JPH11330187A - インプロセス薄膜分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成膜プロセス中（インプロセス）の薄膜の評
価を行い、また、評価用のダミー試料を用いることなく
薄膜の評価を行う。 【解決手段】 成膜プロセス中に薄膜に対して電子線を
照射し、該電子線の照射によって薄膜から放出される特
性Ｘ線を検出することによって薄膜評価を行う分析装置
であり、電子線照射系２とＸ線検出系３とを含む分析部
を一つのフランジ４に組み込んで一体構成とすることに
よって、成膜プロセス中（インプロセス）の薄膜の評価
（成膜状態の評価）を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成膜装置等の成膜
プロセスで形成される薄膜について、その組成や膜厚の
評価を行う分析装置に関し、半導体製造の分野、液晶装
置の分野、あるいはハードディスクの分野に適用するこ
とができるものである。

【０００２】

【従来の技術】成膜プロセスで行われるプロセス検査に
おいて、成膜された薄膜の組成や膜厚を評価し、成膜条
件の調整，制御等を行っている。従来、このような成膜
プロセスで形成される薄膜の分析は、評価用のダミー試
料（たとえばシリコンウェハ）を成膜装置に充填し、成
膜されたダミー試料を成膜装置から取り出した後、成膜
装置外に設けられる蛍光Ｘ線分析装置や赤外線分光装置
等の分析装置に導入し、ダミー試料上に形成された薄膜
を分析して行っている。そして、このダミー試料上に成
膜された薄膜の分析結果に基づいて、成膜プロセスの成
膜制御を行っている。

【０００３】通常、成膜プロセスにおいて、薄膜の膜厚
制御は成膜時間により行い、また、薄膜の組成制御はタ
ーゲット材の選択や原料ガスの流量比により行ってい
る。

【０００４】また、成膜プロセスが複数のプロセスで構
成されている場合には、各プロセス毎に評価用のダミー
試料を用いて分析を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の薄膜分析では、
各プロセス毎に評価用のダミー試料を用いてオフライン
検査を行うため、成膜プロセスの増大に伴ってダミー試
料の個数も増大し、また、形成されるデバイスの大型化
に伴ってダミー試料も大型化し、ダミー試料に要するコ
ストが増大するという問題がある。

【０００６】また、評価用のダミー試料を用いた抜き取
り検査であるため、微細化プロセスに対応した微小ステ
ップごとの検査が困難であり、また、分析結果を制御に
反映するまでの時間遅れを避けることができないため、
高精度の制御が困難であるとうい問題がある。特に、膜
厚制御は、成膜時間を制御する時間制御であるため、時
間遅れは高精度制御に大きな支障となる。

【０００７】さらに、メタル積層配線などのように枚葉
式成膜装置で連続成膜プロセスを行う場合には、ダミー
試料によるオフライン評価では最終プロセスを経た成膜
の評価しか行うことができず、途中段階の成膜プロセス
での評価を行うことができないという問題がある。

【０００８】したがって、本発明は、成膜プロセス中
（インプロセス）の薄膜の評価を行うことができる薄膜
分析装置を提供することを目的とし、また、評価用のダ
ミー試料を用いることなく薄膜の評価を行うことができ
る薄膜分析装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、成膜プロセス
中に薄膜に対して電子線を照射し、該電子線の照射によ
って薄膜から放出される特性Ｘ線を検出することによっ
て薄膜評価を行う分析装置であり、電子線照射系とＸ線
検出系とを含む分析部を一つのフランジに組み込んで一
体構成とすることによって、成膜プロセス中（インプロ
セス）の薄膜の評価（成膜状態の評価）を可能とするも
のである。

【００１０】本発明の分析部は、成膜プロセス経路上に
おいて、フランジによって電子線照射系とＸ線検出系と
を一体で取り付けることができ、成膜プロセス経路上に
取り付けることによって成膜プロセス中の薄膜分析を可
能とするものである。

【００１１】本発明の薄膜分析装置は、一つのフランジ
に電子線照射系とＸ線検出系の分析部を組み込んだ構成
とすることによって、成膜装置において成膜プロセス経
路上への取り付けを容易とするものである。

【００１２】本発明は、分析部を成膜プロセス経路上に
対する位置によって、第１の形態及び第２の形態をとる
ことができる。第１の形態は、その取り付け位置を搬送
用チャンバとするものである。搬送用チャンバは、各成
膜プロセスを行う成膜チャンバ間を連結するとともに、
ウェハ等の基板の搬送を行う。また、第２の形態は、そ
の取り付け位置を成膜チャンバとするものである。

