JP2004184409A

JP2004184409A - 半導体装置の製造装置及びガス濃度分析方法

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Publication number: JP2004184409A
Application number: JP2003388028A
Authority: JP
Inventors: Kenji Oba; 健二大場; Toshikazu Sugiura; 利和杉浦
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】ガス処理チャンバーから排出される排出ガスのガス濃度の測定値に関して、
分析誤差が少なくなる赤外分光分析装置含む半導体装置の製造装置及びそれを用いたガス濃度分析方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置の製造装置は、対象物をガスで処理することによって製造処理を行い、製造処理に用いた排出ガスを排出するガス処理チャンバー２０と、ガス処理チャンバー２０から排出される排出ガスを分析する赤外分光分析装置１０と、を備える。この赤外分光分析装置１０は、少なくとも一部に透光部１６を含む試料室１０ａと、試料室１０ａに透光部１６から入射光Ａを入射させる光源１２と、入射光Ａが試料室１０ａ内を通過して透光部１６から出射したものである通過光Ｂを検出する検出部１４と、を備え、試料室１０ａの少なくとも一部は、ガス処理チャンバー２０に隣接して接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外分光分析装置含む半導体装置の製造装置及びそれを用いたガス濃度分析方法に関するものである。

製造装置から排出ガスの濃度測定は、赤外分光分析装置を用いて行われている。図３は、従来の赤外分光分析装置１３０を用いたガス処理チャンバー１５０からの排出ガス測定装置を示す図である。
ガス処理チャンバー１５０内から排出される排出ガスのガス濃度の測定は、赤外分光分析装置１３０を用いて行われている。ガス処理チャンバー１５０に接続した配管には、ガス処理チャンバー１５０を真空に保つために、ガス処理チャンバー１５０に近接した側の第１の配管１６０Ａと、真空ポンプ１１０を介して第１の配管１６０Ａに接続した第２の配管１６０Ｂとが含まれる。真空ポンプ１１０によって、第１の配管１６０Ａ内は真空が保たれており、第２の配管１６０Ｂ内は大気圧条件下になっている。
特開２００２−８２０４９

排出ガスのガス濃度は、赤外分光分析装置１３０を第２の配管１６０Ｂに取り付け、第２の配管から大気圧条件下の排出ガスを導入し、大気圧条件下で測定を行っていた。
この場合、ガス処理チャンバー１５０から真空ポンプ１１０を介して赤外分光分析装置１３０に接続する部分までの配管距離が長く、ガス処理チャンバー１５０からの排出ガスが赤外分光分析装置１３０に到達するまでに時間がかかっていた。また、、配管による排気ガスの吸着、配管内の生成物の影響等によって、ガス濃度のピークの検出が正確にできなかった。また、ガス処理チャンバーの雰囲気より遅れて赤外分光装置１３０内の雰囲気が変化するためガス量の測定値の経時変化が正確に測定できなかった。例えば、赤外分光装置をドライエッチ装置のエンドポイント検出に用いた場合、エンドポイントの検出が遅れる等の問題があった。以上のとおり、赤外分光分析装置１３０によるガス濃度分析方法を用いて正確な評価をすることが難しかった。
また、ガス処理チャンバーに窓を設け、窓にプラズマ発光分析装置を取り付ける従来技術はあった。しかし、様々な波長を分析する場合、プラズマ発光分析では困難であり、特定の波長を透過するフィルタを何枚もガス処理チャンバーに設ける必要がある等困難であった。

本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガス濃度の分析誤差を少なくするガス濃度分析装置及びガス濃度分析方法、並びに半導体製造装置に関する技術を提供する点にある。

本発明の半導体装置の製造装置は、対象物をガスで処理することによって製造処理を行い、製造処理に用いた排出ガスを排出するガス処理チャンバーと、前記ガス処理装置から排出される排出ガスを分析する赤外分光分析装置と、を備える半導体装置の製造装置であって、前記赤外分光分析装置は、少なくとも一部に透光部を含む試料室と、前記試料室に前記透光部から入射光を入射させる光源と、前記入射光が前記試料室内を通過して透光部から出射したものである通過光を検出する検出部と、を備え、前記試料室の少なくとも一部は、前記ガス処理チャンバーに隣接して接続していることを特徴とする。

