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Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Temperatur eines Prozessgases, das in einer Prozesskammer einer Bearbeitungseinrichtung enthalten ist. Bearbeitungseinrichtungen können beispielsweise durch Beschichtungsanlagen (z. B. CVD-Anlagen oder Sputter-Anlagen) oder Ätzanlagen (z. B. Plasmaätzanlagen) gebildet sein.

Bekanntermaßen lassen sich in Prozesskammern Temperaturfühler einsetzen, um die Temperatur innerhalb der Prozesskammer zu bestimmen. Problematisch bei Temperaturfühlern ist jedoch, dass sich diese in der Regel nicht unmittelbar im „aktiven Bereich" der Prozesskammer montieren lassen, weil sie dort die Gasverteilung und das Raumpotenzial stören würden. Außerdem sind Prozessgase innerhalb von Prozesskammern meist chemisch sehr aggressiv, so dass eine aufwändige Verkleidung der Temperaturfühler erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Temperatur eines Prozessgases anzugeben, mit dem sich sehr genaue Temperaturangaben auch für den aktiven Bereich einer Prozesskammer in einfacher Weise erhalten lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mit einer Strahlungsquelle ein elektromagnetischer Strahl durch das Prozessgas geleitet und anschließend empfangen wird, das spektrale Absorptionsverhalten eines vorgegebenen Gasbestandteils des Prozessgases im Bereich einer Absorptionslinie des Gasbestandteils gemessen wird und unter Heranziehung des gemessenen spektralen Absorptionsverhaltens des Gasbestandteiles die Temperatur des Prozessgases bestimmt wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich mit diesem die Temperatur innerhalb der Prozesskammer von außen messen lässt. Temperaturfühler innerhalb der Prozesskammer sind nicht erforderlich. Auch die Temperatur eines chemisch aggressiven Gases kann so ohne weiteres vermessen werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass sich mit diesem die Temperatur auch unmittelbar oberhalb eines Substrats, z. B. unmittelbar oberhalb eines Wafers, messen lässt, weil auf die Gasverteilung im Inneren der Prozesskammer durch die Messung kein Einfluss genommen wird.

Bevorzugt wird die Absorptionslinienbreite der Absorptionslinie des Gasbestandteiles bestimmt und die Temperatur unter Heranziehung der Absorptionslinienbreite ermittelt.

Beispielsweise wird die Temperatur ermittelt, indem die gemessene Absorptionslinienbreite mit einem vorab gemessenen, simulierten oder berechneten Absorptionstemperaturverhalten des vorgegebenen Gasbestandteiles verglichen wird. Es kann dabei beispielsweise auf das Lambert-Beer-Gesetz zurückgegriffen und über den Dopplereffekt auf die Temperatur geschlossen werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Variante des Messverfahrens ist vorgesehen, dass der elektromagnetische Strahl der Strahlungsquelle in zumindest zwei Einzelstrahlen aufgeteilt wird, von denen einer als Messstrahl durch die Prozesskammer hindurchgeleitet wird und ein anderer als Referenzstrahl durch eine Referenzgaszelle hindurchgeleitet wird.

Der Referenzstrahl wird beispielsweise nach dem Passieren der Referenzgaszelle unter Bildung eines Referenzmessergebnisses gemessen und das Referenzmessergebnis wird zum Kalibrieren der Strahlungsquelle herangezogen.

Im Rahmen des Kalibrierens der Strahlungsquelle wird die Wellenlänge der Strahlungsquelle vorzugsweise derart eingestellt, dass die Strahlungsquelle Strahlung in einem Wellenlängenbereich emittiert, in dem die Absorptionslinie des vorgegebenen Gasbestandteils der Prozesskammer liegt.

Im Rahmen des Kalibrierens der Strahlungsquelle wird anhand des Referenzmessergebnisses beispielsweise festgestellt, in welchem Wellenlängenbereich die Strahlungsquelle tatsächlich Strahlung emittiert. Die Strahlungsquelle wird dann dementsprechend derart angesteuert, dass sie Strahlung in dem für die Prozesskammer relevanten Wellenlängenbereich aussendet, also in einem Wellenlängenbereich, in dem die Absorptionslinie des vorgegebenen Gasbestandteils der Prozesskammer liegt bzw. „vermutet" wird. Die Feststellung des Emissionswellenlängenbereichs der Strahlungsquelle erfolgt beispielsweise durch einen Vergleich des Referenzmessergebnisses mit vorab gemessenen, berechneten oder simulierten Absorptionsspektren („Fingerabdrücken") des Referenzgases.

Vorzugsweise wird als Referenzgaszelle eine Referenzgaszelle verwendet, die den vorgegebenen Gasbestandteil des Prozessgases der Prozesskammer enthält. Die Temperatur der Referenzgaszelle wird beispielsweise auf eine vorgegebene Solltemperatur eingestellt oder es wird die Temperatur der Referenzgaszelle gemessen.

Die Absorptionslinienbreite der Absorptionslinie des vorgegebenen Gasbestandteiles kann in der Referenzgaszelle unter Bildung einer Referenzlinienbreite gemessen werden und es kann die Bestimmung der Temperatur des Prozessgases in der Prozesskammer unter Heranziehung der Temperatur der Referenzgaszelle, der Referenzlinienbreite und der gemessenen Absorptionslinienbreite des Gasbestandteiles in der Prozesskammer erfolgen.

