KR100835379B1 - Method for chamber condition monitoring using quadrupole mass spectrometry - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 사중 극자 질량 분석기를 이용한 챔버 모니터링 방법에 사용되는 플라즈마 장비 구성을 설명하기 위한 개략도이다.1 is a schematic diagram for explaining the configuration of the plasma equipment used in the chamber monitoring method using a quadrupole mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 플라즈마 장비에 장착되는 에너지 분석기가 장착된 사중극자 질량 분석기의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a quadrupole mass spectrometer equipped with an energy analyzer mounted on the plasma apparatus of FIG. 1.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 사중극자 질량 분석기를 이용한 실시간 챔버 모니터링 방법을 설명하기 위한 개략적 흐름도이다.3 is a schematic flowchart illustrating a real-time chamber monitoring method using a quadrupole mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
101: 반응 챔버 102: 펌핑영역101: reaction chamber 102: pumping area
110: 하부전극 120: 정전척110: lower electrode 120: electrostatic chuck
130: 상부 쿼츠 140: 유도코일130: upper quartz 140: induction coil
150, 170: RF 전원소스 160, 180: 제1 및 제2 매칭 네트 워크150, 170:
190: 사중극자 질량분석기 장착부 200: 사중극자 질량분석기190: quadrupole mass spectrometer mounting unit 200: quadrupole mass spectrometer
210: 펌핑영역 220: 오리피스210: pumping area 220: orifice
230: 필라멘트 240: 이온 에너지 분석기230: filament 240: ion energy analyzer
250: 사중극자250: quadrupole
본 발명은 플라즈마 챔버 모니터링 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 플라즈마 장비의 초기 가동시, 챔버의 습식 세정 후 또는 챔버 비가동 시간 이후 다시 가동할 때, 사중 극자 질량분석기를 이용하여 챔버 상태를 모니터링하는 플라즈마 챔버 모니터링 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a plasma chamber monitoring method, and more particularly, to monitoring a chamber state using a quadrupole mass spectrometer during the initial operation of the plasma equipment, and again after the wet cleaning of the chamber or after the chamber non-operation time. It relates to a plasma chamber monitoring method.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라, 디자인 룰의 감소로 인해 건식 식각 공정에서는 고선택비, 고이방성 및 적절한 식각률 등이 요구되고 있으며, 또한, 건식 식각 공정에서는 웨이퍼별로 공정의 재현성을 갖는 것이 중요하다. 건식 식각 공정을 진행할 때, 건식 식각 챔버가 처음 세팅되거나 챔버의 습식 세정 후, 공정 간의 챔버 유휴 시간(idle time)을 갖은 후 곧바로 주식각(main etch) 공정을 진행하면, 건식 식각 챔버 내의 분위기가 안정화되지 않기 때문에 첫 번째 웨이퍼 효과(first wafer effect)라 일컬어지는 공정 불량이 발생되어 런 웨이퍼(run wafer)의 손실을 초래한다. 특히, 식각 공정을 시작할 때와 공정 중 식각 부산물 및 폴리머 등이 챔버 벽에 과도하게 증착될 때, 전술한 첫 번째 웨이퍼 효과가 심각하게 나타나고 있으며, 따라서, 이를 방지하기 위하여, 주 식각 공정 전에 테스트 웨이 퍼(test wafer)를 사용하여 시즈닝(seasoing) 공정을 진행한다.As semiconductor devices are highly integrated, a high selectivity ratio, high anisotropy, and an appropriate etching rate are required in a dry etching process due to a reduction in design rules, and in a dry etching process, it is important to have reproducibility of processes for each wafer. In the dry etching process, when the dry etching chamber is first set or after the wet cleaning of the chamber, the chamber has an idle time between processes, and then proceeds to the main etch process, the atmosphere in the dry etching chamber Because it is not stabilized, a process failure, called the first wafer effect, results in a loss of run wafers. In particular, the first wafer effect described above is serious when starting the etching process and when the etch by-products and polymers, etc. are excessively deposited on the chamber walls, and thus, to avoid this, the test way before the main etching process is avoided. The seasoning process is performed using a test wafer.
시즈닝 공정은 주식각 전에 실시하여 챔버 내부의 분위기를 형성해 주기 위한 처리를 지칭하는 것으로, 방전을 위해 필요한 처리이다. 시즈닝 공정은 통상적으로 식각 장비 사용의 한 주기가 완료되면 챔버를 클리닝하고, 약 1 Lot 정도의 시즈닝을 진행한 후 공정 모니터링인 식각률과 파티클을 검사하여 스펙 내에서 제어되는 경우 장비를 업(UP)시켜서 사용하여 왔다.The seasoning process refers to a process performed before the stock angle to form an atmosphere inside the chamber, and is a process necessary for discharging. The seasoning process typically cleans the chamber when one cycle of use of the etching equipment is completed, performs about 1 lot of seasoning, and then checks the etching rate and particles, which are process monitoring, and updates the equipment if controlled within the specification. Has been used.
