KR102636879B1 - 플라즈마 센싱 장치, 이를 포함하는 플라즈마 모니토링 시스템 및 플라즈마 공정 제어 방법 - Google Patents

플라즈마 센싱 장치, 이를 포함하는 플라즈마 모니토링 시스템 및 플라즈마 공정 제어 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 모니토링 시스템은, 플라즈마 공정을 수행하는 플라즈마 챔버, 제1 플라즈마 센싱 장치, 제2 플라즈마 센싱 장치 및 제어부를 포함한다. 제1 플라즈마 센싱 장치 및 제2 플라즈마 센싱 장치는 모니토링 플라즈마 평면의 중심을 기준으로 직교하는 수평 방향들에 각각 배치된다. 제1 플라즈마 센싱 장치는 제1 수평 방향으로 방사되는 제1 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제1 검출 신호를 발생하고, 제2 플라즈마 센싱 장치는 제1 수평 방향에 수직인 제2 수평 방향으로 방사되는 제2 입사 빔에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제2 검출 신호를 발생한다. 제어부는 제1 검출 신호 및 제2 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 모니토링 플라즈마 평면에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출한다. 검출 신호들의 직교성을 이용하여 이차원 또는 삼차원의 플라즈마 분포 정보를 실시간으로 제공함으로써 플라즈마 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

플라즈마 센싱 장치, 이를 포함하는 플라즈마 모니토링 시스템 및 플라즈마 공정 제어 방법{Plasma sensing device, plasma monitoring system and method of controlling plasma process}
본 발명은 플라즈마 공정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마 센싱 장치, 이를 포함하는 플라즈마 모니토링 시스템 및 플라즈마 공정 제어 방법에 관한 것이다.
집적 회로 제조에 있어서, 플라즈마 환경에서의 증착(deposition) 및 식각(etching)은 패턴화된 레이어들을 형성하기 위해 공통적으로 사용되는 대표적인 플라즈마 공정들이다. 플라즈마 챔버 또는 프로세스 챔버 내의 화학 조성물(chemical composition) 및 불순물(impurity) 레벨의 제어는 플라즈마 공정의 성공 여부에 결정적 요인이 된다. 증착 또는 식각의 정확한 두께를 보장하기 위하여 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 분포 또는 플라즈마 상태를 모니토링할 필요가 있다. 플라즈마 챔버 내의 다양한 가스 종들(gas species)의 존재 및 상대적인 농도를 검출하기 위해 광학 방사 분광기(OES, optical emission spectrometer)가 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 공정 종점(processing end point)를 결정하기 위해 광학 방사 분광기를 이용할 수 있다. 그러나, 이러한 광학방사 분광기는 플라즈마 챔버의 전체 특성을 검출하기 때문에 민감도(sensitivity)가 떨어진다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은, 플라즈마 상태를 정밀하고 효율적으로 검출하기 위한 플라즈마 센싱 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 일 목적은, 플라즈마 상태를 정밀하고 효율적으로 검출하기 위한 플라즈마 모니토링 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 일 목적은, 플라즈마 상태를 정밀하고 효율적인 검출에 기초한 플라즈마 공정 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템은, 플라즈마 공정을 수행하는 플라즈마 챔버, 제1 플라즈마 센싱 장치, 제2 플라즈마 센싱 장치 및 제어부를 포함한다.
상기 제1 플라즈마 센싱 장치는 상기 플라즈마 챔버 내의 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 제1 수평 방향에 배치되고, 상기 제1 수평 방향으로 방사되는 제1 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제1 검출 신호를 발생한다.
상기 제2 플라즈마 센싱 장치는 상기 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에 배치되고, 상기 제2 수평 방향으로 방사되는 제2 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제2 검출 신호를 발생한다.
상기 제어부는 상기 제1 검출 신호 및 상기 제2 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출하고, 상기 이차원 플라즈마 분포 정보에 기초하여 상기 플라즈마 공정을 제어한다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치는 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 제1 수평 방향에 배치된다.
상기 플라즈마 센싱 장치는 수광부, 분기부, 일차원 검출기, 회절 겨자 및 이미지 센서를 포함한다.
상기 수광부는 상기 제1 수평 방향으로 방사되는 입사 빔을 필터링하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 상응하는 라인 빔을 제공한다. 상기 분기부는 상기 라인 빔을 분기하여 2개의 분기 라인 빔들을 제공한다. 상기 일차원 검출기는 상기 2개의 분기 라인 빔들 중 하나의 분기 라인 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제1 수평 방향에 수직인 제2 수평 방향의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 광도 데이터를 제공한다. 상기 회절 격자는 상기 2개의 분기 라인 빔들 중 다른 하나의 분기 라인 빔을 파장별 회절 빔들로 분리하여 제공한다. 상기 이미지 센서는 상기 회절 빔들에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 수평 방향에 수직한 방향의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 스펙트럼 데이터를 제공한다.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 공정 제어 방법은, 플라즈마 챔버 내의 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 제1 수평 방향에 배치되는 제1 플라즈마 센싱 장치를 이용하여, 상기 제1 수평 방향으로 방사되는 제1 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제1 검출 신호를 발생하는 단계, 상기 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에 배치되는 제2 플라즈마 센싱 장치를 이용하여, 상기 제2 수평 방향으로 방사되는 제2 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제2 검출 신호를 발생하는 단계, 상기 제1 검출 신호 및 상기 제2 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출하는 단계 및 상기 이차원 플라즈마 분포 정보에 기초하여 플라즈마 공정을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치, 이를 포함하는 플라즈마 모니토링 시스템 및 플라즈마 공정 제어 방법은, 검출 신호들의 직교성을 이용하여 이차원 또는 삼차원의 플라즈마 분포 정보를 실시간으로 제공함으로써 플라즈마 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 평면도이다.
도 5 및 6은 도 3의 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 측면도들이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 수광부의 일 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 수광부를 나타내는 측면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 일차원 검출기에 의해 제공되는 광도 데이터의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 이차원 검출기에 의해 제공되는 스펙트럼 이미지의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 이차원 검출기에 의해 제공되는 스펙트럼 데이터의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 공정 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14 및 15는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 일차원 검출기들에 의해 제공되는 광도 데이터의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 16은 도 14 및 15의 광도 데이터에 기초한 컨볼루션 연산에 의한 이차원 플라즈마 분포를 나타내는 도면이다.
도 17a 및 17b는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 이차원 검출기에 의해 제공되는 스펙트럼 데이터의 예들을 나타내는 도면이다.