Als Strahlungsquelle wird bevorzugt ein durchstimmbarer Laser, vorzugsweise ein schmalbandiger, Laser verwendet. „Schmalbandig" ist ein Laser, wenn dessen spektrale Emissionsbreite nur wenig größer als die spektrale Breite von Absorptionsmaxima des Prozessgases und des Referenzgases ist, damit diese sehr genau gemessen werden können.

Zusätzlich kann auch die Konzentration des Gasbestandteiles in der Prozesskammer anhand des gemessenen spektralen Absorptionsverhaltens des Gasbestandteiles unter Bildung einer Konzentrationsangabe bestimmt werden.

Beispielsweise kann als Konzentrationsangabe ein Konzentrationsmesswert gebildet werden, der die Konzentration des Gasbestandteiles in der Prozesskammer angibt, sofern sich in der Referenzgaszelle auch der Gasbestandteil befindet. Der Konzentrationsmesswert kann beispielsweise erzeugt werden, indem der Referenzabsorptionswert des Referenzstrahles und der Absorptionswert des Messstrahles unter Berücksichtigung der voreingestellten Konzentration des Gasbestandteiles in der Referenzgaszelle ausgewertet werden. Beispielsweise kann die Konzentrationsangabe K gebildet werden gemäß: K = K0·A1/A2, wobei K0 die vorgegebene Konzentration des Gasbestandteils in der Referenzgaszelle, A1 den gemessenen Absorptionswert in der Prozesskammer und A2 den gemessenen Absorptionswert in der Referenzgaszelle bezeichnet.

Bevorzugt wird die Temperatur des Prozessgases oberhalb einer durch das Prozessgas zu bearbeitenden Oberfläche eines Substrats gemessen, indem der elektromagnetische Strahl oberhalb der Oberfläche des Substrats durch das Prozessgas hindurch geleitet wird. Der Abstand zwischen Substrat und Strahl beträgt vorzugsweise zwischen 25 und 60 mm.

Besonders bevorzugt wird der Messstrahl zumindest einmal derart reflektiert, dass er durch das Prozessgas zumindest zweimal hindurch tritt. Beispielsweise wird der Messstrahl an der Oberfläche eines in der Prozesskammer zu bearbeitenden Substrates reflektiert.

Alternativ wird der Messstrahl an einem Reflektor reflektiert, der beispielsweise im Bereich einer Seitenwand der Prozesskammer angeordnet ist. Vorzugsweise ist ein solcher Reflektor im Bereich einer Öffnungstür einer Innenwandverkleidung der Prozesskammer, insbesondere eines Liners der Prozesskammer, angeordnet, beispielsweise im Bereich eines Öffnungsschlitzes der Prozesskammer.

Der Reflektor kann im Übrigen eine retroreflektierende Oberfläche aufweisen, um einen möglichst geringen Justage- bzw. Positionieraufwand beim Anbringen des Reflektors zu ermöglichen. Die retroreflektierende Oberfläche ist beispielsweise durch eine Mehrzahl an Reflektionsflächen gebildet, die jeweils paarweise senkrecht zueinander stehen. Vorzugsweise sind die Reflektionsflächen durch Prismenflächen oder durch verspiegelte, pyramidenförmige Vertiefungen gebildet, deren Oberflächen jeweils im Rechten Winkel zueinander stehen. Der Reflektor kann also beispielsweise durch ein sogenanntes „technisches" Katzenauge gebildet sein.

Ein Reflektor mit retro-reflektierender Oberfläche ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Reflektor im Bereich einer Öffnungstür der Prozesskammer installiert wird, denn bei einem solchen Reflektor treten selbst bei Abweichungen der Türposition von einer vorgegebenen Idealposition keine oder nur geringfügige Auswirkungen auf die Intensität oder die Richtung des reflektierten Strahles auf.

Als selbständige Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Messen der Konzentration eines vorgegebenen Gasbestandteiles eines Prozessgases, das in einer Prozesskammer einer Bearbeitungseinrichtung enthalten ist, angesehen.

Bezüglich eines solchen Verfahrens liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Konzentration eines vorgegebenen Gasbestandteiles anzugeben, mit dem sich sehr genaue Messwerte auch für den aktiven Bereich einer Prozesskammer in einfacher Weise erhalten lassen.

Erfindungsgemäß wird mit einer Strahlungsquelle ein elektromagnetischer Strahl durch das Prozessgas hindurchgeleitet; es wird die Absorption des Strahles durch den vorgegebenen Gasbestandteil gemessen und es wird unter Heranziehung des gemessenen Absorptionswertes die Konzentration des Gasbestandteiles bestimmt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der elektromagnetische Strahl der Strahlungsquelle in zumindest zwei Einzelstrahlen aufgeteilt wird, von denen einer als Messstrahl durch die Prozesskammer hindurchgeleitet wird und ein anderer als Referenzstrahl durch eine Referenzgaszelle hindurchgeleitet wird, in die Referenzgaszelle der zu messende Gasbestandteil in einer vorgegebenen Konzentration eingeführt wird, die Absorption des Messstrahles innerhalb der Prozesskammer und die Absorption des Referenzstrahles innerhalb der Referenzgaszelle gemessen wird und eine Konzentrationsangabe für den Gasbestandteil in der Prozesskammer anhand der gemessenen Absorptionswerte erzeugt wird.

