KR101606734B1 - 플라즈마 프로세싱 챔버에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 패시브 용량성-커플링된 정전식 (ｃｃｅ) 프로브 장치 - Google Patents

플라즈마 프로세싱 챔버에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 패시브 용량성-커플링된 정전식 (ｃｃｅ) 프로브 장치 Download PDF

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Abstract

기판 프로세싱 동안 플라즈마 프로세싱 시스템의 프로세싱 챔버 내에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치가 제공된다. 그 장치는, 프로세싱 챔버의 표면 상에 배치되며 적어도 하나의 플라즈마 프로세싱 파라미터를 측정하도록 구성된 프로브 장치를 포함한다. 프로브 장치는 플라즈마-대향 센서 및 측정 커패시터를 포함하며, 여기서, 그 플라즈마-대향 센서는 그 측정 커패시터의 제 1 플레이트에 커플링된다. 또한, 프로브 장치는 측정 커패시터의 제 2 플레이트에 커플링된 검출 장치를 포함하며, 여기서, 그 검출 장치는 측정 커패시터를 통해 흐르는 유도 전류를 디지털 신호들의 세트로 변환하도록 구성되고, 그 후, 그 디지털 신호들의 세트는 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위해 프로세싱된다.

Description

플라즈마 프로세싱 챔버에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 패시브 용량성-커플링된 정전식 (ＣＣＥ) 프로브 장치{PASSIVE CAPACITIVELY-COUPLED ELECTROSTATIC (CCE) PROBE ARRANGEMENT FOR DETECTING IN-SITU ARCING EVENTS IN A PLASMA PROCESSING CHAMBER}
플라즈마 프로세싱 챔버에서의 기판의 프로세싱 동안, 만족스러운 결과들은 종종 프로세스 파라미터들의 엄격한 제어를 요구한다. 이는 특히, 현대의 고밀도 집적 회로들을 제조하기 위해 채용되는 증착, 에칭, 세정 등과 같은 프로세스들에 대해 사실이다. (바이어스 전압, RF 전력, 이온 플럭스, 플라즈마 밀도, 압력 등과 같은) 프로세싱 파라미터들이 좁은 미리-정의된 윈도우를 초과하는 경우에, 프로세스 편위 (excursion) 가 발생하였다고 한다. 이들 프로세스 편위들은 종종 바람직하지 않은 프로세싱 결과들 (예컨대, 불량한 에칭 프로파일, 저선택도 등) 을 유도하는 바람직하지 않은 이벤트들을 나타낸다. 따라서, 프로세스 편위들의 검출, 특성화, 및 회피는 집적 회로들의 제조에서 프로세스 엔지니어들에 대해 중요한 태스크들이다.
프로세스 편위들을 검출하는 것은 종종 다양한 프로세스 파라미터들의 모니터링을 통해 수행된다. (바이어스 전압, 반사된 전력 등과 같은) 몇몇 프로세스 파라미터들은 직접 측정될 수도 있지만, 다른 프로세스 파라미터들은 측정된 파라미터들로부터 추론될 수도 있다.
인시츄 (in-situ) 아킹은, 수율을 감소시키고, 기판을 손상시키고/시키거나 챔버 컴포넌트들을 손상시키는 전위를 갖는 프로세스 편위의 일 타입이다. 예를 들어, 기판 상의 피처들 사이, 접지된 챔버 컴포넌트들과 같은 기판의 주변 컴포넌트들과 그 기판 사이, 및 챔버 컴포넌트들 사이에서 아킹이 발생할 수 있다. 아킹에는 많은 원인들이 존재할 수 있다. 그와 관계없이, 아킹은, 거의 항상 바람직하지 않고/않거나 바람직하지 않은 손상 및/또는 바람직하지 않은 프로세스 결과들을 생성하는 전위를 갖는 제어되지 않는 이벤트를 나타낸다.
따라서, 프로세스 결과들 및 프로세스 수율을 개선하는 것뿐만 아니라 기판 및/또는 챔버 컴포넌트들에 대한 손상을 회피하기 위하여, 진단 및 레시피 조정의 목적을 위해 인시츄 아킹의 검출이 중요하다.
본 발명은, 일 실시형태에서, 기판 프로세싱 동안 플라즈마 프로세싱 시스템의 프로세싱 챔버 내에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 배열에 관한 것이다. 그 배열은, 프로세싱 챔버의 표면 상에 배치되고 적어도 하나의 플라즈마 프로세싱 파라미터를 측정하도록 구성된 프로브 배열을 포함한다. 프로브 배열은 플라즈마-대향 (plasma-facing) 센서 및 측정 커패시터를 포함하며, 여기서, 그 플라즈마-대향 센서는 측정 커패시터의 제 1 플레이트에 커플링된다. 그 배열은 또한, 측정 커패시터의 제 2 플레이트에 커플링된 검출 배열을 포함하며, 여기서, 그 검출 배열은 측정 커패시터를 통해 흐르는 유도 전류를 디지털 신호들의 세트로 변환하도록 구성되며, 그 디지털 신호들의 세트는 인시츄 아킹 이벤트를 검출하기 위해 프로세싱된다.
상기 개요는 여기에 개시된 본 발명의 많은 실시형태들 중 하나에만 관한 것이며, 본원의 청구의 범위에서 제시되는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다. 본 발명의 이들 및 다른 특징들은 다음의 도면들과 관련하여 본 발명의 상세한 설명에서 이하 더 상세하게 설명될 것이다.
본 발명은, 유사한 참조 번호들이 유사한 엘리먼트들을 지칭하는 첨부 도면들의 도들에서 제한이 아닌 예로써 예시된다.
도 1은, 패시브 CCE 프로브 아키텍쳐를 채용하는 인시츄 아킹 이벤트 검출 배열을 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다.
도 2는, 전압 측정 디바이스가 채용되는 패시브 CCE 프로브 아키텍쳐를 채용하는 인시츄 아킹 이벤트 검출 배열을 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다.
도 3은, 작은 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 고주파수 섭동 (perturbation) 들의 플롯을 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다.
도 4는 큰 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 고주파수 섭동들의 또 다른 플롯을 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다.
DISCUSSION 의 도 5는 플라즈마를 생성하기 위해 리액터 챔버에 용량성-커플링된 무선 주파수 (RF) 소스를 갖는 플라즈마 시스템의 일부의 간단한 개략도를 도시한다.
DISCUSSION 의 도 6a는 RF 충전 이후의 시간 대 전압의 그래프를 도시한다.
DISCUSSION 의 도 6b는 RF 충전 이후에 수집된 전류 데이터의 그래프를 도시한다.
DISCUSSION 의 도 7은 RF 버스트 사이의 단일 시간 간격에 대한 전압 대 전류의 간단한 그래프를 도시한다.
DISCUSSION 의 도 8은, 기판 프로세싱 동안 플라즈마를 자동으로 특성화하기 위한 전체 단계들을 예시하는 간단한 플로우차트를 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다.
DISCUSSION 의 도 9는, 관련성 범위 및 시드 값들을 결정하기 위한 간단한 알고리즘을 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다.
DISCUSSION 의 도 10a는 RF 버스트 이후의 시간 대 전류의 예를 도시한다.
DISCUSSION 의 도 10b는 RF 버스트 이후의 시간 대 전압의 예를 도시한다.
DISCUSSION 의 도 10c는 변곡 포인트의 예를 도시한다.
DISCUSSION 의 도 10d는 전압 대 전류 그래프에 적용된 커브-피팅의 예를 도시한다.
다음으로, 본 발명은 첨부한 도면들에서 예시된 바와 같은 본 발명의 몇몇 실시형태들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 다음의 설명에서, 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항들이 개시된다. 그러나, 본 발명이 그 특정 세부사항들의 일부 또는 전부 없이도 수행될 수도 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 다른 예시들에서, 본 발명을 불필요하게 불명료하게 하지 않기 위해 주지된 프로세스 단계들 및/또는 구조들은 설명되지 않았다.
