JP2017112238A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】残り膜厚やエッチング量を高い精度で検出できるプラズマ処理装置またはプラズマ処理装置の運転方法を提供する。
【解決手段】真空容器内に配置された処理室内に配置された試料を当該処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置であって、前記試料の処理中の複数の時刻で処理室内からの複数の波長の光の強度を検出する光検出器と、この光検出器の出力から得られた前記複数の時刻のうちの任意の時刻における前記複数の波長の時系列のデータの間で相関性の高い成分を前記時系列のデータを主成分分析した結果を用いて検出する成分検出器と、前記相関性の高い成分が除去された前記時系列のデータを用いて検出された少なくとも１つの前記複数の波長の光の強度の変化に基づいて前記エッチング処理の量または終点を判定する判定器とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路を製造する工程が用いられ、真空容器内部の処理室内に配置された半導体ウエハ等の基板状の試料を当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法であって、処理中に検出された処理室内からの発光を用いて試料表面の膜厚さまたは処理の量を検出するプラズマ処理装置またはプラズマ処理装置の運転方法に関する。

半導体デバイスを製造する工程では、半導体ウエハ等の基板状の試料を真空容器内部の処理室内に配置して、当該処理室内に形成したプラズマを用いて、試料表面上に形成された誘電材料やマスク層を含む複数の膜層を有した膜構造をエッチングし半導体デバイスの回路のパターンを形成する処理、所謂ドライエッチング処理が実施されている。このようなエッチング処理においては、近年増大する半導体デバイスの集積度を実現するため、当該処理を上記の膜層を所望の膜厚さ或いはエッチング深さで停止させ回路のパターンを高い精度で実現するために、エッチングの終点をより正確に決定し処理の条件を適切に調節することが求められている。

一般的に、このようなエッチング処理は、真空容器内部の処理室内に半導体ウエハが配置された状態で、当該処理室内に供給した処理用のガスに電界または磁界が供給されてその原子または分子が励起されてプラズマが形成され、これを用いて試料上の膜構造の処理が行われる。処理中においては処理室内のプラズマの発光に含まれる特定の波長の光の強度は、処理対象の特定の膜または処理が進行している任意の膜のエッチングの進行に伴って変化する。

そこで、従来から、処理の終点を精度良く検出する技術として、エッチング処理中に処理室からの発光に含まれる当該特定の波長の強度の変化を検出し、この結果に基づいて処理の終点を検出するものが知られている。しかし、上記の発光には通常、処理に大きな相関を有する反応により生じる特定の波長の発光以外にも相関の相対的に小さな波長の発光も含まれており、終点の判定の際にはこのような所謂ノイズにより生じた検出対象の波長の波形の変動に起因した誤検出を低減または抑制する必要がある。

このようなノイズに対応して発光の強度の変化を精度良く検出するための技術としては、特開２０１４−７２２６４号公報（特許文献１）がある。この従来技術は、真空容器内に配置された処理室内に配置された試料を処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置であって、処理室内からの発光を受光した受光器からの出力から検出した発光の強度のデータから、複数の波長の発光の強度の間で同期して同じ増加または減少の方向に生じる時間変化である同相の成分を除去した結果に基づいてエッチング処理の量を判定するものが開示されている。特に、本例では、分光器から得られた複数の波長の発光の強度を示す時系列のデータは、上記同相の成分を除去するための同相成分除去装置に送信され、そこで各時刻毎のデータの差分値から平均の成分が除去された後、各波長のデータを要素として有する行列について主成分分析が為されて同相成分に相当する基底を含む固有ベクトルが算出される。

さらに、固有ベクトルから算出された基底ベクトルがカルマンフィルタに送信され、当該カルマンフィルタにより上記各波長の差分値から同相成分が除去され、当該同相成分が除去された差分値は積分処理されて各波長毎の時間波形として復元される。本従来技術では、このように雑音の成分を除去されて復元された発光の強度を示す時系列のデータが用いられて、エッチングの量あるいはその終点が高い精度で検出される技術が示されている。

特開２０１４−７２２６４号公報

上記の従来技術では、次の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。

すなわち、特許文献１の技術は、複数の波長の発光の間に突発的に発生した同相成分を含む雑音成分を各波長の信号から効果的に取り除くものであるものの、発光から得られるデータの時間の変化に占める同相成分の割合が大きくなると、その変化に追従できず同相の成分が残留してしまい、大きな強度で長時間にわたって裾を持つアーティファクト（虚像）が発生してしまう。このようなアーティファクトの強度は同相成分が大きいほど大きくなり、裾の時間も長くなることが知られている。このようなアーティファクトが生じると、相対的に小さな発光の強度の変化として示される終点が当該アーティファクトによる変化に埋もれてしまい高い精度で終点の判定ができなくなってしまうという問題が生じていた。

さらに、本従来技術においてカルマンフィルタにより行なわれる同相成分の除去は非線系の処理であるため、本来の発光の強度の時系列のデータが示す波形を歪ませるために、上記の終点に相当する強度の変化がこの歪みに埋もれてしまい高い精度で終点の判定ができなくなってしまうという問題が生じていた。