Beispielsweise werden die gemessenen Absorptionswerte in Bezug zueinander gesetzt, und es wird das Verhältnis der gemessenen Absorptionswerte zueinander sowie die vorgegebene Konzentration des Gasbestandteils in der Referenzgaszelle verwertet. Beispielsweise kann eine Konzentrationsangabe K gebildet werden gemäß: K = K0·A1/A2, wobei K0 die vorgegebene Konzentration des Gasbestandteils in der Referenzgaszelle, A1 den gemessenen Absorptionswert in der Prozesskammer und A2 den gemessenen Absorptionswert in der Referenzgaszelle bezeichnet.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Messeinrichtung zum Messen der Temperatur eines Prozessgases, das in einer Prozesskammer enthalten ist.

Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung anzugeben, mit der sich sehr genaue Temperaturangaben auch für den aktiven Bereich einer Prozesskammer einer Bearbeitungseinrichtung in einfacher Weise erhalten lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Strahlungsquelle vorhanden ist, die einen elektromagnetischen Strahl durch das Prozessgas hindurchleitet, dass ein Detektor vorhanden ist, der die Intensität des durch das Prozessgas hindurchgeleiten Strahls misst, und dass mit der Strahlungsquelle und dem Detektor eine Steuereinrichtung verbunden ist, die die Strahlungsquelle ansteuert und das spektrale Absorptionsverhalten eines vorgegebenen Gasbestandteils des Prozessgases im Bereich einer Absorptionslinie des Gasbestandteils mit dem Detektor misst und unter Heranziehung des gemessenen spektralen Absorptionsverhaltens des Gasbestandteiles die Temperatur des Prozessgases bestimmt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Messeinrichtung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen beispielhaft:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem ersten Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Messeinrichtung,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem zweiten Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Messeinrichtung,

3 die Anordnung gemäß 1 oder 2 von oben gesehen,

4 beispielhaft die Anordnung eines Reflektors im Bereich eines Liners bei der Anordnung gemäß 3 in einer seitlichen Sicht,

5 und 6 ein Ausführungsbeispiel für einen Reflektor, der bei den beiden Anordnungen gemäß den 1 und 2 Verwendung finden kann, und

7 beispielhaft ein Absorptionsverlauf zur Erläuterung des Lambert-Beer-Gesetzes.

In den 1 bis 7 werden für identische oder vergleichbare Komponenten der Übersicht halber identische Bezugszeichen verwendet.

In der 1 erkennt man eine Bearbeitungseinrichtung 10 mit einer Prozesskammer 20, in der ein Prozessgas 30 enthalten ist. Die Bearbeitungseinrichtung 10 kann beispielsweise eine Beschichtungsanlage, (z. B. CVD-Anlage oder Sputter-Anlage) oder eine Ätzanlage (z. B. Plasmaätzanlage) sein.

Die Prozesskammer 20 ist mit einer Kathode 40 sowie einer Anode 50 ausgestattet, die mit einer Hochfrequenzquelle 60 in Verbindung stehen. Mit der Hochfrequenzquelle 60 lässt sich an der Anode 50 und der Kathode 40 eine derartige Hochfrequenzspannung erzeugen, dass im Prozessgas 30 ein Plasma 70 entsteht. Durch die Plasmabildung werden Ionen 80 sowie Radikale 90 gebildet, die ein in der Prozesskammer 20 befindliches Substrat 100, beispielsweise einen Siliziumwafer, bearbeiten.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Oberfläche 110 des Substrats 100 mit einer Maske 120 versehen, wodurch das Plasma 70 ausschließlich an den unmaskierten Abschnitten 130 der Oberfläche 110 auf das Substrat 100 einwirken kann.

Zu der Bearbeitungseinrichtung 10 gehört eine Messeinrichtung 200 zum Messen der Temperatur T1 im Inneren des Prozessgases 30. Die Messeinrichtung 200 umfasst eine Strahlungsquelle 210 in Form eines beispielsweise durchstimmbaren Infrarotlasers. Die Strahlungsquelle 210 erzeugt einen elektromagnetischen Strahl, beispielsweise einen Infrarotstrahl 230, der durch das Prozessgas 30 hindurch auf einen Reflektor 220 geleitet wird. Der Reflektor 220 reflektiert den einfallenden Infrarotstrahl 230 zurück in Richtung der Strahlungsquelle 210, wodurch ein reflektierter Infrarotstrahl 240 gebildet wird. Der einfallende Infrarotstrahl 230 sowie der reflektierte Infrarotstrahl 240 bilden gemeinsam einen Messstrahl 245.

Während des Betriebs der Messeinrichtung 200 wird mit einem Detektor 250 die Absorption des Messstrahls 245 in einem vorgegebenen Spektralbereich gemessen. Die Steuerung des Lasers 210 erfolgt in der nachstehend beschriebenen Weise durch eine Steuereinrichtung 255, die mit dem Detektor 250 und dem Laser 210 in Verbindung steht und die Wellenlänge &lgr; des Lasers 210 gezielt einstellt.

