KR100782370B1 - 지연 전기장을 이용한 이온 에너지 분포 분석기에 근거한이온 분석 시스템 - Google Patents

지연 전기장을 이용한 이온 에너지 분포 분석기에 근거한이온 분석 시스템 Download PDF

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톨마체프 유리
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파쉬코프스키 바실리
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Abstract

본 발명은 반도체 회로 제조 공정에서 다수의 지점에서의 이온 에너지 분포를 측정하는데 적합하다. 본 발명은 이온 에너지 분포 함수 측정을 하기 위해 하나의 시스템에 조합된 적어도 2개의 이온 플럭스 센서를 구비한다. 이 센서는 크기가 50 마이크로미터 미만의 구멍을 갖는 셀을 구비하며, 센서의 전형적인 크기에 의하면, 적어도 2개의 센서를 방사상 또는 방위각 방향으로 동시에 설치하는 것이 가능하게 되므로, 방사상 및 방위각 방향으로 이온 에너지 분포를 측정할 수 있다.

Description

지연 전기장을 이용한 이온 에너지 분포 분석기에 근거한 이온 분석 시스템{Ion Analysis System Based On Analyzers Of Ion Energy Distribution Using Retarded Electric Fields}
도 1a는 기존의 이온 분석기를 예시한다.
도 1b는 기존 기술인 전형적인 ICP 플라즈마 반응기를 예시한다.
도 2는 기존 기술에 따른 이온 스펙트럼을 예시한다.
도 3은 기존 기술인 전형적인 CCP 플라즈마 반응기를 예시한다.
도 4는 본 발명에 사용된 이온 플럭스 센서를 예시한다.
도 5는 본 발명에 사용된 전형적인 작동 가능한 그리드 구조의 스캐닝 전자 현미경 사진을 예시하고 있다.
도 6a는 본 발명에 따라 전형적인 CCP 플라즈마 반응기에 이온 플럭스 센서를 사용한 하나의 실시예를 예시한다.
도 6b는 본 발명에 따라 전형적인 CCP 플라즈마 반응기에 이온 플럭스 센서를 사용한 다른 실시예를 예시한다.
도 7은 본 발명에 따른 이온 플럭스 센서의 변위 배치를 예시한다.
도 8은 본 발명에 따른 반도체 라인 공정 모듈에서 사용하는 이온 분석기를 예시한다.
본 발명의 분야는, 예를 들어, 서브미크론(submicron) 이하의 모양을 에칭하고 반도체 기판을 강력한 이온 비임으로 도핑하는 것과 같은 반도체 회로 제조 공정에서 다수의 지점에서의 이온 에너지 분포를 측정하는 데에 적합한 진단 장치이다. 기판에 충격을 주는 이온의 에너지와 운동량은 박막의 스퍼터링, 에칭 및 증착 비율에 크게 영향을 미친다. 이온 충격 효과에 대한 이해는 표면에 충돌하는 이온 에너지의 분포의 특성을 더 많이 필요로 한다.
제안된 장치는 플래튼(platen)에서 다수의 지점에서의 이온 에너지 분포 함수를 측정하는 것인데, 이 플래튼 상에는 반도체 기판이 설치되고, 이 플래튼은 벌크 플라즈마 또는 전위 또는 가스 유동의 제조 상태에 어떠한 방해나 영향을 미치지 않으며, 즉 전혀 접촉하지 않는다. 본 발명에 따른 이온 분석기는, 크기가 50 마이크로미터 미만의 구멍을 갖는 지연 전위 메시를 사용하므로, 다수의 소형 이온 센서를 사용한다. 전형적인 크기에 의하면, 여러 개의(적어도 2개의) 센서를 방사상으로 또는 방위각 방향으로 동시에 설치하는 것이 가능하게 되므로, 이온 에너지 분포 함수의 방사상 및 방위각 방향으로의 분포가 측정될 수 있다.
기존 기술의 구조는 도 1a에 예시되어 있다. 전형적으로 절연체(106)는 지연 그리드(101, 102)를 포함하며, 부재번호 103은 전류 노드이고, 부재번호 104는 이온 플럭스 콜렉터이고, 부재번호 105는 케이블이고, 부재번호 107은 모든 다른 부 품들이 설치된 분석기 본체이다. 분석기의 유효 직경은 50mm에 가까우며, 이는 다수의 설계에 의해 측정된 것이다.
도 1b는 기존 기술인 전형적인 ICP 플라즈마 반응기를 예시한다.
분석기는 도1b에 개략적으로 예시된 반응기 내에 설치된다. 반응기는 유도적으로 결합된 형태(또는 선택적으로는 축전적으로 결합된 형태)의 플라즈마 공급원(121), 반응 가스를 챔버 내로 운반하는 가스 분사 시스템(122), 반응기 체적부(123), 기판이 설치되고 분석기(125)가 설치되는 페디스털(124)을 구비한다. 페디스털(124)은 매칭 시스템(127)을 통해 바이어스 전원장치(126)에 연결되므로 바이어스된 전압이 반응기의 플라즈마로부터 이온 플럭스를 추출한다. 진공 챔버(128)는 쓰로틀 밸브(130)를 통해 터보 몰레큘러 펌프(129)에 연결된다.
