JPH0773105B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、装置内に作り出されている「プラズマの状
態」又は「装置の状態」に応じて必要な制御を行うこと
が可能なプラズマ処理装置に関するものである。

（従来の技術とその問題点） 近来の半導体製造用プラズマ処理装置に対する高精度加
工の要求は、「プラズマの状態」及び「装置の状態」を
より厳密に監視、コントロールすることを求めている。
即ちそれは、装置内に作り出されている「プラズマの状
態」又は「装置の状態」に応じて制御を行う諸制御シス
テムが、より正確により迅速に動作することを要求して
いる。尚、「プラズマの状態」とは、プラズマ処理装置
において生成されるプラズマの物理的ないしは化学的状
態を意味しており、「装置の状態」とは、「プラズマの
状態」以外のプラズマ処理装置の諸要素の動作状態を意
味している。プラズマ処理装置としてドライエッチング
装置を例にとれば、当該制御システムとしては、エッチ
ング終点判定システム、高周波の自動マッチングシステ
ム、雰囲気圧力の自動調圧システム等がある。

例えば、ドライエッチングの終点を自動的に判定する方
法としては、従来、被エッチング膜種やエッチングガス
種に応じて、特定の波長の発光強度を測定して行なう発
光分光法が広く用いられている。

発光現象に注目し発光強度を測定してエッチングの終点
を判定する方法としては、例えば、特開昭58-215030号
公報に記載のように、エッチング前の発光強度を記憶し
ておき、各時刻での発光強度をこれと比較して、この値
が記憶してある初期値に戻ったときを終点とする方法
や、例えば、特開昭58-216423号公報に記載のように、
発光強度の差分、即ち勾配が所定移動平均値以下となる
点を終点とする方式がある。

しかし実際に得られる発光強度の測定データには次の２
つの問題点がある。

問題の１つは、周期のない浮動即ち検出レベルの変動が
誤差として測定値に含有されている場合のあることであ
って、前述の発光分光法等により「プラズマの状態」を
モニターする場合には、エッチング終了時に検出される
発光強度の変化等の信号変動量をこの検出レベル変動が
容易に超過するため、エッチング終了と判定する検出の
基準即ち検出信号の大きさについての閾値の設定を無意
味してしまうことである。

例えば、この頃のSiO₂のコンタクトホール等のパターン
をエッチングする場合がそれに当たる。この場合のパタ
ーンの開口比は５％以下しかないものもある。そうした
エッチングでは、検出される信号を２万倍程にも増幅し
ないと、判定に足る変化が生じないが、そこで生じた検
出信号の変化は、微少な投入パワーの変動、圧力の変
動、ガス流量の変動等で簡単に引き起こされる程度のも
のである。

また、バッチ式の装置においては、必ずしもフルロード
の状態で稼働させるわけでなく、ダミーウェハーを数枚
入れて稼働させることがしばしばあるが、その時にはダ
ミーウェハーの枚数が変化すると発光強度等の検出信号
の検出レベルの変動が起こる。

問題点の他の一つは、比較的長周期の雑音成分が測定デ
ータに含まれている場合の問題である。モニターの出力
データには、数Hz〜0.05Hzの周期の大きい雑音成分が含
まれていることが多く、これを除去するためには、出力
データを一定時間内で算術平均したり、サンプリング周
期を10〜20秒位に比較的長くとったりして、雑音の影響
を極力少なくする方法を採用せざるを得ない。

この問題についてエッチング処理におけるエッチング終
点判定の場合を例にとって説明すると、十分に大きい開
口比のパターンのエッチングを行う従来のエッチングで
は、ノイズレベルがエッチング終了時の信号変動量に較
べて充分に小さいため、あまり問題を生ずることはなか
った。しかし、近時は半導体装置の高精細化に伴って、
先述のように開口比が数％という極端に開口比の小さい
値のパターンまでもエッチングするようになって来てお
り、この場合は、ノイズレベルとエッチング終了時の信
号変動量がほゞ同程度となっていて、従来の雑音除去の
方法ではもはやエッチングの終点の正確な判定は困難に
なってきた。

