KR102600883B1 - 플라즈마 프로세싱에서의 공간적으로 분해된 광학적 방출 스펙트로스코피(oes) - Google Patents

플라즈마 프로세싱에서의 공간적으로 분해된 광학적 방출 스펙트로스코피(oes) Download PDF

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Abstract

광학적 방출 측정을 위한 방법, 시스템, 및 장치가 개시된다. 장치는 플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에서 배치된 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템을 포함한다. 광학계는 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하도록 구성된 미러; 및 플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하고 광학적 신호를 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터로 지향시키기 위한 텔레센트릭 결합기를 포함한다.

Description

플라즈마 프로세싱에서의 공간적으로 분해된 광학적 방출 스펙트로스코피(OES)
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 7월 12일자로 출원된 "SPATIALLY RESOLVED OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY (OES) IN PLASMA PROCESSING"(참조 번호 TTI-247)라는 명칭의 미국 특허 출원 제15/648,035호에 대한 우선권을 주장하고, 그 전체 내용들은 참조로 본원에 편입된다. 추가적으로, 본 출원은 이로써, 2014년 10월 31일자로 출원된 "SPATIALLY RESOLVED OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY (OES) IN PLASMA PROCESSING"(참조 번호 TTI-242)라는 명칭의 미국 특허 출원 제14/530,164호를 참조로 편입하고, 그 전체 내용들은 참조로 본원에 편입되고, 2013년 11월 1일자로 출원된 "SPATIALLY RESOLVED OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY (OES) IN PLASMA ETCHING"(참조 번호 TTI-242PROV)라는 명칭의 미국 특허 가출원 제61/898,975호에 기초하고 이의 이익 및 이에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피(optical emission spectroscopy; OES)를 이용하여 반도체 플라즈마 프로세싱에서의 화학종들(chemical species)의 농도들을 측정하기 위한 방법, 컴퓨터 방법, 시스템, 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 화학종들 농도들의 2 차원 분포들이 그로부터 결정될 수 있는 플라즈마 광학적 방출들의 2 차원 분포들을 결정하는 것에 관한 것이다.
반도체 디바이스들, 디스플레이들, 광전지(photovoltaic)들의 생성은 단계들의 시퀀스(sequence)로 진행되고, 각각의 단계는 최대 디바이스 수율을 위하여 최적화된 파라미터들을 가진다. 플라즈마 프로세싱에서는, 제어된 파라미터들 중에서, 플라즈마의 화학작용(chemistry), 특히, 플라즈마의 국소적 화학작용, 즉, 프로세싱되고 있는 기판에 인접한 플라즈마 환경에서의 다양한 화학종들의 국소적 농도들이 수율(yield)에 강력하게 영향을 주고 있다. 어떤 종들, 특히, 라디칼(radical)들과 같은 일시적인 화학종들은 플라즈마 프로세싱 성과에 대해 큰 영향을 가지고, 이 종들의 상승된 국소적 농도들은 더 신속한 프로세싱의 에어리어(area)들을 생성할 수 있고, 이것은 프로세싱 단계들 및 궁극적으로 생성되는 디바이스들에서의 불균일성들로 이어질 수도 있다.
플라즈마 프로세스의 화학작용은 플라즈마를 여기시키기 위하여 공급된 하나 이상의 RF 또는 마이크로파 전력들, 플라즈마 프로세싱 챔버로 공급된 가스들의 가스 유동(flow)들 및 종류들, 플라즈마 프로세싱 챔버에서의 압력, 프로세싱되는 기판의 유형, 플라즈마 프로세싱 챔버로 전달된 펌핑 속력, 및 더 많은 것과 같은 큰 수의 프로세스 변수들의 제어를 통해 직접적 또는 간접적 방식으로 제어된다. 광학적 방출 스펙트로스코피(OES)는 플라즈마 프로세싱에서의 프로세스 개발 및 모니터링을 위한 유용한 도구로서 자신을 입증하였다. 광학적 방출 스펙트로스코피에서, 라디칼들과 같은, 특정한 관심 있는 어떤 화학종들의 존재 및 농도들은 플라즈마의 취득된 광학적(즉, 광) 방출 스펙트럼들로부터 추론되고, 여기서, 어떤 스펙트럼 라인들의 세기들 및 그 비율들은 화학종들의 농도들에 상관된다. 기법의 상세한 설명은 예컨대, G. Selwyn, "Optical Diagnostic Techniques for Plasma Processing", AVS Press, 1993에서 발견될 수 있고, 간결함을 위하여 여기에서 반복되지 않을 것이다.
광학적 방출 스펙트로스코피의 이용은 특히, 플라즈마 프로세스 개발에서 상대적으로 아주 흔해졌지만, 그것은 플라즈마 프로세싱 챔버 내부에서, 플라즈마 내의 단일 세장형 체적(elongated volume)으로부터의 광학적 방출 스펙트럼들을 취득함으로써 통상적으로 행해진다. 이 체적의 정밀한 형상 및 크기는 플라즈마로부터 광학적 방출을 수집하기 위하여 이용된 광학계(optical system)에 의해 결정된다. 광학적 방출 신호의 이러한 수집은 본질적으로, 광선(ray)으로서 또한 알려진, 이 세장형 체적의 길이에 따른 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들의 평균화로 귀착되고, 이에 따라, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들의 국소적 변동들, 그리고 이에 따라, 또한, 화학종들 농도들의 국소적 변동들에 대한 모든 정보가 일반적으로 손실된다.
플라즈마 프로세스들의 개발에서, 그리고 실제로, 새롭고 개선된 플라즈마 프로세싱 시스템들의 개발에서는, 프로세싱되고 있는 기판 위에서의 관심 있는 화학종들의 2 차원 분포를 아는 것이 유용하고, 따라서, 시스템 설계 및/또는 프로세스 파라미터들에서의 변화들은 예를 들어, 기판에 걸친 프로세싱 성과의 변동들을 최소화하기 위하여 행해질 수 있다. 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피 기법의 추가의 응용은 예컨대, 에칭 프로세스 동안에 에칭되었던 것과는 상이한 화학적 조성의 기판 층에 도달하는 에칭 단계와 연관되는 플라즈마에서 존재하는 화학종들의 진화(evolution) 및 급격한 변화를 모니터링함으로써 플라즈마 프로세싱 단계의 종점(endpoint)을 결정하는 것에 있다. 기판의 전체 표면에 걸쳐 플라즈마 프로세싱 단계 종점을 결정하기 위한 능력은 플라즈마 프로세싱 단계를 조기에 종결하지 않는 것으로 인해 증가된 디바이스 수율에 기여한다.
관심 있는 에어리어를 횡단하는 다수의 광선들에 따른 알려진 통합된 측정들로부터 변수의 공간적 분포를 결정하기 위하여 기술, 예컨대, X-선 토모그래피(X-ray tomography)의 다른 분야들에서 광범위하게 이용된 하나의 기법은 아벨 변환(Abel transform) 또는 라돈 변환(Radon transfrom)을 이용하는 토모그래픽 반전(tomographic inversion)이다. 그러나, 효과적으로는, 이 기법은 플라즈마 프로세싱 챔버 벽 내로 구축된 하나 또는 작은 수의 윈도우(window)들 또는 광학적 포트(optical port)들을 통해 플라즈마에 대한 제한된 광학적 액세스를 가지는 반도체 프로세싱 도구에서 비실용적인 큰 양의 취득된 데이터, 즉, 큰 수의 광선들을 요구한다. 토모그래픽 기법들은 또한 일반적으로, 매우 연산 집약적이다. 화학종들 농도들의 국소적 변동들은 방사상 방향에서 임의의 급격한 경도(gradient)들 없이, 그리고 원주(circumferential)(즉, 방위각(azimuthal)) 방향에서 훨씬 더 급격한 경도들 없이, 일반적으로 평활한 본질이라는 것이 또한 발견되었다. 이에 따라, OES 측정들에 대한 토모그래픽 접근법들에서 관여된 오버헤드(overhead) 없이 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들의 2 차원 분포들을 취득할 수 있는 간단하고, 신속하고, 상대적으로 저 비용의 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피 기법 및 시스템을 가지는 것이 유리할 것이다.
