KR20230161265A - 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다변량 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출에 관한 기술로서, 보다 상세하게는 플라즈마(Plasma)를 이용한 반도체, LCD, LED 등의 생산 공정에서 플라즈마 가스의 분광을 실시간으로 모니터링 및 분석하여 플라즈마 식각공정 종료점을 검출하는 기술에 관한 것으로, 학습 데이터를 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)로 분류하고 두 경우 모두에서 커널밀도함수를 생성하여 이를 이용해 식각 종료점을 검출하는 지도 학습 접근 방식으로 구현됨으로써, 플라즈마 식각 작업의 종료점 탐지의 정확도를 높이는 장점이 있다.
Description
본 발명은 다변량 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출에 관한 기술로서, 보다 상세하게는 플라즈마(Plasma)를 이용한 반도체, LCD, LED 등의 생산 공정에서 플라즈마 가스의 분광을 실시간으로 모니터링 및 분석하여 플라즈마 식각공정 종료점을 검출하는 기술에 관한 것이다.
식각은 에칭(Etching)라고도 하며, 식각 공정은 회로를 형성하기 위해서 액체 또는 기체로 된 에칭액(etchant)를 사용하여 기판 상의 불필요한 부분을 제거하는 공정이다. 식각 공정은 어떠한 환경에서 진행되느냐에 따라 습식(wet) 식각과 건식(dry) 식각으로 구분된다.
반도체 공정에서 플라즈마 식각 공정은 중요하며 식각 공정을 처리하는 하드웨어가 계속 작아지고 또 식각 공정을 처리하는 소프트웨어가 새롭고 복잡해 지고 있다. 플라즈마 식각 공정의 중요한 부분은 아래 층을 손상시키지 않고 식각 타켓이 되는 얇은 층을 선택적으로 제거하는 것이다. 특히, 극자외선 패터닝을 위한 플라즈마 식각 기법은 매우 어렵고, 식각 공정 중 종료점 탐지는 공정의 변동 및 오류를 최소화하는게 중요하다.
플라즈마 식각 공정에서 종료점 탐지에 대해 다양한 접근 방식이 제안되었지만 가장 일반적으로 사용되는 기술은 플라즈마 광방출 분광법에 의해 수집된 광 스펙트럼을 모니터링하는 것이다.
그런데 종래기술은 1개의 파장을 모니터링하여 해당 파장에 문제가 발생할 경우 제대로 된 식각 종료점을 탐지하기 어려운 문제가 발생한다. 또한, 1개의 파장을 모니터링하는 것은 다른 파장들 간의 관계를 고려하지 않아 식각 종료점 탐지의 정확성이 떨어지는 문제가 있다. 한편 기존 다변량 커널 밀도 추정(Multivariate Kernel Density Estimation)를 이용하게 되면 식각 종료점 탐지를 위한 임계치(threshold)를 실험을 통해 지정해야 한다.
본 발명은 상술한 배경에서 제안된 것으로서, 기존의 다변량 커널 밀도 추정(Multivariate Kernel Density Estimation) 방식보다 식각 비 종료 부분과 식각 종료 부분을 더 명확하게 분류하고, 나아가 식각 종료점을 검출 성능이 우수한 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 양상에 따른 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 장치는 플라즈마 식각 처리 시스템에 포함된 광 검출 장치와 연동하여 플라즈마 식각공정 종료점을 검출하는 장치로서,
플라즈마 식각 처리 중에 미리 정해진 시간 간격으로 상기 광 검출 장치로부터 분광계(OES) 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장하는 데이터 수신부;
상기 분광계(OES) 파장 데이터부에서 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출하는 특징 데이터 추출부;
상기 특징 데이터 추출부에서 추출된 타겟 파장의 데이터를 정규화 하고 노이즈를 제거하는 데이터 전처리부; 및
상기 데이터 전처리부로부터 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터가 입력되면 미리 정해진 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 이용해 제1 확률과 제2 확률을 산출한 후, 상기 산출된 제1 확률과 제2 확률을 비교하여 그 결과 제2 확률이 크면 해당 타켓 파장 데이터의 샘플에 대해 플래그를 1로 설정하고, 1로 설정된 플래그 누적 개수와 미리 정해진 임계값을 비교하여 그 결과에 따라 식각 종료점을 검출하는 식각 종료 처리부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 식각 종료 처리부에서 사용하는 제1 커널밀도함수와 제2 커널밀도함수는 가우시안 커널(Gaussian kernel)과 미리 설정된 밴드폭(Bandwidth)을 이용하여 생성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 식각 종료 처리부에서 사용하는 임계치는, ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 반복되며, TPR, 정확도(Precision), 및 F1-score가 모두 0.9 이상, 1 이하의 범위에 속한 값인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법은 광 검출 장치를 포함하는 플라즈마 식각 처리 시스템과 데이터를 교환하는 컴퓨팅 장치에서 실행되는 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법으로,
