DE102006033083B4

DE102006033083B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen

Info

Publication number: DE102006033083B4
Application number: DE200610033083
Authority: DE
Inventors: Jörg Faber; Dipl.-Phys. Reinhold Ekkehart; Uwe Kralapp
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2026-07-15
Also published as: DE102006033083A1

Abstract

Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) wobei – von zumindest einer Oberfläche eines zu reinigenden Substrats (1) mittels eines geeigneten Verfahrens auf der Substratoberfläche (2) vorhandene Ablagerungen abgetragen werden, – während oder im Anschluss an den Abtrag zumindest eines Teils der Ablagerungen die Messung zumindest eines der ellipsometrischen Parameter ψ, dem Maß der Änderung der Amplitudenverhältnisse, und &Dgr;, dem Maß für die Änderung der Phasendifferenz des reflektierten zum einfallenden Licht, mittels eines Ellipsometers (6, 5) (erste ellipsometrische Messung) erfolgt und – das Verfahren zum Abtrag der Ablagerungen solange fortgesetzt oder mit jeweils einer sich anschließenden, ersten ellipsometrischen Messung sooft wiederholt werden, bis der oder die ellipsometrischen Parameter einen vordefinierten Wert (Sollwert) erreicht oder unterschritten haben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen wobei von zumindest einer Oberfläche eines zu reinigenden Substrats mittels eines geeigneten Verfahrens auf der Oberfläche vorhandene Ablagerungen abgetragen werden. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist für die verschiedensten Anwendungen, insbesondere für die Beschichtung von Substraten erforderlich, Oberflächen mit hohem Reinigungszustand bereitzustellen. Die Reinigung kann dafür mit verschiedenen Verfahren, z. B. durch nasschemische Verfahren oder durch Plasmaverfahren unter Vakuum wie das Magnetronsputterätzen, und auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. in diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Prozessen. Ein wesentliches Problem stellt in jedem Fall die Charakterisierung des Reinigungszustandes dar, die erforderlich ist, um die Reinigungsintensität zu steuern.
Regelmäßig erfolgt die Beurteilung des Reinigungszustandes einer Oberfläche, indem der Reinigungsprozess unterbrochen wird, um an Einzelproben Untersuchungen durchzuführen. Infolge der Unterbrechung des Prozesses und insbesondere bei einer erforderlichen Öffnung der Anlage zur Probennahme beeinflusst die umgebende Atmosphäre den bis dahin erreichten Oberflächenzustand, so dass die Untersuchungsergebnisse nicht den tatsächlichen Oberflächenzustand darstellen. Um diese unbekannte Differenz auszugleichen, wird der Reinigungsprozess häufig über das erforderliche Maß hinaus fortgesetzt und so bei nicht-selektiven Verfahren, wie dem Magnetronsputterätzen mehr Material abgetragen als erforderlich. Dies führt in jedem Fall zu erhöhtem Energie- und Kostenaufwand und kann die zu reinigende Oberfläche und so deren nachfolgende Bearbeitungsverfahren unerwünscht beeinflussen.
Dieses Problem stellt sich speziell dann dar, wenn große oder Endlosmaterialien in In-line-Anlagen, in welchen das zu reinigende Material in einem ununterbrochenen Prozess den Reinigungsprozess und häufig unmittelbar anschließend zumindest einen nachfolgenden Bearbeitungsprozess durchläuft, bearbeitet werden. Hier erhöht jede nicht festgestellte Verunreinigung und jede Verzögerung in der Ermittlung des erforderlichen Reinigungsgrades des Substrats die Verlustrate. Aus diesem Grund ist es besonders für solche Anlagen erwünscht, eine in-situ Charakterisierung des Reinigungszustandes in Echtzeit zu ermöglichen.
In der Beschichtungstechnik ist es bekannt, Parameter einer herzustellenden Schicht mittels ellipsometrischer Messungen direkt oder indirekt zu ermitteln.
Die Ellipsometrie ist eine optische Untersuchungsmethode zur nicht-invasiven Ermittlung physikalischer Eigenschaften von Festkörpern. Neben den optischen und dielektrischen Konstanten der Probe sind mittels der Ellipsometrie auch deren Struktur, wie die Oberflächenrauhigkeit, die Dichte, die Mikrokristallinität oder die Zusammensetzung und insbesondere die Dicke von Dünnschichten zu bestimmen, wobei es auch von der Transparenz des Materials und davon abhängt, ob das Material als Volumen oder Schichtmaterial vorliegt.
