JP4022902B2

JP4022902B2 - Plasma monitoring method, plasma monitoring apparatus, and plasma processing apparatus

Info

Publication number: JP4022902B2
Application number: JP2002259444A
Authority: JP
Inventors: 直樹松本; 理子中谷; 澄江瀬川; 地塩輿水
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP2004103264A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置におけるプラズマをモニタリングする技術に係り、特にプラズマ吸収プローブ法を用いてプラズマの吸収周波数や電子密度を測定するモニタリング方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマが多く利用されている。一般に、プラズマ処理装置にあっては、高い歩留まりを得るために基板の被処理面にわたって均一にプラズマ処理を施す必要があり、そのためには処理空間にプラズマ密度すなわち電子密度が均一な状態で分布するようにプラズマを生成する必要がある。このことから、プラズマ処理装置の設計段階あるいは立ち上げ段階で、チャンバ内の処理空間にどのような電子密度の分布でプラズマが生成するのかを把握するためにプラズマ中の電子密度を正確に測定できる技術が必要不可欠となっている。
【０００３】
近年、この種のモニタリング技術としてプラズマ吸収プローブ（ＰＡＰ：Plasma Absorption Probe）法が注目されている。このモニタリング法は、プローブを絶縁管で被覆することにより、ラングミュアプローブ法のようにプラズマ電位を乱したり、チャンバ内に金属汚染をもたらすことがないため、反応性ガスのプラズマでも計測できる。また、ギガヘルツ帯域の計測であるため、絶縁管表面に誘導性の堆積膜が付いても影響を受けにくく、堆積性ガスのプラズマでも計測できるなどのメリットがある。
【０００４】
従来のプラズマ吸収プローブ法は、図１２に示すように、チャンバ１００の一側壁に設けた貫通孔１００ａに先端の閉じた絶縁管１０２を摺動可能に取り付け、先端部の芯線を数ｍｍ程度露出させたプローブ部１０４ａを有する同軸ケーブル１０４を絶縁管１０２の中に挿入し、同軸ケーブル１０４の他端をネットワークアナライザ１０６に接続する。チャンバ１００内には、プラズマ発生機構としてたとえば高周波電源（図示せず）に接続されている平行平板型の上部電極１０８および下部電極１１０が配置され、両電極１０８，１１０間の空間にプラズマｐｚが生成される。図示の例では、下部電極１１０の上に被処理基板Ｗが載置される。チャンバ側壁の絶縁管取付用貫通孔１００ａには、絶縁管１０２を支持し、かつ真空封止するＯリング１１２が設けられる。
【０００５】
ネットワークアナライザ１０６は、たとえば数百ＭＨｚから数ＧＨｚの帯域で周波数掃引しながらたとえば１ｍＷ程度の電磁波信号（検査電波）を同軸ケーブル１０４のプローブ部１０４ａへ送り、プラズマによる吸収周波数を測定する。より詳細には、チャンバ１００内にプラズマｐｚが無いときの反射率をΓ0、プラズマｐｚが在るときの反射率をΓpとし、両者の比Γ（Γp／Γ0）が極小になるところの周波数を吸収周波数とする。さらに、この吸収周波数がプラズマ中の電子振動数ｆ_p（＝１／２π＊√（ｅ²＊Ｎ_e／ｍ_e＊ε₀）と等しいとおくと、次式（１）より電子密度を算出することができる。

