JP2018107202A - プラズマ処理装置及びプラズマ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハに対するプラズマ処理での異常の発生を抑制する。
【解決手段】プラズマ処理装置１００は、電極として機能する上部天板１６ｂと、照射部８１と、検出部８２とを有する。上部天板１６ｂは、プラズマ処理空間に面し、赤外線の反射層８５がプラズマ処理空間に対する裏面又は内部に設けられている。照射部８１は、プラズマ処理中に上部天板１６ｂに対して赤外光を照射する。検出部８２は、反射層８５で反射された赤外光の信号強度を検出する。プラズマ処理装置１００は、検出された赤外光の信号強度に基づいて、上部天板１６ｂに生じる反応生成物の膜厚を計測し、計測された反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、プラズマ処理装置及びプラズマ制御方法に関するものである。

従来から、ウエハなどの被処理体に対してプラズマを用いてプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が知られている。このようなプラズマ処理装置では、例えば、処理容器の内部に、処理ガスを射出し、電極に電圧を印加してプラズマを生成して、被処理体に対してプラズマによるエッチングや成膜といった種々のプラズマ処理を行う。

プラズマ処理装置では、プラズマ処理により、反応生成物が処理容器の内壁に堆積する現象が発生する。堆積した反応生成物は、デポとも称される。処理容器の内壁に堆積した反応生成物は、温度変化、圧力変化、被処理体の搬送動作などにより、剥離して、被処理体に付着し、異物となる場合がある。そこで、処理容器の内壁に赤外を照射し、内壁での赤外光の反射光から内壁に堆積した反応生成物の膜厚をモニタリングする技術が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０００−３９０５号公報

しかしながら、従来の技術では、プラズマ処理での異常の発生を抑制できない場合がある。

プラズマ処理装置では、プラズマ処理により反応生成物が電極にも堆積する。そして、プラズマ処理装置では、電極に堆積した反応生成物に起因して、コンディション変化し、プロセス特性の悪化や、パーティクルの発生などの異常が発生する。

従来の技術では、電極への反応生成物の堆積状況を把握できないため、処理容器内のコンディションの変化を把握できず、プラズマ処理での異常の発生を抑制できない。

開示するプラズマ処理装置は、１つの実施態様において、電極と、照射部と、検出部と、計測部と、プラズマ制御部とを有する。電極は、プラズマ処理空間に面し、赤外線の反射層がプラズマ処理空間に対する裏面又は内部に設けられている。照射部は、プラズマ処理中に電極に対して赤外光を照射する。検出部は、反射層で反射された赤外光の信号強度を検出する。計測部は、検出部により検出された赤外光の信号強度に基づいて、電極に生じる反応生成物の膜厚を計測する。プラズマ制御部は、計測部により計測された反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する。

開示するプラズマ処理装置の１つの態様によれば、プラズマ処理での異常の発生を抑制できるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置を示す概略断面図である。 図２は、シャワーヘッド付近の詳細な構成を示した図である。 図３は、赤外光の偏光方向を示した図である。 図４は、信号強度の分布の一例を示す図である。 図５は、測定開始（Initial）との差分の信号強度の分布の一例を示す図である。 図６は、差分の信号強度と膜厚の関係の一例を示す図である。 図７は、プラズマ制御方法の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本願の開示するプラズマ処理装置及びプラズマ制御方法の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付すこととする。また、本実施形態により開示する発明が限定されるものではない。各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。

［プラズマ処理装置の構成］
図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置を示す概略断面図である。プラズマ処理装置１００は、１つの実施形態において、被処理体に対してプラズマエッチング処理を行う装置である。図１に示すプラズマ処理装置１００は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた処理チャンバ１を有している。この処理チャンバ１は、円筒状とされ、例えば表面に陽極酸化被膜を形成されたアルミニウム等から構成されている。処理チャンバ１内には、被処理体である半導体ウエハＷを水平に支持する載置台２が設けられている。

載置台２は、その基材２ａが導電性の金属、例えばアルミニウム等で構成されており、下部電極としての機能を有する。この載置台２は、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、載置台２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング５が設けられている。さらに、載置台２及び支持台４の周囲には、囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材３ａが設けられている。

