KR100702974B1 - 플라즈마 생성용 고주파파워의 제어방법 및 플라즈마 발생장치 - Google Patents

플라즈마 생성용 고주파파워의 제어방법 및 플라즈마 발생장치 Download PDF

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Abstract

플라즈마 밀도를 장기간에 걸쳐서 적절하고도 용이하게 제어할 수 있는 플라즈마 생성용 고주파파워의 제어방법 및 플라즈마 발생장치에 있어서, 유전체제의 튜브를 개재시켜서 플라즈마에 측정용 고주파파워를 공급하고, 그 고주파파워의 반사 또는 흡수에 관련한 물리량을 측정함으로써 플라즈마 밀도정보를 얻는 긴수명·열필라멘트레스(熱 filamentless) 방식의 플라즈마 밀도정보 구출부를 플라즈마 생성용의 고주파파워의 공급계와는 별도로 설치하고 있다. 플라즈마 밀도정보 구출부에서 각각 모니터되는 실측 플라즈마 밀도와 플라즈마 밀도설정부에 유지되어 있는 목표 플라즈마 밀도의 비교결과에 따라 임피던스 정합기를 변화시키고, 전원측과 플라즈마측 사이의 임피던스 정합상태를 조정함으로써 고주파 전원에서 출력되는 생성용 고주파파워를 적절하게 제어하고 있다.
채임버, 고주파전원, 플라즈마 밀도정보 구출부, 측정용 프로브, 튜브, 루프안테나, 동축케이블, 도체편, 플라즈마 흡수주파수 구출부, 반응성 플라즈마

Description

플라즈마 생성용 고주파파워의 제어방법 및 플라즈마 발생장치{Method for Controlling Plasma-Generating High Frequency Power and Plasma-Generating Apparatus}
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 플라즈마 처리시스템을 나타내는 블록도,
도 2는 실시예의 플라즈마 밀도정보 구출부에 구비된 측정용 프로브를 나타내는 종단면도,
도 3은 실시예의 플라즈마 밀도정보 구출부에 구비된 측정용 프로브를 나타내는 횡단면도,
도 4는 플라즈마 밀도정보 구출부에 구비된 방향성 결합기의 등가 회로도,
도 5는 측정용 프로브의 루프(loop) 안테나의 위치변경 상황을 나타내는 단면도,
도 6은 플라즈마 밀도정보 측정용의 고주파파워의 반사율 주파수 특성을 나타내는 그래프,
도 7은 플라즈마 흡수 주파수와 측정용 프로브의 튜브의 선단부 길이의 대응 관계를 나타내는 그래프,
도 8은 실시예에서의 생성용 고주파파워의 제어의 흐름을 나타내는 플로우 챠트(flow chart),
도 9는 측정용 프로브의 변형예를 나타내는 종단면도,
도 10은 측정용 프로브의 다른 변형예를 나타내는 종단면도,
도 11은 프로브 제어부의 변형예를 나타내는 볼록도,
도 12는 프로브 제어부의 다른 변형예를 나타내는 블록도,
도 13은 측정용 프로브와 프로브 이동수단을 나타내는 부분 단면도,
도 14는 동축 케이블의 변형예를 나타내는 부분 종단면도,
도 15는 측정용 프로브의 다른 변형예를 나타내는 종단면도,
도 16은 측정용 프로브의 또 다른 변형예를 나타내는 종단면도이다.
(도면 부호의 설명)
1...채임버, 2...방전전극(방전안테나),
3...배기용 파이프, 4...진공배기 펌프,
5...유량조절 밸브, 6...가스공급용 파이프,
7...가스원, 8...고주파전원,
9...고주파파워 제어부, 10a...임피던스 정합기,
10b...플라즈마 밀도설정부, 10c...정합기 제어부,
11...플라즈마 밀도정보 구출부,
12...측정용 프로브, 13...프로브 제어부,
14...튜브, 15...루프안테나,
16...동축케이블, 17...도체편,
18...고주파 발진기, 19...방향성 결합기,
20...감쇠기, 21...필터,
22...플라즈마 흡수주파수 구출부,
23...파워리미터, 27...금속막,
PM..반응성 플라즈마.
본 발명은 박막소자의 제조공정이나 입자빔원 혹은 분석장치 등에 사용되는 플라즈마에 공급하는 플라즈마 생성용 고주파파워의 제어방법 및 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 밀도를 적절하고도 용이하게 제어하기 위한 기술에 관한 것이다.
근래 플라즈마의 이용이 널리 이루어지고 있다. 박막소자의 제조공정에서는 예를 들면 10MHz 정도의 RF대의 주파수부터 2.45GHz로 대표되는 마이크로파대 주파수의 고주파파워(고주파전력)에 의해 생성시킨 고주파 플라즈마를 이용해서 에칭처리나 CVD(화학증착법) 처리 등이 실행되고 있다. 이와 같은 플라즈마 응용기술에서는 플라즈마 밀도를 정확하게 제어하는 것이 적절한 처리를 행하는데 중요하다.
종래 플라즈마 발생장치에 있어서의 플라즈마 밀도의 제어는 다음과 같이 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 것에 의해 실행되고 있다. 플라즈마 생성용의 고주파파워는 고주파전원으로부터 임피던스(impedance) 정합기를 경유하여 플라즈마에 공급된다. 한편, 플라즈마에 흡수되지 않고 반사해서 고주파 전원측으로 되돌아 오는 고주파파워, 즉 반사파워를 검출한다. 그리고, 반사파워가 최소로 되도록 임피던스 정합기를 항상 자동제어함으로써 전원측과 플라즈마측 사이의 임피던스의 정합상태를 조정하고, 플라즈마 밀도를 안정시켜서 일정의 처리조건을 유지한다.
그러나 종래 플라즈마 밀도의 제어는 적절하다라고 말할 수 없는 문제가 있다. 플라즈마 밀도는 플라즈마에 투입되는 유효전력에 거의 비례하고 있지만, 고주파파워의 반사파워가 최소로 되도록 임피던스 정합기를 자동조절하여도, 임피던스 정합기와 방전전극(방전안테나) 사이의 손실도 포함된 고주파파워가 일정하게 될 뿐이며, 반드시 플라즈마에 투입되는 유효전력이 일정하게 되지 않기 때문이다. 따라서 플라즈마에 흡수되지 않고 반사하여 되돌아 오는 고주파파워의 반사량에 기인하여 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 종래 플라즈마 밀도의 제어 방식은 아무래도 한계가 있다.
상기 문제의 해결책으로서, 실제로 측정된 플라즈마 밀도에 기인하여 플라즈마 밀도를 제어하는 것이 고려된다. 일가(一價)의 양이온 전자로 이루어진 전형적인 플라즈마의 경우, 전기적 중성이 유지되는 플라즈마 특유의 성질에 기인하여 양이온 밀도와 전자밀도는 실질적으로 같기 때문에, 보통 전자밀도를 플라즈마 밀도라 부른다. 결국 플라즈마 중의 전자밀도는 플라즈마 밀도와 실질적으로 등가이다. 종래 플라즈마 중의 전자밀도를 측정하는 방법으로서 랑뮈에·프로브법이나 마이크로파 간섭계측법 이외, 비교적 최근 개발된 전자빔 조사식의 플라즈마 진동프로브법이 있으며, 이들의 방법에서 플라즈마 중의 전자밀도를 측정하고 측정한 전 자밀도에 기인하여 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 방법이 고려되고 있다.
랑뮈에·프로브법(Langmuir·Probe)은 플라즈마 중에 금속프로브를 직접 노출시킨 상태로 설치해 놓고, 금속프로브에 직류바이어스(bias) 전압 또는 고주파 전압을 중첩시킨 직류바이어스 전압을 인가한 때에 금속프로브에 흐르는 전류값에 기인하여 전자밀도를 구한다. 마이크로파 간섭계측법에서는 플라즈마 생성용의 채임버의 벽에 플라즈마를 사이에 두고 마주보는 창을 설치해 놓고, 한쪽의 창에서 마이크로파(예를 들면 단색의 레이저광)를 플라즈마에 입사(立射)함과 동시에 플라즈마를 통과하여 다른쪽의 창으로 출사(出射)하는 마이크로파를 검출하고, 입사·출사 마이크로파 사이의 위상차에 기인하여 전자밀도를 구한다. 전자빔 조사식 플라즈마 진동법에서는 열필라멘트를 채임버의 안에 설치해 놓고, 열필라멘트에서 플라즈마로 전자빔을 조사할 때에 생기는 플라즈마 진동의 주파수에 기인하여 전자밀도를 구한다.
