JP3893276B2 - Plasma processing equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置及び処理方法に係り、特にプラズマ放電の異常(不安定放電を含む)に基づくプラズマ処理不良の発生を防止することのできるプラズマ処理装置等に関する。
【0002】
【従来の技術】
CVD(化学的蒸着法)あるいはエッチング等のプラズマ処理装置においては、近年の半導体デバイスの微細化に対応して、ウエハ内に均一な処理結果が得られるプロセス条件の許容幅(プロセスウインドウ)が年々狭くなってきている。このためプラズマ処理装置は、より完全なプロセス条件での運用が望まれる。また、前記プロセス条件は、1枚のみでなく多数のウエハの処理期間に渡って安定していることが要求される。
【0003】
一般に、プロセス条件は、処理を重ねるにしたがって発生した反応生成物の付着等によって変動する。CVD(化学的蒸着法)あるいはエッチングにおいては、処理を重ねるにしたがって発生した反応生成物の付着等によってチャンバの状態が変化し、徐々にプラズマ処理の条件がが変化する。例えば、チャンバに付着した反応生成物によってパーティクルが発生し、また、プラズマ処理中に解離種の組成、プラズマの電位あるいは密度等が変化する。
【0004】
以下、パーティクルの発生について具体的に述べる。通常、プラズマ処理を行う真空チャンバには、表面をアルマイト処理したアルミニウム等が用いられる。プラズマ処理を重ねて行くと前記アルマイト層上に反応生成物の堆積膜が生成される。この堆積膜の表面は、プラズマ中の電子によってチャージアップされやすくなっており、堆積膜表面の電子が過大な量となる。この電子がバルクプラズマ中に放出されることにより堆積膜が剥がれると、これらはダストとなってプラズマ中に放出される。このようなダストの一部はウエハ上に飛来し、プラズマ処理不良をもたらす。また、プラズマ中に異常放電が発生すると、ウエハ上の半導体素子がチャージアップし、過大な電流が流れることによって素子が破壊されることもある。更に、前記反応生成物の堆積膜によって、プラズマとチャンバの間の電気抵抗あるいは静電容量が変化したり、チャンバ表面における反応バランスが変わってプラズマ中の解離種の組成が変化することがある。この場合は、プラズマ放電自体が変化してプラズマの不安定を生じ、また、プラズマ処理の不良を引き起こす。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような異常放電やプラズマ不安定に起因するトラブルを未然に防ぐためには、堆積膜がある厚さ以上になる前に真空チャンバの洗浄等のメンテナンスを行うのが一般的である。しかしながら、メンテナンスを行うタイミングを正確に把握することは困難である。仮に、早めにメンテナンスを行うようにしても、プラズマ処理の履歴によっては、前記早めのメンテナンス周期内に異常放電や放電不安定による処理不良が発生する可能性は避けられない。
【0006】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、異常放電発生時にプラズマ処理を停止してプラズマ処理不良の発生を防止することのできるプラズマ処理装置を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【0008】
処理ガス導入手段、排気手段及び半導体ウエハを載置するウエハステージを備えた真空チャンバと、該真空チャンバ内にインピーダンス整合手段を介して高周波電力を供給して前記真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ生成手段を備え、前記ウエハステージに載置した半導体ウエハにプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記真空チャンバ内に供給する高周波電力の反射波電力を測定するセンサ、前記真空チャンバ内に供給する高周波電力の進行波電力を測定するセンサ、前記真空チャンバ内に高周波電力を供給する回路に挿入した整合回路を構成する回路素子における整合位置の変動量を測定するセンサ、および前記センサ出力をもとにプラズマの異常放電を検出する異常放電検出回路を備え、該異常放電検出回路は、前記進行波電力が設定値以上であり、かつ前記回路素子における整合位置および前記進行波電力の所定時間における変化量が設定値以下であり、更に、前記反射波電力を測定するセンサ出力の微分出力の前記所定時間における最大値および最小値がそれぞれ予め設定した値以上および以下であるときプラズマ放電の異常と判定する
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態を示す図である。プラズマ処理装置23におけるプラズマ処理部は、高周波電力発生手段(マイクロ波発生手段を含む)からの電力供給を受けてプラズマを生成するプラズマ生成手段1(例えば、高周波電圧が供給される電極等)、真空チャンバ2、真空チャンバにガスを導入する手段3、排気手段6などから構成される。また、真空チャンバの前記プラズマが生成される部分にはウエハステージ27を備え、該ウエハステージ上には、図示しない搬送システムによって搬入したウエハを載置する。また、プラズマ生成手段1には、インピーダンス整合手段7を介して、高周波電力発生手段8が電気的に接続されている。