載置台２の基材２ａには、第１の整合器１１ａを介して第１の高周波電源１０ａが接続され、また、第２の整合器１１ｂを介して第２の高周波電源１０ｂが接続されている。第１の高周波電源１０ａは、プラズマ発生用のものであり、この第１の高周波電源１０ａからは所定周波数（例えば６０ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるようになっている。また、第２の高周波電源１０ｂは、イオン行き込み用（バイアス用）のものであり、この第２の高周波電源１０ｂからは第１の高周波電源１０ａより低い所定周波数（例えば、４００ｋＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるようになっている。一方、載置台２の上方には、載置台２と平行に対向するように、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド１６が設けられており、シャワーヘッド１６と載置台２は、一対の電極（上部電極と下部電極）として機能するようになっている。シャワーヘッド１６と載置台２との間は、プラズマが生成されてプラズマ処理が行われるプラズマ処理空間を画成している。

載置台２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａを介在させて構成されており、電極６ａには直流電源１２が接続されている。そして電極６ａに直流電源１２から直流電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハＷが吸着されるよう構成されている。

載置台２の内部には、冷媒流路２ｂが形成されており、冷媒流路２ｂには、冷媒入口配管２ｃ、冷媒出口配管２ｄが接続されている。そして、冷媒流路２ｂの中にガルデンなどの冷媒を循環させることによって、支持台４及び載置台２を所定の温度に制御可能となっている。また、載置台２等を貫通するように、半導体ウエハＷの裏面側にヘリウムガス等の冷熱伝達用ガス（バックサイドガス）を供給するためのバックサイドガス供給配管３０が設けられている。このバックサイドガス供給配管３０は、図示しないバックサイドガス供給源に接続されている。これらの構成によって、載置台２の上面に静電チャック６によって吸着保持された半導体ウエハＷを、所定の温度に制御可能となっている。

上記したシャワーヘッド１６は、処理チャンバ１の天壁部分に設けられている。シャワーヘッド１６は、本体部１６ａと電極板をなす上部天板１６ｂとを備えており、絶縁性部材４５を介して処理チャンバ１の上部に支持されている。本体部１６ａは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板１６ｂを着脱自在に支持できるように構成されている。上部天板１６ｂは、シリコン含有物質で形成され、例えばシリコンで形成される。上部天板１６ｂは、電極の一例である。

本体部１６ａの内部には、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄが設けられ、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄの下部に位置するように、本体部１６ａの底部には、多数のガス通流孔１６ｅが形成されている。ガス拡散室は、中央部に設けられたガス拡散室１６ｃと、周縁部に設けられたガス拡散室１６ｄとに２分割されており、中央部と周縁部とで独立に処理ガスの供給状態を変更できるようになっている。

また、上部天板１６ｂには、当該上部天板１６ｂを厚さ方向に貫通するガス導入孔１６ｆが、上記したガス通流孔１６ｅと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆを介して処理チャンバ１内にシャワー状に分散されて供給されるようになっている。なお、本体部１６ａ等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられており、プラズマエッチング処理中にシャワーヘッド１６を所望の温度に温度制御できるようになっている。

上記した本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄへ処理ガスを導入するための２つのガス導入口１６ｇ，１６ｈが形成されている。これらのガス導入口１６ｇ，１６ｈにはガス供給配管１５ａ，１５ｂが接続されており、このガス供給配管１５ａ，１５ｂの他端には、エッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給源１５が接続されている。処理ガス供給源１５は、ガス供給部の一例である。ガス供給配管１５ａには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｃ、及び開閉弁Ｖ１が設けられている。また、ガス供給配管１５ｂには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｄ、及び開閉弁Ｖ２が設けられている。

そして、処理ガス供給源１５からはプラズマエッチングのための処理ガスが、ガス供給配管１５ａ，１５ｂを介してガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給され、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄから、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆを介して処理チャンバ１内にシャワー状に分散されて供給される。例えば、処理ガス供給源１５からは、シリコン酸化膜をエッチングする際に用いられる処理ガス及びクリーニングに用いるクリーニングガスなどが供給される。

上記した上部電極としてのシャワーヘッド１６には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１を介して可変直流電源５２が電気的に接続されている。この可変直流電源５２は、オン・オフスイッチ５３により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源５２の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ５３のオン・オフは、後述する制御部６０によって制御されるようになっている。なお、後述のように、第１の高周波電源１０ａ、第２の高周波電源１０ｂから高周波が載置台２に印加されて処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御部６０によりオン・オフスイッチ５３がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド１６に所定の直流電圧が印加される。

処理チャンバ１の側壁からシャワーヘッド１６の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１ａが設けられている。この円筒状の接地導体１ａは、その上部に天壁を有している。

