KR20200033833A - Ｄｃ 셀프 바이어스 전압을 사용하여 막 두께를 결정하기 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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Abstract

기판 프로세싱 챔버를 위한 제어기는 제 1 RF 전력이 기판 프로세싱 챔버에서 플라즈마를 생성하도록 제공되는 동안, 프로브로 공급된 제 2 RF 전력의 제 1 측정치를 수신하고, 프로브와 연관된 DC 셀프 바이어스 전압의 제 2 측정치를 수신하고, ―제 2 측정치는 기판 프로세싱 챔버 내에서 증착된 막의 두께를 나타냄―, 그리고 제 2 RF 전력의 제 1 측정치 및 DC 셀프 바이어스 전압의 제 2 측정치를 사용하여 막의 두께를 계산하도록 구성된, 막 두께 추정 모듈을 포함한다. 동작 파라미터 조정 모듈이 막 두께 추정 모듈에 의해 계산된 막의 두께에 기초하여 기판 프로세싱 챔버의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조정하도록 구성된다.

Description

ＤＣ 셀프 바이어스 전압을 사용하여 막 두께를 결정하기 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR DETERMINING FILM THICKNESS USING DC SELF-BIAS VOLTAGE}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2012년 10월 18일자로 출원된 미국 가출원 제 61/715,630 호 및 2012년 6월 8일자로 출원된 미국 가출원 제 61/657,331 호의 이익을 주장한다. 상기 참조된 출원들의 전체 개시들은 본원에 참조로서 포함된다.
본 개시물은 기판 프로세싱 시스템들, 및 보다 구체적으로는 DC 셀프 바이어스 전압을 사용하는 기판 프로세싱 시스템들에 대한 진단 및 제어 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
본 개시물의 콘텍스트를 일반적으로 제시하기 위해 여기에 배경 설명이 제공된다. 본 배경기술 섹션, 뿐만 아니라 출원 시에 종래 기술로서 취득되지 않을 수도 있는 상세한 설명의 양태들에서 설명되는 정도까지, 현재 명명된 발명자들의 작업은 본 개시물에 대한 종래 기술로서 명확하게도 암시적으로도 인정되지 않는다.
기판 상에 재료를 성막하고/하거나 기판으로부터 재료를 에칭하기 위해 기판 프로세싱 툴들이 사용된다. 예를 들어, 기판은 반도체 웨이퍼를 포함할 수도 있다. 일부 기판 프로세싱 툴들은 동작 동안 플라즈마를 생성한다. 예들은 프라즈마 강화형 화학적 기상 성막 (PECVD) 시스템, 플라즈마 강화형 원자층 성막 (PEALD) 시스템 등을 포함한다. 플라즈마는 용량성 커플링된 플라즈마 (CCP) 를 사용하여 이들 시스템들에서 생성될 수도 있다.
CCP 를 사용하는 시스템들의 대부분은 매우 제한된 수의 플라즈마 진단 측정치들 (예컨대, 압력, 시스템 전압들, 전류들, 등) 을 제공하며, 이들은 챔버 압력, 가스 흐름 및 RF 전력과 같은 세트포인트 동작 파라미터들을 조정하도록 사용될 수 있다. 더욱이, 압력, 가스 흐름 및 RF 전력 신호들은 시스템의 완전한 특성화 (characterization) 를 제공하지 않을 수도 있다. 이러한 불완전한 특성화는 프로세스 드리프트를 초래할 수 있다. 적합한 시스템 제어를 위해 자주 추가의 시스템 메트릭들이 필요하다.
기판 프로세싱 시스템은 샤워헤드, 플라즈마 전력 소스 및 샤워헤드로부터 이격되어 기판을 지지하는 페데스탈 (pedestal) 을 포함하는 프로세싱 챔버를 포함한다. 샤워헤드와 페데스탈 사이에는 필터가 접속된다. 가변 블리드 전류 회로는 필터와 페데스탈 사이에 접속되어 블리드 전류를 변경한다. 제어기는 블리드 전류를 조정하도록 구성되고 블리드 전류 및 DC 셀프 바이어스 전압에 기초하여 커브 피팅을 수행하도록 구성되어, 전극 면적비, 보옴(Bohm) 전류, 및 전력공급된 전극에서의 무선 주파수 (RF) 전압 중 적어도 하나를 추정한다.
다른 특성들에서, 가변 블리드 전류 회로는 가변 저항기 회로를 포함한다. 제어기는 가변 저항기 회로의 저항을 N 개의 값들로 변경하고, 블리드 전류 및 DC 셀프 바이어스 전압의 N 개의 쌍들을 기록하도록 구성되며, N 은 1 보다 큰 정수이다. 제어기는 블리드 전류 및 DC 셀프 바이어스 전압의 N 개의 값들에 기초하여 커브 피팅을 수행하도록 구성된다.
다른 특성들에서, 가변 블리드 전류 회로는 가변 전류 소스를 포함한다. 제어기는 가변 전류 소스에 의해 공급된 전류를 N 개의 값들로 변경하고, 블리드 전류 및 DC 셀프 바이어스 전압의 N 개의 쌍들을 기록하도록 구성되며, N 은 1 보다 큰 정수이다. 제어기는 블리드 전류 및 DC 셀프 바이어스 전압의 N 개의 값들에 기초하여 커브 피팅을 수행하도록 구성된다.
다른 특성들에서, 기판 프로세싱 시스템은 성막을 수행하고, 제어기는 전극 면적비, 보옴 전류, 및 전력공급된 전극에서의 무선 주파수 (RF) 전압 중 적어도 하나에 기초하여 기판 프로세싱 시스템의 성막 동작 파라미터를 조정하도록 구성된다.
