KR20120091344A - 진공 품질 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
진공 챔버용 가스 분석기는 질량 스펙트럼 데이터를 수신하고, 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하고, 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 수신하고, 질량 스펙트럼 데이터, 진공 챔버 내의 총 압력 및 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 이용하여 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하도록 구성된 프로세싱 전자 기기를 포함한다.
Description
관련 출원
본 출원은 2009년 11월 9일 출원된 미국 가출원 제61/280,825호 및 2010년 4월 16일 출원된 미국 가출원 제61/324,992호의 이득을 청구한다. 상기 출원들의 전체 교시는 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다.
질량 분석기(mass spectrometer)는 산업 및 반도체 제조의 모두에서 프로세스 용례로의 이들의 진로를 발견하고 있고 누설 탐지, 가스 오염 및 가스 조성 제어에 관련된 다양한 문제를 해결하도록 성공적으로 적용되어 왔다. 질량 분석 데이터에 의해 제공된 가스 조성 정보의 값은 양호하게 이해되지만, 질량 분석기는 여전히 복잡한 기구로서 인식되고 있고, 데이터 해석은 일반적으로 여전히 관련 데이터를 수집하고 해석하는 것이 가능한 "전문가"에 위탁되고 있다. 질량 분석기와 연관된 "복잡성 결점"은 자명하고, 여러가지 점에서 기술의 높은 비용의 결과이다. 대부분의 질량 분석 기구는 고가이고, 그 결과 질량 분석기 제조업자들은 기구를 매우 탄력성 있게 제조하는 경향이 있어, 따라서 사용자가 모든 인식 가능한 모드로 디바이스를 작동할 수 있게 된다.
탄력성은 일반적으로 질량 분석 전문가를 위한 바람직한 특징이지만, 당 기술 분야에 경험되지 않은 것들에 대한 과도한 옵션의 세트를 초래할 수도 있다. 따라서, 전술된 복잡성을 최소화하거나 배제하는 가스 분석기에 대한 요구가 존재한다.
일 실시예에서, 진공 챔버용 가스 분석기는 질량 스펙트럼 데이터를 수신하고, 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하고, 적어도 하나의 센서로부터 외부 입력을 수신하고, 질량 스펙트럼 데이터, 진공 챔버 내의 총 압력 및 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하도록 구성되는 프로세싱 전자 기기를 포함한다.
적어도 하나의 품질 기준은 사용자 프로그램 가능할 수 있다. 가스 분석기는 질량 스펙트럼 데이터를 제공하도록 구성된 질량 분석기를 더 포함할 수 있다. 프로세싱 전자 기기는 질량 스펙트럼 데이터에 기초하여 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종의 정체(identity)를 판정하도록 더 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 프로세싱 전자 기기는 적어도 제1 스테이지 및 제2 스테이지를 갖는 저온 펌프의 충만도 레벨을 판정하도록 더 구성된다. 특정 실시예에서, 적어도 하나의 센서는 저온 펌프의 제2 스테이지의 온도의 온도 센서를 포함하고, 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종은 수소이고, 적어도 하나의 품질 기준은 진공 챔버 내의 총 압력에 대한 수소 부분압의 비를 포함한다.
다른 실시예에서, 프로세싱 전자 기기는 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 2개의 화학종의 상대 농도를 판정하고, 상대 농도를 이용하여 진공 품질 인덱스를 계산하도록 더 구성된다. 또 다른 실시예에서, 프로세싱 전자 기기는 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종의 부분압을 판정하고, 부분압을 이용하여 진공 품질 인덱스를 계산하도록 더 구성된다. 몇몇 실시예에서, 프로세싱 전자 기기는 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 2개의 화학종의 부분압을 판정하고, 적어도 2개의 화학종의 부분압을 이용하여 진공 품질 인덱스를 계산하도록 더 구성된다.
몇몇 실시예에서, 가스 분석기는 적어도 하나의 화학종의 부분압의 디스플레이, 적어도 하나의 화학종의 최소 및 최대 부분압의 디스플레이, 적어도 하나의 화학종의 부분압의 디지털 출력 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 가스 분석기는 진공 품질 인덱스의 디스플레이, 진공 챔버 내의 총 압력의 디스플레이 및 질량 스펙트럼 데이터의 스캔 범위의 디스플레이를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 센서는 기판 온도 센서, 진공 펌프 속도 센서, 질량 유동 모니터, 저온 펌프 온도 센서 및/또는 이온 펌프 전류 센서를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 진공 품질 인덱스는 2진 출력을 제어할 수 있다. 특정 실시예에서, 가스 분석기는 진공 품질 인덱스의 디지털 출력 및 질량 스펙트럼 데이터의 디지털 출력을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 프로세싱 전자 기기는 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하도록 더 구성될 수 있다. 프로세스는 진공 챔버의 베이스아웃일 수 있고, 적어도 하나의 센서는 진공 챔버의 온도의 온도 센서를 포함한다. 이 특정 실시예에서, 적어도 하나의 품질 기준은 진공 챔버 내의 모든 다른 화학종에 대한 수소의 비를 포함한다. 다른 실시예에서, 프로세스는 진공 챔버의 베이스아웃일 수 있고, 적어도 하나의 센서는 진공 챔버와 진공 챔버를 진공 배기하기 위한 진공 펌프 사이에 게이트 밸브의 위치 센서를 포함한다. 이 특정 실시예에서, 적어도 하나의 품질 기준은 진공 챔버 내의 모든 다른 화학종에 대한 물의 비를 포함한다.
다른 실시예에서, 진공 챔버 내의 가스를 분석하는 방법은 질량 스펙트럼 데이터를 수신하는 단계와, 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하는 단계와, 적어도 하나의 센서로부터 외부 입력을 수신하는 단계와, 질량 스펙트럼 데이터, 진공 챔버 내의 총 압력 및 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 포함한다. 방법은 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 프로세스를 제어하는 단계는 피드포워드 프로세스 제어를 포함한다. 몇몇 다른 실시예에서, 프로세스를 제어하는 단계는 피드백 프로세스 제어를 포함한다. 특정 실시예에서, 프로세스를 제어하는 단계는 시간 경과에 따른 진공 챔버 내의 프로세스의 품질을 추적하는 단계를 포함한다. 특정 다른 실시예에서, 프로세스를 제어하는 단계는 상이한 진공 챔버 내의 프로세스의 품질을 정합하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 방법은 진공 품질 인덱스를 이용하여 진공 챔버 내로의 적어도 하나의 가스의 유동을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 진공 챔버 내의 가스를 분석하는 방법은 진공 챔버 내의 적어도 하나의 가스의 원하는 농도의 입력을 수신하는 단계와, 진공 챔버 내의 적어도 하나의 가스의 원하는 농도를 위한 예측된 질량 분석기 스캔 출력을 계산하는 단계와, 질량 스펙트럼 데이터를 수신하는 단계와, 예측된 질량 분석기 스캔 출력 및 질량 스펙트럼 데이터를 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 포함한다. 방법은 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 프로세스는 진공 챔버 내로의 가스 유동을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 품질 기준은 예측된 질량 분석기 스캔 출력과 질량 스펙트럼 데이터 사이의 상관관계를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 진공 챔버 내의 가스를 분석하는 방법은 질량 스펙트럼 데이터를 수신하는 단계와, 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하는 단계와, 이온 빔 전류 센서로부터 외부 입력을 수신하는 단계와, 질량 스펙트럼 데이터, 진공 챔버 내의 총 압력 및 이온 빔 전류 센서로부터의 외부 입력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 포함한다. 방법은 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 프로세스는 이온 빔으로의 이온 주입을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 품질 기준은 빔 내의 이온과 진공 챔버 내의 중립 가스종 사이의 전하 교환에 의해 발생된 빔 전하 상태 변화에 기인하는 보상을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 진공 챔버용 가스 분석 시스템은 질량 분석기와, 적어도 하나의 센서와, 질량 스펙트럼 데이터를 수신하고, 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하고, 적어도 하나의 센서로부터 외부 입력을 수신하고, 질량 스펙트럼 데이터, 진공 챔버 내의 총 압력 및 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하도록 구성되는 프로세싱 전자 기기를 포함하는 진공 챔버용 가스 분석기를 포함한다.
