JP2009200342A - 装置状態監視解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】分析者の習熟度あるいはセンサの個体差にかかわらず、装置状態やプロセス状態の解析を効率よく行うことのできる装置状態監視解析システムを提供する。
【解決手段】半導体製造装置２１から処理中に発生する複数種のプロセス量をそれぞれ検出するセンサ２５と、前記センサが検出したプロセス量の振幅値を所定の量子化ビット数で量子化し、量子化した前記プロセス量の振幅値を前記量子化ビット数で表示可能な数未満の数に分割するデータ分割手段６７と、分割されたプロセス量の振幅値毎にそれぞれ色情報を割り当てる色情報割り当て手段７０と、前記センサが検出した複数種のプロセス量毎に、検出したプロセス量の振幅値に前記色情報を割り当てると共に割り当てた色情報をプロセス量の種類毎に、且つプロセス量を検出した時点毎に配置して２次元画像を生成する画像生成手段７２とを備えた。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体製造装置におけるプロセス変動や異常を監視し解析することができる装置状態監視解析システムに関する。

半導体の製造において、半導体製造装置の装置実稼働率（ＯＥＥ：Overall Equipment Effectiveness）の向上は半導体生産効率向上の上で重要な要素である。ＯＥＥ低下の代表的な要因として、突発的な異常や装置の経時変化等を起因とするプロセス上のトラブル等が挙げられる。特に、ドライエッチングやプラズマＣＶＤ等のプラズマを利用してプロセスを処理するプラズマ処理装置においては、このような問題が顕著である。ＯＥＥ向上のためには、これらを未然に防ぐことはもちろん、トラブルや異常が生じた際にいかに迅速に正常な装置状態に復帰させるかが重要となってくる。そのためには、的確で速やかな装置状態の監視・解析が必要となる。

特許文献１には、ドライプロセス中に発生する反応発光色を受像手段によってフルカラーで受像し、受像した画像信号に基づいてプロセス状態を監視することが示されている。
特開平１０−２１４８２１号公報

しかしながら、前記従来技術では、処理中のある瞬間のプラズマの状態を平均化して単色で表現しているのみであり、プラズマ中で時々刻々と変化する様々な状態を監視し解析するものではない。

プラズマ状態を監視し解析する有効なモニタリング方法としてＯＥＳ（Optical Emission Spectroscopy：発光分光法）がある。ＯＥＳによれば、分光されたプラズマ光の波長毎に原子や分子に同定することができる。つまり、ＯＥＳによって特定の波長の発光強度がどのような挙動を示しているかを観察することで、処理室内のプロセス変動や異常を観察することができ、プラズマ処理装置の健全性を把握する有効な手段となる。

図１は、一般的なＯＥＳデータの解析例を説明する図である。装置状態監視・解析システム１はコンピュータ上に構築され、一般的なコンピュータの構成要素であるＣＰＵ２、記憶装置３、表示装置４、入出力装置５を備える。ＯＥＳデータを扱う場合、該データは解析システム１内のデータベース等に格納されているか、あるいはネットワークを利用して他の場所にあるデータを参照して利用する。 ＯＥＳデータを解析する場合は、発光スペクトル中にピークとして表れている波長に着目し、その時間変化を調査する方法が広く採用される。分析者が解析システム１の入力装置５に対して、特定の時間を対話的に入力（時間指定７）することによって、解析システム１は特定の時間の発光スペクトル９を表示する。この表示により、分析者はこのスペクトル９の波形から観察すべき波長を特定できる。さらにユーザが解析システム１の入力装置５に対して、特定した波長を対話的に入力（波長指定８）することによって、解析システム１は特定波長の発光強度量の時間変化トレンド１０を表示する。これにより分析者は特定波長の時間変化トレンドを把握できる。

しかしながら、最初に時間指定７を行う場合は何の指標も無いままに指定するか、装置の他の情報、例えばステップ切り替え時間等を参考に指定するしかなく、結果として、時間指定７、波長指定８を繰り返しながら分析者が最良の解析結果を求めて試行錯誤していかなければならない。つまり、ＯＥＳデータの中からプロセス状態を解析するために、特定の波長や特定の時間を適切に選定することは難しく、前記選定には分析者のノウハウや経験が必須となっている。

