JP2004063748A

JP2004063748A - 基板処理における処理終了点の検出方法ならびに基板処理方法および基板処理装置

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Publication number: JP2004063748A
Application number: JP2002219607A
Authority: JP
Inventors: Toru Kuroiwa; 黒岩　徹; Tatsufumi Kusuda; 楠田　達文
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理において、処理中に処理の進行具合を正確に管理して処理の終了点を検出できる方法を提供する。
【解決手段】複数波長における各反射光強度の設定値を決める工程と、基板の表面の所定個所へ光を照射し、基板表面で反射した光を分光して、複数波長における各反射光強度の測定値を得る工程と、得られた複数波長における各反射光強度の測定値と複数波長における各反射光強度の設定値とを比較する工程とを備え、以上の各工程を、基板処理を開始してから時間経過に従って繰り返し行い、得られた複数の波長における各反射光強度の測定値が複数波長における各反射光強度の設定値と所定範囲内で整合した時点を処理の終了点とする。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体ウエハ、液晶表示装置用ガラス基板、フォトマスク用ガラス基板、光ディスク用基板等の基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理、例えばプラズマ雰囲気中で基板上の絶縁膜をドライエッチングする処理において、処理の終了点を検出する方法、ならびに、基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理方法および基板処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置や液晶表示装置などの製造プロセスにおいては、基板の表面に形成された薄膜をエッチング処理して所定パターンに加工する処理が多用されている。例えば、基板上に微細配線を形成する方法の１つとして用いられている処理では、基板の表面に形成された絶縁膜を、プラズマ雰囲気中でドライエッチングして、絶縁膜に所定パターンの微細溝を形成し、その絶縁膜の微細溝内に銅などの配線用金属を埋め込んだ後、絶縁膜の表面を研削して溝外の余分な金属を除去するようにしている。このような処理によって基板上に形成される微細配線の電気抵抗は、微細溝の断面積によって決まるため、微細溝の断面形状を精度良く管理する必要がある。言い換えると、絶縁膜のエッチング量を正確に管理して、微細溝が所望形状にエッチング加工された時点でエッチング処理を終了させる必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の装置には、処理中に絶縁膜のエッチング量を管理するためのモニタが設けられていなかった。したがって、処理中にはエッチングの進行具合を把握することができず、処理を開始してから一定時間が経過した時点で処理を終了させるようにしていた。このように、絶縁膜に所望形状の微細溝が形成されているかどうかは、処理中に判断することができなかった。このため、完成品が得られた段階で初めて不良品が発見される、という問題点があった。また、エッチング量を直接に制御することができなかったため、薄膜の微細加工には十分に対応することができなかった。
【０００４】
この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理において、処理中に処理の進行具合を正確に管理して処理の終了点を検出することができる方法を提供すること、ならびに、その検出方法を用いた基板処理方法を提供すること、および、その方法を好適に実施することができる基板処理装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理において処理の終了点を検出する方法であって、少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値を決める工程と、基板の表面の所定個所へ光を照射し、基板の表面で反射した光を分光して、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値を得る工程と、この工程で得られた少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値と少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とをそれぞれ比較する工程と、を備え、前記各工程を、基板の処理を開始してから時間経過に従って繰り返し行って、得られた少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とそれぞれ所定範囲内で整合した時点を処理の終了点とすることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の検出方法において、基板の表面に対し斜め方向へ光を照射することを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の検出方法において、前記基板処理が、プラズマ雰囲気中で基板をドライエッチングする処理であることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