KR102270900B1

KR102270900B1 - 박막 증착 모니터링

Info

Publication number: KR102270900B1
Application number: KR1020167008707A
Authority: KR
Inventors: 모하메드 부하리 린잔
Original assignee: 인피콘, 인크.
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2021-07-02
Also published as: JP6434965B2; CN105917023B; JP2016535246A; US10704150B2; WO2015051250A1; KR20160065110A; US20160215397A1; US20200325580A1; CN105917023A

Abstract

박막 증착을 모니터링하기 위한 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 변조된 신호를 발생하도록 석영 크리스탈 및 합성기를 포함한다. 상기 변조된 신호는 상기 석영 크리스탈을 통해 접지된다. 상기 시스템은 또한 박막 증착을 모니터링하기 위해 상기 석영 크리스탈로부터 상기 변조된 신호의 위상을 결정하도록 위상 검출기를 포함한다. 공진에서 상기 신호의 고 주파수가 크리스탈 주파수와 일치되도록 변조 인덱스가 선택될 수 있다.

Description

박막 증착 모니터링{MONITORING THIN FILM DEPOSITION}

관련 출원들의 상호참조

본 출원은 제목이 "크리스탈 공진의 측정"인 2013년 10월 3일 출원된 미국 가 특허 출원 일련 번호 61/886,333의 이득 및 그에 대한 우선권을 청구하며, 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.

본 발명은 박막 증착 모니터링(monitoring thin film deposition)에 관한 것이다.

수정 공진 주파수 모니터링은 일반적으로 증착 속도(deposition rates)를 제어하기 위해 사용된다. 그러나, 케이블 공진 효과가 석영 크리스탈(quartz crystal) 증착 컨트롤러들의 긴 동축 케이블에서 발생한다.

크리스탈 인터페이스 유닛(Crystal Interface Unit: XIU)은 위상 고정 루프에 기초하는 크리스탈 공진 모니터이다. XIU들은 박막 증착 챔버 내부에 설치된 석영 크리스탈 센서로부터 짧은 케이블 길이만큼만 떨어진 측정 회로의 위상 감지 검출부를 포함하는 일부 부품을 구비한다. XIU는 그 길이가 30m까지 변할 수 있는 멀티-컨덕터 제어 케이블을 통해 (레이트 제어 및 데이터 처리 유닛 내부에 장착된 측정 카드라고 하는) 상기 측정 회로의 나머지 부분에 연결된다. XIU의 디자인은 상기 센서의 커패시턴스 및 상기 XIU를 석영 크리스탈 센서에 연결하는 케이블의 반응성 컨덕턴스에 기인한 위상 시프트를 보상하기 위해 용량 브리지를 포함한다.

본 구성은 다른 물질들로 코팅되는 모니터 크리스탈의 활성(수명)을 측정할 수 있는 능력을 포함한 많은 이점들을 제공한다. 그러나, 이러한 이점들은 짧은 케이블 길이들에 대해서만(~6MHz의 시작 기본 주파수와 대부분의 크리스탈들에 대해 4.5m까지) 이용가능하며, 허용되는 길이는 또한 더 높은 기본 주파수의 크리스탈들에 대해 감소한다. 또한, 기존 XIU 용의 센서 케이블의 최대 길이는 등 케이블 유형, 크리스탈 크기 및 형상(geometry), 센서 헤드 설계 등과 같은 파라미터들에 의존한다.

XlU 센서 케이블 길이가 증가함에 따라, 기존 디자인의 기대되는 이점들 중 대부분은 주로 동축 케이블의 반사(reflections)로 인해 손실되며, 결국 검출 실패를 초래하게 된다. 임피던스 정합에 의해 반사를 억제하는 것은 고정 임피던스들에 대해 통상적으로 실행되는 것이다. 그러나, 석영 크리스탈의 임피던스는 재료 증착 동안 넓은 범위에 걸쳐 변화한다. 이 경우(넓은 주파수 대역 및 넓은 임피던스 대역)에서 적절한 종단은, 사용되는 동축 케이블의 특정 임피던스 양측에 해당하는 크리스탈 임피던스에 대해 적절한 매칭 노드들을 선택하기 위해 다수의 매칭 노드들 및 스위치 회로를 필요로 한다. 상기 문제들 외에, 긴 케이블 길이는 크리스탈 코팅시 현재 XIU들에 대한 무효한 케이블 보상 및 크리스탈 공진의 증가된 주파수 풀링을 발생시킨다.

종래 방식들은 XlU 센서 케이블의 전기적 길이(유전 상수 및 물리적 길이의 양쪽 모두의 함수)가 여기 신호(excitation signal)의 1/4 파장을 초과할 때 공진을 찾아내는 능력의 감소를 경험한다. 또한, 둘 이상의 XIU들의 조합이 RG58 형 동축 케이블에 대해 ~4m까지의 연속하는 길이 범위를 커버하도록 요구된다.

박막 증착의 두께 비율 모니터링을 위한 초전도 공동 안정화된 마이크로파 발진기 회로들이 입증되었다. 예를 들면, S.R. Stein 및 J. P. Turneaure에 의해 제안된 초전도 공동 안정화된 마이크로파 발진기 회로(IEEE 회의록, vol. 63, 이슈 8 - 1975) 참조. FM 신호들은 공동(cavity)을 사용하여 AM 신호들로 변환된다.

