WO2021149842A1 - 정전용량 방식의 상태 측정 장치 - Google Patents

정전용량 방식의 상태 측정 장치 Download PDF

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WO2021149842A1
WO2021149842A1 PCT/KR2020/000950 KR2020000950W WO2021149842A1 WO 2021149842 A1 WO2021149842 A1 WO 2021149842A1 KR 2020000950 W KR2020000950 W KR 2020000950W WO 2021149842 A1 WO2021149842 A1 WO 2021149842A1
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metal electrode
capacitance value
wafer
capacitor
control unit
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PCT/KR2020/000950
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English (en)
French (fr)
Inventor
이동석
조승래
Original Assignee
(주)제이디
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma

Definitions

  • the present invention relates to a state measuring device for monitoring a semiconductor process, and more particularly, to a state measuring device for measuring the state of plasma or gas in a chamber in a capacitive manner using a metal electrode.
  • the semiconductor device manufacturing process includes an ion implantation process, a growth and deposition process, an exposure process, an etching process, and the like. During these processes, it is very important to monitor the state inside the chamber. Accordingly, a technique for monitoring the condition inside the chamber is continuously being studied.
  • the Langmuir probe is the most common technique for measuring the electron density or ion density of plasma used in a semiconductor manufacturing process.
  • the Langmuir probe inserts a probe into the chamber from the outside and measures the plasma characteristics by varying the power (voltage) applied to the probe.
  • a negative potential is applied to the probe, the positive ions of the plasma are collected by the probe and the current by the ions is generated.
  • a positive potential is applied to the probe, the electrons in the plasma are collected by the probe, and a current is generated by the electrons.
  • the plasma density could be measured by analyzing the correlation with the voltage applied to the probe.
  • plasma oscillation probes and plasma absorption probes have been developed as tools for measuring plasma characteristics, but plasma oscillation probes have limitations in that they can only be measured under operating conditions that can withstand a hot wire at high pressure. There were disadvantages in that it was cumbersome to go through a calibration process and involved a complicated calculation process. After all, this improved technology also had a problem in that the effectiveness was lowered.
  • the SOW sensor and circuit for sensing are built into the wafer, the SOW is loaded into the chamber to directly perform the desired sensing operation inside the chamber.
  • high-frequency power such as plasma in addition to temperature
  • the object of the present invention was devised in consideration of the above points, and in particular, by forming a capacitance in a metal electrode and calculating a capacitance value or a change thereof according to a change in the physical amount of a specific material in the chamber, plasma or gas
  • An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring a state of a capacitive type using a metal electrode to measure the state of the back.
  • a capacitive state measuring apparatus for achieving the above object is characterized in that the first metal electrode and the second metal electrode are spaced apart from the bottom surface of the trench formed in the wafer by a predetermined distance; a first capacitor commonly connected to the first metal electrode and the second metal electrode to adjust a capacitance value induced between the first metal electrode and the second metal electrode; a signal generator for generating and applying an excitation signal of a reference frequency to the first metal electrode; a converter converting the discharge signal output from the second metal electrode into a digital signal; and a control unit that calculates a capacitance value adjusted by the first capacitor using the digital signal and calculates a change in the adjusted capacitance value.
  • control unit may further include a communication unit for transmitting the capacitance value calculated by the control unit and a change in the capacitance value to the outside.
  • the first metal electrode, the second metal electrode, the first capacitor, the signal generating unit, the converting unit, the control unit, and the communication unit may be isolated inside the wafer, and the Except for the termination of the first metal electrode and the termination of the second metal electrode, the signal generating unit, the converting unit, the control unit, and the communication unit may be covered with a metal layer formed on the wafer.
  • the controller may calculate a change in the amount of discharge of the capacitance induced between the first metal electrode and the second metal electrode as a physical amount of a specific material changes in the chamber in which the wafer is loaded.
  • the controller may control the signal generator to adjust the reference frequency of the excitation signal according to the type of the material.
  • the material may include plasma or gas supplied to the interior of the chamber.
  • the first capacitor may have a relatively large capacitance value compared to a capacitance value induced between the first metal electrode and the second metal electrode.
  • a second capacitor connected in series to the second metal electrode to adjust the range of the capacitance value adjusted by the first capacitor to the range of values measurable by the control unit may be further provided.
  • the present invention there is no physical loss such as contamination or abrasion of the metal electrode used as a probe because the entire circuit as well as the metal electrode is configured to be isolated from the wafer.
  • the change in the value of the capacitance formed by applying a signal to the metal electrode or its change is calculated to measure the change in the physical quantity (plasma density change, gas density change, vacuum state change, etc.) in the chamber. Therefore, simpler and more accurate monitoring becomes possible.
  • the entire configuration of the present invention is applied to SOW (Sensor On Wafer) technology that can measure the state directly in the chamber, while isolating the inside of the wafer, sensors or circuits vulnerable to high frequency components are covered with a metal layer, so the internal sensor I can solve the problem of malfunctioning or damage to the circuit.