ここで、ｍ_eは電子密度、ε₀は真空誘電率、ε_rは絶縁管の比誘電率、ｅは素電荷である。
【０００６】
プラズマｐｚ中の電子密度の空間分布を調べるには、絶縁管１０２を軸方向（長手方向）に押したり引いたりして、プローブ部１０４ａの位置を変える。より詳細には、プラズマｐｚの径方向において絶縁管１０２のチャンバ内挿入ストロークを微小ピッチで変化させることで、プラズマｐｚの一端から中心部を通って他端までプローブ部１０４ａの位置つまり測定位置をスキャニング移動させ、各測定位置で求めた電子密度の測定値をグラフ上にプロットすればよい。
【０００７】
上記のような従来のプラズマ吸収プローブ法は、特開２０００−１００５９８、特開２０００−１００５９９および特開２００１−１９６１９９に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のプラズマ吸収プローブ法には、以下のように種々の問題点があった。
【０００９】
(1) 絶縁管１０２がチャンバ１００の側壁に取り付けられたＯリング１１２を支点とする片持ち梁構造であるため、位置合わせ操作のぶれや自重によるたわみ等で絶縁管１０２の先端部の位置つまりプローブ部１０４ａの位置（特に高さ位置）が変動しやすく、測定位置が安定せず、再現性が低い。特に、大口径チャンバを有する３００ｍｍ径ウエハやＦＰＤ用の処理装置では、チャンバ内挿入ストロークが相当長くなるため、深刻な問題となる。
【００１０】
(2) 絶縁管１０２を摺動させるため、これと摺接するＯリング１１２が損傷劣化しやすい。特に、絶縁管１０２の外表面に腐食性堆積物が付着すると、それがＯリング１１２に擦りつけられて、Ｏリング１１２の劣化が早まり、ＣＯＣ（Cost Of Consumables）が悪くなる。もちろん、Ｏリング１１２の劣化によってプローブ位置合わせの操作性も悪くなる。
【００１１】
(3) 測定位置によってプラズマｐｚ中に占める絶縁管１０２の容積（ボリューム）が変動するため、プローブによってプラズマｐｚの受ける影響（擾乱）が一様ではない。このことは、測定精度の信頼性を下げる要因となる。
【００１２】
(4) 先端が閉じた絶縁管１０２とプローブ構造（特に、絶縁管１０２の先端からプローブ部１０４ａまでの距離）で決まる共振周波数が複数存在し、プラズマｐｚによる吸収周波数との判別が困難である。
【００１３】
(5) プラズマｐｚに曝された同軸ケーブル１０４のＧＮＤライン（外部導体）を通じてＲＦノイズが漏洩する。このＲＦノイズは大気中に放射されて人体に影響を及ぼす可能性がある。また、ＲＦノイズにより周囲の電子機器たとえばガス検知器等を誤動作させるおそれもある。対応策として計測器（ネットワークアナライザ１０６）側まで測定系全体をシールドしても、ＲＦノイズにより吸収ピークのＳ／Ｎが悪化し、さらに計測器にダメージを与える可能性もある。
【００１４】
(6) 絶縁管１０２の先端が閉じているので、絶縁管１０２内の同軸ケーブル１０４、特にプローブ部１０４ａ付近を冷却することは実際上不可能か非常に困難である。このため、プラズマｐｚの熱を受けて同軸ケーブル１０４の絶縁部が熱膨張しやすい。特に高圧力領域の電子密度を測定するときに熱損傷しやすい。
【００１５】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、測定位置の再現性を保証し、プローブ構造の安定性および耐久性を向上させ、プラズマに与える影響を安定化させ、Ｓ／Ｎ特性を改善し、プラズマ吸収周波数や電子密度について安定かつ高精度の測定を可能とするプラズマモニタリング方法および装置を提供することを目的とする。
【００１６】
本発明の別の目的は、大気中または測定器へのＲＦノイズのリークを効果的に防止して、人体や測定機器の安全性を確保するプラズマモニタリング方法および装置を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、基板の被処理面に対してプラズマ密度の均一性ひいてはプラズマ処理の均一性を保証できるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のプラズマモニタリング方法は、室内でプラズマが生成されるチャンバの壁面に設けた第１の支持部と第２の支持部との間に絶縁管を前記プラズマの中またはその付近を通過するように架け渡し、先端部の芯線を露出させたプローブ部を有する同軸ケーブルを前記絶縁管の一方の端より管内に挿入し、前記同軸ケーブルを介して前記プラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する。
【００１９】
また、本発明のプラズマモニタリング装置は、室内でプラズマが生成されるチャンバの壁面に設けられた第１の支持部と第２の支持部との間で前記プラズマの中またはその付近を通過するように架け渡される絶縁管と、先端部の芯線を露出させたプローブ部を有し、前記絶縁管の一方の端より管内に挿入される同軸ケーブルと、前記同軸ケーブルを介して前記プラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する測定回路とを有する。
【００２０】
本発明では、プローブ部付きの同軸ケーブルを収容する絶縁管がチャンバの壁面の２箇所（第１および第２の支持部）で支持されるため、プローブ位置合わせの操作でぶれたり自重でたわんだりすることがない。これにより、プローブ部を一定のライン上に位置させることができ、測定位置の再現性を保証できる。また、プローブ位置合わせに際しては、チャンバに固定された絶縁管に対して同軸ケーブルを軸方向に移動させればよく、絶縁管が支持部と擦りあうことがないため、支持部が損傷劣化するおそれはない。したがって、プローブ機構の安定性が向上し、消耗品コストも改善する。さらに、プローブ機構のプラズマに与える影響（擾乱）は測定位置に関係なく一定であるため、測定精度の信頼性も高い。また、同軸ケーブルのプローブ部から見た絶縁管はどの測定位置でも一定または一様の同軸管構造であり、プローブ部から発振される電磁波とプラズマとの結合は一定しているので、共振周波数のノイズが発生し難く、プラズマ吸収周波数のピークのみが得られ、高精度な計測が可能となる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、絶縁管がプラズマの中またはその付近を径方向にまっすぐ横断するように設けられてよい。装置的には、チャンバ壁面における第１の支持部と第２の支持部とを相対向させる構成としてよい。かかる方法または構成によれば、プラズマの一端から他端まで安定かつ高精度なモニタリングを行うことができる。
【００２２】
別の態様として、絶縁管がプラズマの中またはその付近でＵターンするように設けられてもよい。装置的には、チャンバの壁面に形成した開口に着脱可能かつ気密に取付される壁面部材を有し、この壁面部材に設けた第１の支持部と第２の支持部との間に絶縁管を中間部で屈曲または彎曲させて架け渡してなる構成としてよい。かかる方法または構成によれば、チャンバに対するプローブの着脱可能な取付けを容易に行うことができる。
【００２３】
また、好ましくは、第１および第２の支持部の少なくとも一方が貫通孔によって形成されてよい。この場合、Ｏリングによって絶縁管を貫通孔に気密に固定取付してよい。
【００２４】
また、好ましくは、同軸ケーブルの外部導体がチャンバを介してグランド電位に電気的に接続されてよい。装置的には、一端部がチャンバのグランド電位部分に接続され、他端部が同軸ケーブルの外部導体と接続するアース用導体を設けてよい。かかる方法または構成によれば、大気や測定器へのＲＦノイズのリークを効果的に防止して、人体や計測機器の安全性を確保するとともに、ガス検知機等の周囲の電子機器の誤動作を回避できる。
【００２５】
また、好ましくは、チャンバのグランド電位部分から延びるアース用導体と同軸ケーブルの外部導体とが接触する位置よりもプローブ部側の位置で外部導体を伝播する定在波のノイズ信号を電磁誘導を通じて電磁波吸収体に吸収させるようにしてよい。電磁波吸収体の好適な形態は、同軸ケーブルに軸方向に沿って直列に遊動可能に装着される１個または複数個のビーズ形フェライト部材である。かかる方法または構成によれば、たとえ同軸ケーブルの外部導体（グランド部）に共振周波数のノイズが発生したとしても、電磁波吸収体によりノイズを効果的に吸収して除去することができる。
【００２６】
また、好ましくは、絶縁管の他方の端に形成した開口を介して絶縁管の中に冷却用のガスを流すようにしてよい。装置的には、絶縁管の他方の端を開口して、この開口に冷却用のガスを流すための冷却機構を接続してよい。かかる方法または構成によれば、絶縁管内の同軸ケーブルを効果的に冷却できるため、プローブ部回りの熱膨張や熱損傷を防止し、耐久性を向上させることができる。
【００２７】
本発明では、プラズマ吸収周波数の測定値からプラズマ中の電子密度を算出してよい。すなわち、本発明のプラズマモニタリング装置において、測定回路が、プラズマ吸収周波数の測定値に基づいて所与のプラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算手段を含む構成としてよい。
【００２８】
また、好ましくは、測定回路が、周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波信号を同軸ケーブルのプローブ部に一定電力で送って周囲の空間に放出させ、プローブ部を介して反射してくる信号のレベルから各周波数毎の反射率を測定して、反射率のピーク点に対応する周波数を吸収周波数と決定する構成としてよい。
【００２９】
本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を出し入れ可能に収容するチャンバと、前記チャンバ内に所定の原料ガスを供給するガス供給手段と、前記チャンバ内で前記原料ガスを放電させて前記被処理体に所望の処理を施すためのプラズマを生成するプラズマ発生手段と、前記チャンバ内を減圧して所望の圧力に維持するための排気手段と、本発明のプラズマモニタリング装置とを有する。かかる構成によれば、本発明のプラズマモニタリング装置を用いることで、基板の被処理面に対してプラズマ密度の均一性ひいてはプラズマ処理の均一性を保証し、歩留まりを向上させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１１を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００３１】
図１および図２に、本発明の一実施形態によるプラズマモニタリング方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置である。
【００３２】
このプラズマ処理装置のチャンバ１０は、たとえばアルミニウムからなり、円筒形状の密閉可能な処理室として構成されている。チャンバ１０の底部には絶縁板１２を介してたとえばアルミニウムからなる支持台１４が配置され、この支持台１４の上にサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、この上に被処理基板たとえば半導体ウエハＷが載置される。
【００３３】
サセプタ１６には、イオン引き込み用の所定周波数の高周波電力を供給する高周波電源１８が整合器２０を介して電気的に接続されるとともに、後述する上部電極側からの高周波を通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２２が電気的に接続されている。サセプタ１６の上面には、たとえば静電吸着力で基板Ｗを固定保持するための静電チャック（図示せず）が被着されていてよい。また、サセプタ１６または支持台１４の内部に温度制御用の冷却または加熱手段（図示せず）が設けられてよい。
【００３４】
サセプタ１６の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極２４が設けられている。この上部電極２４は、絶縁材２５を介してチャンバ１０に支持されており、多数の吐出孔２６を有するたとえばアルミナなどのセラミックからなる下面の電極板２８と、この電極板２８を支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体３０とを有する。電極板２８と電極支持体３０との内側にはバッファ室が形成され、このバッファ室の上面中心部にガス導入口３２が設けられている。ガス導入口３２には処理ガス供給部３４からのガス供給配管３６が接続されている。上部電極２４には、プラズマ生成用の所定周波数の高周波電力を供給する高周波電源３８が整合器４０を介して電気的に接続されるとともに、サセプタ（下部電極）１６側からの高周波を通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４２が電気的に接続されている。
【００３５】
チャンバ１０の底部には排気口４４が設けられ、この排気口４４に排気管４６を介して排気装置（図示せず）が接続されている。該排気装置は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間を所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には基板Ｗを出し入れするための開閉機構たとえばゲートバルブ付きの基板出入り口（図示せず）が設けられている。チャンバ１０はアース線などで接地されている。
【００３６】
このプラズマ処理装置において、サセプタ１６上の基板Ｗに処理を施すときは、処理ガス供給部３４より所望の処理ガスを所定の流量でチャンバ１０内に導入し、排気装置によりチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、高周波電源１８，３４より高周波をそれぞれ所定のパワーでサセプタ（下部電極）１６、上部電極２４に印加する。上部電極２４の多孔付き電極板またはシャワーヘッド２８より吐出された処理ガスは電極間のグロー放電中でプラズマ化し、このプラズマＰＺで生成されるラジカルやイオンなどによって基板Ｗがプラズマ処理される。なお、サセプタ（下部電極）１６と上部電極２４との距離間隔は、たとえば１０〜６０ｍｍ程度に設定されている。
【００３７】
この実施形態におけるプラズマモニタリング装置は、チャンバ１０に固定取付される絶縁管５０と、先端部の芯線を露出させたプローブ部を有し、絶縁管５０の一方の端より管内に摺動可能に挿入される同軸ケーブル５２と、この同軸ケーブル５０を介してチャンバ１０内のプラズマＰＺ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する測定回路５４とを有する。
