KR20080101968A - 반도체 제조 공정에 사용되는 가스 모니터링 장치 - Google Patents

반도체 제조 공정에 사용되는 가스 모니터링 장치 Download PDF

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KR20080101968A
KR20080101968A KR1020070048173A KR20070048173A KR20080101968A KR 20080101968 A KR20080101968 A KR 20080101968A KR 1020070048173 A KR1020070048173 A KR 1020070048173A KR 20070048173 A KR20070048173 A KR 20070048173A KR 20080101968 A KR20080101968 A KR 20080101968A
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gas monitoring
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이영동
조형철
박종록
석승현
우샤코프 안드레이
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삼성전자주식회사
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Abstract

구조가 간단하고, 경제적이면서도 신뢰성 있게 공정 챔버에서 배기되는 가스를 분석할 수 있는 가스 모니터링 장치를 개시한다. 개시된 가스 모니터링 장치는 공정 챔버의 가스 배출 라인과 연결되고, 일측에 뷰포트가 설치된 모니터링 챔버와, 마이크로파를 발생하는 안테나를 가지는 마이크로파 발생부와, 마이크로파 발생부에서 발생된 에너지를 통해 모니터링 챔버에서 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부를 구비하는 플라즈마 발생장치와, 뷰포트를 통해 방출되는 광을 전달받아 광 스펙트럼에 관한 전기적 신호를 생성하는 분광계와, 분광계로부터 얻은 스펙트럼들에 대한 데이터를 분석하는 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

반도체 제조 공정에 사용되는 가스 모니터링 장치{GAS MONITORING APPARATUS USED IN SEMICONDUCTOR MANUFACTURING PROGRESS}
도 1은 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치가 적용된 반도체 공정 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치에서 모니터링 챔버, 플라즈마 발생장치의 구성을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치를 이용한 실험 결과를 도시한 도면.
도 4는 종래 기술에 따른 장치(유도결합형 플라즈마가 적용된 가스 모니터링 장치)를 이용한 실험 결과를 도시한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10 : 공정 챔버 30 : 가스 배출 라인
100 : 가스 모니터링 장치 110 : 모니터링 챔버
112a : 방열부 114 : 뷰포트
120 : 플라즈마 발생장치 120a : 마이크로파 발생부
120b : 플라즈마 발생부 121 : 마그네트론
123 : 도전성 원통관 123b : 방열부
130 : 분광계140 : 제어부
본 발명은 반도체 제조 공정에 사용되는 가스 모니터링 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 제조 공정에서 공정 챔버로부터 배기되는 가스를 분석하기 위한 가스 모니터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치는 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼 상에 전기적인 회로를 형성하는 FAB(fabrication) 공정과, FAB 공정에서 형성된 반도체 장치들의 전기적인 특성을 검사하는 EDS(electrical die sorting) 공정과, 반도체 장치들을 각각 에폭시 수지로 봉지하고 개별화시키기 위한 패키지 조립 공정을 통해 제조된다.
FAB 공정에서는 기판 상에 실리콘 산화층, 폴리실리콘층, 알루미늄층, 구리층 등과 같은 다양한 층들이 화학 기상 증착(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착(physical vapor deposition), 열 산화(thermal oxidation), 이온 주입(ion implantation), 이온 확산(ion diffusion) 등과 같은 공정 들을 통해 형성된다. 또 이와 같이 형성된 층들은 플라즈마 상태의 반응 물질이나 에쳔트를 사용하는 식각 공정을 통해 전기적 특성을 갖는 패턴들로 형성될 수 있다.
이러한 FAB 공정에서는 공정이 정상적으로 진행되고 있는지, 또 공정 챔버 내에 누설이 있는지, 또 공정을 어느 시점에서 공정을 종료하는 것이 좋을 지 등의 여부를 감시하거나 결정하기 위해 공정 챔버에서 배기되는 가스를 모니터링 하는 장치가 사용되기도 한다. 공정 챔버에서 배기되는 가스의 종류나 농도의 변화를 실시간으로 모니터링하여 공정의 진행 상황 및 공정 장비의 상태를 유추 해석할 수 있으며, 그 결과에 따라 최적의 공정이 이루어지도록 공정 장비를 제어하거나 유지 보수 할 수 있다.
