KR102455343B1 - 광대역 광학 모니터링 - Google Patents

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KR102455343B1 KR1020197004322A KR20197004322A KR102455343B1 KR 102455343 B1 KR102455343 B1 KR 102455343B1 KR 1020197004322 A KR1020197004322 A KR 1020197004322A KR 20197004322 A KR20197004322 A KR 20197004322A KR 102455343 B1 KR102455343 B1 KR 102455343B1
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Abstract

본원발명에 의한 기판상의 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법은
a) 원하는 스펙트럼(T)을 정의하는 단계(10)로서, 상기 원하는 스펙트럼은 파장 범위에서 정의된 투과 또는 반사 스펙트럼인, 원하는 스펙트럼(T)을 정의하는 단계(10);
b) 하기 중 적어도 하나의 단계:
b1) 적어도 상기 파장 범위 내에서 광을 방출하는 광원에 의해 상기 기판을 조명하는 단계(21),
b2) 상기 기판으로부터 반사되거나 상기 기판을 통해 투과된 광을 수신하는 단계(22),
b3) 상기 파장 범위 내의 상기 수신된 광 중에서 하나 이상의 투과 및 반사 스펙트럼을 결정하는 단계(23);
c) 상기 단계 b3)에서 결정된 상기 적어도 하나의 스펙트럼에 의존하여 스펙트럼 또는 스펙트럼들의 조합을 현재 스펙트럼(C)으로 정의하는 단계;
d) 적어도 상기 현재 스펙트럼(C)의 함수로서 가중치 스펙트럼(W)을 결정하는 단계(30);
e) 상기 현재 스펙트럼(C), 상기 원하는 스펙트럼(T) 및 상기 가중치 스펙트럼(W)의 함수로서 실수(K)를 계산하는 단계(40);
f) 상기 현재 스펙트럼(C)과 상기 원하는 스펙트럼(T)의 편차에 대한 지시로서 상기 실수(K)를 이용하는 단계(45)를 포함한다.

Description

광대역 광학 모니터링
본 명세서에서 다루는 본 발명은 기판 상에 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 추가 양상들 하에서, 본 발명은 박막 증착 공정을 제어하는 방법 및 다층 박막의 제조를 제어하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 박막 증착 동안 기판을 조명하는 광원 및 기판으로부터 반사되거나 기판을 통해 투과된 광을 측정하는 장치를 구비한 광학 모니터링 장치를 사용하여 박막 증착 공정을 광학적으로 모니터링하는 것에 관한 것이다.
단색 광학 모니터링의 경우, 오직 하나의 파장의 투과 또는 반사가 분석되어 증착 공정 동안 층의 성장을 모니터링한다. 이것은 분산형 브래그(Bragg) 반사기, 좁은 대역 통과 필터, 광대역 통과 필터 또는 다중 대역 통과 필터와 같은 광대역 반사기들 또는 필터들로 사용되는 정밀 광학 코팅의 생산에서 증착 공정을 모니터링하기에 충분하지 않을 수 있다. 확장된 범위의 파장에 대해 규정된 반사 또는 투과 특성들을 제공할 필요가 있는 광학 코팅의 제조를 위해 광대역 광학 모니터링을 적용하는 것으로 알려져 있다.
이를 위해, 광을 증착 챔버 내로 송신하도록 광대역 광원이 배열되는데, 예를 들어, 기판을 통과하여 챔버를 나와서 광 수신기로 들어가는 시준 광 빔으로서 제공된다. 거기에서 빛은 강도의 스펙트럼 분포를 측정하는 어레이 검출기를 갖는 분광계로 보내진다. 이전에 기록된 교정 스펙트럼을 고려하여, 현재의 투과율 스펙트럼이 결정된다. 대안으로, 광은 기판으로부터 반사되고 현재의 반사 스펙트럼이 결정된다. 반사 스펙트럼도 이전에 기록된 교정 스펙트럼을 고려하여 결정될 수 있다. 박막 형성 중에, 투과율 스펙트럼 또는 반사율 스펙트럼은 증착되는 층의 두께에 따라 연속적으로 변화한다. 본원에서 우리는 파장의 함수인 모든 양에 스펙트럼이라는 용어를 사용한다. 스펙트럼은 예를 들어. 파장 λi의 리스트에 대해 정의된 점별(pointwise)이고, i는 인덱스이다. 광학 모니터링의 한 가지 문제점은 -광학 모니터링 광 외에- 증착 챔버에 예를 들면, 전자빔 소스, 스퍼터 소스, 플라즈마/이온 소스 또는 히터들과 같은, 다른 강력한 광원이 있을 수 있다는 것이다. 이러한 광원의 빛은 특정 파장에서 매우 강렬할 수 있다. 이러한 광원의 빛은 시간에 따라서도 다를 수 있다. 그러한 교란 광이 광 수신기에 들어가면, 그것은 현재의 투과율 또는 반사율 스펙트럼을 왜곡시킨다. 따라서, 증착 공정의 모니터링은 방해 받고, 예를 들어, 현재 층의 증착을 멈추게 하는 정확한 순간의 정확한 결정이 누락될 수 있다.
