JP2011517097A - 発光スペクトルを正規化するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】プラズマチャンバ内の正規化発光スペクトルを定量的に測定するためにプラズマ発光をその場（in-situ）で光学的に調査するための構成が提供される。該構成は、フラッシュランプと、石英窓のセットとを含む。構成は、また、石英窓のセットに光学的に結合された複数のコリメート光学アセンブリも含む。この構成は、更に、少なくとも照明光ファイバ束、収集光ファイバ束、及び基準光ファイバ束を含む複数の光ファイバ束を含む。この構成は、尚も更に、少なくとも信号チャネル及び基準チャネルを伴うように構成されたマルチチャネル分光計を含む。信号チャネルは、第１の信号を測定するために、少なくともフラッシュランプ、石英窓のセット、コリメート光学アセンブリのセット、照明光ファイバ束、及び収集光ファイバ束に光学的に結合される。
【選択図】図１

Description

プラズマ処理の進歩は、半導体業界の成長を促進してきた。プラズマ処理では、処理されているデバイスの歩留まりを高く保証するために、診断ツールが使用され得る。プロセスパラメータの厳密な制御を維持するために、エッチャント及びエッチング生成物を気相モニタリングするための診断ツールとして、多くの場合、発光分光法（ＯＥＳ）が用いられる。

プラズマの光学調査においては、プラズマ放電に関連した特徴的なグロー、すなわち特定の発光スペクトルがある。プラズマ放電は、成分種、圧力、エネルギ密度、駆動力などを非限定的に含む複数の変数の関数であり得るスペクトル定義を有すると考えられる。深紫外（ＵＶ）波長から遠赤外（ＩＲ）波長までを非限定的に含むスペクトルは、通常、シングルチャネル分光計を用いて観測され得る。

プラズマの光学調査は、プラズマエッチングチャンバの石英窓を通してコリメータを通じて発光スペクトルを収集することによって実施され得る。収集器の光ファイバ束によって伝送されるスペクトル情報は、分光計の信号チャネルによって測定され得る。プラズマ処理時のプロセスモニタリング及びプロセス制御のための指針を与えるために、光学調査からのスペクトル情報によって、成分種に関するかなりの量の情報が収集及び解析され得る。しかしながら、ＯＥＳを用いたプラズマの光学調査は、主に、定性分析に限られていた。

とりわけ、ばらつきは、製造環境においてプラズマの光学調査の定量分析にＯＥＳが用いられることを妨げる主な制限であると考えられる。例えば、ばらつきは、デバイス製作環境においてシステム間で観測されるであろう。システム間のばらつきは、プラズマ処理システムどうしの条件の差として現れるであろう。もう１つの例では、システム間のばらつきは、測定システムの間で、すなわち分光計間で観測されるであろう。更にもう１つの例では、システム間のばらつきは、異なる分光計を伴う異なるプラズマ処理システムごとの設定の差から見分けられるであろう。当業者ならばわかるように、製造環境において、処理時のプラズマの光学調査におけるシステム間のばらつきは、高い不確実性をもたらし、プラズマモニタリング及び／又はプラズマ制御のための定量ツールとしてＯＥＳが用いられることを制限すると考えられる。

製造環境において定量ツールとしてＯＥＳが用いられることを制限し得るもう１つのばらつき源は、システム内のばらつきだと考えられる。例えば、プラズマチャンバに対する及び／又は分光計に対する光ファイバ束の結合効率が、システム内のばらつきの原因になり得る。

もう１つの例では、プラズマチャンバの形状及び力学が、システム内の、例えばプラズマ信号のin-situ（その場）測定などのばらつきを招くと考えられる。プラズマ処理は、通常、大気よりも低い圧力を用い、真空チャンバを必要とする。真空チャンバ内の窓は、プラズマスペクトル信号を測定するために、光路に沿って所望の波長依存減衰で透過させるように、例えば石英で構成されるなど適切な材料からなる必要があるであろう。しかしながら、一部のプラズマ処理システムにおける圧力制御は、閉じ込めリングの設定を用いることがあり、これは、プラズマと分光計との間の光路を部分的に遮るであろう。更に、閉じ込めリングは、所望のプラズマ圧力に応じて（１つ又は２つ以上の）調査窓に相対的に移動すると考えられ、また、堆積及び／又はエッチングも受けるであろう。したがって、光路遮蔽、堆積、及び／又はエッチングは、システム内のばらつきを発生させ、ＯＥＳを用いた定量分析を非実用的にすると考えられる。

構成要素の劣化に起因する、時間の関数の形をとるばらつき、すなわち経時的ばらつきが、プラズマプロセスの定量分析にＯＥＳが用いられることを妨げる更にもう１つのばらつき源だと考えられる。例えば、上述の石英窓は、プラズマ処理時にプラズマに暴露され、堆積及び／又はエッチングを受けるであろう。したがって、時間の経過とともに、石英窓は曇り、窓の光学特性を変化させるであろう。通常、石英窓の曇りは、プラズマ信号の強度を非線形的に低下させると考えられる。もう１つの経時的ばらつきの例では、光ファイバ束が、その光伝送効率を時間の関数の形で低下させ、これもやはり、プラズマ信号の強度を非線形的に低下させると考えられる。以上からわかるように、経時的ばらつきは、定量ツールとしてＯＥＳが用いられることを制限する不確実性の更にもう１つの源になり得る。

一般に、プラズマを定める変数の多くは、その場（in-situ）で正確に測定することが困難だと考えられる。また、プラズマには、複数の時間尺度において大幅な揺らぎがあることがあり、これは、スペクトル発光を変化させるであろう。ＯＥＳを用いた現行のプラズマ光学調査に伴うばらつきゆえに、どのプラズマ変数が発光の変化を引き起こすかを定量的に決定するタスクは、極めて困難だと考えられる。したがって、ＯＥＳの使用は、終点の検出、漏れの識別、種の特定などの定性用途に限られるであろう。

