KR101197828B1 - 공정 모니터링 장치 및 공정 모니터링 방법 - Google Patents

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KR101197828B1
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Abstract

본 발명은 공정 모니터링 장치 및 공정 모니터링 방버을 제공한다. 이 공정 모니터링 장치는 기판 홀더에 장착되는 탐침 기판, 및 탐침 기판의 일면에 배치되고 플라즈마에 노출되는 복수의 탐침 전극들을 포함한다. 탐침 전극들에 교류 전압이 인가되고, 탐침 전극들은 플로팅되고, 탐침 전극들에 흐르는 전류는 변위 전류이다.

Description

공정 모니터링 장치 및 공정 모니터링 방법{PROCESS MONITORING APPARATUS AND PROCESS MONITORING METHOD}
본 발명은 공정 모니터링 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 플라즈마 장치의 플라즈마에서 들어오는 교류 전류들을 측정하여 플라즈마 밀도, 전자온도, 플라즈마 전위, 및 부유 전위 등을 포함하는 플라즈마 변수 및/또는 탐침 전극의 표면 상태를 정확하게 측정할 수 있는 2차원 공정 모니터링 장치에 관한 것이다.
반도체소자를 제조하는데 사용되는 여러 가지의 장비 중에서, 진공 상태의 밀폐된 챔버 내에 플라즈마를 형성하고 반응 가스를 주입하여 웨이퍼 상에 박막을 증착하거나 웨이퍼에 형성된 박막을 에칭하는 플라즈마 장치가 널리 사용되고 있다.
플라즈마 장치는, 플라즈마를 이용하여 박막을 증착할 경우, 웨이퍼에 형성된 불순물 영역 내의 불순물들이 더 이상 확산하지 않는 저온에서 공정을 진행할 수 있다는 점과, 대구경의 웨이퍼에 형성되는 박막의 두께 균일도가 우수하다는 점과, 박막을 에칭할 경우 웨이퍼 전체에 걸쳐서 에칭 균일도(etch uniformity)가 우수하다는 점 때문에 널리 적용되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 플라즈마에 영향이 거의 없는 공정 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 에러가 적은 공정 모니터링 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치는 기판 홀더에 장착되는 탐침 기판, 및 상기 탐침 기판의 일면에 배치되고 플라즈마에 노출되는 복수의 탐침 전극들을 포함한다. 상기 탐침 전극들에 교류 전압이 인가되고, 상기 탐침 전극들은 플로팅되고, 상기 탐침 전극들에 흐르는 전류는 변위 전류이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 플라즈마 챔버 내의 소정의 평면 내의 복수의 지점에서 플라즈마 변수를 측정하는 것, 및 상기 플라즈마 변수를 플라즈마 확산 알고리즘을 이용하여 상기 평면 내의 지점들을 보간(interpolation)하는 보간 함수를 구하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치는 부유(flating) 탐침 전극을 이용하여 플라즈마에 영향을 거의 주지 않고, 플라즈마 변수 및/또는 탐침 전극의 표면 상태를 측정할 수 있다. 상기 공정 모니터링 장치는 기판 대신에 기판 홀더에 장착되어 플라즈마 장치의 공정 조건에 따른 결과를 모니터링할 수 있다. 또한, 공정 진행 도중에, 탐침 기판을 플라즈마 장치의 내부에 삽입하여 공정의 이상 유무를 수시로 확인할 수 있다.
측정을 위해 특별히 플라즈마 용기를 개조할 필요가 없이 플라즈마 공정 중 실제 웨이퍼 위치에서 플라즈마 파라미터를 얻을 수 있다.
또한 실제 플라즈마 공정 중 플라즈마 파라미터의 공간적 분포 및 2차원에서의 증착 균일도 등을 측정할 수 있는 장점이 있고 기존의 방법으로는 힘들었던 증착 장비에서도 플라즈마 파라미터를 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한 공정 모니터링 방법은 플라즈마 확산 모델을 사용하여 에러가 적은 2차원적인 공정 변수의 분포를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 구조체와 플라즈마 사이를 등가회로로 표시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 구조체와 플라즈마 사이를 등가회로로 표시한 회로도이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다.
도 7 내지 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통 진공 용기에 적용된 보간법의 좌표를 설명하는 도면 및 보간법의 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 사각형 진공 용기의 좌표를 설명하는 도면이다.
도 14a 내지 도 14c 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에 의한 처리 결과를 설명하는 도면들이다.
도 15a 내지 도 15c 본 발명의 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에 의한 처리 결과를 설명하는 도면들이다.
도 16은 플라즈마 확산 알고리즘과 modified shepard 알고리즘을 비교한 것이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 사용하여 측정한 플라즈마 밀도와 전자 온도를 설명하는 도면들이다.
종래 공정 모니터링 방법은 광학 방식과 정전 탐침법이 있다. 레이저 등을 이용한 광학적 플라즈마 측정법은 진공 용기 밖에서 빛을 받을 수 있는 투명 창을 통하여 측정하게 된다. 따라서 충분한 투명 창이 확보되지 않는 경우에는 측정이 불가능해 용기를 개조하여야 한다.
통상적인 정전 탐침법은 1차원 분포나 특정 위치에서만 플라즈마 특성을 측정할 수 있었다. 실제 공정 위치와 측정 위치가 다른 단점이 있다. 또한 실제 공정 중에서는 측정하지 못하는 단점이 있다. 또한 처리 용기에 증착이 일어날 경우에는 측정이 불가능하다는 단점이 있다.
광학 방법은 2차원 공정 모니터링을 제공할 수 있다. 하지만, 상기 광학 방법은 면적이 큰 관측용 창문(View port window)을 요구한다. 또한, 상기 광학 방법은 전자 온도 또는 플라즈마 밀도에 한계가 있다. 상기 광학 방법은 통상의 플라즈마 반응용기에 적용하기가 힘들다. 상기 광학 방법을 적용을 위해서는 기존의 플라즈마 반응용기는 개조되어야 한다. 또한, 상기 관측용 참문에 오염물이 증착이 되어 투명한 창이 불투명해질 수 있다. 이 경우, 상기 광학 방법은 적용될 수 없다.
플라즈마 공정 장치는 기판을 삽입 및 배출할 수 있는 구조를 가진다. 따라서, 기판과 같은 모양으로 플라즈마 공정 모니터링 장치가 제작되면, 상기 플라즈마 공정 모니터링 장치는 상기 기판의 운송 경로를 따라 상기 플라즈마 공정 장치 내부에 삽입되어, 플라즈마 공정 모니터링이 가능하다. 즉, 상기 플라즈마 공정 모니터링 장치는 개조 없이 모든 플라즈마 공정 장치에 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 실제 기판 공정 중에 상기 기판 형태의 공정 모니터링 장치가 상기 플라즈마 공정 장치에 삽입된다. 상기 플라즈마 공정 모니터링 장치는 외부와 전기적으로 부유되어 있다. 상기 공정 모니터링 장치는 탐침 전극이 한 개 또는 두 개를 가지는 부유형 고조파 측정법을 이용한다. 상기 부유형 고조파 측정법은 이후 상세히 설명한다. 상기 부유형 고조파 측정법은 교류를 이용하여 측정한다. 따라서, 상기 탐침 전극 상에 부도체가 증착이 되어도 측정할 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마 공정 모니터링 장치는 증착 공정에도 적용될 수 있다.