다른 특성들에서, 제어기는 전력 면적비, 보옴 전류, 및 전력공급된 전극에서의 무선 주파수 (RF) 전압 중 적어도 하나에 기초하여 기판 프로세싱 시스템에 대한 진단들을 수행하도록 구성된다. 필터는 무선 주파수 신호들을 블록킹하고 DC 신호들을 통과시키도록 구성된다. 기판 프로세싱 시스템은 용량성 커플링을 사용하여 플라즈마를 생성한다. 플라즈마 전력 소스는 샤워헤드에 커플링되고, 페데스탈은 그라운드에 접속된다.
다른 특성들에서, 전류 센서는 가변 저항기 회로를 통해 흐르는 블리드 전류를 감지한다. 제어기는 보옴 전류를 추정하고, 보옴 전류로부터 플라즈마 밀도를 추정하도록 구성된다. 제어기는 플라즈마 밀도에 기초하여 기판 프로세싱 시스템의 성막 동작 파라미터를 조정하도록 구성된다.
기판 프로세싱 시스템은 샤워헤드, 플라즈마 전력 소스 및 샤워헤드로부터 이격되어 기판을 지지하는 페데스탈을 포함하는 프로세싱 챔버를 포함한다. 플라즈마 전력 소스는 샤워헤드와 기판 사이에 플라즈마를 생성하도록 제 1 무선 주파수 (RF) 전력을 공급한다. RF 전력 소스는 제 1 캐패시터에 의해 프로브에 커플링되어 제 2 RF 전력을 공급한다. 제어기는 제 2 RF 전력 및 DC 셀프 바이어스 전압에 기초하여 막 두께를 추정하도록 구성된다.
다른 특성들에서, 기판 프로세싱 시스템은 기판 상에 막을 성막하도록 구성되고, 제어기는 막 두께에 기초하여 기판 프로세싱 시스템의 동작 파라미터를 변경하도록 구성된다. 기판 프로세싱 시스템은 기판 상에 막을 성막하도록 구성된다. 제어기는 막 두께에서의 변화율을 결정하도록 구성된다. 제어기는 막 두께의 변화율에 기초하여 기판 프로세싱 시스템의 동작 파라미터를 변경하도록 구성된다.
다른 특성들에서, 기판 프로세싱 시스템은 용량성 커플링을 사용하여 플라즈마를 생성한다. 플라즈마 전력 소스는 샤워헤드에 커플링된다. 페데스탈은 그라운드에 접속된다. 제 2 RF 전력은 제 1 RF 전력보다 작다.
본 개시물의 추가의 적용 가능성 분야는 상세한 설명, 청구범위 및 도면들로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 예들은 단지 예시의 목적으로 의도되며 본 개시물의 범위를 한정하도록 의도되지 않는다.
본 개시물은 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1 은 PECVD 시스템의 일 실시예의 기능 블록도이다.
도 2a 는 본 개시물에 따른 CCP (capacitively coupled plasma) 회로 예의 전기적 개략도를 나타낸다.
도 2b 는 본 개시물에 따른 CCP 회로 및 제어기 예의 전기적 개략 기능도를 나타낸다.
도 3 은 도 2b 의 제어기를 동작시키는 방법의 일 실시예를 나타낸다.
도 4 및 도 5 는 기판 프로세싱 시스템을 나타내는 회로의 전기적 개략도이다.
도 6 은 시변 시스 전압 (time varying sheath voltage) 및 전류를 나타낸다.
도 7a 는 가변 블리드 (variable bleed) 저항기 회로 및 전류 센서 회로를 가진 도 4 의 회로를 나타낸다.
도 7b 는 가변 블리드 저항기 회로의 실시예를 나타낸다.
도 7c 는 가변 전류 소스 및 전류 센서 회로를 갖는 도 4 의 회로를 나타낸다.
도 8 은 블리드 전류의 함수로서 DC 셀프 바이어스 전압을 나타낸다.
도 9 는 RF 전압의 함수로서 DC 셀프 바이어스 전압을 나타낸다.
도 10 은 시간의 함수로서 DC 셀프 바이어스 전압을 나타낸다.
도 11 은 DC 셀프 바이어스 전압 및 블리드 전류에 기초하여 전력공급된 (powered) 전극에서 전극 면적비, 보옴 전류 및 RF 전압을 추정하는 제어기의 기능블록도이다.
도 12 는 도 11 의 제어기에 의해 수행된 방법의 일 실시예를 나타내는 흐름도이다.
본 개시물은 용량 결합된 플라즈마 (CCP; capacitively coupled plasma) 를 사용한 기판 프로세싱 시스템에서의 DC 셀프 바이어스 전압의 사용을 기술한다. 본 개시물은 기판 프로세싱 시스템의 진단 목적들 및/또는 제어를 위하여, DC 셀프 바이어스 전압 및/또는 블리드 전류에서의 변화를 모니터하여 다른 시스템 파라미터들을 추정한다.
이하 도 1 을 참조하면, 반도체 프로세싱 시스템 (100) 의 일 실시예가 도시되어 있고 프로세스 챔버 (102) 를 포함한다. 통상적인 PECVD 시스템이 예시 목적으로 나타나 있지만, 다른 기판 프로세싱 시스템들이 사용될 수도 있다. 반도체 프로세싱 시스템 (100) 은 프로세스 챔버 (102) 에 프로세스 가스들을 전달하기 위한 샤워헤드 (110) 를 더 포함한다. 플라즈마 전력 소스 (120) 는 RF 전력을 샤워헤드 (110) 에 제공하여 플라즈마를 생성한다. 페데스탈 (134) 은 그라운드와 같은 기준 전위에 접속될 수도 있다. 대안으로서, 정전척 (ESC) 은 페데스탈에 대한 대체물에 사용될 수도 있다 (일반적이지 않음). 플라즈마 전력 소스 (120) 에 의해 공급된 RF 신호들은 하나 이상의 프로세스 가스들로부터 플라즈마를 생성하기에 충분한 전력 및 주파수를 갖는다. 몇몇 실시예들에서, 플라즈마 전력 소스 (120) 는 샤워헤드 (110) 대신에 페데스탈 (134) 에 접속될 수도 있고 샤워헤드 (110) 는 그라운드에 접속될 수도 있다.
