JP4642048B2 - 遅延電場を用いたイオンエネルギー分布分析器に基づいたイオン分析システム - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、サブミクロン以下の大きさを有する要素を半導体基板の上部に形成させるために半導体基板をエッチングする工程及び半導体基板を強力なイオンビームでドーピングする工程等のような半導体回路製造工程における半導体基板上の多数の地点でのイオンエネルギー分布を測定することに適した診断装置に関するものである。基板に衝撃するイオンのエネルギーと運動量は、基板上に形成された薄膜のスパッタリング、エッチング及び蒸着割合に大きく影響を及ぼす。かかるイオン衝撃効果と工程との間の関係を理解するためには、基板の表面に衝突するイオンエネルギーの多様な分布の特性を知らなければならない。
提案された装置は、半導体基板に装着されるプラテン上の多数の地点でのイオンエネルギー分布関数を測定するものであるが、このプラテンはバルクプラズマ、電位、またはガス流動に如何なる妨害や影響を及ぼさない。即ち、上記プラテンはバルクプラズマ、電位、またはガス流動に全く接触しない。本発明によるイオン分析器は、大きさが５０マイクロメートル未満の孔を有する遅延電位メッシュを使用するので、多数の小型イオンセンサーが使われることができる。多数個の（少なくとも２つの）センサーを放射状で（即ち、プラテンの中心軸から離隔して延長するラインに沿って）、または方位角方向に（即ち、プラテンの中心軸に対して水平角距離）同時に設置することが可能になるので、イオンエネルギー分布関数の放射状及び方位角方向への分布を測定することができる。
従来のイオン分析器の構造が図１Ａに例示されている。従来のイオン分析器は、遅延グリッド１０１、１０２、電流ノード１０３、イオンフラックスコレクタ１０４、ケーブル１０５、絶縁体１０６、及び分析器本体１０７を含む。従来のイオン分析器の有効直径は略５０ｍｍであり、多様に設計されることができる。
図１Ｂは、従来のＩＣＰ（インダクションカップルドプラズマ）反応器を例示する。
図１Ａに図示された従来の分析器は、図１Ｂに概略的に例示された従来のＩＣＰ反応器内に設置される。従来のＩＣＰ反応器は、誘導結合型（または、選択的には伝導結合型）プラズマ供給源１２１（平面コイル含み）、反応ガスを真空反応チャンバー内へ運搬するガス噴射システム１２２、反応器体積部１２３、及び基板と浮遊イオンエネルギー分析器のような分析器１２５が設置されるペデスタル１２４を備える。ペデスタル１２４は、電流／電圧探針を含むマッチングシステム１２７を通じて電源装置１２６に連結されるので、バイアスされた電圧が従来のＩＣＰ反応器のプラズマからイオンフラックスを抽出する。真空反応チャンバー１２８は、スロットルバルブ１３０を通じてターボ分子ポンプ１２９に連結される。
従来のイオン分析器は、制御及びデータ取得システム１３２と個人向けコンピュータ１３３に光ファイバ１３１により連結される。光ファイバ１３１を使用すれば、測定回路から遅延グリッド１０１、１０２に印加された高電圧バイアス電位形態のＤＣ電圧を除去することができる。
図１Ａに図示された従来の分析器を用いて４ＭＨｚ及び５ｍｔｏｒｒのアルゴンプラズマにおいて、多様なバイアス電力を印加して得たイオンスペクトルの典型的な例が図２に例示されている。図２は、イオンエネルギー分布を測定した後、バイアスシステムの多様な電力で半導体基板上におけるイオンフラックスの効果の予測が可能であるということを例示している。低エネルギー成分に対する高エネルギー成分の役割の推定が可能である。これは、相当数の加速イオンが半導体基板の表面で得られなければならないプラズマドーピングの適用のために重要である。
半導体製造工程において、半導体製造のパラメータに関連した、より局部的で、かつ正確なデータのための連続的な要求がある。
例えば、エッチングの均一度を得るために、イオンのエネルギー及び分布を制御することが必要である。しかしながら、典型的な問題点は放射状エッチングの非均一性または軸方向エッチングの非均一性が表れるというのである。
基板に衝撃を与えるイオンのエネルギーと運動量は薄膜の表面形状だけでなく、薄膜のスパッタリング、エッチング及び蒸着割合に大きく影響を及ぼす。プラズマと電極との間の時間当たり平均電位の差が基板に衝突するイオンのエネルギーを表すことと推定される。したがって、イオンエネルギーを表示するための望ましいパラメータにより、パラメータ調査がこのような平均電位を用いて遂行される。基板の表面処理工程に対するイオン衝撃効果を理解するためには、多様なプラズマの状態下で表面に衝突するイオンエネルギーの分布の特性を知らなければならない。
図３は、エッチングに使われた従来のＣＣＰ反応器の典型的な構造を例示している。ＣＣＰエッチング反応器は、マッチング回路２０１を備えたＲＦプラズマ供給源と、反応ガスを真空チャンバーへ伝達し、プラズマに結合された電位電極として機能するガス運搬システム２０２からなっている。上記ＣＣＰ反応器は、バイアスＲＦ電力２０３、基板が設置されるペデスタル２０４、ガス入口２０５、（接地された）チャンバー壁２０６、チャンバーポンプ２０７、及び絶縁体２０８を含む。
