(57)【要約】【課題】プラズマ処理室の温度を正確に特定の状態とし、プラズマ処理の特性を一定に保って、高精度のプラズマ処理を実施することが可能なプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマ処理室１内で被処理物ｗをプラズマ処理するプラズマ処理装置において、プラズマ処理室１内部の温度とプラズマ生成条件とを関連付けて格納するデータベース２５と、データベース２５からプラズマ処理室１内部の温度とプラズマ生成条件との相関式を格納するモデル式格納部２６と、相関式の作成および最適なプラズマ生成条件の算出を行う演算部２４を備えた計算機２１とを備え、プラズマ処理の状態を監視するプロセスモニタ３１と、プロセスモニタが出力した値とプラズマ処理室の温度とを関連付けてデータベース２５に格納し、計算機２１がプラズマ処理室の温度が概略一定になるようなプラズマ処理条件を算出し、これに基づいてプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置。【選択図】図６
2010016159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理室内部の温度とプラズマ生成条件とを関連付けて格納するデータベースと、前記データベースからプラズマ処理室内部の温度とプラズマ生成条件との相関式を格納するモデル式格納部と、前記相関式の作成および最適なプラズマ生成条件の算出を行う演算部を備えた計算機を備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
前記計算機がプラズマ処理室内を急速過熱する制御とその後プラズマ処理室内の温度を高精度に制御してプラズマ処理室の温度が所望の温度になるように調整されたプラズマ生成条件を計算する
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載されたプラズマ処理方法であって、
プラズマ処理室の温度を制御するために２種類以上のプラズマ処理条件を使用し、そのうち一方は大きな熱エネルギーをプラズマ処理室に与えることのできるプラズマを生成する条件であり、もう一方はプラズマ処理室の温度が所望の温度になるよう高精度に制御する条件に調整されたプラズマ生成条件である
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載されたプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ処理装置は、プラズマ処理結果とプラズマ処理室の温度とを関連付けて格納するデータベースと、
前記データベースを基にプラズマ処理室の温度からプラズマ処理結果を算出することのできる相関式を格納するモデル式格納部とを備え、
前記相関式を基に許容できる温度範囲と前記相関式とを演算することのできる演算部を備えた計算機により、プラズマ処理室の温度が所望の温度から前記温度範囲内に収まるような前記プラズマ生成条件を算出する
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
プラズマ処理室内で被処理物をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
プラズマ処理室内部の温度とプラズマ生成条件とを関連付けて格納するデータベースと、前記データベースを用いて演算したプラズマ処理室内部の温度とプラズマ生成条件との相関式を格納するモデル式格納部と、
前記相関式の作成および最適なプラズマ生成条件の算出を行う演算部を備えた計算機を備えた
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４記載のプラズマ処理装置であって、
プラズマ処理の状態を監視するプロセスモニタと、
プロセスモニタが出力した値とプラズマ処理室の温度とを関連付けて格納するデータベースとを備え、
前記計算機が前記データベースを基にプロセスモニタが出力した値からプラズマ処理室の温度を算出することのできる相関式を格納するモデル式格納部と、
前記相関式および前記相関式に基づいたプラズマ処理室の温度と算出することのできる演算部とを備え、
プラズマ処理室の温度が概略一定になるようなプラズマ処理条件を算出し、これに基づいてプラズマ処理を行なうことを
特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置に関するものであり、特に半導体デバイスの製造工程において、きわめて高精度のプラズマ処理を実現することに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、例えば処理ガスをプラズマにより分解して化学反応性を高め、それによって被処理物の表面を加工したり改質したりするのに使用される。例えば半導体の製造ラインでは、半導体ウェハの表面に薄膜を形成したり、エッチングしたりして所望の加工結果を得るために使用される。
