JP2004128023A

JP2004128023A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JP2004128023A
Application number: JP2002286740A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Teranishi; 寺西　正俊; Shiyuushin Amano; 天野　修臣; Michio Morita; 森田　倫生; Akihiko Ueda; 上田　壮彦; Katsuhiko Onishi; 大西　克彦; Yoji Bito; 尾藤　陽二
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】半導体や液晶などの薄膜デバイスである処理対象物４の処理状態に伴って変化する計測データを、１枚のウェハ毎に確実にデータを分離し、好適なウェハ処理状態の監視を実現するプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】データ記憶終了判定手段に終了時間判定手段を備え、さらに、データ記憶開始判定手段に開始時間判定手段を備えたことにより、一つの処理対象物４毎に確実にデータを分離することが可能となる。また、センサー７で計測された電流と電圧とを用いてプラズマの電気伝導性Ｒｃを算出する手段を備えたことにより、処理対象物４が処理されることによって生じるプラズマ状態やウェハ処理状態の変化をモニタすることが可能となる。
【選択図】　図２

Description

【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におけるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ処理方法について、図４から図５を用いて説明する。
【０００３】
図４は従来のプラズマ処理装置の概略構成図である。
【０００４】
図４において、１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、２はチャンバー１内の上部に取り付けられた上部電極、３はチャンバー１内で上部電極２と対向して取り付けられた下部電極、４は下部電極３上に設置された処理対象物、５はチャンバー１内の上部電極２と下部電極３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、６は下部電極３と高周波電源５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、７は下部電極３と高周波整合器６の間に設置され高周波電源５から下部電極３へ印加された電流と電圧を計測するセンサー、８はセンサー７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。
【０００５】
従来のプラズマ処理は、チャンバー１内を真空排気する真空ポンプ（図示せず）にてチャンバー１内を真空状態にし、チャンバー１内にガス供給源（図示せず）より所望のガスを供給し、高周波電源５から高周波電力を供給し、高周波整合器６にてインピーダンス整合をし、上部電極２と下部電極３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１内にプラズマを励起し、処理対象物４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。
【０００６】
また、センサー７により電流及び電圧を計測し、センサー７で計測されたデータをデータ処理装置８に取り込み、高周波電力印加状態の異常判定を行っていた。高周波電力印加状態の異常判定を行うことにより、高周波整合器６に整合異常が発生し、投入された高周波電力が１００％の効率で電極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（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
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、ウェハの処理状態やウェハ処理に用いるプラズマの状態を１ウェハ単位で管理する必要がでてきていた。
【０００８】
ここで、従来のプラズマ処理装置における、計測データを１ウェハ毎に分離する方法について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【０００９】
まず、データ記憶を開始する判定を行う（Ｓ１）。判定方法としては、ウェハ処理が開始される毎に放電が開始される、つまり、電流値が０でなくなることを利用し、電流値が０でなくなった時点から計測データの記憶を開始する判定を行う。
【００１０】
次に、データ記憶を開始する判定が行われた場合、計測データの記憶を行う（Ｓ２）。
【００１１】
次に、データ記憶を終了する判定を行う（Ｓ３）。判定方法としては、ウェハ処理が終了する毎に放電が終了する、つまり、電流値が０になることを利用し、電流値が０になった時点で計測データの記憶を終了する判定を行う。電流値が０になっていない間は、Ｓ２のデータ記憶を継続する。
【００１２】
次に、データ記憶を終了する判定が行われた場合、計測データの記憶を終了する（Ｓ４）。記憶された計測データは、必要に応じ演算処理を行ったり、保存を行ったりしていた。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−１２５６６０号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示したような従来の方法では、一つの処理対象物、例えば１枚のウェハの処理中にプロセス条件を段階的に変化させるような品種の場合、図６（ａ）の６１で示すようにプロセス条件を変化させるタイミングで放電が０になる場合があり、従来の計測データを１ウェハ毎に分離する方法では、図６（ａ）の６１に示す一つの処理対象物の計測データが、図６（ｂ）の６１ａ、６１ｂに示すように、プロセス条件を変化させるタイミングで誤って分離されるという課題があった。
【００１５】
本発明は、半導体や液晶などの薄膜デバイスである処理対象物の処理状態に伴って変化する計測データを、１枚のウェハ毎に確実にデータを分離し、好適なウェハ処理状態の監視を実現するプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、データ処理部に計測データの記憶を開始する判定を行うデータ記憶開始判定手段と、前記計測データを記憶させる記憶手段と、前記計測データの記憶を終了する判定を行うデータ記憶終了判定手段とを有するプラズマ処理装置において、前記データ記憶終了判定手段に終了時間判定手段を備え、さらに、前記データ記憶開始判定手段に開始時間判定手段を備えたことにより、一つの処理対象物毎に確実にデータを分離することが可能となる。
【００１７】
また、データ処理部に、さらに、センサーで計測された電流と電圧とを用いてプラズマの電気伝導性を算出する手段を備えたことにより、処理対象物が処理されることによって生じるプラズマ状態やウェハ処理状態の変化をモニタすることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００１９】
本発明の一実施の形態におけるプラズマ処理装置は、データ処理部８を除いて、図４に示す従来のプラズマ処理装置と同様の装置を用いる。本発明の一実施の形態におけるデータ処理部８において行う処理について以下に説明する。
【００２０】
図１は本発明の一実施の形態におけるプラズマ処理装置において、チャンバー１内のプラズマ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。
【００２１】
９ａ、９ｂはチャンバー１内のプラズマバルクと電極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、１０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１０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、電気伝導性と表現することとする。
【００２２】
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は下記の計算式（数１）で表すことができる。
【００２３】
【数１】