可能な解決策は、ＯＥＳを標準化してプロセスのステップごとのばらつきを低減させるための制御の利用を伴うと考えられる。例えば、システム間及び／又は器具間のばらつきを低減させるために、較正が実施されてよい。曇りを低減させるために、石英窓が定期的に洗浄されてよい。本来の伝送効率を実現するために、光ファイバ束が交換されてよい。光カプラを同じように装着して設定のばらつきを低減させるために、有鍵コネクタが用いられてよい。

しかしながら、較正及び制御は、実験室環境においては容易であるのに対し、製造環境においては伝わりにくいことがある。百を超える製造ステップによって高いスループットでデバイスを製作可能な大容量の製造設備では、各ステップ後の較正及び制御は、非実用的だと考えられる。制御されないばらつき及び時間関連の劣化の較正は、専用のリソースを必要とするであろう。専用のリソースは、費用競争力の極めて高い製造プロセスの費用を増大させるであろう。注意深い較正及び制御は、処理時間の時間を上乗せし、製造されているデバイスごとの費用を増大させてスループットを低下させるであろう。したがって、制御は、費用の増大及びスループットの低下という不利益をプロセスにもたらすうえに、定量的ＯＥＳ測定の能力の問題に対処することもなく、ばらつきを低減させると考えられる。

以上から、プラズマ処理時のプロセスモニタリング及び制御のための定量ツールとしてＯＥＳを用いるための方法と装置とが望まれている。

本発明は、一実施形態では、プラズマチャンバ内の正規化発光スペクトルを定量的に測定するためにプラズマ発光をその場（in-situ）で光学的に調査するための構成に関する。該構成は、フラッシュランプと、石英窓のセットとを含む。構成は、また、石英窓のセットに光学的に結合された複数のコリメート光学アセンブリも含む。構成は、更に、少なくとも照明光ファイバ束、収集光ファイバ束、及び基準光ファイバ束を含む複数の光ファイバ束を含む。構成は、尚も更に、少なくとも信号チャネル及び基準チャネルを伴うように構成されたマルチチャネル分光計を含む。信号チャネルは、第１の信号を測定するために、少なくともフラッシュランプ、石英窓のセット、コリメート光学アセンブリのセット、照明光ファイバ束、及び収集光ファイバ束に光学的に結合される。

上記の概要は、本明細書に開示される発明の多くの実施形態のうちの１つのみに関するものであり、特許請求の範囲に定められた発明の範囲を制限することを意図していない。本発明のこれらの及びその他の特徴は、以下の図面との関連のもとで、発明の詳細な説明において以下で更に詳しく説明される。

本発明は、類似の構成要素を同様の参照符号で示した添付の図面において、限定的ではなく例示的に示される。

プラズマの光学調査のための、代表的なプラズマ処理システムにおける正規化発光分光法（ＯＥＳ）設定の簡略図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

較正された光源を用いた第１の較正設定の簡略図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

標準光源を用いた第２の較正設定の簡略図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

信号チャネルを用いたリアルタイムな正規化ＯＥＳ測定のための方法の簡易流れ図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

マルチチャネル分光計を用いたリアルタイムな正規化ＯＥＳ測定のための方法の簡易流れ図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

次に、添付の図面に例示された幾つかの実施形態を参照にして、本発明の詳しい説明が行われる。以下の説明では、本発明の完全な理解を可能にするために、多くの詳細が特定される。しかしながら、当業者ならば、本発明がこれらの詳細の一部又は全部を特定しなくても実施され得ることが明らかである。また、本発明を不必要に不明瞭化しないために、周知のプロセスステップ及び／又は構造は詳しく説明されない。

本発明の実施形態にしたがって、複数のチャンバに跨って正規化発光スペクトルを定量的に測定するために、プラズマ発光をその場（in-situ）で光学的に調査するための、方法及び構成が提供される。一例において、一実施形態では、外部光源を用いて、一直径上において相対する覗き口を通してリアルタイムで集光経路を調査することによって、集光効率のその場（in-situ）測定が実施され得る。

一実施形態では、正規化ＯＥＳ測定システムは、例えばキセノンフラッシュランプなどの外部光源を伴うように構成されてよい。一例において、フラッシュランプは、比較的短いパルス幅及び／又は高い強度の信号を有してよい。一実施形態では、プラズマ処理チャンバからの放出信号及び／又はフラッシュランプのパルスごとの出力を同時に測定するために、マルチチャネル分光計が用いられてよい。したがって、正規化ＯＥＳシステムは、正規化発光スペクトルを実現するための発光及び／又は集光効率の測定を可能にし得る。これとは対照的に、先行技術によるＯＥＳ測定システムは、外部光源及び／又はマルチチャネル分光計を伴うようには構成されないと考えられる。

一実施形態では、オフライン較正測定を用いて固定的な結合係数が決定されてよい。一例において、一実施形態では、較正された光源を用いて較正が実施されてよい。もう１つの実施形態では、マルチチャネル分光計の信号チャネル及び／又は基準チャネルの両方によって測定され得る標準光源を用いて較正が実施されてよい。これらの較正は、固定的な結合係数を決定するために、ＯＥＳシステムの出荷前において分光計メーカによって一度実施されてよい。したがって、デバイスメーカは、デバイス製作プロセスの費用を上乗せし得る較正の負担を負わないですむ。

先行技術において、ＯＥＳを用いたプラズマ光学調査のための方法は、定性分析に限られていた。本明細書の開示において、一実施形態では、分光計の一チャネルを用いたリアルタイムな正規化ＯＥＳ測定のための方法が述べられる。正規化ＯＥＳ測定は、システム内の老朽化に起因するドリフト及び閉じ込めリング位置に起因する光路の変化を打ち消すであろう。もう１つの実施形態では、外部の較正測定とともにマルチチャネル分光計を用いたリアルタイムな正規化ＯＥＳ測定のための方法が述べられる。分光計及び光学効率の係数は、上記の較正方法によってオフラインで較正されてよい。一実施形態では、測定システムの集光効率に関連したばらつきを排除するために、発光スペクトルが測定及び正規化されてよい。以上からわかるように、上記の方法は、異なる処理チャンバに跨ったリアルタイムな正規化ＯＥＳスペクトルの定量分析を促進し得る。