符号２０９は、処理された基板（一般的な製造工程で２００または３００ｍｍ）であり、符号２１０は縁地点であり、符号２１１は中間部分地点であり、ＣＬはＣＣＰ反応器の中心線である。符号２５９はウエハの外部に設置されて基板の前方で外側ケースの電位を同等にするＳｉ焦点リングである。
従来のＣＣＰ反応器用診断装備の１つの問題点は、診断装備の性能がエッチング工程に適用された狭い間隙、例えば図３において、部品２０２、２０４の間で２５−３５ｍｍにより相当に限定されるというのである。このような場合、接触プラズマ診断方法を使用することは不当である。なぜならば、この方法はプラズマを歪曲させ、及び／又はプローブ（図１Ｂに図示されたようなラングミュア探針）の大きさが間隙の長さと類似する６−１０ｍｍに相当するので、反応器の隙間内にアークを誘発するためである。従って、エッチングの状態を正確で、かつ局部的に説明する情報を提供することができる非接触方法が必要である。例えば、分析器のサンプリングシステムは、図３Ｂに図示された縁に近接した地点２１０または２つの地点２１０、２１１に設置できないので、略５０ｍｍの外径を有する。このような構造は工程分析の観点で不利に作用する。
しかしながら、小型であるにも拘わらず、上記の診断装備は１つ以上の地点でのイオン分布を測定することが不可能であるので、上記の方法に適用できない。これは、このような測定ツールとして機能する上記診断装備の効率性を制限する。
更に他の問題点は、最新のＣＣＰプラズマエッチングが２つの独立的な無線周波数エネルギー供給源から電力が供給される区画された電極、例えば中心電極及び縁電極を有するので、ＣＣＰ反応器の中心及び縁部から出るイオンフラックスを分析してプラズマを独立的に調整することが必要になる。
本発明の目的は、基板にエッチング及びドーピングするために使われる産業用プラズマ反応器内において、基板に設けられた地点または基板付近の多数の地点でのイオンエネルギー分布スペクトルを測定するためのイオン分析システムを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、多数個の類似するイオンフラックスセンサーを使用して放射状及び／又は方位角方向のイオンエネルギー分布関数を測定するイオン分析システムを提供することにある。上記のイオン分析システムは、反応器が別途の電極を使用する際、多様な電力及び周波数による効果を理解するための別儀な方法がないので大変有用である。上記のイオン分析システムは、イオンフラックスのエネルギーパラメータに対する理解が必要な反応イオンエッチング及びプラズマドーピング技術に適用される。上記のイオン分析システムは、反応器内の多数の地点でのイオンエネルギー分布関数の知識が必須的な他の技術に適用されることもできる。
上記の目的を達成するための本発明は、半導体回路またはその一部を製造するための製造工程のために提供される反応チャンバーと、反応チャンバー内に設けられてイオンエネルギー分布を測定するイオン分析器とを含み、イオン分析器は、反応チャンバー内の複数の地点に位置して前記反応チャンバー内で発生したイオンフラックスを内部に誘導し、その誘導されたイオンフラックスによるイオンエネルギー分布をリアルタイム測定する複数イオンフラックスセンサーを含むイオン分析システムを提供する。
上記イオン分析システムは、イオンフラックスセンサーを設置するためのペデスタルを更に含み、かつペデスタルの内部にイオンフラックスセンサーが設置される。
イオンフラックスセンサーは、イオンフラックスをセンサーの内部に誘導するための入口と複数の電極を具備し、入口が閉鎖されたり遮られないように入口に少なくとも１つの孔が形成される。
上記の孔は、ペデスタルの上部表面と同一な高さに位置する。
上記の孔の大きさは電位の変化を妨害しないようにするために、デバイ長さに近接するように設定される。
上記の孔の大きさは電位の変化を妨害しないようにするために、デバイ長さに近接するように設定される。
上記複数の電極は、孔に近接した位置に上部グリッドと下部グリッドを配置し、グリッドの表面に複数のセルを形成しており、セルの大きさはデバイ長さより小さく設定される。
上記セルの大きさは５０マイクロメートル以下であり、グリッドセルまたはメッシュセルを含む。
上記センサーにより測定されるイオンエネルギースペクトルが放射状方向に測定されるように少なくとも２つのイオンフラックスセンサーが反応チャンバーの中心軸に対して放射状方向に設置される。
上記センサーにより測定されるイオンエネルギースペクトルが方位角方向に測定されるように少なくとも２つのイオンフラックスセンサーが反応チャンバーの中心軸に対して方位角方向に設置される。
上記イオン分析システムは、半導体製造工程に使われるイオンフラックスセンサーに無線周波数バイアスされた（RF-biased）電圧を供給するための電力供給源を更に備える。
上記ペデスタルの上部表面はシリコンで形成される。
