JP2020188098A - プラズマ処理装置、温度制御方法および温度制御プログラム - Google Patents

プラズマ処理装置、温度制御方法および温度制御プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマ処理中の被処理体の温度を精度よく求めること。【解決手段】計測部は、ヒーターの温度が一定となるようヒーターへの供給電力を制御して、プラズマを点火してヒーターへの供給電力が安定した第１定常状態からプラズマを消した状態に移行した後のヒーターへの供給電力が増加する過渡状態と、プラズマを消した状態でヒーターへの供給電力が安定した第２定常状態での供給電力を計測する。パラメータ算出部は、プラズマからの入熱量および被処理体とヒーター間の熱抵抗をパラメータとし、過渡状態の供給電力を算出する算出モデルに対して、計測された過渡状態と第２定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、入熱量および熱抵抗を算出する。温度算出部は、算出された入熱量および熱抵抗を用いて、第１定常状態における被処理体の温度を算出する。【選択図】図４

Description

本開示は、プラズマ処理装置、温度制御方法および温度制御プログラムに関する。
特許文献１には、半導体ウエハを載置する載置台内に温度制御が可能なヒーターを埋め込み、ヒーターによって半導体ウエハの温度の制御する技術が提案されている。
特開２０１６−００１６８８号公報
本開示は、プラズマ処理中の被処理体の温度を精度よく求めることができる技術を提供する。
本開示の一態様によるプラズマ処理装置は、載置台と、ヒーター制御部と、計測部と、パラメータ算出部と、温度算出部とを有する。載置台は、プラズマ処理の対象となる被処理体が載置される載置面の温度を調整可能なヒーターが設けられている。ヒーター制御部は、ヒーターが設定された設定温度となるようヒーターへの供給電力を制御する。計測部は、ヒーター制御部により、ヒーターの温度が一定となるようヒーターへの供給電力を制御して、プラズマを点火してヒーターへの供給電力が安定した第１定常状態からプラズマを消した状態に移行した後のヒーターへの供給電力が増加する過渡状態と、プラズマを消した状態でヒーターへの供給電力が安定した第２定常状態での供給電力を計測する。パラメータ算出部は、プラズマからの入熱量および被処理体とヒーター間の熱抵抗をパラメータとし、過渡状態の供給電力を算出する算出モデルに対して、計測部により計測された過渡状態と第２定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、入熱量および熱抵抗を算出する。温度算出部は、パラメータ算出部により算出された入熱量および熱抵抗を用いて、第１定常状態における被処理体の温度を算出する。
本開示によれば、プラズマ処理中の被処理体の温度を精度よく求めることができる。
図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成の一例を示す断面図である。 図２は、実施形態に係る載置台を示す平面図である。 図３は、実施形態に係るプラズマ処理装置を制御する制御部の概略的な構成を示したブロック図である。 図４は、実施形態に係る載置台付近のエネルギーの流れを模式的に示す図である。 図５は、図５は、ウエハの温度とヒーターへの供給電力の変化の一例を示す図である。 図６Ａは、図５の期間Ｔ３での載置台付近のエネルギーの流れを模式的に示す図である。 図６Ｂは、図５の期間Ｔ４での載置台付近のエネルギーの流れを模式的に示す図である。 図６Ｃは、図５の期間Ｔ５での載置台付近のエネルギーの流れを模式的に示す図である。 図７は、ウエハＷと静電チャックの表面間の熱抵抗の変化による期間Ｔ４でのヒーターＨＴへの供給電力の変化の一例を示す図である。 図８は、実施形態に係る温度制御方法の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本願の開示するプラズマ処理装置、温度制御方法および温度制御プログラムの実施形態について詳細に説明する。本開示においては、プラズマ処理装置の具体例として、プラズマエッチングを行う装置を例にとり詳細に説明する。なお、本実施形態により、開示するプラズマ処理装置、温度制御方法および温度制御プログラムが限定されるものではない。
ところで、半導体ウエハ（以下「ウエハ」とも称する）などの被処理体に対してプラズマを用いて、エッチングなどのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が知られている。このプラズマ処理装置では、エッチングプロセスにおいて、ウエハの温度は、重要なパラメータの一つである。
しかしながら、プラズマ処理では、プラズマからウエハに向かって入熱がある。このため、プラズマ処理装置では、プラズマ処理中のウエハの温度を精度よく求めることができない場合がある。
そこで、プラズマ処理装置では、プラズマ処理中の被処理体の温度を精度よく求めることができる技術が期待されている。
［プラズマ処理装置の構成］
最初に、実施形態に係るプラズマ処理装置１０の構成について説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成の一例を示す断面図である。図１には、実施形態に係るプラズマ処理装置１０の縦断面における構造が概略的に示されている。図１に示すプラズマ処理装置１０は、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置である。このプラズマ処理装置１０は、略円筒状の処理容器１２を備えている。処理容器１２は、例えば、アルミニウムから構成されている。また、処理容器１２の表面は、陽極酸化処理が施されている。
処理容器１２内には、載置台１６が設けられている。載置台１６は、静電チャック１８および基台２０を有する。静電チャック１８の上面は、プラズマ処理の対象となる被処理体が載置される載置面とされている。本実施形態では、被処理体としてウエハＷが静電チャック１８の上面に載置される。基台２０は、略円盤形状を有しており、主部が、例えばアルミニウムといった導電性の金属により構成されている。基台２０は、下部電極を構成している。基台２０は、支持部１４によって支持されている。支持部１４は、処理容器１２の底部から延びる円筒状の部材である。
基台２０には、整合器ＭＵ１を介して第１の高周波電源ＨＦＳが電気的に接続されている。第１の高周波電源ＨＦＳは、プラズマ生成用の高周波電力を発生する電源であり、２７〜１００ＭＨｚの周波数、一例においては４０ＭＨｚの高周波電力を発生する。これにより、基台２０直上にプラズマが生成される。整合器ＭＵ１は、第１の高周波電源ＨＦＳの出力インピーダンスと負荷側（基台２０側）の入力インピーダンスを整合させるための回路を有する。
また、基台２０には、整合器ＭＵ２を介して第２の高周波電源ＬＦＳが電気的に接続されている。第２の高周波電源ＬＦＳは、ウエハＷにイオンを引き込むための高周波電力（高周波バイアス電力）を発生して、当該高周波バイアス電力を基台２０に供給する。これにより、基台２０にバイアス電位が生じる。高周波バイアス電力の周波数は、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数であり、一例においては３ＭＨｚである。整合器ＭＵ２は、第２の高周波電源ＬＦＳの出力インピーダンスと負荷側（基台２０側）の入力インピーダンスを整合させるための回路を有する。
基台２０上には、静電チャック１８が設けられている。静電チャック１８は、クーロン力等の静電力によりウエハＷを吸着し、当該ウエハＷを保持する。静電チャック１８は、セラミック製の本体部内に静電吸着用の電極Ｅ１が設けられている。電極Ｅ１には、スイッチＳＷ１を介して直流電源２２が電気的に接続されている。ウエハＷを保持する吸着力は、直流電源２２から印加される直流電圧の値に依存する。
基台２０の上面の上、且つ、静電チャック１８の周囲には、フォーカスリングＦＲが配置される。フォーカスリングＦＲは、プラズマ処理の均一性を向上させるために設けられている。フォーカスリングＦＲは、実行すべきプラズマ処理に応じて適宜選択される材料により構成される。例えば、フォーカスリングＦＲは、シリコン、または石英により構成される。
基台２０の内部には、冷媒流路２４が形成されている。冷媒流路２４には、処理容器１２の外部に設けられたチラーユニットから配管２６ａを介して冷媒が供給される。冷媒流路２４に供給された冷媒は、配管２６ｂを介してチラーユニットに戻る。
処理容器１２内には、上部電極３０が設けられている。上部電極３０は、載置台１６の上方において、基台２０と対向配置されている。基台２０と上部電極３０とは、互いに略平行に設けられている。