これらの問題は、高周波の自動マッチングシステムにお
ける制御で反射パワーを測定する場合や、雰囲気圧力の
自動調圧システムにおける制御に当たって圧力計で圧力
を測定する場合等、他の「装置の状態」をモニターする
際も同じであって、高精度の制御を実現するためには、
ノイズレスの信号を制御システムにフィードバックさせ
てやる必要があり、上記問題の解決が強く望まれてい
る。

（発明の目的） 本発明は、上記従来技術における欠点を解決し、ノイズ
の影響を受けることなく、「プラズマの状態」や「装置
の状態」等の装置の動作状態をモニターし、このモニタ
ーの結果に基づいて正確に制御を行なうことの出来るプ
ラズマ処理装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明は、プラズマを利
用して処理するプラズマ処理装置であって、所定のサン
プリング周期毎にデータを抽出して得られた複数の出力
データにより装置の動作状態をモニターするモニター手
段を有し、モニター手段がモニターした結果に基づいて
装置の動作状態の判定を行うプラズマ処理装置におい
て、 前記サンプリング周期を前記データが含むノイズの周期
よりも長く設定するサンプリング周期設定手段と、 前記得られた複数の出力データについて、時間的に連続
した複数のサンプリング周期に亙る演算処理区間を設定
する初期区間設定手段と、 初期区間設定手段が設定した演算処理区間の出力データ
を時間軸に沿って並べたものを p_m,p_m+1，…p_n（但し、m,nは自然数でｍ＜ｎ） とした場合、次の演算処理区間として p_m+1,p_m+2，…p_n+1 の出力データからなる区間を設定する区間移動手段と、 初期区間設定手段及び区間移動手段が設定したそれぞれ
の演算処理区間に存在する前記複数の出力データについ
て、１次の最小２乗近似処理を逐次行う演算処理手段
と、 前記演算処理手段の演算結果で得られたデータを用いて
装置の動作状態を判定する判定手段と を有する。

（作用） 上記構成に係る本願発明のプラズマ処理装置において
は、プラズマを利用して処理が行われる。この際、モニ
ター手段が、所定のサンプリング周期毎にデータを抽出
して得られた複数の出力データにより装置の動作状態を
モニターし、このモニターの結果に基づいて装置の動作
状態の判定が行われる。

サンプリング周期設定手段は、データが含むノイズの周
期よりも長くサンプリング周期を設定する。

初期区間設定手段は、得られた複数の出力データについ
て、時間的に連続した複数のサンプリング周期に亙る演
算処理区間をまず設定する。

次に、区間移動手段は、初期区間設定手段が設定した演
算処理区間の出力データを時間軸に沿って並べたものを p_m,p_m+1，…p_n（但し、m,nは自然数でｍ＜ｎ） とした場合、次の演算処理区間として p_m+1,p_m+2，…p_n+1 の出力データからなる区間を設定する。

演算処理手段は、初期区間設定手段及び区間移動手段が
設定したそれぞれの演算処理区間に存在する前記複数の
出力データについて、１次の最小２乗近似処理を逐次行
う。

判定手段は、前記演算処理手段の演算結果で得られたデ
ータを用いて装置の動作状態を判定する。

（実施例） 以下本発明を、実施例によって詳細に説明する。

本実施例における演算処理について、まず第１図を使用
しながら概略的に説明する。第１図は、本発明の実施例
における演算処理を説明するための図である。

先ず、一定のサンプリング間隔で（一般的には一定でな
くともよい）連続的にモニターして得られた最初のｍ個
の出力データp₁〜p_m（白小丸）を測定データから抽出
し、それらの出力データp₁〜p_mが存在する時間区間を初
期の演算処理区間として設定する。そして、これらの出
力データp₁〜p_mに対して１次の最小２乗近似処理を行
い、この初期の演算処理区間に存在する出力データp₁〜
p_mの点を通る１次の最小２乗近似直線、 ｐ＝a₁・t+b₁…… を求める。

