JP3760405B2 - 意図的なまたは不可避的な層の堆積をモニタリングする装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、処理チャンバの意図的なまたは不可避的な層の堆積をモニタリングする装置、および装置で測定を実行する方法に関する。
【０００２】
処理チャンバで実行され、材料が除去される処理操作（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）および化学支援イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）の方法を含む）において、堆積物は、用いられる出発化学物質および処理動作が実行されるリアクタの内部壁上に生じる反応生成物のために、意図せず、堆積され得る。この堆積物の厚みは、処理持続時間が増えるにつれ、連続的に増大するので、一旦、特定の層の厚みが達成されると、チャンバ内で実行される処理は、処理が不安定化し得るような大きな程度まで、この堆積物と相互作用し、それゆえ、この不可避な堆積物は、特定の洗浄処理を実行することによって周期的に除去される。
【０００３】
プラズマエッチング処理またはＣＶＤ（化学蒸着）処理を実行する間、高分子層が処理チャンバの内側に堆積される。層は、動作持続時間が増えるにつれて、増大し、その結果、層のある厚さを超えた後、動作中に成長した層が崩壊し、断片が動作中に落下することさえあり得る。結果として、汚染物質がチャンバ内に生成され、または、断片がウェハ表面に落下する場合、処理されたウェハ上の回路が使用不能となる。チャンバ内部のこれらの望ましくない堆積物を除去するために、処理チャンバは、湿式化学洗浄を受けなければならないことがある。洗浄の間、チャンバは、さらなる生産に利用できない。
【０００４】
従来技術に従って、洗浄処理を開始する時間は、処理される材料の質の決定から得られる経験値に基づいて規定される。チャンバ壁の状態の有効なモニタリングは、例外的な場合においてのみ行われる；例えば、堆積物の厚みを測定するセンサまたは測定システムの場合、熱容量の測定に基づく測定原理が使用されるか、または、超音波の伝播時間によって層の厚みが決定される。これらの測定原理の欠点は、例えば、測定装置を評価ユニットに連結するために、処理チャンバへのさらなる電気的敷設が必要であることである。さらに、超音波の伝播時間の方法は、温度に敏感であり、処理チャンバ内でその構造からの乱反射の結果として、実行するのがより困難となる。
【０００５】
書類ＪＰ６３−１５３２６９ Ａ、ＪＰ ０１−１３２７６７ Ａ、ＪＰ０４−１７６８６６ Ａ、ＪＰ ０５−２５５８５０ ＡおよびＪＰ ０６−４９６４１は、層の堆積領域のモニタ基板の形態でセンサ素子を配置する工程、ならびに光源から出る透過ビームおよび／または反射ビーム、すなわち強度の変化を検出器によって検出する工程、ならびに強度の変化を用いて方法パラメータを設定する工程を開示する。さらに、書類ＪＰ １１−１４０６５５ ＡおよびＪＰ １１−１３１２１１ Ａは、チャンバ壁の窓に成長する層による光ビームの強度の減衰を測定する光センサにより、処理チャンバの洗浄チャンバをモニタリングする工程を開示する。
【０００６】
本発明は、処理チャンバ中の層の堆積物をモニタリングする装置、そしてさらにその装置で測定を実行するための対応する方法を特定する目的に基づく。この装置および方法を用いれば、技術的および経済的処理制御のために最も好ましい洗浄サイクル時間は、最低限の支出で決定され得る。
【０００７】
本目的は、処理チャンバ中の層の堆積をモニタリングする装置により達成され、上記装置は、光源と、センサ素子と、少なくとも１つの光検出器とを含み、センサ素子が、センサ素子上に成長する層の厚みにより、検出器によって測定される光ビームの強度に影響するように、適切に構築され、センサ素子は、少なくとも１つの連続的な開口部および／または、センサ素子の残りの部分より非常に小さい程度まで該光ビームを吸収する少なくとも１つの領域を有し、光の強度が測定される開口部または領域は、成長する層の厚みによって成長する開口部の関数として測定される。