上記の目的を達成するために、本発明は、半導体回路またはその一部を製造するためのプラズマ反応器と、反応器の反応チャンバー内に設けられてイオンエネルギー分布を測定し、反応チャンバー内の複数の地点で反応チャンバー内で発生したイオンフラックスによるイオンエネルギー分布をリアルタイム測定する複数イオンフラックスセンサーを含むイオン分析器と、イオン分析器により測定されたイオンエネルギー分布に対するデータをデジタル信号に変換する制御器と、制御器からデジタル信号に変換された測定データをリアルタイムで分析することができるソフトウェアを備え、分析結果によってエラーまたは警報メッセージを出力するコンピュータと、コンピュータから前記エラーまたは警報メッセージの伝達を受けてプラズマ反応器を制御する反応器制御器とを含むイオン分析システムを提供する。
上記イオン分析器は、エネルギー分布を測定するための多数のイオンフラックスセンサーを備え、イオンフラックスセンサーは、ベースと壁からなる円筒形本体、伝導性物質から構成された少なくとも２つのグリッド、伝導性物質から構成された少なくとも１つのイオンコレクタ、及び遅延電圧供給源と診断ケーブルに連結されたソケットに装着されるノードを備え、少なくとも２つのグリッド及びイオンコレクタは円筒形本体内で各々のノードに装着される。
上記イオン分析システムは、イオンフラックスセンサーが設置されるペデスタルを更に含み、センサーとペデスタルがプラズマ反応器の内部に設置される。
上記ペデスタルの中心に対して放射状方向にイオンフラックスセンサーを少なくとも２つ以上設置する。
上記ペデスタルの中心に対して方位角方向にイオンフラックスセンサーを少なくとも２つ以上設置する。
上記の目的を達成するために、本発明は、半導体回路またはその一部を反応チャンバー内で形成させる段階と、反応チャンバー内で発生されたイオンフラックスを反応チャンバー内の多数の地点に配置された多数のイオンフラックスセンサーの内部に誘導する段階と、誘導されたイオンフラックスを用いてイオンエネルギー分布をリアルタイムで測定する段階とを含む半導体製造方法を提供する。
上記の目的を達成するために、本発明は、半導体回路またはその一部を反応チャンバー内で形成させる段階と、プラズマ反応器内に配置されたイオン分析器を使用して、プラズマ反応器内で発生したイオンフラックスを用いてプラズマ反応器内の多数の地点でのイオンエネルギー分布をリアルタイムで測定する段階と、イオン分析器により測定されたイオンエネルギー分布データをデジタル信号に変換させる段階と、デジタル信号に変換された測定データをリアルタイムで分析し、分析結果に基づいてエラーメッセージまたは警報メッセージを出力する段階と、エラーメッセージまたは警報メッセージに対応してプラズマ反応器を制御する段階とを含む半導体製造方法を提供する。
上記の目的を達成するために、本発明は、イオンビームを用いて半導体基板を加工するためのプラズマ反応チャンバーと、プラズマ反応チャンバー内に配置されて前記基板を支持し、縁部と中心部を有するペデスタルと、プラズマ反応チャンバー内に配置されて、ペデスタルの縁部、及び／又は中心部でのイオンエネルギー分布を測定するイオン分析器とを含むイオン分析システムを提供する。
上記イオン分析器は、上記ペデスタルの縁部及び／又は中心部から放出されるイオンフラックスを分析するための少なくとも１つ以上のイオンフラックスセンサーを含む。上記イオンフラックスセンサーは、サンプリングオリフィスを有する円筒形本体と、遅延電位を印加されて、各々多数のセルを備える多数個のグリッドと、多数個のグリッドを通過したイオンを収集するためのイオンコレクタと含む。各々のセルは５０μｍ以下の大きさを有する。
上記イオン分析システムは、多数のグリッドに遅延電位を印加するための遅延電圧源と、グリッドが装着される多数個のグリッドノードと、イオンコレクタが装着されるコレクタノードと、遅延電圧源を多数個のグリッドノード及びコレクタノードに連結するためのソケットとを更に含む。上記多数個のグリッドは、イオングリッドから落ちる電子を拒否する下部電子遅延グリッドと、ペデスタルに衝突するイオンをサンプリングするための一連のサンプル開口部を含む上部サンプリンググリッドとを含む。上記多数のグリッドとイオンコレクタは互いに電気的に絶縁されている。各々のセルの大きさは、サンプリングオリフィスの大きさより小さい。上記円筒型本体の直径は２５ｍｍ以下である。
上記少なくとも１つのイオンフラックスセンサーは、ペデスタルの縁部から放出されるイオンフラックスを分析するための少なくとも１つのエッジセンサー及びペデスタルの中心部から放出されるイオンフラックスを分析するための少なくとも１つの中心センサーを含む。上記イオン分析システムは、ペデスタルの縁部に隣接するように配置された少なくとも１つのエッジ電極及びペデスタルの中心部に隣接するように配置された少なくとも１つの中心電極を更に含む。上記イオン分析システムは、上記少なくとも１つのエッジ電極を作動させるための第１電源及び上記少なくとも１つの中心電極を作動させるための、上記第１電源とは異なる第２電源を更に備える。
