特許 6899693 プラズマ処理装置及び制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6899693

(24)【登録日】2021年6月17日

(45)【発行日】2021年7月7日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置及び制御方法

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/00 20060101AFI20210628BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20210628BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20210628BHJP

   C23C 16/511 20060101ALI20210628BHJP

   C23C 16/52 20060101ALI20210628BHJP

【ＦＩ】

   H05H1/00 A

   H01L21/302 101D

   H05H1/46 B

   C23C16/511

   C23C16/52

【請求項の数】11

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-80620(P2017-80620)

(22)【出願日】2017年4月14日

(65)【公開番号】特開2018-181633(P2018-181633A)

(43)【公開日】2018年11月15日

【審査請求日】2019年12月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】池田 太郎

(72)【発明者】

【氏名】長田 勇輝

【審査官】 大門 清

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１４３４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７１８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５４９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５７５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５０２５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１３５７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１０４２０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−２０３０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１８１６３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ １／００−１／４６

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｃ２３Ｃ １６／００−１６／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理容器の壁面に設けられ、該処理容器の径方向の内側に向けて処理ガスを供給する複数のガス供給ノズルと、
前記処理容器の天板の周方向に配置され、プラズマを生成するためのマイクロ波を該処理容器内に導入するＮ（Ｎ≧２）個のマイクロ波導入モジュールと、
前記処理容器の壁面にＮ又はＮの倍数個設けられ、前記処理容器内にて生成されたプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅの少なくともいずれか一方をモニタするセンサと、
を有するプラズマ処理装置。

【請求項2】

Ｎ又はＮの倍数個の前記センサは、複数の前記ガス供給ノズルよりも下の高さ又は同一の高さに設けられ、前記処理容器の径方向の内側に向けて水平方向、斜め方向又は垂直方向に突出する、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項3】

複数の前記ガス供給ノズルとＮ又はＮの倍数個の前記センサとは、同一の高さに設けられる、
請求項２に記載のプラズマ処理装置。

【請求項4】

Ｎ又はＮの倍数個の前記センサは、複数の前記ガス供給ノズルよりも上の高さに設けられ、前記処理容器の径方向の内側に向けて水平方向に突出する又は前記処理容器の壁面に埋め込まれた状態で配置される、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。

【請求項5】

Ｎ又はＮの倍数個の前記センサは、前記処理容器の壁面から該処理容器の径方向の内側に突出するプローブである、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項6】

Ｎ又はＮの倍数個の前記プローブは、絶縁材料にてコーティングされている、
請求項５に記載のプラズマ処理装置。

【請求項7】

Ｎ又はＮの倍数個の前記センサは、周方向に等間隔に配置される、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項8】

Ｎ又はＮの倍数個の前記センサは、前記処理容器内にて被処理体を載置する載置台の表面から垂直方向に−１０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲の高さであって同一の高さに設けられる、
請求項７に記載のプラズマ処理装置。

【請求項9】

複数の前記ガス供給ノズルとＮ又はＮの倍数個の前記センサとは、異なる高さに設けられる、
請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項10】

Ｎ又はＮの倍数個の前記センサは、前記処理容器の天板に等間隔に配置されたＮ個のマイクロ波導入モジュールの位置に対して、前記処理容器の中心軸を基軸として対称性を有する位置に配置される、
請求項１〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【請求項11】

処理容器の壁面に設けられ、該処理容器の径方向の内側に向けて処理ガスを供給する複数のガス供給ノズルと、前記処理容器の天板の周方向に配置され、プラズマを生成するためのマイクロ波を該処理容器内に導入するＮ（Ｎ≧２）個のマイクロ波導入モジュールと、前記処理容器の壁面にＮ又はＮの倍数個設けられ、前記処理容器内にて生成されたプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅをモニタするセンサと、を有するプラズマ処理装置を使用して、プラズマを制御する制御方法であって、
前記センサによりモニタしたプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅの少なくともいずれか一方に基づき、前記マイクロ波導入モジュールから導入されるマイクロ波のパワー及び該マイクロ波導入モジュールから導入されるマイクロ波の位相の少なくともいずれかを制御する、制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ処理装置及び制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

