KR100816736B1 - 셀프 플라즈마 챔버와 결합하여 플라즈마 공정장치에서공정진행상태를 실시간으로 모니터하고 이상 여부를검출하는 플라즈마 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

셀프 플라즈마 챔버와 결합하여 플라즈마 공정장치에서공정진행상태를 실시간으로 모니터하고 이상 여부를검출하는 플라즈마 모니터링 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 공정 챔버와 별도로 셀프 플라즈마 챔버를 마련하고 이에 고주파 프로브를 설치한 플라즈마 모니터링 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 플라즈마 공정 챔버의 이상 여부를 검출하는 플라즈마 모니터링 장치는, 상기 공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결되어 상기 공정 챔버내의 가스를 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 공간을 형성하는 셀프 플라즈마 챔버; 상기 셀프 플라즈마 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부; 및 상기 고주파 전원을 발생시키는 전압과 전류를 측정하는 고주파 프로브를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해 플라즈마 공정의 이상유무를 보다 정확하게 검출할 수 있다.

Description

셀프 플라즈마 챔버와 결합하여 플라즈마 공정장치에서 공정진행상태를 실시간으로 모니터하고 이상 여부를 검출하는 플라즈마 모니터링 장치 및 방법 {Plasma monitoring apparatus for detecting fault in a plasma process chamber incorporated with self plasma chamber}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라, 플라즈마 공정 챔버와 별도로 마련된 셀프 플라즈마 챔버에 설치된 복합 센서의 구성도,
도 2는 셀프 플라즈마 챔버의 오염도를 모니터링하기 위한 센서가 셀프 플라즈마 챔버에 설치되어 있는 것을 설명하기 위한 참조도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 센서를 사용하여 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 방법의 흐름도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 센서를 사용하여 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 방법의 흐름도,
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 복합 센서를 사용하여 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라, 셀프 플라즈마 챔버에 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부에 고주파 프로브를 연결하여 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 방법의 흐름도이다.
본 발명은 플라즈마 모니터링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 공정 챔버와 별도로 셀프 플라즈마 챔버를 마련하고 이에 고주파 프로브를 설치한 플라즈마 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 또는 액정기판 등을 포함한 각종 표시장치의 기판은, 기판상에 박막을 형성하고 부분적으로 그 박막을 식각하는 등의 기판처리공정을 반복 수행함으로써 제조된다. 박막을 형성하는 공정은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 방법 또는 플라즈마-강화 화학기상증착(Plasma Enhancement CVD, PECVD) 방법을 이용하여 수행되고 있다. 이외에도 반도체 공정에서 사용되는 증착기술로는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 등이 있다.
이러한 증착 공정에서 사용되는 플라즈마 장치는 통상 반응공간을 형성하는 공정 챔버(process chamber), 공정 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드, 기판이 안착되는 하부전극, 샤워 헤드에 전원을 공급하기 위한 전원장치, 공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 진공펌브와 배기관 등을 포함한다.
이러한 반도체 공정에서 수율(yield)을 향상시키기 위해서는 공정중에 발생하는 사고를 미리 방지하고 장비의 오동작 등을 사전에 방지하기 위해 공정의 상태를 실시간으로 모니터링하여 이상 상태 발생시 공정(process)을 중단시키는 등의 조치를 취하여 불량율을 낮춤으로써 공정을 최적화하는 것이 필요하다.
종래에는 플라즈마 공정의 상태를 모니터링하는 센서를 플라즈마 공정 챔버의 모니터링 윈도우에 직접 창작하거나, 공정 챔버와는 별도로 마련된 독립적인 셀프 플라즈마 챔버에 윈도우에 장착하여 플라즈마 공정의 상태를 모니터링하였다. 셀프 플라즈마 챔버를 사용하는 경우 공정챔버와 마찬가지로 공정에 사용되는 물질들에 의해 셀프 플라즈마 챔버도 오염될 수 있으며, 공정의 진행에 따른 압력 변화가 생길 수 있는데, 이에 따라 실제 정상 상태인 때에도 이상 상태인 것으로 판단하게 될 수 있다. 종래에는 이러한 오염이나 압력 변화를 보정하지 않고 그대로 판단하였다.