【０００３】
化学反応は一般に処理室の温度に左右されるため、上記のようなプラズマ処理も例外なくプラズマ処理室の温度に左右される。したがって、プラズマ処理室の温度の揺らぎは、そのままプラズマ処理結果のゆらぎとして反映される。一方、半導体デバイスの製造においては、近年の半導体デバイスの微細化と高機能化に伴い、数ナノメートル程度の加工精度が要求されるようになってきた。このような加工精度を実現するために、プラズマ処理室の温度を一定に保ち、安定したプラズマ処理を実現する技術が必要になってきた。
【０００４】
この問題に対処するための従来技術として、処理室の温度を一定に保つ方法や、どのような温度に設定すればプラズマ処理を安定に行えるかが提案されている（例えば、特許文献１参照）が、プラズマ処理室の内部の温度を一定に保つには十分ではない。なぜなら、処理室の内部には温度制御機構を備えがたい箇所や、温度制御機構までの熱コンダクタンスが良くないために温度制御をしがたい箇所が存在するためである。プラズマ処理を開始するとこれらの箇所の温度が上昇してしまう問題は、当業者にはよく知られている。
【０００５】
この問題に対処する技術として、プラズマ処理室の温度をプラズマにより制御する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−５１４３９０号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、装置を連続的に使用している場合ではプラズマ処理室の温度が高く、しばらく休止状態にあった装置を使用する場合にはプラズマ処理室の温度が低い。温度が低くなったプラズマ処理室を再び急速に加熱する場合には、次の問題点がある。急速に加熱するには、プラズマ処理室の内壁にプラズマが与えるエネルギーが大きくなるようなプラズマ生成条件を設定する必要があるが、急速に加熱が進行する分、温度の制御も難しくなるためである。本願発明の発明者の実験に依れば、極端なケースではプラズマ処理室の温度が僅か数度変化しただけで不良発生の元になることがわかっており、そのような正確な温度制御を実現する方法を、前記従来条件は十分に説明していない。もちろん、急速に温度を上昇させるのではなく、ゆるやかに温度を上昇させるようなプラズマ生成条件を用いれば正確な温度制御を実現できる。しかし、このような温度制御の間には目的の被処理物をプラズマ処理することができないため、生産効率が低下し、したがって量産設備としては好ましくない。以上のように、プラズマ処理装置には制御精度の向上と制御時間の短縮の両方が望まれている。
【０００７】
上記問題に鑑み、本発明は、プラズマを用いてプラズマ処理室の温度を正確に特定の状態にすることができ、プラズマ処理の特性を一定に保つことができ、高精度のプラズマ処理を実施することが可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明は、プラズマ処理方法において、プラズマによるプラズマ処理室の加熱ステップを、加熱時間を短縮するための急速過熱するステップと温度を高精度に制御するための高精度制御ステップとの２つ以上のステップから構成した。さらに、本発明は、最適なプラズマ加熱条件を算出するため、プラズマ生成条件とプラズマ処理室内の温度とを関連付けたデータベースと、前記関連を相関式に置き換えて記憶するモデル式格納部と、前記相関式の作成および相関式に基づいた最適なプラズマ加熱条件の算出を行う演算部とを備えた計算機をプラズマ処理装置に備えた。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明によれば、プラズマを用いてプラズマ処理室の温度を正確に特定の状態にすることができ、プラズマ処理の特性を一定に保つことができるようになる。そのため、高精度のプラズマ処理を実施することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本願発明の実施例を、添付図面を用いて説明する。なお、以下の各実施例において、第１実施例と同様の機能を有するものは第１実施例と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００１１】
