WO2022103085A1 - 공정 모니터링용 계측 시스템 - Google Patents

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WO2022103085A1
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exhaust pipe
sampling
gaseous material
gas mixture
bypass pipe
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PCT/KR2021/016020
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서정환
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홍익대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present disclosure relates to a metrology system, and more particularly, to a metrology system for monitoring process completion for a component (particularly a semiconductor component) processed in a chamber.
  • An object of the present disclosure is to provide a measurement system that can utilize a semiconductor processing apparatus such as a conventional plasma cleaning equipment or an etching equipment as it is, and can grasp a process status in real time.
  • a semiconductor processing apparatus such as a conventional plasma cleaning equipment or an etching equipment as it is, and can grasp a process status in real time.
  • the measurement system includes a concentration module that filters and stores the gaseous material included in the gas mixture sampled by the sampling unit.
  • 5A and 5B show examples of the connection form of the upstream bypass pipe 31 connected to the exhaust pipe 20 .
  • fasteners and sealing members between the upstream bypass pipe 31 and the exhaust pipe 20 are omitted.
  • the valve 40 is a six-port valve having six ports of first to sixth ports 41 to 46 .
  • the third port 43 and the fourth port 44 communicate (ie, the carrier gas tank). 70 and the detection unit 12 communicate with each other) so that a carrier gas (eg, N 2 or H 2 ) 7 flows toward the detection unit 12 in the carrier gas tank 70 . Thereby, the detection part 12 is maintained by the carrier gas 7 in the clean atmosphere which is not polluted by external air.
  • Carrier gas such as helium, has very low reactivity with the porous polymer and organic compound mentioned later.
  • the control unit of the valve 40 causes the valve 40 to perform a sampling cutoff operation, as shown in FIG. 2 , to block further sampling.
  • the communication between the first port 41 and the second port 42 is cut off, and the communication between the fifth port 45 and the sixth port 46 is cut off. .
  • the first port 41 and the sixth port 46 are in communication.
  • the gas mixture 6 by the volume determined by the sampling unit 11 is trapped inside the sampling unit 11 .
  • the diameters of the bypass pipe 31 and the conduits of the sampling unit 11 are substantially the same as each other, even if instantaneously switched from the sampling connection operation state to the sampling cutoff operation state, the upstream bypass from the exhaust pipe 20 The amount of gas mixture 6 exiting the pass pipe 31 remains almost unchanged.
  • the control unit of the valve 40 blocks the communication between the third port 43 and the fourth port 44 after or simultaneously with the sampling cutoff operation, and the fourth port ( 44) and the fifth port 45 to communicate with a gas transfer operation. That is, when the gas delivery operation is performed, the outlet portion 102 of the sampling unit 11 communicates with the detection unit 12 .
  • the gas mixture 6 sampled in the sampling unit 11 may be flowed to the detection unit 12 by a separate pump (not shown) installed downstream of the detection unit 12, according to this embodiment, when the gas delivery operation is performed , the second port 42 and the third port 43 are also communicated. Accordingly, the inlet portion 101 of the sampling portion 11 communicates with the carrier gas tank 70 . As shown in FIG. 2 , the sampled gas mixture 6 is pushed by the carrier gas 7 discharged from the carrier gas tank 70 and flows to the detection unit 12 .
  • the gaseous material 60 discharged from the separation module 300 is loaded onto the carrier gas 7 at a constant velocity and flows to the sensor module 400 .
  • the sensor module 400 detects the reached gaseous material 60 .
  • the configuration of the detection unit 12 and the principle of separating and detecting the gaseous material 60 included in the gas mixture 6 by the detection unit 12 will be described with reference to FIGS. 6 to 11 .
  • FIG. 6 is a schematic conceptual diagram of the detection device 120 .
  • the substrate 122 is formed by bonding a silicon plate (first substrate) and a glass plate (second substrate).
  • the concentration module 200, the separation module 200, and the plurality of conduits 52. 53 connecting them are all deep reactive-ion etching (DRIE) on one side surface of the first substrate. It is formed by deep etching using a process. Accordingly, a nano-sized structure can be precisely formed on the substrate 122 , thereby reducing the overall size of the detection device 120 .
  • the condensing module 200, the separation module 300, and a plurality of conduits 52. 53 connecting them are simultaneously etched in the form of a concave groove on the first substrate, and the second substrate is placed and bonded to close the concave groove to close the upper part. completes the closed structure.
  • the first substrate and the second substrate may be strongly bonded to each other by anodic bonding, which is a bonding method by voltage under atmospheric pressure conditions.
  • FIG 7 is an enlarged view of the concentration module 200 according to the present embodiment.
  • the enrichment module 200 includes the enrichment chamber 210 formed as a space having a larger volume than the conduit connected thereto.
  • the enrichment chamber 210 has two opposite unidirectional sides extending in a short direction of the enrichment chamber 210 and two opposite long sides extending in a long direction of the enrichment chamber 210 . It has an approximately long polygonal shape.
  • the unidirectional side is formed by being bent in an approximately "v" shape so that the center moves away from the long side, and thus the flow of the fluid in the thickening chamber 210 can be uniformly spread.
  • An inlet conduit 52 through which the gas mixture 6 flows in communication with the enrichment chamber 210 is formed in the central portion of one unidirectional side of the enrichment chamber 210 .
  • An outlet conduit 53 through which gas can escape from the enrichment chamber 210 is formed in the central portion of the other unidirectional side surface of the enrichment chamber 210 .
  • inlet and outlet are intended to mean different openings through which the fluid can flow into and out of the corresponding conduit, and do not necessarily limit the fluid flowing in and out of the outlet through the inlet from the corresponding conduit. does not That is, in some cases, the fluid from the corresponding pipe may be introduced into the outlet and may be discharged through the inlet.
  • a plurality of pillars 211 are arranged at regular intervals.
  • a plurality of pillars 211 may be formed inside the enrichment chamber 210 by preventing a portion of the enrichment chamber 210 from being etched.
  • the concentration chamber 210 filters and stores the gaseous material 60 in the gas mixture 6 .
  • an adsorbent 212 capable of collecting the gaseous material 60 is filled in the enrichment chamber 210 .
  • a material such as a carbon compound to which the gaseous material 60 , which is an organic compound, may be attached and captured by van der Waals force may be used.
  • the adsorbent 212 may be filled in the chamber 110 in advance before bonding the first substrate and the second substrate, or may be filled in the concentration chamber 210 by a gas transfer method.
  • a separate introduction pipe (not shown) may be formed to communicate with the enrichment chamber 210 .
  • the gaseous material 60 introduced into the enrichment chamber 210 is collected by the adsorbent 212 and concentrated and stored in the enrichment chamber 210 .
  • the coupling between the adsorbent 212 and the gaseous material 60 must be broken, and this is the detection device according to the present embodiment.
  • 120 includes a heating device for applying heat to the concentration chamber 210 .
  • a heating wire 500 that generates heat when power is applied is attached to the rear surface of the first substrate as a chamber heating device.
  • the heating wire 500 is formed on the first substrate corresponding to the position where the enrichment chamber 210 is formed.
  • the heating wire 500 includes a terminal 503 to which a power source can be connected.
  • a temperature sensor 502 capable of measuring a temperature raised by the heating wire 500 may be provided at the center of the heating wire 500 .
  • thermal energy capable of dissociating the adsorbent 212 and the gaseous material 60 may be selectively applied to the concentration chamber 210 .
  • a heating wire 600 that selectively applies heat to the separation path 310 to improve the reactivity inside the separation path 310 to be described later is a separation path. It may be formed on the rear surface of the first substrate corresponding to the position of the 310 . Terminals 601 to which power can be applied are formed at both ends of the heating wire 600 .
  • the heat applied by the heating wire 501 may be conducted by the first substrate of silicon to unexpectedly apply heat to adjacent components such as the separation path 310 .
  • a plurality of slits 311 , 312 , 313 are formed along the circumference of the hot wire 501 and completely penetrate the first substrate.
  • the conduit 53 in communication with the concentration module 200 communicates with the separation module 300 .
  • the separation path 310 in order for the separation path 310 to have a long enough path to separate harmful substances, the separation path 310 is arranged to form a single-layered column bent in a labyrinth shape in a predetermined rectangular space. do.
  • the separation path 310 is bent to the center of the square space and extended in a kind of coil form, and then coiled again at the center. It extends to the outlet of the separation path 310 by extending in the form. That is, the path length of the separation path 310 can be maximized in a small space while a path extending meandering toward the center in a column shape and a path extending away from the center cross each other adjacently.
