JP5028192B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ安定度判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、プラズマの安定度を判定して、常に良好なプラズマ処理結果を得ることのできるプラズマ処理装置に関する。

プラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置では、エッチング処理に使用するプラズマ密度の分布状態あるいは生成されたプラズマの安定度が重要であり、これらの変動は処理結果に大きく影響する。

特許文献１には、プラズマ処理装置において、プラズマモニタリング手段でプラズマ密度を観察し、観察されたプラズマ密度の分布状態に応じて、反応室の周囲に配置したコイルに流す電流を制御することにより、反応室内のプラズマ密度の分布状態をリアルタイムで制御することが示されている。

一方、プラズマ処理装置内に生成されるプラズマの安定度に関しては、プラズマ処理装置のオペレータ等が観察窓を介してプラズマを目視し、例えば、プラズマ発光におけるちらつきの程度を目視で確認してプラズマの安定度を判定している。
特開平８−１６７５８８号公報

前記従来技術によれば、プラズマの安定度は、目視により、プラズマのちらつきの程度度を判定し、この判定結果をもとにプラズマの安定度を判定している。目視によるちらつきの程度の判定は、個々のオペレータ毎の個人差が大きく、前記ちらつきの程度を数値化することは困難であった。このためプラズマの安定度自体を数値化することも困難である。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、プラズマのちらつきの程度を高精度に評価し、これをもとにプラズマの安定度を高精度に判定することのできる測定技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

真空処理室と、該真空処理室内に被処理基板を載置して保持する下部電極と、前記真空処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記真空処理室内に供給された処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段と、生成されたプラズマを観察するための観察窓と、該観察窓を介して前記プラズマを撮像する撮像装置と、該撮像装置で撮像したビデオデータを解析する解析装置を備え、該解析装置は、ビデオデータを解析してプラズマのちらつき度を算出し、前記算出されたプラズマのちらつき度とプラズマ処理装置の正常時のちらつき度とを比較することによりプラズマの安定度を判定し、前記プラズマのちらつき度は、前記ビデオデータの各フレームごとに計算された輝度の平均値の時系列データをフィルタリングして微分し、前記フィルタリングして微分された時系列データの標準偏差を求めることにより算出される。

本発明は、以上の構成を備えるため、プラズマのちらつきの程度を高精度に検出し、これをもとにプラズマの安定度を高精度に判定することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、図１は、本実施形態にかかるプラズマエッチング装置１を説明する図である。プラズマエッチング装置１は、真空処理室２、該真空処理室に処理ガスを供給するマスフローコントローラ４，真空処理室に供給された処理ガスをプラズマ化するためのプラズマ生成用高周波電源５、および前記処理室内のガスを排気するガス排気系８を備える。

図１において、被処理基板であるウエハＷは、プラズマエッチング装置１の真空処理室２内に配置された下部電極３上に載置される。

プラズマ処理に使用する処理ガスは、マスフローコントローラ４を通して装置内に導入され、導入された処理ガスはプラズマ発生用高周波電源５から供給される高周波エネルギによりプラズマ化される。プラズマ６内の荷電粒子（イオン）は、下部電極３に接続されたバイアス用高周波電源１０により形成されるバイアス電界により加速され、下部電極３上に載置したウエハ表面に引き込まれる。

これによりウエハＷの表面が活性化され、プラズマ内の反応性ガスとウエハ表面が化学反応することによりエッチングが進行する。

なお、真空処理室内の圧力は、圧力計９からの測定値を基準値と比較し、この比較結果をもとに可変コンダクタンスバルブ７の開閉角度を調整して排気速度を調整することにより一定に保持することができる。

また、下部電極３には、静電吸着電源１１が接続され、吸着用の直流電界を前記下部電極表面に供給することのよりウエハＷを静電吸着する。また、下部電極３は電圧計１２を備え、下部電極の直流的あるいは交流的な電位が計測されている。

