JP2018073962A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理の歩留まりを向上することのできるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】処理室内側に配置されウエハが載せられるステージと、前記処理室上方に配置されその内部で処理用のガスを用いてプラズマが形成されるプラズマ形成室と、前記試料台の上方で前記処理室と前記プラズマ形成室との間に配置され複数の導入孔を備えた誘電体製の板部材と、この板部材の外周側で前記試料を加熱するためのランプとを備え、ウエハ温度測定のための外部ＩＲ光源と、前記ステージ内に配置され外部ＩＲ光源からのＩＲ光を前記ウエハの裏面に照射する照射ファイバー及び前記ウエハからのＩＲ光を受光する受光ファイバーと、前記受光ファイバーで前記ウエハ加熱中に前記外部ＩＲ光源からのＩＲ光を検出したデータから前記ランプからのＩＲ光のみを検出した結果を差し引いて前記ウエハの温度を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ照射とＩＲ光加熱によってエッチングを行うプラズマ処理装置におけるウエハ温度モニタリングに関する。

半導体デバイスでは、低消費電力化や記憶容量増大の要求のため、更なる微細化、及び、デバイス構造の３次元化が進んでいる。３次元構造のデバイスの製造では、構造が立体的で複雑であるため、従来のウエハ面に対して垂直方向にエッチングを行う「垂直性エッチング」に加え、横方向にもエッチングが可能な「等方性エッチング」が多用されるようになる。

従来、等方性のエッチングは薬液を用いたウエット処理により行ってきたが、微細化の進展により、薬液の表面張力によるパターン倒れの問題が顕在化している。そのため、等方性エッチングでは、従来の薬液を用いたウエット処理から薬液を用いないドライ処理に置き換える必要が生じている。

等方性エッチングをドライ処理で高精度に行う技術としては、吸着・脱離方式のエッチング処理が従来から知られている。この技術は、まずプラズマを用いて生成されたラジカル等の反応性が相対的に高い粒子を半導体ウエハ等の基板状の試料のエッチング対象となる膜層の表面に吸着させ、両者の化学反応によって反応層を当該表面に形成させる工程（吸着工程）を実施する。

次に、試料あるいは反応層に熱や運動エネルギーを付与してこの反応層を脱離させて試料表面から除去する工程（脱離工程）を実施する。このような吸着工程と脱離工程を交互に予め定められた周期で繰り返して処理対象の膜層のエッチング処理を行うものである。

この従来技術では、吸着工程において、表面に形成された反応層が一定の厚さに到達すると、反応層が被エッチング層と反応層の界面にラジカルが到達するのを阻害するようになるため、反応層の成長が急速に減速する。そのため、複雑なパターン形状の内部において、ラジカルの入射量にばらつきがあっても、適度に十分な吸着時間を設定することによって均一な厚さの変質層を形成することができ、エッチング量をパターン形状に依存せずに均一にできるメリットがある。

また、１サイクルあたりのエッチング量を数ｎｍレベル以下に制御できるため、数ｎｍの寸法精度で加工量を調整することができるメリットがある。さらに、被エッチング層の表面に反応層を形成するのに必要なラジカル種と、選択比を取りたい（削りたくない）膜をエッチングしてしまうラジカル種が異なることを利用して高選択なエッチングを可能にできるメリットもある。

このような従来の技術の例としては、特開２０１５−１８５５９４号公報（特許文献１）に開示されたものが知られている。本従来技術は、真空容器とこの上部に配置されたプラズマ形成用の空間を含む容器であるラジカル源と、これらの間に内に配置され真空紫外光を発生して照射するランプとを備えたプラズマ処理装置を開示している。

本従来技術は、真空容器内部の処理室内に配置されたステージ上に載せられたウエハに対して、ラジカル源の容器内の空間に供給された処理用ガスを活性化して形成した粒子が、処理室との間を連通するガス導入管を通して処理室内のウエハ上面に供給され当該表面に粒子を吸着させてこれによる生成物層が形成される。さらに、この工程の後、ランプからの真空紫外光が処理室内に照射されウエハ上面の生成物が分解されて上面から脱離させられ上記層が除去される工程が実施され、これらを交互に繰り返して行うことで、ウエハ表面の処理対象の膜層を処理するエッチングの技術の例である。

また、処理室内においてウエハ上面に反応性の高い粒子を供給して形成した生成物の層を除去する手段として、上記従来技術のようにランプからの真空紫外光をウエハに照射するものだけでなく、ウエハを加熱して上記生成物を脱離させる構成、例えば、赤外線（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒｅｄ、以下ＩＲ）ランプからの赤外線（ＩＲ）を用いるものも従来から知られている。

特開２０１５−１８５５９４号公報

上記従来技術が開示する吸着（生成物層の形成）の工程と脱離させる工程とを交互に行われるものにおいて、特に、吸着の工程と加熱して生成物層を除去する工程とを繰り返して行うものにおいては、処理中の条件を安定させて歩留まりや処理の結果としてのウエハ表面の形状の精度を向上させる上で、ウエハの温度を検出しその結果に基づいて加熱の程度あるいはウエハの温度を所望の範囲内の値に調節することが必要となる。

