JPH07123120B2 - 半導体基板の反射面への入射光ビームを垂直化する装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は半導体装置の製造に使われる設備
に関する。特に、本発明は半導体製造装置において半導
体基板（ウェーハー）面への光ビームを垂直化する方法
及び装置に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】半導体ウェーハーにパターン
をエッチングするプロセスは、装置の形状が小さくなる
に従って益々重要になる。エッチングの速度及び深さの
制御は、最新の集積回路の製造に絶対に欠くことが出来
ない。エッチングを制御するのに使われる技術は、特に
エッチングの深さ、エッチング液流量減少及びチャンバ
浄化サイクルを行うのに要する時間を考慮して、プロセ
スの終点（即ち、エッチング・サイクルを終わらせるべ
き点）を検出することに依存している。

【０００３】現在使われている種類の終点検出システ
ム、エッチング速度モニター、又はエッチング深さコン
トローラが図１に示されている。このシステムは、コヒ
ーレントな平行光源を含むが、これは一般的にはヘリウ
ム・ネオン（ＨｅＮｅ）レーザー、ヘリウム・カドミウ
ム（ＨｅＣｄ）レーザー、又はその他の同様の光ビーム
の光源（レーザー光源）である。光ビームは、ビーム拡
大器（ＨｅＮｅレーザーの場合）を含む、光学素子列３
０を通してウェーハー面１８へ投射される。ダイスの大
きな部分が覆われることになるように、該ビームは６mm
程度の幅である。半導体ダイスの形状により、ビームの
幅は増減され得る。シリコン・ウェーハーの表面の諸部
分は高度に反射性であるので、若しビームが垂直入射で
あればゼロ次反射は光源へ向けて反射されることにな
る。

【０００４】ウェーハー面にエッチングされる種々のパ
ターンの深さが増すに従って、光ビームの一部が散乱さ
れて、反射された光ビーム中に回折又は干渉のパターン
を生じさせ、これは、集光検出装置１１によって別々に
検出されてコンピューター処理されてエッチングの速度
及び深さを指示し、これからエッチング・プロセスの終
点を制御するために信号が導出される。

【０００５】特に、サブミクロン形状を使って装置を製
造するときには、上記の種類の回折レーザー・エッチン
グ速度モニターにおいてコヒーレントな光ビームがウェ
ーハー面に対して垂直（即ち９０゜）になっていること
が不可欠である。ゼロ次反射ビームが照明ビームと一致
するか否か判定するために１片の紙を照明光ビームの外
辺に手で入れることによって、その様な垂直化を行うこ
とが当該技術分野で知られている。このとき、ウェーハ
ーに対する光ビームの光源の角度関係を位置決めし直す
ことによって入射角度が垂直に補正される。

【０００６】光ビーム垂直化を行うための他の公知の技
術は、光源とゼロ次の復帰ビームとの一致を該ターゲッ
ト上で観察し得る様にビーム・スプリッターを光ビーム
経路中に置いてターゲットを該ビーム・スプリッターの
一照明経路に配置する。このとき、入射角を垂直に補正
するための調整を上記の様にして行うことが出来る。

【０００７】光ビームと反射ウェーハー面との間の垂直
入射角を得るための公知のこの様な技術には特別の問題
がある。紙片を使うと、調整を行っている技術者が危険
な光ビームにさらされて、技術者の眼に重大な損傷が生
ずる結果となり得る。紙は手で保持されるので、調整
は、良くても非常に大雑把であって、サブミクロン装置
構造のためには不十分である。もっと重要なことは、操
作技術者が通常はエッチング速度モニターの構成に精通
しておらず、しかも、関連する現象を理解していないこ
とであるけれども、簡単な較正ステップを行えるように
技術者を教育することは容易である。

【０００８】ビーム・スプリッターとターゲットとを使
うと、紙片を使う代表的調整手順よりは精密な結果を得
ることが出来るけれども、光ビームのパワーが減衰する
ことになる。よって、もっと強力で高価な光ビームの光
源をエッチング・モニター装置に組み込むように設計し
なければならない。この大パワー・レベルは、技術者を
傷つける可能性を増大させると共にデリケートな半導体
装置構造をも損傷させる可能性がある。また、ビーム・
スプリッターはビーム偏光特性を変化させて、望ましく
ないビーム歪みを生じさせる。

