KR101441167B1 - 광 발광 분광법에 의해 저압 가스를 분석하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 준진공(secondary vacuum) 수준의 압력 하에 있는 가스를 분석하는 가스 분석 시스템(2)을 제공하는 것이다. 이 시스템은 원통형 볼륨(cylindrical volume)(11)을 규정하는 도전성 벽(12) 및 적어도 하나의 중심 관통 홀(31)을 포함하는 디스크(15)를 구비하는 캐소드(14)와, 실질적으로 홀(31)의 중심에 위치하는 애노드(13)와, 전기장(E)(17) 및 전기장(E)(17)과 직교하는 자기장(B)(19)의 결합 작용에 의해 상기 원통형 볼륨에서 생성되는 플라즈마의 플라즈마 소스를 포함하는 가스 이온화 장치(4)와, 플라즈마에 의해 방사된 방사 광을 수집하는 시스템과, 이온화 장치(5)와 방사 광 수집 시스템 사이에 배치된 상기 원통형 볼륨(11)의 전도성보다 낮은 전도성을 갖는, 애노드(13)에 대해 동축인 원통형 공동(cavity)(23)과, 방사 스펙트럼의 변화를 분석하는 광학 분광기(41)를 포함하는 이온화된 가스에 대한 분석 장치(6)를 포함한다.
바람직하게는, 원통형 볼륨(11) 반대쪽의 공동(23)의 단부는 플라즈마에 의해 방사된 방사 광에 투명한 윈도우(21)에 의해 닫힌다.

Description

광 발광 분광법에 의해 저압 가스를 분석하는 시스템{SYSTEM FOR ANALYSING A LOW PRESSURE GAS BY OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY}
본 발명은 광 발광 분광법(optical emission spectroscopy)을 이용하여 준진공(secondary vacuum) 수준의 매우 낮은 압력의 가스(very low-pressure gases)를 분석하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 압력 조절 엔클로저(controlled-pressure enclosure) 내에서부터 발생하는 폐기 가스를 분석하는 방법에 관한 것이다. 마지막으로, 본 발명은 적어도 하나의 압력 조절 엔클로저를 포함하는 산업용 장치 및 압력 조절 엔클로저와 협력하는 가스 분석 시스템을 개시한다.
반도체 산업에서 지난 수년간 달성된 진보는 주로 더욱 커진 실리콘 웨이퍼(200mm 내지 300mm 직경을 가짐)에서 발생하는, 수 평방 밀리미터 크기의 부품(component) 상의 전자 회로의 집적도 증가와 연관되었다.
이러한 회로들을 생성하는데 필요한 기술적 단계들은 그 수가 많다(많게는 400개까지). 그 중에서도, 진공 처리의 단계들이 중요한 역할을 하는데, 이는 제조 공정 전반에 걸쳐 연속적으로 생산하는 이들의 능력 및 부품의 기하학적 표준을 준수하는 이들의 능력 때문이다.
현장 처리(on-site process) 분석을 실시하면, 가능한 빨리 발생된 고장을 식별하여 다수의 일괄 처리(batches)가 이루어지는 반응 시간을 감소시킬 수 있다. 그 결과, 진공에서 생성된 플라즈마를 사용하여 실시간으로 현장에서 반도체 제조 공정을 트래킹하고 제어하려는 수요가 크게 증가하고 있다.
반도체 제조 장치에서 광 발광 분광법을 이용하는 것은 공지되어 있다. 발광 분광법은 회로 에칭 공정 또는 반도체 부품 에칭 공정에서의 어택의 끝(end of the attack)을 검출하는데 사용된다. 분석 플라즈마는 장치의 반응기에 의해 생성된 것이다. 장치는 단순히 자체로 공정의 단계들을 검사할 수 있게 하는 에칭 공정으로부터 광을 분석하는 발광 분광기를 구비한다.
그러나, 광 발광 분광법을 이용하는 목적은 반도체 디바이스의 제조 공정 또는 에칭 공정의 단계들을 검사하기 위한 것이 아니라, 오히려 디바이스의 진공 환경을 구성하는 모든 가스를 검사하기 위한 것이다. 광 발광 분광기는, 광 산란 후, 플라즈마의 자유 전자에 의해 여기된 원자, 분자 및 이온에 의해 방사된 방사선의 변화를 실시간으로 분석한다.
