KR101398578B1 - 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법 및 장치 - Google Patents

플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 진공 상태에서 플라즈마 챔버 내의 입자들에 대한 제1 촬상 영상을 입력받는 단계와, 상기 플라즈마 챔버 내에 가스가 주입되고 파워가 인가된 상태에서 상기 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들에 대한 제2 촬상 영상을 입력받는 단계와, 상기 제1 촬상 영상 및 제2 촬상 영상에서 각각의 쉬스(sheath) 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제1 입자수 분포 및 제2 입자수 분포를 각각 획득하는 단계와, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제2 입자수 분포에 대해 상기 제1 입자수 분포를 차감하여 보정된 제2 입자수 분포를 획득하는 단계, 및 상기 보정된 제2 입자수 분포를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시하는 단계를 포함하는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법을 제공한다.
상기 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법에 따르면, 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들의 촬상 영상에서 쉬스 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여 쉬스 영역 내의 이온의 분포를 실시간으로 손쉽게 감시할 수 있는 이점이 있다.

Description

플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법 및 장치{Method for monitoring ion distribution in plasma sheath and apparatus for thereof}
본 발명은 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 상태에서 발생하는 쉬스(sheath) 영역에서의 이온의 분포를 감시할 수 있는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법 및 장치에 관한 것이다.
플라즈마에서 쉬스(sheath) 영역이란 플라즈마 주위에서 플라즈마를 감싸고 있는 것과 같이 보이는 얇은 층의 발광하지 않는 영역을 의미한다. 쉬스 영역 내의 이온 에너지의 분포는 이온들의 에너지와 그 수의 분포를 나타낸다. 일반적으로 이온 에너지 분포 함수(Ion energy distribution function;IEDF)는 박막의 식각 또는 증착 공정의 분석, 감시 및 최적화를 위해 요구된다. 균일한 박막과 식각 패턴을 얻기 위해서는 균일한 IEDF가 요구되는데, 특히 식각 공정 중에 이온 에너지의 이상 발생은 제조되는 박막 또는 식각 패턴에 손상을 주게 되므로 IEDF를 실시간 측정할 수 있는 시스템의 개발이 요구된다.
기존에 IEDF 측정은 ESA(Electron Spectrum Analyzer)법 또는 비접촉식 이온에너지 분포측정법 등이 이용된다. 여기서, ESA 방식은 이온에너지 분포를 실시간으로 제공하지 못한다. 그리고, 비접촉식 이온에너지 분포측정법은 I-V probe를 이용해 측정한 전기적인 실시간 데이터에 물리적인 플라즈마 모델을 결합하여 IEDF를 제공하는데, 이는 물리적 쉬스 모델에 내재한 가정(assumptions)들로 인해 실제 분포와 다른 분포를 계산할 수 있다. 이러한 IEDF 측정을 이용한 플라즈마 처리장치에 관한 배경기술은 한국공개특허 제2011-0116955호에 개시된 바 있다.
상수한 이온 에너지 분포함수와는 달리 전자 에너지 분포함수(Electron energy distribution function;EEDF)는 가스의 해리(dissociation)와 이온화(ionization)의 분석에 요구된다. 그런데 현재까지는 EEDF를 실시간 측정할 수 있는 장치가 없으며 3차원 플라즈마 공간에서 전자 에너지 분포를 측정할 수 있는 방법 또한 현존하지 않는다.
본 발명은, 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들의 촬상 영상에서 쉬스 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여 쉬스 영역 내의 이온의 분포를 실시간 감시할 수 있는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 진공 상태에서 플라즈마 챔버 내의 입자들에 대한 제1 촬상 영상을 입력받는 단계와, 상기 플라즈마 챔버 내에 가스가 주입되고 파워가 인가된 상태에서 상기 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들에 대한 제2 촬상 영상을 입력받는 단계와, 상기 제1 촬상 영상 및 제2 촬상 영상에서 각각의 쉬스(sheath) 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제1 입자수 분포 및 제2 입자수 분포를 각각 획득하는 단계와, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제2 입자수 분포에 대해 상기 제1 입자수 분포를 차감하여 보정된 제2 입자수 분포를 획득하는 단계, 및 상기 보정된 제2 입자수 분포를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시하는 단계를 포함하는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법을 제공한다.
