KR101645046B1 - 켈빈 프로브 분석으로 정전척을 검사하는 방법 - Google Patents
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Abstract
정전척 (ESC) 을 검사하는 방법이 제공된다. ESC 는 반도체 웨이퍼에 대한 유전체 지지 표면을 갖는다. 유전체 지지 표면이 켈빈 프로브로 스캔되어 표면 전위 맵이 획득된다. 표면 전위 맵은 레퍼런스 켈빈 프로브 표면 전위 맵과 비교되어 ESC 가 검사를 통과하는지를 결정한다.
Description
플라즈마 에칭 챔버와 같은 반도체 프로세싱 장비의 구성 요소인 정전척 (ESC) 이, 예를 들어, 화학적 기상 증착 (CVD), 물리적 기상 증착 (PVD), 또는 에칭 반응기에서의 프로세싱 동안 반도체 웨이퍼 또는 유리 기판 (즉, 플랫 패널 디스플레이) 의 이송, 홀딩 및/또는 온도 제어를 위해 사용될 수 있다. ESC 는 종종, 짧은 수명은 나타내고, 이것은 예를 들어, 동적 정렬 실패, 지지 기판의 밑면과 ESC 사이의 헬륨 냉각 가스의 상당한 누설, 증가된 디척킹 (dechucking) 시간, 및 ESC 에 대한 기판의 스틱킹 또는 디척킹 실패를 포함하는 실패를 발생시킨다. ESC 의 초기의 실패는 기판의 파손을 초래할 수 있으며, 스루풋에 영향을 미칠 수 있고, 입자 및 디펙트 (defect) 문제를 초래할 수 있으며, 이러한 ESC 를 포함하는 플라즈마 프로세싱 장비의 소유 상태 (ownership) 비용을 증가시킬 수 있다.
정전척 (ESC) 을 검사하는 방법이 제공된다. ESC 는 반도체 웨이퍼에 대한 유전체 지지 표면을 갖는다. 유전체 지지 표면은 표면 전위 맵을 획득하기 위해 켈빈 프로브 (Kelvin probe) 로 스캐닝된다. 이 표면 전위 맵은, ESC 가 검사를 통과하는지를 결정하기 위해 레퍼런스 (reference) 켈빈 프로브 표면 전위 맵과 비교된다.
도 1a, 도 1b, 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b 는 3개의 ESC 유전체 표면의 예시적인 켈빈 프로브 표면 전위 맵핑을 예시한다.
도 4a 및 도 4b 는, 검사를 통과한 ESC 에 대한 켈빈 프로브 표면 전위 맵핑을 예시한다.
도 5a 및 도 5b 는, 검사를 통과하지 못한 ESC 에 대한 켈빈 프로브 표면 전위 맵핑을 예시한다.
도 4a 및 도 4b 는, 검사를 통과한 ESC 에 대한 켈빈 프로브 표면 전위 맵핑을 예시한다.
도 5a 및 도 5b 는, 검사를 통과하지 못한 ESC 에 대한 켈빈 프로브 표면 전위 맵핑을 예시한다.
ESC 는 플라즈마 에칭 실리콘 산화물 및 로우-k 재료와 같은 유전체 에칭 프로세스에서 사용될 수 있다. 예시적인 유전체 ESC 는, 웨이퍼와 같은 반도체 또는 기판이 지지되는 유전체 표면을 갖는 금속 베이스 (예를 들어, 양극처리되거나 양극처리되지 않은 알루미늄 합금) 를 포함할 수 있다. 일 예로서, 유전체 표면은 2개의 세라믹 층 (예를 들어, 대략 20 밀리 두께의 얇은 세라믹 층들) 사이에 패터닝된 내화성 (refractory) (예를 들어, 텅스텐 또는 몰리브덴) 전극을 포함하는 소결된 라미네이트를 포함할 수도 있다. 이 라미네이트는 도전성 파우더 (예를 들어, 알루미늄, 실리콘 등) 를 함유하는 실리콘계 재료와 같은 결합재에 의해 금속 베이스에 결합될 수도 있다. 대략 1.5 인치 두께의 금속 베이스는 통상적으로, RF 및 DC 전력 피드, 리프트 핀용 스루 홀, 헬륨 가스 통로, 온도 제어된 유체 순환용 채널, 온도 감지 장치 등을 포함한다.
