KR101939634B1 - 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법 - Google Patents

플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법은, (a) 공정 가스에 기반한 광신호 선정 단계, (b) 광신호 세기 비율의 모델을 설립하고, 설립된 모델에 기초하여 플라즈마 반응기의 시창구 투과도를 측정하는 단계, 및 (c) 시창구 투과도 변동에 기초하여 반응기의 벽면 상태를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법 {METHOD FOR DIAGNOSING INNER WALL OF PLASMA REACTOR}
본 발명은 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 플라즈마 반응기의 시창구 투과도 변동에 기초하여 반응기의 벽면 상태를 진단할 수 있는 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 첨단 공정 제어가 요구되는 반도체 산업, 특히, 웨이퍼 대 웨이퍼(wafer-to-wafer, W2W) 공정에서, 플라즈마 보조 공정의 품질 및 높은 처리량에 대한 확신이 주요한 이슈로 부각되고 있다. 효과적인 공정 제어를 위해 PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)에서 박막의 두께 및 에칭 공정의 에칭 속도와 같은 공정 결과 정보를 측정하는 것이 필수적이다. 그러나, 직접 계측은 비용과 시간 응답이 느려 한번에 1~3개의 웨이퍼에 대한 계측만이 가능한 단점이 있다.
가상 계측(virtual metrology)은 장비 엔지니어링 시스템 및 센서의 변수를 기반으로 통계적인 방법으로서 프로세스 결과를 예측한다. 가상 계측은 비용, 모니터링 가능성, 실시간 모니터링 기능 등과 관련하여 직접 계측과 비교할 때 많은 장점이 있다. 그러나, 가상 계측은 통계적인 방법을 이용하기 때문에 예측값에는 정확도, 성능에 제한이 있게 마련이고, 고신뢰성을 가지는 가상 계측 방법이 필요한 실정이다.
반도체 소자 제조공정에서는 플라즈마가 발생시키는 준안정종, 라디컬, 이온 등을 이용하여 웨이퍼 또는 웨이퍼 상의 박막을 식각 및 증착함으로써 소자를 제작한다. 고집적화의 추세에 맞추어 해당 공정들은 초미세 선폭의 W2W 재현성을 요구하고 있다. 이 재현성의 가장 큰 장애는 공정 조건의 이격이며, 대부분의 공정 상태의 이격은 공정 부산물이 벽면을 오염시키고, 이 오염물질이 공정에 참여하게 되는 것에 기인한다. 따라서 벽면에 쌓이는 피막의 두께로 공정 반응기의 상태를 모니터링 하는 방안이 제안되었다.
기존에 제안된 벽면 상태의 진단 및 모니터링 방법은 광학적, 전기적 방법이 있다. Annr R. Godfrey et al., Rev. Sci. Instrum. 72, 3260 (2001)에서는 MTIR-FTIR(multiple total internal reflection Fourier transform infrared) 분광법을 이용하여 플라즈마 반응기 벽면의 식각 또는 증착 상태를 모니터링 하는 방법을 제시했다. 이 방법은 반응기 벽면 근처에 IRC(internal reflection crystal)를 두고, IRC에 증착되는 박막의 특성을 독립된 광원(IR beam)과 FTIR 분광기를 통해 측정하는 방법을 제시한다. 하지만, 이 방법은 IRC와 플라즈마의 반응에 의해 반응기 내부로 추가적인 불순물(impurity)을 유발할 수 있을 뿐 아니라, 추가적인 광원 및 분광기를 필요로 하는 문제가 발생된다.
