DE9012816U1

DE9012816U1 - Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung

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Publication number: DE9012816U1
Application number: DE9012816U
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1990-09-07
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 1990-11-08
Anticipated expiration: 2000-09-08
Also published as: US5153674A

Description

Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung Beschreibung

Die vorliegende Erfindung befaßt- sich mit einer Steuer- und/oder Meßvorrichtung für die Haibleitertechnoiogie LL·? die .«weid.tmanei &ldquor;:..- Ic= Bestimmung und/oder Steuerung von Kon- ^entratons- und/oder Dr_jfcver*:eil--ingen von Prozebceilchen einej Prozeßravui^s eines ^ilbleiterfertigungsgerä-

Bei den meisten Prozessen innerhalb der Halbleiterfertigungstechnologie spielt die Kenntnis der ortsabhängigen Druck- und Konzentrationsverlaufe der Gase, Dämpfe und Plasmen oder allgemein der Prozeßteilchen eine entscheidende Rolle bei der Pro&zgr;eßüberwachung und bei der Prozeßsteuerung. Besonderes Interesse gilt bei diesen Prozessen der Überwachung der Homogenität der Teilchenkonzentration in der Prozeßathmosphäre oberhalb der zu fertigenden Halbleiterstruktür.

Es ist bekannt, die während der Beschichtung einer Halbleiterstruktur in der Prozeßkammer herrschenden Druckwerte mit Druckmeßgeräten zu überwachen, wobei in Abhängigkeit von dem zu überwachenden oder zu messenden Druck folgende Druckmeßgeräte eingesetzt werden: Wärmeleitvakuummeter für den Bereich des Feinvakuums, Kaltkathodenvakuummeter für den Bereich des Hochvakuums bis in den Bereich des Ultrahochvakuums, Heißkathodenionisationsvakuummeter für den Bereich des Feinvakuums bis zum Bereich des extremen Ultrahochvakuums, sowie Quadröpolmassenspektrometer. Mit derartigen Druckmeßgeräten ist eine zweidimensionale Bestimmung von Kcnssr.trstions- und/cdsr Druckvsrtsilungsr. vor. PrcssÄtsilchen nicht möglich. Ferner ist es mittels derartiger Druck-

meßgeräte nicht möglich, die Konzentration der an einem Beschichtungsprozeß selbst beteiligten Teilchen nachzuweisen, da die oben beschriebenen, bekannten Druckmeßgeräte die zu messenden Teilchen dem Prozeß entziehen, indem sie diese einsaugen.

Aus dem Bereich der Flammendiagnostik ist ein Fluoreszenzmeßverfahren öekannt, bei dem eine Hochleistungs-Farbstof*- laserlichtguelle zur Anregung der Flammgase zur Fluoreszenzstrahlung verwendet wird. Aus der abgegebenen FluoreszenE-strahlung kann eine zweidimensionale Druckbestimmung innerhalb der Flamme durchgeführt werden. Die Empfindlichkeit dieses aus der Flammendiagnostik bekannten Fluoreszenzmeßverfahrens liegt um mehrere Zehnerpotenzen unter der Empfindlichkeit, wie sie beim Steuer- und Meßverfahren innerhalb der Halbleiterfertigung erforderlich ist. Ferner sind die leistungsstarken Farbstofflaserlichtquellen, die für die Flammendiagnostik benötigt werden, mit Stückpreisen von ca. 300.000,— DM für die meisten Anwendungen außerhalb der reinen Grundlagenforschung zu unwirtschaftlich.

Ausgehend von diesem Stand dwr Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung für die zweidimonsionale Bestimmung und/oder Steuerung von Konzentrations- und/oder Druckverteilungen von Prozeßteilchen innerhalb eines iialbleiterfertigungsgerätes zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß trotz der für die Zwecke der Halbleiterfertigungstechnologie erforderlichen hohen Empfindlichkeit das im Bereich der Fl«?mtoendiagnostik nur mit niedriger Empfindlichkeit realisierbare Fluoreszonzmeßverfahren einsatzbar ist, da bei den Prozeßbedingungen der Halbleiterfertigungstechnologie die die Empfindlichkeit der Fluoreszenzmeßmethode bei der Flammendiagnostik