本発明の特徴及び利点は、以下の図面及び（先行技術によるメカニズムと発明の実施形態とを対比させた）議論を参照にして、更に良く理解されるであろう。

図１は、プラズマの光学調査のための、代表的なプラズマ処理システムにおける正規化発光分光法（ＯＥＳ）設定の簡略図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

図１の実装形態では、測定システム内におけるばらつきに関連した光学効率に無関係な発光スペクトルを測定するために、エッチングチャンバ１０２内のプラズマ１０４の光学調査が実施されてよい。一実施形態では、エッチングチャンバ１０２は、随意の閉じ込めリングアセンブリ１３４を伴うように構成されてよい。更に、エッチングチャンバ１０２は、一実施形態では、プラズマ１０４を見ることができる、一直径上において相対する２つの石英窓を伴うように構成されてよい。一例では、エッチングチャンバ１０２は、照明側に第１の石英窓１１８を、収集側に第２の石英窓１２８を伴うように構成されてよい。

本明細書において用いられる用語として、照明側は、エッチングチャンバのうち、第１の石英窓１１８を通して光源を伝達するために外部光源を伴うように構成され得る側であってよい。これに対して、収集側は、エッチングチャンバのうち、放電されたプラズマに関連した発光スペクトルが第２の石英窓１２８を通して分光計によって測定され得る側であってよい。

一実施形態では、例えば第１のコリメータ１１６及び第２のコリメータ１２６などの複数のコリメート光学アセンブリが、２つの石英窓をエッチングチャンバ１０２に結合するために用いられてよい。一例において、石英窓１１８は、第１のコリメータ１１６によってエッチングチャンバ１０２の照明側に結合されてよい。同様に、石英窓１２８は、第２のコリメータ１２６によってエッチングチャンバ１０２の収集側に結合されてよい。

一実施形態では、各石英窓において結合されたコリメート光学アセンブリは、光ファイバ結合に対して所定の角度許容を有し得る収束光学系及び／又は発散光学系（例示を簡単にするため不図示）を伴うように構成されてよい。

例えば、照明側において、外部光源すなわちフラッシュランプ１０６からの光信号は、一実施形態では、第１の光ファイバ束１０８を通じてエッチングチャンバ１０２内へ伝達されるであろう。光ファイバ束１０８は、本明細書において、照明光ファイバ束１０８と称されてもよい。フラッシュランプ１０６は、限定はされないが、高強度で且つ短パルスの光線１２０を伝達可能なキセノンフラッシュランプであってよい。照明光ファイバ束１０８は、一実施形態では、第１端においてフラッシュランプ１０６に結合するように、そして第２端において光カプラ１１４を通じて石英窓１１８に結合するように構成されてよい。

図１の実装形態では、照明光ファイバ束１０８を通じてエッチングチャンバ１０２内へ伝達される光信号１２０は、コリメータ１１６を通してコリメートされてよい。一実施形態では、光信号１２０の強度は、プラズマ１０４と比べて桁違いに高強度であってよく、これは、高い信号対雑音比をもたらすであろう。光信号１２０、及びプラズマ１０４の発光スペクトルは、一実施形態では、第２の光ファイバ束１１２を通じてマルチチャネル分光計１５０の信号チャネル１３０に伝送されるように、コリメータ１２６を通してコリメートされてよい。光ファイバ束１１２は、本明細書において、収集光ファイバ束１１２と称されてもよい。

収集側において、収集光ファイバ束１１２は、一実施形態では、第１の端において光カプラ１２４を通じて石英窓１２８に結合するように、そして第２の端においてマルチチャネル分光計１５０の信号チャネル１３０に結合するように構成されてよい。エッチングチャンバ１０２からのプラズマ１０４の発光スペクトル及び／又は光信号１２０は、一実施形態では、測定のために、収集光ファイバ束１１２を通じて収集されてマルチチャネル分光計１５０上の信号チャネル１３０に伝達されてよい。一実施形態では、信号チャネル１３０は、限定はされないが、電荷結合素子（ＣＣＤ）であってよい。したがって、信号チャネル１３０は、エッチングチャンバ１０２からの（１つ又は２つ以上の）伝送信号を測定するように構成されてよい。

図１の実装形態において、フラッシュランプ１０６からの光信号は、一実施形態では、マルチチャネル分光計１５０上の基準チャネル１３２によって測定されるように、第３の光ファイバ束１１０を通じて直接収集及び伝送されてよい。光ファイバ束１１０は、本明細書において、基準光ファイバ束１１０と称されてもよい。したがって、基準チャネル１３２は、フラッシュランプ１０６のパルスごとの出力を測定するように構成されてよい。

以上からわかるように、図１の正規化ＯＥＳ設定は、先行技術とは対照的に、後ほど詳述されるような、測定システムに関連した集光効率に無関係であり得るその場（in-situ）発光スペクトルを収集及び測定するための（１つ又は２つ以上の）方法を促進するために、外部フラッシュランプ及びマルチチャネル分光計を伴うように構成されてよい。マルチチャネル分光計を用いることによって、エッチングチャンバからの透過光及び／又はフラッシュランプのパルスごとの出力の測定は、発光スペクトルの正規化を可能にするように、同時的になされ得る。

上記のように、測定システムは、ＯＥＳ測定におけるばらつきに寄与し得る複数の集光効率を含むと考えられる。集光効率は、正規化ＯＥＳ測定のために、分離及び定量化されてよい。図１を参照すると、正規化ＯＥＳ設定において関心を持たれている光結合係数は、以下のとおりである。

Ｃ_L,R：基準チャネル光ファイバ束１１０へのフラッシュランプ１０６出力の結合

Ｃ_L,S：信号チャネル光ファイバ束１０８へのフラッシュランプ１０６出力の結合

Ｃ^* _FL：照明セグメント１０８の光ファイバ伝送率（^*−時間の経過とともに変化する）

Ｃ^* _FR：基準セグメント１１０の光ファイバ伝送率（^*−時間の経過とともに変化する）

Ｃ^* _FC：収集セグメント１１２の光ファイバ伝送率（^*−時間の経過とともに変化する）

Ｃ_R：マルチチャネル分光計の基準チャネル１３２の結合効率及び検出器感度

Ｃ_S：マルチチャネル分光計の信号チャネル１３０の結合効率及び検出器感度

Ｃ^** _C：収集覗き口における、コリメータアセンブリ１２６、石英窓１２８透過率、及び閉じ込めリング１３４透過率の結合効率（^**−時間の経過とともに且つプロセス時に大きく変化する）