그러나 상기와 같은 순서로 장비를 사용하는 경우, 챔버 내의 조건이 안정되어 있는지 아니면 어떤 문제를 발생할 소지가 있는지를 확인하지 못하고, 단순히 모니터링에 의존하여 장비를 사용함으로써 실질적으로 챔버가 가지고 있는 문제를 정확하게 검출하지 못하는 문제점이 있다.However, when the equipment is used in the above order, it is not possible to determine whether the conditions in the chamber are stable or may cause any problems, and by simply using the equipment depending on the monitoring, the actual problem of the chamber is accurately corrected. There is a problem that cannot be detected.
특히, 플라즈마 장비 챔버의 초기 제품 불량과는 별도로 지속적인 생산 중간에도 유휴 시간은 수반되기 마련이므로, 지속적인 생산 중에도 챔버 상태를 계속 진단하여 소량 혹은 대량의 제품 생산 시에 이러한 첫 번째 웨이퍼 효과와 같은 가동 초기 불량 발생을 미연에 방지하며 공정 중 제품 불량에 대해 효과적으로 대처하는 데 유리하다. 플라즈마 진단 장비는 플라즈마를 이용하는 플라즈마 식각 및 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 증착 장비 등의 플라즈마 내에 형성되는 라디칼 혹은 화합물의 종류 및 농도, 하전 입자의 종류 및 농도 분석에 이용된다. 이러한 입자의 특성을 측정하기 위해서는 랑뮤어 프루브(Langmuir probe), 사중극자 질량 분석기(quadrupole mass spectrometer; QMS), 광 발광 분석기(optical emission spectroscopy;OES), 레이저 주입 분광기(laser induce fluorescence ;LIF) 등이 주로 사용되어 왔다.In particular, apart from the initial product failure of the plasma equipment chamber, the idle time is involved even during continuous production, and thus the condition of the chamber is continuously diagnosed during continuous production, and the initial operation such as this first wafer effect when producing a small quantity or a large quantity of product is performed. It helps to prevent the occurrence of defects in advance and to effectively deal with product defects during the process. Plasma diagnostic equipment is used to analyze the type and concentration of the radicals or compounds formed in the plasma, such as plasma etching and plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) deposition equipment using plasma, and the type and concentration of charged particles. To measure the properties of these particles, Langmuir probe, quadrupole mass spectrometer (QMS), optical emission spectroscopy (OES), laser induce fluorescence (LIF), etc. This has been used mainly.
그러나 랑뮤어 프루브를 사용하는 경우에는 플라즈마 내에 형성되는 하전 입자의 질량 및 이온에너지 분포 등은 측정이 불가능하다. 실제로 랑뮤어 프르부를 사용하는데 있어서 탐침의 전류 수집 유효 면적(effective current-collecting area)은 탐침의 실제 표면적이 아니라 탐침의 주위에 형성된 시이스(sheath)의 표면적이기 때문에 오차가 발생한다. 또한 플라즈마 내에 위치한 탐침이 이온, 전자 또는 광자와의 충돌에 의해 2차 전자를 방출할 수 있어 오차의 원인이 될 수 있다.However, when using a Langmuir probe, the mass and ion energy distribution of charged particles formed in the plasma cannot be measured. In practice, an error occurs in the use of the Langmuir prism because the effective current-collecting area of the probe is not the actual surface area of the probe but the surface area of the sheath formed around the probe. In addition, a probe located in the plasma may emit secondary electrons by collision with ions, electrons, or photons, which may cause errors.
이외에 전자 포화 전류영역에서는 이온 포화 전류영역에 비하여 매우 큰 전류가 흐르게 되는데, 이런 경우에는 플라즈마가 심하게 요동될 우려가 있으며, 측정 중 플라즈마 내에서 이물질이 탐침 표면에 부착될 우려가 있으므로 이러한 문제점을 제거할 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 가장 큰 문제점은 탐침이 반응로 내로 삽입됨으로써 플라즈마 자체에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 또한 광 발광 분석기(OES; optical emission spectroscopy)의 경우에는 정량적인 해석을 위해 종종 아르곤 액티노메트리(Ar actinometry)를 사용하여 특정 파장의 세기와 아르곤에 의한 파장의 세기를 고려해야하며, 검출되는 수많은 피크에 대해 명확하게 해석하지 못하는 피크가 존재하며 일부 피크들이 중첩된다는 단점이 있다. In addition, in the electron saturation current region, a very large current flows in comparison with the ion saturation current region. In this case, the plasma may fluctuate severely and foreign matter may adhere to the probe surface in the plasma during measurement. There is a need for development of technology that can do this. The biggest problem is that the probe can be inserted into the reactor and thus affect the plasma itself. In addition, in the case of optical emission spectroscopy (OES), argon intensity is often used for quantitative analysis, and the intensity of specific wavelengths and the intensity of argon-induced wavelengths must be considered. There is a disadvantage that there is a peak that cannot be clearly interpreted for the peak and some peaks overlap.
