JPH08106992A

JPH08106992A - プラズマ処理方法およびその装置

Info

Publication number: JPH08106992A
Application number: JP7063718A
Authority: JP
Inventors: Mitsuko Imatake; 美津子今武; Ichiro Sasaki; 一郎佐々木; Hitoshi Tamura; 仁田村; Toru Otsubo; 徹大坪; Takashi Kamimura; 隆上村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1996-04-23

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】採光窓の光透過特性の変化の影響を受けること
なく、プラズマ発光をモニタする手段を備えたプラズマ
処理装置を提供する。【構成】プラズマ処理装置を、内部を観察するための対
向する一対の窓部を有する処理室２と、この処理室内で
プラズマを発生させるプラズマ発生ユニットと、処理室
の外部にあって窓部を介してプラズマの発光をモニタす
るプラズマ発光モニタユニットと、処理室の外部にあっ
てプラズマ発光モニタユニットと反対の側から対向する
一対の窓部１を介してプラズマ発光モニタユニットに参
照光８を照射する参照光照射ユニットと、モニタしたプ
ラズマの発光と参照光とのデータを比較して、プラズマ
処理状態を制御する制御ユニット１１とを備えて構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドライエッチング処
理、プラズマＣＶＤ処理や、スパッタ成膜処理など、真
空中で発生させたプラズマを用いて半導体デバイスなど
の被処理基板であるウエハを処理するプラズマ処理方法
及びその装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスをプラズマを用いて処理
するプラズマ処理装置、たとえばドライエッチング装置
においては、真空雰囲気としたプラズマ処理室（以下、
単に処理室と略称する）に処理ガスを導入してプラズマ
を生成し、処理ガスの電離や解離過程によって、化学的
に反応性の高いイオンやラジカル（中性活性種）を生成
する。そしてこれらの活性粒子が、物理的あるいは化学
的に作用して、半導体ウエハ上の被処理膜の所望部分を
エッチング除去して、デバイスパターンを形成するもの
である。このエッチング処理の状態をモニタする手段と
して、プラズマ発光分光分析は、活性種レベル、反応生
成物レベル、リークレベル等エッチング特性に影響をあ
たえる多くの要因をモニタできると共に、プラズマに影
響を与えないので広く利用されている。

【０００３】従来のプラズマ発光分光分析を利用したモ
ニタ方法としては、特開平４−２１２４１４号公報や、
特開昭６１−６７２２７号公報に開示された方法があ
る。

【０００４】特開平４−２１２４１４号公報には、プラ
ズマの発光または外部の入射光による二次光のスペクト
ルデータ、ウエハまたはプラズマ中に置かれた電極の電
位、あるいはウエハを透過した赤外光のスペクトルデー
タにより、目的とする処理結果がえられるプラズマ状態
になるように、制御可能なパラメータをオンラインで制
御するプラズマ処理装置が開示されている。

【０００５】この特開平４−２１２４１４号公報に開示
されたプラズマ処理装置では、上記制御を行うために、
装置制御コンピュータ内に、処理条件と、上記スペクト
ルデータまたは電位と、処理結果の規定値との相関結果
を示すデータベースとを格納している。

【０００６】特開昭６１−６７２２７号公報のプラズマ
処理装置には、プラズマ処理室に設けた透過窓を通し
て、プラズマ発光をフォトセンサによって受光し、該プ
ラズマの発光強度を絶えず測定して異常な発光強度が検
知されるようにしたプラズマ発光測定器を備え、異常な
発光強度からエッチング中の異常を検知する方法が開示
されている。

【０００７】ところで、ＬＳＩの高集積化に伴い、その
加工には高い精度が要求される。高精度の加工を行うた
めには各処理装置の性能を向上させることはもちろんで
あるが、生産性向上のためには各処理装置の性能を長時
間安定に維持し不良を出さないことが重要である。

【０００８】処理装置の中で、真空容器内で処理ガスを
プラズマ化しウエハ表面にパターンを形成するエッチン
グ装置についてみると、エッチング処理中にパターンの
マスクであるレジストが分解して有機物が発生しこれが
処理室の内壁に付着したり、また被エッチング材である
金属（アルミニュウム、モリブデンやタングステン）が
処理室内壁に膜となって付着したりする。これらの付着
物はプラズマに接するとプラズマ中のイオンの作用や処
理室壁面の温度上昇によりガスを発生したり、また金属
膜の付着によりマイクロ波の処理室への進入状態が変化
したりして、その結果処理室内のプラズマ状態が変化す
る。

【０００９】エッチング処理はプラズマにより行われる
ため、プラズマ状態の変化により、エッチング特性も変
化してくる。さらに、エッチングガスにより、真空封じ
のためのＯリングが劣化して微少なリークが発生し、プ
ラズマ状態が変化したりもする。すなわち、エッチング
装置を長時間連続運転していると、エッチング特性の経
時変化が起こり、やがて検査の合格条件を満たさなくな
り、不良の発生につながる。また、処理室内壁の付着物
は、ある厚みになると剥がれ落ちて、異物となる。これ
は、他のプラズマ処理装置（ＣＶＤ装置やスパッタ装置
等）でも同様であり、その性能を長時間安定に維持する
うえで、障害となっている。

【００１０】これまでは、例えば特開昭６３−４２１２
４号公報に示されているプラズマエッチング装置のよう
に、エッチング処理中にプラズマの状態をその発光によ
りモニタしてはいるが、このモニタ結果は、エッチング
の終了を監視するためにのみ利用されている。すなわ
ち、エッチング中は被エッチング材（アルミニュウム
等）がエッチング反応によりプラズマ中に現れるため、
これが発する光（その物質特有の波長）の強度を監視
し、その光の強度がゼロになった時点でエッチングが終
了したことを検出している。したがって、１枚のウエハ
をエッチングするのに必要な時間およびエッチング速度
が得られるが、この値が変化しても特に処理条件を修正
するようなことは行われていなかった。また、不良発生
を未然に防止するようなことは行われていなかった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】プラズマの発光を分光
分析する場合の問題点は、プラズマ発光検出用の窓がエ
ッチング処理により経時変化することである。

【００１２】即ち、処理室の窓は、そのままでは、エッ
チング処理で発生する反応生成物が表面に膜状に付着す
るため、プラズマ発光に対する透過率が変化してしま
う。また、処理室の窓が直接プラズマに曝されると、プ
ラズマによるスパッタ作用により処理室内側の窓表面に
凹凸ができ、プラズマで発光され採光窓へ到達した光
は、乱反射して採光窓を透過する光量が減り、その分だ
け分光器へ入射する光量が減少する。これらの要因によ
り、分光器で検出されるプラズマの発光量が変化して
も、プラズマ発光量そのものが変化したのか、または窓
の透過率が変化したのか区別することができない。従来
の発光分析モニタを行うプラズマ処理装置では、上記し
たような、プラズマモニタ用採光窓のプラズマ光の透過
特性が、プラズマ処理時のエッチング作用により経時変
化することに対して考慮されていないので、同じプラズ
マ発光量に対して常に一定したモニタ出力を得ることが
できず、常に安定したプラズマ処理結果を得ることが難
しかった。

【００１３】また、上記従来技術におけるエッチング処
理中のプラズマのモニタは、エッチング特性に関わる条
件を広くモニタしている訳ではなく、モニタして検出で
きる内容が終点検出、異常検出に限定されていた。

【００１４】また、エッチング処理を重ねると、反応生
成物が処理室内面に付着し、プラズマ状態が変化する原
因となる。プラズマ状態が変化するとエッチング反応条
件が変化するので、エッチング条件を一定に維持したま
までは、適切なエッチング処理ができなくなる。従っ
て、常に一定の安定したエッチング処理を行うには、反
応室内を頻繁にクリーニングして、常に一定のプラズマ
を発生できる状態に維持する必要がある。しかるに、上
記従来技術においては、モニタしたプラズマ発光量のデ
ータを、プラズマの安定性やエッチング特性の判断にだ
け利用し、処理室内の汚れについては何ら考慮していな
かった。このため、処理室内の正確なクリーニング時期
の判断がでず、処理室内の汚れに起因する処理ウエハの
汚染を未然に防ぐことができなかった。