  • SOW Silicon On Wafer
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a capacitive state measuring apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a capacitive state measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a shape in which a metal electrode is provided inside a wafer in the capacitive state measuring apparatus according to the present invention
  • FIG. 4 is a plan view showing a structure in which a plurality of metal electrodes are disposed on a wafer in the capacitive state measuring apparatus according to the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of a capacitive state measuring apparatus using a plurality of metal electrodes according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a capacitive state measuring apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a capacitive state measuring apparatus according to another embodiment of the present invention. It is a block diagram
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a shape in which a metal electrode is provided inside a wafer in the capacitive state measuring apparatus according to the present invention.
  • the capacitive state measuring apparatus includes metal electrodes 30 and 31 , a signal generating unit 40 , a converting unit 50 , and a control unit 60 . do.
  • the metal electrodes 30 and 31 are formed to be isolated inside the sensor-mounted wafer as shown in FIG. 3 , and for this purpose, the first wafer 10 and the second wafer 20 are bonded in a vacuum atmosphere. It is preferable to form a state in which the inside is shielded from the outside.
  • the sensor-mounted wafer may be shielded inside to form a vacuum state.
  • the first wafer 10 or the second wafer 20 constituting the sensor-mounted wafer may be a silicon-based wafer or a ceramic-based wafer having good insulation, robustness, and thermal conductivity.
  • the sensor-mounted wafer includes a trench 11 forming a recess of a predetermined depth, and metal electrodes 30 and 31 are formed inside the trench 11 .
  • the metal electrodes 30 and 31 are composed of a first metal electrode 30 and a second metal electrode 31 forming a pair.
  • the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 may be formed on either the first wafer 10 or the second wafer 20 constituting the sensor-mounted wafer, and the first wafer 10 . It is arranged to be spaced apart from the bottom surface of the trench 11 formed in any one of the second wafers 20 by a predetermined distance.
  • an insulating film (not shown) may be provided between the metal electrodes 30 and 31 and the sensor-mounted wafer.
  • the trench 11 is first formed in the first wafer 10 corresponding to the upper wafer among the wafers constituting the sensor-mounted wafer.
  • the metal electrodes 30 and 31 may be formed to be spaced apart from each other on the insulating layer (not shown).
  • the insulating layer may be a silicon oxide layer (SiO 2 ) or a silicon nitride layer (SiNx).
  • the metal electrodes 30 and 31 are spaced apart a predetermined distance from the trench region 300 in which the trench 11 is formed, and accordingly, when a signal is applied to the first metal electrode 30, the capacitance (Cv) in the trench region 300 to form
  • the apparatus of the present invention monitors the state inside the chamber in which the sensor-mounted wafer is loaded by measuring the capacitance value formed between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 and the change thereof.
  • the first metal electrode 30 and the second metal electrode ( 31) The state of the inside of the chamber loaded with the sensor-mounted wafer is monitored by measuring the capacitance value induced in the liver and its change amount.
  • Measuring the capacitance (Cv) value and its change formed as the device of the present invention applies a signal to the first metal electrode 30 is induced between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 . It is the same as calculating the discharge amount of the capacitance and the change in the discharge amount.
  • the signal generator 40 is configured to form the capacitance Cv in the trench region 300 , and generates and applies an excitation signal of a reference frequency to the first metal electrode 30 .
  • the signal generator 40 adjusts the reference frequency of the applied excitation signal according to the type of material to be monitored. That is, the signal generator 40 applies excitation signals of different frequencies to the first metal electrode 30 according to the type of material to be monitored.
  • the control unit 60 controls to adjust the reference frequency of the excitation signal according to the type of material to be monitored, so that the signal generating unit 40 transmits the excitation signal of a different frequency to the first metal electrode 30 according to the type of material. control to apply.
  • the control unit 60 adjusts the reference frequency to an optimal frequency to which the plasma or a specific gas reacts.
  • control unit 60 adjusts the reference frequency of the signal generation unit 40 according to which process is used when the sensor-mounted wafer 100 is loaded into the chamber, and accordingly the signal generation unit 40 controls the control unit. (60) generates an excitation signal of the adjusted frequency.
  • the excitation signal may be an AC waveform such as a sine wave, a square wave, or a triangular wave
  • the signal generator 40 may be implemented as a Field Programmable Gate Array (FPGA) or a Complex Programmable Logic Device (CPLD).
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • CPLD Complex Programmable Logic Device
  • the converter 50 converts the discharge signal output from the second metal electrode 31 into a digital signal.
  • the converter 50 converts the discharge signal into a digital signal of a predetermined bit string.
  • the control unit 60 calculates a value of the capacitance Cv induced between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 and a change amount thereof using the digital signal output from the conversion unit 50 .
  • the control unit 60 uses the discharge information converted into a digital signal, between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 as the physical amount of a specific material changes in the chamber in which the sensor-mounted wafer is loaded. A discharge amount of the induced capacitance and a change in the discharge amount can be calculated.
  • the converter 50 and the controller 60 may be connected to each other by a Serial Peripheral Interconnect (SPI) bus or an Inter-Integrated Circuit (I2C) bus.
  • SPI Serial Peripheral Interconnect
  • I2C Inter-Integrated Circuit
  • the controller 60 calculates a change in the amount of discharge of the capacitance formed between the metal electrodes 30 and 31 as the physical amount of a specific material changes in the space (inside the chamber) in which the sensor-mounted wafer 100 is loaded.
  • the material may include plasma or gas supplied to the space (inside the chamber).
