TW202223365A - 氣體分析裝置以及氣體分析方法 - Google Patents
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Abstract
本發明高精度地測定半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓,本發明為一種氣體分析裝置,對半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓進行分析,且包括:氣體池,導入有材料氣體或副生成氣體;雷射光源,向氣體池照射經波長調變的雷射光;光檢測器,檢測透過氣體池的雷射光;以及訊號處理部,使用由光檢測器的輸出訊號所得的光吸收訊號來算出鹵化物的濃度或分壓,氣體池減壓至較大氣壓更小的既定壓力,雷射光源於包含鹵化物的光吸收訊號的特徵部的波長調變範圍將所述雷射光進行波長調變。
Description
本發明是有關於一種氣體分析裝置以及氣體分析方法。
先前,如專利文獻1所示,作為對半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的測定對象成分進行測定的方法,可想到使用非分散型紅外線吸收法(Non-Dispersive InfraRed,NDIR)。使用所述NDIR的氣體分析裝置利用燈絲(filament)等產生廣波長的光的紅外光源、及使既定波長範圍的光通過的帶通濾波器(band pass filter),對測定對象成分所致的光吸收進行測定。
此處,於對半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的SiF
4或CF
4進行測定的情形時,若存在於相同波長範圍具有吸收的其他干擾成分,則SiF
4或CF
4受到該些成分的干擾影響。若為了降低干擾影響而使帶通濾波器的波長範圍變窄,則由光檢測器所檢測的光量減少,難以高精度地測定。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2013-181930號公報
[發明所欲解決之課題]
因此,本發明是為了解決所述問題點而成,其主要課題在於,高精度地測定半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓。
[解決課題之手段]
即,本發明的氣體分析裝置對半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓進行分析,其特徵在於包括:氣體池,導入有所述材料氣體或所述副生成氣體;雷射光源,向所述氣體池照射經波長調變的雷射光;光檢測器,檢測透過所述氣體池的雷射光;以及訊號處理部,使用由所述光檢測器的輸出訊號所得的光吸收訊號來算出所述鹵化物的濃度或分壓,所述氣體池經減壓至較大氣壓更小的既定壓力,所述雷射光源於包含所述鹵化物的光吸收訊號的特徵部的波長調變範圍將所述雷射光進行波長調變。
若為此種氣體分析裝置,則向經減壓至較大氣壓更小的既定壓力的氣體池,照射於包含鹵化物的光吸收光譜的特徵部的波長調變範圍進行了波長調變的雷射光,故而能可靠地把握鹵化物的光吸收光譜的特徵,容易去除對鹵化物的光吸收訊號的干擾成分的影響。此處,將氣體池減壓至既定壓力,故而可獲得較大氣壓下的鹵化物的光吸收訊號更為尖銳(sharp)的波峰,可降低對鹵化物的光吸收訊號的干擾成分的影響。另外,先前的NDIR無法獲得鹵化物的光吸收光譜,但本發明中可獲得相當於光吸收光譜的光吸收訊號,故而即便於多個成分所致的吸收干擾的情形時,亦可藉由光譜分析技術來降低干擾影響。
再者,作為光吸收光譜的特徵部,例如為包含光吸收光譜的波峰與波谷或下擺(上升部分)的部分。藉由如此般於包含光吸收光譜的波峰與波谷或下擺的部分將雷射光進行波長調變,從而可增大光檢測器的輸出訊號的對比度,容易去除干擾成分的影響。
作為氟化物的SiF
4於某減壓下,具有以1031 cm
-1附近為波谷而於1034 cm
-1附近與1030 cm
-1附近有兩個波峰的光吸收光譜,1030 cm
-1附近的波峰最大。因此,為了高精度地測定SiF
4的濃度或分壓,所述波長調變範圍較理想為以其波數寬包含1030.5 cm
-1~1031.5 cm
-1的一部分或全部的方式設定。此處,所述波長調變範圍較理想為以其波數寬包含1029 cm
-1~1032 cm
-1的一部分或全部的方式設定。作為半導體製造製程中的SiF
4的干擾成分,有NF
