KR20140003411A - 전압기반의 플라즈마 편위 검출 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은, 플라즈마 프로세싱 동안에, 플라즈마 프로세싱 챔버의 RF 파워 전극 상의 직류(DC) 바이어스 전압을 직접적으로 모니터링함으로써, 아아크, 마이크로 아아크들, 또는 다른 플라즈마 불안정성과 같은 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이어서, 모니터링된 DC 바이어스 전압은 아날로그 필터들 및 증폭기들의 연속을 통과하여 플라즈마 편위 신호를 제공한다. 플라즈마 편위 신호는 미리 셋팅된 값과 비교되고, 그리고 플라즈마 편위 신호가 미리 셋팅된 값을 초과하는 하는 지점들에서, 경고 신호가 발생된다. 이어서, 경고 신호가 시스템 제어기로 공급되고, 그에 따라 작업자에게 경고가 전달될 수 있고 및/또는 프로세싱 시스템이 중단될 수 있다. 특정 실시예들에서, 복수의 프로세싱 영역들이 단일 검출 제어 유닛에 의해서 모니터링될 수 있다.
Description
본원 발명은 전반적으로 플라즈마 프로세싱 동안에 아아크들, 마이크로-아아크들 또는 다른 플라즈마 불안정성과 같은 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마 에칭, 플라즈마 강화 화학기상증착(PECVD), 또는 물리기상증착(PVD)과 같은 기판들의 플라즈마 프로세싱 동안에, 아아크들, 마이크로-아아크들 또는 다른 플라즈마 불안정성과 같은 플라즈마 편위들이 산발적으로(sporadically) 또는 예상치 못하게 발생된다. 또한, 특정 프로세스들의 요건들은 전기적 절연파괴(breakdown) 및 플라즈마 편위들의 가능성을 상당히 높인다. 그러한 플라즈마 편위들은 천이된(shifted) 프로세스 결과들, 감소된 생산 수득(yield), 및 증가된 시스템 중단시간을 초래한다. 그에 따라, 보다 적은 플라즈마 편위들을 가지는 프로세스 조건들을 보다 잘 형성하고 제어하기 위해서, 기판들의 플라즈마 프로세싱 동안에 플라즈마 편위들을 검출하는 것이 요구된다.
아아크 발생과 같은 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 종래 기술에 따른 노력에는, RF 파워 공급원에서 또는 그 근처에서 발생되는 또는 RF 파워 공급원과 프로세싱 챔버의 플라즈마 로드(load) 사이에 위치된 RF 매칭 네트워크와 RF 파워 공급원 사이에서 발생되는 무선 주파수(RF) 파형을 측정하는 것이 포함된다. 전형적으로, RF 파형은 아날로그 형태로 측정되고 디지털화되고, 이어서 디지털 신호 프로세싱이 실시된다. 그러한 종래 기술의 방법들이 밀리초 범위의 전체적인 샘플링 레이트(rate)를 가진다는 것이 발견되었고, 그러한 샘플링 레이트가 너무 느려서(slow) 몇 마이크로초 내에 발생되는 아아크들 또는 마이크로-아아크들을 검출 및 해결할 수 없다는 것이 발견되었다. 또한, 종래 기술의 플라즈마이크로 검출 방법들이 지연 및 왜곡에 대해서 민감하고, 결과적으로 상당량의 플라즈마 불완전성들을 잘 인지하지 못하는 결과를 초래한다는 것을 발견하였다. 그에 따라, 종래 기술의 단점을 극복하기 위해서, 개선된 플라즈마 편위 검출 장치들 및 방법들이 요구되고 있다.
일 실시예에서, 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법은 플라즈마 프로세싱 중에 플라즈마 챔버 내에서 무선 주파수(RF) 파워 공급형(powered) 전극으로부터 바이어스 전압을 직접적으로 감지하는 단계, 출력 전압 신호를 획득하기 위해서 복수의 아날로그 필터들을 이용하여 바이어스 전압을 필터링하는 단계, 플라즈마 편위 이벤트(event)를 나타내는 미리 셋팅된 전압 값과 상기 출력 전압 신호를 비교하는 단계, 및 상기 출력 전압 신호가 상기 미리 셋팅된 전압 값을 초과하는 경우에 경고(alarm) 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 하나 또는 둘 이상의 전압 프로브들 및 플라즈마 편위 검출 유닛을 포함하는, 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템이 제공된다. 각각의 전압 프로브는 플라즈마 챔버 내에서 무선 주파수 전극에 부착되고 플라즈마 프로세싱 동안에 무선 주파수 전극의 바이어스 전압을 감지하도록 구성된다. 상기 플라즈마 편위 검출 유닛은 하나 또는 둘 이상의 편위 검출 모듈들, 하나 또는 둘 이상의 연결 포트들, 및 데이터 획득 모듈을 포함한다. 각각의 편위 검출 모듈은 하나 또는 둘 이상의 전압 프로브들 중 하나로부터 바이어스 전압을 수신하도록 구성된다. 각각의 편위 검출 모듈은 출력 전압 신호를 획득하기 위해서 상기 바이어스 전압을 필터링하도록 구성된 복수의 아날로그 필터들을 포함하고, 그리고 상기 출력 전압 신호를 미리 셋팅된 전압 신호에 대해서 비교하고 상기 출력 전압 신호가 미리 셋팅된 전압 신호를 초과하는 경우에 경고 신호를 생성하도록 구성된 비교기를 포함한다. 하나 또는 둘 이상의 연결 포트들은 호스트(host) 제어기로부터 미리 셋팅된 전압 신호를 수신하도록 구성되고 그리고 상기 경고 신호를 상기 호스트 제어기로 전송하도록 구성된다. 데이터 획득 모듈은 하나 또는 둘 이상의 편위 검출 모듈들의 각각으로부터 출력 전압 신호를 수집하고 데이터 로깅(logging) 및 진단 시스템으로 전송하도록 구성된다.