【0010】
高周波電力発生手段8と整合手段7との間には、伝達される高周波の進行波電力及び反射波電力を検出するための方向性結合器9が設置されている。方向性結合器からは、高周波電力発生手段が発生する周波数の進行波電力及び反射波電力に比例した電圧波形が出力される。進行波電力及び反射波電力に比例した電圧波形は、それぞれ検波回路10及び11によって検波される。次いで、これらの検波出力は、それぞれ増幅回路12及び13によって適正な電圧に増幅された後、進行は電力に比例した電圧信号14及び反射は電力に比例した電圧信号15となって出力される。
【0011】
ここで図2は方向性結合器から出力される反射波電力の波形50を示す図、図3は反射波電力の検波後の波形55を示す図である。
【0012】
前記方向性結合器9、検波回路10及び11及び増幅回路12及び13は、通常、高周波電力発生手段8を含む電源システム22に内蔵されており、アナログ出力として、前記信号14、15が出力されていることが多い。
【0013】
図4は、プラズマに異常放電が発生した場合における検波後の波形60を示す図である。図に示すように、種々のノイズを含んでいる。そこで第1のローパスフィルタ16によって、高周波成分やノイズを取り除くことによって、図5に示すような信号65が得られる。
【0014】
次に、信号65を微分回路17に供給して一次微分を行う。一次微分を得るには、様々な方法があるが、S.J Orfanidis: “Introduction to Signal Processing”: Prentice Hall (1996)に記載されているSavitzky-Golay平滑化微分法を用いることにより、図6に示すような、ノイズの影響の比較的少ない一次微分値信号70を得ることができる。
【0015】
一次微分信号70には若干のノイズ変動を含んでいるので、第2のローパスフィルタ18をかけることにより、図7に示すような、最終的に異常放電の判別に用いる信号75が得られる。
【0016】
異常放電を検出する異常放電検出回路19には、反射波電力を示す信号15をローパスフィルタ16,18及び微分回路によって処理した信号と、進行波電力を示す信号14及びインピーダンス整合手段の変動を示す信号20が入力される。
【0017】
インピーダンス整合手段7は、処理する周波数によってその形態が異なるが、高周波帯ないしUHF帯の整合器においては、内部に2つないし3つの可変コンデンサを有しており、これらの可変コンデンサの容量を変化させることによりインピーダンス整合をとる。したがって、前記インピーダンス整合手段の変動を示す信号20は高周波帯ないしUHF帯の整合器においては、前記可変コンデンサの容量を示す信号とすることができる。
【0018】
なお、前記電源システム22を含むプラズマ処理装置23の全体は、制御システム4によって制御され、ウエハステージ27上に載置されるウエハに対して順次プラズマ処理が施される。
【0019】
図8は、異常放電検出回路19の動作を示すフローチャートである。まず、検出回路は、進行波電力信号Pf(信号14)を常時モニタしており、信号14が予め設定した値Pf0より大きい場合、プラズマ処理が開始されたものとして、動作を開始する(ステップ1)。検出回路は一定時間ごと(この場合は5秒毎)に、整合器に内蔵された3個の可変コンデンサの容量の変動の最大値ΔCmax、進行波電力信号Pfの変動ΔPfをチェックし(ステップ2)、これらの変動が、予め設定した値ΔC0、ΔPf0より大きい場合、プラズマの着火直後や処理ステップの切り替えなどの際中であるとして、異常放電の検出処理を行わない(ステップ4)。そうでない場合、プラズマがある程度安定した(異常放電や不安定が無いという意味ではない)状態であると判断し、異常放電の検出を開始する(ステップ5)。まず5秒間の反射波信号を図4ないし図7で説明したように、ローパスフィルタ16、Savitzky-Golay平滑化微分回路17、第2のローパスフィルタ18によって処理し(ステップ5、6,7,8)、図7に示したような信号75(最終的に異常放電の検出に用いる信号)を得る。
【0020】
次いで、前記5秒間における信号75の最大値α(正)、最小値β(負)を判断の基準とし、最大値α、最小値βが、予め設定した値α0、及びβ0に対して、α>α0、かつβ<β0を満たしたとき、反射波の変動が異常に大きいとみなして、異常放電であると判断する(ステップ9、10)。ここで、α>α0、かつβ<β0であることを異常放電の有無の判断に使用するのは、反射波が“増えて減る”、あるいは“減って増える”のが異常放電に特有な反射波の変動パターンであるからである。例えば、前記5秒間中にただ大きく減少した場合は、β<β0を満たすが、α>α0を満たさないため、安定放電と判断できる(ステップ11)。
