DE3901017A1

DE3901017A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung des schichtabtrags bei einem trockenaetzprozess

Info

Publication number: DE3901017A1
Application number: DE3901017A
Authority: DE
Inventors: Knut Dr Enke; Gerd Dr Hoffmann; Ingo Dr Hussla; Gerhard Lorenz
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1989-01-14
Filing date: 1989-01-14
Publication date: 1990-07-19
Also published as: US4948259A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Schichtabtrags bei einem Trockenätzpro zeß mit einer elsten Elektrode, die mit dem zu ätzenden Substrat in elektrischer Verbindung steht, sowie mit einer zweiten Elektrode, die oberhalb der ersten Elektrode ange ordnet ist, wobei sich beide Elektroden innerhalb einer Prozeßkammer befinden.

Es ist bekannt, zur Überwachung des Schichtabtrags Emis sionsspektrometer zu verwenden, wobei die Lichtemission von Atomen, die dem zu ätzenden Schichtmaterial zugeordnet sind, mittels des Emissionsspektrometers beobachtet werden. Das Verschwinden dieses Signals ist mit dem Ätzendpunkt identisch.

Ferner ist beim Ätzen von transparenten Schichten die Verwendung von optischen Reflektometern bekannt, die ein über die Zeit periodisches Signal erzeugen, das so lange einen gleichmäßigen Wellenverlauf zeigt, wie der Ätzprozeß noch in Gang ist. Bei Erreichen des Ätzendpunktes geht das Signal des Reflektometers entweder in einen konstanten Wert über oder in ein periodisches Signal einer anderen Fre quenz. Letzteres ist der Fall, wenn sich unter der zu ätzenden Schicht eine weitere transparente Schicht befin det, für die die Ätzgeschwindigkeit (Ätzrate) einen anderen Wert hat als die zuerst zu ätzende Schicht. Üblicherweise weist das Signal beim Übergang von der ersten zur zweiten Schicht einen Knick auf, der elektronisch detektiert werden kann. In Grenzfällen kann dieser Knick aber sehr schwach ausgebildet sein, so daß ein herkömmlicher elektrischer Schaltkreis überfordert ist, diesen Knick eindeutig zu erkennen.

Ein anderer, mindestens ebenso häufig vorkommender Fall liegt vor, wenn zum Zwecke einer Stlukturierung eine transparente Maske, z. B. ein belichteter und entwickelter Fotolack mit definierten Lücken auf der zu ätzenden trans parenten Schicht liegt. In diesem Fall werden nicht nur die zu ätzende Schicht an den Lücken der Maske abgetragen, sondern auch die Maskenteile. Die Geschwindigkeiten, mit denen Schicht und Maske während des Ätzprozesses dünner werden, unterscheiden sich in aller Regel voneinander, so daß das Signal des Fotometers die Überlagerung zweier verschiedener Interferenzsysteme darstellt. Das bedeutet, daß in erster Näherung die Summe von zwei sinusähnlichen Signalen mit unterschiedlicher Frequenz und Amplitude angezeigt wird. Dieser etwas kompliziertere Signalverlauf ändert sich ebenfalls dann, wenn die zu ätzende Schicht zu Ende geätzt ist. Es bleibt dann das sinusähnliche Signal der Maske übrig, und es kann ein neues Signal einer unter der zu Ende geätzten Schicht liegenden weiteren transparen ten Schicht auftauchen. Aus diesem Gewirr von sich gegen seitig überlagernden wellenförmigen Signalen denjenigen Zeitpunkt herauszufinden, an dem eines von zwei Teilsigna len verschwindet und ein weiteres erscheint, ist für den Operateur einer Ätzapparatur fast immer sehr schwer und in vielen Fällen einfach unmöglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das einer Plasmaätzmaschine ein Signal zur Verfügung stellt, das den Ätzprozeß genau dann abschaltet, wenn der Prozeß, eine Schicht durchzuätzen, abgeschlossen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein außer halb der Prozeßkammer gehaltenes, an sich bekanntes, auf das Substrat in der Prozeßkammer ausgerichtetes optisches Fotometer, dessen Signale von einem elektrischen Schalt kreis verstärkt und im Wege einer Fourier-Transformation aufbereitbar und anzeigbar sind.

