JP7374017B2 - 測定方法及び測定システム - Google Patents

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Description

本開示は、測定方法及び測定システムに関する。
例えば、特許文献1は、機器のバックグラウンドノイズの測定方法及びシステムを提案する。
例えば、特許文献2は、半導体製造装置内の特性を複数のセンサによりセンシングする方法及びセンシングシステムを提案する。センシングシステムは、複数のセンサと、リーダと、リーダアンテナとを有し、リーダを介してリーダアンテナから出力された信号に対する複数のセンサの検知結果に基づき、物理的な特性を予測する。
特表2013-527641号公報 米国特許出願公開第2019/0057887号明細書
本開示は、半導体製造装置内のノイズを除去し、半導体製造装置内の物理的な特性を精度良く予測することができる技術を提供する。
本開示の一の態様によれば、チャンバを有する半導体製造装置にて行う測定方法であって、無線通信が可能な治具を前記チャンバ内に配置しない状態で、前記チャンバ内に送信された電気信号に基づき、前記チャンバ内の共振周波数を有する第1の測定データを基準データとして取得する工程と、前記治具を前記チャンバ内に配置した状態で、前記チャンバ内に送信された電気信号に基づき、前記治具に搭載されたセンサが検知した共振周波数及び前記チャンバ内の共振周波数を有する第2の測定データを取得する工程と、取得した前記第2の測定データから前記基準データを減算し、ノイズを除去する工程とを有する測定方法が提供される。
一の側面によれば、半導体製造装置内のノイズを除去し、半導体製造装置内の物理的な特性を精度良く予測することができる。
実施形態に係るSAWセンサの一例を示す図。 実施形態に係る測定システムの一例を示す図。 実施形態に係る測定方法の概要を示す図。 実施形態に係る測定方法(共振ノイズ計測)の一例を示すフローチャート。 実施形態に係るチャンバ内で生じる共振ノイズの一例を示す図。 実施形態に係る測定方法(温度計測)の一例を示すフローチャート。 実施形態に係る温度測定原理を説明するための図。 実施例に係る測定方法(共振ノイズ計測)の一例を示すフローチャート。 実施例に係る測定方法(温度計測)の一例を示すフローチャート。 実施例に係る共振ノイズ除去の効果の一例を示す図。 実施例に係る共振ノイズ除去後の効果の一例を示す図。 変形例に係る測定方法(温度計測)の一例を示すフローチャート。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
[治具]
まず、実施形態に係る測定システムにて使用する治具LWについて、図1を参照しながら説明する。以下では、実施形態に係る治具LWの一例として、SAW(Surface Acoustic Wave)センサについて説明する。SAWセンサの治具LWは、一態様として温度を検知する温度センサとして機能する。ただし、実施形態に係る治具LWは、温度を検知することに限られず、半導体製造装置のチャンバ内の物理的な特性を検知することができる。
SAWセンサの治具LWは、例えばウェハ形状のシリコン基板43をベースとして、その上に複数のSAWセンサ40a~40iが搭載される。複数のSAWセンサ40a~40iは、略同一間隔に設けられる。以下では、SAWセンサ40a~40iを総称してSAWセンサ40ともいう。SAWセンサ40は、導波管型のリーダアンテナRAと無線通信が可能な通信機能を有する。
図1では、SAWセンサ40a及びSAWセンサ40bを拡大して示す。SAWセンサ40aはSAWデバイス41とタグアンテナ44で構成される。SAWデバイス41は、圧電体基板上に例えば櫛型の電極41aを有する。電極41aは、金属薄膜からなる電極41a1及び電極41a2を有し、対向する方向から互いの凸部を互いの凹部に挿入し、櫛型に形成される。タグアンテナ44には、電極41a1及び電極41a2と電気的に接続される電極部材42が配置されている。
電極部材42から電極41a1と電極41a2の間に電圧を印加する。そして、リーダアンテナRAから送信された電気信号を入力すると、電極41aが形成されたSAWデバイス41の圧電体基板が有する圧電効果により、SAWデバイス41を構成する結晶粒子(原子)同士が応力を受け、圧電効果により近づいたり離れたりする。これにより、SAWセンサ40の表面が波打つように振動する。