例えば、上記のような処理中の条件としての温度の範囲は、例えば、−４０乃至３００℃が考えられる。このような温度の範囲において、上記生成物をウエハ表面から脱離させる工程、特に脱離させるためにＩＲランプからのＩＲ光を照射してウエハの加熱を実施中に、ウエハの温度を高い精度で検出可能にする、或いは検出したウエハの温度の情報をフィードバックして当該情報に基づいて所望の範囲内となるように温度を調節して実現できる程度に短い時間でウエハの温度を検出可能にする上で、上記従来技術は以下の点について考慮が不十分であったため、問題が生じていた。

すなわち、ウエハの温度をＩＲ光を用いて検知する場合に、ウエハを加熱するためのＩＲランプからのＩＲ光とウエハ自体からのＩＲ光とが混在してしまうと、温度を検出する精度が損なわれてしまうという問題が生じる。このため、ウエハの温度を脱離工程を含むウエハ表面の処理対象の膜層の処理に適した範囲内に調節することが困難となり、処理の結果としての処理後の形状が許容される範囲から外れてしまい処理の歩留まりが損なわれてしまったり、処理に適した範囲内の温度にするためにより長い時間を要して処理のスループットが損なわれてしまうという問題が生じていた。

本発明の目的は、処理の効率あるいは精度を向上させ、処理の歩留まりを向上することのできるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、プラズマ源とウエハ加熱用のＩＲランプを有するプラズマ処理装置において、ウエハ温度モニタ用のＩＲ光をウエハの裏面側からウエハに照射し、その反射光、または、散乱光を収集して分光計測する手段を設置し、ウエハ温度モニタ用ＩＲ光のウエハへの照射を断続的にＯＮ／ＯＦＦする光路遮断器を設置した。また、ウエハ加熱用のＩＲ光を用いてもウエハ温度を計測できるように、ウエハステージにウエハ加熱用ＩＲランプの設置方向に向けて集光用のファイバーを設置できるようにした。

本発明によれば、加熱・冷却サイクルにおいて、ウエハの温度を正しくモニタできるようになるため、測定した温度に基づいてプロセスの再現性を高めることが可能となる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の全体の概略を示す図である。 本発明の実施例における光ファイバー設置穴の概略を示す図である。 本発明の実施例において、光ファイバー設置穴をウエハに対して傾斜させて設置した場合の装置全体の概略を示す図である。 本発明の実施例において、光ファイバー設置穴をウエハに対して傾斜させて設置した場合の光ファイバー設置穴の概略を示す図である。 本発明の実施例において、光ファイバー設置穴をウエハに対して傾斜させて設置した場合の光ファイバー設置穴の他の概略を示す図である。 本発明の実施例における赤外吸収端波長について説明する図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、ＩＲ光のウエハ付近での光路について説明する図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、ＩＲ光のウエハ付近での光路について説明する図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、光ファイバーをウエハ面に対して垂直に設置したときに、ウエハで反射したＩＲ光を測定する様子を示す図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、光ファイバーをウエハ面に対して垂直に設置したときに、ウエハを透過したＩＲ光を測定する様子を示す図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、光ファイバーをウエハ面に対して傾斜させて設置したときに、ＩＲ光を測定する様子を示す図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、エッチング装置の手順を示す図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、エッチング処理中のウエハ表面の状態を示す図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、外部ＩＲ光を用いてウエハ温度を測定する手順を説明する図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、加熱用ＩＲランプの光を用いてウエハ温度を測定する手順を説明する図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、加熱用ＩＲランプの光を用いてウエハ温度を測定する場合のプロセスフローを説明する図である。 本発明の実施例におけるエッチング処理について、加熱用ＩＲランプの光から放射されるＩＲ光の波長プロファイルについて説明する図である。

本発明の実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明の実施例を図１乃至１７を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本実施例のプラズマ処理装置は、真空容器とその下部に配置された処理室内のステージ上のウエハに赤外線（ＩＲ）を照射して加熱するランプとを含むものであって、真空容器の上部を構成して内部でプラズマが形成される放電室及び当該放電室と下方の処理室とを連通する通路、並びにその通路内側に配置されプラズマの形成により生じた反応性の高いラジカル等の活性種の粒子が通過する複数の隙間または孔を有するスリットとを備えた処理装置である。

本例のプラズマ処理装置において、処理室１は真空容器下部を構成するベースチャンバー１１内部に配置された室であって、内側の下部にはウエハ２をその上面に戴置するためのウエハステージ４が配置されている。処理室１の上方にはプラズマ源が設置されており、プラズマ源にはＩＣＰ放電方式を用いている。

