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KR102499008B1 - 인라인 입자 센서 - Google Patents

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KR102499008B1
KR102499008B1 KR1020207029645A KR20207029645A KR102499008B1 KR 102499008 B1 KR102499008 B1 KR 102499008B1 KR 1020207029645 A KR1020207029645 A KR 1020207029645A KR 20207029645 A KR20207029645 A KR 20207029645A KR 102499008 B1 KR102499008 B1 KR 102499008B1
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펠릭스 제이. 슈다
페리스 제이. 첸
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사이버옵틱스 코포레이션
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Abstract

인라인 입자 센서(100)는 피팅(122)의 구멍 내에 장착하도록 구성된 원통형 형상 센서 헤드(120)를 포함하고, 센서 헤드(120)는 밀봉되고 감지 볼륨으로부터 분리되고 감지 볼륨을 통하여 레이저 빔을 방출하도록 구성된 레이저 공급원(308) 및 레이저 빔을 통과하는 감지 볼륨 내의 입자를 탐지하도록 배열된 탐지기(310)를 포함한다. 인라인 입자 센서(100)는 센서 헤드(120)에 결합되고, 탐지기(310)로부터 입자를 나타내는 신호를 수신하고 그 신호에 기반한 입자 출력을 제공하도록 구성된 전자부품(302)을 더 포함한다.

Description

인라인 입자 센서
본 발명은 반도체 웨이퍼 공정의 다양한 단계 동안에 입자성 물질을 모니터하는 감지 수단에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼의 제조 과정 동안에, 웨이퍼가 노출되는 다수의 도구 및 공정이 있다. 이러한 각각의 단계 중에, 처리 조건에 의하여 발생할 수 있는 잠재적 결함이 존재하고, 이는 웨이퍼의 표면상에 증착되는 미시적(microscopic) 입자 때문에 최종적인 집적 회로 소자의 수율을 저하할 수 있다. 이는 각각의 웨이퍼가 수십 개 또는 심지어 수백 개의 집적 회로 소자를 위한 회로를 포함할 수 있고, 하나의 웨이퍼 손실은 수백 또는 수천 달러 가치의 파편을 야기할 수 있기 때문에 중요하다. 따라서, 반도체 웨이퍼 처리 공정의 다양한 단계 동안에 적은 양의 입자성 물질을 모니터하는 매우 민감한 감지(sensing) 수단을 채용하는 것이 중요하다.
본 발명은 인라인 입자 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 인라인 입자 센서는 감지 볼륨을 통하여 빔을 방출하도록 구성된 레이저 공급원 및 감지 볼륨을 통과하는 입자로부터 산란되는 레이저 빛을 탐지하도록 배열된 탐지기(detector)를 포함하고, 피팅(fitting) 의 구멍(bore) 내에 장착하도록 구성된 원통형 형상 센서 헤드(head)를 포함한다. 인라인 입자 센서는 또한 센서 헤드에 결합되고, 탐지기로부터 입자를 나타내는 신호를 수신하도록 구성된 전자부품(electronics)을 포함한다. 전자부품은 탐지된 입자의 존재를 나타내는 출력을 생성한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 인라인 입자 센서 시스템은 진공 펌프, 진공 펌프 라인, 반도체 웨이퍼 처리 챔버 및 진공 펌프 및 웨이퍼 처리 챔버 사이에 진공 펌프 라인에 유체적으로(fluidically) 결합된 피팅을 포함한다. 인라인 입자 센서 시스템은 또한 피팅에 결합되고, 센서 시스템 내에서 입자의 특성을 감지하고 입자의 특성을 나타내는 센서 신호를 생성하도록 구성된 인라인 입자 센서; 및 진공 입자 센서에 결합되고, 센서 신호를 수신하고 그 센서 신호에 기반하여 입자 출력을 생성하도록 구성된 전자부품을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 인라인 입자 센서 시스템은 처리 챔버, 처리 챔버에 결합되고 처리 챔버로부터 진공 펌프 라인으로 유체가 흐르도록 구성된 진공 펌프 라인, 진공 펌프 라인에 결합된 제1 진공 펌프, 진공 펌프 라인에 결합된 제2 진공 펌프, 제1 및 제2 진공 펌프 사이 그리고 제1 및 제2 진공 펌프의 어느 하나와 처리 챔버 사이에 진공 펌프 라인에 유체적으로 결합된 피팅을 포함한다. 인라인 입자 센서 시스템은 또한 피팅에 결합되고, 센서 시스템 내에서 입자의 특성을 감지하고 입자의 특성을 나타내는 센서 신호를 생성하도록 구성된 인라인 입자 센서; 및 센서에 결합되고 센서 신호를 수신하고 그 센서 신호에 기반하여 입자 출력을 결정하도록 구성된 전자부품을 포함한다.