また、ＯＥＳデータを取得するためのセンサである分光器についても課題もがる。分光器には様々なものが市販されているが、これらの分光器は性能や精度が異なるために、それを利用して取得されるＯＥＳデータには相違いがある。たとえ同じ分光器を利用したとしてもそれぞれの固体差が存在し、同じ発光源を観察しても同じＯＥＳデータとならないことが多い。これは、分光器内の光学系やＣＣＤ（Charge Coupled Device）等のディテクタのばらつきによるものである。このような分光器のばらつきは処理室間の解析や装置間の解析を行う場合、プロセスそのもののばらつきか、分光器のばらつきかを判定するのが難しく、解析の妨げとなっている。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、分析者の習熟度あるいはセンサの個体差にかかわらず、装置状態やプロセス状態の解析を効率よく行うことのできる装置状態監視解析システムを提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

半導体製造装置から処理中に発生する複数種のプロセス量をそれぞれ検出するセンサと、前記センサが検出したプロセス量の振幅値を所定の量子化ビット数で量子化し、量子化した前記プロセス量の振幅値を前記量子化ビット数で表示可能な数未満の数に分割するデータ分割手段と、分割されたプロセス量の振幅値毎にそれぞれ色情報を割り当てる色情報割り当て手段と、前記センサが検出した複数種のプロセス量毎に、検出したプロセス量の振幅値に前記色情報を割り当てると共に割り当てた色情報をプロセス量の種類毎に、且つプロセス量を検出した時点毎に配置して２次元画像を生成する画像生成手段とを備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、分析者の習熟度あるいはセンサの個体差にかかわらず、装置状態やプロセス状態の解析を効率よく行うことができる。

［第１の実施形態］
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図２は、第１の実施形態にかかる半導体製造装置の装置状態監視解析システムの構成を示す図である。

プラズマ処理装置２１は処理室２２、２３を備え、処理室における処理は装置コントローラ２４により制御されている。装置コントローラ２４はモニタ機能を備え、装置の電気的な信号やガス流量、圧力などの装置トレースデータがモニタリングされている。

また、装置コントローラ２４には分光器２５、２６がそれぞれ接続され、分光器２５，２６には処理室２２、２３内の発光が光ファイバやレンズを介して供給される。なお、分光器２５、２６には、処理室２２、２３からの光と校正された標準光源２７からの光を切り換えて入力できるようになっている。

データ収集部３２は、装置コントローラ２４で得られるモニタリングデータと、分光器２５，２６から得られるＯＥＳデータを収集し、一時的に蓄えておく装置であり、データ収集部３２はネットワークを介して装置状態監視解析システムを構成するサーバ２８に接続されている。

装置状態監視解析システムを構成するサーバ２８は、他のプラズマ処理装置２９と接続し、接続された複数のプラズマ処理装置からのデータを蓄積し、蓄積したデータあるいは処理装置に対する監視解析機能をネットワーク介して装置状態監視解析システムを構成する複数のクライアント３０に提供する。

なお、サーバ２８の記憶装置３１に蓄えられる各プラズマ処理装置のデータは、ＯＥＳデータ、装置トレースデータ、装置で処理されたロット情報、あるいはレシピ条件等のコンテキストデータである。また、記憶装置３１には分光器別に標準光源から得られるスペクトルである分光器別標準光源データも蓄えられている。

図３は、本実施形態のシステムにおいて解析対象となるＯＥＳデータを表示した例である。

本実施形態のシステム２８において分析者が対象のＯＥＳデータを指定した場合、システム２８はサーバあるいはクライアントの表示装置に画面４２を表示する。この画面４２に表示されているＯＥＳデータは装置状態を示した画像であり、横軸を時間（又は波長）、縦軸を波長（または時間）で表示されている。さらに、各波長の各時点での発光強度を色の濃淡で表示されている。したがって、このグラフは半導体製造装置、特にプラズマ処理装置において、処理中の装置状態である発光強度を色や色の濃淡で表し、波長毎に時系列で表示した画像（ビットマップ）となる。これにより、波長毎の各時点の発光強度が一目瞭然で確認できる。

また、本実施形態のシステムにおいて、ユーザ（分析者）はビットマップの時間軸上、および、波長軸上の任意の点を対話的に指定できる。画面４２内のＧＵＩ（Graphical User Interface）部品４３は、ユーザが対話的に、時間軸上をスライドさせて特定の時間を指定できる機能であり、ＧＵＩ部品４４は、ユーザが対話的に、波長軸上をスライドさせて特定波長を指定できる機能である。さらに、ビットマップ４５内の任意の点を対話的に指定できるようにしてもよい。

ユーザが対話的に時間を指定すると（時間指定４６）、本実施形態のシステムは画面４７を表示する。画面４７はＯＥＳデータ中の指定された時間における発光スペクトルを表したグラフ４８である。また、ユーザが対話的に波長を指定すると（波長指定４９）、本実施形態のシステムは画面５０を表示する。画面５０はＯＥＳデータ中の指定された波長の発光強度の時間変化を表したグラフ５１である。