통상적인 방법으로 플라즈마 변수의 2차원 분포 측정의 경우, 가장 큰 문제는 플라즈마 변수의 측정을 위해서는 강한 바이어스 전압을 탐침 전극에 인가해야 한다. 이로 인해서, 플라즈마 쉬스(sheath)의 모양이 변하게 되고, 어레이(array) 형태로 배열된 전기 탐침의 쉬스 모양의 균일도를 보장할 수 없다. 상기 탐침 전극에서 측정되는 값은 쉬스의 모양에 크게 영향을 받게 된다. 따라서 각 탐침 전극의 쉬스의 균일도가 보장받지 못하면, 상기 탐침 전극에서 측정되는 값 또한 그 정확성을 보장할 수 없다. 특히, 플라즈마 변수의 2차원 측정의 경우, 탐침 전극의 동일성이 반드시 보장되어야 한다. 그러므로, 쉬스 및 플라즈마에 많은 섭동을 주는 통상적인 바이어스 전압 인가 방법은 2차원 분포 측정에 적합하지 않다.
플라즈마 공정에서의 플라즈마 변수의 2차원 분포 측정의 목적은 실제 공정 상태와 동일한 플라즈마 상태에서 그 분포를 측정하여 공정 개선 또는 장비 개발에 활용하기 위함이다. 따라서 플라즈마 상태에 섭동을 주어 공정 조건에 영향을 주는 기존의 측정법은 공정 플라즈마에서 활용할 수 없다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치는 미세한 바이어스 전압, DC 블로킹(Blocking) 콘덴서 또는 절연 보호층에 의한 변위 전류만 활용함으로써 쉬스(sheath) 모양 및 플라즈마 상태에 거의 영향을 주지 않는다. 따라서, 어레이(array) 형태로 배열된 부유 탐침의 균일성이 보장될 수 있다. 또한 공정 플라즈마에서 공정 조건에 영향을 주지 않으므로 공정 플라즈마에서 활용될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 발명에서 각주파수와 주파수는 혼용될 수 있다.
본 발명의 동작원리를 설명한다. 탐침 구조체는 탐침 전극을 포함하고, 상기 탐침 전극은 직접 플라즈마와 접촉할 수 있다. 상기 탐침 구조체는 전기적으로 플로팅(floating)되도록, 상기 탐침 전극과 상기 탐침 전극에 전압을 인가하는 구동부 사이에 플로팅 축전기가 배치될 수 있다.
상기 탐침 전극에 전압(V(t))을 인가하는 구동부와 상기 탐침 전극 사이에 플로팅 축전기를 배치하여 상기 탐침 전극을 플로팅시키는 경우, 상기 탐침 전극에 흐르는 탐침 전류(ip)는 전자 전류(electron current)와 이온 전류(ion current)로 구성될 수 있고 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00001
여기서, 이온포화전류(iis,ion saturation current)는 이온 밀도(ion density density)와 봄 속도(Bohm speed)에 비례할 수 있다. 상기 봄 속도는 전자 온도에 의존할 수 있다. 상기 플라즈마에서 전자 밀도와 이온 밀도는 같다고 취급하며, 통상적으로 플라즈마 밀도는 전자밀도를 말한다. 전자 포화 전류(ies,electron saturation current)는 전자 밀도(ne,electron density)와 전자의 평균속도에 비례할 수 있다. 플라즈마 포텐셜(Vp)는 플라즈마의 전위이다. 상기 탐침 전극의 전위(V(t))는 시간에 따라 변할 수 있다. 상기 전자 온도(Te,electron temperature)는 전자의 운동 에너지 분포함수(electron energy distribution function)에 의하여 결정된다. 상기 탐침 전극의 전압(V(t))은 시간에 따라 변하고, 적어도 2개의 기본 주파수를 가지고 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탐침 전극에 인가되는 전압이 시간에 구동 주파수의 코사인(COS) 함수이면, 상기 탐침 전극의 전압은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00002
여기서 Vf는 오프셋 값(offset value) 또는 DC 바이어스 값( DC bias value)이고, ω0는 구동 각주파수( 또는 각진동수, angular frequency)이고, v0는 상기 탐침 전극의 인가 전압의 진폭(amplitude)이다. 시간에 따른 상기 탐침 전극을 통하여 흐르는 탐침 전류는 주파수 공간에서 푸리어 변환(Fourier Transformation)으로 표시될 수 있다. 즉, 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00003
여기서 n은 정수이고, τ는 주기이고, Ip ,n은 푸리어 시리즈 계수(Fourier series coefficient)이고, In은 수정 베셀 함수(modified Bessel funxtion)이다.
n=0인 경우, 주파수 공간에서, DC 푸리어 시리즈 계수(Ip ,0) 다음과 같이 주어질 수 있다. 상기 탐침 전류는 푸리어 시리즈로 전개되었으나, 고조파(harmonics)를 포함하는 다른 방법으로 전개될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00004
n이 영이 아닌 정수인 경우, 주파수 공간에서, 푸리어 시리즈 계수(Ip ,n)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00005
대칭성에 의하여, n이 양의 정수인 경우, 주파수 공간에서, 푸리어 시리즈 계수는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00006
부유 조건(floating condition)에서, 상기 탐침 전극에 흐르는 DC 푸리어 시리즈 계수는 다음과 같은 조건을 만족할 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00007
위의 조건을 이용하고, 수정 베셀 함수를 테일러 전개(Tayler expansion)하면, 제 1차 및 제 2차 푸리어 시리즈 계수는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00008
이에 따라, 전자 온도(Te)는 제1 차 푸리어 시리즈 계수와 제 2 차 푸리어 시리즈 계수의 비에 의존할 수 있다. 따라서, 전자 온도(Te) 및 이온 포화전류(iis)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00009
이에 따라, 전자온도, 전자밀도를 구할 수 있다. 전자온도 및 전자밀도는 제1차 푸리어 계수와 제2차 푸리어 계수를 이용하여 구하였지만, 이에 한하지 않고, 제 3 차 이상의 푸리어 계수를 이용하여 구할 수 있음은 자명하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 구조체가 탐침 전극을 포함하고, 상기 탐침 전극 상에 절연보호막의 표면 상태를 조사하는 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 구조체와 플라즈마 사이를 등가회로로 표시한 회로도이다.
도 1을 참조하면, P1은 플라즈마이고, P2는 탐침 전극을 나타낸다. 상기 플라즈마와 상기 탐침 구조체 사이에 쉬스 영역이 형성된다. 상기 쉬스 영역은 쉬스 저항(Rsh)과 쉬스 커페시턴스(Csh)의 병렬 연결로 표시될 수 있다. 또한, 상기 탐침 구조체가 탐침 전극 상에 절연보호막을 포함하는 경우, 상기 절연보호막은 축전기(C0)를 형성한다. 통상의 1 MHz 이하의 주파수 영역에서 상기 쉬스 케패시턴스(Csh)에 기인한 임피던스는 상기 쉬스 저항(Rsh)에 비하여 무시할 수 있을 만큼 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마와 상기 탐침전극 사이의 등가회로는 축전기(C0)과 쉬스 저항(sheath resistance,Rsh)의 직렬연결로 표시될 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 탐침 구조체와 상기 플라즈마 사이의 등가회로는 상술한 모델에 한하지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
상기 탐침 구조체가 절연보호막을 포함하고 있는 경우, 공정이 진행되는 동안 상기 절연보호막 상에 박막이 증착되거나 또는 상기 절연보호막이 식각될 수 있다. 이 경우, 상기 탐침 전극과 플라즈마 사이의 등가 정전용량(C)을 구할 수 있다. 상기 등가 정전용량(C)은 상기 절연보호막 상의 박막의 표면 상태(유전율, 두께 등)에 의존할 수 있다. 예를 들면, 공정 챔버 내부에 배치된 탐침 구조체의 표면은 공정 가스, 공정가스의 분해물, 플라즈마, 식각 부산물, 기판 상의 식각되는 물질 등이 상기 절연보호막 상에 증착되어 상기 박막을 형성할 수 있다. 상기 박막은 유전막일 수 있다. 이 경우, 상기 탐침 전극과 플라즈마 사이의 상기 등가 정전용량(C)은 변할 수 있다. 상기 등가 정전용량(C)은 상기 절연보호막 및/또는 상기 절연보호막 상의 상기 박막에 대한 정보를 줄 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 탐침 구조체가 탐침 전극을 포함하는 경우,상기 탐침 전극의 표면 상태를 조사하는 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침 구조체와 플라즈마 사이를 등가회로로 표시한 회로도이다.