이전의 일부 디바이스들에서, XIU는 상기 크리스탈에서 상기 컨트롤러까지의 케이블 길이를 감소시킨다. 측정 회로 컴포넌트들은 XIU 내에 있다. 최대 케이블 길이는 예를 들면 크리스탈에서 XIU까지 4.5M가 된다. 이를 넘어서면, 반사 및 위상 반전이 발생할 수 있다. 그러나, 4 세대 및 더 큰 글래스에 대해 단일 평면-패널 증착 챔버가 너무 크면, 4.5m는 충분하지 않다. 더 긴 케이블은 1/4 λ에서 반사들과 정상파들을 드러낸다. 1/2 λ는 0m와 동일한 임피던스를 가지며, 임피던스는 1/2 λ로 주기적이며, 매 1/4 λ에서 반전된다.

박막 증착(thin film deposition)을 모니터링하기 위한 시스템 및 방법이 설명된다. 한 실시예에서, 박막 증착을 모니터링하기 위한 시스템은 변조된 신호를 생성하도록 석영 크리스탈 및 합성기를 포함한다. 변조된 신호는 상기 석영 크리스탈을 접지된다. 또한, 상기 시스템은 박막 증착을 모니터링하기 위해 상기 석영 크리스탈로부터의 변조된 신호의 위상을 결정하도록 위상 검출기를 포함한다. 공진에서 신호의 높은 주파수가 크리스탈 주파수와 일치(match)하도록 변조 인덱스가 선택될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법은 프로세서를 통해 변조된 신호를 선택하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 크리스탈을 여기(excite)하도록 석영 크리스탈을 통해 상기 변조된 신호를 접지하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 크리스탈로부터 변조된 신호를 수신하고, 상기 크리스탈로부터의 신호를 복조하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 부가적으로, 박막 증착 두께를 결정하기 위해 상기 복조된 신호의 위상을 측정하는 단계를 포함한다.

도 1은 시스템의 구성요소들을 도시하는 하이-레벨 다이어그램.
도 2는 긴 동축 케이블들에서의 문제를 도시하는 도면.
도 3은 측정 카드의 하이-레벨 다이어그램.
도 4는 로크-인 앰프로부터의 크기 및 위상 측정을 도시하는 도면.
도 5a 및 도 5b는 예시적인 변환된 위상 변조 신호를 도시하는 도면.
도 6은 본 측정 시스템으로 얻어진 캔형의 크리스탈(canned crystal)의 어드미턴스 곡선을 도시하는 도면.
도 7a 내지 도 7d는 실험 데이터를 도시하는 도면.
도 8은 박막 증착을 모니터링하는 방법의 일례를 도시하는 흐름도
첨부된 도면들은 설명의 목적을 위한 것이며, 반드시 스케일대로 되지 않았다.

본 발명의 상기한 점들과 다른 목적들, 특징들, 및 이점들은 다음의 설명들 및 도면들과 함께 참조할 때 더욱 명확해질 것이며, 여기에서는 가능한 한, 도면들에서 공통인 동일한 특징들을 지정하도록 동일한 참조 번호들이 사용된다.

다음의 설명에서, 몇몇 양태는 일반적으로 소프트웨어 프로그램으로서 구현되는 관점에서 설명될 것이다. 당업자는 이러한 소프트웨어의 등가는 하드웨어, 펌웨어, 마이크로 코드로 구성될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 데이터 조작 알고리즘 및 시스템은 잘 알려져 있기 때문에, 본 기술은 여기에 기술된 시스템들과 방법들의 부분을 형성하거나 이들과 더욱 직접적으로 협동하는 알고리즘 및 시스템에 특히 관련될 것이다. 이러한 알고리즘 및 시스템의 다른 측면들과, 여기에서는 특별히 도시되거나 기술되지 않았지만 그에 수반된 신호들을 생성하고 그렇지 않으면 이들을 처리하기 위한 하드웨어 또는 소프트웨어는, 종래 기술에 공지된 이러한 시스템들, 알고리즘들, 구성요소들 및 요소들로부터 선택된다. 본원에 기재된 바와 같은 시스템들과 방법들을 제공함으로써, 임의의 양태를 구현하는데 유용하지만 여기에서는 특별히 도시, 제안 또는 기술되지 않은 소프트웨어는 평범하며 그러한 기술 분야의 통상적인 기술 내에 있는 것이다.

크리스탈 주파수(즉, λ)는 사용함에 따라 변경되기 때문에, 석영 크리스탈 증착 컨트롤러에서 λ/2 케이블을 사용하는 것은 실용적이지 않다. 이러한 크리스탈 주파수 변경은 동작 윈도우(window)를 감소시킨다. 위상은 λ 변화에 따라 저하하기 때문에 특정 주파수 시프트만이 주어진 케이블 길이에 대해 허용된다. 이러한 위상 저하는 측정 시스템의 주파수 안정성 및 분해능을 감소시킨다.

임피던스 및 주파수는 증착(deposition)으로 변화하기 때문에, 고정된 임피던스 매칭도 또한 효과적이지 않다. 상기 크리스탈에 매칭하는 넓은 대역 및 넓은 부하 임피던스는 진공을 견딜 수 있는 구성요소들로 달성하기 어렵다. 또한, 진공에서의 어떠한 추가적인 요소가 고장으로 인한 추가적인 라인 가동 중단을 야기할 수 있다. 따라서, (예를 들면, 고주파, 6MHz의) 크리스탈 여기의 위상에 영향을 받지 않는 방식으로 크리스탈 공진 주파수를 측정하는 것이 바람직하다.

