JPH11287743A - ウエハプロセスモニタ用の熱脱離分析室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 【解決手段】本発明の熱脱離分析室１４は、真空排気可
能な真空槽１５内に、ヒータ２４と電極２３を内蔵した
ホットプレート２２が設けられており、真空槽１５内に
搬入した試料２０をホットプレート２０上に載置し、電
極２３によって静電吸着しながらヒータ２４を発熱させ
ると、試料２０が昇温し、その表面の付着物質から気体
が放出される。その真空槽１５には、分析装置１６が接
続されており、真空雰囲気に含まれる気体を分析できる
ように構成されている。ホットプレート２２によって試
料２０を加熱するので、大面積基板を試料として、その
表面の付着物質の種類と量とを分析できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体上の物質を
プラズマを用いてエッチングするエッチング装置、成膜
を行うＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置、スパ
ッタ装置、又は、レジストを灰化するアッシング装置等
のプロセスをモニタする技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウエハ等の基板上に付着した物
質を分析するためには、付着物質を溶剤で溶かし、その
溶液を分析するイオンクロマトグラフィー等の化学的な
装置の他、付着物質を直接分析するＸＰＳ(X-ray Photo
electron Spectroscopy)、ＡＥＳ(Auger Electron Spec
troscopy)、ＳＩＭＳ(Secondary ion Mass Spectrometr
y)、ＦＴＩＲ(Fourier Transformed Infra-Red spectro
scopy)等の表面分析装置が用いられている。

【０００３】イオンクロマトグラフィ等の化学的な分析
装置は溶液分析を行うことから、真空雰囲気を用いるプ
ロセス装置と結合して用いられることはなく、独立した
装置として構成されるのが普通である。他方、表面分析
装置は独立した装置構成で用いられるばかりでなく、真
空雰囲気との接続性がよいことから、実験的にはウエハ
プロセス装置と結合した構成で用いられる場合がある。
但し、実験的な装置の場合は基板そのものを分析対象と
する例は希であり、通常は小片を分析対象としている。

【０００４】表面分析装置のうち、熱脱離分析装置は装
置構成が簡単であり、基板上の付着物質を分析するのに
適している。従来の熱脱離分析装置は６０〜１００ｍｍ
径の石英管を有しており、通常は、試料を１０〜３０ｍ
ｍ角の小片にして石英管内に搬入し、石英材や金属材で
構成された試料台上に載置した後、石英管外部に配置さ
れた赤外ランプによって真空雰囲気中で試料を加熱し、
試料から脱離して放出されたガスの分析が行われる。一
般に、試料台は、熱容量や放出ガスをできるだけ小さく
するために、分析対象の試料よりも僅かに大きなものが
用いられている。

【０００５】このような熱脱離分析装置がプロセス装置
に結合されている場合には、試料だけを効率よく加熱す
るために、基板を点接触のピンで真空中に浮かせて支持
し、石英窓を通して外部から赤外ランプによって加熱す
るようになっている。

【０００６】しかしながら、シリコンウエハ等の基板の
場合、光透過特性を有しているため、赤外線を照射して
も遠赤外領域の光が透過してしまい、基板を高温にする
ための効率が非常に悪い。

【０００７】また、付着物質が赤外線を吸収して発熱す
る場合、同一の加熱条件に設定しても付着物質が異なる
と、その赤外線吸収率が異なるため、付着物質の温度を
制御するのが困難であったり、試料が不均一に加熱され
てしまうという問題がある。

【０００８】更に、真空雰囲気中でピンを用いて基板を
保持しているため、急速な昇温はできるもの、真空の断
熱効果により、急速冷却を行うことができないため、基
板が過熱状態になった場合は、放射損失による自然降温
に頼らざるを得ず、温度制御が困難であるという問題が
あった。