본 발명의 실시형태들은, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 용량성-커플링된 정전식 (CCE) 프로브 배열 또는 그 서브세트의 사용에 관한 것이다. 배경으로서, CCE 프로브들은, 이온 플럭스, 전자 온도, 플로팅 전위, 박막 두께 등과 같은 플라즈마 프로세싱 파라미터들을 측정하기 위해 오랫동안 채용되어 왔다. CCE 프로브들은 당업계에 알려져 있으며, 세부사항들은, 예를 들어, 참조로 여기에 통합되는 발명의 명칭이 "Method And Device For Measuring An Ion Flow In A Plasma" 인 미국 특허 제 5,936,413 호 (1999년 8월 10일) 를 포함하는 공개적으로 입수가능한 문헌으로부터 획득될 수도 있다. CCE 프로브는, 예를 들어, 개선된 검출 민감도, 센서의 작은 사이즈로 인한 플라즈마에 대한 최소의 섭동, 챔버 벽 상의 탑재의 용이성, 센서 헤드 상의 폴리머 퇴적에 대한 둔감성 (insensitivity) 등을 포함하는 다수의 이점들을 제안한다. 또한, 센서의 플라즈마-대향 표면은 종종 주위의 챔버 벽의 재료와 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 그에 의해, 플라즈마에 대한 섭동을 더욱 최소화시킨다. 이들 이점들은 프로세스 파라미터들을 감지할 시의 사용에 대해 CCE 프로브들이 매우 바람직하게 하게 한다.
일반적으로, CCE 프로브 배열은 측정 커패시터의 일 플레이트에 접속된 플라즈마-대향 센서를 포함한다. 측정 커패시터의 다른 플레이트는 RF 전압 소스에 커플링된다. RF 전압 소스는 RF 발진 트레인을 주기적으로 공급하며, 측정 커패시터에 걸쳐 특정이 수행되어, 각각의 RF 발진 트레인의 말단에 바로 후속하여 커패시터 전류 방전 레이트를 결정한다. CCE 프로브 배열 및 CCE 프로브 동작에 관한 세부사항들은 전술한 미국 특허 제 5,936,413 호에서 설명되고, 여기에서는 추가적으로 설명되지 않을 것이다.
그러나, 지금까지는, CCE 프로브들이 이온 플럭스, 전자 온도, 플로팅 전위 측정치들 등과 같은 파라미터들을 측정하기 위해 채용되어 왔다. 또한, 종래에, CCE 프로브들은, RF 전압 소스로 측정 커패시터를 충전하고, RF 발진 트레인들 사이에서 커패시터 감쇄 전류를 측정함으로써, 측정들을 수행한다. 지금까지, 인시츄 아킹 이벤트들을 측정하도록 CCE 프로브 배열 또는 그 서브세트를 적응시키려고 시도하지 않았다.
본 발명의 하나 이상의 실시형태들에 따르면, 인시츄 아킹 이벤트의 검출을 가능하게 하기 위해, 혁신적인 패시브 CCE 프로브 배열이 제안된다. 본 발명의 실시형태들에 따른 CCE 프로브 배열이 패시브이지만, (종래 기술에서, 발진 트레인들 사이에서 측정 커패시터에 걸친 감쇄 전류를 측정하기 위해 행해졌던 바와 같이) 외부 RF 전압 소스에 의해 CCE 배열이 능동적으로 여기되는 경우에도, 인시츄 아킹 이벤트 검출을 가능하게 하기 위한 예들 및 설명들이 여기에서 제공될 것이다. 따라서, 하나 이상의 실시형태들에서, 측정 커패시터가 종래의 CCE 프로브 배열들에서 행해졌던 바와 같이 외부 RF 전압 소스를 사용하여 충전되도록 요구되지 않는 점에서, 측정은 수동적으로 수행된다.
본원의 발명자들은, 프로브 표면이 플로팅 전위에 있는 경우에, 프로브와 플라즈마 사이의 총 전류 (net current) 가 제로 (zero) 인 것을 인식하였다. 즉, 플라즈마로부터 프로브로의 전자들 및 양 이온들의 플럭스들이 존재할 수도 있지만, 프로브 헤드와 플라즈마 사이에서 교환되는 총 전하가 제로여서, 제로의 총 전류를 발생시킨다. 그러나, 프로브 헤드와 플라즈마 사이의 전위차가 변화한다면, 전류 평형이 순간적으로 교란되어, 측정 커패시터를 통해 흐르는 순간적인 넌-제로 (non-zero) 유도 전류를 발생시킨다. 예를 들어, 플라즈마의 전위가 변화되면, 프로브 헤드와 플라즈마 사이의 전위차가 변화할 수도 있다. 인시츄 아킹 이벤트는 플라즈마 전위를 변화시키는 능력을 갖는 이벤트이다. 측정 커패시터를 통해 그 순간적인 넌-제로 유도 전류를 검출함으로써, 인시츄 아킹 이벤트들이 검출될 수도 있다.
또한, 본원의 발명자들은 인시츄 아킹 이벤트들의 검출에서 종래의 CCE 프로브 아키텍쳐의 RF 여기 소스에 대한 필요성을 제거하는 것이 가능하다는 것을 인식하였다. 대신에, 측정 커패시터를 통해 유도 전류를 모니터링함으로써 수동적으로 모니터링이 수행될 수도 있으며, 그 유도 전류는 인시츄 아킹 이벤트에 의해 생성된다. 이러한 방식으로, 패시브 CCE 프로브의 아키텍쳐는 종래 기술의 CCE 프로브 아키텍쳐와 상이할 수도 있고 훨씬 더 간단할 수도 있다.
또한, 검출 알고리즘 및 방법들은 패턴 검출 및 타이밍의 관점에서 또한 상이할 수도 있다. 일반적인 관점에서, 검출 알고리즘은, 측정 커패시터를 통해 흐르는 전류에서의 고주파수 섭동들 (즉, 급속한 변화들) 을 탐색한다. 예를 들어, 이들 고주파수 섭동들은 kHz 내지 MHz 범위에 있는 경향이 있다. 이와 대조적으로, 측정 커패시터 전류는 더 느린 시간 스케일, 예를 들어, 0.1 내지 수십 밀리초에 걸쳐 느리게 감쇄한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 프로브 헤드의 전압이 또한 패시브 방식 (즉, 외부 RF 여기를 요구하지 않음) 으로 또한 검출될 수도 있다. 인시츄 아킹 이벤트는, 프로브 전압에서 (예를 들어, 마이크로초 내지 밀리초 시간스케일에서) 스파이크로서 검출될 수도 있는 그 프로브 전압에서의 급속한 천이 (transient) 를 야기할 것이다. 하나 이상의 실시형태들에서, 이들 전압 스파이크들은 인시츄 아킹 이벤트들에 관한 부가적인 정보를 제공할 수도 있다.
본 발명의 실시형태들의 특성들 및 이점들은 도면들 및 다음의 설명들을 참조하여 더 양호하게 이해될 수도 있다. 도 1은, 패시브 CCE 프로브 아키텍쳐를 채용하는 인시츄 아킹 이벤트 검출 배열을 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다. 챔버 (102) 는 종래의 것이며, 기판 프로세싱 목적들을 위해 내부에서 플라즈마 (104) 를 생성하도록 채용된다. 도 1의 예에서, 플라즈마 (104) 는 (도 1의 예에서 CCE 프로브 배열을 여기시키기 위해 채용되지는 않은) RF 소스 (106) 에 의해 생성되고 지속된다. 프로브 헤드 (110) 는 상부 전극에 배치되지만, 프로브 헤드 (110) 는 또한 챔버 벽 상의 임의의 장소에 배치될 수도 있다. 프로브 헤드 (110) 는 예를 들어, 종래의 CCE 프로브 헤드를 나타낼 수도 있다. 프로브 헤드 (110) 는 측정 커패시터 (112) 의 하나의 플레이트와 직렬로 접속된다. 측정 커패시터 (112) 의 다른 플레이트는 검출 배열 (120) 에 커플링된다.
