JP2002502027A

JP2002502027A - インサイチュ微粒子モニタの感度の増大

Info

Publication number: JP2002502027A
Application number: JP2000529592A
Authority: JP
Inventors: アナンドグプタ，; ヴィジャユパルクッヒ，
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-05
Publication date: 2002-01-22
Also published as: WO1999039183A1; US6125789A

Abstract

(57)【要約】インサイチュ微粒子モニタの感度を増加させるための方法および装置である。好ましくはレーザ光を使用する光散乱技術を用いて、プラズマに基づく基板処理システム（１０）の処理チャンバ（１５）内の粒子濃度をモニタする。処理チャンバ内に電場または磁場を発生させて、その中に浮遊する微粒子を集中させることによって、光照射野における微粒子濃度を増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の背景）本発明は、プラズマ処理チャンバ内の微粒子をモニタする方法に関するもので
ある。

【０００２】半導体装置が数十年前最初に導入された以来、薄膜で形成される半導体装置の
特徴サイズは劇的に小さくなっていった。この期間に、集積回路は一般に「２年
−半サイズ法則」（しばしば「ムーア法則」と呼ばれている）に従った。この法
則は、１つのチップ上に装着する半導体装置の数が２年ごとに２倍になることを
示す。現在の半導体製造プラントは0.5μmないし0.35μmの特徴サイズを有する半導体装置をルーチン的に生産しており、将来のプラントはより小さな特徴サイ
ズを有する半導体装置を生産するであろ。

【０００３】特徴サイズが小さくなったと同時に、ダイサイズは増大した。現在の半導体装
置に用いられるより小さな特徴サイズおよびより大きなダイサイズはより大きい
ターゲットを効果的に創り、そのターゲットはより小さな微粒子により損害を受
けやすい。これらの影響のいずれも歩留りを減少させるので、微粒子汚染は次第
に増大する心配事となっている。薄膜の堆積またはエッチング中の微粒子の存在
は、ボイド、転位または短絡を引き起こし、製作される半導体装置の性能と信頼
性に不利な影響を与える。

【０００４】汚染物微粒子の問題について、最初は、クリーンルーム環境の品質の改善、材
料および半導体基板を取り扱うための自動化設備の使用によって処理されていた
。基板表面の洗浄も改善された。これらの改良は、処理サイクル中に処理環境内
または基板表面上に存在する微粒子の数を減らした。しかし、微粒子は、使用さ
れる処理材料、機械コンタクト（例えば、搬送操作中のロボット設備の中の表面
間にあるもの）、電気アークなどのソースによって、プロセスチャンバの中に発
生する可能性がある。

【０００５】特に、プラズマに基づく基板処理（例えば、物理気相堆積（PVD）、強化プラズマ化学気相堆積法（PECVD））高密度プラズマＣＶＤ（HDP-ＣＶＤ）、およびその他類似の処理）において、イオン、電子、微粒子などを含む種々の多数のフ
ラグメントが使用される処理ガスから発生する。これらのフラグメントは結合し
て、小さな負電荷、即ち、約10⁴の負基本電荷(elementary charges)(１つの基本
電荷は単一の電子が所有する電荷である）を持つ微粒子を形成することができる
。さらに、残留物は、プラズマに基づく基板処理操中に、処理チャンバの内部の
表面上に堆積する可能性がある。これらの残留物は、処理ガスとチャンバとの反
応によって形成された重合体または化合物のような物質を含む可能性がある。続
いて、熱サイクリングなどによる応力は、膜を破壊し、膜が形成された表面から
膜を除去して微粒子を生成することもある。微粒子はまた、基板搬送操作中に、
構成部品の間の摩擦、熱膨張係数の相違および他の原因によって、処理チャンバ
内に生成する可能性がある。

【０００６】先行技術は、処理中に基板上への微粒子堆積を減少する様々な技術やプロセス
ステップの間で微粒子を除去する技術を教示している。しかし、これらの技術に
よって微粒子カウントを減少したにもかかわらず、微粒子が完全に処理チャンバ
から除去することができないので、微粒子濃度をモニタする必要が残されている
。従って、プロセスによって、処理チャンバを開放して、数箇所で機械的に（拭
くことによって）クリーニングする必要がある。そのようなクリーニング操作は
スループットを中断させるので、できるだけまれに実行されるべきである。一方
、チャンバが汚染微粒子にむやみに影響されやすくなると、歩留りに不利な影響
を及ぼす可能性がある。微粒子カウントの正確なモニタリングによって、チャン
バがクリーニングのために取り除かれる頻度の最適化を可能とし、且つそうしな
いと迅速に検出できない可能性がある破滅的破損を検出できるようにする。

【０００７】幾つかのタイプの微粒子モニタシーステムは半導体産業界で使用されている。
例えば、これらのシステムの１つのタイプは、排気ガス流にわたって高強度レー
ザ光線をあてて、散乱された光を検出することによって排出ガス流内の微粒子を
モニタするものである。散乱された光の量は、排気ガスにおける微粒子濃度の計
測を提供し、そして、推断によって、反応チャンバ内の微粒子カウントの計測を
提供する。

【０００８】排気ガスモニタはおそらく効果的であるが、それによって提供された情報は間
接的なものである。好ましくは、基板処理装置の操作者がインサイチュ(in-situ
)技術を用いて処理チャンバ内の微粒子濃度を直接測定するであろう。これは上記の微粒子モニタ技術と類似する方法で行われるでもよいが、ここで、レーザ光
は処理されている基板の上方のスペースにチャンバを通して送られる。この類の
技術はA. Guptaに付与された米国特許第５３２８５５５号（「半導体装置処理中
の微粒子汚染の減少（Reducing Particulate Contamination during Semiconduc
tor Device Processing)」に記載されている。上記米国特許第５３２８５５５号
は、本発明の譲受人であるアプライド・マテリアルズ・インコーポレイテッドに
譲渡されている。よって、上記特許の全体を参照として本明細書に組み入れる。

