JP7455756B2 - インライン粒子センサ - Google Patents

Description

半導体ウェーハの製造中には、ウェーハが露出する複数のツール及びプロセスがある。これらの各ステップ中には、ウェーハの表面上に微細粒子が堆積することが原因で、最終的な集積回路デバイスの歩留まりの低下を生じさせる可能性があるプロセス条件によって引き起こされ得る潜在的な欠陥がある。これが重要なのは、各ウェーハが数十又は数百でさえもの集積回路デバイスの回路を含む場合があり、１つのウェーハの損失が結果として何百ドル又は何千ドルにも値するスクラップを生み出し得るからである。少数の粒子でさえ、ウェーハの品質に悪影響を及ぼす可能性がある。よって、半導体ウェーハ処理の様々な段階の前及びその間に非常に感度の高い感知手段を用いて少量の微粒子を監視することが重要である。

一実施態様において、インライン粒子センサは、継手内に実装されるように構成されたセンサヘッドを含み、該センサヘッドは、感知体積を通るビームを発するように構成されたレーザ光源と、感知体積を通過する粒子から散乱されたレーザ光を検出するように配置された検出器とを含む。本インライン粒子センサは、センサヘッドに結合され、粒子を示す検出器からの信号を受け取るように構成された電子機器をさらに含む。電子機器は、検出された粒子の存在を示す出力を生成する。

別の実施態様において、インライン粒子センサシステムは、真空ポンプと、真空ポンプラインと、半導体ウェーハ・プロセスチャンバと、真空ポンプとウェーハ・プロセスチャンバとの間で真空ポンプラインに流体的に結合された継手とを含む。本インライン粒子センサシステムは、継手に結合され、センサシステムを用いて粒子の特性を感知し、粒子の特性を示すセンサ信号を生成するように構成されたインライン粒子センサと、センサ信号を受け取り、センサ信号に基づいて粒子出力を生成するように構成された、真空粒子センサに結合された電子機器とをさらに含む。

別の実施態様において、インライン粒子センサシステムは、プロセスチャンバと、プロセスチャンバに結合され、プロセスチャンバから真空ポンプライン中への流体流動を可能にするように構成された真空ポンプラインと、真空ポンプラインに結合された第１の真空ポンプと、真空ポンプラインに結合された第２の真空ポンプと、第１の真空ポンプと第２の真空ポンプとの間と、第１の真空ポンプ又は第２の真空ポンプのどちらかとプロセスチャンバとの間とで真空ポンプラインに流体的に結合された継手とを含む。本インライン粒子センサシステムは、継手に結合され、システム内で粒子の特性を感知し、特性を示すセンサ信号を生成するように構成されたインライン粒子センサと、センサ信号を受け取り、センサ信号に基づいて粒子出力を決定するように構成された、センサに結合された電子機器とをさらに含む。

本発明の一実施態様による半導体処理環境において動作するインライン粒子感知システムの構成要素の図である。 本発明の一実施態様によるインライン粒子センサの図である。 本発明の一実施態様によるインライン粒子センサの図である。 本発明の一実施態様によるインライン粒子センサの図である。 本発明の一実施態様によるインライン粒子センサのブロック図である。

半導体ウェーハプロセスは、多くの場合、プロセスチャンバ内部の粒子汚染に敏感である。微粒子はチャンバ内部の機械的要素から、又は他の発生源から生じ得る。以下で開示されるように、インライン粒子センサは、ユーザがメインチャンバ内又はポンプライン内を監視して、粒子がいつ生成されるかを確認できるようにする診断センサとして設けられる。センサ出力における粒子バースト又はその他の適切な検出パターンを手順におけるステップと相関させることにより、ユーザは問題をより容易かつ効果的に診断することができる。

１つの特に難しいプロセスが極端紫外線（ＥＵＶ）リソグラフィである。ＥＵＶでは、プラズマが、約１３．５ナノメートルの波長を有する光に変換される。この光は次いで、いくつかの反射鏡に当たって跳ね返り、ウェーハに作用する。ＥＵＶは、５ナノメートルスケールまでの処理を可能にすると考えられている。理解できるように、システムにおける粒子又は不純物の影響は、印刷される機構がより小型化するにつれて拡大される。ＥＵＶプロセス自体も、不要な微粒子の発生源となる可能性がある。