언급된 바와 같이, 도전성 재료로 이루어진 프로브 헤드가 챔버의 표면에 설치된다. 프로브에 짧은 RF 트레인이 인가되어, 커패시터 (Cm) 가 충전되게 하고, 프로브의 표면이 음의 전위 (접지에 대한 음의 수십 볼트) 를 획득하게 한다. RF 펄스의 종료에 후속하여, Cm 이 방전함에 따라 프로브의 전위는 플로팅 전위로 다시 감쇄한다. 전위가 변화하는 레이트는 플라즈마 특성들에 의해 결정된다. 이러한 방전 동안에, 프로브의 전위 (Vf) 가 전압 측정 디바이스로 측정되고, 커패시터 (Cm) 를 통해 프로브에 흐르는 전류가 전류 측정 디바이스로 측정된다. 전류-전압 특성들, 즉 VI 를 구성하기 위해 커브들 (V(t) 및 I(t)) 이 사용되며, 그 후, 그 전류-전압 특성은 신호 프로세서에 의해 분석된다. 모델 함수가 이들 데이터 포인트들에 피팅되어, 플로팅 전위 (Vf), 이온 포화 전류 (Isat), 및 전자 온도 (Te) 의 추정치들을 생성한다. 추가적인 세부사항들은, 미국 특허청에 2008년 6월 26일자로 출원되고 (출원 번호 제 61/075,948 호), 미국 특허청에 2009년 6월 2일자로 출원된 (출원 번호 제 12/477,007 호) 발명의 명칭이 "Methods for Automatically Characterizing a Plasma" 인 공동 계류중인 출원에서 발견될 수도 있으며, 여기서 그 출원은 DISCUSSION 내에 포함된다.
도 1의 예에서, 검출 배열 (120) 은 측정 커패시터 (112) 를 통해 흐르는 유도 전류를 분석을 위해 디지털 신호로 변환하도록 구성된다. 따라서, 측정 커패시터 (112) 를 통해 흐르는 유도 전류를 아날로그 전압으로 변환하도록 구성된 전류-전압 변환기 (130) 가 존재한다. 아날로그-디지털 변환기 (132) 는 전류-전압 변환기 (130) 로부터의 아날로그 전압 신호를 디지털 신호로 변환하며, 그 후, 그 디지털 신호는 신호 프로세서 (108) 에 제공된다. 신호 프로세서 (108) 는, 디지털 신호에 대해 신호 프로세싱을 수행하여, 인시츄 아킹 이벤트들의 고주파수 섭동 특성들을 검출하기 위해 채용되는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 나타낼 수도 있다.
정확한 섭동들은 챔버마다 변할 수도 있고, 아킹 이벤트 타입들에 의존하여 변할 수도 있다. 이와 관계없이, 이들 섭동들은 주파수가 높은 경향이 있고, 양의 방향 및 음의 방향 양자에서 진폭 편위를 갖는 경향이 있으며, 일 방향에서의 유도 전류의 순간적인 변화 및 다른 방향에서의 스윙 이후 평형상태의 후속 달성을 나타낸다. 고주파수 섭동 패턴들을 검출함으로써, 인시츄 아킹 이벤트들이 검출될 수도 있다. 그 후, 인시츄 아킹 이벤트들의 검출은, 예를 들어, 프로세스 파라미터들을 변화시키고/시키거나, 추가적인 손상을 방지하기 위해 플라즈마 프로세싱 시스템을 셧다운시키는 것을 포함하는 정정 액션들을 용이하게 하기 위해 툴 제어 회로 (140) 에 공급될 수도 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 전압 측정 디바이스 (202) 는, 프로브 헤드 (206) 에 또한 커플링된 측정 커패시터의 플레이트 (204) 에 커플링될 수도 있다. 전압 측정 디바이스 (202) 는 프로브 헤드의 전위에서 섭동들을 검출하기 위해 채용된다. 다시, 전압 측정은 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 고주파수 섭동 패턴들에 대해 분석될 수도 있다. 원한다면, 전압 측정치들은, 디지털 분석 기술들을 사용하여 프로브 전압에서 고주파수 섭동들을 검출하도록 신호 프로세싱 목적들을 위해 디지털 신호로 변환될 수도 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 측정 커패시터를 통해 흐르는 전류에서의 섭동의 검출을 용이하게 하기 위해, 프로브 헤드에 커플링되지 않은 커패시터의 플레이트에 변압기가 커플링될 수도 있다. 당업자는, 전류 신호 또는 전압 신호에서의 고주파수 천이들을 검출하기 위한 다른 기술들이 또한 존재하고, 인시츄 아킹 이벤트들의 검출을 용이하게 하기 위해 양호하게 채용될 수도 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다.
하나 이상의 실시형태들에서, 전류 또는 전압 신호의 변화율이 분석된다. 예를 들어, 변화율이 (예를 들어, 20마이크로초 간격으로 취해진 2개의 인접한 샘플들 사이에서 0.5mA 보다 더 큰) 특정한 임계값을 초과하면, 인시츄 아킹 이벤트가 발생한다고 가정된다. 변화율을 순수하게 관측하는 간단한 알고리즘은 많은 전류 및/또는 전압 샘플 데이터를 저장할 필요성을 제거할 것이며, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 것을 추구하는 몇몇 시스템들에서는 유리할 수도 있다.
인시츄 아킹 이벤트 검출이 고주파수 섭동의 검출에 의존하므로, 듀얼-기능 CCE 프로브를 구현하는 것이 가능하며, 그에 의해, 측정 커패시터는 종래의 CCE 프로브 배열들에서 수행되는 바와 같이 주기적인 RF 펄스 트레인들에 의해 또한 충전된다. 아크 검출 알고리즘이 고주파수 변동 및/또는 특정한 임계값을 초과하는 변화율을 검출하도록 설계되므로, 측정 커패시터의 전류 감쇄 신호에 대해 이러한 검출을 수행하는 것이 가능하다. 또한, 프로브 헤드가 비교적 정적인 플로팅 전위에 있는 경우 인접한 여기 RF 발진 트레인들 사이의 시간 주기에서 (프로브 헤드의 전위 또는 유도 전류 중 어느 하나에 대해) 이러한 검출을 수행하는 것이 가능하다. 상기 설명으로부터 당업자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 인시츄 아킹 이벤트들의 변화 특성의 높은 레이트의 또는 고주파수 섭동의 유도 전류 신호 또는 전압 신호는, 측정 커패시터의 외부 RF 여기로 또는 그 여기없이 수행될 수도 있다.
도 3은 작은 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 고주파수 섭동들의 플롯을 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다. 트레이스 (302) 는 측정 커패시터를 통한 유도 전류를 추적하지만, 트레이스 (304) 는 프로브 전위 전압을 추적한다. 전류 트레이스 (302) 는, 2개의 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 2개의 천이들 (312a 및 312b) 을 도시한다. 또한, 동일한 2개의 인시츄 아킹 이벤트들이 (천이들 (314a 및 314b) 로서) 전압 트레이스 (304) 에서 관측된다.
도 3의 예에서 동일한 인시츄 아킹 이벤트에 대해, 전류 트레이스 (302) 에서의 진폭 편위가 전압 트레이스 (304) 에서의 진폭 편위보다 실질적으로 더 현저함을 유의한다. 이러한 경우, 전류 신호는 인시츄 아킹 이벤트들에 더 민감하다고 가정되며, 그것을 유리하게 검출하기 위해 사용될 수도 있다.
도 4는 큰 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 고주파수 섭동들의 플롯을 본 발명의 일 실시형태에 따라 도시한다. 도 4의 예에서, 현저한 수의 인시츄 아킹 이벤트들이 전류 트레이스 (402) 및 전압 트레이스 (404) 양자에서 관측된다. 또한, 진폭 편위들이, 전류 트레이스 (402) 및 전압 트레이스 (404) 의 각각에 대한 음의 방향 및 양의 방향 양자에서 발생한다.
