JP4833890B2

JP4833890B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ分布補正方法

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Publication number: JP4833890B2
Application number: JP2007061748A
Authority: JP
Inventors: 諭志田中; 地塩輿水; 学岩田; 直樹松本; 融伊藤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-03-12
Also published as: US8343306B2; JP2008227063A; US20090026170A1

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ分布補正方法に関し、特にフォーカスリングを有するプラズマ処理装置に関する。

プラズマを用いて基板としてのウエハにプラズマ処理を施すプラズマ処理装置は、ウエハを収容する収容室（チャンバ）と、チャンバ内に配されてウエハを載置する載置台と、載置台上においてウエハを囲むように配されるフォーカスリングとを備える。フォーカスリングはシリコンからなり、チャンバ内のプラズマ中のイオンをウエハ上に収束し、ウエハに施すプラズマ処理、例えば、エッチング処理の効率を向上させる。

また、図１１（Ａ）に示すように、フォーカスリング１１０は、該フォーカスリング１１０及びプラズマ１１１間の電位差をウエハＷ及びプラズマ１１１間の電位差と同じに保ち、これにより、ウエハＷ（又はフォーカスリング１１０）及びプラズマ１１１の間に形成されるシース１１２を水平に保つ。その結果、シース１１２を通過するイオン１１３は全てウエハＷに対してほぼ垂直に入射し、ウエハＷには全面に亘って垂直なトレンチやホールが形成される。

ところが、フォーカスリング１１０はシリコンからなるため、プラズマによって消耗し、該フォーカスリング１１０の上面がウエハＷの表面より下降することがある。このとき、フォーカスリング１１０の上面の下降に応じてフォーカスリング１１０の上面に対向するプラズマ１１１が移動（下降）し、結果として、シース１１２がウエハＷの周縁部近傍で歪むことがある（図１１（Ｂ）参照。）。歪んだシース１１２を通過したイオン１１３はウエハＷの周縁部に対して斜めに入射し、トレンチやホールが傾いて形成される。また、一部のイオン１１３がウエハＷに対して斜めに入射するため、ウエハＷの全面におけるイオン入射密度が一定でなくなり、その結果、ウエハＷの全面においてエッチレートが均一でなくなる。

そこで、従来から消耗したフォーカスリングを機械的に上昇させてシースの歪みの発生を防止するプラズマエッチング装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。この装置では、フォーカスリングの上面位置をレーザ光によって測定してフォーカスリングの消耗量を求め、該消耗量に基づいてフォーカスリングの上面位置を調整する。
特開２００６−１７３２２３号公報（図４）

しかしながら、上述した装置ではフォーカスリングの機械的な上昇のために、シャフトやモータを有する駆動部が必要となり、構成が複雑となる問題がある。また、フォーカスリングが移動する際、該フォーカスリングに付着したデポジットが移動の衝撃で剥離してパーティクルとなって飛散し、ウエハに付着するという問題もある。

本発明の目的は、シースが歪むのを防止できると共に、構成を簡素にすることができ、さらに、基板へのパーティクルの付着を防止することができるプラズマ処理装置及びプラズマ分布補正方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のプラズマ処理装置は、基板を収容する収容室と、該収容室内に配されて前記基板を載置する載置台と、該載置台において前記載置された基板の周縁を囲むように配される円環状部材と、前記載置台に高周波電力を供給する電力供給装置とを備え、前記収容室内に発生するプラズマを用いて前記基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記プラズマの分布を光学的に観測する観測装置と、前記円環状部材に直流電圧を印加する電圧印加装置と、前記観測されたプラズマの分布に基づいて、前記基板の周縁部近傍のシースの形状を制御するために前記円環状部材へ印加する直流電圧の値を設定するとともに、前記円環状部材への直流電圧の印加に応じて、当該円環状部材とは別の部材である前記載置台へ供給する高周波電力の値を変更する制御装置とを備えることを特徴とする。

請求項２記載のプラズマ処理装置は、請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記円環状部材へ負の前記直流電圧が印加される場合、前記制御装置は、前記観測されたプラズマの分布に基づいて前記載置台へ供給する前記高周波電力の値を小さくすることを特徴とする。

請求項３記載のプラズマ処理装置は、請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、前記制御装置は、前記円環状部材及び前記プラズマの間の電位差が大きくなるように前記印加する直流電圧の値を設定することを特徴とする。

請求項４記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記電力供給装置は給電棒を介して前記載置台に接続され、前記電圧印加装置は前記給電棒及び前記載置台を介して前記円環状部材に前記直流電圧を印加することを特徴とする。

請求項５記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記電圧印加装置は、前記円環状部材に接触する導線を有し、且つ該配線を介して前記円環状部材に前記直流電圧を印加することを特徴とする。

請求項６記載のプラズマ処理装置は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、前記観測装置はＣＣＤカメラであることを特徴とする。

上記目的を達成するために、請求項７記載のプラズマ分布補正方法は、基板を収容する収容室と、該収容室内に配されて前記基板を載置する載置台と、該載置台において前記載置された基板の周縁を囲むように配される円環状部材と、前記載置台に高周波電力を供給する電力供給装置とを備え、前記収容室内に発生するプラズマを用いて前記基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置におけるプラズマ分布補正方法であって、前記プラズマの分布を光学的に観測する観測ステップと、前記観測されたプラズマの分布に基づいて、前記基板の周縁部近傍のシースの形状を制御するために前記円環状部材に印加する直流電圧の値を設定するとともに、前記円環状部材への直流電圧の印加に応じて、当該円環状部材とは別の部材である前記載置台へ供給する高周波電力の値を変更する設定変更ステップとを有することを特徴とする。

