KR102025873B1 - 공정 모니터링을 위한 플라즈마 분석 장치 및 방법 - Google Patents

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이대훈
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Abstract

플라즈마 분석 장치는 가이드 관, 교정 광원, 교정 광 안내부, 가시창, 및 분광 분석기를 포함한다. 가이드 관은 반응 챔버로부터 확장되며, 분리부에 의해 분리된 플라즈마 광 유로와 교정 광 유로를 가진다. 교정 광원은 가이드 관의 외측에 위치한다. 교정 광 안내부는 가이드 관에 설치되어 교정 광원의 교정 광을 교정 광 유로에 제공한다. 가시창은 가이드 관의 단부에 위치한다. 분광 분석기는 가시창의 외측에 위치하며, 가시창을 투과한 플라즈마 광과 교정 광을 분석한다.

Description

공정 모니터링을 위한 플라즈마 분석 장치 및 방법 {PLASMA ANALYSIS DEVICE AND METHOD FOR PROCESS MONITORING}
본 발명은 공정 챔버의 가스 성분을 분석하여 공정 모니터링을 수행하는 플라즈마 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체, 디스플레이, 태양전지 등의 정밀 전자 소자는 공정 챔버와 진공 펌프를 구비한 저압 공정 설비에서 제조된다. 공정 챔버에서는 증착, 식각 등의 작업이 이루어지고, 진공 펌프는 진공관을 통해 공정 챔버와 연결되어 공정 가스를 배출시킨다.
공정 모니터링은 공정 챔버의 상태를 감지 및 제어하는 기술로서, 주로 공정 챔버 또는 공정 챔버와 연결된 별도의 반응 챔버에서 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 내부 화학종들의 발광 현상을 분광 분석기로 분석하는 과정으로 이루어진다.
이러한 발광 분광 분석(OES, Optical emission spectroscopy) 기술을 통해 공정 챔버의 가스 조성을 파악하고, 공정 중 일어나는 화학 반응을 유추할 수 있다. 또한, 진공 누설과 같은 이상 현상을 감지할 수 있고, 식각 공정의 종말점을 쉽게 검출할 수 있으며, 시즈닝 공정과 피엠(PM, Period Maintenance)의 주기를 예측하는 등 공정 설비의 효율적인 운용이 가능해진다.
그런데 공정 챔버 또는 반응 챔버에서 분광 분석기와 마주하도록 설치된 투명한 가시창(window)은 시간이 지날수록 공정 부산물에 의해 오염되므로 분광 분석기로 입사하는 빛을 왜곡시킨다. 그리고 분광 분석기 자체도 시간 경과에 따라 신호 편차가 발생하므로 분광 분석의 신뢰도를 저하시킨다.
본 발명은 플라즈마 발생과 분광 분석기를 이용한 공정 모니터링 기술에 있어서, 가시창의 오염에 따른 광 신호 왜곡과 시간 경과에 따른 분광 분석기의 신호 편차를 보정함으로써 분광 분석의 신뢰도를 높일 수 있는 공정 모니터링을 위한 플라즈마 분석 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치는 가이드 관, 교정 광원, 교정 광 안내부, 가시창, 및 분광 분석기를 포함한다. 가이드 관은 반응 챔버로부터 확장되며, 분리부에 의해 분리된 플라즈마 광 유로와 교정 광 유로를 가진다. 교정 광원은 가이드 관의 외측에 위치한다. 교정 광 안내부는 가이드 관에 설치되어 교정 광원의 교정 광을 교정 광 유로에 제공한다. 가시창은 가이드 관의 단부에 위치한다. 분광 분석기는 가시창의 외측에 위치하며, 가시창을 투과한 플라즈마 광과 교정 광을 분석한다.
교정 광 안내부는, 가이드 관에 설치된 투명창과, 분리부에 설치되며 투명창을 투과한 교정 광을 가시창을 향해 반사시키는 반사체를 포함할 수 있다.
분리부는 투명창의 내측에 위치하는 경사부와, 경사부의 가장자리에서 가시창을 향해 확장된 직선부를 포함할 수 있다. 분리부의 내측과 외측이 각각 플라즈마 광 경로와 교정 광 경로가 될 수 있다.
경사부는 가이드 관의 길이 방향에 대해 45° 경사질 수 있고, 반사체는 투명창을 향한 경사부의 일면에 위치할 수 있다. 직선부는 가이드 관의 길이 방향을 따라 가시창과 거리를 두고 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치는 가이드 관, 빔 스플리터, 제1 가시창 및 제2 가시층, 교정 광원, 및 분광 분석기를 포함한다. 가이드 관은 반응 챔버로부터 확장되어 플라즈마 광을 안내하고, 빔 스플리터는 가이드 관의 단부 내측에 위치한다. 제1 가시창 및 제2 가시창은 가이드 관의 단부에서 빔 스플리터를 사이에 두고 서로 마주하거나 교차하도록 설치된다. 교정 광원은 제1 가시창의 외측에 위치하며, 빔 스플리터로 교정 광을 제공한다. 분광 분석기는 제2 가시창의 외측에 위치하며, 빔 스플리터를 거쳐 제2 가시창을 투과한 플라즈마 광과 교정 광을 분석한다.
