JP2009218262A - プラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセスチャンバ内雰囲気の濃度を瞬時に変更可能として、液晶デバイスや半導体デバイスの生産に必要なプラズマ反応処理プロセスを高い生産性で低コストに実現できること。
【解決手段】各成分ガスの温度分布式流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値は、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値とされ、かつ排出管路の圧力制御器は、変更開始から所定の微少時間に限り、圧力設定モードから弁開度設定モードに切り替えられると共に、変更直後の圧力変動を緩和すべく経験的に求められた弁開度設定値が与えられる。
【選択図】図１

Description

この発明は、液晶デバイスや半導体デバイスの製造等に好適なプラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法に関する。

この種のプラズマ反応炉処理システムは、プラズマ発生器（例えば、平行平板型電極方式、マイクロ波アンテナ方式等々）を内蔵するプロセスチャンバと、１種又は２種以上の不活性ガス源（例えば、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等々）のそれぞれとプロセスチャンバとを結ぶ不活性ガスの供給管路と、１種又は２種以上のプロセスガス源（例えば、Ｈ₂，Ｏ₂，ＮＦ₃，Ｃｌ₂，ＳｉＣｌ₄，ＨＢｒ，ＳＦ₆，Ｃ₅Ｆ₈，ＣＦ₄等々）のそれぞれとプロセスチャンバとを結ぶプロセスガスの供給管路と、プロセスチャンバと排気ポンプとを結ぶチャンバ内ガスの排出管路とを有している。

各不活性ガス及び各プロセスガスの供給管路のそれぞれには、その管路を流れるガスの流量を設定された値に調整可能な流量調整器が介在されると共に、チャンバ内ガスの排出管路には、与えられた圧力設定値と圧力計測部を介して計測された圧力計測値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する機能を有する圧力制御器とが介在されている。

ところで、この種のプラズマ反応炉処理システムにおいては、プロセスの開始時、プロセスの途中、プロセスの終了時においては、プロセスチャンバ内雰囲気の濃度変更が必要とされる。例えば、プロセスの開始時においては、不活性ガス（希釈ガス）の単独雰囲気から不活性ガスと１種又は２種以上のプロセスガスとの混合雰囲気への濃度変更が必要とされる。また、プロセスの途中においては、不活性ガスとプロセスガスとのある濃度の混合雰囲気から別の濃度の混合雰囲気又はガス種の異なる混合雰囲気への濃度変更が必要とされる場合がある。さらに、プロセスの終了時にあっては、不活性ガスとプロセスガスとの混合雰囲気から不活性ガスの単独雰囲気への濃度変更が必要とされる。

一般に、この濃度変更は、各成分ガスの供給管路のそれぞれに介在された流量調整器に対して新たな流量設定値を与えることにより実現される。従来、このような目的に使用される流量調整器としては、ガス供給開始直後にも安定的にガス流量を制御可能な圧力制御式のものが採用されていた（特許文献１参照）。ここで、圧力制御型流量調整器とは、与えられた流量設定値と圧力計測部を介して計測された流体圧力に対応する流量検出値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する機能を有する流量調整器であり、ガス供給開始直後から流量設定値通りの流量が得られる。

しかし、流量調整器として圧力制御型流量調整器を採用したとしても、各成分ガスの流量調整器に対して新たな流量設定値を与えて流量を変化させると、プロセスチャンバ内ガスの排出管路に圧力制御器が介在されていたとしても、プロセスチャンバ内には比較的に大きな圧力変動が生ずると言う問題点があった。

斯かる問題点は、プロセスチャンバ内ガスの排出管路に介在された開度可変型流体制御弁又は排気速度可変型排気ポンプにより、圧力制御型流量調整器による流量変更と連動して、排気量を瞬時に変更（増大）することで解決された（特許文献２参照）。
特開２０００−２００７８０号公報 特開２００２−２０３７９５号公報

しかし、特許文献２に記載されたプラズマ反応炉処理システムを用いた電子装置の製造方法にあっても、流れ易さや排気され易さは各ガス種毎に異なるから、流量調整器による流量変更と連動して、排気量を瞬時に変更したとしても、流量調整器による流量変更に起因するプロセスチャンバ内の圧力変動を完全に吸収することはできないという問題点があった。

加えて、圧力制御型流量調整器は、他の流量調整器に比べて、一般に高価であり、この種のプラズマ反応処理システムを実現する上でコストの面でも問題があった。

一方、上記の目的に用いられる流量調整器としては他に、温度分布式流量調整器がある。ここで、温度分布式流量調整器とは、与えられた流量設定値と温度差計測部を介して計測された温度差に対応する流量検出値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する機能を有する流量調整器をいう。

この温度分布式流量調整器は、ガス供給開始直後に未制御ガスを生じやすく、それによりガスの過剰流入を招くという問題点を有しているものの、圧力制御型流量調整器に比して安価であり、この種のプラズマ反応処理システムのコスト低下を図る上では非常に好ましいものであった。

この発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、プロセスガスの流量調整器として、システムの低コスト化を図る上で有利な温度分布式流量調整器を採用しつつ、プロセスの開始時、プロセスの途中、プロセスの終了時等々において、プロセスチャンバ内雰囲気の濃度を瞬時に変更可能として、液晶デバイスや半導体デバイスの生産に必要なプラズマ反応処理プロセスを高い生産性で低コストに実現できるようにしたプラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法を提供することにある。

この発明の他の目的並びに作用効果については、明細書の以下の記載を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。

上記の発明が解決しようとする課題は、つぎのような構成よりなるプラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法により解決することができる。

すなわち、この運転制御方法が適用されるプラズマ反応炉処理システムは、プラズマ発生器を内蔵するプロセスチャンバと、１種又は２種以上の不活性ガス源のそれぞれとプロセスチャンバとを結ぶ不活性ガスの供給管路と、１種又は２種以上のプロセスガス源のそれぞれとプロセスチャンバとを結ぶプロセスガスの供給管路と、プロセスチャンバと排気ポンプとを結ぶチャンバ内ガスの排出管路とを有する。

