KR102090057B1

KR102090057B1 - 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 tof ms 가스질량분석 모니터링 시스템

Info

Publication number: KR102090057B1
Application number: KR1020170169018A
Authority: KR
Inventors: 윤석래; 조성권; 박원영; 이주훈
Original assignee: 주식회사 이엘
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2020-03-17
Also published as: KR20190068836A

Abstract

본 발명은 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 모니터링 전용으로 사용하여 반도체 공정 중 가스공정을 균일하게 관리하기 위한 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS 가스질량분석 모니터링 시스템에 관한 것이다.

Description

반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS 가스질량분석 모니터링 시스템{TOF MS gas mass analysis monitoring system for semiconductor process chamber and gas line}

일반적으로 반도체 장치는 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼 상에 전기적인 회로를 형성하는 FAB(fabrication) 공정과, FAB 공정에서 형성된 반도체 장치들의 전기적인 특성을 검사하는 EDS(electrical die sorting) 공정과, 반도체 장치들을 각각 에폭시 수지로 봉지하고 개별화시키기 위한 패키지 조립 공정을 통해 제조된다.

FAB 공정에서는 기판 상에 실리콘 산화층, 폴리실리콘층, 알루미늄층, 구리층 등과 같은 다양한 층들이 화학 기상 증착(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착(physical vapor deposition), 열 산화(thermal oxidation), 이온 주입(ion implantation), 이온 확산(ion diffusion) 등과 같은 공정 들을 통해 형성된다.

이와 같이 형성된 층들은 플라즈마 상태의 반응 물질이나 에쳔트를 사용하는 식각 공정을 통해 전기적 특성을 갖는 패턴들로 형성될 수 있다.

이러한 FAB 공정에서는 공정이 정상적으로 진행되고 있는지, 또 공정 챔버 내에 누설이 있는지, 또 공정을 어느 시점에서 공정을 종료하는 것이 좋을 지 등의 여부를 감시하거나 결정하기 위해 공정 챔버에서 배기되는 가스를 모니터링 하는 장치가 사용되기도 한다.

즉, 공정 챔버에서 배기되는 가스의 종류나 농도의 변화를 실시간으로 모니터링하여 공정의 진행 상황 및 공정 장비의 상태를 유추 해석할 수 있으며, 그 결과에 따라 최적의 공정이 이루어지도록 공정 장비를 제어하거나 유지 보수 할 수 있다.

이러한 가스 모니터링 장치의 예는 미국등록특허 제7,019,829호(2006년03월28일)에 개시되어 있다. 개시된 장치는 이른바 광학 방출 분광법(optical emission spectroscopy)을 이용한다. 개시된 장치는 공정 챔버에 연결된 가스 배기 라인 상에 설치되는 여기 챔버(exciting chamber)를 구비하고, 여기 챔버에는 RF 전원(Radio Frequency Supply)과 디텍터(Detector)가 연결된다. RF 전원에서 여기 챔버로 고주파 에너지가 공급되면 여기 챔버의 내부에서는 유도결합 방식으로 플라즈마가 형성되고, 디텍터는 플라즈마로부터 전달되는 광을 분광하여 분광된 신호를 제어부로 전송한다. 그러면 제어부는 전송된 스펙트럼에 관한 정보를 분석하여 공정 챔버의 제어에 필요한 신호를 생성하게 된다.

그러나, 상기 종래의 가스 모니터링 장치에서는 플라즈마를 생성하는 방식으로 유도결합방식을 이용하기 때문에 다음과 같은 문제점을 가진다. 먼저 유도결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 장치는 고가이므로 이를 마련하고, 유지 보수하는데 있어 경제적인 부담이 따르며, 또 일반적으로 저압 환경(대략 7 Torr 이하)에서만 제대로 동작하므로 이보다 높은 압력 하에서 진행되는 공정에 대해서는 적용할 수 없는 한계가 있다.

