KR102293969B1 - 멀티모드 설정가능한 분광계 - Google Patents

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리챠드 제이. 주니어 다이그놀트
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Abstract

본 개시는 멀티모드 설정가능한 분광계, 멀티모드 설정가능한 분광계를 작동하는 방법, 광 모니터링 시스템을 제공한다. 한 실시예에서, 멀티모드 설정가능한 분광계는: (1) 광 입력을 수신하고 상기 광 입력을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 광 센서로서, 상기 광 입력을 상기 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함하는, 상기 광 센서, 및 (2) 다수의 선택가능한 변환 회로들을 가지며, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자를 포함한다.

Description

멀티모드 설정가능한 분광계{MULTIMODE CONFIGURABLE SPECTROMETER}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 콜레스(Corless) 등이 "멀티모드 설정가능한 분광계"라는 발명의 명칭으로 2017년 3월 31일 출원한 미국 가 출원 일련번호 62/479,576, 콜레스 등이"멀티모드 설정가능한 분광계"라는 발명의 명칭으로 2017년 7월 10일 출원한 미국 가 출원 일련번호 62/530,388, 및 콜레스 등이 "멀티모드 설정가능한 분광계"라는 발명의 명칭으로 2018년 3월 21일 출원한 미국 출원 일련번호 15/927,729의 이익을 주장하며, 이들 모두는 본 명세서에 참고로 인용되어있다.
본 발명은 일반적으로 광학 분광 시스템(optical spectroscopy systems) 및 사용 방법에 관한 것이다. 하나의 특정 실시예는 반도체 프로세싱 동안 사용되는 멀티모드 설정가능한 분광계의 개선된 구성가능성 및 유용성을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 프로세스의 광 모니터링은 에칭, 퇴적(deposition), 화학적 기계적 연마 및 주입(implantation)과 같은 프로세스를 제어하기 위한 잘 확립된 방법이다. 광 방출 분광법(optical emission spectroscopy)("OES")과 간섭계 엔드포인트(interferometric endpoint)("IEP")는 데이터 수집을 위한 두 가지 기본 작동 유형이다. OES 애플리케이션에서, 상기 프로세스로부터, 일반적으로는 플라즈마로부터 방출된 광이 수집 및 분석되어, 모니터링되는 프로세스의 상태 또는 진행을 나타내는 원자 및 분자 종의 변화를 식별하고 추적한다. IEP 애플리케이션에서, 광은 일반적으로 플래시램프와 같은 외부 소스로부터 공급되어 워크피스에 전달된다. 워크피스로부터 반사될 때, 공급된 광은 상기 워크피스의 반사율의 형태로 정보를 전달하고, 이러한 것은 상기 워크피스의 상태를 나타낸다. 상기 워크피스 반사율의 추출 및 모델링을 통해 다른 특성들 중에서도 막 두께 및 피처 크기/깊이/폭을 이해할 수 있다.
더욱 빠른 프로세스, 더욱 작은 피처 크기 및 더욱 복잡한 구조를 향한 반도체 프로세스의 지속적인 진보가 프로세스 모니터링 기술에 대해 요구된다. 예를 들어, 핀 필드 효과 트랜지스터(Fin Field Effect Transistor)(FINFET) 및 3 차원(3D) NAND 구조에 대한 것과 같이 옹스트롬 단위의 변화가 중요한 매우 얇은 층들(수 개의 원자 층들)에 대해 더욱 빠른 에칭 속도를 정확하게 모니터링하기 위해서는 더욱 높은 샘플링 레이트(예를 들면, 초 당 광 신호 측정 또는 스펙트럼)가 요구된다. 반사율 및 광 방출의 작은 변화를 감지하는 데 도움을 주기 위해 OES 및 IEP 방법론들 모두에 대해 더 넓은 광 대역폭과 더 큰 신호 대 잡음 비가 많은 경우들에 요구된다. 반도체 프로세스 장비가 더욱 복잡해지고 집적도가 더욱 높아지며 비용이 많이 들게 됨에 따라, 모니터링 시스템의 비용 및 패키징 크기도 또한 끊임없이 압력을 받고 있다. 이러한 모든 요구 사항들은 반도체 프로세스를 위한 광 모니터링 시스템의 성능 향상을 추구한다. 적합한 분광기의 역량 및 적응성은 광 모니터링 시스템의 핵심 요소이다.
반도체 산업은 수년 동안 분광 기기 및 시스템에서의 발전을 적응시키고 적용해 왔다. 예를 들어, 미국 특허 9,386,241의 "전하 결합 소자 기반의 분광그래프의 동적 범위를 향상시키기 위한 장치 및 방법"을 참조하고, 이에 대해서는 본 명세서에 참조되어 있다. 분광계 내에서 이미지 센서는 데이터 샘플링 레이트, 광 대역폭, 광 신호 검출 감도, 광 신호 대 잡음 비 성능 등을 결정하는 데 중요한 요소가 된다. 영역 전하 결합 소자(Areal Charge-Coupled Device)("CCDs")가 가장 보편적이지만, 여러 가지 성능 제한을 가지며, 다른 측면들 중에서도 매우 바람직한 동작 모드 및 빠른 데이터 속도를 억제한다. 미국 특허 9,386,241에 기술된 바와 같이, 복잡한 클럭킹, 데이터 시프팅 및 판독이 특정 성능 문제를 상쇄하기 위해 수행될 수 있지만, 예를 들어 다중 신호 혼합, 교차 오염(cross-contamination) 및 느린 데이터 샘플링 레이트의 영향들은 기존 장치들의 물리적 구조 및 요구되는 픽셀 시프딩 방식으로 인해 유지된다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 개선한 멀티모드 설정가능한 분광계 및 이를 작동하는 방법을 제공한다.
한 양태에서, 본 발명은 멀티모드 설정가능한 분광계를 제공한다. 한 실시예에서, 멀티모드 설정가능한 분광계는: (1) 광 입력을 수신하고 상기 광 입력을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 광 센서로서, 상기 광 입력을 상기 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함하는, 상기 광 센서, 및 (2) 다수의 선택가능한 변환 회로들을 가지며, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자를 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 멀티모드 설정가능한 분광계를 작동하는 방법을 제공한다. 한 실시예에서, 상기 방법은: (1) 광 센서의 다수의 활성 픽셀 영역들 중 적어도 하나를 사용하여 광 신호를 전기 신호들로 변환하는 단계, (2) 다수의 선택가능한 변환 회로들을 갖는 변환 회로소자에 상기 전기 신호를 제공하는 단계, 및 (3) 상기 선택가능한 변환 회로들 중 하나를 통해 상기 전기 신호들을 디지털 출력으로 변환하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 광 모니터링 시스템을 제공한다. 한 실시예에서, 상기 광 모니터링 시스템은: (1) 프로세스 챔버로부터 관측된 광을 전달하도록 구성된 광 인터페이스, (2) 광 인터페이스로부터의 광을 광 입력으로서 수신하도록 구성된 멀티모드 설정가능한 분광계를 포함한다. 상기 멀티모드 설정가능한 분광계는: (2A) 상기 광 입력을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 광 센서로서, 상기 광 입력을 상기 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함하는, 상기 광 센서, (2B) 다수의 선택가능한 변환 회로들을 가지며, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자, 및 (2C) 상기 광 입력에 기초하여, 상기 광 센서의 동작 모드를 설정하고 상기 선택가능한 변환 회로들 중 하나를 선택하여 상기 디지털 출력을 제공하도록 구성된 센서 제어기를 포함한다.
본 발명은 또한 멀티모드 설정가능한 분광계의 또 다른 실시예를 제공하며, 상기 멀티모드 설정가능한 분광계는: (1) 광 입력을 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들 및 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 각각에 대한 시프트 레지스터를 포함하는 광 센서로서, 상기 활성 픽셀 영역들 각각은 독립적으로 제어가능한, 상기 광 센서, (2) 선택가능한 변환 회로들을 포함하며 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자로서, 적어도 4 개의 다른 선택가능한 변환 회로들의 고유 세트가 상기 시프트 레지스터들 각각에 접속되고, 상기 적어도 4 개의 다른 선택가능한 변환 회로들은 고속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 회로, 저속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 회로, 및 결합 회로를 포함하는, 상기 변환 회로소자, 및 (3) 상기 광 입력의 유형에 기초하여 상기 광 센서의 동작 모드 및 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나를 변경하여 디지털 출력을 제공하도록 구성된 센서 제어기를 포함한다.
신규한 것으로 여겨지는 본 발명의 두드러진 특징은 첨부된 청구범위에 기재되어있다. 그러나, 본 명세서 자체는 물론 그 사용 모드, 추가적인 목적들과 이점들은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 예시적인 실시예의 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 원리들에 따라 반도체 프로세스 툴 내의 프로세스 상태를 모니터링 및/또는 제어하기 위해 OES 및/또는 IEP를 이용하기 위한, 멀티모드 설정가능한 분광계를 포함하는 시스템의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 원리에 따라 구성된 멀티모드 설정가능한 분광계 및 특정 관련 시스템의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 원리에 따라 멀티모드 설정가능한 분광계에 사용하기 위한 신규한 광 센서 및 관련 전자 기기의 기능적 요소들을 개략적으로 나타낸 개략도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 원리에 따라 실행되는 도 3에 도시된 바와 같은 신규한 광 센서를 포함하는 멀티모드 설정가능한 분광계로부터 광 데이터를 판독하는 방법에 대한 흐름도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 원리에 따라 실행되는 도 3에 도시된 바와 같은 신규한 광 센서를 포함하는 멀티모드 설정가능한 분광계로부터 광 데이터를 판독하는 방법에 대한 제 2 흐름도를 도시한다.
도 6a는 대표적인 IEP 광 신호(스펙트럼)의 플롯을 도시한다.
도 6b는 다수의 대표적인 OES 광 신호(스펙트럼들)의 플롯을 도시한다.
도 7a는 제 1 OES 광 신호와 결합된 대표적인 IEP 광 신호의 도표를 도시한다.
도 7b는 제 2 OES 광 신호와 결합된 대표적인 IEP 광 신호의 도표를 도시한다.
도 7c는 제 2 OES 광 신호와 결합된 제 1 대표적인 OES 광 신호의 도표를 도시한다.
이하의 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하고 본 발명의 특징들이 실시될 수 있는 특정 실시예들을 예시로서 도시한 첨부 도면들을 참조한다. 이들 실시예들은 당업자가 본 개시의 특징을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 다른 실시예들이 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 구조적, 절차적 및 시스템 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 이하의 설명은 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 설명의 명료성을 위해, 첨부된 도면에 도시된 유사한 특징은 유사한 참조 번호로 표시되고, 도면의 다른 실시예에서 도시된 유사한 특징은 유사한 참조 번호로 표시된다. 본 발명의 다른 특징들은 첨부된 도면 및 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 설명의 명료성을 위해, 도면들에서의 어떤 요소들은 축척대로 그려지지 않을 수 있음을 알아야한다.