또한, 등록특허공보 제10-1447639호는 플로팅된 평편 타입의 탐침을 반응기 벽면 근처에 설치하고, 1V 정도의 크기를 갖는 두 주파수의 전압을 인가하여 평면 탐침에 쌓이는 유전층의 두께를 모니터링하는 방법을 제시한다. 하지만, 이 방법은 반응기 내에 이물질(탐침)을 삽입하고 전위를 인가하므로 장비의 개조 및 유지 관리에 어려움이 크다. 따라서 반도체/디스플레이 실 공정에는 적용하기에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 플라즈마 방출 광신호와 빛 파장에 따른 시창구의 투과 특성을 이용해서 공정 반응기의 벽에 쌓이는 불순물의 두께 변동을 모니터링 할 수 있는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 플라즈마 내에서 동일한 에너지 준위에서 방출되는 광신호의 세기 비율을 통해서 시창구 투과 특성을 진단하고, 투과 특성의 변화를 비교함으로써 공정 중에 벽면의 상태를 모니터링 할 수 있는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 불순물이 유발하는 플라즈마의 섭동을 배제하고 진단에 필요한 추가 비용을 최소화 함과 동시에 실시간으로 벽면의 상태 변화를 모니터링 할 수 있는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 플라즈마 반응기 내측 벽면 상태를 진단하는 방법으로, (a) 공정 가스에 기반한 광신호 선정 단계; (b) 상기 광신호 세기 비율의 모델을 설립하고, 상기 설립된 모델에 기초하여 상기 플라즈마 반응기의 시창구 투과도를 측정하는 단계; 및 (c) 상기 시창구 투과도 변동에 기초하여 상기 반응기의 벽면 상태를 진단하는 단계를 포함하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서, 상기 광신호는 300nm 내지 500nm의 파장을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서, 상기 공정 가스는 N2 가스이고, N2(C3∏u) 준위에서 N2(B3∏g) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서, 상기 공정가스는 CO 가스이고, CO(B1∑) 준위에서 CO(A1∏) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서, 상기 공정가스는 CF 가스이고, CF(1B1) 준위에서 CF(1A1) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서, 상기 공정가스는 NO 가스이고, NO(A) 준위에서 NO(X) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (a) 단계에서, 상기 공정가스는 OH 가스이고, OH(A) 준위에서 NO(X) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계에서, 상기 광신호 세기 비율의 모델은, Ipk ∝ T(λ)npθpkApk (Ipk는 p 상태에서 k 상태로 천이에 의한 빛의 세기, T(λ)는 파장에 따른 투과도, θpk는 p 상태에서 k 상태로의 광학적 탈출 인자(optical escape factor), Apk는 천이 확률 또는 방사 감쇠 계수(radiative dacay coefficient)(s-1))로 설립할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 동일한 에너지 준위에서 방출되는 상이한 두 개의 파장의 빛의 세기 Ipk1, Ipk2에 대한 두 개의 투과도 T1(λ1), T2(λ2)를 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계에서, 상기 반응기 내부에서 시창구를 투과한 광신호를 상기 반응기 외부의 분광기로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 동일한 에너지 준위에서 방출되는 상이한 두 개의 파장의 빛의 세기 Ipk1, Ipk2에 대한 두 개의 투과도 T1(λ1), T2(λ2)의 비율에 따라 플라즈마 반응기 벽면에 증착되는 막의 두께변화 또는 성분변화를 진단할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 방출 광신호와 빛 파장에 따른 시창구의 투과 특성을 이용해서 공정 반응기의 벽에 쌓이는 불순물의 두께 변동을 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 내에서 동일한 에너지 준위에서 방출되는 광신호의 세기 비율을 통해서 시창구 투과 특성을 진단하고, 투과 특성의 변화를 비교함으로써 공정 중에 벽면의 상태를 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 불순물이 유발하는 플라즈마의 섭동을 배제하고 진단에 필요한 추가 비용을 최소화 함과 동시에 실시간으로 벽면의 상태 변화를 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조를 위한 플라즈마 발생 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 상에 증착된 질화물/산화물 박막을 나타내는 STEM(scanning transmission electron microscopy) 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy)를 사용하여 제1 질화물 층에서 산질화물(oxynitride) 막의 분율을 분석한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 가스의 광신호 파장 및 에너지 준위를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광신호의 정보를 나타내는 표이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광의 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 층에서 산소 분율과 챔버 벽 상태(chamber wall condition)의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 수 및 증착층 수에 따른 챔버 벽 상태(chamber wall condition)의 변화를 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 제조를 위한 플라즈마 발생 장치(10)의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(10)는 반응기(1), 전극(2: 샤워헤드 전극(2a), 하부 전극(2b)), 전원(3), 변환기(matcher; 4), 전극 히터(5: 상부 전극 히터(5a), 하부 전극 히터(5b)), 시창구(window; 6), 광학 섬유(optical fiber; 7), 분광기(spectrometer; 8), 데이터수집부/단말부(9)를 포함한다.
