KR20150004278A - 전기화학적 증착 및/또는 전기화학적 에칭을 위한 인시튜 핑거프린팅 - Google Patents

전기화학적 증착 및/또는 전기화학적 에칭을 위한 인시튜 핑거프린팅 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 화학적 증착 및/또는 도금 공정의 품질을 모니터링하고 제어하기 위한 전기화학적 분석 방법에 관한 것으로, 상기 전기 화학적 분석 방법은, 화학 반응 및/또는 공정이 정상적으로 예상된 범위에서 동작하는지에 대한 지시자(indicator)를 갖도록 상기 전기화학적 증착 및/또는 도금 공정 시의 출력신호의 핑거프린팅 분석 방법을 사용하고, 상기 방법은, 작업 전극으로서 하나 이상의 기판을 사용하고,
a) 상기 하나 이상의 작업 전극 및 하나 이상의 참조 전극 사이의 전압이 분석되어 시간의 함수로서의 전압 차이로 표현되는 출력 신호 핑거프린트를 제공하거나,
b) 공정 파워 서플라이의 입력 파워가 상기 작업 전극 및 상대 전극 사이의 전류 및/또는 전압의 형태로 입력 에너지를 제공하고, 상기 방법은 상기 하나 이상의 작업 전극과, 하나 이상의 참조 전극 또는 하나 이상의 상대 전극 중 적어도 하나의 사이의 전압을 사용하여 출력 신호 핑거 프린트를 제공한다. 본 발명은 또한 전기 화학적 시스템에 관한 것이다.

Description

전기화학적 증착 및/또는 전기화학적 에칭을 위한 인시튜 핑거프린팅{In-Situ Fingerprinting for Electrochemical Deposition and/or electrochemical etching}
본 발명은, 전해 또는 무전해 증착(electrolytic or electroless deposition) 또는 전기화학적 에칭 기술을 사용하여 프로덕트(기판)의 프로세싱의 도금액 조성(bath composition), 하드웨어 준비도의 상태(state of hardware readiness) 및 핑거프린트를 포함하는 도금 공정(plating process)의 품질을 모니터링하고 제어하는 시스템에 대한 것이다.
전기화학적 증착 또는 에칭 공정의 공정 제어에 대한 종래 기술은 제어 한계들(control limits)과 개별적으로 관련된 각각의 공정 파라미터를 평가하는 것을 포함한다. 예를 들어, 배스 분석 툴(bath analysis tool)들이 전해질의 성분들 각각의 농도를 모니터링하는데 사용되고 증착 툴(deposition tool)이 증착 시간, 배스 온도(bath temperature) 및 공정 파라미터들을 모니터링하는데 사용된다. 이 복잡한 산업적 사용법은 높은 비율의 잘못된 경고를 이끄는 단변량 접근법(univariate approach)이다.
전기화학적 증착 기술들을 사용하여 일부에 증착되는 코팅들을 포함하는 많은 프러덕트들이 생산된다. 이들 기술들은, 후술하는 바와 같이, 기판부(substrate part) 상에 금속이나 합금과 같은 물질층들을 증착시키는데 사용된다. 상기 기판부는 금속부, 플라스틱부, 프린트된 회로 보드, 마이크로 전자 디바이스(microelectronic devic)를 제조하기 위한 웨이퍼, 또는 몇몇 다른 그러한 기판을 포함할 수 있다.
마이크로 전자 디바이스들은, 많은 수의 개별 디바이스들을 생성하기 위해 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 상에 복수의 물질층을 증착시키거나 제거시킴으로써 제조된다. 예를 들어 포토레지스트, 도전 물질들 및 절연물질들의 층들이 증착되고, 패터닝되고, 에칭되고, 평탄화되는 등의 과정을 거쳐 기판 내부 또는 기판 위에 피처(feature)들을 형성시킨다. 이러한 피처들은 집적 회로(IC), 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS), 및 다른 마이크로 전자 구조체들을 형성하도록 배열된다.
습식 화학적 공정(Wet chemical process)이 마이크로 전자 기판 상에 피처들을 형성하는데 널리 사용된다. 습식 화학적 공정은 일반적으로, 클리닝(cleaning), 에칭, 전기화학적 증착 및 세정(rinsing)의 조합들을 위한 복수의 프로세싱 챔버를 갖는 습식 화학적 프로세싱 툴 내에서 수행된다. 전기화학적 증착 공정은 , 전류(current)가 기판에 적용되는 전해 증착법(electrolytic deposition) 및 외부의 전류가 기판에 적용되지 않는 무전해 증착법(electroless deposition)을 포함한다. 이들 공정들에서 기판은 상기 기판 상에 증착되는 물질을 공급하는 전해질을 포함하는 챔버 내에 침지(immerse)된다. 또한 상기 전해질 및 기판을 통해 전류를 역전(reverse)시킴으로써 또는 적절한 에칭 용액을 공급함으로써 상기 기판으로부터 물질을 제거하는 것도 가능하다. 이들 공정들은 어플라이드 머티리얼즈(Applied Materials)사에 의해 제공되는 Raider® 시스템, 램 리서치(Ram Research)사에 의해 제공되는 Sabre® 시스템, 텔/넥스(Tel/Nexx)사에 의해 제공되는 Stratus® 시스템 또는 유사한 프로세싱 툴과 같은 웨이퍼 제조 장치에서 수행될 수 있다.
상술한 공정들 중 하나에서 사용될 전해질의 화학적 성분들 또는 화학적 활동(chemical activity)을 모니터링하는 능력을 포함하는 것이 일반적이다. 이는, 전해질이 그 수명시간 전체에 걸쳐 사용됨에 따라 복수의 기판의 일관성 있는 프로세싱을 유지하는 방식으로 상기 전해질의 화학적 성분들의 농도를 제어하기 위해 수행된다. 일반적으로 특정 조합 내에서의 전해질의 각 성분들에 대한 그리고 그 특정 전해질 내에 존재하는 성분들의 농도들에 대한 분석 기술들이 개발되어야 한다. 전기분석적인(electroanalytical) HPLC를 사용하는 분석 기법 또는 방법과 전해질의 성분들 각각에 대한 적정(titration) 기법을 설계하는 것은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 소비될 수 있다. 또한 몇몇 상업적 첨가물(additives)들은 2개 이상의 성분을 가지는데, 그 화학종(chemical species)에 대한 사전 지식 없이 이들을 분리(separate)시키는 것은 가능하지 않을 수도 있다. 각각의 농도들이 변함에 따라 그리고 상기 전해질이 계속 사용됨(aging)에 따라 성분들 사이에 발생할 수 있는 복수의 상호 작용(interaction) 때문에 이들 전해질들의 화학적 성분들 각각을 모니터링하는 것은 복잡한 작업이 될 수 있다. 전해질의 에이징(aging)은 산화, 환원 또는 촉매 작용에 기인하여 하나 이상의 성분들의 브레이크다운(breakdown)의 결과를 생기게 하거나, 또는 그 수명 시간 전체 걸쳐 상기 전해질과 접촉하게 되는 하드웨어 또는 기판들과의 상호작용(interaction)들 또는 다른 오염이 수반될 수도 있다.
전해질의 성분들을 모니터링하는 몇몇 방법들은 전기 분석 방법(electroanalytical method)들을 포함한다. 종래의 접근법에서의 이들 전기 분석 방법들의 한계 중 하나는, 화학 성분 농도들이 "명세 이내(within specification)"인지 아닌지를 판단하도록 그들이 사용되기 전에 이들 분석 방법들이 화학 반응(chemistry) 및 시스템의 적절한 동작 범위를 사전에 알고 있어야 한다는 것이다. 일반적으로 이들 농도 범위들은, 전해질의 복수의 성분의 농도를 변경시킴으로써 그리고 분석 결과를 기초로 농도들의 변화의 영향을 판단하도록 각각의 학습용 전해질(training electrolyte)을 분석함으로써 화학 용액의 "학습용 집합(training set)"을 생성하도록 사용된다. 이러한 방법은 아주 빨리 상기 학습용 집합으로서 사용될 지나친 수의 샘플들을 생성시킬 수 있는데, 이는 전해질 내의 성분들의 수 및 이들 성분들 사이의 복수의 상호 작용 때문이며, 성분들®의 다른 농도들을 나타내도록 발생되는 반응(response)들 때문이다. 고전적으로, 별개의 전기 분석 방법이 전해질 내의 각각의 공지된 성분의 농도를 나타내는데 사용된다. 이들 전기화학적 분석들은, 테크닉 인크(Technic Inc.)사에 의해 제공된 Real Time Analyzer(RTA), 이씨아이 테크놀로지(ECI Technology)사에 의해 제공된 Quali-Line® 시스템, 안코시스(Ancosys)사에 의해 제공된 Ancolyer® 시스템, 또는 유사한 분석 툴과 같은 화학적 분석 장치들 내에서 수행될 수 있다.
전기 분석 방법들을 단순화시키고 화학적 성분들의 농도들을 나타내기 위해 상기 전기 분석 방법들을 사용하는 한가지 접근법은, 전기 화학적 반응의 하나의 특정 양상(aspect)을 선택하고 그 양상을 성분 농도에 대해 상관화시키는 방법이다. 사용되는 반응의 양상은 예를 들어 특정 반응 피크의 높이, 특정 반응 곡선의 면적 또는 2개의 반응 피크들의 높이들의 비율일 수 있다. 이 접근법은 하나이상의 전해질 성분들의 농도의 변경에 대해 특정 파라미터를 상관화시키는 것을 보다 간단하게 해주는 한편, 전기분석 기술들에 의해 생성된 데이터의 많은 부분을 무시하는 결과를 발생시킨다. 이는 고려되지 않는 영역들 내의 반응에서의 변화를 평가하기 위한 기회를 놓치게 된다는 것을 의미한다. 이들 영역은 분해 생성물(breakdown product), 화학적 오염물질 등에 관계되는 정보를 포함할 수 있다.
도 1은 마이크로 전자 기판 상에 금속들을 증착시키기 위한 전기화학적 증착 툴에 후킹된(hooked up) 종래 기술의 분석 및 도우징 시스템(dosing system)의 개략도를 도시한다. 이 도면에서 슬립스트림(slipstream)은 상기 전기화학적 증착 툴의 탱크로부터 나오고, 상기 분석 시스템 및 상기 도우징 시스템을 지나도록 순환하는 것으로 도시된다. 상기 분석 시스템은, 샘플 용액이 슬립스트림 내에서 흘러감에 따라 상기 샘플 용액을 받아들일 수 있도록 구성되고, 상기 도우징 시스템은 하나 이상의 화학적 성분들을 슬립스트림 내로 주입할 수 있도록 구성된다. 이러한 구성은 독일 프리츠하우젠(Pliezhausen)의 안코시스(Ancosys)사; 및 뉴저지 토토와(Totowa)의 이씨아이(ECI)사에 의해 제조된 것과 같은 분석 및 도우징 시스템을 나타내는 것을 의미한다. 도 2는 로드 아일랜드(Rhode Island) 프로비던스(Providence)의 테크릭(Techinc)사의 RTA(Real Time Analyzer)와 같은 상이한 분석 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 이 구성에서 도금 챔버 내부의 "프로브"는 도금 용액의 전기 분석적 분석 방법을 수행하도록 구성된다. 상기 프로브는 상기 프로브 및 이에 의해 생성된 전기화학적 데이터의 분석을 제어하는 컴퓨터 제어기에 연결된다.
