KR102043606B1 - 플래시램프 제어시스템 및 플래시램프를 제어하는 방법 - Google Patents

플래시램프 제어시스템 및 플래시램프를 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

플래시램프 제어 시스템에는 고 전압 전원 공급 장치에 정적으로 전기적으로 연결된 커패시터가 제공되며, 전류 감지 구성요소가 그 후 정적 커패시터에 대한 충전 전류 및/또는 방전 전류를 모니터링하기 위해 정적 커패시터 및 디지털 제어 전자 장치에 전기적으로 연결된다. 동적으로 스위칭 가능한 커패시터는 또한 모니터링된 충전 전류 및/또는 방전 전류에 기초하여 고 전압 전원 공급 장치로부터 동적으로 스위칭 가능한 커패시터를 분리하기 위해 고 전압 전원 공급 장치 및 디지털 제어 전자 장치에 전기적으로 연결될 수 있다. 공기 갭, 확산 균질 요소, 이미징 요소, 비-이미징 요소 또는 광 파이프 균질 요소로 이루어진 하나 이상의 균질 요소가, 광학 신호의 변화의 계수를 시간적으로든 스펙트럼으로든 또는 양쪽 모두에서 감소하기 위해, 다채널 분배기가 있다면 그와 같이 플래시램프에 근접한 광 경로에 배치될 수 있다.

Description

플래시램프 제어시스템 및 플래시램프를 제어하는 방법{A FLASHLAMP CONTROL SYSTEM AND A METHOD OF CONTROLLING A FLASHLAMP}
본 발명은 광학 측정 시스템들 및 사용 방법들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플래시램프-기반(flashlamp-based) 광학 측정 시스템에서 변화의 원인들을 감소시키며 측정 능력들의 동적 범위를 확장하도록 구성된 광학 측정 시스템에 관한 것이다.
광학 측정 시스템들은, 웨이퍼 개질 및 프로세스 제어의 실시간 모니터링을 위한, 반도체 프로세싱 산업과 같은, 다양한 산업들에서 이용된다. 광학 측정 시스템들은 반도체 프로세싱 툴과 함께 통합될 수 있으며 실시간 프로세스 제어를 위해 원 위치에서 또는 런-투-런(run-to-run) 피드백 제어를 위해 인라인으로 이용될 수 있다. 통상적으로, 모니터링된 프로세스들은 막 두께 및 플라즈마 모니터링 애플리케이션들을 위해 반도체 에칭, 증착, 주입 및 화학적 기계적 평탄화 프로세스들을 포함한다.
특히 반도체 프로세싱 산업에서, 점점 더 가변적인 재료 층들 및 피처 크기들(더 얇은/더 두꺼운 층들, 높은 종횡비 피처들, 매우 작은 피처들, 혼합 크기 피처들, 매우 가변적 반사율/흡수 재료들, 및 높은 층 카운트 스택들)의 사용은 필요한 레벨들의 측정 정확도 및 정밀도를 달성하는데 어려움을 야기하여 왔다. 반도체들 자체의 증가하는 복잡도 외에, 고도로 통합된 단일 챔버 다 단계 프로세스들 및 기계적 파라미터들(예로서, 애퍼처 및 작동 거리들)의 동적 프로세싱 툴 변화들은 측정 정확도 및 정밀도에 악영향을 미치는 광학 신호 레벨들에서의 변화를 야기한다.
도 1은 통상적인 종래 기술의 광학 측정 시스템(100)의 그림을 이용한 개략도를 도시한다. 광학 측정 시스템(100)은 광 분석 디바이스(110), 광원(120), 광학 어셈블리(130), 광 파이버 어셈블리(140), 컴퓨터(150) 및 웨이퍼(160)를 포함한다. 광 분석 디바이스(110)는 흔히 분광기, 분광계, 터모노크로메이터 또는 파장 식별을 제공하는 다른 광 분석 디바이스이다. 광원(120)은 연속적 광대역 방출 소스(예로서, 텅스텐 할로겐 램프 또는 듀테륨 램프) 또는 크세논 플래시램프와 같은 펄싱 광대역 방출 소스이다. 선택적으로, 레이저들 및/또는 발광 다이오드들과 같은 협대역 연속적 또는 펄싱 방출 소스들이 사용된다. 광학 어셈블리(130)는 광원(120)으로부터 방출된 하나 이상의 파장들의 광을 통상적으로 실리콘 반도체 웨이퍼, 사파이어 기판 또는 다른 워크피스인 웨이퍼(160)로 향하게 하도록 설계된다. 광학 어셈블리(130)는 흔히 광원(120)으로부터의 광을 웨이퍼(160)로 집중시키거나 또는 시준하도록 동작한다. 광 파이버 어셈블리(140)는 보통 광원(120)으로부터의 광을 광학 어셈블리(130)를 통해 웨이퍼(160)로 향하게 하며 그 다음에 웨이퍼(160)로부터의 반사 시 수집된 광을 광학 어셈블리(130)를 통해 광 분석 디바이스(110)로 향하게 하는 분기된 광 파이버 어셈블리이다. 컴퓨터(150)는 광 분석 디바이스(110) 및 광원(120)을 제어하기 위해 사용되며 광 분석 디바이스(110)에 의해 수집된 데이터를 분석하기 위해 또한 사용된다. 컴퓨터(150)는 또한 반도체 프로세싱 툴들(도시되지 않음)과 같은 외부 시스템들을 제어하기 위해 신호들을 제공할 수 있다.
간섭 측정 엔드포인팅의 형태에서의 반사 측정은 프로세싱 툴 내에서 개질되는 웨이퍼로부터 반사된 광학 신호들을 사용함으로써 반도체 프로세싱 툴 내에서 웨이퍼 프로세스의 상태를 모니터링하기 위한 반도체 산업에서 광범위하게 사용된다. 간섭 측정 엔드포인팅 기술들은 특정한 애플리케이션 및 프로세스에 따라 달라질 수 있지만, 통상적으로 광 방출 강도들은 하나 이상의 미리 결정된 파장들에서 모니터링된다. 프로세스에 의존하여, 다양한 알고리즘들이, 반도체 프로세스 및 제조 과정에 있는 웨이퍼의 상태를 평가하고, 프로세스, 프로세싱 툴 또는 다른 장비와 연관된 결함들을 검출할 때 유용한 광 강도들로부터, 종종 웨이퍼의 다양한 층들 또는 피처들의 두께들에 관계된, 동향 파라미터들을 도출하기 위해 이용될 수 있다. 흔히 "엔드포인팅"으로 명명되며 이력적으로 프로세스의 종료의 검출을 의미하지만; 간섭 측정 엔드포인팅은 프로세스 사이클의 모든 시간들 동안 모니터링 및 측정을 포함하는 것으로 진화하여 왔다.
특히 프로세싱 툴 내에서 웨이퍼의 상태를 모니터링하고 평가하는 것에 관하여, 도 2는 플라즈마 프로세싱 툴 내에서의 워크피스의 상태를 모니터링하고 및/또는 제어하기 위해 간섭 측정 엔드포인팅을 이용하기 위한 통상적인 종래 기술의 프로세스(200)를 예시한다. 본 방법은 편의를 위해 크게 간략화된다. 특정한 프로세스들 및 구현들의 세부사항들은 여기에서 참조로서 포함된, 미국 특허 출원 번호 제20130016343호의 검토에 의해 제공된다. 프로세스(200)는 통상적으로 광을 관심 워크리스로 향하게 함으로써 시작된다(단계 210). 워크피스로 향하여진 광은 그 후 상기 워크피스로부터 반사되며(단계 220) 그 다음에 검출된다(단계 230). 검출은 흔히 전기 신호들로의 변환과 연관되며, 상기 신호들은 통상적으로 증폭되며 그 후 디지털화되고 분석을 위해 신호 프로세서로 전달된다(단계 240). 신호 프로세서는 모니터링되는 워크피스의 특정한 제작 프로세스 및 특성들에 특정적인 하나 이상의 알고리즘들을 이용한다. 특정한 프로세스에 대한, 적절한 알고리즘, 뿐만 아니라 파라미터 값들의 선택은 유효한 결과를 달성하는데 필수적이다. 너무 특정적이지 않고, 알고리즘은 강도 신호들을 분석하고 프로세스의 상태에 관련되는 동향 파라미터들을 결정하며 상기 상태, 예를 들면, 엔드 포인트 검출, 에칭 깊이, 막 두께, 결함들, 플라즈마 불안정성 등을 액세스하기 위해 사용될 수 있다(단계 250). 결과들은 외부 제어 시스템들 및/또는 엔지니어들에 의한 사용을 위해 출력되며(단계 260) 그 후 플라즈마 프로세싱 툴 내에서 발생하는 제작 프로세스를 모니터링하고 및/또는 수정하기 위해 사용된다(단계 270).
