JP3897380B2

JP3897380B2 - 処理方法及びその装置

Info

Publication number: JP3897380B2
Application number: JP25761796A
Authority: JP
Inventors: 俊夫後藤; 勝堀
Original assignee: NU Eco Engineering Co Ltd
Current assignee: NU Eco Engineering Co Ltd
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: JPH10102251A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、反応性プラズマ若しくは電磁波等を照射して発生するプロセス中の炭素ラジカルにより被処理体をエッチング処理したり、ダイヤモンド薄膜、硬質炭素薄膜或いは炭化珪素薄膜を成膜する炭素原子による成膜及びエッチング処理方法及びその装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
半導体製造工程においては、高周波電界或いは直流電界により炭素原子含有ガスを反応性プラズマ化して炭素ラジカルを生じさせ、半導体ウェハーやＬＣＤ用ガラス基板等の被処理体をエッチング処理したり、該被処理体上にダイヤモンド薄膜等の各種の炭素薄膜を成膜している。又、炭素材料にレーザを照射して薄膜を形成するレーザアブレーション法やイオンを照射して薄膜を形成するイオンスパッタリング法により各種の炭素薄膜を成膜する方法が知られているが、何れの場合においても、エッチング処理や成膜の加工精度が微細化しているため、この状況下で夫々の処理を高速、高選択比、高精度に行なうには、反応プラズマ中の炭素ラジカルを高精度で、かつ高速に制御する必要が生じてきている。
【０００３】
炭素ラジカルを制御する方法としては、プラズマ源に印加される電力、真空容器内の圧力等の各種パラメータを制御したり、炭素原子含有ガスの種類及び添加量を変化させることにより行ない得るが、前者にあっては夫々のパラメータが相対的に変化するため、高精度に制御できなかった。
【０００４】
又、処理後の被処理体を適宜サンプリングしてそのエッチング特性（形状、エッチング速度等）や成膜された薄膜特性（膜質、膜厚等）を検査し、その検査結果に基づいて次にエッチング処理或いは成膜処理する際の炭素ラジカルを制御する方法にあっては、検査に多くの手間がかかると共に直接製造プロセスに反映できず、プロセスとしての信頼性が低かった。
【０００５】
更に、近年、中性ラジカル（ＣＦ、ＣＦ₂、ＣＦ₃）の原子密度を赤外半導体レーザー分光法により測定する方法が提案されているが、炭素ラジカルにあっては赤外領域に光線を吸収しないため、その密度を測定できなかった。又、プラズマ中における、例えばＣ₂ ^*の発光種を分光器により観察して炭素ラジカルの原子密度等を測定する方法も提案されているが、プラズマの状態によって発光強度と炭素原子密度の関係が変化し、両者の間において一定の関係が常に成立しないため、該方法によっては炭素ラジカルの原子密度を測定できなかった。
【０００６】
いずれにしても、現時点においてはプラズマ中における炭素ラジカルの原子密度を測定する方法がなかった。このことは、プラズマを用いない、例えばレーザアブレーション法により炭素ラジカルを生成させる場合においても同様であり、原子密度を測定する方法がなかった。
【０００７】
本発明は、上記した従来の欠点を解決するために発明されたものであり、その課題とするところは、反応性プラズマ中或いはレーザアブレーション中等の炭素ラジカルを高い再現性をもって直接、かつ高精度に測定して処理プロセスを制御することができる炭素原子による成膜及びエッチング処理方法及びその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため請求項１は、少なくとも炭素原子を含有した原料ガスのプラズマを生成して、そのプラズマにより被処理体上に炭素含有薄膜を成膜する処理方法において、プラズマに炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量と、プラズマを透過した炭素原子発光線の透過量とに基づいてプラズマ中の炭素原子密度を計測し、計測された炭素原子密度が所定値となるようにプラズマの発生を制御することを特徴とする処理方法である。
また、請求項２は、少なくとも炭素原子を含有した原料ガスのプラズマを生成して、そのプラズマにより被処理体をエッチング処理する処理方法において、プラズマに炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量と、プラズマを透過した炭素原子発光線の透過量とに基づいてプラズマ中の炭素原子密度を計測し、計測された炭素原子密度が所定値となるようにプラズマの発生を制御することを特徴とする処理方法である。
【０００９】
請求項１１は、少なくとも炭素原子を含有した原料ガスのプラズマを生成して、そのプラズマにより被処理体上に炭素含有薄膜を成膜する処理装置において、炭素原子発光線を発生してプラズマに炭素原子発光線を照射する発光線発生手段と、発光線発生手段からの炭素原子発光線の出射量を検出する基準発光線検出装置と、プラズマを透過した炭素原子発光線の透過量を検出する発光線検出装置と、出射量と透過量とに基づいてプラズマ中の炭素原子密度を計測し、計測された炭素原子密度が所定値となるようにプラズマの発生を制御する制御手段とを有することを特徴とする処理装置である。
