JP4980568B2 - Method and apparatus for in-situ monitoring of substrate temperature by emitted electromagnetic radiation - Google Patents
Method and apparatus for in-situ monitoring of substrate temperature by emitted electromagnetic radiationInfo
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Description
本発明は、一般的には基板製造技術に関し、詳しくは電磁放射の放出によるウエーハの温度をその場でモニタリングするための方法および装置に関する。 The present invention relates generally to substrate manufacturing techniques, and more particularly to a method and apparatus for in-situ monitoring of wafer temperature due to emission of electromagnetic radiation.
フラットパネルディスプレイの製造に際して使用されるような半導体ウエーハ又はガラスパネルなどの基板の処理においては、多くの場合プラズマが使用される。例えば、基板の処理(化学気相成長、プラズマ化学気相成長PECVD,物理気相成長、その他)の一環として、基板は複数のダイ又は矩形の領域に分割され、各々が集積回路になる。次に、基板は一連の工程で処理されて、その上面に電気部品を形成するために、複数の材料が選択的に除去(エッチング)および被着(成長)される。 Plasma is often used in the processing of substrates such as semiconductor wafers or glass panels used in the manufacture of flat panel displays. For example, as part of substrate processing (chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition PECVD, physical vapor deposition, etc.), the substrate is divided into a plurality of dies or rectangular regions, each of which becomes an integrated circuit. Next, the substrate is processed in a series of steps, and a plurality of materials are selectively removed (etched) and deposited (grown) to form electrical components on the top surface thereof.
プラズマ処理の例においては、基板は、エッチングの前に硬化された乳剤(すなわち、フォトレジストマスクなど)の薄膜で被覆される。次に、硬化された乳剤の領域が選択的に除去されて、下方の層の部分が露出される。そこで、基板は、プラズマ処理の処理室の中において、チャックと称される単極又は双極の電極を有する基板支持構造体の上に配置される。次に、基板の露出された領域をエッチングするために適当なエッチング源のガス(例えば、C4F8, C4F6, CHF3, CH2F3, CF4, CH3F, C2H4, N2, O2, Ar, Xe, He, H2, NH3, SF6, BF3, Cl2、その他)を処理室内に流入してプラズマを形成する。 In the plasma treatment example, the substrate is coated with a thin film of emulsion (ie, a photoresist mask, etc.) that has been cured prior to etching. Next, the areas of the cured emulsion are selectively removed to expose portions of the lower layer. Thus, the substrate is placed in a plasma processing chamber on a substrate support structure having a monopolar or bipolar electrode called a chuck. Next, a suitable etching source gas (eg, C 4 F 8 , C 4 F 6 , CHF 3 , CH 2 F 3 , CF 4 , CH 3 F, C 2 is used to etch the exposed area of the substrate. H 4 , N 2 , O 2 , Ar, Xe, He, H 2 , NH 3 , SF 6 , BF 3 , Cl 2 , etc.) flow into the processing chamber to form plasma.
プラズマ処理を最適化するために調整できる処理のパラメータの組の中には、ガスの組成、ガス相、ガス流量、ガスの圧力、高周波電力の密度、電圧、磁界の強度、およびウエーハの温度がある。理論的には各処理工程に対する各パラメータを最適化することが有用であるが、実際に実行することは困難な場合が多い。 Among the set of processing parameters that can be adjusted to optimize plasma processing are gas composition, gas phase, gas flow, gas pressure, high frequency power density, voltage, magnetic field strength, and wafer temperature. is there. Theoretically, it is useful to optimize each parameter for each processing step, but it is often difficult to implement in practice.
例えば、ウエーハ表面において、重合フロンのような重合体の膜の成長速度を変化させることによって、プラズマの選択性に実質的に影響を与えるので、基板の温度は重要である。入念にモニタリングすれば、温度変化を最小にし、他のパラメータに対する処理の窓を広げることができ、処理制御を向上できる。しかしながら、実際には、プラズマ処理の影響を受けずに直接温度を求めることは困難である。 For example, the temperature of the substrate is important because, on the wafer surface, by changing the growth rate of a polymer film such as polymerized fluorocarbon, the selectivity of the plasma is substantially affected. Careful monitoring can minimize temperature changes, widen the window of processing for other parameters, and improve processing control. However, in practice, it is difficult to obtain the temperature directly without being affected by the plasma treatment.