Grundsätzlich wird in der Elipsometrie die Wechselwirkung zwischen einer Probe und auf die Probe einfallendem, monochromatischem, polarisiertem Licht ausgenutzt, indem der Polarisationszustand des von der Oberfläche der Probe reflektierten oder bei transparenten Schichten durch die Probe hindurchgehenden Lichts relativ zum Polarisationszustand des einfallenden Lichts ausgewertet wird.
Die Änderung des Reflexionszustandes ist durch das komplexe Amplitudenverhältnis ρ = R_p/R_s bestimmt, wobei R_p und R_s die komplexen Amplitudenreflexionskoeffizienten für die parallele Polarisation (p-Polarisation) und die senkrechte Polarisation (s-Polarisation) bezogen auf die Einfallsebene des einfallenden Lichts beschreiben. Das Amplitudenverhältnis ρ ist definiert als ρ = tanψexp(iΔ), wobei ψ und Δ die Parameter des reflektierten, elliptisch polarisierten Lichts sind. Der Parameter ψ beschreibt dabei das Maß der Änderung des Amplitudenverhältnisses und der Parameter Δ das Maß für die Änderung der Phasendifferenz. Aus den bekannten Lichtzuständen vor und nach der Probe lassen sich Rückschlüsse auf die Probe ziehen und die Parameter der Probe wie Schichtdicke, Brechungsindex und dielektrische Konstanten bestimmen.
Beispielsweise ist in der DE 103 12 593 A1 ein Verfahren beschrieben, in welchem die elektrische Leitfähigkeit eines abzuscheidenden Indium-Zinn-Oxid-Films mittels Bestimmung des dynamischen Verhaltens von ψ und Δ während eines Heizprozesses optimiert wird. Dies erfolgt auf der Grundlage der Feststellung, dass der spezifische elektrische Widerstand ein Minimum erreicht, wenn auch ψ minimal ist. Für diese Messungen der elliptischen Parameter in Echtzeit wird Licht mit einer definierten Wellenlänge bei einem Einfallswinkel eingesetzt. Auch aus der Halbleitertechnologie ist die Ellipsometrie zur Beurteilung von Schichten bekannt. So beschreibt die US 2004/0139985 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen an einem Wafer die Rate gemessen wird, mit welcher ein Layer auf dem Wafer teilweise oder vollständig entfernt wird. Dazu wird zeitabhängig die Dicke des Layers gemessen und aus diesem Zeitzusammenhang der Endpunkt der Beseitigung des Layers vorhergesagt. Die Dickenmessung erfolgt über die Kalibrierung der gemessenen optischen Parameter des Ellipsometers, da das Material und somit auch die optischen Kennwerte n und k der zu entfernenden Schicht bekannt sind.
Die Bestimmung der Schichtdicke hingegen erfolgt bei unbekanntem Brechungsindex n und/oder unbekanntem Extinktionskoeffizienten k aus der Messung der elliptischen Parameter in der oben beschriebenen Weise mit mehreren, unterschiedlichen Wellenlängen. Aus deren Lösungsschar wird die gesuchte Schichtdicke ermittelt. In der DE 43 43 490 A1 ist ein spektroskopisches Ellipsometer beschrieben, das es gestattet, mit der für in-situ-Messungen erforderlichen Geschwindigkeit eine beliebige Anzahl von Wellenlängen bei beliebiger Reihenfolge einzustellen und so eine Echtzeit-Messung der Schichtdicke zu ermöglichen. Sind hingegen n und k der abgeschiedenen Schicht bekannt, ist die Messung der elliptischen Parameter aus der Messung einer Wellenlänge möglich.
Mithilfe der Echtzeit-Messungen der Schichtdicke ist es auch möglich, Schichtwachstum und Schichtabtrag beispielsweise bei Ätzverfahren zu beobachten, indem die Schichtdicke überwacht wird. In der EP 0 631 304 B1 wird dafür die Schichtdicke an wenigen ausgewählten Stellen aller 0,5 Sekunden berechnet und die Ätzrate dann mathematisch für den gesamten Wafer modelliert. Dieses Verfahren erfordert jedoch stets eine Mindestschichtdicke an der Messstelle und versagt bei Inselbildung und insbesondere dann, wenn keine gleichmäßige Schicht abzutragen ist, wie das bei den eingangs beschriebenen Reinigungsprozessen der Fall sein kann. Darüber hinaus sind in diesem Fall das Material und somit auch dessen optische Kennwerte bekannt, was bei Verunreinigungen nicht der Fall ist. Zudem setzten sich die zu entfernenden Verunreinigungen oft auch aus unterschiedlichen Materialien zusammen.