종래 기술에는, 예를 들면, 예비 시즈닝 레시피를 이용하여 예비 주식각 공정을 진행한 후, 종점 검출시간의 표준편차를 계산하여 시즈닝 공정을 진행하는 방법, DC 바이어스에 의한 시즈닝 효과 제어방법, 감광막이 패터닝된 시즈닝 웨이퍼를 이용하여 식각 챔버 내 분위기를 형성하는 시즈닝 방법, 플라즈마 공정을 수행 하기 이전에 식각 챔버 내부에 존재하는 화학종의 방사 세기들의 비를 측정하여 시즈닝하는 방법 등이 있다. 그러나 이러한 종래 방법들은 사용된 웨이퍼의 불량 처리로 인한 생산 효율의 저하 및 식각 결과에 민감하게 반응하는 플라즈마 파라미터를 정확하게 검출하지 못하는 단점이 있다.In the prior art, for example, after performing a preliminary stock angle process using a preliminary seasoning recipe, a method of conducting the seasoning process by calculating a standard deviation of the end point detection time, a seasoning effect control method by DC bias, and a photoresist film There is a seasoning method of forming an atmosphere in the etching chamber using the patterned seasoning wafer, and a method of measuring and seasoning the ratio of the radiation intensities of chemical species present in the etching chamber before performing the plasma process. However, these conventional methods have a disadvantage in that it is impossible to accurately detect plasma parameters that are sensitive to etching results and decrease in production efficiency due to defective processing of the used wafers.
광 발광 분석기(OES)를 이용한 종래 기술로는 송영수(공개특허 10-2005-0062741) 등이 플라즈마 장비를 시즈닝하기 위하여 플라즈마 공정을 수행하기 이전에 플라즈마 장비의 공정 챔버 내부에 존재하는 실리콘 산화물계(SiOx) 화학종과 분화탄소계 화합물(CFy)의 화학종의 광학 방사 세기비를 측정하고 미리 실험적으로 설정된 정상 상태범위 내인지 또는 벗어나는 지를 판단한 후 시즈닝하는 방법을 제시하고 있으며, Xu(Patent No.: US7,067,432 B2)등이 자유 라디칼 밀도(free radical density; 화학변화가 일어날 때 분해되지 않고 다른 분자로 이동하는 원자의 무리의 밀도)를 측정하여 반응로 표면 상태를 예측하고자 하였다. 측정된 라디칼 밀도 값이 허용 범위를 넘어서면 챔버를 세정하고 시즈닝을 하여 공정을 진행시키는 상기 방법은 공정에 따른 챔버 상태를 고려하지 않고 무조건적으로 세정, 시즈닝을 반복하므로 소요 시간의 증가에 따른 수율 감소 등이 예상된다.Conventional techniques using an optical emission analyzer (OES) include a silicon oxide-based resin present in a process chamber of a plasma apparatus before Song Young-soo (Public Patent Publication No. 10-2005-0062741) and the like perform a plasma process to season a plasma apparatus. SiOx) is a method of measuring the optical emission intensity ratio of the species of the species and the carbon-based compound (CFy), and after the determination whether it is within or outside the steady-state range previously set experimentally, it is presented Xu (Patent No. : US7,067,432 B2), such as the free radical density (free radical density; by measuring the density of a group of atoms to move to the other molecules do not decompose when the chemical change occurs) it was to predict the surface state to the reaction. When the measured radical density value exceeds the allowable range, the above method of cleaning and seasoning the chamber to proceed the process unconditionally repeats cleaning and seasoning without considering the chamber condition according to the process. Etc. are expected.