본원 발명의 앞서 인용한 특징들이 구체적으로 이해될 수 있는 방식으로, 첨부된 도면들에 일부가 도시된 실시예들을 참조하여, 앞서서 간략하게 요약한 본원 발명의 보다 특별한 설명이 이루어진다. 그러나, 본원 발명이 다른 동일한 효과의 실시예들에 대해서도 인정되기 때문에, 첨부 도면들이 본원 발명의 전형적인 실시예들만을 도시한 것이고 그에 따라 본원 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 주지할 수 있을 것이다.
도 1은 본원 발명이 이용될 수 있는 PECVD 챔버의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본원 발명의 일 실시예에 따른 전압-기반의 플라즈마 편위 검출 회로의 개략적인 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 플라즈마 편위 검출 시스템의 하나의 실시예의 개략적인 블록도이다.
도 4a-4c는 도 2의 회로의 비교기의 기능을 도시한 그래프적인 도면들이다.
도 5는 미가공(raw) DC 바이어스 데이터에 대해서 비교된 도 2의 회로로부터 로깅된 데이터의 예를 도시한 도면이다.
도 6은 플라즈마 편위에 상응하는 도 5로부터의 한 지점을 확대하여 도시한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전압-기반의 플라즈마 편위 검출 회로의 개략적인 블록도이다.
도 1은 본원 발명이 이용될 수 있는 PECVD 챔버의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본원 발명의 일 실시예에 따른 전압-기반의 플라즈마 편위 검출 회로의 개략적인 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 플라즈마 편위 검출 시스템의 하나의 실시예의 개략적인 블록도이다.
도 4a-4c는 도 2의 회로의 비교기의 기능을 도시한 그래프적인 도면들이다.
도 5는 미가공(raw) DC 바이어스 데이터에 대해서 비교된 도 2의 회로로부터 로깅된 데이터의 예를 도시한 도면이다.
도 6은 플라즈마 편위에 상응하는 도 5로부터의 한 지점을 확대하여 도시한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전압-기반의 플라즈마 편위 검출 회로의 개략적인 블록도이다.
본원 발명은, 플라즈마 프로세싱 동안에, 플라즈마 프로세싱 챔버의 RF 파워(power) 전극 상의 직류(DC) 바이어스 전압을 직접적으로 모니터링함으로써, 아아크, 마이크로 아아크들, 또는 다른 플라즈마 불안정성과 같은 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이어서, 모니터링된 DC 바이어스 전압은 아날로그 필터들 및 증폭기들의 연속을 통과하여 플라즈마 편위 신호를 제공한다. 플라즈마 편위 신호는 미리 셋팅된 값과 비교되고, 그리고 플라즈마 편위 신호가 미리 셋팅된 값을 초과하는 하는 지점들에서, 경고 신호가 발생된다. 이어서, 경고 신호가 시스템 제어기로 공급되고, 그에 따라 작업자에게 경고가 전달될 수 있고 및/또는 프로세싱 시스템이 중단될 수 있다. 특정 실시예들에서, 복수의 프로세싱 영역들이 단일 검출 제어 유닛에 의해서 모니터링될 수 있다.
도 1은 본원 발명이 이용될 수 있는 PECVD 챔버(100)의 개략적인 단면도이다. PECVD 챔버(100)는, 함께 프로세싱 영역(108)을 형성하는, 측벽들(102), 하단부 벽(104), 및 챔버 덮개(106)를 포함한다. 가스 분배 시스템(110)이 챔버 덮개(106)를 통해서 배치되어 가스들을 프로세싱 영역(108) 내로 전달한다. 가스 분배 시스템(110)은, 전구체 공급원(111)으로부터 프로세싱 가스들을 수용하고 그리고 프로세싱 가스들을 가스 박스(112) 내로 도입하는 가스 유입구(114)를 가지는 가스 박스(112)를 포함한다. 가스 분배 시스템(110)은 또한, 프로세싱 가스들을 가스 박스(112)로부터 프로세싱 영역(108) 내로 분배하기 위한 복수의 가스 통로들(118)을 가지는 샤워헤드(116)를 포함한다. 또한, 가스 분배 시스템(110)은 프로세싱 가스들을 희망 온도로 가열하기 위해서 링-형상의, 저항형 히터와 같은 가스 박스 히터(120)를 포함할 수 있을 것이다.