【０００９】このように、従来用いられてきた熱脱離分
析装置技術においては、基板全体を試料とした場合に
は、点接触のピンを試料保持機構として用いていること
や、赤外ランプを加熱源として用いていることから、試
料の温度制御が大変困難であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたものであり、その
目的は、基板全体を試料として分析を行うことができる
熱脱離分析室、その熱脱離分析室を用いた真空処理装置
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、真空排気可能な真空槽と、
前記真空槽内の真空雰囲気に含まれる気体を分析する分
析装置とを有する熱脱離分析室であって、前記真空槽内
にはヒータを内蔵したホットプレートが設けられ、該真
空槽内に搬入した試料をホットプレート上に載置し、前
記ヒータで前記試料を加熱し、前記試料の付着物質から
気体を放出させるように構成されたことを特徴とする。

【００１２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の熱
脱離分析室であって、前記ホットプレートは電極を有
し、該電極に電圧を印加し、前記試料を前記ホットプレ
ート上に吸着させながら加熱できるように構成されたこ
とを特徴とする。

【００１３】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２のいずれか１項記載の熱脱離分析室であって、前記
ヒータと前記電極とは窒化ホウ素で構成された絶縁体内
に設けられ、前記試料は前記絶縁体表面に配置されるよ
うに構成されたことを特徴とする。

【００１４】請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求
項３のいずれか１項記載の熱脱離分析室であって、前記
真空槽には、前記ホットプレートを冷却する冷却機構が
設けられたことを特徴とする。

【００１５】請求項５記載の発明は、真空処理装置であ
って、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の熱脱
離分析室と、前記試料を真空雰囲気中で処理するプロセ
ス室とが真空排気可能な搬送室に接続され、前記プロセ
ス室内で処理された試料が前記搬送室を介して前記熱脱
離分析装置内に搬入されるように構成されたことを特徴
とする。

【００１６】本発明は上記のように構成されており、真
空排気可能な真空槽と、その真空槽内の真空雰囲気中の
気体を分析する分析装置を有している。真空槽内にはヒ
ータを内蔵したホットプレートが設けられており、真空
槽内に搬入した試料をホットプレート上に載置し、ヒー
タに通電すると、真空雰囲気中で試料が加熱され、付着
物質から気体が放出される。

【００１７】その気体は、分析装置によって分析できる
ように構成されている。このように、ホットプレート上
に載置して試料を加熱するので、シリコンウェハ等の大
きな基板全体を試料として用いることが可能になる。

【００１８】そのようなホットプレート中に静電吸着用
の電極を内蔵させておくと、真空雰囲気中で試料をホッ
トプレート表面に密着させることができるので、試料と
ホットプレートの間の熱伝導効率が大きくなり、急速加
熱が可能になり、また、試料の温度制御性が向上する。

【００１９】また、試料を配置する真空槽に冷却機構を
設け、ホットプレートを冷却できるように構成しておく
と、ホットプレートを介して試料を冷却することができ
るので、試料の急速冷却が可能になり、また、試料の温
度制御性が一層向上する。

【００２０】以上説明したホットプレートを用いた熱脱
離分析室と、試料表面を真空雰囲気中で処理し、薄膜形
成やエッチング等を行うプロセス室とを、真空排気可能
な搬送室に接続して真空処理装置を構成しておくと、プ
ロセス室内で処理した試料を、大気に曝さずに熱脱離分
析室内に搬入することが可能になる。従って、エッチン
グ等の処理を行った試料を直ちに分析することが可能で
あり、また、試料表面には大気に曝したときに問題とな
る気体が吸着していないことから、正確な分析を行うこ
とが可能である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の加熱脱離分析室
を、本発明のマルチチャンバ型の真空処理装置と共に説
明する。図１を参照し、符号２は本発明の真空処理装置
であり、搬送室１０と、カセット室１１と、赤外分光測
定室１２と、プロセス室１３と、熱脱離分析室１４とを
有している。