본 발명의 일면은 플래스램프 제어 시스템을 제공하는 것으로서, 플래시램프 제어 시스템의 일실시예는, 고 전압 전원 공급 장치; 상기 고 전압 전원 공급 장치에 의해 전기적으로 충전된 적어도 하나의 커패시터로서, 충전 전압 및 지정된 방전 전압을 갖는, 상기 적어도 하나의 커패시터; 상기 적어도 하나의 커패시터의 충전 전압이 상기 충전 전압 및 상기 지정된 방전 전압 사이의 1000V 미만의 지정된 방전 전압에 가까워지도록, 상기 고 전압 전원 공급 장치의 구동 주파수 및 듀티 사이클을 동적으로 변화하는 디지털 제어 전자 장치; 상기 디지털 제어 전자 장치에 의해 제어되는 트리거 요소; 및 광학 신호를 공급하기 위해 상기 고 전압 전원 공급 장치에 전기적으로 연결된 플래시램프 전구를 포함함다.
또한, 본 발명의 또다른 일면은 디지털 제어 전자 장치를 이용하는 플래시램프 전구를 제어하는 방법을 제공하는 것으로서, 디지털 제어 전자 장치를 이용하는 플래시램프 전구를 제어하는 방법의 일실시예는, 고 전압 전원 공급 장치와 플래시램프 전구 사이에 전기적으로 연결된, 커패시터의 충전 전압이 상기 충전 전압 및 지정된 방전 전압 사이의 1000V 차이 미만의 상기 지정된 방전 전압에 가까워지도록, 고 전압 전원 공급 장치의 구동 주파수 및 듀티 사이클을 동적으로 변화시키는 단계; 상기 고 전압 전원 공급 장치의 구동 주파수 및 듀티 사이클에 기초하여 상기 디지털 제어 전자 장치에 의해 상기 고 전압 전원 공급 장치에서 복수의 전류 펄스들을 생성하는 단계; 및 상기 고 전압 전원 공급 장치로부터의 상기 복수의 전류 펄스들을 이용하여 상기 커패시터를 충전하는 단계를 포함함다.
본 발명은 반도체 프로세싱 툴에서 광학 측정 시스템과 함께 사용하기 위한 높은 동적 범위 및 낮은 잡음 플래시램프 제어 시스템에 관한 것이다. 통상적으로, 플래시램프 제어 시스템은 플래시램프 전구에 연결된 고 전압 전원 공급 장치를 포함한다. 본 발명은 또한 고 전압 전원 공급 장치에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 커패시터 및 고 전압 전원 공급 장치의 듀티 사이클 및 펄스 폭을 제어하기 위한 디지털 제어 전자 장치를 포함한다. 상기 적어도 하나의 커패시터는 단일 커패시터로서, 또는 미리 결정된 정전 용량을 생성하기 위해 직렬로, 병렬로 또는 양쪽 모두로 연결한 복수의 커패시터들로서 구성될 수 있다. 부가적으로, 상기 적어도 하나의 커패시터는 고 전압 전원 공급 장치에 정적으로 전기적으로 연결될 수 있으며, 적어도 하나의 동적으로 스위칭 가능한 커패시터는 전기적으로 또한 상기 고 전압 전원 공급 장치에 연결될 수 있다. 상기 동적으로 스위칭 가능한 커패시터는 또한 단일 커패시터로서 또는 미리 결정된 정전 용량을 생성하기 위해 직렬로, 병렬로, 또는 양쪽 모두로 연결한 복수의 커패시터들로서 구성될 수 있다. 본 발명은 또한 고 전압 전원 공급 장치의 듀티 사이클 및 펄스 폭을 제어하기 위해 디지털 제어 전자 장치를 포함한다.
부가적으로, 전류 감지 구성요소는 적어도 하나의 커패시터의 충전 전류 및 방전 전류 중 하나 또는 양쪽 모두를 모니터링하기 위해 적어도 하나의 커패시터에 전기적으로 연결될 수 있으며 또한 디지털 제어 전자 장치에 연결된다. 적어도 하나의 동적으로 스위칭 가능한 커패시터에 전기적으로 연결되는 분리 스위치가 또한 포함될 수 있다. 기능적으로, 디지털 제어 전자 장치는 동적으로 스위칭 가능한 커패시터의 최적의 분리 상태를 결정하기 위해 적어도 하나의 커패시터의 충전 전류 및 방전 전류 중 하나 또는 양쪽 모두를 모니터링하며, 그 후 적어도 하나의 동적으로 스위칭 가능한 커패시터의 하부 측면을 고 전압 공급 장치로부터 전기적으로 분리하기 위해 필요에 따라 분리 상태 신호들을 분리 스위치로 운반한다.
부가적으로, 균질 요소가 시간적으로 및 스펙트럼으로, 또는 양쪽 모두로, 광학 신호의 변화의 계수를 감소시킴으로써 광학 신호를 수정하기 위해 플래시램프 전구에 근접한 광 경로에 배치될 수 있다. 상기 균질 요소는 미리 결정된 공기 갭, 하나 이상의 확산 균질 요소들, 하나 이상의 이미징 요소들, 하나 이상의 비-이미징 요소들 또는 광 파이프 균일 요소들로 이루어질 수 있다. 선택적으로, 상기 수정된 광학 신호의 변화의 계수는 0.25% 이하이다. 상기 균질 요소는 플래시램프 전구 및 복수의 광 파이버들 사이에서 다채널 분배기 내에 배치될 수 있다.
최종적으로, 플래시램프 제어 시스템에 의해 생성된 스펙트럼 신호의 동적 범위는, 실질적으로, 스펙트럼 마스크 및 스펙트럼 스플라이서(spectral splicer)를 추가하여 더 증가될 수 있다. 제 1 스펙트럼은 제 1 미리 결정된 플래시 곱셈기 또는 에너지에서 획득된다. 이러한 스펙트럼은 너무 낮은 판독인 파장들의 범위 내에서의 값들을 가질 수 있다(높은 SNR). 그러나, 플래시 곱셈기 또는 에너지를 증가시키는 것은 다른 파장들이 포화하게 하여, 그것들을 판독 가능하지 않게 만들 것이다. 이 경우에, 제 2 스펙트럼은 파장들의 범위가 신호 잡음에 걸쳐 증가되는 제 2 미리 결정된 플래시 곱셈기 또는 에너지(보통 보다 높은)에서 획득된다. 그 후, 스펙트럼 마스크가 파장들의 거의 모든 범위를 마스킹하기 위해 적용되며 제 1 스펙트럼들은 제 2 스펙트럼으로 스플라이싱되어, 판독 가능한 파장들의 전체 스펙트럼들을 야기한다.
종래 기술의 시스템들의 단점들을 극복하기 위해, 본 발명에 따른 광학 측정을 위한 시스템 및 방법은 일반적으로 다른 시스템 드리프트 및 변화를 보상할 뿐만 아니라 제한된 동적 범위 및 가변 신호 감쇠의 유해한 효과들을 보상한다.
도 1은 종래 기술의 광학 측정 시스템의 그림을 이용한 개략도이다.
도 2는 프로세싱 툴 내에서 웨이퍼의 상태를 모니터링하고 및/또는 제어하기 위해 간섭 측정 엔드포인팅을 이용하기 위한 통상적인 종래 기술의 프로세스를 예시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 박막들의 반사율 및 고 정밀도 반도체 프로세스들을 위해 요구되며 어드레싱 가능한 반사율 검출에서의 차이들의 측정에 내재된 도전들을 표현한 플롯들의 세트를 도시한다.
도 4는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 광학 측정 시스템을 포함한 반도체 프로세싱 툴의 그림을 이용한 개략도를 도시한다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 광학 측정 시스템과 함께 사용하기 위해 구성 가능한 플래시램프와 인터페이스하는 개선된 광학 어셈블리의 대표적인 구성의 3개의 단면도들의 세트이다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 종래 기술의 광학 측정 시스템 및 플래시램프 및 광학 어셈블리의 성능을 비교하는 플롯들의 세트를 도시한다.
