(57)【要約】【課題】装置外表面の温度が変化した場合でも、高精度にプラズマ状態をモニタして管理することができるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】高周波電源５から印加される電流と電圧と位相との少なくとも１つを計測する電気センサー７と、反応室としてのチャンバー１に絶縁されていない装置外表面１１に絶縁された状態で取り付けられ、装置外表面１１の温度を計測する温度センサー９ａと、この温度センサー９ａで計測された温度に基づき電気センサー７の計測値とプラズマ電気伝導性との少なくとも一方を補正して、プラズマ状態判定用のデータを算出し、この算出したデータに基づきプラズマ状態を判定するデータ処理装置８とを備えた。これにより、プラズマ処理による装置外表面１１の温度上昇による、電気センサー７計測値の補正を可能とし、高精度にプラズマ状態をモニタすることができる。【選択図】        図１
2004335594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理をする反応室と、前記反応室内にプラズマを発生させるエネルギー源である電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源から供給される電力を前記反応室内に伝達させる電極と、前記高周波電源と前記電極との間に備えられ前記高周波電源から印加される電流と電圧と位相との少なくとも１つを計測する電気センサーと、前記反応室と絶縁されていない装置外表面に絶縁された状態で取り付けられ前記装置外表面の温度を計測する温度センサーと、前記温度センサーで計測された温度に基づき前記電気センサーの計測値とプラズマの電気伝導度との少なくとも一方を補正してプラズマ状態判定用のデータを算出するデータ演算手段と、前記データ演算手段で算出したデータに基づきプラズマ状態を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
データ演算手段は、電気センサーで計測された電流Ｉと電圧Ｖとを、装置外表面に設けた温度センサーで検知した検知温度Ｔに基づいて、それぞれ検知温度Ｔの１次以上の多項式
【数１】
2004335594.tif 000006
を用いて補正することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
データ演算手段は、電気センサーで計測された電流Ｉを振幅Ｉ０と位相角φとに分解するとともに、電気センサーで計測された電圧Ｖを振幅Ｖ０と位相角θとに分解し、（Ｖ０／Ｉ０）×ｃｏｓ（θ−φ）をプラズマの電気伝導度Ｚとした場合に、装置外表面に設けた温度センサーによる検知温度Ｔに基づいて、前記電気伝導度Ｚを検知温度Ｔの１次以上の多項式
【数２】
2004335594.tif 000007
を用いて補正することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
データ演算手段は、１回のプラズマ放電継続時における電気センサーで計測された電流Ｉ、電圧Ｖについてそれぞれ平均電流Ｉｃ、平均電圧Ｖｃを算出し、装置外表面に設けた温度センサーによる検知温度Ｔに基づいて、平均電流Ｉｃ、平均電圧Ｖｃを、それぞれ検知温度Ｔの１次以上の多項式
【数３】
2004335594.tif 000008
を用いて補正することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
データ演算手段は、電気センサーで計測された電流Ｉを振幅Ｉ０と位相角φとに分解するとともに、電圧Ｖを振幅Ｖ０と位相角θとに分解し、（Ｖ０／Ｉ０）×ｃｏｓ（θ−φ）をプラズマの電気伝導度Ｚとした場合に、１回のプラズマ放電継続時におけるプラズマの電気伝導度Ｚについての平均値Ｚｃを算出し、装置外表面に設けた温度センサーによる検知温度Ｔに基づいて、電気伝導度平均値Ｚｃを、それぞれ検知温度Ｔの１次以上の多項式
【数４】
2004335594.tif 000009
を用いて補正することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
データ演算手段は、検知温度Ｔの１次以上の多項式と、所定の基準温度Ｔｄにおける電流Ｉ（Ｔｄ）、電圧Ｖ（Ｔｄ）とを用いて補正することを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
データ演算手段は、検知温度Ｔの１次以上の多項式と、所定の基準温度Ｔｄにおけるプラズマ電気伝導度Ｚ（Ｔｄ）とを用いて補正することを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
