JP7540958B2 - 濃度制御システム、濃度制御プログラム、及び濃度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、濃度制御システム、濃度制御プログラム、及び濃度制御方法に関するものである。

例えば、半導体製造プロセスに用いられる材料ガスの濃度制御システムとしては、特許文献１に示すように、基板を収容するチャンバ内に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所望の目標濃度分布に制御するべくなされたものがある。

具体的にこのシステムは、チャンバの内部空間が、シャワーヘッド（多数の小孔が形成された平板部材）によって、材料ガスが供給される上部空間と、基板を収容する下部空間とに仕切られており、さらに上方空間が仕切板によって複数の部屋に区切られている。そして、それぞれの部屋の下方に設定された供給エリアへの材料ガスの流量及び濃度を独立して制御できるようにすることで、下部空間に供給される材料ガスの二次元濃度分布を制御できるようにしている。

ところで、目標濃度分布として、ある供給エリア（以下、一の供給エリアという）から供給される材料ガスの濃度を、他の供給エリアから供給される材料ガスの濃度よりも高くする、言い換えれば、目標濃度分布として、一の供給エリアにピークを持たせることが必要となる場合がある。

しかしながら、一の供給エリアには、一の供給エリアに隣り合う他の供給エリアに供給される材料ガスの一部が流れ込むので、例えば他の供給エリアに供給する流量を変えれば、一の供給エリアに現れていたピークが移動してしまう。

このことから、材料ガスの二次元濃度分布を所望の目標濃度分布に制御するためには、それぞれの供給エリアに供給される材料ガスの流量及び濃度を制御しなければならないが、これらの制御パラメータは互いに独立しておらず、相互に影響を及ぼし合うことから、制御が非常に困難となる。

特開２０１９－１９２８６５号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであって、基板を収容するチャンバに供給される材料ガスの二次元濃度分布を、例えばピークのある所望の目標濃度分布に制御できるようにすることをその主たる課題とするものである。

すなわち、本発明に係る濃度制御システムは、基板を収容するチャンバ内に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所定の目標濃度分布に制御する濃度制御システムであって、前記チャンバ内に設定された複数の供給エリアそれぞれに対応して設けられた材料ガス供給系と、前記材料ガス供給系を制御することで、前記二次元濃度分布を前記目標濃度分布に制御する制御装置とを備え、前記制御装置が、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス流量を調整した後、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス濃度を調整するように構成されていることを特徴とするものである。

このような濃度制御システムによれば、まず供給エリア別の材料ガス流量を調整することにより、二次元濃度分布のピークを目標濃度分布のピークの位置まで移動させることができ、その後、例えば材料ガス流量を固定したまま、供給エリア別の材料ガス濃度を調整することにより、ピークの位置を移動させずに或いは無視できる程度の移動に留まらせつつ、ピークの濃度値を変えることができる。その結果、チャンバに供給される材料ガスの二次元濃度分布を所望の目標濃度分布に制御することが可能となる。

より具体的な態様としては、例えば目標濃度分布が一の供給エリアにピークを有する場合、前記制御装置が、前記一の供給エリアと隣り合う他の前記供給エリアの材料ガス流量を調整して、二次元濃度分布のピークを前記一の供給エリア内で移動させる態様を挙げることができる。
このような構成であれば、二次元濃度分布のピークを目標濃度分布のピークの位置に移動させることができる。

二次元濃度分布をより精度良く目標濃度分布に制御するためには、前記制御装置が、前記供給エリア別の材料ガス濃度を調整して、前記供給エリアそれぞれにおいて算出された算出平均濃度を、前記目標濃度分布における前記供給エリアそれぞれの目標平均濃度に近づけるように制御することが好ましい。

本発明のアプリケーションの一例であるプラズマ処理においては、チャンバ内に発生させたプラズマの密度分布は必ずしも一様になるとは限らず、例えばチャンバの中心部と外周部とではプラズマ密度に差がある場合がある。このことに鑑みれば、材料ガスの目標濃度分布としては、チャンバの中心部や外周部にピークを持たせることが必要となる場合がある。なお、このように目標濃度分布のピークを所望の位置に持たせる必要性は、必ずしもプラズマ処理に限らず、例えばプラズマレスのエッチングやＣＶＤ等の種々の基板処理においても求められることである。
そこで、前記複数の供給エリアが、前記チャンバの中心部に設定された中心エリアと、その中心エリアを取り囲む少なくも１つの環状エリアとからなることが望ましい。
このような構成であれば、チャンバの中心部や環状エリアに二次元濃度分布のピークを持たすことができる。

前記中心エリア及び前記環状エリアが、前記チャンバの周方向に分割された複数の分割エリアからなり、前記材料ガス供給系が、前記複数の分割エリアそれぞれに対応して設けられていることが望ましい。
これならば、中心エリアや環状エリアを複数の分割エリアに細分化しているので、二次元濃度分布のより細やかな制御が可能となる。

より具体的な実施態様としては、前記制御装置が、前記材料ガス供給系を制御して、前記分割エリア別の材料ガス濃度を調整することで、前記二次元濃度分布を前記目標濃度分布に近づけるように制御する態様を挙げることができる。

複数の供給エリアを設定するための具体的な構成としては、前記チャンバが、前記材料ガスが供給される内部空間を有したチャンバ本体と、前記内部空間を覆うとともに、前記各供給エリアに対応した複数の供給ポートが形成された蓋部材と、前記蓋部材の前記内部空間側に設けられ、前記複数の供給ポートを仕切る仕切部材とを有する構成を挙げることができる。

供給エリア別の材料ガス流量や材料ガス濃度を個別に調整するためには、前記ガス供給系が、前記各供給エリアそれぞれに接続された材料ガス供給路と、前記各材料ガス供給路に設けられた第１流体制御機器と、前記各材料ガス供給路に接続された希釈ガス供給路と、前記各希釈ガス供給路に設けられた第２流体制御機器とを有していることが好ましい。