【0021】
図8に示したフローチャートにおいては、5秒間といった一定時間毎に異常放電の有無を判断したが、図7に示すように、まず最初の5秒間の処理を行った後、次に来る5秒間の処理を行っても良いし、あるいは、図9に示すように、ある時刻から5秒間さかのぼった時刻までの信号の履歴を用いて連続的に異常放電の有無を判断する処理を行っても良い。
【0022】
異常放電検出回路19によって異常放電が発生したと判断した場合、異常放電検出信号21を制御システム4に出力する。制御システム4は、直ちにプラズマ処理を停止することができる。なお、発生した異常放電の程度によってはプラズマ処理に対して重大な影響を与えない場合もあるため、処理中のウエハはそのままプラズマ処理を実行し、次以降のウエハのプラズマ処理を中断してもよい。あるいは警報を発報してもよい。
【0023】
以上の説明においては、プラズマの異常放電を検出するための信号としてプラズマ生成用高周波電力の反射波を用いていたが、本発明は反射波に限定されることなく、プラズマ処理状態を示す電気的あるいは光学的な信号の全てが利用可能である。
【0024】
また、プラズマの異常放電を検出するための信号としては、プラズマ生成用高周波電力の反射波の外に他の手段からの検出信号を組み合わせて利用することができる。
【0025】
例えば、インピーダンス整合手段7の変動を示す信号20(可変コンデンサの容量を示す信号)等を利用することができる。この場合は検出した高周波電力の反射波の時間的な変動の程度が大きく、かつ前記整合手段の変動を示す信号20の時間的な変動の程度が小さい場合に異常放電が発生したと判別することができる。
【0026】
図10は、他の実施形態を示す図である。なお、図において図1に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。プラズマ処理装置においては、被処理物に入射するイオンエネルギーを制御するために、プラズマ生成用電源とは別の高周波電源31(以下、バイアス用電源と呼ぶ)が、バイアス用整合器30を介して被処理物を載置するウエハステージ27に接続される。図10では、プラズマ生成用の高周波電力の反射波に替えて、このバイアス用電源31のピーク電圧32、DC成分33、反射電力34等のバイアス用電源に係る信号を第1のローパスフィルタ16に供給する。ローパスフィルタ16,微分回路17及び第2のローパスフィルタ18はこれらの信号をフィルタ及び微分処理を行った後、異常放電検出回路19に供給する。異常放電検出回路はこれらの信号、あるいはこれらの信号と前記インピーダンス整合手段7の変動を示す信号20(可変コンデンサの容量を示す信号)等を利用することにより、プラズマ生成用電力の反射波を検出する場合と同様にプラズマの不安定や異常放電を検出することが可能である。
【0027】
また、真空チャンバに設けた光検出器28によって得られたプラズマ発光を検出し、検出したプラズマ発光を分光及び信号増幅ユニット29を介して分光し、この分光信号を第1のローパスフィルタ16,微分回路17及び第2のローパスフィルタ18を介して異常信号検出回路に供給するようにしても上記と同様にプラズマの異常放電を検出することが可能である。
【0028】
図11は、さらに他の実施形態を示す図である。なお、図において図1に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【0029】
図において、データ収集部25は制御システム4からプロセスレシピデータ信号26を受信することにより、真空チャンバに供給するガス流量、電力、ガス圧力等、プラズマ処理に必要なプロセスレシピデータを常時収集する。また、進行波電力、反射波電力、インピーダンス整合手段の変動を示す信号も同様に収集する。
【0030】
異常放電検出回路19は、これら全てのデータを常時監視する。全く同じプロセスレシピにおいて、既に処理したウエハに対するこれらの処理信号の履歴信号に対して、新たに行ったプラズマ処理信号が大きく異なる場合はこれを検出し、制御システム4に異常信号を送り、ユーザに警告を発する。あるいは、処理実行中のウエハのプラズマ処理もしくは処理実行中のウエハの次以降のウエハのプラズマ処理を停止する。
【0031】
図1に示す例においては、予め異常放電を判断するための適切なパラメータ(α0、β0)を設定しておく必要があるが、この例においては、プロセスレシピデータと、たとえは反射波電力の変動を示す信号データとを蓄積し、正常な処理をおこなったときの履歴データと現在行っている処理信号とを比較をすることにより、異常放電発生の検出あるいは予測を行うことができる。
【0032】
