JP7257918B2 - プラズマ処理システムおよびプラズマ着火支援方法 - Google Patents

プラズマ処理システムおよびプラズマ着火支援方法 Download PDF

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Description

本開示は、プラズマ処理システムおよびプラズマ着火支援方法に関する。
近年の半導体の製造プロセスでは、プラズマを用いて基板を加工するプラズマ処理装置が用いられる。プラズマ処理装置では、処理容器内に処理ガスが供給され、処理容器内が所定の圧力に調整される。そして、処理容器内に高周波電力が供給されることにより、処理ガスがプラズマ化され、プラズマにより処理容器内に収容された基板にエッチング等のプラズマ処理が施される。
特開２０１０－１５３２７４号公報
本開示は、プラズマを安定的に着火することができるプラズマ処理システムおよびプラズマ着火支援方法を提供する。
本開示の一態様によるプラズマ処理システムは、プラズマ処理装置と制御装置とを備える。プラズマ処理装置は、基板が収容される処理容器を有し、処理容器内でプラズマを生成することにより基板にプラズマ処理を施す。制御装置は、プラズマ処理装置を制御する。また、制御装置は、収集工程と、第１の特定工程と、第２の特定工程と、着火工程とを実行する。収集工程では、プラズマに高周波電力を供給する電力供給部とプラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数のそれぞれの値について、電力供給部とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値が収集される。第１の特定工程では、それぞれの変数に対応する点からインピーダンスが最も整合している状態における測定値に対応する点である整合点に至るベクトルに対して測定値の変化の傾きが最大となる変数の値に対応する点が通過点として特定される。第２の特定工程では、通過点および整合点を含む直線上において、通過点よりも整合点から遠い点が制御の開始点として特定される。着火工程では、直線に沿って開始点から整合点へ向かって測定値が変化するようにそれぞれの変数を制御することにより、プラズマ処理装置内でプラズマを着火させる。
本開示の種々の側面および実施形態によれば、プラズマを安定的に着火することができる。
図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理システムの一例を示す図である。 図２は、整合器の構成の一例を示す図である。 図３は、制御変数とプラズマの発光強度との関係の一例を示す図である。 図４は、変数の調整方法の一例を示す図である。 図５は、変数の調整方法の一例を示す図である。 図６は、制御方向の決定方法の一例を説明するための図である。 図７は、反射波の電力の変化の一例を示す図である。 図８は、制限点および制限ラインの一例を説明するための図である。 図９は、プロセス実行時の制御変数の制御の一例を説明するための図である。 図１０は、データ収集処理の一例を示すフローチャートである。 図１１は、着火支援処理の一例を示すフローチャートである。 図１２は、制御装置の機能を実現するコンピュータの一例を示す図である。
以下に、開示するプラズマ処理システムおよびプラズマ着火支援方法の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により、開示されるプラズマ処理システムおよびプラズマ着火支援方法が限定されるものではない。
ところで、電力供給部とプラズマが生成される処理空間との間には、電力供給部からの高周波電力が処理空間内のプラズマに効率的に供給されるように、整合回路が設けられている。整合回路は、電力供給部の出力インピーダンスと、処理空間内のプラズマのインピーダンスとが整合するように動作する。なお、以下では、処理空間内においてプラズマが生成されることを、プラズマが着火すると記載する。
プラズマが着火する過程において、プラズマのインピーダンスは変化する。そのため、プラズマの着火の過程で整合回路が動作すると、プラズマがまだ着火していない状態で整合動作が進み、プラズマが着火しない状態で整合回路が安定してしまう場合がある。また、プラズマの着火の過程で整合回路が動作すると、プラズマが一旦着火しても、整合動作によりプラズマが再び失火してしまう場合がある。このように、プラズマの着火と整合動作とが平行して行われると、プラズマを安定的に着火させることが難しい。
そこで、本開示は、プラズマを安定的に着火することができる技術を提供する。
［プラズマ処理システム１の構成］
図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理システム１の一例を示す図である。プラズマ処理システム１は、プラズマ処理装置１００および制御装置２００を備える。プラズマ処理装置１００は、対向する２つの電極の少なくとも一方に供給された高周波電力によって電極間に滞在する処理ガスを励起する。これにより、プラズマ処理装置１００は、処理容器室内にプラズマを生成し、生成されたプラズマによって半導体ウエハＷにエッチング等のプラズマ処理を施す。本実施形態において、プラズマ処理装置１００は、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を用いたプラズマ処理装置である。
プラズマ処理装置１００は、例えばアルミニウム等の金属により筒状（例えば円筒状）に形成され、基板の一例である半導体ウエハＷが収容される処理容器１０２を有する。処理容器１０２は、接地されている。なお、プラズマ処理システム１０３の形状は、円筒状に限られず、例えば角筒状（例えば箱状）であってもよい。
処理容器１０２内には、半導体ウエハＷを載置する載置台１１０が設けられている。載置台１１０は、アルミニウム等により略柱状（例えば円柱状）に形成されている。なお、載置台１１０の形状は、円柱状に限られず、例えば角柱状（例えば多角柱状）であってもよい。また、図示はしないが、載置台１１０には半導体ウエハＷを静電気力により吸着保持する静電チャックや半導体ウエハＷの温度を調整する温度調整機構等が設けられている。