샤워헤드(116)가 RF 파워 공급원(122)에 커플링되어 샤워헤드(116)로 전기 에너지를 제공함으로써, 프로세싱 영역(108) 내에서의 플라즈마 형성을 돕는다. 그에 따라, 샤워헤드(116)가 상부의 파워 공급형 전극으로서 작용한다. 자동-튜닝되는 RF 매칭 네트워크(124)가 RF 파워 공급원(122)과 샤워헤드(116) 사이에 위치된다. 일 실시예에서, RF 파워가 약 13.56 MHz의 주파수로 공급된다.
하단부 벽(104)은 받침대 히터(130)를 지지하는 스템(stem)(128)을 위한 통로(126)를 형성한다. 받침대 히터(130)는 프로세싱 영역(108) 내에서 기판(101)을 지지하도록 구성된다. 받침대 히터(130)는 RF 접지에 연결되고 내부에 매립된 접지 메시(ground mesh)(132)를 포함한다. 접지 메시(132)는 접지 전극으로서 작용하여, 샤워헤드(116)와 받침대 히터(130) 사이의 프로세싱 영역(108)에서 플라즈마를 형성하는 것을 돕는다. 또한, 받침대 히터(130)는 기판(101)을 희망하는 프로세싱 온도까지 가열하기 위한 하나 또는 둘 이상의 가열 요소들(134)을 포함한다.
중앙 처리 유닛(CPU)(152), 메모리(154) 및 지원 회로들(156)을 포함하는 제어 시스템(150)이 챔버(100)의 여러 가지 성분들에 커플링되어 챔버(100) 내의 프로세싱의 제어를 돕는다. 메모리(154)는, 챔버(100) 또는 CPU(152)에 대한 근거리 또는 원거리의, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 리드 온리 메모리(ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크, 또는 임의의 다른 형태의 디지털 저장장치와 같은 임의의 컴퓨터-판독가능 매체일 수 있다. 지원 회로들(156)은 통상적인 방식으로 CPU(152)에 커플링되어 CPU(152)를 지원한다. 이러한 회로들은 캐시, 파워 공급부들, 클록 회로들, 입/출력 회로망 및 보조 시스템(subsystem) 등을 포함한다. 메모리(154)내에 저장된 소프트웨어 루틴 또는 일련의 프로그램 지시들은, CPU(152)에 의해서 실행될 때, 챔버(100)로 하여금 플라즈마 프로세스들을 그 내부에서 실시하게 한다.
본원 발명으로부터 이점을 취할 수 있는 증착 챔버들은 탄소-도핑된 실리콘 산화물들, 실리콘 함유 필름들, 및 어드밴스드 패턴드 필름들(advanced patterned films; APF)을 포함하는 기타 유전체 재료들과 같은 산화물들을 증착하도록 구성된 챔버들을 포함한다. 증착 챔버의 예를 들면, 미국 산타클라라에 소재하는 Applied Materials, Inc.로부터 입수가 가능한 PRODUCER® 챔버가 있다. PRODUCER® 챔버는 탄소-도핑된 실리콘 산화물들 및 기타 재료들을 증착하기 위해서 이용될 수 있는 2개의 격리된 프로세싱 영역들을 가지는 PECVD 챔버이다. 본원 발명에서 유용한 예시적인 챔버에 대한 추가적인 구체 사항들이, 본원에서 참조에 의해서 포함되는, 미국 특허 제 5,855,681 호에 개시되어 있다. 비록 챔버(100)가 PECVD 챔버로서 개략적으로 묘사되어 있지만, 본원 발명의 이용이 플라즈마 에칭 또는 PVD 챔버들과 같은 다른 챔버들에 대해서도 균등하게 작용할 수 있을 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 실시예에 따른 전압-기반의 플라즈마 편위 검출 회로(200)의 블록도이다. 검출 회로(200)는, 도 1에 도시된 PECVD 챔버(100) 내의 샤워헤드(116)와 같은, 플라즈마 챔버(206) 내의 상부의 파워 공급형 전극(204)에 직접적으로 부착되는 고전압 프로브(202)를 포함한다. 전압 프로브(202)는 챔버(206) 내에서의 플라즈마 프로세싱 동안에 파워 공급형 전극(204)에서 전압을 직접적으로 검출하기 위해서 파워 공급형 전극(204)에 직접적으로 커플링된다. 파워 공급형 전극(204)에서 직접적으로 전압을 검출하는 것에 의해서, 전술한 바와 같이, 종래 기술에서 통상적인 RF 매칭 네트워크(도 1) 또는 RF 파워 발생기에서 또는 그 근처에서 검출하는 것과 달리, 상당히 더 민감한 플라즈마 편위 검출이 허용된다. 예를 들어, 파워 공급형 전극(204)의 큰 크기 및 챔버(206) 내의 플라즈마에 대한 위치 때문에, 파워 공급형 전극(204)은, 통상적인 시스템들 및 방법들을 이용하여 전형적으로 탐지할 수 없었던, 챔버(206) 내의 마이크로-아아크들과 같은, 매우 작은 전자기적 부조들(glitches)을 포획(picks up)하는 큰 안테나와 같은 역할을 한다.
