KR20030050098A - 광학적 발광 분광계를 구비한 플라즈마 측정 장치 - Google Patents

Abstract

광학적 발광 분광계를 구비한 플라즈마 측정 장치를 제공한다. 이 장치는 챔버내의 플라즈마광을 수렴하여 전송하는 광전송부와, 광전송부를 통하여 전송된 빛을 전기적 신호로 변환시키는 광전변환계(Photoelectric convert system)와, 광전변환계에서 변환된 전기적 신호를 분석하는 연산장치를 포함한다. 광전송부는 플라즈마로 부터 발산되는 빛이 입사되는 렌즈계와, 렌즈계를 통과한 빛 중 평행광만 추출하는 시준기와, 시준기를 통과한 평행광을 상기 분광계로 전송하는 광섬유를 포함한다.

Description

광학적 발광 분광계를 구비한 플라즈마 측정 장치{PLASMA MEASURING INSTRUMENT WITH OPTICAL EMISSION SPECTROMETER}

본 발명은 반도체 제조장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로 공정진행 중 챔버내 플라즈마 농도를 측정하는 플라즈마 측정 장치에 관한 것이다.

반도체 소자를 제조하는 데 사용되는 장비로는 웨이퍼의 소정영역에 원하는 불순물을 주입하는 이온주입 장비, 열산화막을 성장시키기 위한 퍼니스, 도전막 또는 절연막을 웨이퍼 상에 증착시키기 위한 증착 장비 및 상기 증착된 도전막 또는 절연막을 원하는 형태로 패터닝하기 위한 노광장비와 식각장비가 있다. 이들 장비중에서 웨이퍼 상에 소정의 물질막을 증착하거나 웨이퍼에 형성된 소정의 물질막을 식각하는 장비로는 진공 상태의 밀폐된 챔버 내에 플라즈마를 형성하고 반응 가스를 주입하여 물질막을 증착하거나 식각하는 플라즈마 장비가 널리 사용되고 있다. 이는 플라즈마를 이용하여 물질막을 증착할 경우 웨이퍼에 형성된 불순물 영역 내의 불순물들이 더 이상 확산되지 않는 저온에서 공정을 진행할 수 있으며, 대구경의 웨이퍼에 형성되는 물질막의 두께 균일도가 우수하기 때문이다. 이와 마찬가지로 플라즈마를 이용하여 웨이퍼 상에 형성된 소정의 물질막을 식각할 경우 웨이퍼 전체에 걸쳐서 식각률 균일도(etch rate uniformity)가 우수하기 때문이다.

이러한 플라즈마 장치의 플라즈마내의 전자 밀도(Ne), 이온 밀도(Ni)를 측정할 수 있는 장치로 가장 광범위하게 사용되는 것이 랑뮈어 프로브(Langmuir probe)이다. 랑뮈어 프로브의 플라즈마 특성의 측정원리는 외부에서 플라즈마 챔버내의 플라즈마에 탐침을 삽입하여 외부의 직류전원을 가변하여 음전위에서 양전위로, 대개 -200V 내지 200V 이내로 전압을 변경시켜 측정한다. 이때, 음전압이 탐침 끝에 걸리게 되면 플라즈마 내의 양이온이 탐침으로 포집되어 이온에 의한 전류가 발생하게 된다. 또한, 양전압이 탐침 끝에 걸리게 되면 플라즈마내의 전자들이 탐침으로 포집되어 전자에 의한 전류가 발생하게 된다. 이 때 발생한 전류를 측정하여 탐침에 가해진 전압과의 상관관계를 분석함으로써 플라즈마의 농도를 측정할 수 있다.

랑뮈어 프로브는 챔버내에 탐침을 삽입하여 플라즈마의 농도를 측정하기 때문에 공정이 진행되는 동안 실시간으로 플라즈마의 농도를 측정할 수 없다. 이를개선한 것이 종점 검출기(EPD;End Point Detector)로 사용되는 광학적 발광 분광계(OES;Optical Emission Spectrometer)를 사용한 플라즈마 측정장치이다. 전형적인 광학적 발광 분광계는 빛을 전송하는 광섬유와 광학적 신호를 전기적 신호로 변환하는 광전변환계 및 상기 변환된 전기적신호를 분석하는 연산장치로 구성된다.

