KR101217898B1 - 플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법, 종점 검출 방법 및 컴퓨터 판독가능한 기억 매체 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 처리 장치(100)는, 챔버(1) 안에서 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단과, 피처리체[웨이퍼(W)]를 향해 이동하는 플라즈마 안의 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 계측부(60)와, 계측된 입자수의 적산값이 설정값에 도달한 경우에, 플라즈마 처리를 종료시키도록 제어하는 제어부(50)를 구비하고 있다. 계측부(60)는, 광원부(61)로부터 미리 결정된 레이저광을 플라즈마를 향해 조사하고, VUV 모노크로미터를 구비한 검지부(63)로 수광함으로써 활성종의 입자수를 측정한다.
플라즈마 처리 장치

Description

플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법, 종점 검출 방법 및 컴퓨터 판독가능한 기억 매체{PLASMA PROCESSING APPARATUS, PLASMA PROCESSING METHOD, END POINT DETECTING METHOD, AND COMPUTER-READABLE STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 장치, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리의 종점 검출 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 대하여, 플라즈마를 이용하여 산화처리, 질화처리 등을 행하는 플라즈마 처리가 알려져 있다. 플라즈마 처리는, 400℃ 정도에서의 저온 처리가 가능하기 때문에, 열산화처리 등에 비해, 써멀 버짓(thermal budget)을 저감하여 반도체 웨이퍼의 열왜곡 등을 억제할 수 있다는 이점이 있다.
플라즈마 처리의 과제로서, 정확한 종점을 파악하기 어려운 점을 들 수 있다. 종래의 플라즈마 처리에서는, 처리의 레이트(예컨대, 산화레이트, 질화레이트, 에칭레이트 등)를 바탕으로 미리 처리 시간을 설정해 두고, 시간 관리에 의해 플라즈마 처리를 종료시키고 있었다. 그러나, 플라즈마는 그 생성 조건에 의해 라디칼이나 이온 등의 활성종의 양이나 종류가 변화하기 때문에, 단순히 시간만을 기준으로 하면, 처리 결과에 변동이 생길 우려가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 예컨대 일본 특허 공개 제2005-79289호 공보에서는, 챔버에 광학적 방법을 이용한 막 두께 감시 장치를 설치하고, 에칭의 종점을 검출하는 기술이 제안되어 있다. 또한, 일본 특허 공개 제2002-57149호 공보에서는, 플라즈마의 발광을 모니터함으로써, 클리닝의 종점을 검출하는 기술이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2005-79289호의 기술은, 피에칭 대상인 막의 잔존 두께를 계측함으로써 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 것이고, 실시간으로 모니터할 수 있다. 그러나, 이 방법은 계측 대상이 막 두께이기 때문에, 에칭 이외의 처리 예컨대 플라즈마 산화처리, 플라즈마 질화처리 등의 종점 검출에 적용하는 것은 어렵다. 또한, 일본 특허 공개 제2002-57149호 공보 2의 기술도, 클리닝의 진행에 의해 챔버 안의 화학 조성이 변화하는 것을 이용한 기술이기 때문에, 플라즈마 산화처리나 플라즈마 질화처리에 이용하는 것은 어렵다. 이와 같이, 종래 기술로 제안되어 있는 종점 검출 방법은, 대상이 한정되어 있었다. 이 때문에 플라즈마의 상태에 의해서 처리 결과에 변동이 생길 가능성이 있는 것은 알면서도, 여전히 플라즈마 처리의 시간을 기준으로 관리하는 방법이 널리 행해지고 있다.
(발명의 개시)
본 발명은, 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 플라즈마 처리에 있어서, 그 종점을 정밀도 좋게 검출하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 관점에 따른 플라즈마 처리 장치는, 피처리체를 플라즈마 처리하는 처리실과, 상기 처리실 안에서 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단과, 상기 플라즈마 안에 포함되고, 피처리체를 향해 이동하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 계측 수단과, 상기 적산값이 설정값에 도달한 경우에, 플라즈마 처리를 종료시키도록 이 플라즈마 처리 장치를 제어하는 제어 수단을 포함한다.
상기 제1 관점의 플라즈마 처리 장치에서, 상기 활성종은, 산화활성종으로서의 O(1D2) 라디칼이어도 된다. 또한 상기 계측 수단은 플라즈마를 향해 미리 결정된 레이저광을 조사하는 광원부와, 플라즈마를 통과한 레이저광을 검지하는 검지부를 포함하고 있고, 상기 광원부 및 상기 검지부는, 상기 광원부로부터 상기 검지부를 향하는 레이저광의 광로가 상기 처리실 안에 배치된 피처리체의 근방에 위치하도록 배치되어 있는 것이어도 된다. 또한 상기 플라즈마 생성 수단은, 상기 처리실 안에 마이크로파를 도입하기 위한, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나를 구비하고 있는 것이어도 좋다.
본 발명의 제2 관점에 따른 플라즈마 처리 방법은, 플라즈마 처리 장치의 처리실 안에서 피처리체를 플라즈마 처리하는 방법으로서, 상기 처리실 안에 플라즈마를 생성시켜 플라즈마 처리를 시작하는 단계와, 상기 플라즈마 안에 포함되고, 피처리체를 향해 이동하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 단계와, 상기 적산값이 설정값에 도달한 경우에, 플라즈마 처리를 종료시키는 단계를 포함하고 있다.
상기 제2 관점의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 활성종은, 산화활성종으로서의 O(1D2) 라디칼이어도 된다. 또한, 상기 활성종은, 상기 처리실 안의 상부에서 생성하고, 피처리체를 향해 아래쪽으로 이동하는 것이며, 상기 활성종의 계측을, 피처리체의 근방 위치에서 행하는 것이어도 된다. 또한 상기 플라즈마 처리 장치는, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 상기 처리실 안에 마이크로파를 도입하는 방식의 플라즈마 처리 장치여도 된다.
본 발명의 제3 관점에 따른 종점 검출 방법은, 플라즈마 처리 장치의 처리실 안에서 피처리체를 플라즈마 처리함에 있어서, 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 종점 검출 방법으로서, 상기 처리실 안에 플라즈마를 생성시켜 플라즈마 처리를 시작하는 단계와, 상기 플라즈마 안에 포함되고, 피처리체를 향해 이동하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 단계와, 상기 적산값이 설정값에 도달하였는지의 여부를 판정함으로써, 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 단계를 포함한다.
상기 제3 관점의 종점 검출 방법에 있어서, 상기 활성종은, 산화활성종으로서의 O(1D2) 라디칼이어도 된다. 또한, 상기 활성종은, 상기 처리실 안의 상부에서 생성되어, 피처리체를 향해 아래쪽으로 이동하는 것이며, 상기 활성종의 계측을, 피처리체의 근방 위치에서 행하여도 된다. 또한 상기 플라즈마 처리 장치는, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 상기 처리실 안에 마이크로파를 도입하는 방식의 플라즈마 처리 장치여도 된다.