データ演算手段は、検知温度Ｔの１次以上の多項式と、所定の基準温度Ｔｄにおける平均電流Ｉｃ（Ｔｄ）、平均電圧Ｖｃ（Ｔｄ）とを用いて補正することを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
データ演算手段は、検知温度Ｔの１次以上の多項式と、所定の基準温度Ｔｄにおける平均プラズマ電気伝導度Ｚｃ（Ｔｄ）とを用いて補正することを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体や液晶などの薄膜デバイスの製造工程などに用いるプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ処理装置について、図５を用いて説明する。図５は従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す図である。図５において、５０はプラズマを発生させてプラズマ処理をするための反応室であるチャンバー、５１はチャンバー５０内の上部に取り付けられた上部電極、５２はチャンバー５０内で上部電極５１と対向して取り付けられた下部電極、５３は下部電極５２上に設置された処理対象物、５４はチャンバー５０内の上部電極５１と下部電極５２との間にプラズマを発生させるための高周波電力を供給する高周波電源、５５は下部電極５２と高周波電源５４との間に設置され、プラズマの発生を安定させる高周波整合器、５６は下部電極５２と高周波整合器５５との間に設置され、高周波電源５４から下部電極５２へ印加された電流と電圧とを計測する電気センサー、５７は電気センサー５６で計測したデータを取り込み処理するデータ処理装置である。
【０００３】
従来のプラズマ処理装置では、チャンバー５０内を真空排気する真空ポンプ（図示せず）にてチャンバー５０内を真空状態にし、チャンバー５０内にガス供給源（図示せず）から所望のガスを供給し、高周波電源５４から高周波電力を供給し、高周波整合器５５にてインピーダンス整合をし、上部電極５１と下部電極５２との間に、例えば１３．５６ＭＨＺの高周波電力を印加することにより、チャンバー５０内にプラズマを励起し、処理対象物５３である半導体や液晶などの薄膜デバイスにエッチングあるいは成膜等の表面処理を行っていた。
【０００４】
また、電気センサー５６により電流および電圧を計測し、電気センサー５６で計測された電流および電圧をプラズマ状態判定用のデータとしてデータ処理装置５７に取り込み、電気センサー５６で計測した電流および電圧のデータからインピーダンスを検出して前記高周波電力の印加状態の異常判定を行っていた。このように高周波電力の印加状態の異常判定を行うことにより、高周波整合器５５に整合異常が発生して、投入された高周波電力が１００％の効率で上部電極５１と下部電極５２とに伝達されない場合に、電流、電圧の監視を行うことにより高周波電力の異常を検出することが可能であり、投入電力異常による加工不良を防止することが可能であった。
【０００５】
さらに、１つの処理対象物５３毎、例えば１枚のウェハ毎で、電気センサー５６によって計測された電流および電圧を分離し、それぞれ時間平均処理などを施した後、品種情報を付加することにより、処理対象物５３が処理されることによって生じるプラズマ処理状態やウェハ処理情報の変化をモニタしていた（例えば、特許文献１参照）。そして、異常状態を検出したならば、ブザーやシグナルタワーなどの警報として外部出力することで、プラズマ処理を停止したり、あるいは自動でプラズマ処理装置を停止させたりしていた。
【０００６】
しかしながら、近年、シリコンウェハや液晶用ガラス基板などの配線パターンの微細化や大型化が急速に進んでおり、半導体や液晶などの薄膜デバイス製造におけるプラズマ処理、例えばエッチングや成膜に際しては、基板全面にわたって均一なエッチングあるいは成膜をすることが極めて重要な課題となってきている。特に半導体デバイス分野では半導体デバイスの高集積化に伴い、半導体デバイスの微細化は進む一方であり、エッチングあるいは成膜の分野でも高品質で信頼性の高い処理工程を必要とするようになってきており、比較的低温処理が可能で高精度加工が可能なプラズマ処理においても、高精度の加工を行うためにはプラズマ状態を常に安定な状態に維持しておく必要があった。さらに、プラズマエッチング加工の微細化に伴い、プラズマ状態をエッチング加工途中で把握し、より精度良く加工形状をコントロールすることが必要であり、プロセス異常・プロセス変化などのプロセス現象を詳細に把握する必要がでてきた。
【０００７】
ここで、従来のプラズマ処理装置における、計測データからプラズマ状態を管理するための情報を抽出する方法について説明する。従来、プラズマ処理装置のチャンバー５０内壁の温度は一定温度に制御されているが、その外表面温度は制御されていない。また、高周波電源５１から供給される電流は装置外表面を通過して接地されており、プラズマ処理が連続で行われると、この高周波電流が装置外表面をリターン波として流れて装置外表面の温度が上昇し、インピーダンスも上昇する。この装置外表面の温度変化に伴い、電気センサー５６で計測される電流、電圧が変化するため、プラズマ状態を管理するには、その計測値の変化幅を考慮して広い管理限界を設定しなければならなかった。