処理チャンバ１の底部には、排気口７１が形成されており、この排気口７１には、排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより処理チャンバ１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。

図中７６，７７は、着脱自在とされたデポシールドである。デポシールド７６は、処理チャンバ１の内壁面に沿って設けられ、処理チャンバ１に反応生成物（デポ）が付着することを防止する役割を有している。このデポシールド７６の半導体ウエハＷと略同じ高さ位置には、直流的にグランドに接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）７９が設けられており、これにより異常放電が防止される。

処理チャンバ１の側壁には、載置台２を介して対向した位置に、窓８０ａ、窓８０ｂが設けられている。窓８０ａ、窓８０ｂは、例えば石英などの赤外光に対して透過性を有する部材がはめ込まれ、封止されている。窓８０ａの外側には、赤外光を照射する照射部８１が設けられている。窓８０ｂの外側には、赤外光を検出可能な検出部８２が設けられている。窓８０ａ及び照射部８１は、照射部８１から照射された赤外光が窓８０ａを介して上部天板１６ｂに照射されるように位置が調整されている。また、窓８０ｂ及び検出部８２は、上部天板１６ｂで反射された赤外光が窓８０ｂを介して検出部８２に入射するように位置が調整されている。また、処理チャンバ１の窓８０ａ、窓８０ｂと異なる側壁には、半導体ウエハＷを搬入出するための不図示の搬入出口が設けられている。この搬入出口には、当該搬入出口を開閉するゲートバルブが設けられている。

図２は、シャワーヘッド付近の詳細な構成を示した図である。上部電極として機能する上部天板１６ｂには、プラズマ処理空間に対する裏面に赤外線を反射する反射層８５が設けられている。反射層８５は、赤外線を反射可能であれば、どのように形成されていてもよい。例えば、反射層８５は、タングステン、アルミニウムなどの赤外線を反射する材料の層であってもよく、赤外線を全反射する条件を満たす空間の層であってもよい。本実施形態では、反射層８５は、タングステンの金属層とする。上部天板１６ｂの材料としては、導電性がある材料であればよく、例えば、Ｓｉ、Ｑｚなどが挙げられる。本実施形態では、上部天板１６ｂは、Ｓｉで形成されているものとする。上部天板１６ｂは、上部天板１６ｂでの赤外線の吸収を抑制するため、厚さが５００μｍ以下にすることが好ましく、厚さが１μｍ以下であることがより好ましい。なお、反射層８５は、上部天板１６ｂの内部に設けられてもよい。すなわち、反射層８５は、上部天板１６ｂに内包されていてもよい。

照射部８１は、照射した赤外光が窓８０ａを介して上部天板１６ｂの中央付近の所定の領域に当たるように配置されている。検出部８２は、上部天板１６ｂの中央付近の所定の領域で反射された赤外光が窓８０ｂを介して入射するよう配置されている。

本実形態に係るプラズマ処理装置１００は、赤外分光法（IR：infrared spectroscopy）により、上部天板１６ｂの反射層８５で反射した赤外光の波長毎の吸収度を求めることで、上部天板１６ｂに生じる反応生成物の膜厚を計測する。具体的には、プラズマ処理装置１００は、フーリエ変換赤外分光法（FT-IR：Fourier transform Infrared spectroscopy）により、反射した赤外光の波長毎の吸収度を求めることで、上部天板１６ｂに生じる反応生成物の膜厚を計測する。

照射部８１は、赤外光を発する光源や、ミラー、レンズ等の光学素子を内蔵し、干渉させた赤外光を照射可能とされている。例えば、照射部８１は、光源で発生した赤外光が外部へ出射されるまでの光路の中間部分を、ハーフミラー等で２つの光路に分光し、一方の光路長を、他方の光路長に対して変動させて光路差を変えて干渉させることで、光路差の異なる様々な干渉波の赤外光を照射する。

また、照射部８１は、偏光素子を内蔵し、光源が発した赤外光の偏光方向を切り替え可能とされている。例えば、照射部８１は、光弾性変調器を用いることで、偏光方向が異なる２方向の赤外光を個別に照射可能とされている。例えば、照射部８１は、偏光方向が上部天板１６ｂの面と同じ水平方向の赤外光と、偏光方向が水平方向に直交する垂直方向の赤外光とを切り替えて照射する。なお、照射部８１は、光源を複数設け、それぞれの光源の赤外光を光学素子で制御して、偏光方向が水平方向の赤外光と、偏光方向が垂直方向の赤外光とを切り替えて照射可能としてもよい。