본 발명은 총 압력 정보, 질량 스펙트럼 데이터 및 외부 입력을 아날로그 전압, 디지털 전압(디지털 로직) 및 릴레이 클로저(relay closure)와 같은 출력을 구동하는데 사용될 수 있는 단일의 수치 인덱스로 조합하는 것을 포함하는 다수의 장점을 갖는다.
상기 설명은 유사한 도면 부호가 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타내고 있는 첨부 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예의 이하의 더 구체적인 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면은 반드시 실제 축적대로 도시되어 있지는 않으며, 대신에 본 발명의 실시예를 도시하는데 있어 강조가 되어 있다.
도 1은 퍼스널 컴퓨터를 포함하는 본 발명의 가스 분석기의 개략도.
도 2는 전용 데이터 프로세서를 포함하는 본 발명의 가스 분석기의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 진공 품질 모니터링의 흐름도.
도 4는 고에너지 이온 주입 프로세스에서 압력 보상을 위한 본 발명의 진공 품질 인덱스를 이용하는 개략도.
도 5는 진공 챔버 내로의 가스의 유동을 제어하기 위해 본 발명의 진공 품질 모니터를 이용하는 개략도.
도 1은 퍼스널 컴퓨터를 포함하는 본 발명의 가스 분석기의 개략도.
도 2는 전용 데이터 프로세서를 포함하는 본 발명의 가스 분석기의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 진공 품질 모니터링의 흐름도.
도 4는 고에너지 이온 주입 프로세스에서 압력 보상을 위한 본 발명의 진공 품질 인덱스를 이용하는 개략도.
도 5는 진공 챔버 내로의 가스의 유동을 제어하기 위해 본 발명의 진공 품질 모니터를 이용하는 개략도.
본 발명의 예시적인 실시예의 설명이 이어진다.
도 1에 도시되어 있는 일 실시예에서, 진공 챔버(110)용 가스 분석기(100)는 질량 스펙트럼 데이터를 수신하고, 진공 챔버(110) 내의 총 압력의 입력을 수신하고, 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 수신하고, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스(VQI)를 계산하기 위해 질량 스펙트럼 데이터, 진공 챔버 내의 총 압력 및 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력를 이용하도록 구성된 프로세싱 전자 기기(120)를 포함한다.
총 압력과 질량 스펙트럼 데이터의 조합은, (1) 시간 경과에 따른 챔버 내의 진공의 품질을 추적하고, (2) 피드포워드 및 피드백 프로세스 제어를 행하고, (3) 챔버 정합을 향상시키기 위한 수단을 제공하는데 사용될 수 있는 서명 또는 패턴으로서 간주될 수 있다. 대안적으로, 진공 품질 모니터(VQM) 제어기 내에 구축된 스크립트 엔진(scripting engine)이 이어서 특정 실시간 출력에 연결될 수 있는 2개의 데이터 소스로부터 VQI를 유도하는데 사용될 수 있다. 스크립트 엔진은 사용자 프로그램 가능 품질 기준에 기초하여 VQI를 유도하는데 사용될 수 있다. 진공 인덱스는 (1) 총 압력 측정치, (2) 질량 스펙트럼 데이터 및 (3) 외부 데이터(즉, 진공 펌프 속도 또는 기판 온도)로부터 데이터를 조합하여 실시간 출력을 구동하고 실시간 프로세스 제어를 제공하는데 사용될 수 있는 단일의 숫자- 즉, 단일 측정 출력 -를 제공한다. 진공 품질 인덱스는 복잡한 가스 분석 및 질량 스펙트럼 데이터를 간단한 측정 출력으로 변환하기 위한 수단을 제공한다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 가스 분석기(100)는 질량 스펙트럼 데이터를 제공하도록 구성된 질량 분석기(130)를 더 포함할 수 있다. 질량 분석기는 4중극자 질량 분석기 또는 자동 공진 트랩 질량 분석기(ART MS)일 수 있다. 이온 트랩 질량 분석기 및 4중극자 질량 분석기의 비교(Comparison of Ion Trap Mass Spectrometer and Quadrupole Mass Spectrometer), 진공 코팅기 협회(Society of Vacuum Coater), 52차 연례 기술 회의 회의록(52nd Annual Technical Conference Proceedings), 미국 캘리포니아주 산타 클라라, 2009년 5월 9일-14일, pp. 122 내지 129와, 원격 감지 용례를 위한 자동 공진 트랩 질량 분석(ART MS)[Autoresonant Trap Mass Spectrometry(ART MS) for remote sensing application], 질량 분석의 국제 저널(International Journal of Mass Spectrometry)(295) pp. 133 내지 137(2010년)과, 2010년 4월 8일자로 미국 특허 공개 제2010/0084549 A1호로서 공개된 2007년 11월 13일 출원된 에이. 브이. 에르마코프(A. V. Ermakov) 등의 미국 특허 출원 제12/514,339호와, 국제 공개되고 2010년 5월 5일 출원된 지. 에이. 브루커(G. A. Brucker) 등의 국제 출원 PCT/US2010/033750호를 참조하라.
프로세싱 전자 기기는 질량 스펙트럼 데이터에 기초하여 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종의 정체를 판정하도록 더 구성될 수 있다. 진보형 데이터 처리가 질량 스펙트럼에 기여하는 화학종의 정체를 유도하고 이들의 상대 농도를 판정하도록 요구된다. 데이터 처리는 도 1에 도시되어 있는 PC(140) 상에서, 또는 도 2에 도시되어 있는 전용 데이터 프로세서(150) 상에서, 또는 프로세싱 전자 기기(120)에서 수행될 수 있다. 질량 스펙트럼 내의 피크의 위치 및 상대 진폭은 진공 시스템 내에 존재하는 화학종의 정체를 유도하는데 사용되고, 피크의 진폭은 시스템 내의 상이한 종의 농도를 판정하는데 사용된다. ART MS 기술을 갖는 가스 분석기의 경우에, 정전 이온 트랩은 고정된 양의 전하를 보유하는 것이 가능하여, 질량 스펙트럼 내의 피크의 진폭이 시스템 내의 압력으로 스케일링되지 않는다. ART MS에 의해 제공된 질량 분석 데이터는 복사계 화학 조성물을 유도하는데 사용될 수 있지만, ART MS 센서로 절대 부분압을 유도하기 위해, 센서에 의해 제공된 천연 복사계 조성물 분석이 도 1 내지 도 2에 도시되어 있는 이온화 게이지(160)에 의해 제공된 총 압력 정보와 조합된다. 가스 분석기(100)는 질량 스펙트럼 스캔과 동기적으로 총 압력 판독치를 얻기 위해 가스 분석기(100)에 의해 사용되고 절대 부분압 판독치를 유도하기 위해 가스 분석기 뷰어 소프트웨어에 의해 사용되는 이온화 게이지(160)(예를 들어, MicroIon ATM 게이지 모듈)로부터 총 압력 입력을 위한 접속부를 포함한다.
