KR101832640B1 - 플라즈마 처리의 공간 분해 방사 분광 - Google Patents
플라즈마 처리의 공간 분해 방사 분광 Download PDFInfo
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Abstract
반도체 플라즈마 처리실 내의 플라즈마로부터 광학 방사의 2차원 분포를 측정하는 방법, 컴퓨터 방법, 시스템 및 장치가 개시된다. 플라즈마 광학 방사의 획득된 2차원 분포는 플라즈마에 존재하는 소정의 관심 대상 화학종의 2차원 농도 분포를 추론하고, 그에 따라서 프로세스 개발 및 또한 새로운 및 개선된 처리 도구 개발을 위한 유용한 도구를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 개시된 기술은 연산적으로 단순하고 비싸지 않으며, 광 강도의 주변 변화를 허용하는 기저 함수의 합으로 상기 추정된 광 강도 분포의 확장의 사용을 수반한다. 적당한 기저 함수의 예는 제르니케 다항식이다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조
이 출원은 "플라즈마 에칭의 공간 분해 광학 방사 분광(OES)"(SPATIALLY RESOLVED OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY(OES) IN PLASMA ETCHING)의 명칭으로 2013년 11월 1일자 출원된 미국 가특허 출원 제61/898,975호(참조번호: TTI-242PROV)의 이익 및 우선권을 주장하며, 상기 가특허 출원은 인용에 의해 그 전체 내용이 본원에 통합된다.
발명의 분야
본 발명은 플라즈마 광학 방사 분광(optical emission spectroscopy, OES)을 이용한 반도체 플라즈마 처리시 화학종의 농도를 측정하는 방법, 컴퓨터 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 화학종 농도의 2차원 분포를 결정할 수 있는 플라즈마 광학 방사의 2차원 분포를 결정하는 것에 관한 것이다.
반도체 소자, 디스플레이, 광전지 등의 생산은 일련의 단계로 진행되고, 각 단계는 최대 소자 수율에 최적화된 파라미터들을 갖는다. 플라즈마 처리에 있어서, 수율에 강하게 영향을 주는 제어형 파라미터 중에는 플라즈마의 화학작용, 특히 플라즈마의 국소 화학작용, 즉 처리되는 기판 주변의 플라즈마 환경에서 각종 화학종의 국소 농도가 있다. 일부 종, 특히 기(radical)와 같은 과도적 화학종은 플라즈마 처리 성과에 큰 영향을 주고, 이러한 종의 국소 농도의 상승은 더 빠른 처리 구역을 생성할 수 있으며, 이것은 처리 단계에서 및 궁극적으로는 생산되는 소자에서 불균일성을 유도하는 것으로 알려져 있다.
플라즈마 처리의 화학작용은 플라즈마를 여기하기 위해 공급되는 하나 이상의 RF 또는 마이크로파 전력, 플라즈마 처리실에 공급되는 가스 유량 및 가스 종류, 플라즈마 처리실의 압력, 처리되는 기판의 종류, 플라즈마 처리실로 전달되는 펌핑 속도 등과 같은 다수의 처리 변수들의 제어를 통해 직접 방식 또는 간접 방식으로 제어된다. 광학 방사 분광(OES)은 프로세스 개발 및 플라즈마 처리의 모니터링을 위해 유용한 도구로서 입증되었다. 광학 방사 분광에 있어서, 기(radical) 등의 특별한 관심이 있는 일부 화학종의 존재 및 농도는 플라즈마의 획득된 광학(즉, 광) 방사 스펙트럼으로부터 추론되고, 일부 스펙트럼 선의 강도 및 그 비율은 화학종의 농도에 상관된다. 이 기술의 자세한 설명은 예를 들면 1993년 AVS 프레스에 지. 셀빈(G. Selwyn)이 기고한 "플라즈마 처리의 광학 진단 기술"(Optical Diagnostic Techniques for Plasma Processing)에서 찾아볼 수 있고, 여기에서는 간결히 하기 위해 반복되지 않을 것이다.
광학 방사 분광의 사용이 특히 플라즈마 처리 개발에서 비교적 보편화되었지만, 이것은 일반적으로 플라즈마 처리실 내에서 플라즈마 내의 단일의 긴 볼륨으로부터 광학 방사 스펙트럼을 획득함으로써 행하여진다. 이 볼륨의 정확한 형상 및 크기는 플라즈마로부터 광학 방사를 수집하기 위해 사용되는 광학 시스템에 의해 결정된다. 이러한 광학 방사 신호의 수집은 본질적으로 광선(ray)이라고도 알려져 있는 상기 긴 볼륨의 길이를 따른 플라즈마 광학 방사 스펙트럼의 평균화를 가져오고, 따라서 플라즈마 광학 방사 스펙트럼의 국소 변화에 대한 모든 정보 및 그에 따라서 화학종 농도의 국소 변화도 또한 일반적으로 상실된다.
