KR100833646B1 - 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및방법 - Google Patents

펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및방법 Download PDF

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KR100833646B1
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윤주영
성대진
신용현
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 펄스 플라즈마에 대해 일련되는 대역의 전자파를 송/수신하도록 안테나 구조의 탐침기가 실장되며, 이에 더하여 송신된 전자파 중 당해 펄스 플라즈마의 시간변화에 대해 컷오프(cutoff)되거나 흡수되는 특정의 전자파 컷오프 주파수(cutoff frequency)및 흡수 주파수(absorption frequency)의 대역을 분석하여 이를 기초로 당해 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 연산하도록 분석도구가 구비되는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로, 트리거 신호 출력부로부터 트리거 신호를 출력받아 동기되며, 이를 근거로 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 시간변화와 합산하여 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되며, 주파수 분석기로부터 펄스 플라즈마의 펄스에 의한 플라즈마의 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 추출하여 시간에 따라 변화하는 전자온도 및 전자밀도를 분석하는 컴퓨터;를 포함하고, 상기 펄스 플라즈마의 펄스가 200Hz 이상인 경우 전자파 발생기와 주파수 분석기를 각각 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단하고, 펄스 플라즈마의 펄스가 200Hz 이하인 경우 네트워크 분석기를 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단하는 것을 특징이다.
플라즈마, 전자밀도, 전자온도, 컷오프, 주파수, 반도체

Description

펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법{A Pulse Plasma Electron Density And Electron Temperature Monitoring Device and Method Thereof}
도 1은 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치의 실시예 구성도,
도 3은 도 1에 도시된 동축케이블의 단면 구성도,
도 4는 도 1에 도시된 전자파 송수신기의 반응용기 내 이송을 나타내는 구성도,
도 5a는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 컷오프 주파수에 관한 그래프도,
도 5b는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 흡수 주파수에 관한 그래프도,
도 6은 본 발명에 따른 모니터링 장치로 측정한 전자밀도 및 전자온도에 관한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 전자온도 측정방법을 단계적으로 나타 낸 흐름도,
도 8은 본 발명의 펄스 플라즈마 전자밀도를 나타낸 표,
도 9는 특정주파수 신호의 시간 변화에 따른 파형 진폭 변화 그래프.
도 10은 도 8의 표에서 세로축 데이터를 그래프로 나타내어 얻은 주파수 스펙트럼.
도 11은 펄스 플라즈마의 온오프 되는 주파수대 듀티비를 다르게 하여 측정한 전자밀도를 그래프,
도 12는 듀티비를 20%로 고정하고 펄스 플라즈마의 주파수를 40Hz로 고정한 상태의 전자밀도 그래프,
도 13은 듀티비를 20%로 고정하고, 펄스 플라즈마의 주파수를 60Hz로 고정한 상태의 전자밀도 그래프.
* 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 *
100: 펄스 플라즈마 반응용기,
100a: 펄스 플라즈마,
110: 매칭 네트워크,
120: RF 파워 증폭기,
130: 믹서,
140: 발진자,
150: 트리거 신호 발생기,
160: 지향성 커플러,
170: 네트워크 분석기,
200: 전자파 송수신기,
210: 제 1동축케이블,
210a: 송신안테나,
220: 제 2동축케이블,
220a: 수신안테나,
230: 유전체 피복층,
300: 전자파 발생기,
400: 주파수 분석기,
500: 컴퓨터,
600: 이송기.
본 발명은, 펄스 플라즈마에 대해 일련되는 대역의 전자파를 송/수신하도록 안테나 구조의 탐침기가 실장되며, 이에 더하여 송신된 전자파 중 당해 펄스 플라즈마의 시간변화에 대해 컷오프(cutoff)되거나 흡수되는 특정의 전자파 컷오프 주파수(cutoff frequency)및 흡수 주파수(absorption frequency)의 대역을 분석하여 이를 기초로 당해 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 연산하도록 분석도구가 구비 되는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 재료의 표면 개질을 위한 플라즈마 이온주입 장비와 반도체 소자를 제조하는 공정중에서 웨이퍼 위에 박막을 증착하거나 웨이퍼 및 박막을 식각하는데 있어서 플라즈마 장비가 널리 사용되고 있다.
이러한 공정들을 효과적으로 수행하기 위하여 플라즈마 내의 플라즈마 전위, 전자온도, 전자 밀도, 이온 밀도 등을 알고 있어야 하며, 이러한 플라즈마 특성 변수들을 구할 수 있는 전류-전압 특성 곡선을 랑뮤어 프로브를 통하여 얻는 것이 가장 일반적인 방법이다.
