(57)【要約】【課題】１回の枚葉プラズマ処理の中でプラズマプロセスのゆらぎやばらつきを精緻に抑制する。【解決手段】ＯＥＳ計測部１１０は、各ステップの終了時または終了直後に分光計測値ＭＯＥＳiを出力する。ＣＤ推定部１４０は、推定モデル記憶部１４２より取り込むＣＤ推定モデルＡＭiと分光計測値ＭＯＥＳiとを用いて各ステップ分のＣＤ推定値ＡＣＤiを求める。プロセス制御部１３２は、次のステップにおいて、レシピ記憶部１３６より取り込んだ次のステップ分のプロセス条件設定値ＰＣi+1および制御モデル記憶部１３８より取り込んだ次のステップ分のプロセス制御モデルＣＭi+1に加えて、ＣＤ推定部１４０より受け取った前ステップ分のＣＤ推定値ＡＣＤiを制御対象１３０の自動制御に用いる。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚の被処理基板に対するプラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定するプラズマ処理装置であって、
前記基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
各ステップ毎に前記プロセス条件にしたがって前記処理容器内で処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
所定のプロセス結果について各ステップ毎に目標値を設定する目標値設定部と、
前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測するプラズマ計測部と、
各ステップの終了後に、前記プラズマ計測部より得られる分光計測値から当該ステップにおける前記プロセス結果の値を推定するプロセス結果推定部と、
各ステップの次のステップにおいて、前記目標値設定部より与えられる次のステップ分の前記プロセス結果目標値と前記プロセス結果推定部より与えられる各ステップ分の前記プロセス結果推定値とに基づいて、前記プロセス条件の中の少なくとも１つをプロセスパラメータとして調整するプロセス制御部と
を有するプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記プロセス結果推定部が、実験計画法を利用して重回帰分析により求められる第１の統計的モデルを用いて、前記プロセス結果推定値を求める、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記第１の統計的モデルが、前記プロセス条件および前記プロセスパラメータに応じて設定され、各ステップ毎に切り換えられる、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記プロセス制御部が、実験計画法を利用して重回帰分析により求められる第２の統計的モデルを用いて、前記プロセスパラメータの補正値を求める、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記第２の統計的モデルが、前記プロセス条件および前記プロセスパラメータに応じて設定され、各ステップ毎に切り換えられる、請求項４に記載のプラズ処理装置。
【請求項６】
各ステップにおける前記プロセス結果の値を測定するプロセス結果測定部を有し、前記プロセス結果測定部より得られるプロセス結果測定値に基づいて前記第１の統計的モデルを修正する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
最後のステップにおける前記プロセス結果推定値に基づいて前記基板に対する前記プラズマ処理の良否判定を行う判定部を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記プラズマ計測部が、プラズマに含まれる特定の分光スベクトルの値を前記分光計測値として求める、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記プラズマ計測部が、プラズマに含まれる第１および第２の分光スベクトルの比を前記分光計測値として求める、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記プラズマ計測部が、プラズマに含まれる一定の波長範囲内の全スペクトルの積分値を前記分光計測値として求める、請求項１〜７のいずれか一項記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
１枚の被処理基板に対するプラズマ処理のためのプロセス条件を設定するプロセス条件設定部と、
前記プロセス条件にしたがって前記処理容器内で処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
所定のプロセス結果について目標値を設定する目標値設定部と、
前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測し、一定時間置きに分光計測値を算出するプラズマ計測部と、
前記プラズマ計測部より得られる分光計測値から一定時間置きに前記プロセス結果の値を予測するプロセス結果予測部と、
前記目標値設定部より与えられる前記プロセス結果目標値と前記プロセス結果予測部より一定時間置きに与えられる前記プロセス結果予測値とに基づいて、当該ステップにおける前記プロセス条件の中の少なくとも１つをプロセスパラメータとして調整するプロセス制御部と
を有するプラズマ処理装置。
【請求項１２】
１枚の被処理基板に対するプラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定するプラズマ処理方法であって、
所定のプロセス結果について各ステップ毎に目標値を設定する工程と、
各ステップ毎に前記プロセス条件にしたがい、基板を出し入れ可能に収容する処理容器内で処理ガスのプラズマを生成する工程と、
前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測して分光計測値を求める工程と、
各ステップの終了後に、前記分光計測値から当該ステップにおける前記プロセス結果の値を推定する工程と、
各ステップの次のステップにおいて、当該次のステップ分の前記プロセス結果目標値と各ステップ分の前記プロセス結果推定値とに基づいて、前記プロセス条件の中の少なくとも１つをプロセスパラメータとして調整する工程と
を有するプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＰＣを用いるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、半導体デバイスやフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）等の製造に用いられているプラズマ処理装置は、素子の微細化と基板の大型化に伴って、プロセスウィンドウが益々狭くなり、他方で生産性および装置性能の一層の向上を求められている。
【０００３】
このような背景の中で、同じプロセスを繰り返し行っても毎回同じプロセス結果が得られるようにするプロセス制御、つまりゆらぎやばらつきのないプロセス制御の手法がプラズマ処理装置に徐々に導入されつつある。この種のプロセス制御において対象となるばらつきには、原因面からみればプロセス条件のドリフトや装置間またはチャンバ間の機差等があり、現象面からみればロット間ばらつきやロット内ばらつき、さらにはクリーニングまたはシーズニング前後のばらつき等がある。
【０００４】
このようなばらつきを抑制する対策として、当初は、所与の枚葉プラズマ処理のためのプロセス条件と手順を指示するレシピの中にロット単位またはウエハ単位で特定のプロセス条件を逐次補正する割合（補正量）を予め設定しておいて、そのレシピテーブルを参照しながらプロセスを実行する手法が採られていた。しかし、この手法は、レシピテーブルに盛り込む補正量を固定値に設定するため、様々な外乱に対する適応性と適確性に乏しく、ゆらぎのあるプラズマプロセスを精緻に制御することは困難であった。
【０００５】
そこで、最近は、プロセス変動をフィードバック制御やフィードフォワード制御によって抑制するＡＰＣ（Advanced Process Control）の技術を採用するプラズマ処理装置が増えてきている。特に、ＭＯＳトランジスタの特性を左右する最も重要なパラメータであるゲート電極の幅はゲートＣＤ（Critical Dimension）と称され、ゲートエッチング用のプラズマエッチング装置ではゲートＣＤのばらつきを抑制するためのＡＰＣを搭載するものが徐々に増えている。
【０００６】