まず、本発明を適用する対象であるプラズマ処理装置の構成の概要を、図１を用いて説明する。プラズマ処理装置は、被処理物をプラズマ処理するためのプラズマ処理室１に、処理ガスを供給するガス供給手段２と、処理ガスを排気しプラズマ処理室１内の圧力を制御するバルブ３と、ガス排気手段４と、圧力計５と、被処理物wを支持するステージ１１が備えられており、また、プラズマ処理室１内にプラズマＰを生成するための高周波を放射するプラズマ生成手段（アンテナ）７と、プラズマ生成手段７に電力を供給するプラズマ生成用高周波電源８とインピーダンスを調整するためのプラズマ生成用チューナ（整合器）９が備えられている。さらに、前記ステージ１１には、該ステージに電圧を印加するためのバイアス用高周波電源１２とインピーダンスを調整するためのバイアス用チューナ（整合器）１３が備えられている。また、プラズマ処理室１の温度を制御するため、温度制御機構１４と温度測定機構１５が設けられている。その他、プラズマ処理装置の種類によってはコイル１６が１つ以上備えられており、このコイル１６によってプラズマＰの生成を補助したり、あるいはプラズマＰの分布を磁場で制御したりする場合があり、あるいはコイル１６の役割をプラズマ生成手段７が兼ね備えている場合がある。その他、プラズマ処理室１の天板１７が、処理室１と同じ金属材質ではなく石英などの誘電体で構成されている場合もある。
【００１２】
本願発明の詳細を説明する前に、前述のプラズマ処理装置を用いて、ひとまとまり(ロット)の被処理物wをプラズマ処理する典型的な場合について、図２を用いてその処理手順を説明する。
【００１３】
最初に、ステージ１１上に目的の被処理物wを載置しない状態でロット前処理Ｓ１を実施する。ロット前処理Ｓ１は、例えばプラズマを用いて処理室１の温度を上昇させる目的で行われる。続いて、目的の被処理物wをステージ１１に載置し、プラズマ処理Ｓ２を実施する。処理が終わったら被処理物wを処理室１から取り出し、クリーニングＳ３を実施する。クリーニングＳ３の目的は、プラズマ処理Ｓ２の際に発生した残留物の除去であり、ステージ１１上に目的の被処理物wを載置しない状態でプラズマ前処理を行うことにより達成される。クリーニングＳ３が終了し、分岐Ｓ４へ移行した際に、ロットの被処理物wの処理が全て完了していなければ、プラズマ処理Ｓ２から分岐Ｓ４までの処理を循環的に実施する。分岐Ｓ４においてロットの処理が完了していれば、処理終了手順Ｓ５へ移行する。処理終了手順Ｓ５では何も行わない場合もあるし、クリーニングＳ３と類似の処理を行う場合や、あるいは希ガスなどのプラズマを生成し続けて次のロットの処理に備える場合などもある。
【００１４】
このように、ロットの処理を行う際には、ロット前処理Ｓ１や被処理物のプラズマ処理Ｓ２、クリーニングＳ３が交互に実施され、そのたびにプラズマが生成されたり、消滅されたりする。プラズマが生成されているときにはプラズマ処理室は温められて温度が上昇し、消滅している間には温度が低下するので、プラズマ処理室の温度は、図３のように上下しながら推移する。図３において、横軸は図２におけるプラズマ処理Ｓ２の回数で、被処理物の種類にも依るが1回あたり５分程度である。
【００１５】
処理を繰り返すうちに温度が上下しながら概略一定の温度ＴＡＬ，ＴＢＬ，ＹＣＬに達する様子が示されている。この温度をＴｎＬとすると、図２の手順におけるプラズマ処理Ｓ２で常にＴｎＬが実現されていれば、プラズマ処理を高精度に再現できることになる。
【００１６】
このＴｎＬを実現するために、熱伝導方程式(１)を考える。
【数１】
2010016159.tif 000003
【００１７】
式（１）の左辺においてｃｎはリアクタ内のある部品ｎの比熱、Ｖｎは体積であり、これらと温度Ｔｎ(ｔ)の単位時間あたりの温度変化ｄＴｎ(ｔ)/ｄｔとの積により、単位時間あたりにうけとる熱量と関連付けている。右辺においてＴｎ０は部品ｎに対する熱浴として作用するほかの部品の温度、Ｃｎ０は部品ｎと熱浴として作用するほかの部品との熱コンダクタンス、Ｑｎはプラズマなどの熱源から部品ｎに流入する熱量である。すなわち、部品ｎが単位時間にプラズマおよび周辺の温度分布により受け取る熱量を示している。
【００１８】
部品に流入する熱量Ｑｎや部品ｎに対する熱浴として作用するほかの部品の温度Ｔｎ０が時間に対して一定である場合には、この方程式(１)の解は式(２)のようになる。
【数２】
2010016159.tif 000004
【００１９】
ここで、Ｔｎ(０)はプラズマによる加熱を開始する直前の温度、Ｔｎ(∞)はプラズマによる加熱を十分に継続したとき(ｔが∞とみなせるほど大きいとき)に到達する飽和点温度で、τｎは温度の推移にかかる時定数である。式(２)から明らかなように、部品ｎの温度Ｔｎ(ｔ)は指数関数的に変化し、時定数τｎの速さで一定の温度Ｔｎ(∞)に達する。
【００２０】
飽和の早さを示す時定数τｎと飽和点の温度Ｔｎ(∞)は、式(３)、式(４)で示される。
【数３】
2010016159.tif 000005
【００２１】
式(４)に着目すると、飽和点の温度Ｔｎ(∞)は、加熱直前のプラズマ処理室の温度Ｔｎ(０)に依存せず、Ｑｎの大きさ、つまりプラズマなどから流入する熱量の大きさで制御することができることがわかる。すなわち、プラズマの生成条件をうまく制御することで、Ｔｎ(∞)＝ＴｎＬが達成できると期待できる。そこでＴｎ(∞)とプラズマの生成条件との関係を定量的に相関付けておけば、任意のプラズマ生成条件下におけるＴｎ(∞)を概算できることになる。