請求項１記載のプラズマ処理装置及び請求項７記載のプラズマ分布補正方法によれば、収容室内に発生するプラズマの分布が光学的に観測され、該観測されたプラズマの分布に基づいて円環状部材に印加する直流電圧の値が設定され、円環状部材に直流電圧が印加される。円環状部材に直流電圧が印加されると、プラズマ及び円環状部材の間の電位差が変化し、円環状部材からプラズマ迄の間の距離が変化する。これにより、円環状部材の消耗に伴うプラズマの移動を防止することでき、シースが歪むのを防止することができる。また、円環状部材に直流電圧を印加するだけでシースが歪むのを防止することができるので、プラズマ処理装置の構成を簡素にすることができる。また、円環状部材を移動させる必要がないので、円環状部材からデポジットが剥離することがなく、その結果、基板へのパーティクルの付着を防止することができる。さらに、プラズマの分布が光学的に観測されるので、プラズマの分布を間接観測する場合に比べ、プラズマの分布状況をより正確に把握することでき、その結果、印加する直流電圧の値をより適切なものとすることができる。また、観測されたプラズマの分布に基づいて円環状部材に印加する直流電圧の値を設定するとともに、該円環状部材への直流電圧の印加に応じて載置台に供給する高周波電力の値が変更される。円環状部材に負の直流電圧が印加されると、プラズマが押し上げられて円環状部材及びプラズマの間の距離が大きくなる。これにより、円環状部材及びプラズマの間の容量（Ｃ）が小さくなり、円環状部材及びプラズマの間において高周波電流が通過しにくくなる。その結果、プラズマが基板に集中して、基板上のプラズマの密度が高くなり、特に、基板の中心部上におけるプラズマの密度が高くなり、基板の中心部におけるエッチレートが上昇するが、基板を載置する載置台に供給される高周波電力の値を変更することにより、基板の中心部上におけるプラズマの密度を低減することができ、もって、基板の中心部におけるエッチレートの上昇を防止することができる。

請求項３記載のプラズマ処理装置によれば、円環状部材及びプラズマの間の電位差が大きくなるように印加する直流電圧の値が設定される。プラズマ及び円環状部材の間の電位差が大きくなると、円環状部材からプラズマ迄の間の距離が大きくなり、プラズマが確実に押し上げられる。これにより、円環状部材の消耗に伴うプラズマの下降を確実に防止することでき、シースが歪むのを確実に防止することができる。

請求項４記載のプラズマ処理装置によれば、給電棒及び載置台を介して円環状部材に直流電圧が印加される。すなわち、電圧印加装置を給電棒に接続するだけで円環状部材に直流電圧を印加することができるので、プラズマ処理装置の構成をより簡素にすることができる。

請求項５記載のプラズマ処理装置によれば、導線を介して円環状部材に直流電圧が印加されるので、円環状部材に確実に直流電圧を印加することができる。また、プラズマ処理装置の他の構成部品に直流電圧が印加されることがないため、プラズマ処理に悪影響を及ぼす虞を無くすことができる。

請求項６記載のプラズマ処理装置によれば、観測装置はＣＣＤカメラであるので、プラズマの分布を確実に光学的に観測することができる。また、ＣＣＤカメラは容易に入手することができるので、観測装置を容易に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。

図１は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。このプラズマ処理装置は基板としての半導体ウエハにエッチング処理を施すように構成されている。

図１において、プラズマ処理装置１０は、例えば、直径が３００ｍｍの半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）Ｗを収容するチャンバ１１（収容室）を有し、該チャンバ１１内にはウエハＷを載置する静電チャック１２（載置台）が配置されている。静電チャック１２は或る直径を有する下部円板状部材の上に、該下部円板状部材より直径の小さい上部円板状部材を重ねた形状を呈する。なお、静電チャック１２はアルミニウムからなり、上部円板状部材の上面にはセラミック等が溶射されている。ウエハＷは静電チャック１２における上部円板状部材の上に載置される。静電チャック１２の側面は円筒状部材であるインシュレータ１３によって覆われる。

また、プラズマ処理装置１０では、インシュレータ１３及びチャンバ１１の内側壁によって静電チャック１２上方のガスをチャンバ１１の外へ排出する流路として機能する側方排気路１４が形成される。この側方排気路１４の途中には排気プレート１５が配置される。排気プレート１５は多数の孔を有する板状部材であり、側方排気路１４から下流へプラズマが漏れるのを防止する。また、排気プレート１５よりも下流には排気口（図示しない）を介してＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）やＤＰ（Dry Pump）（いずれも図示しない）が接続され、ＴＭＰ等はチャンバ１１内を高真空状態（例えば、１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下）まで減圧する。

静電チャック１２には下部高周波電源１６（電力供給装置）が下部整合器（Matcher）１７及び給電棒１８を介して接続されており、下部高周波電源１６は高周波電力を静電チャック１２に供給する。これにより、静電チャック１２は下部電極として機能する。また、下部整合器１７は、静電チャック１２からの高周波電力の反射を低減して高周波電力の静電チャック１２への供給効率を最大にする。なお、給電棒１８は静電チャック１２の中心部に接続されている。

また、静電チャック１２では、上部円板状部材に静電電極板１９が埋設されており、該静電電極板１９には吸着用直流電源２０が電気的に接続されている。静電電極板１９に正の高直流電圧が印加されると、ウエハＷにおける静電チャック１２側の面（以下、「裏面」という。）には負電位が発生して静電電極板１９及びウエハＷの裏面の間に電位差が生じる。該電位差はクーロン力又はジョンソン・ラーベック力を発生させ、ウエハＷはクーロン力等によって静電チャック１２における上部円板状部材の上において吸着保持される。