例えば、ある技術では、温度プローブによって基板の温度を測定する。図1Aは、プラズマ処理システムの簡単な断面図であり、この図には、ウエーハの温度を測定するために温度プローブが使用されている。半導体ウエーハ又はガラスパネルなどの基板104の露出した領域をエッチングするために、一般的には、エッチング源ガスの適当な組を衝撃させて処理室100内に流入して、プラズマ102を形成する。一般的には、基板104はチャック106の上に配置される。プラズマ102によって生成された電磁放射は、プラズマ自身によって変換された運動エネルギーと結合して、基板104に熱エネルギーを吸収させる。基板の温度を測定するために、プローブ108は基板104の下側から延びて、基板に接触する。しかしながら、プローブ108がウエーハをチャックから落下させることもあるので、高価なウエーハを破壊することになってしまう。
For example, in one technique, the temperature of the substrate is measured with a temperature probe. FIG. 1A is a simple cross-sectional view of a plasma processing system, in which a temperature probe is used to measure the temperature of a wafer. In order to etch an exposed region of the
別の技術は、従来の高温計による基板からの赤外(IR)放射の測定である。一般的には、熱せられた材料はIR領域の電磁放射を放出する。一般的には、この領域は8から14μmまでの波長範囲又は400から4000cm−1までの周波数範囲を含む。ここで、cm−1は波数(1/波長)としてよく知られており、周波数と等価である。次に、測定されたIR放射は、黒体の放射についてのプランクの放射則を用いることによって、基板温度を計算するために使用することができる。 Another technique is the measurement of infrared (IR) radiation from a substrate with a conventional pyrometer. In general, the heated material emits electromagnetic radiation in the IR region. In general, this region includes a wavelength range from 8 to 14 μm or a frequency range from 400 to 4000 cm −1. Here, cm-1 is well known as a wave number (1 / wavelength) and is equivalent to a frequency. The measured IR radiation can then be used to calculate the substrate temperature by using Planck's radiation law for blackbody radiation.
図1Bは、プラズマ処理システムの簡単な断面図であり、この図にはウエーハの温度を測定するために従来の高温計が使用されている。図1Aの場合と同様に、基板104の露出した領域をエッチングするために、一般的には、エッチング源ガスの適当な組を処理室100内に流入し衝撃励起させて、プラズマ102を形成する。一般的には、基板104はチャック106の上に配置される。プラズマ102は電磁放射のスペクトルを生成し、一般にそのスペクトルのあるものはIR放射である。基板104に熱エネルギーを吸収させるとよいのは、そのような放射(プラズマ自身によって伝達される運動エネルギーと併せて)である。そしてまた、基板104もその温度に対応するIR放射を発生する。しかしながら、基板104のIR放射は、一般的にプラズマのIR放射よりもかなり小さいので、高温計は2つのIR放射を区別することができない。このため、計算された温度のほとんどは、背景のプラズマ自身の温度であり、基板の温度ではない。
FIG. 1B is a simple cross-sectional view of a plasma processing system, in which a conventional pyrometer is used to measure the temperature of the wafer. As in the case of FIG. 1A, in order to etch an exposed region of the
さらに別の技術は、吸収された熱エネルギーに起因する基板の厚さの変化を測定するために干渉計を使用する。一般に、干渉計は、2つの表面の間で反射された電磁ビームの位相差を検知することによって物理的な変位を測定する。プラズマ処理システムにおいて、電磁ビームを、それに対して基板が半透明になる周波数で送信させ、角度をなして基板の下方にポジショニングするとよい。ビームの第1の部分は基板の底面で反射され、一方、残りの部分は基板の上面で反射される。 Yet another technique uses an interferometer to measure changes in substrate thickness due to absorbed thermal energy. In general, interferometers measure physical displacement by sensing the phase difference of an electromagnetic beam reflected between two surfaces. In a plasma processing system, an electromagnetic beam may be transmitted at a frequency at which the substrate is translucent and positioned at an angle below the substrate. The first portion of the beam is reflected from the bottom surface of the substrate, while the remaining portion is reflected from the top surface of the substrate.
図1Cは、プラズマ処理システムの簡単な断面図であり、この図にはウエーハの温度を測定するために干渉計が使用されている。図1Aの場合と同様に、半導体ウエーハ又はガラスパネルなどの基板104の露出した領域をエッチングするために、一般的には、エッチング源ガスの適当な組を処理室100内に流入し衝撃励起させて、プラズマ102を形成する。一般的には、基板104はチャック106の上に配置される。プラズマ102は電磁放射を発生し、一般的には、そのうちのあるものはIR放射である。この放射は(プラズマ自身によって伝達された運動エネルギーと併せて)、基板104に熱エネルギーを吸収させ、量118まで熱エネルギーが拡がる。レーザのような電磁ビーム送信機108は、基板104が半透明になるようなある周波数でビーム114を送信する。ビームの一部は基板の底面の点124で光114を反射し、一方、ビームの残りの部分116は基板の上面の点122で反射する。同じビーム112が2つの点124および122で反射されるので、その結果、ビーム114およびビーム116は異なる位相になるが、その他は同じである。このとき干渉計130は、位相のずれを測定して基板の厚み118を求めることができる。連続した測定を行うことによって、基板の厚みの変化が測定される。しかしながら、基板の厚みの変化は温度の変化に対応して測定するだけであるので、特定の温度に対応した測定にはなっていない。さらに、送信機もまたプラズマ処理システムの中に位置しているので、プラズマ112によって破損されることがあり得るとともに、製造の歩留まりに影響する汚染物質を発生する。
FIG. 1C is a simple cross-sectional view of a plasma processing system, in which an interferometer is used to measure the temperature of the wafer. As in the case of FIG. 1A, in order to etch an exposed region of the
