JPH0792435B2 - 干渉光放射検出方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体デバイス製造におい
て、特に、微量成分汚染の監視及びエッチング終点検出
に用いられる干渉光放射検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ナトリウム（Ｎａ）及び他のアルカリ金
属は、トランジスタその他の固体デバイスの動作に悪影
響を与える不所望な不純物である。ナトリウムは可動イ
オンで、トランジスタのゲートに異なる電圧でターンオ
ン及びターンオフを生じさせる。また、ゲートの可変動
作は、メモリチップ等の他のデバイスの動作を不安定に
する。トランジスタのナトリウム汚染は、デバイス製造
に使用される薬品及びツールとの人間の接触（すなわ
ち、ナトリウム・イオンは人間が単にツールに触ること
により、人の身体から処理ツールに移動する）と、フォ
トレジストのような処理試薬に存在する不純物と、これ
ら処理試薬の製造及び保管に起因し、自然の大気中に存
在し処理プラント環境を破壊するナトリウムにより（す
なわち、霧，霞、及び雨水の浸潤はナトリウム・イオン
を大気から処理プラントに運搬する）、あるいは他の手
段により生じる。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、
アルカリ金属に対してバイポーラ型より４倍敏感であ
る。その結果、ナトリウム汚染はＦＥＴ処理に特別に関
連している。

【０００３】ナトリウムの放出及び他の微量成分の放出
は、光学的に検出することができる。トランジスタ処理
に使用される今日の光放射検出装置の大部分は、フォト
ダイオード・アレイ検出器を有するモノクロメータ、あ
るいは光電子増倍管検出器を有するスキャン・モノクロ
メータに分類できる。これらのタイプの光放射装置は次
の会社から入手可能である。すなわち、Ｔｒａｃｔｏｒ
−Ｎｏｒｈｔｅｒｎ社，Ｐｌａｓｍａ−Ｔｈｅｒｍ Ａ
ｎａｌｙｔｉｃａｌ社，Ｘｅｎｉｘ社，及びＥＧ＆Ｇ
ＰＡＲ社である。これらのタイプの光放射装置に関する
問題点の１つは、それらが低分解能検出を与えることに
ある。その分解能は、１ｎｍ以上が多く、ときには１０
〜２０ｎｍと劣ることもある。低分解能検出は、不所望
なバックグラウンド及び他の放射干渉を伴う、所望の放
射信号の不十分な波長分散及びコンボリューションを生
じる。このため、低分解能検出は、プラズマ処理ツール
の強いバックグラウンド放射に対して、低い微量種検出
感度を与える。これは従来のモノクロメータに典型的な
低光スループットによって、さらに倍加される。

【０００４】従来の光放射装置の低感度の結果として、
ＦＥＴにおけるナトリウム不純物検出のために使用され
る通常の方法は、チップ製造工程の終りに電気的測定を
行っている。大量のチップが汚染される前にナトリウム
・イオンのような不純物の微量レベルを検出するのに十
分な感度を持つなんらかの手段を有することは、明らか
に有利である。理想的には、ＦＥＴの製造中に許容でき
ないレベルのナトリウムが検出されると潜在的な処理上
の問題が確認され、処理を一時的に停止して、ツールを
清浄化したり、及び／または試薬中のナトリウム・レベ
ルをチェックする。

【０００５】適切なエッチング終点検出は、トランジス
タ製造における主要な関心事である。物質除去の終点を
決定する従来技術の１つは、単に、物質除去の速度によ
ってエッチング処理の時間調節を行っている。時間調節
されたエッチング処理を使用するには、所望の全物質が
除去され下層があまりエッチングされない時間を経験的
に決定することが必要である。時間調整は、適切なエッ
チング終点を決定するための理想的な処理ではない。な
ぜなら、それは間接的であり、不適切なエッチングの結
果は重大であるからである。アンダーエッチングはトラ
ンジスタの利得の低下を招き、オーバーエッチングは真
性ベース領域と不純物ベース領域との不良接触を生じさ
せる。

【０００６】光放射検出は、エッチング処理を停止すべ
き終点を検出する手段として提供されている。モノクロ
メータまたは帯域フィルタは、所望の光放射が生じる光
の波長を選択するのに用いられる。プラズマ種の監視及
び分析にとって、高スペクトル分解は常に、低スペクト
ル分解よりも好ましい。なぜなら、十分な高分解能があ
れば、他の放出プラズマ種からの干渉を最小にすること
が可能だからである。さらに、光スループットが一定に
保たれるなら、ピーク高さは、スペクトル分解が改善さ
れるにしたがって、バックグラウンドに比例して増大す
る。そのため、エッチング終点検出の感度において、及
びナトリウム・イオン汚染分析におけるような弱い放出
プラズマ種の識別において、高スペクトル分解はかなり
の利点を与える。残念なことに、高スペクトル分解を得
るための従来の方法、例えばモノクロメータのスリット
を狭くしたり、大型のモノクロメータを利用したりする
方法は、トランジスタ製造応用における使用に実際的な
制限を課している。モノクロメータのスリットが狭くな
ると、高分解能となる。しかし、光スループットは非常
に減少し、全体の感度は低下する。また、大型のモノク
ロメータの使用は許容できない。なぜなら、それらは高
価で清浄な室内空間が必要で、一般的に言って製造応用
には実用的でない。