3、CH
3F、NH
3或其他副產物等,藉由使用所述波長調變範圍,從而容易去除該些成分的干擾影響。
作為氟化物的CF
4於某減壓下,於1282.5 cm
-1~1283.5 cm
-1的範圍具有光吸收光譜的波峰。因此,為了高精度地測定CF
4的濃度或分壓,所述波長調變範圍較理想為以其波數寬包含1282.5 cm
-1~1283.5 cm
-1的一部分或全部的方式設定。此處,所述波長調變範圍較理想為以其波數寬包含1281.5 cm
-1~1284.5 cm
-1的一部分或全部的方式設定。作為半導體製造製程中的CF
4的干擾成分,有C
2H
2F
2、C
4F
8、COF
2或其他副產物等,藉由使用所述波長調變範圍,從而容易去除該些成分的干擾影響。
另外,為了高精度地測定作為含氟鹵化物的SiF
4及CF
4此兩成分的濃度或分壓,所述雷射光源較理想為具有:第一雷射光源,以所述波長調變範圍的波數寬包含1030.5 cm
-1~1031.5 cm
-1的一部分或全部的方式設定;以及第二雷射光源,以所述波長調變範圍的波數寬包含1282.5 cm
-1~1283.5 cm
-1的一部分或全部的方式設定。藉由如此般具有第一雷射光源及第二雷射光源,從而可同時測定材料氣體或副生成氣體中的SiF
4及CF
4此兩成分。
如上所述,作為具體實施的態樣,所述訊號處理部較理想為藉由光譜分析修正對所述鹵化物的光吸收訊號的干擾成分的影響,來算出所述鹵化物的濃度或分壓。
為了高精度地測定低濃度或低分壓的鹵化物,所述氣體池較理想為於內部設有一對反射鏡而將所述雷射光加以多重反射。
所述材料氣體或所述副生成氣體所含的成分不易附著於氣體池,為了防止測定精度的劣化,較理想為具有將所述氣體池加熱的加熱機構。
為了藉由訊號處理部高精度地算出鹵化物的濃度或分壓,較理想為具有測定所述氣體池內的壓力的壓力感測器。
作為氣體池的具體的配置態樣,可想到所述氣體池設於進行半導體製造製程的腔室或連接於該腔室的配管。
較理想為於所述配管設有對所述腔室進行真空抽吸的真空泵,所述氣體池設於較所述真空泵更靠所述腔室側。
更具體而言,較理想為於所述配管,於較所述真空泵更靠所述腔室側設有控制所述腔室的壓力的壓力控制閥,所述氣體池的進氣口(inlet port)連接於所述壓力控制閥的上游側,所述氣體池的出氣口(outlet port)連接於所述壓力控制閥的下游側。
另外,所述氣體池亦可由進行半導體製造製程的腔室所構成。若為該結構,則例如可直接測定自晶圓產生的氣體。
另外,本發明的氣體分析方法對半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓進行分析,且其特徵在於具有下述步驟:將所述材料氣體或所述副生成氣體導入至氣體池;向所述氣體池照射經波長調變的雷射光;檢測透過所述氣體池的雷射光;以及使用由所述光檢測器的輸出訊號所得的光吸收訊號來算出所述鹵化物的濃度或分壓,將所述氣體池減壓至較大氣壓更小的既定壓力,並且將所述雷射光於包含所述鹵化物的光吸收訊號的特徵部的波長調變範圍進行波長調變。
[發明的效果]
根據以上所述的本發明,可高精度地測定半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程所產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓。
以下,參照圖式對本發明的一實施形態的氣體分析裝置進行說明。
<裝置結構>
本實施形態的氣體分析裝置100是組入至半導體製造裝置而使用,例如藉由紅外吸收法來測定鹵化物的濃度或分壓,所述鹵化物為半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體(以下簡稱為「氣體」)所含的測定對象成分。此處,作為鹵化物,可想到氟化物、氯化物、溴化物等。
所述氣體分析裝置100如圖1所示,例如可組入至進行反應性離子蝕刻(RIE)的蝕刻裝置,用作針對晶圓W的反應性離子蝕刻(RIE)的端點監視器(end point monitor),於該情形時,可想到測定氣體所含的SiF
4或CF
4的濃度或分壓。
具體而言,氣體分析裝置100如圖2所示,包括:氣體池2,導入有氣體;雷射光源3,向氣體池2照射經波長調變的雷射光;光檢測器4,檢測透過氣體池2的雷射光;以及訊號處理裝置5,使用由光檢測器4的輸出訊號所得的光吸收訊號來算出鹵化物的濃度或分壓。