【００１３】第１の形態で分析部を搬送用チャンバに取
り付ける構成では、全成膜プロセスの進行に伴って各成
膜チャンバ間を基板が移動する際、成膜チャンバに設け
た分析部によって、各成膜プロセスを終了する毎に薄膜
の評価を行うことができる。

【００１４】また、この第１の形態において、ロボット
等の搬送機構を備えるチャンバを中央に配置し、その周
囲に複数個の成膜チャンバを配置する枚葉式成膜装置で
は、中央のチャンバに分析部を取り付けることによっ
て、一つの分析部によって、前記成膜プロセスの評価を
行うことができる。

【００１５】また、第２の形態で分析部を各成膜チャン
バに取り付ける構成では、該成膜チャンバで行われる成
膜プロセス中の成膜状態の変化を検出することができ
る。

【００１６】したがって、本発明のインプロセス薄膜分
析装置によれば、複数の成膜プロセスを含む全成膜プロ
セスにおいて、各成膜プロセスの終了時の薄膜の評価
や、各成膜プロセスにおける成膜状態の評価を行うこと
ができる。

【００１７】本発明において、インプロセス（成膜プロ
セス内）は、この複数の成膜プロセスからなる全成膜プ
ロセス内という意味と、各成膜プロセス内という意味の
両方を含むものであり、分析部を電子線照射系とＸ線検
出系とを一つのフランジに組み込んだ一体構成とする構
成とすることによって、両方の意味でのインプロセス
（成膜プロセス内）において、薄膜の評価及び成膜状態
の評価を行うことができる。

【００１８】本発明によれば、薄膜の膜厚や組成をイン
ライン（連続処理工程）で評価することができるため、
成膜プロセスの品質や精度を向上させることができ、ま
た、プロセス検査を含めた全体の成膜プロセスに要する
時間を短縮することができる。

【００１９】また、評価用のダミー試料が不要であるた
め、成膜プロセスにおいてコストを削減することができ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明のインプ
ロセス薄膜分析装置を説明するための概略断面図であ
る。図１において、インプロセス薄膜分析装置１は、基
板上に成膜された薄膜に電子線を照射する電子線照射系
２と、電子線の照射によって薄膜から放出される特性Ｘ
線を検出するＸ線検出系３と、電子線照射系２及びＸ線
検出系３を一体構成とするフランジ４とを備え、電子線
照射系２とＸ線検出系３とは分析部を構成している。

【００２１】電子線照射系２は、電子線を発生する電子
線源２１と、発生した電子線を薄膜５上に収束させる収
束レンズ２２及び対物レンズ２３とを備え、各レンズに
は高圧電源２４及びレンズ電源２５が接続されている。
なお、図１では、電子線照射系２について概略のみを示
し、電子線を走査する走査レンズや走査用電源等のその
他の構成については省略している。

【００２２】Ｘ線検出系３は、図１（ａ），（ｂ）に示
すように、電子線の照射によって薄膜５で励起されたＸ
線を分光して、元素に特有の波長を持つ特性Ｘ線を検出
するＸ線分光器３１及びＸ線検出器３２を備える構成
（図１（ａ））、あるいは、特性Ｘ線のエネルギーを検
出する半導体Ｘ線検出器３１’及び多重波高分析器（マ
ルチチャンネルパルスハイトアナライザ・ＭＣＰ）３
２’を備える構成（図１（ｂ））とすることができる。
図１（ａ）に示すＸ線検出系は波高分散型Ｘ線分光器
（ＷＤＸ）の例であり、図１（ｂ）に示すＸ線検出系は
エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）の例である。

【００２３】Ｘ線検出器３２あるいはＭＣＰ３２’で検
出した検出信号はＸ線測定装置３３によって信号処理さ
れ、Ｘ線強度の検出や該Ｘ線強度に基づく処理が行わ
れ、薄膜の膜厚や組成の検出が行われる。なお、この実
施形態ではＸ線検出系３の検出，測定例として膜厚測定
及び組成検出について示しているが、この検出例に限定
されるものでなく、検出信号に基づいて他の検出，測定
を行うことができる。また、図１では、Ｘ線検出系３に
ついて概略のみを示し、Ｘ線分光器３１の駆動機構等の
その他の構成については省略している。

【００２４】フランジ４は、電子線照射系２とＸ線検出
系３とを一体に組み込み、両者を一体のままで成膜装置
に取り付ける部材である。フランジを成膜装置側のポー
トに設置することによって、電子線照射系２とＸ線検出
系３とを一度に成膜装置に取り付けることができる。電
子線照射系２とＸ線検出系３の位置関係はフランジに対
する取り付けで定まめることができるため、フランジに
対して位置決めを行っておけば、成膜装置に対する取り
付けにおいて、電子線照射系２とＸ線検出系３の位置関
係の調節は不要である。なお、図示しない位置決め機構
によって、成膜装置に取り付けた後に必要に応じて電子
線照射系２とＸ線検出系３の位置関係の調節することも
可能である。