플라즈마 식각 처리 중에 미리 정해진 시간 간격으로 상기 광 검출 장치로부터 분광계(OES) 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장하는 단계와;
상기 분광계(OES) 파장 데이터에서 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출하는 단계와;
상기 추출된 타겟 파장의 데이터를 정규화 하고 노이즈를 제거하는 단계와;
상기 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터가 입력되면 미리 정해진 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 이용해 제1 확률(
)과 제2 확률(
)을 산출하는 단계와;
상기 산출된 제1 확률(
)과 제2 확률(
)을 비교하여 그 결과 제1 확률(
)이 크면 해당 타켓 파장 데이터의 샘플에 대해 플래그를 ‘0’으로 설정하고, 산출된 제1 확률(
)과 제2 확률(
)을 비교하여 그 결과 제2 확률(
)이 크면 해당 타켓 파장 데이터의 샘플에 대해 플래그를 ‘1’로 설정하는 단계; 및
상기 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 미리 정해진 임계값 보다 크면 식각 종료점으로 인식하고, 식각 종료점을 검출하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 컴퓨팅 장치에서 실행되는 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법은, 플라즈마 식각 처리 중에 미리 정해진 시간 간격으로 상기 광 검출 장치로부터 분광계(OES) 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장하는 단계와;
상기 분광계(OES) 파장 데이터를 정규화 하고 노이즈를 제거하는 단계와; 상기 노이즈가 제거된 분광계(OES) 파장 데이터에서 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출하는 단계와;
사용자 조작에 따라 상기 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터를 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)로 분류하는 단계와; 사용자 조작에 따라 커널의 밴드폭(BANDWIDTH)과 커널(kernal)을 설정하는 단계와;
상기 설정된 커널(kernal)과 커널의 밴드폭(BANDWIDTH)과 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)를 이용해서 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 추정하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 미리 정해진 임계값 보다 크면 식각 종료점으로 인식하고, 식각 종료점을 검출하는 단계에서, 상기 임계치는 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 반복되며, TPR, 정확도(Precision), 및 F1-score가 모두 0.9 이상, 1 이하의 범위에 속한 값인 것을 특징으로 한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 장치는 학습 데이터를 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)로 분류하고 두 경우 모두에서 커널밀도함수를 생성하여 이를 이용해 식각 종료점을 검출하는 지도 학습 접근 방식으로 구현됨으로써, 플라즈마 식각 작업의 종료점 탐지의 정확도를 높이는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 다파장 모니터링을 통해 탐지의 안정성을 높일 수 있다.
또한, 많은 기계 학습 방식은 일반적으로 긴 모델 훈련 시간을 요구하는 반면 본 발명은 상대적으로 훈련 시간이 짧은 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 최적의 성능을 제공하는 커널(kernel)과 밴드폭(Bandwidth)을 실험적으로 검출하고 이를 이용해서 제1 커널밀도함수와 제2 커널밀도함수를 생성하고 이를 이용해 플라즈마 식각 작업의 종료점일 확률과 종료점이 아닐 확률 2개를 산출하고 두 확률을 비교하여 종료점을 탐지하도록 구현됨으로써, TPR, 정확도(Precision), 및 F1-score 모두에서 최고의 성능을 보여주는 장점이 있다.
도 1 은 플라즈마 에칭 처리 시스템을 설명하기 위한 개략적인 예시도이다.
도 2 는 도 1 의 제어기의 주요 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 커널밀도함수를 추정하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5 는 플라즈마 에칭 처리 시스템에서 발생하는 플라즈마 분광 스펙트럼을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6 및 도 7은 타겟 파장 데이터의 노이즈를 제거하는 전처리 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8 및 도 9는 가우시안 커널(Gaussian kernel)을 사용한 경우 전체 식각 과정에서 샘플 넘버에 따른 비 종료점 탐지 확률과 종료점 탐지 확률을 도시한다.