明は、基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理方法において、少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値を決める工程と、基板の表面の所定個所へ光を照射し、基板の表面で反射した光を分光して、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値を得る工程と、この工程で得られた少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値と少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とをそれぞれ比較する工程と、を備え、前記各工程を、基板の処理を開始してから時間経過に従って繰り返し行って、得られた少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とそれぞれ所定範囲内で整合した時点で処理を終了することを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明は、基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理装置において、基板の表面の所定個所へ光を照射する投光手段と、基板の表面で反射した光を、基板の処理を開始してから時間経過に従って繰り返し分光して、順次少なくとも２つの波長における各反射光強度の測定値を得る分光手段と、この分光手段により順次得られる少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値を、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値と順次それぞれ比較し、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とそれぞれ所定範囲内で整合した時点を処理の終了点と判定する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項６に係る発明は、請求項５記載の基板処理装置において、前記投光手段から基板の表面に対し斜め方向へ光が照射されることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る発明の検出方法においては、基板の表面の所定個所へ光を照射し、基板の表面で反射した光を分光して、少なくとも２つの波長における各反射光強度の測定値を得る。
【００１２】
ここで、反射光の各波長成分ごとに得られる強度は、基板処理の進行具合に応じて、したがって、基板上の薄膜の膜厚（薄膜に溝が加工される場合は溝の深さ）の変化に対応して、それぞれの波長ごとに異なる経時変化を示す。すなわち、反射光強度の経時変化を曲線で表すと、波長ごとに異なる波形曲線となる（後述する図４参照）。そこで、経過時間に対して光強度が顕著に変化する波長、換言すると、基板上の薄膜の膜厚（薄膜に溝が加工される場合は溝の深さ）の変化に対して光強度が顕著に変化する波長を少なくとも２つ選定しておき、各時点において反射光の各波長成分ごとの強度をそれぞれ測定すると、得られる２つもしくは３以上の測定値の組合せは、基板上の薄膜の膜厚（薄膜に溝が加工される場合は溝の深さ）（経過時間）に対して固有のものとなる。すなわち、ｔ時点でのａ波長における反射光強度がｉ_ａで、ｂ波長における反射光強度がｉ_ｂであったとすると、ｔ時点以外の時点でａ波長における反射光強度がｉ_ａでかつｂ波長における反射光強度がｉ_ｂとなる可能性は殆ど考えられず、例えば３つの波長を選定すれば、３つの測定値の同じ組合せが２回以上出現する確率はほぼ０であると考えられる。
【００１３】
そこで、同じパターン、同じ膜種の薄膜が形成された基板を一定の処理条件で処理したときにおける少なくとも２つの波長における各反射光強度の経時変化のデータを予め求めておき、所望膜厚（薄膜に溝が加工される場合は所望の溝深さ）に達する時点、すなわち処理を終了すべき時点の少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値を決めておく。そして、反射光強度の分光測定で順次得られる少なくとも２つの波長における各反射光強度の測定値と少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値とを順次それぞれ比較する。そして、少なくとも２つの波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値とそれぞれ所定範囲内で整合した時点を処理の終了点とすることにより、処理の終了点を検出することが可能になる。
【００１４】
請求項２に係る発明の検出方法では、基板の表面に対し斜め方向へ光が照射されることにより、基板の表面に対し斜め方向へ反射した光を分光して、上記したように処理の終了点を検出することが可能になる。
【００１５】
請求項３に係る発明の検出方法では、プラズマ雰囲気中で基板をドライエッチングする処理において、上記したように処理の終了点を検出することが可能になる。
【００１６】
請求項４に係る発明の基板処理方法においては、請求項１に係る発明の検出方法を利用して、所望の処理量となった時に確実に処理を終了させることが可能になる。
【００１７】