【０００８】
そのような装置で測定を実行する方法において、処理チャンバの洗浄サイクル時間は、測定された光の強度を所定の最低強度または所定の最大強度と比較することにより、光の強度測定から決定される。
【０００９】
装置の使用は、請求項１１で特定される。
【００１０】
従属請求項は、好適な実施形態に関する。
【００１１】
装置および方法において、堆積物の厚さを決定するために、同時にコーティングされた開口部で光の吸収および／または反射が測定され、評価される。この場合、光源は、原理的に、任意の所望の構成であり得る。外部光源またはプラズマ発光現象の使用のいずれもが、光源として好ましい。この場合、外部光源は、必ずしも、処理チャンバの外部に位置することを意味せず、むしろ処理チャンバ内部に位置付けされ得る。本発明に従う方法は、センサ素子のような物体を処理チャンバに導入するというコンセプトに基づく。センサ素子に、主に、処理チャンバと同様の堆積物が堆積される。処理チャンバの状態を規定し、従って技術的（および経済的）な処理制御に対する最も好ましい洗浄サイクル時間を規定する堆積物の厚みは、例えば、光吸収および／または反射等の光学的手段により測定され得る。
【００１２】
本方法は、例えばセンサ素子での吸収による光の影響の測定に基づく。センサ素子と呼ばれる構成素子が処理チャンバに導入される。センサ素子は、堆積物が意図的に生成される堆積物を好適にモニタリングするために、処理／処置される物体の堆積物と質および形態において同様に形成される位置にあると予測され得る。詳細には、不可避的な堆積を好適に測定するため、センサ素子は、質および形態において、チャンバ壁の堆積物と類似している堆積物があると予測される得るところに適合される。この場合、センサ素子は、好適には、測定に用いられる光を完全に吸収する材料から構成される。センサ素子は、好適にはシリコンから形成される。センサ素子上に、原理的には、任意の所望の形態であり得る少なくとも１つの連続的な開口部が提供され、測定に使用される光は、この開口部を介して観察され、検出器によって検出される。従って、センサ素子は、ダイヤフラムのように使用される。開口部または複数の開口部は、空間的に完全に連続でないこともまた、あり得る。しかし、本質的なことは、それらが実際に光ビームに対して完全に透過性であることである。センサ素子の特定の実施形態は、例えば、センサ素子の層状の構造物であり、１つの層は、使用される光を吸収する材料から構成され、少なくとも１つの空間的に連続的な開口部を有する。この層は、使用される光を吸収しない材料から構成される第２の層に適用される。（単数／複数の）開口部の空間的な寸法の大きさのオーダーは、チャンバ洗浄の場合に規定される層の厚みと同じ範囲内で選択される。測定原理は、開口部で吸収される光の観察に基づく。吸収は、開口部が成長する程度が増大するにつれ、増える。
【００１３】
堆積物は使用される光を弱く吸収するのみであり、開口部が成長し、レンズ状構造に形成される場合、堆積物と周辺物との間の界面で屈折されるために、および堆積物の散乱光および全反射光のために、曲面での散乱光を増大させることもまた、利用し得る。堆積物の厚みが大きくなるほど、検出器で測定され得る光強度が低くなる。洗浄サイクル時間、または一般にコーティングの厚みは、測定された光強度を所定の最低の強度と比較することによって決定され得る。それによって、本発明は、コーティングの間、コーティング処理（インサイチュ）を中断することなく、チャンバ壁の状態のアクティブなモニタリングが可能となる。類似した手順において、洗浄動作と関連する層の厚さの侵食を観察し、測定された光強度を所定の最大強度と比較することによって処理チャンバを洗浄するために必要な時間（洗浄時間）を決定することがまた可能となる。洗浄サイクル時間、または洗浄時間あるいは一般にコーティングの厚みは、コーティング処理を中断することなく、最適な様式で、測定された光強度を所定の強度と比較することによって決定され得る。また、機器に対する支出が低いことに加えて、本発明に従う装置について利点であることは、処理チャンバへのさらなる電気的ブッシングが必要とされないことである。本発明は、意図された、または意図されていない層の堆積が生じる、全ての処理／処置動作をモニタリングするために使用され得る。
