KR100299636B1

KR100299636B1 - 플라즈마리액터의가스라인으로의가스누출을측정하는방법및장치

Info

Publication number: KR100299636B1
Application number: KR1019940013314A
Authority: KR
Inventors: 가브리엘지.바나
Original assignee: 윌리엄 비. 켐플러; 텍사스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 1993-06-15
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 2002-02-19
Also published as: JPH07207426A; KR950001282A; US5326975A

Abstract

플라즈마 리액터(10), 및 이 리액터(10) 내로 가스를 유입시키는 가스 라인들 내의 가스 누출을 테스트하기 위한 방법은, 플라즈마 리액터 광 방출의 세기를 측정하는 단계; 공지된 양의 테스트 가스의 증가분들을 리액터(10) 내로 유입시키는 단계; 테스트 가스의 증가분을 리액터(10) 내로 각각 유입시킨 후에 플라즈마 리액터 광 방출의 세기를 측정하는 단계; 세기 판독치들 대 유입된 가스의 증가분들로 인한 곡선의 산출 단계; 및 가스의 값이 리액터(10)으로 누출된 가스량인, 세기가 0인 곳에서의 가스의 값을 결정하기 위해 곡선에 대한 회귀 분석의 수행 단계를 포함한다.

Description

플라즈마 리액터의 가스 라인으로의 가스 누출을 측정하는 방법 및 장치

본 발명은 가스 라인으로의 가스 누출의 측정에 관한 것으로, 특히 플라즈마 리액터의 가스 라인으로 니트로겐 또는 공기 가스의 누출을 측정하는 방법에 관한 것이다.

플라즈마 리액터의 본체로의 가스 누출은 간단히 검출된다. "역누출(leakback)" 테스트는 진공 프로세스 챔버로 가스의 누출을 측정하는 것이다. 다른 모든 가스 소스들이 분리되면, 누출이 공기로 인해서 임이 명백해 진다. 그러나, 리액터 챔버로 프로세스 가스를 유도하는 가스 라인으로의 N₂또는 공기 누출은 분석 및 측정을 좀 더 어렵게 만든다.

이러한 문제점이 있다고 여겨지면, 적당한 가스가 소스에서 차단되고, 가스 라인은 진공 상태로 되며, "역누출" 측정은 소스로의 모든 방향에 대해 "시스템" 상에서 실행된다. 이러한 기술적 문제점은 전형적인 웨이퍼 제조 실험실에서, 가스 공급 라인의 길이가 50 내지 100 피트(15.24 m 내지 30.48 m)일 수 있다는 것이다. 이러한 라인의 완전 진공 및 가스 배출은 많은 시간이 걸릴 수 있다. 이러한 경우에도, 진공이된 라인 상에서의 특정 역누출 값이 실제 누출에 의한 것인지, 아니면 가상 누출이 라인의 연속된 가스 배출에 의한 것인지를 판단하는 것이 가끔 어려울 수 있다.

이러한 문제점을 분석하기 위한 기술적 방법이 있다. RGA(잔류 가스 분석기)는 소정의 프로세스 가스에서 O₂또는 N₂의 농도를 검출한다. 그러나, 이러한 장치는 비싸고, 웨이퍼 제조 실험실에서 일상적으로 사용되지 않으며, 특별히 리액터 내에 후크되어야 한다.

다른 테스트 방법으로는 분광 광도 측정 기술이 있다. 서로 다른 종류의 가스들은 리액터의 플라즈마에 의해 여기될 경우에 특정한 파장들로 방출된다는 것은 공지된 사실이다. 이론적으로, 특정 파장의 세기 측정이 그 종류들의 전체 양을 결정하는데 사용될 수 있다. 실제적으로, 스펙트럼 세기 측정은 대부분의 플라즈마 리액터들에서 쉽게 달성되기 때문에, 이들 모두에는 "끝점 검출기(endpoint detector)"들이 장착되어 있다. 이들은 전(full)분광계들이거나, 특정 파장의 세기를 측정하기 위해 적절히 접속된 단일 파장 대역 통과(single-wavelenth band-pass) 필터들이다.