다양한 양태들은, 수동 증착 모니터 회로를 진공 챔버 내부에 수용된 원격 석영 크리스탈 센서에 연결하는 동축 케이블들의 반사 제한된 길이를 극복하는데 대해 관련하고 있다. 다양한 양태는 임의의 시스템을 포함할 대형 증착 시스템들에 장착된 석영 크리스탈에 수동 크리스탈 질의 회로를 연결하는 긴 케이블들에서 정상파들로 인한 문제들에 실질적으로 영향을 받지 않는 증착 모니터링 회로를 제공한다. 다양한 양태들은, 특히 긴 케이블들의 경우에, 주로 케이블 용량 부하로 인한 임피던스 스펙트럼의 주파수 풀링(frequency pulling)을 감소시킨다. 다양한 양태들은 케이블 길이, 케이블 종류나 센서 헤드 유형과는 독립적으로, 기본적이거나, 스퓨리어스거나 또는 오버톤이든 간에 활성 모드들로 효과적이다. 다양한 양태들은 케이블 보상을 위한 버랙터-제한된 브리지 회로를 필요로 하지 않는다. 다양한 양태들은 구동 파형을 합성하는 디바이스의 능력에 의해서만 제한된 6MHz 이상의 기본 주파수로 크리스탈들을 커버하도록 주파수 대역폭을 증가시킨있다. 다양한 양태들은 상기 크리스탈의 필터 품질(Q)을 측정할 수 있다. 이러한 것은 측정 속도가 Q와 관련되기 때문에 유용하다. 다양한 크리스탈들은 100ms의 측정 속도를 허용한다. 다양한 양태들은 이러한 XIU와 같은 인터페이스 회로를 사용하지 않고서 크리스탈을 측정할 수 있다. 다양한 양태들은 대형 시스템에서 박막 증착 모니터링을 위한 높은 안정성 석영 크리스탈 수동 공진 회로를 포함한다. 상기 회로는 예를 들면 INFICON 의해 기존의 레이트 모니터들과 컨트롤러들로 사용될 수 있다.

도 1은 시스템의 구성요소들을 도시하는 하이-레벨 다이어그램이다. 시스템 (100)은 데이터를 분석하고 여기에 기술된 다른 분석을 수행하기 위한 예시적인 데이터 처리 시스템 및 관련 구성요소들이다. 상기 시스템은 프로세서(4286), 주변 시스템(4220), 사용자 인터페이스 시스템(4230), 데이터 저장 시스템(4240)을 포함한다. 주변 시스템(4220), 사용자 인터페이스 시스템(4230) 및 데이터 저장 시스템 (4240)은 통신 프로세서(4286)에 통신가능하게 접속되어있다. 후술하는 바와 같이, 프로세서(4286)는 예를 들어 인터넷 또는 X.425 네트워크와 같은 네트워크(4250)에 통신가능하게 연결될 수 있다. 프로세서(4286)는 시스템들(4220, 4230, 4240) 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 네트워크(들)(4250)에 연결할 수 있다. 프로세서(4286), 및 여기에 기술된 다른 처리 디바이스들 각각은 하나 이상의 마이크로프로세서들, 마이크로컨트롤러들, 필드-프로그래머블 게이트 어레이들(FPGAs), 주문형 집적 회로들(ASICs), 프로그래머블 로직 디바이스들(PLDs), 프로그래머블 로직 어레이들(PLAs), 프로그램가능 어레이 논리 디바이스들(PALs), 또는 디지털 신호 프로세서들(DSPs)을 포함 할 수 있다.

프로세서(4286)는 여기에 기재된 다양한 양상의 프로세스들을 구현할 수 있다. 프로세서(4286)는 데이터를 조작하기 위한 하나 이상의 디바이스(들)이거나 이를 포함할 수 있으며, 예를 들면, 중앙 처리 디바이스(CPU), 마이크로컨트롤러(MCU), 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 개인 휴대 정보 단말기, 디지털 카메라, 휴대 전화, 스마트폰, 또는 전기적, 자기적, 광학적, 생물학적 구성요소들이나 그 밖의 것들로 실행되는, 데이터, 관리 데이터 또는 처리(handling) 데이터를 처리하기 위한 어떠한 다른 디바이스도 될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(4286)는 하버드-아키텍처 구성요소들, 변형된-하버드-아키텍처 구성요소들 또는 폰-노이만(Von-Neumann)-아키텍처 구성요소들을 포함할 수 있다.

문구 "통신적으로 연결된"은 디바이스들과 프로세서들 간에 데이터를 통신하기 위한 유선 또는 무선의 연결의 어떠한 유형도 포함한다. 이러한 디바이스들 또는 프로세서들은 물리적으로 근접하게 또는 근접하지 않게 위치될 수 있다. 예를 들어, 주변 시스템(4220), 사용자 인터페이스 시스템(4230), 데이터 저장 시스템(4240) 등의 서브 시스템들은 데이터 처리 시스템(4286)과는 별도로 도시되어 있지만, 데이터 처리 시스템(4286) 내에 완전히 또는 부분적으로 저장 될 수있다.

주변 시스템(4220)은 디지털 콘텐츠 레코드를 프로세서(4286)에 제공하도록 구성되는 하나 이상의 디바이스들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주변 시스템(4220)은 디지털 스틸 카메라, 디지털 비디오 카메라, 휴대 전화, 또는 다른 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 주변 시스템(4220)에서 디바이스로부터 디지털 콘텐츠 레코드를 수신하면, 프로세서(4286)는 데이터 저장 시스템(4240)에서 그러한 디지털 콘텐츠 레코드를 저장할 수 있다.