ＩＣＰプラズマ源を構成する円筒型の石英チャンバー１２が処理室１の上方に設置されており、石英チャンバー１２の外側にはＩＣＰコイル３４が設置されている。ＩＣＰコイルにはプラズマ生成のための高周波電源２０が整合機２２を介して接続されている。

高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚなど、数十ＭＨｚの周波数帯を用いるものとする。石英チャンバー１２の上部には天板６が設置されている。天板６の下部にはガス分散板１７とシャワープレート５が設置されており、処理ガスはガス分散板１７とシャワープレート５を介して処理室１内に導入される。

処理ガスはガス種毎に設置されたマスフローコントローラー５０によって供給流量が調整される。また、マスフローコントローラーの下流側にはガス分配器５１が設置されており、放電領域３の中心付近に供給するガスと外周付近に供給するガスの流量や組成をそれぞれ独立に制御して供給できるようにし、ラジカルの空間分布を詳細に制御できるようにしている。

なお、図１ではＮＨ３、Ｈ２、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、ＣＨ３ＯＨ、Ｏ２、ＮＦ３、Ａｒ、Ｎ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｈ２Ｏを処理ガスとして図に記載してあるが、他のガスを用いてもよい。

処理室１の下部には処理室を減圧するため、真空排気配管１６によって、排気手段１５に接続されている。排気手段には例えば、ターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプやドライポンプで構成されるものとする。

また、処理室１や放電領域３の圧力を調整するため、調圧手段１４が排気手段１５の上流側に設置されている。

ステージ４とＩＣＰプラズマ源の間にはウエハを加熱するためのＩＲランプユニットが設置されている。ＩＲランプユニットは主にＩＲランプ６２、ＩＲ光を反射する反射板６３、ＩＲ光透過窓７４からなる。

ＩＲランプ６２にはサークル型（円形状）のランプを用いる。なお、ＩＲランプ６２から放射される光は可視光から赤外光領域の光を主とする光（ここではＩＲ光と呼ぶ）を放出するものとする。

本実施例では３周分のランプが設置されているものとしたが、２周、４周などとしてもよい。ＩＲランプ６２の上方にはＩＲ光を下方（ウエハ設置方向）に向けて反射するための反射板６３が設置されている。

ＩＲランプ６２にはＩＲランプ用電源６４が接続されており、その途中にはプラズマ生成用の高周波電力のノイズがＩＲランプ用電源に流入しないようにするための高周波カットフィルタ２５が設置されている。また、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３に供給する電力がお互いに独立に制御できるような機能がＩＲランプ用の電源６４には設置されており、ウエハの加熱量の径方向分布を調節できるようになっている（配線は一部図示を省略した）。

ＩＲランプユニットの中央には流路７５が形成されている。そして、この流路７５にはプラズマ中で生成されたイオンや電子を遮蔽し、中性のガスや中性のラジカルのみを透過させてウエハに照射するための複数の穴の開いたスリット板７８が設置されている。

ステージ４にはステージを冷却するための冷媒の流路３９が内部に形成されており、チラー３８によって冷媒が循環供給されるようになっている。また、ウエハ２を静電吸着によって固定するため、板状の電極板３０がステージに埋め込まれており、それぞれにＤＣ電源３１が接続されている。

また、ウエハ２を効率よく冷却するため、ウエハ２の裏面とステージ４との間にＨｅガスを供給できるようになっている。また、ウエハを吸着したまま、加熱・冷却を行っても、ウエハの裏面に傷がつかないようにするため、ウエハステージの表面（ウエハ戴置面）はポリイミド等の樹脂でコーティングされているものとする。

また、ステージ４の内部にはステージの温度を測定するための熱電対７０が設置されており、この熱電対は熱電対温度計７１に接続されている。

また、ウエハの温度を測定するための光ファイバーであるファイバー９２の取り付けのための穴９１が開けてある。図１ではウエハ中心部付近、ウエハ径方向ミドル部付近、ウエハ外周付近の３箇所を測定するためステージの３箇所にファイバー設置用の穴９１が設けられている。

ファイバー設置用の穴９１には外部ＩＲ光源からのＩＲ光をウエハ裏面に照射するための光ファイバー９２−１と、ウエハを透過・反射したＩＲ光を集めて分光器へ伝送するための光ファイバー９２−２がそれぞれ設置されている。

外部ＩＲ光は外部ＩＲ光源９３で生成され、光路をＯＮ／ＯＦＦさせるための光路スイッチ９４へ伝送される。その後、光分配器９５で複数に分岐し、ファイバー９２−１を介してウエハ裏面側に照射される。

ウエハで吸収・反射されたＩＲ光はファイバー９２−２によって分光器９６へ伝送され、検出器９７でスペクトル強度の波長依存性のデータを得る。また、ファイバー９２−２の途中には光マルチプレクサー９８が設置されており、分光計測する光について、ウエハ中心、ウエハミドル、ウエハ外周のどの計測点における光を分光計測するかを切り替えられるようになっている。