【０００９】

【発明の概要】本発明は、光ビームと、シリコン・ウェ
ーハーなどの反射面との間の垂直入射角を得るための装
置及び方法を提供する。回折レーザー・エッチング速度
モニター及びエッチング深度制御システムに適用される
ときには、本発明は、光ビーム対ウェーハー面垂直化を
行うためにピンホールを備えたミラーを照明光ビーム経
路に導入する。

【００１０】本発明の典型的な実施例では、ミラーはレ
ーザー経路中へ移動される。ミラーの背面は、ピンホー
ルを通るビームの部分を除いて、照明ビームを遮る。光
路がウェーハー面に対して完全に垂直であるならば、光
ビームからピンホールを通過する光の殆どがウェーハー
面からピンホールを通して反射される。若し光経路がウ
ェーハー面に対して完全には垂直でなければ、ビームは
ウェーハー面からミラーへ反射され、ミラー面からター
ゲット上へ反射され、ここでビームは垂直入射角を得る
目的で安全に観察され得る。

【００１１】アライメントが必要に応じて行われ、この
ときミラーは照明経路外へ移動される。この様にして、
技術者が光ビームに被爆することが少なくなり、ビーム
／ウェーハー入射角の精密調整が可能となり、光ビーム
のパワー減衰が無くなる。

【００１２】

【実施例】本発明は、この明細書と関連させて図面を参
照すれば最も良く理解できる。光ビームと反射面との間
の垂直入射角を得る方法及び装置が開示されている。本
発明は、上記の種類のエッチング速度モニター・システ
ムを伴う反応チャンバに用いるべきものであり、ここで
ウェーハーのエッチングの速度及び深さの精密な制御は
半導体装置の製造において必要なステップである。

【００１３】図１は、ウェーハーをエッチングするプロ
セス中に半導体ウェーハーの表面１８によりビームが回
折されるときに光ビーム１３の干渉又は散乱のパターン
を検出する集光検出装置１１を示す。光ビームの光源１
２により生じた光ビームは光学素子列３０により隔離さ
れて集束されるが、この光学素子列は平行化光学素子及
び／又は拡大光学素子を含む得るものである。ビーム１
３は、第１のステアリング・ミラー１４から第２のステ
アリング・ミラー３６を介して第３のステアリング・ミ
ラー１６へ反射され、更に反応チャンバ蓋窓１７を通し
てウェーハー面へ進む。図１に示されている特定の光学
構成は、例示を目的とするものである。本発明の範囲か
ら逸脱することなく、希望に応じて他の光学経路を設け
ることも出来る。例えば、反応チャンバ蓋窓１７からの
反射が無くなり、従って本発明の作動中に（以下に一層
詳しく説明するように）ターゲット上にゴースト・イメ
ージが生じなくなるように、該反応チャンバ蓋窓を傾斜
させることが出来る。

【００１４】光学素子列３０は、光絶縁素子も包含し得
るものである。その様な素子は、ウェーハー面から光源
へ逆に反射されるビームの部分が実際には光源に到達し
ないことを保証するために必要である。さもなければ、
光源が損傷する可能性がある。図１に装置１０／制御ロ
ッド１９として示されている本発明は、光ビームとウェ
ーハー面との間の入射角の精密な調整を可能にするもの
である。本発明の好ましい実施例では、光ビーム１３が
ウェーハー面に対して垂直となるように、その様な調整
がウェーハー面１８の平面に対するターンテーブル２８
のように、その様な調整がウェーハー面１８の平面に対
するターンテーブル２８の相対的な位置に関して行われ
る。

【００１５】ターンテーブル２８は、集光検出装置１１
と光ビームの光源１２／光学素子列３０との両方を乗せ
ている。ウェーハー面の平面に対するターンテーブル２
８の平面の調整は、調整／水平化装置３２ａ／３２ｂの
相互作用により達成される。その装置は、ターンテーブ
ルを螺子山付きポストの軸に沿って徐々に傾斜させるこ
とによりターンテーブル位置決め点から１本以上の軸の
回りのターンテーブルの微調整を行う種類の装置であ
る。よって、ターンテーブルの平面全体をウェーハー面
に対して相対的に精密に調整することが出来る。検出光
学装置は、光ビーム及びウェーハー面の間の垂直入射角
を得るためのターンテーブルの調整に固有の運動が集光
検出装置１１の焦点に影響を与えないこととなる様に充
分な焦点深度を持つ様に設計されている。