사용자 인터페이스 시스템(4230)은 마우스, 키보드, (예를 들어 네트워크 또는 널 모뎀 케이블을 통해 연결된) 다른 컴퓨터, 또는 프로세서(4286)에 입력되는 데이터를 갖는 어떠한 디바이스들 또는 이들의 조합도 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스 시스템(4230)은 또한 디스플레이 디바이스, 프로세서에 액세스 가능한 메모리, 또는 프로세서(4286)에 의한 데이터가 출력되는 어떠한 디바이스들 또는 이들의 조합도 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스 시스템(4230) 및 데이터 저장 시스템(4240)은 프로세서-액세스 가능한 메모리를 공유할 수 있다.

다양한 양태에서, 상기 프로세서(4286)는 네트워크 링크(4216)(점선으로 도시)를 통해 상기 네트워크(4250)에 결합된 통신 인터페이스(4215)를 포함하거나 연결된다. 예를 들면, 통신 인터페이스(4215)는, 전화 회선을 통해 데이터를 통신하는 종합 정보 통신망(ISDN) 단말기 어댑터 또는 모뎀; 근거리 통신망(LAN), 예를 들어, 이더넷 LAN 또는 광역 네트워크(WAN)를 통해 데이터를 통신하는 네트워크 인터페이스; 또는 무선 링크, 예를 들어, WiFi 또는 GSM을 통해 데이터를 통신하는 라디오(radio)를 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(4215)는, 네트워크 링크(4216)를 통해 상기 네트워크(4250)로, 다양한 형태의 정보를 나타내는 디지털 또는 아날로그 데이터 스트림을 전달하는 전기, 전자기 또는 광학 신호를 전송 및 수신한다. 네트워크 링크(4216)는, 스위치, 게이트웨이, 허브(hub), 라우터, 또는 다른 네트워크 디바이스를 통해 상기 네트워크(4250)에 연결될 수 있다.

프로세서(4286)는 네트워크(4250), 네트워크 링크(4216) 및 통신 인터페이스(4215)를 통해 프로그램 코드를 포함하는, 메시지를 전송하고 데이터를 수신할 수 있다. 예를 들면, 서버는 연결되는 실재하는 비-휘발성 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 상에 (예를 들어, 자바 애플릿인) 응용 프로그램용 요청 코드를 저장할 수 있다. 상기 서버는 상기 매체로부터 상기 코드를 검색할 수 있고, 인터페이스(4215)와 통신하도록 네트워크(4250)를 통해 전송할 수 있다. 수신된 코드는 그것이 수신되거나 나중에 실행하기 위해 데이터 저장 시스템(4240)에 저장됨에 따라 프로세서(4286)에 의해 실행될 수있다.

데이터 저장 시스템(4240)은 정보를 저장하도록 구성된 하나 이상의 프로세서-액세스 가능한 메모리를 포함하거나 이에 통신가능하게 접속될 수 있다. 상기 메모리들은 예를 들면 섀시(chassis) 내에 있을 수 있거나, 분산 시스템의 부분으로서 있을 수 있다. 문구 "프로세서-액세스 가능한 메모리"는 (주변 시스템(4220)의 적절한 구성요소를 사용하여) 프로세서(4286)가 데이터를 전달할 수 있는 임의의 데이터 저장 디바이스를 포함하도록 의도되며, 이는 휘발성 또는 비-휘발성; 이동식 또는 고정식; 전자, 자기, 광학, 화학, 기계, 또는 기타 어떤 것이든 상관없다. 전형적인 프로세서-액세스 가능한 메모리는 레지스터, 플로피 디스크, 하드 디스크, 테이프, 바코드, 컴팩트 디스크, DVD, 판독 전용 메모리(ROM), 소거 가능한 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EPROM, EEPROM, 또는 플래시), 및 랜덤-액세스 메모리(RAMs)를 포함하지만, 이에 국한되지 않는다. 데이터 저장 시스템(4240)에서의 프로세서-액세스 가능한 메모리들 중 하나는 실재하는 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체일 수 있으며, 즉, 실행을 위해 프로세서(4286)에 제공될 수 있는 명령어를 저장하는데 참여하는 비-일시적인 디바이스 또는 제조 물품일 수 있다.

예에서, 데이터 저장 시스템(4240)은 실례로 RAM과 같은 코드 메모리(4241), 및 하드 드라이브와 같은, 예를 들어 실재하는 컴퓨터 판독 가능한 회전식 저장 디바이스와 같은 디스크(4243)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램 명령은 디스크(4243)로부터 코드 메모리(4241)로 판독된다. 프로세서(4286)는 코드 메모리(4241)에 로딩된 컴퓨터 프로그램 명령어들의 하나 이상의 시퀀스들을 실행하며, 결과적으로 여기에서 기술된 프로세스 단계들을 수행한다. 이러한 방식으로, 프로세서(4286)는 컴퓨터 구현 프로세스를 행한다. 예를 들어, 여기에서 기재된 방법들, 즉 본 명세서의 흐름도 또는 블록도 및 그들의 조합들의 단계들은 컴퓨터 프로그램 명령어에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(4286)는 HF를 스위핑(sweep)하도록 DDS에 지시할 수 있고, 로크-인 증폭기로부터 데이터를 기록할 수 있으며, 측정된 공진 주파수에 따라 속도(rate)를 조절하기 위해 평면-패널 증착 시스템에 전송하는 제어 신호를 결정할 수 있다. 코드 메모리(4241)는 또한 데이터를 저장하거나, 코드만 저장할 수 있다.