氣體池2由在鹵化物的吸收波長帶域中幾乎不存在光吸收的石英、氟化鈣、氟化鋇、硒化鋅等透明材質形成有光的入射口及出射口。於該氣體池2,設有用以將氣體導入至內部的進氣口、及用以排出內部的材料氣體或副生成氣體的出氣口,氣體自所述進氣口導入並封入至氣體池2內。另外,氣體池2於內部設有一對反射鏡M1、M2,被稱為將雷射光加以多重反射的所謂赫里奧特池(herriott cell)。
本實施形態的氣體池2連接於進行半導體製造製程的腔室200,本實施形態中,如圖1所示,與連接於腔室200的配管H連接而設置。於配管H,依序設有控制腔室200的壓力的壓力控制閥CV、及對腔室200進行真空抽吸的真空泵CP。而且,氣體池2設於較該真空泵CP更靠腔室200側,氣體池2的進氣口連接於壓力控制閥CV的上游側,氣體池2的出氣口連接於壓力控制閥CV的下游側。藉此,氣體池2減壓至較大氣壓(101.3 kPa)更小的既定壓力(例如10 Torr以下)。
除此以外,於氣體池2的周圍,如圖2所示,設有用以將氣體池2的內部加熱至既定溫度(例如200℃)的、例如使用電熱絲的加熱器等加熱機構6。另外,於氣體池2,設有測定氣體的壓力(總壓)的壓力感測器7。再者,只要可測定氣體的壓力,則亦可設於氣體池2以外的位置。
此處,雷射光源3為作為半導體雷射的一種的量子級聯雷射(Quantum Cascade Laser,QCL),振盪中紅外(4 μm~10 μm)的雷射光。該雷射光源3可藉由所給予的電流(或電壓)將振盪波長於既定的波長調變範圍進行調變。本實施形態的雷射光源3可於包含鹵化物的光吸收訊號的特徵部的、波長調變範圍,將振盪波長進行調變。再者,只要振盪波長可變,則亦可使用其他類型的雷射,亦可為了使振盪波長變化而使溫度變化等。
此處,光檢測器4是使用相對較價廉的熱電堆(thermopile)等熱型的光檢測器,但亦可使用其他類型的光檢測器,例如響應性良好的HgCdTe、InGaAs、InAsSb、PbSe等量子型光電元件。
訊號處理裝置5包括:包含緩衝器、放大器等的類比電氣電路;包含中央處理單元(Central Processing Unit,CPU)、記憶體等的數位電氣電路;以及於該些類比/數位電氣電路間進行仲介的類比-數位(Analog to Digital,AD)變換器、數位-類比(Digital to Analog,DA)變換器等,藉由CPU或其周邊機器按照保存於所述記憶體的既定區域的既定程式協同動作,從而如圖3所示,發揮作為光源控制部51及訊號處理部52的功能,所述光源控制部51控制雷射光源3的輸出,所述訊號處理部52接收來自光檢測器4的輸出訊號,對其值進行運算處理而算出測定對象成分的濃度或分壓。
以下對各部加以詳述。
光源控制部51藉由輸出電流(或電壓)控制訊號從而控制雷射光源3的電流源(或電壓源)。
具體而言,光源控制部51藉由使雷射光源3的驅動電流(或驅動電壓)以既定頻率變化,從而針對雷射光的振盪波長以既定頻率調變中心波長。藉此,雷射光源3射出經既定的調變頻率調變的調變光。另外,光源控制部51將雷射光的振盪波長於包含鹵化物的光吸收訊號的特徵部的波長調變範圍進行調變。
本實施形態中,光源控制部51使驅動電流以三角波狀變化,將振盪頻率調變為三角波狀(參照圖5的「振盪波長」)。實際上,以振盪頻率成為三角波狀的方式以其他函數進行驅動電流的調變。另外,雷射光的振盪波長如圖4所示,以鹵化物的吸收光譜的波峰或其附近為中心波長進行調變。除此以外,光源控制部51亦可使驅動電流以正弦波狀或鋸齒波狀、或者任意的函數狀變化,將振盪頻率調變為正弦波狀或鋸齒波狀、或者任意的函數狀。
於具體作為測定對象成分的鹵化物為SiF
4的情形時,如圖6所示,光源控制部51將雷射光的波長調變範圍以其波數寬包含1030.5 cm
-1~1031.5 cm
-1的一部分或全部的方式進行調變。此處,光源控制部51將所述波長調變範圍以其波數寬包含1029cm
-1~1032cm
-1的一部分或全部的方式進行調變。藉由如此般進行調變,從而可使SiF
4的吸收光譜中包含上升及波峰此兩個特徵部。
另外,於作為測定對象成分的氟化物為CF
4的情形時,如圖7所示,光源控制部51將雷射光的波長調變範圍以其波數寬包含1282.5 cm
-1~1283.5 cm
-1的一部分或全部的方式進行調變。此處,光源控制部51將所述波長調變範圍以其波數寬包含1281.5 cm
-1~1284.5 cm
-1的一部分或全部的方式進行調變。藉由如此般進行調變,從而可使CF
4的吸收光譜中包含上升、波峰及下降的所有特徵部。