특허 EP 0 257 229 B1에 광학 모니터링 광("배경 측정") 및 측정 신호로부터의 배경 측정의 차후의 감산없이 교란 광의 주기적 측정을 이용하는 광학 모니터링 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 비교적 천천히 변화하는 방해 광에 국한되며, 광 빔(예를 들어, 초퍼(chopper))을 차단하는 수단 및 측정된 신호에 적용될 추가 처리 단계가 필요하다. 또한, 광원 자체는 시간에 따라 변화하는 스펙트럼 특성들을 가질 수 있다. 이러한 변화는 배경 측정에서 관찰될 수 없지만 스펙트럼의 적절한 해석을 방해할 수 있다.
본 발명의 목적은 기판 상에 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 대안적인 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 방법은 기판 상에 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법이다. 방법은 다음 단계들을 포함한다.
a) 파장 범위에서 정의된 투과 또는 반사 스펙트럼인, 원하는 스펙트럼을 정의하는 단계;
b) 하기 b1) 내지 b3) 단계를 적어도 1회 수행하는 단계:
b1) 적어도 파장 범위 내에서 광을 방출하는 광원에 의해 기판을 조명하는 단계,
b2) 기판으로부터 반사되거나 기판을 통해 투과된 광을 수신하는 단계,
b3) 파장 범위 내에서 수신된 광 중에서 투과 스펙트럼 및 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 결정하는 단계;
c) 상기 단계 b3)에서 결정된 상기 적어도 하나의 스펙트럼에 의존하여 스펙트럼 또는 스펙트럼들의 조합을 현재 스펙트럼으로 정의하는 단계;
d) 적어도 현재 스펙트럼의 함수로서 가중치 스펙트럼을 결정하는 단계;
e) 현재 스펙트럼, 원하는 스펙트럼 및 가중치 스펙트럼의 함수로서 실수를 계산하는 단계;
f) 원하는 스펙트럼으로부터의 현재 스펙트럼의 편차에 대한 지시로서 실수를 이용하는 단계.
가중치 스펙트럼을 적용함으로써, 본 발명에 따른 방법은 현재 스펙트럼과 교란을 나타내는 파장 범위 내의 다른 영역으로부터의 원하는 스펙트럼의 편차에 관한 신뢰성 있는 정보를 제공하는 파장 범위 내의 영역을 식별할 수 있다. 우리는 교란으로 모니터되는 박막의 광학 특성들과 다른 원인을 갖는 스펙트럼에 대한 영향을 고려한다. 교란을 나타내는 파장 범위의 영역은 적절한 가중치 스펙트럼을 적용하여 더 낮은 가중치가 부여될 수 있다. 언급된 교란은 박막 증착 시스템의 다양한 광원이나 검출기 소음에서 기인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 기판 상에 박막 증착 공정을 광대역 광학 모니터링하는 방법을 제공하며, 이 방법은 다양한 광원들로부터의 시간 의존 교란에 대한 민감성이 낮다. 가중치 스펙트럼은 현재 스펙트럼을 고려하여 정의되며, 따라서, 가중치 함수는 현재 스펙트럼으로 획득된 정보로 업데이트됨에 따라 변화하는 빛 상황에 실시간으로 적응될 수 있다. 본 발명에 따르면, 가중치 함수는 동적으로 계산되며, 따라서 방법은 다른 공정들에 적응하고 빛 상황들을 동적으로 변경할 수 있다. 예를 들어, 원하는 스펙트럼과 같은 현재 스펙트럼 이외에, 가중치 스펙트럼을 정의할 때 미리 정의된 초기 가중치 스펙트럼 또는 이전에 사용된 가중치 스펙트럼이 고려될 수 있다.
수신된 광의 투과 또는 반사 스펙트럼을 결정하는 단계는 이전에 기록된 교정 스펙트럼을 고려하여 투과율 또는 반사율의 백분율을 결정하는 단계를 수반할 수 있다. 상이한 파장 영역에서의 여러 스펙트럼, 예를 들어, 중첩된 파장 영역이 획득되어 보다 큰 파장 영역을 커버하는 하나의 스펙트럼으로 결합될 수 있다. 실수의 계산은 현재 스펙트럼 및 원하는 스펙트럼의 스펙트럼 차이의 절대값을 계산하고, 결과를 가중치 스펙트럼으로 곱하고, 파장 범위에 대한 합 또는 적분을 구축함으로써 수행될 수 있다.
이 방법에 따르면, 실수는 현재 스펙트럼과 원하는 스펙트럼의 편차를 나타내는 지시로서 이용되며, 따라서 '목표 스펙트럼'으로 볼 수 있다. 원하는 스펙트럼으로부터의 현재 스펙트럼의 편차에 대한 지시로서 실수를 이용하는 단계는 본 발명에 따른 방법을 층 증착 공정들을 위한 폐쇄 루프 제어에 적용하는 것을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 방법은 예를 들어, 380 nm 내지 1000 nm의 파장에 걸치는 넓은 스펙트럼 범위의 광대역 광학 모니터링을 허용하고, 동시에, "동적 노이즈 억제(dynamic noise suppression)"를 적용하는 알고리즘으로 인하여, 생성된 모니터링 신호, 즉 실수에 대한 노이즈를 낮게 유지할 수 있게 한다.
이 방법은 박막 증착 및 광학 모니터링을 위한 장치의 설계 유연성이 증가된다는 추가적인 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 방법을 적용할 때, 광 모니터링 경로를 가능한 방해 빛의 경로로부터 분리하는 요구가 상당히 완화되며, 따라서 박막 증착 챔버들의 새로운 설계가 가능해진다.