그러나 상기의 랑뮈에·프로브법은 측정이 장시간에 걸쳐서 계속되지 않는다는 결점이 있다. 측정 중의 금속프로브 표면에는 단시간 내에 절연성 피막으로 인한 오염이 부착하고, 금속프로브에 흐르는 전류값이 변동하여, 정확한 측정이 바로 이루어지지 않을 수 있기 때문이다. 금속프로브 표면에 부착한 오염을 제거하기 위해 금속프로브에 음의 바이어스 전압을 인가해서 이온으로 스퍼터링으로 제거하는 방법이나, 금속프로브를 적열(赤熱)시켜서 오염을 증발제거하는 방법도 시험되어 왔지만 효과가 적어서 결점을 해소하기에는 부족하다.
또한 마이크로파 간섭계측법에는 측정실시가 간단하지 않다고 하는 결점이 있다. 대규모이며 고가인 장비나 까다로운 마이크로파 전송로의 조정이 필요할 뿐 아니라 입사·출사 마이크로파 사이의 위상차가 얼마되지 않으므로 정확한 측정이 어렵다.
게다가 전자빔 조사식의 플라즈마 진동 프로브법에는 열필라멘트로부터 증발하는 텅스텐에 의한 플라즈마 분위기 오염의 염려에 더해서, 열필라멘트의 단선에 의한 측정 중단의 염려가 있다. 특히 산소나 플론(fleon)계 가스를 사용하는 플라즈마의 경우에는 열필라멘트가 단선되기 쉬워 빈번하게 필라멘트 교환을 행할 필요가 있기 때문에 실용에 적합하다고는 말 할 수 없다.
본 발명은 상기의 사정을 감안하여 플라즈마 밀도를 장기간에 걸쳐서 적절하고도 용이하게 제어할 수 있는 플라즈마 생성용 고주파파워의 제어방법 및 플라즈마 발생장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
즉, 본 발명은 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 방법으로서, 이하의 과정을 포함한다:
플라즈마에 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워를 공급하는 과정;
플라즈마 부하에 의한 상기 고주파파워의 반사 또는 흡수상황을 나타내는 물리량의 측정을 행하는 과정;
상기 물리량의 측정결과에 기인한 플라즈마 밀도정보를 구하는 과정;
얻어진 플라즈마 밀도정보에 기인한 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 과정;
상술한 본 발명방법에 의하면 플라즈마 생성용의 고주파파워와는 별도로 플라즈마에 공급하는 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워에 대해서, 플라즈마 부하에 의한 흡수상황을 나타내는 물리량의 측정을 실행하고, 이 물리량의 측정결과로부터 얻어진 플라즈마 밀도정보에 기인하여 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어한다. 플라즈마 생성용의 고주파파워의 공급계와는 전혀 다른 측정계에 의해서 얻은 플라즈마 밀도정보에 따라 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어한 결과, 실제의 플라즈마 밀도의 모니터 결과가 고주파파워의 제어에 양호하게 반영되어, 플라즈마 밀도를 적절하게 제어할 수 있게 된다. 또한, 본 발명은 플라즈마에 고주파파워를 공급하여 밀도정보를 구하는 구성이므로, 고주파파워 공급을 위해 안테나에 절연성 피막으로 된 오염이 부착하여도 그 영향이 적고, 정밀도가 뛰어난 플라즈마 밀도정보에 따라 플라즈마 생성용 고주파파워를 제어할 수 있다. 게다가, 플라즈마 밀도정보를 측정할 뿐 아니라 플라즈마에 고주파파워를 공급함과 동시에, 플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 반사 또는 흡수상황을 나타내는 물리량의 측정(예를 들면 고주파파워의 반사량이나 플라즈마 부하의 임피던스 값의 측정)을 행하는 것으로 완료되므로, 정보측정에 열 필라멘트도 사용하지 않는 간단한 것이기 때문에 플라즈마 밀도의 제어를 용이하게 행할 수 있다.
본 발명방법에 있어서, 바람직하게는 유전체제(誘電體製)의 격벽(隔璧)을 개재시켜서 플라즈마에 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워를 공급한다. 이 구 성에 의하면 제어대상인 플라즈마측과 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워의 공급측 사이에 유전체제의 격벽이 존재하므로, 고주파파워의 공급측으로부터 플라즈마로의 이물 등의 침입이 없어 플라즈마를 청정하게 유지할 수 있다. 또한, 플라즈마에 의한 고주파파워 공급측의 손상이 방지된다. 게다가, 유전체제의 격벽의 표면에 절연성 피막으로 된 오염이 부착하여도 절연성 피막은 유전체제이기 때문에, 유전체제의 격벽의 두께가 약간 변화하는 정도로 측정계에 실질적인 변화는 일어나지 않아, 절연성 피막의 오염에 의한 측정방해는 회피된다.
본 발명방법에 있어서, 플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 반사 또는 흡수 상황을 나타내는 물리량의 측정은 예를 들면 고주파파워 공급용의 고주파 앰프의 전류량 계측에 의해 실행된다. 고주파파워 공급용의 고주파 앰프에는 플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 반사 또는 흡수의 정도에 따라 전류가 흐르게 되므로, 이 전류량을 측정함으로써 고주파파워의 반사 또는 흡수 상황을 나타내는 물리량의 측정을 간단하게 실시할 수 있게 된다.
본 발명방법에 있어서, 플라즈마 밀도정보로서 예를 들면 물리량의 측정결과로부터 플라즈마 밀도에 기인하여 고주파파워의 강한 흡수가 일어나는 플라즈마 흡수주파수를 구한다. 플라즈마 흡수주파수는 물리량의 측정결과에 있어서 공명(共鳴)적인 뚜렷한 흡수가 생기는 개소의 주파수이기 때문에, 실제의 플라즈마 밀도에 정확하게 대응하는 플라즈마 밀도정보가 간단하게 구해진다.
본 발명방법에 있어서, 바람직하게는 플라즈마 생성용의 고주파파워를 임피던스 정합계를 개재시켜서 고주파 전원으로부터 플라즈마에 공급함과 동시에, 플라 즈마 밀도정보에 따른 임피던스 정합계를 제어해서 전원측과 플라즈마측 사이의 임피던스 정합상태를 조정함으로써 플라즈마 생성용 고주파파워를 제어한다. 임피던스 정합계의 조정은 강한 고주파파워 제어작용이 있으므로(제어가 충분히 발휘되기 쉽다) 플라즈마 생성용의 고주파파워의 제어가 원활하게 실시된다.
또한, 본 발명은 플라즈마를 발생시키는 장치로서 이하의 요소를 포함한다:
플라즈마 생성용의 채임버;
채임버의 안에 설치된 플라즈마 생성용의 방전전극;
이 방전전극에 공급하는 플라즈마 생성용의 고주파파워를 출력하는 고주파 전원;
채임버 중의 플라즈마에 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워를 공급함과 동시에, 플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 흡수상황을 나타내는 물리량의 측정을 실행해서 플라즈마 밀도정보를 구하는 플라즈마 밀도정보 구출(救出)수단;
플라즈마 밀도정보 구출수단에 의해 구해진 정보에 따라 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 고주파파워 제어수단;
상술한 본 발명에 의하면, 실제의 플라즈마 밀도에 따라 플라즈마 생성용 고주파파워의 제어가 실행되어, 플라즈마 밀도가 장기간에 걸쳐서 적절하고도 용이하게 제어된다.
본 발명 장치에 있어서, 플라즈마 밀도정보 구출수단은 바람직하게는 유전체제의 격벽을 개재시켜서 채임버 중의 플라즈마에 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워를 공급한다. 이와 같이 구성하면, 플라즈마가 오염되지 않음과 동시에 플 라즈마에 의한 고주파파워 공급측의 손상이 저지된다.
본 발명 장치에 있어서, 플라즈마 밀도정보 구출수단은 플라즈마 밀도정보로서 예를 들면 물리량의 측정결과로부터 플라즈마 밀도에 기인하여 고주파파워의 강한 흡수가 일어나는 플라즈마 흡수주파수를 구한다. 이 예에 의하면, 실제의 플라즈마 밀도에 따라 플라즈마 생성용의 고주파파워의 제어가 정확하게 실행되어, 플라즈마 밀도가 장기간에 걸쳐서 대단히 적절하고도 용이하게 제어된다.