그러나, 현재 알려져 있는 기술은 저 진공(rough vacuum)(1000 내지 1 mbar) 또는 주 진공(primary vacuum)(1 mbar 내지 10-3 mbar)에서의 측정만 가능하게 한다.
EP-1,022,559는 0.1 mbar 내지 1000 mbar의 압력에서 가스를 담고 있는 하는 엔클로저를 포함하는 장치와, 광 발광 분광법을 이용하여 가스 이온화 장치 및 가스 분석 장치를 포함하는 이들 가스를 분석하는 시스템을 개시하고 있다. 이온화 장치는 ICP 또는 마이크로웨이브 소스인 플라즈마의 무선파 소스를 포함한다.
EP-1,131,670은 광발광 분광법을 이용하여 엔클로저로부터의 가스 시료를 검사하는 장치를 개시하고 있다. 이 장치는, 플라즈마 형성 영역을 포함하는 챔버와 플라즈마에 의해 방사된 방사 광을 분석하는 수단을 포함한다. 광섬유와 같은 방사선 센서가 플라즈마 형성 영역 가까이에 배치된다. 플라즈마는 전자기파를 발생하는 여기 안테나와 관련된 전력 생성기에 의해 형성된다. 방사선 투과 인터페이스(radiation-transparent interface)로부터 이온화된 입자들을 분리시키기 위해 전기장 또는 자기장을 이용하여 장벽을 형성한다.
WO-00/31,773은 진공 프로세스 챔버 내에서부터 발생하는 폐기 가스의 구성을 판정하는 장치를 개시하고 있다. 이 장치는 플라즈마가 형성되는 셀 및 윈도우 뒤에 배치되어 플라즈마에 의해 방사된 광을 수집하여 이를 광 스펙트럼 분석기로 전송하는 검출기를 포함한다. 이 플라즈마는, 형광 램프 또는 마그네트론 마이크로파 생성기에서 사용된 종류의 상용 발전기와 같은, 교류 발전기에 의해 생성된 전기장에 의해 발생된다. 일특정 실시예에서, 고체 캐소드는 가스 흐름의 방향으로 동축으로 배치되며 애노드로 사용된 셀의 도전성 벽으로부터 격리된다.
프로세스 챔버 내의 압력이 10-3 아래로 떨어지면, 현재의 시스템은 분광학적 측정(spectroscopic measurement)을 위한 사용가능한 광을 발생하기 위해 가스를 더 이상 충분히 여기시킬 수 없다. 따라서 문제는 광발광 분광법을 이용하여 준진공(10-3 내지 10-7 mbar)에서 실시간으로(1초 미만) 가스 시료를 분석할 수 있도로 충분히 밝고 충분히 집중되는 플라즈마로부터 방사된 방사 광을 생성하는 것이다.
그러나, 이 방법은 분석에 필요한 전 기간에 걸쳐 재생가능할 수도 있다.
본 발명의 목적은 준진공 수준의 압력 하에서 가스를 분석하는 시스템을 제공하는 것이다.
상기 시스템은 원통형 볼륨(cylindrical volume)을 규정하는 도전성 벽(conducting wall) 및 적어도 하나의 중심 관통 홀을 포함하는 디스크를 구비하는 캐소드와, 실질적으로 홀의 중심에 위치하는 애노드와, 전기장 및 상기 전기장과 직교하는 자기장의 결합 작용에 의해 원통형 볼륨에서 생성되는 플라즈마의 플라즈마 소스를 포함하는 가스 이온화 장치와, 플라즈마에 의해 방사된 방사 광을 수집하는 시스템과, 이온화 장치와 방사 광 수집 시스템 사이에 배치된 원통형 볼륨의 전도성보다 작은 전도성을 갖는, 상기 애노드에 대해 동축인 원통형 공동(cavity)과, 방사 스펙트럼의 변화를 분석하는 광학 분광기를 포함하는 이온화된 가스에 대한 분석 장치를 포함한다.
애노드는 디스크의 중심 홀의 중심에 위치해야 하며, 그렇지 않으면 광의 링이 생성되지 않고 저압에서 측정이 불가능할 것이다.
보다 정확하게는, 캐소드는 횡방향 중심 홀을 둘러싸는 주변 횡방향 홀을 포함하는 천공 디스크(perforated disc)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 공동의 직경(d)은 원통형 볼륨의 직경(D)보다 작고, 직경(d)은 분석되는 가스의 압력에 따라 조정가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 애노드는 캐소드의 디스크에 부착된 유전체 재료로 이루어진 마운트에 의해 캐소드로부터 절연된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 애노드는 캐소드의 디스크의 중심 홀에 삽입된 유전체 재료로 이루어진 마운트에 의해 캐소드로부터 절연된다.