Aufgabe der Erfindung ist es somit eine Vorrichtung und ein Verfahren zur in-situ Charakterisierung des Zustandes der Reinigung insbesondere bewegter Substrate von unbekannten Verunreinigungen in Echtzeit anzugeben, welches es gestattet, unmittelbar auf die Parameter des Prozesses zum Abtrag von Verunreinigungen Einfluss zu nehmen, insbesondere den Endpunkt der Reinigung in Echtzeit zu ermitteln.
Die Aufgabenstellung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die jeweils darauf bezogenen Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine zerstörungsfreie Kontrolle des Abtragungsprozesses in Echtzeit und somit dessen Stabilisierung mit geringster Verlustrate. Die Verringerung der Verlustrate beruht insbesondere auch auf der Tatsache, dass das ellipsometrische Messverfahren nicht-invasiv und wechselwirkungsarm ist. Darüber hinaus kann es in unmittelbarer, räumlicher Nähe zum Abtragungsprozess angewendet werden, da es für die meisten dieser Prozesse kompatibel ist, d. h. durch diese Prozesse nicht beeinflusst wird. So ist es auch in Vakuumkammern und in Plasmaräumen anwendbar, so dass das Messverfahren unter denselben Umgebungsbedingungen, insbesondere Druck und Temperatur erfolgen kann, wie das Verfahren zum Materialabtrag. Welche Umgebungsbedingungen vorliegen sollen, wird dabei durch den Abtragungsprozess bestimmt. Wenn entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens Materialabtrag und Ellipsometrie unter Vakuum erfolgen, beträgt der Druck beispielsweise bei Reinigung mittels Magnetronsputterätzen 5 × 10^–4 bis 1 × 10^–3 mbar oder bei Reinigung mittels Ionenstrahlätzen ungefähr 1 × 10^–4 mbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung des Reinigungszustandes beruht zum einen auf der Möglichkeit der Ermittlung der ellipsometrischen Parameter sowohl an beschichteten, d. h. kontaminierten und an unbeschichteten Substraten ohne Änderungen am Messverfahren vornehmen zu müssen. Es beruht zum anderen insbesondere auf der unmittelbaren, qualitativen Korrelation zwischen den in-situ ermittelten optischen Parametern ψ und Δ der ellipsometrischen Messungen und der Kontamination der Substratoberfläche. Messtechnische Untersuchungen haben ergeben, dass bereits geringfügige Oberflächenkontaminationen zu erheblichen Änderungen dieser ellipsometrischen Messgrößen führen und dass bereits ein geringfügiger Abtrag dieser Kontamination durch signifikante Änderungen beider Messgrößen unmittelbar auswertbar ist.
Der zu erzielende Oberflächenzustand kann so durch einen konkreten, experimentell zu ermittelnden Wert eines oder beider ellipsometrischer Parameter definiert werden. Diese Werte von ψ und Δ, welche die kontaminationsfreie, gereinigte Oberfläche charakterisieren, sind entweder unabhängig vom Reinigungsprozess durch eine Referenzmessung an einem kontaminationsfreien Referenzsubstrat oder nach einem solchen Reinigungsdurchlauf zu ermitteln, der mit Sicherheit ein mit der erforderlichen Güte gereinigten Substrat liefert. Sie sind während des Reinigungsprozesses reproduzierbar durch entsprechende Prozessführung des Materialabtrags einstellbar.
Aufgrund des unmittelbaren Zusammenhangs zwischen dem Oberflächenzustand und den ellipsometrischen Parametern des reflektierten, elliptisch polarisierten Lichts ist es möglich, durch eine fortlaufende Messung der Parameter, die kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann, und eine unmittelbare Korrektur bei festgestellten Abweichungen den gewünschten Oberflächenzustand zu gewährleisten. Dies ist insbesondere auch an bewegten Substraten möglich.
So ist es auch von Vorteil, wenn entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens zumindest eine zweite ellipsometrische Messung vor dem Abtrag von Ablagerungen durchgeführt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die nach dem Abtragungsprozess ermittelten ellipsometrischen Parameter ins Verhältnis zu setzen zu den zuvor gemessenen Werten, um zum einen die Größenordnungen von Abweichungen relativieren zu können und zum anderen auch auf Schwankungen in der Kontamination durch vorherige Anpassung des Abtragungsprozesses reagieren zu können.