【００３８】
絶縁管５０は、たとえば石英管からなり、チャンバ１０の外形寸法よりも幾らか長く、まっすぐ（直線状）に形成されており、両端が開口している。図１に示すように、サセプタ（下部電極）１６と上部電極２４との中間の高さ位置でチャンバ１０の側壁には相対向する一対の貫通孔１０ａが支持部または計測ポートとして形成され、絶縁管５０はこれらの貫通孔１０ａを貫通してチャンバ１０の室内にほぼ水平に架け渡される。各貫通孔１０ａには、絶縁管５０を気密に、つまり真空封止して固定するためのＯリング５６が取り付けられている。
【００３９】
同軸ケーブル５２は、図２に示すように、たとえばアルミニウムからなる芯線（内部導体）５２ａと、銅パイプからなる外部導体５２ｂと、テフロン（登録商標）からなる絶縁材５２ｃとを有するセミリジッドケーブルでよく、先端部の芯線５２ａを数ｍｍ程度露出させてプローブ部としている。同軸ケーブル５２の計測器側はＳＭＡプラグ５８の形態で測定回路５４に接続されている。また、同軸ケーブル５２の絶縁管５０からはみ出た部分の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂはアース用導体６０を介してグランド電位のチャンバ１０の側壁に電気的に接続される。
【００４０】
アース用導体６０は、図２に示すように、たとえば絶縁管５０を取付固定するための導電性のフランジ部材６２に基端部が固着され、先端部が同軸ケーブル５２の外部導体５２ｂに摺動可能に接触する複数個の導電性バネ部材からなり、それらの導電性バネ部材が上下または左右あるいは四方から同軸ケーブル５２を一定位置Ａで弾撥的に挟持するような構成であってよい。あるいは、バネ部材に代えて導電線を使用し、同軸ケーブル５２の外部導体５２ｂに導電線の先端をクリップ等で接続する構成であってもよい。
【００４１】
アース用導体６０に近接してその内側つまりプローブ部５２ａ側の位置には、同軸ケーブル５２の外部導体５２ａ上に発生する定在波のノイズ信号を吸収するための電磁波吸収体が設けられる。この実施形態では、図２に示すように、軸方向に沿って直列に１個または複数個のビーズ形フェライト部材６４を同軸ケーブル５２に遊動可能に装着している。
【００４２】
図１において、測定回路５４は、計測器本体であるネットワークアナライザ６６と、ＳＭＡインタフェース用のパワーリミッタ６８およびハイパスフィルタ（ＨＰＦ）７０とを有している。ネットワークアナライザ６６は、周波数掃引方式の高周波発振器を有している。計測用の制御および演算処理を行う演算制御部もネットワークアナライザ６６に内蔵または接続されている。
【００４３】
絶縁管５０の他端（図１の左端）には冷却ガス供給部７２からの配管７４が接続されている。冷却ガス供給部７２は、たとえば送風機またはポンプを有し、冷却用のガスたとえばエアーを配管７４を介して絶縁管５０に流し込む。絶縁管５０の左端より導入されたエアーは反対側（右側）に向って管内を流れ、アース用導体６０の隙間から大気へ抜ける。このように、絶縁管５０の中をエアーが軸方向に貫通して流れることによって、同軸ケーブル５２、特にプローブ部５２ａ回りが効果的に冷却されるようになっている。より好ましくは、冷却ガス供給部７２が温調された冷却ガスを供給するようにしてもよい。あるいは、冷却ガス供給部７２をエアー吸引型に構成して、絶縁管５０の中を右側から左側にエアーを流すようにすることも可能である。
【００４４】
この実施形態のプラズマモニタリング装置において、チャンバ１０内で生成されるプラズマＰＺの吸収周波数ないし電子密度を測定する場合は、絶縁管５０に対する同軸ケーブル５２の挿入長さを調整して先端のプローブ部５２ａを径方向の所望の測定位置に合わせる。たとえば、プラズマＰＺの中心部における吸収周波数ないし電子密度を測定するときは、プローブ部５２ａをその付近に位置合わせすればよい。このプローブ位置合わせに際して、絶縁管５０はチャンバ１０の側壁に固定されたままであり、Ｏリング５６を擦ることはない。
【００４５】
先ず、チャンバ１０内にプラズマＰＭを発生させない状態で、ネットワークアナライザ６６よりたとえば数百ＭＨｚから数ＧＨｚの帯域で周波数掃引しながらたとえば１ｍＷ程度の電磁波信号（検査電波）を同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａへ送って周囲の空間に（主としてプローブ部５２ａから見て半径方向に）放出させ、ネットワークアナライザ６６に返ってきた反射信号のレベルから反射率を求め、ネットワークアナライザ６６に表示される反射率の周波数特性Γ0（Ｓ11パラメータ）をメモリに記憶する。
【００４６】
次に、チャンバ１０内にプラズマＰＺを発生させた状態で、ネットワークアナライザ６６において上記と同様の手順および信号処理により反射率の周波数特性を求め、先の（プラズマ無しの）反射率の周波数特性Γ0との比Γ（Γp／Γ0）を演算する。プラズマを発生させる前の比Γ（Γp／Γ0）は常に１．００である。この比Γ（Γp／Γ0）は真空状態を基準としてプラズマによるエネルギー吸収の周波数特性を意味する。厳密にはプローブ部５２ａから放出された電磁波が周りの絶縁管５０の表面を伝播し、その表面波の周波数がプラズマの電子振動数ｆ_pと一致したときに電磁波吸収が起こって反射率が極端に低くなる。したがって、比Γ（Γp／Γ0）が極小になるところの周波数をプラズマ吸収周波数とする。さらに、プラズマ吸収周波数の測定値を基に上式（１）を演算して電子密度Ｎ_eの測定値を求める。
【００４７】
さらに、絶縁管５０内でプローブ部５２ａの位置（測定位置）をプラズマＰＺの一端から中心部を通って他端まで径方向にスキャニング移動させ、各測定位置で求めた電子密度Ｎ_eの測定値をグラフ上にプロットすることで、プラズマＰＺの径方向における電子密度Ｎ_eの空間分布を調べることもできる。
【００４８】
この実施形態のプラズマモニタリング装置では、同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａを収容する絶縁管５０がプラズマ処理空間をまっすぐ横断するように、チャンバ１０の側壁の相対向する位置に設けた一対の支持部（貫通孔１０ａ，１０ａ）の間に絶縁管５０を水平に架け渡し、かつＯリング５６で気密に固定している。プローブの位置合わせまたは測定位置の変更調整は、チャンバ１０の側壁に水平に固定された絶縁管５０の中で同軸ケーブル５２のみを軸方向に移動させるので、プローブ部５２ａを常に一定の水平線上に位置させることができ、測定位置の再現性を保証できる。また、絶縁管５０がＯリング５６と擦りあうことがないため、Ｏリング５６が損傷劣化するおそれはなく、プローブ機構の安定性が向上するとともに消耗品コスト性（ＣＯＣ）も向上する。しかも、プローブ機構のプラズマに与える影響（擾乱）は測定位置に関係なく一定であるため、測定精度の信頼性も向上する。
【００４９】
また、同軸ケーブル５２のプローブ部５２ａから見た絶縁管５０はどの測定位置でも一定または一様の同軸管構造であり、プローブ部５２ａから発振される電磁波とプラズマとの結合は一定しているので、共振周波数のノイズが発生し難く、プラズマ吸収周波数のピークのみが得られ、高精度な計測を行うことができる。さらに、同軸ケーブル５２に電磁波吸収体としてビーズ形フェライト部材６４を嵌装しているので、たとえ同軸ケーブル５２の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂに共振周波数のノイズつまり定在波ノイズが発生したとしても、ビーズ形フェライト部材６４により定在波ノイズを効果的に吸収して十全に除去できる。
【００５０】
また、このプラズマモニタリング装置では、同軸ケーブル５２の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂをアース用導体６０およびチャンバ１０を介して接地している。このチャンバ１０を利用したＲＦシールド機能により、大気や測定器５４へのＲＦノイズのリークを効果的に防止して、人体や計測機器の安全性を確保するとともに、ガス検知機等の周囲の電子機器の誤動作を回避できる。
【００５１】
なお、このＲＦシールド機能によれば、同軸ケーブル５２の外部導体（ＧＮＤ部）５２ｂ上にはアース用導体６０との接続位置または短絡点Ａよりも内側（プローブ部５２ａ側）でノイズ信号が伝播するため、定在波ノイズ吸収用のビーズ形フェライト部材６４も短絡点Ａより内側に配置するのが好ましく、さらに好ましくはこの実施形態のように定在波ノイズの波腹部である短絡点Ａに可及的に近接させる配置構成としてよい。
【００５２】
さらに、この実施形態では、絶縁管５０の先端側つまりプローブ部５２ａの対向側を開口して、この開口部より冷却ガス供給部７４からのエアーを流し込んで同軸ケーブル５２を効果的に冷却するため、プローブ部５２ａ回りの熱膨張や熱損傷を防止し、耐久性を向上させることができる。
【００５３】
この実施形態のプラズマモニタリング装置によれば、大口径チャンバの３００ｍｍ装置やＦＰＤ装置でも信頼性の高いプラズマモニタリングを容易に行うことができる。
【００５４】
なお、実際の製造プロセスにおいて当該プラズマ処理装置が加工処理を行うときは、プローブ機構（絶縁管、同軸ケーブル）は処理装置から取外すのが好ましい。本実施形態では、絶縁管５０を抜き取ると開口するチャンバ１０の貫通孔１０ａを栓等のシーリング部材で閉塞して真空封止してよい。
【００５５】
【実施例】
以下、上記実施形態の具体例を説明する。
【００５６】
上記プラズマ処理装置において、上部および下部高周波電力（高周波電源３８，１８）のＲＦ周波数をそれぞれ６０ＭＨｚ、２ＭＨｚとし、上部電極２４と下部電極（サセプタ）１６との距離間隔（ギャップ）を２５ｍｍに設定した。
【００５７】
上記実施形態のプラズマモニタリング装置において、絶縁管５０は、全長５５０ｍｍ、外径３ｍｍ、内径１．５ｍｍの透明石英管を使用し、チャンバ１０側壁の両貫通孔１０ａ間に架け渡される高さ位置（測定高さ位置）を上部電極２４から１０ｍｍ、下部電極１６から１５ｍｍの位置に設定した。同軸ケーブル５２は、芯線（内部導体）５２ａの外径０．２０ｍｍ、外部導体５２ｂの外径０．８６ｍｍ、特性インピーダンス５０ΩのセミリジッドケーブルSC-086/50（コアックス社製）を使用し、先端部のテフロン（登録商標）付芯線５２ａを１０ｍｍ露出させてプローブ部とした。測定回路５４において、ハイパスフィルタ７０は日本高周波社のHPF150、パワーリミッタ６８はアジレントテクノロジー社の11930Ｂ、ネットワークアナライザ６６はアジレントテクノロジー社のHP8753ETを用いた。ネットワークアナライザ６６においては、１５０ＭＨｚから２５００ＭＨｚまでの高周波信号（０dBm：１ｍＷ）を６００msec毎にスイープして出力させるようにした。
【００５８】
Ｓ／Ｎの向上
上記実施形態による改良型プラズマ吸収プローブ法では、ＲＦリーク対策のため同軸ケーブル５２のＧＮＤライン５２ｂをチャンバ１０の筐体（側壁）に短絡させて接地しているが、ビーズ形フェライト部材６４を具備しない構成において同軸ケーブル５２のチャンバ１０内への挿入長さＬ（短絡点Ａからプローブ部５２ａ先端までの距離）を変えると、周期的にプラズマ吸収周波数以外のノイズと思われるピークが現れる現象が見られた。
【００５９】
このノイズ発生のメカニズムを明らかにするために、同軸ケーブル５２の挿入長さＬ（図２）を変化させて、このとき得られるノイズピークの周波数特性を調べた。図３にこの周波数特性を示す。図３から、ノイズピークは同軸ケーブル５２の挿入長さＬに応じて１５００ＭＨｚ以上の帯域で周期的に現れることがわかる。なお、プラズマ周波数ｆ_pは１０００ＭＨｚ〜１５００ＭＨｚの範囲内に存在している。
【００６０】
図４に、ノイズピークの周波数（実測値）をプロットで示し、挿入長さＬで決まる共振周波数（ピーク周波数計算値）を曲線で示す。図４において、λは同軸ケーブル５２の外部導体５２ｂを伝播するノイズ信号の波長を示し，λｇは芯線（内部導体５２ａ）を伝播するノイズ信号の波長を示す。図４のグラフから、ノイズピークの測定値と計算値（半波長の整数倍）とがほぼ完全に一致していることがわかる。
【００６１】
この結果から、挿入した同軸ケーブル５２のＧＮＤライン５２ｂで定在波が発生し、この定在波がプローブに信号として認識され、本来のプラズマによる吸収ピーク以外の定在波ノイズピークが発生していると考えられる。定在波ノイズが発生すると、プラズマ吸収の周波数特性のＳ／Ｎが悪くなるばかりか、プラズマ吸収ピークと誤認してしまうおそれがある。
【００６２】
そこで、上記実施形態のように、電磁波吸収体６４による定在波ノイズの吸収を実験で試みた。電磁波吸収体６４には、ＴＤＫ社のビーズフェライトHF70BB3.5×5×1.3を用いた。また、プラズマ処理装置におけるプラズマ生成条件として、処理ガスにＣ₅Ｆ₈／Ａr／Ｏ₂混合ガス（流量：１５／３８０／１９ｓｃｃｍ）を使用し、チャンバ１０内の圧力を２．０Ｐａ（１５mTorr）、上部／下部高周波電力を２．１７／１．５５ｋＷ、上部電極／チャンバ側壁／下部電極の温度を６０／５０／２０゜Ｃにそれぞれ設定した。測定位置をウエハ中心位置からの半径方向の距離をＲとして、Ｒ＝０（ウエハ中心）、Ｒ＝１６０ｍｍの２箇所を選んだ。
【００６３】
図５に、この実験結果を示す。図５からわかるように、電磁波吸収体６４を同軸ケーブル５２に装着することで、本来のプラズマ吸収ピークに影響を与えることなく定在波ノイズを効果的に除去できることがはっきりと確認された。
【００６４】
ノイズ低減効果の評価
次に、プラズマクリーニング条件でのノイズ低減効果を実験で評価した。目的はプラズマクリーニングのように電子密度が低くなり、Ｓ／Ｎが悪くなる条件でも、電磁波吸収体６４により定在波ノイズを効果的に低減できるかを確認するためである。なお、プラズマクリーニングとは、周知のように、チャンバ内壁等に付着した反応残渣をプラズマを用いて除去するクリーニング方法である。
【００６５】
プラズマ生成条件として、処理ガスにＯ₂ガスを使用し、供給流量を２００ｓｃｃｍ、圧力を２．０Ｐａ（１５mTorr）、下部電力を２００Ｗ、上部電極／チャンバ側壁／下部電極の温度を３０／５０／２０゜Ｃにそれぞれ設定し、下部電力を１５００Ｗから２００Ｗまで変化させた。測定位置はＲ＝０（ウエハ中心）とした。
【００６６】
図６に、この実験結果を示す。やはり定在波ノイズのみを選択的に除去できるため、プラズマ吸収ピークの弱いシグナルでも容易にピーク検出を行えることがわかった。
【００６７】