본 발명의 제4 관점에 따른 컴퓨터 판독가능한 기억 매체는, 컴퓨터상에서 동작하는 제어 프로그램이 기억된 것으로서, 상기 제어 프로그램은, 실행시에, 플라즈마 처리 장치의 처리실 안에서 피처리체를 플라즈마 처리함에 있어서, 처리의 종점을 검출하는 종점 검출 방법이 행해지도록, 상기 플라즈마 처리 장치를 제어하는 것이고, 상기 종점 검출 방법은, 상기 처리실 안에 플라즈마를 생성시켜 플라즈마 처리를 시작하는 단계와, 상기 플라즈마 안에 포함되며, 피처리체를 향해 이동하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 단계와, 상기 적산값이 설정값에 도달했는지의 여부를 판정함으로써, 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 단계를 포함한 것이다.
본 발명의 제5 관점에 따른 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하기 위한 처리실과, 상기 처리실 안에 마이크로파를 도입하기 위한, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 처리실 안에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 처리실 안을 감압 배기하는 배기 기구와, 상기 처리실 안에서 피처리체를 플라즈마 처리함에 있어서, 처리의 종점을 검출하는 종점 검출 방법이 행해지도록 상기 플라즈마 처리 장치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 종점 검출 방법은, 상기 처리실 안에 플라즈마를 생성시켜 플라즈마 처리를 시작하는 단계와, 상기 플라즈마 안에 포함되어, 피처리체를 향해 이동하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 단계와, 상기 적산값이 설정값에 도달했는지의 여부를 판정함으로써, 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 단계를 포함한 것이다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 안에 포함되어, 피처리체를 향해 이동하는 특정한 활성종의 입자수의 적산값을 계측함으로써, 높은 정밀도로 플라즈마 처리의 종점을 검출할 수 있다. 따라서, 적산값이 설정값에 도달한 시점에서 플라즈마 처리를 종료시킴으로써, 플라즈마 생성 조건이나 플라즈마의 상태로 좌우되지 않고, 확실하게 목적으로 하는 처리를 완료시킬 수 있으며, 웨이퍼 사이, 로트 사이에서의 처리의 균일성도 확보할 수 있다는 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명 방법은, 활성종의 입자수의 적산값을 지표로서 종점을 검출하기 때문에, 시간을 기준으로 하여 플라즈마 처리를 관리하는 방법에 비해, 플라즈마의 상태로 좌우되지 않고, 보다 직접적이고 정확한 종점을 검출할 수 있다. 또한, 피처리체의 막 두께나 플라즈마의 발광을 지표로서 종점을 검출하는 종래법과 비교한 경우에는, 보다 광범위한 플라즈마 처리에 적용할 수 있다는 이점을 갖는다. 따라서, 본 발명 방법을 이용함으로써, 예컨대 플라즈마 산화처리, 플라즈마 질화처리, 플라즈마 에칭처리, 플라즈마 클리닝처리 등의 종점 검출을 정확하고 확실하게 행할 수 있다는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치에서의 평면 안테나의 구조를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 처리 장치의 제어 계통의 개략 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 산화처리 방법의 순서의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 종점 검출 방법의 순서의 일례를 도시하 는 흐름도이다.
도 6은 플라즈마 산화처리에서의 실리콘 산화막의 막 두께와, 플라즈마 안의 O(1D2) 라디칼 및 O(3P2) 라디칼의 플럭스와의 관계를 도시하는 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 실시형태에서는, 플라즈마를 이용하여 피처리체를 산화처리하는 경우를 예로 들어 설명한다. 도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다. 또한 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)의 평면 안테나를 도시하는 평면도이다. 또한 도 3은 도 1의 플라즈마 처리 장치(100)에서의 제어 계통의 개략 구성예를 도시하는 도면이다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 관통 구멍인 슬롯을 복수개 갖는 평면 안테나, 특히 RLSA(Radial Line Slot Antenna; 레이디얼 라인 슬롯 안테나)로써 처리실 안에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시키는 것에 의해, 고밀도이며 저전자 온도의 마이크로파 여기 플라즈마를 발생시킬 수 있는 RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치로서 구성된다. 플라즈마 처리 장치(100)에서는 1×1010 ~ 5×1012/㎝3의 플라즈마 밀도이며 0.7 eV ~ 2 eV(피처리체 근방에서는 1 eV 이하)의 저전자 온도를 갖는 플라즈마에 의한 처리가 가능하다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(100)는, 각종 반도체 장치의 제조 과정에서, 실리콘을 산화하여 실리콘 산화막을 형성할 목 적으로 적합하게 이용할 수 있는 것이다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 주요한 구성 부재로서, 기밀하게 구성된 챔버(처리실)(1)와, 챔버(1) 안에 가스를 공급하는 가스 공급 기구(18)와, 챔버(1) 안을 감압 배기하기 위한 배기 기구로서의 배기 장치(24)와, 챔버(1)의 상부에 설치되어, 챔버(1) 안에 마이크로파를 도입하는 마이크로파 도입 기구(27)와, 이들 플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부를 제어하는 제어 수단으로서의 제어부(50)와, 플라즈마 안의 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 계측 수단으로서의 계측부(60)를 구비한다. 또한, 가스 공급 기구(18), 배기 장치(24) 및 마이크로파 도입 기구(27)는 챔버(1) 안에서 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단을 구성한다.
챔버(1)는, 접지된 대략 원통형 용기에 의해 형성된다. 또한, 챔버(1)는 각진 통 형상의 용기에 의해 형성하여도 된다. 챔버(1)는, 알루미늄 등의 재질로 이루어지는 바닥벽(1a)과 측벽(1b)을 갖고 있다.
챔버(1)의 내부는, 피처리체인 실리콘 웨이퍼(이하, 단순히 「웨이퍼」로 기재함)(W)를 수평으로 지지하기 위한 배치대(2)가 설치되어 있다. 배치대(2)는, 열전도성이 높은 재질 예컨대, AlN 등의 세라믹스에 의해 구성되어 있다. 이 배치대(2)는 배기실(11)의 바닥부 중앙으로부터 위쪽으로 연장되는 원통형 지지 부재(3)에 의해 지지되어 있다. 지지 부재(3)는, 예컨대 AlN 등의 세라믹스에 의해 구성되어 있다.
배치대(2)에는, 그 외측 가장자리부를 커버하고, 웨이퍼(W)를 가이드하기 위 한 커버링(4)이 설치되어 있다. 이 커버링(4)은, 예컨대 석영, AlN, Al2O3, SiN 등의 재질로 구성된 고리 형상 부재이다.
배치대(2)에는, 온도 조절 기구로서의 저항 가열형 히터(5)가 매립되어 있다. 이 히터(5)는, 히터 전원(5a)으로부터 급전되는 것에 의해 배치대(2)를 가열하여, 그 열로 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 균일하게 가열한다.