以上説明したように、真空チャンバへの反応生成物の堆積に伴う異常放電を速やかに検知することができる。また、この検知に基づき、例えばプラズマ処理を中断し、パーティクル、チャージアップダメージ、プロセスのシフト等に起因するプラズマ処理不良を防止することができる。従って、全体としてのプラズマ処理性能、および装置の稼働率が向上し、微細なエッチング加工や、高品質な成膜加工、表面処理加工等が可能となる。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、異常放電発生時にプラズマ処理を停止してプラズマ処理不良の発生を防止することのできるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を示す図である。
【図2】方向性結合器から出力される反射電力の波形を示す図である。
【図3】反射電力の検波後の波形を示す図である。
【図4】プラズマに異常放電が発生した場合の検波後の波形を示す図である。
【図5】ローパスフィルタによる処理後の波形を示す図である。
【図6】一次微分信号を示す図である。
【図7】異常放電の判別に用いる信号の波形を示す図である。
【図8】異常放電検出回路の動作を示すフローチャートである。
【図9】履歴を用いて行う異常放電の判別を説明する図である。
【図10】他の実施形態を説明する図である。
【図11】さらに他の実施形態を説明する図である。
【符号の説明】
1 プラズマ生成手段
2 真空チャンバ
3 ガス導入手段
4 プラズマ処理装置の制御システム
5 半導体ウエハ
6 排気手段
7 インピーダンス整合器
8 高周波電力発生手段
9 方向性結合器
10,11 検波回路
12,13 増幅回路
16 第1のローパスフィルタ
17 一次微分回路
18 第2のローパスフィルタ
19 異常放電検出回路
22 電源システム
23 プラズマ処理装置
25 データ収集部
27 ウエハステージ
28 光検出器
29 分光及び信号増幅ユニット
30 バイアス用整合器
31 バイアス用高周波電源
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus and a processing method, and more particularly, to a plasma processing apparatus and the like that can prevent the occurrence of a plasma processing failure due to abnormalities in plasma discharge (including unstable discharge).
[0002]
[Prior art]
In plasma processing apparatuses such as CVD (Chemical Vapor Deposition) or etching, the permissible width (process window) of process conditions for obtaining uniform processing results within the wafer is increasing year by year in response to the recent miniaturization of semiconductor devices. It is getting narrower. For this reason, the plasma processing apparatus is desired to operate under more complete process conditions. Further, the process conditions are required to be stable over the processing period of a large number of wafers, not just one.
[0003]
In general, the process conditions vary due to adhesion of reaction products generated as processing is repeated. In CVD (Chemical Vapor Deposition) or etching, the state of the chamber changes due to adhesion of reaction products generated as processing is repeated, and the plasma processing conditions gradually change. For example, particles are generated by reaction products adhering to the chamber, and the composition of dissociated species, the potential or density of plasma, and the like change during plasma processing.