Der Spektralbereich des Messstrahles wird von der Steuereinrichtung 255 so gewählt, dass für einen vorgegebenen Gasbestandteil (z. B. Wasserstoff, Sauerstoff oder dergleichen) des Prozessgases 30 ein Absorptionspeak bzw. ein relatives oder absolutes Absorptionsmaximum zu erwarten ist. Durch ein Durchstimmen der Emissionswellenlänge des Lasers 210 im erwarteten bzw. vorgegebenen Absorptionsbereich kann somit die spektrale Lage des Absorptionspeaks bzw. des Absorptionsmaximums für den vorgegebenen Gasbestandteil gemessen werden. Da das spektrale Absorptionsverhalten (z. B. die Absorptionslinienbreite &Dgr;&lgr;1 der Absorptionslinie &lgr;1) für den vorgegebenen Gasbestandteil des Prozessgases 30 in Abhängigkeit von der Temperatur T1 des Prozessgases 30 in charakteristischer Weise schwankt, kann durch ein Messen der Absorptionswellenlänge &lgr;1 und deren Absorptionslinienbreite auch die Temperatur T1 innerhalb der Prozesskammer 20 gemessen werden, indem beispielsweise die gemessene Absorptionslinienbreite &Dgr;&lgr;1 mit einem vorab gemessenen, simulierten oder berechneten Temperaturabsorptionsverhalten &lgr;(T) des vorgegebenen Gasbestandteiles verglichen wird.

Das Temperaturabsorptionsverhalten &lgr;(T) kann beispielsweise bestimmt werden, indem die Absorptionswellenlänge &lgr;1 des vorgegebenen Gasbestandteiles sowie dessen Absorptionslinienbreite vorab mit einer separaten, sehr genauen Messeinrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur T gemessen und das entsprechende Absorptionsverhalten &lgr;(T) temperaturbezogen abgespeichert wird.

Alternativ kann das Temperaturabsorptionsverhalten &lgr;(T) des vorgegebenen Gasbestandteiles unter Berücksichtigung des Lambert-Beer-Gesetzes wie folgt ermittelt werden: Während die spektrale Position der Absorptionslinie zur Identifizierung der Gas-Spezie herangezogen wird, wird die Form der Absorptionslinie durch Plasmaparameter wie externe Felder, Gastemperatur und Druck bestimmt. Die Methode der Absorptionsspektroskopie beruht auf der Verringerung der Lichtintensität dIv beim Durchqueren eines Mediums mit der Ausdehnung dz nach dem Absorptionsgesetz von Lambert-Beer: dIv = –&agr;(v)·n·I·dz mit n: Konzentration, &lgr;(v): spektrale Dämpfung

Für eine wesentlich höhere Intensität des emittierten Laserlichts sowie eine kontinuierliche Absorption über die gesamte Distanz (&agr; = const.) gilt für die Lichtintensität an der Stelle z: I(z) = I0·e–&agr;(v)·n·z mit I0 = I(z = 0). Demnach fällt die Intensität von I(z) exponentiell ab (vgl. 7, das die Strahlungsabsorption in einem transparenten Medium nach dem Lambert-Beer-Gesetz zeigt).

Die Konzentration kann also nach

bestimmt werden. Der Absorptionskoeffizient &agr; ergibt sich für eine einzelne Linie aus dem Produkt der Linienstärke S des spezifischen Übergangs und der normalisierten Funktion für das Linienprofil: &agr;(v) = S·f(v – v0) mit

Die relative Linienstärke kann der Literatur entnommen werden, die Profilfunktion muss in bekannter Weise separat berechnet werden.

Das Absorptionsmuster wird durch die physikalischen Eigenschaften der IR-aktiven Molekühle (wie Anzahl und Typ der Atome, Bindungswinkel und Stärke der Bindungen) bestimmt. Atommasse und Elektronenstruktur der einzelnen an molekularer Streckung und Beugung beteiligten Atome bestimmt die Rotations- und Schwingungsfrequenz. Jedes Spektrum unterscheidet sich daher geringfügig von allen anderen und man spricht auch von charakteristischen molekularen „Fingerabdrücken". Für die jeweilige Frequenz kann dann eine quantitative Analyse vorgenommen werden.

Das Linienprofil ist durch die natürliche Linienbreite festgelegt und wird im Wesentlichen infolge Dopplerverbreiterung, Druckverbreiterung und Verbreiterung aufgrund von Sättigungseffekten bestimmt.

Bezüglich der Bestimmung der Gastemperatur gilt Folgendes:

Durch die thermische Bewegung der Moleküle im Gas wird eine Dopplerverbreiterung verursacht; diese kann durch eine Maxwell-Geschwindigkeitsverteilung beschrieben werden. Die Dopplerhalbwertsbreite einer Spektrallinie berechnet sich (unter Annahme einer gaussförmigen Linienform) wie folgt:

Dabei bezeichnen vD die Halbwertsbreite bei halbem Maximum (FWHM), v0 die Resonanzfrequenz des betrachteten Übergangs (Schwingung), c die Lichtgeschwindigkeit, kB die Boltzmannkonstante, NA die Avagadrozahl, T die Temperatur und M die molare Masse.

Somit folgt als Zusammenhang zwischen Linienbreite und Temperatur vD ∝ √T.

Im Ergebnis lässt sich somit feststellen, dass sich die Absorptionslinienbreite mit der Temperatur T verändert, so dass sich durch Messen der Absorptionslinienbreite die Gastemperatur bestimmen lässt. Hierbei kann auf die beschriebenen Gesetzmäßigkeiten zurückgegriffen werden und die Temperatur unter Heranziehung der jeweils gemessenen Absorptionslinienbreite errechnet oder simuliert werden; alternativ können Referenzmessergebnisse herangezogen werden, die anhand von Referenzgasen mit bekannter Temperatur vorab gemessen wurden.