【０００９】上記の米国特許第５３２８５５５号は、インサイチュ技術を用いる微粒子濃度
測定システムを記載している。そこに記載されるレーザ光散乱システムは、シス
テムの処理チャンバ内の微粒子濃度を観察し測定するなどの操作を可能とする。
測定システムのレーザは、光ファイバケーブルによってスキャナに接続される。
光ファイバケーブルは、回転ベース上に支持される立て軸につけられたレーザホ
ルダの中に取り付けらることができる。その発光が処理チャンバ内に存在する微
粒子によって散乱しうるものであれば、どのようなレーザを用いてもよい。

【００１０】スキャナは調節可能な立てステージに付けられたホルダに取り付けられて、照
明されたボリュームが処理されている基板の上方に異なる高さで位置されるよう
にする。レーザとスキャナは、チャンバビューポートと平行に置かれた光レール
上を滑る。この配置は、X. YとZ方向での調整を提供する。レーザ光照射野の整合性は周波数発生器入力によって制御される。レーザ光照射野を生じるのはこの
振動である。振動の量（即ち、レーザ光照射野のサイズ）を、レーザ光照射野範
囲の開始位置を制御するDCオフセットで、スキャナへの電圧入力の振幅を変化さ
せることによって、変えることができる。

【００１１】レーザ光照射野は、処理チャンバ内の微粒子を照明する。これらの微粒子によ
ってこの光照射野の中のレーザ光が散乱され、その後カメラのような検出装置に
よって検出される。カメラは、第２のチャンバビューポートからのビューイング
距離の調整によって、様々な焦点距離を提供するように構成される。カメラの視
野内に存在する微粒子から散乱されたレーザ光は、その後モニタで表示されるよ
うな様々な手段で表示されて、微粒子の観察または散乱された光の強度の測定を
できるようにする。

【００１２】疑う余地なく、これからも特徴サイズが小さくなりつづけて、歩留まりを維持
するために、微粒子濃度の更なる減少が必要になる。また、より小さな特徴サイ
ズは、微粒子に起因する欠陥に対する増大した感度、欠陥を引き起こすのに必要
な微粒子サイズの減少、および一定の微粒子によるダメージの量の増大を意味す
る。このように、減少した微粒子濃度および微粒子サイズが正確に検出しなけれ
ばならないため、インサイチュ技術を用いても、それらの微粒子濃度を正確に測
定することが難しいであろうとわかった。そこで、必要なものは、既存および将
来のインサイチュ微粒子濃度感知技術の感度を増加する方法である。

【００１３】（発明の概要）本発明は、インサイチュ微粒子モニタの感度を増加する方法および装置に関す
る。好ましくはレーザ光の散乱に基づく光学的技術は、プラズマに基づく基板処
理システム（例えば、PVDまたはPECVDシステム）の処理チャンバ内の微粒子濃度
をモニタするために用いられる。あるいは、微粒子と光との相互作用（例えば偏
光の変化）によって微粒子を検出する他の方法を本発明で用いられてもよい。処
理チャンバ内に電場又は磁場を発生させてその中に浮遊する微粒子を集中させる
ことによって、微粒子濃度はセンサの光照射野内で増加させられる。

【００１４】本発明の方法によれば、基板処理システムの処理チャンバ内の微粒子濃度をモ
ニタするインサイチュ微粒子モニタシステムが提供される。モニタは、処理チャ
ンバのガス含有領域に光を向けると共に該ガス含有領域の中に浮遊する微粒子を
照射する光源と、（例えば、吸収または反射による）微粒子との相互作用の後の
光を検出して微粒子濃度をモニタするための光学検出器と、光源と光学検出器の
ため、ガス含有領域への光学的アクセスを提供するように、処理チャンバの壁に
設けられる光学的透明な窓と、光源および光学検出器と共に１つの光路にあるボ
リュームの中に微粒子を集中するための微粒子コンセントレータとを備える。上
記の光源は、好ましくはレーザであるが、適切なものであれば、どんな光源でも
よい。

【００１５】微粒子コンセントレータは電場又は磁場のいずれかを用いて微粒子を集中して
もよく、これらの微粒子が処理チャンバ内のプラズマの中に浸入されるとき小さ
な電荷を得る。例えばプラズマからのエネルギを用いて、プラズマ中に乱れを生
じさせることにより電場を発生させてもよい。磁場は、トロイダル電磁石のよう
な外部作動ソースを用いて発生させてもよい。

【００１６】本発明の方法によれば、本発明のもう一つの様態は、光源によって照明される
ボリュームにおける微粒子の濃度を高めることによって光散乱微粒子濃度モニタ
の感度を改善する方法である。この方法は、まず基板処理システムの処理チャン
バ内でプラズマを発生させ、その後電場を用いて微粒子を捕捉し、それによって
電場に合った微粒子濃度を生じさせる。あるいは、類似の成果のため磁場を適用
してもよい。それによって、光散乱微粒子濃度モニタを用いて微粒子濃度をより
簡単にモニタすることができる。電場と磁場の組合せが微粒子を捕捉するために
用いられてもよい。

【００１７】本発明に関する更なる理解とその特徴及び利点は、添付図面を参照して本明細
書の以下の部分によって明らかになるでしょう。

【００１８】（発明の詳細な記載）本発明は、プラズマに基づく基板処理システムの中の微粒子濃度のインサイチ
ュモニタ感度を改善する方法および装置である。本発明は、電場或は磁場の使用
によってプラズマの中に浮遊する微粒子を集中させて、インサイチュ光散乱技術
を用いて、より簡単な検出を実現する。微粒子濃度は、所定の微粒子が、光源に
よって照明されたボリュームを通る或は該ボリュームに残る確率を増加すること
によって増大される。本発明は、通常の設計の基板処理チャンバで実施可能であ
る。

【００１９】例示的なＣＶＤシステム本発明が実施可能な1つの適切なＣＶＤシステムは図１Aと図１Bで示される。図１Aと図１B は、チャンバ壁１５aとチャンバリッドアセンブリー１５bとを含む真空或は処理チャンバ１５を有する化学気相堆積（ＣＶＤ）システム１０を示
す縦断面図である。チャンバ壁１５aとチャンバリッドアセンブリ１５bは分解斜
視図である図１Cおよび図１Dで示される。