이러한 가스 모니터링 장치의 예는 미국 특허 제7,019,829호에 개시되어 있다. 개시된 장치는 이른바 광학 방출 분광법(optical emission spectroscopy)을 이용한다. 개시된 장치는 공정 챔버에 연결된 가스 배기 라인 상에 설치되는 여기 챔버(exciting chamber)를 구비하고, 여기 챔버에는 RF 전원(Radio Frequency Supply)과 디텍터(Detector)가 연결된다. RF 전원에서 여기 챔버로 고주파 에너지가 공급되면 여기 챔버의 내부에서는 유도결합 방식으로 플라즈마가 형성되고, 디텍터는 플라즈마로부터 전달되는 광을 분광하여 분광된 신호를 제어부로 전송한다. 그러면 제어부는 전송된 스펙트럼에 관한 정보를 분석하여 공정 챔버의 제어에 필요한 신호를 생성하게 된다.
그런데 이러한 종래의 가스 모니터링 장치에서는 플라즈마를 생성하는 방식으로 유도결합방식을 이용하기 때문에 다음과 같은 문제점을 가진다. 먼저 유도결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 장치는 고가이므로 이를 마련하고, 유지 보수하는데 있어 경제적인 부담이 따르며, 또 일반적으로 저압 환경(대략 7 Torr 이하)에서만 제대로 동작하므로 이보다 높은 압력 하에서 진행되는 공정에 대해서는 적용할 수 없는 한계가 있다.
또한 유도결합형 플라즈마 장치에서는 플라즈마를 안정되게 발생시키기 위해 임피던스를 조절할 필요가 있는데, 임피던스 매칭 문제로 인해 실시간으로 변화되는 가스의 성분을 분석하는데 있어 응답성 및 재현성이 떨어지는 문제점을 가진다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구조가 간단하고, 경제적이면서도 신뢰성 있게 공정 챔버에서 배기되는 가스를 분석할 수 있는 가스 모니터링 장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치는 공정 챔버에 연결된 가스 배출 라인 상에 설치되는 가스 모니터링 장치에 있어서, 상기 가스 배출 라인과 연결되고, 일측에 뷰포트가 설치된 모니터링 챔버;와 마이크로파를 발생하는 안테나를 가지는 마이크로파 발생부와, 상기 마이크로파 발생부에서 발생된 에너지를 통해 상기 모니터링 챔버에서 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부를 구비하는 플라즈마 발생장치;와 상기 뷰포트를 통해 방출되는 광을 전달받아 광 스펙트럼에 관한 전기적 신호를 생성하는 분광계;와 상기 분광계로부터 얻은 스펙트럼들에 대한 데이터를 분석하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로파 발생부는 마그네트론을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 모니터링 챔버를 형성하는 일측벽에는 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 요철 모양으로 형성된 방열부가 구비될 수 있다.
상기 플라즈마 발생부는 상기 모니터링 챔버와 마이크로 발생부 사이에 배치 되어 상기 안테나를 둘러싸는 원통관을 포함하고, 상기 원통관의 측벽에는 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 요철 모양으로 형성된 방열부가 구비될 수 있다.
상기 플라즈마 발생부는 일단이 상기 원통관의 내부에서 상기 안테나와 마주하고, 타단이 상기 모니터링 챔버 내에 위치되는 내부 전극과, 상기 모니터링 챔버의 내부에서 상기 내부 전극을 둘러싸는 유전체관을 구비할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치가 적용된 반도체 공정 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치에서 모니터링 챔버, 플라즈마 발생장치의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치가 적용된 반도체 공정 시스템은 내부에 가공 대상물인 기판(S)이 배치되고, 막 증착 공정이나 식각 공정 또는 클리닝 공정이 수행되는 공정 챔버(10)와, 공정 챔버(10)로 공정에 필요한 가스를 공급하기 위한 공정가스 공급장치(20)을 가진다. 공정 챔버(10)에는 공정 후에 잔류하는 미반응 공정 가스와 반응 부산물을 배출할 수 있도록 가스 배출구(11)가 형성되고, 이 배출구(11)에는 가스 배출 라인(30)이 연결된다. 가스 배출 라인(30)은 진공 펌프(40)를 거쳐 배기장치(50)와 연결되는데, 진공 펌프(40)는 공정 챔버(10)의 공정 압력을 유지하는 한편, 공정을 마친 후 미반응 공정 가스와 반응 부산물을 회수하는 역할을 하고, 배기장치(50)는 유해 가스를 정화하여 배기시키는 역할을 한다.