上部電極３０は、絶縁性遮蔽部材３２を介して、処理容器１２の上部に支持されている。上部電極３０は、電極板３４と電極支持体３６とを有する。電極板３４は、処理空間Ｓに面しており、複数のガス吐出孔３４ａが形成されている。電極板３４は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体により構成される。
電極支持体３６は、電極板３４を着脱自在に支持する。電極支持体３６は、例えば、アルミニウムといった導電性材料により構成される。電極支持体３６は、水冷構造を有してもよい。電極支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。電極支持体３６には、ガス吐出孔３４ａに連通する複数のガス通流孔３６ｂがガス拡散室３６ａから下方に延びている。また、電極支持体３６には、ガス拡散室３６ａに処理ガスを導くガス導入口３６ｃが形成されている。ガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続されている。
ガス供給管３８には、バルブ群４２および流量制御器群４４を介してガスソース群４０が接続されている。バルブ群４２は、複数の開閉バルブを有する。流量制御器群４４は、マスフローコントローラといった複数の流量制御器を有する。また、ガスソース群４０は、プラズマ処理に必要な複数種のガス用のガスソースを有する。ガスソース群４０の複数のガスソースは、対応の開閉バルブおよび対応のマスフローコントローラを介してガス供給管３８に接続されている。
プラズマ処理装置１０では、ガスソース群４０の複数のガスソースのうち選択された一以上のガスソースからの一以上のガスが、ガス供給管３８に供給される。ガス供給管３８に供給されたガスは、ガス拡散室３６ａに至り、ガス通流孔３６ｂおよびガス吐出孔３４ａを介して処理空間Ｓに吐出される。
また、図１に示すように、プラズマ処理装置１０は、接地導体１２ａを更に有する。接地導体１２ａは、略円筒状の接地導体であり、処理容器１２の側壁から上部電極３０の高さ位置よりも上方に延びるように設けられている。
また、プラズマ処理装置１０では、処理容器１２の内壁に沿ってデポシールド４６が着脱自在に設けられている。また、デポシールド４６は、支持部１４の外周にも設けられている。デポシールド４６は、処理容器１２にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するものであり、アルミニウム材にＹ2Ｏ3等のセラミックスを被覆することにより構成される。
処理容器１２の底部側においては、支持部１４と処理容器１２の内壁との間に排気プレート４８が設けられている。排気プレート４８は、例えば、アルミニウム材にＹ2Ｏ3等のセラミックスを被覆することにより構成される。この排気プレート４８の下方において処理容器１２には、排気口１２ｅが設けられている。排気口１２ｅには、排気管５２を介して排気装置５０が接続されている。排気装置５０は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、処理容器１２内を所望の真空度まで減圧することができる。また、処理容器１２の側壁にはウエハＷの搬入出口１２ｇが設けられている。搬入出口１２ｇは、ゲートバルブ５４により開閉可能となっている。
上記のように構成されたプラズマ処理装置１０は、制御部１００によって、その動作が統括的に制御される。この制御部１００は、例えば、コンピュータであり、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。プラズマ処理装置１０は、制御部１００によって、その動作が統括的に制御される。
［載置台の構成］
次に、載置台１６について詳細に説明する。図２は、実施形態に係る載置台を示す平面図である。上述したように載置台１６は、静電チャック１８および基台２０を有する。静電チャック１８は、セラミック製の本体部１８ｍを有している。本体部１８ｍは、略円盤形状を有している。本体部１８ｍは、載置領域１８ａおよび外周領域１８ｂを有する。載置領域１８ａは、平面視において略円形の領域である。載置領域１８ａの上面上には、ウエハＷが載置される。すなわち、載置領域１８ａの上面は、ウエハＷが載置される載置面として機能する。外周領域１８ｂの上面上には、フォーカスリングＦＲが載置される。載置領域１８ａの直径は、ウエハＷと略同一の直径であるか、或いは、ウエハＷの直径よりも若干小さくなっている。外周領域１８ｂは、載置領域１８ａを囲む領域であり、略環状に延在している。本実施形態では、外周領域１８ｂの上面は、載置領域１８ａの上面より低い位置にある。
静電チャック１８は、載置領域１８ａ内に静電吸着用の電極Ｅ１を有している。電極Ｅ１は、上述したように、スイッチＳＷ１を介して直流電源２２に接続されている。
また、載置領域１８ａ内、且つ、電極Ｅ１の下方には、複数のヒーターＨＴが設けられている。本実施形態では、載置領域１８ａは、複数の分割領域に分割され、それぞれの分割領域にヒーターＨＴが設けられている。例えば、図２に示すように、載置領域１８ａは、中央の円形領域内、および、当該円形領域を囲む同心状の複数の環状領域に分割されている、複数のヒーターＨＴが設けられている。また、複数の環状領域は、それぞれ周方向にも分割され複数のヒーターＨＴが周方向に配列されている。なお、図２に示す分割領域の分割手法は、一例であり、これに限定されるものではない。載置領域１８ａは、より多くの分割領域に分割してもよい。例えば、載置領域１８ａは、外周に近いほど、角度幅が小さく、径方向の幅が狭い分割領域に分割してもよい。また、ヒーターＨＴを外周領域１８ｂに設けてフォーカスリングＦＲの温度を制御してもよい。
各分割領域のヒーターＨＴは、基台２０に設けられた不図示の配線を介して、図１に示す、ヒーター電源ＨＰに個別に接続されている。ヒーター電源ＨＰは、制御部１００から制御の元、各ヒーターＨＴに個別に調整された電力を供給する。これにより、各ヒーターＨＴが発する熱が個別に制御され、載置領域１８ａ内の複数の分割領域の温度が個別に調整される。
ヒーター電源ＨＰには、各ヒーターＨＴへ供給する供給電力を検出する電力検出部ＰＤが設けられている。なお、電力検出部ＰＤは、ヒーター電源ＨＰとは別に、ヒーター電源ＨＰから各ヒーターＨＴへの電力が流れる配線に設けてもよい。電力検出部ＰＤは、各ヒーターＨＴへ供給する供給電力を検出する。例えば、電力検出部ＰＤは、各ヒーターＨＴへ供給する供給電力として、電力量［Ｗ］を検出する。ヒーターＨＴは、電力量に応じて発熱する。このため、ヒーターＨＴへ供給する電力量は、ヒータパワーを表す。電力検出部ＰＤは、検出した各ヒーターＨＴへの供給電力を示す電力データを制御部１００に通知する。
また、載置台１６は、載置領域１８ａの各分割領域に、それぞれヒーターＨＴの温度が検出可能な不図示の温度センサが設けられている。温度センサは、ヒーターＨＴとは別に温度を測定することができる素子であってもよい。また、温度センサは、ヒーターＨＴへの電力が流れる配線に配置され、主な金属の電気抵抗は温度上昇に比例して増大する性質であることを利用して、ヒーターＨＴにかかる電圧、電流を測定することから求められる抵抗値から温度を検出してもよい。各温度センサにより検出されたセンサ値は、温度測定器ＴＤに送られる。温度測定器ＴＤは、各センサ値から載置領域１８ａの各分割領域の温度を測定する。温度測定器ＴＤは、載置領域１８ａの各分割領域の温度を示す温度データを制御部１００に通知する。
さらに、図示しない伝熱ガス供給機構およびガス供給ラインによって伝熱ガス、例えばＨｅガスが静電チャック１８の上面とウエハＷの裏面との間に供給されてもよい。
［制御部の構成］
次に、制御部１００について詳細に説明する。図３は、実施形態に係るプラズマ処理装置を制御する制御部の概略的な構成を示したブロック図である。制御部１００は、例えば、コンピュータであり、外部インターフェース１０１と、プロセスコントローラ１０２と、ユーザインターフェース１０３と、記憶部１０４とが設けられている。
外部インターフェース１０１は、プラズマ処理装置１０の各部と通信可能とされ、各種のデータを入出力する。例えば、外部インターフェース１０１には、電力検出部ＰＤから各ヒーターＨＴへの供給電力を示す電力データが入力する。また、外部インターフェース１０１には、温度測定器ＴＤから載置領域１８ａの各分割領域の温度を示す温度データが入力する。また、外部インターフェース１０１は、各ヒーターＨＴへ供給する供給電力を制御する制御データをヒーター電源ＨＰへ出力する。
プロセスコントローラ１０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えプラズマ処理装置１０の各部を制御する。