일 실시예에서, 파워 공급형 전극(204)에서의 온도들을 견딜 수 있도록, 전압 프로브(202)가 약 160 ℃까지의 그리고 그 초과의 온도들을 견딜 수 있도록 구성된다. 전압 프로브(202)는 100:1 전압 분할기와 같은 전압 분할기와 함께 구성되어, 파워 공급형 전극(204)에서 검출된 고전압을 하류의 기구(instrumentation)에서 적합한 ±15V 범위 내로 변환한다. 다음에, 감소된 전압이 RF 필터(208)에 의해서 필터링되어(예를 들어, 약 70 kHz를 초과하는 블록 주파수들) DC 바이어스 신호를 제공하고, 그러한 바이어스 신호는 몇 개의 RF 사이클들에 걸쳐서 평균화된 전압 프로브(202)로부터의 전압으로서 규정된다. 다음에, DC 바이어스 신호가 기구 증폭기와 같은 차동 증폭기(210)에 의해서 증폭된다. 차동 증폭기(210)의 양의 단자가 DC 바이어스 신호에 연결되고, 그리고 차동 증폭기(210)의 음의 단자가 도 2에 도시된 바와 같은 챔버 접지에 연결된다. 차동 증폭기(210)에서, 차동 증폭기(210)의 양의 그리고 음의 단자들에 존재할 수 있는 공통-모드(common-mode) 노이즈(예를 들어, RF 유도형 노이즈)가 제거(reject)된다. 패스트 버퍼(fast buffer)(212)가 차동 증폭기(210) 다음에 위치되어 회로(200) 내에서의 신호 프로세싱의 다음 스테이지에 대한 격리 및 신호 릴레이 버퍼링 모두를 제공한다.
다음에, 패스트 버퍼(212)로부터의 DC 바이어스 신호가 하나 또는 둘 이상의 노치 필터들(214)을 통과한다. 일 실시예에서, 노치 필터(214)가 60 Hz 노치 필터이다. 일 실시예에서, 노치 필터(214)가 50 Hz 노치 필터이다. 그 대신에, 노치 필터(214)가 60 Hz 노치 필터 및 50 Hz 노치 필터 모두를 포함할 수 있을 것이다. 파워 공급형 전극(204)이 큰 수신 안테나와 같이 작용하기 때문에, 파워 공급형 전극(204)은 원치않는 60 Hz (북미) 또는 50 Hz (유럽/일본) 노이즈를, 도 1의 챔버(100) 내에 도시된 가스 박스 히터(120) 또는 받침대 히터(130)와 같이, 챔버(206) 내에 존재하는 히터들로부터 노이즈를 직접적으로 포획한다. 이러한 원치 않는 노이즈가 DC 바이어스 신호로 전달되고 그리고 노치 필터(들)(214)에 의해서 제거된다. 이어서, 필터링된 DC 바이어스 신호가, 4차(fourth order) 로우 패스 필터(예를 들어, 약 50 kHz를 초과하는 주파수들을 차단(block))와 같은, 로우 패스 필터(216) 및 증폭기(218)를 통과하여, 필터링된 DC 바이어스 출력 신호(220)를 제공할 수 있을 것이다. 필터링된 DC 바이어스 출력 신호(220)는 원래의 DC 바이어스 신호의 가시화를 위한 중간 진단 신호를 제공할 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 노치 필터(들)(214)로부터의 DC 바이어스 신호가 패스트 버퍼(212)로 전달될 수 있을 것이고, 그러한 패스트 버퍼(212)는 후속 신호 프로세싱을 위한 격리 및 신호 버퍼링을 제공한다. 이어서, DC 바이어스 신호가, 4차 로우 패스 필터와 같이, 로우 패스 필터(216)(예를 들어, 약 250 Hz 를 초과하는 주파수들을 차단) 보다 상당히 낮게(lower) 구성된 로우 패스 필터(224)를 통과한다. 로우 패스 필터(224)를 통과한 후에, 신호가 증폭기(226)에 의해서 증폭되어 슬로우(slow) DC 바이어스 출력 신호(228)를 제공한다. 슬로우 DC 바이어스 출력 신호(228)가 슬로우 드리프트(drift) DC 바이어스 레벨의 가시화를 위한 중간 진단 신호를 제공할 수 있을 것이다.
아아크와 같은, 챔버(206) 내의 플라즈마 편위가 파워 공급형 전극(204)을 통해서 전압 프로브(202)로 수신된다. 플라즈마 아아크는 DC 바이어스 신호 내에서 스파이크(즉, 교류 전류(AC) 성분)를 생성한다. 필터링된 DC 바이어스 출력 신호(220)는 챔버(206) 내의 플라즈마 불안정성에 상응하는 이러한 스파이크들에 대해서 모니터링될 수 있다. 그러나, 파워 공급형 전극(204)은 또한, 가열 요소들의 온/오프 스위칭과 같이, 챔버(206) 내에서 발생되는 다른 AC 성분들을 포획한다. 그에 따라, 미가공 DC 바이어스 내의 이러한 부가적인 AC 성분들이 필터링된 DC 바이어스 출력(220) 내에서 보여질 수 있고, 이는 플라즈마 불완전성의 검출을 구분하기 어렵게 만든다. 따라서, 보다 신뢰할 수 있는 플라즈마 편위 검출을 위해서 부가적인 필터링이 요구된다.