また、請求項１２は、少なくとも炭素原子を含有した原料ガスのプラズマを生成して、そのプラズマにより被処理体をエッチング処理する処理装置において、炭素原子発光線を発生してプラズマに炭素原子発光線を照射する発光線発生手段と、発光線発生手段からの炭素原子発光線の出射量を検出する基準発光線検出装置と、プラズマを透過した炭素原子発光線の透過量を検出する発光線検出装置と、出射量と透過量とに基づいてプラズマ中の炭素原子密度を計測し、計測された炭素原子密度が所定値となるようにプラズマの発生を制御する制御手段とを有することを特徴とする処理装置である。
【００１０】
請求項４は、少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体上に炭素含有薄膜を成膜する処理方法において、材料から発生した炭素原子の存在する環境に炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量と、環境を透過した炭素原子発光線の透過量とに基づいて環境中の炭素原子密度を計測し、計測された炭素原子密度が所定値となるように環境における炭素原子の発生を制御することを特徴とする処理方法である。
また、請求項５は、少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体をエッチング処理する処理方法において、材料から発生した炭素原子の存在する環境に炭素原子発光線を照射し、炭素原子発光線の出射量と、環境を透過した炭素原子発光線の透過量とに基づいて環境中の炭素原子密度を計測し、計測された炭素原子密度が所定値となるように環境における炭素原子の発生を制御することを特徴とする処理方法である。
【００１１】
請求項１４は、少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体上に炭素含有薄膜を成膜する処理装置において、炭素原子発光線を発生して材料から発生する炭素原子の存在する環境に炭素原子発光線を照射する発光線発生手段と、発光線発生手段からの炭素原子発光線の出射量を検出する基準発光線検出装置と、環境を透過した炭素原子発光線の透過量を検出する発光線検出装置と、出射量と透過量とに基づいて環境中の炭素原子密度を計測し、計測された炭素原子密度が所定値となるように環境における炭素原子の発生を制御する制御手段とを有することを特徴とする処理装置である。
また、請求項１５は、少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体をエッチング処理する処理装置において、炭素原子発光線を発生して材料から発生する炭素原子の存在する環境に炭素原子発光線を照射する発光線発生手段と、発光線発生手段からの炭素原子発光線の出射量を検出する基準発光線検出装置と、環境を透過した炭素原子発光線の透過量を検出する発光線検出装置と、出射量と透過量とに基づいて環境中の炭素原子密度を計測し、計測された炭素原子密度が所定値となるように環境における炭素原子の発生を制御する制御手段とを有することを特徴とする処理装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るプラズマ処理方法及びその装置を高周波を使用した誘導結合型プラズマ処理装置に実施した実施の一形態に基づいて説明する。
【００１３】
【実施の形態１】
図１は実施の形態１に係るプラズマ処理装置の概略を示す概略断面図である。
【００１４】
図２は炭素発光線発生装置の概略を示す概略断面図である。
【００１５】
図３は炭素発光線発生装置におけるアルゴンガス含有量と発光強度の関係を示すグラフである。
【００１６】
図４はプラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
【００１７】
成膜及びエッチング処理装置を構成するプラズマ処理装置１の処理室を構成する真空容器３の上部には石英管からなる放電室５が一体に設けられ、該放電室５の周囲には高周波電源７に接続された高周波アンテナ９が螺旋状に取巻かれている。この高周波アンテナ９は高周波電源７から印加される高周波電力により放電室５及び真空容器３内にプラズマを生成させる。放電室５と高周波アンテナ９との間には、周方向に多数のスリットが形成され、かつ接地された銅板等の静電シールド部材１１が取付けられている。そして放電室５は流水中に浸漬され、該放電室５がエッチングされるのを防いでいる。
【００１８】
尚、上記した高周波としてはＲＦ帯域（１３．５６ＭＨｚ）、ＶＨＦ帯域（１００ＭＨｚ）或いはＵＨＦ帯域（５００ＭＨｚ）の何れであってもよく、又、本発明はマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）或いは直流電力によりプラズマを生成してもよい。
【００１９】
放電室５の下部外周側に位置する真空容器３の上部にはヘリウムガス、アルゴンガス等の反応性ガスと共にエッチング処理の場合にはフルオロカーボンガス（Ｃ_xＦ_x）、又カーボン薄膜を成膜する場合には一酸化炭素ガス等の炭素原子を含有した原料ガスを所定の流量で真空容器３内に導入するための導入口１３が取付けられている。又、真空容器３内には電極としての載置台１５が設けられ、該載置台１５上には半導体ウェハーやＬＣＤ用ガラス基板等の被処理体１７が、必要に応じて静電チャック１９等の保持部材を介して載置される。該静電チャック１９は絶縁性薄膜間に電極１９ａを設け、該電極１９ａに直流電流を印加して被処理体１７を静電吸着させて保持する。
【００２０】