또한 유도결합형 플라즈마 장치에서는 플라즈마를 안정되게 발생시키기 위해 임피던스를 조절할 필요가 있는데, 임피던스 매칭 문제로 인해 실시간으로 변화되는 가스의 성분을 분석하는데 있어 응답성 및 재현성이 떨어지는 문제점을 가지므로 실제 반도체 공정에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 또 다른 종래기술들을 살펴 보면, 한국공개특허 특2003-0069271(2003년08월27일)에 다수의 소스 가스들로부터 적정의 조성비에 따른 혼합 가스를 공급하는 가스 공급 시스템과, 상기 혼합 가스를 사용하는 공정 챔버 사이에 구비되는 혼합 가스 모니터링 시스템에 있어서: 상기 가스 공급 시스템과 상기 공정 챔버 사이의 가스 공급 통로에 구비되고, IR(Infrared) 레이저를 출력하는 IR 광원부와; 상기 IR 광원부로부터 상기 IR 레이저를 받아서, 상기 가스 공급 시스템으로부터 공급되는 혼합 가스에 대한 검출 정보를 출력하는 IR 검출부 및; 상기 IR 검출부로부터 상기 검출 정보를 받아들이고, 상기 검출 정보로부터 상기 공급되는 혼합 가스 조성비를 판별하여, 상기 공정 챔버에 적합한 혼합 가스 조성비가 아니면 상기 가스 공급 시스템으로 상기 혼합 가스의 조성비를 재조정하여 공급하도록 하는 모니터링 장치를 포함하는 혼합 가스 모니터링 시스템으로서, 상기 IR 광원부 및 상기 IR 검출부는 FT-IR(Fourier Transform-Infrared Spectrometry) 방식으로 구비되는 것을 특징으로 하는 혼합 가스 모니터링 시스템이 공지되어 있다.

또한, 한국등록특허 10-0457036(2004년11월03일)에 공급되는 가스에 적외선(Infrared)을 주사함으로서 얻어지는 스펙트럼을 분석함으로서 상기 가스에 포함된 액체불순물의 양을 분석할 수 있는 푸리에 변환 적외 분광 광도계(Fourier transform infrared spectrophotometer); 상기 푸리에 변환 적외 분광 광도계 내부에 표준용 불화수소를 공급할 수 있는 불화수소 공급수단; 및 상기 푸리에 변환 적외 분광 광도계 내부에 분석용 텅스텐플루라이드가스를 공급할 수 있는 텅스텐플루라이드가스공급수단; 을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체장치 제조용 가스분석설비가 공지되어 있다.

또한, 한국공개특허 10-2008-0101968(2008년11월24일)에 공정 챔버에 연결된 가스 배출 라인 상에 설치되는 가스 모니터링 장치에 있어서, 상기 가스 배출 라인과 연결되고, 일측에 뷰포트가 설치된 모니터링 챔버;와 마이크로파를 발생하는 안테나를 가지는 마이크로파 발생부와, 상기 마이크로파 발생부에서 발생된 에너지를 통해 상기 모니터링 챔버에서 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부를 구비하는 플라즈마 발생장치;와 상기 뷰포트를 통해 방출되는 광을 전달받아 광 스펙트럼에 관한 전기적 신호를 생성하는 분광계;와 상기 분광계로부터 얻은 스펙트럼들에 대한 데이터를 분석하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 모니터링 장치가 공지되어 있다.

또한, 한국등록특허 10-1570552(2015년11월13일)에 반도체 플라즈마 처리 장치에서 기판 아킹 (arching) 을 검출하기 위한 방법으로서, 플라즈마 처리 장치의 반응 챔버 내의 기판 지지부 상에 기판을 위치시키는 단계; 상기 반응 챔버에 처리 가스를 도입하는 단계; 상기 처리 가스로부터 플라즈마를 생성하는 단계; 상기 플라즈마에 의해 상기 기판을 처리하는 단계; 플라즈마 처리 동안 상기 반응 챔버에서 생성된 선택 가스종들 (selected gas species) 의 실시간 질량 분석(spectrometry) 신호들의 강도들을 모니터링하는 단계로서, 상기 선택 가스종들은 기판 아킹 이벤트에 의해 생성되는, 상기 모니터링하는 단계; 및 상기 강도들이 임계값을 넘는 경우 상기 기판 아킹 이벤트를 검출하는 단계를 포함하는, 기판 아킹 검출 방법으로서, 상기 실시간 질량 분석 신호들의 강도들을 모니터링하는 단계는, 잔류 가스 분석기 (RGA) 질량 분석기에 의해 수행되는, 기판 아킹 검출 방법이 공지되어 있다.