도 10 및 도 11은 실험예에 따른 성능 평가 결과를 도시한다.
도 12 및 도 13는 커널(kernel) 타입별 플라즈마 식각공정 종료점 탐지 정확도와 플라즈마 식각공정 종료점 검출 결과에 대한 성능 평가 결과를 도시한다.
도 14 및 도 15는 가우시안 커널을 사용한 경우 밴드폭(Bandwidth)에 따른 플라즈마 식각공정 종료점 탐지 정확도와 플라즈마 식각공정 종료점 검출 결과에 대한 성능 평가 결과를 도시한다.
도 2 는 도 1 의 제어기의 주요 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 커널밀도함수를 추정하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5 는 플라즈마 에칭 처리 시스템에서 발생하는 플라즈마 분광 스펙트럼을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6 및 도 7은 타겟 파장 데이터의 노이즈를 제거하는 전처리 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 8 및 도 9는 가우시안 커널(Gaussian kernel)을 사용한 경우 전체 식각 과정에서 샘플 넘버에 따른 비 종료점 탐지 확률과 종료점 탐지 확률을 도시한다.
도 10 및 도 11은 실험예에 따른 성능 평가 결과를 도시한다.
도 12 및 도 13는 커널(kernel) 타입별 플라즈마 식각공정 종료점 탐지 정확도와 플라즈마 식각공정 종료점 검출 결과에 대한 성능 평가 결과를 도시한다.
도 14 및 도 15는 가우시안 커널을 사용한 경우 밴드폭(Bandwidth)에 따른 플라즈마 식각공정 종료점 탐지 정확도와 플라즈마 식각공정 종료점 검출 결과에 대한 성능 평가 결과를 도시한다.
발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 "부", "모듈", "장치", "단말기", "서버" 또는 "시스템" 등의 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 하드웨어는 CPU 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다.
본 명세서에 있어서 단말, 장치 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말, 장치 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말, 장치 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.
도 1 은 플라즈마 에칭 처리 시스템을 설명하기 위한 개략적인 예시도이고, 도 2 는 도 1 의 제어기의 주요 구성을 설명하기 위한 예시도이다.
플라즈마 식각 처리 시스템(10)은 처리실(15)과 기판 홀더(20)와 가스 주입 시스템(40)과 진공 펌핑 시스템(58)을 포함한다. 플라즈마 식각 처리 시스템(10)은 예를 들면 기판(25) 표면에 인접한 공간(45)에서 플라즈마 발생을 촉진하도록 구성될 수 있다. 여기에서 플라즈마는 가열 전자(heated electron)와 이온화 가스가 충돌하여 형성된다. 이온화 가스 또는 가스 혼합물은 가스 주입 시스템(40)을 통하여 도입되고, 처리 압력이 조정된다.
기판 홀더(20)는 RF 발전기(30)로부터 임피던스 매칭 네트워크(32)를 통해 RF 전력을 송신함으로써 전기적으로 바이어스될 수 있다. RF 바이어스는 공간(45)에서 형성된 플라즈마로부터 이온들을 끌어당겨서 에칭 처리를 촉진하기 위해 사용될 수 있다. 임피던스 매칭 네트워크(32)는 반사 전력을 최소화함으로써 처리실(15)의 플라즈마에 대한 RF 전력의 전송을 최대화하도록 사용된다.
진공 펌핑 시스템(58)은 예를 들면 초당 5000리터까지 펌핑 속도가 가능한 터보 분자 진공 펌프(turbo-molecular vacuum pump, TMP) 및 처리실(15) 압력을 조절하기 위한 게이트 밸브를 포함할 수 있다. 고압 처리(즉, 100 mTorr 이상)를 위해, 기계적 부스터 펌프 및 건식 러핑(roughing) 펌프를 사용할 수 있다. 또한, 처리실(15) 압력을 모니터링하기 위한 장치(도시 생략됨)가 처리실(15)에 결합된다.