Zu diesem Zweck umfasst die Reinigungsvorrichtung zur Reinigung bewegter Substrate zumindest ein weiteres Ellipsometer, das in Bewegungsrichtung des Substrats betrachtet vor der Einrichtung zum Materialabtrag angeordnet ist. Bei unbewegten Substraten kann diese ellipsometrische Messung an derselben ellipsometrischen Messstelle und durch dasselbe Ellipsometer erfolgen, wie die Messung während oder nach dem Materialabtrag, jedoch zeitlich vor dem Materialabtrag.
Um einen möglichst homogenen Reinigungszustand über das Substrat verteilt, speziell bei größeren Substraten zu erzielen, wird in verschiedenen Ausgestaltungen des Verfahrens die ellipsometrische Messung nicht auf eine Messstelle beschränkt. Eine fortlaufende Änderung des Ortes des Einfalls des Lichts des Ellipsometers auf der Substratoberfläche ergibt sich bereits zwangsläufig bei der Bewegung des Substrats relativ zum Ellipsometer. Zu diesem Zweck weist eine Ausgestaltung der Vorrichtung, welche der Durchführung des Verfahrens dient, eine Transportvorrichtung zum Transport des Substrats auf.
Aber auch eine Bewegung des Ellipsometers relativ zum Substrat und bei bewegten Substraten mit einer Bewegungsrichtung, die von der des Substrates abweicht, ist aufgrund des geringen aparativen Aufwandes des Ellipsometers möglich. Auf diese Weise kann auch der Reinigungszustand quer zur Bewegungsrichtung des Substrats untersucht und gegebenenfalls beeinflusst werden. Selbst komplizierte Bewegungsabläufe durch entsprechende Relativbewegungen sind möglich, so dass gewissermaßen eine Rasterung der ellipsometrischen Messstellen erfolgt. Sofern diskontinuierliche ellipsometrische Messungen erfolgen, ist die Taktfolge der Messungen auf die Bewegungsabläufe abzustimmen.
Zur Bewegung des jeweiligen Ellipsometers ist eine Bewegungseinrichtung angeordnet, die es erlaubt, bei einem wählbaren Einfallswinkel des ausgesendeten Lichts über die Position des Ellipsometers relativ zum Substrat eine bestimmte ellipsometrische Messstelle auf dem Substrat auszuwählen. Bei der Anordnung von mehreren Ellipsometern hängt es von deren räumlicher Anordnung zueinander und von den zu realisierenden Bewegungsabläufen ab, ob die Bewegungseinrichtung mehrere Ellipsometer gemeinsam oder nur eines bewegt. Es versteht sich, dass bei der Anordnung von mehreren Ellipsometern gegenüber mehreren Substratoberflächen zumindest über jeder Substratoberfläche eine separate Bewegungseinrichtung angeordnet sein sollte. Bei der Anordnung von mehreren Bewegungseinrichtungen erweist es sich meist als günstig, wenn deren Bewegungsabläufe untereinander und in Bezug auf eine Bewegung des Substrats koordiniert werden.
Der Effekt der rasterartigen auf der Substratoberfläche verteilten ellipsometrischen Messung kann bei einfacheren Bewegungsabläufen auch durch eine Anordnung von mehreren Ellipsometern gegenüber der zu reinigenden Oberfläche erzielt werden. Beispielsweise können bei bewegten Substraten eine Reihe von Ellipsometern quer zur Bewegungsrichtung des Substrats angeordnet und eine Schar von ellipsometrischen Parametern durch die gleichzeitige Messung mit allen Ellipsometern ermittelt werden. Zur Anwendung käme diese Anordnung bei denkbarem inhomogenem Abtrag beispielsweise beim Magnetronsputterätzen oder mit ausgedehnten Ionenquellen, so dass über die Fläche verteilte Inhomogenitäten festgestellt und beeinflusst werden können. Entsprechend der räumlichen Anordnung der einzelnen Ellipsometer ist es sowohl möglich, eine gemeinsame oder auch mehrere Lichtquellen zu verwenden.