【００１６】本発明においては、調整装置は好ましくは
解除可能にロック出来る種類の装置である。当該技術分
野では他の種々の調整／水平化装置が知られており、本
発明はその様な装置の中の如何なるものとも用い得るも
のである。図２及び図３は、本発明の好ましい実施例の
詳細な断面側面図である。経路１３に沿って伝播する光
ビームは、第１ステアリング・ミラー１４の表面から第
２ステアリング・ミラー３６の表面へ反射され、次に第
３ステアリング・ミラー１６へ、次に下方へ（理想的に
は９０゜で）ウェーハー面（図示せず）へ反射される。
その角度の調整を補助するために、本発明は回転可能な
ミラー２０（２０ａ）を包含しており、このミラーは、
制御ロッド１９の操作によって、光ビーム及びウェーハ
ー面の間の垂直入射角を達成する目的で該回転可能ミラ
ーが光ビーム経路１３内に挿入されることになる第１位
置（図２参照）と、集光検出装置１１を自由に正常に操
作することを可能にする該光ビーム経路の外側の第２位
置（図３参照）との間を移動することが出来る。

【００１７】該回転可能ミラーが垂直化のために光ビー
ムの経路内へ挿入されるときに該回転可能ミラーの移動
が制限されることとなるように調整可能なストッパ（図
示せず）を含めることが出来る。そのストッパの調整
は、エッチング検出装置の光路全体の工場アライメント
の一部である。その様な工場アライメントは、ビーム経
路に沿っての精密なビーム伝播を保証するための反射性
ステアリング・ミラー及び光ビームの光源のアライメン
トをも含む得る。

【００１８】ミラー２０は、数字２０で指示されるその
第１位置（垂直化）と、数字２０ａで指示されるその第
２位置（通常エッチング速度モニター動作）とに示され
ている。本発明の好ましい実施例では、回転可能ミラー
２０は制御ロッド１９の操作によって、これら２つの位
置の間を移動可能であり、このロッドは、ピボット２５
（２５ａ）と、引っ張りコイルばね２９等のカップリン
グと、リンク２９ａと、第２ピボット２７とを含んでお
り、この第２ピボットは、ミラー／ピボット２４にクラ
ンプされているレバー３８に結合されている。制御ロッ
ド１９は、回転可能ミラーの滑らかで落ち着いた運動を
保証するガイド又はブシュ３７内で軸方向に運動する。
ミラー／ピボット２４の対向エッジは、垂直入射角を求
めて調整を行うための前記第１位置と、その調整の完了
後の前記第２位置との間で該回転可能ミラーをその周囲
に回転させることのできる軸を提供する。

【００１９】該回転可能ミラーを光ビーム経路外の前記
第２位置に維持するためには、ばね２３などのバイアス
が設けられている。よって、作動時には、技術者は垂直
入射角の調整中、制御ロッド１９に上向きの緊張を維持
しなければならない。制御ロッド１９を解放すると、回
転可能ミラー２０は、その第２位置へ戻る。この特徴
は、その様な調整が完了した後に回転可能ミラー２０が
偶発的に光ビーム経路内に留まらないことを保証する。
ミラー２０は、図に矢印で示されている様に技術者が制
御ロッド１９に力を作用させることにより光ビーム経路
１３内に維持される。

【００２０】本発明の作用は、図４及び図５を参照する
ことで最も良く理解される。図４において、光ビームの
光源１２はビーム１３を生じさせ、このビームは回転可
能ミラー２０に形成されたピンホール２２を通してステ
アリング・ミラー１４の表面から反射される。このピン
ホールは、２つの機能、即ち、以下に一層詳しく説明す
るようにビームの戻り経路の標的を決めること、及び、
約６mm（0.２４”）の広いビームを約1.３mm（0.０
５”）の幅に狭くすること、に役立つ。前記のビーム幅
は、ＨｅＮｅレーザー（光ビーム）光源については典型
的な幅である。使用される光源に適切な他のビーム幅と
することも出来る。