스펙트럼 세기 측정은 쉽게 이용가능하며, X ( I[X] )의 파장 세기로부터, 종류 [X]들의 농도 결정은 그렇게 간단한 일은 아니다. 문제는 I[X] 대 [X]의 "표준 검량 곡선(standard calibration curve)"을 가질 수 없고, 따라서 프로세스 가스(들) 내로 가스 X의 누출량을 결정할 수 없도록, [X]의 농도 이외에도, 소정의특별한 시간에 I[X]의 값은: 검출기의 세팅 이득; 윈도우 상에서 리액터의 상태(잔류 축적)를 변화시키는, I[X] 측정이 전체적으로 행해지는 윈도우의 스펙트럼 투과도; 및 플라즈마 내의 다른 가스들과 압력과 RF 조건들의 함수로 되어 있다는 점이다.

본 발명은 가스 누출, 특히 플라즈마 리액터 내로 공기 및 N₂누출을 테스트하기 위한 방법에 관한 것이다. 미지량의 불필요한 가스가 리액터 내로 누출되면, 이 미지량이 결정될 필요가 있다. 본 발명의 테스트 구성에 있어서, 공기 또는 N₂의 가스 누출은 질량 흐름 제어기(Mass Flow Controller)를 통해 공기 또는 N₂에 대해 검량된다. 플라즈마 반응 광 방출의 세기가 측정된다. 측정된 신호는 334 nm대역 통과 필터, 및 특정 이득으로 설정된 포토다이오드를 통해 얻어진 334 nm 방출 라인(I₃₃₄)의 (50 cm He/100 He + CF₄또는 CHF₃) 플라즈마의 세기이다. 정해진 양만큼씩 N₂(또는 공기)가 리액터에 추가로 증분되고 이에 따라 판독도 추가로 행해진다. 판독에 의해 산출된 I₃₃₄대 [N₂]에 대한 회귀 분석이 수행된다. 최종 곡선은 단조(monotonic)이고, 2차 방정식 I₃₃₄= a + b[N₂] + c[N₂]²의 형태로 표시될 수 있다. 그 다음에, 값 I₃₃₄= 0에 대해서 방정식이 풀리고, [N₂]의 최종 절대치는 시스템으로 계속 누출된 N₂의 기준량이다.

플라즈마 리액터 내의 가스 누출, 및 리액터로 가스를 유입시키는 가스 라인내의 가스 누출을 테스트하기 위한 방법은 다음 단계들을 포함한다: 플라즈마 반응 광 방출의 세기를 측정하는 단계; 공지된 양의 테스트 가스의 증가분들을 리액터 내로 유입시키는 단계; 테스트 가스의 증가분을 리액터 내로 각각 유입한 후에 플라즈마 반응 광 방출의 세기를 측정하는 단계; 세기 판독치들 대 유입된 가스의 증가분들로 인한 곡선의 산출 단계; 및 가스 라인을 통해 리액터로 계속 누출되는 가스량이 절대치인, 세기가 0인 곳에서의 가스의 값을 결정하기 위해 곡선에 대한 회귀 분석의 수행 단계.

본 발명의 목적 및 기술적 진전은 양호한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하므로써 명확해진다.

본 발명은 프로세스 챔버의 가스 라인, 특히 플라즈마 리액터로 가스의 누출을 검출 및 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 소위, "표준 첨가(Standard Addition)"라고 하는 기술이 있다. 이러한 기술은 제1도에 도시된 바와 같이, 검량곡선이 소정량의 가스 X를 함유하는 테스트 시스템 내에 가스 X의 "스파이크(spike)"들을 첨가하므로써 산출될 수 있다는 이론, 즉 "인-시투(in-situ)"에 따른다. I[X] = 0으로 다시 외삽(外揷;extrapolating)시키므로써, 절편 절대치는 테스트 시스템 내의 X의 기준 농도이다.

이러한 기술의 문제점은 검량 곡선이 채택된 농도의 범위에 대해 선형이어야 하고 특정된다는 점이다. 이것은 본 발명에 의해 해결된 문제에만 특별히 해당되는 것은 아니다.