  • the capacitance Cv value is adjusted and the capacitance Cv value is calculated.
  • a configuration is required to adjust the measurement range of This is because a negative capacitance value may be calculated due to causes such as temperature or dielectric constant, and a capacitance in a range that cannot be calculated by the controller 60 may be induced depending on the material in the chamber.
  • the device of the present invention may further include a first capacitor (Cd) and a second capacitor (Cr) for adjusting the value of the capacitance (Cv) induced between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 .
  • a first capacitor (Cd) and a second capacitor (Cr) for adjusting the value of the capacitance (Cv) induced between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 .
  • the first capacitor Cd is commonly connected to the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 , so that the capacitance Cv induced between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 . Adjust the value.
  • the first capacitor Cd is formed between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 30 so that the value of the capacitance Cv induced between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 is not calculated as a negative value.
  • the capacitance value may be relatively large compared to the capacitance value induced between the two metal electrodes 31 .
  • control unit 60 may calculate the capacitance value adjusted by the first capacitor Cd and also calculate the change in the adjusted capacitance value.
  • the second capacitor Cr is connected in series to the second metal electrode 31 at the rear end of the first capacitor Cd, and the control unit 60 measures the range of the capacitance value adjusted by the first capacitor Cd. Adjust to a range of possible values.
  • the controller 60 may not be able to calculate when the capacitance Cv induced between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 is a fairly large value.
  • the second capacitor Cr allows the controller 60 to calculate the capacitance regardless of the magnitude of the capacitance Cv induced between the first metal electrode 30 and the second metal electrode 31 .
  • control unit 60 calculates the capacitance value and the change amount thereof, it is possible to detect a change in the physical amount of the material present in the chamber.
  • the device of the present invention further includes a communication unit 70 for transmitting the result calculated by the control unit 60, that is, the capacitance value calculated by the control unit 60 and the change in the capacitance value, to the outside in conjunction with the control unit 60 can do.
  • an electric field is formed in the chamber as a high-frequency power for forming plasma is applied.
  • a change in the state of the plasma can be measured.
  • an electric field of a certain level is formed in the chamber by the high-frequency power.
  • the capacitance Cv induced in the trench region 300 by the signal applied to the first metal electrode 30 is uniform. Charging and discharging can be repeated at high speed.
  • the discharge rate (discharge amount) of the capacitance Cv induced in the trench region 300 is changed.
  • a change in the plasma state in the chamber can be detected by calculating the change in the discharge rate (discharge amount) according to the change in the electric field.
  • the conversion unit 50, the control unit 60, and the communication unit 60 are isolated inside the sensor-mounted wafer.
  • the region except for the region where the pair of metal electrodes 30 and 31 are formed may further include a metal layer 15 that blocks the inflow of high-frequency components.
  • the signal generating unit 40 , the converting unit 50 , the control unit 60 , and the communication unit 70 . may be covered with the metal layer 15 formed on the sensor-mounted wafer.
  • the metal layer 15 blocking the inflow of high-frequency components may be formed on at least one of the upper surface and the lower surface of the first wafer 10 .
  • the metal layer may be formed only on the lower surface of the first wafer 10
  • a metal layer may be formed only on the upper surface of the first wafer 10 .
  • the metal layer is formed only on the upper surface of the first wafer 10
  • the passivation layer may be an oxide layer.
  • the insulating layer 16 may be provided between the metal electrodes 30 and 31 and the metal layer.
  • the metal layer 15 that blocks the inflow of high-frequency components is formed in the region except for the trench region 300 in which the pair of metal electrodes 30 and 31 are formed, and is formed on the upper and/or lower surfaces of the first wafer 10 . It is preferable to form an open structure in the trench region 300 in which the metal electrodes 30 and 31 are formed to be spaced apart rather than entirely formed.
  • FIG. 4 is a plan view showing a structure in which a plurality of metal electrodes are disposed on a wafer in a capacitive state measuring apparatus according to the present invention
  • FIG. 5 is a capacitance using a plurality of metal electrodes according to an embodiment of the present invention. It is a diagram showing the configuration of the state measuring device of the method.
  • the apparatus of the present invention can monitor process conditions such as plasma state change, plasma uniformity, gas state change, gas uniformity, vacuum state change, etc. by disposing a plurality of paired metal electrodes on the sensor-mounted wafer.
  • a plurality of pairs of metal electrodes are provided in the trench regions 300 and 310 arranged at a uniform spacing as shown in FIG. 4 .
  • the uniformity can be measured from whether an error occurs in the plasma state change measured in the metal electrode pairs formed in the trench regions 300 and 310 .
  • the paired metal electrodes 30 and 31 in the device according to the present invention may be disposed in multiple regions of the sensor-mounted wafer 100 .
  • the trench regions 300 and 310 are arranged in a plurality of regions to correspond to the arrangement of the metal electrodes 30 and 31 .
  • the arrangement of the trench regions 300 and 310 in which the paired metal electrodes 30 and 31 are formed is preferably arranged to have a uniform spacing.
  • the muxes 80 and 81 are provided at the output end of the signal generating unit 40 and the input end of the converting unit 50 . do.
  • the first mux 80 outputs the excitation signal generated by the signal generator 40 in parallel to the metal electrodes provided in the plurality of trench regions 300 and 310 .
