JP5037532B2

JP5037532B2 - ｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリ、プロセスチャンバ、及び、ｉｎ−ｓｉｔｕでチャンバ粒子情報を収集する方法

Info

Publication number: JP5037532B2
Application number: JP2008554331A
Authority: JP
Inventors: ライト・マーク
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: US20080297797A1; CN101427123B; KR101482278B1; TW200739058A; US7626699B2; KR20080095248A; TWI385377B; US7417733B2; WO2007092546A2; JP2009526229A; WO2007092546A3; US20070182963A1; CN101427123A

Description

シリコンウエハなどの半導体基板の表面に付着した粒子は、歩留まりの低下を引き起こすので、このような基板の処理では、粒子性能が懸念されている。基板処理の最中または後に基板表面上に落下するプロセスチャンバの中の粒子は、歩留まりを低下させる恐れがある。したがって、優れた歩留まりを保証するためには、プロセスチャンバの中の粒子の数を最低限に制御することが重要である。

プロセスチャンバの中の粒子は、多くの粒子源に由来しうる。プロセスガスおよび基板処理は、粒子を発生させる可能性がある。プロセスチャンバの中のコンポーネント上またはチャンバ壁上に蓄積した膜もまた、それがプロセスガスまたはプロセス副産物のいずれに由来するものであれ、やはり粒子を発生させる可能性がある。粒子は、また、例えばコンポーネントをチャンバに戻す際にチャンバの中に洗浄溶液が残留するなどのような、様々なメカニズムによって、チャンバのハードウェアメインテナンスの最中にプロセスチャンバの中に導入される可能性もある。チャンバゲート弁上のＯリングもまた、ゲート弁の締め付けが強すぎる場合、またはＯリングの品質が悪い場合に、粒子を発生させる可能性がある。

従来、プロセスチャンバの粒子性能は、基板の処理後に基板上の粒子のサイズおよび数（すなわち計数）を測定することによってモニタされる。粒子性能の測定は、チャンバ性能をモニタするために定期的に行うことができる、またはプロセスチャンバを適格保証するためにチャンバのハードウェアメインテナンスの後に行うことができる。基板上で高い計数が検出された場合は、さらなる基板処理が継続可能となる前に、またはチャンバが適格保証可能となる前に、粒子源を特定しかつ問題を解決する必要がある。

従来、粒子源の特定は、各種のチャンバ処理および／またはハードウェアパラメータの実験計画法（ＤＯＥ）を行うことによってなされる。ＤＯＥによって処理された基板は、どのパラメータが粒子のサイズおよび計数に影響するかを決定するために、粒子性能に関して測定を行われる。しかしながら、このような粒子源特定プロセスは、非常に労働集約型でかつ時間集約型である。

以上を考慮すると、粒子源の特定に使用される時間およびリソースを低減させるため、改良されたチャンバ粒子源特定メカニズムを提供する方法ならびに装置が必要とされていることがわかる。改良されたチャンバ粒子源特定メカニズムは、チャンバ全体の粒子性能およびスループット性能を向上させることができる。

概して、本発明の実施形態は、改良されたチャンバ粒子源特定メカニズムを提供することによってニーズを満たすものである。Ｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子源特定方法および装置は、チャンバ粒子源の特定にかかる時間を大幅に短縮することができ、これは、製造システムについてチャンバスループットを向上させられると考えられる。方法および装置は、また、チャンバの技術開発段階中に、粒子性能に関してコンポーネントをテストするために使用することもできる。本発明は、プロセス、装置、またはシステムを含む多くの形態で実現可能であることを理解されるべきである。以下において、本発明のいくつかの実施形態が説明される。