プラズマの状態をモニタする手法の一つに発光分光計測（ＯＥＳ：Optical Emission Spectroscopy）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。発光分光計測では、試料中の対象元素を放電プラズマによって蒸発気化励起し、得られる元素固有の輝線スペクトル（原子スペクトル）の波長を定性し、発光強度から定量を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−２０７９１５号公報

【特許文献2】特開２００７−２９４９０９号公報

【特許文献3】特開２００９−１９４０３２号公報

【特許文献4】特開２０１３−０７７４４１号公報

【特許文献5】特開２０１３−１７１８４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、発光分光計測では、プラズマ全体の状態をモニタするため、プラズマの分布をモニタすることはできない。また、発光分光計測では、処理容器内に複数のガスを供給する場合、異なるガス励起種において発光スペクトルの波長が重複することがあり、プラズマ特性をモニタリングする際の精度に欠けることがある。

【0005】

一方、複数のマイクロ波導入モジュールからマイクロ波を処理容器内に導入する場合、マイクロ波導入モジュール毎にマイクロ波を制御する必要がある。このため、プラズマの分布を知ることが重要になる。

【0006】

上記課題に対して、一側面では、本発明は、プラズマの分布をモニタすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、一の態様によれば、処理容器の壁面に設けられ、該処理容器の径方向の内側に向けて処理ガスを供給する複数のガス供給ノズルと、前記処理容器の天板の周方向に配置され、プラズマを生成するためのマイクロ波を該処理容器内に導入するＮ（Ｎ≧２）個のマイクロ波導入モジュールと、前記処理容器の壁面にＮ又はＮの倍数個設けられ、前記処理容器内にて生成されたプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅの少なくともいずれか一方をモニタするセンサと、を有するプラズマ処理装置が提供される。

【発明の効果】

【0008】

一の側面によれば、プラズマの分布をモニタすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面の一例を示す図。

【図2】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の天板の内壁の一例を示す図。

【図3】一実施形態に係るマイクロ波プラズマ源の構成の一例を示す図。

【図4】一実施形態に係るプローブ及びガス供給ノズルの配置構成の一例を示す図。

【図5】一実施形態に係るプローブ測定によるプラズマ電子密度の電力依存性の一例を示す図。

【図6】一実施形態に係るプローブ測定によるプラズマの電子温度の電力依存性の一例を示す図。

【図7】一実施形態に係るプローブの取り付け位置の一例を示す図。

【図8】図７のプローブの取り付け位置におけるプローブによる測定結果の一例を示す図。

【図9】一実施形態に係るプローブの取り付け位置の変形例を示す図。

【図10】図９のプローブの取り付け位置におけるプローブによる測定結果の一例を示す図。

【図11】一実施形態に係るプローブの測定結果に応じたマイクロ波の制御処理の一例を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

【0011】

［マイクロ波プラズマ処理装置］
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の断面図の一例を示す。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、ウェハＷを収容するチャンバ１を有する。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、マイクロ波によってチャンバ１側の表面に形成される表面波プラズマにより、半導体ウェハＷ（以下、「ウェハＷ」と称呼する）に対して所定のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置の一例である。所定のプラズマ処理の一例としては、成膜処理またはエッチング処理が例示される。

【0012】

チャンバ１は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の処理容器であり、接地されている。マイクロ波プラズマ源２は、チャンバ１の天板の内壁に形成された開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。マイクロ波プラズマ源２から開口部１ａを通ってチャンバ１内にマイクロ波が導入されると、チャンバ１内にて表面波プラズマが形成される。

【0013】

チャンバ１内にはウェハＷを載置する載置台１１が設けられている。載置台１１は、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持されている。載置台１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁部材（セラミックス等）が例示される。載置台１１には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウェハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路等が設けられてもよい。

【0014】

載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、ウェハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。

【0015】

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させるとチャンバ１内が排気され、これにより、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧される。チャンバ１の側壁には、ウェハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

【0016】

マイクロ波プラズマ源２は、マイクロ波出力部３０とマイクロ波伝送部４０とマイクロ波放射部材５０とを有する。マイクロ波出力部３０は、複数経路に分配してマイクロ波を出力する。

【0017】

マイクロ波伝送部４０は、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送する。マイクロ波伝送部４０に設けられた周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有する。

【0018】

周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３を同軸状に配置する。外側導体５２と内側導体５３の間には、マイクロ波電力が給電され、マイクロ波放射部材５０に向かってマイクロ波が伝播するマイクロ波伝送路４４となっている。