배치대(2)에는, 열전대(TC)(6)가 배치되어 있다. 이 열전대(6)에 의해 온도를 계측함으로써, 웨이퍼(W)의 가열 온도를 예컨대 실온으로부터 900℃까지의 범위에서 제어할 수 있게 되어 있다.
배치대(2)에는, 웨이퍼(W)를 지지하여 승강시키기 위한 웨이퍼 지지핀(도시 생략)이 설치되어 있다. 각 웨이퍼 지지핀은 배치대(2) 표면에 대하여 돌출 함몰될 수 있게 설치되어 있다.
챔버(1)의 내주(內周)에는, 석영으로 이루어지는 원통형 라이너(7)가 설치되어 있다. 또한, 배치대(2)의 외주측에는, 챔버(1) 안을 균일하게 배기하기 위해, 다수의 배기 구멍(8a)을 갖는 석영제의 배플 플레이트(8)가 고리 형상으로 설치되어 있다. 이 배플 플레이트(8)는 복수의 지주(9)에 의해 지지되어 있다.
챔버(1)의 바닥벽(1a) 대략 중앙부에는, 원형 개구부(10)가 형성되어 있다. 바닥벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연통하고, 아래쪽을 향해 돌출하는 배기실(11)이 설치되어 있다. 이 배기실(11)에는, 배기관(12)이 접속되어 있고, 이 배기관(12)을 통해 배기 장치(24)에 접속되어 있다.
챔버(1)를 형성하는 측벽(1b)의 상단에는, 고리 형상의 상부 플레이트(13)가 접합되어 있다. 상부 플레이트(13)의 내주 하부는, 내측(챔버 안 공간)을 향해 돌출하고, 고리 형상의 지지부(13a)를 형성하고 있다.
챔버(1)의 측벽(1b)에는, 고리 형상을 이루는 가스 도입부(15)가 설치되어 있다. 이 가스 도입부(15)는 산소 함유 가스나 플라즈마 여기용 가스를 공급하는 가스 공급 기구(18)에 접속되어 있다. 또한, 가스 도입부(15)는 노즐 형상 또는 샤워 형상으로 설치하여도 좋다.
또한, 챔버(1)의 측벽(1b)에는, 플라즈마 처리 장치(100)와, 이것에 인접하는 반송실(도시 생략) 사이에서 웨이퍼(W)의 반입출을 행하기 위한 반입/반출구와, 이 반입/반출구를 개폐하는 게이트 밸브가 설치되어 있다(모두 도시 생략).
가스 공급 기구(18)는, 예컨대 불활성 가스 공급원(19a) 및 산소 함유 가스(O 함유 가스) 공급원(19b)을 갖고 있다. 또한, 가스 공급 기구(18)는, 상기 이외의 도시하지 않는 가스 공급원으로서, 예컨대 산화레이트를 높이기 위해 산소 가스와 혼합하여 이용되는 수소 가스의 공급원, 챔버 안 분위기를 치환할 때에 이용하는 퍼지 가스의 공급원, 챔버(1) 안을 클리닝할 때에 이용하는 클리닝 가스의 공급원 등을 갖고 있어도 된다.
불활성 가스로서는, 예컨대 N2 가스 또는 희가스를 이용할 수 있다. 희가스로서는, 예컨대 Ar 가스, Kr 가스, Xe 가스, He 가스 등을 이용할 수 있다. 또한 산소 함유 가스로서는, 예컨대 산소 가스(O2)를 이용할 수 있다.
불활성 가스 및 산소 함유 가스는, 가스 공급 기구(18)의 불활성 가스 공급원(19a) 및 산소 함유 가스 공급원(19b)으로부터, 가스 라인(20)을 통해 가스 도입부(15)에 이르고, 가스 도입부(15)로부터 챔버(1) 안에 도입된다. 각 가스 공급원에 접속되는 각각의 가스 라인(20)에는, 매스플로우 컨트롤러(21) 및 그 전후의 개폐 밸브(22)가 설치되어 있다. 이러한 가스 공급 기구(18)의 구성에 의해, 공급되는 가스의 전환이나 유량 등을 제어할 수 있게 되어 있다.
배기 기구로서의 배기 장치(24)는, 터보 분자 펌프 등의 고속 진공 펌프를 구비하고 있다. 상기와 같이, 배기 장치(24)는 배기관(12)을 통해 챔버(1)의 배기실(11)에 접속되어 있다. 또한 챔버(1) 안의 가스는, 배기실(11)의 공간(11a) 안에 균일하게 흐르고, 공간(11a)으로부터 배기 장치(24)를 작동시킴으로써, 배기관(12)을 통해 외부로 배기된다. 이에 의해, 챔버(1) 안을 미리 결정된 진공도, 예컨대 0.133 Pa까지 고속으로 감압하는 것이 가능하게 된다.
다음에, 마이크로파 도입 기구(27)의 구성에 대해서 설명한다. 마이크로파 도입 기구(27)는, 주요한 구성으로서, 투과판(28), 평면 안테나(31), 지파(slow wave)재(遲波材)(33), 실드 덮개(34), 도파관(37), 매칭 회로(38) 및 마이크로파 발생 장치(39)를 구비하고 있다.
마이크로파를 투과하는 투과판(28)은, 상부 플레이트(13)에서 내주측에 돌출된 지지부(13a) 위에 배치되어 있다. 투과판(28)은 유전체, 예컨대 석영 또는 Al2O3, AlN 등의 세라믹스로 구성되어 있다. 이 투과판(28)과 지지부(13a) 사이는, 밀봉 부재(29)를 통해 기밀하게 밀봉되어 있다. 따라서, 챔버(1) 안은 기밀하게 유지된다.
평면 안테나(31)는, 투과판(28) 위쪽에서, 배치대(2)와 대향하도록 설치된다. 이 평면 안테나(31)는 상부 플레이트(13)의 상단에 걸려 있다. 평면 안테나(31)는 원판 형상을 이루고 있다. 또한 평면 안테나(31)의 형상은, 원판 형상으로 한정되지 않고, 예컨대 사각판 형상이어도 된다.
평면 안테나(31)는, 예컨대 표면이 금 또는 은 도금된 동판 또는 알루미늄판으로 구성되어 있다. 평면 안테나(31)는, 마이크로파를 방사하는 다수의 슬롯(32)을 갖고 있다. 슬롯(32)은, 미리 결정된 패턴으로 평면 안테나(31)를 관통하여 형성되어 있다.
개개의 슬롯(32)은, 예컨대 도 2에 도시하는 바와 같이, 가늘고 긴 구멍을 이루고 있다. 그리고, 전형적으로는 인접하는 슬롯(32)이 「T」자형으로 쌍을 이뤄 배치되어 있다. 또한, 이와 같이 미리 결정된 형상(예컨대, T 자형)으로 조합하여 배치된 슬롯(32)은, 전체적으로 동심원 형상으로 더 배치되어 있다.