本発明の目的は、残り膜厚やエッチング量を高い精度で検出できるプラズマ処理装置またはプラズマ処理装置の運転方法を提供することにある。

上記目的は、真空容器内に配置された処理室内に配置された試料を当該処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置であって、前記試料の処理中の複数の時刻で処理室内からの複数の波長の光の強度を検出する光検出器と、この光検出器の出力から得られた前記複数の時刻のうちの任意の時刻における前記複数の波長の時系列のデータの間で相関性の高い成分を前記時系列のデータを主成分分析した結果を用いて検出する成分検出器と、前記相関性の高い成分が除去された前記時系列のデータを用いて検出された少なくとも１つの前記複数の波長の光の強度の変化に基づいて前記エッチング処理の量または終点を判定する判定器とを備えたことにより達成される。

本発明によれば、プラズマ処理装置の、特にエッチング処理装置において、プラズマを用いた処理中に処理室から得られた光の強度の信号に含まれる同相成分に対して相対的に所望の発光の強度変化が微小な場合であっても、同相成分が低減された信号の波形を生成して強度の変化を高い精度で検出することができる。このようにして生成された信号のデータに基づいて被処理層の実際のエッチング量や終点をより高精度で検出することができる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す図である。 図１に示すエッチング量検出器を構成する同相成分除去装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置がエッチング量を判定する動作の流れを示すフローチャートである。 図１の実施例において検出されて同相成分が除去された後の処理室からの光の強度の変化を示すものとして復元した時間波形を示すグラフである。 本実施の形態または従来の技術において、処理室内からの発光を受光して検出された複数の波長の発光の強度の時間の変化に伴う変化の例を示すグラフである。 図５に示す複数の波長の発光の強度の時間の変化に伴う変化についての各時刻での時間差分を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

本実施の形態は、真空容器内部の処理室内に配置された半導体ウエハ等基板状の試料上面に予め配置されたマスク層と処理対象の膜層とを含む複数層有する膜構造を処理室内に形成されたプラズマを用いてエッチングする際に、試料の表面の膜構造で反射された光を含む処理室内からの発光を用いて、エッチングの量の検出やエッチングの終点を判定するプラズマ処理装置とその運転方法を説明する。特に、本例では、試料の表面の複数の膜層で反射された光により形成される複数の波長を含む干渉光の強度を示す時系列のデータに同相的に生じるノイズの成分を効果的に除去して、膜構造の処理対象の膜層のエッチングの量またはその終点を高い精度で検出し、膜構造がエッチングされて形成される半導体デバイスの回路を構成するパターンの形状を所期のものに近づけることができるプラズマ処理装置またはその運転方法が開示される。

検出された処理室内からの発光の強度を示す信号の時間の変化に伴う変化（以下、時間波形と呼ぶ）の例を図５に示す。図５は、本実施の形態または従来の技術において、処理室内からの発光を受光して検出された複数の波長の発光の強度の時間の変化に伴う変化の例を示すグラフである。

図５において、破線で示した部分は、複数の波長の各々において同じまたはこれと見做せる程度に近接した時刻で（同期して）その強度が共に増大した部分を示している。この部分は、処理室からの発光に含まれる複数の波長の各々で他の時刻と相関が無いか非常に小さい時刻に突発的に生じた変動を示すものであり、以下、このような変化、変動を「同相」の変化、変動と称する。

発光の強度を示す時間波形について時間の方向について周波数分析すると、各波長の時間波形に含まれる「同相」の成分は突発的なインパルス信号として検出される。本実施の形態は、時間波形からこのような突発的なインパルス信号を高い精度で高速に除去することで、エッチング量またはエッチングの終点を高い精度で検出するプラズマ処理装置またはその運転方法を実現することを目的とする。

図５に示した複数の波長の発光の強度の時系列のデータについて、各々の波長のデータについて各時刻での時間差分を検出した波形を図６に示す。図６は、図５に示す複数の波長の発光の強度の時間の変化に伴う変化についての各時刻での時間差分を示すグラフである。

本図に示す通り、異なる波長の処理室からの発光の強度を示すデータは、時間波形の時間差分の値おいても時刻毎に高い相関を示していることが分かる。本実施の形態では、この性質を利用して同相成分が除去される。

本発明の実施例を図１乃至４を用いて説明する。

図１を用いて、本実施例に係るプラズマ処理装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す図である。特に、本実施例のプラズマ処理装置１００は、内部に配置された処理室内に搬送された半導体ウエハ等の基板状の試料をエッチング処理して半導体デバイスを製造する工程に用いられる装置であって、試料を処理したエッチング量、例えばマスクや処理対象の膜層の残り膜厚やエッチングして形成した溝または孔の深さを検出する検出器を備え、検出器からの出力に基づいて半導体ウエハ等試料の処理が調節されるように構成されたプラズマエッチング装置である。

本例のプラズマ処理装置１００は、内部に円筒形を備えた処理室１０２が配置されて円筒形の外形を有した真空容器１０１と、真空容器の１０１外部に配置され処理室１０２内部の空間にプラズマ１０３を形成するために供給される電界または磁界を形成する手段であるプラズマ形成装置と、真空容器１０１の下方でこれと連結され処理室１０２内の空間からガスの原子、分子やプラズマ１０３を構成するイオンや活性の高い粒子等を排気するターボ分子ポンプ等の真空ポンプ及び当該排気の流量または速度を調節する調節器を含む排気装置とを備えて構成されている。