SAWセンサ40毎に電極41a1と電極41a2の間の距離は異なっている。換言すれば、SAWセンサ40a及びSAWセンサ40bはSAWデバイス41およびタグアンテナ44の構成は同じであるが、電極41a1と電極41a2の間の距離だけが異なっている。このような構成とすることにより、電極41aに入力される電気信号のうち、電極41a1と電極41a2の間の距離に相当する、各SAWセンサ40に固有の周波数の電気信号が共振により強くなり外部へ伝播される。
リーダアンテナRAは、予め定められた周波数帯域の電気信号を送信し、送信した電気信号に対してSAWセンサ40a~40iからそれぞれ選択的に取り出された所望の周波数の電気信号を受信する。実施形態に係る測定システムは、SAWセンサ40a~40iがそれぞれ出力する電気信号の周波数の変化に基づき温度を予測する。また、SAWセンサ40a~40i毎に割り当てられた共振周波数は異なるため、SAWセンサ40a~40iが出力する電気信号に含まれる共振周波数から、予測した温度が、SAWセンサ40a~40iのいずれの位置の温度であるかを確定できる。これにより、SAWセンサの治具LWを用いてSAWセンサ40a~40iの各位置における温度を予測することができる。
[測定システム]
実施形態に係る測定システム10の構成について、図2を参照しながら説明する。図2は、実施形態に係る測定システム10の一例を示す図である。測定システム10は、半導体製造装置100、リーダアンテナRA、リーダR、PC30及び治具LWを有する。
半導体製造装置100は、ウェハを一例とする基板に所望の処理を施す装置である。半導体製造装置100は、チャンバ1を有し、チャンバ1内にて、処理ガスからプラズマを励起するために用いられるいくつかのプラズマ生成システムの一例を与える。図2は、容量結合プラズマ(CCP)装置を示しており、上部電極3と載置台STとの間にプラズマ2が形成される。載置台STは、下部電極としても機能する。載置台STは、基台4及び静電チャック5を有する。処理中、載置台ST上にはウェハが保持される。RFソース6とRFソース7は、上部電極3及び載置台STの双方に結合され、異なるRF周波数が用いられ得る。他の例では、RFソース6とRFソース7が同じ電極に結合されてもよい。更に、直流電流(DC)パワーが上部電極3に結合されてもよい。チャンバ1にはガスソース8が接続され、処理ガスを供給する。また、チャンバ1には排気装置9が接続されチャンバ1内部を排気する。半導体製造装置100は、プロセッサ及びメモリを有する制御部80を有し、半導体製造装置100の各要素を制御してウェハWをプラズマ処理する。
リーダアンテナRAは、チャンバ1の側壁に設けられた例えば石英などの誘電体窓に取り付けられている。PC30は、リーダRを介してリーダアンテナRAに接続されている。PC30は、測定時、SAWセンサ40a~40iから出力され、リーダアンテナRAが受信した信号に基づき、SAWデバイス41により検知された温度を算出するコンピュータである。PC30は、情報処理装置の一例であり、情報処理装置は、PC30に限られず、タブレット型端末、携帯端末、ウエアラブル機器等の電子機器であってもよい。
治具LWは、ウェハと略同一のサイズを有し、搬送装置により搬送可能に構成される。また、治具LWは、バッテリー及び電源が不要であり、チャンバ1の側壁に取り付けられたリーダアンテナRAと無線通信可能に構成される。係る機能を有する治具LWは、搬送装置の搬送アームを用いて、チャンバ1内の真空を維持しつつ、チャンバ1内に搬送できる。これにより、半導体製造装置100のダウンタイムを低減できる。治具LWは、載置台STに載置され、温度を測定するために用いられる。
治具LWを用いて温度を測定する際、リーダアンテナRAからチャンバ1内に送信した電気信号に対して、チャンバ1の構造及びチャンバ1内のパーツの影響により、意図しない共振波(チャンバ1内で共振する共振周波数の波)が発生する。以下、この共振波を、「共振ノイズ」ともいう。共振ノイズが混在した状態でSAWセンサの治具LWを使用すると、共振ノイズによりユーザから要求される精度の温度測定が困難になる。また共振ノイズは、図2に示す上部電極3と基台4の間のギャップGによって変わる。さらに共振ノイズは、チャンバ1内に配置されるパーツの構成及び組み付け精度、チャンバ1の使用状態によっても変わる場合がある。
