기판의 온도를 결정하는 장치 및 방법 document_id A220623107497

기판 처리에서, 예를 들면, 반도체 기판이나 평판 디스플레이 제작에서 쓰이는 유리 패널에서, 플라즈마가 자주 사용된다. 기판 처리의 일부로서, 예를 들면, 기판은 다수의 다이나, 직사각형 면적으로 나눠 지고, 각 부분은 집적회로가 될 것이다. 그 후, 기판은 물질이 선택적으로 제거 (에칭) 되고 증착되는 일련의 단계에 의해 처리된다. 목표 게이트 길이 각각의 나노미터 편차는 이런 디바이스의 동작 속도를 직접적으로 변화시킬 수도 있으므로, 대략 수 나노미터의 트랜지스터 게이트 임계 치수 (CD : Critical Dimension) 제어가 가장 우선순위다. 그 다음, 경화 에멀젼 영역이 선택적으로 제거되면, 하부 레이어의 컴포넌트가 노출된다. 그 다음, 기판은 척 (chuck) 이나 페데스탈 (pedestal) 이라고 불리는, 단극 전극이나 양극 전극을 구비하는 기판 지지 구조상의 플라즈마 처리 챔버에 놓여 진다. 그 다음, 적절한 에천트 소스 (etchant source) 가 챔버로 유입되고, 점화되어 기판의 노출된 영역을 에칭하기 위해서 플라즈마를 형성한다. 그러나, 이런 그리고 다른 플라즈마 처리에서, 챔버 잔여물 축적, 플라즈마가 챔버 구조에 손상을 일으키는 것 등으로 인해 플라즈마 처리 시스템에서의 처리 조건이 동적일 수도 있기 때문에 공정을 모니터링하는 것은 종종 어렵다. 예를 들어, 플라즈마 처리 장치에서 기판의 플라즈마 처리의 균일성을 증진시키기 위해서, 에칭이 일어나고, 물질이 증착되며 (예를 들어, CVD 또는 PVD 기술에 의해), 및/또는 포토레지스트가 제거되는, 기판의 노출된 표면의 온도를 제어하는 것이 바람직하다. 만약 기판의 온도가 일정 온도를 초과할 경우, 기판 손상 (예를 들어, 포토레지스트 손상) 이 일어날 수 있고, 온도-의존 화학 반응이 달라질 수 있다. 또한, 기판 온도는 기판 표면상의 폴리-불화-탄소 (poly-fluoro-carbon) 와 같은, 폴리메릭 (polymeric) 필름의 증착율을 변경하여 플라즈마 선택성에 상당하게 영향을 미칠 수도 있다. 주의 깊은 모니터링은 편차를 최소화할 수도 있고, 다른 파라미터를 위한 더 넓은 처리 윈도우를 허용할 수도 있고, 처리 제어를 개선시킬 수도 있다. 그러나, 실제로 플라즈마 처리에 영향을 미치지 않고 인시츄 (in-situ) 온도를 직접적으로 결정하는 것은 어려울 수도 있다. 그러므로 기판을 물리적으로 접촉하지 않는 간접 온도 측정 (ITM : indirect temperature measurement) 디바이스가 선호된다. 그러나, 몇몇의 ITM 디바이스에서는 근접한 다른 구조들 (예를 들어, 척 등) 로부터 전달되는 열 에너지를 기판의 온도와 충분히 차단하는 것이 불가능할 수도 있다. 예를 들어, 열전대 (thermocouple) 는 척에 부착될 수도 있고, 그 결과로, 척은 기판과 열 접촉 한다. 척은, 기판과 다른 축열제이고, 역시 다른 온도일 수도 있다. 그러므로, ITM 디바이스는 일반적으로 특정 처리 방법의 특정 기판 구성에서는 교정되어야만 한다. 반대로, 다른 ITM 디바이스는 기판을 열적으로 차단할 수도 있으나, 그것들은 측정된 온도에 영향을 미칠 기판들 사이의 물리적 편차에 민감하다. 그러므로, 이러한 ITM 디바이스도 교정되어야 한다. 예를 들어, 전자기 고온계 (pyrometer) 는 기판 온도와 상관될 수도 있는 기판의 방출된 방사 (예를 들어, 포토 루미네센스 (photoluminescence)) 의 강도를 측정하는데 사용될 수도 있다. 일반적으로, 기판은 어떤 주파수의 전자기 방사를 흡수할 수도 있고, 그 후 기판의 특정 구조, 구성, 및 품질에 따라 다른 주파수의 방사를 내보낼 수도 있다. 교정에는 일반적으로 여러 가지 방법이 있다. 특히 한 방법은 ITM 디바이스로부터 측정된 제 1 기판의 인시츄 온도와, 더 정확한 교정 디바이스에 의해 측정된 같은 기판의 제 2 온도를 비교하는 것을 포함한다. 그러나, 일반적으로 교정 디바이스의 일부분이 기판과 물리적으로 접촉되어야 하는데, 교정 디바이스가 일반적으로 표준 기판 처리에 알맞지 않기 때문에, 권장되지 않는다. 