このような困難のために、基板の温度はプラズマ処理システムからの熱放射率から常に推測されることになる。一度プラズマが高度に熱されると、熱平衡を維持するために、一般的に、いくつかのタイプの冷却システムがチャックに結合される。すなわち、一般的には、基板の温度はある範囲内で安定するにもかかわらず、その正確な値は分からないことが多い。例えば、所定の基板の製造のためのプラズマ処理工程の組を作成する場合には、プロセスパラメータの相応の組又はレシピが設定される。基板の温度は直接測定することができないので、レシピを最適にすることは困難である。冷却システム自身は、空洞を通してチャック内に冷却液を送り込む冷却機を備えているのが普通であり、チャックとウエーハの間にヘリウムガスが送り込まれる。発生した熱を除去することに加えて、ヘリウムガスも冷却システムに急速に熱放射を較正させる。すなわち、ヘリウムガスの圧力が増加すれば、熱伝達率も増加することになる。 Because of these difficulties, the temperature of the substrate will always be inferred from the thermal emissivity from the plasma processing system. Once the plasma is highly heated, several types of cooling systems are typically coupled to the chuck to maintain thermal equilibrium. That is, generally, although the temperature of the substrate is stabilized within a certain range, the exact value is often unknown. For example, when creating a set of plasma processing steps for manufacturing a given substrate, a corresponding set of process parameters or recipe is set. Since the temperature of the substrate cannot be measured directly, it is difficult to optimize the recipe. The cooling system itself usually includes a cooler that feeds coolant through the cavity and into the chuck, and helium gas is fed between the chuck and the wafer. In addition to removing the generated heat, helium gas also causes the cooling system to rapidly calibrate thermal radiation. That is, if the pressure of helium gas increases, the heat transfer coefficient also increases.
図1Dは、プラズマが高度に熱された後に、基板における時間に関する温度の簡単な特性図である。最初は、基板は周囲温度406になっている。プラズマが高度に熱せられると、基板は安定した期間406では熱エネルギーを吸収する。ある期間が経過すると、基板の温度は410に安定する。安定期間408が続いている間は、すべてのプラズマ処理工程の中の主要な部分であるので、安定期間408の減少は歩留まりを直接に改善する。プラズマ処理システムにおいて基板の温度が直接測定できるならば、冷却システムは安定期間408を最小化するように最適化できる。 FIG. 1D is a simple characteristic diagram of temperature with respect to time in the substrate after the plasma is highly heated. Initially, the substrate is at ambient temperature 406. When the plasma is highly heated, the substrate absorbs thermal energy in a stable period 406. After a certain period, the substrate temperature stabilizes at 410. While the stabilization period 408 continues, it is a major part of all plasma processing steps, so reducing the stabilization period 408 directly improves yield. If the temperature of the substrate can be measured directly in the plasma processing system, the cooling system can be optimized to minimize the stabilization period 408.
さらに、プラズマ処理の活動、その期間、又は他の工程との関連での順序に依存して、異なる量の熱が発生され、ひきつづいて、放散される。前に説明したように、基板の温度はプラズマ処理に直接影響を与えるので、最初に基板の温度を測定し、次にその温度を調整することは、プラズマ処理工程をより良好に最適化することになる。 Furthermore, depending on the activity of the plasma treatment, its duration, or the order in relation to other processes, different amounts of heat are generated and subsequently dissipated. As explained previously, the substrate temperature directly affects the plasma processing, so measuring the substrate temperature first and then adjusting the temperature can better optimize the plasma processing process. become.
さらに、プラズマ処理を行っている処理室の物理的な構造自体が変化することがある。例えば、基板がない状態でプラズマを衝撃させることによって、プラズマ処理システムから汚染物質が除去される。しかしながら、チャックはもはや基板によって被覆されていないので、この後にエッチングされる。汚染除去処理が繰り返されるごとに、基板の表面の粗さが増加し、基板の熱伝達効率が変動する。最後には、冷却システムは温度の補正が十分にできなくなり、レシピのパラメータが無効になる。実際上丁度この時点に達したときに温度の測定ができなくなることが多いので、一般に、チャックは所定量の動作時間が経過すると交換され、実際には、その有効な寿命がほんの僅かしかないのが普通である。このことは、高価なチャックを無駄に交換するので、製造コストの増加を招くとともに、チャックを交換する数時間においてはプラズマ処理システムをオフラインにしなければならないので、歩留まりが低下することにもなる。 Furthermore, the physical structure of the processing chamber in which plasma processing is performed may change. For example, contaminants are removed from the plasma processing system by bombarding the plasma without the substrate. However, since the chuck is no longer covered by the substrate, it is etched after this. Each time the decontamination process is repeated, the surface roughness of the substrate increases and the heat transfer efficiency of the substrate varies. Finally, the cooling system will not be able to compensate for the temperature sufficiently and the recipe parameters will be invalid. In practice, it is often impossible to measure temperature when this point is reached, so in general, the chuck is replaced after a certain amount of operating time, and in fact its useful life is only negligible. Is normal. This unnecessarily replaces an expensive chuck, resulting in an increase in manufacturing cost and a reduction in yield because the plasma processing system must be taken off-line for several hours when the chuck is replaced.