また、不活性ガスの供給管路及びプロセスガスの供給管路のそれぞれに、与えられた流量設定値と温度計測部を介して計測された流体温度に対応する流量検出値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する機能を有する温度分布式流量調整器と供給管路を開閉する電磁弁が介在されており、また、チャンバ内ガスの排出管路には、与えられた圧力設定値と圧力計測値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する第１の動作モードと、開度設定値と開度現在値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する第２の動作モードと、を有する圧力制御器とが介在されている。

本発明は、このようなプラズマ反応炉処理システムにおいて、濃度変更する不活性ガスおよびプロセスガスに対応した供給管路に介在された流量調整器に対して流量設定値として略ゼロを与える第１のステップと、前記濃度変更する不活性ガスおよびプロセスガスに対応した供給管路に介在された電磁弁を開状態とする第２のステップと、前記濃度変更する不活性ガスおよびプロセスガスに対応した供給管路に介在された流量調整器に対して新たな流量設定値を与える第３のステップを有する。

このような構成によれば、流量調整器によって流量設定値が一度ゼロに変更された状態で、電磁バルブが開状態とされるため、その後新たに流量設定値が与えられた場合でも、直ちに流量調整ができ、これにより、未制御ガス容量を最小限にすることができる。

また、前記第３のステップにおいて、流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値のそれぞれは、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値とされており、加えて、チャンバ内ガスの排出管路には、与えられた圧力設定値と圧力計測部を介して計測された圧力計測計測値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する第１の動作モードとを有する圧力制御器が介在される。

このような構成によれば、プロセスガスの濃度変更に際して、各成分ガスの供給管路に介在された流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値は、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値とされるから、各成分ガスの供給管路に介在された流量調整器により流量変更を行ったとしても、流量変更分は互いに相殺されて、プロセスチャンバ内に圧力変動は生じないか、圧力変動が生ずるとしてもそれは僅かの値に留まることとなる。そのため、その程度の圧力変動であれば、チャンバ内ガスの排出管路に介在された圧力制御器が作用して、チャンバ内圧力の変動は直ちに整定される。

好ましい実施の形態においては、前記第３のステップにおいて、流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値のそれぞれには、変更開始から所定の微少時間に限り、変更後に減少する成分ガスについては減少方向の超過分が、変更後に増加する成分ガスについては増加方向の超過分が、それぞれ加算されており、かつ減少方向の超過分総量と増加方向の超過分総量とは等しくなるように設定されている。

このような構成によれば、変更開始から所定の微少時間に限り、各流量調整器による流量値は、目的とする増加目標値を超過して増加、又は目的とする減少目標値を超過して減少するから、プロセスチャンバの容量が比較的に大きい場合にも、プロセスチャンバ内雰囲気の濃度は濃度変更開始から速やかに目標濃度に到達して、その後、整定されることとなる。しかも、流量が超過する期間にあっても、減少方向の超過分総量と増加方向の超過分総量とは等しくなるように設定されているため、それらの超過総領同士は互いに相殺されて、圧力変動に寄与することはない。

本発明のさらに好ましい形態においては、排出管路に介在された圧力制御器は、変更開始から所定の微少時間に限り、第１の動作モードから第２の動作モードへと切り替え、かつ変更直後の圧力変動を緩和すべく経験的に求められた弁開度設定値を与える第４のステップをさらに有する。

このような構成によれば、各成分ガスの供給管路に介在された流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値は、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値であっても、ガス種毎に流れ易さの相違や排気のされ易さの相違により、プロセスチャンバ内に圧力変動が生ずる場合には、排出管路に介在された圧力制御器は、変更開始から所定の微少時間に限り、第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えられると共に、変更直後の圧力変動を緩和すべく経験的に求められた弁開度設定値が与えられるため、そのようなガス種に起因する圧力変動については、弁開度が瞬時に追従することで、忽ちにして緩和される。

本発明に係る製造装置の特徴であるプロセスガスの濃度変更が、プロセス開始時、プロセス途中、又はプロセス終了時のいずれの場合にも適用可能であることは言うまでもない。

このような発明にあっては、他の流量調整器に対して比較的安価な温度分布式流量制御器を用いてプラズマ反応処理システムを実現することができるため、システム実現の為のコストの低下に大いに寄与する。

また、反応炉内に導入されたプロセスガスを直ちにプラズマ化してプラズマ反応処理に寄与させることができるから、プロセスガスの利用効率が向上して、その分製造コストが低下する。加えて、反応処理開始前の待ち時間も大幅に減少させることが可能であるから、工程のＴＡＴ(Turn-Around Time)の短縮化により生産性も向上する。

また、プラズマ反応処理の完了と共に、直ちにプロセスガスの供給を停止し、その後、速やかにプラズマ発生器に対するプラズマ発生停止指令を与えることができるから、プラズマ反応に寄与しないプロセスガスが無駄に使用されることを防止して、プロセスガスの利用効率の向上を通じて製造コストの低下を図ることができる。

また、反応処理終了後の待ち時間も大幅に減少させることが可能であるから、工程のＴＡＴ(Turn-Around Time)の短縮化により生産性も向上する。

また、供給されたプロセスガスは直ちにプラズマ反応処理に寄与することに加え、プラズマ反応処理開始に際して、電力が無駄に消費されることがなく、これにより生産性の向上とプロセスガスの節減に加えて、電力エネルギーの節減を通じて、低コスト化を極限まで追求することができる。

さらに、電力が絶たれてプラズマ反応処理が終了すると共に、プロセスガスの供給も停止されるため、プロセスガスが無駄に消費されることがなく、これにより生産性の向上とプロセスガスの節減に加えて、電力エネルギーの節減を通じて、低コスト化を極限まで追求することができる。

