KR101181307B1 - 플라즈마 형성시간 측정방법 - Google Patents

플라즈마 형성시간 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 플라즈마 형성시간 측정방법은, 기판상에 소수성 코팅층을 형성하는 단계; 상기 소수성 코팅층 상에 측정대상물질을 박막 증착하는 단계; 레이저를, 상기 기판의, 상기 소수성 코팅층이 형성된 면과 반대쪽의 면에 주사하는 단계; 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 큰지 같은지를 확인하는 단계;
상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 큰 경우에는, 상기 레이저의 펄스 폭을 점차 줄여가면서, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기와 같게 되는 시점을 포착하고, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기와 같은 경우에는, 상기 레이저의 펄스 폭을 점차 늘여가면서, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 크게 되는 시점을 포착하는 단계; 및 상기 포착된 시점에서의 펄스폭을 상기 레이저에 의한 플라즈마 형성시간으로 구하는 단계;를 포함한다.

Description

플라즈마 형성시간 측정방법{Method for measuring plasma formation time}
본 발명은 레이저에 의해 플라즈마가 형성되는 시간을 측정하는 방법에 관한 것이다.
최근 광산업, 디스플레이 산업, 반도체 산업, 바이오 산업에서 제품의 박막화 고성능화의 요구가 증가하고 있다. 이러한 요구에 부합하기 위해서 레이저를 이용한 다양한 공정들이 개발되고 널리 사용되어 왔다.
레이저를 이용한 공정에서는 일반적으로 재료 제거를 하며 고온의 플라즈마가 발생한다. 이를 레이저유도 플라즈마(laser-induced plasma, LIP)라고 하는데, 이 플라즈마의 형성은 레이저에서 조사된 빔의 경로 상에 발생해 광자(photon)의 전달을 저해하고 재료제거 효율을 급격히 저하시키므로 공정상에서 반드시 피해야 하는 요소이다. 플라즈마 형성을 적극적으로 피하기 위해선 플라즈마가 형성과정에서 소요되는 시간을 측정하여 그 시간 이내에 가공을 마쳐야 한다. 그러므로, 플라즈마 형성시간을 측정하는 것이 요구된다.
기존의 플라즈마 형성시간 측정방법에는 시뮬레이션에 의한 예측과 열 감지 카메라를 이용하여 고속촬영을 통한 분석, 플라즈마 발생시 방출되는 빛이나 전기신호를 분석하는 방출분광법(emission spectroscopy), 또는 금속탐침을 플라즈마 내부에 설치하고 전압을 인가하여 흐르는 전류를 측정하여 해석하는 랭뮤어탐침법(langmuir probe technique) 등이 있었다.
그러나, 이러한 방법은 모두 측정과정이 복잡하고, 측정장비가 고가이기 때문에 쉽게 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 플라즈마를 형성하는 물질이 다른 경우에는 측정이 제한되는 방법도 있다. 뿐만 아니라, 플라즈마를 직접 접촉하는 방식들은 플라즈마의 특성에 영향을 끼쳐 물리적 특성을 변화시킬 수도 있다.
본 발명은 레이저에 의해 발생하는 플라즈마의 물리적인 특성을 직접적으로측정하지 않고도 플라즈마가 형성되는 시간을 간접적으로 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 발명인 플라즈마 형성시간 측정방법은, 기판상에 소수성 코팅층을 형성하는 단계; 상기 소수성 코팅층 상에 측정대상물질을 박막 증착하는 단계; 레이저를, 상기 기판의, 상기 소수성 코팅층이 형성된 면과 반대쪽의 면에 주사하는 단계; 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 큰지 같은지를 확인하는 단계; 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 큰 경우에는, 상기 레이저의 펄스 폭을 점차 줄여가면서, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기와 같게 되는 시점을 포착하고, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기와 같은 경우에는, 상기 레이저의 펄스 폭을 점차 늘여가면서, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 크게 되는 시점을 포착하는 단계; 및 상기 포착된 시점에서의 펄스폭을 상기 레이저에 의한 플라즈마 형성시간으로 구하는 단계;를 포함한다.
따라서, 청구항 1에 관한 발명인 플라즈마 형성시간 측정방법에 의하면, 레이저에 의해 발생하는 플라즈마의 물리적인 특성을 직접적으로 측정하지 않고도 비교적 간단한 방법으로 플라즈마가 형성되는 시간을 간접적으로 측정할 수 있는 방법을 제공함으로써, 플라즈마의 특성에 영향을 미치지 않게 할 뿐만 아니라 다양한 재료의 변화에도 제한을 받지 않게 한다. 또한, 고가의 장비를 이용하지 않고도 레이저에 의한 플라즈마 형성시간을 측정할 수 있게 한다.
