JPS62203335A - エツチングモニタ−装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体薄膜のエツチング状態をモニターする
エツチングモニター装置に関する。

（従来の技術） 近年半導体デバイスの高集積化の要請に伴い、半導体デ
バイスは３次元多層構造の方向に進むとともに、高エッ
チレートのエツチング装置が出現している。このような
状況下で、半導体薄膜のエツチングを行なう場合、オー
バーエツチングを防ぐため、エツチングの終了時点を検
出したり、エツチング深さを所定の値に制御することが
重要視されている。

従来この種のモニター装置として発光分光分析法、ガス
分析法、インピーダンス測定法、レーザー干渉法等を用
いたものが知られている。しかし、発光分光分析法、ガ
ス分析法、インピーダンス測定法によるとエツチング面
積が小さい場合には。

エツチング終了時の被測定量の変化量が少なく工ッチン
グ終了の判定が困難であった。一方、レーザー干渉法は
、レーザービーム照射部のエツチング状態を直接モニタ
ーする方法なので上記のような問題は生じない。

上記レーザー干渉法はエツチングすべき透明薄膜又は半
透明薄膜（例えば、５ｉｎ２．Ｐｏ１ｙ−５ｉを起こし
、この反射干渉光の光強度が薄膜の厚さに対して周期的
に変化する一方、薄膜が完全に削られてしまえば上記の
ような干渉が起こらず、従って光強度の変化がなくなる
現象を利用したものである。すなわち、反射干渉光強度
の周期的変化によってエツチングの深さを検出すること
ができ、当該光強度が変化しなくなった時点をもってエ
ツチングの終了を確認することができる。

また、モニターされる薄膜が透明膜又は半透明膜であれ
ば１本のレーザー発振管でエツチングの終点検出が可能
である。更に所定の強度のビームを発振するレーザー管
を使用すれば、真空室内のプラズマ光に比べて充分な光
強度をもった反射干渉光が得られるのでノイズや外乱等
の影響を受けることなく確実にエツチング状態をモニタ
ーすることができる。

上記のような特徴を有するレーザー干渉法を利用した従
来のモニター装置は、上記反射干渉光を得るために、パ
ターンを焼き付けしていないモニター用基板を真空処理
室内の試料台上に載置したり、基板上にわざｂざモニタ
ーボートを設けたりしていた。

（本発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のようなモニター用基板上と、実際
にエツチング処理が行なわれるべき基板上では、エツチ
ング特性が異なるために正確なエツチング深さやエツチ
ングの終了時点の検出がで起因する。

また、上記のようにモニター用基板を試料台上に置いた
り、基板上にモニターポートを作ったり等の特別の工程
が必要なことから、設備の変更を伴なったり、モニター
基板を置いた分だけスループッ［・が悪くなり生産性が
低下するという問題があった。

更に、レーザー光の強度の変動や装置につきものの振動
・高周波ノイズに対して何らの対策も行なわれておらず
、検出エラーの原因になっていた。

本発明は上記従来の欠点を解決し、正確なエツチング深
さ及びエツチング終了時の検出ができるようにしたエツ
チングモニター装置を提供することを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記の目的を達成するために半導体薄膜のエ
ツチング状態をレーザー干渉法を用いてモニターするエ
ツチングモニター装置において、レーザー光のスポット
径を基板上に描かれたスクライブライン巾以下に絞るビ
ーム絞り機構と。

入射レーザー光に対する反射干渉光の相対的強度を検知
する光強度検知機構と、入射レーザー光をチョッピング
するチョッパーと同一周波数及び同一位相を有する反射
干渉光のみを検知するロックインアンプとを備える構成
にしている。

（作　用） チョッパー２によってチョッピングされたレーザー光は
、スポット径をビームエクスパンダ−３及び集光レンズ
６によってスクライブライン１６巾以下に絞られ基板１
３に照射される。ハーフミラ−４及び集光レンズ７を介
してフォトセンサー８により入射光強度が検知される一
方、基板１３からの反射干渉光はハーフミラ−５及び集
光レンズ７′を介してフォトセンサー９により反射干渉
光の光強度が検知される。そして、上記二つの検知信号
はアナログ割算回路１０に入力され、チョッパー２と同
一周波数、同一位相の反射干渉光のみを検出するロック
インアンプ１７を介して光強度の周期的変化をモニター
することができる。

（実施例） 第１図は、本発明の一実施例を示したものである。

１はレーザー発振管（たとえばＨｅ−Ｎｅレーザ−）、
２はチョッパー、３はビームエクスパンダ−１４，５は
ハーフミラ−１６，７，７’　は集光レンズ、８，９は
フォトセンサー、１ｏはアナログ割算回路、１１はプロ
セスチャンバー、１２はチャンバー壁面に設けられたガ
ラス窓、１３は基板、１４は被エツチング層、１５はレ
ジストマスク。