이에 비하여 사중극자 질량분석기(QMS; Quadruple Mass Spectroscopy)는, 필라멘트를 가열하여 튀어나온 열전자를 가속, 중성 입자와 충돌시켜 이온을 만들고, 각각의 극에 직류 및 교류 전압을 인가하여 특정한 질량/전하 비를 갖는 입자만 통과시키는 사중 극자로 이루어진 질량 필터를 이온이 통과하게 하여 중성 입자 및 이온의 질량을 측정한다. 저온 플라즈마에서의 가스의 질량 스펙트럼은, 매우 간 단하기 때문에 플라즈마 화학의 연구나 생산 공정의 제어에서 플라즈마 반응종의 양을 측정하는데 매우 유용하다. 또한, 사중극자 질량분석기는 전자와의 충돌로 해리된 이온이나, 라디칼의 밀도, 질량 및 에너지 분포를 측정하여 플라즈마 내에서의 전자와 라디칼의 해리에 대한 메커니즘을 밝히거나 공정 제어에 응용할 수 있다.In contrast, Quadruple Mass Spectroscopy (QMS) accelerates hot electrons by heating filaments, collides with neutral particles to create ions, and applies direct current and alternating voltage to each pole to provide specific mass / charge ratios. The mass of the neutral particles and ions is measured by allowing ions to pass through a mass filter consisting of quadrupoles that pass only particles having a diameter. The mass spectrum of gas in low temperature plasma is very simple and is very useful for measuring the amount of plasma reactive species in the study of plasma chemistry or control of production processes. In addition, quadrupole mass spectrometers can measure the density, mass, and energy distribution of ions or radicals dissociated by collision with electrons to reveal mechanisms for dissociation of electrons and radicals in the plasma, or apply them to process control.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목적은 사중극자 질량 분석기를 이용하여 챔버 내의 반응 종의 양을 측정하고 전자와의 충돌로 해리된 이온이나, 라디칼의 밀도, 질량 및 에너지 분포를 측정하여 플라즈마 챔버의 상태를 모니터링하는 플라즈마 챔버 모니터링 방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to measure the amount of reactive species in a chamber using a quadrupole mass spectrometer and the density of ions or radicals dissociated by collision with electrons. The present invention provides a plasma chamber monitoring method for monitoring a state of a plasma chamber by measuring mass and energy distribution.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 모니터링 방법은 사중극자 질량분석기가 장착된 플라즈마 장비를 가동하여 플라즈마 공정을 수행하기 이전 또는 플라즈마 공정 중 상기 플라즈마 장비의 챔버 상태를 파악하기 위해, 상기 사중극자 질량분석기를 이용하여 전자와의 충돌로 해리된 이온 또는 플라즈마 반응종의 질량 및 에너지분포, 라디칼의 밀도를 측정하는 단계; 상기 측정된 결과를 이용하여 상기 해리된 이온의 상대적인 분포 및 비율, 상기 플라즈마의 이온화율을 산출하는 단계; 상기 산출된 상기 플라즈마의 이온화율 및 상기 해리된 이온의 상대적인 분포 및 비율과, 상기 라디칼의 밀도가 상기 플라즈마 장비의 정상 상태 범위 내인지를 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과가 상기 정상 상태 범위를 벗어나는 경우, 상기 산출값이 상기 정상 상태 범위 내로 전환되도록 공정 챔버를 시즈닝하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above technical problem, the plasma monitoring method according to the present invention operates the plasma equipment equipped with a quadrupole mass spectrometer to determine the chamber state of the plasma equipment before or during the plasma process, Using a quadrupole mass spectrometer to measure the mass and energy distribution of the ion or plasma reactive species dissociated in the collision with electrons, and the density of radicals; Calculating a relative distribution and ratio of the dissociated ions and an ionization rate of the plasma using the measured results; Determining whether the calculated ionization rate of the plasma and the relative distribution and ratio of the dissociated ions and the density of the radicals are within a steady state range of the plasma equipment; And seasoning the process chamber so that the calculated value is converted into the steady state range when the determination result is out of the steady state range.
바람직하게, 상기 정상 상태 범위를 판단하는 단계에서, 상기 플라즈마의 이온화율 및 상기 이온의 상대적인 분포 및 비율과 라디칼의 밀도가 정상 상태 범위를 넘지 않는 경우에는, 폴리머 발생 플라즈마를 이용한 시즈닝 공정을 수행한다. 한편, 상기 정상 상태 범위를 판단하는 단계에서, 상기 플라즈마의 이온화율, 상기 이온의 상대적인 분포 및 비율, 및 상기 라디칼의 밀도가 정상 상태 범위를 초과하는 경우에는, 챔버 세정 플라즈마를 이용한 시즈닝 공정을 수행한다. 본 플라즈마 모니터링 방법은 상기 정상 상태 범위의 판단에 따라 상기 폴리머 발생 플라즈마 또는 상기 쳄버 세정 플라즈마를 이용한 시즈닝 공정을 수행한 다음, 상기 챔버의 상태를 안정화시키기 위해 플라즈마 진단 공정 단계를 수행한다. Preferably, in the step of determining the steady state range, when the ionization rate of the plasma, the relative distribution and ratio of the ions, and the density of the radicals do not exceed the normal state range, a seasoning process using a polymer-generated plasma is performed. . On the other hand, in the step of determining the steady state range, if the ionization rate of the plasma, the relative distribution and ratio of the ions, and the density of the radical exceeds the steady state range, performing a seasoning process using a chamber cleaning plasma do. The plasma monitoring method performs a seasoning process using the polymer generating plasma or the chamber cleaning plasma according to the determination of the steady state range, and then performs a plasma diagnostic process step to stabilize the state of the chamber.