【００２５】図２，３は本発明のインプロセス薄膜分析
装置の成膜装置への取り付け位置を説明するための図で
ある。なお、図２，３に示す成膜装置は、枚葉式の成膜
装置の一構成例であり、中央に配した搬送チャンバの周
囲に複数の成膜チャンバを配置する構成である。なお、
図２，３では７個の成膜チャンバを配した例を示してい
るが、成膜チャンバの個数は任意とすることができる。
また、図２，３は、分析装置の取り付け位置による第
１，２の形態を示している。

【００２６】図２に示す第１の形態において、成膜装置
は、中央の搬送チャンバ１２の周囲に複数の成膜チャン
バ１１とロード，アンロードチャンバ１４を配置し、搬
送チャンバ１２には搬送用のロボット１３を備えてい
る。各成膜チャンバ１１は、それぞれ成膜条件が異なる
成膜プロセスを行うことができる。搬送用ロボット１３
は、これらの複数の成膜チャンバ１１の間、及び成膜チ
ャンバ１１とロード，アンロードチャンバ１４との間に
おいて基板の搬送を行う。基板は、ロード，アンロード
チャンバ１４を通って搬送チャンバ１２内に導入され、
搬送用ロボット１３によって、成膜チャンバ１１に対し
て導入及び導出が行われる。したがって、各成膜チャン
バ１１を順に移動することによって、基板に対して複数
の成膜プロセスを含む全成膜プロセスを行うことができ
る。なお、各チャンバ間には、ゲートバルブ１５が設け
られている。

【００２７】図２の成膜装置において、インプロセス薄
膜分析装置１の分析部を搬送チャンバ１２に配置する。
分析部を搬送チャンバ１２に配置することによって、成
膜チャンバ１１間を移動する毎に成膜された薄膜の分析
を行うことができる。この薄膜分析は、成膜プロセスの
経路上であるため、成膜装置から取り出すことなく行う
ことができ、また、評価用のダミー試料ではなく、実際
に成膜中の薄膜を分析することができる。

【００２８】なお、インプロセス薄膜分析装置１による
薄膜分析は、基板を成膜チャンバ１１から搬送チャンバ
１２に移動する度に行うことも、任意の段階で行うこと
もできる。

【００２９】図３に示す第２の形態は、第１の形態にお
いて、分析部の取り付け位置を成膜チャンバとするもの
であり、その他の構成は第１の形態と同様である。そこ
で、以下では第１の形態と異なる構成についてのみ説明
する。

【００３０】図３の成膜装置において、インプロセス薄
膜分析装置の１分析部を成膜チャンバ１１に配置する。
分析部を成膜チャンバ１１に配置することによって、成
膜チャンバ１１内で行われる成膜プロセス中の薄膜変化
を検出することができる。なお、この薄膜分析は、成膜
プロセスの経路上であり、第１の形態と同様に、成膜装
置から取り出すことなく行うことができ、また、評価用
のダミー試料ではなく、実際に成膜中の薄膜を分析する
ことができる。

【００３１】なお、分析部を取り付ける成膜チャンバ１
１は任意に定めることができ、全成膜チャンバに取り付
けることも、所定の成膜チャンバに選択的に取り付ける
こともできる。

【００３２】図４は、プロセス検査の一つである薄膜の
膜厚の測定を説明するための検量線図である。薄膜に電
子線を照射して、この電子線に励起によって放出される
Ｘ線は、その波長は薄膜に含まれる元素の種類によって
異なり、またその強度は、薄膜の膜厚と関係があること
が知られている。そこで、薄膜の膜厚は、あらかじめ膜
厚が既知の標準試料の薄膜に含まれる元素についてＸ線
強度と膜厚との関係を求めて、図４に示すような検量線
で表しておき、インプロセス薄膜分析装置１で測定した
Ｘ線強度Ｉから薄膜の膜厚ａを換算して求めることがで
きる。

【００３３】図５，６は本発明のインプロセス薄膜分析
装置の分析部を成膜装置に取り付ける位置を説明するた
めの図であり、連続長枚葉チャンバの成膜装置の構成例
と、並列長枚葉チャンバの成膜装置の構成例である。