次にウエハステージにおける光ファイバー設置穴９１の構成について図２を用いて説明する。図２では静電吸着のための電極板３０や冷媒の流路３９は図示を省略した。

ファイバー取り付けのためのステージ４に設けられたファイバー設置穴９１はウエハ２の表面に対して垂直としている。このファイバー設置穴９１には一方が終端されている石英製のチューブ８０が挿入されている。

このチューブ８０とステージ４との間にはＯ−リング８１が設置されており、ステージ４の下方の大気がステージ４の上方の処理室内に流入しないように気密に封止される構成となっている。ファイバー９２−１，９２−２はファイバーヘッド８４に固定されており、このファイバーヘッド８４を石英チューブ内に挿入し、押さえ８３等で固定するようにしている。

ファイバー設置穴はウエハ面に対して斜めに設置する構成としてもよい。この場合の全体構成を、図３に示す。本図では、図１と同等の構成は一部図示を省略した。

また、ファイバー設置穴部分の構成例を図４に示す。図２と同様に、ファイバー設置穴９１に石英チューブ８０を挿入しＯ−リング８１にて、大気が処理室内に流入しないようにされている。

そして、石英チューブ８０内にファイバーヘッド８４を挿入する。

図５に、光ファイバーをウエハ面に対して斜めに設置する他のファイバー設置穴部分の構成が示されている。本構成では石英ロッド８５がファイバー設置穴９１に挿入されており、Ｏ−リングによって大気が処理室内に流入しないように構成されている。

本例では、ファイバー９２−１，９２−２は、石英ロッド８５の一方の面（図中のＸ）に近接させて設置されている。石英ロッド８５の面（Ｘ）には反射防止膜が設置されているものとする。

次に、温度測定の原理について図６乃至８を用いて説明する。

図７に示すように赤外（ＩＲ）光をウエハを通過させる、あるいは図８に示すようにウエハの表面から内部に進入させて端面で反射させて再びウエハ内部を通して表面から射出させる際には、当該ウエハのバンドギャップに応じて、長い波長の光がウエハを構成する部材に吸収される。このようなＩＲ光の強度の波長の変化に対する変化は、図６に示すようなものとなる。

本図に示すように、ウエハに照射される前のＩＲ光の強度を示す線Ｘに対して、ウエハ内部を通過した後の光の強度を示す線Ｙ（Ｙ０，Ｙ１，Ｙ２）は、値が小さくなるとともに、各々特定の波長の前後において特徴的な変化を有するプロファイルになる。すなわち、図６中にαで示されるように、その前後において急激にＩＲ光の強度が増減する特定の波長を含む値の範囲が生じる。

そして、このような波長の範囲はウエハの温度が変化すると、それに応じてバンドギャップも変化し、吸収・透過するＩＲ光の波長が変化するため、αの波長も変化する。例えば、図６中のＹ０を基準として、ウエハの温度が高くなるとＹ１のように低波長側に、ウエハの温度が低くなるとＹ２のように長波長側にシフトする。

発明者らは、このような現象を利用して、当該αで示されるような領域の波長の値を検出し、その結果を利用してウエハの温度を検出することができるという知見を得た。例えば、αの領域における波長の変化に対するＩＲ光の強度の変化の傾きを特定の直線でフィッティングし、その外挿値を赤外吸収端波長として定義し、当該赤外吸収端波長の値とウエハの温度の値との相関を予め得ておいて、ウエハから放射されたＩＲ光を用いて検出した赤外吸収端波長の値を用いてウエハの温度を求めることを想起したものである。

また、検出するＩＲ光としては、図７に示したものの他に、図８に点線で示した矢印の光として示したようなウエハの表面や裏面で乱反射する光を用いることもでも可能である。ただし、この場合は図７のものに比べて、計測される光の強度が相対的に弱いためＳ／Ｎ比を高める工夫が必要となる。

次に、本実施例における、ファイバー９２をウエハに対して配置する角度を図９乃至１１を用いて説明する。図９は、ファイバーをウエハ面に対して垂直に設置した場合において外部ＩＲ光を用いてウエハの温度を計測する場合のＩＲ光の経路を模式的に示す図である。

本実施例においては、ウエハ２の下方に配置されたファイバー９２−２で検出対象となるＩＲ光は、ファイバー９２−１から上方に向けて放射され図上ウエハ２の下方の線で示される裏面から内部に進入して上方の線で示されるウエハ上面で反射された後当該内部を伝播してウエハ２の裏面に到達するまでに所定の波長の光が吸収されてから当該裏面から下方に向けて放出された光、すなわち図９中の光路ａを通る光であることが必要となる。一方で、ウエハ２の裏面で外側（図上下側）に反射してファイバー９２−２に到達する経路ｂを通るＩＲ光は、ウエハ２の吸収の影響を受けていないものであるため、ウエハ２の温度を検出するために用いることはできない、言い換えれば迷光である。