【００２０】ＣＶＤシステム１０は、基板（図示せず）に処理ガスを分散させるためのガス
分配マニホルド１１を含み、上記基板は、処理チャンバ内の中心に置かれた加熱
されたペデスタル１２の上に載せられている。処理中に、基板（例えば半導体ウ
ェーハ）はペデスタル１２の平らな（またはわずかに凸面の）表面１２aに配置される。ペデスタル１２は、（図１Aで示される）下側のロード/オフロード位置
と（図１Aおよび図１Bの点線１４で示される）上側の処理位置との間で制御可能
に移動することができ、該処理位置はマニホルド１１に密接に隣接している。セ
ンターボード(図示せず）は、基板の位置に関する情報を提供するセンサを含む。

【００２１】堆積およびキャリヤガスは、従来の平円形のガス分配フェイスプレート１３a に穿孔されたホール１３ｂ（図１D）を通してチャンバ１５内に導入される。より具体的に、堆積処理ガスは、（図１Bの矢印４０で示されるように）マニホルド１１を通し、そして従来の穿孔されたブロッカープレート４２を通し、さらに
ガス分配フェイスプレート１３aのホール１３bを通してチャンバに流入する。マ
ニホルドに到達する前に、堆積およびキャリアガスはガスソース７からガス供給
ライン８を通して混合システム９にインプットされ、混合システム９で組合わせ
た後に、マニホルド１１に送られる。一般に、各処理ガスの供給ラインは、（１
）チャンバ内部への処理ガス流を自動的にまたは手動的に遮断できるように用い
られる数個の安全遮断弁（図示せず）および（２）供給ラインを通すガスの流れ
を測定する流体質量制御器（図示せず）を含む。プロセスに有毒ガスが使われる
場合、上記の数個の安全遮断弁は、従来構成のガス供給ラインの各々に配置され
る。

【００２２】ＣＶＤシステム１０で行われる堆積処理は、熱処理か強化プラズマ処理のいず
れでもよい。強化プラズマ処理には、高周波（ＲＦ）電源４４がガス分配フェイ
スプレート１３aとペデスタル１２との間に電力を印加して、処理ガス混合物を励起させ、フェイスプレート１３aとペデスタル１２との間の円筒形領域にプラズマを生成させる。（この領域は、以下「反応領域」と称する。）プラズマの構
成要素が反応して、ペデスタル１２に支持される基板の表面上に望まれる膜を堆
積する。ＲＦ電源４４は混合周波数ＲＦ電源であり、典型的に、１３.５６MHzの
高いRF周波数（RFl）および360KHzの低いRF周波数（RF2）で電力を供給して、チ
ャンバ１５に導入された反応種の分解を促進するものである。

【００２３】堆積処理中に、プラズマは、排気通路２３と遮断弁２４を包囲する壁１５aの部分を含むチャンバ１５を加熱する。プラズマがONにされてないとき、チャンバ
１５を高い温度に維持するために、熱い液体を壁１５aを通して循環させる。壁１５aを加熱するために用いられる流体は典型的な流体タイプ（即ち、水系エチレングリコールまたは油系熱搬送流体）を含む。この加熱は、望ましくない反応
生成物の凝縮を有益に減少または除去すると共に、冷却真空通路の壁に凝結し、
ガスが流れてない間に処理チャンバの中へ戻ってプロセスを汚染しうる揮発性生
成物の除去を改善する。

【００２４】層に堆積しないガス混合物の残留物（反応生成物を含む）は、真空ポンプ（図
示せず）によって、チャンバから排出される。具体的に、それらのガスが、反応
領域を囲む環状スロット形オリフィス１６を介して、環状の排気プレナム１７の
中へ排出する。オリフィス１６とプレナム１７は、壁１５aの上面（壁１５a上の
上側誘電ラインング１９を含む）と円状のチャンバリッド２０の底面との間のギ
ャップによって画成される。均一な膜を基板に堆積するために基板の上に処理ガ
スを均一に流することを達成するには、オリフィス１６とプレナム１７の３６０
度円形対称と均一性がとっても重要である。

【００２５】排気プレナム１７からのガスは、排気プレナム１７の横延長部２１の下に流れ
、下方へ広がっているガス通路２３を通して、（その本体が壁１５aの下側部分と一体化されている）真空遮断弁２４を通過して、フォアライン（図示せず）を
介して外部の真空ポンプ（図示せず）に接続される排気出口２５の中へ流れる。

【００２６】（好ましくはアルミニウム製の）ペデスタル１２の基板支持盤は、ダブルフル
ターン・シングルループ(double full-turn single-loop)が埋設された加熱素子
によって加熱され、該加熱素子は平行の同心円を形成するように構成される。加
熱素子の外側部分は支持盤の周囲部に隣接して、その内側部分はより小さな半径
を持つ同心円の経路上にある。加熱素子への配線はペデスタル１２のステムを貫
通する。

【００２７】典型的に、チャンバライング、ガスインレットマニホルドフェースプレートお
よびその他種々のリアクタハードウェアのいずれか或は全ては、アルミニウムや
アノード処理されたアルミニウムから製造される。そのようなＣＶＤ装置の１つ
の例は、Zhaoらに付与された米国特許第５５５８７１７号（「CVD処理チャンバ」(ＣＶＤ Processing Chamber)）で記載されている。上記米国特許第５５５８７１７号は、本発明の譲受人であるアプライド・マテリアルズ・インコーポレイ
テッドに譲渡されている。よって、該米国特許の全体を参照として本明細書に組
み入れる。

【００２８】基板がロボットブレード（図示せず）によってチャンバ１５の側面にある挿入
・除去口２６を通してチャンバの本体内へまたはチャンバの本体から搬送される
際、リフト機構とモーター３２はペデスタル１２およびその基板リフトピン１２
bを昇降させる。モーター３２はペデスタル１２を処理位置１４と下側の基板ロード位置との間に昇降させる。モーター３２、供給ライン８に接続される弁また
は流量調節器、ガス配送システム、スロットルバルブ、RF電源44、およびチャン
バと基板の加熱システムは、全て制御線３６の上方にあるシステムコントローラ
３４によって制御される。該コントローラの一部のみが図示されている。コント
ローラ３４は、光センサからのフィードバックに基づいて、コントローラ３４の
制御下で適切なモーターによって移動されるスロットルバルブおよびサセプタの
ような移動可能な機械的アセンブリの位置を決定する。