  • the second mux 81 converts the discharge signals for each metal electrode into serial signals and outputs them to the converter 50 . .
  • control unit 60 may calculate the capacitance formed in the metal electrode of the plurality of trench regions and the change in the discharge amount thereof, respectively.
  • the device may include a battery for supplying power to the circuit, a wireless charging circuit for wireless charging of the battery, and a memory for storing the result calculated by the control unit.
  • the capacitive state measuring apparatus is variously used to measure the state of plasma or gas inside a chamber in a process of manufacturing a semiconductor device such as an ion implantation process, a growth and deposition process, an exposure process, and an etching process. can be applied.

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Abstract

본 발명은 반도체공정 모니터링을 위한 상태 측정 장치에 있어서, 특히 챔버 내에서 플라즈마나 기체 등의 상태를 메탈전극을 이용하여 정전용량 방식으로 측정하는 상태 측정 장치에 관한 것으로, 웨이퍼에 형성된 트렌치의 저면에서 일정 거리 이격되게 배치되는 제1메탈전극과 제2메탈전극; 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극에 공통되게 연결되어 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극 간에 유도된 정전용량 값을 조정하는 제1캐패시터; 상기 제1메탈전극에 기준주파수의 여기신호를 생성하여 인가하는 신호생성부; 상기 제2메탈전극에서 출력되는 방전신호를 디지털신호로 변환하는 변환부; 그리고 상기 디지털신호를 사용하여 상기 제1캐패시터에 의해 조정된 정전용량 값을 산출하고, 상기 조정된 정전용량 값의 변화를 산출하는 제어부를 포함하여 구성되는 것이 특징인 발명이다.

Description

정전용량 방식의 상태 측정 장치
본 발명은 반도체공정 모니터링을 위한 상태 측정 장치에 관한 것으로, 특히 챔버 내에서 플라즈마나 기체 등의 상태를 메탈전극을 이용하여 정전용량 방식으로 측정하는 상태 측정 장치에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하는 공정으로는 이온주입공정, 성장 및 증착공정, 노광공정, 그리고 식각공정 등이 있는데, 이러한 공정이 진행되는 동안 챔버 내부의 상태를 모니터링하는 작업은 매우 중요하다. 그에 따라 챔버 내부의 상태를 모니터링하는 기술이 계속 연구되고 있다.
특히, 최근에는 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 형성하고 반응가스를 주입하여 물질막을 증착하거나 식각하는 공정에 플라즈마 장비가 널리 사용되고 있는데, 이와 같은 플라즈마를 비롯하여 챔버 내부의 물질이나 기체(가스)가 어떤 상태이고 어떤 상황에서 최적의 성능을 발휘하는지 정확하게 측정하고자 하는 요구가 많다.
랑뮈어 프로브(Langmuir probe)는 반도체 제조공정에서 이용되는 플라즈마의 전자밀도나 이온밀도를 측정하는 가장 일반적인 기술이다.
랑뮈어 프로브는 외부에서 챔버 내에 탐침을 삽입시키고 그 탐침에 인가되는 전원(전압)을 가변하여 플라즈마 특성을 측정하는 것으로, 탐침에 음전위가 인가되면 플라즈마의 양이온이 탐침으로 포집되어 이온에 의한 전류가 발생하며, 반대로 탐침에 양전위가 인가되면 플라즈마의 전자들이 탐침으로 포집되어 전자에 의한 전류가 발생한다. 이때, 이온 또는 전자에 의해 발생된 전류를 측정한 후에 탐침에 인가된 전압과의 상관관계를 분석하여 플라즈마 밀도를 측정할 수 있었다.
이와 같은 종래의 랑뮈어 프로브는 챔버 내에 탐침을 삽입하여 플라즈마의 밀도를 측정하기 때문에, 공정이 진행되는 동안 실시간으로 플라즈마의 밀도를 측정할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 측정을 위해 탐침을 챔버 내에 삽입해야 하기 때문에 증착공정 시에는 증착물질에 의해 탐침이 오염되는 문제가 있을 수 있다. 또한 식각공정 시에는 탐침이 식각되어 마모되는 문제가 발생하였다. 그에 따라 실제 양산공정에 적용하기에는 어려움이 따른다.
그외에 플라즈마 특성을 측정하기 위한 도구들로서, 플라즈마 오실레이션 탐침이나 플라즈마 흡수 탐침 등이 개발되었지만 플라즈마 오실레이션 탐침은 높은 압력에서 열선이 견디는 동작조건에서만 측정이 가능하다는 한계가 있으며 플라즈마 흡수 탐침은 측정 전에 교정과정을 거쳐야 하는 번거로움과 복잡한 계산과정이 수반되는 단점이 있었다. 결국, 이러한 개량된 기술도 실효성이 떨어지는 문제점이 있었다.
그에 따라, 탐침 오염이나 마모와 같은 물리적인 손실 없이 보다 간단하면서도 보다 정확하게 챔버 내의 플라즈마나 기체 상태를 측정하기 위해서는 탐침을 플라즈마나 기체에 노출시키기 않으면서 챔버 내에서 직접 상태를 측정할 수 있는 센싱 기술이 요구된다. 이러한 요구에 부합되는 기술로는 온도 센싱을 위해 개발된 SOW(Sensor On Wafer) 기술이 있다.