종래의 광학적 발광분광계를 사용한 플라즈마 측정장치는 챔버 내 플라즈마의 평균적인 농도는 측정할 수 있으나 챔버 내의 위치별 플라즈마 농도를 측정할 수 없어 웨이퍼와 접촉하는 플라즈마의 균일도를 측정할 수 없었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 챔버내의 위치별 플라즈마 농도를 측정할 수 있는 플라즈마 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 공정이 진행되는 동안 실시간으로 챔버내의 위치별 플라즈마 농도를 측정할 수 있는 플라즈마 측정장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 측정 장치를 구비한 반도체 제조설비를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 측정 장치의 광전송부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 측정 장치의 광전송부에 구비된 시준기를 개략적으로 나타낸 도면이다.

상기 기술적 과제들은 렌즈계(lens system) 및 시준기(collimator)를 포함하는 광학적 발광 분광계(OES)를 구비한 플라즈마 측정장치에 의해 이룰 수 있다. 이 장치는 챔버내의 플라즈마광을 수렴하여 전송하는 광전송부와, 상기 광전송부를 통하여 전송된 빛을 전기적 신호로 변환시키는 광전변환계(Photoelectric convert system)와, 상기 광전변환계에서 변환된 전기적 신호를 분석하는 연산장치를 포함한다. 상기 광전송부는 플라즈마로 부터 발산되는 빛이 입사되는 렌즈계와, 상기 렌즈계를 통과한 빛 중 평행광만 추출하는 시준기와, 상기 시준기를 통과한 평행광을 상기 분광계로 전송하는 광섬유를 포함한다. 상기 광전변환계는 편향거울, 회절격자 및 광전변환기(Photoelectric converter)를 포함한다. 상기 광섬유를 통하여 전송된 빛은 상기 편향거울에 의해 상기 회절격자를 향하여 경로가 변경되고, 경로가 바뀐 빛은 상기 회절격자에 의해 파장별로 분광되어 상기 광전변환기에서 전기적 신호로 변환된다. 상기 광전변환기는 광전자증배기(Photomultiplier)를 사용하여 특정파장을 증폭시켜 검출하거나, CCD(charge coupled device)를 사용하여 여러파장을 동시에 검출할 수 있다. 상기 광전변환기에 의해 변환된 전기적 신호는 연산장치로 입력되어 플라즈마의 특성이 분석된다.

본 발명에서 상기 렌즈계의 상기 시준기에 대향하는 방향은 무한초점을 가지고, 공정챔버 내부에 대향하는 방향은 유한초점을 갖는다. 더 나아가서, 상기 렌즈계는 적어도 두개의 렌즈로 구성되어 공정챔버 내부에 대향하는 방향은 초점거리를 조절할 수 있는 줌렌즈인 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 측정장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 측정장치는 공정챔버의 외부에 배치된다. 공정챔버는 외부와 웨이퍼(10)가 배치되는 챔버내부를 밀폐시키는 하우징(14)과 상기 하우징의 내벽에 설치된 수정유리(12)를 포함한다. 상기 하우징(14)의 소정영역에 공정챔버 내부를 관측할 수 있는 관측창(16)이 설치된다. 상기 관측창(16)을 통하여 플라즈마 측정장치는 공정챔버 내의 플라즈마광을 관측한다. 상기 플라즈마 측정장치는 상기 관측창(16)에 체결되어 공정챔버 내부의 빛을 수렴하는 광전송부(18)와, 상기 광전송부(18)를 통하여 전송된 빛의 신호를 전기적 신호로 변환시켜주는 광전변환계(23) 및 상기 변환된 전기적 신호를 분석하는 연산장치(26)를 포함한다. 상기 광전변환계(23)는 상기 광전송부(18)로부터 전송된 빛의 경로를 바꾸어주는 편향거울(20)과, 상기 편향거울(20)에 반사된 빛을 파장별로 분해하는 회절격자(22) 및 상기 분해된 빛을 전기적 신호로 변환시키는 광전변환기(Photoelectric converter; 24)를 포함한다. 상기 광전변환기(24)는 단일 파장의 빛을 선택적으로 전기적 신호로 변환하거나, 복수의 서로다른 파장을 갖는 빛들을 동시에 전기적 신호로 변환할 수 있다. 구체적으로, 상기 광전변환기(24)는 상기 분해된 빛 중 특정 파장의 빛을 선택하기 위한 슬릿과, 상기 슬릿을 통과한 선택광의 신호를 전기적 신호로 변환 및 증폭시킬 수 있는 광전자 증배관(Photomultiplier)로 구성되거나, 서로다른 파장을 갖는 빛들을 동시에 전기적 신호로 변환시킬 수 있는 고체촬상소자(CCD;charge coupled device)인 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전송부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 플라즈마 측정장치의 광전송부는 광원으로부터 빛을 수렴하는 렌즈계(30)와 상기 렌즈계(30)를 통과한 빛 중 평행광만을 선택하기 위한 시준기(32) 및 상기 시준기(32)를 통과한 평행광을 상기 광전변환계(23)로 전송하는 광섬유(34)를 포함한다. 본 발명에서 상기 렌즈계(30)는 상기 챔버에 대향하는 방향은 유한초점을 가지고, 상기 시준기(32)에 대향하는 방향은 무한초점을 갖는 것이 특징이다. 상기 렌즈계(30)은 상기 투명창(16)에 체결된다. 도 3에 도시된 것과 같이, 상기 시준기(32)는 복수개의 미세튜브(40)의 다발로 이루어진다. 상기 미세튜브들(40)의 지름이 작을 수록 또한, 상기 미세튜브들(40)의 길이가 길 수록 공간분해능이 높다. 상기 미세튜브들(40)의 각각의 내벽은 무반사 처리되어 상기 렌즈계(30)를 통과한 평행광과 내벽에 반사된 빛의 간섭현상이 일어나는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 렌즈계(30)의 초점에서 발생하는 플라즈마광은 상기 렌즈계(30) 통과하여 평행하게 하게 진행하면서 상기 시준기(30)를 통과할 수 있다. 그러나, 상기 렌즈계(30)의 초점 이외에서 발생하는 플라즈마광은 상기 렌즈계(30)를 통과하면서 상기 시준기(32)의 튜브(40)를 통할 수 없다. 따라서, 상기 렌즈계(30)의 초점위치를 변경함으로써 상기 챔버 내의 플라즈마광을 위치별로 선택할 수 있다. 상기 시준기(32)를 통과하는 빛만이 상기 광섬유(34)를 통하여 상기 광전변환계(도 1의 23)로 전송된다. 상기 렌즈계(30)는 복수개의 렌즈들로 구성되어 초점거리를 변환할 수 있는 가변초점렌즈인 것이 바람직하다. 또한, 상기 렌즈계(30)의 초점거리를 기계적으로 변환할 수 있는 구동렌즈인 것이 바람직하다. 즉, 상기 렌즈계(30)는 줌렌즈일 수 있다. 따라서, 상기 렌즈계(30)의 위치를 변경시키지 않고, 초점거리만을 변환함으로써 챔버내 위치별 플라즈마광을 수렴할 수 있다.