後述する実施態様は、一般に、真空システムの、メインチャンバ又は真空ポンプラインのうちの１つに挿入可能であるように構成された光学粒子センサを提供する。開示の実施態様の重要な態様には、センサを真空システムに挿入し、真空システムから除去する際の容易さ、センサがメインチャンバ内で生成された微粒子を潜在的に感知できるように、センサをポンプライン、特に低真空ポンプと高真空ポンプとの間のラインにどのようにして挿入できるか、感知領域におけるレーザビームの形状及び整列が、散乱光集光の配置と協調して、個々の粒子の検出をどのようにして最大化するか、並びに、センサが、高出力短波長の（青色やＵＶなどの）レーザを使用してより多くの粒子及びより小さい粒子をどのようにして感知できるかが含まれる。

図１は、本発明の一実施態様による半導体処理環境において動作するインライン粒子感知システムの構成要素の図である。図１に示されるように、インライン粒子センサ１００は、継手１０１に結合されており、真空ポンプライン１０２上でプロセスチャンバ１０４と真空ポンプ１０６との間に流体的に介在している。一実施態様では、ライン１０２はプロセスチャンバ１０４のための水素排気ラインである。１つの特定の例では、ライン１０２は水素排気を、圧力約１７Pa、流量約２．７３Pa m³／秒で運ぶ。一例では、ライン１０２は、直径約８５mmのパイプである。図示のように、インライン粒子センサ１００は、プロセスチャンバ１０４の外部、真空ポンプ１０６の前に位置する。しかしながら、センサがプロセスチャンバ１０４又はその他の適切な半導体処理ツール／環境に取り付けられる実施態様を実施することもできる。さらに、センサ１００を、高真空ポンプと低真空ポンプとの間の真空ライン上に流体的に介在させることもできる。別の実施態様では、インライン粒子センサは、低真空ポンプから大気までの排気ライン内に位置し得る。

センサ１００は、コントローラ１０８に通信可能に結合されている。コントローラ１０８は、センサ１００からの信号情報を収集し、その信号情報を格納してもよく、ライン１０２を流れる粒子に関する定性的情報及び／又は定量的情報を示す出力を提供するために信号情報を処理する。加えて、コントローラ１０８は、半導体ツール（プロセスチャンバ１０４など）に関する粒子流のより包括的な指示を取得するために、その他の排気ライン又は流体管路上に配置されたいくつかの追加のインライン粒子センサにも、物理的に又は無線で、接続されていてもよい。一例では、コントローラ１０８は、１２個の別々のインライン粒子センサ１００に接続するように構成される。これら追加のセンサは、異なるラインに結合されてもよく、かつ／又は複数のインライン粒子センサが同じライン１０２に結合されてもよい。そのような場合、複数のセンサは、流路の断面積の異なる領域で粒子を検出するように配置されたそれぞれの感知域を有し得る。例えば、第１の粒子センサはライン１０２内の流れ面積の第１の半分の大部分を感知し、第１のインライン粒子センサに近接して位置する第２のインライン粒子センサは、流れ面積の第２の半分の大部分を感知し得る。そのようなシステムは、単一のより大きくより複雑な感知構造を必要とせずに、ライン内の粒子存在のより完全な感知を可能にし得る。

図２は、本発明の一実施態様によるインライン粒子センサの図である。センサ１００は、標準ＫＦ５０クロス継手１２２などの標準継手内に収まるサイズ及び形状のレーザ感知ヘッド１２０を含む。継手１２２を、ステンレス鋼及びアルミニウムを含むがこれに限定されない任意の適切な材料で形成することができる。一実施態様では、感知ヘッド１２０は、実質的に継手１２２の脚１２４内に延在するように、長さ約１４０mmである。非常に小さい密度の気体中の不要な粒子がプロセス条件の不良を示す可能性があり、そのため可能な限り多くの気体及び粒子流を捕捉する感知体積を有することが不可欠である。一実施態様では、感知ヘッド１２０は、レーザ光源光学素子及び散乱光検出素子の固有の形状により、感知体積におけるレーザビーム「リボン」を、薄く、気体及び粒子流に対して大きな断面積のものになるように構成する。そのサイズについて、インライン粒子センサのこの光学ヘッドの配置は、他のタイプの環境のための粒子センサよりもはるかに大きい感知域を有する。例えば、一実施態様では、感知域は約６mm×６mmであり、インライン粒子センサが典型的な既存のセンサよりもポンプライン・チューブの大幅に大きい部分をサンプリングすることを可能にする。