以上、説明したように、本発明の一実施形態によるイオン分析システムは、基板表面の多数の地点でイオンエネルギー分布関数を測定することができる。また、本発明のイオンフラックスシステムは、半導体製造工程に悪影響を及ぼさない。上記イオンフラックス分析器が半導体ラインの制御システムに合体されるので、測定されたスペクトルがデータ収集システムで分析されることができる。また、本発明によると、工程状態に対するエラー及び警報メッセージがクラスタツール制御器インターフェースに伝達されるので、作業者または関連ソフトウェアにより工程状態が制御されることができる。
併せて、上記イオン分析システムを通じて、イオンフラックスが製造特性に影響を及ぼすことが分かる。基板に衝撃するイオンのエネルギーと運動量は、基板上に形成される薄膜に対するスパッタリング、エッチング及び蒸着割合に大きく影響を及ぼす。上記のイオン衝撃効果が工程に及ぼす影響を理解するためには、表面に衝突するイオンエネルギーの多様な分布特性を知らなければならない。上記のイオン分析器は、基板の外部に設置されることができ、基板の縁に近接した領域でイオンエネルギー分布を測定することができる。このような場合、実際の工程に対してイオンエネルギー分布をモニタリングし、多様な状態に対してイオンエネルギー分布を制御することができる。
本発明の実施形態によるイオン分析システムは、プラズマドーピング技術に使われることができる。特に、上記のイオン分析システムは、エッチングに使われたものと同様にプラズマドーピング工程に使われることができる。幾つかの分析器のイオンフラックスセンサーは、分析器が多数のチャネルを使用するようにするために、多数個の相異する位置に設置される。ドーピングシステムにおいて、ドーピングされる基板に対して同一なエネルギー分布関数をリアルタイムで制御することは大変重要である。
以下、本発明の望ましい実施形態を添付図面を参照しつつ説明する。同一な部材に対しては同一な図面符号が与えられる。
本発明によるイオン分析器は、イオンエネルギー分布関数を測定するために、１つのシステムに組合わせた少なくとも２つのイオンフラックスセンサーからなっている。図４には、本発明の実施形態によるイオン分析器の核心部品であるイオンフラックスセンサーが図示されている。
図４に図示されたイオンフラックスセンサーは、２つの部分であるベース２２１と壁２２６とからなる円筒体を有する。上記円筒体は所定の直径（Ｄ）を有する。その円筒体のベース内には孔２２２がある。上記イオンフラックスセンサーは、遅延電位が印加される多数個のグリッド２２３、２２５を含む。グリッドの個数は設計過程で変動され得る。図面には２つのグリッド２２３、２２５が図示されているが、本発明はこれに限るのではない。また、上記イオンフラックスセンサーは、イオンの電流がグリッド２２３、２２５を通過した後に伝達されるイオンコレクタ２２４を含む。グリッド２２３、２２５とコレクタは伝導性物質で製造され、ノード２２８、２２９、２３０上に設置されるが、このノードは遅延電圧源と診断ケーブルが連結されるソケット２２７の上に装着される。
本実施形態によるイオンフラックスセンサーの円筒体内で、各々のグリッド２２３、２２５の表面には多数個のセルが提供され、上記セルは５０マイクロメートル以下の大きさを有する（図５の“Ｘ”参考）。５０マイクロメートルの値は直径が通常的に０．５−１ｍｍである孔２２２より遥かに小さなグリッド形態を作るために選択された。この場合に、イオンフラックス入口（図示せず）の前方には１０−２０個のセルがある場合もある。
図５は、本発明の実施形態による、図４に図示されたイオンフラックスセンサーのグリッド構造を示すＳＥＭ（走査電子顕微装置）写真を例示している。
図６Ａは、本発明の実施形態によるイオン分析システムの一例を示している。上記イオン分析システムは、ＲＦプラズマ供給源を含み、上記ＲＦプラズマ供給源は、マッチング回路４０１及び反応ガスを真空チャンバー内に伝達するためのガス伝達システム４０２を備える。ガス伝達システム４０２はプラズマに結合される電位電極として機能する。また、上記イオン分析システムは、バイアスＲＦ電力源４０３、基板が装着されるペデスタル４０４、ガス入口４０５、接地可能なチャンバー壁４０６、チャンバーポンプ４０７、及び絶縁体４０８を含む。上記イオン分析システムは、処理された基板４０９（一般的な製造工程で２００または３００ｍｍ）であり、基板４０９の縁部４１０及び基板４０９の中間部４１１を含む。ＣＡはイオン分析システムの中心軸を表す。上記イオン分析システムは、シリコンで製造される焦点リング４５９を備える。焦点リング４５９は、基板の前方及び外側に配置されて外側ケースの電位を同等にする。
本実施形態によるイオン分析システムにおいて、サンプリングオリフィスを有するイオンフラックスセンサー３９７がフォーカスリング４５９と同一な上部面３１１を有するように設置される。イオンフラックスセンサー３９７の本体３１０及び他のセンサーは、ペデスタル４０４の内側に配置されてイオンフラックスセンサー３９７と上記の他のセンサーがフォーカスリング４５９上でプラズマと干渉を起こすことを防止する。図６Ａに図示されたイオンフラックスセンサー３９７は、図４に図示されたイオンフラックスセンサーと同一である。