本発明によれば、プロセスガスの濃度変更に際して、各成分ガスの供給管路に介在された流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値は、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値とされるから、各成分ガスの供給管路に介在された流量調整器により流量変更を行ったとしても、流量変更分は互いに相殺されて、プロセスチャンバ内に圧力変動は生じないか、圧力変動が生ずるとしてもそれは僅かの値に留まることとなる。そのため、その程度の圧力変動であれば、チャンバ内ガスの排出管路に介在された圧力制御器が作用して、チャンバ内圧力の変動は直ちに整定される。

また、各成分ガスの供給管路に介在された流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値は、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値であっても、ガス種毎の流れ易さの相違や排気のされ易さの相違により、プロセスチャンバ内に圧力変動が生ずる場合がある。その場合であっても、排出管路に介在された圧力制御器を、変更開始から所定の微少時間に限り、第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えると共に、変更直後の圧力変動を緩和すべく経験的に求められた弁開度設定値を与えれば、そのようなガス種に起因する圧力変動については、弁開度が瞬時に追従することで、忽ちにして緩和される。

以下に、本発明に係るプラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法の好適な実施の一形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

プラズマ反応炉システムの全体構成図が図１に示されている。同図に示されるように、このプラズマ反応炉処理システム１００は、プラズマ発生器１ａを内蔵するプロセスチャンバ１と、１種又は２種以上の不活性ガス源（この例では、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ）のそれぞれとプロセスチャンバ１とを結ぶ不活性ガスの供給管路と、１種又は２種以上のプロセスガス源（この例では、Ｈ₂，Ｏ₂，ＮＦ₃，Ｃｌ₂，ＳｉＣｌ₄，ＨＢｒ，ＳＦ₆，Ｃ₅Ｆ₈，ＣＦ₄）のそれぞれとプロセスチャンバ１とを結ぶプロセスガスの供給管路と、プロセスチャンバ１と排気ポンプ（Ｐｕｍｐ）５とを結ぶチャンバ内ガスの排出管路とを有する。

不活性ガスの供給管路及びプロセスガスの供給管路のそれぞれには、マス・フロー・コントローラ（以下、ＭＦＣと言う）が介在されている。

このＭＦＣは、測定部の抵抗体間の温度差と対象となる流体の流量とが一定の関係にあるという原理を利用したもので、質量流体の計測に用いられる電子式質量流量計として知られている。このような機能を有するＭＦＣとしては、様々なメーカから種々の製品が市販されており、一例としては、図１おけるＭＦＣ１１には株式会社堀場エステック製の型式ＳＥＣ−Ｚ５１２ＭＯ−ＳＵＣ−Ａｒ−１ＳＬＭ−２４Ｗ２、ＭＦＣ９には型式ＳＥＣ−Ｚ５１２ＭＯ−ＳＵＣ−Ａｒ−３００ｓｃｃｍ−２４Ｗ２、ＭＦＣ３には型式ＳＥＣ−Ｚ５１２ＭＯ−ＳＵＣ−ＨＢｒ−３００ｓｃｃｍ−２４Ｗ２、ＭＦＣ６には型式ＳＥＣ−Ｚ５１２ＭＯ−ＳＵＣ−Ｏ２−１００ｓｃｃｍ−２４Ｗ２等を採用し得る。

より具体的に説明すれば、Ａｒガスの供給管路は、上段シャワープレートへの導入用ポート２へと向かう第１の供給管路と、下段シャワープレートへの導入用ポート３へと向かう第２の供給管路とに分岐されている。そして、第１の供給管路には、手動弁ＭＶ１１、ＭＦＣ１１、ストップ弁として機能する電磁弁ＳＶ１１が介在され、第２の供給管路には、手動弁ＭＶ９、ＭＦＣ９、電磁弁ＳＶ９か介在されている。したがって、ＭＦＣ１１、及び／又は、ＭＦＣ９の流量設定値を操作することで、Ａｒガスの流量を制御可能とされている。

Ｋｒガス及びＸｅガスの供給経路についても同様である。したがって、ＭＦＣ１０、及び／又は、ＭＦＣ８の流量設定値を操作することで、Ｋｒガス又はＸｅガスの流量を制御可能とされている。

Ｈ₂ガスの供給管路は、そのまま、下段シャワープレートへのガス導入用ポート３へと繋がれており、この管路には、手動弁ＭＶ７、ＭＦＣ７、電磁弁ＳＶ７が介在されている。したがって、ＭＦＣ７の流量設定値を操作することで、Ｈ₂ガスの流量を制御可能とされている。

ＨＢｒガス、ＳＦ₆ガス、Ｃ₅Ｆ₈ガスの供給管路についても同様である。したがつて、ＭＦＣ２又はＭＦＣ３の流量設定値を操作することで、ＨＢｒガス、ＳＦ₆ガス、Ｃ₅Ｆ₈ガスの流量を制御可能とされている。

Ｏ₂ガスの供給管路は、手動弁ＭＶ６、ＭＦＣ６、電磁弁ＳＶ６を経由したのち、上段シャワープレートへの導入用ポート２へと向かう第１の供給管路と、下段シャワープレートへの導入用ポート３へと向かう第２の供給管路とに分岐されている。そして、第１の供給管路には手動弁ＭＶ６２が介在され、第２の供給管路には手動弁ＭＶ６１が介在されている。したがって、ＭＦＣ６の流量設定値を操作することで、Ｏ₂ガスの流量を制御可能とされている。

ＮＦ₃ガス、Ｃｌ₂ガス、ＳｉＣｌ₄ガスの供給管路についても同様である。したがって、ＭＦＣ５又はＭＦＣ４の流量設定値を操作することで、ＮＦ₃ガス、Ｃｌ₂ガス、ＳｉＣｌ₄ガスの流量を制御可能とされている。