プラズマ処理装置に用いられている従来のＡＰＣは、１回の枚葉プラズマ処理において処理中の装置状態をIn-Situセンサによりモニタリングし、処理の終了後に加工結果推定モデルを用いてIn-Situセンサの測定値を基にプロセス結果（たとえばＣＤ値）を推定する。そして、プロセス結果の推定値と目標値との間の偏差に応じて、次回の枚葉プラズマ処理ではその偏差を零に近づけるようにプロセス条件の値を補正するようにしている（たとえば特許文献１）。あるいは、プロセス結果の目標値に対する最適なプロセス条件の値を演算するための最適レシピ計算モデルを備え、プロセス条件の値を補正する代わりに、偏差に応じて最適レシピ計算モデルを修正する手法も提案されている（たとえば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１７４７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１１９７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、プラズマ処理装置における従来のＡＰＣは、枚葉プラズマ処理単位つまりウエハ単位でフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御を行う、いわゆるRun-to-Run方式であり、１枚のウエハに対する１回の枚葉プラズマ処理の中でフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御を行うリアルタイム方式ではない。このため、１回の枚葉プラズマ処理の中でプロセス条件ないしレシピが切り換わるようなアプリケーショには対応できない。したがって、たとえば、多層の膜を複数のステップで連続的にエッチング加工する多層レジスト法においてＣＤのゆらぎやばらつきを精緻に抑制するようなことはできない。
【０００９】
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、１回の枚葉プラズマ処理の中で機能するＡＰＣによりプラズマプロセスのゆらぎやばらつきを精緻に抑制できるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
【００１０】
特に、本発明は、１回の枚葉プラズマ処理をレシピの異なる複数のステップに分割するマルチステップ方式に好適に適用できるＡＰＣ機能付きのプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点におけるプラズマ制御装置は、１枚の被処理基板に対するプラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定するプラズマ処理装置であって、前記基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、各ステップ毎に前記プロセス条件にしたがって前記処理容器内で処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、所定のプロセス結果について各ステップ毎に目標値を設定する目標値設定部と、前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測するプラズマ計測部と、各ステップの終了後に、前記プラズマ計測部より得られる分光計測値から当該ステップにおける前記プロセス結果の値を推定するプロセス結果推定部と、次のステップにおいて、前記目標値設定部より与えられる当該ステップ分の前記プロセス結果目標値と前記プロセス結果推定部より与えられる前ステップ分の前記プロセス結果推定値とに基づいて、当該ステップにおける前記プロセス条件の中の少なくとも１つをプロセスパラメータとして調整するプロセス制御部とを有する。
【００１２】
本発明の第１の観点におけるプラズマ制御方法は、１枚の被処理基板に対するプラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定するプラズマ処理方法であって、所定のプロセス結果について各ステップ毎に目標値を設定する工程と、各ステップ毎に前記プロセス条件にしたがい、基板を出し入れ可能に収容する処理容器内で処理ガスのプラズマを生成する工程と、前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測して分光計測値を求める工程と、各ステップの終了後に、前記分光計測値から当該ステップにおける前記プロセス結果の値を推定する工程と、各ステップの次のステップにおいて、当該次のステップ分の前記プロセス結果目標値と各ステップ分の前記プロセス結果推定値とに基づいて、前記プロセス条件の中の少なくとも１つをプロセスパラメータとして調整する工程とを有する。
【００１３】
上記第１の観点においては、プロセス結果の目標値の設定、プラズマ発光の分光計測、プロセス結果の値の推定およびプロセスパラメータの調整を全てステップ単位で行うので、１回の枚葉プラズマ処理の中でステップ間制御を行うＡＰＣを構築することができる。
【００１４】
本発明の第２の観点におけるプラズマ制御装置は、前記基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、１枚の被処理基板に対するプラズマ処理のためのプロセス条件を設定するプロセス条件設定部と、前記プロセス条件にしたがって前記処理容器内で処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、所定のプロセス結果について目標値を設定する目標値設定部と、前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測し、一定時間置きに分光計測値を算出するプラズマ計測部と、前記プラズマ計測部より得られる分光計測値から一定時間置きに前記プロセス結果の値を予測するプロセス結果予測部と、前記目標値設定部より与えられる前記プロセス結果目標値と前記プロセス結果予測部より一定時間置きに与えられる前記プロセス結果予測値とに基づいて、当該ステップにおける前記プロセス条件の中の少なくとも１つをプロセスパラメータとして調整するプロセス制御部とを有する。
【００１５】
上記第２の観点においては、プロセス結果の目標値の設定、プラズマ発光の分光計測、プロセス結果の値の予測およびプロセスパラメータの調整を全て一定時間置きに行うので、リアルタイム制御を行うＡＰＣを構築することができる。
【００１６】
本発明において、リアルタイム制御とは、高速に処理を行うシステムという意味ではなく、決められた時間に合わせて結果を出すといった、時間に関しての制約条件が要求される制御のことである。ここで、決められた時間とは、ロット単位、ウエハ単位、レシピ単位、レシピ内のステップ単位、秒単位、ミリ秒単位等を指す。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法によれば、上記のような構成および作用により、１回の枚葉プラズマ処理の中で機能するＡＰＣによりプラズマプロセスのゆらぎやばらつきを精緻に抑制することが可能であり、特にマルチステップ方式において大なる利点をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明におけるプラズマ処理装置の適用可能なクラスタツール方式の真空処理装置のレイアウトを示す図である。
【図２】図１のクラスタツール方式の真空処理装置にプロセス・モジュールとして搭載可能なマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図３】上記マイクロ波プラズマ処理装置で実施可能な多層レジスト法の一例を示す図である。
【図４】上記多層レジスト法のエッチング加工で用いられるレシピの一例を示す図である。
【図５】上記多層レジスト法のエッチング加工で各ステップ毎にＣＤの目標値が設定される例を示す図である。
【図６】上記マイクロ波プラズマ処理装置に搭載されるＡＰＣ機構の好適な一実施例を示すブロック図である。
【図７】図６のＡＰＣ機構の主な処理手順を示すフローチャート図である。
【図８】実施例でステップ毎にプラズマ条件設定値、ＣＤ目標値、プロセス制御モデルおよびＣＤ推定値を切り換える仕組みを表で示す図である。
【図９Ａ】プロセスパラメータとＣＤ実測値との間の相関関係（第１の関数）を表わす図である。
【図９Ｂ】プロセスパラメータと分光計測値との間の相関関係（第２の関数）を表わす図である。
【図９Ｃ】分光計測値とＣＤ実測値との間の相関関係（第３の関数）を表わす図である。
【図１０】実施例のＣＤ推定モデルをＰＬＳＲ法により構築する手順を示すフローチャート図である。
【図１１】ＯＥＳ計測部より得られるＯＥＳデータ（分光計測値）の３次元スペクトルを示す図である。
【図１２】ある時点でのＯＥＳのスペクトルを示す図である。
【図１３】特定波長のスペクトルの時間軸上の変化を示すプロット図である。
【図１４】ＰＬＳＲのＣＤ推定モデルを用いてＣＤ推定値を得るオンライン上の信号処理の手順を示すフローチャート図である。
【図１５】ＣＤ推定値とＣＤ実測値のプロット図である。
【図１６】図１５のデータをプロットした散布図である。
【図１７】上記マイクロ波プラズマ処理装置に搭載されるＡＰＣ機構の好適な別の実施例を示すブロック図である。
【図１８】図１７のＡＰＣ機構の主な処理手順を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
［実施形態におけるマルチチャンバシステム］