분석기는 제어 및 데이터 취득 시스템(132)과 개인용 컴퓨터(133)에 광섬유(131)로 연결된다. 광섬유를 사용하면 측정 회로로부터 그리드로 인가된 고전압 바이어스 전위 형태의 DC 전압을 제거하는 것을 허용한다.
이온 스펙트럼의 전형적인 예는 4 MHz 및 5 mtorr의 아르곤 플라즈마에서의 다양한 바이어스 전력으로 도 2에 예시되어 있다. 이 도면은 이온 에너지 분포를 측정한 후 바이어스 시스템의 다양한 전력에서 반도체 기판 상에서의 이온 플럭스의 효과를 예측하는 것이 가능하다는 것을 예시하고 있다. 저에너지 성분 대 고에너지 성부의 역할을 추정하는 것이 가능하다. 이것은 상당수의 가속 이온이 반도체 기판의 표면에서 얻어져야만 하는 플라즈마 도핑과 같은 적용을 위해 중요하다.
반도체 생산에서, 반도체 제조의 매개변수에 관련된 보다 국부적이고 보다 정확한 데이터를 얻는 데에 있어 연속적인 요구가 있다.
예를 들어, 반도체 모양 에칭의 유사성을 위해서 이온 종류의 에너지를 제어하고 에너지 분포를 조종하는 것이 필요하다. 그러나, 전형적인 문제점은 다양한 이유로 인한 방사상 에칭의 비균일성 또는 축방향 에칭의 비균일성일 수도 있다.
기판에 충격을 주는 이온의 에너지와 운동량은 표면 형상 발달 뿐만 아니라 박막의 스퍼터링, 에칭 및 증착 비율에 크게 영향을 미친다. 플라즈마와 전극 사이의 시간 평균 전위 차이가 기판에 충돌하는 이온의 에너지를 나타낸다는 것이 종종 추정된다. 따라서, 매개변수적인 연구가 이온 에너지를 표시하기 위한 바람직한 매개변수로 인해 이러한 평균 전위를 사용하여 만들어지는 것은 보통이다. 표면 공정에 대한 이온 충격 효과에 대한 기본적인 이해는 다양한 플라즈마의 상태 하에서 표면에 충돌하는 이온 에너지의 분포의 특성을 더 많이 필요로 한다.
도 3은 에칭에 사용된 CCP 반응기의 전형적인 설계를 예시하고 있다. CCP 에칭 반응기는 매칭 회로(201)를 갖춘 RF 플라즈마 공급원과, 반응 가스가 진공 챔버로 운반되게 하고 플라즈마에 결합된 전위 전극으로서 기능하는 가스 운반 시스템(202)으로 이루어져 있다. 부재번호 203은 바이어스 RF 전력이고, 부재번호 204는 기판이 설치되는 페디스털이고, 부재번호 205는 가스 입구이고, 부재번호 206은 챔버 벽(접지된)이고, 부재번호 207은 챔버 펌프이고, 부재번호 208은 절연체이다.
부재번호 209는 처리된 기판(많은 현대의 제조 공정에서 전형적으로 200 또는 300 mm)이고, 부재번호 210은 가장자리 지점이고, 부재번호 211는 중간 부분 지점이고, CL은 중심선이다. 부재번호 259는 웨이퍼의 외부에 설치되어 기판의 전방 에서 외장의 전위를 동등하게 하는 Si 초점 링이다.
하나의 문제점은 기존 장비의 진단 성능이 에칭 공정에 적용된 좁은 간극, 예를 들어 도 3에서 부품들(202, 204) 사이에서 25-35mm 으로 인해 상당히 한정된다는 것이다. 이러한 경우에 접촉 플라즈마 진단 방법을 사용하는 것은 타당하지 않은데, 왜냐하면 이 방법은 플라즈마를 왜곡시키고 그리고/또는 프로브의 전형적인 모양의 크기가 간극의 길이와 비슷한 6-10mm에 가까운 반응기 간극 내에 아크를 유발하기 때문이다. 그러나, 에칭의 상태를 정확하고도 국부적으로 설명하는 정보를 전해주는 유익한 비접촉 방법이 필요하다. 예를 들어, 분석기의 샘플링 시스템은 가장자리에 근접한 지점(210) 또는 2개의 지점(210, 211)에 설치될 수 없기 때문에 대략 50mm의 외경을 갖는다. 이것은 이러한 측정 방법을 공정 분석에 덜 유익하게 한다.