프로세스 툴 내의 반도체 프로세스의 상태를 모니터링하고 평가하는 것과 관련하여, 도 1은 프로세스 툴 내의 플라즈마 또는 비-플라즈마(non-plasma) 프로세스의 상태를 모니터링 및/또는 제어하도록 OES 및/또는 IEP를 이용하는 프로세스 시스템(100)의 블록도를 도시한다. 반도체 프로세스 툴(105)은 일반적으로 웨이퍼(110)를 둘러싸고, 가능한 대로 다양한 프로세스 가스들을 포함할 수 있는 대체로 부분적으로 비워져 있는 볼륨 내의 플라즈마(115)를 처리한다. 프로세스 툴(105)은 다양한 위치들 및 방향들에서 챔버로의 관측을 가능하게 하는 하나 이상의 광 인터페이스들(120, 121 및 122)을 포함할 수 있다. 광 인터페이스들(120, 121 및 122)은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 광 필터, 렌즈, 윈도우, 개구, 광 섬유 등과 같은 다수의 유형들의 광 요소들을 포함할 수 있다.
IEP 애플리케이션의 경우, 광원(130)은 광 인터페이스(120)와 직접 또는 광섬유 케이블 어셈블리(133)를 통해 연결될 수 있다. 이 구성에 도시된 바와 같이, 광 인터페이스(120)는 웨이퍼(110)의 표면에 수직으로 배향되고, 대체로 상기 웨이퍼에 대하여 중심에 위치된다. 광원(130)으로부터의 광은 평행 빔(collimated beam)(135)의 형태로 프로세스 툴(105)의 내부 볼륨으로 진입할 수 있다. 웨이퍼로부터의 반사 시 평행 빔(135)은 광 인터페이스(120)에 의해 다시 수신될 수 있다. 통상적인 애플리케이션에 있어서, 광 인터페이스(120)는 광학 콜리메이터(optical collimator)가 될 수 있으며, 대안적으로 포커싱 시스템(focusing system)이 될 수 있고, 그때 평행 빔(135)은 평행화되는 대신에 포커싱된다. 광 인터페이스(120)에 의해 수신된 후에, 광은 광 센서(142)에 의한 검출 및 변환을 위해 광섬유 케이블 어셈블리(137)를 통해 멀티모드 설정가능한 분광계(140)로 전달될 수 있다. 광원(130)은 예를 들어, DUV로부터 NIR까지의 파장 범위에 걸친 광을 생성하는 플래시램프가 될 수 있으며, 관심 파장들(wavelengths of interest)은 그 안에서의 임의의 파장 영역으로부터 선택될 수 있다. 보다 큰 기판의 경우 또는 웨이퍼 불균일성에 대한 이해가 관심의 대상인 경우, 도시되지 않은 추가적인 정상적으로 지향된 인터페이스들이 사용될 수 있다.
OES 애플리케이션의 경우, 광 인터페이스(122)는 플라즈마(115)로부터의 광 방출을 수집하도록 배향될 수 있다. 광 인터페이스(122)는 단순히 뷰포트(viewport)일 수 있거나 또는 렌즈, 거울 및 광 파장 필터와 같은 다른 광학 요소들을 추가로 포함할 수 있다. 광 섬유 케이블 어셈블리(139)는 임의의 수집된 광을 멀티모드 설정가능한 분광계(140) 및 그 안의 광 센서(142)로 유도할 수 있다. 다수의 인터페이스들이 개별적으로 또는 병렬로 사용되어 OES 관련 광 신호들을 수집할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 광 인터페이스(121)는 웨이퍼(110)의 표면 근처로부터 방출을 수집하도록 배치될 수 있으며, 동시에 광 인터페이스(122)는 플라즈마의 크기(bulk)를 확인하기 위해 배치될 수 있다. 도시되지 않은 다른 광 인터페이스들이 플라즈마/웨이퍼 인터페이스들의 상향/하향-흐름을 위해 위치될 수 있다. 다수의 인터페이스들이 개별적인 광 섬유 케이블 어셈블리들에 결합될 수 있으며, 다수의 광 신호들을 결합된 광 입력으로서 멀티모드 설정가능한 분광계(140) 및 광 센서(142)로 유도할 수 있다. 광 인터페이스들은 또한 도 1에 도시된 것들로부터 단순화될 수 있고, 프로세스 툴(105)에 대한 멀티모드 설정가능한 분광계(140)의 직접적인 장착에 의해 근본적으로 생략될 수 있다.
많은 반도체 프로세싱 애플리케이션에서, OES 및 IEP 광 신호들 모두를 수집하여 분광계에 제공하는 것이 통상적이다. 일반적으로, 다른 요인들 중 무엇보다 비용, 복잡성, 신호 타이밍 동기화의 불편함, 캘리브레이션, 및 패키징으로 인하여 각각의 신호 유형에 대해 다수의 분광계들을 지원하는 것은 유익하지 않다. 그러나 이러한 두 가지 유형들의 광 신호들을 수신하고 처리하는 것은 단일 분광계에 대해 여러 가지 문제들을 제공할 수 있다. 대체로, OES 신호들은 시간에 있어서 연속적이지만 IEP 신호들은 시간에 따라 연속적 및/또는 이산적일 수 있다. 이러한 신호들의 혼합은 여러 가지 어려움을 야기하게 되는데, 이는 프로세스 제어가 종종 OES 및 IEP 신호들 모두에서의 작은 변화들의 검출을 요구하고 어느 한쪽 신호의 고유한 변화가 다른 쪽 신호의 변화를 관측하지 못하게 하기 때문이다. 광 신호 검출의 어려움 및 본 발명에 의한 그 완화에 대한 더 상세한 설명은 도 6a 내지 도 7c와 관련하여 이하에서 논의된다.
바람직하게는, 광섬유 케이블 어셈블리들(137 및 139)을 통해 각각 전송된 OES 및 IEP 광 신호들은 광 센서(142)에 의해 멀티모드 설정가능한 분광계(140)에서 광 입력으로서 수신될 수 있다. 일반적으로, 광 입력은 전술한 OES 및 IEP 신호들 및 다른 연속 또는 불연속 광 신호들과 같은 하나 이상의 광 신호들을 포함할 수 있다. 또한, 광 신호들 중 임의의 광 신호들은 독립적일 수 있거나 또는 다른 광 신호들과 결합될 수 있음에 유의해야 한다. 광 센서(142)는 상기 광 입력을 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함한다. 따라서, 각각의 활성 픽셀 영역은 하나 이상의 광 신호들을 수신할 수 있다. 광 센서(142) 내의 전기 신호들은 광 센서(142)의 정확한 구성에 따라 전하 신호, 전류 신호 및/또는 전압 신호 중 임의의 것일 수 있음을 알아야 한다. 통상적으로, 광 입력은 먼저 전하로 변환되고 나서, 전압으로 변환되고 출력 증폭기를 통해 광 센서(142) 외부의 디바이스들에 이용 가능하게 된다.
멀티모드 설정가능한 분광계(140)는 또한 변환 회로소자(144)를 포함할 수 있으며, 상기 변환 회로소자는 다수의 선택가능한 변환 회로들을 가지며 상기 선택가능한 변환 회로들 중 하나 이상의 선택된 회로들에 따라 전기 신호들(146)을 수신하여 디지털 출력(148)으로 변환하도록 구성된다. 멀티모드 설정가능한 분광계(140)는 또한 센서 제어기(150)를 더 포함할 수 있으며, 상기 센서 제어기는 광 센서(142)의 동작을 유도하고 변환 회로소자(144)의 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 하나를 선택하여 디지털 출력(148)을 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 디지털 출력(148)은 추가적인 프로세싱, 저장 등을 위해 센서 제어기(150)로 라우팅될 수 있으며, 및/또는 추가적인 사용을 위해 외부 시스템(160)에 직접/간접적으로 전송될 수 있다.
외부 시스템(160)은 예를 들어 산업용 PC, PLC, 또는 예컨대 특정 파장의 세기, 두 파장 대역들 간의 비율 또는 막 두께 값을 나타내는 아날로그 또는 디지털 제어 값과 같은 출력(170)을 생성하기 위한 하나 이상의 알고리즘들을 사용하는 다른 시스템이 될 수 있다. 외부 시스템(160)은 대안적으로 더욱 컴팩트한 전체 시스템을 제공하기 위해 멀티모드 설정가능한 분광계(140)와 통합될 수 있다. OES 알고리즘은 미리 결정된 파장(들)에서 방출 세기 신호들을 분석하고 프로세스의 상태와 관련된 제어 값들을 결정하며, 실례로 엔드 포인트 검출, 에칭 깊이 등과 같은 그 상태에 액세스하는데 사용될 수 있다. IEP 애플리케이션의 경우, 알고리즘은 전체 스펙트럼을 분석하여 막 두께 제어 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 참고로 포함되어 있는 미국 특허 7,049,156의 "막 두께 및 트렌치 깊이의 원 위치(in-situ) 모니터 및 제어를 위한 시스템 및 방법"을 참조하라. 출력(170)은 프로세스 툴(105) 내에서 발생하는 생산 프로세스를 모니터링 및/또는 수정하기 위해 이더넷과 같은 디지털 또는 아날로그 통신 링크를 통해 프로세스 툴(105)로 전달될 수 있다. 도 1은 단일 프로세스 툴(105)의 단일 프로세스 챔버를 특정적으로 나타내고 있지만, 멀티모드 설정가능한 분광계(140)는 단일 프로세스 툴(105)의 다수의 프로세스 챔버들 또는 상이한 프로세스 툴들의 하나 이상의 프로세스 챔버들로 유익하게 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
도 2는 본 발명의 원리에 따른 멀티모드 설정가능한 분광계(210)를 포함하는 시스템(200)의 실시예의 블록도를 도시한다. 멀티모드 설정가능한 분광계(210)는 도 3에 도시된 한 실시예에 따라 기술된 본 명세서에 개시된 광 센서를 반도체 프로세스들로부터 광 신호들의 측정의 이점을 위해 통합될 수 있다. 멀티모드 설정가능한 분광계(210)는 도 1의 광 섬유 케이블 어셈블리들(137 및 139)과 같은 외부 광학 장치(230)로부터 하나 이상의 광 신호들을 수신할 수 있으며, 상기 광 신호들의 통합 및 변환 후에 외부 시스템(220)에 디지털 출력을 전송할 수 있다. 외부 시스템(220)은 또한 예를 들어 동작 모드를 선택하거나 본 명세서에 정의된 통합 타이밍과 같은 동작 모드의 세부 사항을 제어함으로써 멀티모드 설정가능한 분광계(210)를 제어하는데 사용될 수 있다.