특히, 원주 방향에서의 변동들은 작을 수도 있지만, 그 변동들은 일부 종래 기법들이 추정하는 바와 같이 존재하지 않고, 이상적인 기법 및 시스템은 이 변동들을 신뢰성 있게 여전히 캡처(capture)할 수 있어야 것이다.
발명의 양태는 플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에서 배치된 광학적 윈도우(optical window)를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템을 포함하는 광학적 방출 측정을 위한 장치를 포함한다. 수집 시스템은, 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선(non-coincident ray)들을 주사(scan)하도록 구성된 미러; 및 플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하고 광학적 신호를 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터(spectrometer)로 지향시키기 위한 텔레센트릭 결합기(telecentric coupler)를 포함한다.
대안적인 실시예는 플라즈마 프로세싱 챔버; 플라즈마 프로세싱 챔버의 벽 상에서 배치된 광학적 윈도우; 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템; 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한, 수집 시스템에 결합된 스펙트로미터를 포함하는 플라즈마 광학적 방출 측정 시스템을 포함한다. 수집 시스템은 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하도록 구성된 미러, 및 플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하고 광학적 신호를 스펙트로미터로 지향시키기 위한 텔레센트릭 결합기를 포함한다.
발명의 또 다른 실시예는 플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에서 광학적 윈도우를 퇴적(deposit)하는 단계; 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템 - 수집 시스템은 미러 및 텔레센트릭 결합기를 포함함 - 을 제공하는 단계; 미러를 이용하여 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하는 단계; 텔레센트릭 결합기를 통해 플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하는 단계; 및 광학적 신호를, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터로 지향시키는 단계를 포함하는 광학적 방출 측정을 위한 방법을 포함한다.
발명 및 그 부수적인 장점들 중의 다수의 더욱 완전한 인식은, 특히, 동반 도면들과 함께 고려될 때에 다음의 상세한 설명을 참조하여 용이하게 분명해질 것이다:
도 1은 실시예에 따른, 광학적 방출 스펙트로스코피(OES) 측정 시스템을 구비한 플라즈마 프로세싱 시스템의 측면 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른, OES 측정 시스템을 구비한 플라즈마 프로세싱 시스템의 상단 개략도이다.
도 3은 실시예에 따른, OES 측정 시스템을 이용하여 취득된 예시적인 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼이다.
도 4는 실시예에 따른, OES 측정 시스템에서의 이용을 위한 광학계의 개략도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른, OES 측정 시스템에서의 이용을 위한 광학계의 개략도이다.
도 6은 실시예에 따른, 광학계의 실시예의 확대된 개략도이다.
도 7은 실시예에 따른, OES 측정 시스템 및 연관된 방법을 이용하여 측정된 플라즈마 광학적 방출의 예시적인 2 차원 분포이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른, OES 측정 시스템에서의 이용을 위한 광학계의 개략도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른, 광학계의 실시예의 확대된 개략도이다.
도 10은 도 8의 광학계를 구비한 플라즈마 프로세싱 시스템의 상단 개략도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른, 광학계의 실시예의 확대된 개략도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른, OES 측정 시스템에서의 이용을 위한 광학계의 개략도이다.
도 13은 광학적 방출 세기의 재구성된 패턴들의 예시적인 결과들을 도시하는 개략도이다.
도 14는 하나의 예에 따른, 광학적 방출 측정을 위한 방법을 도시하는 플로우차트이다.
다음의 설명에서는, 발명의 철저한 이래를 용이하게 하기 위하여, 그리고 제한이 아닌 설명의 목적들을 위하여, 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피(OES) 시스템의 특정한 기하구조(geometry)들, 및 다양한 컴포넌트들 및 프로세스들의 설명들과 같은 특정 세부사항들이 기재된다. 그러나, 발명은 이 특정 세부사항들로부터 이탈하는 다른 실시예들에서 실시될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
뒤따르는 설명에서는, 프로세싱되고 있는 작업물(workpiece)을 표현하는 용어 기판이 반도체 웨이퍼, 액정 디스플레이(liquid crystal display; LCD) 패널, 발광 다이오드(light-emitting diode; LED), 광전지(PV) 디바이스 패널 등과 같은 용어들과 상호 교환가능하게 이용될 수도 있고, 이들 전부의 프로세싱은 청구된 발명의 범위 내에 속한다.
"하나의 실시예" 또는 "실시예"에 대한 이 명세서의 전반에 걸친 참조는, 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징부, 구조, 재료, 또는 특성이 발명의 적어도 하나의 실시예 내에 포함되지만, 이들이 매 실시예에서 존재한다는 것을 나타내지는 않는다는 것을 의미한다. 이에 따라, 이 명세서의 전반에 걸친 다양한 장소들에서의 어구들 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 출현들은 반드시 발명의 동일한 실시예를 지칭하고 있는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징들, 구조들, 재료들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수도 있다.
다양한 동작들은 발명을 이해함에 있어서 가장 도움이 되는 방식으로, 다수의 개별적인 동작들로서 차례로 설명될 것이다. 그러나, 설명의 순서는 이 동작들이 반드시 순서 종속적인 것임을 암시하기 위한 것으로서 해석되지 않아야 한다. 특히, 이 동작들은 제시의 순서로 수행될 필요가 없다. 설명된 동작들은 설명된 실시예와는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 다양한 추가적인 동작들이 수행될 수도 있고, 및/또는 설명된 동작들은 추가적인 실시예들에서 생략될 수도 있다.
도 1은 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피(OES) 시스템(15)을 구비한 플라즈마 프로세싱 시스템(10)의 실시예를 도시한다. 플라즈마 프로세싱 시스템(10)은 프로세싱되어야 할 기판(40)을 수납하기 위한, 정적 척(electrostatic chuck)과 같은 기판 홀더(substrate holder)(30)가 그 내부에 배치되는 플라즈마 프로세싱 챔버(20)를 포함한다. 라디오 주파수(radio frequency; RF) 및/또는 마이크로파 전력은 기판(40)에 인접한 플라즈마(50)를 점화(ignite)하고 지속(sustain)시키기 위하여 플라즈마 프로세싱 챔버(20)로 공급되고(도시되지 않음), 여기서, 플라즈마(50)로부터의 고반응성(energetic) 화학종들은 기판(40) 상에서 플라즈마 프로세싱 단계를 수행하기 위하여 이용된다. 프로세싱 가스들은 플라즈마 프로세싱 챔버(20) 내로 유동되고(도시되지 않음), 펌핑 시스템은 희망된 프로세스 압력에서, 플라즈마 프로세싱 챔버(20)에서의 진공을 유지하기 위하여 제공된다(도시되지 않음). 플라즈마 프로세싱 단계들의 예들은 플라즈마 에칭, 플라즈마-강화된 화학적 기상 퇴적(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 플라즈마-강화된 원자층 퇴적(plasma-enhanced atomic layer deposition; PEALD) 등을 포함한다. 본원에서 설명된 시스템 및 방법은 임의의 종류의 플라즈마 프로세싱에 적용가능하다.
플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피(OES) 시스템(15)은, 취득된 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 통신하고 제어기(80)에 의해 제어되는 적어도 하나의 광학적 검출기(60)를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 취득하기 위하여 이용된다. 제어기(80)는 범용 컴퓨터일 수도 있고, 플라즈마 프로세싱 시스템(10)에 인접하게 위치될 수도 있거나 원격으로 위치될 수도 있고, 인트라넷(intranet) 또는 인터넷(internet) 접속을 통해 광학적 검출기(60)에 접속될 수도 있다.