  • FIG. 9 schematically shows the inside of the separation path 310 according to an embodiment of the present invention.
  • Harmful substances which are organic compounds, are attached to the porous polymer by van der Waals forces.
  • the carrier gas 7 flows into the separation path 310 , the gaseous material 60 attached to the porous material 311 is separated from the porous material 311 by the force of the carrier gas 7 and separated from the porous material 311 by a predetermined distance. While flowing, it loses mobility and is again attached to the porous material 311 is repeated.
  • the gaseous material 60 Since the gaseous material 60 has a different mass and van der Waals force acting on the porous material 311 depending on its components, the gaseous material 60 of different components is the porous material 311 as shown in FIG. 9 .
  • the frequency and distance that it attaches to and then separates and flows are different from each other. That is, the gaseous material 60 moves with a different moving speed inside the separation path 310 depending on the component. For example, the moving speed of the second material 62 among the first material 61 indicated by a triangle and the second material 62 indicated by a circle is faster.
  • the separation path 310 since the separation path 310 has a long path reaching about 3 m, the movement distance of the gaseous material 60 injected into the inlet of the separation path 310 is equalized for each component while moving the long path. , and is aggregated for each component and flows out to the outlet of the separation path 310 . Since the gaseous material 60 has a different moving speed depending on the components, the gaseous material 60 is separated for each component and flows out to the outlet of the separation path 310 with a time difference. That is, only by traveling the harmful substances through the separation path 310 without applying electricity, etc., the gaseous substances 60 are separated for each component and flowed out with a time difference.
  • the porous material 311 may be coated on the separation path 310 before the first substrate and the second substrate are bonded, or may be coated by a gas flow method through a separate introduction pipe (not shown).
  • the sensor module 400 applies ultraviolet (UV) to the gaseous material 60 flowing out from the separation path 310 of the separation module 300 to generate a voltage due to electrons dissociated from the gaseous material 60 .
  • UV ultraviolet
  • PID photoionization method
  • the sampled gas mixture 6 pushed against the carrier gas 7 is introduced into the enrichment chamber 210 through a conduit 52 .
  • the gas introduced into the enrichment chamber 210 moves in the long direction of the enrichment chamber 210 .
  • the gaseous material 60 included in the gas mixture 6 is adsorbed to the adsorbent 212 filled in the concentration chamber 210 .
  • the high-concentration gaseous material 60 escaping from the enrichment chamber 210 is quickly introduced into the separation path 310 .
  • the concentration chamber 210 serves not only as a reservoir for condensing and storing harmful substances, but also as an injector capable of injecting highly concentrated hazardous substances into the separation path 310 .
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a process of separating and detecting the gaseous material 60 using the detection device 120 according to the present embodiment.
  • the gaseous material 60 in the separation path 310 has a different moving speed depending on its composition.
  • a time for exiting the separation path 310 may be obtained in advance according to a component of the gaseous material 60 .
  • the gas containing only isopropylantipyrine (IPA) could detect the corresponding substance in the sensor module 400 after about 20 seconds.
  • IPA isopropylantipyrine
  • the component of the gaseous substance is determined by checking the time when the potential value significantly increases through the sensor module 20 . It can be known, and the concentration of the gaseous material can also be obtained from the potential value.
  • FIG. 11 is a graph showing a detection result detected by the measurement system 10 when a plasma cleaning process is performed.
  • the component of the gaseous material detected at the time is already specified.
  • the material of the peak a is pyridine
  • the material of the peak b is butanediol.
  • the operator or the control unit of the system can check the component and concentration of the gaseous material 60 to be detected, so that the presence of residues on the cleaned wafer 3 can be continued.
  • concentration of the specific material is close to zero or lower than a predetermined reference value, it is determined that there is no residue in the cleaned wafer 3 , and the cleaning process may be terminated.
  • FIG. 12 is a schematic system diagram of a metrology system 10' according to a modification of the above embodiment.
  • the bypass pipe 30 is not formed, the exhaust pipe 20 is composed of an upstream exhaust pipe 21 and a downstream exhaust pipe 22, and the upstream exhaust pipe 21 and the downstream The difference is that the exhaust pipe 32 is selectively connected via a valve 40 disposed therebetween.
  • the upstream exhaust pipe 21 is connected to the first port 41 of the valve 40
  • the downstream exhaust pipe 22 is connected to the sixth port 46 of the valve 40 .
  • this modified example is different from the above embodiment in that the concentration module 200 is not disposed in the detection unit, but is disposed in the sampling unit 12 .
  • the concentration module 200 is disposed between the inlet portion 101 and the outlet portion 102 of the sampling unit 11 and in communication therewith.
  • the gaseous material 60 is discharged from the enrichment module 200 , and the gaseous material 60 is loaded on the carrier gas 7 to the detection unit 12 . ) to flow.
  • the gaseous material 60 sequentially flows to a separation module (not shown in FIG. 12 ) and a sensor module (not shown in FIG. 12 ) to separate and detect the gaseous material 60 by its components.

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Abstract

챔버 내에서 부품을 처리하여 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물을 발생시키는 처리 장치의 공정 상태를 계측할 수 있는 계측 시스템은, 상기 챔버로부터 상기 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물을 배기시키는 배기관에 선택적으로 연통하여, 소정 시간 또는 소정 용적 만큼 상기 배기관으로부터 가스 혼합물을 샘플링하는 샘플링부, 및 상기 샘플링부에 의해 샘플링된 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 성분 별로 분리 검출하는 검출부를 포함한다.

Description

공정 모니터링용 계측 시스템
본 개시는 계측 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 챔버 내에서 처리되는 부품(특히, 반도체 부품)에 대한 공정 완료도의 모니터링을 위한 계측 시스템에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에 있어서 웨이퍼 등의 반도체 부품의 표면을 처리하는 클리닝, 에칭 등의 과정은 제품의 수율, 정밀성 확보에 있어서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 일반적으로, 플라즈마, UV 오존을 활용하여, 반도체 부품의 클리닝, 에칭 공정 등을 수행하고 있다.
이러한 공정이 제대로 완료되었는지 웨이퍼의 상태를 확인하기 위해서는, 공정 완료 후 웨이퍼 표면 성분 분석 장비인 고가(수억~수십억)의 ToF(Time of Flight)-SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy) 방식을 이용하여 표면 성분을 분석하는 경우가 있다.
TOF-SIMS 방식은 일차이온으로 표면을 때리는 동안 방출하는 양이온 혹은 음이온을 분석하여 화학적 성분과 표면구조를 얻어내는 방식으로써 검출영역이 넓고 정밀성이 뛰어나지만, 해당 방식을 활용하기 위한 장치의 가격이 비싸고 소형화가 되지 않아서, 현장에서 탐지하는 데에는 한계가 있다. 또한, TOF-SIMS 방식을 활용하기 위해서는, 반도체 부품의 공정을 완료한 후, 반도체 부품에 대해서 검사를 수행하여야 하므로, 실시간 모니터링이 불가하다.
따라서, 실제 공정 중 진행 현황을 실시간으로 파악하여 맞춤형 최적 공정 제어가 불가능하다.
반도체 공정 중 실시간으로 공정 상태를 모니터링하는 장치로서, RGA(Residual Gas Analyzer)가 이용되는 경우가 있다. 하지만, RGA 역시 매우 고가이고, 가스 혼합물에 대한 분석이 불가하며, 고진공 챔버로 대상이 제한된다는 단점이 있다. RGA는 증착 공정에서 부분적으로 활용되고 있을 뿐이다.
이와 같이, 종래에는, 공정 중에, 에칭 또는 클리닝 공정 등 반도체 처리 공정의 주요 공정에서, 반도체 부품의 표면에 잔류 물질이 존재하는지에 대한 여부, 해당 공정에 사용되는 가스 상 물질의 제어 상태, 누출 여부 등을 실시간(in-situ) 방법으로 계측하는 장치는 기술적, 가격적 문제로 인하여 전무한 상태이다.
따라서, 반도체 부품의 제작 정밀도 및 수율 저하, 제조 단가 상승 등을 야기하므로 이에 대한 대응책이 절실한 상황이다.