전술된 바와 같이, ART MS 센서는 단지 고정된 양의 이온 전하 밀도(즉, 정전 척력에 의해 제한됨)만을 보유할 수 있는 정전 이온 트랩이다. 충분한 시간이 주어지면, 트랩은 이온으로 충전될 것이다. 트랩 내부에 축적된 이온의 상대 밀도는 상이한 종의 이온화 효율에 의해 가중된 진공 환경 내의 가스종의 상대 밀도로 스케일링된다. 예를 들어, 50% N2 및 50% Ar로 이루어진 가스 환경에서, Ar이 질소보다 20% 더 효율적으로 이온화하면, 트랩 내부의 이온의 농도는 54% Ar/46% N2일 것으로 예측된다. ART MS의 방출 효율은 그 질량 의존성을 최소화하도록 조작될 수 있다(즉, 1/f 스캔은 질량에 독립적인 최적 이온 방출을 제공함). 각각의 이온에 대해 트랩에 의해 방출된 전하를 측정하는 것은 트랩 내부의 상대 이온 전하의 근접 표현을 제공한다. 이러한 것은 이온 전류 대 시간 질량 스펙트럼으로부터 시작하여 각각의 이온에 대한 질량 피크의 면적을 적분하고, 이어서 총 방출된 전하에 대한 각각의 피크의 전하 기여도를 계산함으로써 성취된다. 이전의 예에서, Ar에 대응하는 피크는 총 방출된 전하의 54%에 기여하는 것으로 예측되고, 질소로부터의 피크는 나머지 46%에 기여하는 것으로 예측된다. 일단 각각의 피크의 상대 기여도가 계산되고 이들 피크에 대응하는 종이 식별되면, 화학종의 이온화 효율은 이어서 가스 환경 내의 각각의 종의 정확한 비율계량(ratiometric) 농도를 유도하도록 적용될 수 있다. ART MS 센서는 본질적으로 비율계량 디바이스이다. 상기 예에서, 일단 총 전하에 대한 양 가스의 기여도가 결정되면(즉, N2 및 Ar 각각에 대해 대부분 28 및 40 amu 피크), 이온화 효율의 비(즉, 1.2)는 양 가스가 진공 시스템 내에 50% 비로 존재하는 것으로 판정하는데 사용될 수 있다.
스펙트럼 내의 피크를 실제 화학종에 할당하기 위해, 예를 들어 스펙트럼 디컨볼루션(deconvolution) 절차에 의해 가스의 라이브러리에 질량 스펙트럼을 상관관계시킬 필요가 있다. 스펙트럼 디컨볼루션 중에, 총 스펙트럼은 가스의 라이브러리로부터 선택된 다수의 상이한 가스 성분으로부터 질량 스펙트럼의 선형 조합으로 이루어지는 것으로 가정된다. 총 스펙트럼을 정합하는데 요구되는 각각의 종의 기여도는 선형 회귀 알고리즘을 통해 계산되고, 최종 계수는 총 스펙트럼에 대한 각각의 성분의 기여도를 제공한다. 비제로 계수를 갖는 가스는 이어서 가스 시스템 내에 존재하는 것으로 가정되고, 계수는 스펙트럼 내의 상이한 피크에 대한 이들의 기여도를 판정하는데 사용된다. 스펙트럼 디컨볼루션 접근법은 분자종의 단편화를 고려하기 때문에 편리하다.
ART MS 센서는 원시 비율계량 정보를 제공할 수 있다. 절대 부분압을 계산하는 것은 도 1 내지 도 2에 도시되어 있는 시스템(100) 내에 또한 존재하는 이온화 게이지(160)에 의해 제공된 부가의 정보를 요구한다. 이온화 게이지는 ART MS 센서가 행하는 것과 동일한 방식으로 가스 분자를 이온화함으로써 작용한다. 이온화 게이지의 이온 전류에 대한 각각의 가스의 기여도는 ART MS 트랩에서와 같이 이온화 효율에 의해 가중된 농도의 비에 동일하다. 상기 예에서, Ar은 54%의 이온 전류 및 54%의 총 압력 판독치에 기여한다. 이온화 게이지에 의해 제공된 총 압력을 그 이온의 각각으로부터 기여도로 분해하기 위해, 총 압력은 트랩으로부터 방출된 총 전하에 대한 각각의 이온의 기여도로 곱해진다. 예를 들어, 이온화 게이지가 1E-6 Torr를 판독하면, 5.4E-7 Torr가 Ar에 대응하고 4.6E-7 Torr가 N2에 대응한다. 게이지 판독치는 질소에 대해 교정(calibration)되기 때문에, 시스템 내의 N2의 부분압은 4.6E-7이다. 그러나, Ar은 N2보다 20% 더 효율적으로 이온화하기 때문에, 시스템 내의 Ar의 부분압은 5.4E-7 Torr/1.2=4.6E-7 Torr이다. 따라서, 진공 시스템은 4.6E-7 Torr의 동일한 부분압을 갖는 N2 및 Ar의 50% 혼합물을 갖는다. 시스템 내의 실제 총 압력은 9.2E-7 Torr이고 이온화 게이지에 의해 제공된 1E-6 Torr 판독치가 아니다.
대부분의 프로세스 엔지니어가 "가스 분석기"로부터 요구하는 것은 질량 스펙트럼을 해석하거나 복잡한 경향 플롯을 분석할 필요 없이 이들이 요구하는 "가스 조성" 정보를 제공하는 것이 가능한 디바이스이다. 본 발명에 따른 진공 품질 모니터는 질량 스펙트럼의 자동화 분석으로부터 유도된 가스 조성 분석과 총 압력 측정 데이터(내부 또는 외부)를 조합함으로써 얻어지는, 본 명세서에서 인덱스로서 설명되는 단일 숫자의 진공 품질의 척도를 제공한다. 이 인덱스는 기구 내에서 내부적으로 유도되고, 프로세스 중에 상이한 단계에서 "가스 환경의 품질"에 액세스하기 위해 프로세스 엔지니어에 의해 사용된다. 인덱스는 사전 지정된 사용자 프로그램 가능 스크립트(예를 들어, 라브루아, 리오 데 자네이루, 브라질)에 기초하여 계산될 수 있고, 온도계, 진공(예를 들어, 터보) 펌프 속도 모니터 및 질량 유동 제어기와 같은 외부 소소로부터의 정보를 포함할 수 있다. 진공 품질 인덱스(VQI)의 구현예를 도시하고 있는 흐름도가 도 3에 도시되어 있다. 자동 공진 트랩 질량 분석(ART MS) 디바이스의 경우에, 진공 품질 인덱스는 이들이 생성됨에 따라 질량 스펙트럼을 분석하고 이것이 진행하도록 허용 가능한지를 판정하기 위해 사전 설정된 규칙을 사용함으로써 실시간으로 유도된다.
진공 품질 인덱스를 사용하는 장점은 더 양호하고 더 고속의 판정이 진공 시스템 내의 총 압력 및 가스 조성을 동시에 모니터링함으로써 이루어질 수 있다는 것이다. 진공 품질 정보는 아날로그 전압, 디지털 전압 및 릴레이 클로저와 같은 간단한 출력을 유도하는데 사용될 수 있는 단일의 수치 인덱스로 조합된다. 이 접근법이 가장 효율적이게 하기 위해, 모든 센서는 진공 챔버의 단지 하나의 포트만을 취하는 단일의 센서 패키지 내에 내장될 수 있다. 그러나, 사용자가 이들을 포기하기를 원하지 않으면 개별 센서로부터 데이터를 조합하는 것도 또한 가능하다.
진공 품질 인덱스 계산은, 예를 들어 사용자가 피드포워드 또는 피드백 프로세스 제어를 구현하거나 2개의 진공 챔버 사이의 프로세스를 정합할 필요가 있을 수 있는 경우에 동일한 또는 다른 챔버 내의 다른 측정으로부터 다른 진공 품질 인덱스를 또한 포함할 수 있다.
예측되는 바와 같이, "진공 품질"은 상이한 사람들에 대해 상이한 것을 의미하고, 프로세스의 상이한 스테이지에서 그 의미가 심지어 변할 수도 있다. 적절한 진공 품질 모니터가 그 사용자의 요구에 따라 구성되어야 하고, 진공 검증 기준의 재조정을 필요로 할 수도 있는 프로세스의 변화를 검출하기 위한 수단을 포함해야 한다. 디바이스로부터 단일의 숫자를 얻는 것은 또한 필수 SPC(통계적 프로세스 제어) 및 저품질 진공이 검출되면 시스템을 정지시키는 것이 가능한 상호 체결을 셋업하는 것을 용이하게 한다.