플라즈마 식각 처리 시스템(10)은 플라즈마 소스(80)를 포함한다. 예를 들면, RF 또는 마이크로파 전력이 발전기(82)로부터 임피던스 매칭 네트워크 또는 튜너(84)를 통하여 플라즈마 소스(80)에 결합될 수 있다. 플라즈마 소스(80)에 대한 RF 또는 마이크로파 전력의 인가를 제어하기 위해 제어기(55)는 발전기(82)와 임피던스 매칭 네트워크 또는 튜너(84)에 결합될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제어기(55)는 RF 발전기(30), 임피던스 매칭 네트워크(32), 가스 주입 시스템(40), 진공 펌핑 시스템(58), 배면 가스 전달시스템(26), 정전 클램핑 시스템(28) 및 광 검출 장치(34)에 결합되어 이들과 정보를 교환할 수 있다.
정전 클램핑 시스템(28)은 기판(25)을 기판 홀더(20)에 고정한다. 또한, 기판 홀더(20)는 열을 열 교환기 시스템(도시 생략됨)에 전달하고, 또는 가열할 때는 열 교환기 시스템으로부터의 열을 전달하는 재순환 냉각수 유동을 포함한 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 배면 가스 전달시스템(26)은 기판(25)과 기판 홀더(20) 간의 가스 갭 열전도를 개선하기 위해 가스를 기판의 배면으로 전달한다.
광 검출 장치(34)는 플라즈마로부터 방출된 총 광도를 측정하기 위한 포토다이오드 또는 광전자 증배관(PMT)과 같은 검출기를 포함할 수 있다. 광 검출 장치(34)는 협대역 간섭 필터와 같은 광필터를 또한 포함할 수 있다. 일례로, 광 검출 장치(34)는 선형 CCD(전하 결합 소자) 또는 CID(전하 주입 소자) 어레이, 및 격자 또는 프리즘과 같은 광 분산 장치를 포함한다. 추가로, 광 검출 장치(34)는 소정 파장의 광을 측정하기 위한 단색화장치(monochromator)(예를 들면, 격자/검출기 시스템), 또는 광 스펙트럼을 측정하기 위한 분광계(예를 들면, 회전 격자 또는 고정 격자를 갖는 것)를 포함할 수 있다.
광 검출 장치(34)는 피크 센서 시스템으로부터 고해상도 분광계(OES)를 포함할 수 있다. 분광계(OES)는 자외선(UV), 가시광선(VIS) 및 근적외선(NIR) 스펙트럼에 걸치는 넓은 스펙트럼을 갖는다. 피크 센서 시스템에 있어서, 해상도는 약 1.4Å이다. 즉, 분광계(OES)는 240nm로부터 1000nm까지 5550 파장을 수집할 수 있다. 피크 센서 시스템에 있어서, 분광계(OES)는 고감도 미니어처 광섬유 UV-VIS-NIR 분광계를 구비하고, 이들은 2048 픽셀 선형 CCD 어레이와 함께 집적된다.
분광계(OES)는 단일의 묶음형 광섬유를 통하여 전송된 광을 수신하고, 이때 광섬유에서 출력된 광은 고정 격자를 이용하여 선형 CCD 어레이를 통해 분산된다. 주어진 스펙트럼 범위(UV, VIS, NIR)에 대하여 각각 특별하게 동조된 3개의 분광계는 처리실(15)에 형성될 수 있다. 각각의 분광계(OES)는 독립 A/D 컨버터를 포함한다. 실시예에 따라서, 전체 방출 스펙트럼이 0.01 내지 1.0 초마다 기록될 수 있다.
제어기(55)는 플라즈마 식각 처리 시스템(10)에 대하여 국부적으로 위치될 수 있고, 또는 제어기(55)는 플라즈마 식각 처리 시스템(10)에 대하여 원격에 위치될 수도 있다. 예를 들면, 제어기(55)는 직접 접속, 인트라넷 및 인터넷 중의 적어도 하나를 이용하여 플라즈마 식각 처리 시스템(10)과 데이터를 교환할 수 있다. 제어기(55)는 예를 들면 고객 측(즉, 장치 제조자 등)에서 인트라넷에 결합될 수 있고, 또는 판매자 측(즉, 장비 제조자)에서 인트라넷에 결합될 수도 있다. 추가로, 예를 들면, 제어기(55)는 인터넷에 결합될 수 있다. 제어기(55)는 마이크로프로세서, 메모리, 및 디지털 I/O 포트 예를 들어 D/A 및/또는 A/D 컨버터를 포함할 수 있다.
