Bei Bearbeitungsvorgängen, die in Prozeßkammern durchgeführt werden und bei denen Material abgetragen wird, dazu gehören beispielsweise die Verfahren reaktives Ionenätzen (reactive ion etching RIE) und chemisch unterstütztes reaktives Ionen- strahlätzen (chemical assisted ion beam etching CAIBE), kann aufgrund der verwendeten Ausgangschemikalien und der entste- henden Reaktionsprodukte auf der Innenwand des Reaktors, in dem der Bearbeitungsvorgang durchgeführt wird, unabsichtlich ein Niederschlag abgeschieden werden. Da mit zunehmender Pro- zeßdauer die Dicke dieses Niederschlages stetig zunimmt und ab einer bestimmten erreichten Schichtdicke eine so starke Wechselwirkung des in der Kammer durchgeführten Prozesses mit diesem Niederschlag auftritt, daß der Prozeß destabilisiert werden kann, wird deshalb in periodischen Abständen, unter Durchführung eines speziellen Reinigungsprozesses dieser un- vermeidbare Niederschlag entfernt.

Während der Durchführung von Plasmaätzprozessen oder CVD (Chemical Vaper Deposition)-Abscheideprozessen werden Poly- merschichten an der Innenseite der Prozeßkammer abgeschieden.

Die Schichten wachsen mit zunehmender Betriebsdauer an, so daß nach dem Überschreiten einer gewissen Schichtdicke die aufgewachsene Schicht aufbricht und gegebenenfalls sogar wäh- rend des Betriebs Bruchstücke abfallen können. Dadurch ent- stehen Verunreinigungen in der Kammer oder es werden, wenn ein Bruchstück auf die Waferoberfläche fällt, Schaltungen auf dem prozessierten Wafer unbrauchbar gemacht. Um diese uner-

wünschten Abscheidungen an der Innenseite der Kammer zu ent- fernen, ist die Prozeßkammer gelegentlich einer naßchemischen Reinigung zu unterziehen. Während der Reinigung fällt die Kammer für die weitere Produktion aus.

Die Festlegung des Zeitpunktes zur Einleitung des Reinigungs- prozesses geschieht gemäß dem Stand der Technik anhand von Erfahrungswerten, die aus der Bestimmung der Qualität der prozessierten Materialien gewonnen werden. Eine aktive Über- wachung des Zustandes der Kammerwand findet nur in Ausnahme- fällen statt, zum Beispiel wird bei einem Sensor beziehungs- weise Meßsystem zur Messung der Dicke des Niederschlages ein Meßprinzip auf der Basis der Messung von Wärmekapazität ver- wendet oder wird die Schichtdicke mittels Ultraschallwellen- laufzeiten bestimmt. Nachteile dieser Meßprinzipien sind zum Beispiel die Notwendigkeit zusätzlicher elektrischer Durch- führungen in die Prozeßkammer zur Anbindung der Meßapparatu- ren an Auswertungseinheiten. Das Ultraschallwellenlaufzeit- verfahren ist zudem temperaturempfindlich und wird in seiner Durchführung durch störende Reflexionen an den Aufbauten in- nerhalb der Prozeßkammer erschwert.

Aus den Druckschriften JP 63-153269 A, JP 01-132767 A, JP 04- 176866 A, JP 05-255850 A und JP 06-49641 ist bekannt, ein Sensorelement in Form eines Monitorsubstrats im Bereich der Schichtabscheidung anzuordnen und den von einer Lichtquelle ausgehenden Transmissions-und/oder Reflexionsstrahl, das heißt die Intensitätsänderung, mittels Detektor zu erfassen und zur Einstellung von Verfahrensparametern zu nutzen. Fer- ner ist aus den Druckschriften JP 11-140655 A und JP 11- 131211 A bekannt, mittels Photosensoren die Kammerreinigung einer Prozeßkammer zu überwachen, wobei die Intensitätsschwä- chung eines Lichtstrahls durch die einem Fenster in der Kam- merwand aufwachsende Schicht gemessen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung von Schichtabscheidungen in der Prozeßkammer

sowie ein entsprechendes Verfahren zur Durchführung von Mes- sungen mit der Vorrichtung anzugeben, mit denen die für die technologische und ökonomische Prozeßführung günstigsten Rei- nigungs-Zyklenzeiten mit möglichst geringem Aufwand ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Überwachung von Schichtabscheidungen in einer Prozeßkammer gelöst, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Sensorelement, mindestens einem Lichtdetektor, wobei das Sensorelement geeignet beschaffen ist, um die Intensität des vom Detektor gemessenen Licht- strahls durch die Dicke der auf dem Sensorelement aufwachsen- den Schicht zu beeinflussen, und wobei das Sensorelement min- destens eine durchgehende Öffnung und/oder mindestens einen den Lichtstrahl wesentlich geringer absorbierenden Bereich als der restliche Teil des Sensorelements aufweist, durch die/den hindurch die Intensität des Lichts, in Abhängigkeit der durch die Dicke der aufwachsenden Schicht zuwachsenden Öffnung, gemessen wird.

