JPH08246169A - プラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理装置

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JPH08246169A
JPH08246169A JP7052250A JP5225095A JPH08246169A JP H08246169 A JPH08246169 A JP H08246169A JP 7052250 A JP7052250 A JP 7052250A JP 5225095 A JP5225095 A JP 5225095A JP H08246169 A JPH08246169 A JP H08246169A
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JP
Japan
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state
function
plasma
optimum
plasma processing
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Pending
Application number
JP7052250A
Other languages
English (en)
Inventor
Hitoshi Tamura
仁 田村
Takashi Kamimura
隆 上村
Ichiro Sasaki
一郎 佐々木
Shinji Sasaki
新治 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH08246169A publication Critical patent/JPH08246169A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【構成】プラズマ処理装置の状態およびプラズマ処理の
状態を検知、推定する機構、および前記機構からの情報
により最適な運転条件を求める機構により構成される。 【効果】最適な運転条件を算出することにより長期間に
渡り安定に高い性能を維持することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高精度なプラズマ処理を
長期間に渡り安定に得ることを可能とするプラズマ処理
装置に関する。
【0002】
【従来の技術】プラズマ処理装置に関する従来技術とし
て特開平4−212414号公報に記載のものがある。
【0003】一般にプラズマ処理装置では反応生成物の
付着またはイオンのスパッタ作用による処理室壁面の変
化など装置の劣化により、高いプラズマ処理特性を長期
間にわたり維持することが困難である問題があった。ま
た装置の最適な運転条件を求めるのに多大な労力が必要
である問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は装置の
最適な運転条件を求めることを目的にデータベースを用
いている。しかしデータベースの作成に労力が必要とな
ること、データベースが巨大なものになること、劣化に
よる装置状態の変動を表現することが困難であること等
の問題がある。本発明が解決しようとする課題は巨大な
データベースを用いることなく、劣化による装置状態の
変動に対応して最適な運転条件を求めて、高い性能を長
期間にわたり安定に得ることである。本発明の他の解決
しようとする課題は最適な運転条件を巨大なデータベー
スを用いることなく容易に得ることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】プラズマ発光、装置各部
の電位、温度、表面状態等プラズマ処理装置の状態を監
視する機構、および計測困難なプラズマ処理装置のパラ
メータを推定する機構、プラズマ処理状態、プラズマ処
理結果を測定または推定する機構、および前記三つの機
構からの情報によりプラズマ処理装置の運転条件を制御
する機構を組み合わせて用い、常に最適な運転条件を求
め、この条件で装置を運転することで上記課題は解決で
きる。
【0006】
【作用】一般にプラズマ処理装置の処理特性は装置の状
態と運転条件により決まる。装置の状態は装置の劣化に
伴い変化していくが、これを常時監視し、装置の状態変
動に対応し最適な処理を得られるよう運転条件を修正す
る。装置の運転条件の制御により処理特性を制御する。
これにより常に最適な処理を得ることができる。
【0007】また運転条件の制御機構の働きにより、最
適な運転条件を容易に得ることができる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。
【0009】(実施例1)図1から図3を用いて本発明
の第1の実施例を説明する。図1に本発明を用いたプラ