フェライト増強によるシグナル増加
さらに、同軸ケーブル５２に装着する電磁波吸収体６４を増強させたときのシグナルの変化を評価した。具体的には、同軸ケーブル５２に直列に装着するビーズフェライト（HF70BB3.5×5×1.3）を５個、１０個、１５個としたときのプラズマ吸収ピークのシグナル（深さ）を比較した。結果は図７に示すように、ビーズフェライトの装着数を増やすことでシグナルを増加できることがわかった。これはフェライトがシグナルの中に含まれるノイズ成分を電磁誘導を介して除去するからであると考えられる。もっとも、電磁波がフェライトに吸収されると熱エネルギーに変換されるので、フェライト自体が加熱され、その温度がキュリー点（Ｔ_c：約１００゜Ｃ）を超えるとフェライトは電磁波吸収の特性を失う。したがって、ビーズフェライトを冷却するのが好ましい。本実施形態では、冷却ガス供給部７２の働きにより電磁波吸収体６４も空冷されるようになっている。
【００６８】
各種プロセスプラズマの計測
(1) 高アスペクト比の接続孔を形成するためのエッチング用のプラズマについて圧力をパラメータにしてチャンバ径方向における電子密度の空間分布を調べた。図８に計測結果を示す。主要なプラズマ生成条件（レシピ）は以下のとおりである。
ウエハ口径：２００ｍｍ
エッチングガス：Ｃ₅Ｆ₈／Ａr／Ｏ₂混合ガス
ガス流量：Ｃ₅Ｆ₈／Ａr／Ｏ₂＝１５／３８０／１９ｓｃｃｍ
ガス圧力：２．０〜２６．６Ｐａ（１５〜２００mTorr）
ＲＦ電力：上部／下部＝２．１７／１．５５ｋＷ
設定温度：上部電極／側壁／下部電極＝６０／５０／２０゜Ｃ
下部ＲＦ電圧の振幅：１３８５Ｖ（２．０Ｐａ）、１３４５Ｖ（４．０Ｐａ）、１３５５Ｖ（１０．６Ｐａ）、１３７０Ｖ（１６．０Ｐａ）、１３８０Ｖ（２６．６Ｐａ）
【００６９】
図８に示すように、このプラズマ生成条件では、圧力が１６．０Ｐａ（１２０mTorr）を超えると、ウエハ中心部付近の位置で電子密度Ｎ_eが下がり、均一性が失われることがわかる。なお、図８において、E+N（Nは整数）は１０^Nを意味する。したがって、たとえば1.0E+11は、1.0×１０¹¹を意味する。後述する図９および図１０においても同様である。
【００７０】
(2) Ｓｉ基板に配線用の溝（トレンチ）を形成するためのエッチング用のプラズマについて圧力をパラメータにしてチャンバ径方向における電子密度の空間分布を調べた。図９に計測結果を示す。主要なプラズマ生成条件（レシピ）は以下のとおりである。
ウエハ口径：２００ｍｍ
エッチングガス：ＣＦ₄／Ｏ₂混合ガス
ガス流量：ＣＦ₄／Ｏ₂＝４０／３ｓｃｃｍ
ガス圧力：６．７〜６６．５Ｐａ（５０〜５００mTorr）
ＲＦ電力：上部／下部＝１．０／１．２ｋＷ
設定温度：上部電極／側壁／下部電極＝６０／５０／２０゜Ｃ
下部ＲＦ電圧の振幅：１５３０Ｖ（６．７Ｐａ）、１６９０Ｖ（２０．０Ｐａ）、１４００Ｖ（３９．９Ｐａ）、１１８０Ｖ（６６．５Ｐａ）
【００７１】
図９からわかるように、このプラズマ生成条件では、ガス圧力が６．７Ｐａや２０．０Ｐａ程度では電子密度Ｎ_eは不均一な分布になるが、３９．９Ｐａ以上では平坦（均一）な分布特性となることがわかる。
【００７２】
(3) 基板上の層間絶縁膜にビアホールを形成するためのエッチング用のプラズマについて圧力をパラメータにしてチャンバ径方向における電子密度の空間分布を調べた。図１０に計測結果を示す。主要なプラズマ生成条件（レシピ）は以下のとおりである。
ウエハ口径：２００ｍｍ
エッチングガス：Ｎ₂ガス
ガス流量：３００ｓｃｃｍ
ガス圧力：５３．２〜１０６．４Ｐａ（４００〜８００mTorr）
ＲＦ電力：上部／下部＝１．５／１．０ｋＷ
設定温度：上部電極／側壁／下部電極＝３０／５０／２０゜Ｃ
下部ＲＦ電圧の振幅：１０１５Ｖ（５３．２Ｐａ）、９３８Ｖ（１０６．４Ｐａ）
【００７３】
図１０に示すように、このプラズマ生成条件では、ガス圧力を１０６．４Ｐａまで上げても電子密度Ｎ_eの均一性が維持されることがわかる。
【００７４】
上記のように、本実施形態のプラズマモニタリング装置によれば、低圧から高圧までの広い圧力領域にわたって高精度の電子密度計測を行うことができる。したがって、本実施形態のプラズマ処理装置においては、所望のプロセス条件の下で処理空間にプラズマ密度すなわち電子密度を均一な状態で分布するようにレシピを最適化して、プラズマ処理の面内均一性を保証し、歩留まりを向上させることができる。
【００７５】
変形例
図１１に、本実施形態におけるプローブ機構の一変形例を示す。この構成例では、チャンバ１０の一側壁に計測ポートとして開口部１０ｂを形成し、この開口部１０ｂにプローブユニット用の壁面部材８０をたとえばボルト８２により着脱可能に、かつたとえばＯリング８４により気密に取付ける。この壁面部材８４には、支持部として一対の貫通孔１０ａを近接させて好ましくは同じ高さ位置に形成し、それらの貫通孔１０ａで絶縁管５０の両端部を支持する。したがって、絶縁管５０は管の中間部で屈曲または彎曲させた構造を有し、チャンバ１０内の処理空間（プラズマＰＺ）の中またはその付近でＵターンする形で両支持部（貫通孔１０ａ）の間に水平に架け渡される。この構成例によれば、チャンバ１０に対する着脱式のプローブ取付構造を容易に実現することできる。
【００７６】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、他にも種々の変形が可能である。たとえば、上記実施形態のプラズマモニタリング装置において各構成要素を同様の機能を有する代替物に変更可能であることはもちろんである。プラズマ処理装置においても同様であり、特に上記実施形態のような容量結合型平行平板タイプのプラズマ発生方式は一例であり、他の任意の方式たとえばマグネトロン方式やＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式などにも本発明は適用可能である。また、プラズマプロセスの種類もエッチングに限定されず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、酸化、スパッタリングなど任意のプラズマプロセスに本発明は適用可能である。さらに、プラズマプロセスにより処理される被処理体も半導体ウエハに限るものではなく、たとえばガラス基板またはＬＣＤ(Liquid Crystal Display）基板などにも適用可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマモニタリング方法または装置によれば、測定位置の再現性を保証し、プローブ構造の安定性および耐久性を向上させ、プラズマに与える影響を安定化させ、Ｓ／Ｎ特性を改善し、プラズマ吸収周波数や電子密度について安定かつ高精度の測定を可能とすることができる。さらには、大気中または測定器へのＲＦノイズのリークを効果的に防止して、人体や測定機器の安全性を確保することもできる。
【００７８】
また、本発明のプラズマ処理装置によれば、基板の被処理面に対してプラズマ密度の均一性ひいてはプラズマ処理の均一性を保証し、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるプラズマモニタリング方法および装置を適用したプラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】実施形態のプローブ構造の要部を示す部分拡大断面図である。
【図３】一実施例におけるノイズピークの周波数特性を示すグラフ図である。
【図４】一実施例におけるプローブ挿入長さに依存する定在波ノイズのピーク周波数の実測値と計算値を示すグラフ図である。
【図５】一実施例における電磁波吸収体のノイズ吸収効果を示す周波数特性のグラフ図である。
【図６】一実施例における電磁波吸収体のノイズ吸収効果を示す反射の周波数特性のグラフ図である。
【図７】一実施例における電磁波吸収体の増強によるシグナル増加の効果を示す周波数特性のグラフ図である。
【図８】一実施例における電子密度の空間分布特性を示すグラフ図である。
【図９】一実施例における電子密度の空間分布特性を示すグラフ図である。
【図１０】一実施例における電子密度の空間分布特性を示すグラフ図である。
【図１１】一変形例によるプローブ構造を示す部分拡大断面図である。
【図１２】従来のプラズマ吸収プローブ法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０チャンバ
１０ａ貫通孔（支持部）
１６サセプタ（下部電極）
１８，３８高周波電源
２４上部電極
３４処理ガス供給部
５０絶縁管
５２同軸ケーブル
５２ａ芯線（プローブ部）
５２ｂ外部導体（グランド部）
５４測定回路
５６Ｏリング
６０アース用導体
６４電磁波吸収体
６６ネットワークアナライザ
７２冷却ガス供給部
７４ガス管
８０側壁部材
８２ボルト
８４Ｏリング[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for monitoring plasma in a plasma processing apparatus, and more particularly to a monitoring method and apparatus for measuring plasma absorption frequency and electron density using a plasma absorption probe method.
[0002]
[Prior art]
In processes such as etching, deposition, oxidation, sputtering and the like in the manufacturing process of semiconductor devices and FPDs (Flat Panel Displays), plasma is often used in order to allow a process gas to react well at a relatively low temperature. In general, in a plasma processing apparatus, it is necessary to uniformly perform plasma processing over a surface to be processed of a substrate in order to obtain a high yield. For this purpose, a plasma density, that is, an electron density is distributed uniformly in a processing space. It is necessary to generate plasma. From this, it is possible to accurately measure the electron density in the plasma in order to grasp what kind of electron density distribution is generated in the processing space in the chamber at the design stage or start-up stage of the plasma processing apparatus. Technology is indispensable.
[0003]
In recent years, a plasma absorption probe (PAP) method has attracted attention as this type of monitoring technique. In this monitoring method, since the probe is covered with an insulating tube, the plasma potential is not disturbed unlike the Langmuir probe method, and metal contamination is not caused in the chamber. Therefore, even a reactive gas plasma can be measured. In addition, since the measurement is in the gigahertz band, there is a merit that even if an inductive deposited film is attached to the surface of the insulating tube, it is hardly affected, and it is possible to measure even with plasma of a depositing gas.
[0004]
In the conventional plasma absorption probe method, as shown in FIG. 12, an insulating tube 102 having a closed tip is slidably attached to a through-hole 100a provided on one side wall of a chamber 100, and the core wire at the tip is exposed about several millimeters. The coaxial cable 104 having the probe portion 104 a is inserted into the insulating tube 102, and the other end of the coaxial cable 104 is connected to the network analyzer 106. In the chamber 100, for example, a parallel plate type upper electrode 108 and a lower electrode 110 connected to a high frequency power source (not shown) as a plasma generation mechanism are arranged, and plasma pz is generated in a space between the