일 실시예에서, 노치 필터(들)(214)로부터의 DC 바이어스 신호가, 추가적인 신호 프로세싱에 앞서서, 격리 및 신호 버퍼링을 위해서 패스트 버퍼(230)를 통과한다. 이어서, DC 바이어스 신호는, 약 10 ㎲ 내지 약 1 ms의 시간 스케일(scale)과 같은, 패스트 플라즈마 편위 이벤트들을 검출하도록 특별하게 디자인된 패스 밴드를 가지는 아날로그 밴드 패스 필터(232)를 통과한다. 예를 들어, 밴드 패스 필터(232)의 패스 밴드가 약 250 Hz 의 낮은 컷오프(cut off) 및 약 50 kHz 의 높은 컷오프를 가질 수 있을 것이다. 이어서, DC 바이어스 신호가 하이 패스 필터(234) 및 증폭기(236)를 통과하여 편위 출력 신호(238)를 제공한다. 하이 패스 필터(234)는 추가적인 AC 커플링을 제공하고 그리고 증폭기(236)에서의 증폭에 앞서서 임의의 DC 오프셋을 제거한다. 그에 따라, 편위 출력 신호(238)가 추가적인 필터링으로 신호를 제공하며, 그에 따라 DC 바이어스 내의 임의의 스파이크들이 챔버(206) 내의 AC 노이즈로부터의 왜곡 없이 명확하게 검출될 수 있다. 그에 따라, 편위 출력 신호(238)를 이용하여, 아아크들 또는 마이크로-아아크들과 같은, 챔버(206) 내의 임의의 편위, 플라즈마 불완전성을 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 편위 출력 신호(238)가 비교기(240) 내로 공급되고, 그러한 비교기에서 편위 출력 신호(238)의 값이, 제어 시스템(150)(도 1) 내로 사용자가 공급한 또는 프로그래밍된 것과 같은, 미리 셋팅된 값(239)과 비교된다. 만약, 편위 출력 신호(238)가 매우 짧은 시간 기간(예를 들어, 1ms) 내에서 상기 미리 셋팅된 값(239)을 초과한다면, 비교기(240)는 신호를 아날로그 대 디지털 변환기(242)로 통과시켜 디지털 경고 신호(244)를 생성함으로써, 스파이크 또는 플라즈마 편위를 플래그(flag)한다. 경고 신호(244)가 제어 시스템(150)으로 피드백될 수 있고, 작업자에게 경고가 제공될 수 있고 및/또는 프로세싱 시스템이 중단될 수 있다.
도 3은 전술한 검출 회로(200)를 이용하는 플라즈마 편위 검출 시스템(300)의 일 실시예의 블록도이다. 도 3에 도시된 편위 검출 시스템(300)은, 전술한 PRODUCER® 챔버와 같이, 2개의 프로세싱 영역들을 모니터링하고자 하는 실시예들과 함께 이용하기 위한 것이다. 그러나, 하나의 프로세싱 영역 적용예들에도 동일하게 적용가능하다.
모니터링하고자 하는 복수의 프로세싱 영역들을 가지는 프로세싱 적용예들에서, 각각의 프로세싱 영역 내의 파워 공급형 전극(204)이 단일 전압 프로브(202)에 의해서 독립적으로 모니터링된다. 각각의 전압 프로브(202)가 케이블들(202)을 통해서 RF 필터(208)에 연결된다. 각각의 RF 필터(208)로부터의 전압 신호가 검출 제어 유닛(304) 내로 독립적으로 공급되고, 상기 검출 제어 유닛은 모니터링하고자 하는 각각의 프로세싱 영역을 위한 독립된 검출 모듈(306)을 포함한다. 검출 모듈(306) 각각은 도 2에서의 박스(250) 및 도 7에서의 박스(750)(후속하여 설명된다)에 의해서 둘러싸인 회로(200)의 성분들 모두를 포함한다. 검출 제어 유닛(304)은 각각의 검출 모듈(306)과 제어 시스템(150) 사이에서의 미리 셋팅된 값(들)(239)의 수신 및 디지털 경고 신호(244)의 출력을 위한 제어 시스템(150)으로의 연결부(308)를 포함한다. 또한, 검출 제어 유닛(304)은 데이터 로깅 및 진단 소프트웨어를 가지는 개인용 컴퓨터(310)에 연결될 수 있는, USB 포트와 같은, 데이터 획득 유닛 및 포트(309)를 포함한다. 일 실시예에서, 컴퓨터(310)는, 데이터 획득 포트(309)를 통해서, 필터링된 DC 바이어스 출력 신호(220), 슬로우 DC 바이어스 출력 신호(228), 및 편위 출력 신호(238) 중 하나 또는 둘 이상을 연속적으로 로깅한다. 다른 실시예에서, 컴퓨터(310)는 단지, 편위 출력 신호(238)가 미리 셋팅된 값(239)을 초과하고 그리고 경고 신호(244)가 상응하는 검출 모듈(306)로부터 생성될 때, 진단들을 위해서 데이터 획득 포트(309)를 통해서, 필터링된 DC 바이어스 출력 신호(220), 슬로우 DC 바이어스 출력 신호(228), 및 검출 모듈들(306) 중 하나로부터의 편위 출력 신호(238) 중 하나 또는 둘 이상을 로깅한다. 이러한 기능은 자동 로깅 및 진단이 플라즈마 프로세싱 동안에 생성된 임의의 플라즈마 편위들의 지속시간 및 크기를 기초로 실행될 수 있게 한다.
