DE69534214T2

DE69534214T2 - System zur Prozessüberwachung von Schichtdicken

Info

Publication number: DE69534214T2
Application number: DE69534214T
Authority: DE
Inventors: Akira Osaka-shi SHIOKAWA; Hideaki Hirakata-shi YASUI; Koichi Miyakojima-ku Kotera; Yuuji Kadoma-shi Mukai; Hiroyoshi Kyoto-shi Tanaka; Takashi Hirao
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-11-01
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2015-11-01
Also published as: KR100216898B1; KR960019498A; JPH0913171A; EP0710830B1; EP0710830A2; JP3308135B2; US5684574A; DE69534214D1; EP0710830A3

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Prozeßüberwachung von Schichtdicken und ein Verfahren zur direkten Steuerung einer Schichtdicke in einer Schichtbildungsvorrichtung.
In der Halbleiterindustrie ist die Bildung einer Dünnschicht mit Hilfe einer Schichtbildungsvorrichtung unentbehrlich. In letzter Zeit ist eine Steuerung der Schichtdicke mit hoher Präzision immer notwendiger geworden. Hauptsächlich ist ein Verfahren angewandt worden, bei dem die Schichtdicke durch Off-line-Geräte gemessen wird und die Schichtbildungszeit in Abhängigkeit von der Beziehung zu Betriebsparametern während der Schichtbildung eingestellt und verwaltet wird, um die Schichtdicke in der Schichtbildungsvorrichtung nach dem Stand der Technik zu steuern. Als ein Beispiel eines Prozeßüberwachungssystems für die Schichtdicke ist ein Überwachungssystem mit Verwendung eines Quarzoszillators bekannt. In einer Vakuumbedampfungsvorrichtung wird die Steuerung der Schichtdicke manchmal nach dem Atomabsorptionsverfahren ausgeführt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nachstehend eine Einrichtung zur Steuerung der Schichtbildungsgeschwindigkeit nach dem Atomabsorptionsverfahren in der Vakuumbedampfungsvorrichtung nach dem Stand der Technik beschrieben. 18 zeigt ein Strukturschema, in dem eine Lichtquelle 1 und ein Photodetektor 3 isoliert und an der Außenfläche einer Vakuumkammer 6 befestigt sind. Der Photodetektor 3 weist ein optisches Filter 2 auf, das nur Licht mit einer charakteristischen Wellenlänge von Flugteilchen durchläßt. In der Vakuumkammer 6 sind eine Schichtbildungsteilchenquelle 4 und ein Substrat 5 für die Schichtbildung untergebracht. Vorgesehen sind ein Komparator 7 zum Vergleich des Ausgangssignals des Photodetektors 3 mit einer voreingestellten Spannung, ein Stromversorgungsgerät 8, zu dem das Vergleichsergebnis rückgekoppelt wird, und andere Einheiten.
Wenn von der Stromversorgung 8 ein vorgegebener Energiebetrag der Schichtbildungsteilchenquelle 4 in der Vakuumkammer 6 zugeführt wird, dann wird das Schichtbildungsmaterial verdampft, und es werden Teilchen herausgeschleudert. Die so herausgeschleuderten Teilchen haften an dem Substrat 5 an und bilden eine Schicht. Wenn bei diesem Verfahren ein Strahl 9 mit der charakteristischen Wellenlänge des verdampften Materials von der Lichtquelle 1 eingestrahlt wird und einen Teilchenflugbereich in der Vakuumkammer 6 durchläuft, verringert sich die Intensität der charakteristischen Wellenlänge in Abhängigkeit von der Anzahl (Dichte) der in dem Strahl 9 vorhandenen Teilchen. Die Abnahmegeschwindigkeit, d. h. das Absorptionsvermögen, ist eng mit der Materialmenge korreliert, die von der Schichtbildungsteilchenquelle 4 pro Zeiteinheit verdampft wird, d. h. mit einer Schichtbildungsgeschwindigkeit.
Die Intensität von Licht nach dem Durchgang durch den Teilchenflugbereich in der Vakuumkammer 6 und dann durch das optische Filter 2 wird durch den Photodetektor 3 erfaßt. Das Absorptionsvermögen erhält man aus dem Verhältnis der während der Verdampfung erfaßten Lichtintensität zu der Intensität, die direkt vor Beginn der Verdampfung erfaßt wird. Der Komparator 7 vergleicht das während der Verdampfung ermittelte Absorptionsvermögen mit einem Bezugsabsorptionsvermögen, das der gewünschten Schichtbildungsgeschwindigkeit entspricht, die zuvor durch ein Experiment ermittelt wird. Wenn das erfaßte Absorptionsvermögen größer als der ermittelte Wert ist, wird die zugeführte Leistung verringert. Wenn das erfaßte Absorptionsvermögen kleiner als der ermittelte Wert ist, wird die zugeführte Leistung erhöht. Daher wird die Stromversorgung so gesteuert, daß die Schichtbildungsgeschwindigkeit innerhalb eines konstanten Bereichs gehalten wird. Infolgedessen ist es möglich, eine Schicht mit vorgegebener Dicke innerhalb der voreingestellten Zeit zu bilden. Wenn äußeres Licht mit dem durch den Photodetektor 3 empfangenen Strahl vermischt wird, entsteht ein Rauschen. Das Rauschen wird auf die folgende Weise abgesenkt bzw. unterdrückt. Genauer gesagt, eine Stromquelle 10 zum Betrieb der Lichtquelle 1 erzeugt und verstärkt eine Rechteckwelle mit TTL-Pegel bei einer vorgegebenen Frequenz. So wird die Rechteckwelle in den Betriebsstrom für die Lichtquelle 1 umgewandelt und außerdem zu einem Phasendetektor 11 übertragen. Der Phasendetektor 11 gibt die Rechteckwelle als Bezugssignal ein und erfaßt die Phase eines vom Photodetektor 3 übermittelten Signals, um ein Signal, das während der Ansteuerung der Lichtquelle 1 erfaßt wird, von einem Signal zu unterscheiden, daß ohne Ansteuerung der Lichtquelle 1 erfaßt wird. Auf diese Weise werden die Rauschkomponenten unterdrückt.
Die obenerwähnte Vorrichtung nach dem Stand der Technik weist jedoch das folgende Problem auf, das zu lösen ist. Genauer gesagt, wenn die charakteristischen Parameter der Schichtbildungsvorrichtung und die Anordnung des Überwachungssystems festgelegt werden, läßt sich Beziehung zwischen dem Absorptionsvermögen und der Schichtbildungsgeschwindigkeit ermitteln, wie in 19 dargestellt. Wie aus 19 erkennbar, nimmt das Absorptionsvermögen mit zunehmender Schichtbildungsgeschwindigkeit in einem Bereich mit vergleichsweise kleiner Schichtbildungsgeschwindigkeit stark ab, während sich die Änderung des Absorptionsvermögens verringert, wenn die Schichtbildungsgeschwindigkeit ein gewisses Niveau übersteigt. Folglich ist es schwierig, einen Zustand zu erreichen, in dem das Absorptionsvermögen der Schichtbildungsgeschwindigkeit mit hoher Genauigkeit entspricht.
Wenn das System nach dem Stand der Technik auf eine Vorrichtung mit hoher Energie der Flugteilchen angewandt wird, wie z. B. eine Sputtervorrichtung, wird ein starkes Anregungslicht erzeugt, das die gleiche Wellenlänge wie die charakteristische Wellenlänge der Flugteilchen aufweist. Das so erzeugte Anregungslicht ist eine große Rauschquelle. Folglich wird auch bei Ausführung des Phasenvergleichs zur Unterdrückung von Rauschkomponenten das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich herabgesetzt, und der Dynamikbereich wird reduziert. Nach dem Verfahren zur Unterdrückung von Rauschkomponenten mit Anwendung des einfachen Phasenvergleichs ist die vollständige Unterdrückung des Rauschens schwierig.
Außerdem wird die von der Lichtquelle 1 emittierte Lichtintensität mit der Zeit instabil. An dem Fenster der Va kuumkammer 6, durch das der Strahl 9 durchgelassen wird, haften Teilchen an, so daß sich die Durchlässigkeit des Fensters vermindert. Folglich wird die vom Detektor 3 erfaßte Lichtintensität kleiner als der zu erfassende Wert. Wenn das Steuerungssystem für die Schichtbildungsgeschwindigkeit nach dem Stand der Technik als Prozeßüberwachungseinrichtung für die Schichtdicke eingesetzt wird, bereiten die obenerwähnten Probleme Schwierigkeiten.
