JPS6058793B2 - プラズマ分光監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は気体放電を利用し、基板表面をエッチノン？゛
゛する装置ないしは基板表面に薄膜を作成する装置など
に付属させて放電により生ずるプラズマ光を利用し加工
工程を監視するためのプラズマ分光監視装置に関する。

真空容器中に低圧の反応性ガスや不活性ガスをク導入し
、直流や高周波の放電によりそれらのガスのプラズマを
発生させ、このプラズマにより同容器内に設置した基板
表面をエッチングするいわゆるプラズマエッチング装置
は、半導体集積回路の製造工程で使われる。また、同様
なガス中の放電を利用しその容器内に設置した基板表面
に薄膜を生成もしくは成長させるための陰極スパッタリ
ング装置、プラズマＣＤＶ装置、プラズマ重合装置、各
種の表面処理装置なども半導体集積回路の製造工程にと
つて重要である。上述の各装置を使用する際には、プラ
ズマの状態、組成を監視することは基板の加工あるいは
薄膜の作製について進行状態などを知る上に極めて有意
義である。

例えばプラズマエッチングにおいては基板上の被エッチ
ング物質を確実に取り除き、しかもその下地にある物質
はできるだけエッチングされない状態で加工を止めるた
めにも、プラズマ組成の監視は重要である。又、反応性
スパッタリングやプラズマＣＶＤにおいては目的とする
生成物の組成を制御するためにプラズマ組成の監視が必
要とされる。プラズマ組成監視の一方法として、質量分
析計の利用がある。

しかし質量分析では正確なプラズマ組成を得るためのサ
ンプリングが簡単でないことや、差動排気等を必要とす
る場合が多く、装置的にも、操作上も複雑になりやすい
ため、生産装置に付属させるのは必ずしも適当でない。
これに対し、もう一つの方法としてのプラズマ光の分光
分析は、プラズマを乱さずに外部から監視てき、構造、
取扱いともに簡単であるため生産装置に付属させる監視
装置としても非常に適して．いる。

プラズマ分光法でプラズマエッチングの終点を検出する
方法は例えば、特開昭５１−３５６３９０被膜のプラズ
マエッチング処理終点検出法ョに記載されているように
、被エッチング材料のエッチング時のみに発生する発光
スペクトルの強度変．化によりエッチングの終点を検出
している。しかしながら、この方法によれば、エッチン
グ処理中に放電ガスの圧力や組成等の変化に伴う印加高
周波電力の変動に伴う発光スペクトル強度の変化を、エ
ッチング処理状態の変化によるスペクトル・変化と区別
することができないばかりか、エッチング時に発生する
発光スペクトルの波長の近傍ないしはその波長に重なつ
てエッチングには無関係な発光スペクトルがあつた場合
、分解能の高いモノクロメ−ターを使用しないと、エッ
チング時とエッチング終了時の発光強度変化を大きくで
きずエッチング終了を明確に判定できない場合がある。
これに対し、特願昭５３−５０７９４ｒ乾式エッチング
制御方法ョでは、エッチング時に生ずるエッチングされ
る材料の原子またはその化合物の発光スペクトル強度と
エッチングガス放電の発光スペクトル強度を比較して、
両スペクトル強度の差の時Ｊ間的変化が零になつた時点
をエッチングの終点と判定し、高周波電力の変動により
発光スペクトル強度の変化を補正している。

しかし、エッチング時の発光スペクトル強度変化が非常
に僅かな場合には、ノイズの中に信号が埋もれてしまい
エッチング終了判定が難しい場合がある。又この方法で
は、二つの発光スペクトルを二つの位置から漠然と取り
出し、特にエッチングガスの発光スペクトルに関しては
全体の強度として検出しているのて、高周波電力等の大
きな変動の補正には有効ではあるが二つの発光スペクト
ルの僅かな変化によりエッチングの終点が判定される場
合には用いることはできない。さらにスペクトル強度の
差の時間的変化が零となつた時点でエッチング終点を判
定する場合、その判定のために場合によつてはマイクロ
コンピューター等の非常に複雑な電気回路が必要となり
、これに伴い大型のエッチング終点の判定装置が必要に
なつてしまう。また、この方法では、プラズマエッチン
グの終点を監視するには或る程度の成果は上げられるが
感度、安定度などの面から広く一般のプラズマエッチン
グに用いるには、やや不充分であり、薄膜製造の監視な
どまで応用は困難である。プラズマＣＶＤ装置や反応性
スパッタリング装置では、反応性ガスがプラズマにより
分解や反応を起しこれが膜の組成に大きな影響を及ぼす
。