[0004]
Hereinafter, the generation of particles will be specifically described. Usually, aluminum or the like whose surface is anodized is used for a vacuum chamber for performing plasma processing. When the plasma treatment is repeated, a deposition film of a reaction product is formed on the alumite layer. The surface of the deposited film is easily charged up by electrons in the plasma, and the amount of electrons on the deposited film surface becomes excessive. When the deposited film is peeled off by releasing these electrons into the bulk plasma, they are released into the plasma as dust. Some of these dusts fly onto the wafer, causing plasma processing defects. In addition, when an abnormal discharge occurs in the plasma, the semiconductor element on the wafer is charged up, and the element may be destroyed due to an excessive current flowing. Furthermore, depending on the deposited film of the reaction product, the electrical resistance or capacitance between the plasma and the chamber may change, or the reaction balance on the chamber surface may change to change the composition of dissociated species in the plasma. In this case, the plasma discharge itself changes to cause instability of the plasma and to cause a defective plasma processing.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to prevent troubles caused by abnormal discharge and plasma instability as described above, maintenance such as cleaning of the vacuum chamber is generally performed before the deposited film exceeds a certain thickness. However, it is difficult to accurately grasp the maintenance timing. Even if maintenance is performed early, depending on the history of plasma processing, there is an unavoidable possibility of processing failure due to abnormal discharge or unstable discharge within the earlier maintenance cycle.
[0006]
The present invention has been made in view of these problems, and provides a plasma processing apparatus capable of stopping plasma processing when abnormal discharge occurs and preventing occurrence of defective plasma processing.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
[0008]
A plasma chamber that includes a processing gas introduction unit, an exhaust unit, and a wafer stage on which a semiconductor wafer is placed, and plasma that generates a plasma in the vacuum chamber by supplying high-frequency power to the vacuum chamber via an impedance matching unit In a plasma processing apparatus comprising a generating means for performing plasma processing on a semiconductor wafer placed on the wafer stage,
Inserted into a sensor for measuring reflected wave power of high frequency power supplied into the vacuum chamber, a sensor for measuring traveling wave power of high frequency power supplied into the vacuum chamber, and a circuit for supplying high frequency power into the vacuum chamber A sensor for measuring a variation amount of a matching position in a circuit element constituting the matching circuit, and an abnormal discharge detection circuit for detecting an abnormal discharge of plasma based on the sensor output, the abnormal discharge detection circuit including the traveling wave The power is greater than or equal to a set value, the amount of change in the matching position in the circuit element and the traveling wave power at a predetermined time is less than or equal to the set value, and the differential output of the sensor output that measures the reflected wave power When the maximum value and the minimum value in time are above or below a preset value, it is determined that the plasma discharge is abnormal .
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention. The plasma processing unit in the plasma processing apparatus 23 includes plasma generating means 1 (for example, an electrode to which a high frequency voltage is supplied) that generates plasma upon receiving power supply from high frequency power generating means (including microwave generating means), The vacuum chamber 2, the means 3 for introducing gas into the vacuum chamber, the exhaust means 6, and the like. Further, a wafer stage 27 is provided in a portion of the vacuum chamber where the plasma is generated, and a wafer carried by a transfer system (not shown) is placed on the wafer stage. In addition, a high frequency power generation means 8 is electrically connected to the plasma generation means 1 via an impedance matching means 7.
[0010]
Between the high-frequency power generating means 8 and the matching means 7, a directional coupler 9 for detecting the transmitted high-frequency traveling wave power and reflected wave power is installed. The directional coupler outputs a voltage waveform proportional to the traveling wave power and the reflected wave power of the frequency generated by the high frequency power generating means. The voltage waveforms proportional to the traveling wave power and the reflected wave power are detected by the detection circuits 10 and 11, respectively. Next, these detection outputs are amplified to an appropriate voltage by the amplifier circuits 12 and 13, respectively, and then the progress is output as a voltage signal 14 proportional to power and the reflection as a voltage signal 15 proportional to power.
[0011]
Here, FIG. 2 is a diagram showing a waveform 50 of the reflected wave power output from the directional coupler, and FIG. 3 is a diagram showing a waveform 55 after detection of the reflected wave power.
[0012]
The directional coupler 9, the detection circuits 10 and 11, and the amplifier circuits 12 and 13 are normally built in a power supply system 22 including a high frequency power generation means 8, and the signals 14 and 15 are output as analog outputs. There are many.
[0013]
FIG. 4 is a diagram showing a waveform 60 after detection when abnormal discharge occurs in the plasma. As shown in the figure, various noises are included. Therefore, a signal 65 as shown in FIG. 5 is obtained by removing high-frequency components and noise by the first low-pass filter 16.