현재 전자온도를 측정하는 장치로는 랑뮈어 탐침, OES(optical Emission Spectroscopy), Laser Thomson scattering 등이 있다. 이들 장치는 각각 단점들을 가지고 있어 반도체공정에서 PECVD 또는 Dry Etch공정 후 공정의 신뢰성을 확인하기 위하여 공정상태 모니터로 적용에는 사용이 안 되고 있는 상태이다. 랑뮈어 탐침의 경우 RF 오실레이션으로 인한 노이즈 문제, 박막 증착 시 탐침에 증착되는 문제, 식각 시 탐침이 식각되어 작아지는 문제 등이 있다. OES를 이용한 전자온도 측정 방법도 충분한 데이터가 구축되지 않아 현실성이 떨어진다. Laser Thomson scattering 방법도 시스템이 크고 복잡하여 연구실이외에서는 적용이 힘들다. 랑뮈어 탐침의 경우 혼한가스가 아닌 단원자분자가스 플라즈마의 펄스모드일때 펄스에 따른 전자온도와 밀도를 구할수 있으나 위에 언급한 문제로 인하여 공정펄스플라즈마에 적용하기는 힘들다. 따라서 이러한 문제점을 해결하는 기술 개발이 시급한 실 정이다.
따라서 본 발명의 상기와 같은 종래 문제점들을 감안하여 도출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 시간에 따라 변화하는 전자밀도 및 전자온도와 상관 관계를 갖는 주파수 대역을 실시간으로 측정/모니터링할 수 있도록 일련되는 대역의 전자파를 송/수신하는 안테나 구조의 전자파 송수신기를 포함하는 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2 목적은, 수신되는 전자파의 주파수 대역을 기초로 당해 전자밀도 및 전자온도와 상관 관계를 갖는 컷오프 주파수 및 흡수 주파수를 분석하도록 주파수 분석기를 포함하는 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
아울러 본 발명의 제 3 목적은, 펄스 플라즈마 반응용기 내의 위치별 플라즈마 전자밀도 및 전자온도의 측정으로 시간분포와 공간분포를 파악할 수 있도록 반응용기의 내부에서 전자파 송수신기를 이송시키기 위한 이송기를 포함하는 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,
펄스 플라즈마 반응용기; 트리거 신호를 출력하는 트리거 신호 출력부; 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; 송출되는 상기 전자파의 주파수가 펄스 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도에 대해 상관 관계를 갖도 록 반응용기 내의 펄스 플라즈마에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; 상기 트리거 신호 출력부로부터 트리거 신호를 출력받아 동기되며, 이를 근거로 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 시간변화와 합산하여 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되며, 주파수 분석기로부터 펄스 플라즈마의 펄스에 의한 플라즈마의 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 추출하여 시간에 따라 변화하는 전자온도 및 전자밀도를 분석하는 컴퓨터;를 포함하여 구성되는 것이 특징이다.
또한, 상기 펄스 플라즈마의 펄스가 200Hz 이상인 경우 전자파 발생기와 주파수 분석기를 각각 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단하고, 펄스 플라즈마의 펄스가 200Hz 이하인 경우 네트워크 분석기를 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단하는 것이 특징이다.
또한, 상기 전자파 송신부 동축선 중간에는 진행파와 반사파를 모니터링하여 주파수 분석기에서 표면파 흡수 주파수를 측정할 수 있도록 유도하는 지향성 커플러를 더 포함하여 구성함이 특징이다.
또한, 상기 전자파 송수신기는, 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 각각 전기적으로 연결되고 서로 병설되는 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블과, 전자파의 송/수신을 위해 상기 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블의 일단에 동일 축 선상으로 각각 연결/돌출되어 상기 플라즈마에 접속되는 송신안테나 및 수신안테나를 포함하여 구성되는 것이 특징이다.
또한, 상기 전자파 송수신기가 상기 반응용기 공간의 전자밀도 및 전자온도를 체크할 수 있도록 전자파 송수신기를 왕복 이동시키는 이송기가 더 연결하여 구성한 것이 특징이다.
또한, 펄스 플라즈마의 주파수를 추출하는 제 1단계와; 전자파 발생기(300)에서 소정 주파수의 전자파를 펄스 플라즈마의 온오프 주파수에 해당하는 시간동안 송신안테나(210a)로 인가하는 제 2단계(S2)와; 송신안테나(210a)에서 방출된 전자파를 수신안테나(220a)가 수신하여 주파수를 분석하는 제 3단계(S3)와; 소정 주파수를 일정단위로 올려가면서 상승한 상태에서 펄스 플라즈마의 온오프 주파수에 해당하는 시간동안 주파수를 송수신하는 것을 반복하는 제 4단계(S4)와; 주파수 분석에 의해 컷오프 주파수를 측정하는 제 5단계(S5)와; 컷오프 주파수를 이용하여 온오프 주파수의 시간변화에 따른 펄스 플라즈마 밀도를 계산하는 제 6단계(S6)와; 전자파 발생기(300)에서 전자파를 송신하고 송신안테나(210a)로 되돌아오는 반사파를 모니터하여 표면파 흡수 주파수를 측정하는 제 7단계(S7)와; 제 6단계(S6) 및 제 7단계(S7)에서 구해진 펄스 플라즈마 밀도와 흡수주파수를 이용하여 온오프 주파수의 시간변화에 따른 전자온도를 계산하는 제 8단계(S8)로 이루어져 순차 진행함이 특징이다.