슬롯(32)의 길이나 배열 간격은, 마이크로파의 파장(λg)에 따라서 결정된다. 예컨대 슬롯(32)의 간격은 λg/4, λg/2 또는 λg가 되도록 배치된다. 또한, 도 2에서는, 동심원 형상으로 형성된 인접하는 슬롯(32)끼리의 간격을 Δr로 나타내고 있다. 또한 슬롯(32)의 형상은, 예컨대 직사각 형상, 원 형상, 원호 형상 등의 다른 형상이어도 된다. 또한 슬롯(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원 형상 외, 예컨대 나선 형상, 방사 형상 등으로 배치할 수도 있다.
평면 안테나(31)의 상면에는, 진공보다 큰 유전율을 갖는 재료 예컨대 석영, 폴리테트라플루오로에틸렌수지, 폴리이미드수지 등으로 이루어지는 지파재(33)가 설치되어 있다. 이 지파재(33)는, 진공중에서는 마이크로파의 파장이 길어지기 때문에, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 갖고 있다.
또한, 평면 안테나(31)와 투과판(28) 사이, 또한 지파재(33)와 평면 안테나(31) 사이는, 각각 접촉시켜도 이격시켜도 좋지만, 접촉시키는 것이 바람직하다.
챔버(1)의 상부에는, 이들 평면 안테나(31) 및 지파재(33)를 덮도록, 실드 덮개(34)가 설치되어 있다. 실드 덮개(34)는, 예컨대 알루미늄이나 스테인리스강 등의 금속 재료에 의해 형성되어 있다. 상부 플레이트(13)의 상단과 실드 덮개(34)는, 밀봉 부재(35)에 의해 밀봉되어 있다. 또한, 실드 덮개(34)의 내부에는 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있다. 이 냉각수 유로(34a)에 냉각수를 통류시킴으로써, 실드 덮개(34), 지파재(33), 평면 안테나(31) 및 투과판(28)을 냉각할 수 있게 되어 있다. 또한, 실드 덮개(34)는 접지되어 있다.
실드 덮개(34)의 상벽(천장부) 중앙에는, 개구부(36)가 형성되어 있고, 이 개구부(36)에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 도파관(37)의 타단측에는, 매칭 회로(38)를 통해 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다.
도파관(37)은, 상기 실드 덮개(34)의 개구부(36)로부터 위쪽으로 연장되는 단면 원형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 모드 변환기(40)를 통해 접속된 수평 방향으로 연장되는 직사각형 도파관(37b)을 갖고 있다. 모드 변환기(40)는, 직사각형 도파관(37b) 안을 TE 모드로 전파되는 마이크로파를 TEM 모드로 변환하는 기능을 갖고 있다.
동축 도파관(37a)의 중심에는 내부 도체(41)가 연장되어 있다. 이 내부 도체(41)는, 그 하단부에서 평면 안테나(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이러한 구조에 의해, 마이크로파는 동축 도파관(37a)의 내부 도체(41)를 통해 평면 안테나(31)에 방사 형상으로 효율적으로 균일하게 전파된다.
이상과 같은 구성의 마이크로파 도입 기구(27)에 의해, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한 마이크로파가 도파관(37)을 통해 평면 안테나(31)에 전파되고, 또한 투과판(28)을 통해 챔버(1) 안에 도입되도록 되어 있다. 또한 마이크로파의 주파수로서는, 예컨대 2.45 GHz가 바람직하게 이용되고, 그 외에 8.35 GHz, 1.98 GHz 등을 이용할 수도 있다.
계측부(60)는, 도 3에도 도시한 바와 같이, 미리 결정된 레이저광을 플라즈마를 향해 조사하는 광원부(61)와, 플라즈마 안을 통과한 레이저광을 수광하는 모노크로미터(도시 생략)를 구비한 검지부(63)와, 검지부(63)에서의 검지 결과를 수치 해석하여 라디칼 입자수를 산출하고, 그 값을 적산하는 연산부(65)를 구비하고 있다. 모노크로미터로서는, VUV 모노크로미터가 이용된다. 본 실시형태에서, 계측부(60)는 플라즈마 안의 산화활성종의 하나인 O(1D2) 라디칼을 계측한다.
광원부(61)는, 그 상세한 구조를 도시하는 것을 생략하지만, 예컨대 파장 308 ㎚의 레이저광을 발진하는 XeCl 엑시머 레이저와, 이 XeCl 엑시머 레이저를 펌프광으로서 미리 결정된 파장의 광을 발진하는 복수의 색소 레이저를 구비하고 있 다. 검지부(63)는, 상기 VUV 모노크로미터 외에, VUV 모노크로미터로 검출된 파장 데이터를 전기 신호로 변환하기 위한 도시하지 않는 광전자 증배관(PMT)을 구비하고 있다. 연산부(65)는, 도시는 생략하지만, CPU 등의 연산 수단과, RAM 등의 메모리 수단과, 입자수를 순차 누적하여 가산하는 입자수 카운터를 구비하고 있다. 또한, 계측부(60)는 제어부(50)의 프로세스 컨트롤러(51)에 접속되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 광원부(61)는 챔버의 외부에 배치되고, 검지부(63)는 광원부의 반대측 챔버의 외부에 배치되어 있다. 광원부(61)로부터 출사된 레이저광은, 챔버(1)의 측벽에 설치된 투과창(67)을 통해 챔버(1) 안에 도입된다. 그리고, 레이저광은 챔버(1) 안의 플라즈마 형성 공간을 통과하고, 챔버(1) 측벽의 대향하는 부위에 설치된 투과창(69)을 통해 챔버(1) 밖으로 나와, 검지부(63)에 수광된다.
계측부(60)에 의해 마이크로파 플라즈마를 측정하는 경우, 광원부(61)로부터 검지부(63)를 향하는 레이저광이 통과하는 광로(R)는, 플라즈마 안을 횡단하는 위치에 설치하면 좋지만, 바람직하게는, 광로(R)가 피처리체인 웨이퍼(W)의 위쪽 근방 위치, 예컨대 웨이퍼(W)의 표면으로부터의 거리가 1 ㎜ ~ 10 ㎜의 범위 내를 통과하도록 한다. 따라서, 배치대(2)의 웨이퍼 배치면으로부터 광로(R)까지의 거리는 1.5 ㎜ ~ 12 ㎜ 정도의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 플라즈마 안에 존재하는 O(1D2) 라디칼은, 웨이퍼(W)에 도달하는 도중에 그 활성이 없어져 버릴 수도 있기 때문에, 측정 위치인 광로(R)와 웨이퍼(W) 사이의 거리가 커질수록, 광로(R) 위에 존재하는 O(1D2) 라디칼의 입자수와 실제로 웨이퍼(W)에 도달하는 라디칼의 입자수와의 상관성이 낮기 때문에, 정확한 측정 결과가 잘 얻어지지 않는다. 따라서, 측정 위치인 광로(R)를 극력(極力) 웨이퍼(W)의 근방 위치로 설정함으로써, 실제로 웨이퍼(W)에 도달하여 산화에 기여하는 O(1D2) 라디칼의 입자수를 보다 정확히 파악할 수 있다.