Wenn, wie oben beschrieben, das Ausgangssignal der Stromquelle 10 periodisch ein- und ausgeschaltet wird, um die Lichtquelle 1 impulsartig anzusteuern oder sie mittels einer Stromquelle mit hoher Wechselspannung sinusförmig anzusteuern und durch äußeres Licht oder dergleichen erzeugte Rauschkomponenten zu unterdrücken, wird die Lichtintensität der Lichtquelle mit der Zeit leicht instabil. Wenn außerdem eine Steuerfrequenz erhöht wird, um die Meßgenauigkeit zu erhöhen, wird die Wellenform der Lichtintensität der Lichtquelle leicht verzerrt.
Eine Hohlkathodenlampe, welche die Elemente nutzt, aus denen die Flugteilchen bestehen, ist als Lichtquelle nicht gebräuchlich. Wenn eine Legierung als Target zur Bildung einer Schicht verwendet wird, die mehrere Arten von Elementen aufweist, kann das Komponentenverhältnis der jeweiligen Elemente nicht erzielt werden. Wenn mehrere Gruppen von Lichtquellen und Detektoren eingesetzt werden, lassen sich die Komponentenverhältnisse mehrerer Teilchenarten nachweisen. Die Anzahl der Öffnungen, durch die Licht in die Schichtbildungsvorrichtung eintreten kann, ist jedoch gewöhnlich begrenzt. Außerdem ist der Platz für Öffnungen beschränkt.
Im Fall eines Überwachungssystems mit Verwendung eines Quarzoszillators können die herausgeschleuderten bzw. fliegenden Teilchen überhaupt nicht spezifiziert werden. Wenn ferner das Überwachungssystem in einem Sputtersystem bereitgestellt wird, hat der Quarzoszillator eine kurze Lebensdauer. Aus diesem Grunde muß das Überwachungssystem häufig ausgetauscht werden. Wenn das Überwachungssystem ständig eingesetzt wird, erhöht sich die Temperatur des Oszillators selbst, so daß eine Meßwertverschiebung auftritt. Daher ist ein Dauereinsatz des Überwachungssystems schwierig.
US-A-4 381 894 offenbart ein Schichtbildungssystem, das eine Prozeßüberwachungseinrichtung für die Schichtdicke aufweist, wobei die Schichtdickenüberwachungseinrichtung aufweist: eine Lichtquelle, die einen Lichtstrahl emittiert, der durch in dem Schichtbildungssystem verdampfende Flugteilchen absorbierbare Spektrallinien und durch die verdampfenden Flugteilchen nicht absorbierbare Spektrallinien enthält, einen Strahlteiler zum Aufteilen des von der Lichtquelle emittierten Strahls in einen Sondierungsstrahl, der einen Teilchenflugbereich durchläuft, und einen Vergleichsstrahl, der den Teilchenflugbereich nicht durchläuft, einen Sondierungsstrahldetektor, einen Vergleichsstrahldetektor und optische Filter, um selektiv absorbierbare oder nicht absorbierbare Spektrallinien zu den Detektoren durchzulassen. Die Schichtbildungsgeschwindigkeit wird aus den Signalen geschätzt, die durch den Vergleichsstrahldetektor und den Sondierungsstrahldetektor gemessen werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehenden Probleme mit Hilfe eines verfahrensintegrierten Schichtdickenüberwachungssystems und -verfahrens zu lösen, wobei das System in einem großen Bereich der Schichtbildungsrate eingesetzt werden kann und eine hochgenaue Überwachung in einer Atmosphäre, wie beim Sputtern, möglich ist, wo ein hoher Lichtpegel als Untergrundstrahlung mit der gleichen Wellenlänge wie die charakteristische Wellenlänge der fliegenden Teilchen erzeugt wird. Damit erhält man die zweidimensionale Schichtdicken-Verteilung für jedes Element, und das System kann über einen langen Zeitraum hinweg eingesetzt werden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Schichtdickenprozeßüberwachungssystem ferner einen Strahlunterbrecher zur Unterbrechung eines Strahls vor dem Durchgang durch den Strahlteiler und ein elektrisches Filter zum Abschneiden einer niederfrequenten Komponente des Sondierungssignals auf, die zumindest niedriger ist als eine Unterbrechungsfrequenz, wobei der Datenprozessor den Einfluß von Rauschkomponenten des Sondierungssignals und die Lichtintensitätsschwankung der Lichtquelle unterdrückt, aus dem Intensitätsverhältnis des Sondierungsstrahls zum Vergleichsstrahl ein Absorptionsvermögen berechnet, das einer Schichtbildungsgeschwindigkeit entspricht, und durch Integration des Absorptionsvermögens über die Zeit, während der die Schichtbildung erfolgt, eine Schichtdicke berechnet.
In dem Schichtbildungssystem ist eine Abschirmplatte mit einer Öffnung von geeigneter, der Schichtbildungsgeschwindigkeit entsprechender Größe, von einer Schichtbildungsteilchenquelle aus gesehen, auf der Rückseite oder auf der gleichen Oberfläche eines Schichtbildungssubstrats angebracht, so daß der Sondierungsstrahl an der Rückseite der Öffnung oder an der Rückseite des Schichtbildungssubstrats durchläuft. Daher kann das Schichtdickenprozeßüberwachungssystem auch bei hoher Schichtbildungsgeschwindigkeit, wie in einem Sputterverfahren, eingesetzt werden.
Vorzugsweise verursachen die Lichtquelle und der Strahlteiler den Durchgang mehrerer Sondierungsstrahlen durch verschiedene Stellen im Teilchenflugbereich, der Photodetektor mißt die Intensität der Sondierungsstrahlen, die den Teilchenflugbereich durchlaufen haben, und der Datenprozessor schätzt die zweidimensionale Verteilung der Schichtbildungsgeschwindigkeit oder der Schichtdicke auf der Basis mehrerer Sondierungssignale und Vergleichssignale, die vom Photodetektor ausgegeben werden.
Vorzugsweise wird ein Spektrometer bereitgestellt, das mit Hilfe einer Lichtquelle, die mehrere charakteristische Wellenlängen enthält, wenn in den herausgeschlagenen Teilchen in dem Schichtbildungssystem mehrere Elemente enthalten sind, mindestens eine der charakteristischen Wellenlängenkomponenten aus Sondierungsstrahl nach dessen Durchgang durch den Teilchenflugbereich auswählt. Vom Photodetektor erhält man Sondierungssignale für jede charakteristische Wellenlängenkomponente, so daß der Datenprozessor die Schichtbildungsgeschwindigkeit oder die Schichtdicke für jedes Element abschätzt.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtdickenprozeßüberwachungssystems;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schichtbildungssystems, in dem ein Sondierungsstrahl die Rückseite eines Substrats passiert, um in dem in 1 dargestellten Schichtdickenprozeßüberwachungssystem die Länge des Sondierungsstrahls durch einen Teilchenflugbereich zu beschränken;
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems, in dem eine Abschirmplatte mit einer Öffnung vorgesehen ist, um in dem in 1 dargestellten Schichtdickenprozeßüberwachungssystem die Lauflänge des Sondierungsstrahls durch den Teilchenstreubereich zu beschränken;
4A zeigt eine von der Teilchenquellenseite aus gesehene Innenansicht einer Vakuumkammer, die in einem Schichtdickenprozeßüberwachungssystem vorgesehen ist;
4B zeigt eine schematische Darstellung, die darstellt, wie die zweidimensionale Verteilung des Absorptionsvermögens zu berechnen ist;
4C zeigt eine Matrix, die bei der Berechnung gemäß 4B verwendet wird;
die 5A, 5B und 5C zeigen schematische Darstellungen, die Beispiele des Verfahrens zur Teilung in einen Sondierungsstrahl und einen Vergleichsstrahl in dem in 4A dargestellten Schichtdickenprozeßüberwachungssystem darstellen;
6 zeigt eine von der Teilchenquellenseite aus gesehene Innenansicht einer Vakuumkammer, die in einem Schichtdickenprozeßüberwachungssystem vorgesehen ist;
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtdickenprozeßüberwachungssystems;
8 zeigt eine schematische Darstellung, die ein erfindungsgemäßes Schichtbildungssystem darstellt, in dem ein Sondierungsstrahl die Rückseite eines Substrats passiert, um in dem in 7 dargestellten Schichtdickenprozeßüberwachungssystem die Strahllänge des Sondierungsstrahls durch einen Teilchenstreubereich zu beschränken;
9 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Struktur darstellt, in der eine Abschirmplatte mit einer Öffnung vorgesehen ist, um in dem in 7 dargestellten Schichtdickenprozeßüberwachungssystem die Länge des Sondierungsstrahls durch den Teilchenstreubereich zu beschränken;
10 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Struktur darstellt, in der ein Sondierungsstrahl durch einen Lichtleiter in eine Vakuumkammer geleitet wird und der Sondierungsstrahl nach dem Durchgang durch den Teilchenflugbereich in dem in 7 dargestellten Schichtdickenprozeßüberwachungssystem durch den Lichtleiter aus der Vakuumkammer geleitet wird;
11 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Struktur darstellt, in der die Schichtdicke jedes Elementteilchens in einem Schichtdickenprozeßüberwachungssystem überwacht wird;
12 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtdickenprozeßüberwachungssystems;
13 zeigt eine schematische Darstellung, die hauptsächlich den Kopfabschnitt eines Schichtdickenprozeßüberwachungssystems darstellt;
14 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Struktur darstellt, in der von mehreren Lichtleitern gesendete Signale durch ein Spektrometer in dem in 13 dargestellten Schichtdickenprozeßüberwachungssystem unterteilt werden;
15 zeigt eine schematische Darstellung, die hauptsächlich den Kopfabschnitt eines Schichtdickenprozeßüberwachungssystems darstellt;
16 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Struktur darstellt, in der ein Gitter für den Kopfabschnitt des in 15 dargestellten Schichtdickenprozeßüberwachungssystems verwendet wird;
17A und 17B zeigen die Verbesserung der in dem erfindungsgemäßen Schichtdickenprozeßüberwachungssystem vorgesehenen Abschirmplatte;
18 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtbildungsgeschwindigkeitsüberwachungssystems nach dem Stand der Technik; und
19 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Schichtbildungsgeschwindigkeit und Absorptionsvermögen darstellt.
Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 17 die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Anwendung auf ein Magnetronsputtersystem beschrieben.
1 zeigt ein Strukturschema des Schichtdickenprozeßüberwachungssystems. In 1 wird ein Strahl 9 durch einen Strahlunterbrecher 18 in einem vorgegebenen Zyklus unterbrochen und dann durch einen Strahlteiler 17 in einen Sondierungsstrahl 14 und einen Vergleichsstrahl 15 unterteilt. Der Strahl 9 wird von einer Lichtquelle 1 emittiert, die einen Strahl erzeugt, der die charakteristische Wellenlänge von gestreuten Teilchen enthält. Der Sondierungsstrahl 14 wird durch ein optisches Fokussiersystem 16 auf eine geeignete Fleck- bzw. Sondengröße fokussiert und dann in einen Teilchenflugbereich 13 einer Vakuumkammer 6 eingestrahlt. Die Sondengröße (Strahldurchmesser) wird eingestellt. Dadurch wird das Volumen des Durchlaufraums des Strahls 14 durch den Teilchenstreubereich 13 reguliert.
Der Strahl durchläuft den Teilchenstreubereich 13 und gelangt dann in ein optisches Meßsystem 19, das ein optisches Filter 2a und einen Photodetektor 3a enthält. Durch das optische Filter 2a gelangt nur ein Strahl mit einer charakteristischen Wellenlänge. Ein Signal, das einer durch den Photodetektor 3a erfaßten Lichtintensität entspricht, wird zu einem Bandfilter 21a übermittelt, das nur ein elektrisches Signal mit einem vorgegebenen Frequenzband durchläßt, und dann als Sondierungssignal 23 in ein Datenverarbeitungssystem 20 eingegeben.
Der Vergleichsstrahl 15 gelangt durch ein dem optischen Filter 2a ähnliches optisches Filter 2b in einen Photodetektor 3b, der dem Photodetektor 3a ähnlich ist. Ein Signal, das der durch den Photodetektor 3b erfaßten Lichtintensität entspricht, wird über ein Bandfilter 21b, das dem Bandfilter 21a ähnlich ist, in das Datenverarbeitungssystem 20 eingegeben.
In der Vakuumkammer 6 haften die aus einer Schichtbildungsteilchenquelle 4 herausgeschleuderten Teilchen an einem Substrat 5 an und bilden eine dünne Schicht. Ein Teil der herausgeschleuderten Teilchen passiert den Sondierungsstrahl 14, so daß die Lichtenergie des Sondierungsstrahls 14 absorbiert wird. Infolgedessen verringert sich die durch den Photodetektor 3a erfaßte Lichtintensität. Das Datenverarbeitungssystem 20 schätzt entsprechend dem abnehmenden Verhältnis eine Schichtbildungsgeschwindigkeit.
In dem Datenverarbeitungssystem 20 vergleicht ein Phasendetektor 11 die Phase eines Sondierungssignals 23 mit derjenigen eines Vergleichssignals 22, um Rauschkomponenten zu unterdrücken. Genauer gesagt, der Sondierungsstrahl und der Vergleichsstrahl werden durch den Strahlunterbrecher 18 periodisch unterbrochen. Es wird berücksichtigt, daß das Sondierungssignal 23 einen Rauschpegel aufweist, wenn das Vergleichssignal 22 einen Nullpegel aufweist. In einer Periode, in der das Vergleichssignal 22 keinen Nullpegel aufweist, wird der Rauschpegel vom Pegel des Sondierungssignals 23 subtrahiert. Als Ergebnis werden die Rauschkomponenten unterdrückt.
Dann berechnet das Datenverarbeitungssystem 20 das Verhältnis des Pegels des Sondierungssignals 23 zu dem des Vergleichssignals 22 mit Hilfe eines Pegeldetektors 31. Folglich läßt sich in Echtzeit ein Absorptionsvermögen bestimmen, d. h. ein Wert, der einer Schichtbildungsgeschwindigkeit entspricht. Wenn die Schichtbildung gestartet wird, wird der wert, welcher der Schichtbildungsgeschwindigkeit entspricht, über die Zeit integriert. Infolgedessen kann eine Schichtdicke abgeschätzt werden. Daher wird die Integrationsverarbeitung durch einen Integrator 24 ausgeführt, der in dem Datenverarbeitungssystem 20 vorgesehen ist.
Zur bequemen Erläuterung wird das Datenverarbeitungssystem 20 funktionell in den Phasendetektor 11, den Pegeldetektor 31 und den Integrator 24 unterteilt. Tatsächlich kann ein Mikrocomputer die gesamte Verarbeitung ausführen. In diesem Fall enthält das Datenverarbeitungssystem 20 einen A-D-Wandler, der das Sondierungssignal 23 und das Vergleichssignal 22 in Digitalsignale umwandelt.
Das Absorptionsvermögen erhält man aus dem Pegelverhältnis des Sondierungssignals 23 zum Vergleichssignal 22. Wenn sich die Intensität des Strahls 9 ändert, ändern sich folglich die Intensitäten des Sondierungs- und des Vergleichsstrahls auf die gleiche Weise. Daher bleibt eine Intensitätsänderung des Strahls 9 ohne Einfluß auf das Intensitätsverhältnis. Dementsprechend kann die Erfassung auch dann mit hoher Präzision ausgeführt werden, wenn die Lichtquelle mit der Zeit variiert.
Wenn in einer Schichtbildungsatmosphäre eine große Anregungslichtmenge mit der gleichen Wellenlänge wie der charakteristischen Wellenlänge der gestreuten Teilchen erzeugt wird, verringert sich das Signal-Rausch-Verhältnis, so daß der dynamische Bereich reduziert wird. Außerdem kann das Rauschen nur schwer durch Phasendetektion unterdrückt werden. Zur Erhöhung der Rauschunterdrückungsfähigkeit wird jedoch ein Bandfilter 21b verwendet, das andere Frequenzkomponenten als die Frequenz des Sondierungsstrahls 14 unterdrückt. Wenn die Frequenz höher wird, ist das Einschalten und Abschalten der Lichtquelle selbst schwierig. Die Intensität wird mit der Zeit leicht instabil. Wenn jedoch der Strahl durch den Unterbrecher 18 unterbrochen wird, kann die beste Frequenz entsprechend der Schichtbildungsbedingung ohne die oben erwähnten Probleme ausgewählt werden.