도 7은 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 광학 측정 시스템과 함께 사용하기 위해 구성 가능한 개선된 플래시램프 제어 시스템의 간략화된 전기적 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라 수정된 플래시램프를 통합한 광학 측정 시스템 및 종래 기술의 광학 측정 시스템의 성능을 비교한 플롯들의 세트를 도시한다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 도 7의 플래시램프 제어 시스템을 통합한 광학 측정 시스템의 기능에 의해 제공된 합성의 높은 동적 범위 신호의 구성을 상세히 열거한 플롯들의 세트를 도시한다.
도 10은 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 광학 측정 시스템과 함께 사용하기 위해 구성 가능한 스펙트럼 평탄화 필터의 부가의 성능의 플롯을 도시한다.
신규 특징들은 본 발명의 특성이 첨부된 청구항들에 제시된다고 믿는다. 그러나, 본 발명 자체, 뿐만 아니라 사용의 바람직한 모드, 추가 목적들 및 그것의 이점들은 첨부한 도면들과 함께 판독될 때 예시적인 실시예의 다음의 상세한 설명을 참조하여 최상으로 이해될 것이다.
다음의 설명에서, 참조가 그 일부를 형성하며, 여기에서 예시로서 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예들이 도시되는 첨부한 도면들에 대해 이루어진다. 이들 실시예들은 이 기술분야의 숙련자들이 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 충분히 상세히 설명되며, 다른 실시예들이 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 구조적, 절차적, 및 시스템 변화들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 다음의 설명은, 그러므로, 제한적인 의미로 취해져서는 안 된다. 설명의 명료함을 위해, 첨부한 도면들에 도시된 유사한 특징들은 유사한 참조 부호들로 표시되며 도면들에서 대안적인 실시예들에서 도시된 바와 같이 유사한 특징들은 유사한 참조 부호들로 표시된다. 본 발명의 다른 특징들은 첨부한 도면들로부터 및 다음의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 예시적인 명료함을 위해, 도면들에서의 특정한 요소들은 일정한 비율로 그려지지 않을 수 있다는 것을 주의해야 된다.
광학 측정 시스템(100)과 같은, 종래 기술의 시스템들은 다수의 여기에 언급된 변화들 및 제한들의 대상이 되며 높은 반복 가능성 및 높은 정확도 광학 측정들을 위한 제한된 적합성을 가지며, 이것은 원위치에서 현재의 최신 기술을 위한 그것들의 기능 및/또는 인라인 애플리케이션들을 제한한다. 종래 기술의 시스템들의 단점들을 극복하기 위해, 본 발명은 일반적으로 다른 시스템 드리프트 및 변화를 보상할 뿐만 아니라 제한된 동적 범위 및 가변 신호 감쇠의 유해한 효과들을 보상하는 광학 측정을 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 보다 구체적으로, 본 발명은: (1) 광학 측정 시스템들의 동적 범위를 증가시키는 것, (2) 보다 양호한 광학 측정 분해능 및 정확도를 위한 광학 측정 시스템들의 안정성을 개선하는 것, 및 (3) 다-채널 방식으로 이들 이전 양상들을 제공하는 것을 다룬다. 현재 발명의 다른 이점들은 실시예들에 관련하여 이하에서 설명될 것이다.
종래 기술의 광학 측정 시스템들의 조정 가능성은 흔히 플래시램프 커패시터들에 대한 수동 변화들, 프로그램 가능한 플래시램프 전압 제어 및/또는 구성 가능한 분광계 통합 시간을 포함한 제한된 세트의 동작 파라미터들에 기초한다. 이들 종래 기술의 시스템들 및 그것들의 제한적 동작 파라미터들은 모니터링된 프로세스들의 복잡도가 최신 기술의 반도체 프로세싱 장비 및 통합 프로세스들의 요구들에 의해 구동됨에 따라 증가하므로 불충분해진다. 더욱이, 도 2에 관하여 상기 논의된 일반적 방법이 많은 상이한 프로세스들을 모니터링하고/평가하는데 유용하지만, 프로세스들의 정확도 및 가변성은 그에 의해 광학 측정 시스템들 및 프로세스들에 추가 복잡도 및 요건들을 부가하는 동적 범위 및 잡음 감소에서의 일정한 증가들을 요구한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 박막들의 반사율 및 반도체 프로세스들의 고 정밀도 모니터링을 위해 요구된 반사율 검출에서의 차이들을 표현한, 플롯들(300 및 350)의 세트를 도시한다. 여기에서 결정성 실리콘 기판에 증착된 블랭킷 실리콘 이산화물 막들의 예는 종종 매우 복잡한 다층 패터닝된 막 스택들의 간략화이지만 그럼에도 불구하고 특히 흔히 사용된 "모니터 웨이퍼들"을 가진 기준 및 테스트 기하학적 구조로서 사용된다. 플롯(300)은 결정성 실리콘 기판상에 증착된 300 및 305 옹스트롬 두께 블랭킷 실리콘 이산화물 막들에 대한 이론적인 절대적 반사율 대 파장을 도시한다. 그려진 바와 같이, 반사도들은 본질적으로 대략 350 나노미터들의 파장들에 가까운 것을 제외하고 구분 가능하지 않다. 현저하게, 막 두께에서의 이러한 차이는 결정성 실리콘의 단지 두 개의 단분자층들, 및 실리콘 이산화물의 2개 이상의 단분자층들에만 비교 가능하다. 이들 매우 얇은 막들 및 막 두께 결정에 대한 그것들의 매우 높은 정확도 및 정밀도에 대한 엄격한 요건들은 고속 프로세서들에서 3 NAND 메모리 및 게이트 구조들과 같은 개선된 애플리케이션들을 위해 요구된다. 막 두께를 위한 요구된 제어 레벨들은 종종 1 옹스트롬의 레벨에 있다. 이러한 레벨에서 두께 측정의 정밀도 및 정확도는 이력적으로 분광 타원 편광법의 적용을 요구하여 왔지만; 본 발명의 신규 광학 측정 시스템은 또한 이러한 레벨의 측정 정밀도 및 결과적인 프로세스 제어를 제공한다.
플롯(350)은 본 발명의 광학 측정 시스템으로부터 실험적으로 획득된 플롯(300)에 표현된 300 및 305 옹스트롬 두께 막들에 대한 차 스펙트럼을 도시한다. 5 옹스트롬 정밀도에 대해, 신호 대 잡음은 대략 200:1 이상이어야 하며 1 옹스트롬 정밀도에 대해 1000:1 이상이어야 한다. 300 나노미터 파장에 가까운, 최대 반사도 차이들은 5 옹스트롬에 대해 0.5% 미만 및 막 두께에서의 1 옹스트롬 차이들에 대해 0.1% 미만이다. 단일 정적 측정이 여기에서 표시되지만, 동일한 웨이퍼 상에서의 다수의 포인트들로부터의, 다수의 측정들에 걸쳐 및 다수의 반도체 프로세싱 툴들에 걸쳐 반복 가능성이 요구되며 동적 범위, 신호-대-잡음, 채널-대-채널 변화 및 다른 요건들을 추가로 더 엄격하게 한다. 기존의 종래 기술의 플래시램프 기반 광학 계측 시스템들에서 및 구체적으로 플래시램프들 자체의 구현에 내재된 제한들은 요구된 반복 가능성, 균일성, 정밀도 및 정확도를 획득하는 것을 억제한다.
도 4는 본 발명의 광학 측정 시스템 및 반도체 프로세싱 툴의 통합의 그림을 이용한 개략도(400)를 도시한다. 여기에서 묘사된 시스템은 간섭 측정 엔드포인팅 혁신을 위한 논의 및 동기화가 동적 툴 조건들, 다중 포인트 측정 균일성, 다중-막-단일-챔버 프로세스들 등을 수용하도록 허용하기 위해 도 1에 묘사된 종래의 시스템에 대비될 수 있다. 결정적으로, 종래 기술의 광학 측정 시스템은 통상적으로 단일 측정 채널을 구현한다는 것이 주의되어야 한다. 유사하게, 연관된 프로세싱 툴들은 흔히 단지 단일 프로세스 단계를 성취한다. 보다 큰 웨이퍼들을 위한 프로세싱 툴 유연성 및 프로세스 방법론들에서의 진전들은 이제 증가된 동작 파라미터들을 지원하기 위해 광학 계측 시스템들에서의 부가적인 구성 가능성을 요구한다. 예를 들면, 프로세싱 툴들은 갭(플라즈마 공간)을 변경할 수 있으며 다수의 측정 위치들은 프로세싱 툴 변화들에 의해 구동된 기계적 및/또는 열적 변화들에 의해 영향을 받을 수 있다. 더욱이, 연속적 계측이 프로세스 정지를 위해 일반적인 종래 기술의 "엔드포인팅" 대신에 요구될 수 있다.