반응기(1)는 공정이 수행되는 챔버 공간을 제공한다. 반응기(1)의 적어도 일부에는 투명한 재질의 시창구(4)가 형성되어 챔버 공간을 들여볼 수 있게 구성된다. 샤워헤드 전극(2a)은 변환기(4)의 매칭 네트워크를 통해 전원(3)에 연결된다. 플라즈마의 방출 스펙트럼은 전극(2)에 평행하게 배치된 시창구(6) 및 광학 섬유(7)를 통과한 후 분광기(8)에 의해 측정될 수 있다. 텅스텐-할로겐 또는 중수소 광소스가 파장에 관한 상대적인 세기 계산을 위해 사용될 수 있다.
일 실시예에 따라, 샤워 헤드 전극(2a)은 매칭 네트워크를 통해 27.12MHz 및 370kHz 전원(3)에 연결되었다. 하부 전극(2b)은 웨이퍼의 온도를 560로 유지하기 위해 히터(5b)에 연결되었다. 전극 간극(d)은 7~10mm이었다. 300-850nm 파장에서 질화물 증착 공적의 체적 평균 방출 스펙트럼이 챔버 벽의 석영 시창구(6)를 통해 관찰되었다. 석영 시창구(6)는 하부 전극(2b)보다 25mm 아래에 정렬되었다. 분광기(8)의 파장 분해능은 반치폭(full-width at half-maximum, FWHM)에서 대략 1nm였다.
아래 표 1은 일 실시예에 따른 질화물/산화물 다층 PECVD 공정 조건을 나타낸다.
Condition Nitride PECVD Oxide PECVD
27.12 MHz power (W) 850 100
370 kHz power (W) 20 - 50 200 - 300
Operating
pressure (Torr)		 3.5 2.5
Heater
temperature (°C)		 560 560
Ratio of gas flow rate N2: NH3: SiH4: He
= 200: 10: 1: 83.33		 O2: Ar: TEOS
= 20: 5: 1
대략 600개의 웨이퍼가 처리되고, 웨이퍼당 7개 스택(stack)이 증착되었다. 하나의 스택은 한 쌍의 질화물/산화물 박막을 포함하고, 질화물 박막이 산화물 박막보다 먼저 증착되는 구조이다. 또한, 제1 질화물 박막을 증착하기 전에, 챔버 벽의 건조 세정 및 예비-코팅 프로세스가 매 웨이퍼 프로세스마다 수행되었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 상에 증착된 질화물/산화물 박막을 나타내는 STEM(scanning transmission electron microscopy) 사진, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy)를 사용하여 제1 질화물 층에서 산질화물(oxynitride) 막의 분율을 분석한 도면이다.
본 발명의 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법을 개발하기 위해, 도 2와 같이, 총 5개의 웨이퍼를 100번째 웨이퍼마다 선택하여 STEM으로 측정하였다. STEM의 픽셀 해당도는 0.25nm였다. 또한, 도 3과 같이 EDS를 사용하여 제1 질화물 층에서 산질화물 막의 성질을 분석하였다.