성분 농도들이 변하는 용액들의 학습용 집합을 사용하는 일반적인 접근법의 또다른 한계는, 이해되는 방식들로 변하는 농도를 갖는 복수의 용액들을 생성하기 위해 신선한 성분들(fresh constituents)을 함께 혼합시킴으로써 수행된다는 점이다. 이 접근법은 분석 결과에 대한 전해질 에이징(electrolyte aging)의 어떠한 영향도 무시해버린다. 전해질 에이징은 전해 시스템의 애노드 및/또는 캐소드에 접촉함에 따른 하나 이상의 전해질 성분들의 산화 및/또는 환원의 결과를 발생시킬 수 있다. 이는 또한, 상기 시스템에 의해 처리되는 프러덕트 기판(또는 홀더)으로부터 또는 시스템 성분들로부터의 여과(leaching)에 기인하여 상기 전해질에 비의도적으로 부가되는 성분들의 집결(build-up)을 포함할 수 있다. 또한 상기 전해질에 오염물질들이 우연히 도입될 수 있는 다른 방식들이 존재한다. 전해질 에이징은 대부분의 산업적 증착 공정들의 중요한 측면이고 이들 습식 증착 방법들을 사용하여 생성되는 프러덕트나 물질들 상에 발생되는 많은 문제들에 대해 책임이 있을 수 있다. 이들 배스 에이징(bath aging) 영향에도 불구하고 화학적 성분 농도를 유지시키는 것의 중요성은, 용인할 수 있는 한계 이하로 배스 에이징과 관련된 성분들의 농도를 유지시키려는 시도에서 에이징된 전해질을 일부분을 기본적으로 제거하고 신선한 전해질로 이를 대체하는 "블리드 및 피드(bleed and feed)" 기법들의 사용을 이해함으로써 평가될 수 있다. 이들 기법들은 마이크로 전자 산업에서 일반적인데, 이들은, 낮은 레벨의 분해 생성물 및/또는 배스 요염물질(bath contaminant)을 갖는 정상 상태 조건(steady-state condition)에서 증착 공정들의 전해질을 유지시키는데 사용된다. 물론 전해질의 블리드 및 피드 동작을 사용하는 것은 화학적 처리(chemical usage), 환경적 영향(environmental impact) 및 관련 비용을 증가시킨다.
전기 분석의 고전적인 방법들은 분석을 위해 시스템으로부터 전해질 샘플을 추출하는 것을 포함한다. 이 때문에, 추출된 샘플이 프러덕트의 프로세싱에서 사용되는 전해질과 일치하는 조성을 갖는 것을 보장하기 위하여 전해질의 일부가 추출 지점까지 유체 샘플링 라인(fluid sampling line)을 통과하도록 흘러가는 결과가 야기된다. 어떤 전해질은 또한 일반적으로 이전의 샘플로부터의 분석기 오염 또는 "메모리"를 방지하기 위해 분석 장치를 세정하는데 사용된다. 분석 주기가 높거나 시스템을 플러싱(flushing)하고 분석하는데 필요한 전해질의 용량(volume)이 크다면, 분석 시스템의 작동은 분석 목적을 위해 소비되는 전해질의 용량 때문에 블리드 및 피드 타입 동작을 효과적으로 생성시킬 수 있는데, 이는 반드시 신선한 전해질로 보충(replendish)되어야 한다.
상술한 전기 분석 방법들은, 분석 도중 사용되는 참조 전극(reference electrode) 또는 작업 전극(working electrode)에서의 변화 때문에 복잡해질 수 있다. 참조 전극들은 접촉되는 전해질들과 양립(compatible)될 수 있도록 선택되어야 하고, 또한 일관된 결과를 유지시키기 위해 그들의 수명 시간 전체에 걸쳐 유지되어야만 한다. 작업 전극들은 일반적으로 전기 기계적 회전 메커니즘과 관련된 회전 디스크 전극(rotating disk electrode)들을 포함하고, 시간에 따른 표면 경도 또는 전극 무결성(integrity)에서의 변화를 겪게 된다.
전기 분석 방법에서 작업 전극으로서 회전 디스크 전극이 사용되는 경우 상기 전극은, 일 측정점으로부터 다음 측정점까지의 일관된 결과를 유지시키기 위해 일반적으로 세척되고 컨디셔닝(conditioning)된다. 이러한 경우라도, 상기 결과들을 모니터링하고 자주 캘리브레이트(calibrate)하고 및/또는 전극 드리프트 효과(electrode drift effect)를 제거하고, 상기 전극을 대체시키거나 보다 강력한 유지 보수 절차를 구현할 시간이 언제인지 아는 것이 중요하다. 예를 들어 전극 표면 영역에서의 변화는 화학 반응(chemistry)에서의 변화에 기인하지 않는 측정된 응답에서의 변화를 야기시킬 수 있다.
미합중국 특허번호 US5,223,118호에는, 전기 도금 배스에서의 표백제(brightener) 및 레벨러(leveller)들의 양을 분석하는 직접적인 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 따르면, 각 배스가 알려진 상이한 양의 표백제 및 레벨러를 가지는 복수의 도금 배스가 생성된다. 이어서 각 배스에 대해 상대 전극(counter electrode), 세척된 작업 전극 및 참조 전극이 제공되어 배스 내에서 침지되고, 각 배스에 대해 측정된 에너지 출력값이 표백제의 양, 초기 에너지 출력 및 에너지 출력에서의 변화량과 상관화된다. 이들 값들을 기초로 알려지지 않은 표백제 및 레벨러의 양을 갖는 배스에서의 레벨러 및 표백제의 양이 결정된다. 이 방법은 상이한 작업 전극들, 즉 복수의 도금 배스 각각에 대해 하나의 작업 전극을 사용한다. 상기 작업 전극들은 적절한 금속 디스크이다.
유럽 특허공개번호 EP 0760473호는 도금 및 증착 후의 그리고 부식(corroding) 중의 금속 표면 상태를 평가하기 위한 방법에 관한 것이다. 기판 상에 이미 증착된 알루미늄과 같은 금속이 그 금속을 부식시키는 이온 함유 용액과 접촉된다. 반도체 기판으로서의 역할을 하는 반도체 웨이퍼 상의 와이어링을 위한 금속 박막인 알루미늄 합금 층의 전극 전위는, 상기 금속을 부식시키는 이온 함유 용액 내에서 측정된다.
본 발명의 목적은, 배스 조성물, 공정 챔버 및/또는 기판 상의 필름 형성 공정을 포함하는 전기 화학적 증착 및/또는 도금 공정의 품질을 모니터링하고 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 작업 전극(들)로서 하나 이상의 기판을 사용하고, 시간의 함수로써의 전위차로 나타나는 출력 신호 핑거프린트를 제공하기 위하여 전기 화학적 증착 및/또는 도금 공정 동안 상기 하나 이상의 작업 전극들과 하나 이상의 참조 전극들 사이의 전위를 분석하는 전기 화학적 분석에 관한 것이다. 상기 전기 화학적 분석 방법은, 화학반응 및/또는 공정이 정상적으로 예측된 범위 내에서 동작하는지에 대한 지시자(indicator)를 갖는 핑거프린팅 분석 방법을 사용한다. 상기 방법은, 전기 화학적 분석 방법의 작업 전극(들)으로서 증착 및/또는 도금 공정 그 자체의 하나 이상의 기판을 사용한다.
바람직하게는 제 1 실시예에서의 상기 하나 이상의 기판은 하나 이상의 기판 웨이퍼 또는 프린트 회로 보드(printed circuit board)를 포함한다.
또한, 입력 파워의 소스는 상기 하나 이상의 기판과 하나 이상의 상대 전극 사이에 연결될 수 있다. 입력 파워의 부가적 소스가, 상기 공정만에 의해 제공되는 것 이상의 정보를 제공하는 파형을 생성함으로써 분석에 도움을 주도록 사용되는 전류 및/또는 전위 편차(variation)를 공급함으로써 상기 공정 분석을 강화시키는데 사용된다.
또한 부가적인 입력 신호로서 하나 이상의 기판과 하나 이상의 상대 전극 사이의 상기 전류 또는 전위를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명은 또한 작업 전극(들)으로서 하나 이상의 기판을 사용하고 공정 파워 서플라이의 입력 파워를 사용하여 상기 작업 전극(들) 및 상대 전극 사이에 전류 및/또는 전위의 형태로 입력 에너지를 제공하는 전기 화학적 분석 방법에 관한 것이다. 이 방법은 상기 하나 이상의 작업 전극(들) 및 하나 이상의 참조 전극들 또는 하나 이상의 상대 전극들 중 적어도 하나 사이의 전위를 활용하여, 출력 신호를 제공한다. 이 실시예에서는 상기 하나 이상의 기판은 하나 이상의 기판 웨이퍼를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전기 화학적 분석 시스템은 화학 반응 및/또는 공정이 정상적으로 예상된 범위 내에서 동작하는지에 대한 지시자를 갖는 핑거프린트 분석 방법을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 입력 파워의 부가적인 파형이 상기 공정 파형과 중첩된다. 상기 부가적인 파형은, 상기 공정 파형만에 의해 제공되는 것 이상의 정보를 제공하는 파형을 생성시킴으로써 분석에 있어서 도움을 주는데 사용되는 전류 및/또는 전위 편차(variation)의 부가적인 소스를 제공함으로써 상기 공정 파형을 강화시키는데 사용된다.
상기 전기 화학적 분석 방법의 출력(들)은 화학 반응 및/또는 공정이 예상된 범위 내에서 동작하고 있는지 또는 정상적인 동작 범위에 접근하거나 들어가는지에 대한 정보를 제공하는 수량적 품질 예측기(quantitative quality predictor)를 생성하는데 사용되는 모델 내로 공급(feed)될 수 있다.
본 발명은, a) 기판, 애노드 등에의 모든 연결을 포함하는 공정 챔버의 준비도; b) 마이크로 전자 또는 전자 디바이스들을 제조하는데 사용되는 실리콘 웨이퍼 또는 프린트 회로 보드(PCB)들과 같은 기판 상에 수행되는 막 형성 공정의 핑거프린팅에 대한 품질 모니터로서 사용될 전기화학적 증착 또는 에칭 시스템 및/또는 전해질을 핑거프린트하기 위하여 전기 분석적 데이터(도금 또는 에치 전류, 기판상의 전압, 셀 전압) 뿐만 아니라 트레이스 데이터(trace data)[전해질 유속, 온도 기판 회전 또는 교반 속도(agitation speed)]를 사용하는 방법이다.
본 발명은, "핑거프린팅"이란 "어떤 시간 기간 동안에 걸쳐 어떤 레이트(rate)로 샘플링되고 변환(transform)되고 그 타임 프레임 동안 그 유닛(unit)의 상태를 나타내는 결과를 생성하는 수학적 방법들의 집합을 사용하여 분석된, 핑거프린트될 성분에 관련된 데이터 변수들의 집합"이라는 ISMI(International Sematech Manufacturing Initiative)의 정의에 따른 핑거프린트 방법을 포함한다. 따라서 핑거프린트의 주요 특성은 다음과 같다: a) 잘 정의된 핑거프린트는, 그 값들이 정상적인 동작 범위 밖에 있는 경우 실패한 성분(failing component)(또는 드리프팅 성분)을 직접 가리킨다, b) FDC(Fault Detection Classification) 시스템들과는 대조적으로, 실패(fault) 가 감지되기 전에 드릴다운 공정(drill-down process)이 개시될 수 있다, c) 핑거프린트들은 종종, 아주 구체적인 장치 도메인 지식(very specific equipment domain knowledge)을 필요로 하는 팹 고객(fab customer) 및 모델들에게 일반적으로 입수가능하지 않는 데이터를 사용한다.