【００１４】
本発明の一般的なコンセプトを制限することなく、本発明は、図面を参考にした例示的な実施形態を用いて以下で詳細に説明される。
【００１５】
図１に示される装置は、処理チャンバ３の窓６を介してセンサ素子４に入射する（矢印として表される）光ビーム１０を生成する光源１を有する。センサ素子を通過し、さらなる窓２を介して、処理チャンバを離れる光の強度は、検出器５によって測定される。個別の光源はまた、処理チャンバ内部に位置付けされ得る。基準検出器７は、観察窓および／または個別の光源の可能なコーティングおよびそれに関連した光の強度の減少または光源の強度ゆらぎを補償するように、使用され得る。他の場合、窓は、適切な測定の実行によって、光ビームの範囲におけるコーティングに対して保護されなければならない。これは、例えば、円筒型開口部に戻るように設置されている窓によって、行われてもよい。
【００１６】
図２に示される装置は、個別の光源を使用せず、プラズマの発光現象自体を光源として利用する。この場合、第２の検出器７が必要であり、または、図３に示されるように、光源と検出器５との間のビーム経路からセンサ素子を回転させるチルト／回転機構９が必要である。それにより、窓２を通って光源から検出器５に妨げられずに通過する光の強度が基準物体のために測定され得る。このチルト／回転機構はまた、個別の光源に関連して使用され得る。原理的に、本発明に従う方法を実行する光源の各設計が可能である。
【００１７】
図４は、測定に用いられる光ビーム経路に位置するセンサ素子４の好適な実施形態による断面図からの細部を示す。センサ素子４は、連続的な開口部を有し、この開口部は、検出される層の最大の厚みｄ’_maxの大きさのオーダーの直径ｄを有する。開口部の３次元幾何学的な形態（例えば、円形、四角形、スロット形状、円錐形等）となるように設計され得る。センサ素子は、異なって配列され得る１つ以上の開口部を有し得る。
【００１８】
本方法は、堆積の層の厚みｄ’が増大するにつれて、センサ素子の有効な開口部面積が成長する開口部によって減少し、それゆえ、例えば光の反射、光の屈折、曲面の表面／界面（堆積される層／チャンバの埋没）での全反射によってさらなる光が吸収および／または散乱される。用いられる検出器は、入射光の強度に反応する１つの構成素子、例えば、フォトダイオードであり得る。しかし、直接の光学イメージング（例えば、有効面積のコンピュータ支援評価）のためにダウンストリームに結合されたＣＣＤ検出器を備える複雑な拡大光学装置を使用することもまた可能である。検出器システムは、原理的に、所望どおりに設計される；但し、設計は電磁放射の強度測定を可能にしなければならない。さらに、検出器システムは、処理チャンバの内部だけでなく外部にも配列され得る。なぜなら、それにより、処理チャンバの汚染が最小化され、検出器のコーティング（Ｍｉｔｂｅｓｃｈｉｃｈｔｕｎｇ）が排除される。
【００１９】
図５は、２つの層から構成され、測定に使用される光ビーム経路に位置するセンサ素子４による断面図からの細部を示す。センサ素子は、第１の吸収層１１中の連続的な開口部と、開口部のない第２の非吸収層１２とを有する。第１の層は、使用される光を吸収しない材料から構成される第２の層に適用される。この場合も、開口部の空間的な寸法の大きさのオーダーは、チャンバ洗浄の場合に規定される層の厚さと同じ大きさのオーダーであるように選択される。層の堆積は、好適には、使用される光を吸収する第１の層の開口部を備えるセンサ素子の側部に生じる。この結果、および開口部内の非吸収層の表面のセットバック位置の結果として、第２の非吸収センサ素子層のコーティング共存物は、可能な限り最大の程度まで避けられる。
【００２０】