광학적 검출기(60)는 광학적 검출기(60)가 플라즈마(50) 내의 공간(65)의 세장형의, 일반적으로 연필-형상의 체적으로부터 플라즈마 광학적 방출들을 수집하는 그러한 방법으로 구성된 광학기기를 가진다. 플라즈마 프로세싱 챔버에 대한 광학적 액세스는 광학적 윈도우(70)에 의해 제공된다. 광학적 윈도우(70)는 응용, 및 플라즈마(50)의 화학작용이 얼마나 공격적인지에 따라, 유리, 석영(quartz), 용융된 실리카(fused silica), 또는 사파이어(sapphire)와 같은 재료를 포함할 수 있다. 이하에서 "광선"(65)으로서 지칭된 체적(65)은 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들이 그로부터 수집되는 공간의 부분을 정의하고, 수집된 스펙트럼들은 광선(65)을 따라 그리고 광선(65) 내에 위치된 모든 포인트들로부터의 수집된 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼에 대한 기여분들의 적분(integral)을 표현한다. 광학적 검출기(60)의 기하구조 및 구성에 따라, 광선(65) 내의 각각의 포인트의 기여분들은 동일한 것이 아니라, (이후에 더 상세하게 논의되어야 할) 광학적 효율에 의해 가중화되고 지배된다는 것이 주목되어야 한다. 전형적인 구성에서, 광선(65)은 기판 표면으로부터의 광학적 간섭을 감소시키기 위하여, 기판(40)의 표면과 실질적으로 평행하게 배향되고 기판(40)의 표면으로부터 작은 거리에서 유지되지만, 기판 표면에 인접한 플라즈마 화학작용을 샘플링할 정도로 기판(40)에 충분히 근접하게 유지된다.
제어기(80)는 이전에 언급된 바와 같이, 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피 시스템(15)을 제어하고, 또한, 공간적 위치 및 파장의 함수로서 (1) 플라즈마 광학적 세기 분포를 연산하고, 연산된 플라즈마 광학적 세기 분포부터 (2) 관심 있는 화학종들의 공간적 분포를 연산하기 위하여 이용된다. 이 정보는 그 다음으로, 프로세스 개발, 플라즈마 프로세싱 도구 개발, 인-시츄(in-situ) 플라즈마 프로세스 모니터링, 플라즈마 프로세스 오류 검출, 플라즈마 프로세스 종점 검출 등을 위하여 이용될 수 있다.
도 1은 프로세싱되는 기판(40)에 인접한 플라즈마 프로세싱 챔버(20) 내에 위치된 플라즈마(50)를 횡단하는 하나의 광선(65)을 도시한다. 발명의 실시예에서, 다수의 광선들(100)은 예컨대, 도 1의 플라즈마 프로세싱 시스템(10)의 상단 개략도를 도시하는 도 2에서 도시된 바와 같이, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 샘플링하기 위하여 이용될 수 있다. 도 2의 예시적인 실시예에서, 2 개의 광학적 검출기들(60)은 각각이 7 개의 광선들(100)로부터인 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위하여 이용된다. 광선들(100)은 가장 큰 양의 공간적 정보가 기판(40) 위에서 플라즈마(50)로부터 취득되도록, 비-일치할 필요가 있다. 광학적 검출기(60) 당 광선들(100)의 수는 2로부터 9까지, 그리고 더 높은 것까지 변동될 수 있다. 또한, 광학적 액세스가 오직 단일 광학적 윈도우(70)에 의해 플라즈마 프로세싱 챔버(20)에 제공되는 또 다른 실시예에서는, 단일 광학적 검출기(60)가 광선들(100)의 그 연관된 팬(fan)과 함께 이용될 수 있다. 대안적으로, 각각이 연관된 광선 팬을 갖는 제 3 이상의 광학적 검출기들이 이용될 수도 있다. 각각의 광선(100)의 각도는 으로서, 그 광학적 검출기(60)의 중심선에 대하여 정의된다. 플라즈마 프로세싱 챔버 내의 매 포인트는 도 2에서 도시된 바와 같이, 그 극 좌표(polar coordinate)들, 즉, 에 의해 정의될 수 있다.
이후에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 광학적 검출기(60)의 구성에 따라, 광선들(100)의 연관된 팬으로부터의 모든 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 동시에 수집될 수 있다. 이것은 다수의 광학계들 및 채널들을 갖는 광학적 검출기(60)의 실시예들을 위하여 적당하여, 모든 광선들(100)로부터의 동시 수집을 허용한다. 대안적으로, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 광학적 검출기(60)와 연관된 광선들(100)을 따라 순차적으로 취득될 수 있다. 후자는 주사 실시예들에서 적당하고, 여기서, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 광선(100)이 하나의 각도 로부터 또 다른 것으로 주사될 때에 수집된다. 이해가능하게도, 이 주사 및 취득은 플라즈마 화학작용에서의 신속한 변화들이 전체 기판에 걸쳐 검출될 수 있도록 충분히 고속으로 발생할 필요가 있다.
도 3은 하나의 광학적 검출기(60)를 이용하여, 각도 에서, 하나의 광선(100)으로부터 취득된 일 예의 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼을 도시한다. 스펙트럼에서는, 전형적으로, 약 200 nm로부터 약 800 nm까지의 범위인 파장들의 세기들이 수집된다. 광학적 방출 스펙트로스코피를 위하여 채용된 전형적인 스펙트로미터들의 CCD들은 파장 범위에 걸쳐 이어지는 4096 개의 픽셀들을 가지지만, 픽셀들의 수는 응용 및 수집된 스펙트럼들의 요구된 해상도에 따라, 256만큼 낮게 그리고 65536만큼 높게 변동될 수 있다.
광선들(100)의 그 연관된 팬들로부터 광학적 검출기들(60)에 의해 수집된 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 제어기(80)로 통신되고, 제어기(80)는 통신된 데이터를 추가로 프로세싱하여, 플라즈마 광학적 방출의 공간적 분포, 및 그로부터 화학종들 농도들의 공간적 분포를 연산하기 위하여 이용된다. 본 발명의 양태는 종점 검출, 오류 검출 등을 위한 플라즈마 프로세스들의 인-시츄 모니터링을 허용하는, 각각의 파장에 대한 플라즈마 광학적 방출들의 공간적 분포의 고속 계산을 위한 알고리즘이다.
도 4는 단일 멀티채널 스펙트로미터(310)가 광선들(305A 내지 305E)로부터의 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 동시에 수집하기 위하여 이용되는 광학적 검출기(60)의 실시예를 도시한다. 여기에서 도시된 예시적인 실시예는 명확함을 위하여 5 개의 광선들(305A 내지 305E)을 가지지만, 수는 2로부터 9까지, 그리고 9보다 더 높은 것까지 변동될 수 있다. 광학적 검출기(60)는 플라즈마 프로세싱 챔버(20)의 벽 상에서 장착된 광학적 윈도우(70)에 인접하게 모두 위치된, 각각의 광선(305A 내지 305E)을 위한 광학계들(300A 내지 300E)을 포함한다. 광선들(305A 내지 305E)은 기판(40)(도시되지 않음)의 관련된 부분을 커버하기 위하여 발산 방식(diverging manner)으로 배열된다. 수집된 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 개개의 광섬유들(320A 내지 320E)을 통해, 광학계들(300A 내지 300E)로부터 멀티-채널 스펙트로미터(310)로 공급된다. 광학계들(300A 내지 300E)은 이후에 더 상세하게 설명될 것이다. 도 4의 실시예는 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 동시에 수집하기 위한 그 능력 때문에, 고속 진단을 위하여 적당하다.
도 5는 단일 채널 스펙트로미터(310)가 이용되는 대안적인 실시예를 도시하고, 광선들(305A 내지 305E)은 광선들(305A 내지 305E)을 스윕 아웃(sweep out)하기 위하여 제어가능하게 주사되는 주사 미러(scanning mirror)(400)에 의해 형성되는 한편, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 단일 광학계(300)를 통해 스펙트로미터(310)에 의해 취득되고, 이것은 이후에 더 상세하게 설명될 것이다. 이 실시예는 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들의 순차적인 수집을 위하여 적당하고, 그러므로, 더 느리게-진화하는 플라즈마 프로세스들의 진단을 위하여 더 적합하다. 주사 미러(400)는 검류계 스테이지(galvanometer stage)(410)에 의해 장착될 수 있고 작동될 수 있다. 대안적으로, 주사 미러(400)는 스텝퍼 모터(stepper motor)(410) 상에서 장착될 수도 있고, 스텝퍼 모터(410)에 의해 주사될 수도 있다. 여기에서의 광선들(305A 내지 305E)의 수는 5로서 도시되지만, 실제적으로는, 수는 검류계 스테이지 또는 스텝퍼 모터(410)를 제어하기 위한 제어기 소프트웨어에서의 설정들에 의해 결정된다.