Wie sich in der 1 erkennen lässt, ist der Abstand d zwischen dem Messstrahl 245 und der Oberfläche 110 des Substrats 100 sehr klein gewählt, so dass die Messeinrichtung 200 die Temperatur T1 unmittelbar im Bereich der Oberfläche 110 des Substrates 100 messen kann. Vorzugsweise liegt der Abstandswert d zwischen dem Messstrahl 245 und der Oberfläche 110 in einem Bereich zwischen 25 bis 60 mm.

Alternativ oder zusätzlich kann mit der Anordnung gemäß der 1 auch die Konzentration des vorgegebenen Gasbestandteiles innerhalb des Prozessgases 30 bestimmt werden. Hierzu wird der absolute Wert des Absorptionspeaks des Messstrahles 245 ausgewertet. Je größer nämlich bei der Absorptionswellenlänge &lgr;1 der absolute Absorptionswert des Messstrahles 245 ist, umso größer ist demzufolge auch die Konzentration des zu messenden Gasbestandteiles im Prozessgas 30. Der absolute Absorptionswert ist also ein unmittelbares Maß für die jeweilige Konzentration des vorgegebenen Gasbestandteiles innerhalb des Prozessgases 30.

Um den Gasanteil des vorgegebenen Gasbestandteiles als absolute Messgröße angeben zu können, kann beispielsweise auf eine zuvor abgespeicherte Vergleichstabelle zurückgegriffen werden, die an Gasgemischen mit unterschiedlichen Anteilen des zu messenden Gasbestandteiles gemessenen, berechnet oder simuliert worden ist. Durch Vergleich mit der abgespeicherten Vergleichstabelle kann dann der Gasanteil des vorgegebenen Gasbestandteiles in der Prozesskammer 20 bestimmt werden.

In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Messen der Temperatur T1 des Prozessgases 30 dargestellt. Die Prozesskammer 20 entspricht von ihrem Aufbau her der Prozesskammer 20 gemäß der 1, so dass bezüglich des Kammeraufbaus auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der 1 verwiesen sei.

Man erkennt in der 2, dass die Messeinrichtung 200 zusätzlich zu dem durchstimmbaren Laser 210 und dem Detektor 250 eine Referenzgaszelle 300 aufweist, durch die ein Referenzstrahl 310 hindurchgeleitet wird. Der Referenzstrahl 310 wird durch einen Strahlteiler 315 durch die Referenzgaszelle 300 und von dort mittels zweier Spiegel 316 und 317 zum Detektor geleitet und mit dem Detektor 250 – ebenso wie der reflektierte Infrarotmessstrahl 240 – innerhalb der Messeinrichtung 200 gemessen.

In der Referenzgaszelle 300 ist ein Referenzgas 320 mit einem vorgegebenen Druck, einer vorgegebenen Gaszusammensetzung und einer vorgegebenen Gastemperatur T2 vorhanden. Der Gasanteil bzw. die Konzentration des vorgegebenen Gasbestandteiles, dessen Absorptionsverhalten innerhalb des Prozessgases 30 der Prozesskammer 20 gemessen werden soll, ist in der Referenzgaszelle 300 fest vorgegeben und vorab bekannt, beispielsweise, weil ein hochgenau hergestelltes Referenzgas in die Referenzgaszelle 200 eingefüllt worden ist oder eingeführt wird oder weil das Referenzgas 320 vorab beispielsweise mittels eines Massenspektroskopie-Verfahrens exakt gemessen worden ist.

Mit der Referenzgaszelle 310 wird zunächst der durchstimmbare Infrarotlaser 210 kalibriert bzw. auf die Absorptionswellenlänge &lgr;1 des vorgegebenen Gasbestandteils innerhalb der Referenzgaszelle 300 eingestellt. Hierzu wird der durchstimmbare Infrarotlaser 210 in seinem Emissionsfenster durchgestimmt, und es wird die Intensität des durch die Referenzgaszelle 310 hindurch gelaufenen Referenzstrahles 310 gemessen und ausgewertet. Beispielsweise wird die Wellenlänge, bei der eine maximale Dämpfung auftritt, als Absorptionspeak des vorgegebenen Gasbestandteils aufgefasst. Alternativ kann die gemessene spektrale Dämpfungsverteilung des Referenzgases mit einem vorab gemessenen oder berechneten „Absorptionsfingerabdruck" des Referenzgases verglichen werden (z. B. durch Anwenden einer Korrelationsfunktion) und die für die weitere Messung gewünschte Absorptionslinie auf diese Weise ermittelt werden.

Mit der Messeinrichtung 200 wird anschließend das spektrale Absorptionsverhalten des Gasbestandteils im Prozessgases 30 im Bereich der mit der Referenzgaszelle 310 eingestellten Absorptionswellenlänge &lgr;1 gemessen, und es wird unter Heranziehung des gemessenen spektralen Absorptionsverhaltens des Gasbestandteiles die Temperatur des Prozessgases bestimmt, wie dies oben im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurde. Vorzugsweise wird bei der Temperaturbestimmung auf das erläuterte Lambert-Beer-Gesetz zurückgegriffen.