半導体製造装置100の分野では、測定温度に含まれる誤差の許容範囲は、概ね0.1℃~0.2℃程度である。このため、半導体製造装置100において共振ノイズは、測定温度に対する許容できない誤差を生じさせる原因となる場合がある。
そこで、以下に説明する実施形態に係る測定システム10にて実行される測定方法は、共振ノイズの影響を除き、半導体製造装置100において要求される精度の温度測定を行う。これにより、載置台STの温度等、半導体製造装置100内の物理的な特性を精度良く予測できる。
[測定方法]
以下、実施形態に係る測定方法について、図3~図6を参照しながら説明する。図3は、実施形態に係る測定方法の概要を示す図である。図4は、実施形態に係る測定方法においてPC30が行う共振ノイズの計測の一例を示すフローチャートである。図5は、実施形態に係るチャンバ内で生じる共振ノイズの一例を示す図である。図6は、実施形態に係る測定方法においてPC30が行う温度計測の一例を示すフローチャートである。
実施形態に係る測定方法は、例えば図2に一例を示すチャンバ1内の載置台STに治具LWを配置しない状態と、配置した状態とで行われる。なお、リーダアンテナRAは、予め定められた周波数帯の電気信号を出力する。
(第1ステップ)
実施形態に係る測定方法の第1ステップでは、図3(a)に示すように、治具LWをチャンバ1内に配置しない状態で、リーダアンテナRAから電気信号をチャンバ1内に発信する。発信した電気信号の入力により、チャンバ1の構造及びチャンバ1のパーツの配置に応じて特定の周波数において共振がチャンバ1内で発生する。それを含む反射信号をリーダアンテナRAにより受信する。
PC30は、図4のステップS21において、治具LWをチャンバ1内に配置しない状態で、リーダアンテナRAが受信した受信信号を取得する。このようにしてPC30は、受信信号からチャンバ1内で共振する特定の共振周波数を有する第1の測定データを取得する。第1の測定データは、共振ノイズを示す。PC30は、図4のステップS22において、第1の測定データを、基準データとしてPC30内のメモリに記憶する。
第1の測定データの一例を図5に示す。図5は、実施形態に係るチャンバ1内の共振ノイズの一例を示す図である。図5のグラフの横軸は周波数、縦軸は信号強度である。図5は、リーダアンテナRAが受信した受信信号の波形であり、波形中のピークが共振周波数として認められる。図5(a)は、ギャップGが35mmのときの共振ノイズに含まれる周波数毎の信号強度の一例である。図5(b)は、ギャップGが40mmのときの共振ノイズに含まれる周波数毎の信号強度の一例である。図5(c)は、ギャップGが85mmのときの共振ノイズに含まれる周波数毎の信号強度の一例である。
このように、共振ノイズに含まれる周波数と信号強度は、上部電極3と基台4の間のギャップGによって変わる。さらに共振ノイズは、チャンバ1内に配置されるパーツの構成及び組み付け精度、チャンバ1の使用状態によって変わる場合がある。
(第2ステップ)
実施形態に係る測定方法の第2ステップでは、図3(b)に示すように、治具LWをチャンバ1内の載置台STに配置した状態で、リーダアンテナRAから電気信号をチャンバ1内に発信する。発信した電気信号のうち、チャンバ1内で反射した電気信号と、治具LWに搭載された複数のSAWセンサ40(図3(b)では一つのみ表示)のSAWデバイス41で検知した固有の共振周波数を有する電気信号とをリーダアンテナRAにより受信する。
PC30は、図6のステップS31において、治具LWをチャンバ1内に配置した状態で、リーダアンテナRAが受信した受信信号を取得する。このようにしてPC30は、受信信号から、チャンバ1内で共振する特定の共振周波数と、SAWデバイス41が検知した固有の共振周波数を有する第2の測定データを取得する。
(第3ステップ)
次に、実施形態に係る測定方法の第3ステップでは、PC30は、図6のステップS32において、取得した第2の測定データから基準データを減算し、共振ノイズを除去する。そして、PC30は、ステップS33において、基準データを減算した後の第2の測定データに基づき複数のSAWデバイス41のそれぞれの位置における温度を測定する。