시스템(400)은 주요 구성요소들을 포함한다: 프로세싱 챔버(410), 분광계(420), 플래시램프(450), 측정 제어 시스템(460) 및 툴 제어 시스템(470). 프로세싱 챔버(410)는 플라즈마 볼륨(414)에서 웨이퍼(412)를 밀폐시킨다. 플래시램프(450)는 웨이퍼(412)의 표면상에서 광학 빔들(457) 및 측정 스팟 크기를 정의하기 위해 사용되는 광학(455)으로 광을 유도하는 하나 이상의 파이버들(452)(파선들로 표시된)에 광을 제공한다. 웨이퍼 크기들이 200 mm에서 300 mm로 및 머지않아 450 mm로 증가함에 따라, 측정을 위한 보다 많은 위치들이 모니터링된 프로세스의 비-균일성을 특성화하기 위해 요구된다. 이것은 측정 위치들에 걸쳐 균일성을 보장하기 위해 다양한 광학 신호 레벨들에 대한 동시 제어를 요구한다. 모든 광학 신호 레벨들은 적절한 신호-대-잡음을 위해 정확하게 제어되어야 하며, 결과적인 특성화, 예를 들면 막 두께 결정의 원하는 정확도 및 정밀도를 가능하게 한다.
웨이퍼(412)로부터의 반사 시, 광학 신호들은 파장 식별 및 전기 및/또는 디지털 신호들로의 변화를 위해 신호 광 파이버들(459)(실선들로 표시된)을 통해 분광계(420)로 송신된다. 분광계(420)는 예를 들면, 파장 식별을 위한 격자 및 광학 신호들의 수집을 위한 CCD 또는 CMOS 광학 센서들을 포함할 수 있다. 파이버들(459)은 웨이퍼(412)의 다양한 위치들을 액세스하도록 허용하기 위해 길이 및 구성에서 달라질 수 있으며 각각의 신호를 조정하며 길이, 프로세싱 툴 영향들 또는 다른 인자들로 인한 전체 신호 레벨 차이들을 수용하기 위해 감쇠기들을 포함할 수 있다. 분광계(420)는 상호 연결(422)을 통해 플래시램프(450)로 및 그로부터 명령어들 및 다른 정보를 전송 및 수신할 수 있다. 이들 명령어들은 여기에서 논의된 바와 같이, 램프 전력 레벨, 플래시 레이트들, 에러들, 배수 펄싱 구성들 등을 포함할 수 있다. 분광계(420)는 또한 측정 제어 시스템(460), 흔히 이더넷, USB, EtherCAT 또는 다른 시스템들 및 프로토콜들을 사용할 수 있는 통신 링크(425)를 통해 산업용 PC와 통신할 수 있다. 대안적으로 측정 제어 시스템(460)은 통일된 어셈블리로서 분광계(420)로 내장될 수 있다. 분광계 및/또는 측정 제어 시스템(460)은 링크(472)를 통해 그 자체가 프로세싱 챔버(410) 및 프로세싱 툴 및 반도체 제조 설비의 다른 요소들(도시되지 않음)과 통신/제어하는 툴 제어 시스템(470)과 링크(465)를 통해 통신할 수 있다.
플래시램프들은 그것들의 펄싱 동작, 밝기, 제어 가능성 및 비용으로 인해 광학 측정 시스템들의 유리한 구성요소들이다. 그러나, 플래시램프들은 시간적 및 스펙트럼 변화의 중요한 소스들일 수 있다. 본 발명의 양상은 균질화를 증가시키고, 샷-대-샷 시간적 및 스펙트럼 가변성을 감소시키며 다중포인트 측정 시스템들에 대한 채널-대-채널 균일성을 개선함으로써 그것들의 유용성을 확장시키기 위해 플래시램프들에 내재된 이들 변화들을 다루는 것이다. 도 5a, 도 5 및 도 5c는 예로서, 도 4에 관련하여 설명된, 광학 측정 시스템 및 플래시램프(450)와 함께 사용하기 위해 구성 가능한 플래시램프와 인터페이스하는 개선된 광학 어셈블리의 대표적인 구성의 3개의 단면도들의 세트이다. 다중포인트 측정 시스템들에서, 다시 도 4를 참조하여, 플래시램프의 광학 출력은 적절한 다채널 분배기로 매핑될 수 있다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c에서, 다채널 분배기(510)는 플래시램프 전구(520)에 의해 제공된 광학 신호의 1×N 분배를 제공하며 도 4의 파이버들(452)과 같은 광 파이버들로의 파이버 연결들을 통합한다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 특정 플래시램프 전구(520), 및 SMA 연결을 가진 7개의 파이버를 포함한 다채널 분배기(510)를 도시하지만, 보다 많거나 또는 보다 적은 파이버들이 가능하며 상이한 플래시램프 전구들 및 파이버 연결들이 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
이력적으로, 최고 신호 결합을 위해, 분배기(510)의 공통 단부는 플래시램프 전구(520)의 면에 가능한 한 가깝게 배치된다. 이것은 최고 전체 신호 결합 효율을 제공할 수 있지만, 파이버 번들(515) 및 램프 아크(518)의 상대적 크기는 각도 및 기하학적 크기 불일치로 인해 높은 채널-대-채널 비-균일성(도 6a 시스템 구성들(#1 및 #2) 참조)에 기여할 수 있다. 예를 들면, 번들(515)에 도시된 바와 같이 6각형 밀폐 패킹된 어레이로 설계된 400 마이크론 코어 파이버는 대략 1.35 mm의 직경을 갖는 반면, 램프 아크(518)의 공간 규모는 대략 1×2 mm 평정 직사각형 가우시안 프로파일이다. 더욱이, 플래시램프 전구의 각도 방출 프로파일 및 번들(515)의 개개의 파이버들의 수치 애퍼처는 종종 어울리지 않는다. 부분 최적화는 분배기(510) 및 램프(520) 사이에서의 거리(D1)를 선택적으로 변경함으로써 달성될 수 있다. 이러한 부분 최적화는 신호 레벨의 비용으로 이루어진다. 신호 레벨은 램프 출력을 증가시킴으로써 조정될 수 있지만 이것은 램프의 보다 짧은 수명을 촉진시키며 궁극적으로 바람직하지 않다. 실험은 개선된 균질화 및 채널-대-채널 비-균일성을 달성하기 위해 거리(D1)가 대략 0.0 내지 0.5 인치들의 범위 내에서 및 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.3 인치들의 범위로 설정될 수 있다.
도 5b는 제 1 유형의 균질 요소(530)의 포함을 도시한다. 구체적으로 요소(530)는 예를 들면, 단일- 또는 양-면 불투명 유리 확산기, 플라이-아이(fly-eye) 렌즈 어셈블리, 홀로그램 확산기, 마이크로렌즈 어레이 또는 볼륨 균질기들을 포함한 다른 이미징 또는 비-이미징 균질기일 수 있다. 균일 요소(530)는 또한 상당한 광이 산란될 수 있으며 상당한 거리들이 요소(530)로 하여금 적절히 기능하도록 허용하기 위해 요구될 수 있으므로 신호 레벨을 희생하고 부분 균질화를 제공한다. 실험은 예를 들면, 뉴저지, 뉴턴의 Thorlabs으로부터의, 불투명 유리 확산기들에 대해, 갭들(535 및 538)이 개선된 균질화 및 채널-대-채널 비-균일성을 달성하기 위해 대략 0.0 내지 0.5 인치들의 범위 내에서 및 보다 바람직하게는 각각 갭(535)에 대해 0.2 내지 0.3 인치들의 범위 및 갭(538)에 대해 0.0으로 설정될 수 있음을 나타낸다. 균질 요소 및 적절한 갭들의 적용은 최고 성능을 위한 중간-범위 전력 레벨들에서 램프를 동작시키는 것이 유리하므로 과도한 광이 이용 가능한 경우들에서 쉽게 적용 가능할 수 있으며 그러므로 효율은 중요하지 않을 수 있다.