【０００７】レーザ励起蛍光（Ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃ
ｅｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ：ＬＩＦ）は溝エッチ
ング終点を識別するために、トランジスタ製造に使用さ
れる新技術であり、微量成分を識別するのに用いられ
る。例えば、米国特許第４，６７５，０７２号明細書
は、エッチング・プラズマ中のウェハから、選択された
微量種の濃度の大きな変化を検出することにより、ウェ
ハの所定層に対する反応性イオン・エッチング（ＲＩ
Ｅ）を検出及び制御するのに使用されるＬＩＦ装置を開
示している。一般に、ＬＩＦは多量種を監視するのに用
いられるが、ＬＩＦはエッチングの際に微量のＮａイオ
ン汚染の検出に用いることができる。しかし、Ｎａは５
８８．９９６ｎｍまたは５８９．５９３ｎｍの励起波長
で蛍光を発するのみであり、散乱レーザ光はＬＩＦの感
度に対して厳しい制限があるので、ツール壁及び窓から
の散乱レーザ光による不可避の干渉のために、Ｎａの存
在が容易に検出できない。さらに、ブルースター角窓及
び光バッフルの使用のような、散乱レーザ光を減少させ
る方法は、商業用のエッチング・ツールとしては実用的
でない。ＬＩＦはまた、エッチング終点検出手段とし
て、アルミナイズ配線に現われる微量銅原子を検出する
のにも用いられる。しかし、銅原子は３２４．７７５ｎ
ｍで蛍光を発し、この波長は色素レーザの周波数を倍に
することを必要とする波長である。この処理は一般に製
造応用としては実行不可能と見なされている。なぜな
ら、この作業のためにはより強力なレーザと、熟練した
レーザ操作者が必要だからである。

【０００８】いくつかのレーザ干渉技術は、今では、線
幅及びエッチング終点を光学的に検出するために標準的
に用いられる。米国特許第４，４５４，００１号明細書
及び米国特許第４，６８０，０８４号明細書は、エッチ
ング中に領域の厚さが同時に監視されるレーザ干渉方法
を用いて、エッチングを監視することを目指している。
米国特許第４，８３８，６９４号明細書は、反射レーザ
・ビームを用いるレーザ干渉処理を開示している。米国
特許第４，７１７，４４６号明細書は、レーザを用い
て、酸化物層の反射光を測定することにより、監視ウェ
ハのエッチング速度を測定し、エピタキシャル成長した
シリコンのエッチング終点を検出するために、加工中の
ウェハの終点と相関を持つ監視ウェハを用いる方法を開
示している。米国特許第４，６０２，９８１号明細書
は、プラズマのインピーダンス変化によって終点を検出
するプラズマ・エッチングのためのインピーダンス監視
技術を開示している。しかし第４，６０２，９８１号明
細書は、レーザ干渉はこの技術分野において十分確立さ
れていることを開示し、エッチング処理が進行するにつ
れて、除去された膜の厚さをレーザが測定することを明
らかにしている。米国特許第４，７５８，３０４号明細
書は、表面監視のための干渉計を使用するイオン・エッ
チング用の装置を開示している。米国特許第４，６０
２，９８１号明細書及び第４，７５８，３０４号明細書
において開示された方法は、検出光の正確な波長に対し
て一般に感応しない。本出願人による発明以前は、複合
バックグラウンド・スペクトル中に微量放出種を検出す
るために、固体デバイス製造において、干渉計は使用さ
れなかった。

【０００９】さらに、干渉計を制御するためのいくつか
の技術は、今日広く普及している。米国特許第４，４８
２，２４８号明細書は、光フィルタリングに使用される
干渉計を開示している。米国特許第４，７１１，５７３
号明細書は、試料物質を分析するためにインターフェロ
グラムを利用し、その際位置方向を維持するのに閉ルー
プサーボモータを使用する、動的ミラー位置決め制御方
法を開示している。米国特許第４，４４８，４８６号明
細書は、ファブリ・ペロー干渉計の帯域幅を変更するの
に用いる、ファブリ・ペロー干渉計におけるミラーの使
用法を開示している。本出願人の発明は、トランジスタ
製造において干渉計を使用及び制御するための、全く新
しい方法である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光波
干渉を用いて微量プラズマ種を監視するための方法を提
供することにある。

【００１１】本発明の他の目的は、微量プラズマ種の光
放射を監視するための波長選択にモノクロメータを使用
する際の、低光スループット及び対応する低分解能とい
う不利を克服することにある。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、干渉原理で動
作する新しく、低コストで、耐久力のある光放射検出装
置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によると、光波干
渉は微量プラズマ種を識別する固体デバイス製造工程で
用いられる。光波干渉を用いることによって、高分解能
光放射検出が、モノクロメータを使用せずに達成され
る。本発明の光波干渉方法は結果として、高い光スルー
プット効率と、高スペクトル分解能と、それに伴う検出
感度及び選択性の改良とを招く。本発明の光波干渉方法
は、エッチング終点分析と、ＦＥＴ製造の際遭遇するナ
トリウム不純物のような重要微量成分の識別とに有益で
ある。

【００１４】１つの方法はファブリ・ペロー干渉計の使
用を含み、空気で既知の距離を隔てられた、２つの高反
射率の平行なプレート間の建設的及び破壊的な干渉に基
づいている。Ｒ．Ｐ．Ｆｅｙｎｍａｎ他著、“Ｔｈｅ
Ｆｅｙｎｍａｎ Ｌｅｃｔｕｒｅｓ ｏｎ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ”，Ｖｏｌ．ＩＩＩ，Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅ
ｙ，Ｒｅａｄｉｎｇ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，ｐ
ｐ．４−１０，１９６５で説明されているように、干渉
計は２つの反射プレート間の定常波保持の原理で作動す
る。定常波規準はｋ_f ＝ｊπ／Ｌのとき満たされる。ｋ
_f は第ｊモード（ｊ＝任意の整数）の波数（ｋ＝２π／
λ）、Ｌはプレート間の距離である。２つのプレート間
の距離を変えるのは圧電ドライバまたは同様の手段によ
って達成可能であるが、これによると透過光は、狭い波
長域に亘って非常に高い分解能（例えば０．００１〜
０．０８ｎｍ）に調節することができる。このような装
置は一般に、選択された波長の光の７０％を透過し、低
分解能で５〜１０％の光しか透過しないモノクロメータ
・装置に比して非常に好適である。多次数波はエアスペ
ース・エタロンによっても透過されるので、多次数波を
阻止するために前置フィルタを用いる必要もある。