제1 가시창과 제2 가시창은 가이드 관의 길이 방향과 수직한 방향을 따라 서로 마주할 수 있고, 빔 스플리터는 빗면이 플라즈마 광 경로 및 제2 가시창과 마주하는 직각 프리즘으로 구성될 수 있다.
빔 스플리터의 빗면에서 플라즈마 광과 교정 광 각각은 반사광과 투과광으로 분리될 수 있고, 플라즈마 광의 반사광과 교정 광의 투과광이 제2 가시창을 거쳐 분광 분석기에 입사할 수 있다.
플라즈마 분석 장치는 가이드 관의 단부에서 가이드 관의 길이 방향과 수직한 방향으로 확장된 확장관을 더 포함할 수 있으며, 제2 가시창이 확장관의 단부에 위치할 수 있다.
다른 한편으로, 제2 가시창은 가이드 관의 단부에 위치할 수 있고, 제1 가시창은 빔 스플리터를 사이에 두고 제2 가시창에 직교할 수 있으며, 빔 스플리터를 사이에 두고 제1 가시창과 마주하도록 가이드 관에 거울이 설치될 수 있다. 빔 스플리터는 빗면이 플라즈마 광 경로 및 제1 가시창과 마주하는 직각 프리즘으로 구성될 수 있다.
교정 광원은 제1 가시창에 탈착 가능하게 결합될 수 있고, 분광 분석기는 제2 가시창에 탈착 가능하게 결합될 수 있으며, 교정 광원과 분광 분석기는 상호 위치 변경이 가능할 수 있다.
다른 한편으로, 제1 가시창과 제2 가시창은 가이드 관의 길이 방향과 수직한 방향을 따라 서로 마주할 수 있고, 빔 스플리터는 빗면이 서로 접하도록 조합된 두 개의 직각 프리즘으로 구성될 수 있다.
다른 한편으로, 공정 챔버는 챔버 윈도우를 포함할 수 있고, 가이드 관은 챔버 윈도우의 바깥에서 공정 챔버에 연결될 수 있다. 챔버 윈도우를 투과한 플라즈마 광은 빔 스플리터를 거쳐 분광 분석기로 입사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 분석 방법은 플라즈마 광과 교정 광이 시간 경과에 따라 오염되는 광학 부재를 거쳐 분광 분석기에 입사하는 플라즈마 분석 장치를 이용한다. 플라즈마 분석 방법은, 광학 부재가 오염되기 전, 교정 광으로부터 파장별 세기에 관한 교정 기준값을 검출 및 저장하는 단계와, 반응 챔버에 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 광을 분광 분석하여 공정 모니터링을 수행하는 단계와, 광학 부재가 오염된 후, 교정 광으로부터 파장별 세기에 관한 제1 측정값을 검출하고, 제1 측정값과 교정 기준값의 차이인 교정값을 산출 및 저장하는 단계와, 반응 챔버에 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 광으로부터 파장별 세기에 관한 제2 측정값을 검출하며, 제2 측정값에 교정값을 적용하여 제2 측정값을 보정하는 단계를 포함한다.
광학 부재는 가시창이거나, 빔 스플리터와 가시창의 조합으로 이루어질 수 있다. 제2 측정값을 보정하는 단계에서, 보정된 제2 측정값을 이용하여 공정 모니터링을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가시창에 오염 물질이 부착된 상태에서도 분광 분석의 신뢰도를 높일 수 있고, 정밀한 공정 모니터링을 수행할 수 있으며, 가시창의 교체 주기를 늘려 제조 설비의 휴지기를 단축시킬 수 있다. 또한, 교정 광원은 플라즈마가 오프(off)될 때 작동하므로 플라즈마 광 측정에 간섭을 주지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 분석 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 제1 단계를 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 제2 단계를 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 도 2에 나타낸 제3 단계를 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 도 2에 나타낸 제4 단계를 설명하기 위한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 플라즈마 분석 장치(100)는 반응 챔버(10)로부터 확장된 가이드 관(11)과, 가이드 관(11)에 설치된 가시창(20), 교정 광원(30), 및 교정 광 안내부(40)와, 가시창(20)의 외측에 위치하는 분광 분석기(50)를 포함한다.
반응 챔버(10)는 증착, 식각 등의 공정이 이루어지는 공정 챔버이거나, 공정 챔버와 연결되어 공정 챔버와 동일한 내부 조성을 가지는 별도의 챔버일 수 있다. 후자의 경우, 반응 챔버(10)는 예를 들어 공정 챔버와 진공 펌프를 연결하는 진공관에 설치될 수 있으며, 플라즈마 발생을 위한 전극 구조를 가진다.
가이드 관(11)은 반응 챔버(10)로부터 확장된 관형의 구조물로서, 원형 또는 사각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. 가시창(20)은 가이드 관(11)의 단부에 위치하며, 유리 또는 석영 등의 투명 판재로 이루어진다. 가시창(20)은 프레임(25)에 둘러싸여 지지될 수 있고, 오링과 같은 기밀 부재를 매개로 가이드 관(11)의 단부에 결합될 수 있다.