도 5c는 분배기(510) 및 전구(520) 사이에서 통합된, 제 2 클래스의 균질 요소인, 광 파이프(540)를 도시한다. 광 파이프(540)는 균질 요소(530) 또는 갭(D1)을 포함하는 것과 상이하게 기능하며 신호 레벨의 제한된 손실로 균질화를 제공한다. 광 파이프(540)의 적절한 기능을 위해, 갭들(545 및 548)은 신중하게 제어되어야 하며 전구(520), 광 파이프(540) 및 분배기(510)의 동축 정렬이 광 파이프(540)의 적절한 채우기 및 균질화된 신호의 분배기(510)로의 가로챔을 위해 유지되어야 한다. 특정 실시예에서, 갭들(545 및 548)은 예를 들면, 뉴저지, 배링턴의 Edmund Optics로부터의 2mm 융합 실리카 광 파이프에 대해 개선된 균질화 및 채널-대-채널 비-균일성을 달성하기 위해 대략 0.0 내지 0.5 인차들의 범위 내에서 및 보다 바람직하게는 각각 갭(545)에 대해 0.05 내지 0.25 인치들의 범위 및 갭(548)에 대해 0.0으로 설정될 수 있다. 도 5a 내지 도 5c에 관련하여 여기에서 상기 논의된 균질화의 각각의 방법은 개선된 균질화를 제공하지만 선택적 사용 조건들이 광 손실의 균형을 유지하기 위해 고려되어야 한다는 것이 주의되어야 한다. 투과성 광학 요소들이 상기에서 논의되지만, 반사성 등가물들이 존재할 수 있으며 대체될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라 종래 기술의 시스템 및 플래시램프 및 광학 어셈블리의 성능을 비교하는 플롯들의 세트를 도시한다. 광학 신호 균질화는 각각의 개개의 채널 내에서의 변화 및 채널-대-채널 균일성 양쪽 모두에 직접 영향을 미친다. 파장-의존적 광학 신호가 복잡한 삼각 함수들을 통해 반사도 및 궁극적인 두께 측정을 시작하지만, 반사도 및/또는 두께 측정에서의 변화는 광학 신호들에서의 변화에 비례하는 것으로서 추정될 수 있다. 이들 플롯들은 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 플래시램프 전구 및 다채널 분배기 사이에서 통합된 변경된 유형들의 균질화 요소들의 적용으로 가능한 개선들을 도시한다. 구체적으로, 도 6a는 채널-대-채널 균일성의 플롯(620)을 도시하며 도 6b 및 도 6c는 참조를 하거나 참조 없이 변화의 계수("CV")에서의 채널-내 개선들을 보여준다. 도 6a의 상자 수염 차트는 종래 기술의 균질화되지 않은 인터페이스들(구성들(#1 및 #2)), 확산 균질 요소들(구성들(#3 및 #4)) 및 균질 광 파이프 요소들(구성들(#5 및 #6)) 중에서 채널-대-채널 균일성을 비교한다. 플롯(620)에 대한 값들은 7개의 개개의 채널들의 세트로부터의 파장-평균 신호들로부터 도출된다. 구성 #3은 보다 높은 신호 레벨들에 대한 보다 작은 갭들을 가진 확산 균질 요소를 나타내며 보다 열악한 균질화 및 그러므로 보다 낮은 채널-대-채널 균일성을 야기한다. 구성 #4는 최고의 균일성을 위해 최적화된 갭들을 가진 확산 균질 요소를 나타낸다. 구성 #5은 약간 너무 큰 분배기에 가까운 갭을 가진 광 파이프 균질 요소를 나타내며 구성 #6은 최적화된 갭들을 가진 광 파이프 균질 요소를 나타낸다. 실험들은 광 파이프 균질 요소가 본질적으로 플래시램프 전구의 표면 및 분배기로부터 대략 1 직경(~2mm)에 맞대어지도록 위치되어야 함을 표시한다. 광 파이프 직경 및 위치는 분배기에서의 파이버들의 전구 아크 크기, 수 및 직경 등과 같은 인자들에 의존할 것임이 이해되어야 한다.
도 6b는 종래 기술의 7 채널 시스템 광학 측정 시스템의 채널-내 및 교차-채널 성능의 플롯을 도시한다. 이러한 시스템에 대해, 6개의 채널들은 실제 측정을 위해 사용되며 제 7 채널은 신호 드리프트의 완화 및 다른 효과들을 위해 다른 채널들을 참조하기 위해 사용된다. 플롯(640)에서, 데이터의 7개의 채널들은 개별적으로(제일 왼쪽 7개의 바들에 의해 표시된) 및 그 후 참조를 위해 파장 분할에 의한 파장을 통해 쌍으로(컬럼들(A 내지 G)의 개개의 바들에 의해 표시된) 변화를 위해 분석된다. 제공된 CV(변화의 계수) 값들은 ~300 내지 700nm의 파장 범위에 걸쳐 평균된다. 개별적으로, 각각의 채널에 대한 변화는 ~0.75%이며 제 6 채널은 ~1.5%에서 훨씬 더 악화된다. 분해된 막 두께의 변화에 대한 광학 신호의 변화의 비례성을 고려할 때, 0.75%는 ~0.1% 변화를 요구하는 상기 논의된 요구된 1 옹스트롬 분해능의 결정을 지원하기에 불충분하다는 것이 이해될 수 있다. 동작의 편리함을 위해, 분배기로부터의 모든 출력들은 같지만 종래 기술의 경우에 이것은 관찰되지 않는다고 예상된다. 더욱이, 교차-채널 변화가 결정될 때(플롯(640)의 컬럼들(A 내지 G)), 모든 조합들에 대해, 참조가 광학 신호 드리프트의 완화를 도울 수 있지만, 광학 신호 변화 및 그러므로 두께 분해능은 부정적으로 영향을 받도록 변화가 사실상 증가되는 채널들 사이에서의 상관이 충분히 낮다는 것이 관찰된다.
도 6b의 데이터와 대조적으로, 최적화된 광 파이프 균질 요소를 포함한 본 발명의 시스템의 성능의 플롯(660)에 도시된 도 6c의 데이터는 마킹된 개선을 도시한다. 모든 채널-내 변화는 크게 감소되며 쌍을 이룬 교차-채널 변화가 유사하게 감소되고 몇몇 경우들에서 상관은 이제 참조가 드리프트를 제어할 뿐만 아니라 변화를 추가로 감소시키도록 허용하기 위해 충분히 높다.
도 7은 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 광학 측정 시스템과 함께 사용하기 위해 구성 가능한 플래시램프 제어 시스템(700)의 간략화된 전기적 개략도이다. 도 7은 플래시램프 제어 시스템(700)의 동작을 위해 요구된 1차 요소들을 나타낸다. 신호 조절 구성요소들, 필터 커패시터들, DC-DC 변환기들 등과 같은 흔히 알려지고 사용된 2차 요소들은 1차 요소들의 명료함을 위해 디스플레이되지 않는다. 개략도는 내부 및 외부 디지털 전자 수단에 의해, 개선된 동적으로 조정 가능한, 플래시램프 제어 시스템의 필수적인 구성요소들을 표시한다. 이것은 참조로서 여기에 포함된, 미국 특허 3780344에 도시된 바와 같이 고정된, 정적 종래 기술의 시스템들과 대조를 이룬다.
제어 시스템(700)은 도 4의 분광계(420)와 같은 내부 및 외부 구성요소들 양쪽 모두에 인터페이싱하는 것을 제공하는 구성 가능한 디지털 제어 전자 장치(710) 및 내부 고 전압 전원 공급 장치(720)를 포함한다. 플래시램프 제어 시스템(700)은 또한 임의의 수의 정적 커패시터들(730)(단지 하나가 간소함을 위해 도시된다) 및 임의의 수의 동적으로 전자적으로 스위칭 가능한 커패시터들(740)(단지 하나만이 간소함을 위해 도시된다)을 포함할 수 있다. 커패시터들(730 및 740)의 병렬 및 직렬 조합들이 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 정적 커패시터(730)는 커패시터의 충전 및 방전 및 예를 들면 적절하거나 또는 부적절한 램프 방전을 표시하기 위해 내부 및 외부 시스템들에 디지털 제어 전자 장치(710)를 통한 피드백을 제공하기 위해 정확한 또는 불완전한 동작을 검출하기 위해 사용될 수 있는 전류 감지 구성요소(735)와 직렬로 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 대표적인 실시예들에 따르면(도 7에 도시되지 않음), 부가적인 전류 감지 구성요소들이 임의의 부가적인 정적 또는 동적으로 전자적으로 스위칭 가능한 커패시터와 직렬로 연결될 수 있다.