これにより、チャンバ1の構造やチャンバ1内に配置されるパーツによって生じる共振ノイズを取り除いた第2の測定データに基づき温度を測定する。これにより、チャンバ1内の壁面を反射した信号による共振の影響を取り除き、治具LWにより測定した温度の精度を向上させることができる。
特に、半導体製造装置100で行われるエッチング等のプロセスにおいて、プロセス中のウェハW上の温度分布の制御は生産安定性などの観点から非常に重要である。例えば、エッチング用の温度センサは、近年マイナス温度の測定も要求されるため、バッテリーを搭載したウェハ型の温度センサでは、無線通信機能を有していてもマイナス温度の測定には対応できない。これに対して、バッテリーを搭載せず、マイナス温度の測定にも対応可能な、実施形態に係る治具LWを使用して温度測定を行うことは有益である。
なお、第1ステップで取得する第1の測定データは、半導体製造装置100毎に測定し、半導体製造装置100毎に基準データを作成してもよい。ギャップGが同じ同一構成の半導体製造装置100について共通して使用可能な基準データを作成してもよい。
第1ステップの実行タイミングは、半導体製造装置100の立上げ時、チャンバ1内のパーツ交換後、メンテナンス後であってもよい。第2ステップの実行タイミングは、ロットとロットの間、定期的(1回/日等)な間隔、メンテナンス後であってもよい。
PC30は、各SAWデバイス41が検知した共振周波数に基づき温度を予測する。図7は、実施形態に係る温度測定原理を説明するための図である。例えば、SAWセンサ40a及びSAWセンサ40bのそれぞれに搭載されたSAWデバイス41を、SAWデバイス41(1)及びSAWデバイス41(2)として区別して示す。SAWデバイス41(1)が検知した共振周波数と、SAWデバイス41(2)が検知した共振周波数とは異なっている。例えば、SAWデバイス41(1)の電極41aが周波数X、Xで共振した場合、PC30は、共振ノイズを除去した後のピーク間の幅Aに基づき温度を測定する。SAWデバイス41(1)の電極41aが周波数X、Xで共振した場合、PC30は、共振ノイズを除去した後のピーク間の幅B(A<B)に基づき温度を測定する。SAWデバイス41(2)についても同様に、幅C,Dから温度を算出する。
このように、治具LWに搭載された複数のSAWデバイス41は、異なる周波数で共振する。よって、温度を予測する工程において、PC30は、複数のSAWデバイス41のそれぞれにより検知される共振周波数を有する第2の測定データを取得し、それぞれの第2の測定データから基準データを減算した後の各第2の測定データに基づき温度を予測する。第2の測定データが有する共振周波数からSAWデバイス41を特定できる。よって、予測した温度が載置台STのどの位置の温度であるかは、SAWデバイス41の位置から特定できる。
(実施例1)
以上に説明した実施形態に係る測定方法の実施例について、図8及び図9を参照して説明する。図8は、実施例に係る測定方法(共振ノイズ計測)の一例を示すフローチャートである。図9は、実施例に係る測定方法(温度計測)の一例を示すフローチャートである。
図8に示す共振ノイズ計測の測定方法では、最初に、リーダアンテナRAは、チャンバ1内に電気信号を送信する(ステップS41)。この時点では、治具LWが載置台STに載置されていない。次に、リーダアンテナRAは、チャンバ1内を反射した電気信号を受信する(ステップS42)。
次に、PC30は、受信した電気信号から共振周波数を有する第1の測定データを取得し、基準データとしてメモリに保存し(ステップS43)、本処理を終了する。これにより、共振ノイズを示す基準データを作成する。
図9に示す温度計測の測定方法では、最初に、リーダアンテナRAは、チャンバ1内に電気信号を送信する(ステップS51)。この時点では、治具LWが載置台STに載置されている。SAWセンサ40a~40iに搭載された各SAWデバイス41は、リーダアンテナRAからの電気信号を受信する(ステップS52)。次に、各SAWデバイス41は、電極41aのパターンに応じてそれぞれに固有の特定の周波数で共振し(ステップS53)、共振周波数を有する電気信号を送信する(ステップS54)。