본 발명의 인라인 입자 센서는 사용자가 메인 챔버 또는 펌프 라인 내의 입자를 모니터하여 언제 입자가 생성되는지 볼 수 있도록 하는 진단 센서로서 제공된다. 사용자는 공정의 단계에 따른 센서 출력에서 입자 파열 또는 다른 적합한 탐지 패턴을 서로 관련시킴으로써 더 쉽고 효과적으로 문제를 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 처리 환경에서 작동하는 인라인 입자 감지 시스템의 구성요소의 대략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인라인 입자 센서의 대략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인라인 입자 센서의 대략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인라인 입자 센서의 대략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인라인 입자 센서의 블록도이다.
반도체 웨이퍼 공정은 처리 챔버 내부의 입자 오염에 자주 민감하다. 입자 물질은 챔버 내부의 기계적인 요소로부터 또는 다른 공급원으로부터 생긴다. 아래에 기재하는 바와 같이, 인라인 입자 센서는 사용자가 메인 챔버 또는 펌프 라인 내의 입자를 모니터하여 언제 입자가 생성되는지 볼 수 있도록 하는 진단 센서로서 제공된다. 사용자는 공정의 단계에 따른 센서 출력에서 입자 파열 또는 다른 적합한 탐지 패턴을 서로 관련시킴으로써 더 쉽고 효과적으로 문제를 진단할 수 있다.
특히 하나의 도전 방법은 극자외(extreme ultraviolet; EUV) 리소그래피이다. 극자외(EUV)에서, 플라즈마는 약 13.5 나노미터의 파장을 갖는 빛으로 전환된다. 이어서, 이 빛은 수개의 거울을 튀고(bounce off) 웨이퍼에 충돌한다. 극자외(EUV)는 5-나노미터 규모 아래로 처리하는 것을 가능하게 한다. 알고 있는 바와 같이, 시스템에서 어떠한 입자 또는 불순물의 효과는 인쇄된 부분이 작아지는 것에 비하여 증대된다. 극자외(EUV) 방법 자체는 원하지 않는 입자 물질의 공급원이 될 수 있다.