１６はスクライブラインである。

レーザー発振管１を発振させ、これより発するレーザー
光を、その装置において測定に有害な程度の振巾で振動
しているノイズの周波数（通常の装置においては比較的
低周波）よりも充分大きな周波数でチョッパー２により
チミピングする。

当該チョッパー２はレーザー光の基板１３上への照射時
間を短縮させる効果を持ち、光励起効果により非照射部
分よりも照射部分におけるエツチングが促進されるのを
押えることができる。それでも光励起効果が、エツチン
グ終了又はエツチング深さの判定に悪影響を及ぼす際に
は、使用レーザーの波長を変えればよい。

そして上記のようにチョッピングされたレーザー光は２
枚のレンズからなるビームエクスパンダ−３と集光レン
ズ６との組み合わせによって基板１３上に描かれたスク
ライブライン１６の中以下にスポット径を絞り込まれ（
例えばφ５０μとプロセスチャンバー１１に設置したガ
ラス窓１２を介して基板１３に向かって照射される。

一方、ビームエクスパンダ−３と集光レンズ６との間に
配置したハーフミラ−４，５のうち、ハーフミラ−４は
、放射されたレーザー光の一定割合がフォトセンサー８
に向がって反射するように配置されており１反射したビ
ームは集光レンズ７によって集光され、フォトセンサー
８で当該レーザー光の光強度を検知するようにしている
。一方。

ハーフミラ−５は、基板１３表面で反射するレーザー光
と基板裏面からの反射光とが干渉して生じた反射干渉光
を反射させて集光レンズ７′を介してフォトセンサー９
で当該反射干渉光の光強度を検知するようにしている。

そして、上記２つの信号をアナログ割算回路９に入力す
ることによって、入射レーザー光強度に対する反射干渉
光の相対的な強度を検知することが可能となり、ロック
インアンプ１７を介してモニターする。これによってレ
ーザー人射光強度の変動に伴うエツチング状態の誤測定
を回避することができる。

また、上記のようにチョッパー２によってレーザー光を
チョッピングすると、当該チョッパー２と同一周波数・
同一位相の信号のみを出力するように調整されたロック
インアンプ１７がチョッパー２と同期して信号処理をす
るようにしている。

これによって比較的低周波の装置の振動起因の誤測定を
回避できるとともに、高周波ノイズ起因の誤測定をも回
避することができる。

尚、ロックインアンプ１７の出力を整流１８゜平滑１９
しているのは、ロックインアンプ１６からの出力をＤＣ
化し、その後の処理を容易にするためである。

第２図は１本願発明に係るエツチングモニター装置２２
を平行平板型ドライエツチングチャンバーに組み込んだ
ものであり、第３図はその要部拡大図である。

図中符号２０は、プロセスチャンバー１１に配設したＸ
−Ｙステージであり、エツチングモニター装置２２は、
当該Ｘ−Ｙステージ２ｏ上に載置されている。

基板１３上にはスクライブライン１６が描かれており、
当該ライン１６上にレーザー光の照射部を位置決めする
ためには次のような操作を行なう。

絽 すなわち、例えば５０μ　　スポット径に絞り込んだレ
ーザー光を基板１３上に照射し、その後Ｘ−Ｙステージ
２０をステッピングモニター２１゜２１′で駆動し、１
チップ分にあたる数ｍ角又は巾の範囲にわたってレーザ
ー光をスキャンする。

その際の反射干渉光強度の違いにより、基板１２上で比
較的広い範囲にわたって一様な被エツチング箇所となっ
ているスゲライプラン（巾約１００μｍ）を見つけ、そ
の直上でＸ−Ｙステージ２゜を静止させる。

以上の操作を行なってレーザー光の位置決めをした後に
エツチングを開始する。

薄膜が、５ｉｎ２やＰｏ１ｙ−５ｉのような透明又は半
透明膜の場合には、薄膜表面と薄膜裏面とでそれぞれ反
射されたレーザー光は干渉を起こし、その強度は第４図
に示す如く膜厚に対して周期的に変化する。この装置を
、エツチング終了検出装置として使う場合は、反射干渉
光の強度が変化しなくなったところをもってエツチング
終了とすればよい。また、反射干渉の変化周期が（レー
ザーの波長）／（２Ｘ屈祈率）であることより、エツチ
ング途中に於けるエツチングレートを算出することも出
来る。さらには、次式により ΣＲｔｉ−ｔｊ・（ｔｉ−ｔｊ）　＝エツチング深さＲ
ｔｉ　　−ｔｊ：時間ｔｉ　−ｔｊの間のエツチングレ
ート 又は、エツチング開始時からの延べ位相変化量よりエツ
チング深さを知ることが出来る。以上の操作を通じて、
ロックインアンプ１７は、チョッパー２と同一周波数・
同一位相の信号のみを出力するよう調整されている。