尚、載置台１５には液体窒素等の冷媒を循環させて冷却する冷却手段（図示せず）及び加熱するヒーター（図示せず）が必要に応じて設けられ、被処理体１７を所望の温度に調節することができる。
【００２１】
載置台１５にはバイアス電源２１が接続され、該バイアス電源２１は任意のパルス幅のバイアス電圧を載置台１５に印加してマイナスのバイアスを生じさせている。又、載置台１５には真空排気装置（図示せず）に接続された排気管２３が連通され、導入口１３から原料ガスを導入しながら排気管２３から排気して真空容器３及び放電室５内を所定のガス圧に保っている。
【００２２】
真空容器３の側壁には、例えば炭素原子発光線が紫外領域の場合にはＳｉＯ₂等からなる窓２５ａ・２５ｂが相対するように設けられ、一方の窓２５ａの外側には発光線発生装置２７が、又他方の窓２５ｂの外側には発光線発生装置２７から出射されて真空容器３内のプラズマ中を通過した炭素原子発光線を検出する発光線検出装置２９が夫々設けられている。これら窓２５ａ・２５ｂの材質としては、炭素原子発光線が真空紫外領域の場合にはフッ化リチウム（ＬｉＦ）或いはフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）であればよく、又、作動排気する場合には窓を設けなくてもよい。
【００２３】
これら発光線発生装置２７及び基準発光線検出装置４４、発光線検出装置２９は発光線発生装置２７から出射される炭素原子発光線の強度とプラズマ中を通過して発光線検出装置２９に受光される炭素原子発光線の強度とに基づいてプラズマ中における炭素原子密度（濃度）を測定するものであり、発光線検出装置２９により計測されたプラズマ中の炭素原子密度に関する測定データを制御手段３１へ転送し、制御手段３１はこの測定データに基づいて高周波アンテナ９に印加される高周波電力、載置台１５に印加されるバイアス電圧を夫々制御したり、更には経時使用に伴って炭素が真空容器３内面に付着した際には真空容器３をクリーニングさせるためのアラーム信号を出力したり、アラーム信号出力後にクリーニングガスを真空容器３内に導入し、上記プラズマ処理装置１を作動して付着物を自動的に除去させるように制御する。
【００２４】
尚、発光線発生装置２７及び発光線検出装置２９の配置位置は炭素原子発光線が被処理体１７の反応面の直上、例えば１０mm上方を通過する位置が好ましい。
【００２５】
発光線発生装置２７の円筒ケース３３はステンレス等の金属製で、その先端開口には、例えば光が透過可能なＳｉＯ₂等からなる窓３５が取付けられている。該窓３５の材質については上記した窓２５ａ・２５ｂと同様で他の材質であってもよい。又、円筒ケース３３内のガラス管３７内には電源（図示せず）に接続されたカーボン電極３９が取付けられ、窓３５に相対するカーボン電極３９の先端面には凹部３９ａが形成されている。更に、円筒ケース３３の側壁にはガス導入口４１及び真空排気装置（図示せず）に接続された排気口４３が相対して設けられ、ガス導入口４１を介してアルゴンガス（Ａｒ）と炭素原子及び酸素原子を含む、例えばＣＯガスの混合ガスを所定の流量で円筒ケース３３内へ導入しながら排気口４３から排気して円筒ケース３３内における混合ガス圧をほぼ一定に保っている。
【００２６】
そしてカーボン電極３９に電圧（例えば印加電圧４００Ｖ、電流３０ｍＡ）を印加すると、カーボン電極３９における先端面の凹部３９ａと窓３５との間にプラズマを発生させて炭素原子を２９６．７ｎｍの波長で発光させることにより炭素原子発光線を得ている。この炭素原子発光線は窓３５を透過した後に該窓３５と一方の窓２５ａとの間に配置されたレンズ３６により平行光線にされた後、真空容器３内を通過して他方の窓２５ｂに向うように出射される。
【００２７】
窓３５をＳｉＯ₂とした場合には炭素原子発光線の波長を２９６．７ｎｍとすることにより炭素原子発光線を効率的に発光させることができるが、窓３５の材質等に応じて炭素原子発光線の波長を紫外領域或いは真空紫外領域（例えば１６５．６ｎｍ、１５６．１ｎｍ）の波長に適宜選択すればよく、上記波長に限定されるものではない。真空紫外領域の光としては、例えば波長が１６５．６ｎｍ或いは１５６．１ｎｍの炭素原子発光線であればよい。又、図３に示すように混合ガスに所定量のアルゴンガスを含有させることにより炭素原子発光線を効率的に発光させることができる。更に、発光線発生装置２７の経時発光に伴って導入された混合ガス中の炭素原子が窓３５に付着して炭素原子発光線の発光強度を低下させるおそれがあるが、導入される混合ガス中に酸素原子を含有させておくことにより窓３５にコーティングされた炭素原子に酸素原子を結合させてガス化することにより除去し、窓３５から出射される炭素原子発光線の発光強度が低下するのを防止している。
【００２８】
窓３５に付着した炭素原子を効率的に除去する手段としては、窓３５が取付けられる円筒ケース３３の上部に内蔵されたヒーターや、窓３５に向って照射される例えばハロゲン光により窓３５を所要の温度加熱し、炭素原子と酸素原子の反応性を良好にして窓３５に付着した炭素原子の効率的除去を可能にしたり、窓３５の下面（内面）に応じた円筒ケース３３の上部に供給口及び排気口を相対して設け、該供給口から酸素ガス或いはオゾンガスのクリーニングガスを、窓３５下面における光透過箇所に当るように供給して排気口から排出して窓３５に付着する炭素原子を、供給される酸素或いはオゾンと積極的に反応させて除去するようにしてもよい。この場合にあっては、上記のように酸素ガス或いはオゾンガスを使用せず、高速流に制御された上記した混合ガスを供給口から排気口へ流通させて窓３５に炭素原子を付着し難くすると共に付着した炭素原子にあっては含有された酸素と反応させて除去するようにしてもよい。