플라즈마 처리의 개발시에, 및 사실상 새로운 및 개선된 플라즈마 처리 시스템의 개발시에, 처리되는 기판 위의 관심 대상 화학종의 2차원 분포를 아는 것이 유용하고, 그래서 시스템 설계 및/또는 처리 파라미터들은 예를 들면 기판 전역의 처리 성과의 변화를 최소화하도록 변화될 수 있다. 플라즈마 광학 방사 분광(OES) 기술의 다른 응용은 에칭 처리 중에 에칭된, 다른 화학적 조성을 가진 기판층에 도달하는 에칭 단계와 연관된 플라즈마에 존재하는 화학종의 진전 및 급격한 변화를 모니터링함으로써 플라즈마 처리 단계의 종점을 결정하는 것이다. 기판의 전체 표면에 걸쳐 플라즈마 처리 단계 종점을 결정하는 능력은 플라즈마 처리 단계를 너무 빨리 종결하는 것을 방지하기 때문에 소자 수율을 증가시키는데 기여한다.
관심 있는 구역을 교차하는 복수의 광선을 따르는 공지된 통합 측정으로부터 변수의 공간 분포를 결정하는 다른 기술 분야, 예컨대 X선 단층 촬영에서 널리 사용되는 하나의 기술은 아벨(Abel) 변환 또는 라돈(Radon) 변환을 이용한 역 단층 촬영술(tomographic inversion)이다. 그러나 실제로 이 기술은 플라즈마 처리실 벽에 구축된 1개 또는 소수의 창 또는 광학 포트를 통하여 플라즈마에 대한 광학적 접근이 제한된 반도체 처리 도구에서 비실용적인 다량의 필수 데이터, 즉 다수의 광선을 필요로 한다. 단층 촬영 기술은 또한 일반적으로 매우 연산 집약적이다. 또한 화학종 농도의 국소 변화는 반경 방향에서 및 원주(즉, 방위각) 방향에서조차 임의의 급격한 기울기 없이 일반적으로 매끄러운 속성을 갖는다. 따라서, OES 측정에 대한 단층 촬영 접근법에 수반되는 오버헤드 없이 플라즈마 광학 방사 스펙트럼의 2차원 분포를 획득할 수 있는 단순하고 고속이며 비교적 저가인 플라즈마 광학 방사 분광(OES) 기술을 갖는 것이 유리하다.
특히, 원주 방향에서의 변화가 작을 수 있지만, 이것은 일부 종래 기술이 추정하는 것처럼 비존재가 아니며, 이상적인 기술 및 시스템은 여전히 이러한 변화를 신뢰성 있게 포착할 수 있어야 한다.
본 발명의 일 양태는 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 결정하는 방법에 있어서, 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 제어하는 제어기를 구비한 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 가진 플라즈마 처리실에서 플라즈마를 발화시키는 단계와; 상기 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 이용하여 플라즈마 처리실을 가로질러 N개(N>1임)의 비동시적 광선을 따라 통합된 N개의 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하는 단계 - 각각의 측정된 광학 방사 스펙트럼은 M개(M≥1임)의 파장을 포함하는 것임 - 와; 상기 제어기를 이용하여 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 합을 포함하는 광 강도 분포 함수 I(r, θ)
를 선택하는 단계 - 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ) 중의 적어도 하나는 플라즈마 처리실 내부에서 방사상 위치(r) 및 원주 위치(θ) 둘 다에 따라 변하고, N개의 기저 함수 Fp(r, θ)는 각각 맞춤 파라미터(fitting parameter)(ap)와 연관되는 것임 - 와; 상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)를 N개의 측정된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼에 맞추기 위해 상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)의 N개의 맞춤 파라미터(ap)를 맞춤(fitting)함으로써 M개의 파장 각각에 대한 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 상기 제어기를 이용하여 결정하는 단계를 포함한 공간 분포 결정 방법을 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)는 제르니케(Zernike) 다항식 Zp(r, θ), 또는 더 구체적으로 N개의 최저 차수 제르니케 다항식 Zp(r, θ)일 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 플라즈마 처리실을 가로지르는 N개의 광선 각각에 대한 N개의 별도의 광학 시스템을 포함한 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 포함하고, 상기 각각의 광학 시스템은 플라즈마 처리실의 벽에 배치된 적어도 하나의 광학 창을 통해 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 수집하는 것이며, 각각의 광학 시스템은 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하는 다채널 분광기에 결합된다.
대안적인 실시형태는 플라즈마 처리실의 벽에 배치된 광학 창을 통해 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 수집하는 광학 시스템 - 상기 광학 시스템은 플라즈마 처리실을 가로지르는 복수의 비동시적 광선을 스캔하도록 구성된 스캐닝 미러를 포함한 것임 - 과; 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하기 위해 상기 광학 시스템에 결합된 분광기를 포함한 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 포함한다.
발명의 또 다른 실시형태는 플라즈마로부터 광학 신호를 수집하고 상기 광학 신호를 다채널 분광기로 전송하기 위해 상기 광학 신호를 광섬유의 단부로 지향시키는 텔레센터 커플러(telecenter coupler)를 포함하고, 상기 텔레센터 커플러는 적어도 하나의 수집 렌즈; 적어도 하나의 커플링 렌즈; 및 선택적 조리개를 포함한다.