임의의 동적으로 전자적으로 스위칭 가능한 커패시터(740)는 동적 커패시터(740)의 충전되지 않은 상태 동안 분리 스위치(745)를 스위칭함으로써 제어 시스템(700)으로부터 분리될 수 있다. 스위치(745)는 예를 들면, 여기에서 이하에 설명된 바와 같을 수 있다. 플래시램프 전구(750)는 커패시터들(730 및 740)과 병렬 배열로 연결된다. 플래시램프 전구(750)의 점화(firing)는 그에 의해 트리거 커패시터(760)를 방전시키며 플래시램프 전구(750)가 점화되게 하는 트리거링 트랜지스터(770)를 활성화시키는 디지털 제어 전자 장치(710)로부터의 신호에 의해 개시된다.
종래 기술의 참조들은 플래시전구를 트리거링하기 위한 다양한 상이한 스위치 구성들을 도시하지만, 스위치에 대한 제어 회로는 항상 유사하다. 본 발명의 대표적인 실시예들에 따르면, 플래시램프 디지털 제어 전자 장치의 통합은, 5개의 임계 영역들에서 플래시램프 성능 및 기능을 개선한다. 그것은 (1) 커패시터 재충전 시간(시스템 사이클 시간)을 감소시키고, (2) 플래시 대 플래시 강도 및 스펙트럼 안정성을 개선하고, (3) 시스템의 사용 가능한 동적 범위를 확장시키고, (4) 커패시터들의 동적 범위 및 램프 출력을 허용하며, (5) 램프 방전 결함 상태들에 대한 모니터링을 제공한다. 능동형 방전 커패시터 값 및 구성을 앎으로써, 디지털 제어 전자 장치(710)는 시스템 전력 제약들 내에서 가능한 한 빨리 커패시터들(730 및 740)을 충전하기 위해 최적의 전원 공급 구동 주파수 및 듀티 사이클을 산출한다. 종래 기술에서, 빠른 충전 시간의 통상적인 부작용은 열악한 플래시 강도 및 스펙트럼 안정성을 야기하는 고 전압 리플이다. 디지털 제어 전자 장치(710)의 구성 가능성은 커패시터들(730 및 740)의 충전 전압이 지정된 방전 전압에 가까워짐에 따라 구동 주파수 및 듀티 사이클을 동적으로 변경함으로써 이러한 부작용을 방지하며 고 전압 리플을 최소화한다. 이러한 개선된 제어 기법으로부터의 잔여 고 전압 리플 효과들은 고유한 전구 불안정성보다 상당히 더 낮아서, 플래시램프 불안정성의 원인으로서 고 전압 전원 공급 장치 리플을 제거한다. 그렇지만 시스템 동적 범위는 램프의 제한된 안정된 전압 동작 범위(통상적으로 이러한 유형의 램프에 대해 ~300V 내지 1kV)에 의한다. 디지털 제어 전자 장치(710)는 그것의 전압 규격 내에 램프를 유지하면서 시스템의 안정된 동작 동적 범위를 크게 확장시키기 위해 커패시터들을 동적으로 스위칭할 수 있다. 디지털 제어 전자 장치(710)가 동작 동안 시스템 전압들 및 전류들을 활발히 모니터링하므로, 그것은 전구 또는 시스템의 비정상적인 동작이 발생한다면 결함 통지들을 제공할 수 있다.
제어 시스템(700)의 부가적인 특징들은 개선된 성능 및 제어를 위한 고 전력, 고 전압 금속-산화물-반도체 전계-효과 트랜지스터("MOSFET") 디바이스로서 고 전압 전원 공급 장치(720)의 1차 측 스위치를 구성하는 것을 포함한다. 더욱이, 램프 트리거링 트랜지스터(770)는 고 전류, 고 전압 MOSFET 디바이스로서 구성된다. 이러한 특정 실시예는 종래의 실리콘-제어 정류기("SCR") 기반 회로들에 대한 개선된 트리거 펄스 제어를 제공한다. 동적 커패시터 스위칭은 고 전압 다이오드들 및 SCR들의 구성에 기초하여 스위치(745)에 의해 성취된다. 스위치(745)의 고유 토폴로지는 SCR 턴-온 시간들로 인해 방전 전류 파형에서의 왜곡을 제거한다. 커패시터들은 방전될 때 명목상 저-측 스위칭되며, 따라서 단지 충전 사이클 전류들만이 스위칭되어, 방전 전류 파형에 영향을 미치지 않는다.
디지털 제어 전자 장치(710)는 Altera 또는 Xilinx와 같은 필드-프로그램 가능한-게이트-어레이("FPGA"), Microchip으로부터의 "PIC" 시리즈 디바이스들과 같은 마이크로제어기 또는 Atmel로부터의 ARM 시리즈 디바이스들과 같은 내장된 마이크로프로세서를 사용함으로써 구현될 수 있다. 하나의 가능한 실시예에서, 디지털 제어 전자 장치(710)는 플래시-기반 Xilinx FPGA에서 구현된다. 이러한 특정 구현은 SRAM-기반 디바이스로부터 발생하는 부트 및 초기화 이슈들/지연을 제거함으로써 부가적인 이득들을 제공한다. 디지털 제어 전자 장치(710)에 의해 제공된 구성 가능성 및 피드백/제어 능력들은 아날로그 제어 시스템들의 이력적인 애플리케이션을 강하게 개선한다.
도 8a는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라 수정된 종래 기술의 시스템 및 플래시램프의 성능을 비교하는 플롯(800)을 도시한다. 플롯(800)은 데이터 간격에 비해 3개의 상이한 모드들의 동작에 대한 플래시램프의 동작을 위한 파장-평균 CV(200 내지 800 nm 스펙트럼 범위에 걸쳐 평균된 신호의 퍼센티지로서 변화의 계수)의 비교를 보여준다. 데이터는 플래시램프 동작의 유해 효과들이 가장 우세한 저 전력(커패시터 충전 전압들 ~350 내지 400V)에서의 동작을 위해 제공된다. 곡선(805)은 고정된 충전 레이트들 및 정적 고 전압 전원 공급 상태들을 가진 종래 기술의 시스템의 성능을 표시한 데이터의 기준 세트이다. 충전 회로의 열악한 성능은 전체의 높은 CV에서 그것의 결과들로서 명확하게 표시되며 데이터 간격으로서 곡선(805)에서의 상당한 구조가 증가되고 그에 의해 변화가 재충전 레이트와 상호 작용한다. 곡선(805)에서의 강한 구조는 몇몇 경우들에서 예상된 것보다 더 충전되며 다른 경우들에서 예상된 것보다 덜 충전되는 각각의 점화 사이에서 변화하는 커패시터의 충전 상태에서의 변화들에 기인한다. 이것은 구체적으로 ~25 및 45 밀리초 재충전 기간들 동안 주목할만하다. 곡선(810)은 도 7의 플래시램프 제어 시스템의 구현으로 달성된 현저하게 개선된 성능을 도시한다. 전체적으로 대략 0.25%로의 CV에서의 4배 내지 6배 개선이 있다. 이것은 도 3에 관련하여 이전에 여기에서 논의된 고 정밀도 및 정확도 측정들을 위한 매우 낮은 잡음 요건들을 지원한다. 부가적으로, 곡선(815)은 플래시램프의 배수 펄싱, 이 경우에 2x에 의해 제공된 부가적인 성능 이득들(디지털 제어 전자 장치(710)를 포함한 제어 시스템(700)에서의 개선들에 의해 가능해진)을 표시한다.