【００１５】エアスペース・ファブリ・ペロー干渉計は
既に市販され、主にトランジスタその他の固体デバイス
製造において、多量放出種の線幅測定のために使用され
てきた。例えば、Ｒ．Ｗａｌｋｕｐ他は線幅測定のため
のエアスペース・ファブリ・ペロー干渉計の使用を、
“Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．”８４，２６６８（１９８
６）において開示している。本発明は、固体デバイス製
造におけるファブリ・ペロー干渉計の従来の使用ではな
く、複合バックグラウンド・スペクトルからの微量放出
種の終点検出及び選択的検出のための使用を目指してい
る。本発明によるファブリ・ペロー干渉計の使用は、フ
ァブリ・ペロー干渉計により生じ、他の光放射検出手段
（例えばモノクロメータ）には存在しない高い光スルー
プットを利用する。微量種に対する多量プラズマ種は通
常、線幅分析の際に監視されているので、高い光スルー
プットは線幅分析にはさしたる利点を持たない。

【００１６】光波干渉がトランジスタ製造の際の微量種
監視のために使用される他の方法は、傾動可能な狭帯域
干渉フィルタを使用して、小範囲の波長をスキャンする
ことである。狭帯域干渉フィルタは、Ｏｒｉｅｌ Ｏｐ
ｔｉｃｓ社，ＡｎｄｏｖｅｒＣｏｒｐ．社，Ｓｐｉｎｄ
ｌｅｒ社，及びＨｏｙａ社から市販され、入射光の建設
的または破壊的干渉を生じさせるのに使われる誘電体の
薄い連続層を有している。狭帯域干渉フィルタは原則的
にエアスペース・ファブリ・ペロー・エタロンと同一で
ある。しかし、狭帯域干渉フィルタにおける層間の距離
は固定され、いくつかの誘電体層が空気の代わりに用い
られている。狭帯域干渉フィルタの分解能は一般に、フ
ァブリ・ペロー干渉計による分解能より幾分低く、ファ
ブリ・ペロー干渉計に関連する多次数波透過の問題は、
狭帯域干渉フィルタが用いられるときは存在しない。な
ぜなら、ファブリ・ペロー干渉計は単一の反射キャビテ
ィで作動し、狭帯域干渉フィルタは連続した誘電体層間
の多重反射によって作動するからである。このように、
モード効果に対する感度は最小化される。狭帯域干渉フ
ィルタは終点検出のために物質処理プラズマにおいて広
く用いられる。実際、いくつかの市販の反応器は特定の
狭帯域干渉フィルタを備えるようになった。例えばアル
ミニウム（Ａｌ）原子検出のために１０ｎｍ帯域フィル
タを備えたＺｙｌｉｎ金属エッチング反応器がそれであ
る。Ｈａｒｓｈｂｅｒｂｅｒ他は、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，７，４２９（１９７８）
において、帯域干渉フィルタを備えた反応器について説
明している。干渉フィルタは一般に、エッチング終点検
出のために、低分解能光分光計と同様に用いられる。こ
れらのフィルタの高い光スループットは、一定波長モノ
クロメータを越える利点を与え、モノクロメータよりも
低価格であり高い信頼性も有している。しかし、フィル
タの一定波長選択によって、フィルタの透過範囲内の干
渉の不所望な検出に起因する誤りに対して、これらの光
検出装置はもろくなる。帯域フィルタによって測定され
た絶対放射強度は、プラズマの基礎連続放射の強度を含
んでいる。この連続放射は重要であり、微量または不純
プラズマ種からの弱い特定波長放射に対して優位的であ
る。この連続放射は、電子−イオンの組合せ、またはプ
ラズマ中の電子エネルギー分布の変化から得ることがで
きる。フィルタを用いた一定波長の検出は、所望の放射
がプラズマ中の他の放射と区別できないことを意味す
る。

【００１７】帯域干渉フィルタは入射光に対して、フィ
ルタを傾動することにより、より短い波長に調節するこ
とができることが知られている。フィルタを効率的に傾
動すると、層分離または組成を変えることなく（上に示
したように、層間の距離は固定されている）、誘電体層
間の光路長が変化する。このように、帯域干渉フィルタ
の透過ピークは、フィルタを適切な方向に傾動すること
によって、より短い波長に微妙に調節することができ
る。図１及び図２は１９８６年版のＯｒｉｅｌＯｐｔｉ
ｃｓカタログから取ったもので、帯域干渉フィルタへの
平行ビームの入射角を変化させたときの効果を示してい
る。図１は入射角が増大すると、ピーク波長がより短い
波長にシフトすることを示している。このシフトは、直
接透過ビームと、多重反射によって形成されたビームと
の間の光路の差が減少しているという事実によるもので
ある。ピーク波長における入射角シフトは、式１： λ_a ／λ₀ ＝（Ｎ_e ²−ｓｉｎ²ａ）^1/2 ／Ｎ_e ａは入射角 λ_a は入射角ａのピーク波長 λ₀ は垂直入射のピーク波長 Ｎ_e は入射角シフト・ファクタまたはフィルタの“有効
屈折率” を用いると、３０°以下の角度に対するものと判断でき
る。Ｎ_e はスペーサ層の実際の屈折率ではなく、むしろ
フィルタにおける高及び低屈折率物質に依存している。
Ｏｒｉｅｌ Ｏｐｔｉｃｓは実験によって、硫化亜鉛／
氷晶石系のＮ_e は氷晶石スペーサ層に対して１．４５、
硫化亜鉛スペーサ層に対して２．０であることを調べ
た。図２は式１によって計算された、入射角に対するお
およその波長シフトをプロットしたもので、各々が硫化
物／氷晶石系を含み一方は氷晶石スペーサ層を用い他方
は硫化亜鉛スペーサ層を用いた、２つの帯域干渉フィル
タに対するものである。小さい角（例えば３０°以下）
のとき、帯域通過の形状は透過の小さな減少は別にし
て、明らかには変化しない。しかし、より大きな角度で
は、帯域通過の形状は大きく歪む。５ｎｍと１０ｎｍの
フィルタに対して、１０ｎｍのシフトは帯域通過形状の
非常に大きな変化なしに達成できる。