본 발명 장치에 있어서, 고주파파워 제어수단은 바람직하게는 임피던스 정합기가 설치되어 있어서, 플라즈마 밀도정보에 따라 임피던스 정합기를 제어하여 전원측과 플라즈마측 사이의 임피던스 정합상태를 조정함으로써 플라즈마 생성용 고주파파워를 제어한다. 이 예에 의하면, 실제의 플라즈마 밀도에 걸맞는 플라즈마 생성용 고주파파워의 정확한 제어가 원활하게 실행되어, 플라즈마 밀도가 장기간에 걸쳐서 적절하고도 대단히 용이하게 제어된다.
본 발명 장치에 있어서, 상기 장치는 바람직하게는 플라즈마 생성용의 채임버에 넣어짐과 동시에 선단이 막혀 있는 유전체제의 튜브와, 튜브의 선단측에 수용되어서 고주파파워를 방사하는 안테나와, 튜브의 뒤쪽에 수용되어서 안테나에 접속되어 있는 고주파파워 전송용의 케이블을 포함하는 플라즈마 밀도정보 측정용 프로브를 구비하고,
상기 유전체제의 튜브의 관벽을 유전체제의 격벽으로 하여, 튜브 내의 안테나로부터 플라즈마 밀도 계측용의 고주파파워가 플라즈마로 공급되도록 구성되어 있다.
이 구성에 의하면, 플라즈마 밀도정보 측정용 프로브의 케이블을 경유하여 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워가 안테나로부터 유전체제 튜브의 관벽(격벽)을 개재시켜서 플라즈마에 공급됨과 동시에, 안테나에서 수신된 반사파워가 케이블을 경유하여 취출된다. 또한, 안테나로부터 나오는 고주파파워가 플라즈마에 영향을 미치는 범위는 그다지 광범위하지 않기 때문에, 고주파파워의 량을 조절하거나 하면, 국소(局所)적인 플라즈마 밀도정보를 얻을 수도 있다. 즉, 플라즈마 밀도정보 측정용 프로브에 의해서, 플라즈마 밀도정보의 측정에 필요한 상태가 용이하게 조정되어서 측정이 간단하게 실시될 수 있는 뿐 아니라 공간분해능을 발현(發現)시킬 수도 있다.
본 발명 장치에 있어서, 상기 유전체제의 튜브에는 예를 들면 복수의 안테나가 튜브의 선단에서의 거리가 각각 다르도록 수용되어 있으며, 플라즈마 밀도정보 구출수단이 각 안테나마다 얻어지는 물리량의 측정결과로부터 플라즈마 밀도에 기인하여 고주파파워의 강한 흡수가 일어나는 플라즈마 흡수주파수를 각각 구함과 동시에, 플라즈마 흡수주파수 중 공통주파수의 플라즈마 흡수주파수를 플라즈마 표면파 공명 주파수로서 구하도록 구성되어 있다. 이 구성에 의하면, 튜브의 선단에서의 거리가 다른 각 안테나마다 얻어진 플라즈마 흡수주파수 중 공통주파수의 플라즈마 흡수주파수를 구함으로써 용이하게 플라즈마 표면파 공명주파수를 알게 된다.
본 발명 장치에 있어서, 바람직하게는 플라즈마 밀도정보 측정용 프로브가 플라즈마 생성용의 채임버에 진퇴 가능하게 넣어져 있음과 동시에, 측정을 안할 때는 프로브의 선단이 채임버 내의 측정위치에서 채임버 벽면 부근의 퇴피(退避)위치 로 물러나도록 프로브를 이동시키는 프로브 이동수단을 구비하고 있다. 이 구성에 의하면, 플라즈마 밀도정보 측정용 프로브의 선단을 측정하지 않을 때는 프로브 이동수단에 의해 채임버 벽면 부근의 퇴피위치로 물러나게 되어 있으므로, 프로브의 표면에 오염이 두텁게 쌓이기 쉬운 플라즈마의 경우에도, 측정할 때만 프로브를 플라즈마 쪽으로 이동시키도록 하여, 프로브의 오염을 방지할 수 있다.
본 발명 장치에 있어서, 바람직하게는 플라즈마 밀도정보 계측용 프로브의 후단에, 프로브 내의 안테나로 잘못 들어가고 있는 과대한 플라즈마 생성용의 고주파파워를 저지하는 보호수단이 설치되어 있다. 플라즈마 밀도정보 계측용 프로브의 안테나로 과대한 플라즈마 생성용의 고주파파워가 잘못 들어가고 있는 경우, 후단의 보호수단이 과대하게 잘못 들어가는 고주파파워를 저지하여 장치의 파괴를 방지한다. 특히, 생성 플라즈마가 불의로 소멸한 때는 플라즈마 생성용의 고주파파워가 직접 안테나에 전송되어서 장치를 파괴할 염려가 있지만, 이 염려가 프로브의 후단의 보호수단에 의해 해소된다.
본 발명 장치에 있어서, 고주파파워 전송용의 케이블이 바람직하게는 심선(芯線)과 실드(shield)용의 도체제(導體製) 튜브와, 심선·도체제 튜브 사이의 공극(空隙)을 채우는 절연용 세라믹재로 이루어진다. 이 구성에 의하면, 고주파파워 전송용 케이블의 심선과 실드용의 도체제 튜브 사이의 공극이 열에 강한 절연용 세라믹재로 채워져 있으므로 케이블의 내열성이 향상된다.
본 발명의 장치에 있어서, 유전체제의 튜브는 바람직하게는 측정구역은 미피복 상태로 이루어지도록 하여 튜브 표면이 금속으로 피복되어 있다. 이 구성에 의 하면, 측정결과는 금속으로 덮혀져 있지 않은 측정구역의 국부적 상황만을 잘 반영하게 되어 공간분해능이 향상한다.
본 발명 장치에 있어서, 바람직하게는 안테나가 유전체제의 튜브의 내면으로 근접해 가도록 연장되어 있다. 이 구성에 의하면, 안테나에서 방사되는 고주파파워가 플라즈마에 효율 좋게 공급되므로 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워의 공급량이 적게 되어 측정 정밀도가 향상한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면에 따라 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 발생장치의 일예가 조립된 것으로서, 본 발명의 플라즈마 생성용 고주파파워의 제어방법의 일예로 실시되는 플라즈마 처리시스템을 나타내는 블록도, 도 2는 실시예로 사용되고 있는 플라즈마 밀도정보 측정용 프로브(이하, 측정용 프로브라 한다)의 구성을 나타내는 종단면도, 도 3은 실시예에 사용되고 있는 측정용 프로브의 구성을 나타낸 횡단면도이다.
실시예의 플라즈마 처리시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 반응성 플라즈마(이하, 바로 플라즈마라 한다)(PM)가 생성되는 실내공간(S)를 갖고 있는 직경 수10㎝의 스테인레스강제 채임버(1)와, 채임버(1)의 안에 설치된 플라즈마 발생용 방전전극(방전안테나)(2)과, 배기용 파이프(3)를 개재하여 채임버(1)의 실내공간과 연통하고 있는 진공배기 펌프(4)와, 유량조절 밸브(5)가 개설된 가스공급용 파이프(6)를 통해서 채임버(1)의 실내공간(S)과 연통하고 있는 가스원(7)을 구비하고 있다. 이외, 실시예 시스템의 채임버(1)에는, 작업대상(피처리물)(W)의 재치대(미도시)나 작업대상(W)의 반입·반출기구(미도시) 등도 설치되어 있다.
채임버(1)의 실내공간(S)은 진공배기 파이프(4)에 의해서 배기되어 적당한 실내압력이 유지된다. 플라즈마(PM)가 생성될 때 실내공간(S)의 분위기 압력으로서는 수mTorr∼수십mTorr가 예시된다. 또 가스원(7)에서 가스가 적당한 유량으로 공급된다. 공급가스의 종류로서는 아르곤, 질소, 산소가스, 불소계 가스, 염소계 가스 등이 예시된다. 유량조절 밸브(5)로 설정되는 가스 유량으로서는 10∼100cc/분 정도가 예시된다.
방전전극(2)으로서는 유도결합형 RF 방전의 플라즈마의 경우 유도코일이 사용되고, 용량결합형 RF 방전의 플라즈마의 경우 평판상 전극이 사용된다. 또한, 고주파파워의 주파수가 마이크로파대의 주파수인 마이크로파 방전의 플라즈마의 경우 혼(horn)안테나나 슬롯(slot)안테나 혹은 개구도파관(開口導波管) 등이 방전전극(2)으로서 사용된다.