프로세스 챔버에는 두가지 산소 공급원이 있다. (1) 예비-코팅 단계에서 증착된, 챔버 벽 상의 산질화물 막으로부터의 탈착(desorption), 및 (2) 백그라운드 가스의 산소 분율(20%)이 산소 공급원에 해당할 수 있다. 산소 신호가 백그라운드 가스에 의해 주로 영향을 받는다면, 신호는 질화막 전체에 걸쳐 균일하게 관찰되어야 한다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 산소 신호는 제1 질화물 층 증착 공정의 초기 시간에만 관찰된다. 즉, 산소가 예비-코팅 단계에서 증착된, 챔버 벽의 산질화물 막으로부터 탈착되는 것으로 볼 수 있다. 이에 따라, 제1 질화물 층의 산소 신호는 프로세스 결과에 대한 챔버 벽 상태(chamber wall condition)의 효과를 지칭할 수 있다. 이를 정량화하기 위해, 도 3의 음영처리된 영역의 EDS 신호의 세기를 평균화하여 제1 질화물 층에서의 산소 분율(FO)을 아래 식과 같이 정의하였다.
(식 1) FO=<O>/(<N>+<O>+<Si>)×100 (%)
꺽쇠 괄호는 음영처리된 영역에서 평균화된 신호를 나타낸다. FO는 챔버 벽 상태의 변화를 모니터 할 수 있는지 검증하기 위해 사용되며, 이하에서 더 논의한다. 챔버 벽 상태(chamber wall condition)는 이하에서 PIwall(plasma information of wall)로 병행하여 사용될 수 있다. 챔버 벽 상태의 변화를 살펴보기 위해 챔버 벽[또는, 반응기(1) 내벽]과 비슷한 위치의 석영 시창구(4)의 증착을 사용한다. 시창구(4)의 막 두께의 변화가 대략 챔버 벽 조건의 변화와 같다고 가정한다.
증착된 막에 의해 생긴 시창구(4)는 빛의 투과율을 감소시킬 수 있다. 질화물/산화물 다층막 PECVD에서 산질화물 막의 일부는 시창구(4)에 증착되었고, 막은 낮은 파장에서 굴절률과 흡광 계수(extinction coefficient)가 더 크기 때문에, 더 낮은 파장에서 더 큰 감쇄를 갖는다. 시장구(4)에 막의 증착이 증가하면, 높은 파장보다 낮은 파장에서 더 큰 감쇄가 발생한다. 따라서, 낮은 파장과 높은 파장에서의 선 비율(line ratio)의 비교는 석영 시창구(4)의 증착 특성을 변화를 반영할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기 내측 벽면 상태(chamber wall condition)를 진단하는 방법은, (a) 공정 가스에 기반한 광신호 선정 단계(S10), (b) 광신호 세기 비율의 모델을 설립(S20)하고, 설립된 모델에 기초하여 플라즈마 반응기의 시창구 투과도를 측정하는 단계(S30), 및 (c) 시창구 투과도 변동에 기초하여 반응기의 벽면 상태를 진단하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
먼저, 공정 가스에 기반한 광신호를 선정할 수 있다(S10).
플라즈마 발생 장치(10)의 반응기(1) 내부에서는 PECVD 공정이 수행될 수 있다. 일 예로, 질화물(nitride)/산화물(oxide) 다중박막(multi-layer) 증착 공정이 RF 주파수 전력을 인가한 CCP(capacitive coupled plasma)에서 수행될 수 있다. 다중박막 증착을 수행할 웨이퍼를 삽인하기 전에, 반응기(1) 벽면은 건조 세정과 예비-코팅 공정을 수행하여 초기 조건을 맞출 수 있고, 이때 반응기(1) 벽면에 산질화물 층이 증착될 수 있다.
질화물 막 증착 공정은 대부분 질소, 암모니아, 실란 등을 사용하므로, 질소 분광 신호를 OES(Optical Emission Spectroscopy)를 통해서 측정할 수 있다. 즉, 질소의 분자 방출은 질화물 막 증착 공정에서 주요 가스이므로, PIwall의 변수로 고려될 수 있다.