한편, 종래에도 플라즈마 공정 챔버와 셀프 플라즈마 챔버의 상태를 모니터링 하기 위한 여러가지 센서가 독립적으로 존재하였으나, 플라즈마 공정 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 에너지를 공급하는 고주파 발생부에 설치되어 그 고주파 전원을 측정하는 고주파 프로브는 공정 챔버에만 존재하였고, 셀프 플라즈마 챔버에 여러가지 센서를 구비하여 공정과정이나 공정장비에 영향을 주지 않으면서 공정을 모니터링 할 수 있는 셀프 플라즈마 챔버의 상태만을 독립적으로 모니터링하는 복합 센서는 존재하지 않았다. 또한, 셀프 플라즈마 챔버에 공급되는 고주파 전원을 측정하는 고주파 프로브도 존재하지 않았다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 셀프 플라즈마 챔버에 고주파 프로브를 설치하여 플라즈마 공정의 이상 여부를 판단하고 장비의 오동작 등을 검사하는 플라즈마 모니터링 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제는 본 발명에 따라, 플라즈마 공정 챔버의 이상 여부를 검출하는 플라즈마 모니터링 장치에 있어서, 상기 공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결되어 상기 공정 챔버내의 가스를 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 공간을 형성하는 셀프 플라즈마 챔버; 상기 셀프 플라즈마 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부; 및 상기 고주파 전원을 발생시키는 전압과 전류를 측정하는 고주파 프로브를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 장치에 의해서 달성된다.
상기 고주파 프로브는, 상기 셀프 플라즈마 챔버에 공급되는 고주파 전압의 RMS(Root Mean Square) 값, 전류의 RMS 값, 전압과 전류의 위상 관계 또는 주파수를 측정하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 기술적 과제는 플라즈마 공정 챔버의 이상 여부를 검출하는 플라즈마 모니터링 방법에 있어서, 상기 공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결된 인입관을 통해 상기 공정 챔버내의 가스를 별도의 셀프 플라즈마 챔버 내로 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 단계; 상기 셀프 플라즈마 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 측정하는 단계; 및 상기 고주파 전원의 상태를 기초로 상기 플라즈마 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 방법에 의해서도 달성된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설 명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라, 플라즈마 공정 챔버와 별도로 마련된 셀프 플라즈마 챔버에 설치된 복합 센서의 구성도이다.
공정 챔버(10)는 기판 처리가 이루어지는 반응공간을 형성하며 반응공간을 진공으로 유지함과 동시에 일정한 압력과 온도로 유지시켜주는 기능을 수행한다. 공정 챔버(10)의 일측에는 배기관(40)과 이에 연결된 진공펌프(30)를 더 포함한다.
셀프 플라즈마 챔버(20)는 배기관(40)의 일측에 인입관(50)을 통해 연결되어 있으며, 배기관(40)을 경유하는 가스 성분을 인입하여 플라즈마 상태로 만드는 공간을 형성한다. 인입관(50)의 위치와 길이 및 직경은 플라즈마 공정에 영향을 주지 않을 정도에서 최적의 조건을 실험을 통해서 결정한다. 이렇게 정해진 인입관의 설치 조건에 따라 인입관을 설치하여 배기관(40)의 가스 성분과 인입관(50)을 통해 인입되는 가스 성분이 실질적으로 동일하게 되도록 한다.
고주파 발생부(150)는 셀프 플라즈마 챔버(20)내의 가스를 플라즈마 상태로 만들기 위한 고주파 전원을 생성하여 공급한다. 그리고 공급되는 고주파 전원의 상태를 측정하기 위해 고주파 발생부(150)의 일단에 고주파 프로브(RF probe)(110)가 설치되어 있다. 즉 고주파 프로브(110)는 챔버(20)에 공급되는 고주파(RF)의 전압, 전류의 상태를 모니터하여 챔버(20) 내부의 상태를 실시간으로 모니터링한다. 고주파 프로브(110)는 V-I 프로브라고도 하는데 전압의 RMS(Root Mean Square) 값, 전류의 RMS 값, 전압과 전류의 위상 관계 또는 주파수 등을 측정한다.