このことから、ウエハ２の温度を示す赤外吸収端波長を精度良く検出するためには、ファイバー９２−２に達するＩＲ光から図９中の光路ｂを経たＩＲ光の成分の除去あるいは低減することが必要となる。しかし、この達成は、光路ｂの経路を遮断するための構造物の設置や、ファイバーとウエハの距離の高精度な調整が要求されるなど難易度が高い。

図１０は、加熱用のＩＲランプの光を用いて測定する場合について示している。本図に示すように、ウエハ２に上方の処理室１内から照射され透過したＩＲランプ６２からのＩＲ光の大部分は、図１０の光路ａに示すように、ウエハ２の下方へウエハ２に入射した方向に平行に放射され（本図では、簡単のためウエハ等の屈折率は無視した）一部分はウエハ２の表面及び裏面で乱反射して、入射した方向と異なる複数の方向の光路ｂに放射される。

ウエハ２の上面で乱反射されてウエハ２内部を通りウエハ２の裏面から放出されたＩＲ光を用いてウエハ２の温度を検出することができる。一方、この場合には乱反射したＩＲ光の強度が弱いためＩＲランプ６２から十分な量の光の放射される必要がある。

次に、図１１に示すように、ウエハ２の上面または下面に対してファイバー９２の端面または軸方向を傾けて設置する場合について述べる。ウエハ２裏面に対してその軸が傾けられたファイバー９２−１の端面からは、外部ＩＲ光源９３から光路スイッチ９４及び光分配器９５を通ったＩＲ光がウエハ２の裏面に向けて、上記軸に沿って放射される。

本図に示す例では、放射されたＩＲ光の大部分は、ウエハ２の表面及び裏面で反射され所定の反射角上の光路ａに沿ってウエハ２から放射されるが、一部の光は経路ｂに示すように、ウエハ２表面で乱反射される。本図の光路ｂの乱反射されたＩＲ光を用いてウエハ２の温度を検出することができる。

この例でも乱反射されたＩＲ光の強度は、外部ＩＲ光源９３から或いはＩＲランプ６２のＩＲ光より相対的に強度が小さいため光源に十分な光の強度が要求される一方で、ウエハ２の裏面で反射される図１１中の光路ａのＩＲ光がノイズとして計測されるのを抑制できるメリットがある。

また、図１１ではファイバー９２がその軸を加熱用のＩＲランプ６２から放射されるＩＲ光の方向に沿って向けて設置されている。この構成により効率的にウエハ２を透過したＩＲ光を検出でき、エッチングプロセス中においてウエハ２を加熱するためのものではない期間中に低電力でＩＲランプ６２を点灯させて放射させウエハ２を透過したＩＲ光を用いてウエハ２の温度を検出することができる。

また、図１１ではファイバー９２の端面および軸をＩＲランプ６２から放射されるＩＲ光の方向に沿って向けているが、ＩＲランプ６２が設置された方向とは異なった方向に設置してある場合、加熱用ＩＲランプからの透過光についても図８（ｂ）のように、微弱な散乱光を測定することになり、ウエハ温度の測定の難易度は高くなる。したがって、ファイバー設置穴はＩＲランプの設置方向に向いているほうが望ましいが、ステージの構造が複雑になる。

なお、ウエハ２の温度を検出する上で外部ＩＲ光源９３の光を用いる構成、あるいはＩＲランプ６２の光を用いる構成は、ウエハ２やＩＲランプ６２に対してファイバー９２を設置する角度やウエハ２の表面の膜の性質等の条件に応じて選択することが望ましい。例えば、図７（ａ）に示したウエハ２の上下を透過したＩＲ光を利用する構成は、その強度が大きいことから高い精度で検出し易い一方で、処理対象の膜層を含むウエハ２の表面の膜構造が半導体デバイスの金属配線を形成するための膜を有する等の実施的にウエハ表面が金属膜で覆われているような場合では、上方のＩＲランプ６２から放射されるＩＲ光は当該膜が配置されたウエハ２の表面で大部分が反射されてしまう。

このため、ウエハ２を透過したＩＲ光から温度を検出することが困難となる。このように、ウエハ２の上下を透過したＩＲ光を用いる構成ともに、ウエハ２の表面で反射したＩＲ光を用いる構成を備えて、少なくとも何れかを用いてウエハ２の温度を検出する装置を構成することが望ましい。

次に、本実施例が実施するウエハ２の処理の工程について、図１２及び１３を用いて説明する。図１２は、本発明の実施例の実施する処理の動作の流れを模式的に示すタイムチャートである。図１３は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置が処理するウエハ表面の膜構造の当該処理の進行に伴う構成の変化を模式的に示す縦断面図である。

これらの図に示す処理おいて、まず処理室１に設けられた搬送口（図１では省略）を通してウエハ２を処理室１へ搬入した後、ＤＣ電源３１によりウエハ２をステージ４に静電吸着して固定するとともに、ウエハ２の裏面にウエハ２の冷却用のＨｅガスを供給する。