処理容器１０２の上部には、絶縁部材１０６を介して、例えばシリコン等の導電体により板状に形成された上部電極１０４が設けられている。絶縁部材１０６は、例えばセラミック等によりリング状に形成されており、上部電極１０４の外周に設置され得る。上部電極１０４は、載置台１１０に対向するように載置台１１０の上方に設けられている。処理容器１０２と上部電極１０４とで囲まれた空間を処理室１６１と定義する。
処理容器１０２の側壁には、ガス導入口１２１が形成されており、ガス導入口１２１には、配管１２３を介して、ガス供給機構１２０が接続されている。ガス供給機構１２０は、ガス供給源１２２、流量制御器１２４、およびバルブ１２６を有する。ガス供給源１２２は、ＣＦ４ガス等の処理ガスの供給源である。流量制御器１２４は、ガス供給源１２２から処理室１６１内に供給される処理ガスの流量を制御する。バルブ１２６は、ガス供給源１２２から処理室１６１内への処理ガスの供給および供給停止を制御する。
図１では、説明を簡単にするために、ガス供給機構１２０が単一の種類の処理ガスを処理容器１０２内に供給するように表現されているが、ガス供給機構１２０は単一の種類の処理ガスを供給する場合に限られず、複数の種類の処理を供給するものであってもよい。また、図１では、ガス供給機構１２０から供給された処理ガスがガス供給機構１２０の側壁に設けられたガス導入口１２１から処理室１６１内に供給されるが、他の例として、上部電極１０４の略中央から処理室１６１内に処理ガスが供給されてもよい。また、上部電極１０４は、シャワーヘッド構造を有してもよい。
処理容器１０２の底部には、排気管１３２が接続されており、排気管１３２には、真空ポンプ等を有する排気装置１３０が接続されている。排気装置１３０により、処理室１６１内のガスを排出し、処理室１６１内の圧力を所望の圧力に制御することができる。
処理容器１０２の側壁には、開口１３４が形成されており、開口１３４は、ゲートバルブ１３６によって開閉される。半導体ウエハＷを搬入する際には、ゲートバルブ１３６が開かれ、図示しない搬送アーム等の搬送機構によって半導体ウエハＷが処理室１６１内に搬入され、載置台１１０上に載置される。そして、搬送機構が処理室１６１内から退出した後に、ゲートバルブ１３６が閉じられ、半導体ウエハＷに対する処理が行われる。
また、処理容器１０２の側壁には、石英等により形成された窓１０８が設けられている。窓１０８には、処理室１６１内で生成されたプラズマの発光強度を測定する測定装置１７０が接続されている。測定装置１７０によって測定されたプラズマの発光強度の情報は、制御装置２００へ出力される。測定装置１７０によって測定されたプラズマの発光強度の情報は、電力供給部とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値の一例である。
上部電極１０４には、整合器１５２を介して高周波電源１５０が接続されている。高周波電源１５０は、電力供給部の一例である。高周波電源１５０は、予め定められた周波数（例えば６０ＭＨｚ）の高周波電力を上部電極１０４に供給する。高周波電源１５０から出力される高周波電力の大きさは、制御装置２００によって制御される。なお、上部電極１０４に供給される高周波電力の周波数は、６０ＭＨｚに限られず、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、または１００ＭＨｚ等であってもよい。なお、高周波電源１５０は整合器１５２を介して載置台１１０に接続されてもよい。この場合、載置台１１０は下部電極として用いられる。
図２は、整合器１５２の構成の一例を示す図である。整合器１５２は、容量の制御が可能なＶＣ１（バリアブルキャパシタ）およびＶＣ２を有する。ＶＣ１は、高周波電源１５０と上部電極１０４との間に直列に接続され、ＶＣ２は、高周波電源１５０と接地電位（ＧＮＤ電位）との間に高周波電源１５０と並列に接続されている。ＶＣ１およびＶＣ２は、高周波電源１５０の出力インピーダンスと、処理室１６１内のプラズマのインピーダンスとが整合するように動作する。ＶＣ１およびＶＣ２の容量は、制御装置２００によって制御される。また、整合器１５２は、高周波電源１５０から上部電極１０４に供給された高周波電力に対する反射波の電力の大きさを示す情報を制御装置２００へ出力する。
上部電極１０４に供給された高周波電力により、上部電極１０４と載置台１１０との間で電位差が発生する。そして、発生した電位差によって処理室１６１内に存在する電子が加速され、処理室１６１内に供給された処理ガスと衝突することにより、処理室１６１内に供給された処理ガスが励起され、処理室１６１内の処理ガスがプラズマ化される。そして、プラズマに含まれるイオンや活性種によって、載置台１１０上の半導体ウエハＷに対して、エッチング等の所定の処理が施される。
制御装置２００は、メモリ、プロセッサ、および入出力インターフェイス等を有する。メモリには、レシピ等のデータやプログラム等が格納されている。プロセッサは、メモリに格納されたプログラムを読み出して実行する。そして、プロセッサは、メモリに格納されたレシピ等のデータに基づき、入出力インターフェイスを介して、プラズマ処理装置１００の各部を制御する。
［制御変数とプラズマとの関係］
図３は、制御変数とプラズマの発光強度との関係の一例を示す図である。図３の例では、整合器１５２に含まれるＶＣ１の制御量とＶＣ２の制御量が、制御変数の一例として用いられている。ＶＣ１およびＶＣ２の制御量とは、固定子の電極と回転子の電極とが重なる面積に対応する量であり、電極板の容量の値が最も低い状態の制御量を０％、容量の値が最も高い状態の制御量を１００％とした場合の制御量である。制御変数は、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数の一例である。
例えば図３に示されるように、ＶＣ１の制御量とＶＣ２の制御量との組み合わせに応じて、プラズマの発光強度が異なっている。図３において、プラズマの発光強度が高いほど、高周波電源１５０からの高周波電力がプラズマに効率よく供給されており、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合が取れていることを示している。そのうち、最大点ＰMは、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスが最も整合している状態におけるプラズマの発光強度に対応する点である。最大点ＰMは、整合点の一例である。