도 2을 참조하면, P1은 플라즈마이고, P2는 탐침 전극을 나타낸다. 상기 탐침 전극과 구동단(P3) 사이에 축전기(C1)가 배치된다. 상기 플라즈마와 탐침 구조체 사이에 쉬스 영역이 형성된다. 상기 쉬스 영역은 쉬스 저항(Rsh)과 쉬스 커페시턴스(Csh)의 병렬연결로 표시될 수 있다. 통상의 1 MHz 이하의 주파수 영역에서 상기 쉬스 케패시턴스(Csh)에 기인한 임피던스는 상기 쉬스 저항(Rsh)에 비하여 무시할 수 있을 만큼 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마와 상기 구동단 사이는 회로적으로 축전기(C1)과 쉬스 저항(sheath resistance,Rsh)의 직렬연결로 근사될 수 있다. 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 탐침 구조체와 상기 플라즈마 사이의 등가회로는 상술한 모델에 한하지 않고 다양하게 변형될 수 있다.
공정 진행 중에 상기 탐침 전극 상에 박막이 형성되는 경우, 상기 플라즈마의 위치(P1)와 상기 구동단(P3) 사이의 등가 정전용량(C)은 상기 탐침 전극 상의 상기 박막에 대한 정보를 줄 수 있다.
상기 탐침 구조체에 적어도 2개의 기본 주파수를 가진 교류 전압이 인가된다. 이 경우, 상기 쉬스 저항(Rsh)은 근사적으로 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00010
상기 탐침 전극에 제1 기본 각주파수(ω10, first fundamental angular frequency)를 가지는 전압과 제2 기본 각주파수(ω20, second fundamental angular frequency)를 가지는 교류 전압을 인가한다. 이때, 제1 기본 각주파수의 인가 전압의 진폭(v1 ,0)과 제2 기본 각주파수의 인가 전압의 진폭(V2 ,0)은 수 볼트의 영역일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 기본 각주파수가 동시에 상기 탐침 전극에 인가된 경우의 취급에 대하여 설명한다. 상기 탐침 구조체가 절연보호막을 포함한 경우, 상기 쉬스 저항에 인가되는 전압은 임피던스 전압 분배 이론에 의하여 계산될 수 있다. 제1 기본 각주파수로 전개한 제1 차 푸리어 시리즈 계수 및 제2 기본 각주파수로 전개한 제1차 푸리어 시리즈 계수는 식8을 참조하면 계산될 수 있다. 이에 따라, 상기 등가 정전용량(C)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00011
상기 등가 정전용량(C)은 상기 탐침 전극과 상기 플라즈마가 대향하는 면적(A)에 비례할 수 있고, 상기 절연보호막 및 상기 박막의 유전율(ε)에 비례하고, 상기 절연보호막 및 상기 박막의 두께(d)에 반비례할 수 있다. 통상적으로, 상기 면적(A), 상기 등가 정전용량(C), 유전율(ε)를 알기 때문에 절연보호막의 두계(d)를 구할 수 있다. 즉, 상기 박막의 상태를 알 수 있다. 구체적으로, 상기 박막이 공정 중에서 생성된 경우, 상기 진공 유전율로 환산한 상기 박막의 두께를 실시간(real time)으로 알 수 있다.
구체적으로, 상기 쉬스 저항은 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00012
상기 쉬스 저항(Rsh)을 측정함으로써, 상기 박막의 상태를 모니터링 할 수 있다. 상기 탐침 구조체는 플로팅되어 있는 한 다양한 구조로 변경될 수 있다. 이러한 경우의 상술한 원리는 유사하게 적용될 수 있음은 자명하다.
탐침 구조체가 탐침 전극을 가지고 있고, 공정 중에서 도전성 물질이 상기 탐침 전극 상에 증착되어 상기 박막을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 박막은 공정 챔버의 타겟에서 스퍼터되어 증착되거나 공정가스가 상기 탐침 전극 상에서 화학반응하여 형성될 수 있다. 도전성을 가진 상기 박막은 등가 회로적으로 저항과 축전기의 병렬 연결로 취급될 수 있다. 이 경우, 상기 박막의 등가 저항과 등가 정전용량, 및 쉬스 저항을 상술한 방법과 유사하게 구할 수 있다. 상기 등가회로의 성분들을 모두 추출하기 위해서는 3개 이상의 기본 주파수가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 전자온도, 이온 포화전류 및 전자밀도를 측정하는 방법을 설명한다. 상술한 것처럼 탐침 구조체에 흐르는 탐침 전류를 푸리어 시리즈로 전개하면, 각각의 기본 주파수에 대하여 1차 푸리어 시리즈 계수는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112010008643387-pat00013
여기서 v1,v2는 상기 절연보호막을 가진 경우에 상기 쉬스 저항에 인가되는 제1 기본 각주파수(ω10)의 진폭 및 제2 기본 각주파수(ω0)의 진폭이다. v1,v2는 R,C를 이용하여 구할 수 있다. 상기 제1 기본 각주파수의 제1 차 푸리어 시리즈 계수와 상기 제2 기본 각주파수의 제1차 푸리어 시리즈 계수의 비(γ)를 이용하면, 전자온도(Te)를 구할 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00014
이온 포화 전류(ies)는 다음과 같이 제1 기본 각주파수의 제1차 푸리어 시리즈 계수 또는 제2 기본 각주파수의 제1차 푸리어 시리즈 계수로 표시될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00015
이온 포화 전류(ies)는 전자온도와 이온 밀도의 함수이므로, 이온밀도 또는 전자밀도를 구할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 식 9에 설명한 바와 같이 전자온도(Te)와 전자 밀도는 각각의 기본 주파수의 제1차 푸리어 시리즈 계수 및 제2차 푸리어 시리즈 계수를 이용하여 구할 수 있다. v1,v2는 R,C에 대입하여 구할 수 있다. 구체적으로, 이미 설명한 바와 같이 전자온도와 이온포화전류는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00016
여기서, v1,v2는 각각의 기본 주파수의 상기 쉬스 저항에 인가되는 진폭이고, Ip ,1(ω10) 은 제1 기본 각주파수의 제1 차 푸리어 시리즈 계수이고,Ip ,2(ω10)는 제1 기본 각주파수의 제2 차 푸리어 시리즈 계수이다. Ip ,1(ω20)은 제2 기본 각주파수의 제1 차 푸리어 시리즈 계수이고,Ip ,2(ω20) 는 제2 기본 각주파수의 제2 차 푸리어 시리즈 계수이다.
이하에서 이중 탐침의 동작원리를 설명한다.
면적이 같은 이중 탐침에 전압(V)을 인가하는 경우, 전압(V)에 따른 탐침 전류(I)는 다음과 같다.
Figure 112010008643387-pat00017
여기서, Te는 전자온도이다. 상기 탐침에 교류 전압(V= Vo cos(ωt))이 인가되는 경우, 상기 탐침 전류(I)는 다음과 같이 전개(expand)될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00018
여기서, a=Vo/(2Te)이고, a<1인 조건을 만족한다.