【００１５】また、例えば、上記従来技術特開昭６３−
４２１２４号公報では、エッチング処理が終了したこと
をモニタしているのみであり、エッチング処理の結果
（パターン断面の寸法、形状や処理のウエハ面内均一性
等）が検査の合格条件を満たしていることを、確認して
いるわけではない。そのために、処理装置の特性が変化
し、その結果、エッチング処理が検査条件に対して不合
格の場合でも、同じ条件で処理が続行され、不良品を出
す結果となる。上記従来技術の項に述べたように、エッ
チング処理装置の処理特性は、時間と共に変化するの
で、処理を行う毎に、その結果を正確に検査することが
必要である。

【００１６】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決して、採光窓の透過特性の変化の影響を受ける
ことなくプラズマ発光をモニタする、モニタ装置を備え
たプラズマ処理方法及びその装置を提供することであ
る。

【００１７】本発明の他の目的は、プラズマの特性を長
時間モニタすることにより、プラズマの特性を制御し、
プラズマ処理特性を維持することが可能な、プラズマ処
理方法及びその装置を提供することである。

【００１８】本発明の更に他の目的は、処理室内の汚れ
状態をモニタすることにより処理室内の汚れに起因する
処理ウエハの汚染を未然に防ぐと共に、適切なメンテナ
ンス（清掃等）時期を決定することが可能な、プラズマ
処理方法及びその装置を提供することである。

【００１９】本発明の更に他の目的は、エッチング処理
が１枚終了する毎にその処理状況をモニタし、その結果
を処理装置に報告する事により処理装置は適正な処理が
行われるように処理条件を修正したり、あるいは処理条
件の修正では対処できない場合には、処理を中止するこ
とでエッチング特性を一定に維持し、不良の発生を防止
することが可能なエッチングモニタを提供することであ
る。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明では、プラズマ処理室内で発生して
いるプラズマの発光と、前記プラズマ処理室の外部の光
源から発射して前記プラズマ処理室内部を通過したスペ
クトルが既知の光とを検出し、前記プラズマの発光と前
記スペクトル既知の光とのスペクトルの差を求め、該ス
ペクトルの差から前記プラズマ処理室の内部状態を判定
する、プラズマ処理方法とした。

【００２１】更に、本発明では、内部に被処理ウエハを
配置して処理ガスを所定の圧力に維持し前記内部を観察
するための対向する少なくとも一対の窓部を有する処理
室と、この処理ガスを所定の圧力に維持した処理室内で
プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、処理室の外
部にあって対向する一対の窓部の一方を介してプラズマ
の発光をモニタするプラズマ発光モニタ手段と、処理室
の外部にあって対向する一対の窓部のプラズマ発光モニ
タ手段と反対の側から対向する一対の窓部を介してプラ
ズマ発光モニタ手段に参照光を照射する参照光照射手段
と、プラズマ発光モニタ手段でモニタしたプラズマの発
光と参照光とのデータに基づいて前記被処理ウエハのプ
ラズマ処理状態を制御する制御手段とを備える構成とし
た。

【００２２】更に上記目的は処理特性の経時変化の原因
を特定することにより達成できる。処理特性のみでな
く、プラズマ状態も経時変化するため、プラズマの変化
を詳しく調べてみると、次のように考えられる。

【００２３】まず、処理室内壁に付着した反応生成物の
膜から新たにガスが放出されることにより放電ガスの組
成が変化し、その結果、プラズマ状態が変化する。ま
た、反応生成物の膜が、供給した放電電力の一部を吸収
（例えば誘電損失）することにより、プラズマが吸収す
る電力（実効的な放電電力）が変化する。あるいは、ア
ルミニュウム等の金属配線膜をエッチングする場合であ
れば、反応生成物の膜として金属の薄膜が処理室内壁に
付着することになり、このため、電力の一部が反射され
て、プラズマ中には吸収されないことになる。この場合
も、実効的な放電電力が変化する。放電により処理室内
壁の温度が上昇し、付着膜からのガス放出量や２次電子
放出量が変化し、プラズマ状態が変化する。

【００２４】以上のようなプラズマ状態の変化は、発光
スペクトルの変化として観察できる。したがって、放電
電力の変化による発光スペクトルの変化の特徴や、ガス
組成の変化による発光スペクトルの変化の特徴を、予め
求めてデータベース化しておけば、実際のスペクトルの
変化を、このデータベースと比較することにより、プラ
ズマ状態の変化の原因を特定することができる。変化の
原因が、放電電力や圧力など制御可能なものであれば、
これを修正することによって、プラズマを元の状態に戻
すことができる。

【００２５】すなわち、処理条件（電力、圧力等）にフ
ィードバックすることによって、プラズマを安定に維持
でき、処理特性も安定化できる。また、変化の原因が、
内壁の付着物からのガス放出など、制御不可能なもので
あれば、警報を発して処理を中止することにより、不良
の発生を防止できる。また、これにより、適正なメンテ
ナンスの時期を示すこともできる。

【００２６】

【作用】エッチング処理室の窓は、反応生成物が膜状に
付着したり、プラズマからのイオンの衝撃により、表面
に凹凸が発生する。その結果、プラズマの発光がこの窓
を通過するときに、付着物を構成している物質に固有の
波長成分が、その量に応じて吸収されたり、また、窓の
内面で乱反射することにより、光量が低下する。

【００２７】これらの状況を定量的に把握するために、
処理室の外部から別の光（参照光）を入射させて、処理
室内を通過させ、処理室の外部に出射させてこれを分光
器で検出する。この検出した参照光を、本来の（処理室
内部を通過させない）参照光のスペクトルと比較すれ
ば、各波長に対応した透過率が求められる。次に、参照
光を消してプラズマ発光のスペクトルを検出し、各波長
に対して参照光を用いて求めた透過率で割れば、窓の影
響による検出誤差を補正でき、プラズマ発光スペクトル
を正確に求めることができる。

【００２８】一方、プラズマは、電子やイオンが処理室
の内壁面に衝突することにより失われ、その損失分が、
電離によって補給されて、これらがバランスして維持さ
れている。従って、プラズマの体積に対して壁面との接
触面積が大きくなると、損失分が増えて維持できなくな
る。その結果、例えば、直径に対して十分に長い筒状の
容器内では、プラズマは存在できない。プラズマのこの
性質を利用して、窓の内側に直径が十分小さい細長い穴
を複数個設けた物体を置くことにより、プラズマと窓の
接触を防ぐことができる。

【００２９】この場合、プラズマからの光は窓に到達で
きる。しかし、この光が穴の内壁で反射しながら窓に入
ると、反射によるスペクトルの影響がでるので、例え
ば、内壁をネジ状にするなどして乱反射させ、このよう
な光（反射光）を取り込まないようにしておく。さら
に、穴には、窓からプラズマ処理室に向けて、Ａｒなど
の不活性ガスを流し、プラズマ中の反応生成物が拡散に
より窓に付着しないようにする。

【００３０】以上に述べたプラズマ発光スペクトルの補
正手段又は、プラズマの遮蔽手段を用いることにより、
プラズマの発光スペクトルを、窓の汚れ、削れ等による
経時変化に影響されずに、測定可能になる。この結果を
用いて、以下に述べるように、エッチング特性をモニタ
することができる。

【００３１】プラズマが発生しエッチング処理が始まる
と、ウエハ表面におけるエッチング反応の反応生成物が
プラズマ中に現われ、これが発光する。この発光強度
は、プラズマ中への反応生成物の供給量、すなわち、エ
ッチング速度に依存し、また、プラズマ密度にも依存す
る。したがって、発光スペクトルから、エッチング速度
がモニタできる。反応生成物の発光強度の経時変化の一
例を、図５Ｂに示す。

【００３２】図中、波形は、４本の直線成分で構成され
ている。反応生成物であるタングステン（Ｗ）の発光強
度は、ウエハ全面でエッチングが進行している間は点
〔Ａ〕から点〔Ｂ〕の発光強度に対応し、ほぼ一定であ
る。エッチングの終了と共にＷの発光強度は急激に減少
する。一方、ウエハ面内でのＷのエッチング速度に分布
（速い部分と遅い部分）があると、エッチング終了部分
の面積が徐々に広くなるので、反応生物の発光強度は、
点〔Ｂ〕から点〔Ｃ〕の変化に対応して徐々に低下す
る。点〔Ｄ〕で処理室内のプラズマ放電を終了させる。
したがって、反応生成物のＷの発光強度の時間変化によ
り、ウエハ面内のＷのエッチング速度の差、すなわち均
一性がモニタできる。