In 1 läuft der Sondierungsstrahl 14 zwischen der Schichtbildungsteilchenquelle 4 und dem Substrat 5 hindurch. Wie in 2 dargestellt, läuft in einem erfindungsgemäßen System der Sondierungsstrahl 14, von der Schichtbildungsteilchenquelle 4 aus gesehen, auf der Rückseite des Substrats 5. vorbei. Infolgedessen absorbiert sogar bei hoher Schichtbildungsgeschwindigkeit, bei der das Absorptionsvermögen leicht Sättigung erreicht, wie beim Sputtern, eine vergleichsweise kleine Teilchenmenge Licht in einem Bereich, wo fliegende Teilchen durch das Substrat 5 aufgehalten und beschränkt werden. Folglich kann die Schichtbildungsgeschwindigkeit ohne das Problem der Absorptionssättigung geschätzt werden. Wie in 3 dargestellt, kann eine Abschirmplatte 25 mit einer Öffnung benutzt werden, um zu bewirken, daß der Sondierungsstrahl 14 auf der Rückseite der Öffnung vorbeiläuft. In diesem Fall kann die Größe der Öffnung so verändert werden, daß eine Strahllänge 26 des Sondierungsstrahls 14 durch den Teilchenflugbereich 13 eingestellt werden kann. Genauer gesagt, der Strahldurchmesser wird durch das optische Fokussiersystem 16 reguliert, und die Strahllänge 26 wird so reguliert, daß das Raumvolumen des durch den Teilchenflugbereich 13 hindurchtretenden Sondierungsstrahls eingestellt werden kann.
Der Strahlunterbrecher 18 kann vor dem Strahlteiler 17 eingesetzt werden, und der Vergleichsstrahl 15 kann ausschließlich zur Beseitigung des Einflusses einer Lichtintensitätsschwankung der Lichtquelle verwendet werden. In diesem Fall kann das Vergleichssignal zur Rauschunterdrückung durch Phasendetektion aus dem Steuersignal des Strahlunterdrückers 18 gewonnen werden.
Die Schichtdickenbildungsgeschwindigkeit, die man durch das Schichtdickenprozeßüberwachungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhält, und die Schichtdickenschätzwerte, die man durch die Zeitintegration der Schichtdickenbildungsgeschwindigkeit erhält, können als Rückkopplungsdaten zur Steuerung der Stromzufuhr für die Schichtbildung benutzt werden, wie gemäß dem Stand der Technik beschrieben.
4A zeigt eine typische Innenansicht, einer von oben gesehenen Vakuumkammer. Das Schichtdickenüberwachungssystem weist vier Gruppen von in 1 dargestellten Überwachungssystemen auf. Nachstehend wird eine der Gruppen beschrieben. Als Beispiel wird ein von einer Lichtquelle 1a emittierter Strahl durch einen Strahlunterbrecher 18a unterbrochen und dann durch einen Strahlteiler 17a in einen Sondierungsstrahl 14a und einen Vergleichsstrahl 15a unterteilt. Der Sondierungsstrahl 14a passiert einen Teilchenflugbereich 13 und gelangt dann zu einem optischen Meßsystem 19a, das ein optisches Filter und einen Photodetektor enthält. Ein Signal, das einer durch den Photodetektor erfaßten Lichtintensität entspricht, wird über ein Bandfilter 21a in ein Datenverarbeitungssystem 20a eingegeben. Die anderen Gruppen arbeiten auf die gleiche Weise. Die Arbeitsweise ist oben ausführlich beschrieben worden.
Durch die vier Überwachungssystemgruppen werden entsprechende Werte des Absorptionsvermögens zu den Datenverarbeitungssystemen 20a bis 20d übermittelt. Zum Beispiel ist das Absorptionsvermögen für das Datenverarbeitungssystem 20a der Linienintegralwert eines Integralwegs, der dem Sondierungssignal 14a im Teilchenflugbereich 13 entspricht. Der Linienintegralwert entspricht der Anzahl der fliegenden Teilchen. Die Werte des Absorptionsvermögens für vier Datenverarbeitungssysteme sind Linienintegralwerte von verschiedenen Wegen, die sich normalerweise voneinander unterscheiden.
Wie in 4B und 4C dargestellt, ist der Teilchenflugbereich 13 in bestimmte Blöcke 27 unterteilt, um eine Matrix 28 zu bilden, in der die Beitragshöhen der Sondierungsstrahlen 14a bis 14d für jeden Block 27 numerisch ausgedrückt werden, und dann einen Spaltenvektor 29 zu betrachten, in dem das Absorptionsvermögen jedes Blocks, d. h. eine unbekannte Größe, ein Element darstellt. Das Produkt der Matrix 28 mit dem Spaltenvektor 29 ist ein Zeilenvektor der Sondierungsstrahlintensitäten 23a bis 23d, die Linienintegralwerte sind. Wenn man die Elemente des Spaltenvektors 29 berechnet, d. h. die unbekannten Größen der Determinante, kann man dementsprechend die zweidimensionale Verteilung eines Absorptionsvermögens in jedem Block 27 erhalten, d. h. ein Absorptionsvermögen (eine Schichtbildungsgeschwindigkeit) in dem Teilchenflugbereich. Der in 4A dargestellte arithmetische Verteilungsprozessor 20 führt die Verarbeitung aus. Die Schichtbildungsgeschwindigkeit wird für jeden Block 27 über die Zeit integriert, in der die Schichtbildung erfolgt, so daß die zweidimensionale Verteilung einer Schichtdicke abgeschätzt werden kann.
In 4B ist der Teilchenflugbereich 13 in neun Blöcke 27 unterteilt und kann in mehr Blöcke unterteilt werden. Die Anzahl der Sondierungsstrahlen kann größer als vier sein. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird eine simultane Gleichung, die gemäß der obigen Beschreibung durch eine Determinante ausgedrückt wird, so gelöst, daß man das Absorptionsvermögen für jeden Block 27 ermitteln kann. Es gibt ein Verfahren zur Vorgabe eines geeigneten Anfangswertes, um durch Iterationsrechnung einen Näherungswert zu ermitteln. Ferner wird die Symmetrieeigenschaft der zweidimensionalen Verteilungen angenommen, um das Absorptionsvermögen durch Abelsche Umrechnung oder dergleichen zu ermitteln.
In 4A sind die Anzahlen der Lichtquellen, Strahlunterbrecher, Strahlteiler und anderer Einheiten jeweils gleich der Anzahl der Sondierungsstrahlen. Wie in den 5A bis 5C dargestellt, wird ein von einer Lichtquelle emittierter Strahl unterbrochen und dann in drei oder mehr Strahlen unterteilt. Mindestens einer der Strahlen ist ein Vergleichsstrahl. Folglich können die Anzahlen der Lichtquellen, Strahlunterbrecher, Strahlteiler und anderer Einheiten im allgemeinen vermindert werden.
Die Daten der zweidimensionalen Verteilung für Schichtdickenbildungsgeschwindigkeits- und Schichtdickenschätzwerte, die man durch das in den 4 und 5 dargestellte Schichtdickenprozeßüberwachungssystem erhält, können als Rückkopplungsdaten zur Steuerung der Schichtbildungsleistung, des Abstands zwischen einem Substrat und Schichtbildungsteilchenquellen und anderer Parameter verwendet werden, um eine gleichmäßige Schichtdicke zu erhalten.
6 zeigt eine typische Innenansicht einer Vakuumkammer, von der Seite der Schichtbildungsteilchenquelle aus gesehen. Mehrere Gruppen von Überwachungssystemen sind auf die gleiche Weise wie in 4 vorgesehen. Das in 6 dargestellte System unterscheidet sich jedoch darin von dem in 4 dargestellten System, daß, von der Seite der Schichtbildungsteilchenquelle aus gesehen, eine Abschirmplatte 25 mit mehreren Öffnungen 30a bis 30d vorgesehen ist, und daß jeder Sondierungsstrahl 14a bis 14d an Stellen, die jeweils den Öffnungen 30a bis 30d entsprechen, hinter der Abschirmplatte vorbeiläuft.
Durch Einstellung der Größe jeder Öffnung 30a bis 30d der Abschirmplatte 25 kann die Strahllänge jedes Sondierungsstrahls 14a bis 14d durch einen Teilchenflugbereich hinter der Abschirmplatte, d. h. ein Volumen, reguliert werden. Die zweidimensionale Verteilung einer Schichtdickenbildungsgeschwindigkeit und einer Schichtdicke kann auf der Basis der Anord nung der Öffnungen 30a bis 30d geschätzt werden. Wenn die Anzahl der Öffnungen 30a bis 30d und der Sondierungsstrahlen 14a bis 14d nach Bedarf erhöht wird, kann die zweidimensionale Verteilung feiner geschätzt werden.
Das in 7 dargestellte System unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten System darin, daß ein Überwachungssystem ein Spektrometer 32 aufweist, das ein optisches Gitter 33 mit der Funktion enthält, nur Komponenten eines Sondierungsstrahls 14 mit einer charakteristischen Wellenlänge auszuwählen und diese in konstanter Richtung auszusenden. In diesem Fall kann ein optisches Filter, das nur den Strahl mit charakteristischer Wellenlänge zu einem optischen Meßsystem 19 durchläßt, weggelassen werden.