また、近年では、プラズマのモニタリングを目的として発光分光測定器（Optical Emission Spectroscopy）１３を装備したエッチング装置も開発されている。

プラズマ発光は、また、観察窓１４を通してビデオカメラ１５により観測し、記録される。ビデオカメラにより撮像された画像はモニタ装置１６に伝送され、ここでプラズマ発光におけるちらつきの程度が評価される。プラズマエッチング装置１を制御する制御部１７は、モニタ装置１６が評価したプラズマのちらつきの程度にしたがって、例えばエッチング処理におけるプロセスデータを補正し、あるいはアラームを発して処理を停止する。

なお、前記ビデオカメラは少なくとも１００フレーム/秒以上の高速撮影が可能なものであり、エッチング中の全期間あるいは予め設定した任意の期間、撮影を実行する。

人間の目の特性として、５０ヘルツ以上の動作は残像効果により認識することができない。このため、ビデオカメラによる評価を人間の目による官能評価とあわせるためには、ビデオカメラにより５０ヘルツ以上のちらつきを認識する必要はない。しかしながら、５０ヘルツのちらつきのサンプルを得るためには、標本化定理によると２倍のサンプリング速度、すなわち１００フレーム／秒以上の撮影速度が必要となる。なお、本実施形態によるちらつきの程度の評価手法そのものは撮影速度に制限されるものではない。

図２は、図１に示す情報処理系（ビデオカメラ、モニタ装置、制御装置）の詳細を説明する図である。

ビデオカメラ１５は、レンズ１５４、撮像素子１５１、および撮影した画像を一時的に保管するフレームメモリ１５２を備え、インターフェース１５３を介して、記録したビデオ画像をモニタ装置に送出する。

モニタ装置１６は、プラズマエッチング装置１を制御する制御装置１７と接続され、制御装置１７から、エッチング装置１の動作タイミング情報、装置パラメータ情報等のエッチング実行状況に関する情報を受信できるようになっている。モニタ装置１６は、受信した情報および予め設定した設定値をもとに、前記エッチング装置が実行する任意の処理ステップにおける任意の期間を撮影し、撮影した画像を解析する。

例えば、撮影されたビデオ画像はフレームメモリに一時保管した後、モニタ装置１６に内蔵されたハードディスク装置１６２等の記録装置に保存される。ちらつき計算部１６３は、保存された撮像データ１６５を読み出して、後述する解析手法にしたがって、ちらつきの程度を評価する。なお、ちらつき特性データベース１６５には、後述する装置正常時におけるちらつきの特性を蓄積しておく。

解析結果は保存され、必要に応じて外部にレポートとして出力する。また、解析結果にしたがって、例えばエッチング処理におけるプロセスデータを補正し、あるいはアラームを発することができる。

次に、前記解析手法の例について説明する。エッチングレシピを新規に作成した場合、作成したレシピを用いることにより得られるエッチング性能を評価する以前に、前記レシピにしたがって生成されるプラズマが安定であるか否かが重要である。

プラズマの安定度（プラズマのちらつきの程度）は、後述するように、プラズマを撮影した画像を処理することにより評価することができる。したがって、このような評価方法を実現することにより、レシピ作成時において定量的なプラズマ評価を実施することが可能となる。

図３は、ちらつきの装置パラメータ依存特性を示す図であり、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、エッチングパラメータの一つであるソース電力値のみを変化させて場合におけるプラズマのちらつきの程度（ちらつき度）を後述する計算方法にしたがって計算した結果を示す特性図である。

ここで、図３（ａ）は、多数の正常なプラズマエッチング装置について取得した特性の平均を表す図である。この特性を装置正常時における特性（標準のエッチング装置（ａ）の特性）として、例えば前記ちらつき特性データベース１６５に登録しておく。

なお、前記データベースに登録する装置正常時の特性としては、ソース電力値に対するちらつき度の特性だけでなく、圧力、ガス種、ガス流量、バイアス電力値、コイル電流値等各種装置パラメータに対する特性を登録しておくとよい。