도 18은 도 17a 및 17b의 스펙트럼 데이터에 기초한 컨볼루션 연산에 의한 이차원 플라즈마 분포를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 20 및 21은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템들을 나타내는 사시도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 설명 및 도시의 편의를 위하여 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축을 이용하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. X축, Y축 및 Z축은 서로 직교하는 3개의 상대적인 방향들을 표시하기 위해 사용되는 것일 뿐이며 특정한 방향들에 고정되는 것은 아니다.
X축 방향은 제1 수평 방향에 해당하고, Y축 방향은 제2 수평 방향에 해당하고, Z축 방향은 수직 방향에 해당한다. 다른 특별한 언급이 없는 한 본 명세서에서 Z축은 플라즈마 챔버 내에 배치되는 웨이퍼에 수직한 방향, 즉 모니토링 플라즈마 평면에 수직한 방향으로 사용된다. 본 명세서에서 참조 부호로서 사용되는 X, Y 및 Z는 방향을 나타낼 수도 있고 상응하는 방향의 위치 또는 좌표를 나타낼 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 플라즈마 모니토링 시스템(10)은 플라즈마 챔버(100), 제1 플라즈마 센싱 장치(200), 제2 플라즈마 센싱 장치(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200)는 플라즈마 챔버(100) 내의 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)으로부터 제1 수평 방향(X)에 배치되고, 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)으로부터 제1 수평 방향(X)에 수직인 제2 수평 방향(Y)에 배치된다. 다시 말해, 제1 플라즈마 센싱 장치(200) 및 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)을 기준으로 서로 직교하는 위치들에 배치된다. 상기 직교하는 위치들에 관찰 윈도우들(viewing windows)(VW1, VW2)이 형성될 수 있다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200)는 제1 수평 방향(X)으로 방사되는 제1 입력 빔(BX)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 제1 검출 신호(PDI1)를 발생한다. 제1 검출 신호(PDI1)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원(one-dimensional) 플라즈마 분포를 나타낸다.
제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 제2 수평 방향(Y)으로 방사되는 제2 입력 빔(BY)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 제2 검출 신호(PDI2)를 발생한다. 제2 검출 신호(PDI2)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
제1 검출 신호(PDI1) 및 제2 검출 신호(PDI2)의 각각은 광도 데이터 및 스펙트럼 데이터를 포함할 수 있다. 상기 광도 데이터는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치 및 제1 수평 방향(X)의 위치의 각각에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타낸다. 상기 스펙트럼 데이터는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치 및 제1 수평 방향(X)의 위치의 각각에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타낸다. 제1 검출 신호(PDI1) 및 제2 검출 신호(PDI2)가 나타내는 일차원 플라즈마 분포에 대해서는 도 10 내지 12를 참조하여 후술한다.
이러한 제1 검출 신호(PDI1) 및 제2 검출 신호(PDI2)를 제공하기 위하여, 제1 플라즈마 센싱 장치(200) 및 제2 플라즈마 센싱 장치(300)의 각각은 수광부, 분기부, 일차원 검출기 및 이차원 검출기를 포함할 수 있다. 상기 이차원 검출기는 회절 격자 및 이미지 센서를 포함할 수 있다.
상기 수광부는 제1 입력 빔(BX) 및 제2 입력 빔(BY)의 각각을 필터링하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 상응하는 라인 빔을 제공할 수 있다. 상기 분기부는 상기 라인 빔을 분기하여 2개의 분기 라인 빔들을 제공할 수 있다. 상기 일차원 검출기는 상기 2개의 분기 라인 빔들 중 하나의 분기 라인 빔에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치 및 제1 수평 방향(X)의 위치의 각각에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 광도 데이터를 제공할 수 있다. 상기 회절 격자는 상기 2개의 분기 라인 빔들 중 다른 하나의 분기 라인 빔을 파장별 회절 빔들로 분리하여 제공할 수 있다. 상기 이미지 센서는 상기 회절 빔들에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치 및 제1 수평 방향(X)의 위치의 각각에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 스펙트럼 데이터를 제공할 수 있다.
제어부(400)는 제1 검출 신호(PDI1) 및 제2 검출 신호(PDI2)에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출하고, 상기 이차원 플라즈마 분포 정보에 기초하여 플라즈마 챔버(100)에 의한 플라즈마 공정을 제어한다. 제어부(400)의 컨볼루션 연산에 의한 이차원 플라즈마 분포 정보에 대해서는 도 14 내지 18을 참조하여 후술한다.
일 실시예에서, 제1 검출 신호(PDI1)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제1 광도 데이터를 포함하고, 제2 검출 신호(PDI2)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제2 광도 데이터를 포함할 수 있다.
이 경우, 제어부(400)는 상기 제1 광도 데이터 및 상기 제2 광도 데이터에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 전체 가스 종들(gas species)에 대한 이차원 전체 광도 분포를 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 검출 신호(PDI1)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제1 스펙트럼 데이터를 포함하고, 제2 검출 신호(PDI2)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제2 스펙트럼 데이터를 포함할 수 있다.
이 경우, 제어부(400)는 상기 제1 스펙트럼 데이터 및 상기 제2 스펙트럼 데이터에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 가스 종들의 각각에 대한 이차원 파장별 광도 분포를 검출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 모니토링 시스템은, 검출 신호들의 직교성을 이용하여 이차원 플라즈마 분포 정보를 실시간으로 제공함으로써 플라즈마 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 모니토링 시스템(10)은 챔버(100), 하부 전극을 갖는 기판 지지부(110), 상부 전극(130) 및 샤워 헤드(140)를 포함할 수 있다.
기판 지지부(110)는 챔버(100) 내에서 웨이퍼(W)를 지지할 수 있다. 기판 지지부(110)는 상기 웨이퍼가 안착되는 상기 하부 전극을 갖는 기판 스테이지를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 모니토링 시스템(10)은 유도 결합형 플라즈마(ICP, induced coupled plasma) 챔버(100) 내에 배치된 반도체 웨이퍼(W)와 같은 기판 표면에 플라즈마를 조사하여 상기 기판 표면에 댕글링 본드(dangling bond)를 형성하기 위한 장치일 수 있다. 하지만, 상기 플라즈마 처리 장치에 의해 생성된 플라즈마는 유도 결합형 플라즈마에 제한되지는 않으며, 예를 들면, 용량 결합형 플라즈마, 마이크로웨이브형 플라즈마일 수 있다.
챔버(100)는 웨이퍼(W) 상에 플라즈마 처리 공정을 수행하기 위한 밀폐된 공간을 제공할 수 있다. 챔버(100)는 원통형 진공 챔버일 수 있다. 챔버(100)는 알루미늄, 스테인리스 스틸과 같은 금속을 포함할 수 있다. 챔버(100)는 챔버(100)의 상부를 덮는 커버(102)를 포함할 수 있다. 커버(102)는 챔버(100)의 상부를 밀폐시킬 수 있다.
