JPH10102251A

JPH10102251A - 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

Info

Publication number: JPH10102251A
Application number: JP25761796A
Authority: JP
Inventors: Toshio Goto; 俊夫後藤; Masaru Hori; 勝堀
Original assignee: NIPPON LASER DENSHI KK
Current assignee: NIPPON LASER DENSHI KK
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-04-21
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: JP3897380B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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
の提供。【解決手段】少なくとも炭素原子を含有した原料ガスを
プラズマ化する。プラズマ化した原料ガスの炭素原子を
被処理体上に堆積させて成膜したり、炭素原子を被処理
体に衝突させてエッチングする際に、発光線発生手段か
ら出射される炭素原子発光線をプラズマに照射し、炭素
原子発光線の出射量とプラズマの透過量に基づいてプラ
ズマ中の炭素原子密度を計測する。測定された炭素原子
密度に基づいてプラズマ処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、Ｃ
Ｆ₂、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をプラズマ化し、
被処理体上に炭素含有薄膜を成膜したり、被処理体をエ
ッチング処理する際に、プラズマ化した原料ガスに対し
て発光線発生手段から出射される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、該炭素原子
密度に基づいてプラズマ処理することを特徴としてい
る。

【０００９】請求項２は、少なくとも炭素原子を含有し
た原料ガスをプラズマ化し、被処理体上に炭素含有薄膜
を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプラズマ
処理装置において、発光線発生手段から出射される炭素
原子発光線をプラズマ処理装置内のプラズマに照射し、
該プラズマを通過した炭素原子発光線を発光線検出手段
により検出してプラズマ中の炭素原子密度を測定し、測
定された炭素原子密度に基づいてプラズマ強度を制御す
る制御手段を備えたことを特徴としている。

【００１０】請求項３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
薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプロ
セスにおいて、該プロセス中に発生する炭素原子に対し
て発光線発生手段から出射される炭素原子発光線を照射
し、炭素原子発光線の出射量と透過量とに基づいて炭素
原子密度を計測し、該炭素原子密度に基づいて成膜及び
エッチング処理することを特徴としている。

【００１１】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
薄膜を成膜したり、被処理体をエッチング処理するプロ
セスにおいて、該プロセス中に発生する炭素原子に対し
て発光線発生手段から出射される炭素原子発光線を照射
し、炭素原子発光線の出射量と透過量とに基づいて炭素
原子密度を計測し、該炭素原子密度に基づいて前記プラ
ズマ或いは電磁波又は粒子の照射強度を制御する制御手
段を備えたことを特徴としている。

【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（１
３．５６ＭＨｚ）、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
発生装置４４、発光線検出装置２９は発光線発生装置２
７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・２５
ｂと同様で他の材質であってもよい。又、円筒ケース３
３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２
５ｂ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、１５６．１ｎ
ｍ）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３
３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３
５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３
５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２
７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４
４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Ｉ
₀₀／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２５
ａ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５
７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５
３・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８
３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Ｌ
ＯＷ（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票においてオン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（−３００
Ｖ）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５００
Ｗ、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５０_mm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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＣ２３Ｃ 16/50 Ｃ２３Ｃ 16/50 16/52 16/52 Ｃ２３Ｆ 4/00 Ｃ２３Ｆ 4/00 ＥＡＨ０１Ｊ 37/00 Ｈ０１Ｊ 37/00 Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/302 21/302 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも炭素原子を含有した原料ガスを
プラズマ化し、被処理体上に炭素含有薄膜を成膜した
り、被処理体をエッチング処理するプラズマ処理方法に
おいて、プラズマ化した原料ガスに対して発光線発生手
段から出射される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、該炭素原子密度に基づいて
プラズマ処理する炭素原子による成膜及びエッチング処
理方法。
【請求項２】少なくとも炭素原子を含有した原料ガスを
プラズマ化し、被処理体上に炭素含有薄膜を成膜した
り、被処理体をエッチング処理する成膜及びエッチング
処理装置において、発光線発生手段から出射される炭素
原子発光線をプラズマ処理装置内のプラズマに照射し、
該プラズマを通過した炭素原子発光線を発光線検出手段
により検出してプラズマ中の炭素原子密度を測定し、測
定された炭素原子密度に基づいてプラズマ強度を制御す
る制御手段を備えた炭素原子による成膜及びエッチング
処理装置。
【請求項３】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し
たり、被処理体をエッチング処理するプロセスにおい
て、該プロセス中に発生する炭素原子に対して発光線発
生手段から出射される炭素原子発光線を照射し、炭素原
子発光線の出射量と透過量とに基づいて炭素原子密度を
計測し、該炭素原子密度に基づいて成膜及びエッチング
処理を行う炭素原子による成膜及びエッチング処理方
法。
【請求項４】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し
たり、被処理体をエッチング処理するプロセスにおい
て、該プロセス中に発生する炭素原子に対して発光線発
生手段から出射される炭素原子発光線を照射し、炭素原
子発光線の出射量と透過量とに基づいて炭素原子密度を
計測し、該炭素原子密度に基づいて前記プラズマ或いは
電磁波又は粒子の照射強度を制御する制御手段を備えた
炭素原子による成膜及びエッチング処理装置。
【請求項５】請求項１〜４において、発光線発生手段は
少なくとも炭素原子及び酸素原子を含んだ混合ガスをプ
ラズマ分解して炭素原子発光線を発光可能にした炭素原
子による成膜及びエッチング処理方法及びその装置。
【請求項６】請求項１〜４において、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炭素原子発光線を発生させる炭素
原子による成膜及びエッチング処理方法及びその装置。
【請求項７】請求項１〜４において、発光線発生手段は
プロセス中において発光する炭素原子発光線を該プロセ
スに照射可能にして炭素原子密度を測定可能にした炭素
原子による成膜及びエッチング処理方法及びその装置。
【請求項８】請求項５又は６において、混合ガスは少な
くとも炭素原子及び酸素原子を含有するガスを一酸化炭
素ガスとした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。
【請求項９】請求項５、６又は７において、発光線発生
手段から出射される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。
【請求項１０】請求項１又は２において、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
或いは一酸化炭素ガスのいずれかからなる炭素原子によ
る成膜及びエッチング処理方法及びその装置。