ＭＦＣの概略構成図が図２（ａ）に示されている。同図に示されるように、ＭＦＣは制御部５１と、制御弁５２と、流量計測部５３とを有する。制御部５１内には、図示を省略するが、増幅回路と流量演算回路と、比較回路と、弁駆動回路とが含まれている。当業者によく知られるように、流量計測部５３においては、抵抗温度係数の大きい抵抗体間の温度差が、ブリッジ回路等を介して検出されたのち、増幅回路にて増幅され、対応する流量検出信号に変換される。この流量検出信号は比較回路にて流量設定信号と比較され、それらの偏差信号が求められる。弁駆動回路は、その偏差信号の値が減少する方向へと制御弁５２の開度を制御する。

一方、チャンバ内ガスの排出管路には、与えられた圧力設定値と圧力計測部を介して計測された圧力計測値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する機能を有する圧力制御器として機能するオート・プレッシャ・コントローラ（以下、ＡＰＣと言う）４が介在されている。

ＡＰＣ４の概略構成図が図２（ｂ）に示されている。同図に示されるように、ＡＰＣは制御部４１と制御弁４２とを内蔵する。制御部４１は、与えられた圧力設定値とプロセスチャンバに取り付けられた圧力計測部４３を介して計測された圧力計測値との偏差が減少する方向へと制御弁４２の開度を自動的に変更する第１の動作モード（圧力設定モード）と、与えられた開度設定値と開度現在値との偏差が減少する方向へと制御弁４２の開度を自動的に変更する第２の動作モード（開度設定モード）とを有する。このような機能を有するＡＰＣとしては、様々なメーカから種々の製品が市販されており、一例としては、ＶＡＴ ＳＫＫ ＶＡＣＵＵＭ ＬＴＤ社製の型式コントローラ ＰＭ−３，コントローラバルブＦ６１−８７６６５−１８等を挙げることができる。

プラズマ発生器の構成例が図３に示されている。プラズマ発生器１ａとしては、平行平板型電極方式のものと、マイクロ波アンテナ方式のものとが挙げられる。

平行平板型電極方式のプラズマ発生器は、図３（ａ）に示されるように、平行平板型電極（プラズマ励起電極１１２と電極１１３とで構成される）と、それに高周波電力を供給するためのＲＦ電源７、８（図１参照）と、プロセス用ガス等を供給するシャワープレート１１５と、それらを収容するチャンバ１１１とにより構成される。そして、供給されたプロセス用ガスに平行平板電極により高周波を印可することで、プロセス用ガスは励起されてプラズマ状態となる。一方、マイクロ波アンテナ方式のプラズマ発生器は、図３（ｂ）に示されるように、高周波電力を利用する代わりに、マイクロ波駆動回路１１７で駆動されるマイクロ波アンテナ１１６からマイクロ波をチャンバ１１１内に放射して、プロセス用ガスを励起するものである。いずれのプラズマ発生器においても、プラズマ電源（ＲＦ電源７，８やマイクロ波電源６等々）をオンオフすることにより、プラズマの発生又は停止を制御することができる。

図１に戻って、プラズマ反応炉処理システムに含まれるＭＦＣ１〜１１、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ１１、ＡＰＣ４、マイクロ波電源６、ＲＦ電源７，８の制御は、この例にあっては、プログラマブル・コントローラ（以下、ＰＬＣと言う）９を使用して行われる。ＰＬＣ９は、通信１１を介して、操作・表示部として機能するプログラマブル・ターミナル（以下、ＰＴと言う）１０と繋がれている。

すなわち、ＰＬＣ９とＭＦＣ１〜ＭＦＣ１１との間は、ＤＡ／ＡＤユニットを含むＰＬＣインタフェース９ａを介して接続される。ＰＬＣ９と電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ１１との間は、ＤＯユニットを含むＰＬＣインタフェース９ｂを介して接続される。ＰＬＣ９とマイクロ波電源６との間は、ＤＡ／ＡＤユニットやＤＯ／ＤＩユニットを含むＰＬＣインタフェース９ｃを介して接続される。ＰＬＣ９とＡＰＣ４との間は、ＲＳ２３２Ｃを含むＰＬＣインタフェース９ｄを介して接続される。さらに、ＰＬＣ９とＲＦ電源７，８との間は、ＤＡ／ＡＤユニットやＤＯ／ＤＩユニットを含むＰＬＣインタフェース９ｅを介して接続される。そして、ＰＬＣ９は、後述する図１１のフローチャートに示される処理を、ユーザプログラムを介して実行することにより、本発明の製造方法を実現する。

次に、本発明に係るプラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法の要部である濃度変更制御について説明する。本発明方法の特徴とするところは、プロセスガスの濃度変更に際して、各成分ガスの供給管路に介在されたＭＦＣ（温度分布式流量調整器）に対して与えられる新たな流量設定値として、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値を採用することにある。

本発明の濃度変更制御の説明図が図４に示されている。今仮に、濃度変更前のプロセスガス濃度をＡ１（例えば、０％）、プロセスガス供給量をＦ１１（例えば、０ｓｃｃｍ）、不活性ガス供給量をＦ２１（例えば、４２０ｓｃｃｍ）とし、濃度変更後のプロセスガス濃度をＡ２（例えば、２４％）、プロセスガス供給量をＦ１３（例えば、１００ｓｃｃｍ）、不活性ガス供給量をＦ２３（例えば、３２０ｓｃｃｍ）とすると、本発明の濃度変更制御にあっては、各成分ガスの供給管路に介在されたＭＦＣ（温度分布式流量調整器）に対して与えられる新たな流量設定値（Ｆ１３，Ｆ２３）として、濃度変更の前後で総流量値が同一（Ｆ１１＋Ｆ２１＝Ｆ１３＋Ｆ２３＝Ｋ）となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度（Ａ２）から逆算することにより求められた値（Ｆ１３＝Ａ２×Ｋ，Ｆ２３＝（１−Ａ２）×Ｋ）を採用する。