さらに、処理室１０２内のプラズマ１０３が形成される空間の下方には、処理対象の半導体ウエハ等の基板状の試料１０４が円形を有したその上面に載せられる試料台１０５が配置されている。また、図示していないが、本実施例では、処理室１０２の内側にはプラズマ１０３を形成して試料１０４を処理するための処理用ガスを導入するためのガス導入孔が配置されるとともに、真空容器１０１はガス導入孔と処理用ガスのガス源との間を連結しその途中にガスの流量または速度を処理に適したものに調節する流量調節器が配置されたガス供給経路を構成するガス用の管路が接続されている。

さらにまた、本実施例のプラズマ処理装置１００には、真空容器１０１外部に配置されて処理室１０２内で実行されるプラズマ１０３を用いた試料１０４の処理中に生じるプラズマ１０３の発光や試料１０４表面からの干渉光等の処理室１０２内側からの光を受光してその強度や変化を検出して試料１０４の表面に配置されたエッチング処理対象の膜層の残り膜厚さやエッチング量（例えば、溝や孔の深さ）を検出するエッチング量検出器１１０が備えられている。また、処理中の処理室１０２からの光をエッチング量検出器１１０に伝達するため、処理室１０２を囲む真空容器１０１の側壁や処理室１０２上方の真空容器１０１の蓋部分を構成する部材に配置された貫通孔内に、石英等の透光性を有する材料から構成された窓部材が、Ｏリング等のシール材により内外を気密に封止されて配置されている。

このようなプラズマ処理装置１００では、真空容器１０１の側壁は、図示しない別の真空容器であって、その内部に処理対象の試料１０４が当該内部に配置されたロボットのアーム上に保持されて搬送される減圧された空間である真空搬送室を備えた真空搬送容器に連結されている。処理されていない試料１０４は、真空搬送室内をロボットのアーム上に保持されて搬送され、アームの伸長により、真空搬送室と処理室１０２との間を連通する通路の内側を通ってアームに載せられた試料１０４が処理室１０２内に搬入される。

処理室１０２内に搬入された試料１０４は試料台１０５に受け渡されて試料台１０５上部を覆う誘電体製の膜の円形を有した上面に載せられる。試料１０４が通過した通路の真空搬送室側の開口が図示しないゲートバルブによって閉塞されて処理室１０２内が気密に封止されると、誘電体製の膜内の電極に供給された直流電力により生起された静電気力により当該誘電体製の膜上に保持される。その後、ガス源からの処理用ガスがガス導入孔から処理室１０２内に流量調節器により流量また速度が適切に調節されて供給されるとともに、試料台１０５の下方に配置され処理室１０２に面して配置された排気用の開口を通して排気装置を構成する真空ポンプの動作により処理室１０２内のガスが外部に排出される。

処理室１０２に供給される処理用ガスの流量または速度と真空ポンプの動作による排気用の開口からの排気の流量または速度のバランスにより、処理室１０２内側の圧力が試料１０４の処理に適した範囲内の値に調節される。プラズマ形成装置が形成する電界または磁界が処理室１０２内に供給され、処理用のガスの原子または分子が励起されて処理室１０２内の試料台１０５またはその上面に載せられ保持された試料１０４の上方の空間にプラズマ１０３が形成される。

試料台１０５内部には、図示されていない金属製の円板または円筒形を有した電極が配置され、真空容器１０１外部の同じく図示していない高周波電源と電気的に接続されている。プラズマ１０３が形成された状態で、プラズマ形成装置の電界と異なる周波数の高周波電力が高周波電源から試料台１０５内に配置された電極に供給されて、試料１０４上面上方の処理室１０２内に、プラズマ１０３の電位に応じたバイアス電位が形成される。

当該バイアス電位とプラズマの電位との電位差に応じて、プラズマ１０３中のイオン等の荷電粒子が試料１０４上面上方に誘引されて、試料１０４の上面に予め配置された有機材料により構成されたマスク層と処理対象の膜層とを含む複数の膜層を有する膜構造の表面と衝突することで、試料１０４表面の膜層のエッチング処理が進行し、プラズマ１０３中のラジカル等の反応性の高い活性種の原子または分子と処理対象の膜層の表面との間の物理的または化学的反応が促進されて、処理対象の膜層の荷電粒子の誘引される方向についての異方性の処理が促進される処理対象の膜層の処理中には、プラズマ１０３中の活性種や上記物理的または化学的な反応を含むプラズマ１０３と試料１０４表面との相互作用により生成された反応生成物に起因して光が放射される。

本実施例では、このような処理中に処理室１０２内で生じる発光をエッチング量検出器１１０により当該処理中に検出して、処理の量（例えば、処理対象の膜或いは当該膜上方に配置されたフォトレジスト等のマスク層の残り膜厚や、処理対象の膜に形成される溝や孔のエッチング深さ）を高い精度で検出して、処理の終点の判定あるいは供給される処理用ガスの流量や処理室１０２内の圧力、プラズマを形成するための電界または磁界の強度の値とその分布等処理の条件が調節可能に構成されている。エッチング量検出器１１０は、窓部材の外側に配置されて窓部材を通過した処理室１０２内からの光を受光する受光器と、光ファイバー１０６等の伝達器を介して受光器から伝達された光を所定の周波数または波長の複数のスペクトルに分解する分光器１１１とを備えている。特に、本実施例では、分光器１１１の内部には図示していない測定用光源（例えばハロゲン光源）が備えられ、これから放射された多波長の光は光ファイバー１０６を介して窓部材を通り処理室１０２内の試料台１０５上面に配置された試料１０４表面の膜構造に対して導入される。