(1) 질량 스펙트럼 데이터, (2) 총 압력 및 (3) 보조 신호에 기초하여 VQI를 제공하기 위해, 진공 품질이 프로세스를 정방향으로 이동시키거나 정지하는 것을 허가하는지를 검증하기 위해 프로세스 엔지니어에 의해 사용된 품질 기준을 인지해야 할 필요가 있다. 이는 상이한 프로세스 상에서 작업하는 사용자에 대해 완전히 상이한 것을 의미할 수 있다. 이는 또한 다수의 단계를 수반하는 단일 프로세스를 따른 상이한 것을 의미할 수 있다. 스크립트로 계산을 프로그램하는 사용자의 능력은 VQI 정의의 탄력성을 가능하게 한다. 가능하게는, 진공 품질 모니터가 작동하는 방식을 예시하는 최선의 방식은 진공 품질 인덱스가 "적부 판정(go-no-go)" 지시를 제공하는데 사용될 수 있는 경우의 몇몇 예를 이하에 설명하는 것이다.
저온 펌프 충만도 센서
도 1 내지 도 2는 저온 펌프(170)가 이온 이식기 내에 또는 수소가 주 성분인 UHV 진공 챔버(110) 내에 사용되는 VQM 가스 분석기(100)에 대한 대표적인 용례의 도면을 도시하고 있다. 도 1 내지 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 총 압력 센서(160) 및 질량 분석기(130)가 진공 챔버(110) 내에 위치된다. 대안적으로, 총 압력 센서(160) 및 질량 분석기(130)는 진공 챔버(110)로의 게이트 밸브(180) 아래에서 저온 펌프(170) 위에 위치될 수 있다.
저온 펌프의 펌핑 속도는 저온 펌프의 목탄층 내에 저장된 수소의 양이 증가함에 따라 감소한다. 수소 레벨이 그 한계에 도달하는 H2 용량에 기인하여 저온 펌프 펌핑 속도의 50%의 손실의 결과로서 진공 챔버 내에서 2배가 될 때 저온 펌프가 재생되는 것이 일반적으로 추천된다. 일반적으로, H2 레벨은 다른 응축 가능 가스가 여전히 펌핑되는 동안 먼저 증가하기 시작하여, 총 압력에 대한 H2의 비를 사용하는 것이 저온 펌프의 충만도를 모니터링하는 양호한 방법이 된다. 진공 챔버 내의 수소 부분압은 스테인레스강 벽으로부터 탈착되는 수소와 전체 저온 펌프로부터 재차 유동하는 수소의 혼합물로 이루어진다. 벽 레벨은 온도에 의해 영향을 받는다. 온도 효과를 회피하기 위해, H2 레벨을 H2 부분압의 판독이 수행될 때 온도로 정규화할 필요가 있다. 저온 펌프의 제2 스테이지에서의 온도(T2)는 또한 펌프에서 높은 수소 부분압의 지시기이다. 온도가 15 K를 초과하여 상승하면, 이는 또한 저온 펌프가 재생될 필요가 있다는 것을 지시한다.
저온 펌프의 충만도를 식별하기 위한 프로세스는,
단계 1) 총 압력에 대한 수소 부분압 비를 계산하고 실온으로 정규화한다(선형 응답을 가정함). 부분압 레벨이 예측된 것의 2배이면, 저온 펌프를 재생한다. 품질 기준은 총 압력에 대한 H2의 비일 수 있다. 수소 비가 너무 높으면, VQI≥1로 설정한다. VQI가 <1이면, 어떠한 재생도 필요하지 않다.
단계 2) 도 1 내지 도 2에 도시되어 있는 T2 온도가 15 K를 초과하여 상승하면, VQI≥1로 설정하고 저온 펌프의 재생을 시작한다.
도 1 내지 도 2에 도시되어 있는 입력 신호는,
1. 총 압력(TP)
2. 질량 분석-H2 부분압(PPH2)
3. Ext 신호 #1: H2 레벨 정규화를 위한 Ext 실온(T)
4. Ext 신호 #2: 저온 펌프가 정상인지 여부를 판단하기 위한 저온 펌프로부터의 온도이다.
정상 시스템은 그 내에 최대 90% 수소를 가져, 총 압력에 대한 H2의 부분압이 신선한 시스템에서 0.9가 되는 것으로 가정될 수 있다. H2의 부분압이 증가하여 2배가 됨에 따라, 시스템은 95% 수소로 진행한다. TP로의 H2의 비는 절대 온도로 선형적으로 스케일링되는 것으로 또한 가정된다. VQI는
펌프가 정상일 때, 즉 90% H2일 때, 298 K의 실온(T)을 가정하면, 최종 VQI=0이다.
펌프가 재생이 요구될 때, 298 K의 실온에 여전히 있으면, H2는 95%에 있고 최종 VQI=1이다.
기본 압력 조건(베이스아웃)
진공 챔버의 베이스아웃 평가는 모든 고진공(HV 10-3 내지 10-9 Torr) 시스템에 통상적이다. 베이스아웃 중의 아이디어는 진공 챔버가 펌프다운되는 것을 대기하고 추가의 처리를 위해 허용 가능한 나머지 화학종을 갖고 허용 가능한 기본 압력에 도달하는 것을 보장하는 것이다.
진공 챔버 내의 총 압력이 프로세스 웨이퍼를 제거하고 새로운 것을 도입하기 위해 정확한 순간을 트리거링하기 위해 목표 고진공 레벨 미만으로 강하하도록 반도체 프로세스가 대기하는 것은 일반적이다. 이러한 요구는 반도체 산업에 고유적인 것은 아니고, 자기 미디어 제조 툴은 또한 다음의 챔버로 단계 진행하기 전에 목표 레벨 미만으로 압력이 강하하는 것을 대기한다. 본 발명의 방법론은 프로세스가 시작될 수 있기 전에 모든 가스 성분이 챔버로부터 진공 배기되는 것을 대기하는 것을 요구한다. 이는 잠재적으로는 가장 풍부한 성분이고 펌프아웃을 위해 가장 긴 시간을 소요하는 성분이 가장 빈번히 프로세스에 유해하지 않기 때문에 시간의 비효율적인 사용이다. 단지 유해한 성분만을 계속 추적하고 단지 이들이 유해한 레벨 미만으로 강하하기를 대기하는 것이 훨씬 더 효율적일 수 있다. 이는 적절한 데이터 분석 능력과 조합된 질량 분석기와, 유해한 성분의 총 농도를 추적하는 인덱스를 계산하는 스크립트 메커니즘으로 자동으로 행해질 수 있다. 이 경우에 진공 품질 인덱스를 규정하는 일 가능한 접근법은 챔버 내에 나타나는 것으로 알려진 개별 가스 성분이 프로세스에 유해하게 되는 레벨을 실험적으로 결정하고 이어서 이들의 공지된 유해한 임계치를 초과하는 임의의 이들 성분을 관찰하는 스크립트를 형성하는 것이다. 유해한 성분(예를 들어, 탄화수소)은 45 원자 질량 단위 또는 그 이상의 질량에서 임의의 질량 피크를 포함하는 것으로서 정의될 수 있고, 어떠한 특정 피크에 대응하는 특정 화학종의 화학적 식별도 요구되지 않는다. 진공 품질 인덱스는 이들의 유해한 임계치에 대해 유해한 성분의 레벨을 비교하고 모든 포지티브 편차를 가산함으로써 계산된다. 유해한 임계치 미만의 가스는 이들이 다른 성분과 함께 추가적으로 기여하지 않으면 계산에 포함되지 않는다. 진공 품질 인덱스는 모든 가스에 대한 임계치를 초과하는 모든 포지티브 편차의 합일 수 있다. 웨이퍼는 진공 품질 인덱스가 0이 되자마자 교체될 준비가 된다. 진공 품질 인덱스가 0일 때, 사용자는 모든 유해한 성분이 손상 임계치 미만인 것을 확인한다. 사용자는 스펙트럼을 관찰할 필요는 없고, 오히려 진공 품질 인덱스가 0이 되는 것을 간단히 대기하면 된다. 임의의 질량 분석기로 이 계산을 수행하는 것이 가능하지만, 자동화 데이터 분석이 이용 가능하면, ART MS는 디스크 코팅 챔버가 기본 압력에 있는 0.5초 시간에 VQI의 측정을 가능하게 할 수 있는 유일한 이용 가능한 기술이라는 것을 주목하라.