또한, 상기 제 6단계의 플라즈마 밀도(ωpe)는
ωpe = [nee2/ε0me]1/2
로 이루어지는 수학식에 의해 구해지는 것이 특징이다.
또한, 상기 제 7단계의 전자온도(Te)는,
Te = [1-[ωpe/ω]2]= {Km(βa)Im'(βa)Km(βb) - Km'(βa)Im(βb)}/{ Km'(βa)Im(βa)Km(βb) - Km(βa)Im(βb) }
(Km 과 Im 은 modified Bessel function, β=2π/λ, λ=2ℓ, ℓ는 송신안테나의 길이, a는 송신안테나의 금속부의 중심부터 쉬스(sheath) 경계까지의 반경, b는 송신안테나의 금속부의 반경, ω는 흡수주파수, ωpe 는 플라즈마 밀도) 로 이루어지는 수식에 의해 구해지는 것이 특징이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치의 실시예 구성도이며, 도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 동축케이블의 단면 구성이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모니터링 장치는 전자파와 펄스 플라즈마(100a)의 특성(특히 전자밀도, 전자온도 등) 사이의 상관 관계를 밝혀 해당 특성치를 측정하고 실시간으로 모니터링 하기 위한 것이다.
먼저, 본 발명을 설명하기에 앞서 펄스 플라즈마의 펄스 주파수는 플라즈마발생파워 온오프에 따른 주파수이고, 보통 주파수는 전자파 주파수를 의미함을 밝혀 둔다.
또한, 상기 온오프에 따른 펄스 주파수는 펄스 플라즈마를 온오프 시키는 시간변화를 나타낸 것이기 때문에 20 Hz - 500 kHz 정도의 영역으로 비교적 낮은 주파수이고, 상기 플라즈마 주파수는 플라즈마의 밀도에 의하여 결정되는 고유주파수이고 영역은 50 MHz 내지 10 GHz 정도이다.
본 발명의 구성요소를 구분하면, 펄스 플라즈마 반응용기(100)와, 매칭 네트워크(110)와, RF 파워 증폭기(120)와, 믹서(130)와, 발진자(140)와, 트리거 신호 발생기(150)와, 전자파 발생기(300)와, 전자파 송수신기(200)와, 주파수 분석기(400)와, 지향성 커플러(160), 컴퓨터(500), 네트워크 분석기(170)를 포함하여 이루어진다.
상기 펄스 플라즈마 반응용기(100)는 펄스 플라즈마(100a)를 내부에 장착하여 임시저장하는 역할을 한다.
상기 믹서(130)는 발진자(140)와 트리거신호발생기(150)의 신호를 믹싱하고, RF 파워 증폭기(120)는 믹서(130)의 펄스 주파수를 일정 수준 이상으로 증폭하며, 매칭 네트워크(110)는 RF 파워 증폭기(120)에서 증폭된 RF 파워의 임피던스를 매칭시켜 RF 파워가 효율적으로 전달되게 한다.
상기 트리거 신호 발생기(150)는 펄스의 주파수 및 듀티비(duty ratio)등을 조절하며, 펄스 주파수에 해당하는 트리거 신호를 출력하는 역할을 한다.
상기 전자파 발생기(300)는 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파를 발생하고, 전자파 송수신기(200)는 송출되는 상기 전자파의 주파수가 펄스 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도에 대해 상관 관계를 갖도록 반응용기 내(100)의 펄스 플라즈마(100a)에 접속되고 상기 전자파 발생기(300)에 동축선을 통하여 전기적으로 연결되어 있다.
상기 주파수 분석기(400)는 상기 트리거 신호 발생기(150)로부터 트리거 신호를 출력받아 펄스 주파수에 동기되며, 전자파 송수신기(200)로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 전자파 송수신기(200)에 전기적으로 연결되어 있다.
상기 지향성 커플러(160)는 상기 전자파 송신부 동축선 중간에는 진행파와 반사파를 모니터링하여 주파수 분석기(400)에 표면파 흡수 주파수의 측정을 유도한다.
상기 컴퓨터(500)는 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기(300) 및 주파수 분석기(400)에 전기적으로 연결되며, 펄스 플라즈마(100a)의 펄스 주파수에 의한 플라즈마의 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 추출하여 시간에 따라 변화하는 전자온도 및 전자밀도를 분석하는 역할을 한다.
한편, 상기 펄스 플라즈마(100a)의 펄스 주파수가 200Hz 이상인 경우 전자파 발생기(300)와 주파수 분석기(400)를 각각 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단하고, 펄스 플라즈마(100a)의 펄스 주파수가 200Hz 이하인 경우 네트워크 분석기를 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단토록 한다.
즉, 펄스 플라즈마(100a)의 펄스 주파수가 200Hz 이상인 경우 시간분해능이 높아야하기 때문에 전자파 발생기(300)와 고속 오실로스코우프(400)를 각각 이용하여 체크하지만, 펄스 주파수가 200Hz 이하인 경우 시간분해능이 높지 않아도 되므로 전자파 발생기(300)와 주파수 분석기(400)의 기능이 포함된 네트워크 분석기(170)를 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단토록 하는 것이다.