예를 들어, 특정 공정에서 특정 기판 구성 배치 (batch) 를 처리하기 전에, 교정 디바이스에 의해 ITM 디바이스가 교정된다. 일단 교정이 일어나면, 표준 기판 처리가 시작된다. 인광 온도 측정 장치 (thermometry) 는 일반적으로 ITM 디바이스를 교정하는데 사용된다. 우선, 광 (전자기 방사) 을 제 1 파장 범위내에서 무기 인광 물질에 투과시키고, 그 다음, 제 2 파장 범위내에서 형광 반응의 감쇠율을 측정하여, 인광 물질, 및 이에 따라서 인광 물질이 위치된 기판의 온도가 결정될 수 있다. 다시, 인광 물질이 기판에 물리적으로 접촉해야하므로, 인광 온도 측정 장치는 일반적으로 기판 제조의 사용에 권장되지 않는다. 일반적으로, 인광 물질은 미량 원소가 도핑된 미세한 가루이며, 미량 원소는 짧은 파장의 광 (자외선이나 청색광) 에 의해 여기될 때, 긴 파장의 광을 낸다. 세라믹 인광 물질은 일반적으로 플라즈마 처리 챔버에서 선호되는데 매우 높은 온도에 대한 그들의 내성 때문이다. 세라믹 인광 물질은 일반적으로 무기성, 비-금속성, 결정질이다 (예를 들어, Eu, Dy 또는 Tm 이 도핑된 Y3A15O12 (YAG), Eu 또는 유사한 희토류 화합물이 도핑된 Y2O3). 교정 기판의 경우에는, 일반적으로 척을 대면하는 기판의 일면에, 인광 입자가 부착될 수도 있고, 척 안의 캐비티 (cavity) 에 위치되는 레이저/센서 결합에 의해 발광할 수도 있다. 일반적으로, 교정 기판은 인광 입자가 위치하는 기판 표면상에 특수한 노치 (notch) 를 가질 수도 있다. 어떤 구성에서는, 인광 입자는 바인더 (binder) 물질을 사용하여 기판에 직접적으로 부착된다. 페인트와 같이, 바인더는 균일한 밀도와 응결뿐만 아니라, 기판 표면과의 결합을 인광 입자에 제공하는 경향이 있는 물질이다. 다른 구성에서는, 인광 입자는 차례로 기판에 부착되어 있는 패치 (patch) 에 내장되어 있다. 일반적으로, 정전기력에 의해 기판을 척 위에 고정하는 척킹 처리와 간섭되는 것을 방지하기 위해서, 바인더와 결합되거나, 인광 패치에 놓여 지는 인광입자는 노치의 오목한 위치에 놓여 진다. 도 1 을 참조하면, 기판 제조에서 쓰이는 일반적인 인광 물질 온도 측정 장치의 구성이 도시된다. 일반적으로 척 (116) 위에 위치한, 반도체 기판이나 유리판 (glass pane) 과 같은, 기판 (114) 의 노출된 부분의 처리 (예를 들어, 에칭 또는 증착) 를 위해서, 적당한 가스 세트는 플라즈마 (110) 를 만들기 위해 유입되고 이온화된다. 기판 (114) 은 전술한 인광 물질 (140) 로 더 구성된다. 또한, 광섬유 센서/투과기 (142) 는 레이저가 인광 물질 (140) 로 투과될 수도 있고, 형광 반응의 결과를 측정할 수 있도록 위치될 수도 있다. 또한, 관측된 형광 반응을 기록하고 대략적인 기판 온도와 상관할 수 있는 데이터 획득 및 분석 디바이스 (144) 는, 센서/투과기 (142) 에 결합될 수도 있다. 도 2 를 참조하면, 인광 물질 온도 측정 장치가 용량 결합된 (capacitively coupled) 플라즈마 처리 시스템의 간략화된 도면이 도시된다. 일반적으로, 용량 결합된 플라즈마 처리 시스템은 하나의 또는 여러 개의 분리된 RF 파워 소스로 구성될 수도 있다. RF 생성기 (134) 에 의해 생성된, RF 소스는 용량 결합을 통하여 플라즈마 밀도를 제어할 뿐만 아니라 플라즈마를 생성하기 위해 일반적으로 사용된다. RF 바이어스 생성기 (138) 에 의해 생성된, RF 바이어스는 일반적으로 DC 바이어스와 이온 충돌 (ion bombardment) 에너지를 제어하기 위해 사용된다. 또, 매칭 네트워크 (matching network ; 136) 는 RF 생성기 (134) 와 RF 바이어스 생성기 (138) 에 결합되고, 매칭 네트워크 (136) 는 RF 파워 소스의 임피던스와 플라즈마 (110) 의 임피던스를 매칭시키려고 시도한다. 다른 형태의 용량성 반응기는 RF 파워 소스 및 상부전극 (104) 과 연결되어 있는 매칭 네트워크를 가진다. 또한, 유사 RF 와 전극 배치를 따르는 3극 진공관 (triode) 과 같은 다중-애노드 (anode) 시스템도 있다. 일반적으로, 적절한 가스 세트는 상부전극 (104) 의 인렛 (inlet) 을 통해 가스 분배 시스템 (122) 에서부터 플라즈마 챔버 벽 (117) 을 가지는 플라즈마 챔버 (102) 로 유입된다. 