Auch ein gleichzeitiges mehrseitiges Reinigungsverfahren, bei flachen Substraten wäre das die gleichzeitige beidseitige Reinigung, ist mit einer Ausgestaltung des Verfahrens möglich, wenn gegenüber jeder zu behandelnden Oberfläche die Einrichtung zum Materialabtrag installiert und mit zumindest einem eigenen, weiteren Ellipsometer kombiniert wird. In diesem Fall wäre eine Abstimmung von Bewegungsabläufen der Ellipsometer vorteilhaft und bei beidseitiger Reinigung flacher Substrate eine spiegelbildliche Anordnung der verschiedenen Elemente und ein spiegelbildlicher Betrieb der Anlage günstig, wobei das Substrat die Spiegelebene darstellt. Selbstverständlich können aufgrund der wechselwirkungsarmen Messmethode auch voneinander abweichende Anordnungen und unterschiedlicher Betrieb möglich sein.
Gemäß Anspruch 1 kann neben der kontinuierlichen Messung der ellipsometrischen Parameter kann auch die Durchführung von Einzelmessungen vorteilhaft sein, wobei dennoch keine Unterbrechung des Materialabtrags für die Einzelmessung erforderlich ist. Dies käme beispielsweise bei gut beherrschbaren Verfahren zum Materialabtrag, bei an sich diskontinuierlich zu betreibenden Reinigungsverfahren oder bei solchen Verfahren zum Einsatz, bei denen ein Verlängerung des Abtrags über das unbedingt notwendige Maß hinaus energetisch und für das Substrat unkritisch ist. Vergleichbar zur oben beschriebenen Relativbewegung von Substrat und Ellipsometer zur Gewährleistung einer homogenen Reinigung wird in einer Ausgestaltung des Verfahrens die ellipsometrische Messstelle nach einer definierten Anzahl von Einzelmessungen geändert.
Da die ellipsometrische Messung vordringlich der Ermittlung der ellipsometrischen Parameter ψ und Δ dient und es nicht erforderlich ist, eine Schichtdicke oder Materialkennwerte zu ermitteln, wird die Einzelmessung der Parameter mit Licht einer Wellenlänge bei einem vordefinierten Einfallswinkel durchgeführt. Welche Wellenlänge und welcher Einfallswinkel gewählt werden, hängt im Wesentlichen von dem Substratmaterial ab. Da zur Charakterisierung der Oberflächenqualität keine bestimmte Eindringtiefe des Lichtstrahls in das Substrat erforderlich ist, wird in den meisten Fällen Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich zur Anwendung kommen. Aufgrund bestimmter Umgebungsbedingungen können sich jedoch auch andere Wellenlängen als günstig erweisen. Der Einfallswinkel hängt wiederum vom Reflexionsvermögen des Substrats ab. Bei reflektierenden Materialien, insbesondere bei Metallen kann er deutlich geringer sein, als beispielsweise bei teilweise oder vollständig transparenten Materialien.
Die Verwendung einer vordefinierten Wellenlänge für die Einzelmessung schließt jedoch nicht aus, dass zur Einstellung der Prozessparameter des Materialabtrags spektral-ellipsometrische Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen durchgeführt werden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens beruht auf der Tatsache, dass die Wellenlänge, bei welcher der Unterschied der ellipsometrischen Parameter zwischen ungereinigten und gereinigten Substratoberfläche charakteristisch ist, vom kontaminierenden Material abhängig ist. Da dieses häufig nicht bekannt ist, wird das Verfahren mit spektral-ellipsometrischen Messungen diesem Sachverhalt angepasst.
Sofern räumlich oder zeitlich getrennte erste und zweite Messungen der ellipsometrischen Parameter in dem oben beschriebenen Sinn erfolgen, ist es von Vorteil, die erste und die zweite ellipsometrische Messung mit derselben Wellenlänge auszuführen, da so der Abtrag des charakteristischen Materials beurteilt werden kann. Werden zu diesem Zweck mehrere Ellipsometer räumlich oder zeitlich vor dem Materialabtrag eingesetzt, ist es auch möglich, hinsichtlich der Substratoberfläche korrespondierende erste und zweite Ellipsometer mit einer und ein weiteres Ellipsometerpaar mit einer anderen Wellenlänge zu betreiben. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn mehrere Ellipsometer nebeneinander und quer zur Bewegungsrichtung des Substrats angeordnet sind und eine über die Substratoberfläche homogene Verteilung der Kontaminationen verschiedener Materialien zu erwarten ist. In diesem Fall erfolgt auf verschiedenen Substratstreifen die Messung mit verschiedenen Wellenlängen.
