JPH0235334A - 低圧力環境内の極めて小さな粒子を検知する方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は低圧力環境または真空内において極めて小さな
粒子を検知する方式及び方法に関するものであって、特
に半導体ウェハ製造において使用されるこのような方式
及び方法に関するものである。

従来技術 半導体ウェハの製造プロセスは、粒子〆９染に基づいて
歩留りの損失を発生することがある。ウェハプロセスの
期間中にウェハの表面上に落下する浮遊粒子は、パター
ン及び（＝１着形成した層内に欠陥を発生させることか
あり、そのことは装置の欠陥につながる。このような浮
遊粒子の主要な発生源は、絶縁層及び導電層の（＝Ｊ着
形成や、パターンのプラスマエッチング、微細パターン
の電子ビーム書き込み、ウェハ表面内へのドーパントの
イオン注入、及びホトレジスト グ即ち乾燥剥離なとの処理ステップにおいて使用される
真空処理装置である。

処理装置内に存在するこのような汚染粒子は、１００Ａ
未満のものから数μｍの直径を持った範囲のものにわた
っている。このような汚染粒子の典型的な発生源として
は、ウェハを取り扱っている間に発生するウェハからの
断片，装置内の化学反応、及び処理装置の壁からの物質
の破片などがある。パターンの最も小さな幾何学的形状
の十分の１の司法よりも大きな粒子は、製造中のウェハ
に欠陥を発生する可能性があるので、通常、問題のある
ものである。例えば、１メガビットダイナミックランダ
ムアクセスメモリー（ＤＲＡＭ）は、１μｍラインを使
用するので、０，１μｍの粒子が問題となりつる。また
、１６メガビツｌ−　Ｄ　Ｒ　ＡＭは０．５μｍライン
を使用するので、０．０５μｍの粒子が問題となりうる
。

真空処理装置内においてこのように小さな粒子をモニタ
することが可能であり、今［−１人手することが可能な
知られている唯一の手段は、それらの粒子をプレートま
たはウェハ」二に回収し、その回収プレートを走査型電
子顕微鏡でスキャンするものである。これは、非常に厄
介で月っ時間の係る手順であり、またオフライン測定で
あって、非常に高価な装置を必要とする。問題が発生し
たときにその問題を検知し、処理中のウェハに対して重
大な損傷が発生する前に問題を解決することが望ましい
ので実時間自動測定が好適である。

真空中で０．　　５μｍ以上の直径を持った粒子をモニ
タし、旧つ空気中において０．５μｍよりももっと小さ
な極めて小さい粒子をモニタするための実時間技術が存
在している。真空系において粒子をモニタするための実
時間システムは、本願出願人に譲渡されており発明者Ｐ
，　　　Ｂｏｒｄｅｎなどによって発明された米国特許
出願第０７１０４１．．７９５号、「小型粒子束モニタ
（Ａ　　Ｃ。

ｍｐａｃｔ　　ＰａｒｔｉｃΩｅ　　Ｆ、Ｑｕｘ　　Ｍ
。

ｎ１ｔｏｒ）Ｊに記載されている。この粒子束モニタは
、空中に光のネットを形成するための光学系を使用して
いる。粒子かこのネットを通過すると、粒子は光を光検
知器へ散乱させる。この技術は０．５μｍ以下の＝Ｊ法
の粒子に対しては適用することかできない。なぜならば
、これらの小さな粒子は光の波長と比較して小さくなる
ので、散乱を検知するのには小さくなり過ぎるからであ
る。

小さな粒子をモニタするためのその他の技術、例えば空
気中に浮遊する粒子のカウンター及び凝縮核カウンター
（ＣＮＣ）を使用することは出来ない。なぜならば、こ
れらの技術は、浮遊粒子を有する空気を測定区域内へ引
込むために吸引を使用するからである。この吸引は、真
空系に対して適用することは出来ない。

ＣＮＣは極めて小さな粒子、即ち直径が最低で０．０１
μｍの粒子を検出することが可能である。

このカウンターについての説明は、Ｗｉ、ＱΩｉａｍ　
　Ｃ，Ｈｉｎｄｓ著の（エアロゾル技術）Ａｅｒｏｓｏ
（ｌ　　Ｔｅｃｈｎｏ、ｌ）ｏｇｙ）Ｊ、　　ジョンワ
イリーアンドザンス出版社、１，９８２，１３゜６章、
の文献に記載されている。操作中に、この装置は飽和管
を介して空気を通過させて、空気をアルコール蒸気で飽
和させる。次いで、その空気を冷却させ、且つ過飽和状
態とさせて、該アルコルを核形成の場所として作用する
空気中に浮遊する粒子上に凝縮させる。該粒子は、通常
の光散乱技術を使用してカウントすることが可能である
ような寸法に成長する。