本実施例では、窓部材は処理室１０２の上方で試料１０４上面に対向して配置された処理室１０２の天井面を構成する部材に形成された貫通孔内に配置されプラズマ１０３に面して配置され、測定用光源から放射された放射光は当該窓部材を通って処理室１０２内に進入し試料１０４上面に垂直またはこれと見做せる程度に近似した角度で入射する。試料１０４上面に達した放射光は試料１０４上面に予め配置された膜構造の複数の膜層の境界面で処理室１０２に向けて反射され再度窓部材を通して光ファイバー１０６を介してエッチング量検出器１１０の受光器及びこれに光学的にまたは電気的に接続された分光器１１１に伝達される。

試料１０４表面に垂直に入射して膜構造の異なる深さ方向の位置に配置された複数の膜層同士の間の複数の境界で反射された放射光は、相互に干渉してこれらの深さ位置の間の距離に応じた強度を有する干渉光となる。複数の波長が含まれる放射光によるこのような干渉光の各々の波長の光の強度は、分光器１１１に導入されて各波長毎に分解されて検出される。

本実施例のエッチング量検出器１１０では、試料１０４の処理中に検出された干渉光の強度の信号から、以下に述べる同相の成分を低減する機能を備え、試料１０４上の処理対象の膜層、例えばポリシリコン膜のエッチング深さや残り膜厚さ或いはマスク層の残り膜厚さを高い精度で検出できる。また、エッチング処理の終点への到達の判定を高い精度行うことができる。

分光器１１１で検出された所定の複数の波長の干渉光の強度を示す信号は、これと電気的に接続された同相成分除去装置１２０に送信され、これらの信号が示す処理室１０２内からの複数の波長の光の時間波形に含まれる成分であって、複数の波長の光の強度の信号の間で同相的に変化する成分が除去される。同相成分除去装置１２０において同相の成分が除去された複数の波長の光の強度を示す時間波形の信号は、エッチング量判定部１１２に送信される。

エッチング量判定部１１２では、受信した信号から雑音を除去した後の波形信号から、エッチング量を検出し終点の判定を行う。このようなエッチング量あるいは終点の判定の技術としては、例えば、特開２００７−２３４６６６号公報等の従来公知の技術を用いることができる。また、本実施例において、エッチング量判定部１１２で検出された試料１０４のエッチング量は、ＣＲＴや液晶のモニタ等を備えて構成された表示器４１３に送信されて表示される。

上記の通り、分光器１１１から出力された干渉光の複数の波長の光の強度を示す信号の時間波形は、同相成分除去装置１２０に送信される。送信された信号は、予め定められた所定の間隔毎のサンプリング時刻で信号の波形が得られる度に、または試料１０４表面の膜構造の処理対象の膜層が処理される期間の全体で検出された発光の信号の波形が得られた後に、同相成分除去装置１２０において各波長の時間波形を示す信号からこれに含まれる同相成分が除去され上記判定に及ぼされる悪影響が低減された各波長の時間波形が得られる。

次に、本実施例の同相成分除去装置１２０の構成について図２を用いて説明する。図２は、図１に示すエッチング量検出器１１０を構成する同相成分除去装置１２０の構成を模式的に示すブロック図である。

図２において、分光器１１１から出力されて同相成分除去装置１２０に送信された複数の波長毎の干渉光の強度を示す信号は、まず差分算出器１０１に送信され、ここで波長毎の時間波形の時間差分が算出される。時間差分を用いることにより、各波長の時間波形が有する長期的なトレンド成分の影響が少ない時間波形が得られる。

差分算出器２０１で検出された波長毎の干渉光の強度の時間差分値を示す信号は正規化処理器２０２に送信され、これら時間差分信号の時間平均値、時間標準偏差値、および時間差分信号から時間平均値を差し引いて時間標準偏差値で除算した値（正規化差分信号）が算出される。これにより、長期的なトレンド成分の影響がより一層軽減されることが期待でき、また、波長ごとの強度の大小の違いの影響が軽減される。

次に、正規化器２０２で算出された正規化差分信号は相関行列更新器２０３に送信される。相関行列更新器２０３は、受信した正規化差分信号に基づいて相関行列を更新する。

相関行列更新器２０３で算出され更新された相関行列を示す信号は主成分分析器２０４に送信される。主成分分析器２０４は受信した信号により示される相関行列に対して主成分分析を行い、相関行列に対応する正規直交基底をなす基底ベクトル及び各基底ベクトルの固有値を算出する。さらに、主成分分析器２０４は、同相成分に対応する当該基底ベクトルからなる同相成分基底ベクトル行列を生成する。