본원의 발명자들에 의해 관심있는 관측이 행해졌으며, 그 관측은 주요 인시츄 아킹 이벤트들에 관한 것이다. (도 4에 도시된 바와 같은) 동일한 주요 인시츄 아킹 이벤트들이 종종 (도 3에 도시된 바와 같은) 더 작고 격리된 인시츄 아킹 이벤트들에 후속한다. 인시츄 아킹 이벤트들이 더 작아질수록 검출하기 더 어렵지만, 시간에서 검출되면, 주요 인시츄 아킹 이벤트들에 대한 전조 또는 경고로서 기능한다. (도 3에 도시된 것과 같은) 더 작은 인시츄 아킹 이벤트들이 검출될 수 있으면, 인시츄 아킹을 감소/제거시키기 위해 파라미터 변경들이 도입될 수도 있거나, 더 많은 손상을 주는 주요 인시츄 아킹 이벤트의 발생 이전에 시스템이 셧다운될 수도 있다. 혁신적인 패시브 CCE 프로브-기반 인시츄 아킹 검출의 사용은 이들 작은 인시츄 아킹 이벤트들의 검출을 가능하게 하며, 본 발명의 실시형태들의 주요 이점이다.
ESC 척 상에서 전압 및/또는 포워드 RF 전력 및/또는 반사된 RF 전력을 측정하는 것과 같은 종래의 아킹 검출 기술들과는 대조적으로, 혁신적인 패시브 CCE 프로브-기반 인시츄 아킹 검출 기술은 매우 민감하다. 또한, 플라즈마 프로세싱 챔버의 주변 플라즈마-대향 구조들로 플러시 (flush) 되어 설치되도록 CCE 프로브 헤드가 작은 경향이 있으므로, 플라즈마에 대해 최소의 섭동이 존재하며, 챔버의 플라즈마-대향 컴포넌트들의 재료와 동일한 재료로 형성되는 플라즈마-대향 프로브 표면을 가질 수도 있다. 또한, 전류가 플라즈마 상에 형성될 수도 있는 임의의 퇴적을 통해 용량적으로 커플링되므로, 혁신적인 패시브 CCE 프로브-기반 인시츄 아킹 검출 기술은, 플라즈마-대향 프로브 헤드 상의 폴리머 퇴적에 대해 둔감하다.
또한, DISCUSSION 은, 미국 특허청에 2008년 6월 26일자로 출원되고 (출원 번호 제 61/075,948 호), 미국 특허청에 2009년 6월 2일자로 출원된 (출원 번호 제 12/477,007 호) 발명의 명칭이 "Methods for Automatically Characterizing a Plasma" 인 공동 계류중인 출원에서 발견되며, 이들은 여기에 참조로 통합된다.
플라즈마를 자동으로 특성화하기 위한 방법들의 DISCUSSION
플라즈마 프로세싱에서의 진보들은 반도체 산업에서의 성장을 제공하여 왔다. 통상적인 전자 제품에 대해 칩들을 공급하기 위해, 수백 또는 수천 개의 (반도체 웨이퍼들과 같은) 기판들이 프로세싱될 수도 있다. 제조 회사가 경쟁력 있게 되기 위해, 제조 회사는 최소의 프로세싱 시간으로 기판들을 양질의 반도체 디바이스들로 프로세싱하는 것이 가능할 필요가 있다.
통상적으로, 플라즈마 프로세싱 동안에, 기판들이 부정적으로 영향을 받게 할 수도 있는 문제들이 발생할 수도 있다. 프로세싱되고 있는 기판의 품질을 변경할 수도 있는 일 중요한 요인은 플라즈마 그 자체이다. 플라즈마를 분석하기에 충분한 데이터를 갖기 위해, 각각의 기판에 관한 프로세싱 데이터를 수집하도록 센서들이 채용될 수도 있다. 수집된 데이터는 문제들의 원인을 결정하기 위해 분석될 수도 있다.
논의를 용이하게 하기 위해, 도 5는 플라즈마 시스템 (A-100) 의 일부에서의 데이터 수집 프로브의 심플한 개략도를 도시한다. 플라즈마 시스템 (A-100) 은, 플라즈마 (A-106) 를 생성하기 위해 리액터 챔버 (A-104) 에 용량성-결합된, 맥동 RF 주파수 생성기와 같은, 무선 주파수 (RF) 소스 (A-102) 를 포함할 수도 있다. RF 소스 (A-102) 가 턴온되는 경우에, 약 26.2 나노패럿 (nF) 일 수도 있는 외부 커패시터 (A-108) 에 걸쳐 바이어스 전압이 발생된다. 일례에서, RF 소스 (A-102) 는 수 밀리초 (예컨대, 약 5 밀리초) 마다 전력의 작은 버스트 (예컨대, 11.5 메가헤르츠) 를 제공하여, 외부 커패시터 (A-108) 가 충전되게 할 수도 있다. RF 소스 (A-102) 가 턴오프되는 경우에, 바이어스 전압은 극성을 가지고 외부 커패시터 (A-108) 상에서 유지되어, 프로브 (A-110) 가 이온들을 수집하기 위해 바이어스된다. 바이어스 전압이 감쇄함에 따라, 도 6a, 도 6b, 및 도 7에서 도시된 바와 같은 커브들이 트레이스 (trace) 될 수도 있다.
당업자는, 프로브 (A-110) 가 일반적으로 리액터 챔버 (A-104) 의 벽에 대해 배치될 수도 있는 도전성의 평탄한 표면을 갖는 전기 프로브라는 것을 인지한다. 따라서, 프로브 (A-110) 는 리액터 챔버 (A-104) 환경에 직접적으로 노출된다. 프로브 (A-110) 에 의해 수집된 전류 및 전압 데이터가 분석될 수도 있다. 특정 레시피가 프로브 (A-110) 상에 비도전성의 퇴적층 (A-116) 이 퇴적되게 할 수도 있으므로, 모든 프로브들이 신뢰성 있는 측정치들을 수집하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 그러나, 당업자는, PIF (planar ion flux) 프로브 기법이 측정을 구현하기 위해 직류 전류 (DC) 를 드로잉 (draw) 하도록 요구되지 않으므로, PIF 프로브는 비-도전성의 퇴적층에도 불구하고 데이터가 수집되게 할 수 있다는 것을 인지한다.
플라즈마 시스템 (A-100) 에서의 전류 및 전압 신호는 다른 센서들에 의해 측정된다. 예에서, RF 소스 (A-102) 가 스위치 오프되는 경우에 전류 및 전압을 각각 측정하기 위해, 전류 센서 (A-112) 및 고 임피던스 전압 센서 (A-114) 가 채용된다. 그 후, 전류 센서 (A-112) 및 전압 센서 (A-114) 로부터 수집된 측정 데이터는 전류 그래프 및 전압 그래프를 생성하기 위해 플롯 (plot) 될 수도 있다. 데이터는 수동적으로 플롯될 수도 있거나, 또는 데이터는 그래프들을 생성하기 위해 소프트웨어 프로그램으로 입력될 수도 있다.
도 6a는 RF 충전 사이클 이후의 시간 대 전압의 그래프를 도시한다. 데이터 포인트 (B-202) 에서, RF 충전이 제공 (즉, RF 버스트) 된 이후에 RF 소스 (A-102) 가 스위치 오프되었다. 이 예에서, 데이터 포인트 (B-202) 에서, 프로브 (A-110) 에 걸친 전압은 약 음의 57 볼트이다. 플라즈마 시스템 (A-100) 은 휴지 (rest) 상태 (데이터 포인트들 (B1-204 및 B1-206) 사이의 간격) 로 리턴하고, 전압은 일반적으로 플로팅 전압 전위에 도달한다. 이 예에서, 플로팅 전압 전위는 약 음의 57 볼트로부터 약 0 볼트까지 상승한다. 그러나, 플로팅 전압 전위는 0 이 되어야만 할 필요는 없고, 음 또는 양의 바이어스 전압 전위일 수도 있다.