챔버(100)의 측벽에는 웨이퍼(W)의 출입을 위한 게이트(도시되지 않음)가 설치될 수 있다. 상기 게이트를 통해 웨이퍼(W)가 상기 기판 스테이지 상으로 로딩 및 언로딩될 수 있다. 또한 챔버(100)의 측벽에는 직교하는 위치들에 관찰 윈도우들(VW1, VW2)들이 배치될 수 있다.
챔버(100)의 하부에는 배기 포트(104)가 설치되고, 배기 포트(104)에는 배기관을 통해 배기부(106)가 연결될 수 있다. 상기 배기부는 터보 분자 펌프와 같은 진공 펌프를 포함하여 챔버(100) 내부의 처리 공간을 원하는 진공도의 압력으로 조절할 수 있다. 또한, 챔버(100) 내에 발생된 공정 부산물들 및 잔여 공정 가스들을 배기 포트(104)를 통하여 배출될 수 있다.
상부 전극(130)은 상기 하부 전극과 대향하도록 챔버(100) 외측 상부에 배치될 수 있다. 상부 전극(130)은 커버(102) 상에 배치될 수 있다. 이와 다르게, 상부 전극(130)은 샤워 헤드(140) 상부 또는 챔버 상부에 형성될 수 있다.
상부 전극(130)은 고주파(RF) 안테나를 포함할 수 있다. 상기 안테나는 평면 코일 형상을 가질 수 있다. 커버(102)는 원판 형상의 유전체 창(dielectric window)을 포함할 수 있다. 상기 유전체 창은 유전 물질을 포함한다. 예를 들어서, 상기 유전체 창은 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다. 상기 유전체 창은 상기 안테나로부터의 파워를 챔버(100) 내부로 전달하는 기능을 가질 수 있다.
예를 들면, 상부 전극(130)은 나선 형태 또는 동심원 형태의 코일들을 포함할 수 있다. 상기 코일은 챔버(100)의 플라즈마 공간(PLS)에서 유도 결합된 플라즈마(inductively coupled plasma)를 발생시킬 수 있다. 여기서는, 상기 코일들의 개수, 배치 등은 이에 제한되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 모니토링 시스템(10)은 샤워 헤드(140)에 연결되어 챔버(100) 내부로 플라즈마 가스를 공급하기 위한 가스 공급부를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 가스 공급부는 가스 공급 엘리먼트들로서, 가스 공급관들(152), 유량 제어기(154), 및 가스 공급원(156)을 포함할 수 있다. 가스 공급관(152)은 챔버(100) 내의 샤워 헤드(140)의 내부 공간(141)에 연결될 수 있다.
샤워 헤드(140)는 기판 지지부(110) 상부에 웨이퍼(W) 전체 표면에 대응하여 배치되고, 분사홀들(142)을 통해 웨이퍼(W) 표면 상부에 상기 플라즈마 가스를 분사할 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 가스는 O2, N2, Cl2등의 가스를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
가스 공급원(156)은 상기 플라즈마 가스를 보관하고, 상기 플라즈마 가스는 가스 공급관(152)과 각각 연결된 샤워 헤드(140)를 통해 챔버(100) 내부로 공급될 수 있다. 유량 제어기(154)는 가스 공급관(152)을 통하여 챔버(100) 내부로 유입되는 플라즈마 가스의 공급 유량을 제어할 수 있다. 유량 제어기(154)는 질량 유량 제어기(MFC, mass flow controller)를 포함할 수 있다.
제1 전력 공급부(131)는 상부 전극(130)에 플라즈마 소스 파워를 인가할 수 있다. 예를 들면, 제1 전력 공급부(131)는 플라즈마 소스 엘리먼트들로서, 소스 RF 전원(134) 및 소스 RF 정합기(132)를 포함할 수 있다. 소스 RF 전원(134)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다. 소스 RF 정합기(132)는 소스 RF 전원(134)에서 발생된 RF 신호의 임피던스를 매칭하여 상기 코일들을 이용하여 발생시킬 플라즈마를 제어할 수 있다.
제2 전력 공급부(121)는 상기 하부 전극에 바이어스 소스 파워를 인가할 수 있다. 예를 들면, 제2 전력 공급부(121)는 바이어스 엘리먼트들로서, 바이어스 RF 전원(124) 및 바이어스 RF 정합기(122)를 포함할 수 있다. 상기 하부 전극은 챔버(100) 내에서 발생한 플라즈마 원자 또는 이온을 끌어당길 수 있다. 바이어스 RF 전원(124)은 고주파(RF) 신호를 발생시킬 수 있다. 바이어스 RF 정합기(122)는 상기 하부 전극에 인가되는 바이어스 전압 및 바이어스 전류를 조절하여 바이어스 RF의 임피던스를 매칭시킬 수 있다. 바이어스 RF 전원(124)과 소스 RF 전원(124)는 제어부(400)의 동조기를 통하여 서로 동기화되거나 비동기화될 수 있다.
제어부(400)는 제1 전력 공급부(131) 및 제2 전력 공급부(121)에 연결되어 이들의 동작을 제어할 수 있다. 제어부(400)는 마이크로컴퓨터 및 각종 인터페이스를 포함하고, 외부 메모리 또는 내부 메모리에 저장되는 프로그램 및 레시피 정보에 따라 플라즈마 모니토링 시스템(10)의 동작을 제어할 수 있다.
소정의 주파수를 갖는 고주파 전력이 상부 전극(130)에 인가되면, 상부 전극(130)에 의해 유도된 전자기장이 챔버(100) 내로 분사된 플라즈마 가스로 인가되어 플라즈마(PLS)가 생성될 수 있다. 상기 플라즈마 전력의 주파수보다 작은주파수를 갖는 상기 바이어스 전력이 상기 하부 전극에 인가되어 챔버(100) 내에서 발생한 플라즈마 원자 또는 이온을 상기 하부 전극을 향하여 끌어당길 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 플라즈마 챔버(100)는 웨이퍼(W) 표면에 국부적인 플라즈마 처리를 수행할 수 있다. 플라즈마 챔버(100)는 웨이퍼(W) 표면에 대하여 중심(O) 둘레를 따라 적어도 부분적으로 원주 방향으로 서로 다른 플라즈마 농도를 갖는 플라즈마 처리를 수행할 수 있다.
구체적으로, 플라즈마 챔버(100)는 웨이퍼(W) 중심(O)으로부터 제1 방향으로 제1 플라즈마 농도로 처리하고 상기 제1 방향에 대하여 웨이퍼(W) 중심(O) 둘레를 따라 원주 방향으로 기 설정된 각도만큼 기울어진 제2 방향으로 상기 제1 플라즈마 농도보다 높은 제2 플라즈마 농도로 처리할 수 있다.