아래에 기재된 실시예는 일반적으로 진공 시스템에, 메인 챔버 내에 또는 진공 펌프의 하나에 삽입 가능하게 구성된 광학 입자 센서를 제공한다. 본 발명에 개시된 실시예의 중요한 관점은 다음을 포함한다; 센서가 쉽게 진공 시스템에 삽입 및 제거될 수 있고; 센서가 어떻게 펌프 라인, 특히 저 진공 및 고 진공 펌프 사이의 라인에 삽입되어, 센서가 메인 챔버에서 생성된 입자 물질을 잠재적으로 감지할 수 있는 지; 감지 영역(sensing region)에서 레이저 빔의 형상 및 배열이 산란된 집광(light collection)의 배열과 협동하여 어떻게 개개의 입자의 탐지를 최대화하는 지; 그리고 센서가 고-출력, 짧은 파장(청(blue) 또는 UV와 같은) 레이저를 사용하여 어떻게 더 큰 그리고 더 적은 입자를 감지할 수 있는 지.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 처리 환경에서 작동하는 인라인 입자 감지 시스템의 구성요소의 대략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 인라인 입자 센서는 피팅(101)에 결합되고, 처리 챔버(104)와 진공 펌프(106) 사이에 진공 펌프 라인(102) 상에 유체적으로 삽입된다(interposed). 일 실시예에서, 라인(102)은 처리 챔버를 위한 수소 배출 라인이다. 일 특정 실시예에서, 라인(102)은 약 17 Pa 압력에서 2.73 Pa ㎥/s 유속(flow rate)으로 수소 배출을 운반한다. 도시된 바와 같이, 인라인 입자 센서(100)는 처리 챔버(104)의 외부에 그리고 진공 펌프(106)의 앞에 위치한다. 그러나, 센서가 처리 챔버(104) 또는 다른 적합한 반도체 처리 도구/환경에 장착되는 실시예가 실현될 수도 있다. 또한 센서(100)는 고 진공 펌프 및 저 진공 펌프 사이의 진공 라인 상에 유체적으로 삽입될 수 있다. 다른 실시예에서, 인라인 입자 센서는 저 진공 펌프에서 대기압의 배출 라인에 위치할 수 있다.
센서(100)는 제어기(108)에 통신하여 결합된다. 제어기(108)는 센서(100)로부터의 신호 정보를 수집하고 저장하고, 라인(102)을 통하여 흐르는 입자에 대한 질적 및 양적 정보를 나타내는 출력을 제공하기 위하여 신호 정보를 처리한다. 또한 제어기(108)는 반도체 도구(예를 들어 처리 챔버(104))와 관련한 입자 흐름의 더 많은 표시를 얻기 위하여 다른 배출 라인 또는 유체 도관(conduits)에 배치된 몇몇의 추가적인 인라인 입자 센서에 물리적으로 또는 무선으로 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 제어기(108)는 12개의 별개의 인라인 입자 센서(100)에 연결하도록 구성된다. 추가적인 센서는 다른 라인에 결합될 수 있고 그리고/또는 복수 인라인 입자 센서는 동일 라인(102)에 결합될 수 있다. 이 경우에, 복수의 센서는 흐름 라인의 단면적이 다른 영역에서의 입자를 탐지하도록 배치된 그들의 감지 영역을 갖을 수 있다. 예를 들어, 제1 입자 센서는 라인(102)의 흐름 영역의 전반부의 많은 부분을 감지할 수 있고, 제1 입자 센서에 인접하여 위치한 제2 입자 센서는 흐름 영역의 후반부의 많은 부분을 감지할 수 있다. 이러한 시스템은 라인에서의 입자 존재의 완전한 감지를 가능하게 하여 단일의 크고 더 복잡한 감지 구조를 요구하지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인라인 입자 센서의 대략도이다. 센서(100)는 표준 KF50 십자 피팅(122)과 같은 표준 피팅 내에 맞도록 크기 및 형상화된 레이저 감지 헤드(120)를 포함한다. 피팅(122)은 스테인리스 스틸 및 알루미늄을 포함하는 임의의 적합한 물질로 형성될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 일 실시예에서, 감지 헤드(120)는 약 140 mm의 길이를 갖고 피팅(122)의 다리(leg)(124) 내로 실제적으로 연장한다. 가스 흐름에서 원하지 않는 입자의 매우 작은 밀도는 불량 처리 조건을 나타낼 수 있고, 가능한 한 가스와 입자 흐름의 대부분을 포획하는 감지 볼륨을 가져야 한다. 일 실시예에서, 감지 헤드(120)는 독특한 레이저 공급원 광학요소 및 산란된 빛 탐지요소의 기하구조를 통하여, 감지 볼륨에서 레이저빔 '리본(ribbon)'을 가스 및 입자 흐름에 비례하여 얇고 큰 단면적이 되도록 구성한다. 그 크기로 인하여, 인라인 입자 센서의 광학 헤드 배열은 다른 환경 형태의 입자 센서보다 매우 큰 감지 영역을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 감지 영역은 약 6 mm x 6 mm 이고, 인라인 입자 센서가 전형적인 현재의 센서보다 펌프 라인 튜브의 실제적으로 큰 부분을 탐지하는 것을 가능하게 한다.