그러나, 상기 종래기술들은 모두 FT-IR 분광계 또는 RGA 잔류가스질량분석기에 의하여 가스를 분석하기 위한 것으로 분석정밀도가 만족스럽지 못하며, 이벤트 발생시 그 발생내용을 알 수 없을 뿐만 아니라, 이벤트 발생시 선택적으로 특정가스의 질량을 모니터링할 수 없는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 상래 종래기술들을 해결하고자 연구 노력한 결과, TOF MS를 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 모니터링 전용으로 사용하여 반도체 공정 중 가스공정을 균일하게 관리할 수 있는 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS 가스질량분석 모니터링 시스템을 개발하고 본 발명을 완성하였다.

미국등록특허 제7,019,829호(2006년03월28일) 한국공개특허 특2003-0069271(2003년08월27일) 한국등록특허 10-0457036(2004년11월03일) 한국공개특허 10-2008-0101968(2008년11월24일) 한국등록특허 10-1570552(2015년11월13일)

본 발명은 상기 종래 문제점들을 해결하기 위하여, TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 모니터링 전용으로 사용하여 반도체 공정 중 가스공정을 균일하게 관리하기 위한 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 반도체 공정 챔버 및 가스라인에 설치하여 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 가스를 실시간으로 질량분석하고, 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프를 스캔하여 컴퓨터 디스플레이 화면으로 출력함으로써 반도체 공정 중 가스공정을 균일하게 관리할 수 있는 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템은 상기 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프 상부에 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프를 동시에 스캔 출력하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 스캔 출력된 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프의 원하는 위치에 커서를 위치시키면 해당 위치의 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프를 스캔 출력하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프 스캔 출력시 전체구간을 스캔 출력하지 않고 원하는 질량 구간만을 설정하여 스캔 출력하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

본 발명의 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템은 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 모니터링 전용으로 사용하여 반도체 공정 중 가스공정을 균일하게 관리할 수 있는 유리한 효과가 있을 뿐만 아니라, 측정 장비의 국산화를 통해 수입 대체 및 수출 증대 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프
도 2는 본 발명의 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프 및 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프
도 3은 본 발명의 원하는 질량 구간 선택 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프
도 4는 일반적인 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 구성 개념도

본 발명은, TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 반도체 공정 챔버 및 가스라인에 설치하여 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 가스를 실시간으로 질량분석하고, 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프를 스캔하여 컴퓨터 디스플레이 화면으로 출력함으로써 반도체 공정 중 가스공정을 균일하게 관리할 수 있는 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템은 상기 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프 상부에 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프를 동시에 스캔 출력하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 스캔 출력된 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프의 원하는 위치에 커서를 위치시키면 해당 위치의 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프를 스캔 출력하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프 스캔 출력시 전체구간을 스캔 출력하지 않고 원하는 질량 구간만을 설정하여 스캔 출력하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 도면에 한정되지 않는다.

먼저, 본 발명에서, 반도체 공정 챔버 및 가스라인에는 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 설치하여 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 가스를 실시간으로 질량분석하도록 구성된다.

즉, 상기 TOF MS는 [도 5]에 도시한 바와 같이, 반도체 공정 챔버와 연결되는 가스라인에 설치된다.

일반적으로 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)는 이온화된 이온들의 비행시간을 이용하여 질량을 분석할 수 있는 기기로서, [도 4]는 이온 소스(1), 비행시간 분석기(2), 검출기(detector)/신호 증폭기(signal amplifier)(3) 및 기록 및 출력수단(4)을 가지는 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 나타내고 있다.