여기서, 상기 보정된 제2 입자수 분포를 획득하는 단계는, 상기 차감된 입자수 결과에 오프셋을 부가할 수 있다.
또한, 상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시하는 단계는, 임의의 그레이 스케일 범위 내의 입자수를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온의 분포를 감시할 수 있다.
그리고, 상기 임의의 그레이 스케일 범위는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
T1 ≤ 임의의 그레일 스케일 ≤ T2
여기서, T1은 상기 촬상 영상에 대한 최대 그레이 스케일 값의 17~23% 및 55~60%에 해당되는 값을 나타낸다.
또한, 상기 제1 및 제2 촬상 영상은, 상기 플라즈마 챔버 내의 상기 쉬스 영역을 포함하는 임의 공간에서 복원된 2차원 영상일 수 있다.
그리고, 본 발명은 진공 상태에서 플라즈마 챔버 내의 입자들에 대한 제1 촬상 영상과, 상기 플라즈마 챔버 내에 가스가 주입되고 파워가 인가된 상태에서 상기 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들에 대한 제2 촬상 영상을 각각 입력받는 영상 입력부와, 상기 제1 촬상 영상 및 제2 촬상 영상에서 각각의 쉬스(sheath) 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제1 입자수 분포 및 제2 입자수 분포를 각각 획득하는 입자수 분포 획득부와, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제2 입자수 분포에 대해 상기 제1 입자수 분포를 차감하여 보정된 제2 입자수 분포를 획득하는 입자수 분포 보정부, 및 상기 보정된 제2 입자수 분포를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시하는 이온 분포 감시부를 포함하는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 장치를 제공한다.
여기서, 상기 입자수 분포 보정부는, 상기 차감된 입자수 결과에 오프셋을 부가할 수 있다.
또한, 상기 이온 분포 감시부는, 임의의 그레이 스케일 범위 내의 입자수를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온의 분포를 감시할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법에 따르면, 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들의 촬상 영상에서 쉬스 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여 쉬스 영역 내의 이온의 분포를 실시간으로 손쉽게 감시할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 위한 광학 현미경의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 장치의 구성도이다.
도 3은 도 2를 이용한 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법의 흐름도이다.
도 4는 도 3의 S320 단계를 통해 획득한 영상의 예를 나타낸다.
도 5는 도 3의 S330 단계에 의해 획득된 제2 입자수 분포의 예를 나타낸다.
도 6은 도 4의 각 픽셀층 별로 특정 그레이 스케일 값을 갖는 픽셀의 개수를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 4의 촬상 영상 중에서 쉬스 영역에서의 그레이 스케일별 픽셀수를 나타낸다.
도 8은 기존의 상용화된 IEDF 함수를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 도 3의 S340 단계를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10에 오프셋을 부가한 이후의 일부 구간을 도시한 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예를 위한 광학 현미경의 개략 구성도이다. 도 1의 (a)는 기존의 In-Line 광학 시스템으로서 레이저(Laser), 빔 확장기, CCD 센서로 구성된다. 플라즈마 장비 즉, 플라즈마 챔버에는 두 개의 윈도우(창 1, 창 2)가 요구된다. 척 위에는 웨이퍼가 놓여지며 증착 또는 식각 대상 박막이 배치된다.
레이저에서 발사된 빛은 빔 확장기에서 확장되어 척을 포함한 상단부를 비춘다. 이때, 레이저 빛을 흡수, 반사, 또는 투과하는 물질 입자의 정보가 CCD 센서에 저장된다. 일반적으로 쉬스 공간은 전자수가 이온수보다 적은 공간으로서 척 근방에서 발생한다.