발명의 다른 양태는, 제어기로 하여금 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 결정하는 방법을 수행하게 하는 명령어가 저장된 비일시적 기계 접근가능 기억 매체에 있어서, 상기 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 결정하는 방법은, 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 제어하는 제어기를 구비한 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 가진 플라즈마 처리실에서 플라즈마를 발화시키는 단계와; 상기 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 이용하여, 상기 플라즈마 처리실을 가로질러 N개(N>1임)의 비동시적 광선을 따라 통합된 N개의 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하는 단계로서, 각각의 측정된 광학 방사 스펙트럼은 M개(M≥1임)의 파장을 포함하는 것인, 상기 측정 단계와; 상기 제어기를 이용하여, N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 합을 포함하는 광 강도 분포 함수 I(r, θ)
를 선택하는 단계로서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ) 중의 적어도 하나는 상기 플라즈마 처리실 내부에서 방사상 위치(r) 및 원주 위치(θ) 둘 다에 따라 변하고, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 각각은 맞춤 파라미터(ap)와 연관된 것인, 상기 선택 단계와; 상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)를 상기 N개의 측정된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼에 맞추기 위해 상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)의 N개의 맞춤 파라미터(ap)를 맞춤으로써, 상기 M개의 파장 각각에 대한 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를, 상기 제어기를 이용하여 결정하는 단계를 포함한 것인 비일시적 기계 접근가능 기억 매체를 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)는 제르니케(Zernike) 다항식 Zp(r, θ)인 것인 비일시적 기계 접근가능 기억 매체일 수 있다.
발명의 다른 양태는, 제어기로 하여금 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 결정하는 방법을 수행하게 하는 명령어가 저장된 비일시적 기계 접근가능 기억 매체에 있어서, 상기 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 결정하는 방법은, 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 제어하는 제어기를 구비한 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 가진 플라즈마 처리실에서 플라즈마를 발화시키는 단계와; 상기 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 이용하여, 상기 플라즈마 처리실을 가로질러 N개(N>1임)의 비동시적 광선을 따라 통합된 N개의 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하는 단계로서, 각각의 측정된 광학 방사 스펙트럼은 M개(M≥1임)의 파장을 포함하는 것인, 상기 측정 단계와; 상기 제어기를 이용하여, N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 합을 포함하는 광 강도 분포 함수 I(r, θ)
를 선택하는 단계로서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ) 중의 적어도 하나는 상기 플라즈마 처리실 내부에서 방사상 위치(r) 및 원주 위치(θ) 둘 다에 따라 변하고, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 각각은 맞춤 파라미터(ap)와 연관된 것인, 상기 선택 단계와; 상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)를 상기 N개의 측정된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼에 맞추기 위해 상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)의 N개의 맞춤 파라미터(ap)를 맞춤으로써, 상기 M개의 파장 각각에 대한 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를, 상기 제어기를 이용하여 결정하는 단계를 포함한 것인 비일시적 기계 접근가능 기억 매체를 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)는 제르니케(Zernike) 다항식 Zp(r, θ)인 것인 비일시적 기계 접근가능 기억 매체일 수 있다.
본 발명 및 그 많은 부수적인 장점들은 첨부 도면과 함께하는 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템을 구비한 플라즈마 처리 시스템의 개략적 측면도이다.
도 2는 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템을 구비한 플라즈마 처리 시스템의 개략적 상면도이다.
도 3은 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템을 이용하여 획득된 예시적인 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 보인 도이다.
도 4는 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템에서 사용하는 광학 시스템의 개략도이다.
도 5는 발명의 다른 실시형태에 따른 OES 측정 시스템에서 사용하는 광학 시스템의 개략도이다.
도 6은 발명의 실시형태에 따른 광학 시스템의 일 실시형태의 전개된 개략도이다.
도 7은 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템 및 관련 방법을 이용하여 측정된 플라즈마 광학 방사의 예시적인 2차원 분포를 보인 도이다.
도 1은 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템을 구비한 플라즈마 처리 시스템의 개략적 측면도이다.
도 2는 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템을 구비한 플라즈마 처리 시스템의 개략적 상면도이다.
도 3은 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템을 이용하여 획득된 예시적인 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 보인 도이다.
도 4는 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템에서 사용하는 광학 시스템의 개략도이다.
도 5는 발명의 다른 실시형태에 따른 OES 측정 시스템에서 사용하는 광학 시스템의 개략도이다.
도 6은 발명의 실시형태에 따른 광학 시스템의 일 실시형태의 전개된 개략도이다.
도 7은 발명의 실시형태에 따른 OES 측정 시스템 및 관련 방법을 이용하여 측정된 플라즈마 광학 방사의 예시적인 2차원 분포를 보인 도이다.
이하의 설명에서는 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해서 및 제한하는 의도 없는 설명의 목적으로, 플라즈마 광학 방사 분광(OES) 시스템의 특정 지오메트리와 같은 특정 세부, 및 각종 컴포넌트 및 처리의 설명이 개시된다. 그러나 본 발명은 이러한 특정 세부로부터 벗어난 다른 실시형태로 실시될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
이하의 설명에서, 처리 대상의 워크피스를 나타내는 용어 기판은 반도체 웨이퍼, LCD 패널, 발광 다이오드(LED), 광전지(PV) 소자 패널 등과 같은 용어와 상호 교환적으로 사용될 수 있고, 상기 요소들의 모든 처리는 청구 발명의 범위 내에 포함된다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시형태" 또는 "실시형태"로 인용하는 것은 그 실시형태와 관련하여 설명되는 특정의 피처(feature), 구조, 물질 또는 특성이 발명의 적어도 일 실시형태에 포함될 수 있음을 의미하지만, 그러한 특정의 피처, 구조, 물질 또는 특성이 모든 실시형태에 존재한다는 것을 표시하지는 않는다. 따라서, 본 명세서의 여러 위치에서 "일 실시형태에 있어서" 또는 "실시형태에 있어서"라는 구의 출현은 반드시 발명의 동일한 실시형태를 인용하는 것이 아니다. 또한, 특정의 피처, 구조, 물질 또는 특성은 하나 이상의 실시형태에서 임의의 적당한 방식으로 결합될 수 있다.