訊號處理部52包含對數運算部52a、相關值計算部52b、保存部52c、濃度或分壓計算部52d等。
對數運算部52a對作為光檢測器4的輸出訊號的光強度訊號實施對數運算。表示由光檢測器4所得的光強度訊號的經時變化的函數I(t)成為圖5的「光強度I(t)」般,藉由實施對數運算,從而成為圖5的「對數強度L(t)」般。
相關值計算部52b算出和樣本光的強度關聯的強度關聯訊號、與多個既定的特徵訊號各自的相關值。所謂特徵訊號,為用以與強度關聯訊號取相關,由此提取強度關聯訊號的波形特徵的訊號。作為特徵訊號,例如可使用正弦波訊號、或除此以外的與欲自強度關聯訊號提取的波形特徵一致的各種訊號。
以下,對特徵訊號使用正弦波訊號以外的訊號的情形的例子進行說明。相關值計算部52b算出和樣本光的強度關聯的強度關聯訊號、與針對該強度關聯訊號可獲得與正弦波訊號(正弦函數)不同的相關的多個特徵訊號各自的相關值。此處,相關值計算部52b使用經對數運算的光強度訊號(對數強度L(t))作為強度關聯訊號。
另外,相關值計算部52b使用較測定對象成分(鹵化物)的種類數及干擾成分的種類數的合計數更大的數的特徵訊號F
i(t)(i=1、2、···、n),藉由下式(數1),算出作為樣本光的強度關聯訊號與多個特徵訊號各自的相關值的、多個樣本相關值S
i。再者,式(數1)中的T為調變的週期。
相關值計算部52b較理想為,於算出樣本相關值時,如式(數1)般,算出自樣本光的強度關聯訊號L(t)與多個特徵訊號F
i(t)的相關值S
i減去參照光的強度關聯訊號L
0(t)與多個特徵訊號F
i(t)的相關值即參照相關值R
i的、經修正的樣本相關值S
i'。藉此,可去除樣本相關值所含的偏移(offset),成為與測定對象成分及干擾成分的濃度或分壓成比例的相關值,可減少測定誤差。再者,亦可為不減去參照相關值的結構。
此處,參照光的獲取時機為與樣本光同時、測定的前後或任意的時機。參照光的強度關聯訊號或參照相關值亦可預先獲取並記憶於保存部52c。另外,關於同時獲取參照光的方法,例如可想到設置兩個光檢測器4,藉由分束器(beam splitter)等使來自雷射光源3的調變光分支,將其中一者用於樣本光測定,將另一者用於參照光測定。
本實施形態中,相關值計算部52b使用較正弦函數更容易把握對數強度L(t)的波形特徵的函數作為多個特徵訊號F
i(t)。於包含測定對象成分及一個干擾成分的樣本氣體的情形時,可想到使用兩個以上的特徵訊號F
1(t)、F
2(t),作為兩個特徵訊號F
1(t)、F
2(t),例如可想到使用基於接近吸收光譜的形狀的勞倫茲函數(Lorentz function)的函數、及該基於勞倫茲函數的函數的微分函數。另外,作為特徵訊號,亦可代替基於勞倫茲函數的函數,而使用基於佛克特函數(Voigt function)的函數、或基於高斯函數(Gaussian function)的函數等。藉由將此種函數用於特徵訊號,從而可獲得較使用正弦函數時更大的相關值,可提高測定精度。
此處,特徵訊號較理想為去除直流成分,即,以於以調變週期進行積分時成為零的方式調整偏移。藉由如此般設定,從而可去除由光強度的變動所得的強度關聯訊號帶有偏移時的影響。再者,亦可代替將特徵訊號的直流成分去除,而將強度關聯訊號的直流成分去除,或者亦可針對特徵訊號與強度關聯訊號兩者均去除直流成分。除此以外,作為特徵訊號,亦可分別使用測定對象成分及/或干擾成分的吸收訊號的樣本值、或該些的模擬值。
再者,藉由將兩個特徵訊號F
1(t)、F
2(t)設為相互正交的正交函數列或接近正交函數列的函數列,從而可更有效率地提取對數強度L(t)的特徵,可使藉由後述的聯立方程式所得的濃度或分壓為高精度。
保存部52c保存單獨相關值,該單獨相關值為根據測定對象成分及各干擾成分單獨存在的情形時的各自的強度關聯訊號及多個特徵訊號F
i(t)所求出的、測定對象成分及各干擾成分各自的每單位濃度或分壓的相關值。用於求出該單獨相關值的多個特徵訊號F
i(t)與相關值計算部52b中所用的多個特徵訊號F
i(t)相同。
此處,保存部52c較理想為,於保存單獨相關值時,保存經修正的單獨相關值,該經修正的單獨相關值是自測定對象成分及各干擾成分單獨存在的情形時的相關值減去參照相關值後,以每單位濃度或單位分壓進行換算而成。藉此,可去除單獨相關值所含的偏移,成為與測定對象成分及干擾成分的濃度或分壓成比例的相關值,可減少測定誤差。再者,亦可為不減去參照相關值的結構。
濃度或分壓計算部52d使用由相關值計算部52b所得的多個樣本相關值來算出測定對象成分的濃度或分壓。
