KR102159932B1

KR102159932B1 - 마이크로파 플라즈마 소스

Info

Publication number: KR102159932B1
Application number: KR1020190030056A
Authority: KR
Inventors: 마크 에이. 멜로니
Original assignee: 베러티 인스트루먼트, 인코퍼레이티드
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-09-29
Also published as: JP6739566B2; KR20200001970A; JP2020004701A; TW202002723A; CN110662339B; CN110662339A; TWI721373B

Abstract

본 개시는 플라즈마의 여기를 위한 플라즈마 소스 및 여기 시스템, 및 광학 모니터링 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 플라즈마 소스는: (1) 내부 길이를 갖고, 제 1 단부, 제 2 단부, 내부 전극 및 외부 전극을 포함하는 동축 공진 캐비티 바디, (2) 내부 길이를 따라 고정된 위치에서 내부 및 외부 전극들에 전기적으로 결합되고 무선 주파수 신호를 동축 공진 캐비티 바디에 제공하도록 구성된 무선 주파수 신호 인터페이스, (3) 동축 공진 캐비티 바디의 제 1 단부에 배치된 윈도우, 및 (4) 동축 공진 캐비티 바디의 제 1 단부에서 윈도우에 인접하게 위치되고 플라즈마 캐비티를 규정하는 장착 플랜지를 포함하고, 윈도우는 플라즈마 캐비티의 한 면을 형성하고 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마로부터 동축 공진 캐비티 바디를 격리시킨다.

Description

마이크로파 플라즈마 소스{MICROWAVE PLASMA SOURCE}

본 출원은 2018년 6월 28일자로 Mark A. Meloni에 의해 "마이크로파 플라즈마 소스(MICROWAVE PLASMA SOURCE)"라는 제목으로 출원된 미국 특허 출원 제16/022,389호의 일부 계속 출원이고, 이는 2017년 7월 10일자로 Mark A. Meloni에 의해 "마이크로파 플라즈마 소스(MICROWAVE PLASMA SOURCE)"라는 제목으로 출원된 미국 가출원 일련번호 제62/530,589에 대한 이익을 주장하고, 이들 양자 모두는 본 출원과 공통으로 양도되었고, 그 전체가 본원에 참고로 인용된다.

본 출원은 일반적으로 반도체 프로세스를 모니터링하는 것에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 프로세스 가스의 마이크로파 여기 및 결과적인 광 신호들의 관측을 통한 프로세스들의 광학 모니터링에 관한 것이다.

집적 회로 구조물을 형성하기 위해 반도체 웨이퍼로부터 재료를 선택적으로 제거 또는 증착하는 것은 반도체 공정 분야에서 잘 알려져 있다. 반도체 웨이퍼로부터 물질을 제거하는 것은 일반적으로 반응성 이온 에칭 또는 플라즈마 에칭과 같은 에칭 프로세스를 사용함으로써 달성된다. 웨이퍼 상에 재료의 증착은 화학적 및 물리적 기상 증착 및 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy)와 같은 공정을 수반할 수 있다. 다른 제거 및 증착 공정 또한 공지되어있다. 이러한 공정은 정밀하게 제어되고 규제된 공정 챔버들에서 수행된다.

정확한 양의 재료가 반도체 웨이퍼 상에 증착되거나 반도체 웨이퍼로부터 제거되어야하기 때문에, 프로세스들이 지속적으로 정확하게 모니터링되어 특정 공정 및 관련 웨이퍼의 상태를 정확하게 결정해야한다. 프로세스의 광학 모니터링은 진행중인 프로세스의 상태를 확인하는 데 매우 유용한 도구 중 하나이다. 예를 들어, 공정 챔버 내부의 여기된 가스들은 광학적으로 모니터링되고, 여기된 가스로부터 형성된 플라즈마로부터 방출된 광의 미리 결정된 파장들을 스펙트럼적으로 분석함으로써 소정의 공지된 화합물에 대해 검토될 수 있다. 기존의 광학 모니터링 방법들은 광 방출 분광기(OES: optical emission spectroscopy), 흡수 분광기 및 반사 계측기(reflectometry)를 포함한다.

반도체 플라즈마 공정 챔버 내에서 광 방출(빛)을 모니터링하는 관습적인 방법 중 하나는 어레이 기반의 광학 분광계와 분광계에 대한 챔버의 내부의 플라즈마로부터 빛을 전달하는 광학 결합 시스템으로 구성된 광학 모니터링 시스템을 사용하는 것이다. 광 방출 스펙트럼은 일반적으로 일련의 광도 측정으로 기록되고 특정 시간 간격으로 반복적으로 재샘플링된다. 일련의 광도 측정은 밴드 패스 필터를 갖는 포토 다이오드 검출기 또는 분광계에 의한 넓은 스펙트럼을 통해 좁은 스펙트럼 밴드의 세트에 기록될 수 있다.

일 양상에서, 본 개시는 하나 이상의 가스들로부터 플라즈마의 여기 및 그로부터의 광 방출의 모니터링을 위한 플라즈마 소스를 제공한다. 일 실시예에서, 플라즈마 소스는: (1) 내부 길이를 갖고 제 1 단부, 제 2 단부, 내부 전극 및 외부 전극을 포함하는 동축 공진 캐비티 바디, (2) 내부 길이를 따라 고정된 위치에서 내부 및 외부 전극들에 전기적으로 결합되고, 동축 공진 캐비티 바디에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 무선 주파수 신호 인터페이스, (3) 동축 공진 캐비티 바디의 제 1 단부에 배치된 윈도우, 및 (4) 동축 공진 캐비티 바디의 제 1 단부에서 윈도우에 인접하여 배치되고 플라즈마 캐비티를 규정하는 장착 플랜지(mounting flange)로서, 윈도우는 플라즈마 캐비티의 한 면을 형성하고 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마로부터 동축 공진 캐비티 바디를 절연시키는, 상기 장착 플랜지를 포함한다.

다른 양상에서, 본 개시는 플라즈마의 여기를 위한 여기 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 상기 여기 시스템은: 1) 내부 길이를 갖고 제 1 단부, 제 2 단부, 내부 전극 및 외부 전극을 포함하는 동축 공진 캐비티 바디, (2) 내부 길이를 따라 고정된 위치에서 내부 및 외부 전극들에 전기적으로 결합되고, 동축 공진 캐비티 바디에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 무선 주파수 신호 인터페이스 및 (3) 무선 주파수 신호를 무선 주파수 신호 인터페이스에 제공하도록 구성된 소스 제어기를 포함한다.

그러나, 다른 양상에서, 본 개시는 광학 모니터링 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 광학 모니터링 시스템은: (1) 공정 챔버와 가스 연통하는 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마로부터 광 방출을 점화, 여기 및 생성하도록 구성되는 플라즈마 소스, (2) 플라즈마의 점화 및 여기를 위해 플라즈마 캐비티 내에 전자기장을 생성하기 위해 상기 플라즈마 소스의 무선 주파수 신호 인터페이스에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 소스 제어기, (3) 플라즈마의 여기로부터 관측된 광 신호들을 전달하도록 구성된 광학 결합 시스템 및 (4) 광 신호들을 수신하여 전기 신호들로 변환하도록 구성된 분광계를 포함한다.

본 개시는 이하에서 간단히 설명되는 도면들과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명을 참조하여 이해될 수 있다.

도 1은 프로세스 툴 내의 프로세스 상태를 결정하기 위해 플라즈마의 여기 및 광학 모니터링을 위해 플라즈마 소스를 사용하는 예시적인 프로세스 제어 시스템의 블록도를 도시한 도면;
도 2a는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 3/4 파장 플라즈마 소스의 일 실시예의 3차원 도면;
도 2b는 도 2a의 플라즈마 소스의 분해도를 도시한 도면;
도 3a는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 1/4 파장 플라즈마 소스의 일 실시예의 3차원 도면.
도 3b는 도 3a의 플라즈마 소스의 분해도를 도시한 도면;
도 4a는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스의 일 실시예의 3차원 단면도;
도 4b는 도 4a에 도시된 플라즈마 소스의 단부도를 도시한 도면;
도 5a 내지 도 5d는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 다른 플라즈마 소스들의 실시예들의 3차원 도면;
도 6a 내지 도 6d는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 모듈러 내부 전극의 상이한 도면;
도 7a는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스의 축을 따른 전계 강도의 플롯을 예시한 도면;
도 7b는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스의 점화 및 유지 전력 레벨들의 플롯을 도시한 도면;
도 8은 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스에 의해 제공된 예시적인 스펙트럼의 플롯을 예시한 도면;
도 9a 및 9b는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스에 대한 장착 플랜지의 3차원 및 횡단면도;
도 10a는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 외부 RF 정합/튜너 및 장착 플랜지를 갖는 플라즈마 소스 시스템의 일 실시예의 3 차원 도면;
도 10b는 장착 플랜지 주위에 네오디뮴 링 자석을 포함하는 도 10a의 플라즈마 소스 시스템의 3차원 도면을 도시한 도면;
도 11은 본 개시의 원리들에 따라 구성된 장착 장치에 의한 외부 RF 정합/튜너 및 흐름을 갖는 다른 플라즈마 소스 시스템의 일 실시예의 3차원 도면;
도 12는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스의 예시적인 공진 거동의 플롯을 도시한 도면;
도 13은 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스 용 소스 제어기의 블록도; 및
도 14는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스 또는 그 일부를 동작시키기 위한 프로세스의 흐름도.

플라즈마가 반도체 웨이퍼와 반응할 때 챔버 내에서 플라즈마 광 방출을 측정하는 것은 일부 응용에서 어려울 수 있다. 예를 들어, 챔버 내의 프로세스 가스가 웨이퍼로부터 원격적으로 여기 될 때 웨이퍼에 관련된 플라즈마 광 방출의 양이 제한되거나 존재하지 않을 수 있고, 여기된 반응물이 웨이퍼 표면과 상호 작용하는데 상당한 시간이 요구된다. 플라즈마 광 방출의 양은 예를 들어 세부 사항이 부족하거나, 낮은 신호대 잡음비를 갖거나, 예상 데이터가 부족한 경우에 제한적이다. 이러한 소위 "다크 플라즈마 (dark plasma)"응용에서, 플라즈마 광 방출의 측정은, 비록 얻어 질지라도, 플라즈마 광 방출이 웨이퍼 표면 상에서 발생한 반응의 특징적인 광 방출을 포함하지 않을 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼 상에 작용하는 프로세스의 정확한 특성을 제공하지 못할 수도 있다. 유사하게, 일부 반도체 프로세스들은 플라즈마를 사용하지 않고, 관찰할 광 방출도 존재하지 않는다.

웨이퍼 또는 다른 관련된 또는 가까운 위치들에 근접하거나 공정 챔버 내의 또는 공정 챔버와 연관된 프로세스 가스 또는 가스들의 여기가 챔버 내의 반응들로부터 방출된 특정의 공지된 방출 라인들 또는 광 스펙트럼 특징들(broad spetral features)의 광학 모니터링을 위한 광을 생성하기 위해 종종 필요하다는 것을 본원에서 알 수 있다. 본 개시는 플라즈마 여기 및 상기 여기로부터 야기된 광 방출의 모니터링을 위한 해결책을 제공한다. 일반적으로, 본 개시는 무선 주파수(RF) 신호를 수신하고 프로세스 가스의 여기 소스로서 전자기(EM: electromagnetic) 필드를 제공하도록 설계된 플라즈마 소스를 제공한다.