페데스탈 (134) 은 척, 포크, 또는 리프트 핀들 (모두 도시 생략) 을 더 포함하여, 성막 및/또는 플라즈마 처리 반응 동안 및 사이에 기판 (136) 을 유지 및 전달한다. 척은 정전 척, 기계적 척, 또는 여러 다른 유형의 척일 수도 있다.
프로세스 가스들은 유입구 (142) 를 통해 샤워헤드 (110) 에 도입된다. 다수의 프로세스 가스 라인들이 매니폴드 (150) 에 접속되어 있다. 프로세스 가스들은 사전 혼합될 수도 있고 아닐 수도 있다. 적절한 밸브들 및 매스 플로우 (mass flow) 제어기들 (일반적으로, 144-1, 144-2, 및 144-3 로 식별됨) 은 정확한 가스들 및 유량들이 기판 프로세싱 동안에 사용되는 것을 보장하도록 채용된다. 프로세스 가스들은 유출구 (160) 를 통해 프로세스 챔버 (102) 를 나간다. 진공 펌프 (164) 는 통상적으로 프로세스 챔버 (102) 밖으로 프로세스 가스를 배출하고 밸브 (166) 와 같은 흐름 제한 디바이스에 의해 반응기 내에서 적절하게 낮은 압력을 유지시킨다. 제어기 (168) 는 센서들 (170 및 172) 을 사용하여 프로세싱 챔버 내의 챔버 압력 및 온도와 같은 동작 파라미터들을 감지할 수도 있다. 제어기 (168) 는 밸브들 및 유량 제어기 (144) 를 제어할 수도 있다. 제어기 (168) 는 또한, 플라즈마 전력 소스 (120) 를 제어할 수도 있다.
막 두께 측정
이하, 도 2a 를 참조하여 보면, 막 성장의 측정은 다음과 같이 수행될 수도 있다. 플라즈마는 캐패시터 (CB1) 를 통해 플라즈마에 커플링된 RF 생성 소스에 의해 지속된다. 이 설명을 위하여, 플라즈마는 시스템 전극들 사이에만 존재하고 전력공급된 전극들과 챔버 벽들 사이에는 존재하지 않는 것으로 가정한다 (즉, 기생 플라즈마는 존재하지 않는 것으로 가정한다). 프로브 (180) 가 플라즈마 내에 도입된다. 프로브 (180) 는 도 2a 에 도시된 바와 같이, 블록킹 캐패시터 (CB2) 를 통해 프로브 (180) 에 커플링된 제 2 연속 RF 소스 (RF2) 에 의해 구동된다. 이 구성을 위하여, RF 소스 (RF1) 는 제 1 RF 전력 레벨을 제공하여 플라즈마를 지속시키고 피드백을 사용하여 주어진 RF 전력 세트 포인트로 제어된다. 제 2 RF 소스 (RF2) 는 필요에 따라 제 2 RF 전력 레벨을 제공하여 블록킹 캐패시터 (CB2) 의 단자들에 원하는 RF 전압을 제공한다. RF 소스 (RF1) 로부터의 RF 신호들은 펄싱된 RF 신호들 보다는 연속적인 신호들이다. 제 2 RF 전력 레벨은 제 1 RF 전력 레벨보다 작다. 제 2 RF 소스 (RF2) 는 플라즈마에 대한 최소 교란 효과를 갖는다.
커플링 (블록킹) 캐패시터를 통한 플라즈마로의 RF 에너지의 인가는 통상적으로, 그 캐패시터 양단에 걸친 DC 셀프 바이어스 전압을 가져온다. 이 전압이 형성되는 방법에 대한 설명은 Y.P. Song 등의 J Phys. D. Appl. Ph., V23 (1990), p. 673-681 에서 주어지며, 여기서는 그 전체 내용을 참조로서 포함한다. Song 등에 의해 세부 설명된 접근법은 시스템에서의 전류 흐름에 초점을 맞추고 있으며, 시스템을 통한 시간 평균화된 DC 전류들이 제로와 동일해야 된다는 사실을 채용한다. 이에 의해, 이를 "전류 중심 접근법" 이라 기술될 수도 있다. DC 셀프 바이어스의 대안의 설명은 K. Kohler 등의 J. Appl. Phys. 57 (1), Jan 1985 p. 58-66 에 의해 주어지며, 여기서는 그 전체 내용을 참조로서 포함한다. 이 제 2 접근법은 이러한 모든 시스템들에서의 높은 전자 이동도에서, 최고 포지티브 전위를 시스템 내에서 항상 실현하도록 플라즈마 전위에 초점을 맞춤으로써, 벽들 또는 다른 표면들로의 전자 흐름이 평형 안정 상태 조건을 허용하기에 충분히 낮은 것을 기술하고 있다. 이는 평형 상태가 발생할 경우에 충족되어야 하는 수개 전압 조건을 가져온다. 이에 의해 이 접근법은 "전압 중심" 접근법이라 기술될 수도 있다. 따라서, DC 셀프 바이어스 전압은 블록킹 캐패시터 (CB2) 양단에 걸쳐 전개된다. 성막된 막이 존재하지 않으면 (즉,
Figure pat00001
) 측정된 DC 셀프 바이어스 전압은 플라즈마와 접하는 프로브 (180) 의 표면에서 측정된 DC 셀프 바이어스 전압과 동일하다. 그러나, 막이 성막되면, 이 시스템에 Cfilm의 형태로 추가적인 캐패시턴스가 추가된다. 이 경우에, 플라즈마와 접하는 표면의 DC 셀프 바이어스 전압은 변화하지 않지만, 측정된 DC 셀프 바이어스 전압은 Cfilm 과 블록킹 캐패시터 (CB2) 사이의 DC 전압 분할의 결과로서 변할 것이다. 이 상황은 아래 식으로 기술될 수 있다.