【００１８】狭帯域干渉フィルタ及び超狭帯域干渉フィ
ルタは、帯域干渉フィルタのサブセットであり、０．１
ｎｍと１ｎｍの間の半値全幅（ＦＨＷＭ）を有するフィ
ルタを含む。帯域干渉フィルタ，狭帯域干渉フィルタ，
及び超狭帯域干渉フィルタの区別は質的なものである。
ＦＨＷＭはピーク高さの１／２で測定される波長検出に
おける誤りを指している。狭帯域干渉フィルタはＡｎｄ
ｏｖｅｒ Ｃｏｒｐ．ｏｆ Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔ
ｓその他の会社から市販されている。狭帯域干渉フィル
タはフィルタ方向がコリメート入射光に非常に依存して
いることを示す。例えば、ＦＨＷＭ＝０．２ｎｍを有す
る超狭帯域の干渉フィルタが、垂直の入射から５°変化
するならば、ピーク波長において透過曲線を大きく広げ
ることなく、約１ｎｍのシフトが生じる。帯域通過形状
に非常に大きな変化を来たさずに１０ｎｍシフトする５
ｎｍと１０ｎｍの帯域干渉フィルタと異なり、超狭帯域
の干渉フィルタはかなり狭い範囲を有するが、その範囲
に改良されたスペクトル分解能を有する。

【００１９】本発明は、光放射検出感度を大幅に改良す
る手段として狭帯域フィルタを用いた入射角依存波長シ
フトの“問題”を使用している。具体的に述べると、本
発明はプラズマ反応器から集光したコリメート光に対し
て急速に傾動することができるホルダーに狭帯域フィル
タを取り付けることを意図している。帯域フィルタを５
°傾動することにより、１ｎｍのおおよその範囲は１／
２高さで０．２ｎｍ、または９０％の透過率で０．０５
ｎｍより良好な帯域でスキャンすることができる。図３
は帯域が１／２高さで０．２ｎｍ、９０％の透過率で
０．０５ｎｍであるフィルタの波長に対する透過率のプ
ロット図であり、狭帯域フィルタが傾動されるに従い、
プロットが如何にシフトするかを示している。光電子増
倍管は傾動する狭帯域フィルタを通る透過光を検出する
のに用いられる。光電子増倍管からの出力は、フィルタ
の移動に同期するオシロスコープまたはロックイン増幅
器に送られる。それによってロックイン増幅器は、光電
子増倍管信号の変化を、フィルタ方向の関数として敏感
に測定することができる。

【００２０】原子輝線は非常に鋭いので（例えば、０．
０００１ｎｍのオーダ）、検出されたどんな原子放射も
フィルタ方向への非常に強い信号依存性を示す。フィル
タ方向へのこの依存性は、バックグラウンド放射ノイズ
の効果的な除去という利点を与える（すなわち、バック
グラウンド放射はスキャンされた波長の範囲で比較的に
一定の放射と考えられる）。バックグラウンド放射の除
去は、大きなバックグラウンド放射上の非常に小さい信
号の検出を可能にする。固定された帯域フィルタを用い
る従来の方法では（Ｈａｒｓｈｂｅｒｇｅｒ他著“Ｊ．
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，７，４
２９（１９７８）によって上記に引用されるように、傾
動されない）、小信号は大きなバックグラウンド放射と
区別できない。なぜなら、信号もバックグラウンド放射
も連続的に検出されるからである。この特定波長検出技
術においては、信号はバックグラウンド放射と識別可能
である。このように、バックグラウンド放射除去と高光
スループット・高スペクトル分解能は、進歩性のある光
放射検出手段を作り出し、そこでは狭帯域干渉フィルタ
が急速に傾動して、モノクロメータまたは一定波長帯域
フィルタを用いた従来の光放射検出装置よりもはるかに
すぐれた、プラズマ監視のための手段であるスキャン機
能を達成する。

【００２１】

【実施例】図を参照すると、特に図４にはプロセス・チ
ャンバ１０（本明細書においては、プラズマ反応器とも
いう）が示されており、ここではトランジスタ（図示せ
ず）のような固体デバイスの製造において、反応性イオ
ン・エッチング（ＲＩＥ）等のようなエッチング処理が
行われる。光ファイバ・ケーブル１２はプロセス・チャ
ンバ１０から光を集光し、コリメート・レンズ１４に伝
達するのに用いられる。光ファイバ・ケーブル１２を除
去して、反応装置窓（図示せず）から放出された光を集
光しコリメートするのにコリメート・レンズ１４だけを
使用することが考えられる。多重光ファイバ・ケーブ
ル，連続多重レンズ，アパーチャ，フォーカシング・ミ
ラー，及びバッフルを含むより複雑な配置は、これらの
機能を満たす多くの異なるより確立された技術が存在す
るので、プロセス・チャンバ１０からの光を集光しコリ
メートするのに使用することも考えられる。コリメーシ
ョンはもちろん、光ファイバと各レンズとの間の距離が
適切に選定されるレンズ列を用いて実現することができ
る。レンズ１４からのコリメート光は前置フィルタ１
６、または前置フィルタ列を通過するので、多次数波透
過が阻止される。狭帯域フィルタ（約１ｎｍ）は適切な
前置フィルタ１６となり、ファブリ・ペロー干渉計１８
が通過させる多くの不所望な多次数波透過が阻止され
る。モノクロメータは多次数波透過を排除する機能を果
たすために、前置フィルタに代わって用いることができ
る。しかし、モノクロメータを使用すると、モノクロメ
ータを透過する光の割合が非常に高くなるように設定し
なければならない。