そして、複数のマスフローコントローラー５０、及び、ガス分配器５１によって処理室１内に供給する処理ガスの流量や処理室１内のガス組成分布を調整し、放電電源２０によりプラズマ放電を開始する。そして、処理ガスはプラズマ１０にてイオン化、解離し、中性のガスとラジカルはスリット板７８を通過してウエハ２に照射される。

これによりラジカルをウエハの表面に吸着させて被エッチング層９５の表面に反応層９６を生成する（吸着工程、図１２（ａ）、図１３（ａ））。本実施例では、被エッチング層はＳｉ，ＳｉＯ２，ＳｉＮ，ＳｉＧｅ，Ｗ，ＴｉＮ，ＴｉＯ，Ａｌ２Ｏ３等で構成される膜層である。

反応層の生成が完了したら放電電源２０をＯＦＦとしてプラズマ放電を止める。そして、ウエハ裏面のＨｅガスの供給を停止するとともに、バルブ５２を開いてウエハの裏面の圧力を処理室内の圧力と同程度にする（ウエハ裏面のＨｅガスを抜く）。

次に、ＩＲランプ用の電源６４の出力をＯＮにしてＩＲランプ６２を点灯させる。ＩＲランプ６２から放射されたＩＲ光はＩＲ光透過窓７４を透過しウエハ２を加熱する。

ウエハの温度が一定値に到達したら電源６４の出力を低減し、ウエハ２の温度を一定に保ちながら変質層を脱離させる（脱離工程）（図１２（ｂ）、図１３（ｂ））。

その後、ＩＲランプ用電源６４の出力をＯＦＦにして、ウエハ２の加熱を停止する。次に処理室内にＡｒガスを供給しながらウエハ裏面にＨｅガスを供給しウエハの冷却を開始する（図１２（ｃ）、図１３（ｃ））。

冷却が終了したら再び（次のサイクルとして）ラジカル照射を開始する。そして、ラジカル吸着と脱離のサイクルを繰り返してステップバイステップでエッチングを行う。

なお、静電吸着は上記の工程が繰り返されて実施されるウエハ２のエッチング処理中は吸着が継続される。エッチング処理が終了したら静電吸着を解除（除電）して処理室１からウエハ２を搬出する。

次に、本実施例において外部ＩＲ光源を用いた場合のウエハの温度を検出する工程ついて図１４を用いて説明する。図１４は、本実施例におけるエッチング処理について、外部ＩＲ光を用いてウエハ温度を検出する動作の流れを示すタイムチャートである。

本図において、本実施例のプラズマ処理装置は、まず、光マルチプレクサー９８のチャンネルをウエハ２の中心部での集めた光を分光計測するように切り替える。そして、光路スイッチ９４を、ＯＮ及びＯＦＦとして、それぞれにおいて、ＩＲ光強度の波長プロファイルを計測する。

本例では、光路スイッチ９４の設定がＯＮのときは外部ＩＲ光源９３からのＩＲ光と加熱用のＩＲランプ６２からのＩＲ光の２つのＩＲ光の信号を計測し、光路スイッチ９４の設定がＯＦＦのときはＩＲランプ６２のＩＲ光からの信号のみを計測する。そして、光路スイッチ９４がＯＮの期間でのＩＲ光の高強度の波長プロファイルから光路スイッチ９４がＯＦＦの期間でのＩＲ光の高強度の波長プロファイルを差し引いて外部ＩＲ光源９３からのＩＲ光による波長プロファイルのみを抽出する。

次に、図６に示したように、抽出した波長プロファイルのデータを用いて赤外吸収端波長を算出し、当該ウエハ２の処理前に予め得ておいた当該赤外吸収端波長の大きさとウエハの温度との相関を示すデータを用いて、算出した赤外吸収端波長の値に最も近い当該データの値に対応するウエハの温度の値を処理中のウエハ２の温度として検出する。さらに、光マルチプレクサー９８のチャンネルをウエハ２のミドル部での集光光に切り替えて同様な手順でウエハ２のミドル部の温度を測定する。

次に、同様に、ウエハ２の外周部の温度を測定し、再びウエハ２の中心付近の温度計測を行う。このように、光マルチプレクサー９８のチャンネルを順番に切り替え、且つ、光路スイッチ９４のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、ウエハ２中心→ウエハ２ミドル→ウエハ２外周→ウエハ２中心→ウエハ２ミドル→ウエハ２外周→・・・・と順番にウエハ２の温度を計測する。

次に、本実施例において、外部ＩＲ光源からのＩＲ光を用いず、加熱用のＩＲランプ６２からのＩＲ光のみを用いてウエハ２の温度を測定する手順を図１５を用いて説明する。図１５は、ウエハ２の加熱中からウエハ２の冷却中にかけて温度を測定する場合について示したものである。