본 발명은 바람직하게는 분석 기술을 위해 작업 전극으로서 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명은, 각각의 전기 분석적 측정을 위한 작업 전극으로서 기판 자체를 사용함으로써 각 측정을 위해 상기 작업 전극이 대체되는 것을 허용한다. 이 기술은, 프러덕트가 작업 전극으로서 실제 사용된다는 사실에 기인하여 상기 작업 전극이 프러덕트를 정확히 나타낸다는 점을 항상 알게 된다는 이점을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 증착 공정 동안 기판에 인가되는 파형에 부가 신호가 중첩되는 것을 허용하는 병렬 회로가 제공된다. 본 발명의 일 실시형태에서는 작은 진폭의 전류 또는 전압 스윕(sweep)와 같은 신호가 증착을 위해 사용된 파형에 부가된다. 이렇게 중첩된 신호는, 전기 화학적 증착 시스템을 모니터링하는데 사용되는 출력 신호를 제공하기 위해 사용된 입력 에너지를 수정(modify)하는데 사용된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 전기 화학적 분석 방법의 출력(들)이, 화학반응(배스 건강 팩터) 및/또는 공정(장치 건강 팩터)이 예상된 범위 이내에서 동작하고 있는지 또는 정상적인 동작 범위에 접근하거나 그 범위에 들어가는지에 대한 정보를 제공하는 수량적 품질 예측기(quantitative quality predictor)를 생성하는데 사용되는 모델 내로 제공(feed)된다. 이 시스템은, 공정 파워 서플라이의 조정(adjustment)에 의해 증착 공정의 제어를 제공하기 위하여 증착 시스템과 피드백되는 품질 예측기가 사용하며, 따라서 상기 출력 신호는, 전해질 내로의 기판 엔트리(substrate entry)(예를 들어 전해질과 접촉되기 전에 상기 기판에 전위가 인가되는 경우의 "핫 엔트리(hot entry)")를 위한 목표점(teach point)들 뿐만 아니라 증착 또는 에칭 공정에 사용되는 파워 서플라이를 제어하는데 사용되는 피드백을 제공하는데 사용될 수 있다. 파워 서플라이 및 기판 핸들링 장치(handling device) 장치들은 원하는 공정 결과를 달성하는데 중요한 요소들이다. 본 실시예에서, 파워 서플라이의 출력은, 일단 프러덕트 및/또는 테스트 기판의 도량형(metrology)에 대한 상관도(correlation)가 달성되면, 전해질의 수명 전체에 걸쳐 발생되는 변화들을 보상하기 위하여 분석의 측정된 특성을 보상하기 위하여 변동될 수 있다. 대안적으로, 상기 피드백은, 불량한 공정 성능과 관련된 출력 한계에 접근하면 공정의 동작을 중지시키는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 본 발명은 이상적인 동작 조건으로부터 벗어나는 공정에 의한 열악한 프러덕트의 생성을 방지하거나 공정 내에서 사용된 전해질의 수명을 연장시키는데 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명의 마지막 실시예에서, 상기 방법은 공정 파워 서플라이의 조정에 의해 증착 공정의 제어를 제공하기 위하여 증착 시스템과 피드백되는 품질 예측기를 사용할 수 있다. 상기 모델 및 품질 예측기는 정상적인 거동(normal behaviour)과 비정상적인 거동을 구별하기 위하여 시간에 걸쳐 학습(learn)하도록 설계된다. 프러덕트 품질 파라미터들은 양호한 공정 결과와 불량한 공정 결과 사이의 구별을 보다 정교하게(refine) 하는데 도움을 주고 보다 많은 데이터가 상기 모델로 피드백됨에 따라 양호한 공정 결과와 불량한 공정 결과 사이의 차이가 좁아지는 것을 허용하도록 상기 모델로 피드백된다.
수집된 정보는 품질 팩터 또는 장비 건강 팩터(equipment health factor)를 생성하는데 사용된다. 팩터들은 OC-SVM(one class support vector machines), ROBPCA(robust principle component analysis) 등과 같은 다변량(multivariate) 통계학적 접근법을 이용한 트레이스 데이터의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 품질 팩터는 전기 분석적 결과, 고전적인 화학반응 분석 결과, 예상된 전기적 파형과의 비교 등으로부터 생성될 수 있다. 전기 화학적 증착 또는 전기 화학적 에칭 공정들을 위하여 상기 트레이스 데이터는 다음과 같은 분석 클래스들을 허용하도록 그루핑될 수 있다: a) 연결들, 애노드 품질, 플로우 레이트(flow rate) 또는 교반 등을 포함하는 공정 챔버의 준비도(readiness); b) 파워 서플라이의 거동/준비도; c) 기판(특히 시드층, 포토레지스트, 개방영역)의 품질; d) 전기 분석적 분석결과들을 통하여 결정된 전해질의 거동. 상기 품질 팩터는, 이후에 생산될 프러덕트들이 충분한 품질을 갖는지를 확인하기 위하여 모니터링될 수 있다. 만약 품질 팩터/건강 팩터가 받아들여질 수 없는 한계 쪽으로 근접하는 경향을 띤다면, 품질 팩터를 향상시키기 위하여 상기 공정을 수정하도록 조치가 취해질 수 있다. 트러블슈팅 및 또는 근원 분석(root cause analysis)을 최적화하기 위해서는 프러덕트의 핑거프린트 데이터와 산출 데이터(yield data) 사이를 상관시키는 것(correlation)이 필수적(mandatory)이다.
본 발명의 또다른 측면은, 수 밀리초 내지 수 나노초의 범위에서 데이터를 핸들링하는 고속 신호 프로세싱 장치의 사용이다. 이는 특히 공정 파라미터(예를 들면 증착 전류)의 스위칭 온(switching on) 또는 스위칭 오버(switching over)에 도움을 준다. 요구되는 데이터 레이트는 모니터링될 공정 파라미터에 달려 있으나, 고속 신호 프로세싱 장치의 능력은 수 나노초 내지 수 분(minute) 사이의 데이터 획득 범위(data acquisition range)에 걸쳐야 한다(span).
본 발명에 따르면 출력 신호를 제공하기 위하여 상기 하나 이상의 작업 전극들 및 다음 중 하나 이상 사이에서의 전압을 분석할 능력을 갖는다.
또한 본 발명에 따라 입력 파워의 부가적인 소스는, 공정 파형만에 의해서 제공되는 것 이상의 정보를 제공하는 파형을 발생시킴으로써 분석에 도움을 주는데 사용되는 전류 및/또는 전압 편차의 부가적인 소스를 공급함으로써 상기 공정 파워 서플라이를 강화시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 화학반응 및/또는 공정이 정상적으로 예측된 범위 내에서 동작하는지에 대한 거동을 간편하게 구별할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 전해질 샘플을 추출하고 이를 공정 제어를 위해 분석하도록 설계된 종래 기술의 전기 분석 시스템(Ancolyzer/ECL)의 개략도이다.
도 2는 인시튜로(in-situ) 전해질을 분석하도록 설계된 제 2의 종래 기술의 전기 분석 시스템(RTA)의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a는 전류(Ip) 및 에워싼(enveloping) 상부 및 하부 라인이 양호한 품질 및 불량한 품질의 범위를 한정하는 전압들(UCell 및 UR)의 다이어그램으로 본 발명의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 하드웨어 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 양호한 배스 및 품질 저하된 배스로부터의 신호들을 도시하는 도금 기판들을 위해 사용된 것과 유사한 공정을 사용하여 얻어진 전기화학적 분석 반응 곡선을 도시하는 그래프이다. 품질 저하된 화학 반응(degraded chemistry)로부터의 신호는 13 ASD 인가된 전류에서의 전위 요동(potential fluctuation) 뿐만 아니라 각각의 인가된 전류에서의 보다 많은 분극(polarization)을 나타내고 있다.
도 6은 전기 화학적 증착 리액터에서의 참조 전극의 구현을 개략적으로 도시한다.
도 7은 모세관 튜브를 통과하는 전해질 유동(electrolyte flow)를 보장하기 위해 모세관 튜브(22) 및 펌프(25)를 갖는 전기 화학적 증착 리액터에서의 참조 전극의 구현을 개략적으로 도시한다.
도 8은 멤브레인(21)을 갖는 전기 화학적 증착 리액터에서의 참조 전극들의 구현을 개략적으로 도시한다.
도 9는 멤브레인 및 모세관 튜브들을 갖는 전기 화학적 증착 리액터에서의 참조 전극들의 구현을 개략적으로 도시한다.
도 10은 참조 전극들(13) 및 캐소드 기판(11) 근처의 위치들 사이에서 4개의 동심 애노드들(12) 및 모세관 튜브들(22)를 갖는 전기 화학적 증착 리액터에서의 참조 전극들(13)의 구현을 개략적으로 도시한다.
도 11은 4개의 동심 애노드들(12) 및 캐소드(11)와 애노드들(12) 사이의 분리 멤브레인(21)을 가지며 참조 전극들(13) 및 전극 표면들 근처의 위치들 사이에서 모세관 튜브들(22)를 갖는 전기 화학적 증착 리액터에서의 참조 전극들(13)의 구현을 개략적으로 도시한다.
도 12는 공정 파형 위에 전기 화학적 분석을 위한 중첩된 파형을 공급하는 병렬 회로를 포함하는 본 발명의 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 13은 공정 전류와 함께 작은 분석 전류 요란(perturbation)을 중첩시키는 것과 관련된 전기 분석적 분석 기법으로부터의 그래프 집합이다. 이들 그래프들을 생성하기 위하여 2% 전류 밀도 편차(variation)가 9 ASD 공정 전류 위에 중첩되었다. 도 13a는 주파수의 함수로서의 임피던스의 그래프이다. 도 13b는 주파수의 함수로서의 임피던스 위상 시프트의 그래프이다. 도 13c는 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot) 또는 임피던스의 실수 성분의 함수로서의 임피던스의 허수 성분의 그래프이다.
도 14는 전기 화학적 분석 반응 곡선 집합인데, 품질 저하된 공정 성능의 가능성을 나타내는 신호가 내부 애노드 들의 존재 시의 주석 도금 배스의 에이징의 결과로서 발생됨을 도시하고 있다.
도 15는, 포토레지스트 샘플들에 노출될 화학 반응에 기인한 변화들을 나타내는 데이터로부터의 신호가 추출될 수 있음을 도시하는 전기 화학적 분석 반응 곡선 집합이다.
도 16은 이른바 pH 전극(글래스 전극)인 바람직한 참조 전극의 개략적인 도면을 도시한다.
본 발명은 전해질을 핑거프린트하는 전기 분석적 기술을 사용하는 방법 및/또는 전기 화학적 증착 또는 에칭을 위한 시스템이고, a) 기판에 대한 모든 연결, 애노드에 대한 모든 연결 등을 포함하는 공정 챔버의 준비도 및/또는 b) 실리콘 웨이퍼나 프린트 회로 보드 또는 인터포저(interposer) 또는 임의의 형태의 전자 기판과 같은 마이크로 전자 기판 상에 수행되는 막 증착 공정의 핑거프린팅을 나타내는 품질 모니터 또는 건강 팩터를 생성하기 위한 시스템이다. 본 발명은 분석 기술을 위한 작업 전극(11)으로서 기판들을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일실시예의 개략적인 표현이 도 3에 도시된다. 상기 개략적인 표현은 상대 전극(12), 참조 전극(13), 파워 서플라이(14), 도금 챔버(10) 및 전류 및 전압을 측정하기 위한 기구(instrument)들(16, 17, 18)을 더 포함한다. 이 도면은, 전기적 공정 변수들을 모니터링함으로써 생성되는 전기 화학적 데이터가 어떻게 공정 파라미터 및 공정 결과들을 나타내는 다른 데이터와 함께 다차원 모델에 공급될 수 있는지를 나타낸다. 상기 모델은 양호하거나 불량한 공정 결과를 갖는 공정에서 다음의 프러덕트가 처리되는지에 대한 확률을 나타내는 품질 예측값을 생성하도록 그 모델에 공급되는 데이터에 대해 적용되는 알고리즘을 사용할 수 있다. 본 발명은 전기 분석적 측정을 위한 작업 전극으로서 기판 그 자체를 사용함으로써 각 측정을 위해 그 작업 전극이 대체되는 것을 허용한다. 본 발명을 위해 사용될 수 있는 하드웨어 집합의 대략적인 표현은 도 4에 도시된다.