ズマ処理装置を示す。プラズマ処理装置本体101には
装置本体の状態、被処理基板の状態を検出する検出手段
102、装置本体101の状態を制御する制御手段10
3が接続されている。検出手段102により測定された
装置本体101および被処理基板の状態を示す信号10
4は制御装置105に送られる。制御装置105からは
検出手段制御信号106が検出手段102に送られる。
また制御装置105は制御手段103に制御手段制御信
号107を送る。制御手段103は制御値を同時に観測
し観測値108を制御装置105に送る。制御装置10
5には入出力装置109が接続され、プラズマ処理装置
の操作者と情報をやりとりする。
【0010】図2に制御装置105の内部構造を示す。
制御装置105は制御手段103および検出手段102
からの信号等制御装置105に関係する信号を記憶する
記憶機能202、測定困難な一部の装置状態を推定する
状態推定機能203、最適な装置状態を求める最適状態
演算機能204、最適状態と現在の状態との偏差を演算
する偏差演算機能205、最適状態と現在の状態との偏
差を極小にする制御信号を求める制御信号演算機能20
6、入出力装置109や他の接続機器との入出力を行う
入出力機能207、前記各機能の情報のやり取りを制御
する情報制御機能208からなる。
【0011】最適条件について以下に説明する。装置の
最適条件として以下のいずれかまたは以下のそれぞれの
組み合わせを用いることができる。
【0012】装置の運転を開始するに当たり、プラズマ
処理特性と運転条件の関係を求めることが多い。最適な
プラズマ処理特性を得られる運転条件を求め、この時の
装置状態を初期状態とする。装置状態の検出項目は後述
する装置状態の検出機構を用いて検出する。装置の初期
状態を記憶し、これを装置の最適条件とする。装置を使
用すると部品等の劣化により装置の状態は徐々に変化す
るが、運転条件を修正することにより、初期状態に近い
状態を維持しながら運転を継続することができる。これ
により装置性能の劣化を最低限に抑えることができる。
【0013】プラズマ処理の均一性はプラズマ分布均一
性の影響を強く受ける。プラズマ分布を均一化するよう
運転条件を制御して、均一なプラズマ処理を得ることが
できる。プラズマ発光強度分布、電子密度分布、電子温
度分布、イオン密度分布、イオン温度分布、ラジカル密
度分布等でプラズマ分布を代表することができる。
【0014】プラズマ処理特性を検出し、これを最適化
するよう運転条件を制御して最適なプラズマ処理を得る
ことができる。
【0015】装置状態の検出機構について説明する。装
置の状態は以下の各機構のいずれかまたはすべてを組み
合わせて用いることで検出することができる。
【0016】一般にプラズマ処理装置の処理特性はプラ
ズマ中の物質の種類、状態によって変化する。これらプ
ラズマの性質を測定する機構として以下のような物があ
る。すなわち、プラズマ発光を測定する機構、プラズマ
中の物質を励起する電磁波を投入し、励起光を測定する
機構、プラズマに外部から電磁波を投入し、透過率、反
射率等を求める機構、プラズマ中に電極または探針を設
け、これの電圧電流特性を求める機構、また、プラズマ
処理装置の処理特性は装置各部の温度の影響を受ける。
装置各部に温度検出器を設ける。温度検出場所として
は、被処理基板、処理室壁面、等がある。
【0017】また、プラズマ処理装置の処理特性は処理
室のガス組成の影響も受ける。処理室にガス組成の検出
器を設ける。
【0018】また、直接プラズマ処理状態を検出するこ
ともできる。例えば成膜装置、エッチング装置では被処
理膜の膜厚を測定する機構を処理室に設けることで成膜
処理、エッチング処理の状態を検出することができる。
膜厚を測定する機構として例えば、エリプソメトリとし
て知られる、膜に外部から光を照射して反射光の光量変
化、位相変化を検出する機構を用いることができる。ま
た水晶振動子上に形成した膜厚の変化を発振周波数の変
化として検出する方法などがある。
【0019】また、プラズマ処理装置の処理特性は処理
室壁面の状態の影響も受ける。例えば、壁面にプラズマ
中の反応生成物が壁面に堆積し、プラズマ処理に影響を
与えることがある。また、別の例としてプラズマ中のイ
オンによるスパッタ作用により、壁面を構成する材質が
処理室の気相中に現れ、プラズマ処理に影響を与えるこ
とがある。壁面に光を照射し、透過率、または反射率を
測定する機構を壁面状態の監視機構として用いる。
【0020】また、プラズマ処理装置の処理特性は処理
室各部の電位の影響も受ける。例えば、エッチング処理
の場合、被処理基板の直流電位はエッチング速度、エッ
チング形状を大きく左右する。処理室内各部の電位を監
視する機構を設ける。
【0021】制御の方法について説明する。制御の方法
として以下のいずれかを用いることができる。