Neben dieser parallelen Messung mit verschiedenen Wellenlängen ist auch eine zeitliche Aufeinanderfolge von Messungen mit verschiedenen Wellenlängen möglich. Dabei wird mit einer anfänglichen Messung oder Messreihe die für das abzutragende Material charakteristische Wellenlänge bestimmt, um anschließend den eigentlichen Reinigungsprozess mit Messungen bei dieser Wellenlänge zu charakterisieren.
Zur Erzeugung des Lichts verschiedener Wellenlängen sind verschiedene Vorrichtungen möglich, die von den räumlichen und zeitlichen Messbedingungen abhängen. Zum einen kann das oder können die Ellipsometer eine polychromatische Lichtquelle mit einem zugehörigen Filtersystem zur Selektion der vordefinierten Wellenlänge umfassen. Zum anderen können mehrere monochromatische Lichtquellen, insbesondere Laser, als Lichtquelle des oder der Ellipsometer angeordnet sein. Erstere Variante kommt beispielsweise dann zur Anwendung, wenn der zeitliche Ablauf des Reinigungsprozesses eine Aufeinanderfolge mehrerer Messungen mit unterschiedlicher Wellenlänge gestattet. Die zweite Variante erfordert einen höheren apparativen Aufwand, gestattet aber die Messung bei mehreren charakteristischen Wellenlängen oder die Bestimmung einer charakteristischen Wellenlänge in kürzerer Zeit.
Selbstverständlich kann das Ellipsometer neben der Messung der ellipsometrischen Parameter mit einer Wellenlänge auch für weitere Messungen zur Ermittlung von Materialkonstanten eingerichtet sein.
Die qualitative Korrelation zwischen den gemessenen ellipsometrischen Parametern und der Kontamination der Substratoberfläche gestattet es, die Messergebnisse zur Berechnung der Stellgrößen eines Regelkreises zu nutzen, welcher den Materialabtrag so steuert, dass der gewünschte, durch die Sollwerte der ellipsometrischen Parameter definierte Reinigungszustand erreicht wird. Zu diesem Zweck werden entsprechend einer Ausgestaltung des Verfahrens Abweichungen der Messwerte zumindest eines ellipsometrischen Parameters vom jeweiligen Sollwert zur Veränderung einer Stellgröße eines Regelkreises, welcher der Steuerung der Einrichtung zum Abtrag der Ablagerungen dient, verwendet. Bei mehrseitiger Reinigung eines Substrats können auch mittels getrennter Regelkreise jede zu reinigende Seite getrennt geregelt werden.
Eine Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen nach dem oben beschriebenen Verfahren umfasst eine Einrichtung zum Abtrag von Ablagerungen von der Substratoberfläche sowie zumindest ein Ellipsometer. Das Ellipsometer enthält eine Lichtquelle zur Aussendung des monochromatischen Lichts, einen Polarisator zur linearen oder zirkularen Polarisation des ausgesendeten Lichts, einen Analysator, der stets in dem von der Substratoberfläche reflektierten Strahlengang angeordnet wird, und einen Detektor zur Aufnahme des von der Substratoberfläche reflektierten Lichts.
Zur Regelung des Reinigungsverfahrens auf der Grundlage der Messergebnisse der ellipsometrischen Messung umfasst die Reinigungsvorrichtung einen Regelkreis mit der Einrichtung zum Abtrag der Ablagerungen als Regelstrecke, mit der Intensität und/oder Dauer des Abtragungsprozesses als Stellgröße, mit zumindest einem Ellipsometer als Messeinrichtung und zumindest einem ellipsometrischen Parameter als Messgröße, einer Vergleichseinrichtung zum Vergleich der ermittelten ellipsometrischen Parameter mit deren vordefinierten Werten und mit einem Regelglied zur Bildung einer solchen Reglerausgangsgröße, welche die Beeinflussung der Stellgröße ermöglicht.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt in
1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine ellipsometrische Messung an einer Substratoberfläche.
Das Blockdiagramm in 1 zeigt ein Verfahren zur Reinigung einer Oberfläche eines bandförmigen, metallischen Substrats 1, welches gleichförmig in der dargestellten Bewegungsrichtung durch die Einrichtung zum Abtrag der Ablagerungen (im Folgenden als Reinigungsstrecke 4 bezeichnet) bewegt wird.
In der Reinigungsstrecke 4 erfolgt die Entfernung von Verunreinigungen und von parasitären Schichten von der Substratoberfläche 2 mittels Magnetronsputterätzen, wobei im Plasmazustand vorliegende Edelgasionen durch ein elektrisches und magnetisches Feld in Richtung Substratoberfläche 2 beschleunigt werden und der Ätzangriff durch die Edelgasionen aufgrund ihrer kinetischen Energie erfolgt.