主成分分析器２０４において算出された同相成分基底ベクトル行列は同相成分推定器２０５に信号として送信される。同相成分推定器２０５は、主成分分析器２０４から受信した基底ベクトルを示す信号と正規化器２０２から送信されて受信した正規化差分信号とに基づいて同相成分を推定する。本実施例の同相成分推定器２０５は、同相成分の強度が想定される分布に従う確率変数であるかどうかの検定を用いた同相成分の推定を行う。これにより、干渉光の強度の変化が同相成分に直交しない場合であっても、信号の示すデータから干渉光の強度の変化が除去されることを抑制し、同相成分を効果的に除去できる。

同相成分推定器２０５において推定された同相成分を示すデータの信号は同相成分除去器２０６に送信される。同相成分除去器２０６は、正規化器２０２から発信され受信した正規化差分を示す信号から同相成分推定器２０５から送信され受信した信号が示す同相成分を除去し同相成分除去後信号を算出する。

同相成分除去器２０６において生成された同相成分除去後信号は積分処理器３０７に送信される。積分処理器３０７は受信した波長毎の同相成分除去後信号を時間について積算し各波長の時間波形を復元する。復元された複数波長の干渉光の強度の変化を示す時間波形の信号はエッチング量判定器１１２に送信されて試料１０４のエッチング量が算出される。

次に、図２に示した各々のブロックにおいて実施される処理の詳細を説明する。

まず、本実施例では、便宜上、試料１０４の処理中の所定の期間における任意の時刻ｔで分光器１１１から出力された処理室１０２からの各々の波長の光の強度の変化を示す時間波形の信号を、各々の波長についてｙ＿ｎ，ｔと表す。ｎは波長を表すインデックスであって、本実施例では、短波長から長波長まで規則的に値が増減するように付されていても良く、また適切に選択された複数の波長をピックアップしてインデックスを振り直したものであっても良い。ｔは時間インデックスとする。

差分算出器２０１では、ｙ＿ｎ，ｔから波長毎に差分値Δｙ＿ｎ，ｔが算出される。算出の手順の例としては、例えばΔｙ＿ｎ，ｔ＝ｙ＿ｎ，ｔ−ｙ＿｛ｎ，ｔ−１｝のように算出することが考えられる。ここで、最初のサンプル点においては、Δｙ＿ｎ，ｔ＝０とする。

この差分は、１次回帰係数の傾きで代用しても良いし、同様に２次差分、２次回帰係数の傾きで代用しても良い。また、時間毎の信号が１単位時間毎に得られるような場合は、差分算出についても１サンプルずつ行うような構成を取ることができる。

全ての時間のサンプルが一度に得られる場合（オフライン処理）では、全ての時間の差分値をバッチ処理で求めるような構成としても良い。このように、サンプル毎にデータが得られる場合は、サンプル毎に処理を行い、一度にサンプルが得られる場合は処理も一度に行うような構成を、本発明の中のあらゆる処理で同様に取るものとする。

正規化器２０２においては、波長毎の差分値Δｙ＿ｎ，ｔの時間平均値μ＿ｎ，ｔが、例えば移動平均形式で算出される。また、オフライン処理においてでは、アンサンブル平均形式で求められても良い。さらに、時間標準偏差値σ＿ｎ，ｔについても、例えば（Δｙ＿ｎ，ｔ−μ＿ｎ，ｔ）^２の移動平均の平方根として算出される。

オフライン処理では、アンサンブル平均形式で求められても良い。さらに、正規化差分信号がｚ＿ｎ，ｔ＝（Δｙ＿ｎ，ｔ−μ＿ｎ，ｔ）／σ＿ｎ，ｔとして算出される。

相関行列更新器２０３では、正規化差分信号ｚ＿ｎ，ｔを元に相関行列が更新される。ここで、本実施例では、正規化器２０２から送信された正規化差分信号の各波長の値ｚ＿ｎ，ｔを要素とするベクトルとしてｚ＿ｔ＝［ｚ＿１，ｔ…ｚ＿Ｎ，ｔ］^Ｔが定義される。ただし、Ｔは転置を表す演算子、Ｎは波長の数とする。

相関行列更新器２０３では、まず複数の波長の光の強度の正規化差分信号を示すベクトルｚ＿ｔとその転置ベクトルｚ＿ｔ^Ｔとの積が算出され、Ｎ行Ｎ列の行列ｒ＿ｔが算出される。さらにｒ＿ｔから、各時間毎の相関行列Ｒ＿ｔが、例えば、Ｒ＿ｔ＝α（Ｒ＿｛ｔ−１｝）＋（１−α）Ｒ＿ｔのように算出される。ここで、αは移動平均係数であり、本実施例では０．９９，０．９といった０以上１以下の値に設定される。

主成分分析器２０４では、相関行列更新器２０３から送信され受信された信号が示す相関行列Ｒ＿ｔに対して主成分分析が行われ、相関行列Ｒ＿ｔに対応する正規直交基底をなす基底ベクトルｆ＿ｋ（ｋ＝１，…，Ｎ）及び各基底ベクトルの固有値λ＿ｋが算出される。

同相成分除去装置１２０が同相成分を効果的に検出するためには、主成分分析器２０４の動作の結果として得られた基底の中から、同相成分に相当する基底ベクトルｆ＿ｋを適切に選択する必要がある。発明者らは、同相成分が複数の波長の時間波形のデータの間で同期して生じる成分であることから、同相成分の基底ベクトルは、［１，１，…１］や［−１，−１，…−１］といった同相性の方向ベクトルと高い相関を示すと考えた。