분광 분석기(50)는 가시창(20)의 외측에 위치하며, 가시창(20)을 투과한 플라즈마 광을 분광 분석하여 공정 챔버의 가스 성분(중성 가스, 라디칼, 공정 부산물 등)을 검출한다. 가시창(20)과 분광 분석기(50) 사이에 집속 렌즈(51)와 광 섬유(52)가 위치할 수 있다. 집속 렌즈(51)는 가시창(20)을 투과한 플라즈마 광을 집속하고, 광 섬유(52)는 집속된 플라즈마 광을 분광 분석기(50)로 전달한다.
반응 챔버(10) 내부에는 다수의 공정 부산물이 존재하며, 증착 공정의 경우 다수의 미분해 전구체도 존재한다. 또한, 플라즈마는 다양한 종류의 공정 부산물과 입자들을 추가로 발생시킨다. 따라서 시간이 지날수록 가시창(20)의 내면에 공정 부산물과 입자들이 축적되어 가시창(20)을 오염시키며, 가시창(20)의 오염은 분광 분석의 신뢰도 저하로 이어진다.
제1 실시예의 플라즈마 분석 장치(100)는 교정 광원(30)과 교정 광 안내부(40)를 구비하여 가시창(20) 오염에 따른 광 신호 왜곡과 시간 경과에 따른 분광 분석기(50)의 신호 편차를 교정한다.
구체적으로, 교정 광원(30)은 가이드 관(11)의 외측에 위치하고, 가이드 관(11)을 향해 교정 광을 방출한다. 교정 광의 파장대는 플라즈마 광의 파장대와 일치하거나 이보다 넓을 수 있다. 교정 광 및 플라즈마 광의 파장대는 대략 200nm 내지 1,500nm 범위에 속할 수 있다.
교정 광 안내부(40)는 가이드 관(11)에 설치된 투명창(41)과, 가이드 관(11)의 내부에 위치하는 반사체(42)를 포함할 수 있다. 투명창(41)은 교정 광원(30)과 마주하는 가이드 관(11)의 일부에 설치되어 교정 광을 투과시키며, 오링과 같은 기밀 부재를 매개로 가이드 관(11)에 결합될 수 있다. 반사체(42)는 투명창(41)을 투과한 교정 광의 경로를 변화시켜 교정 광이 가시창(20)을 향하도록 한다.
이때 가이드 관(11)은 교정 광의 경로가 공정 부산물과 입자들에 의해 오염되지 않도록 분리부(15)에 의해 플라즈마 광 경로와 교정 광 경로를 부분적으로 분리시킨 구성으로 이루어진다. 구체적으로, 분리부(15)는 투명창(41)의 내측에 위치하며 플라즈마 광 경로를 좁히는 경사부(16)와, 경사부(16)로부터 가시창(20)을 향해 확장된 직선부(17)를 포함할 수 있다.
경사부(16)는 가이드 관(11)의 길이 방향에 대해 45° 경사질 수 있으며, 투명창(41)과 마주하는 경사부(16)의 일면에 반사체(42)가 위치한다. 직선부(17)는 경사부(16)의 가장자리에 연결되고, 가이드 관(11)의 내벽과 일정 거리를 두고 가이드 관(11)과 나란하게 위치한다. 투명창(41)을 투과한 교정 광은 반사체(42)에 부딪혀 광 경로가 직각으로 꺾이며, 가시창(20)을 투과하여 분광 분석기(50)로 입사한다.
가이드 관(11)의 내부에서 분리부(15)의 바깥 부분이 교정 광 경로가 되고, 분리부(15)의 안쪽 부분이 플라즈마 광 경로가 된다. 이때 교정 광은 가시창(20)의 오염에 따른 플라즈마 광의 신호 왜곡을 보정할 수 있도록 플라즈마 광과 마찬가지로 가시창(20)의 오염 부분을 통과해야 한다.
따라서 직선부(17)는 가시창(20)과 일정 거리(d)를 두고 떨어져 위치하며, 가시창(20) 바로 안쪽에서 플라즈마 광 경로와 교정 광 경로 사이에 물리적인 벽을 제거하여 가시창(20) 전체적으로 오염이 균일하게 일어나도록 할 수 있다.
교정 광원(30)은 플라즈마가 꺼질 때, 예를 들어 반응 챔버(10)의 휴지기에 작동하며, 분광 분석기(50)는 오염된 가시창(20)을 투과한 교정 광을 분석한다. 분광 분석기(50)와 교정 광원(30)은 제어부(60)와 전기적으로 연결된다. 제어부(60)는 모니터를 포함하는 통상의 컴퓨터로 구성될 수 있다.
