JP3841188B2

JP3841188B2 - 集光装置

Info

Publication number: JP3841188B2
Application number: JP06861097A
Authority: JP
Inventors: 雅弘青木; 隆山▲崎▼
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Olympus Corp
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Olympus Corp
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JPH10270417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体プロセスにおけるプラズマエッチング（ドライエッチ）時間終点検出装置に用いられる集光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体プロセスにおけるプラズマエッチングに用いられるプラズマエッチャーは、例えば図８に示すようにチャンバ１内に反応ガスを流しながら半導体ウェハ２を挟み込んだ電極３ａ、３ｂに高周波電圧を印加し、半導体ウェハ２上でガスをプラズマ化することにより、微細なエッチングを効率よく行わせるようにしている。
【０００３】
そして、現在、このようなプラズマエッチャーの最も注目されているものに、コンタクトホール用のＳi Ｏ2 膜のエッチング工程がある。かかるＳi Ｏ2 膜のエッチング工程では、Ｓi 基板上に形成されたＳi Ｏ2 膜にホトレジストを塗布し、さらに所望のパターンを焼き付け現像されてなるウェハ２を電極３ａ、３ｂ間にセットする。電極３ａには、ウェハ２上でガスをプラズマ化し易くするために、多数の微細孔４を形成している。そして、この状態で、チャンバ１内にＣＦ4 とＡr の混合ガスを流しながら電極３ａ、３ｂに高周波電源４より高周波電圧を印加する。すると、レジストが取り除かれた部分のＳi Ｏ2 が
ＣＦ4 ↑＋Ｓi Ｏ2 →Ｓi Ｆ4 ↑＋ＣＯ2 ↑
の反応を起こし、徐々にエッチングされていく。
【０００４】
ここで、問題になるのは、反応時間の制御で、仮に、この反応時間が不足すると、図９の点線アに示すようにＳi Ｏ2 が除去し切れずに残ってしまい、逆に反応時間が長すぎると点線イに示すようにレジストの下までエッチングが進行して、いわゆるオーバエッチの状態になってしまう。これらは、いずれも製品の品質にとって致命的な欠陥となりかねないものである。
【０００５】
そこで、従来、反応によって発生するガス（ここではＣＯ2 ガス）のプラズマ発光強度をモニタしながら反応時間を制御する方法が考えられている。この場合、ＣＯ2 ガスのスペクトル強度は、反応時間とともに概ね図１０に示すように変化する。すなわち、ＣＯ2 ガスのスペクトル強度の変化は、エッチングの開始から、その進行とともに、徐々に減少する領域ａがあって、エッチング終了近くで急激に落ち込む領域ｂがあり、さらにオーバエッチングの状態まで徐々に弱くなっていく領域ｃがある。
【０００６】
従って、このようにＣＯ2 ガスのスペクトル強度の変化から、スペクトル強度の変化が急峻に生じる領域ｂを目安にして反応時間を制御することにより、最適なエッチング状態を得られるようにしている。
【０００７】
しかして、従来、ＣＯ2 ガスのスペクトル強度をモニタするため、チャンバ１内のプラズマ光を引き出す手段として、図１１に示すように、チャンバ１の石英ガラス（以下、ビューポートと称する。）５に光ファイバ６の一方端部を配置し、この光ファイバ６をスリーブ７で保持するとともに、止め金具７１によりチャンバ１に固定し、チャンバ１内のプラズマ光を光ファイバ６に導き出すようにした集光装置が用いられている。この場合、かかる集光装置での光ファイバ６は、その他端部を図８に示すように分光器８の入射スリット８１上に配置され、分光器８でプラズマ光のスペクトル強度が検出され、上述したスペクトル強度の変化が急峻に変化する領域ｂを目安にして、制御回路９を介して高周波電源４による高周波電圧を調整し、反応時間を制御するようにしている。