したがって、ｂ＝［１，１，…１］として、ｂとｆ＿ｋとの内積の絶対値に固有値を乗算したものをｃ＿ｋ＝λ＿ｋ｜ｂ^Ｔｆ＿ｋ｜とする。｜ｂ^Ｔｆ＿ｋ｜は０から１の間をとるが、ｆ＿ｋが同相であれば｜ｂ^Ｔｆ＿ｋ｜は１に近い大きな値を取るはずである。

また、強度が大きい同相成分ほど抑圧が必要な成分であると考えられるが、強度の大きさは固有値λ＿ｋに表われるため、固有値λ＿ｋを乗算したｃ＿ｋが、抑圧が必要な同相成分の選択に適していると考えられる。そこで、本実施例では、基底ベクトルの中からｃ＿ｋが大きいｒ個を行ベクトルに持つような同相成分基底ベクトル行列Ｐが算出される。

同相成分推定器２０５では、主成分分析器２０４から送信され受信された同相成分基底ベクトル行列Ｐと正規化器２０２から送信されて受信された正規化差分のベクトルを示す信号ｚ＿ｔが乗算されてｒ行の列ベクトルａ＿ｔ＝Ｐ×ｚ＿ｔが算出される。ａ＿ｔのｋ番目の要素であるａ＿ｋ，ｔは、ｚ＿ｔが含むｋ番目の同相成分基底ベクトルの強度を意味するものとなる。

同相成分が、所定の干渉光の強度の変化の方向と直交する場合には、上記正規化差分信号ｚ＿ｔ内の同相成分はＰ^Ｔ×ａ＿ｔのように乗算することで求まるはずである。しかし、同相成分が、当該干渉光の強度の変化と直交しない場合には、これらの変化は同相成分と判断されてしまうと、後段の同相成分除去において同相成分として検出対象の例えば処理の終点を示す干渉光の強度の変化まで除去されてしまうことになる。

たとえば、干渉光の強度の時間波形において波長間の位相差が小さい時間では、干渉光の複数の波長の間で強度の時間変化が同相成分に類似しているために、同相成分として除去される可能性がある。本実施例では、このことを抑制するため、同相成分の強度が想定される分布に従う確率変数であるかどうかを検定して同相成分の推定が行われる。詳細には、同相成分の強度が０平均の正規分布であるという仮説に対する検定に基づく以下の処理が行われる。

まず、同相成分推定器２０５は、ａ＿ｋ，ｔが０平均の正規分布に従う独立な確率変数である確率を計算する。この計算は、たとえば、過去ｆ−１単位時間と現在の１単位時間の計ｆ単位時間の同相成分の強度ａ＿｛ｋ，ｔ−ｆ＋１｝，…，ａ＿｛ｋ，ｔ−１｝，ａ＿ｋ，ｔを用いた、次式のｔ分布のＴ値を算出することで行われる。

ただし、ｍ＿ｋ，ｔはａ＿｛ｋ，ｔ−ｆ＋１｝，…，ａ＿｛ｋ，ｔ−１｝，ａ＿ｋ，ｔの標本平均、ｕ＿ｋ，ｔはａ＿｛ｋ，ｔ−ｆ＋１｝，…，ａ＿｛ｋ，ｔ−１｝，ａ＿ｋ，ｔの不変分散の平方根である。もし、ａ＿ｋ，ｔが０平均の正規分布に従う独立な確率変数である場合には、Ｔ＿ｋ，ｔは次式の確率密度関数で表されるｔ分布に従うはずである。

ただし，Γはガンマ関数であり、ν＝Ｆ−１である。

そこで、p（Ｔ＿ｋ，ｔ）の値が大きい場合にはａ＿ｋ，ｔは同相成分の強度である確度が高く、p（Ｔ＿ｋ，ｔ）の値が小さい場合にはａ＿ｋ，ｔは同相成分の強度である確度が低いとみなすことができる。このことから、新たな同相成分の強度として次式のｗ＿ｋ，ｔが算出される。

ｗ＿ｋ，ｔ＝Ｐ（Ｔ＿ｋ，ｔ）／Ｐ（０）×ａ＿ｋ，ｔ
Ｐ（Ｔ＿ｋ，ｔ）が大きいほど、すなわち、同相成分の強度である確度が高いほど、ｗ＿ｋ，ｔは大きくなる。Ｐ（Ｔ＿ｋ，ｔ）が小さいほど、すなわち、同相成分の強度である確度が低いほど、ｗ＿ｋ，ｔは小さくなる。このｗ＿ｋ，ｔを用いて、ｚ＿ｔ内の同相成分ｖ＿ｔが以下の式を用いて算出される。

ｖ＿ｔ＝Ｐ^Ｔ×［ｗ＿１，ｔ，…，ｗ＿ｒ，ｔ］^Ｔ
このように同相成分を算出することにより、干渉光の強度の変化が同相成分に直交しない場合であっても、同相成分以外の変化の成分が除去されることが抑制され、信号の他の成分への悪影響を抑制しつつ同相成分が除去される。このように処理された処理室１０２からの光の強度信号を用いてエッチング量やその終点の判定に必要となる強度の変化を検出することで、当該検出の精度を向上することができる。