유사하게, 도 6b는 RF 충전 이후에 수집된 전류 데이터의 그래프를 도시한다. 데이터 포인트 (B2-252) 에서, RF 충전이 제공된 이후에 RF 소스 (A-102) 가 스위치 오프되었다. 감쇄 기간 (B2-254) 동안에, 외부 커패시터 (A-108) 에서 리턴 전류가 방전될 수도 있다. 일례에서, 풀 충전에서, 전류는 약 0.86 mA/cm2 이다 (데이터 포인트 (B2-252)). 그러나, 전류가 완전히 방전되는 경우에, 전류는 0 으로 리턴하였다 (데이터 포인트 (B2-256)). 그래프에 기초하면, 방전은 약 75 밀리초가 걸린다. 데이터 포인트 (B2-256) 로부터 데이터 포인트 (B2-258) 까지, 커패시터는 방전되어 유지된다.
전류 데이터 및 전압 데이터 양자 모두가 시간의 기간에 걸쳐 수집되므로, 시간 변수를 제거하기 위해 시간을 대등하게 함 (coordinate) 으로써 전류 대 전압 그래프가 생성될 수도 있다. 즉, 수집된 전류 데이터는 수집된 전압 데이터에 대해 매칭될 수도 있다. 도 7은 RF 버스트 사이의 단일의 시간 간격에 대한 심플한 전류 대 전압 그래프를 도시한다. 데이터 포인트 (C-302) 에서, RF 충전이 제공된 이후에 RF 소스 (A-102) 가 스위치 오프되었다.
각각의 RF 버스트 동안에 수집된 데이터에 비선형 피트를 적용시킴으로써, 플라즈마 (A-106) 가 특성화될 수도 있다. 즉, 플라즈마 (A-106) 를 특성화할 수도 있는 파라미터들 (예컨대, 이온 포화, 이온 포화 기울기, 전자 온도, 플로팅 전압 전위 등) 이 결정될 수도 있다. 수집된 데이터로 플라즈마 (A-106) 가 특성화될 수도 있지만, 파라미터들을 계산하는 프로세스는 인간의 개입을 요구하는 지루한 수동적인 프로세스이다. 일례에서, RF 버스트 이후에 (즉, RF 충전이 제공되고 그 후 턴오프된 경우에) 데이터가 수집된 경우, 데이터는 소프트웨어 분석 프로그램으로 공급될 수도 있다. 소프트웨어 분석 프로그램은 비-선형 피트를 수행하여, 플라즈마를 특성화할 수도 있는 파라미터들을 결정할 수도 있다. 플라즈마를 특성화함으로써, 엔지니어는, 기판들의 열악한 프로세싱을 최소화하기 위해 레시피가 어떻게 조정될 수도 있는지를 결정하는 것이 가능할 수도 있다.
불행히도, 각각의 RF 버스트에 대해 데이터를 분석하는 종래 기술의 방법은 완료하는데 수 초 또는 수 분 만큼을 요구할 수도 있다. 통상적으로 수천 개 그렇지 않은 경우에 수만 개의 분석할 RF 버스트들이 존재하므로, 레시피에 대해 플라즈마를 특성화하기 위한 총 시간은 계산하는데 수 시간이 걸릴 수도 있다. 결과로서, 종래 기술의 방법은 프로세스 제어 목적들을 위해 관련된 데이터를 적시에 제공하는데 있어서 효과적인 방법은 아니다.
이제, 본 발명은 첨부 도면들에서 예시된 바와 같은 본 발명의 여러 실시형태들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 다음의 설명에서, 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항들이 제시된다. 그러나, 본 발명이 그 특정 세부사항들의 일부 또는 전부가 없이도 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 다른 경우들에서, 본 발명을 불필요하게 불명료히 하지 않기 위해 공지의 프로세스 단계들 및/또는 구조들은 설명되지 않았다.
방법들 및 기술들을 포함하는 다양한 실시형태들이 이하 설명된다. 본 발명이 본 발명의 기술의 실시형태들을 수행하기 위한 컴퓨터 판독가능 명령들을 저장한 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 제조품들을 또한 커버할 수도 있다는 것을 유념해야 한다. 컴퓨터 판독가능 매체는 예컨대, 반도체, 자기, 광-자기, 광학, 또는 컴퓨터 판독가능 코드를 저장하기 위한 컴퓨터 판독가능 매체의 다른 형태들을 포함할 수도 있다. 또한, 본 발명은 본 발명의 실시형태들을 실시하기 위한 장치들을 커버할 수도 있다. 그러한 장치는, 본 발명의 실시형태들에 관련되는 태스크들을 수행하도록 전용되고/되거나 프로그래밍 가능한 회로들을 포함할 수도 있다. 그러한 장치의 예들은 적절하게 프로그래밍된 경우에 전용된 연산 디바이스 및/또는 범용 컴퓨터를 포함하고, 본 발명의 실시형태들에 관련되는 다양한 태스크들에 대해 적응된 컴퓨터/연산 디바이스 및 전용된/프로그래밍 가능한 회로들의 조합을 포함할 수도 있다.
전술된 바와 같이, 리액터 챔버 환경 내에 위치될 수도 있는 플라즈마에 관한 데이터를 수집하기 위해 PIF 프로브 방법이 채용될 수도 있다. 센서 (예컨대, PIF 프로브) 로부터 수집된 데이터는 리액터 챔버 내의 플라즈마를 특성화하기 위해 채용될 수도 있다. 또한, 센서가 도 5에서 도시된 바와 같은 수집 표면을 채용하므로, 챔버 표면에 관한 데이터가 또한 결정될 수도 있다. 종래 기술에서, PSD 프로브에 의해 수집된 데이터는 분석에 이용가능한 데이터의 준비된 소스를 제공한다. 불행히도, 수집될 수도 있는 데이터의 순수한 볼륨은 적시에 데이터를 분석하는 것을 어렵게 하였다. 수천 개 또는 심지어 수백만 개의 데이터 포인트들이 수집될 수도 있으므로, 플라즈마를 정확하게 특성화하기 위해 관련 간격을 식별하는 태스크는, 특히 데이터가 일반적으로 수동으로 분석되기 때문에, 어려운 태스크일 수도 있다. 결과로서, 수집된 데이터는 플라즈마 프로세싱 시스템에 플라즈마의 적시의 특성화를 제공하는데 있어서 유용하지 않았다.
그러나, 수집될 수도 있는 수천 개/수백만 개의 데이터 포인트들로부터 플라즈마를 특성화하는데 필요한 관련 데이터 포인트들이 식별되는 경우에, 플라즈마를 특성화하는데 요구되는 시간이 상당히 감소될 수도 있다. 본 발명의 실시형태들에 따르면, 비교적 단시간 기간에 플라즈마를 자동으로 특성화하기 위한 방법이 제공된다. 여기서 설명되는 본 발명의 실시형태들은 플라즈마를 특성화하기 위해 분석될 필요가 있을 수도 있는 데이터 포인트들을 감소시키기 위해, 관련성 범위를 식별하기 위한 알고리즘을 제공한다. 여기서 논의되는 바와 같이, 관련성 범위는 각각의 RF 버스트 사이에서 수집될 수도 있는 수천 개 또는 수백만 개의 데이터 포인트들로부터의 데이터 포인트들의 더 작은 세트를 지칭한다. 본 발명의 실시형태들은 또한, 플라즈마를 특성화하기 위한 값들을 계산하는 수학 모델에 적용될 수도 있는 시드 값들을 추정하는 것을 제공한다. 관련성 범위에 대해 커브-피팅을 수행함으로써, 플라즈마를 특성화하기 위해 채용될 수도 있는 파라미터들이 계산될 수도 있다.
본 발명의 특징들 및 유리한 점들은 도면들 및 이어지는 논의들을 참조하여 더 이해될 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 도 8은 기판 프로세싱 동안에 플라즈마를 자동으로 특성화하기 위한 단계들을 예시하는 심플한 플로우차트를 도시한다. 기판 프로세싱 동안에 RF 충전이 제공된 상황을 고려한다.
