(57)【要約】  半導体薄膜工程内のガスを測定する装置が提供される。本装置は、薄膜工程の環境内に配置された光共振器と、ガスの特性周波数で光共振器を励起する同調可能レーザと、共振器内のエネルギーを検出する検出器とを含む。
2009530831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体薄膜工程内のガスを測定する装置であって、
前記薄膜工程の環境内に配置された光共振器と、
前記ガスの特性周波数で前記光共振器を励起する同調可能レーザと、
前記共振器内のエネルギーを検出する検出器とを含む装置。
【請求項２】
前記検出されたエネルギーのリングダウン率に基づいて前記ガスの濃度を検出するプロセッサを更に含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記同調可能レーザと前記光共振器の間に配置され、前記光共振器からの光エネルギーを周期的に遮断するシャッタデバイスを更に含む請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記プロセッサは、前記共振器の前記リングダウン率を前記ガスのリングダウンプロファイル曲線と一致させるカーブマッチングプロセッサを更に含む請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記プロセッサは、前記所定のガスのリングダウン率の参照表を更に含む請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記薄膜工程は、薄膜処理チャンバを更に含む請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記薄膜処理チャンバの外壁に光透過性窓を更に含む請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記薄膜処理チャンバの外側に配置され、前記光透過性窓を介して前記共振器を励起する前記レーザを更に含む請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記薄膜処理チャンバの外側に配置され、前記光透過性窓を介して前記共振器からの光信号を受け取る前記検出器を更に含む請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記共振器は、三角形の経路に沿って共振光信号を反射するように配置された３つの光反射器を更に含む請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記３つの光反射器の中の、前記光透過性窓に隣接して配置された１つの光反射器を更に含む請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記３つの光反射器の間隔を前記ガスの前記特性周波数の整数倍に調整するサーボを更に含む請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
半導体薄膜処理チャンバ内の所定のガスの量を測定する装置であって、
薄膜処理チャンバと、
前記薄膜処理チャンバ内に配置された光共振器と、
前記所定のガスの吸収波長で前記光共振器を励起する同調可能レーザと、
励起後、前記共振器のリングダウン率を検出する検出器と、
前記共振器の前記検出されたリングダウン率に基づいて前記薄膜処理チャンバ内の前記ガスの前記量を決定するプロセッサとを含む装置。
【請求項１４】
前記薄膜処理チャンバの外壁に光透過性窓を更に含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記薄膜処理チャンバの外側に配置され、前記光透過性窓を介して前記共振器を励起する前記レーザを更に含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記薄膜処理チャンバの外側に配置され、前記光透過性窓を介して前記共振器からの光信号を受け取る前記検出器を更に含む請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記共振器は、三角形の経路に沿って共振光信号を反射するように配置された３つの光反射器を更に含む請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記３つの光反射器の中の、前記光透過性窓に隣接して配置された１つの光反射器を更に含む請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記光透過性窓を介して前記三角形の経路の第１レッグと同軸方向に位置合わせされた前記レーザと、前記光透過性窓に隣接する前記１つの光反射器とを更に含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記光透過性窓を介して前記三角形の経路の第２レッグと同軸方向に位置合わせされた前記検出器と、前記光透過性窓に隣接する前記１つの光反射器とを更に含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記プロセッサは、前記所定のガスのリングダウン率の参照表を更に含む請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
前記プロセッサは、前記共振器の前記検出されたリングダウン率を前記所定のガスのリングダウンプロファイル内の曲線と一致させるカーブマッチングプロセッサを更に含む請求項１３に記載の装置。