このようにして求められた流量設定値（Ｆ１３，Ｆ２３）を各ＭＦＣに与えれば、濃度変更の前後において、チャンバ内総流量は原理的に増加しないから、濃度変更に際してプロセスチャンバ内の圧力が大きく変動（増加）することはなくなり、チャンバ内圧力は瞬時に整定する筈である。

もっとも、このような方法を一律に採用すると、濃度変更前後における各ガスの流量変動幅が制限されることから、ガス種による流れ難さやプロセスチャンバの容量が大きい場合などにあっては、目的とするプロセスガス濃度に達するまでに時間が掛かり、結局、プロセス開始に遅れを生ずる。

そこで、この例にあっては、個々の成分ガスの新たな流量設定値には、変更開始から所定の微少時間（Δｔ）に限り、変更後に減少する成分ガスについては減少方向の超過分（−ΔＦ）を、変更後に増加する成分ガスについては増加方向の超過分（＋ΔＦ）を、それぞれ加算すると共に、減少方向の超過分総量と増加方向の超過分総量とは等しくなるように設定している。

なお、減少方向の超過分総量と増加方向の超過分総量とが等しくなるという条件を満たせば、超過分は複数パルスで実現してもよい。複数パルスの一例として、超過分が２パルスである場合の説明図が図５に示されている。同図において、個々の成分ガスの新たな流量設定値は、先ず，変更開始から所定の微小時間（Δｔ１）内においては、変更後に減少する成分ガスについては減少方向の超過分（−ΔＦ１）を、変更後に増加する成分ガスについては増加方向の超過分（＋ΔＦ１）を、それぞれ加算すると共に、減少方向の超過分総量と増加方向の超過分総量とは等しくなるように設定される。さらに、その後の所定の微小時間（Δｔ２）内においても、変更後に減少する成分ガスについては減少方向の超過分（−ΔＦ２）を、変更後に増加する成分ガスについては増加方向の超過分（＋ΔＦ２）を、それぞれ加算すると共に、減少方向の超過分総量と増加方向の超過分総量とは等しくなるように設定される。

このような超過分加算方式によれば、濃度変更開始から所定の微少時間（Δｔ）に限っては、総流量は一定に維持しつつも、個々のガス種については大きな流量変動が生ずるため、目的とするプロセスガス濃度に達するまでの時間を短縮することができる。なお、図５中（ｅ）は、微小時間内におけるＡＰＣの開度を示したものである。また、所定の微少時間（Δｔ）は、本実施例ではＰＬＣ９の制御周期から、０．５秒とした。

次に、本発明の濃度変更制御（図４参照）による制御結果と従来の濃度変更制御による制御結果とを具体的なプラズマ反応炉処理システムを例に挙げて説明する。マイクロ波方式のプラズマ発生器（図３（ｂ）参照）を使用して、プラズマ励起エッチングによりｐｏｌｙ−Ｓｉ膜をエッチングする。チャンバ容量は５３リットル、チャンバ内ガス流量は合計４２０ｃｃ／ｍｉｎで、ガス種はプロセスガス種をＨＢｒ、プラズマ励起ガスを不活性ガスであるＡｒとした。定常状態におけるＨＢｒ、Ａｒの濃度比はそれぞれ２４％、７６％を目標とした。また、プロセスチャンバ内目標圧力を３０ｍＴｏｒｒ、プラズマ発生用マイクロ波は２．４５ＧＨｚ、自己バイアス電圧用高周波は１３．５６ＭＨｚ、基板温度は２０℃、プロセス処理反応時間は３０秒とした。

本発明の濃度変更制御（図４参照）使用時のガス濃度変化が図６に、従来の濃度変更制御使用時のガス濃度変化が図７にそれぞれ示されている。

従来の濃度変更制御を使用した場合には、図７に示されるように、時刻ｔ２１にプラズマ電源をＯＮしたのち、時刻ｔ２２にプロセスガスの供給を開始すると、その後、プロセスガスの濃度が整定する時刻ｔ２３までには、約７秒の時間が掛かる。したがって、この従来例にあっては、プロセスガス供給開始後、ＲＦ電源をオンにして、プロセス処理反応を開始するまでには、ガス濃度及び圧力が整定するための待ち時間（約７秒）が必要とされる。そして、この待ち時間中に供給されたプロセスガスは、プロセス処理反応に一切使用されずに、プロセスチャンバから排気され、無駄となる。

本発明の濃度変更制御を使用した場合には、図６に示されるように、時刻ｔ１１にプラズマ電源をＯＮしたのち、時刻ｔ１２にプロセスガスの供給を開始すると、その後、プロセスガスの濃度が整定する時刻ｔ１３までには、約１秒程度の時間しか掛からない。したがって、プロセスガス供給開始後、ＲＦ電源をオンにして、プロセス処理反応を開始するまでには、ガス濃度及び圧力が整定するための待ち時間として約１秒があれば足りることが判る。この整定時間はプロセスガス濃度の過渡状態に起因するエッチング、或いは成膜の不規則さがプロセスの目的に応じて許容範囲に収まる程度の短さであればよい。ＲＦ電源のオンとプロセスガスの供給開始はほぼ同時（例えば、プロセスガス濃度の変化開始から整定までの間にＲＦオンする等）にしてもよい。

このように、従来方法ではプロセス処理反応時間３０秒に対し、プロセス処理反応開始の待ち時間が７秒と高比率であったが、本発明方法では待ち時間が１秒以下となり飛躍的に工程時間が短縮されるとともに、待ち時間中に供給されるプロセスガスが不要となるためプロセスガスの有効利用が可能となる。

なお、上述の例では、不活性ガスであるアルゴンガス（Ａｒ）から不活性ガスとプロセスガスとの混合気（Ａｒ／ＨＢｒ：７６対２４）へのガス切替えが行われて、ｐｏｌｙ−Ｓｉエッチングプロセスが開始されるように構成したが、これは本発明の一例に過ぎないものと理解されるべきである。