Figure pat00002
여기에서, Af 는 전극 면적이고, d 는 막 두께이다. 이들 식으로부터, 측정된 DC 셀프 바이어스 전압에서의 변화는 성막된 막 캐패시턴스의 측정값을 제공한다. 이 캐패시턴스의 상대 유전율이 알려져 있다면, 성막된 막 두께가 결정될 수 있다.
도 2b 에서, 제어기 (200) 는 막 두께 추정 모듈 (204) 및 동작 파라미터 조정 모듈 (208) 을 포함한다. 제어기 (200) 는 측정된 DC 전압 및 RF 전압 (VRF2) 을 수신한다. 막 두께 추정 모듈 (204) 은 상술한 관계식에 기초하여 막 두께를 추정한다. 동작 파라미터 조정 모듈 (208) 은 시간의 함수로서 막두께 및/또는 막 두께에서의 변화에 기초하여 기판 프로세싱 시스템의 동작 파라미터를 조정한다.
도 3 에서, 도 2b 의 제어기를 동작시키는 방법의 일 실시예가 도시된다. 222 에서, VRF2 가 도 2a 의 회로에 인가되고 224 에서, VRF2 가 측정된다. 226 에서, DC 셀프 바이어스 전압 (Vmeas _DC) 이 측정된다. 228 에서, 막 두께가 계산된다. 230 에서, 기판 프로세싱 시스템의 하나 이상이 동작 파라미터들이 시간의 함수로서 막 두께 및/또는 막 두께의 변화에 기초하여 변경된다.
전극 면적비, 보옴 전류 및/또는 전력공급된 전극에서의 RF 전압의 추정
Y.P. Song 등의 J Phys. D. Appl. Ph., V23 (1990), p. 673-681 의 설명은 RF 전력공급된 전극 (이것이 샤워헤드이건 페데스탈이건 간에) 으로부터 인출된 DC (no RF 단독) 전류의 효과 분석을 포함하고 있지 않다. 이는 RF 필터를 도입하여 RF 전류가 인출되는 것을 방지함으로써 행해질 수도 있다. 그러나, Y.P. Song 등의 J Phys. D. Appl. Ph., V23 (1990), p. 673-681 에 의해 제시된 아이디어는 전력공급된 전극으로부터 인출 (또는 "블리드") 된 DC 전류에 DC 셀프 바이어스 전압 응답을 제공하는 분석을 형성하도록 적응될 수도 있다. 아래 설명될 바와 같이, 블리드 전류와 DC 셀프 바이어스 전압 사이의 관계는 각각의 전극에 대한 전극 면적 및 보옴 전류 밀도의 관점에서 DC 셀프 바이어스 전압 변화를 예측하는데 사용될 수 있다. 다음 분석에서, 전류 기반 접근법이 Y.P. Song 등에 기재된 방식으로서 사용된다. 전류 기반 접근법에서, RF 사이클에 걸쳐 평균화된 DC 전류는 제로와 같아야 한다. 이는 블록킹 캐패시터 (도 7a 의 Cb) 의 존재로 인해 순 DC 전류가 이 시스템을 통해 흐를 수 없는 조건에서 부여한 것과 동일하다. 이 조건을 사용하여, DC 셀프 바이어스 전압에 대한 표현식이 유도된다.
아래 보다 자세히 설명될 바와 같이, 가변 블리드 저항기 (RV) 의 저항은 블리드 전류 (iR) 를 변경하도록 조정된다. 블리드 저항기의 각각의 값에 대해, DC 셀프 바이어스 전압 및 블리드 전류 값이 기록된다. 전극에서의 유효 전극 면적비 (
Figure pat00003
), 보옴 전류 (iB) 및 RF 전압에 대한 값들을 추정하기 위하여 (아래 유도된) 관계식과 값들의 쌍들에 기초하여, 커브 피팅 (Curve fitting) 이 수행된다.
보옴 전류 밀도 (JB)(iB를 전극 면적으로 나누어 유도됨) 도 또한 플라즈마 밀도를 추정하도록 사용될 수도 있으며, 이는 기판 프로세싱 시스템의 동작 파라미터를 제어하기 위한 피드백 파라미터로서 및/또는 진단 목적을 위하여 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 유효 전극 면적비 및 RF 전압은 진단 목적을 위하여 및/또는 기판 프로세싱 시스템의 동작 파라미터를 제어하기 위한 피드백 파라미터로서 사용될 수 있다. 유효 전극 면적비들에서의 변화는 하드웨어 고장, 과도한 기생 플라즈마의 존재, 또는 플라즈마 챔버의 내부 면의 원하지 않는 코팅을 시그널링할 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5 를 참조하여 보면, 회로 모델들이 도시되어 있다. 도 4 에는 캐패시터 (Cb) 에 의해 샤워헤드 (308) 에 접속된 RF 소스 (304) 를 포함하는 회로 (300) 가 도시되어 있다. 단지 예를 들어, RF 소스 (304) 는 신호 VRF(t) = VRFsin(ωt) 를 제공한다. 플라즈마 (312) 는 샤워헤드 (308) 와 페데스탈 (316) 사이에서 생성된다. 제 1 및 제 2 시스 영역 (Aa 및 Ab) 은 대응하는 시스 전압 (Va(t) 및 Vb(t)) 으로 생성된다. RF 필터 (322) 는 샤워헤드 (308) 에, 그리고 전류 (iR) 를 소스하거나 싱크하는 전류 소스 (326) 에 접속된다. RF 필터 (322) 는 RF 신호들을 블록킹하고 DC 신호들을 통과시키기 위해 사용된다.