また、静電チャック１２の下部円板状部材の上面における上部円板状部材が重ねられていない部分１２ａには円環状のフォーカスリング２１（円環状部材）が配される。フォーカスリング２１は、例えば、シリコンからなり、静電チャック１２における上部円板状部材の上に吸着保持されたウエハＷの周りを囲う。フォーカスリング２１は、チャンバ１１内に発生するプラズマをウエハＷの表面に向けて収束し、エッチング処理の効率を向上させ、また、該フォーカスリング２１及びプラズマ間の電位差をウエハＷ及びプラズマ間の電位差と同じに保ち、これにより、ウエハＷ（又はフォーカスリング２１）及びプラズマの間に形成されるシースを水平に保つ。

チャンバ１１の天井部には、静電チャック１２と対向するようにガス導入シャワーヘッド２２が配置されている。ガス導入シャワーヘッド２２には上部整合器２３を介して上部高周波電源２４が接続されており、上部高周波電源２４は高周波電力をガス導入シャワーヘッド２２に供給するので、ガス導入シャワーヘッド２２は上部電極として機能する。なお、上部整合器２３の機能は上述した下部整合器１７の機能と同じである。

ガス導入シャワーヘッド２２は、多数のガス穴２５を有する天井電極板２６と、該天井電極板２６を着脱可能に支持する電極支持体２７とを有する。また、該電極支持体２７の内部にはバッファ室２８が設けられ、このバッファ室２８には処理ガス導入管２９が接続されている。ガス導入シャワーヘッド２２は、処理ガス導入管２９からバッファ室２８へ供給された処理ガスを、ガス穴２５を介してチャンバ１１内へ供給する。

このプラズマ処理装置１０のチャンバ１１内では、静電チャック１２及びガス導入シャワーヘッド２２に高周波電力を供給して、チャンバ１１内に高周波電圧を印加することにより、チャンバ１１内において処理ガスから高密度のプラズマを発生させ、該プラズマ中のイオン等によってウエハＷにエッチング処理を施す。

ところで、プラズマ処理装置１０では、ウエハＷのエッチング処理を繰り返すと、フォーカスリング２１が消耗する。本発明者はこの消耗したフォーカスリング２１に負の直流電圧を印加してウエハＷにエッチング処理を施し、該ウエハＷにおけるエッチレートを計測し、下記図２のグラフに示した。

図２は、消耗したフォーカスリングに直流電圧を印加した場合におけるエッチレートを示すグラフである。図２のグラフにおいて縦軸はエッチレートであり、横軸はウエハＷの中心からの距離である。また、グラフ中の「◆」はフォーカスリング２１に直流電圧を印加しなかった場合であり、グラフ中の「■」はフォーカスリング２１に−１３００Ｖの直流電圧を印加した場合であり、グラフ中の「▲」はフォーカスリング２１に−１５００Ｖの直流電圧を印加した場合である。なお、このとき用いられたフォーカスリング２１の消耗量は厚さ方向に関して１．２ｍｍであった。

図２のグラフに示すように、フォーカスリング２１に印加する直流電圧の値を変更すると、エッチレートが変動することが分かった。これにより、消耗したフォーカスリング２１に直流電圧を印加することによってエッチレートを制御できることが分かった。

また、印加する直流電圧の値を変更するとエッチレートが変動するのは、フォーカスリング２１に直流電圧を印加することにより、フォーカスリング２１及び該フォーカスリング２１の上面に対向するプラズマの間の電位差が変化し、該プラズマの位置が変動してシースの形状がウエハＷの周縁部近傍で変化するためであると推察された。

本発明者は、上記推察を立証するために、再度、消耗したフォーカスリング２１に負の直流電圧を印加してウエハＷにエッチング処理を施し、このときのプラズマをＣＣＤカメラ等によって観測した。このとき、本発明者は、図３に示すように、フォーカスリング２１の上面に対向するプラズマ３０が押し上げられて、消耗したフォーカスリング２１からプラズマ３０迄の距離が大きくなり、プラズマ３０下部の位置が同一高さとなったこと、すなわち、プラズマ３０の分布が均一となったことを確認した。すなわち、フォーカスリング２１に直流電圧を印加すると、フォーカスリング２１の上面に対向するプラズマ３０の位置が変動してシース３１の形状がウエハＷの周縁部近傍で変動することを確認した。また、シース３１の形状が変化した結果、シース３１の歪みが解消されることが分かった。

また、本発明者は、消耗したフォーカスリング２１に負の直流電圧を印加してウエハＷにエッチング処理を施したときに形成されたトレンチの傾きを計測したところ、印加する負の直流電圧の値を大きくすると、形成されたトレンチの傾きが解消し、トレンチの角度が９０度に近づくことを確認した。具体的には、消耗したフォーカスリング２１に直流電圧を印加しなかった場合では、形成されたトレンチの角度が８６．５度となり、同フォーカスリング２１に−１４７０Ｖの直流電圧を印加した場合では、形成されたトレンチの角度が８８．３度となり、同フォーカスリング２１に−１５７０Ｖの直流電圧を印加した場合では、形成されたトレンチの角度が８９．１度となることを確認した。これは、上述したように、フォーカスリング２１に負の直流電圧を印加するとシース３１の歪みが解消され、その結果、イオン３２がウエハＷの全面において垂直に入射したためと推察された。

