JP2006073751A

JP2006073751A - プラズマクリーニング処理の終点検出方法及び終点検出装置

Info

Publication number: JP2006073751A
Application number: JP2004254621A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Endo; 光広遠藤; Hideki Fujimoto; 秀樹藤本; Kouko Suu; 紅コウ鄒; Genichi Komuro; 玄一小室; Hideaki Kikuchi; 秀明菊池
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】プラズマクリーニング処理における正確かつ安価で効率的な終点検出方法及び終点検出装置を提供することを課題とする。
【解決手段】チャンバ内の圧力を一定に維持する圧力制御バルブの開度の時間的変化と、基板電極のバイアス電圧値の時間的変化と、高周波を入射するアンテナの電圧値の時間的変化との少なくともいずれか１つの時間的変化をモニタし、その開度、電圧値が一定値を示して変化しなくなった時点をプラズマクリーニング処理の終点として検出することにより、正確かつ安価で効率的な終点検出が可能となった。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置のチャンバ内壁及びチャンバ内部品等に付着した不要な膜を除去するプラズマクリーニング処理の終点検出方法及び終点検出装置に関する。

半導体デバイスなどの製造に用いるプラズマ処理装置では、チャンバ内にエッチングガスを導入し、これにエネルギー源として高周波を照射することにより、プラズマが生成される。チャンバ内の電極に高周波電源からバイアス電圧を印加し、その電極に載置された基板に上記プラズマ中に存在するイオンが引き込まれるとその基板表面に形成された酸化膜やアモルファスシリコンなどの薄膜がエッチングされる。

チャンバ内では上記基板上に堆積した膜がエッチングされ、その膜がチャンバ内壁及びチャンバ内部品等に、不要な膜として付着する。この付着膜が剥がれ落ちるとパーティクルとなって基板に付着したり、チャンバ駆動部の動作不良の原因となるなどの不都合が生じる。また、これらの付着膜の影響でエッチング速度の低下などのプロセス安定性の低下を招くおそれがある。同様な事象は、プラズマＣＶＤなどの化学的気相成長法でも同じである。

そこで、上記のような付着膜を除去する方法の一つとしてプラズマクリーニングという方法が多用されている。

プラズマクリーニングは、まず、上記エッチングガスの代わりにフッ素系ガスなどのクリーニングガスをチャンバ内に導入し、これにエネルギー源として高周波を照射してプラズマを生成する。そして基板電極に高周波電源からバイアス電圧を印加し、このプラズマ中の活性種と上記付着膜とを反応させることによりガスを生成させ、このガスをチャンバ外に排出することによって付着膜の除去が行われる。

このプラズマクリーニングを上記付着膜が十分に除去される時点より前の時点で終了すると、付着膜が残存し上記不都合が解消しないことになる。一方、プラズマクリーニングを上記付着膜が十分に除去された時点より後の時点で終了すると、チャンバ内部品にダメージを与え、再び新たなパーティクルを生成させることになる。

従って、上記付着膜が十分に除去されてきれいになった時点、即ち、終点を正確に検出することはプラズマクリーニングにとって非常に重要である。

従来、プラズマクリーニング処理における終点検出方法としては、例えばプラズマ発光分光などの光学式手法が用いられていた（例えば、特許文献１参照。）。この光学式手法による上記終点検出方法は、プラズマクリーニング処理中に受光窓から付着膜の発光の波長を発光分光器によって測定し、発光粒子の種類やプラズマ特性を観察することにより終点を検出するものである。
特開平７−３３５６１５号

しかし、上記従来の光学式手法によるプラズマクリーニングの終点検出方法では、プラズマ処理装置を長時間稼動させることにより、上記受光窓にも膜が付着して曇るため、発光強度が落ちて正確な終点検出の妨げになるという不都合があった。

また、上記受光窓の曇りを除去するためには、プラズマ処理装置の運転を停止し、チャンバを大気開放してクリーニングしなければならないため、そのクリーニングの間は装置を使用することができず、稼動効率を低下させるという問題があった。