【０００８】
また、集光装置の他の例として、図１２に示すように、分光器８に光ファイバに代えて集光レンズ１０を有する光導入部１０１を直接設け、この光導入部１０１を止め金具１０２によりチャンバ１に固定するようにしたものも考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これら光ファイバ６および集光レンズ１０を用いた集光装置では、スリーブ７、分光器８に、かなりの大きさがあるため、チャンバ１のビューポート５正面には、これらを配置するためのスペースが必要になる他、さらにこれらの止め金具７１、１０２を着脱する際の作業用スペースも必要としていた。
【００１０】
ところが、近年、プラズマエッチャーの中には、チャンバ１の周囲にリング状の電磁石を配置して、プラズマの活性化を高めるなどの工夫を凝らしたものが実用化されているが、このように構成したものでは、ビューポート５正面のスペースは、かなり限られたものになっており、上述したような集光装置では、設置が困難になるという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、チャンバ周囲の狭いスペースにも確実に設置することができる集光装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、半導体プロセスにおけるプラズマエッチング時間終点検出装置に用いられる集光装置において、チャンバのビューポートに対応して位置される窓部を有する筒体と、この筒体の前記窓部内に設けられ該窓部から取り込まれる前記ビューポートを透過したプラズマ光の光軸を前記筒体の中空部側に反射させる偏向手段と、前記筒体の中空部に挿通されるとともに、前記偏向手段で偏向されたプラズマ光に対する入射端面と、前記入射端面から入射したプラズマ光を出射する出射面を有し、複数の芯線で形成されるファイバーバンドルと、を備え、前記ファイバーバンドルの入射端面は、前記複数の芯線が円形に束ねられて形成され、前記ファイバーバンドルの出射端面は、前記複数の芯線を１列または複数列の直線状に並べて形成されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ファイバーバンドルの入射端面側の径は、前記ファイバーバンドルの最外周の芯線のＮＡが前記偏向手段によりけられない大きさに形成されている。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記プラズマ光は、細い帯状をなし、該帯状のプラズマ光の長手方向に前記偏向手段とファイバーバンドルのセットを前記筒体内に複数並べて配置している。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、さらに、前記偏向手段とファイバーバンドルとの間に配置される集光レンズと、該集光レンズとファイバーバンドルとの間隔を調整する間隔調整手段を有している。
【００１４】
この結果、本発明によれば、ビューポートの正面に十分なスペースが存在しない場合でも、このスペースに偏向手段とファイバーバンドルを収容した筒体を挿入して装着することができる。
【００１５】
本発明によれば、複数の集光手段によりプラズマ光を取り込みことにより集光量を格段に増加させることができる。
本発明によれば、集光レンズとファイバーバンドルとの間隔を調整することにより、プラズマ光に対するファイバーバンドルでの集光効率を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態が適用される集光装置の概略構成を示している。図において、１１はプラズマエッチングに用いられるプラズマエッチャーのチャンバで、このチャンバ１１は、ビューポート１２を有するとともに、その周囲に僅かなスペースを介してプラズマの活性化を高めるためのリング状の電磁石１３を配置している。
【００１７】