【００２２】
しかしながら、飽和点温度Ｔｎ(∞)に達するまでロット前処理Ｓ１を継続するということは、τｎに比例するだけの時間がかかるということである。本願発明の発明者らの実験に依れば、Ｔｎ(ｔ)がＴｎ(∞)に達するまでの時間は、その部品の場所や種類にも依るが、１５分から４０分ほどかかる。この間、目的の被処理物を処理することができないので、半導体デバイスの製造ラインでは加熱時間の短縮が望まれている。そこで式(１)に着目すると、ごく短い時間であれば温度の上昇量ｄＴｎ(ｔ)/ｄｔはＱｎに比例し、従ってＱｎが大きいほど温度Ｔｎ(ｔ)は急速に増加することを意味していることがわかる。つまり、Ｑｎが大きいプラズマ生成条件を使用すれば、急速にプラズマ処理室を温めることができるということである。しかしＱｎが大きすぎるとＴｎ(∞)＞ＴｎＬになってしまい、目的である高精度な温度制御が実現できない。
【００２３】
そこで本願発明では、ロット前処理Ｓ１を２段階にわけ、最初はＱｎがもっとも大きいプラズマ生成条件すなわち大きな熱エネルギーをプラズマ処理室に与えることのできるプラズマを生成する条件で、続いてＴｎ(∞)＝ＴｎＬを実現できるＱｎをもつプラズマ生成条件すなわちプラズマ処理室の温度が所望の温度になるように調整されたプラズマ生成条件で処理することを考えた。
【００２４】
例えばこの処理手順を図に示すと、例えば図４(ａ)のようになる。図２の処理手順と異なる点は、ロット前処理Ｓ１を急速加熱ステップＳ１１と、高精度温度制御ステップＳ１２との２段に分けているところである。この手順に基づいて実験した結果、プラズマ処理室の温度の推移は図４(ｂ)に示す結果となった。すなわち、プラズマ処理室の初期温度が低い場合には、曲線Ｃ１で示すように、急速加熱ステップＳ１１により急激に温度Ｔｎ(ｔ)が上昇し、さらに高精度温度制御ステップＳ１２によりＴｎ(ｔ)は目的の温度ＴｎＬに近づく。一方、プラズマ処理室の初期温度が高い場合には、曲線Ｃ２で示すように、急速加熱ステップＳ１１により目標の温度ＴｎＬよりもＴｎ(ｔ)が高くなっても、高精度温度制御ステップＳ１２によりＴｎＬに一致するように自然に温度が低下する。さらに本願発明の加熱方法を用いてロットを処理すると、プラズマ処理室の温度の変化は図５に示す結果となった。すなわちロット前処理Ｓ１が終了した時点でＴｎＬに近い温度を実現できているので、以降は温度の上下が同一のサイクルが続いていることが分かる。従ってプラズマ処理Ｓ２でも同じ温度での処理が実施され、プラズマ処理が高精度に再現されることになる。
【００２５】
本実験ではロット前処理Ｓ１を２段階に分けて実施したが、一般的には２段以上の多段ステップに分けて処理してよく、あるいは図４に示した手順のステップＳ１１に使用する条件からステップＳ１２に使用する条件の間を、徐々に滑らかに変更していくのでもよい。
【００２６】
［効果の説明］以上、本願発明の方法によれば、ロット前処理Ｓ１を２段階にわけることで、プラズマ処理室の温度を一定に保つことができるようになる。
【００２７】
ところで本願発明第１の実施例の説明では、プラズマ生成条件を適切に選ぶことでプラズマ処理装置の温度を高精度に制御する方法を述べたが、どのように適切なプラズマ生成条件を選ぶかが明確ではない。プラズマ処理室内部の各点に温度測定器を取り付け、プラズマ生成条件をいろいろ変えて到達温度Ｔｎ(∞)を測定すればよいが、量産ラインの装置では、汚染や異物の発生をさけるため、温度測定器を取り付けることができない。
【００２８】
［実施例２］そこで本願発明第２の実施例では、第１の実施例で述べた一般的なプラズマ処理装置に温度計算機を設置し、この計算機によって最適なプラズマ生成条件を算出させる方法を、図６を用いて説明する。図６は、図１で説明したプラズマエッチング装置に、演算部２４と表示部２２とデータ入力手段２４とデータベース２５とモデル格納部２６を備えた計算機２１を設置したものである。さらにプロセスモニタ３１と、プロセスデータロガー３２を設置しているが、これらの使用方法は後述する。
【００２９】
この計算機２１の使用法を、以下に述べる。まずプラズマ処理装置を出荷する前に、プラズマ処理室１内部の各点や、天板１７、ステージ１１の上面や側面などに温度測定器を取り付ける。この温度測定器には例えば熱電対が使えるが、熱電対にはプラズマＰを生成するための電磁波が影響を与えてしまうため、好ましくは蛍光温度計などの電磁波の影響を受けにくい温度測定器を用いるとよい。このようにしてプラズマ処理室１の内部の温度を測定できる状態にして、さまざまなプラズマ生成条件でプラズマＰを十分長い時間だけ生成し、各部品の到達温度Ｔｎ(∞)を取得する。このときのＴｎ(∞)とプラズマ生成条件のパラメータセット{Ｐｋ}とをデータ入力手段２４を介してデータベース２５に入力する。データ入力手段２４は、操作者が手動入力できるようなデバイス、例えばキーボードやマウス、タッチペンなどであってもよいが、フロッピー（登録商標）ディスクドライブなどの電磁気的な情報を読み込むことのできるメディアドライブが好適であり、さらには測定されたＴｎ(∞)やパラメータセット{Ｐｋ}を自動的に読み込むようなネットワークインターフェースであると、もっとも好適である。