また、本発明者は、図２のグラフに示すように、フォーカスリング２１に印加する負の直流電圧の絶対値を大きくすると、ウエハＷの周縁部におけるエッチレートに比してウエハＷの中心部におけるエッチレートが上昇することを確認した。これについて、本発明者は以下のメカニズムを推察した。

すなわち、フォーカスリング２１に負の直流電圧を印加することにより、フォーカスリング２１の上面に対向するプラズマ３０が押し上げられて、消耗したフォーカスリング２１からプラズマ迄の距離が大きくなる。距離が大きくなると、一般に、フォーカスリング２１及びプラズマの間の容量（Ｃ）が小さくなって高周波電流が通過しにくくなる。フォーカスリング２１上において高周波電流が通過しにくくなるとウエハＷ上に高周波電流は集中して流れ、これにより、ウエハＷ上のプラズマの密度が高まる。その結果、ウエハＷのエッチレート、特に、ウエハＷの中心部におけるエッチレートが上昇する。

図１に戻り、プラズマ処理装置１０は、フォーカスリング２１に負の直流電圧を印加するために、ローパスフィルタ３４を介して給電棒１８に接続されたフォーカスリング用直流電源３３（電圧印加装置）を備える。フォーカスリング用直流電源３３はローパスフィルタ３４、給電棒１８及び静電チャック１２を介してフォーカスリング２１に負の直流電圧を印加する。また、プラズマ処理装置１０では、フォーカスリング２１が複数の導通ねじ３５によって静電チャック１２に締結される。これにより、静電チャック１２及びフォーカスリング２１の導通が確保される。

さらに、プラズマ処理装置１０は、チャンバ１１の側壁に石英製のビューポート３６を備える。該ビューポート３６の配置高さは静電チャック１２に載置されたウエハＷの上方に発生するプラズマの発生位置の高さと同じである。また、ビューポート３６のチャンバ１１とは反対側において該ビューポート３６と対向するようにＣＣＤカメラ３７（観測装置）が配される。ＣＣＤカメラ３７はコンピュータ等からなるコントローラ３８（制御装置）に接続される。このコントローラ３８はフォーカスリング用直流電源３３に接続され、フォーカスリング用直流電源３３がフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値等を設定する。

プラズマ処理装置１０では、ＣＣＤカメラ３７がビューポート３６を介してチャンバ１１内におけるシースの厚さ分布（プラズマの分布）を光学的に観測し、該観測結果を電気信号に変換してコントローラ３８に送信する。電気信号を受信したコントローラ３８は、該電気信号に基づいてシースの厚さ分布が均一であるか否か、すなわち、シースが歪んでいるか否かを判別し、シースが歪んでいる場合（すなわち、フォーカスリング２１が消耗している場合）には、シースの歪み度合いに応じてフォーカスリング２１及びプラズマの間の電位差が大きくなるようにフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値を設定し、フォーカスリング用直流電源３３は該設定された値に対応する直流電圧をフォーカスリング２１に印加する。これにより、フォーカスリング２１及びプラズマの間の電位差が大きくなり、プラズマが押し上げられてシースの歪みが解消される。なお、プラズマ処理装置１０では、コントローラ３８がシースの歪み度合い及び印加する直流電圧の値の関係を示すデータベースを有し、該データベースを用いてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値をシースの歪みを解消するために適切な値に設定する。

また、上述したように、フォーカスリング２１に負の直流電圧を印加するとウエハＷの中心部におけるエッチレートが上昇するが、プラズマ処理装置１０では、これに対応して、ウエハＷの中心部上におけるプラズマの密度に基づいて静電チャック１２に供給される高周波電力の値を変更する。具体的には、ＣＣＤカメラ３７がビューポート３６を介してシースの厚さ分布を光学的に観測し、該観測結果を電気信号に変換してコントローラ３８に送信する。電気信号を受信したコントローラ３８は、該電気信号に基づいてウエハＷの中心部上におけるプラズマの密度を算出する。

コントローラ３８は算出したプラズマの密度に応じて下部高周波電源１６から静電チャック１２に供給される高周波電力の値を変更する。ここで、ウエハＷの中心部上におけるプラズマの密度が高い場合はウエハＷの中心部におけるエッチレートが大きい場合に該当する。本実施の形態では、コントローラ３８は、プラズマの密度が高い場合には、静電チャック１２に供給される高周波電力の値を小さくする。給電棒１８は静電チャック１２の中心部に接続されているため、静電チャック１２に供給される高周波電力の値が小さくなると、特に、静電チャック１２の中心部、すなわち、ウエハＷの中心部上における高周波電流が少なくなり、プラズマの密度も低くなる。これにより、ウエハＷの中心部におけるエッチレートの上昇を防止することができる。なお、プラズマ処理装置１０では、コントローラ３８がプラズマの密度及び供給する高周波電力の値の関係を示すデータベースを有し、該データベースを用いて静電チャック１２に供給する高周波電力の値をウエハＷの中心部におけるエッチレートの上昇を防止するのに適切な値に設定する。

次に、本実施の形態に係るプラズマ分布補正方法について説明する。

図４は、本実施の形態に係るプラズマ分布補正方法のフローチャートである。該プラズマ分布補正方法はプラズマ処理装置１０が実行する。

図４において、まず、ウエハＷが静電チャック１２に載置されてエッチング処理が施される際、ＣＣＤカメラ３７がチャンバ１１内に発生するシースの厚さ分布を光学的に観測し（ステップＳ４１）、コントローラ３８は該観測結果に基づいてプラズマの分布が均一であるか否かを判別する（ステップＳ４２）。