본 개시는, 종래의 플라즈마 클리닝 장비 또는 식각 장비 등 반도체 처리 장치를 그대로 활용할 수 있고, 실시간(in-situ)으로 공정 현황을 파악할 수 있는 계측 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 내에서 부품을 처리하여 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물을 발생시키는 처리 장치의 공정 상태를 계측할 수 있는 계측 시스템은, 상기 챔버로부터 상기 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물을 배기시키는 배기관에 선택적으로 연통하여, 소정 시간 또는 소정 용적 만큼 상기 배기관으로부터 가스 혼합물을 샘플링하는 샘플링부, 및 상기 샘플링부에 의해 샘플링된 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 성분 별로 분리 검출하는 검출부를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 배기관에는 상기 배기관으로부터 분기하였다가 상기 배기관과 다시 접속되는 바이패스관이 연결되고, 상기 샘플링부는 상기 바이패스관에 선택적으로 연통하여 상기 배기관에 선택적으로 연통한다.
일 실시예에 따르면, 상기 바이패스관은 다중 포트 밸브를 통해 상류 바이패스관과 하류 바이패스관이 연결되어 형성되고, 상기 다중 포트 밸브는, 상기 상류 바이패스관과 상기 하류 바이패스관의 직접적인 연통을 차단하고, 상기 상류 바이패스관과 상기 샘플링부의 입구부를 연통시키고, 상기 하류 바이패스관과 상기 샘플링부의 출구부와 연통시키는 샘플링 연결 작동과, 상기 상류 바이패스관과 상기 하류 바이패스관을 직접 연통시키고, 상기 바이패스관과 상기 샘플링부의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 하도록 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 다중 포트 밸브는, 상기 샘플링 차단 작동 후 또는 상기 샘플링 차단 작동과 동시에, 상기 샘플링부의 출구부를 상기 검출부와 연통시키는 가스 전달 작동을 하도록 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 다중 포트 밸브는, 상기 가스 전달 작동시, 상기 샘플링부를 캐리어 가스 탱크와 연통시키고, 상기 캐리어 가스 탱크로부터 배출된 캐리어 가스에 의해 상기 가스 혼합물이 상기 검출부로 흐르도록 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 다중 포트 밸브는, 상기 가스 전달 작동 시 외에는, 상기 캐리어 가스 탱크와 상기 검출부를 연통시킨다.
일 실시예에 따르면, 상기 상류 바이패스관의 선단의 일부분은 상기 배기관의 내부로 삽입되어, 상기 배기관 내부를 흐르는 가스 혼합물의 일부를 상기 상류 바이패스관의 내부로 유도한다.
일 실시예에 따르면, 상기 배기관은 다중 포트 밸브를 통해 상류 배기관과 하류 배기관이 연결되어 형성되고, 상기 다중 포트 밸브는, 상기 상류 배기관과 상기 하류 배기관의 직접적인 연통을 차단하고, 상기 상류 배기관과 상기 샘플링부의 입구부를 연통시키고, 상기 하류 배기관과 상기 샘플링부의 출구부를 연통시키는 샘플링 연결 작동과, 상기 상류 배기관과 상기 하류 배기관을 직접 연통시키고, 상기 배기관과 상기 샘플링부의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 하도록 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 샘플링부는 소정의 용적만큼 상기 가스 혼합물을 저류할 수 있는 샘플러 모듈을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 검출부는, 상기 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 성분 별로 분리하는 분리 모듈과, 상기 분리 모듈로부터 유출되는 가스상 물질을 검출하는 센서 모듈을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리 모듈은, 상기 가스상 물질이 성분에 따라 내부에서 상이한 이동 속도를 가지고 이동하고, 성분 별로 분리되어 시간차를 가지고 유출되도록 하는 분리 경로를 포함하고, 상기 센서 모듈은 상기 분리 경로로부터 유출된 상기 가스상 물질이 감지되는 시간과 농도를 측정한다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리 경로는 정해진 공간 안에서 미로 형태로 구부러져 배치되는 컬럼 형태를 가진다.
일 실시예에 따르면, 상기 분리 경로의 내면에는 다공성 물질이 코팅되어 있고, 상기 가스상 물질은 상기 다공성 물질과 부착 및 분리를 반복하며 상기 분리 경로를 따라 유동한다.
일 실시예에 따르면, 상기 센서 모듈은 상기 분리 모듈로부터 유출되는 가스상 물질에 자외선을 인가하여 상기 가스상 물질로부터 해리되는 전자로 인한 전압 변화를 측정하여 해당 가스상 물질의 농도를 검출한다.
일 실시예에 따르면, 상기 계측 시스템은, 상기 샘플링부로 샘플링되는 상기 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 걸러 농축 저장하는 농축 모듈을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 농축 모듈은 상기 샘플링부 또는 상기 검출부 중 하나에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 상기 농축 모듈은, 농축 챔버와, 상기 농축 챔버 내에 충진된 상기 가스상 물질을 포집할 수 있는 흡착재를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 농축 챔버에는 상기 흡착재가 지지될 수 있는 복수의 기둥체가 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 농축 모듈, 상기 분리 모듈 및 상기 센서 모듈은 휴대 가능한 하나의 장치에 구성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 배기관에는 상기 챔버로부터 상기 가스 혼합물을 배출하기 위한 압력을 형성하는 펌프가 연결되고, 상기 샘플링부의 입구부와 출구부는 상기 챔버와 상기 펌프 사이에서 상기 배기관에 선택적으로 연통된다.
일 실시예에 따르면, 상기 배기관에는 상기 챔버로부터 상기 가스 혼합물을 배출하기 위한 압력을 형성하는 펌프가 연결되고, 상기 바이패스관은 그 입구와 출구가 상기 챔버와 상기 펌프 사이에서 상기 배기관에 연결된다.
일 실시예에 따르면, 상기 부품은 반도체 부품이고, 상기 처리 장치는 상기 반도체 부품에 대한 에칭 또는 클리닝 처리를 수행하는 반도체 처리 장치이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계측 시스템의 개략적인 시스템도이고, 계측 시스템의 작동을 순서대로 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 계측 시스템에서 배기관에 접속된 상류 바이패스 관의 접속 형태의 예들을 도시한 것이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출 장치의 개략적인 개념도이다.
도 7은 도 6의 검출 장치에 형성되는 농축 모듈의 확대도이다.
도 8은 도 6의 검출 장치에 결합되는 기판의 배면도이다.
도 9는 도 6의 검출 장치에 형성되는 분리 모듈의 내부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 도 6의 검출 장치를 이용해 가스상 물질을 분리 검출하는 과정을 간략히 정리하여 도시한 것이다.
도 11은 본 실시예에 따른 계측 시스템을 통해 검출한 검출 결과를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 변형예에 따른 계측 시스템의 개략적인 시스템도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
본 명세서에 기재된 "상류"란 하나의 경로에서 유체가 흘러오는 쪽을 의미하며, "하류"는 상류와 반대 쪽을 의미한다.
(실시예)
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 계측 시스템(10)의 개략적인 시스템도이고, 계측 시스템(10)의 작동을 순서대로 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 계측 시스템(10)은, 챔버 내에서 부품을 처리하여 가스상 물질(60)을 포함하는 가스 혼합물(6)을 발생시키는 처리 장치에서, 부품에 대한 공정 상태를 검출할 수 있는 계측 시스템이다.
<처리 장치(1)>
본 실시예에 따른 처리 장치(1)는 진공 상태의 챔버(9) 내에서 플라즈마 발생기(전극)(2)를 통해 반도체 부품인 웨이퍼(3)를 클리닝하는 플라즈마 클리닝 처리 공정을 수행하는 반도체 처리 장치이다.
플라즈마 클리닝 처리 공정이 시작되면, 외부의 클리닝 가스 탱크(5)로부터 진공 상태의 챔버(9) 내로 클리닝 가스(8)(예를 들어, O2)가 유입된다.
플라즈마 발생기(2)에 의해 발생한 플라즈마에 의해 이온화된 크리닝 가스(8)가 웨이퍼(3)의 표면의 화합물이 서로 반응하여 다양한 성분의 유기 화합물인 가스상 물질(60)이 발생한다.
가스상 물질(60)을 포함하는 가스 혼합물(6)은 챔버(9)와 연통된 배기관(20)을 통하여 외부로 배출된다. 배기관(20)의 하류 측에는 챔버(9) 내의 진공을 형성하고, 가스 혼합물(6)를 배출하기 위한 압력을 제공하기 위한 펌프(4)가 연결된다.
플라즈마 클리닝 처리 공정을 수행하기 위한 반도체 처리 장치의 구성은 공지되어 있으며, 여기서는 더 자세한 설명을 생략한다.
<계측 시스템(10)>
본 실시예에 따른 계측 시스템(10)은 처리 장치(1)에서 배출된 가스 혼합물(6)을 분석하여, 실질적으로 실시간으로 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)을 검출할 수 있도록 구성된다.