가스 배출 라인(30) 상에는 공정 챔버(10)로부터 배출되는 가스의 성분 및 농도 등을 분석할 수 있도록 가스 모니터링 장치(100)가 설치된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치(100)는 공정 챔버(10)에서 배출되는 가스가 유입되도록 가스 배출 라인(30)에 연결되는 모니터링 챔버(110)와, 모니터링 챔버(110)의 내부에서 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생장치(120)와, 플라즈마로부터 발생되는 광을 전달받아 광 스펙트럼에 관한 전기적 신호를 생성하는 분광계(spectrometer)(130)와, 분광계(130)에서 생성된 스펙트럼에 관한 신호를 처리하여 가스의 성분별 농도를 계산하고 디스플레이하는 제어부(140)를 포함하여 구성된다.
모니터링 챔버(110)는 연결포트(150)에 의해 가스 배출 라인(30)과 연결되고, 연결포트(150)에는 그 개폐 제어를 위한 밸브(151)가 설치된다. 밸브(151)가 개방된 상태에서 진공 펌프(40)가 동작하면 가스 배출 라인(30)을 통해 배기되는 가스 중의 일부가 모니터링 챔버(110)의 내부로 유입되어 실시간으로 모니터링 된다.
모니터링 챔버(110)는 일측이 개방된 원통형의 챔버 몸체(111)와, 챔버 몸체(111)의 개방부를 덮는 챔버 플레이트(112)를 가진다. 챔버 몸체(111)와 쳄버 플레이트(112) 사이에는 누설 방지를 위한 오링(113)이 설치된다.
챔버 몸체(111)의 측벽(111a)에는 모니터링 챔버(110)의 내부에서 발생된 빛이 외부로 방출될 수 있도록 뷰포트(114)가 설치된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 뷰포트(114)에는 석영 재질로 마련되는 윈도우를 포함하여 집광 렌즈, 시준 렌 즈와 편광 필터 등과 같은 각종 광학 소자들이 구비될 수 있다. 뷰포트(114)는 광가이드(160)를 통해 분광계(130)와 연결되는데, 광가이드(160)로는 광섬유가 사용될 수 있다.
챔버 플레이트(112)에는 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 요철 모양의 방열부(112a)가 구비된다. 이러한 방열부(112a)를 통해 냉각팬이나 냉각수 순환장치 등과 같은 별도의 냉각 장치 없이도 모니터링 챔버(110)의 내부를 냉각할 수 있다.
한편 도 2에서는 연결포트(150)가 챔버 플레이트(112)를 관통하여 모니터링 챔버(110)의 내부와 연통되는 예를 도시하였으나, 연결포트(150)는 챔버 몸체(111)의 측벽(111a)에 설치될 수도 있다.
플라즈마 발생장치(120)는 마이크로파 발생부(120a)와 플라즈마 발생부(120b)를 구비한다. 마이크로파 발생부(120a)는 마이크로파를 발생하는 안테나(121a)를 가지는 마그네트론(121)과 이 마그네트론(121)에 전원을 공급하는 파워서플라이(122)로 구성될 수 있다. 마그네트론(121)은 예를 들면 약 2.45GHz의 주파수에서 약 1KW이하의 전력으로 가동되는 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 마그네트론이 사용될 수 있다.
플라즈마 발생부(120b)는 도전성 원통관(123), 내부 전극(124), 유전체관(125) 및 유전체 플랜지(126)를 포함하여 구성된다.
도전성 원통관(123)은 마이크로파 발생부(120a)와 모니터링 챔버(110) 사이에서 마그네트론(121)의 안테나(121a)를 둘러싸도록 배치된다. 도전성 원통관(123) 의 일측은 모니터링 챔버(110)의 챔버 몸체(111)에 고정되고, 타측은 도전성 원통관(123)을 덮는 원통관 커버(123a)에 고정된다. 원통관(123)의 외주면에는 요철형의 방열부(123b)가 마련되는데, 방열부(123b)는 원통관(123)이 외부 공기와 접촉하는 면적을 넓혀 별도의 냉각 장치 없이도 원통관(123)의 내부가 신속하게 냉각될 수 있도록 한다.