베이스아웃을 위한 VQI의 다른 예는, 공기에 대한 물의 비에 기초하여 품질 기준을 사용하여,
이다. 분위기 조건 하에서 펌프다운하고 있는 진공 챔버에 대해, 챔버는 대부분 공기로 시작하여 펌프다운될 것이다. 진공 배기(evacuation)가 VQI≥1까지 계속될 것이다. 공기가 펌프아웃됨에 따라, 물은 챔버 내의 주 성분이 될 것이다. 챔버 진공 배기의 시작시의 VQI는 0에 근접하는데, 이는 H2O/공기의 비가 작은 수이기 때문이다. 챔버가 진공 배기됨에 따라, VQI는 증가하지만, 총 압력이 1E-06 Torr를 초과하여 유지되는 한, H2O/공기>1.6이 아니면 VQI<1이고, 이는 물이 가능하게는 진공 배기의 시작시에 상당히 일정하고 공기가 진공 배기되는 주 성분인 경우에 진공 챔버에서는 가능성이 적다. 총 압력이 1E-06에 도달할 때, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, VQI는 0.5만큼 증가하고, 따라서 VQI=1을 위해 요구되는 H2O/공기비는 H2O/공기=0.8이고, 이는 몇몇 용례에 대해 허용 가능한 진공 환경일 수 있는 1E-06 Torr 미만의 총 압력을 갖는 가스 환경의 약 44%인 물로 변환된다.
UHV 베이스아웃
적절하게 펌프다운된 초고 진공[10-9 내지 10-12 Torr(UHV)] 시스템은 95% 수소로 이루어진 잔류 가스 환경을 가질 수 있는 것이 잘 알려져 있다. UHV 사용자는 잔류 가스 분석기(RGA) 질량 스펙트럼을 관찰하고 UHV 시스템 내의 진공이 허용 가능한지를 판단하기 위해 모든 다른 성분에 대한 수소의 비를 간단히 평가하여, 스펙트럼이 청결하기만 하면 실험이 계속될 수 있는 것으로 판정하는 것에 익숙하다. 사용자는 모든 다른 성분(통합됨)에 대한 H2의 비가 >0.95인 한 실험이 계속될 수 있도록 실험을 제어하기 위해 본 발명에 따른 가스 분석기를 이용할 수 있다. 이는 이 경우에 진공 품질 인덱스일 수 있다. UHV 베이스아웃을 위한 VQI의 예는 다음과 같다.
단계 1) 압력이 목표값을 초과하고 수소가 스펙트럼 내의 총 가스의 25% 미만이면. VQI=0.
단계 2) VQI=전체 질량 범위에 걸친 질량 스펙트럼 내의 총 전하에 대한 % H2의 기여도.
프로세스는 VQI>90이기만 하면 시작할 수 있다. 이 아이디어는 VQI가 90일 수 있는 유일한 방법은 시스템이 완전히 펌프다운되는 경우라는 것이다. 이 VQI는 진공 챔버의 온도의 도 1 내지 도 2에 도시되어 있는 외부 입력(190)이 VQI 계산에 조합되면 더 정확하게 이루어질 수 있다는 것을 주목하라. UHV 챔버 내의 수소의 레벨은 외부 온도에 매우 의존한다. 방 내의 공기 조화가 진공 챔버 내의 수소 레벨에 기초하여 온 또는 오프되는지 여부를 말하는 것이 가능하다. 사용자가 어떻게 수소 생성이 온도에 의해 영향을 받는지를 인지하면, 이는 수소 레벨을 정규화하는데 사용될 수 있다. 이 방식으로, 시스템이 따뜻하면, 사용자는 진공 챔버가 온도에 의해 발생된 상승된 H2 레벨에 기인하여 너무 빨리 UHV에 있다고 판단하지 않는다. 이 품질 기준은 단지 실온 입력과 선택적으로 조합된 총 압력 측정 및 비율계량 질량 스펙트럼 데이터만을 요구한다.
탄화수소를 갖는 베이스아웃
베이스아웃의 다른 품질 기준은 탄화수소 오염이 없는 청결한 진공 챔버일 수 있다. 제조 용례로부터의 예시적인 경우는 다음과 같다. 새로운 ART MS 트랩이 구축될 때, 트랩의 펌프다운 중의 이벤트의 순서는 1) 초기에 트랩이 공기로 대부분 충전되는 것으로 예측된다. 공기는 배출되고 이어서 스펙트럼이 물에 의해 지배된다. 총 압력이 3시간 이내에 1E-8 Torr 미만으로 강하하게 되는 것으로 예측되고, 이 레벨에 도달함에 따라, 스펙트럼은 적어도 80% 물로 이루어질 수 있는 것으로 예측된다. 1E-8 Torr의 압력이 도달되고 스펙트럼이 80% 물로 이루어지면, ART MS 트랩은 물이 배출되고 오일(즉, 탄화수소)이 10-9 Torr 범위(즉, 충분히 낮음)의 기여도를 구성하기 때문에 허용 가능할 수 있다. 압력이 아직 1E-8 Torr에 있지 않으면, 사용자는 3시간을 대기하여 물 피크가 스펙트럼 내에 지배적이게 되는지를 확인한다. 3시간 후에, 트랩이 1E-8 Torr로 펌핑다운되지 않고 물이 결코 스펙트럼 80%가 되지 않으면, 품질 기준이 부합되지 않는다. 이 경우에, VQI는 다음과 같을 수 있다.
스크립트는 펌프다운이 시작되는 것을 신호에 의해 런칭한다. 외부 입력은 트랩이 저온 펌프에 노출되는 것을 지시하는 메인 게이트 밸브의 위치이다. 일단 VQI가 이하에 설명되는 바와 같이 계산되면, VQI=1은 펌프다운이 성공적이었다는 것을 지시한다.
압력이 >1E-8 Torr이고 펌프다운 시간이 <3시간이면, VQI=0.5이다.
압력이 >1E-8 Torr이고 펌프다운 시간이 >3시간이면, 테스트의 나머지에 대해 VQI=0이고, 트랩은 펌프다운 테스트를 실패한다. ART MS 트랩은 허용 가능하지 않다. 트랩의 베이크아웃(bakeout) 또는 플라즈마 세척이 요구된다. 스크립트는 다음 펌프다운까지 실행을 정지한다.
일단 압력이 <1E-8이면, 질량 스펙트럼에 대한 물의 분율 기여도를 계산한다.
물 분율 기여도가 0.8 미만이고 펌프다운 시간이 3시간 미만이면, VQI로서 물의 분율 기여도를 보고한다.
물 분율 기여도가 <0.8이고 펌프다운 시간이 3시간보다 길면, 테스트의 나머지에 대해 VQI=0이다. ART MS 트랩은 실패한다. 스크립트는 다음 펌프다운까지 실행을 정지한다.
물 분율 기여도가 3시간이 경과되기 전에 0.8에 도달하면, VQI=1이다. ART MS 트랩이 통과한다. VQI는 다음의 펌프다운까지 업데이트되지 않는다. 3시간 후에, 조작자는 0 또는 1의 VQI가 보고되는지 여부를 판정할 수 있다. 이는 2진 VQI, 통과 (1) 또는 실패 (0)의 예이다.
이 경우에 스펙트럼에 대한 물의 기여도의 계산은 17 amu 및 18 amu 피크가 스캔 중에 트랩으로부터 방출된 총 전하에 기여하는 전하의 백분율을 계산하는 것을 수반한다.