図６Ｂは、本発明の実施形態によるイオン分析システムの更に他の一例を示す図である。図６Ｂに図示されたイオン分析システムは、図６Ａに図示されたイオン分析システムと類似するが、次のような差異点がある。図６Ｂに図示されたイオン分析システムでは、第１及び第２イオンフラックスセンサー３３１、３３２がペデスタル３２０内で反応器の断面上に放射状で設置される。ペデスタル３２０は、シリコンで製造されたペデスタル４０９の上面の形状と同一な形状を有する、伝導性物質で製造された上部板３１５を備える。ペデスタル３２０は、半導体製造産業に使われる静電チャックとして機能し、上記静電チャックを誘電層を通じて上部板３１５から分離させることができる他の要素を含む。診断ツール、そしてペデスタル３２０の上部板３１５と同一な平面上にあるサンプリングオリフィスを有する第１及び第２イオンフラックスセンサー３３１、３３２は、ペデスタル３２０の内側に配置され、上部プレート３１５上で電場の分布を妨害しないように提供される。イオンフラックスセンサー３３１、３３２は、図４に図示されたイオンフラックスセンサーと同一である。
図７は、本発明の一実施形態による、図６Ｂに図示された分析システム内に設置されたイオンフラックスセンサーを例示する平面図である。図７は、上部プレート３１５の上に放射状で位置した第１イオンフラックスセンサーグループ３４１及び方位角方向に位置した第２イオンフラックスセンサーグループ３４３を図示している。このような構造を通じて、角をなした（angular）イオンエネルギー分布関数及び／又は放射状（radial）イオンエネルギー分布関数を測定することができる。
電極上における電場の時空的な変化が電極に衝突するイオンのエネルギー分布を決定するので、イオンフラックスの孔（例えば、図４に図示された孔２２２）が電位の変化を妨害しないようにすることが重要である。このような妨害はサンプリングオリフィスのような小さな孔により回避されることができる。しかしながら、イオンフラックスの孔（例えば、図４に図示された孔２２２）が余りに小さければイオン電流を制限するので、信号対雑音比を落とす。グリッド孔の大きさ（例えば、図４に図示された孔２２２、２２３、２２４）は、デバイ（Debye）長さ、即ち、電荷分離を発生させる距離に近接することが望ましい。その場合、グリッドの前で電場による歪曲が最小化する。
デバイ長さは、例えば、ＣＣＰ反応器内で約３０乃至７０マイクロメートルである。
ここで、デバイ長さは、
ここで、デバイ長さは、
図４に図示されたイオンフラックスセンサー２２６の円筒体の直径は２５ｍｍ以下でなければならないし、上記イオンフラックスセンサーはプラズマエッチング反応器の焦点リング２５９の下のペデスタルの内部に設置されなければならないが（即ち、図６Ａに図示されたペデスタル４０４、または図６Ｂに図示されたペデスタル３２０の内部）、反応器の内部でプラズマとガス流動を妨害しなくて、反応器の他の部品に悪影響を及ぼさないように設置されなければならない。このような場合に、処理された基板がその位置に設置される時のイオンフラックスを測定することができるということが重要である。２５ｍｍの値は２００−３００ｍｍウエハをエッチングすることに使われるイオン分析システムにおいて、焦点リングが通常的に１５−３０ｍｍ幅である時に決定される。グリッド製造技術の他の例は当業者により容易に実施されることができる。
図８は、本発明の一実施形態による、イオン分析システムの構成要素を含む半導体製造工程ラインを示している。
図８に図示された工程ラインに設置されるレイアウトの中で、クラスタ６０１は、イオンフラックス６０４を用いて半導体回路、またはこれら中の一部を加工処理する多数個の工程チャンバー６０２、６０３を含むことができる。各々の工程チャンバー６０２、６０３において、イオン分析器６０５、６０６は、それにより測定されたイオンエネルギー分布関数が半導体基板６０７を加工処理するイオンに対するものと同一になるように基板の付近に設置されることができる。上記イオン分析システムは、一般に、受容されたデータプロトコルの中の１つによりアナログ信号を転換し、これをデジタル信号に転換するイオン分析制御器６０８を含む。このデジタルデータ６０９は、データ収集システム６１１により収集され、データ収集システム６１１はその収集されたデータを格納するための空間及びデータ収集及び分析をリアルタイムで行うためのソフトウェアが設けられた個人向けコンピュータ６１０を含む。
個人向けコンピュータ６１０は、リアルタイムで得られたデータを分析し、これを見本または設定されたデータと比較することができる。比較結果が制御プログラムにより設定された所定の条件に符合する場合、個人向けコンピュータ６１０はローディング、アンローディング、ポンピング、及び他の付加的な作動のために、数個の工程モジュール及び装備のクラスタを制御するように意図された他の１つのコンピュータであるクラスタツール制御器６１４にエラーまたは警報メッセージ６１２を発生させることができる。クラスタツール制御器は、順序になれば作動状態をリアルタイムで修正するために制御信号６１３を工程チャンバー６０２、６０３に発生させる。