도 1의 (b)는 기존의 On-Axis 광학 시스템의 변형예로서 빔 분할기의 상단부에 반사판이 없는 구조이다. 이러한 도 1의 (b)는 레이저, 빔 분할기, 빔 확장기, CCD 센서로 구성된다. 플라즈마 챔버에는 하나의 윈도우(창 1)가 요구된다.
레이저에 발사된 빛은 빔 분할기에서 수평 및 수직 방향의 빛으로 분할된다. 분할된 수평 방향의 빛은 창 1을 통과하여 척의 상단부를 비춘 다음 챔버의 반대편 벽에서 다시 반사된다. 또한, 벽에서 반사된 빛은 식각 물질 및 플라즈마 입자와 반응하게 되며 그 반응된 입자의 분포가 CCD 센서에 저장된다. 이러한 도 1의 (a), (b) 모두의 경우 CCD 센서의 전단에 각종 필터(ex, spatial filter)가 설치되면 입자의 해상도를 증진시킬 수 있다.
도 1을 통해 촬영한 영상을 이용한다면 챔버의 가로(또는 세로) 방향으로의 임의의 공간에서 입자수 분포를 구할 수 있다. 입자수 분포의 공간 분해를 위해 이용되는 알고리즘은 프레넬 존 변환(Fresnel zone transformation)이 이용된다.
도 1을 이용하여 얻어지는 CCD 이미지는 본래 2차원 평면인 X, Y 축으로 이루어져 있지만 복원을 통하여 2차원 평면을 Z축으로 이동시켜 3차원의 공간에서 대상물을 구분할 수 있다. 이 복원 기술은 공지된 일반적인 방법으로서 플라즈마 공간 내의 전자나 이온 분포를 계산하는 데에 응용된다. 복원 식은 수학식 1을 참조한다.
Figure 112012067440378-pat00001
여기서, u(x,y)는 입력 이미지이고, d는 object가 떨어진 거리이다. 예를 들어 d 값은 CCD 센서와 챔버 내의 임의 지점 사이의 거리를 의미할 수 있다. kx, ky 는 프레넬 존 패턴(Fresnel zone pattern)을 만들기 위한 특이 함수이다. h(r,c)는 실수부와 허수부로 나뉜다. 수학식 2는 위상, 수학식 3은 크기를 나타내는 것으로서 이를 통해 다시 이미지화할 수 있게 된다.
Figure 112012067440378-pat00002
Figure 112012067440378-pat00003
수학식 1의 d를 조절하여 플라즈마 챔버 내의 임의의 공간에서의 2차원 2D 입자 분포를 수학식 3을 통해 복원할 수 있다. 수학식 3은 실수부와 허수부의 영상 정보를 이용하여 얻어진 것이다. 실수부의 영상 정보는 수학식 3으로 복원된 영상과 비슷하며, 따라서 복원된 영상을 대체하여 사용할 수 있다.
여기서, 플라즈마 챔버의 가로(또는 세로) 방향의 전체 거리에 대해 2D 입자 분포를 구한 다음 이를 결합하면 3차원의 3D 입자 분포를 구하는 것도 가능하다. 즉, 2D 복원 영상에서 플라즈마 임의의 위치에서 EEDF(Electron energy distribution function; 전자 에너지 분포 함수)를 구할 수 있고, 웨이퍼와 근접한 쉬스 영역에서 IEDF(Ion energy distribution function; 이온 에너지 분포 함수)를 구할 수 있다. 또한, 각각의 위치에서 구한 EEDF(또는 IEDF)를 상호 결합하면 3D 형태의 EEDF(또는 IEDF)를 구할 수 있다.
이하에서는 상기 광학 현미경을 통해 촬상된 영상을 이용한 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포를 모니터링하는 장치 및 방법에 관하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 장치의 구성도이다. 상기 장치(100)는 영상 입력부(110), 입자수 분포 획득부(120), 입자수 분포 보정부(130), 이온 분포 감시부(140)를 포함한다.