例えば図３の最大点ＰMを通過する直線Ｌに沿う方向におけるプラズマの発光強度の分布を図示すると、例えば図４および図５のようになる。図４および図５は、変数の調整方法の一例を示す図である。例えば図４に示されるように、直線Ｌに沿う方向における制御変数の変化量に対するプラズマの発光強度の変化量（即ち、発光強度の変化の傾き）は、制御変数の値によって異なる。
ここで、発光強度の変化の傾きが緩い方向から、発光強度が最も大きい最大点ＰMに向かって直線Ｌに沿って制御変数が制御される場合、例えば図４の実線矢印に示されるようにプラズマの発光強度が変化する。この場合、最大点ＰMに向かって直線Ｌに沿って制御変数が制御される過程でプラズマが着火しても、制御のオーバーシュート等により、図４の破線矢印に示されるように発光強度が急激に減少してしまう場合がある。これにより、着火したプラズマが失火してしまう場合がある。
一方、例えば図５に示されるように、発光強度の変化の傾きが急峻な方向から最大点ＰMに向かって直線Ｌに沿って制御変数が制御される場合、例えば図５の実線矢印に示されるようにプラズマの発光強度が変化する。この場合、最大点ＰMに向かって直線Ｌに沿って制御変数が制御される過程でプラズマが着火し、制御のオーバーシュート等により、図５の破線矢印に示されるように発光強度が減少する。しかし、最大点ＰMを通過した後は、発光強度が緩やかに減少する。そのため、プラズマが失火する前に制御変数の微調整が可能となり、プラズマの発光強度を再び最大点ＰMに近づけることが可能となる。これにより、プラズマを安定的に着火させることができる。
従って、制御変数とプラズマの発光強度との関係において、発光強度の変化の傾きが急峻な制御変数の制御方向を特定し、特定された制御方向に沿って、発光強度が最も大きい最大点ＰMに向かって制御変数を制御することが好ましい。
［制御方向の決定方法］
制御変数の制御方向を決定するためには、まず、プラズマが着火した状態において、制御変数を変えながら、それぞれの制御変数の値におけるプラズマの発光強度が測定される。そして、例えば図６に示されるように、収集された発光強度の測定値が、それぞれの制御変数を軸とする座標上にプロットされる。図６は、制御方向の決定方法の一例を説明するための図である。図６の例では、整合器１５２に含まれるＶＣ１の制御量と、ＶＣ２の制御量が、制御変数の一例として用いられている。
次に、座標上にプロットされた発光強度の測定値の中で、発光強度の測定値が最大となる制御変数の組み合わせに対応する点が、最大点ＰMとして特定される。
次に、それぞれの制御変数の組み合わせに対応する点（測定点Ｐ）を始点とし最大点ＰMを終点とするベクトルＶに対して発光強度の測定値の変化の傾きが最大となる測定点Ｐが通過点ＰPとして特定される。通過点ＰPは、最大点ＰMへ向かう方向において、発光強度の変化の傾きが最も急峻な点である。
次に、通過点ＰPを始点とし、最大点ＰMを終点とするベクトルＶPが特定される。ベクトルＶPの方向が、制御変数の制御方向である。
なお、測定点Ｐにおける発光強度の測定値の変化の傾きは、最大点ＰMにおける発光強度と測定点Ｐにおける発光強度の差分とベクトルＶの大きさの比率として算出される。測定点Ｐにおける発光強度の測定値の変化の傾きは、発光強度の測定値を制御変数の関数とみなしたとき、ベクトルＶが示す方向への方向微分値として算出されてもよい。また、特定される通過点ＰPは、ベクトルＶPが示す方向において、通過点ＰPから最大点ＰMまでのベクトルＶP上で、発光強度の測定値が単調増加している必要がある。そのため、ベクトルＶPが示す方向において、通過点ＰPから最大点ＰMまでのベクトルＶP上の少なくとも一部で発光強度の測定値が減少する場合は、通過点ＰPとして特定されない。
次に、特定されたベクトルＶを含む直線Ｌ1が特定される。そして、直線Ｌ1上において、通過点ＰPよりも最大点ＰMから遠い点であって、プラズマが着火しない領域内の制御変数の組み合わせに対応する点が制御の開始点ＰSとして特定される。なお、開始点ＰSは、開始点ＰSから通過点ＰPまでの直線Ｌ1上において、発光強度の測定値が変化しない、もしくは単調増加であることが望ましい。
［着火制御］
プラズマを使った実際のプロセスでは、直線Ｌ1に沿って開始点ＰSから最大点ＰMへ向かってプラズマの発光強度が変化するようにそれぞれの制御変数が制御される。この時、例えば図７に示されるように、高周波電源１５０から上部電極１０４に供給された高周波電力に対する反射波の電力の大きさが測定される。図７は、反射波の電力の変化の一例を示す図である。
次に、反射波の電力が減少する傾きが最大となるタイミングｔpにおける制御変数の値の組み合わせに対応する点が制限点ＰLとして特定される。そして、プラズマが実際に着火した後に、例えば図８に示されるように、それぞれの制御変数を軸とする座標上において、制限点ＰLを通り直線Ｌ1に直交する直線が制限ラインＬ2として特定される。図８は、制限点ＰLおよび制限ラインＬ2の一例を説明するための図である。そして、制限ラインＬ2よりも最大点ＰM側の制御変数の値を用いてプラズマの調整が行われる。これにより、着火後の制御変数の調整において、制限ラインＬ2よりも開始点ＰS側の制御変数の値が用いられないため、プラズマの失火を抑制することができる。
これにより、プラズマを使った実際のプロセスでは、例えば図９に示されるようにプラズマの発光強度が変化するようにそれぞれの制御変数が制御される。図９は、プロセス実行時の制御変数の制御の一例を説明するための図である。
まず、直線Ｌ1に沿って開始点ＰSから最大点ＰMへ向かってプラズマの発光強度が変化するようにそれぞれの制御変数が制御される。そして、反射波の電力の変化に基づいて制限点ＰLが特定され、プラズマの着火が検出される。プラズマが着火した後は、制限点ＰLよりも最大点ＰM側の制御変数の値（範囲ΔＬに含まれる制御変数の値）を用いてプラズマの調整が行われる。範囲ΔＬでは、プラズマの発光強度の変化が緩やかであるため、制御のオーバーシュートが多少発生しても、プラズマが失火する恐れが少ない。そのため、着火後の制御変数の調整において、プラズマの失火を抑制することができる。