공간의 정밀한 체적이 샘플링되는 것을 보장하기 위하여, 도 4의 광학계들(300A 내지 300E) 및 도 5의 광학계(300)는 광선들(305A 내지 305E)이 광학계의 주어진 타겟 비용(target cost)에 대하여 실현가능하게 달성될 수 있는 바와 같은 작은 발산 각도(divergence angle)로 콜리메이팅(collimate)되도록 구성될 필요가 있다.
광학계들(300A 내지 300E, 및 300)의 예시적인 실시예가 도 6에서 도시된다. 텔레센트릭 결합기로서 또한 알려진 광학계(300A 내지 300E)는 광선들(305A 내지 305E)에 의해 정의된 플라즈마(50) 내의 공간의 체적으로부터 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하고, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들이 도 4 또는 도 5의 실시예들의 스펙트로미터들(310)로 송신될 수 있도록, 수집된 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 광섬유(320A 내지 320E, 또는 320)의 단부(390)로 지향시키는 작업(task)을 가진다. 광선들(305A 내지 305E)의 직경은 판에서 형성된 임의적인 개구부(aperture)(350)에 의해 정의된다. 대안적인 실시예에서, 렌즈들과 같은 다른 광학적 컴포넌트들은 광선들(305A 내지 305E)의 직경을 정의하기 위하여 이용될 수 있다. 일 예의 광선 직경은 4.5 mm이지만, 응용에 따라, 광선 직경은 약 1 mm로부터 20 mm까지 변동될 수 있다. 수집된 광선들(305A 내지 305E)은 임의적인 개구부와 조합하여, 광선들(305A 내지 305E)을 정의하는 수집 렌즈(collection lens)들(360A 및 380B)의 조합을 통과하게 된다. 수집 시스템 및 광선들(305A 내지 305E)의 개구수(numerical aperture)는 일반적으로 매우 낮고, 예를 들어, 대략 0.005이고, 결과적인 광선들(305A 내지 305E)은 최소 발산 각도로 필수적으로 콜리메이팅된다. 광학계(300A 내지 300E, 또는 300)의 다른 단부 상에는, 또 다른 쌍의 렌즈들, 즉, 수집된 광학적 방출 스펙트럼들을 광섬유(320A 내지 320E, 또는 320)의 단부(390) 상으로 포커싱하도록 작용하는 결합 렌즈(coupling lens)들(370A 및 370B)이 있다. 시스템에서 이용된 모든 렌즈들은 바람직하게는, 더 많이 요구되는 응용들을 위하여 아크로매틱(achromatic) 또는 심지어 아포크로매틱(apochromatic)이고, 이것은 각각의 렌즈의 초점 길이가 파장과 함께 변동되지 않는다는 것을 보장하여, 광학계(300A 내지 300E, 또는 300)는 전형적으로 200 nm로부터 800 nm까지, 그러나 일부 경우들에는, 150 nm만큼 낮아지는 큰 범위의 파장들 상에서 만족스럽게 동작한다. 스펙트럼의 자외선(ultraviolet; UV) 파트, 즉, 350 nm 이하에서의 더 양호한 성능을 위하여, UV-등급 재료들이 모든 광학적 컴포넌트들을 위하여 이용되어야 한다.
매 광학적 하드웨어 구성에 대하여, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들이 그로부터 취득되는 광선들(305A 내지 305E) 내의 모든 포인트들에 적용되는 가중화 인자(weighting factor)인 광학적 효율 을 아는 것이 중요하다. 광학적 효율 은 광선(305A 내지 305E) 내의 주어진 위치로부터 광섬유 단부(390)까지의 광의 결합의 효율을 결정하기 위하여, 광학적 설계 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션에 의해, 또는 교정된 광원들을 이용하고 교정된 광원들을 광선들(305A 내지 305E)에 걸쳐 그리고 광선들(305A 내지 305E)을 따라 이동시키는 실험에 의해 결정될 수 있다. 광학적 효율들 은 플라즈마 광학적 방출들의 공간적 분포를 결정하기 위한 알고리즘에서 이용될 것이다.
이전에 언급된 바와 같이, 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피(OES) 시스템(15)의 작업은 개의 측정된 파장들 의 각각에 대한, 플라즈마 광학적 방출의 2 차원 세기 분포의 결정이다.
도 2의 각각의 광선(100), 인덱스 에 의해 수학적으로 나타내어지는 광선에 대하여, 수집된 광학적 검출기 출력 은 다음으로서 정의될 수 있고,
여기서, 은 광선(100) 내에서의 그리고 광선(100)을 따르는 위치 에서의 플라즈마 광학적 방출 세기이고, 은 광학적 검출기 에 의해 위치 로부터의 광의 수집을 위한 광학적 효율이다. 결과적인 광학적 검출기 출력 은 기판(도 2 참조)의 원주 상의 포인트 A로부터 포인트 B까지의 직선 경로를 따르는 이 수량들의 곱셈(product)의 적분을 표현하고, 기판(40)의 원주 외부의 플라즈마로부터의 기여분들은 이 모델에서 무시된다(이것은 플라즈마 밀도 및 이에 따른 플라즈마 광 방출이 이 에어리어들에서 일반적으로 낮기 때문에 유효한 가정임).
개의 광학적 검출기들 및 광선들, 또는 대안적으로, 광선들(100)의 개의 주사된 포지션(position)들을 갖는 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피 시스템(15)에서는, 개의 측정된 파장들 의 각각에 대한 개의 수집된 세기들이 있다. 그러므로, 하나의 파장 에서의 플라즈마 광학적 방출의 공간적 분포를 재구성하기 위하여, 개의 파라미터들을 갖는 함수 형태가 가정되어야 한다. 한정된 수 개의 파라미터들이 주어지면, 플라즈마 광학적 방출의 분포에 대한 기저 함수들의 판단력 있는 선택이 행해져야 할 필요가 있다. 선택된 기저 함수들은 이들이 기판(40)에 걸쳐 플라즈마 방출의 원주 변동들을 만족스럽게 재현할 수 있기 위하여, 방사상 좌표 및 또한, 원주 좌표 양자와 함께 변동될 필요가 있다.
이 작업에 특히 양호하게 적합한 기저 함수들의 하나의 클래스(class)는 제르니케 다항식(Zernike polynomial)들 이다. 제르니케 다항식들은 방사상 좌표 에 종속적인 항 및 원주 좌표 에 종속적인 항의 곱셈으로서 정의되고, 즉,
표 1은 보편적으로 이용된 수학적 표기 를 이용하여 본원에서 나타내어진 최초 18 차수 제르니케 다항식(first 18 order Zernike polynomial)들을 열거한다.
일반적으로, 제르니케 다항식들을 갖는 경우에서와 같이, 다른 기저 함수들이 직교적인 한, 그리고 그 미분들이 단위 원 상에서 연속적인 한, 다른 기저 함수들이 이 출원에서 선택될 수 있다. 그러나, 상대적으로 작은 수의 항들이 방사상 및 원주 양자의 극 좌표들에서의 함수의 상당히 복잡한 변동들을 설명하기 위하여 이용될 수 있다는 성질 때문에, 제르니케 다항식들이 이 출원에서 바람직하다.
제르니케 다항식들 을 수집된 검출기 출력으로 치환하는 것은 다음으로 귀착되고,
여기서, 은 매 기저 함수, 즉, 제르니케 다항식 차수와 연관된 맞춤 파라미터들이다.
수집된 검출기 출력 은 선택된 기저 함수들, 맞춤 파라미터들, 및 광학적 효율의 측면에서 정의되므로, 의 맞춤 파라미터들 을 결정하는 문제는 다음을 최소화하는 것, 즉, 최소 제곱 문제를 푸는 것으로 축소되고,
또는
여기서, 은 광선 에서의 측정된 플라즈마 광학적 스펙트럼들 세기들을 표현한다. 이 최소화 알고리즘은 개의 측정된 파장들 의 각각에 대하여 반복될 필요가 있다. 이 최소 제곱 문제를 풀기 위한 많은 방법들이 당해 분야에서 알려져 있다. 최소 제곱 문제의 치수는 상대적으로 작으므로, 최소 제곱 문제는 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들이 측정되는 시간에 있어서의 각각의 순간에 대하여, 모든 파장들에 대해 효율적으로 풀릴 수 있고; 또한, 이러한 계산들은 급속하게 연속으로 반복될 수 있어서, 큰 수들 개의 파장들에 대한 플라즈마 광학적 방출들의 급속하게 진화하는 2 차원 분포들의 결정을 가능하게 할 수 있다. 이것들로부터, 누군가는 그 다음으로, 종점 검출, 오류 검출, 프로세스 개발, 프로세싱 도구 개발 등을 위하여 이용될 수 있는, 기판(40)에 걸친 화학종들 농도들의 시간-진화하는 2 차원 분포들을 결정할 수 있다.