바이폴라 ESC 는, 각각이 플라즈마의 부재시에 클램핑 능력을 유지하기 위해 반대 전압으로 대전된 복수의 전극 (예를 들어, 맞물린 동심 링 등) 을 포함한다. 일 실시형태에서, ESC 의 외부 전극은 양으로 대전된다. 바이폴라 ESC 에 있어서, 전극들 중 하나가 양 전하를 갖는 반면에, 다른 전극은 음 전하를 갖는다.
통상적으로, ESC 는 쿨롬 (Coulombic) 또는 존슨-라벡 (Johnsen-Rahbek) 타입이다. 쿨롬 타입 ESC 는, 쿨롬 정전기력을 생성하기 위해 더 높은 전기 저항을 갖는 유전체 표면층을 사용한다. 때로 낮은 인가 전압에서 높은 정전기 클램핑력을 제공하는 존슨-라벡 타입 ESC 는, 예를 들어, TiO2 로 도핑된 Al2O3 와 같은 저 저항 유전체 표면층을 활용한다.
일 실시형태에 따르면, 존슨-라벡 타입 ESC 의 세라믹 유전체층은 약 94% Al2O3, 약 4% SiO2, 약 1% TiO2, 및 약 1% CaO (중량 %) 및 미비한 양의 (trace amount) MgO, Si, Ti, Ca, 및 Mg 을 포함할 수도 있다. 다른 실시형태에 따르면, 쿨롬 타입 ESC 에서, 세라믹 유전체층은 99% 이상의 Al2O3 를 포함할 수도 있다.
현재, 신규이든 재컨디셔닝된 (reconditioned) 것이든 ESC 를 검사하는 방법은 ESC 의 전류-전압 특성 및 헬륨 흐름 엔드포인트 테스트를 포함한다. 이들 검사 방법 모두는, 플라즈마 프로세싱 장치에 ESC 를 설치하고 다중의 블랭크 테스트 웨이퍼 (예를 들어, 약 10 내지 20개의 실리콘 웨이퍼) 를 소모하는 것을 수반한다.
바이폴라 ESC 의 전류-전압 특성화를 위해서, 블랭크 테스트 웨이퍼가 ESC 상에 배치되고 플라즈마가 생성된다. ESC 전류는 음 전극과 양 전극 모두에 대한 전류-전압 프로파일을 생성하기 위해 전압의 함수 (즉, 2000V 까지) 로서 측정된다. 낮은 전압에서, 전류-전압 프로파일들은 실질적으로 서로 평행하고, 음 전극으로부터의 전류는 양 전극으로부터의 전류보다 낮다. 그러나, 일부 높은 전압에서, 음 전극으로부터의 전류는 급격히 증가하여 양 전극으로부터의 전류와 교차한다 (즉, "교차 전압"). 전류-전압 특성화는 복수의 웨이퍼에 대해 반복되어, 다수의 교차 전압의 값이 결정된다.
최외각 전극이 양의 전극이며 이로써 이로부터 전류가 플라즈마 내로 누설되므로, 이 양 전극으로부터의 전류는 상대적으로 편평하게 유지된다. 한편, 음 전극으로부터의 전류는 전계 방출 또는 쇼트키 방출 효과로 인해 급격히 증가된다. 일반적으로, 더 높은 교차 전압을 갖는 ESC 는 낮은 교차 전압을 갖는 ESC 에 비하여 개선된 클램핑 특성을 나타낸다.