Bei einem Verfahren zum Durchführen von Messungen mit der solchen Vorrichtung wird durch Vergleich der gemessenen Lichtintensität mit einer vorbestimmten Mindestintensität oder einer vorbestimmten Maximalintensität aus der Intensi- tätsmessung des Lichtes eine Reinigungszyklenzeit der Prozeß- kammer ermittelt.

Eine Verwendung der Vorrichtung ist in Anspruch 11 angegeben.

Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der abhän- gigen Ansprüche.

Bei der Vorrichtung bzw. dem Verfahren wird zur Bestimmung der Dicke des Niederschlags die Absorption und/oder Brechung von Licht an einer mitbeschichteten Öffnung ermittelt bezie- hungsweise ausgewertet wird. Die Lichtquelle kann dabei prin- zipiell von beliebiger Beschaffenheit sein. Bevorzugt ist

entweder eine externe Lichtquelle oder die Verwendung von Plasmaleuchterscheinungen als Lichtquelle. Externe Lichtquel- le bedeutet dabei nicht zwingend, daß diese außerhalb der Prozeßkammer positioniert ist, vielmehr kann sich diese auch innerhalb der Prozeßkammer befinden. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, einen Gegenstand als Sensorelement in die Prozeßkammer einzubringen, an dem sich weitgehend derselbe Niederschlag wie an der Prozeßkammer nie- derschlägt. Die Dicke des Niederschlages, die den Zustand der Prozeßkammer und damit die für die technologische (und ökono- mische) Prozeßführung günstigste Reinigungszyklenzeit fest- legt, kann mit optischen Mitteln, wie zum Beispiel mittels Lichtabsorption und/oder Brechung bestimmt werden.

Das Verfahren beruht auf der Messung der Beeinflussung von Licht, zum Beispiel durch Absorption an dem Sensorelement.

Das als Sensorelement bezeichnete Bauteil wird einer Stelle in die Prozeßkammer gebracht, an der mit einer in der Quali- tät und der Form ähnlichen Ausbildung eines Niederschlags zu rechnen ist, wie auf dem zu bearbeitenden-/zu behandelnden Gegenstand, um vorzugsweise absichtlich erzeugte Niederschlä- ge zu überwachen. Im Speziellen, um vorzugsweise unvermeidba- re Abscheidungen zu messen, wird es dort angebracht, wo mit einem in Qualität und Form ähnlichen Niederschlag zu rechnen ist wie an der Kammerwand. Das Sensorelement besteht dabei bevorzugt aus einem Material, das das zur Messung verwendete Licht vollständig absorbiert. Vorzugsweise besteht das Senso- relement aus Silizium. Am Sensorelement wird mindestens eine durchgehende Öffnung, die prinzipiell von beliebiger Form sein kann, angebracht und das zu Messung verwendete Licht wird durch diese Öffnung beobachtet und mit einem Detektor detektiert. Das Sensorelement wird also wie eine Blende ver- wendet. Die Öffnung, beziehungsweise die Öffnungen können auch räumlich nicht vollständig durchgehend sein. Wesentlich ist jedoch, daß diese für den Lichtstrahl nahezu vollständig durchlässig sind. Eine spezielle Ausführungsform des Senso- relements ist zum Beispiel ein geschichteter Aufbau des Sen-

sorelements, wobei eine Schicht aus einem das verwendete Licht absorbierenden Material besteht und mindestens eine räumlich durchgehende Öffnung aufweist. Diese Schicht ist auf eine zweite Schicht, welche aus einem das verwendete Licht nicht absorbierenden Material besteht, aufgebracht. Die Grö- ßenordnung der räumlichen Dimension der Öffnung/en wird im gleichen Bereich wie die für den Kammerreinigungszeitpunkt festgelegte Schichtdicke gewählt. Das Meßprinzip beruht auf der Beobachtung des an der Öffnung absorbierten Lichtes. Die Absorption nimmt mit steigendem Zuwachsen der Öffnung zu.