도 7은 발명의 실시예에 따른 방법으로 결정된 하나의 이러한 플라즈마 광학적 방출 세기 분포의 예를 도시한다. 도시된 분포는 상대적으로 낮은 수의 항들, 즉, 에도 불구하고, 플라즈마 광학적 방출 세기에서의 양자의 방사상 및 원주 변동들의 양호한 캡처를 명확하게 도시한다.
도 8은 단일 채널 스펙트로미터(310)가 이용되는 대안적인 실시예를 도시한다. 광선들(305A 내지 305E)은 주사 미러(400)와, 광선들(305A 내지 305E)의 회전의 중심을 주사 미러(400)와 연관된 스텝퍼 모터(410)의 위치로부터 광학 윈도우(70), 또는 도 8에서의 포인트 C(포인트 C는 회전의 중심을 도시함)에 의해 표시된 바와 같은 실질적으로 광학 윈도우(70) 근처로 이동시키는 미러 시스템(800)에 의해 형성된다. 광학적 윈도우(70)는 이에 따라, 플라즈마(50)(예컨대, 플라즈마 프로세싱 챔버(20)의 중심 축의 각도 = 25°)에 걸쳐 광선들(305A 내지 305E)을 스윕 아웃하기 위하여 전형적으로 작고(즉, 직경에 있어서 1 인치), 광선들(305A 내지 305E)은 광학적 윈도우(70)에서 최소 편위(minimal excursion)를 가진다. 그러므로, 광선들(305A 내지 305E)의 회전의 중심은 광학적 윈도우(70)의 실질적으로 근처 또는 광학적 윈도우(70)에 있도록 구성된다. 본원에서 설명된 구성을 이용하면, 68.5 mm x 8 mm 또는 더 큰 것의 치수를 가지는 윈도우를 이용하는 것이 가능하다. 윈도우 치수(즉, 상한)는 오염, 챔버 UV 및 RF 누설, 및 플라즈마 프로세싱 챔버(20)의 벽에서의 이용가능한 공간과 같은 인자들에 의해 제한된다. 하나의 구현예에서, 윈도우는 빔의 주사의 평면에 대응하는 평면에서 큰 치수를 갖는 직사각형 형상을 가질 수도 있다. 그것은 누설 및 공간 요건들을 만족시키면서 윈도우의 크기를 최소화하는 장점을 가진다.
주사 미러(400)는 스텝퍼 모터(410)를 이용하여 광선들(305A 내지 305E)을 스윕 아웃하기 위하여 제어가능하게 주사되는 한편, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 단일 광학계(300)를 통해 스펙트로미터(310)에 의해 취득된다.
미러 시스템(800)은 전송 미러(transfer mirror)(802) 및 폴드 미러(fold mirror)(804)를 포함할 수도 있다. 각각의 수집된 광선(305A 내지 305E, 또는 65)(즉, 수집된 광선(305)을 갖는 플라즈마로부터의 광학적 신호)은, 수집된 광선(305)을 반사하고 수집된 광선(305)을 폴드 미러(804)로 전송하는 전송 미러(802)에 의해 송신된다. 폴드 미러(804)는 수집된 광선(305)을 수평(방위각)으로부터 수직 동심원으로 반사하고 수집된 광선(305)을 주사 미러(400)로 송신하고, 주사 미러(400)는 수집된 광선(305)을 광학계(300)로 반사한다. 미러 시스템(800) 및 광학계(300)는 정지되어 있다. 미러 시스템(800), 주사 미러(400), 광학계(300), 및 스펙트로미터(310)는 플라즈마 프로세싱 챔버(20)에 인접하게 장착될 수도 있다.
주사 미러(400)가 스윕될 때, 화학종들 농도들의 공간적 분포의 높은 공간적 해상도가 획득된다. 예를 들어, 주사 미러(400)는 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들이 취득되는 동안에 느리게 스윕될 수도 있다. 취득된 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 -°, +° 사이의 임의의 포지션과 연관된다. 이에 따라, 본원에서 설명된 주사 셋업을 이용하면, 매우 정밀한 공간적 해상도가 획득될 수 있다.
도 9는 실시예에 따른, 도 8의 광학계(300)의 실시예의 확대된 개략도이다. 광학계(300)는 수집된 광선들(305)에 의해 정의된 플라즈마(50) 내의 공간의 체적으로부터 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하고, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들이 본원에서 이전에 설명된 바와 같이 스펙트로미터들(310)로 송신될 수 있도록, 수집된 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 광섬유(320)의 단부(390)로 지향시키는 작업을 가진다. 광학계(300)는 작은 NA를 갖는 텔레센트릭 결합기를 포함한다. 수집된 주사 광선들 크기들은 수집 경로를 따르는 직경에 있어서 약 3으로부터 5 mm까지 변동될 수 있다.
(즉, 주사 미러(400)로부터 반사된) 수집된 광선(305)은 제 1 수집 렌즈(902)를 통과하게 된다. 그 다음으로, 광선들은 예를 들어, 600 의 직경을 가지는 텔레센트릭 개구부(908)를 통과하게 될 수도 있다. 그 다음으로, 2 개의 결합 렌즈들(904 및 906)은 수집된 광학적 방출 스펙트럼들을 광섬유(320)의 단부(390) 상으로 포커싱하도록 작용한다. 하나의 예에서, 광섬유(320)는 600 의 직경을 가진다. 수집 시스템(300)은 또한, 2 개의 결합 렌즈들(904 및 906) 사이에 위치결정된 임의적인 필터를 포함할 수도 있다.
수집 시스템(300)의 개구수는 매우 낮고, 예를 들어, 0.005이다. 렌즈들(902, 904, 906)은 각각 30 mm, 12.5 mm, 및 12.5 mm의 유효 초점 길이들, 및 12.5 mm, 6.25 mm, 및 6.25 mm의 직경들을 가지는 아크로매틱 렌즈들이다.
도 8을 다시 참조하면, 주사 미러(400)는 적어도 10 mm x 10 mm의 치수를 가질 수도 있다. 전송 미러(802)는 구형 미러(spherical mirror)일 수도 있다. 주사 미러(400) 및 전송 미러(802)는 어떤 파장 영역들(예컨대, UV)에서 반사율(reflectance)을 증가시키기 위하여 알루미늄 코팅(Aluminum coating), 실리콘 모노옥사이드(Silicon Monoxide; SiO) 오버코트, 또는 알루미늄 상단 상의 유전체들의 다층 막을 가질 수도 있다. 전송 미러(802)의 반경은 100 mm 내지 120 mm 사이일 수도 있다. 하나의 구현예에서, 전송 미러(802)의 반경은 109.411 mm이다. 전송 미러(802)는 광학적 윈도우(70)의 외부 에지(edge)로부터 68.4 mm의 거리에서 위치결정될 수도 있다. 폴드 미러(804)는 주사 미러(400)의 평면으로부터 71.5 mm의 거리에서 위치결정될 수도 있다.
스펙트로미터(310)는 0.4 nm의 공간적 해상도를 가지고 200 nm 내지 1000 nm 사이의 파장 범위를 가지는 초광대역(ultra broadband; UBB) 고해상도 스펙트로미터일 수도 있다.