ＲＦ−バイアスされた基板に衝突するイオンのエネルギー分布を測定するために使われたイオンエネルギー分析器は、幾つかの重大な要求を受容するように設計された。第１に、上記イオンエネルギー分析器はチャンバーに深刻な変更を生じないようにしながらＣＣＰ反応器の静電チャックに符合するように設計されて製作されなければならなかった。第２に、空間的な制約が分析器を差動的にポンピングする可能性を除去したので、分析器に流入するイオンの平均自由経路は分析器内での衝突を除去するために、サンプリングオリフィスから検出器までの距離より大きくなければならない。第３に、サンプリングオリフィスは、イオン電流を最大化するために適当なサンプリング領域を維持しながらこのオリフィス付近のプラズマで電位計の妨害を最小化するように設計されなければならない。最後に、分析器がＲＦ−バイアスされた電極と接触することになるので、分析器は浮いていなければならないし、エレクトロニクスは数百ボルトのＲＦバイアスに添加された小さな電位を検出できるように設計されなければならない。エレクトロニクス及び測定回路の設計は本発明により開示されていない。イオンエネルギー分布関数を測定する詳細な過程は、当業者により容易に実施されることができる。
図４に図示されているように、本発明の一実施形態によるイオンビーム分析器は、２つのグリッド２２３、２２５（上部グリッド２２５、下部グリッド２２３）と１つのコレクタプレート２２４からなっている。上部グリッド２２５は、電極と同一な電位にあり、静電チャックの表面に衝撃を与えるイオンをサンプリングするための一連の孔を提供する。下部グリッド２２３は、上部グリッドに対して、例えば１００−５００Ｖの負電位でバイアスされ、コレクタプレート２２４から落ちる電子を払い除けるために使われる。上部グリッド２２５、下部グリッド２２３、及びコレクタプレート２２４は、電気的な接触を有しないので、互いに真空間隙により電子的に絶縁されている。これらは、誘電体（セラミック）プレート上に装着されたノード２２９、２３０、２２８に連結されるが、ノードの間にはそれらの電気的な接触を防止するために充分の空間が提供されるようにする。
作動圧力は５−３０ｍＴｏｒｒの範囲であり、これは２〜１２ｍｍ範囲であるイオンの平均自由経路に相応する。したがって、上部グリッド２２５とコレクタプレート２２４との間の距離は、反応器の典型的な作動圧力におけるイオンの平均自由経路より小さい。コレクタプレート２２４はイオンコレクタとイオンエネルギー判別器として全て機能する下部グリッド２２３の下に位置する。イオンエネルギー分布関数（ＩＥＤＦ）は電極電位に対してコレクタプレート２２４に印加された電位をランピング（ramping）し、このように印加された電位の関数として同一なプレートにより収集された電流を測定することにより決定されるが、ＩＥＤＦはこのような方式により測定された電流電圧特性の導関数に比例する。
グリッド２２３、２２５及びコレクタプレート２２４に電気的に連結されたノード２２８、２２９、２３０は、ソケット２２７に連結され、接触部は金メッキされた接触部である。孔２２２はイオンフラックス分析器に流入するガスに対して出口として機能する。グリッドの大きさ及びイオンフラックス分析器の壁２２６と各々のグリッド２２３、２２５との間の間隔は伝導性を最大化し、イオンフラックス分析器のハウジングとプラズマチャンバーとの間の圧力差を最小化するように設計される。図４に図示されたイオンフラックス分析器は、プラズマ反応器のペデスタルの中央に、またはペデスタルの縁に挿入されることもできる。１つ以上のイオンフラックス分析器が上記ペデスタルに挿入されることができる。
図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の一実施形態による少なくとも１つ以上のイオンフラックスセンサーを含むイオン分析システムの他の一例を図示している。図６Ａは、イオンフラックスセンサー３９７が基板４０９側に向かうイオンフラックスのイオンエネルギースペクトルを測定する時の状態を例示している。
エレクトロニクスは、グリッド２２３、２２５（図４参照）をバイアスし、コレクタプレート２２４の電位をランピングし、電流及び電圧を測定するために必要である。このエレクトロニクスは、単一スタックの回路基板内に合体されることができる。合体されたエレクトロニクスのスタックは金属箱（図示せず）に囲まれてペデスタル（例えば、図６Ａに図示されたペデスタル４０４、または図６Ｂに図示されたペデスタル３２０）の真下の分析器カプセル（図示せず）の底に付着されることができる。金属箱とエレクトロニクスは接地に対して浮いており、ＲＦ−バイアスされた電極は実際の接地として使われる。
そこで、金属箱の電位は基板電極と同時に変化し、全てのＤＣ電位はこの電位を基準に印加される。エレクトロニクスを作動させる電力は絶縁され、変圧器を通じて増幅され、濾過され、出力ＤＣ電圧で整流されなければならない。