ここで、あるエッチング装置（ｂ）から得られた特性（図３（ｂ））が、前記データベース１６５に登録された標準のエッチング装置（ａ）の特性（図３（ａ））に対して、シフトした特性であれば、電力導入系統中の電力の減衰度合いが装置間で異なっていることが考えられる。このため、前記装置（ｂ）の運転の際には、ソース電力をシフトさせて使用すれば、装置特性を標準のエッチング装置に一致させることができる。

また、あるエッチング装置（ｃ）から得られた特性（図３（ｃ））が、前記データベース１６５に登録された標準のエッチング装置（ａ）の特性（図３（ａ））に対して、その大きさ、形がずれている場合には、ソース電力系のみならず、処理ガスの圧力、流量等、他のエッチングパラメータが装置間でずれていることが考えられる。

このような場合には、他のパラメータも変化させて特性を測定し、この特性をもとに前記データベース１６５を参照することにより変動しているパラメータを特定することができる。また、この特定したパラメータを自動補正させることによりちらつきを抑制することができる。さらに自動補正による補正量が制限値を越えた場合にはアラームを発生させて装置を停止させることもできる。

また、あるエッチング装置（ｄ）から得られた特性（図３（ｄ））が、前記データベース１６５に登録された標準のエッチング装置（ａ）の特性（図３（ａ））に対して大きく異なる場合には、前記エッチング装置（ｄ）に、何らかの装置異常が発生していると考えられる。このような場合には、アラームを発生して装置の運転を停止させるとよい。

以上説明したように、ある特定のエッチング装置から得られた特性と、前記データベース１６５に登録した標準のエッチング装置の特性とを比較することにより、前記特定のエッチング装置の状態を容易に評価することができる。

例えば、エッチング装置は、その性能向上、汚染対策等種々の目的を持ってしばしばハードウエアの改造が行われる。このうち、特にプラズマに接する部分及びプラズマ生成に関する部分に改造が加えられた場合は、改造によるプラズマへの影響の調査が必要となる。本実施形態よると、この影響調査は、改造が加えられたエッチング装置から得られる特性（ちらつきの装置パラメータ依存特性）と、予め登録された標準のエッチング装置の特性（ちらつきの装置パラメータ依存特性）とを比較することにより、容易に行うことができる。

また、エッチング装置はプラズマの安定度が高い条件で運用するのが望ましい。しかし、装置状態が徐々に変化し、装置状態が不安定になった場合、従来では装置パラメータの変動が検出されるまで、プラズマの安定度の低下を検出することができない。しかし、本実施形態に示すように、プラズマのちらつきの程度の評価をウエハ処理中に常に継続する場合には、前記装置パラメータの変動の検出に至らない装置の不安定状態を早期に検出することができる。

図４は、画像処理によるプラズマのちらつき度を算出する方法を説明する図である。なお、ここで図４（ａ）はビデオカメラ１５の撮影画像およびその視野を示している。

ここで、図１に示す下部電極３に接続した電圧計１２、プラズマ観察用の発光分光測定器１３、圧力計９、並びに図には明示していないが各電源に装備されている電力計および反射電力計等により測定される値は、装置のそのときの状態を表すものであり、これらの数値の全てを装置パラメータと称する。

装置パラメータは装置状態を表すものであり、装置状態が不安定であれば一定値を示さず細かい変動を表すようになる。但し、これらパラメータの測定頻度には制限があり、通常のモニタ系であれば１０Ｈｚ程度での測定が上限となることが多い。また、各パラメータを測定するセンサの応答速度自体も低速なものが多く、プラズマのちらつきといった事象に応答できない場合が多い。