본 발명에 따른 방법의 적용은 공정 파라미터들을 선택하는 자유를 추가로 증가시킨다. 너무 많은 방해 빛을 발생시키기 때문에 공지된 모니터링 방법으로는 허용되지 않는 공정 파라미터들은 본 발명에 따른 방법을 적용할 때 적합해진다. 이러한 공정 파라미터들의 예는 보다 높은 전력의 인가, 막 증착 동안의 가열 또는 다른 코팅 재료들의 사용이다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 여전히 모순되지 않는 한 해결되어야 할 임의의 실시예들과 결합될 수 있으며, 단계 b)는 적어도 이전 스펙트럼 및 현재 스펙트럼을 측정하기 위해 적어도 2 회 반복되고, 단계 d)에서,
- 신호 스펙트럼 및 노이즈 스펙트럼은 적어도 하나의 이전 스펙트럼 및 현재 스펙트럼의 함수로서 계산되며, 및
- 가중치 스펙트럼은 신호 스펙트럼과 노이즈 스펙트럼의 함수로서, 특히 신호 스펙트럼과 노이즈 스펙트럼의 비율로서 계산된다.
신호 스펙트럼은 천천히 변화하는 스펙트럼의 일부를 반영한다. 예를 들어, 동일한 유형의 여러 스펙트럼에 대한 평균 스펙트럼으로 계산된다. 이동 평균 계산은 모든 파장에서 별도로 스펙트럼의 값들에 적용될 수 있다.
노이즈 스펙트럼은 스펙트럼의 일시적인 불안정성이나 스펙트럼의 빠른 변화 부분을 반영한다. 예를 들어, 점별 표준 편차 또는 여러 스펙트럼에 대한 최대값과 최소값의 점별 차이로 계산할 수 있다. 가중치 스펙트럼은 가중치가 파장에 대해 높도록 계산될 수 있으며, 이 때 신호 스펙트럼은 높은 세기를 갖고, 가중치가 낮으면, 신호 스펙트럼은 낮은 세기를 갖는다. 이 방법으로, 수치 기준의 역할을 하는 실수는 방해하는 빛의 우발적인 작은 변화들에 의해서만 약하게 영향을 받는다. 가중치 스펙트럼은 가중치가 파장에 대해 높도록 계산될 수 있으며, 이 때 노이즈 스펙트럼은 낮은 세기를 갖는다. 이러한 방식으로, 스펙트럼의 방해가 거의 없는 영역은 수치 기준으로 사용되는 실수에 큰 기여를 한다. 가중치 스펙트럼은 가중치가 파장에 대해 낮도록 계산될 수 있으며, 여기서 노이즈 스펙트럼은 높은 강도를 갖는다. 이러한 방식으로, 큰 시간적 불안정성을 나타내는 스펙트럼의 영역들은 수치 기준으로 사용되는 실수에 대한 이들의 영향이 억제된다. 상기 나열된 조건들 중 적어도 일부를 나타내는 가중치 스펙트럼에 신호 스펙트럼 및 노이즈 스펙트럼을 결합시키는 많은 수학적 함수들이 고려될 수 있다. 위의 조건을 충족시키는 간단한 방법은 신호 스펙트럼과 노이즈 스펙트럼의 비율을 가중치 스펙트럼으로 사용하는 것이다. 제로 또는 아주 작은 값들에 의한 나눗셈을 피하기 위해 비율을 취하기 전에 상수가 노이즈 스펙트럼에 추가될 수 있다.
예를 들어, 현재 스펙트럼 이전의 마지막 5-20 스펙트럼과 같은, 많은 수의 이전 스펙트럼이 평가되어 노이즈 스펙트럼 및 신호 스펙트럼을 결정할 수 있다.
이 방법의 실시예를 적용함으로써, 낮은 신호 레벨을 갖는 영역으로 확장되는 파장 범위가 박막 증착 공정을 모니터링하기 위한 파장 범위에 안전하게 포함될 수 있는데, 수치 기준으로 사용되는 실수에 미치는 이의 영향은 신호 대 노이즈비가 낮은 곳에서는 제한적이기 때문이다. 따라서, 예를 들어, 할로겐 광원을 사용하면 390 nm 이하의 파장이 모니터링 신호의 안정성에 악영향을 미치지 않으면서 모니터링 파장 범위에 포함될 수 있다.
임의의 미리 언급된 실시예들 및 임의의 실시예들과 조합될 수 있는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 모순이 없는 한, 실수 K는 다음과 같이 계산된다.
Figure 112019015311555-pct00001
여기서 C는 현재 스펙트럼이고, T는 원하는 스펙트럼이고, W는 가중치 스펙트럼이며, λi 는 스펙트럼이 정의되는 파장이고 n은 숫자, 특히 n = 1 또는 n = 2 이다.
이 실시예에 따르면, 수치 기준으로 사용되는 실수의 계산은 현재 스펙트럼과 원하는 스펙트럼의 스펙트럼 차이의 절대값을 계산하고, 상기 스펙트럼 차를 전력 n으로 상승시키고, 상기 결과를 가중치 스펙트럼으로 승산하고, 파장 범위에 걸쳐 합 또는 적분을 구축함으로써 수행된다. 이런식으로 현재 스펙트럼과 원하는 스펙트럼이 완벽하게 일치하면 수치 기준이 0의 값을 갖게된다. 수치 기준으로 사용되는 실수는 현재 스펙트럼과 원하는 스펙트럼 사이의 큰 편차에 대해 큰 값들을 갖는다. 스펙트럼 차를 더 높은 전력 n> 1, 예를 들어, n = 2 일 때, 큰 국소 편차는 수치 기준에서 과도한 증가를 초래한다. 대안으로, 스펙트럼 차를 더 높은 전력, 즉 n = 1으로 선택하는 것을 취하지 않고 스펙트럼 차에 직접 가중치 스펙트럼이 곱해질 수 있어, 특정 파장에서의 현재 스펙트럼과 원하는 스펙트럼 사이의 국소적 편차의 영향은 이 파장에서의 가중치 스펙트럼에만 의존한다.