제2도는 I₃₃₄와 [N₂] 사이의 관계식의 비선형성을 나타낸다. 곡선 A에서, 리액터에는 50 sccm O₂+ 100 sccm He이 포함되어 있다. 질소의 증가분들은 30, 60, 90, 150 및 210 sccm의 양으로 유입된다. 그 결과는 곡선 A이다. 같은 양들의 N₂는 리액터 내로 유입되는 데, 이 리액터에는 50 sccm O₂+ 100 sccm He + 100 sccm CF₄이 포함되어 있다. 최종 곡선 B는 전혀 다르다. I₃₃₄와 [N₂] 사이의 비선형성 관계는 종래 및 일상의 형태들로 "표준 첨가" 방법을 사용한다는 것을 나타낸다.

판독에 의해 산출된, I₃₃₄대 [N₂] 곡선, 제2도의 곡선 A 및 곡선 B에 대한 회귀 분석은 단조이며, 2차 방정식 I₃₃₄= a + b[N₂] + c[N₂]²의 형태로 표시될 수 있다. 그 다음에, 이 방정식은 값 I₃₃₄= 0에 대해서 풀리고, -1 만큼 곱해진 [N₂]의 최종 값은 시스템으로 누출된 N₂의 양이다.

테스트 결과의 정확도 및 분석에 관해서는 2가지 요인이 있다, 먼저, 기본적으로 고려해야 될 점은, 테스트 결과는 데이타 포인트가 없는 영역에 데이타를 외삽시키는 것에 의존한다는 것이다. 증분 단계들의 크기에 관련되어 있는, 주의를 기울여야 될 가능한 에러 소스는 테스트 경우에 첨가될 상대적 양의 N₂이다. 제3a도에서와 같이, 리액터에 유입된 테스트 가스의 증가분들이 기준량에 비해 작으면, 회귀 타스크는 더 쉬워지지만, I₃₃₄= 0에서의 외삽 절편은 회귀의 계수들에 상당히 의존한다. 제3b도에서와 같이, 주입된 가스의 증가분들이 기준량에 비해 크면, 회귀는 더 부정확하게 된다. 정확도는 증분 단계들이 "누출" 값과 같을 때, 절대치의 약 5 ∼ 10 %로 최대화된다. 예를 들면, 누출 값이 30 sccm N₂이면, 10, 20 및 30 sccm의 첨가는 가장 최상의 정확도를 제공한다. 실제 누출의 경우에 있어서, 전체 누출량을 알 수 없는 경우에, 먼저 임의의 양이 첨가된다. 최종 외삽은 [N₂]의 값을 제공하고, 절차는 주입된 가스를 좀 더 적당한 간격으로 첨가하므로써 재실행된다.

두번째로 고려해야 될 점은, 공기 또는 N₂가 표준 첨가 단계들에 사용되는가 하는 점이다. 최종 값은 "N₂등가" 누출이라는 점에서 고려되어야 한다. 이것은 누출의 소스로서 AIR (78% N₂)와 순수 N₂사이에서 절차가 구별되지 않는다는 사실에 기인한다. 결과가 소정의 N₂누출율의 견지에서 고려되는 한, 이러한 누출율(R)이 순수 N₂로부터의 것인지 또는 R/0.78 비율의 AIR 누출로부터의 것인지가 판단될 수 있다.

예시적인 결과가 제4도에 도시되어 있다. 제4도는 기본 O₂/He 플라즈마(300W RF, 2.0 torr), N₂(또는 AIR) 누출이 추정적으로 내포되어 있는 프로세스 가스, 의도적으로 누출된 가스의 비율 및 종류, 측정된 누출의 비율 및 형태(공지된 누출 가스의 형태와 일치), 회귀의 R² 값, 및 사용된 테스트 가스의 형태의 흐름들을 표작성한 것이다.

제4도의 도표화된 데이타는 절차가 실행될 수 있다는 것을 나타내고, 테스트가스로서는 AIR 또는 N₂가 사용되며, 전형적으로 정확도는 10%보다 양호하다. 제시된 LOD(검출 한계; Limit of Detection)는 2%이지만, 최종 LOD는 아니다.