Ａ、　　Ｒｏｔｈ著の「真空技術（Ｖａｃｕｕｍ　　Ｔ
ｅｃｈｎｏＪ）ｏｇｙ）ｊ　、ノウスホランドフィジッ
クス出版社、第２改訂版、１９８２．５゜３章、の文献
に記載されている如く、従来技術の真空技術は、拡散及
びエジェクションの原理を使用する上記ブースターポン
プを使用する。ポンプは、特別の油の蒸気の流れを形成
することによって動作する。ガス分子がこの流れの中に
捕獲され、１１つ搬送されて、ポンプ作用が行われる。

このポンプ作用を維持しなからその蒸気の流れは過飽和
状態とされる。この流れの中に捕獲された非常に小さな
粒子は、油蒸気に対して核形成の場所として作用し、直
径が数μｍの液滴に迅速に成長する。

これらの大きな液滴は光散乱を使用して検知することか
可能である。

しかしなから、従来技術は、真空乃至は低圧力の環境に
おいて極めて小さな粒子を検知する手段を提供するもの
ではない。

「１的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、」二
連した如き従来技術の欠点を解消し、低圧力環境におい
て実時間で極めて小さな粒子をモニタする装置及び方法
を提供することを目的とする。

構成 本発明によれば、低圧力環境において極めて小さな粒子
を実時間で検知するための装置及び方法が提１１．Ｈさ
れる。このような装置は、液体蒸気を発生ずるだめの蒸
気カラムと、該蒸気が冷却され旧つ過飽和状態とされる
飽和カラムと、該蒸気カラムから該飽和カラム内へ該蒸
気をυ１出させるためのノズルと、前記冷却され且つ過
飽和状態とされた蒸気の液滴が光ビームを介して落下す
る際にその液滴をカウント（計数）するための光学的検
知器とを有している。

実施例 第１図を参照すると、本発明の一実施例に基づいて構成
された極めて小さな粒子を検知するためのシステム乃至
は装置が示されており、それは蒸気カラム３を有してお
り、カラム３はその底部に配設されており油を貯留する
貯留部２を有している。この浦は、好適には、当該技術
において公知のフォンブリン（ＦｏｍｂΩ１ｎ）４２５
／９拡散油である。

操作中において、ヒータ１が該油を蒸発させる温度に加
熱する。その油蒸気は蒸気カラム３の中を上昇し」］っ
ノズル４を介して飽和カラム５内へ下方向へ指向される
。この飽和カラムは例えば銅または真鍮の如き熱伝導性
物質がら構成されておリ、且つその外部には水冷却管乃
至はコイル６が半ｍ　（＝Ｉけされている。このように
、飽和カラム乃至は管５の温度は蒸気カラム３の温度よ
りも低くさせることか可能であり、従って該油蒸気がこ
の飽和カラム［）旧こおいて過飽和状態とされる。飽和
カラムの壁は低温状態にあるので、そのことも前記蒸気
を凝縮させることを可能とする。凝縮された浦は浦帰還
導管７を介して油貯留部２へ帰還する。ノズル４からの
油蒸気の下方向へのスプレィは、飽和カラム５内におい
てポンプ作用を起させる。

非常に低圧力のノ７スをサンプルするために真空室］３
内にサンプルプローブ］２が嵌合して設けられている。

飽和カラム５内へのポンプ作用によって低圧力ガスか浮
遊した粒子をともなって吸弓される。冷却用コイル６が
サンプルプローブ］２の位置まで延在しており、油蒸気
の凝縮を起させることを可能とし、従って油蒸気が逆流
し真空室１３をｌη染することを防止している。

回転ベーンポンプなどの真空ポンプ（不図示）がポート
８において拡散ポンプ核カウンター（ＤＰＮＣ）と接続
している。適切に機能させるためにＤＰＮＣのバックグ
ラウンド圧力を約１．　ＯＯミリト−ルへ低下させねば
ならないので、このポンプのＤＰＮＣへの接続が必要と
される。これより高い圧力においては、ポンプ油を燃焼
させる危険性かあり、ポンプ作用は実効性を失う。バル
ブ１０は、ＤＰＮＣを真空室１３から分離する作用をし
ており、従って真空室を大気圧へ排気させることが可能
である。バルブ９は、回転ベーンポンプが油蒸気を除去
する速度を制御し、月っバルブ１］は蒸気をノスル４を
介して排出させる速度を制御する。