상술한 계측부(60)에서는, 예컨대 파장 가변 진공 자외 레이저에 의한 진공 자외 흡수 분광법(Vacuum Ultra Violet Laser Absorption Spectroscopy)을 이용하여, 산소 가스 플라즈마 안의 O(1D2) 라디칼의 밀도를 광학적으로 계측할 수 있다. 이 방법으로는, 색소 레이저와 희가스 셀을 이용하는 것에 의해, 측정 대상의 산소 원자의 공명 라인 근방의 진공 자외 레이저광을 파장을 변경하여 발진하고, 흡수체로서의 플라즈마 안을 통과시켰을 때의 상기 레이저광의 흡수 프로필과, 상기 레이저광의 발광 프로필을 분광기에 의해 측정하며, 그 비로부터 O(1D2) 라디칼 밀도를 결정한다. 이 측정 방법은 광을 이용한 비접촉의 측정법이기 때문에, 측정 대상인 플라즈마에 영향을 부여하지 않고, 실시간으로 인라인의 측정이 가능해진다.
또한, 계측부(60)에서는, O(1D2) 이외의 라디칼 예컨대 O(3Pj) 라디칼을 계측할 수도 있지만, O(3Pj) 라디칼은 산화작용이 약하고, 거의 산화반응에 기여하지 않 는다. 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하는 플라즈마 산화처리에서, 산화반응은 주로 O(1D2) 라디칼에 의해 진행되기 때문에, 본 실시형태에서는 O(1D2) 라디칼의 입자수만을 선택하여 계측하는 것으로 하였다. 이것에 의해, 대략 정확히 플라즈마 산화처리의 종점을 파악할 수 있다.
파장 가변 진공 자외 레이저광을 이용한 진공 자외 흡수 분광법에 의해, 계측부(60)로 플라즈마 안의 활성종인 O(1D2) 라디칼의 밀도를 측정하기 위해서는, 예컨대 Xe와 Ar의 혼합 희가스를 비선형 매질로서 광원부(61)의 레이저 광원으로부터 파장 115.2 ㎚ 부근의 O(1D2) 라디칼 검출용 레이저광을 발진하고, 플라즈마를 향해 조사한다. 그리고, 제3 고조파의 발생 과정에서의 파장을 검지부(63)의 VUV 모노크로미터로 검출한다. 광원부(61)에서는, 계측 대상 라디칼인 O(1D2) 라디칼의 흡수 파장 범위에 걸쳐 레이저광의 파장을 스캔하고, 이것을 검지부(63)로 계측함으로써 각 파장에서의 흡수율을 파악할 수 있다. 이 흡수율의 파장 의존성과 레이저광의 발광 프로파일을 바탕으로 연산부(65)에서 해석을 행하는 것에 의해, 계측 대상 라디칼의 절대 밀도가 산출된다. 이상과 같은 라디칼 밀도의 계측 방법은, 예컨대 「제53회 응용 물리학 관계 연합 강연회 회보」 No.1,22p-ZL-1, p177; 2006(일본국)에 기재되어 있는 공지의 방법이다. 또한, 레이저광의 흡수율을 알 면, O(1D2) 라디칼의 병진 온도도 공지의 방법에 의해 구할 수 있다.
O(1D2) 라디칼의 절대 밀도 n(㎝-3) 및 병진 온도 T(K)를 알면, O(1D2) 라디칼의 플럭스(유속) Fr(㎝-2 sec-1), 즉 절대 밀도 계측 부위에서의 단위 면적을 단위 시간당 통과하는 O(1D2) 라디칼의 수는 다음 식 1에 의해 구할 수 있다.
Fr=(1/4)?n?(8kT/πm)1/2 …(식 1)
여기서, k는 볼츠만 상수, m은 라디칼의 질량이다.
광원부(61)로부터 발하는 진공 자외 레이저광은 검지부(63)에서 흡수율이 계측된다. 이 흡수율 계측값으로부터 연산부(65)에서 O(1D2) 라디칼의 절대 밀도(n) 및 병진 온도(T)가 산출되고, 상기 식 1을 이용하여 O(1D2) 라디칼의 플럭스가 더 구해진다. 이 플럭스에 처리 시간을 곱한 값이 라디칼의 입자수가 된다. 구체적으로는, 플럭스의 측정은 미리 결정된 시간(t)마다(t는 예컨대 1초 또는 그 보다 이하) 행해진다. 그리고, 연산부(65)의 입자수 카운터는, 플럭스(Fr)와 미리 결정된 시간(t)의 곱[미리 결정된 시간(t) 동안에 단위 면적을 통과한 입자수]을, 미리 결정된 시간(t)마다 누적하여 가산해 간다. 이와 같이 계측된 O(1D2) 라디칼의 입 자수의 적산값은 플라즈마를 처리하는 동안에 웨이퍼(W)에 도달한 O(1D2) 라디칼의 입자수와 대략 근사하다고 생각된다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 실시간으로 웨이퍼(W)에 도달한 수에 대략 동일한 O(1D2) 라디칼의 입자수를 모니터할 수 있다. 또한, O(1D2) 라디칼 입자수는, 임의의 단위 면적(예컨대, 1 ㎝2)당 입자수로서 계측되기 때문에, 입자수 카운터에서는, 단위 면적당의 입자수를 적산하여도 되며, 웨이퍼 전체 면적으로 환산한 값을 적산하여도 된다. 이 적산값이 미리 설정한 값에 도달한 시점에서 처리 종료 신호가 내려진다. 또한 프로세스가 안정적이면 이 플럭스는 일정값을 나타내기 때문에, 실시간으로의 프로세스 진단 모니터로서도 이용할 수 있다.
플라즈마 처리 장치(100)의 각 구성부는 제어부(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 제어부(50)는 도 3에 도시하는 바와 같이, CPU를 구비한 프로세스 컨트롤러(51)와, 이 프로세스 컨트롤러(51)에 접속된 사용자 인터페이스(52) 및 기억부(53)를 구비하고 있다. 프로세스 컨트롤러(51)는 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 예컨대 온도, 가스 유량, 압력, 마이크로파 출력 등의 프로세스 조건에 관계하는 각 구성부[예컨대, 히터 전원(5a), 가스 공급 기구(18), 배기 장치(24), 마이크로파 발생 장치(39) 등]를 통괄하여 제어한다. 또한 제어부(50)의 프로세스 컨트롤러(51)는, 계측부(60)의 광원부(61), 검지부(63) 및 연산부(65)와도 접속되어 있고, 계측부(60)로 계측된 플라즈마의 데이터를 해석하거나, 이 데이 터에 기초하여, 플라즈마 처리 장치(100)에서의 각 구성부에 제어 신호를 송출하거나 한다. 예컨대 프로세스 컨트롤러(51)는, 연산부(65)의 입자수 카운터로 적산된 O(1D2) 라디칼의 적산값을, 미리 레시피에 규정된 설정값과 비교함으로써, 플라즈마 산화처리의 종점을 검출하고, 각 말단 디바이스를 향해 플라즈마 산화처리를 종료시키는 내용의 명령(제어 신호)을 송신할 수 있다.