상기 플라즈마의 이온화율, 상기 이온의 상대적인 분포 및 비율, 및 상기 라디칼의 밀도 등의 정상 상태 범위는 최초 장비 셋업 후 공정을 확보하였을 때 사중극자 질량 분석기를 이용하여 플라즈마 진단 결과를 수행한 측정 값 및 계산 값을 C 라고 설정할 때 C-α에서 C+α 까지 설정 할 수 있다. 여기서 α는 플라즈마의 변동 허용 범위를 나타내므로 공정 운용자가 플라즈마를 이용한 공정 결과와 플라즈마 진단 결과를 비교 분석하여 공정 마진 범위 내에서 설정 할 수 있다. Steady state ranges such as the ionization rate of the plasma, the relative distribution and ratio of the ions, and the density of the radicals are measured values obtained by performing a plasma diagnosis using a quadrupole mass spectrometer when the process is secured after initial equipment setup. When setting the calculated value to C, you can set from C-α to C + α. Here, α represents a variation allowance range of the plasma, so that the process operator may compare the process result using the plasma with the plasma diagnosis result and set the result within the process margin range.
상기 측정 단계는, 상기 사중 극자 질량 분석기를 이용하는 필라멘트를 가열하여 방출된 열전자를 가속하는 단계; 상기 방출된 열전자를 가속하여 중성 입자와 충돌시켜 이온을 해리하는 단계; 상기 사중 극자 질량 분석기를 구성하는 각 극에 직류 및 교류 전압을 인가하여 일정한 질량/전하 비를 갖는 입자를 사중 극자에 통과시켜 중성 입자 및 이온의 질량을 측정하는 단계를 더 포함한다. 일정한 질량/전하 비는 사중 극자 질량 분석기의 특징으로서 m/z으로 나타내며, 이러한 비율을 이용하여 원하는 입자를 수집(collecting) 하는 것이다.The measuring step may include heating the filament using the quadrupole mass spectrometer to accelerate the released hot electrons; Accelerating the released hot electrons to collide with neutral particles to dissociate ions; And applying a direct current and an alternating voltage to each pole of the quadrupole mass spectrometer to pass particles having a constant mass / charge ratio through the quadrupole to measure the mass of neutral particles and ions. The constant mass / charge ratio is characteristic of a quadrupole mass spectrometer, expressed in m / z, which is used to collect the desired particles.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 사중 극자 질량 분석기를 이용한 챔버 모니터링 방법에 사용되는 플라즈마 장비 구성을 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, 챔버 모니터링 방법에 사용되는 플라즈마 장비는 반응챔버(101)와, 반응챔버(101) 하부에 형성되는 펌핑 영역(102), 웨이퍼를 지지할 수 있는 하부전극(110, 예컨대, 캐소드) 및 그 상부에 형성된 정전척(120, electrostatic chuck; ESC), 반응챔버(101)의 상부에 형성되는 상부 쿼츠(130, quartz window) 및 상부 쿼츠(130) 상에 형성되는 유도 코일(140)을 포함한다. 또한, 플라즈마 장비는 하부전극(110) 및 상부 쿼츠(130)에 각각 연결되어 전원을 공급하는 RF 전원 소스(150, 170)와, 각각의 제1 및 제2 RF 전원 소스(150, 170)와 연결되는 제1 및 제2 매칭 네트워크(160, 180)를 더 포함하며, 반응챔버(101)의 일측에는 사중 극자 질량분석기(200)가 장착되는 사중 극자 질랑분석기 장착부(190)가 형성된다. 도 1에 도시된 사중 극자 질량분석기(200)는 설명의 편의상 개략적인 블록으로 표시하였으며, 이하에서 상세하게 후술한다. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of the plasma equipment used in the chamber monitoring method using a quadrupole mass spectrometer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a plasma apparatus used in a chamber monitoring method includes a
전술한 플라즈마 장비의 반응챔버(101)는 알루미늄(Al) 재질로 되어 있으며, 제1 RF 전원 소스(150)는 지지기판(130) 측에 연결되어 직류 바이어스 전력으로 사용하고, 제2 RF 전원 소스(170)는 유도 코일(140)에 연결되며 유도 코일 전력으로 사용된다. 본 실시 예에 따른 플라즈마 장비는 별도의 외부자장은 사용하지 않고 있어 구조가 간단하고 공간적으로 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 반응챔버(101)는 펌핑 영역(102)을 통해 아래 방향으로 펌핑되게 구성되어 있으며, 반응챔버(101) 내의 플라즈마와 유도(RF) 코일(140)과는 상부 쿼츠(130)에 의해 절연가능하게 분리된다. 직류 바이어스 전원으로 사용되는 제1 RF 전원 소스(150)와 제1 매칭 네트워크(160) 및 유도 코일 전력으로 사용되는 제2 RF 전원 소스(170)와 제2 매칭 네트워크(180)가 서로 독립적이므로, 이온의 거동을 제어할 수 있다. 이에 의해, 최근에는 큰 면적을 갖는 웨이퍼를 가공할 수 있는 플라즈마 장치로 응용되고 있다.The
도 2는 도 1의 플라즈마 장비에 장착되는 에너지 분석기가 장착된 사중극자 질량 분석기의 구성을 설명하기 위한 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a quadrupole mass spectrometer equipped with an energy analyzer mounted on the plasma apparatus of FIG. 1.