【００２９】
上記した発光線発生装置２７における窓３５のクリーニング方法としては、発光線発生装置２７の駆動時に、常に窓３５を加熱したり、クリーニングガスを供給して窓３５に付着した炭素原子を除去してもよいが、発光線発生装置２７から出射される炭素原子発光線の強度をモニターし、該強度が所要の値まで減衰したとき、上記したように窓３５を加熱したり、クリーニングガスを供給しながら発光線発生装置２７を駆動して窓３５に付着した炭素原子を除去するようにしてもよい。この場合にあっては、発光線発生装置２７に導入される混合ガスをクリーニングガスに切換えて発光線発生装置２７を駆動して炭素原子を除去するようにしてもよい。
【００３０】
尚、レンズ３６と一方の窓２５ａとの間に半透鏡４０及びチョッパー４２を夫々設け、半透鏡４０により発光線発生装置２７から出射された炭素原子発光線の光路を発光線検出装置２９と基準発光線検出装置４４とに分けると共にチョッパー４２により発光線検出装置２９に向う炭素原子発光線をＯＮ−ＯＦＦさせる。又、他方の窓２５ｂと発光線検出装置２９との間にレンズ３８を設け、他方の窓２５ｂを透過した平行光線をスポット光に収束して発光線検出装置２９に受光させるようにすればよい。更に、発光線発生装置２７としては上記のように混合ガスを導入しながら排気して所定のガス圧に保ちながら常に酸素原子を供給して窓３５の流れを除去する構成としたが、円筒ケース３３内に酸素ガスの溜めを設けた状態で上記混合ガスを封入し、経時使用に伴って混合ガス中の酸素原子が炭素原子と結合して少なくなったとき、即ち、窓３５の内面により炭素原子が付着して炭素原子発光線の透過率が低下したとき、酸素ガスの放出が可能な封止構造のものであってもよい。
【００３１】
次に、上記のように構成されたプラズマ処理装置１による処理方法を説明する。
【００３２】
先ず、被処理体１７に炭素薄膜を成膜するには導入口１３からＣＯガス等の原料ガスを導入させると共に高周波アンテナ９に高周波電力を印加させると、原料ガスは高周波電界により反応性プラズマ化し、該反応性プラズマに含まれる炭素原子を被処理体１７上に堆積させてダイヤモンド薄膜、硬質炭素薄膜或いは炭化珪素薄膜等を合成させる。又、被処理体１７をエッチング処理するには、導入口１３からフルオロカーボンガス等の原料ガスを導入させて上記と同様に反応性プラズマ化させた状態でバイアス電源２１から載置台１５にバイアス電圧を印加すると、反応性プラズマ中から陽イオン化したＦイオン、ＣＦｘイオン、炭素イオンを引き出して被処理体１７に衝突させることにより被処理体１７をエッチング処理する。
【００３３】
上記プラズマ処理装置１による成膜処理中或いはエッチング処理中においては、高周波アンテナ９に印加される高周波電力を制御したり、載置台１５に印加されるバイアス電圧を制御することにより反応性プラズマ中における炭素原子密度を制御し、成膜される薄膜の厚さを調整したり、エッチングの選択比、加工精度を調整することができる。
【００３４】
このため、本実施の形態は、発光線発生装置２７から出射される炭素原子発光線を真空容器３内のプラズマを透過して発光線検出装置２９に入射させ、プラズマ中における炭素ラジカルによる炭素原子発光線の吸収量に基づいて炭素ラジカル密度を測定し、制御手段３１は測定された炭素ラジカル密度に基づいて高周波アンテナ９に印加される高周波電力、載置台１５に印加されるバイアス電圧をリアルタイムに夫々制御してプラズマ中における炭素原子密度がほぼ所望の値になるように制御させる。
【００３５】
そしてプラズマ中の炭素ラジカル密度は以下のように測定する。
【００３６】
即ち、先ず、高周波アンテナ９に高周波電力が印加されていない、従ってプラズマが発生していない状態において発光線発生装置２７から出射された炭素原子発光線を半透鏡４０により２つに分けて発光線検出装置２９及び基準発光線検出装置４４に夫々入射させて強度を測定し、その強度比Ｉ₀₀／Ｉ_r0＝ａを求めておく。次に、高周波アンテナ９に高周波電力を印加してプラズマを発生させた状態で、先ず、チョッパー４２を閉じた状態で該プラズマ中の炭素原子から発光する炭素原子発光線の強度Ｉ₁を発光線検出装置２９により測定する。次に、チョッパー４２を開いた状態でプラズマ中の炭素原子が発光する強度Ｉ₁と発光線発生装置２７から出射され、プラズマ中で一部が吸収された炭素原子発光線の強度Ｉ_0'との和である強度Ｉ₂を測定する。そして強度Ｉ₁及びＩ₂を測定する間中、常に基準発光線検出装置４４により発光線発生装置２７から出射される炭素現発光線の強度Ｉ_rを測定し、該強度Ｉ_rと上記の式Ｉ₀₀／Ｉ_r0で求められた強度比ａとにより発光線発生装置２７から出射され、プラズマ中の炭素原子で吸収されない場合に発光線検出装置２９に入射される強度Ｉ₀、従ってＩ₀＝ａ・Ｉ_rを求め、この強度Ｉ₀をプラズマ中の炭素原子による吸収量を測定する基準強度とする。そして上記の各強度から、式（Ｉ₂−Ｉ₁）／Ｉ₀、従って式Ｉ_0'／Ｉ₀からプラズマ中における炭素ラジカルによる炭素原子発光線の吸収量を計測して炭素ラジカル密度を測定する。
【００３７】
尚、高周波アンテナ９に印加される高周波電力や載置台１５に印加されるバイアス電圧をフィードバック制御するための炭素ラジカル密度に関する基準値は、被処理体の種類、プロセスの種類、プロセス条件等によって大きく異なるため、これらの条件に応じてその都度、実験等により設定することが好ましい。
【００３８】