탐침 전류(I)의 제3 고조파(I3ω)의 크기에 대한 제1 고조파(I1ω)의 크기의 비율은 R로 정의한다. 이 경우, R은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00019
따라서, 상기 탐침 전류(I)를 주파수 공간에서 분해하고, 상기 탐침 전류(I)의 제1 고조파(I1 ω)와 제3 고조파(I3ω)의 크기를 비교하면, 전자온도(Te)를 구할 수 있다. 또한, 제1 고조파 성분(I1 ω)과 상기 이온 포화 전류(Ii)와의 관계식을 이용하면, 이온 포화전류(Ii)를 구할 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00020
이하에서 2차원적인 플라즈마 변수 및/또는 탐침 전극 상의 표면 정보를 추출하는 2차원 공정 모니터링 장치를 설명한다.
도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다. 도 4은 도 3의 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 공정 모니터링 장치는 탐침 기판(120), 상기 탐침 기판(120)의 일면에 이차원적으로 배열된 복수의 탐침 전극들(122), 상기 탐침 기판(120)을 관통하고 상기 탐침 전극들(122)과 연결되는 플러그들(124), 및 상기 플러그들(124)과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판(120)의 타면에 배치된 내부 배선(126)을 포함한다. 상기 탐침 전극들(122)은 플로팅되어, 상기 탐침 전극들(122)에 흐르는 전류는 변위 전류이다.
진공 용기(100)는 식각 공정, 증착 공정, 이온 주입 공정, 및 표면처리 공정 중에서 적어도 하나의 공정을 진행할 수 있다. 상기 진공 용기(100)는 가스 유입부(미도시) 및 배기부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 발생부(130)는 상기 탐침 기판(120)과 대향하여 이격되어 배치될 수 있다. 상기 플라즈마 발생부(130)는 유도 결합 플라즈마 장치, 축전 결합 플라즈마 발생 장치, AC 플라즈마 발생 발생 장치, DC 플라자마 발생 장치, 초고주파 플라즈마 발생 장치 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 발생부(130)는 연속 모드 또는 펄스 모드 중에서 적어도 하나를 포함하도록 동작할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 발생부(130)는 기판 홀더(110)에 연결되어 상기 기판 홀더(110)에 의하여 플라즈마가 발생할 수 있다.
상기 기판 홀더(110)는 기판(미도시) 또는 상기 탐침 기판(120)을 장착할 수 있다. 상기 기판(미도시)은 반도체 기판, 유리기판, 유전체 기판, 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 기판은 상기 탐침 기판(120)과 같은 형태일 수 있다. 상기 기판의 재질은 상기 탐침 기판(120)의 재질과 같은 것이 바람직할 수 있다. 상기 기판 홀더(110)는 가열부(미도시) 및/또는 DC 바이어스 제공부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 기판 홀더(110)는 상기 기판을 고정하는 수단인 정전척(eletrostatic chuck) 또는 기계척을 포함할 수 있다.
상기 탐침 기판(120)은 반도체 기판, 인쇄회로 기판, 또는 유리 기판일 수 있다. 상기 탐침 기판(120)은 원형 또는 사각형일 수 있다.
상기 탐침 전극들(122)은 동일한 형상 및 크기일 수 있다. 따라서, 상기 탐침 전극들(122) 사이의 별도의 보정 절차가 필요하지 않을 수 있다. 상기 탐침 전극들(122)은 상기 탐침 기판(120)의 상기 일면에 배치되어 플라즈마에 직접 또는 간접적으로 노출될 수 있다. 상기 탐침 전극들(122)은 원형이 바람직할 수 있다. 상기 탐침 전극(122)의 직경은 수 센티미터(cm) 이하인 것이 바람직하다. 상기 탐침 전극들(122)은 스터링에 강한 물질인 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 탐침 전극(122)은 알루미늄으로 형성하고 표면을 산화 처리하여 절연보호막(미도시)을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 탐침 전극(122)의 표면에 상기 절연 보호막이 배치될 수 있다. 상기 절연 보호막의 두께는 수십 마이트로 미터(micro meter) 이하인 것이 바람직하다.
상기 플러그들(124)은 상기 탐침 전극(122)과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판(120)을 관통하여 배치될 수 있다. 상기 플러그들(124)은 관통홀을 형성하고, 상기 관통홀에 금속을 채워서 형성할 수 있다.
상기 내부 배선(126)은 상기 플러그들(124)과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판(120)의 타면의 표면에 배치될 수 있다. 상기 내부 배선(126) 및 상기 플러그들(124)은 상기 탐침 전극들(122)과 코넥터(140)의 전기적 연결을 제공할 수 있다. 상기 배부 배선(126)은 도전성이 좋은 금속 또는 금속 화합물일 수 있다. 상기 타침 기판(120)의 하부에 내부 배선(126)을 덮도록 보호막(121)이 형성되어, 상기 내부 배선(126)과 상기 기판 홀더(110) 사이의 전기적 접촉을 방지할 수 있다.
상기 탐침 전극들(122)은 직류 전류가 흐르지 않고 변위 전류(displacement current)가 흐를 수 있다. 이를 위하여, 상기 탐침 전극들(122)의 표면에 상기 절연보호막(미도시)이 형성되거나, 또는 플로팅 축전기(152)가 상기 탐침 전극들(122)과 직렬 연결될 수 있다. 상기 탐침 전극들(122)은 하나의 기본 주파수를 가진 구동 전압이 인가될 수 있다. 또는 상기 탐침 전극들(122)은 복수의 기본 주파수를 가진 구동 전압이 인가될 수 있다. 상기 복수의 기본 주파수를 가진 구동 전압이 인가될 경우, 상기 탐침 전극(122)의 표면 상태를 알 수 있다.
상기 코넥터(140)는 상기 내부 배선들(126)과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판(120)에 주위에 배치될 수 있다. 상기 코넥터(140)는 상기 내부 배선들(126)들과 상기 플러그(124)를 통하여 연결될 수 있다.
상기 코넥터(140)는 상기 탐침 전극들(122)을 외부 회로(163)를 연결하는 수단일 수 있다. 상기 코넥터(140)는 상기 탐침 기판(140)의 상기 일면에 배치될 수 있다.
외부 배선(146)은 상기 코넥터(140)와 전기적으로 연결되고 진공 용기(100)의 외부 회로(163)와 연결될 수 있다. 상기 진공 용기(100)의 벽에 진공 코넥터(144)가 배치될 수 있다. 상기 외부 배선(146)은 상기 진공 코넥터(144)와 연결될 수 있다. 차폐용 주름관(142)은 상기 외부 배선(144)을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 차폐용 주름관(142)은 노이즈를 제거하도록 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 차례용 주름관(142)은 신축성과 가용성을 가질 수 있다.
상기 외부 회로(163)는 아날로그 멀티플렉서(150), 구동부(161), 감지부(161), 신호처리부(162), 및 제어부(164)를 포함할 수 있다. 상기 아날로그 멀티플렉서(150)는 상기 구동부(161)와 상기 진공 코넥터(144) 사이에 배치되어 시간에 따라 상기 탐침 전극들(122) 중에 적어도 하나에 상기 구동 전압을 인가할 수 있다. 상기 아날로그 멀티플렉서(150)는 상기 제어부(164)에 의하여 제어되어 상기 탐침 전극(122)과 상기 구동부(161)를 순차적으로 연결할 수 있다.