すなわち、本発明の濃度変更制御は、プロセスガス（Ａ）からプロセスガス（Ｂ）への切替えをプラズマ電源を投入したままの状態にて行う場合にも適用することができる。このようなプラズマ発生中のプロセスガス切替えが行われると、処理対象となる基板上に、種類の異なる複数種の膜を積層成長されることが可能となる。また自己バイアス電圧を印加することにより、種類の異なる複数種の膜をエッチングすることも可能となる。

ところで、図８に示されるように、チャンバ内に複数のガス種（Ａｒ、ＨＢｒ、Ｏ₂）が存在する場合、それぞれのガスで流量が等しいのにチャンバ内圧力に差が見られる。これはガス種依存によるガスの流れ易さの違い、またはポンプへの排気の流れ易さの違いによるためである。ガス流量が同じでもガス種が違うとチャンバ内圧力に差がみられるため、混合ガスにおいても総流量が同じでもガス比率が違うとチャンバ内圧力に差が出てしまう。したがって、ガス種、ガス比率が変わる際に圧力を一定にする場合、たとえ総流量が一定でも、ＡＰＣ４による圧力制御が必要になる。

すなわち、各成分ガスの供給管路に介在されたＭＦＣ（温度分布式流量調整器）に対して与えられる新たな流量設定値が、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値であっても、ガス種毎に流れ易さの相違や排気のされ易さの相違により、プロセスチャンバ内になおも圧力変動が生ずる場合が想定される。

このような場合には、排出管路に介在されたＡＰＣ４（図１参照）は、変更開始から所定の微少時間に限り、第１の動作モード（圧力設定モード）から第２の動作モード（弁開度設定モード）に切り替えられると共に、変更直後の圧力変動を緩和すべく経験的に求められた弁開度設定値が与えられるため、そのようなガス種に起因する圧力変動については、弁開度が瞬時に追従することで、忽ちにして緩和される。なお、ここで、第１の動作モードから第２の動作モードへと切り替えるのは、第１の動作モード（圧力設定モード）よりも第２の動作モード（弁開度設定モード）の方が、目的とする弁開度へと短時間で達することができるからである。

ここで、図９及び図１０に示されるように、ＡＰＣ４に内蔵される制御弁の開度とチャンバ内圧力との間には、チャンバ内ガス流量をパラメータとして、一定の関係が見られる。したがって、この関係を元に、また実験を繰り返すことにより、濃度変更直後の圧力変動を緩和するに必要な弁開度設定値を求め、こうして求められた弁開度設定値を、第１の動作モードから第２動作モードへと切り替えた上で、ＡＰＣ４に与えるのである。

より具体的には、図１１に示されるように、時刻ｔ３１においてプロセスガスの供給を開始（濃度変更）すると共に、ＡＰＣ４の動作モードを第１の動作モード（圧力設定モード）から第２の動作モード（弁開度設定モード）へと切り替え、同時に、変更直後の圧力変動を緩和すべく経験的に求められた弁開度設定値をＡＰＣ４に与えるのである。

すると、ガス種の相違等に起因する濃度変更時の圧力変動は、第１の動作モード（圧力設定モード）による緩やかな整定を待つことなく、第２の動作モード（弁開度設定モード）により瞬時にかつ強制的に制定されることとなる。

そして、この第２の動作モード（弁開度設定モード）による制御を併用すれば、各成分ガスのＭＦＣ（温度分布式流量調整器）に対して与えられる新たな流量設定値を、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値とする制御については、ガス種の相違を考慮することが不要となり、その分だけ制御の複雑さを回避することができる。なお、第１の動作モードから第２動作モードへと切り替え（時刻ｔ３１）てから、第１の動作モードに戻る（時刻ｔ３２）までの時間、すなわち第１の動作モードから第２動作モードへと切り替えている微少時間は、本実施例ではＰＬＣ９の制御周期から０．５秒とした。また、この切換えはガス流量値の変更と同時に行っても良いし、異なるタイミングで行っても良い。

本発明が適用された製造方法（図４及び図１１の制御を含む）の一例を示すフローチャートが図１２に示されている。この例にあっては、不活性ガスとしてはＡｒが、またプロセスガスとしてはＨＢｒが採用されている。なお、このフローチャートで示される一連の処理は、ＰＬＣ９にて実現することができる。

先ず、ステップ１２０１では、ＡｒガスのＭＦＣに対するＡｒ流量値がゼロに設定される。続くステップ１２０２では、Ａｒガスバルブ（ＡｒガスのＭＦＣの二次側に介在された電磁弁）が開かれる。ステップ１２０３ではＡｒガスのＭＦＣに対するＡｒ流量値設定、及び、ＡＰＣに対する圧力設定（第１の動作モードにおける圧力設定）が同時に行われる。これにより、チャンバ内にはＡｒガスが導入されかつその圧力はＡＰＣの第１の動作モード（圧力設定モード）の作用で所定圧力に整定される。

続くステップ１２０４では、マイクロ波電源６に対するマイクロ波パワー値設定が行われる。続くステップ１２０５では、マイクロ波パワーＯＮ（マイクロ波電源の投入）が行われる。

続くステップ１２０６では、ＨＢｒガスのＭＦＣに対するＨＢｒ流量値がゼロに設定される。続くステップ１２０７では、ＨＢｒガスバルブ（ＨＢｒガスのＭＦＣの二次側に介在された電磁弁）が開かれる。