【0019】

周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂには、スラグ６１と、その先端部に位置するインピーダンス調整部材１４０とが設けられている。スラグ６１を移動させることにより、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる機能を有する。インピーダンス調整部材１４０は、誘電体で形成され、その比誘電率によりマイクロ波伝送路４４のインピーダンスを調整するようになっている。

【0020】

マイクロ波放射部材５０は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング１２９に気密にシールされた状態で設けられ、マイクロ波出力部３０から出力され、マイクロ波伝送部４０から伝送されたマイクロ波をチャンバ１内に放射する。マイクロ波放射部材５０は、チャンバ１の天井部を構成している。

【0021】

マイクロ波放射部材５０は、本体部１２０、遅波材１２１，１３１、マイクロ波透過部材１２２，１３２、スロット１２３，１３３及び誘電体層１２４を有する。本体部１２０は、金属から構成される。

【0022】

本体部１２０は、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａと１つの中央マイクロ波導入機構４３ｂとを有している。図２に示すように、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａは、チャンバ１の天板の周方向に配置される。１つの中央マイクロ波導入機構４３ｂは、チャンバ１の天板の中央に配置される。

【0023】

図１に戻り、遅波材１２１は、周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応して本体部１２０に嵌め込まれ、遅波材１３１は、中央マイクロ波導入機構４３ｂに対応して本体部１２０に嵌め込まれている。遅波材１２１，１３１は、マイクロ波を透過させる円盤状の誘電体から形成されている。遅波材１２１，１３１は、真空よりも大きい比誘電率を有しており、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成され得る。真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、遅波材１２１，１３１は、比誘電率が真空よりも大きい材料で構成されることにより、マイクロ波の波長を短くしてスロット１２３，１３３を含むアンテナを小さくする機能を有する。

【0024】

遅波材１２１，１３１の下方では、円盤状のマイクロ波透過部材１２２，１３２が本体部１２０に嵌め込まれている。遅波材１２１とマイクロ波透過部材１２２との間の部分にはスロット１２３および誘電体層１２４が、上から遅波材１２１、スロット１２３、誘電体層１２４、マイクロ波透過部材１２２の順に形成されている。本体部１２０の遅波材１３１とマイクロ波透過部材１３２との間の部分にはスロット１３３が形成されている。

【0025】

マイクロ波透過部材１２２，１３２は、マイクロ波を透過する材料である誘電体材料で構成されている。図２に、一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００の天板の内壁の一例を示す。図２では、ガスの供給孔は省略している。

【0026】

本実施形態では、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する６つのマイクロ波透過部材１２２が、本体部１２０において周方向に等間隔に配置され、チャンバ１の内部に円形に露出する。また、中央マイクロ波導入機構４３ｂに対応する１つのマイクロ波透過部材１３２が、チャンバ１の中央にて内部に向けて円形に露出する。

【0027】

マイクロ波透過部材１２２，１３２は、周方向に均一な表面波プラズマを形成するための誘電体窓としての機能を有する。マイクロ波透過部材１２２，１３２は、遅波材１２１，１３１と同様、例えば、石英、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により形成されてもよい。

【0028】

本実施形態では、周縁マイクロ波導入機構４３ａの数は６つであるが、これに限らず、Ｎ個配置される。Ｎは、２以上であればよいが、３以上が好ましく、例えば３〜６であってもよい。なお、マイクロ波放射部材５０は、チャンバ１の天板の周方向に配置され、プラズマを生成するためのマイクロ波を該処理容器内に導入するＮ（Ｎ≧２）個のマイクロ波導入モジュールの一例である。

【0029】

図１に戻り、マイクロ波放射部材５０にはシャワー構造の第１のガス導入部２１が設けられており、第１のガス導入部２１には、ガス供給配管１１１を介して第１のガス供給源２２が接続されている。第１のガス供給源２２から供給される第１のガスは、第１のガス導入部２１を通ってチャンバ１内にシャワー状に供給される。第１のガス導入部２１は、チャンバ１の天井部に形成された複数のガス孔から第１の高さで第１のガスを供給する第１のガスシャワーヘッドの一例である。第１のガスの一例としては、例えばＡｒガス等のプラズマ生成用のガスや、例えばＯ_２ガスやＮ_２ガス等の高エネルギーで分解させたいガスが挙げられる。