최종 LOD가 관계되는 한, 기저선 보정(baseline correction)이 고려되어야 한다. 이것은 N₂방출 라인이 광대역 플라즈마 방출 스펙트럼의 상부에 있다는 문제점을 제기한다. 제1도에 도시된 바와 같이, 이것은 [N₂]의 소정 레벨에서, I₃₃₄값들이 I_baseline만큼 증가됨을 의미한다. 따라서, 시스템 내에 소정의 N₂가 전체적으로 없을 때에도, 내부 검량은 "기저선 등가 질소 흐름"을 산출한다. 이러한 절차를 위해 분광계가 광대역 필터 대신에 사용되는 경우에, 에러 소스는 제거될 수 있다. 그 다음에, I₃₃₄측정 이외에도, I_baseline값이 예를 들어, 320 및 340 nm에서 측정될 수 있다. 내부 검량이 (I_baseline- I₃₃₄) 대 첨가된 [N₂]의 값들로 행해지기 때문에, LOD는 매우 감소될 수 있다.

본 발명의 방법은 가스들이 방출 상태로 여기되는 경우에 소정의 플라즈마 리액터[부식시(etcher), 피착, uW, ECR ...) 내에 사용될 수 있다. 다른 비-플라즈마 처리 장치에 있어서, 이 방법은 "인-라인" 테스트 셀을 사용하므로써 구현될 수 있다. 이러한 테스트 셀은 RF 여기 및 스펙트럼 측정 능력을 제공해야 한다. 이러한 절차는 연속 불명 테스팅(continual unattended testing)하도록 완전히 자동화될 수 있다.

제5도는 기본 리액터 시스템 및 방출 검출 시스템을 도시한다. 리액터(10)는다중 포트 가스 매니폴드(manifold;12)에 접속된 가스 라인 입력 포트(11)을 포함한다. 매니폴드(12)는 리액터에 사용된 상이한 가스들을 입력시킬 수 있다. 밸브(13)는 포트(11)를 폐쇄시키는데 사용된다.

제2포트(14)는 리액터를 진공시키는데 사용되는 진공 시스템에 접속된다.

관측(viewing) 윈도우(16)는 리액터(10)의 측면에 있다. 방출 세기 검출기/분광계(17)는 리액터(10) 내의 플라즈마 세기를 관측하고, 테스트 시스템(18)에 세기정보를 제공하는데, 이는 세기 데이타를 이용하여, 리액터 내의 가스 누출을 검출하는데 사용된 회귀 분석을 산출한다.

제1도는 플라즈마를 함유한 니트로겐에 대한 전형적인 스펙트럼 세기 대 파장을 도시한 도면.

제2도는 I₃₃₄와 [N₂]간의 관계의 비선형성을 도시한 도면.

제3a도는 첨가된 니트로겐의 소량의 증가분들에 대한 I₃₃₄대 니트로겐 누출의 회귀 분석을 도시한 도면.

제3b도는 첨가된 니트로겐의 대량의 증가분들에 대한 I₃₃₄대 니트로겐 누출의 회귀 분석을 도시한 도면.

제4도는 누출 테스트 측정치들에 대한 도표화된 데이타.

제5도는 테스트 장치 배치도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 리액터

11 : 가스 라인 입력 포트

12 : 다중 포트 가스 다기관

13, 15 : 밸브

14 : 폐쇄 포트

17 : 방출 세기 검출기/분광계

18 : 테스트 시스템

Claims

플라즈마 리액터 및 상기 리액터 내로 가스를 유입시키는 가스 라인 내의 가스 누출을 테스트하기 위한 방법에 있어서,

플라즈마 반응 광 방출의 세기를 측정하는 단계;

테스트 가스를 상기 리액터 내로 알고 있는 증가분만큼씩 유입시키는 단계;

테스트 가스의 증가분을 상기 리액터 내로 각각 유입시킨 후에 상기 플라즈마 반응 광 방출의 세기를 측정하는 단계;

세기 판독치 대 유입 가스의 증가분의 곡선을 산출하는 단계; 및

상기 곡선에 대한 회귀 분석을 수행하여 세기가 0인 곳에서의 가스의 값을 결정하는 단계 - 상기 가스의 값에 -1을 곱한 값이 상기 리액터로 누출되는 가스량임 -