SOW는 센싱을 위한 센서와 회로가 웨이퍼에 내장되어 있어서 SOW를 챔버 내부에 로딩하여 직접 챔버 내부에서 원하는 센싱 작업을 수행하도록 해준다. 그러나 SOW가 온도 이외에 플라즈마와 같이 고주파 전력을 인가하여 발생시키는 대상을 센싱하기 위해서는 고주파 전력이 인가될 시에 발생하는 고주파 성분으로 인해 내부 센서나 회로가 오작동하거나 파손되는 문제를 해결해야 한다.
본 발명의 목적은 상기한 점들을 감안하여 안출한 것으로, 특히 메탈전극에 정전용량을 형성하고 챔버 내에서 특정 물질의 물리량이 변화함에 따른 정전용량 값이나 그의 변화를 산출하여 챔버 내에서 플라즈마나 기체 등의 상태를 측정하도록 해주는 메탈전극을 이용하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치의 특징은, 웨이퍼에 형성된 트렌치의 저면에서 일정 거리 이격되게 배치되는 제1메탈전극과 제2메탈전극; 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극에 공통되게 연결되어 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극 간에 유도된 정전용량 값을 조정하는 제1캐패시터; 상기 제1메탈전극에 기준주파수의 여기신호를 생성하여 인가하는 신호생성부; 상기 제2메탈전극에서 출력되는 방전신호를 디지털신호로 변환하는 변환부; 그리고 상기 디지털신호를 사용하여 상기 제1캐패시터에 의해 조정된 정전용량 값을 산출하고, 상기 조정된 정전용량 값의 변화를 산출하는 제어부를 포함하여 구성되는 것이다.
바람직하게, 상기 제어부에서 산출된 정전용량 값과 정전용량 값의 변화를 외부로 송신하는 통신부를 더 구비할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극과 상기 제1캐패시터와 상기 신호생성부와 상기 변환부와 상기 제어부와 상기 통신부는 상기 웨이퍼 내부에 격리될 수 있으며, 서로 대향하는 상기 제1메탈전극의 종단과 상기 제2메탈전극의 종단을 제외하고 상기 신호생성부와 상기 변환부와 상기 제어부와 상기 통신부는 상기 웨이퍼에 형성된 메탈층으로 커버될 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 제어부는 상기 웨이퍼가 로딩된 챔버 내에서 특정 물질의 물리량이 변화함에 따라 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극 간에 유도된 정전용량의 방전량 변화를 산출할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 제어부는 상기 물질의 종류에 따라 상기 여기신호의 기준주파수를 조절하도록 상기 신호생성부를 제어할 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 물질은 상기 챔버의 내부에 공급된 플라즈마 또는 기체를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1캐패시터는 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극 간에 유도된 정전용량 값에 비해 상대적으로 큰 용량 값을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 제2메탈전극에 직렬로 연결되어 상기 제1캐패시터에 의해 조정된 정전용량 값의 범위를 상기 제어부에서 측정 가능한 값의 범위로 조정하는 제2캐패시터를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 메탈전극은 물론 전체 회로를 웨이퍼에 격리되게 구성하기 때문에 탐침으로 사용되는 메탈전극의 오염이나 마모와 같은 물리적인 손실이 없다.
또한, 메탈전극에 신호를 인가하여 형성되는 정전용량의 값 또는 그의 변화 특히, 방전량의 변화를 산출하여 챔버 내에서의 물리량 변화(플라즈마 밀도 변화나 기체 밀도 변화나 진공 상태 변화 등)를 측정할 수 있기 때문에, 보다 간단하면서도 보다 정확한 모니터링이 가능해 진다.
또한, 본 발명의 전체 구성을 챔버 내에서 직접 상태를 측정할 수 있는 SOW(Sensor On Wafer) 기술에 적용하여 웨이퍼 내부에 격리시키면서도 고주파 성분에 취약한 센서나 회로들은 메탈층으로 커버하기 때문에, 내부 센서나 회로가 오작동하거나 파손되는 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치의 구성을 도시한 블록다이어그램이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치의 구성을 도시한 블록다이어그램이고,
도 3은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치에서 메탈전극이 웨이퍼 내부에 구비되는 형상을 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치에서 다수 개의 메탈전극이 웨이퍼에 배치되는 구조를 도시한 평면도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수 개의 메탈전극을 이용하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치의 구성을 도시한 다이어그램이다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치의 구성을 도시한 블록다이어그램이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치의 구성을 도시한 블록다이어그램이고, 도 3은 본 발명에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치에서 메탈전극이 웨이퍼 내부에 구비되는 형상을 도시한 단면도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치는, 메탈전극(30,31)과 신호생성부(40)와 변환부(50)와 제어부(60)를 포함하여 구성된다.