即ち、プラズマ中における炭素ラジカル密度をリアルタイムで計測し、その密度がほぼ一定となるように高周波電力或いはバイアス電圧を制御することにより成膜される薄膜の厚さをほぼ均一にさせることができると共に被処理体１７に衝突する炭素原子の量をほぼ一定にしてエッチング処理における選択比、加工精度を良好にすることができ、プロセスの信頼性を向上させることができる。
【００３９】
このように本実施の形態によれば、エッチングや薄膜形成に重要な反応性プラズマ中の炭素ラジカル密度を炭素原子発光線に基づいてリアルタイムに計測し、その測定に基づいて高周波アンテナ９に印加される高周波電力や載置台１５に印加されるバイアス電圧をフィードバック制御することによりプラズマ中の炭素ラジカルを高精度に制御できるため、再現性に優れた高精度エッチング及び薄膜形成を可能にしている。
【００４０】
【実施の形態２】
図５は実施の形態２に係るプラズマ処理装置の概略を示す概略断面図である。
【００４１】
本実施の形態は、発光線発生装置２７を使用せず、真空容器３内にて生成されるプラズマ中における炭素原子から発光する炭素原子発光線をそのまま利用してプラズマ中の炭素原子密度を計測するものであり、実施の形態１と同一の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４２】
即ち、窓２５ａの上方に位置する真空容器３の側壁には、例えば光が透過可能なＳｉＯ₂等からなる窓５１が設けられ、該窓５１の外側には第１の反射鏡５３が、又窓２５ａの外側には第２の反射鏡５５が夫々配置され、真空容器３内に導入された原料ガスを反応プラズマ化した際に原料ガス中の炭素原子から発光する炭素原子発光線を窓５１を介して真空容器３の外部へ取出した後、第１及び第２の反射鏡５３・５５により窓２５ａを介して再び真空容器３内のプラズマに向けて出射するように反射させて発光線検出装置２９に入射させてその入射強度Ｉ₁を計測する。
【００４３】
その際、例えば第１反射鏡５３と第２反射鏡５５の間にチョッパー５７を設け、先ずチョッパー５７を閉じて両者間の光路を遮断した状態で被検出体１７の上方に生成しているプラズマ中における炭素原子の発光強度を発光線検出装置２９により計測して基準発光強度Ｉ_ref.とし、次にチョッパー５７を開いてプラズマ中から取出された炭素原子発光線を第１及び第２反射鏡５３・５５を介してプラズマ中に照射して発光線検出装置２９に入射させて入射強度Ｉ₁を計測する。そしてこれら入射強度Ｉ_ref.とＩ₁とによりプラズマ中における炭素ラジカルによる炭素原子発光線の吸収率｛（Ｉ₁−Ｉ_ref.）／Ｉ_ref.×１００｝を演算して炭素ラジカル密度を測定する。
【００４４】
尚、本実施の形態は実施の形態１と同様に測定されたプラズマ中の炭素ラジカル密度に基づいて高周波アンテナ９に印加される高周波電力や、載置台１５に印加されるバイアス電圧を夫々フィードバック制御することにより反応性プラズマ中における炭素原子密度を制御して成膜される薄膜の厚さを調整したり、エッチングの選択比、加工精度を調整することができる。
【００４５】
このように本実施の形態は、実施の形態１のように発光線発生装置２７を設けることなく、真空容器３内にて発光する炭素原子発光線を利用してプラズマ中の炭素ラジカル密度を測定することができ、装置を簡素化することができる。
【００４６】
【実施の形態３】
図６は実施の形態３に係るスパッタ処理装置の概略を示す概略断面図であり、実施の形態１と同一の部材については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４７】
成膜及びエッチング処理装置を構成するスパッタ処理装置７１の真空容器７３内には上部電極７５及び下部電極７７が所要の間隔をおいて相対配置され、上部電極７５に材料としての無定形炭素７９を、又下部電極７７にシリコン基板等の被処理体１７を夫々設ける。下部電極７７にはヒーター（図示せず）が内蔵され、室温から約６００℃の範囲で温度制御可能になっている。本実施の形態では下部電極７７の温度を室温に設定した。
【００４８】
そして導入口１３からアルゴンガスと水素ガスを所定の流量で導入しながら排気管２３から排気して真空容器７３内を所要のガス圧に保ちながら上部電極７５に、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波を印加して下部電極７７との間にアルゴンと水素の混合ガスのプラズマを生成させると、上部電極７５に生じる直流電圧によりイオンを加速して無定形炭素７９に衝突させ、該無定形炭素７９から炭素原子を飛び出させて被処理体１７上に堆積し、硬質炭素薄膜を成膜させる。
【００４９】
その際、上記した実施の形態１における測定方法と同様に真空容器７３の一方に配置された発光線発生装置２７から出射される炭素原子発光線を、真空容器７３内のプラズマを通過させて相対して配置された発光線検出装置２９に入射させ、プラズマ中における炭素原子による炭素原子発光線の吸収量に基づいて炭素原子密度を測定し、この測定結果に基づいて上部電極７５に印加される高周波電力をフィードバック制御することによりプラズマ中の炭素原子密度をほぼ一定にさせたり、増減させたりして膜厚或いは成膜速度を制御することができた。尚、炭素原子密度が高い場合には成膜される膜厚が厚く、又短時間に成膜できた。又、上記炭素原子密度を計測しながら圧力、高周波電力等の条件を適宜選択してシリコン基板上に成膜された薄膜をラマン分析法により分析したところ、高品質の硬質炭素膜が形成されていた。
【００５０】
【実施の形態４】