각종 동작들은 발명을 이해하는데 가장 도움이 되는 방식으로 차례로 복수의 이산적인 동작으로서 설명될 것이다. 그러나 설명의 순서는 이러한 동작들이 반드시 순서 종속적임을 암시하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 특히 이러한 동작들은 제시되는 순서대로 수행될 필요가 없다. 여기에서 설명하는 동작들은 설명되는 실시형태와 다른 순서로 수행될 수 있다. 각종의 추가적인 동작들이 수행될 수 있고, 및/또는 설명되는 동작들이 다른 실시형태에서는 생략될 수 있다.
도 1은 플라즈마 광학 방사 분광(OES) 시스템(15)을 구비한 플라즈마 처리 시스템(10)의 일 실시형태를 보인 도이다. 플라즈마 처리 시스템(10)은 플라즈마 처리실(20)을 포함하고, 플라즈마 처리실(20)에는 처리대상 기판(40)을 수납하기 위한 정전 척과 같은 기판 홀더(30)가 배치된다. 기판(40) 주위에서 플라즈마(50)를 발화하여 지속하기 위해 플라즈마 처리실(20)에는 RF 및/또는 마이크로파 전력이 공급되고(도시 생략됨), 플라즈마(50)로부터의 활동적인 화학종들이 기판(40) 위에서 플라즈마 처리 단계를 수행하기 위해 사용된다. 처리 가스가 플라즈마 처리실(20) 내로 유입되고(도시 생략됨) 플라즈마 처리실(20)을 바람직한 처리 압력의 진공으로 유지하기 위해 펌핑 시스템이 제공된다(도시 생략됨). 플라즈마 처리 단계의 예는 플라즈마 에칭, 플라즈마 증대(plasma-enhanced) 화학 기상 증착(PECVD), 플라즈마 증대 원자 층 증착(PEALD) 등을 포함한다. 여기에 기재된 시스템 및 방법은 임의의 종류의 플라즈마 처리에 적용가능하다.
플라즈마 광학 방사 분광(OES) 시스템(15)은 적어도 하나의 광학 검출기(60)를 통해 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 획득하기 위해 사용되고, 상기 광학 검출기(60)는 획득된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 제어기(80)에 전달하고 상기 제어기(80)에 의해 제어된다. 제어기(80)는 범용 컴퓨터일 수 있고, 플라즈마 처리 시스템(10) 부근에 위치되거나, 또는 원격지에 위치되고 인트라넷 또는 인터넷 접속을 통해 광학 검출기(60)에 접속될 수 있다.
광학 검출기(60)는 플라즈마(50) 내의 대략 연필 모양의 긴 공간 볼륨(65)으로부터 플라즈마 광학 방사를 수집하는 방식으로 구성된 광학기기를 구비한다. 플라즈마 처리실에의 광학적 접근은 광학 창(70)에 의해 제공된다. 광학 창(70)은 응용 및 플라즈마(50)의 화학작용이 얼마나 적극적인지에 따라서 유리, 석영, 용융 실리카 또는 사파이어 등의 물질을 포함할 수 있다. 이하에서 "광선"(65)이라고 부르는 볼륨(65)은 플라즈마 광학 방사 스펙트럼이 수집되는 공간 부분을 규정하고, 수집된 스펙트럼은 광선(65) 내에서 및 광선(65)을 따라 위치된 모든 지점으로부터 상기 수집된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼에 대한 기여도의 적분(integral)을 표시한다. 광학 검출기(60)의 지오메트리 및 구성에 따라서 광선(65) 내의 각 지점의 기여도는 동일하지 않을 것이고 광학 효율에 의해 가중되고 통제된다(뒤에서 자세히 설명함). 전형적인 구성에 있어서, 광선(65)은 기판 표면으로부터 광학 간섭을 줄이기 위해 기판(40)의 표면과 실질적으로 평행하게 방위되고 기판(40)의 표면으로부터 작은 거리로 유지되며, 기판 표면 부근의 플라즈마 화학물질을 샘플링하기 위해 기판(40)에 충분히 근접하게 유지된다.
제어기(80)는, 전술한 바와 같이, 플라즈마 광학 방사 분광(OES) 시스템(15)을 제어하고 또한 (1) 공간 위치 및 파장의 함수로서 플라즈마 광 강도 분포를 계산하고 (2) 계산된 플라즈마 광 강도 분포로부터 관심 대상 화학종의 공간 분포를 계산하기 위해 사용된다. 이 정보는 그 다음에 프로세스 개발, 플라즈마 처리 도구 개발, 인시투 플라즈마 처리 모니터링, 플라즈마 처리 장애 검출, 플라즈마 처리 종점 검출 등을 위해 사용될 수 있다.