【００２２】フィルタされコリメートされた光はさら
に、ファブリ・ペロー干渉計１８に透過される。ファブ
リ・ペロー干渉計１８は数多くの会社から市販されてい
て、通常は、流体充填空間、エア・スペースまたはエタ
ロン２４によって分離されているアルミニウム反射コー
ティングが施された２枚のガラス・プレート２０及び２
２を有している。ファブリ・ペロー干渉計１８を調節す
るために、圧電ドライバ２６または他の適切な手段が、
ガラス・プレート２０と２２の間の距離を変えるのに用
いられる。マサチューセッツのＢｕｒｌｅｉｇｈ社は圧
電ドライバ２６に結合するファブリ・ペロー干渉計１８
を製作している。ガラス・プレート２０と２２の間の距
離を変えるための、圧電ドライバ２６のような非常に敏
感な手段を用いると、透過光を狭い波長域に亘って非常
に高い分解能（例えば０．００１〜０．０８のオーダ）
に調節することができる。ファブリ・ペロー干渉計１８
は、選択された波長で７０％以上の光を透過することが
でき、これは、選択された波長で光の５〜１０％しか透
過せず一般に低い分解能しか持たないモノクロメータと
比較して有利である。

【００２３】ファブリ・ペロー干渉計１８から透過され
た光は、レンズ２８を用いて集光され、検知のために光
電子増倍管３０に送られる。フォトダイオード等のよう
な他の検知デバイスを光電子増倍管３０の代わりに用
い、所望の感度がどの光検知配置を使用するかを決定す
ることが考えられる。光電子増倍管３０はＲＣＡ Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社及びＥＭＩ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓ社から市販され、高圧電源３２を必要とする。高圧
電源３２は、より大きな検出感度のために連続電子増幅
段の間の高バイアス電位を実現するように、光電子増倍
管において用いられる。光電子増倍管３０からの出力
は、オシロスコープ３４または他の適切な信号処理器に
送られる。ファブリ・ペロー干渉計１８の波長透過は、
ガラス・プレート２０と２２の離間距離により変化し、
圧電ドライバ２６によって同期をとられる。オシロスコ
ープ３４は圧電ドライバ２６からの出力も受け取るの
で、ファブリ・ペロー干渉計１８によって決定された選
択波長は、光電子増倍管３０によって検知された光と相
関関係を持つことができる。

【００２４】このように図４に示した配置は、固体デバ
イスをエッチングする際プロセス・チャンバ１０で発生
する、特定波長域の全光放射からの光の特定波長の放射
強度を、オペレータが迅速に決定することを可能にす
る。それにより、励起波長５８８．９９６ｎｍまたは５
８９．５９３ｎｍでのみ発光するナトリウム・イオンの
ような微量成分の存在は、これらの波長を選択するため
にファブリ・ペロー干渉計１８を用い、光がこれらの波
長で透過されたかどうかを知るために光電子増倍管を用
いることによって検出することができる。特定の微量成
分確認機構において、圧電ドライバ２６は、両波長での
放射を検出しナトリウムの存在確認として使用すること
ができるように、ガラス・プレート２０及び２２を２つ
の異なる離間距離に駆動する。連続バックグラウンド放
射も特定波長のナトリウム放射から区別される。別の使
用方法において、ファブリ・ペロー干渉計１８は、アル
ミナイズ配線に存在する銅原子を検出するのに用いられ
る場合に、エッチング終点を検出するために用いること
ができる。パーソナリゼーションの際、すなわちマイク
ロチップ上で多数の回路を配線及び相互接続する際に、
銅（Ｃｕ）を２〜３％含有するアルミニウム（Ａｌ）を
含む金属線が露出するまで、酸化物をエッチングする。
Ａｌは、対抗電極とチャンバ壁がＡｌの放出源なので、
容易に終点検出に使用することができない。配線のＡｌ
は、プラズマ処理ツールの壁及び電極からスパッタされ
たＡｌと容易に区別できない。しかし、小さいバイア・
パターン・ファクタ（２〜５％）、及びＡｌ合金中のＣ
ｕの低パーセント濃度（２〜５％）は結果的に、プラズ
マ中のＣｕの非常な低濃度を招くので、エッチング終点
を監視するためにアルミニウム合金からの少量の銅を用
いることが可能である。Ｃｕ放出は５２２．００６ｎｍ
及び５２１．８２０ｎｍで検出することができ、ナトリ
ウム検出のときと同じ方法で行われる。すなわち、２つ
の波長での放射を検出すると、銅の存在が確認される。

【００２５】ファブリ・ペロー干渉計１８は、所望の波
長でモノクロメータよりも大きな光透過を許容するの
で、図４の装置は従来の光放射装置よりも大きな感度を
有している。さらに、ファブリ・ペロー干渉計１８の高
スペクトル分解能は、図４の光装置が非常に狭い線幅の
原子遷移を利用することを可能にし、その遷移はさらに
検出感度を援助し、所望の波長に近い波長で放射された
他のプラズマ種に起因する干渉の可能性を大幅に減ら
す。ファブリ・ペロー干渉計１８のスキャンは、バック
グラウンド光の除去を許容し、それによってさらに、検
出感度が改良される。また、原子放射３重項または２重
項は分解することができるので、特定の原子種の明白な
識別は可能である。モノクロメータは低分解能であるこ
とが多いので、微細な放射構造をぶれさせる傾向にあ
り、そのため２重項から１重項を決定するのに用いるこ
とができない。