請求項５に係る発明の基板処理装置においては、投光手段から基板の表面の所定個所へ光が照射され、分光手段により、基板の表面で反射した光が、基板の処理を開始してから時間経過に従って繰り返し分光されて、少なくとも２つの波長における各反射光強度の測定値が順次得られる。そして、演算手段により、順次得られる少なくとも２つの波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値と順次それぞれ比較され、少なくとも２つの波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値とそれぞれ所定範囲内で整合した時点が処理の終了点と判定される。このような動作により処理の終了点を検出して、所望の処理量となった時に確実に処理を終了させることが可能になる。
【００１８】
請求項６に係る発明の基板処理装置では、投光手段から基板の表面に対し斜め方向へ光が照射されることにより、基板の表面に対し斜め方向へ反射した光を分光して、上記したように処理の終了点を検出することが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、この発明に係る基板処理における処理終了点の検出方法および基板処理方法を実施するために使用される基板処理装置の構成の１例を示す概略図である。この装置は、例えばプラズマ雰囲気中で基板をドライエッチングする処理に使用される。表面に絶縁膜が形成された基板１は、基板保持台２に水平姿勢で載置され、図示していないが密閉された処理容器内に収容されている。そして、基板１上の絶縁膜は、プラズマ雰囲気中においてドライエッチングされる。
【００２１】
処理終了点の検出を行うための装置は、可視光を出射するランプ、例えばハロゲンランプを有する光源装置３、光源装置３に光入射端が光学的に接続された光ファイバ４、および、光ファイバ４の光出射端に光学的に接続され複数枚の光学レンズを内蔵した投光装置５を備えている。投光装置５は、基板保持台２上の基板１に対し斜め方向へ光が照射されるように、基板１の上面と垂直な面に対し光軸を傾けて配置されている。この投光装置５からは、基板１の表面の所定個所へ光が照射されるようになっている。また、投光装置５から照射されて基板１の表面の所定個所で斜め方向へ反射した光が入射するように、基板１の上面と垂直な面に対し光軸を傾けて、複数枚の光学レンズを内蔵した受光装置６が配設されている。受光装置６には、光ファイバ７の光入射端が光学的に接続されており、光ファイバ７の光出射端に分光器８が光学的に接続されている。また、分光器８は、ＣＰＵ１０、メモリ１１およびタイマー１２を備えた演算・制御装置９に電気的に接続されている。この演算・制御装置９には、後述するように図２および図３ならびに図５および図６の各フローチャートにそれぞれ示すような処理動作を実行させるためのプログラムが記憶されている。また、演算・制御装置９には、キーボード等の入力装置１３が接続されている。
【００２２】
次に、上記した構成を有する装置を使用して行われる処理終了点の検出方法の１例について、図２および図３ならびに図５および図６図にそれぞれ示すフローチャートを参照しつつ説明する。
【００２３】
〔標準データの取得〕
処理終了点の検出を行おうとする基板と同じパターン、同じ膜種の絶縁膜が形成された基板を、一定の処理条件によりプラズマ雰囲気中でドライエッチング処理し、標準データを求める。
【００２４】
図２に示すように、まず、入力装置１３を操作して、演算・制御装置９にデータのサンプリング回数Ｎ（サンプリングする時間間隔Ｔ）を設定入力するとともに、エッチングレートを設定入力する（ステップＳ１）。エッチングレートを設定することにより、処理を開始してからの経過時間とその時点におけるエッチング量とを対応付けることができる。その後に、プラズマ雰囲気中で基板１の処理を開始する（ステップＳ２）。そして、サンプリング回数のカウント値ｎを「１」に設定し（ステップＳ２）、タイマー１２をスタートさせる（ステップＳ４）。
【００２５】
タイマー１２がスタートしてから時間間隔Ｔが経過すると（ステップＳ５）、投光装置５から基板１の表面の所定個所へ可視光を照射し、基板１の表面で反射した光を受光装置６で受光して分光器７へ入射させ、分光器７において異なる２以上の波長、例えば３つの波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度の測定値を得る（図３のステップＳ６）。この反射光強度の測定値には、可視光成分の光強度の他、それに加算されるようにプラズマ光成分の光強度が含まれている。得られた測定値は、分光器７から演算・制御装置９へ電気信号として送られる。演算・制御装置９へ電気信号として送られた１組の測定値（３つの波長ａ、ｂ、ｃにおける測定値）は、処理開始時点からの経過時間と共にメモリ１１に記憶される（ステップＳ７）。なお、反射光強度の測定値を得ようとする波長としては、経過時間に対して光強度が顕著に変化する波長、換言すると、エッチング量の変化に対して光強度が顕著に変化する波長を予め選定しておく。
【００２６】
１組の測定値と経過時間とがメモリ１１に記憶されると、カウント値ｎがサンプリング回数Ｎであるかどうかを判定し（ステップＳ８）、ｎ＝Ｎでないときはカウント値ｎを「１」だけインクリメントする（ステップＳ９）。そして、カウント値ｎがサンプリング回数Ｎに達するまで（ｎ＝Ｎとなるまで）、ステップＳ４からステップＳ７までの各動作を繰り返す。これにより、一定の時間間隔Ｔごとの３つの波長ａ、ｂ、ｃにおける測定値が複数組得られる。
【００２７】