이하에서 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 상관관계를 갖도록 본 모니터링 장치에는, 펄스 플라즈마(100a)에 대해 전자파를 송수신하기 하기 위한 전자파 송수신기(200)가 포함되어 있고, 이러한 송/수신을 위해 전자파 송수신기(200)는 안테나 구조를 취하고 있다.
원통형의 반응용기(100)에 담긴 것이 펄스 플라즈마(100a)이다. 이러한 펄스 플라즈마(100a)에 특정 대역의 전자파가 송출될 경우, 당해 전자파가 컷오프되거나 흡수되는 경우가 발생한다고 알려진바, 이러한 컷오프 또는 흡수되는 주파수 대역의 특정 전자파는 펄스 플라즈마(100a)의 전자밀도 또는 전자온도의 지표가 되므로, 이러한 전자파와 펄스 플라즈마(100a)와의 상관관계를 기초로 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도를 획득할 수 있다.
이러한 상관관계는, 앞에서 언급된 전자파 송수신기(200)에서 이루어지고, 이러한 전자파 송수신기(200)에 대해 전자파를 보내주거나 수신된 전자파를 분석하도록 전자파 송수신기(200)에 전기적으로 연결되어 있는 것이, 전자파 발생기(300) 및 주파수 분석기(400)이다.
여기서 전자파 송수신기(200)는, 나란하게 병설된 구조의 2개의 동축케이블로 구성되어 있고, 이때 각 동축케이블(210,220)에는 노이즈, 열 등에 의해 영향을 받지 않도록 별도의 유전체 피복층(230)과 그라운드 실드선(Ground Shield)이 감싸고 있기 때문에 보다 정확하게 전자파의 송출 및 수신이 담보될 수 있는 구조를 마련하고 있다.
그리고 이러한 각 동축케이블(210,220) 중 제 1동축케이블(210)의 일측에 동일 축선상으로 연결/돌출되어 있는 것이 전자파를 플라즈마(100a)에 송출하기 위한 송신안테나(210a)이다. 본 발명에서는 예시로서 각 안테나(210a,220a)가 약 1mm ∼ 5mm 정도의 간격을 두고 있으며, 모두 약 5mm ∼ 10mm 정도의 길이를 갖고 있다. 상기 간격은 제작상 구현된 것이며, 보다 작을수록 좋다. 그리고 각 안테나(210a,220a)의 길이는 사용하는 전자파의 파장에 따라 달리할 수 있다.
위의 전자파 발생기(300)는 제 1동축케이블(210)의 타측에 연결되고, 약 50 kHz ~ 10GHz 사이의 주파수 대역의 전자파를 연속적으로 제 1동축케이블(210) 및 송신안테나(210a)에 전송시켜 결과적으로 플라즈마(100a)에 대해 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속적으로 송출될 수 있는 구조를 마련한다.
이때 송출된 전자파 중 플라즈마(100a)에 대해 컷오프되는 것이 컷오프 주파수로 당해 플라즈마(100a) 전자밀도의 연산 및 획득의 지표로서 기능할 수 있다. 또한 플라즈마(100a)에 흡수되는 대역의 전자파는 흡수 전자파로서 당해 플라즈마(100a) 전자온도의 연산 및 획득의 지표로서 기능할 수 있다.
아울러 제 2동축케이블(220)의 타측에 연결되어 있는 것이 주파수 분석기(400)이다. 여기서 제 2동축케이블(220)의 일측에 동일 축선상으로 연결/돌출된 것이 수신안테나(220a)로서, 수신안테나(220a) 및 제 2동축케이블(220)에서 수신되어 획득되는 전자파의 주파수로부터 진폭을 분석할 수 있다.
그런데 송출된 전자파가 컷오프될 경우 이때의 전자파는 수신안테나(220a)에서의 수신율이 매우 미약하다고 알려진바 가장 약한 수신율의 전자파가 컷오프 주파수로 분석될 수 있다.
주파수 분석기(400)에서는 획득된 전자파의 주파수 및 진폭 등을 분석하여 가장 미약한 주파수를 식별할 수 있으므로 컷오프 주파수를 분석/획득할 수 있는 구조가 마련된다.
또한 플라즈마(100a)에 흡수되는 전자파가 있을 경우, 이는 송신안테나(220a) 및 제 1동축케이블(220)에 거의 미약하게 반사되고 이는 플라즈마(100a) 와 송신안테나 사이의 쉬스(sheath) 공간에 일종의 공진기(cavity)에 의한 공명(resonance)을 일으켜 전자파의 흡수가 강하게 일어나게 되어 반사되는 전자파의 신호가 가장 미약하게 된다.
즉, 송신 안테나로부터 다시 반사되는 비율이 작은 것을 의미하는바, 미약하게 반사된 전자파의 주파수 대역 및 진폭 등을 분석하여 흡수된 전자파의 당해 주파수 대역을 획득하여 분석할 수 있다. 따라서 흡수 주파수 대역을 분석하여 획득할 수 있는 구조가 마련된다.