ステップＳ４２の判別の結果、プラズマの分布が均一である場合には本処理を終了し、プラズマの分布が均一でない場合には、コントローラ３８はプラズマ処理装置１０が備えるディスプレイパネル（図示しない）にプラズマの分布が均一でない旨の警告を表示し（ステップＳ４３）、シースの歪み度合いに応じてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値を設定し、フォーカスリング用直流電源３３は該設定された値に対応する直流電圧をフォーカスリング２１に印加する（ステップＳ４４）。

次いで、ＣＣＤカメラ３７がシースの厚さ分布を光学的に観測し、コントローラ３８は該観測結果に基づいてウエハＷの中心部上におけるプラズマの密度を算出し、さらに、該算出したプラズマの密度に応じて静電チャック１２に供給される高周波電力の値を変更する（ステップＳ４５）。

次いで、ＣＣＤカメラ３７がシースの厚さ分布を光学的に観測し（ステップＳ４６）、コントローラ３８は、観測結果に基づいてプラズマの分布が均一であるか否かを判別する（ステップＳ４７）。

ステップＳ４７の判別の結果、プラズマの分布が均一である場合には本処理を終了し、プラズマの分布が均一でない場合には、コントローラ３８はシースの歪み度合いに応じてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値等を変更し（ステップＳ４８）、ステップＳ４６に戻る。

本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０によれば、チャンバ１１内におけるシースの厚さ分布が光学的に観測され、観測されたシースの厚さ分布、すわなち、シースの歪み度合いに基づいてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値が設定され、フォーカスリング２１に設定された値に対応する直流電圧が印加される。フォーカスリング２１に負の直流電圧が印加されると、フォーカスリング２１及び該フォーカスリング２１の上面に対向するプラズマの間の電位差が変化し、フォーカスリング２１からプラズマ迄の間の距離が変化する。これにより、フォーカスリング２１の消耗に伴うプラズマの移動を防止することでき、シースが歪むのを防止することができる。また、フォーカスリング２１に直流電圧を印加するだけでシースが歪むのを防止することができるので、プラズマ処理装置１０の構成を簡素にすることができる。また、フォーカスリング２１を移動させる必要がないので、フォーカスリング２１からデポジットが剥離することがなく、その結果、ウエハＷへのパーティクルの付着を防止することができる。さらに、プラズマの分布がＣＣＤカメラ３７によって光学的に観測されるので、チャンバ１１内の圧力や温度を測定することによってプラズマの分布を間接観測する場合に比べ、プラズマの分布状況をより正確に把握することでき、その結果、印加する直流電圧の値をより適切なものとすることができる。

また、上述したプラズマ処理装置１０では、シースが歪んでいる場合に、フォーカスリング２１及びプラズマの間の電位差が大きくなるように印加する直流電圧の値が設定される。フォーカスリング２１及び該フォーカスリング２１の上面に対向するプラズマの間の電位差が大きくなると、フォーカスリング２１からプラズマ迄の間の距離が大きくなり、プラズマが確実に押し上げられる。これにより、フォーカスリング２１の消耗に伴うプラズマの下降を確実に防止することでき、シースが歪むのを確実に防止することができる。

また、上述したプラズマ処理装置１０では、フォーカスリング２１への直流電圧の印加の際、算出したウエハＷの中心部上におけるプラズマの密度に応じて静電チャック１２に供給される高周波電力の値が変更される。特に、プラズマの密度が高い場合には、高周波電力の値が小さくされる。これにより、ウエハＷの中心部上におけるプラズマの密度を低減することができ、もって、ウエハＷの中心部におけるエッチレートの上昇を防止することができる。

上述したプラズマ処理装置１０では、ローパスフィルタ３４、給電棒１８及び静電チャック１２を介してフォーカスリング２１に直流電圧が印加される。すなわち、フォーカスリング用直流電源３３を給電棒１８に接続するだけでフォーカスリング２１に直流電圧を印加することができるので、プラズマ処理装置１０の構成をより簡素にすることができる。

また、上述したプラズマ処理装置１０では、給電棒１８及び静電チャック１２を介してフォーカスリング２１に直流電圧が印加されたが、フォーカスリング２１への直流電圧印加方法はこれに限られない。例えば、図５に示すように、フォーカスリング用直流電源３３がローパスフィルタ３４を介して導線３９によってフォーカスリング２１に接続されてもよい。これにより、フォーカスリング２１に確実に直流電圧を印加することができる。また、導通ねじ３５を備える必要を無くすことができ、さらに、プラズマ処理装置１０の他の構成部品、具体的には、給電棒１８や静電チャック１２にフォーカスリング２１用の直流電圧が印加されることがないため、直流電圧がエッチング処理に悪影響を及ぼす虞を無くすことができる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。

本実施の形態は、その構成、作用が上述した第１の実施の形態と基本的に同じであり、フォーカスリングの消耗量を測定する点が異なるのみであるので、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。

図６は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。

図６において、プラズマ処理装置４０は、フォーカスリング消耗量測定装置４１を備える。フォーカスリング消耗量測定装置４１は、レーザ光として赤外線低コヒーレンス光（例えば、波長が１３００ｎｍのＳＬＤ）を照射するレーザ光発振器４２と、該レーザ光発振器４２と光ファイバ４３ａを介して接続される２×２カプラ４４と、該２×２カプラ４４と光ファイバ４３ｂを介して接続され、且つ静電チャック１２内においてフォーカスリング２１の下面と対向するように配されるコリメータ４５と、２×２カプラ４４と光ファイバ４３ｃを介して接続され、移動可能な参照ミラー４６と対向するように配されるコリメータ４７と、２×２カプラ４４と光ファイバ４３ｄを介して接続される検出器４８とを備える。また、光ファイバ４３ａ，４３ｄが２×２カプラ４４の一端に接続され、光ファイバ４３ｂ，４３ｃが２×２カプラ４４の他端に接続される。