N2는 이원자분자로 전자(electronic), 진동(vibrational), 회전(rotational) 에너지 준위를 가지며, 본 발명의 실시예에서는 같은 전자 및 진동 에너지 준위에서 서로 다른 진동 준위로 천이하며 발생하는 광신호를 이용할 수 있다. 즉, N2의 SPS(second positive system)은 N2(C3∏u, v=0~4) 준위에서 N2(B3∏g, v'=0~21) 준위로 천이하며 방출되는 빛의 밴드를 이용한다(v, v'는 각 상태의 진동수).
N2의 SPS를 선택하는데에는 두가지 이유가 있다. 첫째, N2의 SPS는 상대적으로 큰 방출 강도를 제공하므로 다른 전자 상태들과 중첩되는 정도를 무시할 수 있다. 둘째, N2의 SPS의 방사 재흡수(radiation trapping) 효과가 적기 때문에 해석이 용이한 이점이 있다. 여기서 방사 재흡수는 광자가 플라즈마를 통과할 때 광자의 자기흡수(self-absorption) 또는 재흡수(re-absorption)를 의미한다. 밀도가 높은 준안정 상태(metastable state)로 전이가 일어날 때 방사 재흡수 효과가 중요할 수 있으나, 본 발명에서 N2의 SPS는 낮은 상태(lower state)가 비-준안정 상태(non-metastable state)이기 때문에 방사 재흡수 효과를 무시할 수 있다.
특히, N2의 SPS 중에서 신호세기가 상대적으로 큰 N2(C3∏u, v=1)에서 방출되는 광신호를 선정하는 것이 바람직하다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 시창구 박막 증착에 따라 투과도의 변화가 상대적으로 큰 300~500nm 범위(ultra violet ~ visible)의 파장의 광을 광신호로 선정할 수 있다. 이에 해당되는 다른 광신호로는, CO 공정 가스의 CO(B1∑) 준위에서 CO(A1∏) 준위로 천이, CF 공정 가스의 CF(1B1) 준위에서 CF(1A1) 준위로 천이, NO 공정 가스의 NO(A) 준위에서 NO(X) 준위로 천이 등을 예로 들 수 있다.
다음으로, 광신호 세기 비율의 모델을 설립할 수 있다(S20).
OES(Optical Emission Spectroscopy)에서 측정되는 빛의 세기(line intensity) Ipk는 (식 2)와 같이 표현된다.
(식 2) Ipk ∝ T(λ)npθpkApk
[여기서, Ipk는 p 상태에서 k 상태로 천이에 의한 빛의 세기, T(λ)는 파장에 따른 투과도, θpk는 p 상태에서 k 상태로의 광학적 탈출 인자(optical escape factor) Apk는 천이 확률 또는 방사 감쇄 계수(radiative dacay coefficient)(s-1)]
광학적 탈출 인자 θpk는 방사 재흡수의 정도를 나타내는 값으로 0이면 빛이 플라즈마 밖으로 방출될 수 없고, 1이면 모든 빛이 빠져나올 수 있음(방사 재흡수가 없음)을 의미한다. N2의 SPS의 경우 N2(B3∏g) 준위의 밀도가 충분히 낮아 광학적 탈출 인자 θpk는 1로 볼 수 있다.
다음으로, 설립된 모델에 기초하여 플라즈마 반응기의 시창구 투과도를 측정할 수 있다(S30).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 가스의 광신호 파장 및 에너지 준위를 나타낸 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광신호의 정보를 나타내는 표, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광의 파장에 따른 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 N2의 SPS 중에서 신호세기가 상대적으로 큰 N2(C3∏u, v=1)에서 방출되는 광신호를 선정하고, N2(C3∏u, v=1) 준위에서 N2(B3∏g, v=0~7) 준위로 천이하며 방출되는 빛의 파장을 도시한다. 여기서 사용되는 광신호의 정보는 도 6과 같다. 도 6의 TR은 빛을 방출하는 에너지 준위와 방출 후 천이하는 에너지 준위를 나타낸다. 모든 빛이 N2(C3∏u, v=1)에서 방출된 빛을 사용하므로, (식 2)의 np는 동일하다. 따라서, 파장에 따른 투과도는 (식 3)과 같다.
