JP2013113583A

JP2013113583A - 分光器

Info

Publication number: JP2013113583A
Application number: JP2011256775A
Authority: JP
Inventors: Tomomitsu Kobayashi; 智光小林
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-06-10

Abstract

【課題】面倒な調整の必要がなく、波長再現性が良好で、また、エッチング装置内のプラズマの発光状態が正常かどうかを容易にモニタできる安価な分光器を提供する。
【解決手段】固定形の回折格子３０で分光された分光光に対応した複数のスリットを有する固定形のスリット部３を設置するとともに、特定波長の分光光のみ透過可能なマスクをスリット部３の入射側前面に設置し、さらに複数の前記分光光のすべての検出が可能な大きさを有する検出器を備える。また、回折格子で反射されたゼロ次光を検出するゼロ次光検出器を設置することにより、ゼロ次光の信号出力がプラズマの発光状態と対応しているという性質を利用して、取得したゼロ次光の信号出力から、プラズマの発光状態をモニタする。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光器に係り、特にプラズマエッチング等を用いた被処理層の加工における工程管理に用いられる分光器に関する。

近年、コンピュータをはじめとする情報機器の急速な普及により、半導体装置は飛躍的に発展している。このような状況から、半導体装置は高速で動作すると同時に大容量の記憶能力を有することが要求される。これにより、半導体装置は、集積度、信頼度および応答速度などを向上させる方向に製造技術が発展している。したがって、半導体装置の集積度向上のための主な技術として膜形成技術またはエッチング技術などのような微細加工技術に対する要求が厳しくなっている。

前記微細加工技術のうち、エッチング技術は基板上に形成された膜の所定部位を除去し、膜を所望するパターンに加工する技術である。このような半導体製造装置では、プラズマを利用するドライエッチング装置が主に使用されている。

図５にエッチング装置の構成の概略を示す。図５に示すとおり、エッチング装置６は、基板上に形成されている膜をエッチングして、設定されたパターンを形成する工程を実施するための加工チャンバ１０を備えている。

加工チャンバ１０内には、エッチングを実施するための基板を固定するチャック７と、エッチングガスの提供を受けてプラズマを生成するプラズマ生成部１１が備えられている。プラズマ生成部１１は、加工チャンバ１０内の上側にプレート状の電極１１ａと、電極１１ａにパワーを印加するＲＦパワー供給部１１ｂにより構成されている。

さらに、チャック７にバイアスパワーを印加するバイアスパワー供給部２４を備え、プラズマに方向性を与えてエッチングの効率性を高めることができる。

さらに、エッチング装置は、エッチング中に放出される光を加工チャンバ１０の外部に透過させるエッチング終点検出窓８と、エッチング終点検出窓８よりガラスファイバ２９を経由して透過される光の波長を検出する分光器９を備えている。

加工チャンバ内で放出される光を検出する従来の検出装置の例として、図６に示すモノクロメータ分光器および図７に示すポリクロメータ分光器について説明する。

図６に示すモノクロメータ分光器では、加工チャンバ内で放出される光が入射光として入射スリット３２を経由して回折格子１２で分光される。例として図示するλ１からλ５までの５つの波長に分光された光はスリット部１４に結像し、スリット部１４のスリット１４ａに合致したλ３の光のみが透過して検出器１５により光強度が検出される。他の波長の光を検出するためには、回転機構部１３により回折格子１２を回転させて所望する光がスリット１４ａを透過すべく回転角度を選択する。

図７に示すポリクロメータ分光器では、加工チャンバ内で放出される光が入射光として入射スリット４２を経由して回折格子２２で分光される。例として図示するλ１からλ５までの５つの波長に分光された光はスリット部２７に結像し、各波長に合致したスリット部２７のスリットを透過し、さらに各波長の検出器１６、１７、１８、１９、２０により光強度が検出される。

前記エッチング中に放出される光の波長によってエッチング終点を検出する方法および装置の例は、特許文献１に開示されている。特許文献１においては、「シリコンウェハ上に形成された酸化膜のうちエッチング除去する部分に励起光を照射し、この励起光によって照射された部分において発生するフォトルミネセンス光の強度を検出する」方法が述べられている。また、特許文献２においては、「任意波長選択フィルタと、そのフィルタを透過した光を受光する２次元受光手段とを具備するマルチチャネルモニタ」が開示されている。

特開平１０−２３３３８４号公報特開２００４−２５２２１４号公報

モノクロメータには一般的にねじ送り機構を利用して回折格子を回転させて設定波長に合わせるサインバー方式が採用されており、手動で回折格子の回転角度を変えるダイヤルが備えられている。波長設定はダイヤルを手で回して指示値を設定波長に合わせる際、市販されている一般的なダイヤルの表示部のバックラッシュが大きい。