플라즈마 소스들은 본원에 캐비티의 개방 단부로부터 단락 단부까지 연장하는 내부 길이(L1)로 나타낸 길이를 갖는 캐비티를 포함하는 동축 공진 캐비티 바디를 포함한다. 개방 단부는 동축 공진 캐비티 바디의 프로세스 단부에 인접하게 배치되고, 단락 단부는 동축 공진 캐비티 바디의 반대 단부에 배치된다. RF 신호 인터페이스는 본원에 결합 포인트 거리(L2)로 나타낸 내부 길이를 따르는 위치에서 동축 공진 캐비티 바디에 접속된다. 결합 포인트 거리(L2)는 동축 공진 캐비티 바디의 개방 단부로부터 동축 공진 캐비티 바디 내로 연장되는 RF 신호 인터페이스의 중심 도체의 중심 라인까지 연장된다.

내부 길이(L1) 및 결합 포인트 거리(L2)의 값들은 RF 신호 인터페이스를 통해 수신된 RF 신호를 사용하여 프로세스 단부에서 프로세스 환경에서 또는 그 부근에서 설정되는 전자기장(EM)의 최대화에 기초한다. 동축 공진 캐비티 바디들의 내부 길이들(L1) 및 결합 포인트 거리들(L2)은 실제 동작 주파수 및 RF 신호 인터페이스를 통해 제공된 RF 파들의 관련 자유-공간 파장에 의존한다. 내부 길이(L1) 및 결합 포인트 거리(L2)에 대한 부가적인 설명은 도 4a과 관련하여 이하에서 논의된다. 도 4a는 플라즈마 소스(400)의 실시예에 대한 치수들(L1 및 L2)를 도시한다.

본원의 논의 및 예시들은 플라즈마-기반 공정 및 플라즈마 공정 챔버들을 언급하지만, 당업자는 본 개시의 다양한 원리들 및 특징들이 프로세스 가스의 여기 및 광학적 여기의 모니터링 수행될 수 있는 시스템의 다른 유형들로 사용될 NT 있다는 것을 이해할 것이다. 반도체 웨이퍼들을 직접적으로 포함하는 공정 이외에, 챔버 세정과 같은 공정들은 또한 본원에 기술된 플라즈마 소스들의 적용에 의해 광학적으로 모니터링 될 수 있다. 설명된 플라즈마 소스들은 가스들의 모니터링이 관심 대상인 비-반도체 애플리케이션들에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 소스들은 산업 굴뚝, 화학 공장 등과 관련된 배출 모니터링에 사용될 수 있다.

도 1은 프로세스 툴 내의 프로세스 상태를 결정하기 위해 플라즈마의 여기 및 모니터링을 위해 플라즈마 소스를 사용하는 프로세스 제어 시스템(100)의 실시예의 블록도를 도시한다. 프로세스 시스템(100)에서, 공정 챔버(110) 내의 프로세스 가스는 웨이퍼(120)로부터 원격적으로 여기된다. 여기된 반응물들이 웨이퍼(120)의 표면과 상호 작용할 때까지, 광 방출의 양은 상술 한 바와 같이 제한되거나 존재하지 않을 수 있다. 따라서, 플라즈마(130)로부터의 광 방출들은 웨이퍼(120)의 표면상에 발생하는 반응들로부터의 방출들을 포함하지 않을 수 있기 때문에, 플라즈마(130)로부터의 광 방출들의 측정은 반도체 웨이퍼(120)의 에칭 프로세스의 정확한 특성을 제공하지 못할 수 있다.

따라서, 프로세스 시스템(100)은 유리하게 관찰용 광 신호들을 제공하기 위해 플라즈마 소스들(150 및 150')을 사용한다. 플라즈마 소스(150)는 웨이퍼(120) 근처의 적절한 포트를 통해 공정 챔버(110)에 직접 부착되고, 플라즈마 소스(150')는 시스템(100)의 배기 라인 상에 배치된다. 일반적으로, 본원에 개시된 플라즈마 소스는 임의의 하나 또는 다수의 위치에 배치될 수 있고, 프로세스 가스와의 상호 작용을 제공한다. 플라즈마 소스(150)는 플라즈마 소스(150)의 윈도우를 통해 투과된 수집된 광을 분광계(160)로 향하게 하는 광 케이블 어셈블리(152)이거나 그 일부인, 플라즈마 소스(150) 내에 배치된 광학 요소들을 포함할 수 있다. 유사하게, 광 케이블 어셈블리(152') 플라즈마 소스(150')에 의해 제공된 광을 분광계(160)로 향하게 한다. 광 케이블 어셈블리(152 및 152')는 예를 들어 광섬유 다발이거나 렌즈 또는 필터들과 같은 다른 광학 요소들을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 플라즈마 소스들(150 및 150')은 독립적인 모니터링을 제공하기 위헤 프로세스 시스템(100)의 상이한 위치들에서 동시에 사용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 각각의 플라즈마 소스(150 및 150')는 측정을 위해 생성된 광 신호들을 전달하기 위한 분광계(160)의 대응하는 입력 포트를 갖는다. 도 1에서 공유 분광계(160)가 도시되어 있지만, 독립적인 분광계들 또는 포토 다이오드 센서들과 같은 다른 광 측정 시스템들이 각각의 플라즈마 소스에 대해 사용될 수 있다.

플라즈마 소스(150 및 150') 이외에도, 콜리메이터 또는 다른 광학 요소들을 포함할 수 있는 광학 인터페이스(140)는 플라즈마(130)로 부터 광 방출을 수집하도록 배향될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 인터페이스(140)는 플라즈마(130)로부터 방출된 광을 관찰한다. 그러나, 플라즈마(130)가 불충분한 광 신호들을 제공하는 경우, 광학 인터페이스(140)는 플라즈마 소스들(150 및 150')과 유사한 플라즈마 소스로 대체될 수 있다.

분광계(160) 및 컴퓨터(170) 이외에도, 프로세스 시스템(100)은 또한 챔버 제어기(175) 및 소스 제어기(177)를 포함한다. 종종 산업용 컴퓨터의 일종인 챔버 제어기(175)는 컴퓨터(170) 또는 분광계(160)로부터 모니터링 데이터 및 제어 신호들을 수신함으로써 공정 챔버(110)의 작동을 지시하도록 구성될 수 있다. 소스 제어기(177)는 적어도 RF 전력 레벨, 위상 및 주파수의 플라즈마 소스 제어 파라미터들뿐만 아니라 공정 설정, 가스 유형, 가스 압력 등과 같은 정보를 수신하도록 챔버 제어기(175)와 통신할 수 있다. 소스 제어기(177)는 도 13과 관련하여 설명된 소스 제어기일 수 있거나 그와 유사할 수 있다. 소스 제어기(177)는 또한 규정된 전력 레벨, 위상 및 주파수의 RF 신호를 플라즈마 소스들(150 및 150')에 제공하도록 구성될 수 있다. 소스 제어기(177)는 RF 신호를 동축 케이블들(178 및 179)을 통해 각각의 소스 상의 RF 인터페이스를 통해 플라즈마 소스들(150 및 150')에 제공할 수 있다. 소스 제어기(177)는 예를 들어, 2.4-2.5 GHz ISM 대역 내에서 2.45 GHz의 공칭 주파수를 갖는 RF 신호를 제공할 수 있다. RF 신호 주파수들의 다른 예시들은: 902-928 MHz ISM 대역 내의 915 MHz의 공칭 주파수, 5.725-5.875 GHz ISM 대역 내의 5.8 GHz의 공칭 주파수 또는 24-24.25 GHz ISM 대역 내의 24.125 GHz의 공칭 주파수를 포함한다. 전형적으로, 주파수는 연속적이거나 이산적인 단계들에서 일정하거나 좁게 가변적이다. 공급되는 RF 전력의 양은 수동 또는 자동으로 제어될 수 있다. 소스 제어기(177)는 본원에 설명된 바와 같이 점화 또는 외부 명령에 대한 응답으로 RF 전력을 변화시킬 수 있다. 이와 같이, 소스 제어기(177)는 분광계 (160), 컴퓨터(170) 및/또는 챔버 제어기(175)에 결합되어 플라즈마 소스들(150 및 150')에 전달된 RF 신호 전력 레벨을 변경시킬 수 있다. 소스 제어기(177)는 또한 플라즈마 소스들(150 및 150')의 동축 RF 공진기에 공급되는 RF 신호의 전력 또는 중심 주파수의 양을 자동으로 제어하는데 사용될 수 있다. 소스 제어기(177)는 RF 신호를 제어하기 위해 필요한 로직 회로, 소프트웨어, 회로 및 소프트웨어의 조합 등을 포함할 수 있다.

명료성을 위해, 도 1의 요소들 사이의 모든 접속들이 기술되거나 열거되지 않는다. 일반적으로, 소스 제어기(177)는 플라즈마 소스들(150 및 150')과 직접 상호 작용하고 챔버 제어기(175), 분광계 (160) 및 컴퓨터(170)와 직접 또는 간접적으로 상호 작용할 수 있음을 이해해야한다. 예를 들어, 분광계(160)는 RF 신호 레벨을 상승 또는 하강시켜 신호 레벨의 소정 값에 응답하여 측정된 광 신호 레벨을 변경하기 위해 소스 제어기(177)에 신호를 전송할 수 있다. 유사하게, 플라즈마 소스의 플라즈마 여기를 연속적으로 유지하는 것이 유리할 수 있기 때문에, 챔버 제어기(175) 및/또는 컴퓨터(170)는 분광계(160)에 의해 측정된 임의의 광 신호들에 관계없이 RF 신호 레벨을 설정하기 위해 소스 제어기(177)에 신호들을 전송할 수 있다. 이 활동은 개선된 안정성을 위해 플라즈마 소스의 온도를 유지하거나 챔버(110)에서 발생하는 다단계 공정 동안의 변화들을 수용하도록 수행될 수 있다.

광학 모니터링의 목적은 플라즈마 소스의 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 소스가 프로세스 가스와 웨이퍼의 상호 작용 이전에 배치된다면, 광학 모니터링은 특정 반응물의 적절한 분해 또는 존재를 특성화하기 위한 것일 수 있다. 웨이퍼 가까이에 있다면, 광학 모니터링은 프로세스 가스와 웨이퍼의 상호 작용으로 인해 발생하는 프로세스 가스의 조성 변화의들 특성을 나타낼 수 있다. 웨이퍼와의 상호 작용 후에, 광학 모니터링은 프로세스 가스 조성의 변화 또는 반응 생성물 형성의 이해를 위한 것일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이전, 근접 및 이후 위치들의 예시들은 광학 인터페이스(140), 플라즈마 소스(150) 및 플라즈마 소스(150')의 위치들에 각각 대응한다.

도 2a는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 ¾-파장 플라즈마 소스(200)의 실시예의 3차원 도면을 도시한다. 도 2b는 플라즈마 소스(200)의 주요 구성요소들 및 수리 및/또는 유지 보수를 위한 분해의 용이성을 나타내는 플라즈마 소스(200)의 3차원 분해도를 도시한다. 플라즈마 소스(200)는 도 1의 플라즈마 소스(150 및/또는 150')일 수 있다. 플라즈마 소스(200)는 기존의 기술들의 복잡성을 감소시키고, 장착 플랜지(210), O-링(220), 윈도우(230), 동축 공진 캐비티 바디(240) 및 일반적으로 도 2a 및 도 2b에서 요소(260)로 표시된 볼트들 또는 나사들과 같은 기계적 파스너들에 의해 결합된 RF 신호 인터페이스(250)로부터 편리하게 조립될 수 있다. 광섬유 액세스(270)는 동축 공진 캐비티 바디(240)의 단부에 도시되어있다.