본 명세서에서 모니토링 플라즈마 평면(MPN)은 플라즈마 공간(PLS)의 일부로서 모니토링의 대상이 되는 평면을 나타낸다. 모니토링 플라즈마 평면(MPN)은 매우 얇은 두께를 갖는 판 형태의 공간에 해당할 수 있다. 상기 매우 얇은 두께는 플라즈마 센싱 장치의 성능에 따라 결정될 수 있을 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이 제1 플라즈마 센싱 장치(200) 및 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)과 수직 방향(Z)으로 동일한 높이(H)에 정렬될 수 있다. 일 실시예에서, 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 높이(H)는 고정될 수 있다. 다른 실시예에서, 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 높이(H)는 가변적일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 평면도이고, 도 5 및 6은 도 3의 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 측면도들이다. 도 3 내지 도 6에는 편의상 제1 플라즈마 센싱 장치(200) 및 제2 플라즈마 센싱 장치(300) 만이 도시되어 있으며, 도 1 및 2를 참조하여 설명한 다른 구성 요소들은 생략되었다.
도 3 내지 6을 참조하면, 플라즈마 모니토링 시스템은 제1 플라즈마 센싱 장치(200) 및 제2 플라즈마 센싱 장치(300)를 포함할 수 있다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200)는 제1 수광부(210), 제1 분기부(220), 제1 일차원 검출기(230) 및 제1 이차원 검출기(240)를 포함할 수 있다.
제1 수광부(210)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)으로부터 제1 수평 방향(X)으로 방사되는 제1 입력 빔(BX)을 필터링하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 상응하는 제1 라인 빔(LBX)을 제공할 수 있다.
제1 분기부(220)는 제1 라인 빔(LBX)을 분기하여 제1 분기 라인 빔(LBX1) 및 제2 분기 라인 빔(LBX2)을 제공할 수 있다.
제1 일차원 검출기(230)는 제1 분기 라인 빔(LBX1)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제1 광도 데이터를 제공할 수 있다.
제1 이차원 검출기(240)는 제2 분기 라인 빔(LBX2)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제1 스펙트럼 데이터를 제공할 수 있다.
제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 제2 수광부(310), 제2 분기부(320), 제2 일차원 검출기(330) 및 제2 이차원 검출기(340)를 포함할 수 있다.
제2 수광부(310)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)으로부터 제2 수평 방향(Y)으로 방사되는 제2 입력 빔(BY)을 필터링하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 제2 라인 빔(LBY)을 제공할 수 있다.
제2 분기부(320)는 제2 라인 빔(LBY)을 분기하여 제3 분기 라인 빔(LBY1) 및 제4 분기 라인 빔(LBY2)을 제공할 수 있다.
제2 일차원 검출기(330)는 제3 분기 라인 빔(LBY1)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제2 광도 데이터를 제공할 수 있다.
제2 이차원 검출기(340)는 제4 분기 라인 빔(LBY2)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제2 스펙트럼 데이터를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 수광부의 일 실시예를 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 수광부를 나타내는 측면도이다. 도 7 및 8에는 예시적으로 제1 수광부(210)가 도시되어 있으며, 제2 수광부(310)는 제1 수광부(210)와 동일한 구성을 가질 수 있다.
도 7 및 8을 참조하면, 제1 수광부(210)는 제1 입사 빔(BX)을 집광하는 제1 렌즈 유닛 및 제1 필터(215)를 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈 유닛은 하나 이상의 렌즈들(211, 212, 213)을 포함하여 구현될 수 있다. 렌즈들(211, 212, 213)은 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 프레즈넬(Fresnel) 렌즈, 메타(Meta) 렌즈 등과 같은 렌즈들의 다양한 조합을 포함할 수 있다.
제1 필터(215)는 상기 제1 렌즈 유닛에 의해 집광된 빔 중에서 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 상응하는 제1 라인 빔(LBX)만을 통과시키는 슬릿을 포함할 수 있다.
렌즈들(211, 212, 213)은 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 제2 수평 방향(Y)의 지름(y1~y2)에 상응하는 광들을 수광할 수 있도록 비교적 넓은 수광각을 가질 수 있다.
상기 슬릿은 제2 수평 방향(Y)으로 길게 신장되고 수직방향(Z)으로 얇은 폭을 가질 수 있다. 상기 슬릿의 제2 수평 방향(Y)의 길이는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 제2 수평 방향(Y)의 지름(y1~y2)의 하나의 종점(y1)으로부터 방사되는 광(LT1, LT1') 및 다른 하나의 종점(y2)으로부터 방사되는 광(LT2, LT2')에 상응하도록 결정될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 슬릿의 수직 방향(Z)의 폭은 모니토링 플라즈마 평면(MPN)으로부터 방사되는 광들만을 통과시키고 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 상부 및 하부로부터 방사되는 광들은 차단할 수 있도록 비교적 얇은 폭으로 결정될 수 있다.
도면에 도시하지는 않았으나, 제2 수광부(310)는 제1 수광부(210)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 즉 제2 수광부(310)는 제2 입사 빔(BY)을 집광하는 제2 렌즈 유닛 및 제2 필터를 포함할 수 있다.
상기 제2 렌즈 유닛은 하나 이상의 렌즈들을 포함하여 구현될 수 있다. 상기 렌즈들은 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 프레즈넬(Fresnel) 렌즈, 메타(Meta) 렌즈 등과 같은 렌즈들의 다양한 조합을 포함할 수 있다.
상기 제2 필터는 상기 제2 렌즈 유닛에 의해 집광된 빔 중에서 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 상응하는 제2 라인 빔(LBY)만을 통과시키는 슬릿을 포함할 수 있다.
상기 슬릿은 제1 수평 방향(X)으로 길게 신장되고 수직 방향(Z)으로 얇은 폭을 가질 수 있다. 상기 슬릿의 제1 수평 방향(X)의 길이는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 제1 수평 방향(X)의 지름의 하나의 종점으로부터 방사되는 광 및 다른 하나의 종점으로부터 방사되는 광에 상응하도록 결정될 수 있다. 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 슬릿의 수직 방향(Z)의 폭은 모니토링 플라즈마 평면(MPN)으로부터 방사되는 광들만을 통과시키고 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 상부 및 하부로부터 방사되는 광들은 차단할 수 있도록 비교적 얇은 폭으로 결정될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치를 나타내는 사시도이다. 도 9에는 예시적으로 제1 플라즈마 센싱 장치(200)가 도시되어 있으며 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 제1 플라즈마 센싱 장치(200)와 동일한 구성을 가질 수 있다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200)는 제1 수광부(미도시), 제1 분기부(220), 제1 일차원 검출기(230) 및 제1 이차원 검출기(240)를 포함할 수 있다. 상기 제1 수광부는 도 7 및 8을 참조하여 설명한 바와 같다.