Das dargestellte Verfahren sieht zwei ellipsometrische Messungen mit zwei Ellipsometern 6, 5 vor, von denen eines – in Bewegungsrichtung des Substrats 1 betrachtet – vor der Reinigungsstrecke (erstes Ellipsometer 5) und eines dahinter (zweites Ellipsometer 6) angeordnet ist. Gemäß 2 umfasst jedes der beiden Ellipsometer 6, 5 eine Lichtquelle 7, dessen Strahl mittels einer nicht näher dargestellten Bewegungseinrichtung auf einen vordefinierten Punkt auf der Substratoberfläche 2, die ellipsometrische Messstelle 9, gerichtet ist.
Des Weiteren umfassen die Ellipsometer 6, 5 jeweils einen Polarisator 8, einen Analysator 10 und einen Detektor 11. Dieser Aufbau der Ellipsometer ist der übliche Aufbau für die Einwellenlängen-Ellipsometrie, wobei die Lichtquellen 7 entweder selbst nur Licht einer Wellenlänge, wie es z. B. bei einem Laser oder einer Bogenlampe der Fall ist, oder polychromatisches Licht aussenden und ein Filtersystem zur Selektion einer Wellenlänge umfasst. Im Ausführungsbeispiel sind die Lichtquellen 7 jeweils ein Laser und beide Laser 7 senden Licht der gleichen Wellenlänge aus.
Mittels des Polarisators 8 wird entweder das ausgesendete Licht polarisiert oder, sofern es bereits polarisiert ist, dessen Polarisationszustand ermittelt. Im Ausführungsbeispiel wird das ausgesendete Licht zirkular polarisiert und trifft auf die Substratoberfläche 2, wo es reflektiert wird. Der reflektierte Strahl trifft auf den Analysator 10, der korrespondierend zum Polarisator 8 mittels einer weiteren Bewegungseinrichtung im Strahlengang des reflektierten Lichts positioniert und ausgerichtet ist. Der Analysator 10 dient der Ermittlung des Polarisationszustandes des von der Substratoberfläche 2 reflektierten Lichts. Er ist um die Richtung des reflektierten Strahles rotierbar angeordnet. Das aus dem Analysator 10 austretende Licht trifft auf den Detektor 11, welcher der Messung der Intensität des reflektierten Lichts in Abhängigkeit von der Winkeleinstellung des Analysators 10 dient.
Beide Ellipsometer 6, 5 messen kontinuierlich und sind dafür auf je eine ellipsometrische Messstelle 9 ausgerichtet, deren Abstand von einem seitlichen Rand des Substrats 1 übereinstimmt. Dadurch werden die ellipsometrischen Parameter auf einem Streifen des bandförmigen Substrats 1 vor dem Ätzprozess und danach gemessen werden.
Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Regler 12, in welchem die experimentell ermittelten, das gereinigte Substrat 1 definierende Sollwerte der ellipsometrischen Parameter hinterlegt werden. Mittels des Reglers 12 werden diese mit den Messwerten des zweiten, nach der Reinigungsstrecke angeordneten Ellipsometers 6 verglichen und in Abhängigkeit von der Abweichung ein Signal generiert, welches den Ätzprozess so regelt, dass der gewünschte Reinigungsgrad erreicht wird. Im Ausführungsbeispiel kann das beispielsweise über die Regelung der Transportgeschwindigkeit des Substrats 1 oder der Leistungseinspeisung des Sputterprozesses erfolgen.