二次元濃度分布を得るための実施態様としては、前記チャンバの周壁に形成された入射窓に向かって前記チャンバの周囲の複数箇所からレーザ光を射出するレーザ射出機構と、前記複数箇所から射出されて前記チャンバ内を通過し、前記チャンバの周壁に形成された射出窓から射出する各レーザ光を検出するレーザ検出機構と、前記レーザ検出機構により検出された前記各レーザ光の光強度信号を取得するとともに、その光強度信号に基づいて、前記チャンバ内における前記材料ガスの二次元濃度分布を算出する二次元濃度分布算出部とを有している構成を挙げることができる。

また、本発明に係る濃度制御プログラムは、基板を収容するチャンバ内に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所定の目標濃度分布に制御する濃度制御システムに用いられるプログラムであって、前記濃度制御システムが、前記チャンバ内に設定された複数の供給エリアそれぞれに対応して設けられた材料ガス供給系と、前記材料ガス供給系を制御することで、前記二次元濃度分布を前記目標濃度分布に制御する制御装置とを備え、前記制御装置に、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス流量を調整させた後、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス濃度を調整させることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る濃度制御方法は、基板を収容するチャンバ内に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所定の目標濃度分布に制御する方法であり、前記チャンバ内に設定された複数の供給エリアそれぞれに対応して設けられた材料ガス供給系を制御することで、前記二次元濃度分布を前記目標濃度分布に制御する濃度制御方法であって、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス流量を調整した後、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス濃度を調整することを特徴とする方法である。

これらの濃度制御プログラムや濃度制御方法によれば、上述した濃度制御システムと同様の作用効果を発揮させることできる。

このように構成した本発明によれば、基板を収容するチャンバに供給される材料ガスの二次元濃度分布を所望の目標濃度分布に制御することができる。

本実施形態の濃度制御システムの構成を模式的に示す図。 同実施形態のレーザ射出機構及びレーザ検出機構の構成を模式的に示す図。 同実施形態のチャンバの構成を示す断面図。 同実施形態のチャンバの構成を示す分解斜視図。 同実施形態のチャンバに形成された光路を模式的に示す断面図。 同実施形態の仕切部材の構成を示す斜視図。 同実施形態の制御装置の機能を示す機能ブロック図。 同実施形態の目標濃度分布を示すグラフ。 同実施形態の制御装置の濃度制御動作を示すフローチャート。 その他の実施形態における仕切部材の構成を模式的に示す斜視図。 その他の実施形態における制御装置の濃度制御動作を示すフローチャート。

以下に、本発明に係る濃度制御システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態の濃度制御システムは、半導体製造プロセスに用いられるものであり、ウエハ等の基板に対してエッチング等の基板処理に資するものである。なお、基板への成膜や洗浄等の基板処理にこの濃度制御システムを用いても構わない。

具体的にこの濃度制御システム１００は、図１に示すように、基板（不図示）を収容するチャンバ１０と、チャンバ１０に例えばＣＨ_４などの材料ガスを供給する材料ガス供給路Ｌ１と、チャンバ１０に供給された材料ガスを排出する材料ガス排出路Ｌ２とを具備している。なお、材料ガスとしては、ＣＨ_４に限らず、ＳｉＦ_４やＣＦ_ｘなど適宜変更して構わない。

チャンバ１０は、基板を収容する内部空間Ｓが形成されたものであり、この内部空間Ｓには基板を加熱するためのヒータＨが設けられている。そして、この実施形態では、ヒータＨによって基板を加熱するとともに、チャンバ１０に材料ガスを供給しながら、該チャンバ１０の内部空間Ｓにプラズマを発生させることで、上述した基板処理が行われる。なお、基板処理としては、必ずしも基板を加熱する必要やプラズマを発生させる必要はなく、チャンバ１０としては、例えばプラズマレスの基板処理など種々の基板処理に用いて構わない。

このチャンバ１０には、材料ガスが供給される複数の供給ポートＰ１と、内部空間Ｓに供給された材料ガスを排出する排出ポートＰ２とが形成されている。

材料ガス供給路Ｌ１は、一端が上述した供給ポートＰ１に接続されるとともに、他端が材料ガスのガス源Ｚ１に接続されている。ここでは、複数の供給ポートＰ１それぞれに材料ガス供給路Ｌ１が接続されており、これら複数の材料ガス供給路Ｌ１は、互いに並列に設けられている。これにより、各材料ガス供給路Ｌ１を流れる材料ガスの流量等を独立して制御することができる。

各材料ガス供給路Ｌ１には、１又は複数の開閉弁Ｖ１と、材料ガスの流量や圧力等の物理量を制御する第１流体制御機器ＭＦＣ１とが設けられている。ここでの第１流体制御機器ＭＦＣ１は、材料ガス供給路Ｌ１に流れる材料ガスの流量を制御する差圧式又は熱式のマスフローコントローラであり、材料ガス供給路Ｌ１に流れる実流量を算出し、その実流量が予め入力された目標流量に近づくように、流体制御弁（不図示）を制御するものである。

また、各材料ガス供給路Ｌ１には、材料ガスを希釈する例えば窒素ガス等の希釈ガスが流れる希釈ガス供給路Ｌ３が接続されており、これら複数の希釈ガス供給路Ｌ３は、互いに並列に設けられている。これにより、各希釈ガス供給路Ｌ３を流れる希釈ガスの流量等を独立して制御することができる。