electrodes

108 and 110. Generated. In the illustrated example, the substrate to be processed W is placed on the lower electrode 110. An O-ring 112 that supports the insulating tube 102 and vacuum seals is provided in the through-hole 100a for attaching the insulating tube on the side wall of the chamber.
[0005]
The network analyzer 106 sends an electromagnetic wave signal (inspection radio wave) of, for example, about 1 mW to the probe unit 104a of the coaxial cable 104 while sweeping the frequency in a band of several hundred MHz to several GHz, for example, and measures the absorption frequency by plasma. More specifically, the reflectance when the plasma pz is not present in the chamber 100 is Γ0, the reflectance when the plasma pz is present is Γp, and the frequency at which the ratio Γ (Γp / Γ0) is minimized is shown. The absorption frequency. Furthermore, this absorption frequency is the electron frequency f in the plasma._p(= 1 / 2π * √ (e²* N_e/ M_e* Ε₀), The electron density can be calculated from the following equation (1).

Where m_eIs the electron density, ε₀Is the vacuum dielectric constant, ε_rIs the dielectric constant of the insulating tube, and e is the elementary charge.
[0006]
In order to examine the spatial distribution of the electron density in the plasma pz, the position of the probe portion 104a is changed by pushing or pulling the insulating tube 102 in the axial direction (longitudinal direction). More specifically, the position of the probe portion 104a, that is, the measurement position is changed from one end of the plasma pz to the other end by changing the insertion stroke of the insulating tube 102 in the chamber at a minute pitch in the radial direction of the plasma pz. The measured value of the electron density obtained at each measurement position may be plotted on a graph by scanning.
[0007]
The conventional plasma absorption probe method as described above is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-100598, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-100599, and Japanese Patent Laid-Open No. 2001-196199.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional plasma absorption probe method as described above has various problems as follows.
[0009]
(1) Since the insulating tube 102 has a cantilever structure with an O-ring 112 attached to the side wall of the chamber 100 as a fulcrum, the position of the distal end of the insulating tube 102, i. The position (particularly the height position) of the probe unit 104a is likely to fluctuate, the measurement position is not stable, and the reproducibility is low. In particular, a 300 mm wafer having a large-diameter chamber or a processing apparatus for FPD is a serious problem because the chamber insertion stroke becomes considerably long.
[0010]
(2) Since the insulating tube 102 is slid, the O-ring 112 in sliding contact with the insulating tube 102 is likely to be damaged and deteriorated. In particular, when a corrosive deposit adheres to the outer surface of the insulating tube 102, it is rubbed against the O-ring 112, so that the O-ring 112 is rapidly deteriorated and COC (Cost Of Consumables) is deteriorated. Of course, the operability of the probe alignment also deteriorates due to the deterioration of the O-ring 112.
[0011]
(3) Since the volume of the insulating tube 102 occupied in the plasma pz varies depending on the measurement position, the influence (disturbance) of the plasma pz on the probe is not uniform. This is a factor that lowers the reliability of measurement accuracy.
[0012]
(4) There are a plurality of resonance frequencies determined by the insulating tube 102 having the closed tip and the probe structure (particularly, the distance from the tip of the insulating tube 102 to the probe portion 104a), and it is difficult to distinguish the absorption frequency from the plasma pz. .
[0013]
(5) RF noise leaks through the GND line (outer conductor) of the coaxial cable 104 exposed to the plasma pz. This RF noise may be radiated into the atmosphere and affect the human body. Further, there is a risk of malfunction of surrounding electronic equipment such as a gas detector due to RF noise. Even if the entire measurement system is shielded to the measuring instrument (network analyzer 106) side as a countermeasure, the S / N of the absorption peak may be deteriorated due to RF noise, and the measuring instrument may be damaged.
[0014]
(6) Since the tip of the insulating tube 102 is closed, it is practically impossible or very difficult to cool the coaxial cable 104 in the insulating tube 102, particularly the vicinity of the probe portion 104a. For this reason, the insulating part of the coaxial cable 104 is likely to thermally expand due to the heat of the plasma pz. In particular, thermal damage is likely to occur when measuring the electron density in the high pressure region.
[0015]
The present invention has been made in view of the problems of the prior art, guaranteeing the reproducibility of the measurement position, improving the stability and durability of the probe structure, stabilizing the influence on the plasma, It is an object of the present invention to provide a plasma monitoring method and apparatus that improve N characteristics and enable stable and highly accurate measurement of plasma absorption frequency and electron density.
[0016]
Another object of the present invention is to provide a plasma monitoring method and apparatus for effectively preventing leakage of RF noise to the atmosphere or a measuring instrument and ensuring the safety of a human body or a measuring instrument.
[0017]
Another object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of guaranteeing the uniformity of plasma density and hence the uniformity of plasma processing with respect to the surface to be processed of the substrate.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the plasma monitoring method of the present invention is characterized in that an insulating tube is provided between a first support portion and a second support portion provided on a wall surface of a chamber in which plasma is generated indoors. A coaxial cable having a probe part with a core wire exposed at the front end part is inserted into the pipe from one end of the insulating pipe, and is passed through the coaxial cable into the plasma. The frequency of electromagnetic waves absorbed by the electrons is measured.
[0019]
In addition, the plasma monitoring apparatus of the present invention passes between or in the vicinity of the plasma between the first support portion and the second support portion provided on the wall surface of the chamber where plasma is generated indoors. An insulating tube that spans the wire, a probe portion that exposes the core wire at the tip, a coaxial cable that is inserted into the tube from one end of the insulating tube, and an electron in the plasma via the coaxial cable And a measurement circuit for measuring the electromagnetic wave frequency absorbed by the sensor.
[0020]
In the present invention, since the insulating tube that accommodates the coaxial cable with the probe portion is supported at two locations (first and second support portions) on the wall surface of the chamber, it is shaken or bent by its own weight during the probe alignment operation. There is nothing to do. Thereby, a probe part can be located on a fixed line and the reproducibility of a measurement position can be guaranteed. When aligning the probe, the coaxial cable may be moved in the axial direction with respect to the insulating tube fixed to the chamber, and the insulating tube will not rub against the supporting portion. It is not. Therefore, the stability of the probe mechanism is improved and the consumables cost is also improved. Furthermore, since the influence (disturbance) on the plasma of the probe mechanism is constant regardless of the measurement position, the reliability of measurement accuracy is high. In addition, the insulation tube viewed from the probe part of the coaxial cable has a constant or uniform coaxial tube structure at any measurement position, and the coupling between the electromagnetic wave oscillated from the probe part and the plasma is constant. Noise hardly occurs, only the peak of the plasma absorption frequency is obtained, and high-precision measurement is possible.
[0021]
In the present invention, preferably, an insulating tube may be provided so as to traverse the plasma in the vicinity of the plasma in the radial direction. In terms of apparatus, the first support portion and the second support portion on the chamber wall surface may be opposed to each other. According to such a method or configuration, stable and highly accurate monitoring can be performed from one end of the plasma to the other end.
[0022]
Alternatively, an insulating tube may be provided to make a U-turn in or near the plasma. The apparatus has a wall surface member that is detachably and airtightly attached to an opening formed in the wall surface of the chamber, and an insulating tube is provided between the first support portion and the second support portion provided on the wall surface member. It is good also as a structure formed by bending or bending at the intermediate part. According to this method or configuration, it is possible to easily attach and detach the probe to the chamber.
[0023]
Preferably, at least one of the first and second support portions may be formed by a through hole. In this case, the insulating pipe may be fixedly attached to the through hole by an O-ring.
[0024]
Preferably, the outer conductor of the coaxial cable may be electrically connected to the ground potential via the chamber. In terms of the apparatus, a grounding conductor may be provided in which one end is connected to the ground potential portion of the chamber and the other end is connected to the outer conductor of the coaxial cable. According to such a method or configuration, it is possible to effectively prevent leakage of RF noise to the atmosphere or a measuring instrument, to ensure the safety of a human body or a measuring instrument, and to prevent malfunction of surrounding electronic equipment such as a gas detector. Can be avoided.
[0025]
Preferably, a standing wave noise signal propagating through the external conductor at a position closer to the probe portion than the position where the grounding conductor extending from the ground potential portion of the chamber contacts the external conductor of the coaxial cable is electromagnetically transmitted through electromagnetic induction. You may make it make an absorber absorb. A preferred form of the electromagnetic wave absorber is one or a plurality of bead-shaped ferrite members that are movably mounted in series along the axial direction on the coaxial cable. According to this method or configuration, even if noise at the resonance frequency is generated in the outer conductor (ground portion) of the coaxial cable, the noise can be effectively absorbed and removed by the electromagnetic wave absorber.
[0026]
Preferably, a cooling gas may be allowed to flow through the insulating tube through an opening formed at the other end of the insulating tube. In terms of apparatus, the other end of the insulating tube may be opened, and a cooling mechanism for flowing a cooling gas may be connected to the opening. According to this method or configuration, since the coaxial cable in the insulating tube can be effectively cooled, thermal expansion and thermal damage around the probe portion can be prevented, and durability can be improved.
[0027]
In the present invention, the electron density in the plasma may be calculated from the measured value of the plasma absorption frequency. That is, in the plasma monitoring apparatus of the present invention, the measurement circuit may include an electron density calculating means for calculating the electron density in a given plasma based on the measured value of the plasma absorption frequency.
[0028]
Preferably, the measurement circuit sends an electromagnetic wave signal of each frequency to the probe portion of the coaxial cable with a constant power while sweeping the frequency, emits it to the surrounding space, and reflects the signal reflected through the probe portion. It is good also as a structure which measures the reflectance for every frequency from a level, and determines the frequency corresponding to the peak point of a reflectance as an absorption frequency.
[0029]
The plasma processing apparatus of the present invention includes a chamber that accommodates an object to be processed in a removable manner, a gas supply unit that supplies a predetermined source gas into the chamber, and discharges the source gas in the chamber. Plasma generating means for generating plasma for performing a desired treatment on the body, exhaust means for reducing the pressure in the chamber to maintain a desired pressure, and the plasma monitoring apparatus of the present invention. According to such a configuration, by using the plasma monitoring apparatus of the present invention, it is possible to guarantee the uniformity of the plasma density with respect to the surface to be processed of the substrate, and thus the uniformity of the plasma processing, and improve the yield.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0031]
1 and 2 show the configuration of a plasma processing apparatus to which a plasma monitoring method and apparatus according to an embodiment of the present invention is applied. This plasma processing apparatus is a capacitively coupled parallel plate plasma processing apparatus.
[0032]
The chamber 10 of this plasma processing apparatus is made of, for example, aluminum and is configured as a cylindrical processing chamber that can be sealed. A support base 14 made of, for example, aluminum is disposed on the bottom of the chamber 10 via an insulating plate 12, and a susceptor 16 is provided on the support base 14. The susceptor 16 constitutes a lower electrode, on which a substrate to be processed, for example, a semiconductor wafer W is placed.
[0033]
The susceptor 16 is electrically connected to a high-frequency power source 18 for supplying high-frequency power of a predetermined frequency for ion attraction through a matching unit 20 and a high-pass filter for passing a high-frequency from the upper electrode side described later ( HPF) 22 is electrically connected. On the upper surface of the susceptor 16, for example, an electrostatic chuck (not shown) for fixing and holding the substrate W by electrostatic adsorption force may be attached. Further, cooling or heating means (not shown) for temperature control may be provided inside the susceptor 16 or the support base 14.
[0034]
An upper electrode 24 is provided above the susceptor 16 so as to face the susceptor in parallel. The upper electrode 24 is supported by the chamber 10 via an insulating material 25, and has a lower electrode plate 28 made of ceramic such as alumina having a number of discharge holes 26, and a conductive material that supports the electrode plate 28. For example, it has the electrode support body 30 which consists of aluminum by which the surface was anodized. A buffer chamber is formed inside the electrode plate 28 and the electrode support 30, and a gas inlet 32 is provided at the center of the upper surface of the buffer chamber. A gas supply pipe 36 from the processing gas supply unit 34 is connected to the gas inlet 32. A high-frequency power source 38 that supplies high-frequency power of a predetermined frequency for plasma generation is electrically connected to the upper electrode 24 via a matching unit 40 and allows high-frequency power from the susceptor (lower electrode) 16 side to pass therethrough. A high pass filter (HPF) 42 is electrically connected.
[0035]
An exhaust port 44 is provided at the bottom of the chamber 10, and an exhaust device (not shown) is connected to the exhaust port 44 via an exhaust pipe 46. The exhaust device has a vacuum pump such as a turbo molecular pump, and can reduce the processing space in the chamber 10 to a desired degree of vacuum. In addition, an opening / closing mechanism for taking in and out the substrate W, for example, a substrate entrance / exit with a gate valve (not shown) is provided on the sidewall of the chamber 10. The chamber 10 is grounded by a ground wire or the like.
[0036]
In this plasma processing apparatus, when processing the substrate W on the susceptor 16, a desired processing gas is introduced into the chamber 10 from the processing gas supply unit 34 at a predetermined flow rate, and the pressure in the chamber 10 is reduced by an exhaust device. Set value. Further, a high frequency is applied to the susceptor (lower electrode) 16 and the upper electrode 24 from the high