開口部の設計に対する様々な可能な変形がある。図６に示される開口部の場合、光に対して不透明な本体４０は、シリコンから構成される。ディスク４０は、その間に開口部４１が伸びている２つの対向する表面を有する。開口部４１は、開口部の深さに沿った可変な直径を有する。従って、処理チャンバの内側の方向の開口部の直径は、チャンバの内部から離れて向いている直径より小さい。すなわち、チャンバの外側へ向いている。センサの開口部４１および光不透明部分４０の適切な寸法を決定する（その寸法の決定は、適切である場合、ドライエッチングまたは堆積処理のそれぞれをモニタリングするように経験的に決定される）ことにより、モニタリングされるそれぞれのプロセスに関して最適さを達成することが可能となる。詳細には、開口部４１の表面の領域における堆積４２の形状および厚みは、シリコンディスクの厚みによって、および、チャンバの内側とチャンバの外側の開口部４１の端部におけり直径の比によっても決定される。
【００２１】
本発明のさらに改善された実施例において、複数のセンサ素子４および／または４０をチャンバ内で互いに隣接して配置することが有利である。これらのセンサ素子は、異なるサイズの開口部を有する。異なる開口部の吸収挙動は、同時にまたは逐次的にモニタリングされる。堆積される層（例えば、４２）が漸進的に成長し、最小の開口部がまず不透明にコーティングされる一方、より大きな開口部は、未だ、全く吸収現象がない範囲にわたる小さな吸収現象を有する。この時点では吸収しない開口部に対する吸収する開口部の割合に依存して、チャンバ内部の汚染の度合いを決定することが可能である。開口部の透過される光の強度は、利便的に、絶対的閾値と、または、図２に従う実施形態に従って、相対的閾値と比較される。従って、測定に対する開口部の情報寄与はデジタルである。次いで、全体として、複数の異なる直径の開口部の配置のために、チャンバ内側の汚染の程度について比較的細かく分解された状態が生じる。
【００２２】
光センサ（例えば、図１〜図３のセンサ５）は、異なる所定の波長の光または互いに独立した異なる所定の波長領域からの光を測定する。結果として、異なる層の吸収挙動に関する測定の最適化をもたらすことが可能である。
【００２３】
図７は、図２に従う原理を発展させた実用的な実施形態を示す。基準光ビームに対するセンサ５１および窓５２の両方が、処理チャンバの壁５０に示される。センサ５１は、好適にシリコンから形成され、開口部５３がもたらされるディスク５２を有する。シリコンディスク５２は、処理チャンバに生じる処理のためにコーティングされる場合、開口部５３は狭くなり、その吸収は増大する。それによって、プラズマによって生成された光は、狭くなった開口部５３を通過する場合、減衰する。開口部５３を通過する光は、光学導波管５６によって導かれ、評価デバイス５７に与えられる。光学窓５８は、プラズマによって生成される基準光を受ける。開口部５９は、任意の堆積が透過性に影響を全く与えないように選択される。光学導波管６０は、評価デバイス５７に基準光を与えるように再提供される。詳細には、開口部５９内部の処理チャンバ壁は、開口部５９の深さのために、望ましくない堆積によってほとんど影響されない。評価デバイス５７は、測定光経路および基準光経路の両方に対する２つの光感知検出器を含む。これらのセンサは、詳細には、ＣＣＤ素子である。
【００２４】
センサ５１に冷却デバイス５５を提供することが特に有利である；代替的なものとして、デバイス５５はまた、加熱デバイスであってもよい。冷却／加熱は、行われるそれぞれの処理に依存する。開口部５３の堆積は、増加され得る、または減少され得、すなわち、一般に、センサ５１の冷却または加熱によって制御され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、第２の素子および検出器と直線上にある第２の窓６の前に好適に位置付けされる個別の光源１を用いる、本発明に従う方法を実行する装置の基本的な構成を示す。
【図２】 図２は、基準測定用に第２の検出器７を使用する、プラズマ発光現象８を光源として利用する基本的な構成を示す。
【図３】 図３は、単一の検出器５およびプラズマ発光現象８と検出器５との間で光ビーム経路からセンサ素子４を回転させるチルト／回転機構９を備える、プラズマ発光現象８を光源として利用する基本的な構成を示す。
【図４】 図４は、連続的な開口部を備える、センサ素子の基本的な構成の断面図からの細部を示す。