【００２９】好ましい実施例において、システムコントローラはハードディスクドライブ（
メモリ３８)、フロッピーディスクドライブおよびプロセッサ３７を備える。プロセッサ３７は、シングルボードコンピュータ（SBC）、アナログおよびデジタル入出力ボード、インターフェースボードとステッパモーターコントローラボー
ドを含む。ＣＶＤシステム１０の種々の部分は、ボード、カードケージとコネク
タの寸法および種類を規定するバルサ・モジュラ・ヨーロッパ（Versa Modular
European（VME））標準に従う。VME標準は１６ビットのデータバスと24ビットの
アドレスバスを持つバス構造も規定する。

【００３０】システムコントローラ３４は、ＣＶＤ装置の全ての動作を制御する。システム
コントローラはシステム制御ソフトウェアを実行する。該ソフトウェアは、メモ
リ３８のようなコンピュータ読取り可能な媒体に保存されるコンピュータープロ
グラムである。メモリ３８は好ましくハードディスクドライブであるが、他の種
類のメモリであってもよい。上記のコンピュータープログラムは、特定のプロセ
スにおけるタイミング、ガスの混合物、チャンバ圧力、チャンバ温度、RF電力レ
ベル、サセプタ位置および他のパラメータを指示する数セットのインストラクシ
ョンを含む。他のメモリ装置（例えば、フロッピーディスクまたはその他の適切
なドライブ）に保存された他のコンピュータープログラムを用いてコントローラ
３４を操作してもよい。

【００３１】ユーザーとコントローラ３４との間のインタフェースは、図１E に示されるCR
T表示装置５０aとライトペン５０bを介している。図１Eは, １つ以上のチャンバ
を備える基板処理システムにおけるシステム表示装置とＣＶＤシステム１０を示
す概略図である。好ましい実施例では、２つの表示装置５０aが用いられる。１つはオペレーター用にクリーンルームの壁の中に取り付けられ、もう１つはサー
ビステクニシャン用に壁の後ろに取り付けられる。２つの表示装置５０aは同時に同じ情報を表示するが、１つだけのライトペン５０bを用いることもできる。ライトペン５０bの先端にある光センサはディスプレイ５０によって発される光を検出する。特定の画面或は機能を選択するために、オペレーターは表示装置の
スクリーンの指定エリアにタッチしてペン５０bの上のボタンを押す。タッチされたエリアはそのハイライトカラーが変え、あるいは、新しいメニューまたは画
面が表示されて、ライトペンと表示装置スクリーンとの間のコミュニケーション
を確認する。ユーザーがコントローラ３４とコミュニケーションできるように、
ライトペン５０bの代わりに或はそれに加えて他の装置（例えばキーボード、マウスまたは他のポインティングやコミュニケーション装置等）を用いてもよい。

【００３２】上記のリアクタに関する記載は実例で説明するためのものであり、ＰＶＤ装置
および他のプラズマＣＶＤ装置等のような他の半導体処理装置も本発明で提供さ
れる検出能力から利益を得られる。また、上記のシステムの変更、例えばサセプ
タの設計、加熱器の設計、RF電力周波数、RF電力接続位置等における変更は可能
である。本発明によって提供される微粒子検出の強化は、特定の装置或は特定の
プラズマ励起方法に限定することがない。

【００３３】本発明の方法によるインサイチュ微粒子検出の改善上記のように、基板処理システム内で生成される微粒子は汚染の可能性があり
歩留りへの不利な影響をもたらすので、重大な問題である。これらの微粒子をレ
ーザ光散乱（LLS）技術によって検出できるが、縮小しつつある特徴サイズは、そのような検出システムのより高い感度を要求する。本発明の方法と装置は、プ
ラズマに基づく基板処理システムにおけるこのような増大された感度を提供する
。

【００３４】多くの場合、微粒子は、多種の共通基板処理システム内で生成されたプラズマ
に存在する。そのようなプラズマの中の微粒子は、電気的力、衝突的力、重力お
よびその他の力の組合せにさらされる。これらの効果は図２で示される。図２は
、図１Aのチャンバ１５に対応する処理チャンバ２０５内の微粒子２００が受ける力を図示している。微粒子２００の直径は、数ナノメートルから何十マイク
ロメートルまでの範囲にある。

【００３５】微粒子２００は、多様の力によって垂直と水平の両方に局限される。多くの場
合、微粒子２００は円形ディスクの中に局限され、該円形ディスクは通常、基板
２１５の直上、且つ図１Aのペデスタル１２とチャンバリッドアセンブリ１５ｂにそれぞれ対応するカソード２１０とアノード２２０との間にある。容易に説明
するために、図２のカソード２１０とアノード２２０が水平に配置され、カソー
ド２１０はアノード２２０の下にあると仮定する。

【００３６】水平方向に、微粒子２００は粘性抵抗２２５による外向き力を受ける。粘性抵
抗２２５は反応物とキャリヤガスの流れに起因する。この流れは通常、基板２１
５の上の中央ソースを介して(例えば、図１Aと図１Bで示されるように、ガス分配フェイスプレート１３によって)プロセスチャンバ２０５に進入し、半径方向で基板２１５を横切って流れ、そして基板２１５の縁部で排気される（例えば、
図１Aと図１Bで示されるに、排気プレナム１７を通して排気される）。

【００３７】垂直方向に、幾つかの力は微粒子２００に作用する。多くの場合、アノード２
２０はカソード２１０より冷たいので、サーモホン(thermophoretic)力２４０は
微粒子２００に作用する。サーモホン力は、微粒子を比較的熱い領域から比較的
冷たい領域へ押しつける。図2で、これは微粒子がカソード２１０からアノード２２０の方へ押し付けられることを意味する。イオン抵抗力２５０および重力２
６０はサーモホン力２４０に対抗する。重力２６０は単に微粒子２００の重さに
よってカソード２１０の方へ力を与る（大抵の基板処理システムにおいて、その
力は下向きである）。イオン抵抗力２５０は基板処理理操作中に処理チャンバ２
０５内に生成されたイオンによって微粒子に与えられて、微粒子をカソード２１
０の方へ引く。