【００３４】図５に示す連続長枚葉チャンバの成膜装置
は、複数の成膜チャンバ１１を直列に配列し、入り口側
には、カセットステーション１６とロードチャンバ１７
を接続し、出口側にはアンロードチャンバ１８とカセッ
トステーション１６と配置し、一方向に基板を移動させ
ながら連続して成膜を行う構成であり、各成膜チャンバ
１１は、それぞれ成膜条件が異なる成膜プロセスを行う
ことができる。

【００３５】図５の成膜装置において、インプロセス薄
膜分析装置１の分析部を成膜チャンバ１１あるいはアン
ロードチャンバ１８に配置する。成膜チャンバ１１に配
置することによって、成膜チャンバ１１内で行われる成
膜プロセス中の薄膜変化を検出することができる。

【００３６】また、図６に示す並列長枚葉チャンバの成
膜装置は、複数の成膜チャンバ１１を直接に配列すると
ともに、各成膜チャンバ１１を共通の搬送チャンバ１２
にゲートバルブ１５を介して接続し、搬送チャンバ１２
の入り口側及び出口側にカセットステーション１６を配
置する。基板は、搬送チャンバ１２を移動しながら各成
膜チャンバ１１に搬送し、連続して成膜を行う。各成膜
チャンバ１１は、それぞれ成膜条件が異なる成膜プロセ
スを行うことができる。

【００３７】図６の成膜装置において、インプロセス薄
膜分析装置１の分析部を成膜チャンバ１１あるいは搬送
チャンバ１２に配置する。成膜チャンバ１１に配置する
ことによって、成膜チャンバ１１内で行われる成膜プロ
セス中の薄膜変化を検出することができる。また、搬送
チャンバ１２に配置することによって、成膜チャンバ１
１間を移動する毎に成膜された薄膜の分析を行うことが
できる。

【００３８】なお、図５，６のいずれの構成において
も、薄膜分析は成膜プロセスの経路上で行うため、成膜
装置から取り出すことなく行うことができ、また、評価
用のダミー試料ではなく、実際に成膜中の薄膜を分析す
ることができる。

【００３９】本発明のインプロセス薄膜分析装置は、電
子線照射によって分析を行う構成であり、これによっ
て、微小部分の分析を行うことができる。そこで、基板
上に形成したテストパターンや、デバイスとして不要な
領域を用い、該微小部分に電子線を照射することによっ
て、必要な成膜部分に影響を与えることなく、成膜状態
の評価を行うことができる。

【００４０】本発明の実施の形態によれば、種々の成膜
装置において、成膜プロセスの経路上の任意に部分に分
析部を取り付けることができ、搬送経路上であれば、一
つの分析装置で各プロセス段階の成膜状態を評価するこ
とができ、また、成膜チャンバ内であれば、該成膜チャ
ンバで行う成膜プロセスでの変化を評価することができ
る。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、成膜プロセス中
（インプロセス）の薄膜の評価を行うことができ、ま
た、評価用のダミー試料を用いることなく薄膜の評価を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインプロセス薄膜分析装置を説明する
ための概略断面図である。

【図２】本発明のインプロセス薄膜分析装置の成膜装置
への取り付け位置を説明するための第１の形態図であ
る。

【図３】本発明のインプロセス薄膜分析装置の成膜装置
への取り付け位置を説明するための第２の形態図であ
る。

【図４】プロセス検査の一つである薄膜の膜厚の測定を
説明するための検量線図である。

【図５】連続長枚葉チャンバの成膜装置に対する本発明
のインプロセス薄膜分析装置の取り付け位置を説明する
ための図である。

【図６】並列長枚葉チャンバの成膜装置に対する本発明
のインプロセス薄膜分析装置の取り付け位置を説明する
ための図である。

【符号の説明】 １…インプロセス薄膜分析装置、２…電子線照射系、３
…Ｘ線検出系、４…フランジ、５…薄膜、６…基板、７
…ポート、１１…成膜チャンバ、１２…搬送チャンバ、
１３…ロボット、１４…ロード、アンロードチャンバ、
１５…ゲートバルブ、１６…カセットステーション、１
７…ロードチャンバ、１８…アンロードチャンバ、２１
…電子線源、２２…収束レンズ、２３…対物レンズ、２
４…高圧電源、２５…レンズ電源、３１…Ｘ線分光器、
３１’…半導体Ｘ線検出器、３２…Ｘ線検出器、３２’
…多重波高分析器、３３…Ｘ線測定装置。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子線照射系とＸ線検出系とを一つのフ
   ランジに組み込んで一体構成とする分析部を備え、前記
   分析部は、フランジによって電子線照射系とＸ線検出系
   とを成膜プロセス経路上に一体で取り付け、成膜プロセ
   ス中の薄膜分析を可能とする、インプロセス薄膜分析装
   置。