かかるエレクトロニクスのために、下部グリッド２２３及びコレクタプレート２２４で電位と電流を制御し、モニタリングする必要がある。変圧器は下部グリッドとコレクタプレート２２４に、例えば２００−３０，０００Ｖの電圧を提供する。イオンフラックス分析器の制御及びデータ収集は合体されたエレクトロニクス（図示せず）のスタック内で通信ボードを通じてなされる。付加的な外部通信ボードはエレクトロニクススタック内の通信ボードを、例えばデータを収集するためにラッブ−ビュー（Lab-View）データ収集及び制御プログラムを使用することができる個人向けコンピュータ６１０（図８参照）に設置されたデータ収集カードにインターフェースを介して接続させる。外部の通信ボードとイオンフラックス分析器の内部の通信ボードは、発光ダイオード（図示せず）により伝えられ、固体状態光学センサーにより検出される矩形波により駆動される一連の電圧対周波数、及び周波数対電圧変換器を含む。
光ファイバケーブルは、イオンフラックス分析器と外部通信ボードとの間での通信のために使われるが、上記光ファイバケーブルにより浮いているイオンフラックス分析器と接地された装備との間に如何なる電気的な接続なしに制御とデータ収集が可能になる。これらの間に提供される電子回路に対する詳細は本発明に開示されない。
当該技術分野で通常の技術者であれば、イオンフラックス分析器を制御し作動させる電子回路を作る方法に対する情報を容易に探すことができるはずである。
図８を参照すれば、イオン分析器６０５、６０６からの信号が制御器６０８に伝送された後、デジタル信号６０９が、制御器６０８からリアルタイムのデータ収集及び分析のために全ての関連ソフトウェアを有するコンピュータ６１０を含むデータ収集システム６１１に伝送されることができる。図８に図示されたイオンフラックス分析システムは、クラスタツール制御器６１４にエラーまたは警報メッセージ６１２を発生させるが、このメッセージが作業者により読取られて反応されるようにするか、制御信号６１３としてリアルタイムで相応する工程モジュール６０２に自動的に伝えられるようにして、製造工程をリアルタイムで修正するようにする。
以上、実施形態を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者であれば、下記の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域を逸脱しない限り、本発明を多様に修正及び変更させることができることを理解できるはずである。
１２１ プラズマ供給源
１２２ ガス噴射システム
１２３ 反応器体積部
１２４、２０９、３２０ ペデスタル
１２５ 分析器
１２６ バイアス電源装置
１２７ マッチングシステム
１２８ 真空チャンバー
１２９ ターボモレキュラーポンプ
１３０ スロットルバルブ
１３１ 光ファイバ
１３２ 制御及びデータ取得システム
２２１ ベース
２２２ 孔
２２３、２２５ グリッド
２２６ 壁
２２７ ソケット
２２８、２２９、２３０ ノード
３１５ 上部プレート
３３１、３３２ センサー
６０１ クラスタツール
６０２、６０３ 工程チャンバー
６０４ イオンフラックス
６０５、６０６ イオン分析器
６０７ 半導体基板
１２２ ガス噴射システム
１２３ 反応器体積部
１２４、２０９、３２０ ペデスタル
１２５ 分析器
１２６ バイアス電源装置
１２７ マッチングシステム
１２８ 真空チャンバー
１２９ ターボモレキュラーポンプ
１３０ スロットルバルブ
１３１ 光ファイバ
１３２ 制御及びデータ取得システム
２２１ ベース
２２２ 孔
２２３、２２５ グリッド
２２６ 壁
２２７ ソケット
２２８、２２９、２３０ ノード
３１５ 上部プレート
３３１、３３２ センサー
６０１ クラスタツール
６０２、６０３ 工程チャンバー
６０４ イオンフラックス
６０５、６０６ イオン分析器
６０７ 半導体基板
Claims (19)
- 半導体回路またはその一部を製造するための製造工程のために提供される反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に設けられてイオンエネルギー分布を測定するイオン分析器とを含み、
前記イオン分析器は、前記反応チャンバー内の複数の地点に位置して前記反応チャンバー内で発生したイオンフラックスを内部に誘導し、その誘導されたイオンフラックスによるイオンエネルギー分布をリアルタイム測定する複数イオンフラックスセンサーを含み、
前記イオンフラックスセンサーは、前記イオンフラックスをセンサーの内部に誘導する入口、該入口に形成された少なくとも１つの孔、及び複数のグリッドを含み、前記グリッドの表面には複数のセルが形成され、前記セルの大きさが前記孔の大きさより小さく設定されることを特徴とするイオン分析システム。 - 前記イオンフラックスセンサーを設置するためのペデスタルを更に含み、かつ前記ペデスタルの内部に前記イオンフラックスセンサーを設置することを特徴とする請求項１記載のイオン分析システム。
- 前記孔は、前記ペデスタルの上部表面と同一な高さに位置することを特徴とする請求項２記載のイオン分析システム。
- 前記孔の大きさは電位の変化を妨害しないようにするために、デバイ長さに近接して設定することを特徴とする請求項１記載のイオン分析システム。
