KR101206744B1 - In-situ measurment apparatus for film thickness using impedance, in-situ measurment method therefor and recording medium of the same method - Google Patents

In-situ measurment apparatus for film thickness using impedance, in-situ measurment method therefor and recording medium of the same method Download PDF

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KR101206744B1 KR1020110018096A KR20110018096A KR101206744B1 KR 101206744 B1 KR101206744 B1 KR 101206744B1 KR 1020110018096 A KR1020110018096 A KR 1020110018096A KR 20110018096 A KR20110018096 A KR 20110018096A KR 101206744 B1 KR101206744 B1 KR 101206744B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 플라즈마 상태를 이용한 박막 증착에 있어서 인시투 상황 하에서 실시간으로 박막 증착 두께를 측정할 수 있으므로 별도의 증착 두께 확인 공정을 제거할 수 있는 효과가 있다. 이를 위해 특히, 본 발명의 일 실시예는 챔버; 챔버 내부에 형성되며 시스층(sheath)을 포함하는 플라즈마 가스; 챔버 내부에 설치되며 상부로 박막이 증착되는 기판; 챔버 외부에서 챔버에 소스 전력을 인가하는 소스 RF 전원; 챔버 외부에서 기판에 바이어스 전력을 인가하는 바이어스 RF 전원; 기판과 바이어스 RF 전원 사이에서의 전류 및 전압에 기반하여 실측 임피던스를 실시간으로 측정하는 임피던스 측정부; 및 시스층에 대응하는 제1 커패시턴스, 박막에 대응하는 제2 커패시턴스 및 측정된 실측 임피던스에 기반하여 증착 시간에 따른 박막의 증착 두께를 연산하는 두께 연산부;를 포함하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, since the thin film deposition thickness may be measured in real time under an in-situ situation in the thin film deposition using the plasma state, there is an effect of removing a separate deposition thickness confirmation process. For this purpose in particular, one embodiment of the present invention comprises a chamber; A plasma gas formed inside the chamber and including a sheath; A substrate installed inside the chamber and having a thin film deposited thereon; A source RF power source for applying source power to the chamber outside the chamber; A bias RF power supply for applying bias power to the substrate outside the chamber; An impedance measuring unit measuring real-time impedance in real time based on a current and a voltage between the substrate and the bias RF power supply; And a thickness calculator configured to calculate a deposition thickness of the thin film according to the deposition time, based on the first capacitance corresponding to the sheath layer, the second capacitance corresponding to the thin film, and the measured actual impedance. Device.

Description

임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치, 박막 두께 측정 방법 및 그 기록 매체{IN-SITU MEASURMENT APPARATUS FOR FILM THICKNESS USING IMPEDANCE, IN-SITU MEASURMENT METHOD THEREFOR AND RECORDING MEDIUM OF THE SAME METHOD}IN-SITU MEASURMENT APPARATUS FOR FILM THICKNESS USING IMPEDANCE, IN-SITU MEASURMENT METHOD THEREFOR AND RECORDING MEDIUM OF THE SAME METHOD}

본 발명은 인시투 박막 두께 측정 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 플라즈마 상태를 이용하여 박막을 증착하는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)를 이용함에 있어서, 박막의 두께를 실시간으로 측정할 수 있는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치, 박막 두께 측정 방법 및 그 기록 매체에 관한 것이다.The present invention relates to an in-situ thin film thickness measuring apparatus. More specifically, in using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) to deposit a thin film using a plasma state, an in-situ thin film thickness measuring apparatus using an impedance capable of measuring the thin film thickness in real time, a thin film thickness measuring method And its recording medium.

반도체 제조 과정에서는 다양한 두께를 갖는 박막을 생산하는 것이 필요하다. 더욱이, 최근 반도체 소자의 크기가 더 작아짐에 따라 필름 두께의 정확한 제어가 필요하게 되었으며, 이렇게 증착된 박막의 두께는 그 정확도를 기하기 위해 확인의 공정이 추가될 수 있다.In the semiconductor manufacturing process, it is necessary to produce thin films having various thicknesses. Moreover, as the size of semiconductor devices has become smaller in recent years, accurate control of film thickness is required, and the thickness of the deposited thin film may be added to the verification process to ensure its accuracy.

그러나, 종래 박막의 두께는 증착 후 챔버 외부에서 별도의 과정을 통해 측정될 수 있었거나 경험칙에 의해 증착 시간의 대략적인 경과로 유추하여 왔다. 따라서, 종래 박막 두께의 측정은 정확도가 떨어질 수밖에 없거나 별도의 공정으로 인해 반도체 소자의 제조가 번거로울 수밖에 없다는 단점이 있었다.However, the thickness of the conventional thin film could be measured through a separate process outside the chamber after deposition or has been inferred as a rough passage of deposition time by empirical rule. Therefore, the conventional thin film thickness measurement has a disadvantage in that the accuracy of the manufacturing process or the semiconductor device due to a separate process is inevitable.