상기 구동부(161)는 상기 아날로그 멀티플렉서(150)와 연결되고 상기 탐침 전극들에 적어도 하나의 기본 주파수를 가진 주기적인 구동 전압을 인가할 수 있다. 상기 구동부(161)는 하나의 기본 주파수를 가지는 사인파 또는 정현파를 출력할 수 있다. 또는 상기 구동부(161)는 복수의 기본 주파수를 가지는 구동 전압을 동시에 출력할 수 있다. 상기 구동부(161)는 복수의 기본 주파수를 가지는 사인파를 순차적으로 출력할 수 있다. 상기 탐침 전극들(122) 상에 상기 절연보호막이 배치되는 경우, 상기 탐침 전극들에 인가되는 구동 전압은 적어도 2개의 기본 주파수를 출력할 수 있다.
상기 감지부(160)는 상기 구동부(161)와 상기 아날로크 멀티플렉서(150) 사이에 배치되어 상기 구동부(161) 또는 상기 탐침 전극(12)을 통하여 흐르는 교류 전류를 감지할 수 있다. 상기 감지부(160)는 감지 저항 및 차동 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 신호 처리부(162)는 상기 감지부(160)의 상기 교류 전류를 주파수 분석하여 상기 탐침 전극(122) 상의 플라즈마 변수 및/또는 상기 탐침 전극(122)의 표면 상태를 추출할 수 있다. 상기 플라즈마 변수는 이온 포화 전류, 전자 밀도 또는 전자 온도를 포함할 수 있다. 상기 탐침 전극(122)의 표면 상태는 플라즈마와 상기 탐침 전극(122) 사이의 등가 저항 및/또는 등가 정전 용량을 포함할 수 있다. 상기 신호 처리부(162)는 주파수 분석을 위하여 FFT 기능 및 아날로기-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
상기 제어부(164)는 상기 아날로그 멀티플렉서(150)를 제어하고, 상기 신호 처리부(162)의 출력을 이용하여 추가적인 연산을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다. 도 3에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 상기 공정 모니터링 장치는 탐침 기판(220), 상기 탐침 기판(220)의 일면에 이차원적으로 배열된 복수의 탐침 전극들(222), 상기 탐침 기판(220)을 관통하고 상기 탐침 전극들(222)과 연결되는 플러그들(224), 및 상기 플러그들(224)과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 전극들(222)과 상기 플러그들(224) 사이에 배치된 내부 배선(226)을 포함한다, 상기 탐침 전극들(222)은 플로팅되어, 상기 탐침 전극들(222)에 흐르는 전류는 변위 전류이다.
연결 패드(225)는 상기 플러그들(224)과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판(220)의 타면에 배치될 수 있다. 상기 탐침 기판(220)은 기판 홀더(110)에 장착되고, 상기 연결 패드(225)는 상기 기판 홀더(110)에 배치된 연결핀(212)과 전기적으로 접촉하여 교류 전압을 상기 탐침 전극들(222)에 제공할 수 있다.
상기 탐침 기판(220)은 반도체 기판 또는 유리 기판일 수 있다. 상기 탐침 기판(220) 상에 내부 배선 도전막이 형성되고, 상기 내부 배선 도전막이 패터닝되어 상기 내부 배선(226)이 형성될 수 있다. 상기 내부 배선(226)이 형성된 상기 탐침 기판(220)에 층간 절연막(미도시)을 증착할 수 있다. 이어서, 상기 층간 절연막은 상기 내부 배선(226)이 노출되도록 평탄화될 수 있다. 상기 탐침 기판(220)에 탐침 도전막을 형성하고 패터닝하여 상기 탐침 전극(222)을 형성할 수 있다. 이어서 상기 탐침 기판(220) 상에 탐침 절연막(223)을 형성할 수 있다. 이어서, 상기 탐침 절연막(223)의 상부면은 평탄화되어 상기 탐침 전극(220)을 노출할 수 있다. 상기 탐침 전극(220)의 선택적으로 산화되어 상기 탐침 전극 상부에 절연 보호막(221)이 형성될 수 있다. 상기 내부 배선(226) 및 상기 내부 배선 상에 배치된 상기 탐침 전극(222)의 형성 방법은 다양하게 변형될 수 있다.
상기 탐침 전극(222)이 형성된 상기 탐침 기판(220)의 타면에 상기 내부 배선(226)을 노출하는 콘택 홀(contact hole)이 형성될 수 있다. 플러그(224)는 상기 콘택 홀을 채울 수 있다. 상기 플러그(224) 상에 상기 연결 패드(225)가 배치될 수 있다. 상기 연결 패드(225)는 상기 기판 홀더(110)에 배치된 상기 연결핀(212)과 접촉할 수 있다. 상기 연결핀(112)은 이동부(214)에 의하여 상기 연결 패드(225)와 탈착될 수 있다. 상기 연결핀(112)은 외부 배선(246)을 통하여 외부회로(163)에 연결될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다. 도 3에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 상기 공정 모니터링 장치는 탐침 기판(320), 상기 탐침 기판(320)의 일면에 이차원적으로 배열된 복수의 탐침 전극들(322), 상기 탐침 기판(320)을 관통하고 상기 탐침 전극들(322)과 연결되는 플러그들(324), 및 상기 플러그들(324)과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판(320)의 타면에 배치된 내부 배선(326)을 포함한다. 상기 탐침 전극들(322)은 플로팅되어, 상기 탐침 전극들(322)에 흐르는 전류는 변위 전류이다.
차폐부(370)는 상기 탐침 기판(320)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상기 차폐부(370)는 도전성 물질일 수 있다. 상기 차폐부(370)와 상기 탐침 기판(320)의 상기 내부 배선(326) 또는 상기 플러그(324)와 전기적 접촉을 제거하기 위하여 상기 탐침 기판(320)의 타면에 보호막(327)이 배치될 수 있다. 상기 차폐부(370)는 하부 차폐부(372)와 상부 차폐부(374)를 포함할 수 있다. 상기 하부 차폐부(372)와 상기 상부 차폐부(374)는 고정핀(376)에 의하여 결합할 수 있다. 상기 상부 차폐부(374)는 관통홀들(378)을 포함할 수 있다. 상기 상부 차폐부(374) 및/또는 상기 하부 차례부(372)는 금속으로 형성되고, 상기 상부 차폐부(374) 및/또는 상기 하부 차폐부(372)의 표면은 산화막 또는 절연막으로 코팅될 수 있다. 상기 산화막은 알루미늄 산화막일 수 있다.
상기 차폐부(370)는 상기 탐침 전극들(322)에 대응하는 관통홀들(378)을 포함할 수 있다. 상기 탐침 전극들(322)은 상기 관통홀들(378)과 정렬되어 배치될 수 있다. 상기 탐침 전극들(322) 상에는 절연보호막(329)이 배치될 수 있다. 상기 차폐부(370)는 외부 노이즈에 의한 상기 탐침 전극들(322) 및 상기 내부 배선(326)에 대한 영향을 감소시킬 수 있다.
코넥터(340a)는 상기 탐침 기판(320)의 일면 또는 타면에 배치될 수 있다. 차폐 주름관(344a)은 상기 코넥터(340a)와 고정 결합할 수 있다. 상기 차폐 주름관(344a) 내부로 외부 배선(346)이 배치될 수 있다. 상기 탐침 전극들(322)은 상기 외부 배선(346)을 통하여 외부회로(163)에 연결될 수 있다.
도 7 내지 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다. 도 8은 도 7의 공정 모니터링 장치의 평면도이고, 도 9는 도 7의 공정 모니터링 장치의 블록도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 공정 모니터링 장치(401)는 기판 홀더(110)에 장착되는 탐침 기판(420), 및 상기 탐침 기판(420)의 일면에 배치되고 플라즈마에 노출되는 복수의 탐침 전극들(422)을 포함한다. 상기 탐침 전극들(422)에 교류 전압이 인가되고, 상기 탐침 전극들(422)은 플로팅되고, 상기 탐침 전극들(422)에 흐르는 전류는 변위 전류이다.