청구항 2에 관한 발명인 플라즈마 형성시간 측정방법은, 상기 레이저는 소정 시간 간격으로 주사된다.
따라서, 청구항 2에 관한 발명인 플라즈마 형성시간 측정방법에 의하면, 레이저를 소정 시간 간격으로 주사함으로써 플라즈마가 형성되는 시간을 쉽게 알 수 있다.
청구항 3에 관한 발명인 플라즈마 형성시간 측정방법은, 상기 측정대상물은 금속이다.
따라서, 청구항 3에 관한 발명인 플라즈마 형성시간 측정방법에 의하면, 측정대상물을 금속으로 하여 레이저에 의한 플라즈마가 쉽게 형성될 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 레이저에 의해 발생하는 플라즈마의 물리적인 특성을 직접적으로 측정하지 않고도 비교적 간단한 방법으로 플라즈마가 형성되는 시간을 간접적으로 측정할 수 있는 방법을 제공함으로써, 플라즈마의 특성에 영향을 미치지 않게 할 뿐만 아니라 다양한 재료의 변화에도 제한을 받지 않게 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 고가의 장비를 이용하지 않고도 레이저에 의한 플라즈마 형성시간을 측정할 수 있고, 레이저를 소정 시간 간격으로 주사함으로써 플라즈마가 형성되는 시간을 쉽게 알 수 있다.
또한, 측정대상물을 금속으로 하여 레이저에 의한 플라즈마가 쉽게 형성될 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 형성시간 측정방법의 흐름도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 형성시간 측정방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저의 펄스 폭에 대한 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 형성시간 측정방법의 흐름도이고, 도 2는 도 1의 플라즈마 형성시간 측정방법을 설명하기 위한 개략도이다.
먼저, 도 2의 (a)와 같이 기판(100)상에 소수성(hydrophobic) 코팅층(200)을 형성한다(S100). 기판(100)은 glass와 같이 경하고 “투명한” 재료로 형성된다. 여기서, 투명하다는 의미는 이러한 재료의 광학적 성질은이 주사되는 레이저의 파장 대역에 해당하는 광에너지를 흡수하지 않고 투과하는 것을 의미한다.
그리고, 소수성 코팅층(200)은 자기조립단분자층(Self Assemble Monolayer, SAM)이다.
S100 단계 이후, 도 2의 (b)와 같이 소수성 코팅층(200) 상에 측정대상물질(300)을 박막 증착한다(S200). 이때, 측정대상물질(300)은 주로 금속이 사용되는데, 레이저에 의해 플라즈마를 형성하는 주요한 재료로서 본 발명에서 플라즈마 형성시간을 측정하고자 하는 대상이다. 본 방법은 소수성 코팅층(200) 및 측정대상물질(300)의 재료 변화에 상관없이, 사용되는 레이저 파장대의 변화에 상관없이 적용이 가능하다.
S200 단계 이후, 도 2의 (c)와 같이 레이저를, 기판의, 소수성 코팅층(200)이 형성된 면과 반대쪽의 면에 주사한다(S300). 도 2의 (c)에서는 기판(100)과 측정대상물질(300)의 위치가 반대가 되도록 한 후, 레이저를 위에서 주사한 경우이다. 레이저가 측정대상물질(300)에 주사되면, 레이저 펄스의 광에너지는 측정대상물질(300)의 표면에서 열에너지로 전이하여 측정대상물질(300)의 표면을 기화시키고 vapor pressure와 recoil pressure를 발생시켜서, 주사된 영역의 측정대상물질(300) 전체를 제거하고, 그와 거의 동시에 플라즈마를 형성한다. 이때 발생한 플라즈마는 고온(10000K 이하) 상태이기 때문에, 도 2의 (d)와 같이 측정대상물질(300)에 접한 소수성 코팅층(200)을 열 분해하여 제거한다. 이와 같은 열 분해에 의해 소수성코팅층(200)에 형성된 패턴의 형상은 주사된 레이저의 초점 형태와 동일한 원형이고, 이때 소수성코팅층(200)에 형성된 패턴의 크기는 주사된 레이저의 초점 크기보다 일반적으로 크다. 패턴의을 관찰하기 위해서는, 극성을 갖는 잉크와 같은 유색액체를 소수성 코팅층(200) 위에 도포하고 현미경으로 관찰할 수 있다.
S300 단계 이후, 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 레이저의 초점 크기보다 큰거나 같은지를 확인한다(S400).