第４図は、回動自在な反射ミラーを使用してレーザー光
の方向を制御するようにしたものである。

第１乃至３図と同一の構成要素について同一符号を使用
し、その説明は省略する。

レーザー発振管１から放射されたレーザービームは、平
行移動かつ回転可能な反射ミラー２３によって全反射し
、基板１３に入射する。レーザービームの照射位置は、
上記反射ミラー２３の角度、位置を調節することによっ
て決められる。そして基板１３からの反射光は平行移動
かつ回転可能な反射ミラー２４によって全反射し、集光
レンズ７′を介してフォトセンサー９に集光する。そし
て、検知された反射干渉光の強度の違いによりレーザー
光の照射部をスクライブライン１６上に位置決めするこ
とができる。

反射ミラー２３．２４の動きは一方は回転だけでも上述
の目的を達することは可能である。

なお、前記したアナログ割算回路１０は、フォトセンサ
ー８あるいは９からの出力をディジタル化し、マイクロ
コンピュータで処理するようにしてもよい。

また、レーザー光を入射させるガラス窓１２の表面及び
裏面での反射がデータの解析を複雑にする場合は、ガラ
ス両面に使用するレーザー光に対する反射防止処理を施
こしておくとよい。

またレーザー光又は反射干渉光をフォトセンサー８，９
方向に反射させるハーフミラ−４，５であるが、必ずし
もハーフミラ−である必要はなく、入射光を一定の割合
で透過反射するものであればよい。

以上述べてきたエツチングモニター装置は、ドライエツ
チングだけでなく、薄膜形成プロセスであるスパッタリ
ングの、ＣＶＤ等における薄膜形成状態をモニターする
場合に適用可能である。

（発明の効果） 本発明の構成によって、モニター用ウェハーの配置ある
いはウェハー上にモニタ一部を設けることなしに、レー
ザー干渉法によりエツチング状態をモニターすることが
可能となると同時に、レーザー光強度の変動、装置等の
振動、高周波ノイズ等に基づく誤判定を回避することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の要部構成の原理的説明
図、第２図はＸ−Ｙステージ上に載置した本発明に係る
装置をドライエツチング装置に設置した状態を示した概
略図、第３図は第２図の要部拡大図、第４図はＳ　ｉ　
Ｏ２膜に対する膜厚と反射干渉光強度の相関図、第５図
はレーザー光の方向を反射ミラーを使用して制御する状
態を示した本発明の要部構成の原理的説明図である。 １−一一一し−ザー発振管、２−−−−チョッパー、３
−一一一ビームエクスパンダー、４．５−−−−ハーフ
ミラ−１６，７，７’−−−一集光レンズ、８．９−−
−−フォトセンサー、１０−−−−アナログ割算回路、
１１−一一一プロセスチャンバー、１２−−−−ガラス
窓。 １３−−−一基板、１４−−−一被エッチング層、１５
−一レシストマスク、１６−−−−スクライブライン、
１　’７−−−−ｏ　ツクインアンプ、　２０−−−−
Ｘ　−Ｙ　ステージ、２１．２１’　−−−−ステッピ
ングモーター、２３．２４−−−一反射ミラー。 ＦＩＧ、２ （鍜ボ蔓〕 手続補正書　（自発） 昭和６１年１０月２７０ 昭和６１年特許願第４５９９１号 ２、発明の名称 エツチングモニター装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　　特許出願人 住所　　東京都府中市四谷　５−８−１名称　　日電ア
ネルバ株式会社（他１名）代表者　　安１）　　進 ４、代理人 住所　　　東京都府中市四谷　５−８−１６、補正の対
象 明細書第５頁第１行目に「設備の変更」とあるのを、「
基板のパターンや設備の変更」と補正する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体薄膜のエッチング状態をレーザー干渉法を
   用いてモニターするエッチングモニター装置において、 レーザー光のスポット径を基板上に描かれたスクライブ
   ライン巾以下に絞るビーム絞り機構と、入射レーザー光
   に対する反射干渉光の相対的強度を検知する光強度検知
   機構と、入射レーザー光をチョッピングするチョッパー
   と同一周波数及び同一位相を有する反射干渉光のみを検
   出するロックインアンプとを備えたことを特徴とするエ
   ッチングモニター装置。
2. （２）前記スポット径を絞られたレーザー光の入射又は
   反射の方向を制御する方向制御機構を備えたことを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載のエッチングモニ
   ター装置。