このように、本実施形態のシステムでは、分析者はビットマップ表示を利用することにより、プラズマ処理時の異常な時点や特徴的な挙動を示す波長の選定等をノウハウや多くの繰り返し作業によらずに行うことができる。

図４は、本実施形態のシステムにおけるビットマップ表示方法について説明する図である。

プラズマ処理装置２１の分光器２５で得られたＯＥＳデータはデータ収集部３２およびネットワークを介して、本実施形態のシステム２８に転送され、装置毎、分光器（処理室）毎、および処理毎にデータベース６１に蓄えられる。さらに、標準光源２７から得られた分光器別の標準光源データもデータベース６２に蓄えられている。

システム２８はユーザが指定したＯＥＳデータについてデータベース６１からＯＥＳデータを、データベース６２から当該ＯＥＳデータを収集した分光器の標準光源データを取得する。取得された各データは、固体差補正手段６３に入力され、分光器の固体差を補正する。補正方法としては、例えば、基準分光器標準光源データ６４と当該分光器標準光源データ６５の波長別発光強度比を算出し、それを当該ＯＥＳデータに掛け合わせることで分光器の固体差を補正したＯＥＳデータが得られる。

分光器固体差が補正されたＯＥＳデータ６６はデータ分割手段６７で発光強度が予め指定された段階に分割される。段階は７６８分割や２５６分割、１６分割等がメニュー６８としてユーザが予め指定できるようになっている。例えば、分光器のＡＤ変換機により１６ビットで量子化されたＯＥＳデータがあるとする。前記データ分割手段６７で２５６分割が指定されていた場合は、１６ビットのＯＥＳデータを８ビットの範囲で再量子化することになる。

分割されたデータ６９は色割当手段７０で各段階が色に割り当てられる。色に割り当てられたデータ７１は画像生成手段７２で横軸を時間（又は波長）、縦軸を波長（または時間）としたビットマップ画像に変換される。ビットマップ画像７３はサーバあるいはクライアントの画面表示手段７４にて表示される。

図５は、図４に示すデータ分割手段６７と色割当手段７０において、発光強度量であるＯＥＳデータが予め指示された段階に分割され、それぞれの段階を色に割り当てる具体的な方法を示した例である。ここでは７６８分割された発光強度量を２５６分割ずつＲＧＢ（赤・緑・青）に割り当てる例を示す。

まず、当該ＯＥＳデータの発光強度の最大値と最小値をそれぞれＭＡＸ、ＭＩＮとするか、当該ＯＥＳデータがとりうる最大値と最小値をそれぞれＭＡＸ、ＭＩＮとする。そして、ＭＡＸ−ＭＩＮ間を７６８分割する。さらに、７６８分割を３つに分け、 「ＭＩＮ→ＭＡＸ／３」８１、 「（ＭＡＸ／３）→（２／３×ＭＡＸ）」８３、 「（２／３×ＭＡＸ）→ＭＡＸ」８５とする。それぞれが２５６分割になったことになる。

次に、分割されたデータをＲＧＢの色に割り当てる。割り当てる方法は、「ＭＩＮ→ＭＡＸ／３」８１を表示色「青→緑」８２、「（ＭＡＸ／３）→（２／３×ＭＡＸ）」８３を表示色「緑→黄」８４、「（２／３×ＭＡＸ）→ＭＡＸ」８５を表示色「黄→赤」８６で表現するように色に割り当てる。 表示色「青→緑」８２の場合は、２５６段階のそれぞれで、Ｒ（赤）の輝度を０、Ｇ（緑）の輝度を０→２５５、Ｂ（青）の輝度を２５５→０に調整する。同様に、表示色「緑→黄」８４の場合は、 ２５６段階のそれぞれで、Ｒ（赤）の輝度を０、Ｇ（緑）の輝度を２５５、Ｂ（青）の輝度を０→２５５に調整する。 同様に、表示色「黄→赤」８６の場合は、 ２５６段階のそれぞれで、Ｒ（赤）の輝度を０→２５５、Ｇ（緑）の輝度を２５５→０、Ｂ（青）の輝度を２５５→０に調整する。

ＭＩＮより小さな強度８７は黒８８、ＭＡＸより大きな強度８９は白９０で表現する。また、データがない区間、例えば、処理ステップ間のＯＥＳデータについても黒とする。なお、ＭＡＸとＭＩＮは前記のように発光強度の最大値と最小値としても良いし、任意の値としても良い。