【０００８】
しかしながら、上記理由のために管理限界を広く設定することにより、誤った異常検出は発生しないものの、実際には異常が発生していた処理対象物５３を異常として検出できないことがあるなど、プロセス異常・プロセス変化などのプロセス現象を正確に把握することが困難であった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２７０５８１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のプラズマ処理装置では、プラズマ処理を行う際、高周波電源５１からの高周波電流が装置外表面をリターン波として流れた場合には、その作用により装置外表面の温度上昇が発生し、プラズマ状態の変化とは無関係にインピーダンスが上昇する。また、電気センサーによる計測値は装置外表面の温度に依存して変化している。例えば、装置外表面温度が高い場合、電流、電圧計測値も高くなる。したがって、従来のプラズマ処理装置では、装置外表面の温度変化に伴って電気センサーの計測値の変化が存在することに起因して、広い管理限界の設定をしなくてはならず、このために高精度なプロセス状態の判定ができなくなり、結果として、例えば異常状態の処理を正常と誤判定することで、不良品を後工程に流出するおそれがあるといった問題を生じていた。
【００１１】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、装置外表面の温度が変化した場合でも、高精度にプラズマ状態をモニタして管理することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するもので、プラズマ処理をする反応室と、前記反応室内にプラズマを発生させるエネルギー源である電力を供給する高周波電源と、前記高周波電源から供給される電力を前記反応室内に伝達させる電極と、前記高周波電源と前記電極との間に備えられ前記高周波電源から印加される電流と電圧と位相との少なくとも１つを計測する電気センサーと、前記反応室と絶縁されていない装置外表面に絶縁された状態で取り付けられ前記装置外表面の温度を計測する温度センサーと、前記温度センサーで計測された温度に基づき前記電気センサーの計測値とプラズマの電気伝導度との少なくとも一方を補正してプラズマ状態判定用のデータを算出するデータ演算手段と、前記データ演算手段で算出したデータに基づきプラズマ状態を判定する判定手段とを備えたことを特徴とし、この構成により、装置外表面の温度が変化した場合でも、この温度に基づいて、電気センサーの計測値とプラズマ電気伝導度との少なくとも一方を補正してプラズマ状態判定用のデータを得ることができるので、この判定用データによりプラズマ状態を高精度に判定することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。
このプラズマ処理装置は、プラズマを発生させる反応室であるチャンバー１内の上部にとりつけられた上部電極２と、この上部電極２に相対向して設けられ、被処理基板３が設置される下部電極４と、チャンバー１内を真空排気する真空ポンプ（図示せず）と、チャンバー１内に所望のガスを供給するガス供給源（図示せず）と、前記上部電極２と下部電極４との間に高周波電力を供給し、プラズマを発生する高周波電源５とを具備してなる。なお、１１は、プラズマ処理装置の外表面（装置外表面という）である。
【００１５】
また、下部電極４は高周波整合器６を介して高周波電源５に接続されており、下部電極４と上部電極２との間にＲＦ高周波（例えば１３．５６ＭＨｚ）を印加することにより、チャンバー１内にプラズマを励起しエッチングあるいは成膜等の表面処理を行うように構成されている。
【００１６】
そしてさらに高周波電源５と下部電極４との間に、プラズマの電気的特性（例えば電流、電圧、位相など）を計測する電気センサー７が取り付けられており、電気センサー７で計測されたデータは、データ演算手段としての機能をも有する例えば電子計算機などのデータ処理装置８に取り込まれて処理される。
【００１７】
また、チャンバー１と絶縁されていない装置外表面１１に、装置外表面１１の温度を計測する３つの温度センサー９ａ、９ｂ、９ｃが、チャンバー１と絶縁された状態で取り付けられており、温度センサー９ａ、９ｂ、９ｃで計測されたデータはデータ処理装置８に取り込まれて処理される。
【００１８】