【００３３】エッチング処理の均一性は、次式で定義さ
れる。

【００３４】

【数１】

【００３５】配線膜をエッチングする場合、被エッチン
グ材の発光強度の時間変化に注目する（図５Ｂ）。エッ
チング終了開始の点をｔ１、エッチング全面終了の点を
ｔ２、Ｗの膜厚をｄ（ｎｍ）とすると、ウェハの最大エ
ッチング速度をｄ／ｔ１（ｎｍ／ｓ）、最小エッチング
速度をｄ／ｔ２（ｎｍ）、平均エッチング速度を１／２
×（ｄ／ｔ１＋ｄ／ｔ２）（ｎｍ）となる。これらを上
式に代入すると、次式が得られる。

【００３６】

【数２】

【００３７】従って、ｔ１，ｔ２より均一性を算出する
ことができる。

【００３８】図６Ａに、実際の波形を示す。この図に示
すように、実際には、ウェハのエッチング終了点が不均
一であるため、Ｓ１から点Ｓ２の間で発光強度のゆらぎ
が大きくなり、曲率がほぼ等しい点が並ぶ。このため、
２階微分の極値として、Ｓ１を抽出するかＳ２を抽出す
るか判定が困難である。よって、２階微分の変曲点のＸ
座標の値をｔ１，ｔ２として抽出するのは困難である。

【００３９】そこで、エッチング終了開始の点ｔ１と、
エッチング全面終了の点ｔ２を、波形を平滑処理したの
ち２階微分する処理と、波形全体を折線近似する処理と
を組合せることにより抽出する。

【００４０】平滑処理には、エッジなどの重要な情報を
残してノイズを除去する中間値フィルタを用いる。図６
Ｂに、実際の波形を平滑処理後、折線近似をした波形と
実際の波形を折線近似後２階微分した結果を示す。波形
を２階微分した際の極大点、点８とウェハ面内のエッチ
ングが全面終了した点、点５は一致している。そこで、
点５をエッチング全面終了の点、点２とする。

【００４１】エッチング終了開始の点、点１は波形を２
階微分した際の極小値、点７とはずれる。また、点１と
折線近似をした折線の構成点は、どれもＸ座標のずれが
エッチング終了の点と比べて大きい。そこで、点５から
折線を時間変化と反対の向きに検索し、あるしきい値以
上の傾きを持つ折線の始点をエッチング終了開始の点ｔ
１とする。これにより、エッチング終了開始の点とエッ
チング全面終了の点が、安定に検出できる。

【００４２】以上により求めたエッチング終了開始の点
ｔ１、エッチング全面終了の点ｔ２を（数２）に代入し
て、エッチングの均一性を算出する。

【００４３】Ｏリングがエッチングガスに曝されて劣化
すると、シール効果が無くなって大気が処理室の内部に
もれるリーク現象が発生する。このリークにより、処理
室内に侵入した窒素と酸素は、処理室内でプラズマ化
し、特有の波長で発光する。したがって、リークについ
ては窒素の発光の波長と酸素の発光の波長とに注目し
て、その発光強度が通常より増加しているとき、これを
検出することができる。

【００４４】プラズマは、以下に述べるように、圧力と
プラズマ発生電力により制御できる。

【００４５】波長が短い領域の発光レベルが標準のレベ
ルより低い場合、高いエネルギーを持っている電子の割
合が低下している。すなわち、電子温度が低くなってい
ると考えられる。そこで、この場合は、電子温度を上げ
るために圧力を下げるように制御する。逆に、波長が長
い領域のレベルが低い場合には、圧力を上げるように制
御する。また、プラズマスペクトル全体のレベルが低く
なっているときは、プラズマ密度が低いために、発光レ
ベルが落ちているものと考えられる。この場合は、プラ
ズマ発生電力を上げ、プラズマ密度を増加させる。逆
に、プラズマのスペクトルのレベル全体が高いときに
は、プラズマ発生電力を下げて、プラズマの密度を減少
させる。

【００４６】そのほかに、波形全体の中で異常な発光ピ
ークを検出することにより、エッチングの異常をモニタ
できる。

【００４７】以上の方法で、プラズマの発光スペクトル
が基準値からずれないように、圧力やプラズマ発生電力
等の設定条件の制御、リークの管理を行うことで、エッ
チング特性を一定に維持することが可能になる。

【００４８】また、前述したように、処理室の窓は、エ
ッチングを重ねるに従い汚れていく。この汚れは、窓だ
けでなく処理室の他の部分も同様と考えられる。したが
って、窓の汚れの状況を、参照光の透過特性によりモニ
タすることにより、処理室内の汚れを推定することがで
きる。

【００４９】図１１に処理装置が新しく一度も使用して
いない場合の塩素プラズマの発光スペクトルを、また、
図１２に長期間使用した処理装置の場合の同じく塩素プ
ラズマのスペクトルを示す。処理装置は、いずれもマイ
クロ波ＥＣＲ方式を利用した装置である。両図を比較す
ると、スペクトルの違いは認められるが、この違いの原
因を、次のようにして推定することができる。

【００５０】図１３は、同じ処理装置においてマイクロ
波電力のみを変化させた場合のスペクトル変化を表して
いる。横軸は波長、縦軸は中心条件のときのスペクトル
で各条件のスペクトルを割ったものであり、％表示であ
る。図１４、図１５はそれぞれ圧力のみ、塩素流量のみ
を変化させた場合の、図１３と同様の図である。これら
の図を見ると、電力が変化したか圧力が変化したかで、
スペクトルの変化の様子が完全に異なっているのがわか
る。すなわち、スペクトルの変化の様子から、逆に、放
電条件の中のどれがどの程度変化したのかを推定するこ
とができる。したがって、制御可能な条件（放電条件）
の変化によるスペクトルの変化を予め求めておけば、こ
れをデータベースとして、実際のスペクトルの変化すな
わちプラズマ状態の変化の要因を推定することができ
る。

【００５１】

【実施例】窓の汚れや削れの状態を定量的に把握して、
スペクトルを補正する方法の実施例について、図１を用
いて説明する。

【００５２】図１は、プラズマ発光スペクトルの補正処
理手段をそなえた本装置の全体図の例である。本装置の
構成について説明する。

【００５３】２はエッチングの処理室であり、２の中に
エッチングの反応ガスを導入する。ガスはマスフローコ
ントローラ９で制御されている。処理室２内に平行平板
２２を設ける。プラズマ発生用電源２４で、処理室２内
に電力を導入する。整合器２３で、プラズマ発生電源２
４と平行平板２２の位相のずれを調整する。平行平板２
２の下側には、イオン制御用のＲＦ電源１２を設置す
る。また、平行平板２２の下側には、ウェハの温度計１
０も設けてある。電圧測定器１３、温度計１０、分光分
析部４からのデータは、データ処理制御部１１にはい
る。

【００５４】プラズマを発生させ、ウェハ５をエッチン
グする。処理室２には、採光窓１を設ける。採光窓１を
経て、石英ファイバ３で参照光源８からの光を処理室内
に導く。参照光源８と採光窓１の間には、シャッター６
を設ける。また、参照光源８から石英ファイバーで、分
光分析部４に直接光を取り込む。分光分析部４と参照光
源８の間に、シャッター７を設ける。

【００５５】本装置の動作について説明する。処理室２
を真空に排気し、マスフローコントローラ９により流量
調整されたエッチングガスを導入し、所定の圧力にす
る。次に、プラズマ発生電源２４の出力を、平行平板２
２の上部電極に整合器２３を経て印加し、プラズマを発
生させ、ウェハ５のエッチング処理を行う。

【００５６】ウェハ５の表面におけるエッチング反応
は、プラズマ中の活性種と被エッチング材の化学反応と
考えられる。ＲＦ電源１２でバイアス電圧をかけること
によりイオンがウェハ５にひきこまれ、反応が進行す
る。

【００５７】採光窓１及び１´には、それぞれ石英ファ
イバ３が取り付けてあり、採光窓１の側は分光分析部４
に、採光窓１´の側はシャッタ６を経て参照光源８に接
続してある。また、参照光源８からシャッタ７を経て分
光分析部４に、石英ファイバ３を接続してある。

【００５８】ここで、先ず、シャッター７を開けて、参
照光源８の参照光を分光分析部４に取り込み、そのスペ
クトルを検出する。次に、シャッター７を閉じシャッタ
ー６を開けて、採光窓１´と１とを通過した参照を光分
光分析部４で採光し、そのスペクトルを検出する。採光
窓１及び１´は、エッチング処理で発生する反応生成物
が表面に膜状に付着し、また、プラズマによるスパッタ
作用により窓表面に凹凸が発生するために、プラズマか
ら採光窓への光は乱反射し、分光分析部４へ入光する光
量が減少し、その結果透過特性が変化してしまうが、採
光窓１及び１´を透過して光分光分析部４で採光された
光のスペクトルを、シャッター７を介して光分光分析部
４で採光された参照光本来のスペクトルで各波長毎の発
光強度を補正することにより、各波長に対応した採光窓
１と１´との透過率を求めることができる。