【００２２】カセット室１１と、赤外分光測定室１２
と、プロセス室１３と、熱脱離分析室１４とは、搬送室
１０の周囲に配置され、搬送室１０に気密に接続されて
おり、図示しない真空排気系によって、各室１０、１
１、１２、１３、１４の内部を個別に真空排気できるよ
うに構成されている。

【００２３】この真空処理装置２を用いる場合、予め内
部を真空雰囲気にしておき、カセット室１１だけを大気
に開放し、所定枚数の基板をカセットに装着し、カセッ
ト室１１内に配置する。カセット室１１の内部雰囲気を
大気から遮断した後、真空排気し、所定圧力に到達した
ところで搬送室１０の内部と接続する。

【００２４】搬送室１０内には、図示しない搬送ロボッ
トが設けられており、カセット室１１内から基板を１枚
取り出し、プロセス室１３内に搬入する。このプロセス
室１３は、ここではスパッタリング装置であるものとす
ると、基板が搬入された後、プロセス室１３の内部雰囲
気を搬送室１０の内部雰囲気から遮断し、プロセス室１
３内のターゲットをスパッタリングし、基板表面に金属
薄膜等の薄膜を成長させる。薄膜が所定膜厚に形成され
たところで、プロセス室１３内から基板を搬出し、カセ
ット室１１内に戻す。

【００２５】次に、カセット室１１内にある未処理の基
板をプロセス室１３内に搬入し、引き続き薄膜形成を行
う。このように、カセット室１１内に配置された基板全
てに薄膜を形成した後、搬送室１０の内部雰囲気をカセ
ット室１１の内部雰囲気から遮断し、カセット室１１を
大気に開放し、処理が終了した基板をカセットごと取り
出す。

【００２６】このように、基板が正常に処理されている
場合には、赤外分光測定室１２や、熱脱離分析室１４は
使用されないが、プロセスの安定性を調べる場合、或い
はプロセス異常が発生した場合には、基板は赤外分光測
定室１２や熱脱離分析室１４が使用される。ここでは、
プロセス室１３内での薄膜形成中に異常があり、熱脱離
分析室１４を用いて付着物質を分析する場合を説明す
る。

【００２７】図２は、本発明の熱脱離分析室１４の一例
であり、真空槽１５と、四重極質量分析装置等の分析装
置１６とを有している。熱脱離分析室１４は、その真空
槽１５が搬送室１０に気密に接続されている。

【００２８】真空槽１５には、図示しない真空排気系が
接続されており、この熱脱離分析室１４を用いるときに
は、先ず、真空槽１５の内部雰囲気を搬送室１０の内部
雰囲気から遮断させた状態で、真空排気系によって搬送
室１０や真空槽１５内を真空排気し、予め高真空雰囲気
にしておく。

【００２９】プロセス室１３内での処理が異常であった
基板を、搬送室１０内の基板搬送ロボットによって取り
出した後、真空槽１５の内部雰囲気を搬送室１０内に接
続し真空槽１５内に搬入する。

【００３０】真空槽１５内の底壁上には台２１が固定さ
れており、台２１内には冷却機構２８が配設されてい
る。台２１上には、ホットプレート２２が配置されてお
り、搬入した基板を試料２０としてホットプレート２２
上に載置した後、真空槽１５の内部雰囲気を搬送室１０
の内部雰囲気から遮断する。

【００３１】ホットプレート２２は、窒化ホウ素(ＰＢ
Ｎ：pyrolitic Boron Nitride)から成る絶縁体２３と、
ヒータ２４と、電極２５とを有しており、ヒータ２４
は、絶縁体２３内の台２１に近接した底面近傍側に配置
され、電極２５は、絶縁体２３内でヒータ２４とは反対
側の、絶縁体２３表面近傍位置に配置されている。

【００３２】ホットプレート２２上に載置された試料２
０は絶縁体２３と接触し、その状態で電極２５に電圧を
印加すると、電極２５と試料２０との間に静電吸着力が
発生し、試料２０が絶縁体２３表面に静電吸着される
(ここでは電極２５は２枚構成のものが用いられ、各電
極２５に、正負電圧が印加されているものとする。)。