また、図８に例示された直線Ｌ1上において、開始点ＰSよりも制限点ＰLに近い点ＰS’が新たな開始点ＰSとして更新される。これにより、次にプラズマを着火する際に、制御開始からプラズマの着火までに要する時間を短縮することができる。
［データ収集処理］
図１０は、データ収集処理の一例を示すフローチャートである。図１０に例示されたデータ収集処理では、制御変数の組み合わせ毎にプラズマの発光強度が測定され、測定されたプラズマの発光強度の分布から、最大点ＰM、通過点ＰP、および開始点ＰSが特定される。図１０に例示されたデータ収集処理は、制御装置２００がプラズマ処理装置１００の各部を制御することにより実現される。
まず、予め定められたＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量において、処理室１６１内にプラズマが生成される（Ｓ１０）。
次に、制御装置２００は、予め定められたＶＣ１の制御量の値の中で、未選択の制御量の値を１つ選択する（Ｓ１１）。ステップＳ１１において、制御装置２００は、０％から１００％のＶＣ１の制御量の値の中で、例えば１％のステップで、ＶＣ１の制御量の値を順次選択する。
次に、制御装置２００は、予め定められたＶＣ２の制御量の値の中で、未選択の制御量の値を１つ選択する（Ｓ１２）。ステップＳ１２において、制御装置２００は、０％から１００％のＶＣ２の制御量の値の中で、例えば１％のステップで、ＶＣ２の制御量の値を順次選択する。
次に、測定装置１７０は、処理室１６１内のプラズマの発光強度を測定する（Ｓ１３）。制御装置２００は、測定装置１７０によって測定されたプラズマの発光強度の情報を、ステップＳ１１で選択された制御量と、ステップＳ１２で選択された制御量とに対応付けてメモリに保持する。
次に、制御装置２００は、予め定められたＶＣ２の制御量の値の中で、全ての制御量の値が選択されたか否かを判定する（Ｓ１４）。未選択の制御量の値がある場合（Ｓ１４：Ｎｏ）、制御装置２００は、再びステップＳ１２に示された処理を実行する。
一方、全ての制御量の値が選択された場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、制御装置２００は、予め定められたＶＣ１の制御量の値の中で、全ての制御量の値が選択されたか否かを判定する（Ｓ１５）。未選択の制御量の値がある場合（Ｓ１５：Ｎｏ）、制御装置２００は、再びステップＳ１１に示された処理を実行する。ステップＳ１０からＳ１５までの処理は、収集工程の一例である。
一方、全ての制御量の値が選択された場合（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、制御装置２００は、収集されたデータを用いて、通過点ＰPを特定する（Ｓ１６）。例えば、制御装置２００は、プラズマの発光強度を、制御変数（ＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量）の関係において、それぞれの制御変数に対応する点を始点とし最大点ＰMを終点とするベクトルＶに対して発光強度の測定値の変化の傾きを算出する。そして、制御装置２００は、算出されたベクトルＶに対する発光強度の測定値の変化の傾きが最大となる制御変数の値の組み合わせに対応する点を通過点ＰPとして特定する。ステップＳ１６は、第１の特定工程の一例である。
次に、制御装置２００は、特定された通過点ＰPを用いて、開始点ＰSを特定する（Ｓ１７）。例えば、制御装置２００は、通過点ＰPから最大点ＰMに至るベクトルＶPを含む直線Ｌ1上において、通過点ＰPよりも最大点ＰMから遠い点を制御の開始点ＰSとして特定する。ステップＳ１７は、第２の特定工程の一例である。そして、本フローチャートに示されるデータ収集処理が終了する。
［着火支援処理］
図１１は、着火支援処理の一例を示すフローチャートである。図１１に例示される着火支援処理は、制御装置２００がプラズマ処理装置１００の各部を制御することにより実現される。なお、図１１に例示される着火支援処理が開始される前に、載置台１１０上に半導体ウエハＷが載置され、処理室１６１内に処理ガスが供給され、処理室１６１内が予め定められた圧力に調整されている。
まず、制御装置２００は、高周波電源１５０および整合器１５２を制御して、ＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量を開始点ＰSに対応する値に設定する（Ｓ２０）。そして、制御装置２００は、処理室１６１内でプラズマが着火したか否かを判定する（Ｓ２１）。本実施形態において、制御装置２００は、整合器１５２から出力される反射波の電力の大きさが予め定められた閾値以下に減少した場合に、処理室１６１内でプラズマが着火したと判定する。ステップＳ２１は、測定工程の一例である。
なお、制御装置２００は、測定装置１７０から出力される発光強度が予め定められた閾値以上に増加した場合に、処理室１６１内でプラズマが着火したと判定してもよい。また、制御装置２００は、整合器１５２から出力される反射波の電力の大きさが予め定められた閾値以下に減少し、かつ、測定装置１７０から出力される発光強度が予め定められた閾値以上に増加した場合に、処理室１６１内でプラズマが着火したと判定してもよい。
処理室１６１内でプラズマが着火していない場合（Ｓ２１：Ｎｏ）、制御装置２００は、例えば図８で説明されたように、直線Ｌ1に沿って最大点ＰMへ向かってプラズマの発光強度が変化するようにＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量を所定量変更する（Ｓ２２）。そして、再びステップＳ２１に示された処理が実行される。ステップＳ２２は、着火工程の一例である。
一方、処理室１６１内においてプラズマが着火した場合（Ｓ２１：Ｙｅｓ）、制御装置２００は、整合器１５２から出力された反射波の電力の大きさの履歴に基づいて、制限点ＰLを特定する（Ｓ２３）。制御装置２００は、例えば図７および図８で説明されたように、反射波の電力が減少する傾きが最大となるＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量の値の組み合わせに対応する点を制限点ＰLとして特定する。ステップＳ２３は、第３の特定工程の一例である。