도 3a는 본 발명의 원리를 보다 자세히 설명한다. 상기 도면은, 양호한 품질의 코팅된 기판에 대한 도금 전류 Ip, 셀의 예상 전압 Ucell (가는 검은 선) 및 참조를 위한 예상 전압 UR (가는 검은 선)을 도시한다. Ucell 및 UR의 예상 선들은 상부 및 하부 라인에 의해 각각 둘러싸여 있다. 상기 상부 및 하부 라인들 사이의 영역은 양호한 품질의 셀 전압(Ucell) 또는 참조 전압(UR)의 영역을 한정한다.
상기 상부 라인 위쪽과 상기 하부 라인 아래쪽 영역에서는 코팅된 기판의 예상 품질이 양호하지 않다.
상이한 기판들의 품질 및 전류(Ip) 및/또는 전압(Ucell 또는 UR)을 한정한 이후에는 다른 기판의 품질은 그 다른 기판의 Ip , 또는 전압(Ucell 또는 UR)의 측정에 의해 예측될 수 있다.
기판의 품질 및 전압 또는 전류의 각각의 새로운 판단은 수정된 모델의 결과에 이르게 할 것이다.
전류 Ip, 전압 Ucell 또는 UR은 도 3의 측정 기구(16), 전압계(17, 18)로 측정된다.
상기 기판이 전기 화학적 측정을 위한 작업 전극으로서 사용되고 있을 경우 고려해야만 될 몇가지 제한 및 복잡한 문제가 발생된다. 마이크로 전자 디바이스의 제조업자는 복수의 프러덕트 타입을 제조하는데 동일한 시설 및 장비를 사용하는 것이 일반적이다. 각 프러덕트 타입은 고유의 표면 영역(surface area)을 가지며 자신의 특정 프러덕트 요구사항에 기인하여 잠재적으로 상이한 동작 파형을 가질 가능성이 높다. 따라서, 각 프러덕트 타입은, 본 발명의 방법으로부터 일치하는 결과들을 가지기 위해서 예를 들어 룩업 테이블의 사용을 통해서 따로따로 비교될 필요가 있다. 프러덕트를 카테고리들로 분리하는데 사용되는 파라미터들은 프러덕트 타입, 사용된 공정 챔버(들), 이전의 공정 장비 파라미터 등을 포함할 수 있다. 데이터는 각 파라미터의 각각의 값이 서로 분리되도록 고려되거나 단일 데이터 집합 내에서 모든 파라미터의 모든 값들을 고려하는 집합한 형태(aggregated form)로서 고려되어야 한다. 부가적으로, 예를 들어 리소그래픽 공정들에서의 정상적인 제조 편차에 기인한 프러덕트 타입 내의 편차가 존재할 가능성이 있는데, 이 또한 본 명세서에 기술된 방법에서 고려될 필요가 있을 것이다.
전기화학적 반응들을 모으는데 있어서 작업 전극으로서 프러덕트 기판을 사용하는 것의 이점은, 프러덕트 상에 수행되는 공정을 나타내는 방법을 강구하거나 설계할 필요가 없다는 점인데, 이는 상기 공정을 분석하는데 사용되는 데이터를 제공하는 것이 바로 그 공정이기 때문이다. 프러덕트 기판 상에 사용되는 좁은 범위에서만 발생되는 화학 반응의 몇몇 특징적 성능을 캡처하기에 인가 전류(또는 전압)가 너무 낮거나 너무 높을 위험이 없는데, 이는 바로 그 공정이 분석을 위해 사용되는 데이터를 발생시키는데 사용되기 때문이다. 예를 들면 도 5는 전기화학적 증착 및 분석 동안 발생된 2개의 곡선을 도시한다. 이들 곡선은, 증착이 몇몇 위치들에서 발생되고 다른 위치들에서는 발생되지 않은 기판을 생성하는 실패된 전해질(2) 및 양호한 전해질(1) 사이의 차이를 도시한다. 일단 실패된 전해질로 증착이 일단 시작되면, 양호한 전해질에 비하여 전압이 보다 높게 오르게 된다. 또한, 가장 높은 전류 밀도 단계 동안에는 실패된 전해질의 경우에 전압이 요동치는 것(fluctuate)이 관찰된다. 본 방법의 반응에서는 인가된 전류가 9 ASD보다 높은 경우에만 전압 요동이 나타나는데, 이는 기판 상의 문제에 대한 전압임을 가리킨다.
도 5에 도시된 예시는 패터닝된 실리콘 웨이퍼의 조각(piece)들에 대해 복수의 전류 밀도 단계(current density step)들을 갖는 전기 화학적 증착 공정이 수행되는 실험으로부터 취해진 것이다. 실패한 배스는 적절하게 도금된(또는 정상보다 높은) 몇몇의 범프 피처(bump feature)를 갖는 웨이퍼 상의 결과가 발생된 반면 다른 것들은 매우 짧은 범프들을 가지는 것이 관찰되었다. 공정 상에 수행된 트러블슈팅(troubleshooting)에 기초하여, 정상적인 "양호한(good)" 전해질과 비교되는 바와 같이 실패한 전해질로부터의 데포짓(deposit)들 내의 차이점들이 가장 높은 전류 밀도 단계에서만 발생되었음이 관찰되었다. 실패한 전해질은 증착의 첫번째 단계에서 보다 높은 전압을 보여주는 한편, 오직 13 ASD 단계에서만 전압 반응(potential response)이, 몇몇 영역에서는 증착이 거의 발생되지 않거나 아예 발생되지 않는 한편 기판의 다른 영역들은 정상적인 증착을 경험하는 이슈가 존재함을 나타내는 진동하는 거동(oscillating behaviour)을 보여준다. 이것이, 본 명세서에 개시된 본 발명을 보다 강력하게 만드는, 프러덕트 상의 관찰된 실패에 대한 프러덕트 기판의 프로세싱 시 얻어지는 데이터의 상관도인 "핑거프린트"이다. 상기 데이터는 공정 제어를 향상시키는데 사용될 수 있는 프러덕트 상의 공정의 성능에 대한 직접적인 지시자를 제공한다.
본 방법에서 프러덕트 기판을 작업 전극으로 활용하기 위해서는 참조 전극이 상기 작업 전극(들)과 전기 화학적 소통(electrochemical communication)의 상태에 있도록 하는 방식으로 상기 참조 전극을 상기 증착 시스템내에 통합(incorporate)시키는 것이 바람직하다. 상술한 논의에서, 프러덕트 기판은 작업 전극으로 기술되었다. 전체적으로 시스템의 성능을 나타내는 다른 집합의 트레이스 데이터로서 (프러덕트 기판 전극 및 애노드(들), 또는 상대 전극(들) 사이의) 셀 전압 및/또는 셀 전류를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 이러한 측면에서는 분석 신호들로서 프러덕트 기판 및 참조 전극 사이 그리고 프러덕트 기판 및 상대 전극 사이의 신호들을 활용하는 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같은 상대적으로 단순한 전기화학적 프로세싱 시스템을 사용하는 것이 적절할 수 있다. 또한 상대 전극 및 참조 전극 사이의 신호들을 포함하는 것도 가능하다.
본 발명의 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 바와 같이, 도 6에 도시된 바와 같은 시스템은, 예를 들어 복수의 캐소드 및/또는 애노드를 사용하거나 특정 유체 시스템 내로의 전해질들의 분리를 제공하는 멤브레인을 갖는 시스템들과 같은 보다 복잡한 증착 시스템으로 확장될 수 있다. 상기 시스템에는 복수의 캐소드 및/또는 애노드의 전압 측정을 허용하는 참조 전극들을 부가하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 참조 전극이 작업 전극에 아주 가깝게 위치되게 할 필요가 없이 관련 작업 전극 근처에서 전압 차이의 측정을 허용하는 모세관 튜브(capillary tube)와 같은 디바이스들을 활용하는 것이 바람직할 수 있다. 이는, 증착 리액터 자체 내부의 전기장의 최소한의 분열(disruption)을 가지면서 전극 근처에서 전압을 모니터링하는 방법을 제공한다. 또한 모세관 튜브 내에서 그리고 도금 전극에 대하여 유사한 농도(concentration)를 유지시키고 모세관 튜브로부터 공기 방울(air bubble)을 퍼지(purge)시키기 위하여 참조 전극을 위한 모세관 튜브 관련 유체 펌핑 시스템을 갖는 것이 바람직할 수 있다(도 7 참조). 분석을 위한 이상적인 시스템은 사용되는 특정 증착 시스템에 다소 의존할 것이라는 점이 이해될 것이다. 다양한 증착 시스템들에 대한 몇몇 대표적인 구성들이 도 4 및 도 6 내지 12에 도시된다.