具體而言,濃度或分壓計算部52d基於由相關值計算部52b所得的多個樣本相關值、及保存於保存部52c的多個單獨相關值,算出測定對象成分的濃度或分壓。更詳細而言,濃度或分壓計算部52d對包含由相關值計算部52b所得的多個樣本相關值、保存於保存部52c的多個單獨相關值、以及測定對象成分及各干擾成分各自的濃度或分壓的聯立方程式求解,藉此算出測定對象成分(鹵化物)的濃度或分壓。再者,訊號處理部52亦可使用由壓力感測器7所得的總壓,將由濃度或計算部53d所得的鹵化物的濃度或分壓加以修正。
繼而,兼作所述各部的詳細說明,對所述氣體分析裝置100的動作的一例加以說明。以下,設想氣體中包含一個鹵化物(例如SiF
4)與一個干擾成分的情形。
再者,干擾成分為具有與SiF
4的吸收光譜重疊的吸收光譜的成分,可想到(1)導入至腔室200的蝕刻氣體自身、(2)於腔室200內因電漿等而產生的自由基種及側壁的保護膜形成種、或者(3)因蝕刻處理而生成的副產物。具體而言,作為干擾成分,可列舉:Cl
2、SF
6、C
4F
8、CHF
3、CH
2F
2、NF
3、HF、SiCl
4、SiCl
2、CO、O
2、N
2、FCN等。
<參照測定>
首先,光源控制部51控制雷射光源3,以調變頻率且以鹵化物的吸收光譜的波峰或其附近為中心,將雷射光的振盪波長於既定的波長調變範圍進行調變。再者,亦可於使用標準氣體(span gas)的參照測定之前,進行使用零氣體(zero gas)的參照測定,進行參照相關值的測定。
繼而,由操作員或自動向氣體池2內導入標準氣體(成分濃度或分壓已知的氣體),進行參照測定。該參照測定是對鹵化物單獨存在的標準氣體、及干擾成分單獨存在的標準氣體分別進行。
具體而言,於參照測定中,對數運算部52a接收光檢測器4的輸出訊號而算出對數強度L(t)。繼而,相關值計算部52b算出該對數強度L(t)與兩個特徵訊號F
1(t)、F
2(t)的相關值,自該相關值減去參照相關值後,除以標準氣體的濃度或分壓,藉此算出作為每單位濃度或單位分壓的各標準氣體的相關值的單獨相關值。再者,亦可代替算出單獨相關值,而記憶標準氣體濃度或分壓與該標準氣體的相關值的關係。
具體而言如以下所述。
藉由將鹵化物單獨存在的標準氣體導入至氣體池2內,從而由相關值計算部52b算出鹵化物的相關值S
1t、相關值S
2t(參照圖8)。此處,S
1t為與第一特徵訊號的相關值,S
2t為與第二特徵訊號的相關值。繼而,相關值計算部52b自該些相關值S
1t、S
2t減去參照相關值R
i後,除以鹵化物的標準氣體濃度或分壓c
t,藉此算出單獨相關值s
1t、單獨相關值s
2t。再者,鹵化物的標準氣體濃度或分壓c
t是預先由用戶等輸入至訊號處理部52。
另外,藉由將干擾成分單獨存在的標準氣體導入至氣體池2內,從而由相關值計算部52b算出干擾成分的相關值S
1i、相關值S
2i(參照圖8)。此處,S
1i為與第一特徵訊號的相關值,S
2i為與第二特徵訊號的相關值。繼而,相關值計算部52b自該些相關值S
1i、S
2i減去參照相關值R
i後,除以干擾成分的標準氣體濃度或分壓c
i,藉此算出單獨相關值s
1i、單獨相關值s
2i。再者,干擾成分的標準氣體濃度或分壓c
i是預先由用戶等輸入至訊號處理部52。
藉由所述方式算出的單獨相關值s
1t、單獨相關值s
2t、單獨相關值s
1i、單獨相關值s
2i保存於保存部52c。再者,該參照測定可於製品出貨前進行,亦可定期進行。
<樣本測定>
光源控制部51控制雷射光源3,以調變頻率且以鹵化物的吸收光譜的波峰或其附近為中心,將雷射光的振盪波長於既定的波長調變範圍進行調變。
繼而,由操作員或自動向氣體池2內導入氣體,進行樣本測定。
具體而言,於樣本測定中,對數運算部52a接收光檢測器4的輸出訊號而算出對數強度L(t)。繼而,相關值計算部52b算出該對數強度L(t)與多個特徵訊號F
1(t)、F
2(t)的樣本相關值S
1、樣本相關值S
2,算出自該相關值減去參照相關值R
i的樣本相關值S
1'、樣本相關值S
2'(參照圖8)。
繼而,濃度或分壓計算部52d對包含相關值計算部52b所算出的樣本相關值S
1'、樣本相關值S
2'、保存部52c的單獨相關值s
1t、單獨相關值s
2t、單獨相關值s
1i、單獨相關值s
2i、以及鹵化物及各干擾成分各自的濃度C
tar、濃度C
int的以下的二元聯立方程式求解。
藉此,可藉由對上式(數2)的聯立方程式求解等簡單且可靠的運算,決定去掉了干擾影響的、鹵化物的濃度或分壓C