【００５９】次に、シャッター６を閉め、参照光源８を
消して、処理室２内にプラズマを発生させる。処理室２
内のプラズマ発光のスペクトルを、採光窓１を通して採
集し、先程参照光を用いて求めた採光窓１の透過率で補
正すれば、本来のプラズマ発光が求められる。補正の結
果を、図３に示す。

【００６０】図３において、〔１〕がプラズマスペクト
ルの真値、〔２〕がプラズマスペクトルの補正値、
〔３〕が透過特性の変化した採光窓を通過したプラズマ
スペクトルである。

【００６１】次に、プラズマ発光スペクトルの補正の、
他の実施例を説明する。

【００６２】図１７は、本発明をエッチング装置に適用
した場合の、モニタ装置の１例のブロック図を示す。ま
た、図１８に、モニタ信号処理のフローチャートの１例
を示す。

【００６３】図１７において、エッチング装置６０１
は、ベルジャチャンバ６００ａ採光部６００ｂを有して
いる。エッチングモニタ装置は、プラズマ発光検出部６
０２、発光信号処理部６０３、エッチング状態監視部６
０４、出力表示部６０５から構成される。次に、各ユニ
ットの動作を簡単に説明する。プラズマ発光検出部６０
２は、エッチング装置６０１のプラズマ発光６０７から
発光スペクトルデータを得、発光信号処理部６０３及び
エッチング状態監視部６０４に送る。また、発光信号処
理部６０３は、発光スペクトルデータを基準となる発光
スペクトルデータで補正し、この補正後の発光スペクト
ルデータ６０８を、エッチング状態監視部６０４へ送
る。この補正の方法については、後述する。

【００６４】エッチング状態監視部６０４は、発光スペ
クトルデータ６０８を用いて、エッチング装置６０１の
処理室内部の反応生成物の量や状態、部品の劣化状態等
を推定し、装置の保守、エッチング処理の異常警報等の
情報として出力表示部６０５に送り、そのデータを表示
する。また、所定のエッチング処理特性からのずれを補
正するための処理圧力、ガス流量、プラズマ発生用電力
等の設定条件を求め、これらをフィードバック信号とし
てエッチング装置６０１に送る。エッチング装置６０１
は、得られたフィードバック信号により設定条件を変更
し、所定のエッチング特性からのずれを修正する。

【００６５】次に、前述の発光スペクトルデータの補正
について、図１９Ａ、１９Ｂ、図２０Ａ、図２０Ｂおよ
び図２０Ｃを用いて説明する。

【００６６】図１９Ａ、１９Ｂは、エッチングにおける
発光スペクトルを示し、２０１はエッチング中、２０２
はオーバエッチ中を示す。エッチング中は、スペクトル
ピーク２１１、２１２および２１３が変化するが、オー
バエッチ中はほとんど変化しない。この理由はオーバエ
ッチの段階ではエッチング反応がほとんど進行しないか
らである。その一方で、エッチング中は反応生成物が多
く発生し、これがベルジャチャンバの内壁に付着してい
くことから、発光スペクトルの強度は全体的に低下して
いく。

【００６７】付着物は、処理枚数を重ねるにつれ増加
し、そのときの発光スペクトルの強度変化は、図２０Ａ
の３０１の様になる。即ち、図２０Ａの３０１の３本の
ラインは、図１９Ａ、１９Ｂにおけるスペクトルピーク
２１１、２１２および２１３の最大値の処理枚数に対す
る変化を、発光強度（相対値）で示したものである。

【００６８】この図では、３本のスペクトルピークは、
処理枚数を増やすと全て減少している様に見える。ここ
で、各ウェハでのオーバエッチ中の発光スペクトルをと
り、１枚目のウェハで強度を基準に、２から４枚目のス
ペクトル強度を割算すると、３０２に示す様になる。図
中の１から４までの数字はウェハの処理枚数に対応す
る。そこで、３０２の波長特性で３０１の発光強度を補
正することにより、ベルジャチャンバの付着による光量
低下の影響を除くことができる。図２０Ｂの３０２は３
０１を補正した結果を示す。３０１で全て減少している
様に見えたスペクトルピーク２１１，２１２，２１３は
３０３に示す様に２１１のみ減少し、他の二つは変化し
ていないのである。

【００６９】この様に、ベルジャチャンバの内壁への反
応生成物の付着による光量低下の影響を、図１７の信号
処理部において上記補正を加えることで排除し、安定し
たモニタデータを得ることができる。

【００７０】以上の説明は、エッチング処理の場合を例
にして説明したが、プラズマを利用した他の処理プロセ
スにも、全く同様に適用可能である。

【００７１】本実施例によれば、プラズマエッチング装
置でのウェハのエッチング処理状態を、インプロセスで
監視してその処理特性を一定に維持できるので、不良の
発生を防止することができる。

【００７２】次に、プラズマ中の複数の特定部分の発光
スペクトルを観察する方法について、図１６を用いて説
明する。図１６は、プラズマエッチング装置の１例の断
面図である。図１６において、エッチング処理室５０１
は、図示していない真空排気系と図示していないエッチ
ングガス導入機構により、所定の圧力に維持されてい
る。これに、図示していない放電電力供給機構により放
電電力が供給され、プラズマ５０２を発生させ、ウェハ
５０３をエッチング処理するものである。

【００７３】プラズマからの発光は、一様ではなく、例
えば、ウェハ近傍の位置５０４では、エッチング反応生
成物の発光が強く、エッチング処理室５０１の壁面近傍
の位置５０５では、壁面に付着している堆積物からの放
出ガスの発光が強い。また、プラズマ５０２の中央位置
５０６では、エッチングガスそのものの発光が強くなっ
ている。そこで、プラズマ５０２からの発光を観察する
場合、エッチング処理室５０１の壁面に設けた採光光学
系により、発光位置による違いを分離できる。図１６で
は、光学系５０７はプラズマ５０２の中央位置５０６に
焦点を合わせてあり、この部分の発光のみを分光器５１
０に導くことができる。同様に、光学系５０８は、エッ
チング処理室５０１の壁面近傍５０５の発光のみ、ま
た、光学系５０９は、ウェハ５０３の近傍５０４の発光
のみをそれぞれ分光器５１１、分光器５１２に導くこと
ができる。

【００７４】ここで、表面にタングステン（Ｗ）を成膜
したウェハ（Ｗウェハ）の、エッチング特性をモニタす
る実施例について説明する。

【００７５】エッチング処理がはじまると、ウェハ表面
におけるエッチング反応から６フッ化タングステン（Ｗ
Ｆ₆）が発生しフッ素（Ｆ）やＷに分離して発光する。
この発光強度はプラズマ中への反応生成物への供給量、
すなわちエッチング速度に依存し、またプラズマ密度に
も依存する。したがって発光スペクトルからエッチング
速度をモニタできる。

【００７６】Ｆの発光強度とＷウェハのエッチングレー
トの関係を、図５Ａに示す。図５Ｂは、反応生成物であ
るＷの発光強度の経時変化である。反応生成物であるＷ
の発光強度は、ウェハ全面でエッチングが進行している
間は〔Ａ〕から〔Ｂ〕の発光強度に対応し、ほぼ一定で
ある。エッチングの終了とともに、Ｗの発光強度は急激
に減少する。一方、Ｗウェハ面内でエッチング速度に差
がある（速い部分と遅い部分）と、エッチング終了部分
の面積が徐々に広くなるので、反応生成物の発光強度は
〔Ｂ〕から〔Ｃ〕の変化に対応して、徐々に低下する。
〔Ｄ〕で処理室内のプラズマ放電を終了させる。したが
って、反応生成物のＷの発光強度の時間変化により、Ｗ
ウェハ面内のエッチング速度の差、すなわち、均一性が
モニタできる。

【００７７】均一性検出のアルゴリズムを、図８に示
す。また、実際のエッチング処理中のプラズマの発光強
度の変化を、図６Ａに示す。これは、２秒間隔で１２秒
間、計６０点をサンプリングしたものである。図６Ｂ
は、図６Ａでサンプリングしたデータを、図８に示した
アルゴリズムに基づいて平滑化処理して折線近似をした
波形と（図中、１〜６で引き出された線）、サンプリン
グデータを平滑化処理をせずに直接折線近似をして２階
微分した結果（図中、７および８で引き出された線）と
を示す。