【００３０】
これらのデータが十分にデータベース２５に蓄積された後、計算機２１の演算部２４はＴｎ(∞)と{Ｐｋ}とを関連付けるための計算を行い、関数Ｔｎ(∞)＝ｆ({Ｐｋ})を求める。ここで関数ｆ({Ｐｋ})を作成するには、例えば{Ｐｋ}を変数としたＴｎ(∞)の多項式を仮定し、各比例係数を求めるための回帰分析や主成分回帰分析を行うなど、これまでによく知られた一般的な手法でよい。例えば、以下に、重回帰分析を用いて関数ｆ({Ｐｋ})を作成する方法を述べる。
【００３１】
まず、ｘ回の実験でプラズマの生成条件{Ｐｋ}１、{Ｐｋ}２、{Ｐｋ}３、…{Ｐｋ}ｘを試行したとする。このとき達成された温度がＴｎ１(∞)、Ｔｎ２(∞) Ｔｎ３(∞)、…Ｔｎｘ(∞)であるとする。プラズマ生成条件と温度との関係を結びつけるため、関数ｆ({Ｐｋ})として例えば式(５)のような線形一次近似式を仮定する。
【数４】
2010016159.tif 000006
【００３２】
すなわち、温度Ｔｎ(∞)は各プラズマ生成パラメータＰｋに比例すると仮定し、その比例係数を(∂Ｔｎ(∞)/∂Ｐｋ)、切片をＴｎ(０)とする近似式である。式(５)のモデル式がｘ回の実験データに一致するように、切片Ｔｎ(０)と比例係数(∂Ｔｎ(∞)/∂Ｐｋ)の値を最小二乗法などで決定する。このようにすることで、任意のプラズマ生成条件{Ｐｋ}について、飽和点温度Ｔｎ(∞)が何度になるかを概算できるようになる。
【００３３】
ところで式(２)はそれぞれの部品ｎが熱浴に接していると仮定して方程式(１)を解いたものであるが、部品同士の熱伝導が強い場合には、互いに相関を持つ場合が生じる。このような場合には、式(６)のように他の部品の温度との相関を持つモデル式を作成すればよい。この場合、係数(∂Ｔｎ(∞)/∂Ｔｍ(∞))も(∂Ｔｎ(∞)/∂Ｐｋ)と同様に、実験データに対するフィッティングで求めればよい。
【数５】
2010016159.tif 000007
【００３４】
式(６)では、式(５)に比べてファクターΣｍ (∂Ｔｎ(∞)/∂Ｔｍ(∞)) Ｔｍ(∞)が追加されている。これは、熱伝導などが原因で部品ｎの温度Ｔｎ(∞)がほかの部品ｍの温度Ｔｍ(∞)に依存すると仮定し、その比例係数を(∂Ｔｎ(∞)/∂Ｔｍ(∞))としたものである。
【００３５】
以上のようにして飽和点温度Ｔｎ(∞)を概算するためのモデル式を決定する方法の一例を述べたが、プラズマ生成条件のパラメータセット{Ｐｋ}の中には、温度Ｔｎ(∞)が線形に応答しないものも存在する。本願発明の発明者らの研究によれば、例えばプラズマ処理室１の圧力や、コイル１６に印加する電流などがそれである。このようなパラメータに対しては、式(５)のような線形一次近似ではなく、２次、３次などの高次項を含めた多項式フィッティングを行うことで、モデル式の精度を高めることができる。
【００３６】
このような演算を行うにあたり、演算部２４は一般的なパーソナルコンピュータなどに採用されている中央演算ユニットなどであってもよいし、このような類の計算のために特化した集積回路であってもよい。こうして関数Ｔｎ(∞)＝ｆ({Ｐｋ})を作成した後は、この関数をモデル格納部２６に記録する。
【００３７】
これらの一連の作業が完了した後、プラズマ処理室１内部に設置した温度測定器をはずし、プラズマ処理室１を洗浄した後プラズマ処理装置を出荷する。
【００３８】
出荷されたプラズマ処理装置には温度測定器が設置されていないが、特定のプラズマ生成条件を選択するとどのようなＴｎ(∞)が得られるかが、モデル格納部２６に記録された関数Ｔｎ(∞)＝ｆ({Ｐｋ})から計算することができる。すなわち、図４における急速加熱ステップＳ１１においてはＴｎ(∞)がもっとも大きくなるプラズマ生成条件{Ｐｋ}を採用し、高精度温度制御ステップＳ１２においては、Ｔｎ(∞)がＴｎＬに近くなるようにプラズマ生成条件{Ｐｋ}を採用することができる。これにより、最適なＴｎ(∞)を実現するためにどのようなプラズマ生成条件を使用すればよいかが明確になり、量産ラインにおけるプラズマ生成条件の決定が効率的になる。
【００３９】
ところで上記までの説明で、高精度温度制御ステップＳ１２においては、Ｔｎ(∞)がＴｎＬに近くなるようにプラズマ生成条件{Ｐｋ}を決定すれば高精度に温度制御を行うことができると述べたが、ＴｎＬはどのような条件で被処理物を処理するかで決定されるため、被処理物の種類ごとに異なる。ところが量産ラインに出荷されたプラズマ処理装置には温度測定器が設置されていないため、そのままではＴｎＬを測定する手段がない。そこで、ＴｎＬを概算する手順の一例を図７に示した。
【００４０】