さらに、レシピのパラメータを調整することが必要なことがある、それというのは、製造装置において、他の点では同一の部品が異なる時間に取り付けられるか、又は異なる度合いまで使用することがあるので、そのメンテナンスサイクルが他の部品のメンテナンスのサイクルとは必ずしも一致しないことが起こり得るからである。プラズマ処理システムの新しいバージョンにプロセスを移行するとき、又は、もっと大きな基板サイズ(例えば、200mmから300mmまで)を処理できるプラズマ処理システムにプロセスを移行させるときに、レシピパラメータを調整する必要がある。理想的には、同一のレシピパラメータ(例えば、化学的性質、電力、温度)を維持することが有用である。しかしながら、ウエーハの温度は直接測定されず推測されるので、同様の製造形態を実施するためには、試行錯誤によってプロセスを大きく調整する必要がある。 In addition, it may be necessary to adjust the parameters of the recipe, since in the manufacturing equipment otherwise the same parts may be installed at different times or used to different degrees. This is because the maintenance cycle may not necessarily coincide with the maintenance cycle of other parts. Recipe parameters need to be adjusted when the process is transferred to a new version of the plasma processing system or when the process is transferred to a plasma processing system that can handle larger substrate sizes (eg, 200 mm to 300 mm). Ideally, it is useful to maintain the same recipe parameters (eg, chemistry, power, temperature). However, since the temperature of the wafer is estimated without being directly measured, in order to carry out the same manufacturing mode, it is necessary to greatly adjust the process by trial and error.
上記のことにかんがみて、ウエーハの温度をその場でモニタリングするための方法および装置の改良が望まれている。 In view of the above, improvements in methods and apparatus for in-situ wafer temperature monitoring are desired.
本発明は、1つの実施形態において、基板の温度を測定するプラズマ処理システムにおける方法に関する。この方法は、1組の材料から成る基板を設けることを含み、ここで、基板は、第1の組の電磁周波を含む電磁放射を吸収し、この第1の組の電磁周波を熱振動の組に変換し、そして、第2の組の電磁周波を含む電磁放射を透過するものである。また、上記方法は、チャックを有する基板支持構造体の上に基板を位置決めすること;プラズマ処理システムのプラズマ反応容器の中にエッチング混合ガスを流入すること;および、エッチング混合ガスを衝突励起させて第1の組の電磁周波を有するプラズマを生成することを含んでいる。さらに、当該の方法は、第2の組の電磁周波を発生するプラズマによって基板を処理すること;第2の組の電磁周波の大きさを計算すること;および、その大きさを温度の値に変換することを含んでいる。 In one embodiment, the present invention relates to a method in a plasma processing system for measuring a temperature of a substrate. The method includes providing a substrate composed of a set of materials, wherein the substrate absorbs electromagnetic radiation including a first set of electromagnetic frequencies, and causes the first set of electromagnetic frequencies to be thermally vibrated. It converts to a set and transmits electromagnetic radiation including a second set of electromagnetic frequencies. The method also includes positioning a substrate on a substrate support structure having a chuck; flowing an etching gas mixture into a plasma reaction vessel of a plasma processing system; Generating a plasma having a first set of electromagnetic frequencies. Further, the method includes treating the substrate with a plasma that generates a second set of electromagnetic frequencies; calculating a magnitude of the second set of electromagnetic frequencies; and converting the magnitude to a temperature value. Includes converting.
本発明は、別の実施形態において、基板の温度を測定するプラズマ処理システムにおける装置に関する。この装置には、1組の材料から成る基板が設けられており、該基板は、第1の組の電磁周波を含む電磁放射を吸収し、この第1の組の電磁周波を熱の振動の組に変換し、そして、第2の組の電磁周波を含む電磁放射を透過するものである。また、上記装置は、チャックを有する基板支持構造の上に基板を位置決めすること、プラズマ処理システムのプラズマ反応容器の中にエッチング混合ガスを流入する手段;および、エッチング混合ガスを励起して、第1の組の電磁周波を含むプラズマを生成する手段を有している。さらに、当該の装置は、第2の組の電磁周波を発生するプラズマによって基板を処理する手段;第2の組の電磁周波の大きさを計算する手段、および、該電磁周波の大きさを温度の値に変換する手段を有している。 In another embodiment, the present invention relates to an apparatus in a plasma processing system for measuring a temperature of a substrate. The apparatus is provided with a substrate made of a set of materials that absorbs electromagnetic radiation, including a first set of electromagnetic frequencies, and causes the first set of electromagnetic frequencies to be absorbed by thermal vibrations. It converts to a set and transmits electromagnetic radiation including a second set of electromagnetic frequencies. The apparatus also includes positioning the substrate on a substrate support structure having a chuck, means for flowing an etching gas mixture into a plasma reaction vessel of the plasma processing system; and exciting the etching gas mixture to Means for generating a plasma containing a set of electromagnetic frequencies; The apparatus further includes means for treating the substrate with a plasma that generates a second set of electromagnetic frequencies; means for calculating the magnitude of the second set of electromagnetic frequencies; and the magnitude of the electromagnetic frequencies as a temperature. Means for converting to a value of.
