KR100784824B1

KR100784824B1 - 플라즈마 진단장치 및 진단방법

Info

Publication number: KR100784824B1
Application number: KR1020060051489A
Authority: KR
Inventors: 정진욱; 이민형; 장성호
Original assignee: 한국표준과학연구원; 정진욱
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2007-12-14
Also published as: US7696758B2; US20080265903A1; KR20070048577A; CN101361176A

Abstract

플라즈마에 삽입되는 탐침부를 구비한 플라즈마 진단장치에 있어서, 신호공급원으로부터 제공되는 주기적인 전기 신호를 상기 탐침부에 인가하여 탐침부를 통해 흐르는 전류의 크기를 검출하고 상기 검출된 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류검출/전압변환부; 및 상기 전류검출/전압변환부로부터 출력되는 전압을 입력받아 상기 탐침에 흐르는 전류의 각 주파수별 성분의 크기를 산출하는 주파수별 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적으로 플로팅하는 기술을 적용한 플라즈마 진단장치가 개시된다.

탐침, 플로팅, 고조파, 전자온도, 주파수, 이온밀도

Description

플라즈마 진단장치 및 진단방법{Plasma diagnostic apparatus and method}

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 진단장치를 도식적으로 보여주는 구성도이다.

도 2와 3은 각각 10mTorr 압력하의 아르곤 가스 분위기에서 본 발명의 플로팅 탐침을 이용한 경우와 널리 알려진 단일 랑뮤어 탐침을 이용한 경우에 측정된 전자온도와 이온밀도를 비교한 그래프이다.

도 4와 5는 각각 20mTorr 압력하의 아르곤 가스 분위기에서 본 발명의 플로팅 탐침을 이용한 경우와 널리 알려진 단일 랑뮤어 탐침을 이용한 경우에 측정된 전자온도와 이온밀도를 비교한 그래프이다.

도 6과 7은 아르곤 가스에 실제 반도체 공정 등에서 사용하는 CF₄ 가스를 8:2의 비율로 혼합한 후, 각각 기존의 랑뮤어 탐침과 본 발명의 탐침을 이용하여 측정한 결과를 보여준다.

도 8은 본 발명에서 이온밀도와 전자온도의 정확도를 향상시키기 위해 전압 분배 현상을 고려한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교한 결과이다.

도 9는 도 1의 변형예에 따른 플라즈마 진단장치를 도식적으로 보여주는 구성도이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 진단장치를 도식적으로 보여주는 구성도이다.

본 발명은 플라즈마 진단 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 플라즈마 장치의 플라즈마에서 들어오는 교류 전류들을 측정하여 고속으로 플라즈마 밀도, 전자온도, 플라즈마 전위, 및 부유 전위 등을 포함하는 플라즈마 변수를 정확하게 측정할 수 있는 플라즈마 진단 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 하드웨어나 소프트웨어로 구현 가능한 주파수별 측정부로, 예를 들어, FFT(고속 푸리에 변환: Fast Fourier Transform)나 PSD(Phase Sensitive Detection)를 이용하여 인접한 두 주파수 성분을 정확하게 분리할 수 있도록 한 플라즈마 진단 장치에 관련한다.

반도체소자를 제조하는데 사용되는 여러 가지의 장비 중에서, 진공 상태의 밀폐된 챔버 내에 플라즈마를 형성하고 반응 가스를 주입하여 웨이퍼 상에 박막을 증착하거나 웨이퍼에 형성된 박막을 에칭하는 플라즈마 장치가 널리 사용되고 있다.

플라즈마 장치는, 플라즈마를 이용하여 박막을 증착할 경우, 웨이퍼에 형성된 불순물 영역 내의 불순물들이 더 이상 확산하지 않는 저온에서 공정을 진행할 수 있다는 점과, 대구경의 웨이퍼에 형성되는 박막의 두께 균일도가 우수하다는 점과, 박막을 에칭할 경우 웨이퍼 전체에 걸쳐서 에칭 균일도(etch uniformity)가 우수하다는 점 때문에 널리 적용되고 있다.

이러한 플라즈마 장치의 플라즈마 내의 각 변수를 측정하여 플라즈마의 특성과 이온 및 전자 분포를 분석할 수 있는 장치로 가장 광범위하게 사용되는 것이 랑뮤어 탐침(Langmuir probe)이다.