【００２６】図５及び図６に示したのは選択的な光放射
検出装置で、干渉技術を利用して、図４のそれと同様の
微量成分の存在を検出する。例えば、光ファイバ・ケー
ブル１２はプロセス・チャンバから光放射を集めて伝達
し、そのチャンバではエッチング処理またはその種のも
のが実行される。コリメート・レンズ１４はケーブル１
２からの光をコリメートし、４０で示した干渉計に向か
わせ、その干渉計は、所定波長の光の高光スループット
透過を許容する。レンズ２８は選択された波長の放射を
集め、高圧電源３２によって駆動される光電子増倍管３
０に向かわせる。図４に関して説明したように、処理中
に光放射を集め、コリメートし、検知するのに使用され
る装置のタイプにはいくつかのバリエーションがあり、
そうしたバリエーションは図５及び図６に関して適用可
能である。図４の装置と図５及び図６の装置との主たる
違いは、光の波長選択すなわち狭い波長域のスキャンに
用いられる干渉装置４０のタイプにある。

【００２７】図５及び図６は、狭帯域フィルタ干渉計４
２が旋回台４４に接続され、透過光の経路に配置されて
いることを示す。上に示したように、狭帯域フィルタ４
２はＡｎｄｏｖｅｒ Ｃｏｒｐ．社，Ｏｒｉｅｌ Ｏｐ
ｔｉｃｓ社，Ｓｐｉｎｄｌｅｒ社，及びＨｏｙａ社から
市販され、今日のプロセス・チャンバ１０においてはエ
ッチング終点分析に用いられる。本発明が従来技術と違
う点は、本発明の狭帯域フィルタ干渉計４２は、レンズ
１４からのコリメート光に対して傾動可能であるという
ことである。発明者は、誘電体層間の光の光路長が変化
するように入射光に対してフィルタを傾動させることか
ら生じる（すなわち、上述した角度依存波長シフト）、
狭帯域フィルタ干渉計４２をより短い波長に調節する現
象は、光放射検出感度を改善するための手段として使用
できることを発見した。図５及び図６に示した配置の別
の利点は、ファブリ・ペロー干渉計１８が用いられると
きと違って、狭帯域フィルタ干渉計４２が使用されると
きは、多次数波透過は問題ではないので、前置フィルタ
１６は必要でないということである。

【００２８】図５及び図６は狭帯域フィルタ干渉計４２
が、下部で角度ユニット４３またはガルバノメトリック
・オシレータ４５に接続されることを示している。しか
し、レンズ１４からのコリメート光に対して急速に傾動
できるような狭帯域フィルタ干渉計４２を取り付けるた
めの構成は、本発明の範囲内にあることが予想される。
好適な実施例において、狭帯域フィルタ干渉計４２は
０．２ｎｍオーダのＦＨＷＭを有している。スムーズに
再現できるように応答するどんなデバイスも、狭帯域フ
ィルタ干渉計４２を角度的に駆動するのに用いることが
できる。例えば、図５のスピーカ・コーン４６，圧電ド
ライバ（図示せず），または図６のガルバノメトリック
・スキャナは、狭帯域フィルタ干渉計４２を傾動させる
のに用いられる。

【００２９】図５の構成において、スピーカ・コーン４
６は、正弦波に非常にスムーズに応答し、正弦波オーデ
ィオ・ドライバ４８の出力によって駆動され、オーディ
オ周波数正弦波に再現可能に同調して狭帯域フィルタ干
渉計４２を急速に傾動させる。狭帯域フィルタ干渉計４
２の不所望な動作は、狭帯域フィルタ干渉計４２の基部
の重り５１に接続されたバネ５０を用い、旋回台４４に
他の適切な摩擦抑制器を加えることにより、制動するこ
とができる。

【００３０】図６の好適な構成において、狭帯域フィル
タ干渉計４２は、マサチューセッツのＧｅｎｅｒａｌ
Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｆ Ｗａｔｅｒｔｏｗｎ社から市
販されているＧ３２０スキャナのようなガルバノメトリ
ック・オシレータに接続することにより、５Ｈｚ〜３０
０Ｈｚの間の周波数で急速に傾動できる。スキャナ４５
は正弦周波数供給源４９によって駆動される。これは狭
帯域フィルタ干渉計４２を、プロセス・チャンバ１０か
ら集光した入射光に対して傾動し、それによって狭帯域
フィルタ干渉計４２は、１／２高さで０．２ｎｍ、また
は９０％透過極大で０．０５ｎｍより良好な約３ｎｍ波
長域をスキャンするように構成することができる。閉ル
ープ・ガルバノメトリック・スキャナ４５はすでに市販
されており、フィルタ４２の角度動作は高度に正確で再
現可能である。図５に示した正弦波オーディオ・ドライ
バ４８からの出力信号、または正弦周波数ドライバ４９
からの出力信号、及び光電子増倍管３０からの出力信号
は、ロックイン増幅器５２に送られる。ロックイン増幅
器はＳｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｒ
ｕｍｅｎｔｓ社及びＥＧ＆Ｇ ＰＡＲ社から市販されて
いる。

【００３１】光電子増倍管３０の出力を、狭帯域フィル
タ干渉計４２の移動によって（すなわち正弦波４８また
は４９からの出力によって）同期をとるロックイン増幅
器５２に供給することにより、ロックイン増幅器５２は
狭帯域フィルタ干渉計４２の方向の関数として、光電子
増倍管３０の信号における変化を敏感に測定することが
できる。原子輝線は非常に鋭いので（０．００１ｎｍの
オーダ）、検出されたどんな原子放射も、帯域フィルタ
４２の方向に対する非常に強い信号依存性を示す。さら
に、ロックイン増幅器５２は効果的にバックグラウンド
放射を除去する。なぜなら、バックグラウンド放射はス
キャンされた狭い波長域（３ｎｍ）で、比較的一定であ
り、その帯域の特定の波長での放射は比較的鋭いスパイ
クとして現われるからである。このように、図５及び図
６の配置は、比較的大きな連続バックグラウンドで小信
号を検出することができ、密接した固有の線を区別する
のに使用することができる。