도 5 에는, 플라즈마를 시뮬레이션하는 등가개략도가 직렬로 접속된 캐패스터들 (Ca 및 Cb), 직렬로 접속된 전류 소스들 (Ia0 및 Ib0), 직렬로 접속된 다이오드들 (330 및 332) 을 포함하도록 도시되어 있다.
전류 기반 접근법에서, 수개의 조건들이 만족되어야 한다. 블리드 전류가 제로인 경우, 전극에 대한 RF 사이클에 걸친 전류는 제로로 평균화된다. 블리드 전류가 제로가 아닌 경우, RF 사이클에 걸친 전류는 블리드 전류로 평균화된다.
이하, 도 6 을 참조하여 보면, 시변 시스 전압 및 전류가 시간의 함수로서 도시되어 있다. 다음 식은 t1 과 t2 및 ta 과 tb 사이의 관계들을 나타낸다.
Figure pat00004
, 따라서,
Figure pat00005
Figure pat00006
및
Figure pat00007
식 (5) 및 식 (6) 에 기초하여, 전류의 균형 관계는 다음과 같이 쓰여질 수 있다:
Figure pat00008
여기서, JBa 및 JBb 는 각각 시스 a 및 b 에서의 보옴 (Bohm) 전류 밀도이다. 식 (6) 을 사용하여, 전류의 균형 관계는 다음과 같이 쓰여질 수 있다:
Figure pat00009
;
Figure pat00010
;
Figure pat00011
.
t1 에서의 전압 또는 V(t1) 과 전압들 VDC _bias 및 VRF 사이의 관계가 존재한다. 플로팅 전위는 상대적으로 작은 것으로 가정된다. 따라서:
Figure pat00012
(8):
Figure pat00013
ta 와 t1 사이의 관계를 사용하면:
(9):
Figure pat00014
;
식 (7) 및 식 (8) 을 식 (9) 에 삽입하면 다음과 같이 산출된다:
Figure pat00015
, 이는 다음과 같이 재배열될 수 있다:
Figure pat00016
; 또는
(10):
Figure pat00017
.
플라즈마가 전자 온도 Te 를 가지고 시스 에지 플라즈마 밀도는 양 시스 에지들에서 동일하다고 가정하면, 보옴 전류 밀도는 각 시스에서 동일, 또는, JBa=JBb=JB 이다. 결과로서, 식 (10) 은 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다:
Figure pat00018
;
(11):
Figure pat00019
Figure pat00020
.
식 (11) 에서 볼 수 있는 바와 같이,
Figure pat00021
는 총 보옴 전류 iB (또는, 보옴 전류 밀도 곱하기 전극 면적 JBAb) 에 대한 총 블리드 전류 iR 의 비에 의존하고 또한 전극 면적 비
Figure pat00022
에 의존한다. 작은 값들의 블리드 전류 iR 및
Figure pat00023
에 대해,
Figure pat00024
의 비는 블리드 전류 iR 과 거의 선형적으로 변화한다.
Figure pat00025
에 대해,
Figure pat00026
의 비는, 블리드 전류 iR 이 보옴 전류 iB 의 상당한 부분이 되므로 선형성으로부터 벗어난다.
이제 도 7a 를 참조하면, 도 4 의 회로 (300) 는 블리드 전류를 변화시키기 위한 가변 블리드 전류 회로 (350) 를 포함하는 것으로 도시된다. 오직 예시적으로, 가변 블리드 전류 회로 (350) 는 가변 저항기 회로 (RV) 를 포함할 수도 있다. 가변 저항기 회로 (RV) 의 저항 값은 블리드 전류를 조정하기 위해 변화될 수도 있다. 전류 센서 회로 (352) 는 블리드 전류를 감지한다. 전압 센서 회로 (354) 는 DC 셀프 바이어스 전압을 감지한다. 가변 블리드 전류 회로 (350) 를 접속 및 접속해제하기 위해 스위치 (358) 가 사용될 수도 있다. 전압 센서 회로 (354) 는 바람직하게는 높은 임피던스를 갖는다. 몇몇 예들에서, 전압 센서 회로 (354) 의 임피던스는 10MΩ 보다 크다. 전류 센서 회로 (352) 는 바람직하게는 제로 임피던스 또는 매우 낮은 임피던스를 갖는다.
일 예에서, 2.5Torr 의 압력에서의 질소 N2 및 13.56MHz 에서의 200Watts 의 RF 전력을 사용하여 플라즈마가 생성되었다. 작업은 2.5Torr 에서 행해졌는데, 이는 플라즈마가 전극들에 대해 잘 국부화되는 것으로 관찰되었기 때문에다. 이러한 플라즈마 확산의 결여는 일정한 유효 전극 면적 비를 제공하였고, 유효 전극 면적 비의 기하학적 추정을 허용하였다. DC 전력 공급부는, 13.56MHz 에서 35dB 감쇠를 제공한 필터를 통해 샤워헤드에 접속되었다. 블리드 전류 iR 및 DC 셀프 바이어스 전압 쌍들은 가변 블리드 저항기 RV 에 의해 설정된 다수의 상이한 블리드 저항기 값들을 사용하여 측정되었다.