次に、リーダアンテナRAは、各SAWデバイス41により検知された電気信号及びチャンバ1内で共振した反射信号を有する電気信号を受信する(ステップS55)。次に、PC30は、受信した電気信号から第2の測定データを取得し、取得した第2の測定データから基準データを減算し(ステップS56)、減算後の第2の測定データに基づき、温度を算出し(ステップS57)、本処理を終了する。これにより、共振ノイズを除いた第2の測定データから精度良く温度を算出することができる。
[効果]
以上に説明した実施例に係る測定方法により、第2の測定データから共振ノイズ(基準データ)を除去した結果を図10に示す。図10(a)は、共振ノイズの波形の一例を示す。
3つのSAWセンサ40をAntenna A、Antenna B、Antenna Cとして、各アンテナに搭載されたSAWデバイス41のそれぞれから受信した電気信号及びチャンバ1内を反射した電気信号を図10(b)~(d)に示す。各アンテナにおいて検知された第2の測定データの、共振ノイズ除去前(波形Aw)及び除去後(波形Bw)の結果を示す。
これによれば、例えば、図10(b)~(d)に示すように、共振ノイズ除去前(波形Aw)よりも除去後(波形Bw)において信号のピークの周囲のノイズ成分が除去されたことがわかった。以上から、共振ノイズ除去前(波形Aw)に含まれる共振ノイズを除去した共振ノイズ除去後(波形Bw)の第2の測定データが得られていることがわかった。係る結果から、共振ノイズ除去後(波形Bw)の第2の測定データを用いて温度を算出することで、共振ノイズ成分が含まれないために精度の良い温度測定が可能になる。
図11は、図10(b)~(d)に示すAntenna A、Antenna B、Antenna Cの共振ノイズ除去前及び共振ノイズ除去後のS/N比を示す。これによれば、Antenna A、Antenna B、Antenna Cのいずれも共振ノイズ除去後のS/N比は、共振ノイズ除去前のS/N比よりも大きな値を示し、受信信号内のノイズ成分が減少していることがわかった。
[変形例]
最後に、変形例に係る測定方法(温度計測)について、図12を参照しながら説明する。図12は、変形例に係る測定方法の一例を示すフローチャートである。なお、図4及び図6に示すステップ番号と同一番号を付したステップは、同一処理を示す。同一処理のステップは、説明を省略又は簡略化する。
本処理が開始されると、PC30は、ステップS21、S22、S31、S32の処理を実行し、第2の測定データから第1の測定データ(基準データ)を減算し、ノイズを除去する。
次に、PC30は、各SAWデバイス41に固有の共振周波数のピーク値に対して、その領域のノイズがどの程度あるかを示すS/N比を算出する(ステップS61)。次に、PC30は、各SAWデバイス41のS/N比が、予め定められた閾値よりも大きいか否かを判定する(ステップS62)。
PC30は、各SAWデバイス41のS/N比が、予め定められた閾値よりも大きいと判定すると、SAWデバイス41のそれぞれの位置における温度を算出する(ステップS63)。一方、PC30は、各SAWデバイス41のS/N比が、予め定められた閾値以下であると判定すると、そのSAWデバイス41が位置する領域のノイズを除去しきれないと判断し、そのSAWデバイス41では温度算出を行わない(ステップS64)。次に、PC30は、すべてのSAWデバイス41についての判定を終了したかを判定する(ステップS65)。すべてのSAWデバイス41についての判定を終了していない場合、ステップS62に戻ってステップS62以降の処理を実行する。すべてのSAWデバイス41についての判定を終了した場合、本処理を終了する。
例えば、ステップS62の閾値を「5」としたとき、図11の例では、Antenna A及びAntenna Cでは、S/N比が閾値よりも大きいため、ノイズの影響が小さいと判断して温度算出を行う。これに対して、Antenna Bでは、S/N比が閾値よりも小さいため、ノイズの影響が大きいと判断して温度算出を行わない。これにより、SAWデバイス41を用いた温度測定の精度を高めることができる。
以上に説明したように、実施形態の測定方法によれば、チャンバ1内で発生する共振ノイズを除去し、チャンバ1内の載置台STの載置面の温度を精度良く予測することができる。