시스템(100)은 또한 측정 카드(300)를 포함한다. 측정 카드는 박막 증착을 모니터링하는 회로를 포함한다. 상기 회로는 수동 공진 회로가 될 수 있다. 상기 회로는 석영을 통해 접지되는 변조된 신호를 발생한다. 상기 신호는 상기 측정 카드(300)를 증착 챔버로 연결하는 케이블의 길이가 박막 두께의 모니터링에 영향을주지 않도록 변조된다. 상기 석영으로부터 신호가 수신되어 복조된다. 상기 신호는 증착된 막의 두께를 결정하도록 분석된다.

도 2는 긴 케이블들에 문제를 도시한다. 케이블 길이가 RF 임펄스의 1/4 파장을 초과할 때, 크리스탈의 임피던스 스펙트럼은 그 위상을 반전하여 동작 주파수 범위가 길이에 따라 감소한다.

도 3은 측정 카드의 하이-레벨 다이어그램이다. 상기 측정 카드(300) 및 증착 챔버(302)를 연결하는 긴 케이블(304)이 굵은 검은 선으로 도시되어있다. 크리스탈의 기본 공진의 검출은 함수 발생기, 위상 검출기(316), 및 전압계(또는 오실로스코프)와 같은 기본적인 회로 및 일반 전자 실험실 장비를 사용하여 성공적으로 테스트되었다. 프로세서(4286)는 크리스탈 공진을 측정하는 제어 루프를 종료하고, 예를 들면, 증착 속도를 제어할 수 있다. 프로세서(4286)는 또한 DDS와 같은 합성기(306)에 의해 발생되는 주파수를 제어할 수 있다. 약어는 다음과 같다:

합성기(306)(예를 들면, 직접 디지털 합성기)는 주파수-또는-위상 변조된 신호를 발생한다. 그 신호는 상기 증착 챔버(302)의 석영 크리스탈(308)을 통해 접지된다. 상기 크리스탈(308)은 주파수에 따라 변하는 컨덕턴스를 갖는다. 상기 크리스탈의 공진 주파수에서, 컨덕턴스는 피크에 도달한다. 높은 컨덕턴스(낮은 임피던스)가 사용되기 때문에, 케이블 임피던스가 상기 크리스탈의 임피던스 변화를 압도하지 않는 측정 주파수들에서는 상기 케이블(304)이 얼마나 긴지는 물론 상기 케이블(304)이 충분히 낮은 임피던스를 갖는지는 중요하지 않다. 즉, 공진에서의 최소 반사가 FM을 AM으로 변환한다.

FM 또는 PM 변조는, DDS 또는 다른 주파수 합성기 또는 파형 발생기와 같이, 합성기(306)로 직접 구현될 수 있다(참조: 예를 들어, 아날로그 디바이스 애플리케이션 노트 AN-543 - ADSP-2181 DSP 및 AD9850 직접 디지털 합성기로 높은 품질의 모든 디지털 RF 주파수 변조 발생). 저 주파수의 범위는 약 1 - lOOOHz의 정현파이다. 고 주파수 범위는 약 4 - 7 MHz의 정현파이다.

위상 검출기(316)는 상기 석영 크리스탈(308)로부터 신호를 수신한다. 상기 위상 검출기(316)는 로크-인 증폭기와 같은 임의의 적절한 위상 검출기가 될 수 있다. 상기 위상 검출기(316)는, 박막의 두께를 결정하기 위해 상기 크리스탈(308)로부터의 신호의 위상을 결정한다.

T-네트워크(310)는 도시된 바와 같이, 각각의 팔(arm) 상에 저항(312)을 포함할 수 있거나, 또는 DC를 차단하기 위해 각각의 팔 상에 커패시터와 직렬로 저항을 포함할 수 있다. 상기 T-네트워크(310)는 또한 버터워스 반 다이크 모델에서와 같이 상기 석영 크리스탈을 나타내는 정적 병렬 커패시터에 의해 분로의(shunted) LCR 직렬 회로를 포함할 수 있다. 예에서, 접지(ground)는 BNC 실드(314)에서와 같고, 측정 카드 접지 및 금속 증착 챔버의 몸체로 연결(tie)된다.

여기에서 설명되는 상기 및 다른 회로들은 박막의 두께 비율 모니터링 회로로서 사용될 수 있다. 박막 재료가 상기 크리스탈의 표면상에 증착됨에 따라, 그 공진 주파수가 변화한다. 주파수의 변화는 측정되고, 상기 크리스탈 상의 질량의 양을 결정하는데 사용될 수 있다. 시간에 걸친 반복되는 측정들로 증착 속도를 결정하게 한다.

도 4는 고 주파수가 스위핑(sweep)됨에 따라 로크-인 증폭기로부터 (임피던스와 상관된) 크기 및 위상 측정을 도시한다. 광범위한 스윕(sweep)은 케이블 공진으로 인한 어떠한 피크도 보이지 않았다. 단지 13Hz의 주파수 풀링(frequency fulling)이 케이블 길이의 0.1에서 30m까지 진행하는 것으로 관찰됐으며, 이는 이전의 디바이스들에 비해 훨씬 감소된 것이다. 벌키(bulky) 컨트롤러 케이블의 부재와 회로의 단순한 특성은 비용 절감을 초래할 수 있다.