플라즈마 소스(200)의 광 기계 및 RF 구성은 플라즈마 소스(200)의 프로세스 볼륨 및 동작 조건들을 분리시킨다. 플라즈마 소스(200)의 동축 공진 캐비티 바디(240)는 윈도우(230)에 의해 프로세스 볼륨으로부터 분리되고, 따라서 기존의 디자인과 비교하여 프로세스 가스 종, 압력 로딩 및 다른 상호 작용으로부터의 영향을 감소시킨다. 윈도우(230)는 프로세스 측(234) 및 주위 측(238)을 갖는다. 일반적으로, 동축 공진 캐비티 바디(240)의 RF 공진 조건들은 윈도우(230)의 프로세스 측(234)의 표면과 접촉하는 프로세스 볼륨의 변화들에 관계없이 안정하다.

플라즈마 소스(200)는 동축 공진 캐비티 바디(240)로 부터 윈도우(230)를 가로질러 그리고 공정 챔버와 가스 연통하는 장착 플랜지(210) 내의 플라즈마 캐비티에 포함된 임의의 프로세스 가스들로 고강도 전자기장을 투사한다. 도 4는 장착 플랜지에 관한 플라즈마 캐비티(460)을 도시한다. 플라즈마 소스(200)의 설계의 이점들 중 하나는 프로세스 공간과의 최소화된 상호 작용이다. 예를 들어, 플라즈마 소스(200)의 대부분의 구성요소들은 프로세스 환경으로부터 격리되어, 장착 플랜지(210), o-링(220) 및 윈도우(230)만이 프로세스 공간, 관련 프로세스 가스들 및 임의의 여기된 플라즈마와 접촉할 수 있게 된다.

플라즈마 소스(200)의 기계적 및 물질적 복잡성의 감소는 잠재적인 오염, 물질 비 호환성 및 챔버에서 발생하는 프로세스와의 불리한 상호 작용을 감소시킨다. 장착 플랜지(210)는 공정 챔버들에 공통적인 알루미늄 합금으로 형성될 수 있으며 필요에 따라 내부 코팅될 수 있다. 윈도우(230)는 바람직하게 프로세스 가스들 및 플라즈마 침식에 고도로 저항하는 1 내지 5 mm 두께의 c 축 배향 사파이어이다. O-링(220)은 프로세스 가스들 및 플라즈마 환경들에 내성이 있는 퍼플루오로 엘라스토머 화합물(perflouroelastomer compound)로 형성될 수 있다. 동축 공진 캐비티 바디(240)는 또한 알루미늄 합금 또는 다른 금속들로 구성될 수 있다.

플라즈마 소스(200)는 넓은 압력 범위에서 작동 가능하고, 다중 프로세스 유형들에 적합하며, 도 1의 플라즈마 소스들(150 및 150')에 의해 표시된 바와 같이 공정 챔버들 및 포어 라인(foreline) 작동들을 포함하는 다양한 모니터링 위치들에서 작동 가능하다. 실제 압력들이 달라질 수 있지만, 챔버 포어 라인에 부착될 때 플라즈마 소스(200)의 작동 압력 범위는 공정 챔버들에 직접 접속될 때 약 0.1 밀리 토리 이하에서 10 토르 이상으로 변할 수 있다.

다양한 위치들에서의 배치를 용이하게 하기 위해, 플라즈마 소스(200)는 유리하게 소형 폼 팩터를 가질 수 있다. 예를 들어, ¾-파장 플라즈마 소스(200)는 케이블들 및 전자 기기들을 제외하고 약 100mm × 35mm × 35mm (L×W×H)의 치수를 가질 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 플라즈마 소스(200)는 종래의 KF40 인터페이스와 같은 클라인 플랜지(KF: Klein Flange) 인터페이스에 장착하기 위해 편리하게 설계된다. 후술하는 바와 같이, 플라즈마 소스(200)는 또한 다른 KF 인터페이스들, ASA 인터페이스들, ConFlat 또는 CF 인터페이스들, 또는 다른 진공 플랜지 타입들과 같은 다른 종래의 또는 독점적인 인터페이스 디자인들과 결합하도록 구성될 수 있다.

도 3a는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 ¼-파장 플라즈마 소스(300)의 실시예의 3-차원 도면을 도시한다. 도 3b는 플라즈마 소스(300)의 주요 구성 요소들 및 수리 및/또는 유지 보수를 위한 분해의 용이성을 나타내는 플라즈마 소스(300)의 3차원 전개도를 도시한다. 플라즈마 소스(200)와 유사하게, 플라즈마 소스(300)는 장착 플랜지(310), O-링(320), 윈도우(330), 동축 공진 캐비티 바디(340) 및 RF 신호 인터페이스(350)로부터 편리하게 조립될 수 있다. 기계적 파스너들은 플라즈마 소스(300)의 구성요소들을 함께 연결하고 유지하는데 사용될 수 있고 일반적으로 도 3a 및 도 3b에서 요소(360)로 표시된다. 기계적 파스너들(360)은 클리어런스 개구들(365)을 통과하여 장착 플랜지(310)의 나사 구멍들(367)과 결합할 수 있다. 기계적 파스너들은 본원에 개시된 다른 플라즈마 소스들의 클리어런스 개구들 및 나사 구멍들과 유사하게 사용될 수 있다.

광섬유 액세스(370)는 동축 공진 캐비티 바디(340)의 단부에 도시되어있다. ¼-파장 플라즈마 소스(300)는 약 40 mm x 40 mm x 40 mm의 치수를 가질 수 있다. 플라즈마 소스(300)의 구성요소들은 플라즈마 소스(200)를 구성하기 위해 사용된 재료들로 구성될 수 있다. 플라즈마 소스들(200 및 300)의 동축 공진 캐비티 바디들은 각각 RF 신호 인터페이스들(250, 350)을 통해 제공된 RF 여기 파장의 4분의 1 길이의 홀수에 기초하여 명목상 고정된 내부 길이를 갖는다. 더 긴 5/4-파장 또는 7/4-파장 플라즈마 소스들을 포함하는 동축 공진 캐비티 바디들의 공칭 내부 길이들은 윈도우에서 전자기장(EM)을 최적화하기 위해 협력한다.

도 4a는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스(400)의 일 실시예의 3차원 단면도를 도시한다. 도 4b는 플라즈마 소스(400)의 단부도를 도시한다. 플라즈마 소스(400)는 동축 공진 캐비티 바디(410), RF 신호 인터페이스(420), 장착 플랜지(430), 윈도우(440), 절연 스크린(450)(도 4b에만 도시됨) 및 플라즈마 캐비티(460)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 동축 공진 캐비티 바디(410)의 내부 길이(L1) 및 결합 포인트 거리(L2)의 값들은 RF 신호 인터페이스(420)를 통해 수신된 RF 신호를 사용하여 윈도우(440)의 처리 환경 표면 또는 그 부근에서 설정된 전자기(EM) 필드의 최대화에 기초한다. 윈도우(440)에서 EM 필드의 최대화는 생성된 플라즈마가 윈도우(4040)를 젖게하도록 하여, 증가된 윈도우 온도를 유지함으로써, 여기된 플라즈마의 작용에 의한 윈도우(440)의 자가-세정을 돕는다. 따라서, 플라즈마 소스(400)는 감소된 오염으로 인하여 윈도우(440)의 광 전달 특성들을 일정하게 유지시킨다. 동축 공진 캐비티 바디(410)의 다른 치수는 관심 있는 동작 주파수에서의 파장 특성들에 의해 규정된다. 동작 주파수들은 사용 및 간섭에 대한 국제 표준화로 인해 2.4-2.5 GHz, 5.725-5.875 GHz 등과 같은 ISM (Industrial, Scientific and Medical) 대역 내에서 작동할 수 있지만 필수는 아니다.

일부 ¾-파장 실시예들에서, 플라즈마 소스(400)는 전체 길이가 약 100 mm 일 수 있고, 동축 공진 캐비티 바디(410)의 치수(L1)로 표시되는 내부 길이는 약 70 내지 95 mm 일 수 있고, 결합 포인트 거리(L2)는 대략 10 내지 80 mm일 수 있다. 플라즈마 소스(400)의 전체 길이는 장착 플랜지(430)의 인터페이스(432)로부터 장착 플랜지(430) 반대 쪽의 플라즈마 소스(400)의 단부에 배치된 광섬유 액세스 용 개구(490)로 연장된다. 장착 플랜지의 반대 쪽의 플라즈마 소스(400)의 단부는 또한 프로세스 단부의 반대쪽의 동축 공진 캐비티 바디(410)의 제 2 단부이다. 동축 공진 캐비티 바디(410)의 특정 또는 고정된 내부 길이들은 실제 동작 주파수 및 RF 파들의 관련 자유-공간 파장에 의존한다. 예를 들어, 2.4-2.5 GHz ISM 대역의 경우, 파장 범위는 125 내지 120 mm이고, ¾-파장 공진기는 길이가 약 90 mm, 즉 내부 길이가 90 mm이다. 유사하게, ¼-파장 공진기는 파장 범위가 125 내지 120 mm인 2.4-2.5 GHz ISM 대역에 대해 길이가 약 30 mm, 즉 내부 길이가 30 mm이다. 동축 공진 캐비티 바디(410)의 내부 길이(L1) 및 결합 포인트 거리(L2)의 값들은 윈도우(440)의 RF 특성들(복소 유전율 등)에 기초하여 수정될 수 있다.

동축 공진 캐비티 바디(410)는 윈도우(440)를 통해 그리고 장착 플랜지(430) 내의 플라즈마 캐비티(460)으로 안내되는 것을 제외하고는, RF 인터페이스(420)를 통해 수신된 RF 신호의 방사를 최소화하도록 기계적으로 견고하게 설계된다.동축 공진 캐비티 바디(410)는 내부 전극(470)과 외부 전극(480)을 포함한다. RE 신호 인터페이스(420)는 수신된 RF 신호를 통해 플라즈마 소스(400)의 여기를 제공하기 위해 내부 및 외부 전극들(470, 480)에 전기적으로 접속된다. 내부 전극(470) 및 외부 전극(480)의 상대 치수는 RF 신호 인터페이스(420)를 통해 접속될 때 동축 공진 캐비티 바디(410)의 약 50 Ohm 공칭 임피던스에 근접하도록 선택된다. 내부 전극(470) 및 외부 전극(480)의 상대적인 치수는 RF 신호 인터페이스(420) 및 외부 RF 구성요소들의 임피던스에 대응하여 변화될 수 있다. 다른 예시들에서, 내부 전극(470) 및 외부 전극(480)의 치수는 약 75 Ohm 공칭 임피던스에 근접하도록 선택될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 동축 공진 캐비티 바디(410)는 RF 신호 인터페이스(420)의 중심 도체(422)가 내부 전극(470)과 직접 전기적으로 접속되기 때문에 RF 신호 인터페이스(420)에 유도 결합된다. 동축 공진 캐비티 바디(410)는 RF 신호 인터페이스(420)의 중심 도체(422)를 내부 전극(470)과 접촉하지 않고 외부 전극(480)과 내부 전극(470) 사이의 영역으로 연장시킴으로써 다른 실시예들에서 용량 결합될 수 있다. RF 신호 인터페이스(420)는 외부 전극(480)과 직접 접촉한다.