- 前記セルの大きさは５０マイクロメートル以下であり、グリッドセルまたはメッシュセルを含むことを特徴とする請求項１記載のイオン分析システム。
- 前記センサーにより測定されるイオンエネルギースペクトルが放射状方向に測定されるように少なくとも２つのイオンフラックスセンサーが前記反応チャンバーの中心軸に対して放射状方向に設置されることを特徴とする請求項１記載のイオン分析システム。
- 前記センサーにより測定されるイオンエネルギースペクトルが方位角方向に測定されるように少なくとも２つのイオンフラックスセンサーが前記反応チャンバーの中心軸に対して方位角方向に設置されることを特徴とする請求項１記載のイオン分析システム。
- 半導体製造工程に使われる前記イオンフラックスセンサーに無線周波数バイアスされた電圧を供給するための電力供給源を更に備えることを特徴とする請求項１記載のイオン分析システム。
- 前記ペデスタルの上部表面はシリコンで作ることを特徴とする請求項４記載のイオン分析システム。
- 半導体回路またはその一部を製造するためのプラズマ反応器と、
前記反応器の反応チャンバー内に設けられてイオンエネルギー分布を測定し、前記反応チャンバー内の複数の地点で前記反応チャンバー内で発生したイオンフラックスによるイオンエネルギー分布をリアルタイム測定する複数イオンフラックスセンサーを含むイオン分析器と、
前記イオン分析器により測定されたイオンエネルギー分布に対するデータをデジタル信号に変換する制御器と、
前記制御器からデジタル信号に変換された測定データをリアルタイムで分析することができるソフトウェアを備え、分析結果によってエラーまたは警報メッセージを出力するコンピュータと、
前記コンピュータから前記エラーまたは警報メッセージの伝達を受けて前記プラズマ反応器を制御する反応器制御器と、
を含み、
前記イオンフラックスセンサーは、前記イオンフラックスをセンサーの内部に誘導する入口、該入口に形成された少なくとも１つの孔、及び複数のグリッドを含み、前記グリッドの表面には複数のセルが形成され、前記セルの大きさが前記孔の大きさより小さく設定されることを特徴とするイオン分析システム。 - 前記イオンフラックスセンサーは、ベースと壁からなる円筒形本体、伝導性物質から構成された少なくとも２つのグリッド、伝導性物質から構成された少なくとも１つのイオンコレクタ、及び遅延電圧供給源と診断ケーブルに連結されたソケットに装着されるノードをさらに含み、前記少なくとも２つのグリッド及びイオンコレクタは円筒形本体内で各々のノードに装着されることを特徴とする請求項１２記載のイオン分析システム。
- 前記イオンフラックスセンサーが設置されるペデスタルを更に含み、前記センサーとペデスタルが前記プラズマ反応器の内部に設置されることを特徴とする請求項１１記載のイオン分析システム。
- 前記ペデスタルの中心に対して放射状方向に前記イオンフラックスセンサーを少なくとも２つ設置することを特徴とする請求項１２記載のイオン分析システム。
- 前記ペデスタルの中心に対して方位角方向に前記イオンフラックスセンサーを少なくとも２つ設置することを特徴とする請求項１２記載のイオン分析システム。
- イオンビームを用いて半導体基板を加工するためのプラズマ反応チャンバーと、
前記プラズマ反応チャンバー内に配置されて前記基板を支持し、縁部と中心部を有するペデスタルと、
前記プラズマ反応チャンバー内に配置されて、上記ペデスタルの縁部、及び／又は中心部でのイオンエネルギー分布を測定する複数イオンフラックスセンサーを含むイオン分析器と、
を含み、
前記イオンフラックスセンサーは、前記イオンフラックスをセンサーの内部に誘導する入口、該入口に形成された少なくとも１つの孔、及び複数のグリッドを含み、前記グリッドの表面には複数のセルが形成され、前記セルの大きさが前記孔の大きさより小さく設定されることを特徴とするイオン分析システム。 - 前記イオンフラックスセンサーは、上記ペデスタルの縁部及び／又は中心部から放出されるイオンフラックスを分析することを特徴とする請求項１５記載のイオン分析システム。
- 前記イオンフラックスセンサーは、
円筒形本体と、
前記複数のグリッドを通過したイオンを収集するためのイオンコレクタと、
を含み、前記複数のグリッドには、遅延電位が印加されることを特徴とする請求項１６記載のイオン分析システム。 - 前記複数のグリッドに遅延電位を印加するための遅延電圧源と、
前記グリッドが装着される複数のグリッドノードと、
前記イオンコレクタが装着されるコレクタノードと、
前記遅延電圧源を前記複数のグリッドノード及びコレクタノードに連結するためのソケットと、
を更に含むことを特徴とする請求項１７記載のイオン分析システム。 - 前記複数のグリッドは、
前記イオングリッドから落ちる電子を拒否する下部電子遅延グリッドと、
前記ペデスタルに衝突するイオンをサンプリングするための一連のサンプル開口部を含む上部サンプリンググリッドと、
を含むことを特徴とする請求項１５記載のイオン分析システム。
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