(식 3) T(λ) ∝ Ipk/Apk
(식 3)을 통해 결정된 투과도 스펙트럼은 도 7과 같다. 웨이퍼 1의 2번째 질화물 층과 7번째 질화물 층의 투과도를 살펴보면, 두 스펙트럼 모두 400nm 파장 이하에서는 매우 낮은 투과도를 나타낸다. 이는 예비-코팅 단계에서 시창구(6)에 산질화물 막이 증착되어 파장이 낮을수록 큰 투과도 감쇄를 유발하기 때문이다. 또한, 층수가 증가할수록 파장 증가(400nm 이상 파장 영역)에 따른 투과도 증가폭이 커짐을 확인할 수 있다. 이는, 층이 증가할수록 반응기(1)의 벽면 또는 시창구(6)에 쌓이는 산질화물 막의 두께가 증가함을 의미한다.
본 발명에서는 동일한 에너지 준위에서 방출되는 상이한 파장을 가지는 두 개의 빛을 사용하여 시창구(6)의 투과도를 측정할 수 있다. 빛 Ipk1에 대한 투과도 T1(λ1)와 빛 Ipk2에 대한 두 개의 투과도 T2(λ2)를 획득할 수 있다. 도 7의 스펙트럼에서 파장에 따른 간섭무늬는 확인되지 않는다. 일 예로, 상대적으로 오차 수치가 적은 399.7nm와 426.8nm의 파장을 가지는 두 빛을 사용할 수 있다. 반응기(1) 내부에서 시창구(6)를 투과한 광신호는 반응기(1) 외부의 분광기(8)로 측정할 수 있다.
다음으로, 시창구 투과도 변동에 기초하여 상기 반응기의 벽면 상태를 진단할 수 있다(S40).
두 개의 빛의 투과도에 따른 챔버 벽 상태 변화를 모니터링 할 수 있으며 PIwall은 (식 4)로 표현된다.
(식 4) PIwall = T1(λ1)/ T2(λ2) = (Ipk1/Apk1)/(Ipk2/Apk2)
(식 4') PIwall = T(426.8nm)/ T(399.7nm) = (I426.8nm/A426.8nm)/(I399.7nm/A399.7nm)
(식 4)에서 시창구(6)에 어떠한 증착막도 없는 상태라면 PIwall은 1이다. 시창구(6)에 증착된 박막의 두께가 증가하는 경우, 399.7nm의 라인 강도가 426.8nm의 라인 강도보다 감쇄가 크기 때문에, 증착이 증가할수록 PIwall이 증가하는 양의 상관관계를 가진다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 층에서 산소 분율과 챔버 벽 상태(chamber wall condition)의 상관관계를 나타내는 그래프, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 수 및 증착층 수에 따른 챔버 벽 상태(chamber wall condition)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 웨이퍼마다의 증착 공정이 진행됨에 따라 PIwall 신호의 변화를 나타낸다. 웨이퍼 증착 공정이 수행될때마다 반응기 내벽과 시창구에는 증착막이 증가할 수 있고, 이에 따라 PIwall 신호가 증가하므로, PIwall 신호는 챔버 벽 상태의 변화를 살피기에 좋은 지표임을 확인할 수 있다. 다시 이 신호의 검증을 위해 웨이퍼에 쌓인 질화물/산화물 막에 대한 EDS 분석을 통해 성분을 분석할 수 있고, 도 2 및 도 3을 참조하면, EDS 분석 결과 Si 웨이퍼와 첫번째 질화물 층 사이에 산질화물 막이 증착됨을 확인할 수 있다. 이는 예비-코팅 단계에서 반응기(1) 벽면에 쌓인 산질화물 막이 플라즈마와의 반응에 의해 탈착(desorption)되고 PECVD 공정에 관여하여 웨이퍼에 쌓인 결과이다.