油滴が飽和管５内を落下する際にその油滴を検出するた
めに使用される光学系が飽和管の底部近くに位置されて
いる。窓１．４　Ａを介してレーザビームが飽和管内に
入射される。レーザ発生源］５及びレンズ１６によって
コリメーＩ・された光ビームが形成される。このレーザ
１５は、典型的には、ＡρＧａＡｓレーザダイオードで
あって、７８０１　］ ナノメータの波長において１０ミリワットパワーを有し
ている。前記窓の光軸から実質的に対称的な位置に配設
された反対側の窓］−４Ｂ上にホトセル１７が装着され
ている。これらの窓は、飽和管５内に多少凹設されてお
り、従って飽和管の内側の壁に沿って下方向に流れる浦
によってこれらの窓がコーティングされることがない。

前記ホＩ・セルは、レーザビームを介して通過する油滴
によって散乱された光を回収する。このレーザビームは
、典型的には、楕円形状をしており、約０．　５ｃｍの
幅及び０．３ｃｍの厚さである。このＤＰＮＣは、最低
で約１０−６１−−ルまで動作する真空系において使用
することが可能である。この圧力よりも低い圧力におい
ては、拡散ポンプ原理はその実効性を失い、旧つ少量の
油蒸気か真空室内に逆流する場合がある。

粒子がサンプルされる方法は真空室圧力の関数である。

第２図は、圧力の関数として種々の寸法の粒子が１メー
トル落下するのにかかる時間を示している。第２図は、
種々の゛１′、導体製造プロセスで使用する圧力を示し
ている。スパッタリング、イオン注入、メタル蒸着、電
子ビームリソグラフィーなどのプロセスに対して、圧力
は非常に低く、非常に小さな粒子であっても極めて迅速
に落下する。これらのシステムの場合、サンプルプロー
ブ］２は実質的に垂直であり、旧っ飽和カラム５はその
直下に位置されている。プラズマエツチングやＣＶＤな
とのようなあるプロセスにおいては、層高い圧力で操作
が行なわれ、その場合には、０．０１乃至０゜１μｍの
直径の範囲の寸法を持った粒子は非常にゆっくりと落下
し、ガスの流れによって浮遊状態とされる。これらの場
合においては、サンプルプローブは垂直とすることは必
要ではなく、それを飽和カラム５へ接続するラインは、
ＤＰＮＣの性能に悪影響を与えることなしに曲折させる
ことが可能である。

ＤＰＮＣ用に使用する典型的な拡散ポンプ油はフォンブ
リン（ＦｏｍｂＪ）ｉ　ｎ）４２５／９である。この油
は、非常に低い蒸気圧、約２５℃において５−８１・−
ルを持っており、それは非常に高い分子量である２６０
０をもっている。また、それは、゛ｉ′導体製造プロセ
スにおいてしばしば使用される弗素及び塩素なとのハラ
イドに対して不活性である。この浦は非常に高い分子量
を持っているので、均一な核形成を行なうことはない。

本発明において使用されるプロセス即ち方法は、粒子が
核形成の場所として作用することなしに液滴を形成する
ことを可能としている。ケルビンの方程式は均一な積形
性か発生ずることか可能な圧力を以下の如＜Ｊｊえてい
る。

なお、ｐ３は蒸気圧、γは油の表面張力、Ｍρ、ｄ★は
それぞれ分子量、密度及び分子寸法である。Ｒは理想的
なガス定数であり、Ｔは温度である。Ｆｏｍｂ、Ｑ　ｉ
ｎ　　４２５／９の場合、この方程式の指数はほぼ２０
０であり、従って均一な核形成か発生ずる可能性はない
。

液滴か発生する速度は以下の式によって与えられる。

δｄ　　　　　　　　　　２Ｍｐ δｊ　　　　　ρＮ、　　　２ｙｒｍｋＴなお、ｐはバ
ックグラウンド圧力即ち背圧であり、Ｎ８はアボガドロ
数であり、ｒｎは蒸気分子の質量であり、ｋはボルツマ
ン定数である。バックグラウンド圧力が５０ミリト−ル
の場合、この速度は約１００μｍ／秒である。容易に検
知することが可能な寸法である約１０μｍに粒子が成長
するためには、それは単に０．１秒たけ本システム内に
存在しておればよい。重力の影響下において落下するの
に十分な大きさに液滴か迅速に成長すると仮定した場合
、それは約５ｃｍたけ落下することを必要とし、その場
合に１ｍ／秒の速度に到達し、１０μｍの寸法に成長す
る。この計算によって、飽和カラムの最小寸法が決定さ
れる。しかしながら、光学系に到達する前に油蒸気が適
切に凝縮することを可能とするために、飽和カラムの長
さを例えば２０乃至３０ｃｍたけ長くさせることが望ま
しい。このようにカラムを長くすることによって前記窓
の上で油の凝縮が発生することを］　５ 防止することが可能となり、そのような凝縮が窓の」二
で発生した場合には光学的性能に悪影響を与えることと
なる。