図２はこのプラズマ処理装置における温度計測手段の取り付け例を示す。この図に示すように、プラズマ処理装置におけるチャンバー１と絶縁されていない装置外表面１１に、プラズマ処理装置を組み立てる際に用いられているネジ部１２に、表面を絶縁処理した熱電対１３を挿入することにより、プラズマ処理装置の外表面の温度計測を行っている。そして、前記熱電対１３により各温度センサー９ａ、９ｂ、９ｃをそれぞれ構成している。ここで、温度センサー９ａ、９ｂ、９ｃは、高周波電源５で印加された高周波電流が絶縁されていない装置外表面１１をリターン波として通過することによる温度上昇を的確に捉える必要があるので、温度センサー９ａ、９ｂ、９ｃは、絶縁されていない装置外表面１１に、絶縁された状態で設置されている。
【００１９】
なお、上記の実施の形態では、熱電対１３をネジ部１２に挿入した場合について述べたが、これに限るものではなく、上述したように温度センサー９ａ、９ｂ、９ｃが絶縁されていない装置外表面１１に絶縁された状態で設置されていればよいことはもちろんである。
【００２０】
図３は同プラズマ処理装置を簡易的に高周波回路に見たてた場合の等価電気回路を示す図である。この図３において、２１はチャンバー１の外壁など、チャンバー１と絶縁されていない装置部分を電気回路として示した抵抗、２２、２３はチャンバー１内のプラズマバルクと電極との間に発生するプラズマシースを電気回路として表したコンデンサ、２４はチャンバー１内のプラズマバルクを電気回路として表した抵抗であり、抵抗２４はプラズマバルクの電気の伝わりやすさを表すものであるため、電気伝導度と表現することとする。２５はプラズマ処理される対象物、例えばウェハを電気回路として表した抵抗、７は電気センサー、２７は高周波整合器６を電気回路として表したものである。
【００２１】
電気センサー７により計測された電流と電圧は、例えば１３．５６ＭＨｚの交流波形で取り込まれ、電流をＩ、電圧をＶとすると、電流Ｉと電圧Ｖとは下記の計算式（数１１）で表すことができる。
（数１１）
Ｉ＝Ｉ０×ｓｉｎΦ
Ｖ＝Ｖ０×ｓｉｎθ
ここでＩ０は電流の振幅、Φは電流の位相角、Ｖ０は電圧の振幅、θは電圧の位相角である。電気伝導度Ｚは上記の計算式（数１１）より下記の計算式（数１２）で求めることができる。
（数１２）
Ｚ＝（Ｖ０／Ｉ０）×ｃｏｓ（θ−Φ）
上述のようにプラズマ処理装置を図３のように等価電気回路モデルとし、回路方程式を演算することで、電気センサー７で計測された電流Ｉ、電圧Ｖから求めた電気伝導度Ｚがチャンバー１内のプラズマバルクを電気回路として表した抵抗２４と等価となる。
【００２２】
プラズマの電気伝導度Ｚとプラズマ電子密度とは反比例関係にあり、電気センサー７によって計測される電流Ｉ、電圧Ｖから電気伝導度Ｚをデータ処理装置８によって求め、チャンバー１の側壁などに付着する反応生成物の状態によって電気伝導度Ｚが変化するため、プラズマの電気伝導度Ｚを監視することにより、プラズマの状態やウェハの状態の監視を行っている。
【００２３】
次に、電気センサー７により計測されるデータを、温度センサー９ａにより計測した温度Ｔの多項式で補正する方法について説明する。
まず、過去に計測されたプラズマ放電継続時のプラズマの電気伝導度平均値Ｚｃと温度Ｔとを複数サンプルとして得て、図４のようにグラフにプロットする。プロットされた電気伝導度平均値Ｚｃと温度Ｔとの関係を表すグラフに対し、例えば重回帰分析を用いて、以下に示す（数５）のような近似曲線を求める。
【００２４】
【数５】
2004335594.tif 000003
ここで、Ｎは１以上の整数、Ｚｃｒは温度Ｔにおける電気伝導度基準値である。
【００２５】
この時、Ｎの値を大きくして電気伝導度基準値Ｚｃｒを温度Ｔの高次式として近似曲線のフィッティングを行ってもよいが、次数を上げ過ぎてオーバーフィッティングしてしまうことに注意しなくてはならない。例えば、電気伝導度基準値Ｚｃｒを温度Ｔの１次式とした場合、近似曲線は以下に示す（数１３）のような直線として算出される。
【００２６】
（数１３）
Ｚｃｒ＝α１Ｔ＋α０
次に電気センサー７から計測されるデータを温度センサー９ａにより計測される温度Ｔａおよび、前記多項式（数１３）により、ある一定の温度Ｔｄにおける値に補正する方法について説明する。
【００２７】
まず、プラズマ処理時に装置外表面温度Ｔａとプラズマ電気伝導度の平均値Ｚｃとを計測する。次に、計測された装置外表面温度Ｔａを（数１３）に代入し、電気伝導度基準値Ｚｃｒを算出する。次に、算出された電気伝導度基準値Ｚｃｒと計測されたプラズマ電気伝導度の平均値Ｚｃとの差を算出し、その差を装置外表面温度Ｔａでの（数１３）によるプラズマ電気伝導度の平均値Ｚｃｒに（数１４）のように加えることにより補正を行う。
【００２８】
（数１４）
Ｚｃｈ＝Ｚｃｒ（Ｔｄ）＋（Ｚｃ−Ｚｃｒ（Ｔａ））
ここで、Ｚｃｈは補正後のプラズマ電気伝導度の平均値である。
【００２９】