하나 이상의 튜닝 스터브들(tuning stubs)(425)은 RF 신호 인터페이스에 대한 임피던스 정합 및/또는 플라즈마 소스(400)에 대한 주파수 조정을 수행하는 데 사용될 수 있다. 튜닝 스터브들(425)은 외부 전극(480)과 내부 전극(470) 사이의 공간으로 진입하는 금속 또는 비금속 나사들 또는 다른 조절 가능한 돌출부들일 수 있다. 공간으로의 튜닝 스터브들(425)의 진입량은 임피던스 및/또는 주파수를 변경하도록 조정될 수 있다. 동축 공진 캐비티 바디(410)를 따른 튜닝 스터브들(425)의 개수 및 배치는 경험, 테스트 데이터 및 전자기 모델링에 기초할 수 있다. 튜닝 스터브들(425)의 위치 및 이들의 개수는 또한 플라즈마 소스의 유형 또는 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 튜닝 스터브들의 개수 및 위치는 플라즈마 소스가 ¼-파장 또는 ¾-파장 플라즈마 소스인지의 여부에 따라 달라질 수 있다. 도 4a는 다수의 튜닝 스터브들의 예시적인 위치들 및 예를 도시한다.

RF 신호는 도 1의 제어기(177)와 같은 소스 제어기를 통해 제공될 수 있다. 전술 한 바와 같이, RF 신호는 2.4-2.5 GHz ISM 대역 내에서 2.45 GHz의 공칭 주파수를 가질 수 있다. RF 신호 인터페이스(420)는 케이블들(178 및 179)과 같은 RF 신호 및 도 1의 소스 제어기(177)의 RF 전원을 전달하는 케이블/소스의 임피던스를 정합시키도록 설계된다. RF 신호 인터페이스(420)는 타입 N 커넥터, SubMiniature Version A 커넥터 또는 다른 유형의 RF 커넥터와 같은 50 ohm RF 커넥터 일 수 있다.

장착 플랜지(430)는 윈도우(440) 및 그 사이에 배치된 O-링(435) 및 윈도우(440)와 장착 플랜지(430) 사이에 배치된 O-링(435)과 함께 동축 공진 캐비티 바디(410)에 기계적으로 결합된다. 바람직하게는, 동축 공진 캐비티 바디(410) 및 장착 플랜지(430)는 함께 제거 가능하게 결합된다. 이들 구성요소들을 쉽게 분해 및 재조립할 수 있는 능력은 윈도우(440) 및 O-링(435)의 유지를 허용한다. 나사들(437) 또는 다른 유형의 기계적 파스너가 동축 공진 캐비티 바디(410)와 장착 플랜지(430)의 제거 가능한 기계적 결합에 사용될 수 있다. 동축 공진 캐비티 바디(410)의 장착 플랜지(430)로의 결합은 또한 RF 차폐 및 접지를 위한 낮은 저항 도전 경로를 위한 동축 공진 캐비티 바디(410) 및 장착 플랜지(430)의 결합 표면들(mating surfaces)을 통한 전기적 접속을 제공한다.

장착 플랜지(430)의 인터페이스(432)는 공정 챔버로부터 가스 또는 가스들과 통신하기 위한 인터페이스에 접속되도록 구성된다. 장착 플랜지(430)의 인터페이스(432)는 예를 들어 KF40-형 커넥터 용일 수 있다. 인터페이스(432)는 접속할 타입 인터페이스에 따라 변할 수 있다. 추가로, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 동축 공진 캐비티 바디(410)와 함께 사용되는 장착 플랜지들의 플라즈마 캐비티는 변할 수 있고, 플라즈마 소스(400)의 동작 특성들에 대한 제한된 영향으로 동축 공진 캐비티 바디(410)와 프로세스 볼륨 사이의 디결합을 제공할 수 있다. O-링(435)은 프로세스 가스, 압력 및 열을 견디기 위해 산업에서 통상적으로 사용되는 칼레즈 퍼플루오로 엘라스토머(Kalrez perflouroelastomer)와 같은 물질로 구성될 수 있다.

장착 플랜지(430)는 장착을 위한 인터페이스에 적응하는 것 이외에, 플라즈마 소스(400)의 동축 공진 캐비티 바디(410)를 기계적으로 지지한다. 장착 플랜지(430)는 또한 사용되는 경우 절연 스크린(450)을 지지할 수 있다. 절연 스크린(450)은 장착 플랜지(430)의 내부 표면들에 의해 규정된 플라즈마 캐비티(460)과 공정 챔버와 같은 프로세스 체적 사이에서 프로세스 가스의 유출을 조절하기 위한 개구들 또는 구멍들을 포함한다. 절연 스크린(450)은 또한 윈도우(440) 근처에서 여기된 플라즈마의 이동이 부착된 프로세스 체적 부의 주요 부분으로 들어가는 것을 억제할 수 있다. 절연 스크린(450)은 도 1의 플라즈마 소스(150)에 의해 지시된 바와 같이 공정 챔버에 결합 될 때와 같이 오염이 우려될 수 있는 일부 어플리케이션들에서 사용될 수 있고, 도 1의 플라즈마 소스(150')에 의해 지시된 바와 같이 포어 라인 위치들에서와 같이 오염이 덜 우려되는 경우에 일부 어플리케이션들에서 사용되지 않는다.

절연 스크린(450)은 장착 플랜지(430)에 부착될 수 있고, 인터페이스(432) 또는 플라즈마 캐비티(460) 내의 다른 위치들과 일치하여 배치될 수 있다. 절연 스크린(450)은 장착 플랜지(430)와 동일한 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 절연 스크린(450)은 알루미늄으로 구성될 수 있다. 절연 스크린(450)은 클램프 또는 나사식 접속부를 통해 장착 플랜지(430)에 제거 가능하게 부착될 수 있거나 용접부와 같이 영구적으로 부착될 수 있다. 절연 스크린(450)은 또한 플라즈마 소스(400)의 비-필수 부분 일 수 있고, KF-타입 인터페이스들에 대해 적절히 설계된 차폐된 센터링이 사용될 수 있다. 플라즈마 및/또는 프로세스 가스들에 의해 접촉될 수 있는 플라즈마 캐비티(460)의 내부 표면들은 공정 가스로 인한 오염 및 손상을 줄이기 위해 지르코니아(zirconia), 이트리아(yttria), 내화성 산화물 또는 다른 유사한 제품으로 코팅될 수 있다. 윈도우(440)는 또한 공정 가스로 인한 오염을 방지하기 위해 사용되는 종래의 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 윈도우(440)는 사파이어 또는 용융 실리카 윈도우일 수 있다.

프로세스 체적으로부터 플라즈마 소스(400)의 대부분을 절연하는 것 외에도, 윈도우(440)는 플라즈마 캐비티(460)으로의 RF 에너지의 전달 및 플라즈마(465)의 여기에 의해 생성된 광 방출의 전달을 제공한다. 상술된 바와 같이, 윈도우(440)의 일 측면, 즉 프로세스 측면(444)은 프로세스 체적의 환경과 가스 접촉하고, 윈도우(440)의 다른 측면인 주위 측(448)은 편리하게 주변 조건들에있다.

광섬유 조립체(도시되지 않음)는 장착 플랜지(430)의 반대쪽의 플라즈마 소스(400)의 단부에 배치된 광섬유 액세스(490)를 통해 내부 전극(470) 내에 배치될 수 있다. 광섬유 조립체는 도 1의 분광계(160)와 같은 분광계에 광 신호들을 제공할 수 있다. 개구(495)는 플라즈마(465)에 의해 제공되는 광 방사에 대한 광섬유 조립체의 직접 접근 및 강한 결합을 허용하기 위해 윈도우(440) 근처에 배치된다. 개구(495)는 EM 필드 및 결과 플라즈마의 생산 및 위치 파악에 미치는 영향을 제한하도록 설계된다. 개구(495)는 일반적으로 대략 1mm 직경의 RF 여기 파장과 비교하여 작은 광 신호 개구이고, 광섬유 케이블 조립체에 의해 접근 가능한 플라즈마의 시야를 제공하도록 배치된다. 광섬유 조립체(도 4a에 도시되지 않음)는 원통형 단면을 가질 수 있고, 고정 나사 또는 다른 고정구에 의해 광섬유 액세스 장치(490)에 보유될 수 있다.

일부 애플리케이션들에서, 자석은 전자 사이클로트론 공진을 지원하고 더 낮은 RF 전력들 또는 더 넓은 압력 범위에서 플라즈마(465)를 점화 및 유지하는 것을 돕기 위해 플라즈마 소스(400)의 플라즈마 캐비티(460) 주위에 자기 밀폐(magnetic confinement)를 제공하는 데 사용될 수 있다. 자석 또는 자석들이 장착 플랜지(430) 주위에 배치되거나 장착 플랜지(430) 내에 내장될 수 있다. 도 9b는 장착 플랜지에 내장된 원통 자석들을 도시하고, 도 10b는 장착 플랜지 주위에 배치된 네오디뮴 링 자석을 도시한다. 2.45 GHz 여기의 공칭 작동 조건의 경우, 전자 사이클로트론 공진을 지원하기 위해 875 가우스 필드가 사용될 수 있고; 다른 자기장 강도도 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 개구(495) 및 광섬유의 위치 설정은 플라즈마 여기와 조화된다. 플라즈마 캐비티(460) 내에서 플라즈마 여기의 위치를 규정하는 것을 더 보조하기 위해, 윈도우 단부(497)로 지칭되는 윈도우(440)에서의 내부 전극의 단부가 형성될 수 있다. 개구(495)의 위치는 또한 윈도우 단부(497)에서 내부 전극(470)의 형상에 대응하여 변화할 수 있다. 따라서, 광섬유 액세스는 개구(495)와 일치하도록 변화할 수 있다. 도 5a 내지 도 5d는 본 개시의 원리들에 따라 내부 전극들의 다양한 형상의 윈도우 단부들로 구성된 플라즈마 소스들의 동축 공진 캐비티 바디들의 실시예들의 3차원 도면을 도시한다.

도 5a는 4개의 비대칭 암들(asymmetric arms)을 갖는 크로스의 내부 전극의 윈도우 단부(512)를 갖는 동축 공진 캐비티 바디(510)를 도시한다. 윈도우 단부(512)의 이러한 구성은 가장 긴 암(514)의 위치 부근에서 플라즈마 여기를 위치시킨다. 따라서, 광섬유 액세스(516)의 위치가 재조정된다. 이 실시예에서, 광섬유는 더 이상 내부 전극 내에서 축 방향으로 향하지 않고, 대신에 광섬유 액세스(516)를 통해 위치 설정되고 가장 긴 암(514)과 동축 공진 캐비티 바디(510)의 외부 전극의 내부 직경 사이의 갭과 정렬된다. 고정 나사는 광섬유를 제 위치에 유지하기 위해 개구(519)에 사용될 수 있다. 도 5b는 포인트(524)로부터 동축 공진 캐비티 바디(520)의 외부 전극의 내부 표면까지의 거리를 변경하기 위한 조절 가능한 키웨이(keyway)(526)에 대향하는 단일 포인트(524)를 갖는 형상의 내부 전극의 윈도우 단부(522)를 갖는 동축 공진 캐비티 바디(520)를 도시한다. 광섬유는 광섬유 액세스(528)에 삽입되고 포인트(524)와 조절 가능한 키웨이(526) 사이의 갭과 정렬될 수 있다. 도 5c는 대칭 라운드형 암들(symmetric rounded arms)을 갖는 크로스의 내부 전극의 윈도우 단부(532)를 갖는 동축 공진 캐비티 바디(530)를 도시한다. 개구(534)는 윈도우 단부(532)의 중심에 배치된다. 이러한 실시예에서, 광섬유는 동축 공진 캐비티 바디(530)의 내부 전극 내에서 축 방향으로 지향될 수 있다. 도 5d는 원추대 형상의 내부 전극의 윈도우 단부(542)를 포함하는 동축 공진 캐비티 바디(540)를 도시한다. 개구(544)는 윈도우 단부(542)의 원추대의 중심에 배치된다. 동축 공진 캐비티 바디(540)는 도 10a의 장착 브래킷(1040)과 같은 장착 브래킷을 수용하도록 구성된 리세스(recess)(548)를 더 포함한다. 동축 공진 캐비티 바디(530)와 마찬가지로 이 실시예에서, 광섬유는 동축 공진 캐비티 바디(540)의 내부 전극 내에서 축 방향으로 지향될 수 있다. 도 5a 내지 도 5d의 동축 공진 캐비티 바디들은, 개구들(511, 521, 531 및 541)을 통해 배치된 기계적 파스너들을 통해 장착 플랜지 또는 다른 장착면들과 접속될 수 있다.