次に出力データp_m+1が入力されると、演算処理区間を一
つの出力データ分だけ時間後方に移動させて次の演算処
理区間を設定する。そして、この演算処理区間内の出力
データp₂〜p_m+1に対して１次の最小２乗近似処理を行
い、同様の最小２乗近似直線、 ｐ＝a₂・t+b₂…… を求める。このような演算処理を繰り返して最小２乗近
似直線，・・・を求める。

そして、これら各直線，，，・・・をそれぞれ
の演算処理区間で切り取って得た各線分の中心点の値
q₁,q₂,q₃・・・（黒小丸）を、その各連続した出力デー
タ（白小丸）に対応する各基礎データとして改めて採用
する。そのようにして得られる基礎データ（黒子丸）の
連なりは、明らかに出力データ（白小丸）の連なりに比
べてノイズの影響の少ないデータとなっている。

明らかに有害と見られる大きい振幅を持つ周期的ノイズ
があるとき、そのうち最長周期を有するノイズよりも更
に長い時間区間を演算処理区間として、上記の演算処理
を施すときは、耐ノイズ性の極めて大きい基礎データが
得られる。

測定データが周期性の無い検出レベル変動を含まない
か、含んでいても変動量が無視できる程度の大きさでし
かない場合は、上記の方法で得た基礎データに注目する
だけで、エッチング終点等の判定は十分に可能である
が、そうでない場合は、考えを変えて更に次のような構
成により指標となるデータを求めなければならない。

即ち、この構成では、上記のようにして求めた各最小２
乗近似直線の式の変数ｔの係数であるa₁,a₂,a₃・・・
が、各演算処理区間内の最終の出力データにおける「後
方の１次微分値」に相当しており、これもまた変化の傾
向を現していることに注目して、その値の変動によって
判定を行うのである。

また必要な場合は、更にこの１次微分値の差分を逐次算
出して２次微分値を求め、その２次微分値の変化を見る
ことで判定を行うものである。

これらの２次微分値を求める際に、直前の１次微分値と
の差分を逐次とるよりは、むしろ、幾つか間を置いて一
定個数だけ前の１次微分値との差分をとることによって
ノイズの影響を更に小さくした判定用データが得られ
る。

次に、プラズマ処理装置の構成に従って本実施例の構成
をさらに詳しく説明する。ただし、以下の説明において
は、プラズマ処理装置の例としてドライエッチング装置
を取り上げ、制御システムの例としてはエッチングの終
点を判定するシステムに限定して説明を進める。

第２図は、本発明を平行平板型ドライエッチング装置に
適用した実施例の装置の要部の原理的説明図である。１
はエッチングチャンバー、２はカソード、３はウェハ
ー、４はガス導入管、５は高周波電源、６はガラス窓、
７は干渉フィルター、８は光電変換器、９はアナログア
ンプ、10はA/D変換器、100はモニター手段、11はマイク
ロコンピューターである。

この実施例のプラズマ処理装置を動作させるには、カソ
ード２上にウェハー３を載置し、図示しない排気系によ
りエッチングチャンバー１内を所定の真空度まで排気
し、ガス導入管４によりエッチングチャンバー１内への
エッチングガス導入を開始した後、高周波電源５により
カソード４に高周波パワーを印加することにより放電を
発生させる。

本実施例におけるモニター手段100は、プラズマ発光の
強度を判定するタイプのものが採用されており、干渉フ
ィルター７と、光電変換器８と、アナログアンプ９と、
A/D変換器10とから構成されている。前述のエッチング
チャンバー１内に導入されたエッチングガスは、放電に
よってプラズマを形成する。このプラズマから発せられ
た光は、ガラス窓６を通してモニター手段100に入りそ
の強さが判定される。即ち、プラズマからの光は、干渉
フィルター７を通り、光電変換器８に入射する。入射し
た光は、光電変換されて電気信号となり、この信号は、
A/Dコンバータ10でディジタルデータに変換されて測定
データとなる。変換された測定データは、マイクロコン
ピューター11に送られる。