상기 영상 입력부(110)는 진공 상태에서 플라즈마 챔버 내의 입자들에 대한 제1 촬상 영상을 입력받는다. 또한, 영상 입력부(110)는 상기 플라즈마 챔버 내에 가스가 주입되고 파워가 인가된 상태 즉 플라즈마 상태에서, 상기 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들에 대한 제2 촬상 영상을 입력받는다.
여기서, 상기 제1 및 제2 촬상 영상은, 상기 플라즈마 챔버 내의 상기 쉬스 영역을 포함하는 임의 공간에서 복원된 2차원 영상에 해당될 수 있다. 이는 앞서 수학식 1 내지 수학식 3의 방법을 이용하면 된다.
상기 입자수 분포 획득부(120)는 상기 제1 촬상 영상 및 제2 촬상 영상에서 각각의 쉬스(sheath) 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제1 입자수 분포 및 제2 입자수 분포를 각각 획득한다. 여기서, 상기 진공 상태에 대한 제1 촬상 영상 내의 쉬스 영역은 플라즈마 상태에 의한 상기 제2 촬상 영상 내의 쉬스 영역과 대응하는 부분이다.
상기 입자수 분포 보정부(130)는 상기 그레이 스케일 값에 따른 제2 입자수 분포에 대해 상기 제1 입자수 분포를 차감하여, 보정된 제2 입자수 분포를 획득한다. 이는 레이저 입자와 이와 반응하는 음의 바탕(background) 에너지가 입자수에 포함되지 않도록 하기 위한 것이다. 여기서, 입자수 분포 보정부(130)는 상기 차감된 입자수 결과에 오프셋을 부가하도록 한다. 이는 상기 제2 입자수 분포에 음의 입자수가 발생하지 않도록 하기 위한 것이다.
상기 이온 분포 감시부(140)는 상기 보정된 제2 입자수 분포를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시한다. 보정된 제2 입자수 분포가 기 설정된 기준 분포 범위 내에 있을 경우 플라즈마가 정상인 것으로 판단할 수 있다.
도 3은 도 2를 이용한 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법의 흐름도이다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 참조로 하여 쉬스 공간 내의 이온 분포를 모니터링 하는 방법을 상세히 설명한다.
먼저, 상기 영상 입력부(110)에서는 진공 상태에서 플라즈마 챔버 내의 입자들에 대한 제1 촬상 영상을 입력받는다(S310). 진공 상태의 경우, 플라즈마 발생 상태에 해당되지 않으므로 구성 입자에 플라즈마 입자는 포함되지 않는다.
그리고, 상기 영상 입력부(110)에서는 상기 플라즈마 챔버 내에 가스가 주입되고 파워가 인가된 상태 즉, 플라즈마 상태에서 상기 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들에 대한 제2 촬상 영상을 입력받는다(S320). 이러한 플라즈마 상태의 경우, 챔버 내의 구성 입자로 플라즈마 입자들을 포함하고 있다.
도 4는 도 3의 S320 단계를 통해 획득한 영상의 예를 나타낸다. 도 4에서 화살표가 가리키는 부분은 웨이퍼의 최근방에 위치한 쉬스 영역에 해당된다. 이러한 쉬스 영역은 하얀 색상으로 표현되는 상층부(이온 입자가 주로 존재하는 부분)와, 검은 색상으로 표현되는 하층부(전자 입자가 주로 존재하는 부분)로 나뉜다.
도 4의 촬상 영상에서 최상단 픽셀층 부분은 y=1, 최하단 픽셀층 부분은 y=2000 지점에 해당된다. 그리고 영상의 가로 방향에 해당되는 x=1~1000 범위를 갖는다. 즉, 촬상 영상은 1000(가로)×2000(세로) 픽셀의 크기를 갖는다. 본 실시예의 경우, 도 4의 쉬스 영역 중 상층부 영역은 y=1500~1600 영역에 해당되고, 하층부 영역은 y=1600~1739 영역에 해당된다.