【００２０】
図１に、本発明におけるプラズマ処理装置を適用できるマルチチャンバシステムの一構成例としてのクラスタツール方式の真空処理装置を示す。この真空処理装置は、クリーンルーム内に設置され、装置奥行き方向に延びる略五角形状のプラットホームまたは真空搬送室ＰＨの周りにたとえば４台のプロセス・モジュールＰＭ1，ＰＭ2，ＰＭ3，ＰＭ4と２台のロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbとをクラスタ状に配置している。
【００２１】
より詳細には、真空搬送室ＰＨには、図の左側の長辺に２台のプロセス・モジュールＰＭ1，ＰＭ2がゲートバルブＧＶ1，ＧＶ2を介してそれぞれ連結され、図の右側の長辺に２台のプロセス・モジュールＰＭ3，ＰＭ4がゲートバルブＧＶ3，ＧＶ4を介してそれぞれ連結され、図の下側にハの字に延びる一対の短辺にロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbがゲートバルブＧＶa，ＧＶbを介してそれぞれ連結されている。
【００２２】
プロセス・モジュールＰＭ1，ＰＭ2，ＰＭ3，ＰＭ4は、図示しない各専用の排気装置により室内が可変の圧力で常時減圧状態に保たれる真空チャンバ１０を有しており、典型的には室内の中央部に配置した載置台またはサセプタ（図示せず）の上に１枚の被処理基板たとえば半導体ウエハＷを載せ、所定の用力（処理ガス、電力、減圧等）を用いて所望の枚葉プラズマ処理、たとえばドライエッチング加工、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）あるいはスパッタ等の真空成膜処理、熱処理、アッシング、半導体ウエハ表面のクリーニング処理等を行うようになっている。
【００２３】
ロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbは、それぞれドアバルブＤＶC，ＤＶdを介して後述するローダ搬送室ＬＭの大気搬送室とも連通できるようになっており、それぞれのロードロック室２０２内にローダ・モジュールＬＭと真空搬送室ＰＨとの間で転送される半導体ウエハＷを一時的に留め置くための載置台または受渡台（図示せず）を設けている。
【００２４】
真空搬送室ＰＨは、専用の真空排気装置（図示せず）に接続されており、室内が通常は一定の圧力で常時減圧状態に保たれる。室内には、伸縮可能な一対の搬送アームＦa，Ｆbを有し、スライド動作、旋回動作および昇降動作の可能な枚葉式の真空搬送ロボット（基板搬送装置）２０４が設けられている。この真空搬送ロボット２０４は、搬送制御部２０６からのコマンドに応じてプロセス・モジュールＰＭ1〜ＰＭ4およびロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbの間を行き来して半導体ウエハＷを枚葉単位で搬送するようになっている。
【００２５】
ローダ搬送室ＬＭと隣接してロードポートＬＰ、位置合わせ機構ＯＲＴおよびプロセス結果測定部２０８が設けられている。ロードポートＬＰは、外部搬送車との間でたとえば１バッチ２５枚の半導体ウエハＷを収納可能なウエハカセットＣＲの投入、払出しに用いられる。ここで、ウエハカセットＣＲはＦＯＵＰ（Front open unified pod）やＳＭＩＦ（Standard Mechanical Interface）ボックスなどとして構成されている。位置合わせ機構ＯＲＴは、半導体ウエハＷのノッチまたはオリフラを所定の位置または向きに合わせるために用いられる。プロセス結果測定部２０８は、プロセス・モジュールＰＭ1〜ＰＭ4のいずれかでプラズマ処理を受けてローダ搬送室ＬＭに戻ってきた全ての処理済みの半導体ウエハＷについて、または周期的にサンプリングされる処理済みの半導体ウエハＷについて所定のプロセス結果（たとえばＣＤ値、形状、膜厚、組成等）を測定する。たとえば、プロセス結果としてＣＤ値を測定する場合は、ＩＭ（Integrated Metrology）装置を好適に用いることができる。
【００２６】
ローダ搬送室ＬＭ内に設けられている枚葉式の大気搬送ロボット（基板搬送装置）２１０は、上下二段重ねの伸縮可能な一対の搬送アームＦc，Ｆdを有し、リニアモータ２１２のリニアガイド２１４上で水平方向に移動可能であるとともに、昇降・旋回可能であり、搬送制御部２０６からのコマンドに応じてロードポートＬＰ、オリフラ合わせ機構ＯＲＴ、ロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭb、プロセス結果測定部２０８の間を行き来して半導体ウエハＷを枚葉単位で搬送するようになっている。
【００２７】
ここで、ロードポートＬＰに投入されたウエハカセットＣＲ内の１枚のウエハにこのクラスタツール内で一連の処理を受けさせるための基本的なウエハ搬送シーケンスを説明する。
【００２８】
ローダ搬送室ＬＭ内の大気搬送ロボット２１０は、ロードポートＬＰ上のウエハカセットＣＲからＬＰドア２１６が開いている状態で１枚の半導体ウエハＷを取り出し、この半導体ウエハＷを位置合わせ機構ＯＲＴに搬送して位置合わせを受けさせ、それが済んだ後にロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbのいずれか一方（たとえばＬＬＭa）に移送する。移送先のロードロック・モジュールＬＬＭaは、大気圧状態で半導体ウエハＷを受け取り、搬入後に室内を真空引きし、減圧状態で半導ウエハＷを真空搬送室ＰＨの真空搬送ロボット２０４に渡す。
【００２９】
真空搬送ロボット２０４は、搬送アームＦa，Ｆbの片方を用いて、ロードロック・モジュールＬＬＭaより取り出した半導体ウエハＷを１番目のプロセス・モジュール（たとえばＰＭ1）に搬入する。プロセス・モジュールＰＭ1内では、予め設定されたレシピにしたがい所定のプロセス条件（ガス、圧力、電力、時間等）の下で第１工程の枚葉処理が行われる。
【００３０】
この第１工程の枚葉処理が終了した後に、真空搬送ロボット２０４は、半導体ウエハＷをプロセス・モジュールＰＭ1から搬出し、次工程があるときは２番目のプロセス・モジュール（たとえばＰＭ2）に搬入し、次工程がないときはロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbの片方に搬送する。２番目のモジュールプロセス・モジュール（たとえばＰＭ2）に搬入された場合は、この２番目のプロセス・モジュールＰＭ2でも、予め設定されたレシピにしたがい所定のプロセス条件で第２工程の枚葉処理が行われる。
【００３１】
この第２工程の枚葉処理が終了すると、真空搬送ロボット２０４は、半導体ウエハＷを２番目のプロセス・モジュールＰＭ2から搬出し、その搬出した半導体ウエハＷを、次工程があるときは３番目のプロセス・モジュール（たとえばＰＭ3）に搬入し、次工程がないときはロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbの片方に搬送する。３番目のプロセス・モジュール（たとえばＰＭ3）で処理が行われた場合も、その後に次工程があるときは後段のプロセス・モジュール（たとえばＰＭ4）に搬入し、次工程がないときはロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbの片方に戻す。
【００３２】
上記のようにして真空系のプロセス・チャンバＰＭ1，ＰＭ2・・で単一の枚葉プラズマ処理または一連の枚葉プラズマ処理を受けた半導体ウエハＷが片方のロードロック・モシュール（たとえばＬＬＭb）に搬入されると、このロードロック・モシュールＬＬＭbの室内は減圧状態から大気圧状態に切り替えられる。しかる後、ローダ搬送室ＬＭ内の大気搬送ロボット２１０が、大気圧状態のロードロック・モシュールＬＬＭbから半導体ウエハＷを取り出し、その処理済みの半導体ウエハＷをプロセス結果測定部２０８に搬入する。
【００３３】
そして、プロセス結果測定部２０８がその半導体ウエハＷについてプロセス結果の測定ないし評価を終えると、大気搬送ロボット２１０が、プロセス結果測定部２０８より半導体ウエハＷを取り出し、取り出した半導体ウエハＷを該当のウエハカセットＣＲに戻す。
【００３４】
このクラスタツール方式の真空処理装置においては、１つのシステム形態として、４台全部のプロセス・モジュールＰＭ1〜ＰＭ4に同一機種のプラズマ処理装置を使用し、それらのプラズマ処理装置ＰＭ1〜ＰＭ4に同一レシピのプラズマ処理を行わせることができる。その場合は、各々のプロセス・モジュールＰＭ1〜ＰＭ4で第１工程の枚葉処理が終了すると、次の工程つまり第２工程は無いので、真空搬送ロボット２０４は当該プロセス・モジュールから搬出した処理済みの半導体ウエハＷをロードロック・モジュールＬＬＭa，ＬＬＭbのいずれかに直接搬送することになる。図示省略するが、この真空処理装置には、システム全体の動作を統括制御するためのシステムコントローラが備わっている。
［実施形態におけるプラズマ処理装置］
【００３５】