Die ellipsometrischen Messwerte des ersten, vor der Reinigungsstrecke angeordneten Ellipsometers 5 werden ebenfalls im Regler 12 erfasst und ausgewertet, um den Kontaminationszustand des zu reinigenden Substrats 1 zu bestimmen und die anfänglichen Prozessparameter des Ätzprozesses festzulegen sowie auf Schwankungen des Kontaminationszustandes durch Änderung der Prozessparameter zu reagieren.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Substratoberfläche
3: Bewegungsrichtung des Substrats
4: Einrichtung zum Abtrag der Ablagerungen, Reinigungsstrecke
5: erstes Ellipsometer
6: (zweites) Ellipsometer
7: Lichtquelle, Laser
8: Polarisator
9: ellipsometrische Messstelle
10: Analysator
11: Detektor
12: Regler

Claims

Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) wobei – von zumindest einer Oberfläche eines zu reinigenden Substrats (1) mittels eines geeigneten Verfahrens auf der Substratoberfläche (2) vorhandene Ablagerungen abgetragen werden, – während oder im Anschluss an den Abtrag zumindest eines Teils der Ablagerungen die Messung zumindest eines der ellipsometrischen Parameter ψ, dem Maß der Änderung der Amplitudenverhältnisse, und Δ, dem Maß für die Änderung der Phasendifferenz des reflektierten zum einfallenden Licht, mittels eines Ellipsometers (6, 5) (erste ellipsometrische Messung) erfolgt und – das Verfahren zum Abtrag der Ablagerungen solange fortgesetzt oder mit jeweils einer sich anschließenden, ersten ellipsometrischen Messung sooft wiederholt werden, bis der oder die ellipsometrischen Parameter einen vordefinierten Wert (Sollwert) erreicht oder unterschritten haben.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite ellipsometrische Messung vor dem Abtrag von Ablagerungen durchgeführt wird.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ort des Einfalls des Lichts des Ellipsometers (6, 5) auf der Substratoberfläche (ellipsometrische Messstelle (9)) fortlaufend geändert wird.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) bei fortlaufender ellipsometrischer Messung relativ zum Ellipsometer (6, 5) bewegt wird.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsometrische Messstelle (9) der ersten und/oder zweiten ellipsometrischen Messung nach einer definierten Anzahl von Einzelmessungen geändert wird.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste und oder zweite ellipsometrische Messungen gleichzeitig mit voneinander abweichender ellipsometrischer Messstelle (9) durchgeführt werden.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsverfahren an mehreren Oberflächen des Substrats (1) gleichzeitig erfolgt.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsometrische Messung oder die ellipsometrischen Messungen mit einer vordefinierten Wellenlänge bei einem vordefinierten Einfallswinkel des Lichts erfolgen.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsometrische Messung oder die ellipsometrischen Messungen mit mehreren, vordefinierten Wellenlängen (spektral-ellipsometrische Messung) erfolgen.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite ellipsometrische Messung mit denselben, vordefinierten Wellenlängen erfolgen.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mittels zumindest einer spektral-ellipsometrischen Messung eine Wellenlänge ermittelt wird, mit welcher die nachfolgenden, ellipsometrischen Messungen durchgeführt werden.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abweichungen der Messwerte zumindest eines ellipsometrischen Parameters vom jeweiligen Sollwert zur Veränderung einer Stellgröße eines Regelkreises, welcher der Steuerung der Einrichtung zum Abtrag der Ablagerungen (4) dient, verwendet werden.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsometrischen Messungen unter denselben Umgebungsbedingungen erfolgt wie der Abtrag der Ablagerungen.
Verfahren zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ellipsometrischen Messungen und der Abtrag der Ablagerungen (4) unter Vakuum erfolgen.
Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen (2), einen Regelkreis umfassend, – mit einer Einrichtung zum Abtrag der Ablagerungen (4) von der Substratoberfläche (2) als Regelstrecke und der Intensität und/oder Dauer des Abtragungsprozesses als Stellgröße, – mit zumindest einem Ellipsometer (6, 5) als Messeinrichtung, eine Lichtquelle (7), einen Polarisator (8), einen Analysator (10) und einen Detektor (11) enthaltend, zur Messung zumindest eines der ellipsometrischen Parameter ψ und Δ als Messgröße, – mit einer Vergleichseinrichtung als Regler (12) zum Vergleich der ermittelten ellipsometrischen Parameter mit deren vordefinierten Sollwerten und – mit einem Regelglied zur Bildung einer solchen Reglerausgangsgröße, welche die Beeinflussung der Stellgröße ermöglicht.
Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (7) polychromatisches Licht aussendet und ein Filtersystem zur Selektion vordefinierter Wellenlängen umfasst.
Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (7) aus mehreren, monochromatischen Einzelquellen voneinander abweichender Wellenlängen besteht.
Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest ein weiteres Ellipsometer (6, 5) umfasst.
Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Ellipsometer (6, 5) auf eine weitere Oberfläche des Substrats (1) ausgerichtet ist.
Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Transporteinrichtung zum Transport des Substrats (1) umfasst.
Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Ellipsometers (6, 5) relativ zum Substrat (1) umfasst.
Vorrichtung zur Reinigung von Substratoberflächen (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vakuumkammer umfasst, in welcher das oder die Ellipsometer (6, 5) und die Einrichtung zum Abtrag (4) der Ablagerungen angeordnet sind.