첫번째 단계 (D-402) 에서, 전류 및 전압 데이터가 수집된다. 일례에서, RF 소스가 턴온된 이후에, RF 충전 (펄스) 이 제공된다. RF 충전이 턴오프된 이후에, 리액터 챔버의 챔버 벽에 탑재될 수도 있는 평면 이온 플럭스 프로브와 같은 프로브에서 데이터를 수집하기 위해 전류 센서 및 전압 센서가 채용될 수도 있다. 전술된 바와 같이, 센서들에 의해 수집될 수도 있는 데이터 포인트들의 수는 수천 개 또는 수만 개의 범위일 수도 있다. 몇몇 경우들에서, 각각의 RF 버스트 사이에서 수천 개 내지 수만 개의 데이터 포인트들이 수집되어, 종래 기술에서 거의 실시간의 분석을 거의 불가능하게 할 수도 있다.
종래 기술에서, 반도체 기판 프로세싱 동안에 수집되는 측정 데이터를 분석하기 위해 수 시간이 할당될 수도 있다. 본 발명의 일 양태에서, 본원의 본 발명자들은 플라즈마를 특성화하기 위해 각각의 RF 버스트 사이의 측정 데이터가 분석될 필요는 없다는 것을 인식하였다. 대신에, 데이터 세트의 관련성 범위에 커브-피팅이 적용되는 경우에, 플라즈마를 특성화하기 위해 채용될 수도 있는 파라미터들이 결정될 수도 있다.
다음의 단계 (D-404) 에서, 관련성 범위가 결정된다. 전술된 바와 같이, 관련성 범위는 각각의 RF 버스트 사이에서 수집된 데이터 세트의 서브세트를 지칭한다. 종래 기술에서, 데이터가 수동으로 분석되기 때문에, 수집된 데이터의 순수한 볼륨이 관련성 범위를 계산하는 것을 어려운 태스크로 만든다. 다수의 경우들에서, 관련성 범위는 시각적으로 추정될 수도 있다. 관련성 범위를 식별하는데 있어서, 존재할 수도 있는 노이즈들이 데이터 세트의 서브세트로부터 실질적으로 제거될 수도 있다. 일례에서, 복잡한 기판 프로세싱 동안에, 프로브 상에서 폴리머 축적이 발생하여 수집된 데이터의 일부가 왜곡되게 할 수도 있다. 예컨대, 영향을 받을 수도 있는 데이터의 부분은 커패시터가 완전히 방전되었을 때 수집될 수도 있는 데이터인 경향이 있다. 관련성 범위를 식별하는데 있어서, 폴리머 축적과 연관된 데이터는 분석으로부터 제거될 수도 있다. 즉, 관련성 범위의 결정은 랜덤 노이즈들을 경험하지 않으면서 플라즈마 특성화가 발생하는 것을 가능하게 할 수도 있다. 예컨대, 관련성 범위가 어떻게 결정될 수도 있는지에 관한 논의는 이후 도 9의 논의에서 제공된다.
관련성 범위를 식별하는 것에 추가하여, 다음의 단계 (D-406) 에서, 시드 값들이 또한 결정될 수도 있다. 여기서 논의되는 바와 같이, 시드 값들은 기울기의 추정된 값, 전자 온도, 이온 포화 값, 플로팅 전압 전위 등을 지칭한다. 예컨대, 시드 값들이 어떻게 추정될 수도 있는지에 관한 논의는 도 9의 논의에서 제공된다.
관련성 범위 및 시드 값들은 커브-피팅을 수행하기 위해 이용된다. 커브-피팅이 다음의 RF 버스트 이전에 수행되어야만 하므로, 관련성 범위 및/또는 시드 값들을 결정하기 위해 채용된 방법들은 최소의 오버헤드를 이용하고 최종의 피트 값들에 근접한 값들을 생성해야만 하며, 그에 의해, 신속한 수렴을 달성하기 위해 요구될 수도 있는 커브-피팅 반복들의 수를 감소시킨다.
다음의 단계 (D-408) 에서, 관련성 범위 및 시드 값들을 이용하여, 비선형 피트 (예컨대, 커브-피팅) 가 수행될 수도 있으며, 그에 의해, 고가의 하이-엔드 컴퓨터를 요구하지 않으면서 더 짧은 시간 기간 내에 플라즈마가 특성화될 수 있게 한다. 종래 기술과 다르게, 방법은 단일의 RF 버스트로 인한 감쇄 간격으로부터의 결과들이, 프로세싱하는데 수 분 또는 심지어 수 시간을 요구하는 대신에 대략 20 밀리초에서 단일의 RF 버스트가 특성화되게 허용한다. 비-실시간 분석 능력으로, 방법은 플라즈마 프로세싱 동안에 엔지니어에게 관련성 데이터를 제공하기 위한 자동 제어 시스템의 일부로서 적용될 수도 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시형태에서, 관련성 범위 및 시드 값들을 결정하기 위한 심플한 알고리즘을 도시한다. 도 9는 도 10a, 도 10b, 도 10c, 및 도 10d에 관하여 논의될 것이다.
첫번째 단계 (E-502) 에서, 각각의 RF 버스트 동안에 수집된 데이터가 자동으로 플롯된다. 일례에서, 전류 센서에 의해 수집될 수도 있는 전류 데이터는 도 10a에서 도시된 것과 같은 전류 대 시간 그래프 (F1-600) 로 플롯된다. 다른 예에서, 도 10b에서 도시된 바와 같이, 수집된 전압 데이터는 전압 대 시간 그래프 (F2-650) 로 플롯될 수도 있다. 데이터가 종래 기술과 유사한 그래프들을 생성할 수도 있지만, 종래 기술과 다르게, 수집된 데이터는 인간의 개입을 요구하지 않으면서 분석 프로그램으로 자동으로 공급된다. 다르게는, 수집된 측정 데이터가 플롯되지 않아도 된다. 대신에, 데이터가 분석 프로그램으로 직접적으로 공급될 수도 있다. 대신에, 알고리즘을 설명하기 위한 시각적 예들로서 그래프들이 제공된다.
종래 기술과 다르게, 플라즈마를 특성화하기 위해 전체 데이터 세트가 분석되지 않는다. 대신, 관련성 범위가 결정된다. 관련성 범위를 결정하기 위해, 다음의 단계 (E-504) 에서, 퍼센트 감쇄 포인트가 먼저 결정될 수도 있다. 여기서 논의되는 바와 같이, 퍼센트 감쇄 포인트는 오리지널 값이 오리지널 값의 특정 퍼센트까지 감쇄된 데이터 포인트를 지칭한다. 일 실시형태에서, 퍼센트 감쇄 포인트는 분석될 데이터 간격의 종료를 나타낼 수도 있다. 일례에서, RF 소스가 스위치 오프되는 경우에, 전류 값은 약 0.86 mA/cm2 이다. 그 값은 도 10a의 그래프 (F1-600) 상의 데이터 포인트 (F1-602) 에 의해 나타내어진다. 퍼센트 감쇄 포인트가 오리지널 값의 10 퍼센트로 세팅되는 경우에, 퍼센트 감쇄 포인트는 약 0.086 mA/cm2 인 데이터 포인트 (F1-604) 이다. 즉, 퍼센트 감쇄 포인트는 오리지널 값에 미리-정의된 퍼센트를 적용함으로써 결정될 수도 있으며, 이는 RF 소스가 스위치 오프되고 시스템이 평형 상태로 리턴하고 있는 경우의 전기 충전의 값이다. 일 실시형태에서, 퍼센트는 경험적으로 결정된다. 일 실시형태에서, 데이터 간격의 종료를 결정하기 위해 퍼센트 감쇄 포인트를 채용하는 대신에, 각각의 RF 버스트에 대해 수집된 데이터의 1차 도함수의 피크가 계산될 수도 있다.