続くステップ１２０８では、ＨＢｒ流量値設定（図４の超過分ΔＦを含むＦ１２）、Ａｒ流量値変更（図４の超過分ΔＦを含むＦ２２）、及び、ＡＰＣの開度設定（第２の動作モードにおける開度設定）が同時に行われる。ステップ１２０９では、ＨＢｒ流量値変更（図４のＦ１３）、及び、Ａｒ流量値変更（図４のＦ２３）が同時に行われる。また、必要により、ＡＰＣの開度設定が行われる。このステップ１２０９は必要により、図５に示すように複数回実行される。続くステップ１２１０では、ＡＰＣ圧力変更（第２の動作モードから第１の動作モードへの変更）が行われる。ステップ１２１１で、ＲＦ電源７，８に対するＲＦパワー値設定（下部電極に対するＲＦパワーの設定）が行われ、ステップ１２１２では、ＲＦパワーＯＮが行われる。これにより、プロセス開始の準備が完了する。その後、その時々のプロセス内容に合わせて、ＲＦパワー値の変更を行って、半導体製造プロセス又は液晶製造プロセス等々を実施する。

プロセスが完了したならば、続くステップ１２１３において、ＲＦパワーＯＦＦが行われ、ステップ１２１４において、ＨＢｒガスバルブ閉、及び、Ａｒ流量値変更が行われ、続くステップ１２１５において、マイクロ波パワーＯＦＦが行われる。続いてステップ１２１６において、Ａｒガスバルブ閉、及び、ＡＰＣ開度全開が行われる。

以後、一連の製造工程が継続する限り（ステップ１２１７でＮＯ）、プロセスに応じて使用するプロセスガス（図１２においてＨＢｒに相当するガス）を切り替えながら、ステップ１２０１〜ステップ１２１６の処理が繰り返し実行される。一連の製造工程が終了したならば（ステップ１２１７でＹＥＳ）、処理は終了する。以上のように、本発明の実施形態によれば、プロセスガス切り替え時において、異なるプロセス処理を、反応を途中で停止することなく連続して行えるため、工程全体の時間短縮が図れる。

上述のように、本発明の濃度変更処理を含む製造方法は、例えば、ＰＬＣ９を使用して、ＭＦＣ１〜ＭＦＣ１１、電磁弁ＳＶ１〜ＳＶ１１、ＡＰＣ４、マイクロ波電源６、ＲＦ電源７，８等々を適宜に制御することで実現することができる。

最後に、本発明の効果を従来例と比較しつつ説明するためのフローチャートが図１３に示されている。

図１３（ａ）に示されるように、従来の製造方法にあっては、プロセスガスを供給開始（不活性ガスからプロセスガスへの切替）した後に（ステップ１３１０）、プロセスチャンバ内のプロセスガスの濃度および圧力が目標値に安定するのを待ってから（ステップ１３１１）、プラズマ電源をＯＮさせてプロセス処理反応を開始する（ステップ１３１２）。そして、プロセス処理反応終了時には、プラズマ電源をＯＦＦしてプロセス処理反応を終了し（ステップ１３１３）、その後にプロセスガスを供給停止（プロセスガスから不活性ガスへの切替）して（ステップ１３１４）、プロセスチャンバ内のガス濃度および圧力が目標値に安定するまで、次工程のための処理（例えば、プロセスチャンバのドアを開けて基板を取り出すなど）を行わずに待つ（ステップ１３１５）。この場合、チャンバ内のガス濃度および圧力の安定を待つ時間は何の処理も行われない無駄な時間となっている。

これに対して、本発明では図１３（ｂ）に示されるように、プロセスガス供給開始（ステップ１３２０）とプラズマ電源ＯＮ（ステップ１３２１）をほぼ同時に行ってもよく、同様にプラズマ電源ＯＦＦ（ステップ１３２２）とプロセスガス供給停止（ステップ１３２３）をほぼ同時に行ってもよい。従来と異なり、これが可能であるのは、プロセスチャンバ１内でガス濃度は瞬時に目的値まで達して安定し、ガスを供給した瞬間からプロセス処理を実行することが可能であるためである。ここで、プロセスガスは、材料ガス（プロセスによって生成される膜等の材料となるガス）と不活性ガスとの混合気である場合もあるし、材料ガスのみである場合もある。

また、本発明では図１３（ｃ）に示されるように、プロセスチャンバにおいてプラズマ電源をＯＮした後に（ステップ１３３０）、プロセスガスを供給開始（不活性ガスからとプロセスガスへの切替）する（ステップ１３３１）。そしてプロセス終了時にはプロセスガスを供給停止（プロセスガスから不活性ガスへの切替）してから（ステップ１３３２）、プラズマ電源をＯＦＦする（ステップ１３３３）。従来と異なり、これが可能であるのは、プロセスチャンバ１内でガス濃度は瞬時に目的値まで達して安定し、ガスを供給した瞬間からプロセス処理を実行することが可能であるためである。

このとき、プロセスガスの供給開始（不活性ガスからプロセスガスへの切替）とプラズマ電源ＯＮをほぼ同時に行ってもよく、同様にプロセスガスの供給停止（プロセスガスから不活性ガスへの切替）とプラズマ電源ＯＦＦとをほぼ同時に行ってもよい。ここで、プロセスガスは、材料ガス（プロセスによって生成される膜等の材料となるガス）と不活性ガスとの混合気である場合もあるし、材料ガスのみである場合もある。

本発明によれば、他の流量調整器に対して比較的安価な温度分布式流量制御器を用いてプラズマ反応処理システムを実現することができるため、システム実現のためのコストの低下に大いに寄与する。

また、反応炉内に導入されたプロセスガスを直ちにプラズマ化してプラズマ反応処理に寄与させることができるから、プロセスガスの利用効率が向上して、その分製造コストが低下する。加えて、反応処理開始前の待ち時間も大幅に減少させることが可能であるから、工程のＴＡＴ(Turn-Around Time)の短縮化により生産性が向上し、製造コストの低下を図ることができる。

