본 연구에서는 새롭게 개발된 센서인 in-situ particle monitor (ISPM)와 기존센서의 기능을 업그레이드 한 센서인 self-plasma optical emission spectroscopy (SPOES)를 이용해 화학기상증착 진공공정을 진단하였다. 본 연구에서 사용된 증착공정 장비는 silane 가스를 이용한 silicon plasma enhanced chemical vapor deposition과 borophosphosilicate glass 증착장비이다. 두 장비의 증착 또는 클리닝 조건에서의 배출되는 오염입자와 배기가스를 개발된 센서를 이용해 공정상태를 실시간으로 진단하는 것과 개발된 센서의 센싱 능력을 검증하고자 하는 목적으로 연구가 진행되었다. 개발된 센서는 장비 배기구 설치되었으며, 공정압력, 유량, 플라즈마 파워 등의 공정변수 변화에 따른 오염입자 크기 및 분포와 배기 부산물의 변화를 측정하고, 측정 결과의 상호 연관성을 분석하였다.
본 연구에서는 새롭게 개발된 센서인 in-situ particle monitor (ISPM)와 기존센서의 기능을 업그레이드 한 센서인 self-plasma optical emission spectroscopy (SPOES)를 이용해 화학기상증착 진공공정을 진단하였다. 본 연구에서 사용된 증착공정 장비는 silane 가스를 이용한 silicon plasma enhanced chemical vapor deposition과 borophosphosilicate glass 증착장비이다. 두 장비의 증착 또는 클리닝 조건에서의 배출되는 오염입자와 배기가스를 개발된 센서를 이용해 공정상태를 실시간으로 진단하는 것과 개발된 센서의 센싱 능력을 검증하고자 하는 목적으로 연구가 진행되었다. 개발된 센서는 장비 배기구 설치되었으며, 공정압력, 유량, 플라즈마 파워 등의 공정변수 변화에 따른 오염입자 크기 및 분포와 배기 부산물의 변화를 측정하고, 측정 결과의 상호 연관성을 분석하였다.
The diagnosis studies of the process of chemical vapor deposition were carried out by using in-situ particle monitor (ISPM) and self-plasma optical emission spectroscopy (SPOES). We used the two kinds of equipments such as the silicon plasma enhanced chemical vapor deposition system with silane gas ...
The diagnosis studies of the process of chemical vapor deposition were carried out by using in-situ particle monitor (ISPM) and self-plasma optical emission spectroscopy (SPOES). We used the two kinds of equipments such as the silicon plasma enhanced chemical vapor deposition system with silane gas and the borophosphosilicate glass depositon system for monitoring. Using two sensors, we tried to verify the diagnostic and in-situ sensing ability of by-product gases and contaminant particles at the deposition and cleaning steps. The processes were controlled as a function of precess temperature, operating pressure, plasma power, etc. and two sensors were installed at the exhaust line and contiguous with each other. the correlation of data (by-product species and particles) measured by sensors were also investigated.
The diagnosis studies of the process of chemical vapor deposition were carried out by using in-situ particle monitor (ISPM) and self-plasma optical emission spectroscopy (SPOES). We used the two kinds of equipments such as the silicon plasma enhanced chemical vapor deposition system with silane gas and the borophosphosilicate glass depositon system for monitoring. Using two sensors, we tried to verify the diagnostic and in-situ sensing ability of by-product gases and contaminant particles at the deposition and cleaning steps. The processes were controlled as a function of precess temperature, operating pressure, plasma power, etc. and two sensors were installed at the exhaust line and contiguous with each other. the correlation of data (by-product species and particles) measured by sensors were also investigated.
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문제 정의
SPOES의경우 기존 센서보다 챔버 임피던스 메칭을 개선하여 기존 전극 대비 약 3배 정도 효율을 개선하여 챔버 내 균일한 plasma 방전 및 열에 의한 연결 안정성 확보를 하였다. 두 종류의 센서를 활용하여 다양한 공정 조건에서의 입자 분포 변화를 실시간으로 모니터링한 결과와 챔버로부터 배출 되는 배기 부산물을 모니터링한 결과를 비교 분석하여 상호 연관성을 찾고자 노력하였다.