frequency power sources

18 and 34 at a predetermined power, respectively. The processing gas discharged from the perforated electrode plate of the upper electrode 24 or the shower head 28 is turned into plasma during glow discharge between the electrodes, and the substrate W is subjected to plasma processing by radicals or ions generated by the plasma PZ. The distance between the susceptor (lower electrode) 16 and the upper electrode 24 is set to about 10 to 60 mm, for example.
[0037]
The plasma monitoring apparatus in this embodiment has an insulating tube 50 fixedly attached to the chamber 10 and a probe portion exposing the core wire at the tip, and is slidably inserted into the tube from one end of the insulating tube 50. And a measurement circuit 54 that measures the electromagnetic wave frequency absorbed by the electrons in the plasma PZ in the chamber 10 through the coaxial cable 50.
[0038]
The insulating tube 50 is made of, for example, a quartz tube, is somewhat longer than the outer dimension of the chamber 10 and is straight (straight), and both ends are open. As shown in FIG. 1, a pair of opposing through holes 10a are formed as support portions or measurement ports on the side wall of the chamber 10 at a height intermediate between the susceptor (lower electrode) 16 and the upper electrode 24, and are insulated. The pipe 50 passes through these through-holes 10 a and is stretched almost horizontally in the chamber 10. An O-ring 56 for fixing the insulating tube 50 in an airtight manner, that is, by vacuum sealing, is attached to each through hole 10a.
[0039]
As shown in FIG. 2, the coaxial cable 52 may be a semi-rigid cable having a core wire (inner conductor) 52a made of aluminum, an outer conductor 52b made of copper pipe, and an insulating material 52c made of Teflon (registered trademark), for example. The core wire 52a at the distal end is exposed about several mm to form a probe portion. The measuring instrument side of the coaxial cable 52 is connected to the measuring circuit 54 in the form of an SMA plug 58. The portion of the outer conductor (GND portion) 52 b that protrudes from the insulating tube 50 of the coaxial cable 52 is electrically connected to the side wall of the chamber 10 having the ground potential via the grounding conductor 60.
[0040]
As shown in FIG. 2, the grounding conductor 60 has a proximal end portion fixed to a conductive flange member 62 for mounting and fixing the insulating tube 50, for example, and a distal end portion that slides on the outer conductor 52 b of the coaxial cable 52. A plurality of conductive spring members that come into contact with each other may be formed, and the conductive spring members may be configured to elastically hold the coaxial cable 52 at a fixed position A from the top, bottom, left, or right. Alternatively, a configuration may be used in which a conductive wire is used instead of the spring member, and the tip of the conductive wire is connected to the outer conductor 52b of the coaxial cable 52 with a clip or the like.
[0041]
An electromagnetic wave absorber for absorbing a standing wave noise signal generated on the outer conductor 52a of the coaxial cable 52 is provided in the vicinity of the grounding conductor 60, that is, at a position on the probe section 52a side. In this embodiment, as shown in FIG. 2, one or a plurality of bead-shaped ferrite members 64 are movably attached to the coaxial cable 52 in series along the axial direction.
[0042]
In FIG. 1, the measurement circuit 54 includes a network analyzer 66 that is a measuring instrument body, a power limiter 68 for an SMA interface, and a high-pass filter (HPF) 70. The network analyzer 66 has a frequency sweep type high frequency oscillator. An arithmetic control unit that performs measurement control and arithmetic processing is also built in or connected to the network analyzer 66.
[0043]
A pipe 74 from the cooling gas supply unit 72 is connected to the other end (left end in FIG. 1) of the insulating tube 50. The cooling gas supply unit 72 includes, for example, a blower or a pump, and flows a cooling gas, such as air, into the insulating tube 50 via the pipe 74. The air introduced from the left end of the insulating tube 50 flows in the tube toward the opposite side (right side) and escapes to the atmosphere through the gap between the grounding conductors 60. As described above, the air passes through the insulating tube 50 in the axial direction, so that the coaxial cable 52, particularly around the probe portion 52a, is effectively cooled. More preferably, the cooling gas supply unit 72 may supply a temperature-controlled cooling gas. Alternatively, the cooling gas supply unit 72 may be configured as an air suction type so that air flows through the insulating tube 50 from the right side to the left side.
[0044]
In the plasma monitoring apparatus of this embodiment, when measuring the absorption frequency or electron density of the plasma PZ generated in the chamber 10, the insertion length of the coaxial cable 52 into the insulating tube 50 is adjusted to adjust the probe portion 52a at the tip. To the desired measurement position in the radial direction. For example, when measuring the absorption frequency or electron density in the central part of the plasma PZ, the probe part 52a may be positioned in the vicinity thereof. In this probe alignment, the insulating tube 50 remains fixed to the side wall of the chamber 10 and does not rub the O-ring 56.
[0045]
First, in a state where plasma PM is not generated in the chamber 10, for example, an electromagnetic wave signal (inspection radio wave) of about 1 mW is swept from the network analyzer 66 in a band of, for example, several hundred MHz to several GHz, for example, a probe portion 52 a of the coaxial cable 52 To the surrounding space (mainly in the radial direction when viewed from the probe portion 52a), the reflectance is obtained from the level of the reflected signal returned to the network analyzer 66, and the frequency of the reflectance displayed on the network analyzer 66 is obtained. The characteristic Γ0 (S11 parameter) is stored in the memory.
[0046]
Next, in the state where the plasma PZ is generated in the chamber 10, the network analyzer 66 obtains the frequency characteristic of the reflectance by the same procedure and signal processing as described above, and the previous frequency characteristic of the reflectance (without plasma) Γ0. The ratio Γ (Γp / Γ0) is calculated. The ratio Γ (Γp / Γ0) before plasma generation is always 1.00. This ratio Γ (Γp / Γ0) means the frequency characteristic of energy absorption by plasma with reference to the vacuum state. Strictly speaking, an electromagnetic wave emitted from the probe portion 52a propagates on the surface of the surrounding insulating tube 50, and the frequency of the surface wave is the electron frequency f of the plasma._pElectromagnetic wave absorption occurs and the reflectance becomes extremely low. Therefore, the frequency at which the ratio Γ (Γp / Γ0) is minimized is defined as the plasma absorption frequency. Further, the above equation (1) is calculated based on the measured value of the plasma absorption frequency to calculate the electron density N_eObtain the measured value.
[0047]
Further, the position (measurement position) of the probe 52a is scanned and moved in the radial direction from one end of the plasma PZ to the other end in the insulating tube 50, and the electron density N determined at each measurement position._eIs plotted on the graph, and the electron density N in the radial direction of the plasma PZ is plotted._eThe spatial distribution of can also be examined.
[0048]
In the plasma monitoring apparatus of this embodiment, a pair of support portions (in a position opposite to each other on the side wall of the chamber 10) so that the insulating tube 50 that houses the probe portion 52a of the coaxial cable 52 crosses the plasma processing space straight ( An insulating tube 50 is horizontally stretched between the through