이러한 랑뮤어 탐침은 단일 탐침과 이중 탐침 그리고 삼중 탐침이 있다. 랑뮤어 탐침은 금속으로 이루어진 탐침을 플라즈마에 삽입하고 탐침에 전압을 인가하여 탐침에 흐르는 전류를 측정함으로써 전류-전압 특성 곡선을 구할 수 있다.

예를 들어, 단일 탐침의 경우 전류-전압 곡선의 식은 다음과 같다.

여기에서

는 각각 이온 포화전류, 전자 포화전류, 탐침전위, 플라즈마전위이다. 즉, 탐침전위가 증가하면 탐침에 흐르는 전류는 지수 함수적으로 급격히 증가한다.

또한, 이중 탐침의 전류-전압 곡선의 식은 상기한 식으로부터 다음과 같다.

각각의 경우에 전류-전압 곡선에서 전자 포화전류와 이온 포화전류 그리고 전자온도, 플라즈마전위 등의 정보를 얻게 된다. 이 방법 자체는 간단하지만 전류-전압 곡선을 구해야 하고 플라즈마 정보를 얻기 위해서는 별도의 신호처리를 거쳐 야 하는 불편함이 있다.

또한, 무엇보다 가장 큰 단점은 플라즈마 내에서 증착에 의해 탐침에 절연층이 쌓였을 때 전류-전압 곡선을 구할 수 없고 탐침이 동작하기 않게 된다. 그리고, 진단에서 가장 중요한 측정 대상에 영향을 주지 않아야 하는데, 플라즈마 내에서 많은 전하를 뽑아내므로 섭동(Perturbation)을 많이 준다. 또한, 실시간으로 플라즈마 분석이 불가능하다.

한편, 플라즈마-쉬스(sheath)의 비선형성을 이용하여 플라즈마를 진단하는 방법은 여러 가지로 시도되었지만 만족스러운 결과를 얻지 못했다. 토카막과 같은 핵융합 플라즈마에서는 쉬스의 비선형성이 이용해서 전자온도만을 대략적으로 측정하는 방법이 있었다.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

외부에서 플라즈마 챔버 내의 플라즈마에 삽입된 탐침을 직류차단 커패시터를 이용하여 플로팅(floating)시킨 후 사인파(sine wave)의 전압을 인가하면 탐침을 통해 흐르는 전류는 아래와 같이 주어진다.

여기서

는 탐침에 흐르는 전류이고

는 각각 이온 포화전류, 전자 포화전류로, 각각

로 주어지며,

는 각각 탐침 전위, 플라즈마 전위, 전자온도를 나타낸다. 따라서 탐침 전위

를

로 주는 경우 탐침에 흐르는 전류는,

로 주어진다. 여기서,

는 부유전위이다.

상기의 탐침 전압을 수정 베젤(modified Bessel) 함수를 이용하여 전개하면,

와 같이 직류전류와 교류전류로 나눌 수 있다.

이때, 탐침에 직류차단 커패시터가 연결되어 있는 경우, 직류전류는 흐를 수 없게 되어 위의 식에서

이 되며, 위 식을 로그를 취해서 정리하면 다음과 같이 된다.

신교류전류는

와 같이 주어진다.

그러므로 탐침에 흐르는 전류의 ω와 2ω 성분의 크기를 비교하면,

와 같이 주어지므로 전류의 ω와 2ω 성분의 크기를 측정하여 전자온도

를 알아낼 수 있다.

이와 같이, 전자온도를 정확하게 측정하기 위해서는 탐침을 통해 흐르는 전류의 각 주파수 성분의 크기를 정확하게 측정하는 것이 가장 중요하다.

종래에는 전류 탐침(current probe(transformer))을 이용하여 전류신호를 전압신호로 바꾼 후, ω 및 2ω 노치(Notch) 필터를 이용하여 전류 성분을 주파수별로 분리하였다.

이러한 방법은 토카막(tokamak)과 같이 큰 전류가 흐르는 경우에는 적당하지만, 반도체 공정 등에 사용되는 플라즈마 챔버의 경우 흐르는 전류가 작아 정확한 전류 측정이 힘들다는 문제점이 있다.