-&iacgr; :4 r

herabsetzenden Probleme des Quenching und der Mie-Streuung an Staubpartikeln nicht auftreten. Da die Störeffakte des Quenching und der Mie-Streuung unter den Randbedingungen der Halbleitertechnologie nicht oder nicht in nennenswertem Maße vorkommen, kann die verwendete Lichtquelle eine Lichtquelle von niedriger Leistung sein, wie beispielsweise eine Blitzlichtlampe. Die Kosten einer derartigen Lichtquelle liegen um mehrere Zehnerpotenzen unter den Kosten der für die FlammdiagnoRtik eingesetzten Farbstofflaserlichtquellen. Damit läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung «uch kostengünstig realisieren.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran^prüehen angegeben.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich nung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung näher erläutert. Es zeigt:

Die einzige Fig. ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung.

In der Fig. bezeichnet das Bezugszeichen 1 die Gesamtheit eines Halbleiterfertigungsgerätes, in dessen Prozeßraum 1 ein Halbleiterwafer 3 angeordnet ist.

Der Halbleiterwafer 3 ist einem gerichteten oder ungerichteten Einfall von Prozeßteilchen 4 ausgesetzt. Innerhalb des Prozeßraumes 2 herrscht ein von einer Vakuumpumpvorrichtung (nicht dargestellt) erzeugtes Vakuum von typischerweise 10'² - 10*⁷ mbar. Für extreme Anwendungsfälle sind auch Ultrahochvakuumbereiche bis zu 10"¹¹ mbar denkbar.

Außerhalb des Prozeßraumes 2 ist eine Lichtfächerquelle angeordnet, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 5

bezeichnet ist. Die Lichtfächerquelle 5 umfaßt eine Blitzlichtlampe 6, der im Lichtweg eine Auffächerungsoptik 7 mit integrierter Schlitzblende zur Erzeugung eines schmalen, von parallelen Lichtstrahlen gebildeten Lichtfächers oder Lichtschnittes nachgeordnet ist. Die Wellenlänge des von der Blitzlichtlampe 6 abgegebenen Lichtes ist derart kurz gewählt, daß die Prozeßteilchen eine für eine Fluoreszenzstrahlung ausreichende Anregungsenergie erhalten. Typischerweise liegen die Anregungsenergien im ultravioletten Bereich.

Ein der Auffächerungsoptik 7 im Lichtweg nachgeordneter Strahlteiler 8 lenkt einen Teil des Lichtfächers auf einen zellenförmigen CCD-Sensor 9, der ausgangsseitig mit einer Bildverarbeitungsvorrichtung 10 verbunden ist. Der Lichtfächer gelangt durch ein erstes Fenster 11 in den Prozeßraum, wo er den hinsichtlich der Konzentrationsverteilung und/oder Druckverteilung zu untersuchenden Bereich oberhalb des HaIbleiterwafers 3 durchsetzt. Bei dem ersten Fenster 1 handelt es sich um ein hochvakuumfestes, für ultraviolettes Licht einen hohen Transmissionsgrad aufweisendes und gegenüber den chemischen Bedingungen innerhalb des Prozeßraumes 2 beständiges Quarzglasfenster.

Außerhalb des Prozeßraumes ist eine Kamera 12 angeordnet, die zum Erfassen der Fluoreszenzstrahlung innerhalb des Prozeßraumes 2 dient, welche von den von dem Lichtfächer angeregten Prozeßteilchen abgegeben wird. Bei der Kamera 12 handelt es sich um eine hochempfindliche zweidimensionale Kamera. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist diese als MCP (Micro Channel Plate) - verstärkte CCD-Kamera, die im Spektralbereich der Fluoreszenzstrahlung eine genügend große Quanteneffizienz hat. Die Kamera 12 ist in einem Winkel alpha zu dem Lichtfächer angeordnet. Um eine numerische Korrektur von ansonsten auftretenden Projektionsverzerrungen zu vermeiden, wird man den Winkel alpha zwischen der Aufnahmerichtung der Kamera 12 und dem Lichtfächer üblicherweise als rechten Winkel wählen.