図４は、以上のようにして得られた３つの波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度の経時変化をそれぞれ示す図である。この図から分かるように、波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度は、それぞれの波長ごとに異なる経時変化を示し、波長ごとに異なる波形曲線となる。そして、各時点での波長ａ、ｂ、ｃにおける反射光強度の組合せは、経過時間に対して固有のものとなる。すなわち、波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度の同じ組合せが２回以上出現する確率はほぼ０である。
【００２８】
ところで、上述したように、エッチングレートが設定されることにより、処理を開始してからの経過時間とその時点におけるエッチング量とが対応付けられ、一方、処理を開始してからの経過時間とその時点での波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度とが関係付けられているので、エッチング量と波長ａ、ｂ、ｃにおける反射光強度とが対応することになる。すなわち、同じパターン、同じ膜種の絶縁膜が形成された基板を同一の処理条件によりエッチング処理する場合においては、エッチング量を指定すれば、そのエッチング量に対応する、波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度が一義的に決まることになる。これを利用して、次に説明するように基板処理における処理終了点の検出が行われる。
【００２９】
〔処理終了点の検出〕
図５に示すように、まず、入力装置１３を操作して、パラメータにより演算・制御装置９に所望のエッチング量を設定入力する（ステップＳ１１）。これにより、メモリ１１に記憶された複数組の、波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度のうちから所望のエッチング量に対応する１組の、波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度が選択されて設定される。図４で説明すると、所望のエッチング量が経過時間ｔに対応しているとすると、上記した〔標準データの取得〕で得られた３つの波形曲線上の各点Ａ、Ｂ、Ｃにおける反射光強度が選択されて設定される。
【００３０】
波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度の設定値が決まると、プラズマ雰囲気中で基板１の処理を開始する（ステップＳ１２）。そして、タイマー１２をスタートさせ（ステップＳ１３）、タイマー１２がスタートしてから時間間隔Ｔが経過すると（ステップＳ１４）、投光装置５から基板１の表面の所定個所へ可視光を照射し、基板１の表面で反射した光を受光装置６で受光して分光器７へ入射させ、分光器７において波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度の測定値を得る（図６のステップＳ１５）。得られた測定値は、分光器７から演算・制御装置９へ電気信号として送られる。
【００３１】
測定値が得られると、演算・制御装置９において、波長ａ、ｂ、ｃにおける各測定値と波長ａ、ｂ、ｃにおける各設定値とがそれぞれ比較され（ステップＳ１６）、両者間に整合性があるかどうかが判定される（ステップＳ１７）。この判定は、例えば、波長ａにおける測定値と設定値との一致率、波長ｂにおける測定値と設定値との一致率、および、波長ｃにおける測定値と設定値との一致率をそれぞれ算出し、それぞれの一致率が全て所定値を上回っているかどうか、例えばそれぞれの一致率が全て９０％を超えているかどうかを検討することにより行うようにし、それぞれの一致率が全て９０％を超えているときは測定値と設定値との間に整合性があると判定する。勿論、そのような判定方法以外の方法により、測定値と設定値との整合性を判定するようにしてもよい。
【００３２】
そして、波長ａ、ｂ、ｃにおける各測定値と波長ａ、ｂ、ｃにおける各設定値との間に整合性があると判定されたときは、エッチング処理を終了する（ステップＳ１８）。一方、両者間に整合性が無いと判定されたときは、両者間に整合性があると判定されるまで、ステップＳ１３からステップＳ１６までの各動作を繰り返す。したがって、エッチング処理を終了する時点では、波長ａ、ｂ、ｃにおける各測定値が波長ａ、ｂ、ｃにおける各設定値にそれぞれ近似することになり、所望のエッチング量が得られることになる。
【００３３】
なお、上記した実施形態では、反射光を分光して少なくとも２つの波長における光強度を用いるようにしているが、光強度の代わりに反射率（ベアウエハでの反射光強度に対する反射光強度の比率）を用いて、上記と同様の処理動作を行うようにしてもよい。さらに、上記した実施形態では、プラズマ雰囲気中で基板をドライエッチングする処理について説明したが、この発明は、それ以外の基板処理、例えばドライエッチング、ドライ薄膜等の処理についても適用することが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の検出方法を用いると、基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理において、処理中に処理の進行具合を正確に管理して処理の終了点を確実に検出することができる。このため、完成品が得られる段階まで不良品を発見することができない、といった問題を解消することができ、また、エッチング量を直接に制御することができるので、薄膜の微細加工に十分に対応することが可能になる。
【００３５】
請求項２に係る発明の検出方法では、上記したように処理の終了点を確実に検出することができる。
【００３６】