임의의 미리 언급된 실시예들 및 임의의 실시예들과 조합될 수 있는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 모순이 없는 한, 광원은 중수소 할로겐 광원 또는 레이저 구동 광원이다.
이 실시예는 특정 파장에서 불안정한 신호를 나타내는 고성능 광원의 응용을 가능하게 하여 종래의 모니터링 방법으로 적용될 때 불안정한 모니터링 신호를 생성하는 경향이 있다.
중수소 할로겐 광원은 예를 들어, 486 nm와 656 nm의 중수소 피크와 같은, 특정 파장에서 불안정한 신호를 나타낸다. 그러나, 본 발명에 따른 방법에서 광원으로 사용되는 경우, 안정한 모니터링 신호는 광대역 스펙트럼으로부터 유도될 수 있고, 따라서 중수소 할로겐 광원으로 접근할 수 있는 넓은 스펙트럼 범위를 최대한 활용한다.
유사하게, 레이저-구동 광원(LDLS)은 800 nm 이상의 특정 파장에서 불안정한 신호들을 나타낼 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 광원으로 사용되면, 불안정한 신호에도 불구하고 안정된 모니터링 신호가 생성될 수 있다. 따라서, 이 방법은 레이저 구동 광원의 매력적인 특성들, 즉 넓은 파장 범위 및 광원의 긴 수명에 걸쳐 높은 휘도를 이용한다.
또한, 본 발명의 범위는 기판 상에 박막 증착 공정을 제어하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함한다.
- 박막 증착 공정을 시작하는 단계;
- 연속된 시간 단계들에서, 각각의 시간 단계에 대하여 실수를 생성하여 수치 기준의 시퀀스를 생성하도록 본 발명에 따른 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법을 적용하는 단계;
- 수치 기준의 시퀀스가 소정의 조건을 충족하자마자 박막 증착 공정을 종결시키는 단계.
이 방법은 주어진 층의 박막 증착 공정의 종료 순간을 정확하게 결정할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법에 의해 생성된 모니터링 신호는 매우 신뢰성이 있고, 즉 소음 또는 교란을 거의 포함하지 않기 때문에, 미리 정의된 조건은 우연히 그리고 너무 일찍 성취되지 않을 것이다. 이 방법은, 너무 긴 증착 공정 및 기판이 낭비되는 결과를 가져오는, 스펙트럼 내의 교란이 미리 정의된 조건을 달성하는 것을 전부 방해할 수 있는 상황을 방지한다. 미리 정의된 조건은 예를 들어, 시퀀스의 마지막 실수가 주어진 제한보다 낮은 값을 가져야 한다. 미리 정의된 조건은 시퀀스의 몇 가지 수치 기준에 대한 평가, 특히 시퀀스의 마지막 몇 가지 수치 기준에 대한 평가를 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 다항식은 시퀀스의 마지막 몇 개의 수치 기준을 통해 적합할 수 있고, 미리 정의된 조건은 마지막 시간 단계에 대응하는 시간에서 다항식의 도함수에 적용되는 조건일 수 있다. 예를 들어, 미리 정의된 기준은 첫 번째 미분 값이 이 시점에서 양수일 수 있다. 미리 정의된 기준은 추가로 박막 증착 공정이 최소 시간 단계들 동안 이미 실행될 것을 요구할 수 있다.
임의의 미리 언급된 실시예들 및 임의의 실시예들과 조합될 수 있는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 모순이 없는 한, 미리 정의된 조건은 최소값을 통한 시퀀스 전환이다.
본 방법의 실시예에서, 현재 스펙트럼을 원하는 스펙트럼에 가장 가깝게 하는 순간을 매우 정밀하게 검출할 수 있다. 전환이 감지될 때 최소값을 통한 전환이 이미 발생했다는 사실은 문제되지 않는데, 이는 원하는 스펙트럼이 계산되어 원하는 스펙트럼이 의도된 층 두께에 도달하기 전에, 예를 들어, 3 개의 시간 단계들에 도달되기 때문이다.
이 경우 층 종료에 대한 미리 정의된 조건은 시퀀스의 마지막 세 번째 단계에서 최소값을 통한 전환이 존재하는 것이다. 최소값을 통한 전환은 예를 들어, 수치 기준으로 사용되는 실수에 대하여 증가하는 값들 중 두 개인, 숫자에 의해 승계된 최소값으로 식별될 수 있다. 최소값을 통한 전환의 검출은 시퀀스의 마지막 몇 개의 실수들을 통한 다항식 피트(polynomial fit)에 기초할 수 있다.
본 발명은 또한 기판 상에 다층 박막의 제조를 제어하는 방법에 관한 것으로, 다음 단계들을 포함한다:
- 다층 박막의 적어도 하나의 층에 대해 원하는 스펙트럼을 제공하는 단계;
- 본 발명에 따른 박막 증착 공정을 제어하는 방법을 적용하여 적어도 하나의 층 및/또는 후속하는 층들의 증착을 위해 박막 증착 공정을 제어하는 단계.