멀티모드 설정가능한 분광계(210)는 SMA 또는 FC 광 섬유 커넥터 또는 다른 광 기계식 인터페이스와 같은 광 인터페이스(240)를 포함할 수 있다. 슬릿(slits), 렌즈, 필터, 및 격자(gratings)와 같은 다른 광학 구성요소들(245)이 수신된 광 신호들을 형성, 안내, 및 색채(chromatically) 분리하여 이들을 통합 및 변환을 위해 광 센서(250)로 유도할 수 있다. 광 센서(250)의 저 레벨 기능들은 도 1의 센서 제어기(150)와 또는 그 일부와 공동으로 연관될 수 있는 프로그램가능 집적 회로(260) 및 프로세서(270)와 같은 요소들에 의해 제어될 수 있다. 프로그램가능 집적 회로(260)는 필드-프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)가 될 수 있으며, 이후 본 명세서 및 도면에서 FPGA(260)로서 참조될 것이다. FPGA(260)는 A/D 컨버터 회로들(280)에 대한 컨버터 제어 신호들 및 광 센서(250)에 대한 광 센서 클럭킹 신호들을 생성할 수 있다. 프로세서(270)도 역시 컨버터 제어 신호들 및 광 센서 클럭킹 신호들을 생성할 수 있다. 프로세서(270)는 다양한 유형들의 프로세서들이 될 수 있으며, 감소된 명령 세트 컴퓨팅 아키텍처를 갖는 컴퓨터 프로세서를 포함한다. 사용될 수 있는 프로세서들의 다른 예로는 인텔(Intel)의 프로세서 및 블랙핀(BlackFin)에서와 같은 디지털 신호 프로세서(DSP)가 있다. 광 센서(250) 내의 광-전기 변환 후에, 신호들은 A/D 컨버터 회로(280)로 보내지고 전기 신호로부터 디지털 신호로 변환될 수 있다. A/D 컨버터 회로들(280)은 도 1의 변환 회로소자(144) 내의 몇몇 변환 회로들 중 하나로서 포함될 수 있으며, 도 3의 변환 회로소자와 관련하여 이하에서 더 상세히 설명된다.
A/D 컨버터 회로들(280)로부터의 디지털 신호들은 즉시 또는 나중에 사용하기 위해 메모리(290)에 저장될 수 있고, (도 1의 외부 시스템(160)과 같은) 외부 시스템(220)으로 전송될 수 있다. 멀티모드 설정가능한 분광계(210)는 또한 멀티모드 설정가능한 분광계(210) 내의 소자들의 동작에 필요한 전압을 제공하는 전원공급장치(295)를 포함한다. 시스템(200)의 구성요소들과 멀티모드 설정가능한 분광계(210) 간의 접속은 통상적인 접속이 될 수 있다. 특정 인터페이스들 및 관계들이 화살표로 표시되지만, 멀티모드 설정가능한 분광계(210)는 추가적인 상호 작용 및 제어 관계를 포함할 수 있다. 디지털 신호들은 광 센서(250)에 대한 광 입력 내에 포함된 하나 이상의 광 신호들을 나타내는 하나 이상의 값들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 분광계에 있어서, 디지털 신호는 일반적으로 스펙트럼의 디지털 표현을 포함한다. 예를 들어, 스펙트럼은 각각 부호 없는 16-비트 정수와 같은 디지털 형식의 1024 개의 요소들을 포함할 수 있다.
종래 기술의 분광계들 및 집적된 이미징 광 센서들의 한계를 해결하기 위해, 광 센서에 대한 새로운 구성이 요구된다. 도 3은 본 발명의 원리에 따라 분광학 및 반도체 프로세스 제어에 유용한 새로운 광 센서(300) 및 연관된 변환 회로소자(399)의 실시예의 기능적 요소들을 개략적으로 도시하는 개략도이다. 광 센서(300)는 일반적으로 의존적으로 또는 독립적으로 제어될 수 있는 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 명확성을 위해 2 개의 영역들만이 도시되고 논의되지만, 더 많은 수의 영역들이 본원에 설명된 이점을 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서 "수평" 및 "수직" 행(들)은 광 센서(300)의 내부 기하학적 구조를 기술하기 위해 사용된다. 이는 광 센서의 "더 긴" 또는 더 높은 소자 카운트 축이 일반적으로 "수평" 방향으로 표시되는 관례적인 사안이라는 것을 이해해야 한다. 분광학 애플리케이션에서, 광 센서의 장/수평 축이 파장 분산의 방향과 정렬되는 것이 일반적이다. 광 센서(300)의 활성 픽셀 영역들(310 및 311)은 각각 단일 수평 행에 복수의(예를 들면, ~3000) 높은 픽셀(~2000 미크론)을 포함할 수 있다. 이러한 구성은, 더 짧은 픽셀들의 많은 행들, 예를 들어 24 미크론 높이를 갖는 픽셀들의 128행이 활용되는 전형적인 종래 기술의 광 센서와 상이하다. 1000 내지 4000 미크론 정도 높이의 픽셀이 이미징 분광계 시스템에 사용하기에 적합하며, 슬릿 높이와 이미징 시스템 배율에 단일성에 가깝게 잘 일치한다. 대안적으로, 제한된 수의 픽셀들의 행들(예를 들면, 2 내지 10)이 사용될 수 있지만, 광 센서(300)의 동작을 느리게 할 수 있는 추가의 수직 클럭킹 동작들을 요구할 수 있다. 추가의 행들은 각각의 활성 필셀 영역이 공간적으로 세분되도록 하는 기능을 추가하며, 추가적인 멀티플렉싱(활성 픽셀 영역 당 둘 이상의 광 신호들) 및 각각의 활성 픽셀 영역에 대한 광 신호들의 제어(각각의 활성 픽셀 영역의 픽셀 행들의 전부 또는 일부를 판독하는 능력)에 대한 지원을 제공할 수 있다.
필수적인 것은 아니지만, 추가 픽셀 영역 또는 물리적 갭(315)이 영역들(310 및 311) 사이의 광학적 및 전기적 분리를 제공하기 위해 광 센서(300)의 활성 픽셀 영역들(310 및 311) 사이에 유익하게 위치될 수 있다. 물리적 갭(315)은 영역들(310 및 311)의 광학적 분리를 보장하기 위해 10 내지 100 미크론 정도의 폭을 갖게 될 수 있다. 활성 픽셀 영역들(310 및 311)은 또한 암 전류/신호 및 DC 오프셋 보상을 위해 각각 사용될 수 있는 광학적으로 불투명한 영역들(312 및 313)을 포함할 수 있다. 이러한 영역들은 NIR 파장들을 전송할 수 있는 두꺼운 실리콘 층에 의해 광학적으로 불투명하게 될 수 있기 때문에, 영역들(312, 313)은 UV 파장들이 조명될 것으로 예상되는 광 센서(300)의 단부 근처에 가장 효과적으로 배치된다. 영역들(312 및 313)은 예를 들어 평균 전기 오프셋 레벨들의 결정을 지원하는 2 내지 4 개 이상의 픽셀들을 포함할 수 있다. 도 3에서, 영역들(312 및 313)은 변환 회로소자에 대한 접속부들에 대향하는 활성 픽셀 영역들의 단부에 도시되어 있다. 이러한 불투명한 영역의 위치 및 변환 회로소자에 대한 접속부들의 방향은 광 센서(300)의 실제 반도체 디자인의 핀-아웃 디자인과 같은 요건마다 변경될 수 있다.
영역들(310 및 311) 각각이 픽셀들의 단일 행을 포함하는 경우, 단일 수직 시프트는 화살표들(330 및 331)로 표시된 바와 같이, 활성 픽셀 영역들(310 및 311)로부터의 통합된 전기 신호들을 그들 각각의 수평 시프트 레지스터(320, 321)로 전달한다. 하나의 영역의 "업" 및 다른 영역의 "다운"의 시프팅은 도면에서의 단순화, 가능하다면 실제 반도체 아키텍처의 단순화가 된다. 모든 것을 한 방향으로 시프트하는 기능을 제공하기 위해 신호 라우팅은 더욱 복잡하게 될 것이다. 세 개의 영역들의 경우, 중앙 영역으로부터의 신호가 두 개의 다른 영역들 아래 또는 주변으로 라우팅되어야 할 것이다. 또한, 각각의/임의의 영역(310 및 311)이 하나보다 많은 행의 픽셀들을 갖는다면, 다중의 시프트들이 요구된다. 부가적으로, 다수의 활성 픽셀 영역들 각각 또는 그 개별적인 행에 대한 수직 시프트들이 동기화되거나, 인터리빙되거나 또는 동시적일 수 있다. 기존의 CCD와 비교할 때, 상기 광 센서 구성은 더 빠르고 간단한 클럭킹을 가져오고 중첩된 통합 영역들 사이에 전하를 시프트할 필요가 없어 광 신호 오염의 주요 원인을 피할 수 있다. 한 예에서, 광 센서(300)의 활성 픽셀 영역들과 수평 시프트 레지스터들의 조합은 300,000~400,000 개의 전자의 전체 웰 용량, 5% 이하의 신호 선형성, 및 14,000보다 큰 신호 동적 범위를 지원한다.
수직 시프트에 이어서, 수평 시프트 레지스터들(320 및 321) 내의 전기 신호들이 화살표들(340 및 341)로 각각 지시된 바와 같이 연관된 변환 회로소자(399)에 위치된, 각각의 고속 A/D 컨버터들(350 및 351) 및/또는 각각의 저속 A/D 컨버터들(352 및 353)로 수평으로 시프트될 수 있다. 저속 및 고속 A/D 컨버터들을 포함하고 이들 사이에서 선택하는 능력은 고속 판독 속도(고속 A/D) 또는 저잡음(저속 A/D)에 대한 선택을 가능하게 한다. 다중의 클럭 속도들 및 픽셀 샘플링 기술들이 고속 및 저속 A/D 컨버터 각각에 대해 사용될 수 있다. 또한, 특정 동작 모드에 대한 광 센서(300)로부터의 전기 신호들의 변환을 최적화하도록 클럭 속도들이 동적으로 변경될 수 있다. 일반적으로, 광 센서(300)와 변환 회로소자(399)의 조합은 데이터 레이트(예를 들면, 스펙트럼/초), 추가적 디지털 해상도, 및 신호 대 잡음 비 성능 간의 트레이드-오프를 지원하는 동작 모드들을 제공한다. 특히, 변환 회로소자(399)는 "DC/ref 레벨" 및 "신호 레벨"로 일반적으로 정의된 영역들에서 시프트 레지스터로부터의 전기 신호 파형들을 멀티 샘플링 또는 오버 샘플링하여 A/D 컨버터 클럭 속도, 원하는 신호 대 잡음 비 성능, 및 데이터 샘플링 레이트(스펙트럼 당)에 따라 차동 디지털 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
광 센서(300)는 고속 A/D 컨버터들(350 및 351) 및/또는 각각의 저속 A/D 컨버터들(352 및 353)과 관련하여, 각각의 수평 시프트 레지스터에 대한 이중 출력들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 출력(324)은 시프트 레지스터(320)와 연관되고 컨버터(352)에 접속된 저속 및 저잡음 출력일 수 있고; 출력(325)은 시프트 레지스터(321)와 연관되고 컨버터(353)에 접속된 저속 및 저잡음 출력일 수 있다. 더욱이, 출력(326)은 시프트 레지스터(320)와 연관되고 컨버터(350)에 접속된 고속 출력일 수 있고; 출력(327)은 시프트 레지스터(321)와 연관되고 컨버터(351)에 접속된 저속 및 저잡음 출력일 수 있다. 결합 기능(370)이 출력들(326 및 327)과 접속된 것으로 도시되어 있지만, 출력들(324 및 325)이 대체될 수 있다. 수평 시프트 레지스터들(320 및 321) 및 변환 회로소자(399)의 연관된 요소들은 동기식 또는 비동기식으로 클럭될 수 있고, 각각의 컨버터는 독립적인 선택가능한 클럭 속도로 동작할 수 있다. 동기식 클럭킹은 각각의 활성 픽셀 영역으로부터의 동시 병렬 신호들을 제공하지만, 비동기식 클럭킹은 활성 픽셀 영역들로부터의 신호의 인터리빙을 지원하는 데 사용될 수 있다. 광 센서(300) 및 변환 회로소자(399)는 적합한 18-비트 A/D 컨버터들을 사용하여 활성 픽셀 영역 당 스펙트럼 당 1 밀리초의 고속 동작을 달성할 수 있으며, 예를 들어, 100dB의 높은 동적 범위를 갖는 디지털 신호가 얻어진다. 이러한 높은 데이터 샘플링 레이트(예를 들면, 스펙트럼/초)를 지원하기 위해, 도 2의 FPGA(260) 및 프로세서(270)는 데이터 압축 및 다른 고속 신호 프로세싱을 제공할 수 있다; 이러한 것은 예를 들어 외부 시스템(220)에 의한 추가 프로세싱을 위해 데이터가 전송되기 전에 수행될 수 있다. 대표적으로, 고속 동작은 매우 강한 광 신호를 측정할 수 있게 하고, 저잡음(저속) 동작은 매우 약한 광 신호를 측정할 수 있게 하며, 따라서 이 조합은 전반적인 시스템 동적 범위를 향상시킨다.
