JP3535785B2 - クリーニング終点検出装置およびクリーニング終点検出方法 - Google Patents

クリーニング終点検出装置およびクリーニング終点検出方法

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    • Y10S438/905Cleaning of reaction chamber

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置内
に堆積した物質を取り除くドライクリーニング処理の終
点を検出する方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体製造に用いられる装置は、真空容
器内でプロセスガスを熱やプラズマで活性化させ、半導
体基板を処理するが、処理後に不要な反応生成物や堆積
物が容器内に付着するので、クリーニングする必要があ
る。作業者が真空容器を開け、手作業で不要な付着物を
除去する方法は、内部ヒータの昇温、降温や、真空容器
内を元の真空度に到達させるまでに時間がかかり、生産
性を低下させる。
【0003】そこで、一般には、クリーニング用ガスを
真空容器内に導入し、熱やプラズマによってクリーニン
グ用ガスを活性化させ、活性化させたクリーニング用ガ
スを不要付着物と反応させて、除去する方法が採られて
いる。
【0004】クリーニングの終了は、従来、作業者が目
視確認で経験的に定めた時間が経過した時刻とする方法
が採られてきた。
【0005】クリーニングにプラズマ処理を用いる場合
では、プラズマ発光スペクトルの変化を観測する方法が
ある。従来例として、特開昭63−005532公報、
特開昭63−014421公報、特開昭63−0896
84公報、特開平7−169753公報に記載された方
法がある。これらは、不要付着物とクリーニングガスの
反応時のプラズマ発光スペクトルと、不要付着物が処理
された後のクリーニングガスのみのそれとが異なること
を利用した方法である。
【0006】また、特開昭63−129629号公報、
特開平6−224163号公報、特開平9−14374
2号公報、特開平11−131211号公報に記載され
た真空容器内の圧力変化を観測する方法がある。これ
は、不要付着物とクリーニングガスが反応している時の
圧力と、クリーニングガスのみの圧力が異なることを利
用した方法である。真空容器内の圧力は、クリーニング
処理を開始すると、クリーニングガスが不要付着物と反
応してガス化することにより、上昇する。圧力は、クリ
ーニングガスと不要付着物との反応の進行と共に上昇し
続け、不要付着物が少なくなり反応が下火になると下降
し、一定値へと漸近する。圧力値が、この所定の値に達
した時をクリーニング終了時刻と判定する。
【0007】特開平9−260358号公報、特開平1
1−087248号公報には、真空容器の排気ラインに
パーティクルカウンターを設置し、剥離した不要付着物
を監視することで、クリーニング終点を検出する方法が
記載されている。パーティクルカウンターは、最小0.
2μm程度のパーティクルの数を計測できる性能の計数
器を用いる。予め定められた時間のクリーニングを処理
後に、窒素パージして排気ガス中に含まれるパーティク
ル数をカウントする操作を繰返し、パーティクル数が一
定レベル以下になると、クリーニング終了と判定する。
【0008】他の方法として、高周波電圧や、被処理基
板の電位、プラズマインピーダンスの変化を利用する方
法がある。特開昭61−256637号公報は、高周波
電圧の変化から終点を検出する方法を示している。特開
昭63−128718号公報は、被処理基板の電位の変
化から終点を検出する方法を示している。特開平7−1
79641号公報は、プラズマインピーダンスの変化か
ら終点を検出する方法を示している。
【0009】プラズマを用いない熱プロセス装置でのク
リーニング終点検出には、特開平8−306628号公
報、特開平10−055966号公報、特開平10−1
63116号公報に記載された真空容器内の温度を測定
する方法がある。不要付着物とクリーニングガスとの反
応時に発生する反応熱を観測する方法である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
ではクリーニング終了時点の判定を正確に行うことは困
難である。以下に、各々の方法についての課題を述べ
る。
【0011】経験的に定めたクリーニング時間が経過し
た段階でクリーニングを終了する方法では、プロセス条