이 방법은 최종 다층 박막의 성능이 원래 설계에 가능한 가깝도록 한다. 이 방법은 완전한 다층 박막이 소정의 광학 특성들을 가질 필요가 있는 기판상에 다층 박막을 생산하는 것을 제어하는데 적합하다. 상기 방법은 임의의 중간 층 스택에 대한 증착 공정을 정확하게 정지시킨다. 하나 이상의 층에 대한 원하는 스펙트럼은 주어진 층 두께 및 층 조성으로부터 계산될 수 있는데, 다층 박막 하부의 층 스택 내의 각각의 층에 대한 굴절률을 정의하고, 논의되는 층을 포함한다.
임의의 미리 언급된 실시예들 및 임의의 실시예들과 조합될 수 있는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서, 모순이 없는 한, 상기 방법은 층 두께 및 층 상부에 증착될 층들에 대한 층 조성을 재 계산하는 추가 단계를 포함하며, 재 계산은 현재 스펙트럼 및/또는 층이 완성되는 순간의 실수의 값에 기초한다.
본 방법의 실시예는 현장에서 재 최적화(in-situ reoptimization), 즉 생산 공정을 방해하지 않으면서 본래의 설계로부터의 작은 편차의 보정을 허용한다. 이 방법의 실시예는 상당한 수율 향상 및 다층 박막 제조에서의 비용 감소를 가져올 수 있다. 최종 투과율 또는 반사 스펙트럼에서 보다 엄격한 허용 오차가 이 방법으로 충족될 수 있다. 현재 스펙트럼에서 관찰할 수 있는 편차를 유도하는 증착 속도 또는 층 조성의 작은 변화들은 잔류 코팅 방법을 새롭게 요구되는 층 두께 및 조성으로 조정함으로써 보정되어, 최종 다층 박막에 대해 원하는 반사 또는 투과 스펙트럼을 달성할 수 있다.
상기 방법의 일 실시예는 재 계산된 층 두께 및 층 조성에 기초하여 층 및 적어도 하나의 추가 층을 포함하는 층 스택에 대한 원하는 스펙트럼을 계산하는 단계를 더 포함한다.
본 방법의 실시예는 재 최적화된 층의 증착의 정확한 종료가 가능하다는 이점을 갖는다. 원하는 스펙트럼은 조정중인 또는 재 최적화된 층 스택이 중간 층 스택 이후에 생성되도록 계산되며, 상기 중간층 스택은 논의되는 층을 종결함으로써 완료된다. 이러한 방식으로, 재 최적화 공정에서 결정된 새로운 층 두께 및 층 조성이 원하는 스펙트럼을 제공할 때 고려된다.
본 발명에 따른 방법, 즉 기판 상에 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법은, 증발기 또는 마그네트론 스퍼터링 도구를 작동시킬 때 박막 증착 공정을 제어하는 방법 및 기판 상에 다층 박막의 생산을 제어하는 방법에 적용될 수 있다. 상기 방법은 이온 플레이팅, 이온 빔 스퍼터링 및 원자층 증착에 적용될 수도 있다. 이들은 광학 박막 제조와 관련하여 특히 유용하다.
본 발명은 이제 도면들에 의해 더 설명된다. 도면들은 다음을 나타낸다:
도 1은 본 발명에 따른 방법의 개략적인 흐름도이다;
도 2는 박막 증착 공정에 대한 장치의 단면도이다;
도 3은 스펙트럼의 예 및 그 상호 관계를 도 3a) 내지 3c)로 예시화한다;
도 4는 본 발명에 따른 방법의 실시예의 개략적인 흐름도이다;
도 5는 본 발명에 따른 박막 증착 공정을 제어하는 방법에 의해 생성된 일련의 수치 기준의 시퀀스(sequence of numerical criteria)를 도시한다.
도 1은 기판 상에 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법의 개략적인 흐름도를 도시한다. 원하는 스펙트럼 T를 제공하는 단계가 있다. 스펙트럼은 3 단계(20), 즉, 적어도 파장 범위에서 광을 방출하는 광원에 의해 기판을 조명(21)하고, 기판으로부터 반사되거나 기판을 통해 투과된 광을 수신(22)하고, 파장 범위에 걸쳐 수신된 광의 투과 또는 반사 스펙트럼을 결정(23)함으로써 측정된다. 측정된 스펙트럼은 현재 스펙트럼 C로 정의된다. 현재 스펙트럼 C는 방법의 두 단계에서 사용된다. 첫째, 실수 K를 계산하는 단계(40)에서 현재 스펙트럼 C가 사용된다. 둘째, 현재 스펙트럼 C를 고려하여 가중치 스펙트럼 W가 결정된다(30). 실수 K의 계산(40)은 현재 스펙트럼 C, 원하는 스펙트럼 T 및 가중치 스펙트럼 W를 입력으로 취하여 입력 함수에서 출력으로서 실수 K를 생성한다. 마지막 단계(45)에서, 실수 K는 현재 스펙트럼 C와 원하는 스펙트럼 T의 편차에 대한 표시로서 이용된다. 따라서, 실수 K는 단계(10)에 의해 제공된 원하는 스펙트럼 T로부터 현재 스펙트럼 C의 편차에 대한 척도이며, 즉 수치 기준으로 사용된다. 선택적으로, 가중치 스펙트럼 W의 결정 단계(30)는 현재 스펙트럼 C 이외에, 초기 가중치 스펙트럼 W0를 고려할 수 있다. 이러한 초기 가중치 스펙트럼은 사용중인 광원의 특성들, 원하는 스펙트럼 및/또는 이전의 박막 증착 공정들 동안 결정된 가중치 스펙트럼으로부터 유도될 수 있다. 초기 가중치 스펙트럼 W0의 선택적 사용은 파선으로 도시된 박스와 파선으로 도시된 화살표로 표시된다.