도 2에 따르면, 사중 극자 질량 분석기(200)는 플라즈마 반응종의 양을 측정하고 전자와의 충돌로 해리된 이온이나, 라디칼의 밀도, 질량 및 에너지 분포 측정 하기 위하여 사용된다. 사중극자 질량 분석기(200)는 펌핑 영역(210)과, 일단부에 형성된 오리피스(220)와, 오리피스(orifice)(220)에 인접하게 형성된 필라멘트(230)와, 필라멘트(230)와 인접한 위치에 형성된 이온 에너지 분석기(240) 및 사중 극자(250)(이차 전자 증배기, SEM; secondary electron multiplier)를 포함한다. 사중극자 질량 분석기(200)의 펌핑 영역(210)은 독립된 기계식 펌프(mechanical pump) 및 터보 분자 펌프(turbo molecular pump)가 장착되어 차등배기 되도록 하였으며, 오리피스(220)는 반응챔버(101)의 일측벽에 위치한 사중 극자 질랑분석기 장착부(190)의 중앙에 위치하며, 그 크기는 50 ~ 250 ㎛이다. 플라즈마 장비의 하부 전극(110) 측에 도달하는 절대적인 플럭스(flux)와 신호 세기의 관계는 SEM에 도달하는 이온의 충돌 비율과 신호의 세기에 의해서 결정되었다. 사중극자 질량 분석기(200)는 절대적인 플럭스(flux)를 측정하지 못하기 때문에 상대적인 신호의 세기로 나타내었으나 중요 이온의 변화가 반도체 공정에 미치는 영향을 고려하기에는 적당하다.According to FIG. 2, the quadrupole
상기 구성을 갖는 사중 극자 질량분석기(200)는 사중 극자 질량 분석기(200)에 형성된 필라멘트(230)를 가열하여 방출된 열전자를 가속하고, 방출된 열전자를 가속하여 중성 입자와 충돌시켜 이온을 해리하고, 상기 사중 극자 질량 분석기를 구성하는 각 극에 직류 및 교류 전압을 인가하여 일정한 질량 대 전하 비(mass-to-charge ratio)를 갖는 입자를 사중 극자에 통과시켜 중성 입자 및 이온의 질량을 측정한다. 일정한 질량 대 전하비를 측정하는 것은 사중극자 질량 분석기의 원리로, 예를 들면, Ar+의 경우40/1=40이고, Ar++의 경우 40/2=20 이어서 측정 결과 각 각 20, 40위치에서 Ar의 피크가 형성되는 것으로, 다양한 측정이 가능하다. The quadrupole
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 사중극자 질량 분석기를 이용한 실시간 챔버 모니터링 방법을 설명하기 위한 개략적 흐름도이다.3 is a schematic flowchart illustrating a real-time chamber monitoring method using a quadrupole mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 사중 극자 질량 분석기(200)를 이용하여 실시간으로 챔버를 모니터링하는 동작이 시작되면(S300), 우선, 건식 식각 챔버가 처음 세팅되거나 챔버의 습식 세정 후 세정이 되었는지를 확인한다(S310). 세정 여부 확인 단계(S310)에서, 세정한 것으로 확인되면, 챔버 내부의 분위기를 형성해 주기 위한 시즈닝 공정(폴리머 생성 플라즈마를 이용한 공정)(S320)을 이용하여 최적화된 시즈닝 레시피를 제공함으로써 장비의 정상화 시간을 단축할 수 있다. 반면, 세정 여부 확인 단계(S310)에서, 세정한 것이 확인되지 않으면, 챔버가 최적화될 수 있도록 플라즈마 진단 단계(S330)를 수행한다. Referring to FIG. 3, when an operation of monitoring a chamber in real time using a quadrupole
플라즈마 진단 단계(S330)에서는 사중극자 질량분석기(200)를 이용하여 플라즈마 반응종의 양을 측정하고 전자와의 충돌로 해리된 이온이나, 라디칼의 밀도, 질량 및 에너지 분포를 측정한다. 상기 측정을 통해, 반응가스의 해리되지 않은 중성 입자 및 라디칼, 이온의 상대적인 분포 및 비율을 측정하여 플라즈마의 이온화율 등을 계산할 수 있으며 이온 에너지분포 등을 알 수 있어 챔버 상태 변화에 민감하게 대응할 수 있다. 이온화율, 에너지 분포 등은 챔버 벽면의 상태 등에 따라 민감하게 반응한다. 반응성 가스를 많이 사용하는 공정의 경우 챔버 벽의 과도한 식각을 유발할 수 있으며 C. H. O 성분이 많은 플라즈마의 경우 챔버 벽에 과도한 폴리머 생성으로 인해 챔버의 습식 세정 주기가 짧아져 반도체 제조 공정 수율 이 낮아지는 단점을 유발할 수 있으나 본 발명에서는 플라즈마를 진단하여 공정 및 챔버 상태에 따른 최적의 시즈닝 공정을 제공할 수 있다.In the plasma diagnosis step (S330), the quadrupole