図２に、上記クラスタツール方式の真空処理装置にプロセス・モジュールＰＭ1〜ＰＭ4として搭載可能な本発明の一実施形態によるマイクロ波プラズ処理装置の構成を示す。このマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波および平板スロットアンテナを用いて励起される表面波プラズマの下でたとえばプラズマエッチング、プラズマＣＶＤ、プラズマＡＬＤ等のプラズマ処理を行う装置であり、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は接地されている。
【００３６】
先ず、このマイクロ波プラズマ処理装置においてプラズマ生成に関係しない各部の構成を説明する。
【００３７】
チャンバ１０内の下部中央には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が、基板保持台として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。
【００３８】
筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成されている。この排気路１８の上部または入口に環状のバッフル板２０が取り付けられるとともに、底部に１つまたは複数の排気ポート２２が設けられている。各排気ポート２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内のプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁の外には、半導体ウエハＷの搬入出口２７を開閉するゲートバルブ２８が設けられている。
【００３９】
サセプタ１２の上面には、半導体ウエハＷにイオンを引き込むためのバイアス電極と、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための電極３６ａとを備えた静電チャック３６が設けられている。バイアス電極には、ＲＦバイアス用の高周波電源３０がマッチングユニット３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。この高周波電源３０は、半導体ウエハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波を所定のパワーで出力する。マッチングユニット３２は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。この整合器の中にブロッキングコンデンサが含まれている。
【００４０】
静電チャック３６の半径方向外側に半導体ウエハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング３８が設けられる。電極３６ａには高圧の直流電源４０がスイッチ４２および被覆線４３を介して電気的に接続されている。直流電源４０より印加される直流電圧により、静電気力で半導体ウエハＷを静電チャック３６上に吸着保持することができる。
【００４１】
サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒流路４４が設けられている。この冷媒流路４４には、チラーユニット（図示せず）より配管４６，４８を介して所定温度の冷媒たとえばフッ素系熱媒体や冷却水ｃｗが循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック３６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５０を介して静電チャック３６の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。また、半導体ウエハＷのローディング／アンローディングのためにサセプタ１２を垂直方向に貫通して上下移動可能なリフトピンおよびその昇降機構（図示せず）等も設けられている。
【００４２】
次に、このマイクロ波プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係する各部の構成を説明する。
【００４３】
チャンバ１０のサセプタ１２と対向する天井面には、マイクロ波導入用の円形の誘電体窓５２が天板として気密に取り付けられる。この誘電体窓５２直下のチャンバ内空間がプラズマ生成空間になる。誘電体窓５２は、マイクロ波を透過する誘電体、たとえば石英あるいはＡｌ2Ｏ3等のセラミックスで作られている。
【００４４】
誘電体窓５２は、その上面に貼付または配置された導体のスロット板５４を備える。スロット板５４は、マイクロ波を放射するためのスロットとして同心円状に分布する回転対称な多数のスロットペア（図示せず）を有している。スロット板５４の上には、その内部を伝搬するマイクロ波の波長を短縮するための誘電体板５６が設けられている。スロット板５４は、マイクロ波伝送線路５８に電磁的に結合されている。スロット板５４、誘電体板５６、およびスロット板の対面に設けられたアンテナ後面板とで、平板型のスロットアンテナ、たとえば円板形のラジアルラインスロットアンテナ５５が構成されている。
【００４５】
マイクロ波伝送線路５８は、マイクロ波発生器６０より所定のパワーで出力されるたとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をラジアルラインスロットアンテナ５５まで伝送する線路であり、導波管６２と導波管−同軸管変換器６４と同軸管６６とを有している。導波管６２は、たとえば方形導波管であり、ＴＥモードを伝送モードとしてマイクロ波発生器６０からのマイクロ波を導波管−同軸管変換器６４に伝送する。
【００４６】
導波管−同軸管変換器６４は、方形導波管６２の終端部と同軸管６６の始端部とを結合し、方形導波管６２の伝送モードを同軸管６６の伝送モードに変換する。同軸管６６は、導波管−同軸管変換器６４からチャンバ１０の上面中心部まで鉛直下方に延びて、その同軸線路の終端部が誘電体板５６を介してラジアルラインスロットアンテナ５５に結合されている。同軸管６６の外部導体７０は方形導波管６２と一体形成された円筒体からなり、マイクロ波は内部導体６８と外部導体７０の間の空間をＴＥＭモードで伝搬する。
【００４７】
マイクロ波発生器６０より出力されたマイクロ波は、上記のようなマイクロ波伝送線路５８の導波管６２、導波管−同軸管変換器６４および同軸管６６を伝搬して、ラジアルラインスロットアンテナ５５に誘電体板５６を介して給電される。そして、誘電体板５６内で波長を短縮しながら半径方向に広げられたマイクロ波は、アンテナ５５の各スロットペアから２つの直交する偏波成分を含む円偏波の平面波となってチャンバ１０内に向けて放射される。そして、誘電体窓５２の表面に沿ってラジアル方向に伝搬する表面波の電界（マイクロ波電界）によって付近のガスが電離して、高密度で電子温度の低いプラズマが生成されるようになっている。
【００４８】
誘電体板５６の上には、アンテナ後面板を兼ねる冷却ジャケット板７２がチャンバ１０の上面を覆うように設けられている。この冷却ジャケット板７２は、たとえばアルミニウムからなり、誘電体窓５２および誘電体板５６で発生する誘電損失の熱を吸収（放熱）する機能を有している。この冷却機能のために、冷却ジャケット板７２の内部に形成されている流路７４には、チラーユニット（図示せず）より配管７６，７８を介して所定温度の冷媒たとえばフッ素系熱媒体や冷却水ｃｗが循環供給される。
【００４９】
このマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバ１０内に処理ガスを導入するためのガス導入機構として、誘電体窓５２内に設けられたガス流路を含む上部ガス導入部８０と、チャンバ１０の側壁に設けられたガス流路を含む側部（サイド）ガス導入部８２の２系統を備えている。
【００５０】
上部ガス導入部８０においては、同軸管６６の内部導体６８に、その中を軸方向に貫通する中空のガス流路８４が設けられている。そして、内部導体６８の上端には処理ガス供給源８６からの第１ガス供給管８８が接続され、第１ガス供給管８８のガス流路と同軸管６６のガス流路８４は連通している。
【００５１】
内部導体６８の下端には、ガスノズルまたはインジェクタ９０が接続されている。同軸管６６のガス流路８４とインジェクタ９０のガス流路は連通している。インジェクタ９０は、誘電体窓５２の貫通孔に嵌め込まれており、その先端（吐出口）がチャンバ１０内のプラズマ生成空間に臨んでいる。
【００５２】
かかる構成の上部処理ガス導入部８２において、処理ガス供給源８６より所定の圧力で送出された処理ガスは、第１ガス供給管８８、同軸管６６の各ガス流路を順に流れてインジェクタ９０の吐出口から噴き出して、チャンバ１０内のプラズマ生成空間へ拡散するようになっている。なお、第１ガス供給管８４の途中には、ＭＦＣ（マス・フロー・コントローラ）９２および開閉弁９４が設けられている。
【００５３】
側部ガス導入部８２は、誘電体窓５２の下面より低い位置にあり、チャンバ１０の側壁の中（またはその内側）に環状に設けられたバッファ室（マニホールド）９６と、円周方向に等間隔でバッファ室９６からプラズマ生成空間に臨む多数の側壁ガス噴出口９８と、処理ガス供給源８６からバッファ室９６まで延びる第２ガス供給管１００とを有している。第２ガス供給管１００の途中にはＭＦＣ１０２および開閉弁１０４が設けられている。