【0022】装置の特性を測定等によりモデル化し、こ
れにより制御を行なうことができる。
【0023】制御に関するルールを記述し、これに基づ
き制御を行なういわゆるファジイ制御を用いることがで
きる。
【0024】装置の運転条件について説明する。装置と
いうシステムに対する入力としての代表的な運転条件と
して、プラズマ発生電力、処理室圧力、処理ガスの流
量、基板バイアス電圧等がある。そのほかプラズマを制
御するための静磁界分布、プラズマ中の化学反応を制御
するための紫外線等の光、電子ビーム、イオンビーム、
被処理基板の温度等がある。
【0025】図3にマイクロ波を用いたエッチング装置
に本発明を適用した例を示す。プラズマ発生用電力とし
てマイクロ波を導入口301から空洞共振器304に導
入する。空洞共振器304内にはスロットアンテナ30
3があり、石英窓307を通して処理室306内にマイ
クロ波電力を放射する。処理室306には観察窓302
があり処理室306の内部を観察することができる。被
処理基板305には高周波電源308が接続されてお
り、バイアス電圧を加えることができる。処理室306
は図示しない真空排気系とガス供給系により所定の圧力
に保持されている。観察窓302には分光器309が接
続されており、プラズマ発光を観測することができる。
被処理基板305の温度、電位を温度計310、電圧計
311により測定している。
【0026】初期の装置状態を記憶しておき、装置の運
転条件を調節して初期の装置状態を維持する。初期の装
置状態としてプラズマ発光スペクトル、基板温度、基板
電位を取る。事前に様々な運転条件に対し、エッチング
特性を確認し、これにより最適な運転条件を求める。運
転条件として本エッチング装置では圧力、マイクロ波電
力、ガス流量、高周波バイアス電力、基板電極温度があ
る。最適な運転条件のときのプラズマ発光スペクトルを
取得し、これを目標値として記憶しておく。同時に最適
な運転条件のもとで運転条件の変化に対する装置状態の
変化率を求め、これも記憶する。装置状態の目標値、変
化率、現在の装置状態をもとに運転条件の調整量、新た
な運転条件を例えば以下のように求めることができる。
【0027】
【数1】
【0028】
【数2】
【0029】数1の2乗ノルムを取り、数2を満足する
運転条件の調整量を求める。
【0030】 とすると
【0031】
【数3】
【0032】と運転条件を更新する。kは通常0から1
の範囲で決めるが、1以上の値を取ってもよい。またノ
ルムは2乗ノルム以外でもよい。例えば装置状態の重要
性に応じた重み付けを行なってもよい。
【0033】また装置状態としてプラズマ発光スペクト
ル、基板温度、基板電位を用いたが、装置状態ベクトル
に各部の温度、装置壁面の透過率、反射率等の壁面状
態、プラズマ中の電子、ラジカル、イオン等の密度また
は均一性、エッチング速度、エッチングの均一性、下地
層とのエッチング速度比、被処理基板のバイアス電位等
を測定する機構を付加し、観測値を要素として加えても
よい。同様の手順で運転条件の調整量を求めることがで
きる。
【0034】(実施例2)図4を用いて本発明の第2の
実施例を説明する。図4に本発明をマイクロ波を用いた
エッチング装置に適用した例を示す。第1の実施例と第
2の実施例の違いは以下の通りである。第2の実施例で
は被処理基板およびプラズマ分布観察用光学系401、
処理室内雰囲気ガスの観察手段402を新たに設けたこ
と、および装置状態、最適状態の定義が異なること、プ
ラズマ特性測定用電極403を設けたことである。装置
の最適状態を以下のように定義する。
【0035】(a)プラズマが均一 (b)電子密度が設定値 (c)電子温度が設定値 (d)処理室内ガス組成が設定値 プラズマ分布観察用光学系401からプラズマ発光を観
察し、その分布からプラズマの均一性を算出することが
できる。電子密度、電子温度は処理室内に設置した電極
の電圧電流特性から求めることができる。プラズマ特性
測定電極には鋸歯状に変化する電圧が印加され、これに
応じてプラズマから流れる電流を測定する。こうして求
めた電圧電流特性からプラズマの電子温度、電子密度を
求めることができる。
【0036】電子温度、電子密度、処理室内ガス組成の
設定値は運転条件を決定する際に最適なエッチング条件
が得られるときの電子密度、電子温度、処理室内ガス組
成を記憶しておき、これを用いる。
【0037】電子温度、電子密度はその他の方法を用い
て測定しても良い。例えばプラズマにマイクロ波を照射
し、透過したマイクロ波の位相変化からマイクロ波透過
経路の平均のプラズマ密度を求めることができる。ま
た、プラズマ発光のスペクトル線の広がりから電子温度
を求めることができる。
【0038】処理室内のガス観察手段として質量分析計
を用いることができる。処理室から雰囲気ガスを差動排
気系によりサンプリングし、反応生成物、処理ガスの分
解の様子等をモニタできる。