일 실시예에서, 제1 분기부(210)는 각각 빔 스플릿터(beam splitter)를 포함할 수 있다. 빔 스플릿터는 입사 빔의 일부는 반사하고, 다른 부분은 투과하는 하프 미러 또는 기타의 광학 장치를 말한다. 결정의 복굴절성을 이용하여 진동 방향이 서로 직각인 두 출사 빔을 제공하는 광학 장치도 빔 스플리터의 일종이다.
제1 일차원 검출기(230)는 라인 센서를 포함할 수 있다. 라인 센서는 하나의 행으로 배열된 광 검출기 또는 픽셀들로 구현될 수 있다. 라인 센서는 복수의 행들로 배열된 픽셀들을 포함할 수 있으나, 이 경우 동일한 열에 포함된 픽셀들은 하나의 좌표에 대한 정보로서 통합하여 이용될 수 있다.
제1 이차원 검출기(240)는 제1 회절 격자(241) 및 제1 이미지 센서(242)를 포함할 수 있다.
제1 회절 격자(241)는 제2 분기 라인 빔(LBX2)을 파장별 제1 회절 빔들로 분리하여 제공할 수 있다. 회절 격자(diffraction grating)는 빛을 반사 또는 투과시키는, 평행하게 같은 간격으로 놓인 얇은 선의 열들이 형성된 광학 장치를 말한다. 선의 간격과 빛의 파장에 따라 결정되는 회절각이 다름을 이용하여 입사 빔을 스펙트럼 성분들로 분리시킬 수 있다.
제1 이미지 센서(242)는 상기 제1 회절 빔들에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제1 스펙트럼 데이터를 제공할 수 있다. 이미지 센서는 이차원 이미지를 촬상할 수 있는 임의의 이미지 캡쳐 장치를 말한다. 도 11에 도시된 바와 같이 상기 이차원 이미지의 열은 스펙트럼 성분 즉 회절 빔의 파장을 나타내고 상기 이차원 이미지의 행은 수평 방향의 위치에 따른각 파장별 광도 분포를 나타낼 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았으나, 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 도 7 내지 9를 참조하여 설명한 바와 같은 제1 플라즈마 센싱 장치(200)와 동일한 구성을 가질 수 있다.
제2 수광부(310)는, 제2 입사 빔(LY)을 집광하는 제2 렌즈 유닛 및 상기 제2 렌즈 유닛에 의해 집광된 빔 중에서 제2 라인 빔(LBY)을 통과시키는 슬릿을 포함하는 제2 필터를 포함할 수 있다.
또한, 제2 이차원 검출부(340)는, 제4 분기 라인 빔(LBY2)을 파장별 제1 회절 빔들로 분리하여 제공하는 제1 회절 격자 및 상기 제2 회절 빔들에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제2 스펙트럼 데이터를 제공하는 제2 이미지 센서를 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 일차원 검출기에 의해 제공되는 광도 데이터의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 이차원 검출기에 의해 제공되는 스펙트럼 이미지의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 이차원 검출기에 의해 제공되는 스펙트럼 데이터의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10에는 일 예로서 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 플라즈마 상태가 균일한 경우를 나타내고 있다. 상기 광도 데이터는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치 및 제1 수평 방향(X)의 위치의 각각에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타낸다. 도 10에서 706.75, 750.75, 777.25 및 811.75 는 4개의 주요 가스 종들에 대한 파장(nm)을 나타낸다.
도 11에는 이차원 검출기에 포함되는 이미지 센서에 의해 촬상된 이미지를 나타낸다. 도 11의 횡선들은 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 플라즈마의 파장들에 각각 상응한다. 즉, 도 11의 횡선들은 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치 및 제1 수평 방향(X)의 위치의 각각에 따른 파장별 광도 분포를 나타낸다.
도 12는 주요 피크(peak) 파장들에 대한 스펙트럼 데이터를 나타낸다. 즉, 도 12는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치 및 제1 수평 방향(X)의 위치의 각각에 따른 주요 피크 파장별 광도 분포를 나타낸다. 도 12에는 일 예로서 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 파장별 플라즈마 상태가 균일한 경우를 나타내고 있다.
광학 시뮬레이션에 있어서, 입사 빔의전체 광도 중심의 레이디오메트리(radiometry) 및 입사 빔의 파장에 따른 컬러 분포 중심의 포토메트리(photometry)의 특성 분석이 가능하다. 플라즈마 특성상 각 가스 종들의 유량의 크기에 따라 레이디오메트리 및 포토메트리에 의한 결과를 얻을 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 공정 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13을 참조하면, 플라즈마 챔버 내의 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 제1 수평 방향에 배치되는 제1 플라즈마 센싱 장치를 이용하여, 상기 제1 수평 방향으로 방사되는 제1 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제1 검출 신호를 발생한다(단계 S100)
상기 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에 배치되는 제2 플라즈마 센싱 장치를 이용하여, 상기 제2 수평 방향으로 방사되는 제2 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제2 검출 신호를 발생한다(단계 S200).
상기 제1 검출 신호 및 상기 제2 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출한다(단계 S300).
상기 이차원 플라즈마 분포 정보에 기초하여 플라즈마 공정을 제어한다(단계 S400).
도 14 및 15는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 일차원 검출기들에 의해 제공되는 광도 데이터의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 14는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제1 광도 데이터의 일 예를 나타낸다. 도 15는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제2 광도 데이터의 일 예를 나타낸다. 도 14 및 15에는 전술한 렌즈 유닛의 초점 거리(FL)에 따른 광도 분포도 함께 도시되어 있다.
도 16은 도 14 및 15의 광도 데이터에 기초한 컨볼루션 연산에 의한 이차원 플라즈마 분포를 나타내는 도면이다.
도 14 및 15의 제1 광도 데이터 및 제2 광도 데이터는 각각 두 개의 함수 f 및 함수 g로 표현될 수 있으며, 함수 f 및 함수 g는 특성 파라메터 변환에 의한 함수들 F(x) 및 G(x)로 변환이 가능하다. 이 두 개의 함수들 F(x) 및 G(x)의 직교성(orthogonality)을 이용하여 F(x) 및 G(x)의 컨볼루션 연산을 수행하면 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 이차원 플라즈마 분포를 검출할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 검출 신호(PDI1)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제1 광도 데이터를 포함하고, 제2 검출 신호(PDI2)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제2 광도 데이터를 포함할 수 있다. 이 경우, 제어부(400)는 상기 제1 광도 데이터 및 상기 제2 광도 데이터에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 전체 가스 종들(gas species)에 대한 이차원 전체 광도 분포를 검출할 수 있다.