대략 직교하는 가스 및 입자 흐름 방향, 레이저 빔 전파 방향 및 흐름 방향의 입자 흐름과 얇은 레이저 빔에 나타난 큰 리본 영역과 결합된 탐지 축의 독특한 기하구조는, 산란된 빛의 효율적인 수집을 가능하게 하여 결과적으로 단일 입자의 감지 효율을 개선한다. 레이저 빔은 큰 단면적이고, 가스 흐름 방향에서는 얇으므로, 레이저 빔은 매우 높은 강도 수준으로 유지될 수 있고, 단일 입자로부터 산란된 빛 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 입자 흐름 방향에서의 얇은 레이저 빔의 작은 범위는 짧은 기간의 산란된 빛 펄스로 나타나고, 또한 탐지된 입자를 나타내는 것이 아닌 다른 신호와 노이즈의 백그라운드 공급원으로부터 탐지된 산란된 빛 펄스의 더 나은 식별을 가능하게 한다.
대략 레이저 빛의 파장과 동일한 크기 및 이보다 작은, 약 0.5 마이크론 및 이하의 직경을 갖는 입자는 종종 반도체 웨이퍼 처리를 위한 제어에 매우 중요하다. 그들의 산란 특성은 레이저 파장의 ＜20%의 가장 작은 직경에 대한 중요한 도전을 나타내고 산란 단면은 매우 신속하게 감소한다. 이들 입자를 확실하게 탐지하기 위하여, 매우 높은 강도를 유지하면서 가능한 한 짧은 레이저 파장을 사용하여야 한다. 일 실시예에서, 레이저 공급원은 0.450 마이크론 파장에서 작동하고 3 와트 까지 출력한다. 탐지될 수 있는 산란된 빛의 양은 우세(predominant) 탐지 방향과 관련 있는 레이저 편광(polarization)의 방향에 매우 강하게 의존한다. 일 실시예에서 우세 탐지 축은 레이저 리본 평면에 있고, 레이저 편광 방향은 레이저 리본의 평면에 수직하여 우세 탐지 축에서 산란을 최대화한다.
도 2에 도시된 실시예에서, 감지 헤드(120)는 케이블(130)을 통하여 전자 덮개(128)에 전기적으로 결합된 전치 증폭기(preamplifiers)와 레이저 구동 회로를 포함한다. 덮개(128) 내의 전자부품은 감지 헤드(120) 내의 레이저 공급원(도 2에 미도시)을 구동하고, 감지 헤드(120)의 감지 영역을 통과하는 입자의 존재, 크기 및/또는 양을 탐지하기 위하여 광학 탐지기(도 2에 미도시)의 전기 반응을 모니터 할 수 있다. 또한, 덮개(28) 내의 전자부품은 제어기(108)(도 1에 도시)와 같은 제어기에 전기 출력을 제공하도록 구성된다. 이는 신호를 덮개에 연결된 케이블을 통하여 제어기(108)(도 1에 도시)에 보냄으로써, 또는 알려진 블루투스 또는 와이파이 프로토콜과 같은 무선 통신 프로토콜을 사용함으로써 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인라인 입자 센서의 대략도이다. 도 3에 도시한 실시예는 도 2와 유사하고, 유사한 구성요소는 유사한 부호를 사용하였다. 인라인 입자 센서(200)는 KF50 십자 피팅과 같은 표준 피팅 내에 맞도록 구성된다. 또한 선택 흐름 제한기(restrictor)(126)는 센서(200)의 감지 영역을 통하여 입자를 유도하기 위하여 센서(200)의 상류에 배치될 수 있다. 센서(100)와 센서(200)의 주된 차이는 센서(200)에 필요한 모든 전자부품이 센서 헤드(201)와 말단 캡(endcap) 내에 배치되는 것이다. 일 실시예에서, 말단 캡(202)은 플라스틱과 같은 RF 투명물질로 형성될 수 있다. 또한, 말단 캡(202)은 감지 헤드(201)와 말단 캡(202) 내에 전자부품을 결합하는 파워를 공급하는(5 VDC와 같은) 파워 입력 포트(port)를 포함할 수 있다. 또한 말단 캡(202)는 하나 이상의 표시기 LEDs를 포함할 수 있다. 이러한 표시기 LEDs는 다음 사항에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다; 파워 언(on), 레이저 사용(engaged), 입자 탐지 및/또는 적합한 고장 탐색(troubleshooting) 코드. 센서(200)는 전기적으로 또는 디른 통신 방법으로 제어기(예를 들어 제어기(108))에 연결된다.