」二連した如く、本発明によれば、低圧力環境において
非常に小さな粒子を検知するための新規な方式及び方法
が提供されている。本発明方式及び方法は、半導体ウェ
ハの処理中において、偶然発生する粒子及び汚染物を実
時間で検知することを可能とする利点を与えるものであ
る。

以上、本発明の具体的実施の対応について詳細に説明し
たか、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
ではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種
々の変型か可能であることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に基づいて構成された粒子
検知システムを示した概略図、第２図は所定の圧力範囲
にわたっての異なった月決の粒子に対しての重力による
落下速度を表す一連の曲線Ａ乃至Ｂを示したグラフ図、
である。 （符号の説明） １：ヒータ ２：油貯留部 ３：蒸気カラム ４：ノズル ５：飽和カラム ６；冷却コイル ７：油帰還導管 ８：ポート ９．１０，１．１　＋バルブ １−２：サンプルプローブ １３：真空室 １４：窓 １５：レーザ発生源 １７：ホトセル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、低圧力環境において極めて小さな粒子を検知する方
   式において、飽和カラム、液体蒸気を冷却させ且つ過飽
   和させることにより前記カラム内に液滴を形成する手段
   、液滴が粒子の回りに成長するように前記飽和カラム内
   に前記低圧環境から検知されるべき極めて小さな粒子を
   含有するガスサンプルを指向させる手段、前記カラムに
   隣接して配設されており前記液滴が前記カラム内を落下
   する際に前記液滴を検知するための光学検知手段、を有
   することを特徴とする方式。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記飽和カラムに
   結合されており前記液体蒸気を冷却するための冷却手段
   を有することを特徴とする方式。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記液滴が拡散ポ
   ンプ油から形成されることを特徴とする方式。 ４、特許請求の範囲第３項において、蒸気カラムと、前
   記カラム内に配設した油溜めと、油を蒸発させて前記液
   滴を形成するためのヒータとを有することを特徴とする
   方式。 ５、特許請求の範囲第４項において、蒸発させるべき油
   をリサイクルさせるために前記飽和カラムと前記油溜め
   との間に接続させた油帰還導管を有することを特徴とす
   る方式。 ６、特許請求の範囲第１項において、前記方式内を所定
   の低圧力に維持するために前記飽和カラムに結合した真
   空ポンプを有することを特徴とする方式。 ７、特許請求の範囲第６項において、前記圧力が１００
   ミリトール未満であることを特徴とする方式。 ８、特許請求の範囲第１項において、前記光学検知手段
   が、レーザと、前記飽和カラムを介してコリメートさせ
   た光ビームを指向させるレンズとを有することを特徴と
   する方式。 ９、特許請求の範囲第８項において、前記ビームを介し
   て落下する粒子を持った液滴に前記ビームが入射するこ
   とによって発生する散乱光を受光するために前記飽和カ
   ラムに隣接して位置させた光検知手段を有することを特
   徴とする方式。 １０、特許請求の範囲第９項において、前記ビームを前
   記光検知手段へ通過することを可能とするために前記飽
   和カラム内に形成した離隔した窓を有することを特徴と
   する方式。 １１、特許請求の範囲第１項において、前記指向手段が
   、前記蒸気カラムから前記飽和カラムへ蒸発させた液体
   を通過させるためのノズルを有することを特徴とする方
   式。 １２、実時間で低圧力環境において極めて小さな粒子を
   検知する方法において、加熱することにより拡散ポンプ
   油から油蒸気を形成し、前記油蒸気を冷却させ且つ過飽
   和状態とさせて油液滴を形成し、サンプルすべき低圧力
   ガスを前記液滴と混合させて前記液滴を前記ガス内に浮
   遊する粒子の回りに成長させ、このような粒子を包含す
   る成長した液滴が検知システムを通過して落下する際に
   該成長した液滴を検知する、上記各ステップを有するこ
   とを特徴とする方法。 １３、特許請求の範囲第１２項において、前記検知を行
   なうステップが、コリメートさせたレーザビームを発生
   させるステップと、且つ前記粒子を有する液滴を光学的
   に検知するステップとを有することを特徴とする方法。