결국, 이러한 단점들을 제거할 수 있도록 인시투 상황에서 실시간으로 박막의 두께를 측정할 수 있는 장치 및 그 방법에 대한 연구의 필요성이 대두된다.As a result, there is a need to study a device and a method capable of measuring the thickness of a thin film in real time in an in-situ situation so as to eliminate these disadvantages.

본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 플라즈마 상태를 이용한 박막 증착에 있어서 실시간으로 박막 증착 두께를 측정할 수 있는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치, 박막 두께 측정 방법 및 그 기록 매체를 제공하는 데 있다.The present invention has been made by the necessity as described above, an object of the present invention is an in-situ thin film thickness measuring apparatus using an impedance that can measure the thin film deposition thickness in real time in the thin film deposition using a plasma state, a thin film thickness measuring method And a recording medium thereof.

또한, 본 발명의 목적은 플라즈마 상태를 이용한 박막 증착에 있어서 박막과 플라즈마 가스를 임피던스 등가 회로로 모델링 하여 실시간으로 박막 증착 두께를 측정할 수 있는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치, 박막 두께 측정 방법 및 그 기록 매체를 제공하는 데 있다.In addition, an object of the present invention is an in-situ thin film thickness measuring apparatus using an impedance that can measure the thin film deposition thickness in real time by modeling the thin film and the plasma gas with an impedance equivalent circuit in the thin film deposition using the plasma state, the thin film thickness measuring method And a recording medium thereof.

상기와 같은 본 발명의 목적은 챔버; 챔버 내부에 형성되며 시스층(sheath)을 포함하는 플라즈마 가스; 챔버 내부에 설치되며 상부로 박막이 증착되는 기판; 챔버 외부에서 챔버에 소스 전력을 인가하는 소스 RF 전원; 챔버 외부에서 기판에 바이어스 전력을 인가하는 바이어스 RF 전원; 기판과 바이어스 RF 전원 사이에서의 전류 및 전압에 기반하여 실측 임피던스를 실시간으로 측정하는 임피던스 측정부; 및 시스층에 대응하는 제1 커패시턴스, 박막에 대응하는 제2 커패시턴스 및 측정된 실측 임피던스에 기반하여 증착 시간에 따른 박막의 증착 두께를 연산하는 두께 연산부;를 포함하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.The object of the present invention as described above is a chamber; A plasma gas formed inside the chamber and including a sheath; A substrate installed inside the chamber and having a thin film deposited thereon; A source RF power source for applying source power to the chamber outside the chamber; A bias RF power supply for applying bias power to the substrate outside the chamber; An impedance measuring unit measuring real-time impedance in real time based on a current and a voltage between the substrate and the bias RF power supply; And a thickness calculator configured to calculate a deposition thickness of the thin film according to the deposition time, based on the first capacitance corresponding to the sheath layer, the second capacitance corresponding to the thin film, and the measured actual impedance. By providing a device.

시스층은 파워 일렉트로드 시스(powered electrode sheath)와 월 시스(wall sheath)를 포함하는 것이 바람직하다.The sheath layer preferably comprises a powered electrode sheath and a wall sheath.

제1 커패시턴스는 시스층의 면적에 비례하고 시스층의 두께에 반비례할 수 있다.The first capacitance may be proportional to the area of the sheath layer and inversely proportional to the thickness of the sheath layer.

제2 커패시턴스는 박막의 면적에 비례하고 박막의 두께에 반비례할 수 있다.The second capacitance may be proportional to the area of the thin film and inversely proportional to the thickness of the thin film.

두께 연산부는 제1 커패시턴스 및 제2 커패시턴스에 기반하여 예측 임피던스를 연산하고 예측 임피던스가 측정 임피던스와 동일함에 기반하여 증착 두께를 연산하는 것이 바람직하다.The thickness calculator preferably calculates the predicted impedance based on the first capacitance and the second capacitance and calculates the deposition thickness based on the predicted impedance equal to the measured impedance.

예측 임피던스는 플라즈마 가스의 벌크 플라즈마(bulk plasma)에 대응하는 벌크 리지스턴스를 포함하는 것이 바람직하다.The predicted impedance preferably includes a bulk resistance that corresponds to the bulk plasma of the plasma gas.