【００２１】該ピンホールは、その内面が、光源光路及
び戻り光路と、ターゲットへの反射経路との両方と同軸
となる様に機械加工されている。本発明の好ましい実施
例では、これは、ピンホールが形成されるときにピンホ
ールを両方の軸に沿って穿孔することにより達成され
る。本発明の他の実施例では、ピンホールのサイズは、
ターゲットに当たる反射した光ビームの量を調節するた
めに調整され得る。その様な調整は、ターゲットに当た
る光の量を変えることを可能にする。よって、出力の弱
い光ビームや、或いは非常に明るい環境では、ターゲッ
トを照明する光路に、より多量の光を送り込むことが出
来る。逆に、弱い光エネルギーが望ましい場合には、ビ
ームの幅を適宜狭めることが出来る。ピンホールのサイ
ズを、調整可能な絞りによって得ることが出来る。本発
明の他の実施例では、発散度、即ちミラー１４からの反
射光の量をチェックするために平行ビームの周囲付近を
含めて、複数のピンホールを設けることが出来る。

【００２２】ビームの最初の幅は、非垂直システムにお
いてウェーハー面からのビームの反射をターゲットに向
けると、ターゲット上に大きな照明領域が生じることと
なるような幅であるので、光路にピンホールを導入する
ことは重要である。ウェーハーへのビームの垂直化を行
うのに必要な微調整は、ターゲット領域の大きな部分が
照明されているときには技術者には容易には検出出来な
い。また、技術者は、ウェーハー面に対するビームの実
際の角度関係を歪めるかもしれない外辺効果（fringing
effects）を観察しているであろう。ビームを狭めれ
ば、それらの効果は無くなる。最後に、ビームがその全
幅で使用されたならば、技術者と大量の危険な光ビーム
にさらされることになる。

【００２３】ピンホールを光路に導入すればビームが狭
まり、従って小さな照明領域がターゲットとされること
になる。ウェーハーに対するビームの角度関係の微細な
変化は、被照明領域のターゲットに対する相対的運動
を、その様な領域が小さいときには、一層顕著にする。
よって、ウェーハーに対するビームの関係の調整は、技
術者によって、より容易に検出され、これにより垂直入
射角への調整が容易になる。ビームの幅が減少すれば、
光源の全出力に対する技術者の被曝も減少する。この様
にして、垂直化操作が一層精密となり、且つ危険が少な
くなる。

【００２４】ピンホール２２は、ビーム１３ａが図示の
回路に沿ってステアリング・ミラー１６へ進むのを許
す。ビームは、ステアリング・ミラー１６の表面からウ
ェーハー面１８へ反射される。若しウェーハー面がビー
ム１３ａに対して垂直であるならば、ビームはステアリ
ング・ミラー１６へ反射され、ピンホール２２を通して
ステアリング・ミラー１４へ、更に光ビームの光源１２
へ向かって進む。

【００２５】非垂直ウェーハー面１８ａも図４に示され
ている。ビーム１３ａは、ステアリング・ミラー１６か
らウェーハー面１８ａへ反射される。ビーム１３ａはウ
ェーハー面１８ａに対して垂直ではないので、戻りビー
ム１５ａはステアリング・ミラー１６の表面から回転可
能ミラー２０の表面へと反射されるが、ピンホール２２
を通らない。ビーム１５ａは回転可能ミラー２０（ビー
ムの戻り経路においてのみ反射性となる様に、これをコ
ーティングすることが出来る）の表面からターゲット２
６へ反射され、このターゲットにおいて該ビームは技術
者により観察され得る。

【００２６】ターゲット２６は、本発明の好ましい実施
例では、艶消し／拡散及びフィルター材料の複合物であ
って、有害な紫外線又は赤外線のレーザー・エネルギー
がそれを透過して、ターゲットを観察している技術者を
傷つけずにビーム１５ａがターゲットを照明する様にな
っている。本発明の他の実施例では、ターゲットは電子
検出器又はその他の検出装置又は指示装置であり得る。