상기 시스템이 하나 이상의 이온 선택형 멤브레인(ion-selective membrane)(21)들을 포함하는 구성으로 사용되는 경우, 산 용액(acid solution)을 포함하는 유체 시스템 중 하나에서 전해질이 존재할 수 있다. 술푸릭 산(sulfuric acid)이나 메탄 술푸릭산(methane sulfuric acid)과 같은 산성 기반의 산 용액들이 일반적으로 사용된다. 이러한 경우에는 전해질의 오염이나 변화를 식별하기 위하여 그 용액을 모니터링하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 관점에서, 본 발명의 일실시예는 상기 전해질 내의 오염물들을 식별하는 핑거프린팅 분석 기술을 사용할 수 있다. 이 핑거프린팅 분석 기술은 분석을 위한 작업 전극으로서 증착 시스템 내의 전극을 사용할 수 있으며, 선택적으로 본 명세서의 다른 부분에 기재된 바와 같이 부가적인 분석 파형을 중첩(superimpose)시키기 위한 병렬 전기 회로를 포함할 수 있다. 이러한 오염물들은, 예를 들어 상기 시스템의 일부인 하나 이상의 멤브레인을 통한 물질들의 이동(migration)을 통해 도입될 수 있다. 이는 정상적인 동작에 기인할 수도 있고, 시스템 내의 반응(reaction)들에 기인한 오염물의 발생에 기인할 수 있고, 오염된 피드스톡(feedstock)의 결과를 야기하는 하나 이상의 전해질 성분들에 대한 제조 문제에 기인할 수도 있다. 본 발명은 술푸릭 산이나 메탄 술푸릭 산과 같은 산을 포함하는 전해질 내의 무기 화합물과 같은 오염물의 존재를 식별하는 능력을 제공한다. 본 발명에서 테스트될 수 있는 다른 산성 전해질의 예시들은 포르믹 산(formic acid), 에타노닉 산(ethanoic acid), 프로파노익 산(propanoic acid), 부타노익 산(butanoic acid) 및 아래의 일반식 I의 알리패틱(aliphatic) 또는 논벤젠 알리사이클릭(nonbenzene alicyclic) 화합물과 같은 술포닉 산(sulfonic acid)을 포함할 수 있는데, 여기서 R은 C1 -5 알킬 라디컬(alkyl radical) 또는 카본 링 구조(carbon ring structure)이고,
Figure pat00001
X1은 알킬 라디컬의 임의의 선택적 위치에 존재할 수 있는 할로겐 원자 또는 히드록실(hydroxyl), 아릴(aryl), 알킬아릴(alkylaryl), 카르복실(carboxyl) 또는 술포닐(sulfonyl) 라디컬이고, n은 0 내지 3의 정수이다. 이들 유기 술폰 산들의 예시는 메탄술포닉(methanesulfonic), 에탄술포닉(ethanesulfonic), 프로판술포닉(propanesulfonic), 2-프로판술포닉(2-propanesulfonic), 부탄술포닉(butanesulfonic), 2-부탄술포닉(2-butanesulfonic), 펜탄술포닉(pentanesulfonic), 클로로프로판술포닉(chloropropanesulfonic), 2-히드록시에탄-I-술포닉(2-hydroxyethane-l-sulfonic), 2-히드록시프로판-I-술포닉(2-hydroxypropane-l-sulfonic), 2-히드록시부탄-I-술포닉(2-hydroxybutane-l-sulfonic), 2-히드록시펜탄술포닉(2-hydroxypentanesulfonic), 알릴술포닉(allylsulfonic), 2-술포아세틱(2-sulfoacetic), 2- 또는 3-술포프로피오닉(sulfopropionic), 술포숙시닉(sulfosuccinic), 술포-말레익(sulfo-maleic), 술포푸마릭(sulfofumaric), 벤젠술포닉(benzenesulfonic), 톨루엔술포닉(toluenesulfonic), 자일렌술포닉(xylenesulfonic), 니트로벤젠술포닉(nitrobenzenesulfonic), 술포벤조익(sulfobenzoic), 술포살리실릭(sulfosalicylic), 및 벤잘디하이드술포닉(benzaldehydesulfonic) 산들이다. 또한, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 본 방법은 정상 동작 시 정보의 학습용 집합을 발생시킬 수 있고, 부가적인 데이터가 생성되어 상기 시스템으로 피드백됨에 따라 "학습(learning)"함으로써 시간에 걸쳐 오염물들을 식별하는 능력을 정교하게 만들수 있다. 오염되고 오염되지 않는 전해질들의 학습용 집합은 상기 방법이 전해질 샘플들을 분석하는데 사용됨에 따라 생성될 수 있다. 상기 학습용 집합은 적어도 하나의 에이징된 전해질(aged eletrolyte)을 포함할 수 있다. 에이징된 전해질은 전기화학적 공정에서 상기 전해질을 사용함으로써 생성된다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 수량적인 품질 팩터, 또는 배스 건강 팩터가, 전해질 화학반응의 품질을 나타낼 수 있는 본 방법에 의해 생성된 데이터로부터 발생될 수 있음이 또한 명백할 것이다.
본 발명의 부가적인 측면은 상기 모델 및 품질 팩터가 오염된 전해질 및 오염되지 않은 전해질 사이를 구별하도록 시간에 걸쳐 학습하도록 설계된다는 점이다. 전해질 품질 파라미터들은 상기 모델로 피드백되어 오염된 전해질 및 오염되지 않은 전해질 사이의 구별을 정교하게 하는 것에 도움을 주며, 더 많은 데이터가 상기 모델로 피드백됨에 따라 오염된 전해질 및 오염되지 않은 전해질 사이의 차이들을 좁히는 것을 허용한다. 공정 출력의 품질을 나타내는 모델이 생성될 수 있고 상기 시스템은 공정이 계속하여 진행됨에 따라 시간에 걸쳐 공정 거동(process behavior)을 학습할 수 있다. 이는, 공정의 실패 모드에 대한 사전 지식 없이도 본 방법에 의하여 상기 공정이 모니터링되는 것을 허용한다. 상기 공정에 의해 생성되는 프러덕트에 임의의 문제가 발생하는 경우 상기 모델로 피드백을 제공하는 것이 유리하다. 이러한 방식으로, 결점이 있는 프러덕트가 생성될 때 캡처된 반응들은 관찰되는 결점과 연관되어질 수 있고, 한계에 접근함에 따라 제조자에게 플래그(flag)되도록 나중에 사용될 수 있는 적절한 한계를 설정하도록 상기 시스템에 의해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 상기 시스템은, 일단 실패 정보가 상기 모델 내로 피드백되면 실패의 재발생을 방지하는데 사용될 수 있다.
모델은, 프로세싱됨에 따라 특정 프러덕트 기판과 연관된 각 벡터에 대한 정보를 단순히 수집함으로써, 특정되지 않은 수의 공정 벡터로부터 생성될 수 있다. 선험적으로(a priori) 어떠한 값들이 특정 벡터에 대해 바람직한지를 선험적으로 알 필요가 없다. 상기 정보는 캡처되고 상기 정보가 이용가능하게 됨에 따라 양호 또는 불량의 품질 특성이 특정 기판과 연관되어질 수 있다. 이러한 방식으로 상기 시스템은, 시간에 걸쳐 양호한 프러덕트 결과 및 불량한 프러덕트 결과들과 어떠한 값들이 연관되는지를 효과적으로 "학습"한다.
프로세스의 적절한 성능을 확실하게 하기 위하여 트레이스 데이터가 모니터링되고 분석된다. 트레이스 데이터의 수집은 규칙적이거나 불규칙적인 시간 인스턴트들에서 샘플링하거나 측정하고 결과적인 양들을 계산함으로써 수행된다. 첫번째 단계에서 트레이스 데이터의 각 포인트에 대한 실행가능 집합(feasibility set)들이 테스트 런(test run)들 및 엔지니어의 전문적 의견을 이용하여 한정된다. 이는, 예를 들어 시간 기반 트레이스 데이터에 대한 엔벌로프들에 의해 기술된 컴팩트한 범위와 같은 몇몇 포인트틀에 대한 단순 간격(simple interval)들 및 다른 포인트들을 위한 보다 복잡한 집합(complex set)들을 제공한다. 트레이스 데이터 수집의 각 포인트가 대응하는 실행가능 집합 내에 있는 경우 상기 공정이 정상적으로 수행하는 것으로 랭킹된다. 등가적으로, 범위 밖에 있거나(outlier) 비정상적 거동의 공정은 각각, 실행가능의 그들의 영역 밖에 위치되는 트레이스 데이터의 하나 이상의 포인트들에 의해 식별된다.
다음 단계에서, 범위 밖에 위치되는 데이터의 발생은, 주요 성능 지수(key performance indicator)(KPI)의 정의와 관련되는, 가장 자세하게 정상적으로 거동하는 공정들로부터의 편차를 반영하는 트레이스 데이터로부터 추출된 (로컬) 임계적 범위 및 수치들을 식별함으로써 분석된다. 상기 KPI들에 기초하여, 선험적으로 예상 공정이 실행가능한지 아닌지를 결정하는데 도움을 제공하는 방법론이 확립된다. 피셔의 선형 판별식(Fisher’s linear discriminant) 및 주요 성분 분석법(principal component analysis)(PCA)과 같은 선형 분류기(linear classifier)들로부터 지원 벡터 머신(support vector machine)(SVM), 신경망(neural network) 및 벡터 양자화법(vector quantization)에 이르기까지의, 아주 다양한 통계적 분류 모델뿐만 아니라 잘 정의된 결정론 모델들이 존재하는데, 이들은 결정 모델의 정의에 대한 기초로 사용될 수 있다.
시간에 걸쳐 상기 결정 모델은, 트레이스 데이터 수집 또는 학습용 집합들이 증가함에 기인한 결정 문턱값들 또는 실행가능 집합들을 적응(adapt)시키고 범위 밖의 데이터의 증가하는 다양성에 기인한 새로운 KPI들을 부가시킴으로써 정교하게 되고 개선될 수 있는데, 이는 상기 모델의 증가된 차원에 이르게 한다. 본 동작 방법의 이점은 학습용 집합이 정상 동작 동안 생성될 수 있다는 점이다. 이는 학습용 집합 또는 실행가능 집합이, 상기 공정이 진행됨에 따라 시간에 걸쳐 강화되고 개선되도록 하는데, 이는 상기 공정을 통하도록 프러덕트를 움직이기 전에 광대한 학습용 집합의 데이터가 생성될 것을 요구하지 않기 때문에 공정 스타트업(startup)의 비용을 감소시킨다.
많은 수의 챔버에서 공정들을 모니터링해야 하기 때문에, 결정 모델은 독립적으로 각 챔버에 대해 확립되어야 한다. 다양한 챔버 내에서의 상이한 공정들을 제어하고 비교할 수 있게 하기 위하여, 개별 결정 모델들의 핵심(core)는 동일해야만 한다. 상이하거나 심지어는 동일한 챔버들에서 작업되는 상이한 프러덕트들에 대한 공정들은 어떤 의미에서는 유사하고, 따라서 동일한 트레이스 데이터에 의해 평가된다는 점을 고려하면, 범위 밖의 데이터의 특정한 발생과 관련없이 동일한 KPI들이 각 챔버에서 사용될 수 있다. 이는, 오직 실행가능 집합들, 예를 들어 결정 문턱값들 및 엔벌로프들이 챔버마다 서로 다른 경우에도 동일한 결정 모델이 사용될 수 있음을 제공한다. 챔버 특정 전달 함수(transfer function)를 설계함으로써, 실행가능 집합들의 형태에서의 변화율(variation)이 조정될 수 있는데, 이는 상이한 프러덕트들에 대한 챔버 매칭 및 제어 공정들을 위한 툴을 제공한다.
상술한 논의는 주로 전해질 증착 공정들의 분석을 위한 본 명세서의 시스템 및 기술의 사용에 관한 것이었는데, 여기서는 부과된 전류(또는 전압)이 기판 상에 물질을 증착시키기에 필요한 에너지를 공급하는데 사용된다. 무전해 증착(electroless deposition) 및 침지 증착(immersion deposition)으로 알려진 공정들의 클래스에서 증착을 위한 구동력은 화학 반응(chemistry) 내 또는 화학반응 및 기판 사이의 전기 화학적 전압(electrochemical potential)으로부터 나온다. 이들 공정에서는 일반적으로 외부 전기 회로가 존재하지 않고, 기판은 전기적으로 플로팅되거나 또는 전해질과 함께 개방 회로를 이룬다. 이러한 시스템에서 상술한 본 발명은 여전히 적용될 수 있는데, 이는 프로세싱됨에 따라 상기 기판과 유체 소통하는 참조 전극을 인스톨시킴으로써, 그리고 상기 기판과 상기 참조 전극 사이의 전압을 모니터링함으로써 이루어질 수 있다. 상기 시스템에 상대 전극을 부가시키는 것 또한, 아래에 논의될 바와 같이 무전해 또는 침지 증착과 일반적으로 관련된 영(zero) 전류 조건들에 낮은 진폭의 전류 또는 전압 파형을 중첩시키는 능력을 제공한다. 본 발명의 다른 측면들은 상기 시스템에 적절한 참조 전극을 부가함으로써 무전해 증착 또는 침지 증착 공정들에 유리하게 적용될 수 있다.