그러나, 소형임에도 불구하고, 하나 이상의 지점에서의 이온 분포를 측정하는 것이 불가능하므로 이러한 방법의 적용성이 제한된다. 이것은 이러한 측정 투울(measurement tool)의 효율성을 제한한다.
다른 하나의 문제점은 최신의 CCP 플라즈마 에칭이 2개의 독립적인 무선 주파수 에너지 공급원으로부터 전력이 공급되는 구획된 전극, 예를 들어 중심 및 가장자리의 전극을 가지므로, 반응기의 중심 및 가장자리 부분으로부터 나오는 이온 플럭스를 분석함으로써 플라즈마를 독립적으로 조정하는 것이 필요하게 된다.
본 발명의 목적은 기판이 설치되거나 현존하는 기판 부근의 위치에서 여러 지점에서의 에칭 및 도핑을 위해 반도체 제조에 사용되는 산업용 플라즈마 반응기 내에서의 이온 에너지 분포 스펙트럼을 측정하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 하나의 목적은 여러 개의 유사한 이온 플럭스 센서를 사용하여 방사상 및/또는 방위각 방향의 이온 에너지 분포 함수를 측정하는 것이다. 이것은 구획된 전극이 사용될 때 다수의 전력 및 다수의 주파수를 사용하는 효과를 이해하기 위한 다른 수단이 없으므로 중요하게 된다. 분석기는 이온 플럭스의 에너지 매개변수에 대한 이해가 필요한 반응적인 이온 에칭 및 플라즈마 도핑 기술에 대하여 제안된다. 이것은 수많은 지점에서의 이온 에너지 분포 함수의 지식이 필수적인 다른 기술에 적용될 수도 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 회로 또는 그 일부를 제조하기 위한 제조 공정을 위해 제공되는 반응 챔버; 및 상기 반응 챔버 안에 마련되어 이온 에너지 분포를 측정하는 이온 분석기를 포함하며; 여기서 상기 이온 분석기는 상기 반응 챔버 내 복수 지점에 위치하여 상기 반응 챔버 내에서 발생된 이온 플럭스를 내부로 유도하고 그 유도된 이온 플럭스에 의한 이온 에너지 분포를 실시간 측정하는 복수 이온 플럭스 센서를 포함한다.
상기 이온 플럭스 센서를 설치하기 위한 페디스털을 더 포함하되, 상기 페디스털의 내부에 상기 이온 플럭스 센서를 설치한다.
상기 이온 플럭스 센서는 상기 이온 플럭스를 센서 내부로 유도하기 위한 입구와 복수의 전극을 구비하며, 상기 입구가 폐쇄되거나 가려지지 않도록 상기 입구 에 적어도 하나의 구멍을 형성한다.
상기 구멍은 상기 페디스털의 상부 표면과 동일 높이에 위치한다.
상기 구멍의 크기는 전위의 변화를 방해하지 않도록 하기 위하여 디바이 길이에 근접하여 설정한다.
상기 복수의 전극은 상기 구멍에 근접한 위치에 상부 그리드와 하부 그리드를 배치하고, 상기 그리드의 표면에 복수의 셀을 형성하고 있으며, 상기 셀의 크기는 상기 디바이의 길이보다 작게 설정한다.
상기 셀의 크기는 50마이크로미터 이하이며, 상기 셀의 유형은 전형적인 그리드 셀 또는 메시 셀을 갖는다.
상기 센서에 의해 측정되는 이온 에너지 스펙트럼이 방사상 방향으로 측정되도록 적어도 2개의 이온 플럭스 센서를 방사상 방향으로 설치한다.
상기 센서에 의해 측정되는 이온 에너지 스펙트럼이 방위각 방향으로 측정되도록 적어도 2개의 이온 플럭스 센서를 방위각 방향으로 설치한다.
상기 이온 플럭스 센서에 무선주파수 바이어스된(RF-biased) 전압이 인가되며, 이 전압은 상기 반도체 제조 공정에서 사용된다.
상기 페디스털의 상부 표면은 실리콘으로 만든다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 회로 또는 그 일부를 제조하기 위한 플라즈마 반응기; 상기 반응기의 반응 챔버 안에 마련되어 이온 에너지 분포를 측정하며, 상기 반응 챔버 내 복수 지점에서 상기 반응 챔버 내에서 발생된 이온 플럭스에 의한 이온 에너지 분포를 실시간 측정하는 복수 이온 플럭스 센서를 포함하는 이온 분석기; 상기 이온 분석기에 의해 측정된 이온 에너지 분포에 대한 정보를 전달받아 디지털 신호로 변환하는 제어기; 상기 제어기로부터 디지털 신호로 변환된 측정 데이터를 실시간으로 분석할 수 있는 소프트웨어를 구비하고 분석 결과에 따라 에러 또는 경보 메시지를 출력하는 컴퓨터; 및 상기 컴퓨터로부터 상기 에러 또는 경보 메시지를 전달받아 상기 플라즈마 반응기를 제어하는 반응기 제어기를 포함한다.