【００２７】ターンテーブル２８の適切な調整は、ター
ゲット２６を観察している間に行われる。入射角が光ビ
ームとウェーハー面との間で垂直であるときには、戻り
ビームは経路１３ａをたどってピンホール２２を通り、
光ビームの光源１２へ向かうが、ターゲット２６上には
最早明るく照明されたスポットは無くて、小さなコロナ
効果があるに過ぎない。

【００２８】図５は、本発明を包含するエッチング速度
検出システムの通常の動作を示す。この動作モードで
は、回転可能ミラー２０は、光ビーム経路１３の外のエ
ッジ・ピボット点２４の周囲に回転させられる。該回転
可能ミラーは、ばね２３又はその他の同様のバイアス手
段により与えられるバイアスによって、この位置に保持
される。

【００２９】本発明の好ましい実施例では、ターゲット
２６は、入射角を垂直に調整するのに役立つアライメン
ト・パターンを備えている。図６はパターン３３を有す
るターゲットを示しており、このパターンは中心点３５
を包含しており、垂直入射角が得られたときには、この
点に小さなコロナ指示が存在する。このコロナは、ピン
ホールの物理的環での光ビーム（レーザー光）の回折
と、光ビームがピンホールからウェーハーへ伝播し更に
ピンホールに戻るときに発生する光ビームの発散とに起
因する。非垂直エッチング速度モニターは、ターゲット
２６上のスポット３４などの、明るいスポットを生じさ
せる。

【００３０】入射角を垂直にセットするには、その明る
いスポットがターゲット・パターン中心３５へ移動する
まで光ビームの光源とウェーハー面との間の関係を上記
のように調整する必要があるが、この点で実質的に全て
の戻り経路光ビーム・エネルギーがピンホール２２を通
して向けられ、その様なエネルギーは、上記したコロナ
効果を生じさせるもの以外はターゲット２６へは全く反
射されない。

【００３１】本発明の好ましい実施例では、この調整
は、２つの調整可能な軸の周囲に実行されるけれども、
第３の軸に沿って固定されたピボット点が、３点支持を
するための安定した基準点として設けられる。よって、
ターンテーブル２８の平面は、ターンテーブル位置決め
点の周囲で２次元で、且つ垂直に、微調整され又は直行
的に傾斜可能である。ターゲット・パターンは、ターン
テーブル２８の位置を調整するための調整／水平化装置
３２ａ／３２ｂの操作によって、ターゲット上の明るい
スポットの対応する運動が生じることとなる様に、構成
されている。

【００３２】本発明の好ましい実施例では、調整／水平
化装置３２ａ／３２ｂは、それに付随する調整ノブの１
回転が、ターゲット・パターン上の明るいスポットのＸ
−Ｙ軸に沿う特別の運動に対応する様に機械加工されて
いる、即ち、ターゲット・パターンの１つの同心リング
の、次の同心リングまでの距離は該調整ノブの単独での
１回転と、又は合計して１回転となる両方の調整可能ノ
ブの組み合わせ複合運動と、同等である。よって、調整
／水平化装置３２ａ／３２ｂを操作することにより、明
るいスポットの予測可能なベクトル運動を生じさせるこ
とが出来る。この様にして、技術者は、光ビームの入射
角を容易に垂直に調整することが出来る。

【００３３】ターンテーブルは、本発明の好ましい実施
例では回転可能であり、ターンテーブルを回転しないよ
うに保持するためのブレーキ機構（図示せず）を含む。
ウェーハーが初期垂直化後に半球形のペデスタルに保持
又はクランプされ、光ビームを特別のダイスに芯出しす
るためにターンテーブルを回転させる場合にも、垂直化
手順は、ウェーハーの曲率と回転の量とに応じて実行さ
れ得る。希望に応じて、ターンテーブルの回転によるそ
の様な垂直化とダイスの位置決めとは自動化され得る。