본 발명을 종래 기술과 차별화시키는 주요 특성 중 하나는 웨이퍼와 같은 프러덕트 기판이 전기 분석 방법을 위한 작업 전극으로서 사용된다는 점이다. 이는 공정 그 자체로부터 발생된 데이터가 공정 반응을 "핑거프린트"하거나 모니터링하는데 사용되며 그들이 정상 동작 범위 또는 실행가능 집합 내에 존재하는 것을 확실하게 한다는 것을 의미한다. 부가적으로 전기 분석 결과들이 공정 출력의 품질을 예측하는 모델로의 입력들로서 상기 시스템으로부터 또는 상기 시스템에 대하여 수집된 다른 정보와 결합될 수 있다. 프로세싱됨에 따라 프러덕트로부터 전기 화학적 데이터를 캡처링하고 전기 화학적 분석을 위한 단일 사용 작업 전극으로서 프로덕트 그 자체를 효과적으로 사용하는 본 방법은 독자적인 것이며 본 발명자들이 아는 한 전기 화학적 증착 산업에서 사용된 적이 없다.
다른 실시예에서 본 분석 방법의 주요한 차별점은, 공정 또는 전해질에 피드백을 제공하기 위해 학습용 집합으로서의 많은 수의 용액들의 특성화를 요구하지 않는다는 점이다. 화학 반응 또는 공정과 관련한 정보는 시간에 걸쳐 수집될 수 있고 이전에 획득된 데이터 집합과 비교될 수 있다. 이러한 방식으로 출력 데이터의 정상 범위를 판별하는 것이 가능하고, 또한 이들 데이터가 시간에 걸쳐 생성되고 식별됨에 따라 바람직하지 않는 화학 또는 공정 특성들에 비정상적 데이터를 상관화시키는 것이 가능하다.
본 발명을 사용하여 얻을 수 있는 이점들은, 배스 성분 분석(bath component analysis)들이 배스 조절(bath regulation) 또는 보충(replenishment)을 위해 사용되는데 도움을 주는 전해질 분석 기술들의 광대한(그리고 비용이 많이 드는) 특성화의 완결을 기다릴 필요 없이, 곧바로 공정의 실시를 개시하는 능력을 포함한다. 이는 또한 그 공정이 실시되는 동안 기판당(per-substrate) 기반으로 빠른 품질 피드백을 얻을 능력을 수반한다. 상기 공정의 학습 능력은 또한, 상기 공정이 보다 긴 기간 동안 실시됨에 따라 그리고 실행가능 집합들이 증가됨에 따라, 제어 시스템이 보다 나아지는 것을 허용한다. 분석을 위한 샘플을 추출함이 없이, 사용됨에 따라 전해질을 모니터링하는 능력은 또한 화학 반응의 소비를 감소시키고 배스 수명을 증가시키는 것이 가능한 기회를 제공한다.
본 발명의 또다른 측면은 증착 공정 동안 상기 기판에 적용되는 파형에 부가 신호가 중첩되는 허용하는 병렬 회로를 제공한다. 이 실시예의 예시는 도 12에 개략적으로 도시된다. 본 발명의 본 실시예에서 부가적인 소스(15)로부터의 작은 진폭 전류 또는 전압 스위프(sweep)와 같은 신호가 증착을 위해 사용되는 파형에 부가될 수 있다. 이 중첩된 신호는 이후에 전기 화학적 증착 시스템 및 공정을 모니터링하는데 사용되는 출력 신호를 제공하는데 사용될 수 있다.
공정 파형과 중첩되는 상기 신호는, 정상적인 공정 파형에 부가될 때 공정 결과들에 부정적인 영향을 미치지 않도록 설계된다. 이러한 고려 사항들로 인해 정상 공정 전류 또는 전압의 10% 까지의 전류 또는 전압 변화에 이르게 될 것이다. 보다 바람직하게는, 전류 또는 전압에서의 변화는 정상 공정 값의 1% 또는 2% 미만일 것이다. 프러덕트에 대한 공정 영향은 케이스 별 기반으로 판단될 필요가 있을 것이고, 수행될 특정 공정, 공정 동안 사용되는 파형에서의 편차에 대한 상기 프러덕트의 민감도, 및 공정 파형에 중첩될 특정 파형에 종속적일 것이다. 중첩된 파형은, 대부분의 경우 전기 화학적 증착 공정을 경험하는 프러덕트에 부정적인 영향을 미치지 않고 전기 화학 분석 결과들에서의 부가 정보를 제공하는 방식으로 결정되어야만 한다.
상기 중첩된 파형은 일반적으로 정상적인 공정 파형에 대하여 작은 변화를 제공하도록 선택될 것이다. 공정 파형에 중첩될 수 있는 예시적인 파형들은, 이에 한정되지는 않지만, 삼각형의 시간 종속 형태를 갖는 낮은 진폭 전압 또는 전류 스위프들, 사인 곡선의 시간 종속 형태를 갖는 낮은 진폭 전압 또는 전류 스위프들, 낮은 진폭 전류 또는 전압 스텝들, 주파수가 변하는 낮은 진폭 전류 변조(modulation) 또는 사용되는 공정 또는 화학반응에 대한 전기 화학적 정보를 제공하는데 사용될 수 전류 및/또는 전압 출력을 제공하는 유사한 변형례들을 포함한다.
공정 파형과 중첩되는 부가 파형을 제공하는 결과는, 전기 화학적 증착 또는 에칭 공정에 사용된 하나 이상의 전해질 및/또는 상기 공정에 대한 부가적인 전기 화학적 분석을 수행할 능력을 제공하는 것일 수 있다. 이는 전기 화학적 임피던스 스펙트로스코피(impedance spectroscopy), 사이클릭 볼타메트리(cyclic voltammetry), 스텝 볼타메트리(step voltammetry) 등과 같은 분석 결과들을 제공할 수 있다. 적절한 파형 또는 파형들은, 모니터링될 전해질 또는 전해질들에서의 변화들, 또는 상기 공정을 수행하는데 사용되는 프로세서나 하드웨어에서의 변화들에 반응을 보일 것 것 같은 전기 화학적 분석 결과 집합을 제공하도록 선택될 수 있다. 또한 분석 결과들은 전기 화학적 증착 공정들이 프러덕트 상에 수행됨에 따라 유입되는 프러덕트(incoming product)에서의 편차들에 반응을 보일 것이라고 예상된다.
도 5에 도시된 것과 유사하게, 반도체 웨이퍼의 일부에, 주석 은 솔더 합금(tin silver solder alloy)을 증착시키는데 사용된 전기 화학적 증착 공정의 일부를 대표하는 전기 화학적 증착 공정이 수행되는 실험이 행해졌다. 9 제곱 데시미터당 암페어(amp per square decimeter)(ASD) 전류 밀도 단계(current density step)가 사용되었으나, 작은 진폭 전류 편차(variation)가 DC 전류 레벨과 중첩되었다. 상기 작은 진폭 전류 편차는 신호의 임피턴스 스펙트로스코픽 분석을 허용하도록 가변 주파수였다. 상기 작은 진폭 신호는 DC 전류 레벨에서 2%의 변화를 포함하였다. 실험은 2개의 화학반응 샘플과 함께 수행되었다: 하나는 반도체 웨이퍼 기판들 상에 양호한 공정 결과를 제공하는 것이었고, 다른 하나는 동일한 형태의 기판 상에 해로운(deleterious) 공정 결과들을 제공하는 것이었다. 2번째 용액으로부터의 증착은, 몇몇 범프(bump)들이 비정상적으로 낮은 증착 두께로 증착되는 반면, 다른 범프들은 보다 정상적인 방식으로 증착되어, 이용가능한 약간의 증가된 전류에 기인한 두꺼운 범프들의 결과를 나타내는 이중모달(bimodal) 증착 거동의 결과가 나타났다.
이 실험이 양호한 데포짓(deposit)들을 제공하는 화학반응을 사용하여 수행되었을 경우, 상기 데포짓은 정상 DC 전류에 대한 작은 진폭 전류 편차들을 부가한 이후에도 예상된 바와 같았다. 따라서 이러한 동일한 접근법이 실제 프러덕트 기판들에 사용될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 2개의 샘플들로부터의 전기 화학적 분석에서 중요한 차이가 존재하였는데, 이는 상기 화학반응과 관련된 이슈가 존재하는 경우를 식별하는데 사용될 수 있다. 핑거프린트의 이러한 유형은 정상 공정 전기 파형에 작은 수정을 가함으로써 부가적인 능력을 추가시킨다. 도 13a는 상술한 문단에 기재된 2개의 화학반응들에 대해 주파수의 함수로서 임피던스 실수값(real impedance value)들을 도시한다. 도 13b는 주파수에 대하여 플롯된 위상 각(phase angle)에서의 차이를 도시한다. 도 13c는, 일반적으로 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)이라고 일컬어지는, 임피던스의 실수 성분의 함수로서의 임피던스의 허수 성분의 형태로 동일한 2개의 배스에 대한 결과들에서의 차이를 도시한다. 모두 함께 고려되어 도 14의 플롯들은, 동작에 기인하여 수정되어 프러덕트 기판들에 불량한 결과들을 생성시키는 화학 반응으로부터 양호한 화학반응을 구별시키는 능력을 설명한다.
위에서 제안된 바와 같이 본 명세서에 기재된 전기화학적 분석 방법들은 다음과 같은 파라미터들에서의 편차에 민감할 것이다: 캐소드 또는 애노드에서의 전기 접촉 저항, 시드층 두께 또는 저항(resistivity), 파워 서플라이 출력, 프러덕트 오염 또는 잔류물(residue), 전해질 내의 화학적 오염물들, 공정의 대상이 되는 표면 영역, 또는 전해질 성분 농도들. 따라서 본 명세서에 기재된 방법들은 전기 화학적 증착 공정 또는 상기 공정에 사용된 전해질들에서의 변화들을 모니터링하는데 아주 효과적이다.
문제( Problem ) 효과( Effect ) 반응( Response ) 바람직한 트레이스 데이터 해상도 ( Preferred Trace Data Resolution )
캐소드 접촉 저항(Cathode Contact Resistance) 임피던스 증가 공정 정지(Stop Process) 초(sec)
애노드 접촉 저항(Anode Contact Resistance) 임피던스 증가 공정 정지 또는 공정 수정(Stop Process or Modify Process) 초(sec)
접촉 저항(일반)[Contact Resistance (general)] 임피던스 증가 공정 정지(Stop Process) 초(sec)
시드층 두께 편차(Seed Layer Thickness Variation) 임피던스 변화(Impedance Change) 공정 수정(Modify Process) 밀리초(msec)
시드층 저항 편차(Seed Layer Resistivity Variation) 임피던스 변화(Impedance Change) 공정 정지(Stop Process) 밀리초(msec)
시스템 내의 표류 전류(Stray Current in the System) 전류들이 합산되지 아니함(Currents do not Sum) 공정 정지(Stop Process) 밀리초(msec)
파워 서플라이 출력 편차(Power Supply Output Variation) 다양(Various) 공정 정지(Stop Process) 밀리초(msec)
프러덕트 오염 또는 잔류물(Product Contamination or Residue) 다양(Various) 공정 정지(Stop Process) 밀리초(msec)
전해질 오염물(Electrolyte Contaminant) 다양(Various) 공정 수정(Modify Process) 밀리초(msec)
활성 표면 영역 편차(Active Surface Area Variation) 다양(Various) 공정 수정(Modify Process) 밀리초(msec)
전해질 성분 농도 편차(Electrolyte Constituent Concentration Variations) 다양(Various) 보충(Replenish) 밀리초(msec)
[표 1] 본 명세서에 개시된 분석 방법을 사용하여 검지될 수 있는 문제들, 그 문제들을 진단하는데 사용되는 효과들 및 그 문제들이 검지된 이후 개시될(initiated) 수 있는 반응들
본 발명의 또다른 측면에서는 출력 신호가, 증착 공정에 사용된 파워 서플라이를 제어하도록 사용되는 피드백을 제공하도록 사용될 수 있다. 본 실시예에서 파워 서플라이의 출력은 분석의 측정된 특성을 보상하기 위해 변경될 수 있는데, 이는 전해질의 수명 전체에 걸쳐 및/또는 애노드들이 사용되거나 소비됨에 따라 발생되는 (전류 효율과 같은) 변화들을 보상하기 위함이다. 이 동작 모드는, 그러한 동작 스킴(operational scheme)이 없을 경우의 수명 이상의 유효 수명이 연장될 수 있도록 상기 공정이 조정되는 것을 허용한다. 상기 분석의 출력 또는 상기 분석 데이터에 기초한 모델은 상기 프러덕트를 그 명세(specification) 내에 유지시키기 위해 상기 공정의 동작 파라미터들을 조정하는데 사용된다. 예를 들어, 만약 전해질이 에이징(aging)됨에 따라 변화된다면, 파워 서플라이 출력은 상기 공정이 계속하여 그 프러덕트에 대해 원하는 데포짓 특성들을 생성시키도록 하기 위하여 조정될 수 있다.