このようにして得られた測定データには、前述の通り周
期性又は無周期性のノイズを含む場合があるが、以下の
ようなマイクロコンピューター11の構成によってこのノ
イズの影響が除去される。

即ち、マイクロコンピューター11は、サンプリング周期
設定手段と、初期区間設定手段と、区間移動手段と、演
算処理手段とを有している。

サンプリング周期設定手段は、測定データからデータを
抽出するサンプリング周期を設定するものである。この
サンプリング周期設定手段は、含むと想定される周期性
のノイズの周期よりも長くサンプリング周期を設定す
る。尚、サンプリング周期毎に抽出されたデータを、特
に「出力データ」と呼ぶ。

初期区間設定手段は、サンプリング周期毎にデータを抽
出することにより得られた複数の出力データについて、
時間的に連続した複数のサンプリング周期に亙る演算処
理区間を設定するものである。

また、区間移動手段は、初期区間設定手段が設定した演
算処理区間の出力データを時間軸に沿って並べたものを p_m,p_m+1，…p_n（但し、m,nは自然数でｍ＜ｎ） とした場合、次の演算処理区間として p_m+1,p_m+2，…p_n+1 の出力データからなる区間を設定するものである。

そして、演算処理手段は、初期区間設定手段及び区間移
動手段が設定したそれぞれの演算処理区間に存在する前
記複数の出力データについて、１次の最小２乗近似処理
を逐次行うものである。

さらに、判定手段は、前記演算処理手段の演算結果で得
られたデータを用いて装置の動作状態を判定するもので
ある。

上記構成に係るマイクロコンピューター11の動作を、第
１図、第３図及び第４図を使用してさらに具体的に説明
する。第３図及び第４図は、ドライエッチング装置の実
施例におけるエッチング終点判定のためにモニターした
測定データ及びこの測定データを演算処理して得られた
データの例を示す図である。

まず、測定データに含まれるノイズが周期的なもののみ
であり無周期性のノイズが含まれない場合、即ち検出レ
ベルの変動が全く無いかまたは非常に小さい場合につい
て、エッチングの終点判定を例に取って説明する。この
場合の測定データの例は、第４図の曲線Ｄに示すような
ものである。曲線Ｄで示された測定データは、１秒程度
の周期の雑音を含む。

この第４図における曲線Ｄの区画Ｆの部分を拡大して概
略的に図示したのが第１図である。まず、前述したよう
に、測定データに含まれる雑音の周期が１秒であるの
で、これより長い1.5秒をサンプリング周期とする。ま
た、演算処理区間は６秒と設定する。従って、１つの演
算処理区間無いの出力データの個数は５である。

マイクロコンピューター11のサンプリング周期設定手段
は上記1.5秒のサンプリング周期を設定し、初期区間設
定手段は、上記Ｆの区間のうちの初期の演算処理区間を
設定する。尚、初期の演算処理区間に存在する５個の出
力データを第１図にp₁〜p₅として示す。

マイクロコンピューター11の演算処理手段は、初期の演
算処理区間に存在する５個の出力データp₁〜p₅について
１次の最小２乗近似処理を行い、出力データp₁〜p₅を通
る１次の最小２乗近似曲線（ｐ＝a₁・t+b₁）を求め
る。（この演算処理によって求められるｔの１次項の係
数a₁は、その演算処理区間の最終の出力データp₅におけ
る近似後方１次微分値となっている。） 次いで、マイクロコンピューター11の区間移動手段は、
次の出力データp₆を追加して演算処理区間をサンプリン
グ周期の1.5秒分だけ右方向に移動させる。つまり、初
期の演算処理区間をp₁,p_m2，…p₅とした場合、次の演算
処理区間としてp₂,p₃，…p₆からなる新たな演算処理区
間を設定する。