フォーカスリング消耗量測定装置４１では、レーザ光発振器４２がレーザ光を出射し、２×２カプラ４４が該レーザ光をコリメータ４５，４７のそれぞれに伝達し、コリメータ４５は伝達されたレーザ光をフォーカスリング２１の下面に向けて照射し、コリメータ４７は伝達されたレーザ光を参照ミラー４６に向けて照射する。

コリメータ４５から照射されたレーザ光の一部はフォーカスリング２１の下面において反射し、レーザ光の残りはフォーカスリング２１内に進入して該フォーカスリング２１の上面において反射する。フォーカスリング２１の下面及び上面において反射されたレーザ光（反射レーザ光）はコリメータ４５に入射し、２×２カプラ４４へ伝達される。また、コリメータ４７から照射されたレーザ光は参照ミラー４６によって反射される。該反射されたレーザ光（反射レーザ光）はコリメータ４７に入射し、２×２カプラ４４へ伝達される。２×２カプラ４４に伝達された、各反射レーザ光は検出器４８に伝達される。

レーザ光発振器４２がレーザ光を出射する際、参照ミラー４６はコリメータ４７から照射されるレーザ光と平行に移動する。したがって、検出器４８に伝達される参照ミラー４６からの反射レーザ光の光路長は変化する。このとき、参照ミラー４６からの反射レーザ光の光路長がフォーカスリング２１からの反射レーザ光の光路長と一致すると干渉が発生し、検出器４８は干渉の発生を検知する。

フォーカスリング２１からの反射レーザ光は、フォーカスリング２１の下面において反射されたものと、同上面において反射されたものとが存在するため、干渉は２回発生する。各干渉はフォーカスリング２１の上面位置及び下面位置に対応するため、２回の干渉の間に参照ミラー４６が移動した距離が、フォーカスリング２１の上面及び下面の間の距離、すなわち、フォーカスリング２１の厚さに対応する。そして、上記参照ミラー４６の移動距離は大気中におけるレーザ光の光路長差に該当する一方、フォーカスリング２１の上面及び下面の間の距離はフォーカスリング２１内におけるレーザ光の光路長差に該当するため、上記参照ミラー４６の移動距離をフォーカスリング２１の屈折率で除することにより、フォーカスリング２１の厚さを算出することができる。なお、フォーカスリング消耗量測定装置４１のようにレーザ光として赤外線低コヒーレンス光を用いる消耗量測定装置は、フォーカスリングの消耗量を測定する際、単位時間あたり３μｍの消耗量を測定可能であり、非常に測定精度が高いことが本発明者等によって確認済みである。

プラズマ処理装置４０では、検出器４８がコンピュータ等からなるコントローラ４９（制御装置）に接続される。検出器４８は参照ミラー４６からの反射レーザ光及びフォーカスリング２１からの反射レーザ光の干渉を検知すると、そのタイミングをコントローラ４９に伝達する。コントローラ４９は伝達された各タイミングに基づいて参照ミラー４６の移動距離を算出し、さらに、フォーカスリング２１の屈折率に基づいてフォーカスリング２１の厚さ、引いてはフォーカスリング２１の消耗量を算出する。なお、フォーカスリング２１の屈折率はフォーカスリング２１の温度によって変化するため、コントローラ４９はフォーカスリング２１の温度及び屈折率の関係を示すデータベースを有し、該データベースを用いてフォーカスリング２１の消耗量を算出する。

また、コントローラ４９は、算出したフォーカスリング２１の消耗量に基づいてフォーカスリング２１及びプラズマの間の電位差が大きくなるようにフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値を設定し、フォーカスリング用直流電源３３は該設定された値に対応する直流電圧をフォーカスリング２１に印加する。これにより、フォーカスリング２１及びプラズマの間の電位差が大きくなり、プラズマが押し上げられてシースの歪みが解消される。なお、プラズマ処理装置４０では、コントローラ４９がフォーカスリング２１の消耗量及び印加する直流電圧の値の関係を示すデータベースを有し、該データベースを用いてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値をシースの歪みを解消するために適切な値に設定する。

また、上述したように、フォーカスリング２１に負の直流電圧を印加するとウエハＷの中心部におけるエッチレートが上昇するため、コントローラ４９は算出したフォーカスリング２１の消耗量に基づいて下部高周波電源１６から静電チャック１２に供給される高周波電力の値を変更する。これにより、ウエハＷの中心部におけるエッチレートの上昇を防止することができる。なお、プラズマ処理装置４０では、コントローラ４９がフォーカスリング２１の消耗量及び供給する高周波電力の値の関係を示すデータベースを有し、該データベースを用いて静電チャック１２に供給する高周波電力の値をウエハＷの中心部におけるエッチレートの上昇を防止するのに適切な値に設定する。

図７は、本実施の形態に係るプラズマ分布補正方法のフローチャートである。該プラズマ分布補正方法はプラズマ処理装置４０が実行する。

図７において、まず、チャンバ１１内に窒素ガス等を流入させて圧力を所定値まで上昇させる。このとき、図示しない温度調整機構によって温度が一定値に調整される静電チャック１２とフォーカスリング２１との間の熱伝達が窒素ガス等により改善され、フォーカスリング２１の温度も結果として一定値に調整される（ステップＳ７１）。