도 17a 및 17b는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치에 포함되는 이차원 검출기에 의해 제공되는 스펙트럼 데이터의 예들을 나타내는 도면이다.
도 17a는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제1 스펙트럼 데이터의 일 예를 나타낸다. 도 17b는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제2 스펙트럼 데이터의 일 예를 나타낸다. 도 17a 및 17b에서 706.75, 750.75, 777.25 및 811.75 는 4개의 주요 가스 종들에 대한 파장(nm)을 나타낸다.
도 18은 도 17a 및 17b의 스펙트럼 데이터에 기초한 컨볼루션 연산에 의한 이차원 플라즈마 분포를 나타내는 도면이다.
광도 데이터의 컨볼루션 연산과 마찬가지로, 도 17a 및 17b의 제1 스펙트럼 데이터 및 제2 스펙트럼 데이터는 각 파장별로 각각 두 개의 함수 f 및 함수 g로 표현될 수 있으며, 함수 f 및 함수 g는 특성 파라메터 변환에 의한 함수들 F(x) 및 G(x)로 변환이 가능하다. 이 두 개의함수들 F(x) 및 G(x)의 직교성(orthogonality)을 이용하여 F(x) 및 G(x)의 컨볼루션 연산을 수행하면 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 각 파장별 이차원 플라즈마 분포를 검출할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 검출 신호(PDI1)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제1 스펙트럼 데이터를 포함하고, 제2 검출 신호(PDI2)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제2 스펙트럼 데이터를 포함할 수 있다. 이 경우, 제어부(400)는 상기 제1 스펙트럼 데이터 및 상기 제2 스펙트럼 데이터에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 가스 종들의 각각에 대한 이차원 파장별 광도 분포를 검출할 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템을 나타내는 사시도이다. 도 19에는 편의상 플라즈마 센싱장치들 이외의 구성 요소들은 도시가 생략되어 있다.
도 19를 참조하면, 플라즈마 모니토링 시스템(1001)은 제1 플라즈마 센싱 장치(200), 제2 플라즈마 센싱 장치(300), 제3 플라즈마 센싱 장치(201) 및 제4 플라즈마 센싱 장치(301)를 포함할 수 있다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200)는 플라즈마 챔버(100) 내의 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)으로부터 제1 수평 방향(X)에 배치되고, 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)으로부터 제1 수평 방향(X)에 수직인 제2 수평 방향(Y)에 배치된다. 즉, 제1 플라즈마 센싱 장치(200) 및 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)을 기준으로 서로 직교하는 위치들에 배치된다.
제3 플라즈마 센싱 장치(201)는 플라즈마 챔버(100) 내의 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)으로부터 제1 수평 방향(X)의 반대 방향(-X)에 배치되고, 제4 플라즈마 센싱 장치(301)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)으로부터 제2 수평 방향(Y)의 반대 방향(-Y)에 배치된다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200), 제2 플라즈마 센싱 장치(300), 제3 플라즈마 센싱 장치(201) 및 제4 플라즈마 센싱 장치(301)는 모두 수직 방향(Z)으로 모니토링 플라즈마 평면(MPN)과 동일한 높이에 배치된다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200)는 제1 수평 방향(X)으로 방사되는 제1 입력 빔(BX1)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 제1 검출 신호를 발생한다. 상기 제1 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원(one-dimensional) 플라즈마 분포를 나타낸다.
제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 제2 수평 방향(Y)으로 방사되는 제2 입력 빔(BY1)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 제2 검출 신호를 발생한다. 상기 제2 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
제3 플라즈마 센싱 장치(201)는 제1 수평 방향(X)의 반대 방향(-X)으로 방사되는 제3 입력 빔(BX2)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 제3 검출 신호를 발생한다. 상기 제3 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
제4 플라즈마 센싱 장치(301)는 제2 수평 방향(Y)의 반대 방향(-Y)으로 방사되는 제4 입력 빔(BY2)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 제4 검출 신호를 발생한다. 상기 제4 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
결과적으로 상기 제1 검출 신호 및 상기 제3 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타내고, 상기 제2 검출 신호 및 상기 제4 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다. 제1 수평 방향(X) 및 제2 수평 방향(Y)의 각각에 대한 2개의 검출 신호들을 이용하여 더욱 정밀한 일차원 플라즈마 분포를 알 수 있다.
도 1의 제어부(400)는, 상기 제1 검출 신호 및 상기 제3 검출 신호에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 검출하고, 상기 제2 검출 신호 및 상기 제4 검출 신호에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 검출할 수 있다.
실시예에 따라서, 제3 플라즈마 센싱 장치(201) 및 제4 플라즈마 센싱 장치(301) 중 하나는 생략될 수도 있다.
이하 도 20 및 21을 참조하여 삼차원 플라즈마 분포 정보를 검출하기 위한 플라즈마 모니토링 시스템의 실시예들을 설명한다.
도 20 및 21은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 모니토링 시스템들을 나타내는 사시도들이다. 도 21 및 22에는 편의상 플라즈마 센싱 장치들 이외의 구성 요소들은 도시가 생략되어 있다.
도 20을 참조하면, 플라즈마 모니토링 시스템(1002)은 제1 플라즈마 센싱 장치(200a), 제2 플라즈마 센싱 장치(300a), 제3 플라즈마 센싱 장치(200b), 제4 플라즈마 센싱 장치(300b), 제5 플라즈마 센싱 장치(200c) 및 제6 플라즈마 센싱 장치(300c)를 포함할 수 있다.
도 20에서 제1 모니토링 플라즈마 평면(MPN1), 제2 모니토링 플라즈마 평면(MPN2) 및 제3 모니토링 플라즈마 평면(MPN3)은 수직 방향(Z)으로 서로 다른 높이를 갖는다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200a)는 제1 모니토링 플라즈마 평면(MPN1)의 중심(CP1)으로부터 제1 수평 방향(X)으로 방사되는 제1 입력 빔(BXa)에 기초하여 제1 모니토링 플라즈마 평면(MPN1)에 대한 제1 검출 신호를 발생한다. 상기 제1 검출 신호는 제1 모니토링 플라즈마 평면(MPN1) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원(one-dimensional) 플라즈마 분포를 나타낸다.