바람직하게는, 후장의 경우에, 상기 시스템은 분석되는 가스의 압력의 변화 시에 애노드의 공급 전압을 제어할 수 있게 하는 조절 장치를 더 포함한다.
수집 시스템은 광학 축과 전극의 축이 하나의 동일한 축이 되도록 배치되는 적어도 하나의 수렴 렌즈를 포함한다.
일변형예에 따르면, 원통형 볼륨 반대쪽의 공동의 단부는 플라즈마에 의해 방사된 방사 광에 투명한 윈도우에 의해 차단된다.
다른 변형예에 따르면, 원통형 볼륨 반대쪽의 공동의 단부는 플라즈마에 의해 방사된 방사 광에 투명한 렌즈에 의해 차단된다. 이러한 상황에서, 렌즈는 또한 윈도우의 기능을 한다.
윈도우 또는 렌즈의 오염을 최소화하기 위해, 공동은, 방사 광의 경로와 동일하고, 펌핑된 기체의 흐름과 반대인 방향으로 원통형 볼륨의 단부에 배치된다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 가스 분석 시스템에 연결된 준진공으로 유지되는 가스를 포함하는 적어도 하나의 엔클로저를 포함하는 플라즈마 기반의 반도체 제조 장치를 제공하는 것이다. 가스 분석 시스템은 광 발광 분광기 및 컴퓨터를 포함하는 이온화된 가스 분석 장치를 포함한다. 본 발명에 따르면, 광 발광 분광기 및 컴퓨터는 소형의 집적된 제어 시스템(compact integrated control system)을 구성하도록 공유된 케이스 내에 배치되고, 가스 분석 결과에 따라 반도체 제조 장치와 상호작용하도록 반도체 제조 장치에 연결된다.
본 발명의 다른 특징들 이점들은 첨부 도면 및 예를 통해 제시된 이하의 실시예의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 가스 분석 시스템을 포함하는 산업용 기계를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 가스 이온화 장치를 도시한 도면.
도 3은 가스 이온화 장치의 캐소드의 디스크의 상세도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 이온화 장치를 도시한 도 2와 유사한 도면.
도 5는 이온화된 가스 분석 시스템의 광학 획득 체인(optical acquisition chain)을 도시한 도면.
도 6은 플라즈마에 의해 방사된 방사 광을 수집하는 영역의 상세도.
도 1에 도시된 산업용 장치는 압력이 조절되는 적어도 하나의 엔클로저와, 엔클로저(1)와 통신하는 가스 분석 시스템(2)을 포함한다. 준진공(Pv)(10-3 내지 10-8 mbar)은 1차 및 2차 펌핑 유닛(3)을 포함하는 진공 라인에 의해 엔클로저(1) 내에 이룩된다. 가스 분석 시스템은 플라즈마의 소스를 이용하여 이온화하는 가스 이온화 장치(4) 및 광을 수집하여 분석 장치(6)로 보낼 수 있는 광 수집 시스템(5)을 포함한다. 광 수집기(5) 및 분석 장치(6)는 광 획득 체인(7)을 형성한다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 분석 시스템(2)의 가스 이온화 장치를 보다 자세하게 도시한 것이다. 이온화 장치(4)는 플라즈마의 소스 및 직류 발전기(10)를 포함한다.
이온화 장치(4)는 직경이 D이며 스테인레스강과 같은 진공 저항 도전성 재료로 이루어진 벽(12)에 의해 한정되는 원통형 볼륨(11)을 포함한다. 이온화 장치(4)는 준진공 상태에 있는 엔클로저(1)에 연결된다. 볼륨(11)은 자체 진공화되는 엔클로저(1)의 펌핑 수단(3)을 사용하여 진공화될 수도 있다. 플라즈마는 엔클로저(1) 내에서 발견된 가스 시료를 분석할 수 있도록 이 볼륨(11) 내에서 발생된다.
플라즈마의 소스는 직류 발전기(10)의 양극 및 음극에 각각 접속된 애노드(13)(+극) 및 캐소드(14)(-극)로 형성된다. 음극(14)은 직경이 D인 원통형 볼륨(11)을 한정하는 벽(12)과, 천공 디스크(perforated disc)(15)를 포함한다. 애노드(13)는 와이어 애노드이며 캐소드(14)의 중심에 위치하고, 캐소드(14)의 디스크(14)의 표면 상에 위치하는 세라믹과 같은 가스 방출 속도(degassing rate)를 갖는 유전체 재료로 이루어진 마운트(16)에 의해 캐소드(14)로부터 절연된다.
