KR20130109760A

KR20130109760A - 에칭 종점 검출 방법

Info

Publication number: KR20130109760A
Application number: KR1020120031766A
Authority: KR
Inventors: 이후범
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-08

Abstract

본 발명의 일 실시형태는, 대상물과 동종인 샘플을 플라즈마 에칭하는 과정에서 발생되는 발광 스펙트럼을 일정한 시차로 검출하는 단계와, 상기 에칭 과정에서 강도의 변화량이 가장 큰 파장을 선택하여 그 선택된 파장에서의 시간에 따른 강도 변화를 추출하는 단계와, 상기 강도의 변화를 미분하여 얻어진 변곡점을 근거하여 가상 에칭 종점을 획득하는 단계와, 대상물에 대한 플라즈마 에칭 과정에서 상기 선택된 파장의 시간에 따른 강도 변화를 추출하는 단계와, 상기 대상물의 강도 변화를 미분하여 얻어진 변곡점을 추출하고, 상기 가상 에칭 종점에 따라 에칭 종점을 판단하는 단계를 포함하는 에칭 종점 검출 방법을 제공한다.

Description

에칭 종점 검출 방법 {ETCHING END POINT DETECTING METHOD}

본 발명은 에칭 종점 검출 방법에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 에칭 공정에서 사용될 수 있는 에칭 종점 검출 방법에 관한 것이다.

플라즈마를 이용한 에칭공정은 반도체 제조 등에서 널리 적용되고 있다. 정밀한 플라즈마 에칭 공정을 수행하기 위해서, 에칭의 종료를 판단하기 위한 에칭 종점 검출(end point detection of etching) 방법이 중요하게 요구된다.

대표적으로, 비교적 간단하고 고감도인 플라즈마의 발광 분광 분석이 널리 이용되고 있다. 이러한 발광 분광 분석에 의한 에칭 종점 검출 방법은, 에칭용 가스뿐만 아니라, 반응물로부터 얻어지는 발광 강도를 측정하고 그 강도의 변화지점을 근거하여 종점을 검출하는 방법을 말한다.

종래의 에칭 종점 검출 방법은 서로 다른 물질인 다층구조물의 에칭에 주로 사용되었으며, 이 경우에 막질의 두께와 에칭레이트에 따라 변곡시점이 명확하게 발생되어 에칭 종료 시점을 용이하게 판단할 수 있었다. 하지만, 단일 물질로 이루어진 대상물일 경우에 이러한 변곡시점을 판단하는데 어려움이 있으며, 일정한 에칭시간으로 에칭 종점을 판단하는 경우에, 에칭 설비에 따른 편차로 인해 CPK 지수가 하락하는 원인이 될 수 있다.

당 기술 분야에서는, 단일 물질로 이루어진 대상물에 대한 에칭 공정에서도 에칭 종점을 안정적으로 판단할 수 있는 에칭 종점 검출 방법이 요구되고 있다.

구체적으로, 쓰레스홀드(threshold)방식과 밸루(value) 방식을 선택적으로 이용할 수 있다. 이를 위해서, 상기 가상 에칭 종점을 획득하는 단계는, 상기 가상 에칭 종점이 포함된 일정한 시간에서의 변화량 및 상기 가상 에칭 종점에 해당하는 변곡점의 설정값을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

이 경우에, 상기 가상 에칭 종점에 따라 에칭 종점을 판단하는 단계는, 상기 일정시간에서의 변화량 및 설정값 중 선택된 하나를 이용하여 상기 대상물의 플라즈마 에칭공정이 에칭 종점을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 상기 가상 에칭 종점을 획득하는 단계에서 상기 변곡점이 1차 및 2차 변곡점이 순차적으로 존재할 경우에, 상기 2개의 변곡점 사이에 데드타임(dead time)을 설정하여 2차 변곡점을 상기 가상 에칭 종점으로 설정할 수 있다.