다음의 단계 (E-506) 에서, 알고리즘은, 오리지널 값과 제 2 감쇄 포인트 사이의 데이터 서브세트인 이온 포화 간격을 결정할 수도 있다. 여기서 논의되는 바와 같이, 이온 포화 간격은, 프로브로의 전자 플럭스가 무시가능하도록 플로팅 전위에 대하여 프로브 전위가 충분히 음인 전류-전압 (IV) 커브의 영역을 지칭한다. 이 영역에서, 프로브로의 전류는 음의 전위가 증가하면서 천천히 그리고 선형으로 증가한다. 또한, 이온 포화 간격은, 프로브가 시스템에서 모든 이용가능한 이온들을 수집하도록 플로팅 전위에 대하여 바이어스 전압이 충분히 음인 체제이다. 즉, 수집된 전류는 바이어스 전압이 충분히 높게 상승됨에 따라 "포화" 된다. 또한, 여기서 논의되는 바와 같이, "이용가능한 이온들" 은, 바이어스 전압이 더 증가됨에 따라 확대될 수도 있는 외벽 경계 (sheath boundary) 에 충돌하는 이온들의 플럭스를 지칭한다.
즉, 이온 포화 간격은 도 10a의 데이터 포인트들 (F1-602 및 F1-606) 로부터의 간격이다. 일 실시형태에서, 제 2 감쇄 포인트는 오리지널 값 (즉, 데이터 포인트 (F1-602)) 의 퍼센트를 취함으로써 결정될 수도 있다. 일례에서, 제 2 감쇄 포인트가 오리지널 값의 약 95 퍼센트인 경우에, 제 2 감쇄 포인트는 약 0.81 mA/cm2 (즉, 데이터 포인트 (F1-606)) 이다. 따라서, 이온 포화 간격은 오리지널 값 (데이터 포인트 (F1-602)) 으로부터 제 2 감쇄 포인트 (데이터 포인트 (F1-606)) 까지이다. 제 2 감쇄 포인트는 오리지널 값 (데이터 포인트 (F1-602)) 와 퍼센트 감쇄 포인트 (데이터 포인트 (F1-604)) 사이에 있다는 것을 주의한다. 퍼센트 감쇄 포인트와 유사하게, 일 실시형태에서, 제 2 감쇄 포인트는 또한 미리-정의된 임계값에 기초할 수도 있다. 일 실시형태에서, 퍼센트는 경험적으로 결정된다.
이온 포화 간격이 결정되면, 다음의 단계 (E-508) 에서, 기울기 (S) 및 이온 포화 (i0) 가 추정될 수도 있다. 전술된 바와 같이, 기울기 (S) 및 이온 포화 (i0) 는 플라즈마를 특성화하는 파라미터들을 결정하기 위한 수학 모델 (아래의 수식 2) 에 적용될 수도 있는 4 개의 시드 값들 중 2 개이다. 일례에서, 기울기 (S) 는 선형 회귀 (linear regression) 를 수행함으로써 결정될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 알고리즘은 또한, 데이터 포인트들 (F1-602 및 F1-606) 사이의 데이터 값들의 평균을 취함으로써 이온 포화 (i0) 를 결정할 수도 있다.
다음의 단계 (E-510) 에서, 알고리즘은, 1차 도함수가 부호를 변경하는 포인트인 변곡 포인트를 결정할 수도 있다. 일 실시형태에서, 변곡 포인트는 퍼센트 감쇄 포인트와 제 2 감쇄 포인트 사이의 전류 값들의 1차 도함수의 최소의 값을 식별함으로써 계산될 수도 있다. 예시를 위해, 도 10c는 전류 신호 (F3-660) 의 오리지널 포인트 (F3-662) 와 퍼센트 감쇄 포인트 (F3-664) 사이의 값들의 1차 도함수를 도시한다. 변곡 포인트는, (데이터 포인트 (F3-666) 에 의해 도시된 바와 같은) -0.012 mA/cm2 의 값 및 226 의 인덱스 값을 갖는 1차 도함수 (F3-670) 의 최소의 데이터 포인트이다. 변곡 값을 결정하기 위해, 인덱스 값은 전류 신호 플롯 (F3-660) 으로 매핑된다. 이 예에서, 1차 도함수의 인덱스 값이 전류 신호 (F3-660) 로 매핑되는 경우에, 데이터 포인트 (F3-668) 에 의해 도시되는 바와 같이, 변곡 값은 0.4714 mA/cm2 이다.
일 실시형태에서, 관련성 범위는 오리지널 값과 변곡 포인트 사이의 범위로서 정의된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 퍼센트 감쇄는 다음과 같다.
[수식 1]
Figure 112011001186978-pct00001
[테이블 1]
Figure 112011001186978-pct00002
식별된 변곡 포인트로, 다음의 단계 (E-512) 에서, 전자 온도가 추정될 수도 있다. 전자 온도는 상기 수식 1 을 채용함으로써 추정될 수도 있다. 전자 온도를 계산하기 위해 이용되는 전류 및 전압 데이터는, 일반적으로 프로브가 이온 포화 전류보다 더 적은 전류를 드로잉하는 천이 간격 내에 있다. 일 실시형태에서, 전류 및 전압 데이터가 측정되는 시간은 변곡 포인트에 대응할 수도 있다. 다르게는, 전류-전압 (I-V) 커브의 변곡 포인트가 또한 채용될 수도 있다. 전자 온도가 전류-전압 커브 상의 변곡 포인트에 대응하는 시간에서 RF 버스트에 대해 수집된 데이터의 (퍼센트 감쇄 포인트를 계산하는데 있어서 결정된 바와 같은) 1차 도함수의 비율이므로, 그 수를 생성하기 위해 요구될 수도 있는 연산 오버헤드는 최소이다.
다음의 단계 (E-514) 에서, 알고리즘은 플로팅 전압 전위를 결정할 수도 있다. 수집된 전압 데이터에 기초하여 플로팅 전압 전위가 결정되므로, 플로팅 전압 전위는 먼저 단계들 (E-504 내지 E-512) 에서 계산된 바와 같은 값들을 결정할 필요 없이 결정될 수도 있다. 당업자는 플로팅 전압 전위가 외부 커패시터가 완전히 방전된 이후에 프로브가 플로팅하는 전기 전위라는 것을 인지한다. 통상적으로, 플로팅 전압 전위는 다음의 RF 버스트 직전에 발생하는 신호를 주시함으로써 결정될 수도 있다. 그러나, 왜곡을 발생시키는 폴리머 축적의 가능성으로 인해, 에러 데이터 (즉, 노이즈) 가 수집될 수도 있으며; 따라서, 플로팅 전압 전위는 수집 기간의 종료에 가깝게 수집된 전압 값들을 평균함으로써 계산될 수도 있다. 일 실시형태에서, 플로팅 전압 전위는 도 10b에서 도시된 바와 같이 데이터 포인트 (F2-652) (전압이 그것의 플로팅 전위에 처음으로 도달하는 데이터 포인트) 로부터 데이터 포인트 (F2-654) (다음의 RF 버스트 직전의 데이터 포인트) 까지 계산될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 플로팅 전압 전위는 도 10b에서 도시된 바와 같이 데이터 포인트들 (F2-652 및 F2-654) 사이에 위치된 윈도우 (F2-656) 내의 전압 값들에 기초할 수도 있다. 일 실시형태에서, 윈도우 (F2-656) 는, 윈도우가 이전의 펄스가 99 퍼센트보다 더 많이 감쇄되기 이전에 시작하고 다음의 펄스가 시작할 때 종료하는 한 임의의 사이즈로 이루어질 수도 있다. 일 실시형태에서, 플로팅 전압 전위는 저 표준 편차 (에러) 를 갖는 평균 값을 제공하는 윈도우로부터 결정될 수도 있다.
전술된 바로부터 인식될 수 있는 바와 같이, 관련성 범위 및 시드 값들을 결정하기 위한 방법들은 전류, 전압, 및/또는 전류-전압 (I-V) 커브들에서 발생할 수도 있는 예외들을 설명한다. 일례에서, RF 버스트의 종료에서 폴리머 축적이 발생할 수도 있다. 그러나, 전술된 알고리즘들을 적용함으로써, 관련성 범위 및 시드 값들은 프로세싱 동안에 발생할 수도 있는 예상되지 않은 아티팩트들에 영향을 받지 않는다.