件により不要付着物の量が変化したり、クリーニング条
件を変更することによって、終点までの時間も異なって
くるため、クリーニング残りが生じる可能性がある。こ
れを防止するために、クリーニング時間を長く取れば、
装置の稼働率の低下や、クリーニングガスの浪費につな
がる。
【0012】プラズマ発光スペクトルの変化でクリーニ
ング終了時刻を判断する方法は、真空容器内の中心付近
のプラズマ光のみを観測するため、容器内壁近傍での反
応によるプラズマ光を観察することが困難であり、クリ
ーニング終了時刻を見誤る事態が多発するという問題点
がある。また、プラズマを用いない熱CVD(chemical
vapor deposition)プロセスには適用できない。
【0013】真空容器内の圧力変化を観測する方法で
は、以下の問題点がある。不要付着物は、クリーニング
ガスと反応してガス化すると同時に、付着力が弱いため
にパーティクルとなってガスと共に排気される。従っ
て、パーティクルとなって除去される分の増減により、
真空容器内圧力の収束時間にばらつきがあり、クリーニ
ング終了の判定によい再現性が見られない。また、真空
容器内圧力と比べ、圧力の変化量が小さいので、測定が
困難であるという課題もあった。
【0014】真空容器の排気ラインでパーティクル数を
計測する方法では、クリーニング処理と、窒素パージ中
のパーティクル計数という操作を、場合によっては何回
か繰り返す必要がある。特にクリーニングの終点検出を
正確に行うためには、クリーニング時間を短くして頻繁
にパーティクルを計数するといった、非常に手間がかか
るという課題があった。
【0015】プラズマを用いたクリーニング処理におけ
る高周波電圧や、被処理基板の電位、プラズマインピー
ダンスの変化を利用する方法は、これらの電気的信号の
強度変化が小さく、クリーニング終了検出の安定性が低
いという課題があった。
【0016】不要付着物とクリーニングガスとの反応時
に発生する反応熱を観測する方法は、プラズマを用いな
い熱プロセスで主に使用されているが、真空容器内の雰
囲気温度に対し、反応熱は非常に小さく、クリーニング
終了検出の安定性が低い。また、クリーニングの終了時
刻と任意の温度までの降下時間とはばらつきがあり、正
確なクリーニング終了判定はよい再現性が得られないと
いう課題があった。
【0017】本発明の目的は、クリーニング処理の終点
を精度よく検出できるクリーニング終点検出装置を提供
することにある。
【0018】本発明のもう一つの目的は、クリーニング
処理の終点を精度よく検出できるクリーニング終点検出
方法を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、反応室
の内壁への付着物の除去を、前記反応室内にクリーニン
グガスを導入し、前記反応室内に前記付着物の一部と前
記クリーニングガスとの反応によるクラスター雲を生成
させると共に、前記付着物の残りの一部を前記内壁から
剥離パーティクルとして剥離させ、前記クラスター雲お
よび前記剥離パーティクルを前記クリーニングガスと共
に前記反応室から排気することにより、行なう、クリー
ニング処理の終点を検出するクリーニング終点検出装置
において、前記反応室内の前記クラスター雲および前記
剥離パーティクルにレーザ光を照射し、前記クラスター
雲および前記剥離パーティクルによる散乱レーザ光を生
成させる照射手段と、前記散乱レーザ光を二次元画像情
報として計測する計測手段と、前記二次元画像情報を基
に、前記クリーニング処理の終点を判断する判断手段と
を有することを特徴とするクリーニング終点検出装置が
得られる。
【0020】更に本発明によれば、反応室の内壁への付
着物の除去を、前記反応室内にクリーニングガスを導入
し、前記反応室内に前記付着物の一部と前記クリーニン
グガスとの反応によるクラスター雲を生成させると共
に、前記付着物の残りの一部を前記内壁から剥離パーテ
ィクルとして剥離させ、前記クラスター雲および前記剥
離パーティクルを前記クリーニングガスと共に前記反応
室から排気することにより、行なう、クリーニング処理
の終点を検出するクリーニング終点検出方法において、
前記反応室内の前記クラスター雲および前記剥離パーテ
ィクルにレーザ光を照射し、前記クラスター雲および前
記剥離パーティクルによる散乱レーザ光を生成させる照
射ステップと、前記散乱レーザ光を二次元画像情報とし
て計測する計測ステップと、前記二次元画像情報を基
に、前記クリーニング処理の終点を判断する判断ステッ