헬륨 흐름 엔드포인트 테스트를 위해, 블랭크 테스트 웨이퍼가 ESC 상에 배치된다. 플라즈마가 생성되는 동안 블랭크 웨이퍼를 클램프하기 위해 전압이 ESC 에 인가된다. 플라즈마 프로세싱의 완료 이후에, 헬륨 흐름은 소정의 흐름 레이트로 웨이퍼의 이면 (즉, ESC 에 접하는 표면) 을 따라 개시되어 웨이퍼의 디척킹을 용이하게 한다. 동시에, 낮은 전력 플라즈마 (즉, 100 W 미만) 가 생성되어 웨이퍼로부터 나머지 전하를 제거한다. 헬륨 흐름 엔드포인트 테스트 동안, 디척킹이 완료되기 전까지의 헬륨 흐름의 총 시간이 측정된다. 일반적으로, 더 짧은 헬륨 흐름 시간을 갖는 ESC 가 더 긴 헬륨 흐름 시간을 갖는 ESC 에 비하여 개선된 클램핑 및 디척킹 특성을 나타낸다.
그러나, 이들 검사 방법 모두는 시간 소모적이고 노동 집약적이며, 비일관된 결과를 잠재적으로 발생시킬 수 있다. 전류 검사 방법은, 플라즈마 프로세싱 장치에 ESC 의 설치, 이 장치의 배기 및 플라즈마의 생성을 요구한다. 또한, 이들 검사 방법은 다수의 반복 결과를 위해서 반복되어, 각 반복에 대해 새로운 블랭크 실리콘 웨이퍼의 추가의 소모 (즉, 10 내지 20 개의 실리콘 웨이퍼) 를 요구한다. 또한, 블랭크 실리콘 웨이퍼의 특성의 웨이퍼 간 편차는 비일관된 교차 전압 또는 헬륨 흐름 시간 데이터를 발생시킬 수도 있다. 따라서, ESC 에 대한 더욱 비용-효율적이고 신뢰가능한 검사 방법에 대한 필요성이 존재한다.
(신규이든 재컨디셔닝된 것이든) ESC 를 검사하는 비용-효율적이고 신뢰가능한 방법에 대한 신규한 접근방식은, 실리콘 웨이퍼를 지지하는 ESC 의 유전체 표면의 켈빈 프로브 분석을 포함한다. 켈빈 프로브는 (금속에 대해서는) 일함수를 또는 (유전체에 대해서는) 표면 전위를 특성화하는 비파괴, 비접촉 분석 방법이다. 이러한 표면 분석 기술은 팁과 샘플 (즉, ESC 의 유전체 표면) 사이의 표면 전위를 측정하는 진동 커패시터 팁에 기초한다. 진동의 진폭은 수 미크론으로부터 수 밀리미터로 조정될 수 있다. 켈빈 프로브 팁이 인치 크기 (order) 의 면적의 표면 전위를 맵핑하기 위해 ESC 의 상부 유전체 표면과 평행한 면을 따라서 래스터될 수 있다. 이러한 켈빈 프로브는 영국 케이스네스에 위치한 KP Technology 로부터 입수할 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b 는, 대략 18 cm × 20 cm 의 면적에 걸친, 3개의 ESC 유전체 표면의 3개의 예시적인 켈빈 프로브 표면 전위 맵핑을 예시한다. 도 1a 는, 523 ± 87 meV 에서 표면 전위가 측정된 제 1 ESC 유전체 표면의 2차원 등고선 (contour) 이다. 도 1b 는 도 1a 의 3차원 사시도이다. 도 2a 는, -240 ±38 meV 에서 표면 전위가 측정된 제 2 ESC 유전체 표면의 2차원 등고선이다. 도 2b 는 도 2a 의 3차원 사시도이다. 도 3a 는, 118 ± 33 meV 에서 표면 전위가 측정된 제 3 ESC 유전체 표면의 2차원 등고선이다. 도 3b 는 도 3a 의 3차원 사시도이다. 켈빈 프로브는 표면 모폴러지 (morphology) 및 최고 원자층 내에서의 불순물 밴딩 (banding) 에 의해 정의된 ESC 표면 특성을 고유하게 특성화한다. 클램핑 특성과 상관될 수 있는 ESC 의 유전체 표면의 표면 전위의 특성화는 ESC 에 대한 강력한 검사 툴일 수 있다. 이상적으로는, ESC 의 유전체 표면은 균일하고 상대적으로 낮은 표면 전위를 가질 것이며, 이로써 축적된 전하의 제거가 용이하게 된다.