ユーザインターフェース１０３は、工程管理者がプラズマ処理装置１０を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマ処理装置１０の稼動状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
記憶部１０４には、プラズマ処理装置１０で実行される各種処理をプロセスコントローラ１０２の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や、処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。また、記憶部１０４には、プラズマ処理を行う上での装置やプロセスに関するパラメータ等が格納されている。なお、制御プログラムやレシピは、コンピュータで読み取り可能なコンピュータ記録媒体（例えば、ハードディスク、ＤＶＤなどの光ディスク、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）されていてもよい。制御プログラムやレシピは、制御プログラムや、処理条件データ等のレシピは、他の装置に記憶され、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
プロセスコントローラ１０２は、プログラムやデータを格納するための内部メモリを有し、記憶部１０４に記憶された制御プログラムを読み出し、読み出した制御プログラムの処理を実行する。プロセスコントローラ１０２は、制御プログラムが動作することにより各種の処理部として機能する。例えば、プロセスコントローラ１０２は、ヒーター制御部１０２ａと、計測部１０２ｂと、パラメータ算出部１０２ｃと、温度算出部１０２ｄと、出力制御部１０２ｅの機能を有する。なお、ヒーター制御部１０２ａ、計測部１０２ｂ、パラメータ算出部１０２ｃ、温度算出部１０２ｄおよび出力制御部１０２ｅの各機能は、複数のコントローラで分散して実現されてもよい。
ところで、プラズマ処理では、ウエハＷの温度によって処理の進行が変化する。例えば、プラズマエッチングでは、ウエハＷの温度によってエッチングの進行速度が変化する。そこで、プラズマ処理装置１０では、各ヒーターＨＴによって、ウエハＷの温度を目標温度に制御することが考えられる。
しかし、プラズマ処理では、プラズマからウエハＷに向かって入熱がある。このため、プラズマ処理装置１０は、プラズマ処理中のウエハＷの温度を目標温度に精度よく制御できない場合がある。
ウエハＷの温度に影響を与える載置台１６付近のエネルギーの流れを説明する。図４は、実施形態に係る載置台１６付近のエネルギーの流れを模式的に示す図である。図４には、ウエハＷや、静電チャック（ＥＳＣ）１８を含む載置台１６が簡略化して示されている。図４の例は、静電チャック１８の載置領域１８ａの１つの分割領域について、ウエハＷの温度に影響を与えるエネルギーの流れを示している。載置台１６は、静電チャック１８および基台２０を有している。静電チャック１８と基台２０は、接着層１９により接着されている。静電チャック１８の載置領域１８ａの内部には、ヒーターＨＴが設けられている。基台２０の内部には、冷媒が流れる冷媒流路２４が形成されている。
ヒーターＨＴは、ヒーター電源ＨＰから供給される供給電力に応じて発熱し、温度が上昇する。図４では、ヒーターＨＴへ供給される供給電力をヒータパワーＰｈとして示している。また、ヒーターＨＴでは、ヒータパワーＰｈを静電チャック１８のヒーターＨＴが設けられている分割領域の面積Ａで割った単位面積当たりの発熱量（熱流束）ｑｈが生じる。
また、プラズマ処理を行っている場合、ウエハＷは、プラズマからの入熱により、温度が上昇する。図４では、プラズマからウエハＷへの入熱量をウエハＷの面積で割った単位面積当たりのプラズマからの熱流束ｑｐとして示している。
プラズマからの入熱は、主にウエハＷへの照射されるプラズマ中のイオンの量と、プラズマ中のイオンをウエハＷに引き込むためのバイアス電位との積に比例することが知られている。ウエハＷへの照射されるプラズマ中のイオンの量は、プラズマの電子密度に比例する。プラズマの電子密度は、プラズマの生成で印加する第１の高周波電源ＨＦＳからのプラズマ生成用の高周波電力に比例する。また、プラズマの電子密度は、処理容器１２内の圧力に依存する。プラズマ中のイオンをウエハＷに引き込むためのバイアス電位は、バイアス電位の発生で印加する第２の高周波電源ＬＦＳからの高周波バイアス電力に比例する。また、プラズマ中のイオンをウエハＷに引き込むためのバイアス電位は、処理容器１２内の圧力に依存する。なお、高周波電力ＬＦＳが載置台１６に印加されていない場合、プラズマが生成された時に生じるプラズマの電位（プラズマポテンシャル）と載置台１６の電位差によって、イオンが載置台へ引き込まれる。
また、プラズマからの入熱は、プラズマの発光による加熱やプラズマ中の電子やラジカルによるウエハＷへの照射、イオンとラジカルによるウエハＷ上の表面反応などが含まれる。これらの成分もプラズマ生成用の高周波電力や高周波バイアス電力、圧力に依存する。プラズマからの入熱は、その他、プラズマ生成に関わる装置パラメータ、例えば、載置台１６と上部電極３０との間隔距離や処理空間Ｓに供給されるガス種に依存する。
ウエハＷに伝わった熱は、静電チャック１８に伝わる。ここで、静電チャック１８には、ウエハＷの熱が全て伝わるわけではなく、ウエハＷと静電チャック１８との接触度合など、熱の伝わり難さに応じて静電チャック１８に熱が伝わる。熱の伝わり難さ、すなわち熱抵抗は、熱の伝熱方向に対する断面積に反比例する。このため、図４では、ウエハＷから静電チャック１８の表面への熱の伝わり難さを、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の単位面積当たりの熱抵抗Ｒｔｈ・Ａとして示している。なお、Ａは、ヒーターＨＴが設けられている分割領域の面積である。Ｒｔｈは、ヒーターＨＴが設けられている分割領域全体における熱抵抗である。また、図４では、ウエハＷから静電チャック１８表面への入熱量を、ウエハＷから静電チャック１８表面への単位面積当たりの熱流束ｑとして示している。なお、熱抵抗Ｒｔｈ・Ａは、静電チャック１８の表面状態、ウエハＷを保持するために直流電源２２から印加される直流電圧の値、および静電チャック１８の上面とウエハＷの裏面との間に供給される伝熱ガスの圧力に依存する。また、熱抵抗Ｒｔｈ・Ａは、その他、熱抵抗もしくは熱伝導率に関与する装置パラメータにも依存する。
静電チャック１８の表面に伝わった熱は、静電チャック１８の温度を上昇させ、さらに、ヒーターＨＴに伝わる。図４では、静電チャック１８表面からヒーターＨＴへの入熱量を、静電チャック１８表面からヒーターＨＴへの単位面積当たりの熱流束ｑｃとして示している。
一方、基台２０は、冷媒流路２４を流れる冷媒により冷却され、接触する静電チャック１８を冷却する。このとき、図４では、接着層１９を通過して静電チャック１８の裏面から基台２０への抜熱量を、静電チャック１８の裏面から基台２０への単位面積当たりの熱流束ｑsusとして示している。これにより、ヒーターＨＴは、抜熱によって冷却され、温度が低下する。
ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御している場合、ヒーターＨＴは、ヒーターＨＴに伝わる熱の入熱量およびヒーターＨＴで発生する発熱量の総和と、ヒーターＨＴから抜熱される抜熱量とが等しい状態となる。
よって、ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御している場合、ヒーターＨＴへの供給電力は、静電チャック１８側から伝わる熱量によって変化する。
図５は、ウエハＷの温度とヒーターＨＴへの供給電力の変化の一例を示す図である。図５の（Ａ）は、ウエハＷの温度の変化を示している。図５の（Ｂ）は、ヒーターＨＴへの供給電力の変化を示している。図５の例は、ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御し、プラズマを点火して無い状態からプラズマを点火した状態とし、その後、プラズマを消した状態へと移行として、ウエハＷの温度とヒーターＨＴへの供給電力を測定した結果の一例を示している。ウエハＷの温度は、ケーエルエー・テンコール（KLA-Tencor）社から販売されているEtch Tempなどの温度計測用のウエハを用いて計測した。この温度計測用のウエハは、高価である。このため、量産現場では、プラズマ処理装置１０の各ヒーターＨＴの温度の調整に温度計測用のウエハを使用すると、コストアップとなる。また、量産現場では、プラズマ処理装置１０の各ヒーターＨＴの温度の調整に温度計測用のウエハを使用すると、生産性が低下する。