상기 탐침 전극(422)은 도전성 물질일 수 있다. 상기 탐침 전극(422)은 금속, 금속화합물, 또는 도핑(doping)된 반도체일 수 있다. 상기 탐침 기판(420)은 실리콘 기판 또는 유리 기판일 수 있다. 상기 탐침 기판(420)은 공정이 수행되는 기판과 같은 재질일 수 있다. 상기 탐침 전극(422)의 측면은 절연막(429)에 의하여 채워질 수 있다. 또한, 내부 배선(426)의 측면은 절연막(427)에 의하여 채워질 수 있다.
금속성의 탐침 전극(422)이 플라즈마에 직접 노출되는 경우, 상기 탐침 전극(422)의 물질은 스퍼터링될 수 있다. 이에 따라, 상기 탐침 전극(422)의 물질은 진공 용기(100)의 내부에 증착되어 오염원으로 작용할 수 있다. 따라서, 상기 탐침 전극(422)은 절연보호층으로 덮히는 것이 바람직할 수 있다. 상기 절연보호층(421)은 스퍼터링에 강한 물질일 수 있다. 구체적으로, 상기 절연 보호막(421)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 또는 알루미늄 산화막일 수 있다. 상기 절연 보호막(421)의 두께는 수십 um 이내가 바람직하다. 상기 절연 보호막(421)이 증가하면, 측정 신호의 감도 또는 정밀도가 감소할 수 있다. 따라서, 상기 절연 보호층(421) 및 상기 탐침 전극(422)을 포함하는 탐침부(422a)는 내구성 및 신뢰성을 가질 수 있으며, 반 영구적으로 사용될 수 있다.
내부 배선(423)은 상기 탐침 전극들(422)과 상기 탐침 기판(420) 사이에 배치될 수 있다. 상기 내부 배선(420)은 패터닝될 수 있다. 상기 내부 배선(423)은 도전성 물질일 수 있다. 상기 내부 배선(423)은 알루미늄 또는 주석 합금일 수 있다.
상기 내부 배선(423)은 구동 처리부(463)와 연결될 수 있다. 구동 처리부(463)는 코넥터(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 구동 처리부(463)는 코넥터를 통하여 상기 내부 배선(423)과 연결될 수 있다.
상기 구동 처리부(463)는 상기 탐침 전극들(422)에 교류 신호를 제공하고 상기 탐침 전극들(422)에 흐르는 전류를 측정하여 처리할 수 있다. 상기 구동 처리부(463)는 하나의 칩 형태로 제작되거나, 하나의 보드 형태로 제작될 수 있다. 상기 구동 처리부(463)는 상기 탐침 기판(420)의 가장 자리에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 구동 처리부(463)는 상기 탐침 전극들(422)에 적어도 하나의 기본 주파수를 가진 주기적인 구동 전압을 인가하는 전압 인가부(475), 상기 전압 인가부(475)와 상기 탐침 전극들(422) 또는 탐침부(422a) 사이에 배치되어 시간에 따라 상기 탐침 전극들(422) 중에 적어도 하나에 상기 구동 전압을 인가하는 탐침 선택부(477), 상기 전압 인가부(475)와 상기 탐침 선택부(477) 사이에 배치되어 상기 전압 인가부(475)를 통하여 흐르는 교류 전류를 감지하는 전류 측정부(478), 상기 전류 측정부(478)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화하는 신호 수신부(472), 및 상기 신호 수신부(472)의 출력신호를 제공받아 주파수를 분석하여 상기 탐침 전극(422) 상의 플라마 변수 및/또는 상기 탐침 전극(422)의 표면 상태를 추출하는 제어 및 연산부(474)를 포함할 수 있다.
상기 구동 처리부(463)는 상기 제어 및 연산부(474)의 계산 결과 및/또는 정보를 저장하는 데이터 저장부(473), 상기 제어 및 연산부(463)의 계산 결과 및/또는 정보를 외부의 컴퓨터(481) 등과 통신하신 통신부(471), 및 상기 구동 처리부(463)에 전원을 공급하는 전원부(476)를 포함할 수 있다.
상기 전압 인가부(475)는 기본 주파수의 교류 신호를 상기 탐침 전극들에 인가한다. 상기 전압 인가부(475)의 출력 신호는 상기 탐침 전극들(422)의 구조에 따라 다를 수 있다. 상기 전압 인가부(475)는 정현파의 교류 전압을 인가할 수도 있고, 측정에 용이하도록 변조된 교류 전압이 사용될 수 있다.
상기 탐침 선택부(477)는 상기 전압 인가부(475)의 출력 신호를 상기 탐침 전극들(422) 중에서 적어도 하나에 인가할 수 있다. 바람직하게는 상기 탐침 선택부(477)는 순차적으로 상기 탐침 전극들(422)에 상기 교류 전압을 인가할 수 있다. 상기 탐침 선택부(477)는 아날로그 멀티플렉서일 수 있다.
상기 전류 측정부(478)는 선택된 상기 탐침 전극(422)에 흐르는 변위 전류를 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 전류 측정부(478)는 측정 저항과 미분 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 신호 수신부(472)는 상기 전류 측정부(478)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 샘플러 또는 A/D 변환기일 수 있다. 상기 신호 수신부(472)의 출력은 상기 제어 및 연산부(474)를 통하여 데이터 저장부(473)에 저장될 수 있다.
상기 제어 및 연산부(474)는 설정된 프로그램에 의하여 상기 탐침 선택부(477)를 제어하고, 상기 신호 수신부(472)의 출력 신호를 수신하여 처리할 수 있다.
상기 데이터 저장부(473)는 상기 제어 및 연산부(474)의 처리 결과 및/또는 신호 수신부(472)의 출력 신호를 저장할 수 있다.
상기 통신부(471)는 상기 제어 및 연산부(474)와 연결되어 외부 회로와 연결 수단을 제공할 수 있다. 상기 통신부(471)는 무선 또는 유선 통신 수단일 수 있다.
상기 전원부(476)는 상기 구동 처리부(463)에 전력을 제공할 수 있다. 상기 전원부는 바테리(battery)일 수 있다.
MicroController Unit(MCU,473)는 상기 제어 및 연산부(474) 및 데이터 저장부를 포함할 수 있다. 상기 MCU(473)는 하나의 칩 형태로 제작될 수 있다.
측정이 끝나면, 상기 구동 처리부(463)는 상기 컴퓨터(481)와 통신을 하여 데이터를 컴퓨터에 전달한다. 상기 컴퓨터(481)는 전달받은 데이터를 통해 가공되지 않은 전류신호일 경우에는 결과를 해석한다. 상기 컴퓨터(481)은 통신 수단을 포함하여 상기 통신부(471)와 유선 또는 무선으로 정보를 제공받아 처리할 수 있다.
상술한 탐침 기판 내장형 공정 모니터링 장치는 외부 배선을 사용하지 않는다. 따라서, 상기 공정 모니터링 장치는 플라즈마 공정 장치에 추가적인 장치의 설치를 요구하지 않는다. 상기 공정 모니터링 장치는 플라즈마 변수 및/또는 탐침 전극 상의 표면 정보를 제공할 수 있다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면들이다. 도 10b는 도 10a의 단면도이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 상기 공정 모니터링 장치는 기판 홀더에 장착되는 탐침 기판(520), 및 상기 탐침 기판(520)의 일면에 배치되고 플라즈마에 노출되는 복수의 탐침 전극들(522)을 포함한다. 상기 탐침 전극들(522)에 교류 전압이 인가되고, 상기 탐침 전극들(522)은 플로팅되고, 상기 탐침 전극들(522)에 흐르는 전류는 변위 전류이다. 상기 탐침 전극(522)는 한 쌍의 전극을 포함하는 이중 탐침(522a,522b)일 수 있다. 상기 이중 탐침(522a,522b)은 동일한 면적을 가지고 플라즈마에 노출될 수 있다. 내부 배선(526)은 상기 탐침 전극(522)과 상기 탐침 기판(520) 사이에 배치되어 구동 처리부(563)에 연결될 수 있다. 상기 내부 배선(526)의 측면 및 상기 탐침 전극(522)의 측면은 절연막(523)으로 채워질 수 있다.