各希釈ガス供給路Ｌ３は、一端が材料ガス供給路Ｌ１に接続されるとともに、他端が希釈ガスのガス源Ｚ２に接続されており、１又は複数の開閉弁Ｖ２と、希釈ガスの流量や圧力等の物理量を制御する第２流体制御機器ＭＦＣ２とが設けられている。ここでの第２流体制御機器ＭＦＣ２は、上述した第１流体制御機器ＭＦＣ１と同様、希釈ガスの流量を制御する差圧式又は熱式のマスフローコントローラであり、希釈ガス供給路Ｌ３に流れる実流量を算出し、その実流量が予め入力された目標流量に近づくように、流体制御弁（不図示）を制御するものである。

材料ガス排出路Ｌ２は、一端が上述した排出ポートＰ２に接続されており、他端がチャンバ１０の外部に位置する例えば吸引ポンプＰに接続されている。この材料ガス排出路Ｌ２には、調圧弁等の調圧手段Ｖ３や開閉弁Ｖ４が設けられている。

本実施形態の濃度制御システム１００は、図２に示すように、チャンバ１０の周囲の複数箇所からチャンバ１０内にレーザ光を射出するレーザ射出機構２０と、複数箇所から射出されてチャンバ１０内を通過した各レーザ光を検出するレーザ検出機構３０と、レーザ検出機構３０により検出された各レーザ光の光強度信号を取得して、濃度制御システム１００の動作を制御する制御装置４０とをさらに具備している。

まず、チャンバ１０をより詳細について説明すると、本実施形態のチャンバ１０は、図３～図５に示すように、上述した内部空間Ｓを有するチャンバ本体１１と、内部空間Ｓを上方から覆う上側蓋部材１２と、上側蓋部材１２の下方に設けられて多数の小孔ｈ１が形成された多孔部材１３と、多孔部材１３の下方に設けられて内部空間Ｓを下方から覆う下側蓋部材１４とを有している。

チャンバ本体１１は、図４に示すように、例えば回転体形状の内部空間Ｓを形成する内周面１１１と、レーザ光を透過させる入射窓Ｗ１及び射出窓Ｗ２が形成された外周面１１２とを有している。また、チャンバ本体１１の底壁の中央部には、上述した排出ポートＰ２が１つ形成されている。なお、排出ポートＰ２の数や配置は適宜変更して構わない。

本実施形態のチャンバ本体１１は、外周面１１２が多角形状をなしており、外周面１１２のうちの互いに対向する一対の辺部の一方に入射窓Ｗ１が形成され、他方に射出窓Ｗ２が形成されている。ここでの外周面１１２は八角形であり、連続する半数（４つ）の辺部に入射窓Ｗ１が形成され、それ以外の連続する半数（４つ）の辺部に射出窓Ｗ２が形成されている。なお、外周面の形状はこれに限られるものではなく適宜変更して良いし、入射窓Ｗ１や射出窓Ｗ２の数は配置も適宜変更して構わない。

さらにチャンバ本体１１には、図５に示すように、内周面１１１と外周面１１２とを貫通するレーザ光路Ｘが形成されている。ここでは、外周面１１２の１つの辺部に対して複数本のレーザ光路Ｘが形成されており、これら複数本のレーザ光路Ｘが対向する辺部まで延びている。つまり、外周面１１２の互いに対向する一対の辺部に対して複数本のレーザ光路Ｘが形成されており、ここでは一対の辺部に対して８本、合計３２本のレーザ光路Ｘが形成されている。なお、一対の辺部に対する本数や合計本数は適宜変更して構わない。

これらのレーザ光路Ｘは、いずれも同一平面状に形成されている。具体的には、各レーザ光路Ｘは、内部空間Ｓの中心軸Ｏに直交する平面に沿って、言い換えれば内部空間Ｓに収容された基板に沿って形成されている。

上側蓋部材１２は、図３及び図４に示すように、チャンバ１０の上壁を構成しており、上述した複数の供給ポートＰ１が形成された例えば円形平板状のものである。複数の供給ポートＰ１は、例えば上面視において列状に配置されており、ここでは５つの供給ポートＰ１が配置されている。ただし、供給ポートＰ１の数や配置は適宜変更して構わない。

多孔部材１３は、図３及び図４に示すように、上側蓋部材１２の下方に隙間を隔てて配置されたものである。これにより、内部空間Ｓは多孔部材１３よりも上方の上部空間Ｓ１と、多孔部材１３よりも下方の下部空間Ｓ２とに仕切られている。この多孔部材１３は、厚み方向に貫通する多数の小孔ｈ１が形成された所謂シャワーヘッドとも称されるものであり、供給ポートＰ１から上部空間Ｓ１に供給された材料ガスが、これら多数の小孔ｈ１に分散しながら下部空間Ｓ２の全体に行き渡るようにしてある。

下側蓋部材１４は、図３及び図４に示すように、内部空間Ｓに供給された材料ガスを排出ポートＰ２に導く複数の貫通孔ｈ２が形成されており、ここでは基板（不図示）が載置される基板保持部材としても用いられる。この下側蓋部材１４は、例えば円形平板状のものであり、下面には例えばカートリッジヒータ等のヒータＨが複数設けられている。

ここで、本実施形態の多孔部材１３は、図６に示すように、上側蓋部材１２の下方に設けられて複数の供給ポートＰ１を仕切る仕切部材１５を有している。

仕切部材１５は、上側蓋部材１２と多孔部材１３との間に介在して、複数の供給ポートＰ１を空間的に仕切るものであり、上側蓋部材１２と多孔部材１３とに当接する例えば平板状のものである。この仕切部材１５は、ここでは多孔部材１３と一体的に形成されているが、上側蓋部材１２と一体的に設けられていても良いし、多孔部材１３や上側蓋部材１２とは別体のものであっても良い。