図５の期間Ｔ１は、プラズマを点火して無い未点火状態である。期間Ｔ１では、ヒーターＨＴへの供給電力が一定に安定している。図５の期間Ｔ２および期間Ｔ３は、プラズマを点火した点火状態である。点火状態には、期間Ｔ２に示すように、ウエハＷの温度が上昇傾向となる過渡状態と、期間Ｔ３に示すように、ウエハＷの温度が一定に安定した定常状態がある。期間Ｔ２では、ヒーターＨＴへの供給電力が低下する。また、期間Ｔ２では、ウエハＷの温度が一定の温度まで上昇する。期間Ｔ３は、ウエハＷの温度が一定に安定した状態であり、ヒーターＨＴへの供給電力も略一定に安定している。
図５の期間Ｔ４および期間Ｔ５は、プラズマを消した未点火状態である。点火状態の後の未点火状態には、期間Ｔ４に示すように、ウエハＷの温度が低下傾向となる過渡状態と、期間Ｔ５に示すように、ウエハＷの温度が一定に安定した定常状態がある。期間Ｔ４では、ヒーターＨＴへの供給電力が上昇する。また、期間Ｔ４では、ウエハＷの温度が一定の温度まで下降する。期間Ｔ５は、ウエハＷの温度が一定に安定した状態であり、ヒーターＨＴへの供給電力も略一定に安定している。
本実施形態では、期間Ｔ３に示すプラズマを点火した状態でヒーターＨＴへの供給電力が安定している定常状態が第１定常状態に対応する。また、期間Ｔ１または期間Ｔ５に示すプラズマを消した状態でヒーターＨＴへの供給電力が安定している定常状態が第２定常状態に対応する。
ここで、期間Ｔ３〜Ｔ５についての載置台１６付近のエネルギーの流れを説明する。図６Ａは、図５の期間Ｔ３での載置台１６付近のエネルギーの流れを模式的に示す図である。図６Ａの例は、基台２０から冷却により、ヒーターＨＴから「１００」の熱量が抜熱されている。期間Ｔ３では、プラズマが点火しているため、プラズマの熱がウエハＷに入熱する。図６Ａの例では、プラズマからウエハＷへ「８０」の熱量が伝わる。ウエハＷに伝わった熱は、静電チャック１８に伝わる。また、期間Ｔ３のようにウエハＷの温度が一定に安定した定常状態である場合、ウエハＷは、入熱量と出熱量が等しい状態となっている。このため、プラズマからウエハＷに伝わった「８０」の熱量がウエハＷから静電チャック１８の表面へ伝わる。静電チャック１８の表面に伝わった熱は、ヒーターＨＴに伝わる。静電チャック１８の温度が定常状態である場合、静電チャック１８は、入熱量と出熱量が等しいとなっている。このため、静電チャック１８の表面に伝わった「８０」の熱量がヒーターＨＴに伝わる。ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御している場合、ヒーターＨＴは、ヒーターＨＴに伝わる熱の入熱量およびヒーターＨＴで発生する発熱量の総和と、ヒーターＨＴから抜熱される抜熱量とが等しい状態となる。このため、ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御している場合、ヒーターＨＴには、ヒーター電源ＨＰからヒータパワーＰｈにより「２０」の熱量が供給される。
図６Ｂは、図５の期間Ｔ４での載置台１６付近のエネルギーの流れを模式的に示す図である。なお、過渡状態では、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗によってエネルギーの流れが変化する。図６Ｂでは、熱抵抗が小の場合と熱抵抗が大の場合をそれぞれ分けて示している。過渡状態では、ウエハＷと静電チャック１８との熱抵抗によってエネルギーの流れが変化する。図６Ｂの例でも、基台２０から冷却により、ヒーターＨＴから「１００」の熱量が抜熱されている。期間Ｔ４では、プラズマが消えているため、プラズマからウエハＷへの入熱はない。
例えば、図６Ｂにおいて、「熱抵抗：小」とした例では、ウエハＷから静電チャック１８の表面へ「６０」の熱量が伝わる。そして、静電チャック１８の表面に伝わった「６０」の熱量のうち、「４０」の熱量がヒーターＨＴに伝わる。ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御している場合、ヒーターＨＴには、ヒーター電源ＨＰからヒータパワーＰｈにより「６０」の熱量が供給される。
一方、図６Ｂにおいて、「熱抵抗：大」とした例では、ウエハＷから静電チャック１８の表面へ「３０」の熱量が伝わる。そして、静電チャック１８の表面に伝わった「３０」の熱量のうち、「２０」の熱量がヒーターＨＴに伝わる。ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御している場合、ヒーターＨＴには、ヒーター電源ＨＰからヒータパワーＰｈにより「８０」の熱量が供給される。
図６Ｃは、図５の期間Ｔ５での載置台１６付近のエネルギーの流れを模式的に示す図である。なお、図５の期間Ｔ１の載置台１６付近のエネルギーの流れは、期間Ｔ５と同様である。図６Ｃの例でも、基台２０から冷却により、ヒーターＨＴから「１００」の熱量が抜熱されている。ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御している場合、ヒーターＨＴには、ヒーター電源ＨＰからヒータパワーＰｈにより「１００」の熱量が発生する。
図６Ｂに示したように、ヒーターＨＴの温度を一定に制御している場合、ヒータパワーＰｈは、プラズマからウエハＷへの入熱量や、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗よって変化する。よって、期間Ｔ４のヒーターＨＴへの供給電力の低下の傾向は、プラズマを点火していた際のプラズマからウエハＷへの入熱量や、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗などによって変化する。
なお、図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃに示したように、ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御している場合、「Ｔ３：プラズマ点火状態」、「Ｔ４：過度状態」、「Ｔ：５定常状態」のいずれの状態であっても、基台２０から冷却により、ヒーターＨＴから「１００」の熱量が抜熱されている。すなわち、ヒーターＨＴから基台２０の内部に形成された冷媒流路２４に供給される冷媒に向かう単位面積当たりの熱流束ｑsusは、常に一定となり、ヒーターＨＴから冷媒までの温度勾配も常に一定である。そのため、ヒーターＨＴの温度が一定となるように制御するために用いられる温度センサは、必ずしもヒーターＨＴに直接取り付ける必要はない。例えば、静電チャック１８の裏面、接着層１９の中、基台２０の内部など、ヒーターＨＴと冷媒までの間であれば、ヒーターＨＴと温度センサ間の温度差も常に一定であり、ヒーターＨＴ温度とセンサの間にある材質が有する熱伝導率、熱抵抗などを用いて温度センサとヒーターＨＴの間の温度差（ΔＴ）を算出し、温度センサで検出される温度の値に温度差（ΔＴ）を加算することによって、ヒーターＨＴの温度として出力することが可能であり、実際のヒーターＨＴの温度が一定となるように制御することができる。
図７は、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗の変化による期間Ｔ４のヒーターＨＴへの供給電力の変化の一例を示す図である。例えば、期間Ｔ４のヒーターＨＴへ供給する電力量は、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗が小さい場合、実線に示すように変化するが、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗が大きい場合、破線に示すように変化が緩やかになる。
このため、期間Ｔ４のヒーターＨＴへの供給電力のグラフは、プラズマからウエハＷへの入熱量や、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗をパラメータとしてモデル化できる。すなわち、期間Ｔ４のヒーターＨＴへの供給電力の変化は、プラズマからウエハＷへの入熱量や、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗をパラメータとして、演算式によりモデル化できる。