上記光学式手法による終点検出方法では、発光分光器を使用することになるが、発光分光器は高価であるため、安価な終点検出方法若しくは終点検出装置が要求されていた。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、プラズマクリーニング処理における正確かつ安価で効率的な終点検出方法及び終点検出装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明にかかるプラズマクリーニング処理の終点検出方法は、プラズマ処理装置のチャンバ内壁及びチャンバ内部品等に付着した不要な膜を除去するプラズマクリーニング処理の終点検出方法において、プラズマクリーニング処理中のチャンバ内の圧力を一定に維持する圧力制御バルブの開度の時間的変化をモニタし、その開度が一定値を示して変化しなくなった時点をプラズマクリーニング処理の終点として検出することを特徴とする。

なお、上記圧力制御バルブの開度の時間的変化のモニタに代えて、基板電極のバイアス電圧値の時間的変化若しくはチャンバ内に高周波を入射するアンテナの電圧値の時間的変化をモニタし、その電圧値が一定値を示して変化しなくなった時点をプラズマクリーニング処理の終点として検出する方法であってもよい。

さらに、上記終点検出の精度を上げるためには、上記圧力制御バルブの開度と上記バイアス電圧値と上記アンテナ電圧値とのいずれか２以上の時間的変化をモニタし、それらの値が一定値を示して変化しなくなった時点をプラズマクリーニング処理の終点として検出すればよい。

この構成によれば、プラズマクリーニングの終点を光学式手法を用いずに、圧力制御バルブの開度、基板電極のバイアス電圧、アンテナの電圧値が一定になった時点をモニタすることで終点検出が可能になる。

また、上記課題を解決するため、本発明にかかるプラズマクリーニング処理の終点検出装置は、プラズマ処理装置のチャンバ内壁及びチャンバ内部品等に付着した不要な膜を除去するプラズマクリーニング処理の終点検出装置において、上記圧力制御バルブの開度の時間的変化をセンサによってモニタし、バルブ開度信号に変換する圧力制御バルブユニットと、上記バイアス電圧値の時間的変化をセンサによってモニタし、バイアス電圧信号に変換するバイアス電圧検出ユニットと、上記アンテナ電圧値の時間的変化をセンサによってモニタし、アンテナ電圧信号に変換するアンテナ電圧検出ユニットとの少なくともいずれか１のユニットと、これらの信号に基づき上記開度、上記電圧値が一定値になった時点を演算処理によって求める演算処理ユニットと、その演算処理によって求めた上記一定値になった時点をプラズマクリーニング処理の終点として判定しプラズマ処理装置に終点信号を与える終点検出判定ユニットとを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、プラズマクリーニング処理を行うと、たとえば圧力制御バルブユニットからバルブの開度の時間的変化を電気信号に変えて演算処理ユニットに与え、その演算処理ユニットで上記信号を微分計算する。そして終点検出判定ユニットでその微分計算によって算出された微分値が零になり安定した時点をプラズマクリーニング処理の終点として検出及び判定し、終点信号をプラズマ処理装置に与えることができる。

なお、上記圧力制御バルブユニットをバイアス電圧検出ユニット若しくはアンテナ電圧検出ユニットに変えて、それぞれバイアス電圧値若しくはアンテナ電圧値の時間的変化を電気信号として上記演算処理ユニットに与えてもよい。

さらに上記圧力制御ユニットと上記バイアス電圧検出ユニットと上記アンテナ電圧検出ユニットとの３つのユニットを２つ以上組み合わせる構成であってもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明は、光学式手法によらずにプラズマクリーニング処理における終点検出を行うことができるので、受光窓に膜が付着しても終点検出の精度に影響はなく正確な終点検出が可能になる。また、終点検出のためにチャンバを大気開放して受光窓の付着膜のクリーニングを行う必要もないので稼動効率の低下を防ぐことができる。さらに高価な発光分光器を使用せずに終点検出が可能となる。

図１を参照して、１はプラズマ処理装置である。プラズマ処理装置１でエッチング処理をするために、まず、チャンバ２内にガス導入管３からエッチングガスを導入する。このエッチングガスにエネルギー源として高周波電源４によって発生した高周波をアンテナ５を介してチャンバ２内に入射する。上記エッチングガスにこの高周波が照射されプラズマが生成される。チャンバ２内の電極６に高周波電源７からバイアス電圧を印加し、その電極６に載置された基板に上記プラズマ中に存在するイオンが引き込まれると、その基板表面に形成された酸化膜やアモルファスシリコンなどの薄膜がエッチングされる。