従って、エッチング中にこれらパラメータが変動したり、細かい振動を示したりするようなことがあれば、ビデオカメラでの画像処理をする以前の不安定さであると判定できる。

ビデオカメラにて評価するのは、上記装置パラメータの値が一定で安定している程度の不安定さであることを前提としている。

以下、画像処理によるプラズマのちらつき度の算出方法の例を説明する。
（１）プラズマ全体のちらつき算出（図４（ｂ））
まず、撮影された各フレームごとに輝度の平均値を計算し、時系列データを作成する。次に、作成された時系列データに対して遮断周波数５０Ｈｚのローパスフィルタを適用する。このフィルタとしては、例えばバターワースのデジタルフィルタを使用することができる。次に、フィルタリングされた時系列データに対して、時間方向の微分計算を実施する。次に、微分された時系列データの標準偏差を計算し、これをちらつき度とする。

以上の計算過程において、微分計算は低周波側をカットする処理であり、ローパスフィルタと合せて簡易なバンドパスフィルタを形成している。したがって、前記時系列データに対してバンドパスフィルタ処理を適用するようにしても同様の結果を得ることができる。

また、前記デジタルフィルタ代えてフーリエ変換を用いてもよい。前記時系列データに対してフーリエ変換を行い高周波成分と低周波成分をカットすれば、最も精度のよいフィルタリングを実現することができる。また、フーリエ変換を施すことにより信号の各周波数成分を分離することができるため、周波数帯域毎の分散値を求めることもできる。

（２）局所的なちらつき算出(図４（ｃ）)
プラズマ内においては、プラズマ自身の電界によりプラズマの分布が偏り、その結果局所的に電界の強い部分が発生することがある。このような電界の強い部分では、発光も局所的に強くなり、スポット的な輝点となる。しかし、その存在時間は短いことが多い。このため、このような輝点が多数発生すれば、これをちらつきとして把握することができる。

輝点は、１フレーム毎に適当な値で画像を２値化することにより算出できる。したがって、このようにして算出された輝点の個数を全て合計し、単位時間当たりの発生数を計算し、これをちらつき度とすることができる。

（３）プラズマのゆらぎ算出（図４（ｄ））
プラズマ内においては、プラズマ自体がある分布をもち、それがプラズマ自体の電界により移動する現象（ゆらぎ）が観察されることがある。これは前記輝点とは異なり、プラズマ内にある程度の明るい領域が発生し、それがプラズマ内を移動し回転する。また、この現象は比較的長時間継続して発生する。

このような現象（ゆらぎ）に対して、（１）のフレーム内平均を計算すると明るい場所が移動しているだけなので、ゆらぎはあっても平均値は一定である。このためちらつきとして算出されることはない。

したがって、このようなプラズマのゆらぎに対しては、画像の領域をいくつかに区切り、各領域毎に前記（１）と同様の手法でちらつき計算し、最終的に各領域のちらつき度を合計し、これを全体のちらつき度とする。

（４）ちらつきの総合評価
以上説明した、各ちらつきの評価指標は、それぞれ単独で用いてもよいが、同時に発生している現象なので、以下に述べるようにひとつの指標にまとめて、総合的な評価としてもよい。

いくつかのちらつきの評価値をまとめるためには基準となる値が必要であるが、それには人間が判断したちらつき度を用いる。

すなわち、いくつかの異なったエッチング条件を人間が観察し、ちらつき度を評価し、この評価値に対して上記ちらつき数値化手法で求めたちらつき度を用いてフィッティングを行う。

フィッティングの方法としては、上記（１）〜（３）で得られたちらつき度の数値を説明変数とし、人間が判断したちらつき度を目的変数とする重回帰分析による方法が考えられる。

また、（１）〜（３）においてちらつき度を計算する際にフーリエ変換を用いた場合には各周波数帯域ごとのちらつき度を別々の説明変数とするとよい。これは、人間の見え方に周波数依存性があるため、周波数帯域ごとに数値化した方がフィッティングの精度が向上するためである。