プとを有することを特徴とするクリーニング終点検出方
法が得られる。
【0021】本発明は、クリーニング処理中に付着物の
一部とクリーニングガスとの反応生成物ガスが気相中で
反応してできたクラスター雲や、クラスター雲が生成さ
れた結果、付着物の残りの一部が付着力が弱くなって内
壁から剥離した剥離パーティクル(剥離パーティクルの
パーティクルサイズは、クラスター雲のパーティクルサ
イズより大きい)を含む検査領域に、レーザ光を照射
し、剥離パーティクルやクラスター雲を、レーザ光散乱
法で計測し、付着物がなくなって剥離パーティクルやク
ラスター雲が観測されなくなった時点をクリーニング処
理の終点と判断する。
【0022】
【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て詳細に説明する。
【0023】図1を参照すると、本発明によるクリーニ
ング終点検出装置が示されている。本クリーニング終点
検出装置は、プロセス装置の反応室(処理室)1の内壁
やウエハー支持台11への付着物を除去するためのクリ
ーニング処理の終点を検出するものである。
【0024】このクリーニング処理は、プロセス装置コ
ントローラ6の制御下で以下のように行われる。すなわ
ち、このクリーニング処理における反応室1の内壁やウ
エハー支持台11への付着物の除去は、反応室1内にク
リーニングガスをガス導入口12を介して導入し、反応
室1内に、付着物の一部とクリーニングガスとの反応に
よるクラスター雲を生成させると共に、付着物の残りの
一部を剥離パーティクルとして剥離させ、クラスター雲
および剥離パーティクルをクリーニングガスと共に反応
室1から排気口13を介して排気することにより、行な
われる。
【0025】本クリーニング終点検出装置は、上述のク
リーニング処理の終点を検出するために、レーザ光源5
と、散乱光計測器7と、信号処理器8とを有する。
【0026】レーザ光源5は、反応室1内のクラスター
雲および剥離パーティクル2にレーザ光4をレーザ光入
射窓33を介して照射し、クラスター雲および剥離パー
ティクル2による散乱レーザ光を生成させるものであ
る。反応室1に設けられた散乱光観測窓32を通った散
乱レーザ光が散乱光計測器7に入射される。レーザ光源
5から出射され、反応室1中を通過するレーザ光4は、
反応室1に設けられたレーザ吸収体31によって吸収さ
れる。
【0027】散乱光計測器7は、散乱光観測窓32を通
った散乱レーザ光を二次元画像情報として計測するもの
である。散乱光計測器7は、典型的には、CCD(charg
e coupled device)カメラである。
【0028】信号処理器8は、散乱光計測器7からの二
次元画像情報を基に、クリーニング処理の終点を判断す
る終点判断器として動作するものである。
【0029】この際、信号処理器(終点判断器)8は、
散乱光計測器7からの二次元画像情報から、前記剥離パ
ーティクルのみならず前記クラスター雲が検出されなく
なった時点を前記クリーニング処理の終点と判断する。
【0030】このため、信号処理器(終点判断器)8
は、二次元画像情報から、クラスター雲のパーティクル
サイズに実質的に等しい、所定サイズのパーティクルの
密度が所定の密度に低下した時点を、クリーニング処理
の終点と判断する。クラスター雲のパーティクルサイズ
に実質的に等しい所定サイズは、例えば20nm以下で
ある。この場合、所定の密度は、例えば100/cm
である。
【0031】(第1の実施例)次に本発明の第1の実施
例について図1を参照して説明する。
【0032】タングステン熱CVD装置(プロセス装
置)の反応室(真空容器)1内に、レーザ光入射窓33
を通してレーザ光4を導入し、クラスター雲および剥離
パーティクル2による散乱レーザ光を散乱光計測器7で
二次元画像として計測する。レーザ光は、平均パワー
2.5WのYAG(yttrium-aluminum garnet)二倍波
(波長532nm)を用いる。散乱光計測器7は、受光
した散乱光の強度に応じた画像信号を出力するCCDカ
メラを用いるとよい。信号処理器8は、散乱光計測器7
からの画像信号や装置ステータス信号の取り込み、取り
込んだ画像信号の画像処理を行なう。
【0033】図2と図3は散乱光計測器7による計測画
像の例である。図2の中央、画面を横切る白線がレーザ
光4である。この図は、ClFを用いたクリーニング
を開始した直後で、剥離パーティクルの発生は見られな
いが、微細なクラスター雲のため散乱光が検出されてい
る。クリーニングが進み、剥離パーティクルが検出され