상기 이온 플럭스 센서는 베이스와 벽으로 이루어진 원통체이고, 그 내부에 적어도 2개의 그리드, 하나의 이온 콜렉터를 포함하고, 상기 그리드 및 이온 콜렉터는 전도성이며 노드에 설치되며, 상기 노드는 지연 전압과 진단 케이블이 연결되는 소켓에 장착된다.
상기 이온 플럭스 센서가 설치되는 페디스털을 더 포함하고, 상기 센서와 페디스털이 상기 플라즈만 반응기의 내부에 설치된다.
상기 페디스털의 중심에 대하여 방위각 방향으로 상기 이온 플럭스 센서를 적어도 2개 설치한다.
상기 페디스털의 중심에 대하여 방사상 방향으로 상기 이온 플럭스 센서를 적어도 2개 설치한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 따라 설명한다.
본 발명에 따른 이온 분석기는 이온 에너지 분포 함수 측정을 하기 위해 하나의 시스템에 조합된 여러 개의, 적어도 2개의 이온 플럭스 센서로 이루어져 있다. 각각 전형적이고 성공적인 분석기의 핵심 부품은 도 4에 도시된 이온 플럭스 센서이다. 본 발명은 이온 플럭스 센서에 대한 상세한 설계를 개시하지 않는다. 당해 기술분야에서의 통상의 기술자라면 어디에서든 수집 가능한 수많은 간행물에서 분석기의 설계를 충분히 상세하게 찾을 수 있다.
그러나, 본 발명을 위해 특별하게 만들어지고 본 발명의 내용을 이해하기 위해 언급되어야만 하는 이온 플럭스 센서의 몇몇 핵심 부분이 있다.
이온 플럭스 센서는 2개의 부분인 베이스(221)와 벽(226)으로 이루어진 원통체를 갖는다. 이 원통체의 베이스 내에는 구멍(222)이 있다. 지연 전위가 인가되는 여러 개의 그리드(223, 225)가 또한 있다. 그리드의 개수는 설계 과정에서 변동될 수도 있다. 도면에 도시된 연속적인 버전들 중의 하나에서 그리드는 적어도 2개이다. 이온의 전류가 그리드를 통과한 후에 운반되는 이온 콜렉터(224)가 또한 있다.
모든 그리드와 콜렉터는 전도성이며 노드(228, 229, 230) 상에 설치되는데, 이 노드는 지연 전압과 진단 케이블이 연결되는 소켓(227) 상에 장착된다.
그리드(223, 225)의 캡션(caption) 또는 이온 플럭스 센서의 원통체 내부에 설치된 다른 그리드 구조는 그 셀들이 그 모양들 사이에 최소 거리, 즉 50 마이크로미터 이하의 거리를 갖도록 만들어질 수 있다. 50 마이크로미터의 값은 직경이 통상적으로 0.5-1mm 인 구멍(222)보다 훨씬 더 작은 그리드 모양을 만들기 위해 선택되었다. 이 경우에, 이온 플럭스 입구의 전방에는 10-20 개의 셀이 있을 수도 있다.
이온 플럭스 센서에 대한 다른 상세한 설명은 본 발명에 의해 개시되지 않는다.
도 5는 그리드의 설계에 사용된 성공적인 예들 중의 하나의 그리드의 스캐닝 전자 현미경 사진을 예시하고 있다.
도 6a는 샘플링 오리피스가 설치된 이온 플럭스 센서의 상부 면(311)이 초점 링(259)과 동일한 높이로 설치되되 초점 링 상의 플라즈마를 방해하지 않게 설치되도록 하기 위해 이온 플럭스 센서의 본체(310) 또는 다른 센서들이 페디스털(204)의 내부에 설치된 성공적인 실시예의 일예를 예시하고 있다.
도 6b는 예를 들어 실리콘으로 만들어진 페디스털(209)의 표면을 모방한 전도성 재료로 만들어진 상부 플레이트(315)를 갖는 특별히 만들어진 페디스털(320)의 내부에서 반응기의 방사상 단면 내에 2개의 센서(331, 332)가 설치된 성공적인 실시예의 일예를 예시하고 있다. 특별하게 만들어진 페디스털(320)은 정전척과 제조 기술에서 산업용 정전척을 위해 만들어진 것으로서 유전체 층이 상부 플레이트(315)로부터 척을 분리할 수도 있는 구조의 다른 부품을 포함할 수도 있다. 페디스털(320)은 그 안에 설치된 진단 투울 및 모든 이온 플럭스 센서(331, 332와 같은)가 플레이트(315)와 동일한 높이에 그 샘플링 구멍을 가지되 플레이트(315) 상의 전기장의 분포를 방해하지 않도록 가지면서 사용된다.