도 1을 참조하면, 계측 시스템(10)은 처리 장치(1)의 배기관(20)에 선택적으로 연통하여, 소정 시간 또는 소정 용적 만큼 배기관(20)으로부터 가스 혼합물(6)을 샘플링하는 샘플링부(11) 및 샘플링부(11)에 의해 샘플링된 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)을 분리 검출하는 검출부(12)를 포함한다.
본 실시예에 따른 샘플링부(11)는, 가스 혼합물(6)이 유입되는 입구부(101)와, 가스 혼합물(6)이 유출되는 출구부(102) 및 입구부(101)와 출구부(102) 사이에 배치되는 샘플러 모듈(103)을 포함한다.
입구부(101)와 출구부(102)는 긴 도관 형태를 가지며, 샘플러 모듈(103)은 도관 형태를 나선형으로 꼬아 형성한 형태를 가진다.
여기서, 샘플러 모듈(103)은 다른 형태로 대체 가능하므로 편의상 입구부(101) 및 출구부(102)와 구분하여 기재하였지만, 본 실시예 따른 샘플링부(11)는 하나의 도관에서 중간부를 나선형으로 꼬아 형성한 것이다.
나선형의 형태로 샘플러 모듈(103)을 형성함에 따라서, 샘플링부(11)에서 샘플링되는 가스 혼합물(6)의 용적을 증가시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 샘플링부(11)는 양 단부가 개방된 도관 형태로, 샘플링부(11)를 배기관(20)과 연통시킨 동안에는 도관 내부를 가스 혼합물(6)이 계속 유동하게 된다. 즉, 샘플링부(11)의 내부에는 항상 동일한 용적의 가스 혼합물(6)이 차있다.
따라서, 샘플링부(11)와 배기관(20)의 연통이 차단되면, 그 시점에 상관없이 샘플링부(11)의 내부에는 항상 동일한 용적의 가스 혼합물(6)이 샘플링된다.
본 실시예에 따른 검출부(12)는, 샘플링부(11)에서 샘플링된 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)을 걸러 농축 저장하는 농축 모듈(200)과, 농축 모듈(20)에서 농축된 가스상 물질(60)을 성분 별로 분리하는 분리 모듈(300)과, 분리 모듈(300)로부터 유출되는 가스상 물질(60)을 검출하는 센서 모듈(400)을 포함한다. 검출부(12)의 각각의 모듈에 대해서는 뒤에서 더 자세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 배기관(20)에는, 배기관(20)으로부터 분기하였다가 배기관(20)에 다시 접속되는 바이패스관(30)이 연결되어 있다. 본 실시예에 따르면, 바이패스관(30)의 직경은 샘플링부(11)의 직경과 실질적으로 동일하게 되어 있다.
본 실시예에 따르면, 샘플링부(11)는 바이패스관(30)에 선택적으로 연통하여 배기관(20)에 선택적으로 연통하게 된다.
본 실시예에 따르면, 바이패스관(30)은 그 입구와 출구가 챔버(9)와 펌프(4) 사이에서 배기관(20)에 연결된다. 즉, 샘플링부(11)는 펌프(4)의 상류측에서 배기관(20)에 연통된다.
이에 따라서, 펌프(4)로부터 토출되는 오일 성분 등에 의해 샘플링되는 가스 혼합물(6)이 오염되는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 비교적 구조 변경이 용이한 챔버(9)와 펌프(4) 사이의 배기관(20)을 바이패스관(30)을 설치하도록 교체함으로써, 기존의 처리 장치(1)에 쉽게 계측 시스템(10)을 적용할 수 있게 된다.
좀더 구체적으로, 바이패스관(30)은 배기관(20)에 접속되는 상류 바이패스관(31)과 하류 바이패스관(32)으로 구성되며, 상류 바이패스관(31)과 하류 바이패스관(32)은 그 사이에 배치된 다중 포트 밸브(이하, "밸브"라고도 한다)(40)를 통해 선택적으로 연결된다.
도 5a 및 도 5b는 배기관(20)에 접속된 상류 바이패스 관(31)의 접속 형태의 예를 도시한 것이다. 도 5a 및 도 5b에서는 상류 바이패스 관(31)과 배기관(20) 사이의 체결구 및 실링 부재 등은 도시 생략하였다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 상류 바이패스관(31)의 선단의 일부분(33)이 배기관(20)의 내부로 삽입되어 있다. 배기관(20)의 내부로 삽입된 선단의 일부분(33)은 상류 배이패스관(31)의 다른 부분과 마찬가지로 원통형의 관형이고, 그 팁이 배기관(20)의 상류측으로 구부러져 있다. 상류 바이패스관(31)의 팁에는 가스 혼합물(6)의 흐름 방향과 마주하도록 유입구(34)가 개구되어 있다. 유입구(34)의 위치는 상류 바이패스관(31)의 중앙에 위치하여도 좋고, 중앙에서 치우쳐 배치되어도 좋다.
유입구(34)가 가스 혼합물(60)의 흐름 방향과 마주하므로, 가스 혼합물(6)의 일부가 배기관(20)의 내부로 삽입된 선단의 일부분(33)에 의해 상류 바이패스관(31)의 내부로 유도된다. 배기관(20)을 통해 흐르는 가스 혼합물(6)은 그 유동 속도에 의해 상류 바이패스관(31) 내부로 유동한다(화살표 참조). 따라서, 본 실시예와 같이 챔버(9)의 압력이 극히 작은 경우에도, 압력차에 의해 가스 혼합물(6)이 상류 바이패스관(31)으로 유입되지 못하는 것을 방지할 수 있다.
다르게는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 배기관(20)의 내부로 삽입된 상류 바이패스관(31)의 선단의 일부분(33')은 배기관(20)의 상류측을 향해 부드럽게 구부러지는 텅(tongue) 형상이라도 좋다.
배기관(20)을 흐르는 가스 혼합물(6)의 일부가 텅 형상의 선단의 일부분(33')에 부딪히고, 부드러운 곡선면을 따라 배기상류 바이패스관(31)의 내부로 자연히 유도된다. 가스 혼합물(6)은 그 유동 속도에 의해 유입구(34')로 유입되어 상류 바이패스관(31) 내부로 유동한다(화살표 참조). 따라서, 본 실시예와 같이 챔버(9)의 압력이 극히 작은 경우에도, 압력차에 의해 가스 혼합물(6)이 상류 바이패스관(31)으로 유입되지 못하는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상류 바이패스관(31)의 선단의 일부가 배기관(20)의 내부로 삽입되어 있지만, 챔버(9)의 압력이 충분히 큰 경우, 상류 바이패스관(31)의 선단은 배기관(20) 내부로 삽입되지 않도록 하여도 좋다.
다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 밸브(40)는 제1 내지 제6 포트(41 내지 46)의 6 개의 포트를 구비하는 6 포트 밸브이다.
밸브(40)의 제1 포트(41)는 상류 바이패스관(31)의 출구와 접속되고, 제6 포트(46)는 하류 바이패스관(32)의 입구와 접속된다. 밸브(40)의 제2 포트(42)는 샘플링부(11)의 입구부(101)와 접속되고, 제5 포트(45)는 샘플링부(11)의 출구부(102)와 접속된다.
밸브(40)의 제3 포트(43)는 캐리어 가스 탱크(7)와 연결된 도관(51)과 접속되고, 밸브(40)의 제4 포트(44)는 농축 모듈(200)과 연결되는 도관(52)와 접속되어 있다.
농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 센서 모듈(400)은 서로 도관(53, 54)에 의해 연통되어 있다.
<계측 시스템(10)의 동작>
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 가스상 물질(60)을 계측하기 위한 계측 시스템(10)의 동작에 대해 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 처리 장치(1)에 의해 플라즈마 클리닝 처리 공정이 시작되면, 밸브(40)는 샘플링부(11)에 의해 가스 혼합물(6)을 샘플링하기 위해 샘플링 연결 작동을 수행한다.
구체적으로, 밸브(40)의 제어부(미도시)는, 샘플링 연결 작동 시, 제1 포트(41)와 제2 포트(42)를 연통시키고, 제5 포트(45)와 제6 포트(46)를 연통시킨다. 이 때, 제1 포트(41)와 제6 포트(46)는 연통이 차단되어 있다,
이에 따라서, 상류 바이패스관(31)과 하류 바이패스관(32)의 직접적인 연통은 차단되고, 상류 바이패스관(31)과 샘플링부(11)의 입구부(101)가 연통되고, 하류 바이패스관(32)과 샘플링부(11)의 출구부(102)가 연통된다.