［第２の実施形態］
図６は、ビットマップ表示方法について、他の例を説明したものである。プラズマ処理装置２１の装置コントローラおよびモニタ２４で得られた装置トレースデータ１０１はデータ収集部およびネットワークを介して、本実施形態のシステム２８に転送され、装置毎、分光器（処理室）毎、および処理毎にデータベース１０２に蓄えられる。装置トレースデータ１０１は装置の電気的な信号やガス流量、圧力値などが含まれる。

システム２８はユーザが指定した処理についての装置トレースデータをデータベース１０２から取得する。取得された装置トレースデータは、電気的な信号やガス流量、圧力値などが含まれており、信号の単位がそれぞれ違う。データ正規化手段１０３は入力された装置トレースデータを各信号別に正規化を行う。例えば、各装置トレースデータの取りうる最大値を１、最小値を０となるように正規化する。正規化された装置トレースデータ１０４はデータ分割手段６７で予め指定された段階に分割される（量子化）。段階は７６８分割や２５６分割、１６分割等がメニュー６８としてユーザが指定できるようになっている。

分割されたデータ６９は色割当手段７０で各段階が色に割り当てられる。色に割り当てられたデータ７１は画像生成手段７２で横軸を時間（又は波長）、縦軸を波長（または時間）としたビットマップ画像に変換される。ビットマップ画像７３はサーバあるいはクライアントの画面表示手段７４にて表示される。

［第３の実施形態］
図７は、本実施形態のシステムにおける装置状態監視方法について示したものである。プラズマ処理装置２１の分光器２５で得られたＯＥＳデータはデータ収集部およびネットワークを介して、本実施形態のシステム２８に転送され、装置毎、分光器（処理室）毎および処理毎にデータベース６１に蓄えられる。さらに、標準光源２７から得られた分光器別の標準光源データもデータベース６２に蓄えられている。

システム２８はユーザが指定したＯＥＳデータについてデータベース６１からＯＥＳデータを、データベース６２から当該ＯＥＳデータを収集した分光器の標準光源データを取得する。取得された各データは、固体差補正手段６３に入力され、分光器の固体差を補正する。補正方法としては、例えば、基準分光器標準光源データ６４と当該分光器標準光源データ６５の波長別発光強度比を算出し、それを当該ＯＥＳデータに掛け合わせることで分光器の固体差を補正したＯＥＳデータが得られる。

分光器固体差が補正されたＯＥＳデータ６６はデータ分割手段６７で発光強度が予め指定された段階に分割される（量子化）。段階は７６８分割や２５６分割、１６分割等がメニュー６８としてユーザが指定できるようになっている。

分割されたデータ６９は色割当手段７０で各段階が色に割り当てられる。色に割り当てられたデータ７１は画像生成手段７２で横軸を時間（又は波長）、縦軸を波長（または時間）としたビットマップ画像に変換される。

変換されたビットマップ画像データ７３は画像比較手段１２１に入力される。画像比較手段１２１は基準画像データベース１２２の中から予め選択された基準画像と、当該ビットマップ画像データ７３を比較する。比較する方法はお互いの画像の差分をとったり、同じ色の面積を比較したりする方法がある。

数値化された比較結果データ１２３は判定手段１２４に入力され、判定値１２５と比較され異常かどうかが判定される。異常であれば、サーバあるいはクライアントの画面表示手段７４にその内容が表示される。あるいは、電子メール等の通知手段１２６によって、特定のユーザに異常を通知できるようになっている。

以上説明したように、本実施形態の半導体製造装置の装置状態を監視し解析するシステムにおいては、装置の処理中に少なくとも同時に２つ以上のプロセス量を出力するセンサ、すなわち、電気的な信号やガス流量、処理室の圧力、あるいは、半導体製造装置がプラズマ処理装置であった場合は発光強度をモニタする発光分光器、等を備え、出力された個々のセンサデータの範囲よりも少ない範囲で量子化する手段、例えば、１６ビットの情報を８ビットの情報に量子化する手段と、その量子化された情報を色情報に割り当てる手段、例えば、色の３原色であるＲＧＢ（赤・緑・青）のそれぞれの階調に量子化された値を割り当てる手段と、その色情報をプロセス処理中の各時点でプロットする画像表示手段を備える。

また、画像表示手段には横軸あるいは縦軸上の任意の点を対話的に指定できる手段と、指定された点での量子化前のデータをグラフ化する手段を備える。

また、各センサの校正用データを予めシステムに準備する手段と、校正用データから当該センサの固体差を補正する手段を備える。

このため、本発明の実施形態によれば、プラズマ処理中の少なくとも２つ以上のプロセス量を色や色の濃淡で表し、時系列で表示したものとなり、時々刻々と変動するプロセス量が一目瞭然で確認できる。