도 2 및 도 3에 관하여 기재한 양 실시예에 의하여, 전자 구성요소(전자부품, 레이저 공급원 및 탐지가)는 밀봉되고 커넥터(connectors)를 통하여 가스 흐름으로부터 분리된다. 이는 인라인 센서 특히 반도체 처리 산업을 지지하기 위하여 작동하는 센서를 위한 중요한 특징이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인라인 입자 센서의 대략도이다. 센서(200)는 도 3에 도시한 피팅(122)(예를 들어 KF50 십자 커낵터) 대신에 T 커낵터에 결합된다. 따라서 여기에 기재된 실시예는, 퀵 플렌지(quick flanges), ISO 피팅(ISO63과 같은), 50 nm보다 크거나 적은 피팅과 같은 임의의 적합한 형태 및/또는 크기의 커넥터 또는 커플러(coupler)에 실현될 수 있고 이에 제한되지 않는다. 실시에는 일반적으로 진공 시스템을 방해하지 않고 교정 또는 수리를 위하여 쉽게 제거될 수 있는 인라인 입자 센서를 제공한다.
도 2, 도 3 및 도 4에 관하여 기재된 실시예에 의하여, 센서는 검사, 수리, 교환, 교정 및/또는 다른 유지 작동을 위하여 시스템으로부터 개별로 제거될 수 있도록 간편하게 피팅, 펌프 라인 및/또는 처리 쳄버 또는 다른 적합한 반도체 처리 도구/환경에 결합되거나 분리된다. 또한, 전자부품은 센서 내에 완전히 포함되거나, 또는 센서에 외부적으로 결합되므로, 작업자는 센서와 함께 전자부품에 더 쉽게 접근 또는 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인라인 입자 센서의 블록도이다. 센서(300)는 앞에 기재한 어떠한 실시예도 포함할 수 있다. 센서(300)는 파워 모듈(301)을 포함한다. 실시예에서 센서는 배터리 동력을 공급받고, 파워 모듈(301)은 재충전 배텅리와 같은 배터리를 포함할 수 있다. 그러나, 파워 모듈(300)은 또한 센서(300)의 다른 구성요소에 공급하기 위하여 적합한 전류 제한 및 파워 조절 화로를 포함한다. 다른 실시예에서, 파워 모듈(301)은 예를 들어 파워 입력 포트를 통하여 센서(300)에 결합된 5 VDC와 같은 센서(300)에 결합된 외부 파워 공급원을 포함할 수 있다. 제어기(302)는 파워 모듈(301), 통신 모듈(304), 인터로크 (interlock)(306), 레이저 공급원 모듈(308) 및 탐지 모듈(301)에 결합된다. 제어기(302)는 탐지 회로(310)로부터 신호를 수신하고, 탐지 회로(310)로부터의 신호에 기반하여 입자를 확인 또는 정량하고, 통신 모듈(304)을 통하여 출력을 제공할 수 있는 임의의 로직(logic) 또는 회로를 포함할 수 있다.