Ist der Niederschlag für das verwendete Licht nur schwach ab- sorbierend und findet das Zuwachsen der Öffnung in der Aus- bildung einer linsenförmigen Struktur statt, so kann auch die zunehmende Streuung des Lichts an gekrümmten Oberflächen auf- grund von Brechung an den Grenzflächen zwischen Niederschlag und Umgebung, und aufgrund der auftretenden Lichtstreuung und Totalreflexion im Niederschlag ausgenutzt werden. Je größer die Dicke des Niederschlags ist, desto weniger Lichtintensi- tät wird am Detektor gemessen werden können. Die Reinigungs- zyklenzeit oder allgemein die Beschichtungsdicke kann durch den Vergleich der gemessenen Lichtintensität mit einer vorbe- stimmten Mindestintensität bestimmt werden. Die Erfindung er- möglicht dadurch die aktive Überwachung des Zustandes der Kammerwand während der Beschichtung, ohne die Beschichtungs- prozesse zu unterbrechen (in-situ). In analoger Vorgehenswei- se kann auch der mit dem Reinigungsvorgang verbundene Abtrag der Schichtdicke beobachtet werden und die zur Reinigung der Prozeßkammer nötige Zeit (Reinigungszeit) durch den Vergleich der gemessenen Lichtintensität mit einer vorbestimmten Maxi- malintensität bestimmt werden. Die Reinigungszyklenzeit, be- ziehungsweise Reinigungszeit oder allgemein die Beschich- tungsdicke kann durch den Vergleich der gemessenen Lichtin- tensität mit einer vorbestimmten Intensität in optimaler Wei- se, ohne die Beschichtungsprozesse zu unterbrechen, bestimmt werden. Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist neben dem geringen apparativen Aufwand auch, daß keine zu-

sätzlichen elektrischen Durchführung in die Prozeßkammer nö- tig sind. Die Erfindung kann zur Überwachung sämtlicher Bear- beitungs-/Behandlungsvorgänge, bei denen eine beabsichtigte oder unbeabsichtigte Schichtabscheidung auftritt, verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung wird ohne Beschränkung des allge- meinen Erfindungsgedankens im folgenden anhand von Ausfüh- rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detail- liert beschrieben.

Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung einer separaten Lichtquelle 1, welche bevorzugt vor einem zweiten Fenster 6, in einer Linie mit dem Sensorelement und dem Detektor positioniert ist.

Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau unter Ausnutzung der Plasmaleuchterscheinung 8 als Lichtquelle mit Ver- wendung eines zweiten Detektors 7 zur Referenzmes- sung.

Figur 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau unter Ausnutzung der Plasmaleuchterscheinung 8 als Lichtquelle mit nur einem Detektor 5 und einem Kipp-/Drehmechanismus 9 zum Herausdrehen des Sensorelements 4 aus dem Strahlengang des Lichtes zwischen der Plasma- leuchterscheinung 8 und dem Detektor 5.

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt des prinzipiellen Aufbaus des Sensorelementes mit einer durchgehenden Öffnung.

Figur 5 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt des prinzipiellen Aufbaus des geschichteten Sensorele- mentes mit einer durchgehenden Öffnung in einer er-

sten absorbierenden Schicht und einer zweiten nich- tabsorbierenden Schicht.

Figur 6 zeigt eine Ausführung einer Öffnung.

Figur 7 zeigt eine Anordnung einer Meßeinrichtung an einer Wand einer Prozeßkammer.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Lichtquel- le 1 auf, die einen Lichtstrahl 10 (dargestellt als Pfeil), erzeugt, der durch ein Fenster 6 in der Prozeßkammer 3 auf ein Sensorelement 4 fällt. Die Intensität des Lichts, das das Sensorelement durchdringen kann und über ein weiteres Fenster 2 die Prozeßkammer wieder verläßt, wird mit einem Detektor 5 gemessen. Die separate Lichtquelle kann sich auch innerhalb der Prozeßkammer befinden. Zum Ausgleich einer eventuellen Beschichtung der Beobachtungsfenster und/oder der separaten Lichtquelle und der damit verbundenen Abnahme der Lichtinten- sität oder einer Intensitätsschwankung der Lichtquelle kann ein Referenzdetektor 7 verwendet werden. Andernfalls sind die Fenster durch das Ergreifen geeigneter Maßnahmen vor einer Beschichtung im Bereich des Lichtstrahls zu schützen. Dies kann zum Beispiel durch das Zurückversetzen des Fensters in eine zylinderförmige Öffnung geschehen.

Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung verwendet keine sepa- rate Lichtquelle, sondern nutzt als Lichtquelle Leuchter- scheinungen im Plasma selbst aus. Hier ist ein zweiter Detek- tor 7 nötig oder, wie in Figur 3 dargestellt, ein Kipp- /Drehmechanismus 9 zum herausdrehen des Sensorelements aus dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Detektor 5, damit die Intensität des Lichts, das ungehindert von der Quelle durch das Fenster 2 in den Detektor 5 gelangt, zur Re- ferenz gemessen werden kann. Dieser Kipp-/Drehmechanismus kann auch in Verbindung mit einer separaten Lichtquelle ein- gesetzt werden. Prinzipiell ist jede Ausbildung der Licht-

quelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mög- lich.

In Figur 4 wird ein Ausschnitt aus dem Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Sensorelements 4, welches im Strahlengang des zur Messung verwendeten Lichts positioniert wird, dargestellt. Es weist eine durchgehende Öffnung mit dem Durchmesser d in der Größenordnung der zu detektierenden ma- ximalen Schichtdicke d'maX auf. Die dreidimensionale geometri- sche Form der Öffnung kann, zum Beispiel rund, rechteckig, schlitzförmig, konisch und so weiter ausgebildet sein. Das Sensorelement kann eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, die unterschiedlich angeordnet sein können.

Das Verfahren basiert auf der Vorstellung, daß mit zunehmen- der Schichtdicke d'einer Abscheidung auch die effektive Öff- nungsfläche des Sensorelements durch Zuwachsen der Öffnung verringert wird und deshalb mehr Licht absorbiert und/oder zum Beispiel durch Lichtreflexion, Lichtbrechung, Totalrefle- xion an gekrümmten Ober-/Grenzflächen (abgeschiedene Schicht/Kammerfüllung) gestreut wird. Als Detektor kann ein einfaches Bauelement, das auf die Intensität des einfallenden Lichts reagiert, zum Beispiel eine Photodiode, verwendet wer- den. Es kann aber auch eine komplizierte Vergrößerungsoptik mit nachgeschaltetem CCD-Detektor zur direkten optischen Ab- bildung und zum Beispiel computergestützten Auswertung der effektiven Fläche verwendet werden. Die Ausbildung des Detek- torsystems ist prinzipiell beliebig, sie muß lediglich die Messung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung er- möglichen. Auch kann das Detektorsystem außerhalb sowie in- nerhalb der Prozeßkammer, da dadurch die Verunreinigung der Prozeßkammer minimiert wird und eine Mitbeschichtung des De- tektorsystems ausgeschlossen ist.

In Figur 5 wird ein Ausschnitt aus dem Querschnitt durch ein aus zwei Schichten aufgebautes Sensorelement 4, welches im Strahlengang des zur Messung verwendeten Lichts positioniert

wird, dargestellt. Es weist eine durchgehende Öffnung in ei- ner ersten absorbierenden Schicht 11 und eine zweite nicht absorbierende Schicht 12 ohne Öffnung auf. Die erste Schicht ist auf eine zweite Schicht, welche aus einem das verwendete Licht nicht absorbierenden Material besteht, aufgebracht. Die Größenordnung der räumlichen Dimension der Öffnung wird auch hier in der gleichen Größenordnung wie die für den Kammerrei- nigungszeitpunkt festgelegte Schichtdicke gewählt. Die Schichtabscheidung erfolgt bevorzugt auf der Seite des Senso- relements mit der Öffnung in der das verwendete Licht absor- bierenden ersten Schicht. Die Mitbeschichtung der zweiten nichtabsorbierenden Sensorelementschicht wird dadurch und durch die zurückversetzte Position der Oberfläche der nich- tabsorbierenden Schicht innerhalb der Öffnung weitestgehend vermieden.