변환 후에, 디지털 신호들은 포트들(360, 361, 362, 및 363)에서 이용 가능할 수 있고, 메모리(290), 프로세서(270) 및 FPGA(260)와 같은 도 2에서 설명된 구성 요소들로 전송될 수 있다. 대안적으로, 수평 시프트 레지스터들로부터의 신호들은 결합 기능, 예를 들어 결합 회로(370)로 유도될 수 있고, A/D 컨버터(375)에 의해 변환되어 포트(380)에서 이용 가능하게 된다. A/D 컨버터(375)는 저속 유형 또는 고속 유형이 될 수 있거나, 또는 변환 회로소자(399)는 결합 회로(370)로부터 발생하는 신호에 대해 선택가능한 저속/고속 A/D 컨버터들을 포함할 수 있다. 결합 회로(370)는 합산 회로, 차분 회로, 분할 회로, 곱셈 회로, 또는 인터리빙 회로를 포함할 수 있고, 이들 결합 회로들 중 하나의 기능을 수행하도록 구성된 단일 소자가 될 수 있다.
수평 시프트 레지스터들(320 및 321)로부터 각각의 A/D 컨버터들로의 임의의 신호 경로들은 예를 들어, FPGA(260) 또는 프로세서(270)에 의해 제공되는 생성된 컨버터 제어 신호들 및 광 센서 클럭킹 신호들에 의해 원하는 대로 선택될 수 있다. 컨버터 제어 신호들을 통해 선택하는 것은 예를 들어, 회로들을 전기적으로 인 에이블 또는 디스에이블하거나 스위치들을 개방/폐쇄함으로써 수행될 수 있다. 광 센서(300) 및 변환 회로소자(399)의 구성가능성은 증가된 동적 범위 또는 평균화를 위한 신호 합산, 공통 모드 정정 및 변경 검출을 위한 신호 차분(signal differencing) 및 병렬 독립 신호(parallel independent signals)와 같은 센서의 멀티모드 적응가능한 사용을 허용한다. 변환 회로소자(399)의 일부로서 도 3에 도시되기는 하였지만, 다양하게 도시된 A/C 변환기들 및 결합 회로(370)의 어떠한 것도 광 센서(300)와 통합될 수 있다. 예를 들어, 결합 회로(370)는 광 센서(300) 내 또는 변환 회로소자(399) 내의 아날로그 영역에서 수행될 수 있다. 최상의 신호 성능은 광 센서(300)에서 행해진 결합으로 예상될 수 있다. 또한, 결합 회로(370)는 예를 들어 도 1의 센서 제어기(150) 내의 디지털 영역에서 수행될 수 있지만, A/D 양자화 및 디지털 수학적 오류가 있게 된다. 도 3에서, 모든 컨버터들 및 출력들이 광 센서 수평 시프트 레지스터들(320 및 321)의 단일 단부에 접속되어 도시되어 있지만; 컨버터들 및 출력들은 시프트 레지스터들의 어느 한 단부/양 단부들에 편리하게 배치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특정의 레이아웃들에서, 시프트 레지스터들(320 및 321)의 각각의 단부에서 상이한 출력들을 갖는 것은 광 센서 내부의 구성요소들을 스위칭할 필요성을 제거하는 이점을 제공하며, 전기 신호 출력들이 클럭킹 신호들의 페이징(phasing)의 변경에 의해 광 센서(300)로 간단히 유도될 수 있다. 변환 회로소자(399)는 도 1의 변환 회로소자(144)와 마찬가지로, 도 1의 센서 제어기(150)와 같은 멀티모드 설정가능한 분광계의 서브 시스템에 의해 유도될 수 있다. 센서 제어기(150)는 예를 들어, 외부 시스템(220)으로부터 수신될 수 있는 선택된 동작 모드에 기초하여 컨버터 제어 신호들 및 광 센서 클럭킹 신호들을 생성할 수 있다. FPGA(260) 또는 프로세서(270)는 예를 들어, 광 센서(300) 및 변환 회로소자(399)의 상이한 동작 모드들 및 구성들을 인에이블 및 디스에이블하기 위해 컨버터 제어 신호들 및 광 센서 클럭킹 신호들을 생성하도록 프로그램될 수 있다.
광 센서(300)의 활성 픽셀 영역들(310 및 311)은 또한 고속(밀리초 타이밍) 전자 셔터 기능의 통합을 포함할 수 있다. 이러한 기능(390)은 활성 픽셀 영역(310) 위에 디스플레이된 점선 "X"를 통해 도 3에 표현된다. 전자 셔터 기능(390)은 광 센서(300)의 임의의 전체 또는 부분 활성 픽셀 영역에서 센서의 노출로 인한 전하의 통합을 금지/허용할 수 있다. 예를 들어, 셔터 제어는 광 센서(300)의 수평축을 따라 독립적으로 변할 수 있다. 광 센서(300) 및 멀티모드 설정가능한 분광계(140)와 같은 연관된 분광계의 동작 모드의 일부로서 셔터 기능(390)의 공간적 및 시간적 제어는, 향상된 동적 범위, 이득 평탄화, 펄스 플라즈마(pulsed plasma)에 대한 것과 같은 외부 제어들로부터 수집된 광 신호들의 고속 동기화, 이동 또는 과도 시스템, 및 에일리어싱(aliasing) 없이 고주파수 변조되거나 빠르게 변화하는 소스 방출들을 모니터하는 기능을 지원할 수 있다. 전자 셔터 기능(390)은 예를 들어 도 1의 멀티모드 설정가능한 분광계(140)의 센서 제어기(150)와 같은 제어기를 통해 제어될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 바와 같은 광 센서 및 변환 회로소자를 포함하는 멀티모드 설정가능한 분광계로부터 광 데이터를 판독하는 프로세스(400)의 예에 대한 흐름도를 도시한다. 여기에서, 광 데이터는 광 신호들 및 변환된 전기/디지털 신호들을 포함하는 분광계로의 광 입력의 다중 상태들의 어떠한 것과도 연관될 수 있다. 프로세스(400)는 준비 단계(410)로 시작하며, 여기에서 동작 모드, 반도체 프로세스 유형, 적분 시간, 및 다른 초기 파라미터들이 미리 결정될 수 있다. 다음으로, 단계(420)에서, 상기 분광계, 상기 포함된 광 센서, 및 상기 변환 회로소자의 미리 결정된 동작 모드의 선택이 이루어질 수 있다. 동작 모드는 예를 들어, 회로 선택, 결합 기능 선택, 활성 영역 광 신호 적분 시간, 동적 범위를 최대화하기 위한 디지털화 방식, 및 셔터 기능 타이밍을 변환하기 위한 설정들 및 파라미터들을 포함할 수 있다. 동작 모드는 도 1의 외부 시스템(160)과 같은 외부 시스템 내에서 정의될 수 있으며, 도 1의 멀티모드 설정가능한 분광계(140)의 센서 제어기(150)와 같은 멀티모드 구성가능 제어기로 전달된 후, 구체적으로 도 2의 FPGA(260) 및 프로세서(270)에 의해서와 같이 제어기에 의해 제어될 수 있다. 동작 모드는 표 1과 관련하여 후술되는 데이터 요건들 및 특정 반도체 프로세스의 조건들과 요건들과 관련하여 정의될 수 있다. 예를 들어, 동작 모드는 광 접속의 유형, 광 신호 유형(OES/IEP), 레벨(밝음/어둑함) 및 시간적 변화(연속/펄스)에 기초한 설정들 및 파라미터들을 포함할 수 있다. 동작 모드는 또한 각각의 소스에 대해 독립적이고 비동기적인 디지털 신호들을 생성하게 되는 개별 소스들로부터의 광 데이터 지원과 같이 프로세싱 시스템 최적화에 기초할 수도 있다.
다음으로, 단계(430)에서, 데이터는 도 1 내지 도 3과 관련하여 논의된 바와 같이, 동작 모드에 의해 정의된 광 센서, 변환 회로 및 멀티모드 설정가능한 분광계로부터 판독될 수 있다. 단계들(420 및 430)은 광 데이터에 프로세스 애플리케이션들에 유용한 특성들을 제공하기 위해 여러 번(1 ... N) 반복될 수 있다. 예를 들어, 특정의 동작 모드는 OES 데이터의 2 개의 디지털 신호들의 디지털 출력을 제공하도록 상기 광 데이터가 판독되게 지시할 수 있으며, 여기서 제 1 디지털 신호는 활성 픽셀 영역(310)으로부터 수집될 수 있고 제 2 디지털 신호는 활성 픽셀 영역(311)으로부터 수집될 수 있다. 상기 동작 모드의 추가적인 파라미터들은 합산 회로로서의 결합 회로(370)의 선택 및 개선된 신호 대 잡음 비 성능을 위한 저속 A/D 컨버터의 선택을 포함할 수 있다. 활성 픽셀 영역(310)으로의 광 입력이 활성 픽셀 영역(311)의 광 입력보다 훨씬 큰 약간 수정된 동작 모드에서, 셔터 기능 또는 다른 타이밍 제어가 누적된 전기 신호의 양을 줄이기 위해 통합 기간의 일부 동안 활성 픽셀 영역(310)에 적용될 수 있다. 단계(430)는 단계(420)로 복귀하는 프로세스(400) 이전에 여러 번 수행될 수 있다. 더욱이, 단계(420) 동안의 동작 모드의 선택은, 상기 디지털 신호들의 특정의 파라미터들 또는 외부에서 공급된 명령에 기초하여 상기 광 입력을 생성하는 반도체 프로세스 동안 실시간으로 동적으로 적응될 수 있다. 예를 들어, 디지털 신호들이 광 센서의 포화 상태를 나타내는 경우, 동작 모드는 연관된 활성 픽셀 영역에 의해 수신된 광 신호의 적분 시간을 감소시키도록 조정될 수 있다. 상기 감소는 활성 픽셀 영역의 적분 시간을 직접 변경하거나 연관된 셔터 기능의 시간을 조정함으로써 수행될 수 있다. 동작 모드 조정은 예를 들어 도 2의 프로세서(270) 또는 도 1의 외부 시스템(160)에 의해 지시될 수 있다. 더욱이, 동작 모드의 동적 조정은 조정들이 제정되기 전에 프로세스(400)의 단계들(420 내지 470)의 적어도 하나의 사이클을 요구할 수 있다.