P-Comp
웨이퍼 내로의 이온 빔 플럭스 및 화학 조사량을 제어하기 위해 압력 보상(P-COMP)을 사용하는 이온 주입기의 대형 설치된 베이스가 존재한다. P-COMP를 사용하는 이유는 진공 챔버 내의 중립 가스종과 빔 내의 이온 사이의 전하 교환에 의해 발생된 빔 전하 상태에 기인하여 발생하는 조사량 모니터링 부정확성을 보상하는 것이다. 추(Hsu) 등의 미국 특허 제7,057,191호를 참조하라. 본 접근법은 이온 빔 내의 실제 전류를 얻기 위해 압력의 변화에 응답하여 패러데이 컵(Faraday cup)(FC)에서 관찰된 전류 신호를 보정하는 것이다. 압력이 변화함에 따라, 이는 FC로 진행하는 이온 빔 내에서 발생하는 전하 변화에 영향을 미친다. 압력이 증가하고 더 많은 전하 교환이 발생함에 따라 더 많은 변화가 존재해야 한다. 상관관계 팩터는 교정 절차를 통해 규정되고, 가스 환경의 화학 조성이 변화하지 않는 한 총 압력에만 기초하여 매우 양호하게 작용한다. 압력이 동일하지만 화학 조성이 변화하면, 빔 전하 상태 변화의 상당한 시프트가 예측될 수 있다. 총 압력 뿐만 아니라 화학 조성을 인지하고 있으면, 화학 변화에 독립적일 수 있는 FC로 측정된 이온 전류(IFC)에 대한 상관관계 팩터를 계산할 수 있다. 이 시나리오는 FC 전류를 이온 빔 전류(IIB)에 상관관계하는데 사용된 팩터를 유도하기 위해 총 압력(TP) 게이지와 ART MS의 조합을 사용하는 것을 도시하고 있는 도 4에 도시되어 있는 다이어그램에 설명되어 있다.
VQI = k(TP, 가스 조성) (3)
IFC = IIB × k(TP, 가스 조성) (4)
FC에 의해 보고된 전류(IFC)는 웨이퍼에 조사하는 전류(IIB)와는 상이하다. 상관관계 팩터(VQI)는 총 압력(TP) 및 가스 조성의 함수이다. VQI의 실제 계산은 교정에 의존한다. 그러나, VQI는 상이한 종의 전자 친화도 및 이온화 효율의 이해에 기초하여 상이한 가스에 대해 근사될 수 있다. 일단 교정이 1회 행해지면, 사용자는 가스 조성에 독립적으로 P-COMP를 행할 수 있다.
특정 화학종의 누설 탐지
고에너지 이온 주입기 내의 SF6의 검출에 있어서, 사용자는 19 내지 128 amu의 다양한 피크에서 나타나는 SF6의 누설을 모니터링할 수 있다. 특정 화학종의 누설 탐지의 설명을 위해 코프먼(Coffman) 등의 미국 특허 제6,286,362호를 참조하라. SF6는 고에너지 이온 주입기 내에 존재하는 1000 KV 전위에서 아크 발생을 회피하기 위해 고전압 박스를 충전하는데 사용된다. 이 경우에, 가스 환경은 빔 라인에서 분석된다. 제1 품질 기준은 이온 주입 프로세스가 실행되지 않는 동안 총 압력이 목표값 미만으로 강하되어야 하는 것이다. 일단 압력이 요구된 값 미만으로 강하하면, 제2 품질 기준은 총 압력에 대한 SF6의 기여도가 1% 미만으로 예측되는 것이다. 예를 들어, 목표 총 압력(TP)은 프로세스가 1% 미만의 SF6로 시작되기 전에 2E-7 Torr일 수 있다. 이 경우에 VQI의 예는 이하와 같다.
단계 1) TP>2E-7이면, VQI = 2.
단계 2) VQI = 질량 스펙트럼 내의 총 전하에 대한 SF6 피크로부터의 전하의 % 기여도.
프로세스는 VQI≤1이기만 하면 실행될 수 있다.
이 경우에 목표 기본 압력이 도달되지 않는 한 VQI>1이고, 이어서 이는 1% 미만으로 유지되도록 요구되는 스펙트럼 내의 SF6의 백분율로 변환된다.
압력이 목표 TP를 초과하게 되거나 또는 %SF6가 1%를 초과하게 되면, 프로세스가 정지한다. 고전압 박스 내로의 SF6의 질량 유동을 모니터링할 수 있는 외부 입력이 선택적으로 포함될 수 있다. SF6가 가스 박스 내에 존재하지 않으면, 가능하게는 이온 주입 프로세스가 이를 요구하지 않는 더 낮은 전압에서 작동하기 때문에, VQI 값은 1 미만으로 설정될 수 있어 이 시간에 임의의 위험이 존재하지 않을 수도 있기 때문에 SF6 검출이 수행되지 않게 된다.
다른 누설 탐지 용례에서, 압력이 원하는 기본 레벨에 도달하지 않을 수 있는 진공 챔버 내의 문제점을 갖는 것은 일반적이다. 대부분의 경우에, 사용자는 압력이 질량 분석을 행하여 공기가 시스템 내의 유일한 잔류 가스라는 것을 판정하기 위해 평탄화될 때까지 대기한다. 시스템 내의 총 압력에 대한 공기의 비를 관찰함으로써 이 프로세스를 진척시키는 것이 가능하다. 적절하게 밀봉된 시스템에 대해, 모든 다른 가스 농도에 대한 공기 농도의 비로부터 계산된 VQI는 특정 최대 레벨을 초과하지 않아야 한다. 예를 들어, 펌프다운 도중에 공기가 가스 혼합물의 절반 존재한다는 것이 미리 인지되면, 더 이상 대기할 필요가 없다. 이 VQI는 절대 부분압 정보를 필요로 하지 않고, 실제로 이는 비율계량 농도를 사용하여 행해질 수 있다.
가스 유동 제어용 진공 품질 모니터
상기 예는 어떠한 방식으로 질량 분석기가 진공 품질 모니터(VQM)로서 사용될 수 있는지의 실증이고, 어떠한 방식으로 단일의 숫자가 프로세스에서 다음 단계를 취하기 위해 진공 시스템의 품질을 표현하는데 사용될 수 있는지의 실증이다. 진공 품질 인덱스는 프로세스를 언제 시작할지, 계속할지 또는 정지할지를 판단하는데 사용될 수 있다. VQI는 또한 피드포워드 또는 피드백 정보를 제공하기 위해 정방향 또는 역방향으로 통과될 수 있다. VQI는 또한 보조 데이터 및 또한 다른 VQI를 포함할 수 있다.
도 5에 도시되어 있는 다른 실시예에서, 진공 품질 모니터 시스템(210)이 관심 프로세스 점에 물리적으로 근접하여 진공 챔버(220)에 부착된다. 가스(230, 240, 250)의 원하는 "처방"(예를 들어, N2, CO, H2O)이 VQM 시스템(210) 내로 다운로드된다. VQM 시스템(210)은 처방의 가스 조성 및 VQM 센서 출력의 공지의 특성(이온화 방법에 기초하는 스펙트럼 라이브러리, 센서 스펙트럼 응답, 시스템 및 기구 노이즈 및 다른 팩터)에 기초하여 예측된 질량 분석기 스캔 출력[N2 스펙트럼(260), CO 스펙트럼(270) 및 H2O 스펙트럼(280)]을 생성한다. VQM 시스템(210)은 이어서 측정된 질량 스펙트럼(290)과 조합된 예측된 스펙트럼(295) 사이의 적합(또는 상관관계)의 폐루프 제어에 기초하여 가스 유동을 제어한다. 측정된 질량 스펙트럼 데이터(290)와 예측된 스펙트럼(260, 270, 280)은 개별 가스 유동의 제어를 제공하기 위해 가스 특정부로 처리될 수 있다. VQM 시스템 출력은 가스 유동 밸브를 직접 제어할 수 있고 또는 가스 유동 제어 시스템에 정보를 제공할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 진공 품질 인덱스(VQI)는 예측된 스펙트럼과 측정된 스펙트럼의 진행중인 측정을 포함한다. 가스의 혼합물의 스펙트럼의 복잡한 적합은 단일의 VQI 값으로 축소되어 프로세스 모니터링 및 제어를 위해 사용될 수 있다.