도 4a-4c는 도 2의 회로(200)의 비교기(240)의 기능을 그래프적으로 도시한 도면들이다. 도 4a는 0 V와 10 V 사이의 스케일로 미리 셋팅된 값(239) 또는 사용자가 프로그래밍한 트리거 레벨을 그래프적으로 도시한 도면이다. 이러한 예에서, 2.5 V의 미리 셋팅된 값이 특정된다. 이러한 미리 셋팅된 값이 프로세스 레시피(recipe)로 입력되고 그리고 하나의 양의 2.5 V가 시스템으로 입력되는 경우에도 ±2.5 V의 밴드 한계로서 검출 제어 유닛(304)에 의해서 해석된다. 도 4b는 겹쳐져 놓인 미리 셋팅된 값(239)을 가지는 편위 출력 신호(238)의 그래프적인 도면이다. 지점들(405)에서 표시된 바와 같이, 편위 출력 신호(238)가 많은 수의 위치들에서 미리 셋팅된 값(239)에 의해서 규정된 밴드 한계를 초과한다(즉, 2.5 V 보다 크거나 -2.5 V 보다 작다). 도 4c는 편위 출력 신호(238)가 미리 셋팅된 값(239)에 의해서 규정된 밴드 한계를 초과하는 지점들(405)에 상응하는 경고 신호(244)를 그래프적으로 도시한 도면이다.
도 5는 아아크 발생을 자극(stimulate)하도록 의도된 프로세싱 조건들 동안에 미가공 DC 바이어스 데이터에 대해서 비교된 회로(200)로부터 로깅된 데이터의 예를 도시한다. 신호(501)는 어떠한 필터링도 없이 파워 공급형 전극(204)으로부터 직접적으로 수신된 미가공 DC 바이어스 데이터이다. 신호(502)는 필터링된 DC 바이어스 신호(220)로부터 출력된 데이터에 상응한다. 신호(503)는 편위 출력 신호(238)로부터의 데이터에 상응한다. 신호(504)는 상응하는 경고 신호(244)이다. 지점(510)에서의 하나의 스파이크는 프로세싱 동안의 챔버 내의 물리적인 플라즈마 아아크와 상호관련된다. 도 6은 도 5로부터의 지점(510)의 확대도를 도시한다.
도 5 및 6을 참조하면, 미가공 신호(501)와 관련하여 확인할 수 있는 바와 같이, 미가공 DC 바이어스 내의 노이즈 레벨이 상당하다. 이는, 전술한 바와 같이, 파워 공급형 전극(204)에 의해서 포획된 RF 노이즈 및 다른 AC 성분 노이즈 모두를 포함한다. 이러한 노이즈는 상당한 왜곡을 제공하여, 플라즈마 편위들 또는 불안정성들을 정화하고 신뢰가능하게 검출하는 것을 어렵게 만든다. 신호(502)는 상당히 덜 왜곡되는데, 이는 DC 바이어스 신호가 RF 필터(208) 및 노치 필터(들)(214)를 통해서 필터링되었기 때문이다. 전술한 바와 같이, 히터 온/오프 신호들과 같은, 다른 AC 성분 신호들이, 신호(502)에서 도시된 바와 같이, 필터링된 DC 바이어스 신호(220)에 존재할 수 있고, 이는 플라즈마 편위들을 정확하고 신뢰가능하게 검출하는 것을 어렵게 만들 수 있다. 신호(503), 즉 편위 출력 신호(238)가 실질적으로 왜곡을 가지지 않으며, 그에 따라 지점(501)에서의 스파이크가 용이하게 검출된다. 이러한 예에서, 신호(503)가 약 20 ㎲ 이내에서 1.0 V의 미리 셋팅된 값(239)을 상당히 초과한다. 이에 상응하여, 지점(510)에서, 경고 신호가 생성되어 검출될 플라즈마 편위를 플래그한다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 경고 펄스가 고정된 펄스 폭을 가진다. 그에 따라, 아아크 발생이 연장된 시간의 기간 동안 지속될 때, 복수의 경고 신호들이 트리거링될 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전압-기반의 플라즈마 편위 검출 회로(700)의 개략적인 블록도이다. 편위 검출 회로(700)의 많은 양태들이 편위 검출 회로(200)의 양태들과 동일하거나 유사하다. 그에 따라, 2개의 회로들 사이의 동일한 성분들을 인용하는데 있어서, 동일한 항목 번호들이 이용될 것이다.