一実施形態において、半導体処理チャンバのためのｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリは、少なくとも１つのレーザ光源を含む。少なくとも１つのレーザ光源は、処理チャンバ内のチャンバプロセス体積の中をレーザ光で走査することができる。Ｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリは、また、少なくとも１つのレーザ光収集器を含む。少なくとも１つのレーザ光収集器は、少なくとも１つのレーザ光源から放射されたレーザ光を収集することができる。チャンバ粒子モニタアセンブリは、また、チャンバ粒子情報を提供するために、少なくとも１つのレーザ光収集器によって収集されたレーザ光を表す信号を解析する、処理チャンバに外付けの解析器を含む。

別の実施形態において、チャンバ粒子源を特定するためにｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリを備えたプロセスチャンバは、プロセスチャンバ内の基板サポートを含む。プロセスチャンバは、また、基板サポートの上方に設けられたチャンバ頂板を含む。また、プロセスチャンバは、少なくとも１つのレーザ光源を含み、ここで、少なくとも１つのレーザ光源は、プロセスチャンバ内のチャンバプロセス体積の中をレーザ光で走査することができ、チャンバプロセス体積は、基板サポートとチャンバ頂板との間に画定される。プロセスチャンバは、また、少なくとも１つのレーザ光収集器を含み、ここで、少なくとも１つのレーザ光収集器は、少なくとも１つのレーザ光源から放射されたレーザ光を収集することができる。また、プロセスチャンバは、チャンバ粒子情報を提供するために、少なくとも１つのレーザ光収集器によって収集されたレーザ光を表す信号を解析する、処理チャンバに外付けの解析器を含む。

さらに別の実施形態では、ｉｎ−ｓｉｔｕでチャンバ粒子情報を収集する方法は、レーザ光源から放射されたレーザ光で、プロセスチャンバ内のプロセス体積の中を走査することを含む。方法は、また、複数のレーザ光収集器によって、プロセスチャンバの中のレーザ光を収集することを含む。また、方法は、チャンバ粒子情報を決定するために、収集されたレーザ光を解析することを含む。

本発明のその他の態様および利点は、添付の図面と併せて本発明の原理を一例として示した以下の詳細な説明から明らかになる。

本発明は、添付の図面と併せた以下の詳細な説明によって容易に理解され、類似の参照符号は、類似の構造要素を指すものとする。

改良された、より効果的なチャンバ粒子特定システム、方法、および装置について、いくつかの代表的実施形態が説明される。当業者には、本明細書に示された一部または全部の詳細をともなわずとも本発明は実施可能であることが明らかである。

先に説明されたように、各種のチャンバ処理および／またはハードウェアパラメータの実験計画法（ＤＯＥ）を行う従来の粒子源特定方法は、非常に時間およびリソースを食う。プロセスチャンバを製造状態に戻すのにかかる時間を短縮するには、迅速な粒子源特定が非常に重要である。効果的なｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子特定方法および装置は、プロセスチャンバの中の、即時性の粒子情報を提供することができる。粒子のサイズ、数、および粒子の位置を含みうる粒子情報を見直すことによって、粒子源を洗い出すこと、またはさらなる調査の指示を特定することが可能である。例えば、チャンバ粒子が移送ポート付近に大量にある場合は、移送ポートが粒子問題を引き起こしていると推測することができる。この場合は、粒子問題が解決されるかどうかを確かめるために、Ｏリングなどの移送ポートコンポーネントを検査または交換することができる。また、移送ポートの動作パラメータもまた、それらが粒子問題に及ぼす影響をテストするために、調べることができる。例えば、粒子問題を軽減可能であるかどうかをテストするために、移送ポートのドアに対する締め付け力を低減させることができる。なぜならば、移送ポートのドアの締め付けが強すぎると、Ｏリングが損傷され、粒子問題を引き起こす可能性があるからである。

直接的および即時性のチャンバ粒子情報は、チャンバ粒子源を特定するのにかかる時間を大幅に短縮することができ、これは、製造システムについてチャンバスループットを向上させられると考えられる。また、方法および装置は、チャンバ開発時間を短縮するために、チャンバの技術開発段階中に、粒子性能に関してコンポーネントをテストするために使用することもできる。