Die Funktionsweise des Schichtdickenüberwachungssystems gemäß 7 ist grundsätzlich die gleiche wie die im Hinblick auf 1 beschriebene Funktionsweise. Nachstehend werden hauptsächlich die Unterschiede zwischen den beiden Systemen beschrieben.
Ein Strahlunterbrecher 18 unterbricht den Strahl 9 von der Lichtquelle in einem vorgegebenen Zyklus. Dementsprechend wird ein Vergleichsstrahl 15, den man durch den Strahlteiler 17 erhält, in ein optisches Meßsystem eingestrahlt, so daß man ein Vergleichssignal 22 erhält. Das Vergleichssignal 22 ist ein Signal mit der Form einer Rechteckwelle. Das Vergleichssignal 22 wird in einen Phasendetektor 11 und einen Pegeldetektor eines Datenverarbeitungssystems 20 eingegeben. Der Pegeldetektor enthält eine Probenhalteschaltung und kann auf geeignete Weise die zeitliche Änderung der Lichtintensität einer Lichtquelle für eine Abtastfrequenz ermitteln, die niedriger ist als eine Unterbrechungsfrequenz. Auf diese Weise gewinnt man die Informationen über Phase und Lichtintensität aus dem Vergleichssignal 22, um ein Sondierungssignal 23 zu korrigieren. Folglich wird der Einfluß der Lichtintensitätsänderung des Lichtquellenstrahls 9 und der Rauschkomponenten unterdrückt, so daß die Meßgenauigkeit verbessert werden kann.
Der Phasendetektor 11 des Datenverarbeitungssystems 20 berücksichtigt als Rauschpegel den Pegel des Sondierungssignals 23, den man erhält, wenn der Pegel des Vergleichssignals 22 gleich null ist, und subtrahiert den Rauschpegel von dem Pegel des Sondierungssignals 23, den man erhält, wenn der Pegel des Vergleichssignals 22 nicht gleich null ist. Die folgende Operation wird so ausgeführt, daß sie dem Fall entspricht, in dem sich die Phasendifferenz zwischen Vergleichssignal und Sondierungssignal zeitlich ändert. Zunächst wird durch eine in dem Phasendetektor 11 vorgesehene PSD-Schaltung (eine Phasendetektionsschaltung in Semiheterodyn-Form) eine Multiplikation ausgeführt. Dann wird eine Sinuswelle von geeigneter Frequenz erzeugt. Unter Verwendung der Sinuswelle wird nochmals eine Multiplikation ausgeführt. Auf diese Weise wird eine Phasenkorrektur ausgeführt, falls zwischen dem Sondierungs- und dem Vergleichssignal eine Phasendifferenz besteht. Die Phasendifferenz zwischen Sondierungs- und Vergleichssignalen kann durch eine kleine Verzögerung erzeugt werden, die durch den Impedanzunterschied oder durch die Längen von Signalkabeln verursacht wird. Anstelle der zweiten Multiplikation wird eines der Signale verzögert, um ihre Phasen aneinander anzupassen. Dann wird die Multiplikation durch die PSD-Schaltung ausgeführt. Infolgedessen kann eine zweite Multiplikationsschaltung weggelassen werden, welche die Meßgenauigkeit stark beeinflußt. Es wird gewünscht, daß das Vergleichssignal verzögert wird. Ferner kann eine Schaltung zur Steuerung der Verzögerungszeit verwendet werden, um die Phasen automatisch aneinander anzupassen.
Wenn eine große Lichtmenge mit der gleichen Wellenlänge wie der charakteristischen Wellenlänge fliegender Teilchen als Anregungslicht oder dergleichen in der Schichtbildungsatmosphäre erzeugt wird, dann wird das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verringert, und der Dynamikbereich wird reduziert. Ferner können Rauschkomponenten durch Phasenvergleich vollständig unterdrückt werden. Aus diesem Grunde werden andere Frequenzkomponenten als die Steuerfrequenzen des Sondierungsstrahls 14 und des Vergleichsstrahls 15 zuvor aus dem Ausgangssignal eines Photodetektors 3 entfernt und in einen Phasendetektor eingegeben. Die Änderung des Rauschstrahls muß als Rauschquelle berücksichtigt werden, die durch die Welligkeit von Komponenten verursacht wird, die für eine Stromversorgung eines Schichtbildungssystems verwendet werden.
Wenn zum Beispiel eine Schicht mit Hilfe einer Gs-Sputterstromquelle und einer einphasigen Sputterstromquelle mit 200 V Ws Eingangsspannung gebildet wird, wird eine dreiphasige 200 V-Eingangsspannung in einen Gleichstrom umgewandelt, so daß eine Welligkeitskomponente von 360 Hz erzeugt wird, und eine einphasige 200 V-Eingangsspannung wird in einen Gleichstrom umgewandelt, so daß eine Welligkeitskomponente von 120 Hz erzeugt wird. Außerdem ist wegen des Netzstroms die 60 Hz-Rauschkomponente vorhanden. Daher werden die Frequenzkomponenten mit 60 Hz, 120 Hz und 360 Hz und eine Gleichspannung durch Verwendung eines Bandfilters entfernt. Im Vergleich zu einem Verfahren mit Verwendung eines herkömmlichen Filters, das alle Frequenzkomponenten bis auf Komponenten in der Nähe einer Signalfrequenz entfernt, kann daher das Zeitverhalten von Signalen verbessert werden, und die Verzerrung von Rechtecksignalen wird reduziert.
Wenn eine Rechteckwelle das Bandfilter zum Abschneiden niederfrequenter Rauschkomponenten passiert, werden Signale in anderen Abschnitten als der Vorderflanke und der Hinterflanke der Rechteckwelle als Gleichstromkomponenten betrachtet. Infolgedessen verstärkt sich die Verzerrung der Ausgangswellenform des Bandfilters. Ein Integrator, der eine Integralzeitkonstante variieren kann, wird eingesetzt, um eine Wellenformgestaltung auszuführen. Dann wird die so geformte Welle in einen synchronisierten bzw. Lock-in-Verstärker eingegeben. Auf diese Weise wird der Betrieb des Lock-in-Verstärkers stabilisiert.
Die Lichtquelle wird nicht ein- und ausgeschaltet, sondern die Strahlen werden durch den Strahlunterbrecher 18 unterbrochen. Infolgedessen wird die Lichtintensität stabilisiert, so daß man einen Strahl mit stabiler Intensität erhalten kann. Außerdem kann die Steuerfrequenz des Strahlunterbrechers 18 zeitmoduliert werden, um die beste Frequenz auszuwählen, die den Schichtbildungsbedingungen entspricht. Im Falle einer Ein-Aus-Steuerung wird die Lichtquelle selbst zunächst durch eine Gleichspannung oder eine Niederfrequenz von einigen Hz eingeschaltet, und die Frequenz wird allmählich erhöht. Infolgedessen kann die Lichtquelle vergleichsweise stabil eingeschaltet werden.
Auf die gleiche Weise wie in dem in 1 dargestellten System wird bei einer hohen Schichtbildungsgeschwindigkeit, bei der leicht eine Sättigung des Absorptionsvermögens eintreten kann, veranlaßt, daß der Sondierungsstrahl 14 einen Bereich hinter dem Substrat 5 durchläuft, wieder von einer Schichtbildungsteilchenquelle 4 aus gesehen, wie in einer Variante von 8 dargestellt, so daß die Schichtbildungsgeschwindigkeit ohne Sättigung geschätzt werden kann. Wie in 9 dargestellt, kann eine Abschirmplatte 25 mit einer Öffnung vorgesehen werden, wobei der Sondierungsstrahl 14 hinter der Platte vorbeiläuft. In diesem Fall wird die Größe einer Öffnung variiert, so daß eine Strahllänge 26 des Sondierungsstrahls 14 durch den Teilchenflugbereich 13 reguliert werden kann.
Ein in der Nähe des Strahlteilers 17 vorgesehenes optisches Fokussiersystem ist zwar in dem in 8 dargestellten System weggelassen, wird aber vorzugsweise ebenso bereitgestellt wie in dem in 1 dargestellten System.