【００７８】先ず、検出したデータを、幅３の中間値フ
ィルタをかけ（連続した３点のサンプリングデータから
中間値を抽出する）、平滑化処理を行う。また、サンプ
リングデータを平滑化処理した後、折線近似をし、この
折線を時間変化の向きに見ていって、傾きが１より大き
くなる最初の折線の始点を、エッチング開始の点（０
点）とする（図６Ｂ中の点６）。

【００７９】図６Ｂにおいて、波形を２階微分した際の
極大点、点８と、ウェハ面内のエッチングが全面終了し
た点、点５とは、時間的に一致している。そこで、点５
をエッチング全面終了の点（ｔ２）とする。また、エッ
チング開始の点、点１は、波形を２階微分した際の極小
値、点７とはずれている。また、点１と折線近似をした
折線の構成点は、どれもＸ座標のずれがエッチング全面
終了の点とくらべて大きい。そこで、点５から時間変化
と反対向きに折れ点を探索し、ある閾値以上の傾きを持
つ折線の始点として点１をエッチング終了開始の点（ｔ
１）として検出する。これにより、エッチング終了開始
の点（ｔ１）とエッチング全面終了の点（ｔ２）とが安
定に検出できる。これを均一性検出の式（数２）に代入
することで、安定に均一性を検出できる。

【００８０】Ｗウェハの表面におけるエッチング反応
は、プラズマ中の活性種Ｆと被エッチング材の化学反応
と考えられるが、Ｗウェハに入射するＦイオンのエネル
ギーが供給されることにより、反応が進行する。また、
Ｗウェハの温度も、この反応に影響している。したがっ
て、パターン側壁のエッチング反応は、Ｗウェハの温度
と側壁に供給されるイオンのエネルギーに依存してお
り、バイアス電圧により決定される。

【００８１】その結果、図１において、温度計１０から
Ｗウェハの温度を、電圧測定器１３からバイアス電圧を
それぞれ測定し、パターン側壁のエッチング量、すなわ
ち寸法精度がモニタできる。

【００８２】Ｏリングがエッチングガスに曝されると、
劣化してシール性能が落ち、処理室内に大気が入ってく
るリーク現象が起きてしまう。リークにより処理室内に
進入してきた窒素と酸素は、処理室内のプラズマにより
窒素の発光特性の位置、酸素の発光特性の位置におい
て、それぞれ発光する。上記のそれぞれの波長に注目し
て、通常の発光強度と比較し、その値が通常より増加し
たときに、リークとして検出することができる。

【００８３】以上にのべたように、エッチング特性は、
プラズマ発光のスペクトルと深く関係している。したが
って、プラズマの発光スペクトルを一定に保つことで、
エッチング特性を一定に維持することができる。

【００８４】プラズマは、以下にのべるように、圧力と
プラズマ発生電力により制御できる。先ず、プラズマを
圧力で制御できることについて、図７Ａ及び７Ｂを用い
て説明する。図７Ａのように、波長が短い領域の発光レ
ベルが標準のレベルより低い場合、高いエネルギーを持
っている電子の割合が低下している。すなわち、電子温
度が低くなっていると考えられる。そこで、この場合
は、電子温度を上げるために圧力を下げるように制御す
る。

【００８５】逆に、図７Ｂのように、波長が長い領域の
レベルが低い場合には、圧力を上げるように制御する。
また、プラズマスペクトルレベル全体が低くなっている
ときは、プラズマ密度が低いために発光レベルが落ちて
いると考えられる。この場合は、プラズマ発生電力を上
げ、プラズマ密度を上昇させる。逆に、スペクトルレベ
ル全体が高い時には、プラズマ発生電力をさげてプラズ
マ密度を下降させる。

【００８６】採光窓に付着したプラズマによる反応生成
物により、採光窓を通過する光は、特有の波長が吸光さ
れる。また、付着した膜厚により、特定の波長の吸光さ
れる量が変化する。波長が吸光されている位置により、
付着物の成分を同定し、スペクトルの吸収量により、付
着物の量をモニタできる。したがって、窓の汚れの状況
を、採光窓１の透過特性の変化によりモニタすること
で、処理室内の汚れをモニタすることが可能である。分
光分析部４に採光されたプラズマ発光スペクトルとウェ
ハ温度を測定する温度計１０、ＲＦ電源１２を測定する
電圧測定器１３からのデータは、データ処理制御部１１
に入る。このデータ処理制御部１１の演算値から、ウェ
ハ５のエッチング特性をモニタする。その他に、波形全
体をみて異常な発光ピークを検出することで、異物を検
出し、エッチングの異常もモニタできる。

【００８７】以上の方法で、プラズマ発光スペクトル
が、正常なエッチング状態におけるプラズマの発光スペ
クトルの基準値からずれないようにする。データ処理制
御部１１でマスフローコントローラ９、ＲＦ電源１２の
設定を制御することで、エッチング特性を一定に維持す
ることができる。

【００８８】次に、採光窓に対してプラズマ遮蔽手段を
そなえた、本発明に係るプラズマ処理装置について、図
２を用いて説明する。

【００８９】図において、２はエッチングの処理室であ
り、２の中にエッチングの反応ガスを導入する。ガス
は、マスフローコントローラ９で制御されている。処理
室２内に平行平板２２を設ける。プラズマ発生用電力２
４で、処理室２内に電力を導入する。整合器２３で、プ
ラズマ発生電源２４と平行平板２２の位相のずれを調整
する。平行平板２２の下側には、イオン制御用のＲＦ電
源１２を設置する。平行平板２２の下側には、ウェハの
温度計１０が設けてある。電圧測定器１３、温度計１
０、分光分析部４からのデータは、データ処理制御部１
１に入る。

【００９０】このような構成において、先ず、プラズマ
を発生させ、ウェハ５をエッチングする。処理室２には
採光窓１を設ける。採光窓１には、プラズマ遮蔽手段１
４を設置し、石英ファイバ３で分光分析部４に光を取り
込む。圧力計２５が処理室２に設けられる。

【００９１】図２における採光窓１にとりつけたプラズ
マの遮蔽手段１４の構成について、図４を用いて説明す
る。図４は、プラズマ遮蔽手段の断面図である。このプ
ラズマ遮蔽手段は、図２における処理室２の採光窓１に
取り付けるものである。図４において、処理室の壁面２
０にはガラス板を取り付けていない採光窓の穴２１が設
けてあり、この部分の細長い穴１７を複数設けた遮蔽物
及びガラス板１５を真空封じのためのＯリング１６をは
さんで取り付ける。ガラス板１５の左側は大気、右側は
穴１７の内部も含めて真空である。処理室１で発生した
プラズマの発光は、穴１７を通りガラス板１５を透過し
た後、集光レンズ１９により集光され、ファイバ３を経
て分光分析部４に入る。

【００９２】ここで、プラズマは、〔作用〕の項に述べ
たように、細長い筒状の容器内では存在できない。

【００９３】したがって、穴１７の軸方向長さを直径の
５倍以上としておけば、電子は穴１７の内壁で損失しや
すくなるため、プラズマが穴１７に進入できなくなる。
その結果、プラズマからの光はガラス板１５に到達でき
るが、プラズマがガラス板１５と接触する事はない。プ
ラズマからの光のうち、穴１７の内壁で反射しながらガ
ラス板に到達するものもあるが、これらの光は反射する
ことによってそのスペクトルが変化してきているので、
取り除く必要がある。そこで、穴１７の内壁をネジ状に
しておけば、これらの光は反射を繰り返す内に減衰し、
ガラス板１５には達しなくなる。さらに、ガスノズル１
８からＡｒ等の不活性ガスを導入し、これをガラス板１
５から穴１７を通して処理室へ流すことにより、反応生
成物が拡散によりガラス板１５に到達する事はなく、膜
が付着することもない。以上により、ガラス板１５の透
過特性は経時変化するのを防止できる。