本発明のこのような形態および他の形態は、以降の本発明の詳細な記載および下記に示す関連する添付図面において詳しく説明する。なお、本発明は、図示の例に限定されるものでなく、添付した図面の形態において、同じ参照番号は同様の要素を示す。 These and other aspects of the present invention are explained in detail in the following detailed description of the invention and the associated accompanying drawings shown below. In addition, this invention is not limited to the example of illustration, The same reference number shows the same element in the form of attached drawing.
添付図面において図を示しながら、僅かな基準の実施形態を参照して、本発明を詳細に説明する。以下の説明において、非常に多くの特定の詳細な内容は、本発明を理解するために提示するものである。しかしながら、これらの詳細な内容のいくつか又はすべてがない場合でも、当業者であれば本発明を実施できることは明らかである。他の実施形態において、不必要に本発明を不明瞭にしないため、周知の処理工程および又は構成を詳細に説明しない。 The invention will be described in detail with reference to a few reference embodiments, with the figures shown in the accompanying drawings. In the following description, numerous specific details are presented to provide an understanding of the present invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without some or all of these details. In other instances, well known process steps and / or configurations have not been described in detail in order not to unnecessarily obscure the present invention.
プラズマ処理システムにおいて、基板の温度をその場でモニタリングするためにフォノンを使用できることは、この明細書において記載しているように発明者が確信していることであり、また、そのことにより、理論から制約を受けるものではない。一般に、フォノンは基板において電磁波を発生する熱エネルギーの振動である。基板内において結合した個々の材料、特に結晶構造内に存在する材料は、一般に、その材料に固有の周波数で電磁放射を放射し、基板において吸収される熱エネルギーの総量に密接に相関する大きさを持っている。非自明な手法で、プラズマ処理システムにおいて他のどこででも普通に見られる周波数の放射ではあるが、基板の材料に特徴的な周波数の放射の大きさを測定することによって、基板の温度は実質的に正確な方法で計算できる。1つの実施形態において、この計算は、黒体の放射についてのプランクの放射則を用いて達成され、基板の所定の.放射輝度によって補正される。 The fact that the phonon can be used to monitor the temperature of the substrate in situ in a plasma processing system is the inventor's confidence as described in this document, and thus the theory It is not subject to any restrictions. In general, a phonon is a vibration of thermal energy that generates an electromagnetic wave in a substrate. Individual materials bonded within a substrate, particularly those present in a crystal structure, generally emit electromagnetic radiation at a frequency inherent to that material and are closely correlated to the total amount of thermal energy absorbed in the substrate. have. By measuring the magnitude of the radiation at a frequency characteristic of the substrate material, which is a non-trivial technique and at a frequency commonly found anywhere else in a plasma processing system, the temperature of the substrate is substantially reduced. Can be calculated in an accurate way. In one embodiment, this calculation is accomplished using Planck's radiation law for blackbody radiation and is corrected by a predetermined .radiance of the substrate.
複数の周波数を好適に、赤外および遠赤外の領域で使用することができる。選択された周波数は、基板が強い吸収係数を持つスペクトルの領域に実質的に対応しなければならない。非常に多くのスペクトル領域が使用される。最適なフォノンは、6μmと50μmの間の領域である。1つの実施形態においては、Si(シリコン)基板について、16.4μmのSi−Siの振動によって、測定可能な放射が生成される。他の実施形態においては、9.1μmのSi―O―Siの振動によって、モニタリングされる放射を発生でき、その際、格子間酸素が原子運動に関係する。他のスペクトル領域は、リッチなSi−Si、Si−O、およびSi−C(置換炭素)の振動スペクトルを利用して使用できる。 Multiple frequencies can preferably be used in the infrared and far infrared regions. The selected frequency must substantially correspond to the region of the spectrum where the substrate has a strong absorption coefficient. A very large number of spectral regions are used. The optimum phonon is in the region between 6 μm and 50 μm. In one embodiment, measurable radiation is generated by Si-Si vibration of 16.4 μm for a Si (silicon) substrate. In other embodiments, 9.1 μm Si—O—Si oscillations can generate monitored radiation, where interstitial oxygen is involved in atomic motion. Other spectral regions can be used utilizing the rich Si-Si, Si-O, and Si-C (substituted carbon) vibrational spectra.