상술한 것과 같이 본 발명에 따르면, 렌즈계 및 시준기를 사용하여 챔버내의 특정위치에서 발생하는 플라즈마광을 선택적으로 분석할 수 있기때문에 챔버내 위치별 플라즈마 상태를 알 수 있다. 따라서, 이를 피드백하여 웨이퍼에 고르게 플라즈마를 접촉시켜 공정의 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 측정장치가 챔버내에 배치되지 않고, 관측창을 통하여 챔버 내부의 플라즈마 상태를 알 수 있기 때문에 공정이 진행되는 중에 실시간으로 플라즈마의 상태를 측정할 수 있다.

Claims (8)

1. 챔버내의 플라즈마광을 수렴하여 전송하는 광전송부;

   상기 광전송부를 통하여 전송된 빛을 전기적 신호로 변환시키는 광전변환계; 및

   상기 광전변환계에서 변환된 전기적 신호를 분석하는 연산장치를 포함하되, 상기광전송부는 상기 광전송부의 상기 챔버에 대향하는 방향은 유한초점을 갖고 다른 방향은 무한초점을 갖는 렌즈계와, 상기 렌즈계의 무한초점면에 대향하여 평행광을 추출하는 시준기와, 상기 시준기를 통과한 평행광을 상기 광전변환계로 전송하는 광섬유로 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 렌즈계는 적어도 두개의 렌즈로 구성되어 초점거리를 변경할 수 있는 가변초점 렌즈인 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정장치.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 시준기는 미세튜브가 복수개 집속된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정장치.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 미세튜브의 내벽은 무반사처리가 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정장치.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 광변환부는,

   상기 광섬유를 통하여 전송된 빛의 경로를 바꾸는 편향거울;

   상기 편향거울로부터 전송된 빛을 파장에 따라 분산시키는 회절격자;및

   상기 분산된 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 광전변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정장치.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 광전변환기는 상기 분산된 빛 중 특정파장의 빛을 선택적으로 통과시키는 슬릿과, 상기 슬릿을 통과한 빛의 신호를 전기적 신호로 증폭하는 광전증폭기(Photomultiplier)로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정장치.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 광전변환기는 고체촬상소자(CCD;charge coupled device)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정장치.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 렌즈계는 공정챔버 내부를 관측할 수 있는 투명창에 체결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 측정장치.