【００９４】Ｗウェハをモニタする実施例については、
補正処理手段を用いた場合と同じである。

【００９５】なお、本実施例の方法は、高周波放電プラ
ズマだけでなく、直流放電プラズマやマイクロ波放電プ
ラズマの場合にも同様に適用できる。

【００９６】以下に、本発明の他の実施例を示す。図９
は、本発明をエッチング装置に適用した場合の、プラズ
マ処理モニタの概念図を示す。プラズマ処理モニタは、
プラズマ発光検出１０２、信号検出部１０３、放電状態
推定部１０４、データ処理部１０５、出力部１０６から
構成される。以下、各ユニットの動作を、簡単に説明す
る。プラズマ発光検出部１０２は、エッチング装置１０
１のプラズマ発光１０７から発光スペクトルデータ１０
９を求め、放電状態推定部１０４およびデータ処理部１
０５に送る。また、信号検出部１０３は、被処理基板の
電位やプロセス条件の設定値等の信号１０８を入力とし
て受け取り、ディジタル信号などに加工した信号１１０
を、放電状態推定部１０４およびデータ処理部１０５に
送る。放電状態推定部１０５は、得られたデータを用い
て放電条件を推定し、放電条件推定データ１１１をデー
タ処理部１０５に送る。データ処理部１０５は、放電条
件推定データ１１１、信号１１０および発光スペクトル
データ１０９を用いてエッチング装置１０１の処理室内
部の反応生成物の量や状態、部品の劣化状態等を推定
し、装置の保守、エッチング処理の異常警報等の情報
（状態推定データ１１３、警報出力１１２）として出力
部１０６に送りデータを表示する。また所定のエッチン
グ処理特性からのずれを補正するための処理圧力、ガス
流量、プラズマ発生用電力等の設定条件を求め、これら
をフィードバック信号１１４としてエッチング装置１０
１に送る。エッチング装置１０１は得られたフィードバ
ック信号１１４により設定条件を変更し所定のエッチン
グ特性からのずれを補正する。

【００９７】以下に、主要なユニットに関して、詳細に
説明する。

【００９８】まず、放電状態推定部について説明する。
一般に、プラズマ処理装置では、処理を続けるに従い装
置の劣化が起こり、部品の清掃、交換等の保守作業が必
要となる。部品の劣化により、設定したプロセス条件と
処理室内の実効的なプロセス条件が異なってくる可能性
がある。例えば、通常、処理ガスの流量は、マスフロー
コントローラと呼ばれる装置を用いて、所定の流量が得
られるように制御されている。マスフローコントローラ
は、流量計測部と流量制御部から構成されている。通
常、マスフローコントローラの流量計測部では、ガスの
流路を流量計測用のコンダクタンスの小さい流路（流路
１）とコンダクタンスの大きな流路（流路２）に分岐し
ている。流路１と流路２のコンダクタンス比が変化しな
ければ、全流量を正確に計測できるが、例えば、一方の
流路に異物が混入すると、流路１と流路２のコンダクタ
ンス比が変化し、所定の設定値と異なる量の処理ガスが
供給される。

【００９９】エッチング装置１０１で、事前に、放電状
態推定部１０４で推定する各項目と信号１１０および発
光スペクトルデータ１０９を同時に推定しておき、これ
をデータベースとして保存しておく。これを用いること
で、信号１０１および発光スペクトルデータのみが既知
の場合の放電状態を推定する。

【０１００】ここで、例として、プラズマ発生用電力を
予測する場合について説明する。エッチング装置１０１
でプラズマ発生用電力、信号１０１および発光スペクト
ルデータ１０９を測定する。異なるプラズマ発生用電力
の大きさについて複数回測定を行い、得られたデータを
データベースとして用いる。この測定を充分数多く繰り
返すと、各データは信号空間内である領域を占める。測
定回数が少ない場合、線形化または適当な関数を仮定し
て各データ間を補間し、前記信号空間内の領域を求め
る。プラズマ発生用電力が未知の場合、信号１０１およ
び発光スペクトルデータ１０９のみが既知のデータとし
て得られる。このデータを前記信号空間に表示すれば直
線が得られる。この直線上の点と前記データベース領域
の内点との距離が極小となる直線上の点のプラズマ発生
用電力の値が、予測値となる。予測すべき項目が複数あ
る場合も、同様の手順で予測値を求めることができる。
また、信号空間内の２点間の距離の定義として、各軸の
座標値の差の二乗和、差の絶対値の和、差の二乗に正の
重みを乗じたものの和などを用いることができる。

【０１０１】データベースとして保存されたデータを用
いて、同一の構造を持つ複数の異なる装置の比較を行な
うことができる。比較の基準となるエッチング装置（以
下標準装置と呼ぶ。）で取得したデータベースと、比較
されるエッチング装置（以下比較装置と呼ぶ。）のデー
タベースとを比較する。一般に、標準装置のデータベー
スと比較装置のデータベースは、信号空間内で異なる領
域を占める。領域が異なる原因は、測定の誤差、および
標準装置と比較装置の差と考えられる。そこで、推定対
象となる各軸の平行移動および、縮小拡大なる変換を施
し、標準装置と比較装置の信号空間内でのデータベース
の違いを吸収する。このとき用いた推定対象となる各軸
の平行移動および縮小拡大をあらわすパラメータで、標
準装置と比較装置との違いを定量化できる。

【０１０２】例えば、プラズマ発生用電力のみが推定対
象である場合を例に説明する。標準装置のデータベース
と比較装置のデータベースを比較する。標準装置、比較
装置のデータベースを構成する各点をベクトルでそれぞ
れ

【０１０３】とする。ただし、データベース各点のプラ
ズマ発生用電力をＷ_i：（ｉ＝１〜Ｎ）とする。また距
離を求める関数をｄとする。このとき

【０１０４】

【数３】

【０１０５】を極小にするａ、ｂを求め、これにより標
準装置に対し比較装置が異なる度合いを評価することが
できる。また、上記ａ、ｂを用いて放電状態推定データ
１１１または信号１１０を変換することで標準装置を基
準とし、比較装置の放電状態推定データを校正すること
ができる。距離の定義として各軸の座標値の差の二乗
和、差の絶対値の和、差の二乗に正の重みを乗じたもの
の和などを用いることができる。また推定対象が複数あ
る場合にも同様の手順で標準装置に対し比較装置を校正
することができる。

【０１０６】次に、データベースの構成に関する実施例
について説明する。演算処理を高速またはリアルタイム
に行うためには、データベースはなるべく小さいほうが
望ましい。一般に、プラズマの発光スペクトルに現れる
ピークは放電条件（プラズマ発生電力、圧力、ガス流量
など）に対応して変化するものだけではなく、これらの
変化に無関係なものも存在する。データベースとして
は、放電条件に無関係なピーク（波長）は有効に利用す
ることができない。したがって、これらのデータをデー
タベースから削除することによって、データベースを小
さくすることができる。以下に、有効なデータと無効な
データの判別の方法について説明する。

【０１０７】ここでは、プラズマ発生電力依存性のデー
タベース作成方法について述べる。このデータベースを
作成するために、プラズマ発生電力を変化させたときの
プラズマ発光スペクトルを取得する。ある値のプラズマ
発生電力について発光スペクトルの取得を複数回行う
が、プラズマ発生電力はランダムに変化させて行う。

【０１０８】すなわち、表１に示す順に、発光スペクト
ル取得を行う。表１では、プラズマ発生電力を９条件、
くり返し回数を１０回として合計９０回のデータ取得を
行う例について示している。表中の数字が推定の順番を
表している。このようにして測定した発光スペクトル
を、ある波長のピークについて表２のように整理する。
したがって、表２は波長の数だけ得られる。表２におい
て、縦の列は同一のプラズマ発生電力でくり返し測定し
たときの結果、横の行はプラズマ発生電力の変化に対応
した結果を表している。表２では、さらに、列ごとの分
散（以下列方向分散）、行ごとの分散（以下行方向分
散）を追加してある。これらはそれぞれくり返し測定に
よる変動、プラズマ発生電力の変化による変動を表して
いる。行方向分散が列方向分散と同程度ならば、この波
長の発光強度はプラズマ発生伝量には対応していないと
言える。したがって、データベースとしては、行方向分
散が列方向分散より十分大きくなる波長のみをもって構
成すれば、すべてのデータが有効に利用できる。ガス流
量依存性や圧力依存性のデータベースも、同様の方法で
作成する。