[0014]
Next, the signal 65 is supplied to the differentiating circuit 17 to perform first order differentiation. There are various methods for obtaining the first derivative, and the Savitzky-Golay smoothed differential method described in SJ Orfanidis: “Introduction to Signal Processing”: Prentice Hall (1996) is used, and is shown in FIG. Thus, it is possible to obtain a primary differential value signal 70 that is relatively less affected by noise.
[0015]
Since the primary differential signal 70 includes some noise fluctuation, by applying the second low-pass filter 18, a signal 75 finally used for discrimination of abnormal discharge as shown in FIG. 7 is obtained.
[0016]
The abnormal discharge detection circuit 19 for detecting abnormal discharge indicates a signal obtained by processing the signal 15 indicating the reflected wave power by the low-pass filters 16 and 18 and the differentiating circuit, the signal 14 indicating the traveling wave power, and the fluctuation of the impedance matching means. A signal 20 is input.
[0017]
Although the form of the impedance matching means 7 differs depending on the frequency to be processed, the high frequency band or UHF band matching unit has two or three variable capacitors inside, and changes the capacitance of these variable capacitors. Impedance matching is achieved. Accordingly, the signal 20 indicating the fluctuation of the impedance matching means can be a signal indicating the capacitance of the variable capacitor in a high frequency band or UHF band matching unit.
[0018]
Note that the entire plasma processing apparatus 23 including the power supply system 22 is controlled by the control system 4, and plasma processing is sequentially performed on the wafers placed on the wafer stage 27.
[0019]
FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the abnormal discharge detection circuit 19. First, the detection circuit constantly monitors the traveling wave power signal Pf (signal 14), and when the signal 14 is larger than a preset value Pf0, the operation starts on the assumption that plasma processing has started (step 1). ). The detection circuit checks the maximum variation ΔCmax of the capacitance of the three variable capacitors built in the matching unit and the variation ΔPf of the traveling wave power signal Pf at regular intervals (in this case, every 5 seconds) (step 2). ) If these fluctuations are larger than the preset values ΔC0 and ΔPf0, the abnormal discharge detection process is not performed because it is immediately after the ignition of the plasma or during the switching of the processing step (step 4). Otherwise, it is determined that the plasma is stable to some extent (not meaning that there is no abnormal discharge or instability), and detection of abnormal discharge is started (step 5). First, the reflected wave signal for 5 seconds is processed by the low-pass filter 16, the Savitzky-Golay smoothing differentiation circuit 17, and the second low-pass filter 18 as described with reference to FIGS. 4 to 7 (steps 5, 6, 7, 8). ), And a signal 75 (a signal finally used for detecting abnormal discharge) as shown in FIG. 7 is obtained.
[0020]
Next, the maximum value α (positive) and the minimum value β (negative) of the signal 75 in the 5 seconds are used as a criterion for determination, and the maximum value α and the minimum value β are α with respect to the preset values α0 and β0. When> α0 and β <β0 are satisfied, it is considered that the fluctuation of the reflected wave is abnormally large, and it is determined that the discharge is abnormal (steps 9 and 10). Here, α> α0 and β <β0 are used to determine the presence or absence of abnormal discharge because the reflected wave is “increased and decreased” or “decreased and increased”. This is because the wave fluctuation pattern. For example, if it decreases significantly during the 5 seconds, β <β0 is satisfied, but α> α0 is not satisfied, so that stable discharge can be determined (step 11).
[0021]
In the flowchart shown in FIG. 8, the presence / absence of abnormal discharge is determined at regular intervals of 5 seconds, but as shown in FIG. 7, the first 5 seconds of processing is performed first, and then the next 5 seconds. Processing may be performed, or as shown in FIG. 9, processing for continuously determining the presence or absence of abnormal discharge may be performed using a history of signals from a certain time to a time going back for 5 seconds.
[0022]
When the abnormal discharge detection circuit 19 determines that an abnormal discharge has occurred, an abnormal discharge detection signal 21 is output to the control system 4. The control system 4 can immediately stop the plasma processing. Depending on the degree of abnormal discharge that has occurred, the plasma processing may not be significantly affected. Therefore, the plasma processing is performed on the wafer being processed as it is, and the plasma processing on the subsequent wafers may be interrupted. Good. Alternatively, an alarm may be issued.
