Img2 was displayed on the display screen 152C of the measuring instrument 152. Although this image Img2 has a slight influence of “skipping” due to the through-hole 115B on its outer peripheral part (represented by a concentric broken line in FIG. 8), the information of the original image Img1 is sufficiently obtained. Possessed and had a quality sufficient to measure the state of the thin film on the surface of the sample W. Then, when the etching process was performed on the oxide film on the surface of the sample W by the plasma P, the oxide film similar to that shown in FIG. 6 corresponding to the change in the thickness of the oxide film as the etching process progressed. It was experimentally confirmed that an interference signal due to reflected light from the surface and the ground was obtained, and the etching rate could be measured in-situ.
[0054]
Incidentally, in the embodiments so far, a quartz rod-shaped body (rod) is used for the optical transmission body 141. However, this is only an example, and it is needless to say that other configurations are possible. Another embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a configuration in which a rod-shaped body (rod) is hollowed out as an optical transmission body 141 and an optical fiber is inserted therein as an optical transmission means 151. In FIG. 9, a gas introduction portion 111B is provided in a portion corresponding to the through hole 115B of the disk-shaped conductor 111. For this reason, even if the process condition is such that the reaction product easily adheres to the end face of the optical transmission body 141, the process gas is supplied also from the gas introduction part 111B, so that the deposition of the reaction product can be prevented. it can. In FIG. 9, since the optical path that passes through the optical transmission body 141 can be shortened, the loss of optical information can be reduced.
Next, an embodiment for detecting fluctuations in the amount of reaction product deposited around the susceptor and on the side wall of the processing chamber, which causes foreign matter, will be described with reference to FIG. Here, description of the same components as those in FIG. 1 is omitted. Reflectors 169A and 196B that reflect light are placed on the side wall of the insulator 133 that covers the susceptor and the side wall 102 of one processing chamber, and the measurement ports 160A and 161A having the through holes of the present invention at positions facing the reflector. , And the fluctuation of reflected light or interference light from the reflector is transmitted to the optical measuring device 152 via the optical transmission means 161A and 161B and measured. The measuring instrument 152 is controlled by the measuring instrument control / calculation means 162, and a warning is issued by the display means 164 when the reflected light or interference light to be measured fluctuates greatly.
According to the present embodiment, the amount of light from the reflector changes when the reaction product deposited around the susceptor and the side wall of the processing chamber causing the foreign matter is peeled off from the reflector. A warning that prevents frequent occurrence of foreign matter can be issued. By this warning, it is possible to determine an appropriate sweeping time and prevent an abnormality during operation of the apparatus.
Next, an embodiment for detecting the consumption of the plate 115 related to the apparatus diagnosis during the continuous etching process will be described with reference to FIGS.
The plate 115 is etched and consumed because high frequency power is applied by the antenna power supply 121 during the wafer etching process. FIG. 11 shows the processing time dependence of the cross section of the gas outflow hole 115A in the plate 115. As shown in the figure, when the etching processing time is increased, the thickness of the plate is reduced and the hole diameter on the processing chamber side is increased. When the etching process is further continued, the gas outflow hole 115A becomes a through hole having a thickness of about 4.5 mm and a hole diameter of about 1.3 mm. In such a gas outflow hole, the area of the hole is increased by about 10.6 times compared to the initial stage of the etching process, so that the etching gas supply state changes greatly or an abnormal discharge is induced in the gas outflow hole. Or foreign matter is generated, which causes serious damage to the continuous etching process.
In FIG. 12, the change of the solid angle dΩ predicted from the gas outflow hole shape in the continuous treatment experiment is shown by a solid line. In addition, fluctuations in the amount of light emission at that time are indicated by ● marks. From the figure, it can be seen that the solid angle dΩ does not change significantly within the processing time of 400 hours, but increases rapidly when the processing time is 500 hours or more, and the change in the light emission amount has the same tendency. From this, it can be seen that when the processing time is 500 hours or more, there is a high possibility of causing serious damage to the continuous etching process.
According to the present embodiment, by monitoring the light emission amount measured from the measurement port having the through hole of the present invention, it is possible to detect the consumption of the plate 115 and prevent an abnormality during operation of the apparatus. Become.
[0055]
Each of the above embodiments was a case of a magnetic processing UHF band electromagnetic wave radiation discharge type plasma processing apparatus, but the radiated electromagnetic wave is not limited to the UHF band, for example, a 2.45 GHz microwave or Alternatively, the VHF band from several tens of MHz to about 300 MHz may be used. In addition, the magnetic field strength has been described for the case of 160 gauss, which is the electron cyclotron resonance magnetic field strength for 450 MHz, but it is not always necessary to use the resonant magnetic field, and a stronger magnetic field or a weak magnetic field of about several tens of gauss or more is not necessary. It may be used. Furthermore, it goes without saying that the present invention can be applied not only to the electromagnetic wave radiation discharge method but also to a capacitively coupled parallel plate plasma processing apparatus, a magnetron type plasma processing apparatus, or an inductively coupled plasma processing apparatus.
[0056]
In particular, in a plasma processing apparatus of a type in which a high frequency is applied to the lower electrode and a ground plate is provided on the upper portion, the structure of the upper plate facing the wafer is relatively simple, so that it is easy to provide a measurement port similar to the present invention. Is possible. Also, in so-called parallel plate type plasma processing equipment that generates plasma by applying a high frequency to the upper electrode, a high power of several kW is applied to the upper electrode, so abnormal discharge occurs if holes or voids are made in the upper electrode. However, according to the structure of the present invention, abnormal discharge or the like does not occur in the measurement port portion. In particular, in a so-called narrow electrode type parallel plate plasma apparatus, since the gap between the upper and lower electrodes is small, it is very difficult to obtain information on the wafer surface and information on the plasma between the upper and lower electrodes from the side. large.
[0057]
On the other hand, in the inductively coupled (ICP) type plasma processing apparatus, when transparent quartz is used for the top plate, it is possible to measure the state of the wafer surface to some extent. For example, when using an alumina dome or silicon plate, etc. The measurement port according to the present invention can be applied. Specifically, for example, a person skilled in the art can easily design a structure in which a large number of dense holes as shown in FIG. 3 are formed in an alumina plate and a quartz plate for vacuum sealing is provided on the back surface thereof. Will. In an ICP type plasma processing apparatus, it may be necessary to adjust the temperature of the top plate to a high temperature of, for example, 150 ° C. or higher in order to obtain process characteristics and reproducibility. Needless to say.
[0058]
In each of the above embodiments, the object to be processed is a semiconductor wafer and the etching process is performed on the semiconductor wafer. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a case where the object to be processed is a liquid crystal substrate. Further, the process itself is not limited to etching, and can be applied to, for example, sputtering or CVD process.
[0059]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the state of the sample surface or plasmaOr the state in the vacuum processing chamberIt is possible to provide a plasma processing apparatus and a sample processing method that can measure the temperature accurately and stably over the long term.Alternatively, a plasma processing apparatus with improved process reproducibility and stability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a plasma etching apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a structure of a through-hole portion, which is a main part of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an example of arrangement of through holes in the present invention.
FIG. 4 is a view showing another embodiment of arrangement of through holes in the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the aspect ratio dependency on the solid angle of the through hole in the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a schematic diagram of signal waveforms experimentally obtained in this example.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example using an imaging optical system as another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining the operation in the embodiment of FIG. 6;
FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which a hollow structure is used for an optical transmission body as another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example in which apparatus diagnosis is performed by providing a reflector on a susceptor or a processing chamber side wall as another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a gas outflow hole for explaining an example in which an apparatus diagnosis relating to exhaustion detection of a gas supply plate is performed as another embodiment of the present invention.
12 is a diagram for explaining a light emission change and a solid angle change in the embodiment of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Processing chamber, 101 ... Magnetic field formation means, 102 ... Side wall, 103 ... Vacuum chamber, 110 ... Antenna, 130 ... Lower electrode, 115 ... Plate, 115B ... Through-hole, 141 ... Optical transmission body, 151 ... Optical transmission means, 152 ... Measuring instrument, W ... Sample.