메탈전극(30,31)은 도 3에 도시된 바와 같이 센서탑재웨이퍼 내부에 격리되게 형성되는 것으로, 이를 위한 센서탑재웨이퍼는 제1웨이퍼(10)와 제2웨이퍼(20)가 진공 분위기에서 본딩되어 내부가 외부로부터 차폐된 상태를 형성하는 것이 바람직하다. 일예로 센서탑재웨이퍼는 내부가 차폐되어 진공 상태를 형성할 수도 있다. 센서탑재웨이퍼를 구성하는 제1웨이퍼(10)나 제2웨이퍼(20)는 절연성과 견고성과 열전도성 좋은 실리콘 계열 웨이퍼 또는 세라믹 계열 웨이퍼일 수 있다.
특히, 센서탑재웨이퍼는 소정 깊이의 요부를 형성하는 트렌치(trench)(11)를 구비하며, 메탈전극(30,31)이 트렌치(11)의 내부에 형성된다.
메탈전극(30,31)은 하나의 쌍을 이루는 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31)으로 구성된다. 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31)은 센서탑재웨이퍼를 구성하는 제1웨이퍼(10)나 제2웨이퍼(20) 중 어느 하나에 형성될 수 있으며, 제1웨이퍼(10)나 제2웨이퍼(20) 중 어느 하나에 형성된 트렌치(11)의 저면에서 일정 거리 이격되게 배치된다.
한편, 메탈전극(30,31)과 센서탑재웨이퍼 사이에는 절연막(미도시)을 구비할 수 있다. 보다 상세하게, 센서탑재웨이퍼를 구성하는 웨이퍼들 중에서 상부 웨이퍼에 해당하는 제1웨이퍼(10)에 트렌치(11)를 먼저 형성한다. 그 트렌치(11)의 바닥면에 절연막(미도시)을 형성한 후에 그 절연막(미도시) 상에 서로 이격되게 메탈전극(30,31)을 형성할 수 있다. 여기서, 절연막은 실리콘산화막(SiO2)이나 실리콘질화막(SiNx)일 수 있다.
메탈전극(30,31)은 트렌치(11)가 형성된 트렌치영역(300)에서 일정 거리 이격되며, 그에 따라 제1메탈전극(30)에 신호를 인가하면 트렌치영역(300)에서 정전용량(Cv)을 형성한다. 본 발명의 장치는 그 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 형성된 정전용량 값과 그의 변화를 측정하여 센서탑재웨이퍼가 로딩된 챔버 내부의 상태를 모니터링한다. 특히, 본 발명의 장치는 센서탑재웨이퍼가 로딩된 챔버 내에서 특정 물질(챔버의 내부에 공급된 플라즈마 또는 기체를 포함)의 물리량이 변화함에 따라 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량 값과 그의 변화량을 측정하여 센서탑재웨이퍼가 로딩된 챔버 내부의 상태를 모니터링한다.
본 발명의 장치가 제1메탈전극(30)에 신호를 인가함에 따라 형성된 정전용량(Cv) 값과 그의 변화를 측정한다는 것은 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량의 방전량과 그 방전량 변화를 산출한다는 것과 동일하다.
신호생성부(40)는 트렌치영역(300)에서 정전용량(Cv)을 형성하기 위한 구성으로, 제1메탈전극(30)에 기준주파수의 여기신호를 생성하여 인가한다. 특히, 신호생성부(40)는 모니터링하고자 하는 물질의 종류에 따라 인가하는 여기신호의 기준주파수를 조절한다. 즉, 신호생성부(40)는 모니터링하고자 하는 물질의 종류에 따라 서로 다른 주파수의 여기신호를 제1메탈전극(30)에 인가한다. 제어부(60)는 모니터링하고자 하는 물질의 종류에 따라 여기신호의 기준주파수를 조절하도록 제어하여 신호생성부(40)가 물질의 종류에 따라 서로 다른 주파수의 여기신호를 제1메탈전극(30)에 인가하도록 제어한다. 제어부(60)는 플라즈마나 특정 기체가 반응하는 최적의 주파수로 기준주파수를 조절하는 것이다.
그에 따라, 제어부(60)는 센서탑재웨이퍼(100)가 챔버에 로딩될 때 어떤 공정에 사용되는지에 따라 신호생성부(40)의 기준주파수를 조절하고, 그에 따라 신호생성부(40)는 제어부(60)에 의해 조절된 주파수의 여기신호를 생성한다. 한편, 여기신호는 사인파, 구형파, 삼각파 등의 교류파형일 수 있으며, 신호생성부(40)는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 CPLD(Complex Programmable Logic Device)로 구현될 수 있다
변환부(50)는 제2메탈전극(31)에서 출력되는 방전신호를 디지털신호로 변환한다. 변환부(50)는 방전신호를 소정 비트열의 디지털신호로 변환한다.
제어부(60)는 변환부(50)에서 출력되는 디지털신호를 사용하여 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량(Cv) 값과 그의 변화량을 산출한다. 여기서, 제어부(60)는 디지털신호로 변환된 방전정보를 사용하므로 센서탑재웨이퍼가 로딩된 챔버 내에서 특정 물질의 물리량이 변화함에 따라 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량의 방전량과 그 방전량의 변화를 산출할 수 있다.
변환부(50)와 제어부(60)는 SPI(Serial Peripheral Interconnect) 버스나 I2C(Inter-Integrated Circuit) 버스로 연결될 수 있다.