ているのが、図3である。図2と比較して、散乱レーザ
光は明るくなり、大きな剥離パーティクルが白線の飛跡
を描いているのがわかる。
【0034】信号処理器8は、画像処理によって、剥離
パーティクルやクラスター雲からの散乱光の強度を求
め、これが収束したときをクリーニング処理の終点と判
定し、クリーニング処理の終点を表わす信号をプロセス
装置コントローラ6に出力する。プロセス装置コントロ
ーラ6は、その信号を受けると、反応室1内へのクリー
ニングガスの導入の停止など、クリーニング処理の終了
動作を行なう。
【0035】(第2の実施例)次に本発明の第2の実施
例について図1を参照して説明する。
【0036】本発明は、タングステン熱CVD装置(プ
ロセス装置)をNFでプラズマクリーニングする際に
も適用できる。
【0037】前記熱CVD装置の処理室1に、レーザ光
入射窓33を通してレーザ光4を導入し、クラスター雲
および剥離パーティクル2による散乱レーザ光を散乱光
計測器7で二次元画像として計測する。
【0038】プラズマ発光がバックグラウンド光となる
ので、散乱光計測器7にレーザ光の波長のみを透過する
フィルターを取り付けると、効率的に計測できる。信号
処理器8は、散乱光計測器7からの画像信号を取り込
み、取り込んだ画像信号の画像処理を行なう。
【0039】プラズマクリーニングの場合、真空容器内
壁から剥がれ落ちた付着物は、プラズマ内部には入って
こない傾向があるので、内壁近傍を観測することでより
正確なクリーニング終点検出を行うことができる。
【0040】画像処理によって、クラスター雲および剥
離パーティクルからの散乱光の強度を求め、これが収束
したときをクリーニングの終点と判定し、クリーニング
処理の終点を表わす信号をプロセス装置コントローラ6
に出力する。プロセス装置コントローラ6は、その信号
を受けると、反応室1内へのクリーニングガスの導入の
停止など、クリーニング処理の終了動作を行なう。
【0041】本発明は、Wプラズマエッチング装置のC
lFクリーニングなど、他の装置、他のガスを用いて
も同様にクリーニング終点検出を行うことができる。
【0042】(第3の実施例)次に本発明の第3の実施
例について図1および図4を参照して説明する。
【0043】図4は、クリーニングの終点判定を行う方
法を示している。
【0044】付着物は、クリーニング中に膜厚が薄くな
り、内部応力のため剥離すると剥離パーティクルとなっ
てクリーニングガスと共に排気される。このような剥離
パーティクルは、数十nmから数μmのサイズを持ち、
既存のパーティクルカウンターで検出可能なサイズであ
る。図3で飛跡を描いているパーティクルが剥離パーテ
ィクルである。一方、クリーニングガスと付着物との反
応生成物であるガスは、気相中で反応してクラスターと
なる。クラスターは、前述の剥離パーティクルより小さ
く、数十nm以下のサイズである。クラスターは飛跡を
描くほど大きくはないが、高密度で存在するため、CC
Dカメラ(散乱光計測器7)の感度を調整することで、
図2や図3のように輪郭のはっきりしない雲状に観測さ
れる。
【0045】クリーニングで排出される付着物の大きさ
は、必ずしも一定ではなく、数百nmサイズの剥離パー
ティクルが発生しないこともありうる。そこで、クラス
ター雲を判断に使用すれば、より正確な終点検出が可能
となる。
【0046】図4を参照して、画像処理の例として、背
景差分法を用いる場合を述べる。あらかじめ清浄な真空
容器にクリーニングガスを処理する圧力で充填し、レー
ザ光を導入して背景画像を撮影しておく。クリーニング
中の取得画像から前記背景画像を差し引き、レーザ光照
射部分の強度を算出する(ステップSA1〜SA3)。
次に所定の強度を超える画素が所定個数以上連続してい
るかを判定する(ステップSA4)。具体的には、強度
が15カウント以上の画素が7個以上隣接していたと
き、パーティクルあるいはクラスター雲が存在すると判
定する。強度が15カウント以上の画素が7個以上隣接
しておらず、かつ、強度の平均が7カウント未満のと
き、クリーニング終了と判定する(ステップSA5およ
びSA6)。
【0047】(第4の実施例)次に本発明の第4の実施
例について図1および図5を参照して説明する。
【0048】図5は、別のクリーニングの終点判定を行
う方法を示している。
【0049】ClFを用いたタングステン熱CVD装
置のクリーニングでは、剥離パーティクルのサイズは画
像の強度から数百nmのサイズであると推定される。一
方、気相反応で生成されるクラスター雲は、設定した感