ほぼ直交する気体及び粒子流方向と、レーザビーム伝播方向と、検出軸との固有の形状は、粒子流に対して提示される大きなリボン状の面積及び流れ方向の薄いレーザビームと組み合わされて、散乱光の効率的な集光も可能にし、単一粒子を検出する効率の改善をもたらす。レーザビームは大きな断面積のものであるが、粒子流の方向には薄いので、レーザビームを非常に高い強度レベルに維持することができ、これに対応して単一粒子からの散乱光信号の大きさも増す。粒子流方向の薄いレーザビームの広がりが小さいことの結果として短い幅の散乱光パルスも得られ、これにより、検出された散乱光パルスと、背景雑音源及び検出された粒子を示さないその他の信号とのより明確な区別が可能になる。

レーザ光の波長とほぼ同じサイズ及びこれより小さい、約０．５ミクロン（μm）以下の直径の粒子が、多くの場合、半導体ウェーハ処理の制御に最も重要である。それらの散乱特性が大部分の課題を提示する、レーザ波長の＜２０％の最小直径では、散乱断面は極めて急速に減少する。これらの粒子を確実に検出するためには、非常に高い強度を維持しながら可能な限り短いレーザ波長を使用することが不可欠である。一実施態様では、レーザ光源は、０．４５０μmの波長で動作し、最大３ワットまで出力する。検出できる散乱光の量は、主要な検出方向に対するレーザ偏光の向きに強く依存する。一実施態様では、主要な検出軸はレーザリボン平面内にあり、レーザ偏光方向はレーザリボンの平面に対して直角をなし、これにより主要な検出軸における散乱が最大になる。

図２に示される実施態様では、感知ヘッド１２０は、ケーブル１３０を介して電子機器筐体１２８に電気的に結合されたプリアンプ及びレーザドライバ回路を含む。筐体１２８内の電子機器は、感知ヘッド１２０内の（図２には示されていない）レーザ光源を駆動し、感知ヘッド１２０の感知域を通過する粒子の存在、サイズ、及び／又は量を検出するために、（図２には示されていない）光学検出器の電気的応答を監視することができる。さらに、筐体１２８内の電子機器は、（図１に示される）コントローラ１０８などのコントローラに電気的出力を提供するように構成される。これは、ケーブル結合された筐体を介して（図１に示されるような）コントローラ１０８に信号を送ることによってなされてもよく、又は公知のブルートゥースプロトコルやＷｉＦｉプロトコルなどの無線通信プロトコルを使用してなされてもよい。

図３は、本発明の一実施態様によるインライン粒子センサの図である。図３に示される実施態様は図２の実施態様と同様であり、同様の構成要素は同様に付番されている。インライン粒子センサ２００は、ＫＦ５０クロス継手１２２などの標準継手内に収まるように構成される。加えて、粒子をセンサ２００の感知域に流すために、センサ２００の上流に任意選択の流量制限器１２６を配置することもできる。センサ２００とセンサ１００との主要な差異は、センサ２００に必要とされるすべての電子機器がセンサヘッド２０１及びエンドキャップ２０２内に配置されていることである。エンドキャップ２０２は、一実施態様では、プラスチックなどのＲＦ透過性材料で形成され得る。さらに、エンドキャップ２０２は、電源（５ＶＤＣなど）がセンサヘッド２０１及びエンドキャップ２０２内の電子機器に結合することを可能にする電源入力ポートを含み得る。加えて、エンドキャップ２０２は、１つ又は複数のインジケータＬＥＤも含み得る。そのようなインジケータＬＥＤは、次のイベントに関する有用な情報を提供することができる：電源オン、レーザ稼働、粒子検出、及び／又は適切なトラブルシューティングコード。センサ２００は、電子的に、又はそれ以外に通信可能にコントローラ（コントローラ１０８など）に結合され得る。