도 1은 플라즈마 처리실(20) 내의 처리 대상 기판(40) 부근에 위치된 플라즈마(50)를 가로지르는 하나의 광선(65)을 보이고 있다. 발명의 일 실시형태에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 광선(100)을 이용하여 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 샘플링할 수 있다. 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 시스템(10)의 개략 상면도이다. 도 2의 예시적인 실시형태에서는 2개의 광학 검출기(60)를 이용하여 7개의 광선(100) 각각으로부터 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 수집한다. 광선(100)은 기판(40) 위의 플라즈마(50)로부터 최대량의 공간 정보가 획득되도록 비동시적적(non-coincident)이어야 한다. 광학 검출기(60)당 광선(100)의 수는 2 내지 9 이상에서 변할 수 있다. 또한, 단일 광학 창(70)만에 의해 플라즈마 처리실(20)에 대한 광학 접근이 제공되는 다른 실시형태에서는 단일 광학 검출기(60)가 그 관련 광선(100) 팬(fan)과 함께 사용될 수 있다. 대안적으로, 관련 광선 팬을 각각 가진 3개 이상의 광학 검출기를 사용할 수 있다. 각 광선(100) 간의 각도는 그 광학 검출기(60)의 중심선과 관련하여 θi로서 규정된다. 플라즈마 처리실 내의 각각의 지점은 도 2에 도시된 바와 같이 그 극좌표, 즉 (r, θ)에 의해 규정될 수 있다.
뒤에서 자세히 설명하는 바와 같이, 광학 검출기(60)의 구성에 따라서, 관련 광선(100) 팬으로부터의 모든 플라즈마 광학 방사 스펙트럼이 동시에 수집될 수 있다. 이것은 모든 광선(100)으로부터의 동시 수집을 가능하게 하는 복수의 광학 시스템 및 채널을 구비한 광학 검출기(60)의 실시형태에서 적합하다. 대안적으로, 플라즈마 광학 방사 스펙트럼은 광학 검출기(60)와 관련된 광선(100)을 따라 순차적으로 획득될 수 있다. 후자는 광선(100)이 하나의 각도(θi)로부터 다른 각도로 스캔될 때 플라즈마 광학 방사 스펙트럼이 수집되는 스캐닝 실시형태에서 적합하다. 이해하고 있는 바와 같이, 이러한 스캐닝 및 획득은 플라즈마 화학작용의 급격한 변화가 전체 기판에 걸쳐 검출될 수 있도록 충분히 고속으로 발생하여야 한다.
도 3은 하나의 광학 검출기(60)를 이용하여 각도 θi로 하나의 광선(100)으로부터 획득된 예시적인 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 보인 도이다. 이 스펙트럼에 있어서, 전형적으로 약 200nm 내지 약 800nm의 범위에서 M개의 파장의 강도가 수집된다. 광학 방사 분광에 대하여 사용되는 전형적인 분광기의 CCD는 상기 파장 범위에 걸치는 4096 픽셀을 갖지만, 픽셀들의 수는 응용 및 수집된 스펙트럼의 필요한 해상도에 따라서 최소 256개로부터 최대 65536개까지 변할 수 있다.
광선(100)의 관련 팬으로부터 광학 검출기(60)에 의해 수집된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼은 제어기(80)로 전달되고, 제어기(80)는 상기 전달된 데이터를 추가로 처리하여 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 계산하고 이로부터 화학종 농도의 공간 분포를 계산하기 위해 사용된다. 본 발명의 양태는 각 파장에 대한 플라즈마 광학 방사의 공간 분포의 고속 계산을 위한 알고리즘이고, 이것은 종점 검출, 장애 검출 등을 위해 플라즈마 처리의 인시투 모니터링을 가능하게 한다.
도 4는 광학 검출기(60)의 일 실시형태를 보인 것이고, 여기에서는 광선(305A-E)으로부터 동시에 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 수집하기 위해 단일의 다채널 분광기(310)를 사용한다. 도 4에 도시된 예시적인 실시형태는 명확히 하기 위해 5개의 광선(305A-E)을 갖지만, 그 수는 2 내지 9 사이에서 변할 수 있고, 9개 이상으로 될 수도 있다. 광학 검출기(60)는 각 광선(305A-E)에 대한 광학 시스템(300A-E)을 포함하고, 이들은 모두 플라즈마 처리실(20)의 벽에 장착된 광학 창(70) 부근에 위치된다. 광선(305A-E)은 기판(40)의 관련 부분을 덮도록(도시 생략됨) 발산(diverging) 방식으로 배열된다. 수집된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼은 각각의 광섬유(320A-E)를 통해 광학 시스템(300A-E)으로부터 다채널 분광기(310)에 공급된다. 광학 시스템(300A-E)에 대해서는 뒤에서 자세히 설명한다. 도 4의 실시형태는 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 동시에 수집하는 능력 때문에 고속 진단에 적합하다.