이온 플럭스 센서의 변위에 대한 다른 하나의 예는 방사상으로 위치된 이온 플럭스 센서(342의 그룹) 및 축선방향으로 위치된 이온 플럭스 센서(341의 그룹)가 설치된 상부 플레이트(315)를 평면도로서 예시하는 도 7에 예시되어 있다. 이들 경우에 각을 이룬 이온 에너지 분포 함수(angular ion energy distribution function) 및/또는 방사상 이온 에너지 분포 함수(radial ion energy distribution function)를 측정하는 것이 가능하다.
전극 위에서의 전기장의 시공적인 변화가 전극에 충돌하는 이온의 에너지 분포를 결정하기 때문에, 구멍의 존재가 전위의 변화를 방해하지 않게 보장하는 것이 중요하다. 이러한 방해는 샘플링 오리피스와 같이 작은 구멍에 의해 회피될 수 있다. 그러나, 너무 작은 구멍을 선택하면 이온 전류를 제한하므로 신호대잡음비를 떨어뜨린다. 그리드 구멍의 크기는 디바이(Debye) 길이에 근접하여야만 한다. 이 경우에 그리드의 앞에서 전기장으로 인한 왜곡이 최소화된다.
Te=1~5 eV 이고 ne = 5×1016m-3 인 축전적으로 결합된 플라즈마 반응기(CCP)의 전형적인 매개변수에 대한 디바이 길이는 30-70 마이크로미터인 것으로 예상될 수 있다. 여기서 디바이 길이는 식
Figure 112006056096321-pat00001
으로 정의될 수 있다. 분석기의 그리드(223, 225)는 셀이 예를 들어 70 마이크로미터 이하로 되도록 크기가 감소될 수 있다. 도 5는 그리드 셀의 크기가 50 마이크로미터인 육각형 예를 갖는 그리드 셀의 하나의 성공적인 예를 예시하고 있다. 이러한 경우에, 그리드 셀의 크기는 디바이 길이보다 작으며, 플라즈마가 분석기 구조 내로 누설될 가능성이 감소된다.
이온 플럭스 센서(226)의 원통체의 직경은 본 발명의 하나의 버전에 따르면 25 mm 이하이어야 하며, 이온 플럭스 센서는 플라즈마 에칭 반응기의 초점 링(259) 아래의 페디스털 내부에 설치되어야 하는데, 반응기 내부에서 플라즈마와 가스 유동을 방해하지 않고 반응기 설계의 다른 부품에 악영향을 미치지 않도록 설치되어 야 한다. 이러한 경우에 처리된 기판이 그 위치에 설치될 때의 이온 플럭스를 측정하는 것이 가능하다는 것이 중요하다.
25 mm 의 값은 200-300 mm 웨이퍼를 에칭하는 데에 사용된 산업용 반응기의 초점 링이 통상적으로 15-30 mm 폭일 때에 결정된다.
그리드 제조 기술의 다른 예는 어디에서나 찾을 수 있다.
본 발명의 구조는 반도체 제조 라인에 사용될 때의 본 발명의 양태를 예시하는 도 8에 더욱 상세하게 도시되어 있다.
실행 가능한 레이아웃들 중 하나에서, 클러스터 투울(601)은 이온 플럭스(604)가 반도체 회로들 또는 이들 중 일부를 가공 처리하는 바람직한 효과를 유발하기 위해 사용되는 여러 개의 공정 챔버(602, 603)를 포함할 수도 있다. 이온 분석기(605, 606)는 그에 의해 측정된 이온 에너지 분포 함수가 반도체 기판(607)을 가공 처리하는 이온에 대한 것과 동일하게 되도록 기판의 부근에 설치될 수 있다. 일반적으로 수용된 데이터 프로토콜 중 하나에 따라 아날로그 신호를 전환하고 이것을 디지털 신호로 전환하는 이온 분석기 제어기(608)가 있다. 이 디지털 데이터(609)는 본 발명에 의해 개시되지 않은 데이터 수집 시스템, 그 수집된 데이터를 저장하기 위한 공간 및 특별한 소프트웨어(611)를 갖는 개인용 컴퓨터(610)에 의해 수집된다.
개인용 컴퓨터는 실시간으로 얻어진 데이터를 분석하여 이를 견본 또는 설정된 데이터와 비교할 수 있는데, 물리적으로 제어 프로그램(예를 들어, 하지만 이에 한정되지 않음)에서 결정된 특별한 경우에 여러 개의 공정 모듈과 로딩, 언로딩, 펌핑 및 다른 부가적인 장비의 클러스터를 제어하도록 의도된 다른 하나의 컴퓨터인 클러스터 투울 제어기(614)에 에러 또는 경보 메시지(612)를 발생시킬 수 있게 하도록 비교할 수 있다.
클러스터 투울 제어기는 차례가 되면 작동 상태를 실시간으로 수정하기 위해 제어 신호(613)를 공정 모듈에 발생한다.