이 경우에, 상기 가상 에칭 종점에 따라 에칭 종점을 판단하는 단계는, 상기 데드 타임 후에 검출되는 변곡점을 에칭 종점으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

이와 달리 또는 이와 병행하여, 상기 가상 에칭 종점에 따라 에칭 종점을 판단하는 단계는, 상기 데드 타임 전에 2개의 변곡점이 발생하는 경우에, 상기 1차 변곡점을 만족한 후에 발생되는 2차 변곡점을 에칭 종점으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 대상물은 단일한 물질로 이루어진 기판일 수 있다. 특히, 상기 플라즈마 에칭 과정은 상기 기판에 요철 패턴을 형성하는 과정에서 유용하게 사용될 수 있다.

플라즈마를 이용한 에칭공정 진행 시에 막질의 변화 및 에칭설비 조건에 따른 공정 산포 최소화하여 CPK를 향상시키고, 특히 단일 물질로 이루어진 기판에 대한 에칭 공정에서 정확하게 에칭 종점을 검출하는 방법으로 유익하게 활용될 수 있다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단 및 효과는, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

도1은 본 발명에서 채용될 수 있는 플라즈마 에칭 설비를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명에 따른 에칭 종점 검출 방법 중 샘플을 이용한 가상 에칭 종점 검출과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도3은 본 발명에 따른 에칭 종점 검출 방법 중 대상물에 대한 에칭 종점 검출과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도4는 본 발명의 일 예로서 단일한 물질로 이루어진 기판(사파이어 기판)의 요철형성과정(플라즈마 에칭과정)에서 발생되는 특정 파장의 시그널에 대한 세기 변화를 나타내는 그래프이다.
도5는 도4에 도시된 시그널 그래프를 1차 미분한 결과를 나타내는 그래프이다.
도6은 복수의 변곡점 발생시의 에칭종점 검출방법의 예를 설명하기 위한 그래프이다.
도7a은 종래의 방법에 따른 사파이어 기판의 요철형성과정에 의한 산포 결과를 나타내는 그래프이며, 도7b는 본 발명의 방법에 따른 사파이어 기판의 요철형성과정에 의한 산포 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명에서 채용될 수 있는 플라지마 에칭 설비를 나타내는 개략도이다.

도1에 도시된 에칭 설비(10)는, 챔버(11)와, 상기 챔버(11)내에 배치된 하부 전극(12)과, 상기 하부 전극(12)의 상에 평행하게 대향하도록 배치된 상부 전극(13)을 포함한다.

상기 하부 전극(12)은 알루미늄과 같은 도전성 물질로 표면 처리되며, 처리대상물, 예를 들어, 웨이퍼(W)를 장착할 수 있도록 형성된다. 상기 상부 전극(13)은 에칭용 가스를 균일하게 공급하기 위해 내부가 중공의 형상을 가질 수 있으며,상기 하부 전극(12)과 대향하는 면에 다수의 구멍이 형성될 수 있다. 또한, 상기 상부 전극(13)은 전기적으로 접지될 수 있다.

상기 챔버(11)의 상면에는 상기 상부 전극(13)에 연결된 가스 공급관(14)이 접속되며, 상기 가스 공급관(14) 및 상기 상부전극(13)을 통해 가스 공급원(미도시)으로부터 챔버(11) 내에 에칭용 가스가 공급될 수 있다.

상기 챔버(11)에는 배기 장치(미도시)에 연결된 배기관(15)이 접속될 수 상기 배기 장치는 배기관(15)을 통해 처리 챔버(11) 내를 배기하고 감압시켜 소망의 진공도를 유지할 수 있다.

상기 하부 전극(12)에는 고주파 전원(16)이 접속되고, 고주파 전원(16)으로부터 하부 전극(12)에 고주파 전압을 인가하여, 에칭용 가스 분위기 하에서 상기 상부 전극(13)과 상기 하부 전극(12) 사이에 플라즈마를 발생시켜, 하부 전극(12)상에 탑재된 웨이퍼(W) 표면을 에칭할 수 있다.