제어기(55)는 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출하는 동작을 수행한다. 이러한 동작을 처리하는 제어기(55)의 구성은 도 2를 참조하면, 데이터 수신부(210)와 특징 데이터 추출부(220)와 데이터 전처리부(230)와 식각 종료 처리부(240)를 포함하여 구현될 수 있다.
데이터 수신부(210)는 플라즈마 식각 처리 중에 미리 정해진 시간 간격으로 분광계(OES)로부터 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장한다. 분광계(OES)로부터의 파장 데이터(즉, 스펙스트럼)는 CCD(전하 결합 소자) 검출기의 m개의 픽셀에 대응하는 m개의 측정 강도를 포함할 수 있다. 각각의 픽셀은 회절 격자에 의해 픽셀에 투영되는 소정의 광 파장에 대응한다. CCD 검출기는 스펙트럼 해상도에 따라 256 내지 8192 개의 픽셀을 가질 수 있다.
특징 데이터 추출부(220)는 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출한다. 일례로, 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장은 최대 4개이고, 식각 대상물과 사용되는 이온화 가스 또는 가스 혼합물에 따라 다르며, 커널밀도함수를 추정하는 등의 실험 과정에서 사전에 선택될 수 있다.
데이터 전처리부(230)는 특징 데이터 추출부(220)에서 추출된 타겟 파장의 데이터에 대하여 정규화 하고 노이즈를 제거한다. 예를 들면 이동 평균 필터와 같은 각종 유형의 필터가 사용될 수 있다. 이동 평균 필터의 경우에, 필터 창이 가장 적당한 폭으로 조정될 수 있고, 이에 따라 노이즈가 효과적으로 제거되고 중요한 데이터가 유지될 수 있다.
식각 종료 처리부(240)는 데이터 전처리부(230)로부터 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터가 입력되면 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 이용해 제1 확률과 제2 확률을 산출한 후, 산출된 제1 확률과 제2 확률을 비교하여 그 결과 제2 확률이 크면 플래그를 1로 설정하고, 1로 설정된 플래그 누적 개수와 미리 정해진 임계값을 비교하여 그 결과에 따라 식각 종료점을 검출한다.
도 3 은 본 발명에 따른 커널밀도함수를 추정하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 본 발명자들은, 학습 단계에서 수집된 분광계(OES)의 파장 데이터를 사용하여 비 종료점 데이터(Non-EPD) 부분 및 종료점(EPD) 부분에 대해 각각 하나씩 두 개의 다변량 커널 밀도 추정(MKDE) 모델을 개발하였다. 다변량 커널 밀도 추정(MKDE) 모델은 데이터만으로 확률밀도함수(PDF)를 추정하는 통계 모델링 방법이다.
도 3 를 참조하면, 단계 S311에서 분광계(OES)로부터 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장한다. 분광계(OES) 스펙트럼은 파장 190.0 내지 892.8nm 범위의 2048개 성분으로 구성되며, 샘플링 속도는 약 60초 동안 0.1초이다.
단계 S312에서 분광계(OES)로부터의 파장별 데이터에 대하여 정규화(Normalization) 하고 노이즈를 제거한다. 정규화(Normalization)는 파장별 데이터 값의 범위를 예를 들어 0 내지 1 사이로 일정하게 만들어주기 위해 사용하는 방법이다.
단계 S313에서 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출한다. 2048개의 스펙트럼 중에 플라즈마 식각 종료점(EPD) 부분의 특성을 잘 반영하고, 그 강도 변동이 식각 공정 동안 플라즈마의 변화를 잘 나타내는 파장을 타켓 파장으로 추출한다. 노이즈를 제거는 예를 들면, 이동 평균 필터와 같은 각종 유형의 필터가 사용될 수 있다.
단계 S314에서 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터가 입력되면 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)로 분류한다. 일례로, 실제로 측정된 종료점(EPD) 시간은 SCM(Prime Solution Co., LTD) 및 프로세스 엔지니어를 사용하여 획득할 수 있다. 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)의 분류는 실제로 측정된 종료점(EPD) 시간과 타켓 파장의 강도 변동을 추세를 보고 결정될 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼의 300번째 분광계(OES) 파장 샘플에서 종료점(EPD)이 발생하면 식각 공정 중에 발생하는 특징과 비교하여 식각 종료점(EPD) 부근의 특징은 상대적으로 발생 빈도가 낮은 이상 현상이 관측된다.