そして、このようなチャンバ１１のビューポート１２に対して本発明の集光装置１４が設けられる。この場合、かかる集光装置１４は、細長い筒体１５を有している。この筒体１５は、チャンバ１１のビューポート１２と電磁石１３との間の僅かなスペースに挿入可能にしたもので、例えば、直径５ｍｍの円筒形になっている。また、筒体１５は、図２に示すように、その先端部に窓部１５１を有している。この窓部１５１は、チャンバ１１のビューポート１２正面に対応して位置され、ビューポート１２を透過するチャンバ１１内のプラズマ光を取り込み可能にしている。
【００１８】
また、図２に示すように、筒体１５は、窓部１５１に対応する内部に三角プリズム１６を配置し、さらに、この三角プリズム１６に対応させて、筒体１５の中空部に沿ってファイバーバンドル１７を挿通している。三角プリズム１６は、例えば、３ｍｍ角のものが用いられ、窓部１５１から取り込まれるプラズマ光の光軸を直角方向に反射させ筒体１５の中空部に導くようにしている。また、ファイバーバンドル１７は、三角プリズム１６に近接して配置されるとともに、この三角プリズム１６で偏向されたプラズマ光に対し、ほぼ垂直な入射端面を有するようになっていて、この入射端面から三角プリズム１６を通ったプラズマ光が導入されるようになっている。この場合、ファイバーバンドル１７は、図３に示すように複数の芯線１７１がほぼ円形に束ねられており、このときの芯線１７１の数は、図４に示すように最外周のファイバのＮＡが三角プリズム１６によりケラれない範囲とすることが望ましい。例えば、コア径２３０μｍ、外径２５０μｍ、ＮＡ０．２のファイバを使用した場合、芯線数は３２本、バンドルの径は、約１．６５ｍｍとなる。
【００１９】
そして、このように構成した筒体１５は、その基端部を支持部材１８に支持されている。この支持部材１８は、ビューポート１２と電磁石１３との間のスペースから外れて配置されるもので、チャンバ１１の外周面に固定されている。また、支持部材１８は、筒体１５を上下方向に移動できるように構成していて、チャンバ１１内部の図示しないウェハを挟む電極間で帯状に光るプラズマ光を最も効率よく促えられる位置に筒体１５先端部の窓部１５１を位置させることができるようにしている。
【００２０】
また、支持部材１８には、図示しない分光器との間に屈曲自在の可とう管１９を接続し、この可とう管１９中に、筒体１５の中空部に挿通されるファイバーバンドル１７を、さらに挿通するようにしている。このファイバーバンドル１７は、分光器側端部で、全ての芯線を１列にまたは複数列の直線上に並べ、分光器のスリット上に配置するようにしている。
【００２１】
しかして、このように構成した集光装置１４では、筒体１５の支持部材１８をチャンバ１１の外周面に固定するとともに、筒体１５をチャンバ１１のビューポート１２と電磁石１３との間のスペースに挿入し、筒体１５先端部の窓部１５１をチャンバ１１のビューポート１２正面に対応して位置させる。また、この状態で、筒体１５を上下方向に移動して、チャンバ１１内部のウェハを挟む電極間で帯状に光るプラズマ光を最も効率よく促えられように調整される。
【００２２】
この状態で、チャンバ１１内部のウェハを挟む電極間に発生されるプラズマ光は、ビューポート１２を介して筒体１５の窓部１５１から取り込まれ、三角プリズム１６で反射されて、ファイバーバンドル１７端面から導入され、このファイバーバンドル１７を通って分光器に送られ、前述したと同様にして、プラズマ光のスペクトル強度が検出され、この検出結果に応じてチャンバ１１内での反応時間が制御されるようになる。
【００２３】
従って、このようにすれば、筒体１５の先端部に窓部１５１を設け、この窓部１５１内部に、該窓部１５１から取り込まれるプラズマ光の光軸を直角方向に反射させ三角プリズム１６を配置し、さらに、筒体１５の中空部に、三角プリズム１６で偏向されたプラズマ光に対しほぼ垂直な入射端面を有するファイバーバンドル１７を設けるようにしたので、ビューポートの正面に十分なスペースが存在しない場合でも、この時のスペースに筒体１５部分を挿入して、先端部の窓部１５１をビューポート１２正面に対応して位置させるようにできる。これにより、ビューポート正面にスペースを十分に確保できない場合でも、従来の設置が困難になるものと比べ、使用場所が限定されるようなことがなく、広い範囲での使用が可能になる。