밸브(40)가 샘플링 연결 작동되면, 배기관(20)을 흐르는 가스 혼합물(6)의 일부가 상류 바이패스관(31)을 통해 샘플링부(11)를 흐르고, 하류 바이패스관(32)을 통해 다시 배기관(20)으로 흐르게 된다.
본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 샘플링 연결 작동 시(후술하는 가스 전달 작동 시 외)에, 제3 포트(43)와 제4 포트(44)가 연통(즉, 캐리어 가스 탱크(70)와 검출부(12)가 연통)되어, 캐리어 가스 탱크(70)에서 캐리어 가스(예를 들어, N2 또는 H2)(7)가 검출부(12)를 향해 유동하도록 되어 있다. 이에 따라서, 캐리어 가스(7)에 의해 검출부(12)가 외기에 의해 오염되지 않은 청정한 분위기로 유지된다. 헬륨 등의 캐리어 가스는, 후술하는 다공성 폴리머나 유기 화합물과의 반응성이 매우 낮다.
소정의 시간이 경과하면, 밸브(40)의 제어부는, 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브(40)가 샘플링 차단 작동을 하도록 하여, 더 이상의 샘플링을 차단한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 샘플링 차단 작동 시, 제1 포트(41)와 제2 포트(42)의 연통이 차단되고, 제5 포트(45)와 제6 포트(46)의 연통이 차단된다. 이와 동시에, 제1 포트(41)와 제6 포트(46)가 연통된다.
이에 따라서, 샘플링부(11)의 내부에는 샘플링부(11)에 의해 정해진 용적만큼의 가스 혼합물(6)이 트랩된다.
한편, 제1 포트(41)와 제6 포트(46)가 연통되므로, 배기관(20)을 흐르는 가스 혼합물(6)의 일부는 상류 바이패스관(31)과 하류 바이패스관(32)을 통해 다시 배기관(20)으로 흐르게 된다.
본 실시예에 따르면 바이패스관(31)과 샘플링부(11)의 도관의 직경은 서로 실질적으로 동일하므로, 샘플링 연결 작동 상태에서 샘플링 차단 작동 상태로 순간적으로 전환되더라도, 배기관(20)으로부터 상류 바이패스관(31)으로 빠져 나가는 가스 혼합물(6)의 양은 거의 변화가 없게 된다.
일정한 양의 가스 혼합물(6)이 배기관(20)으로부터 바이패스되어 빠져나가던 상태에서 바이패스 경로가 갑자기 막히게 되면, 배기관(20) 내부에 압력에 의한 충격이 발생할 수 있다. 이러한 압력 충격에 의해, 펌프(4) 내지 처리 장치(1) 등에 악영향이 발생할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 샘플링 연결 작동 상태에서 샘플링 차단 작동 상태로 순간적으로 전환되더라도, 가스 혼합물(6)이 배기관(20)으로부터 여전히 일정량 바이패스하는 상태가 유지되므로, 급작스러운 압력 변동을 억제할 수 있다.
아울러, 가스 혼합물(6)의 샘플링을 수행하는 전 과정에서, 처리 장치(1)의 동작을 멈추지 않아도 되므로, 반도체 부품의 수율을 증가시킬 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 밸브(40)의 제어부는 샘플링 차단 작동 후 또는 동시에, 제3 포트(43)와 제4 포트(44)의 연통을 차단하고, 제4 포트(44)와 제5 포트(45)를 연통시키는 가스 전달 작동을 하게 한다. 즉, 가스 전달 작동이 수행되면, 샘플링부(11)의 출구부(102)가 검출부(12)와 연통된다.
검출부(12)의 하류에 설치된 별도의 펌프(미도시)에 의해 샘플링부(11)에 샘플링된 가스 혼합물(6)을 검출부(12)로 유동시켜도 좋지만, 본 실시예에 따르면, 가스 전달 작동 시, 제2 포트(42)와 제3 포트(43)도 연통시킨다. 따라서, 샘플링부(11)의 입구부(101)가 캐리어 가스 탱크(70)와 연통된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 샘플링된 가스 혼합물(6)은 캐리어 가스 탱크(70)로부터 배출되는 캐리어 가스(7)에 의해 밀려 검출부(12)로 흐르게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스 혼합물(6)은 농축 모듈(200)로 유동하고, 농축 모듈(200)에 의해 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)이 걸려져 농축 모듈(200) 내에 농축 저장된다.
그 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 농축 모듈(200) 등에 열 등의 에너지를 가하면, 농축 모듈(200)로부터 가스상 물질(60)이 배출되고, 가스상 물질(60)은 캐리어 가스(7)에 실려 분리 모듈(300)로 유동한다. 분리 모듈(300)은 가스상 물질(60)을 그 성분 별로 분리하여, 배출한다.
그 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 분리 모듈(300)에서 배출되는 가스상 물질(60)은 정속의 캐리어 가스(7)에 실려 센서 모듈(400)로 유동한다. 센서 모듈(400)이 도달한 가스상 물질(60)을 검출하게 된다.
<검출부(12)>
이하, 도 6 내지 도 11을 참조하여, 검출부(12)의 구성 및 검출부(12)에 의해 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)을 분리 검출하는 원리에 대해 설명한다.
본 실시예에 따르면, 검출부(12)를 구성하는 농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 센서 모듈(400)은 소형화 및 집적화되어 포터블(portable)한 형태로 구성되는 하나의 검출 장치(120)로 구성되어 있다.
도 6은 검출 장치(120)의 개략적인 개념도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 검출 장치(120)는 농축 모듈(200)과 분리 모듈(300)이 집적된 기판(122)과 센서 모듈(400)이 하나의 몸체(121)에 설치된 구조를 가진다. 몸체(121)의 내부에는 열선 및 센서 모듈(400)의 전원(미도시)과 센서 모듈(400)의 신호를 전송하는 통신 장치(미도시) 등이 내재되어 있다. 또한, 몸체(121) 내부에는 후술하는 각 가스상 물질(60)이 분리 경로(310)로 빠져나오는 시간에 대한 라이브러리 등의 정보를 저장하는 메모리와, 센서 모듈에서 검출된 정보를 라이브러리와 비교하여 결과를 도출하는 프로세서 등이 구비되어도 좋다. 아울러, 몸체(121)는 도출 결과를 작업자에게 통지하는 스피커 내지 액정 화면 등을 구비하여도 좋다. 다만, 위와 같은 메모리, 프로세서 등의 기능은 별도의 컴퓨터에 의해 수행되어도 좋고, 검출 장치(120)는 별도의 컴퓨터와 통신하여 센서 모듈에 의한 검출 결과를 컴퓨터로 보내 처리하도록 하여도 좋다.
기판(122)은 실리콘 재질의 판(제1 기판)과 유리 재질의 판(제2 기판)이 접합되어 형성된다.
본 실시예에 따르면, 농축 모듈(200), 분리 모듈(200) 및 그를 잇는 복수의 관로(52. 53)은 모두 제1 기판의 일 측면에 깊이 반응성 이온 식각(DRIE; deep reactive-ion etching) 공정을 이용해 깊이 식각되어 형성된다. 따라서, 나노 사이즈의 구조를 기판(122) 상에 정교하게 형성할 수 있어, 검출 장치(120)의 전체 크기를 소형화할 수 있다. 제1 기판 상에 농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 그를 잇는 복수의 관로(52. 53)를 오목홈 형태로 동시에 식각 형성하고, 제2 기판을 얹어 접합하여, 오목홈을 막아 상부가 폐쇄된 구조를 완성한다.
본 실시예에 따르면, 제1 기판과 제2 기판은 대기압 조건에서 전압에 의한 결합 방식인 양극 접합(anodic bonding)에 의해 서로 강하게 접합될 수 있다.
도 7은 본 실시예에 따른 농축 모듈(200)을 확대 도시한 것이다.
농축 모듈(200)은 그와 연결되는 관로에 비해 용적이 큰 공간으로 형성된 농축 챔버(210)를 포함한다.
농축 챔버(210)는 농축 챔버(210)의 단척(短尺) 방향으로 연장되는 마주하는 두 개의 단방향 측면과, 농축 챔버(210)의 장척(張尺) 방향으로 연장되는 마주하는 두 개의 장방향 측면을 포함하여, 대략 긴 다각형 형태를 가진다.
단방향 측면은 중심이 장방향 측면에서 멀어지도록 대략 "v"자로 구부려져 형성되며, 이에 따라 농축 챔버(210) 안에서의 유체의 유동이 균일하게 확산될 수 있다.