本実施形態では、図５の期間Ｔ４のヒーターＨＴへの供給電力の変化を、単位面積当たりの式としてモデル化する。例えば、プラズマを消してからの経過時間をｔとし、経過時間ｔでのヒータパワーＰhをＰh(t)とし、経過時間ｔでの単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑhをｑh(t)とする。この場合、経過時間ｔでの単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh(t)は、以下の式（２）のように表せる。また、プラズマを消した定常状態での単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh_offは、以下の式（３）のように表せる。また、静電チャック１８の表面とヒーター間の単位面積当たりの熱抵抗Ｒthc・Ａは、以下の式（４）のように表せる。熱流束ｑｐは、プラズマを点火している場合と、プラズマを点火していない場合で変化する。プラズマが点火している際のプラズマからウエハＷへの単位面積当たりの熱流束ｑｐを熱流束ｑｐ_onとする。プラズマからウエハＷへの単位面積当たりの熱流束ｑｐ_on、および、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の単位面積当たりの熱抵抗Ｒth・Ａをパラメータとし、ａ1、ａ2、ａ3、λ1、λ2、τ1、τ2を以下の式（５）−（１１）のように表す。この場合、プラズマからの熱流束があるときの単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh(t)は、以下の式（１）のように表せる。
Figure 2020188098
ここで、
Ｐh(t)は、経過時間ｔでのヒータパワー[Ｗ]である。
Ｐh_offは、プラズマを消した定常状態（プラズマからの熱流束がない定常状態）でのヒータパワー[Ｗ／ｍ2]である。
ｑh(t)は、経過時間ｔでの単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量[Ｗ／ｍ２]である。
ｑh_offは、プラズマを消した定常状態での単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量[Ｗ／ｍ２]である。
Ｒth・Ａは、プラズマからウエハＷへの単位面積当たりの熱抵抗[Ｋ・ｍ２／Ｗ]である。
Ｒthc・Ａは、静電チャック１８の表面とヒーターＨＴ間の単位面積当たりの熱抵抗[Ｋ・ｍ２／Ｗ]である。
Ａは、ヒーターＨＴが設けられている領域の面積［ｍ２］である。
ρwは、ウエハＷの密度［ｋｇ／ｍ３］である。
Ｃwは、ウエハＷの単位面積当たりの熱容量[Ｊ／Ｋ・ｍ2]である。
ｚwは、ウエハＷの厚さ［ｍ］である。
ρcは、静電チャック１８を構成するセラミックの密度［ｋｇ／ｍ３］である。
Ｃcは、静電チャック１８を構成するセラミックの単位面積当たりの熱容量[Ｊ／Ｋ・ｍ2]である。
ｚcは、静電チャック１８の表面からヒーターＨＴまでの距離[ｍ]である。
κcは、静電チャック１８を構成するセラミックの熱伝導率[Ｗ／Ｋ・ｍ]である。
ｔは、プラズマを消してからの経過時間[ｓｅｃ]である。
式（５）に示したａ1について、１／ａ1がウエハＷの温まり難さを示す時定数となる。また、式（６）に示したａ2について、１／ａ2が静電チャック１８の熱の入り難さ、温まり難さを示す時定数となる。また、式（７）に示したａ3について、１／ａ3が静電チャック１８の熱の浸透し難さ、温まり難さを示す時定数となる。
ウエハＷの密度ρw、ウエハＷの単位面積当たりの熱容量Ｃw、ウエハＷの厚さｚwは、ウエハＷの実際の構成からそれぞれ予め定まる。ヒーターＨＴの面積Ａ、および、静電チャック１８の表面からヒーターＨＴまでの距離ｚcは、プラズマ処理装置１０の実際の構成からそれぞれ予め定まる。静電チャック１８を構成するセラミックの密度ρc、静電チャック１８を構成するセラミックの単位面積当たりの熱容量Ｃｃ、および、静電チャック１８を構成するセラミックの熱伝導κcも、プラズマ処理装置１０の実際の構成からそれぞれ予め定まる。Ｒthc・Ａは、熱伝導κc、距離ｚcから式（４）により予め定まる。
プラズマを消してからの経過時間ｔごとのヒータパワーＰh(t)、および、プラズマを消した定常状態でのヒータパワーＰh_offは、プラズマ処理装置１０を用いて計測により求めることができる。例えば、プラズマを消した定常状態でのヒータパワーＰh_offは、図５の期間Ｔ１または期間Ｔ５のヒータパワーＰhを計測することで求めることができる。そして、式（２）に示すように、求めたヒータパワーＰh(t)、をヒーターＨＴの面積Ａで除算することによって、経過時間ｔでの単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh(t)を求めることができる。また、（３）に示すように、求めたヒータパワーＰh_offをヒーターＨＴの面積Ａで除算することによって、プラズマを消した定常状態での単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh_offを求めることができる。
そして、プラズマからウエハＷへの単位面積当たりの熱流束ｑｐ_on、および、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の単位面積当たりの熱抵抗Ｒth・Ａは、計測結果を用いて、（１）式のフィッティングを行うことにより、求めることができる。
また、図５の期間Ｔ４のウエハＷの温度のグラフも、プラズマからウエハＷへの入熱量や、ウエハＷと静電チャック１８の表面間の熱抵抗をパラメータとしてモデル化できる。本実施形態では、期間Ｔ２のウエハＷの温度の変化を単位面積当たりの式としてモデル化する。例えば、熱流束ｑｐ_on、および、熱抵抗Ｒth・Ａをパラメータとし、式（５）−（１１）に示したａ1、ａ2、ａ3、λ1、λ2、τ1、τ2を用いた場合、経過時間ｔでのウエハＷの温度ＴＷ(t)[℃]は、以下の式（１２）のように表せる。
Figure 2020188098
ここで、
ＴW(t)は、経過時間ｔでのウエハＷの温度[℃]である。
Ｔhは、一定に制御したヒーターＨＴの温度[℃]である。
ヒーターＨＴの温度Ｔhは、実際にウエハＷの温度を一定に制御した際の条件から求めることができる。
計測結果を用いて、（１）式のフィッティングを行うことにより、熱流束ｑp_on、および、熱抵抗Ｒth・Ａが求まった場合、ウエハＷの温度ＴWは、式（１２）から算出できる。
図３に戻る。ヒーター制御部１０２ａは、各ヒーターＨＴの温度を制御する。例えば、ヒーター制御部１０２ａは、各ヒーターＨＴへの供給電力を指示する制御データをヒーター電源ＨＰへ出力して、ヒーター電源ＨＰから各ヒーターＨＴへ供給する供給電力を制御することにより、各ヒーターＨＴの温度を制御する。
プラズマ処理の際、ヒーター制御部１０２ａには、各ヒーターＨＴの目標とする設定温度が設定される。例えば、ヒーター制御部１０２ａには、載置領域１８ａの各分割領域ごとに、目標とするウエハＷの温度が、当該分割領域のヒーターＨＴの設定温度として設定される。この目標とするウエハＷの温度は、例えば、ウエハＷに対するプラズマエッチングの精度が最も良好となる温度である。
ヒーター制御部１０２ａは、プラズマ処理の際、各ヒーターＨＴが設定された設定温度となるよう各ヒーターＨＴへの供給電力を制御する。例えば、ヒーター制御部１０２ａは、外部インターフェース１０１に入力する温度データが示す載置領域１８ａの各分割領域の温度を、分割領域ごとに、当該分割領域の設定温度と比較する。そして、ヒーター制御部１０２ａは、比較結果から、設定温度に対して温度が低い分割領域、および、設定温度に対して温度が高い分割領域をそれぞれ特定する。ヒーター制御部１０２ａは、設定温度に対して温度が低い分割領域に対する供給電力を増加させ、設定温度に対して温度が高い分割領域に対する供給電力を減少させる制御データをヒーター電源ＨＰへ出力する。
計測部１０２ｂは、外部インターフェース１０１に入力する電力データが示す各ヒーターＨＴへの供給電力を用いて、各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する。例えば、計測部１０２ｂは、ヒーター制御部１０２ａにより、各ヒーターＨＴの温度が一定となるよう各ヒーターＨＴへの供給電力を制御して、ラズマを点火して各ヒーターＨＴへの供給電力が安定した定常状態からプラズマを消した状態に移行した後の各ヒーターＨＴへの供給電力が増加する傾向の変動が安定するまでの過渡状態での各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する。また、計測部１０２ｂは、ヒーター制御部１０２ａにより、各ヒーターＨＴの温度が一定となるよう各ヒーターＨＴへの供給電力を制御して、プラズマを消した状態で各ヒーターＨＴへの供給電力が安定した定常状態での各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する。