度から20nm以下のサイズであると推定される。
【0050】CCDカメラ(散乱光計測器7)の感度と
レーザ光強度から、システムを数nmのパーティクルが
検出できる感度に調整する。
【0051】図5のクリーニングの終点判定を行う方法
の場合も背景差分法を用いる。すなわち、あらかじめ清
浄な真空容器にクリーニングガスを処理する圧力で充填
し、レーザ光を導入して背景画像を撮影しておく。クリ
ーニング中の取得画像から前記背景画像を差し引き、レ
ーザ光照射部分の強度を算出する(ステップSB1〜S
B3)。次に10nmのサイズのパーティクル数を計測
し(ステップSB4)、あらかじめ設定したレーザ光照
射体積で除して体積密度を算出する(ステップSB
5)。この密度が、例えば、しきい値としての100/
cmに達したとき、クリーニング終了と判定する(ス
テップSB6およびSB7)。
【0052】
【発明の効果】以上説明したように本発明のクリーニン
グ終点検出方法および装置によれば、真空容器内に発生
したクラスター雲および剥離パーティクルによる散乱光
を二次元画像で計測し、その強度を解析することで、ク
リーニングの終了を正確に判定することができる。
【0053】本発明のクリーニング終点検出方法および
装置は、プラズマを使用しない装置にも適用でき、プロ
セスの変更の必要がない。
【0054】また、本発明のクリーニング終点検出装置
は、真空容器内壁近くなど、クリーニングの終了を確認
したい部分に取り付けることができ、プラズマ光の届か
ないような位置でも観測できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるクリーニング終点検出装置を示し
た図である。
【図2】図1のクリーニング終点検出装置における散乱
光計測器による計測画像の一例を示した図である。
【図3】図1のクリーニング終点検出装置における散乱
光計測器による計測画像の別の例を示した図である。
【図4】本発明によるクリーニングの終点判定を行う方
法を示したフローチャートである。
【図5】本発明による別のクリーニングの終点判定を行
う方法を示したフローチャートである。
【符号の説明】
1 反応室 2 クラスター雲および剥離パーティクル 31 レーザ吸収体 32 散乱光観測窓 33 レーザ光入射窓 4 レーザ光 5 レーザ光源 6 プロセス装置コントローラ 7 散乱光計測器 8 信号処理器 11 ウエハー支持台 12 ガス導入口 13 排気口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上杉 文彦 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 加藤 善規 山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650 東京エ レクトロン株式会社内 (72)発明者 青森 勝 山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650 東京エ レクトロン株式会社内 (72)発明者 守谷 修司 山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650 東京エ レクトロン株式会社内 (72)発明者 立花 光博 山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650 東京エ レクトロン山梨株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−124902(JP,A) 特開 平9−162165(JP,A) 特開 平11−87248(JP,A) 特開 平11−251252(JP,A) 特開 平11−271210(JP,A) 特開 昭57−28334(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 16/44 H01L 21/205 H01L 21/3065 JSTPlusファイル(JOIS)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 反応室の内壁への付着物の除去を、前記
    反応室内にクリーニングガスを導入し、前記反応室内に
    前記付着物の一部と前記クリーニングガスとの反応によ
    るクラスター雲を生成させると共に、前記付着物の残り
    の一部を前記内壁から剥離パーティクルとして剥離さ