本発明の一実施形態は、少なくとも１つのレーザ光源によって、プロセスチャンバ内のプロセス体積の中をレーザ光で走査する。一実施形態において、プロセス体積は、プロセスチャンバの中でかつチャンバ頂板下方の、基板サポート周囲の上方領域である。プロセスチャンバは、チャンバが密閉される限り、化学蒸着チャンバ、プラズマエッチングチャンバ、または熱蒸着チャンバなど、あらゆるタイプのプロセスチャンバであることが可能である。レーザ光源によって網羅（すなわち走査）される領域の中の粒子は、レーザ光を反射し、調査対象領域の中のレーザ光パターンに影響を及ぼす。レーザ光は、単一波長である（したがって、粒子計数器に対し、一般に赤の単色である、すなわち赤外線である）ので、レーザは、好ましい光源である。一実施形態では、その小型性、軽量性、および平均故障間隔時間（ＭＴＢＦ）ゆえに、半導体レーザダイオードを使用することができる。

レーザ光は、チャンバ内に装着された、フォトディテクタまたはカメラなどの少なくとも１つのレーザ光検出器によって拾うことができる。フォトディテクタは、感光性を有した電子機器である。フォトディテクタに当たるあらゆる光は、フォトディテクタから電気パルスを放射させる。電気パルスは、粒子の数、サイズ、および位置と相関させるために、解析することができる。デジタルカメラもまた、その感光性ゆえに使用することができる。光検出器は、チャンバの粒子性能をモニタするために粒子データを連続的に収集すること、またはトラブルシューティングの最中にのみ粒子データを収集することが可能である。

図１Ａは、ガス分布板（すなわちシャワーヘッド）１２０を含むチャンバ頂板１１０を有するプロセスチャンバ１００の一実施形態の断面図を示している。一実施形態では、ガス分布板１２０は、プラズマ処理チャンバ用の上部電極であることも可能である。チャンバ１００は、また、基板１４０を支えることができる基板サポート１３０も有する。チャンバ壁１５０は、基板１４０をプロセスチャンバ１００に出し入れすることを可能にする基板移送ポート１６０を有する。チャンバ壁１５０は、ひとつなぎであることも、または複数のピース（壁）からなることも可能である。レーザ光源１７０は、チャンバ壁１５０内に装着される。レーザ光源１７０は、その走査の周波数および方向を制御するコントローラ１７５によって制御される。一実施形態において、レーザ光源１７０は、基板サポート１４０周囲の上方領域１８０全体を走査する。領域１８０は、破線１８５によって示され、チャンバプロセス体積に相当する。粒子源特定プロセスの最中は、基板１４０が存在していてもしていなくてもよい。レーザ光は、チャンバ壁１５０上に設置された光収集器１９０によって収集される。プロセスチャンバの中の粒子は、レーザ光を反射し、レーザ光パターンに影響を及ぼすので、プロセスチャンバの中の粒子の位置および数は、レーザ光収集器１９０によって捉えることができる。レーザ光収集器１９０は、収集された信号（またはパルス）を解析するために、解析器１９５につながれている。

解析されたパルスは、チャンバの中の粒子の計数、サイズ、および位置に相関させることができる。プロセスチャンバの中の光収集器１９０が１つのみである場合は、チャンバから収集された粒子画像は、２次元（２−Ｄ）であると考えられる。収集された粒子画像からは、粒子の計数、粒子のサイズ、そして粒子が光収集器１９０に対してどの方向に位置しているかを見分けることができる。プロセスチャンバの中の粒子の画像を３次元（３−Ｄ）的に構築するためには、複数の光収集器１９０が必要とされる。複数の光収集器１９０は、いずれも共通軸を共有することのないように配置されることが望ましい。