この仕切部材１５によって複数の供給ポートＰ１が空間的に仕切られることで、上部空間Ｓ１は複数の部屋ａに仕切られる。ここでの仕切部材１５は、上部空間Ｓ１を当該上部空間Ｓ１の中心部に位置する円状の部屋ａ１と、この円状の部屋ａ１を取り囲む少なくとも１つの環状の部屋ａ２とに仕切るものである。より具体的に説明すると、ここではリング状の仕切部材１５が複数設けられており、これらの仕切部材１５は、同心円状に位置するとともに、それぞれの仕切部材１５の中心を中心軸Ｏが通過するように配置されている。

かかる構成により、それぞれの供給ポートＰ１から供給された材料ガスは上部空間Ｓ１の何れか１つの部屋ａにのみ供給され、各供給ポートＰ１から供給された材料ガスは、上部空間Ｓ１では混ざり合うことなく下部空間Ｓ２に導かれる。なお、この実施形態では、円状の部屋ａ１には１つの供給ポートＰ１が対応して設けられており、環状の部屋ａ２には複数（２つ）の供給ポートＰ１が対応して設けられている。

この仕切部材１５によって、チャンバ１０内には、複数の部屋ａに対応する複数の供給エリアαが設定される。より詳細に説明すると、各供給エリアαは、チャンバ１０の下部空間Ｓ２に設定された領域であり、仕切部材１５によって仕切られた上部空間Ｓ１の各部屋ａの下方にそれぞれに位置する領域である。言い換えれば、それぞれの供給ポートＰ１から供給された材料ガスが、主として１つの供給エリアαに供給されるように構成されており、ここでの供給エリアαは、上部空間Ｓ１の部屋ａと同様、チャンバにお中心部に設定された円状の中心エリアα１と、その中心エリアα１を取り囲む少なくとも１又は複数の環状エリアα２、α３とからなる。

上述した構成において、下部空間Ｓ２に導かれた材料ガスは、下側蓋部材１４の外周部に設けられた貫通孔ｈ２に流れ込むことから、この材料ガスの流れの上流側に中心エリアα１が位置し、下流側に環状エリアα２、α３が位置していることになる。

このようにチャンバ１０内に複数の供給エリアαが設定されている構成において、図１に示すように、それぞれの供給エリアαに独立して材料ガスを供給するための材料ガス供給系ＧＳが設けられている。この材料ガス供給系ＧＳは、上述した材料ガス供給路Ｌ１、第１流体制御機器ＭＦＣ１、希釈ガス供給路Ｌ３、及び第２流体制御機器ＭＦＣ２を有するものであり、複数の供給エリアαそれぞれに対応して設けられている。より詳細に説明すると、ある供給エリアαに対応する材料ガス供給系ＧＳとは、主としてその供給エリアαに材料ガスを供給する１又は複数の供給ポートＰ１に接続された材料ガス供給路Ｌ１と、その材料ガス供給路Ｌ１に設けられた第１流体制御機器ＭＦＣ１と、その材料ガス供給路Ｌ１に接続された希釈ガス供給路Ｌ３と、その希釈ガス供給路Ｌ３に設けられた第２流体制御機器ＭＦＣ２とから構成されている。

次に、レーザ射出機構２０、レーザ検出機構３０、及び制御装置４０について説明する。

レーザ射出機構２０は、図２に示すように、チャンバ１０の周壁に形成された入射窓Ｗ１に向かってチャンバ１０の周囲の複数箇所からレーザ光を射出するものである。具体的にこのレーザ射出機構２０は、例えば半導体レーザ等のレーザ光源２１と、レーザ光源２１から射出されたレーザ光を複数のファイバに分光するファイバスプリッタ２２とを有し、各ファイバの射出端部２３が、内部空間Ｓを取り囲むように配置されている。ここでは、チャンバ１０の外周面１１２が多角形状をなしており、外周面１１２の複数の辺部（具体的には４つの辺部）それぞれに対して、複数のファイバが設けられている。これにより、レーザ光源２１から射出されたレーザ光は、四方から内部空間Ｓに向かって射出される。

レーザ検出機構３０は、図２に示すように、複数箇所から射出されてチャンバ１０内を通過し、チャンバ１０の周壁に形成された射出窓Ｗ２から射出する各レーザ光を検出するものである。具体的にこのレーザ検出機構３０は、各ファイバから射出されて内部空間Ｓを通過したレーザ光を検出する複数のレーザ検出器３１を有しており、各レーザ検出器３１は、内部空間Ｓを挟むようにファイバの射出端部２３に対向配置されている。これらのレーザ検出器３１により検出されたレーザ光の強度を示す光強度信号は、アンプＡ等を介して上述した制御装置４０に出力される。

制御装置４０は、上述した材料ガス供給系ＧＳを制御することで、チャンバ１０内に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所定の目標濃度分布に制御するものである。

より具体的説明すると、制御装置４０は、物理的にはＣＰＵ、内部メモリ、入出力手段、ＡＤ変換器などを備えた専用乃至汎用のコンピュータであり、前記内部メモリに格納された濃度制御プログラムに基づいて、ＣＰＵ及びその他の構成要素が協働することによって、図７に示すように、目標濃度分布受付部４１、二次元濃度算出部４２、流量調整部４３、及び濃度調整部４４などの機能を発揮するように構成されたものである。

目標濃度分布受付部４１は、例えばエッチング等の基板処理のレシピに応じてユーザが予め定めた目標濃度分布を示す目標濃度分布データを受け付けるものである。なお、この目標濃度分布データは、例えば入力手段を介して制御装置４０に入力されても良いし、有線又は無線により制御装置４０に送信されても良い。濃度分布データとしては、図８に示すように、チャンバ１０の中心からの径方向に沿った距離Ｒと、その距離における目標濃度との相関を示すデータを挙げることができる。なお、この目標濃度分布の詳細については後述する。