【００３３】この状態では試料２０は絶縁体２３表面に
密着され、絶縁体２３と試料２０との間の熱伝導効率が
大きくなっている。従って、ヒータ２４に通電し、ホッ
トプレート２２を昇温させると、絶縁体２３からの熱伝
導により試料２０が加熱される。

【００３４】試料２０とホットプレート２２の間の熱伝
導効率が大きい場合、試料２０の温度とホットプレート
２２の温度との一致性が高く、従って、ヒータ２４の通
電量を制御することで、試料２０の温度を制御できるよ
うになっている。

【００３５】図３は、このホットプレート２２の温度
と、その表面に静電吸着した試料２０の温度との関係を
示すグラフである。横軸はホットプレート温度、縦軸は
基板温度(試料２０の温度)であり、４本の曲線群Ｌは、
同じ構成の４個のホットプレート２２を用いた場合のグ
ラフである。この曲線群Ｌから、個体差があるものの、
各ホットプレート２２の温度は試料２０の温度とよく一
致し、各ホットプレート２２間の温度誤差も、４００℃
以下の温度範囲では±４℃に収まっている。

【００３６】このホットプレート２２では、その内部
に、図示しない温度測定素子(例えばＣＡ熱電対)が設け
られており、ホットプレート２２の温度を検出し、ヒー
タ２４への通電量を自動的に制御することで、ホットプ
レート２２の温度を制御し、その結果試料２０の温度を
精密に制御できるように構成されている。

【００３７】また、試料２０の温度制御を行う際に、ヒ
ータ２４に加えて、ホットプレート２２を冷却する冷却
機構２８を併用し、ホットプレート２２が過熱された場
合、冷却機構２８を動作させて、ホットプレート２２を
直ちに冷却すると、試料２０の温度を一層精密に制御す
ることができる。

【００３８】このように、ホットプレート２２を用いて
試料２０を加熱した場合、試料２０の温度上昇に従っ
て、その表面の付着物質から気体が放出される。真空槽
１５には、四重極質量分析装置等の分析装置１６が気密
に接続されており、該分析装置１６には排気口３１が設
けられている。その排気口３１は、図示しない真空排気
系に接続され、分析装置１６内を真空排気できるように
構成されており、真空槽１５内に放出された気体は、真
空槽１５に接続された真空排気系によって真空槽１５外
に排気される他、分析装置１６内に進入した後、分析装
置１６に接続された真空排気系によっても排気されるよ
うに構成されている。

【００３９】分析装置１６は、端子群３２によって図示
しないコンピュータに接続されており、分析装置１６内
に進入した気体が、分析装置１６によって検出され、コ
ンピュータにより、その種類と量とを分析できるように
構成されている。

【００４０】試料２０がゆっくり昇温する場合、試料２
０の付着物質からは、気体がゆっくり放出されるので、
分析装置１６によって気体の種類や量を、試料２０の温
度や加熱時間と対応付けて記録することができる。

【００４１】この場合、例えば、加熱初期の試料２０が
低温のうちに検出される物質(気体)は、試料２０表面に
物理吸着(付着)していた付着物質であり、試料２０表面
を構成する物質との化学結合性は弱いと考えられる。逆
に、試料２０が高温に加熱されてから検出される物質
(気体)は試料２０表面を構成する物質と強い化学結合を
していたものと考えられる。

【００４２】また、プロセス室１３がエッチング装置の
場合、エッチング条件によっては、エッチング対象物の
残渣が試料２０表面に残るが、エッチングの際の投入電
力が小さい条件でエッチングしていた場合、熱脱離分析
室１４では、加熱初期の低温のうちに大きな検出ピーク
が得られ、高温での検出ピークは小さい。逆に、エッチ
ングの際の投入電力が大きい場合、低温での検出ピーク
は小さく、高温での検出ピークは大きくなる。