【0030】

チャンバ１内の載置台１１とマイクロ波放射部材５０との間の位置には、第２のガス導入部の一例であるガス供給ノズル２７がチャンバ１に水平に設けられている。ガス供給ノズル２７は、チャンバ１の側壁に嵌め込まれたリング状部材２８に形成されたガス供給管２８ａに接続され、ガス供給管２８ａには第２のガス供給源２９が接続されている。第２のガス供給源２９から、成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理の際に、極力分解させずに供給したい処理ガス、例えばＳｉＨ_４ガスやＣ_５Ｆ_８ガス等の第２のガスが供給されるようになっている。ガス供給ノズル２７は、第１のガス供給源２２から供給される第１のガスを供給する複数のガス孔の高さよりも低い高さで複数のガス孔から第２のガスを供給する。なお、第１のガス供給源２２および第２のガス供給源２９から供給されるガスとしては、プラズマ処理の内容に応じた種々のガスを用いることができる。

【0031】

マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部は、制御装置３により制御される。制御装置３は、マイクロプロセッサ４、ＲＯＭ（Read Only Memory）５、ＲＡＭ（Random Access Memory）６を有している。ＲＯＭ５やＲＡＭ６にはマイクロ波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンス及び制御パラメータであるプロセスレシピが記憶されている。マイクロプロセッサ４は、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに基づき、マイクロ波プラズマ処理装置１００の各部を制御する制御部の一例である。また、制御装置３は、タッチパネル７及びディスプレイ８を有し、プロセスシーケンス及びプロセスレシピに従って所定の制御を行う際の入力や結果の表示等が可能になっている。

【0032】

かかる構成のマイクロ波プラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行う際には、まず、ウェハＷが、搬送アーム上に保持された状態で、開口したゲートバルブ１８から搬入出口１７を通りチャンバ１内に搬入される。ゲートバルブ１８はウェハＷを搬入後に閉じられる。ウェハＷは、載置台１１の上方まで搬送されると、搬送アームからプッシャーピンに移され、プッシャーピンが降下することにより載置台１１に載置される。チャンバ１の内部の圧力は、排気装置１６により所定の真空度に保持される。第１のガスが第１のガス導入部２１からシャワー状にチャンバ１内に導入され、第２のガスがガス供給ノズル２７からシャワー状にチャンバ１内に導入される。周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂを介してマイクロ波放射部材５０から放射されたマイクロ波により、第１及び第２のガスが分解され、チャンバ１側の表面に生成される表面波プラズマによってウェハＷにプラズマ処理が施される。

【0033】

［マイクロ波プラズマ源］
マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波出力部３０は、図３に示すように、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有する。

【0034】

マイクロ波発振器３２は、所定周波数のマイクロ波を例えばＰＬＬ（Phase Locked Loop）発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失を極力抑えるように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の種々の周波数を用いることができる。

【0035】

マイクロ波伝送部４０は、複数のアンプ部４２と、アンプ部４２に対応して設けられた周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂとを有する。アンプ部４２は、分配器３４にて分配されたマイクロ波を周縁マイクロ波導入機構４３ａ及び中央マイクロ波導入機構４３ｂに導く。アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

【0036】

位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることにより放射特性を変調させることができる。例えば、周縁マイクロ波導入機構４３ａ及び中央マイクロ波導入機構４３ｂのそれぞれに導入されるマイクロ波の位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うマイクロ波導入機構において９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設けなくてもよい。

【0037】

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度を調整する。可変ゲインアンプ４７をアンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることができる。

【0038】

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する。アイソレータ４９は、スロットアンテナ部で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中央マイクロ波導入機構４３ｂは、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０に導入する。

【0039】

［プローブ］
図１に示すように、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００には、ガス供給ノズル２７と同一の高さにプローブ８０が設けられている。図４は、一実施形態に係るプローブ８０及びガス供給ノズル２７の配置構成の一部を示す斜視図である。

【0040】

プローブ８０は、チャンバ１の壁面に設けられ、チャンバ１の壁面からチャンバ１の径方向の内側に突出する。プローブ８０は、６又は６の倍数個設けられる。

【0041】

本実施形態では、チャンバ１の天板に等間隔に配置された６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａ及び図２に示す６つのマイクロ波透過部材１２２に対して、６つのプローブが周縁マイクロ波導入機構４３ａと一対一に配置される。