이하에서는 컴퓨터 또는 제어 및 연산부의 데이터 처리 방법을 한다.
플라즈마 변수들은 2차원의 면내에서 서로 이격되어 측정될 수 있다. 2차원 플라즈마 변수들은 2차원적으로 배열된 복수의 탐침 전극들에 의하여 측정될 수 있다. 따라서, 상기 탐침 전극들이 배치되지 않은 지점에서의 플라즈마 변수의 추정값이 필요하다. 상기 추정값은 측정된 지점들에서의 플라즈마 변수들의 보간(interpolation)에 의하여 수행될 수 있다.
대표적인 보간법으로 Renka cline, Modifeid Shepard, Krigging 방법 등이 있다. 그러나, Modifeid Shepard 방법은 측정값 대비 추정값을 최소 에러가 되도록 피팅(fitting)한다. Krigging 방법은 예측점에 대한 각 추정값들의 가중치 선정시 분산(dispersion)을 최소화한다. 그러나 Modifeid Shepard, Krigging 방법은 측정값 대비 추정값을 최소 에러가 되도록 피팅(fitting)한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 플라즈마 변수 모니터링 방법은 양극성 확산(ambipolar diffusion) 현상에 적합하도록 구성한 플라즈마 확산 보간법을 적용한다. 상기 플라즈마 확산 보간법은 간단한 알고리즘으로 구축 가능하며, 추정값의 오차를 최소화할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통 진공 용기에 적용된 보간법의 좌표를 설명하는 도면 및 보간법의 흐름도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 공정 모니터링 방법은 플라즈마 챔버 내의 소정의 평면 내의 복수의 지점에서 플라즈마 변수를 측정하는 단계(S100), 및 상기 플라즈마 변수를 플라즈마 확산 알고리즘을 이용하여 상기 평면 내의 지점들을 보간(interpolation)하는 보간 함수를 구하는 단계(S200)를 포함한다. 상기 플라즈마 변수는 전자 밀도, 전자 온도, 및 이온 포화 전류 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
플라즈마 변수를 측정하는 단계(S100)는 2차원 플라즈마 변수(zi(xi,yi))를 측정하고 측정 데이터를 처리한다(S120). 보간법을 실시하기 위하여, 기본 변수를 설정하고, 측정 위치에 대한 정보가 설정된다(S130). 상기 2차원 플라즈마 변수는 위에서 상술한 공정 모니터링 장치를 측정될 수 있다.
추정값을 구하기 위한 기본 보간 함수(F(x,y))는 다음과 같이 나타낸다(S240).
Figure 112010008643387-pat00021
여기서, Wi(x,y)는 추정점(x,y)과 i 번째의 측정점(xi,yi) 간의 거리에 따른 가중치 함수이다. Qi(x,y)는 i 번째의 측정점(xi,yi)에 따른 추정점(x,y)의 피팅함수(fitting function)이다. x-y 평면은 측정 평면이다. i는 1 내지 n 의 정수일 수 있다. n의 총 측정점의 숫자이다.
상기 가중치 함수(Wi(x,y))는 국소 가중치 함수(wi(x,y))로 다음과 같이 표시될 수 있다(S210).
Figure 112010008643387-pat00022
여기서, Rw는 가중치 함수 국소 상수(weight function local factor)이다. di는 측정점(xi,yi)과 추정점(x,y) 사이의 거리이다.
상기 국소 가중치 함수(wi(x,y))는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00023
상기 피팅함수(Qi(x,y))는 다음과 같이 정의될 수 있다(S220).
Figure 112010008643387-pat00024
여기서, J(0)는 0차 베셀함수(Bessel function)이다. RC는 원통형 챔버의 반경이다. zi는 측정점에서의 플라즈마 변수이다. RC는 진공 용기의 반경이다. Rd는 탐침 기판의 반경이다. 상기 플라즈마 변수는 플라즈마 밀도, 전자 온도, 및 이온 포화전류 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 추정점(x,y)과 챔버벽 사이의 거리(a) 및 측정점(xi,yi)과 챔버벽 사이의 거리(l)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112010008643387-pat00025
플라즈마 확산 알고리즘은 공간 내 챔버벽 대비 거리에 따른 양극성 확산 현상을 적용한다. 가중치 함수(Wi(x,y))는 modified shepard와 동일하게 구성할 수 있다. 그러나, 피팅함수(Qi(x,y))는 원통형 플라즈마 공간에서 확산시 중심에서 챔버 벽까지 0차 베셀함수(J(0))로 계산된다. 상기 0차 베셀함수(J(0))는 예측추정점(x,y)과 챔버벽 사이의 거리(a)에 대한 측정점(xi,yi)과 챔버벽 사이의 거리(l)의 비의 함수일 수 있다. 이것은 각각의 측정점에 대한 추정점 사이의 분포곡선이 0차 베셀함수로 표현되는 것을 의미하며 추정점과 측정점의 부분적인 영역에서 확산 시작점(diffusion source)들이 각각 독립적으로 간주되어 최종적으로 총 합으로 추정점이 구해짐을 나타낸다. 플라즈마 확산 알고리즘은, Modified shepard 방법에 비하여, 미지 계수를 구하는 루프가 생략되어 간단하게 1 루프 알고리즘으로 구성된다(S230,S250). 따라서, 빠르고 정확하게 2차원적 플라즈마 특성이 계산될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 사각형 진공 용기의 좌표를 설명하는 도면이다.
도 13을 참조하면, 플라즈마 챔버가 사각통인 경우, 상기 피팅함수(Qi(x,y))는 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112010008643387-pat00026
여기서, 2L은 제1 방향의 챔버의 길이이고, 2L'은 제2 방향의 챔버의 길이일 수 있다. 상기 제1 방향은 제2 방향에 수직하고, 상기 제1 방향 및 제2 방향은 측정 평면과 일치할 수 있다.
도 14a 내지 도 14c 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에 의한 처리 결과를 설명하는 도면들이다.
도 14a를 참조하면, 보간법을 사용한 플라즈마 밀도의 등고선이 표시된다. 플라즈마 밀도(단위: #/cm3)는 압력(60 mTorr), 유랑(20 sccm), 플라즈마 발생 전력(300W)의 조건에서 측정된 플라즈마 밀도를 가지고 보간 처리한 결과이다.
도 14b를 참조하면, 측정 위치에서의 측정값, 플라즈마 확산 알고리즘에 의한 추정값, 및 종래의 modified shepardd 알고리즘에 의한 추정값이 표시된다.
도 14c를 참조하면, 측정 위치에 따른 에러가 표시된다. 각 위치의 에러는 그 위치를 제외한 데이터들를 이용하여 추정값을 구하여 수행되었다. 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 확산 알고리즘은 탐침 기판의 가장 자리에서 에러가 작다.
도 15a 내지 도 15c 본 발명의 다른 실시예에 따른 공정 모니터링 방법에 의한 처리 결과를 설명하는 도면들이다.
도 15a를 참조하면, 보간법을 사용한 플라즈마 밀도의 등고선이 표시된다. 플라즈마 밀도(단위: #/cm3)는 압력(6 mTorr), 유랑(20 sccm), 플라즈마 발생 전력(300W)의 조건에서 측정된 플라즈마 밀도를 가지고 보간 처리한 결과이다.