레이저 공급원(308)은 전기적으로 제어기(302)에 결합되고, 진공 라인에 조명을 유도하도록 구성된다. 바람직하게는, 레이저 공급원(308)은 청-UV 범위(즉, 약 480 nm 까지의 UV 파장)의 파장을 갖는 레이저 조명을 생성하도록 구성된다. 또한, 레이저 공급원(308)은 비교적 높은 출력 레이저 조명을 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 출력은 높은 파워 청(blue) 레이저 다이오드를 사용하여 약 3.5 와트이다. 그러나, 높은 파워 레이저 조명은, 출력 파워가 진공 라인 내의 입자를 기화하기에 충분하지 않는 동안 사용될 수 있다. 높은 출력 파워 하에서, 센서(300)는 또한 바람직하게는, 높은 파워 레이저가 진공 라인(예를 들어 라인(102)) 내에 안전하게 포함되는 경우에만 연결되는 것을 보장하기 위하여 레이저 인터로크(306)를 포함한다. 일 실시예에서, 레이저 인터로크는 제어기(301)에 결합된 진공 스위치 또는 압력 센서로 만들어지고, 제어기(302)는 충분한 진공이 존재하는 경우에 만 공급원(308)을 연결한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따라 다른 형태의 인터로크 또한 사용될 수 있다. 이러한 인터로크는 레이저가 흐름 라인(예를 들어 라인(102)) 내에서 안전하게 작동하는 경우에만 연결되도록 설계된 수동(manual) 스위치, 수동 커플링 또는 다른 적합한 수동 도는 자동 구조를 포함한다.
센서(300)는 또한 다른 전자부품(312)을 포함한다. 전자부품(312)은 센서(300)에 와이어 연결(예를 들어, 도 2의 도시)을 통하여 외부적으로 결합되거나 또는 센서(300) 내에 포함될 수 있다(예를 들어, 도 2 및 도 4의 도시). 전자부품(312)은 와이파이, 블루투스 구성요소, 추가적인 파워 공급원, 디스플레이 등과 같은, 인라인 입자 센서에 필요하거나 도움이 되는 임의의 수의 전기 구성요소를 포함할 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항이 변경될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예가 진공 센서에 대하여 기재되었지만, 감지 영역으로부터 전자부품을 분리하는 이점 하에서, 본 발명의 실시예는 가스가 부식성 및 /또는 독성인 비-진공 환경에도 사용될 수 있다.

Claims (23)

  1. 진공 라인으로 레이저 빛을 방출하도록 구성된 레이저 공급원 및 입자 산란된 레이저 빛을 나타내는 신호를 제공하도록 구성된 탐지 회로를 포함하고, 피팅의 구멍 내에 장착하도록 구성된 원통형 형상 센서 헤드; 및
    센서 헤드에 결합되고 피팅의 구멍 내에 장착되도록 구성되고, 또한 탐지 회로로부터 신호를 수신하고 탐지 회로로부터의 신호에 기반하여 입자 출력을 제공하도록 구성되는 전자부품을 포함하는,
    인라인 입자 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 산란된 빛 탐지의 우세 축은 입자 흐름의 우세 방향과 직교하고, 동시에 우세 레이저 빔 방향에 직교하는 인라인 입자 센서.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저 공급원은 진공 UV에서 480 nm 밴드 내의 파장을 방출하는 인라인 입자 센서.
  7. 제1항에 있어서, 레이저 인터로크를 더 포함하는 인라인 입자 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 레이저 인터로크는 선택된 진공 임계치 아래에서 닫도록 구성된 진공 스위치인 인라인 입자 센서.
  9. 제7항에 있어서, 상기 레이저 인터로크는 압력 센서를 포함하는 인라인 입자 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 피팅의 포트의 하나에 위치하도록 구성된 흐름 제한기를 더 포함하는 인라인 입자 센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 피팅은 진공 펌프 및 처리 챔버 사이의 진공 펌프 라인에 결합되는 인라인 입자 센서.
  12. 제1항에 있어서, 상기 피팅은 저-압력 진공 펌프 및 고-압력 진공 펌프 사이에 진공 펌프 라인에 결합되는 인라인 입자 센서.
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