Ｃ^** _L：照明覗き口における、コリメータアセンブリ１１６、石英窓１１８透過率、及び閉じ込めリング１３４透過率の結合効率（^**−時間の経過とともに且つプロセス時に大きく変化する）

一実施形態では、固定的な結合係数は、２つのオフライン較正測定を用いて決定されてよい。図２は、較正された光源を用いた第１の較正設定２００の簡略図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

図２の実装形態において、較正は、一実施形態では、（１つ又は２つ以上の）結合係数Ｃ_S及び／又はＣ_FCを決定するために、較正された光源２０６を用いてよい。較正された光源２０６は、発明の一実施形態では、マルチチャネル分光計の信号チャネル１３０によって測定されてよい。較正された光源２０６の出力Ｉ_Gは、信号チャネル１３０上においてスペクトルＬ_GSとして測定されてよい。（１つ又は２つ以上の）結合係数Ｃ_S及び／又はＣ_FCは、以下のように決定されてよい。

Ｌ_GS＝Ｃ_FCＣ_SＩ_G （式１）
ここで、Ｌ_GSは、測定されるスペクトルであり、Ｉ_Gは、既知である較正された光源の出力であり、Ｃ_Sは、マルチチャネル分光計の信号チャネルの結合効率及び検出器感度であり、Ｃ_FCは、収集セグメント１１２の光ファイバ伝送率である。

図２の実装形態において、収集光ファイバ束１１２についてのＣ_FCの決定は、一実施形態では、随意であってよい。もし較正が、Ｃ_FCの決定を含む場合は、収集光ファイバ束１１２は、一実施形態では、マルチチャネル分光計の信号チャネル１３０とともに対応する対として出荷されてよい。

図２を参照すると、Ｌ_GS及びＩ_Gは、既知の値であってよい。しかしながら、Ｌ_GS及びＩ_Gは、必ずしも絶対値である必要はない。一実施形態では、Ｌ_GSは、メーカによって指定されたゴールデン分光計に対して相対的なものであってよい。Ｉ_Gは、米国標準技術局（ＮＩＳＴ）による標準に対して相対的なものであってよい。一実施形態では、較正は、結合係数Ｃ_S及び／又はＣ_FCを決定するために、顧客への出荷に先立ってメーカによってオフラインで一度実施されてよい。

本明細書において用いられる用語として、ゴールデン分光計は、ある分光計メーカによって製造され得る一群の分光計を名目上代表するものとしてそのメーカによって指定された特定の分光計であってよい。したがって、引き続き製造される分光計は、ゴールデン分光計に照らして較正されてよい。

図３は、標準光源を用いた第２の較正設定３００の簡略図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

図３の実装形態において、較正は、一実施形態では、結合係数Ｃ_R、Ｃ_S、Ｃ_FR、Ｃ_FL、Ｃ_LR、及び／又はＣ_LSを決定するために、標準光源３０６を用いてよい。較正は、発明の一実施形態では、マルチチャネル分光計の信号チャネル１３０及び基準チャネル１３２の両方によって測定され得る標準光源３０６を用いてよい。標準光源３０６の出力Ｉ_Sは、信号チャネル１３０上においてスペクトルＬ_GSAとして及び基準チャネル１３２上においてスペクトルＬ_GRAとして測定されてよい。結合係数Ｃ_R、Ｃ_S、Ｃ_FR、Ｃ_FL、Ｃ_LR、及び／又はＣ_LSは、以下のように決定されてよい。

Ｌ_GRA＝Ｃ_LRＣ_FRＣ_RＩ_S （式２）

Ｌ_GSA＝Ｃ_LSＣ_FLＣ_SＩ_S （式３）

ここで、Ｌ_GRAは、基準チャネル１３２上において測定されるスペクトルであり、Ｌ_GSAは、信号チャネル１３０上において測定されるスペクトルであり、Ｉ_Sは、標準光源の出力であり、Ｃ_Sは、マルチチャネル分光計の信号チャネルの結合効率及び検出器感度であり、Ｃ_Rは、マルチチャネル分光計の基準チャネルの結合効率及び検出器感度であり、Ｃ_LRは、基準チャネル光ファイバ束１１０へのフラッシュランプ３０６出力の結合であり、Ｃ_LSは、信号チャネル光ファイバ束１０８へのフラッシュランプ３０６出力の結合であり、Ｃ_FLは、照明セグメント１０８の光ファイバ伝送率であり、Ｃ_FRは、基準セグメント１１０の光ファイバ伝送率である。

一実施形態では、較正は、結合係数Ｃ_R、Ｃ_S、Ｃ_FR、Ｃ_FL、Ｃ_LR、及び／又はＣ_LSを決定するために、顧客への出荷に先立ってメーカによってオフラインで一度実施されてよい。

図３の実装形態において、標準光源３０６からの出力Ｉ_Sは、一実施形態では、較正された光源である必要はない。光源３０６は、リアルタイムなＯＥＳ測定に用いられるフラッシュランプと同様のフラッシュランプであってよい。一実施形態では、光源３０６からの出力光錐は、ファイバ束入力をいっぱいに満たすように構成されてよい。

図３を参照すると、基準光ファイバ束１１０の結合係数Ｃ_FRは、一実施形態では、照明光ファイバ束１０８の結合係数Ｃ_FLと実質的に等しいように構成されてよい。例えば、基準セグメント１１０の光ファイバ束は、一実施形態では、照明セグメント１０８の光ファイバ束と等しい長さを有するように製造されてよい。

等しい長さを実現するために、光ファイバ束は、複数の方法によって製造されてよい。一例では、光ファイバ束は、等しい長さのファイバ束セグメントを得るために、厳密な精度で所定の長さに製造されてよい。或いは、複数の光ファイバ束の製造において、等しい長さの１対の光ファイバ束が選択されてよい。分光計用に選択される対応する対として機能するには、各光ファイバ束対は、互いに等しい長さを有する必要があるであろう。したがって、各ＯＥＳシステム用に選択される光ファイバ束対は、製造費用を増大させ得る厳しい精度で特定される必要がないであろう。