図２及び図３に関して説明された実施態様のどちらでも、電気構成要素（電子機器、レーザ光源、及び検出器など）は、コネクタを流れる気体から密封及び隔離される。これはインラインセンサ、特に、半導体処理産業を支援するために動作するインラインセンサにとって重要な特徴である。

図４は、本発明の一実施態様によるインライン粒子センサの図である。センサ２００は、図３に示される継手１２２（ＫＦ５０クロスコネクタなど）ではなくＴ字形コネクタ２５０に結合されている。したがって、ここで説明される実施態様を、クイックフランジ、ＩＳＯ継手（ＩＳＯ６３など）、並びに５０mmより大又は小の継手を含むがこれに限定されない任意の適切なタイプ及び／又はサイズのコネクタ又はカプラを用いて実施することができる。実施態様は、一般に、真空システムを妨げることなく再較正又は修理のために容易に取り外すことができるインライン粒子センサを提供する。

図２、図３、及び図４に関して説明された実施態様では、センサは、継手、ポンプライン、及び／又はプロセスチャンバその他の適切な半導体処理ツール／環境に便利に結合及び分離され、よってセンサは、検査、修理、交換、較正、及び／又はその他の保守業務のためにシステムから個別に取り外され得る。加えて、電子機器はセンサ内に完全に収容されるか、又はセンサに外部から結合されるので、オペレータはより容易に電子機器にアクセスし、又はセンサと一緒に電子機器を取り外し得る。

図５は、本発明の一実施態様によるインライン粒子センサのブロック図である。センサ３００は、上述した実施態様のいずれかを含み得る。センサ３００は、電源モジュール３０１を含む。センサ３００が電池式の実施態様では、電源モジュール３０１は、充電式電池などの電池を含み得る。しかしながら、電源モジュール３００は、センサ３００のその他の構成要素に供給するために適切な電流制限及び電力調整回路も含む。別の実施態様では、電源モジュール３０１は、センサ３００に電気的に結合された外部電源、例えば、電源入力ポートを介してセンサ３００に結合された５ＶＤＣを含み得る。コントローラ３０２が、電源モジュール３０１、通信モジュール３０４、インターロック３０６、レーザ光源モジュール３０８及び検出モジュール３１０に結合されている。コントローラ３０２は、検出回路３１０から信号を受け取り、検出回路３１０からの信号に基づいて粒子を識別又はそうでなければ定量化し、通信モジュール３０４を介して出力を提供することができる任意の適切な論理又は回路を含み得る。一実施態様では、コントローラ３０２はマイクロプロセッサである。

光源３０８は、コントローラ３０２に電気的に結合されており、真空ライン中に照明を向けるように構成される。好ましくは、光源３０８は、青色－ＵＶ範囲内の波長（すなわち、約４８０nmまでのＵＶ波長）を有するレーザ照明を発生するように構成される。さらに、光源３０８は、比較的高出力のレーザ照明を提供するように構成される。一例では、この出力は、高出力青色レーザダイオードを使用する約３．５ワットである。しかしながら、出力電力が真空ライン内の粒子を気化させるのに十分ではない限りは、より高出力のレーザ照明を使用することができる。高出力電力が与えられる場合、センサ３００は、好ましくは、高出力レーザが真空ライン（ライン１０２など）内に安全に含まれるときにのみ稼働するようにするために、レーザインターロック３０６も含む。一実施態様では、レーザインターロックは、コントローラ３０２に結合された真空スイッチ又は圧力センサと一緒に作成され、十分な真空が存在するときにのみコントローラ３０２が光源３０８を稼働させるようにする。しかしながら、本発明の実施態様に従って他のタイプのインターロックを使用することもできる。そのようなインターロックには、手動スイッチ、手動カップリング、又は流路（ライン１０２など）内で安全に動作しているときにのみレーザが稼働することを確実にするように設計された任意の他の適切な手動若しくは自動の構造が含まれ得る。