（第２の実施の形態）
ところで、ウェハを挟む電極間で光るプラズマ光は、細い帯状をなしている。これに対し、上述したビューポート１２と電磁石１３との間のスペースは、ビューポート１２の面方向では、十分に余裕があることから、この第２の実施の形態では、帯状プラズマ光の長手方向に沿って、第１実施の形態で述べた集光手段を複数並べ、より多くの光量を取り込むようにしている。
【００２４】
図５は、本発明の第２の実施の形態の概略構成を示すもので、この場合、三角プリズム２１と円形に束ねたファイバーバンドル２２のセットを２組、プラズマ光の帯方向に並べるとともに、共通のスリーブ２３中に封止し、これら２組の集光手段により、それぞれプラズマ光を取り込みできるようにしている。
【００２５】
しかして、このようにすれば、２組の集光手段により各別に、チャンバ内部のプラズマ光を取り込むことができるので、２倍の光量を収集できるようになり、さらに精度の高い制御を行うことができる。
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態の概略構成を示している。この場合、ステンレスチューブからなる筒体３１は、先端部に窓部３１１を有し、この窓部３１１の内部に三角プリズム３２を配置し、また、三角プリズム３２に対応させて筒体３１の中空部に沿って集光レンズ３３とファイバーバンドル３４を配置している。
【００２６】
筒体３１は、その基端部を支持部材３５により支持されている。この支持部材３５は、図示しないチャンバに固定されるもので、また、筒体３１の中空部に連通する中空部を有し、この中空部に筒体３１の基端部を挿入するとともに、筒体３１を上下方向に所定の範囲で移動可能にし、この調整位置を固定ねじ３６により固定できるようにしている。
【００２７】
支持部材３５には、ファイバースライダ３７を上下方向に所定の範囲で移動可能に支持している。このファイバースライダ３７は、固定ねじ３８によりファイバーバンドル３４を固定したもので、支持部材３５に対して上下方向に移動することで、ファイバーバンドル３４も上下方向に移動し、ファイバーバンドル３４端面と集光レンズ３３との間隔を任意に設定できるようにしている。また、ファイバースライダ３７は、集光レンズ３３に対するファイバーバンドル３４端面を位置決めした状態で、固定ねじ３９により支持部材３５に固定されるようになっている。この場合、ファイバーバンドル３４端面を位置決めした状態のファイバースライダ３７位置を安定させるため、ファイバースライダ３７と支持部材３５との間にスペーサ４０を挿入するようにしてもよい。
【００２８】
しかして、このような構成によると、三角プリズム３２とファイバーバンドル３４との間に集光レンズ３３が配置され、さらに、ファイバーバンドル３４の上下方向の位置調整によりファイバーバンドル３４と集光レンズ３３との間隔を任意に調整することもできる。これにより、図７（ａ）に示すように帯状面光源４１からの光を一定の距離だけ離れた位置でファイバーバンドル４２単体で受光する場合と、第３の実施の形態で述べた、同図（ｂ）に示すようにファイバーバンドル３４前面に、ファイバー端面像を帯状面光源４１に投影するように集光レンズ３３を配置する場合とを比較すると、図７（ａ）の場合は、ファイバーバンドル４２のＮＡと帯状面光源４１までの距離によっては、ファイバー端面像４２１が帯状面光源４１の幅を食み出してしまい、ファイバーバンドル４２が集光できる能力に対して集光量が不足し、集光効率が悪化することがあるが、図７（ｂ）の場合は、集光レンズ３３によりファイバー端面像３４１が帯状面光源４１の幅中に投影されるようにすれば、集光レンズ３３のファイバーバンドル３４側のＮＡが、ファイバーバンドル３４のＮＡより小さくなければ、ファイバーバンドル３４は、その集光能力を１００％発揮することができる。
【００２９】