【００２４】
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。電気伝導性１０をＲｃとすると、電気伝導性Ｒｃは上記の計算式（数１）より下記の計算式（数２）で求めることができる。
【００２５】
【数２】

【００２６】
プラズマの電気伝導性Ｒｃとプラズマの電子密度は反比例関係にあり、センサー７によって計測される電流Ｉ、電圧Ｖから電気伝導性Ｒｃ求め、電気伝導性Ｒｃを監視することにより、チャンバー１内のプラズマの電子密度を監視している。プラズマの電子密度はプラズマの状態を表す一つの物理パラメータであり、プラズマの電子密度が一定であれば、安定したプラズマ処理が実現できており、プラズマの電子密度はウェハ処理やチャンバー側壁などに付着する反応生成物の状態によって変化するため、プラズマの電気伝導性Ｒｃを監視することにより、プラズマの状態やウェハ処理の状態の監視を行っている。
【００２７】
次に、ウェハの処理状態やウェハ処理に用いるプラズマの状態を１ウェハ単位で管理するために、計測データを１ウェハ毎に分離する方法について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。
【００２８】
まず、データ記憶を開始する判定を行う（Ｓ１１）。判定方法としては、計算式（数３）で求められるプラズマの電気伝導性Ｒｃを用い、電気伝導性Ｒｃが設定値以下、例えば２００Ω以下かどうか判定を行い、電気伝導性Ｒｃが２００Ω以下になった時点で、電気伝導性Ｒｃが２００Ω以下になっている時間の監視を開始する（Ｓ１２）。Ｓ１２において、時間が設定値以上、例えば、２００ｍｓｅｃ以上になった時点で計測データの記憶を開始する判定を行う。ここで、データ記憶を開始する判定を行うための電気伝導性Ｒｃの設定値を２００Ω、監視する時間の設定値を２００ｍｓｅｃとしたが、処理対象物４、プロセス条件等により変化するものであるため、この値に限るものではなく、サンプリングや実験により決定すればよい。
【００２９】
次に、データ記憶を開始する判定が行われた場合、計測データの記憶を行う（Ｓ１３）。
【００３０】
次に、データ記憶を終了する判定を行う（Ｓ１４）。判定方法としては、電気伝導性Ｒｃが設定値以上、例えば無限大かどうか判定を行い、電気伝導性Ｒｃが無限大になった時点で、電気伝導性Ｒｃが無限大になっている時間の監視を開始する（Ｓ１５）。Ｓ１５において、時間が設定値以上、例えば２０秒以上になった時点で計測データの記憶を終了する判定を行う。電気伝導性Ｒｃが設定値以上、または、時間が設定値以上になっていない間は、Ｓ１３のデータ記憶を継続する。ここで、データ記憶を終了する判定を行うための電気伝導性Ｒｃの設定値を無限大としたが、処理対象物４、プロセス条件等により変化するものであるため、この値に限るものではなく、サンプリングや実験により決定すればよい。また、監視する時間の設定値を２０秒としたが、従来、プロセス条件の切り換え時間が１０秒〜１５秒程度かかっていたのに対し、一つのウェハ処理が終了してから次のウェハ処理がスタートするまでの時間間隔が６０秒程度であったためであり、この値に限るものではなく、プロセス切り換え時間で誤ってデータ記憶を終了し、データを誤って分離してしまうことのない時間設定とすればよい。
【００３１】
次に、データ記憶を終了する判定が行われた場合、計測データの記憶を終了する（Ｓ１６）。
【００３２】
以上のように本発明の一実施の形態によれば、図３（ａ）に示すように、計測データが連続している場合に、図３（ａ）の３１に示すようなプロセス条件を変化させるタイミングで放電が０になる場合であっても、図３（ｂ）の３１ａ、３１ｂの間で分離されることなく、一つの処理対象物４毎、例えば１枚のウェハ毎で分離されたデータを記憶することが可能となり、処理対象物４が処理されることによって生じるプラズマ状態やウェハ処理状態の変化をモニタすることが可能となる。
【００３３】
また、分離したデータは演算処理、例えばデータ記憶開始から終了までの時間平均処理を行い、演算処理後のデータと管理基準値とを比較処理し、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、自動で装置を停止させたりしてもよい。ここで、管理基準値は事前にサンプリングや実験等でプロセス異常状態を発生させ、正常状態との境界値として予め求めた値でよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、一つの処理対象毎に確実にデータを分離することが可能となり、また、センサーより入力する電流Ｉ、電圧Ｖからプラズマの電気伝導性Ｒｃを求めることにより、処理対象物が処理されることによって生じるプラズマ状態やウェハ処理状態の変化をモニタすることが可能となる。そのため、一つの処理対象物毎での処理異常を見つけることが可能となり、異常を早期に発見し、ロット単位での不良流出を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における高周波回路モデル図
【図２】本発明の実施の形態におけるフローチャート
【図３】本発明の実施の形態における計測データの分離結果図
【図４】従来のプラズマ処理装置の概略構成図
【図５】従来のフローチャート
【図６】従来の計測データの分離結果図
【符号の説明】
１　　　　　チャンバー
２　　　　　上部電極
３　　　　　下部電極
９ａ　　　　仮想コンデンサ
９ｂ　　　　仮想コンデンサ
１０　　　　仮想抵抗