플라즈마 소스의 구성 가능성을 지원하기 위해, 다양한 상이한 윈도우 단부들은 적응 가능한 내부 전극에 제거 가능하게 기계적으로 부착될 수 있다. 도 6a는 도 6b 내지 도 6d에 도시된 적응형 내부 전극 구성요소들(610 및 620)로부터 조립된 동축 공진 캐비티 바디(600)의 단면도를 도시한다. 내부 전극 바디(610)는 윈도우 단부(620)의 수 나사부(male threaded portion)를 수용하도록 설계된 암 나사부(female threaded portion)를 포함한다. 함께 조립될 때, 내부 전극 바디(610) 및 윈도우(620)는 동축 공진 캐비티 바디(600)의 내부 전극(630)을 제공한다. 동축 공진 캐비티 바디(600)는 또한 외부 전극(640), 파스너 용 관통 홀들(650) 및 개구(660)를 포함한다. 조립된 내부 전극(630)은 도 5c의 내부 전극에 대응한다. 동축 공진 캐비티 바디(600)는 또한 도 2a의 인터페이스(250)와 같은 RF 신호 인터페이스의 설치를 위해 구성된 보어(670) 및 플랫 부(675)를 포함한다.

내부 전극, 윈도우 및 개구의 설계 조정은 플라즈마 여기의 최적화된 RF 전력 공급 및 광 방출 신호들의 편리하고 효율적인 수집을 위한 플라즈마의 위치 파악을 제공하고자 하는 것이다. 따라서, 설계 조정은 윈도우 표면 근처 및 광섬유의 관측 지점에서 플라즈마를 제공하는 것에 관한 것이다. 플라즈마의 국부화는 RF 소스에 의해 제공되고 동축 공진 캐비티에 의해 형성되는 전기장의 집중과 관련될 수 있다. 도 7a는 플라즈마 소스의 윈도우에서 필드의 강한 국부화를 나타내는 전계 강도 그래프(700)를 도시한다. 그래프(700)는 윈도우로부터 거리가 증가함에 따라 볼트/미터 단위의 전계의 크기 또는 강도의 감소를 나타내는 플롯(705)을 포함한다. 그래프(700)는 플라즈마의 점화 전에 본원에 개시된 바와 같은 플라즈마 소스의 ¾-파장 설계의 모델로 생성된다. 그래프(700)를 위해 사용된 플라즈마 소스는 도 5d에 도시된 윈도우 단부(542)를 포함한다. 도 7b는 그래프(700)로부터의 전력 성능 결과들을 도시한다.

도 7b는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스의 플라즈마 캐비티 내의 압력 대 RF 신호 소스의 전력을 나타내는 그래프(710)를 도시한다. 그래프(710)는 도 5d에 도시된 바와 같은 윈도우 단부(542)를 갖는 내부 전극을 갖는 ¾-파장 플라즈마 소스의 점화 및 유지 전력 성능을 도시한다. 점선 플롯(720)은 점화 또는 여기 전력 레벨이고 실선 플롯(730)은 유지 전력 레벨이다. 특히, 이 플라즈마 소스는 200 mW 미만의 전력 레벨들에서 점화할 수 있고(점선 곡선(720)), 100 mW 미만의 전력 레벨에서 유지될 수 있다(실선 곡선(730)). 파센(Paschen)의 법칙에서 예상 한대로, 압력 대 압력 곡선들은 일반적으로 압력이 감소함에 따라 요구되는 높은 전력 레벨들을 도시한다. 특정 동작 시나리오들의 경우, 플라즈마 소스는 보다 높은 압력 및 관련 저전력 조건에서 점화될 수 있고, 동일한 또는 상이한 전력 조건에서 유지될 수 있지만, 압력은 더 낮은 레벨로 감소될 수 있다.

도 8은 도 7a에 도시된 것과 같은 전계 강도를 갖는 플라즈마 소스 및 도 7b에 도시된 것과 같은 플라즈마 소스의 전력 성능에 의해 제공된 예시적인 스펙트럼(810)의 그래프(800)를 도시한다. 스펙트럼은 도 1의 분광계(160)와 같은 분광계에 의해 제공될 수 있다. 플라즈마의 국부화, 저전력 동작 및 효율적인 광 결합은 스펙트럼(810)에 나타난 바와 같이 큰 광 신호들을 제공한다. 스펙트럼(810)에 대해, 혼잡 질소 및 산소 가스의 플라즈마는 2.410 GHz 여기에서 약 200 밀리 토압 및 300 mW의 인가된 RF 전력에서 점화 및 유지된다. 300mW에서와 같이 플라즈마 소스의 저전력 작동은 원자 및 분자 스펙트럼 특징들의 표현을 허용하는 여기된 가스들의 분리를 감소시키므로, 이는 다 원자 종의 공정 분석 및 화합물의 결정에 유용할 수 있다.

본원에 기술된 플라즈마 소스들의 적응성은 유리하게도 본원에 개시된 동축 공진 캐비티 바디를 다수의 인터페이스들 및 위치들에 접속하는 것을 허용한다. 도 9a 및 도 9b는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스에 대한 장착 플랜지들의 뷰들을 도시한다. 상이한 챔버 인터페이스들과 가스 흐름에 대한 상이한 요구 사항들은 장착 플랜지의 설계에 영향을 줄 수 있다. 일반적으로, 최소 부피를 갖는 장착 플랜지는 가스 수송으로 인한 느린 응답을 유리하게 완화시킨다. 그러나 이 이익은 장착에 필요한 기계적 요구 사항들과 균형을 이룰 필요가 있다.

플랜지 내경(flange inner diameter)과 같은 특정 장착 플랜지 피처들은 EM 필드들과 그 결과 플라즈마의 국부화를 돕는다. 이와 관련하여, 침식 및 입자 형성으로 인해 플라즈마가 장착 플랜지의 금속 부분들과 직접 접촉하는 것을 방지하는 것이 유리하다. 플라즈마로부터의 노출로 인해, 장착 플랜지들의 내경은 보호를 위해 코팅될 수 있다. 도 9a 및 도 9b는 상이한 플라즈마 캐비티 형태 및 체적을 갖는 장착 플랜지들의 두 개의 예시들을 도시한다.

도 9a에 도시된 장착 플랜지(910)는 가스 흐름의 용이성 및 플라즈마를 비국부화하는 경향이 있을 윈도우 근처의 더 큰 개방 영역을 허용하는 플라즈마 캐비티(920)을 형성하는 원통형 내부 보어(cylindrical inner bore)를 갖는다. 장착 플랜지(910)는 윈도우와 o-ring을 수용하기 위한 윈도우 리세스(window recess)(980) 및 O-링 그루브(930)를 포함한다. 장착 플랜지(910)는 또한 동축 공진 캐비티 바디를 장착 플랜지(910)와 접속시키기 위해 파스너들(fasteners)을 수용하기 위한 개구들(openings)(940)을 포함한다.

도 9b에 도시된 장착 플랜지(950)는 도 9a의 장착 플랜지(910)와 비교하여 짧아진 테이퍼 내부 보어(shortened and tapered inner bore)를 갖는다. 테이퍼 내부 보어는 플라즈마 캐비티(960)을 형성한다. 윈도우 근처의 더 작은 개방 영역은 플라즈마의 더 높은 국부화를 초래한다. 플라즈마 캐비티(960)의 더 작은 개방 영역은 가스 유동을 억제할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가스 유동에 대한 억제는 플라즈마 캐비티(960)의 프로세스 측 직경을 증가시키고 장착 플랜지(950)의 전체 길이를 단락시킴으로써 부분적으로 완화될 수 있다. 장착 플랜지(950)는 윈도우와 o-링을 수용하기 위한 윈도우 리세스(982)와 o-링 그루브(932)를 포함한다. 장착 플랜지(950)는 또한 동축 공진 캐비티 바디를 장착 플랜지(950)와 접속하기 위한 파스너들을 수용하기 위한 개구들(942)을 포함한다. 장착 플랜지(950)는 또한 임베디드 된 것으로 도시되었지만 장착 플랜지(950)로부터 돌출할 수 있는 자석들(990)을 포함한다. 도 9b에 도시된 장착 플랜지(950)의 단면도는 장착 플랜지(950)의 테이퍼 내부 보어가 자석들(990)의 장착 플랜지(950)로의 임베딩을 지지하는 방법을 나타낸다. 이러한 구성에서 자석들 990)은 EM 필드의 전기 구성요소에 대해 수직인 자계(즉, 플라즈마 소스의 원통형 축에 대하여 반경 방향 폴링)를 제공하도록 폴링될 수 있다.

윈도우로부터 멀리 떨어진 EM 필드의 빠른 감소는 동축 공진 캐비티 바디와 윈도우에서 플랜지의 설계의 결합을 감소시킨다. 따라서, 동축 공진 캐비티 바디는 "보편적인" 것으로 고려될 수 있고, 다른 장착 장치들은 플라즈마 소스의 설치 요건들에 적합하도록 쉽게 적응될 수 있다. 특정 실시예들에서, 독립적인 장착 플랜지가 사용되지 않을 수 있고, O-링 및 윈도우로 적절히 설계된 형상은 챔버, 포어 라인 또는 기타 장착 위치에 직접 구성될 수 있다. 따라서, 도 4의 나사(437)와 같은 기계적 파스너들이 장착 플랜지 없이 인터페이스에 동축 공진 캐비티 바디를 접속시키는 데 사용될 수 있다.

일부 애플리케이션들에서, 장착 플랜지 없이, 기계적 파스너들은 동축 공진 캐비티 바디를 인터페이스에 부착하고 o-링 및 윈도우를 그 사이에 고정하는데 사용될 수 있다. 장착 플랜지들(910 및 950)이 장착 플랜지 및 동축 공진 캐비티 바디를 결합시키는 기계적 파스너들의 사용을 나타내지만, 다른 수단을 통해, 예를 들어 장착 플랜지의 암나사 부와 맞물릴 수 있는 수 나사부 또는 그 반대의 동축 공진 캐비티 바디를 공급함으로써 결합이 이루어질 수 있다. 더욱이, (980 및 982)와 같은 윈도우 리세스들이 장착 플랜지 대신에 동축 공진 캐비티 바디의 일부에 전체 또는 부분적으로 형성될 수 있다.