도 2는 박막 증착 공정을 위한 장치의 단면을 도시한다. 장치는 본 발명에 따른 기판상의 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법을 수행하기 위한 수단을 포함한다. 기판들(200)은 증발기 챔버(201) 내에 위치된다. 칼로트(calotte)(202)는 기판(200)을 운반한다. 광 수신기(203)는 입사광을 수집하고, 어레이 검출기를 갖는 분광기를 사용하여 광을 분석한다. 가능한 두 가지 유형의 빛 경로가 도시된다. 반사 측정의 경우, 광학 송신기(205)로부터의 광은 점선으로 도시된 광학 경로(204)를 따른다. 이 경우, 광은 기판(200)상의 박막으로부터 반사된다. 투과 측정에 대하여, 광 송신기(207)로부터의 광은 일점 쇄선으로 도시된 광 경로(206)를 따른다. 이 경우, 광은 기판 및 그 위의 박막을 통해 투과된다. 광원은 광 송신기(205, 207)에 통합될 수 있다. 분광기는 광 수신기(203)에 내장 될 수 있다. 대안으로, 광 송신기(205, 207) 및 광 수신기(203)는 예를 들어, 광섬유들에 의해 광원 및 분광기에 연결되는 송신기/수신기 헤드일 수 있는데, 각각, 광원 및 분광기는 예를 들어, 제어 캐비넷 내에 위치된다. 증발원(208), 전형적으로 전자빔 증발원은 증발기 챔버의 바닥에 배치된다. 이들 전자빔 증발원들은 적어도 간접적으로 광 수신기(203)로 들어가서 측정된 스펙트럼에 기여할 수 있는 광을 생성할 수 있다. 박막 증착을 위한 다른 유형의 장치에서, 교란하는 빛의 소스는 스퍼터 소스, 플라즈마/이온 소스 또는 히터들일 수 있다.
도 3a) 및 3b)는 반사 스펙트럼의 예를 도시한다. 반사율 R은 파장 λ에 따라 도시된다. 스펙트럼은 예를 들어, 380 nm 내지 1000 nm의 넓은 스펙트럼 범위를 포함한다. 두 도면 모두에서 동일한 원하는 스펙트럼 T가 점선으로 표시된다. 도 3a에서, 이전 스펙트럼(P)은 증착 공정 동안 조기에 측정된 것으로 도시된다. 도 3b)는 측정된 전류 스펙트럼 C를 도시하며, 이는 이전 스펙트럼 P와 약간만 다르다. % 반사를 나타내는 측정된 스펙트럼 P 및 C는 이전에 기록된 교정 스펙트럼을 고려하여 결정된다. 일반적으로, 현재 스펙트럼 C는 이미 원하는 스펙트럼 T에 조금 더 가깝지만, 현재 스펙트럼 C의 피크(303)는 이전 스펙트럼 P에서와 같이 상당히 높은 강도를 갖는다. 예를 들어, 두 스펙트럼의 편차의 척도로서, 현재 스펙트럼 C 또는, 각각 이전 스펙트럼 P 및 원하는 스펙트럼 T 사이의 영역을 취하면, 피크(303)의 강도의 증가는 이전 스펙트럼으로부터 현재 스펙트럼으로 발생된 원하는 스펙트럼에 대한 접근의 일부를 숨길 것이다. 피크(303)는 시간에 따라 변하는 광원의 전형적인 교란이다.
도 3c는 가능한 가중치 스펙트럼 W를 개략적으로 도시한다. 파장 범위 내의 2 개의 영역(301, 302)은 교란 광에 의해 영향을 받는다. 이 영역들에서 가중치 스펙트럼은 나머지 파장 범위와 비교하여 감소된다. 이러한 가중치 감소 영역은 도 3a)와 도 3b)에서 측정된 스펙트럼의 피크들의 클러스터(clusters)에 대응한다. 본 발명에 따른 방법은 가중치 함수 W를 동적으로 업데이트한다. 이러한 업데이트는 가중치 스펙트럼 내의 딥(dip)(304)이며, 이는 국소적으로 가중치를 거의 제로로 감소시킨다. 딥(304)은 피크(303)에 대응하는 파장에서 시간에 따른 빠른 변화로 인하여 도입되었다. 이러한 방식으로,이 파장에서의 노이즈 및 빠른 변동은 수치 기준으로 사용되는 실수 K에 거의 영향을 미치지 않으며, 영역(301,302)은 실수 K에 대한 영향이 감소되는데, 안정적이고 신뢰성있는 정보를 제공하는 301과 302 사이의 영역은 실수 K에 큰 가중치를 부여한다.