図１Ｂは、１つのレーザ光源１７０および２つのレーザ光収集器１９０_I，１９０_IIを備えた図１Ａのチャンバ１００を上から見た断面図の実施形態を示している。レーザ光源１７０は、破線１８５によって境界を示されたチャンバプロセス領域１８０全体を走査する。２つのレーザ光収集器１９０_I，１９０_IIは、レーザ光源１７０から放射されたレーザ光を収集する。プロセスチャンバ領域１８０の中の粒子の数、粒子のサイズ、および粒子の位置は、反射されるレーザ光の数および位置に影響を及ぼすと考えられる。したがって、２つの光収集器１９０によって収集されたレーザ光は、プロセスチャンバ１００の中の粒子の数、サイズ、および３−Ｄ位置を記述するために、解析器１９５によって解析することができる。

一実施形態では、チャンバ１００全体を走査するレーザ光の有効範囲をより良く確保するために、レーザ光源が２つ以上であることも可能である。図１Ｃは、３つのレーザ光源１７０および３つのレーザ光収集器１９０を備えたプロセスチャンバ１００の実施形態を示している。当業者ならば、レーザ光源およびレーザ光収集器のその他の数の組み合わせも可能であることを理解することができる。

レーザ光源およびレーザ光収集器は、チャンバ壁上に取り付けるだけでなく、チャンバライナ上に取り付けることも可能である。プラズマエッチングシステムなどの一部のプロセスシステムでは、チャンバ壁への膜の蓄積を抑えるために、チャンバライナが使用される。チャンバライナは、ひとつなぎの材料で形成する、または複数のピース（ライナ）で作成することが可能である。チャンバライナがどのようにプラズマエッチングチャンバの中に装着されるかに関する詳細は、譲受人によって所有される米国特許第６，２７７，２３７号に記載されている。

図２Ａは、図１Ａのチャンバ１００に類似したプロセスチャンバ１００’を示してる。チャンバ１００’は、チャンバライナ１５５を有する。ライナ１５５上には、少なくとも１つのレーザ光源１７０および少なくとも１つのレーザ光収集器１９０が装着されている。レーザ光源１７０は、チャンバライナ１５５の挿入ゆえに図１Ａのプロセス領域１８０より僅かに小さいチャンバプロセス領域１８０’全体を走査する。ライナ１５５上には、チャンバ壁上の移送ポート１６０に合致する基板移送ポート１６５がある。ライナは交換可能であるので、レーザ光源およびレーザ光収集器は、粒子源の特定が必要とされる際にチャンバの中に設置することができる。粒子問題が解決されたら、レーザ光源１７０およびレーザ光収集器１９０をチャンバライナ１５５とともに取り外し、レーザ光源１７０およびレーザ光収集器１９０を備えていない新しいチャンバライナ１５５’をチャンバの中に設置して、製造プロセスを継続することができる。

図２Ｂは、チャンバライナ１５５上に１つのレーザ光源１７０’および２つのレーザ光収集器１９０_I’，１９０_II’を装着されたチャンバ１００を上から見た断面図を示している。２つのレーザ光収集器１９０_I’，１９０_II’は、プロセスチャンバ１００の中の粒子の３−Ｄ画像の構築を可能にし、チャンバ１００’の中のプロセス領域１８０’の中における粒子の数、サイズ、および３−Ｄ位置を決定することを可能にする。チャンバ壁上のレーザ光源およびレーザ光収集器と同様に、チャンバプロセス領域１８０全体を走査するレーザ光の有効範囲をより良く確保するには、レーザ光源が２つ以上であることも可能である。レーザ光源およびレーザ光収集器は、異なる数で組み合わせ可能である。