【請求項２３】
半導体薄膜処理チャンバ内のガスを測定する装置であって、
前記薄膜処理チャンバの外壁にある光透過性窓と、
前記薄膜処理チャンバ内に配置された光共振器と、
前記薄膜処理チャンバの外側に配置され、前記光透過性窓を介して前記光共振器を励起する同調可能レーザと、
前記薄膜処理チャンバの外側に配置され、リングダウン時間を検出する検出器と、
前記共振器の前記リングダウン時間に基づいて前記薄膜処理チャンバ内の前記ガスを決定するために使用される参照表とを含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、半導体処理、より詳細には半導体処理環境内のガス濃度を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体処理において環境の制御は重要である。一般的に、半導体は処理チャンバ内でウェーハから作製される。ウェーハ上に半導体作製位置を画定するために１つまたは複数の拡散ステップが、マスク付与ステップによって引き継がれ（または先行され）ることがある。作製位置が画定されると、工程は作製されるデバイスの複雑さに依存して任意の回数繰り返し行われる。
【０００３】
半導体デバイスが画定された位置に生成されると、画定された位置に一連の接続が形成されてよい。接続は、任意の数のマスク付与、堆積およびエッチングステップによって形成することができる。
【０００４】
作製工程の各ステップで、異なる反応性材料が使用されてよい。通常、反応性材料はガス状である。
一貫性のある半導体製品を提供するために、拡散、堆積およびエッチング工程は、通常反応性ガスの正確な制御によって確実に制御されなければならない。一般的に、これは処理チャンバ中への反応性材料の流れを制御することによって達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体薄膜処理において、処理チャンバ内の正確なガス組成を知ることは非常に重要である。従来通り、これは流量制御によって主に達成されるが、流量制御だけでは、特にキャリアガスや背景ガスなど他のガスが存在する場合、処理チャンバ内に存在する反応性ガスの割合を特定できない。したがって、特に多くのガスを含む工程環境においてガス含有量を測定するより優れた方法に対する必要性が出てくる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
半導体薄膜工程内のガスを測定する装置が提供される。本装置は、薄膜工程の環境内に配置された光共振器と、ガスの特性周波数で光共振器を励起する同調可能レーザと、共振器内のエネルギーを検出する検出器と、検出されたエネルギーのリングダウン率に基づいてガスの濃度を検出するプロセッサを含む。
【０００７】
次に図について考えると、図１はガス検出システム１０のブロック図であり、本発明の例示の実施形態に従って一般に使用する文脈で図示される。図１に示したように、検出システム１０は、半導体薄膜工程１２内のガス濃度をモニタするために使用できる。システム１０は、出口ガス流（流れ）１４中のガス濃度を検出するのに使用されるとして図示されるが、システム１０は工程１２中の入口ガス流を検出するのに使用した方がちょうどよい場合があることも理解されたい。
【０００８】
検出システム１０は、光共振器１６と、光検出器２０と、同調可能レーザ２２と、中央処理装置２４（ＣＰＵ）とを含んでよい。同調可能レーザは、ある適切な光波長範囲（例えば１〜１２マイクロメートル）にわたって同調可能であってよい。
【０００９】
光共振器１６は直接出口ガス流１４中に置かれても、図１に示したようにＴ型継手２６内にガスの流れからオフセットされてもよい。当業者には既知であることになる、工程１２の入口および出口ガス流は、多くの非常に腐食性のガスを含んでいる場合がある。光共振器１６はガスの流れの中に配置されるので、光共振器１６は、これらのガスに耐性のある材料で作製されてよい。適切な保護手段によって、同調可能レーザ２２と検出器２０が、ガスの流れ１４の中に配置されてもよく、あるいは装置環境から工程環境を分離するように機能する光透過性窓１８を介して共振器１６と相互作用することもできる。
【００１０】
窓１８は適切な光学ガラス（例えば、石英ガラス）で作製できる。代替的に、窓１８がサファイアで作製されてもよい。
光共振器１６は三角形状の３つのミラー２８、３０、３２から成ってよい。同調可能レーザ２２は三角形の第１レッグ３４と同軸方向に位置合わせされてよい。第１ミラー２８を介して共振器１６に入った光エネルギーは、共振器１６の第１レッグ３４に沿って伝播し、第２ミラー３２によって反射される。第２ミラー３２からの反射エネルギーは第２レッグ３６に沿って第３ミラー３０に伝播し、第３レッグ３８に沿って第１ミラー２８へ反射される。レッグ３４、３６、３８の長さの合計は、共振周波数の整数倍であってよい。
【００１１】
第１ミラー２８で、光エネルギーのほとんどが第１レッグ３４に沿って反射され、三角形の周りを再循環する。しかし、第３レッグ３８に沿って伝播するエネルギーの少なくとも一部が第１ミラー２８を通過して、第３レッグ３８と同軸方向に位置合わせされた検出器２０に衝突する。
【００１２】
一般にガス検出システム１０は分光形の原理に従って機能する。既知であるように、ガスの流れ１４の中のそれぞれのガスは、そのガスの特性である波長で光エネルギーを吸収する。所定のガスの特性周波数に同調可能レーザ２２を同調させることによって、システム１０は、ガスの流れ１４の中の他のガスの存在や濃度に関係なく所定のガスの濃度を測定できる。既知であるように、所定のガスの濃度が、高い程、特性波長での光エネルギーの吸収も多くなる。