請求項３に係る発明の検出方法では、プラズマ雰囲気中で基板をドライエッチングする処理において、上記したように処理の終了点を検出することができる。
【００３７】
請求項４に係る発明の基板処理方法によると、請求項１に係る発明の検出方法を利用して、所望の処理量となった時に確実に処理を終了させることができるので、完成品が得られる段階まで不良品を発見することができない、といった問題を解消することができ、また、薄膜の微細加工に十分に対応することが可能になる。
【００３８】
請求項５に係る発明の基板処理装置を使用すると、所望の処理量となった時に確実に処理を終了させることができ、請求項４に係る発明の上記効果を得ることができる。
【００３９】
請求項６に係る発明の基板処理装置では、上記したように処理の終了点を検出して、所望の処理量となった時に確実に処理を終了させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る基板処理における処理終了点の検出方法および基板処理方法を実施するために使用される基板処理装置の構成の１例を示す概略図である。
【図２】図１に示した装置を使用して行われる処理終了点の検出方法における処理動作を示すフローチャートであって、標準データを取得する手順の１例を示すものである。
【図３】同じく、フローチャートである。
【図４】図２および図３のフローチャートに示す処理動作によって得られた３つの波長ａ、ｂ、ｃにおける各反射光強度の経時変化をそれぞれ示す図である。
【図５】図１に示した装置を使用して行われる処理終了点の検出方法における処理動作を示すフローチャートであって、図２および図３のフローチャートに示す処理動作によって得られた標準データを用いて処理終了点を検出する手順の１例を示すものである。
【図６】
同じく、フローチャートである。
【符号の説明】
１　基板
２　基板保持台
３　光源装置
４、７　光ファイバ
５　投光装置
６　受光装置
８　分光器
９　演算・制御装置
１０　ＣＰＵ
１１　メモリ
１２　タイマー
１３　入力装置

Claims

基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理において処理の終了点を検出する方法であって、
少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値を決める工程と、
基板の表面の所定個所へ光を照射し、基板の表面で反射した光を分光して、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値を得る工程と、
この工程で得られた少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値と少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とをそれぞれ比較する工程と、
を備え、
前記各工程を、基板の処理を開始してから時間経過に従って繰り返し行って、得られた少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とそれぞれ所定範囲内で整合した時点を処理の終了点とすることを特徴とする、基板処理における処理終了点の検出方法。
基板の表面に対し斜め方向へ光を照射する請求項１記載の、基板処理における処理終了点の検出方法。
前記基板処理が、プラズマ雰囲気中で基板をドライエッチングする処理である請求項２記載の、基板処理における処理終了点の検出方法。
基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理方法において、
少なくとも２つの波長における各反射光強度の設定値を決める工程と、
基板の表面の所定個所へ光を照射し、基板の表面で反射した光を分光して、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値を得る工程と、
この工程で得られた少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値と少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とをそれぞれ比較する工程と、
を備え、
前記各工程を、基板の処理を開始してから時間経過に従って繰り返し行って、得られた少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とそれぞれ所定範囲内で整合した時点で処理を終了することを特徴とする基板処理方法。
基板の表面に形成された薄膜を所望膜厚となるまで部分的にまたは全面的に除去する基板処理装置において、
基板の表面の所定個所へ光を照射する投光手段と、
基板の表面で反射した光を、基板の処理を開始してから時間経過に従って繰り返し分光して、順次少なくとも２つの波長における各反射光強度の測定値を得る分光手段と、
この分光手段により順次得られる少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値を、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値と順次それぞれ比較し、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の測定値が、少なくとも２つの前記波長における各反射光強度の設定値とそれぞれ所定範囲内で整合した時点を処理の終了点と判定する演算手段と、
を備えたことを特徴とする基板処理装置。
前記投光手段から基板の表面に対し斜め方向へ光が照射される請求項５記載の基板処理装置。