또한, 노치 필터를 이용하여 주파수 성분으로 나누는 경우, ω가 크지 않은 경우에는 ω와 2ω가 인접해 있어 주파수별로 정확하게 나누는 것이 어렵다는 단점이 있다.

구체적으로, 토카막과 같은 핵융합 플라즈마에서는 전자온도가 약 100eV 이상이므로 오차 ± 5eV는 아무런 문제가 되지 않지만, 공정 플라즈마에서는 전자온도가 높아야 5eV 이므로 전혀 적용할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 플라즈마의 전자온도를 측정하기 위하여 탐침을 통해 흐르는 작은 전류의 크기를 주파수 성분별로 정확하게 검출할 수 있는 플라즈마 진단장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전류의 각 주파수 성분에서도 원치 않는 신호를 분리할 수 있는 플라즈마 진단장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마 진단을 위한 플라즈마 변수로 이온밀도를 제공하는 플라즈마 진단장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 쉬스 임피던스를 보정하여 정확한 전자온도와 이온밀도를 측정할 수 있도록 하는 플라즈마 진단장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적과 특징 및 이점은 이하에 기술되는 실시 예를 통하여 더 명확하게 이해될 것이다.

상기한 목적은 플라즈마에 삽입되거나 플라즈마 주변부에 설치되는 탐침부를 구비한 플라즈마 진단장치로서, 신호공급원을 포함하는 신호공급부; 상기 신호공급부로부터 제공되는 주기적인 전압신호를 상기 탐침부에 인가하여 탐침부를 통해 흐르는 전류의 크기를 검출하고 상기 검출된 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류검출/전압변환부; 및 상기 전류검출/전압변환부로부터 출력되는 전압을 입력받아 상기 탐침부에 흐르는 전류의 각 주파수별 성분의 크기를 산출하는 주파수별 측정부를 포함하는 플라즈마 진단장치에 의해 달성된다.

이러한 구성에 의하면, 플라즈마의 전자온도를 측정하기 위하여 탐침을 통해 흐르는 작은 전류의 크기를 주파수 성분별로 정확하게 검출할 수 있다.

여기서, 상기 전류검출/전압변환부는, 상기 탐침부의 후단에 직렬로 연결된 전류검출저항; 및 상기 전류검출저항의 양단의 전위차를 측정하여 상기 탐침에 흐르는 전류의 크기를 산출하는 차동증폭기를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 신호공급부는, 하나의 입력단자가 상기 신호공급원에 연결되고, 다른 하나의 입력단자가 상기 전류검출저항의 전단에 연결되며, 그 출력단자는 상기 전류검출저항의 후단에 연결되는 신호증폭기를 추가로 포함할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 신호증폭기는 피드백을 전류검출저항의 전단에서 받기 때문에 전류검출저항에 의한 전압 강하가 일어나지 않으며, 이에 따라 인가전압과 쉬스 전압이 거의 동일하게 되어 쉬스 임피던스 보정을 거치지 않더라도 전압분배 문제를 해결할 수 있다.

바람직하게, 주파수별 측정부는 푸리에 변환(FFT)을 적용할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 고속 푸리에 변환부를 이용함으로써 각각의 주파수 성분으로 정확하게 나누어줄 수 있어 주파수 차이가 작은 경우에도 정확하게 분리해 낼 수 있으며, 디지털로 신호를 처리하기 때문에 노이즈에 강하다.

바람직하게, 상기 주파수별 측정부는, 상기 전류검출/전압변환부로부터 출력되는 전압과 상기 주기적인 전압신호를 입력받아 기설정된 연산을 수행하는 연산회로부; 및 상기 연산회로부의 연산 결과를 저역통과 필터링하여 상기 탐침에 흐르는 전류의 각 주파수별 성분의 크기를 산출하는 저역통과 필터부를 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 플라즈마와 탐침부, 상기 탐침부와 전류검출/전압변환부, 또는 상기 전류검출/전압변환부와 신호공급부 중 적어도 하나에 전기적 절연을 목적으로 용량수단이 설치될 수 있다.

또한, 상기 산출된 전류의 주파수별 성분으로부터 다음의 식을 통하여 플라즈마의 이온밀도 n_i 를 산출할 수 있다.