【００４３】このように、本発明の熱脱離分析室１４を
用いれば、試料２０上の付着物質がどのような種類のも
ので構成され、どのような状態で付着しているかを調べ
ることが可能となる。

【００４４】従来技術のように、ランプ加熱により試料
を温度制御する場合は、温度の均一性を４００℃±１０
℃以下にするのは大変難しかったが、本発明の熱脱離分
析室１４によれば、試料２０の高精度・均一な温度制御
が可能である。更に、試料２０の急速加熱や急速冷却が
可能となっているので、付着物質の性質に応じた分析が
できる。

【００４５】また、真空槽外に赤外ランプを配置して加
熱する従来技術では、赤外光を導入するために真空槽に
石英窓を設ける必要があるが、本発明では石英窓は不要
である。従って、石英窓の汚れに起因する加熱条件の不
安定性がない。このように、本発明の熱脱離分析室１４
では、試料２０の加熱条件を精密に設定することが可能
になっている。

【００４６】なお、本発明の熱脱離分析室１４内で試料
２０の分析を行う前に、赤外分光測定室１２内に試料２
０を搬入すれば、同じ試料２０に対し、例えばフーリエ
変換赤外分光分析等の赤外分光分析を行うこともでき
る。

【００４７】以上説明した真空処理装置２では、上記プ
ロセス室１３がスパッタ装置又はエッチング装置の場合
であったが、プロセス室１３はそれに限定されるもので
はなく、ＣＶＤ装置等の他の成膜装置や、アッシング装
置等の薄膜除去装置の他、真空雰囲気内で基板を処理す
るものを広く用いることができる。

【００４８】また、本発明の熱脱離分析室１４に設ける
分析装置１６は、質量分析に限定されるものではなく、
試料を真空雰囲気内で加熱した際に発生する気体を分析
できる装置を広く含むものである。

【００４９】

【発明の効果】安定した熱脱離分析を行うことができ
る。シリコンウェハ等の基板全体を試料として分析する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空処理装置の一例

【図２】本発明の熱脱離分析室の一例

【図３】本発明の熱脱離分析室に用いるホットプレート
の温度とその上の試料の温度の関係を示すグラフ

【符号の説明】

１４……熱脱離分析室 １５……真空槽 １６……
分析装置 ２０……試料 ２２……ホットプレート
２５……電極

フロントページの続き (72)発明者 水谷 直樹 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内 (72)発明者 原 泰博 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500番地 日本真空 技術株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空排気可能な真空槽と、 前記真空槽内の真空雰囲気に含まれる気体を分析する分
   析装置とを有する熱脱離分析室であって、 前記真空槽内にはヒータを内蔵したホットプレートが設
   けられ、 該真空槽内に搬入した試料をホットプレート上に載置
   し、前記ヒータで前記試料を加熱し、前記試料の付着物
   質から気体を放出させるように構成されたことを特徴と
   する熱脱離分析室。
2. 【請求項２】前記ホットプレート内は電極を有し、該電
   極に電圧を印加し、前記試料を前記ホットプレート上に
   吸着させながら加熱できるように構成されたことを特徴
   とする請求項１記載の熱脱離分析室。
3. 【請求項３】前記ヒータと前記電極とは窒化ホウ素で構
   成された絶縁体内に設けられ、前記試料は前記絶縁体表
   面に配置されるように構成されたことを特徴とする請求
   項１又は請求項２のいずれか１項記載の熱脱離分析室。
4. 【請求項４】前記真空槽には、前記ホットプレートを冷
   却する冷却機構が設けられたことを特徴とする請求項１
   乃至請求項３のいずれか１項記載の熱脱離分析室。
5. 【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載
   の熱脱離分析室と、前記試料を真空雰囲気中で処理する
   プロセス室とが真空排気可能な搬送室に接続され、 前記プロセス室内で処理された試料が前記搬送室を介し
   て前記熱脱離分析装置内に搬入されるように構成された
   ことを特徴とする真空処理装置。