    せ、前記クラスター雲および前記剥離パーティクルを前
    記クリーニングガスと共に前記反応室から排気すること
    により、行なう、クリーニング処理の終点を検出するク
    リーニング終点検出装置において、 前記反応室内の前記クラスター雲および前記剥離パーテ
    ィクルにレーザ光を照射し、前記クラスター雲および前
    記剥離パーティクルによる散乱レーザ光を生成させる照
    射手段と、 前記散乱レーザ光を二次元画像情報として計測する計測
    手段と、 前記二次元画像情報を基に、前記クリーニング処理の終
    点を判断する判断手段とを有することを特徴とするクリ
    ーニング終点検出装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のクリーニング終点検出
    装置において、 前記判断手段は、前記二次元画像情報から、前記剥離パ
    ーティクルのみならず前記クラスター雲が検出されなく
    なった時点を前記クリーニング処理の終点と判断するこ
    とを特徴とするクリーニング終点検出装置。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載のクリーニング終点検出
    装置において、 前記判断手段は、前記二次元画像情報から、前記クラス
    ター雲のパーティクルサイズに実質的に等しい、所定サ
    イズのパーティクルの密度が所定の密度に低下した時点
    を、前記クリーニング処理の終点と判断することを特徴
    とするクリーニング終点検出装置。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載のクリーニング終点検出
    装置において、 前記所定サイズが20nm以下であることを特徴とする
    クリーニング終点検出装置。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載のクリー
    ニング終点検出装置において、 前記計測手段は、CCD(charge coupled device)カメ
    ラであることを特徴とするクリーニング終点検出装置。
  6. 【請求項6】 反応室の内壁への付着物の除去を、前記
    反応室内にクリーニングガスを導入し、前記反応室内に
    前記付着物の一部と前記クリーニングガスとの反応によ
    るクラスター雲を生成させると共に、前記付着物の残り
    の一部を前記内壁から剥離パーティクルとして剥離さ
    せ、前記クラスター雲および前記剥離パーティクルを前
    記クリーニングガスと共に前記反応室から排気すること
    により、行なう、クリーニング処理の終点を検出するク
    リーニング終点検出方法において、 前記反応室内の前記クラスター雲および前記剥離パーテ
    ィクルにレーザ光を照射し、前記クラスター雲および前
    記剥離パーティクルによる散乱レーザ光を生成させる照
    射ステップと、 前記散乱レーザ光を二次元画像情報として計測する計測
    ステップと、 前記二次元画像情報を基に、前記クリーニング処理の終
    点を判断する判断ステップとを有することを特徴とする
    クリーニング終点検出方法。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載のクリーニング終点検出
    方法において、 前記判断ステップは、前記二次元画像情報から、前記剥
    離パーティクルのみならず前記クラスター雲が検出され
    なくなった時点を前記クリーニング処理の終点と判断す
    ることを特徴とするクリーニング終点検出方法。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載のクリーニング終点検出
    方法において、 前記判断ステップは、前記二次元画像情報から、前記ク
    ラスター雲のパーティクルサイズに実質的に等しい、所
    定サイズのパーティクルの密度が所定の密度に低下した
    時点を、前記クリーニング処理の終点と判断することを
    特徴とするクリーニング終点検出方法。
  9. 【請求項9】 請求項8に記載のクリーニング終点検出
    方法において、 前記所定サイズが20nm以下であることを特徴とする
    クリーニング終点検出方法。
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