(여기서, Te는 전자온도, Vsh는 탐침부와 플라즈마 사이에 인가되는 전압, 즉 쉬스 전압신호의 크기, A는 탐침 면적, i_kω 는 전류의 k 고조파 ω 성분의 크기임)

또한, 바람직하게, 상기 주기적인 전기 신호는 다음 식에 의해 보정되어 상기 탐침부에 인가될 수 있다.

(여기서, Rsh는 플라즈마 이온밀도와 전자온도의 함수인 쉬스 저항이고, V₀ 는 주기적인 전압신호의 크기이며, Rs는 상기 탐침부에 연결된 회로 및 장비들에 의한 저항임)

삭제

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단장치를 도식적으로 보여주는 구성도이다.

(1) 탐침부(200)와 직류차단 커패시터

탐침부(200)에는 초크 박스(Choke box; 210)기 선택적으로 내장될 수 있으며, 초크 박스(210)는 병렬 연결된 인덕터와 커패시터로 구성된 LC 공진회로를 포함함으로써, 임피던스를 크게 하여 탐침과 플라즈마 사이의 전위차를 아주 작게 만 들어주는 역할을 한다.

이렇게 하면 결과적으로 탐침의 전위가 플라즈마 전위의 RF 성분과 똑같이 진동하도록 하여 탐침부(200)의 RF 성분의 전류를 줄이고 RF에 대해서 플로팅 전압이 변하는 것을 방지하여 탐침부(200)를 통해 흐르는 전류 신호가 왜곡되는 것을 막을 수 있다.

도 1을 참조하면, 직류차단 커패시터 C가 탐침부(200)의 후단에 설치되어 직류를 차단한다. 도 1과 달리, 탐침부(200)와 플라즈마(100) 사이에 설치되거나 전류검출저항 R과 전압공급원 V 사이에 설치될 수도 있다. 또한, 후술하는 바와 같이, 직류차단 커패시터 없이도 사용가능하며 전압원을 설치하여 인가전압을 조정하면서 교류 전류 신호를 측정할 수 있다.

(2) 전류검출/전압 변환부(300)

탐침부(200)를 통해 흐르는 전류는 밀도정보와 온도정보를 포함하고 있기 때문에 전류의 크기를 정확하게 측정하여 같은 주파수의 전압신호로 변환한다.

이 실시 예에서는, 소정의 저항 값을 갖는 전류검출저항 R을 탐침부(200)의 후단에 직렬로 연결하여 탐침부(200)에 흐르는 전류 크기에 비례하는 전위차가 전류검출저항 R의 양단에 생기도록 한다. 이 전위차를 차동증폭기(302)를 이용하여 측정하면 탐침부(200)에 흐르는 전류의 크기를 알 수 있다.

이때, 탐침부(200)에 흐르는 전류의 크기가 작은 경우에도 적절한 크기의 저항 및 대역폭을 갖는 차동증폭기(302)를 선택함으로써 탐침부(200)에 흐르는 전류의 크기를 정확하게 측정할 수 있다.

이와 같이 측정된 전류는 전압 Vout으로 변환되어 출력된다.

이 실시 예에서는 전류검출 저항 R과 차동증폭기(302)를 이용하고 있지만, 전류를 측정할 수 있는 전류 탐침(Current Probe) 등을 적용할 수 있다.

(3) 주파수 측정부(400)

주파수 측정부(400)는 전류검출/전압변환부(300)로부터 출력된 전압 Vout을 주파수별로 나누어주는 역할을 한다. 주파수 측정부(400)로는, 예를 들어, FFT부(Fast Fourier Transform)를 적용할 수 있다.

이와 같이 종래의 필터 대신에 FFT부 또는 PSD 등을 이용함으로써 탐침 진동주파수 ω와 2ω 그리고 고조파 성분들을 정확하게 주파수별로 분리해 낼 수 있다. 또한 디지털로 신호를 처리하므로 잡음에도 강하다는 장점을 가지고 있다.

한편, 본 발명에 따르면, 측정된 전류의 ω 성분의 크기로부터 이온밀도를 산출하여 플라즈마 진단을 위한 플라즈마 변수로 추가로 제공할 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면, 직류차단 커패시터 C를 삽입한 경우에는 직류전류의 크기는 0이어야 하므로 상기 식으로부터,

가 되고, 대표적으로 첫 번째 주파수 ω성분의 전류의 크기

는,

로 주어지므로 플라즈마의 이온밀도

는 근사적으로

임을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 전자온도와 이온밀도를 더욱 정확하게 측정하기 위해서는 탐침 쉬스 양단의 전위차를 정확하게 아는 것이 필수적이다.