다음 단계(440)에서, 상기 수집된 광 데이터는 멀티모드 설정가능한 분광계 및 광 센서 상의 동작 모드들에 따라 처리될 수 있다. 예를 들어, 교체 조명(alternating illumination)이 사용되는 플래시램프로 멀티모드 설정가능한 분광계가 동작 모드에서 사용되는 경우, 프로세싱은 광 데이터 조명이 켜져있을 때와 꺼져있을 때 사이의 차이를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 프로세싱은 예를 들어 도 3의 결합 회로(370), 도 2의 프로세서(270) 또는 도 1의 외부 시스템(160)에 의해 수행될 수 있다. 이어서, 단계(450)에서, 광 데이터는 단계(460)에서 프로세스 툴로 전달될 수 있는 제어 값 출력들의 감소 및 추출을 위해 처리될 수 있다. 제어 값 출력들의 결정은, 예를 들어 도 2의 프로세서(270) 또는 도 1의 외부 시스템(160)에 의해 수행될 수 있다. 단계(450)에서 생성되고 도 1의 프로세스 툴(105)과 같은 프로세스 툴에 의해 수신되는 출력(들)은 상기 툴 내에서 발생하고 웨이퍼에 작용하는 프로세스의 동작을 적응시키기 위해 단계(470)에서 사용될 수 있다. 프로세스(400)는 단계(480)에서 종결될 수 있고, 광 데이터 및 산출된 값은 추후 검색 등을 위해 저장될 수 있다. 프로세스(400)는 광 데이터를 일반적으로 수 초 내지 수십 분이 될 수 있는 모니터링된/제어된 프로세스의 길이를 커버하는 시계열의 포인트들 또는 스펙트럼들로서 정의할 수 있으며, 수 분의 긴 간격들에서 1 밀리초로 빈번하게 수집된 광 데이터를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라, 도 3에 도시된 바와 같은 광 센서를 포함하는 멀티모드 설정가능한 분광계로부터 변환된 광 데이터를 판독하는 프로세스(500)의 제 2 흐름도를 도시한다. 프로세스(500)는 멀티모드 설정가능한 분광계, 광 센서, 및 변환 회로소자의 내부 동작에 관한 프로세스(400)에 대한 세부 사항을 추가한다. 프로세스(500)는 준비 단계(510)에서 시작하며 FPGA 기능들을 제어하는 것과 같은 동작들이 정의되거나 설정될 수 있거나, 멀티모드 설정가능한 분광계에 대한 초기화 검사들이 수행될 수 있다. 단계(520)에서, 광 센서의 다중 출력들의 결합 모드의 선택이 선택될 수 있다. 단계(530)에서, 광 센서에 대한 셔터의 상태 및 타이밍이 선택될 수 있다. 예를 들어, 셔터 기능은 각각의 활성 픽셀 영역으로부터의 전체 스펙트럼(디지털 신호) 데이터 레이트의 일관된 사용을 가능하게 하면서 상이한 밝기 소스들 간의 노출을 제어하도록 상기 활성 픽셀 영역들의 어떠한 것에도 독립적으로 적용될 수 있다. 다음의 셔터 상태 선택 광 신호들이 단계(540)에서 미리 결정된 양의 시간 동안 통합될 수 있다. 적분 시간은 광 센서의 각각의 활성 픽셀 영역에 대해 동일하거나 다를 수 있다. 또한, 일부 동작 모드에서, 멀티모드 설정가능한 분광계 및 광 센서가 다수의 독립적인 프로세스 툴들 또는 프로세스 챔버들과 함께 사용될 때 요구될 수 있는 바와 같이, 각각의 활성 픽셀 영역에 대한 집적 시간 및 신호 프로세싱은 인터리빙 또는 완전히 독립적인 광 데이터 수집을 지원하기 위해 비동기적일 수 있다.
다음으로, 단계(550)에서, 통합된 전하가 인접한 독립적인 수평 시프트 레지스터들로 수직으로 시프트될 수 있다. 다음으로, 단계(560)에서, 상기 동작 모드의 미리 선택된 결합 모드 및 데이터 샘플링 레이트 설정에 따라 상기 수평 시프트 레지스터들의 전기 신호들이 수평으로 시프트되고 변환될 수 있다. 단계(570)에서, 전기 신호들은 선택된 변환 회로들 및 컨버터 샘플링 레이트 및 변환 회로소자의 오버 샘플링에 따라 수집된 스펙트럼들을 정의하는 디지털 신호들로 변환될 수 있다. 프로세스(500)는 단계(580)에서 종료하며, 예를 들어 프로세스(400) 및/또는 도 1과 관련하여 기술된 바와 같이 광 데이터가 저장되거나 적용될 수 있다.
표 1은 본 발명의 원리에 따라 광 센서, 변환 회로소자, 및 멀티모드 설정가능한 분광계의 특정 동작 모드들의 신호 유형에 기초한 이점들을 강조한다. 멀티모드 설정가능한 분광계의 동작 모드들은 모니터링될 반도체 신호 유형들과 밀접하게 관련될 수 있다. 특히, 앞서 언급한 이들 신호 유형들은 OES 및 IEP 신호들이다. 이러한 예들은 도 6a 내지 7c와 관련하여 도시되고 기술된다. 2 개의 활성 픽셀 영역들을 갖는 도 3의 센서(300)와 같은 광 센서를 고려하고 활성 픽셀 영역들로부터의 광 데이터의 독립적인 병렬 판독 및 합/차 판독의 동작 모드들을 부가적으로 고려하면; 기존의 분광계 시스템들에 비해 특별한 이점이 관찰될 수 있다.
이제, OES 및 IEP 광 데이터의 대표적인 도표를 참조하면, 도 6a는 웨이퍼로부터 반사된 크세논 플래시램프(Xenon flashlamp)로부터의 전형적인 IEP 광 신호(스펙트럼)(620)의 도표(600)가 된다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, IEP 신호들은 플래시램프에 의해 생성되는 것과 같은 펄스형 또는 이산형 광 신호들로 고려되지만, IEP 신호들은 시간 연속적이거나 또는 이산적일 수 있음을 이해해야 한다. 펄스형 광 신호는 50% 듀티 사이클에서 초당 10 회와 같이, 정의된 펄스 속도 및 듀티 사이클에서 광 레벨의 둘 이상의 레벨들 사이에서 변할 수 있다. 여기에서 강조하는 것은 관심있는 시간주기에 걸쳐 일반적으로 일정한 광 신호 레벨을 유지하는 전형적으로 시간 연속적인 OES 광 신호들을 갖는 콘트라스트를 제공하는 것이다. 반면, 플래시램프에서 발생하는 펄스형 광 신호는 일반적으로 매우 짧은 듀티 사이클 또는 지속 시간이 수 마이크로 초이며 종종 100% 변조 깊이를 갖는다; 펄스 플라즈마로부터 발생하는 펄스형 광 신호들은 더욱 가변적이며, 종종 광 신호의 100% 변조 깊이를 갖지 않는다. IEP를 위한 플래시램프 신호들은 또한 일반적으로 파장이 광대역이며 파장 범위에 따라 상당히 다를 수 있다. 도 6b는 다수의 전형적인 OES 광 신호들(스펙트럼들)(630 및 640)의 도표(610)가 된다. 스펙트럼(630)은 분자(400nm 부근의 광대역 구조) 및 원자 방출(전체적으로 좁은 피크들) 모두의 일반적인 특징들을 보여준다. 스펙트럼(640)은 더욱 독점적인 원자 방출의 특징들을 보여주며, 파장의 함수로서 신호 레벨이 제로 카운트 근방으로부터 거의 70,000까지 변화하는 것으로 관찰된다.
분광계 내의 광 센서의 단일 활성 픽셀 영역의 다수의 영역들에 수집된 IEP 및 OES 스펙트럼들은 진폭이 크게 변할 수 있고, 동일한 챔버에서 상이한 챔버들 또는 상이한 위치들로부터의 결과일 수 있다. 많은 현재의 반도체 프로세싱 애플리케이션의 경우, 작은 신호(또는 작은 신호 변화) 검출이 중요하며, 오염, 크로스-토크, 제한된 동적 범위, 및 기타 문제들이 현재의 광 센서 및 분광계 기술들에서는 존재하기 때문에 기존의 분광계들을 판독할 때 중요한 광 신호 특징들이 숨겨질 수 있다.
이전에 참조된 미국 특허 9,386,241에서 언급된 바와 같이, 이러한 기존의 광 센서들 및 분광계들에 의해 여러 가지 문제들이 존재한다. 주된 문제점은, 활성 픽셀 영역이 원형 버퍼(circular buffer)로서 작용하고, 활성 픽셀 영역의 다양한 부분들에 통합된 신호들은 일반적으로 시프팅 동안 노출된 채로 유지되어 오염이 될 수 있는 다른 부분들을 통과해야한다는 것이다. 결과적인 광 신호는 시프팅 레이트 등에 기초하여 다양한 비율로 상이한 부분들에 입사되는 신호들의 조합이다. 추가적으로, 행들이 한 부분에서 다른 부분으로 시프트됨에 따라, 상기 센서의 원래 부분들은 계속해서 노출될 수 있고 바람직하지 않은 신호들을 통합할 수 있다. 다시 이전에 참조된 미국 특허 9,386,241에서 언급된 바와 같이, 더 많은 복잡성을 부가하고 더 낮은 데이터 레이트 및 추가적인 신호 판독들을 제공하는 대가로 이들 문제점 및 다른 것들과 싸우기 위해 상당한 노력이 이루어졌다. 미국 특허 9,386,241의 도 12에 특정한 어텐션이 주어질 수 있으며, 여기에서는 다수의 통합된 신호들의 특정 오염을 피하기 위해, 광 센서의 활성 영역의 일부가 불분명하게 되고 수평 판독들 및 행 시프트들의 복잡한 배열이 수행되어 기존의 이미징 분광계들의 한계를 수용한다.
전술한 문제점들은 IEP 및 OES 신호들이 관찰될 때 결합될 수 있는 반도체 프로세싱 애플리케이션의 리뷰에 의해 나타낼 수 있다. 도 7a는 OES 광 신호(640)와 결합된 전형적인 IEP 광 신호(620)의 도표(700)이다. 여기서는 원하는 IEP 신호가 OES 신호로부터의 오염에 의해 영향을 받지만 IEP의 전체적인 특성 형태가 명료하다는 것을 보여준다. 도 7b는 제 2 OES 광 신호(630)와 결합된 동일한 전형적인 IEP 광 신호(620)의 도표(710)이다. 여기서는, 동적 범위의 분할로 인해 원 신호들(original signals) 사이의 판별 능력의 전체적인 감소와 원하는 IEP 광 신호의 훨씬 더 큰 오염을 보여준다. 유의할만하게 OES 신호의 프린지-형 파장 세기 패턴의 출현은 오염된 IEP 신호에서 물질 층으로부터의 반사율을 나타내는 것으로 해석될 수 있다.