도 10a는 장착 브래킷(1040)을 통해 플라즈마 소스(1030)에 접속된 외부 RF 정합/튜너(1020)를 갖는 플라즈마 소스 시스템(1000)의 실시예의 3-차원 도면을 도시한다. 플라즈마 소스(1030)는 본 개시의 원리들에 따라 구성된 동축 공진 캐비티 바디(1050) 및 장착 플랜지(1060)를 포함한다. 동축 공진 캐비티 바디(1060)는 축 방향으로 배향된 광섬유 액세스(1055)를 포함한다. RF 부품들의 제조 및 성능 차이로 인해, 일반적으로 임피던스 정합이 요구된다. RF 정합/튜너(1020)와 같은 외부 튜너가 임피던스 정합을 위해 사용될 수 있다. 튜너(1020)는 도 1의 RF 소스 제어기(177)와 같은 RF 접속부(1022)를 통한 RF 공급원과 도 2a의 소스(200)와 같은 플라즈마 소스 사이에 직렬 접속된 "튜닝 패드" 어레이에 기초한 튜닝 회로를 포함할 수 있다. 튜너(1020)는 또한 엘보 커넥터(elbow connector)(1024)를 통해 동축 공진 캐비티 바디(1050)에 장착된 RF 신호 인터페이스에 접속된다. RF 신호는 RF 접속부(1022)로 들어가고, RF 정합/튜너(1020) 내부의 회로 보드를 통과하고, RF 엘보 커넥터(1024)에 진입한 후, 동축 공진 캐비티 바디(1050)에 장착된 RF 신호 인터페이스(1026)(도 10a에 도시되지 않음)에 접속한다.

도 10b는 장착 플랜지(1060) 주위에 네오디뮴 링 자석(1070)을 포함하는 도 10a의 플라즈마 소스 시스템(1000)의 3차원 뷰를 도시한다. 이러한 구성에서 자석은 축 방향으로 폴링되어 EM 필드의 전기 성분에 대해(즉, 플라즈마 소스(1030)의 원통형 축에 대해 축 방향으로 폴링되는) 평행 또는 비평행 자기장을 제공할 수 있다. 도 10b는 도 10a에 도시되지 않는 RF 신호 인터페이스(1026)를 도시한다.

특정 실시예들에서, 가스가 윈도우 근처의 여기 영역을 지나 휩쓸어지는 것을 허용하는 것이 유용할 수 있다. 도 11은 장착 브래킷(1130)에 의해 외부 RF 정합/튜너(1120)에 접속된 동축 공진 바디 캐비티(1110)을 갖는 또 다른 플라즈마 소스 시스템(1100)의 실시예의 3차원 뷰를 도시한다. 동축 공진 캐비티 바디(1110)는 축 방향으로 배향된 광섬유 액세스(1155)를 포함한다. 튜너(1120)는 RF 접속부(1122)를 포함하고 또한 RF 엘보 커넥터(1124)를 통해 동축 공진 캐비티 바디(1110)의 RF 신호 커넥터(1126)에 접속된다. 튜너(1120) 및 동축 공진 캐비티 바디(1110)의 "나란한" 기계적 위치 설정은 변경될 수 있고, 예를 들어, RF 엘보 커넥터(1124)는 제거될 수 있고, 튜너(1120)는 튜브 조립체(1160)에 "평행"으로 배치될 수 있다. 이러한 플로우-바이 장치에서, "보편적인" 동축 공진 캐비티 바디(1110)는 적절히 설계된 튜브 조립체(1160)의 측면에 부착된다. 이 구성은 도 1의 플라즈마 소스(150')에 의해 표시된 바와 같이 포어라인들 및 응답 시간이 중요한 차동 펌핑 애플리케이션들에서 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 튜브 조립체(1160)는 사용될 수 없고 동축 공진 캐비티 바디(1110)는 도 1의 플라즈마 소스(150)의 위치에 의해 표시된 바와 같이 챔버의 외벽과 같은 평평한 표면들에 장착될 수 있다.

본원에 기술된 공진 캐비티 플라즈마 소스들은 공진 주파수, 캐비티 Q, 반사된 전력, 전압 정재파 비(VWSR: voltage standing wave ratio) 등의 변화들을 야기하는 캐비티의 압력 부하와 같은 공정 환경에 의해 제공되는 다양한 작동 조건들의 영향들을 감소시키도록 설계된다. 그러나, 이러한 영향들은 일부 적응이 필요하다. 도 12는 도 10b에 도시된 바와 같은 플라즈마 소스의 예시적인 공진 작용 변화들의 플롯(1200)을 도시한다. 실선 곡선(1210)은 플라즈마 점화 이전의 공진 조건들을 나타내고, 점선 곡선(1220)은 플라즈마 소스가 여기되어 지속 광 방출을 제공하는 동안의 공진 조건들을 나타낸다. 실선 곡선(1210)에 의해 표시된 바와 같이 플라즈마 점화 이전의 공진을 플라즈마 소스가 점선 곡선(1220)으로부터 여기되는 동안의 공진과 비교하는 것은 공진 주파수가 대략 1MHz만큼 변하고 S11(입력 반사 손실)은 약 -25에서 -15dB로 증가한다. 본질적으로, 플라즈마는 동축 캐비티 공진기에 접속된 부하로서 작용한다. 플라즈마 로딩은 덜 효율적인 전력 전달을 야기하고, 여기된 플라즈마로부터 광 방출 신호들의 변화들을 더 구동하는 플라즈마의 여기를 변화시킨다. 결과적인 광 방출 신호 불안정성은 프로세스 제어에 바람직하지 않고, 보상이 필요할 수 있다. 불안정성은 광 방출 신호 진폭의 변화들 또는 스펙트럼 특징들의 변화들로 나타날 수 있다.

이러한 목적들을 위해 소스 제어기가 사용될 수 있다. 도 13은 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스에 대한 소스 제어기(1300)의 블록도를 도시한다. 소스 제어기(1300)는 플라즈마 소스의 RF 신호 인터페이스에 RF 신호를 제공하고 RF 신호의 전력, 위상 및 주파수의 양을 제어하도록 구성된다. RF 신호가 펄스화되면, 소스 제어기(1300)는 또한 임의의 펄스화된 RF 파형들의 주기성 및 듀티 사이클을 조정할 수있다. 플라즈마 소스에 제공된 RF 신호는 플라즈마 소스의 플라즈마 캐비티에서와 같이 플라즈마를 점화 및 유지시키기 위해 전달되는 EM 필드를 생성하는데 사용된다. 소스 제어기(1300)는 독립형일 수 있거나 도 1의 분광계(160), 컴퓨터(170) 및 챔버 제어기(175)와 같은 다른 제어 장치들과 통합될 수 있다.

소스 제어기(1300)는 RF 신호를 규정하고 조절하기 위한 구성요소들을 포함한다. 본원에 규정된 구성은 적어도 플라즈마 소스의 작동에 유용한 원하는 주파수, 신호 레벨 및 신호 안정성 및 신호 레벨 측정 기능들을 제공한다. 소스 제어기(1300)는 합성기(1310), 감쇠기(1320)(아날로그, 디지털 또는 증폭기의 바이어스 제어와 통합될 수 있음), 증폭기(1330)(하나 이상의 증폭기들 또는 전치-증폭기들을 포함할 수 있음), 전기절연체(1350), 양방향성 결합기(1360) 및 전력 센서들(1370)을 포함한다. 소스 제어기의 외부(또는 통합된 것)는 플라즈마 소스(1390)에 접속되는(도 10a의 튜너(1020)와 같은) 매칭 네트워크(1380)일 수 있다. 소스 제어기(1300)는 모든 애플리케이션에서 이들 컴포넌트들 모두를 포함하지 않을 수도 있고 활성화하지 않을수도 있다. 예를 들어, 순방향/반사된 RF 전력의 모니터링이 바람직하지 않은 경우와 같이 양방향성 결합기(1360) 및 전력 센서들(1370)은 포함되지 않을 수 있다. 추가로, 특정 RF 증폭기 구성들에 대해, 예를 들어, 피드백이 문제가 되지 않는 경우, 절연기(1350)는 배제될 수 있다.

합성기(1310)는 RF 신호에 대한 주파수, 위상 및 전력을 설정하는 것을 포함하는 RF 신호를 생성하도록 구성된다. 합성기(1310)는 RF 신호를 생성하기 위한 DC 전원으로부터 DC 전력을 수신한다. 합성기(1310)는 또한 사용자 또는 외부 제어기로부터 주파수, 위상 및 전력을 설정하기 위한 명령들을 수신한다. 합성기(1310)는 또한 플라즈마 소스에 결합된 분광계 또는 다른 광학 모니터링 장치로부터 명령들을 수신할 수 있고 전력 또는 주파수를 변경하기 위한 명령들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 분광계로부터의 피드백은 플라즈마 소스의 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마의 점화를 나타낼 수 있고, 합성기(1310)가 플라즈마의 여기를 유지하기 위한 전력을 감소시키는 것을 허용한다. 하나의 적합한 RF 합성기는 미국 매사추세츠주 노우드 소재의 아날로그 디바이스들로부터 입수가능한 모델 ADF4355이다. DC 전원은 종래의 DC 소스일 수 있고 합성기(1310)는 종래의 전원 접속들 및 인터페이스들를 통해 DC 전원을 수신할 수 있다.

감쇠기(1320)는 합성기(1310)로부터 RF 신호를 수신하여 RF 신호를 원하는 레벨로 감쇠시킨다. 하나의 적합한 감쇠기는 미국 캘리포니아주 산호세 소재 IDT로부터 입수가능한 모델 F1956 디지털 스텝 감쇠기이다. 증폭기(1330)는 감쇠기(1320)로부터 감쇠된 RF 신호를 수신하고 감쇠된 RF 신호를 고정 또는 가변 이득 계수에 의해 부스팅한다. 증폭기(1330)는 원하는 이득을 제공하는데 필요한 단일 또는 다중 증폭기들 또는 전치 증폭기들 일 수 있다. 적합한 증폭기는 미국 노스캐롤라이나주 더럼의 크리의(Cree of Durham, NC, USA) CGH27030 HEMT 주위에 설계될 수 있다. 절연기(1350)는 반사된 전력으로부터 소스 제어기(1300)의 구성 요소들을 보호하도록 구성된다. 적합한 절연기들은 미국 매사추세츠주 워번의 스카이 워크에서 입수할 수 있다.

양방향성 결합기(1360)는 증폭된 RF 신호를 가볍게 두드려서 탭핑된 신호를 전력 센서들(1370)에 제공하도록 구성된다. 전력 센서들(1370)은 증폭된 RF 신호의 이득 및 위상(또는 순방향/반사된 RMS 전력)을 검출한다. 전력 센서들(1370)로부터의 출력은 소스 제어기(1300)에 의해 제공된 RF 전력 레벨들을 조정하거나 또는 정합 네트워크(1380)를 조정하는데 사용될 수 있다. 전력 센서들(1370)로부터의 값들은 또한 도 1의 분광계(160)와 같은 외부 시스템으로 전달될 수 있고, RF 신호 레벨과 광 신호 레벨 간의 상관 관계가 개선된 광 신호 분석들을 위해 광 신호 레벨들을 정규화하는데 사용될 수 있음을 고려한다. 양방향성 결합기들은 Pasternak과 같은 여러 공급 업체들로부터 공급받을 수 있다. 매치 네트워크(1380)는 증폭된 RF 신호를 플라즈마 소스(1390)에 전달하기 위한 임피던스 정합을 제공하도록 구성된다.