まず、図７(ａ)の手順を実施する。あるプラズマ生成条件{Ｐｋ}でロット前処理Ｓ１を開始し、プラズマ処理室の温度Ｔｎ(∞)を達成する。次にクリーニングＳ３を実施し、そのときのプロセス状況を図６に示したプロセスモニタ３１で監視し、プロセスデータロガー３２でプロセス状況を出力する。出力されたプロセス状況は、データ入力手段２４あるいは図示しない回線やメディアドライブを介してデータベース２５に格納される。プロセスモニタ３１で監視するプロセス状況としては、例えばクリーニングＳ３に使用するプラズマの発光スペクトルなどが挙げられる。その場合、プロセスモニタ３１は石英製窓であり、プロセスデータロガー３２には分光器などを使用し、両者を光ファイバで接続する。
【００４１】
分岐Ｓ６において、データベース２５に十分なデータが蓄積されていない場合は、異なるＴｎ(∞)に到達するようなプラズマ生成条件を手順Ｓ７において設定し、再びロット前処理Ｓ１を実施する。
【００４２】
このような手順でＴｎ(∞)とプラズマの発光スペクトルなどのデータとをセットにしてデータベース２５に格納し、十分な量のデータがそろったら手順Ｓ８に移行する。手順Ｓ８では、例えば主成分回帰分析や重回帰分析、あるいは非線形回帰分析などの、一般によく知られた手法によりＴｎ(∞)とプラズマの発光スペクトルを相関付ける。これにより、以降はプラズマの発光スペクトルを測定するだけで、プラズマの発光スペクトル測定時の温度Ｔｎ(ｔ)を算出できるようになる。
【００４３】
相関付けの例として、以下では主成分回帰分析を用いた方法を述べる。まず、ｘ回の実験において、ロット前処理Ｓ１を用いてプラズマ処理室内の部品ｎの温度をＴｎ１＝Ｔｎ１(∞)、Ｔｎ２＝Ｔｎ２(∞)、Ｔｎ３＝Ｔｎ３(∞)、…、Ｔｎｘ＝Ｔｎｘ(∞)にしたとする。(あるいは、Ｔｎ１(∞)、Ｔｎ２(∞)、Ｔｎ３(∞)、…、Ｔｎｘ(∞)になるようなプラズマ生成条件を用いたとする。) このロット前処理Ｓ１の直後にクリーニングＳ３のプラズマの発光スペクトルを石英製窓（プラズマモニタ）３１を解して分光器（プラズマデータロガー）３２で観測する。観測されたプラズマの発光スペクトルが、分光器３２からデータベース２５に直接出力され、同時にプラズマ処理室の部品温度と関連付けて格納されると、本発明の実施に好適である。
【００４４】
このとき観測されたプラズマの発光スペクトルを、Ｉ１(λｍ)、Ｉ２(λｍ) 、Ｉ３(λｍ)、…、Ｉｘ(λｍ)とする。Ｉｙ(λｍ)の意味は、発光スペクトルを観測する分光器のｍ番目のピクセルが波長λに対応し、その波長におけるｙ番目の実験でのプラズマの発光強度がＩｙ(λｍ)である、という意味である。
【００４５】
このようにして、温度Ｔｎｙ(∞)とＩｙ(λｍ)のデータセットが得られたときに、式(７)、(８)を用いてまずＩｙ(λｍ)の共分散行列の要素Ｓｐｑを演算部２４が計算する。
【数６】
2010016159.tif 000008
【００４６】
式(８)は、平均的な発光スペクトルＩA(λｐ)を得るための計算式であり、式(７)は共分散を計算するために一般的に知られた計算方法である。
【００４７】
次に、演算部２４はＳｐｑから固有ベクトルと固有値を計算する。固有ベクトルと固有値の計算方法は一般によく知られているが、例えば(９)の式を満たすようなベクトルＬｘ(λｐ)とΛｘを求めるものである。下記式（９）において、Ｗの値は、｜ΛＷ｜の大きいものから順番にＷ＝１、２、３、…としておく。
【数７】
2010016159.tif 000009
【００４８】
このように式(３)で定義された固有ベクトルＬＷ(λｐ)とＩｙ(λｐ)から、主成分スコアＺＷｙを計算する。主成分スコアＺＷｙは、ＬW(λｐ)およびＩｙ(λｐ)と式(１０)の関係をもっている。
【数８】
2010016159.tif 000010
【００４９】
以上のようにして演算部２４が計算した主成分スコアＺＷｙと部品ｎの温度Ｔｎｙ(∞)との関係を式(１１)のように仮定する。
【数９】
2010016159.tif 000011
【００５０】
式(１１)中のＡ０およびＡＷはフィッティングパラメータで、式(１０)より得られた主成分スコアのセット{ＺＷｙ}と部品ｎの温度{Ｔｎｙ(∞)}が一致するように演算部２４が最小二乗法などで決定すればよい。このとき、それぞれのＡＷについてｔ検定などを行い、信頼できないＡＷをゼロとしておくと式(１１)が信頼できるものになる。
【００５１】
以上の計算手順により、ｘ回目以降の任意のａ回目において、部品ｎの温度Ｔｎａ(∞)をクリーニングＳ３の発光スペクトルＩａ(λｐ)を用いて計算することができる。
【００５２】
しかしながら式(９)から式(１０)までの計算手順は煩雑なので、例えば次の方法を用いてもよい。式(９)を式(１０)に代入すると、式(１２)が得られる。
【数１０】
2010016159.tif 000012
【００５３】
ここで、ＬＬｏａｄ(λｐ)を式(１３)のように定義し計算しておくことで、予測式(１２)は式(１４)のように簡略化される。