도 7b 에서, 가변 블리드 저항기 RV 의 예는 저항기들 R1, R2, ... 및 RT 및 스위치들 S1, S2, ... 및 ST 각각의 직렬 접속된 쌍들을 포함하고, 이들은 병렬로 연결되는 것으로 도시되며, 여기서, T 는 1 보다 큰 정수이다. 스위치들 S1, S2, ... 및 ST 은 상이한 저항 값들을 제공하기 위해 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 이것은 샤워헤드로부터 블리드되는 전류의 양에서의 변화를 허용한다. 알 수 있는 바와 같이, 스위치들 및 저항기들의 다른 배열들 및 결합들이 사용될 수 있다.
도 7c 에서, 가변 블리드 전류 회로 (350) 는 블리드 전류를 변화시키기 위해 가변 전류 소스 (362) 를 포함하는 것으로 도시되어 있다.
이제 도 8 을 참조하면, DC 셀프 바이어스 전압 VDC _bias 은 블리드 전류 iR 에 상대적인 것으로 나타난다. 이 예시에서, 실험적 면적 비 (
Figure pat00027
) 는 0.825 였고, 인가된 RF 전압 VRF 의 진폭은 220V 였다. 볼 수 있는 바와 같이, 모델 데이터는 실험적 결과들과 피팅된다. 이 모델은 블리드 전류 iR 의 크기가 증가함에 따라 선형성으로부터 벗어난다. 실험적 전극 면적 비
Figure pat00028
는 0.825 였고, 모델-피트 (model-fit) 전극 면적 비
Figure pat00029
는 0.899 였다. 예상 보옴 전류 iB 는 90.70mA 였고, 모델-피트 보옴 전류 iB 는 94.464mA 였다. 이들 iB 에 대한 값들은 대응하는 보옴 전류 밀도 값들 JB 을 획득하기 위해 전극 면적 Ab (알려진 경우) 에 의해 나누어질 수도 있다.
모델을 DC 셀프 바이어스 전압 VDC _bias 및 블리드 전류 IR 에 대해 피팅함으로써, 전극 면적 비
Figure pat00030
, 전력공급된 전극에 의해 수취된 총 보옴 전류 JB, 및 전력공급된 전극에서의 RF 전압 VRF 이 결정될 수 있다. 전력공급된 전극에서의 RF 전압 VRF 은 또한 오실로스코프를 사용하여 측정될 수 있다. 전력공급된 전극에서의 RF 전압 VRF 이 측정되는 경우에, 모델에서 알려지지 않은 것은 2 개로 감소된다.
모델은 플라즈마 밀도 또는 전자 온도의 지식을 필요로 하지 않는다. 전자 온도 Te, 전극 면적 Ab, 및 이온 종들의 원자 질량이 알려진 경우, 보옴 주장은 피팅된 보옴 전류 iB 로부터 플라즈마 밀도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 식 (11) 을 블리드 전류 iR 에 대해 미분함으로써 상이한 바이어스 저항이 또한 도출될 수 있다.
이제 도 9 를 참조하면, 면적 비는 다르게는 전압-중심 모델을 사용한 Koehler, et.al., J. Appl. Phys. 57 (1), Jan 1985 로부터 결정될 수 있다. 전압-기반 접근법을 사용하여, RF 사이클에 걸쳐 만족되어야 하는 RF 및 DC 전압 조건들이 결정되고, 그 다음, DC 셀프 바이어스 전압에 대한 표현이 도출된다.
Figure pat00031
Figure pat00032
전압-기반 접근법은 또한 양호한 결과들을 역시 제공한다. 피팅된 기울기는 -0.204 였다. 실험적 면적 비 (
Figure pat00033
) 는 0.815 였다. 암시된 면적 비 (
Figure pat00034
) 는 0.825 였다. 모델 피트 면적 비 (
Figure pat00035
) 는 0.899 였다.
몇몇 추가적인 가정들 (전자 온도 Te, 전극 면적 A, 및 이온 종들의 질량 (Mi)) 과 함께, 플라즈마 밀도는 또한 이하 전개되는 관계를 사용하여 보옴 전류로부터 추정될 수 있다:
Figure pat00036
여기서, n 은 플라즈마 밀도이고, A 는 전극 면적이며, Mi 는 플라즈마에서의 이온 종들의 질량이고, k 는 볼쯔만 상수이고, Te 는 전자 온도 (eV 단위) 이다. 플라즈마 밀도는 기판 프로세싱 시스템의 동작 파라미터를 변화시키기 위해 사용될 수 있다.
또 다른 예에서, DC 셀프 바이어스 전압의 시간 종속 특성들은, 가변 저항기 RV 가 스위칭되어 회로 내로 들어가거나 회로 외부에 있게 되거나 회로로부터 완전히 제거됨에 따라, 모니터링된다. 오직 예로서, 전류를 그라운드로 흘려보내기 위해 제 1 값의 RV 가 사용된다. 이것은 상기 주어진 식들에 따라 DC 셀프 바이어스 전압에서의 시프트를 야기할 것이다. 그 다음, 저항기는 회로를 개방함으로써 회로로부터 제거된다. 이 시점에서, 인출되는 블리드 전류는 없고, DC 셀프 바이어스 전압은 상기 주어진 식들에서 나타난 바와 같이 블리드 전류가 없는 것에 대응하는 값으로 짧은 기간에 걸쳐 천이될 것이다. 이러한 거동의 예는 도 10 에 도시되어 있다.