Die Kamera 12 umfaßt eine geeignete Optik 13, mit der die Fluoreszenzstrahlung von den Prozeßteilchen in der Aufnahmeebene der Kamera 12 abgebildet werden kann. Zwischen der Kamera und dem Prozeßraum 2 liegt ein zweites Fenster Ll, das gleichfalls eine Hochvakuumabdichtung ermöglicht, b'ji der Fluoreszenzwellenlänge einen hohen Transmissionsgraa aufweist und gegenüber den chemischen Bedingungen innerhalb des Prozeßraumes 2 beständig ist. Auch dieses Fenster 13 kann aus Quarzglas bestehen,

Vorzugsweise ist das Quarzglas der Fenster 11, &tgr; 3, 14 ein für den ultravioletten Bereich optimiertes UVGoFS-Glas (ultraviolett grade synthetic fused silica).

Anstelle des zweiten Fensters 13 kann auch die Linse einrr Optik vorgesehen sein.

Der Prozeßraum 2 kann letztlich durch ein drittes Fenster 14 abgeschlossen sein, durch das der Lichtfächer aus dem Prozeßraum 2 heraustritt. Bezüglich seiner Eigenschaften und seiner Struktur entspricht das dritte Fenster 14 dem ersten Fenster 11. Das dritte Fenster 14 kann auch durch eine Lichtfalle ersetzt werden.

Die Kamera 12 ist ausgangsseitig mit der Bildverarbeitungsvorrichtung 10 verbunden. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 10 ermittelt aus den von der Kamera erhaltenen Bildsignalen die zweidimensionale Konzentrations- und/oder Druckverteiler.-der Prozeßteilchen, wobei die Bi ldverarbeitungs vorrichtung die von dem zellenförmigen CCD-Sensor 9 erzeugten Signale für die vertikale Intensitätsverteilung des Lichtfächers berücksichtigt.

Da die von der Kamera erfaßte Fluoreszenzstrahlung eine von der jeweiligen xeiichenart abhängige, charakteristische wellenlänge hat, können Partialdruckverteilungen in Gasgemischen, Molekülgemischen und Ionengemischen zweidimensional

erfaßt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäbt Verfahren basieren euf der Fluoreszenz-Streuung von Licht an Teilchen atomarer Ausdehnung (Atome, Ionen, Moleküle) . Für nicht zu große Einstrahlleistung I, ist die von drn angeregten Teilchen abgestrahlte Intensität i_F proportional der einfallenden Lichtleistung und der Teilchenzahldichte n(x,y), die wiederum proportional zum Druck ist (ideale Gasgleichung) .

B₁₂ A₂₁

(1) I_F - &eegr;(&khgr;,&ggr;) I

B₂₁ + B₁, A₂₁ + Q₂₁

Dabei si-id B₁₂, B₂₁ und A₂₁ die Einsteinkoeffizienten und Q₂₁ beschreibt die Anzahl der strahlungslosen Übergänge pro Zeiteinheit ("Quenching"-Rate), die duj.oh Molekülstöße verursacht werden. Bei herkömmlichen Anwendungsgebieten (z.B. Flammendiagnose) ist die "Quenching"-Rate meistens um mehrere Zehnerpotenzen größer als A₂₁, d.h. die Fluoreszenzintensität wird nach GIg. (1) sehr klein. Df die Anza 1 der Molekülstöße pro Zeiteinheit direkt proportional der Teilchenzahldichte ist, spielen strahlungslose Übergänge bei Niederdruckanwendungen keine RoI\e mehr, wodurch die Nachweisempfindlichkeit stark ansteit,-. Eino »eitere wichtige Größe in der Fluoreszenzspektroskopie ist die Sättigungsintensität I_SAT. Wird I sehr viel größer als I_SAT ist die Fluoreszenzintensität durch

^B12

(2) I_F - n(x,y) A

₂₁

^B12 ^{+ B}21

gegeben, d.h. die gemessene Strahlungsleistung ist unabhängig von dsr eingestrahlten Intensität und direkt proportio-

i_i 8* —

nal zur Teilchenzahldichte n(x,y). Diese meßtechnisch angestrebte Situation läßt sich um so leichter erreichen, je kleiner I₅^₁ ist. Die Sättigungsintensität ist aber proportional dem Ausdruck (A₂₁ + Q₂₁), d.h. auch hier bewirkt die Verwendung der Vakuumtechnik eine Verkleinerung der Sättigungsintensität um einige Zehnerpotenzen, so daß der Gültigkeitsbereich von GIg. (2) schon mit geringem technischen Aufwand erreicht werden kann.