단계 S315에서 커널의 밴드폭(BANDWIDTH)을 설정한다. 커널의 밴드폭(BANDWIDTH)은 커널 밀도 추정(KDE) 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 실험결과로 확인되었다. 단계 S316에서 커널(kernal)을 설정한다. 커널(kernal) 설정은 Gaussian 커널, Epanechnikov 커널, 삼각형 커널, 박스 커널 중에서 가장 성능이 좋은 커널을 조사하기 위한 과정이다.
단계 S317에서 설정된 커널(kernal)과 커널의 밴드폭(BANDWIDTH)과 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)를 이용해서 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 추정한다.
도 4 는 본 발명에 따른 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법을 설명하기 위한 예시도이다. 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법은 플라즈마 식각 처리 시스템(10)과 데이터를 교환하며, 마이크로프로세서, 메모리, 및 디지털 I/O 포트 예를 들어 D/A 및/또는 A/D 컨버터를 포함하는 컴퓨팅 장치에 구현된다.
단계 S411에서 플라즈마 식각 처리 중에 미리 정해진 시간 간격으로 분광계(OES)로부터 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장한다. 분광계(OES) 스펙트럼은 파장 190.0 내지 892.8nm 범위의 2048개 성분으로 구성되며, 샘플링 속도는 약 60초 동안 0.1초이다.
단계 S412에서 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출한다. 일례로, 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장은 최대 4개이고, 식각 대상물과 사용되는 이온화 가스 또는 가스 혼합물에 따라 다르며, 커널밀도함수를 추정하는 등의 실험 과정에서 사전에 선택될 수 있다.
단계 S413에서 추출된 타겟 파장의 데이터에 대하여 정규화 하고 노이즈를 제거한다. 예를 들면 이동 평균 필터와 같은 각종 유형의 필터가 사용될 수 있다. 이동 평균 필터의 경우에, 필터 창이 가장 적당한 폭으로 조정될 수 있고, 이에 따라 노이즈가 효과적으로 제거되고 중요한 데이터가 유지될 수 있다.
단계 S414에서 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터가 입력되면 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 이용해 제1 확률(
)과 제2 확률(
)을 산출한다. 제1 확률(
)은 종료점이 아닐 확률이고, 제2 확률(
)은 종료점이 될 확률을 의미한다.
단계 S415에서 산출된 제1 확률(
)과 제2 확률(
)을 비교하여 그 결과 제1 확률(
)이 크면 해당 타켓 파장 데이터의 샘플에 대해 플래그를 ‘0’으로 설정하고 다시 단계 S411부터 동작한다.
단계 S416에서 산출된 제1 확률(
)과 제2 확률(
)을 비교하여 그 결과 제2 확률(
)이 크면 해당 타켓 파장 데이터의 샘플에 대해 플래그를 ‘1’로 설정한다.
단계 S417에서 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수와 미리 정해진 임계값을 비교하여 그 결과 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 미리 정해진 임계값 보다 작으면 다시 단계 S411부터 동작한다.
단계 S418에서 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 미리 정해진 임계값 보다크면 식각 종료점으로 인식하고, 식각 종료점을 검출한다.
도 5 는 플라즈마 에칭 처리 시스템에서 발생하는 플라즈마 분광 스펙트럼을 설명하기 위한 예시도이고, 도 6 및 도 7은 타겟 파장 데이터의 노이즈를 제거하는 전처리 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
일반적으로 분광계(OES) 데이터는 파장(Wavelength), 시간(Time) 및 강도(Intensity)의 함수이다. 도 5 는 본 발명의 실시예에 사용된 실제 분광계(OES) 스펙트럼의 3차원 플롯을 나타낸다. 분광계(OES) 스펙트럼은 파장 190.0 내지 892.8nm 범위의 2,048개 성분으로 구성되며, 샘플링 속도는 약 60초 동안 0.1초이다. 또한 CN, CO, F 및 SiF의 분자종(molecular species)은 퍼플루오로카본 가스(perfluorocarbon gases)를 사용하여 이산화규소 공유 결합을 깨뜨리기 위해 선택되어 휘발성 부산물을 형성한다.