S400 단계 이후, 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 레이저의 초점 크기보다 큰 경우에는, 레이저의 펄스 폭을 점차 줄여가면서, 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 레이저의 초점 크기와 같게 되는 시점을 포착하고, 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 레이저의 초점 크기와 같은 경우에는, 레이저의 펄스 폭을 점차 늘여가면서, 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 레이저의 초점 크기보다 크게 되는 시점을 포착한다(S500).
만약, 레이저의 펄스 폭을 점차 짧게하면 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기도 점차 작아지게 되는데, 패턴의 크기가 급격하게 작아져서 레이저의 초점 크기와 같게 되는 시점이 발생한다. 그 이유는, 소수성 코팅층(200)에 유입되는 레이저의 펄스가 너무 짧아서 측정대상물질(300)에 유입되는 펄스의 광에너지가 충분하지 않아 레이저에 의한 플라즈마가 충분히 성장하지 않았기 때문이다.
S500 단계 이후, 포착된 시점에서의 펄스폭을 레이저에 의한 플라즈마 형성시간으로 구한다(S600).
이와 같이, 고속 카메라를 이용하여 직접 육안으로 확인하거나 복잡한 측정장비를 설치하여야 하는 번거로움 없이도 매우 간단하게 플라즈마 형성시간을 측정할 수 있다.
즉, 레이저에 의해 발생하는 플라즈마의 형태, 생성온도, 전하량, 발광 스펙트럼과 같은 물리적인 특성을 직접적으로 측정하지 않고도 비교적 간단한 방법으로 플라즈마가 형성되는 시간을 간접적으로 측정할 수 있게 되어, 플라즈마의 특성에 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라 다양한 재료의 변화에도 제한을 받지 않는다. 또한, 사용되는 레이저의 파장에도 제약을 받지 않으며, 고가의 장비를 이용하지 않고도 레이저에 의한 플라즈마 형성시간을 측정할 수 있다.
정리하면, 레이저 펄스 폭을 계속하여 줄여나간다면 어느 순간에 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기는 줄어들어 레이저의 초점 크기와 같게 된다.
이와 같은 이유는, 레이저에 의해 형성된 플라즈마의 성장이 충분하지 못했기 때문에 레이저의 초점 크기와 동일한 소수성 코팅층(200)영역만을 제거했기 때문이다. 그러므로, 레이저의 초점 크기와 같게 되는 패턴의 크기를 형성하기 시작하는 시점의 레이저의 펄스 폭이 바로 플라즈마 형성시간이 된다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저의 펄스 폭에 대한 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기를 나타낸 그래프이다. 도 1 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 State A, State B, State C로 구분하여 설명할 수 있다. 여기서, 레이저의 초점 크기는 25um이고, 측정대상물질(300)에 입사되는 광에너지는 펄스 폭에 상관없이 균일하다(광에너지 = 첨두출력[GW] × 펄스 폭).
State A : 일반적으로 큰 첨두출력은 더 강한 플라즈마를 형성하기 때문에, 첨두출력이 커질수록(또는 펄스 폭이 작아질수록) 더 큰 패턴이 형성된다. 이에 따라, 펄스 폭이 14ns인 조건부터 측정대상물질(300)을 제거하며 플라즈마를 형성하기 시작하여, 14ns보다 작은 펄스 폭에서는 레이저의 초점 크기보다 더 큰 패턴이 소수성 기판(200)에 형성된다.
State B : 펄스 폭이 14ns보다 증가할수록 첨두출력은 감소하여 플라즈마는 약하게 형성된다. SAM 제거 공정(패터닝 공정)은 컨텍 타입(contact type)으로 이루어지기 때문에 소수성 기판(200)에 형성되는 패턴의 크기는 레이저의 초점보다 작을 수가 없다. 즉, 25um(초점 크기)가 형성할 수 있는 최소 크기의 패턴이다. 그러므로, 14ns 이상의 펄스 폭에서는 만들 수 있는 가장 작은 크기인 25um의 패턴이 소수성 기판(200)에 형성된다.
State C : 이론적으로, 첨두출력이 약하여 강한 플라즈마가 형성되지 못하는 14ns 이상의 펄스 폭에서는 계속적으로 25um의 패턴이 형성되어야 한다. 그러나, 30ns 이후의 조건부터 특이점을 보이게 된다. 플라즈마의 강도가 아닌 크기로 설명하면, 광에너지의 총량이 동일한 조건에서 펄스 폭이 크다는 의미는 레이저를 긴 시간에 걸쳐 약하게 주사한다는 것인데, 주사시간이 길어질 경우 강도가 약한 플라즈마라도 그 광에너지를 흡수하여 성장하게 된다. 그래서, 성장한 만큼 넓은 영역의 소수성 기판(200)을 제거하고, 레이저의 초점 크기보다 큰 패턴을 형성하게 된다.