【図５】 図５は、第１の吸収層中の連続的な開口部、および第２の非吸収層を備える、層状センサ素子の基本的な構成の断面図からの細部を示す。
【図６】 図６は、開口部の１つの実施形態を示す。
【図７】 図７は、処理チャンバの壁上の測定デバイスの配置を示す。

Claims (17)

1. 処理チャンバにおける層の堆積をモニタリングする装置であって、
   光源と、
   堆積層の堆積および成長の影響を受けることが可能なセンサ素子と、
   光検出器と
   を備え、
   該センサ素子は、第１の表面と該センサの対向する側にある第２の表面とを有するディスク型のセンサであり、
   該センサ素子は、該センサ素子の残りの部分より小さい光を吸収するように構成された領域を有しており、
   該領域は、該第１の表面から該第２の表面に向かって延びる連続した開口部であり、
   該光の強度は、該堆積層の厚み分だけ該堆積層が成長した該領域を通過する光の量に応じて測定される、装置。
2. 前記領域は、前記層の厚みが前記センサ素子上で成長するにつれて前記検出器によって測定される光ビームの強度に影響するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記検出器は、前記処理チャンバの外部に配置されており、前記光源からの光の強度は該処理チャンバに形成された窓を介して測定される、請求項１に記載の装置。
4. 前記光源は、光ビームを生成する個別の光源である、請求項１に記載の装置。
5. 前記光源は、前記処理チャンバに形成された窓であって、前記センサ素子および前記検出器と直線状にある窓の前に配置されている、請求項４に記載の装置。
6. 前記光源は、前記処理チャンバにおけるプラズマ発光現象である、請求項１に記載の装置。
7. 前記センサ素子が前記光のビーム経路からチルトされることおよび回転されることの少なくとも一方を可能にするチルト／回転機構をさらに備えた、請求項１に記載の装置。
8. 前記チルト／回転機構は、前記センサ素子がプラズマ発光現象から前記検出器に至る光経路からチルトされることおよび回転されることの少なくとも一方を可能にする、請求項７に記載の装置。
9. 前記センサ素子が前記光源から前記検出器に至る光ビームのビーム経路からチルトされることおよび回転されることの少なくとも一方を可能にするチルト／回転機構をさらに備えた、請求項４に記載の装置。
10. 前記センサ要素によって影響されない前記光源からの光の強度を測定するさらなる検出器を備えた、請求項１に記載の装置。
11. 前記領域は、前記堆積層の最大の厚みの大きさのオーダーの直径を有するように形成されている、請求項１に記載の装置。
12. 前記領域の深さ方向に沿って該領域の直径が変化する、請求項１に記載の装置。
13. 前記センサ素子は、冷却デバイスに設けられている、請求項１に記載の装置。
14. 前記センサ素子は、加熱デバイスに設けられている、請求項１に記載の装置。
15. 前記センサ素子は、少なくとも２つのセンサ素子のうちの１つであり、前記光検出器は、該センサ素子にそれぞれ関連づけられており、かつ、該センサによって通された光の強度を表す測定信号を生成するように構成された少なくとも２つの光検出器のうちの１つであり、該測定信号を処理することにより前記層堆積をモニタリングするためのモニタリング情報を生成する評価デバイスが該センサ素子に接続されている、請求項１に記載の装置。
16. 前記装置は、前記処理チャンバにおける前記層の成長または除去をモニタするように適応され配置されている、請求項１に記載の装置。
17. 請求項１に記載の装置を提供することと、
    該装置を有する処理チャンバにおける層堆積をモニタリングすることと、
    測定された光強度を所定の第１の強度および所定の第２の強度のうちの一方と比較することによって、光の強度測定から該処理チャンバの洗浄サイクル時間を決定することと
    を包含する、モニタリング方法。
    以上

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