【００３８】最後に、静電反発力２７０は、微粒子２００をカソード２１０から押し離れる
（大抵の基板処理システムにおいて、この力は上向きである）。既に討論された
ように、微粒子２００がプラズマ２７５の中に浸入されているとき小さな負電荷
を獲得するので、微粒子２００はカソード２１０から強制的に離される。図２で
示されるように第１のシース２８０と第２のシース２８５とグロー領域２９０と
を含むプラズマ２７５は上記の電荷のソースである。重力２６０は微粒子をカソ
ード２１０の方へ引っ張る傾向があると同時に、第１のシース２８０に起因する
静電反発力２７０は微粒子をカソード２１０からを押しのける傾向がある。適切なパラメータを与えれば、微粒子は、グロー領域２００の中心と基板２１５と
の間且つ第１シース２８０とグロー領域２００との境界２９５の近くに留まる傾
向を示す。このように、前記の力のネット効果が微粒子を電極のうちの一方へ押
しつけるか半径方向に逃げさせない限り、微粒子２００は境界２９５の周囲領域
の近くに留まる。残念なことに、微粒子が処理チャンバ２０５のボリューム全体
にわたて均一に分散していないけれども、低微粒子濃度および小さな微粒子に対
して敏感なプロセスにおける正確な微粒子検出をできるようにするには、微粒子
２００が十分に集中されていない可能性ある。

【００３９】図３Ａ（側面図）と３Ｂ（平面図）は、そのような微粒子の検出をできるよう
にする本発明の1つの実施例を図示する。本実施例で、微粒子３００は基板３０５の上且つ（図１Aの）チャンバリッドアセンブリ１５ｂの下にある環帯の中に集中される。基板３０５の周りに同心状に配置された金属スペースリング３１０
と３１１および誘電リング３２０によって生成した電場の結果として、微粒子３
００は環帯の中に集合する。誘電リング３２０は、プラズマに基づく処理の環境
極値を耐えられる且つ処理チャンバ内に存在する微粒子濃度に重大な貢献を与え
ない絶縁体（例えばアルミナ、石英、アルミニウム窒化物）から構成される。図
３Aおよび3Ｂで示すように、微粒子３００は環帯の中へ追い込まれる。（図１で
示されるような）処理チャンバ１５内の微粒子が一旦環帯の中に集合すると、こ
れらの微粒子の濃度は前の状態（集中されていない状態）と比べて大きくなって
いる。そしてレーザ光散乱技術を用いて環帯のボリュームの中に追い込まれた微
粒子３００を検出する。以前に記載されたよう、レーザ３３０からのレーザ光は
、レーザ光をボリュームにわたって広げるスキャナ３３５を通るように導かれる
。その後、レーザ光はライトパス３４０に沿って導かれ、チャンバ壁１５aにある第１の窓３４１を通ってチャンバ１５に進入し、そして微粒子３００によって
散乱されて、第２の窓３４３を通して出る。散乱されたレーザ光は、光センサ装
置３４５によって検出される。

【００４０】図３Aと図３Bのチャンバ１５には、それぞれ入射するレーザ光および出るレー
ザ光のための２つの窓（第１の窓３４１と第２の窓３４３）が設けられているが
、これらの２つの窓が結合して単一の窓（図示せず）になることもできる。この
単一の窓は、第１の窓３４１の位置から第２の窓３４３の位置まで延長してよい
。あるいは、単一の窓は、単に２つの窓の高さでチャンバ１５の周囲部全体のま
わりで延長してもよい。チャンバ壁１５aの適当な変更（例えば、チャンバビューポートの追加）によって、本発明は化学気相堆積システム１０のような基板処
理システムに実施できるようになる。

【００４１】また、本発明は、偏光検出のような微粒子感知技術を用いてもよい、そこで、
衝突光と集中された微粒子との間の相互作用は光の偏光を変更させる。偏光検出
技術を用いて、検出微粒子のサイズを推定することも可能である。

【００４２】感知は、チャンバ１５の中の微粒子によって散乱されたレーザ光の量を測定す
ることによって行われる。前述のように、基板処理技術の進歩はチャンバ１５の
中に存在する微粒子の数を減らし続けると同時に、より小さな微粒子の検出も必
要とする。本発明は、ライトパス３４０によって照明されるボリュームの中の微
粒子濃度を高めることで、より低い微粒子濃度およびより小さな微粒子の改善さ
れた検出を提供する。従って、チャンバ１５内の所定の数の微粒子について、本
発明によって、その以外の場合と比べて多くの微粒子３００がライトパス３４０
に位置されて供給されたレーザ光を散乱させる。センサ装置３４５からの出力を
用いて、微粒子集中がいつ許容できないレベルまで上昇したのかを測定すること
ができる。例えば、（チャートレコーダを用いて）この出力を恒常にモニタして
、歩留り分析のような目的で微粒子集中を追跡することができる。

【００４３】さらに、その出力が閾値に関してモニタされてもよく、微粒子濃度はこの閾値
を越えて上昇してはならない。光センサ装置３４５からの出力はこの閾値に達し
た或は超したとき、クリーニング操作は過剰な微粒子を除去するために行われる
。例えば、微粒子濃度が数枚の基板を処理する過程にわたって増加する場合、閾
値の使用は重要である。ある数の基板について、微粒子濃度は、所定の（許容で
きる）レベルでかなり安定のままである。しかし、ある時点で、処理残留物は処
理チャンバにおいて、チャンバ内の微粒子濃度が許容できないレベルへの上昇を
もたらす程度まで累積する。これが起きたとき、一回以上のクリーニング操作が
行わなければならない。本発明のＬＬＳシステムは、閾値を適切なレベルに設定
して上記のような状態を検出するように構成されることができる。そのようなシ
ステムは、アラーム、コントロールディスプレイ上の表示器或は類似の技術によ
って、許容できない微粒子濃度を表示する。