제어부(60)는 오염된 가시창(20)을 투과한 교정 광의 분석 결과로부터 교정 값을 생성하고, 이후 플라즈마 광 측정값에 교정값을 적용하여 가시창(20) 오염에 따른 신호 왜곡을 보정한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 분석 방법을 나타낸 공정 순서도이다. 도 2에 나타낸 플라즈마 분석 방법은 제1 실시예의 플라즈마 분석 장치에 적합하다.
도 2를 참고하면, 플라즈마 분석 방법은 가시창의 오염이 없을 때 교정 광으로부터 교정 기준값을 검출 및 저장하는 제1 단계(S10)와, 플라즈마 광을 이용하여 공정 모니터링을 수행하는 제2 단계(S20)와, 가시창이 오염된 후 교정 광으로부터 교정값을 산출 및 저장하는 제3 단계(S30)와, 플라즈마 광의 측정값에 교정값을 적용하여 플라즈마 광의 측정값을 보정하는 제4 단계(S40)를 포함한다.
도 3 내지 도 6 각각은 도 2에 나타낸 제1 단계 내지 제4 단계 각각을 설명하기 위한 구성도이다. 도 3 내지 도 6에서는 플라즈마 분석 장치를 개략화하여 도시하였다.
도 3을 참고하면, 제1 단계(S10)는 공정 모니터링을 위해 반응 챔버에 플라즈마 방전을 일으키기 전이며, 가시창(20)은 오염되지 않은 초기 상태이다. 제1 단계(S10)에서 교정 광원(30)이 작동하여 교정 광을 방출하고, 분광 분석기(50)는 가시창(20)을 투과한 교정 광을 분광 분석한다.
그리고 제어부는 교정 광의 파장별 세기에 관한 교정 기준값(A10)을 검출 및 저장한다. 교정 광의 파장대는 플라즈마 광의 파장대와 일치하거나 이보다 넓을 수 있으며, 예를 들어 200nm 내지 1,500nm 범위의 파장을 포함할 수 있다.
도 4를 참고하면, 제2 단계(S20)에서 공정 챔버는 진공 펌프에 의해 배기되어 진공을 유지하며, 공정 가스의 유입으로 증착 또는 식각 등의 작업이 이루어진다. 공정 챔버와 동일한 가스 조성을 가지는 반응 챔버에서 플라즈마 방전이 일어나고, 분광 분석기(50)는 가시창(20)을 투과한 플라즈마 광을 분광 분석한다.
분광 분석은 빛의 파장별 세기를 분석하는 과정이며, 이를 통해 공정 챔버의 가스 조성을 파악하여 공정 모니터링을 수행할 수 있다. 제2 단계(S20)에서 플라즈마 광의 파장별 세기에 관한 측정값(A20)은 시간이 지날수록 가시창(20)의 오염에 의해 측정 초기와 다른 값을 나타낸다. 즉 가시창(20)의 오염 물질에 의해 파장별 세기가 점차적으로 낮아지는 현상이 발생한다.
도 5를 참고하면, 제3 단계(S30)에서 플라즈마 방전이 없을 때 교정 광원(30)이 작동하여 교정 광을 방출하고, 분광 분석기(50)는 오염된 가시창(20)을 투과한 교정 광을 분광 분석한다. 제3 단계(S30)는 플라즈마 방전이 잠시 오프(off)된 상태이거나 반응 챔버의 휴지기일 수 있다.
교정 광이 오염된 가시창(20)을 투과함에 따라, 교정 광의 제1 측정값(A30)은 제1 단계(S10)의 교정 기준값(A10)과 다른 결과를 보인다. 제어부는 교정 광의 제1 측정값(A30)과 교정 기준값(A10)의 차이인 교정값(A40)을 산출 및 저장한다. 교정값(A40)은 파장별 세기 변화량을 의미한다.
도 6을 참고하면, 제4 단계(S40)에서 반응 챔버 내부에 플라즈마 방전이 일어나고, 분광 분석기(50)는 오염된 가시창(20)을 투과한 플라즈마 광을 분광 분석한다. 그리고 제어부는 플라즈마 광의 제2 측정값(A50)에 제3 단계(S30)의 교정값(A40)을 적용하여 제2 측정값(A50)을 보정한다.
즉 제어부는 제2 측정값(A50)에 파장별 세기 변화량(교정값)을 반영하여 플라즈마 보정값(A60)을 산출하며, 산출된 플라즈마 보정값(A60)을 이용하여 공정 모니터링을 수행한다.
플라즈마 보정값(A60)은 가시창(20)의 오염에 따른 신호 저하를 보정한 것으로서, 실제 제4 단계(S40)의 플라즈마 광은 오염된 가시창(20)을 투과하였지만 신호 교정에 의해 오염되지 않은 가시창(20)을 투과한 것과 실질적으로 동일한 결과를 나타낸다.