例えば、計測部１０２ｂは、ヒーター制御部１０２ａが各ヒーターＨＴの温度が一定の設定温度となるよう各ヒーターＨＴへの供給電力を制御している状態で、図５の期間Ｔ４に示した、プラズマを消した過渡状態での各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する。また、計測部１０２ｂは、ヒーター制御部１０２ａが各ヒーターＨＴの温度が一定の設定温度となるよう各ヒーターＨＴへの供給電力を制御している状態で、図５の期間Ｔ５に示した、プラズマを消した定常状態での各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する。プラズマを消した過渡状態での各ヒーターＨＴへの供給電力は、２回以上計測されていればよい。供給電力を計測する計測タイミングは、供給電力が増加する傾向が大きいタイミングであることが好ましい。また、計測タイミングは、計測回数が少ない場合、所定期間以上離れていることが好ましい。本実施形態では、計測部１０２ｂは、プラズマを点火後、所定周期（例えば、０．１秒周期）で各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する。これにより、過渡状態での各ヒーターＨＴへの供給電力が多数計測される。定常状態での各ヒーターＨＴへの供給電力は、各ヒーターＨＴで少なくとも１つ計測されていればよく、複数回計測して平均値を定常状態の供給電力としてもよい。なお、計測部１０２ｂは、期間Ｔ５に代えて、期間Ｔ１に示した定常状態での各ヒーターＨＴへの供給電力を計測してもよい。
パラメータ算出部１０２ｃは、ヒーターＨＴごとに、プラズマからの入熱量およびウエハＷとヒーターＨＴ間の熱抵抗をパラメータとし、図５の期間Ｔ４に示した過渡状態の供給電力を算出する算出モデルに対して、計測部１０２ｂにより計測された過渡状態と定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、入熱量および熱抵抗を算出する。
例えば、パラメータ算出部１０２ｃは、ヒーターＨＴごとに、プラズマを消した定常状態のヒータパワーＰh_offを求める。そして、パラメータ算出部１０２ｃは、求めたヒータパワーＰh_offをヒーターＨＴごとの面積で除算して、プラズマを消した定常状態での単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh_offを求める。また、パラメータ算出部１０２ｃは、ヒーターＨＴごとに、経過時間ｔごとの過渡状態のヒータパワーＰh(t)を求める。パラメータ算出部１０２ｃは、求めたヒータパワーＰh(t)をヒーターＨＴごとの面積で除算して、経過時間ｔごとの過渡状態の単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh(t)を求める。
パラメータ算出部１０２ｃは、上記の式（１）−（１１）を算出モデルとして用いて、ヒーターＨＴごとに、経過時間ｔごとの発熱量ｑh(t)、および、発熱量ｑh_offのフィッティングを行い、誤差が最も小さくなる熱流束ｑp_on、および、熱抵抗Ｒth・Ａを算出する。
パラメータ算出部１０２ｃは、所定のサイクルで、測定された過渡状態と定常状態の供給電力を用いて、熱流束ｑp_on、および、熱抵抗Ｒth・Ａを算出する。例えば、パラメータ算出部１０２ｃは、ウエハＷが交換されるごとに、当該ウエハＷを載置台１６に載置した状態で測定された過渡状態と定常状態の供給電力を用いて、熱流束ｑp_on、および、熱抵抗Ｒth・Ａを算出する。なお、例えば、パラメータ算出部１０２ｃは、プラズマ処理ごとに、過渡状態と定常状態の供給電力を用いて、熱流束ｑp_on、および、熱抵抗Ｒth・Ａを算出してもよい。
温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、算出された入熱量および熱抵抗を用いて、温度を算出する。例えば、温度算出部１０２ｄは、図５の期間Ｔ３に示す、プラズマを点火した定常状態におけるウエハＷの温度を算出する。例えば、温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、算出された熱流束ｑｐ、および、熱抵抗Ｒｔｈ・Ａを式（５）、（６）、（１２）に代入する。そして、温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、式（５）−（１１）に示したａ１、ａ２、ａ３、λ１、λ２、τ１、τ２を用いて、式（１２）から、経過時間ｔ＝０として、プラズマを消した直後のウエハＷの温度を算出する。経過時間ｔ＝０は、プラズマを消したタイミングである。このため、算出されるウエハＷの温度は、プラズマを点火した定常状態のウエハＷの温度とみなすことができる。また、算出されるウエハＷの温度は、プラズマ処理中のウエハＷの温度とみなすこともできる。
出力制御部１０２ｅは、各種の情報の出力を制御する。出力制御部１０２ｅは、温度算出部１０２ｄにより算出されたウエハＷの温度を出力する制御を行う。例えば、出力制御部１０２ｅは、温度算出部１０２ｄにより算出されたウエハＷの温度を、ウエハＷに対してプラズマ処理を実施した際のウエハＷの温度として、ユーザインターフェース１０３に出力する。例えば、出力制御部１０２ｅは、ウエハＷが交換されるごとに、当該ウエハＷに対してプラズマ処理を実施した際のウエハＷの温度をユーザインターフェース１０３に出力する。なお、出力制御部１０２ｅは、ウエハＷの温度を示す情報を外部装置へデータとして出力してもよい。
これにより、工程管理者は、ウエハＷに対して適切な温度でプラズマ処理を実施できたかを把握できる。
温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、算出された入熱量および熱抵抗を用いて、入熱量および熱抵抗を用いて、プラズマを点火した定常状態においてウエハＷが目標温度となる各ヒーターＨＴの設定温度を算出する。例えば、温度算出部１０２ｄは、式（１２）において、経過時間ｔ＝０とし、ＴW(t)をウエハＷが目標温度とした場合のヒーターＨＴの温度Ｔhを算出する。算出されるヒーターＨＴの温度Ｔｈは、ウエハＷの温度が目標温度となるヒーターＨＴの温度である。
なお、温度算出部１０２ｄは、式（１２）から現在のヒーターＨＴの温度ＴｈでのウエハＷの温度ＴＷを算出してもよい。例えば、温度算出部１０２ｄは、現在のヒーターＨＴの温度Ｔｈで、経過時間ｔ＝０としたウエハＷの温度ＴＷを算出する。次に、温度算出部１０２ｄは、算出した温度ＴＷと目標温度との差分ΔＴＷを算出する。そして、温度算出部１０２ｄは、現在のヒーターＨＴの温度Ｔｈから差分ΔＴＷの減算を行った温度を、ウエハＷの温度が目標温度となるヒーターＨＴの温度と算出してもよい。
温度算出部１０２ｄは、ヒーター制御部１０２ａの各ヒーターＨＴの設定温度を、ウエハＷの温度が目標温度となるヒーターＨＴの温度に修正する。
温度算出部１０２ｄは、所定のサイクルで、ウエハＷの温度が目標温度となるヒーターＨＴの温度を算出し、各ヒーターＨＴの設定温度を修正する。例えば、温度算出部１０２ｄは、ウエハＷが交換されるごとに、ウエハＷの温度が目標温度となるヒーターＨＴの温度を算出し、各ヒーターＨＴの設定温度を修正する。なお、例えば、温度算出部１０２ｄは、プラズマ処理ごとに、ウエハＷの温度が目標温度となるヒーターＨＴの温度を算出し、各ヒーターＨＴの設定温度を修正してもよい。
これにより、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、次回のプラズマ処理においてウエハＷの温度を目標温度に精度よく制御できる。
ところで、プラズマ処理装置１０は、装置ごとに、処理容器１２内の特性に差がある場合がある。このため、プラズマ処理装置１０は、他のプラズマ処理装置１０ではウエハＷが目標温度となる各ヒーターＨＴの設定温度を用いても、プラズマ処理中のウエハＷの温度を目標温度に精度よく制御できない場合がある。
そこで、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、自装置の処理容器１２内の特性に応じた熱流束ｑｐ、および、熱抵抗Ｒｔｈ・Ａを算出する。これにより、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、装置ごとに、処理容器１２内の特性に差がある場合でも、プラズマ処理中のウエハＷの温度を目標温度に精度よく制御できる。
また、プラズマ処理装置１０は、静電チャック１８の消耗などにより、載置台１６の熱特性が経時的に変化する場合がある。