[0023]
In the above description, a reflected wave of high-frequency power for plasma generation is used as a signal for detecting an abnormal discharge of plasma. However, the present invention is not limited to the reflected wave, and the electrical state indicating the plasma processing state is used. Alternatively, all optical signals can be used.
[0024]
Further, as a signal for detecting an abnormal discharge of plasma, a detection signal from other means can be used in combination with the reflected wave of the plasma generating high frequency power.
[0025]
For example, a signal 20 (a signal indicating the capacitance of the variable capacitor) indicating the fluctuation of the impedance matching means 7 can be used. In this case, it is determined that an abnormal discharge has occurred when the degree of temporal fluctuation of the reflected wave of the detected high-frequency power is large and the degree of temporal fluctuation of the signal 20 indicating the fluctuation of the matching means is small. Can do.
[0026]
FIG. 10 is a diagram showing another embodiment. In the figure, the same parts as those shown in FIG. In the plasma processing apparatus, a high frequency power source 31 (hereinafter referred to as a bias power source) different from the plasma generating power source is connected via the bias matching unit 30 in order to control the ion energy incident on the workpiece. It is connected to a wafer stage 27 on which an object to be processed is placed. In FIG. 10, instead of the reflected wave of the high frequency power for plasma generation, signals relating to the bias power source such as the peak voltage 32, the DC component 33, and the reflected power 34 of the bias power source 31 are sent to the first low-pass filter 16. Supply. The low-pass filter 16, the differentiating circuit 17 and the second low-pass filter 18 apply these signals to the abnormal discharge detection circuit 19 after filtering and differentiating them. The abnormal discharge detection circuit detects the reflected wave of the plasma generation power by using these signals, or these signals and the signal 20 (signal indicating the capacitance of the variable capacitor) indicating the fluctuation of the impedance matching means 7. It is possible to detect plasma instability and abnormal discharge in the same way as in the case of performing.
[0027]
Further, the plasma emission obtained by the photodetector 28 provided in the vacuum chamber is detected, and the detected plasma emission is dispersed through the spectral and signal amplification unit 29, and the spectral signal is converted into the first low-pass filter 16 and the differential. Even if it is supplied to the abnormal signal detection circuit via the circuit 17 and the second low-pass filter 18, it is possible to detect an abnormal discharge of plasma in the same manner as described above.
[0028]
FIG. 11 is a diagram showing still another embodiment. In the figure, the same parts as those shown in FIG.
[0029]
In the figure, a data collection unit 25 receives a process recipe data signal 26 from the control system 4 to constantly collect process recipe data necessary for plasma processing, such as a gas flow rate, power, and gas pressure supplied to the vacuum chamber. Similarly, signals indicating fluctuations in traveling wave power, reflected wave power, and impedance matching means are also collected.
[0030]
The abnormal discharge detection circuit 19 constantly monitors all these data. In the exact same process recipe, when the newly performed plasma processing signal is significantly different from the history signal of these processing signals for the already processed wafer, this is detected and an abnormal signal is sent to the control system 4 to the user. Issue a warning. Alternatively, the plasma processing of the wafer being processed or the plasma processing of the wafer subsequent to the wafer being processed is stopped.
[0031]
In the example shown in FIG. 1, it is necessary to set appropriate parameters (α0, β0) for determining abnormal discharge in advance, but in this example, the process recipe data and the reflected wave power, for example, It is possible to detect or predict the occurrence of abnormal discharge by accumulating signal data indicating fluctuations and comparing the history data when normal processing is performed with the currently processed signal.
[0032]
As described above, the abnormal discharge accompanying the deposition of the reaction product in the vacuum chamber can be quickly detected. Further, based on this detection, for example, the plasma processing can be interrupted to prevent plasma processing defects due to particles, charge-up damage, process shifts, and the like. Therefore, the plasma processing performance as a whole and the operating rate of the apparatus are improved, and fine etching processing, high-quality film formation processing, surface treatment processing, and the like are possible.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a plasma processing apparatus capable of stopping plasma processing when abnormal discharge occurs and preventing the occurrence of defective plasma processing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a waveform of reflected power output from a directional coupler.
FIG. 3 is a diagram showing a waveform after detection of reflected power.