図５は、以上の計算方法をまとめた図である。また、図６は、図５において帯域別に計算する場合における周波数帯域の例を示す図である。

これらの図において、総合的なちらつき評価は、例えば（１）式により求めることができる。

ちらつき度Ｆ0＝aF3+bF5(f1)+cF5(f2)+dF5(f3)+eF5(f4) （１）
なお、aからeまでの係数は、重回帰分析によって求める。また、上記式でF3とF5のみ用いた理由は、F5が他のF1、F2、F4を包括するためである。F5は全ての方式のうちで最も計算量が多いため、実装に際しては、負荷に応じて適宜計算式を選択すべきである。

る。

実施形態にかかるプラズマエッチング装置を説明する図である。 図１の詳細を説明する図である。 ちらつきの装置パラメータ依存特性を示す図でる。 画像処理によるプラズマのちらつき度を算出する方法を説明する図である。 計算方法をまとめた図である。 周波数帯域の例を示す図である。

符号の説明

１ エッチング装置
２ 処理室
３ 下部電極
４ マススローコントローラ
５ プラズマ生成用高周波電源
６ プラズマ
７ 可変コンダクタンスバルブ
８ 排気系
９ 圧力計
１０ バイアス用高周波電源
１１ 静電吸着電源
１２ 電圧計
１３ 発光分光測定器
１４ 観察用窓
１５ ビデオカメラ
１６ モニタ装置
１７ 制御装置
１５１ 撮像素子
１５２ フレームメモリ
１５３ インタフェース
１５４ レンズ
１６１ カメラ制御部
１６２ ハードディスク装置
１６３ ちらつき計算部

Claims (6)

1. 真空処理室と、
   該真空処理室内に被処理基板を載置して保持する下部電極と、
   前記真空処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、
   前記真空処理室内に供給された処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
   生成されたプラズマを観察するための観察窓と、
   該観察窓を介して前記プラズマを撮像する撮像装置と、
   該撮像装置で撮像したビデオデータを解析する解析装置を備え、
   該解析装置は、ビデオデータを解析してプラズマのちらつき度を算出し、前記算出されたプラズマのちらつき度とプラズマ処理装置の正常時のちらつき度とを比較することによりプラズマの安定度を判定し、
   前記プラズマのちらつき度は、前記ビデオデータの各フレームごとに計算された輝度の平均値の時系列データをフィルタリングして微分し、前記フィルタリングして微分された時系列データの標準偏差を求めることにより算出されることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記解析装置は、前記プラズマのちらつき度が所定値を超えたとき警報を発することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記解析装置は、前記プラズマのちらつき度が所定値を超えたとき前記プラズマ生成手段の装置パラメータを変更して前記プラズマのちらつきを抑制することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記プラズマ自体がある分布をもち、前記プラズマ自体のある分布がプラズマ自体の電界により移動する現象であるプラズマのゆらぎは、前記ビデオデータの画像の区切られた領域毎に前記プラズマのちらつき度を算出し、前記各領域のちらつき度を合計することにより算出されることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
   複数のプラズマ処理装置パラメータのそれぞれを単独に変化させた際に生じる前記プラズマのちらつきの変化を記録したちらつき特性データベースを備え、該ちらつき特性データベースを参照して変更すべきプラズマ処理装置パラメータを選択することを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 真空処理室と、
   該真空処理室内に被処理基板を載置して保持する下部電極と、
   前記真空処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、
   前記真空処理室内に供給された処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成手段とを備えたプラズマ処理装置における前記プラズマの安定度を判定するプラズマ安定度判定方法において、
   生成されたプラズマを観察するための観察窓と、該観察窓を介して前記プラズマを撮像する撮像装置と、該撮像装置で撮像したビデオデータを解析する解析装置とを備え、 該解析装置によって、ビデオデータを解析してプラズマのちらつき度を算出し、前記算出されたプラズマのちらつき度とプラズマ処理装置の正常時のちらつき度とを比較することによりプラズマの安定度を判定し、
   前記プラズマのちらつき度は、前記ビデオデータの各フレームごとに計算された輝度の平均値の時系列データをフィルタリングして微分し、前記フィルタリングして微分されたた時系列データの標準偏差を求めることにより算出されることを特徴とするプラズマ安定度判定方法。

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