BPSG 장비의 경우 증착 완료 후 플라즈마를 이용해 내부 클리닝을 수행하는데 이는 장비 재현성에 있어 가장 중요한 단계이다. 본 연구에서는 SPOES를 활용해 클리닝 단계의 신뢰성 및 재현성을 측정해보았다. 측정결과를 볼 때 매번 같은 스펙트럼을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 새롭게 개발된 ISPM과 이렇게 센서의 기능을 업그레이드한 SPOES를 이용하여 공정을 진단하고 개발된 센서들의 효용성을 검증하고자 하였다. SPOES의경우 기존 센서보다 챔버 임피던스 메칭을 개선하여 기존 전극 대비 약 3배 정도 효율을 개선하여 챔버 내 균일한 plasma 방전 및 열에 의한 연결 안정성 확보를 하였다.
지금까지의 결과는 표준연에서 보유하고 있는 PECVD 장비의 진단결과이다. 본 연구에서는 연구용 장비 진단뿐만 아니라 양산장비 평가에서도 개발된 센서의 유용성을 검증하기 위해 양산용 장비인 나노종합팹센터에서 보유하고 있는 BPSG 장비에도 센서를 부착해 공정상태를 측정하였다.
제안 방법
Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 초기 약 60초 동안 오염입자가 발생하지 않는 이유는 공정주기인 purge 단계와 측정단계의 짧은 주기 차이로 인해 나타나는 현상으로 초기 60초 이후의 데이터를 가지고 입자의 변화를 확인 하였다. SiH4 유량을 15에서 20 sccm으로 증가시켰을 때는 오염입자 발생수의 급격한 증가를 확인할 수 있었다.
두 센서는 서로 인접하게 위아래로 붙어 있다. ISPM의경우 측정의 용이성 때문에 배관 중간에 삽입하는 형태로 개발되었으며, SPOES의 배관라인에 샘플추출포트를 제작하여 그 곳에 설치되었다.
이러한 진단을 통해 장비 상태와 공정진행 상태를 실시간으로 확인할 수 있었다. 공정변수(압력, 유량, 플라즈마파워, 가스 종류 등) 변화에 따른 센서 측정능력을 확인하고 결과를 분석하였다. 측정결과 화학소스의 유량이 증가할수록 발생하는 오염입자수는 증가하였지만 플라즈마 파워가 증가할수록 발생하는 오염입자 크기는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험에서는 두 가지 종류의 증착시스템을 사용하여 센서 능력을 검증하였다. 첫 번째 장비는 표준연 진공센터에서 보유하고 있는 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) 장비(Fig.
본 연구에서는 새롭게 개발된 ISPM과 구동압력범위, 측정속도, 오염 내성 등을 업그레이드한 SPOES를 이용해 PECVD와 BPSG 공정을 진단하였다. 이러한 진단을 통해 장비 상태와 공정진행 상태를 실시간으로 확인할 수 있었다.
센서의 성능검증 및 공정진단을 위해 각 장비의 배기구에 ISPM과 SPOES를 설치하고 공정 변수에 따른 측정결과를 수집하였다. 설치된 모습은 Fig.
9999%), SiH4를 사용하였다. 챔버는 루츠펌프와 로터리 진공펌프를 사용하여 감압시켰으며, 챔버내 압력은 CDG (capacitance diaphragm gauge, MKS Instruments) 압력센서로 측정하였다.
표준연에서 보유하고 있는 PECVD 장비의 공정 변수는 공정압력, 유량, 플라즈마 파워, 화학소스 종류 등 이며 각각의 조건에서 발생되는 오염입자를 크기 및 분포와 반응후 배출되는 배기 부산물의 종류를 ISPM과 SPOES 장비를 이용하여 측정하였다. 일정한 기체 유량을 진공챔버로 공급 하기 위해 MFC (mass flow controller)를 사용하였으며, 반응기체로는 초고순도 Ar (99.