FIG. 4 is a diagram showing a waveform after detection when abnormal discharge occurs in plasma.
FIG. 5 is a diagram illustrating a waveform after processing by a low-pass filter.
FIG. 6 is a diagram showing a primary differential signal.
FIG. 7 is a diagram showing a waveform of a signal used for discrimination of abnormal discharge.
FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the abnormal discharge detection circuit.
FIG. 9 is a diagram for explaining determination of abnormal discharge performed using a history.
FIG. 10 is a diagram illustrating another embodiment.
FIG. 11 is a diagram illustrating still another embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma production | generation means 2 Vacuum chamber 3 Gas introduction means 4 Control system 5 of plasma processing apparatus Semiconductor wafer 6 Exhaust means 7 Impedance matching device 8 High frequency electric power generation means 9 Directional coupler 10, 11 Detection circuit 12, 13 Amplifier circuit 16 1 low-pass filter 17 primary differential circuit 18 second low-pass filter 19 abnormal discharge detection circuit 22 power supply system 23 plasma processing device 25 data collection unit 27 wafer stage 28 photodetector 29 spectral and signal amplification unit 30 bias matching unit 31 bias High frequency power supply

Claims (3)

処理ガス導入手段、排気手段及び半導体ウエハを載置するウエハステージを備えた真空チャンバと、
該真空チャンバ内にインピーダンス整合手段を介して高周波電力を供給して前記真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ生成手段を備え、
前記ウエハステージに載置した半導体ウエハにプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記真空チャンバ内に供給する高周波電力の反射波電力を測定するセンサ、前記真空チャンバ内に供給する高周波電力の進行波電力を測定するセンサ、前記真空チャンバ内に高周波電力を供給する回路に挿入した整合回路を構成する回路素子における整合位置の変動量を測定するセンサ、および前記センサ出力をもとにプラズマの異常放電を検出する異常放電検出回路を備え、
該異常放電検出回路は、前記進行波電力が設定値以上であり、かつ前記回路素子における整合位置および前記進行波電力の所定時間における変化量が設定値以下であり、
更に、前記反射波電力を測定するセンサ出力の微分出力の前記所定時間における最大値および最小値がそれぞれ予め設定した値以上および以下であるときプラズマ放電の異常と判定することを特徴とするプラズマ処理装置。
A vacuum chamber provided with a processing gas introducing means, an exhaust means, and a wafer stage on which a semiconductor wafer is placed;
Plasma generating means for generating high-frequency power in the vacuum chamber through impedance matching means to generate plasma in the vacuum chamber;
In a plasma processing apparatus for performing plasma processing on a semiconductor wafer placed on the wafer stage,
Inserted into a sensor for measuring reflected wave power of high frequency power supplied into the vacuum chamber, a sensor for measuring traveling wave power of high frequency power supplied into the vacuum chamber, and a circuit for supplying high frequency power into the vacuum chamber A sensor that measures the amount of variation in the matching position in the circuit elements that constitute the matching circuit, and an abnormal discharge detection circuit that detects abnormal discharge of plasma based on the sensor output,
In the abnormal discharge detection circuit, the traveling wave power is not less than a set value, and the amount of change in the matching position in the circuit element and the traveling wave power in a predetermined time is not more than a set value,
Further, it is determined that the plasma discharge is abnormal when the maximum value and the minimum value of the differential output of the sensor output for measuring the reflected wave power are greater than or less than a preset value, respectively. apparatus.
請求項記載のプラズマ処理装置において、
前記異常放電検出回路は異常放電を検出したときプラズマ処理を停止することを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1 ,
The plasma processing apparatus, wherein the abnormal discharge detection circuit stops the plasma processing when detecting abnormal discharge.
請求項記載のプラズマ処理装置において、
プラズマ放電の異常を検出する異常放電検出回路は前記センサ出力信号を収集するデータ収集手段を備え、センサ出力を前記収集手段に収集した正常放電時の収集データと比較することにより異常放電の発生を予測することを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1 ,
An abnormal discharge detection circuit for detecting an abnormality in plasma discharge includes data collection means for collecting the sensor output signal, and the generation of abnormal discharge is detected by comparing the sensor output with the collected data during normal discharge collected in the collection means. A plasma processing apparatus characterized by predicting.
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