도 8b는 플래시램프 제어 시스템(700)의 커패시터 스위칭 및 배수 펄싱 개선들에 의해 제공된 확장된 동적 범위의 차트(840)를 도시한다. 차트(840)에서, 구동 에너지의 로그 베이스(10)는 커패시터들의 구성과 대조적으로 그려진다. 구동 에너지는 그것이 결정 가능한 효율 인자에 의한 광학 출력에 비례하므로 여기에서 사용된다. 도시된 예에서, 0.033 ㎌의 정적 소형 커패시터(C1)가 0.15 ㎌의 동적으로 스위칭 가능한 대형 커패시터(C2)와 함께 포함된다. 바(843)는 각각 2 mJ 및 16.5 mJ의 구동 에너지들에 대응하는 구동 전압 범위(350 내지 1000 V)에 걸친 커패시터(C1)에 대한 구동 에너지의 범위를 표시한다. 바(845)는 각각 11 mJ 및 91.5 mJ의 구동 에너지들에 대응하는 350에서 1000까지의 구동 충전 전압을 갖고 다시 램프를 구동하도록 스위칭-온된 커패시터들(C1 및 C2) 양쪽 모두를 표시한다. 바(850)는 183 mJ의 구동 에너지까지 2배 배수 펄싱을 갖고 램프를 구동하도록 스위칭-온된 커패시터들(C1 및 C2) 양쪽 모두를 표시한다. 통상적인 플래시램프 동작은 E = 0.5*C*V*V로서 광학 출력 스케일들뿐만 아니라 플래시램프 전구 및 구동 에너지의 적절한 여기를 위한 동작 특성들로 인해 350 내지 1000 볼트들의 전압 범위에 제한된다. 이들 제약들은 커패시터 크기에 관계없이, 12.25%에서 100%(~8x 범위)까지로 종래의 시스템들의 출력의 범위를 제한한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 개선된 플래시램프 제어 시스템에 의해 제공된 동적 스위칭 및 배수 펄싱 능력들에 대한 개선들은 악영향 없이 단일의 스위칭 가능한 커패시터의 포함하여 90x(183 mJ/2 mJ)를 초과하는 출력 범위들을 쉽게 허용한다. 종래 기술의 고정된 플래시램프에 대해, 설명된 예에서처럼 큰 비의 커패시터들을 사용한 충전 회로들이 소형 커패시터의 열악한 성능 및/또는 대형 커패시터의 느린 충전 시간들을 갖는 절충된 해결책을 야기할 것임이 주의되어야 한다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 분광계를 통해 광학 신호 측정과 동기화된 도 7의 플래시램프 제어 서브시스템의 배수 펄싱 기능에 의해 제공된 합성의 높은 동적 범위 신호의 구성을 상세히 열거한 플롯들의 세트를 도시한다. 배수 펄싱은 플래시 주기적 방전마다 고정된 에너지의 정상 상태 성능 및 온도를 유지하면서 플래시램프 시스템의 출력 신호 레벨에서의 유효 변화들을 허용한다. 상기 논의된 바와 같이, 샷-대-샷 변화가 매우 작으므로 및 가변 구동 전압들이 사용되지 않으므로, 각각의 출력은 거의 동일하며; 분광계 및 측정 제어 시스템과 협력하여 상이하게 배수 펄싱된 신호들을 조합하는 것은 감소된 CV를 가진 합성의 높은 동적 범위 신호를 야기한다. 도 9a는 각각 1x 및 4x 펄싱의 플래시 배수들로부터의 대표적인 신호들(907 및 910)의 플롯(905)을 도시한다. 도 9b는 각각 1x 및 4X 펄싱으로부터의 대표적인 신호들(907 및 910)의 CV들(917 및 920)의 플롯(915)을 도시한다. 4x 배수 펄싱 신호로부터의 CV 및 신호는 1x 펄싱 경우로부터의 CV에 비해 개선되지만, 원래 신호의 특정한 부분들은 포화되고 CV의 대응 부분들은 확실하지 않으며 그러므로 전체로서 스펙트럼은 측정을 위해 유용하지 않다. 그러나, 신호(907) 및 CV(917)의 대응 부분들은 분광계 및 플래시램프 및 내부 플래시램프 제어 사이에서의 동기화에 의해 이용 가능해진다.
도 9c는 스펙트럼들(907 및 910)을 도 9d에 도시된 새로운 보다 낮은 CV 및 보다 높은 동적 범위 신호로 조합하기 위해 사용된 스펙트럼 마스크의 플롯(925)을 도시한다. 입체 곡선(927)은 파장 의존적 마스크 값이며 플롯(925)의 음영 부분들은 배수 펄싱 신호(910)가 포화되는 스펙트럼 영역들을 표시한다. 마스크를 사용하기 위해, 스펙트럼(907)은 마스크로 곱하여지며 스펙트럼(910)은 마스크의 부가적인 보완 값(1-마스크)으로 곱하여진다. 도 9d는 결과적인 보다 높은 동적 범위 스펙트럼(935)의 플롯(930)을 도시하며 도 9e는 스플라이싱된 스펙트럼들에 대한 결과적인 CV(945)의 플롯(940)을 도시한다. 도 9b에 도 9e를 비교하면, 감소된 CV에 의해 표시된 바와 같이 대략 2배의 개선이 관찰될 수 있다.
도 10은 본 발명의 대표적인 실시예에 따라, 광학 측정 시스템과 함께 사용하기 위해 구성 가능한 스펙트럼 평탄화 필터의 부가의 성능의 플롯(1000)을 도시한다. 평탄화되지 않은 신호(1010) 및 평탄화된 신호(1020)의 비교에 의해 보여지는 바와 같이, 스펙트럼 평탄화는 통상적으로 신호 레벨들을 심하게 감소시킨다. 크세논 플래시램프의 출력의 복잡한 스펙트럼 구조는 특히 평탄화하기 어려우며 특정한 파장들에서 신호 레벨에서의 대략 10배의 감소를 야기한다. 이러한 매우 상당한 양의 신호는 필터를 통한 투과에 의해 손실되지만, 평탄화된 신호는 분광계와 같은 광학 측정 디바이스의 검출 능력들에 스펙트럼 신호를 보다 균일하게 매칭시킴으로써 많은 파장들에서 광학 측정 시스템의 동적 범위에서의 동일한 증가를 제공한다. 도 7의 플래시램프 제어 시스템에 의해 제공된 배수 펄싱 능력들은 유리하게는 플래시램프들에 대한 과도한 구동 전력들을 요구하지 않고 유용한 신호 레벨들을 회복시키기 위해 이용될 수 있다.
상기 설명된 변화들, 및 기타들은 그것의 범위로부터 벗어나지 않고 여기에 설명된 광학 측정 시스템들 및 서브시스템들에서 이루어질 수 있다. 예를 들면, 특정한 예들이 반도체 웨이퍼 프로세싱 장비에 관련하여 설명되지만, 여기에서 설명된 광학 측정 시스템들은 롤-투-롤 박막 프로세싱, 태양 전지 제작 또는 고 정밀도 광학 측정이 요구될 수 있는 임의의 애플리케이션과 같은 다른 유형들의 프로세싱 장비에 적응될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 더욱이, 여기에 논의된 특정한 실시예들은 이미징 분광기와 같은, 공통 광 분석 디바이스의 사용을 설명하지만, 알려진 상대적 민감도를 가진 다수의 광 분석 디바이스들이 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 용어("웨이퍼")는 현재 발명의 양상들을 설명할 때 여기에서 사용되었지만, 석영 판들, 위상 시프트 마스크들, LED 기판들 및 다른 비-반도체 프로세싱 관련 기판들과 같은 다른 유형들의 워크피스들 및 고체, 기체 및 액체 워크피스들을 포함한 워크피스들이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
여기에서 설명된 대표적인 실시예들은 본 발명 및 실질적인 애플리케이션의 원리들을 가장 잘 설명하기 위해, 및 이 기술 분야의 숙련자들로 하여금 고려된 특정 사용에 적합한 것으로서 다양한 수정들을 가진 다양한 실시예들을 위한 발명을 이해할 수 있게 하기 위해 선택되고 설명되었다. 여기에서 설명된 특정한 실시예들은 그것이 본 발명의 범위 및 의도로부터 벗어나지 않고 다양한 변화들 및 환경들에서 실시될 수 있으므로 본 발명의 범위를 제한하도록 결코 의도되지 않는다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예에 제한되도록 의도되지 않으며, 여기에 설명된 원리들 및 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 부합될 것이다.