발전기(10)는 (양전하로 대전된) 애노드(13)와 (음전하로 대전된) 캐소드(14) 사이에 3000 V 수준의 큰 전위차를 인가하여, 플라즈마의 소스의 축(18)에 대한 횡방향으로 강한 전기장(E)(17)을 발생한다. 이 전기장(17)은 엔클로저(1) 내부로부터 발생하는 가스 분자를 여기시키고 이온화시키기 위해 캐소드(14)로부터 애노드(13)로 전자의 흐름을 발생시켜 가속시킴으로써 플라즈마를 생성할 수 있게 한다. 사용가능한 플라즈마를 획득하기 위해, 전기장(17)에 직교하고 축(18)에 평행한 소정 방향으로 약 100 mT의 일정한 세기의 자기장(B)(19)이 가해진다. 자기장(19)은 원통형 볼륨(11)을 둘러싸는 적어도 하나의 토로이드 영구 자석(20)에 의해 생성된다. 전기장(E)(17)에 결합된 자기장(B)(19)에 의해 플라즈마의 가스 분자의 여기를 심히 증가시킬 수 있게 된다. 따라서, 플라즈마의 소스는 기하학적으로 원통형인 두 전극(13, 14) 사이의 일정한 전기장(17)과 전극(13, 14)의 표면에 평행하고 전기장(17)과 직교하는 일정한 자기장(19)의 조합 작용에 의해 생성된다.
형성된 플라즈마는 광원으로서 사용된다. 존재하는 가스의 분자 특성의 탈여기(de-excitation)로 인한 방사 광은 준진공에서 충분히 실시간 측정(1초 미만) 가능하게 된다.
그러나, 볼륨(11) 내에서 진공에서 플라즈마를 생성하면, 가스 분석이 필요한 진공화된 엔클로저(1) 내에 존재하는 분자(특히 수소)에서 분자 크래킹이 발생한다. 이들 분자는 크래킹되면 볼륨(11)의 벽(12)에 부착되는 경향이 있으며, 여기서 플라즈마가 강한 결합으로 생성되며, 따라서 제거하기가 어렵다. 이런 상황에서, 플라즈마의 소스는 이들 분자를 트랩하는 역할을 하며, 따라서 엔클로저 및 펌핑 라인의 오염 제거에 기여한다. 그러나, 이 트랩은 광학 분석 장치에 해롭다.
엔클로저(1) 내에 존재하는 가스의 검출 및 분석을 하기에 충분한 광을 수집하기 위해, 플라즈마와 분석 장치 사이의 거리를 줄이는 것이 필수적인데, 이는 이 장치가 급속히 오염되게 하여 이 장치가 광에 불투명하게 되게 한다. 정확한 측정이 급속히 어렵게 되며, 불가능하지 않다면 동일한 조건 하에서 재생될 수 없다.
이 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 윈도우(21)를 두어 볼륨(11) 내의 플라즈마 소스에 인접한 공동의 단부 반대쪽의 원통형 공동(23)의 단부에서 플라즈마에 의해 방사된 광이 통과하도록 허용할 것을 제안한다. 원통형 공동(23)은 플라즈마의 소스가 배치되는 원통형 볼륨(11)의 전도성보다 낮은 전도성을 갖는다. 예를 들면, 공동(23)은 볼륨(11)의 직경(D)보다 작은 직경(d)을 가질 수 있다. 다른 예에서는, 공동(23)은 1㎝ 이상의 길이 및 볼륨(11)의 직경(D)보다 적어도 2배 작은 직경 d를 가질 수 있다. 우선적으로, 공동(23)의 직경(d)은 작동 압력(working pressure)에 따라 조정될 수 있는데, 작동 압력이 클수록 그리고 오염 영역이 많아질수록 공동(23)의 직경(d)은 더 작아져야 한다. 실제로는, 공동의 직경(d)은 저압 가스 분석 장치의 동작과 호환되는 최대값을 갖는 외부로부터 정해진다. 그 다음에, 작동 압력이 증가에 따라, 직경(d)을 줄이기 위해 공동의 내부와 동일한 형상의 삽입물이 공동(23) 내로 삽입된다.