【0042】

ただし、プローブ８０の個数はこれに限らず、周縁マイクロ波導入機構４３ａの個数をＮとしたときに、Ｎ又はＮの倍数個のプローブ８０が、チャンバ１の天板に等間隔に配置されたＮ個のマイクロ波放射部材５０（Ｎ個のマイクロ波透過部材１２２）の位置に対して、チャンバ１の中心軸Ｏを基軸として対称性を有する位置に配置されていればよい。

【0043】

なお、ガス供給ノズル２７の数は、特に限定されない。本実施形態では、ガス供給ノズル２７の数は１８本であり、２つのプローブ８０の間に周方向に等間隔で配置されている。このように、プローブ８０及びガス供給ノズル２７は、同じ高さに配置されてもよい。ただし、異なる高さに配置されてもよい。また、プローブ８０及びガス供給ノズル２７は、Ｎ個のマイクロ波放射部材５０（Ｎ個のマイクロ波透過部材１２２）の位置に対して、チャンバ１の中心軸Ｏを基軸として対称性を有する位置であって、チャンバ１の周方向に配置されることが好ましい。

【0044】

各プローブ８０は、プラズマの電子密度Ｎｅ又はプラズマの電子温度Ｔｅをモニタする。プローブ８０は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁材料にて金属部分がコーティングされていることが好ましい。これにより、プラズマ処理中にプローブ８０によるチャンバ１内の金属汚染の発生を回避し、パーティクルの発生を抑制することができる。

【0045】

制御装置３の制御によりプローブ８０に正弦波の電圧が印加されると、測定器８１は、プラズマ処理中にプローブ８０に流れる電流を測定する。プローブ８０に流れる電流は、チャンバ１内において生成されるプラズマに流れる電流と等価である。測定器８１は、測定した電流の波形を示す信号を制御装置３に送信する。信号を受信した制御装置３のマイクロプロセッサ４は、信号に含まれる電流の波形をフーリエ変換して解析し、プラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅを算出する。これにより、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａの下方における周方向のプラズマの分布を６つのプローブ８０により夫々モニタすることができる。

【0046】

マイクロプロセッサ４は、プローブ８０を用いた測定結果に基づき算出したプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅに応じて、算出に使用したプローブ８０に対応する周縁マイクロ波導入機構４３ａからチャンバ１に導入されるマイクロ波のパワーをプラズマ処理中にリアルタイムに制御する。具体的には、マイクロプロセッサ４は、算出したプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅに応じて、対応する周縁マイクロ波導入機構４３ａにマイクロ波を出力するアンプ部４２の可変ゲインアンプ４７を制御し、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整する。これにより、対応する周縁マイクロ波導入機構４３ａに導入されるマイクロ波のプラズマ強度を調整することによりプラズマ分布を変化させる。

【0047】

また、マイクロプロセッサ４は、算出したプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅに応じて、算出に使用したプローブ８０に対応する周縁マイクロ波導入機構４３ａを伝播するマイクロ波の位相をリアルタイムに制御する。具体的には、マイクロプロセッサ４は、算出したプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅに応じて、対応する周縁マイクロ波導入機構４３ａにマイクロ波を出力するアンプ部４２の位相器４６を制御し、マイクロ波の位相を変化させることにより放射特性を変調させる。これにより、対応する周縁マイクロ波導入機構４３ａに導入されるマイクロ波の位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させる。

【0048】

このように、本実施形態では、マイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相を制御するが、マイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相の少なくともいずれかを制御すればよい。ただし、マイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相の両方を制御することが好ましい。

【0049】

図５のグラフは、本実施形態に係るプローブ８０により測定したプラズマの電子密度Ｎｅと、比較例のラングミュアプローブにより測定した電子密度Ｎｅの電力依存性を比較した結果の一例である。本グラフによれば、本実施形態に係るプローブ８０により測定した場合と、ラングミュアプローブにて測定した場合とでは、プラズマの電子密度Ｎｅの電力依存性はほぼ一致することがわかる。