Alternativ kann wie folgt vorgegangen werden: Sind die Temperaturen T1 und T2 innerhalb der Prozesskammer 20 und innerhalb der Referenzgaszelle 300 unterschiedlich, so werden die beiden Absorptionslinienbreiten &Dgr;&lgr;1 und &Dgr;&lgr;2 unterschiedlich sein (&Dgr;&lgr;1 Absorptionslinienbreite für den vorgegebenen Gasbestandteil in der Prozesskammer 20; &Dgr;&lgr;2 Absorptionslinienbreite für den vorgegebenen Gasbestandteil in der Referenzgaszelle 300). Das Verhältnis zwischen den beiden Absorptionslinienbreiten &Dgr;&lgr;1 und &Dgr;&lgr;2 ist dabei – wie oben erläutert – von dem Temperaturunterschied &Dgr;T = |T1 – T2| zwischen der Prozesskammer 20 und der Referenzgaszelle 300 abhängig, so dass bei Kenntnis der Temperatur T2 in der Referenzgaszelle 300 und bei Kenntnis der beiden Absorptionslinienbreiten &Dgr;&lgr;1 und &Dgr;&lgr;2 die Temperatur unmittelbar näherungsweise errechnet werden kann gemäß:

Ist die Temperatur T2 nicht bekannt, weil die Temperatureinstelleinrichtung keinen Temperaturwert angibt, so kann dieser mit einem separaten Messfühler an oder in der Referenzgaszelle 300 gemessen werden.

Zusammengefasst lässt sich somit durch das gezielte Verändern der Temperatur T2 der Referenzgaszelle 300 die Temperatur T1 des Prozessgases 30 in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche 110 des Substrats 100 messen, ohne dass hierfür in unmittelbarer Nähe des Substrates 100 ein Messfühler angeordnet werden muss.

Mit der Messeinrichtung 200 gemäß 2 kann darüber hinaus auch die Konzentration des vorgegebenen Gasbestandteiles innerhalb des Prozessgases 30 gemessen werden. Wird nämlich die Absorption des Messstrahles 245 sowie die Absorption des Referenzstrahles 310 in der Referenzgaszelle 300 gemessen, so lässt sich auf die Konzentration des vorgegebenen Gasbestandteiles innerhalb des Prozessgases 30 schließen. Ist nämlich die Dämpfung des Messstrahles 245 – bezogen auf den Strahlweg, den der Messstrahl 245 durch das Prozessgas 30 zurücklegt – größer als die Dämpfung, die der Referenzstrahl 310 in der Referenzgaszelle 300 erfährt – wiederum bezogen auf die in der Referenzgaszelle 300 zurückgelegte Wegstrecke -, so ist der Anteil des Gasbestandteils innerhalb des Prozessgases 30 höher als der in der Referenzgaszelle 300. Entsprechendes gilt in umgekehrter Weise, wenn der Absorptionswert des Messstrahles 245 im Prozessgas 30 kleiner als der Absorptionswert des Referenzstrahles in der Referenzgaszelle 300 ist.

Messwerte, die die absolute Konzentration des vorgegebenen Gasbestandteiles in der Prozesskammer 20 angeben, lassen sich gewinnen, indem Referenzabsorptionswerte anhand mehrerer unterschiedlicher Referenzgase mit unterschiedlichen Konzentrationen des vorgegebenen Gasbestandteiles vorab ermittelt (gemessen, berechnet oder simuliert) und abgespeichert werden. Die in der Prozesskammer 20 auftretende Dämpfung kann dann mit den Referenzabsorptionswerten verglichen werden, wodurch sich absolute Konzentrationswerte durch Vergleich mit den Referenzabsorptionswerten bestimmen lassen.

In der 3 ist die Prozesskammer 20 gemäß 1 oder 2 in der Draufsicht gezeigt. Man erkennt eine äußere Kammerwand 400 sowie eine innere Verkleidung, fachsprachlich Liner 410 genannt, der den inneren Bereich 420 der Prozesskammer 20 von der Kammerwand 400 trennt. Die Funktion des Liners 410 besteht darin, das beim Betrieb der Prozesskammer 20 relativ aggressive Prozessgas 30 von der Kammerwand 400 zu trennen und eine unerwünschte innenseitige Abnutzung der Kammerwand 400 oder deren Beschichtung zu vermeiden.

Zur Einkopplung des Messstrahles 245 ist die Kammerwand 400 mit einer für den Messstrahl 245 transparenten Einkoppeleinrichtung 430 versehen. Die Einkoppeleinrichtung 430 kann beispielsweise durch eine Glasscheibe oder dergleichen gebildet sein. Neben der Einkoppeleinrichtung 430 ist eine entsprechende weitere Einkoppeleinrichtung 440 vorgesehen, durch die der Messstrahl 245 durch den Liner 410 in den Innenbereich 420 der Prozesskammer 20 gelangt. Von der weiteren Einkoppeleinrichtung 440 gelangt der Messstrahl 245 zu dem Reflektor 220, der vorzugsweise in einem Türbereich 450 des Liners 410 untergebracht ist. Der Reflektor 220 kann beispielsweise im Bereich eines Ventilschlitzes 460 des Türbereichs 450 angeordnet sein. Dies zeigt beispielhaft auch die 4 in einer seitlichen Sicht im Detail.