【００４４】この実施例では、微粒子３００は誘電リング３２０の上に環帯の中に集中され
る。微粒子３００はこのように集中される理由は、誘電リング３２０の上に存在
するエレクトロポテンシャルウェル(electropotential well)にある。周囲のスペースの電流密度より低い電流密度を持つボリュームは、その電荷電位が周囲ス
ペースの電荷電位より低いため、「エレクトロポテンシャルウェル」と呼ばれる
。エレクトロポテンシャルウェルは下記のように形成される。電流密度（例えば
、図３Aで示す装置の電極間の電流密度）は部分的に各電極の製作に用いられる材料のＲＦインピーダンスによって決定され、各材料のＲＦインピーダンスは、
続いて、その材料の誘電率の関数（(）によって決定される。材料の誘電率は高ければ高いほど材料のＲＦインピーダンスが大きくなり、この材料と反対側の電
極との間での電流密度が低くなる。電流密度勾配が、異なる電流密度を持つ隣接
するボリュームの間に存在する。そのような勾配は、負帯電された微粒子（例え
ば、チャンバ１５内のプラズマの中にある微粒子）を高い電流密度を有するボリ
ュームから低い電流密度を有するボリュームの中へ押しつける傾向がある。

【００４５】従って、図３Ａと３Ｂに示される各リングとガス分配フェイスプレート１３ａ
との間の電流密度は、部分的に、各リングが製作される材料に依存する。誘電リ
ング３２０が絶縁体（即ち、誘電体）から製作され、金属スペースリングが導体
（即ち、１つ以上の金属、合金等）から製作されるので、誘電リング３２０は金
属スペースリング３１０と３１１より高い誘電率を有する。従って、誘電リング
３２０は、金属スペースリング３１０と３１１より大きいRFインピーダンスを有
する。その結果、金属スペースリング３１０と３１１の上のボリュームに存在す
る電流密度は誘電リング３２０の上のより実質的に高い。

【００４６】その結果、チャンバ１５内の微粒子は、誘電リング３２０の上に集まる傾向が
ある。実際に、低い誘電率材料（例えば、金属スペースリング３１０と３１１）
が誘電リング３２０を包囲することによって、金属スペースリング３１０と３１
１の上のボリュームにおける高い電流密度が誘電リング３２０の上のボリューム
における低い電流密度を包囲することになり、従って、誘電リング３２０の上の
ボリュームにエレクトロポテンシャルウェルが形成される。その効果として、誘
電リング３２０の上のボリューム内の微粒子（即ち、微粒子３００）のトラッピ
ングが強化される。前記の電流は、（実質的に水平方向での）静電力を発生させ
るが、これらの静電力が微粒子のわずかな負電荷に起因する微粒子の静電反発力
と互に釣り合いっている。垂直方向で、静電的力と重力とが釣り合って、上記の
ボリュームを上下から拘束する。これらの力の効果は、誘電リング３２０の上に
微粒子の環帯（または複数の同心の環帯）を形成する結果をもたらす。

【００４７】より広義では、プラズマに存在する表面材料の多様な不連続部によって、十分
な乱れを起こして必要な電場を発生させうる。このように、本発明の電場は、ス
テップ、ギャップまたはそのような不連続部或はそれらの組み合せをいずれかの
電極（好ましくは下側の電極）の設計に組み入れることによって、発生させられ
てもよい。

【００４８】図３Ａと３Ｂで図示した方法および装置は、少なくとも２つの利点を有する。
まず、電極の一方での不連続部を用いてプラズマの中に乱れを生じさせることに
基づく技術は、プラズマからのエネルギーを用いて微粒子を集中させるための電
場を発生させることで、「自己パワー供給(self-powered)」という利点がある。
第２に、本発明のこの実施例は比較的簡単であり、その使用は、1つの電極およびチャンバ壁の機械的変更だけを必要とする。この方法は、誘電リング３２０の
直径の変更によって微粒子３００の水平位置決めを制御することができる。しか
し、この方法は、微粒子３００の垂直位置決めに対して、限定された制御のみを
提供する。その結果、微粒子３００は、さもなければ望ましいであろう場所より
もっと基板３０５に近いところに集中される可能性がる。

【００４９】図４Ａ(側面図）と４Ｂ（平面図）は、より大きい程度の制御を提供する本発明の他の実施例を図示する。この実施例は、外部のパワーソースから供給された
パワーによって発生する磁場を用いて（図１Ａと１Ｂの）チャンバ１５内のプラ
ズマ（図示せず）における微粒子４００の密度を増加させることによって、イン
サイチュ光散乱技術の感度を改善する。前述のように、微粒子４００はプラズマ
の中に浸入しているため、わずかな負電荷を蓄積する。この実施例では、トロイ
ダル磁石４１０を用いて、ペデスタル１２の上に載せられている基板４１５の上
方に磁場を生成する。この磁場は、さもなければ微粒子が占めうるボリュームよ
り小さいなボリューム（即ち、図４で示されるライトパス４２０に沿って位置す
る減小されたボリューム４１８）の中に、微粒子４００を集中させる。しかし、
減小されたボリューム４１８に微粒子４００を集中させるのに十分な磁場を生成
できる磁石であれば、どのような磁石を用いてもよい。例えば、トロイダル磁石
４１０は、永久磁石、電磁石または磁気エネルギーの他のソースであってもよい
。

【００５０】レーザ４３０はスキャナ４３５にレーザ光を供給し、そのレーザ光がライトパ
ス４２０に沿って第１の窓４３６を通してチャンバ壁1１５bの中に導かれる。光
センサ装置４４０は、第２の窓４４２を通して微粒子４００によって散乱された
光を受光する。トロイダル磁石４１０はトロイド形状で示されているが、正方形
或は矩形のような他の磁石形状を用いてもよい。さらに、マルチセグメント磁石
を用いてもよい。

【００５１】前述のように、微粒子４００がわずかな負電荷を所有するので、このような方
法を用いて微粒子４００を集中されることができる。トロイダル磁石４１０は、
微粒子４００に作用する磁場４５０を発生させて、微粒子を減小されたボリュー
ム４１８の中へ引き入れる。磁場４５０における微粒子４００の間の相互作用は
ローレンツ式によって記述される。この式は、電場と磁場の存在下で移動する帯
電微粒子（例えば、微粒子４００の個々の微粒子）に作用する力を記述する。こ
の式は下記のように記述されることができる：