제2 플라즈마 센싱 장치(300a)는 제1 모니토링 플라즈마 평면(MPN1)의 중심(CP1)으로부터 제2 수평 방향(Y)으로 방사되는 제2 입력 빔(BYa)에 기초하여 모니토링 제1 플라즈마 평면(MPN1)에 대한 제2 검출 신호를 발생한다. 상기 제2 검출 신호는 제1 모니토링 플라즈마 평면(MPN1) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
제3 플라즈마 센싱 장치(200b)는 제2 모니토링 플라즈마 평면(MPN2)의 중심(CP2)으로부터 제1 수평 방향(X)의 반대 방향(-X)으로 방사되는 제3 입력 빔(BXb)에 기초하여 제2 모니토링 플라즈마 평면(MPN2)에 대한 제3 검출 신호를 발생한다. 상기 제3 검출 신호는 제2 모니토링 플라즈마 평면(MPN2) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
제4 플라즈마 센싱 장치(300b)는 제2 모니토링 플라즈마 평면(MPN2)의 중심(CP2)으로부터 제2 수평 방향(Y)의 반대 방향(-Y)으로 방사되는 제4 입력 빔(BYb)에 기초하여 제2 모니토링 플라즈마 평면(MPN2)에 대한 제4 검출 신호를 발생한다. 상기 제4 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
제5 플라즈마 센싱 장치(200c)는 제3 모니토링 플라즈마 평면(MPN3)의 중심(CP3)으로부터 제1 수평 방향(X)으로 방사되는 제5 입력 빔(BXc)에 기초하여 제3 모니토링 플라즈마 평면(MPN3)에 대한 제5 검출 신호를 발생한다. 상기 제5 검출 신호는 제3 모니토링 플라즈마 평면(MPN3) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원) 플라즈마 분포를 나타낸다.
제6 플라즈마 센싱 장치(300c)는 제3 모니토링 플라즈마 평면(MPN3)의 중심(CP3)으로부터 제2 수평 방향(Y)으로 방사되는 제6 입력 빔(BYc)에 기초하여 제3 모니토링 플라즈마 평면(MPN3)에 대한 제6 검출 신호를 발생한다. 상기 제6 검출 신호는 제3 모니토링 플라즈마 평면(MPN3) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
도 20에는 편의상 제1 플라즈마 센싱 장치(200a), 제2 플라즈마 센싱 장치(300a), 제3 플라즈마 센싱 장치(200b), 제4 플라즈마 센싱 장치(300b), 제5 플라즈마 센싱 장치(200c) 및 제6 플라즈마 센싱 장치(300c)가 제1 수평 방향(X), 제2 수평 방향(Y), 제1 수평 방향(X)의 반대 방향(-X) 및 제2 수평 방향(Y)의 반대 방향(-Y)에 각각 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 동일한 모니토링 플라즈마 평면 상의 두 개의 플라즈마 센싱 장치들이 서로 직교하는 위치들에 배치되면 되고, 서로 다른 모니토링 플라즈마 평면의 플라즈마 센싱 장치들이 반드시 서로 직교되는 위치들에 배치될 필요는 없다.
도 1의 제어부(400)는 상기 제1 검출 신호 및 상기 제2 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 제1 모니토링 플라즈마 평면(MPN1)에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출한다. 또한 제어부(400)는 상기 제3 검출 신호 및 상기 제4 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 제2 모니토링 플라즈마 평면(MPN2)에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출한다. 또한 제어부(400)는 상기 제5 검출 신호 및 상기 제6 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 제3 모니토링 플라즈마 평면(MPN3)에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출한다. 2개 이상의 플라즈마 평면들(MPN1, MPN2, MPN3)에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보는 삼차원 플라즈마 분포 정보에 해당한다.
결과적으로 제어부(400)는 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 공간에 대한 삼차원 플라즈마 분포 정보를 검출하고, 상기 삼차원 플라즈마 분포 정보에 기초하여 상기 플라즈마 공정을 제어할 수 있다.
도 21을 참조하면, 플라즈마 모니토링 시스템(1003)은 제1 플라즈마 센싱 장치(200), 제2 플라즈마 센싱 장치(300), 마운트 장치(700) 및 액츄에이터(800)를 포함할 수 있다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200)는 플라즈마 챔버(100) 내의 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)으로부터 제1 수평 방향(X)에 배치되고, 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)으로부터 제1 수평 방향(X)에 수직인 제2 수평 방향(Y)에 배치된다. 즉, 제1 플라즈마 센싱 장치(200) 및 제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)을 기준으로 서로직교하는 위치들에 배치된다.
제1 플라즈마 센싱 장치(200)는 제1 수평 방향(X)으로 방사되는 제1 입력 빔(BX1)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 제1 검출 신호를 발생한다. 상기 제1 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제2 수평 방향(Y)의 위치에 따른 일차원(one-dimensional) 플라즈마 분포를 나타낸다.
제2 플라즈마 센싱 장치(300)는 제2 수평 방향(Y)으로 방사되는 제2 입력 빔(BY1)에 기초하여 모니토링 플라즈마 평면(MPN)에 대한 제2 검출 신호를 발생한다. 상기 제2 검출 신호는 모니토링 플라즈마 평면(MPN) 상의 제1 수평 방향(X)의 위치에 따른 일차원 플라즈마 분포를 나타낸다.
마운트 장치(700)에는 제1 플라즈마 센싱 장치(200) 및 제2 플라즈마 센싱 장치(300)가 장착된다. 액츄에이터(800)는 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 높이를 순차적으로 변경하도록 마운트 장치(700)의 높이를 조절할 수 있다. 예를 들어, 엑츄에이터(800)는 제어부(400)로부터 제공되는 구동 신호(SDR)에 기초하여 높이의 변경량 및 변경 시점을 결정할 수 있다. 실시예에 따라서, 엑츄에이터(800)는 마운트 장치(700)를 모니토링 플라즈마 평면(MPN)의 중심(CP)을 지나는 수직 축을 중심으로 회전시킬 수도 있다.