농축 챔버(210)의 하나의 단방향 측면의 중앙부에는 농축 챔버(210)와 연통하여 가스 혼합물(6)이 유입되는 입구 관로(52)가 형성된다. 농축 챔버(210)의 다른 단방향 측면의 중앙부에는 농축 챔버(210)로부터 가스가 빠져 나갈 수 있는 출구 관로(53)가 형성된다.
본 명세서에서 용어 "입구"와 "출구"는 해당 관로로 유체가 유출입할 수 있는 서로 다른 개구부를 의미하는 것을 의도한 것이며, 반드시 해당 관로에서 유체가 입구로 유입되어 출구로 유출되는 것만을 한정하지 않는다. 즉, 경우에 따라 해당 관로에서 유체는 출구로 유입되어 입구로 유출되는 경우가 있을 수 있다.
농축 챔버(210)의 내부에는 복수의 기둥체(211)가 일정 간격으로 배치된다. 깊이 반응성 이온 식각 공정을 이용하면, 농축 챔버(210)를 형성할 때 일부가 식각되지 않도록 함으로써 복수의 기둥체(211)를 농축 챔버(210) 내부에 형성할 수 있다.
농축 챔버(210)는 가스 혼합물(6) 중의 가스상 물질(60)을 걸러 농축 저장한다. 이를 위해, 농축 챔버(210)의 내부에는 가스상 물질(60)을 포집할 수 있는 흡착재(212)가 충진되어 있다. 흡착재(212)로는 예를 들어, 유기화합물인 가스상 물질(60)이 반데르발스 힘(van der Waals Force)에 의해 부착되어 포집될 수 있는 탄소 화합물과 같은 물질이 이용될 수 있다.
흡착재(212)는 제1 기판과 제2 기판을 접합하기 전에 미리 챔버(110) 내부에 충진될 수도 있고, 가스 이송 방식에 의해 농축 챔버(210) 내부에 충진될 수도 있다. 가스 이송 방식에 의하는 경우, 농축 챔버(210)로 연통되도록 별도의 도입관(미도시)이 형성되어도 좋다.
농축 챔버(210) 내부로 유입된 가스상 물질(60)은 흡착재(212)에 포집되어 농축 챔버(210) 내부에 농축 저장된다.
농축 챔버(210)에 농축 저장된 가스상 물질(60)을 다시 농축 챔버(210) 밖으로 유출시키기 위해서는, 흡착재(212)와 가스상 물질(60)의 결합을 끊어내야 하며, 이를 본 실시예에 따른 검출 장치(120)는 농축 챔버(210)에 열을 가하는 가열 장치를 구비한다.
도 8은 제1 기판의 배면을 도시한 것이다.
제1 기판의 배면에는 챔버 가열 장치로서, 전원을 인가하면 열을 발생시키는 열선(500)이 부착된다. 열선(500)은 농축 챔버(210)가 형성된 위치에 대응하여 제1 기판에 형성된다. 열선(500)은 전원을 연결할 수 있는 단자(503)를 구비한다. 열선(500)의 중앙에는 열선(500)에 의해 상승하는 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(502)가 구비될 수 있다.
열선(500)에 전원을 인가하여 열을 발생시킴으로써, 흡착재(212)와 가스상 물질(60)을 해리시킬 수 있는 열 에너지를 농축 챔버(210)에 선택적으로 가할 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 후술하는 분리 경로(310)의 내부에서의 반응성을 향상시키기 위해 분리 경로(310)에 선택적으로 열을 가하는 열선(600)이 분리 경로(310)의 위치에 대응하여 제1 기판의 배면에 형성될 수도 있다. 열선(600)의 양 단부에는 전원을 인가할 수 있는 단자(601)가 형성되어 있다.
이때, 열선(501)에 의해 가해지는 열이 실리콘의 제1 기판에 의해 전도되어 분리 경로(310) 등 인접 구성에 예기치 못하게 열을 가할 수 있다.
이러한 열 전도를 최대한 방지하기 위해, 본 실시예에 따르면, 열선(501) 주위를 따라 형성되며 제1기판을 완전히 관통하는 복수의 슬릿(311, 312, 313)이 형성된다.
농축 모듈(200)과 연통된 관로(53)는 분리 모듈(300)과 연통된다.
분리 모듈(300)은 길게 연장되는 분리 경로(310)를 포함한다. 분리 경로(310)는 단일의 유체 유동 경로를 형성하며, 분리 경로(310)로 유입된 가스상 물질(60)은 매우 긴 경로를 가지는 분리 경로(310)를 따라 이동하는 동안 성분 별로 분리되어 시간차를 가지고 분리 경로(310)로부터 유출된다.
본 실시예에 따르면, 분리 경로(310)가 유해물질을 분리하는데 충분한 긴 경로를 가지도록 하기 위해, 분리 경로(310)는 정해진 사각 공간 안에서 미로 형태로 구부러져 배치되는 단일 층의 컬럼을 형성하도록 배치된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 도관(53)과 유체 연통된 분리 경로(310)의 입구에서부터 분리 경로(310)는 사각의 공간의 중심까지 구부러지며 일종의 코일 형태로 연장되었다가, 중심에서 다시 코일 형태로 연장되어 분리 경로(310)의 출구까지 연장된다. 즉, 컬럼 형태로 그 중심을 향해 구불구불하게 연장되는 경로와 중심에서 다시 멀어지도록 연장되는 경로가 서로 인접하게 교차하면서, 분리 경로(310)의 경로 길이를 작은 공간 안에서 극대화시킬 수 있다.
도 6에는 도시의 편의를 위해, 인접한 경로가 충분히 이격되어 있지만, 인접 경로의 간격을 매우 조밀하게 형성한다.
경로의 간격을 매우 조밀하게 형성함으로써, 예를 들어, 단면적이 수 나노미터 수준의 분리 경로(310)가 약 3m에 걸쳐 연장되도록 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 경로(310)의 내부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 분리 경로(310)의 내면에는 가스상 물질(60)이 부착될 수 있는 다공성 물질(311)이 코팅되어 있다. 예를 들어, 다공성 물질(311)은 PDMS와 같은 다공성의 폴리머일 수 있다.
유기화합물인 유해물질(M)은 반데르발스 힘에 의해 다공성의 폴리머에 부착된다. 이때, 분리 경로(310) 내부로 캐리어 기체(7)가 흐르면, 캐리어 기체(7)의 힘에 의해 다공성 물질(311)에 부착되었던 가스상 물질(60)이 다공성 물질(311)로부터 분리되어 일정 거리를 유동하다가 이동성을 잃고 다시 다공성 물질(311)에 부착되는 일을 반복하게 된다.
가스상 물질(60)은 그 성분에 따라 그 질량과 다공성 물질(311)과 작용하는 반데르발스 힘이 상이하므로, 도 9에 도시된 바와 같이 상이한 성분의 가스상 물질(60)은 다공성 물질(311)에 부착되었다가 분리되어 유동하는 빈도와 거리가 서로 상이하다. 즉, 가스상 물질(60)은 성분에 따라 분리 경로(310) 내부에서 상이한 이동 속도를 가지고 이동하게 된다. 예를 들어, 세모로 표시된 제1 물질(61)과 동그라미로 표시된 제2 물질(62) 중 제2 물질(62)의 이동 속도가 더 빠르다.
본 실시예에 따르면, 분리 경로(310)는 약 3m에 달하는 긴 경로를 가지므로, 분리 경로(310)의 입구로 주입된 가스상 물질(60)은 긴 경로를 이동하는 동안 성분 별로 이동 거리가 평준화되어, 성분 별로 뭉쳐 분리 경로(310)의 출구로 유출된다. 가스상 물질(60)은 성분에 따라 상이한 이동 속도를 가지므로, 가스상 물질(60)은 성분 별로 분리되어 시간차를 가지고 분리 경로(310)의 출구로 유출된다. 즉, 전기를 인가하는 등의 작업 없이, 분리 경로(310)를 통해 유해물질을 여행시키는 것만으로, 가스상 물질(60)이 성분 별로 분리되어 시간차를 가지고 유출되는 것이다.
다공성 물질(311)은 제1 기판과 제2 기판이 접합되기 전에 분리 경로(310)에 코팅될 수도 있고, 별도의 도입관(미도시)를 통한 가스 유동 방식으로 코팅할 수도 있다.
분리 경로(310)의 출구를 순차적으로 빠져나간 가스상 물질(60)은 센서 모듈(400)에 의해 검출된다.