다수의 "적합도(goodness of fit)" 방법 중 하나가 사용될 수 있다. 본 출원에서, "상관관계" 방법의 일반적인 사용이 2개의 복소함수 사이의 "적합도"를 판정하기 위한 대표적인 방법으로서 사용된다.
2개의 어레이 M(s) 및 N(s)가 주어지고, 여기서 "s"가 질량, 시간, 인덱스 또는 소정의 다른 변수를 표현할 수 있으면,
완벽한 상관관계에 대해 corr(M,N) = 1,
상관관계가 없으면, corr(M,N) = 1,
네거티브 상관관계에 대해, corr(M,N) = -1.
가스 조성이 인지되지 않은 경우에, VQM 시스템은 공지의 가스에 대한 상관관계 없이 가스 스펙트럼을 제공하기 위해 다른 질량 분석기와 같이 거동한다.
VQI는 또한 오염물에 대해 사용될 수 있고, 여기서 하나 이상의 오염물의 예측된 측정은 모니터링을 위해 VQM 시스템 내로 프리로딩될 수 있다. 높은 상관관계(VQI 값)이 오염물(들)의 존재를 지시하는데 사용될 수 있고, 동작이 취해질 수 있다.
진공 품질 인덱스(VQI)를 위해 이용 가능한 상관관계 함수의 예는,
VQI N2 = corr(M(s), N2(s))
VQI CO = corr(M(s), CO(s))
VQI H2O = corr(M(s), H2O(s))
VQI = corr(M(s), Sum(s))
이다.
M(s)는 분해능을 증가시키기 위해 예측된 다른 가스를 감산함으로써 향상될 수 있다.
X(s) = M(s) - CO(s) - H2O(s), N2 가스 유동을 제어할 때
Y(s) = M(s) - N2(s) - H2O(s), CO 가스 유동을 제어할 때
Z(s) = M(s) - CO(s) - N2(s), H2O 가스 유동을 제어할 때.
다음에, N2 가스 유동 신호는
VQI N2' = α* corr(X(s), N2(s))에 의해 제어되고,
여기서, α는 VQI N2'를 정규화하는데 필요한 함수이다.
예를 들어, 적절한 유동이 도달할 때 VQI N2' = 1이다.
다음에, CO 가스 유동 신호는
VQI CO' = β* corr(Y(s), CO(s))에 의해 제어되고,
여기서, β는 VQI CO'를 정규화하는데 필요한 함수이다.
다음에, H2O 가스 유동 신호는
VQI H2O' = γ* corr(Z(s), H2O(s))에 의해 제어되고,
여기서, γ는 VQI H2O'를 정규화하는데 필요한 함수이다.
VQM 시스템의 속도 및 데이터 처리 능력의 고유한 특성은 예측된 가스 성분이 가스의 계획된 처방에 따라 VQM 시스템 내로 상호 작용식으로 프로그램될 수 있게 한다. VQM 시스템은 가스의 계획된 처방에 기초하여 예측된 스펙트럼을 생성하고, 이어서 처방에 대해 필요한 상관관계 함수를 수행하고 상관관계 결과에 기초하여 개별 가스 유동을 제어하는 기능을 갖는다.
기구 요건은
1) 고속 스펙트럼 측정 및 데이터 처리/데이터 축소,
2) 게이지 성능과 정합하는 모델링 능력 및 스펙트럼의 라이브러리를 포함하는 예측된 스펙트럼을 생성하기 위한 기능,
2a) 충분하게 고속 네트워크를 갖는 것, 가스의 더 큰 라이브러리가 중앙 저장 위치로부터 가져오기를 통해 이용 가능할 수 있음,
3) 복소 상관관계 처리, 또는 폐루프 제어 시스템을 제공하는데 사용될 수 있는 유사한 처리를 제공하는 능력,
4) 가스가 기구의 스펙트럼 측정 능력(질량, 광학 또는 다른 스펙트럼 측정)과 호환성이 있는 것이다.
본 명세서에 인용된 모든 특허, 공개 출원 및 참조 문헌의 관련 교시는 그대로 참조로서 포함되어 있다.
본 발명이 그 예시적인 실시예를 참조하여 구체적으로 도시되고 설명되어 있지만, 형태 및 상세의 다양한 변경이 첨부된 청구범위에 의해 포함되는 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있을 것이다.
100: 가스 분석기 110: 진공 챔버
120: 프로세싱 전자 기기 130: 질량 분석기
140: PC 150: 데이터 프로세서
160: 이온화 게이지 170: 저온 펌프
120: 프로세싱 전자 기기 130: 질량 분석기
140: PC 150: 데이터 프로세서
160: 이온화 게이지 170: 저온 펌프
Claims (80)
- 프로세싱 전자 기기를 포함하는 진공 챔버용 가스 분석기로서,
a) 질량 스펙트럼 데이터를 수신하고,
b) 상기 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하고,
c) 적어도 하나의 센서로부터 외부 입력을 수신하고,
d) 상기 질량 스펙트럼 데이터, 상기 진공 챔버 내의 총 압력 및 상기 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하도록 구성되는 가스 분석기. - 제1항에 있어서, 상기 프로세싱 전자 기기는 상기 질량 스펙트럼 데이터에 기초하여 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종의 정체성(identity)를 판정하도록 더 구성되는 가스 분석기.
- 제2항에 있어서, 상기 프로세싱 전자 기기는 적어도 제1 스테이지 및 제2 스테이지를 갖는 저온 펌프의 충만도 레벨을 판정하도록 더 구성되는 가스 분석기.
- 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 저온 펌프의 제2 스테이지의 온도의 온도 센서를 포함하고, 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종은 수소이고, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 상기 진공 챔버 내의 총 압력에 대한 수소 부분압의 비를 포함하는 가스 분석기.
- 제2항에 있어서, 상기 프로세싱 전자 기기는 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 2개의 화학종의 상대 농도를 판정하고, 상기 상대 농도를 이용하여 상기 진공 품질 인덱스를 계산하도록 더 구성되는 가스 분석기.
- 제2항에 있어서, 상기 프로세싱 전자 기기는 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종의 부분압을 판정하고, 상기 부분압을 이용하여 상기 진공 품질 인덱스를 계산하도록 더 구성되는 가스 분석기.
- 제6항에 있어서, 상기 프로세싱 전자 기기는 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 2개의 화학종의 부분압을 판정하고, 상기 적어도 2개의 화학종의 부분압을 이용하여 상기 진공 품질 인덱스를 계산하도록 더 구성되는 가스 분석기.
- 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학종의 부분압의 디스플레이를 더 포함하는 가스 분석기.
- 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학종의 최소 및 최대 부분압의 디스플레이를 더 포함하는 가스 분석기.
- 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학종의 부분압의 디지털 출력을 더 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 기판 온도 센서를 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 진공 펌프 속도 센서를 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 질량 유동 모니터를 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 저온 펌프 온도 센서를 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 이온 펌프 전류 센서를 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스는 2진 출력을 제어하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세싱 전자 기기는 상기 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하도록 더 구성되는 가스 분석기.
- 제17항에 있어서, 상기 프로세스는 상기 진공 챔버의 베이스아웃(baseout)이고, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 진공 챔버의 온도의 온도 센서를 포함하는 가스 분석기.
- 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 상기 진공 챔버 내의 모든 다른 화학종에 대한 수소의 비를 포함하는 가스 분석기.
- 제17항에 있어서, 상기 프로세스는 상기 진공 챔버의 베이스아웃이고, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 진공 챔버와 상기 진공 챔버를 진공 배기하기 위한 진공 펌프 사이에 게이트 밸브의 위치 센서를 포함하는 가스 분석기.