이후, 상기 입자수 분포 획득부(120)에서는 앞서 얻어진 제1 촬상 영상 및 제2 촬상 영상에서 각각의 쉬스(sheath) 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제1 입자수 분포 및 제2 입자수 분포를 각각 획득한다(S330).
즉, S330 단계는, 진공 상태에서 촬영된 제1 촬상 영상 중에서 쉬스 영역 부분을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 그레이 스케일 값에 따른 제1 입자수 분포를 획득한다. 또한, 플라즈마 상태에서 촬영된 제2 촬상 영상 중에서 쉬스 영역 부분을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 그레이 스케일 값에 따른 제2 입자수 분포를 획득한다.
촬상 영상 중에서 쉬스 영역에 대한 입자수 분포를 설명하기 이전에 전체 영상에 대한 그레이 스케일별 픽셀의 수를 분석한 결과를 설명하면 다음과 같다. 도 5는 도 4의 촬상 영상에 대한 EEDF를 나타낸다.
도 5에서 가로 축은 그레이 스케일 값이며 전자의 에너지 상태를 나타내며, 이는 이온에너지의 상태를 음이온과 양이온으로 구분하는 데에 이용된다. 세로 축은 각각의 그레이 스케일별 픽셀수이다. 여기서 픽셀수는 곧 입자수에 대응한다. 본 실시예의 경우 픽셀의 그레이 스케일 값을 8 비트로 사용하므로 그레이 스케일 값은 0~255 사이의 값을 가진다. 참고로 도 5에서는 1~222의 그레이 스케일 범위의 데이터를 도시하고 있다.
이러한 도 5는 도 4의 전체 영상 중에서 y=1~1739 범위 영역에 대하여, 각각의 그레이 스케일 값에 해당하는 픽셀의 개수를 산출하여 분포 함수로 도시한 것이다. 그 결과 y=1~1739 범위의 영상을 구성하는 픽셀들 중에서, 그레이 스케일 값 g=67에 해당되는 픽셀의 총개수는 약 10000개, g=122에 해당되는 픽셀의 총개수는 약 50000 개이다.
도 6은 도 4의 각 픽셀층 별로 특정 그레이 스케일 값을 갖는 픽셀의 개수를 나타낸 그래프이다. 도 6의 가로 축은 도 4의 픽셀층 단위로서 1~ 2000 범위를 가지며, 세로 축은 각 픽셀층 별로 g=103의 값을 갖는 픽셀의 개수를 의미한다. 즉, 이러한 도 6은 그레이 스케일 값 g=103인 입자에 대한 플라즈마 공간에서의 축방향으로의 입자수 변화를 나타낸다. 본 실시예의 경우 특정 gray scale 값을 만족하는 입자수 결과를 나타낸 것이나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 임의의 gray scale 범위에 포함되는 입자들에 대해 이를 확대 적용하면, 영상 내의 각 픽셀층 별로 임의의 그레이 스케일 범위에 해당되는 입자수 변화를 표현할 수 있다.
이러한 도 6에서 y=1500~1600 범위의 픽셀층 부분의 경우, g=103에 해당되는 픽셀수가 급감하고 있다. 이 부분은 도 4의 쉬스 영역 중에서 밝은 색상으로 표현된 상층부에 대응되고 양의 이온들이 분포된 공간이다. 또한, 도 6에서 y=1600~1742 범위의 픽셀층 부분의 경우 도 4의 쉬스 영역 중에서 검은 색상으로 표현된 하층부에 대응되고 음의 이온들이 분포된 공간이다.
도 7은 도 4의 촬상 영상 중에서 쉬스 영역에서의 그레이 스케일별 픽셀수를 나타낸다. 이러한 도 7은 상기 S330 단계에 따른 제2 입자수 분포 결과에 해당한다.