플래시램프는 상당한 양의 신호 오염을 제거하기 위해 플래시램프 펄스가 교대로 온(on) 및 오프(off) 되는(예를 들어, 본 명세서에 참조로 포함된 미국 특허 6,160,621 참조) "이중 판독" 모드들로 사용될 수 있지만, 이러한 동작 모드는 충분히 천천히 변화하는 OES 신호를 가정한다. OES 신호가 충분히 정적이지 않은 경우, IEP 신호의 오염되지 않은 결정은 기존 시스템에서는 불가능하다. 본 발명의 광 센서 및 분광계를 이용함으로써, 펄스형 IEP 플래시램프 신호를 수신하는 활성 픽셀 영역은 광 펄스의 수 마이크로 초 지속시간과는 다른 시간기간으로부터 수신된 광 입력의 통합을 배제하기 위해 셔터 기능 또는 다른 동작 모드 설정을 사용하여 게이팅(gate)될 수 있다.
도 7c는 제 2 OES 광 신호(640)와 결합된 제 1 전형적인 OES 광 신호(630)의 도표를 도시한다. 이러한 신호들은 예를 들어 도 1의 광 인터페이스들(121, 122)로부터 발생될 수 있다. 여기에서는, 신호(640)의 특징들이 신호(630)의 존재에 의해 대부분 불명료하게 된다. OES 신호는 전형적으로 시간적으로 연속적이기 때문에, 기존의 분광계 및 광 센서들의 물리적 판독 구조의 한계는 항상 신호들의 오염을 야기한다. 1 % 이하 수준의 오염은 프로세스들에 대한 개방 영역들이 매우 낮음에 따라 특정의 프로세스들을 실행 불가능하게 하기에 충분하다. 예를 들어 1 %의 개방 영역을 갖는 반도체 에칭 프로세스는 1 %의 엔드포인트 검출 정확도를 요구할 수 있다. 이러한 결합된 요구사항은 1 : 10,000 정도의 변화를 검출할 필요성을 암시하며, 어떠한 광 신호 오염도 이러한 양보다 적게 될 것을 필요로 한다. 본 발명의 광 센서 및 멀티모드 설정가능한 분광계의 동작은 상기 결합된 OES 신호를 판독하는 오염을 크게 줄이거나 완전히 제거하며, 광 신호들(630 및 640)의 개별적인 결정을 가능하게 한다.
본 발명의 멀티모드 설정가능한 분광계는 광 신호 관측 위치, 단일/다중 챔버 통합, 단일/다중 프로세싱 툴 통합, 단일/다중 프로세스 변화, 신호 유형 변화, 및 앞서 언급된 임의의 것들의 관련 타이밍/동기화에 관한 동작의 유연성을 제공한다. 몇 가지 특정의 예들이 표 1에 설명되어 있다. 표 1에 나열된 모드들 및 이점들에 대한 설명은 완전한 것으로 의도되지 않았으며, 특정 동작 모드 또는 신호 유형과 연관된 이점들은 다른 동작 모드들 또는 신호 유형들과 또한 연관될 수 있다.
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표 1
표 1에 기재된 신호 유형들 및 이점들은 본 발명의 광 센서 및 멀티모드 설정가능한 분광계의 특정 구조 및 기능과 관련될 수 있다. 예를 들어, 듀얼 OES 모드(표 1의 첫 번째 행)에서, 낮은 신호 크로스-토크 및 오염은 듀얼 시프트 레지스터들 및 개별적인 전기 신호 출력들 및 변환 회로들의 존재에 의해 달성된다. 다른 연관성은 본 명세서의 설명으로부터 도출될 수 있고, 일부는 아래에서 더 상세히 설명된다.
또 다른 예에서, 본 발명의 멀티모드 설정가능한 분광계는 하나 이상의 OES, IEP, 또는 결합된 IEP 및 OES 신호들이 모니터되는 동작 모드에서 및 전체적인 광 레벨이 극히 높은 경우에 개선된 성능을 제공한다. 현재의 실행은 광 센서로부터의 신호들의 판독과 양립할 수 있는 가장 짧은 집적 시간을 사용하고, 활성 픽셀 영역의 일부분이 작아지도록 활성 픽셀 영역의 행들의 판독을 세분하는 것이다. 이러한 결과로서 분광계의 복잡하고 더욱 느린 동작이 발생하며, 여기서 신호의 다중 판독이 수행되고 포화로 인해 사용되지 않을 신호가 판독될 수 있다. 본 발명의 멀티모드 설정가능한 분광계는 셔터 기능이 전하 축적 시간을 충분히 짧게 하여 포화가 발생하지 않도록 한다. 한편, 데이터 샘플링 레이트는 데이터의 고품질 디지털화를 허용하도록 충분히 낮게 유지할 수 있으며, 그에 의해 전반적인 신호 대 잡음 비가 증가하고 작은 신호 검출 가능성이 향상된다.
이와 관련하여, 2 개의 상이한 광 신호들에 대해 상이한 집적 시간들을 가질 수 있는 것이 바람직한 경우, 셔터 기능과 활성 픽셀 영역들의 독립적인 판독의 조합이 유익하다. OES의 한 예에서, 아르곤 및 할로겐 방출들은 700~800 nm 스펙트럼 범위에서 높은 세기의 신호들을 생성하며; 부산물로부터의 방출은 일반적으로 약하고 UV-VIS 범위에 속한다. 멀티모드 설정가능한 분광계는 모든 원하는 신호들에 대해 적절한 진폭 신호들을 제공하기 위해 상이한 활성 픽셀 영역들에서 균일한 데이터 샘플링 레이트(예를 들면, 초당 스펙트럼)지만 독립적인 적분 시간들로 구성될 수 있다. 이들 신호의 각각의 부분들은 프로세스 제어 애플리케이션에 대한 관심 갖는 다양한 독립적인 파장들에 대한 증가된 유틸리티 및 동적 범위의 합성 스펙트럼을 제공하도록 결합될 수 있다. 또한, 각각의 독립적인 활성 픽셀 영역에 대한 적분 시간들의 설정에 의해 자동 및 독립적인 이득 제어가 허용된다.
또한, 개시된 멀티모드 설정가능한 분광계의 디자인은 낮은 광 검출을 강조한다. 현재의 광 센서의 파장 분산 방향에서 높은 픽셀들과 긴 센서 치수의 조합은 동등한 파장 분해능을 갖는 더 넓은 광학 슬릿의 사용을 허용한다. 본 발명의 멀티모드 설정가능한 분광계와 함께 사용될 때, 광 센서의 높은 픽셀들은 높은 슬릿의 사용을 허용하고 따라서 더 큰 전체적인 광 수집을 가능하게 한다. 추가적은 조합으로, 활성 픽셀 영역 및 활성 픽셀 영역 높이에 대한 셔터 기능의 사용은 광 수집의 매우 넓은 동적 범위를 허용한다. 가변적인 폭 슬릿을 포함하는 멀티모드 설정가능한 분광계의 경우, 슬릿 폭은 멀티모드 설정가능한 분광계의 동작 모드의 일부로서 제어될 수 있다.
펄스 플라즈마 챔버에 적용될 때, 본 발명의 광 센서 및 멀티모드 설정가능한 분광계의 추가적인 동작 모드들이 유익하다. 이러한 모드들은: a) 펄스 플라즈마에 대한 광 신호 수집의 동기화; b) 셔터를 이용한 동기화; 및 c) 펄스 플라즈마 OES에 대한 시간-분해 분광법을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 동기화된 동작 모드들의 경우, 펄스 주파수가 그 간격에 상응하지 않더라도 어떤 편리한 간격(예컨대, 20 Hz)으로 데이터 간격을 유지하는 것이 편리할 수 있다. 펄스 플라즈마 주파수는 데이터 간격이 아닌 광 센서 또는 변환 회로소자의 전자 셔터 또는 다른 기능에 고정될 수 있다. 에일리어싱이 없고, 비정상적인 적분 시간들을 미리 결정하거나, 데이터 간격과 상응하지 않는 적분 시간들을 사용할 필요가 없다. 이러한 동작 모드는 예를 들어, 도 1의 반도체 프로세스 툴(105)과 센서 제어기(150) 사이의 낮은 대기 시간의 통신에 의해 지원될 수 있다.
펄스-플라즈마 OES에 대한 시간-분해 분광법의 경우, 전자 셔터는 펄스 기간과 비교하여 노출 시간을 짧게 유지하는데 사용될 수 있으며, 펄스 기간의 다양한 부분들은 상기 프라즈마의 펄스 발생기와 상기 전자 셔터의 활성 사이에 적절한 시간 지연들을 사용하여 샘플링될 수 있다. 실례로, 활성 픽셀 영역의 노출 시간이 플라즈마 펄스 기간의 1/10인 경우, 광 신호들의 10 번의 상대적으로 시간적으로 변위된 판독들이 상기 주기의 상이한 부분들 동안 OES 경향을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 상기 광 데이터는 상기 기간의 1/10의 단계들로 상기 주기 내에서 노출 시간의 위치를 반복적으로 스캐닝함으로써 수집될 수 있다.
광의 매우 짧은 지속시간의 플래시램프 펄스들이 워크피스를 조사하는데 사용되는 IEP 프로세스들에서, 분광계 시스템은 일반적으로 OES 광의 존재 하에 IEP 신호를 분리하기 위해 감산된 측정 쌍을 활용한다. 일반적으로 IEP 광 펄스는 수 마이크로 초일 수 있으며, 일반적인 적분 시간들은 IEP 및 OES 신호들의 상당한 오염으로 이어지는 최소한으로 많은 밀리 초가 된다. 본 발명의 멀티모드 설정가능한 분광계에 의해 제공되는 활성 픽셀 영역 당 선택적 타이밍 및 통합으로, 전자 셔터 기능은 전체 데이터 간격들에 영향을 미치지 않으면서 IEP 광 펄스에 동기화될 수 있고 매우 짧은 지속시간으로 될 수 있다. IEP 광 펄스를 게이팅하면 결합된 IEP 및 OES 신호가 상당히 감소될 수 있으며 상기 쌍을 이루는 감산된 측정들의 필요성이 제거된다. 이러한 변경으로 인해 2 배 더 큰 측정 샘플 속도가 가능하다.
본 발명의 멀티모드 설정가능한 분광계의 광 센서의 독립적인 활성 픽셀 영역들로부터의 전기 신호들의 독립적인 디지털화는 파장 해상도의 상대적 조정을 허용하고, 신호 대 잡음 비의 관련된 개선을 가능하게 한다. 예를 들어, 활성 픽셀 영역으로부터의 제 1 광 신호는 스펙트럼(200~800 nm, 0.5 nm 해상도)에 대한 1201 파장 값들을 판독하도록 구성될 수 있지만, 활성 픽셀 영역으로부터의 제 2 광 신호는 디지털화 이전에 다수의 인접한 픽셀들(전기적 신호 합산)을 비닝(binning)하고 결과적인 저 해상도 스펙트럼을 제공함으로써 신호 대 잡음 비를 개선할 수 있다. 또한, 전체 스펙트럼 데이터를 갖는 활성 픽셀 영역으로부터의 제 1 광 신호를 갖지만 과도한 불필요한 데이터의 취급 및 저장을 피하기 위해 소수의 값들만을 보유하고 나머지는 제거된 활성 픽셀 영역으로부터의 제 2 광 신호를 갖도록 독립적인 디지털화가 활용될 수 있다.