제어부(140)는 이렇게 측정된 값들을 정상 상태인 경우의 값들과 비교함으로써 공정 챔버(10)의 이상여부를 판단할 수 있다. 즉, 장비의 오동작이나 공정의 이상으로 인해 가스 성분이 변화하거나 온도, 압력 조건이 달라져서 생기는 변화를 측정값을 통해 확인할 수 있다.
분광분석기(spectrometer)(120)는 셀프 플라즈마 챔버(20)에서 플라즈마 상태의 가스에서 나오는 빛을 광 파이버를 통해 입력받아 시간과 파장에 따른 분광 분포를 측정한다. 즉 분광분석기(spectrometer)(120)는 플라즈마 구성성분에 의한 분광 분포를 측정하는 것으로, 빛의 파장에 따른 분포도를 측정한다. 다시 말하면, 분광분석기(120)를 사용하여 플라즈마에서 방출되는 빛의 파장별 분포값을 측정함으로써 챔버 내부의 물리적, 화학적 상태를 실시간으로 모니터링한다.
광학 프로브(optical probe)(130)는 챔버(20)에 고주파가 공급되었을 때 챔버의 윈도우에 고정된 광 파이버를 통해 챔버 내부의 플라즈마 광의 고주파 특성변화를 측정하여 챔버(20)의 상태를 확인한다.
분광 분석기(120)나 광학 프로브(130)를 통해 측정된 데이터는 제어부(140)로 전달되어 공정과정에 사용되거나 생성되는 물질의 상태를 실시간으로 계산할 수 있으며, 계산 결과를 통해 이상 여부를 판단하기 위해 정상적인 공정조건에서의 상태값들을 저장하고 있다가 이 값과 측정값을 비교한다. 즉 정상 상태인 경우의 데이터와 측정 데이터와 비교하여 일치정도에 따라 이상여부를 판단할 수 있다.
이렇게 제어부(140)는 고주파 프로브(110), 분광 분석기(120), 광학 프로브(130)로부터의 측정 결과를 조합하여 플라즈마 공정의 이상여부를 판단하여 이상 이 발생하면 알람을 발생하거나 공정을 정지시킴으로써 불량율을 낮춘다.
한편, 압력센서(60)는 공정 챔버(10)내의 가스를 인입시키는 인입관(50)에 부착되어 셀프 플라즈마 챔버(20)의 압력을 측정한다. 이 경우 제어부(140)는 고주파 프로브(110), 분광 분석기(120), 광학 프로브(130)로부터의 측정 결과를 보정하여 이상여부를 판단한다. 예를 들어, 동일 성분의 물질들이 셀프 플라즈마 챔버(20)의 압력 변화에 대해 스펙트럼이 어떻게 변화하는지에 대한 데이터를 미리 가지고 있다가, 실제 압력 변화를 측정하여 스펙트럼 측정값을 보정함으로써 압력변화에 의한 스펙트럼 변동값을 제거하고 실제 성분의 변동비만을 가지고 이상여부를 판단함으로써 보다 정확한 판단이 가능하다.
이렇게 압력변화에 따라 측정 결과를 보정함으로써, 이상으로 판단된 경우 그 원인이 플라즈마 구성성분의 변화에 따른 문제인지 아니면 압력조건이 달라짐으로 인한 문제인지를 구분하여, 구성성분의 변화에 따른 이상여부만을 식별해 낼 수 있다.
이렇게 분광 분석기(120)에서 측정된 스펙트럼 뿐만 아니라 고주파 프로브(110)에서 측정된 고주파 전압, 전류의 상태와 광학 프로브(130)에서 측정된 측정결과도 보정이 가능하다. 다시 말하면, 분광 분석기(120), 고주파 프로부(110), 광학 프로브(130) 및 압력센서(60)는 각각 장단점이 있으며 측정 가능한 기능도 서로 다르기 때문에, 본 발명과 같이 복합센서를 사용하면 측정결과의 보상에 의해 이상여부 판단의 정확성을 높일 수 있으며 측정가능한 물리적, 화학적 요소가 확장될 수 있다.