도 4는 방법의 실시예의 개략적인 흐름도를 도시한다. 이 실시예에서, 기판(21)을 조명하고, 광(22)을 수신하고, 투과 또는 반사 스펙트럼(23)을 결정하는 시퀀스는 수회 수행되어 이전 스펙트럼 P, P'를 야기하고, 최종 측정된 스펙트럼은 현재 스펙트럼 C로 정의된다. 단계(50)에서, 신호 스펙트럼 S 및 노이즈 스펙트럼 N은 이전 스펙트럼 P, P'및 현재 스펙트럼 C의 함수로서 계산된다. 가중치 스펙트럼 W를 결정하는 단계(30)는 가중치 스펙트럼 W를 신호 스펙트럼 S와 노이즈 스펙트럼 N의 비율로 정의함으로써 수행된다. 이 가중치 스펙트럼 W는 단계(10)에서 제공된 현재 스펙트럼 C 및 원하는 스펙트럼 T와 함께 실수 K의 계산(40)을 위해 입력된다. 이 방법의 실시예에서, 실수 K는 현재 스펙트럼 C와 원하는 스펙트럼 T의 제곱 차이에 가중치 스펙트럼 W를 곱하고 그 결과를 파장에 걸쳐 합산함으로써 계산된다. 마지막 단계(45)로서, 실수 K를 원하는 스펙트럼 T로부터의 현재 스펙트럼 C의 편차에 대한 지시로서 이용한다.
도 5는 본 발명에 따른 박막 증착 공정을 제어하는 방법에 의해 생성된 수치 기준의 시퀀스를 나타낸다. 수치 기준 K는 기판상의 박막 증착 공정을 모니터링하는 방법에 의해 결정된다. 수치 기준으로 사용되는 실수 K의 값이 몇 개의 규모들(magnitudes)에 따라 변함에 따라, 로그 스케일로 그려진다. 시간축(t)의 좌단은 이미 두 개의 박막층이 존재하는 기판(200)상의 박막 증착 공정의 시작에 대응한다. 왼쪽에서 오른쪽으로, 박막(500)은 기판의 상이한 스타디아(stadia)(501, 502 및 503)에 의해 도시된 바와 같이 원하는 두께로 성장한다. 각 시간 단계마다 포인트가 다이어그램에 도시된다. 시간 단계는 예를 들어 증발기 챔버에서 기판을 운반하는 칼로트의 회전주기, 전형적으로 0.5 초 내지 5 초에 대응할 수 있다. 박막 증착은 수치 기준 시퀀스의 오른쪽 끝에 표시된 마지막 지점에서 종료된다. 이 때 미리 정의된 조건이 충족된다. 이 경우 사전 정의된 조건은 다음과 같다:
시퀀스에는 값이 증가하는 두 개의 연속적인 수치 기준이 있다. 수치 기준의 시퀀스는 마지막 세 번째 단계에서 최소값을 갖는다. 수치 기준으로 사용되는 실수 K를 계산하기 위해 제공되는 원하는 스펙트럼은 두 배 이상의 시간 단계로 성장 속도를 곱해서 더 얇은 층 두께에 대해 계산될 수 있다. 이 방법으로, 최소값을 통한 전환이 수치 기준으로 사용되는 실수 K의 두 개의 연속적인 증가에 의해 적절하게 식별될 때, 의도된 층 두께에 거의 도달한다. 층의 완성을 위한 나머지 시간은 의도된 층 두께에 정확하게 도달하기 위해 계산될 수 있다. 박막 증착을 종결시키기 위한 미리 정의된 조건은 (t-K) - 다이어그램에서 마지막 몇 개의 포인트들을 통해 다항식을 피팅하는 것, 예를 들어 마지막 10 포인트들을 통해 3 차 다항식을 피팅하는 것을 포함할 수 있다. 마지막 시간 단계에서의 다항식의 1 차 미분은 상승 기울기를 검출하는데 사용될 수 있다. 시간에 대한 최소값의 발생 및 이의 위치는 미가공 데이터 포인트들로부터 보다 다항식 핏으로부터 더 안정된 방법으로 식별될 수 있다. 최소 시간의 위치 또는 증착 종료의 이상적인 순간도 측정들의 시간 단계들과 일치해야 한다. 최소값을 확인한 후 층을 완성하는 데 필요한 남은 시간이 계산될 수 있다. 이 남은 시간은 시간 단계의 일부일 수 있다. 요약하면, 박막 증착 공정을 제어하는 이 방법은 넓은 스펙트럼 범위를 커버하는 광학 스펙트럼의 평가에 기초하여 정확한 층 종결을 허용한다.