내부 전극(124)은 전도성이 있는 봉 형태의 금속으로 구성된다. 내부 전극(124)의 일단부는 모니터링 챔버(110)의 내부로 뻗어 있고, 타단부는 원통관(123)의 내부에서 마그네트론(121)의 안테나(121a)와 일정한 간극을 두고 마주하도록 설치된다.
유전체관(125)은 일측이 개방된 원통형태를 가지고, 일정한 간격을 두고 내부 전극(124)을 둘러싸도록 모니터링 챔버(110)에 설치된다. 유전체관(125)은 내부 전극(124)과 모니터링 챔버(110) 간의 전기적 접촉이 없도록 절연하는 역할을 한다. 유전체관(125)의 개방부 주위에는 챔버 몸체(111)에 의해 지지되는 플랜지부(125a)가 마련되는데, 이 플랜지부(125a)와 챔버 몸체(111) 사이에는 오링(127)이 개재된다. 오링(127)은 유전체관(125)의 내부와 모니터링 챔버(110) 내부 사이를 밀봉하여 모니터링 챔버(110)가 소정의 진공압을 유지할 수 있도록 한다.
한편 원통관(123)의 내부에서 원통관(123)과 챔버 몸체(111) 사이에는 유전체 플랜지(126)가 설치되는데, 유전체 플랜지(126)는 내부 전극(124)과 챔버 몸체(111) 사이에 전기적 접촉이 없도록 절연하는 역할을 한다.
이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치의 동작을 설명한다. 공정 챔버(10) 내에서 소정의 공정을 미반응 공정 가스와 반응 부산물은 진공 펌프(40)에 의해 펌핑되어 가스 배출 라인(30)을 통해 배기된다. 이 때 일부의 배기 가스는 연결포트(150)를 통해 모니터링 챔버(110)의 내부로 유입된다.
한편 마그네트론(121)의 안테나(121a)로부터 전파된 마이크로파는 모니터링 챔버(110)의 내부의 배기 가스를 이온화하여 플라즈마를 발생시킨다. 모니터링 챔버(110) 내에서 플라즈마가 발생되면 플라즈마로부터 방사되는 빛이 뷰포트(114)와 광가이드(160)를 통해 분광계(130)로 전달되고, 이와 같이 전달된 광 신호는 분광계(130)에 의해 분해되어 광 스펙트럼에 관한 전기적인 신호로 변환되고, 또 가스의 종류에 따라 스펙트럼 신호의 강도가 감지된다.
분광계(130)에서 감지된 스펙트럼 신호의 강도를 바탕으로 제어부(140)는 특정 가스의 농도를 실시간으로 계산하고 디스플레이한다. 여기서 제어부(140)는 특정 가스의 농도를 절대치가 아닌 기준물질의 농도에 대한 상대적으로 값으로 나타낼 수 있다. 또 제어부(140)는 각 공정 별로 입력되어 있는 기준 값과 분광계(130)에서 감지되는 가스의 종류 및 농도에 관한 데이터를 비교하여 공정이 제대로 진행되고 있는지의 여부나 공정 챔버(10) 상에 누설이 생겼는지의 여부를 판단한다. 또한 제어부(140)는 가스의 종류 별로 스펙트럼 신호의 강도가 시간에 따라 변하는 추이를 분석하여 공정의 종료시점(end point)를 결정하고, 그 결과를 작업자에게 디스플레이한다. 즉 공정에 사용된 소스 가스에 대한 스텍트럼 신호의 강도가 강하게 유지되고, 반응 부산물에 대한 스펙트럼 신호의 강도가 약하게 유지된다면 소스 가스가 더 이상 소모되지 않고, 또 반응 부산물이 생성되지 않는다는 것을 의미하므로 제어부(140)는 공정이 완료되었다고 판단하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치를 이용한 실험 결과를 도시한 도면이고, 도 4는 종래 기술에 따른 장치(유도결합형 플라즈마가 적용된 가스 모니터링 장치)를 이용한 실험 결과를 도시한 도면이다. 도 3 및 도 4는 일정한 유량으로 흐르는 아르곤 가스에 질소를 포함시켜 질소에 대한 디텍션 테스트를 한 결과이다. 아르곤 가스에 포함되는 질소의 양을 0%에서 50%까지 순차적으로 증가시켰을 때 아르곤 스펙트럼 신호의 강도에 대한 질소의 스펙트럼 신호 강도의 비가 도시되어 있다. 도 3 및 도 4에서는 각각 두 번의 실험에 대한 결과가 나타나 있다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 경우 질소의 양이 증가함에 따라 선형적으로 신호의 강도가 세진다는 것을 알 수 있다. 