【０１０９】

【表１】

【０１１０】

【表２】

【０１１１】次に、データ処理部について説明する。デ
ータ処理部では、エッチング装置１０１の構成要素の故
障の発生、清掃の必要性が高い、交換の必要性が高い等
のイベントと、発光スペクトルデータ１０９、放電状態
推定データ１１１および信号１１０の関係を論理式で記
述しておき、入力データから前期各イベントの発生を予
測する。例えば、発光スペクトルデータ１０９におい
て、７７７ｎｍの発光が前回の放電時と比較して所定の
割合以上の増大を示し、かつ、処理ガスを導入しない時
の処理室の圧力の指示値が前回と比べて所定の割合以上
の増大を示した場合、処理室に外部から酸素が混入した
ことが疑われ、処理室にもれが発生したという警報出力
を発する。また、ガス流量の設定値と発光スペクトルデ
ータ１０９等から推定したガス流量の推定値が所定の割
合以上異なり、かつ処理室を排気する真空ポンプの排気
量が増大した場合、ガス流量の制御機構が故障したこと
を予測し、警報を発する。論理として、２値論理または
ファジイ論理を用いることができる。

【０１１２】図１０に、プラズマ処理モニタのハードウ
ェア構成を示す。エッチング装置２０１のプラズマ発光
を取得するための窓には、光ファイバ２０５が接続され
ており、プラズマ発光を分光器２０２に入射させる。分
光器２０２は、信号線を用いてデータ処理機２０３に発
光スペクトルデータを伝送する。また、エッチング装置
２０１とデータ処理機２０３も信号線で接続されてお
り、図９に示す信号１０８、フィードバック信号１１４
がやり取りされる。データ処理機２０３には出力装置２
０４が接続され、図１に示す状態推定データ１１３、警
報出力１１２が伝送される。

【０１１３】更に、本発明の他の実施例を、図２１と図
２２とを用いて説明する。

【０１１４】図２１は、本発明の他の実施例のドライエ
ッチング装置の構成を示す。

【０１１５】一般に、装置異常を検出するには、正常な
装置状態とその範囲を定義する必要がある。この正常な
装置状態を、標準状態と呼ぶことにする。標準状態と現
在の装置状態を比較し、正常、異常の判断を行なう。図
２１に、本発明を用いたエッチング装置を示す。装置状
態として、（１）マイクロ波入反射電力８０８（２）ガス流量８０９（３）プラズマ発光スペクトル８１０（４）処理室圧力８１１（５）ＲＦ整合器の整合状態８１２（６）静電チャック電圧、電流８１３（７）ＲＦ入反射電力８１４（８）圧力調整器バルブ開度８１５（９）ウエハ温度８２０（１０）コイル電圧、電流８２１の各項目を、ＡＤ変換器８０７によりディジタルデータ
に変換した後、演算処理器８２２にて解析し、装置異常
を検出する。また、演算処理器８２２は、これらの装置
状態を保存し、異常検出を行なったとき、あるいは随
時、装置状態を外部に取り出すことができる。過去の装
置状態を、異常発生原因の究明または装置管理に用いる
こともできる。

【０１１６】多数の装置状態を示す各項目を、ある期間
にわたり記録し、これらのデータから、装置状態の平均
値、標準偏差を求めることができる。装置状態が平均値
の近くにあれば、正常、離れていれば異常と判断するこ
とができる。平均値に近いか遠いか、つまり、異常判定
のしきい値は、標準偏差を基準に決定することができ
る。平均値、標準偏差はデータ数、データの総和、デー
タの２乗和から求めることができる。

【０１１７】標準状態の設定法として、（１）ある区間内で求めた平均値、標準偏差を用いる。

【０１１８】（２）平均値、標準偏差を新たなデータが
得られるたびに更新する。

【０１１９】の２通りのどちらかを用いることができ
る。

【０１２０】また、装置の通常の運転状態を求める他の
方法として、平均値にかえて中央値、度数分布における
最多値を用いることもできる。運転状態のばらつきを、
標準偏差にかえて分散、最大値と最小値の差である範
囲、絶対偏差なども用いることができる。

【０１２１】装置状態のうち、プラズマ発光スペクトル
について標準状態を求める手順を、以下に説明する。プ
ラズマ発光の時間変化を、複数の時間領域毎に線分で近
似し、その線分の端点の座標を用いて変化の特徴を表現
することができる。領域の個数（何本の線分で近似する
か）は、時間変化のパターンによって決定することがで
きる。エッチングにおける被エッチング材料の発光時間
変化の場合、５本の線分で近似することが適当である。

【０１２２】以下に、プラズマ発光の時間変化を複数の
線分で近似する方法について、説明する。

【０１２３】図２２に、被エッチング材発光の時間変化
を、モデル化して示す。通常、被エッチング材発光の時
間変化は、図２２に示すように、５個の領域にわけて考
えることができ、概略５本の線分で時間変化を近似する
ことができる。以下に線分近似のアルゴリズムを示す。

【０１２４】（１）発光強度の２階微分値の極大極小、
処理の開始、終了から各領域の時間境界の初期値
（Ｔ₁’〜Ｔ₆’）を求める。ただしＴ_i’＜Ｔ_i+1’（ｉ
＝１〜５）、Ｔ₁’は処理の開始時刻、Ｔ₆’は処理の終
了時刻とする。またＴ₂’、Ｔ₃’はそれぞれ前半の極大
値、極小値、Ｔ₄’、Ｔ₅’はそれぞれ後半の極小値、極
大値である。

【０１２５】（２）区間（Ｔ_i’〜Ｔ_i+1’）で最小自乗
法により直線近似する。

【０１２６】（３）直線の交点、処理の開始、終了時刻
からＴ₁〜Ｔ₆を求める。ただしＴ_i＜Ｔ_i+1（ｉ＝１〜
５）、Ｔ₁（＝Ｔ₁’）は処理の開始時刻、Ｔ₆（＝
Ｔ₆’）は処理の終了時刻とする。またＴ_i+1は（Ｔ_i’
〜Ｔ_i+1’）で最小自乗法により直線と（Ｔ_i+1’〜Ｔ
_i+2’）で最小自乗法により求めた直線の交点のｘ座標
を示す。ただしｉ＝１，２，３，４である。

【０１２７】（４）Ｔ₁〜Ｔ₆をＴ₁’〜Ｔ₆’と置き換え
る。

【０１２８】（５）収束を判定し、未収束の場合は
（２）へ戻る。

【０１２９】上記アルゴリズムで得られた線分の端点の
座標が、時間変化の特徴を表す。これら各線分の端点を
特徴点と呼ぶことにする。上記アルゴリズムのうち、２
階微分の極大極小となる時刻を求める過程は、適当な初
期値を用いることで省略してもよい。例えば、初期値と
して直前に処理した基板に関する時間変化の特徴点の時
刻を用いることができる。

【０１３０】特徴点の座標から、各時間領域の長さ、各
特徴点の発光強度を求めることができる。各時間領域の
長さ、各特徴点の発光強度に関して、平均値および標準
偏差を求めることができる。

【０１３１】直線近似からの偏差は、以下に示す手順を
用いて処理する。偏差を線分近似した各時間領域毎に、
時間をそろえるために圧縮、伸長して正規化する。正規
化した各時刻毎に平均値、標準偏差を求める。

【０１３２】その他の装置状態を示す各項目の時間変化
を、同様の手法を用いて近似した線分と線分近似からの
偏差で表現することができる。被処理基板毎に前記デー
タ処理を施し、平均値および標準偏差を求めることがで
きる。すなわち、各測定項目毎に（１）線分近似した各時間領域の長さの平均値および標
準偏差（２）各特徴点の高さの平均値および標準偏差（３）線分近似した各時間領域での線分近似からの偏差
の平均値と標準偏差を得る。

【０１３３】異常検出器の運用アルゴリズムは、以下の
とおりである。

【０１３４】（１）装置状態の採取する。

【０１３５】（２）装置状態の線形近似によるモデル化
を行なう。

【０１３６】（３）標準状態とその範囲の更新を行な
う。

【０１３７】（４）現在の装置状態と標準状態を標準状
態の範囲を考慮して比較し、装置異常の判定を行なう。

【０１３８】（５）装置異常と判定した場合は（６）に
進む。正常と判定した場合は（１）へ戻る。

【０１３９】（６）現在の装置状態および標準状態とそ
の範囲を出力する。装置異常の程度を判定し重大な異常
の場合には装置を停止する。軽微な異常報告を出し、
（１）へ戻る。

【０１４０】上記アルゴリズムのうち（３）と（４）の
順序は逆でもよい。

【０１４１】以下に、装置異常の判定法、装置異常の程
度の評価法について説明する。装置状態の各項目につい
て、前述のように複数の平均値と標準偏差が得られる。
各平均値と標準偏差に関し、数式（１）のように正常範
囲を定義する。