이 공동(23) 내부에는 어떠한 전기장(E) 또는 자기장(B)도 존재하지 않는다. 플라즈마의 소스로부터 윈도우(21)를 이격시키는 것과 공동(23) 내의 장(fields)의 부재로 인해, 오염 분자가 윈도우(21)에 도달하기 전에 이들 오염 분자를 트랩하는 것이 가능하다. 윈도우(21)의 오염 문제를 최소화하기 위해, 공동(23)은, 바람직하게는 방사 광의 경로와 동일하고, 펌핑된 가스(24)의 흐름과 반대인 방향으로 배치된다. 가스가 분석되는 진공화된 엔클로저(1)의 펌핑 유닛(3)에 의해 압력의 강하가 발생하고, 동시에 플라즈마가 약간의 압력 상승을 일으킨다. 그 결과의 압력차가 펌핑 유닛(3)으로의 플라즈마의 산물의 입자 흐름을 발생시키고, 이에 따라 윈도우(21)의 오염을 제한한다.
한 변형에에 따르면, 공동 주위를 외부에서 가열(도시되어 있지 않음)하여 공동(23) 내에 원심분리기 분자에 대한 열 산란 효과를 생성하고, 공동(23)의 저 전도성과 관련된 장벽 효과를 더욱 향상시킨다.
그러나, 플라즈마에 의해 방사된 광은 엔클로저(1) 내에서 분석되는 가스의 압력이 감소함에 따라 낮아진다. 또한, 플라즈마느 애노드(13)의 전체 길이를 따라 산란되는데, 이것은 방사된 광을 분석 장치(6) 상에 집광하는 것을 어렵게 만든다. 도 3은 이 단점을 치유하는 것을 가능하게 하는 캐소드(14)의 디스크(15)의 일실시예를 상세하게 도시하고 있다.
캐소드(14)는 중심 홀(31)을 둘러싸는 링을 형성하는 그 주변 상에 일련의 홀(30)로 관통된 디스크(15)를 포함한다. 유선 애노드(13)는 홀(31)의 중심을 통과한다. 천공 디스크(15)의 사용은 가스 분자가 자유롭게 순환하게 하면서 장치의 이 부분을 진공화하는 것을 가능하게 한다.
이 구성에서, 플라즈마는 축(18)을 중심으로 반경이 수 밀리미터인 링(32)의 형태로 디스크(15)의 중심 홀(31) 내에 위치하여 애노드(13)를 감싼다. 이와 같이 위치된 플라즈마는 세기가 훨씬 더 세며 따라서 분석 장치(6) 상에 포커싱하기가 더 쉽다. 따라서, 10-3 mbar보다 더 낮은, 심지어 10-7 mbar보다 더 낮은 매우 낮은 압력에서 광 발광 분광법을 이용하는 분석이 수행될 수 있다.
자기장(B)(19)은 축(18)을 중심으로 하는 순환 원통 내에서 발전기를 따라 정렬되며 바람직하게는 디스크(15)를 형성하는 재료를 통과하는데, 이는 디스크(15)의 고체 부분(33) 내에서 더 강하게 하고 디스크(15)의 홀(30, 31)내에서 훨씬 더 약하게 한다. 디스크(15)의 사용은 전기장(E)(17)(최대 5배까지)의 값 뿐만 아니라 중심 홀(31) 내의 자기장(B)(19)의 세기도 강하게 국부적으로 증가시킨다.
본 발명에 따른 이온화 장치(4)를 조립하는 동안에, 캐소드(14)의 디스크(15)가 원통형 볼륨(11)의 벽(12)에 직교하도록 배치된다. 마운트(16)는 캐소드(14)의 디스크(15) 위에 고정된다. 애노드(13)는 캐소드(14)의 디스크(15) 위에 내장되며, 디스크(15)의 평면에 직교하면서 캐소드(14)의 디스크(15)의 중심에 위치하도록 마운트(16)의 중심에 결합된다.
애노드(13)는 디스크의 중심 홀 내에서 실질적으로 중심에 위치해야 한다. 그렇지 않으면, 광의 링(32)이 생성되지 않고 저압에서의 측정이 불가능하다. 캐소드(14)의 디스크(15) 내의 중심에 애노드(13)가 위치하면, 애노드(13) 및 볼륨(11)의 벽(12)이 완전히 평행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 2와 동일한 요소들은 동일 참조번호로 표시되어 있다.