상기 웨이퍼(W)는 사파이어 기판과 같은 단일한 물질로 이루어진 기판일 수 있다. 이러한 플라즈마 에칭 공정은 기판 상에 특정한 패턴의 요철을 형성하는 공정일 수 있다.

상기 처리 챔버(11)의 일부에는 석영 유리와 같은 투명한 물질로 이루어진 모니터용 윈도우(17)가 장착되고, 상기 처리 챔버(11) 내의 플라즈마로부터 방사되는 발광 스펙트럼을 윈도우(17)로부터 검출되고 발광 스펙트럼의 변화에 근거하여 에칭 종점 검출(end point detection of etching)을 수행할 수 있다.

상기 윈도우(17)에는 광섬유(18)를 통해 폴리크로메이터(polychromator)와 같은 광검출기(19)가 접속되고, 광섬유(18)를 통해 채광된 발광 스펙트럼을 광검출기(19)로 순차적으로 측정하여 발광 스펙트럼을 파장마다 순간적으로 분광하여 전 파장에 대하여 풀 스펙트럼으로서 추출할 수 있다.

또한, 에칭 종점 검출 장치(20)는 광검출기(19)로부터 얻은 스펙트럼 데이터를 처리하여 에칭이 종료된 것을 나타내는 종점 검출 결과를 산출하여 제어 장치(21)에 출력한다. 제어 장치(21)는 종점 검출 결과에 근거하여 고주파 전원(l6)의 출력을 ON/OFF 제어할 수 있다.

이하, 도1에 도시된 에칭 종점 검출 장치를 이용하여 구현될 수 있는 에칭 종점 검출 방법을 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 에칭 종점 검출 방법은 크게 샘플을 이용한 가상 에칭 종점 검출과정과 실제 대상물에 대한 에칭 종점 결정 과정으로 구분될 수 있다. 물론, 여기서, 샘플은 실제 플라즈마 에칭에 사용될 대상물과 동일한 물질인 대상물을 의미한다.

도2에는 본 발명에 따른 에칭 종점 검출 방법 중 샘플을 이용한 가상 에칭 종점 검출과정이 도시되어 있다.

우선, 단계(S101)에는 대상물과 동종인 샘플에 대한 플라즈마 에칭 공정을 실행한다. 이러한 플라즈마 에칭은 도1에 도시되어 설명된 사항을 참고하여 이해할 수 있다.

이어, 플라즈마 에칭에서 발생되는 샘플의 발광 스펙트럼을 일정한 시차로 검출한다(S103). 에칭 개시부터 오버 에칭까지의 풀 스펙트럼을 순차적으로 측정하여 풀 스펙트럼의 각 파장 각각의 발광 강도를 발광 스펙트럼마다 스펙트럼 데이터로서 축적한다. 이 때에 검출되는 발광 스펙트럼의 파장범위는 예를 들어 200∼800㎚일 수 있으며, MCA(multi channel analysis)를 이용하여 각 파장 대역에서 강도 변화를 분석할 수 있다.

다음으로, 분석된 각 파장별 강도 변화로부터 전체적인 플라즈마 에칭 과정에서 강도의 변화량이 가장 큰 파장을 선택한다(S105). 이와 같이, 변화량이 큰 파장으로부터 보다 용이하게 에칭 종점과 관련된 정보를 얻을 수 있다.

이어, 단계(S107)에서는, 선택된 파장에서의 시간에 따른 강도 변화를 추출한다. 도4는 특정 파장에서의 시간에 따른 강도 변화를 나타내는 그래프의 일예이다. 보다 구체적으로, 도4의 그래프는, 사파이어 기판에서 요철패턴을 형성하는 플라즈마 에칭에서 얻어진 발광스펙트럼으로부터 가장 큰 강도 변화를 나타낸 파장에서 강도의 변화를 나타낸다.