Für die Ausbildung der Öffnung sind eine Vielzahl von Varian- ten möglich. Bei der in Figur 6 dargestellten Öffnung besteht der lichtundurchlässige Körper 40 aus Silizium. Die Scheibe 40 weist zwei gegenüberliegende Oberflächen auf, zwischen de- nen die Öffnung 41 verläuft. Die Öffnung 41 weist entlang der Öffnungstiefe veränderlichen Durchmesser auf. So ist der Öff- nungsdurchmesser, welcher zur Innenseite der Prozeßkammer hin gerichtet ist, kleiner als der Durchmesser, welcher vom Kam- merinneren abgewandt ist, also zum Äußeren der Kammer hin weist. Durch geeignete, gegebenenfalls experimentell für den jeweiligen zu überwachenden Trockenätz-oder Abscheidungspro- zeß zu ermittelnde Dimensionierung der Öffnung 41 und des lichtundurchlässigen Teils 40 des Sensors, kann eine Optimie- rung auf den jeweiligen zu überwachenden Prozeß erreicht wer- den. Insbesondere wird Form und Dicke der Abscheidung 42 im Bereich der Oberfläche der Öffnung 41 bestimmt durch die Dik- ke der Siliziumscheibe sowie durch das Verhältnis der Durch- messer am kammerinnenseitigen und kammeraußenseitigen Ende der Öffnung 41.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, mehrere Sensorelemente 4 bzw. 40 nebeneinander innerhalb der Kammer anzuordnen, wobei diese Sensorelemente Öffnungen ver- schiedener Größe aufweisen. Das Absorptionsverhalten der ver- schiedenen Öffnungen wird gleichzeitig oder nacheinander überwacht. Bei fortschreitendem Wachstum der abgeschiedenen Schicht, z. B. 42, wird die kleinste der Öffnungen zuerst un- durchlässig beschichtet werden, während die größeren der Öff- nungen noch geringe bis gar keine Absorptionserscheinungen aufweisen. Je nach Verhältnis der absorbierenden zu den noch nicht absorbierenden Öffnungen kann der Grad an Verunreini- gung innerhalb der Kammer ermittelt werden. Zweckmäßigerweise wird die durchgelassene Lichtintensität einer Öffnung mit ei- nem absoluten oder entsprechend der Ausführung nach Figur 2 relativen Schwellwert verglichen. Der Informationsbeitrag ei- ner Öffnung für die Messung ist dadurch digital. Insgesamt ergibt sich dann für eine Anordnung von mehreren Öffnungen verschiedenen Durchmessers eine relativ fein aufgelöste Aus- sage über den Verschmutzungsgrad im Inneren der Kammer.

Die Lichtsensoren, z. B. Sensor 5 in Figuren 1 bis 3, können Licht verschiedener vorbestimmter Wellenlängen oder aus ver- schiedenen vorbestimmten Bereichen von Wellenlängen unabhän- gig voneinander messen. Dadurch kann eine Optimierung der Messung im Hinblick auf das Absorptionsverhalten verschiede- ner Schichten getroffen werden.

In Figur 7 ist eine praktische Ausführung als Weiterbildung des Prinzips nach Figur 2 gezeigt. An der Wand 50 der Prozeß- kammer sind sowohl der Sensor 51 als auch das Fenster 52 für den Referenzlichtstrahl gezeigt. Der Sensor 51 weist eine vorzugsweise aus Silizium bestehende Scheibe 52 auf, in die eine Öffnung 53 eingebracht ist. Wenn die Siliziumscheibe 52 aufgrund der in der Prozeßkammer stattfindenden Prozesse be- schichtet wird, verengt sich die Öffnung 53 und deren Absorp- tion erhöht sich. Das durch das Plasma erzeugte Licht wird dadurch beim Durchtritt durch die verengte Öffnung 53 ge-

dämpft. Das die Öffnung 53 passierende Licht wird von einem Lichtwellenleiter 56 aufgenommen und in eine Auswerteeinrich- tung 57 eingespeist. Das optische Fenster 58 empfängt das vom Plasma erzeugte Referenzlicht. Die Öffnung 59 ist so gewählt, daß etwaige Abscheidungen deren Durchlässigkeit nicht beein- flussen. Wiederum ist ein Lichtwellenleiter 60 vorgesehen, um das Referenzlicht in die Auswerteeinrichtung 57 einzuspeisen.

Insbesondere wird die Prozeßkammerwand im Inneren der Öffnung 59 kaum noch durch etwaige unerwünschte Abscheidungen wegen der Tiefe der Öffnung 59 beeinflußt. In der Auswerteeinrich- tung 57 befinden sich zwei lichtempfindliche Detektoren so- wohl für den Meß-als auch für den Referenzlichtpfad. Diese Sensoren sind insbesondere CCD-Elemente.

Es ist besonders vorteilhaft, eine Kühleinrichtung 55 am Sen- sor 51 vorzusehen ; alternativ kann die Einrichtung 55 auch eine Erwärmungseinrichtung sein. Kühlen/Erwärmung hängt vom jeweils gefahrenen Prozeß ab. Durch die Kühlung oder Erwär- mung des Sensors 51 kann die Abscheidung an der Öffnung 53 verstärkt oder verringert, d. h. allgemein gesteuert, werden.