図３は、破線境界線１８５によって囲まれた領域１８０の代表的３−Ｄ概略図を示している。図２Ｂのレーザ光収集器１９０によって収集されたレーザ光パターンは、チャンバ移送ポート１６０の付近に大量の粒子を示している。図３に示された粒子情報に基づいて、移送ポート１６０に対してさらなる粒子調査を行うことができる。追加の解析は、移送ポートのドアの締め付けが強すぎ、Ｏリングが損傷されるゆえに、移送ポートのＯリングが大量の粒子を放出している、という結論を導き出すことができる。３−Ｄチャンバ粒子画像を時間の関数として見ることによって、粒子の起源および移動を追跡することもできる。３−Ｄ画像は、チャンバ粒子源の特定を速めるのに非常に有用である。

図４は、プロセスチャンバの中の粒子を検出するためにチャンバ粒子検出システムを使用するプロセスフローを示している。プロセス４００は、プロセス体積の中をレーザ光で走査することによって、ステップ４１０から開始する。一実施形態において、プロセス体積は、チャンバ頂板と基板サポートとの間に画定され、ここで、レーザ光は、１つまたは複数のレーザ光源によって提供される。プロセスは、次いで、ステップ４２０において、少なくとも１つのレーザ光収集器を使用し、プロセスチャンバの中でプロセス体積からレーザ光を収集することに続く。３次元的チャンバ粒子情報を収集する場合は、レーザ光収集器は少なくとも２つある必要がある。少なくとも２つのレーザ光収集器は、互いから隔てられ、互いの真正面にこないように配置されることが望ましい。レーザ光収集器によってレーザ光が収集された後、信号は、ステップ４３０において、チャンバ粒子情報を決定するために解析器によって解析される。

チャンバ粒子情報は、粒子の計数、粒子のサイズ、粒子のサイズ分布、および粒子の位置を含む。プロセスチャンバの中に分布された粒子のパターンを見直すことによって、粒子源を洗い出すこと、またはさらなる調査の指示を特定することが可能である。

以上の発明は、理解を明瞭にする目的でいくらか詳細に説明されてきたが、添付の特許請求の範囲内でいくらかの変更および改変の形態が可能であることは明らかである。したがって、これらの実施形態は、例示的であって限定的ではないと見なされ、発明は、本明細書において挙げられた詳細に限定されず、添付の特許請求の範囲およびその等価の形態の範囲内において改変可能である。

プロセスチャンバの中のｉｎ−ｓｉｔｕ粒子検出システムの一実施形態の概略断面図を示している。図１Ａの、プロセスチャンバの中のｉｎ−ｓｉｔｕ粒子検出システムを上から見た図の実施形態を示している。図１Ａの、プロセスチャンバの中のｉｎ−ｓｉｔｕ粒子検出システムを上から見た図の別の実施形態を示しているチャンバライナを備えたプロセスチャンバの中のｉｎ−ｓｉｔｕ粒子検出システムの一実施形態の概略断面図を示している。図２Ａの、プロセスチャンバの中のｉｎ−ｓｉｔｕ粒子検出システムを上から見た図の実施形態を示している。粒子検出システムによって調査されたチャンバ体積の概略図を示している。プロセスチャンバの中のチャンバ粒子情報を決定するプロセスフローを示している。