이러한 일련되는 전자파의 발생 및 송출 지령과 분석 주파수 데이터를 기초로 전자밀도 및 전자온도의 연산을 위해 구비되는 것이 컴퓨터(500)로서, 전자파 발생기(300) 및 주파수 분석기(400)에 전기적으로 연결되어 있다.
이에 따라 전자파 송수신기(200)가 반응용기(100) 내의 펄스 플라즈마(100a)에 대해 접속되어 전자파를 송출할 경우, 미약하게 수신되는 전자파로부터 주파수 대역 등이 파악되고, 상기 흡수 주파수는 지향성 커플러를 통해 전자파 분석기에 전달되고, 이러한 컷오프 주파수 및 흡수 주파수의 데이터가 컴퓨터(500)에 전송된다.
이때 컴퓨터(500)에는, 주파수를 기초로 전자밀도 또는 전자온도를 연산할 수 있는 계산식이 프로그램되어 있는바, 당해 펄스 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도의 연산 및 획득이 가능한 구조가 마련될 수 있다.
한편, 펄스 플라즈마는 온 오프에 의해서 플라즈마 내부의 라디컬을 제어토록 하는 것으로, 일정 주파수 단위로 플라즈마를 온 오프시키도록 하는바, 상기 펄 스 플라즈마(100a)의 전자온도와 밀도를 파악하기 위해서는 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 파악해야 한다.
펄스 신호는 트리거 신호 발생기(150)를 통해 출력하여 주파수 분석기에 입력된다.
그러면, 주파수 분석기(400)는 트리거 신호 발생기(150)에서 출력한 펄스 주파수 신호에 상응하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 탐지하고, 이를 컴퓨터(500)에 전송하여 펄스 주파수의 시간변화에 따른 펄스 플라즈마(100a)의 전자온도와 전자밀도를 계산토록 한다.
즉, 본 발명은 시간변화에 따른 컷오프 주파수 변위를 포착하기 위해서 트리거 신호 발생기(150)로부터 트리거 소스를 주파수 분석기에 동기화하고, 전자파 발생기(150)의 주파수를 스캔할 영역의 일정 주파수로 고정하고, 고정된 주파수를 기준으로 하나의 주파수에 따른 신호 크기의 시간 변화 데이터를 얻으며, 다음으로, 전자기파 주파수를 다음 주파수로 이동하여 전자파 발생기(300)로부터 내 보낸다.
예를 들어, 주파수 스캔 영역이 500MHz - 6GHz일때 처음 전자파 발생기에서 출력되는 시험 주파수가 500MHz가 되고 이때 주파수 스텝을 10MHz로 설정하면, 다음 주파수는 510MHz가 되고, 그 다음 주파수는 520MHz가 되며, 이런 방식으로 계속하여 6GHz까지 10MHz 단위로 증가시켜 플라즈마의 펄스 주파수에 따른 시간 변화 데이터를 얻는다.
여기까지 얻은 데이터를 표로 만들면 도 8과 같다.
fm은 전자파 발생기로부터 내보낸 주파수이고, tn은 시간이며, Smn 은 신호크기이다.
따라서, 가로축의 데이터를 그래프로 그리면 도 10과 같이 되고, 세로축을 그래프로 그리면 도 9와 같이 되어 주파수 스펙트럼을 얻게 되며, 여기서 컷오프 주파수를 얻게 된다.
또한, 흡수 주파수를 얻는 방법도 동일하게 진행하며, 송신 안테나로부터 반사되는 신호를 주파수 분석기를 이용하여 위와 같은 방법으로 얻게 된다.
도 11은 본 발명의 실시예로서, 펄스 플라즈마(100a)의 온오프 되는 주파수대 듀티비를 다르게 하여 측정한 전자밀도를 그래프화 하였다.
도시한 바와 같이, 주파수 대비 듀티비가 60Hz/20%는 타임이 가장 짧게 나타나고, 그 다음 주파수 대비 듀티비가 50Hz/33%는 그 다음으로 길게 나타나고, 주파수 대비 듀티비가 40Hz/46%는 그 다음으로 길게 나타나며, 주파수 대비 듀티비가 30Hz/60%는 타임이 가장 길게 나타난다.
이는 듀티비가 작을 수록 온 타임이 짧고 듀티비가 길수록 온 타임이 길기 때문이다.
도 12는 듀티비를 20%로 고정하고 펄스 플라즈마(100a)의 주파수를 40Hz로 고정한 상태에서 진공압을 10mT와, 30mT와, 50mT 및, 70mT로 변화를 주면서 측정한 전자밀도이다.
또한, 도 13은 듀티비를 20%로 고정하고, 펄스 플라즈마(100a)의 주파수를 60Hz로 고정한 상태에서 진공압을 10mT와, 30mT와, 50mT 및, 70mT로 변화를 주면서 측정한 전자밀도이다.
상기 도면의 그래프를 보면 알 수 있듯이 주파수 변화에 따라서 전자밀도가 달라짐을 알 수 있다.
이는 펄스 주파수의 변화에 따라서 전자밀도가 달라지고 또한 전자온도가 달라진다는 것을 의미하며, 이에 따라 펄스 주파수를 어느정도로 책정하여 제어할 것인지 참고자료가 될 수 있다.