また、ファイバーバンドル３４と集光レンズ３３との間隔を調整して、ファイバーバンドル３４の投映像位置をチャンバ１１内のウェハの前方、中心付近、または奥側にくるようするなど、ウェハ上の観測点を選択することにより、ウェハ全体のエッチング状態を最適化することができ、観測するプラズマ光の中の波長を変えた場合でも、集光レンズ３３の色収差に対応して最適なファイバーバンドル３４と集光レンズ３３との相対位置を設定することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ビューポートの正面に十分なスペースが存在しない場合でも、偏向手段とファイバーバンドルを収容した筒体を、この時のスペースに挿入することで、ビューポート正面に対応して位置させるようにでき、これにより、使用場所が限定されるようなことがなく、広い範囲での使用が可能になる。
【００３１】
また、複数の集光手段によりプラズマ光を取り込むことにより集光量を格段に増加させることができ、さらに精度の高い制御を行うことができる。
さらに、集光レンズとファイバーバンドルとの間隔を調整することにより、プラズマ光に対するファイバーバンドルでの集光効率を向上させることができるとともに、ウェハ上の観測点を選択することにより、ウェハ全体のエッチング状態を最適化することができ、観測するプラズマ光の中の波長を変えた場合でも、集光レンズの色収差に対応して最適なファイバーバンドルと集光レンズの相対位置を設定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態に用いられる筒体内部の概略構成を示す図。
【図３】第１の実施の形態で用いられるファイバーバンドルの断面を示す図。
【図４】第１の実施の形態で用いられる三角プリズムを示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の概略構成を示す図。
【図７】第３の実施の形態を説明するための図。
【図８】半導体プロセスにおけるプラズマエッチングに用いられるプラズマエッチャーを示す図。
【図９】プラズマエッチャーでの反応状態を説明するための図。
【図１０】スペクトル強度と反応時間の関係を説明するための図。
【図１１】従来の集光装置の一例の概略構成を示す図。
【図１２】従来の集光装置の他例の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１１…チャンバ、
１２…ビューポート、
１３…電磁石、
１４…集光装置、
１５…筒体、
１５１…窓部、
１６…三角プリズム、
１７…ファイバーバンドル、
１８…支持部材、
１９…可とう管、
２１…三角プリズム、
２２…ファイバーバンドル、
２３…スリーブ、
３１…筒体、
３１１…窓部、
３２…三角プリズム、
３３…集光レンズ、
３４…ファイバーバンドル、
３５…支持部材、
３６…固定ねじ、
３７…ファイバースライダ、
３８、３９…固定ねじ、
４０…スペーサ、
４１…帯状面光源、
４２…ファイバーバンドル。

Claims

半導体プロセスにおけるプラズマエッチング時間終点検出装置に用いられる集光装置において、
チャンバのビューポートに対応して位置される窓部を有する筒体と、
この筒体の前記窓部内に設けられ該窓部から取り込まれる前記ビューポートを透過したプラズマ光の光軸を前記筒体の中空部側に反射させる偏向手段と、
前記筒体の中空部に挿通されるとともに、前記偏向手段で偏向されたプラズマ光に対する入射端面と、前記入射端面から入射したプラズマ光を出射する出射面を有し、複数の芯線で形成されるファイバーバンドルと、を備え、
前記ファイバーバンドルの入射端面は、前記複数の芯線が円形に束ねられて形成され、
前記ファイバーバンドルの出射端面は、前記複数の芯線を１列または複数列の直線状に並べて形成されていることを特徴とする集光装置。
前記ファイバーバンドルの入射端面側の径は、前記ファイバーバンドルの最外周の芯線のＮＡが前記偏向手段によりけられない大きさに形成されていることを特徴とする請求項１記載の集光装置。
前記プラズマ光は、細い帯状をなし、該帯状のプラズマ光の長手方向に前記偏向手段とファイバーバンドルのセットを前記筒体内に複数並べて配置したことを特徴とする請求項１記載の集光装置。
さらに、前記偏向手段とファイバーバンドルとの間に配置される集光レンズと、該集光レンズとファイバーバンドルとの間隔を調整する間隔調整手段を有することを特徴とする請求項１記載の集光装置。