【0039】(実施例3)図5を用いて本発明の第3の
実施例を説明する。本実施例は第2の実施例にエッチン
グ処理の制御手段として紫外線の照射機構501を追加
したものである。特定波長の紫外線を被処理基板に照射
することにより基板上でのエッチング反応を制御するこ
とができる。反応速度は処理室内の雰囲気ガス中の反応
生成物の量から導くことができる。最適条件として実施
例1に示した装置の初期状態を用いても良いし、実施例
2で示した最適状態を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を用いたプラズマ処理装置のブロック
図。
【図2】本発明の制御装置のブロック図。
【図3】本発明を用いたエッチング装置のブロック図。
【図4】本発明を用いたエッチング装置のブロック図。
【図5】本発明を用いたエッチング装置のブロック図。
【符号の説明】
101…装置本体、 102…検出手段、 103…制御手段、 104…被処理基板の状態を示す信号、 105…制御装置、 106…検出手段制御信号、 107…制御手段制御信号、 108…観測値、 109…入出力装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 新治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】プラズマ処理装置の状態を測定する機能、
    被処理物の処理状態を検出する機能、装置状態および被
    処理物の状態から最適な運転状態を算出しこれを実現す
    る機能を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、最適な運転状態を算出
    する機能が現在の装置状態を求める機能、過去の装置状
    態を記憶する機能、最適な装置状態を求める機能、最適
    状態と現在の状態との偏差を演算する機能、最適状態と
    現在の状態との偏差を極小にする制御信号を求める機
    能、入出力を行う機能、前記各機能の情報のやり取りを
    制御する機能からなるプラズマ処理装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、最適な運転状態を算出
    する機能が現在の装置状態を求める機能、過去の装置状
    態を記憶する機能、測定困難な一部の装置状態を推定す
    る機能、最適な装置状態を求める機能、最適状態と現在
    の状態との偏差を演算する機能、最適状態と現在の状態
    との偏差を極小にする制御信号を求める機能、入出力を
    行う機能、前記各機能の情報のやり取りを制御する機能
    からなるプラズマ処理装置。
  4. 【請求項4】請求項1において、状態を測定する機能
    が、プラズマ発生用電力、処理室に流すガスの流量ガス
    流量、処理室の圧力、からなるプラズマ処理装置。
  5. 【請求項5】請求項1において、状態を測定する機能が
    プラズマ発生用電力、処理室に流すガスの流量、処理室
    の圧力、被処理基板の温度、プラズマ発光、処理室壁面
    の状態、処理室の温度、からなるプラズマ処理装置。
  6. 【請求項6】請求項2、3または4において最適な状態
    が装置の初期状態であるプラズマ処理装置。
  7. 【請求項7】請求項2、3または4において、最適な状
    態が均一なプラズマ分布であるプラズマ処理装置。
  8. 【請求項8】請求項2、3または4において、最適な状
    態が最適なプラズマ処理特性であるプラズマ処理装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100552641B1 (ko) * 2000-04-27 2006-02-20 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼 플라즈마처리장치 및 플라즈마처리방법
JP2010021431A (ja) * 2008-07-11 2010-01-28 Tokyo Electron Ltd プラズマ処理装置システムの制御装置、プラズマ処理システムの制御方法および制御プログラムを記憶した記憶媒体
US7844559B2 (en) 2002-06-28 2010-11-30 Tokyo Electron Limited Method and system for predicting process performance using material processing tool and sensor data
WO2023199380A1 (ja) * 2022-04-11 2023-10-19 三菱電機株式会社 プラズマ処理システム及び学習済モデルの製造方法

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