RF-바이어스된 기판에 충돌하는 이온의 에너지 분포를 측정하기 위해 사용된 이온 에너지 분석기는 몇몇 중대한 요구를 수용하도록 설계되었다.
먼저, 분석기는 챔버에 심각한 변경을 만들지 않으면서 축전적으로 결합된 산업용 플라즈마 반응기의 정전척으로 설계되어 제작되어야만 했다.
두번째, 공간적인 제약이 분석기를 차동적으로 펌핑하는 가능성을 제거하였기 때문에, 분석기로 유입되는 이온의 평균 자유 경로는 분석기 내에서의 충돌을 제거하기 위해 샘플링 오리피스로부터 검출기까지의 거리보다 더 커야만 한다.
세번째, 샘플링 오리피스는 이온 전류를 최대화하기 위해 적당한 샘플링 영역을 유지하면서 이 오리피스 부근의 플라즈마에서 전위계의 방해를 최소화하도록 설계되어야만 한다.
마지막으로, 분석기가 RF-바이어스된 전극과 접촉하게 되므로, 분석기는 떠 있어야만 하며 일렉트로닉스는 수백 볼트의 RF 바이어스에 첨가된 작은 전위를 검출할 수 있도록 설계되어야만 한다. 일렉트로닉스 및 측정 회로의 설계는 본 발명에 의해 개시되어 있지 않다. 이온 에너지 분포 함수를 측정하는 상세한 과정은 수많은 피어-리뷰드(peer-reviewed) 과학 저널의 간행물에서 만들어질 수 있다.
실행 가능한 분석기들 중 하나는 2개의 그리드(223, 225)와 하나의 콜렉터 플레이트(224)로 이루어져 있다. 상부 그리드 플레이트(225)는 전극과 동일한 전위에 있으며 정전척의 표면에 충격을 주는 이온을 샘플링하기 위한 일련의 구멍을 제공한다. 하부 그리드(223)는 상부 그리드에 대하여 예를 들어 100-500 V 의 음전위에서 바이어스되며 콜렉터 플레이트로부터 떨어지는 전자를 물리치기 위해 사용된다. 샘플링 그리드, 전자 거부 그리드, 및 콜렉터 플레이트는 전기적인 접촉을 가지지 않으므로 서로로부터 진공 간극으로 전자적으로 절연되어 있다. 이들은 유전체(세라믹) 플레이트 상에 장착된 노드에 연결되는데, 노드들의 사이에는 그들의 전기적인 접촉을 방지하기 위해 충분한 공간이 제공되도록 한다. 작동 압력은 5-30 mTorr 의 범위이며, 이것은 2~12 mm 범위인 이온의 평균 자유 경로에 상응한다. 그래서, 샘플링 그리드와 콜렉터 플레이트 사이의 거리는 반응기의 전형적인 작동 압력에서의 이온의 평균 자유 경로보다 더 작다. 플레이트(224)는 이온 콜렉터와 이온 에너지 판별기로서 모두 기능하는 전자 지연 그리드의 아래에 위치된다. 이온 에너지 분포 함수(IEDF)은 전극 전위에 대하여 콜렉터 플레이트(224)에 인가된 전위를 램핑(ramping)하고 이렇게 인가된 전위의 함수로서 동일한 플레이트에 의해 수집된 전류를 측정함으로써 결정되는데, IEDF는 이러한 방식으로 측정된 전류 전압 특성의 도함수에 비례한다.
그리드 및 콜렉터 플레이트에의 전기 연결부(228, 229, 230)는 접촉부, 예를 들어, 하지만 이에 한정되지 않는 것으로서, 금 도금된 스프링 접촉부에 특별한 주의를 하면서 소켓(227)를 통하게 된다. 구멍(222)은 분석기로 유입되는 가스에 대 하여 출구를 제공한다. 그리드의 크기 및 분석기의 벽과 그리드 사이의 간격은 전도성을 최대화하고 분석기 하우징과 플라즈마 챔버 사이의 압력 차이를 최소화하도록 설계된다. 도 4에 도시된 분석기는 산업용 플라즈마 반응기의 페디스털의 중앙으로 또는 페디스털의 가장자리에 삽입될 수도 있다.
더욱이, 도 4에서 도시된 것과 유사한 것으로서 여러 개의 동일한 이온 플럭스 센서는 페디스털 내로 삽입될 수 있다.
도 6은 이러한 이온 플럭스 센서의 변위에 대한 다양한 레이아웃을 예시하고 있다. 도 6a는 이온 플럭스 센서(310)가 기판 쪽으로 향하는 이온 플럭스의 이온 에너지 스펙트럼을 측정할 때의 상태를 예시하고 있다.