図３は、赤外光の偏光方向を示した図である。図３（Ａ）には、上部天板１６ｂの面を構成するｙ方向を偏光方向とした水平方向の赤外光が示されている。図３（Ａ）には、水平方向に直交するｚ方向（上部天板１６ｂの面の垂線方向）を偏光方向とした垂直方向の赤外光が示されている。

照射部８１は、偏光方向を水平方向と垂直方向とで切り替えて、光路差の異なる様々な干渉波の赤外光を照射する。

検出部８２は、偏光方向が水平方向と垂直方向についてそれぞれ上部天板１６ｂの反射層８５で反射された様々な干渉波の赤外光の信号強度を検出する。

［制御部の構成］
図１の説明に戻る。上記のように構成されたプラズマ処理装置１００は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマ処理装置１００の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース６２と、記憶部６３とが設けられている。

プロセスコントローラ６１は、データの入出力を行う不図示のインタフェースを介して、照射部８１及び検出部８２と接続され、各種の情報を入出力する。プロセスコントローラ６１は、照射部８１及び検出部８２を制御する。例えば、照射部８１は、プロセスコントローラ６１からの制御情報に基づいて、偏光方向が水平方向の赤外光と偏光方向が垂直方向の赤外光とを切り替えて、光路差の異なる様々な干渉波を照射する。また、プロセスコントローラ６１には、検出部８２により検出された赤外光の信号強度の情報が入力する。

ユーザインターフェース６２は、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼動状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。ユーザインターフェース６２は、各種の動作を受け付ける。例えば、ユーザインターフェース６２は、プラズマ処理の開始を指示する所定操作を受け付ける。

記憶部６３には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。なお、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読み取り可能なコンピュータ記録媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

プロセスコントローラ６１は、プログラムやデータを格納するための内部メモリを有し、記憶部６３に記憶された制御プログラムを読み出し、読み出した制御プログラムの処理を実行する。プロセスコントローラ６１は、制御プログラムが動作することにより各種の処理部として機能する。例えば、プロセスコントローラ６１は、プラズマ制御部６１ａと、計測部６１ｂの機能を有する。なお、本実施形態に係るプラズマ処理装置１００では、プロセスコントローラ６１が、プラズマ制御部６１ａ及び計測部６１ｂの機能を有する場合を例に説明するが、プラズマ制御部６１ａと計測部６１ｂは、異なるコントローラで機能を実現してもよい。

プラズマ制御部６１ａは、ユーザインターフェース６２を介して受け付けた指示等に応じて、レシピ等を記憶部６３から読み出し、読み出したレシピ等に基づいてプラズマ処理装置１００のプラズマ処理を制御する。

計測部６１ｂは、プラズマ制御部６１ａによるプラズマ処理中に、所定の周期で、上部天板１６ｂに生じる反応生成物の膜厚を計測する。例えば、計測部６１ｂは、所定の周期で、照射部８１に対して制御情報を出力し、照射部８１から、偏光方向を水平方向と垂直方向とで切り替えて、光路差の異なる様々な干渉波の赤外光を照射させる。これにより、検出部８２では、偏光方向が水平方向と垂直方向についてそれぞれ上部天板１６ｂの反射層８５で反射された様々な干渉波の赤外光の信号強度が検出され、信号強度の情報がプロセスコントローラ６１へ出力される。

計測部６１ｂは、検出部８２により検出される各干渉波の赤外光の信号強度に基づいて、上部天板１６ｂに生じる反応生成物の膜厚を計測する。例えば、計測部６１ｂは、偏光方向が水平方向と垂直方向別に、各干渉波の赤外光の信号強度をフーリエ変換することにより、各波数成分の赤外光の信号強度に変換する。波数は、波長との間に、波数ｋ＝２π／波長λの関係がある。このため、計測部６１ｂは、各波数成分の赤外光の信号強度を、吸収された波長毎の赤外光の信号強度に変換し、波長毎の赤外光の信号強度を用いて、上部天板１６ｂに生じる反応生成物の膜厚を算出してもよい。

ところで、検出部８２で検出される赤外光の信号強度には、赤外光の光路上の様々な影響によりノイズが発生する。

そこで、計測部６１ｂは、水平方向の赤外光の信号強度をリファレンスとし、波数毎に、垂直方向の赤外光の信号強度から水平方向の赤外光の信号強度を除算して、波数毎に、水平方向の赤外光を基準とした、垂直方向の赤外光の信号強度を算出する。