본 실시예의 플라즈마 분석 방법에 따르면, 가시창(20)에 오염 물질이 부착된 상태에서도 분광 분석의 신뢰도를 높일 수 있고, 정밀한 공정 모니터링을 수행할 수 있으며, 가시창(20)의 교체 주기를 늘려 제조 설비의 휴지기를 단축시킬 수 있다. 또한, 교정 광원(30)은 플라즈마가 오프(off)될 때 작동하므로 플라즈마 광 측정에 간섭을 주지 않는다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 7을 참고하면, 제2 실시예의 플라즈마 분석 장치(200)는 반응 챔버(10)로부터 확장된 가이드 관(11)과, 가이드 관(11)에 설치된 빔 스플리터(70), 제1 가시창(21), 제2 가시창(22), 및 교정 광원(30)과, 제2 가시창(22)의 외측에 위치하는 분광 분석기(50)를 포함한다.
반응 챔버(10)는 공정 챔버이거나 공정 챔버와 연결된 별도의 챔버일 수 있으며, 플라즈마 발생을 위한 전극 구조를 가진다. 가이드 관(11)은 반응 챔버(10)로부터 확장된 관형의 구조물로서, 플라즈마 광을 안내한다. 가이드 관(11)은 단부가 막힌 사각의 관형 구조물로 이루어질 수 있다.
빔 스플리터(70)는 가이드 관(11)의 단부 내측에 위치하며, 제1 가시창(21)과 제2 가시창(22)은 가이드 관(11)의 단부에서 빔 스플리터(70)를 사이에 두고 가이드 관(11)의 길이 방향과 수직한 방향을 따라 서로 마주한다. 교정 광원(30)은 제1 가시창(21)의 외측에 위치하고, 분광 분석기(50)는 제2 가시창(22)의 외측에 위치한다.
빔 스플리터(70)는 입사광을 지정된 비율에 따라 두 개의 빔으로 분리하거나, 두 개의 빔을 단일 빔으로 결합시키는 광학 부재이다. 본 실시예에서 빔 스플리터(70)는 두 개의 빔(플라즈마 광과 교정 광)을 단일 빔으로 결합시키는 경우에 속한다. 다만 본 실시예에서 플라즈마 광과 교정 광은 시간 차를 두고 따로 방출된다.
빔 스플리터(70)는 한 개의 직각 프리즘으로 구성될 수 있으며, 빗면(71)이 플라즈마 광 경로 및 제2 가시창(22)과 마주하도록 위치한다. 제1 가시창(21)과 교정 광원(30)은 빔 스플리터(70)의 밑면(72) 외측에 위치한다.
반응 챔버(10)의 플라즈마 광은 빔 스플리터(70)의 빗면(71)에서 반사광(L1)과 투과광(L2)으로 분리된다. 반사광(L1)은 제2 가시창(22)을 투과하여 분광 분석기(50)에 도달하고, 투과광(L2)은 가이드 관(11)의 막힌 단부에 흡수된다.
교정 광원(30)의 교정 광은 빔 스플리터(70)의 빗면(71)에서 반사광(L3)과 투과광(L4)으로 분리된다. 반사광(L3)은 가이드 관(11)의 막힌 단부에 흡수되고, 투과광(L4)은 제2 가시창(22)을 투과하여 분광 분석기(50)에 도달한다.
통상의 빔 스플리터에서 반사광과 투과광의 세기는 동일하다. 즉 입사광의 세기를 1이라 할 때, 반사광과 투과광은 0.5의 세기를 가진다. 그러나 빔 스플리터의 특성에 따라 반사광과 투과광의 세기는 다양하게 조절 가능하다.
반응 챔버(10) 내부의 공정 부산물과 미분해 전구체 및 입자들은 시간이 지날수록 빔 스플리터(70)의 빗면(71)과 제2 가시창(22)에 축적되어 빔 스플리터(70)와 제2 가시창(22)을 오염시킨다. 교정 광은 오염된 빔 스플리터(70)와 제2 가시창(22)을 투과하므로, 빔 스플리터(70)와 제2 가시창(22)의 오염 정도를 충실히 반영할 수 있다.
제2 실시예의 플라즈마 분석 장치(200)는 빔 스플리터(70)의 추가와, 제1 및 제2 가시창(21, 22) 및 교정 광원(30)과 분광 분석기(50)의 위치 변경을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 8을 참고하면, 제3 실시예의 플라즈마 분석 장치(300)는 빔 스플리터(70)와 제2 가시창(22) 사이의 거리를 확대시키는 확장관(12)을 포함한다. 확장관(12)은 가이드 관(11)의 단부에서 가이드 관(11)의 길이 방향과 수직하게 확장된 관형의 구조물로서, 제2 가시창(22)은 확장관(12)의 단부에 위치한다.
확장관(12)이 길수록 제2 가시창(22)은 빔 스플리터(70)로부터 멀리 위치하며, 반응 챔버(10) 내부의 공정 부산물과 미분해 전구체 및 입자들의 영향을 적게 받아 덜 오염된다. 제3 실시예의 플라즈마 분석 장치(300)는 확장관(12)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제2 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 9와 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 9와 도 10을 참고하면, 제4 실시예의 플라즈마 분석 장치(400)에서 제1 가시창(21)과 제2 가시창(22)은 빔 스플리터(70)를 사이에 두고 서로 직교하도록 위치하며, 거울(80)이 빔 스플리터(70)를 사이에 두고 제1 가시창(21)과 마주하도록 가이드 관(11)에 설치된다.