図2Aは、本発明の1つの実施形態による処理の簡単な図であり、この図にはフォノンが示されている。プラズマ処理システムにおいて、プラズマ201を発生して、X線の領域からマイクロ波の領域までのすべてのスペクトルにわたる電磁放射202を生じさせる。放射202aは、影響を受けずにほぼ基板を通過する。これは透過された光である。例としてはX線であり、ほとんどは赤外線のスペクトルである。第2の部分である放射202bは、部分的に基板206によって吸収され、部分的に放射212として透過される。例としては、近赤外線および赤外線において、低い吸光係数又は消光係数を持つ基板に対する適当な周波数の光である。吸光されたものの一部は、実質的に熱エネルギーに変換される。残りの部分202cは、その全部が吸収されて、熱エネルギーに変換される。続いて、その集合的熱エネルギーは、基板の格子構造の中に結合した材料にフォノン210を発生させる。フォノンは、実質的に、測定可能な特定の周波数の放射214を生じさせる。
FIG. 2A is a simplified diagram of a process according to one embodiment of the present invention, in which phonons are shown. In a plasma processing system, a
図2Bは、本発明の1つの実施形態による処理の簡単な図であり、その中で基板の温度が測定される。図2Aの場合と同様に、プラズマ処理システムにおいて、プラズマ201を生成させて、電磁放射202を生じさせる。吸収された放射の一部は、実質的に熱エネルギーに変換される。続いて、この熱エネルギーは、基板の格子構造の中に結合した材料にフォノン210を生じさせる。フォノンは、実質的に、検出器212によって測定可能な特定の周波数の放射214を生じさせる。放射214は、放射する基板について熱平衡になる。検出器212は、1)放出された電磁放射に対応する周波数(又は波長)を識別できるデバイス、および、2)デバイス1)によって選択された周波数(又は波長)の電磁放射の強度を測定するデバイスで構成されている。1つの実施形態においては、検出器212は、選択された材料に対応する電磁スペクトルの帯域に対する放射強度を送出するように最適化されるモノクロメータとしての光分散要素(例えば、多層誘電体干渉フィルタ、プリズム、格子、ファブリ・ペロー干渉計)を具備するとよい。別の実施形態においては、注目放射を選択するために適当な帯域フィルタが使用される。モノクロメータによって選択された放射の強度を測定できる任意の光電性デバイスを、検出器において使用できる。例として、熱検出器(サーモパイル)、光導電検出器、および光起電力検出器がある。
FIG. 2B is a simplified diagram of a process according to one embodiment of the invention in which the temperature of the substrate is measured. As in FIG. 2A, in the plasma processing system,
図2Cは、本発明の1つの実施形態による図2Bのさらに詳細な図である。図2Aの場合と同様に、プラズマ処理システムにおいて、プラズマ201を発生させて、電磁放射202を生じさせる。吸収された放射の一部は、実質的に熱エネルギーに変換され、その熱エネルギーは、ひきつづいて、基板206内にフォノンを発生させる。検出器220(すなわち、16.4μmのSi−Si、9.1μmのSi−O−Si、その他)によって選択された材料に対応する周波数の放射214を測定することにより、基板206の温度を計算できる。
FIG. 2C is a more detailed view of FIG. 2B according to one embodiment of the present invention. As in FIG. 2A,
さらに、プラズマ処理システム200は、熱平衡を達成するために、チャックに結合されたいずれかのタイプの冷却システムを含んでいる。この冷却システムは、チャック内の空洞を通して冷却液を給送する冷却機を備えているのが普通であり、チャックとウエーハの間にヘリウムガスが送り込まれる。発生した熱を除去することに加えて、ヘリウムガスは、また冷却システムが急速に熱の放散もしくは熱放射を較正できるようにする。すなわち、ヘリウムガスの圧力が増加するにしたがって、熱伝達率も増加することになる。
In addition, the
従来例とは異なり、基板206の温度は、冷却機220の温度設定およびヘリウム220の圧力を調節することによって、プラズマ処理の期間中では十分に安定した方法で維持される。特に、プラズマのクリーニングが続いている期間においては、チャックの熱伝達率が低下するので、補償するためにヘリウム220の圧力が低下し、これにより基板の温度が十分に維持される。このことは、チャックを十分に長い時間の期間において使用することを可能にし、チャック交換のコストが低減する。その上、プラズマ処理システム200は、メンテナンスが必要になるまではるかにより長い期間において動作するので、歩留まりがさらに維持されるか又は改良される。
Unlike the conventional example, the temperature of the
さらに、特定のプラズマ処理工程は、基板の温度の広い窓への部分最適化をすることとは異なって、基板の温度の狭い範囲を最適化することができる。その上、いくつかの処理工程は、前の工程から残っている処理熱が急速に低下するので、さらに容易に入れ替えができる。 In addition, certain plasma processing steps can optimize a narrow range of substrate temperatures, as opposed to partial optimization of the substrate temperature to a wide window. In addition, some processing steps can be replaced more easily because the processing heat remaining from the previous step is rapidly reduced.