水平方向の赤外光は、上部天板１６ｂに対して偏光方向が横方向である。このため、水平方向の赤外光の信号強度には、上部天板１６ｂの表面部分の反応生成物の影響が多く含まれる。一方、垂直方向の赤外光は、上部天板１６ｂに対して偏光方向が縦方向である。このため、垂直方向の赤外光の信号強度には、上部天板１６ｂの内部部分の情報が含まれ、表面部分の反応生成物の影響が少ない。よって、波数毎に、垂直方向の赤外光の信号強度から水平方向の赤外光の信号強度を除算することで、計測部６１ｂは、上部天板１６ｂの表面部分の反応生成物で赤外光が吸収された影響を精度良く計測できる。

また、水平方向の赤外光および垂直方向の赤外光は、同じ光路を通過するため、同様のノイズ成分が含まれる。よって、波数毎に、垂直方向の赤外光の信号強度から水平方向の赤外光の信号強度を除算することで、計測部６１ｂは、赤外光の光路中のノイズの影響を小さく抑えることができ、反応生成物の膜厚を精度よく計測できる。

［信号強度の分布の一例］
図４は、信号強度の分布の一例を示す図である。図４の例は、Ｃ４Ｆ８／Ａrガスを用いてプラズマ処理を行ったものである。この場合、カーボン系の反応生成物がデポとして上部天板１６ｂに蓄積される。図４の例は、プラズマ処理を開始した所定のタイミングを測定開始として、測定開始（Initial）、４秒、８秒、１２秒、２４秒、３６秒、４８秒、６０秒の各時点での信号強度の分布が示されている。赤外光は、波長が短いほど波数が大きくなる。赤外光を反射させた場合、物質によって、吸収される赤外光の波長が異なる。例えば、上部天板１６ｂをＳｉで形成した場合、図４に示すように、赤外光は、波数が１２５０［ｃｍ−１］の付近で多く吸収される。また、図４では、時間が経過するにつれ、波数が１２８０［ｃｍ−１］の付近でも赤外光が吸収されている。この波数が１２８０［ｃｍ−１］の付近の信号強度は、上部天板１６ｂに蓄積されるカーボン系の反応生成物の膜厚と相関関係がある。よって、波数が１２８０［ｃｍ−１］の付近の信号強度から反応生成物の膜厚を算出できる。

計測部６１ｂは、プラズマ処理の開始時の信号強度とプラズマ処理中の信号強度との差分から反応生成物の膜厚を計測する。例えば、計測部６１ｂは、測定開始の信号強度を記憶し、その後に測定される各タイミングの信号強度から測定開始の信号強度を減算して、測定開始時との差分の信号強度から反応生成物の膜厚を計測する。

図５は、測定開始（Initial）との差分の信号強度の分布の一例を示す図である。図５の例は、波数毎に、４秒、８秒、１２秒、２４秒、３６秒、４８秒、６０秒の各時点の信号強度から、測定開始（Initial）の信号強度を減算した信号強度の分布を示している。図５の例では、波数が１２８０［ｃｍ−１］の付近で信号強度が時間の経過と共に増加している。これは、上部天板１６ｂに蓄積されたカーボン系の反応生成物の膜厚が増加しているためである。

図６は、差分の信号強度と膜厚の関係の一例を示す図である。図６の例は、Ｃ４Ｆ８／Ａｒガスを用いてプラズマ処理を行った場合と、Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２ガスを用いてプラズマ処理を行った場合について、測定開始（Initial）との差分の信号強度と、上部天板１６ｂに蓄積した反応生成物（デポ）の膜厚とを測定した結果を示している。図６に示すように、差分の信号強度と膜厚には、正の相関がある。よって、差分の信号強度から反応生成物の膜厚を計測できる。

プラズマ制御部６１ａは、計測部６１ｂにより計測された反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する。閾値は、プロセス特性の悪化や、パーティクルが発生し始める膜厚に対応して定める。閾値は、外部（例えば、ユーザインターフェース６２）から設定や変更を可能としてもよい。また、プラズマ制御部６１ａは、閾値を段階的に複数定めて、反応生成物の膜厚が厚くなるほど、上部天板１６ｂに反応生成物がより付着しなくなるようプラズマを制御してもよい。