Claims

A sample stage arranged in the vacuum vessel, a plate facing the plasma generated in the vacuum vessel arranged at a position facing the sample placed on the sample stage, and a hole provided in the plate a plurality of through-holes was gas into the vacuum vessel through the pores and flows in the optical transmission light from the sample that has passed through the through hole disposed on the back of the through hole and the plate passes A plasma processing apparatus comprising: a body; and means for detecting the light through the optical transmission body.

The plasma processing apparatus according to claim 1, further comprising the through-hole having a depth / diameter ratio of 5 to 100.

The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein a diameter of the through hole is set to 0.1 mm or more and 5 mm or less.

The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein light from the sample includes optical information that reflects a surface state of the sample.

The plasma according to any one of claims 1 to 4, wherein a plurality of the through holes are provided, and a total area of openings of the through holes is 5% to 50% of a total area of the through holes. Processing equipment.

6. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein quartz or sapphire is used as the optical transmission body.

7. The apparatus according to claim 1, further comprising: means for measuring light from the sample to detect optical information that reflects a surface state; and means for determining a generation state of a foreign substance based on a change in the optical information. The plasma processing apparatus according to 1.

The plasma processing apparatus according to claim 7, further comprising means for issuing a warning when light from the sample greatly fluctuates.

A plasma processing apparatus for supplying a processing gas into a vacuum processing chamber, generating plasma by a plasma generator, and plasma processing a sample placed on a sample stage by the plasma,
An optical reflector disposed in the vacuum processing chamber;
A plate disposed at a position facing the optical reflector and facing the plasma;
An outflow hole disposed in the plate through which gas flows into the vacuum processing chamber;
At least one through-hole disposed in the plate and having a depth to diameter ratio of 5 or more and 100 or less;
Means for measuring optical information reflecting the surface state of the optical reflector through the through hole;
Means for determining a state of deformation of the plate on the basis of fluctuations in the optical information.

The plasma processing apparatus according to claim 9, wherein the plate is made of silicon or carbon.