도 2는 셀프 플라즈마 챔버의 오염도를 모니터링하기 위한 센서가 셀프 플라즈마 챔버에 설치되어 있는 것을 설명하기 위한 참조도이다.
전술한 바와 같이 셀프 플라즈마 챔버(20)에 고주파 프로브(110), 분광분석기(120) 및 광학 프로브(130)를 복합적으로 구비하여 공정 챔버(10)의 이상여부를 판단할 수 있다. 여기에 추가적으로 셀프 플라즈마 챔버(20)의 오염을 모니터링하기 위하여 외부 광원(230)에서 방출된 빛이 확산판(220a, 220b)을 통과하여 투명할 재질의 셀프 플라즈마 챔버를 투과한 빛의 양을 광 센서(210)를 통해 측정한다.
이렇게 하여 셀프 플라즈마 챔버(20) 자체의 오염도를 측정할 수 있다. 한편, 도 2에서 도시한 바와 같이 별도의 광 센서(210)를 사용하여 셀프 플라즈마 챔버(20)의 오염도를 측정하지 않고, 분광 분석기(120)나 광학 프로브(130)를 사용하여 본래 기능인 플라즈마 측정과는 별도로 셀프 플라즈마 챔버(20)의 투과도 변화를 측정하여 셀프 플라즈마 챔버(20)의 오염도를 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 센서를 사용하여 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 방법의 흐름도이다.
공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결된 인입관을 통해 공정 챔버내의 가스를 셀프 플라즈마 챔버 내로 인입시켜 플라즈마 상태로 만든다(S310).
그리고, 셀프 플라즈마 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 측정한다(S320). 다음으로 셀프 플라즈마 챔버내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 파장 영역별로 방출 감도를 측정하고(S330), 측정된 고주파 전원과 상기 방출 감도를 분석하여 플라즈마 공정 챔버의 이상여부를 판단한다(S340). 이상여부의 판단은 전술한 바와 같이 정상 상태인 경우의 데이터와 측정 데이터와 비교하여 일치정도에 따라 수행될 수 있다.
한편, 고주파 전원의 측정은 고주파 프로브를 통해 이루어지며, 플라즈마 광의 고주파 특성 측정은 광학 프로브를 통해 이루어진다. 또한 고주파 전원의 측정과 플라즈마 광의 고주파 특성 측정은 함께 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 센서를 사용하여 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 방법의 흐름도이다.
공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결된 인입관을 통해 공정 챔버내의 가스를 별도의 셀프 플라즈마 챔버 내로 인입시켜 플라즈마 상태로 만든다(S410). 그리고, 셀프 플라즈마 챔버내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 플라즈마 광의 고주파 특성변화를 측정한다(S420). 아울러 셀프 플라즈마 챔버내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 파장 영역별로 방출 감도를 측정한다(S430).
이렇게 측정된 플라즈마 광의 고주파 특성 변화 및 방출 감도를 분석하여 플라즈마 공정 챔버의 이상여부를 판단한다(S440).
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 복합 센서를 사용하여 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 방법의 흐름도이다.
공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결된 인입관을 통해 상기 공정 챔버내의 가스를 별도의 셀프 플라즈마 챔버 내로 인입시켜 플라즈마 상태로 만든다(S510). 그리고 셀프 플라즈마 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고 주파 전원을 측정한다(S520). 이와 함께 셀프 플라즈마 챔버내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 플라즈마 광의 고주파 특성변화를 측정한다(S530). 또한,셀프 플라즈마 챔버내의 플라즈마로부터의 광선 빔을 감지하여 파장 영역별로 방출 감도를 측정한다(S540).
이렇게 측정된 고주파 전원, 고주파 특성 변화 및 영역별 방출 감도를 분석하여 플라즈마 공정 챔버의 이상여부를 판단한다(S550).