光マルチプレクサー９８をウエハ中心→ウエハミドル部→ウエハエッジに順に切り替えながら、それぞれのチャンネルごとにウエハ２を透過したＩＲランプ６２からの光を分光計測し、赤外吸収端波長からウエハ温度を推定する。

そして、ウエハ２の所定の加熱の期間の終了または温度への到達が検出されると、加熱の工程が終了しウエハ２を冷却する工程が開始され、加熱用のＩＲランプ６２の出力を落として低電力でＩＲランプ６２が点灯される。この冷却の期間中のＩＲランプ６２の電力は、分光計測において得られる信号強度がＳ／Ｎ比として１を超えるように調節される。

また、ＩＲランプ６２は中央側から外周側までの３周分が設置されているが、１周分のみ低電力で点灯させても良い。さらに、ＩＲランプ６２の一つの周回部分が円弧状のランプを複数個、例えば４５度より僅かに小さい角度の円弧状のランプを同じ半径の位置で８つ配置し、これらを一つの１周分のランプのユニットとして構成している場合には、何れか少なくとも１つ以上で８つ未満のランプのみを点灯させても良い。

本実施例が実施するウエハ２の処理において、ＩＲランプ６２からのＩＲ光のみを用いてウエハ２の温度を測定する場合の動作の流れの例が図１６に示されている。すなわち、ラジカル照射中やウエハ２の冷却中は低電力でＩＲランプ６２を点灯し、加熱中はウエハ２の加熱に必要な電力でＩＲランプ６２を点灯させる。

冷却中やラジカルの照射中はウエハ２をステージ４に静電吸着させつつ、ウエハ２の裏面にＨｅガスを供給し、この状態で低電力でＩＲランプ６２を点灯させることで、ウエハ２の温度の上昇を抑制する。

次に、本実施例の温度を検出する構成において温度の較正の方法について図１７を用いて説明する。本発明の実施例におけるエッチング処理について、加熱用ＩＲランプの光から放射されるＩＲ光の波長プロファイルについて説明する図である。

通常、ＩＲ光源から放射される光強度の波長プロファイルは点灯電力に依存して変化する。一般には、低電力ほど長波長側にシフトしたプロファイル形状（色温度が低い）になる場合が多い。

例えば、図１５に示すように温度の計測のため低電力でＩＲランプ６２を点灯している状態（図１６中のＸ）におけるプロファイルは図１７中の線Ｘで示されるプロファイルになり、ウエハ２の温度が増大している状態（図１４のＺ）では図１７中の線Ｚのプロファイル、ウエハ２の温度が一定に保たれる或いは温度の変化が抑制されている状態（図１４のＹ）では図１７中の線Ｙで示されるプロファイルのようになる。

すなわち、計測するタイミングによってＩＲランプ６２から放射されるＩＲ光の強度の波長プロファイルが変化する。そこで、本実施例では、ウエハ２が処理室１内に搬入される前に、予め複数の異なる値の電力をＩＲランプ６２に供給し各々の電力の値に対応した異なる出力で点灯させて、図１７で示すような、分光計測強度の波長プロファイルのデータを取得しておく。

その後に、ウエハ２を処理室１内に搬入してステージ４上に静電吸着して保持して裏面にＨｅガスを供給する。この状態でＩＲランプ６２は温度計測用の低電力が供給されて点灯している。

その後、ウエハ２の温度がステージ４の温度と同じかこれと看做せる程度に近似した値になる。この状態で、ウエハ２の温度はステージ４の温度を検知する熱電対温度計７１の出力から検出された温度と同じまたは近似した値になっている。

そこで、ＩＲランプ６２からのＩＲ光を用いて上記のように赤外吸収端波長を測定する。抽出された赤外吸収端波長と熱電対で測定された温度とを対応づけてこれらをデータとして、図示しないメモリやハードディスク等の記憶装置内に記憶する。ラジカル２の照射中やウエハ２の冷却中においてＩＲランプ６２を低電力（温度測定モード）で点灯しているときはこの計測値の相対値として温度を算出する。

次に、ウエハ加熱中（昇温中、及び、一定温度維持中）では、それぞれの状態に応じて計測した波長プロファイルをＩＲランプの光強度の波長プロファイルに応じて較正する。例えば、図１７に示した波長プロファイルについて、温度計測モードでの測定値をＦ（Ｚ，λ）、昇温中ではＦ（Ｘ，λ）、一定温度維持中ではＦ（Ｙ，λ）とする。そして、例えばウエハ加熱中（昇温中）に計測したプロファイルをＨ（Ｚ，λ）、較正済みの波長プロファイルをＧ（Ｚ，λ）としたとき、
Ｇ（Ｚ，λ）＝Ｈ（Ｚ，λ）× Ｆ（Ｘ、λ）／Ｆ（Ｚ、λ）
として算出し、この結果から吸収端波長を算出するようにして較正するとよい。