특히, 제어부(60)는 센서탑재웨이퍼(100)가 로딩된 공간(챔버 내부)에서 특정 물질의 물리량이 변화함에 따라 메탈전극(30,31) 간에 형성된 정전용량의 방전량 변화를 산출한다. 여기서, 물질은 공간(챔버 내부)에 공급된 플라즈마 또는 기체를 포함할 수 있다.
한편, 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량(Cv) 값과 그의 변화량을 산출할 시에, 정전용량(Cv) 값을 조정하고 정전용량(Cv) 값의 측정 범위를 조정하기 위한 구성이 요구된다. 이는 온도나 유전율 등의 원인으로 인해 음의 정전용량 값이 산출될 수 있고 또한 챔버 내의 물질에 따라 제어부(60)에서 산출할 수 없는 범위의 정전용량이 유도될 수 있기 때문이다.
본 발명의 장치는 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량(Cv) 값을 조정하기 위한 제1캐패시터(Cd)와 제2캐패시터(Cr)을 더 구비할 수 있다.
제1캐패시터(Cd)는 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31)에 공통되게 연결되어 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량(Cv) 값을 조정한다. 특히 제1캐패시터(Cd)는 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량(Cv) 값이 음의 값으로 산출되지 않도록, 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도되는 정전용량 값에 비해 상대적으로 큰 용량 값을 가질 수 있다.
그에 따라, 제어부(60)는 제1캐패시터(Cd)에 의해 조정된 정전용량 값을 산출하고 또한 그 조정된 정전용량 값의 변화를 산출할 수 있다.
제2캐패시터(Cr)는 제1캐패시터(Cd)의 후단에서 제2메탈전극(31)에 직렬로 연결되어 제1캐패시터(Cd)에 의해 조정된 정전용량 값의 범위를 제어부(60)에서 측정 가능한 값의 범위로 조정한다. 제어부(60)는 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량(Cv) 값이 상당히 큰 값일 경우 산출이 불가능할 수 있다. 제2캐패시터(Cr)는 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31) 간에 유도된 정전용량(Cv) 값의 크기에 상관없이 제어부(60)가 정전용량을 산출하도록 해준다.
이와 같이 제어부(60)가 정전용량 값과 그의 변화량을 산출함에 따라 챔버 내에 존재하는 물질의 물리량 변화를 검출할 수 있다.
본 발명의 장치는 제어부(60)와 연동하여 제어부(60)에서 산출된 결과 즉, 제어부(60)에서 산출된 정전용량 값과 정전용량 값의 변화를 외부로 송신하는 통신부(70)를 더 구비할 수 있다.
플라즈마의 경우, 플라즈마를 형성하기 위한 고주파 전력이 인가됨에 따라 챔버 내에 전기장이 형성되는데, 그 전기장의 변화를 측정하면 플라즈마의 상태 변화를 측정할 수 있다. 예를 들어, 고주파 전력에 의해 일정 수준의 전기장이 챔버 내에 형성되는데, 그 상태에서 제1메탈전극(30)에 인가된 신호에 의해 트렌치영역(300)에 유도된 정전용량(Cv)은 균일한 속도로 충방전을 반복할 수 있다. 그러나 어떠한 원인으로 인해 챔버 내에 전기장의 변화가 발생하면 트렌치영역(300)에 유도된 정전용량(Cv)은 방전속도(방전량)가 변화한다. 전기장의 변화에 따른 방전속도(방전량)의 변화를 산출함으로써 챔버 내의 플라즈마 상태 변화를 검출할 수 있다.
한편, 본 발명의 장치를 구성하는 모든 요소들 즉, 제1메탈전극(30)과 제2메탈전극(31)과 제1캐패시터(Cd)와 제2캐패시터(Cr)와 신호생성부(40)와 변환부(50)와 제어부(60)와 통신부(60)는 센서탑재웨이퍼의 내부에 격리되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 장치는 플라즈마의 형성을 위한 고주파 전력이 인가됨에 따라 발생하는 고주파 성분이 내부 회로에 악영향을 미치는 것을 방지하기 위해, 한 쌍의 메탈전극(30,31)이 형성된 영역을 제외한 영역으로 고주파 성분이 유입되는 것을 차단하는 메탈층(15)을 더 구비할 수 있다.
보다 상세하게, 서로 대향하는 제1메탈전극(30)의 종단과 제2메탈전극(31)의 종단을 제외하고 신호생성부(40)와 변환부(50)와 제어부(60)와 통신부(70)는 센서탑재웨이퍼에 형성된 메탈층(15)으로 커버될 수 있다.
고주파 성분의 유입을 차단하는 메탈층(15)은 제1웨이퍼(10)의 상면과 하면 중 적어도 하나에 형성될 수 있는데, 일예로 제1웨이퍼(10)의 하면에만 메탈층이 형성될 수도 있고, 제1웨이퍼(10)의 상면에만 메탈층이 형성될 수도 있다. 한편, 제1웨이퍼(10)의 상면에만 메탈층이 형성되는 경우에는 메탈층을 보호하기 위한 보호막(미도시)을 제1웨이퍼(10)의 전면에 형성하는 것이 바람직하다. 일예로, 보호막은 산화막 계열일 수 있다. 또한, 제1웨이퍼(10)의 하면에 메탈층이 형성될 경우에는 메탈전극(30,31)과 메탈층 사이에 절연막(16)을 구비할 수 있다.