한편, 본 발명은 시간 변화와 더불어 펄스 플라즈마 용기(100)내의 공간 영역에 따른 전자온도 및 전자밀도를 체크하도록 하는바, 이를 위해서는 전자파 송수신기(200)를 테두리면에서 용기의 중심선으로 유동시켜야 하며, 본 발명에서는 이송기를 부가하여 제작토록 한다.
도 4는 도 1에 도시된 전자파 송수신기(200)의 반응용기(100) 내 이송을 나타내는 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모니터링 장치에는, 이송기(600)가 포함되어 있다. 전자파 송수신기(200)의 타측에 연결되어 있는 것이 이와 같은 이송기(600)이다.
본 발명에서 이송기(600)는 보다 바람직하게는 스테핑 모터 구조 또는 유압실린더 구조와 같이 직선 이송의 구현이 가능한 동력구조를 취하고 있으며, 원통형 반응용기(100) 내에서 반경방향을 따라 이송이 가능하도록 설치된 전자파 송수신기(200)를 직선 왕복 이송시킬 수 있는 구조를 마련하게 된다.
이와 같이 전자파 송수신기(200)의 직선 이송이 가능하도록 이송기(600)가 구비됨으로, 전자파 송수신기(200)가 펄스 플라즈마(100a) 내에서 직선 이송하면서 전자파를 송수신하게 됨으로 당해 펄스 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도의 공간분포를 분석, 측정 및 모니터링 할 수 있는 구조가 마련될 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 컷오프 주파수에 관한 그래프도이고, 도 5b는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 흡수 주파수에 관한 그래프도이다. 우선 도 5a에 도시된 바와 같이, X축은 주파수 대역(Hz 단위)이고, Y축은 수신안테나(220a)에 수신된 전자파(a.u.단위)의 진폭이다. 주파수의 세기가 커질수록 진폭이 커지다가 약 1.5 ×109 Hz 정도에서 작아지면서 2.5 ×109 Hz 정도의 주파수 세기 영역에서 최소가 됨을 알 수 있다.(화살표식으로 표시된 부위) 이와 같이 수신된 전자파를 주파수 대역 대비 진폭으로 나타낸 것에서 가장 낮은 진폭을 나타내는 부분이 컷오프 주파수이다.
상기 컷오프 주파수는 앞에서 언급된 바와 같이, 송신안테나(210a)에서 플라즈마(100a)에 전자파를 송출하였을 경우 플라즈마(100a)를 투과하지 못하는 대역의 주파수이다. 이에 따라 수신안테나(220a)에서 매우 약한 신호가 수신되는데, 이러한 컷오프 주파수가 플라즈마(100a)의 전자밀도를 검출하는데 지표로서 기능한다.
본 발명에서는, 전자파 발생기(300)에서 전자파가 발생되고, 전자파는 제 1동축케이블(210)을 통해 송신안테나(210a)에 세기별로 일련되게 전송되어 플라즈마(100a)에 송출되는 작동 구조를 갖는다.
그리고 이와 같이 송출되었다가 플라즈마(100a)에서 컷오프되어 미약해진 전 자파는 수신안테나(220a)에서 계속 수신되고, 제 2동축케이블(220)에 연결된 주파수 분석기(400)에 송출되어 주파수 대역별로 분석된다.
이러한 분석 데이터는 컴퓨터(500)로 전송되어 도 5a와 같은 그래프로 표시된다. 그리고 이중 가장 낮은 진폭의 주파수 대역으로 상기 그래프에 표시되는 것이 컷오프 주파수이다. 따라서 이와 같은 작동에 따른 획득된 컷오프 주파수를 기초로 컴퓨터(500)에서 당해 펄스 플라즈마(100a)의 전자밀도를 연산/획득할 수 있는 구조가 마련된다.
아울러 도 5b에 도시된 바와 같이, X축은 주파수 대역(Hz 단위)이고, Y축은 소정의 반사계수(dB 단위)이다. 이에 따라 전자파가 당해 펄스 플라즈마(100a)로 송출될 경우 반사되어 수신되는 과정을 통해 가장 낮은 반사계수를 갖는 당해 주파수의 전자파를 분석할 경우 흡수 주파수의 획득이 가능하다.
이렇게 획득된 흡수 주파수의 분석 데이터는 컴퓨터(500)로 전송되고, 이를 기초로 당해 펄스 플라즈마(100a)의 전자온도를 측정할 수 있는 구조가 마련된다.
도 6은 본 발명에 따른 모니터링 장치로 측정한 전자밀도 및 전자온도에 관한 그래프도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, X축은 반응용기(100) 내의 플라즈마(100a)의 압력(mTorr 단위)이고, 우측의 Y축이 압력별 펄스 플라즈마(100a)의 전자밀도(㎝-3 단위)이며, 좌측의 Y축이 압력별 플라즈마(100a)의 전자온도(eV 단위)이다.
그래프를 보면 알 수 있듯이 압력에 따라 전자밀도가 높아짐으로 알 수 있 다. 이와는 달리 전자온도는 압력이 높을수록 낮아짐을 알 수 있다.