従つてプラズマ中の反応性ガスの分解生成物や反応生成
物の発光スペクトルの組成比を監視することにより、得
られる膜の組成をコントロールできる。例えば、１第６
回アモルファス物質と物性セミナーョで１９７＠−１１
月に松田等が報告しているように、アルゴンと水素の混
合ガス中でケイ素の反応性スパッタリングを行い、非晶
質の水素化ケイ素膜を作成する場合、水素原子と水素分
子の発光スペクトル強度の比が膜の組成を決定する因子
であることが知られている。このような場合、二つの発
光スペクトルの強度比を監視することが是非とも必要で
あるが、従来のプラズマ分光監視装置では、手軽に発光
スペクトル強度比を比較することは出来なかつた。又、
スパッタリング装置においては、膜の形成速度の監視は
従来、水晶式膜厚計や原子吸光式等で行われていた。

しかし水晶式膜厚計はプラズマによる水晶振動子の温度
上昇により正常に動作しない場合があり、原子吸光式で
は、別に光源が必要であるばかりでなく、膜形成速度が
速い場合や光を引き出す窓が次第にスパッタ付着物で汚
れて来た場合、その測定が難しくなるなど種々の問題点
があつた。これらの問題を解決するためにスパッタリン
グ中のプラズマ光を分光しスパッタ粒子の励起原子スペ
クトル強度より膜形成速度を求めようとする試みもある
が、このスペクトル強度は、付着速度のおおよそ二乗に
比例し又、窓の汚れの影響もあるため従来のプラズマ分
光監視装置では膜形成速度の監視は難しかつた。本発明
は従来のプラズマエッチング装置のエッチング終点を監
視するためのプラズマ分光装置が持つていたこれらの問
題点を全て解決し、なおかつ、プラズマエッチング装置
以外で、プラズマＣＶＤや反応性スパッタリング装置な
どによる薄膜作製の際プラズマ組成の分析を通じて膜付
着中の膜組成の監視さらには膜形成速度の監視もでき、
しかも、非常に小型で安価で取扱いが容易なプラズマ分
光監視装置を提供するものである。

以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。第１図
に示した本発明の一実施例によるプラズマ分光監視装置
において、１はプラズマエッチング装置などの真空容器
の側壁に設けた窓より取り出したプラズマ光を表わし、
プラズマ光１は集光レンズ２により集光され、スリット
３を通過し、スリット３の裏面にある光チョッパ４によ
りチョッピングされる。

チョッピングされたプラズマ光はレンズ５により平行ビ
ームとし、ハーフミラー６により９０％の反射光と１０
％の透過光とに分割される。９０％の光はレンズ７を介
しモノクロメ−ター８により分光され、光電子増倍管９
で検出され、交流電気信号に変換される。

残りの１０％の光はフィルター１０を通過後、光電子増
倍管１１で検出され、同様に交流電気信号に変換される
。光電子増倍管９より得られた交流電気信号は、交流増
幅器２１で増幅された後、位相検波器２２と平滑回路２
３とにより直流信号に変換される。位相検波器２２の同
期信号は光チョッパー４の一端に取付けた光センサー１
２により得られ、波形整形器２４により波形整形を受け
た後、位相検波器２２に入力される。光電子増倍管１１
より得られた交流信号も、交流増幅器２５で増幅された
後、位相検波器２６で上記同様の波形整形器２４の出力
信号により同期検波され、平滑回路２７で平滑化される
。平滑回路２３及び２７の出力信号として得られた直流
信号は減算器２８ないしは割算器２９の入力信号となる
。減算器２８の出力信号はプラズマエッチングの場合、
エッチング終了時における出力レベルをＯとすることが
できるように調整されている。３０は累乗器てあり、減
算器２８の出力信号を３０により累乗することにより、
発光スペクトルの僅かな変化をノイズに対して明確に判
別することができる。

３１は選択スイッチであり、必要に応じて減算、減算の
累乗及び割算の結果を出力信号０ＵＴとして選択てきる
。

３２は２つの異なるスペクトル領域の光より得られた電
気信号の差、比、あるいは差の累乗の出力が設定時間以
後に設定値以下あるいは以上となつた時、電気信号３３
を発生する電気回路である。

本発明の装置に使用しているモノクロメ−ター８は通常
のプラズマエッチングの終点検出用やプラズマＣＶＤの
組成比の監視用には、二つの発光ノスベクトルを比較す
るため分解能を高くすることは必ずしも重要ではない。