【0050】

図６のグラフは、本実施形態に係るプローブ８０により測定したプラズマの電子温度Ｔｅと、比較例のラングミュアプローブにより測定した電子温度Ｔｅの電力依存性を比較した結果の一例である。本グラフによれば、本実施形態に係るプローブ８０により測定した場合と、ラングミュアプローブにて測定した場合とでは、プラズマの電子温度Ｔｅの電力依存性はほぼ一致することがわかる。

【0051】

つまり、プラズマの電気的特定の測定結果は、本実施形態に係るプローブ８０とラングミュアプローブとでほぼ同一の特性を示し、本実施形態に係るプローブ８０は、ラングミュアプローブと同じように機能することが確認できた。なお、ラングミュアプローブによるプラズマの電気的特定の測定の一例が、特開２００９−１９４０３２号公報に示されている。

【0052】

以上に説明したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置によれば、チャンバ１内に設けられたＮ個のプローブ８０によりプラズマを電気的に測定し、これにより、プラズマの分布及びプラズマの特性をモニタすることができる。これにより、プラズマの分布又はプラズマの均一性を制御することができ、プロセスの最適化に要する時間及びコストを低減できる。

【0053】

［プローブの取り付け位置］
次に、プローブ８０の取り付け位置について、図７〜図１０を参照しながら説明する。図７は、一実施形態に係るプローブ８０の取り付け位置の一例を示す。図８は、図７のプローブ８０の取り付け位置におけるプローブ８０による測定結果の一例を示す。

【0054】

図７（Ａ）は、載置台１１の表面を０ｍｍとして、載置台１１の表面から高さＨ１＝５３ｍｍの位置に、チャンバ１の側壁から突出させてプローブ８０を取り付けた場合を示す。図７（Ｂ）は、載置台１１の表面から高さＨ２＝３３ｍｍの位置に、チャンバ１の側壁から突出させてプローブ８０を取り付けた場合を示す。

【0055】

図７（Ｃ）は、載置台１１の表面から高さＨ３＝１３ｍｍの位置に、チャンバ１の側壁から突出させてプローブ８０を取り付けた場合を示す。図７（Ｄ）は、載置台１１の表面から高さＨ４＝−７ｍｍ（すなわち、載置台１１の表面よりもわずかに下側）の位置に、チャンバ１の側壁から突出させてプローブ８０を取り付けた場合を示す。

【0056】

図７（Ａ）〜（Ｄ）のいずれも、ガス供給ノズル２７とプローブ８０は同一の高さに設けられている。

【0057】

図７（Ａ）〜（Ｄ）の取り付け位置にて、プローブ８０を用いて測定した電流の波形に基づき算出した、ウェハＷ表面のプラズマの電子密度Ｎｅの径方向の分布を図８に示す。横軸はウェハＷの径を示し、横軸の左端（Ｒ＝０ｍｍ）はウェハの中央を示し、右端（Ｒ＝１５０ｍｍ）はウェハＷの端部を示す。縦軸は、プラズマの電子密度Ｎｅを示す。

【0058】

これによれば、図７（Ａ）〜（Ｄ）の取り付け位置のいずれのプローブ８０も同じような振舞いをしており、プラズマの分布が測定できていることがわかる。つまり、高さ方向のプローブ８０の取り付け位置は、いずれであってもよいことがわかる。ただし、プローブ８０の取り付け位置が低くなる程、ウェハＷの端部におけるプラズマの電子密度Ｎｅが高くなっていて、実際のプラズマの分布状態に合致している。よって、プローブ８０の取り付け位置が低くなる程、プローブ８０による測定結果は好ましい結果となった。

【0059】

ガス供給ノズル２７とプローブ８０を同一の高さに設ける場合、及びガス供給ノズル２７とプローブ８０を異なる高さに設ける場合のいずれも、ガスをプラズマ生成空間に供給するためには、ガスの拡散やウェハＷの位置を考慮してガスの供給位置を定める必要がある。以上から、上記いずれの場合であっても、プローブ８０の高さは、載置台１１の表面を０ｍｍとして−１０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲に設ける必要がある。

【0060】

ただし、ガス供給ノズル２７とプローブ８０の高さを同一にすると、以下の利点がある。すなわち、プローブ８０をガス供給ノズル２７の下方に設けると、プローブ８０に流れる電流がプラズマに流れる電流よりも小さくなり、測定結果として得られるプラズマ密度Ｎｅが低くなってしまい、測定の精度が低下する場合があるが、ガス供給ノズル２７とプローブ８０の高さを同一にするとそのような懸念はなくなる。