An der Wand gegenüber einer Vakuumkammer ist ein Fenster angebracht, um den Sondierungsstrahl durchzulassen. Wenn die Ausbildung des Fensters schwierig ist, können Lichtleiter 36 zur Ein- und Ausstrahlung, die mit einem rahmenähnlichen Kopfabschnitt 39 verbunden sind, der eine Öffnung 30 aufweist, in die Vakuumkammer eingesetzt werden, wie in 10 dargestellt. Der Sondierungsstrahl wird durch einen Verbindungsabschnitt 37 in den Einstrahlungslichtleiter 36 eingestrahlt, breitet sich dann in dem Lichtleiter 36 aus und wird zum Kopfabschnitt 39 geleitet. Der vom Lichtleiter 36 am Kopfabschnitt 39 ausgestrahlte Sondierungsstrahl passiert den Teilchenflugbereich, der durch die Blende 30 des Kopfabschnitts 39 eingeschränkt wird. Dann wird der Sondierungsstrahl in den Ausstrahlungslichtleiter 36 eingestrahlt, breitet sich in dem Lichtleiter 36 aus und wird durch einen Verbindungsabschnitt 38 zu einem Spektrometer 32 geleitet. In diesem Fall wird die Größe der Blende 30 eines Einstrahlungs- und Ausstrahlungsele ments 39 so eingestellt, daß sie einem breiten Schichtbildungsgeschwindigkeitsbereich entspricht. Als Beispiel kann im Fall einer hohen Schichtbildungsgeschwindigkeit, so daß eine Verkürzung der Strahllänge des Sondierungsstrahls durch den Teilchenflugbereich notwendig ist, die Größe der Blende 30 reduziert werden. Durch Verwendung von Lichtleitern ist es möglich, optische Systeme an einem Platz aufzustellen und sie von einem Schichtbildungssystem entfernt zu halten.
Das in 11 dargestellte System unterscheidet sich in den folgenden Punkten von dem in 7 dargestellten System. Genauer gesagt, ein Sondierungsstrahl, der einen Teilchenflugbereich 13 durchlaufen hat, wird durch ein Spektrometer 32 mit einem optischen Gitter 33 in mehrere Wellenlängen-Komponenten unterteilt, die den charakteristischen Wellenlängen mehrerer Atome entsprechen. Es sind mehrere optische Meßsysteme 19 vorgesehen, in welche die geteilten Strahlen eingestrahlt werden, so daß die Intensität des Sondierungsstrahls für jede Atomart gemessen werden kann.
Gemäß einem Schichtdickenüberwachungssystem mit der oben erwähnten Struktur kann, wenn ein fliegendes Teilchen mehrere Elemente aufweist, wie beim Sputtern mit Verwendung einer Legierung als Target, ein Absorptionsvermögen, d. h. eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, für jedes Element erfaßt werden.
Wie in 11 dargestellt, werden optische Meßsysteme 19 und 19' bereitgestellt. Ein Sondierungssignal 23 kann für zwei Arten von Wellenlängenkomponenten gewonnen werden. Ein Datenverarbeitungssystem 20 weist Phasendetektoren 11 und 11' und Pegeldetektoren 31 und 31' auf und ermittelt das Absorptionsvermögen durch Unterdrückung von Rauschkomponenten für jede Wellenlängenkomponente und Korrektur der Lichtquellenschwankung. Auch wenn die Anzahl der jeweiligen Spektralkanäle und optischen Meßsysteme drei oder mehr beträgt, wird die gleiche Operation ausgeführt.
Wenn das Schichtdickenüberwachungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform zur Bildung einer Schicht mit einem einzigen Element verwendet wird, werden mehrere unterschiedliche charakteristische Wellenlängen für das gleiche Element ausgewählt, und mehrere so gewonnene Daten werden verarbeitet, so daß die Meßgenauigkeit erhöht werden kann. In einem Spektrometer mit Verwendung eines optischen Gitters wird die Änderung einer Schichtbildungsgeschwindigkeit in einem kürzeren als dem erwarteten Zyklus wiederholt, und der Winkel des Gitters wird innerhalb des Bereichs variiert, in dem die Lichtintensität einer notwendigen Wellenlänge erfaßt werden kann. Auf diese Weise können mehrere Wellenlängen durch ein einziges optisches Meßsystem überwacht werden.
12 zeigt eine typische Ansicht, die das Innere einer Vakuumkammer von oben gesehen darstellt. Ein Schichtdickenüberwachungssystem wird durch Kombination der in den 4 und 11 dargestellten Systeme gebildet. Genauer gesagt, die zweidimensionale Verteilung des Absorptionsvermögens kann mit Hilfe mehrerer Gruppen von Überwachungssystemen gemessen werden. Für jede Gruppe sind ein Spektrometer 33, mehrere optische Meßsysteme und andere Einheiten vorgesehen. Infolgedessen kann die zweidimensionale Verteilung eines Absorptionsvermögens, d. h. einer Schichtbildungsgeschwindigkeit, für jede Wellenlängenkomponente entsprechend mehreren Elementen ermittelt werden.
13 zeigt einen Kopfabschnitt 51, der in einen Teilchenflugbereich 13 in einer Vakuumkammer eingesetzt ist. Der Kopfabschnitt 51 enthält einen Rahmen, der eine Öffnung bzw. Blende 52 umgibt, einen an dessen Innenwand befestigten Reflexionsspiegel 53 und Lichtleiterverbindungsabschnitte 54 und 55 zur Einstrahlung und Ausstrahlung, die an der Innenwand gegenüber dem Reflexionsspiegel 53 vorgesehen sind. Auf die gleiche Weise wie in jeder weiter oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Strahl 9 mit der charakteristischen Wellenlänge fliegender Teilchen von einer Lichtquelle emittiert und durch einen Strahlunterbrecher in einem vorgegebenen Zyklus unterbrochen und dann durch einen Strahlteiler 17 in einen Sondierungsstrahl 14 und einen Vergleichsstrahl 15 unterteilt. Der Sondierungsstrahl 14 wird in einen Einstrahlungslichtleiter 56 eingestrahlt, der über ein Einstrahlungsverbindungselement 37 angeschlossen ist, breitet sich in dem Lichtleiter 56 aus und wird dann in den Kopfabschnitt 51 geleitet. Im Kopfab schnitt 51 wird der durch den Lichtleiterverbindungsabschnitt 54 zur Blende 52 ausgestrahlte Sondierungsstrahl 14 durch den Reflexionsspiegel 53 reflektiert, der an der Innenwand des Rahmens befestigt ist, der die Blende 52 umgibt, und dann durch den Lichtleiterverbindungsabschnitt 55 in einen Ausstrahlungslichtleiter 57 eingestrahlt. Der sich in dem Lichtleiter 57 ausbreitende Strahl wird durch ein Ausstrahlungsverbindungselement 38 und ein Spektrometer 59 (Gitter 33) in das gleiche optische System wie in jeder oben beschriebenen Ausführungsform geleitet. Auf diese Weise wird die Verarbeitung ausgeführt.
Der Sondierungsstrahl 14 läuft zur Blende 52 des in den Teilchenflugbereich 13 in der Vakuumkammer eingesetzten Kopfabschnitts 51 und von dieser zurück. Die Lichtenergie des Sondierungsstrahls 14 wird durch fliegende Teilchen absorbiert, die im Lichtweg vorhanden sind. Wenn das Absorptionsvermögen erfaßt wird, kann eine Schichtbildungsgeschwindigkeit auf die gleiche Weise gemessen werden, wie oben beschrieben.
Die fliegenden Teilchen im Teilchenflugbereich 13 werden mit Hilfe der Blende 52 bei konstanter Geschwindigkeit in Teilchen getrennt, die den Sondierungsstrahl 14 durchlaufen bzw. nicht durchlaufen. Infolgedessen kann selbst bei hoher Schichtbildungsgeschwindigkeit das in 13 dargestellte Schichtdickenüberwachungssystem innerhalb des Bereichs angewandt werden, in dem das Absorptionsvermögen nicht gesättigt ist. An der Wand der Vakuumkammer kann eine einzige Stelle vorgesehen werden, durch die Einstrahlungs- und Ausstrahlungslichtleiter hindurchgehen. Die Position der Stelle weist einen relativen Freiheitsgrad auf. Folglich ist das Schichtdickenüberwachungssystem gemäß 13 erfolgreich, wenn der Durchgang des Sondierungsstrahls durch ein Fenster, das gemäß der obigen Beschreibung an der Wand gegenüber der Vakuumkammer angebracht ist, konstruktiv schwer realisierbar ist.
Durch Größeneinstellung der Blende 52 des Kopfabschnitts 51 kann das Schichtdickenüberwachungssystem gemäß 13 Schichtbildungsgeschwindigkeiten innerhalb eines breiten Bereichs entsprechen. Mehrere Spiegel werden nacheinander verschoben und an der Innenwand gegenüber dem Kopfabschnitt 51 angebracht, so daß die Anzahl der Reflexionen des Sondierungsstrahls 14 in der Blende 52 erhöht werden kann. Durch Einstellung der Anzahl der Reflexionen kann das Schichtdickenüberwachungssystem gemäß 13 einer Schichtbildungsgeschwindigkeit innerhalb eines breiten Bereichs entsprechen. Die äußere Form des Kopfabschnitts 51 und die Form der Blende sind nicht auf ein Rechteck beschränkt, sondern können verändert werden.