また、プラズマ反応処理の完了と共に、直ちにプロセスガスの供給を停止し、その後、速やかにプラズマ発生器に対するプラズマ発生停止指令を与えることができるから、プラズマ反応に寄与しないプロセスガスが無駄に使用されることを防止して、プロセスガスの利用効率の向上を通じて製造コストの低下を図ることができる。

また、反応処理終了後の待ち時間も大幅に減少させることが可能であるから、工程のＴＡＴ(Turn-Around Time)の短縮化により生産性も向上する。

また、供給されたプロセスガスは直ちにプラズマ反応処理に寄与することに加え、プラズマ反応処理開始に際して、電力が無駄に消費されることがなく、これにより生産性の向上とプロセスガスの節減に加えて、電力エネルギーの節減を通じて、低コスト化を極限まで追求することができる。

さらに、電力が絶たれてプラズマ反応処理が終了すると共に、プロセスガスの供給も停止されるため、プロセスガスが無駄に消費されることがなく、これにより生産性の向上とプロセスガスの節減に加えて、電力エネルギーの節減を通じて、低コスト化を極限まで追求することができる。

本発明のプラズマ反応炉処理システムを用いた電子装置の製造方法は、半導体装置、太陽電池、大型平面ディスプレイ装置（液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等）、その他の電子装置の製造において、基板のプラズマ反応処理（プラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理、プラズマＣＶＤ処理、プラズマエッチング処理、プラズマアッシング処理等）やチャンバー内壁等のプラズマクリーニング処理に適用することができる。すなわち、本発明の方法は電子装置一般の製造に用いて好適である。

プラズマ反応炉処理システムの全体構成図である。 ＭＦＣ及びＡＰＣの概略構成図である。 プラズマ発生器の構成例を示す図である。 プロセス開始時の濃度変更制御の説明図（その１）である。 プロセス開始時の濃度変更制御の説明図（その２）である。 本発明方法使用時のガス濃度変化を示す図である。 従来方法使用時のガス濃度変化を示す図である。 プロセスチャンバ内におけるガス流量と圧力との関係を３種類のガス種のそれぞれについて示す図である。 ＡＰＣにおけるバルブ開度とプロセスチャンバ内圧力との関係（ガス流量１００ｓｃｃｍ）を示す図である。 ＡＰＣにおけるバルブ開度とプロセスチャンバ内圧力との関係（ガス流量５００ｓｃｃｍ）を示す図である。 プロセスガスの供給とＡＰＣの動作モードとの関係を示すタイムチャートである。 本発明が適用された運転方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の効果を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ プロセスチャンバ
１ａ プラズマ発生器
２ 第１の導入ポート
３ 第２の導入ポート
４ ＡＰＣ（圧力調整器）
５ 排気ポンプ
６ マイクロ波電源
７ ＲＦ電源（１３．５６ＭＨｚ）
８ ＲＦ電源（２ＭＨｚ）
９ プログラマブル・コントローラ（ＰＬＣ）
９ａ〜９ｅ ＰＬＣのインターフェース
１０ プログラマブル・ターミナル（ＰＴ）
１１ 通信
ＭＶ 手動弁
ＭＦＣ マス・フロー・コントローラ（温度分布式流量調整器）
ＳＶ 電磁弁（ストップ弁）
４１ 制御部
４２ 制御弁
４３ 圧力計測部
５１ 制御部
５２ 制御弁
５３ 流量計測部
１００ プラズマ反応炉処理システム

Claims (4)

1. プラズマ発生器を内蔵するプロセスチャンバと、
   １種又は２種以上の不活性ガス源のそれぞれとプロセスチャンバとを結ぶ不活性ガスの供給管路と、
   １種又は２種以上のプロセスガス源のそれぞれとプロセスチャンバとを結ぶプロセスガスの供給管路と、
   プロセスチャンバと排気ポンプとを結ぶチャンバ内ガスの排出管路とを有し、
   不活性ガスの供給管路及びプロセスガスの供給管路のそれぞれには、与えられた流量設定値と温度計測部を介して計測された流体温度に対応する流量検出値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する機能を有する温度分布式流量調整器と供給管路を開閉する電磁弁が介在され、かつ
   チャンバ内ガスの排出管路には、与えられた圧力設定値と圧力計測値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する第１の動作モードと、開度設定値と開度現在値との偏差が減少する方向へと流量制御弁の開度を自動的に変更する第２の動作モードと、を有する圧力制御器とが介在されている、プラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法であって、
   濃度変更する不活性ガスおよびプロセスガスに対応した供給管路に介在された流量調整器に対して流量設定値として略ゼロを与える第１のステップと、
   前記濃度変更する不活性ガスおよびプロセスガスに対応した供給管路に介在された電磁弁を開状態とする第２のステップと、
   前記濃度変更する不活性ガスおよびプロセスガスに対応した供給管路に介在された流量調整器に対して新たな流量設定値を与える第３のステップを有し、かつ
   前記第３のステップにおいて、流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値のそれぞれは、濃度変更の前後で総流量値が同一となることを条件として、想定される変更後のプロセスガス濃度から逆算することにより求められた値とされている、
   ことを特徴とするプラズマ反応を用いた電子装置の製造方法。
2. 前記第３のステップにおいて、流量調整器に対して与えられる新たな流量設定値のそれぞれには、変更開始から所定の微少時間に限り、変更後に減少する成分ガスについては減少方向の超過分が、変更後に増加する成分ガスについては増加方向の超過分が、それぞれ加算されており、かつ減少方向の超過分総量と増加方向の超過分総量とは等しくなるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法。
3. 排出管路に介在された圧力制御器を、変更開始から所定の微少時間に限り、第１の動作モードから第２の動作モードへと切り替え、かつ変更直後の圧力変動を緩和すべく経験的に求められた弁開度設定値を与える第４のステップをさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法。
4. プロセスガスの濃度変更が、プロセス開始時、プロセス途中、又はプロセス終了時のプロセスガスの濃度変更を含む、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ反応炉を用いた電子装置の製造方法。

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