また、ユーザ（分析者）はプロットされた画像の時間軸上、および、プロセス量軸上の任意の点を対話的に指定し、指定した軸での量子化前のプロセス量、すなわち生データをグラフ化できる。これにより、プロセス処理を概観的に表した画像から、詳細な解析を行うためのグラフへ即座に表示を切り替えることができ、ユーザのノウハウや経験によらずに解析効率を向上することができる。

また、分光器等のセンサ間の固体差を含んだデータを扱う場合も、本システムにおける各センサの固体差補正手段を適用することで、複数装置または複数処理室間にまたがるセンサのデータを規格化できる。これにより、センサ間、つまり装置間および処理室間における比較、解析を容易に行うことができる。

また、本発明のシステムは、プロセス変動や異常を監視あるいは解析できるシステムであり、化学的プロセスを用いる製造装置を利用する製造ラインにおいて、装置状態を監視し解析する方法に適用することができる。

一般的なＯＥＳデータの解析例を説明する図である。 第１の実施形態にかかる半導体製造装置の装置状態監視解析システムの構成を示す図である。 解析対象となるＯＥＳデータを表示した例である。 ビットマップ表示方法について説明する図である。 図４に示すデータ分割手段と色割当手段により、分割されたそれぞれの段階に色に割り当てる方法を説明する図である。 第２の実施形態を説明する図である。 第３の実施形態を説明する図である。

符号の説明

２１，２９ プラズマ処理装置
２２，２３ 処理室
２４ 装置コントローラ
２５，２６ 分光器
２７ 標準光源
２８ 装置状態監視・解析システム（サーバ）
３０ 装置状態監視・解析システム（クライアント）
３１ 記憶装置
３２ データ収集部
４３，４４ ＧＵＩ部品
６１，６２ データベース
６３ 個体差補正手段
６７ データ分割手段
６８ 分割メニュー
７０ 色割り当て手段
７２ 画像生成手段
７４ 画面表示手段
１０２ データベース
１０３ データ正規化手段
１２１ 画像比較手段
１２２ 基準画像
１２４ 判定手段
１２６ 通知手段

Claims (5)

1. 半導体製造装置から処理中に発生する複数種のプロセス量をそれぞれ検出するセンサと、
   前記センサが検出したプロセス量の振幅値を所定の量子化ビット数で量子化し、量子化した前記プロセス量の振幅値を前記量子化ビット数で表示可能な数未満の数に分割するデータ分割手段と、
   分割されたプロセス量の振幅値毎にそれぞれ色情報を割り当てる色情報割り当て手段と、
   前記センサが検出した複数種のプロセス量毎に、検出したプロセス量の振幅値に前記色情報を割り当てると共に割り当てた色情報をプロセス量の種類毎に、且つプロセス量を検出した時点毎に配置して２次元画像を生成する画像生成手段とを備えたことを特徴とする装置状態監視解析システム。
2. 半導体製造装置から処理中に発生する複数種のプロセス量をそれぞれ検出するセンサと、
   前記センサが検出したプロセス量の振幅値を所定の量子化ビット数で量子化し、量子化した前記プロセス量の振幅値を前記量子化ビット数で表示可能な数未満の数に分割するデータ分割手段と、
   分割されたプロセス量の振幅値毎にそれぞれ色情報を割り当てる色情報割り当て手段と、
   前記センサが検出した複数種のプロセス量毎に、検出したプロセス量の振幅値に前記色情報を割り当てると共に割り当てた色情報をプロセス量の種類毎に、且つプロセス量を検出した時点毎に配置して２次元画像を生成する画像生成手段と、
   生成した２次元画像における、指定されたプロセス量の種類毎、あるいは指定された時点毎にプロセス量の振幅値を表示する表示手段を備えたことを特徴とする装置状態監視解析システム。
3. 請求項１記載の装置状態監視解析システムにおいて、
   前記各センサ出力を校正するための校正用データをそれぞれ蓄積したデータベースを参照して前記センサの個体差を補正する個体差補正手段を備えたことを特徴とする装置状態監視解析システム。
4. 請求項１記載の装置状態監視解析システムにおいて、
   前記センサは、各種の波長成分の発光強度を検出する発光分光器であることを特徴とする装置状態監視解析システム。
5. 請求項１記載の装置状態監視解析システムにおいて、
   基準画像と前記２次元画像を比較して半導体製造装置の状態の良否を判定する判定手段を備えたことを特徴とする装置状態監視解析システム。

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