また、本発明のガス濃度分析方法は、対象物をガスで処理することによって製造処理を行い、製造処理に用いた排出ガスを排出するガス処理チャンバーから、前記ガス処理装置と隣接して接続された試料室であって、少なくとも一部に透光部を含む前記試料室を含む赤外分光分析装置を用いて、前記排出ガスのガス濃度を分析するガス濃度分析方法であって、前記試料室に前記排出ガスを導入し、前記透光部から前記試料室に光を入射させ、前記試料室を通過した前記光を検出部を用いて検出することを特徴とする。

本発明のガス濃度分析を用いることによって、配管内の排気ガスの吸着や生成物の影響を減らすことができ、ガス処理チャンバー内の状態を赤外分光分析法によって正確に評価できる。また、従来問題となっていたガス処理チャンバー内の状態の検出遅れがなくなった。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

１．半導体処理装置
図１は、本実施の一の実施形態に係るガス濃度分析装置を含む半導体装置の製
造装置を説明する図である。

図１及び２に示すように、本発明の一の実施形態に係る半導体装置の製造装置は、ガス処理チャンバー２０と、電極２１と、ガス処理チャンバー２０にガスを導入するガス導入配管２４−１と、ガス処理チャンバー２０から排出ガスを排出する排気配管２４−２と、排気配管２４−２に接続されるポンプ２２とバルブ２３とを備える。さらに、ガス処理チャンバー２０に隣接する赤外分光分析装置１０とを備える。半導体基板はガス処理チャンバーに入れられ、ガス流量や排気によって所定の雰囲気で処理される。その際、電極２１を制御することによってガスをプラズマ化させて基板を処理する構成としても良い。また、ガス処理チャンバーの温度調整のため、ヒーターや冷却ラインをさらに設ける構成としてもよい。また、半導体装置はＣＶＤ装置やドライエッチング装置とすることができる。

２．赤外分光分析装置
赤外分光分析装置１０は、少なくとも一部に透光部１６を含む試料室１０ａと、試料室１０ａに透光部１６から入射光Ａを入射させる光源１２と、入射光Ａが試料室１０ａ内の排出ガス中を通過して透光部１６から出射する通過光Ｂを検出する検出部１４と、を備える。さらに、入射光Ａのデータと検出部１４において測定された通過光Ｂの測定値とを用いて、ガス濃度を算出する分析部を備えていてもよい。

透光部１６は、光を透過させる部分である。透光部１６は、試料室１０ａの表面に設けられている。透光部１６は、光源１２から出された入射光Ａを試料室１０ａに入射させ、入射光Ａが試料室１０ａ内の排出ガス中を通過した状態の通過光Ｂを試料室１０ａから出射させる。透光部１６は、例えば、ガラスや透光性の樹脂材料からなるものであってもよい。透光部１６は、透明な部材からなるものであってもよい。透光部１６は、光を透過すれば、有色のものであってもよい。透光部１６は、図１に示すように、入射光Ａが入射する透光部１６ａと通過光Ｂが出射する透光部１６ｂとの複数の透光部を含んでもよいし、１つの透光部からなるものであってもよい。光は直線状に進むため、透光部１６ａ，１６ｂは、図１に示すように対向して配置されてもよい。この場合、検出部１４は、光源１２に対向して配置されている。また、図２に示すように、試料室１０ａ内に入射された光を反射する反射部１９を有してもよい。この場合は、透光部１６は、一つの透光部１６から構成されていてもよいし、図２に示すように、入射光Ａが入射する透光部１６ａと通過光Ｂが出射する透光部１６ｂは、分離して設けられており、透光部１６ａと１６ｂとは近接して配置されてもよい。反射部１９は、試料室１０ａの内面のうち、少なくとも透光部１６が設けられた面に対向する面に設けられている。反射部１９が設けられている場合、検出部１４は光源１２に近接して配置されている。反射部１９を利用することで、限られた大きさの試料室１０ａにおける干渉光の光路長を大きくすることができ、低濃度の排出ガスでもガス濃度を測定することができる。