일렉트로닉스는 그리드를 바이어스하고, 콜렉터 전위를 램핑하고, 전류 및 전압을 측정하기 위해 필요하다. 이 일렉트로닉스는 단일 스택의 회로기판 내로 합체될 수 있다. 합체된 일렉트로닉스의 스택은 금속 상자 내에 둘러싸여져서 페디스털 바로 아래의 분석기 캡슐의 바닥에 부착될 수 있다. 금속 상자와 일렉트로닉스는 접지에 대하여 떠 있으며, RF-바이어스된 전극은 실제 접지와 같이 사용된다.
그래서, 금속 상자의 전위는 기판 전극과 동시에 변화하며, 모든 DC 전위는 이 전위에 대하여 인가된다. 일렉트로닉스를 작동시키는 전력은 절연되고, 변압기를 통해 증폭되고, 여과되고, 출력 DC 전압으로 정류되어야 한다.
일렉트로닉스는 전자 거부 그리드 및 콜렉터 플레이트에서 전위와 전류를 제어하고 모니터링할 필요가 또한 있다. 변압기는 전자 거부 그리드와 콜렉터/판별기 플레이트에 대하여 예를 들어 200-3000 V의 전압을 제공한다. 분석기의 제어 및 데 이터 수집은 합체된 일렉트로닉스 스택 내에서 통신 보드를 통해 이루어진다. 부가적인 외부 보드는 일렉트로닉스 스택 내의 통신 보드를, 예를 들어 데이터를 수집하기 위해 랩-뷰(Lab-View) 데이터 수집 및 제어 프로그램을 사용할 수 있는 개인용 컴퓨터에 설치된 데이터 수집 카드에 인터페이스로 접속시킨다. 외부의 통신 보드와 분석기의 내부의 통신 보드는 발광 다이오드에 의해 전달되고 고체 상태 광학 센서에 의해 검출된 구형파 주파수에 의해 구동하거나 구동되는 일련의 전압 대 주파수 및 주파수 대 전압 변환기를 포함한다.
광섬유 케이블은 분석기와 외부 보드 사이에서의 통신을 위해 사용되는데, 이것은 떠 있는 분석기와 접지된 장비 사이에 어떠한 전기적인 접속 없이 제어와 데이터 수집을 가능하게 한다. 전자 회로에 대한 상세한 설계는 본 발명에 의해 개시되지 않는다.
당해 기술분야에서 통상의 기술자라면 일반적으로 구입 가능한 피어-리뷰드 과학 저널의 수많은 간행물로부터 이온 플럭스 분석기를 제어하고 작동시키는 성공적인 전자 회로를 만드는 방법에 대한 정보를 찾을 수 있다.
반도체 라인에서의 본 발명의 작동에 관한 다른 하나의 양태는 도 8에 개시되어 있으며, 여기에서, 이온 분석기(605, 606)로부터의 신호가 제어기(608)로 전송된 후, 디지털 신호(609)가, 실시간의 데이터 수집 및 분석을 위해 모든 관련 소프트웨어를 갖는 컴퓨터화된 데이터 수집 시스템(611)으로 전송될 수 있다.
이 시스템은 클러스터 투울 제어기(614)에 에러 또는 경보 메시지(612)를 발생시키는데, 이 메시지가 작업자에 의해 판독되어 반응되도록 하거나 제어 신 호(613)로서 실시간으로 상응하는 공정 모듈(602)에 자동적으로 전달되게 하여 제조 공정을 실시간으로 수정하게 한다.
본 발명의 효과는 다수의 지점의 기판 표면에서 이온 에너지 분포 함수를 측정한다는 것이다.
본 발명은 반도체 제조 공정을 왜곡시키는 측정 기술을 허용하지 않는다.
본 발명의 다른 하나의 효과는 이온 분석기가 반도체 라인의 제어 시스템에 합체되고 측정된 스펙트럼이 데이터 수집 시스템에서 분석되는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 효과는 공정 상태에 대한 에러 및 경보 메시지가 클러스터 투울 제어기 인터페이스에 전달되어 반응기를 제어하는 소프트웨어 또는 작업자에 의해 처리되는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 효과는 이온 플럭스가 제조의 특성에 영향을 미치는 것을 이해하게 되었다는 것이다. 기판에 충격을 주는 이온의 에너지와 운동량은 박막에 대한 스퍼터링, 에칭 및 증착 비율에 크게 영향을 미친다. 이온 충격 효과에 대한 이해는 표면에 충돌하는 이온 에너지의 분포의 특성을 더 많이 필요로 한다.
본 발명의 다른 하나의 양태에서 이온 분석기는 기판의 외부에 설치될 수 있고 기판 가장자리에 근접한 영역에서 이온 에너지 분포를 측정할 수 있다. 이러한 경우에 실제 공정에 대하여 이온 에너지 분포를 모니터링하고 다양한 상태에 대하여 이온 에너지 분포를 제어하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 하나의 효과는 제안된 에너지 분석기가 플라즈마 도핑 기술 에 사용될 때 얻을 수 있다. 분석기가 플라즈마 도핑 시스템에 사용되는 방식은 에칭과 유사하다. 몇몇 분석기의 이온 플럭스 센서는 분석기가 여러 채널을 사용하도록 하기 위해 여러 개의 상이한 위치에 설치된다. 도핑되는 기판에 대한 플라즈마 도핑 시스템에 대하여 동일한 에너지 분포 함수를 실시간으로 제어하는 것은 도핑 공정에서 중요한 특성이므로 중요하다.