図3Aないし図3Eは、本発明の1つの実施形態によるエクセランHPTのプラズマ処理システムを示している。ここではエクセランHPTのプラズマ処理システムが示されているが、この例にかかわらず、他のプラズマ処理システムも同様に使用することができる。エッチング工程は、下記の処理条件にしたがって実施される。 3A-3E illustrate an excelan HPT plasma processing system according to one embodiment of the present invention. Although an Excelan HPT plasma processing system is shown here, other plasma processing systems may be used as well, regardless of this example. The etching process is performed according to the following processing conditions.
圧力:50mT
電力:1800W(2MHz)/1200W(27MHz)
プラズマ構成:Ar:270sccm;C4F8:25sccm;O2:10sccm
温度:20C
期間:300sec
図3Aは、本発明の1つの実施形態によるプラズマ処理システム内での時間に関する信号強度を示している。このテストの実行中においては、基板は存在しない。一般に、プラズマを衝撃させると、時間316にわたって処理室の壁が熱エネルギーを吸収して、フォノンを発生する。この例においては、発生した電磁放射は16.4μmのSi−Siについて測定されることになる。別の実施形態においては、Si−O−Siによって生成された放射も、9.1μmにおいてほぼ同様の図を描くようになる。この形は、プラズマの処理室の壁がプラズマの活動によって次第に熱くなるにしたがって、電磁放射の強度が大きくなることを示している。プラズマが320でオフにされると、処理室の壁が冷却され始めるので、対応する信号強度も低下する。この形は、適正に取り扱わない場合には、処理室の壁によって放射される電磁放射が基板の温度測定の妨げになることを示している。
Pressure: 50mT
Power: 1800W (2MHz) / 1200W (27MHz)
Plasma configuration: Ar: 270 sccm; C 4 F 8 : 25 sccm; O 2 : 10 sccm
Temperature: 20C
Duration: 300sec
FIG. 3A illustrates signal strength with respect to time within a plasma processing system according to one embodiment of the present invention. There is no substrate during the execution of this test. In general, when plasma is bombarded, the walls of the processing chamber absorb thermal energy over
図3Bは、本発明の1つの実施形態によるプラズマ処理システム内での吸収度に対する波数の簡単化された特性図を示している。3つのグラフが示されている。グラフ324は、20Cの基板における基板の吸収度を表わしている。グラフ326は、70Cの基板における基板の吸収度を表わしている。そして、グラフ328は、90Cの基板における基板の吸収度を表わしている。一般に、基板の温度が高くなるほど、対応する吸収度が大きく負になる。プラズマ処理システムにおいて発生されたIR放射のスペクトルにおいては、Si−Siによって生成された16.4μmの第1のピーク330、および、Si−O−Siによって生成された9.1μmの第2のピーク332の2つの吸収のピークが現れている。最も大きなスペクトルの変化は、16.4μmおよび9.1μmの2つのピークにて観測される。信号強度はこれらの波長で最も感度が大きい。グラフ324は、16.4μmおよび9.1μmの両方で正の吸収度を示し、電磁放射がこれらの波長において放射するよりも吸収するほうが大きいことを示している。グラフ326および328は、16.4μmおよび9.1μmの両方で負の吸収度を示し、電磁放射がこれらの波長において吸収するよりも放射するほうが大きいことを示している。基板によって放射されて検出器によって測定された放射は、基板について熱平衡がとれており、プラズマおよび処理中の処理室の壁によって放出された放射には依存しない。
FIG. 3B shows a simplified characteristic diagram of wave number versus absorbance in a plasma processing system according to one embodiment of the present invention. Three graphs are shown. A
図3Cは、本発明の1つの実施形態によるプラズマ処理システム内において、2つの温度範囲における波長に対する吸収度の簡単な図を示している。20Cのプラズマ処理システムにおいて発生されたIR放射のスペクトル340にわたり基板の温度は、基板によって放出された放射の量が吸収された量に類似するようになっており、したがってピークは現れていない。しかしながら、90Cの基板の温度では、Si−Siによって生成された16.4μmの第1のピーク330、および、Si−O−Siによって生成された9.1μmの第2のピーク332の2つの吸収のピークが再び現れている。
FIG. 3C shows a simple diagram of absorbance versus wavelength in two temperature ranges within a plasma processing system according to one embodiment of the present invention. Over the
図3Dは、本発明の1つの実施形態によるプラズマ処理システム内での温度に対する信号強度の図を示している。グラフ346は温度307に関する信号強度342を測定し、一方、グラフ348は温度307に関する信号強度342を測定している。図3Bと同様に、基板の温度が高くなるほど、対応する信号強度が高くなっている。
FIG. 3D shows a diagram of signal strength versus temperature within a plasma processing system according to one embodiment of the present invention. Graph 346 measures signal
図3Eは、本発明の1つの実施形態によるプラズマ処理システム内での温度に対する吸収度の特性図を示している。第1のグラフ330は生成された16.4μmでのSi−Siについて測定し、一方、第2のグラフ332は生成された9.1μmでのSi−O−Siについて測定している。温度307が高くなるほど、対応する吸収度305がほぼ直線的な形で減少する。
FIG. 3E shows a characteristic diagram of absorbance versus temperature in a plasma processing system according to one embodiment of the present invention. The
種々の好ましい実施形態によって本発明を説明したが、本発明の範囲内に存在する変更、置き換え、および等価の実施形態がある。例えば、エクセランHPTのプラズマ処理システムに関連づけて本発明を説明したが、他のプラズマ処理システムを使用ことができる。また、本発明の方法を実施する他の多くの方法があることにも留意しなければならない。 While the invention has been described in terms of various preferred embodiments, there are alterations, substitutions, and equivalent embodiments that fall within the scope of the invention. For example, although the present invention has been described in connection with an Excelan HPT plasma processing system, other plasma processing systems can be used. It should also be noted that there are many other ways of implementing the method of the present invention.