ガス処理チャンバー２０は、少なくとも、対象物をガスで処理することによって製造処理を行う装置である。ガス処理チャンバー２０において製造処理に使用されたガスは、排出ガスとなり、配管２４−２等を用いて外部に排出される。例えば、ガス処理装置２０は、ＣＶＤ装置やドライエッチング装置等である。ガス処理チャンバー２０は、半導体基板や半導体ウエハをガスで処理して製造処理を行う装置であってもよい。

試料室１０ａは、ガス処理チャンバー２０に隣接している。試料室１０ａとガス処理装置２０とは、ガス処理チャンバー２０内の排出ガスが試料室１０ａに導入されるように接続されている。試料室１０ａは、排出ガスが内部に導入されるように中空構造をとる。例えば、試料室１０ａは、ガス処理チャンバー２０に気密接続されていてもよい。試料室１０ａとガス処理チャンバー２０との間には、開閉式のシャッターが設けられていてもよい。シャッターが閉まっているときは、ガス処理チャンバー２０から排出ガスが試料室１０ａに導入されない。対して、シャッターが開いているときは、ガス処理チャンバー２０から排出ガスが試料室１０ａに導入される。これにより、排出ガスのガス濃度の測定が必要なときのみ、試料室１０ａに排出ガスを導入することができる。

試料室１０ａは、ガス処理チャンバー２０から着脱可能な構造となっていてもよい。
試料室１０ａはフランジ１８などを利用して製造装置２０に固定され、気密接続されていてもよい。フランジ１８等による接続を利用して、透光部１６が汚れやすい試料室１０ａのみを着脱できるようにすることで、赤外分光分析装置１０のメンテナンスが容易になる。

光源１２は、赤外線発光部とマイケルソン干渉計などの干渉計とを有し、入射光Ａを出すものであってもよい。検出部１４及び分析部は、入射光Ａのうち試料室１０ａ内の排出ガス中を透過してきた通過光Ｂを検出して濃度分析を行う。

３．分散型赤外分光光度計
本発明の赤外分光分析装置として分散型赤外分光光度計を用いることができる。図４、図５を用いて分散型赤外分光光度計について説明する。光源から出た光が試料室１０ａを通過し、入射スリット１４１で光束を細く略平行になる。次に光はグレーティング（回折格子）１４２で波長ごとに空間分離される。グレーティング１４２の向きを走査することにより、出射スリットを通す光の波長を変化させ、これを検知器１５ａでとらえる。検知器１５ａからの出力信号をペンレコーダ１５ｂなどで記録する。

４．フーリエ変換赤外分光光度計
本発明の赤外分光分析装置としてフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）を用いることができる。図６、図７を用いてフーリエ変換赤外分光光度計について説明する。干渉計１２１によって得られる干渉光をデジタル信号化し、それをコンピュータでフーリエ変換することにより分光する。光源１２より出た光は干渉計１２１を通り、干渉光となる。干渉光のまま試料室１０ａを通り、検知器１５ｃでとらえられる。検知器１５cからの出力信号をＡＤ（アナログ−デジタル）変換器１５ｄでデジタル化した後、コンピュータ１５ｅへ送信する。送信されてきたデータをフーリエ変換し、得られたスペクトル波形をディスプレイに表示させる。

干渉計１２１にはファブリーベロー干渉計、マイケルソン干渉計、ジャマン干渉計、マッハ-ツェンダー干渉計などを用いることができる。ここで、マイケルソン干渉計について図８を用いて説明する。マイケルソン干渉計１２１ａは半透鏡（ビームスプリッタ）１２２と平面鏡１２３ａ、１２３ｂで構成されており、平面鏡の１つは光軸と平行に移動する機構になっている。半透鏡１２２は入射した光の一部を透過し、残りを反射して、光を2つに分割する役割を持っている。平面鏡１２３ａ、１２３ｂは光を反射する。まず、光源より出た光は平行光束にされ、半透鏡１２２に導かれる。半透鏡１２２に入射した光は、透過光と反射光の２つの光束に分割され、両光束はそれぞれ平面鏡１２３ａ、１２３ｂで折り返されて戻り、再び半透鏡１２２で合成される。