Zweckmäßigerweise sind die auf das Substrat aufgetragenen, transparenten Schichten vom Fotometer erkennbar, wobei die während des Ätzprozesses der oberen Schichten empfangenen periodischen, im wesentlichen in Amplitude und Frequenz konstanten Signale vom elektrischen Schaltkreis registrier und vergleichbar sind, wobei der Zeitpunkt, zu dem Ampli tude und Frequenz als stark voneinander abweichende Signale empfangen werden, vom elektrischen Schaltkreis als Durch tritt von der einen zur anderen Schicht erkannt und ange zeigt wird.

Dabei ist der Empfang von Signalen, die hinsichtlich Wel lenlänge und/oder Frequenz von vorher empfangenen Signalen abweichen, über ein Fourier-Transformationsprogramm so verarbeitbar, daß der Zeitpunkt des Durchtritts durch die zu ätzende Schicht bestimmbar wird.

Mit Vorteil stellen die in zeitlich kurzer Reihenfolge vom Fotometer empfangenen Signale mit Hilfe eines elektrischen Schaltkreises den Kurvenverlauf des Ätzprozesses auf einem Datenschreiber dar, wobei das hierzu notwendige Programm in einem
ersten Rechenschritt mehrere vom Fotometer gelesene Datenpunkte bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt im elektrischen Schaltkreis speichert, so daß über eine Fourier-Transformation die Amplitude einer Frequenz erhalten wird, in einem
zweiten Rechenschritt die Anzahl der Daten um einen Punkt verringert und eine zweite Fourier-Transforma tion durchgeführt wird, in einem
dritten Rechenschritt die Anzahl der Datenpunkte um einen weiteren Punkt erhöht und eine dritte Fourier- Transformation durchgeführt und in einem
vierten Rechenschritt über das Programm die Frequenz mit der maximalen Amplitude ermittelt und in einem
fünften Rechenschritt ein weiterer Datenpunkt zu den bereits vorhandenen addiert und gleichzeitig der zu erst gespeicherte Datenpunkt eliminiert wird, wonach mit diesem auf der Zeitachse um einen Datenpunkt wei tergereichten Datensatz eine Frequenzsuche durchge führt wird, also bezüglich der Datenaufnahme über die Reflexionskurve ein Zeitfenster gelegt wird, welches in Richtung der Zeitachse fortschreitet und in einem
sechsten Rechenschritt die Amplitudenänderung ermit telt wird, die den Übergang des kurzwelligen in ein langwelliges Signal anzeigt und damit die Endpunkt kurven bestimmt.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die minde stens eine Meßlichtquelle mit einem zugeordneten Empfänger, beispielsweise ein Fotometer, und einen elektrischen Schaltkreis für die Verarbeitung der Empfängersignale auf weist, ist so ausgebildet, daß der optomechanische Teil des Fotometers außerhalb der Prozeßkammer und oberhalb einer verglasten, jedoch druckdichten Öffnung angeordnet ist, wobei der Lichtstrom des Strahlungsgebers des Fotometers durch die verglaste Öffnung hindurch und auf das Substrat fällt und von diesen auf den zugehörigen Strahlungsempfän ger reflektiert wird, der ebenfalls außerhalb der Prozeß kammer und oberhalb derselben oder einer separaten ver glasten und druckdichten Öffnung angeordnet ist.

Damit der Lichtstrom des Strahlungsgebers unbehindert das Substrat erreichen kann, weist die zweite, oberhalb des Substrats angeordnete Elektrode eine Öffnung oder Ausneh mung für den Durchtritt des Lichtstroms des Fotometers auf. Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglich keiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen rein schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt das Signal eines Reflektometers (beispiels weise eines Fotometers vom Typ OMS 1000/2 der Leybold AG) in Abhängigkeit von der Zeit, wie es während des Ätzens einer über einer transparenten Schicht liegenden, ebenfalls transparenten Schicht von einem Kompensationsschreiber gezeichnet wird.