높은 밀도의 경우 측정의 문제가 될 수 있는바, 신호공급부(500)에서 V₀의 진폭을 갖는 교류전압을 줄 때, 이 전압 V₀가 모두 탐침 쉬스 양단에 걸리지 않고, 전류검출저항이나 초크박스 등의 임피던스 때문에 전압분배가 이루어져 V₀보다 작은 전압이 쉬스 양단에 걸리게 되어 결과적으로 측정된 전자온도와 이온밀도가 부정확하게 된다. 여기서, 신호공급원 V를 복수 개를 구비할 수 있음은 당연하고, 복수 개의 신호공급원 V가 서로 다른 주파수 신호를 가질 수 있다.

따라서, 정확한 전자온도와 이온밀도 측정을 위해서는 쉬스 저항을 구하여 전압분배가 일어난 만큼 보상해 주어야 한다. 쉬스 저항 R _sh 은 플라즈마 밀도와 전자온도의 함수로서 아래와 같이 주어진다.

따라서, 신호공급부(500)에서 V₀의 전압이 인가될 때, 쉬스 양단에 걸리는 전압 V_sh 는

와 같이 주어진다. 이 값을 상기한 밀도와 온도를 구하는 식에 대입해야 한다. 여기서, Rs 는 전류검출저항 R, 초크박스 임피던스 등 탐침에 연결된 회로 및 장비들에 의한 저항이다.

상기와 같이 전압분배에 따른 쉬스 공급전압을 보상함으로써 측정의 정확도가 상당히 개선될 수 있다(도 8 참조).

실험예 1

도 2와 3은 각각 10 mTorr 압력하의 아르곤 가스 분위기에서 본 발명의 플로팅 탐침을 이용한 경우("부유탐침"으로 표시)와 널리 알려진 단일 랑뮤어 탐침을 이용한 경우("랑뮤어탐침"으로 표시)에 측정된 전자온도와 이온밀도를 비교한 그래프이다.

그래프에서 보여주는 바와 같이, 본 발명의 플로팅 탐침에 의한 측정결과는 입력 전력 영역에서 단일 랑뮤어 탐침과 상당히 일치하는 결과를 나타내고 있는 바, 본 발명의 플로팅 탐침에 의한 측정결과가 신뢰성이 높다는 것을 시사한다.

실험예 2

또한, 도 4와 5는 각각 20 mTorr 압력하의 아르곤 가스 분위기에서 본 발명의 플로팅 탐침을 이용한 경우("부유탐침"으로 표시)와 널리 알려진 단일 랑뮤어 탐침을 이용한 경우("랑뮤어탐침"으로 표시)에 측정된 전자온도와 이온밀도를 비교한 그래프이다.

이 경우에도 그래프에서 보여주는 바와 같이, 본 발명의 플로팅 탐침에 의한 측정결과는 입력 전력 영역에서 단일 랑뮤어 탐침과 상당히 일치하는 결과를 나타내고 있는 바, 본 발명의 플라즈마 진단장치에 의한 측정결과가 신뢰성이 높다는 것을 시사한다.

실험예 3

도 6과 7은 아르곤 가스에 실제 반도체 공정 등에서 사용하는 CF₄ 가스를 8:2의 비율로 혼합한 후, 각각 기존의 랑뮤어 탐침과 본 발명의 플로팅 탐침을 이용하여 측정한 결과를 보여준다.

도 6을 참조하면, 랑뮤어 탐침은 전자나 이온의 도전 전류를 직접 측정하기 때문에 탐침 표면에 CF₄ 플라즈마에 의해 절연층이 증착되면 측정이 불가능하게 되므로 실제 혼합가스의 플라즈마 진단에 사용될 수 없다(도 6의 적색 그래프 참조).

반면에, 도 7을 참조하면, 본 발명의 플로팅 탐침은 도전 전류가 아닌 변위 전류(displacement current), 즉 교류를 측정하기 때문에 탐침 표면에 CF₄ 플라즈마에 의해 절연층이 어느 정도 증착되어도 전자온도나 이온밀도의 측정결과에 큰 영향을 미치지 않는다.