구체적으로, 도 7의 예는 픽셀층 y=1531~1742 범위에 해당되는 쉬스 영역에서의 그레이 스케일 값에 따른 픽셀의 개수를 나타낸다. y=1531~1742 범위의 쉬스 영역 내에서 g=65의 값을 갖는 픽셀들의 총 개수는 약 9000개이고, g=121의 값을 갖는 픽셀들의 총 개수는 약 5000개임을 알 수 있다.
도 8은 기존의 상용화된 IEDF 함수를 나타낸다. 도 8의 (a)는 I-V Probe와 물리적 모델을 결합한 시스템에 의한 것이고, (b)는 매스 스펙트로미터(Mass spectrometer)를 이용하여 계산한 것이다. 이러한 도 8의 IEDF 함수는 본 실시예에 따른 도 7의 결과와 유사하다, 그런데, 도 7의 결과는 도 8과 비교하여 두 번째 피크의 존재가 선명하지 않다. 이를 보정하기 위하여 본 실시예에서는 아래의 S340 단계를 이용한다.
즉, 입자수 분포 보정부(130)에서는 앞서 S330 단계에서 구한 그레이 스케일 값에 따른 제2 입자수 분포에 대해 상기 제1 입자수 분포를 차감함에 따라 보정된 제2 입자수 분포를 획득한다(S340). 이는 레이저 입자와 이와 반응하는 음의 바탕(background) 에너지가 입자수에 포함되지 않도록 하기 위한 것이다.
도 9 및 도 10은 도 3의 S340 단계를 설명하는 도면이다. 도 9는 진공 상태에서 구한 제1 입자수 분포(그래프 A)와, 플라즈마 상태에서 구한 제2 입자수 분포(그래프 B; 도 7에 대응)를 함께 도시하고 있다. 여기서, 그래프 A는 물론 도 7과 동일한 원리도 획득된다.
도 10은 도 9의 그래프 B(제2 입자수 분포)에 그래프 A(제1 입자수 분포)를 차감한 결과를 나타낸다. 도 10과 같이 차감 이후에는 픽셀수(입자수)가 마이너스가 되는 구간이 발생함을 알 수 있다. 이에 따라, 입자수 분포 보정부(130)에서는 상기 S340 단계 시에 제2 입자수 분포에 음의 입자수가 발생하지 않도록, 상기 차감된 입자수 결과에 오프셋을 부가하여 그래프를 보정하도록 한다.
도 11은 도 10에 오프셋을 부가한 이후의 일부 구간을 도시한 도면이다. 이렇게 보정된 결과를 보면 두 개의 피크 지점이 또렷이 나타난 것을 알 수 있으며 기존의 상용화된 IDEF 함수와 매우 흡사한 형태를 가짐을 확인할 수 있다. 이러한 도 11의 전체 모습은 매스 스펙트로미터를 이용한 도 8의 (b)와 더욱 유사하다. 이러한 본 실시예는 기존의 측정 시스템이 제공하는 IEDF와 유사한 특성을 나타내는 것으로 확인이 된다.
이러한 도 11의 입자수 분포 패턴 형태 혹은 그레이 스케일 별 입자수 변이 정보는 플라즈마 감시에 응용할 수 있다. 즉, 도 11의 결과를 바탕으로, 상기 이온 분포 감시부(140)에서는 상기 보정된 제2 입자수 분포를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시할 수 있다(S350). 여기서, 이온이란 양이온, 음이온을 포괄하는 의미를 가질 수 있다.
이때, 상기 S350 단계에서는 도 11과 같이 임의의 그레이 스케일 범위 내의 입자수를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온의 분포를 감시한다. 여기서, 상기 임의의 그레이 스케일 범위는, T1 ≤ 임의의 그레일 스케일 ≤ T2이다. 여기서, T1은 상기 촬상 영상에 대한 최대 그레이 스케일 값(ex, Gmax=255)의 17~23% 및 55~60%에 해당된다. 도 11에 사용된 57과 145는 255의 대략 22.4% 및 56.9%에 해당된다.