例えば、プラズマ制御部６１ａは、反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、上部天板１６ｂを含むシャワーヘッド１６に印加する直流電圧、シャワーヘッド１６に印加する高周波電力、プラズマ処理に用いるクリーニングガスの流量の少なくとも１つを制御して、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する。例えば、プラズマ制御部６１ａは、シャワーヘッド１６に印加する直流電圧を増加させるよう可変直流電源５２を制御する。例えば、プラズマ制御部６１ａは、シャワーヘッド１６に負の電圧を印加している場合、より大きいマイナスの電圧を印加するよう可変直流電源５２を制御する。これにより、上部天板１６ｂに反応生成物が付着し難くなるため、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚の増加を抑制できる。また、例えば、プラズマ制御部６１ａは、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するよう第１の高周波電源１０ａ又は第２の高周波電源１０ｂの少なくとも一方から印加する高周波電力の電圧、周波数、タイミングを制御する。例えば、プラズマ制御部６１ａは、第１の高周波電源１０ａから高周波電力をパルス状に印加するよう制御する。上部天板１６ｂは、高周波電力がオフの期間、スパッタリングされる。このため、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制できる。また、例えば、プラズマ制御部６１ａは、クリーニングガスを含有させる、又は、クリーニングガスの含有量を増加させるように処理ガス供給源１５を制御する。例えば、プラズマ制御部６１ａは、クリーニングガスとして、Ｏ２が５％以上の流量で添加されるように処理ガス供給源１５を制御する。これにより、クリーニングガスにより上部天板１６ｂに付着した反応生成物をクリーニングできるため、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制できる。

このようにプラズマ処理装置１００は、プラズマ処理中に上部天板１６ｂに対して赤外光を照射し、反射層８５で反射された赤外光の信号強度を検出し、検出された信号強度から上部天板１６ｂに生じる反応生成物の膜厚を計測する。これにより、プラズマ処理装置１００は、処理チャンバ１内のコンディションの変化を把握できる。

また、プラズマ処理装置１００は、反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制する。これにより、プラズマ処理装置１００は、プロセス特性の悪化や、パーティクルの発生などの異常が発生を抑制できる。

［プラズマ制御の流れ］
次に、実施形態に係るプラズマ処理装置１００を用いたプラズマ制御方法について説明する。図７は、プラズマ制御方法の流れの一例を示すフローチャートである。

プロセスコントローラ６１は、ユーザインターフェース６２から、プラズマ処理の開始を指示する所定操作を受け付けると、例えば以下の制御を行う。

プラズマ制御部６１ａは、ユーザインターフェース６２を介して受け付けた指示等に応じて、レシピ等を記憶部６３から読み出す（ステップＳ１００）。プラズマ制御部６１ａは、読み出したレシピ等に基づいてプラズマ処理装置１００の各機器を制御してプラズマ処理を開始する（ステップＳ１０１）。

計測部６１ｂは、変数ｎを１に初期化する（ステップＳ１０２）。計測部６１ｂは、膜厚の計測タイミングとなったか否かを判定する（ステップＳ１０３）。計測部６１ｂは、例えば、４秒毎のタイミングなど、所定の周期のタイミングを計測タイミングと判定する。膜厚の計測タイミングではない場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、再度ステップＳ１０３へ移行する。

一方、膜厚の計測タイミングとなった場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、計測部６１ｂは、照射部８１に対して制御情報を出力し、照射部８１から、偏光方向を水平方向と垂直方向とで切り替えて、光路差の異なる様々な干渉波の赤外光を照射させる（ステップＳ１０４）。これにより、検出部８２では、偏光方向が水平方向と垂直方向についてそれぞれ上部天板１６ｂの反射層８５で反射された様々な干渉波の赤外光の信号強度が検出され、信号強度の情報がプロセスコントローラ６１へ出力される。

計測部６１ｂは、偏光方向が水平方向と垂直方向別に、各干渉波の赤外光の信号強度をフーリエ変換することにより、各波数成分の赤外光の信号強度に変換する（ステップＳ１０５）。そして、計測部６１ｂは、波数毎に、垂直方向の赤外光の信号強度から水平方向の赤外光の信号強度を除算して、波数毎に、水平方向の赤外光を基準とした、垂直方向の赤外光の信号強度を算出する（ステップＳ１０６）。