본 실시예에 따른 센서 모듈(400)은 분리 모듈(300)의 분리 경로(310)로부터 유출되는 가스상 물질(60)에 자외선(UV)을 인가하여 가스상 물질(60)로부터 해리되는 전자로 인한 전압 변화를 측정하는 광이온화 방식(PID) 센서이다. 구체적으로, 유기화합물과 같은 물질에 UV를 조사하면 전자가 빠져나오면서 전위가 발생하게 된다.
해당 물질의 농도가 클수록 검출되는 전위값은 높게 되므로, 이를 통해 해당 물질이 농도를 계산할 수 있다.
캐리어 가스(7)에 밀려 샘플링된 가스 혼합물(6)이 도관(52)을 통해 농축 챔버(210)로 유입된다. 농축 챔버(210) 내로 유입된 가스는 농축 챔버(210)의 장척 방향으로 이동한다. 이 과정에서 농축 챔버(210) 내부에 충진된 흡착재(212)에 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)이 흡착된다.
소정 시간 동안 농축 챔버(210)에 가스상 물질(60)을 농축한 후, 열선(500)에 전원을 인가하여 농축 챔버(210)에 열을 가한다. 가해지는 열 에너지에 의해 농축 챔버(210) 내부에 농축 저장되어 있던 가스상 물질(60)은 흡착재(212)로부터 분리되고, 농축 챔버(210) 내부를 거쳐 유동하는 캐리어 가스(7)에 실려 농축 챔버(210)로부터 빠져나간다. 가스상 물질(60)을 수반한 캐리어 가스(7)는 분리 경로(310)로 유동한다.
농축 챔버(210)로부터 빠져나간 고농도의 가스상 물질(60)은 분리 경로(310)로 순식간에 유입된다.
즉, 본 실시예에 따른 농축 챔버(210)는 유해물질을 농축 저장하는 리저버(reservoir) 뿐 아니라, 고농축 유해물질을 분리 경로(310)로 주입할 수 있는 인젝터(injector)의 역할도 수행한다.
도 10은 본 실시예에 따른 검출 장치(120)를 이용해 가스상 물질(60)을 분리 검출하는 과정을 간략히 정리하여 도시한 것이다.
상술한 바와 같이, 분리 경로(310) 내에서 가스상 물질(60)은 그 성분에 따라 상이한 이동 속도를 가진다.
실험을 통해, 가스상 물질(60)의 성분에 따라 분리 경로(310)를 빠져나오는 시간을 미리 획득할 수 있다.
예를 들어, 이소프로필안티피린(IPA)만을 함유한 가스는 약 20초 후에 센서 모듈(400)에서 해당 물질을 검출할 수 있었다. 이와 같은 방식으로, 예상할 수 있는 가스상 물질(60) 각각에 대해 실험을 진행할 수 있으며, 각 가스상 물질(60)이 분리 경로(310)로 빠져나오는 시간에 대한 라이브러리를 생성할 수 있다.
상이한 성분의 가스상 물질(61, 62, 63, 64)은 순차적으로 분리 경로(310)를 통해 유출되므로, 센서 모듈(20)을 통해 전위 값이 현저히 증가하는 시간을 확인함으로써 해당 가스상 물질의 성분을 알 수 있고, 전위 값을 통해 해당 가스상 물질의 농도도 구할 수 있다.
도 11은 플라즈마 클리닝 처리를 수행하였을 때, 계측 시스템(10)을 통해 검출한 검출 결과를 도시한 그래프이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 소정의 시간에 전위값이 급격히 증가하는 날카로운 피크가 발생한 것을 확인할 수 있다.
해당 시간에 검출되는 가스상 물질의 성분은 이미 특정되어 있다, 예를 들어, a 피크의 물질은 피리딘(Pyridine)이고, b 피크의 물질은 부타네디올(Butanediol) 등이다.
또한, 해당 가스상 물질의 성분에 의한 전위값을 통해 어떤 성분의 가스상 물질(60)이 처리 장치(1)에서 배출되는 가스 혼합물(6)에 얼마나 포함되어 있는지를 분석할 수 있게 된다.
작업자 또는 시스템의 제어부는 검출되는 가스상 물질(60)의 성분과 농도를 확인하여, 클리닝된 웨이퍼(3)에 잔류물의 존재 여부를 계속 확인할 수 있다. 특정 물질의 농도가 0에 가깝거나 소정의 기준치를 하회하면, 클리닝된 웨이퍼(3)에 잔류물이 존재하지 않는다고 판단하여, 클리닝 처리 작업을 종료할 수 있다.
이와 같은 구성에 따르면, 플라즈마 클리닝 공정을 계속 수행하는 상태(in-situ)에서도 처리 장치(1)에서 배출되는 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)의 존재와 농도를 확인하여 잔류물의 존재 여부를 확인할 수 있다. 따라서, 공정을 종료하고, 웨이퍼를 별도의 장치로 검사한 후 기준 미달의 경우, 다시 클리닝 공정을 재차 수행하는 과정을 생략할 수 있으므로, 반도체 부품의 수율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 샘플링 시간, 가스상 물질(60)의 농축 모듈에서의 탈착 시간 및 분리 시간을 합해도, 처리 장치(1)를 중단하고 웨이퍼를 옮겨 검사한 후 다시 처리하는 시간에 비해 극히 짧으므로, 실질적으로 "실시간"으로 웨이퍼의 처리 상태를 검사할 수 있게 된다.
(변형예)
도 12는 상기 실시예의 변형예에 따른 계측 시스템(10')의 개략적인 시스템도이다.
본 변형예는, 상기 실시예와 비교하여, 바이패스관(30)이 형성되지 않고, 배기관(20)이 상류 배기관(21)과 하류 배기관(22)으로 구성되며, 상류 배기관(21)과 하류 배기관(32)이 그 사이에 배치된 밸브(40)를 통해 선택적으로 연결된다는 점에서 차이가 있다. 상류 배기관(21)이 밸브(40)의 제1 포트(41)에 접속되고, 하류 배기관(22)이 밸브(40)의 제6 포트(46)에 접속된다.
또한, 본 변형예는, 상기 실시예와 비교하여, 농축 모듈(200)이 검출부에 배치되지 않고, 샘플링부(12)에 배치된다는 점에서 차이가 있다. 농축 모듈(200)은 샘플링부(11)의 입구부(101)와 출구부(102) 사이에서 그와 연통하여 배치되어 있다.
본 변형예에 따르면, 샘플링부(11)의 입구부(101)와 출구부(102)는 챔버(9)와 펌프(4) 사이에서 배기관(20)에 선택적으로 연통된다. 이에 따라서, 펌프(4)로부터 토출되는 오일 등에 의해 샘플링되는 가스 혼합물(6)이 오염되는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 비교적 구조 변경이 용이한 챔버(9)와 펌프(4) 사이의 배기관(20)을 바이패스관(30)을 설치하도록 교체함으로써, 기존의 처리 장치(1)에 쉽게 계측 시스템(10)을 적용할 수 있게 된다.
밸브(40)의 샘플링 연결 작동 시, 제1 포트(41)와 제2 포트(42)를 연통시키고, 제5 포트(45)와 제6 포트(46)를 연통시킨다. 이 때, 제1 포트(41)와 제6 포트(46)는 연통이 차단된다.
이에 따라서, 상류 배기관(21)과 하류 배기관(22)의 직접적인 연통은 차단되고, 상류 배기관(21)과 샘플링부(11)의 입구부(101)가 연통되고, 하류 배기관(22)과 샘플링부(11)의 출구부(102)가 연통된다.
즉, 밸브(40)가 샘플링 연결 작동되면, 모든 가스 혼합물(6)의 경로가 샘플링부(11)를 경유하도록 된다.
샘플링부(11)를 경유하는 가스 혼합물(6)은 농축 모듈(200)을 통과하고, 가스 혼합물(6)에 포함된 가스상 물질(60)이 농축 모듈(200)에 의해 걸려져 그 내부에 농축된다.
상술한 실시예에서 샘플링부(11)는 소정 용적만큼 가스 혼합물(6)을 샘플링한다고 한다면, 본 변형예에서는 농축 모듈(200)에 가스상 물질(60)이 충분히 농축되도록, 샘플링부(11)는 소정 시간 동안 가스 혼합물(6)을 샘플링하도록 작동이 제어된다.
소정 시간 경과 후, 밸브(40)의 포트 접속을 변경하여, 상류 배기관(21)과 하류 배기관(22)을 직접 연통시키고, 배기관(20)과 샘플링부(11)의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 한다.