holes

10a and 10a) and is airtightly fixed by an O-ring 56. In the probe alignment or measurement position change adjustment, only the coaxial cable 52 is moved in the axial direction in the insulating tube 50 fixed horizontally to the side wall of the chamber 10, so that the probe 52a is always on a certain horizontal line. It can be positioned, and the reproducibility of the measurement position can be guaranteed. Further, since the insulating tube 50 does not rub against the O-ring 56, the O-ring 56 is not likely to be damaged and deteriorated, and the stability of the probe mechanism is improved and the consumables cost (COC) is also improved. In addition, since the influence (disturbance) on the plasma of the probe mechanism is constant regardless of the measurement position, the reliability of measurement accuracy is also improved.
[0049]
Further, the insulating tube 50 viewed from the probe portion 52a of the coaxial cable 52 has a constant or uniform coaxial tube structure at any measurement position, and the coupling between the electromagnetic wave oscillated from the probe portion 52a and the plasma is constant. Resonance frequency noise hardly occurs, only the peak of the plasma absorption frequency is obtained, and highly accurate measurement can be performed. Further, since the bead-shaped ferrite member 64 is fitted as an electromagnetic wave absorber to the coaxial cable 52, even if resonance frequency noise, that is, standing wave noise is generated in the outer conductor (GND portion) 52b of the coaxial cable 52. The standing-wave noise can be effectively absorbed by the bead-shaped ferrite member 64 and removed sufficiently.
[0050]
In this plasma monitoring apparatus, the outer conductor (GND part) 52 b of the coaxial cable 52 is grounded via the grounding conductor 60 and the chamber 10. The RF shield function using the chamber 10 effectively prevents leakage of RF noise to the atmosphere and the measuring instrument 54 to ensure the safety of the human body and the measuring device, and to make the surrounding electrons such as the gas detector. Device malfunction can be avoided.
[0051]
According to this RF shield function, a noise signal propagates on the outer conductor (GND portion) 52b of the coaxial cable 52 at the position where it is connected to the grounding conductor 60 or inside the short-circuit point A (probe portion 52a side). Therefore, the bead-shaped ferrite member 64 for absorbing standing wave noise is also preferably arranged inside the short-circuit point A, and more preferably at the short-circuit point A that is the antinode of standing wave noise as in this embodiment. The arrangement configuration may be as close as possible.
[0052]
Furthermore, in this embodiment, in order to effectively cool the coaxial cable 52 by opening the distal end side of the insulating tube 50, that is, the opposite side of the probe portion 52a, and flowing air from the cooling gas supply portion 74 through this opening portion. In addition, thermal expansion and thermal damage around the probe portion 52a can be prevented, and durability can be improved.
[0053]
According to the plasma monitoring apparatus of this embodiment, highly reliable plasma monitoring can be easily performed even with a 300 mm apparatus or an FPD apparatus having a large-diameter chamber.
[0054]
In the actual manufacturing process, when the plasma processing apparatus performs processing, it is preferable to remove the probe mechanism (insulating tube, coaxial cable) from the processing apparatus. In the present embodiment, the through-hole 10a of the chamber 10 that opens when the insulating tube 50 is extracted may be closed and sealed with a sealing member such as a stopper.
[0055]
【Example】
Hereinafter, a specific example of the above embodiment will be described.
[0056]
In the above plasma processing apparatus, the RF frequencies of the upper and lower high-frequency power (high-frequency power supplies 38 and 18) were set to 60 MHz and 2 MHz, respectively, and the distance interval (gap) between the upper electrode 24 and the lower electrode (susceptor) 16 was set to 25 mm. .
[0057]
In the plasma monitoring apparatus of the above-described embodiment, the insulating tube 50 uses a transparent quartz tube having a total length of 550 mm, an outer diameter of 3 mm, and an inner diameter of 1.5 mm, and a height position (between the two through holes 10a on the side wall of the chamber 10 ( The measurement height position) was set at a position 10 mm from the upper electrode 24 and 15 mm from the lower electrode 16. The coaxial cable 52 uses a semi-rigid cable SC-086 / 50 (manufactured by Coax) having a core wire (inner conductor) 52a outer diameter of 0.20 mm, an outer conductor 52b outer diameter of 0.86 mm, and a characteristic impedance of 50Ω. The Teflon (registered trademark) core wire 52a was exposed 10 mm to form a probe portion. In the measurement circuit 54, the high-pass filter 70 was HPF150 manufactured by Nippon High Frequency Co., Ltd., the power limiter 68 was 11930B manufactured by Agilent Technologies, and the network analyzer 66 was HP8753ET manufactured by Agilent Technologies. In the network analyzer 66, a high frequency signal (0 dBm: 1 mW) from 150 MHz to 2500 MHz is swept every 600 msec and output.
[0058]
Improvement of S / N
In the improved plasma absorption probe method according to the above-described embodiment, the GND line 52b of the coaxial cable 52 is short-circuited to the casing (side wall) of the chamber 10 for grounding against RF leakage, but includes a bead-shaped ferrite member 64. If the insertion length L of the coaxial cable 52 into the chamber 10 (the distance from the short-circuit point A to the tip of the probe portion 52a) is changed in a configuration that does not, a peak that appears to be noise other than the plasma absorption frequency periodically appears. It was seen.
[0059]
In order to clarify the mechanism of this noise generation, the insertion length L (FIG. 2) of the coaxial cable 52 was changed, and the frequency characteristics of the noise peak obtained at this time were examined. FIG. 3 shows this frequency characteristic. From FIG. 3, it can be seen that noise peaks appear periodically in a band of 1500 MHz or more according to the insertion length L of the coaxial cable 52. Plasma frequency f_pExists in the range of 1000 MHz to 1500 MHz.
[0060]
In FIG. 4, the frequency (actual value) of the noise peak is shown as a plot, and the resonance frequency (peak frequency calculation value) determined by the insertion length L is shown as a curve. In FIG. 4, λ represents the wavelength of the noise signal propagating through the outer conductor 52b of the coaxial cable 52, and λg represents the wavelength of the noise signal propagating through the core wire (inner conductor 52a). From the graph of FIG. 4, it can be seen that the measured value of the noise peak and the calculated value (an integral multiple of a half wavelength) almost completely match.
[0061]
From this result, a standing wave is generated in the GND line 52b of the inserted coaxial cable 52, and this standing wave is recognized as a signal by the probe, and a standing wave noise peak other than the absorption peak due to the original plasma is generated. It is thought that there is. When standing wave noise occurs, not only the S / N of the frequency characteristic of plasma absorption is deteriorated, but there is a possibility that it is mistaken for a plasma absorption peak.
[0062]
Therefore, as in the above embodiment, an attempt was made to absorb standing wave noise by the electromagnetic wave absorber 64 through experiments. As the electromagnetic wave absorber 64, bead ferrite HF70BB3.5 × 5 × 1.3 manufactured by TDK Corporation was used. In addition, as a plasma generation condition in the plasma processing apparatus, the processing gas is C_FiveF₈/ Ar / O₂Using mixed gas (flow rate: 15/380/19 sccm), pressure in chamber 10 is 2.0 Pa (15 mTorr), upper / lower high-frequency power is 2.17 / 1.55 kW, upper electrode / chamber sidewall / lower electrode Was set to 60/50/20 ° C. Two locations of R = 0 (wafer center) and R = 160 mm were selected, where R is the distance in the radial direction from the wafer center position.
[0063]
FIG. 5 shows the results of this experiment. As can be seen from FIG. 5, it was clearly confirmed that the standing wave noise can be effectively removed without affecting the original plasma absorption peak by attaching the electromagnetic wave absorber 64 to the coaxial cable 52.
[0064]
Evaluation of noise reduction effect
Next, the noise reduction effect under plasma cleaning conditions was evaluated experimentally. The purpose is to confirm whether the standing wave noise can be effectively reduced by the electromagnetic wave absorber 64 even under the condition that the electron density becomes low and the S / N becomes worse like plasma cleaning. As is well known, plasma cleaning is a cleaning method that removes reaction residues adhering to the inner wall of a chamber using plasma.
[0065]
As a plasma generation condition, O is used as the processing gas₂Using gas, supply flow rate is set to 200 sccm, pressure is set to 2.0 Pa (15 mTorr), lower power is set to 200 W, upper electrode / chamber side wall / lower electrode temperature is set to 30/50/20 ° C., and lower power is set. It was changed from 1500W to 200W. The measurement position was R = 0 (wafer center).
[0066]
FIG. 6 shows the results of this experiment. It was also found that only standing wave noise can be selectively removed, so that peak detection can be easily performed even with a signal having a weak plasma absorption peak.
[0067]
Increased signal due to ferrite enhancement
Furthermore, the change in signal when the electromagnetic wave absorber 64 attached to the coaxial cable 52 was enhanced was evaluated. Specifically, the signal (depth) of the plasma absorption peak when the number of bead ferrites (HF70BB3.5 × 5 × 1.3) attached in series to the coaxial cable 52 was 5, 10, and 15 was compared. As shown in FIG. 7, it was found that the signal could be increased by increasing the number of beads ferrite mounted. This is presumably because ferrite removes noise components contained in the signal through electromagnetic induction. However, when electromagnetic waves are absorbed by ferrite, they are converted into thermal energy, so the ferrite itself is heated and its temperature is set to the Curie point (T_c: When the temperature exceeds about 100 ° C, the ferrite loses the electromagnetic wave absorption characteristics. Therefore, it is preferable to cool the bead ferrite. In the present embodiment, the electromagnetic wave absorber 64 is also air-cooled by the action of the cooling gas supply unit 72.
[0068]
Measurement of various process plasmas
(1) The spatial distribution of the electron density in the chamber radial direction was investigated using the pressure as a parameter for etching plasma to form high aspect ratio connection holes. FIG. 8 shows the measurement results. The main plasma generation conditions (recipe) are as follows.
Wafer diameter: 200 mm
Etching gas: C_FiveF₈/ Ar / O₂Mixed gas
Gas flow rate: C_FiveF₈/ Ar / O₂= 15/380 / 19sccm
Gas pressure: 2.0 to 26.6 Pa (15 to 200 mTorr)
RF power: Upper / Lower = 2.17 / 1.55 kW
Setting temperature: upper electrode / side wall / lower electrode = 60/50/20 ° C.
Amplitude of lower RF voltage: 1385V (2.0Pa), 1345V (4.0Pa), 1355V (10.6Pa), 1370V (16.0Pa), 1380V (26.6Pa)
[0069]
As shown in FIG. 8, under this plasma generation condition, when the pressure exceeds 16.0 Pa (120 mTorr), the electron density N at a position near the center of the wafer._eIt can be seen that uniformity is lost. In FIG. 8, E + N (N is an integer) is 10^NMeans. Thus, for example, 1.0E + 11 is 1.0 × 10¹¹Means. The same applies to FIGS. 9 and 10 described later.
[0070]
(2) The spatial distribution of the electron density in the chamber radial direction was investigated using the pressure as a parameter for etching plasma for forming wiring trenches (trench) in the Si substrate. FIG. 9 shows the measurement results. The main plasma generation conditions (recipe) are as follows.
Wafer diameter: 200 mm
Etching gas: CF_Four/ O₂Mixed gas
Gas flow rate: CF_Four/ O₂= 40 / 3sccm
Gas pressure: 6.7-66.5 Pa (50-500 mTorr)
RF power: Upper / Lower = 1.0 / 1.2kW
Setting temperature: upper electrode / side wall / lower electrode = 60/50/20 ° C.
Lower RF voltage amplitude: 1530 V (6.7 Pa), 1690 V (20.0 Pa), 1400 V (39.9 Pa), 1180 V (66.5 Pa)
[0071]
As can be seen from FIG. 9, under this plasma generation condition, the electron density N is obtained when the gas pressure is about 6.7 Pa or 20.0 Pa._eAlthough the distribution is non-uniform, it can be seen that flat (uniform) distribution characteristics are obtained at 39.9 Pa or higher.
[0072]
(3) The spatial distribution of electron density in the chamber radial direction was investigated using the pressure as a parameter for etching plasma to form via holes in the interlayer insulating film on the substrate. FIG. 10 shows the measurement results. The main plasma generation conditions (recipe) are as follows.
Wafer diameter: 200 mm
Etching gas: N₂gas
Gas flow rate: 300sccm
Gas pressure: 53.2-106.4 Pa (400-800 mTorr)
RF power: Upper / lower = 1.5 / 1.0 kW
Setting temperature: upper electrode / side wall / lower electrode = 30/50/20 ° C.
Lower RF voltage amplitude: 1015 V (53.2 Pa), 938 V (106.4 Pa)
[0073]
As shown in FIG. 10, under this plasma generation condition, even if the gas pressure is increased to 106.4 Pa, the electron density N_eIt can be seen that the uniformity of is maintained.
[0074]
As described above, according to the plasma monitoring apparatus of this embodiment, it is possible to perform highly accurate electron density measurement over a wide pressure region from low pressure to high pressure. Therefore, in the plasma processing apparatus of this embodiment, the recipe is optimized so that the plasma density, that is, the electron density, is uniformly distributed in the processing space under the desired process conditions, thereby improving the in-plane uniformity of the plasma processing. Guarantee and improve yield.
[0075]
Modified example
FIG. 11 shows a modification of the probe mechanism in the present embodiment. In this configuration example, an opening 10b is formed as a measurement port on one side wall of the chamber 10, and a wall surface member 80 for the probe unit is detachably attached to the opening 10b by, for example, a bolt 82 and airtight by, for example, an O-ring 84. Install. The wall member 84 is formed with a pair of through holes 10a as support portions, preferably at the same height, and both end portions of the insulating tube 50 are supported by the through holes 10a. Therefore, the insulating tube 50 has a structure bent or bent at an intermediate portion of the tube, and both support portions (through holes 10a) are U-turned in or near the processing space (plasma PZ) in the chamber 10. Between them. According to this configuration example, a detachable probe mounting structure for the chamber 10 can be easily realized.
[0076]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, in the plasma monitoring apparatus of the above embodiment, it is a matter of course that each component can be changed to an alternative having the same function. The same applies to the plasma processing apparatus. In particular, the capacitively coupled parallel plate type plasma generation method as in the above embodiment is an example, and other arbitrary methods such as a magnetron method and an ECR (Electron Cyclotron Resonance) method can be used. The present invention is applicable. The type of plasma process is not limited to etching, and the present invention can be applied to any plasma process such as CVD (Chemical Vapor Deposition), oxidation, and sputtering. Furthermore, the target object to be processed by the plasma process is not limited to a semiconductor wafer, and can be applied to, for example, a glass substrate or an LCD (Liquid Crystal Display) substrate.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the plasma monitoring method or apparatus of the present invention, the reproducibility of the measurement position is guaranteed, the stability and durability of the probe structure are improved, the influence on the plasma is stabilized, and the S / S The N characteristic can be improved, and the plasma absorption frequency and the electron density can be measured stably and with high accuracy. Furthermore, it is possible to effectively prevent the leakage of RF noise to the atmosphere or the measuring instrument, and to ensure the safety of the human body and the measuring instrument.
[0078]
Further, according to the plasma processing apparatus of the present invention, it is possible to guarantee the uniformity of the plasma density with respect to the surface to be processed of the substrate, and thus the uniformity of the plasma processing, and improve the yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a plasma processing apparatus to which a plasma monitoring method and apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a partially enlarged cross-sectional view showing a main part of the probe structure of the embodiment.
FIG. 3 is a graph showing frequency characteristics of noise peaks in one embodiment.
FIG. 4 is a graph showing measured values and calculated values of the peak frequency of standing wave noise depending on the probe insertion length in one embodiment.
FIG. 5 is a graph of frequency characteristics showing the noise absorption effect of the electromagnetic wave absorber in one embodiment.
FIG. 6 is a graph of reflection frequency characteristics showing the noise absorption effect of the electromagnetic wave absorber in one embodiment.
FIG. 7 is a graph of frequency characteristics showing the effect of signal increase due to enhancement of the electromagnetic wave absorber in one embodiment.
FIG. 8 is a graph showing the spatial distribution characteristics of electron density in one embodiment.
FIG. 9 is a graph showing a spatial distribution characteristic of electron density in one embodiment.
FIG. 10 is a graph showing the spatial distribution characteristics of electron density in one example.
FIG. 11 is a partially enlarged sectional view showing a probe structure according to a modification.
FIG. 12 is a diagram for explaining a conventional plasma absorption probe method.
[Explanation of symbols]
10 chambers
10a Through hole (support part)
16 Susceptor (lower electrode)
18,38 High frequency power supply
24 Upper electrode
34 Processing gas supply unit
50 Insulation tube
52 Coaxial cable
52a Core wire (probe part)
52b Outer conductor (ground part)
54 Measurement circuit
56 O-ring
60 Grounding conductor
64 Electromagnetic wave absorber
66 Network Analyzer
72 Cooling gas supply unit
74 Gas pipe
80 Side wall member
82 volts
84 O-ring