【００３２】従来は、狭帯域フィルタは透過ピークが特
定の輝線に集中するように角度配向していたが、本発明
では基線除去によって高感度を可能にした輝線上及び輝
線外を、意図的にスキャンしている。バックグラウンド
光レベルは微量種の場合、輝線の強度をときおり上回る
ので、超狭帯域のフィルタが用いられると、基線除去は
この技術の使用及び実行に重要な改良を与える。さら
に、本発明の狭帯域フィルタ４２は広い（３ｎｍ）波長
域をスキャンするように作られているので、正確な角度
にフィルタを配向しなければならないという問題は除去
される。さらに、特定の原子の多数の線はスキャン・フ
ィルタ４２を用いて検出することができるので、明白な
識別及び高感度は、位置固定フィルタで可能な以上に達
成することができる。

【００３３】図４に関して説明したように、ナトリウム
・イオン（Ｎａ）は励起波長５８８．９９６ｎｍ及び５
８９．５９３ｎｍで蛍光を発する。０．２ｎｍＦＷＨＭ
狭帯域フィルタ干渉計４２は、もし５８９．６ｎｍに中
心を置きフィルタ４２が３ｎｍの波長域をスキャンする
ために急速に傾動（５〜３００Ｈｚで）されるなら、両
方の線を検出するように角度変更することができる。ナ
トリウムの２重項放射は、狭帯域フィルタ４２の角度位
置がコリメート光に対して変更されるとき、明確に識別
できるべきである。

【００３４】例えば、コリメート光の垂直入射で狭帯域
フィルタを始動すると、どんなナトリウム放射も透過さ
れない。なぜなら、フィルタ４２は製造者によって、垂
直入射でより長い波長（５９０．０００ｎｍ）を透過す
るように設計されているからである。フィルタ４２の角
度が変更されると（角度は任意の正値）、初めに５８
９．５９３ｎｍ放射が角度の増大と共に透過され、次に
５８８．９９６ｎｍ放射が透過され、光電子増倍管３０
によって検出される。同方向での角度変位の増大は、よ
り短い波長に向けてフィルタ４２を調節するので、フィ
ルタ４２は再びどちらかのナトリウム線の透過を阻止す
る。しかしどんな波長連続放射も透過される。さらにフ
ィルタ４２は最大角度変位に達し、その動作を垂直入射
の方へ反対方向に引き戻す。このサイクルの間、２つの
ナトリウム・ピークは再び検出される。なぜなら、フィ
ルタ透過は運動の方向ではなく入射角によって決定され
るからである。垂直入射に達した後、フィルタ４２は角
度運動を続ける（コリメート光に対する方向におい
て）。フィルタ透過は正及び負の角度変位に対して対称
をなすから、狭帯域フィルタ４２の透過応答は、２つの
前半サイクルと同一である。このため、２つの正弦周期
の間、単一の輝線は４つのピークとして検出され、２重
項（ナトリウムのような）は８個の個別のピークとし
て、すなわち１サイクルの各４位相の間に２ピークとし
て検出される。

【００３５】図７及び図８は、ＣＦ₄ プラズマ中のパイ
レックス基板の反応性イオン・エッチングの際、１６Ｈ
ｚで傾動された０．２ｎｍの帯域フィルタから検出され
た放射信号を示す。ナトリウム放射はこのガラスに加え
られた微量のナトリウム四硼酸塩が存在することによ
る。図７の完全な正弦波の各周期において８個のピーク
が観察される。これら８個のピークは２つのナトリウム
放射２重項線の各々の４つの測度に対応している。図８
は単一の正弦波上で角度調節された狭帯域フィルタによ
って得られたデータの拡大図であり、そこには観察され
た８個のピークが、ナトリウム放射の信頼できる識別を
与える。図７及び図８のピーク高さ間の相違と、周期間
の基線とを決定することは、プラズマの連続バックグラ
ウンド放射の除去とナトリウム検出に対する感度の強化
のための１つの方法である。基線からのピーク高さの除
去はディジタル的に、すなわち位相感応ロックイン増幅
器の使用によって実行することができる。

【００３６】さらに、フレーム中のガラス・ロッドのよ
うな既知の強いナトリウム放出源に対して、変調信号を
較正することは可能である。５８８．９９６ｎｍ線のナ
トリウム放射は常に５８９．５９３ｎｍでの放射を伴う
べきなので、測定された２重項の存在は、この技術の検
出感度をさらに改良するのに用いることができる。この
場合、バックグラウンド除去はプラズマのバックグラウ
ンド・レベルに対する弱い輝線を測定する手段を与え、
この技術の高分解能はさらに検出感度及び信頼性を改善
する。

【００３７】ナトリウム不純物を識別するのと同じよう
に、エッチング処理が銅原子を含むアルミナイズ配線に
到達したときに放出される微量銅放出を検知することに
よって、エッチング終点を識別することができる。銅放
射は５２２．００６ｎｍ及び５２１．８２０ｎｍで検出
可能である。０．２ｎｍＦＷＨＭ狭帯域フィルタを５２
２．０１０ｎｍにセンタリングし、それを３ｎｍ範囲に
亘って角度変更することにより、両銅輝線は観察され、
両線の存在は銅が検出されたことの確認として役立つ。
両線が観察されなければならないので、バックグラウン
ド除去は検出の感度を与えるのに用いられ、高分解能は
放射の識別を与え感度を改良するのに用いられる。

【００３８】本発明の別の実施例は、ナトリウムのよう
なピークの中心の波長と放射ピーク外の波長とに対応す
る２つの角度に選択的に配置される狭帯域フィルタを使
用する。２つの位置の間をなめらかに往復スキャンする
代わりに、測度は一定時間増分に対して、（この時間の
間に改良信号対雑音比に対して平均化された信号レベル
とともに）一つの位置に記録され、位置は別のセッティ
ングに素早く切り替えられ、同じ平均測度が作られる。
ピーク外位置に対応するバックグラウンド・レベルは、
ピーク上位置で測定される信号レベルから除去される。
この手法によるバックグラウンド除去は、検出感度を改
良するが、信号同一性の分光検証（すなわち２重項の測
定によって）を与えることはない。