In der 5 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Reflektor 220 gezeigt, wie er bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 4 eingesetzt werden kann. Es lässt sich in der 5 erkennen, dass der Reflektor 220 ein Katzenauge 500 (für Infrarotlicht) mit einer so genannten retroreflektierenden Oberfläche 510 aufweist. Unter einer retroreflektierenden Oberfläche ist eine Oberfläche zu verstehen, die im Wesentlichen unabhängig von dem Einfallswinkel eines einfallenden Strahles diesen entgegen der Einfallrichtung zurückreflektiert. Der Vorteil einer retro-reflektierenden Oberfläche besteht somit darin, dass der Reflektor 220 nicht exakt zum einfallenden Strahl 230 ausgerichtet sein muss; selbst im Falle eines „Fehlwinkels" wird der einfallende Strahl entgegen der Strahleinfallrichtung zurückgesendet.

Die retro-reflektierende Oberfläche 510 besteht aus einem Material, das das Licht des Infrarotlasers 210 in dessen Emissionswellenlängenbereich reflektiert; sie ist ferner durch eine Vielzahl an Pyramiden oder Prismen 530 gebildet, die eine Vielzahl an Prismenkanten aufweisen. In der 5 sind einige der Prismenkanten im Querschnitt gezeigt und mit den Bezugszeichen 530a, 530b, 530c und 530d bezeichnet. Die Prismenkanten stehen – bezogen auf den jeweiligen Prismenkantennachbarn – jeweils in einem Winkel von 90° zueinander. Die Höhe h der Prismen 530 liegt bevorzugt zwischen 1 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 und 4 mm. Beispielsweise beträgt sie circa h = 3,6 mm.

Oberhalb der Prismenkanten 530a bis 530d ist eine Schutzscheibe 540 vorgesehen, die die Prismenkanten 530a bis 530d und damit die retro-reflektierende Oberfläche 510 vor dem Plasma 70 innerhalb der Prozesskammer 20 schützt.

Eine Sicht von oben auf das Katzenauge 500 gemäß der 5 zeigt die 6.

Der Durchmesser D des Katzenauges 500 liegt bevorzugt zwischen 10 und 20 mm, besonders bevorzugt zwischen 16 und 19 mm. Beispielsweise beträgt er circa D = 17 mm.

Wie sich der 6 entnehmen lässt, ist das Katzenauge 500 des Reflektors 220 auf einem Träger 600 angeordnet, dessen Maße in der 6 mit den Bezugszeichen D1, D2 und D3 gekennzeichnet sind. Die Maße D1, D2, D3 des Trägers 600 betragen beispielsweise: D1 = 28 mm, D2 = 22 mm und D3 = 20 mm.

10
Bearbeitungseinrichtung
20
Prozesskammer
30
Prozessgas
40
Kathode
50
Anode
60
Hochfrequenzquelle
70
Plasma
80
Ionen
90
Radikale
100
Substrat
110
Oberfläche
120
Maske
130
unmaskierte Abschnitte
200
Messeinrichtung
210
Strahlungsquelle
220
Reflektor
230
Infrarotstrahl
240
reflektierter Infrarotstrahl
245
Messstrahl
250
Detektor
255
Steuereinrichtung
300
Referenzgaszelle
310
Referenzstrahl
315
Strahlteiler
316, 317
Spiegel
320
Referenzgas
400
Kammerwand
410
Liner
420
innerer Bereich
430
Einkoppeleinrichtung
440
weitere Einkoppeleinrichtung
450
Türbereich
460
Ventilschlitz
500
Katzenauge
510
retro-reflektierende Oberfläche
530
Pyramiden, Prismen
530a, 530b
Prismenkante
530c, 530d
Prismenkante
540
Schutzscheibe
600
Träger
h
Prismenhöhe
D
Durchmesser des Katzenauges
&Dgr;&lgr;
spektraler Abstand
&lgr;1
Absorptionswellenlänge in Prozesskammer
&lgr;2
Absorptionswellenlänge in Referenzgaszelle
&Dgr;T
Temperaturunterschied
T1
Temperatur in Prozesskammer
T2
Temperatur in Referenzgaszelle


Anspruch[de]
Verfahren zum Messen der Temperatur (T1) eines Prozessgases (30), das in einer Prozesskammer (20) einer Bearbeitungseinrichtung (10) enthalten ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

– mit einer Strahlungsquelle (210) ein elektromagnetischer Strahl (245) durch das Prozessgas (30) geleitet und anschließend empfangen wird,

– das spektrale Absorptionsverhalten eines vorgegebenen Gasbestandteils des Prozessgases (30) im Bereich einer Absorptionslinie (&lgr;1) des Gasbestandteils gemessen wird und

– unter Heranziehung des gemessenen spektralen Absorptionsverhaltens des Gasbestandteiles die Temperatur (T1) des Prozessgases (30) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Absorptionslinie die Wellenlänge der Strahlungsquelle in einem vorgegeben Wellenlängenbereich durchgestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionslinienbreite der Absorptionslinie (&lgr;1) bestimmt wird und die Temperatur unter Heranziehung der Absorptionslinienbreite ermittelt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur ermittelt wird, indem die gemessene Absorptionslinienbreite (&Dgr;&lgr;1) mit einem vorab gemessenen, simulierten oder berechneten Absorptionstemperaturverhalten (&lgr;(T)) des vorgegebenen Gasbestandteiles verglichen wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