를 포함하는 가스 누출 테스트 방법.
제1항에 있어서, 상기 리액터 내로 유입되는 상기 테스트 가스는 N₂인 가스 누출 테스트 방법.
제1항에 있어서, 상기 리액터 내로 유입되는 상기 테스트 가스는 공기인 가스 누출 테스트 방법.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 방출 광의 세기는 334 nm 방출선에서 측정되는 가스 누출 테스트 방법.
제1항에 있어서, 상기 세기 판독치들 대 유입된 가스의 증가분들로부터 산출된 곡선은 I₃₃₄= a + b[N₂] + c[N₂]²인 방정식에 의해 표현되는 가스 누출 테스트 방법.
제1항에 있어서,

고정양의 유입 가스 증가분을 이용해 상기 리액터 내로의 누출 가스량을 결정하는 제1 결정 단계;

상기 리액터 내로 누출된 제1 가스량을 결정하는 결정 단계; 및

상기 리액터 내로 누출된 가스의 제1 결정량과 거의 같은 양인 유입된 가스의 증가분들로 테스트를 다시 하는 단계

를 포함하는 가스 누출 테스트 방법.
제1항에 있어서, 상기 알고 있는 테스트 가스의 증가분들은 모두 같은 양의 증가분인 가스 누출 테스트 방법.
플라즈마 리액터 및 상기 리액터로 가스를 유입시키는 가스 라인 내의 가스 누출을 테스트하기 위한 방법에 있어서,

플라즈마 반응 광 방출의 세기를 측정하는 단계;

N₂테스트 가스를 상기 리액터 내로 알고 있는 증가분만큼씩 유입시키는 단계;

테스트 가스의 증가분을 상기 리액터 내로 각각 유입한 후에 상기 플라즈마 반응 광 방출의 세기를 측정하는 단계;

세기 판독치 대 유입 가스의 증가분의 곡선을 산출하는 단계; 및

상기 곡선에 대한 회귀 분석의 수행하여 세기가 0인 곳에서의 가스의 값을 결정하는 단계 - 상기 가스의 값에 -1을 곱한 값이 상기 리액터로 누출되는 가스량임 -

를 포함하는 가스 누출 테스트 방법.
제8항에 있어서, 상기 리액터 내로 유입되는 상기 테스트 가스는 공기인 가스 누출 테스트 방법.
제8항에 있어서, 플라즈마 방출 광의 세기는 334 nm 방출선에서 측정되는 가스 누출 테스트 방법.
제8항에 있어서, 상기 세기 판독치 대 유입 가스의 증가분으로부터 산출된 곡선은 I₃₃₄= a + b[N₂] + c[N₂]²인 방정식에 의해 표현되는 가스 누출 테스트 방법.
제8항에 있어서,

고정양의 유입 가스 증가분을 이용해 상기 리액터 내로의 누출 가스량을 결정하는 제1 결정 단계;

상기 리액터 내로 누출된 제1 가스량을 결정하는 결정 단계; 및

상기 리액터 내로 누출된 가스의 제1 결정량과 거의 같은 양인 유입된 가스의 증가분들로 테스트를 다시 하는 단계

를 포함하는 가스 누출 테스트 방법.
제8항에 있어서, 상기 알고 있는 테스트 가스의 증가분들은 단계화된 증가분들(stepped increments)인 가스 누출 테스트 방법.
플라즈마 리액터들 및 상기 리액터로 가스를 유입시키는 가스 라인들 내의 가스 누출을 플라즈마 방출광을 이용하여 테스트하고 결정하기 위한 장치에 있어서,

플라즈마 리액터;

플라즈마 방출 광의 세기를 측정하기 위한 검출기;

상기 플라즈마 리액터 내로 테스트 가스를 알고 있는 양만큼 주입시키기 위한 수단; 및

일정량의 테스트 가스가 상기 플라즈마 리액터 내로 주입되기 이전 및 주입 될 때마다 측정된 플라즈마 방출광의 세기를 기록하며, 상기 리액터 내의 누출 가스량을 결정하기 위해 회귀 분석을 수행하기 위한 테스트 시스템

을 포함하는 장치.