そこで、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、所定のサイクルで、ウエハＷの温度が目標温度となるヒーターＨＴの温度を算出し、各ヒーターＨＴの設定温度を修正する。これにより、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、載置台１６の熱特性が経時的に変化する場合であっても、プラズマ処理中のウエハＷの温度を目標温度に精度よく制御できる。
また、プラズマ処理装置１０は、静電チャック１８の大幅な消耗やデポの付着などにより、処理容器１２内の特性が変化してプラズマ処理に適さない異常な状態となる。また、プラズマ処理装置１０は、異常なウエハＷが搬入される場合もある。
そこで、出力制御部１０２ｅは、パラメータ算出部１０２ｃにより所定のサイクルで算出される入熱量および熱抵抗の少なくとも一方の変化に基づき、アラートを出力する制御を行う。例えば、出力制御部１０２ｅは、所定のサイクルで算出される熱流束ｑｐ、および、熱抵抗Ｒｔｈ・ＡをヒーターＨＴごとに比較し、熱流束ｑｐ、および、熱抵抗Ｒｔｈ・Ａの少なくとも一方が所定の許容値以上変化している場合、アラートを出力する制御を行う。また、出力制御部１０２ｅは、所定のサイクルで算出される熱流束ｑｐ、および、熱抵抗Ｒｔｈ・Ａの少なくとも一方が、所定の許容範囲を外れた場合、アラートを出力する制御を行う。アラートは、工程管理者やプラズマ処理装置１０の管理者などに異常を報知できれば、何れの方式でもよい。例えば、出力制御部１０２ｅは、ユーザインターフェース１０３に異常を報知するメッセージを表示する。
これにより、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、処理容器１２内の特性が異常な状態となった場合や、異常なウエハＷが搬入された場合に、異常の発生を報知できる。
［温度制御の流れ］
次に、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０を用いた温度制御方法について説明する。図８は、実施形態に係る温度制御方法の流れの一例を示すフローチャートである。この温度制御方法は、所定のタイミング、例えば、プラズマ処理を開始するタイミングで実行される。
ヒーター制御部１０２ａは、各ヒーターＨＴが設定温度となるよう各ヒーターＨＴへの供給電力を制御する（ステップＳ１０）。
計測部１０２ｂは、ヒーター制御部１０２ａが各ヒーターＨＴの温度が一定の設定温度となるよう各ヒーターＨＴへの供給電力を制御している状態で、プラズマを消した過渡状態とプラズマを消した定常状態での各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する（ステップＳ１１）。例えば、計測部１０２ｂは、図５の期間Ｔ４に示した、プラズマを消した過渡状態での各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する。また、計測部１０２ｂは、図５の期間Ｔ５に示した、プラズマを消した定常状態での各ヒーターＨＴへの供給電力を計測する。
パラメータ算出部１０２ｃは、ヒーターＨＴごとに、算出モデルに対して、計測結果のフィッティングを行って、入熱量および熱抵抗を算出する（ステップＳ１２）。例えば、パラメータ算出部１０２ｃは、ヒーターＨＴごとに、プラズマを消した定常状態のヒータパワーＰh_offを求める。パラメータ算出部１０２ｃは、求めたヒータパワーＰh_offをヒーターＨＴごとの面積で除算して、プラズマを消した定常状態での単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh_offを求める。また、パラメータ算出部１０２ｃは、ヒーターＨＴごとに、経過時間ｔごとの過渡状態のヒータパワーＰh(t)を求める。パラメータ算出部１０２ｃは、求めたヒータパワーＰh(t)をヒーターＨＴごとの面積で除算して、経過時間ｔごとの過渡状態の単位面積当たりのヒーターＨＴからの発熱量ｑh(t)を求める。そして、パラメータ算出部１０２ｃは、上記の式（１）−（１１）を算出モデルとして用いて、ヒーターＨＴごとに、経過時間ｔごとの発熱量ｑh(t)、および、発熱量ｑh_offのフィッティングを行い、誤差が最も小さくなる熱流束ｑp_on、および、熱抵抗Ｒth・Ａを算出する。
温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、算出された入熱量および熱抵抗を用いて、プラズマを点火した定常状態におけるウエハＷの温度を算出する（ステップＳ１３）。例えば、温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、算出された熱流束ｑｐ、および、熱抵抗Ｒｔｈ・Ａを式（５）、（６）、（１２）に代入する。そして、温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、式（５）−（１１）に示したａ１、ａ２、ａ３、λ１、λ２、τ１、τ２を用いて、式（１２）から、経過時間ｔ＝０として、プラズマを消した直後のウエハＷの温度を算出する。
このように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、入熱量および熱抵抗を求めることで、プラズマ処理中のウエハＷの温度を精度よく求めることができる。
出力制御部１０２ｅは、温度算出部１０２ｄにより算出されたウエハＷの温度を出力する制御を行う（ステップＳ１４）。例えば、出力制御部１０２ｅは、温度算出部１０２ｄにより算出されたウエハＷの温度を、ウエハＷに対してプラズマ処理を実施した際のウエハＷの温度として、ユーザインターフェース１０３に出力する。
これにより、工程管理者は、ウエハＷに対して適切な温度でプラズマ処理を実施できたかを把握できる。
温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、算出された入熱量および熱抵抗を用いて、入熱量および熱抵抗を用いて、プラズマを点火した定常状態においてウエハＷが目標温度となる各ヒーターＨＴの設定温度を算出する（ステップＳ１５）。例えば、温度算出部１０２ｄは、式（１２）において、経過時間ｔ＝０とし、ＴW(t)をウエハＷが目標温度とした場合のヒーターＨＴの温度Ｔhを算出する。
温度算出部１０２ｄは、ヒーター制御部１０２ａの各ヒーターＨＴの設定温度を、ウエハＷの温度が目標温度となるヒーターＨＴの温度に修正し（ステップＳ１６）、処理を終了する。
これにより、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、次回のプラズマ処理においてウエハＷの温度を目標温度に精度よく制御できる。
このように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、載置台１６と、ヒーター制御部１０２ａと、計測部１０２ｂと、パラメータ算出部１０２ｃと、温度算出部１０２ｄとを有する。載置台１６は、プラズマ処理の対象となるウエハＷが載置される載置面の温度を調整可能なヒーターＨＴが設けられている。ヒーター制御部１０２ａは、ヒーターＨＴが設定された設定温度となるようヒーターＨＴへの供給電力を制御する。計測部１０２ｂは、ヒーター制御部１０２ａにより、ヒーターＨＴの温度が一定となるようヒーターＨＴへの供給電力を制御して、プラズマを点火してヒーターＨＴへの供給電力が安定した第１定常状態（図５の期間Ｔ３の定常状態）からプラズマを消した状態に移行した後のヒーターＨＴへの供給電力が増加する過渡状態（図５の期間Ｔ４の過渡状態）と、プラズマを消した状態でヒーターＨＴへの供給電力が安定した第２定常状態（図５の期間Ｔ５の過渡状態）での供給電力を計測する。パラメータ算出部１０２ｃは、プラズマからの入熱量およびウエハＷとヒーターＨＴ間の熱抵抗をパラメータとし、過渡状態の供給電力を算出する算出モデルに対して、計測された過渡状態と第２定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、入熱量および熱抵抗を算出する。温度算出部１０２ｄは、パラメータ算出部１０２ｃにより算出された入熱量および熱抵抗を用いて、第１定常状態におけるウエハＷの温度を算出する。これにより、プラズマ処理装置１０は、プラズマ処理中のウエハＷの温度を精度よく求めることができる。