【０１４２】

【数４】

【０１４３】ただし

【０１４４】である。

【０１４５】ここで、ｋの値はこのパラメータに関する
異常検出率を勘案して決定する。一般に、多数のデータ
を集めると、その度数分布は正規分布に近づくことが知
られている。前記パラメータが正規分布する場合、ｋの
値とこのパラメータを観測したとき正常範囲にある確率
は、表３のようになることが知られている。

【０１４６】

【表３】

【０１４７】各パラメータ毎にｋの値を決定し、該パラ
メータについての正常、異常を判定する。どのパラメー
タで異常が発生したか、また、平均値からのずれは標準
偏差と比べてどの程度の大きさか、に応じて異常内容を
分類し、装置異常の程度と異常内容を判定する。

【０１４８】本実施例によれば、プラズマエッチング装
置におけるウエハのエッチング処理の状態を常時監視し
て、その処理特性を一定に維持することができるので、
不良の発生を防止できる効果がある。

【０１４９】

【発明の効果】本発明によれば、採光窓に補正手段又は
プラズマ遮蔽手段を設けたので、プラズマの影響による
採光窓の光透過特性の経時変化の影響を小さくすること
ができ、プラズマ及びエッチング中の反応生成物のスペ
クトルを安定して正確にモニタできるようになった。ま
た、このように安定した状態でスペクトルを正確にモニ
タしてエッチング処理の条件を制御することにより、長
期間安定したエッチング処理を持続することが可能にな
った。

【０１５０】また、本発明によれば、プラズマエッチン
グ装置のウエハのエッチング処理を常時監視してその処
理特性を一定に維持できるので、不良の発生を防止でき
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体構成を示すブロック図。

【図２】プラズマ遮蔽手段を採用した本発明の全体構成
を示すブロック図。

【図３】スペクトルの補正処理の結果を示す図。

【図４】遮蔽手段を示す断面図。

【図５】図５Ａは、タングステンの発光強度とエッチン
グレートとの関係を示す図、図５Ｂは、発光強度の時間
変化を示す図。

【図６】エッチング処理中のプラズマの発光強度の時間
変化を示す図。

【図７】プラズマの発光波長と発光強度との関係を示す
図。

【図８】均一性検出のアルゴリズムを示す図。

【図９】本発明の他の実施例の概念図である。

【図１０】本発明の他の実施例のハードウェア構成図で
ある。

【図１１】汚れのない処理室における発光スペクトル図
である。

【図１２】汚れた処理室における発光スペクトル図であ
る。

【図１３】放電電力の変化による発光スペクトル変化図
である。

【図１４】放電圧力の変化による発光スペクトル変化図
である。

【図１５】ガス流量の変化による発光スペクトル変化図
である。

【図１６】本発明のプラズマエッチング装置の断面図で
ある。

【図１７】本発明の一実施例のブロック図。

【図１８】本発明の信号処理のフローチャート。

【図１９】図１９Ａ，１９Ｂは、発光スペクトルの説明
図。

【図２０】発光強度の変化の説明図。

【図２１】本発明を用いたドライエッチング装置の構成
を示す。

【図２２】ドライエッチング装置における被エッチング
材発光の時間変化を示す。

【符号の説明】

１…採光窓、２…処理室、４…分光分析部、
８…参照光源、１１…データ処理部、１３…電圧
測定器、１４…遮蔽手段、５０７，５０８，５０９
…光学系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/205 21/3065 (72)発明者大坪徹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 (72)発明者上村隆東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板をプラズマ処理するプラズマ処理方法
において、プラズマ処理室内で発生しているプラズマの
発光と、前記プラズマ処理室の外部の光源から発射して
前記プラズマ処理室内部を通過したスペクトルが既知の
光とを検出し、前記プラズマの発光と前記スペクトル既
知の光とのそれぞれのスペクトルの差を求め、該スペク
トルの差から前記プラズマ処理室の内部状態を判定する
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】基板をプラズマ処理するプラズマ処理方法
において、基板又は膜を形成する元素のスペクトル強度
の経時変化を検出して該検出したスペクトル強度の経時
変化を平滑処理した後、２階微分した際の最大値をエッ
チング全面終了の点とし、前記最大値より時間変化と反
対の向きに検索し、折線近似をした折線の傾きが特定値
以上の折線の構成点をエッチング終了開始の点とし、前
記全面終了の点と前記終了開始の点とから前記プラズマ
処理の均一性を検出することを特徴とするプラズマ処理
方法。
【請求項３】内部に被処理基板を配置して処理ガスを所
定の圧力に維持し前記内部を観察するための対向する少
なくとも一対の窓部を有する処理室と、該処理ガスを所
定の圧力に維持した処理室内でプラズマを発生させるプ
ラズマ発生手段と、前記処理室の外部にあって前記対向
する一対の窓部の一方を介して前記プラズマの発光をモ
ニタするプラズマ発光モニタ手段と、前記処理室の外部
にあって前記対向する一対の窓部の前記プラズマ発光モ
ニタ手段と反対の側から前記対向する一対の窓部を介し
て前記プラズマ発光モニタ手段に参照光を照射する参照
光照射手段と、前記プラズマ発光モニタ手段でモニタし
た前記プラズマの発光と前記参照光とのデータに基づい
て前記被処理基板のプラズマ処理状態を制御する制御手
段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置
において、該処理装置はスペクトル既知の光源とプラズ
マ発光を外に取り出すための採光部と該採光部を通り処
理室を貫通する光学系と処理室を通らない光学系とスペ
クトル分析を行う分光器を有し、該光源の発する光を各
光学系を経て分光器により得たスペクトルの差から該採
光部の内面状態を検出し、さらに検出した内面状態から
該処理室の内面状態を検出することを特徴とするプラズ
マ処理装置。
【請求項５】基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置
において、基板をプラズマ処理する処理室と、該処理室
に備えられプラズマ発光を外に取り出す採光部と、該採
光部のプラズマ側に備えられたプラズマを遮蔽する手段
を有し、前記プラズマ遮蔽手段は、プラズマが侵入でき
ないような径に対して軸方向が５倍以上長い円筒状の穴
を複数個設けた物体であることを特徴とするプラズマ処
理装置。
【請求項６】請求項５に記載のプラズマ遮蔽手段は、採
光部側からプラズマ側へ不活性ガスを流せる構造を有す
ることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】基板をプラズマ処理するプラズマ処理装
置、該処理装置の処理室はプラズマ発光を外に取り出す
採光部と、プラズマ遮蔽手段をプラズマ側に設けた採光
部と、各採光部から採取したプラズマ発光スペクトルを
比較することにより、採光部の内面状態を検出する手段
を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置
において、該処理装置の処理室はプラズマ発光を外に取
り出す採光部を有し、該採光部より採取したプラズマ発
光スペクトルから該基板の処理結果を検出する機能を有
することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置
において、該処理装置の処理室はプラズマ発光を外に取
り出す採光部と、該採光部より採取したプラズマ発光ス
ペクトルが一定となるように該処理装置の処理条件を制
御する手段を有することを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項１０】真空を保持する構造を有する処理室と該
処理室にエッチングガスを導入する手段と該処理室内に
プラズマを発生維持する手段と、プラズマ状態を観察す
ることにより基板のエッチング処理特性を監視する手段
を設けたことを特徴とするプラズマエッチング装置のエ
ッチングモニタ。
【請求項１１】請求項１０に記載のプラズマ処理装置に
おいて、プラズマ状態の監視手段としてプラズマ発光ス
ペクトルを用いることを特徴とするプラズマエッチング
装置のエッチングモニタ。
【請求項１２】請求項１０に記載のプラズマ処理装置に
おいて、プラズマ状態の監視結果から処理の設定条件の
実効的な値を推定することを特徴とするプラズマエッチ
ング装置のエッチングモニタ。
【請求項１３】本発明の請求項１０に記載のプラズマ処
理装置において、プラズマ状態の監視結果から相異なる
プラズマエッチング装置間の処理特性の差を検出するこ
とを特徴とするプラズマエッチング装置のエッチングモ
ニタ。
【請求項１４】プラズマ処理装置の運転状態を測定する
機構、前記運転状態を記憶する機構、複数の前記運転状
態から通常の運転状態とその範囲を求める機構、前記通
常の運転状態と現在の運転状態を比較、評価する機構、
からなるプラズマ処理装置の状態検出装置。
【請求項１５】装置の平均的な状態を、多数の状態を測
定し測定したデータを統計的に処理することにより求
め、前記平均的な状態と現在の装置状態を比較して装置
の状態を評価するプラズマ処理装置の装置状態検出方
法。