本発明の利点には、プラズマ処理システムにおいて基板の温度をその場で測定することが含まれる。さらなる利点には、チャックのようなプラズマ処理構造体の交換を最適化すること、プラズマ処理する処理自体の歩留まりを改良すること、および、第1のプラズマ処理システムから第2のプラズマ処理システムへの決定および移行を容易にすることが含まれる。具体的な実施形態および最良の形態が開示されたので、特許請求の範囲によって規定された本発明の主題および精神の範囲内において残りの実施形態がある限り、変更および変化を開示された実施形態に合わせることができる。 Advantages of the present invention include in-situ measurement of substrate temperature in a plasma processing system. Further advantages include optimizing the exchange of plasma processing structures such as chucks, improving the yield of the plasma processing itself, and from the first plasma processing system to the second plasma processing system. Includes facilitating decision and migration. Since specific embodiments and best modes have been disclosed, changes and modifications have been disclosed insofar as there are remaining embodiments within the scope and spirit of the invention as defined by the claims. Can be adapted to
200:プラズマ処理システム
201:プラズマ
202:電磁放射
202a:放射
202b:放射
202c:残りの放射
206:基板
210:フォノン
212:検出器
214:放射
220:検出器
302:信号強度
305:吸収度
307:温度
316:時間
324:グラフ
326:グラフ
328:グラフ
330:第1のグラフ
332:第2のグラフ
200: Plasma processing system 201: Plasma 202:
Claims (20)
プラズマ処理システムのプラズマ反応容器の中にエッチング混合ガスを流入する工程と、
前記エッチング混合ガスを衝突励起させてプラズマを生成する工程と、
プラズマによって前記基板を処理する工程と、
検出器を用いて、前記プラズマによる基板処理の間に前記基板によって吸収される前記基板の材料組成に基づき予め決められた周波数に対応する選択された周波数を有する放射線の強度を測定することにより、前記プラズマによる基板処理により前記基板に生じたフォノンから放出される放射線の強度を測定する工程と、
前記測定された前記基板に生じたフォノンから放出される放射線の強度を温度の値に変換する工程と、
を有することを特徴としており、
前記基板を前記検出器によって生成される汚染物質から保護するために、前記検出器が前記基板支持構造体内に配置されている、プラズマ処理システムにおける基板の温度を求める方法。Positioning the substrate on a substrate support structure;
Flowing an etching gas mixture into the plasma reaction vessel of the plasma processing system;
Generating a plasma by collisionally exciting the etching gas mixture;
Treating the substrate with plasma;
By using a detector to measure the intensity of radiation having a selected frequency corresponding to a predetermined frequency based on the material composition of the substrate absorbed by the substrate during substrate processing with the plasma, Measuring the intensity of radiation emitted from phonons generated on the substrate by the substrate treatment with the plasma;
Converting the measured intensity of radiation emitted from phonons generated in the substrate into a temperature value ;
It is characterized by having ,
A method for determining a temperature of a substrate in a plasma processing system , wherein the detector is disposed within the substrate support structure to protect the substrate from contaminants generated by the detector .
第2の温度における前記基板の吸収度に対する波数を示す第2のグラフを図表にプロットする工程と、
を有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。Plotting in a chart a first graph showing the wave number versus absorbance of the substrate at a first temperature;
Plotting in a chart a second graph showing the wave number versus absorbance of the substrate at a second temperature;
The method of claim 1, comprising:
を有することを特徴とする、請求項15に記載の方法。Plotting a third graph on the chart showing the wave number against the absorbance of the substrate at a third temperature;
The method of claim 15, comprising:
第2の波長における前記基板の第2の吸収度に対する前記基板の前記温度を示す第2のグラフを図表にプロットする工程と、
ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。Plotting a first graph showing the temperature of the substrate against the first absorbance of the substrate at a first wavelength in a chart;
Plotting a second graph showing the temperature of the substrate against the second absorbance of the substrate at a second wavelength in a chart;
The method according to claim 1, wherein:
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