さらに、ねじ送り部にもバックラッシュがあるため波長再現性が悪い。前記再現性を改善するために、参照光を入射し元の値に合わせるための再調整や、信号のピーク値を捉えるダイヤル再調整が必要となり余分な再調整時間を要する。

また波長再現性を重視する場合には、多波長を同時に測定する必要がないにもかかわらず、波長再現精度に影響を与える可動部がなく安定しているという事情から、さらに多波長を同時に測定することにより、１度に取得できる複数波長の信号強度データによってプラズマの発光状態をモニタできるという理由から、図７に示す高感度な検出器を備えた高価なポリクロメータを採用する場合もある。このような状況から、面倒な調整の必要がなく、波長再現性の良い安価な分光器の提供が求められている。

また、終点検出を行う波長の発光強度は波長ごとに異なるため、検出器感度を高感度に設定すると、ある波長では信号を得られても、他の波長では感度が高すぎて信号強度が飽和することがある。したがって、入力光量に応じて、検出器が光電子増倍管であれば負高圧、フォトダイオードであればＩＶ（電流‐電圧）変換のゲインの調整をすることにより、検出器感度を変更させて、信号強度が飽和することを防ぐ必要がある。

工程管理のためプラズマの発光状態が正常かどうかを確認することが望ましく、その確認のために、モノクロメータが使用されている場合は、例えば回折格子１２で分光されたλ１のみの単一波長の信号強度からプラズマの発光状態を推定したり、別途検出器を設置し、プラズマの発光状態をモニタしなければならない。また、別途モニタ用検出器を設置する場合、エッチング終点検出窓とは別に加工チャンバ内の側壁に、プラズマの発光状態をモニタするための光を透過させる透過窓が必要となる。

上記課題を解決するために、本発明は、入射光を透過させる入射スリットと、前記入射光を分光する回折格子と、前記回折格子により分光された分光光を検出する分光光検出器と、を有する分光器において、前記分光光の結像面に設置されるとともに前記分光光を透過させる複数のスリットを有するスリット部を備え、前記分光光検出器は、受光面の波長分散方向の大きさが、前記スリット部に設けられた全てのスリットを包含する大きさ以上の大きさを有し、前記スリット部の入射側前面に設置され特定波長の分光光のみ透過可能なスリットを設けたマスクを備えたものである。

本発明は、前記回折格子により反射されたゼロ次光を検出するゼロ次光検出器を備えることが好適である。

本発明は、前記スリット部のスリットまたは前記マスクのスリットに減光フィルタを設置することが望ましい。

回折格子およびスリット部は可動部を有しない固定型であるため、入射光に対して一定の位置を保持することが可能であり、波長再現性および長期安定性が極めて高い。また設定波長の発光強度に合わせた減光フィルタの設置により、入射光量を減少させて検出器の飽和の発生を防ぐため、検出器感度の調整が不要となり、さらに、可変出力ではなく一定出力電圧の電源を使用できる。

固定型の回折格子で反射された複数の波長の混入したゼロ次光の信号強度を検出することにより、プラズマの発光状態をモニタすることができる。

本発明の実施形態である分光器を示す概略的な構成図である。本発明の変形実施形態である分光器を示す概略的な構成図である。本発明の他の変形実施形態であって、マスクのスリットに減光フィルタを設置した分光器を示す概略的な構成図である。プラズマエッチングプロセス中の信号出力の状態を示す図である。（ａ）にプラズマ発光正常時、（ｂ）にプラズマ発光異常時の信号出力の状態を示す。エッチング装置の概略的な構成図である。エッチング装置における従来の検出装置としてモノクロメータ分光器を用いた場合の概略的な構成図である。エッチング装置における従来の検出装置としてポリクロメータ分光器を用いた場合の概略的な構成図である。

図１に本発明の実施形態を示す。図１は、エッチング装置の加工チャンバ内で放出された光を検出する分光器の概略的な構成図である。図１に示すとおり、加工チャンバ内で放出された光が入射光として入射スリット４１を経由して回折格子３０に入射する。その入射光の一部は、回折格子３０で反射された複数の波長の混入したゼロ次光となり、ゼロ次光の光路上に設置されたゼロ次光検出器３７に入射して検出され、他は回折格子３０で分光されて分光光となる。例として、図示するλ１からλ５までの５つの波長に分光された光は、スリット部３に結像する。スリット部３には、前記λ１からλ５に対応した位置に複数のスリットが設けられており、スリット部３の入射側手前にλ３用マスク４が設置される。