– der elektromagnetische Strahl der Strahlungsquelle in zumindest zwei Einzelstrahlen (245, 310) aufgeteilt wird, von denen einer als Messstrahl (245) durch das Prozessgas geleitet wird und ein anderer als Referenzstrahl (310) durch eine Referenzgaszelle (300) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrahl nach dem Passieren der Referenzgaszelle unter Bildung eines Referenzmessergebnisses gemessen wird und das Referenzmessergebnis zum Kalibrieren der Strahlungsquelle herangezogen wird. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Kalibrierens der Strahlungsquelle die Wellenlänge der Strahlungsquelle derart eingestellt wird, dass die Strahlungsquelle Strahlung in einem Wellenlängenbereich emittiert, in dem die Absorptionslinie (&lgr;1) des vorgegebenen Gasbestandteils der Prozesskammer (20) liegt. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

– dass in der Referenzgaszelle ein Gas mit einem vorab bekannten Absorptionsverhalten enthalten ist und dass anhand des Referenzmessergebnisses festgestellt wird, in welchem Wellenlängenbereich die Strahlungsquelle Strahlung emittiert und dass die Strahlungsquelle dementsprechend derart angesteuert wird, dass sie Strahlung in dem Wellenlängenbereich emittiert, in dem die Absorptionslinie (&lgr;1) des vorgegebenen Gasbestandteils der Prozesskammer (20) liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzgaszelle eine Referenzgaszelle verwendet wird, die den vorgegebenen Gasbestandteil des Prozessgases (30) der Prozesskammer (20) enthält. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T2) der Referenzgaszelle (300) auf eine vorgegebene Solltemperatur eingestellt wird oder dass die Temperatur (T2) der Referenzgaszelle (300) gemessen wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionslinienbreite der Absorptionslinie (&lgr;1) des vorgegebenen Gasbestandteiles in der Referenzgaszelle unter Bildung einer Referenzlinienbreite gemessen wird und dass die Bestimmung der Temperatur der Prozessgases (30) in der Prozesskammer (20) unter Heranziehung der Temperatur der Referenzgaszelle, der Referenzlinienbreite und der gemessenen Absorptionslinienbreite des Gasbestandteiles in der Prozesskammer erfolgt. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle (210) ein durchstimmbarer Laser, vorzugsweise ein schmalbandiger Infrarot-Laser verwendet wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

– außerdem die Konzentration des vorgegebenen Gasbestandteiles in der Prozesskammer (20) anhand des gemessenen spektralen Absorptionsverhaltens des Gasbestandteiles unter Bildung einer Konzentrationsangabe bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T1) des Prozessgases (30) oberhalb einer durch das Prozessgas zu bearbeitenden Oberfläche (110) eines Substrats (100) gemessen wird, indem der elektromagnetische Strahl (245) oberhalb der Oberfläche des Substrats durch das Prozessgas hindurch geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Strahl in einem Abstand (d), der zwischen 25 und 60 mm zum Substrat (100) beträgt, durch das Prozessgas (30) hindurchgeleitet wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl zumindest einmal derart reflektiert wird, dass er durch das Prozessgas zumindest zweimal hindurch tritt. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl an der Oberfläche eines in der Prozesskammer zu bearbeitenden Substrates reflektiert wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl an einem Reflektor (220) reflektiert wird. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor im Bereich einer Seitenwand der Prozesskammer angeordnet ist, insbesondere im Bereich einer Öffnungstür (450) einer Innenwandverkleidung (410) der Prozesskammer (20) oder eines Liners der Prozesskammer. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor im Bereich eines Öffnungsschlitzes (460) der Prozesskammer angeordnet ist. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsschlitz (460) im Bereich der Öffnungstür (450) angeordnet ist. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine retroreflektierende Oberfläche (510) aufweist. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die retroreflektierende Oberfläche durch eine Mehrzahl an Reflektionsflächen (530a530d) gebildet ist, die jeweils paarweise senkrecht zueinander stehen. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsflächen durch Prismenflächen oder durch verspiegelte pyramidenförmige Erhebungen gebildet sind, deren Oberflächen jeweils im rechten Winkel zueinander stehen. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor durch ein Katzenauge (500) gebildet ist. Messeinrichtung zum Messen der Temperatur (T1) eines Prozessgases (30), das in einer Prozesskammer (20) einer Bearbeitungseinrichtung (10) enthalten ist, dadurch gekennzeichnet,

– dass eine Strahlungsquelle (210) vorhanden ist, die einen elektromagnetischen Strahl (245) durch das Prozessgas (30) hindurchleitet,

– dass ein Detektor vorhanden ist, der die Intensität des durch das Prozessgas (30) hindurchgeleiten Strahls (245) misst, und

– dass mit der Strahlungsquelle und dem Detektor eine Steuereinrichtung (255) verbunden ist, die die Strahlungsquelle ansteuert und die das spektrale Absorptionsverhalten eines vorgegebenen Gasbestandteils des Prozessgases (30) im Bereich einer Absorptionslinie (&lgr;1) des Gasbestandteils mit dem Detektor misst und unter Heranziehung des gemessenen spektralen Absorptionsverhaltens des Gasbestandteiles die Temperatur (T1) des Prozessgases (30) bestimmt.
Messeinrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (255) die Emissionswellenlänge der Strahlungsquelle innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenintervalls durchstimmt, in dem die Absorptionslinie (&lgr;1) des vorgegebenen Gasbestandteils der Prozesskammer (20) liegt.






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