도 5는 단채널 분광기(310)를 사용하고 광선(305A-E)들이 단일 광학 시스템(300)(뒤에서 자세히 설명함)을 통해 분광기(310)에 의해 플라즈마 광학 방사 스펙트럼이 획득되는 동안 광선(305A-E)들을 휩쓸도록(sweep out) 제어 가능하게 스캔되는 스캐닝 미러(400)에 의해 형성되는 대안적인 실시형태를 보인 도이다. 이 실시형태는 플라즈마 광학 방사 스펙트럼의 순차적 수집에 적합하고, 따라서 느리게 전개되는 플라즈마 처리의 진단에 더 적합하다. 스캐닝 미러(400)는 검류계 스테이지(410)에 의해 장착 및 작동될 수 있다. 대안적으로, 스캐닝 미러(400)는 스테퍼 모터(410)에 장착되어 이 모터(410)에 의해 스캔될 수 있다. 광선(305A-E)의 수는 여기에서 5개로 도시되어 있지만, 실제로 이것은 검류계 스테이지 또는 스테퍼 모터(410)를 제어하는 컨트롤러 소프트웨어의 세팅에 의해 결정된다.
정확한 공간 볼륨이 샘플링되는 것을 보장하기 위해, 도 4의 광학 시스템(300A-E) 및 도 5의 광학 시스템(300)은 광학 시스템의 주어진 목표 비용에 대하여 가능한 한 작은 발산 각이 달성될 수 있게 광선(305A-E)이 시준되도록 구성될 필요가 있다.
광학 시스템(305A-E, 300)의 예시적인 실시형태가 도 6에 도시되어 있다. 텔레센터 커플러라고도 알려져 있는 광학 시스템(300A-E)은 광선(305A-E)에 의해 규정되는 플라즈마(50) 내에서 소정의 공간 볼륨으로부터 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 수집하고 수집된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 광섬유(320A-E 또는 320)의 단부(310)에 지향시키는 작업을 하며, 그래서 광선(305A-E)은 도 4 또는 도 5의 실시형태의 분광기(310)에 투과될 수 있다. 광선(305A-E)의 직경은 플레이트에 형성된 선택적인 조리개(350)에 의해 규정된다. 대안적인 실시형태에 있어서, 렌즈 등의 다른 광학 컴포넌트들이 광선(305A-E)의 직경을 규정하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 광선 직경은 4.5mm이지만 이 직경은 응용에 따라서 약 1mm 내지 20mm 사이에서 변할 수 있다. 수집된 광선(305A-E)은 선택적 조리개와 함께 광선(305A-E)을 규정하는 수집 렌즈(360A, 360B)의 조합을 통과한다. 수집 시스템 및 광선(305A-E)의 개구수는 예컨대 약 0.005로 일반적으로 매우 낮고, 결과적인 광선(305A-E)은 최소의 발산각을 가지면서 본질적으로 시준된다. 광학 시스템(300A-E 또는 300)의 다른 단부에는 수집된 광학 방사 스펙트럼을 광섬유(320A-E 또는 320)의 단부(390)에 집속시키는 다른 렌즈 쌍, 즉 커플링 렌즈(370A, 370B)가 있다. 시스템에서 사용되는 모든 렌즈는 바람직하게 아크로매틱 또는 더 엄격한 응용을 위한 아포크로매틱 렌즈이고, 이것은 각 렌즈의 초점 길이가 파장과 관련하여 변하지 않게 하여 광학 시스템(300A-E 또는 300)이 전형적으로 200nm 내지 800nm의 범위, 일부 경우에는 최소 150nm에까지 이르는 광범위한 파장에서 만족스럽게 동작하게 한다. 스펙트럼의 자외선 부분, 즉 350nm 이하에서 더 좋은 성능을 위하여 모든 광학 컴포넌트에 대하여 자외선 등급 물질이 사용되어야 한다.
각각의 광학적 하드웨어 구성을 위하여, 플라즈마 광학 방사 스펙트럼이 획득되는 광선(305A-E) 내의 모든 지점에 적용하는 가중 계수인 광학 효율(w)을 아는 것이 중요하다. 광학 효율(w)은 광학 설계 소프트웨어를 이용한 시뮬레이션에 의해, 또는 교정된 광원을 이용하고 교정 광원을 광선(305A-E)을 가로질러서 및 광선(305A-E)을 따라서 이동시켜서 광선(305A-E) 내의 주어진 위치로부터 광섬유 단부(390)까지 광 결합 효율을 결정하는 경험에 의해 결정될 수 있다. 광학 효율(w)은 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 결정하는 알고리즘에서 사용될 것이다.
전술한 바와 같이, 플라즈마 광학 방사 분광(OES) 시스템(15)의 작업(task)은 M개의 측정 파장(λ) 각각에 대한 플라즈마 광학 방사의 2차원 강도 분포의 결정이다.
도 2의 각 광선(100)에 대하여, 광선을 지수(i)에 의해 수학적으로 표시하면, 수집된 광학 검출기 출력(Di)은 다음과 같이 규정될 수 있다.
여기에서 I(r,θ)는 광선(100) 내의 광선(100)을 따르는 위치 (r,θ)에서 플라즈마 광학 방사 강도이고, w(r,θ)는 광학 검출기(i)에 의한 위치 (r,θ)로부터의 광 수집의 광학 효율이다. 결과적인 광학 검출기 출력(Di)은 기판의 주변에서 지점 A로부터 지점 B까지 직선 경로를 따르는 이러한 양들의 곱의 적분을 나타내고(도 2 참조), 이 모델에서 기판(40)의 주변 외측의 플라즈마로부터의 기여도는 무시된다(이것은 플라즈마 밀도 및 그에 따라서 플라즈마 광 방사가 일반적으로 이 구역들에서 낮기 때문에 유효한 가정이다).