본 명세서의 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에 기재된 광학 측정 시스템들 및 서브시스템들에서 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 비록 특정의 예들이 반도체 웨이퍼 프로세싱 장비와 관련하여 기술되었지만, 본 명세서에서 기술된 광학 측정 시스템들은 롤-투-롤(roll-to-roll) 박막 프로세싱, 태양 전지 제조, 또는 높은 정밀도의 광학 측정이 요구될 수 있는 임의의 애플리케이션과 같은 다른 유형들에 적응될 수 있다. 또한, 본 발명의 양태들을 기술할 때 본 명세서에서 "웨이퍼"라는 용어가 사용되었지만, 석영 판, 위상 시프트 마스크, LED 기판, 및 기타 비-반도체 프로세싱 관련 기판들과 같은 워크피스들과 고체, 기체 및 액체 워크피스들을 포함하는 워크피스들의 다른 유형들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 명세서에 설명된 실시예는 본 발명 및 실제 애플리케이션의 원리를 최상으로 설명하고, 당업자가 고려하는 특정 사용에 적합되는 것으로 다양한 변형들을 갖는 다양한 실시예들에 대해 본 발명을 이해할 수 있도록 선택 및 기술되었다. 본 명세서에 기술된 특정 실시예들은 본 개시의 범위를 제한하려 의도된 것이 아니며, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 범위 및 의도를 벗어나지 않고서 다양한 변형들과 환경들에서 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 한정되는 것으로 의도되지 않았으며, 본 명세서에서 기술된 원리들 및 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 따르게 되어야 한다.
도면의 흐름도 및 블록도는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 시스템, 방법, 및 컴퓨터 프로그램 제품들의 가능한 구현의 구조, 기능, 및 동작을 설명한다. 이와 관련하여, 흐름도 또는 블록도 내의 각 블록은 특정 논리 기능(들)을 구현하기 위한 하나 이상의 실행가능 명령들을 포함하는 모듈, 세그먼트, 또는 코드 부분을 나타낼 수 있다. 또한, 일부 대안적인 구현 예에서, 블록에서 언급된 기능들은 도면들에서 언급된 순서를 벗어나 발생할 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 연속적으로 도시된 2 개의 블록들은 실제로는 실질적으로 동시에 실행될 수 있으며, 또는 상기 블록들은 수반되는 기능에 따라 때때로 블록이 역순으로 실행될 수 있다. 또한, 블록도 및/또는 흐름도의 각 블록, 및 블록도 및/또는 흐름도의 블록들의 조합은 지정된 기능들 또는 동작들을 수행하는 특수 목적 하드웨어 기반 시스템들 또는 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 명령들의 조합에 의해 구현될 수 있다.
당업자가 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 또는 그 일부는 방법, 시스템, 또는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특징들 또는 상기 특징들의 적어도 일부는 전체적으로 하드웨어 실시예의 형태, 전체적으로 소프트웨어 실시예(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로 코드 등을 포함)의 형태, 또는 소프트웨어와 하드웨어를 결합한 실시예 양태들을 취할 수 있으며, 이들 모두는 본 명세서에서 일반적으로 "회로" 또는 "모듈"로 지칭된다. 개시된 특징들 중 일부는 디지털 데이터 프로세서들 또는 컴퓨터들과 같은 다양한 프로세서들에 구현되거나 수행될 수 있으며, 여기서 컴퓨터들은 본 발명의 방법들의 단계들의 하나 이상을 수행하도록 프로그램되거나 또는 소프트웨어 명령 시퀀스의 실행가능한 프로그램들을 저장한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 특징들 또는 그 특징들의 적어도 일부는 매체에 포함되는 컴퓨터 사용가능 프로그램 코드를 갖는 비-일시적 컴퓨터 사용가능 저장 매체 상의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 그러한 프로그램들의 소프트웨어 명령들은 알고리즘을 나타낼 수 있고, 비-일시적 디지털 데이터 저장 매체에서 머신-실행가능 형식으로 인코딩될 수 있다.
따라서, 개시된 예들의 일부는 장치, 디바이스의 일부를 구현하거나 본 명세서에서 설명된 방법의 단계들을 실행하는 다양한 컴퓨터 구현 동작들을 수행하기 위한 프로그램 코드를 갖는 비-일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 갖는 컴퓨터 저장 제품들에 관련될 수 있다. 본 명세서에 설명된 비-일시적(non-transitory)은 일시적인 전파 신호를 제외한 모든 컴퓨터 판독가능 매체를 지칭한다. 비-일시적 컴퓨터 판독가능 매체의 예들은 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체; CD-ROM 디스크와 같은 광학 매체; 플로피 디스크와 같은 광 자기 매체; 및 ROM 및 RAM 장치와 같은 프로그램 코드를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 프로그램 코드의 예들에는 컴파일러에 의해 생성되는 것과 같은 머신 코드 및 인터프리터를 사용하여 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 상위 레벨 코드를 포함하는 파일들이 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시예들만을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수 형태의 표현("a", "an" 및 "the")은 문맥상 다르게 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함하고자한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 명시된 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 구성요소들의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성요소들, 및/또는 이들의 그룹들의 추가적인 존재를 배제하지는 않는다는 것이 역시 이해될 것이다.
본 출원과 관련된 기술 분야의 당업자는 다른 추가적인 부가, 삭제, 대체, 및 변형이 기술된 실시예들에 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 다양한 양태들이 본 명세서에 개시된 장치, 시스템, 및 방법을 포함하여 청구될 수 있다. 본 명세서에 개시된 양태들은 다음을 포함한다:
A. 멀티모드 설정가능한 분광계(multimode configurable spectrometer)는: (1) 광 입력을 수신하고 상기 광 입력을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 광 센서로서, 상기 광 입력을 상기 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함하는, 상기 광 센서, 및 (2) 다수의 선택가능한 변환 회로들을 가지며, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자(circuitry)를 포함한다.
B. 멀티모드 설정가능한 분광계를 작동하는 방법. 상기 방법은: (1) 광 센서의 다수의 활성 픽셀 영역들 중 적어도 하나를 사용하여 광 신호를 전기 신호들로 변환하는 단계, (2) 다수의 선택가능한 변환 회로들을 갖는 변환 회로소자에 상기 전기 신호를 제공하는 단계, 및 (3) 상기 선택가능한 변환 회로들 중 하나를 통해 상기 전기 신호들을 디지털 출력으로 변환하는 단계를 포함한다.
C. 광 모니터링 시스템은: (1) 프로세스 챔버로부터 관측된 광을 전달하도록 구성된 광 인터페이스, (2) 광 인터페이스로부터의 광을 광 입력으로서 수신하도록 구성된 멀티모드 설정가능한 분광계를 포함한다. 상기 멀티모드 설정가능한 분광계는: (2A) 상기 광 입력을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 광 센서로서, 상기 광 입력을 상기 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함하는, 상기 광 센서, (2B) 다수의 선택가능한 변환 회로들을 가지며, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자, 및 (2C) 상기 광 입력에 기초하여, 상기 광 센서의 동작 모드를 설정하고 상기 선택가능한 변환 회로들 중 하나를 선택하여 상기 디지털 출력을 제공하도록 구성된 센서 제어기를 포함한다.
D. 멀티모드 설정가능한 분광계는: (1) 광 입력을 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들 및 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 각각에 대한 시프트 레지스터를 포함하는 광 센서로서, 상기 활성 픽셀 영역들 각각은 독립적으로 제어가능한, 상기 광 센서, (2) 선택가능한 변환 회로들을 포함하며 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자로서, 적어도 4 개의 다른 선택가능한 변환 회로들의 고유 세트가 상기 시프트 레지스터들 각각에 접속되고, 상기 적어도 4 개의 다른 선택가능한 변환 회로들은 고속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 회로, 저속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 회로, 및 결합 회로를 포함하는, 상기 변환 회로소자, 및 (3) 상기 광 입력의 유형에 기초하여, 상기 광 센서의 동작 모드 및 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나를 변경하여 디지털 출력을 제공하도록 구성된 센서 제어기를 포함한다.