tar。
再者,於可設想存在兩種以上的干擾成分的情形時,亦藉由以干擾成分的個數來追加單獨相關值,並對與成分種數相同的元數的聯立方程式求解,從而可同樣地決定去掉了干擾影響的、鹵化物的濃度或分壓。
即,通常於鹵化物與干擾成分合計而存在n種氣體的情形時,若將第m個特徵訊號的每k個氣體種的單獨相關值設為s
mk,將第k個氣體種的濃度或分壓設為C
k,將第m個特徵訊號F
m(t)的樣本相關值設為S
m',則以下的式(數3)成立。
藉由對該式(數3)所表示的n元聯立方程式求解,從而可決定鹵化物及干擾成分的各氣體的濃度或分壓。
圖9表示測定對象成分為SiF
4的情形的藉由本實施形態的氣體分析裝置100所取得的SiF
4的光吸收訊號及半導體製造製程中所生成的作為干擾成分的副產物的光吸收訊號。藉由以波長調變範圍包含1030.5 cm
-1~1031.5 cm
-1的方式進行調變,使SiF
4與副產物的光吸收訊號的特徵的差異變得明顯,並且藉由所述干擾修正技術,可降低干擾影響。再者,雖然SiF
4的光吸收訊號具有作為特徵部從波數資料點(Wavenumber data points)10附近的波谷或下擺到波數資料點125附近的波峰的上升部,但副產物的光吸收訊號不具有如SiF
4般的特徵部。此為SiF
4與副產物的光吸收訊號的特徵的差異。
圖10為表示腔室內產生了作為干擾成分的副產物時的本實施形態的氣體分析裝置100的SiF
4的濃度指示值的圖表。未應用所述干擾修正技術的情形,出現副產物所致的干擾影響,然而,應用了所述干擾修正技術的情形,能夠充分的減少干擾影響。再者,雖然圖9及圖10表示SiF
4與副產物之間的關係,但推斷CF
4也具有同等的關係。
<本實施形態的效果>
根據如此般構成的本實施形態的氣體分析裝置100,向經減壓至較大氣壓更小的既定壓力的氣體池2,照射於包含鹵化物的光吸收訊號的特徵部的波長調變範圍進行了波長調變的雷射光,故而能可靠地把握鹵化物的光吸收訊號的特徵。此處,將氣體池2減壓至既定的壓力,故而可獲得較大氣壓下的鹵化物的光吸收訊號更尖銳的波峰,可降低對鹵化物的光吸收訊號的干擾成分所致的干擾影響。另外,先前的NDIR無法獲得鹵化物的光吸收光譜,但本發明中可獲得光吸收光譜,故而即便於多個成分所致的吸收干擾的情形時,亦可藉由光譜分析技術來降低干擾影響。
另外,本實施形態中,算出和樣本光的強度關聯的強度關聯訊號即對數強度L(t)、與針對該對數強度L(t)的多個特徵訊號F
i(t)各自的相關值S
i,使用所算出的多個相關值S
i來算出鹵化物的濃度或分壓,故而可不將吸收訊號變換為吸收光譜而以少的變量來把握吸收訊號的特徵,可不進行複雜的光譜運算處理而藉由簡單的運算來測定鹵化物的濃度或分壓。例如,通常的光譜擬合所用的資料點數需要數百點,但本實施形態中,最多使用數個至數十個左右的相關值便能以同等精度算出濃度或分壓。其結果為,可減小運算處理的負荷,無需高度的運算處理裝置,可削減氣體分析裝置100的成本,並且可實現小型化。
<其他實施形態>
例如,所述實施形態的對數運算部52a對光檢測器4的光強度訊號進行對數運算,但亦可使用光檢測器4的光強度訊號,算出樣本光的強度與作為參照光的調變光的強度之比的對數(所謂吸光度)。此時,對數運算部52a可藉由運算樣本光的強度的對數並運算調變光的強度的對數之後,將該些對數相減從而算出吸光度,亦可藉由求出樣本光的強度與調變光的強度之比後,取該比的對數從而算出吸光度。
另外,所述實施形態的相關值計算部52b算出強度關聯訊號與特徵訊號的相關值,但亦可算出強度關聯訊號與特徵訊號的內積值。
另外,所述實施形態中,保存部52c保存使用參照相關值進行了修正的單獨相關值,但亦可預先於保存部52c保存修正前的單獨相關值,濃度或分壓計算部52d可設為如下結構,即,求出經修正的單獨相關值,該經修正的單獨相關值是自修正前的單獨相關值減去參照相關值後,以每單位濃度或分壓進行換算而成。
多個特徵訊號不限於所述實施形態,只要為互不相同的函數即可。另外,作為特徵訊號,例如亦可使用下述函數,該函數表示流動濃度或分壓已知的標準氣體所得的、光強度或對數強度的波形(樣本光譜)。另外,於測定一個鹵化物的濃度的情形時,特徵訊號只要有至少一個即可。
進而,亦可使用大於n的種類的特徵訊號,求出較氣體種數更大的個數的單獨相關值及樣本相關值,製作較氣體種數更大的元數的聯立方程式,藉由最小二乘法來決定各成分濃度或分壓,藉由如此般設定,從而可決定相對於測定雜訊而誤差亦更小的濃度或分壓。