同相成分除去器２０６は、同相成分推定器２０５で推定され送信された信号が示す同相成分ｖ＿ｔを正規化器２０３から送信された正規化差分信号ｚ＿ｔから差し引くことにより同相成分除去後信号ｘ＿ｔ＝ｚ＿ｔ−ｖ＿ｔを算出する。

積分処理器２０７では、同相成分除去器２０６から送信された同相成分除去後信号ｘ＿ｔを時間について積算した積分信号ｑ＿ｔ＝ｑ＿｛ｔ−１｝＋ｘ＿ｔを算出し、波長毎の時間波形として出力する。この積分処理器３０７の処理は、差分算出３０１で、差分を抽出して処理したことの逆変換に相当する。

本実施例では、同相成分除去装置１２０において差分検出器２０１から同相成分推定器２０５までにおいて実施された時間波形の信号の処理では、処理中の期間の任意の時刻ｔより過去の時刻について検出された干渉光の強度の時間波形の同相の成分の推定やその除去をした結果が時刻ｔに係る時間波形の信号における同相成分の推定に影響を与えない構成となっている。このため、同相成分除去器２０６が時刻ｔに係る時間波形の信号から推定された同相成分を除去した結果が過去の時刻における当該同相成分の除去の結果から影響を受けることが無いか、または抑制される。

よって、従来の技術において生じていた、処理室１０２からの光の強度が急激に変化した場合にこの光の強度の変化に精度良く追従してこれを十分に取り除くことができず、長期間にわたって裾を持つアーティファクトが発生するという問題が生起することが抑制され、処理室１０２内または試料１０４表面からの微小な光の強度の変化がアーティファクトに埋もれてしまい当該変化の検出の精度が損なわれてしまう問題の生起を抑制できる。また、正規化差分信号から同相成分基底ベクトルの線形和を差し引くので、従来の技術では非線形の処理を行うことによりは生じていた歪みの発生が抑制され、上記微小な光の強度の変化が非線形の歪みに埋もれてしまうことが低減される。

本実施例のエッチング処理のフローチャートを図３に示す。図３は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置がエッチング量を判定する動作の流れを示すフローチャートである。

本実施例では、プラズマ処理装置１００が試料１０４を処理する前または試料１０４の表面に予め配置されたマスク層と処理対象の膜層とを含む膜構造をエッチング処理する処理の開始または処理中に得られたデータを処理する前に、パラメータを最初に設定する（ステップ３０１）。本実施例では、運転の開始前に設定する構成を備えている。

次に、処理室１０２内にプラズマが形成され高周波電源からの高周波電力により試料１０４表面上方にバイアス電位が形成され試料１０４の上記処理対象の膜層のエッチング処理が開始された後、処理室１０２内からの光の検出が開始される（ステップ３０２）。本実施例では、図２に示したように、処理室１０２内からの光を受光して分光して得られた所定の複数の波長のスペクトルの各波長の光の強度の変化をサンプリング間隔Δｔの時刻ｔ毎に検出する。間隔Δｔ毎に検出された複数の波長の光各々の強度の信号からその時間差分Δｙ＿ｎ，ｔが差分計算により算出される（ステップ３０３）。

次に、得られた時間差分の信号Δｙ＿ｎ，ｔに対して、時間平均値μ＿ｎ，ｔと時間標準偏差値σ＿ｎ，ｔと正規化差分信号ｚ＿ｎ，ｔとが検出される（ステップ３０４）。さらに、正規化差分信号ｚ＿ｎ，ｔが用いられ共分散行列Ｒ＿ｔが各時刻ｔ毎に更新される（ステップ３０５）。

得られた共分散行列Ｒ＿ｔに対して主成分分析が行われて当該相関行列に対応する正規直交基底をなす基底ベクトルｆ＿ｋ（ｋ＝１，…，Ｎ）及び各基底ベクトルの固有値λ＿ｋが算出される。さらに、同相性を代表的に示すベクトルｂとｆ＿ｋとの内積の絶対値に固有値λ＿ｋを乗積して得られたｃ＿ｋの強度値の上位の基底ベクトルを連結して同相成分基底ベクトル行列Ｐを求める（ステップ３０６）。

次に、同相成分基底ベクトル行列Ｐと正規化差分信号ｚ＿ｔとに基づいて、同相成分ｖ＿ｔが推定される（ステップ３０７）。更に、同相成分ｖ＿ｔを正規化差分信号ｚ＿ｔから差し引かれて取り除かれ同相成分除去後信号ｘ＿ｔが算出される（ステップ３０８）。そして、積分処理でｘ＿ｔを積算し、同相成分が除去された任意の波長の光の強度の変化を示す時間波形の信号としての積分信号ｑ＿ｔが算出される（ステップ３０９）。

このようにして得られた１つ以上の波長の処理室１０２内からの光の強度の変化を示す時間波形を用いてエッチング量の判定が実行され（ステップ３１０）、所望のエッチング量に到達したと判定された場合には、処理室１０２内からの光の検出を終了すると共にプラズマが消火されこれによる試料１０４表面の処理対象の膜層のエッチング処理が終了する（ステップ３１１）。エッチング量が所望の値に到達していないと判断された場合には、次の当該膜層のエッチングが継続され次の時刻ｔ＋Δｔにおいて処理室１０２内からの光の検出がエッチング量検出器１１０により実施される。