計測部６１ｂは、変数ｎの値が１であるか判定する（ステップＳ１０７）。変数ｎの値が１である場合（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、計測部６１ｂは、ステップＳ１０６において算出した波数毎の赤外光の信号強度を測定開始の信号強度のデータとして記憶する（ステップＳ１０８）。計測部６１ｂは、変数ｎの値に１を加算し（ステップＳ１０９）、後述するステップＳ１１４へ移行する。

一方、変数ｎの値が１ではない場合（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、計測部６１ｂは、ステップＳ１０６において算出した波数毎の赤外光の信号強度から測定開始の信号強度を減算して、測定開始時との差分の信号強度を算出し、差分の信号強度から反応生成物の膜厚を算出する（ステップＳ１１０）。計測部６１ｂは、変数ｎの値に１を加算する（ステップＳ１１１）。

プラズマ制御部６１ａは、反応生成物の膜厚が閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１１２）。反応生成物の膜厚が閾値を超えていない場合（ステップＳ１１２：Ｎｏ）、後述するステップＳ１１４へ移行する。

一方、算出した反応生成物の膜厚が閾値を超えている場合（ステップＳ１１２：Ｙｅｓ）、プラズマ制御部６１ａは、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する（ステップＳ１１３）。

プラズマ制御部６１ａは、プラズマ処理を終了するか判定する（ステップＳ１１４）。例えば、プラズマ制御部６１ａは、読み出したレシピ等に基づくプラズマ処理が完了した場合、プラズマ処理を終了すると判定する。プラズマ処理を終了しない場合（ステップＳ１１４：Ｎｏ）、上述のステップＳ１０３へ移行する。一方、プラズマ処理を終了する場合（ステップＳ１１４：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

このように、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、電極として機能する上部天板１６ｂと、照射部８１と、検出部８２とを有する。上部天板１６ｂは、プラズマ処理空間に面し、赤外線の反射層８５がプラズマ処理空間に対する裏面又は内部に設けられている。照射部８１は、プラズマ処理中に上部天板１６ｂに対して赤外光を照射する。検出部８２は、反射層８５で反射された赤外光の信号強度を検出する。プラズマ処理装置１００は、検出された赤外光の信号強度に基づいて、上部天板１６ｂに生じる反応生成物の膜厚を計測する。プラズマ処理装置１００は、計測された反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する。これにより、プラズマ処理装置１００は、プラズマ処理での異常の発生を抑制できる。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、上部天板１６ｂに印加する直流電圧、上部天板１６ｂに印加する高周波電力、プラズマ処理に用いるクリーニングガスの流量の少なくとも１つを制御して、反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する。これにより、プラズマ処理装置１００は、プラズマ処理中でも上部天板１６ｂに堆積した反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制できる。

また、実施形態に係る照射部８１は、偏光方向が上部天板１６ｂの面と同じ水平方向及び水平方向に直交する垂直方向との２方向の赤外光を切り替えてそれぞれ照射する。検出部８２は、反射層８５で反射された２方向の赤外光の信号強度をそれぞれ検出する。プラズマ処理装置１００は、検出された２方向の赤外光の信号強度の差分から反応生成物の膜厚を計測する。これにより、プラズマ処理装置１００は、赤外光の光路中のノイズの影響を小さく抑えることができ、反応生成物の膜厚を精度よく計測できる。

また、実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、プラズマ処理の開始時の信号強度とプラズマ処理中の信号強度との差分から反応生成物の膜厚を計測する。これにより、プラズマ処理装置１００は、プラズマ処理によって上部天板１６ｂに付着した反応生成物の膜厚の変化を精度良く求めることができる。

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者には明らかである。また、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上部天板１６ｂに付着する反応生成物は、物質によって吸収する赤外光の波長が異なり、膜厚の変化に応じて信号強度が変化する波長が異なる。例えば、カーボン系の反応生成物は、波数が１２８０［ｃｍ−１］の付近で信号強度が膜厚に応じて変化する。そこで、照射部８１は、検出対象とする反応生成物の膜厚に対して信号強度の変化が大きい波長域の波長の赤外光又は当該波長域の何れかの波長の赤外光を照射してもよい。計測部６１ｂは、検出部８２により検出される赤外光の信号強度に基づいて、検出対象とする反応生成物の膜厚を計測してもよい。例えば、カーボン系の反応生成物を検出対象とする場合、波数が１２８０［ｃｍ−１］の付近の波長域の赤外光、又は、波数が１２８０［ｃｍ−１］の赤外光を用いて反応生成物の膜厚を計測してもよい。一般的に軽い分子の結合は、より速く振動し、重い分子の結合は遅く振動する。例えば、Ｃ−Ｈは、波数が３０００［ｃｍ−１］の付近の信号強度が変化する。Ｃ−Ｆは、波数が１２００［ｃｍ−１］の付近の信号強度が変化する。Ｃ−Ｂｒは、波数が６００［ｃｍ−１］の付近の信号強度が変化する。照射部８１は、上部天板１６ｂに付着する反応生成物の物質の膜厚に対して信号強度の変化が大きい波長域の波長の赤外光又は当該波長域の何れかの波長の赤外光のみを照射してもよい。