另外,氣體分析裝置100亦可如圖11所示,包括成為向氣體池2照射雷射光的光源的、多個雷射光源3。此處,關於氣體分析裝置3,可想到測定多個鹵化物(SiF
4、CF
4等)的濃度或分壓,於該情形時,具有:SiF
4用的第一雷射光源31,以波長調變範圍的波數寬包含1030.5 cm
-1~1031.5 cm
-1的一部分或全部的方式進行波長調變;以及CF
4用的第二雷射光源32,以波長調變範圍的波數寬包含1282.5 cm
-1~1283.5 cm
-1的一部分或全部的方式進行波長調變。該些第一雷射光源31及第二雷射光源32由光源控制部51以彼此相同的振盪週期且以該些雷射光源的振盪時機互不相同的方式進行脈波振盪。訊號處理裝置5自藉由光檢測器4所得的光強度訊號中分離多個雷射光源31、32各自的訊號,使用所分離的各雷射光源31、32的光吸收訊號,算出與各雷射光源31、32對應的測定對象成分的濃度或分壓。再者,訊號處理部52進行的、測定對象成分的濃度或分壓的算出與所述實施形態相同。
所述實施形態的訊號處理部發揮下述各部的功能:相關值計算部,使用和所述樣本光的強度關聯的強度關聯訊號、及針對該強度關聯訊號可獲得既定的相關的特徵訊號,算出依存於所述測定對象成分的濃度或分壓的相關值;以及濃度或分壓計算部,使用由所述相關值計算部所得的相關值來算出所述測定對象成分的濃度或分壓,但所述訊號處理部亦可使用其他運算方法。
作為本發明的氣體分析裝置的設置位置,不限於所述實施形態,亦可如圖12的(A)所示般連接於設於腔室的側壁的端口(port)而設置,對擴散至腔室200內的氣體進行分析,亦可如圖12的(B)所示般連接於下述端口而設置,該端口設於與腔室200連接的、正下方的配管H。另外,亦可如圖13的(A)、圖13的(B)所示,以於配管H組入氣體池2的方式設置氣體分析裝置100。於該情形時,配管H成為穿過氣體池2般的形狀。
進而,亦可如圖14的(A)所示,於腔室200的左右側壁形成光入射窗201及光出射窗202,將腔室200自身設為氣體池。若為該結構,則可直接測定自晶圓W產生的氣體。此種結構中,亦可用作針對晶圓W的例如反應性離子蝕刻(RIE)的端點監視器。亦可如圖14的(B)所示,於腔室200的內部配置反射鏡M3,將雷射光源3及光檢測器4歸總配置於腔室200的其中一個側壁側。藉此,可靈活地應對設置空間的限制,另外,可延長光路長。而且,亦可如圖15的(A)所示,於腔室200的上下壁形成光入射窗201及光出射窗202,將腔室200自身設為氣體池,亦可如圖15的(B)所示,於腔室200的內部配置反射鏡M3,將雷射光源3及光檢測器4歸總配置於腔室200的上壁側或下壁側。再者,於圖14的(B)、圖15的(B)中,反射鏡M3可設於腔室200的內部,亦可介隔窗而設於腔室200的外部。
光源亦不限於半導體雷射,亦可為其他類型的雷射,只要為具有足以確保測定精度的線寬的單波長光源且可進行波長調變,則可使用任何光源。另外,亦可對光源進行強度調變。
除此以外,只要不違背本發明的主旨,則亦可進行各種實施形態的變形或組合。
[產業上的可利用性]
根據本發明,可高精度地測定半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓。
2:氣體池
3:雷射光源
4:光檢測器
5:訊號處理裝置
6:加熱機構
7:壓力感測器
31:第一雷射光源
32:第二雷射光源
51:光源控制部
52:訊號處理部
52a:對數運算部
52b:相關值計算部
52c:保存部
52d:濃度或分壓計算部
100:氣體分析裝置
200:腔室
201:光入射窗
202:光出射窗
CP:真空泵
CV:壓力控制閥
H:配管
M1、M2、M3:反射鏡
W:晶圓
圖1為示意性地表示組入有本發明的一實施形態的氣體分析裝置的半導體製造裝置的圖。
圖2為所述實施形態的氣體分析裝置的總體結構圖。
圖3為所述實施形態的訊號處理裝置的功能區塊圖。
圖4為表示所述實施形態的雷射振盪波長的調變方法的示意圖。
圖5為表示所述實施形態的振盪波長、光強度I(t)、對數強度L(t)、特徵訊號F
i(t)、相關值S
i的一例的時序圖表。
圖6為表示SiF
4的吸收光譜及波長調變範圍的圖。
圖7為表示CF
4的吸收光譜及波長調變範圍的圖。
圖8為表示使用所述實施形態的單獨相關值及樣本相關值的、濃度或分壓計算的概念圖的圖。
圖9為表示藉由所述實施形態的氣體分析裝置所取得的SiF
4的光吸收訊號及半導體製造製程中所生成的作為干擾成分的副產物的光吸收訊號的圖。