ここで、波長λ（波数ν）の単色光（波長による強度分布を持たない単一波長の光）をこれに導入した場合を考えた場合、半透鏡１２２から平面鏡１２３ｂまでの距離をＬ１、同じく平面鏡１２３ａまでの距離をＬ２としたとき、Ｌ１＝Ｌ２（すなわちＬ１−Ｌ２＝０）の状態では分割された２光束は同じ位相で合成されるので強め合って出力されるが、平面鏡１２３ｂが移動して（Ｌ１−Ｌ２）＝λ／２の状態になると逆位相で合成されるので打ち消し合って出力される（強度が０になる）ことになる。ここで、平面鏡１２３ｂが移動する（移動鏡の）場合、さらに平面鏡１２３ｂが動いていったとき、Ｌ１とＬ２の差が波長λの倍数になったところで強め合い、λ／２の倍数になったところで弱め合うことになる。したがって、平面鏡１２３ｂを連続的に移動させて干渉計ａからの出力光を観測すると明暗の周期的な繰り返しとなる。光路差（Ｌ１＝Ｌ２）を横軸にとってこれをグラフ化すると結局、入射光の波長に従ったコサイン波になる。次に、別な波長（波数）の光を加えて２つの単色光を導入した場合を考えた場合。平面鏡１２３ｂの連続走査により、各々の単色光はその波長に従って変調され、干渉計１２１ａからの出力光は２つのコサイン波の和として観測されます。さらに多くの波長（波数）の光を導入しても、それぞれの波長（波数）成分ごとに変調された合成波が出力されることになり、波長（波数）の連続した実際の光源からの光では光路差が大きくなるにつれて強度が減衰していくような出力波形が観測される。この波形をインターフェログラムと呼ばれる。インターフェログラムに含まれている各周波数の信号強度を分析すれば、各波長の光の強度がわかることになる。
インターフェログラムＦ（Ｘ）は式１および式２のような積分関数で表すことができる。

Ｘは平面鏡の位置、νは波数、Ｂ（ν）は波長ごとの光の強度を表したスペクトルであり、コンピュータを用いたフーリエ変換によりスペクトルが計算される。

５．半導体製造装置へのガス濃度分析方法の適用
次に、上述の本実施の形態に係る半導体製造装置へのガス濃度分析方法の適用について説明する。

本実施の形態に係るガス濃度分析方法は、大気圧よりも減圧された条件下で、ガス処理チャンバー２０の排出ガスのガス濃度を赤外分光分析装置１０を用いて分析するものである。すなわち、試料室１０ａ内の圧力は大気圧よりも低い。試料室１０ａ内の圧力は、ガス処理チャンバー２０内の圧力と等しくてもよいし、それよりも低くてもよい。ガス処理チャンバー２０及び試料室１０ａ内は、共に真空状態であってもよい。試料室１０ａ内の圧力がガス処理チャンバー２０内の圧力よりも低い場合には、ガス処理チャンバー２０と試料室１０ａとの間の接続部が小さい等の理由によりガス処理装置２０から試料室１０へ排出ガスが導入されにくくても、試料室１０ａに効率的に排出ガスを導くことができる。

本実施の形態に係るガス濃度分析方法は、ガス処理チャンバー２０内のガスを、ガス処理チャンバー２０に隣接した試料室１０ａに導入し、上述した赤外分光分析装置１０を用いて、試料室１０ａ内の排出ガスのガス濃度の分析をする。ガス処理チャンバー２０と試料室１０ａとの間にシャッターが設けられている場合は、シャッターを開くことによって、ガス処理チャンバー２０内のガスを試料室１０ａ内に導入する。

次に、試料室１０ａに排出ガスが存在した状態で、光源１２からの入射光Ａを、試料室１０ａの透光部１６（１６ａ）から試料室１０ａ内に入射させる。入射光Ａは、ガス中を通過して、通過光Ｂとして透光部１６（１６ｂ）から出射し、検出部１４に入射する。
この通過光１６を検出部１４で検出して測定し、入射光Ａのデータと通過光Ｂの測定値とを用いて、排出ガスのガス濃度を算出し、分析する。