도 15b를 참조하면, 측정 위치에서의 측정값, 플라즈마 확산 알고리즘에 의한 추정값, 및 종래의 modified shepardd 알고리즘에 의한 추정값이 표시된다.
도 15c를 참조하면, 측정 위치에 따른 에러가 표시된다. 각 위치의 에러는 그 위치를 제외한 데이터들를 이용하여 추정값을 구하여 수행되었다. 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 확산 알고리즘은 탐침 기판의 가장 자리에서 에러가 작다.
도 16은 플라즈마 확산 알고리즘과 modified shepard 알고리즘을 비교한 것이다.
도 16을 참조하면, 플로팅 탐침을 사용하여 2차원적으로 분포된 모든 지점에서 측정을 실시한 후 해당 지점별 측정값은 제외하고 나머지 지점들의 측정값들로 보간법을 적용하여 추정값을 계산하였다. 탐침 각각의 측정 포인트별 측정값 대비 추정값의 오차율을 확인할 수 있었다.
실험 결과, 플라즈마 확산법이 우수하였다. 플라즈마 확산법의 오차율은 4 내지 7 퍼센트, Modifeid shepard 알고리즘의 오차율은 5 내지 14 퍼센트이다. 특허, Modifeid shepard 알고리즘의 경우 탐침 기판의 중심에서 떨어진 외곽에서의 추정값들은 오차율이 높았다. 압력 변화에 따른 균일도 저하시, Modifeid shepard 알고리즘은 외곽 지점의 오차율은 30 퍼센트 이상이지만, 플라즈마 확산법은 약 7 퍼센트이었다. 또한, Modifeid shepard 알고리즘은 2번의 루프를 가지고 연산하기 때문에, 데이터의 수가 증가하는 경우, 연산 시간이 많이 소요된다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 사용하여 측정한 플라즈마 밀도와 전자 온도를 설명하는 도면들이다.
도 17을 참조하면, 플라즈마 밀도(전자 밀도)는 2차원적으로 등고선으로 도시(contour plot)되었다.
도 18을 참조하면, 전자 온도는 2차원적으로 등고선으로 도시되었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들를 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 실시 예들은 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.
120: 탐침 기판, 122: 탐침 전극들, 124: 플러그들, 126: 내부 배선
220: 탐침 기판, 222: 탐침 전극들, 224: 플러그들, 226: 내부 배선
320: 탐침 기판, 322: 탐침 전극들, 324: 플러그들, 326: 내부 배선
401: 공정 모니터링 장치, 110: 기판 홀더, 420: 탐침 기판, 422: 탐침 전극들
520: 탐침 기판, 522: 탐침 전극들, 522a,522b: 이중 탐침, 526: 내부 배선, 563: 구동 처리부, 523: 절연막

Claims (17)

  1. 기판 홀더에 장착되는 탐침 기판; 및
    상기 탐침 기판의 일면에 배치되고 플라즈마에 노출되는 복수의 탐침 전극들을 포함하고,
    상기 탐침 전극들에 교류 전압이 인가되고, 상기 탐침 전극들은 플로팅되고,
    상기 탐침 전극들에 흐르는 전류는 교류 전류인 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침 전극들은 단일 탐침 전극인 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침 전극들은 이중 탐침 전극인 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침 전극들 상에 배치된 절연 보호층을 더 포함하고,
    상기 탐침 전극들에 인가되는 구동 전압은 적어도 2개의 기본 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침 기판을 관통하고 상기 탐침 전극들과 연결되는 플러그들; 및
    상기 플러그들과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판의 타면에 배치된 내부 배선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 내부 배선들과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판에 배치된 코넥터;
    상기 코넥터와 연결되고 상기 탐침 전극들에 적어도 하나의 기본 주파수를 가진 주기적인 구동 전압을 인가하는 구동부;
    상기 구동부와 상기 코넥터 사이에 배치되어 시간에 따라 상기 탐침 전극들 중에 적어도 하나에 상기 구동 전압을 인가하는 아날로그 멀티플렉서;
    상기 구동부와 상기 아날로그 멀티플렉서 사이에 배치되어 상기 구동부를 통하여 흐르는 교류 전류를 감지하는 감지부; 및
    상기 감지부의 상기 교류 전류를 주파수 분석하여 상기 탐침 전극 상의 플라즈마 변수 또는 상기 탐침 전극의 표면 상태를 추출하는 신호 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침 기판을 둘러싸고 있는 차폐부를 더 포함하고,
    상기 차폐부는 상기 탐침 전극들에 대응하는 관통홀들을 포함하고,
    상기 탐침 전극들은 상기 관통홀들과 정렬되어 배치되는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 내부 배선과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판에 배치된 코넥터;
    상기 코넥터와 전기적으로 연결되고 진공 용기의 외부의 회로와 연결되는 외부 배선; 및
    상기 외부 배선을 감싸고 도전성의 차폐용 주름관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침 전극들 상에 배치된 절연 보호층; 및
    상기 탐침 전극들과 상기 탐침 기판 사이에 배치된 내부 배선를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 내부 배선과 전기적으로 연결되고 상기 탐침 기판에 배치된 코넥터를 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침 전극들에 교류 신호를 제공하고 상기 탐침 전극들에 흐르는 전류를 측정하여 처리하는 구동 처리부를 더 포함하고,
    상기 구동 처리부는 상기 탐침 기판에 배치되는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 구동 처리부는:
    상기 탐침 전극들에 적어도 하나의 기본 주파수를 가진 주기적인 구동 전압을 인가하는 전압 인가부;
    상기 전압 인가부와 상기 탐침 전극들 사이에 배치되어 시간에 따라 상기 탐침 전극들 중에 적어도 하나에 상기 구동 전압을 인가하는 탐침 선택부;
    상기 전압 인가부와 상기 탐침 선택부 사이에 배치되어 상기 전압 인가부를 통하여 흐르는 교류 전류를 감지하는 전류 측정부;
    상기 전류 측정부의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화하는 신호 수신부; 및
    상기 신호 수신부의 출력신호를 제공받아 주파수를 분석하여 상기 탐침 전극 상의 플라즈마 변수 또는 상기 탐침 전극의 표면 상태를 추출하는 제어 및 연산부를포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 구동 처리부는:
    상기 제어 및 연산부의 계산 결과 및 정보를 저장하는 데이터 저장부;
    상기 제어 및 연산부와 외부의 컴퓨터와 통신하는 통신부; 및
    상기 구동 처리부에 전원을 공급하는 전원부 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  14. 플라즈마 챔버 내의 소정의 평면 내의 복수의 지점에서 플라즈마 변수를 측정하는 단계; 및
    상기 플라즈마 변수를 플라즈마 확산 알고리즘을 이용하여 상기 평면 내의 지점들을 보간(interpolation)하는 보간 함수를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 플라즈마 변수는 전자 밀도, 전자 온도, 및 이온 포화 전류 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는 원통형 용기이고,
    상기 보간 함수(F(x,y))는
    Figure 112010008643387-pat00027

    가중치함수(Wi(x,y))와 피팅 함수(Qi(x,y))의 곱의 합으로 주어지고,
    상기 피팅 함수(Qi(x,y))는 베셀 함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 방법.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 플라즈마 챔버는 사각통 용기이고,
    상기 보간 함수(F(x,y))는
    Figure 112012012171256-pat00052

    가중치함수(Wi(x,y))와 피팅 함수(Qi(x,y))의 곱의 합으로 주어지고,
    상기 피팅 함수(Qi(x,y))는 다음과 같은
    Figure 112012012171256-pat00028

    코사인 함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 방법.
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