【数１１】
2010016159.tif 000013
【００５４】
式(８)の形式にしておくと、発光スペクトルＩａ(λｐ)からそのときのプラズマ処理室の温度Ｔｎａを求めることができることがわかる。
【００５５】
なお、以上のような主成分解析で予測式(１１)または式(１４)を作製する場合には、ｘは３以上の任意の整数でよいが、本願発明の発明者らの経験に依れば、５≦ｘ≦１０が適当である。また、一例としてＳｐｑを分散・共分散行列の行列要素としたが、あるいは相関行列要素としてもよい。相関行列要素も一般によく知られた計算方法で求めてよい。相関行列を使用した場合、式(９)から式(１４)の計算方法が若干変わってくるが、具体的な方法は主成分解析の教科書などに書かれている、よく知られた手法を用いるとよい。（参考文献；Principal Component Analysis (Springer Series in Statistics I. T. Jolliffe 著)
【００５６】
また、式(１４)を見ると、ＬＬｏａｄ(λｐ)は波長λｐにおける比例係数となっていることが分かる。このことを用いて、|ＬＬｏａｄ(λｐ)|が大きくなる適切な波長を１つ以上数個程度まで選んで、それらを説明変数とした重回帰式などでＴｎａの予測式を作成しても良い。
【００５７】
次に図７(ｂ)の手順に移る。図７(ｂ)では、図２で説明したような通常の方法でロットを処理する（Ｓ１〜Ｓ４）。処理が完了したら、手順Ｓ９において最後のクリーニングＳ３で得られた発光スペクトルから、そのときのプラズマ処理室の温度Ｔｎを算出し、この値をＴｎＬと定義する。以上、図７(ａ)と図７(ｂ)の手順を行うことで、ロット前処理Ｓ１で達成すべき温度ＴｎＬが分かり、そのようなＴｎＬを得るためにどのようにロット前処理Ｓ１のプラズマ生成条件を決定すればよいかがわかる。
【００５８】
以上の解析方法は、プラズマ処理室内の部品温度Ｔｎａと発光スペクトルの関係を相関付けるための方法の一例であり、従来から知られているいかなる方法を用いてもよい。このようにして作成したモデル式を、モデル格納部２６に格納し、必要に応じてモデル格納部２６から読み出すことにより、プラズマ処理室の温度を算出することができる。
【００５９】
以上、プラズマの発光スペクトルを用いてプラズマ処理室の温度を計算する方法を述べたが、ここでプラズマ処理室の温度と相関付けるべきプラズマの発光スペクトルは、クリーニングＳ３以外であってもよく、例えば、プラズマ処理Ｓ２を開始してから十数秒以内のプラズマの発光スペクトルをプラズマ処理室の温度と相関付けてもよい。あるいはプラズマの発光スペクトルではなく、バルブ３、圧力計５、温度測定手段１５が測定した温度、プラズマ生成用チューナ９およびバイアス用チューナ１３などの装置データを発光スペクトルの代わりにプラズマ処理室温度と相関付けても、本願発明の実施は可能である。あるいは、発光スペクトルおよびこれらの装置データの両方を使用してもよい。
【００６０】
以上、本願発明によれば、プラズマ処理室内に温度測定器を取り付けなくても温度を測定することができ、これに従ってプラズマによる処理室の加熱条件を最適化することができるようになる。
【００６１】
［実施例３］第２の実施例では、ロット前処理Ｓ１においてどのような温度を実現すればプラズマ処理Ｓ２の再現性が高まるか、その目標温度の設定方法について述べたが、どの程度の精度で目標の温度を達成すればよいかについては明らかではない。そこでこの精度を算出する方法を、第３の実施例として以下に述べる。
【００６２】
第３の実施例では、図２におけるプラズマ処理Ｓ２の結果と、その直前のクリーニングＳ３において観測された温度との関係を相関付けることで許容可能な温度ゆらぎを算出する。
【００６３】
例として、プラズマ処理Ｓ２で半導体ウェハ上に形成されたトランジスタのゲート寸法を測定したとする。ｙ回目の処理でそのゲート寸法がＧｙであったとし、その直前のクリーニングＳ３において、プラズマ処理室の温度のセットが{Ｔｎｙ}であったとする。ゲート寸法Ｇｙと温度のセット{Ｔｎｙ}がｘ個得られたとする。これらの温度のセット{Ｔｎｙ}とゲート寸法Ｇｙとをデータ入力手段２４を介してデータベース２５に格納する。
【００６４】
この２つのデータを、演算部２４が例えば相関式(１５)などで結びつける。
【数１２】
2010016159.tif 000014
【００６５】
切片Ｇ０や係数(∂Ｇｋ/∂Ｔｋ)は一般的な重回帰分析で決定しても良いが、部品の温度は互いに相関を持つことが多いので、主成分回帰分析で決定すると好適である。これらの回帰分析の手法は、これまでに知られている一般的な手法を用いてよい。式(１５)が作成されたら、演算部２４はこの式をモデル格納部２６に格納する。
【００６６】