なお、チャンバ２内の圧力を一定に維持するためにチャンバ２には圧力制御バルブ８が設けられている。

上記エッチング中に、チャンバ２の内壁及びチャンバ２内の部品等にも不要な膜が付着する。この付着膜を除去するためにプラズマクリーニングが行われる。プラズマクリーニングは、ガス導入管３からフッ素系ガスなどのクリーニングガスをチャンバ２内に導入し、これにエネルギー源として高周波をアンテナ５を介して照射し、あるいは高周波電源７からバイアス電圧を電極６に印加してプラズマを生成し、上記付着膜とこのプラズマ中の活性種とを反応させることによりガスを生成させ、このガスをチャンバ２から外に排出することによって行われている。

このプラズマクリーニングによって上記付着膜が除去された時点、即ち終点の検出は、上記圧力制御バルブ８の開度と、上記アンテナ５の電圧と、上記電極６のバイアス電圧とのいずれか一つ以上の時間的変化を圧力制御バルブセンサ８１、アンテナ電圧センサ５１、バイアス電圧センサ６１でモニタすることにより行われる。本発明実施の形態では、上記３つすべてをモニタする例を示した。

例えば、ガス流量をＳＦ_６＝２００ｓｃｃｍ、圧力を２Ｐａ、放電高周波電力を１ｋＷ及びバイアス高周波電力を１００Ｗの条件下で、チャンバ２内がきれいな状態で２５枚のウェハをエッチング処理した後、プラズマクリーニングを行い、上記３つすべてをモニタして終点検出してから再びエッチング処理を行った。

図２は、上記プラズマクリーニング開始後、圧力制御バルブ８の開度の変化と経過時間との関係を示すものである。経過時間２０分以前のプラズマクリーニング開始直後では、クリーニングガスの活性種が付着膜と反応してチャンバ２内のガス分子密度が減少し、一定圧力を維持するように制御された圧力制御バルブ８の開度は小さい。時間の経過とともに次第に圧力制御バルブ８の開度が大きくなり、経過時間が約２０分以降では圧力制御バルブ８の開度は一定値となる。

また、図３は、上記プラズマクリーニング開始後、アンテナ電圧及びバイアス電圧の変化と経過時間との関係を示すものである。経過時間２０分以前のプラズマクリーニング開始直後では、アンテナ電圧値は高く、バイアス電圧値は低い。時間の経過とともにアンテナ電圧値は下降し、バイアス電圧値は上昇し、経過時間が約２０分以降はアンテナ電圧値及びバイアス電圧値はともに一定値となる。これらの電圧値の変化は、プラズマのインピーダンスの変化及び付着膜の反応生成物の発生に対応するものである。

上記条件下のウェハ１枚目とウェハ２５枚目とプラズマクリーニング直後とのエッチングレート、アンテナ電圧及びバイアス電圧の値の比較を表１にまとめた。

表１によれば、ウェハ２５枚目では１枚目に比べエッチングレートは低下し、アンテナ電圧値は小さくなり、バイアス電圧値は大きくなっている。

しかし、プラズマクリーニングを行った後はエッチングレート、アンテナ電圧値及びバイアス電圧値は１枚目とほぼ同じ値になっている。すなわち、ほぼ正確な終点検出が行われたことを示している。

図４は、本発明にかかるプラズマクリーニング処理の終点検出装置９のブロック構成図である。終点検出装置９では、前記圧力制御バルブ８の開度をセンサでモニタし、その時間的変化を電気信号に変える圧力制御バルブユニット１０と、前記アンテナ５の電圧値をセンサでモニタし、その電圧値の時間的変化を電気信号に変えるアンテナ電圧検出ユニット１１と、前記電極６のバイアス電圧値をセンサでモニタし、そのバイアス電圧値の時間的変化を電気信号に変えるバイアス電圧検出ユニット１２とを備えている。