도 5a-5b는 예시적인 변환된 위상 변조 신호를 도시한다. 예시적인 위상 변조 신호는 모니터 크리스탈에 의해 진폭 변조 신호로 변환된다. 다이오드 및 필터가 캐리어의 주파수와 유사한 신호를 발생하도록 (통상적으로 수행되는 것처럼) AM의 복조를 형성한다. 상기 신호의 위상은, DDS 신호의 변조 주파수가 크리스탈의 공진 주파수와 일치(match)하고 상기 캐리어 신호의 주파수가 FM/PM 변조 대역폭 내에 있을 때, 상기 캐리어의 것과 동기화된다. 이 예에서, 저 주파수는 10Hz이고, 고 주파수는 ~5.97MHz이다(상단에서 5.972960MHz 즉, 10Hz 벗어난 공진, 및 상단에서 5.972950MHz, 즉, 공진).

상기 크리스탈은 공진에 기인하여 흡수된 것을 제외한 모든 주파수에 대해 션트(shunt)가 된다. 정현파 신호들을 사용하면, PM 정현파는 베셀 함수들(Bessel functions)의 합이다. 하나의 구성요소는 크리스탈 주파수에 대응한다. 상기 크리스탈이 그 구성요소를 흡수할 경우, 합계에서 누락된 하나의 베셀 함수가 있게 된다. 따라서, 결과적인 신호가 진폭 변조된다(상기 크리스탈은 상기 공진 주파수에서 하나의 구성요소를 흡수한다). 크리스탈 흡수는 위상-의존적이지 않다. 하지만, 케이블이 길수록, 상기 크리스탈은 해당 구성요소를 흡수할 것이다. 0.66의 속도 인자를 갖는 케이블이 사용될 수 있으며, 실례로 6MHz에 대해 약 32m λ가 주어진다.

상기 T 네트워크는 방향성 결합기로서 작용한다. 상기 크리스탈은 공진 주파수에서 전류를 끌어당기며, 따라서 상기 복조기로의 신호가 진폭 변조된다. 복조는 신호의 포락선(envelope)을 제공한다. 상기 크리스탈이 공진일 때, 상기 포락선의 위상은 저 주파수(LF, 예를 들면, 후술되는 텍스트로닉스(Textronix)로부터) 신호와 동 위상이다. 따라서, 상기 고 주파수는 스위핑되고(HF, 예를 들면, 후술되는 SRS로부터), 상기 포락선 위상이 모니터링된다. 후술하는 바와 같이, 포락선 위상의 제로-크로싱(zero-crossing)은 공진 주파수를 나타낸다(이전의 디바이스들에서 사용된 더 긴 케이블들은 위상의 제로-크로싱을 보이지 않을 수 있다). 반사들이 HF 위상 정보를 모호하게 하긴 하지만, 복조된 포락선은 여전히 깨끗한 제로-크로싱을 갖는다.

종래의 방식들과는 다르게, 다양한 양태들에 있어서, 상기 변조 인덱스가 선택되어 공진에서 상기 고 주파수는 상기 크리스탈 주파수와 일치된다(match). 반증으로서, 상기 변조 전압이 높은 경우, 공진 조건은 상기 크리스탈의 고유 주파수에서 떨어져 발생할 수 있다. 예를 들면, 과변조에서 크리스탈이 공진에 있을 때, AM 신호는 100% 변조되지 않고, 다소 과변조된다. 하지만, 적절히 조정된 변조 조건들에 대해, 검출된 공진 주파수는 상기 크리스탈의 고유 주파수와 밀접하게 된다(진동과는 무관하게 증착으로). 다른 조건들에서는, 예를 들면 400Hz 떨어져 검출된다. 주파수가 공진으로부터 떨어지게 됨에 따라, 신호는 감소되고, 증착 검출 능력이 감소된다. 따라서, 변조 조건들은 원하는 결과들을 제공하도록 (예를 들면, 실험적으로) 선택된다.

도 6은 상기 크리스탈의 공진을 보여주는 제안된 회로로 얻어진 캔형의 크리스탈(canned crystal)의 어드미턴스 곡선을 도시한다(5.996913 MHz에서 기본 공진). 사용되는 케이블의 길이는 36.75m이었다. SR850 DSP 로크-인 증폭기 및 위상 변조를 사용하여 얻어진 두 번째 그래프는, 길이가 0.1m에서 30m로 변경된 때 공진 주파수의 케이블 풀링을 나타낸다.

한가지 실험이 수행되었다. 도 7a 내지 도 7d는 이 실험의 결과를 나타낸다. 출력을 모니터링하기 위해, 프로토타입(브레드보드에 설계된 회로 구성요소들)을 사용하여 저 주파수 소스(예를 들어, 10-lOOHz)로서 텍스트로닉스 함수 발생기, 고 주파수 소스(예를 들어, 5-7MHz)로서 SRS 함수 발생기, 및 다이너트랙(Dynatrac) 또는 SRS 로크-인 증폭기를 연결함으로써, 위상 대 주파수 및 진폭 대 주파수 곡선들이 얻어졌다.

고 주파수 신호의 위상 변조는 상기 텍스트로닉스 발생기를 상기 SRS의 외부 변조 입력에 연결하여 얻어졌다. RF 진폭, 변조 진폭, RF 형태, Mod 형태 및 Mod 주파수가 일정하게 유지되었다. 실험실 VIEW 프로그램과 내셔널 인스트루먼트(National Instrument) GPIB-USB 케이블을 사용하여, 상기 SRS 출력의 주파수가 변경되었고(고 주파수 스윕) 로크-인 출력들(진폭 및 위상)이 문의되어 파일에 기록되었다. 상기 주파수는 공진 아래에서 공진 위로 변경되었다.