한편, 도 8을 참조하면, 본 발명에서 플라즈마 진단의 정확도를 높이기 위해 고려한 전압 분배 알고리즘을 추가했을 때 측정의 정확도가 상당히 개선된다.

이 변형예에 따르면, 신호공급부(500a)는 신호공급원 V와 연결되고 피드백을 전류검출/전압 변환부(300)의 저항 R의 전단에서 받고, 그 출력이 저항 R의 후단에 연결되는 신호증폭기(502)를 추가로 포함한다. 물론 상기한 바와 같이 신호공급원 V를 복수 개를 구비할 수 있으며, 복수 개의 신호공급원 V가 서로 다른 주파수 신호를 가질 수 있다.

이 구성에 의하면, 저항 R에 의한 전압 강하가 일어나지 않으므로, 인가전압과 쉬스 전압이 거의 동일하게 되어 쉬스 임피던스 보정을 거치지 않더라도 전압분배 문제를 해결할 수 있다는 이점이 있다.
이 변형예에서는 피드백을 전류검출/전압 변환부(300)의 저항 R의 전단으로부터 받지만 저항 R의 후단으로부터 받도록 하여도 된다.

본 발명의 다른 실시예로, 두 개의 탐침부를 플라즈마에 연결하여 플라즈마 진단장치를 구성할 수 있다. 이때, 두 탐침 사이에 주기적인 전압신호를 인가하여 두 탐침 사이에 흐르는 전류의 고조파 성분을 이용해서 플라즈마 밀도와 전자온도를 구할 수 있다. 이 실시예에서는 직류차단 커패시터가 필요없다는 이점이 있다.

두 탐침 사이에 흐르는 전류는 상기한 바와 같이,

이고 여기에

에 주기적인 신호(

)를 인가하면 다음과 같은 고주파 전류들이 흐르게 된다.

,

여기에서

,

를 구할 수 있다.

이 변형예에서는 두 탐침 사이에 전류가 순환적으로 흐르게 되어 자동 플로팅이 되므로 별도의 직류차단 커패시터가 필요하지 않다는 이점이 있다.

도 10을 참조하면, 주파수 측정부(400a)는 연산회로부(402)와 저역통과필터부(402)를 포함하며, 위상 민간 검출법(Phase Sensitive Detection; PSD) 방법을 적용한다.

PSD 방법은 잘 알려진 방법으로, 전류검출/전압 변환부(300)의 증폭기(302)로부터의 출력신호를 연산회로부(402)에 바로 입력하거나 TTL 신호로 바꿔서 입력한다.

입력 신호와 전류 신호를 각각,

,

라고 할 때, 연산회로부(402)에서, 예를 들어, 곱셈을 수행하면 다음과 같이 된다.

위에서

이고, 이것을 저역통과필터부(404)를 통과시키면

만 남고, 여기에서 기준신호의 위상각과 진폭을 알고 있으므로 결국

전류를 측정할 수 있게 된다. 이와 같이, 연산회로부(402)에 고조파 또는 주파수 배가기(multiplication)를 적용하여

,

등의 고주파 전류들을 쉽게 구할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 할 수 있으며, 이러한 변경과 변형은 본 발명의 정신에서 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다.

따라서 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석되어서는 안되며 이하에 기술되는 특허 청구범위에 의해 판단되어야 한다.

본 발명에 따르면 플로팅 기술을 이용하여 탐침을 통해 흐르는 전류가 작은 경우에도 그 크기를 정확하게 검출할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 디지털 신호처리를 통한 주파수 검출로 탐침부에 흐르는 전류의 주파수 성분들을 분리할 수 있어 주파수 차이가 작은 경우에도 정확하게 분리해낼 수 있으며, 디지털 신호를 처리하기 때문에 노이즈에도 강하다는 이점이 있다.

또한, 프로부의 표면에 가스가 증착되더라도 플라즈마 변수들의 측정이 가능하다는 이점이 있다. 또한, 신호처리 속도가 빨라 고속으로 플라즈마 변수들의 측정이 가능하며 실시간 플라즈마 모니터링이 가능하다.