도 10은 도 8의 광학계를 구비한 플라즈마 프로세싱 시스템의 상단 개략도이다. 플라즈마 프로세싱 챔버(20)는 도 8의 2 개의 광학계들을 구비할 수도 있다. 광학계는 주사 모듈로서 지칭된다. 각각의 주사 모듈은 X로부터 Y 광선 포지션들까지의 데이터를 수집하도록 구성될 수도 있다. 하나의 구현예에서, 각각의 주사 모듈은 높은 공간적 분해능을 갖는 이벤트들을 검출하기 위하여 더 양호한 정확도를 제공하는 5로부터 50 광선 포지션들까지의 데이터를 수집하도록 구성될 수도 있다. 도 10에서는, 광선(305)의 하나의 포지션이 도시된다. 본원에서 이전에 설명된 바와 같이, 광선들(305)의 주사 각도는 -°로부터 +°(예컨대, = 25° 또는 30°)로 변동될 수도 있다. 스펙트로미터들(310)로부터의 데이터는 2 차원(2D) OES 세기 분포를 획득하기 위하여 본원에서 이전에 설명된 바와 같이 프로세싱된다. 각각의 모듈은 단일 채널 스펙트로미터(310)를 포함할 수도 있거나, 대안적으로, 2 개의 채널들을 가지는 단일 스펙트로미터는 2 개의 주사 모듈들을 위하여 이용될 수도 있다. 추가적인 주사 모듈들은 또한, 더 높은 공간적 해상도를 제공하기 위하여 이용될 수도 있다. 광학적 윈도우들(70)(즉, 각각의 주사 모듈의 광학적 윈도우(70))은 서로에 대해 수직이거나 실질적으로 수직인 플라즈마 프로세싱 챔버(20)의 측벽 상에서 위치될 수도 있다. 플라즈마 프로세싱 챔버(20)의 구성에 따라서는, 광학적 윈도우들(70)은 응용 및 플라즈마 화학작용이 얼마나 공격적인지에 따라 석영, 용융된 실리카, 또는 사파이어일 수도 있다.
도 11은 도 5 또는 도 8의 광학계(300)의 실시예의 확대된 개략도이다. 광학계(300)는 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들이 본원에서 이전에 설명된 바와 같이 스펙트로미터(310)로 송신될 수 있도록, 반사된 수집된 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 주사 모듈(400)로부터 광섬유(320)의 단부(390)로 지향시키는 작업을 가진다. 수집된 광선(305)은 예를 들어, 40 mm의 유효 초점 길이를 가지는 삼중 렌즈(triplet lens)(1102)일 수도 있는 수집 렌즈를 통과하게 된다. 수집된 광선(305)은 예를 들어, 7 mm의 직경을 가지는 임의적인 마스크 개구부(1108)를 통과하게 될 수도 있다. 마스크 개구부(1108)는 주사 미러(400)와 삼중 렌즈(1102) 사이에 위치결정될 수도 있다. 그 다음으로, 수집된 광선(305)은 예를 들어, 1.20 mm의 직경을 가지는 임의적인 텔레센트릭 개구부(1110)를 통과하게 될 수도 있다. 대안적인 실시예에서, 렌즈들과 같은 다른 광학적 컴포넌트들은 광선들(305)의 직경을 정의하기 위하여 이용될 수 있다.
2 개의 결합 삼중 렌즈들(1104 및 1108)은 수집된 광학적 방출 스펙트럼들을 광섬유(320)의 단부(390) 상으로 포커싱하도록 작용한다. 하나의 구현예에서, 결합 삼중 렌즈들(1104 및 1108)은 15 mm의 유효 초점 길이들을 가지는 삼중 렌즈들일 수도 있다. 결합 삼중 렌즈들(1104 및 1106)의 유효 초점 길이들은 광섬유(320)의 유형 및 직경의 함수이다.
시스템에서 이용된 모든 렌즈들은 바람직하게는, 더 많이 요구되는 응용들을 위하여 아크로매틱 또는 심지어 아포크로매틱이고, 이것은 각각의 렌즈의 초점 길이가 파장과 함께 변동되지 않는다는 것을 보장하여, 광학계(300A 내지 300E, 또는 300)는 전형적으로 200 nm로부터 1000 nm까지, 그러나 일부 경우들에는, 150 nm만큼 낮아지는 큰 범위의 파장들 상에서 만족스럽게 동작한다. 스펙트럼의 UV 파트, 즉, 350 nm 이하에서의 더 양호한 성능을 위하여, 석영, 용융된 실리카, 칼슘 플루라이드(Calcium fluoride; CaF2)와 같은 UV-등급 재료들은 모든 광학적 컴포넌트들을 위하여 이용된다.
도 12는 단일 채널 스펙트로미터(310)가 이용되는 대안적인 실시예의 개략도이다. 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 하나 또는 두 개의 모듈들을 이용하여 순차적으로 취득될 수 있다. 각각의 모듈은 선형 아크 스테이지(linear arc stage)(1204)를 포함할 수도 있다. 스펙트로미터(310), 광학계(300), 및 폴드 미러(1202)는 선형 아크 스테이지(1204) 상에서 장착된다. 폴드 미러(1202)는 플라즈마 프로세싱 챔버(20)로부터 수집된 광선(305)을 수신하고 수집된 광선(305)을 광학계(300)로 반사하기 위하여 위치결정된다. 선형 아크 스테이지(1204)는 수집된 광선들(305)을 스윕 아웃하기 위하여 제어가능하게 주사되는 한편, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들은 단일 광학계(300)를 통해 스펙트로미터(310)에 의해 취득된다. 선형 아크 스테이지(1204)는 제어기(80)를 통해 제어될 수도 있다. 도 12에서의 포인트 C는 선형 아크 스테이지(1204)의 회전의 중심을 표시한다. 단일 광학계(300)는 도 9 또는 도11에서 도시되고 설명된 것일 수도 있다. 하나의 구현예에서, 선형 아크 스테이지(1204)는 85°의 주사 각도 및 163.2 mm의 길이를 가질 수도 있다. 선형 주사 속력은 0.35 m/s로부터 2.2 m/s까지 변동될 수도 있다. 이에 따라, 주사 속력은 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피 시스템(15)의 응용에 따라 공간적 해상도와 속력 사이의 절충을 최적화하기 위하여 조절될 수도 있다.
도 8, 도 9, 및 도 11의 광학계(300)의 추가의 실시예들에서는, 수집된 광선들(305)을 조향하기 위하여 미러들, 프리즘(prism)들, 렌즈들, 공간적 광 변조기들, 디지털 마이크로미러 디바이스들 등과 같은 다른 광학적 컴포넌트들이 이용될 수도 있다. 도 4 내지 도 8, 및 도 8 내지 도 12의 광학계(300)의 구성 및 컴포넌트 레이아웃은 반드시 도 4 내지 도 8, 및 도 8 내지 도 12에서 정확하게 도시된 바와 같을 필요가 없지만, 수집된 광선들(305)은 플라즈마 광학적 방출 스펙트로스코피 시스템(15)을 플라즈마 프로세싱 챔버(20)의 벽 상에서 장착하기 위하여 적당한 간결한 패키징으로 패키징하는 것을 용이하게 하기 위하여 추가적인 광학적 컴포넌트들을 통해 접혀질 수도 있고 조향될 수 있다.
발명자들은 광학적 방출 분포의 패턴들을 재구성하고 재구성된 패턴들을 에치 패턴들과 비교하기 위하여 몇몇 실험들을 수행하였다.
도 13은 광학적 방출 세기의 재구성된 패턴들의 예시적인 결과들을 도시하는 개략도이다. 방출 라인(즉, 실리콘 클로라이드(silicon chloride)에 대한 522.45 nm)의 세기는 궁극적으로, 기판(40) 상의 국소적 에칭의 세기와 연관되는 실리콘 클로라이드(SiCl)의 농도를 표시한다. 도 13은 522.5 nm에서의 본원에서 설명된 플라즈마 OES 시스템(15)에 의해 취득된 광학적 방출의 실제적인 분포와 실제적인 에치 레이트 사이의 비교를 도시한다. 도표들(1302, 1304, 및 1306)은 다양한 플라즈마 프로세싱 조건들에서의 다양한 샘플들을 위한 실제적인 에칭 레이트를 도시한다. 도표들(1308, 1310, 및 1312)은 각각 도표들(1302, 1304, 및 1306)과 연관된 샘플들을 위한 재구성된 광학적 방출 분포를 도시한다.