소스 제어기(1300)는 도 1의 컴퓨터(170) 또는 분광계(160)와 같은 외부 시스템에 통신을 제공하기 위한 통신 모듈(1307)을 포함할 수 있다. 소스 제어기(1300)는 USB, 이더넷, 또는 다른 통신 프로토콜들을 사용할 수있다. 예를 들어, 합성기(1310)는 통신 모듈(1307)을 통해 명령들을 수신할 수 있다. 합성기(1310) 및 소스 제어기(1300)의 다른 요소들은 직렬 주변 인터페이스(SPI) 또는 상호-집적 회로(I2C) 버스 장치들 일 수 있기 때문에; 마이크로 제어기(1305)는 소스 제어기(1300)의 내부 구성요소들을 제어하는데 사용될 수 있다. 전원 모듈(1303)은 외부 24 VDC 전력을 수신할 수 있고, 내부 구성요소들과 함께 사용하기 위해 필요한 3.3 또는 5 VDC 전압들로 변환할 수 있다. 소스 제어기(1300)의 구성요소들은 RF 차폐된 하우징 또는 박스에 적절하게 통합되어 RF 신호 방출을 제한하고 외부 동축 RF 접속을 제공할 수 있다. 소스 제어기(1300)는 2.4-2.5 GHz와 같은 주파수 범위에서 0.01 내지 40 와트의 가변 공칭 출력 레벨을 제공할 수 있다. 신호 레벨 및 주파수 조정은 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 예를 들어, 10 밀리 와트 단위로 신호 레벨 조정과 1 MHz 단위로 주파수 조정이 사용될 수 있다. 조정 동안 플라즈마의 여기를 유지하기 위해, 소스 제어기(1300)는 전이 중에 RF 신호를 음소거하면 안 된다.

반도체 공정들은 종종 웨이퍼에 다른 처리들이 적용되는 동일한 챔버에서 여러 공정 단계들을 포함한다. 플라즈마 소스들, 플라즈마 소스 시스템들, 또는 본원에 개시된 이들의 부분들은 이러한 하나 이상의 공정 단계들에 대해 사용될 수 있다. 웨이퍼들에 필요한 변화들을 생성하기 위한 공정 제어의 안정성이 중요하기 때문에, 임의의 공정을 모니터링하는 플라즈마 소스의 안정성이 또한 중요하다. 플라즈마 소스가 공정 가스를 여기시키고 열이 발생한다고 가정하면, 플라즈마 소스는 고려되어야 할 안정성 시상수를 갖는다. 더욱이, 플라즈마 소스의 윈도우의 상승 된 온도를 유지하는 것은 윈도우 상의 오염 물질들의 부착을 억제할 수 있다. 이러한 관점에서, 도 14는 다중 단계 반도체 프로세스 동안 본 개시의 원리들에 따라 구성된 플라즈마 소스 또는 그 일부를 동작시키기 위한 프로세스(1400)에 대한 흐름도를 도시한다.

상기 방법(1400)은 본원에 개시된 플라즈마 소스들 중 하나를 사용할 수 있고 준비 단계(1410)에서 시작한다. 준비는 플라즈마 소스에 대한 효과적인 준비 상태를 규정하기 위해 각 프로세스에 사용된 지속 시간, 압력 및 가스들에 대한 검토가 포함할 수 있다. 단계(1420)에서, 준비 상태는 플라즈마 소스에 대한 소스 제어기에 의해 설정될 수 있다. 준비 상태는 미리 결정된 RF 신호 레벨 및 플라즈마 소스에 대한 주파수의 설정을 포함할 수 있다. 예를 들어, RF 신호 레벨은 높은 레벨, 예를 들어 10 와트로 설정되어 플라즈마 소스 및 그 구성요소들의 신속한 예열을 지원할 수 있다. 단계(1420)는 적절한 예열 시간이 제공되는 것을 보장하기 위해 모니터하기 위한 임의의 제 1 공정 단계 이전에 충분히 제정될 수 있다. 단계(1420) 이후에, 다음 공정 단계 동안 플라즈마 소스에 대한 동작 파라미터들은 단계(1430)에서 소스 제어기에서 수신될 수 있다. 동작 파라미터들은 다음 공정 단계의 모니터링에 필요한 광 신호 레벨들을 제공하도록 선택된 플라즈마 소스에 대한 미리 결정된 RF 신호 레벨 및 주파수를 포함할 수 있다. 예를 들어, RF 신호 레벨은 분광계에서 수집된 과도한 광 신호들을 피하기 위해 100 mW의 값으로 공정 단계의 가스들 및 압력들에 기초하여 설정될 수 있다.

동작 파라미터들의 수신에 이어서, 단계(1440)에서, 이들 파라미터들은 그 동작 상태를 조정하기 위해 플라즈마 소스에 인가될 수 있다. 일단 적절한 작동 상태가 달성되면, 플라즈마 소스는 단계(1450) 동안 현재 공정 단계의 지속 기간 동안 작동하도록 허용될 수 있다. 그 다음에, 상기 방법(1400)은 단계(1455)로 진행하여, 모니터링 할 추가 공정 단계들이 있는 경우에 결정이 내려진다. 추가 공정 단계들이 있는 경우, 프로세스(1400)는 단계(1420)로 돌아가고 추가의 공정 단계 동안 플라즈마 소스의 준비 상태를 재-확립한다. 추가적인 공정 단계가 수행되지 않거나 모니터링을 필요로 하지 않으면, 상기 방법(1400)은 플라즈마 소스가 유휴 상태로 설정될 수 있는 단계(1460)로 계속된다. 유휴 상태는 준비 상태, 동작 상태와 동일한 조건들을 가질 수 있거나 또는 플라즈마 소스를 "턴-오프" 시킬 수 있다. 예를 들어, 유휴 상태는 반도체 챔버가 챔버로부터 웨이퍼를 제거하기 위한 배기 사이클과 같은 플라즈마 소스의 작동을 지원하기 위해 압력이 범위를 벗어나는 작동 조건을 통과할 때 RF 신호를 오프 상태로 감소시킬 수 있다. 프로세스(1400)는 단계(1470)로 종료하며, 그때 플라즈마 소스는 중단되거나 새로운 모니터링 사이클을 위해 준비될 수 있다.

전술 한 장치들, 시스템들 또는 방법들 또는 이들의 적어도 일부는 디지털 데이터 프로세서들 또는 컴퓨터들과 같은 다양한 프로세서들(도 1의 제어기들 및 컴퓨터들과 같은)에서 구현되거나 수행될 수 있고, 상기 프로세서들은 장치들 또는 시스템들의 방법들 또는 기능들 중 하나 이상의 단계들을 수행하기 위해 프로그램화되거나 실행 가능 프로그램들 또는 소프트웨어 명령들 시퀀스들을 저장한다. 그러한 프로그램들의 소프트웨어 명령들은 알고리즘들을 나타낼 수 있고 비-일시적 디지털 데이터 저장 매체, 예를 들어 자기 또는 광학 디스크들, 랜덤-액세스 메모리(RAM), 자기 하드 디스크들, 플래시 메모리들 및/또는 판독-전용 메모리(ROM)에 기계-실행가능한 형식으로 인코딩되어 다양한 타입들의 디지털 데이터 프로세서들 또는 컴퓨터들이 하나 이상의 전술한 방법들 또는 본원에 기술된 시스템의 기능들의 단계들 중 하나, 다수의 또는 전부를 수행하는 것을 가능하게 할 수 있다.

본원에 개시된 특정 실시예들은 장치들, 시스템들의 일부를 구현하는 다양한 컴퓨터-구현 동작들을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체를 갖는 컴퓨터 저장 제품에 더 관련되거나 이를 포함할 수 있고, 본원에 설명된 방법들의 단계들 중 적어도 일부를 수행하거나 지시할 수 있다. 본원에 사용되는 비-일시적인 매체는 일시적인, 전파 신호들을 제외한 모든 컴퓨터-판독 가능 매체를 지칭한다. 비-일시적인 컴퓨터-판독 가능 매체의 예시들은 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는다: 하드 디스크들, 플로피 디스크들 및 자기 테이프와 같은 자기 매체; CD-ROM 디스크들과 같은 광학 매체; 플로피 디스크들과 같은 광 자기 매체; 및 ROM 및 RAM 장치들과 같은 프로그램 코드를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치들. 프로그램 코드의 예시들은 컴파일러에 의해 생성되는 것과 같은 머신 코드 및 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 상위 레벨 코드를 포함하는 파일들 양자 모두 포함한다.

본 출원과 관련된 기술 분야의 당업자들은 다른 추가의 추가들, 삭제들, 대체들 및 변형들이 설명된 실시예들에 대해 이루어질 수 있음을 알 것이다.

본 개시의 다양한 양상들은 본원에 개시된 장치들, 시스템들 및 방법들을 포함하여 청구될 수 있다. 본원에 개시된 양상들은 다음을 포함한다:

A. 하나 이상의 가스들로부터 플라즈마의 여기 및 그에 의한 광학 모니터링을 위한 플라즈마 소스로서: (1) 내부 길이를 가지며, 제 1 단부, 제 2 단부, 내부 전극 및 외부 전극을 포함하는 동축 공진 캐비티 바디, (2) 상기 내부 길이를 따라 고정된 위치에서 상기 내부 및 외부 전극들에 전기적으로 결합되고 상기 동축 공진 캐비티 바디에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 무선 주파수 신호 인터페이스, (3) 동축 공진 캐비티 바디의 제 1 단부에 배치된 윈도우, 및 (4) 동축 공진 캐비티 바디의 제 1 단부에서 윈도우에 근접하게 배치되고 플라즈마 캐비티를 규정하는 장착 플랜지로서, 상기 윈도우는 상기 플라즈마 캐비티의 일 측면을 형성하고 동축 공진 캐비티 바디를 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마로부터 절연하는, 상기 장착 플랜지를 포함한다.

B. 플라즈마의 여기를 위한 여기 시스템으로서: (1) 내부 길이를 가지며, 제 1 단부, 제 2 단부, 내부 전극 및 외부 전극을 포함하는 동축 공진 캐비티 바디, (2) 내부 길이를 따라 고정된 위치에서 내부 및 외부 전극들에 전기적으로 결합되고 동축 공진 캐비티 바디에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 무선 주파수 신호 인터페이스, 및 (3) 무선 주파수 신호 인터페이스에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 소스 제어기를 포함한다.

C. 광학 모니터링 시스템은: (1) 공정 챔버와 가스 연통하는 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마로부터 광 방출을 점화, 여기 및 생성하도록 구성된 플라즈마 소스, (2) 플라즈마의 점화 및 여기를 위해 상기 플라즈마 캐비티 내에 전자기장을 생성하기 위해 플라즈마 소스의 무선 주파수 신호 인터페이스에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 소스 제어기, (3) 플라즈마의 여기로부터 관측된 광 신호들을 전달하도록 구성된 광 결합 시스템, 및 (4) 광 신호들을 수신하여 전기 신호들로 변환하도록 구성된 분광계를 포함한다.