Es kann eine Einrichtung zum Verschieben des Kopfabschnitts 51 im Teilchenflugbereich 13 und zur Steuerung seiner Position bereitgestellt werden, um die zweidimensionale Verteilung der Schichtbildungsgeschwindigkeit zu messen.
Die in den obigen Figuren beschriebenen Varianten können auf das in 13 dargestellte System angewandt werden. Genauer gesagt, ein Strahl passiert ein Spektrometer, und die Lichtintensitäten mehrerer Wellenlängenkomponenten werden durch mehrere Photodetektoren erfaßt, um Schichtbildungsgeschwindigkeiten für mehrere Elemente zu messen.
Als eine Variante können mehrere Lichtleiter 57a und 57b, die aus einem oder mehreren in den Teilchenflugbereich 13 eingefügten Kopfabschnitt(en) austreten, entlang einem Eintrittsspaltabschnitt 60 eines Spektrometers 59 mit einem vorgegebenen Zwischenraum angebracht werden, wie in 14 dargestellt. Der Eintrittsspaltabschnitt 60 wird nahezu parallel zur Drehachse 62 eines Gitters 61 in dem Spektrometer 59 angebracht. Die aus den Lichtleitern 57a und 57b austretenden Strahlen 63a und 63b sind senkrecht zur Drehachse 62 und parallel und beabstandet voneinander gerichtet, so daß sie nicht miteinander interferieren. Die Strahlen 63a und 63b werden reflektiert und durch das Gitter 61 in Strahlen 64aa bis 64bb unterteilt. Photodetektoren 3aa bis 3bb zur individuellen Erfassung von Lichtintensitäten sind in Positionen vorgesehen, die den Strahlen 64aa bis 64bb entsprechen. 14 zeigt einen Fall, in dem zwei Strahlen, die aus zwei Kopfabschnitten austreten, verarbeitet werden. Auf die gleiche Weise können drei oder mehr Strahlen verarbeitet werden.
Das in 15 dargestellte System unterscheidet sich von dem in 13 dargestellten System in den folgenden Punkten. Genauer gesagt, ein in 13 dargestellter Reflexions spiegel 53 wird durch einen Zweiwegspiegel 67 ersetzt. Ein Ausstrahlungslichtleiter 57b wird über einen Verbindungsabschnitt 55b mit der Rückseite des Zweiwegspiegels 67 verbunden. Ein weiterer Ausstrahlungslichtleiter 57a wird ebenso wie in 13 auf der gleichen Seite wie ein Einstrahlungslichtleiter 56 angeschlossen.
Der Zweiwegspiegel 67 weist eine Wellenlängenselektionseigenschaft auf. Ein Sondierungsstrahl enthält die Komponente mit einer charakteristischen Wellenform λ1 eines Elements und diejenige mit einer charakteristischen Wellenform λ2 eines anderen Elements. Der aus dem Ende des Lichtleiters 56 austretende Sondierungsstrahl passiert einen Teilchenflugbereich, der durch eine Blende 52 eingeschränkt wird, und wird zum Zweiwegspiegel 67 gelenkt. Eine Komponente 65 mit der Wellenlänge λ1 des Sondierungsstrahls wird durch den Zweiwegspiegel 67 durchgelassen und dann in den Lichtleiter 57b gelenkt. Eine Komponente 66 mit der Wellenlänge λ2 wird durch den Zweiwegspiegel 67 reflektiert, passiert den Teilchenflugbereich, der durch die Blende 52 eingeschränkt wird, und tritt in den Lichtleiter 57a ein.
Wenn eine Schicht durch mehrere Elemente gebildet wird, d. h. wenn die fliegenden Teilchen mehrere Elemente enthalten, dann kann das Schichtbildungsüberwachungssystem als Überwachungseinrichtung für das Zusammensetzungsverhältnis verwendet werden, die für jedes Element ein Absorptionsvermögen, d. h. eine Schichtbildungsgeschwindigkeit erfaßt. Wie aus 15 erkennbar, ist der Lichtweg der Wellenlänge λ2 zweimal so lang wie derjenige der Wellenlänge λ1. Falls das Zusammensetzungsverhältnis des Elements mit der charakteristischen Wellenlänge λ1 zu dem Element mit der charakteristischen Wellenlänge λ2 (d. h. eine Fluggeschwindigkeit) etwa 2 zu 1 beträgt, kann man folglich für beide Komponenten gleiche Werte für das Absorptionsvermögen erhalten. Dementsprechend kann man für die in 19 dargestellten Filmbildungsgeschwindigkeitscharakteristiken leicht eine Messung mit hoher Präzision im effektiven Bereich des Absorptionsvermögens ausführen.
Wenn in den fliegenden Teilchen drei oder mehr Elementarten enthalten sind, kann außerdem nach dem gleichen Prinzip für jede charakteristische Wellenlänge ein Strahl abgetrennt werden. Um drei Arten von Wellenlängenkomponenten voneinander zu trennen, wird an einem Verbindungsabschnitt 55a des Lichtleiters 57a ein wellenlängenselektiver Zweiwegspiegel angebracht, und ein dritter Ausstrahlungslichtleiter, der von dem Zweiwegspiegel reflektierte Komponenten empfängt, wird auf der Seite des ersten Zweiwegspiegels 67 angeschlossen. Falls das Zusammensetzungsverhältnis größer als 2 zu 1 ist, wird die Anzahl der Reflexionen erhöht, um das Lichtwegverhältnis zu vergrößern.
Als eine Variante kann anstelle des wellenlängenselektive Zweiwegspiegels ein optisches Gitter 68 verwendet werden, an dem ein Reflexionswinkel um eine Wellenlänge verändert wird, und an einer Stelle, an der die jeweilige Wellenlängenkomponente reflektiert wird, wie in 16 dargestellt, können Anschlußabschnitte 55a und 55b für Lichtleiter vorgesehen werden. Ferner kann die Anzahl der Durchgänge durch die Blende für jede Wellenlänge durch Kombination mit dem reflektierenden Spiegel variiert werden.
In einer Variante wird die Position des Kopfabschnitts während der Schichtbildung so gesteuert und bewegt, daß die zweidimensionale Verteilung der Schichtbildungsgeschwindigkeit gemessen wird.
Die 17A und B betreffen die Verbesserung einer Abschirmplatte mit einer Öffnung zur Beschränkung der Strahlfläche eines Sondierungsstrahls durch fliegende Teilchen, wie in den 3 und 6 dargestellt. Die Abschirmplatte 25 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Struktur auf, in der zwei in den 17A und B dargestellte scheibenartige Abschirmplattenelemente 25a und 25b überlagert werden. Das Abschirmplattenelement 25a weist eine daran ausgebildete spaltähnliche Öffnung 69 auf. Die Öffnung 69 erstreckt sich radial vom Mittelpunkt des Abschirmplattenelements 25a zu dessen Umfangsabschnitt. Ein Abschirmplattenelement 25b weist eine daran ausgebildete spaltähnliche spiralförmige Öffnung 70 auf. Die Öffnung 70 hat eine Breite D und wird zwischen Spiralen gehalten, die in Kreiszylinderkoordinaten durch (r × θ/2π, θ) und (r × θ/2π + d, θ) ausgedrückt werden.
Das Abschirmplattenelement 25a wird so eingestellt, daß die Öffnung 69 entsprechend dem Lichtweg eines Sondierungsstrahls ausgerichtet wird. Das Abschirmplattenelement 25b wird dem Abschirmplattenelement 25a überlagert und mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gedreht. Eine Öffnung für die Abschirmplatte 25 wird durch Überlagerung der Öffnung 69 des Abschirmplattenelements 25a mit der Öffnung 70 des Abschirmplattenelements 25b gebildet. Die Öffnung für die Abschirmplatte 25 wird mit der Drehung des Abschirmplattenelements 25b radial bewegt. Die Position der Öffnung kann man durch Erfassung des Drehwinkels des Abschirmplattenelements 25b bestimmen. Dementsprechend kann die Verteilung eines Absorptionsvermögens, d. h. einer Schichtbildungsgeschwindigkeit, entlang dem Radius der Abschirmplatte gemessen werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, eine Schichtdicke und ihre zweidimensionale Verteilung sogar unter Bedingungen, wo der optische Nachweis der Schichtbildungsgeschwindigkeit schwierig ist, wie z. B. beim Sputtern, mit hoher Genauigkeit geschätzt werden. Falls aus mehreren Elementen bestehende Teilchen herausgeschleudert werden, lassen sich die Schichtbildungsgeschwindigkeit und die Schichtdicke für jede charakteristische Wellenlänge, die dem jeweiligen Element entspricht, mit hoher Genauigkeit schätzen. Folglich kann ein Zusammensetzungsverhältnis geschätzt werden.