본 실시예의 예시는 원하는 금속을 증착시키기에 필요한 전압을 시프트시키는 방식으로 도금 공정에 사용된 전해질이 시간에 걸쳐 변화하는 경우이다. 이 거동은 예를 들어 도 14에서 알 수 있는데, 이 경우는 빈약하게 설계된(poorly-designed) 애노드의 사용이 분극(polarization)을 야기시키거나 증착을 개시하는데 필요하는 증가된 전압을 야기시킨다. 이는 또한 도 5에서도 알 수 있다. 일단 이러한 조건을 검출하는 방법과 원하는 데포짓 특성들을 유지시키기 위해 파워 서플라이 파라미터들을 조정하는 방법을 알게 되면, 이 정보는 만족스러운 프러덕트를 생성시키는 방식으로 상기 공정을 계속하여 작동시키는데 사용될 수 있다. 대안적으로 만약 분석 기술이 상기 전해질 조건이 만족스럽지 못한 범위로 드리프트되고 있으나, 아직은 명세 한계(specification limit)에는 도달하지 않았다는 것을 가리키는 경우라면, 상기 분석의 출력 또는 상기 분석에 기초한 모델은, 상기 공정이 제어하에 되돌려질 때까지 부가적인 프러덕트를 실시하지 못하도록 하는데 사용될 수 있다. 이 동작 방법은 예를 들어 시간에 걸쳐 전해질 내에서 빌드업(build up)하는 포토레지스트 성분들과 같은 마이크로 전자 기판으로부터의 추출용제(leachant)의 경우에 유리할 수 있다. 이러한 조건은, 예를 들어 15에 도시된 바와 같이 보다 많은 기판이 공정에 노출됨에 따라 주어진 인가 전압에서의 전류가 변화되도록 하는 원인이 될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시예에서 수집된 정보는 증착 공정의 품질, 및 따라서 마이크로 전자 기판 상의 데포짓의 품질을 나타내는 품질 팩터를 생성하는데 사용된다. 상기 품질 팩터는 전기 분석적 결과들, 고전적인 화학반응 분석 결과들, 예상된 전기 파형들과의 비교 등으로부터 생성될 수 있다. 상기 품질 팩터는 이후 충분한 품질의 프러덕트가 생성되는 것을 보장하도록 모니터링 될 수 있다. 상기 품질 팩터가 만족스럽지 못한 한계에 다다르는 경향을 보인다면, 상기 품질 팩터를 향상시키기 위하여 상기 공정을 수정하는 조치가 취해질 수 있거나 보다 바람직한 품질 팩터를 갖는 프러덕트가 생성되도록 상기 공정이 수정될 때까지 생산을 정지시키는 조치가 취해질 수 있다.
DE 10 2012 106 831 A1에 개시된 바와 같이 참조 전극들로서 pH 전극(pH-electrode)들이 사용되는 것이 바람직하다. 바람직한 pH 전극들로서 글래스 전극들 또는 에마이 전극(email electrode)들이 사용되는데, 본 발명에 따른 글래스 전극은 도 16에 도시된 바와 같이 누설 시스템(leakage system)(30), 전극(31), 내부 버퍼 또는 전해질(32) 및 글래스 멤브레인(33)을 포함하는 단순한 글래스 전극(simple glass electrode)이다. 바람직한 pH 전극들은, 일반적으로 단일 로드 측정 셀(single rod measuring cell)로서 사용되는 조합된 글래스 전극이 전혀 아니다.
pH 전극들은 배스를 오염시키기 않는 것이 바람직하고, 서비스되거나 리필될 필요가 없는 것이 바람직하며, 긴 시간 동안 안정된 것이 바람직하고, 일반적인 Ag/AgCl 전극이나 칼로멜(Calomel) 전극들과 같이 전극에 작은 전류가 인가된 후 전압을 변경시키지 않는 것이 바람직하다. 또한, pH 전극들은, 증착으로 인하여 종종 결점이 되는 다이어프램을 포함하지 않는다.
본 발명은 하나 이상의 기판들을 작업 전극(들)으로서 사용하고 작업 전극(들) 및 하나 이상의 상대 전극들 사이에서 전류 및/또는 전압의 형태로 입력 에너지를 제공하는 공정 파워 서플라이의 입력 파워를 사용하는 전기 화학적 분석 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 출력 신호를 제공하기 위하여 상기 하나 이상의 작업 전극들 및 다음 중 하나 이상 사이에서의 전압을 분석할 능력을 갖는다: 하나 이상의 참조 전극들; 또는 하나 이상의 상대 전극들. 바람직한 하나 이상의 기판은 하나 이상의 기판 웨이퍼 또는 프린트 회로 보드들을 포함한다. 상기 화학적 분석 시스템은 화학 반응 및/또는 공정이 정상적으로 예상된 범위에서 동작하고 있는지에 대한 지시자를 갖는 핑거프린팅 분석 방법을 사용한다.
입력 파워의 부가적인 소스가 상기 공정 파워 서플라이에 병렬로 연결될 수 있다. 입력 파워의 상기 부가적인 소스는, 공정 파형만에 의해서 제공되는 것 이상의 정보를 제공하는 파형을 발생시킴으로써 분석에 도움을 주는데 사용되는 전류 및/또는 전압 편차의 부가적인 소스를 공급함으로써 상기 공정 파워 서플라이를 강화시키는데 사용된다. 상기 전기화학적 분석 시스템의 출력(들)은, 상기 화학반응(배스 건강 팩터) 및/또는 공정(장비 건강 팩터)가 예상된 범위 내에서 동작하고 있는지 또는 비정상적인 동작 범위에 접근하거나 그 범위 내에 들어갔는지에 대한 정보를 제공하는 수량적 품질 예측기를 생성하는데 사용되는 모델로 공급될 수 있다. 상기 시스템은 상기 공정 파워 서플라이의 조정에 의해 증착 공정의 제어를 제공하기 위하여 증착 시스템과 피드백되는 품질 예측기를 사용할 수 있다. 상기 모델 및 품질 예측기는 정상적인 거동 및 비정상적인 거동을 구별하도록 시간에 걸쳐 학습하도록 설계될 수 있다. 프러덕트 품질 파라미터들은, 양호한 공정 결과들 및 불량한 공정 결과들 사이의 구별을 보다 정교하게 하는데 도움을 주도록, 그리고 보다 많은 데이터가 상기 모델로 피드백됨에 따라 양호한 공정 결과들 및 불량한 공정 결과들 사이의 차이를 좁히도록 허용하는데 도움을 줄 수 있도록 상기 모델로 피드백된다.
본 발명은 또한, 하나 이상의 기판을 작업 전극(들)으로서 사용하고 하나의 파라미터를 제 2 파라미터의 함수로서 표현되는 출력 신호 핑거프린트를 제공하도록 상기 하나 이상의 작업 전극들 및 하나 이상의 참조 전극들 사이의 전압을 분석하는 능력을 갖는 전기 화학적 분석 시스템에 관한 것인데, 상기 파라미터들은 다음의 그룹으로부터 선택될 수 있다: 전압 차이, 시간, 온도, 전류, 임피던스의 실수 성분, 임피던스의 허수 성분, 주파수. 바람직하게는 상기 하나 이상의 기판은 하나 이상의 기판 웨이퍼를 포함한다.
상기 전기 화학적 분석 시스템은 화학반응 및/또는 공정이 정상적으로 예측된 범위 내에서 동작하는지에 대한 지시자를 갖는 핑거프린팅 분석 방법을 사용할 수 있다.
입력 파워의 소스는 상기 하나 이상의 기판 및 하나 이상의 상대 전극들 사이에 연결될 수 있다. 입력 파워의 상기 부가적인 소스는, 상기 공정 혼자만에 의해 제공되는 것 이상의 정보를 제공하는 파형을 발생시킴으로써 분석에 도움을 주는데 사용되는 전류 및/또는 전압 편차의 부가적인 소스를 공급함으로써 상기 공정 분석을 강화시키는데 사용된다.
바람직하게 상기 전기화학적 분석 시스템의 출력(들)은, 화학 반응(배스 건강 팩터) 및/또는 공정(장비 건강 팩터)이 예상된 범위 내에서 동작하고 있는지 또는 비정상적인 동작 범위에 접근하거나 비정상적인 동작 범위 내에 들어갔는지에 대한 정보를 제공하는 수량적 품질 예측기를 생성하는데 사용되는 모델로 공급될 수 있다.
상기 시스템은 공정 파워 서플라이의 조정에 의해 증착 공정의 제어를 제공하기 위하여 증착 시스템과 피드백되는 품질 예측기를 사용할 수 있다. 상기 모델 및 품질 예측기는 정상적인 거동 및 비정상적인 거동을 구별하기 위하여 시간에 걸쳐 학습하도록 설계될 수 있다. 프러덕트 품질 파라미터들은, 양호한 공정 결과들 및 불량한 공정 결과들 사이의 구별을 보다 정교하게 하는데 도움이 되고 보다 많은 데이터가 상기 모델로 피드백됨에 따라 양호한 공정 결과들 및 불량한 공정 결과들 사이의 차이를 좁히는 것을 허용하도록 상기 모델로 피드백된다.
상기 모델은 및 품질 예측기는 정상적인 거동 및 비정상적인 거동을 구별하도록 시간에 걸쳐 학습하도록 설계된다. 프러덕트 품질 파라미터들은 양호한 공정 결과들 및 불량한 공정 결과들 사이의 구별을 보다 정교하게 하는데 도움이 되고 보다 많은 데이터가 상기 모델로 피드백됨에 따라 양호한 공정 결과들 및 불량한 공정 결과들 사이의 차이를 좁히는 것을 허용하도록 상기 모델로 피드백된다.
입력 파워의 부가적인 파형이 공정 파형과 중첩될 수 있다. 상기 부가적인 파형은, 상기 공정 파형 만에 의해 제공되는 것 이상의 정보를 제공하는 파형을 생성함으로써 분석에 도움을 주는데 사용되는 전류 및/또는 전압 편차의 부가적인 소스를 공급함으로써 상기 공정 파형을 강화시키는데 사용된다.
본 발명은 또한, 공정 성능을 나타내는 출력을 제공하도록 상기 공정에 사용된 전해질 및 또는 상기 공정의 전기 화학적 핑거프린팅 방법의 사용을 포함하는 저비용 공정 스타트업에 대한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 저 비용 측면은, 상기 공정에 사용된 적어도 하나의 전해질의 전해질 조성을 변경시키는 함수로서 상기 공정 성능을 특성화시킬 필요성을 제거하는 것으로부터 도출된다. 본 방법은 정상적으로 동작되는 공정을 나타내도록 상기 공정 및/또는 전해질의 전기화학적 핑거프린트를 활용한다.