そして、マイクロコンピューター11の演算処理手段は、
この新たな演算処理区間p₂,p₃，…p₆について、上述と
同様な最小２乗近似処理の演算を行ない、１次の最小２
乗近似直線（ｐ＝a₂・t+b₂）を求める。以下、このよ
うな区間移動及び演算処理を繰り返して直線，・・
・を求めてゆく。

次に、マイクロコンピューター11の演算処理手段は、こ
のようにして得た最小２乗近似曲線，，，・・
・をそれぞれの演算処理区間で切り取って得た各線分の
中心点の値q₁,q₂,q₃・・・を求める演算処理を行い、こ
れを連続したデータを出力データp₁,p₂,p₃・・・に対応
する基礎データとして改めて採用する。尚、そのように
して得られた値q₁,q₂,q₃・・・を通る曲線を描いたのが
第４図の曲線Ｅである。

そして、マイクロコンピューター11の判定手段は、曲線
Ｅのデータから、曲線Ｅが大きく低下する点、即ちE₂の
点をエッチング終点として判定する。

以上のようにマイクロコンピューター11が構成されて動
作するとき、エッチング終了に伴う信号変化量とノイズ
の大きさとがほぼ同程度であるにもかかわらず、エッチ
ング終点の判定が十分に可能な曲線Ｅが得られている。
このため、ノイズの影響を除去しながら、エッチング終
了の判定を高い精度で行うことができる。

次に、測定データが周期性の無い大きな検出レベルの変
動を含む場合は、上述の方法は、無力であるため、次記
のような演算処理をマイクロコンピューター11に行わせ
ることによって指標となるデータを求めることになる。

第３図の曲線Ｉは、上記と同じエッチング終点判定のた
めのモニターにおいて、周期性の無い大きな検出レベル
変動を含む場合の測定データの例を示すものである。こ
の例では、実際には点I₂がエッチングの終点であり、そ
の後もエッチング処理を続けた場合、測定データは曲線
Ｉを延長した点線のように得られる。

この場合は無周期の検出レベル変動があるため、曲線Ｉ
がＩ′,I″のように昇降するので、エッチング終点I₂の
把握が困難である。

この場合、実施例の装置はつぎのように動作する。

即ち、先ず、マイクロコンピューター11の演算処理手段
は、サンプリング周期毎にデータを抽出して得る出力デ
ータのうち初期区間設定手段が設定した初期の演算処理
区間に存在するｍ個（さきは５個であったが、一般化し
ている）の出力データp₁〜p_mについて、１次の最小２乗
近似処理の演算を行い、これら出力データp₁〜p_mを通る
１次の最小２乗近似直線（ｐ＝a₁・t+b₁）を求め、これ
によりa₁を求める。尚、この際のサンプリング周期は、
周期性のノイズを含む場合に定めた前述のサンプリング
周期と同様で構わない。次に、演算処理手段は、区間移
動手段が設定した次の演算処理区間に存在する出力デー
タp₂〜p_m+1に対して１次の最小２乗近似処理の演算を行
い、同様の最小２乗近似直線ｐ＝a₂・t+b₂を求めてa₂を
得る。演算処理手段は、この演算処理を繰り返し、ｒ番
目の係数a_rについてｒがＮ−ｍ＋１（Ｎ；データの総
数）になるまで次々とa_rを求める。

求めたa_rを第３図に併記してみたのが曲線Ａである。こ
れではまだエッチング終点は判然としない。そのため、
更に続いて、マイクロコンピューター11の演算処理手段
は、サンプリング周期等を勘案して定めた所定個数だけ
前のa_rとの差分を逐次算出する。即ち、データの２次微
分値（１次の係数について云えば１次微分値）を逐次求
める。そしてこれを第３図に併記すると、曲線Ｂが得ら
れる。