N개의 광학 검출기 및 광선 또는 대안적으로 광선(100)의 N개의 주사된 위치를 가진 플라즈마 광학 방사 분광(OES) 시스템(15)에서는 M개의 측정 파장(λ) 각각에 대하여 N개의 수집된 강도가 있다. 그러므로, 하나의 파장(λ)에서 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 재구성하기 위해, N개의 파라미터를 가진 함수 형태가 가정되어야 한다. 제한된 수(N)의 파라미터가 주어지면, 플라즈마 광학 방사의 분포에 대한 기저 함수의 적절한 선택이 이루어져야 한다. 선택된 기저 함수는 방사상 좌표(r), 및 또한 기저 함수가 기판(40) 전역에 걸친 플라즈마 방사의 주변 변화를 만족스럽게 재생할 수 있게 하는 주변 좌표(θ) 둘 다에 따라 변할 필요가 있다.
이 작업에 특히 적합한 기저 함수의 하나의 부류는 제르니케 다항식 Zp(r,θ)이다. 제르니케 다항식은 하기 수학식과 같이 방사상 좌표(r)에 의존하는 항과 주변 좌표(θ)에 의존하는 항의 곱으로서 규정된다.
Zp(r,θ) = R(r)G(θ)
표 1은 최초 18 차수(order) 제르니케 다항식을 보인 것이고, 여기에서는 통상적으로 사용되는 수학적 기호법 Zm n을 이용하여 표시된다.
표 1. 최초 18 차수 제르니케 다항식 Zm n
일반적으로, 다른 기저 함수는 이 응용에서 이들이 직교하는 한, 및 그들의 도함수가 제르니케 다항식의 경우와 같이 단위 원에 걸쳐 연속적인 한 선택될 수 있다. 그러나 제르니케 다항식은 극좌표, 즉 방사상 좌표와 주변 좌표 둘 다에서 함수의 매우 복잡한 변화를 설명하는데 비교적 소수의 항이 사용될 수 있다는 그들의 속성 때문에 이 응용에서 바람직하다.
제르니케 다항식 Zp(r,θ)을 수집된 검출기 출력으로 치환하면 다음과 같이 된다.
여기에서 ap는 각각의 기저 함수와 관련된 맞춤 파라미터, 즉 제르니케 다항식 차수이다.
이제, 수집된 검출기 출력(Di)이 선택된 기저 함수, 맞춤 파라미터 및 광학 효율과 관련하여 규정된다고 하면, Di의 맞춤 파라미터(ap)를 결정하는 문제점은 하기의 것을 최소화하게 감소된다. 즉 최소 제곱 문제를 해결한다.
또는
여기에서, Di measured는 광선(i)에서의 측정된 플라즈마 광학 스펙트럼 강도를 나타낸다. 이 최소화 알고리즘은 M개의 측정된 파장(λ) 각각에 대하여 반복되어야 한다. 이 최소 제곱 문제를 해결하는 많은 방법들이 업계에 공지되어 있다. 최소 제곱 문제의 치수가 비교적 작기 때문에, 최소 제곱 문제는 플라즈마 광학 방사 스펙트럼이 측정되는 각 순간마다 모든 파장에 대하여 효율적으로 해결될 수 있고; 또한 그러한 계산은 다수(M)의 파장에 대한 플라즈마 광학 방사의 급속히 전개되는 2차원 분포의 결정을 가능하게 하는 급속 연속으로 반복될 수 있다. 이것으로부터, 기판(40) 전역의 화학종 농도의 시간 전개 2차원 분포를 결정할 수 있고, 이것은 종점 검출, 장애 검출, 프로세스 개발, 처리 도구 개발 등을 위해 사용할 수 있다.
도 7은 발명의 실시형태에 따른 방법으로 결정된 하나의 플라즈마 광학 방사 강도 분포의 예를 보인 도이다. 도시된 분포는 비교적 낮은 수의 항, 즉 N=18에도 불구하고 플라즈마 광학 방사 강도의 방사상 및 주변 변화 둘다의 양호한 포착을 나타낸다.
당업자라면 전술한 내용에 비추어 많은 수정예 및 변형예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 당업자라면 도면에 도시된 각종 컴포넌트에 대한 각종의 등가적인 결합 및 치환을 인식할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명으로 제한되지 않고 첨부된 특허 청구범위에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.