そして、制御装置２００は、例えば図８で説明されたように、制限点ＰLを通り直線Ｌ1に直交する直線を制限ラインＬ2として特定する（Ｓ２４）。そして、制御装置２００は、開始点ＰSよりも制限点ＰLに近い点ＰS’を新たな開始点ＰSとして更新する（Ｓ２５）。ステップＳ２５は、更新工程の一例である。
次に、制御装置２００は、プラズマの安定制御を実行する（Ｓ２６）。ステップＳ２６では、制限ラインＬ2よりも最大点ＰM側の点に対応するＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量の値を用いて、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスがさらに整合するようにＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量が調整される。具体的には、整合器１５２から出力される反射波の電力の大きさが小さくなるように、ＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量が調整される。なお、ＶＣ１の制御量の調整とＶＣ２の制御量の調整とは、同時に行われてもよく、交互に行われてもよく、いずれか一方のみ行われてもよい。ステップＳ２６は、安定制御工程の一例である。
次に、制御装置２００は、メモリに格納されたレシピに基づいて、半導体ウエハＷに対するプラズマ処理が終了したか否かを判定する（Ｓ２７）。プラズマ処理が終了していない場合（Ｓ２７：Ｎｏ）、再びステップＳ２６に示された処理が実行される。
一方、プラズマ処理が終了した場合（Ｓ２７：Ｙｅｓ）、制御装置２００は、高周波電力の供給を停止する。そして、処理後の半導体ウエハＷが処理室１６１内から搬出され、本フローチャートに示された着火支援処理が終了する。
なお、図１１の例では、開始点ＰSを更新する工程（Ｓ２５）は、制限ラインＬ2を特定する工程（Ｓ２４）とプラズマの安定制御を実行する工程（Ｓ２６）との間に実行されるが、開示の技術はこれに限られない。例えば、開始点ＰSを更新する工程（Ｓ２５）は、プラズマ処理が終了した場合（Ｓ２７：Ｙｅｓ）の後に実行されてもよい。また、開始点ＰSを更新する工程（Ｓ２５）は、次の半導体ウエハＷに対して着火支援処理が開始される前に実行されてもよく、ＶＣ１の制御量およびＶＣ２の制御量を開始点ＰSに対応する値に設定する工程（Ｓ２０）の直前に実行されてもよい。
［ハードウェア］
制御装置２００は、例えば図１２に示すような構成のコンピュータ９０により実現される。図１２は、制御装置２００の機能を実現するコンピュータ９０の一例を示す図である。コンピュータ９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、ＲＡＭ（Random Access Memory）９２、ＲＯＭ（Read Only Memory）９３、補助記憶装置９４、通信Ｉ／Ｆ（インターフェイス）９５、入出力Ｉ／Ｆ９６、およびメディアＩ／Ｆ９７を備える。
ＣＰＵ９１は、ＲＯＭ９３または補助記憶装置９４に格納されたプログラムに基づいて動作し、各部の制御を行う。ＲＯＭ９３は、コンピュータ９０の起動時にＣＰＵ９１によって実行されるブートプログラムや、コンピュータ９０のハードウェアに依存するプログラム等を格納する。
補助記憶装置９４は、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）等であり、ＣＰＵ９１によって実行されるプログラムおよび当該プログラムによって使用されるデータ等を格納する。ＣＰＵ９１は、当該プログラムを、補助記憶装置９４から読み出してＲＡＭ９２上にロードし、ロードしたプログラムを実行する。
通信Ｉ／Ｆ９５は、ＬＡＮ（Local Area Network）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１００との間で通信を行う。通信Ｉ／Ｆ９５は、通信回線を介してプラズマ処理装置１００からデータを受信してＣＰＵ９１へ送り、ＣＰＵ９１が生成したデータを、通信回線を介してプラズマ処理装置１００へ送信する。
ＣＰＵ９１は、入出力Ｉ／Ｆ９６を介して、キーボード等の入力装置およびディスプレイ等の出力装置を制御する。ＣＰＵ９１は、入出力Ｉ／Ｆ９６を介して、入力装置から入力された信号を取得してＣＰＵ９１へ送る。また、ＣＰＵ９１は、生成したデータを、入出力Ｉ／Ｆ９６を介して出力装置へ出力する。
メディアＩ／Ｆ９７は、記録媒体９８に格納されたプログラムまたはデータを読み取り、補助記憶装置９４に格納する。記録媒体９８は、例えばＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＰＤ（Phase change rewritable Disk）等の光学記録媒体、ＭＯ（Magneto-Optical disk）等の光磁気記録媒体、テープ媒体、磁気記録媒体、または半導体メモリ等である。補助記憶装置９４には、プロセスのレシピ、データ収集処理において収集されたデータ、最大点ＰM、通過点ＰP、直線Ｌ1、開始点ＰS、制限点ＰL、および制限ラインＬ2等の情報が格納される。
コンピュータ９０のＣＰＵ９１は、ＲＡＭ９２上にロードされるプログラムを、記録媒体９８から読み取って補助記憶装置９４に格納するが、他の例として、他の装置から、通信回線を介してプログラムを取得して補助記憶装置９４に格納してもよい。
以上、一実施形態について説明した。上記したように、本実施形態におけるプラズマ処理システム１は、プラズマ処理装置１００と制御装置２００とを備える。プラズマ処理装置１００は、半導体ウエハＷが収容される処理容器１０２を有し、処理容器１０２内でプラズマを生成することにより半導体ウエハＷにプラズマ処理を施す。制御装置２００は、プラズマ処理装置１００を制御する。また、制御装置２００は、収集工程と、第１の特定工程と、第２の特定工程と、着火工程とを実行する。収集工程では、プラズマに高周波電力を供給する高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数のそれぞれの値について、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値が収集される。第１の特定工程では、それぞれの変数に対応する点からインピーダンスが最も整合している状態における測定値に対応する点である最大点ＰMに至るベクトルＶに対して測定値の変化の傾きが最大となる変数の値に対応する点が通過点ＰPとして特定される。第２の特定工程では、通過点ＰPおよび最大点ＰMを含む直線Ｌ1上において、通過点ＰPよりも最大点ＰMから遠い点が制御の開始点ＰSとして特定される。着火工程では、直線Ｌ1に沿って開始点ＰSから最大点ＰMへ向かって測定値が変化するようにそれぞれの変数を制御することにより、プラズマ処理装置１００内でプラズマを着火させる。これにより、プラズマを安定的に着火することができる。