以上からわかるように、図２及び図３は、一実施形態において複数の固定的な結合係数を決定するために顧客への較正済みＯＥＳシステムの出荷前にメーカにおいて一度実施され得る２つのオフライン較正測定を示している。ＯＥＳシステムの較正は、分光計メーカにおいて一度実施されるので、デバイスメーカは、上述の間接費をデバイス製造費用に上乗せし得る面倒な較正の負担を負わないですむ。

図４は、信号チャネルを用いたリアルタイムな正規化ＯＥＳ測定のための方法４００の簡易流れ図を、発明の一実施形態にしたがって示している。図４は、理解を促すために、図１及び図２との関連のもとで論じられてよい。

一例では、図１の、代表的なプラズマ処理システムにおける正規化発光分光法（ＯＥＳ）設定は、プラズマの光学調査のために用いられてよい。

図４に示されるように、ステップ４０２において、一実施形態では、初期時刻における光学システム全体の状態を捉えるために、較正スペクトルＬ₀が記録されてよい。初期状態では、較正スペクトルＬ₀からのデータは、プラズマ及び／又は石英閉じ込めリングなどの遮蔽を伴うことなく収集され得る。

ステップ４０４では、処理のために、未処理の基板がエッチングチャンバに装填されてよい。

ステップ４０６では、チャンバ内のガスと反応してプラズマを発生させるために、エッチングチャンバにＲＦ電力が供給されてよく、そして、基板の処理が開始されてよい。基板のプラズマ処理時は、プロセスレシピによる求めに応じて閉じ込めリングが随意に用いられてよい。以下からわかるように、測定信号は、集光経路における閉じ込めリングによる遮蔽などの要因ゆえに、大幅に変調されているであろう。

ステップ４０８において、一実施形態では、スペクトルＬ_A1を測定するために、フラッシュランプを「オン」にした状態で最短継続時間にわたってエッチングチャンバからの信号が収集されてよい。一例では、エッチングチャンバからの信号は、ランプからの信号、プラズマからの信号、及び例えば分光計検出器からの暗雑音などの各種の背景雑音を含むであろう。

ステップ４１０において、一実施形態では、スペクトルＬ_A2を測定するために、フラッシュランプを「オフ」にした状態で最短継続時間にわたってエッチングチャンバからの信号が収集されてよい。

本明細書において用いられる用語として、最短継続時間は、スペクトルを収集するための最短時間である。一実施形態では、ステップ４０８及びステップ４１０は、フラッシュランプの強度をリアルタイムで測定するように設計されてよい。一例では、フラッシュランプは、通常、およそ数マイクロ秒程度の比較的短いパルス幅を有してよい。しかしながら、分光計は、費用的な考慮ゆえに、未加工スペクトルデータをミリ秒程度で測定可能な電子回路系による制限を受けるであろう。継続時間は、フラッシュランプのパルス幅と同程度の長さで十分であるが、フラッシュランプのパルス幅よりも長くてもよい。したがって、スペクトルを収集するための最短スペクトル時間は、電子回路系の費用及び／又は設計による制限の結果であってよい。

一例では、リアルタイムなＯＥＳ測定は、ストローブモードで行われてよい。一実施形態では、ランプ信号の伝送率、プラズマ発光、及び背景雑音を測定するために、ランプを「オン」にした状態でスペクトルＬ_A1が測定されてよい。もう１つの実施形態では、プラズマ発光及び背景雑音を測定するために、ランプを「オフ」にした状態でスペクトルＬ_A2が測定されてよい。したがって、スペクトルＬ_A2とスペクトルＬ_A1との差、すなわち（Ｌ_A1−Ｌ_A2）は、ランプから測定されるスペクトルをリアルタイムで提供するために、正規化によってプラズマ発光及び背景雑音を排除し得る。

以上からわかるように、継続時間は、システムを通して伝送される光スペクトルを測定するために、並びにプラズマ発光及び／又は背景雑音を実質的に除去するために、ランプと比べて最短にされてよい。したがって、ランプから伝送される光対プラズマ雑音の信号対雑音比が高い場合は、フラッシュランプのパルス幅と比べて最短の継続時間、及び／又はプラズマ強度と比べて高い強度のフラッシュランプが望ましいであろう。

ステップ４１２において、一実施形態では、スペクトルＬ_Bを測定するために、フラッシュランプを「オフ」にした状態で所望の継続時間にわたってエッチングチャンバからの信号が収集されてよい。スペクトルＬ_Bは、通常、測定に関連した複数のばらつきを原則的に有する先行技術において収集され得るスペクトルであってよい。

ステップ４１４において、一実施形態では、正規化によって測定システムに関連したばらつきを排除するために、以下の式４を用いて正規化発光スペクトルＬ_Nが計算されてよい。
Ｌ_N＝Ｌ_B／（（Ｌ_A1−Ｌ_A2）／Ｌ_O）^1/2 （式４）
ここで、（Ｌ_A1−Ｌ_A2）／Ｌ_Oは、較正スペクトルに相対的な、プラズマ及び／又は遮蔽を伴わないリアルタイムな正規化ランプスペクトルである。したがって、Ｌ_Bは、所望のＬ_Nをリアルタイムで提供するために、（（Ｌ_A1−Ｌ_A2）／Ｌ_O）^1/2に照らして正規化され得る。

ステップ４１６において、一実施形態では、プロセスの終点が判定されてよい。プロセスの終点は、Ｌ_Nによって提供される発光スペクトルによって、又はプリセット時刻若しくはその他のプロセス終点検出方法などのその他の方法によって決定されてよい。

もしプロセスが終点に達していない場合は、リアルタイムなＯＥＳ測定は、一実施形態では、ステップ４０８に戻ることによってステップ４１８において引き続き収集されてよい。正規化ＯＥＳ測定は、プロセスが終点に達するまで続けられてよい。一実施形態では、ステップ４０８から４１６までのループ４１８が、リアルタイムなＯＥＳ測定である。