플라즈마 진단 단계(S330)를 수행한 다음, 측정된 이온 및 중성 입자 비율과 에너지 분포가 적절한지, 즉, 정상상태 범위인지를 확인한다(S340). (S340)단계에서, 측정된 이온 및 중성 입자 비율과 에너지 분포가 정상상태 범위인 것으로 확인되면, 모니터링을 종료한다(S390). 그러나, (S340)단계에서, 측정된 이온 및 중성 입자 비율과 에너지 분포가 정상상태 범위를 벗어나는 것으로 확인되면, 챔버 내부의 분위기를 형성해 주기 위한 시즈닝 공정(폴리머 생성 플라즈마 공정)(S350)을 이용하여 최적화된 메인 레시피를 제공하는 공정(S360)을 수행하거나, 또는 챔버를 세정해 주기 위한 시즈닝 공정(챔버 세정 공정)(S370)을 이용하여 최적화된 메인 레시피를 제공하는 공정(S380)을 수행함으로써, 최적화된 챔버 상태를 유지한다. 이때, 상기 플라즈마의 이온화율, 상기 이온의 상대적인 분포 및 비율, 및 상기 라디칼의 밀도의 정상 상태 범위 범위를 넘지 않는 경우에는 (S350) 및 (S360) 단계를 수행하며, 정상 상태 범위를 초과하는 경우에는 (S370) 및 (S380) 단계를 수행한다. 상기 플라즈마의 이온화율, 상기 이온의 상대적인 분포 및 비율, 및 상기 라디칼의 밀도 등의 정상 상태 범위는 최초 장비 셋업 후 공정을 확보하였을 때 사중극자 질량 분석기를 이용하여 플라즈마 진단 결과를 수행한 측정 값 및 계산 값을 C 라고 설정할 때 C-α에서 C+α 까지 설정 할 수 있다. 여기서 α는 플라즈마의 변동 허용 범위를 나타내므로 공정 운용자가 플라즈마를 이용한 공정 결과와 플라즈마 진단 결과를 비교 분석하여 공정 마진 범위 내에서 설정 할 수 있다. After performing the plasma diagnosis step (S330), it is checked whether the measured ion and neutral particle ratio and energy distribution are appropriate, that is, the steady state range (S340). In step (S340), if it is confirmed that the measured ion and neutral particle ratio and energy distribution is in the steady state range, the monitoring is terminated (S390). However, in step S340, when it is determined that the measured ion and neutral particle ratios and energy distribution are out of the normal state range, a seasoning process (polymer generated plasma process) S350 for forming an atmosphere inside the chamber is used. By performing a process (S360) for providing an optimized main recipe or performing a process (S380) for providing an optimized main recipe by using a seasoning process (chamber cleaning process) S370 for cleaning the chamber, Maintain an optimized chamber state. At this time, if the ionization rate of the plasma, the relative distribution and ratio of the ions, and the density of the radical does not exceed the range of the steady state range, the steps (S350) and (S360) are performed, and if the range of the steady state is exceeded Steps S370 and S380 are performed. Steady state ranges such as the ionization rate of the plasma, the relative distribution and ratio of the ions, and the density of the radicals are measured values obtained by performing a plasma diagnosis using a quadrupole mass spectrometer when the process is secured after initial equipment setup. When setting the calculated value to C, you can set from C-α to C + α. Here, α represents a variation allowance range of the plasma, so that the process operator may compare the process result using the plasma with the plasma diagnosis result and set the result within the process margin range.
그 다음, (S360) 및 (S380) 공정이 수행된 다음에는 각각 플라즈마 진단 단계(S330)로 돌아가서, 플라즈마 상태를 진단한다.Then, after the steps S360 and S380 are performed, the process returns to the plasma diagnosis step S330 to diagnose the plasma state.