二次元濃度算出部４２は、レーザ検出機構３０により検出された光強度信号を取得するとともに、この光強度信号に基づいてチャンバ１０内における二次元濃度分布を算出するものである。ここでいう二次元濃度分布とは、チャンバ１０内におけるレーザ光に沿った平面内の濃度分布であり、言い換えればチャンバ１０内に収容された基板に沿った濃度分布である。

より具体的に説明すると、二次元濃度算出部４２は、各レーザ検出器３１により検出された光強度信号を所定の二次元濃度分布算出用アルゴリズムに基づいて演算処理することで、互いに直交する２軸で規定される領域の二次元濃度分布を算出するように構成されており、少なくとも上述した複数の供給エリアαの二次元濃度分布を算出する。

流量調整部４３は、目標濃度分布受付部４１が受け付けた目標濃度分布データに基づいて、それぞれの供給エリアαに供給されるエリア別の材料ガス流量を制御するものであり、具体的には上述した材料ガス供給系ＧＳを制御する。

より具体的に説明すると、流量調整部４３は、目標濃度分布データに基づいて、複数の第１流体制御機器ＭＦＣ１や複数の第２流体制御機器ＭＦＣ２それぞれの目標流量を決定し、その目標流量をそれぞれの第１流体制御機器ＭＦＣ１や第２流体制御機器ＭＦＣ２に入力して設定するものである。

濃度調整部４４は、目標濃度分布受付部４１が受け付けた目標濃度分布データ、及び、二次元濃度算出部４２により算出された二次元濃度分布に基づいて、上述した材料ガス供給系ＧＳを制御する。

より具体的に説明すると、濃度調整部４４は、目標濃度分布データにおける各供給エリアαの濃度と、二次元濃度分布における各供給エリアαそれぞれの濃度とを比較して、各供給エリアαに対応する第１流体制御機器ＭＦＣ１や第２流体制御機器ＭＦＣ２の目標流量をフィードバック制御する。なお、ここでいう各供給エリアαに対応する第１流体制御機器ＭＦＣ１や第２流体制御機器ＭＦＣ２とは、各供給エリアαに対応する供給ポートＰ１（すなわち、各供給エリアαに主として材料ガスを供給する供給ポートＰ１）に接続された材料ガス供給路Ｌ１上の第１流体制御機器ＭＦＣ１や、この材料ガス供給路Ｌ１に接続された希釈ガス供給路Ｌ３上の第２流体制御機器ＭＦＣ２のことである。

次に、目標濃度分布の詳細について説明する。
本実施形態の目標濃度分布は、図８に示すように、上述した供給エリアαのうち、ある供給エリアα（以下、一の供給エリアαという）にピークＲｐ（すなわち、濃度の最大値）を有しており、言い換えれば、一の供給エリアαの目標濃度がその他の供給エリアαの目標濃度よりも高くなるように設定された濃度分布である。

この実施形態では、目標濃度分布のより具体的な一例として、図８に示す濃度分布を取り上げて説明する。すなわち、複数の供給エリアαが、上述したように、中心エリアα１（以下、第１エリアα１という）と、この第１エリアα１を取り囲む環状エリアα２（以下、第２エリアα２という）と、この第２エリアα２を取り囲む環状エリアα３（以下、第３エリアα３という）からなり、目標濃度分布が、第２エリアα２にピークＲｐを有するものについて説明する。

然して、本実施形態の制御装置４０は、材料ガス供給系ＧＳを制御して供給エリア別の材料ガス流量を調整した後、材料ガス供給系ＧＳを制御して供給エリア別の材料ガス濃度を調整するように構成されている。

以下では、制御装置４０の具体的な濃度制御動作について、図９のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、目標濃度分布受付部４１が目標濃度分布データを受け付けると、制御装置４０は、供給エリア別の材料ガス流量や材料ガス濃度の初期値を設定するための初期制御態様を取る。

具体的にこの初期制御態様において、制御装置４０は、目標濃度分布データに基づいて、供給エリア別の材料ガス流量それぞれを所定の初期流量とし、且つ、供給エリア別の材料ガス濃度それぞれを所定の初期濃度とするように、材料ガス供給系ＧＳを制御する（Ｍ１）。

本実施形態では、それぞれの供給エリアα１～α３の初期流量が、互いに等しい流量に設定されている。
すなわち、本実施形態の制御装置４０は、Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ３＝Ｑｓとなるように材料ガス供給系ＧＳを制御する。なお、Ｑ１は第１エリアα１の材料ガス流量であり、Ｑ２は第２エリアα２への材料ガス流量であり、Ｑ３は第３エリアα３への材料ガス流量であり、Ｑｓは予め設定された初期流量である。

一方、それぞれの供給エリアα１～α３の初期濃度は、目標濃度分布データに基づいて設定されている。具体的には、目標濃度分布のピークを有する供給エリアα２の初期濃度は、目標濃度分布における当該供給エリアα２の平均濃度であり、その他の供給エリアα１、α３の初期濃度は、ゼロである。
すなわち、本実施形態の制御装置４０は、Ｃ１＝Ｃ３＝０且つＣ２＝Ｃ２_ｔとなるように材料ガス供給系ＧＳを制御する。なお、Ｃ１は第１エリアα１の材料ガス濃度であり、Ｃ２は第２エリアα２の材料ガス濃度であり、Ｃ３は第３エリアα３の材料ガス濃度である。また、Ｃ２_ｔは目標濃度分布における第２エリアα２の平均濃度である。