대상 데이터
표준연에서 보유하고 있는 PECVD 장비의 공정 변수는 공정압력, 유량, 플라즈마 파워, 화학소스 종류 등 이며 각각의 조건에서 발생되는 오염입자를 크기 및 분포와 반응후 배출되는 배기 부산물의 종류를 ISPM과 SPOES 장비를 이용하여 측정하였다. 일정한 기체 유량을 진공챔버로 공급 하기 위해 MFC (mass flow controller)를 사용하였으며, 반응기체로는 초고순도 Ar (99.9999%), SiH4를 사용하였다. 챔버는 루츠펌프와 로터리 진공펌프를 사용하여 감압시켰으며, 챔버내 압력은 CDG (capacitance diaphragm gauge, MKS Instruments) 압력센서로 측정하였다.
성능/효과
본 연구에서는 새롭게 개발된 ISPM과 이렇게 센서의 기능을 업그레이드한 SPOES를 이용하여 공정을 진단하고 개발된 센서들의 효용성을 검증하고자 하였다. SPOES의경우 기존 센서보다 챔버 임피던스 메칭을 개선하여 기존 전극 대비 약 3배 정도 효율을 개선하여 챔버 내 균일한 plasma 방전 및 열에 의한 연결 안정성 확보를 하였다. 두 종류의 센서를 활용하여 다양한 공정 조건에서의 입자 분포 변화를 실시간으로 모니터링한 결과와 챔버로부터 배출 되는 배기 부산물을 모니터링한 결과를 비교 분석하여 상호 연관성을 찾고자 노력하였다.
또한 화학소스(SiH4)의 유량 증가에 따른 상대적 Si와 H 피크강도가 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 두종류의 센서에서 측정된 결과를 비교 분석한 결과 반응부산물 중 산소의 양이 증가하는 순간 입자크기 및 발생량이 같이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 산소가 입자생성에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.
SPOES를 활용해서는 재현성 있게 공정상태를 진단할 수있었다. 또한 화학소스(SiH4)의 유량 증가에 따른 상대적 Si와 H 피크강도가 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 두종류의 센서에서 측정된 결과를 비교 분석한 결과 반응부산물 중 산소의 양이 증가하는 순간 입자크기 및 발생량이 같이 증가하는 것을 확인하였다.
10은 두 가지 센서에서 측정된 결과를 상호 비교한 결과이다. 이 결과에서 알 수 있듯이 SPOES에서 측정된 산소피크의 강도가 높아지면 오염입자의 발생량도 많아지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 산소가 입자의 발생 및 크기 제어 메커니즘에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.
idle 단계 즉 SiH4를 주입하지 않을 때는 Si와 H 관련 피크들이 보이지 않는다. 이는 SiH4의 유량조절이 정확히 되어지고 있고 장비가 최적의 상태임을 간접적으로 확인할 수 있으며 SPOES를 활용해 공정안정성 및 신뢰성도 진단할 수 있음도 확인할 수 있었다. 지금까지의 결과는 표준연에서 보유하고 있는 PECVD 장비의 진단결과이다.
다른 공정 변수인 플라즈마 파워의 증가(100에서 200 W)는 총 측정 입자수는 약간 증가하였지만 특이하게도 생성된 입자크기는 작아지는 것을 알 수있었다. 이로부터 유량의 증가는 입자수를 변화시키고 플라즈마 파워는 입자크기에 변화를 준다는 것을 확인할 수 있었다.
전체적인 공정 조건은 SiH4 유량 10∼30 sccm, 공정 압력은 0.5∼5 Torr, 플라즈마 파워는 100∼500 W 범위에서 변화시키면서 실험을 진행하였으며, 압력과 플라즈마 파워에 따른 오염입자 발생량을 확인할 수 있었다.
이러한 공정변화 측정결과는 증착 장비에 유입되는 가스의 종류를 실시간으로 측정할 수 있다는 것을 의미하고 센서의 유용성이 높다는 것을 확인시켜준 결과라고 생각된다. 정량적으로는 SiH4 유량 증가 시 Si (252.5 nm) 피크강도가 약 500 증가한 측정 데이터 값을 얻을 수 있었고, H (486.1 nm) 피크 강도는 약 19,000 증가하였다.