【００３４】本発明をエッチング速度モニターのアライ
メントに適用すれば、光ビームとウェーハー面との間の
入射角を極めて正確に且つ迅速に垂直に調整することが
出来る。一般的に、その様なアライメントは黒色のシリ
コン・ウェーハーで行われる。その後、既知の方位を持
った製造型のウェーハーを、エッチング速度検出装置も
整合され得る様に、アライメント・ウェーハーとして提
供することが出来る。本システムは、従来技術のビーム
・スプリッター・システムに固有の光ビーム強度の減衰
を防止し、完全に安全に運転し得るものである。本発明
は、８ミクロン以上の深さを持つコンデンサ・トレンチ
を有する構造をサブミクロン幅で製造し得る様に、エッ
チング速度検出・監視システムの精密アライメントに役
立つものであることが分かった。

【００３５】実例としての実施例を参照して、本発明を
詳しく図示し説明し、本発明を実施するために現在知ら
れている最良のモードを詳述したが、本発明の範囲から
逸脱せずに上記した本発明に種々の修正及び変更をなし
得ることを当業者は理解するべきである。特に、限定す
るものでないけれども、本発明は、例示した装置と同様
に光ビームを調整してウェーハー面への入射角を垂直に
する方法と、例示した実施例に示されている要素の全て
の均等物を包含する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の部分断面側面図である。

【図２】本発明の実施例の詳細な断面側面図である。

【図３】本発明の実施例の詳細な断面側面図である。

【図４】本発明の実施例による光経路の第１略図であ
る。

【図５】本発明の実施例による光経路の第２略図であ
る。

【図６】本発明の実施例によるターゲット・アライメン
ト・パターンの上面図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の反射面への入射光ビームを
   垂直化する装置であって、 光源と、 前記光源と前記反射面間の光ビームの光路中の第１位置
   と光路外の第２位置の双方に移動可能な、ピンホールを
   有するミラー、及び 前記ミラーで反射された光を受け取るターゲットを備
   え、 前記光源からの光ビームは、前記ピンホールを通って前
   記反射面へ進み、前記反射面への入射光ビームが反射面
   に対して垂直である場合、反射面からの反射光は、前記
   入射光ビームの光路に沿って前記ミラーに進み、ピンホ
   ールを通って光源へ向い、且つ前記反射面への入射光ビ
   ームが反射面に対して垂直でない場合、前記反射光は、
   前記入射光ビームの光路と異なる経路を通って前記ミラ
   ーに進み、前記ミラーにより反射されて光を受け取るタ
   ーゲットに向けられることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 エッチング速度監視／エッチング深さ制
   御システムにおいて、半導体ウエーハ面への入射光ビー
   ムを垂直化する装置であって、 光源と、 前記光源と前記面間の光ビームの光路中の第１位置と光
   路外の第２位置の双方に移動可能な、ピンホールを有す
   るミラー、及び 前記ミラーで反射された光を受け取るターゲットを備
   え、 前記光源からの光ビームは、前記ピンホールを通って前
   記面へ進み、前記面への入射光ビームが前記面に対して
   垂直である場合、前記面からの反射された光は、前記入
   射光ビームの光路に沿って前記ミラーに進み、ピンホー
   ルを通って光源へ向い、且つ前記面への入射光ビームが
   前記面に対して垂直でない場合、前記面からの反射され
   た光は、前記入射光ビームの光路と異なる経路を通って
   前記ミラーに進み、前記ミラーにより反射されて光を受
   け取るターゲットに向けられることを特徴とする装置。
3. 【請求項３】 光源から半導体基板の反射面への入射光
   ビームを垂直化する方法であって、 光源から半導体基板の反射面への入射光ビームが前記反
   射面に対して垂直である場合、前記光源からの光ビーム
   がピンホールを有するミラーを通って前記反射面へ進
   み、前記反射面から反射された光は、入射光ビームの光
   路に沿って前記ミラーへ進み、前記ピンホールを通って
   前記光源へ向かうように、前記ミラーを前記光源と前記
   反射面間の光ビームの光路中に位置決めし、 前記反射面から反射された光が、前記ミラーからターゲ
   ット上へ反射された場合、前記入射光ビームが前記反射
   面に対して垂直でないと判定し、 前記入射光ビームが、前記反射面に対して垂直になるよ
   うに、前記光源と前記反射面との関係を必要に応じて調
   整し、且つ 前記ミラーを前記光源と前記反射面間の光ビームの光路
   外に位置決めするステップを有することを特徴とする方
   法。