【００３９】本発明はファブリ・ペロー干渉計１８また
は傾動狭帯域フィルタ干渉計４２が、エッチングまたは
プラズマ支援堆積の際のような、トランジスタまたは半
導体製造工程において、微量成分を識別するのに用いら
れる好適な実施例について説明しているが、当業者は本
発明の精神及び範囲を逸脱することなく、変更できるこ
とがわかる。

【発明の効果】本発明によると、光波干渉は微量プラズ
マ種を識別する固体デバイス製造工程で用いられる。光
波干渉を用いることによって、高分解能光放射検出が、
モノクロメータを使用せずに達成される。本発明の光波
干渉方法は結果として、高い光スループット効率と、高
スペクトル分解能と、それに伴う検出感度及び選択性の
改良とを招く。本発明の光波干渉方法は、エッチング終
点分析と、ＦＥＴ製造の際遭遇するナトリウム不純物の
ような重要微量成分の識別とに有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】帯域干渉フィルタへのコリメート光の入射角が
垂直からはずれるとき、より短い波長に向かって帯域が
シフトすることを示すグラフである。

【図２】コリメート光の入射角が２つの異なる帯域干渉
フィルタに対して変化するに従って生じる、波長シフト
の計算上のパーセンテージを示すグラフである。

【図３】狭帯域干渉フィルタが光の入射に対して垂直及
び角度的に方向付けられたときの、波長に対する光透過
のプロットを示すグラフである。

【図４】プロセス・チャンバを監視するために用いたフ
ァブリ・ペロー干渉計を示す略図である。

【図５】プロセス・チャンバを監視するために用いた狭
帯域干渉フィルタを示す略図である。

【図６】帯域フィルタを傾動するためのガルバノメトリ
ック・オシレータを用いない場合の、図５と同じ装置を
示す図である。

【図７】１６Ｈｚで傾動した狭帯域フィルタを用いて、
ＣＦ₄ プラズマ中のナトリウム放出を示すオシロスコー
プ表示を示す図である。

【図８】単一正弦波周期に亘って、１６Ｈｚで傾動する
狭帯域フィルタを用いて、ＣＦ₄ プラズマ中のナトリウ
ム放出を示す拡大オシロスコープ表示を示す図である。

【符号の説明】

１０ プロセス・チャンバ １２ 光ファイバ・ケーブル １４，２８ レンズ １６ 前置フィルタ １８ ファブリ・ペロー干渉計 ２６ 圧電ドライバ ３０ ＰＭＴ ３２ 高圧電源 ３４ オシロスコープまたは信号処理器 ４２ 狭帯域フィルタ干渉計 ４３ 制動バネ ４４ 旋回台 ４５ ガルバノメトリック・オシレータ・スキャナ ４６ オーディオ・スピーカ・コーン ４８ 正弦波オーディオ・ドライバ ４９ 周波数ドライバ ５２ ロックイン増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・イー・ウォークアップ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 オッシ ニング アンダーヒル ロード 115 (56)参考文献 特開 昭61−129555（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−247231（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−22034（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−313722（ＪＰ，Ａ) 特表 昭61−500509（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体デバイス製造の際にプラズマを監視す
   る装置において、 プラズマ反応器から光を集光する手段と、 コリメートされた光ビームを得るために、前記プラズマ
   反応器からの前記光をコリメートする手段と、 前記コリメートされた光ビームの光路に配置されて、前
   記コリメートされた光ビームにおける所定波長の光のみ
   が該干渉計を透過するように選択的に許容する選択手段
   と、傾動可能な帯域フィルタとを有し、前記選択手段
   は、前記傾動可能な帯域干渉フィルタを、前記コリメー
   トされた光ビームに対して、前記干渉計を透過する光の
   第１及び第２の波長を規定する第１及び第２の角度方向
   の間を周期的サイクルで傾動させる駆動手段を有するこ
   とを特徴とする、干渉計と、 前記干渉計を透過した前記所定波長の光を集光する手段
   と、 前記所定波長の前記集光された光の強度を検知する手段
   と、 前記検知手段を前記選択手段に相関させる手段と、 を備えるプラズマ監視装置。
2. 【請求項２】前記駆動手段は音響波を放出するオーディ
   オ・スピーカを有し、前記音響波はオーディオ・ドライ
   バからの出力によって前記オーディオ・スピーカから選
   択的に送出される、請求項１記載のプラズマ監視装置。
3. 【請求項３】前記駆動手段はガルバノメトリック・スキ
   ャナを有する、請求項１記載のプラズマ監視装置。
4. 【請求項４】前記周期的サイクルは５〜３００Ｈｚの間
   である、請求項１記載のプラズマ監視装置。
5. 【請求項５】前記駆動手段はさらに、前記傾動可能帯域
   干渉フィルタの運動を制動する手段を有する、請求項１
   記載のプラズマ監視装置。
6. 【請求項６】前記相関手段はロックイン増幅器を有し、
   前記駆動手段の前記周期的サイクルは、前記検知手段に
   よって検知された前記強度で前記ロックイン増幅器に同
   時に通信され、前記検知手段により検知された前記光の
   強度は、前記傾動可能帯域干渉フィルタの角度方向に対
   応し、前記フィルタはまた逆に、前記干渉計を透過する
   前記所定波長の光の特定の波長に対応する、請求項１記
   載のプラズマ監視装置。
7. 【請求項７】前記傾動可能帯域干渉フィルタは狭帯域干
   渉フィルタである、請求項１記載のプラズマ監視装置。
8. 【請求項８】前記狭帯域干渉フィルタは約０．２ナノメ
   ータの半値全幅を有する、請求項７記載のプラズマ監視
   装置。