センサ３００は、その他の電子機器３１２をさらに含む。電子機器３１２は、（例えば図２に示されるように）有線接続を介してセンサ３００に外部から結合されてもよく、又は（例えば図３及び図４に示されるように）センサ３００内に収容されていてもよい。電子機器３１２は、ＷｉＦｉ又はブルートゥース構成要素、追加電源、ディスプレイなどを含むがこれに限定されない、インライン粒子センサに必要又は有利な任意の数の電気構成要素を含み得る。

本発明を、好ましい実施態様を参照して説明したが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細に変更が加えられ得ることを認めるであろう。例えば、実施態様は真空センサに関して説明されているが、電子機器を感知域から隔離するという利点が与えられれば、実施態様は、気体が腐食性及び／又は毒性である非真空環境において用いられ得る。

Claims (15)

1. インライン粒子センサであって、
   継手のボア内に実装されるように構成された円筒形センサヘッドであって、レーザ光を真空ラインに発するように構成されたレーザ光源を含み、継手のボア内に実装されるように及び粒子によって散乱されたレーザ光を示す信号を提供するように構成された検出回路を含む前記センサヘッドと、
   前記センサヘッドに結合され、検出回路からの前記信号を受け取り、検出回路からの前記信号に基づいて粒子出力を提供するように構成された電子機器と
   を含む、インライン粒子センサ。
2. 散乱光検出の主要な軸が、粒子流の主要な方向とほぼ直交し、同時に主要なレーザ光方向とほぼ直交する、請求項１に記載のインライン粒子センサ。
3. 前記レーザ光源が真空ＵＶから約４８０nmまでの帯域内で１つ又は複数の波長を発する、請求項１に記載のインライン粒子センサ。
4. レーザインターロックをさらに含む、請求項１に記載のインライン粒子センサ。
5. 前記レーザインターロックが、選択された真空閾値より下で閉じるように構成された真空スイッチである、請求項４に記載のインライン粒子センサ。
6. 前記レーザインターロックが圧力センサを含む、請求項４に記載のインライン粒子センサ。
7. 継手のポートの一つに配置されるように構成された流量制限器をさらに含む、請求項１に記載のインライン粒子センサ。
8. 前記継手が真空ポンプとプロセスチャンバとの間で真空ポンプラインに結合される、請求項１に記載のインライン粒子センサ。
9. 前記継手が低圧真空ポンプと高圧真空ポンプとの間で真空ポンプラインに結合される、請求項１に記載のインライン粒子センサ。
10. 前記電子機器が前記センサヘッドに外部から結合される、請求項１に記載のインライン粒子センサ。
11. 前記電子機器が前記センサヘッド内に収容される、請求項１に記載のインライン粒子センサ。
12. インライン粒子センサシステムであって、
    真空ポンプと、
    真空ポンプラインと、
    プロセスチャンバと、
    前記真空ポンプと前記プロセスチャンバとの間で前記真空ポンプラインに流体的に結合された継手と、
    前記継手のボアに挿入され、前記センサシステム内の粒子の散乱光を感知するように構成されたインライン粒子センサであって、継手のボア内に実装されるように及び前記粒子の散乱光の存在を示すセンサ信号を提供するように構成された検出回路を含む前記インライン粒子センサと、
    前記センサ信号を受け取り、前記センサ信号に基づいて粒子出力を生成するように構成された前記インライン粒子センサに結合された電子機器と
    を含む、インライン粒子センサシステム。
13. 前記真空ポンプが第１の真空ポンプであり、低圧真空ポンプ又は高圧真空ポンプのどちらかを含む、請求項１２に記載のインライン粒子センサシステム。
14. 前記インライン粒子センサが、ＵＶから約４８０nmまでの波長でレーザを発するように構成されたレーザ光源を含む、請求項１２に記載のインライン粒子センサシステム。
15. 第２の継手に結合された第２のインライン粒子センサをさらに含み、前記第２の継手が前記真空ポンプと前記プロセスチャンバとの間で前記真空ポンプラインに流体的に結合される、請求項１２に記載のインライン粒子センサシステム。

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