今回開示された実施形態に係る測定方法及び測定システムは、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
例えば、実施形態では半導体製造装置内の物理的な特性の一例として載置台の温度を挙げたが、これに限られない。実施形態では半導体製造装置内の物理的な特性としては、チャンバ内の環境情報(例えばウェハひずみ分布)を予測してもよい。
本開示の半導体製造装置は、Atomic Layer Deposition(ALD)装置、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプの装置でも適用可能である。
また、半導体製造装置は、基板に所定の処理(例えば、成膜処理、エッチング処理等)を施す装置であればよい。
1 チャンバ
2 プラズマ
3 上部電極
4 基台
5 静電チャック
6、7 RFソース
8 ガスソース
9 排気装置
10 測定システム
30 PC
40 SAWセンサ
41 SAWデバイス
41a 電極
42 電極部材
43 シリコン基板
44 タグアンテナ
80 制御部
100 半導体製造装置
G ギャップ
LW 治具
RA リーダアンテナ
R リーダ
ST 載置台

Claims (8)

  1. チャンバを有する半導体製造装置にて行う測定方法であって、
    無線通信が可能な治具を前記チャンバ内に配置しない状態で、前記チャンバ内に送信された電気信号に基づき、前記チャンバ内の共振周波数を有する第1の測定データを基準データとして取得する工程と、
    前記治具を前記チャンバ内に配置した状態で、前記チャンバ内に送信された電気信号に基づき、前記治具に搭載されたセンサが検知した共振周波数及び前記チャンバ内の共振周波数を有する第2の測定データを取得する工程と、
    取得した前記第2の測定データから前記基準データを減算し、ノイズを除去する工程と、を有する測定方法。
  2. 前記ノイズを除去した後の前記第2の測定データに基づき前記チャンバ内の物理的な特性を予測する工程を有する、
    請求項1に記載の測定方法。
  3. 前記治具は、前記チャンバ内の載置台に載置され、
    前記特性は、前記載置台の温度である、
    請求項2に記載の測定方法。
  4. 前記治具に搭載された複数の前記センサのそれぞれに固有の共振周波数を有し、
    前記特性を予測する工程は、複数の前記センサのそれぞれにより検知される共振周波数を有する前記第2の測定データを取得し、前記基準データを減算後の前記第2の測定データに含まれる共振周波数に基づき複数の前記センサのそれぞれにおける前記温度を予測する、
    請求項3に記載の測定方法。
  5. 前記治具に搭載されたセンサに固有の共振周波数のピークにおけるノイズに対する信号(S/N)比を算出する工程と、
    算出した前記ノイズに対する信号比が予め定められた閾値よりも大きい場合、前記治具に搭載されたセンサが検出した検出値に基づき、温度を算出する、
    請求項1~4のいずれか一項に記載の測定方法。
  6. チャンバを有する半導体製造装置、無線通信が可能な治具、リーダアンテナ及び情報処理装置を有する測定システムであって、
    前記リーダアンテナは、前記治具を前記チャンバ内に配置しない状態で、前記チャンバ内に送信された電気信号に基づき、前記チャンバ内の共振周波数を有する第1の測定データを受信し、
    前記情報処理装置は、前記リーダアンテナが受信した第1の測定データを基準データとして取得し、
    前記リーダアンテナは、前記治具を前記チャンバ内に配置した状態で、前記チャンバ内に送信された電気信号に基づき、前記治具に搭載されたセンサが検知した共振周波数及び前記チャンバ内の共振周波数を有する第2の測定データを受信し、
    前記情報処理装置は、前記リーダアンテナが受信した第2の測定データを取得し、取得した前記第2の測定データから前記基準データを減算し、ノイズを除去する、測定システム。
  7. 前記治具は、ウェハ形状である、
    請求項6に記載の測定システム。
  8. 前記治具は、シリコン基板のベースの上に複数の前記センサが搭載される、
    請求項6又は7に記載の測定システム。
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