Zum Zeitpunkt Null wird ein Kompensationsschreiber gestar tet. Zum Zeitpunkt t _A beginnt der Ätzprozeß. Man erkennt ein über die Zeit periodisches Signal, das einer Sinus schwingung nicht unähnlich ist. Bis zum Zeitpunkt t _E ist dieses Signal in Amplitude und Frequenz nahezu konstant. Vom Zeitpunkt t _E an geht das Signal plötzlich in ein anderes Signal über, das im dargestellten Beispiel in der Amplitude geringer und in der Frequenz ebenfalls gelinger ist.

Die beiden sinusähnlichen Schwingungen unterschiedlicher Flequenz kommen dadurch zustande, daß, während die oberste Schicht geätzt wird, die unterste Schicht natürlich durch die oberste Schicht vom Ätzprozeß abgeschirmt bleibt und sich in ihrer Dicke dadurch nicht ändert. Wenn die oberste Schicht durch das Ätzen entfernt ist, fängt auch die dar unterliegende Schicht an, dünner zu werden, in der Regel mit niedrigerer Geschwindigkeit. Das äußert sich in einer größeren Wellenlänge bzw. einer niedrigeren Frequenz des Fotometersignals. Aufgabe des Fourier-Transformationspro gramms ist es, den Zeitpunkt t _E so genau wie möglich zu bestimmen. Dieses Rechenprogramm erhält zur Verarbeitung Daten vom Fotometer. Diese Daten müssen zeitlich so kurz aufeinander folgen, daß man aus ihnen eindeutig den Kurven verlauf des zu verarbeitenden Signals rekonstruieren kann. Das bedeutet, daß innerhalb eines Zeitraumes zwischen zwei Maxima oder Minima mindestens zwei Datenpunkte liegen müssen. Das Rechenprogramm (beispielsweise eines Rechners der Fa. IBM des Typs AT 03) wird dazu so gesteuert, daß es zunächst mehrere Datenpunkte hintereinander speichert bis zu einem Zeitpunkt, der vom Operateur vorgegeben wird. Dann führt das Programm die Fourier-Transformation durch, so daß die Amplitude einer Frequenz erhalten wird.

Ein Wesen der Fourier-Transformation liegt nun darin, daß die Frequenzauflösung des erhaltenen Spektrums von der Anzahl der in einem bestimmten Zeitintervall genommenen Datenpunkte abhängt. Es wird also beim ersten Durchgang der Fourier-Transformation nicht die exakte Frequenz des periodischen Signals erhalten. Deshalb ist es erforderlich, die Anzahl der Daten zunächst um einen Punkt zu verringern, eine weitere Fourier-Transformation durchzuführen, dann die Anzahl der Datenpunkte um einen weiteren Punkt zu erhöhen, ebenfalls eine Fourier-Transformation durchzuführen und dann das Programm nach derjenigen Frequenz suchen zu lassen, bei der die Amplitude maximal ist. Diese so erhal tene Frequenz wird nun als die "wahre" Frequenz angesehen, nach der gesucht wurde.

Der nächste Schritt des Programms besteht darin, einen weiteren Datenpunkt hinzuzunehmen und dafür den ersten Datenpunkt wegzulassen. Mit diesem auf der Zeitachse um einen Datenpunkt weitergerückten Datensatz wird wiederum die Frequenzsuche vorgenommen. Das bedeutet also, daß man bezüglich der Aufnahme von Daten über die Reflexionskurve ein Zeitfenster legt, welches in Richtung Zeitachse fort schreitet. Solange sich das Signal in seiner Struktur, d. h. in seiner Frequenz nicht ändert, wird am Ende des Frequenzsuchteils des Computerprogramms eine nahezu kon stante Zahlenfolge erscheinen. In dem Moment aber, zu dem das kurzwellige Signal in ein langwelliges Signal übergeht, ändert sich die Amplitude, wie sie vom Fourier-Transforma tionsplogramm ausgegeben wird.