- 제20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 상기 진공 챔버 내의 모든 다른 화학종에 대한 물의 비를 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스의 디스플레이를 더 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 챔버 내의 총 압력의 디스플레이를 더 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질량 스펙트럼 데이터의 스캔 범위의 디스플레이를 더 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스의 디지털 출력을 더 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질량 스펙트럼 데이터의 디지털 출력을 더 포함하는 가스 분석기.
- 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 사용자 프로그램 가능한 가스 분석기.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질량 스펙트럼 데이터를 제공하도록 구성된 질량 분석기를 더 포함하는 가스 분석기.
- 진공 챔버 내의 가스 분석 방법으로서,
a) 질량 스펙트럼 데이터를 수신하는 단계와,
b) 상기 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하는 단계와,
c) 적어도 하나의 센서로부터 외부 입력을 수신하는 단계와,
d) 상기 질량 스펙트럼 데이터, 상기 진공 챔버 내의 총 압력 및 상기 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 포함하는 가스 분석 방법. - 제29항에 있어서, 상기 질량 스펙트럼 데이터에 기초하여 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종의 정체성을 판정하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제30항에 있어서, 적어도 제1 스테이지 및 제2 스테이지를 갖는 저온 펌프의 충만도 레벨을 판정하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제31항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 저온 펌프의 제2 스테이지의 온도의 온도 센서를 포함하고, 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종은 수소이고, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 상기 진공 챔버 내의 총 압력에 대한 수소 부분압의 비를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 2개의 화학종의 상대 농도를 판정하고, 상기 상대 농도를 이용하여 상기 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제31항에 있어서, 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 하나의 화학종의 부분압을 판정하고, 상기 부분압을 이용하여 상기 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제34항에 있어서, 상기 진공 챔버 내에 존재하는 적어도 2개의 화학종의 부분압을 판정하고, 상기 적어도 2개의 화학종의 부분압을 이용하여 상기 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제35항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학종의 부분압을 표시하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제36항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학종의 최소 및 최대 부분압을 표시하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제30항에 있어서, 상기 적어도 하나의 화학종의 부분압의 디지털 출력을 출력하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 기판 온도 센서를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 진공 펌프 속도 센서를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 질량 유동 모니터를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 저온 펌프 온도 센서를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 이온 펌프 전류 센서를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스를 이용하여 2진 출력을 제어하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스를 이용하여 아날로그 출력을 제어하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제46항에 있어서, 상기 프로세스는 상기 진공 챔버의 베이스아웃이고, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 진공 챔버와 상기 진공 챔버를 진공 배기하기 위한 진공 펌프 사이에 게이트 밸브의 위치 센서를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제47항에 있어서, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 상기 진공 챔버 내의 모든 다른 화학종에 대한 물의 비를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제46항에 있어서, 상기 프로세스를 제어하는 단계는 피드포워드 프로세스 제어를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제46항에 있어서, 상기 프로세스를 제어하는 단계는 피드백워드 프로세스 제어를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제46항에 있어서, 상기 프로세스를 제어하는 단계는 시간 경과에 따른 상기 진공 챔버 내의 프로세스의 품질을 추적하는 단계를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제46항에 있어서, 상기 프로세스를 제어하는 단계는 상이한 진공 챔버 내의 프로세스의 품질을 매칭시키는 단계를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제46항에 있어서, 상기 프로세스를 제어하는 단계는 상기 진공 챔버 내로의 적어도 하나의 가스의 유동을 제어하는 단계를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스를 표시하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제54항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 챔버 내의 총 압력을 표시하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질량 스펙트럼 데이터의 스캔 범위를 표시하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스의 디지털 출력을 출력하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질량 스펙트럼 데이터의 디지털 출력을 출력하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제58항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 사용자 프로그램 가능한 가스 분석 방법.
- 제29항 내지 제59항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질량 스펙트럼 데이터는 질량 분석기로부터 수신되는 가스 분석 방법.
- 진공 챔버 내의 가스 분석 방법으로서,
a) 질량 스펙트럼 데이터를 수신하는 단계와,
b) 상기 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하는 단계와,
c) 상기 질량 스펙트럼 데이터 및 상기 진공 챔버 내의 총 압력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 포함하는 가스 분석 방법. - 제61항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제62항에 있어서, 상기 프로세스는 상기 진공 챔버의 베이스아웃인 가스 분석 방법.
- 제63항에 있어서, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 상기 진공 챔버 내의 모든 다른 화학종에 대한 수소의 비를 포함하는 가스 분석 방법.
- 제61항 내지 제64항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서로부터 외부 입력을 수신하고, 상기 외부 입력을 이용하여 상기 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제65항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 진공 챔버의 온도의 온도 센서를 포함하는 가스 분석 방법.
- 진공 챔버 내의 가스 분석 방법으로서,
a) 질량 스펙트럼 데이터를 수신하는 단계와,
b) 상기 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하는 단계와,
c) 이온 빔 전류 센서로부터 외부 입력을 수신하는 단계와,
d) 상기 질량 스펙트럼 데이터, 상기 진공 챔버 내의 총 압력 및 상기 이온 빔 전류 센서로부터의 외부 입력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 포함하는 가스 분석 방법. - 제67항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제68항에 있어서, 상기 프로세스는 이온 빔으로의 이온 주입인 가스 분석 방법.
- 제69항에 있어서, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 빔 내의 이온과 진공 챔버 내의 중립 가스종 사이의 전하 교환에 의해 발생된 빔 전하 상태 변화에 기인하는 보상을 포함하는 가스 분석 방법.
- 진공 챔버 내의 가스 분석 방법으로서,
a) 상기 진공 챔버 내의 적어도 하나의 가스의 원하는 농도의 입력을 수신하는 단계와,
b) 상기 진공 챔버 내의 적어도 하나의 가스의 원하는 농도를 위한 예측된 질량 분석기 스캔 출력을 계산하는 단계와,
c) 질량 스펙트럼 데이터를 수신하는 단계와,
d) 상기 예측된 질량 분석기 스캔 출력 및 상기 질량 스펙트럼 데이터를 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하는 단계를 포함하는 가스 분석 방법. - 제71항에 있어서, 상기 진공 품질 인덱스를 이용하여 프로세스를 제어하는 단계를 더 포함하는 가스 분석 방법.
- 제72항에 있어서, 상기 프로세스는 상기 진공 챔버 내로의 가스 유동을 포함하는 가스 분석 방법.
- 제71항 내지 제73항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 품질 기준은 예측된 질량 분석기 스캔 출력과 질량 스펙트럼 데이터 사이의 상관관계를 포함하는 가스 분석 방법.
- 진공 챔버용 가스 분석 시스템으로서,
i) 질량 분석기와,
ii) 적어도 하나의 센서와,
iii) a) 질량 스펙트럼 데이터를 수신하고,
b) 상기 진공 챔버 내의 총 압력의 입력을 수신하고,
c) 적어도 하나의 센서로부터 외부 입력을 수신하고,
d) 상기 질량 스펙트럼 데이터, 상기 진공 챔버 내의 총 압력 및 상기 적어도 하나의 센서로부터의 외부 입력을 이용하여, 적어도 하나의 품질 기준에 기초하여 진공 품질 인덱스를 계산하도록 구성되는 프로세싱 전자 기기를 포함하는 가스 분석기를 포함하는 가스 분석 시스템. - 제75항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 기판 온도 센서를 포함하는 가스 분석 시스템.
- 제75항 또는 제76항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 진공 펌프 속도 센서를 포함하는 가스 분석 시스템.
- 제75항 내지 제77항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 질량 유동 모니터를 포함하는 가스 분석 시스템.
- 제75항 내지 제78항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 저온 온도 센서를 포함하는 가스 분석 시스템.
- 제75항 내지 제79항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 이온 펌프 전류 센서를 포함하는 가스 분석 시스템.
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