従つて超小形のモノクロメ−ターか簡単なバンドパスフ
ィルターを使えば十分なことが多い。本発明によるプラ
ズマ分光監視装置は従来のプラズマ分光装置に比べその
容門積を１ノ６〜１１１０とすることができた。又、９
や１１の光電子増倍管はＳ１フォトダイオードを用いて
も良いことは言うまでもない。又、プラズマ光の引込み
は光ファイバーを用いても良いことは言うまでもない。
また、ハーフミラー６の代りに扇形フ回転ミラーを用い
てもよい。また光検出器９，１１の数は第１図では２つ
の異なるスペクトル領域の光を同時に検出するために２
つ設けたが、該２つの異なるスペクトル領域の光を時間
差をもつて検出するようにすれば光路を変更させる手段
などが必要となるが光検出器は１つで済む。第２図はＡ
１のプラズマエッチング中にプラズマ光を監視してその
経時変化を記録した例である。

図で１０１は従来の方法と同じくＡｌの発光スペクトル
である３９６．２ｎｍの光をモノクロメ−ターで分光し
、その光の強度を記録したものであり、１０２の時点で
高周波電力により放電を開始すると発光スペクトル強度
はある値となり、ＡＩの表面の酸化物層が除去され、Ｎ
金属のエッチングが始まるとＡｌの発光によりその強度
が増加し、エッチング終了とともに発光強度が元のレベ
ルに戻る。ところが、この例ではＡ１の表面積が非常に
小さい上、Ａ１の発光スペクトル以外の発光によるバッ
クグランドの発光強度が変化するため、１０１の曲線か
らエッチングの終了を明確に検出することは難しい。そ
の上、エッチング終了を自動的に判定させるためには複
雑な論理回路やマイクロコンピューター等が必要となる
。これに対し１０３の曲線は本発明のプラズマ分光監視
装置によつて得られたもので、モノクロメ−ター８を通
つた３９６．２ｒ１ｍのＮの発光スペクトルとフィルタ
ー１０を通つた３０５ｎｍ（バックグランド）の発光ス
ペクトル強度の差を二乗した出力を示す。本発明で得ら
れたこの出力は最適な調整により、１０２の時点での放
電開始によつてもベースラインの変動は皆無となり、Ｎ
のエッチング中のみ１０３で示すような信号強度の増加
が見られ、エッチング終了とともに出力レベルは０に戻
る。このため、エッチング終了の判定は容易となるばか
りでなく、非常に簡単な電気回路でエッチングの終．了
を判定することができる。１０４はエッチングの終了点
と判定した時点であり、目視によるＡ１膜除去の点と良
い一致を示している。

第３図はＮ−Ｓ１膜のエッチング時に観測されるＮの発
光スペクトル強度変化の一例てあり、２０１は従来の方
法で得られた３９６．２ｒ１ｍ（７）Ａ１の発光スペク
トルの強度変化の例である。

Ｎ−Ｓｉ膜のエッチングの際にはＡｌの発光スペクトル
強度の経時変化は二つピークのある特性を示し、このた
めエッチング終了の判定はマイクロコンピュータ等一を
用いねばならず、さらに２０２で示すように高周波電力
の変動によりその発光強度が変化した場合などは、コン
ピュータが誤つて終了点を判定してしまう場合があつた
。２０３は本発明によるプラズマ分光監視装置を用いて
得られた、３９６．２ｎｍのＡ１の発光スペクトルと３
０５ｎｍ（バックグランド）の発光スペクトルの差を二
乗した出力の経時変化を示したものであり、２０４で示
す二つのピークの谷の信号強度はエッチング終点２０５
のレベルより高いため、２０４の時点で誤つてエッチン
グ終了の判定を下すこともなくなり、又、高周波電力の
変動に対しても２０６に示すように信号レベルの変動は
非常に少なくエッチング終了判定ノの誤動作の原因とな
ることはない。

さらに、エッチング終点の判定は、信号出力が零となつ
た点とすれば良く、電気回路的にも非常に簡単な構成で
済む。第４図はｋガス雰囲気の高速マグネトロンＣｕ−
スパッタリング中での３２４．８ｎｍ（７）Ｃｕ励起源
子の発光スペクトル強度と８１１．５ｒ１ｍ（７），Ａ
ｒ′の励起原子の発光スペクトル強度のターゲット電流
密度依存性を両対数表示で示したもので、３０１はＣｕ
原子の、３０２はＮ原子の発光スペクトル強度の夕”−
ゲット電流密度依存性である。