また、上記した実施形態において、第１の特定工程における測定値の変化の傾きは、最大点ＰMにおける測定値と変数に対応する点における測定値の差を、ベクトルＶの大きさで割ったものである。これにより、最大点ＰMに向かう方向における測定値の変化の傾きを算出することができる。
また、上記した実施形態において、第１の特定工程における測定値の変化の傾きは、測定値を変数の関数とみなしたとき、ベクトルＶが示す方向への方向微分値である。これにより、最大点ＰMに向かう方向における測定値の変化の傾きを算出することができる。
また、上記した実施形態において、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値は、プラズマの発光強度である。これにより、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を精度よく推定することができる。
また、上記した実施形態において、制御装置２００は、プラズマが着火した後に、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスがさらに整合するようにそれぞれの変数の値を調整する安定制御工程を実行する。これにより、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスをさらに精度よく整合させることができる。
また、上記した実施形態において、制御装置２００は、測定工程と、第３の特定工程とをさらに実行する。測定工程では、着火工程において、上部電極１０４からの高周波電力の反射波の電力が測定される。第３の特定工程では、反射波の電力が減少する傾きが最大となる変数の値に対応する点が制限点ＰLとして特定される。安定制御工程では、制限点ＰLを通り直線Ｌ1に直交する直線Ｌ2よりも、最大点ＰM側の複数の変数の値を用いて調整が行われる。これにより、プラズマの失火を抑制することができる。
また、上記した実施形態において、制御装置２００は、直線Ｌ1上において、開始点ＰSよりも制限点ＰLに近い点ＰS’を新たな開始点ＰSとして更新する更新工程をさらに実行する。これにより、次にプラズマを着火する際に、制御開始からプラズマの着火までに要する時間を短縮することができる。
また、上記した実施形態において、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数は、複数の変数あってもよい。この場合、収集工程では、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な複数の変数のそれぞれの値の組み合わせについて、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値が収集される。また、第１の特定工程では、それぞれの複数の変数に対応する点から最大点ＰMに至るベクトルＶに対して測定値の変化の傾きが最大となる変数の値の組み合わせに対応する点が通過点ＰPとして特定される。これにより、より実際のシステムに即した変数を用いることができ、プラズマを安定的に着火することができる。
また、上記した実施形態において、複数の変数は、プラズマ処理装置１００内に高周波電力を供給する上部電極１０４と高周波電源１５０との間に接続される整合器１５２に含まれるＶＣ１の制御量とＶＣ２の制御量のうち、少なくとも一方が含まれる。これにより、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合を容易に調整することができる。
［その他］
なお、開示の技術は、上記した実施例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
例えば、上記した実施形態では、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値として、プラズマの発光強度が用いられる。しかし、開示の技術はこれに限られない。例えば、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値として、高周波電源１５０からプラズマに供給された高周波電力に対する反射波の電力の大きさ、高周波電源１５０からプラズマに供給された高周波電力と反射波の電力との比、または高周波電力のＶppとＶdcとの比等が用いられてもよい。あるいは、これらとプラズマの発光強度とを含む群から選択された１つの値または２つ以上の値の組み合わせが、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値として用いられてもよい。なお、高周波電力のＶppは、電圧波形の最大値と最小値の差であり、高周波電力のＶppは、高周波電力に重畳される直流バイアス電圧である。
また、上記した実施形態では、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数の一例として、整合器１５２内のＶＣ１の制御量とＶＣ２の制御量が用いられたが、開示の技術はこれに限られない。例えば、図２の例では、整合器１５２内に２つのバリアブルキャパシタ（ＶＣ１およびＶＣ２）が設けられているが、少なくとも一方のバリアブルキャパシタの代わりにコイルによるバリアブルインダクタンス（ＶＬ）が用いられてもよい。また、図２の例では、ＶＣ２は、高周波電源１５０とＶＣ１との間のノードと接地電位との間に接続されているが、ＶＣ２は、ＶＣ１と上部電極１０４との間のノードと接地電位との間に接続されてよく、追加のバリアブルキャパシタＶＣ３が、ＶＣ１と上部電極１０４との間のノードに接続されてもよい。