증착과 클리닝 단계 모두 상당히 재현성 있는 결과를 얻음을 알 수 있다. 증착단계에서 발생하는 부산물의 양이 클리닝 공정에서 발생하는 부산물 양보다 월등히 많은 것을 간접적으로 확인할 수 있으며 증착단계에서도 가스 주입 및 압력조절 등의 조건변화에 따라 측정되는 스펙트럼도 같이 연동하여 변화하는 것을 알 수 있다.
공정변수(압력, 유량, 플라즈마파워, 가스 종류 등) 변화에 따른 센서 측정능력을 확인하고 결과를 분석하였다. 측정결과 화학소스의 유량이 증가할수록 발생하는 오염입자수는 증가하였지만 플라즈마 파워가 증가할수록 발생하는 오염입자 크기는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. SPOES를 활용해서는 재현성 있게 공정상태를 진단할 수있었다.
후속연구
이러한 연구를 통해 센서 기반 공정진단 기술을 발전하게 되고 이는 장비 및 생산되는 소자 신뢰성도 함께 높일 수 있는 방법이라고 생각 된다. 앞으로 다양한 센서를 통합적으로 운용할 수 있는 toolbox의 개발도 연구할 예정이다.
CVD, ALD, etcher 등의 공정에 적용되어 새로운 대안으로 급부상하고 있는 실정이다. 이를 이용해 fault detection, cleaning end point detection 등의 기능으로 반도체 및 디스플레이 제조 공정의 이상 상태 감지 및 공정최적화에 사용될 수 있을 것으로 기대된다 [7-9].
이는 산소가 입자의 발생 및 크기 제어 메커니즘에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 이와 같이 두종류 센서의 결과를 상호 비교 분석한다면 실시간 공정진단과 증착 또는 식각 메커니즘도 규명할 수 있을 것으로 기대한다.
입자 크기는 측정구간은 4구간으로 나누었다. 지금은 4구간으로 다소 넓게 구간을 나눠 측정값을 보여주지만 추후 측정 알고리즘이나 표준입자 교정을 통해 더욱 정교하게 나누거나 더 넓은 신뢰구간을 제시할 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
생산 환경의 오염제어에서 보편적으로 사용되고 있는 오염 입자 측정 방법은 무엇인가?
반도체 칩의 생산수율을 향상시키기 위하여 생산 환경의 오염제어에 대한 연구가 다양하게 이루어지고 있다. 현재 보편적으로 사용되는 입자 측정 방법은 공정 후 반도체 웨이퍼 표면상의 입자를 측정할 수 있는 light scattering원리를 가진 surface scanner 방법이다. 반도체 제조공정 중입자오염을 모니터링하기 위해서는 입자의 광학적 빛 산란 방식의 in-situ particle monitor (ISPM)이 더 유용하게 사용 될 수 있으며 가격 경쟁력이 높다 [2,3].
실시간 측정 진단 기술 개발은 어떤 기술인가?
실시간 측정 진단 기술 개발은 CVD (chemical vapor deposition), etcher 등 주요 장비 개발 및 공정 최적화에 공동으로 필요한 기반 기술이며, 반도체 소자업체와 반도체용 장비 부품 업체는 디스플레이 태양전지 생산시스템까지 기술 파급 효과가 큰 원천기술이다.
본 연구에서 사용한 증착공정 장비는 무엇인가?
본 연구에서는 새롭게 개발된 센서인 in-situ particle monitor (ISPM)와 기존센서의 기능을 업그레이드 한 센서인 self-plasma optical emission spectroscopy (SPOES)를 이용해 화학기상증착 진공공정을 진단하였다. 본 연구에서 사용된 증착공정 장비는 silane 가스를 이용한 silicon plasma enhanced chemical vapor deposition과 borophosphosilicate glass 증착장비이다. 두 장비의 증착 또는 클리닝 조건에서의 배출되는 오염입자와 배기가스를 개발된 센서를 이용해 공정상태를 실시간으로 진단하는 것과 개발된 센서의 센싱 능력을 검증하고자 하는 목적으로 연구가 진행되었다.
참고문헌 (9)
J. F. O'Hanlon and H. G. Parks, J. Vac. Sci. Technol. A 10, 1863 (1992).
A theory for multiresolution signal decomposition : the wavelet representation, IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 11, 674-693, (1989).
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