고주파 성분의 유입을 차단하는 메탈층(15)은 한 쌍의 메탈전극(30,31)이 형성된 트렌치영역(300)을 제외한 영역에 형성되어, 제1웨이퍼(10)의 상면 및/또는 하면에 전면적으로 형성되는 것이 아니라 메탈전극(30,31)이 이격되게 형성된 트렌치영역(300)에서는 오픈된 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
도 1 내지 3에서는 한 쌍의 메탈전극(30,31)이 구비되는 경우에 대해 설명하였으나, 본 발명의 장치는 쌍을 이루는 다수의 메탈전극들을 센서탑재웨이퍼에 배치하여 반도체 공정 중에 챔버 내에 존재하는 물질의 물리량 변화는 물론 균일도도 모니터링할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치에서 다수 개의 메탈전극이 웨이퍼에 배치되는 구조를 도시한 평면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수 개의 메탈전극을 이용하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치의 구성을 도시한 다이어그램이다.
본 발명의 장치는 쌍을 이루는 다수의 메탈전극들을 센서탑재웨이퍼에 배치하여 플라즈마 상태 변화, 플라즈마 균일도, 기체 상태 변화, 기체 균일도, 진공 상태 변화 등의 공정 조건을 모니터링할 수 있다.
예를들어, 플라즈마 균일도를 모니터링하는 경우, 도 4에서와 같이 균일한 이격거리로 배치된 트렌치영역(300,310)에 다수의 메탈전극 쌍들이 구비된다. 그 트렌치영역(300,310)에 형성된 메탈전극 쌍들에서 측정되는 플라즈마 상태 변화에서 오차가 발생하는 지의 여부로부터 균일도를 측정할 수 있다.
도 3 및 4를 참조하면, 본 발명에 따른 장치에서 쌍을 이루는 메탈전극(30,31)은 센서탑재웨이퍼(100)의 다수 영역에 배치될 수 있다. 메탈전극(30,31)의 배치에 대응되게 트렌치영역(300,310)이 다수 영역에 배치된다. 쌍을 이루는 메탈전극(30,31)이 형성되는 트렌치영역(300,310)의 배치 형태는 균일한 이격거리를 갖도록 배치되는 것이 바람직하다.
쌍을 이루는 메탈전극(30,31)이 센서탑재웨이퍼(100)의 다수 영역에 배치됨에 따라, 먹스(80,81)가 신호생성부(40)의 출력단과 변환부(50)의 입력단에 구비된다.
제1먹스(80)는 신호생성부(40)에서 생성된 여기신호를 다수 트렌치영역(300,310)에 구비되는 메탈전극들로 병렬 출력한다.
제2먹스(81)는 다수 트렌치영역(300,310)에 구비된 메탈전극들로부터 출력되는 방전신호가 병렬 출력됨에 따라, 그 메탈전극별 방전신호를 직렬신호로 변환하여 변환부(50)로 출력한다.
그에 따라, 제어부(60)는 다수 트렌치영역의 메탈전극에 형성된 정전용량과 그의 방전량 변화를 각각 산출할 수 있다.
또한, 본 발명에서 장치는 회로에 전원을 공급하는 배터리, 배터리의 무선 충전을 위한 무선충전회로, 제어부에서 산출된 결과를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.
그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 정전용량 방식의 상태 측정 장치는 이온주입공정, 성장 및 증착공정, 노광공정, 그리고 식각공정 등의 반도체 소자를 제조하는 공정에서 챔버 내부의 플라즈마나 기체 등의 상태를 측정하는데 다양하게 적용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 웨이퍼에 형성된 트렌치의 저면에서 일정 거리 이격되게 배치되는 제1메탈전극과 제2메탈전극;
    상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극에 공통되게 연결되어 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극 간에 유도된 정전용량 값을 조정하는 제1캐패시터;
    상기 제1메탈전극에 기준주파수의 여기신호를 생성하여 인가하는 신호생성부;
    상기 제2메탈전극에서 출력되는 방전신호를 디지털신호로 변환하는 변환부; 그리고
    상기 디지털신호를 사용하여 상기 제1캐패시터에 의해 조정된 정전용량 값을 산출하고, 상기 조정된 정전용량 값의 변화를 산출하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부에서 산출된 정전용량 값과 정전용량 값의 변화를 외부로 송신하는 통신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극과 상기 제1캐패시터와 상기 신호생성부와 상기 변환부와 상기 제어부와 상기 통신부는 상기 웨이퍼 내부에 격리되는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 웨이퍼가 로딩된 챔버 내에서 특정 물질의 물리량이 변화함에 따라 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극 간에 유도된 정전용량의 방전량 변화를 산출하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 물질의 종류에 따라 상기 여기신호의 기준주파수를 조절하도록 상기 신호생성부를 제어하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 물질은 상기 챔버의 내부에 공급된 플라즈마 또는 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1캐패시터는 상기 제1메탈전극과 상기 제2메탈전극 간에 유도된 정전용량 값에 비해 상대적으로 큰 용량 값을 가지는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2메탈전극에 직렬로 연결되어 상기 제1캐패시터에 의해 조정된 정전용량 값의 범위를 상기 제어부에서 측정 가능한 값의 범위로 조정하는 제2캐패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치.
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