본원에서 설명된 장치 및 방법론들을 이용하면, 에칭 균일성이 모니터링될 수도 있다. 예를 들어, 장치는 기판을 다양한 프로세스들의 개발을 더 신속하게 하는 또 다른 장치로 전달하지 않으면서, 다양한 플라즈마 프로세싱 조건들에 대한 에칭 균일성을 모니터링하기 위하여 프로세스 개발 동안에 이용될 수도 있다.
결과들은 반응제(reactant)들 및 제품들의 양자를 포함하는 관여된 종들을 플라즈마 에칭함으로써 주어진 재구성된 OES 분포와 에칭 두께 사이의 강력한 상관을 도시한다. OES 분포 및 옥사이드(Oxide) 에칭 프로파일의 균일성은 예를 들어, 도표(1308)를 도표(1302)와 비교할 때에 동일한 추세를 따른다. 더 양호한 에칭 균일성을 갖는 기판은 OES 분포와의 더 낮은 상관을 도시한다(예컨대, 도표(106)는 도표(1302)와 비교됨).
도 14는 하나의 예에 따른, 광학적 방출 측정을 위한 방법(1400)을 도시하는 플로우차트이다. 1402에서, 광학적 윈도우는 플라즈마 프로세싱 챔버(예컨대, 플라즈마 프로세싱 챔버(20)의 벽에서 퇴적된다. 1404에서는, 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템이 제공된다. 수집 시스템은 미러 및 텔레센트릭 결합기를 포함할 수도 있다. 텔레센트릭 결합기는 적어도 하나의 수집 렌즈(예컨대, 수집 렌즈(360A 및 360B)) 및 적어도 하나의 결합 렌즈(예컨대, 도 9의 결합 렌즈들(904 및 906))를 포함할 수도 있다. 1406에서는, 복수의 비-일치 광선들이 미러를 이용하여 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 주사된다. 주사는 제어기(80)에 의해 제어될 수도 있다. 1408에서는, 광학적 신호가 텔레센트릭 결합기를 통해 플라즈마로부터 수집된다. 1410에서, 광학적 신호는 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터로 지향된다.
관련 분야에서의 당업자들은 다수의 수정들 및 변동들이 위의 교시사항을 고려하여 가능하다는 것을 인식할 수 있다. 당해 분야에서의 당업자들은 도면들에서 도시된 다양한 컴포넌트들을 위한 다양한 등가적인 조합들 및 치환들을 인식할 것이고, 그러므로, 발명의 범위는 이 상세한 설명이 아니라, 오히려, 상세한 설명에 첨부된 청구항들에 의해 제한된다는 것이 의도된다.
위의 개시내용은 또한, 이하에서 열거된 실시예들을 망라한다.
(1) 광학적 방출 측정을 위한 방법으로서, 플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에서 광학적 윈도우를 퇴적하는 단계; 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템 - 수집 시스템은 미러 및 텔레센트릭 결합기를 포함함 - 을 제공하는 단계; 미러를 이용하여 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하는 단계; 텔레센트릭 결합기를 통해 플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하는 단계; 및 광학적 신호를, 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터로 지향시키는 단계를 포함하는, 방법.
(2) 특징 (1)의 방법에 있어서, 텔레센트릭 결합기는 적어도 하나의 수집 렌즈; 및 적어도 하나의 결합 렌즈를 포함하는, 방법.
(3) 특징 (2)의 방법에 있어서, 적어도 하나의 수집 렌즈 또는 적어도 하나의 결합 렌즈는 아크로매틱 렌즈(achromatic lens)들인, 방법.
(4) 특징 (2)의 방법에 있어서, 텔레센트릭 결합기는 적어도 하나의 수집 렌즈와, 복수의 비-일치 광선들의 직경을 정의하기 위한 적어도 결합 렌즈 사이에 배치된 개구부를 더 포함하는, 방법.
(5) 특징들 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 특징의 방법에 있어서, 미러는 주사 미러인, 방법.
(6) 특징 (5)의 방법에 있어서, 주사 미러는 검류계 주사 스테이지(galvanometer scanning stage) 상에서 장착되고 검류계 주사 스테이지에 의해 주사되는, 방법.
(7) 특징 (5)의 방법에 있어서, 주사 미러는 스텝퍼 모터 상에서 장착되고 스텝퍼 모터에 의해 주사되는, 방법.
(8) 특징 (5)의 방법에 있어서, 수집 시스템은 복수의 비-일치 광선들의 회전의 중심을 광학적 윈도우로 또는 광학적 윈도우 근처로 시프트(shift)하기 위한 미러 시스템을 더 포함하는, 방법.
(9) 특징 (8)의 방법에 있어서, 미러 시스템은 전송 미러(transfer mirror); 폴드 미러(fold mirror)를 포함하고; 전송 미러는 수집된 신호를 폴드 미러로 전송하도록 구성되고, 폴드 미러는 수집된 신호를 미러로 전송하도록 구성되는, 방법.
(10) 특징 (1)의 방법에 있어서, 텔레센트릭 결합기는 미러로부터 광학적 신호를 수집하도록 구성된 수집 삼중 렌즈(triplet lens); 및 수집된 신호를 스펙트로미터에 결합된 광섬유의 단부로 포커싱하도록 구성된 2 개의 결합 삼중 렌즈들을 포함하는, 방법.
(11) 특징 (1)의 방법에 있어서, 제 2 수집 시스템을 이용하여 플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에서 배치된 제 2 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하는 단계를 더 포함하는, 방법. 제 2 광학적 윈도우의 중심 축은 광학적 윈도우의 중심 축에 대해 수직이다.
(12) 특징 (1)의 방법에 있어서, 수집 시스템은 미러, 텔레센트릭 결합기, 및 스펙트로미터를 유지하는 선형 아크 스테이지 - 선형 아크 스테이지는 광학적 윈도우의 중심 축에 대해 방사상으로 이동하도록 구성되어, 복수의 비-일치 광선들이 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 주사하게 함 - 를 더 포함하는, 방법.
(13) 특징 (12)의 방법에 있어서, 미러는 폴드 미러인, 방법.
(14) 특징들 (1) 내지 (13) 중 어느 하나의 특징의 방법에 있어서, 복수의 비-일치 광선들은 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 광학적 윈도우의 중심 축의 25°에서 주사되는, 방법.
(15) 특징들 (1) 내지 (14) 중 어느 하나의 특징의 방법에 있어서, 스펙트로미터는 초광대역 고해상도 스펙트로미터인, 방법.
(16) 특징들 (1) 내지 (15) 중 어느 하나의 특징의 방법에 있어서, 수집 시스템은 낮은 개구수를 가지는, 방법.
(17) 특징들 (1) 내지 (14) 중 어느 하나의 특징의 방법에 있어서, 광학적 신호는 21 개의 비-일치 광선들로부터 수집되는, 방법.