참조 부호 목록
10 원하는 스펙트럼 제공
20 스펙트럼 측정
21 기판을 조명
22 광 수신
23 투과 또는 반사 스펙트럼 결정
30 가중치 스펙트럼 결정
40 실수 K 계산
45 스펙트럼 T로부터의 스펙트럼 C의 편차에 대한 지시로서 실수 K를 이용
50 신호 스펙트럼 및 노이즈 스펙트럼 계산
200 기판
201 증발기 챔버
202 칼로트 운반 기판들
203 광 수신기
204 광 경로(반사에서)
205 광 송신(반사에서)
206 광 경로(투과에서)
207 광 송신(투과에서)
208 증발원
301, 302 파장 범위 내의 영역들
303 현재 스펙트럼에서 피크
304 가중치 스펙트럼에서 딥(dip)
500 박막
501, 502, 503 박막 증착 공정의 다양한 스타디아에서 박막을 갖는 기판
C 현재 스펙트럼
K 수치 기준
N 노이즈 스펙트럼
P, P' 이전 스펙트럼
R 반사율
S 신호 스펙트럼
T 원하는 스펙트럼
t 시간
W 가중치 스펙트럼
W0 초기 가중치 스펙트럼
λ 파장

Claims (10)

  1. 기판상의 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법에 있어서,
    a) 원하는 스펙트럼(T)을 정의하는 단계(10)로서, 상기 원하는 스펙트럼은 파장 범위에서 정의된 투과 스펙트럼 또는 반사 스펙트럼인, 원하는 스펙트럼(T)을 정의하는 단계(10);
    b) 하기 b1) 내지 b3) 단계를 적어도 1회 수행하는 단계:
    b1) 적어도 상기 파장 범위 내에서 광을 방출하는 광원에 의해 상기 기판을 조명하는 단계(21),
    b2) 상기 기판으로부터 반사되거나 상기 기판을 통해 투과된 광을 수신하는 단계(22),
    b3) 상기 파장 범위 내의 상기 수신된 광 중에서 투과 스펙트럼 및 반사 스펙트럼 중 적어도 하나를 결정하는 단계(23);
    c) 상기 단계 b3)에서 결정된 상기 적어도 하나의 스펙트럼에 의존하여 스펙트럼 또는 스펙트럼들의 조합을 현재 스펙트럼(C)으로 정의하는 단계;
    d) 적어도 상기 현재 스펙트럼(C)의 함수로서 가중치 스펙트럼(W)을 결정하는 단계(30);
    e) 상기 현재 스펙트럼(C), 상기 원하는 스펙트럼(T) 및 상기 가중치 스펙트럼(W)의 함수로서 실수(K)를 계산하는 단계(40);
    f) 상기 현재 스펙트럼(C)과 상기 원하는 스펙트럼(T)의 편차에 대한 지시로서 상기 실수(K)를 이용하는 단계(45)를 포함하는, 기판상의 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 b)는 적어도 하나의 이전 스펙트럼 및 상기 현재 스펙트럼을 측정하기 위해 적어도 2 회 반복되고, 단계 d)에서,
    - 신호 스펙트럼 S 및 노이즈 스펙트럼 N은 상기 적어도 하나의 이전 스펙트럼 및 상기 현재 스펙트럼의 함수로서 계산되며, 및
    - 상기 가중치 스펙트럼 W는 상기 신호 스펙트럼 S 및 상기 노이즈 스펙트럼 N의 함수로서 계산되는, 기판상의 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 실수 K는 다음으로 계산되고
    Figure 112022063688289-pct00002

    C는 상기 현재 스펙트럼이고, T는 상기 원하는 스펙트럼이고, W는 상기 가중치 스펙트럼이며, λi 는 스펙트럼이 정의되는 파장이고, n은 숫자인, 기판상의 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서, 광원은 중수소 할로겐 광원 또는 레이저 구동 광원인, 기판상의 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법.
  5. 기판 상에 박막 증착 공정을 제어하는 방법으로서,
    - 박막 증착 공정을 시작하는 단계;
    - 연속된 시간 단계들에서, 각각의 시간 단계에 대하여 상기 실수 K를 생성하기 위해 제1항 또는 2항에 따른 방법을 적용하여 수치 기준의 시퀀스를 생성하는 단계;
    - 상기 수치 기준의 시퀀스가 미리 정의된 조건을 충족하자마자 상기 박막 증착 공정을 종결시키는 단계를 포함하는, 기판 상에 박막 증착 공정을 제어하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 미리 정의된 조건은 최소값을 통한 시퀀스의 전환(transition)인, 기판 상에 박막 증착 공정을 제어하는 방법.
  7. 기판 상에 다층 박막의 제조를 제어하는 방법으로서,
    - 상기 다층 박막의 적어도 하나의 층에 대해 원하는 스펙트럼을 제공하는 단계;
    - 제5항에 따른 방법을 적용하여 상기 적어도 하나의 층 및 후속하는 층들의 증착 중 하나 이상에 대한 막 증착 공정을 제어하는 단계를 포함하는, 기판 상에 다층 박막의 제조를 제어하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 층의 상부에 증착될 층들에 대한 층 두께 및 층 조성을 재 계산하는 추가 단계를 포함하며, 상기 재 계산은 상기 층이 완료되는 순간에 상기 현재 스펙트럼 및 상기 실수 값 중 하나 이상에 기초하는, 기판 상에 다층 박막의 제조를 제어하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 재 계산된 층 두께 및 층 조성에 기초하여 상기 층 및 적어도 하나의 추가 층을 포함하는 층 스택에 대한 원하는 스펙트럼을 계산하는 단계를 더 포함하는, 기판 상에 다층 박막의 제조를 제어하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 단계 b)는 적어도 이전 스펙트럼 및 상기 현재 스펙트럼을 측정하기 위해 적어도 2 회 반복되고, 단계 d)에서,
    - 신호 스펙트럼 S 및 노이즈 스펙트럼 N은 상기 적어도 하나의 이전 스펙트럼 및 상기 현재 스펙트럼의 함수로서 계산되며, 및
    - 상기 가중치 스펙트럼 W는 상기 신호 스펙트럼 S 및 상기 노이즈 스펙트럼 N의 비율로서 계산되는, 기판상의 박막 증착 공정을 현장에서 모니터링하는 방법.
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