구체적으로, 빔 스플리터(70)의 빗면(71)은 플라즈마 광 경로 및 제1 가시창(21)과 마주한다. 거울(80)은 빔 스플리터(70)의 밑면(72) 외측에 위치하며, 가이드 관(11)의 길이 방향과 수직한 방향을 따라 제1 가시창(21)과 마주한다. 제2 가시창(22)은 가이드 관(11)의 단부에 위치하며, 빔 스플리터(70)의 높이면(73)과 마주한다.
제1 가시창(21)과 제2 가시창(22) 중 어느 한 가시창의 외측에 교정 광원(30)이 위치하고, 나머지 한 가시창의 외측에 분광 분석기(50)가 위치한다. 즉 교정 광원(30)과 분광 분석기(50)는 제1 및 제2 가시창(21, 22)에 대해 탈착 가능한 방식으로 결합되며, 그 위치가 서로 바뀔 수 있다.
도 9에서는 제1 가시창(21)의 외측에 교정 광원(30)이 위치하고, 제2 가시창(22)의 외측에 분광 분석기(50)가 위치하는 경우를 도시하였다. 도 10에서는 제1 가시창(21)의 외측에 분광 분석기(50)가 위치하고, 제2 가시창(22)의 외측에 교정 광원(30)이 위치하는 경우를 도시하였다.
도 9의 경우, 반응 챔버(10)의 플라즈마 광은 빔 스플리터(70)의 빗면(71)에서 반사광(L5)과 투과광(L6)으로 분리된다. 반사광(L5)은 교정 광원(30)을 향해 이동하고, 투과광(L6)은 제2 가시창(22)을 투과하여 분광 분석기(50)에 도달한다.
교정 광원(30)의 교정 광은 빔 스플리터(70)의 빗면(71)에서 반사광(L7)과 투과광(L8)으로 분리된다. 반사광(L7)은 반응 챔버(10)를 향해 이동하고, 투과광(L8)은 거울에 의해 반사되며, 빔 스플리터(70)의 빗면(71)에서 2차 반사광(L9)과 2차 투과광(L10)으로 분리된다. 2차 반사광(L9)은 제2 가시창(22)을 투과하여 분광 분석기(50)에 도달하고, 2차 투과광(L10)은 교정 광원(30)을 향해 이동한다.
도 10의 경우, 반응 챔버(10)의 플라즈마 광은 빔 스플리터(70)의 빗면(71)에서 반사광(L5)과 투과광(L6)으로 분리된다. 반사광(L5)은 제1 가시창(21)을 투과하여 분광 분석기(50)에 도달하고, 투과광(L6)은 교정 광원(30)을 향해 이동한다.
교정 광원(30)의 교정 광은 빔 스플리터(70)의 빗면(71)에서 반사광(L7)과 투과광(L8)으로 분리된다. 투과광(L8)은 반응 챔버(10)를 향해 이동하고, 반사광(L7)은 거울(80)에 의해 반사되며, 빔 스플리터(70)의 빗면(71)에서 2차 반사광(L9)과 2차 투과광(L10)으로 분리된다. 2차 반사광(L9)은 교정 광원(30)을 향해 이동하고, 2차 투과광(L10)은 제1 가시창(21)을 투과하여 분광 분석기(50)에 도달한다.
빔 스플리터(70)에서 분리되는 반사광의 세기와 투과광의 세기가 동일한 경우, 분광 분석기(50)에 도달하는 투과광(L6) 또는 반사광(L5)의 세기는 플라즈마 광 세기의 절반이 되고, 분광 분석기(50)에 도달하는 2차 반사광(L9) 또는 2차 투과광(L10)의 세기는 교정 광 세기의 1/4이 된다.
제4 실시예의 플라즈마 분석 장치(400)는 분광 분석기(50)와 교정 광원(30)의 위치 변경이 가능하므로 설계와 제작 상의 자유도를 높일 수 있다. 제4 실시예의 플라즈마 분석 장치(400)는 거울(80) 추가와, 제1 및 제2 가시창(21, 22)의 직교 배치를 제외하고 전술한 제2 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
전술한 제2 실시예 내지 제4 실시예의 플라즈마 분석 장치(200, 300, 400)를 이용한 플라즈마 분석 방법은 도 2에 나타낸 플라즈마 분석 방법과 실질적으로 동일하다. 다만, 분광 분석기(50)에 입사하는 교정 광과 플라즈마 광이 빔 스플리터(70)에서 분리된 투과광과 반사광 중 어느 하나이고, 시간 경과에 따라 오염되는 부재가 가시창 대신 빔 스플리터(70)의 빗면(71)과 제2 가시창(22)(도 10의 경우 제1 가시창(21))인 점에서 차이가 있다.