【００５２】

【式１】式の中、Ｆは微粒子に作用する力であり、Ｖは微粒子の速度であり、ｑは微粒子
の電荷であり、Ｅは電場であり、Ｂは磁場である。Ｅ、Ｖ、ＢおよびＦがベクト
ル量であるので、上記の式ベクトル式である。まず、量ｑＥは、電場Ｅと平行す
るベクトルである。Ｅベクトルの正の向きは、電場の正帯電ソースから負帯電ソ
ースへの方を指す。従って、積ｑＥは、正帯電微粒子が、電場Ｅと平行しその微
粒子を正電場ソースから負電場ソースへ押し付けようとする力を受けていること
を示す。負帯電微粒子（例えば微粒子４００）は、（力ｑＥに対して）大きさが
等しいが方向が反対である力−ｑＥ（qは負数である）を受ける。

【００５３】磁力はqV×Bで与えられて、ＶとＢの両方に直交するように指向される。磁力の正の向きは、慣例によって、Ｂに平行すべくＶを回転させるように右ねじが回
転される場合、この右ねじの進む方向である。この力のもう１つの特徴は、VがB
と平行するとき、この磁力がゼロになる。Vが垂直であるとき、この力は最大になる。その大きさは下記の式で示される：

【００５４】

【式２】式の中、はVとBの間に含まれる角度である。この式から、磁場と平行して動く帯電微粒子
がこの磁場からの力を受けないことは明白である。実際に、たとえ帯電微粒子が
速度Vで任意の角度で磁場の中へ移動しても、磁場に直交する速度の成分（V)のみが、その磁場と相互作用する。平行の速度成分（V）は作用しない。従って、磁気相互作用の最も単純な場合は、安定した均一な磁場の中へ移動する帯電微粒
子からなり、その微粒子は直角で磁場へ移動するように速度Vを有する。負帯電微粒子（例えば微粒子４００）は、常にＶに直交し負の向きに指向される力を受
けて、よって、円形運動を引き起こす。微粒子によって描かれる半径は旋回半径
として知られ、その旋回半径は磁力を上記のような運動において遭遇される求心
加速度に等式化することによって決定されて、下記の式を得る：

【００５５】

【式３】式の中、ｒ_gは旋回半径であり、mが微粒子の質量（グラム）であり、(V(は垂直速度成分の大きさ(cm/s)であり、(B(は磁場の大きさ(ガウス）であり、Zは存在する電荷の数であり、ｃは光の速度(cm/s)であり、eは電子電荷（静電単位スタットクーロン）である。式からわかるように、磁場が強いあるいは速度が低い場
合、小さな旋回半径が得られる。任意の所定サイズの微粒子について、より強い
磁場は関連のレーザ光散乱検出器のより大きい感度を得ると期待されるだろう。
直観的明白であるように、式３は、微粒子の質量が小さければ小さいほどｒ_gが小さくなることも示してある。このように、微粒子が小さければ小さいほどより
集中するので、より小さな微粒子に対するより大きな感度の要求は本発明の方法
によって満たされる。

【００５６】この方法のある実施例は、外部パワーソースおよび（トロイダル磁石を収容す
るために）処理チャンバの相当大規模な変更を必要とするが、微粒子４００0の垂直および水平方向での位置決めを良く制御することができる。例えば、トロイ
ダル磁石４１０は調節可能な取付装置（図示せず）を用いて配置されてもよい。
これによって、減小されたボリューム４４０が基板４０５から離れて配置され、
減小されたボリューム４４０における微粒子４００の集中に起因する欠陥の可能
性を減少する。

【００５７】本発明の方法および装置は前述の説明に記載された特定のパラメータに制限さ
れない。当業者なら分かるように、異なる磁場/電場形態を本発明の精神からから逸脱することなく使用することができる。種々の基板処理設備は本発明の方法
から利益を得ることができる。プラズマに基づく基板処理設備内のインサイチュ
検出のために、微粒子を集中するための本発明による他の等価或は代替の方法は
当業者とって明白である。それらの等価或は代替の方法は本発明の範囲内に含ま
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の化学気相堆積法（ＣＶＤ）装置の1つの実施例を示す縦断面図である。