つまり、簡単には「ウエハ加熱中の波長プロファイルの測定値」×「ウエハ無しで温度測定モードで測定した波長プロファイル」÷「ウエハ無しで同じ電力でＩＲランプを点灯して測定した波長プロファイル」として較正して、熱電対温度計での計測温度からの相対値として算出するとよい。

なお、上記は加熱用ＩＲランプを用いて測定する場合の温度較正方法について述べたものであるが、外部ＩＲ光を用いたウエハ温度測定においてもウエハ搬入後、ウエハの温度がステージ温度と同等になったタイミングで赤外吸収端波長から温度を推定し、この値とステージ内に設置された熱電対温度計による測定値とを比較して、温度を較正するようにするとよい。

また、外部ＩＲ光を用いた測定において、加熱用のＩＲ光の影響を差し引いて算出したウエハ温度と、加熱用ＩＲランプの光のみを用いて算出したウエハ温度の２つの情報を用いて、装置のプロセスを管理してもよい。すなわち、測定したウエハ温度に基づいて、加熱時間や３周分設置したＩＲランプ６２の内側６２−１、ミドル６２−２、外側６２−３の電力比を調節したり、あるいは、冷却時間を調節したりするとよい。

処理室…１、
ウエハ…２、
放電領域…３、
ステージ…４、
シャワープレート…５、
天板…６、
ベースチャンバー…１１、
石英チャンバー…１２、
調圧手段…１４、
排気手段…１５、
真空排気配管…１６、
ガス分散板…１７、
カットフィルタ…２５、
電極板…３０、
ＤＣ電源…３１、
ＩＣＰコイル…３４、
チラー…３８、
流路…３９、
マスフローコントローラー…５０、
ガス分配器…５１、
ＩＲランプ…６２、
反射板…６３、
ＩＲランプ用電源…６４、
熱電対…７０、
熱電対温度計…７１、
ＩＲ光透過窓…７４、
流路…７５、
スリット板…７８、
チューブ…８０、
Ｏ−リング…８１、
押さえ…８３、
ファイバーヘッド…８４、
石英ロッド…８５、
穴…９１、
ファイバー…９２，９２−１，９２−２
外部ＩＲ光源…９３、
光路スイッチ…９４、
光分配器…９５、
分光器…９６、
検出器…９７、
光マルチプレクサー…９８。

Claims (5)

1. 減圧された内側に処理用のガスが供給される処理室を内部に備えた真空容器と、前記処理室内側の下部に配置され処理用のウエハが上面に載せられるステージと、前記処理室上方に配置されその内部で処理用のガスを用いてプラズマが形成されるプラズマ形成室と、前記試料台の上面の上方であって前記処理室と前記プラズマ形成室との間に配置され前記処理用のガスが導入される複数の導入孔を備えた誘電体製の板部材と、この板部材の外周側でこれを囲んで配置され前記試料を加熱するためのランプとを備えたプラズマ処理装置であって、
   ウエハ温度測定のための外部ＩＲ光源と、分光器と、分光したＩＲ光を検出する検出器とを有し、前記ステージにファイバー設置穴を複数設置し、前記ファイバー設置穴にはウエハ温度測定のための外部ＩＲ光源からのＩＲ光を前記ウエハの裏面側から照射するためのＩＲ光照射ファイバーと、前記ウエハ内を透過・反射したＩＲ光を集光するためのＩＲ光集光ファイバーとを挿入し、前記ＩＲ光を照射するためのファイバーの途中にはウエハへのＩＲ光の照射をＯＮ／ＯＦＦするための光路スイッチと光を複数に分岐する光分配器を設置し、複数の前記ＩＲ光集光ファイバーは光マルチプレクサーに接続され、該光マルチプレクサーで選択されたチャンネルの光を前記分光器に接続して、前記検出器により測定されるように構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   光ファイバーは前記ステージに戴置されたウエハ面に対して傾斜して設置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記ステージに設けられたファイバー設置穴には、一旦が終端された石英製チューブを挿入し、該石英製チューブ内に、前記ＩＲ光照射用ファイバーと、前記ＩＲ光集光用ファイバーを設置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記光路スイッチがＯＦＦの状態で得たＩＲ光強度の波長プロファイルデータから、前記光路スイッチがＯＮの状態で得たＩＲ光強度の波長プロファイルデータを指し引き、該差し引いたデータから赤外吸収短波長を算出してウエハ温度を推定するプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記ウエハの表面に配置された膜上に前記プラズマ中の粒子を吸着させて生成物層を形成する吸着工程と、この吸着工程の後に前記処理室内に前記ランプにより前記ウエハを加熱して前記生成物層を脱離する脱離工程と、この脱離工程の後に前記ウエハを冷却する冷却工程とを繰り返して前記ウエハの処理を行うものであって、前記吸着工程及び冷却工程中に前記加熱工程中のものよりも低い電力で前記ランプを点灯させて当該ランプからの光を用いて前記ウエハの温度を検出することを特徴とするプラズマ処理装置。

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