결과적으로, 도 3에 나타낸 플라즈마 분석 방법과 제2 실시예 내지 제4 실시예의 플라즈마 분석 장치(200, 300, 400)에 적합한 플라즈마 분석 방법은 시간 경과에 따라 오염되는 광학 부재가 존재하는 공통점을 가지는데, 도 2에 나타낸 플라즈마 분석 방법에서 광학 부재는 가시창(20)이 되는 것이고, 제2 실시예 내지 제4 실시예의 플라즈마 분석 장치에 적합한 플라즈마 분석 방법에서 광학 부재는 빔 스플리터(70)와 제2 가시창(22)(도 10의 경우 제1 가시창(21))이 되는 것이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 11을 참고하면, 제5 실시예의 플라즈마 분석 장치(500)에서 빔 스플리터(70)는 두 개의 직각 프리즘(75, 76)이 조합된 (두 직각 프리즘의 빗면이 서로 접하는) 육면체 빔 스플리터로 구성된다. 제1 가시창(21)과 교정 광원(30)은 제1 직각 프리즘(75)의 밑면과 마주할 수 있고, 제2 가시창(22)과 분광 분석기(50)는 제2 직각 프리즘(76)의 밑면과 마주할 수 있다.
육면체로 구성된 빔 스플리터(70)는 광 분리가 일어나는 빗면(71) 대신 제2 직각 프리즘(76)의 높이면(도면을 기준으로 세로면)이 반응 챔버(10) 및 플라즈마에 노출되어 있다. 따라서 시간이 지남에 따라 공정 부산물과 미분해 전구체 및 입자들로 이루어진 오염 물질이 제2 직각 프리즘(76)의 높이면에 축적된다.
이때 교정 광원(30)의 교정 광은 오염 물질이 축적된 제2 직각 프리즘(76)의 높이면을 통과하지 않으므로 시간에 따른 오염 정도를 반영할 수 없으나, 시간 경과에 따른 분광 분석기(50)의 신호 편차를 보정하는데 사용될 수 있다.
제5 실시예의 플라즈마 분석 장치(500)는 빔 스플리터(70)가 두 개의 직각 프리즘(75, 76)으로 구성된 것을 제외하고 전술한 제2 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라즈마 분석 장치의 단면도이다.
도 12를 참고하면, 제6 실시예의 플라즈마 분석 장치(600)에서 가이드 관(11)은 챔버 윈도우(90)의 바깥에서 공정 챔버(10)에 연결된다. 즉 가이드 관(11)의 내부는 공정 챔버(10)의 내부와 단절되며, 챔버 윈도우(90)를 투과한 플라즈마 광이 빔 스플리터(70)를 거쳐 분광 분석기(50)로 입사한다.
통상의 공정 챔버(10)는 챔버 윈도우(90)를 포함하고 있으므로, 제6 실시예의 플라즈마 분석 장치(600)는 가이드 관(11)을 챔버 윈도우(90)의 바깥에서 공정 챔버(10)에 고정시키는 작업만으로 공정 챔버(10)에 쉽게 설치될 수 있다.
챔버 윈도우(90)의 내면이 플라즈마에 노출되어 있으므로, 시간이 지남에 따라 공정 부산물과 미분해 전구체 및 입자들로 이루어진 오염 물질이 챔버 윈도우(90)의 내면에 축적된다.
전술한 제5 실시예와 마찬가지로 교정 광원(30)의 교정 광은 오염 물질이 축적된 챔버 윈도우(90)를 통과하지 않으므로 시간에 따른 오염 정도를 반영할 수 없으나, 시간 경과에 따른 분광 분석기(50)의 신호 편차를 보정하는데 유효하게 사용될 수 있다.
제6 실시예의 플라즈마 분석 장치(600)는 가이드 관(11)이 챔버 윈도우(90)의 바깥에서 공정 챔버(10)에 연결되는 것을 제외하고 전술한 제2 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300, 400, 500: 플라즈마 분석 장치
10: 반응 챔버 11: 가이드 관
15: 분리부 20: 가시창
21: 제1 가시창 22: 제2 가시창
30: 교정 광원 40: 교정 광 안내부
41: 투명창 42: 반사체
50: 분광 분석기 51: 집속 렌즈
52: 광 섬유 60: 제어부
70: 빔 스플리터 80: 거울
90: 챔버 윈도우

Claims (17)

  1. 내부가 반응 챔버의 내부와 통하도록 반응 챔버로부터 확장되며, 투명창이 설치된 가이드 관;
    상기 투명창의 외측에 위치하는 교정 광원;
    상기 가이드 관의 단부에 위치하는 가시창;
    상기 가이드 관의 내부에 위치하며, 상기 투명창을 투과한 상기 교정 광원의 교정 광을 상기 가시창으로 반사시키는 반사체;
    상기 가이드 관의 내부에서 상기 반사체를 지지하며, 상기 가이드 관의 내부 공간 일부를 플라즈마 광 유로와 교정 광 유로로 분리시키는 분리부; 및
    상기 가시창의 외측에 위치하며, 상기 가시창을 투과한 플라즈마 광과 교정 광을 분석하는 분광 분석기
    를 포함하는 플라즈마 분석 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리부는 상기 투명창의 내측에 위치하는 경사부와, 상기 경사부의 가장자리에서 상기 가시창을 향해 확장된 직선부를 포함하며,
    상기 분리부의 내측과 외측이 각각 상기 플라즈마 광 경로와 상기 교정 광 경로가 되는 플라즈마 분석 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 경사부는 상기 가이드 관의 길이 방향에 대해 45° 경사지고,
    상기 반사체는 상기 투명창을 향한 상기 경사부의 일면에 위치하는 플라즈마 분석 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 직선부는 상기 가이드 관의 길이 방향을 따라 상기 가시창과 거리를 두고 위치하는 플라즈마 분석 장치.