次いで、コントローラ４９が、フォーカスリング消耗量測定装置４１による反射レーザ光の測定結果及び一定に調整されたフォーカスリング２１の温度に基づいてフォーカスリング２１の厚さ（消耗量）を算出し（ステップＳ７２）、コントローラ４９が測定結果に基づいてフォーカスリング２１が消耗したか否かを判別する（ステップＳ７３）。

ステップＳ７３の判別の結果、フォーカスリング２１が消耗していない場合には本処理を終了し、フォーカスリング２１が消耗している場合には、コントローラ４９はプラズマ処理装置４０が備えるディスプレイパネル（図示しない）にフォーカスリング２１が消耗している旨の警告を表示し（ステップＳ７４）、算出したフォーカスリング２１の消耗量に基づいてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値を設定し（ステップＳ７５）、フォーカスリング用直流電源３３は該設定された値に対応する直流電圧をフォーカスリング２１に印加する（ステップＳ７６）。

次いで、コントローラ４９は算出したフォーカスリング２１の消耗量に基づいて下部高周波電源１６から静電チャック１２に供給される高周波電力の値を変更し（ステップＳ７７）、本処理を終了する。

本実施の形態に係るプラズマ処理装置４０によれば、フォーカスリング２１からの反射レーザ光に基づいてフォーカスリング２１の消耗量が算出され、該算出されたフォーカスリング２１の消耗量に基づいてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値が設定され、フォーカスリング２１に設定された値に対応する直流電圧が印加される。これにより、シースが歪むのを防止することができる。また、反射レーザ光に基づいてフォーカスリング２１の消耗量が算出されるので、消耗量測定のためにプローブをフォーカスリング２１に接触させる必要がない、すなわち、プローブをチャンバ１１内に進入させるためにプラズマ処理装置４０の運転を停止する必要を無くすことができ、もって、プラズマ処理装置４０の稼働率を向上することができる。

上述したプラズマ処理装置４０では、フォーカスリング２１の消耗量の算出に先だって、フォーカスリング２１の温度が一定値に制御される。反射レーザ光に基づいてフォーカスリング２１の消耗量を算出する場合、フォーカスリング２１における反射レーザ光の光路長差に基づいて消耗量が算出されるが、この光路長差はフォーカスリング２１の温度に応じて変化する。したがって、フォーカスリング２１の温度を一定値に調整することにより、フォーカスリング２１における反射レーザ光の光路長差を特定することができ、もって、フォーカスリング２１の消耗量を正確に算出することができる。

なお、上述したプラズマ処理装置４０では、フォーカスリング２１の下面に向けてレーザ光が照射されたが、フォーカスリング２１の上面に向けてレーザ光を照射してもよく、この場合、レーザ光はシャワーヘッド２２側から照射されてもよく、また、チャンバ１１の側壁側から照射され、プリズム等によってフォーカスリング２１へ進行方向が曲げられてもよい。

次に、本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置について説明する。

本実施の形態は、その構成、作用が上述した第１の実施の形態と基本的に同じであり、フォーカスリングの消耗量を推定する点が異なるのみであるので、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。

図８は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。

図８において、プラズマ処理装置５０は、チャンバ１１の側壁に設けられたセンサ５１と、該センサ５１に接続されたコントローラ５２（制御装置）とを備える。センサ５１はチャンバ１１内の圧力や温度（プラズマ処理の条件）を計測し、該計測結果をコントローラ５２に送信する。

コントローラ５２は下部高周波電源１６にも接続され、静電チャック１２への高周波電力の供給値や供給時間（プラズマ処理の実行時間）をモニタする。また、コントローラ５２は高周波電力の供給時間及びフォーカスリング２１の厚さの関係を示すデータベース（図９（Ａ））や、高周波電力の供給値及びフォーカスリング２１の消耗速度の関係を示すデータベース（図９（Ｂ））を格納する。これらのデータベースでは、チャンバ１１内の圧力や温度、さらには高周波電力の供給値が異なるエッチング条件（条件Ａ〜Ｃ、条件Ａ’〜Ｃ’）毎に、高周波電力の供給時間及びフォーカスリング２１の厚さの関係や、高周波電力の供給値及びフォーカスリング２１の消耗速度の関係が予め定義されている。

このプラズマ処理装置５０では、コントローラ５２が高周波電力の供給時間や供給値、さらにチャンバ１１内の圧力や温度に基づいて、上述したデータベースを用いてフォーカスリング２１の厚さや消耗速度を推定し、該厚さや消耗速度からフォーカスリング２１の消耗量を推定する。

また、コントローラ５２が推定したフォーカスリング２１の消耗量に基づいてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値を設定し、推定したフォーカスリング２１の消耗量に基づいて下部高周波電源１６から静電チャック１２に供給される高周波電力の値を変更するのは、第２の実施の形態におけるコントローラ４９と同様である。

図１０は、本実施の形態に係るプラズマ分布補正方法のフローチャートである。該プラズマ分布補正方法はプラズマ処理装置５０が実行する。

図１０において、コントローラ５２は静電チャック１２への高周波電力の供給時間をモニタし、該供給時間が所定時間、例えば、フォーカスリング２１の消耗量が所定量を超える時間に相当する時間を経過したか否かを判別する（ステップＳ１０１）。

ステップＳ１０１の判別の結果、高周波電力の供給時間が所定時間を超えていない場合には本処理を終了し、高周波電力の供給時間が所定時間を超えている場合には、コントローラ５２はプラズマ処理装置５０が備えるディスプレイパネル（図示しない）にフォーカスリング２１が消耗している旨の警告を表示する（ステップＳ１０２）。