도 6을 참조하면, 분광계(OES) 데이터 중에서 387nm, 520nm, 700nm 및 777nm에 해당하는 발광 피크 라인(emission peak lines)은 종료점(EPD) 감지를 위해 사용된다. 이들 파장은 식각 종료 부분의 특성을 잘 반영하고, 그 강도 변동이 식각공정 동안 챔버 내 플라즈마의 변화를 잘 나타낸다는 것은 잘 알려져 있다. 도 6(a)는 임의의 샘플링 시간의 387nm, 520nm, 700nm 및 777nm에 해당하는 샘플 데이터이고, 도 7은 이동 평균 필터를 사용하여 노이즈를 제거한 후의 387nm, 520nm, 700nm 및 777nm에 해당하는 샘플 데이터이다. 빨간 수직선은 실제로 측정된 종료점(EPD) 시간을 의미한다.
도 8 및 도 9는 가우시안 커널(Gaussian kernel)을 사용한 경우 전체 식각 과정에서 샘플 넘버에 따른 비 종료점 탐지 확률과 종료점 탐지 확률을 도시한 것이다.
도 8은 전체 식각 과정에서 387nm, 520nm, 700nm 및 777nm에 해당하는 샘플 데이터에 대해 가우시안 커널(Gaussian kernel)을 사용한 경우 비 종료점 데이터(Non-EPD)일 확률을 의미하는 제1 확률(
)과 종료점 데이터(EPD)일 확률을 의미하는 제2 확률(
)을 그래프로 나타낸 이미지이다.
도 9는 도 8에 표시된 ‘L’ 부분, 즉 250번째에서 450번째 샘플까지의 확대한 이미지이다. Ground Truth 선는 실제로 측정된 종료점(EPD) 시간이고 분홍색 점선은 본 발명으로 추정한 종료점(EPD) 시간이다. 추정한 종료점(EPD) 시간은 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 16번 반복된 것으로 설정된 것이다.
도 10 및 도 11은 실험예에 따른 성능 평가 결과를 도시한 것이다. 도 10은 기존의 방법에 대한 TPR, 정확도(Precision), 및 F1-score 곡선이고, 도 11은 본 방법에 대한 TPR, 정확도(Precision), 및 F1-score 곡선이다. TPR은 참 양성 비율(재현율)이고, F1-score가 ‘1’에 가까우면 좋은 성과를 나타내는 반면 F1-score가 ‘0’이면 분류에 실패한 것을 의미한다.
도 11을 참조하면, ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 16번 반복된 위치에서 TPR, 정확도(Precision), 및 F1-score가 모두 좋은 것을 알 수 있다.
도 12 및 도 13은 커널(kernel) 타입별 플라즈마 식각공정 종료점 탐지 정확도와 플라즈마 식각공정 종료점 검출 결과에 대한 성능 평가 결과를 도시한다.
도 12를 참조하면, 커널(kernal)은 Gaussian 커널, Epanechnikov 커널, 삼각형 커널, 박스 커널 중에서 종료점 분류의 가장 성능이 좋은 커널을 확인할 수 있다. Gaussian 커널의 경우‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 16번 반복된 위치에서 정확도가 ‘1’에 가장 가깝게 나타났다.
도 13을 참조하면, 커널(kernel) 타입별 F1-score를 확인한 결과 Gaussian 커널의 경우‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 16번 반복된 위치에서 정확도가 ‘1’에 가장 가깝게 나타났다.
도 14 및 도 15는 가우시안 커널을 사용한 경우 밴드폭(Bandwidth)에 따른 플라즈마 식각공정 종료점 탐지 정확도와 플라즈마 식각공정 종료점 검출 결과에 대한 성능 평가 결과를 도시한다.
도 14를 참조하면, 밴드폭(Bandwidth)을 0.1H, 1H, 10H로 설정했을 경우, 가장 성능이 좋은 밴드폭(Bandwidth)을 확인할 수 있다. 밴드폭(Bandwidth)이 1H인 경우‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 16번 반복된 위치에서 정확도가 ‘1’에 가장 가깝게 나타났다.