도 9를 참조하면, 증착층 수와 웨이퍼 수에 따른 PIwall의 경향을 확인할 수 있다. 증착층과 증착층 사이에 건식 세정 공정이 별도로 없으므로, 한 웨이퍼에서 증착층 번호가 증가함에 따라 챔버벽에 막 증착이 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 증착처리를 진행하는 웨이퍼 수가 증가함(또는, 장치의 작동 시간이 증가함)에 따라 챔버벽에 막 증착이 증가함을 확인할 수 있다.
도 8 및 도 9에 따라 두 파장의 투과도의 비율인 PIwall과, 챔버 벽 상태의 변화의 경향이 일치함을 확인할 수 있고, 이를 이용하여 반응기 벽면에 증착되는 막의 두께변화 또는 성분변화를 모니터링하고 진단하는데 사용할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
이처럼 본 발명은, 플라즈마 방출 광신호와 빛 파장에 따른 시창구의 투과 특성을 이용해서 공정 반응기의 벽에 쌓이는 불순물의 두께 변동을 모니터링 할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 플라즈마 내에서 동일한 에너지 준위에서 방출되는 광신호의 세기 비율을 통해서 시창구 투과 특성을 진단하고, 투과 특성의 변화를 비교함으로써, 진단에 필요한 추가 비용을 최소화 함과 동시에 실시간으로 벽면의 상태 변화를 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
1: 반응기
2: 전극
2a: 샤워헤드 전극
2b: 하부 전극
3: 전원
4: 변환기(matcher)
5: 전극 히터
5a: 상부 전극 히터
5b: 하부 전극 히터
6: 시창구(window)
7: 광학 섬유(optical fiber)
8: 분광기(spectrometer)
9: 데이터수집부/단말부
10: 플라즈마 발생 장치

Claims (11)

  1. 플라즈마 반응기 내측 벽면 상태를 진단하는 방법으로,
    (a) 공정 가스에 기반한 광신호 선정 단계;
    (b) 상기 광신호 세기 비율의 모델을 설립하고, 상기 설립된 모델에 기초하여 상기 플라즈마 반응기의 시창구 투과도를 측정하는 단계; 및
    (c) 상기 시창구 투과도 변동에 기초하여 상기 반응기의 벽면 상태를 진단하는 단계
    를 포함하고,
    상기 (a) 단계에서, 상기 광신호는 300nm 내지 500nm의 파장을 가지며,
    상기 (c) 단계에서, 동일한 에너지 준위에서 방출되는 상이한 두 개의 파장의 빛의 세기 Ipk1, Ipk2에 대한 두 개의 투과도 T1(λ1), T2(λ2)의 비율에 따라 플라즈마 반응기 벽면에 증착되는 막의 두께변화 또는 성분변화를 진단하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 공정 가스는 N2 가스이고, N2(C3∏u) 준위에서 N2(B3∏g) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 공정가스는 CO 가스이고, CO(B1∑) 준위에서 CO(A1∏) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 공정가스는 CF 가스이고, CF(1B1) 준위에서 CF(1A1) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 공정가스는 NO 가스이고, NO(A) 준위에서 NO(X) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 공정가스는 OH 가스이고, OH(A) 준위에서 NO(X) 준위로 천이하며 방출되는 빛을 광신호로 선정하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 광신호 세기 비율의 모델은,
    Ipk ∝ T(λ)npθpkApk
    (Ipk는 p 상태에서 k 상태로 천이에 의한 빛의 세기, T(λ)는 파장에 따른 투과도, θpk는 p 상태에서 k 상태로의 광학적 탈출 인자(optical escape factor), Apk는 천이 확률 또는 방사 감쇠 계수(radiative dacay coefficient)(s-1))
    로 설립하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    동일한 에너지 준위에서 방출되는 상이한 두 개의 파장의 빛의 세기 Ipk1, Ipk2에 대한 두 개의 투과도 T1(λ1), T2(λ2)를 획득하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 반응기 내부에서 시창구를 투과한 광신호를 상기 반응기 외부의 분광기로 측정하는, 플라즈마 반응기 벽면 상태 진단 방법.
  11. 삭제
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