Claims (19)
- 플라즈마 광학 방사의 공간 분포(spatial distribution)를 결정하는 방법에 있어서,
플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 제어하는 제어기를 구비한 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 가진 플라즈마 처리실에서 플라즈마를 발화시키는 단계와;
상기 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 이용하여, 상기 플라즈마 처리실을 가로질러 N개(N>1임)의 비동시적(non-coincident) 광선을 따라 통합된 N개의 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하는 단계로서, 각각의 측정된 광학 방사 스펙트럼은 M개(M≥1임)의 파장을 포함하는 것인, 상기 측정 단계와;
상기 제어기를 이용하여, N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 합을 포함하는 광 강도 분포 함수 I(r, θ)
를 선택하는 단계로서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ) 중의 적어도 하나는 상기 플라즈마 처리실 내부에서 방사상(radial) 위치(r) 및 원주(circumferential) 위치(θ) 둘 다에 따라 변하고, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 각각은 맞춤(fitting) 파라미터(ap)와 연관된 것인, 상기 선택 단계와;
상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)를 상기 N개의 측정된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼에 맞추기 위해 상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)의 N개의 맞춤 파라미터(ap)를 맞춤으로써, 상기 M개의 파장 각각에 대한 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를, 상기 제어기를 이용하여 결정하는 단계를 포함하는 공간 분포 결정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)는 제르니케(Zernike) 다항식 Zp(r, θ)인 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)는 N개의 최저 차수 제르니케 다항식 Zp(r, θ)인 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 N개의 맞춤 파라미터(ap)를 맞춤하는 단계는, 최소 제곱 맞춤을 포함하는 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 N개의 맞춤 파라미터(ap)를 맞춤하는 단계는, 미리 정해진 광 수집 효율을 이용하는 것을 포함하는 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 광 수집 효율은 시뮬레이션에 의해 결정된 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 광 수집 효율은 실험적으로 결정된 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 광학 방사 측정 시스템은, 상기 플라즈마 처리실을 가로지르는 N개의 광선 각각에 대한 N개의 별도의 광학 시스템을 포함하며, 각각의 광학 시스템은 상기 플라즈마 처리실의 벽에 배치된 적어도 하나의 광학 창을 통해 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 수집하고, 각각의 광학 시스템은 상기 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하는 다채널 분광기에 결합된 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제8항에 있어서, 각각의 광학 시스템은, 상기 플라즈마로부터 광학 신호를 수집하고 상기 광학 신호를 상기 다채널 분광기로 전송하기 위해 상기 광학 신호를 광섬유의 단부로 지향시키는 텔레센터 커플러(telecenter coupler)를 포함한 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제9항에 있어서, 각각의 텔레센터 커플러는,
적어도 하나의 수집 렌즈와;
적어도 하나의 커플링 렌즈와;
선택적 조리개를 포함한 것인 공간 분포 결정 방법. - 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수집 렌즈 또는 상기 적어도 하나의 커플링 렌즈는 아크로매틱(achromatic) 렌즈인 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 광학 방사 측정 시스템은,
상기 플라즈마 처리실의 벽에 배치된 광학 창을 통해 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 수집하는 광학 시스템 - 상기 광학 시스템은 상기 플라즈마 처리실을 가로지르는 복수의 비동시적 광선을 스캔하도록 구성된 스캐닝 미러를 포함함 - 과;
상기 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하기 위해 상기 광학 시스템에 결합된 분광기를 포함한 것인 공간 분포 결정 방법. - 제12항에 있어서, 상기 스캐닝 미러는 검류계 스캐닝 스테이지에 장착되고 검류계 스캐닝 스테이지에 의해 스캔되는 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 스캐닝 미러는 스테퍼 모터에 장착되고 스테퍼 모터에 의해 스캔되는 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 광학 시스템은, 상기 플라즈마로부터 광학 신호를 수집하고 상기 광학 신호를 상기 분광기로 전송하기 위해 상기 광학 신호를 광섬유의 단부로 지향시키는 텔레센터 커플러를 포함한 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 텔레센터 커플러는,
적어도 하나의 수집 렌즈와;
적어도 하나의 커플링 렌즈와;
선택적 조리개를 포함한 것인 공간 분포 결정 방법. - 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수집 렌즈 또는 상기 적어도 하나의 커플링 렌즈는 아크로매틱 렌즈인 것인 공간 분포 결정 방법.
- 제어기로 하여금 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 결정하는 방법을 수행하게 하는 명령어가 저장된 비일시적 기계 접근가능 기억 매체에 있어서,
상기 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를 결정하는 방법은,
플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 제어하는 제어기를 구비한 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 가진 플라즈마 처리실에서 플라즈마를 발화시키는 단계와;
상기 플라즈마 광학 방사 측정 시스템을 이용하여, 상기 플라즈마 처리실을 가로질러 N개(N>1임)의 비동시적 광선을 따라 통합된 N개의 플라즈마 광학 방사 스펙트럼을 측정하는 단계로서, 각각의 측정된 광학 방사 스펙트럼은 M개(M≥1임)의 파장을 포함하는 것인, 상기 측정 단계와;
상기 제어기를 이용하여, N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 합을 포함하는 광 강도 분포 함수 I(r, θ)
를 선택하는 단계로서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ) 중의 적어도 하나는 상기 플라즈마 처리실 내부에서 방사상 위치(r) 및 원주 위치(θ) 둘 다에 따라 변하고, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)의 각각은 맞춤 파라미터(ap)와 연관된 것인, 상기 선택 단계와;
상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)를 상기 N개의 측정된 플라즈마 광학 방사 스펙트럼에 맞추기 위해 상기 선택된 광 강도 분포 함수 I(r, θ)의 N개의 맞춤 파라미터(ap)를 맞춤으로써, 상기 M개의 파장 각각에 대한 플라즈마 광학 방사의 공간 분포를, 상기 제어기를 이용하여 결정하는 단계를 포함한 것인 비일시적 기계 접근가능 기억 매체. - 제18항에 있어서, 상기 N개의 기저 함수 Fp(r, θ)는 제르니케 다항식 Zp(r, θ)인 것인 비일시적 기계 접근가능 기억 매체.
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