そして、電気センサー７により計測されたデータを全てある一定の温度を基準として補正を行った判定用データと管理基準値とを比較処理する。管理基準値は事前に実験などでプロセス異常状態をつくり出して、正常状態との境界値として予め求めた値である。
【００３０】
そして、前記判定用データと管理基準値とを比較処理した結果、異常状態であればブザーやシグナルタワーなどの警報として外部出力することで、プラズマ処理を停止したり、あるいは自動でプラズマ処理装置を停止させたりする。
【００３１】
このように、装置外表面１１の温度Ｔが変化した場合でも、この温度Ｔに基づいて、プラズマ電気伝導度Ｚｃｒを補正して正確なプラズマ状態判定用のデータ（プラズマ電気伝導度の平均値Ｚｃｈ）を得ることができるので、この判定用データによりプラズマ状態を高精度に判定することが可能となる。
【００３２】
なお、上記実施の形態では、電気伝導度基準値Ｚｃｒを温度Ｔの１次式とした場合を述べたが、これに限るものではなく、上述したように２次式以上の近似曲線として算出させてもよい。また、上記実施の形態では、プラズマ放電継続時のプラズマの電気伝導度平均値Ｚｃと温度Ｔとを複数サンプルとして得て、プロットされた電気伝導度平均値Ｚｃと温度Ｔとの関係を表すグラフに対して、近似曲線を求めた場合を述べたが、単に、プラズマ放電継続時のプラズマの電気伝導度Ｚと温度Ｔとを複数サンプルとして得て、プロットされた電気伝導度平均値と温度Ｔとの関係を表すグラフに対して、近似曲線を求めてもよいことはもちろんである。
【００３３】
また、上記実施の形態では、温度センサー９ａの検知温度に基づき、プラズマ電気伝導度の平均値Ｚｃｒを補正して、プラズマ状態判定用のデータを得た場合を述べたが、これに限るものではなく、データ演算手段としてのデータ処理装置８により、電気センサー７で計測した電気的特性である電流Ｉと電圧Ｖ（または平均電流値Ｉｃと平均電圧値Ｖｃ）とを、装置外表面１１に設けた温度センサー９ａで検知した検知温度Ｔに基づいて、それぞれ検知温度Ｔの１次以上の多項式
【００３４】
【数６】
2004335594.tif 000004
または
【００３５】
【数７】
2004335594.tif 000005
を用いて補正してもよく、同様に所定の基準温度での補正した電流Ｉと電圧Ｖ（または平均電流値Ｉｃと平均電圧値Ｖｃ）とを用いることでプラズマ状態を高精度に判定することが可能となる。
【００３６】
また、上記実施の形態では、１つの温度センサー９ａで検知した温度に基づいて補正したが、これに限るものではなく、複数の温度センサー（例えば温度センサー９ａ，９ｂ，９ｃ）で検知した装置外表面１１の温度に基づいて補正してもよいことはいうまでもない。
【００３７】
また、温度センサー９ａで検知した温度に基づいて、電流Ｉまたは電圧Ｖの一方だけを補正する場合でも、全く補正しない場合と比べると、プラズマ状態を良好に判定することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、反応室と絶縁されていない装置外表面に、前記反応室と絶縁された状態で、装置外表面の温度を計測する温度センサーを設け、この温度センサーの計測温度に基づき、前記電気センサーの計測値とプラズマ電気伝導度との少なくとも一方を補正して、プラズマ状態判定用のデータを取得することで、プラズマ処理による装置外表面の温度上昇による、電気センサー計測値の補正を可能とし、高精度にプラズマ状態をモニタすることができて、この要因以外の要因による電気センサー計測値の変化の抽出が可能となる。これにより、プラズマ処理により装置外表面の温度変動が生じた場合でも、プロセス異常・プロセス変化などのプロセス現象を正確かつ高精度に把握することができ、不良品を後工程に流出することを確実に防止できて、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。
【図２】同プラズマ処理装置における温度計測手段の取り付け例を示す図である。
【図３】同プラズマ処理装置の等価回路例を示す図である。
【図４】同プラズマ処理装置における電気伝導度と装置外表面温度との関係を示す図である。
【図５】従来のプラズマ処理装置を示す図である。
【符号の説明】
１        チャンバー（反応室）
２        上部電極
３        被処理基板
４        下部電極
５        高周波電源
７        電気センサー
８        データ処理装置（データ演算手段および判定手段）
９ａ、９ｂ、９ｃ    温度センサー
１１      装置外表面（プラズマ処理装置の外表面）
【図１】
2004335594.tif 000010
【図２】
2004335594.tif 000011
【図３】
2004335594.tif 000012
【図４】
2004335594.tif 000013
【図５】
2004335594.tif 000014