【0061】

また、本実施形態のように、ガス供給ノズル２７とプローブ８０とマイクロ波放射部材５０が、構造的に対称性を有することにより、プローブ８０によるモニタの精度をより高くすることができる。

【0062】

図９は、一実施形態に係るプローブ８０の取り付け位置の他の例を示す。図１０は、図９のプローブ８０の取り付け位置におけるプローブ８０による測定結果の一例を示す。図９（Ａ）は、図７（Ａ）と同じ条件であり、ガス供給ノズル２７とプローブ８０の高さは、同一である。

【0063】

図９（Ｂ）は、プローブ８０をチャンバ１の底面の角から斜め方向に突出させて取り付けた場合を示す。ガス供給ノズル２７は、プローブ８０と同一の高さ及び同一の方向に取り付けられる。図９（Ｃ）は、プローブ８０をチャンバ１の底面から垂直方向に突出させて取り付けた場合を示す。ガス供給ノズル２７は、プローブ８０と同一の位置から同一の方向に取り付けられる。

【0064】

図９（Ａ）〜（Ｃ）の取り付け位置にて、プローブ８０を用いて測定した電流の波形に基づき算出した、ウェハＷ表面のプラズマの電子密度Ｎｅの径方向の分布を図１０に示す。横軸及び縦軸は、図８と同じである。

【0065】

これによれば、いずれのプローブ８０も同じような振舞いをしており、ウェハＷの端部に行くほどプラズマの電子密度Ｎｅが下がる傾向にあるものの、プラズマの分布が測定できている。以上の結果から、プローブ８０の取り付け位置及び取り付け角度は、図９（Ａ）〜（Ｃ）のいずれであってもよいことがわかる。

【0066】

以上から、プローブ８０は、ガス供給ノズル２７と同一の高さ又はガス供給ノズル２７よりも下の高さに設ける場合、チャンバ１の径方向の内側に向けて水平方向、斜め方向又は垂直方向に、チャンバ１の側面又は底面から突出させることが可能である。この場合、６つのプローブ８０の先端が、載置台１１の表面（０ｍｍ）から垂直方向に−１０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲の高さになるように、同一の高さに設けられる。

【0067】

図９（Ｄ）は、プローブ８０をガス供給ノズル２７と異なる高さに、水平に設ける場合のバリエーションを示す。この場合、プローブ８０は、ガス供給ノズル２７よりも低い位置にプローブ８０を取り付けてもよい。ただし、６つのプローブ８０は、載置台１１の表面（０ｍｍ）から垂直方向に−１０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲の高さであって同一の高さに設けられる。

【0068】

プローブ８０'は、複数のガス供給ノズル２７よりも高い位置に取り付けられる場合のプローブ８０であり、その他の位置に取り付けるプローブ８０と区別するために便宜的にダッシュを付けている。プローブ８０'はプラズマＰが概ね存在していない部分に配置することが好ましい。このため、複数のガス供給ノズル２７よりも上に取り付けるプローブ８０'は、複数のガス供給ノズル２７よりも径方向の長さが短く形成される。プローブ８０'は、高い位置に配置されるほど、プラズマＰに干渉しないように径方向の長さを短くすることが好ましい。

【0069】

たとえば、センサ８０''は、チャンバ１の壁面に埋設された状態で、先端がチャンバ１の壁面と同一面にて露出し、チャンバ１の壁面から突出していない。このように、本実施形態において、チャンバ１内にて生成されたプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅをモニタするセンサは、プローブ８０及びプローブ８０'に限らず、センサ８０''であってもよい。

【0070】

［リアルタイム制御］
最後に、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００のプローブ８０を用いた測定結果に応じたマイクロ波のリアルタイム制御処理の一例を、図１１のフローチャートを参照して説明する。本処理は、主に制御装置３のマイクロプロセッサ４により実行される。

【0071】

本処理が開始されると、マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が開始されたかを判定する（ステップＳ１０）。

【0072】

マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が開始されたと判定すると、６つのプローブ８０に電圧を印加する（ステップＳ１２）。次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎに「０」を設定する（ステップＳ１４）。

【0073】

次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎに「１」を加算する（ステップＳ１６）。測定器８１は、第Ｎのプローブ８０に流れる電流を測定し、測定結果を示す信号を制御装置３に送信する（ステップＳ１８）。