따라서 직선과 삼각형으로 표시된 전자밀도의 그래프의 기울기와, 직선과 사각형으로 표시된 전자온도의 그래프의 기울기가 서로 상반됨을 알 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치에서, 반응용기(100)의 일측부로 이송기(600)가 결합된 1개의 전자파 송수신기(200)가 실장된 구조가 예시되고 있다. 하지만 이외에, 반응용기(100)의 타측부, 상부, 하부로 별도의 전자파 송수신기(200)가 수직 실장되고 각 전자파 송수신기(200) 별로 이송기(600)가 결합되어 반응용기(100) 내 각축방향으로 이송되면서 X-Y-Z축의 3차원 전자밀도 및 전자온도 공간분포를 측정하는 구조도 본 발명에 속함은 물론이다.
또한 전자파 송수신 수단으로 직선형의 송신안테나(210a), 수신안테나(220a)가 예시되고 있지만 루프 안테나, 슈퍼턴스타일 안테나, 야기 안테나, 파라볼라 안테나 등에서 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 도 7에 나타낸 바와 같이, 전술한 본 발명의 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 이용한 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법은, 펄스 플라즈마의 주파수를 추출하는 제 1단계와;
전자파 발생기(300)에서 소정 주파수의 전자파를 펄스 플라즈마의 온오프 주파수에 해당하는 시간동안 송신안테나(210a)로 인가하는 제 2단계(S2)와;
송신안테나(210a)에서 방출된 전자파를 수신안테나(220a)가 수신하여 주파수를 분석하는 제 3단계(S3)와;
소정 주파수를 일정단위로 올려가면서 상승한 상태에서 펄스 플라즈마의 온오프 주파수에 해당하는 시간동안 주파수를 송수신하는 것을 반복하는 제 4단계(S4)와;
주파수 분석에 의해 컷오프 주파수를 측정하는 제 5단계(S5)와;
컷오프 주파수를 이용하여 온오프 주파수의 시간변화에 따른 펄스 플라즈마 밀도를 계산하는 제 6단계(S6)와;
전자파 발생기(300)에서 전자파를 송신하고 송신안테나(210a)로 되돌아오는 반사파를 모니터하여 표면파 흡수 주파수를 측정하는 제 7단계(S7)와,
제 6단계(S6) 및 제 7단계(S7)에서 구해진 펄스 플라즈마 밀도와 흡수주파수를 이용하여 온오프 주파수의 시간변화에 따른 전자온도를 계산하는 제 8단계(S8)로 구성된다.
통상 플라즈마를 사용하는 어떤 공정일 경우 플라즈마 자체는 그 상태를 대변하는 고유한 플라즈마 주파수가 있다. 플라즈마 주파수는 플라즈마 밀도와 직접적인 관계가 있어 이 플라즈마 주파수를 측정하면 플라즈마 전자 밀도를 직접적으로 측정할 수 있게 된다.
통상 전자파의 주파수가 플라즈마 주파수에 해당할 경우 이 전자파를 플라즈마에 입사시키면 컷오프(cutoff)되어 플라즈마를 투과하지 못하는 성질이 있다.
따라서, 전자파 발생장치에서 50 kHz~ 10 GHz의 주파수를 송신안테나로 보내면 송신안테나에서 방출된 전자파는 수신안테나에 수신된다.
이때, 플라즈마 밀도에 따라 정해지는 플라즈마 주파수를 갖는 전자파는 플 라즈마를 통과하지 못하여 수신안테나에 수신이 안되거나 매우 약한 신호만 수신된다.
즉, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 주파수 분석기(400)에서 주파수 스펙트럼을 보면 가장 낮은 크기의 컷오프 주파수를 찾을 수 있고 이 컷오프 주파수가 바로 플라즈마 주파수이고 이로부터 [수학식 1]에 의하여 플라즈마 밀도(ωpe)를 구할 수 있다.
ωpe = [nee2/ε0me]1/2
한편, 전자파 발생기(300)에서 전자파를 송신하고 송신안테나(210a)에서 되돌아오는 반사파를 모니터하면 송신안테나(210a)의 표면파 흡수 주파수를 측정할 수 있다. 여기서, ne은 전자수 밀도, e는 단위전하, ε0는 진공중 유전율, me는 전자질량을 각각 나타낸다.
즉, 도 1 및 도 2의 송신안테나(210a)로부터 반사되는 전자파의 스펙트럼을 도 5b에 나타내었다. 이때, 표면파의 분산식은 다음의 [수학식 2]와 같으며, 이는 전자온도(Te)를 구한다.
[1-[ωpe/ω]2]= {Km(βa)Im'(βa)Km(βb) - Km'(βa)Im(βb)}/{ Km'(βa)Im(βa)Km(βb) - Km(βa)Im(βb) }
여기서, Km 과 Im 은 modified Bessel function, β=2π/λ, λ=2ℓ, ℓ는 송신안테나의 길이, a는 송신안테나의 금속부의 중심부터 쉬스(sheath) 경계까지의 반경, b는 송신안테나의 금속부의 반경을 나타낸다.