このように、初期制御態様において制御装置４０は、Ｑ１＝Ｑ２＝Ｑ３＝Ｑｓ、Ｃ１＝Ｃ３＝０、且つＣ２＝Ｃ２_ｔとなるように第１流体制御機器ＭＦＣ１及び第２流体制御機器ＭＦＣ２に目標流量を設定する（Ｍ１）。
なお、Ｑ１、Ｑ２、及びＱ３は、必ずしも同じ初期流量Ｑｓに設定されている必要はなく、それぞれ別の初期流量に設定されていても良い。また、Ｃ１及びＣ３は、少なくともＣ２_ｔよりも低い濃度であれば、必ずしもゼロである必要はないし、Ｃ１及びＣ３が必ずしも等しい必要もない。さらに、Ｃ２_ｔは、目標濃度分布における第２エリアα２の平均濃度に限らず、例えば目標濃度分布における第２エリアα２の最大濃度であっても良い。

次いで、流量調整部４３が、材料ガス供給系ＧＳを制御して、供給エリア別の材料ガス流量を調整する（Ｍ２、Ｍ２’）。
具体的に流量調整部４３は、二次元濃度算出部４２により算出される二次元濃度分布のピーク位置である実ピーク位置Ｒｐ_measを、目標濃度分布のピーク位置である目標ピーク位置Ｒｐ_ｔに近づけるように、材料ガス供給系ＧＳを制御する。なお、ここでの各ピーク位置Ｒｐ_meas、Ｒｐ_ｔは、内部空間Ｓの中心軸Ｏから各ピークまでの径方向に沿った距離である。

より具体的に説明すると、流量調整部４３は、目標濃度分布のピークが位置する第２エリアα２に隣り合う供給エリアの材料ガス流量を制御するように構成されており、具体的には第２エリアα２よりも内側、すなわち材料ガスの上流側に設定されている第１エリアα１の材料ガス流量を制御する。これにより、二次元濃度算出部４２により算出される二次元濃度分布のピークが、第２エリアα２内で移動する。

そこで、本実施形態の流量調整部４３は、実ピーク位置Ｒｐ_measが目標ピーク位置Ｒｐ_ｔに近づくように、第１エリアα１に対応して設けられた第１流体制御機器ＭＦＣ１や第２流体制御機器ＭＦＣ２に目標流量を設定する。なお、上述した初期制御態様において、第１エリアα１の初期濃度をゼロとしていることから、ここでの流量調整部４３は、第１流体制御機器ＭＦＣ１の目標流量をゼロとしたまま、第２流体制御機器ＭＦＣ２の目標流量を変更することになる。

このように第１エリアα１の材料ガス流量を調整することにより、実ピーク位置Ｒｐ_measと目標ピーク位置Ｒｐ_ｔとの差が所定距離を下回った場合、その調整後の材料ガス流量が、供給エリア別の材料ガス流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３として決定（固定）される（Ｍ３）。

一方、第１エリアα１の材料ガス流量Ｑ１の調整のみでは、実ピーク位置Ｒｐ_measと目標ピーク位置Ｒｐ_ｔとの差が所定距離を下回らない場合、流量調整部４３は、実ピーク位置Ｒｐ_measが目標ピーク位置Ｒｐ_ｔに近づくように、第２エリアα２の材料ガス流量Ｑ２や第３エリアα３の材料ガス流量Ｑ３を調整しても良い（Ｍ２’）。

続いで、濃度調整部４４が、材料ガス供給系ＧＳを制御して、供給エリア別の材料ガス濃度を調整する。
具体的に濃度調整部４４は、供給エリア別の材料ガス流量を変えることなく、供給エリア別の材料ガス濃度が、目標濃度分布における各供給エリア別の平均濃度に近づくように、材料ガス供給系ＧＳを制御する（Ｍ４）。これにより、二次元濃度算出部４２により算出される二次元濃度分布のピークや裾などの濃度値を変えることができる。

そこで、本実施形態の濃度調整部４４は、流量調整部４３により調整された供給エリア別の材料ガス流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を変えることなく、Ｃ１＝Ｃ１_ｔ、Ｃ２＝Ｃ２_ｔ、Ｃ３＝Ｃ３_ｔとなるように、第１流体制御機器ＭＦＣ１や第２流体制御機器ＭＦＣ２に目標流量を設定する。なお、Ｃ１_ｔ、Ｃ２_ｔ、Ｃ３_ｔは、目標濃度分布における供給エリアα１～α３それぞれの平均濃度である。

その後、濃度調整部４４は、二次元濃度算出部４２により算出される第１エリアα１の材料ガス濃度である第１算出濃度Ｃ１_measが、目標濃度分布における第１エリアα１の平均濃度である第１目標濃度Ｃ１_ｔに近づくように、第１エリアα１に対応する第１流体制御機器ＭＦＣ１及び第２流体制御機器ＭＦＣ２に設定する目標流量を例えばＰＩＤ制御する（Ｍ５）。なお、ここでの第１算出濃度Ｃ１_measは、第１エリアα１の平均濃度（算出平均濃度）であるが、例えば第１エリアα１のある点における代表濃度であっても良い。

また、濃度調整部４４は、二次元濃度算出部４２により算出される第２エリアα２の材料ガス濃度である第２算出濃度Ｃ２_measが、目標濃度分布における第２エリアα２の平均濃度である第２目標濃度Ｃ２_ｔに近づくように、第２エリアα２に対応する第１流体制御機器ＭＦＣ１及び第２流体制御機器ＭＦＣ２に設定する目標流量を例えばＰＩＤ制御する（Ｍ６）。なお、ここでの第２算出濃度Ｃ２_measは、第２エリアα２の平均濃度（算出平均濃度）であるが、例えば第２エリアα１のある点における代表濃度であっても良い。

さらに、濃度調整部４４は、二次元濃度算出部４２により算出される第３エリアα３の材料ガス濃度である第３算出濃度Ｃ３_measが、目標濃度分布における第３エリアα３の平均濃度である第３目標濃度Ｃ３_ｔに近づくように、第３エリアα３に対応する第１流体制御機器ＭＦＣ１及び第２流体制御機器ＭＦＣ２に設定する目標流量を例えばＰＩＤ制御する（Ｍ７）。なお、ここでの第３算出濃度Ｃ３_measは、第３エリアα３の平均濃度（算出平均濃度）であるが、例えば第３エリアα１のある点における代表濃度であっても良い。