【0074】

マイクロプロセッサ４は、測定器８１から信号を受信し、信号が示す電流の波形を取得する。マイクロプロセッサ４は、取得した電流の波形をフーリエ変換して解析し、プラズマの電子密度Ｎｅ及びプラズマの電子温度Ｔｅを算出する（ステップＳ２０）。これにより、６つの周縁マイクロ波導入機構４３ａのうちの、使用したプローバ８０により特定される一の周縁マイクロ波導入機構４３ａの下方における周方向のプラズマの分布をモニタすることができる。

【0075】

次に、マイクロプロセッサ４は、算出したプラズマの電子密度Ｎｅ及び電子温度Ｔｅに基づき、計測したプローブ８０に対応する周縁マイクロ波導入機構４３ａからチャンバ１に導入されるマイクロ波のパワーをリアルタイムに制御してもよい。また、対応する周縁マイクロ波導入機構４３ａを伝播するマイクロ波の位相をリアルタイムに制御してもよい。

【0076】

次に、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが６以上かを判定する（ステップＳ２４）。マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが６未満の場合、全てのプローブ８０についての測定が終わっていないと判定し、ステップＳ１６に戻り、ステップＳ１６〜Ｓ２４の処理を繰り返す。一方、マイクロプロセッサ４は、変数Ｎが６以上の場合、全てのプローブ８０についての測定が終わっていると判定し、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されたか否かを判定する（ステップＳ２６）。マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されていないと判定すると、ステップＳ１４に戻り、変数Ｎを初期化し（ステップＳ１４）、以降の処理を繰り返す。一方、マイクロプロセッサ４は、マイクロ波の出力及びガスの供給が停止されたと判定すると、本処理を終了する。

【0077】

以上に説明したように、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば、複数のプローブ８０によりプラズマの電子密度Ｎｅ及びプラズマの電子温度Ｔｅをモニタして、プラズマの分布及びプラズマの特性を把握することができる。

【0078】

これにより、プラズマの電子密度Ｎｅ及びプラズマの電子温度Ｔｅに基づき、導入されるマイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相の制御の少なくともいずれかをリアルタイムに制御することができる。この結果、プラズマの均一性を高めることができる。

【0079】

なお、プラズマの電子密度Ｎｅ又はプラズマの電子温度Ｔｅのいずれかに基づき、導入されるマイクロ波のパワー及びマイクロ波の位相の制御の少なくともいずれかをリアルタイムに制御してもよい。これによっても、プラズマの均一性を高めることができる。

【0080】

以上、プラズマ処理装置及び制御方法を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマ処理装置及び制御方法は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

【0081】

例えば、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、膜厚のモニタリングを行うことができる。具体的には、プラズマ処理中にプローブに膜が付くことで、測定器が測定する、各プローブに流れる電流の波形が変わる。よって、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置の制御装置は、各プローブから取得する信号の強度の変化を解析することで、プローブに付着した膜厚を推定することができる。これにより、チャンバ１の内部の状態を把握することができる。

【0082】

また、本発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、ＥＥＤＦ（electric energy distribution function）を用いて、電子の運動エネルギーのエネルギー分布を見ることができる。

【0083】

本明細書では、被処理体の一例として半導体ウェハＷを挙げて説明した。しかし、被処理体は、これに限らず、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＰＤ（Flat Panel Display）に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。

【符号の説明】

【0084】

１ チャンバ
２ マイクロ波プラズマ源
３ 制御装置
１１ 載置台
２１ 第１のガス導入部
２２ 第１のガス供給源
２７ ガス供給ノズル
２８ リング状部材
２８ａ ガス供給管
２９ 第２のガス供給源
３０ マイクロ波出力部
４０ マイクロ波伝送部
４３ａ 周縁マイクロ波導入機構
４３ｂ 中央マイクロ波導入機構
４４ マイクロ波伝送路
５０ マイクロ波放射部材
５２ 外側導体
５３ 内側導体
６１ スラグ
８０ プローブ
８１ 測定器
１００ マイクロ波プラズマ処理装置
１２０ 本体部
１２１ 遅波材
１２２ マイクロ波透過部材
１２３ スロット
１２４ 誘電体層
１２９ 共振機構
１４０ インピーダンス調整部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】