또한, 채임버(1)의 바깥에는 플라즈마 발생용 고주파파워를 공급하기 위한 고주파전원(8)과, 방전전극(2)에 공급되는 플라즈마 발생용 고주파파워(이하, 바로 발생용 고주파파워라 한다)를 제어하기 위한 고주파파워 제어부(9)가 설치되어 있다.
고주파전원(8)으로부터 출력되는 고주파파워의 크기는 예를 들면 1㎾∼3㎾ 정도가 예시된다. 고주파파워의 고주파는 특정의 고주파로 한정되지는 않지만, 통상은 13.56㎒로 대표되는 RF대에서 900㎒∼2.45㎓ 정도의 마이크로파대까지의 주파수이다.
고주파파워 제어부(9)는 고주파전원측과 플라즈마측 사이의 임피던스 정합상 태를 조절하는 임피던스 정합기(10a)와, 채임버(1)에 발생되는 플라즈마에 대해서의 목표 플라즈마 밀도를 설정하기 위한 플라즈마 밀도설정부(10b)와, 설정된 목표 플라즈마 밀도와 실측되는 플라즈마 밀도의 차이에 따라 임피던스 정합기(10a)를 제어하는 정합기 제어부(10c)로 이루어진다.
임피던스 정합기(10a)로서는 고주파파워의 주파수가 RF대의 주파수의 경우 인덕턴스(inductance)와 정전용량(capacitance)을 조합시킨 정합회로가 사용되고, 고주파파워의 주파수가 마이크로파대의 주파수의 경우, EH 튜너(tuner)나 스터브 튜나(stub tuner)가 사용된다.
또 실시예의 시스템의 경우, 고주파 전원(8)으로부터 출력되는 고주파파워의 출력량을 검출하는 출력파워 모니터 기구(미도시)나, 플라즈마 부하측에서 흡수되지 않고 전원측으로 되돌아오는 고주파파워의 반사량을 검출하는 반사파워 모니터 기구(미도시)가 플라즈마 생성 상황을 대충 파악하는 등의 수단의 하나로서 배설되어 있다.
상기한 바와 같이 하여 생성되는 플라즈마(PM)에 의해서, 작업대상(W)에 대한 에칭처리나 CVD(화학증착법)처리 등이 실행되고 있지만, 실시예의 시스템에는 이하에 서술한 바와 같이 플라즈마 밀도정보를 시시각각 구하는 플라즈마 밀도정보 구출부(11)가 설치되어 있다.
실시예의 플라즈마 밀도정보 구출부(11)는, 도 1에 도시한 바와 같이 채임버(1)의 벽에 설치되어 있는 측정용 프로브(12)와, 채임버(1)의 외측에 배설되어 있는 프로브 제어부(13)로 구성된다. 우선 측정용 프로브(12)의 구체적 구성에 대해서 설명한다.
측정용 프로브(12)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 선단이 막혀 있음과 동시에 후단이 대기(외기)로 열려 있는 유도체제의 튜브(14)와, 고주파파워를 방사하는 루프(loop)안테나(15)와, 루프안테나(15)에 접속되어 고주파파워를 루프안테나(15)로 전송하는 동축 케이블(16)과, 방출전자파의 누설을 방지하기 위한 알루미늄제의 도체편(17)을 구비하고 있다. 튜브(14)를 형성하는 유전체 재료는 특히 한정되지 않지만, 예를 들면 강화내열 유리, 석영, 세라믹이 예시된다.
루프안테나(15)와 동축 케이블(16)은 루프안테나(15)가 앞으로 되도록 하여 튜브(14) 내에 수납되어 있다. 또 도체편(17)은 동축케이블(16)과 튜브(14)의 내면과의 빈틈을 폐쇄하도록 하여 루프안테나(15)의 약간 앞쪽 위치에 설치되어 있다. 그 결과 고주파파워 누설에 의한 측정오차가 회피된다.
측정용 프로브(12)는 채임버(1) 벽에 설치된 관통공(1A)으로부터 그 선단이 채임버(1)의 안에 위치하도록 하여 삽입시켜서 설치되어 있다. 채임버(1)로의 측정용 프로브(12)의 삽입량(도 1 중에 부호 M으로 나타냄)을 적당하게 설정함으로써 플라즈마(PM) 중 임의의 개소의 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다. 프로브(12)의 외주면과 채임버(1)의 관통공(1A) 사이에는 O-링(1B)이 개재되어 있어서 측정용 프로브(12)의 장착이 진공누설을 일으키지 않는 구성으로 이루어져 있다.
동축케이블(16)은 도 3에 도시한 바와 같이 심선(16a)과, 심선(16a)을 외측으로부터 길이방향을 따라 계속하여 둘러싸는 실드선(16b) 사이에 불소계 수지 등의 절연재(16c)가 개재하는 통상의 동축구조이다. 튜브(14)와 동축케이블(16)의 빈틈에는 공기나 질소가스 등의 냉각용 유체가 강제적으로 보내지고 있다. 그 결과 튜브(14)나 동축케이블(16) 등의 온도상승에 의해서 일어나는 측정오차가 회피된다. 냉각용 유체를 보내는 수단으로서는, 다음과 같은 구조를 택할 수 있다. 예를 들면 도시하지 않은 세관(細管)을 튜브(14)나 동축케이블(16)의 빈틈 사이에 삽입하고 그 세관의 선단을 도체편(17)의 가까이에 위치시킨다. 이 세관을 통해서 냉각용 유체를 튜브(14)의 안쪽으로 보내고 측정용 프로브(12)를 냉각한다. 또 냉각용 유체는 공기 등의 기체에 한하지 않고 물 등의 액체이어도 좋다.
게다가 루프안테나(15)와 동축케이블(16) 및 도체편(17)은 도 5에 도시한 바와 같이, 동축케이블(16)을 튜브(14)의 길이방향에 대해서 밀거나 끌어 당김으로써 일체적으로 전진 혹은 후퇴하고, 루프안테나(15)의 위치가 튜브(14)의 길이방향에 따라 변경되는 구조로 이루어져 있다. 결국, 측정용 프로브(12)에서는 루프 안테나(15)를 포함하는 도체편(17)으로 앞의 튜브(14)의 선단부 길이(L)를 간단하게 변경시킬 수 있다.
이어서 프로브 제어부(13)의 구체적 구성에 대해서 설명한다. 프로브 제어부(13)는 주파수 소인식(掃引式)의 고주파 발진기(18)와, 방향성 결합기(19)와, 감쇠기(20)와, 필터(21)를 구비하고 있으며, 이것들이 도 1에 도시한 순서로 측정용 프로브(12)에 접속되어 있다. 고주파 발진기(18)는 100㎑에서 3㎓의 주파수로 10㎽ 정도의 플라즈마 밀도정보 측정용의 고주파파워를 자동적으로 주파수 소인하면서 출력한다. 고주파 발진기(18)로부터 출력된 고주파파워는 방향성 결합기(19), 감쇠기(20), 필터(21)를 그 차례로 경유하여 측정용 프로브(12)로 전송된다.
한편 플라즈마 밀도정보 측정용의 고주파파워(이하, 측정용 고주파라 한다)는 루프안테나(15)에서 방출되어 플라즈마 부하에 전부 흡수된다고는 할 수 없으며, 플라즈마 부하에 흡수되지 않고 반사하여 되돌아오는 부분도 있다. 플라즈마 부하에 흡수되지 않고 되돌아오는 고주파파워의 반사량은 방향성 결합기(19)에서 검출되어 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)로 보내게 된다. 이 플라즈마 흡수 주파수 구출부(22)에는 고주파 발진기(18)에서 출력되는 측정용 고주파파워의 주파수도 순차적으로 보내게 된다.
필터(21)는 안테나(15)를 경유하여 프로브 제어부(13)로 혼입하여 오는 플라즈마 여기용(勵起用)의 고주파파워를 제거하는 기능을 한다. 또 감쇠기(20)는 측정용 프로브(12)로 보내지는 측정용 고주파파워의 량을 조정하는 기능을 한다.
방향성 결합기(19)는 도 4에 도시한 바와 같이, 심선(19a)과, 이 심선(19a)을 외측에서 길이방향에 따라 계속해서 둘러싸는 실드선(19b)으로 이루어진 동축구조이어서, 실드선(19b)의 내측에서 심선(19a)을 따라 짧은 결합라인(19c)이 설치되어 있다. 이 결합라인(19c)의 고주파 발진기측이 저항(19d)을 통해서 접지되어 있고, 결합라인(19c)의 비접지측에서 측정용 고주파파워의 반사량이 검출될 수 있는 구성으로 이루어져 있다.