Claims (20)

  1. 광학적 방출 측정을 위한 장치로서,
    플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에 배치된 광학적 윈도우(optical window)를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템
    을 포함하고,
    상기 수집 시스템은,
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선(non-coincident ray)들을 주사하도록 구성된 미러;
    플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하고 상기 광학적 신호를 상기 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터(spectrometer)로 지향시키기 위한 텔레센트릭 결합기(telecentric coupler); 및
    상기 미러에 의한 상기 복수의 비-일치 광선의 회전의 중심을, 상기 미러로부터 상기 광학적 윈도우로 시프트하기 위한 미러 시스템
    을 포함하고,
    상기 미러는 회전하여 상기 복수의 비-일치 광선을 스윕 아웃(sweep out)하는 주사 미러이고,
    상기 미러 시스템은, 상기 주사 미러와 상기 광학적 윈도우의 사이에 배치된, 전송 미러와 폴드 미러를 포함하고,
    상기 전송 미러는, 수집한 상기 광학적 신호를 상기 폴드 미러에 전송하도록 구성되어 있고,
    상기 폴드 미러는, 수집한 상기 광학적 신호를 상기 주사 미러에 전송하도록 구성되어 있는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  2. 광학적 방출 측정을 위한 장치로서,
    플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에 배치된 광학적 윈도우(optical window)를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템
    을 포함하고,
    상기 수집 시스템은,
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선(non-coincident ray)들을 주사하도록 구성된 미러;
    플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하고 상기 광학적 신호를 상기 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터(spectrometer)로 지향시키기 위한 텔레센트릭 결합기(telecentric coupler); 및
    상기 미러와, 상기 텔레센트릭 결합기와, 상기 스펙트로미터를 유지하는 선형 아크 스테이지
    를 포함하고,
    상기 선형 아크 스테이지는, 주사 각도 및 선형 주사 길이를 가지고, 상기 미러, 상기 텔레센트릭 결합기, 및 상기 스펙트로미터를 회전 중심 둘레의 아크형 경로를 따라 이동시키고, 상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 상기 복수의 비-일치 광선을 주사시키도록 구성되어 있고, 상기 회전 중심은 상기 광학적 윈도우에 위치하고 상기 광학적 윈도우의 중심 축을 따르고 있는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 결합기는,
    적어도 하나의 수집 렌즈(collection lens); 및
    적어도 하나의 결합 렌즈(coupling lens)를 포함하는 것인,
    광학적 방출 측정을 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수집 렌즈 또는 상기 적어도 하나의 결합 렌즈는 아크로매틱 렌즈(achromatic lens)들인 것인,
    광학적 방출 측정을 위한 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 결합기는,
    상기 적어도 하나의 수집 렌즈와, 상기 복수의 비-일치 광선들의 직경을 정의하기 위한 상기 적어도 하나의 결합 렌즈 사이에 배치된 개구부를 더 포함하는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 주사 미러는 검류계 주사 스테이지(galvanometer scanning stage) 상에 장착되고 상기 검류계 주사 스테이지에 의해 주사되는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주사 미러는 스텝퍼 모터(stepper motor) 상에 장착되고 상기 스텝퍼 모터에 의해 주사되는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 텔레센트릭 결합기는,
    상기 미러로부터 상기 광학적 신호를 수집하도록 구성된 수집 삼중 렌즈(triplet lens); 및
    상기 수집된 광학적 신호를 상기 스펙트로미터에 결합된 광섬유의 단부(end)로 포커싱하도록 구성된 2 개의 결합 삼중 렌즈들을 포함하는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버의 상기 벽에 배치된 제 2 광학적 윈도우를 통해 상기 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 제 2 수집 시스템을 더 포함하고, 상기 제 2 광학적 윈도우는 상기 광학적 윈도우의 중심 축에 대해 수직인 중심 축을 갖는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 비-일치 광선들은 상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 상기 광학적 윈도우의 중심 축의 25°에서 주사되는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스펙트로미터는 초광대역 고해상도 스펙트로미터인 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수집 시스템의 개구수(numerical aperture)는 0.005인 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광학적 신호는 21개의 비-일치 광선들로부터 수집되는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 장치.
  14. 플라즈마 프로세싱 시스템으로서,
    플라즈마 프로세싱 챔버와,
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에 배치된 광학적 윈도우(optical window)와,
    상기 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템과,
    상기 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼을 측정하기 위해 상기 수집 시스템에 결합되는 스펙트로미터(spectrometer)
    를 포함하고,
    상기 수집 시스템은,
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하도록 구성된 미러;
    플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하고 상기 광학적 신호를 상기 스펙트로미터로 지향시키기 위한 텔레센트릭 결합기; 및
    상기 미러에 의한 상기 복수의 비-일치 광선의 회전의 중심을, 상기 미러로부터 상기 광학적 윈도우로 시프트하기 위한 미러 시스템
    을 포함하고,
    상기 미러는 회전하여 상기 복수의 비-일치 광선을 스윕 아웃(sweep out)하는 주사 미러이고,
    상기 미러 시스템은, 상기 주사 미러와 상기 광학적 윈도우의 사이에 배치된, 전송 미러와 폴드 미러를 포함하고,
    상기 전송 미러는, 수집한 상기 광학적 신호를 상기 폴드 미러에 전송하도록 구성되어 있고,
    상기 폴드 미러는, 수집한 상기 광학적 신호를 상기 주사 미러에 전송하도록 구성되어 있는 것인, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  15. 플라즈마 프로세싱 시스템으로서,
    플라즈마 프로세싱 챔버와,
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에 배치된 광학적 윈도우(optical window)와,
    상기 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템과,
    상기 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼을 측정하기 위해 상기 수집 시스템에 결합되는 스펙트로미터(spectrometer)
    를 포함하고,
    상기 수집 시스템은,
    상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하도록 구성된 미러;
    플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하고 상기 광학적 신호를 상기 스펙트로미터로 지향시키기 위한 텔레센트릭 결합기(telecentric coupler); 및
    상기 미러와, 상기 텔레센트릭 결합기와, 상기 스펙트로미터를 유지하는 선형 아크 스테이지
    를 포함하고,
    상기 선형 아크 스테이지는, 주사 각도 및 선형 주사 길이를 가지고, 상기 미러, 상기 텔레센트릭 결합기, 및 상기 스펙트로미터를 회전 중심 둘레의 아크형 경로를 따라 이동시키고, 상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 상기 복수의 비-일치 광선을 주사시키도록 구성되고, 상기 회전 중심은 상기 광학적 윈도우에 위치하고 상기 광학적 윈도우의 중심 축을 따르고 있는 것인, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  16. 광학적 방출 측정을 위한 방법으로서,
    플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에 광학적 윈도우를 배치하는 단계;
    상기 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템 - 상기 수집 시스템은 미러 및 텔레센트릭 결합기를 포함함 - 을 제공하는 단계;
    상기 미러를 이용하여 상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하는 단계;
    상기 텔레센트릭 결합기를 통해 플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하는 단계; 및
    상기 광학적 신호를, 상기 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터로 지향시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 미러는 회전하여 상기 복수의 비-일치 광선을 스윕 아웃(sweep out)하는 주사 미러이고,
    상기 수집 시스템은, 또한, 상기 주사 미러에 의한 상기 복수의 비-일치 광선의 회전의 중심을, 상기 주사 미러로부터 상기 광학적 윈도우로 시프트하기 위한 미러 시스템을 포함하고,
    상기 미러 시스템은, 상기 주사 미러와 상기 광학적 윈도우의 사이에 배치된, 전송 미러와 폴드 미러를 포함하고,
    상기 전송 미러는, 수집한 상기 광학적 신호를 상기 폴드 미러에 전송하도록 구성되어 있고,
    상기 폴드 미러는, 수집한 상기 광학적 신호를 상기 주사 미러에 전송하도록 구성되어 있는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 방법.
  17. 광학적 방출 측정을 위한 방법으로서,
    플라즈마 프로세싱 챔버의 벽에 광학적 윈도우를 배치하는 단계;
    상기 광학적 윈도우를 통해 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 수집하기 위한 수집 시스템 - 상기 수집 시스템은 미러 및 텔레센트릭 결합기를 포함함 - 을 제공하는 단계;
    상기 미러를 이용하여 상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하는 단계;
    상기 텔레센트릭 결합기를 통해 플라즈마로부터 광학적 신호를 수집하는 단계; 및
    상기 광학적 신호를, 상기 플라즈마 광학적 방출 스펙트럼들을 측정하기 위한 스펙트로미터로 지향시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 수집 시스템은, 또한, 상기 미러와 상기 텔레센트릭 결합기와 상기 스펙트로미터를 유지하는 선형 아크 스테이지를 포함하고,
    상기 선형 아크 스테이지는, 주사 각도 및 선형 주사 길이를 가지고, 상기 미러, 상기 텔레센트릭 결합기, 및 상기 스펙트로미터를, 회전 중심 둘레의 아크형 경로를 따라 이동시키고, 상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 상기 복수의 비-일치 광선을 주사시키도록 구성되어 있고, 상기 회전 중심은 상기 광학적 윈도우에 위치하고, 상기 광학적 윈도우의 중심 축을 따르고 있는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 미러를 이용하여 상기 플라즈마 프로세싱 챔버에 걸쳐 복수의 비-일치 광선들을 주사하는 단계는, 미러 시스템을 이용하여 상기 복수의 비-일치 광선들의 회전의 중심을 상기 광학적 윈도우로 시프트하는 단계를 포함하고, 상기 미러 시스템은 적어도 전송 미러 및 폴드 미러를 포함하는 것인, 광학적 방출 측정을 위한 방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
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