上記エッチングの終点やエッチング量の判定は、処理対象の膜層の下方の境界に接して配置された下膜層からの反応生成物に係る波長のプラズマからの発光の強度の変化を検出する等の従来から知られた手段、方法の技術を用いることが出来る。また、試料１０４表面に予め配置された複数の膜層を含む膜構造の複数の境界面からの干渉光の強度の変化を検出し、この検出結果と予め取得された残り膜厚さの値と波長をパラメータとする干渉光の強度またはその微分値の値とのパターンとを比較して残り膜厚さ或いは初期の膜厚さからのエッチング量を検出する従来の技術を用いることができる。

本実施例における同相成分の検出のための処理室１０２からの光の検出では、その検出する時間間隔Δｔは上記終点またはエッチング量に係る光の強度が変化する期間より小さい値にされる。例えば、試料１０４表面からの干渉光の強度の変化を検出して残り膜厚さを検出する場合には、エッチングの進行に伴なって極大、極小の間で増減する変化する干渉光の強度の変化の周期、あるいは極大値と極小値との間の期間より十分に小さいものに設定される。

図４に、本実施例による積分信号の時間波形を示す。図４は、図１の実施例において検出されて同相成分が除去された後の処理室からの光の強度の変化を示すものとして復元した時間波形を示すグラフである。本図に示す通り、図５に示した時間波形と比較して同相成分が低減されていることが判る。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線が開示されたものとは限らない。実際の装置では、これを構成する多くの部品の個々やこれらを組み合わせられて構成された一纏まりユニット同士が相互に接続されている。

１００…プラズマ処理装置、
１０１…真空容器、
１０２…処理室、
１０３…プラズマ、
１０４…試料、
１０５…試料台、
１０６…光ファイバー、
１１０…エッチング量検出器、
１１１…分光器、
１１２…エッチング量判定部、
１１３…表示器、
１２０…同相成分除去装置。

Claims (10)

1. 真空容器内に配置された処理室内に配置された試料を当該処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置であって、
   前記試料の処理中の複数の時刻で処理室内からの複数の波長の光の強度を検出する光検出器と、この光検出器の出力から得られた前記複数の時刻のうちの任意の時刻における前記複数の波長の時系列のデータの間で相関性の高い成分を前記時系列のデータを主成分分析した結果を用いて検出する成分検出器と、前記相関性の高い成分が除去された前記時系列のデータを用いて検出された少なくとも１つの前記複数の波長の光の強度の変化に基づいて前記エッチング処理の量または終点を判定する判定器とを備えたプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記複数の時刻の間隔が前記光の強度の極大値と極小値との間の変化に要する時間より小さいプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記成分検出器は、前記光検出器の出力から得られた前記複数の時刻のうちの任意の時刻における前記複数の波長の時系列のデータの差分値の間で相関性の高い成分を前記時系列のデータを主成分分析した結果を用いて検出するプラズマ処理装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記成分検出器は、前記光検出器の出力から得られた前記複数の時刻のうちの任意の時刻における前記複数の波長の時系列のデータの間で当該時刻において同期して生じる成分を前記時系列のデータを主成分分析した結果を用いて検出するプラズマ処理装置。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記成分検出器は、前記相関性の高い成分の強度が所定の分布に従う確率変数である確率に基づいて当該相関性の高い成分を検出するプラズマ処理装置。
6. 真空容器内に配置された処理室内に処理対象の試料を配置して、当該処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置の運転方法であって、
   前記試料の処理中の複数の時刻で処理室内からの複数の波長の光の強度を検出し、検出された光の強度から得られた前記複数の時刻のうちの任意の時刻における前記複数の波長の時系列のデータの間で相関性の高い成分を前記時系列のデータを主成分分析した結果を用いて検出し、当該相関性の高い成分が前記時系列のデータから除去された結果を用いて検出された少なくとも１つの前記複数の波長の光の強度の変化に基づいて前記エッチング処理の量または終点を判定するプラズマ処理装置の運転方法。
7. 請求項６に記載のプラズマ処理装置の運転方法であって、
   前記複数の時刻の間隔が前記光の強度の極大値と極小値との間の変化に要する時間より小さくされたプラズマ処理装置の運転方法。
8. 請求項６または７に記載のプラズマ処理装置の運転方法であって、
   前記光検出器の出力から得られた前記複数の時刻のうちの任意の時刻における前記複数の波長の時系列のデータの差分値の間で相関性の高い成分を前記時系列のデータを主成分分析した結果を用いて検出するプラズマ処理装置の運転方法。
9. 請求項６乃至８の何れかに記載のプラズマ処理装置の運転方法であって、
   前記光検出器の出力から得られた前記複数の時刻のうちの任意の時刻における前記複数の波長の時系列のデータの間で当該時刻において同期して生じる成分を前記時系列のデータを主成分分析した結果を用いて検出するプラズマ処理装置の運転方法。
10. 請求項６乃至９の何れかに記載のプラズマ処理装置の運転方法であって、
    前記相関性の高い成分の強度が所定の分布に従う確率変数である確率に基づいて当該相関性の高い成分を検出するプラズマ処理装置の運転方法。

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