예측 임피던스는 하기의 수학식 3에 의하여 연산되는 것이 바람직하다.The prediction impedance is preferably calculated by the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112011014700176-pat00001
Figure 112011014700176-pat00001

식에서, Z는 예측 임피던스, RB 는 벌크 리지스턴스,

Figure 112011014700176-pat00002
는 RF 소스 전력의 주파수,
Figure 112011014700176-pat00003
는 진공의 유전 상수,
Figure 112011014700176-pat00004
는 증착된 박막의 면적, N은 전자 밀도, k는 볼츠만 상수,
Figure 112011014700176-pat00005
는 이온 평균 자유 경로(ion mean free path),
Figure 112011014700176-pat00006
는 증착된 박막의 두께,
Figure 112011014700176-pat00007
는 박막의 유전 상수, VS 는 시스층의 전압이다.Where Z is the predicted impedance, R B is the bulk resistance,
Figure 112011014700176-pat00002
The frequency of the RF source power,
Figure 112011014700176-pat00003
Is the dielectric constant of vacuum,
Figure 112011014700176-pat00004
Is the area of the deposited film, N is the electron density, k is Boltzmann's constant,
Figure 112011014700176-pat00005
Is the ion mean free path,
Figure 112011014700176-pat00006
Is the thickness of the deposited film,
Figure 112011014700176-pat00007
Is the dielectric constant of the thin film, V S Is the voltage of the sheath layer.

챔버는 소스 RF 전원과 연결되는 RF 안테나; 및 소스 RF 전원과 RF 안테나 사이에 소스용 매칭회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.The chamber includes an RF antenna connected to the source RF power supply; And a matching circuit for the source between the source RF power supply and the RF antenna.

바이어스 RF 전원과 기판 사이에 바이어스용 매칭회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable to further include a bias matching circuit between the bias RF power supply and the substrate.

연산된 박막의 증착 두께에 대응하는 증착 두께 정보를 실시간으로 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것이 바람직하다.The display unit may further include a display unit configured to display deposition thickness information corresponding to the calculated deposition thickness of the thin film in real time.

한편, 본 발명의 목적은 다른 카테고리로서, 박막이 시스층을 포함하는 플라즈마 가스에 의해 챔버 내의 기판 상부로 증착되는 단계(S10); 임피던스 측정부가 기판과 기판에 바이어스 전력을 인가하는 바이어스 RF 전원 사이에서의 전류 및 전압에 기반하여 실측 임피던스를 실시간으로 측정하는 단계(S20); 및 두께 연산부가 시스층에 대응하는 제1 커패시턴스, 박막에 대응하는 제2 커패시턴스 및 측정된 실측 임피던스에 기반하여 증착 시간에 따른 박막의 증착 두께를 연산하는 단계(S30);를 포함하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.On the other hand, an object of the present invention as another category, the step of depositing a thin film on the substrate in the chamber by the plasma gas containing the sheath layer (S10); Measuring the measured impedance in real time based on a current and a voltage between the impedance measuring unit and a bias RF power source applying bias power to the substrate (S20); And calculating, by the thickness calculating unit, the deposition thickness of the thin film according to the deposition time based on the first capacitance corresponding to the sheath layer, the second capacitance corresponding to the thin film, and the measured actual impedance (S30). It can be achieved by providing a method for measuring in-situ thin film thickness.

두께 연산부의 박막 증착 두께 연산단계(S30)에서, 제1 커패시턴스는 시스층의 면적에 비례하고 시스층의 두께에 반비례하는 것이 바람직하다.In the thin film deposition thickness calculation step S30 of the thickness calculator, the first capacitance is preferably proportional to the area of the sheath layer and inversely proportional to the thickness of the sheath layer.

두께 연산부의 박막 증착 두께 연산단계(S30)에서, 제2 커패시턴스는 박막의 면적에 비례하고 박막의 두께에 반비례하는 것이 바람직하다.In the thin film deposition thickness calculation step S30 of the thickness calculator, the second capacitance is preferably proportional to the area of the thin film and inversely proportional to the thickness of the thin film.

두께 연산부의 박막 증착 두께 연산단계(S30)는, 두께 연산부가 제1 커패시턴스 및 제2 커패시턴스에 기반하여 예측 임피던스를 연산하는 제1 연산단계(S32); 및 두께 연산부가 예측 임피던스가 측정 임피던스와 동일함에 기반하여 증착 두께를 연산하는 제2 연산단계(S34);를 포함하는 것이 바람직하다.The thin film deposition thickness calculating step S30 of the thickness calculating unit may include: a first calculating step S32 of which the thickness calculating unit calculates the predicted impedance based on the first capacitance and the second capacitance; And a second calculating step (S34) for calculating a deposition thickness based on the thickness calculating unit having the same predicted impedance as the measured impedance.