이러한 S350 단계는 상기 보정된 제2 입자수 분포가 기 설정된 기준 패턴(기준 분포 범위)에 크게 벗어나거나, 특정 그레이 스케일 또는 특정 그레이 스케일 범위에서 입자수 값이 기준 범위를 벗어나는 경우 플라즈마에 고장(불량)이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 기준 패턴이나 입자수의 기준 범위는 정상 플라즈마에 대해 미리 수집된 EEDF 또는 IEDF 결과로부터 얻어진다.
이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들의 촬상 영상에서 쉬스 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여 쉬스 영역 내의 이온의 분포를 실시간 감시할 수 있는 이점이 있다. 여기서, 플라즈마는 주로 전자와 이온으로 구성되므로 쉬스를 제외한 플라즈마 공간에서는 전자 분포인 EEDF를 획득하고, 쉬스 영역에서는 이온 분포인 IEDF를 획득하면 된다.
이상과 같은 본 발명은 박막 식각, 증착 등의 다양한 공정 제어에 응용에 가능하다. 먼저, 박막 식각 공정 제어의 적용 예는 다음과 같다.
일반적으로 식각 종말점 근방에서는 박막에의 손상을 줄이기 위해 이온 에너지를 줄여야 한다. 본 실시예에 따른 방법을 이용하여 이온 에너지의 분포를 감시하면서, 식각 종말점에 도달하기 이전에 이온에너지가 줄어드는 공정 레시피로 교체한다면 박막의 손상을 줄일 수 있다. 여기서, 플라즈마에 의한 손상을 줄이는 공정 레시피는 식각 진행 전에 미리 개발해 두면 된다. 식각 손상 이외에도 특정 시간대에서의 입자수와 에너지를 조절하여 식각률과 식각 프로파일을 제어할 수 있다. 즉, 웨이퍼 전체 영역에 대해서도 3차원 이온 및 전자 에너지의 감시가 가능하므로 다양한 식각 공정 특성(식각률, 식각 프로파일, 식각률과 식각 프로파일 간의 균일도)의 제어에 응용할 수 있다.
박막 증착 공정 제어의 적용 예는 다음과 같다. 박막 증착 중에 전자나 이온의 개수 및 에너지 분포를 다르게 한다면 다양한 특성의 박막을 증착할 수 있다. 즉 박막 증착 중에 IEDF를 감시하는 동안 특정 시간대에 기 개발된 다른 공정 레시피를 적용하여 박막의 특성을 향상시킬 수 있다. 공정 레시피를 적용한 이후의 이온 에너지 분포의 변이는 본 실시예에 따른 IEDF 또는 EEDF 결과를 통해 확인할 수 있다. 웨이퍼 전체 영역에 대해서도 삼차원 이온과 전자 에너지의 감시가 가능하며, 증착 공정 특성(증착률, 표면 거칠기, 증착률과 표면거칠기 간의 균일도 등)의 제어에 응용할 수 있다.