透光部１６ａと透光部１６ｂが対向して配置されている場合には、光源１２からの光は直線状に進み、光源１２と対向して配置された検出部１４に入射する。
また、試料室１０ａに反射部１９を設けた場合には、光源１２から透光部１６へ入射した光は反射部１９において反射され、入射光Ａの入射した部分に近接する部分から通過光Ｂとして出射される。反射部１９を利用することにより、光の光路長を大きくできるため、低濃度、又は、低圧のプロセスガスの場合であっても測定が可能になる。反射部１９を含む場合、反射部１９に対する光の入射角度を調整することにより、光源１２と検出部１４との位置を調整できる。すなわち、反射部１９に対して、光源１２からの光を斜めに入射させることによって、透光部１６の入射光Ａの入射する部分と通過光Ｂが出射する部分とをずらすことができる。

なお、本実施の形態においては、本発明を適用する上で好適な条件を適用することができる。ガスとして、半導体製造プロセスに使用されるプロセスガスを対象としてもよい。本実施の形態はガス定量分析を必要とする一般の製造・加工プロセスに対して有効に適用される。例えば、ＣＶＤ装置やドライエッチング装置のガス処理チャンバー２０の雰囲気を検出したり、ドライエッチングのエンドポイントの検出に用いることができる。

また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

本発明の実施の一の実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す図である。本発明の実施の一の実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す図である。従来の半導体装置の製造装置を示す図である。分散型赤外分光光度計における光の流れ。分散型赤外分光光度計の構成。フーリエ変換赤外分光光度計における光と信号の流れ。フーリエ変換赤外分光光度計の構成。マイケルソン干渉計。

符号の説明

１０赤外分光分析装置、１０ａ試料室、１２光源、１４検出部、１６ａ，１６ｂ透光部、１８フランジ、１９反射部、２０ガス処理チャンバー、２１電極、２２真空ポンプ、２３バルブ、２４−１、２４−２配管、Ａ入射光、Ｂ通過光、１４１入射スリット、１４２グレーティング、１２１、１２１ａ干渉計、１２２半透鏡、１２３ａ、１２３ｂ平面鏡、１４３出射スリット、１５ａ、１５ｃ検知器、１５ｂペンレコーダ、１５ｄＡＤ変換機、１５ｅコンピュータ

Claims

対象物をガスで処理することによって製造処理を行い、製造処理に用いた排出ガスを排出するガス処理チャンバーと、
前記ガス処理チャンバーから排出される排出ガスを分析する赤外分光分析装置と、を備える半導体装置の製造装置であって、
前記赤外分光分析装置は、少なくとも一部に透光部を含む試料室と、前記試料室に前記透光部から入射光を入射させる光源と、前記入射光が前記試料室内を通過して透光部から出射したものである通過光を検出する検出部と、を備え、
前記試料室の少なくとも一部は、前記ガス処理チャンバーに隣接して接続されていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１記載の半導体装置の製造装置において、前記試料室内の圧力は、大気圧よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造装置において、
前記試料室内の圧力は、前記ガス処理チャンバー内の圧力よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造装置において、
前記試料室内の圧力は、前記ガス処理チャンバー内の圧力と等しいことを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置の製造装置において、前記試料室と前記ガス処理チャンバーとの間には、開閉式のシャッターが設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置の製造装置において、
前記試料室内に、光の反射部が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
対象物をガスで処理することによって製造処理を行い、製造処理に用いた排出ガスを排出するガス処理チャンバーから、前記ガス処理チャンバーと隣接して接続された試料室であって、少なくとも一部に透光部を含む前記試料室を含む赤外分光分析装置を用いて、前記排出ガスのガス濃度を分析するガス濃度分析方法であって、
前記試料室に前記排出ガスを導入し、
前記透光部から前記試料室に光を入射させ、
前記試料室を通過した前記光を検出部を用いて検出することを特徴とするガス濃度分析方法。
請求項７記載のガス濃度分析方法であって、
前記透光部は、複数の透光部からなることを特徴とするガス濃度分析方法。
請求項７または８に記載のガス濃度分析方法であって、
前記試料室は、反射部を有し、
前記試料室に前記光を入射させる工程において、前記反射部に向って光を入射
させることを特徴とするガス濃度分析方法。
請求項７から９のいずれかに記載のガス濃度分析方法であって、
前記試料室と前記ガス処理チャンバーとの間にはシャッターが設けられており、
前記試料室に前記排出ガスを導入する工程において、前記シャッターを開くことによって、前記試料室に前記排出ガスを導入することを特徴とするガス濃度分析方法。