圖10為表示所述實施形態的氣體分析裝置中不進行干擾影響修正的情形(關閉干擾影響修正(Interference Correction OFF))及進行干擾影響修正的情形(開啟干擾影響修正(Interference Correction ON))的SiF
4的濃度指示值的圖表。
圖11為變形實施形態的氣體分析部的總體示意圖。
圖12為示意性地表示組入有本發明的半導體製造裝置的變形例的圖。
圖13為示意性地表示組入有本發明的半導體製造裝置的變形例的圖。
圖14為示意性地表示組入有本發明的半導體製造裝置的變形例的圖。
圖15為示意性地表示組入有本發明的半導體製造裝置的變形例的圖。
2:氣體池
3:雷射光源
4:光檢測器
5:訊號處理裝置
6:加熱機構
7:壓力感測器
100:氣體分析裝置
M1、M2:反射鏡
Claims (15)
- 一種氣體分析裝置,對半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓進行分析,且包括: 氣體池,導入有所述材料氣體或所述副生成氣體; 雷射光源,向所述氣體池照射經波長調變的雷射光; 光檢測器,檢測透過所述氣體池的雷射光;以及 訊號處理部,使用由所述光檢測器的輸出訊號所得的光吸收訊號來算出所述鹵化物的濃度或分壓, 所述氣體池減壓至較大氣壓更小的既定壓力, 所述雷射光源於包含所述鹵化物的光吸收訊號的特徵部的波長調變範圍將所述雷射光進行波長調變。
- 如請求項1所述的氣體分析裝置,其中所述鹵化物為SiF 4, 所述波長調變範圍以其波數寬包含1030.5 cm -1~1031.5 cm -1的一部分或全部的方式設定。
- 如請求項2所述的氣體分析裝置,其中所述波長調變範圍以其波數寬包含1029cm -1~1032cm -1的一部分或全部的方式設定。
- 如請求項1所述的氣體分析裝置,其中所述鹵化物為CF 4, 所述波長調變範圍以其波數寬包含1282.5 cm -1~1283.5 cm -1的一部分或全部的方式設定。
- 如請求項4所述的氣體分析裝置,其中所述波長調變範圍以其波數寬包含1281.5 cm -1~1284.5 cm -1的一部分或全部的方式設定。
- 如請求項1所述的氣體分析裝置,其中所述鹵化物為SiF 4及CF 4, 所述雷射光源具有: 第一雷射光源,以所述波長調變範圍的波數寬包含1030.5 cm -1~1031.5 cm -1的一部分或全部的方式設定;以及 第二雷射光源,以所述波長調變範圍的波數寬包含1282.5 cm -1~1283.5 cm -1的一部分或全部的方式設定。
- 如請求項1至請求項6中任一項所述的氣體分析裝置,其中所述訊號處理部藉由光譜分析修正對所述鹵化物的光吸收訊號的干擾成分的影響,來算出所述鹵化物的濃度或分壓。
- 如請求項1至請求項7中任一項所述的氣體分析裝置,其中所述氣體池於內部設有一對反射鏡,將所述雷射光加以多重反射。
- 如請求項1至請求項8中任一項所述的氣體分析裝置,包括:加熱機構,將所述氣體池加熱。
- 如請求項1至請求項9中任一項所述的氣體分析裝置,包括:壓力感測器,測定所述材料氣體或所述副生成氣體的壓力。
- 如請求項1至請求項10中任一項所述的氣體分析裝置,其中所述氣體池設於進行半導體製造製程的腔室或連接於所述腔室的配管。
- 如請求項11所述的氣體分析裝置,其中於所述配管,設有對所述腔室進行真空抽吸的真空泵, 所述氣體池設於較所述真空泵更靠所述腔室側。
- 如請求項12所述的氣體分析裝置,其中於所述配管,於較所述真空泵更靠所述腔室側設有控制所述腔室的壓力的壓力控制閥, 所述氣體池的進氣口連接於所述壓力控制閥的上游側,所述氣體池的出氣口連接於所述壓力控制閥的下游側。
- 如請求項1至請求項10中任一項所述的氣體分析裝置,其中所述氣體池包含進行半導體製造製程的腔室。
- 一種氣體分析方法,對半導體製造製程中所用的材料氣體或因半導體製造製程而產生的副生成氣體所含的鹵化物的濃度或分壓進行分析,且具有下述步驟: 將所述材料氣體或所述副生成氣體導入至氣體池; 向所述氣體池照射經波長調變的雷射光; 檢測透過所述氣體池的雷射光;以及 使用由光檢測器的輸出訊號所得的光吸收訊號來算出所述鹵化物的濃度或分壓,且 將所述氣體池減壓至較大氣壓更小的既定壓力,並且將所述雷射光於包含所述鹵化物的光吸收訊號的特徵部的波長調變範圍進行波長調變。
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