상기 저 주파수는 크리스탈 품질 Q에 따라 선택된다. Q는 사용된 압전 재료의 유형, 배양된 크리스탈의 품질, 블랭크들(blanks)의 프로세싱 및 많은 다른 것들에 의존한다. Q는 크리스탈 공진의 어드미턴스 피크 진폭의 반값 최대치에서 전체 폭(FWHM)에 반비례한다. (측정 속도 및 저 주파수와 관련한) 변조 대역폭은 크리스탈의 FWHM보다 작게 될 필요가 있다. 즉, 높은 Q 크리스탈은 측정 속도를 감소시킨다.

상기 저 주파수는 대역폭(BW)에 기초하여 선택될 수 있다. PM의 BW는 크리스탈 공진의 어드미턴스 피크의 절반 최대치에서의 전체-폭(FWHM)보다 작게 되어야 한다. 크리스탈 유형에 따라 특징된다. Q는 FWHM을 결정하도록 코팅의 상이한 상태에서 네트워크 분석기를 사용하여 측정되었다. BW=2*(저 주파수)*(1+변조 인덱스). 예를 들어, 1의 mod 인덱스에 대해, 10Hz의 저 주파수, BW=40Hz. 더 높은-Q 크리스탈들은 더 낮은 저 주파수(Textronix)를 필요로 한다. 따라서, 저 주파수 신호의 위상을 결정하는데 오래 걸리기 때문에 측정은 더 느려진다.

HF를 스윕하는 동안 측정된 크기들은 상기 크리스탈의 Q를 도출하는데 사용될 수 있다. 검출된 신호 강도는 반사 계수와 크리스탈의 품질을 도출하는데 사용될 수 있다.

도 8은 박막 증착을 모니터링하는 방법의 일례를 도시한 흐름도이다. 상기 방법의 다양한 단계들은 그렇지 않다고 특정하지 않는 한 또는 앞선 단계에서 발생된 데이터가 이후의 단계에서 사용되는 경우를 제외하고는 어떠한 순서로도 수행될 수 있다. 상기 방법은 도 1과 관련하여 상술한 시스템과 같이 하나의 시스템에 의해 수행될 수 있다.

블록 802에서, 변조된 신호가 프로세서를 통해 선택될 수 있다. 변조된 신호는 위상 변조 신호 또는 주파수 변조 신호가 될 수 있다. 블록 804에서, 변조된 신호는 크리스탈을 여기하도록 석영 크리스탈을 통해 접지된다. 블록 806에서, 신호가 상기 크리스탈로부터 수신된다. 블록 808에서, 상기 신호는 복조된다. 블록 810에서, 상기 복조된 신호의 위상은 박막 증착 두께를 결정하기 위해 측정된다.

예 1

박막 증착을 모니터링하기 위한 시스템이 설명된다. 상기 시스템은 변조된 신호를 발생하도록 석영 크리스탈 및 합성기를 포함하고, 상기 변조된 신호는 상기 석영 크리스탈을 통해 접지된다. 상기 시스템은, 박막 두께를 결정하기 위해 상기 석영 크리스탈로부터 상기 변조된 신호의 위상을 결정하도록 위상 검출기를 더 포함한다.

상기 변조된 신호는 주파수 변조된 신호가 될 수 있다. 상기 변조된 신호는 위상 변조된 신호가 될 수 있다. 변조 인덱스는, 공진에서 상기 신호의 주파수가 크리스탈 주파수와 일치되도록 선택될 수 있다. 상기 신호의 주파수는, 크리스탈 컨덕턴스가 피크에 도달하도록 선택될 수 있다. 상기 시스템은 상기 시스템을 증착 챔버에 연결하기 위한 케이블을 더 포함할 수 있으며, 상기 케이블의 길이를 박막 증착 검출을 감소시키지 않는다. 상기 크리스탈의 주파수 변화는 박막이 상기 석영 크리스탈의 표면상에 증착됨에 따라 변화하고, 상기 주파수의 변화는 박막 증착을 검출하기 위해 모니터링되어야 한다.

예 2

박막 증착을 모니터링하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 프로세서를 통해 변조된 신호를 선택하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 크리스탈을 여기하도록 석영 크리스탈을 통해 상기 변조된 신호를 접지하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 크리스탈로부터 변조된 신호를 수신하고, 상기 크리스탈로부터의 신호를 복조하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 부가적으로, 박막 증착 두께를 결정하기 위해 상기 복조된 신호의 위상을 측정하는 단계를 포함한다.

상기 변조된 신호는 주파수 변조된 신호가 될 수 있다. 상기 변조된 신호는 위상 변조된 신호가 될 수 있다. 상기 변조된 신호는, 공진에서 상기 변조된 신호의 주파수가 상기 석영 크리스탈의 주파수와 일치되도록 선택될 수 있다. 케이블이 박막 모니터링 시스템을 증착 챔버에 연결할 수 있으며, 상기 변조된 신호는, 상기 케이블의 길이가 박막 두께 검출에 영향을 미치지 않도록 선택될 수 있다. 상기 변조된 신호는, 크리스탈 컨덕턴스가 피크에 도달하도록 선택될 수 있다. 상기 방법은 또한 박막 증착을 모니터링하도록 상기 복조된 신호의 주파수 변화를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서에서 설명된 예시적인 방법(들)은 본원에서 구체적으로 식별된 구성요소들에 의해 수행되는 것에 한정되지 않는다.