【００５４】
この側部ガス導入部８２において、処理ガス供給源８６より所定の圧力で送出された処理ガス（たとえばエッチングガスあるいは成膜ガス）は、第２ガス供給管１００を通ってチャンバ１０側壁内のバッファ室９６に導入され、バッファ室９６内で周回方向の圧力を均一化してから各側壁ガス噴出口９８より略水平に噴き出して、チャンバ１０内の周辺部から中心部に向かってプラズマ生成空間に拡散するようになっている。
【００５５】
なお、上部ガス導入部８０および側部ガス導入部８２よりチャンバ１０内にそれぞれ導入する処理ガスは、通常は同種のガスでよいが、別種類のガスであってもよく、各ＭＦＣ９２，１０２を通じて各々独立した流量で、あるいは任意の流量比で導入することができる。
【００５６】
チャンバ１０の側壁には、サセプタ１２の上面よりも幾らか高い位置にてプラズマの発光をモニタリングするための光センサ１０６が取り付けられている。この光センサ１０６の出力は、光ファイバ１０７を介してＯＥＳ（Optical Emission Spectroscopy）演算部１０８に接続されている。光センサ１０６、光ファイバ１０７およびＯＥＳ演算部１０８によってＯＥＳ計測部１１０が構成される。このＯＥＳ計測部１１０は、チャンバ１０内で生成される可観測な状態量であるプラズマの発光を分光計測し、特定のスペクトルについて、あるいは一定範囲内の全てのスペクトルについて、その強度に関する所定の分光計測値ＭＯＥＳを取得する。
【００５７】
主制御部１１２は、１つまたは複数のマイクロコンピュータを有しており、このマイクロ波プラズマ処理装置内の各部、たとえば排気装置２６、高周波電源３０、静電チャック３６用のスイッチ４２、マイクロ波発生器６０、上部ガス導入部８０、側部ガス導入部８２、処理ガス供給源８６、伝熱ガス供給部（図示せず）等の個々の動作および装置全体の動作を制御する。また、主制御部１１２は、上述のＯＥＳ計測部１１０から分光計測値ＭＯＥＳを取り込むようになっている。さらに、主制御部１１２は、マン・マシン・インタフェース用のタッチパネル（図示せず）、このプラズマ処理装置の諸動作を規定する各種プログラムおよびレシピ等の各種設定値データや各種計測値データを格納する外部記憶装置（図示せず）、さらには搬送制御部２０６やプロセス結果測定部２０８（図１）等とも接続されている。この実施形態では、主制御部１１２が１つの制御ユニットとして示されているが、複数の制御ユニットが主制御部１１２の機能を並列的または階層的に分担する形態を採ってもよい。
【００５８】
このマイクロ波プラズマ処理装置において、たとえばエッチングを行なうには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック３６の上に載置する。そして、処理ガス導入部８０，８２より処理ガスつまりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値まで減圧する。また、伝熱ガス供給部より静電チャック３６と半導体ウエハＷとの接触界面に伝熱ガス（ヘリウムガス）を供給するとともに、スイッチ４２をオンにして静電チャック３６の静電吸着力により半導体ウエハＷを固定する。そして、マイクロ波発生器６０をオンにし、マイクロ波発生器６０より所定パワーで出力されるマイクロ波をマイクロ波伝送線路５８から伝搬させてラジアルラインスロットアンテナ５５に給電し、アンテナ５５からチャンバ１０内にマイクロ波を放射させる。さらに、高周波電源３０をオンにして所定のパワーでＲＦバイアス用の高周波を出力させ、この高周波をマッチングユニット３２および給電棒３４を介してバイアス電極に印加する。
【００５９】
上部ガス導入部８０のインジェクタ９０および側部ガス導入部８２のガス噴出口９８よりチャンバ１０内のプラズマ生成空間に導入されたエッチングガスは、誘電体窓５２の下面とプラズマに沿ってラジアル方向に伝搬するマイクロ波表面波によって電離ないし解離する。こうして、誘電体窓５２の近傍で生成されたプラズマは下方に拡散し、半導体ウエハＷの主面の被加工膜に対してプラズマ中のラジカルによる等方性エッチングおよび／またはイオン照射による垂直エッチングが行われる。
［実施形態における多層レジスト法のエッチング］
【００６０】
次に、多層レジスト法を用いてＭＯＳトランジスタのゲート電極をパターニングするためのゲートエッチング加工にこのマイクロ波プラズマ処理装置を用いる一実施例を説明する。
【００６１】
図３に、このマイクロ波プラズマ処理装置で実施可能な多層レジスト法の一例を示す。加工対象の半導体ウエハＷの主面には、本来の被加工膜（たとえばゲート電極用の多結晶Ｓi膜）１１４の上に最下層（最終マスク）としてＳiＮ層１１６が形成される。そして、ＳiＮ層１１６の上に中間層として有機膜（たとえばカーボン）１１８が形成され、有機膜１１８の上に反射防止膜（ＢＡＲＣ）１２０を介して最上層のフォトレジスト１２２が形成される。ＳiＮ層１１６、有機膜１１８および反射防止膜１２０の成膜にはＣＶＤあるいはスピンオン塗布法が用いられる。フォトレジスト１２２のパターニングには、フォトリソグラフィが用いられる。なお、多結晶Ｓi膜１１４の下にはゲート絶縁膜用の熱酸化膜（図示せず）が形成されている。
【００６２】
最初に、第１ステップのエッチングプロセスとして、図３の（Ａ）（Ｂ）に示すように、予めパターニングされているフォトレジスト１２２をマスクにして反射防止膜１２０をエッチングする。この場合、エッチングガスにはたとえばＡr／ＨＢr／Ｏ2の混合ガスが用いられる。
【００６３】
次に、第２ステップのエッチングプロセスとして、図３の（Ｂ）（Ｃ）に示すように、フォトレジスト１２２およびパターニングされた反射防止膜１２０をマスクにして有機膜１１８の表面を薄くエッチングする。この場合、エッチングガスにはたとえばＡr／Ｃl2の混合ガスが用いられる。なお、このエッチング加工は、第１ステップのエッチングガスにＯ2を用いることにより第１ステップの終了時点で有機膜１１８の表面に酸化膜が堆積しているので、この酸化膜を取り除くために行われる。したがって、エッチング量は比較的少なく、エッチング時間も比較的短い。
【００６４】
最後に、第３ステップのエッチングプロセスとして、図３の（Ｃ）（Ｄ）に示すように、フォトレジスト１２２と反射防止膜１２０をマスクにして有機膜１１８のメインエッチングを行う。この場合、エッチングガスにはたとえばＡr／Ｏ2の混合ガスが用いられる。
【００６５】
このようにして、フォトレジスト１２２のパターンが反射防止膜１２０を介して有機膜１１８に転写される。この後は、図示省略するが、ウエットエッチングやアッシングにより、フォトレジスト１２２および反射防止膜１２０の残膜を取り除く。そして、有機膜１１８のパターンをマスクとしてＳiＮ膜１１６をエッチングし、次いでＳiＮ膜１１６のパターンをマスクとして多結晶Ｓi膜１１４をエッチングする。これらの後工程は、通常は別の処理装置によって行われる。しかし、上記反射防止膜１２０および有機膜１１８の連続エッチング加工に用いたマイクロ波プラズマ処理装置（図２）を、ＳiＮ膜１１６のエッチング加工および／または多結晶Ｓi膜１１４のエッチング加工に用いることも勿論可能である。
【００６６】
この実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置において、上記のような多層レジスト法のエッチング加工を行う場合は、予めたとえば図４に示すようなレシピを作成して、主制御部１１２内のメモリまたは外部記憶装置にそのレシピのデータを格納しておく。主制御部１１２は、内部メモリまたは外部記憶装置に格納されているレシピのデータを参照して、各ステップ毎にレシピのプロセス条件設定値にしたがって装置内の各部（排気装置２６、マイクロ波発生器６０、高周波電源３０、処理ガス供給源８６、ＭＦＣ９２，１０２等）を制御する。
【００６７】
図４のレシピによれば、第１ステップでは、チャンバ１０内の圧力がＰ1（mTorr）、ラジアルラインスロットアンテナ５５に供給される上部マイクロ波のパワー（上部ＭＷ）がＭＰ1（Ｗ）、サセプタ１２に印加される下部高周波のパワー（下部ＲＦ）がＲＰ1（Ｗ）、エッチングガス（Ａr／ＨＢr／Ｏ2）の流量がａ1／ｂ1／ｄ1（sccm）、上部ガス導入部８０と側部ガス導入部８２との間の中心／側部ガス流量比がＲＤＣ1、ステージ（下部電極）のセンター／エッジ／チラー温度がＴＣ1／ＴＥ1／ＴＲ1（degＣ）、エッチング時間がｔ1（sec）にそれぞれ設定される。
【００６８】
第２ステップでは、圧力がＰ2（mTorr）、上部マイクロ波のパワー（上部ＭＷ）がＭＰ2（Ｗ）、下部高周波のパワー（下部ＲＦ）がＲＰ2（Ｗ）、エッチングガス（Ａr／Ｃl2）の流量がａ2／ｃ2（sccm）、中心／側部ガス流量比がＲＤＣ2、ステージ（下部電極）のセンター／エッジ／チラー温度がＴＣ2／ＴＥ2／ＴＲ2（degＣ）、エッチング時間がｔ2（sec）にそれぞれ設定される。
【００６９】