바람직한 방법에 따르면, 레퍼런스 켈빈 프로브 표면 전위 맵의 라이브러리가 전자 데이터베이스에 저장된다. 이들 레퍼런스 맵은, 이전에 검사를 통과하였고 양호한 클램핑 및 디척킹 특성 (즉, 더 높은 교차 전압 및/또는 더 짧은 헬륨 흐름 시간) 을 갖는 것으로 판정된 ESC 로부터의 켈빈 프로브 분석에 기초하여 일련의 표면 전위 맵을 생성함으로써 획득된다. 미지의 클램핑 및 디척킹 특성을 갖는 신규 또는 재컨디셔닝된 ESC 를 신속하고 비용-효율적으로 검사하기 위해, 이러한 ESC 에 대해 측정된 켈빈 프로브 표면 전위 맵이 생성되어 레퍼런스 표면 전위 맵의 라이브러리와 비교된다. 신규 또는 재컨디셔닝된 ESC 의 측정된 켈빈 프로브 표면 전위 맵이 라이브러리에서의 레퍼런스 맵과 유사하면, 이러한 ESC 는 검사를 통과하고 양호한 클램핑 및 디척킹 특성을 갖는 것으로 예상된다. 따라서, 켈빈 프로브 분석은, 플라즈마 프로세싱 장치에 ESC 를 설치하거나 다수의 실리콘 웨이퍼를 소모하는 요구 없이, 대기 조건하에서 각 ESC 를 검사하는 이점을 제공한다.
일 실시형태에서, 측정된 켈빈 프로브 표면 전위 맵 및 레퍼런스 켈빈 프로브 표면 전위 맵의 라이브러리는 컴퓨터-판독가능한 저장 매체에 저장된다. 레퍼런스 켈빈 프로브 표면 전위 맵에 대한 측정된 켈빈 프로브 표면 전위 맵의 비교는, 컴퓨터 소프트웨어 프로그램을 실행함으로써 자동화될 수 있다. 자동화된 비교의 결과는 상태 보고로서 발행될 수 있으며, 이 상태 보고는 ESC 가 검사를 통과하였는지 아닌지를 나타낸다. 레퍼런스 데이터에 측정된 데이터를 비교하는 이러한 방법은, 예를 들어, 참조로 그 전체가 여기에 통합되는 공동 소유 미국 특허 출원 공보 2007/0284246 (Keil 등) 에 또한 개시되어 있다.
예
실현 가능한 검사 기술인 켈빈 프로브 분석의 능력을 결정하기 위해 2 개의 샘플 ESC에 대해 테스트를 수행하였다. 하나의 ESC 는 전류-전압 특성화를 사용하여 검사를 통과한 것으로 이전에 판정되었고 (ESC 샘플 번호 LJ4030749), 다른 ESC 는 검사를 통과하지 못 한 것으로 이전에 판정되었다 (ESC 샘플 번호 LJ4030745). 영국 케이스네스에 위치한 KP Technology 로부터 입수가능한 켈빈 프로브 모델 번호 SKP250250 을 사용하여 샘플 ESC 의 표면 전위 스캔을 수행하였다.
비접촉 모드를 사용하여 10 mm 직경의 스테인리스 강 팁으로 각 ESC 의 표면을 스캔하였다. 대략 180 mm × 160 mm 의 표면적에 걸쳐 스테인리스 강 팁을 래스터하였다. 이 스캔 동안, 각 ESC 는 그 아래에 놓인 스테인리스 강 기판과 전기적 접촉한다. 각 샘플에 대해 켈빈 프로브 스캔이 상이한 지속 기간 (즉, 측정 동작들 간 1 시간까지) 으로 해서 3 회 반복하여 ESC 의 표면이 방전되게 한다. ESC 방전의 레이트가 저속이면 이는 부정적 특성이고, 이로써 더 긴 디척킹 시간을 발생시킨다.