전술한 폴리머 생성 플라즈마 공정(S350), 챔버 세정 공정(S370)에 따른 시즈닝 공정 및 메인 레시피 수행에 따른 시즈닝 공정(S360, S380) 등을 각각 수행함으로써 예비 시즈닝 레시피를 사용하는 것처럼 빠른 시간 내에 반응 챔버의 정상 조건 유도가 가능하다. 세정 및 폴리머 생성 플라즈마 공정 이후 메인 식각 공정과 같은 방법(레시피)을 사용함으로써 반응 챔버 내부의 안정화를 도모할 수 있으며 플라즈마 진단 과정을 반복함으로써 최적화된 챔버 상태를 만들 수 있으므로 런 웨이퍼의 손실을 최소화할 수 있다.By performing the above-described polymer production plasma process (S350), the chamber cleaning process (S370) and the seasoning process (S360, S380) according to the main recipe performed, respectively, the reaction chamber as quickly as using a preliminary seasoning recipe It is possible to derive the normal condition of. After the cleaning and polymer generation plasma process, the same method as the main etching process (recipe) can be used to stabilize the reaction chamber, and the plasma diagnosis process can be optimized to create an optimized chamber state to minimize the loss of the run wafer. Can be.
기존 발명에서는 라디컬의 상대적인 밀도 분포나 반응물과의 분포 등의 변화를 인지하여 시즈닝 공정의 필요 유무를 결정하였으나 미세화되는 공정 흐름에서 민감도의 저하를 야기하여 불량 검출에 한계가 있는 반면, 본 발명은 중요 활성종들의 질량 및 에너지 등을 고려하여 플라즈마내의 이온 등의 이동을 이해할 수 있으므로 미세 공정에서 적용이 용이하다. 이는 기존 플라즈마 진단 방법에 비하여 사중극자 질량 분석기가 플라즈마 측정 및 해석, 플라즈마 거동의 해석 등이 용이하기 때문이다.In the existing invention, the necessity of seasoning process was determined by recognizing the change in the relative density distribution of radicals or the distribution with the reactants, but there was a limit in detecting defects by causing a decrease in sensitivity in the process flow to be refined, while the present invention was important. It is easy to apply in the micro process because the movement of ions and the like in the plasma can be understood in consideration of the mass and energy of the active species. This is because quadrupole mass spectrometers are easier to measure and analyze plasma and to analyze plasma behavior than conventional plasma diagnostic methods.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the preferred embodiment of the present invention has been disclosed through the detailed description and the drawings. The terms are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 기존 플라즈마 장비에서 최소한의 투자로 습식 세정후 시즈닝 공정이나 챔버 상태 변화 모니터링으로 첫 번째 웨이퍼 효과와 같은 가동 초기 불량이나 공정 중 챔버 상태 변화에 따른 불량을 효과적으로 방지할 수 있어 반도체 제조 시간 단축 및 챔버 세정 주기의 증가로 수율 증가가 기대되어 제조 원가 절감을 구현할 수 있다. 또한, 이러한 시즈닝 여부를 판단하는 시스템 구성에 사용자가 쉽게 접근함으로써 사용자 편리성을 극대화 할 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to effectively prevent the start-up defects such as the first wafer effect or the defects caused by the change of chamber conditions during the process by monitoring the seasoning process or the chamber state change after wet cleaning with minimal investment in the existing plasma equipment. As a result, the yield is expected to increase due to the shortening of the semiconductor manufacturing time and the increase of the chamber cleaning cycle, thereby reducing the manufacturing cost. In addition, the user's convenience can be maximized by the user's easy access to the system configuration for determining the seasoning.
본 발명은 플라즈마 진단 후 세정 및 폴리머 발생 플라즈마 유기시 사중극자 질량 분석기를 이용하여 실시간으로 플라즈마를 진단함으로써 타 진단 장비 대비 장비 운용자의 간단한 이해와 함께 최소의 시간으로 수율 향상을 꾀할 수 있다. 기존의 OES 방법의 경우에는 여러 원자 및 분자들의 빛 파장대 중첩으로 인해 해석에 어려움이 있었으나, 본 발명의 사중극자 질량 분석기의 경우에는 질량/전하량 비를 이용하여 질량을 분석하고 에너지 분석기에서 에너지를 분석함으로써 기존의 여러 플라즈마 진단 장비에 비하여 해석이 용이하다.The present invention can improve the yield in a minimum amount of time with a simple understanding of the equipment operator compared to other diagnostic equipment by diagnosing the plasma in real time using a quadrupole mass spectrometer during cleaning and polymer generation after the plasma diagnosis. In the conventional OES method, it is difficult to analyze due to the overlap of light wavelength bands of various atoms and molecules, but in the quadrupole mass spectrometer of the present invention, the mass is analyzed using the mass / charge ratio and the energy is analyzed in the energy analyzer. This makes it easier to analyze than existing plasma diagnostic equipment.
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