박막의 공정 제어를 위한 순서도는 다음과 같다. 우선, 도 3과 같은 본 발명의 방법을 이용하여 실시간으로 EEDF나 IEDF를 측정한다. 식각 종말점에 이르기 전에 현재 적용 중인 레시피를 박막 특성 향상을 위해 사전에 준비한 공정 레시피로 교체한다. 교체 후 EEDF나 IEDF를 확인하여 레시피의 교체가 성공적으로 되었는지의 여부를 확인한다. 즉 교체 후에 수집된 IEDF와 EEDF는 사전에 확인된 분포와의 일치 여부를 판단하는 데에 응용할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 이온 분포 모니터링 장치 110: 영상 입력부
120: 입자수 분포 획득부 130: 입자수 분포 보정부
140: 이온 분포 감시부

Claims (10)

  1. 진공 상태에서 플라즈마 챔버 내의 입자들에 대한 제1 촬상 영상을 입력받는 단계;
    상기 플라즈마 챔버 내에 가스가 주입되고 파워가 인가된 상태에서 상기 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들에 대한 제2 촬상 영상을 입력받는 단계;
    상기 제1 촬상 영상 및 제2 촬상 영상에서 각각의 쉬스(sheath) 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제1 입자수 분포 및 제2 입자수 분포를 각각 획득하는 단계;
    상기 그레이 스케일 값에 따른 제2 입자수 분포에 대해 상기 제1 입자수 분포를 차감하여 보정된 제2 입자수 분포를 획득하는 단계; 및
    상기 보정된 제2 입자수 분포를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시하는 단계를 포함하며,
    상기 진공 상태에 대한 제1 촬상 영상 내의 쉬스 영역은 플라즈마 상태에 의한 상기 제2 촬상 영상 내의 쉬스 영역과 대응하는 부분인 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보정된 제2 입자수 분포를 획득하는 단계는,
    상기 차감된 입자수 결과에 오프셋을 부가하는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시하는 단계는,
    임의의 그레이 스케일 범위 내의 입자수를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온의 분포를 감시하는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 임의의 그레이 스케일 범위는 아래의 수학식으로 정의되는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법:
    T1 ≤ 임의의 그레일 스케일 범위 ≤ T2
    여기서, T1 및 T2는 각각 상기 촬상 영상에 대한 최대 그레이 스케일 값의 17~23% 및 55~60%에 해당되는 값을 나타낸다.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 촬상 영상은,
    상기 플라즈마 챔버 내의 상기 쉬스 영역을 포함하는 임의 공간에서 복원된 2차원 영상인 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 방법.
  6. 진공 상태에서 플라즈마 챔버 내의 입자들에 대한 제1 촬상 영상과, 상기 플라즈마 챔버 내에 가스가 주입되고 파워가 인가된 상태에서 상기 플라즈마 챔버 내에 존재하는 입자들에 대한 제2 촬상 영상을 각각 입력받는 영상 입력부;
    상기 제1 촬상 영상 및 제2 촬상 영상에서 각각의 쉬스(sheath) 영역을 구성하는 픽셀들의 그레이 스케일 값을 이용하여, 상기 그레이 스케일 값에 따른 제1 입자수 분포 및 제2 입자수 분포를 각각 획득하는 입자수 분포 획득부;
    상기 그레이 스케일 값에 따른 제2 입자수 분포에 대해 상기 제1 입자수 분포를 차감하여 보정된 제2 입자수 분포를 획득하는 입자수 분포 보정부; 및
    상기 보정된 제2 입자수 분포를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온 분포를 감시하는 이온 분포 감시부를 포함하며,
    상기 진공 상태에 대한 제1 촬상 영상 내의 쉬스 영역은 플라즈마 상태에 의한 상기 제2 촬상 영상 내의 쉬스 영역과 대응하는 부분인 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 입자수 분포 보정부는,
    상기 차감된 입자수 결과에 오프셋을 부가하는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 장치.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 이온 분포 감시부는,
    임의의 그레이 스케일 범위 내의 입자수를 이용하여 상기 쉬스 영역에 대한 이온의 분포를 감시하는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 임의의 그레이 스케일 범위는 아래의 수학식으로 정의되는 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 장치:
    T1 ≤ 임의의 그레일 스케일 범위 ≤ T2
    여기서, T1 및 T2는 각각 상기 촬상 영상에 대한 최대 그레이 스케일 값의 17~23% 및 55~60%에 해당되는 값을 나타낸다.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 및 제2 촬상 영상은,
    상기 플라즈마 챔버 내의 상기 쉬스 영역을 포함하는 임의 공간에서 복원된 2차원 영상인 플라즈마 쉬스 내의 이온 분포 모니터링 장치.
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