ステップ４２０において、一実施形態では、プロセスは、終点に達したときに停止されてプラズマをオフにされてよい。

ステップ４２２において、一実施形態では、処理済みウエハは、エッチングチャンバから取り出されてよい。

ステップ４２４において、プロセスは、引き続きステップ４０４に戻り、新しいウエハをエッチングチャンバに装填されてよい。別のウエハの処理のために、リアルタイムなＯＥＳ測定が収集されてよい。

以上からわかるように、正規化方法４００は、オフラインの外部較正測定を伴うことなく分光計の一チャネルのみを用いてよい。チャンバ間の整合は可能ではないが、時間の経過に伴う測定の一貫性は比較的信頼できる。測定は、システム内の老朽化に起因するドリフト、すなわち石英窓への堆積と、閉じ込めリング位置に起因する光路の変化とを打ち消すことができるであろう。

或いは且つ／又は更に、一実施形態では、システム部品の製造を注意深く制御することによって、適度なチャンバ間の整合が実現され得る。例えば、分光計及びファイバ束の整合、有鍵取り付けシステムの設計、並びに／又は厳しい精度を有することは、外部の較正測定を用いることなく優れたチャンバ間結果をもたらすであろう。したがって、診断を目的とした比較的低費用な正規化ＯＥＳシステムが実現され得る。

或いは且つ／又は更に、なされる必要がある近似を減らすために、例えば図２の較正方法などの単純なオフライン較正が、分光計のメーカによって一度実施されてよい。オフライン較正を伴うＯＥＳシステムを用いることによって、方法４００は、異なるエッチングチャンバに跨って整合信号を提供することができるであろう。

図５は、マルチチャネル分光計を用いたリアルタイムな正規化ＯＥＳ測定のための方法５００の簡易流れ図を、発明の一実施形態にしたがって示している。

例えば、プラズマの光学調査のために、図１の代表的なプラズマ処理システムにおける正規化発光分析法（ＯＥＳ）設定が利用され得る状況を考える。

ステップ５０２において、一実施形態では、図２の較正２００及び／又は図３の較正３００を用いてオフラインで分光計及び光学効率の係数が較正されてよい。較正２００及び較正３００は、図２及び図３においてそれぞれ詳しく述べられている。２つの較正は、システムの出荷に先立ってメーカにおいてオフラインで実施されてよい。

ステップ５０４では、２つの較正ステップが実施されてよい。一実施形態では、ステップ５０４ａにおいて、初期時刻における光学システム全体の状態を捉えるために、信号チャネルを用いて較正スペクトルＬ_Oが実施されてよい。初期状態では、較正スペクトルＬ_Oからのデータは、プラズマ及び／又は例えば閉じ込めリングなどの遮蔽を伴うことなく収集され得る。一実施形態では、ステップ５０４ｂにおいて、基準チャネルを用いて較正スペクトルＬ_OOが実施されてよい。

ステップ５０４ａ及び／又はステップ５０４ｂは、リアルタイムなＯＥＳ正規化プロセスに不可欠でなくてよい。しかしながら、Ｌ_O及び／又はＬ_OOは、石英窓及び／又は収集ファイバセグメントなどの部品の老朽化の影響を分離するのに有用であると考えられる。例えば、時間の経過に伴う石英窓への堆積に起因する老朽化の影響は、Ｌ_O及び／又はＬ_OOを時間の関数として追跡することによって決定され得る。

ステップ５０６では、処理のために、未処理の基板がエッチングチャンバに装填されてよい。

ステップ５０８では、プラズマを発生させて基板の処理を開始させるために、エッチングチャンバにＲＦ電力が供給されてよい。基板のプラズマ処理時は、プロセスレシピによる求めに応じて閉じ込めリングが随意に用いられてよい。

ステップ５１０において、一実施形態では、ステップ５１０ａにおいて、スペクトルＬ_A1Sを測定するために、ランプを「ＯＮ」にした状態でマルチチャネル分光計の信号チャネルを用いて最短継続時間にわたってエッチングチャンバからのスペクトルが収集されてよい。

ステップ５１０ｂにおいて、一実施形態では、ランプを「ＯＮ」にした状態でマルチチャネル分光計の基準チャネルを用いて最短継続時間にわたってスペクトルＬ_A1Rが収集されてよい。

ステップ５１２において、一実施形態では、ステップ５１２ａにおいて、スペクトルＡ_A2Sを測定するために、ランプを「オフ」にした状態でマルチチャネル分光計の信号チャネルを用いて最短継続時間にわたってエッチングチャンバからのスペクトルが収集されてよい。

ステップ５１２ｂにおいて、一実施形態では、ランプを「オフ」にした状態でマルチチャネル分光計の基準チャネルを用いて最短継続時間にわたってスペクトルＬ_A2Rが収集されてよい。

上述のように、例えばキセノンフラッシュランプなどのフラッシュランプからの光信号は、高強度で且つ短パルスの光線であってよい。フラッシュランプンの強度は、プラズマ発光と比べて桁違いに高強度であってよく、これは、高い信号対雑音比をもたらすであろう。また、フラッシュランプのパルス幅は、スペクトルを捉えるための電子回路系の時間尺度、すなわち継続時間と比べて、例えば数マイクロ秒のように比較的短くてよい。スペクトルを捉えるための例えばミリ秒のような継続時間の制限要因は、電子回路系であると考えられる。