플라즈마의 바람직한 위치 구역에 대응하는 캐소드(14)의 천공 디스크(15)의 중심 홀 내부에서, 전기장(E)(17)의 세기는 매우 강하며, 실린더형 볼륨(11)의 나머지에서보다 최고 5배까지 강하다. 이 위치에서의 전기장(17)의 세기는 이 레벨에서의 애노드(13)의 스퍼터링을 생성할 수 있을 정도이다. 애노드(13)의 공급 전압이 약 3,000V 이상이면 이 위험은 훨씬 더 커진다. 애노드(13)의 스퍼터링은 진공 챔버 내에 존재하는 유형에 대응하지 않는 매우 넓은 스펙트럼 밴드 형태의 방사 스펙트럼 상의 미광 방사(stray light emission)를 보여준다. 이들 강한 스트레이 밴드는 현재 유형의 광 방사 밴드 특성을 더욱 마스크할 수도 있다.
이 리스크를 회피하기 위해, 애노드(13)는 천공 디스크(15)의 중심 홀에 삽입되는 유전체 재료로 이루어진 마운트(25)에 의해 캐소드(14)로부터 절연된다. 따라서 캐소드(14)의 중심 홀의 내부가 중성화되어 스펙트럼 측정에 방해가 되는 애노드(13)의 스퍼터링의 위험은 더 이상 존재하지 않는다. 이 구역의 억제(suppression)는 플라즈마 소스에 의해 방사된 광의 방사를 약간 감소시키는 문제를 제기한다. 그러나, 애노드(13)를 훨씬 더 밀도있게 제공하는 것은 광의 손실을 보상할 수 있게 하며, 따라서 실시간으로(1초 미만) 측정할 수 있게 한다.
이 실시예에서는, 분석되는 가스의 압력이 10-7 mbar 수준으로 낮을 때 전극의 공급 전압을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 그러한 전압의 인가는 압력이 10-5 mbar보다 높을 때 훨씬 더 중요하다. 플라즈마의 세기는 애노드에 다시 스퍼터링의 위험이 생길 정도이다. 또한, 플라즈마에 의해 크랙된 분자는 침착에 의해 플라즈마를 포함하는 볼륨(11) 및 그 근방에 위치해 있을 수 있는 광학 요소들을 24 시간 내에 급속히 오염시킨다. 어떠한 압력에서도 이점을 유지하기 위해, 애노드(13)의 공급 전압을 위한 제어 장치가 설치되는데, 분석되는 가스의 압력이 증가할 때, 애노드(13)의 공급 전압이 감소되고, 압력이 감소할 때 공급 전압이 증가된다. 따라서, 압력에 관계없이, 실시간으로 측정하도록 충분히 강하지만 광학 요소의 어떠한 오염도 회피하도록 충분히 약한 플라즈마를 획득한다. 침착에 의한 오염물이 크게 감소됨에 따라 시스템의 수명은 결과적으로 증가된다. 이 조절은 예컨대 광 발광 분광기의 도움으로 플라즈마 소스에서 발생된 이온화 전류 또는 스펙트럼의 세기와 상관될 수 있다. 조절의 추가는 훨씬 더 높은 압력에서 동작할 수 있는 시스템을 획득하는 것을 가능하게 하는데, 이는 10-8 mbar로부터 1 mbar로 늘어날 수 있는 압력 범위에서 스펙트럼 측정을 행하는 것을 가능하게 한다. 이온화 전류의 측정은 이 동일한 동작 압력 범위 내의 압력의 측정을 획득하는 것을 가능하게 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 투명 윈도우(40)를 통과하는 플라즈마에 의해 방사된 광은 광 수집 시스템(5)에 의해 수집되고 분석 장치(6)에 의해 스펙트럼으로 분석된다.
플라즈마에 의해 방사된 광을 분석하는 분석 장치(6)는 광 수집기(5)로부터 분광기(41)로 광을 전송하는 파이버(43)에 의해 광학적으로 접속된 컴퓨터(42)와 관련된 광 발광 분광기(OES)(41)로 이루어진다. 바람직하게는, 컴퓨터(42)는 소형 집적 제어 시스템을 형성하기 위해, 동일한 케이스 내에 광 발광 분광기(41)와 함께 위치한다. 이런 방법으로, 광 분광기(41)에 컴퓨터(42)를 연결하는 케이블의 길이는 매우 짧은데, 이는 매우 짧은 가스 분석 시간(<20 ㎳)을 보장할 수 있게 한다. 이 집적 제어 시스템은 가스 분석의 결과에 기초하여 그것이 접속되어 있는 제조 장비와 상호작용한다. 이 제어 시스템은, 예컨대 머신의 기능을 차단하거나 또는 조절된 압력 엔클로저(1)를 정화하는 시스템을 트리거링할 수 있다.