검출 회로(700)는 파워 공급형 전극(204)에 직접적으로 부착된 고전압 프로브(202)를 포함한다. 전압 프로브(202)는, 100:1 전압 분할기와 같은 전압 분할기로 전압을 감소시킨다. 감소된 전압이 RF 필터(208)에 의해서 필터링되어 DC 바이어스 신호를 제공한다. DC 바이어스 신호가 차동 증폭기(210)에 의해서 증폭된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 차동 증폭기(210)의 양의 단자가 DC 바이어스 신호에 연결되고, 그리고 차동 증폭기(210)의 음의 단자가 챔버 접지에 연결된다. 차동 증폭기(210)로부터의 DC 바이어스 신호가 하이 패스 필터(234)를 통과하고, 그러한 하이 패스 필터는 DC 바이어스 신호 내의 임의의 DC 오프셋 또는 드리프트를 제거한다. 이러한 지점에서 DC 바이어스 내의 DC 성분을 제거하는 것이 AC 성분을 후속하여 프로세싱하기 위한 동적인(dynamic) 범위를 실질적으로 증가시키는 것으로 확인되었다.
패스트 버퍼(212)가 하이 패스 필터(234) 이후에 배치되어 다음 스테이지의 신호 프로세싱을 위해서 격리 및 신호 릴레이 버퍼링을 모두 제공한다. 다음에, 패스트 버퍼(212)로부터의 DC 바이어스 신호가 도 2와 관련하여 전술한 바와 같이 하나 또는 둘 이상의 노치 필터들(214)을 통과한다. 이어서, DC 바이어스 신호가 4차 로우 패스 필터(예를 들어, 약 55 Hz 를 초과하는 주파수들을 차단)와 같은 로우 패스 필터(716) 및 증폭기(218)를 통과하여 필터링된 DC 바이어스 출력 신호(720)를 제공한다.
필터링된 DC 바이어스 출력 신호(720)가 패스트 버퍼(222)로 전달되고, 그러한 패스트 버퍼는 후속 신호 프로세싱을 위한 격리 및 신호 버퍼링을 제공한다. 이어서, 필터링된 DC 바이어스 신호(720)가 4차 하이 패스 필터(예를 들어, 약 230 Hz 미만의 주파수들을 차단)와 같은 하이 패스 필터(724)를 통과한다. 로우 패스 필터(716)와 하이 패스 필터(724)의 조합은, 편위 검출 회로(200)에서 이용되는 밴드 패스 필터(232)에 대비하여, 스톱 밴드(stop band)에서의 보다 급격한 관심(steeper attention) 및 낮은 컷오프 주파수(예를 들어, 230 Hz)와 높은 컷오프 주파수(예를 들어, 55 kHz) 모두의 주위에서의 보다 날카로운 전이부들(transitions)을 제공한다.
이어서, DC 바이어스 신호가 하나 또는 둘 이상의 노치 필터들(728)을 통해서 하이 패스 필터(724)로부터 통과되어 챔버로부터의 DC 바이어스 신호 내의 노이즈의 추가적인 필터링을 제공할 수 있을 것이다. 예를 들어, 프로세싱 중의 가스 박스 히터(120)를 턴온 및 턴오프하는 것은 많은 수의 상이한 주파수들의 DC 바이어스 신호에 대한 노이즈에 기여할 수 있을 것이다. 특정 주파수들이 일단 결정되면, 하나 또는 둘 이상의 노치 필터들(728)이 그러한 특정 주파수들의 제거를 위해서 선택될 수 있다. 이어서, 필터링된 신호가 증폭기(236) 내에서 증폭되어 편위 출력 신호(738)를 제공한다. 이어서, 편위 출력 신호(738)가 비교기(240)로 공급되고, 그러한 비교기에서 편위 출력(738)의 값이 미리 셋팅된 값(239)과 비교된다. 만약 편위 출력 신호(738)가 특정 시간 기간 내에서 미리 셋팅된 값을 초과한다면, 비교기(240)는 신호를 아날로그 대 디지털 변환기(242)로 전달하여 디지털 경고 신호(244)를 생성함으로써, 스파이크 또는 플라즈마 편위를 플래그한다. 경고 신호(244)가 제어 시스템(150)으로 피드백될 수 있고, 작업자에게 경고가 제공될 수 있고 및/또는 프로세싱 시스템이 중단될 수 있다.
그에 따라, 플라즈마 프로세싱 동안에 플라즈마 프로세싱 챔버의 RF 파워 전극 상에서 직류 전류(DC) 바이어스 전압을 직접적으로 모니터링함으로써, 아아크들, 마이크로-아아크들, 또는 다른 플라즈마 불완전성과 같은 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 이어서, 모니터링된 DC 바이어스 전압이 아날로그 필터들 및 증폭기들의 연속을 통과하여 플라즈마 편위 신호를 제공한다. 플라즈마 편위 신호가 미리 셋팅된 값에 대해서 비교되고, 플라즈마 편위 신호가 미리 셋팅된 값을 초과하는 지점들에서, 경고 신호가 생성된다. 이어서, 경고 신호가 시스템 제어기로 피드백되고, 그에 따라 작업자에게 경고가 제공될 수 있고 및/또는 프로세싱 시스템이 중단될 수 있다. 특정 실시예들에서, 복수의 프로세싱 영역들이 단일 검출 제어 유닛에 의해서 모니터링될 수 있다.
전술한 내용들이 본원 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본원 발명의 다른 그리고 추가적인 실시예들이 본원 발명의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않고도 안출될 수 있을 것이고, 본원 발명의 범위는 이하의 청구항들에 의해서 결정된다.