Fig. 2 zeigt die so gewonnene Endpunktkurve. Da das Zeit fenster aus den anfangs genannten Gründen aber nicht belie big schmal gewählt werden kann, erfolgt der Übergang der Datenpunkte zum Zeitpunkt t _E bezüglich der vom Programm ausgegebenen Frequenz aber nicht abrupt, sondern mit einem zeitlichen Übergang, der der Breite des Zeitfensters ent spricht.

Dieser kontinuierliche Übergang eines Signals in ein ande res kann aber durchaus toleriert werden, da der Vorteil einer größeren Eindeutigkeit dieses Verfahrens gegenüber anderen Verfahren gegeben ist. Ein weiterer Teil des Com puterprogramms wird nun so gestaltet, daß, wenn eine bestimmte vorgegebene Abweichung von der ermittelten Fre quenz über- oder unterschritten wird, ein Signal ausgegeben wird, das dazu dient, den Ätzprozeß abzuschalten. Das kann z. B. so aussehen, daß der den Ätzprozeß steuernde Sender der Ätzmaschine abgeschaltet wird.

Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Überwachung des Schichtabtrags beim Trockenätzprozeß besteht im wesentlichen aus einer allseits geschlossenen Prozeßkammer 6, die mit einer Turbopumpe 14 verbunden ist, wobei der Verbindungsstutzen 21 zwischen Prozeßkammer 6 und Turbopumpe 14 vom Ventilkörper 22 eines Hochvakuum-Ventils 16 verschließbar ist, einem Prozeßgaseinlaß 15, einer ersten Elektrode (Kathode) 3, auf der Substrate 4, 4′ ablegbar sind und die mit einem Anpassungsnetzwerk 13 elektrisch verbunden ist, einer zweiten Elektrode (Anode) 5, deren Abstand zur ersten Elektrode 3 veränderbar ist, einem Druckmesser 23, dem aus der Meßlichtquelle 7 und dem Meßlichtempfänger 10 bestehenden optomechanischen Teil des Fotometers 9 und schließlich dem elektronischen Teil 17 des Fotometers 9, dem Rechner 18 und dem Datenschreiber 19. Der in der Kammer 6 ablaufende Prozeß des Sputterätzens stellt praktisch die Umkehrung des Sputterns dar. Die Substrate 4, 4′, ... werden auf die Kathode 3 gelegt und durch Ionen beschuß abgetragen (abgeätzt). In der Regel werden HF-Zer stäubungsanlagen dazu verwandt. Diese Technik erlaubt das exakte Ätzen sehr feiner Konturen; kann aber auch zur Reinigung der Substrate 4, 4′, ... benutzt werden.

Auflistung der Einzelteile:

3 erste Elektrode (Kathode)
4, 4′ Substrat
5 zweite Elektrode (Anode)
6 Prozeßkammer
7 optomechanischer Teil des Fotometers,
Meßlichtquelle
8 elektrischer Schaltkreis
9 Fotometer
10 Empfänger, Sensor
11 Fenster, verglaste Öffnung
12 Fenster, verglaste Öffnung
13 Anpassungsnetzwerk
14 Pumpe, Turbopumpe
15 Prozeßgaseinlaß
16 Hochvakuum-Ventil
17 elektronischer Teil
18 Rechner, Auswerteelektronik,
elektrischer Schaltkreis
19 Datenschreiber
20 Öffnung, Ausnehmung
21 Verbindungsstutzen
22 Ventilkörper
23 Druckmesser