第３ステップでは、圧力がＰ3（mTorr）、上部マイクロ波のパワー（上部ＭＷ）がＭＰ3（Ｗ）、下部高周波のパワー（下部ＲＦ）がＲＰ3（Ｗ）、エッチングガス（Ａr／Ｏ2）の流量がａ3／ｄ3（sccm）、中心／側部ガス流量比がＲＤＣ3、ステージ（下部電極）のセンター／エッジ／チラー温度がＴＣ3／ＴＥ3／ＴＲ3（degＣ）、エッチング時間がｔ3（sec）にそれぞれ設定される。
【００７０】
このレシピでは、第１、第２および第３ステップの各々について、プロセス条件（電力、ガス種、ガス流量、中心／側部ガス流量比、温度、エッチング時間）が独立に設定される。もっとも、或るプロセス条件の設定値が異なるステップの間で同一になることは頻繁にあり得る。
【００７１】
また、この実施形態では、上記レシピの中で、あるいは上記レシピとは別個に、第１、第２および第３ステップの各々についてＣＤ（たとえばボトムＣＤ）の目標値が設定される。すなわち、図５に示すように、この多層レジスト法のエッチング加工においては、フォトレジスト１２２のパターン短寸法が走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により予め測定されており、そのＣＤ測定値が初期値ＣＤ0として設定される。この初期値ＣＤ0に対して、第１ステップのエッチングによる反射防止膜１２０のパターン短寸法が第１目標値ＣＤ1として設定され、第２ステップのエッチングによる有機膜１１８ａの上部パターン短寸法が第２目標値ＣＤ2として設定され、第３ステップのエッチングによる有機膜１１８ｂの主部パターン短寸法が第３目標値ＣＤ3として設定される。上記の初期値ＣＤ0ならびに第１、第２および第３目標値ＣＤ1，ＣＤ2，ＣＤ3は主制御部１１２の内部メモリまたは外部記憶装置に格納される。
【００７２】
なお、通常は、ＭＯＳトランジスタの微細化に対応するべく、図５に示すように、エッチング加工のステップを重ねる毎にＣＤを小さくして最終目的のＣＤ（ゲートＣＤ）に近づけていく手法が採られている。しかし、全てのステップを通じてＣＤを同一の値に維持することや、ステップを重ねる毎にＣＤを段々と大きくすることも可能である。
［ＡＰＣの実施例１］
【００７３】
図６に、上記のような多層レジスト法のエッチング加工（図３）を実施するためにこのマイクロ波プラズマ処理装置に搭載可能なＡＰＣ機構の好適な一実施例を示す。このＡＰＣ機構は、ＯＥＳ計測部１１０と、主制御部１１２内のハードウェア（特にＣＰＵ、内部メモリ、インタフェース）およびソフトウエア（プログラム、アルゴリズム、設定値および測定値データ）とによって構築される。図７に、このＡＰＣ機構の主要な処理手順を示す。
【００７４】
このＡＰＣ機構において、制御対象１３０はチャンバ１０内で行われるエッチングプロセスであり、様々な外乱をうける。プロセス制御部１３２は、各ステップ毎に、ＣＤ目標値設定部１３４よりＣＤの目標値ＣＤi（i=1,2,3）を受け取り、その目標値ＣＤiに一致または近似するＣＤが得られるように制御対象のエッチングプロセス１３０を制御する。ここで、プロセス制御部１３２は、各ステップ毎に、レシピ記憶部１３６よりプロセス条件設定値ＰＣi（図４）を取り込むとともに、制御モデル記憶部１３８より各ステップ用のプロセス制御モデルＣＭiを取り込んで、それらのプロセス条件設定値ＰＣiおよびプロセス制御モデルＣＭiを制御対象であるエッチングプロセス１３０の自動制御に用いる（図７のＳ1，Ｓ2）。プロセス制御モデルＣＭiおよびプロセス条件、特に操作変数としてのプロセスパラメータについては後に詳しく説明する。
【００７５】
制御対象であるエッチングプロセス１３０の出力または制御変数はプラズマ発光であり、各ステップのエッチング加工中にＯＥＳ計測部１１０によってモニタリングされる（図７のＳ3→Ｓ4→Ｓ5→Ｓ3・・）。この実施例におけるＯＥＳ計測部１１０は、各ステップの終了時または終了直後に各ステップ分の分光計測値ＭＯＥＳiを出力する（図７のＳ4→Ｓ6）。たとえば、ＯＥＳ計測部１１０は、プラズマエッチングとの相関性が高い特定の分光スペクトルの強度の平均値、積分値あるいは所定のタイミング（たとえばステップ終了間際）での瞬時値を各ステップ分の分光計測値ＭＯＥＳiとして求める。ここで、モニタ窓汚れ等の測定環境の経時的な変動を補償するために、上記のようにプラズマエッチングと相関性の高い分光スペクトルの強度とプラズマエッチングとの相関性が殆ど無いかまたは非常に低い分光スペクトルの強度との比をとって、その比の平均値、積分値あるいは所定のタイミングでの瞬時値を各ステップの分光計測値ＭＯＥＳiとすることもできる。あるいは、一定の波長範囲に含まれる全てのスペクトル（強度）の総和の時間的積分値を各ステップの分光計測値ＭＯＥＳiとすることもできる。
【００７６】
ＣＤ推定部１４０は、各ステップ毎に推定モデル記憶部１４２より各ステップ用のＣＤ推定モデルＡＭiを取り込んで、各ステップの終了後にこのＣＤ推定モデルＡＭiとＯＥＳ計測部１１０からの分光計測値ＭＯＥＳiとを用いて各ステップ分のＣＤ推定値ＡＣＤiを求める（図７のＳ7）。ＣＤ推定モデルＡＭiについては後に詳しく説明する。
【００７７】
こうして各ステップの終了直後にＣＤ推定部１４０で生成されるＣＤ推定値ＡＣＤiは、フィードフォワード信号としてプロセス制御部１３２に与えられる。プロセス制御部１３２は、ＣＤ推定部１４０より受け取ったＣＤ推定値ＡＣＤiを次のステップで用いる。すなわち、次のステップにおいて、プロセス制御部１３２は、レシピ記憶部１３６より取り込んだ次のステップ分のプロセス条件設定値ＰＣi+1および制御モデル記憶部１３８より取り込んだ次のステップ分のプロセス制御モデルＣＭi+1に加えて、ＣＤ推定部１４０より受け取った前ステップ分のＣＤ推定値ＡＣＤi（または偏差ΔＣＤ1＝ＣＤ1−ＡＣＤ1）を制御対象（エッチングプロセス）１３０の自動制御に用いる（図７のＳ8→Ｓ9→Ｓ10→Ｓ1）。
【００７８】
たとえば、偏差ΔＣＤ1＝ＣＤ1−ＡＣＤ1が＋符号の値のときは、第１ステップにおいて第１目標値ＣＤ1よりも推定値ＡＣＤiが小さい場合である。つまり、上記多層レジスト法のエッチング加工（図３）において、第１ステップのエッチング結果として反射防止膜１２０のＣＤが第１目標値ＣＤ1よりも小さな値になっていると推定された場合である。この反射防止膜１２０のＣＤは、次の第２ステップにおける有機膜１１８のエッチングのマスク寸法（基準値）になる。したがって、この反射防止膜１２０のＣＤが実際には第１目標値ＣＤ1よりも小さい場合に、次の第２ステップのエッチングがレシピ通りに行われたならば、第２ステップの終了時点で有機膜１１８ａの上部パターン短寸法が第２目標値ＣＤ2よりも確実に小さくなる。そこで、プロセス制御部１３２は、上記偏差ΔＣＤ1を考慮に入れて、第２目標値ＣＤ2より大きめのＣＤを目指して、第２ステップ分のプロセス条件設定値ＰＣ2の中で操作変数のプロセスパラメータを調整する。
【００７９】
逆に、偏差ΔＣＤ1＝ＣＤ1−ＡＣＤ1が−符号の値のときは、第１ステップにおいて第１目標値ＣＤ1よりも推定値ＡＣＤiが大きい場合であり、この場合は逆方向に補正をかける。つまり、プロセス制御部１３２は、−符号の上記偏差ΔＣＤ1に照らして、第２目標値ＣＤ2より小さめのＣＤを目指し、第２ステップ分のプロセス条件設定値ＰＣ2の中で操作変数のプロセスパラメータを調整する。
【００８０】
図６において、判定部１４４は、エッチング加工の良否を判定するために、各ステップ毎に、ＣＤ目標値設定部１３４からの目標値ＣＤiとＣＤ推定部１４０からのＣＤ推定値ＡＣＤiとを受け取り、両者の差分または偏差ΔＣＤiを検査する。そして、偏差ΔＣＤiが許容範囲内に収まっているときは当該ステップのエッチング加工は良好であると判定し、そうでないとき（偏差ΔＣＤiが許容範囲から出たとき）は当該ステップのエッチング加工は不良であると判定する。
【００８１】
もっとも、第１ステップおよび／または第２ステップが不良であっても、最後の第３ステップが良好であるとの判定結果が出れば、結果的に今回の枚葉エッチングプロセスは良好であったと判定してよい。逆に、第１ステップおよび第２ステップのいずれもが良好であっても、最後の第３ステップで不良の判定結果が出れば、結果的に今回の枚葉エッチング処理は不良であったと判定してよい。主制御部１１２は、判定部１４４より得られる判定結果を基に、後続の枚葉エッチング処理を継続すべきか中止すべきかの判断を行う。
【００８２】
シーケンス制御部１４６は、上記の処理手順にしたがってこのＡＰＣ機構内の各部が相互に連携して動作するように各部のタイミングを制御する。
【００８３】
上記のように、この実施例のＡＰＣ機構は、ＣＤ推定部１４０とプロセス制御部１３２とを備えている。ここで、ＣＤ推定部１４０は、各ステップの終了後にＯＥＳ計測部１１０より得られる分光計測値ＭＯＥＳiから当該ステップにおけるＣＤの値をＣＤ推定モデルＡＭiを用いて推定する。一方、プロセス制御部１３２は、各ステップの次のステップにおいてＣＤ目標値設定部１３４より与えられる次のステップ分のＣＤ目標値ＣＤi+1とＣＤ推定部１４０より与えられる各ステップ分のＣＤ推定値ＡＣＤiとに基づいて、プロセス条件の中から選ばれる所定のプロセスパラメータをプロセス制御モデルＣＭiを用いて調整する。つまり、該プロセスパラメータの設定値に補正をかける。そして、各ステップ毎に、プロセス制御部１３２で用いるプロセス条件設定値ＰＣi、ＣＤ目標値ＣＤiおよびプロセス制御モデルＣＭiを切り換えるとともに、ＣＤ推定部１４０で用いるＣＤ推定モデルＡＭiを切り換える。この仕組みを図８の表に示す。