次いで、コントローラ５２は高周波電力の供給時間や供給値、さらにチャンバ１１内の圧力や温度に基づいて、上述したデータベースを用いてフォーカスリング２１の消耗量を推定し（ステップＳ１０３）、推定したフォーカスリング２１の消耗量に基づいて該フォーカスリング２１に印加する直流電圧の値を設定する（ステップＳ１０４）。そして、フォーカスリング用直流電源３３は該設定された値に対応する直流電圧をフォーカスリング２１に印加する（ステップＳ１０５）。

次いで、コントローラ５２は推定したフォーカスリング２１の消耗量に基づいて下部高周波電源１６から静電チャック１２に供給される高周波電力の値を変更し（ステップＳ１０６）、本処理を終了する。

本実施の形態に係るプラズマ処理装置５０によれば、チャンバ１１内の圧力や温度、及び高周波電力の供給時間や供給値に基づいてフォーカスリング２１の消耗量が推定され、該推定されたフォーカスリング２１の消耗量に基づいてフォーカスリング２１に印加する直流電圧の値が設定され、フォーカスリング２１に設定された値に対応する直流電圧が印加される。これにより、シースが歪むのを防止することができる。また、チャンバ１１内の圧力や温度、及び高周波電力の供給時間や供給値に基づいてフォーカスリング２１の消耗量が推定されるので、ＣＣＤカメラや消耗量測定のためにプローブが必要なく、せいぜいセンサ５１が必要となるに過ぎないので、プラズマ処理装置５０の構成をより簡素にすることができる。

なお、上述した各実施の形態では、基板が半導体ウエハＷであったが、基板はこれに限られず、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＦＰＤ（Flat Panel Display）等のガラス基板であってもよい。

また、本発明の目的は、上述した各実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、コンピュータに供給し、コンピュータのＣＰＵが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した各実施の形態の機能を実現することになり、プログラムコード及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ＲＡＭ、ＮＶ−ＲＡＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ）等の光ディスク、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のＲＯＭ等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることによりコンピュータに供給されてもよい。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記各実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、ＣＰＵ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、ＯＳに供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。消耗したフォーカスリングに直流電圧を印加した場合におけるエッチレートを示すグラフである。消耗したフォーカスリングに直流電圧を印加した場合におけるプラズマを示す図である。本実施の形態に係るプラズマ分布補正方法のフローチャートである。図１のプラズマ処理装置の変形例の構成を概略的に示す断面図である。本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。本実施の形態に係るプラズマ分布補正方法のフローチャートである。本発明の第３の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成を概略的に示す断面図である。図８におけるコントローラが格納するデータベースを示す図であり、図９（Ａ）は高周波電力の供給時間及びフォーカスリングの厚さの関係を示すデータベースであり、図９（Ｂ）は高周波電力の供給値及びフォーカスリングの消耗速度の関係を示すデータベースである。本実施の形態に係るプラズマ分布補正方法のフローチャートである。フォーカスリングの消耗とプラズマの位置との関係を示す図であり、図１１（Ａ）はフォーカスリングが消耗していない場合を示し、図１１（Ｂ）はフォーカスリングが消耗した場合を示す。

符号の説明

Ｗウエハ
１０，４０，５０プラズマ処理装置
１１チャンバ
１２静電チャック
１６下部高周波電源
１８給電棒
３０プラズマ
３１シース
３３フォーカスリング用直流電源
３７ＣＣＤカメラ
３８，４９，５２コントローラ
３９導線
４１フォーカスリング消耗量測定装置
５１センサ

Claims

基板を収容する収容室と、該収容室内に配されて前記基板を載置する載置台と、該載置台において前記載置された基板の周縁を囲むように配される円環状部材と、前記載置台に高周波電力を供給する電力供給装置とを備え、前記収容室内に発生するプラズマを用いて前記基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記プラズマの分布を光学的に観測する観測装置と、
前記円環状部材に直流電圧を印加する電圧印加装置と、
前記観測されたプラズマの分布に基づいて、前記基板の周縁部近傍のシースの形状を制御するために前記円環状部材へ印加する直流電圧の値を設定するとともに、前記円環状部材への直流電圧の印加に応じて、当該円環状部材とは別の部材である前記載置台へ供給する高周波電力の値を変更する制御装置とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記円環状部材へ負の前記直流電圧が印加される場合、前記制御装置は、前記観測されたプラズマの分布に基づいて前記載置台へ供給する前記高周波電力の値を小さくすることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記制御装置は、前記円環状部材及び前記プラズマの間の電位差が大きくなるように前記印加する直流電圧の値を設定することを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
前記電力供給装置は給電棒を介して前記載置台に接続され、前記電圧印加装置は前記給電棒及び前記載置台を介して前記円環状部材に前記直流電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記電圧印加装置は、前記円環状部材に接触する導線を有し、且つ該配線を介して前記円環状部材に前記直流電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記観測装置はＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
基板を収容する収容室と、該収容室内に配されて前記基板を載置する載置台と、該載置台において前記載置された基板の周縁を囲むように配される円環状部材と、前記載置台に高周波電力を供給する電力供給装置とを備え、前記収容室内に発生するプラズマを用いて前記基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置におけるプラズマ分布補正方法であって、
前記プラズマの分布を光学的に観測する観測ステップと、
前記観測されたプラズマの分布に基づいて、前記基板の周縁部近傍のシースの形状を制御するために前記円環状部材に印加する直流電圧の値を設定するとともに、前記円環状部材への直流電圧の印加に応じて、当該円環状部材とは別の部材である前記載置台へ供給する高周波電力の値を変更する設定変更ステップとを有することを特徴とするプラズマ分布補正方法。