본 실시예에서 전기 화학적 핑거프린트는, 상기 전기화학적 핑거프린트를 생성하는 작업 전극으로서 전기화학적 증착 장치의 적어도 하나의 전극들을 사용함으로써 생성된다. 본 방법은 또한 그 출력으로서 수량적 품질 예측기를 제공하는 모델로의 입력의 적어도 일부로서 상기 전기 화학적 핑거프린트를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 상기 품질 예측기는 상기 공정의 결과들과 비교되어 상기 공정이 완결된 이후에 상기 모델로 피드백되는데, 이로써 상기 공정이 계속 실시됨에 따라 생성된 프러덕트의 예상된 상대적 품질을 예측할 수 있게 된다.
또한, 상기 모델 및 품질 예측기는 상기 품질 예측기를 실행가능 집합 및/또는 프러덕트 품질과 비교하기 위하여 시간에 걸쳐 학습하도록 설계될 수 있다. 프러덕트 품질 파라미터들은 상기 모델로 피드백되어 프러덕트 품질 및 모델-발생된 품질 예측기 사이의 상관도를 보다 정교하게 하는데 도움이 되게 하고 보다 많은 데이터가 상기 모델로 피드백됨에 따라 상기 상관도를 향상시키는 것을 허용한다.
부가적으로, 입력 파라미터들을 평가하고 어떤 입력 파라미터들이 품질 측정값을 생성시키는데 유용한지를 판단하는데 결정 모델이 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 에이징된 용액들을 포함하는 전기 화학적 분석 방법용 데이터의 학습용 집합을 제공한다. 상기 전기 화학적 분석 방법용 데이터의 학습용 집합은 프로세스가 실시되는 동안 시간의 진행에 따라 생성될 수 있다.
본 발명은 또한 분석 방법의 출력에 기초한 고장 메커니즘(fault mechanism)들을 식별하는 전기 화학적 공정을 위한 분석 방법에 관한 것이다. 상기 분석 방법은, 하나 이상의 기판들을 작업 전극들로서 사용하고 출력 신호를 제공하기 이하여 하나 이상의 참조 전극들을 사용하는 것을 포함한다.
상기 분석 방법은 또한 공정이 실시됨에 따라 데이터 피드백을 통하여 상기 공정의 고장 메커니즘들을 학습할 수 있다.
부가적으로 상기 시스템은 기판들 또는 시스템 하드웨어와 관련된 고장 메커니즘들을 식별할 수 있다.
본 발명은 또한 고속 신호 처리 장치를 사용하여 수분에서 나노초까지의 범위에서의 획득 속도(acquisition rate)로 데이터를 처리하는 분석 방법에 관한 것인데, 상기 데이터는 전기 화학적 공정에 대한 입력 파라미터인 공정 파라미터의 스위칭온(switching on) 또는 수정(modification)에 관한 결정을 하는데 사용된다.
10: 도금 챔버 11: 캐소드 기판
12: 애노드 13: 참조 전극
14: 파워 서플라이 21: 분리 멤브레인
22: 모세관 튜브

Claims (15)

  1. 전기 화학적 증착 및/또는 도금 공정의 품질을 모니터링하고 제어하기 위한 전기화학적 분석 방법에 있어서,
    상기 전기 화학적 분석 방법은, 화학 반응 및/또는 공정이 정상적으로 예상된 범위에서 동작하는지에 대한 지시자(indicator)를 갖도록 상기 전기화학적 증착 및/또는 도금 공정 시의 출력신호의 핑거프린팅 분석 방법을 사용하고,
    상기 방법은, 상기 전기화학적 분석 방법의 작업 전극으로서 상기 증착 및/또는도금 공정 자체의 하나 이상의 기판을 사용하고,
    a) 상기 하나 이상의 작업 전극 및 하나 이상의 참조 전극 사이의 전압이 분석되어 시간의 함수로서의 전압 차이로 표현되는 출력 신호 핑거프린트를 제공하거나,
    b) 공정 파워 서플라이의 입력 파워가 상기 작업 전극 및 상대 전극 사이의 전류 및/또는 전압의 형태로 입력 에너지를 제공하고, 상기 방법은 상기 하나 이상의 작업 전극과, 하나 이상의 참조 전극 또는 하나 이상의 상대 전극 중 적어도 하나의 사이의 전압을 사용하여 상기 전기 화학적 증착 및/또는 도금 공정 자체의 출력 신호 핑거 프린트를 제공하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 분석 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    a) 입력 파워의 소스는, 상기 공정 만에 의해 제공되는 것 이상의 정보를 제공하는 파형을 생성시킴으로써 분석에 있어서 도움을 주는데 사용되는 전류 및/또는 전압 편차의 부가적인 소스를 공급하도록 상기 하나 이상의 기판 및 하나 이상의 상대 전극 사이에 연결되거나,
    b) 상기 하나 이상의 기판 및 하나 이상의 상대 전극 사이의 전류 또는 전압이 부가적인 입력 신호로서 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 분석 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기판은 하나 이상의 기판 웨이퍼 또는 프린트 회로 보드 또는 인터포저(interposer) 또는 임의의 형태의 전자 기판인 것을 특징으로 하는 전기 화학적 분석 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입력 파워의 부가적인 파형은 공정 파형과 중첩되고, 이에 의해 상기 부가적인 파형이, 상기 공정 파형만에 의해 제공되는 것 이상의 정보를 제공하는 파형을 생성함으로써 분석에 도움을 주는데 사용되는 전류 및/또는 전압의 부가적인 소스를 공급함으로써 상기 공정 파형을 강화(augment)시키도록 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 분석 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 신호들은, 상기 화학 반응(배스 건강 팩터) 및/또는 공정(장비 건강 팩터)이 예상된 범위 내에서 동작되고 있는지 또는 비정상적 동작 범위에 접근하거나 비정상적 동작 범위에 들어갔는지에 대한 정보를 제공하는 수량적 품질 예측기를 생성하도록 사용되는 모델로 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 분석 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 공정 파워 서플라이의 조정에 의한 증착 공정의 제어를 제공하도록 증착 시스템과 피드백되는 품질 예측기를 사용하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 분석 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모델 및 품질 예측기는, 양호한 공정 결과들 및 불량한 공정 결과들 사이의 구별을 보다 정교하게 하는데 도움이 되고, 보다 많은 데이터가 상기 모델로 피드백됨에 따라 양호한 공정 결과들 및 불량한 공정 결과들 사이의 차이를 좁히는 것이 허용되도록 상기 모델 내로 프러덕트 품질 파라미터들을 피드백 함으로써 정상적인 거동 및 비정상적인 거동 사이를 구별하도록 시간에 걸쳐 학습하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 분석 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따라 하나 이상의 전기 화학적 활성 오염물의 존재를 가리키도록 전해질의 전기 화학적 핑거프린트를 사용하는 산-기반 전해질의 오염물 분석 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 산-기반 전해질은 물에 다음 산들중 적어도 하나의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염물 분석 방법: 포르믹(formic), 에타노익(ethanoic), 프로파노익(propanoic), 부타노익(butanoic), 메탄술포닉(methanesulfonic), 에탄술포닉(ethanesulfonic), 프로판술포닉(propanesulfonic), 2-프로판술포닉(2-propanesulfonic), 부탄술포닉(butanesulfonic), 2-부탄술포닉(2-butanesulfonic), 펜탄술포닉(pentanesulfonic), 클로로프로판술포닉(chloropropanesulfonic), 2-히드록시에탄-I-술포닉(2-hydroxyethane-l-sulfonic), 2-히드록시프로판-I-술포닉(2-hydroxypropane-l-sulfonic), 2-히드록시부탄-I-술포닉(2-hydroxybutane-l-sulfonic), 2-히드록시펜탄술포닉(2-hydroxypentanesulfonic), 알릴술포닉(allylsulfonic), 2-술포아세틱(2-sulfoacetic), 2- 또는 3-술포프로피오닉(sulfopropionic), 술포숙시닉(sulfosuccinic), 술포-말레익(sulfo-maleic), 술포푸마릭(sulfofumaric), 벤젠술포닉(benzenesulfonic), 톨루엔술포닉(toluenesulfonic), 자일렌술포닉(xylenesulfonic), 니트로벤젠술포닉(nitrobenzenesulfonic), 술포벤조익(sulfobenzoic), 술포살리실릭(sulfosalicylic), 및 벤잘디하이드술포닉(benzaldehydesulfonic) 산.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 신호는, 상기 증착 공정에 사용된 상기 파워 서플라이를 제어하는데 사용되는 피드백을 제공하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 분석 방법.
  11. 전기 화학적 증착 및/또는 전기 화학적 에칭을 위한, 그리고 분석을 위한 전기 화학적 시스템에 있어서,
    하나 이상의 작업 전극(11), 하나 이상의 상대 전극(12) 및 하나 이상의 참조 전극(13)을 포함하되, 상기 참조 전극은 pH 전극이고, 파워 서플라이(14) 및 하나 이상의 기판을 포함하고,
    상기 하나 이상의 기판은 작업 전극(11)으로서 사용되고, 상기 공정 파워 서플라이(14)의 입력 파워는 상기 작업 전극(11) 및 하나 이상의 상대 전극(12) 사이에 전류 및/또는 전압의 형태로 입력 에너지를 제공하고, 상기 시스템은 상기 하나 이상의 작업 전극(11)과, 하나 이상의 참조 전극(13); 또는 하나 이상의 상대 전극(12) 중 적어도 하나의 사이의 전압을 분석하는 능력을 가지며; 출력 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 시스템.
  12. 전기 화학적 증착 및/또는 전기 화학적 에칭을 위한, 그리고 분석을 위한 전기 화학적 시스템에 있어서,
    하나 이상의 작업 전극(11), 하나 이상의 참조 전극(13)을 포함하되 상기 참조 전극은 pH 전극이고, 하나 이상의 상대 전극(12) 및 하나 이상의 기판을 포함하되 상기 하나 이상의 기판은 작업 전극(11)으로 사용되고,
    상기 시스템은 상기 하나 이상의 작업 전극(11)과 하나 이상의 참조 전극(13) 사이의 전압을 분석하여 출력 신호를 제공하는 능력을 가지며, 상기 출력 신호는 제 2 파라미터의 함수로서의 하나의 파라미터로서 표현되고, 상기 파라미터들은, 전압 차; 시간; 온도; 전류; 임피던스의 실수 성분; 임피던스의 허수 성분 및 주파수의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 시스템.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 기판은 하나 이상의 기판 웨이퍼 또는 프린트 회로 보드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 시스템.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입력 파워의 부가적인 소스(15)가 상기 공정 파워 서플라이(14)와 병렬로 또는 상기 하나 이상의 기판 및 하나 이상의 상대 전극(12) 사이에 연결되고,
    입력 파워의 상기 부가적인 소스(15)는 부가적인 전류 및/또는 전압 편차를 제공하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 화학적 시스템.
  15. 수분 내지 수 나노초의 범위 이내의 획득 속도를 가지고 데이터를 처리하는 고속 신호 처리 장치를 사용하는 분석 방법에 있어서,
    상기 데이터는 전기 화학적 공정에 대한 입력 파라미터인 공정 파라미터의 스위칭온(switching on) 또는 수정(modification)에 관한 결정들을 행하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 분석 방법.
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