플라즈마 흡수주파수 검출부(22)는 고주파파워의 주파수와 고주파파워의 검출반사량에 따라 측정용 고주파파워의 반사율의 대(對)주파수 변화율을 구하고, 구해진 결과에 따라서 플라즈마 밀도에 기인하여 고주파파워의 강한 흡수가 일어나는 플라즈마 흡수주파수를 구하는 구성으로 이루어져 있다. 즉, 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)에서는, [고주파파워의 검출반사량]÷[고주파파워의 전출력량(실시예에서는 일정량)]의 연산이 실행되어서 측정용 고주파파워의 반사율이 구해지며, 각각 변하는 주파수와 대응하여 플로트(plot)됨으로써 측정용 고주파파워의 반사율의 대(對)주파수 변화가 구해진다.
반사율이 크게 내려가는 곳은 플라즈마 밀도에 기인하여 고주파파워의 강한 흡수가 일어나는 흡수피크(peak)이며, 이 흡수피크의 주파수가 플라즈마 흡수주파수로 된다. 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)에서는 이 흡수피크를 자동검출하여 대응하는 주파수를 플라즈마 흡수주파수로서 인정하는 처리가 실행된다.
플라즈마 흡수주파수 구출부(22)에서 구해진 플라즈마 흡수주파수는 플라즈마 밀도와 일정의 상관 관계가 있는 유용한 플라즈마 밀도정보이다. 실시예의 시스템의 경우 플라즈마 흡수주파수는 표면파 공명주파수(f)이다. 표면파 공명 주파수(f)는 플라즈마 밀도와 실질적으로 등가인 플라즈마 중의 전자밀도 ne와 직접 대응하고 있는 보다 유용한 플라즈마 밀도정보이다.
이 플라즈마 밀도정보 구출부(11)에 의한 구체적인 플라즈마 밀도정보의 측정방식은 본 발명의 발명자들이 처음으로 생각해낸 신방식이므로, 이해를 용이하게하기 위해 더욱 구체적이고도 상세한 측정예를 설명한다.
채임버(1)의 실내공간(S)이 아르곤(Ar) 10mTorr의 상태로 되도록 조정하였다. 그리고 고주파전원(8)에서 방전전극(2)으로 13.56㎒의 고주파파워를 1.2㎾의 출력량으로 공급함으로써 실내공간(S)에 반응성 플라즈마(PM)을 생성하였다.
측정용 프로브(12)의 튜브(14)는 외경 6㎜：비유전율 4의 파이렉스(Pyrex)제 유리관이다. 동축케이블(16)은 50Ω의 세미 리지드 케이블(semi rigid cable)이며, 도체편(17)은 알루미늄 호일로 이루어진다.
먼저 측정용 프로브(12)를 도 2에 도시한 바와 같이, 루프안테나(15)의 기단에서부터 튜브(14)의 선단부까지의 길이(L)가 3.5㎜로 되도록 설정하였다. 그리고 고주파 발진기(18)로부터 10㎽의 고주파파워를 100㎑에서 3㎓까지 주파수 소인하면서 출력하였다. 이때의 고주파파워의 반사량을 방향성 결합기(19)에서 검출하고, 도 6의 최상단의 곡선 Ra로 나타낸 바와 같이 고주파파워의 반사율의 대(對)주파수 변화를 얻는다.
이어서 도 5에 도시한 바와 같이, 루프안테나(15)의 기단에서부터 튜브(14)의 선단부까지의 길이(L)가 5.5mm, 7.5mm, 9.5mm, 11.5mm, 13.5mm로 되도록 측정용 프로브(12)의 배치위치를 변경하고, 각 변경위치에 있어서 위와 동일하게 고주파파워의 반사율의 대(對)주파수 변화를 얻는다. 그 결과는 도 6의 곡선 Rb∼Rf가 나타내는 대로이다.
곡선 Ra∼Rf에는 플라즈마 부하측에서의 고주파파워의 강한 흡수가 있음을 나타내는 흡수피크 Pa∼Pd 몇 개가 나타나 있다. 흡수피크 Pa∼Pd의 위치의 주파수가 플라즈마 흡수주파수이다. 이들 플라즈마 흡수주파수로부터 생성 플라즈마(PM)의 특성을 파악할 수 있다. 단, 가장 낮은 주파수의 흡수피크 Pa만은 도 7에 도시한 바와 같이, 선단부 길이(L)가 변화하여도 거의 동일한 주파수(1.5㎓)의 위치에 나타나고 있으며, 항상 동일한 플라즈마 흡수주파수가 측정된다. 이 와 같이 선단부 길이(L)에 의존하지 않는 플라즈마 흡수주파수가 플라즈마 표면파 공명주파수 f(= ω/2π)이므로, 실시예 시스템의 경우 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)는 가장 낮은 주파수의 흡수피크의 주파수를 플라즈마 표면파 공명주파수 f로서 자동적으로 구하여, 고주파파워의 제어부(9)의 정합기 제어부(10)로 송출하도록 구성되어 있다.
또 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)는 플라즈마 표면파 공명주파수(f)를 더욱 더 전자플라즈마 각주파수 ωP 혹은 전자밀도 ne로 변환하여 정합기 제어부(10c)로 송출하는 구성이어도 좋다. 플라즈마 표면파 공명주파수(f)는 전자플라즈마 각주파수 ωP = ω×√(1＋ε)의 연산, 혹은, 전자밀도 ne = ε0·me·ωp /e (단, ωP ：전자플라즈마 각주파수, ε：튜브(14)의 비유전율, ε0：진공유전율, me：전자의 질량, e：전자소량)의 연산에서 간단하게 변환할 수 있다. 플라즈마 표면파 공명주파수(f)가 1.5㎓인 경우 전자플라즈마 각주파수(ωp)는 2π×1.5×109×√(1+4) = 3.35×109이며, 플라즈마(PM)의 전자밀도(ne)는 1.4×1011/㎤이다.
또 실시예 시스템에 있어서, 플라즈마 표면파 공명주파수(f)나 전자플라즈마 각주파수(ωP) 혹은 전자밀도(ne)를 표시하는 표시모니터를 설치하는 것도 유용하다. 플라즈마 밀도정보를 실시간으로 간단하게 볼 수 있게 된다.
실시예의 경우 루프안테나(15) 및 동축케이블(16)과 플라즈마(PM)의 사이에 존재하는 튜브(14)가 플라즈마(PM)에 의한 루프안테나(15)나 동축케이블(16)의 손상을 저지한다. 또한 측정중 튜브(14)의 표면에 절연성 피막으로 이루어진 오염이 얇게 부착하여도 절연성 피막이 유전체이므로, 실질적으로 측정계가 변화하지 않고 절연성 피막의 오염에 의한 측정결과의 변동은 생기지 않는다. 따라서 장기간에 걸쳐서 플라즈마 밀도정보를 연속적으로 모니터 할 수 있다.
또한 튜브(14)를 개재시켜서 고주파파워를 루프안테나(15)에서부터 공급하여 측정하기 쉬운 공명적인 고주파파워의 흡수현상을 파악하는 정도의 것이기 때문에, 플라즈마 밀도정보를 지극히 간단하게 측정할 수 있다. 게다가 열필라멘트 방식이아니므로 증발텅스텐에 의한 분위기 오염을 염려할 필요도 열필라멘트를 교환할 필요도 없다.
다음에 고주파파워의 제어부(9)의 구성을 구체적으로 설명한다. 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)에서 플라즈마 밀도정보를 받았던 고주파파워의 제어부(9)의 정합기 제어부(10c)는 플라즈마 밀도설정부(10b)에 유지되어 있는 목표 플라즈마 밀도와 플라즈마 밀도정보의 비교를 실행하고, 양자의 차이가 미리 정해진 일정 범위 이상으로 되면 양자의 차이의 크기에 맞는 변화를 임피던스 정합기(10a)에 공급하여, 고주파 전원(8)측과 플라즈마(PM)측의 임피던스 정합상태를 조정한다. 결국 본 발명의 경우 목표 플라즈마 밀도와 실측 플라즈마 밀도의 차이가 해소되도록 플라즈마 생성용의 고주파전원을 피드백(feed back)제어하는 구성이다.