【００１３】
ガスの濃度を測定するために、同調可能レーザ２２を、このガスの特性波長に同調させることができる。簡単な機械的サーボ３１が用いられて、３つのレッグ３４、３６、３８の合計長さを、選択された波長の整数倍に調整できる。
【００１４】
同調可能レーザ２２は、パルス化され、ある所定の速度（例えば、毎秒５０パルス）で適切な持続時間（例えば、数ナノ秒）の光パルスを共振器１６に送り込むことができる。パルス化は、シャッタデバイス（例えば、音響光学変調器）を使用することにより達成できる。
【００１５】
共振器１６にパルスを印加することが、光エネルギーを共振器１６の周り（つまり、共振器１６の「リング」）に再循環させる。共振器１６内の光エネルギーの減衰率（つまり「リングダウン率」）は、光エネルギーの波長、流れ１４の中のガスおよび共振器１６の光損失に依存する。
【００１６】
図２は、一実施例の振幅対時間のグラフであり、所定のガスの、またこのガスの特性波長で共振する共振器１６の場合に共振器１６のリングダウン率を示す。図示したように、共振器１６は真空中では第１特性曲線４０を有し、ある最大濃度の所定のガスが存在する場合に第２特性曲線４２を有することになる。最大濃度未満の、任意の濃度の所定のガスは、曲線４０と４２の間のどこかにその特性曲線を有することになる。図２の一群の曲線が、所定のガスのリングダウン率プロファイルを表す。
【００１７】
ガスの流れ１４の中の所定のガスの濃度を決定するために、図２の一群の曲線と対応するガス濃度値がＣＰＵ２４のメモリ中のリングダウン率の参照表４４に組み込まれてよい。この参照表４４内で、リングダウン率プロファイル内のそれぞれの曲線４０、４２は、点の軌跡または曲線４０、４２を特徴付ける式として保存されてよい。
【００１８】
流れ１４の中の所定のガスの濃度を決定するために、ＣＰＵ２４は、同調可能レーザ２２を所定のガスの特性波長に同調させることができ、共振器１６に一連の光パルスをかけることができる。各パルス後にサンプリングプロセッサ５０は、所定の一組の時間間隔にわたって共振器１６内の共振光エネルギーの振幅を検出できる。各サンプル点での振幅値と時間値は合わせて、サンプル曲線内の座標を確定する。サンプリングプロセッサ５０は、各サンプル曲線の座標をカーブマッチングプロセッサ４８に転送できる。
【００１９】
カーブマッチングプロセッサ４８内で、このサンプル曲線を所定のガスのリングダウンプロファイル内の少なくとも１つの曲線と一致させることができる。カーブマッチングプロセッサ４８は、最も一致する曲線４０、４２を特定し、その曲線に付随するガス濃度値を決定されたガス濃度として選択する。
【００２０】
同様に、ガス検出システム１０は、流れ１４の中に同時に存在する任意の数の異なるガス（一組の所定のガス）の濃度も分析し、測定することができる。この場合、リングダウン率の参照表ファイル４４、４６は、測定されるべきそれぞれのガスに対して提供できる。測定されるべきそれぞれのガスのリングダウン率プロファイルに加えて、ファイル４４、４６はそのガスの識別子と一緒に一組の特性波長を含んでよい。
【００２１】
ガス濃度を測定するために、ＣＰＵ２４は、それぞれのガスの組を連続的に選択でき、選択されたガスの特性波長に基づいて前述したように濃度を測定できる。システム１０が、工程制御用に使用される場合、測定された値は、工程のフィードバック制御として工程制御器（図示せず）に転送することができる。
【００２２】
一般に、システム１０は、固有のガス吸収波長に対してガス吸収対リングダウン時間の変化を測定し、次いで既知の吸収断面積を用いてこれを濃度に変換することによって流れ１４の中の１００万分の１（ｐｐｍ）〜１０億分の１（ｐｐｂ）の範囲のガス組成をモニタするために使用することができる。１バールで１ｐｐｍの大気中濃度測定は、換算すると１．３３３２バール（１ｍトル）の精度になる。したがって、１３３．３２バール（１００ｍトル）の全ガスを処理する場合、既知のガスの濃度は０．１％精度で分かる。この技術は入口混合ガス用に適しているだけでなく、１）未反応の工程後のガス、または２）反応から生じる他のガスの量を測定するために用いることもできる。
【００２３】
本発明を作製し、使用する方法を例示するためにガス測定システムの特定の実施形態が説明された。当業者には本発明の他の変更および修正を実行すること、ならびに本発明の様々な態様は明らかであり、また本発明が説明された特定の実施形態によって限定されないことも理解されたい。したがって、本明細書で開示し、特許請求の範囲に主張した根底にある基本原理の本来の精神および範囲が、それに含まれる本発明ならびに任意の、また全ての修正および変更、あるいはその等価物に及ぶものと企図される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の例示の実施形態によるガス濃度測定システムのブロック図である。
【図２】所定のガスが存在し、所定のガスの特性周波数で励起した場合の図１の共振器のリングダウンプロファイルのグラフである。
【図１】
2009530831.tif 000003
【図２】
2009530831.tif 000004
【国際調査報告】
2009530831.tif 000005
2009530831.tif 000006
2009530831.tif 000007