대안적으로, 가변 저항기 RV 는 하나의 저항 값에서 다른 저항 값으로 전환될 수 있고, 그 다음, DC-셀프 바이어스 거동에서의 변화가 시간에 걸쳐 모니터링될 수 있다. 리커버리 시간 동안의 DC 셀프 바이어스 전압의 거동은 RC 회로에 대해 보여진 것과 유사한 (하지만 그것과 동일하지는 않은) 특성 형상 및 리커버리 시간을 보여준다. 블록킹 캐패시턴스의 충전이 존재할 것이고, 하지만, 그 충전 전류는 보옴 시스 메커니즘에 의해 조정된다. 예를 들어, DC 바이어스 전압의 리커버리에 대해 하기의 표현이 피팅될 수 있다:
Figure pat00037
여기서, τ는 시간 상수이고, t0 는 전압 변화의 시작점이다. τ에서의 변화들의 추적은 소정의 파라미터를 제공하고, 이 파라미터에 의해 시스템에서의 변화들이 검출될 수 있다.
이제 도 11 을 참조하면, 제어기 (400) 의 예는 저항 선택 모듈 (402), 커브 피팅 모듈 (404), 진단 모듈 (420), 및 동작 파라미터 조정 모듈 (422) 을 포함하는 것으로 도시된다. 커브 피팅 모듈 (404) 은 가변 블리드 저항기 RV 의 상이한 값들에 대해 블리드 전류 및 DC 셀프 바이어스 전압 쌍들에 기초하여 커브 피팅을 수행한다. 커브 피팅 모듈 (404) 은, 전극 면적 비를 추정하기 위한 전극 면적 비 추정 모듈 (406), 보옴 전류를 추정하기 위한 보옴 전류 추정 모듈 (410), 및 전력이 공급되는 전극에서의 RF 전압을 추정하기 위한 (전력이 공급되는 전극에서의) RF 전압 추정 모듈 (412) 을 포함한다.
이제 도 12 를 참조하면, 제어기를 작동시키는 방법 (500) 의 일예가 도시된다. 이 방법은 506 에서 가변 블리드 저항기 RV 의 값을 제 1 값으로 설정하는 단계를 포함한다. 510 에서, DC 셀프 바이어스 전압 및 블리드 전류 IR 가 저장된다. 512 에서, 가변 블리드 저항기 RV 의 값이 조정되고, 520 에서 DC 셀프 바이어스 전압 및 블리드 전류 IR 가 저장된다. 524 에서, 제어기는 충분한 샘플들이 존재하는지 여부를 결정한다. 만약 거짓인 경우, 제어는 512 로 돌아간다. 524 에서 참인 경우, 제어기는 커브 피팅을 사용하여 전극 면적 비를 결정하고, 상기 전개된 관계에 기초하여 전력공급된 전극에서의 보옴 전류 및/또는 RF 전압을 결정한다. 534 에서, 기판 프로세싱 시스템의 동작 파라미터를 변경하기 위해 제어는 선택적으로 보옴 전류를 사용한다. 540 에서, 진단 목적을 위해 제어는 선택적으로 전극 면적 비 또는 전력이 공급되는 전극에서의 RF 전압을 사용한다.
이 애플리케이션에서, 아래의 정의들을 포함하여, 제어기 또는 모듈이라는 용어는 회로라는 용어로 대체될 수도 있다. 모듈이라는 용어는, 애플리케이션 특정 집적 회로 (ASIC); 디지털, 아날로그, 또는 혼합된 아날로그/디지털 이산 회로; 디지털, 아날로그, 또는 혼합된 아날로그/디지털 집적 회로; 조합 논리 회로; 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA); 코드를 실행하는 (공유, 전용, 또는 그룹) 프로세서; 프로세서에 의해 실행되는 코드를 저장하는 (공유, 전용, 또는 그룹) 메모리; 기술된 기능성을 제공하는 다른 적합한 하드웨어 컴포넌트들; 또는 시스템-온-칩과 같은, 상기한 것들의 일부 또는 전부의 조합을 지칭하거나, 그것의 일부이거나, 그것을 포함할 수도 있다.
상기 사용된 코드라는 용어는 소프트웨어, 펌웨어, 및/또는, 마이크로코드를 포함할 수도 있고, 프로그램들, 루틴들, 함수들, 클래스들, 및/또는 객체들을 지칭할 수도 있다. 공유 프로세서라는 용어는 다중 모듈들로부터의 일부 또는 모든 코드를 실행하는 단일 프로세서를 포함한다. 그룹 프로세서라는 용어는, 추가적인 프로세서들과 결합하여 하나 이상의 모듈들로부터의 일부 또는 모든 코드를 실행하는 프로세서를 포함한다. 공유 메모리라는 용어는 다중 모듈들로부터의 일부 또는 모든 코드를 저장하는 단일 메모리를 포함한다. 그룹 메모리라는 용어는, 추가적인 메모리들과 결합하여 하나 이상의 모듈들로부터의 일부 또는 모든 코드를 저장하는 메모리를 포함한다. 메모리라는 용어는 용어 컴퓨터-판독가능 매체의 서브세트일 수도 있다. 컴퓨터-판독가능 매체라는 용어는 매체를 통해 전파하는 일시적인 전기적 및 전자기적 신호들을 포함하지 않고, 따라서, 유형이고 비일시적인 것으로서 고려될 수도 있다. 비일시적이고 유형의 컴퓨터 판독가능 매체의 비한정적인 예들은 비휘발성 메모리, 휘발성 메모리, 자기 스토리지, 및 광학적 스토리지를 포함한다.
이 애플리케이션에서 설명된 장치들 및 방법들은 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들에 의해 부분적으로 또는 전면적으로 구현될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램들은 적어도 하나의 비일시적인 유형의 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장된 프로세서-실행가능 명령들을 포함한다. 컴퓨터 프로그램들은 또한 저장된 데이터를 포함하고/하거나 저장된 데이터에 의존할 수도 있다.