양태들 A, B, C, 및 D 각각은 다음의 추가적인 요소들 중 하나 이상을 조합으로 가질 수 있다:
요소 1: 상기 광 센서의 동작을 유도하고 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 하나를 선택하여 상기 디지털 출력을 제공하도록 구성된 센서 제어기를 더 포함한다. 요소 2: 상기 센서 제어기는 상기 광 센서의 동작 모드를 설정하여 그 동작을 유도하도록 구성되며, 상기 동작 모드에 기초하여 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 하나를 선택하도록 구성된다. 요소 3: 상기 센서 제어기는 상기 동작 모드를 동적으로 설정하고, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 하나를 동적으로 선택하도록 구성된다. 요소 4: 상기 센서 제어기는 상기 동작 모드를 동적으로 설정하고, 상기 광 센서에 의해 수신된 광 입력에 기초하여 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 하나를 동적으로 선택하도록 구성된다. 요소 5: 상기 센서 제어기는 상기 광 센서의 동작 모드를 설정하도록 구성된 프로그램가능한 집적 회로를 포함한다. 요소 6: 상기 센서 제어기는 상기 디지털 출력을 처리하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 요소 7: 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 하나는 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 중 적어도 2 개로부터의 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 결합 회로이다. 요소 8: 상기 결합 회로는 합산 회로, 차분(differencing) 회로, 분할 회로, 곱셈 회로, 또는 인터리빙 회로를 포함한다. 요소 9: 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 각각에 대한 시프트 레지스터를 더 포함하며, 각각의 시프트 레지스터는 그에 결합되는 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 2 개의 상이한 선택가능한 변환 회로들을 포함한다. 요소 10: 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 2 개의 상이한 선택가능한 변환 회로들은 고속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 선택가능한 변환 회로 및 저속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 선택가능한 변환 회로를 포함한다. 요소 11: 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 중 적어도 하나는 상기 디지털 출력을 결정하기 위해 독립적으로 처리되는 다수의 행들을 갖는다. 요소 12: 상기 광 입력은 다수의 광 신호들을 포함한다. 요소 13: 상기 다수의 광 신호들은 상이한 유형들의 광 신호들을 포함한다. 요소 14: 상기 광 신호들은 연속 광 신호, 펄스 광 신호, 광 방출 분광(OES) 신호, 간섭계 엔드포인트(IEP) 신호, 결합된 OES 및 IEP 신호, 및 결합된 연속 및 펄스 광 신호로 구성된 리스트로부터 선택된 유형의 광 신호이다. 요소 15: 상기 광 입력은 다수의 광 신호들을 포함하고, 상기 센서 제어기는 상기 다수의 광 신호들 중 적어도 하나의 유형에 기초하여 상기 동작 모드를 설정하도록 구성된다. 요소 16: 상기 광 입력은 다수의 광 신호들을 포함하고, 상기 센서 제어기는 상기 다수의 광 신호들 중 적어도 하나의 특성들에 기초하여 동작 모드를 설정하도록 구성된다. 요소 17: 상기 특성들은 신호 레벨, 신호 대 잡음 비, 샘플링 레이트, 펄스 레이트, 또는 파장 영역을 포함한다. 요소 18: 상기 광 입력은 다수의 광 신호들을 포함하고, 상기 센서 제어기는 OES인 상기 다수의 광 신호들 중 하나의 유형에 기초하여 상기 동작 모드를 설정하도록 구성된다. 요소 19: 상기 광 입력은 다수의 광 신호들을 포함하고, 상기 센서 제어기는 IEP인 상기 다수의 광 신호들 중 하나의 유형에 기초하여 상기 동작 모드를 설정하도록 구성된다. 요소 20: 상기 광 입력은 다수의 광 신호들을 포함하고, 상기 센서 제어기는 OES 및 IEP의 조합인 상기 다수의 광 신호들 중 하나의 유형에 기초하여 상기 동작 모드를 설정하도록 구성된다. 요소 21: 상기 광 센서는 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 각각에 대한 다수의 출력들을 더 포함한다. 요소 22: 상기 디지털 출력은 다수의 디지털 신호들을 포함한다. 요소 23: 상기 센서 제어기는 상기 활성 픽셀 영역들 중 하나의 적어도 일부에 대해 전자 셔터를 사용함으로써 상기 광 센서의 동작을 유도하도록 구성된다. 요소 24: 모니터링된 반도체 프로세스로부터 상기 광 입력을 수신하고, 상기 모니터링된 반도체 프로세스와 연관된 외부 시스템으로부터 동작 모드에 대한 선택을 수신하는 것을 더 포함한다. 요소 25: 상기 동작 모드에 대한 선택을 수신하는 것은 상기 모니터링되는 반도체 프로세스가 시작되기 전에 발생한다. 요소 26: 상기 광 센서에 대한 동작 모드를 선택하고, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 하나를 선택하는 것을 더 포함한다. 요소 27: 상기 모드를 선택하는 것과 상기 하나를 선택하는 것 중 적어도 하나는 동적으로 수행된다. 요소 28: 상기 모드를 선택하는 것과 상기 하나를 선택하는 것의 기초는 광 입력의 유형, 광 입력의 특성, 디지털 출력의 신호 대 잡음 비 값, 및 데이터 레이트로 구성된 리스트로부터 선택된다. 요소 29: 상기 광 입력의 유형들은 연속 광 신호, 펄스 광 신호, 광 방출 분광(OES) 신호, 간섭계 엔트포인트(IEP) 신호, 결합된 OES 및 IEP 신호, 및 결합된 연속 및 펄스 광 신호를 포함한다. 요소 30: 상기 선택가능한 변환 회로들 중 하나를 선택하는 것은, 고속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 회로, 저속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 회로, 및 결합 회로로 구성된 리스트로부터 회로를 선택하는 것을 포함한다. 요소 31: 상기 센서 제어기는 상기 동작 모드의 선택 및 상기 프로세스 챔버와 연관된 외부 시스템으로부터 상기 선택가능한 변환 회로들 중 하나의 선택을 수신하도록 구성된다. 요소 32: 상기 센서 제어기는 상기 광을 발생시키는 프로세스 챔버에서 반도체 프로세스에 따라 상기 동작 모드 및 상기 선택가능한 변환 회로를 선택한다. 요소 33: 상기 센서 제어기는 상기 반도체 프로세스 동안 상이한 동작 모드들 및 상기 선택가능한 변환 회로들 중 상이한 것들을 동적으로 선택한다. 요소 34: 상기 동작 모드 및 상기 선택가능한 변환 회로들은 상기 처리 챔버에서 관측되는 상기 광의 유형에 따라 선택된다. 요소 35: 상기 광의 유형은 연속 광 신호, 펄스 광 신호, 광 방출 분광(OES) 신호, 간섭계 엔트포인트(IEP) 신호, 결합된 OES 및 IEP 신호, 및 결합된 연속 및 펄스 광 신호로 구성된 리스트로부터 선택된다. 요소 36: 상기 멀티모드 설정가능한 분광계는 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 각각에 대한 시프트 레지스터를 더 포함하고, 상기 시프트 레지스터들 각각은 이에 결합된 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 2 개의 상이한 선택가능한 변환 회로들을 갖는다. 요소 37: 상기 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 2 개의 상이한 선택가능한 변환 회로들은 고속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 선택가능한 변환 회로 및 저속 아날로그-디지털 컨버터를 갖는 선택가능한 변환 회로를 포함한다. 요소 38: 상기 선택가능한 변환 회로들은 상기 시프트 레지스터들 중 적어도 2 개에 결합된 결합 회로를 더 포함한다.

Claims (20)

  1. 멀티모드 설정가능한 분광계(multimode configurable spectrometer)에 있어서:
    광 입력을 수신하고 상기 광 입력을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 광 센서로서, 상기 광 입력을 상기 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함하는, 상기 광 센서;
    다수의 선택가능한 변환 회로들을 가지며, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자(conversion circuitry); 및
    상기 광 센서의 작동을 지시하기 위해 동기화된 작동 모드를 설정하고, 동기화된 작동 모드에 기초해, 디지털 출력을 제공하기 위해 적어도 하나의 선택가능한 변환 회로를 선택하도록 구성된 센서 제어기를 포함하고, 상기 다수의 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 두 개의 상이한 변환 회로들은 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 각각과 연관되는, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 입력은 적어도 하나의 광 신호를 포함하고, 상기 동기화된 작동 모드는 광 센서에 의한 광 입력의 수집과 적어도 하나의 광 신호를 생성하기 위한 외부 제어 사이의 동기화에 기초하는, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    적어도 하나의 광 신호는 펄스 플라즈마로부터 발생되는, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분광계는 전자 셔터를 더 포함하고, 상기 동기화는 펄스 플라즈마의 변조 및 전자 셔터의 작동 사이의 것인, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자 셔터는 펄스 플라즈마의 주기에 관한 수집에 대한 노출 시간을 한정하도록 구성된, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자 셔터의 활성화는 펄스 플라즈마를 생성하기 위한 외부 제어에 관한 수집에 대해 지연되는, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 동기화는 펄스 플라즈마로부터의 광 신호의 변조 및 상기 광 입력의 수집을 위한 데이터 간격 사이의 것인, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 데이터 간격 및 상기 광 신호의 적분 시간 중 적어도 하나가 펄스 플라즈마로부터의 광 신호와의 동기화에 기초하여 조정되는, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 분광계는 전자 셔터를 더 포함하고, 상기 센서 제어기는 상기 동기화를 위해 전자 셔터를 사용하는, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광 입력은 적어도 하나의 간섭계 엔드포인트(IEP) 신호 및 적어도 하나의 광 방출 분광(OES) 신호를 포함하고, 상기 동기화는 상기 전자 셔터의 작동과 상기 IEP 신호 사이의 것인, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 펄스 플라즈마의 주파수는 멀티모드 설정가능한 분광계의 변환 회로소자에 동기되는, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 외부 제어는 광 입력의 변조를 구동하는 제어 신호인, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 제어기는 동기화된 작동 모드를 동적으로 설정하고, 적어도 하나의 선택가능한 변환 회로를 동적으로 선택하도록 구성된, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 제어기는 동기화된 작동 모드를 동적으로 설정하고, 상기 광 센서에 의해 수신된 광 입력에 기초하여 적어도 하나의 선택가능한 변환 회로를 동적으로 선택하도록 구성된, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 제어기는, 멀티모드 설정가능한 분광계의 작동동안, 광 입력에 기초하여 동기화된 작동 모드를 동적으로 선택하도록 구성된, 멀티모드 설정가능한 분광계.
  16. 멀티모드 설정가능한 분광계를 작동하는 방법에 있어서:
    광 센서의 다수의 활성 픽셀 영역들 중 적어도 하나를 사용하여 광 입력을 전기 신호들로 변환하는 단계로서, 광 센서는 동기화된 작동 모드에 따라 작동하는, 상기 변환하는 단계;
    다수의 선택가능한 변환 회로를 갖는 변환 회로소자에 상기 전기 신호들을 제공하는 단계로서, 상기 다수의 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 두 개의 상이한 변환 회로들은 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 각각과 연관되는, 상기 전기 신호들을 제공하는 단계;
    상기 동기화된 작동 모드에 기초해, 디지털 출력을 제공하기 위해 적어도 하나의 선택가능한 변환 회로를 선택하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 선택가능한 변환 회로를 통해 상기 전기 신호들을 디지털 출력으로 변환하는 단계를 포함하는, 멀티모드 설정가능한 분광계를 작동하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광 입력은 펄스 플라즈마로부터 적어도 하나의 광 신호를 포함하고, 동기화된 작동 모드는 광 센서에 의한 광 입력의 수집과 적어도 하나의 광 신호를 생성하기 위한 외부 제어 사이의 동기화, 및 펄스 플라즈마의 주파수와 변환 회로소자 사이의 동기화를 제공하는, 멀티모드 설정가능한 분광계를 작동하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    광 입력을 수신하고, 수신하는 동안, 광 입력에 기초해, 동기화된 작동 모드를 동적으로 선택하는 단계를 더 포함하는, 멀티모드 설정가능한 분광계를 작동하는 방법.
  19. 광 모니터링 시스템에 있어서:
    프로세스 챔버로부터 관측된 광을 전달하도록 구성된 광 인터페이스; 및
    광 인터페이스로부터의 광을 광 입력으로서 수신하도록 구성된 멀티모드 설정가능한 분광계를 포함하며,
    상기 멀티모드 설정가능한 분광계는:
    광 입력을 수신하고 상기 광 입력을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 광 센서로서, 상기 광 입력을 상기 전기 신호들로 변환하기 위한 다수의 활성 픽셀 영역들을 포함하는, 상기 광 센서;
    다수의 선택가능한 변환 회로들을 가지며, 상기 선택가능한 변환 회로들 중 선택된 하나에 따라 상기 전기 신호들을 수신하여 디지털 출력으로 변환하도록 구성된 변환 회로소자로서, 상기 다수의 선택가능한 변환 회로들 중 적어도 두 개의 상이한 변환 회로들은 상기 다수의 활성 픽셀 영역들 각각과 연관되는, 상기 변환 회로소자; 및
    상기 광 센서의 작동을 지시하기 위해 동기화된 작동 모드를 설정하고, 동기화된 작동 모드에 기초해, 디지털 출력을 제공하기 위해 적어도 하나의 선택가능한 변환 회로를 선택하도록 구성된 센서 제어기를 포함하는, 광 모니터링 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광 입력은 펄스 플라즈마로부터 적어도 하나의 광 신호를 포함하고, 동기화된 작동 모드는 광 센서에 의한 광 입력의 수집과 적어도 하나의 광 신호를 생성하기 위한 외부 제어 사이의 동기화, 및 펄스 플라즈마의 주파수와 변환 회로소자 사이의 동기화를 제공하는, 광 모니터링 시스템.
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