이온화 장치(4)는 준진공에 의해 둘러싸여 있으며, 따라서 광에 투명한 벽에 의해 대기압에 있는 광 획득 체인(7)으로부터 분리되어야 한다. 플라즈마가 생성되는 진공 매체(11)와 외부 대기 사이의 계면은 광이 통과할 수 있게 하는 밀봉 접합부를 갖춘 투명 윈도우(40)를 사용하여 여기서 생성된다. 윈도우(40)는 그 검출을 최적화하기 위해 바람직하게는 플라즈마로부터 오는 광(44)을 방사하는 영역에 가능한 한 가깝게 위치한다.
광 수집기(5)는 플라즈마에 의해 방사된 광을 수집하여, 그것을 광섬유(45)의 단부에 수렴하게 하고, 다른 단부는 광발광 분광기(41)의 입력(46)에 접속된다. 광 수집기(5)는 플라즈마에 의해 방사된 광을 수집하는 것을 가능하게 하는 적어도 하나의 수렴 렌즈(47)를 포함한다. 이들 렌즈는 단순하거나(양면 볼록형(biconvex) 평철형(plano-convex)) 또는 (색수차를 회피하여 포커싱을 개선하기 위해)수색성(achromatic)일 수 있다.
광 수집 시스템(5)의 광학 축 및 선회의 전극 축(18)은 하나이며 동일하다. 광학 시스템의 초점 거리는 수렴을 최적화하기 위해 가능한 한 작게 되도록 계산되는데, 이는 동시에 광학 시스템의 총 폼팩터(form factor)를 감소시킨다.
파장의 정확한 범위에 대해 전송을 개선하기 위해 윈도우(40) 및 렌즈(47)는 400 내지 800㎚ 범위에 걸친 전송을 향상시키기 위한 MgF2의 박층의 도포와 같은 반사 방지 처리를 겪을 수도 있다. 파장의 가장 큰 가능한 범위에 걸쳐 최적 전송을 달성하기 위해, 윈도우(40) 및 렌즈는 스펙트럼 조합을 갖는 47가지의 재료로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 용융 실리카와 같이 플루오르화칼슘이 사용될 수 있는데, 이를 위해 전송은 200 내지 1000 ㎚ 범위에 걸쳐 90%보다 크다.
따라서, 본 발명의 가스 분석 시스템(2)의 광 획득 체인(7)은 실시간 측정을 달성하게 한다(1초 미만의 측정 시간).
도 6에 도시된 실시예에서, 광학 수집기(5)를 구성하는 렌즈들(50) 중 하나는, 밀봉재(51)와 접하고 있으면, 투명 윈도우의 사용을 회피할 수 있게 하며, 이 렌즈들(50) 자체는 대기압으로부터 진공을 분리시키는 인터페이스 작용을 한다. 플라즈마의 소스로부터의 광을 포커싱하는 지점인 광학 수집기(5)의 출력부로부터분광기(41)의 입력부(46) 상으로의 광의 라우팅은 렌즈(50) 뒤에 위치하여 광 방사(53)를 수집하여 가이드하는 광섬유(52)를 사용하여 달성된다. 광섬유(52)의 길이는 파이버(52) 내에서의 광 손실을 가능한 한 많이 줄이기 위해 가능한 한 짧게 선택된다(여기서는, 약 10 ㎝).
변형 일실시예에서는, 광의 광학 수집기(5)는 수렴 지점이 분광기(41)의 입력 슬롯(46)에 위치하는 광학 장치이다. 이 장치는 수렴을 향상시킬 수 있는 여러 렌즈(50)의 세트로 구성될 수 있다. 이러한 상황에서, 광학 분광기(41)의 입력 슬롯(46)은 광빔(53)의 수렴 지점 바로 위에 위치한다. 광섬유가 보다 큰 파장 범위에 걸쳐 보다 적은 광 전송을 제공하므로, 광은 광섬유에 의해서가 아니라 오히려 광빔(53)을 입력 플랩(46) 상으로 직접 포커싱함으로써 광 발광 분광기로 가이드된다.