図７は実施の形態４に係るレーザアブレーション処理装置の概略を示す概略断面図であり、実施の形態１と同一の部材については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５１】
成膜及びエッチング処理装置を構成するレーザアブレーション処理装置８１における真空容器８３内の上部には材料としての無定形炭素８５が、又下部にはシリコン基板等の被処理体１７を載置する載置台８７が所要の間隔をおいて配置されている。又、真空容器８３の外部には窓８９を介して無定形炭素８５にレーザ光を照射するレーザ発生装置９１が設けられている。載置台８７にはヒーター（図示せず）が内蔵され、室温から約６００℃の範囲で温度制御可能になっている。本実施の形態では載置台８７の温度を室温に設定した。
【００５２】
そして導入口１３から所定流量の水素ガスを導入しながら排気管２３から排気して真空容器８３内を、例えば１０Ｐａの所定のガス圧に保ちながらレーザ発生装置９１から、例えば３０ｎｓのパルス幅でレンズにより１０Ｊ／ｃｍ²のエネルギ密度に制御されたレーザ光を無定形炭素８５に照射させると、該レーザ光のエネルギーにより無定形炭素８５を蒸発、アブレートして炭素のクラスター粒子或いは炭素原子を放出させて発光柱（プルーム）９２を形成し、被処理体１７上に堆積する炭素のクラスター粒子により硬質炭素薄膜を成膜させる。尚、上記条件での堆積速度は１オングストローム／パルスであった。
【００５３】
その際、上記した実施の形態１における測定方法と同様に真空容器８３の一方に配置された発光線発生装置２７から出射される炭素原子発光線を、真空容器８３内に発生している発光柱９２或いは被処理体１７の上方を通過させた後に発光線検出装置２９に入射させて発光柱９２中或いは被処理体１７上方における炭素のクラスター粒子による炭素原子発光線の吸収量に基づいてクラスター及び炭素原子の密度を測定し、この測定結果に基づいてレーザ発生装置９１から照射されるレーザ光のパルス幅及びエネルギー密度をフィードバック制御することにより、発光柱９２中或いは被処理体１７上方における炭素のクラスター粒子及び炭素原子の密度をほぼ一定にさせたり、増減させたりして膜厚或いは成膜速度を制御することができた。
【００５４】
実施の形態１〜４において炭素原子密度を計測する方法としては、高周波アンテナ９に印加される高周波電力或いはレーザ発生装置９１によるレーザ光の出力を所望のデューティにパルス変調し、該パルスがＬＯＷ（オフ）のとき、従って非プラズマ状態或いは非発光柱状態のとき、発光線発生装置２７から出射されて発光線検出装置２９に入射される炭素原子発光線の強度を計測し、又該パルスがＨＩＧＨ（オン）のとき、従ってプラズマ状態或いは発光柱状態のとき、発光線検出装置２９に入射される炭素原子発光線の強度に計測してプラズマ中或いは発光柱９２中の炭素ラジカルによる炭素原子発光線の吸収量を演算する処理を繰返して測定すればよい。これにより発光線発生装置２７から出射される炭素原子発光線の出射強度が不安定であっても、炭素ラジカルによる炭素原子発光線の吸収量を高精度で、かつ安定して測定することができる。又、そのオン、オフは例えば周期１００ｍ秒においてオン５０ｍ秒、オフ５０ｍ秒程度でパルス偏重放電を行っている。この場合においても、発光線発生装置２７の前段にチョッパーを設け、チョッパー出力をトリガーにして信号を演算してもよい。更に、発光線発生装置２７から出射される炭素原子発光線の発生直後の光をチョッパーによりオン・オフ変調し、この変調した光を出射してプラズマ或いは発光柱９２を透過した光をチョッパーの周期に同期させて位相検波或いはこれをトリガとして演算してもよい。
【００５５】
又、上記した実施の形態１〜４において発光線発生装置２７は、プラズマ中の炭素原子から炭素ラジカルに吸収可能な波長の光に発光させる構成としたが、本発明においては、例えば炭素原子に吸収可能な波長の光をアーク放電等により発光させるものであってもよい。
【００５６】
【実施例１】
図８はプラズマ中における炭素ラジカルによる炭素原子発光線の吸収率と高周波アンテナ９に印加される高周波電力との関係を示し、高周波電力を多くすることによりプラズマ中における炭素ラジカルを高密度化することができる。
【００５７】
【実施例２】
シリコン或いはシリコン窒化膜にシリコン酸化膜が形成された半導体ウェハ等の被処理体を、フルオロカーボンをプラズマ化してエッチング処理する実施例を以下に説明する。
【００５８】
先ず、フルオロカーボンガスとしてのシクロオクタフルオロブタン（Ｃ₄Ｆ₈）を含む反応ガスを真空容器３内に導入して圧力を０．４Ｐａに保つと共に高周波アンテナ９に高周波電力（電力１．２ｋＷ、周波数１３．５６ＭＨｚ）を印加して真空容器３内にプラズマを生成し、更に載置台１５にバイアス電圧（−３００Ｖ）を印加した。又、被処理体１７としてはＳｉＯ₂上に適当なエッチングパターンを形成したものを使用した。
【００５９】
そして真空容器３に設けた発光線発生装置２７から出射され、発光線検出装置２９に入射される炭素原子発光線により被処理体１７の上方に発生しているプラズマ中における炭素ラジカルの密度を測定し、その測定値に基づいて該炭素ラジカルの密度がほぼ一定となるように高周波電力及びバイアス電圧をフィードバック制御し、被処理体１７をエッチング処理した。
【００６０】
このエッチング特性を評価したところ、シリコン酸化膜のエッチング速度８０００オングストローム／min.で、対シリコンエッチング選択比５０、対シリコン窒化膜選択比１５の高選択比エッチングであった。シリコン酸化膜のシリコンパターン形状をＳＥＭにより観測したところ、線幅０．２μｍまでの微細パターンに対してほぼ垂直であった。