사용자 인터페이스(52)는, 공정 관리자가 플라즈마 처리 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 플라즈마 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등을 갖고 있다. 또한, 기억부(53)에는 플라즈마 처리 장치(100)로 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(51)의 제어로써 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피가 보존되어 있다.
그리고, 필요에 따라서, 사용자 인터페이스(52)로부터의 지시 등으로써 임의의 레시피를 기억부(53)로부터 호출하여 프로세스 컨트롤러(51)에 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(51)의 제어 하에서, 플라즈마 처리 장치(100)의 챔버(1) 안에서 원하는 처리가 행해진다. 또한, 상기 제어 프로그램이나 처리 조건 데이터 등의 레시피는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체, 예컨대 CD-ROM, 하드디스크, 플렉시블 디스크, 플래시 메모리, DVD, 블루레이 디스크 등에 저장된 상태의 것을 이용하거나, 또는 다른 장치로부터, 예컨대 전용 회선을 통해 수시 전송시켜 온라인으로 이용하거나 하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(100)에서는, 기판(웨이퍼) 온도 800℃ 이하, 바람직하게는 550℃ 이하의 저온으로 하지막(下地膜) 등에 대한 손상이 없는 플라즈마 처리를 행할 수 있다. 또한, 플라즈마 처리 장치(100)는, 플라즈마의 균일성이 우수하기 때문에, 프로세스의 균일성을 실현할 수 있다.
다음에, 도 4를 참조하면서, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)를 이용한 플라즈마 산화처리의 순서의 일례에 대해서 설명한다. 우선, 예컨대 사용자 인터페이스(52)로부터, 플라즈마 처리 장치(100)로 플라즈마 산화처리를 행하도록 하는 지령이, 공정 관리자에 의해 입력된다. 이 지령을 받아, 프로세스 컨트롤러(51)는 기억부(53)에 보존된 레시피를 판독한다. 그리고, 레시피에 기초하는 조건으로 플라즈마 산화처리를 실행시키는 지령으로서, 프로세스 컨트롤러(51)로부터 플라즈마 산화처리 장치(100)의 각 말단 디바이스 예컨대 가스 공급 기구(18), 배기 장치(24), 마이크로파 발생 장치(39), 히터 전원(5a) 등에 제어 신호가 송출되고, 계측부(60)에 대해서도 라디칼 밀도를 계측하도록 제어 신호가 송출된다.
그리고, 단계 S1에서는, 도시하지 않는 게이트 밸브를 개방하여 반입/반출구로부터 웨이퍼(W)를 챔버(1) 안에 반입하고, 배치대(2) 위에 배치한다. 다음에, 단계 S2에서는, 배기 장치(24)를 작동시켜 챔버(1) 안을 감압 배기하면서, 가스 공급 기구(18)의 불활성 가스 공급원(19a) 및 산소 함유 가스 공급원(19b)으로부터, 불활성 가스 및 산소 함유 가스를 미리 결정된 유량으로 각각 가스 도입부(15)를 통해 챔버(1) 안에 도입한다. 불활성 가스로서는, Ar, Kr, Xe 등의 희가스가 바람직하다. 또한 단계 S3에서는, 배기량 및 가스 공급량을 조정하여 챔버(1) 안을 미 리 결정된 압력으로 조절한다.
다음에, 단계 S4에서는, 마이크로파 발생 장치(39)의 마이크로파 파워를 온으로 하여, 마이크로파를 발생시킨다. 그리고, 발생한 미리 결정된 주파수 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파는 매칭 회로(38)를 통해 도파관(37)에 유도된다. 도파관(37)에 유도된 마이크로파는 직사각형 도파관(37B) 및 동축 도파관(37a)을 순차 통과하고, 내부 도체(41)를 통해 평면 안테나(31)에 공급된다. 즉, 마이크로파는 직사각형 도파관(37b) 내에서는 TE 모드로 전파하고, 이 TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에 의해 TEM 모드로 변환되어, 동축 도파관(37a) 안을 평면 안테나(31)를 향해 전파되어 간다. 그리고, 마이크로파는 평면 안테나(31)에 관통 형성된 슬롯(32)으로부터 투과판(28)을 통해 챔버(1) 안에서의 웨이퍼(W)의 위쪽 공간에 방사된다. 이 때의 마이크로파의 파워 밀도는 투과판(28)의 단위 면적당 예컨대 0.3 W/㎝2 ~ 3 W/㎝2의 범위 내에서 목적에 따라서 선택할 수 있다.
평면 안테나(31)로부터 투과판(28)을 경유하여 챔버(1)에 방사된 마이크로파에 의해, 챔버(1) 안에서 전자계가 형성되고, 불활성 가스 및 산소 함유 가스가 각각 플라즈마화된다. 이 마이크로파 여기 플라즈마는 마이크로파가 평면 안테나(31)의 다수의 슬롯(32)으로부터 방사되는 것에 의해, 대략 1×1010 ~ 5×1012/㎝3의 고밀도이며, 웨이퍼(W) 근방에서는, 대략 1.5 eV 이하의 저전자 온도의 플라즈마가 된다. 이와 같이 하여 형성되는 마이크로파 여기 고밀도 플라즈마는 이온 등에 의한 하지막의 플라즈마 손상이 적은 것이다. 그리고, 플라즈마 안의 활성종 예컨대 라디칼이나 이온의 작용에 의해 웨이퍼(W)의 실리콘 표면이 산화되어 실리콘 산화막(SiO2막)의 박막이 형성된다.
본 실시형태에서는, 플라즈마 산화처리하는 동안, 계측부(60)에 의해 플라즈마 안의 산화에 관여하는 활성종인 O(1D2) 라디칼이 웨이퍼(W)를 향해 이동하는 입자수의 적산값을 실시간으로 계측한다. 이 때문에, 단계 S4에서는 플라즈마 산화처리의 시작과 함께, 계측부(60)에서 O(1D2) 라디칼의 계측을 시작한다.