켈빈 프로브 스캔 결과 및 이에 대응하는 교차 전압을 아래의 표 1 에 요약하였다. 도 4a 는 검사를 통과한 ESC 척에 대한 2차원 등고선 표면 전위 맵핑을 예시한다. 도 4b 는 도 4a 의 3차원 사시도이다. 도 5a 는 검사를 통과하지 못한 ESC 척에 대한 표면 전위 맵핑의 2차원 등고선을 예시한다. 도 5b 는 도 5a 의 3차원 사시도이다.
표 1
바람직한 실시형태들은 단지 예시적인 것이고 임의의 방식으로 제한적으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 범위는 이전의 설명 보다는 첨부한 청구항에 의해 제공되며, 청구항의 범위내에 있는 모든 변경 사항 및 균등 사항이 그 안에 포함되는 것으로 의도된다.
Claims (13)
- 반도체 웨이퍼에 대한 유전체 지지 표면을 갖는 정전척 (ESC) 을 검사하는 방법으로서,
3차원 전기적 표면 전위 맵이 획득되도록 상기 유전체 지지 표면을 켈빈 프로브 (Kelvin probe) 로 스캐닝하는 단계로서, 상기 스캐닝하는 단계는 상기 유전체 지지 표면에 평행한 면에서 상기 켈빈 프로브를 래스터 (raster) 하고, 상기 유전체 지지 표면의 영역에 걸쳐 복수의 포인트들에서의 상기 표면 전위를 맵핑함으로써 수행되는, 상기 스캐닝하는 단계; 및
상기 ESC 가 검사를 통과하는지를 여부를 결정하기 위해서, 상기 획득된 표면 전위 맵을 레퍼런스 (reference) 켈빈 프로브 표면 전위 맵과 비교하는 단계를 포함하는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 ESC 는 신규 ESC 또는 재컨디션닝된 (reconditioned) ESC인, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 레퍼런스 켈빈 프로브 표면 전위 맵은, 상기 켈빈 프로브로 ESC 의 레퍼런스 유전체 지지 표면을 스캐닝함으로써 생성되는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 ESC 는 쿨롬 (Coulombic) ESC 또는 존슨-라벡 (Johnsen-Rahbek) ESC 인, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 유전체 지지 표면은 Al2O3 로 이루어지는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 ESC 는 존슨-라벡 ESC 이고, 상기 유전체 지지 표면은 94% Al2O3, 4% SiO2, 1% TiO2 및 1% CaO로 이루어지는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 ESC 는 쿨롬 ESC 이고, 상기 유전체 지지 표면은 99% 이상의 Al2O3 로 이루어지는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 ESC 는 금속 베이스를 더 포함하고, 상기 유전체 지지 표면은 상기 금속 베이스 위에 놓인, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 유전체 지지 표면은 2개의 유전체 층 사이에 패터닝된 내화성 (refractory) 전극을 포함하는 소결된 라미네이트를 포함하는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 금속 베이스는, RF 및 DC 전력 피드들, 리프트 핀용 스루 홀들, 헬륨 가스 통로, 온도 제어된 유체 순환용 채널들 및 온도 감지 장치들을 포함하는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 스캐닝하는 단계는 대기 조건하에서 수행되는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 ESC의 유전체 지지 표면을 스캐닝하는 단계 이후 상기 ESC 를 플라즈마 에칭 챔버에 설치하는 단계를 더 포함하는, 정전척을 검사하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 ESC 를 플라즈마 에칭 챔버에 설치하는 단계 이후 상기 ESC 상에 웨이퍼를 지지시키고, 상기 웨이퍼를 플라즈마 에칭하는 단계를 더 포함하는, 정전척을 검사하는 방법.
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