통상적으로, 일련의 레이저 가공에서 높은 첨두출력에 의한 플라즈마 형성은 예상이 가능하기 때문에 재료제거가공(matertial removal process)을 목적으로 하는 공정에서는 이를 예측하여 회피한다. 그러나, 낮은 첨두출력에서는 플라즈마가 형성되지 않는다고 생각할 수 있기 때문에, 지속적인 광에너지 유입에 의한 플라즈마 성장의 예측은 불가하다. 이에 따라, 발생을 회피하고자 하는 주 대상은 State A가 아닌 State C의 플라즈마가 되고 그래프에선 30ns를 기점으로 그러한 플라즈마가 형성되기 시작한다.
도 3에서는 펄스 폭의 변화를 더 조밀하게 할 수 없었지만, 더 엄밀한 조건(펄스 폭)별로 패턴의 크기를 확인할 경우, 30~50ns 사이에서도 25um 크기의 패턴이 도출될 가능성이 있기 때문에, 현재의 데이터만으로 '플라즈마 형성시간은 30ns이다'라고 단정짓기에는 무리가 있다. 만약, 31ns의 펄스 폭에서의 패턴이 25um보다 크다면 30ns가 플라즈마 형성시간이라는 것이 확정되겠지만 현재까지는 가능성이 열려있는 상태이기 때문에, 25um 보다 큰 패턴이 형성되기 시작하는 30~50ns 중의 어딘가가 바로 플라즈마 형성시간이라고 말하는 것이 보다 정확하다.
한편, 도 3에 나타내진 그래프를 보며 좀더 기술한다.
(i) 레이저의 펄스 폭을 점차 줄이는 경우에는, 레이저의 펄스 폭이 30ns 이상인 경우에는, 레이저의 펄스 폭이 점차 짧아지면서 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 감소한다는 것을 알 수 있다. 또한, 레이저의 펄스 폭이 14~30ns인 경우에는 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 변화하지 않으며, 레이저의 펄스 폭이 0~14ns인 경우에는 레이저의 펄스 폭이 점차 짧아지면서 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 증가한다. 이와 같이, 레이저의 펄스 폭이 점차 짧아지면서 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 증가하는 이유는, 펄스 폭이 짧아짐에 따라 레이저에 공급되는 피크 전력(peak power) 이 매우 급격히 상승하여 매우 강한 플라즈마가 형성되기 때문이다.
(ii) 레이저의 펄스 폭을 점차 늘이는 경우에는, 레이저의 펄스 폭이 0~14ns인 경우에는 레이저의 펄스 폭이 점차 길어지면서 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 감소하며, 레이저의 펄스 폭이 14~30ns인 경우에는 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 변화하지 않는다. 또한, 레이저의 펄스 폭이 30ns 이상인 경우에는 레이저의 펄스 폭이 점차 길어지면서 소수성 코팅층(200)이 제거된 패턴의 크기가 증가한다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 그래프를 통하여, 플라즈마가 본격적으로 형성되는 시점부터 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 레이저의 초점 크기보다 커지게 되므로 플라즈마가 어느 시점부터 형성되는지를 쉽게 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100 : 기판
200 : 소수성 코팅층
300 : 측정대상물질

Claims (3)

  1. 기판상에 소수성 코팅층을 형성하는 단계;
    상기 소수성 코팅층 상에 측정대상물질을 박막 증착하는 단계;
    레이저를, 상기 기판의, 상기 소수성 코팅층이 형성된 면과 반대쪽의 면에 주사하는 단계;
    상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 큰지 같은지를 확인하는 단계;
    상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 큰 경우에는, 상기 레이저의 펄스 폭을 점차 줄여가면서, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기와 같게 되는 시점을 포착하고, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기와 같은 경우에는, 상기 레이저의 펄스 폭을 점차 늘여가면서, 상기 소수성 코팅층이 제거된 패턴의 크기가 상기 레이저의 초점 크기보다 크게 되는 시점을 포착하는 단계; 및
    상기 포착된 시점에서의 펄스폭을 상기 레이저에 의한 플라즈마 형성시간으로 구하는 단계;
    를 포함하는, 플라즈마 형성시간 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저는 소정 시간 간격으로 주사되는, 플라즈마 형성시간 측정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정대상물은 금속인, 플라즈마 형성시간 측정방법.
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