또한, 밸브(40)의 제어부는 샘플링 차단 작동 후 또는 동시에, 제3 포트(43)와 제4 포트(44)의 연통을 차단하고, 제4 포트(44)와 제5 포트(45)를 연통시키고, 제2 포트(42)와 제3 포트(43)도 연통시키는 가스 전달 작동을 하게 한다.
가스 전달 작동 상태에서, 농축 모듈(200) 등에 열 등의 에너지를 가하면, 농축 모듈(200)로부터 가스상 물질(60)이 배출되고, 가스상 물질(60)은 캐리어 가스(7)에 실려 검출부(12)로 유동한다.
가스상 물질(60)은 분리 모듈(도 12에 미도시)와 센서 모듈(도 12에는 미도시)로 차례로 유동하여, 가스상 물질(60)을 그 성분 별로 분리하여 검출한다.
본 변형예는 바이패스관과 별도의 샘플러 모듈을 설치할 공간이 부족하거나, 샘플링부(11)의 용적이 대응하는 배기관의 용적과 비슷하여, 압력 변동에 따른 영향이 적은 경우, 유용하게 적용할 수 있다.
(그 밖의 실시예)
상술한 실시예에서는, 처리 장치(1)가 웨이퍼의 플라즈마 클리닝 처리 장치인 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다. 처리 장치(1)는 UV 오존 기반의 클리닝 장치여도 좋다.
또한, 처리 장치(1)는 플라즈마, UV 오존 기반의 웨이퍼의 에칭 처리 장치여도 좋다. 에칭 방식은 건식이어도 좋고, 습식이어도 좋다.
또한, 처리되는 부품은 웨이퍼가 아닌 다른 반도체 부품이어도 좋고, 반드체 부품이 아니어도 좋다. 챔버 내에서 반응 기체와 부품의 반응에 의해 기체 혼합물을 발생하는 공정이라면, 어떠한 공정에라도 본 실시예에 따른 계측 시스템(10)을 적용할 수 있다.
또한, 상기 실시예에 따르면, 검출부(12)가 휴대 가능한 하나의 검출 장치(120)로 구성되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 검출부(12)의 농축 모듈(200), 분리 모듈(300) 및 센서 모듈(400)은 별도의 장치로 구성되어도 좋고, 각각의 장치는 반드시 휴대 가능하게 소형화되지 않아도 좋다.
또한, 상기 실시예에 따르면, 센서 모듈(400)에 PID 방식의 센서가 사용되지만, 수소용 이온화 검출기법(FID)를 이용한 센서가 이용되어도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 나선형 도관을 이용한 샘플러(103)가 이용되고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 소정의 용적만큼 가스 혼합물(6)을 일시 저류할 수 있다면, 예를 들어 단순히 직선 도관 형태나 샘플 백(bag) 등도 샘플러로 이용될 수 있다.
또한, 상기 실시예에 따르면, 샘플링부(11)와 검출부(12)가 유체 연통되어 있지만, 이에 한정되지 않는다. 샘플링부(11)에 의해 샘플링을 수행한 후, 샘플링부(11)를 분리해 옮겨, 다른 장소의 검출부(12)와 연결시키는 구성이라도 좋다.

Claims (22)

  1. 챔버 내에서 부품을 처리하여 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물을 발생시키는 처리 장치의 공정 상태를 계측할 수 있는 계측 시스템으로서,
    상기 챔버로부터 상기 가스상 물질을 포함하는 가스 혼합물을 배기시키는 배기관에 선택적으로 연통하여, 소정 시간 또는 소정 용적 만큼 상기 배기관으로부터 가스 혼합물을 샘플링하는 샘플링부, 및
    상기 샘플링부에 의해 샘플링된 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 성분 별로 분리 검출하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기관에는 상기 배기관으로부터 분기하였다가 상기 배기관과 다시 접속되는 바이패스관이 연결되고,
    상기 샘플링부는 상기 바이패스관에 선택적으로 연통하여 상기 배기관에 선택적으로 연통하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이패스관은 다중 포트 밸브를 통해 상류 바이패스관과 하류 바이패스관이 연결되어 형성되고,
    상기 다중 포트 밸브는,
    상기 상류 바이패스관과 상기 하류 바이패스관의 직접적인 연통을 차단하고, 상기 상류 바이패스관과 상기 샘플링부의 입구부를 연통시키고, 상기 하류 바이패스관과 상기 샘플링부의 출구부와 연통시키는 샘플링 연결 작동과,
    상기 상류 바이패스관과 상기 하류 바이패스관을 직접 연통시키고, 상기 바이패스관과 상기 샘플링부의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다중 포트 밸브는,
    상기 샘플링 차단 작동 후 또는 상기 샘플링 차단 작동과 동시에,
    상기 샘플링부의 출구부를 상기 검출부와 연통시키는 가스 전달 작동을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다중 포트 밸브는, 상기 가스 전달 작동시, 상기 샘플링부를 캐리어 가스 탱크와 연통시키고,
    상기 캐리어 가스 탱크로부터 배출된 캐리어 가스에 의해 상기 가스 혼합물이 상기 검출부로 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다중 포트 밸브는, 상기 가스 전달 작동 시 외에는, 상기 캐리어 가스 탱크와 상기 검출부를 연통시키는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 상류 바이패스관의 선단의 일부분은 상기 배기관의 내부로 삽입되어, 상기 배기관 내부를 흐르는 가스 혼합물의 일부를 상기 상류 바이패스관의 내부로 유도하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배기관은 다중 포트 밸브를 통해 상류 배기관과 하류 배기관이 연결되어 형성되고,
    상기 다중 포트 밸브는,
    상기 상류 배기관과 상기 하류 배기관의 직접적인 연통을 차단하고, 상기 상류 배기관과 상기 샘플링부의 입구부를 연통시키고, 상기 하류 배기관과 상기 샘플링부의 출구부를 연통시키는 샘플링 연결 작동과,
    상기 상류 배기관과 상기 하류 배기관을 직접 연통시키고, 상기 배기관과 상기 샘플링부의 연통을 차단하는 샘플링 차단 작동을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링부는 소정의 용적만큼 상기 가스 혼합물을 저류할 수 있는 샘플러 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는,
    상기 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 성분 별로 분리하는 분리 모듈과,
    상기 분리 모듈로부터 유출되는 가스상 물질을 검출하는 센서 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분리 모듈은,
    상기 가스상 물질이 성분에 따라 내부에서 상이한 이동 속도를 가지고 이동하고, 성분 별로 분리되어 시간차를 가지고 유출되도록 하는 분리 경로를 포함하고,
    상기 센서 모듈은 상기 분리 경로로부터 유출된 상기 가스상 물질이 감지되는 시간과 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분리 경로는 정해진 공간 안에서 미로 형태로 구부러져 배치되는 컬럼 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 분리 경로의 내면에는 다공성 물질이 코팅되어 있고,
    상기 가스상 물질은 상기 다공성 물질과 부착 및 분리를 반복하며 상기 분리 경로를 따라 유동하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 센서 모듈은 상기 분리 모듈로부터 유출되는 가스상 물질에 자외선을 인가하여 상기 가스상 물질로부터 해리되는 전자로 인한 전압 변화를 측정하여 해당 가스상 물질의 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링부로 샘플링되는 상기 가스 혼합물에 포함된 가스상 물질을 걸러 농축 저장하는 농축 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 농축 모듈은 상기 샘플링부 또는 상기 검출부 중 하나에 배치되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 농축 모듈은,
    농축 챔버와, 상기 농축 챔버 내에 충진된 상기 가스상 물질을 포집할 수 있는 흡착재를 포함하는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 농축 챔버에는 상기 흡착재가 지지될 수 있는 복수의 기둥체가 형성된 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 농축 모듈, 상기 분리 모듈 및 상기 센서 모듈은 휴대 가능한 하나의 장치에 구성되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 배기관에는 상기 챔버로부터 상기 가스 혼합물을 배출하기 위한 압력을 형성하는 펌프가 연결되고,
    상기 샘플링부의 입구부와 출구부는 상기 챔버와 상기 펌프 사이에서 상기 배기관에 선택적으로 연통되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  21. 제2항에 있어서,
    상기 배기관에는 상기 챔버로부터 상기 가스 혼합물을 배출하기 위한 압력을 형성하는 펌프가 연결되고,
    상기 바이패스관은 그 입구와 출구가 상기 챔버와 상기 펌프 사이에서 상기 배기관에 연결되는 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 부품은 반도체 부품이고,
    상기 처리 장치는 상기 반도체 부품에 대한 에칭 또는 클리닝 처리를 수행하는 반도체 처리 장치인 것을 특징으로 하는 계측 시스템.
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