Claims (10)

  1. 준진공(secondary vacuum) 수준의 압력 하에서 가스를 분석하는 가스 분석 시스템으로서,
    가스 이온화 장치 - 상기 가스 이온화 장치는
    원통형 볼륨(cylindrical volume)을 정의하는 도전성 벽(conducting walls) 및 적어도 하나의 중심 관통 홀을 포함하는 디스크를 구비하는 캐소드와,
    상기 중심 관통 홀의 중심에 실질적으로 위치하는 애노드와,
    전기장 및 상기 전기장에 직교하는 자기장의 결합 작용에 의해 상기 원통형 볼륨에서 생성되는 플라즈마의 플라즈마 소스를 포함함 - 와,
    상기 플라즈마에 의해 방사되는 방사 광을 수집하는 시스템과,
    상기 원통형 볼륨의 전도성보다 낮은 전도성을 갖고, 상기 가스 이온화 장치와 상기 방사 광 수집 시스템 사이에 배치되는, 상기 애노드와 동축인 원통형 공동(cavity)과,
    이온화된 가스에 대한 분석 장치 - 상기 분석 장치는 방사 스펙트럼의 전개(evolution)를 분석하는 광학 분광기를 포함함 - 를 포함하는
    가스 분석 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드는 횡방향 중심 홀을 둘러싸는 주변 횡방향 홀을 포함하는 천공 디스크(a perforated disc)를 포함하는
    가스 분석 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동의 직경(d)은 상기 원통형 볼륨의 직경(D)보다 작고, 상기 직경(d)은 분석될 가스의 압력에 따라 조정가능한
    가스 분석 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드는, 상기 캐소드의 상기 디스크의 상기 중심 관통 홀에 삽입된 유전체 재료로 만들어진 마운트(a mount)에 의해 상기 캐소드로부터 절연되는
    가스 분석 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    분석될 가스의 압력의 변화 시에 상기 애노드의 공급 전압을 제어할 수 있게 하는 조절 장치를 더 포함하는
    가스 분석 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사 광 수집 시스템은 적어도 하나의 수렴 렌즈를 포함하고, 광학 축 및 전극의 축이 하나의 동일한 축인
    가스 분석 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 원통형 볼륨 반대쪽의 상기 공동의 단부는 상기 플라즈마에 의해 방사되는 상기 방사 광에 투명한 윈도우에 의해 차단되는
    가스 분석 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 원통형 볼륨 반대쪽의 상기 공동의 단부는 상기 플라즈마에 의해 방사되는 방사 광에 투명한 렌즈에 의해 차단되는
    가스 분석 시스템.
  9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 공동은, 상기 방사 광의 경로와 동일하도록 펌핑된 가스의 흐름과 반대인 방향으로 상기 원통형 볼륨의 단부에 배치되는
    가스 분석 시스템.
  10. 가스 분석 시스템에 연결되고, 준진공으로 유지되는 가스를 포함하는 적어도 하나의 엔클로저(enclosure)를 포함하는 플라즈마 기반의 반도체 제조 기계로서,
    가스 이온화 장치 - 상기 가스 이온화 장치는
    원통형 볼륨을 정의하는 도전성 벽 및 적어도 하나의 중심 관통 홀을 포함하는 디스크를 구비하는 캐소드와,
    상기 중심 관통 홀의 중심에 실질적으로 위치하는 애노드와,
    전기장 및 상기 전기장에 직교하는 자기장의 결합 작용에 의해 상기 원통형 볼륨에서 생성되는 플라즈마의 플라즈마 소스를 포함함- 와,
    상기 플라즈마에 의해 방사되는 방사 광을 수집하는 시스템과,
    상기 원통형 볼륨의 전도성보다 낮은 전도성을 갖고, 상기 가스 이온화 장치와 상기 방사 광 수집 시스템 사이에 배치되는, 상기 애노드와 동축인 원통형 공동과,
    이온화된 가스에 대한 분석 장치 - 상기 분석 장치는 방사 스펙트럼의 전개를 분석하는 광학 분광기를 포함함 - 를 포함하되,
    상기 이온화된 가스에 대한 분석 장치는 컴퓨터와 연관된 광 발광 분광기를 포함하고,
    상기 광 발광 분광기 및 상기 컴퓨터는 소형의 집적된 제어 시스템(a compact integrated control system)을 구성하도록 공유된 케이싱 내에 배치되고, 가스 분석 결과에 따라 상기 반도체 제조 기계와 상호작용하도록 상기 반도체 제조 기계에 연결되는
    반도체 제조 기계.
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