また、載置台１６は、載置面を分割した領域毎にヒーターＨＴが個別に設けられている。ヒーター制御部１０２ａは、領域毎に設けられたヒーターＨＴが領域毎に設定された設定温度となるようヒーターＨＴごとに供給電力を制御する。計測部１０２ｂは、ヒーター制御部１０２ａにより、ヒーターＨＴごとに温度が一定となるよう供給電力を制御して、過渡状態と第２定常状態での供給電力をヒーターＨＴごとに計測する。パラメータ算出部１０２ｃは、ヒーターＨＴごとに、算出モデルに対して、計測部１０２ｂにより計測された過渡状態と第２定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、ヒーターＨＴごとに入熱量および熱抵抗を算出する。温度算出部１０２ｄは、ヒーターＨＴごとに、パラメータ算出部１０２ｃにより算出された入熱量および熱抵抗を用いて、第１定常状態におけるウエハＷの温度を算出する。これにより、プラズマ処理装置１０は、載置面を分割した領域ごとにウエハＷの温度を精度よく求めることができる。
また、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、出力制御部１０２ｅをさらに有する。計測部１０２ｂは、所定のサイクルで、過渡状態と第２定常状態での供給電力を計測する。パラメータ算出部１０２ｃは、所定のサイクルごとに、計測された過渡状態と第２定常状態の供給電力を用いて、入熱量および熱抵抗をそれぞれ算出する。出力制御部１０２ｅは、パラメータ算出部１０２ｃにより算出される入熱量および熱抵抗の少なくとも一方の変化に基づき、アラートを出力する制御を行う。これにより、プラズマ処理装置１０は、プラズマの状態に異常が発生した場合や、処理容器１２内の特性が異常な状態となった場合、異常なウエハＷが搬入された場合に、異常の発生を報知できる。
また、温度算出部１０２ｄは、パラメータ算出部１０２ｃにより算出される入熱量および熱抵抗を用いて、第１定常状態においてウエハＷが目標温度となるヒーターＨＴの設定温度を算出し、ヒーター制御部１０２ａの設定温度を、算出した設定温度に修正する。これにより、本実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、次回のプラズマ処理においてウエハＷの温度を目標温度に精度よく制御できる。
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者には明らかである。また、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
例えば、上記の実施形態では、被処理体として半導体ウエハにプラズマ処理を行う場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。被処理体は、温度によってプラズマ処理の進行に影響があるものであれば何れであってもよい。
また、上記の実施形態では、プラズマ処理としてプラズマエッチングを行う場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。プラズマ処理は、プラズマを用いており、温度によって処理の進行に影響があるものであれば何れであってもよい。
１０ プラズマ処理装置
１６ 載置台
１８ 静電チャック
１８ａ 載置領域
２０ 基台
１００ 制御部
１０２ プロセスコントローラ
１０２ａ ヒーター制御部
１０２ｂ 計測部
１０２ｃ パラメータ算出部
１０２ｄ 温度算出部
１０２ｅ 出力制御部
１０４ 記憶部
ＨＰ ヒーター電源
ＨＴ ヒーター
ＰＤ 電力検出部
ＴＤ 温度測定器
Ｗ ウエハ

Claims (6)

  1. プラズマ処理の対象となる被処理体が載置される載置面の温度を調整可能なヒーターが設けられた載置台と、
    前記ヒーターが設定された設定温度となるよう前記ヒーターへの供給電力を制御するヒーター制御部と、
    前記ヒーター制御部により、前記ヒーターの温度が一定となるよう前記ヒーターへの供給電力を制御して、プラズマを点火して前記ヒーターへの供給電力が安定した第１定常状態からプラズマを消した状態に移行した後の前記ヒーターへの供給電力が増加する過渡状態と、プラズマを消した状態で前記ヒーターへの供給電力が安定した第２定常状態での供給電力を計測する計測部と、
    プラズマからの入熱量および被処理体と前記ヒーター間の熱抵抗をパラメータとし、前記過渡状態の供給電力を算出する算出モデルに対して、前記計測部により計測された前記過渡状態と前記第２定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、前記入熱量および前記熱抵抗を算出するパラメータ算出部と、
    前記パラメータ算出部により算出された前記入熱量および前記熱抵抗を用いて、前記第１定常状態における前記被処理体の温度を算出する温度算出部と、
    を有するプラズマ処理装置。
  2. 前記載置台は、前記載置面を分割した領域毎に前記ヒーターが個別に設けられ、
    前記ヒーター制御部は、領域毎に設けられた前記ヒーターが領域毎に設定された設定温度となるよう前記ヒーターごとに供給電力を制御し、
    前記計測部は、前記ヒーター制御部により、前記ヒーターごとに温度が一定となるよう供給電力を制御して、前記過渡状態と前記第２定常状態での供給電力を前記ヒーターごとに計測し、
    前記パラメータ算出部は、前記ヒーターごとに、前記算出モデルに対して、前記計測部により計測された前記過渡状態と前記第２定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、前記ヒーターごとに前記入熱量および前記熱抵抗を算出し、
    前記温度算出部は、前記ヒーターごとに、前記パラメータ算出部により算出された前記入熱量および前記熱抵抗を用いて、前記第１定常状態における前記被処理体の温度を算出する
    ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記計測部は、所定のサイクルで、前記過渡状態と前記第２定常状態での供給電力を計測し、
    前記パラメータ算出部は、前記所定のサイクルごとに、計測された前記過渡状態と前記第２定常状態の供給電力を用いて、前記入熱量および前記熱抵抗をそれぞれ算出し、
    前記パラメータ算出部により算出される前記入熱量および前記熱抵抗の少なくとも一方の変化に基づき、アラートを出力する制御を行う出力制御部をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記温度算出部は、前記パラメータ算出部により算出された前記入熱量および前記熱抵抗を用いて、前記第１定常状態において被処理体が目標温度となる前記ヒーターの設定温度を算出し、前記ヒーター制御部の設定温度を、算出した設定温度に修正する
    ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載のプラズマ処理装置。
  5. プラズマ処理の対象となる被処理体が載置される載置面の温度を調整可能なヒーターが設けられた載置台の前記ヒーターの温度が設定された設定温度となるよう前記ヒーターへの供給電力を制御して、プラズマを点火して前記ヒーターへの供給電力が安定した第１定常状態からプラズマを消した状態に移行した後の前記ヒーターへの供給電力が増加する過渡状態と、プラズマを消した状態で前記ヒーターへの供給電力が安定した第２定常状態での供給電力を計測し、
    プラズマからの入熱量および被処理体と前記ヒーター間の熱抵抗をパラメータとし、前記過渡状態の供給電力を算出する算出モデルに対して、計測された前記過渡状態と前記第２定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、前記入熱量および前記熱抵抗を算出し、
    算出された前記入熱量および前記熱抵抗を用いて、前記第１定常状態における前記被処理体の温度を算出する
    処理を実行することを特徴とする温度制御方法。
  6. プラズマ処理の対象となる被処理体が載置される載置面の温度を調整可能なヒーターが設けられた載置台の前記ヒーターの温度が設定された設定温度となるよう前記ヒーターへの供給電力を制御して、プラズマを点火して前記ヒーターへの供給電力が安定した第１定常状態からプラズマを消した状態に移行した後の前記ヒーターへの供給電力が増加する過渡状態と、プラズマを消した状態で前記ヒーターへの供給電力が安定した第２定常状態での供給電力を計測し、
    プラズマからの入熱量および被処理体と前記ヒーター間の熱抵抗をパラメータとし、前記過渡状態の供給電力を算出する算出モデルに対して、計測された前記過渡状態と前記第２定常状態の供給電力を用いてフィッティングを行って、前記入熱量および前記熱抵抗を算出し、
    算出された前記入熱量および前記熱抵抗を用いて、前記第１定常状態における前記被処理体の温度を算出する
    処理を実行させることを特徴とする温度制御プログラム。
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