그 다음, 전극으로도 사용될 수 있는 척 (116) 상의 에지링 (edge ring ; 115) 과 함께 위치한, 반도체 기판 또는 유리판과 같은 기판 (114) 의 노출된 영역을 처리하기 위하여 (예를 들어, 에칭 또는 증착), 이러한 플라즈마 처리 가스는 플라즈마 (110) 를 형성하도록 이온화될 수도 있다. 부가적으로, 이러한 광 섬유 센서/투과기 (142) 가 레이저를 인광 물질 (140) 을 통하여 전달하고, 형광 반응의 결과를 측정할 수 있도록, 척 (116) 은 또한 캐비티로 구성될 수도 있다. 또한, 벨브 (112) 및 펌프 세트 (111) 를 포함하는 진공 시스템 (113) 은 플라즈마 (110) 를 유지시키는데 요구되는 압력을 얻기 위해서 플라즈마 챔버 (102) 로부터의 공기를 빼내기 위해 일반적으로 사용된다. 부가적으로, 플라즈마가 정화될 때 온도의 평형을 이루기 위하여 어떤 종류의 냉각 시스템 (미도시) 은 척 (116) 과 결합 된다. 냉각 시스템은 보통 척 안의 캐비티를 통해 냉각제를 주입하는 냉각장치와, 척과 기판 사이에서 주입되는 헬륨가스를 포함한다. 발생된 열을 제거하는 것에 부가하여, 헬륨가스는 냉각 시스템이 열 손실을 빠르게 제어하게 한다. 즉, 헬륨 압력을 증가시켜 열 전도율이 증가 된다. 일반적으로, 즉발 (prompt) 형광 감쇠 시간 는 온도 함수에 의해 변화되며 다음과 같이 정의될 수 있다: ( 식1 ) I 는 형광 광도 (light intensity) (-), I0 는 초기 형광 광도 (-), t는 여기가 정지된 때부터의 시간 (s), 그리고 는 즉발 형광 감쇠 시간 (s)이다. 형광 광도의 단위는 임의다. 광의 강도를 초기 값의 e-1 (36.8%) 로 줄이는데 걸리는 시간은 즉발 형광 감쇠 시간에 의해 정의될 수도 있다 (Advances In High Temperature Phosphor Thermometry For Aerospace Applications, by S.W. Allison et. al., American Institute of Aeronautics And Astronautics, p.2 참조). 도 3 을 참조하면, 각각의 인광물질의 주요 방출 라인에 대하여 0o K 에서 1900oK 온도 범위에서 안정된 인광 물질의 감쇠 수명의 개략도를 도시한다 (Fiber Optic Temperature Sensor for PEM Fuel Cells, by S.W. Allison, Oak Ridge National Laboratory, U.S. Department of Energy, p.7 참조). 도 4 를 참조하면, 실리콘 접착제와 같은 바인더로 인광 입자가 기판 표면에 부착된 기판의 간략한 도면이 도시된다. 전술한 바와 같이, 인광 입자는, 일반적으로 플라즈마 (112) 에서 먼 쪽의 기판 표면 위에 위치한 노치 (406) 에 있는 바인더 물질 (140a) 를 사용하여 기판 (108) 에 직접적으로 부착될 수도 있다. 이 예에서는, (수직축을 따른) 높이 (404) 가 약 0.006 인치이고, (수평축을 따른) 너비 (402) 는 0.25 인치이다. 도 5 를 참조하면, 인광 패치가 있는 기판의 간략한 도면이 도시된다. 전술한 바와 같이, 인광 패치 (140b) 는, 일반적으로 플라즈마 (112) 와 먼 쪽의 기판 표면 위에 위치한 노치 (406) 내에서 열 전도의 실리콘 접착제 (505) 를 사용하여 기판 (108) 에 직접적으로 부착될 수도 있다. 비록 일반적으로 기판과 척 사이에 차폐되어 있어도, 기판 노치의 세라믹 입자는 여전히 노출될 수도 있고 플라즈마에 의해 에칭될 수도 있다. 플라즈마 처리에 의해 생성된 다른 유기적이고 무기적인 부산물과 자유롭게 결합하여, 비-휘발성의 세라믹 입자는 플라즈마 챔버의 내부 표면에 증착될 수도 있다. 이러한 부산물은 결국 벗겨져 기판 결함의 민감도를 증가시킬 수도 있고, 클리닝 사이의 평균 시간 (MTBC ; mean time between cleaning) 을 줄일 수도 있고, 수율을 줄이는 등의 결과를 낼 수도 있다. 전술한 바를 고려하여, 플라즈마 챔버 오염을 최소화하면서 기판의 온도를 결정하는 장치 및 방법이 요구된다.