전술한 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이고, 어떠한 방식으로든 본 개시, 그것의 용도, 또는 사용을 제한하는 방식으로 의도되지 아니한다. 본 개시의 광범위한 교시들은 다양한 형태들로 구현될 수 있다. 따라서, 이 개시가 특정 예들을 포함하기는 하지만, 다른 변형들이 도면들, 명세서, 및 이어지는 청구항들을 연구하면 명백하게 될 것이므로, 본 개시의 진정한 범위가 그 특정 예들에 제한되어서는 아니된다. 명료함을 위해, 도면들에서 동일한 엘리먼트들을 식별하기 위해 동일한 참조 부호들이 사용될 것이다. 본원에서 사용된 바와 같이, A, B, 및 C 중 적어도 하나라는 구문은 비배타적 논리 OR 를 사용한 논리 (A or B or C) 를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 방법 내의 하나 이상의 단계들은 본 개시의 원리들을 변경함이 없이 상이한 순서로 (또는 동시에) 실행될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 기판 프로세싱 챔버를 위한 제어기에 있어서,
    막 두께 추정 모듈로서,
    제 1 RF (radio frequency) 전력이 기판 프로세싱 챔버에서 플라즈마를 생성하도록 제공되는 동안, 프로브로 공급된 제 2 RF 전력의 제 1 측정치를 수신하고,
    상기 프로브와 연관된 DC 셀프 바이어스 전압의 제 2 측정치를 수신하고, ―상기 제 2 측정치는 상기 기판 프로세싱 챔버 내에서 증착된 막의 두께를 나타냄―, 그리고
    상기 제 2 RF 전력의 상기 제 1 측정치 및 상기 DC 셀프 바이어스 전압의 상기 제 2 측정치를 사용하여 상기 막의 두께를 계산하도록 구성된, 상기 막 두께 추정 모듈; 및
    상기 막 두께 추정 모듈에 의해 계산된 상기 막의 두께에 기초하여 상기 기판 프로세싱 챔버의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조정하도록 구성된 동작 파라미터 조정 모듈을 포함하는, 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (i) 상기 막 두께 추정 모듈은 상기 막의 두께의 변화율을 결정하도록 구성되고 그리고 (ii) 상기 동작 파라미터 조정 모듈은 상기 막의 두께의 상기 변화율에 기초하여 상기 적어도 하나의 동작 파라미터를 조정하도록 구성되는, 제어기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 막 두께 추정 모듈은 상기 DC 셀프 바이어스 전압과 상기 프로브의 표면의 전압에 대응하는 제 3 측정치 사이의 차에 기초하여 상기 막의 두께를 계산하도록 구성되는, 제어기.
  4. 제 1 항에 기재된 제어기를 포함하는 시스템에 있어서,
    프로브; 및
    제 1 커패시터를 더 포함하고,
    상기 DC 셀프 바이어스 전압은 상기 제 1 커패시터에 걸쳐 측정되는, 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 커패시터는 상기 프로브와 상기 제 2 RF 전력의 전력 소스 사이에 접속되는, 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 RF 전력은 상기 제 1 RF 전력보다 작은, 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 DC 셀프 바이어스 전압을 측정하도록 구성된 전압 센서 회로를 더 포함하는, 시스템.
  8. 기판 프로세싱 챔버 내에서 증착된 막의 두께를 결정하기 위한 방법에 있어서,
    제 1 RF 전력이 기판 프로세싱 챔버에서 플라즈마를 생성하도록 제공되는 동안, 프로브로 공급된 제 2 RF 전력의 제 1 측정치를 수신하는 단계;
    상기 프로브와 연관된 DC 셀프 바이어스 전압의 제 2 측정치를 수신하는 단계로서, 상기 제 2 측정치는 상기 기판 프로세싱 챔버 내에서 증착된 막의 두께를 나타내는, 상기 DC 셀프 바이어스 전압의 제 2 측정치를 수신하는 단계;
    상기 제 2 RF 전력의 상기 제 1 측정치 및 상기 DC 셀프 바이어스 전압의 상기 제 2 측정치를 사용하여 상기 막의 두께를 계산하는 단계; 및
    상기 막의 두께에 기초하여 상기 기판 프로세싱 챔버의 적어도 하나의 동작 파라미터를 조정하는 단계를 포함하는, 증착된 막의 두께를 결정하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 막의 두께의 변화율을 결정하는 단계 및 상기 막의 두께의 상기 변화율에 기초하여 상기 적어도 하나의 동작 파라미터를 조정하는 단계를 더 포함하는, 증착된 막의 두께를 결정하기 위한 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 DC 셀프 바이어스 전압과 상기 프로브의 표면의 전압에 대응하는 제 3 측정치 사이의 차에 기초하여 상기 막의 두께를 계산하는 단계를 더 포함하는, 증착된 막의 두께를 결정하기 위한 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 DC 셀프 바이어스 전압은 상기 프로브에 접속된 제 1 커패시터에 걸쳐 측정되는, 증착된 막의 두께를 결정하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로브와 상기 제 2 RF 전력의 전력 소스 사이에 상기 제 1 커패시터를 접속하는 단계를 더 포함하는, 증착된 막의 두께를 결정하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 RF 전력은 상기 제 1 RF 전력보다 작은, 증착된 막의 두께를 결정하기 위한 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    전압 센서 회로를 사용하여 상기 DC 셀프 바이어스 전압을 측정하는 단계를 더 포함하는, 증착된 막의 두께를 결정하기 위한 방법.
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