여기서, 라디칼 계측에 의한 플라즈마 산화처리의 종점의 검출은, 예컨대 도 5에 도시하는 단계 S11 ~ 단계 S14의 순서에 의해 행해진다. 프로세스 컨트롤러(51)로부터, 라디칼 밀도를 계측하는 내용의 명령(제어 신호)을 받으면, 계측부(60)에서는, O(1D2) 라디칼 입자수의 계측을 시작한다(단계 S11). 즉, 광원부(61)로부터 챔버(1) 안의 플라즈마를 향해 레이저광을 조사하고, 플라즈마 안을 통과한 광을 검지부(63)로 수광하여 상기 방법에 의해 라디칼 입자수를 계측한다. 그리고, 계측된 O(1D2) 라디칼 입자수를 연산부(65)의 입자수 카운터(도시 생략)로 적산해 간다(단계 S12).
프로세스 컨트롤러(51)는, 연산부(65)의 입자수 카운터로부터 최신 적산값을 판독하고, 레시피에서 미리 규정된 설정값과 대조함으로써, 적산값이 이 설정값에 도달했는지의 여부를 판단한다(단계 S13). 여기서 이용하는 「설정값」은, 사전에 측정된 O(1D2) 라디칼 입자수의 적산값과, 실측된 산화막 두께와의 관계로부터, 검량선 등을 작성하는 것에 의해 정할 수 있다. 그리고, 단계 S13에서 적산값이 설정값에 도달했다고(Yes) 판단된 경우에는, 프로세스 컨트롤러(51)로부터 각 말단 디바이스에 플라즈마 산화처리를 종료시키는 내용의 명령(제어 신호)이 송출된다(단계 S14).
한편, 단계 S13에서 적산값이 설정값에 도달하지 않는다고(No) 판단된 경우에는, 프로세스 컨트롤러(51)에 의해 새로운 적산값이 판독되고, 설정값과 대조하며, 단계 S13의 판단이 반복된다. 이 단계 S13은 플라즈마 산화처리가 계속되고 있는 동안, 반복하여 실행된다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 적산값이 설정값에 도달한 경우, 또는 다른 사유에 의해, 프로세스 컨트롤러(51)로부터 플라즈마 처리를 종료시키는 내용의 명령(제어 신호)이 송출되면, 단계 S5에서 마이크로파 발생 장치(39)의 마이크로파 파워가 오프(단절)가 되고, 플라즈마 산화처리가 종료한다. 동시에, 계측부(60)에서의 라디칼 입자수의 계측도 종료한다. 다음에, 단계 S6에서 챔버 안을 승압하고, 또한 단계 S7에서 가스 공급 기구(18)로부터의 처리 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 단계 S8에서 웨이퍼(W)를 챔버(1) 안으로부터 반출하고, 1장의 웨이퍼(W)에 대한 플라즈마 처리가 종료한다.
다음에, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)에서의 플라즈마 산화처리의 종점 검출의 원리에 대해서 설명한다. 전술한 바와 같이, 종래의 플라즈마 산화처리에서는, 처리의 종료는 시간에 의해 관리하고 있었다. 그러나, 플라즈마 산화처리의 조건이나 플라즈마의 상태가 변화되면, 산화 레이트도 상이해져 버리기 때문에, 동일한 시간이라도 산화막 두께가 상이한 경우가 있고, 시간 관리에서는 엄밀한 막 두께 제어는 어렵게 되어 있었다.
이것에 대하여, 본 실시형태에서는, 시간 관리 대신에 플라즈마 안의 활성종인 O(1D2) 라디칼의 계측 결과를 이용한다. 도 6에, 플라즈마 처리 장치(100)를 이용하여 실리콘으로 이루어지는 웨이퍼(W) 표면을 하기의 조건 1 ~ 3으로 플라즈마 산화처리한 경우의 산화막 두께와, 계측부(60)로 계측된, 실리콘 기판을 향해 이동하는 플라즈마 안의 O(1D2) 라디칼 및 O(3P2) 라디칼의 플럭스와의 관계를 나타내었다. 여기서, 라디칼의 플럭스는 1 ㎝2의 면적을 1초 사이에 통과하는 라디칼의 입자수를 의미한다.
[공통 조건]
처리 가스: Ar 및 O2
처리 온도: 400℃
마이크로파의 파워 밀도[투과판(28)의 단위 면적당]: 1.46 W/㎝2
마이크로파 파워: 1500 W
투과판(28)의 직경: 362 ㎜
처리 시간; 30초
[조건 1](도 6중의 사각 플롯)
Ar 유량: 500 mL/min(sc㎝)
O2 유량: 5 mL/min(sc㎝)
O2/Ar 비율: 1%O2
압력: 133 Pa
[조건 2] (도 6 중의 마름모꼴 플롯)
Ar 유량: 475 mL/min(sc㎝)
O2 유량: 25 mL/min(sc㎝)
O2/Ar 비율: 5%O2
압력: 133 Pa
[조건 3](도 6중의 삼각 플롯)
Ar 유량: 500 mL/min(sc㎝)
O2 유량: 5 mL/min(sc㎝)
O2/Ar 비율: 1%O2
압력: 667 Pa
이 도 6으로부터, 플라즈마 안의 산화활성종인 O(1D2) 라디칼의 플럭스가 많 아지면, 산화막 두께도 증가하고 있고, 양자에는 플러스의 비례 관계가 있는 것으로 이해된다. 이것은 피처리체인 웨이퍼(W)를 향해 이동하는 O(1D2) 라디칼의 플럭스의 누계(즉, 적산 입자수)를 계측할 수 있으면, 일률적으로 웨이퍼(W) 표면에 형성되는 산화막 두께를 파악할 수 있는 것을 시사하고 있다. 한편, O(1D2) 라디칼과 함께 플라즈마 안에 존재하는 O(3P2) 라디칼의 경우는, 플럭스와 산화막 두께에 비례 관계는 보이지 않았다. 따라서, 플라즈마 안의 라디칼을 계측하는 경우는, 산화반응에 기여하는 활성종을 선택하여 측정하는 것이 중요한 것으로 판명하였다.
본 발명은, 이상과 같은 지견에 기초하여 완성된 것이다. 즉, 플라즈마 안의 O(1D2) 라디칼의 입자수를 측정하여 적산값을 실시간으로 모니터하는 것에 의해, 별도로 작성해 둔 데이터(예컨대, 검량선(檢量線))를 바탕으로, 형성되어 있는 실리콘 산화막의 막 두께를 파악할 수 있게 된다. 그리고, O(1D2) 라디칼의 적산 입자수가 미리 결정된 값에 도달한 시점으로써, 목표로 하는 막 두께의 실리콘 산화막이 형성된 것(즉, 플라즈마 산화처리의 종점)을 검출할 수 있다.