도4에 도시된 바와 같이, 시간에 따라 거의 선형적인 변화를 갖는 프로파일로 나타나 있다. 이는 단일한 물질인 사파이어 기판에 대한 에칭공정으로 발생되는 반응가스가 에칭 시간에 따라 거의 선형적으로 증가하며 물질의 변화 등에 따른 변곡점이 발생되지 않기 때문이다.

도4에 도시된 그래프와 같이 거의 선형적인 변화에서 에칭 종점에 관련된 정보를 보다 정밀하게 추출하기 위해서, 선택된 특정 파장의 강도 변화를 미분하여 얻어진 변곡점을 근거하여 가상 에칭 종점을 획득한다(S109).

도5에 도시된 그래프는 도4에 도시된 그래프의 1차 미분한 결과이다. 도5를 참조하면, 크게 2개의 변곡점(D1,D2)이 나타난 것으로 확인할 수 있다. 특히, 여기서 2차 변곡점(D2)을 가상 에칭 종점으로 정할 수 있다. 본 예에서는, 1차 미분한 결과만을 이용한 예를 나타내었으나, 필요에 따라 2차 미분한 값을 근거하여 가상 에칭 종점을 설정할 수 있다.

본 실시형태에서는, 에칭 종점 검출 알고리즘 적용방식으로는 쓰레스홀드(threshold)방식과 밸루(value) 방식을 선택적으로 이용할 수 있다.

쓰레스 홀드 방식은 일정시간 동안 값의 변화량에 따라 조건의 만족을 결정한다. 따라서, 외부적인 요인(광량 감소 또는 증가)에 따라 절대적인 값의 변동이 발생하여도 일정한 형태의 그래프 모양이 유지되면 종점을 검출할 수 있다. 하지만, 일정시간 동안이라는 조건 때문에 그래프의 변곡이 시작되는 시점 등에 순간적인 변화에 종점을 설정하기 어려운 단점이 있다.

이에 반해, 밸루 방식은 그래프에 표시된 값이 설정값 이상 크거나 설정값 이하 작을 때, 그 시점을 종점으로 검출한다. 일정한 시간 동안 패턴을 유지하지 않을 만큼 순간적으로 변화가 크거나, 1차 미분 그래프를 이용하여 변곡이 시작되는 시점 등의 순간적인 변화를 종점으로 설정할 수 있다. 하지만, 외부적인 요인에 영향을 크게 받는 단점이 있다.

본 에칭 종점 검출 방법에서는 2개의 알고리즘을 선택적으로 적용할 수 있다. 이러한 판단을 위해서, 상기 가상 에칭 종점은, 2개의 알고리즘에 적합한 방식에 따라 정의될 수 있다. 우선, 쓰레스홀드 방식의 적용을 위해서 상기 가상 에칭 종점이 포함된 일정한 시간에서의 변화량과 함께, 밸루 방식의 적용을 위해서 상기 가상 에칭 종점에 해당하는 변곡점의 설정값(예를 들어, D2)을 획득할 수 있다.

이와 같이, 샘플로부터 얻어진 가상 에칭 종점을 이용하여 실제 대상물에 대한 플라즈마 에칭공정에서 에칭 종료 시점을 제어하여 최종 산포를 균일하게 제어할 수 있다. 도3은 본 발명에 따른 에칭 종점 검출 방법 중 대상물에 대한 에칭 종점 검출과정을 설명하기 위한 흐름도이다.

우선, 단계(S111)에서, 대상물에 대한 플라즈마 에칭 공정을 개시한다. 이어, 플라즈마 에칭공정에서 에칭 개시시부터 선택된 파장의 시간에 따른 강도 변화를 추출한다(S113).