式(１５)から、プラズマ処理Ｓ２の処理結果であるゲート寸法とプラズマ処理室の温度との関係が得られたので、これを用いて目標のゲート寸法制度を実現するにはどのくらいの温度ゆらぎを許容できるかが計算できる。許容可能な温度範囲は、よく知られている誤差伝播則とプラズマ処理装置の性能に基づいて決定すればよい。これらの温度の境界条件をさらにデータベース２５に格納し、モデル格納部２６に格納された式(１５)と組み合わせることで、演算部２４が最適なロット前処理Ｓ１の条件を決定する。決定されたロット前処理Ｓ１の条件は表示部２２に表示され、装置使用者がそれを認識できるようにする。これを演算部２４が自動でロット前処理条件として実施してもよいし、装置使用者が手動で設定してもよい。
【００６７】
また、上記は一例として半導体ウェハ上のトランジスタのゲート寸法について述べたが、一般的に定量的に評価できるプラズマ処理の結果ならば、同様の手法を用いてプラズマ処理室の温度と相関付けることができる。
【００６８】
以上、本願発明の第３の実施例に依れば、プラズマ処理Ｓ２の処理精度を目標の値に維持するために、どの程度の温度ゆらぎを許容できるかを明確に決定することができるようになり、これに基づいてロット前処理Ｓ１におけるプラズマ生成条件を適切に決定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】一般的なプラズマ処理装置の構成を説明する概念図。
【図２】一般的なプラズマ処理手順の例。
【図３】プラズマ処理を繰り返したときに発生する、プラズマ処理室内の温度推移の例。
【図４】本願発明のプラズマ処理手順。
【図５】本願発明のプラズマ処理手順にしたがって処理した場合の、プラズマ処理室内の温度の推移の例。
【図６】本願発明を実施するための温度計算機を備えたプラズマ処理装置。
【図７】適切なプラズマ処理室の温度を決定するための処理手順。    (ａ)プラズマの発光スペクトルをプラズマ処理室の温度に関連付けるための処理手順。    (ｂ)ロット処理終了時のプラズマ処理室の温度を推定するための処理手順。
【符号の説明】
【００７０】
１：プラズマ処理室
２：ガス供給手段
３：バルブ
４：排気手段
５：圧力計
７：（アンテナ）
８：プラズマ生成用高周波電源
９：プラズマ生成用チューナ（整合器）
１１：ステージ
１２：バイアス用高周波電源
１３：バイアス用チューナ（整合器）
１４：温度調整機構
１５：温度測定機構
１６：コイル
１７：天板
２１：計算機
２４：演算部
２２：表示部
２４：入力部
２５：データベース
２６：モデル式格納部
３１：プロセスモニタ
３２：プロセスデータロガー
Ｐ：プラズマ
w：被処理物
Ｃ１：曲線（初期温度が低い場合の温度の変化を示す）
Ｃ２：曲線（初期温度が高い場合の温度の変化を示す）
Ｓ１：ロット前処理
Ｓ２：プラズマ処理
Ｓ３：クリーニング
Ｓ４：分岐
Ｓ５：ロット後処理
Ｓ６：分岐
Ｓ７：ロット前処理条件変更ステップ
Ｓ８：相関付けステップ
Ｓ９：ＴＮＬ算出ステップ
Ｓ１１：急速加熱ステップ
Ｓ１２：高精度温調ステップ
【図１】
2010016159.tif 000015
【図２】
2010016159.tif 000016
【図３】
2010016159.tif 000017
【図４】
2010016159.tif 000018
【図５】
2010016159.tif 000019
【図６】
2010016159.tif 000020
【図７】
2010016159.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月8日(2008.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
この問題に対処する技術として、プラズマ処理室の温度をプラズマにより制御する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−５１４３９０号公報
【特許文献２】特開２００６−２１０９４８号公報
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月7日(2008.10.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
処理を繰り返すうちに温度が上下しながら概略一定の温度ＴＡＬ，ＴＢＬ，ＴＣＬに達する様子が示されている。この温度をＴｎＬとすると、図２の手順におけるプラズマ処理Ｓ２で常にＴｎＬが実現されていれば、プラズマ処理を高精度に再現できることになる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
このとき観測されたプラズマの発光スペクトルを、Ｉ１(λｍ)、Ｉ２(λｍ) 、Ｉ３(λｍ)、…、Ｉｘ(λｍ)とする。Ｉｙ(λｍ)の意味は、発光スペクトルを観測する分光器のｍ番目のピクセルが波長λｍに対応し、その波長におけるｙ番目の実験でのプラズマの発光強度がＩｙ(λｍ)である、という意味である。