특히, 기기분석에서 TOF/MS는 2000년 후반들어 식품에서 농약성분 검출에 응용하기 시작한 최신장비로서 정량과 정성이 동시에 가능한 고감도의 기기다(Garcia-Reyes et al,2007). 또한 물질의 질량범위를 넓게 살펴볼 수 있어 한 번의 기기분석으로 수백 종의 농약을 검출해낼 수 있는 장점이 있으며(Leandro et al, 2007), LC-TOF/MS로 식품에서 잔류농약분석의 가능성을 보여주었다(Garcia-Reyes et al,2007). 같은 해에 이유식, 배, 상추에서 GC-TOF/MS를 이용하여 99종의 농약성분에서 좋은 회수율을 얻었고(Leandro et al, 2007), 와인과 포도에서 135종의 농약성분을 1개 샘플당 40분 내에 분석한 결과를 얻어내기도 하였다(Dasguptaet al, 2011). TOF/MS를 이용한 기기분석은 물질의 정확한 질량을 찾아낼 수 있어 환경, 식품, 독성학분야에서 널리 사용되고 있다.

이러한, TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)는 널리 사용되고 있는 질량분석장치로서 상세한 설명은 생략한다.

다만, 본 발명에서는 상기와 같은 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 반도체 공정 챔버 및 가스라인에 설치하여 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 가스를 실시간으로 질량분석하도록 전용으로 시스템을 구성하는 것이 핵심적 특징이다.

즉, 본 발명은 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 반도체 공정 챔버 및 가스라인에 설치하여 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 가스를 실시간으로 질량분석하고, 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프를 스캔하여 컴퓨터 디스플레이 화면으로 출력함으로써 반도체 공정 중 가스공정을 균일하게 관리할 수 있는 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템을 구성의 특징으로 한다.

[도 1]에 도시한 바와 같이, 본 발명의 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템은 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프를 스캔하여 컴퓨터 디스플레이 화면으로 출력한다.

이와 동시에 상기 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템은 상기 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프 상부에 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프를 동시에 스캔 출력할 수도 있다.

그러나, 반도체 공정은 측정 되는 data의 양이 많아 오랜 시간 지속 측정 불가능하므로 예를들어 새로운 챔버 설치 후 정상 작동 여부 확인, 불량 제품 생산 시 가스상 변화를 짧은 시간간격으로 모니터링 하면서 전체 mass scan data를 활용하여 공정 파악하는 것이 필요하다.

따라서, 측정 종료 후 상기 스캔 출력된 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프의 원하는 위치에 커서를 위치시키면 해당 위치의 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프를 스캔 출력하는 것이 바람직하다.

즉, [도 2]에 도시한 바와 같이, 측정 종료 후 커서(노란색 라인)를 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프의 원하는 위치에 놓으면 상단에 그 시점의 full mass scan data 확인이 가능하다.

한편, TOF의 측정 장비 특성 상 측정 data의 생성량이 많아 Full mass scan을 장시간 저장하기 어려우므로, [도 3]에 도시한 바와 같이, 상기 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프 스캔 출력시 전체구간을 스캔 출력하지 않고 원하는 질량 구간만을 설정하여 스캔 출력하는 것이 바람직하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 이온 소스
2 : 비행시간 분석기
3 : 검출기(detector)/신호 증폭기(signal amplifier)
4 : 기록 및 출력수단(4)

Claims

TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer)를 반도체 공정 챔버 및 가스라인에 설치하여 반도체 공정의 챔버와 가스 라인의 가스를 실시간으로 질량분석하고, 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프를 스캔하여 컴퓨터 디스플레이 화면으로 출력함으로써 반도체 공정 중 가스공정을 균일하게 관리할 수 있도록 구성되되,
상기 컴퓨터 디스플레이 화면은 상기 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프 상부에 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프를 동시에 스캔 출력하고,
상기 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프 스캔 출력시 전체구간을 스캔 출력하지 않고 원하는 질량 구간만을 설정하여 스캔 출력하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템
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제1항에 있어서,
상기 스캔 출력된 가스성분별 이온 스펙트럼 데이타(multi ion spectrum data) 그래프의 원하는 위치에 커서를 위치시키면 해당 위치의 전체 질량분석스펙트럼 데이타(full mass spectrum data) 그래프를 스캔 출력하는 것을 특징으로 하는 반도체 공정 챔버 및 가스라인의 가스분석을 위한 TOF MS(Time-of-flight mass spectrometer) 가스질량분석 모니터링 시스템
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