따라서, 컷오프주파수는 플라즈마 주파수(ωpe)이고, 다른변수들은 구조적인 안테나크기에 해당하는 상수이므로 흡수주파수(ω)를 측정하면 전자온도(Te)를 구할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 의하면, 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 고유주파수의 검출로 측정할 수 있는 구조이므로, 반도체 제조공정의 박막 플라즈마 화학 증착법, 건식 식각 공정에서의 플라즈마 공정장비에 적용하여 사용할 수 있는 특징이 있다.
그리고 플라즈마 실시간 모니터링 장비로서 사용할 수 있기 때문에, 즉각적인 공정장비 상태의 체크가 가능하여 보다 신뢰성 있는 공정장비로서의 활용이 가능한 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 펄스 플라즈마 반응용기;
    트리거 신호를 출력하는 트리거 신호 출력부;
    일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기;
    송출되는 상기 전자파의 주파수가 펄스 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도에 대해 상관 관계를 갖도록 반응용기 내의 펄스 플라즈마에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기;
    상기 트리거 신호 출력부로부터 트리거 신호를 출력받아 동기되며, 이를 근거로 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 시간변화와 합산하여 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및
    상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되며, 주파수 분석기로부터 펄스 플라즈마의 펄스에 의한 플라즈마의 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 추출하여 시간에 따라 변화하는 전자온도 및 전자밀도를 분석하는 컴퓨터;를 포함하여 구성되고,
    상기 펄스 플라즈마의 펄스가 200Hz 이상인 경우 전자파 발생기와 주파수 분석기를 각각 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단하고, 펄스 플라즈마의 펄스가 200Hz 이하인 경우 네트워크 분석기를 이용하여 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 판단하는 것을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
  3. 펄스 플라즈마 반응용기;
    트리거 신호를 출력하는 트리거 신호 출력부;
    일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기;
    송출되는 상기 전자파의 주파수가 펄스 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도에 대해 상관 관계를 갖도록 반응용기 내의 펄스 플라즈마에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기;
    상기 트리거 신호 출력부로부터 트리거 신호를 출력받아 동기되며, 이를 근거로 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 시간변화와 합산하여 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및
    상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되며, 주파수 분석기로부터 펄스 플라즈마의 펄스에 의한 플라즈마의 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 추출하여 시간에 따라 변화하는 전자온도 및 전자밀도를 분석하는 컴퓨터;를 포함하여 구성되고,
    상기 전자파 송신부 동축선 중간에는 진행파와 반사파를 모니터링하여 주파수 분석기에서 표면파 흡수 주파수를 측정할 수 있도록 유도하는 지향성 커플러를 더 포함하여 구성함을 특징으로 하는 펄스 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 펄스 플라즈마의 주파수를 추출하는 제 1단계와;
    전자파 발생기(300)에서 소정 주파수의 전자파를 펄스 플라즈마의 온오프 주파수에 해당하는 시간동안 송신안테나(210a)로 인가하는 제 2단계(S2)와;
    송신안테나(210a)에서 방출된 전자파를 수신안테나(220a)가 수신하여 주파수를 분석하는 제 3단계(S3)와;
    소정 주파수를 일정단위로 올려가면서 상승한 상태에서 펄스 플라즈마의 온오프 주파수에 해당하는 시간동안 주파수를 송수신하는 것을 반복하는 제 4단계(S4)와;
    주파수 분석에 의해 시간변화에 따른 컷오프 주파수를 측정하는 제 5단계(S5)와;
    컷오프 주파수를 이용하여 온오프 주파수의 시간변화에 따른 펄스 플라즈마 밀도를 계산하는 제 6단계(S6)와;
    전자파 발생기(300)에서 전자파를 송신하고 송신안테나(210a)로 되돌아오는 반사파를 모니터하여 표면파 흡수 주파수를 측정하는 제 7단계(S7)와,
    제 6단계(S6) 및 제 7단계(S7)에서 구해진 펄스 플라즈마 밀도와 흡수주파수를 이용하여 온오프 주파수의 시간변화에 따른 전자온도를 계산하는 제 8단계(S8)로 이루어져 순차 진행함을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 6단계의 플라즈마 밀도(ωpe)는
    ωpe = [nee2/ε0me]1/2
    (ne은 전자수 밀도, e는 단위전하, ε0는 진공중 유전율, me는 전자질량)로 이루어지는 수학식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 7단계의 전자온도(Te)는,
    Te = [1-[ωpe/ω]2]= {Km(βa)Im'(βa)Km(βb) - Km'(βa)Im(βb)}/{ Km'(βa)Im(βa)Km(βb) - Km(βa)Im(βb) }
    (Km 과 Im 은 modified Bessel function, β=2π/λ, λ=2ℓ, ℓ는 송신안테나의 길이, a는 송신안테나의 금속부의 중심부터 피복체(sheath) 경계까지의 반경, b는 송신안테나의 금속부의 반경, ω는 흡수주파수, ωpe 는 플라즈마 밀도) 로 이루어지는 수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.
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