【００６１】
更に、経時変化を調べるために半導体ウェハー、５０００枚について酸化膜／シリコンのエッチング特性を評価したところ、炭素原子発光線に基づいて炭素ラジカルの密度に基づいてフィードバック制御しない場合には約１０００枚あたりからエッチング速度、選択比にばらつきが生じ、エッチング再現性が低下した。一方、フィードバック制御した場合には、全ての半導体ウェハーにおいて良好なエッチング特性が得られ、高い再現性が得られた。
【００６２】
【実施例３】
被処理体としてのシリコン基板に、一酸化炭素ガスをプラズマ化してダイヤモンド薄膜を成膜する実施例を以下に説明する。
【００６３】
先ず、一酸化炭素ガスと水素ガスからなる反応ガスを真空容器３内に導入して圧力を１３Ｐａに保つと共に高周波アンテナ９に高周波電力（電力５００Ｗ、周波数１３．５６ＭＨｚ）を印加して真空容器３内にプラズマを生成した。又載置台１５のヒーターにより被処理体１７を６００Ｋに加熱した。
【００６４】
そして真空容器３に設けた発光線発生装置２７から出射され、発光線検出装置２９に入射される炭素原子発光線により被処理体１７の上方に発生しているプラズマ中における炭素ラジカル密度を測定し、その測定値に基づいて該炭素ラジカル密度がほぼ一定となるように高周波電力をフィードバック制御し、被処理体１７にダイヤモンド薄膜を成膜処理した。このダイヤモンド薄膜を評価したところ、成膜速度が１，５００オングストローム／min.で、直径５０mmの被処理体１７としてのシリコン基板に対してほぼ均一であった。図９に炭素原子発光線の吸収量と成膜された膜厚との関係を示す。
【００６５】
更に、経時変化を調べるため、１５０枚のシリコン基板についてダイヤモンド薄膜の成膜特性を評価したところ、炭素ラジカル密度に基づいてフィードバック制御しない場合には約１００枚あたりから膜厚にばらつきが生じ、成膜の再現性が低下した。一方、フィードバック制御した場合には、形成した薄膜をラマン分光により計測したところ、全てのシリコン基板にほぼ均一な膜厚のダイヤモンド薄膜を成膜できており、高い再現性が得られた。
【００６６】
【発明の効果】
このため本発明は、反応性プラズマ中或いはレーザアブレーション中等の炭素ラジカルを高い再現性をもって直接、かつ高精度に測定して処理プロセスを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るプラズマ処理装置の概略を示す概略断面図である。
【図２】炭素発光線発生装置の概略を示す概略断面図である。
【図３】炭素発光線発生装置におけるアルゴンガス含有量と発光強度の関係を示すグラフである。
【図４】プラズマ処理装置の制御概略を示す説明図である。
【図５】実施の形態２に係るプラズマ処理装置の概略を示す概略断面図である。
【図６】実施の形態３に係るスパッタ処理装置の概略を示す概略断面図である。
【図７】実施の形態４に係るレーザアブレーション処理装置の概略を示す概略断面図である。
【図８】炭素原子発光線の吸収率と高周波電力との関係を示すグラフである。
【図９】炭素原子発光線の吸収量と成膜された膜厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：成膜及びエッチング処理装置を構成するプラズマ処理装置
１７：被処理体
２７：発光線発生手段としての発光線発生装置
２９：発光線検出手段としての発光線検出装置
７１：成膜及びエッチング処理装置を構成するスパッタ処理装置
８１：成膜及びエッチング処理装置を構成するレーザアブレーション処理装置

Claims

少なくとも炭素原子を含有した原料ガスのプラズマを生成して、そのプラズマにより被処理体上に炭素含有薄膜を成膜する処理方法において、
前記プラズマに炭素原子発光線を照射し、
前記炭素原子発光線の出射量と、前記プラズマを透過した前記炭素原子発光線の透過量とに基づいて前記プラズマ中の炭素原子密度を計測し、
計測された前記炭素原子密度が所定値となるように前記プラズマの発生を制御することを特徴とする処理方法。
少なくとも炭素原子を含有した原料ガスのプラズマを生成して、そのプラズマにより被処理体をエッチング処理する処理方法において、
前記プラズマに炭素原子発光線を照射し、
前記炭素原子発光線の出射量と、前記プラズマを透過した前記炭素原子発光線の透過量とに基づいて前記プラズマ中の炭素原子密度を計測し、
計測された前記炭素原子密度が所定値となるように前記プラズマの発生を制御することを特徴とする処理方法。
炭素原子を含有する原料ガスは、フルオロカーボンガス、炭化水素ガス、及び一酸化炭素ガスのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の処理方法。
少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体上に炭素含有薄膜を成膜する処理方法において、前記材料から発生した炭素原子の存在する環境に炭素原子発光線を照射し、
前記炭素原子発光線の出射量と、前記環境を透過した前記炭素原子発光線の透過量とに基づいて前記環境中の炭素原子密度を計測し、
計測された前記炭素原子密度が所定値となるように前記環境における炭素原子の発生を制御することを特徴とする処理方法。
少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体をエッチング処理する処理方法において、
前記材料から発生した炭素原子の存在する環境に炭素原子発光線を照射し、