도 15를 참조하면, 밴드폭(Bandwidth)을 0.1H, 1H, 10H로 설정했을 경우, ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 16번 반복된 위치에서 F1-score가 ‘1’에 가장 가깝게 나타났다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (6)
- 플라즈마 식각 처리 시스템에 포함된 광 검출 장치와 연동하여 플라즈마 식각공정 종료점을 검출하는 장치로서,
플라즈마 식각 처리 중에 미리 정해진 시간 간격으로 상기 광 검출 장치로부터 분광계(OES) 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장하는 데이터 수신부;
상기 분광계(OES) 파장 데이터부에서 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출하는 특징 데이터 추출부;
상기 특징 데이터 추출부에서 추출된 타겟 파장의 데이터를 정규화 하고 노이즈를 제거하는 데이터 전처리부; 및
상기 데이터 전처리부로부터 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터가 입력되면 미리 정해진 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 이용해 제1 확률과 제2 확률을 산출한 후, 상기 산출된 제1 확률과 제2 확률을 비교하여 그 결과 제2 확률이 크면 해당 타켓 파장 데이터의 샘플에 대해 플래그를 1로 설정하고, 1로 설정된 플래그 누적 개수와 미리 정해진 임계값을 비교하여 그 결과에 따라 식각 종료점을 검출하는 식각 종료 처리부를 포함하는,
커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 장치. - 청구항 1 에 있어서,
상기 식각 종료 처리부에서 사용하는 제1 커널밀도함수와 제2 커널밀도함수는 가우시안 커널(Gaussian kernel)과 미리 설정된 밴드폭(Bandwidth)을 이용하여 생성된 것을 특징으로 하는,
커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 장치. - 청구항 2 에 있어서,
상기 식각 종료 처리부에서 사용하는 임계치는,
‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 반복되며, TPR, 정확도(Precision), 및 F1-score가 모두 0.9 이상, 1 이하의 범위에 속한 값인 것을 특징으로 하는,
커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 장치. - 광 검출 장치를 포함하는 플라즈마 식각 처리 시스템과 데이터를 교환하는 컴퓨팅 장치에서 실행되는 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법으로,
플라즈마 식각 처리 중에 미리 정해진 시간 간격으로 상기 광 검출 장치로부터 분광계(OES) 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장하는 단계;
상기 분광계(OES) 파장 데이터에서 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출하는 단계;
상기 추출된 타겟 파장의 데이터를 정규화 하고 노이즈를 제거하는 단계;
상기 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터가 입력되면 미리 정해진 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 이용해 제1 확률()과 제2 확률(
)을 산출하는 단계;
상기 산출된 제1 확률()과 제2 확률(
)을 비교하여 그 결과 제1 확률(
)이 크면 해당 타켓 파장 데이터의 샘플에 대해 플래그를 ‘0’으로 설정하고, 산출된 제1 확률(
)과 제2 확률(
)을 비교하여 그 결과 제2 확률(
)이 크면 해당 타켓 파장 데이터의 샘플에 대해 플래그를 ‘1’로 설정하는 단계; 및
상기 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 미리 정해진 임계값 보다 크면 식각 종료점으로 인식하고, 식각 종료점을 검출하는 단계를 포함하는,
커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법. - 청구항 4 에 있어서,
상기 컴퓨팅 장치에서 실행되는 커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법은,
플라즈마 식각 처리 중에 미리 정해진 시간 간격으로 상기 광 검출 장치로부터 분광계(OES) 파장 데이터를 입력받아 데이터베이스에 저장하는 단계;
상기 분광계(OES) 파장 데이터를 정규화 하고 노이즈를 제거하는 단계;
상기 노이즈가 제거된 분광계(OES) 파장 데이터에서 식각 종료점을 판단하는데 기여하는 타겟 파장의 데이터를 추출하는 단계;
사용자 조작에 따라 상기 노이즈가 제거된 타겟 파장의 데이터를 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)로 분류하는 단계;
사용자 조작에 따라 커널의 밴드폭(BANDWIDTH)과 커널(kernal)을 설정하는 단계;
상기 설정된 커널(kernal)과 커널의 밴드폭(BANDWIDTH)과 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 종료점 데이터(EPD)를 이용해서 비 종료점 데이터(Non-EPD)와 관련된 제1 커널밀도함수와 종료점 데이터(EPD)와 관련된 제2 커널밀도함수를 추정하는 단계를 더 포함하는,
커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법. - 청구항 4 에 있어서,
상기 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 미리 정해진 임계값 보다 크면 식각 종료점으로 인식하고, 식각 종료점을 검출하는 단계에서,
상기 임계치는 ‘1’로 설정된 플래그 누적 개수가 연속적으로 반복되며, TPR, 정확도(Precision), 및 F1-score가 모두 0.9 이상, 1 이하의 범위에 속한 값인 것을 특징으로 하는,
커널 밀도 추정을 이용한 플라즈마 식각공정 종료점 검출 방법.
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