예를 들어 질소의 양이 10%에서 20%으로 늘었을 때나 30%에서 40%으로 늘었을 때 신호 강도가 세지는 비율이 거의 동일하다. 반면에 도 4에서 알 수 있듯이, 종래기술의 경우에는 질소의 양이 10%에서 20%으로 늘었을 때에는 질소의 스펙트럼 신호의 강도가 크게 증가하나 질소의 양이 30%에서 40%으로 늘었을 때에는 신호의 세기가 상대적으로 작게 증가한다. 이처럼 신호가 비선형적으로 변화되면 가스의 농도 변화를 정확하게 예측할 수 없으므로 장치의 신뢰성이 저하되게 된다.
또 3 및 도 4를 비교하여 알 수 있듯이, 본 발명의 경우에는 두 실험 결과가 거의 일치되나(두 그래프 선이 완전히 일치하지는 않지만 차이가 미미하다), 종래기술의 경우에는 두 번의 실험에 대한 결과가 상대적으로 크게 어긋난다. 이는 본 발명에 따른 가스 모니터링 장치가 종래의 장치보다 재현성이 뛰어나 보다 향상된 성능을 가진다는 것을 의미한다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 구조가 간단하고, 가격이 저렴한 마그네트론을 사용하므로 큰 부담없이 장치를 설치, 운영할 수 있다.
또한 본 발명에서는 임피던스 매칭을 필요로 하지 않는 마이크로파 발생부에 기초하여 플라즈마를 발생시키므로 실시간으로 변화되는 가스의 성분 및 농도를 시간 지연 없이 신뢰성 있게 모니터링 할 수 있다.
또한 본 발명에서는 별도의 냉각 장치 없이 모니터링 챔버를 냉각할 수 있도록 구성되므로 장치의 크기를 줄일 수 있고, 경제적이다.

Claims (5)

  1. 공정 챔버에 연결된 가스 배출 라인 상에 설치되는 가스 모니터링 장치에 있어서,
    상기 가스 배출 라인과 연결되고, 일측에 뷰포트가 설치된 모니터링 챔버;와
    마이크로파를 발생하는 안테나를 가지는 마이크로파 발생부와, 상기 마이크로파 발생부에서 발생된 에너지를 통해 상기 모니터링 챔버에서 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부를 구비하는 플라즈마 발생장치;와
    상기 뷰포트를 통해 방출되는 광을 전달받아 광 스펙트럼에 관한 전기적 신호를 생성하는 분광계;와
    상기 분광계로부터 얻은 스펙트럼들에 대한 데이터를 분석하는 제어부;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 가스 모니터링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로파 발생부는 마그네트론을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 모니터링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링 챔버를 형성하는 일측벽에는 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 요철 모양으로 형성된 방열부가 구비되는 것을 특징으로 가스 모니터링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는 상기 모니터링 챔버와 마이크로 발생부 사이에 배치되어 상기 안테나를 둘러싸는 원통관을 포함하고,
    상기 원통관의 측벽에는 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 수 있도록 요철 모양으로 형성된 방열부가 구비되는 것을 특징으로 하는 가스 모니터링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는 일단이 상기 원통관의 내부에서 상기 안테나와 마주하고, 타단이 상기 모니터링 챔버 내에 위치되는 내부 전극과, 상기 모니터링 챔버의 내부에서 상기 내부 전극을 둘러싸는 유전체관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 모니터링 장치.
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