Claims

半導体処理チャンバのためのｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリであって、
少なくとも１つのレーザ光源であって、前記処理チャンバ内の前記チャンバプロセス体積の中をレーザ光で走査することができる少なくとも１つのレーザ光源と、
少なくとも１つのレーザ光収集器であって、前記少なくとも１つのレーザ光源から放射されたレーザ光を収集することができる少なくとも１つのレーザ光収集器と、
粒子の数と、粒子のサイズと、粒子の位置とを含むチャンバ粒子情報を提供するために、前記少なくとも１つのレーザ光収集器によって収集されたレーザ光を表す信号を解析する、前記処理チャンバに外付けの解析器と、
前記処理チャンバ内に取り外し可能に設置されたチャンバライナと、
を備え、
前記少なくとも１つのレーザ光源及び前記少なくとも１つのレーザ光収集器は、前記チャンバライナ内に埋め込まれている、ｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリ。
請求項１に記載のｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリであって、
複数のレーザ光収集器があり、前記複数のレーザ光収集器は、いずれも共通軸を共有することのないように配置される、ｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリ。
請求項２に記載のｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリであって、
前記チャンバ粒子情報は、前記チャンバプロセス体積内の粒子の分布を表す３次元画像を含む、ｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリ。
請求項１に記載のｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリであって、
前記チャンバプロセス体積は、前記プロセスチャンバ内で基板サポートの上方に画定された平面を包含している、ｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリ。
チャンバ粒子源を特定するためにｉｎ−ｓｉｔｕチャンバ粒子モニタアセンブリを備えたプロセスチャンバであって、
前記プロセスチャンバ内の基板サポートと、
前記基板サポートの上方に設けられたチャンバ頂板と、
少なくとも１つのレーザ光源であって、前記プロセスチャンバ内のチャンバプロセス体積の中をレーザ光で走査することができ、前記チャンバプロセス体積は、前記基板サポートと前記チャンバ頂板との間に画定される、少なくとも１つのレーザ光源と、
少なくとも１つのレーザ光収集器であって、前記少なくとも１つのレーザ光源から放射されたレーザ光を収集することができる少なくとも１つのレーザ光収集器と、
粒子の数と、粒子のサイズと、粒子の位置とを含むチャンバ粒子情報を提供するために、前記少なくとも１つのレーザ光収集器によって収集されたレーザ光を表す信号を解析する、前記処理チャンバに外付けの解析器と、
前記プロセスチャンバ内に取り外し可能に設置されたチャンバライナと、
を備え、
前記少なくとも１つのレーザ光源及び前記少なくとも１つのレーザ光収集器は、前記チャンバライナ内に埋め込まれている、プロセスチャンバ。
請求項５に記載のプロセスチャンバであって、
複数のレーザ光収集器があり、前記複数のレーザ光収集器は、いずれも共通軸を共有することのないように配置される、プロセスチャンバ。
請求項５に記載のプロセスチャンバであって、
少なくとも２つのレーザ光源があり、前記少なくとも２つのレーザ光源は、前記プロセスチャンバに光源を提供するために、互いから隔てて配置される、プロセスチャンバ。
請求項５に記載のプロセスチャンバであって、
チャンバ壁は、前記基板サポートの周囲に画定され、前記チャンバライナは、前記チャンバ壁内に設けられる、プロセスチャンバ。
請求項５に記載のプロセスチャンバであって、
３つのレーザ光源および３つの光源収集器がある、プロセスチャンバ。
ｉｎ−ｓｉｔｕでチャンバ粒子情報を収集する方法であって、
少なくとも１つのレーザ光源と少なくとも１つのレーザ光収集器とが埋め込まれたチャンバライナを、プロセスチャンバ内に取り外し可能に設置する工程と、
レーザ光源から放射されたレーザ光で、前記プロセスチャンバ内部のプロセス体積の中を走査する工程と、
複数のレーザ光収集器によって、前記プロセスチャンバの中のレーザ光を収集する工程と、
粒子の数と、粒子のサイズと、粒子の位置とを含むチャンバ粒子情報を決定するために、前記収集されたレーザ光を解析する工程と、
前記少なくとも１つのレーザ光源と前記少なくとも１つのレーザ光収集器とを前記チャンバライナとともに前記プロセスチャンバから取り外する工程と、
を備える方法。
請求項１０に記載の方法であって、
前記プロセス体積は、チャンバ頂板と基板サポートとの間に画定される、方法。
請求項１０に記載の方法であって、さらに、
前記複数のレーザ光収集器を、いずれも共通軸を共有することのないように方向付ける工程を備える方法。
請求項１０に記載の方法であって、
前記収集されたレーザ光を解析することは、前記プロセスチャンバ内部の粒子の分布を表す３−Ｄ画像を生成する工程を含む、方法。
請求項１３に記載の方法であって、
前記３−Ｄ画像は、粒子のサイズ情報を含む、方法。