Claims (16)

  1. 반도체 회로 또는 그 일부를 제조하기 위한 제조 공정을 위해 제공되는 반응 챔버; 및
    상기 반응 챔버 안에 마련되어 이온 에너지 분포를 측정하는 이온 분석기를 포함하며;
    여기서 상기 이온 분석기는 상기 반응 챔버 내 복수 지점에 위치하여 상기 반응 챔버 내에서 발생된 이온 플럭스를 내부로 유도하고 그 유도된 이온 플럭스에 의한 이온 에너지 분포를 실시간 측정하는 복수 이온 플럭스 센서를 포함하는 이온 분석 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온 플럭스 센서를 설치하기 위한 페디스털을 더 포함하되, 상기 페디스털의 내부에 상기 이온 플럭스 센서를 설치하는 이온 분석 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이온 플럭스 센서는 상기 이온 플럭스를 센서 내부로 유도하기 위한 입구와 복수의 전극을 구비하며, 상기 입구가 폐쇄되거나 가려지지 않도록 상기 입구에 적어도 하나의 구멍을 형성하는 이온 분석 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구멍은 상기 페디스털의 상부 표면과 동일 높이에 위치하는 이온 분석 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 구멍의 크기는 전위의 변화를 방해하지 않도록 하기 위하여 디바이 길이에 근접하여 설정하는 이온 분석 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 전극은 상기 구멍에 근접한 위치에 상부 그리드와 하부 그리드를 배치하고, 상기 그리드의 표면에 복수의 셀을 형성하고 있으며, 상기 셀의 크기는 상기 디바이의 길이보다 작게 설정하는 이온 분석 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셀의 크기는 50마이크로미터 이하이며, 상기 셀의 유형은 전형적인 그리드 셀 또는 메시 셀을 갖는 이온 분석 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서에 의해 측정되는 이온 에너지 스펙트럼이 방사상 방향으로 측정되도록 적어도 2개의 이온 플럭스 센서를 방사상 방향으로 설치하는 이온 분석 시스 템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서에 의해 측정되는 이온 에너지 스펙트럼이 방위각 방향으로 측정되도록 적어도 2개의 이온 플럭스 센서를 방위각 방향으로 설치하는 이온 분석 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이온 플럭스 센서에 무선주파수 바이어스된(RF-biased) 전압이 인가되며, 이 전압은 상기 반도체 제조 공정에서 사용되는 이온 분석 시스템.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 페디스털의 상부 표면은 실리콘으로 만드는 이온 분석 시스템.
  12. 반도체 회로 또는 그 일부를 제조하기 위한 플라즈마 반응기;
    상기 반응기의 반응 챔버 안에 마련되어 이온 에너지 분포를 측정하며, 상기 반응 챔버 내 복수 지점에서 상기 반응 챔버 내에서 발생된 이온 플럭스에 의한 이온 에너지 분포를 실시간 측정하는 복수 이온 플럭스 센서를 포함하는 이온 분석기;
    상기 이온 분석기에 의해 측정된 이온 에너지 분포에 대한 정보를 전달받아 디지털 신호로 변환하는 제어기;
    상기 제어기로부터 디지털 신호로 변환된 측정 데이터를 실시간으로 분석할 수 있는 소프트웨어를 구비하고 분석 결과에 따라 에러 또는 경보 메시지를 출력하는 컴퓨터; 및
    상기 컴퓨터로부터 상기 에러 또는 경보 메시지를 전달받아 상기 플라즈마 반응기를 제어하는 반응기 제어기를 포함하는 이온 분석 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 이온 플럭스 센서는 베이스와 벽으로 이루어진 원통체이고, 그 내부에 적어도 2개의 그리드, 하나의 이온 콜렉터를 포함하고, 상기 그리드 및 이온 콜렉터는 전도성이며 노드에 설치되며, 상기 노드는 지연 전압과 진단 케이블이 연결되는 소켓에 장착되는 이온 분석 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이온 플럭스 센서가 설치되는 페디스털을 더 포함하고, 상기 센서와 페디스털이 상기 플라즈만 반응기의 내부에 설치되는 이온 분석 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 페디스털의 중심에 대하여 방위각 방향으로 상기 이온 플럭스 센서를 적어도 2개 설치하는 이온 분석 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 페디스털의 중심에 대하여 방사상 방향으로 상기 이온 플럭스 센서를 적어도 2개 설치하는 이온 분석 시스템.
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