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Schicht abtrags bei einem Trockenätzprozeß mit einer ersten Elektrode (3), die mit dem zu ätzenden Substrat (4, 4′) in elektrischer Verbindung steht, sowie mit einer zweiten Elektrode (5), die oberhalb der ersten Elek trode (3) angeordnet ist, wobei sich beide Elektroden (3 bzw. 5) innerhalb einer Prozeßkammer (6) befinden, gekennzeichnet durch ein außerhalb der Prozeßkammer (6) gehaltenes, an sich bekanntes, auf das Substrat (4, 4′) in der Plozeßkammer (6) ausgerichtetes opti sches Fotometer (9), dessen Signale von einem elek trischen Schaltkreis (17, 18, 19) verstärkbar und im Wege einer Fourier-Transformation aufbereitbar und anzeigbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Substrat (4, 4′) aufgetragenen, transpa renten Schichten vom Fotometer (9) detektierbar sind, wobei die während des Ätzprozesses der oberen Schicht empfangenen periodischen, im wesentlichen in Amplitude und Frequenz konstanten Signale von einem elektrischen Schaltkreis (17, 18, 19) registrier- und vergleichbar sind, wobei der Zeitpunkt, zu dem Amplitude und Fre quenz als stark von den vor diesem Zeitpunkt angezeig ten Signale abweichende Signale empfangen werden, vom elektrischen Schaltkreis (17, 18, 19) als der Durch tritt von der einen zur anderen Schicht erkannt und angezeigt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Empfang von Signalen, die hinsicht lich Wellenlänge und/oder Frequenz von vorher empfan genen Signalen abweichen, vom elektrischen Schaltkreis (17, 18, 19) über ein Fourier-Transformationsprogramm so verarbeitbar sind, daß der Zeitpunkt (t _E) des Durchtritts durch die zu ätzende Schicht bestimmbar wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die in zeitlich kurzer Reihenfolge vom Fotometer (9) empfangenen Signale mit Hilfe eines elektrischen Schaltkreises (17, 18, 19) den Kurvenver lauf des Ätzprozesses auf einem Datenschreiber (19) darstellen, wobei das hierzu notwendige Programm in einem
ersten Rechenschritt mehrere vom Fotometer (9) gelesene Datenpunkte bis zu einem vorgegebenen Zeitpunkt im elektrischen Schaltkreis (18) spei chert, so daß über eine Fourier-Transformation die Amplitude einer Frequenz erhalten wird, in einem
zweiten Rechenschritt die Anzahl der Daten um einen Punkt verringert und eine zweite Fourier- Transformation durchgeführt wird, in einem
dritten Rechenschritt die Anzahl der Datenpunkte um einen weiteren Punkt erhöht und eine dritte Fourier-Transformation durchgeführt und in einem
vierten Rechenschritt über das Programm die Fre quenz mit der maximalen Amplitude ermittelt und in einem
fünften Rechenschritt ein weiterer Datenpunkt zu den bereits vorhandenen addiert und gleichzeitig der zuerst gespeicherte Datenpunkt eliminiert wird, wonach mit diesem auf der Zeitachse um einen Datenpunkt weitergereichten Datensatz eine Frequenzsuche durchgeführt wird, also bezüglich der Datenaufnahme über die Reflexionskurve ein Zeitfenster gelegt wird, welches in Richtung der Zeitachse fortschreitet und in einem
sechsten Rechenschritt die Amplitudenänderung ermittelt wird, die den Übergang des kurzwelligen in ein langwelliges Signal anzeigt und damit die Endpunktkurven bestimmt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus mindestens einer Meßlichtquelle (7) mit einem zugeordneten Empfänger (10), beispielsweise einem Fotometer (9), und einem elektrischen Schaltkreis (17, 18, 19) für die Verar beitung der Empfängersignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßlichtquelle (7) außerhalb der Prozeßkammer (6) und oberhalb einer verglasten, jedoch druckdichten Öffnung (11) angeordnet ist, wobei der Lichtstrom durch die verglaste Öffnung (11) hindurch und auf das Substrat (4) gerichtet ist und von diesem auf den zugehörigen Strahlungsempfänger (10) reflektierbar ist, der ebenfalls außerhalb der Prozeßkammer (6) und oberhalb derselben oder einer weiteren separaten, verglasten und druckdichten Öffnung (12) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, oberhalb des Substrats (4, 4′) ange ordnete Elektrode (5) eine Öffnung oder Ausnehmung (20) für den Durchtritt des Lichtstroms der Meßlicht quelle (7) aufweist.