信号チャネル上において測定されるスペクトルＬ_ASは、以下のように、ステップ５１０ａ及びステップ５１２ａから決定されてよい。

Ｌ_AS＝Ｌ_A1S−Ｌ_A2S （式５）
ここで、Ｌ_ASは、以下のように、結合係数に関係し得る。

Ｌ_AS＝Ｃ_LSＣ^* _FLＣ^** _LＣ^** _CＣ^* _FCＣ_SＩ_A （式６）
ここで、Ｉ_Aは、フラッシュランプの出力である。

基準チャネル上において測定されるスペクトルＬ_ARは、以下のように、ステップ５１０ｂ及びステップ５１２ｂから決定されてよい。

Ｌ_AR＝Ｌ_A1R−Ｌ_A2R （式７）
ここで、Ｌ_ARは、以下のように、結合係数に関係し得る。

Ｌ_AR＝Ｃ_LRＣ^* _FRＣ_RＩ_A （式８）

式５及び式７からの計算は、一実施形態では、プラズマ発光及び背景雑音からフラッシュランプを分離することを可能にし得る。

ステップ５１４において、一実施形態では、ステップ５１４ａにおいて、スペクトルＬ_Bを測定するために、フラッシュランプを「オフ」にした状態で所望の継続時間にわたってエッチングチャンバからの信号が収集されてよい。スペクトルＬ_Bは、通常、測定に関連した複数のばらつきを原則的に有する先行技術において収集され得るスペクトルであってよい。スペクトルＬ_Bは、以下のように表わされてよい。

Ｌ_B＝Ｃ^** _CＣ^* _FCＣ_SＩ_P （式９）

以上からわかるように、「^*」が付された結合係数は、時間の経過とともに変化し得る量を意味する。式５〜９において用いられている「^*」が付された結合係数は、一実施形態では、プロセスからの瞬時値をリアルタイムで表わし得る。

ステップ５１６において、一実施形態では、測定システムに関連したばらつきを正規化するために、式１０及び式１１を用いて以下のように正規化発光スペクトルＩ_Pが計算されてよい。
Ｉ_P＝（Ｃ_FC／（Ｃ^* _FC）^1/2）（（Ｌ_GSA／Ｌ_GRA）（Ｌ_AR／Ｌ_AS））^1/2（Ｉ_G／Ｉ_GS）Ｌ_B
（式１０）
Ｉ_P＝（（Ｌ_GSA／Ｌ_GRA）（Ｌ_AR／Ｌ_AS））^1/2（Ｉ_G／Ｉ_GS）Ｌ_B
（式１１）

以上からわかるように、式１０は、本明細書に述べられるような想定のもとで、式６、８、及び９から得られるであろう。一実施形態では、チャンバは、対称的であるように構成されてよく、その結果、Ｃ_Lは、Ｃ_Cに等しくなる。したがって、対称的なチャンバの場合は、時間の経過に伴うＣ^* _Lの変化は、Ｃ^* _Cの変化と同様であると想定されてよい。

もう１つの実施形態では、ファイバセグメントは、おおよそ等しいように構成されてよく、その結果、Ｃ_FLは、Ｃ_FRに等しくなる。したがって、同様の暴露レベルを有する等しいファイバセグメントの場合は、時間の経過に伴うＣ^* _FLの変化は、Ｃ^* _FRの変化と同様であると想定されてよい。

更にもう１つの実施形態では、結合係数Ｃ_FCは、例えば収集ファイバセグメントが非常に短く作成され得る状況において１に等しいように近似されてよい。更に、比率（Ｃ_FC／（Ｃ^* _FC）^1/2）は、約１であると想定されてよい。したがって、式１０の値Ｉ_Pは、式１１のように簡略化されてよい。

ステップ５１８において、一実施形態では、プロセスの終点が判定されてよい。プロセスの終点は、Ｉ_Pによって提供される発光スペクトルによって、又はプリセット時刻若しくはその他のプロセス終点検出方法などのその他の方法によって決定されてよい。

もしプロセスが終点に達していない場合は、リアルタイムなＯＥＳ測定は、一実施形態では、ステップ５１０に戻ることによってステップ５２０において引き続き収集されてよい。正規化ＯＥＳ測定は、プロセスが終点に達するまで続けられてよい。一実施形態では、ステップ５１０から５１８までのループ５２０が、リアルタイムなＯＥＳ測定である。

ステップ５２２において、一実施形態では、プロセスは、終点に達したときに停止されてプラズマをオフにされてよい。

ステップ５２４において、一実施形態では、処理済みウエハは、エッチングチャンバから取り出されてよい。

ステップ５２６において、プロセスは、引き続きステップ５０６に戻り、新しいウエハをエッチングチャンバに装填されてよい。別のウエハの処理のために、リアルタイムなＯＥＳ測定が収集されてよい。

したがって、正規化方法５００は、正規化発光スペクトルＩ_Pをリアルタイムで測定及び導出するために、図１に示されたようなＯＥＳ設定と、図２及び図３において論じられたようなオフラインの外部較正測定とを用いてよい。正規化発光スペクトルは、測定システムに関連した集光効率と無関係である。

以上からわかるように、発明の１つ又は２つ以上の実施形態は、リアルタイムなＯＥＳ測定を用いることによって製造設備において複数のチャンバに跨った発光スペクトルの定量的比較を促進する能力を伴うプラズマ処理システムを提供する。更に、正規化スペクトルは、プロセス制御能力及び／又は障害検出能力を構築するために用いられてよい。

本発明は、幾つかの好ましい実施形態の観点から説明されているが、本発明の範囲には、代替、置換、及び均等物が含まれる。本明細書では、様々な例が提供されているが、これらの例は、発明に対して例示的であって限定的ではないことを意図される。

また、名称及び概要は、本明細書において便宜のために提供されたものであり、特許請求の範囲を解釈するために使用されるべきでない。更に、要約は、極めて省略された形で記載され、本明細書において便宜のために提供されたものであり、したがって、特許請求の範囲に表された全体的発明を解釈するためにも制限するためにも用いられるべきでない。もし、本明細書において「セット」という用語が用いられる場合は、このような用語は、ゼロの、１つの、又は２つ以上の部材を対象範囲とした通常理解の数学的意味を有することを意図される。また、本発明の方法及び装置を実現するものとして多くの代替的方法があることも留意されるべきである。したがって、以下の添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨及び範囲に含まれるものとしてこのようなあらゆる代替、置換、及び均等物を含むものと解釈される。

Claims (20)