본 실시형태의 종점 검출 방법에서는, 종래의 시간 관리 방법과는 달리, 산화에 주체적으로 관여하는 플라즈마 안의 활성종만을 타겟으로 하여 그 입자수를 모니터하기 위해, 예컨대 어떠한 원인으로 플라즈마의 상태가 변화되어도 정확한 종점 검출이 가능하다는 이점이 있다. 또한, 예컨대 플라즈마 산화처리의 조건을 변경하여, 산화레이트가 변화된 경우라도, 이들에 영향을 받지 않고 정확하게 종점을 검출할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 종점 검출 방법에 의하면, 플라즈마 산화처리의 종점 검출이 용이해지고, 높은 정밀도로 산화막 두께를 제어할 수 있게 된다. 또한 본 실시형태의 종점 검출 방법을 이용한 플라즈마 산화처리 방법에 의하면, 웨이퍼(W) 표면에 정밀도 좋게 원하는 막 두께로 실리콘 산화막을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼 사이, 로트 사이에서의 산화막 두께의 균일성도 확보할 수 있다는 효과를 나타낸다.
이상, 본 발명의 실시형태를 진술했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 제약되지 않고, 여러 가지로 변형될 수 있다. 예컨대, 상기 실시형태에서는, 활성종으로서 O(1D2) 라디칼을 계측하는 플라즈마 산화처리를 예로 들어 설명했지만, 본 발명의 종점 검출 방법은, 활성종을 계측할 수 있는 플라즈마 처리 전반에 적용할 수 있다. 즉, 본 발명의 종점 검출 방법은, 계측 대상으로서 적절한 활성종을 선택하는 것에 의해, 플라즈마 산화 처리 이외에, 예컨대 플라즈마 질화처리나, 에칭가스로서 CF계 가스(CF4, C2F6, C4F8 등), SF6, F2Cl2, HBr 등을 이용한 플라즈마 에칭처리, 클리닝 가스로서 ClF3, NF3 등을 이용한 플라즈마 클리닝처리, 플라즈마 CVD 처리 등에도 적용할 수 있다. 또한, 계측 대상으로 하는 활성종은 1종으로 한정되지 않고, 복수의 활성종을 동시에 계측하여도 된다.
예컨대, 본 발명의 종점 검출 방법을 플라즈마 질화처리의 종점 검출에 적용 하는 경우에는, 예컨대 활성종으로서 질소 라디칼을 계측하면 된다. 또한, 본 발명의 종점 검출 방법을 플라즈마 질화산화처리의 종점 검출에 적용하는 경우에는, 예컨대 활성종으로서 질소 라디칼, 암모니아 라디칼, 일산화질소 라디칼 등을 계측하면 된다. 또한 플라즈마 산화처리에 적용하는 경우라도, O(1D2) 라디칼 이외의 활성종으로서, 예컨대 히드록시 라디칼(OH 라디칼) 등을 계측할 수 있다.

Claims (14)

  1. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    피처리체를 플라즈마 처리하는 처리실과,
    상기 처리실 안에서 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 수단과,
    상기 플라즈마 안에 포함되어, 피처리체를 향해 이동하고 산화 처리 또는 질화 처리에 관여하는 활성종의 입자수의 적산(積算)값을 계측하는 계측 수단과,
    상기 적산값이 설정값에 도달한 경우에 플라즈마 처리를 종료시키도록 상기 플라즈마 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 활성종은 산화활성종으로서의 O(1D2) 라디칼인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 계측 수단은 플라즈마를 향해 미리 결정된 레이저광을 조사하는 광원부와, 플라즈마를 통과한 레이저광을 검지하는 검지부를 포함하고, 상기 광원부 및 상기 검지부는, 상기 광원부로부터 상기 검지부를 향하는 레이저광의 광로가 상기 처리실 안에 배치된 피처리체의 근방에 위치하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 수단은, 상기 처리실 안에 마이크로파를 도입하기 위한, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 플라즈마 처리 장치의 처리실 안에서 피처리체를 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 처리실 안에 플라즈마를 생성시켜 플라즈마 처리를 시작하는 단계와,
    상기 플라즈마 안에 포함되어, 피처리체를 향해 이동하고 산화 처리 또는 질화 처리에 관여하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 단계와,
    상기 적산값이 설정값에 도달한 경우에, 플라즈마 처리를 종료시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 활성종은 산화활성종으로서의 O(1D2) 라디칼인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 활성종은, 상기 처리실 안의 상부에서 생성되고, 피처리체를 향해 아래쪽으로 이동하는 것이며, 상기 활성종의 계측을, 피처리체의 근방 위치에서 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치는, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 상기 처리실 안에 마이크로파를 도입하는 방식의 플라즈마 처리 장치인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  9. 플라즈마 처리 장치의 처리실 안에서 피처리체를 플라즈마 처리함에 있어서, 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 종점 검출 방법으로서,
    상기 처리실 안에 플라즈마를 생성시켜 플라즈마 처리를 시작하는 단계와,
    상기 플라즈마 안에 포함되어, 피처리체를 향해 이동하고 산화 처리 또는 질화 처리에 관여하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 단계와,
    상기 적산값이 설정값에 도달했는지의 여부를 판정함으로써, 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 종점 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 활성종은 산화활성종으로서의 O(1D2) 라디칼인 것을 특징으로 하는 종점 검출 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 활성종은, 상기 처리실 안의 상부에서 생성하고, 피처리체를 향해 아래쪽으로 이동하는 것이며, 상기 활성종의 계측을, 피처리체 근방 위치에서 행하는 것을 특징으로 하는 종점 검출 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치는 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 상기 처리실 안에 마이크로파를 도입하는 방식의 플라즈마 처리 장치인 것을 특징으로 하는 종점 검출 방법.
  13. 컴퓨터상에서 동작하는 제어 프로그램이 기억된 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체로서, 상기 제어 프로그램은, 실행시에 플라즈마 처리 장치의 처리실 안에서 피처리체를 플라즈마 처리함에 있어서, 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 종점 검출 방법이 행해지도록, 상기 플라즈마 처리 장치를 제어하는 것이고,
    상기 종점 검출 방법은,
    상기 처리실 안에 플라즈마를 생성시켜 플라즈마 처리를 시작하는 단계와,
    상기 플라즈마 안에 포함되어, 피처리체를 향해 이동하고 산화 처리 또는 질화 처리에 관여하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하는 단계와,
    상기 적산값이 설정값에 도달했는지의 여부를 판정함으로써, 플라즈마 처리의 종점을 검출하는 단계
    를 포함한 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체.
  14. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하기 위한 처리실과,
    상기 처리실 안에 마이크로파를 도입하기 위한, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
    상기 처리실 안에 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 처리실 안을 감압 배기하는 배기 기구와, 상기 처리실 안에서 피처리체를 플라즈마 처리함에 있어서, 상기 처리실 안에 플라즈마를 생성시켜 플라즈마 처리를 시작하고, 상기 플라즈마 안에 포함되어, 피처리체를 향해 이동하고 산화처리 또는 질화처리에 관여하는 활성종의 입자수의 적산값을 계측하며, 상기 적산값이 설정값에 도달했는지의 여부를 판정함으로써, 플라즈마 처리의 종점을 검출하도록 상기 플라즈마 처리 장치의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
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