관련성 범위가 결정되고 시드 값들이 계산되면, 다음의 단계 (E-516) 에서, 전류 값들이 전압 값들에 대해 플롯될 수도 있고 도 10d의 그래프 (F4-680) 를 생성하기 위해 커브-피팅이 적용될 수도 있다. 일례에서, 커브-피팅을 수행하기 위해 레벤베르그-마르콰르츠 (Levenberg-Marquardt) 알고리즘과 같은 비선형 커브 피트가 적용될 수도 있다. 커브-피팅 그래프를 생성하고 이하의 수식 2 와 같은 수학 모델에 시드 값들을 적용함으로써, 플라즈마를 특성화하기 위해 채용될 수도 있는 4 개의 파라미터들이 결정될 수도 있다.
[수식 2]
Figure 112011001186978-pct00003
[테이블 2]
Figure 112011001186978-pct00004
본 발명의 하나 이상의 실시형태들로부터 인식될 수 있는 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 동안에 플라즈마를 특성화하기 위한 자동화된 방법이 제공된다. 관련성 범위 및 시드 값들의 세트를 결정함으로써, 단일의 RF 버스트 이후에 일반적으로 수집되는 수천 개 또는 수만 개의 데이터 포인트들을 프로세싱할 필요 없이 플라즈마 특성화가 발생할 수도 있다. 자동화된 방법은 이전의 지루하고 수동적인 프로세스를 신속하고 효율적으로 수행될 수도 있는 자동 태스크로 변형시킨다. 수 분 (또는 심지어 수 시간) 으로부터 수 밀리초로 상당히 단축된 데이터 분석으로, 생산-후 프로세스 대신에 플라즈마 프로세싱 동안에 플라즈마 특성화가 수행될 수도 있다. 따라서, 관련 데이터가 전류 플라즈마 환경에 통찰력들을 제공할 수도 있으며, 그에 의해, 레시피 및/또는 툴 조정이 발생할 수 있게 하고 낭비가 최소화될 수 있게 한다.
본 발명이 여러 바람직한 실시형태들에 관하여 설명되었지만, 본 발명의 범위 내에 속하는 변형물들, 치환물들, 및 등가물들이 존재한다. 또한, 본 발명의 방법들 및 장치들을 구현하는 다수의 다른 방법들이 존재한다는 것을 유의해야 한다. 여기에 다양한 예들이 제공되지만, 이들 예들은 예시적이고 본 발명에 대하여 제한하지 않도록 의도된다.
또한, 발명의 명칭 및 개요는 여기서 편의를 위해 제공되고, 여기에서의 청구의 범위를 해석하는데 사용되서는 안된다. 또한, 요약은 매우 축약된 형태로 기재되며, 따라서, 청구의 범위에서 나타내어 지는 전체 발명을 해석하거나 또는 한정하기 위해 채용되서는 안된다. 여기서 "세트" 라는 용어가 채용되는 경우에, 그러한 용어는 0, 1, 또는 1 보다 더 많은 멤버를 커버하기 위해 그 통상적으로 이해되는 수학적인 의미를 갖도록 의도된다. 또한, 다음의 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 속하는 모든 그러한 변형들, 치환들, 및 등가들을 포함하는 것으로서 해석되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 기판 프로세싱 동안 플라즈마 프로세싱 시스템의 프로세싱 챔버 내에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치로서,
    상기 프로세싱 챔버의 표면 상에 배치되며, 적어도 하나의 플라즈마 프로세싱 파라미터를 측정하도록 구성된 프로브 장치; 및
    검출 장치를 포함하고,
    상기 프로브 장치는,
    플라즈마를 향하는 센서 및 측정 커패시터를 포함하고,
    상기 플라즈마를 향하는 센서는 상기 측정 커패시터의 제 1 플레이트에 커플링되고,
    상기 검출 장치는, 상기 측정 커패시터의 제 2 플레이트에 커플링되고, 상기 측정 커패시터를 통해 흐르는 유도 전류를 디지털 신호들의 세트로 변환하도록 구성되며,
    상기 디지털 신호들의 세트는 상기 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하도록 프로세싱되는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 향하는 센서는 상부 전극에 배치되는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 향하는 센서는 상기 프로세싱 챔버의 챔버 벽 상에 배치되는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 향하는 센서는 도전성 재료로 이루어지는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 향하는 센서는 용량성 커플링된 정전식 (CCE) 프로브 헤드인, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 장치는,
    적어도, 상기 프로브 장치를 통해 흐르는 상기 유도 전류를 아날로그 전압 신호들의 세트로 변환하도록 구성되는 전류-전압 변환기,
    적어도, 상기 아날로그 전압 신호들의 세트를 상기 디지털 신호들의 세트로 변환하도록 구성되는 아날로그-디지털 변환기, 및
    적어도, 상기 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 고주파수 섭동 (perturbation) 들을 검출하기 위해 상기 디지털 신호들의 세트를 프로세싱하도록 구성되는 신호 프로세서를 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 고주파수 섭동들은, 양의 방향 및 음의 방향 양자에서 진폭 편위 (excursion) 들을 갖는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 인시츄 아킹 이벤트들이 검출될 경우 상기 검출 장치로부터 메시지를 수신하도록 구성되고, 상기 인시츄 아킹 이벤트들을 조정하기 위해 정정 액션들을 적용하도록 구성되는 툴 제어 회로를 더 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 커패시터의 상기 제 1 플레이트에 커플링되며, 전압 측정치들을 적어도 수집하고 상기 플라즈마를 향하는 센서의 전위 변화를 측정하도록 구성되는 전압 측정 디바이스를 더 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전압 측정 디바이스에 의해 수집된 상기 전압 측정치들은 신호 프로세싱을 위해 디지털 신호로 변환되어, 상기 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하기 위한 장치.
  11. 기판 프로세싱 동안 플라즈마 프로세싱 시스템의 프로세싱 챔버 내에서 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법으로서,
    프로세스 데이터의 세트를 수집하는 단계로서, 상기 프로세스 데이터는 측정 커패시터를 통해 흐르는 유도 전류 신호들을 포함하는, 상기 프로세스 데이터의 세트를 수집하는 단계;
    상기 유도 전류 신호들을 아날로그 전압 신호들의 세트로 변환하는 단계;
    상기 아날로그 전압 신호들의 세트를 디지털 신호들의 세트로 변환하는 단계; 및
    상기 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 고주파수 섭동들을 검출하기 위해 상기 디지털 신호들의 세트를 분석하는 단계를 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유도 전류 신호들의 변화율을 미리 정의된 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하며,
    상기 변화율이 상기 미리 정의된 임계값 밖에 있으면, 상기 인시츄 아킹 이벤트들이 존재하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 인시츄 아킹 이벤트들이 검출될 경우 툴 제어 회로에 메시지를 전송하는 단계를 더 포함하며,
    상기 툴 제어 회로는, 인시츄 아킹 이벤트들을 조정하기 위해 정정 액션들을 적용하도록 구성되는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    기판 프로세싱 동안 전위 변화를 결정하기 위해 플라즈마를 향하는 센서로부터의 전압 신호들을 측정하는 단계를 더 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 측정된 전압 신호들을 디지털 신호들로 변환하는 단계를 더 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 인시츄 아킹 이벤트들을 나타내는 고주파수 섭동들을 검출하기 위해 상기 디지털 신호들을 분석하는 단계를 더 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전압 신호들의 변화율을 미리 정의된 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하며,
    상기 변화율이 상기 미리 정의된 임계값 밖에 있으면, 상기 인시츄 아킹 이벤트들이 존재하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    주기적인 무선 주파수 (RF) 펄스 트레인들의 세트를 상기 측정 커패시터에 인가하고, 상기 측정 커패시터의 전류 감쇄 신호들을 측정하는 단계를 더 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 측정 커패시터의 전류 감쇄 신호들에 대해 미리 결정된 임계값을 상회하는 상기 고주파수 섭동들을 검출하기 위해 아크 검출 알고리즘을 적용하는 단계를 더 포함하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 전류 감쇄 신호들의 변화율을 미리 정의된 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하며,
    상기 변화율이 상기 미리 정의된 임계값 밖에 있으면 상기 인시츄 아킹 이벤트들이 존재하는, 인시츄 아킹 이벤트들을 검출하는 방법.
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