또 플라즈마 밀도설정부(10b)에서는 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)에서 송출된 플라즈마 밀도정보와 동일한 데이터 형식으로 목표 플라즈마 밀도가 설정 유 지된다. 즉 플라즈마 밀도정보가 플라즈마 표면파 공명주파수(f)이면 목표 플라즈마 밀도도 플라즈마 표면파 공명주파수(f)의 형태이다. 플라즈마 밀도정보가 전자플라즈마 각주파수(ωP)이면 목표 플라즈마 밀도도 전자플라즈마 각주파수(ωP)이다. 플라즈마 밀도정보가 전자밀도(ne)이면 목표 플라즈마 밀도도 전자밀도(ne)의 형태이다.
이어서 이상으로 설명한 구성을 갖고 있는 실시예의 플라즈마 처리시스템에 있어서 생성용 고주파파워의 제어가 실시되는 때의 장치동작을, 생성용 고주파파워의 제어의 흐름을 도시한 도 8의 플로우 챠트를 참조하여 설명한다.
[단계 S1] 방전용 고주파 전원(8)의 스위치를 ON상태로 한다. 이때 채임버(1)의 실내공간(S)을 진공 배기펌프(4)에 의해서 배기시킴과 동시에 가스원(7)에서 적당한 유량의 가스가 실내공간(S)로 공급되며, 실내공간(S)은 적당한 분위기로 조정되어 있다.
[단계 S2] 임피던스 정합기(10a)를 적당한 초기상태로 설정한다(예를 들면 튜너의 위치를 T0로 설정한다).
[단계 S3] 고주파 전원(8)으로부터 임피던스 정합기(10a)를 통해서 방전전극(2)으로 생성용 고주파파워를 적당한 초기값(출력량 P0)으로 설정하여 플라즈마(PM)를 채임버(1)의 실내공간(S)에 발생시킨다.
[단계 S4] 고주파 발진기(18)에서 주파수소인을 수반하는 측정용 고주파파워가 루프안테나(15)를 통해서 플라즈마(PM)에 공급되면, 플라즈마 흡수주파수 구출 부(22)에서 플라즈마 표면파 공명주파수(f)가 구해져서 정합기 제어부(10c)로 보내어 진다.
[단계 S5] 정합기 제어부(10c)는 목표 플라즈마 밀도에 상당하는 플라즈마 표면파 공명주파수(f0)와 실측 플라즈마 밀도에 상당하는 플라즈마 표면파 공명주파수(f)의 주파수차 △f( = f0 － f)를 산출한다.
[단계 S6] 산출주파수차 △f가 일정값 이상인지 아닌지를 판정한다. 산출주파수차 △f가 일정값 미만이면 생성 플라즈마(PM)의 플라즈마 밀도는 목표 플라즈마 밀도로 이루어져 있는지 판단하여 제어처리를 종료한다.
[단계 S7] 산출주파수차 △f가 일정값 이상인 경우는 임피던스 정합기(10a)의 조정가능 범위를 전부 체크했는지 안했는지를 판단한다.
[단계 S8] 임피던스 정합기(10a)의 조정가능 범위를 전부 체크하지 않은 경우는 임피던스 정합기(10a)를 재조정한 후(예를 들면 튜너의 위치를 별도의 위치로 변화시킨 후) 단계 S4로 되돌아 간다.
[단계 S9] 임피던스 정합기(10a)의 조정가능 범위를 전부 체크하여도 아직도 산출주파수차 △f가 일정값 이상인 경우는 고주파 전원(8)에서 출력되는 생성용 고주파파워의 설정값을 변경시킨 후 단계 S4로 되돌아 간다.
이상과 같이 실측 플라즈마 밀도가 목표 플라즈마 밀도에 수렴하도록 플라즈마 밀도정보의 측정이나 임피던스 정합기(10a)의 조정 및 생성용 고주파파워 출력량의 변경이 이어지게 된다.
상술한 실시예의 시스템에서는 플라즈마 생성용의 고주파파워의 공급계와는 전혀 다른 측정계에 의해서 얻었던 플라즈마 밀도정보인 플라즈마 표면파 공명주파수(f)에 따라서 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어한 결과 생성 플라즈마의 플라즈마 밀도가 고주파파워의 제어에 충분히 반영되어, 플라즈마 밀도가 적절하게 제어되며, 작업대상(W)에 대해서 적절한 플라즈마 처리를 실행할 수 있다.
본 발명은 상기 실시의 형태에 한정되는 것은 아니고 하기와 같이 변형 실시할 수 있다.
(1) 상기의 실시예에서는 선단에 루프안테나(15)가 형성된 동축케이블(16)을 유전체제의 튜브(14)로 피복하여 형성된 측정용 프로브(12)를 사용하였지만, 측정용 프로브(12)는 반드시 튜브(14)로 피복되어 있을 필요는 없다. 즉, 선단에 루프안테나(15) 혹은 심선(16a)을 침상으로 돌출시켜서 이루어지는 안테나가 형성된 동축케이블을, 플라즈마 중에 직접 삽입하여 플라즈마 밀도를 측정하는 것도 가능하다. 이 경우 플라즈마 중에 노출되어 있는 안테나에 절연성의 피막을 부착하는 것도 있지만, 본 발명은 안테나에서 고주파파워(전자파)를 방사하는 구성이므로 안테나에 부착한 절연성 피막 등에 의해서 받는 영향은 적다.
(2) 본 발명의 측정방식에서는 플라즈마 표면파 공명주파수(f) 이외의 플라즈마 흡수주파수도 측정되지만 이들도 플라즈마 밀도정보의 하나이다. 예를 들면 도 6에 도시한 바와 같이, 흡수피크 Pa에 상당하는 플라즈마 표면파 공명주파수(f) 이외에도, 그 주변에 몇개의 플라즈마 흡수 주파수(도 6의 Pb, Pc, Pd)가 관측된다. 이들은 이른바 Tonks-Dattner 공명으로 불리는 것에 대응하고 있다고 생각된 다. 즉 원통상의 플라즈마의 바깥에서 전자파를 조사하여 플라즈마에 흡수되는 파워를 측정하면, 전자플라즈마 각주파수(ωP) 주변의 복수의 주파수에서 강한 흡수가 일어난다. 이 현상은 발견자의 이름을 붙여서 Tonks-Dattner 공명이라고 부른다. 나중의 연구로부터 이 공명이 일어나는 기구(機構)는 전자파에 의해서 반경방향으로 전해지는 전자플라즈마파가 여기(勵起)되고, 그들이 플라즈마 끝에 반사되어 정재파(定在波)가 생길 때 공명적으로 흡수파가 일어난다 라고 설명되어 있다. 또한 공명주파수는 전자플라즈마 각주파수 ωP에 관계하고 있으므로 플라즈마 밀도가 변화되면 Tonks-Dattner 공명의 주파수도 변화한다. 결국 Tonks-Dattner 공명주파수는 플라즈마 밀도의 정보를 준다. 따라서 Tonks-Dattner 공명주파수에 따라 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어할 수도 있다.
(3) 상기의 실시예의 경우 플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 흡수상황을 나타내는 물리량이 고주파파워의 반사율이었다. 본 발명에서는 플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 흡수상황을 나타내는 물리량으로서 플라즈마 부하의 임피던스값도 들 수 있다. 이 경우 채널 애널라이져(Channel Analyzer)를 사용하여 플라즈마 부하의 임피던스의 대(對)주파수 특성을 측정하는 구성으로 된다.
(4) 상기의 실시예에서는 임피던스 정합기(10a)에서 조정할 수 있었던 경우에 방전용 고주파전원(8)의 고주파파워를 변화시키도록 하였지만, 채임버(1) 내에 공급되는 가스압력을 변화시켜서 조정할 수도 있다.
(5) 그 외의 실시예로서 루프안테나(15)의 기단에서부터 튜브(14)의 선단부 까지의 길이 L이 자동적으로 변경되도록 구성함과 동시에, 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)에서는 각 루프안테나(15)의 위치에서 측정용 고주파파워의 반사율의 대(對)주파수 변화가 각각 구해짐과 동시에, 이들 복수의 측정결과에 있어서의 흡수피크의 주파수를 서로 비교하고 플라즈마 밀도에 기인하여 고주파파워의 강한 흡수가 일어나는 플라즈마 흡수주파수를 확정하도록 구성한 것이 변형예로서 들 수 있다.