Ｃｕ原子の密度とターゲット電流密度の積に比例してい
ると考えられ、一方Ａｒ原子の発光スペクトル強度はタ
ーゲット電流密度に比例しているため、Ｃｕ原子の発光
スペクトル強度をＡｒ原子の発光スペクトル強度て割算
した値は真空容器中のＣｕ原子の密度を示すことになる
。Ｃｕ原子の密度は膜の形成速度に比例していると考え
られるから、Ｃｕ原子の発光スペクトル強度とＡｒ原子
の発光スペクトル強度の比を監視することにより、膜の
形成速度を監視することができる。本発明のプラズマ分
光監視装置を用い、Ｃｕ原子の発光スペクトルとＡｒ原
子の発光スペクトル強度を監視し、その比を信号出力と
すれば、この出力によりＣｕスパッタリング中のＣｕ膜
の形成速度を簡単に監視することができる。しかも、本
発明では一つの窓から導入した単一プラズマ光を分割し
て検出しているため、窓の汚れの影響は、光が検出され
なくなる限界近くまで考慮する必要はない。本説明では
Ｃｕスパッタリングについて説明したが、スパッタされ
る材料は何であつても良いし、不活性ガスは何を使つて
も良いことは言うまでもない。図面の簡単な説明第１図
は本発明によるプラズマ分光監視装置の構成図であり、
第２図はＡ１のエッチング中に本発明の装置により得ら
れたエッチング終点検出のための信号出力の経時変化を
説明するための図であり、第３図はＮ−Ｓｉエッチング
中の本発明により得られた信号出力の経時変化を説明す
るための図であり、第４図はＡｒガスによるＣｕスパッ
タリング中のＣｕ原子とＮ原子の発光スペクトル強度の
ターゲット電流密度依存性を示す図である。

１・・・・・・プラズマ光、２・・・・・・集光レンズ
、３・・・スリット、４・・・・・・チョッパー、５・
・・・・・レンズ、６・・・・ハーフミラー、７・・・
・・・レンズ、８・・・・・・モノクロメ−ター、９・
・・・・・光電子増倍管、１０・・・・フィルター、１
１・・・・・・光電子増倍管、１２・・・・・・光セン
サー、２１・・・・・交流増幅器、２２・・・・・・位
相検波器、２３・・・・・・平滑回路、２４・・・・波
形整形器、２５・・・・・・交流増幅器、２６・・・・
・・位相検波器、２７・・・・平滑回路、２８・・・・
・・減算器、２９・・・・・割算器、３０・・・・・・
累乗器、３１・・・・・・切換スイッチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応性ガスないしは不活性ガスを低圧で容器内に導
   入し、高周波あるいは直流放電により発生したプラズマ
   を利用して、基板表面をエッチングするあるいは該基板
   表面に薄膜を作製する装置に付属させて使用するプラズ
   マ分光監視装置であつて、上記プラズマから取り出した
   光を分割するためのハーフミラーないし扇形回転ミラー
   と、この分割された２つの光ビームからそれぞれ別のス
   ペクトル領域を取り出すための分光器あるいは光学フィ
   ルターと、該分光器あるいは光学フィルターによつて得
   られた２つの異なるスペクトル領域の光を同時に検出す
   るための２つの光検出器あるいは該２つの異なるスペク
   トル領域の光を時間差をもつて検出する１つの光検出器
   と、該光検出器によつて上記２つの異なるスペクトルか
   らそれぞれ得られた２つの電気信号を処理し、該２つの
   電気信号の差、比、および差の累乗のうちの少なくとも
   １つを出力とする電気回路とを備えていることを特徴と
   するプラズマ分光監視装置。 ２ 反応性ガスないし不活性ガスを低圧で容器内に導入
   し、高周波あるいは直流放電により発生したプラズマを
   利用して、基板表面をエッチングするあるいは該基板表
   面に薄膜を作製する装置に付属させて使用するプラズマ
   分光監視装置であつて、上記プラズマから取り出した光
   を分割するためのハーフミラーないし扇形回転ミラーと
   、この分割された２つの光ビームからそれぞれ別のスペ
   クトル領域を取り出すための分光器あるいは光学フィル
   ターと、該分光器あるいは光学フィルターによつて得ら
   れた２つの異なるスペクトル領域の光を同時に検出する
   ための２つの光検出器あるいは該２つの異なるスペクト
   ル領域の光を時間差をもつて検出する１つの光検出器と
   、該光検出器によつて上記２つの異なるスペクトルから
   それぞれ得られた２つの電気信号を処理し、該２つの電
   気信号の差、比、および差の累乗のうちの少なくとも１
   つを出力とする第１の電気回路と、該第１の電気回路の
   出力が設定時間以後に設定値以下あるいは以上になつた
   時、電気信号を発生する第２の電気回路とを備えている
   ことを特徴とするプラズマ分光監視装置。