【図１Ｂ】本発明の化学気相堆積法（ＣＶＤ）装置の1つの実施例を示す縦断面図である。

【図１Ｃ】図１Ａで示されるＣＶＤチャンバのある部分を示す分解斜視図である。

【図１Ｄ】図１Ａで示されるＣＶＤチャンバのある部分を示す分解斜視図である。

【図１Ｅ】１つ以上のチャンバを含むマルチチャンバシステムにおけるステムモニタとＣ
ＶＤシステムを示す概略図である。

【図２】処理チャンバ内のプラズマの中に浮遊する微粒子に作用しうる種々の力を図示
しているプラズマに基づく基板処理システムの概略図である。

【図３Ａ】モニタの感度を改善するために本発明の1つの実施例を用いるレーザ光散乱微粒子モニタを示す概略側面図である。

【図３Ｂ】モニタの感度を改善するために本発明の1つの実施例を用いるレーザ光散乱微粒子モニタの概略平面図である。

【図４Ａ】モニタの感度を改善するために本発明のもう一つの実施例を用いるレーザ光線
散乱微粒子モニタの概略側面図である。

【図４Ｂ】モニタの感度を改善するために本発明のもう一つの実施例を用いるレーザ光線
散乱在微粒子モニタの概略平面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 1/00 Ｈ０５Ｈ 1/00 Ａ (72)発明者パルクッヒ，ヴィジャユアメリカ合衆国，カリフォルニア州，サニーヴェイル，サウスフェアオークスアヴェニュー 655 Ｆターム(参考） 4K030 FA01 KA37 KA39 LA15 4M106 AA01 AA20 BA05 CA41 DH12 DH32 5F045 AA08 BB15 DP03 DQ10 EF05 EH05 EH13 EK08 GB04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板処理システムの処理チャンバ内のプラズマの中の微粒子
をモニタするインサイチュ微粒子モニタシステムであって、微粒子の少なくとも一部をボリュームの中へ集中させる微粒子コンセントレー
タと、上記処理チャンバの壁にある光学的透明な窓と、前記光学的透明な窓を通して、少なくとも前記ボリュームの一部を照明する光
源と、前記ボリュームの前記少なくとも一部にある少なくとも幾つかの微粒子によっ
て散乱されて、前記光学的透明な窓を通して出る少なくとも若干の光を検出する
光学的検出器と、を備える、インサイチュ微粒子モニタシステム。
【請求項２】前記光学検出器の出力を表示する表示装置をさらに備える、
請求項１に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項３】前記微粒子コンセントレータは磁場を用いて微粒子を集中さ
せる、請求項１に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項４】前記微粒子コンセントレータは電場を用いて微粒子を集中さ
せる、請求項１に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項５】前記電場は第１の材料と前記プラズマとの接触によって発生
し、前記第１の材料は第２の材料および第３の材料の間にある、請求項４に記載
の微粒子モニタシステム。
【請求項６】前記第１の材料は誘電材料であり、前記第２の材料は導電材
料であり、前記第３の材料は導電材料である、請求項５に記載の微粒子モニタシ
ステム。
【請求項７】基板処理システムの処理チャンバ内のプラズマの中の微粒子
をモニタするインサイチュ微粒子モニタシステムであって、上記微粒子の少なくとも一部をボリュームの中へ集中させる微粒子コンセント
レータと、上記プロセスチャンバの壁にある第１および第２の光学的透明な窓と、前記第１の光学的透明な窓を通して、前記ボリュームの少なくとも一部を照明
する光源と、前記ボリュームの前記少なくとも一部にある少なくとも幾つかの微粒子によっ
て散乱されて、前記第２の光学的透明な窓を通して射出される少なくとも若干の
光を検出する光学的検出器と、を備える前記インサイチュ微粒子モニタシステム。
【請求項８】前記光学検出器の出力を表示する表示装置をさらに備える、
請求項７に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項９】前記微粒子コンセントレータは磁場を用いて微粒子を集中さ
せる、請求項７に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項１０】前記磁場は永久磁石を用いて発生させられる、請求項９に
記載の微粒子モニタシステム。
【請求項１１】前記磁場は電磁石を用いて発生させられる、請求項９に記
載の微粒子モニタシステム。
【請求項１２】前記微粒子コンセントレータは電場を用いて微粒子を集中
させる、請求項７に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項１３】前記電場は金属表面における幾何学的不連続部と上記プラ
ズマとの接触によって発生する、請求項１２に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項１４】前記電場は誘電材料と上記プラズマとの接触によって発生
し、前記誘電材料は側方に導電材料によって包囲される、請求項１２に記載の微
粒子モニタシステム。
【請求項１５】前記電場は第１の材料と上記プラズマとの接触によって発
生し、前記第１の材料は第２の材料および第３の材料の間にある、請求項１２に
記載の微粒子モニタシステム。
【請求項１６】前記第１の材料は誘電材料であり、前記第２の材料は導電
材料であり、前記第３の材料は導電材料である、請求項１５に記載の微粒子モニ
タシステム。
【請求項１７】上記基板と同心状に配置される前記第２の材料のリングと
、前記第２の材料の前記リングと同心状に配置される前記第１の材料のリングと
、前記第１の材料の前記リングと同心状に配置される前記第３の材料のリングと
、を更に備える、請求項１６に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項１８】前記第１の材料の誘電率は前記第２および前記第３の材料
の誘電率より低い、請求項１７に記載の微粒子モニタシステム。
【請求項１９】基板処理システムの処理チャンバ内の微粒子をモニタする
ための、光照射野を形成する光源と視野を有する検出器とを備え、改善された感
度を有する微粒子濃度モニタを用いて微粒子を検出する方法であって、上記処理チャンバ内にプラズマを発生させて、前記プラズマによって上記微粒
子の一部が静電荷を得るステップと、上記微粒子の前記一部に電場を与えて、上記微粒子の前記一部を前記電場と一
致するボリュームの中に集中させ、前記ボリュームは少なくとも部分的に上記光
照射野と上記視野内にあるステップと、を含む前記方法。
【請求項２０】前記光学検出器の出力を表示するステップをさらに含む、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】前記電場は誘電材料と前記プラズマとの接触によって発生
し、前記誘電材料は金属材料の間に囲まれる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】前記電場は金属表面における幾何学的不連続部と前記プラ
ズマとの接触によって発生する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】基板処理システムの処理チャンバ内の微粒子をモニタする
ための、光照射野を形成する光源と視野を有する検出器とを有する微粒子濃度モ
ニタの感度を改善する方法であって、上記処理チャンバ内にプラズマを発生させて、前記プラズマによって上記微粒
子の一部が静電荷を得るステップと、上記微粒子の前記一部に磁場を与えて、上記微粒子の前記一部を前記磁場と一
致するボリュームの中へ集中させ、前記ボリュームは少なくとも部分的に上記光
照射野と前記視野の中にあるステップと、を含む、上記方法。
【請求項２４】前記磁場は永久磁石を用いて発生させられる、請求項２３
に記載の方法。
【請求項２５】前記磁場は電磁石を用いて発生させられる、請求項２３に
記載の方法。
【請求項２６】光照射野を形成する光源と視野を有する検出器とを有する
光散乱微粒子濃度モニタを用いて、基板処理システムの処理チャンバ内の微粒子
濃度をモニタする方法であって、上記処理チャンバ内にプラズマを発生させて、前記プラズマによって前記微粒
子が静電荷を得るステップと、上記微粒子に電場を印加して、上記微粒子の第１の部分を前記電場と一致する
ボリュームの中へ集中させ、前記ボリュームの一部は少なくとも部分的に上記光
照射野と上記視野の中にあるステップと、上記光源を用いて前記ボリュームの前記一部を照明するステップと、上記検出器を用いて前記ボリュームの前記一部の中の微粒子から散乱された光
を検出するステップとを含む、方法。
【請求項２７】光照射野を形成する光源と視野を有する検出器とを有する
光散乱微粒子濃度モニタを用いて、基板処理システムの処理チャンバ内の微粒子
濃度をモニタする方法であって、上記処理チャンバ内にプラズマを発生させて、前記プラズマによって前記微粒
子が静電荷を得るステップと、上記微粒子に磁場を与えて、上記微粒子の第１の部分を前記磁場と一致するボ
リュームの中へ集中させ、前記ボリュームの一部は少なくとも部分的に上記光照
射野と上記視野の中にあるステップと、上記光源を用いて前記ボリュームの前記一部を照明するステップと、上記検出器を用いて前記ボリュームの前記一部の中の微粒子から散乱された光
を検出するステップとを含む方法。