【００８４】
このように、この実施例のＡＰＣ機構は、ＣＤ目標値の設定、プラズマ発光の分光計測、プロセス結果の値の推定およびプロセスパラメータの調整を全てステップ単位で行うので、多層膜レジスト法による１回の枚葉エッチングプロセスの中でステップ間制御を行うＡＰＣを構築することができる。また、プロセス制御部１３２で用いるプロセス制御モデルＣＭiおよびＣＤ推定部１４０で用いるＣＤ推定モデルＡＭiをステップ毎に切り換えるようにしている。この実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置は、このようなＡＰＣ機構を備えることより、プロセス条件の設定だけでは安定化できないプロセス実行状態、およびハードウェアで対処できない装置状態の変動を精緻に抑制して、ゆらぎやばらつきのないマルチステップのエッチンプロセスを実行し、全ステップ終了後のＣＤを目標値に一致ないし可及的に近似させることができる。このことによって、装置間またはモジュール間の機差を無くし、プロセス変動を抑制することができる。
【００８５】
この実施例のＡＰＣ機構において、ＣＤ推定部１４０で用いるＣＤ推定モデルＡＭiは、好ましくは、実験計画法（ＤＯＥ）を利用して多変量解析により求められる統計的モデルである。たとえば、統計データまたは実験データから、操作変数のプロセスパラメータとＣＤ実測値との間の相関関係（図９Ａ）を表わす第１の関数（図９Ａ）を取得するとともに、操作変数のプロセスパラメータと分光計測値ＭＯＥＳとの間の相関関係を表わす第２の関数（図９Ｂ）を取得する。そして、第１の関数（図９Ａ）と第２の関数（図９Ｂ）とから、分光計測値ＭＯＥＳとＣＤ推定値ＡＣＤとの間の相関関係を表わす第３の関数（図９Ｃ）つまりＣＤ推定モデルＡＭを作成する。
【００８６】
ＣＤ推定モデルＡＭを構築するための別の手法として、多変数解析たとえばＰＬＳＲ（Partial Least Squares Regression）も好適に使用できる。図１０に、ＰＬＳＲ法によりＣＤ推定モデルＡＭを構築する手順を示す。
【００８７】
先ず、多数（好ましくは１０枚以上）の半導体ウエハについて実施された所与のレシピに基づくプラズマエッチングの実際のプロセスまたは実験を通じて、ＯＥＳ計測部１１０およびプロセス結果測定部２０８よりＯＥＳおよびＣＤの実データをそれぞれ取得する（図１０のＡ1）。
【００８８】
ＯＥＳ計測部１１０より得られるＯＥＳデータ（分光計測値ＭＯＥＳ）は、図１１に示すような波長軸上および時間軸上の３次元スペクトルとして与えられる。たとえば、波長の計測範囲を２００〜８００ｎｍ、測定分解能を０．５ｎｍとすると、波長軸上で１２０１個の波長の光強度が測定される。また、サンプリング時間をたとえば０．１秒とすると、プロセス時間が５０秒の場合は、プロセスの開始時から終了時まで０．１秒間隔で計５００回、各波長分のＯＥＳデータが取得される。
【００８９】
このように、１回のプロセスでＯＥＳ計測部１１０より得られるＯＥＳデータは膨大である。そこで、ＯＥＳデータについてデータ圧縮（フィルタリング処理）をかけるのが好ましい。具体的には、ある時点で観測すると、図１２に示すように、２００〜８００ｎｍのスペクトルは大きくばらついている。この傾向は、プロセスの全時間を通して殆ど変わらない。そこで、ＯＥＳデータの中から、相対的に強度の低すぎる波長をノイズデータとして除くフィルタリング処理（図１０のＡ2）、および相対的に強度の高すぎる（たとえば飽和している）波長を除くフィルタリング処理（図１０のＡ3）を行う。これらのフィルタリング処理によって、上記１２０１個の被観測波長をたとえば４００個程度まで減らすことができる。
【００９０】
また、図１３に示すように、時間軸上で、プロセス開始の直後は、各波長の光強度が急速に立ち上がり、オーバーシュートも起こりやすく、安定するまでしばらく時間がかかる。そこで、このような過渡時間（図示の例は５秒）を除いて平均値を求める（図１０のＡ4）。これによって、ＯＥＳデータをさらに圧縮することができる。なお、図１３は、上記第２ステップのエッチングプロセスにおいて取得されるＣＮ（炭化窒素）スペクトル（３８７．０ｎｍ）の時間軸上の変化を示すプロット図である。他のスペクトルでも、同様の過渡特性が見られる。
【００９１】
そして、上記のように圧縮したＯＥＳの実データとＣＤの実データとから、オフラインのコンピュータ上でＰＬＳＲのアルゴリズムにより下記のような回帰分析の式（１）で表わされるＣＤ推定モデルＡＭの回帰係数ｂj（ｊ＝０，１，・・ｐ）を求める（図１０のＡ5，Ａ6）。
ＣＤ＝ｂ0＋ｂ1＊Ｘ1＋ｂ2＊Ｘ2＋・・・＋ｂp＊Ｘp    ・・・（１）
【００９２】
ただし、Ｘj（ｊ＞０は）、圧縮されたＯＥＳデータに含まれる各波長（λj）の光強度（平均値）である。上記の例でＯＥＳデータの波長を４００個まで圧縮した場合、最後の項はｐ＝３９９である。
【００９３】
図１２に示すようなＯＥＳデータ数は、データ前処理を行ったとしても、その数は数百にもなり、また、強い多重共線性がみられる。（回帰係数の値は、不安定となり、予測精度が非常に悪くなる。）
【００９４】
重回帰は、多くの因子（波長）を含んだデータ解析に利用できるが、因子の数が多すぎると過度のあてはめ（over-fitting）が発生して予測精度が悪くなってしまう。よって、多重共線性、過度のあてはめを回避するためにＰＬＳＲやＰＣＲを利用して推定モデルを構築する。
【００９５】
上記のようにしてＰＬＳＲ法により構築されたＣＤ推定モデルＡＭは、本実施形態のプラズマ処理装置（図２）においてＡＰＣ機構（図６）の推定モデル記憶部１４２に格納される。そして、実際のプラズマエッチングにおいて、このＰＬＳＲのＣＤ推定モデルＡＭを用いてＣＤ推定値ＡＣＤを求めるときは、オンライン上で、図１４に示すような信号処理が行われる。
【００９６】
すなわち、ＯＥＳ計測部１１０より得られるＯＥＳデータ（分光計測値ＭＯＥＳ）に対して（図１４のＢ1）、ＣＤ推定部１４０内（あるいはＯＥＳ計測部１１０内）で上記と同様に強度の低すぎる波長を除くフィルタリング処理（図１０のＢ2）および強度の高すぎる波長を除くデータ圧縮のフィルタリング処理（図１４のＢ3）が行われ、さらに過渡時間を除いて平均化の処理（図１４のＢ4）が行われる。そして、こうして圧縮されたＯＥＳデータ、つまりｐ個（４００個）の波長分の光強度（平均値）データが、ＣＤ推定部１４０において上記式（１）で表わされるＰＬＳＲのＣＤ推定モデルＡＭの独立変数にセットされることにより（図１４のＢ5）、従属変数のＣＤ推定値が算出される（図１４のＢ6）。
【００９７】
図１５に、同一機種のプラズマエッチング装置（図２）であるクラスタツールＡの第１プロセス・モジュールＡＰＭ1、クラスタツールＢの第１および第２プロセス・モジュールＢＰＭ1，ＢＰＭ2，クラスタツールＣの第１および第２プロセス・モジュールＣＰＭ1，ＣＰＭ2において上記第２のステップのエッチングプロセスを同一レシピで実施したときに得られたデータセットを用いてＰＬＳＲにより求めたＣＤ推定値とＣＤ実測値のプロット図を示す。このグラフで、横軸の数字１，２，３は、各プロセス・モジュールＰＭで連続して同一レシピのエッチングプロセスを行ったウエハの処理順である。また、縦軸の数字はＣＤの値（推定値および実測値）である。
【００９８】
図示のように、上記エッチングプロセスのＣＤに関しては、装置間の機差、チャンバ間の機差が顕わに存在することと、そのような機差にもかかわらずＰＬＳＲ法のＣＤ推定値がいずれのプロセス・モジュールでもＣＤ実測値に非常に高い精度で近似することがわかる。図１５において、絶対平均比率誤差（ＭＡＰＥ）は−０．４、２乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）は０．０３８である。
【００９９】
図１５のデータ相関性（グラフ）を回帰分析（最小二乗法）を行うと、図１６に示すようになる。図１６において、回帰直線はｙ＝０．９９ｘ−０．０６４で表わされ、Ｒ2＝０．９８８である。なお、図１６には、ＰＬＳＲの回帰分析と併せてＰＣＲ（Principal Least Squares Regression）の回帰分析も示している。このように、ＰＬＳＲ以外の多変量解析もＣＤ推定モデルＡＭの構築に好適に用いることができる。
【０１００】
この実施例では、多層レジスト法のエッチング加工において各ステップ毎にプロセス条件に応じてＣＤ推定モデルＡＭiを独立に設定する。すなわち、各ステップ毎に独立に設定されるプロセス条件に対応して、各ステップのエッチングプロセスについてプラズマ発光状態からプロセス結果のＣＤを適確に推定できるように、たとえば上記ＰＬＳＲのＣＤ推定モデル（数式および／または係数）を各ステップ毎に独立に構築または設定するようにしている。
【０１０１】