前記炭素原子発光線の出射量と、前記環境を透過した前記炭素原子発光線の透過量とに基づいて前記環境中の炭素原子密度を計測し、
計測された前記炭素原子密度が所定値となるように前記環境における炭素原子の発生を制御することを特徴とする処理方法。
前記炭素原子発光線は、炭素原子及び酸素原子を含んだ混合ガスをプラズマ分解して得られる炭素原子からの発光線であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の処理方法。
前記炭素原子発光線は、アルゴンガスと少なくとも炭素原子及び酸素原子を含むガスとの混合ガスに電界を印加して生成されるプラズマを炭素材料に照射して得られる発光線であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の処理方法。
前記炭素原子発光線は、前記被処理体に対する前記処理に用いられる前記炭素原子から発光する炭素原子発光線であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の処理方法。
前記炭素原子及び酸素原子を含有するガスは、一酸化炭素ガスであることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の処理方法。
前記炭素原子発光線は、紫外若しくは真空紫外領域の波長からなる発光線であることを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の処理方法。
少なくとも炭素原子を含有した原料ガスのプラズマを生成して、そのプラズマにより被処理体上に炭素含有薄膜を成膜する処理装置において、
炭素原子発光線を発生して前記プラズマに炭素原子発光線を照射する発光線発生手段と、
前記発光線発生手段からの前記炭素原子発光線の出射量を検出する基準発光線検出装置と、
前記プラズマを透過した前記炭素原子発光線の透過量を検出する発光線検出装置と、
前記出射量と前記透過量とに基づいて前記プラズマ中の炭素原子密度を計測し、計測された前記炭素原子密度が所定値となるように前記プラズマの発生を制御する制御手段と
を有することを特徴とする処理装置。
少なくとも炭素原子を含有した原料ガスのプラズマを生成して、そのプラズマにより被処理体をエッチング処理する処理装置において、
炭素原子発光線を発生して前記プラズマに炭素原子発光線を照射する発光線発生手段と、
前記発光線発生手段からの前記炭素原子発光線の出射量を検出する基準発光線検出装置と、
前記プラズマを透過した前記炭素原子発光線の透過量を検出する発光線検出装置と、
前記出射量と前記透過量とに基づいて前記プラズマ中の炭素原子密度を計測し、計測された前記炭素原子密度が所定値となるように前記プラズマの発生を制御する制御手段と
を有することを特徴とする処理装置。
炭素原子を含有する原料ガスは、フルオロカーボンガス、炭化水素ガス、及び一酸化炭素ガスのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の処理装置。
少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体上に炭素含有薄膜を成膜する処理装置において、
炭素原子発光線を発生して前記材料から発生する炭素原子の存在する環境に炭素原子発光線を照射する発光線発生手段と、
前記発光線発生手段からの前記炭素原子発光線の出射量を検出する基準発光線検出装置と、
前記環境を透過した前記炭素原子発光線の透過量を検出する発光線検出装置と、
前記出射量と前記透過量とに基づいて前記環境中の炭素原子密度を計測し、計測された前記炭素原子密度が所定値となるように前記環境における炭素原子の発生を制御する制御手段と
を有することを特徴とする処理装置。
少なくとも炭素原子を含有した材料にプラズマ或いは電磁波又は粒子を照射し、該材料から発生する炭素原子を用いて被処理体をエッチング処理する処理装置において、
炭素原子発光線を発生して前記材料から発生する炭素原子の存在する環境に炭素原子発光線を照射する発光線発生手段と、
前記発光線発生手段からの前記炭素原子発光線の出射量を検出する基準発光線検出装置と、
前記環境を透過した前記炭素原子発光線の透過量を検出する発光線検出装置と、
前記出射量と前記透過量とに基づいて前記環境中の炭素原子密度を計測し、計測された前記炭素原子密度が所定値となるように前記環境における炭素原子の発生を制御する制御手段と
を有することを特徴とする処理装置。
前記発光線発生手段は、炭素原子及び酸素原子を含んだ混合ガスをプラズマ分解して得られる炭素原子からの炭素原子発光線を放射する装置であることを特徴とする請求項１１乃至請求項１５の何れか１項に記載の処理装置。
前記発光線発生手段は、アルゴンガスと少なくとも炭素原子及び酸素原子を含むガスとの混合ガスに電界を印加して生成されるプラズマを炭素材料に照射して得られる炭素原子発光線を放射する装置であることを特徴とする請求項１１乃至請求項１５の何れか１項に記載の処理装置。
前記発光線発生手段は、前記被処理体に対する前記処理に用いられる前記炭素原子から発光する炭素原子発光線を用いる装置であることを特徴とする請求項１１乃至請求項１５の何れか１項に記載の処理装置。
前記炭素原子及び酸素原子を含有するガスは、一酸化炭素ガスであることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の処理方法。
前記発光線発生手段は、紫外若しくは真空紫外領域の波長からなる炭素原子発光線を放射する装置であることを特徴とする請求項１６乃至請求項１９の何れか１項に記載の処理装置。