상기의 관점에서, 다양한 양태들은 크리스탈 공진 주파수들의 측정을 제공한다. 기술적 효과는 구동 신호로 상기 크리스탈을 여기하고 상기 신호 상에서 상기 크리스탈의 효과를 측정하는 것이다.

본 명세서에서 기술되는 다양한 양태들은 시스템 또는 방법으로 구현될 수 있다. 따라서, 다양한 양태들은 여기에서 완전한 하드웨어 양태, 완전한 소프트웨어 양태(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로 코드 등을 포함), 또는 소프트웨어와 하드웨어 양태를 조합한 양태의 형태를 취할 수 있다. 이러한 양태는 본 명세서에서 "서비스", "회로(circuit)", "회로(circuitry)","모듈" 또는 "시스템"으로 지칭될 수 있다.

또한, 본 명세서에서 다양한 양태들은 실재하는 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장된 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 이러한 매체는 예를 들면 CD-ROM을 프레싱함으로써 그러한 물품에 대해 종래와 같이 제조될 수 있다. 프로그램 코드는, 여기에서 프로세서(4286)(또는 다른 프로세서들)에 의해 실행되는 다양한 양태들의 기능들, 행동들, 또는 동작 단계들을 유발하도록 프로세서(4286)(및 가능하다면 또한 다른 프로세서들)에 로딩될 수 있는 컴퓨터 프로그램 명령어들을 포함한다. 여기에서 기술된 다양한 양태들에 대한 동작들을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드는 하나 이상의 프로그래밍 언어(들)의 임의의 조합으로 기록될 수도 있고, 실행을 위해 디스크(4243)로부터 코드 메모리(4241)로 로딩될 수 있다. 상기 프로그램 코드는 예를 들면 전적으로 프로세서(4286) 상에서, 부분적으로 프로세서(4286) 상에서 그리고 네트워크(4250)에 접속된 원격 컴퓨터 상에서 부분적으로, 또는 전적으로 원격 컴퓨터 상에서 실행될 수 있다.

본 발명은 본원에 기재된 양태들의 조합을 포함한다. "특정 형태"등에 대한 참조는 본 발명의 적어도 하나의 양태에 존재하는 특징들을 참조한다. "하나의 양태"(또는 "실시예") 또는 "특정 양태들" 등의 별도의 참조들은 반드시 동일한 양태 또는 양태들을 참조하지 않는다; 하지만 이러한 양태들은 그렇다고 지시하지 않거나 또는 당업자에게 당연하지않는 한, 상호 배타적이지 않다. "방법" 또는 "방법들" 등에 참조되는 단수 또는 복수의 사용은 제한되지 않는다. 달리 명시적으로 언급하지 않는 한, 단어 "또는"은 본 명세서에서 비-배타적인 의미로 사용된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 양태들을 특히 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명의 정신과 범위 내에서 변형, 조합 및 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

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증착 챔버 내에서 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법에 있어서:
합성기에 의해, 1Hz ~ 1000Hz 범위에서 선택된 저주파 신호 및 고주파 신호를 이용하여 변조된 신호를 생성하는 단계로서, 상기 고주파 신호는 4MHz ~ 7MHz 범위를 스윕(sweep)하는, 상기 변조된 신호를 생성하는 단계;
상기 증착 챔버 내에 위치한 석영 크리스탈을 접지하는 단계;
상기 합성기에 의해 생성된 상기 변조된 신호의 성분으로부터 전류를 끌어내는 상기 석영 크리스탈에 의해 진폭 변조 신호를 생성하는 단계;
상기 진폭 변조 신호를 복조하여 상기 진폭 변조 신호의 포락선(envelop)을 생성하는 단계; 및
박막 증착 두께를 결정하기 위해 스윕되는 고주파 신호를 포함하는 변조된 신호를 생성하는 동안 상기 포락선의 위상을 측정하는 단계를 포함하고,
상기 고주파 신호가 상기 범위 내의 특정 주파수를 통해 스윕될 때 상기 변조된 신호의 상기 저주파 신호의 위상이 상기 포락선의 위상과 동일하다는 것은 상기 석영 크리스탈이 상기 고주파 신호에서 박막 증착 두께에 따른 특정 주파수와 공진하고 있음을 나타내는, 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 합성기에 의해 생성된 상기 변조된 신호는 주파수 변조된 신호인, 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 합성기에 의해 생성된 상기 변조된 신호는 위상 변조된 신호인, 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 합성기에 의해 생성된 상기 변조된 신호의 상기 고주파 신호는 상기 박막 증착 두께에 따른 상기 석영 크리스탈의 공진 주파수와 일치되도록 선택되는, 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
케이블은 T-네트워크에서 상기 증착 챔버 내에 위치한 상기 석영 크리스탈, 상기 합성기 및 상기 진폭 변조 신호를 복조하기 위한 복조기를 연결하고, 상기 합성기에 의해 생성된 상기 변조된 신호의 상기 고주파 신호는 상기 케이블의 길이가 박막 두께 검출에 영향을 미치지 않도록 선택되는, 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 합성기에 의해 생성된 상기 변조된 신호는 상기 석영 크리스탈의 컨덕턴스가 피크에 도달하도록 선택되는, 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 박막 증착 두께를 모니터링하기 위해 상기 변조된 신호의 고주파 신호를 변경하는 단계를 더 포함하는, 박막 증착을 모니터링하기 위한 방법.