Claims

室内でプラズマが生成されるチャンバの壁面に設けた第１の支持部と第２の支持部との間に絶縁管を前記プラズマの中またはその付近を通過するように架け渡し、
先端部の芯線を露出させたプローブ部を有する同軸ケーブルを前記絶縁管の一方の端より管内に挿入し、
前記同軸ケーブルを介して前記プラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定するプラズマモニタリング方法。Spanning an insulating tube between the first support and the second support provided on the wall of the chamber where plasma is generated in the room so as to pass through or near the plasma;
A coaxial cable having a probe part with the core wire of the tip part exposed is inserted into the pipe from one end of the insulating pipe,
A plasma monitoring method for measuring an electromagnetic wave frequency absorbed by electrons in the plasma via the coaxial cable.

前記絶縁管が前記プラズマの中またはその付近をまっすぐ横断するように設けられる請求項１に記載のプラズマモニタリング方法。 The plasma monitoring method according to claim 1, wherein the insulating tube is provided so as to traverse in or near the plasma.

前記絶縁管が前記プラズマの中またはその付近でＵターンするように設けられる請求項１に記載のプラズマモニタリング方法。 The plasma monitoring method according to claim 1, wherein the insulating tube is provided so as to make a U-turn in or near the plasma.

前記プラズマに対する前記プローブ部の測定位置を変えるために前記絶縁管に対して前記同軸ケーブルを軸方向に移動させる請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。 The plasma monitoring method according to any one of claims 1 to 3, wherein the coaxial cable is moved in an axial direction with respect to the insulating tube in order to change a measurement position of the probe unit with respect to the plasma.

前記同軸ケーブルの外部導体を前記チャンバを介してグランド電位に電気的に接続する請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。 The plasma monitoring method according to any one of claims 1 to 4, wherein an outer conductor of the coaxial cable is electrically connected to a ground potential through the chamber.

前記チャンバのグランド電位部分から延びるアース用導体と前記同軸ケーブルの外部導体とが接触する位置よりも前記プローブ部側の位置で前記外部導体を伝播する定在波のノイズ信号を電磁誘導を通じて電磁波吸収体に吸収させる請求項５に記載のプラズマモニタリング方法。 Absorbing electromagnetic waves through electromagnetic induction of standing wave noise signals propagating through the outer conductor at positions closer to the probe section than positions where the ground conductor extending from the ground potential portion of the chamber contacts the outer conductor of the coaxial cable The plasma monitoring method according to claim 5, wherein the plasma is absorbed by a body.

前記絶縁管の他方の端に形成した開口を介して前記絶縁管の中に冷却用のガスを流す請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。 The plasma monitoring method according to any one of claims 1 to 6, wherein a cooling gas is allowed to flow into the insulating pipe through an opening formed at the other end of the insulating pipe.

前記プラズマ吸収周波数の測定値から前記プラズマ中の電子密度を算出する請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング方法。 The plasma monitoring method according to any one of claims 1 to 7, wherein an electron density in the plasma is calculated from a measured value of the plasma absorption frequency.

前記絶縁管内の前記プローブ部の位置を変えて、前記プラズマ中の電子密度の空間分布特性を求める請求項８に記載のプラズマモニタリング方法。 The plasma monitoring method according to claim 8, wherein a spatial distribution characteristic of an electron density in the plasma is obtained by changing a position of the probe portion in the insulating tube.

室内でプラズマが生成されるチャンバの壁面に設けられた第１の支持部と第２の支持部との間で前記プラズマの中またはその付近を通過するように架け渡される絶縁管と、
先端部の芯線を露出させたプローブ部を有し、前記絶縁管の一方の端より管内に挿入される同軸ケーブルと、
前記同軸ケーブルを介して前記プラズマ中の電子により吸収される電磁波周波数を測定する測定回路と
を有するプラズマモニタリング装置。An insulating tube that is spanned so as to pass through or in the vicinity of the plasma between a first support and a second support provided on the wall of a chamber in which plasma is generated indoors;
A coaxial cable inserted into the tube from one end of the insulating tube, having a probe portion exposing the core wire of the tip portion;
And a measurement circuit for measuring an electromagnetic wave frequency absorbed by electrons in the plasma via the coaxial cable.

前記絶縁管が前記プラズマの中またはその付近をまっすぐ横断するように、前記チャンバ壁面における前記第１の支持部と前記第２の支持部とを相対向させる請求項１０に記載のプラズマモニタリング装置。 The plasma monitoring apparatus according to claim 10, wherein the first support portion and the second support portion on the wall surface of the chamber are opposed to each other so that the insulating tube passes straight in or near the plasma.

前記チャンバの壁面に形成した開口に着脱可能かつ気密に取付される壁面部材を有し、前記壁面部材に設けた前記第１の支持部と前記第２の支持部との間に前記絶縁管を中間部で屈曲または彎曲させて架け渡してなる請求項１０に記載のプラズマモニタリング装置。 A wall surface member that is detachably and airtightly attached to an opening formed in the wall surface of the chamber, and the insulating tube is provided between the first support portion and the second support portion provided on the wall surface member. The plasma monitoring device according to claim 10, wherein the plasma monitoring device is bent or bent at an intermediate portion and bridged.

前記第１および第２の支持部の少なくとも一方が貫通孔によって形成される請求項１０に記載のプラズマモニタリング装置。 The plasma monitoring apparatus according to claim 10, wherein at least one of the first and second support portions is formed by a through hole.

前記絶縁管を前記貫通孔に気密に固定取付するＯリングを有する請求項１３に記載のプラズマモニタリング装置。 The plasma monitoring device according to claim 13, further comprising an O-ring that hermetically fixes and attaches the insulating tube to the through hole.

一端部が前記チャンバのグランド電位部分に接続され、他端部が前記同軸ケーブルの外部導体と接続するアース用導体を有する請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング装置。 The plasma monitoring apparatus according to any one of claims 10 to 14, wherein one end portion is connected to a ground potential portion of the chamber, and the other end portion includes a grounding conductor connected to an outer conductor of the coaxial cable.

前記アース用導体と前記同軸ケーブルの外部導体とが接触する位置よりも前記プローブ部側の位置に前記外部導体を伝播する定在波のノイズ信号を電磁誘導を通じて吸収するための電磁波吸収体を設ける請求項１０〜１５のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング装置。An electromagnetic wave absorber for absorbing a standing wave noise signal propagating through the outer conductor through electromagnetic induction is provided at a position closer to the probe portion than a position where the grounding conductor and the outer conductor of the coaxial cable are in contact with each other. The plasma monitoring apparatus as described in any one of Claims 10-15.

前記電磁波吸収体が、前記同軸ケーブルに軸方向に沿って直列に遊動可能に装着される１個または複数個のビーズ形フェライト部材である請求項１６に記載のプラズマモニタリング装置。The plasma monitoring apparatus according to claim 16, wherein the electromagnetic wave absorber is one or a plurality of bead-shaped ferrite members that are mounted on the coaxial cable so as to be freely movable in series along an axial direction.

前記測定回路が、周波数を掃引しながら、各周波数の電磁波信号を前記同軸ケーブルのプローブ部に一定電力で送って周囲の空間に放出させ、前記プローブ部を介して反射してくる信号のレベルから各周波数毎の反射率を測定して、反射率のピーク点に対応する周波数を吸収周波数と決定する請求項１０〜１７のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング装置。 While the measurement circuit sweeps the frequency, the electromagnetic wave signal of each frequency is sent to the probe portion of the coaxial cable at a constant power to be emitted to the surrounding space, and from the level of the signal reflected through the probe portion The plasma monitoring apparatus according to any one of claims 10 to 17, wherein the reflectance for each frequency is measured, and the frequency corresponding to the peak point of the reflectance is determined as the absorption frequency.

前記測定回路が、前記プラズマ吸収周波数の測定値に基づいて所与のプラズマ中の電子密度を算出する電子密度演算手段を含む請求項１０〜１８のいずれか一項にプラズマモニタリング装置。 The plasma monitoring apparatus according to any one of claims 10 to 18, wherein the measurement circuit includes an electron density calculation unit that calculates an electron density in a given plasma based on a measurement value of the plasma absorption frequency.

前記絶縁管の中に冷却用のガスを流すために前記絶縁管の他方の端に接続された冷却機構を有する請求項１０〜１９のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング装置。 The plasma monitoring apparatus according to any one of claims 10 to 19, further comprising a cooling mechanism connected to the other end of the insulating tube for flowing a cooling gas into the insulating tube.

前記絶縁管内の前記プローブ部の位置を変えて、前記プラズマ中の電子密度の空間分布特性を求める請求項２０に記載のプラズマモニタリング装置。 21. The plasma monitoring apparatus according to claim 20, wherein the position of the probe portion in the insulating tube is changed to obtain the spatial distribution characteristic of the electron density in the plasma.

被処理体を出し入れ可能に収容するチャンバと、
前記チャンバ内に所定の原料ガスを供給するガス供給手段と、
前記チャンバ内で前記原料ガスを放電させて前記被処理体に所望の処理を施すためのプラズマを生成するプラズマ発生手段と、
前記チャンバ内を減圧して所望の圧力に維持するための排気手段と、
請求項１０〜２１のいずれか一項に記載のプラズマモニタリング装置と
を有するプラズマ処理装置。A chamber for receiving and removing a workpiece, and
Gas supply means for supplying a predetermined source gas into the chamber;
Plasma generating means for generating plasma for discharging the source gas in the chamber to perform a desired process on the object;
An evacuation means for reducing the pressure in the chamber to maintain a desired pressure;
A plasma processing apparatus comprising: the plasma monitoring apparatus according to any one of claims 10 to 21.