다음으로, 상기 대상물의 강도 변화를 미분하여 1차 미분된 결과를 획득하고(S115), 가상 에칭 종점의 정보에 만족하는 변곡점 발생시점을 에칭 종점으로 결정한다(S117). 여기서, 에칭 종점을 결정하는 방식은 앞서 설명한 바와 같이, 쓰레스홀드 방식과 밸루 방식 중 하나를 선택하여 결정할 수 있다.

예를 들어, 에칭 종점을 판단하는 과정에서, 샘플로부터 얻어진 가상 에칭 종점에 관련된 일정시간에서의 변화량 및 설정값 중 선택된 하나 중에 대응되는 변화량 또는 설정값(변곡점)이 검출되면, 그 시점을 에칭 종점으로 판단하고, 플라즈마 에칭공정을 중단한다(S119).

본 플라즈마 에칭공정은 LED 제조공정 중 휘도 향상을 위하여 기판에 CIS 요철을 형성하는 과정일 수 있다. 이 공정에서, 포토 CIS 공정 진행시에 포토 노출(photo-exposure) 설비별 영향에 따른 간격 및 요철 깊이가 균일하게 제어되지 않고 가공 공정상의 문제를 야기시킬 수 있으며, 에칭시간을 일정한 시간으로 관리할 경우에 에칭 설비별의 편차에 따라 균일하게 제어되지 않아 CPK 지수가 하락하는 원인이 될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 에칭 종점 검출 시스템이 도입될 수 있다.

하지만, 일반적인 에칭 종점 검출 시스템은 도입되기 어려운 문제가 있다. 종래의 방식대로 1회 단파장만 추출하기 때문에 신규한 공정으로 셋업할 때에 파장 값을 정확히 알지 않을 경우가 있어 실제 적용이 어려우므로, 앞서 언급한 CIS 요철패턴 형성공정과 같이 포토레지스트 및 사파이어 에칭시 에칭시간으로 목표시간을 설정한 후에 수직 측정을 통한 검증 작업을 진행하고 있다.

특히 단일한 물질일 경우에 특정 파장 확인시에 변화량이 지나치게 작아 종래의 시스템에서는 알고리즘 적용이 불가능하며, 이러한 문제로 인해 단일한 물질의 기판에 대해서 에칭 종점 검출 적용이 어려운 문제가 있어 왔다.

따라서, 예를 들어, CCD 형태와 같은 촬상장치를 채용한 EPD 시스템에서 파장 변화량이 큰 값의 적용 파장으로 활용하여 그 파장 대역을 분석하여 수행한다. 하지만, 가장 큰 값을 찾아 적용할 경우에, 추출된 시그널과 같은 파장 그래프 는 찾을 수 있지만 한가지 알고리즘으로는 적용이 불가능한 그래프(거의 선형적인 프로파일)로 제공된다.

이를 해결하기 위해서, 추출된 파장의 프로파일을 미분하여 변곡점을 추출하고, 쓰레스 홀드 및 밸루 방식에 적용될 수 있는 가상 에칭 종점 값을 연산하여 이를 기초하여 실제 대상물의 에칭 종점을 효과적으로 제어할 수 있다.

도6은 복수의 변곡점 발생시의 에칭종점 검출방법의 특정 예를 설명하기 위한 그래프이다.

도6에 도시된 바와 같이, 같이 1차 변곡점의 미분값과 2차 변곡점 미분값이 동시에 존재하는 구간에서 "A"와 같이 2차 변곡점이 데드타임(예, 40초) 이후에 발생가능하다면, 2차 변곡점을 에칭 종점으로 적용가능하며, 하나의 알고리즘을 적용할 수 있으나, "B"와 같이 전 공정의 문제로 박막 두께가 얇아져 2차 변곡점이 데드타임 전에 발생된다면, 하나의 알고리즘만을 사용할 수 있다. 예를 들어, 추가적으로 다른 알고리즘으로서 1차 변곡점의 미분값을 만족하고 2차 변곡점의 미분값을 만족할 경우에는 데드타임 전이라도 에칭 종점으로 판단할 수 있도록 설정하여 박막두께와 상관없이 에칭 종점을 정확히 검출할 수 있다.