제어부(400)는, 상기 순차적으로 변경되는 높이의 모니토링 플라즈마 평면에 상응하는 상기 제1 검출 신호 및 상기 제2 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 플라즈마 챔버 내의 플라즈마 공간에 대한 삼차원 플라즈마 분포 정보를 검출하고, 상기 삼차원 플라즈마 분포정보에 기초하여 상기 플라즈마 공정을 제어할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 센싱 장치, 이를 포함하는 플라즈마 모니토링 시스템 및 플라즈마 공정 제어 방법은, 검출 신호들의 직교성을 이용하여 이차원 또는 삼차원의 플라즈마 분포 정보를 실시간으로 제공함으로써 플라즈마 공정의 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 반도체 집적 회로의 제조 공정에 유용하게 이용될 수 있다. 특히 본 발명의 실시예들은 메모리 카드, 솔리드 스테이트 드라이브(Solid State Drive; SSD), 임베디드 멀티미디어 카드(eMMC, embedded multimedia card), 컴퓨터(computer), 노트북(laptop), 핸드폰(cellular phone), 스마트폰(smart phone), MP3 플레이어, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 TV, 디지털 카메라, 포터블 게임 콘솔(portable game console), 네비게이션(navigation) 기기, 웨어러블(wearable) 기기, IoT(internet of things;) 기기, IoE(internet of everything:) 기기, e-북(e-book), VR(virtual reality) 기기, AR(augmented reality) 기기 등과 같은 전자 기기 및 제조 공정에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 플라즈마 공정을 수행하는 플라즈마 챔버
    상기 플라즈마 챔버 내의 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 제1 수평 방향에 배치되고, 상기 제1 수평 방향으로 방사되는 제1 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제1 검출 신호를 발생하는 제1 플라즈마 센싱 장치
    상기 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 상기 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향에 배치되고, 상기 제2 수평 방향으로 방사되는 제2 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제2 검출 신호를 발생하는 제2 플라즈마 센싱 장치 및
    상기 제1 검출 신호 및 상기 제2 검출 신호에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 이차원 플라즈마 분포 정보를 검출하고, 상기 이차원 플라즈마 분포 정보에 기초하여 상기 플라즈마 공정을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 플라즈마 센싱 장치는 상기 모니토링 플라즈마 평면에 상응하는 제1 라인 빔을 분기하여 제1 분기 라인 빔 및 제2 분기 라인 빔을 제공하는 제1 분기부, 상기 제1 분기 라인 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제2 수평 방향의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제1 광도 데이터를 제공하는 제1 일차원 검출기, 및 상기 제2 분기 라인 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제2 수평 방향의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제1 스펙트럼 데이터를 제공하는 제1 이차원 검출기를 포함하며, 상기 제1 검출 신호는 상기 제1 광도 데이터 및 상기 제1 스펙트럼 데이터 모두를 포함하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 센싱 장치는,
    상기 제1 입사 빔을 필터링하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 상응하는 상기 제1라인 빔을 제공하는 수광부
    상기 제1 이차원 검출기에 포함되고, 상기 제2 분기 라인 빔을 파장별 회절 빔들로 분리하여 제공하는 제1 회절 격자 및
    상기 제1 이차원 검출기에 포함되고, 상기 회절 빔들에 기초하여 상기 제1 스펙트럼 데이터를 제공하는 이미지 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 검출 신호는, 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제1 수평 방향의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제2 광도 데이터를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 광도 데이터 및 상기 제2 광도 데이터에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 상기 모니토링 플라즈마 평면의 전체 가스 종들에 대한 이차원 전체 광도 분포를 상기 이차원 플라즈마 분포정보로서 검출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 검출 신호는, 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제1 수평 방향의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제2 스펙트럼 데이터를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 스펙트럼 데이터 및 상기 제2 스펙트럼 데이터에 기초한 컨볼루션 연산을 수행하여 상기 모니토링 플라즈마 평면의 가스 종들의 각각에 대한 이차원 파장별 광도 분포를 상기 이차원 플라즈마 분포정보로서 검출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 센싱 장치는,
    상기 제1 입사 빔을 필터링하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 상응하는 상기 제1 라인 빔을 제공하는 제1 수광부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 플라즈마 센싱 장치는,
    상기 제2 입사 빔을 필터링하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 상응하는 제2 라인 빔을 제공하는 제2 수광부
    상기 제2 라인 빔을 분기하여 제3 분기 라인 빔 및 제4 분기 라인 빔을 제공하는 제2 분기부
    상기 제3 분기 라인 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제1 수평 방향의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 제2 광도 데이터를 제공하는 제2 일차원 검출기 및
    상기 제4 분기 라인 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제1 수평 방향의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 제2 스펙트럼 데이터를 제공하는 제2 이차원 검출기를 포함하고,
    상기 제2 검출 신호는 상기 제2 광도 데이터 및 상기 제2 스펙트럼 데이터 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 상기 제1 수평 방향의 반대 방향에 배치되고, 상기 제1 수평 방향의 반대 방향으로 방사되는 제3 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제3 검출 신호를 발생하는 제3 플라즈마 센싱 장치
    상기 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 상기 제2 수평 방향의 반대 방향에 배치되고, 상기 제2 수평 방향의 반대 방향으로 방사되는 제4 입사 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제4 검출 신호를 발생하는 제4 플라즈마 센싱 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 모니토링 플라즈마 평면과 다른 높이의 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 제3 수평 방향에, 상기 제3 수평 방향으로 방사되는 제3 입사 빔에 기초하여 상기 다른 높이의 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제3 검출 신호를 발생하는 제3 플라즈마 센싱 장치 및
    상기 다른 높이의 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 상기 제3 수평 방향과 수직인 제4 수평 방향에 배치되고, 상기 제4 수평 방향으로 방사되는 제4 입사 빔에 기초하여 상기 다른 높이의 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제4 검출 신호를 발생하는 제4 플라즈마 센싱 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 센싱 장치 및 상기 제2 플라즈마 센싱 장치가 장착되는 마운트 장치 및
    상기 모니토링 플라즈마 평면의 높이를 순차적으로 변경하도록 상기 마운트 장치의 높이를 조절하는 엑츄에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니토링 시스템.
  10. 모니토링 플라즈마 평면의 중심으로부터 제1 수평 방향에 배치되고, 상기 모니토링 플라즈마 평면에 대한 제1 검출 신호를 발생하는 플라즈마 센싱 장치로서,
    상기 제1 수평 방향으로 방사되는 입사 빔을 필터링하여 상기 모니토링 플라즈마 평면에 상응하는 라인 빔을 제공하는 수광부
    상기 라인 빔을 분기하여 제1 분기 라인 빔 및 제2 분기 라인 빔을 제공하는 분기부
    상기 제1 분기 라인 빔에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제1 수평 방향에 수직인 제2 수평 방향의 위치에 따른 일차원 전체 광도 분포를 나타내는 광도 데이터를 제공하는 일차원 검출기
    상기 제2 분기 라인 빔을 파장별 회절 빔들로 분리하여 제공하는 회절 격자 및
    상기 회절 빔들에 기초하여 상기 모니토링 플라즈마 평면 상의 상기 제2 수평 방향의 위치에 따른 일차원 파장별 광도 분포를 나타내는 스펙트럼 데이터를 제공하는 이차원 검출기를 포함하고,
    상기 제1 검출 신호는 상기 광도 데이터 및 상기 스펙트럼 데이터 모두를 포함하는 플라즈마 센싱 장치.
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