Claims

플라즈마에 삽입되거나 플라즈마 주변부에 설치되는 탐침부를 구비한 플라즈마 진단장치에 있어서,

신호공급원을 포함하는 신호공급부;

상기 신호공급부로부터 제공되는 주기적인 전압신호를 상기 탐침부에 인가하여 탐침부를 통해 흐르는 전류의 크기를 검출하고 상기 검출된 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류검출/전압변환부; 및

상기 전류검출/전압변환부로부터 출력되는 전압을 입력받아 상기 탐침부에 흐르는 전류의 각 주파수별 성분의 크기를 산출하는 주파수별 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
청구항 1에 있어서,

상기 전류검출/전압변환부는,

상기 탐침부의 후단에 직렬로 연결된 전류검출저항; 및

상기 전류검출저항의 양단의 전위차를 측정하여 상기 탐침부에 흐르는 전류의 크기를 산출하는 차동증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한 플라즈마 진단장치.
청구항 2에 있어서,

상기 신호공급부는, 하나의 입력단자가 상기 신호공급원에 연결되고, 다른 하나의 입력단자가 상기 전류검출저항의 전단 또는 후단에 연결되며, 그 출력단자는 상기 전류검출저항의 후단에 연결되는 신호증폭기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한 플라즈마 진단장치.
청구항 1에 있어서,

상기 주파수별 측정부는 고속 푸리에 변환(FFT)을 적용하는 것을 특징으로 한 플라즈마 진단장치.
청구항 1에 있어서,

상기 주파수별 측정부는,

상기 전류검출/전압변환부로부터 출력되는 전압과 상기 주기적인 전압신호를 입력받아 기설정된 연산을 수행하는 연산회로부; 및

상기 연산회로부의 연산 결과를 저역통과 필터링을 통하여 상기 탐침에 흐르는 전류의 각 주파수별 성분의 크기를 산출하는 저역통과 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
청구항 1에 있어서,

상기 신호공급원에 연결되고 상기 플라즈마에 삽입되는 제 2 탐침부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한 플라즈마 진단장치.
청구항 1에 있어서,

상기 산출된 전류의 주파수별 성분으로부터 다음의 식을 통하여 플라즈마의 이온밀도 n_i 를 산출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.

(여기서, Te는 플라즈마의 전자온도, Vsh는 탐침부와 플라즈마 사이에 인가되는 전압, 즉 쉬스 전압신호의 크기, A는 탐침 면적, i_kω 는 전류의 k 고조파 ω 성분의 크기임)
청구항 1에 있어서,

상기 신호공급부에서 상기 탐침부에 인가되는 상기 주기적인 전압신호는 다음 식에 의해 보정되어 플라즈마에 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.

(여기서, Rsh는 플라즈마 이온밀도와 전자온도의 함수인 쉬스 저항이고, V₀ 는 탐침부에 인가되는 주기적인 전압신호의 크기이며, Rs는 상기 탐침부에 연결된 회로 및 장비들에 의한 저항임)
청구항 1에 있어서,

상기 플라즈마와 탐침부, 상기 탐침부와 전류검출/전압변환부, 또는 상기 전류검출/전압변환부와 신호공급부 사이 중 적어도 하나에 전기적 절연을 목적으로 용량수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
신호공급부로부터 플라즈마에 삽입되는 탐침부에 주기적인 전압신호를 인가하는 단계;

상기 탐침부를 통해 흐르는 전류의 크기를 검출하고 상기 검출된 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 단계; 및

상기 출력되는 전압을 입력받아 상기 탐침부에 흐르는 전류의 각 주파수별 성분의 크기 및 위상을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단방법.
청구항 10에 있어서,

각 주파수별 성분의 크기 및 위상의 산출은 고속 푸리에 변환(FFT) 방법 또는 위상 민감 검출(PSD) 방법 중 어느 하나를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단방법.
청구항 10에 있어서,

상기 탐침부에 인가되는 주기적인 전압신호의 크기는 다음 식에 의해 보정되어 플라즈마에 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단방법.

(여기서, Rsh는 플라즈마 이온밀도와 전자온도의 함수인 쉬스 저항이고, V₀ 는 탐침부에 인가되는 주기적인 전압신호의 크기이며, Rs는 상기 탐침부에 연결된 회로 및 장비들에 의한 저항임)
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