1. プラズマチャンバ内の正規化発光スペクトルを定量的に測定するためにプラズマ発光をその場（in-situ）で光学的に調査するための構成であって、
   フラッシュランプと、
   石英窓のセットと、
   前記石英窓のセットに光学的に結合された複数のコリメート光学アセンブリと、
   少なくとも照明光ファイバ束と、収集光ファイバ束と、基準光ファイバ束とを含む複数の光ファイバ束と、
   少なくとも信号チャネル及び基準チャネルを伴うように構成されたマルチチャネル分光計と、
   を備え、
   前記信号チャネルは、第１の信号を測定するために、少なくとも前記フラッシュランプと、前記石英窓のセットと、前記コリメート光学アセンブリのセットと、前記照明光ファイバ束と、前記収集光ファイバ束とに光学的に結合される、構成。
2. 請求項１に記載の構成であって、
   前記フラッシュランプは、高強度で且つ短パルスの光源である、構成。
3. 請求項１に記載の構成であって、
   前記フラッシュランプは、キセノンフラッシュランプである、構成。
4. 請求項１に記載の構成であって、
   前記石英窓のセットは、少なくとも第１の石英窓及び第２の石英窓を伴うように構成され、前記第１の石英窓は、前記第２の石英窓と一直径上において相対するように構成される、構成。
5. 請求項１に記載の構成であって、
   前記基準チャネルは、第２の信号を測定するために、少なくとも前記フラッシュランプ及び前記基準光ファイバ束に光学的に結合される、構成。
6. 請求項１に記載の構成であって、
   前記第１の信号は、前記プラズマチャンバからの放出信号である、構成。
7. 請求項５に記載の構成であって、
   前記第２の信号は、前記フラッシュランプからのパルスごとの出力である、構成。
8. 請求項１に記載の構成であって、
   前記照明光ファイバ束は、前記基準光ファイバ束と等しい長さを有するように構成される、構成。
9. 請求項１に記載の構成であって、
   前記収集光ファイバ束及び前記マルチチャネル分光計の前記信号チャネルは、対応する対であり、前記対応する対は、第１のオフライン較正方法によって実施され得る、構成。
10. プラズマチャンバ内の正規化発光スペクトルを定量的に測定するために発光分光法（ＥＯＳ）構成を用いてプラズマ発光をその場（in-situ）で光学的に調査するための方法であって、
    複数のオフライン較正を実施することと、
    マルチチャネル分光計上の信号チャネル及び前記マルチチャネル分光計上の基準チャネルの少なくとも１つを用いて複数の初期較正を実施することと、
    未処理の基板を前記プラズマチャンバに装填することと、
    前記プラズマチャンバ内において前記基板を処理するためにプラズマを発生させることと、
    フラッシュランプをオンにした状態で、前記マルチチャネル分光計上の前記信号チャネル及び前記マルチチャネル分光計上の前記基準チャネルの少なくとも１つを用いて最短継続時間にわたって第１の光学調査のセットを実施することと、
    前記フラッシュランプをオフにした状態で、前記マルチチャネル分光計上の前記信号チャネル及び前記マルチチャネル分光計上の前記基準チャネルの少なくとも１つを用いて前記最短継続時間にわたって第２の光学調査のセットを実施することと、
    前記フラッシュランプをオフにした状態で、前記マルチチャネル分光計上の前記信号チャネルを用いて所望の継続時間にわたって第３の光学調査のセットを実施することと、
    正規化発光スペクトルを計算することと、
    を備える方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記ＥＯＳ構成は、少なくとも前記フラッシュランプと、石英窓のセットと、複数のコリメート光学アセンブリと、複数の光ファイバ束と、前記マルチチャネル分光計と、を伴うように構成され、
    前記複数の光ファイバ束は、少なくとも照明光ファイバ束と、収集光ファイバ束と、基準光ファイバ束とを含み、
    前記マルチチャネル分光計は、少なくとも前記信号チャネル及び前記基準チャネルを伴うように構成される、方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記フラッシュランプは、高強度で且つ短パルスの光源である、方法。
13. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記フラッシュランプは、キセノンフラッシュランプである、方法。
14. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記石英窓のセットは、少なくとも第１の石英窓及び第２の石英窓を伴うように構成され、前記第１の石英窓は、前記第２の石英窓と一直径上において相対するように構成される、方法。
15. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記照明光ファイバ束は、前記基準光ファイバ束と等しい長さを有するように構成される、方法。
16. 請求項１１に記載の方法であって、
    前記収集光ファイバ束及び前記マルチチャネル分光計の前記信号チャネルは、対応する対であり、前記対応する対は、前記複数のオフライン較正の第１のオフライン較正によって実施され得る、方法。
17. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記複数のオフライン較正の第２のオフライン較正方法は、複数の結合係数を測定するために、標準光源を用いる、方法。
18. プラズマチャンバ内の正規化発光スペクトルを定量的に測定するために発光分光法（ＥＯＳ）構成を用いてプラズマ発光をその場（in-situ）で光学的に調査するための方法であって、
    マルチチャネル分光計上の信号チャネルを用いて初期較正を実施することと、
    未処理の基板を前記プラズマチャンバに装填することと、
    前記プラズマチャンバ内において前記基板を処理するためにプラズマを発生させることと、
    フラッシュランプをオンにした状態で、前記マルチチャネル分光計上の前記信号チャネルを用いて最短継続時間にわたって第１の光学調査のセットを実施することと、
    前記フラッシュランプをオフにした状態で、前記マルチチャネル分光計上の前記信号チャネルを用いて前記最短継続時間にわたって第２の光学調査のセットを実施することと、
    前記フラッシュランプをオフにした状態で、前記マルチチャネル分光計上の前記信号チャネルを用いて所望の継続時間にわたって第３の光学調査のセットを実施することと、
    正規化発光スペクトルを計算することと、
    を備える方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、
    前記ＥＯＳ構成は、少なくとも前記フラッシュランプと、石英窓のセットと、複数のコリメート光学アセンブリと、複数の光ファイバ束と、前記マルチチャネル分光計と、を伴うように構成され、
    前記複数の光ファイバ束は、少なくとも照明光ファイバ束と、収集光ファイバ束と、基準光ファイバ束とを含み、
    前記マルチチャネル分光計は、少なくとも前記信号チャネル及び前記基準チャネルを伴うように構成される、方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、
    前記フラッシュランプは、高強度で且つ短パルスの光源である、方法。

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