(6) 상기의 실시예의 경우 임피던스 정합기(10a) 및 고주파 전원(8)의 양쪽을 자동적으로 조정하는 구성이었지만 임피던스 정합기(10a) 및 고주파 전원(8)의 어느 것이든지 한쪽만에 대하여 자동적으로 조정을 행하고, 다른 쪽에 대해서는 수동 조정을 실행하는 구성의 것이 변형예로서 들 수 있다. 게다가 임피던스 정합기(10a)만을 자동 또는 수동에 의한 조정대상으로 하고, 고주파전원(8)은 조정하지 않고 일정값으로 고정하는 구성의 것도 변형예로서 들 수 있다.
(7) 상기의 실시예의 경우, 측정용 프로브(12)의 튜브(14)가 채임버(1)의 벽에 착탈가능하게 설치되는 구성이었다. 그러나 측정용 프로브(12)의 튜브(14)가 채임버(1)의 벽에 완전히 고정되어 있고, 측정때마다 루프안테나(15)와 케이블(16) 및 도체편(17)을 삽입하여 측정하는 구성의 것도 본 발명의 변형예로서 들 수 있다.
(8) 상기의 실시예의 경우, 채임버(1)에 측정용 프로브(12)가 1개만 설치되는 구성이었지만, 채임버(1)에 측정용 프로브(12)가 복수개 설치되는 구성의 것이 변형예로서 들 수 있다.
(9) 상기의 실시예에서는 측정용 프로브(12)를 플라즈마 중에 삽입하여 플라 즈마 밀도정보를 얻었지만 측정용 프로브(12)는 반드시 플라즈마 중에 설치할 필요는 없다. 예를 들면 도 1에 도시한 채임버(1)에 내열강화 유리나 석영 등의 유전체로 이루어진 창을 설치할 수 있고, 이 창의 외측에 고주파파워 조사용의 안테나를 설치하고, 이 창을 통해서 채임버(1) 내의 플라즈마 중에 고주파파워를 조사하도록 하여도 좋다.
(10) 본 발명의 측정용 프로브의 형상·재료나 안테나의 종류 등도 실시예에 들고 있는 것에 한정되지 않는다. 또한 본 발명의 플라즈마 발생장치는 플라즈마 처리시스템뿐만 아니라 입자 빔원 혹은 분석장치 등의 플라즈마 발생장치로서 사용할 수도 있다.
(11) 상기 실시예의 경우, 측정용 프로브(12)에 있어서 루프안테나(15)의 기단에서부터 튜브(14)의 선단부까지의 길이 L을 변화시켜서 각 선단부 길이에서의 동일주파수의 흡수주파수를 플라즈마 표면파 공명주파수(f)로서 구하는 구성이었다. 이들에 대신하여 도 9에 도시한 바와 같이, 유전체의 튜브(14a)의 안에 안테나 기단에서부터 튜브(14)의 선단부까지의 길이 La, Lb가 다르도록 복수개의 선상 안테나(15a, 15a) 및 동축케이블(16A, 16B)을 수용할 수 있고, 프로브 제어부(13)의 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)에서 각 안테나마다 플라즈마 흡수주파수를 구함과 동시에, 흡수주파수 비교부(22a)에서 공통주파수의 플라즈마 흡수주파수를 플라즈마 표면파 공명주파수(f)로서 구하는 구성의 것이 변형예로서 들 수 있다.
또한 선상 안테나(15a, 15a) 및 동축케이블(16A, 16B)을 하나의 유전체제의 튜브에 수용하지 않고 도 10에 도시한 바와 같이, 별도의 유전체제의 튜브(14, 14) 에 나누어서 수용하는 것이어도 좋다.
이들의 변형예의 경우, 튜브(14)의 선단부 길이를 변화시키지 않고도 간단하게 플라즈마 표면파 공명주파수(f)가 구해진다.
(12) 상기의 실시예의 경우, 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워의 반사량을 방향성 결합기(19)에서 취출하는 방식의 구성이었지만, 고주파파워의 반사량의 측정을 플라즈마 밀도정보 계측용 고주파파워 공급용의 고주파 앰플리파이어 전류량의 계측에 의해 실행하는 방식의 것이 변형예로서 들 수 있다. 고주파 앰플리파이어의 전류량은 고주파파워의 반사량과 대단히 좋은 대응관계를 보여주고 있으며 계측도 간단하다.
구체적으로는 도 11에 도시한 바와 같이, 고주파 발진기(18)의 오실레이터 신호 발진부(18a)의 다음 단에 설치되어 있는 고주파 앰플리파이어부(18b)의 전류량을 앰플리파이어 전류검출부(19a)에서 취출하여 플라즈마 흡수주파수 구출부(22)로 송출하는 구성으로 된다. 앰플리파이어 전류검출부(19a)로서는 예를 들면 고주파 앰플리파이어부(18b)의 구동전원의 전류값을 검출하는 회로구성의 것이 예시된다.
(13) 상기의 실시예에 있어서 도 12에 도시한 바와 같이, 플라즈마 밀도정보 측정용 프로브(12)의 후단에, 프로브 내의 안테나(15)에 잘못 들어가는 과대한 플라즈마 생성용의 고주파파워를 저지하는 파워리미터(23)를 설치한 구성의 것을 변형예로서 들 수 있다. 특히 플라즈마(PM)가 갑자기 소멸할 때에는 플라즈마 생성용의 고주파파워가 안테나(15)에 직접 전송되어 프로브 제어부(13)가 파괴될 염려 가 있다. 파워리미터(23)에서 일정 이상의 과대하게 잘못 들어가는 고주파파워가 프로브 제어부(13)로 흘러 들어가는 것을 저지하여, 프로브 제어부(13)가 파괴하는 것을 방지하는 것이다.
파워리미터(23)의 대신에 릴레이 타입의 동축스위치나, 반도체 타입의 전자스위치 등의 스위치(미도시)를 사용해도 좋다. 스위치는 수동으로 ON·OFF시키는 구성으로도 좋지만 거꾸로 들어가는 고주파파워가 일정 이상(예를 들면 공급고주파파워의 1.2배)으로 된 것을 검출하여, 자동적으로 스위치를 OFF로 하거나, 혹은 플라즈마광을 광센서로 모니터 해 놓고, 플라즈마광이 없어지는 것을 검출하여 자동적으로 스위치를 OFF하도록 한 구성도 프로브 제어부(13)의 파괴방지에는 유효하다.
(14) 상기의 실시예에 있어서, 측정용 프로브(12)가 플라즈마(PM)가 생성되는 채임버(1)로 진퇴 가능하게 삽입되어 있음과 동시에, 측정을 안할 때는 측정용 프로브(12)의 선단이 채임버(1) 안의 측정위치에서 채임버(1)의 벽면 부근의 퇴피위치로 인입(引入)되도록 측정용 프로브(12)를 이동시키는 프로브 이동수단을 구비하고 있는 구성의 것이 변형예로서 들 수 있다. 측정용 프로브(12)의 표면에 오염이 두텁게 퇴적하는 것과 같은 플라즈마(PM)에서도 오염이 적어지는 결과 측정용 프로브(12)의 수명이 길게 된다.
구체적으로는 도 13에 도시한 바와 같이, 측정용 프로브(12)에 가동편(24)을 일체적으로 설치함과 동시에, 가동편(24)을 이송 나사봉(25)으로 나사 계합하고, 모터(26)의 회전에 따라 이송 나사봉(25)이 회전함에 따라서 가동편(24)이 측정용 프로브(12)의 길이방향을 향해서 왕복운동하도록 구성한다. 측정을 안할 때는 도 13에 실선으로 도시한 바와 같이, 측정용 프로브(12)의 선단을 채임버(1)의 벽면부근의 퇴피위치로 물러나게 하고, 측정을 할 때는 도 13에 일점 쇄선으로 도시한 바와 같이, 측정용 프로브(12)의 선단을 채임버(1) 안의 측정위치로 진출시키도록 모터(26)를 제어한다.
(15) 상기의 실시예의 경우, 동축케이블(16)의 심선(16a)과 실드선(16b) 사이의 절연재(16c)가 불소계 수지 등이었지만 도 14에 도시한 바와 같이, 심선(16a)과 실드용의 도체제 튜브(16e) 사이를 채우는 절연재(16d)가 열에 강한 (절연) 세라믹인 구성의 것이 변형예로서 들 수 있다. 이 경우 동축케이블(16)의 내열성이 향상된다.