λ３用マスク４にはスリット４ｂが設けられており、スリット４ｂに合致したλ３の光のみがスリット３ｂを透過し、検出器３５により光強度が検出される。他の波長の光は検出器３５に到達しない。検出器３５の受光面は、λ１からλ５におけるいかなる波長が透過しても検出可能な波長分散方向の大きさを有する。すなわち、検出器３５の受光面の波長分散方向の大きさは、スリット部３に設けられた全てのスリットを包含する大きさ以上の大きさを有する。ただし、波長分散方向に対して直角方向の検出器３５の受光面の大きさは特に限定されない。なお、本分光器は回折格子３０で反射されるゼロ次光を検出するゼロ次光検出器３７を備えている。ゼロ次光は回折格子３０によって鏡面のように単に反射された光であり、波長毎に分光されてはいない。このゼロ次光の強度は加工チャンバ内のプラズマが正常に形成されているかどうかの目安となる。

図４にプラズマエッチングプロセス中の信号出力の状態を示す。プラズマ発光正常時の信号出力の状態を（ａ）に、プラズマ発光異常時の信号出力の状態を（ｂ）に示す。ここで一例として、ゼロ次光検出器としてフォトダイオード、分光光検出器として光電子増倍管を用いた場合を示す。プラズマ発光正常時のゼロ次光検出器のゼロ次光出力（Ｓ１）および分光光検出器の光電子増倍管出力（Ｓ２）は、それぞれプラズマ発光異常時のゼロ次光出力（Ｓ４）および光電子増倍管出力（Ｓ５）より大きい。また、エッチングが最大時の光電子増倍管出力は、それぞれＳ３およびＳ６であり、単位時間当たりのエッチング量に対応する出力は、それぞれ（Ｓ２−Ｓ３）および（Ｓ５−Ｓ６）となり、プラズマ発光正常時の（Ｓ２−Ｓ３）が大きい。さらに、エッチング時間はそれぞれ（ｔ１−ｔ２）および（ｔ３−ｔ４）となり、プラズマ発光正常時のエッチング時間（ｔ１−ｔ２）が短い。したがって、プラズマ発光異常時には、エッチングの時間が長くなる。

さらにプラズマ発光状態が悪化すると、エッチングが継続できないこともあり、エッチングができたとしてもエッチング終点時に放出される光の変化が微弱であるため、エッチング終点検出が困難になるなどの事態が発生する場合もある。なお、図４でエッチング中の光電子増倍管出力が立下りを示しているのは、後述の表１に示すように膜種およびエッチングガスの種類によって発光種の検出状態が異なることによる。エッチングにより発光種が消費されるか新たに生成されるかにより検出状態が立ち下がりまたは立ち上がりを示す。例えば、基板の膜種Ａｌの場合、発光種の検出状態は立ち下がりを示す。

ゼロ次光の信号出力が、プラズマの発光状態と対応しているという性質を利用して、取得したゼロ次光の信号出力によって、プラズマの発光状態をモニタし、このような異常事態を防止することができる。図１においてはゼロ次光検出器３７としてフォトダイオードを用いた場合を示す。

図２に本発明の他の変形実施形態を示す。図２は、λ３用マスク２８にλ３用減光フィルタ２６を設置した分光器を示している。終点検出を行う波長の発光強度は波長ごとに異なるため、単一の検出器３５で検出しようとするとある波長では信号が得られても、他の波長によっては感度が高すぎて信号強度が飽和することがある。したがって、入射光量に応じて、例えばλ１用マスク２３にはλ１用減光フィルタ２５を、またλ３用マスク２８にはλ３用減光フィルタ２６を設置し、検出器３５の信号強度が飽和することを避けるべく入射光量をあらかじめ調整しておくことができる。

他の波長の光を検出するためには、所望する波長が透過すべくスリットを設けたマスクに取り替えるだけでよい。例えば波長λ１を選択する場合は、λ１用減光フィルタ２５を設置したλ１用マスク２３に取替え、スリット２３ａおよびスリット部３１のスリット３１ａより波長λ１の光を透過させる。波長λ３を選択する場合は、λ３用減光フィルタ２６を設置したλ３用マスク２８に取替え、スリット２８ｂおよびスリット部３１のスリット３１ｂより波長λ３の光を透過させる。また、他の波長を選択する場合は、同様にその波長専用の減光フィルタを設置したマスクに取り替えればよい。マスクには減光フィルタを設置せずに光をそのまま検出器３５に入射させる場合もある。