도7a은 종래의 방법에 따른 사파이어 기판의 요철형성과정에 의한 산포 결과를 나타내는 그래프이며, 도7b는 본 발명의 방법에 따른 사파이어 기판의 요철형성과정에 의한 산포 결과를 나타내는 그래프이다.

도7a 및 도7b는 요철의 폭과 깊이에 대한 산포를 나타낸다. 정해진 에칭 시간으로 관리한 종래의 경우에는 에칭 설비 등의 편차로 인해 높은 산포를 나타내고 있는 것으로 확인할 수 있다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 에칭 종점 검출 방법에 의할 경우에, 산포가 크게 개선된 것을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 플라즈마를 이용한 에칭공정 진행 시에 막질의 변화 및 에칭설비 조건에 따른 공정 산포 최소화하여 CPK를 향상시키고, 특히 단일 물질로 이루어진 기판에 대한 에칭 공정에서 정확하게 에칭 종점을 검출하는 방법으로 유익하게 활용될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims

대상물과 동종인 샘플을 플라즈마 에칭하는 과정에서 발생되는 발광 스펙트럼을 일정한 시차로 검출하는 단계;
상기 에칭 과정에서 강도의 변화량이 가장 큰 파장을 선택하여 그 선택된 파장에서의 시간에 따른 강도 변화를 추출하는 단계;
상기 강도의 변화를 미분하여 얻어진 변곡점을 근거하여 가상 에칭 종점을 획득하는 단계;
대상물에 대한 플라즈마 에칭 과정에서 상기 선택된 파장의 시간에 따른 강도 변화를 추출하는 단계; 및
상기 대상물의 강도 변화를 미분하여 얻어진 변곡점을 추출하고, 상기 가상 에칭 종점에 따라 에칭 종점을 판단하는 단계를 포함하는 에칭 종점 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 가상 에칭 종점을 획득하는 단계는,
상기 가상 에칭 종점이 포함된 일정한 시간에서의 변화량 및 상기 가상 에칭 종점에 해당하는 변곡점의 설정값을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭 종점 검출 방법.
제2항에 있어서,
상기 가상 에칭 종점에 따라 에칭 종점을 판단하는 단계는,
상기 일정시간에서의 변화량 및 설정값 중 선택된 하나를 이용하여 상기 대상물의 플라즈마 에칭공정이 에칭 종점을 판단하는 단계를 포함하는 에칭 종점 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 가상 에칭 종점을 획득하는 단계는,
상기 변곡점이 1차 및 2차 변곡점이 순차적으로 존재할 경우에, 상기 2개의 변곡점 사이에 데드타임(dead time)을 설정하여 2차 변곡점을 상기 가상 에칭 종점으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭 종점 검출 방법
제4항에 있어서,
상기 가상 에칭 종점에 따라 에칭 종점을 판단하는 단계는,
상기 데드 타임 후에 검출되는 변곡점을 에칭 종점으로 결정하는 단계를 포함하는 에칭 종점 검출 방법.
제4항에 있어서,
상기 가상 에칭 종점에 따라 에칭 종점을 판단하는 단계는,
상기 데드 타임 전에 2개의 변곡점이 발생하는 경우에, 상기 1차 변곡점을 만족한 후에 발생되는 2차 변곡점을 에칭 종점으로 결정하는 단계를 포함하는 에칭 종점 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 대상물은 단일한 물질로 이루어진 기판인 것을 특징으로 하는 에칭 종점 검출 방법.
제2항에 있어서,
상기 플라즈마 에칭 과정은 상기 기판에 요철 패턴을 형성하는 과정인 것을 특징으로 하는 에칭 종점 검출 방법.