정리하면 도 3에 따른 이상 여부 검출방법은 고주파 프로브와 분광분석기를 구비한 복합센서를 사용하여 이상여부를 검출하는 방법이며, 도 4에 따른 이상 여부 검출 방법은 광학 프로브와 분광 분석기를 구비한 복합센서를 사용하여 이상여부를 검출하는 방법이고, 도 5에 따른 이상 여부 검출 방법은 고주파 프로브, 분광 분석기 및 광학 프로브를 모두 구비한 복합 센서를 사용하여 이상여부를 검출하는 방법이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라, 셀프 플라즈마 챔버에 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부에 고주파 프로브를 연결하여 공정 챔버의 이상여부를 판단하하는 방법의 흐름도이다.
공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결된 인입관을 통해 공정 챔버내의 가스를 별도의 셀프 플라즈마 챔버 내로 인입시켜 플라즈마 상태로 만든다(S610). 그리고, 셀프 플라즈마 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 측정한다(S620).
이렇게 측정된 고주파 전원의 상태를 기초로 플라즈마 공정 챔버의 이상여부 를 판단한다(S630).
한편, 도 4 내지 6을 참조하여 전술한 플라즈마 챔버의 이상여부 판단 방법에서, 압력 센서를 사용하여 셀프 플라즈마 챔버의 압력을 측정하여, 고주파 프로브, 분광 분석기 또는 광학 프로브의 측정결과를 보정할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 공정 챔버와는 별도의 셀프 플라즈마 챔버를 사용하기 때문에 공정 챔버에 고주파가 공급되지 않아 플라즈마 상태가 아닌 경우에도 장치의 이상 유무를 모니터 할 수 있다. 또한, CVD와 같이 리모트 플라즈마(remote plasma)를 이용하는 장비에서는 윈도우에서 플라즈마를 광학적으로 확인하는 것이 불가능하지만, 이러한 경우에도 광학적인 측정을 통해 챔버의 상태를 확인할 수 있다.
그리고, 공정 챔버에 공급되는 고주파와는 별도로 셀프 플라즈마 챔버에 공급되는 고주파를 고주파 프로브를 사용하여 측정하기 때문에 메인 장비의 고주파 구동에 전혀 영향을 주지않고 측정이 가능하다. 더 나아가 고주파 프로브, 분광 분석기, 광학 프로브와 같이 복합적인 측정 결과를 사용하여 상태를 확인하게 때문에 데이터의 신뢰도, 정확도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 압력 센서를 사용하여 고주파 프로브, 분광 분석기, 광학 프로브의 측정결과를 보정하기 때문에 보다 정확한 판단이 가능하며, 기존 OES로는 상대적인 측정값만 알 수 있었으나, 압력변화에 의한 분광 스펙트럼의 측정값을 보정함으로써 공정물질의 절대값을 측정할 수 있다. 따라서 공정이상의 원인을 보다 정확하게 규명할 수 있다.

Claims (4)

  1. 플라즈마 공정 챔버의 이상 여부를 검출하는 플라즈마 모니터링 장치에 있어서,
    상기 공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결되어 상기 공정 챔버내의 가스를 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 공간을 형성하는 셀프 플라즈마 챔버;
    상기 셀프 플라즈마 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 공급하는 고주파 발생부; 및
    상기 고주파 전원을 발생시키는 전압과 전류를 측정하는 고주파 프로브를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고주파 프로브는
    상기 셀프 플라즈마 챔버에 공급되는 고주파 전압의 RMS(Root Mean Square) 값, 전류의 RMS 값, 전압과 전류의 위상 관계 또는 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 장치.
  3. 플라즈마 공정 챔버의 이상 여부를 검출하는 플라즈마 모니터링 방법에 있어서,
    상기 공정 챔버를 진공으로 유지하기 위한 배기관과 연결된 인입관을 통해 상기 공정 챔버내의 가스를 별도의 셀프 플라즈마 챔버 내로 인입시켜 플라즈마 상태로 만드는 단계;
    상기 셀프 플라즈마 챔버내의 가스를 플라즈마 상태로 만드는 고주파 전원을 측정하는 단계; 및
    상기 고주파 전원의 상태를 기초로 상기 플라즈마 공정 챔버의 이상여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 고주파 전원을 측정하는 단계는
    상기 셀프 플라즈마 챔버에 공급되는 고주파 전원의 전압 RMS(Root Mean Square) 값, 전류 RMS 값, 전압과 전류의 위상 관계 또는 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 방법.
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