Claims

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の少なくとも一方を計測するセンサーと、前記センサーで計測された前記電流と前記電圧の少なくとも一方を処理するデータ処理部とを有し、前記データ処理部に計測データの記憶を開始する判定を行うデータ記憶開始判定手段と、前記計測データを記憶させる記憶手段と、前記計測データの記憶を終了する判定を行うデータ記憶終了判定手段とを有するプラズマ処理装置において、前記データ記憶終了判定手段に終了時間判定手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
データ記憶開始判定手段に開始時間判定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
データ処理部に、さらに、センサーで計測された電流と電圧とを用いてプラズマの電気伝導性を算出する手段を備え、データ記憶開始判定手段において、プラズマの電気伝導性が設定値以下になった時点で記憶手段に記憶を開始するように判定を行うことを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
データ記憶終了判定手段において、プラズマの電気伝導性が設定値以上になった時点で記憶手段への記憶を終了するように判定を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
プラズマの電気伝導性を算出する手段において、センサーで計測された電流を振幅Ｉ０と位相角φに、電圧を振幅Ｖ０と位相角θに分解し、プラズマの電気伝導性を（Ｖ０／Ｉ０）×ｃｏｓ（θ−φ）と算出することを特徴とする請求項３又は４記載のプラズマ処理装置。
密閉された反応室にプラズマを励起させてプラズマ処理を行うプラズマ処理方法において、プラズマ発生のために高周波電源から電極に印加される電流と電圧の少なくとも一方を計測するセンシング工程と、前記センシング工程で計測された計測データの記憶を開始する判定を行うデータ記憶開始判定ステップと、前記計測データを記憶させる記憶ステップと、前記計測データの記憶を終了する判定を行うデータ記憶終了判定ステップとを用いて前記計測データを１つの処理対象物ごとに分離するプラズマ処理方法において、前記データ記憶終了判定ステップに終了時間判定ステップを用いて前記計測データを１つの処理対象物ごとに分離して記憶することを特徴とするプラズマ処理方法。
データ記憶開始判定ステップに開始時間判定ステップを用いて計測データを１つの処理対象物ごとに分離して記憶することを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理方法。
センシング工程で計測された電流と電圧とを用いてプラズマの電気伝導性を算出し、データ記憶開始判定ステップにおいて、プラズマの電気伝導性が設定値以下になった時点で記憶を開始するように判定を行うことを特徴とする請求項６又は７記載のプラズマ処理方法。
データ記憶終了判定ステップにおいて、プラズマの電気伝導性が設定値以上になった時点で記憶を終了するように判定を行うことを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
センシング工程で計測された電流を振幅Ｉ０と位相角φに、電圧を振幅Ｖ０と位相角θに分解し、プラズマの電気伝導性を（Ｖ０／Ｉ０）×ｃｏｓ（θ−φ）と算出することを特徴とする請求項８又は９記載のプラズマ処理方法。