도면들에서의 흐름도 및 블록도들은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 시스템들, 방법들 및 컴퓨터 프로그램 제품들의 가능한 구현들의 아키텍처, 기능, 및 동작을 예시한다. 이것과 관련하여, 흐름도 또는 블록도들에서의 각각의 블록은 특정된 논리 기능(들)을 구현하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 지시들을 포함하는 모듈, 세그먼트, 또는 코드의 부분을 표현할 수 있다. 몇몇 대안적인 구현들에서, 블록에서 주지된 기능들은 도면들에서 주지된 순서 외로 발생할 수 있다는 것이 또한 주의되어야 한다. 예를 들면, 연속하여 도시된 두 개의 블록들은 사실상 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나, 또는 블록들은 때때로 수반된 기능에 의존하여, 역순으로 실행될 수 있다. 블록도들 및/또는 흐름도 예시의 각각의 블록, 및 블록도들 및/또는 흐름도 예시에서의 블록들의 조합들은 특정된 기능들 또는 동작들을 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템들, 또는 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 지시들의 조합들에 의해 구현될 수 있다는 것이 또한 주의될 것이다.
여기에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것이며 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다. 여기에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들("a", "an" 및 "the")은 문맥이 달리 명확하게 표시하지 않는다면, 또한 복수 형태들을 포함하도록 의도된다. 용어들("포함하다" 및/또는 "포함하는")은 본 명세서에서 사용될 때, 서술된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 구성요소들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성요소들, 및/또는 그것의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것이 추가로 이해될 것이다.
이 기술분야의 숙련자에 의해 이해될 바와 같이, 본 발명은 방법, 시스템, 또는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구체화될 수 있다. 따라서, 본 발명은 전체적으로 하드웨어 실시예, 전체적으로 소프트웨어 실시예(펌웨어, 내장 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함한) 또는 모두 여기에서 일반적으로 "회로" 또는 "모듈"로서 불리우는 소프트웨어 및 하드웨어 양상들을 조합한 실시예의 형태를 취할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 매체에 구체화된 컴퓨터-사용 가능한 프로그램 코드를 가진 컴퓨터-사용 가능한 저장 매체상에서의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다.
본 출원이 관련되는 이 기술분야의 숙련자들은 다른 및 추가 부가들, 삭제들, 대체들 및 수정들이 설명된 실시예들에 대해 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
100: 광학 측정 시스템 400: 시스템
410: 프로세싱 챔버 412: 웨이퍼
414: 플라즈마 볼륨 420: 분광계
422: 상호 연결 450: 플래시램프
452: 파이버 457: 광학 빔
459: 신호 광 파이버 460: 측정 제어 시스템
470: 툴 제어 시스템 485: 링크
510: 다채널 분배기 515: 파이버 번들
518: 램프 아크 520: 플래시램프 전구
530: 균질 요소 535, 538: 갭
540: 광 파이프 545, 548: 갭
710: 디지털 제어 전자 장치 720: 고 전압 전원 공급 장치
730: 정적 커패시터 735: 전류 감지 구성요소
740: 커패시터 745: 분리 스위치
750: 플래시램프 전구 760: 트리거 커패시터
770: 트리거링 트랜지스터

Claims (17)

  1. 플래시램프 제어 시스템에 있어서:
    고 전압 전원 공급 장치;
    상기 고 전압 전원 공급 장치에 의해 전기적으로 충전된 적어도 하나의 커패시터로서, 충전 전압 및 지정된 방전 전압을 갖는, 상기 적어도 하나의 커패시터;
    상기 적어도 하나의 커패시터의 충전 전압이 지정된 방전 전압에 300V 내지 1kV이하의 범위에서 근접함에 따라 상기 고 전압 전원 공급 장치의 구동 주파수 및 듀티 사이클을 동적으로 변화시킴으로써 상기 적어도 하나의 커패시터의 충전을 제어하는 디지털 제어 전자 장치;
    상기 디지털 제어 전자 장치에 의해 제어되는 트리거 요소; 및
    광학 신호를 공급하기 위해 상기 고 전압 전원 공급 장치에 전기적으로 연결된 플래시램프 전구를 포함하는, 플래시램프 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 제어 전자 장치는 상기 플래시램프 전구의 재충전 레이트, 에너지 레벨 설정 및 배수 펄싱을 제어하는, 플래시램프 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 커패시터는 동적으로 스위칭가능한 커패시터이고,
    상기 플래시램프 제어 시스템은, 상기 동적으로 스위칭가능한 커패시터 및 상기 디지털 제어 전자 장치에 전기적으로 연결된 분리 스위치를 더 포함하고,
    상기 디지털 제어 전자 장치는 상기 분리 스위치의 작동을 제어하는, 플래시램프 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 디지털 제어 전자 장치는 상기 동적으로 스위칭가능한 커패시터의 방전된 상태를 식별하고 상기 분리 스위치에 상기 분리 스위치를 전기적으로 스위칭하기 위한 신호를 전송하여, 상기 동적으로 스위칭가능한 커패시터의 방전된 상태동안 상기 동적으로 스위칭가능한 커패시터를 분리하는, 플래시램프 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 동적으로 스위칭가능한 커패시터가 방전될 때, 충전 사이클 전류만이 분리된 동적으로 스위칭가능한 커패시터로 스위칭되는, 플래시램프 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 동적으로 스위칭가능한 커패시터의 충전 전류 및 방전 전류 중 적어도 하나를 모니터링하기 위해 상기 동적으로 스위칭가능한 커패시터에 전기적으로 연결된 전류 감지 요소를 더 포함하고, 상기 전류 감지 요소는 또한 상기 디지털 제어 전자 장치에 전기적으로 연결되어 상기 동적으로 스위칭가능한 커패시터의 모니터링된 충전 전류 및 방전 전류 중 적어도 하나를 감지하는, 플래시램프 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 신호의 변화의 계수를 시간적 및 광학적으로 감소시킴으로써 상기 광학 신호를 조정하기 위한, 상기 플래시램프 전구에 근접하게 위치한 균질 요소를 더 포함하는, 플래시램프 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 균질 요소는 미리 결정된 공기 갭, 확산 균질 요소들, 이미징 요소들, 비-이미징 요소들, 및 광 파이프 균일 요소들로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 플래시램프 제어 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 조정된 광학 신호의 변화의 계수는 0.25% 이하인, 플래시램프 제어 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    제 1 미리결정된 플래시 곱셈기 또는 에너지에서 획득된 제 1 스펙트럼에서의 제 1 파장 값들을 마스킹하는 스펙트럼 마스크; 및
    합성의 스펙트럼 신호를 구성하기 위해 상기 제 1 파장 값들이 마스킹된 제 1 스펙트럼을 상기 스펙트럼 마스크를 이용해 제 2 미리결정된 플래시 곱셈기 또는 에너지에서 획득된 제 2 스펙트럼과 조합하는 스펙트럼 스플라이서를 더 포함하는, 플래시램프 제어 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 제어 전자 장치는 상기 적어도 하나의 커패시터의 전류를 충전 또는 방전하는 것에 대응하는 피드백 제어 신호를 수신하는 감지 인터페이스를 포함하는, 플래시램프 제어 시스템.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 동적으로 스위칭가능한 커패시터는 상기 플래시램프 전구와 병렬로 연결된, 플래시램프 제어 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 디지털 제어 전자 장치는 상기 피드백 제어 신호에 기초하여 상기 고 전압 전원 공급 장치에 대한 구동 주파수, 펄스 폭, 및 듀티 사이클을 결정하는, 플래시램프 제어 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 제어 전자 장치는 또한 상기 플래시램프 전구의 방전 결함을 결정하는, 플래시램프 제어 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 제어 전자 장치는 또한 상기 플래시램프 전구의 작동을 동적으로 모니터링하는, 플래시램프 제어 시스템.
  16. 디지털 제어 전자 장치를 이용하는 플래시램프 전구를 제어하는 방법에 있어서,
    고 전압 전원 공급 장치와 플래시램프 전구 사이에 전기적으로 연결된, 커패시터의 충전 전압이 지정된 방전 전압에 300V 내지 1kV이하의 범위에서 근접함에 따라 고 전압 전원 공급 장치의 구동 주파수 및 듀티 사이클을 동적으로 변화시키는 단계;
    상기 고 전압 전원 공급 장치의 구동 주파수 및 듀티 사이클에 기초하여 상기 디지털 제어 전자 장치에 의해 상기 고 전압 전원 공급 장치에서 복수의 전류 펄스들을 생성하는 단계; 및
    상기 고 전압 전원 공급 장치로부터의 상기 복수의 전류 펄스들을 이용하여 상기 커패시터를 충전하는 단계를 포함하는, 플래시램프 전구를 제어하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 전류 펄스들을 생성하는 단계는 또한, 상기 플래시램프 전구의 재충전 레이트, 에너지 레벨 설정 및 배수 펄싱에 기초하는, 플래시램프 전구를 제어하는 방법.
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