양상들 A, B 및 C 각각은 조합으로 다음의 추가 요소들 중 하나 이상을 가질 수 있다:

요소 1: 동축 공진 캐비티 바디의 내부 길이는 명목상 제공된 무선 주파수 신호의 1/4 파장의 홀수이다. 요소 2: 고정된 위치는 내부 길이를 따라 상기 제 1 단부로부터 결합 포인트 거리에 있고, 결합 포인트 거리 및 내부 길이의 값들은 윈도우 근처에 제공된 무선 주파수 신호로부터 유도된 전자기장을 강화시키고 위치시키도록 협력한다. 요소 3: 윈도우는 3mm 이하의 두께를 갖는 용융 실리카 및 사파이어로부터 선택된 재료로 이루어진다. 요소 4: 무선 주파수 신호 인터페이스는 내부 및 외부 전극들에 유도적으로 그리고 전기적으로 결합된다. 요소 5: 무선 주파수 신호 인터페이스는 내부 및 외부 전극들에 용량성으로 전기적으로 결합된다. 요소 6: 외부 및 내부 전극들 사이의 체적 내에서 조절 가능한 하나 이상의 튜닝 스터브들을 더 포함한다. 요소 7: 동축 공진 캐비티 바디, 장착 플랜지 및 윈도우는 제거 가능하게 접속된다. 요소 8: 제 1 단부에서 내부 전극은 상기 플라즈마 캐비티 내에서 상기 플라즈마의 위치를 규정하는 형상을 가진 윈도우 단부를 갖는다. 요소 9: 형상은 대칭 라운드형 암들을 갖는 크로스, 절단된 암들(truncated arms)을 갖는 크로스, 비대칭 크로스, 단일 포인트 및 원추대로부터 선택된다. 요소 10: 내부 전극의 윈도우 단부는 제거 가능하다. 요소 11: 절연 스크린을 더 포함한다. 요소 12: 윈도우에 근접하고 플라즈마의 위치와 일치하는 광 신호 개구를 더 포함한다. 요소 13: 광 신호 개구의 위치는 제 1 단부에서의 내부 전극의 형상에 상응한다. 요소 14: 광 신호 개구와 일치하는 광섬유 액세스를 더 포함한다. 요소 15: 광섬유 액세스는 제 1 및 제 2 단부들 사이에서 동축 공진 캐비티 바디의 길이를 따라 연장된다. 요소 16: 동축 공진 캐비티 바디는 무선 주파수 신호의 소스의 임피던스와 정합하는 임피던스를 갖는다. 요소 17: 플라즈마의 점화를 돕고 점화 후에 플라즈마의 유지를 돕기 위해 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마와 상호 작용하는 자기장을 공급하는 자석을 더 포함한다. 요소 18: 자석은 장착 플랜지와 접속된다. 요소 19: 소스 제어기는 무선 주파수 신호의 전력 레벨, 주파수, 위상 및 듀티 사이클을 제어한다. 요소 20: 소스 제어기는 소스 제어기와 플라즈마 소스 사이에서 측정된 순방향 및 반사된 전력에 기초하여 전력량을 자동으로 제어한다. 요소 21: 소스 제어기는 무선 주파수 신호의 주파수를 규정하는 무선 주파수 합성기와, 전력량을 설정하는 가변 이득 무선 주파수 신호 경로를 포함한다. 요소 22: 소스 제어기는 소스 제어기와 플라즈마 소스 사이에서 측정된 무선 주파수 신호 이득 및 위상 정보에 기초하여 무선 주파수 신호의 주파수를 자동으로 제어한다. 요소 23: 소스 제어기는 동축 공진 캐비티 바디로부터 멀리 배치된다. 요소 24: 동축 공진 캐비티 바디의 제 1 단부에 배치된 윈도우와, 동축 공진 캐비티 바디의 제 1 단부에서 윈도우에 근접하게 배치되고 플라즈마 캐비티를 규정하는 장착 플랜지를 더 포함하며, 상기 윈도우는 플라즈마 캐비티 내에서 동축 공진 캐비티 바디를 플라즈마로부터 절연시킨다. 요소 25: 소스 제어기는 소스 제어기와 플라즈마 소스 사이에서 측정된 순방향 및 반사된 전력에 기초하여 무선 주파수 신호의 전력량을 자동으로 제어한다.

Claims

하나 이상의 가스들로부터 플라즈마의 여기 및 그로부터의 광 방출의 모니터링을 위한 플라즈마 소스에 있어서:
내부 길이를 갖고 제 1 단부, 제 2 단부, 내부 전극 및 외부 전극을 포함하는 동축 공진 캐비티 바디로서, 상기 제 1 단부에서 상기 내부 전극은 플라즈마 캐비티 내에 상기 플라즈마의 위치를 규정하는 형상을 갖는 윈도우 단부를 갖고, 상기 형상은 대칭 라운드형 암들(symmetric rounded arms)을 갖는 크로스, 절단된 암들(truncated arms)을 갖는 크로스, 비대칭 크로스, 단일 포인트, 및 원추대로부터 선택된, 상기 동축 공진 캐비티 바디;
상기 내부 길이를 따라 고정된 위치에서 상기 내부 및 외부 전극들에 전기적으로 결합되고, 상기 동축 공진 캐비티 바디에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 무선 주파수 신호 인터페이스;
상기 동축 공진 캐비티 바디의 상기 제 1 단부에 배치된 윈도우; 및
상기 동축 공진 캐비티 바디의 상기 제 1 단부에서 상기 윈도우에 인접하여 배치되고 플라즈마 캐비티를 규정하는 장착 플랜지(mounting flange)로서, 상기 윈도우는 상기 플라즈마 캐비티의 한 면을 형성하고 상기 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마로부터 상기 동축 공진 캐비티 바디를 격리시키는, 상기 장착 플랜지를 포함하는, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 동축 공진 캐비티 바디의 상기 내부 길이는 명목상 상기 제공된 무선 주파수 신호의 1/4 파장의 홀수인, 플라즈마 소스.
제 2 항에 있어서,
상기 고정된 위치는 상기 내부 길이를 따라 상기 제 1 단부로부터의 결합 포인트 거리에 있고, 상기 결합 포인트 거리 및 상기 내부 길이의 값들은 상기 제공된 무선 주파수 신호로부터 유도된 전자기장을 강화시키고 상기 윈도우에 근접하게 위치시키도록 협력하는, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 윈도우는 3mm 이하의 두께를 갖는 용융 실리카 및 사파이어로부터 선택된 재료로 이루어지는, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 무선 주파수 신호 인터페이스는 상기 내부 및 외부 전극들에 유도적으로 그리고 전기적으로 결합되는, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 무선 주파수 신호 인터페이스는 상기 내부 및 외부 전극들에 용량성으로 그리고 전기적으로 결합되는, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
하나 이상의 튜닝 스터브들(tuning stubs)은 상기 외부 및 내부 전극들 사이의 체적 내에서 조절 가능한, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 동축 공진 캐비티 바디, 상기 장착 플랜지 및 상기 윈도우는 제거 가능하게 접속되는, 플라즈마 소스.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 내부 전극의 상기 윈도우 단부는 제거 가능한, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
절연 스크린을 더 포함하는, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 윈도우에 근접하고 상기 플라즈마의 위치와 일치하는 광 신호 개구(optical signal aperture)를 더 포함하는, 플라즈마 소스.
제 13 항에 있어서,
상기 광 신호 개구는 상기 제 1 단부에서 상기 내부 전극의 형상에 대응하는, 플라즈마 소스.
제 13 항에 있어서,
상기 광 신호 개구와 일치하는 광섬유 액세스를 더 포함하는, 플라즈마 소스.
제 15 항에 있어서,
상기 광섬유 액세스는 상기 제 1 및 제 2 단부들 사이에 상기 동축 공진 캐비티 바디의 길이에 따라 연장하는, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 동축 공진 캐비티 바디는 상기 무선 주파수 신호의 소스의 임피던스에 일치하는 임피던스를 갖는, 플라즈마 소스.
제 1 항에 있어서,
상기 플라즈마의 점화를 보조하고 상기 점화 후에 상기 플라즈마를 유지시키기 위해 상기 플라즈마 캐비티 내에서 상기 플라즈마와 상호 작용하는 자기장을 공급하는 자석을 더 포함하는, 플라즈마 소스.
제 18 항에 있어서,
상기 자석은 상기 장착 플랜지와 접속되는, 플라즈마 소스.
플라즈마의 여기를 위한 여기 시스템에 있어서:
내부 길이를 갖고, 제 1 단부, 제 2 단부, 내부 전극 및 외부 전극을 포함하는 동축 공진 캐비티 바디로서, 상기 제 1 단부에서 상기 내부 전극은 플라즈마 캐비티 내에 상기 플라즈마의 위치를 규정하는 형상을 갖는 윈도우 단부를 갖고, 상기 형상은 대칭 라운드형 암들을 갖는 크로스, 절단된 암들을 갖는 크로스, 비대칭 크로스, 단일 포인트, 및 원추대로부터 선택된, 상기 동축 공진 캐비티 바디;
상기 내부 길이를 따라 고정된 위치에서 상기 내부 및 외부 전극들에 전기적으로 결합되고, 상기 동축 공진 캐비티 바디에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 무선 주파수 신호 인터페이스; 및
무선 주파수 신호를 상기 무선 주파수 신호 인터페이스에 제공하도록 구성된 소스 제어기를 포함하는, 여기 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 소스 제어기는 상기 무선 주파수 신호의 전력 레벨, 주파수, 위상 및 듀티 사이클을 제어하는, 여기 시스템.
제 21 항에 있어서,
상기 소스 제어기는 상기 소스 제어기와 플라즈마 소스 사이에서 측정된 순방향 및 반사된 전력에 기초하여 전력량을 자동으로 제어하는, 여기 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 소스 제어기는 상기 무선 주파수 신호의 상기 주파수를 규정하는 무선 주파수 합성기 및 전력량을 설정하는 가변 이득 무선 주파수 신호 경로를 포함하는, 여기 시스템.
제 23 항에 있어서,
상기 소스 제어기는 상기 소스 제어기와 플라즈마 소스 사이에서 측정된 무선 주파수 신호 이득과 위상 정보에 기초하여 상기 무선 주파수 신호의 상기 주파수를 자동으로 제어하는, 여기 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 소스 제어기는 상기 동축 공진 캐비티 바디로부터 원격으로 위치되는, 여기 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 동축 공진 캐비티 바디의 상기 제 1 단부에 배치된 윈도우와, 상기 동축 공진 캐비티 바디의 상기 제 1 단부에서 상기 윈도우에 인접하게 배치되고 플라즈마 캐비티를 규정하는 장착 플랜지를 더 포함하고, 상기 윈도우는 상기 플라즈마 캐비티의 한 면을 형성하고 상기 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마로부터 상기 동축 공진 캐비티 바디를 격리시키는, 여기 시스템.
광학 모니터링 시스템에 있어서:
동축 공진 캐비티 바디를 포함하고, 공정 챔버와 가스 연통하는 플라즈마 캐비티 내의 플라즈마로부터 광 방출을 점화, 여기 및 생성하도록 구성되는 플라즈마 소스로서, 상기 동축 공진 캐비티 바디는 제 1 단부, 제 2 단부, 내부 전극 및 외부 전극을 포함하고, 상기 제 1 단부에서 상기 내부 전극은 상기 플라즈마 캐비티 내에 상기 플라즈마의 위치를 규정하는 형상을 갖는 윈도우 단부를 갖고, 상기 형상은 대칭 라운드형 암들을 갖는 크로스, 절단된 암들을 갖는 크로스, 비대칭 크로스, 단일 포인트, 및 원추대로부터 선택된, 상기 플라즈마 소스;
상기 플라즈마의 상기 점화 및 여기를 위해 상기 플라즈마 캐비티 내에 전자기장을 생성하기 위해 상기 플라즈마 소스의 무선 주파수 신호 인터페이스에 무선 주파수 신호를 제공하도록 구성된 소스 제어기;
상기 플라즈마의 상기 여기로부터 관측된 광 신호들을 전달하도록 구성된 광학 결합 시스템; 및
광 신호들을 수신하여 전기 신호들로 변환하도록 구성된 분광계 (spectrometer)를 포함하는, 광학 모니터링 시스템.
제 27 항에 있어서,
상기 소스 제어기는 상기 소스 제어기와 상기 플라즈마 소스 사이에서 측정된 순방향 및 반사된 전력에 기초하여 상기 무선 주파수 신호의 전력량을 자동으로 제어하는, 광학 모니터링 시스템.