Claims

Schichtbildungssystem, das eine Schichtbildungsteilchenquelle (4), eine Positioniereinrichtung für ein der Schichtbildungsteilchenquelle (4) gegenüberliegendes Substrat (5) und eine Schichtdickenprozeßüberwachungseinrichtung zur Beurteilung der Schichtbildung auf dem Substrat aufweist, wobei die Schichtbildungsüberwachungseinrichtung aufweist: mindestens eine Lichtquelle (1) zur Emission eines Lichtstrahls (9), der eine charakteristische Wellenlänge für herausgeschleuderte Teilchen in dem Schichtbildungssystem enthält; mindestens einen Strahlteiler (17) zur Unterteilung des von der Lichtquelle (1) emittierten Strahls (9) in mindestens einen Sondierungsstrahl (14), der einen Teilchenflugbereich (13) durchläuft, und einen Vergleichsstrahl (15), der den Teilchenflugbereich (13) nicht durchläuft; mindestens einen Sondierungsstrahldetektor (3a) zur Erfassung des mindestens einen Sondierungsstrahls (14) nach dem Durchgang durch den Teilchenflugbereich (13) und zur Ausgabe eines Sondierungssignals (23); mindestens einen Vergleichsstrahldetektor (3b) zur Erfassung des mindestens einen Vergleichsstrahls (15) und zur Ausgabe eines Vergleichssignals (22); optische Filter (2a, 2b), um nur die charakteristische Wellenlängenkomponente zu den Detektoren (3a, 3b) durchzulassen, und einen Datenprozessor (20), der so eingerichtet ist, daß er das Absorptionsvermögen der Flugteilchen in dem Schichtbildungssystem auf der Basis des Vergleichssignals (22) und des Sondierungssignals (23) berechnet und aus dem Absorptionsvermögen eine Schichtbildungsgeschwindigkeit schätzt, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sondierungsstrahl (14) so eingerichtet ist, daß er, von der Seite der Schichtbildungsteilchenquelle (4) aus gesehen, hinter dem Substrat (5) vorbeiläuft.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Lichtquelle (1) und der mindestens eine Strahlteiler (17) bewirken, daß mehrere Sondierungsstrahlen (14p, 14q, 14r, 14s) verschiedene Stellen in dem Teilchenflugbereich (13) durchlaufen, wobei der mindestens eine Sondierungsstrahldetektor (19p, 19q, 19r, 19s) mehrere Sondierungsstrahlen (14p, 14q, 14r, 14s) erfaßt und der Datenprozessor (20) die zweidimensionale Verteilung der Schichtbildungsgeschwindigkeit oder Schichtdicke auf der Basis mehrerer Sondierungssignale (23) und des mindestens einen Vergleichssignals (22) schätzt.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Schichtbildungssystem eine Abschirmplatte (25) aufweist, die mit einer Öffnung (69, 70) versehen ist, und wobei der mindestens eine Sondierungsstrahl (14, 14p, 14q, 14r, 14s), von einer Schichtbildungsteilchenquelle (4) aus gesehen, in einer der Öffnung (69, 70) entsprechenden Position hinter der Abschirmplatte (25) vorbeiläuft.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Lichtquelle (1) mehrere charakteristischen Wellenlängen von fliegenden Teilchen in dem Schichtbildungssystem aufweist, wobei ein Strahlunterbrecher (18) vorgesehen ist, um den Strahl (9) vor dem Durchgang durch den Strahlteiler (17) zu unterbrechen; das optische Filter (2) ein Spektrometer (32) zur Auswahl mindestens einer charakteristischen Wellenlängenkomponente aus dem Sondierungsstrahl (14) nach dem Durchgang durch den Teilchenflugbereich (13) aufweist; der Sondierungsstrahldetektor (3) den Strahl vom Spektrometer (32) erfaßt und das Sondierungssignal (23) für jede charakteristische Wellenlängenkomponente ausgibt; ein elektrisches Filter (21) vorgesehen ist, um eine niederfrequente Komponente des Sondierungssignals (23) abzuschneiden, die zumindest niedriger als eine Unterbrechungsfrequenz ist; und der Datenprozessor (20) für mehrere charakteristische Wellenlängen eine Schichtbildungsgeschwindigkeit oder Schichtdicke auf der Basis der mehreren, von dem Sondierungsstrahldetektor (3) ausgegebenen Sondierungssignale (23) und eines von dem Vergleichsstrahldetektor (3) ausgegebenen Vergleichssignals (22) schätzt.
System nach Anspruch 4, wobei mehrere Gruppen von seriellen Gerätesystemen von der Lichtquelle (1) bis zum Datenprozessor (20) vorgesehen sind, um den Durchgang von mehreren Sondierungsstrahlen (14) durch verschiedene Stellen des Teilchenflugbereichs (13) zu bewirken, so daß die zweidimensionale Verteilung einer Schichtbildungsgeschwindigkeit oder Schichtdicke für mehrere charakteristische Wellenlängen geschätzt wird.
System nach Anspruch 3, wobei ein erstes scheibenähnliches Element (25a) einem zweiten scheibenähnlichen Element (25b) überlagert wird, um die Abschirmplatte (25) zu bilden, wobei an dem ersten Element (25a) ein gerader, radial verlaufender Spalt (69) ausgebildet ist, und wobei an dem zweiten Element (25b) ein spiralförmiger Spalt (70) ausgebildet ist, der sich spiralförmig vom Mittelpunkt zu einem Umfangsabschnitt erstreckt, und wobei das erste Element (25a) so eingestellt ist, daß der gerade Spalt (69) entsprechend dem Lichtweg eines Sondierungsstrahls ausgerichtet ist, und wobei das zweite Element (25b) gegen das erste Element (25a) gedreht wird, so daß eine durch Überlagerung des geraden Spalts (69) mit den spiralförmigen Spalt (70) ausgebildete Öffnung radial bewegt wird.
Verfahren zur Prozeßüberwachung einer Schichtdicke, die auf einem Substrat durch herausgeschleuderte Teilchen in einem Schichtbildungssystem ausgebildet wird, mit den folgenden Schritten: Unterbrechen von Strahlen, die von einer Lichtquelle (1) emittiert werden, die eine charakteristische Wellenlänge der herausgeschleuderten Teilchen in dem Schichtbildungssystem enthält, in einem vorgegebenen Zyklus; Teilung der Strahlen in mindestens einen Sondierungsstrahl (14), der einen Teilchenflugbereich (13) durchläuft, und einen Vergleichsstrahl (15), der den Teilchenflugbereich (13) nicht durchläuft; Ermittlung eines Sondierungssignals (23) aus der Komponente mit der charakteristischen Wellenlänge des Sondierungsstrahls (14) nach dem Durchgang durch den Teilchenflugbereich (13); Ermittlung eines Vergleichssignals (22) aus der Komponente mit der charakteristischen Wellenlänge des Vergleichsstrahls (15); Phasenvergleich beider Signale, um Rauschkomponenten zu unterdrücken; und Berechnung eines Absorptionsvermögens für fliegende Teilchen in dem Schichtbildungssystem aus dem Pegelverhältnis beider Signale und Schätzen einer Schichtbildungsgeschwindigkeit aus dem Absorptionsvermögen, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sondierungsstrahl (14), von einer Schichtbildungsteilchenquelle (4) in dem Schichtbildungssystem aus gesehen, hinter dem Substrat (5) vorbeiläuft.
Verfahren zur Überwachung einer Schichtdicke nach Anspruch 7, wobei die von der Lichtquelle (1) emittierten Strahlen (9) mehrere charakteristische Wellenlängen der fliegenden Teilchen aus mehreren Elementen in dem Schichtbildungssystem enthalten; wobei das Sondierungsstrnal (23) und das Vergleichssignal (22) für die mehreren charakteristischen Wellenlängen aus dem Vergleichsstrahl (15) und dem Sondierungsstrahl (14) gewonnen werden; und wobei das Absorptionsvermögen für jedes Element der fliegenden Teilchen in dem Schichtbildungssystem berechnet wird, um für jedes Element aus dem Absorptionsvermögen eine Schichtbildungsgeschwindigkeit zu schätzen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei im Fall von mehreren Sondierungsstrahlen die Sondierungsstrahlen unterschiedliche Stellen des Teilchenflugbereichs (13) durchlaufen, und wobei eine zweidimensionale Verteilung der Schichtbildungsgeschwindigkeit oder der Schichtdicke geschätzt wird.