また、上記した実施形態において、高周波電源１５０は、予め定められた単一の周波数である高周波電力を上部電極１０４に供給するが、開示の技術はこれに限られない。例えば、高周波電源１５０は、基本周波数（例えば６０ＭＨｚ）に対して、±２～２０％程度、変調された周波数の高周波電力を上部電極１０４に供給してもよい。その場合、制御装置２００は、高周波電源１５０の出力インピーダンスと、処理室１６１内のプラズマのインピーダンスとが整合するように高周波電源１５０から出力される高周波電力の周波数を変調する。インピーダンスの整合に関わる調整可能な変数としては、例えば、基本周波数に対する変調可能な周波数を割合［％］で示される、高周波電力の周波数に関する制御量が用いられてもよい。
また、その他の高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数としては、処理ガスの種類、処理ガスの圧力、処理ガスの流量、処理室１６１内の圧力、および半導体ウエハＷの温度等が用いられてもよい。また、プラズマが着火する際に用いられる変数と、プラズマが着火した後のプラズマの安定制御に用いられる変数とは、同じものでもよく、異なるものであってもよい。
また、上記した実施形態では、複数の変数の調整によって、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスの整合が行われたが、開示の技術はこれに限らず、１種類の変数の調整によって整合が行われてもよい。例えば、ＶＣ２の制御量や他の変数が固定され、ＶＣ１の制御量のみによって、一連の制御が行われてもよい。
また、上記した実施形態では、データ収集処理によって収集されたデータに基づいて特定された最大点ＰMが、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスが最も整合している状態に対応する点として用いられるが、開示の技術はこれに限られない。例えば、プラズマが着火した後の安定制御において、高周波電源１５０とプラズマとの間のインピーダンスが実際に最も整合した点ＰM’によって最大点ＰMが更新されてもよい。最大点ＰMが更新された場合、更新された最大点ＰMを用いて、ベクトルＶP、直線Ｌ1、および開始点ＰSが更新される。これにより、実際にプロセスが行われている環境に沿った測定値に基づいて、プラズマの着火を制御することができる。
あるいは、最大点ＰMが更新された場合、終点が更新後の最大点ＰMに一致するようにベクトルＶPを平行移動することにより、ベクトルＶPの始点である通過点ＰPが更新されてもよい。この場合、更新後の最大点ＰMおよび通過点ＰPを用いて、直線Ｌ1および開始点ＰSが更新される。
また、上記した実施形態では、プラズマ源の一例として、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を用いて処理を行うプラズマ処理システム１を説明したが、プラズマ源はこれに限られない。容量結合プラズマ以外のプラズマ源としては、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）、マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ）、電子サイクロトン共鳴プラズマ（ＥＣＰ）、およびヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＰ）等が挙げられる。すなわち、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）のように高周波電源と電極を用いたプラズマ源に限らず、高周波電源とアンテナを用いた誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）やマイクロ波電源と導波管を用いたマイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ）のようにプラズマ生成用電源とプラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数を有するプラズマ源においても、同様な制御が可能となる。
なお、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
Ｗ 半導体ウエハ
１ プラズマ処理システム
１００ プラズマ処理装置
１０２ 処理容器
１０４ 上部電極
１０６ 絶縁部材
１０８ 窓
１１０ 載置台
１２０ ガス供給機構
１２１ ガス導入口
１２２ ガス供給源
１２３ 配管
１２４ 流量制御器
１２６ バルブ
１３０ 排気装置
１３２ 排気管
１３４ 開口
１３６ ゲートバルブ
１５０ 高周波電源
１５２ 整合器
１６１ 処理室
１７０ 測定装置
２００ 制御装置
９０ コンピュータ
９１ ＣＰＵ
９２ ＲＡＭ
９３ ＲＯＭ
９４ 補助記憶装置
９５ 通信Ｉ／Ｆ
９６ 入出力Ｉ／Ｆ
９７ メディアＩ／Ｆ
９８ 記録媒体

Claims (14)

  1. 基板が収容される処理容器を有し、処理容器内でプラズマを生成することにより前記基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置と、
    前記プラズマ処理装置を制御する制御装置と
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記プラズマに高周波電力を供給する電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数のそれぞれの値について、前記電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値を収集する収集工程と、
    それぞれの前記変数に対応する点から前記インピーダンスが最も整合している状態における測定値に対応する点である整合点に至るベクトルに対して前記測定値の変化の傾きが最大となる前記変数の値に対応する点を通過点として特定する第１の特定工程と、
    前記通過点および前記整合点を含む直線上において、前記通過点よりも前記整合点から遠い点を制御の開始点として特定する第２の特定工程と、
    前記直線に沿って前記開始点から前記整合点へ向かって前記測定値が変化するようにそれぞれの前記変数を制御することにより、前記プラズマ処理装置内でプラズマを着火させる着火工程と