本実施形態では、圧力制御バルブユニット１０と、アンテナ電圧検出ユニット１１と、バイアス電圧検出ユニット１２との３つのユニットを備えている場合を示したが、これら３つのユニットのうち、１つだけのもの、あるいはいずれか２つを組み合わせたものを備えたものであってもよい。

上記３つのユニットから演算処理ユニット１３に圧力制御バルブ開度信号Ｓ１、アンテナ電圧信号Ｓ２及びバイアス電圧信号Ｓ３が与えられる。演算処理ユニット１３では、これらの信号に基づき微分計算が行われる。その微分計算によって得られた微分値が零になって安定した時点を終点判定ユニット１４で終点として検出及び判定し、終点信号Ｓ４を終点検出判定ユニット１４からプラズマ処理装置１に与える。

なお、本実施形態では演算処理ユニット１３と終点検出判定ユニット１４内とが別々に構成されているが、終点検出判定ユニット１４内に演算処理ユニット１３を組み込んでもよい。

本発明にかかるプラズマクリーニング処理の終点検出方法及び終点検出装置は、プラズマ処理装置のクリーニング処理に関する産業上の利用可能性がある。

プラズマ処理装置の構成図圧力制御バルブの開度の変化と経過時間との関係を示す図アンテナ電圧及びバイアス電圧の変化と経過時間との関係を示す図プラズマクリーニング処理の終点検出装置のブロック構成図

符号の説明

１プラズマ処理装置
２チャンバ
３ガス導入管
４高周波電源
５アンテナ
６電極
７高周波電源
８圧力制御バルブ

Claims

プラズマ処理装置のチャンバ内壁及びチャンバ内部品等に付着した不要な膜を除去するプラズマクリーニング処理の終点検出方法において、プラズマクリーニング処理中のチャンバ内の圧力を一定に維持する圧力制御バルブの開度の時間的変化をモニタし、その開度が一定値を示して変化しなくなった時点をプラズマクリーニング処理の終点として検出することを特徴とするプラズマクリーニング処理の終点検出方法。
プラズマ処理装置のチャンバ内壁及びチャンバ内部品等に付着した不要な膜を除去するプラズマクリーニング処理の終点検出方法において、プラズマクリーニング処理中の基板電極のバイアス電圧値の時間的変化をモニタし、そのバイアス電圧値が一定値を示して変化しなくなった時点をプラズマクリーニング処理の終点として検出することを特徴とするプラズマクリーニング処理の終点検出方法。
プラズマ処理装置のチャンバ内壁及びチャンバ内部品等に付着した不要な膜を除去するプラズマクリーニング処理の終点検出方法において、プラズマクリーニング処理のためにチャンバ内に高周波を入射するアンテナの電圧値の時間的変化をモニタし、そのアンテナ電圧値が一定値を示して変化しなくなった時点をプラズマクリーニング処理の終点として検出することを特徴とするプラズマクリーニング処理の終点検出方法。
上記請求項１から請求項３に記載のプラズマクリーニング処理の終点検出方法のうち、少なくとも２の終点検出方法を併用することを特徴とするプラズマクリーニング処理の終点検出方法。
プラズマ処理装置のチャンバ内壁及びチャンバ内部品等に付着した不要な膜を除去するプラズマクリーニング処理の終点検出装置において、上記圧力制御バルブの開度の時間的変化をセンサによってモニタし、バルブ開度信号に変換する圧力制御バルブユニットと、上記バイアス電圧値の時間的変化をセンサによってモニタし、バイアス電圧信号に変換するバイアス電圧検出ユニットと、上記アンテナ電圧値の時間的変化をセンサによってモニタし、アンテナ電圧信号に変換するアンテナ電圧検出ユニットとの少なくともいずれか１のユニットと、これらの信号に基づき上記開度、上記電圧値が一定値になった時点を演算処理によって求める演算処理ユニットと、その演算処理によって求めた上記一定値になった時点をプラズマクリーニング処理の終点として判定しプラズマ処理装置に終点信号を与える終点検出判定ユニットとを備えたことを特徴とするプラズマクリーニング処理の終点検出装置。