  6. 반응 챔버로부터 확장되어 플라즈마 광을 안내하는 가이드 관;
    상기 가이드 관의 단부 내측에 위치하는 빔 스플리터;
    상기 가이드 관의 단부에서 상기 빔 스플리터를 사이에 두고 서로 마주하거나 교차하도록 설치된 제1 가시창 및 제2 가시창;
    상기 제1 가시창의 외측에 위치하며, 상기 빔 스플리터로 교정 광을 제공하는 교정 광원; 및
    상기 제2 가시창의 외측에 위치하는 분광 분석기를 포함하며,
    상기 빔 스플리터는 교정 광의 일부와 플라즈마 광의 일부를 상기 분광 분석기로 제공하고, 상기 분광 분석기는 상기 빔 스플리터를 거쳐 상기 제2 가시창을 투과한 교정 광과 플라즈마 광을 분석하는 플라즈마 분석 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 가시창과 상기 제2 가시창은 상기 가이드 관의 길이 방향과 수직한 방향을 따라 서로 마주하고,
    상기 빔 스플리터는 빗면이 플라즈마 광 경로 및 상기 제2 가시창과 마주하는 직각 프리즘으로 구성되는 플라즈마 분석 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빔 스플리터의 빗면에서 플라즈마 광과 교정 광 각각은 반사광과 투과광으로 분리되고,
    플라즈마 광의 반사광과 교정 광의 투과광이 상기 제2 가시창을 거쳐 상기 분광 분석기에 입사하는 플라즈마 분석 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가이드 관의 단부에서 상기 가이드 관의 길이 방향과 수직한 방향으로 확장된 확장관을 더 포함하며,
    상기 제2 가시창이 상기 확장관의 단부에 위치하는 플라즈마 분석 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 가시창은 상기 가이드 관의 단부에 위치하고,
    상기 제1 가시창은 상기 빔 스플리터를 사이에 두고 상기 제2 가시창에 직교하며,
    상기 빔 스플리터를 사이에 두고 상기 제1 가시창과 마주하도록 상기 가이드 관에 거울이 설치되는 플라즈마 분석 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는 빗면이 플라즈마 광 경로 및 상기 제1 가시창과 마주하는 직각 프리즘으로 구성되는 플라즈마 분석 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 교정 광원은 상기 제1 가시창에 탈착 가능하게 결합되고,
    상기 분광 분석기는 상기 제2 가시창에 탈착 가능하게 결합되며,
    상기 교정 광원과 상기 분광 분석기는 상호 위치 변경이 가능한 플라즈마 분석 장치.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 제1 가시창과 상기 제2 가시창은 상기 가이드 관의 길이 방향과 수직한 방향을 따라 서로 마주하고,
    상기 빔 스플리터는 빗면이 서로 접하도록 조합된 두 개의 직각 프리즘으로 구성되는 플라즈마 분석 장치.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 챔버 윈도우를 포함하고,
    상기 가이드 관은 상기 챔버 윈도우의 바깥에서 상기 반응 챔버에 연결되며,
    상기 챔버 윈도우를 투과한 플라즈마 광이 상기 빔 스플리터를 거쳐 상기 분광 분석기로 입사하는 플라즈마 분석 장치.
  15. 플라즈마 광과 교정 광이 시간 경과에 따라 오염되는 광학 부재를 거쳐 분광 분석기에 입사하는 제1항 및 제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 플라즈마 분석 장치의 플라즈마 분석 방법으로서,
    상기 광학 부재가 오염되기 전, 교정 광으로부터 파장별 세기에 관한 교정 기준값을 검출 및 저장하는 단계;
    반응 챔버에 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 광을 분광 분석하여 공정 모니터링을 수행하는 단계;
    상기 광학 부재가 오염된 후, 교정 광으로부터 파장별 세기에 관한 제1 측정값을 검출하고, 상기 제1 측정값과 상기 교정 기준값의 차이인 교정값을 산출 및 저장하는 단계; 및
    상기 반응 챔버에 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 광으로부터 파장별 세기에 관한 제2 측정값을 검출하며, 상기 제2 측정값에 상기 교정값을 적용하여 상기 제2 측정값을 보정하는 단계
    를 포함하는 플라즈마 분석 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광학 부재는 가시창이거나, 빔 스플리터와 가시창의 조합으로 이루어지는 플라즈마 분석 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제2 측정값을 보정하는 단계에서, 보정된 제2 측정값을 이용하여 공정 모니터링을 수행하는 플라즈마 분석 방법.
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