    を実行するプラズマ処理システム。
  2. 前記第１の特定工程において、前記測定値の変化の傾きは、
    前記整合点における前記測定値と前記変数に対応する点における前記測定値の差を、前記ベクトルの大きさで割ったものである請求項１に記載のプラズマ処理システム。
  3. 前記第１の特定工程において、前記測定値の変化の傾きは、
    前記測定値を前記変数の関数とみなしたとき、前記ベクトルが示す方向への方向微分値である請求項１に記載のプラズマ処理システム。
  4. 前記電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値は、前記プラズマの発光強度、前記電力供給部から前記プラズマに供給された高周波電力に対する反射波の電力の大きさ、前記電力供給部から前記プラズマに供給された高周波電力と前記反射波の電力との比、および前記高周波電力のＶppとＶdcとの比、からなる群から選択された１つの値または２つ以上の値の組み合わせである請求項１から３のいずれか一項に記載のプラズマ処理システム。
  5. 前記プラズマが着火した後に、前記電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスがさらに整合するようにそれぞれの前記変数の値を調整する安定制御工程
    を実行する請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマ処理システム。
  6. 前記制御装置は、
    前記着火工程において、前記プラズマ処理装置内に高周波電力を供給する導体からの前記高周波電力の反射波の電力を測定する測定工程と、
    前記反射波の電力が減少する傾きが最大となる前記変数の値に対応する点を制限点として特定する第３の特定工程と
    をさらに実行し、
    前記安定制御工程では、前記制限点を通り前記直線に直交する直線よりも、前記整合点側の前記変数の値を用いて調整が行われる請求項５に記載のプラズマ処理システム。
  7. 前記制御装置は、
    前記直線上において、前記開始点よりも前記制限点に近い点を新たな開始点として更新する更新工程をさらに実行する請求項６に記載のプラズマ処理システム。
  8. 前記変数は、複数の変数であり、
    前記収集工程では、前記プラズマに高周波電力を供給する電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な前記複数の変数のそれぞれの値の組み合わせについて、前記電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値が収集され、
    前記第１の特定工程では、それぞれの前記複数の変数に対応する点から前記整合点に至るベクトルに対して前記測定値の変化の傾きが最大となる前記変数の値の組み合わせに対応する点が前記通過点として特定される請求項１から７のいずれか一項に記載のプラズマ処理システム。
  9. 前記変数は、前記プラズマ処理装置内に高周波電力を供給する導体と高周波電源との間に接続される整合器に含まれるバリアブルキャパシタの制御量と、前記高周波電力の周波数に関する制御量のうち、少なくとも一方が含まれる請求項１から８のいずれか一項に記載のプラズマ処理システム。
  10. プラズマ処理装置において、プラズマに高周波電力を供給する電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な変数のそれぞれの値について、前記電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値を収集する収集工程と、
    それぞれの前記変数に対応する点から前記インピーダンスが最も整合している状態における測定値に対応する点である整合点に至るベクトルに対して前記測定値の変化の傾きが最大となる前記変数の値に対応する点を通過点として特定する第１の特定工程と、
    前記通過点および前記整合点を含む直線上において、前記通過点よりも前記整合点から遠い点を制御の開始点として特定する第２の特定工程と、
    前記直線に沿って前記開始点から前記整合点へ向かって前記測定値が変化するようにそれぞれの前記変数を制御することにより、前記プラズマ処理装置内でプラズマを着火させる着火工程と
    を含むプラズマ着火支援方法。
  11. 前記プラズマが着火した後に、前記電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスがさらに整合するようにそれぞれの前記変数の値を調整する安定制御工程
    を実行する請求項１０に記載のプラズマ着火支援方法。
  12. 前記着火工程において、前記プラズマ処理装置内に高周波電力を供給する導体からの前記高周波電力の反射波の電力を測定する測定工程と、
    前記反射波の電力が減少する傾きが最大となる前記変数の値に対応する点を制限点として特定する第３の特定工程と
    をさらに実行し、
    前記安定制御工程では、前記制限点を通り前記直線に直交する直線よりも、前記整合点側の前記変数の値を用いて調整が行われる請求項１１に記載のプラズマ着火支援方法。
  13. 前記直線上において、前記開始点よりも前記制限点に近い点を新たな開始点として更新する更新工程をさらに実行する請求項１２に記載のプラズマ着火支援方法。
  14. 前記変数は、複数の変数であり、
    前記収集工程では、前記プラズマに高周波電力を供給する電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合に関わる調整可能な前記複数の変数のそれぞれの値の組み合わせについて、前記電力供給部と前記プラズマとの間のインピーダンスの整合状態を示す測定値が収集され、
    前記第１の特定工程では、それぞれの前記複数の変数に対応する点から前記整合点に至るベクトルに対して前記測定値の変化の傾きが最大となる前記変数の値の組み合わせに対応する点が前記通過点として特定される請求項１０から１３のいずれか一項に記載のプラズマ着火支援方法。
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