プロセス制御部１３２で用いるプロセス制御モデルＣＭiも、好ましくは、実験計画法（ＤＯＥ）を利用して多変量解析により求められる統計的モデルである。この実施例では、多層レジスト法のエッチング加工において各ステップ毎にプロセス条件に応じてプロセス制御モデルＣＭiを独立に設定する。すなわち、各ステップ毎に独立に設定されるプロセス条件に応じて、各ステップのエッチングプロセスにおいて前ステップ分の推定値ＡＣＤi-1を考慮しながら目標値ＣＤiに一致ないし近似するＣＤが得られるように操作変数のプロセスパラメータを調整する。なお、最初（第１）のステップは、前ステップ分の推定値がそもそも存在しないので、それを考慮に入れる必要はない。
【０１０２】
この実施例では、プロセス条件が各ステップ毎に独立に設定されることと関連して、媒体変数のプロセスパラメータもステップ毎に独立に設定または選定される。通常、プロセスパラメータは実験に基づいて選定される。たとえば、各ステップ毎に設定されたプロセス条件について個別的にパラメータを選び、その設定値または所定の基準値付近でそのパラメータを所定量可変した時のプロセス結果（ＣＤ）の変化量を測定することにより、各パラメータについて感度を求めることができる。したがって、全てのプロセス条件の間でそれぞれの感度に順位をつけることができる。その中で最適なもの（通常は１つでよいが、複数も可）を媒体変数のプロセスパラメータに選定すればよい。
【０１０３】
たとえば、上記多層レジスト法のエッチング加工において、図４に示すようなレシピが作成された場合、第１ステップのプロセス条件の中で最も感度が高いのはＯ2流量であり、２番目はＨＢr流量で、３番目は下部ＲＦのパワーである。他のプロセス条件（圧力、上部ＭＷ、温度、時間等）の感度は押し並べて非常に低い。したがって、Ｏ2流量、ＨＢr流量、下部ＲＦパワーのいずれか１つまたは複数を第１ステップのプロセスパラメータに選定してよい。
【０１０４】
また、第２ステップのプロセス条件の中ではＣl2流量と下部ＲＦパワーの感度が突出して高い。他のプロセス条件（圧力、上部ＭＷ、温度、時間等）の感度は押し並べて低い。したがって、Ｃl2流量、下部ＲＦパワーのいずれか一方または両方を第２ステップのプロセスパラメータに選定してよい。
【０１０５】
また、第３ステップのプロセス条件の中ではＯ2流量と下部ＲＦパワーが突出して高い。他のプロセス条件（圧力、上部ＭＷ、温度、時間等）の感度は押し並べて低い。したがって、Ｏ2流量、下部ＲＦパワーのいずれか一方または両方を第３ステップのプロセスパラメータに選定してよい。
［他の実施形態または変形例］
【０１０６】
図１７に、上記のような多層レジスト法のエッチング加工（図３）を実施するためにこのマイクロ波プラズマ処理装置に搭載可能なＡＰＣ機構の別の好適な実施例を示す。図中、上記第１の実施例におけるＡＰＣ機構（図６）と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。図１８に、この第２の実施例におけるＡＰＣ機構の主要な処理手順を示す。
【０１０７】
この実施例において、ＯＥＳ計測部１１０は、各ステップのプロセス実行中に分光計測値ＭＯＥＳnを一定時間Ｔn（たとえば１００msec）の周期で出力する（図１８のＳ3，Ｓ4）。したがって、この分光計測値ＭＯＥＳnは、プラズマエッチングとの相関性が高い特定の分光スペクトルの強度の各サンプリング時点における瞬時値、相加平均値または積分値であってよい。あるいは、一定の波長範囲に含まれる全てのスペクトル（強度）の総和の各サンプリング時点における瞬時値、相加平均値または積分値であってもよい。
【０１０８】
ＣＤ予測部１５０は、各ステップ毎に予測モデル記憶部１５２より各ステップ用のＣＤ予測モデルＦＭiを取り込んで、各ステップのプロセス実行中に、このＣＤ予測モデルＦＭiとＯＥＳ計測部１１０より一定時間Ｔn毎に逐次与えられる分光計測値ＭＯＥＳnとを用いて一定時間Ｔn毎に各ステップ分のＣＤ予測値ＦＣＤiを求める（図１８のＳ7）。ＣＤ予測モデルＦＭiは、好ましくは、実験計画法（ＤＯＥ）を利用して多変量解析により求められる統計的な離散時間モデルである。たとえば、上記ＣＤ予測モデルＦＭに時間のパラメータを組み込むことにより離散時間型のＣＤ予測モデルＦＭiを作成してもよい。
【０１０９】
こうして各ステップのプロセス実行中に、ＯＥＳ計測部１１０より一定時間Ｔn毎に分光計測値ＭＯＥＳnがフィードバック信号としてプロセス制御部１３２に与えられる。プロセス制御部１３２は、ＯＥＳ計測部１１０より一定時間Ｔn毎に与えられる分光計測値ＭＯＥＳnに応じて、目標値ＣＤiと予測値ＦＣＤnとの偏差ΔＣＤが零に近づくように操作変数のプロセスパラメータを調整する。このように、この実施例のＡＰＣ機構は、ＣＤ目標値の設定、プラズマ発光の分光計測、ＣＤの予測およびプロセスパラメータの調整を全て所定時間置きに行うので、リアルタイム制御のＡＰＣを構築することができる。
【０１１０】
プロセス制御部１３２で用いるプロセス制御モデルＣＭi'も、好ましくは、実験計画法（ＤＯＥ）を利用して多変量解析により求められる統計的な離散時間モデルである。たとえば、上記第１の実施例におけるプロセス制御モデルＣＭに時間のパラメータを組み込むことによって離散時間型のプロセス制御モデルＦＭiを作成してもよい。
【０１１１】
上記実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置において、主制御部１１２は、クラスタツールシステムに備わっているプロセス結果測定部２０８（図１）よりＣＤ実測値を取得することができる。このＣＤ実測値は、第１、第２および第３ステップ分のそれぞれのＣＤ実測値を含んでいるのが好ましい。したがって、ウエハ単位またはロット単位でプロセス結果測定部２０８より得られるＣＤ実測値をプロセス制御部１３２に与えてRun-to-Run方式のフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御を行うことも可能であり、そのようなRun-to-Run方式と上述した実施例のＡＰＣ機構とを併用することも可能である。さらに、上記実施例のＡＰＣ機構に、プロセス結果測定部２０８からのＣＤ実測値に基づいてプロセス制御モデルＣＭi、ＣＤ推定モデルＡＭi、ＣＤ予測モデルＦＭiを修正する学習機能を持たせることも可能である。
【０１１２】
上述した実施形態は、多層レジスト法のエッチング加工に係るものであった。しかし、本発明は、１枚の被処理基板に対する枚葉プラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定する任意のプラズマプロセスに適用可能である。たとえば、１回の枚葉成膜処理の中でプロセス条件を変更して複数の薄膜を形成するプラズマＣＶＤやプラズマＡＬＤに本発明を適用することもできる。したがって、本発明におけるプロセス結果は、ＣＤに限るものではなく、たとえばエッチングプロセスにおける形状や面内均一性あるいは成膜プロセスにおける膜厚や組成等も含む。
【０１１３】
また、本発明（特に第２実施例のリアルタイムＡＰＣ）は、単一ステップのプラズマプロセスにも適用可能である。本発明は、クラスタツール方式のようなマルチチャンバシステムに組み込まれるプラズマ処理装置に好適に適用できるが、スタンドアロンのプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法にも勿論適用可能である。
【０１１４】
本発明のプラズマ処理装置は、上記実施形態におけるマイクロ波プラズマ装置に限定されるものではなく、容量結合型プラズマ処理装置や誘導結合型プラズマ処理装置等であってもよい。したがって、本発明のプラズマ処理方法は、容量結合型または誘導結合型のプラズマ処理方法にも適用可能である。
【０１１５】
本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ、有機ＥＬ、太陽電池用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。
【符号の説明】
【０１１６】
１０    チャンバ
１２    サセプタ
３０    （ＲＦバイアス用）高周波電源
５５    ラジアルラインスロットアンテナ
８６    処理ガス供給源
８０    上部ガス導入部
８２    側部ガス導入部
１１０    ＯＥＳ計測部
１１２    主制御部
１３２    プロセス制御部
１３４    ＣＤ目標値設定部
１３６    レシピ記憶部
１３８    制御モデル記憶部
１４０    ＣＤ推定部
１４２    推定モデル記憶部
１４４    判定部
１４６    シーケンス制御部
１５０    ＣＤ予測部
１５２    予測モデル記憶部
２０８    プロセス結果測定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１１】
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【図１２】
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