Claims (15)
- 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법으로서:
플라즈마 프로세싱 중에 플라즈마 챔버 내에서 무선 주파수(RF) 파워 공급형 전극으로부터 바이어스 전압을 직접적으로 감지하는 단계;
출력 전압 신호를 획득하기 위해서 복수의 아날로그 필터들을 이용하여 바이어스 전압을 필터링하는 단계;
플라즈마 편위 이벤트를 나타내는 미리 셋팅된 전압 값과 상기 출력 전압 신호를 비교하는 단계; 및
상기 출력 전압 신호가 상기 미리 셋팅된 전압 값을 초과하는 경우, 경고 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 바이어스 전압을 필터링하는 단계에 앞서서 전압 분할기를 이용하여 상기 바이어스 전압을 감소시키는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 바이어스 전압을 필터링하는 단계가 약 250 Hz 내지 약 50 kHz 사이의 주파수들만을 통과시키도록 구성된 밴드 패스 필터를 통해서 상기 바이어스 전압을 통과시키는 단계를 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 바이어스 전압을 필터링하는 단계가 낮은 주파수 패스 필터와 높은 주파수 패스 필터를 통해서 상기 바이어스 전압을 연속적으로(serially) 통과시키는 단계를 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 낮은 주파수 패스 필터가 약 55 kHz 미만의 주파수들을 통과시키도록 구성되고, 그리고 상기 높은 주파수 패스 필터가 약 230 Hz 초과의 주파수들을 통과시키도록 구성되는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 출력 전압 신호를 획득하기에 앞서서, 필터링된 직류 전류 바이어스 전압 신호를 획득하기 위해서 복수의 노치 필터들 및 로우 패스 주파수 필터를 통해서 상기 바이어스 전압을 통과시키는 단계를 더 포함하고, 상기 로우 패스 주파수 필터가 50 kHz 보다 더 낮은 주파수들을 통과시키도록 구성되는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
데이터 획득 모듈을 이용하여 상기 출력 전압 신호를 계속적으로 수집하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 경고 신호가 생성될 때에만 데이터 획득 모듈을 이용하여 상기 출력 전압 신호를 수집하는 단계를 더 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 방법. - 플라즈마 챔버 내에서 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템으로서:
하나 또는 둘 이상의 전압 프로브들로서, 각각의 전압 프로브가 플라즈마 챔버 내에서 무선 주파수 전극에 부착되고 플라즈마 프로세싱 동안에 무선 주파수 전극의 바이어스 전압을 감지하도록 구성되는, 하나 또는 둘 이상의 전압 프로브들; 및
플라즈마 편위 검출 유닛을 포함하고;
상기 플라즈마 편위 검출 유닛은:
하나 또는 둘 이상의 편위 검출 모듈들로서, 상기 각각의 편위 검출 모듈이 하나 또는 둘 이상의 전압 프로브들 중 하나로부터 바이어스 전압을 수신하도록 구성되고, 상기 각각의 편위 검출 모듈은 출력 전압 신호를 획득하기 위해서 상기 바이어스 전압을 필터링하도록 구성된 복수의 아날로그 필터들을 포함하고, 그리고 각각의 편위 검출 모듈은 미리 셋팅된 전압 신호와 상기 출력 전압 신호를 비교하고, 상기 출력 전압 신호가 상기 미리 셋팅된 전압 신호를 초과하는 경우, 경고 신호를 생성하도록 구성된 비교기를 더 포함하는, 하나 또는 둘 이상의 편위 검출 모듈들;
호스트 제어기로부터 미리 셋팅된 전압 신호를 수신하도록 구성되고 그리고 상기 경고 신호를 상기 호스트 제어기로 전송하도록 구성된 하나 또는 둘 이상의 연결 포트들; 및
상기 하나 또는 둘 이상의 편위 검출 모듈들의 각각으로부터 출력 전압 신호를 수집하고 데이터 로깅 및 진단 시스템으로 전송하도록 구성된 데이터 획득 모듈을 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 하나 또는 둘 이상의 전압 프로브들의 각각이 160 ℃까지의 온도들을 견디도록 구성되는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 하나 또는 둘 이상의 전압 프로브들의 각각이 상기 바이어스 전압을 약 100:1 비율만큼 감소시키도록 구성된 전압 감소기를 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 편위 검출 모듈들의 각각이 약 250 Hz 내지 약 50 kHz 사이의 주파수들을 통과시키도록 구성된 밴드 패스 필터를 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 편위 검출 모듈들의 각각이 낮은 주파수 패스 필터 및 높은 주파수 패스 필터를 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템. - 제 13 항에 있어서,
상기 낮은 주파수 패스 필터가 약 50 kHz 미만의 주파수들을 통과시키도록 구성되고 그리고 상기 높은 주파수 패스 필터가 약 250 Hz 초과의 주파수들을 통과시키도록 구성되며, 상기 편위 검출 모듈들의 각각이 상기 출력 전압 신호를 획득하기에 앞서서, 필터링된 직류 전류 바이어스 전압 신호를 획득하도록 구성된 복수의 노치 필터들 및 로우 패스 주파수 필터를 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 시스템이 무선 주파수 전극들을 분리하기 위해서 부착된 적어도 2개의 전압 프로브들을 포함하는, 플라즈마 편위들을 검출하기 위한 시스템.
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