その後、制御装置４０は、二次元濃度算出部４２により算出された各供給エリアαの平均濃度Ｃ１_meas～Ｃ３_measそれぞれと、目標濃度分布における各供給エリアαの平均濃度Ｃ１_ｔ～Ｃ３_ｔそれぞれとの例えば平方根二乗誤差等の差Ｅと、所定の閾値Ｅ_ｔｈとを比較して、差Ｅと閾値Ｅ_ｔｈと差分が所定値εを下回ったか否かを判断する（Ｍ８）。

そして、制御装置４０は、（Ｍ８）において差Ｅと閾値Ｅ_ｔｈとの差分が所定値εを下回っている場合には、濃度制御動作を終了し、（Ｍ８）において差Ｅと閾値Ｅ_ｔｈとの差分が所定値εを下回っていない場合には、（Ｍ５）～（Ｍ７）までの動作を繰り返す。

このように構成された濃度制御システム１００によれば、制御装置４０が、まず供給エリア別の材料ガス流量Ｑ１～Ｑ３を調整することにより、二次元濃度分布の実ピーク位置Ｒｐ_measを目標ピーク位置Ｒｐ_ｔ又はその近傍まで移動させることができ、その後、材料ガス流量Ｑ１～Ｑ３を固定したまま、供給エリア別の材料ガス濃度Ｃ１～Ｃ３を調整することにより、実ピーク位置Ｒｐ_measの位置を移動させずに或いは無視できる程度の移動に留まらせつつ、二次元濃度分布の実ピーク位置Ｒｐ_measや裾などの濃度値を変えることができる。
これにより、チャンバ１０に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所望の目標濃度分布に制御することが可能となり、例えばエッチング等の基板処理に資する。

また、供給エリアαが、中心エリアたる第１エリアα１と、環状エリアたる第２エリアα２、第３エリアα３とからなるので、材料ガス濃度を内部空間Ｓの中心部と外周部とのそれぞれで制御することができ、二次元濃度分布のピークを例えばチャンバ１０の中心部や外周部など、径方向における種々の位置に持たせることができ、二次元濃度分布をより所望の目標濃度分布に制御しやすくなる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図１０に示すように、前記実施形態の供給エリアαたる中心エリアα１及び環状エリアα２、α３が、チャンバ１０の周方向に分割された複数の分割エリアα１１～α１Ｎ、α２１～α２Ｎ、α３１～α３Ｎからなるものであり、これらの複数の分割エリアそれぞれに対応させた材料ガス供給系ＧＳを設けても良い。なお、Ｎは周方向の分割数である。

かかる構成において、制御装置４０としては、前記実施形態の濃度制御動作における（Ｍ８）の後に、材料ガス供給系ＧＳを制御して、分割エリア別の材料ガス濃度を調整することで、二次元濃度分布を目標濃度分布に制御しても良い。

より具体的に説明するべく、第２エリアα２を複数に分割した第１分割エリアα２１～第Ｎ分割エリアα２Ｎの濃度制御を取り上げて詳述する。
まず、濃度制御部４４は、図１１に示すように、二次元濃度算出部４２により算出される第１分割エリアα２１の材料ガス濃度である第１分割算出濃度Ｃ２１_measが、目標濃度分布における第１分割エリアα２１の平均濃度である第１分割目標濃度Ｃ２１_ｔに一致するように、第１分割エリアα２１に対応する第１流体制御機器ＭＦＣ１及び第２流体制御機器ＭＦＣ２に設定する目標流量を例えばＰＩＤ制御する（Ｋ１）。

そして、濃度制御部４４は、第１分割エリアα２１と同様の濃度制御を、第２分割エリアα２２～第Ｎ分割エリアα２８に対しても行う（Ｋ２）～（ＫＮ）。

その後、制御装置４０は、二次元濃度算出部４２により算出された各分割エリアα２１～２Ｎの平均濃度Ｃ２１_meas～Ｃ２Ｎ_measそれぞれと、目標濃度分布における各分割エリアα２１～２Ｎの平均濃度Ｃ２１_ｔ～Ｃ２Ｎ_ｔそれぞれとの例えば平方根二乗誤差等の差Ｅ２と、所定の閾値Ｅ２_ｔｈとを比較して、差Ｅ２と閾値Ｅ２_ｔｈと差分が所定値ε２を下回ったか否かを判断する（ＫＸ）。

そして、制御装置４０は、（ＫＸ）において差Ｅ２と閾値Ｅ２_ｔｈとの差分が所定値ε２を下回っている場合には、濃度制御動作を終了し、（ＫＸ）において差Ｅ２と閾値Ｅ２_ｔｈとの差分が所定値ε２を下回っていない場合には、（Ｋ１）～（ＫＮ）までの動作を繰り返す。

なお、制御装置４０としては、第１エリアα１を分割した複数の分割エリアα１１～α１Ｎや、第３エリアα３を分割した複数の分割エリアα３１～α３Ｎに対しても、第２エリアα２を分割した複数の分割エリアα２１～α２Ｎと同様の濃度制御をするように構成されていても良い。

このように、中心エリアや環状エリアを複数の分割エリアに細分化して、それらの分割エリアを濃度制御することにより、二次元濃度分布を前記実施形態よりもさらに細やかに制御することができる。