(16) 다른 실시예의 측정용 프로브(12)에 있어서, 도 15에 도시한 바와 같이, 유전체제의 튜브(14)는 측정범위가 미피복상태가 되도록 하여 튜브 표면이 금속막(27)으로 덮여 있다. 결국 금속막(27)은 측정범위에 해당하는 곳이 파여 있어서 창(27a)으로 이루어져 있는 것이다. 고주파파워는 금속막(27)이 있는 곳으로는 진입하지 않고 창(27a)이 있는 곳으로 진출할 수 있을 뿐이기 때문에, 금속막(27)으로 피복되어 있지 않은 측정범위의 국부적 상황이 측정결과에 잘 반영되는 결과 공간분해능을 향상시키게 된다.
(17) 게다가 다른 실시예의 측정용 프로브(12)에 있어서, 도 16에 도시한 바와 같이, 루프안테나(15)의 대신에 선상(線狀)안테나(15a)가 사용되고 있음과 동시에, 선상 안테나(15a)가 유전체제의 튜브(14)의 내면에 근접하여 따르도록 연장되 어 있으면, 고주파파워가 효율 좋게 공급되도록 이루어져 필요한 고주파파워가 적어져 측정정밀도가 향상되는 등의 이점이 있다. 루프안테나(15)에서도 튜브(14)의 내면에 근접하여 따르도록 연장되면 마찬가지로 고주파파워가 효율 좋게 공급되도록 이루어진다.
본 발명은, 그 사상 또는 본질에서 벗어나지 않는 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있고, 따라서 발명의 범위를 나타내는 것으로서 이상의 설명이 아닌 부가된 청구항을 참조하여야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 플라즈마 생성용의 고주파파워로는 따로 플라즈마에 공급하는 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워에 대해서, 플라즈마 부하에 의한 흡수상황을 나타내는 물리량의 측정을 실행하고, 이 물리량의 측정결과로부터 얻어진 플라즈마 밀도정보에 따라 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어한다. 플라즈마 생성용의 고주파파워의 공급계로는 완전히 별도의 측정계에 의해서 얻은 플라즈마 밀도정보에 따라 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 결과, 실제의 플라즈마 밀도의 모니터 결과가 고주파파워의 제어에 양호하게 반영되며, 플라즈마 밀도를 적절하게 제어할 수 있도록 이루어진다. 또한, 본 발명은 플라즈마에 고주파파워를 공급하여 밀도정보를 구하는 구성이므로, 고주파파워 공급을 위해 안테나에 절연성 피막으로 이루어진 오염이 부착하여도 그 영향이 적고, 정밀도가 뛰어난 플라즈마 밀도정보에 따라 플라즈마 생성용 고주파파워를 제어할 수 있다. 게다가, 플라즈마 밀도정보를 측정할 뿐 아니라 플라즈마에 고주파파워를 공급함과 동시에, 플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 반사 또는 흡수상황을 나타내는 물리량의 측정(예를 들면 고주파파워의 반사량이나 플라즈마 부하의 임피던스 값의 측정)을 행하는 것에서 완료되므로, 정보측정에 열 필라멘트도 사용하지 않고 간단하기 때문에 플라즈마 밀도의 제어를 용이하게 행할 수 있다.

Claims (16)

  1. 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 방법에 있어서,
    플라즈마 생성용의 챔버의 안에 배설된 플라즈마 생성용의 방전전극에, 고주파전원으로부터 플라즈마 생성용의 고주파 파워를 출력하는 과정;
    유전체제의 격벽을 통하여 챔버의 안의 플라즈마에 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파 파워를 공급하는 동시에, 플라즈마 부하에 의한 고주파 파워의 흡수 상황을 나타내는 물리량의 측정결과로부터 플라즈마 밀도에 기인하여 고주파 파워의 강한 흡수가 일어나는 플라즈마 흡수 주파수를 플라즈마 밀도정보로서 구해내는 과정;
    플라즈마 밀도정보로서 구해내진 정보에 의거한 실측 플라즈마 밀도와, 목표플라즈마 밀도와의 차가 해소되도록 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 과정을 포함하는 플라즈마 생성용의 고주파파워 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 반사 또는 흡수상황을 나타내는 물리량의 측정은 고주파파워 공급용 고주파 앰플리파이어의 전류량의 계측에 의해 실행되는, 플라즈마 생성용의 고주파파워 제어방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    플라즈마 생성용의 고주파파워를 임피던스 정합계를 통해서 고주파 전원으로부터 플라즈마에 공급함과 동시에, 플라즈마 밀도정보에 기초하여 임피던스 정합계를 제어해서 전원측과 플라즈마측 사이의 임피던스 정합상태를 조정함으로써 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는, 플라즈마 생성용의 고주파파워 제어방법.
  6. 플라즈마를 발생시키는 장치에 있어서,
    플라즈마 생성용의 챔버;
    챔버의 안에 설치된 플라즈마 생성용의 방전전극;
    이 방전전극에 공급하는 플라즈마 생성용의 고주파파워를 출력하는 고주파전원;
    유전체제의 격벽을 통하여 챔버중의 플라즈마에 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워를 공급함과 동시에, 플라즈마 부하에 의한 고주파파워의 흡수상황을 나타내는 물리량의 측정결과로부터 플라즈마 밀도에 기인하여 고주파 파워의 강한 흡수가 일어나는 플라즈마 흡수 주파수를 플라즈마 밀도 정보로서 구하는 플라즈마 밀도정보 구출(救出)수단;
    플라즈마 밀도정보 구출수단에 의해 구해진 정보에 기초하여 실측 플라즈마 밀도와, 목표 플라즈마 밀도와의 차가 해소되도록 플라즈마 생성용의 고주파파워를 제어하는 고주파파워 제어수단을 포함하는 플라즈마 발생장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 6항에 있어서,
    고주파파워 제어수단은 임피던스 정합기가 설치되어 있어서 플라즈마 밀도정보에 기초하여 임피던스 정합기를 제어하여 전원측과 플라즈마측 사이의 임피던스 정합상태를 조정함으로써 플라즈마 생성용의 고주파파워의 제어를 행하는, 플라즈마 발생장치.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 장치는 플라즈마 생성용의 채임버에 삽입됨과 동시에 선단이 밀폐되어 있는 유전체제의 튜브와, 튜브의 선단측에 수용되어서 고주파파워를 방사하는 안테나와, 튜브의 뒤쪽에 수용되어서 안테나에 접속되어 있는 고주파파워 전송용의 케이블을 포함하는 플라즈마 밀도정보 측정용 프로브를 구비하고,
    상기 유전체제의 튜브의 관벽을 유전체제의 격벽으로 하여 튜브 내의 안테나에서 플라즈마 밀도정보 계측용의 고주파파워가 플라즈마에 공급되도록 구성되어 있는, 플라즈마 발생장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    유전체제의 튜브에는 복수의 안테나가 튜브의 선단으로부터의 거리가 각각 다르도록 수용되어 있으며, 플라즈마 밀도정보 구출수단이 각 안테나마다 얻어진 물리량의 측정결과로부터 플라즈마 밀도에 따라 고주파파워의 강한 흡수가 일어나는 플라즈마 흡수주파수를 각각 구함과 동시에 플라즈마 흡수주파수 중 공통주파수의 플라즈마 흡수주파수를 플라즈마 표면파 공명주파수로서 구하도록 구성되어 있는, 플라즈마 발생장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    플라즈마 밀도정보 측정용 프로브가 플라즈마 생성용의 채임버에 진퇴 가능하게 삽입되어 있음과 동시에, 측정하지 않을 때는 프로브의 선단이 채임버 내의 측정위치에서 채임버의 벽면부근의 퇴피위치로 인입되도록 프로브를 이동시키는 프로브 이동수단을 구비하고 있는 플라즈마 발생장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    플라즈마 밀도정보 측정용 프로브의 후단에, 프로브 안의 안테나로 잘못 들어가는 과대한 플라즈마 생성용의 고주파파워를 저지하는 보호수단이 배설되어 있는, 플라즈마 발생장치.
  14. 제 10항에 있어서,
    고주파파워 전송용의 케이블이, 심선과 실드용의 도체제 튜브와, 심선·도체제 튜브 사이의 공극을 채우는 절연용 세라믹재로 이루어지는, 플라즈마 발생장치.
  15. 제 10항에 있어서,
    유전체제의 튜브는 측정범위가 미피복 상태로 되도록 하여 튜브 표면이 금속으로 피복되어 있는, 플라즈마 발생장치.
  16. 제 10항에 있어서,
    안테나가 유전체제의 튜브의 내면에 근접하여 따르도록 연장되어 있는, 플라즈마 발생장치.
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