さらに、図３に本発明の別の変形実施形態を示す。図３は、スリット部３３にλ３用減光フィルタ４６を設置した分光器を示している。終点検出を行う波長の発光強度は波長ごとに異なるため、単一の検出器３５で検出しようとするとある波長では信号が得られても、他の波長によっては感度が高すぎて信号強度が飽和することがある。したがって、入射光量に応じて、例えばスリット部３３のλ１用スリット３３ａにはλ１用減光フィルタ４５を、またλ３用スリット３３ｂにはλ３用減光フィルタ４６を設置し、検出器３５の信号強度が飽和することを避けるべく入射光量をあらかじめ調整しておくことができる。

他の波長の光を検出するためには、所望する波長が透過すべく開口されたマスクに取り替えるだけでよい。例えば波長λ１を選択する場合は、λ１用マスク４３に取替え、スリット４３ａおよびスリット３３ａより波長λ１の光を透過させる。波長λ３を選択する場合は、λ３用マスク３４に取替え、スリット３４ｂ、スリット３３ｂおよびλ３用減光フィルタ４６より波長λ３の光を透過させる。他の波長を選択する場合は、同様にその波長専用のマスクに取り替えればよい。スリット部３３には減光フィルタを設置せずに光をそのまま検出器３５に入射させる場合もある。

次に、エッチング終点検出方法を説明する。図１において回折格子３０で分光された分光光を検出する検出器３５として光電子増倍管やフォトダイオードが用いられるが、本実施形態においては、図２に示す検出器３５に光電子増倍管を用いる。分光されて光電子増倍管に入射した光は電気的信号に変換され、その出力信号強度の変化を判断することによって、基板上の膜のエッチング終点が検出される。

具体的には、ベース膜および前記ベース膜上に所定の膜が形成されており、その所定の膜のエッチングが、ベース膜に達した時点でエッチングを停止しなければならないと仮定する。この場合、ベース膜はその上にある所定の膜が完全にエッチングされた後に、エッチングされることになる。

このためベース膜のエッチングが始まると、エッチング時に放出される光の波長はベース膜上に形成されている膜がエッチングされたときと異なる。その結果、光電子増倍管の出力信号強度の変化が生じるので、この出力信号強度の変化によりエッチング終点が検出される。

次に一例として、半導体のプラズマエッチングプロセス中の終点検出に用いられる主な検出波長と発光種を表１に示す。

プラズマエッチングは基板上に形成された膜の所定部位を除去し、膜を所望するパターンに加工するものである。表１に示すとおり膜種は複数あり、加工対象の基板の膜種の検出波長に合わせて、その検出波長用のマスクを選定し、所定の位置に設置することにより所定の検出波長のみ検出器に入射可能となる。例えば、上表の膜種Ａｌの基板をエッチングする場合は、検出波長３９６ｎｍのマスクを選定し所定の位置に設置する。種々の基板を加工するプラズマエッチング装置において、種々の膜種の発光種への対応が、各検出波長用マスクの選定および設置によって容易に行うことができる。

なお、図１、図２および図３において、同符号で示されたものは同じものを表し、同じ機能を有するものである。

１２、２２、３０回折格子
３２、４１、４２入射スリット
３、１４、２７、３１、３３スリット部
３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂスリット
４、２８、３４ λ３用マスク
３ｂ、４ｂ、１４ａ、２３ａ、２８ｂ、３４ｂ、４３ａスリット
６エッチング装置
７チャック
８エッチング終点検出窓
９分光器
１０加工チャンバ
１１プラズマ生成部
１１ａ電極
１１ｂＲＦパワー供給部
１３回転機構部
１５、１６、１７、１８、１９、２０、３５検出器
２３、４３ λ１用マスク
２４バイアスパワー供給部
２５、４５ λ１用減光フィルタ
２６、４６ λ３用減光フィルタ
３７ゼロ次光検出器
２９ガラスファイバ

Claims

入射光を透過させる入射スリットと、前記入射光を分光する回折格子と、前記回折格子により分光された分光光を検出する分光光検出器と、を有する分光器において、前記分光光の結像面に設置されるとともに前記分光光を透過させる複数のスリットを有するスリット部を備え、前記分光光検出器は、受光面の波長分散方向の大きさが、前記スリット部に設けられた全てのスリットを包含する大きさ以上の大きさを有し、前記スリット部の入射側前面に設置され特定波長の分光光のみ透過可能なスリットを設けたマスクを備えたことを特徴とする分光器。
前記回折格子により反射されたゼロ次光を検出するゼロ次光検出器を備えたことを特徴とする請求項１記載の分光器。
前記スリット部のスリットまたは前記マスクのスリットに減光フィルタを設置したことを特徴とする請求項１または２記載の分光器。