また、前記実施形態では、濃度制御動作を終了するか否かの判定（Ｍ８）において、各供給エリアαの平均濃度Ｃ１_meas～Ｃ３_measそれぞれと、目標濃度分布における各供給エリアαの平均濃度Ｃ１_ｔ～Ｃ３_ｔそれぞれとの平方根二乗誤差Ｅを用いていたが、必ずしもこれに限らず、例えば各供給エリアαの平均濃度Ｃ１_meas～Ｃ３_measそれぞれと、目標濃度分布における各供給エリアαの平均濃度Ｃ１_ｔ～Ｃ３_ｔそれぞれとの差｜Ｃ１_ｔ－Ｃ１_meas｜、｜Ｃ２_ｔ－Ｃ２_meas｜、｜Ｃ３_ｔ－Ｃ３_meas｜が、何れも所定の閾値以下になっている場合に濃度制御動作を終了するようにしても良い。

さらに、チャンバ１０としては、前記実施形態では外周面１１２が多角形状であったが、外周面１１２は三角形状、矩形状、円形状、楕円形状など適宜変更して構わない。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・濃度制御システム
１０ ・・・チャンバ
ＧＳ ・・・材料ガス供給系
Ｌ１ ・・・材料ガス供給路
Ｌ２ ・・・材料ガス排出路
Ｌ３ ・・・希釈ガス供給路
Ｓ ・・・内部空間
Ｐ１ ・・・供給ポート
ＭＦＣ１・・・第１流体制御機器
ＭＦＣ２・・・第２流体制御機器
１５ ・・・仕切部材
α ・・・供給エリア
２０ ・・・レーザ射出機構
３０ ・・・レーザ検出機構
４０ ・・・制御装置
４１ ・・・目標濃度分布受付部
４２ ・・・二次元濃度算出部
４３ ・・・流量調整部
４４ ・・・濃度調整部

Claims (11)

1. 基板を収容するチャンバ内に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所定の目標濃度分布に制御する濃度制御システムであって、
   前記チャンバ内に設定された複数の供給エリアそれぞれに対応して設けられた材料ガス供給系と、
   前記材料ガス供給系を制御することで、前記二次元濃度分布を前記目標濃度分布に制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置が、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス流量を調整した後、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス濃度を調整するように構成されている、濃度制御システム。
2. 前記目標濃度分布が一の前記供給エリアにピークを有しており、
   前記制御装置が、前記一の供給エリアと隣り合う他の前記供給エリアの材料ガス流量を調整して、二次元濃度分布のピークを前記一の供給エリア内で移動させる、請求項１記載の濃度制御システム。
3. 前記制御装置が、前記供給エリア別の材料ガス濃度を調整して、前記供給エリアそれぞれにおいて算出された算出平均濃度を、前記目標濃度分布における前記供給エリアそれぞれの目標平均濃度に近づけるように制御する、請求項１又は２記載の濃度制御システム。
4. 前記複数の供給エリアが、前記チャンバの中心部に設定された中心エリアと、その中心エリアを取り囲む少なくも１つの環状エリアとからなる、請求項１乃至３のうち何れか一項に記載の濃度制御システム。
5. 前記中心エリア及び前記環状エリアが、前記チャンバの周方向に分割された複数の分割エリアからなり、
   前記材料ガス供給系が、前記複数の分割エリアそれぞれに対応して設けられている、請求項４記載の濃度制御システム。
6. 前記制御装置が、前記材料ガス供給系を制御して、前記分割エリア別の材料ガス濃度を調整することで、前記二次元濃度分布を前記目標濃度分布に近づけるように制御する、請求項５記載の濃度制御システム。
7. 前記チャンバが、
   前記材料ガスが供給される内部空間を有したチャンバ本体と、
   前記内部空間を覆うとともに、前記各供給エリアに対応した複数の供給ポートが形成された蓋部材と、
   前記蓋部材の前記内部空間側に設けられ、前記複数の供給ポートを仕切る仕切部材とを有する、請求項１乃至６のうち何れか一項に記載の濃度制御システム。
8. 前記ガス供給系が、
   前記各供給エリアそれぞれに接続された材料ガス供給路と、
   前記各材料ガス供給路に設けられた第１流体制御機器と、
   前記各材料ガス供給路に接続された希釈ガス供給路と、
   前記各希釈ガス供給路に設けられた第２流体制御機器とを有している、請求項１乃至７のうち何れか一項に記載の濃度制御システム。
9. 前記チャンバの周壁に形成された入射窓に向かって前記チャンバの周囲の複数箇所からレーザ光を射出するレーザ射出機構と、
   前記複数箇所から射出されて前記チャンバ内を通過し、前記チャンバの周壁に形成された射出窓から射出する各レーザ光を検出するレーザ検出機構と、
   前記レーザ検出機構により検出された前記各レーザ光の光強度信号を取得するとともに、その光強度信号に基づいて、前記チャンバ内における前記材料ガスの二次元濃度分布を算出する二次元濃度分布算出部とを有している、請求項１乃至８のうち何れか一項に記載の濃度制御システム。
10. 基板を収容するチャンバ内に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所定の目標濃度分布に制御する濃度制御システムに用いられるプログラムであって、
    前記濃度制御システムが、前記チャンバ内に設定された複数の供給エリアそれぞれに対応して設けられた材料ガス供給系と、前記材料ガス供給系を制御することで、前記二次元濃度分布を前記目標濃度分布に制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置に、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス流量を調整させた後、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス濃度を調整させる、濃度制御プログラム。
11. 基板を収容するチャンバ内に供給される材料ガスの二次元濃度分布を所定の目標濃度分布に制御する方法であり、前記チャンバ内に設定された複数の供給エリアそれぞれに対応して設けられた材料ガス供給系を制御することで、前記二次元濃度分布を前記目標濃度分布に制御する濃度制御方法であって、
    前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス流量を調整した後、前記材料ガス供給系を制御して前記供給エリア別の材料ガス濃度を調整する、濃度制御方法。