また、上記の実施形態では、上部天板１６ｂの中央付近で赤外光を反射させて上部天板１６ｂに付着する反応生成物の膜厚を計測する場合を説明したが、これに限定されない。例えば、上部天板１６ｂの周辺付近で、赤外光を反射させて上部天板１６ｂの周辺付近に付着する反応生成物の膜厚を計測してもよい。また、例えば、上部天板１６ｂの中央付近、周辺付近など複数の個所で、それぞれ赤外光を反射させて上部天板１６ｂの複数の個所それぞれ付着する反応生成物の膜厚を計測してもよい。

また、上記の実施形態では、反射層８５を上部天板１６ｂの裏面の前面に設けた場合を説明したが、これに限定されない。反射層８５は、赤外光を反射させる領域に対応させて設けてもよい。例えば、反射層８５は、上部天板１６ｂの中央付近のみに設けてもよい。なお、上部天板１６ｂの周辺付近で赤外光を反射させて付着する反応生成物の膜厚を計測する場合、上部天板１６ｂの周方向の電気的な特性を不均一を抑制するため、反射層８５は、赤外光を反射させる領域の幅で周方向全て設けることが好ましい。

１ 処理チャンバ
１０ａ 第１の高周波電源
１０ｂ 第２の高周波電源
１５ 処理ガス供給源
５２ 可変直流電源
６０ 制御部
６１ プロセスコントローラ
６１ａ プラズマ制御部
６１ｂ 計測部
６２ ユーザインターフェース
６３ 記憶部
８０ａ 窓
８０ｂ 窓
８１ 照射部
８２ 検出部
８５ 反射層
１００ プラズマ処理装置
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (5)

1. プラズマ処理空間に面し、赤外線の反射層が前記プラズマ処理空間に対する裏面又は内部に設けられた電極と、
   プラズマ処理中に前記電極に対して赤外光を照射する照射部と、
   前記反射層で反射された赤外光の信号強度を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された赤外光の信号強度に基づいて、前記電極に生じる反応生成物の膜厚を計測する計測部と、
   前記計測部により計測された反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御するプラズマ制御部と、
   を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記プラズマ制御部は、反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、前記電極に印加する直流電圧、前記電極に印加する高周波電力、プラズマ処理に用いるクリーニングガスの流量の少なくとも１つを制御して、反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記照射部は、偏光方向が前記電極の面と同じ水平方向及び前記水平方向に直交する垂直方向との２方向の赤外光を切り替えてそれぞれ照射し、
   前記検出部は、前記反射層で反射された前記２方向の赤外光の信号強度をそれぞれ検出し、
   前記計測部は、波数毎に、前記検出部により検出された前記垂直方向の赤外光の信号強度から前記水平方向の赤外光の信号強度を除算して、垂直方向の赤外光の信号強度を補正し、その補正した値に基づき反応生成物の膜厚を計測する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記計測部は、プラズマ処理の開始時の信号強度とプラズマ処理中の信号強度との差分から反応生成物の膜厚を計測する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のプラズマ処理装置。
5. プラズマ処理空間に面し、赤外線の反射層が前記プラズマ処理空間に対する裏面又は内部に設けられた電極と、
   前記電極に対して赤外光を照射する照射部と、
   前記反射層で反射された赤外光の信号強度を検出する検出部と、
   を有するプラズマ処理装置のプラズマ制御方法であって、
   プラズマ処理中に前記照射部から赤外光を照射し、
   前記検出部により検出される赤外光の信号強度に基づいて、前記電極に生じる反応生成物の膜厚を計測し、
   計測された反応生成物の膜厚が閾値を超えた場合、反応生成物の膜厚を減少又は反応生成物の膜厚の増加を抑制するようプラズマを制御する
   ことを特徴とするプラズマ制御方法。

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