発明者等の実験によれば、曲線Ｂはエッチングの終点判
定に極めて有用であり、曲線Ｂが負側に大きく振られた
後、上昇に転じて最初にＸ軸を横切る点B2が、エッチン
グの終点とよく一致することが明らかになった。

曲線Ｂに続く点線の曲線は、終点に達した後も、高周波
電力の印加を止めないでエッチングを続行した場合の測
定データの推移を示す。

ところで、第３図に併記した曲線Ｃは、誤差が比較的小
さいとされている中心差分を逐次算出してプロットした
１次微分曲線であるが、雑音の影響が非常に大きく現れ
ており、これでは更に差分をとって２次微分曲線を作っ
てみても判定に使用する曲線としては役に立たないこと
が容易に想像できる。

以上、ドライエッチング装置の終点判定システムに限定
して本発明の実施例の説明をしてきたが、このような考
え方が、装置内に作り出されている「プラズマの状態」
又は「装置の状態」等の装置の動作状態に応じて制御を
行う他の諸制御システム、例えば高周波の自動マッチン
グシステムや雰囲気圧力の自動調圧システム等に極めて
大きい利用価値を持つことは、説明を要せず明らかであ
る。

更にまた上記実施例の構成は、プラズマCVD装置，スパ
ッタリング装置等の他のプラズマ処理装置の実施例の各
制御システムに対しても明らかに適用可能である。

（発明の効果） 本発明によって、ノイズの影響を受けることなく、装置
内に作り出されている「プラズマの状態」又は「装置の
状態」に応じてプラズマ処理装置を制御することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図；本発明の実施例における演算処理を説明するた
めの図。 第２図；本発明を平行平板型ドライエッチング装置に適
用した実施例の装置の要部の原理的説明図。 第３図；ドライエッチング装置の実施例におけるエッチ
ング終点判定のためにモニターした測定データ及びこの
測定データを演算処理して得られたデータの例を示す
図。 第４図；ドライエッチング装置の実施例におけるエッチ
ング終点判定のためにモニターした測定データ及びこの
測定データを演算処理して得られたデータの例を示す
図。 1;エッチングチャンバー、2;カソード、3;ウェハー、4;
ガス導入管、5;高周波電源、6;ガラス窓、7;干渉フィル
ター、8;光電変換器、9;アナログアンプ、10;A/D変換
器、11;マイクロコンピューター、100;モニター手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚田 勉 東京都府中市四谷５−８−１ 日電アネル バ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−61739（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−159431（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−5522（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−97729（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマを利用して処理するプラズマ処理
   装置であって、所定のサンプリング周期毎にデータを抽
   出して得られた複数の出力データにより装置の動作状態
   をモニターするモニター手段を有し、モニター手段がモ
   ニターした結果に基づいて装置の動作状態の判定を行う
   プラズマ処理装置において、 前記サンプリング周期を前記データが含むノイズの周期
   よりも長く設定するサンプリング周期設定手段と、 前記得られた複数の出力データについて、時間的に連続
   した複数のサンプリング周期に亙る演算処理区間を設定
   する初期区間設定手段と、 初期区間設定手段が設定した演算処理区間の出力データ
   を時間軸に沿って並べたものを p_m,p_m+1，…p_n（但し、m,nは自然数でｍ＜ｎ） とした場合、次の演算処理区間として p_m+1,p_m+2，…p_n+1 の出力データからなる区間を設定する区間移動手段と、 初期区間設定手段及び区間移動手段が設定したそれぞれ
   の演算処理区間に存在する前記複数の出力データについ
   て、１次の最小２乗近似処理を逐次行う演算処理手段
   と、 前記演算処理手段の演算結果で得られたデータを用いて
   装置の動作状態を判定する判定手段と を有することを特徴とするプラズマ処理装置。