Claims

···■·* ·■ ti Ii ta MeBvorr icbfr \:-v.r für ¹ * · · · ■ ti·· 4111 · ■' * · · *l · s ic Schutzansprüche 1. Halbleü :erferticrancrs-Steuer- und/oder

die zweidimensionaie Bestimmung und/oder Steuerung vjn Konzentrations- und/oder Druckverteilungen von Prozeßteilchen innerha3.b eines Prozeßraumes (2) «lPfs Halblei-

(I), in dem mittels einer Vakuum-

pumpvorrichtung ein Vakuum erzeugbar ist, mit folgende» % Merkmalen:

einer Lichtfächerquelle (5) zum Erzeugen eines im wesentlichen parallelen Lichtfächers innerhalb des

Prozeßraumes (2), der den hinsichtlich der Konzen- |

trations- und/oder Druckverteilung zu untersuchen- |

den Bereich des Prozeßraumes (2) durchsetzt, wobei I

die Wellenlänge des von der Lichtfächerquelle (5) 1

abgegebenen Lichtes derart kurz ist, daß die Pro- J

zeßteilchen eine für eine Fluoreszenzstrahlung §

ausreichende Anregungsenergie erhalten; |

einer Kamera (12), die so angeordnet ist, daß ihre f

Aufnahmerichtung in einem Winkel zu dem Lichtfächer ^

angeordnet ist und daß sie den zu untersuchenden i

Bereich erfaßt, und deren spektrale Empfindlichkeit f

derart gewählt ist, daß sie in Spektralbereich der |;

Fluoreszenzstrahlung der Prozeßteilchen eine für f

deren Erfassung ausreichende Quanteneffizienz auf- ^;&ldquor;

weist; und '\

eine an die Kamera (12) angeschlossene Verarbei- |

tungsvorrichtung (10), dio aus den von der Kamera |

(12) erhaltenen Bildsignalen die zweidimensionale '-Konzentrations- und/oder Druckverteilung der Pro-

2. Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Licht fächerquelle (5) eine Blitzlichtlampe (6) mit einer Schlitzblende (7) umfaßt.
3. Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gskennse lehnet >■

daß die Lichtfächerquelle (5) eine gegenüber einer FirL-(Stofflaseri.:L.-.--^::tquelle leistungsschwache Laserlichtquelle auf'-'eist,
4. iiiibleiterfertigungs-Steuör- und/oder Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche l - j, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtfächerquelle (5) außerhalb des Prozeßraumes (2) angeordnet ist, und

daß der Lichtfächer durch ein erstes Fenster (11) zu dem Prozeßraum (2) zugeführt wird, welches eine Hochvakuumabdichtung ermöglicht, bei der Wellenlänge des von der Lichtfächerquelle (5) abgegebenen Lichtes einen hohen Transmissionsgrad aufweist und den chemischen Bedingungen innerhalb des Prozeßraumes (2) widersteht.
5. Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kamera (12) außerhalb des Prozeßraumes (2) angeordnet ist, und

daß zwischen dem Prozeßraum (2) und der Kamera (12) ein zweites Fenster (13) angeordnet ist, das eine Hochvakuumabdichtung ermöglicht, das bei der Fluoreszenzwellenlänge einen hohen Transmissionsgrad aufweist und das ds~ chsir.ischcr; Bedingungen inrssrhslb des Prozsßraiuaes (2) widersteht.
6. Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das Fenster (11, 13) aus Quarzglas besteht.
7. Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung nach eint der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet.

daß der Winkel zwischen der Aufnahmerichtima der Kamera (12) und dem Lichtfächer ungefähr 90° beträgt.
8. Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kamera eine CCD-Kamera (12) ist.
9. Halbleiterfertigungs-Steuer- und /oder Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die CCD-Kamera eine MCP- (Micro-Channal-Plate) verstärkte CCD-Kamera (12) ijt.
10. Halbleiterfertigungs-Steuer- und/oder Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch

ei'^en der Lichtfächerquelle (5) im Lichtweg nachgeordneten Strahlteiler (8), und

einen zellenförmigen Sensor (9) zum Erfassen der Intensitätsverteilung des Lichtes über den Lichtfächer, der im Lichtweg des von dem Strahlteiler abgegebenen Lichtes angeordnet ist und der ausgar.gsseitig an die Verarbeitungsvorrichtung (10) angeschlossen ist.