또한, 본 발명의 목적은 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법을 실행할 수 있는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공함으로써 달성될 수 있다.In addition, an object of the present invention can be achieved by providing a computer-readable recording medium having a program recorded thereon that can execute the in-situ thin film thickness measuring method using impedance.

상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 의하면, 플라즈마 상태를 이용한 박막 증착에 있어서 인시투 상황 하에서 실시간으로 박막 증착 두께를 측정할 수 있는 효과가 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, in the thin film deposition using the plasma state, there is an effect of measuring the thin film deposition thickness in real time under in-situ conditions.

그리고, 플라즈마 상태를 이용한 박막 증착에 있어서 박막과 플라즈마 가스를 임피던스 등가 회로로 모델링 하여 실시간으로 박막 증착 두께를 측정함으로써 별도의 증착 두께 확인 공정을 제거할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the thin film deposition using the plasma state, the thin film and the plasma gas are modeled by an impedance equivalent circuit, thereby measuring the thin film deposition thickness in real time, thereby removing the additional deposition thickness verification process.

도 1은 본 발명인 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치의 일 실시예 구성을 간략하게 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명인 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치의 일 실시예에 따른 예측 임피던스의 등가 회로 모델을 나타낸 회로도,
도 3은 본 발명인 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치의 일 실시예에 따라 연산된 박막의 증착 두께 변화와 실측 임피던스와의 상관관계를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명인 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법의 일 실시예를 순차적으로 나타낸 순서도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of the in-situ thin film thickness measuring apparatus using the present inventors impedance,
2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit model of predicted impedance according to an embodiment of the in-situ thin film thickness measuring apparatus using the impedance of the present invention;
3 is a graph showing the correlation between the deposition thickness change and the measured impedance of the thin film calculated in accordance with an embodiment of the in-situ thin film thickness measuring apparatus using the present inventors,
Figure 4 is a flow chart sequentially showing an embodiment of the in-situ thin film thickness measurement method using the present invention impedance.

<박막 두께 측정 장치><Thin Film Thickness Measuring Device>

도 1은 본 발명인 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치의 일 실시예 구성을 간략하게 나타낸 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 챔버(10), 플라즈마 가스(20), 기판(30), 소스 RF 전원(40), 바이어스 RF 전원(50), 임피던스 측정부(60) 및 두께 연산부(80)를 포함한다. 그리고, 챔버(10) 내의 기판(30) 상부로 소정 반응을 통해 증착되며 피측정 대상이 되는 박막(70)을 포함한다. 아울러, 두께 연산부(80)에서 측정된 박막(70)의 두께를 사용자 등에 디스플레이하기 위한 디스플레이부(90)를 더 포함할 수 있다.Figure 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of the in-situ thin film thickness measuring apparatus using the present invention impedance. As shown in FIG. 1, the present embodiment includes a chamber 10, a plasma gas 20, a substrate 30, a source RF power supply 40, a bias RF power supply 50, an impedance measuring unit 60, and a thickness. It includes an operation unit 80. The thin film 70 is deposited on the substrate 30 in the chamber 10 through a predetermined reaction and is to be measured. In addition, the display apparatus 90 may further include a display unit 90 for displaying the thickness of the thin film 70 measured by the thickness calculator 80 to a user.

본 실시예는 일반적인 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 장비를 이용하여 박막(70)을 증착함에 있어서 기판(30) 상부로 증착되는 박막(70)과 플라즈마 가스(20)를 소정 예측 임피던스를 포함하는 등가 회로로 모델링하고, 임피던스 측정부(60)에서 측정된 측정 임피던스와 예측 임피던스에 기반하여 두께 연산부(80)가 증착되는 박막(70)의 두께를 인시투(In-situ) 상황하에서 실시간으로 측정하도록 작용한다.In the present embodiment, in the deposition of the thin film 70 by using a general plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) equipment, the thin film 70 and the plasma gas 20 deposited on the substrate 30 may have a predetermined predicted impedance. Model the equivalent circuit and measure the thickness of the thin film 70 on which the thickness calculator 80 is deposited in real time under an in-situ condition based on the measured impedance and the predicted impedance measured by the impedance measuring unit 60. To act.

이하, 도 1을 참조하여 본 실시예에 대해 상술한다.Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to FIG. 1.

챔버(10)는 다양한 가스가 주입되어 반응할 수 있는 반응 공간을 제공하고, 주입된 가스에 온도 및 압력에 대한 특정 조건이 부여되어 이에 의해 플라즈마 상태로 변환된 플라즈마 가스(20)를 내부에 가두는 역할을 한다. 이러한 플라즈마 가스(20)는 시스층(sheath)을 포함하고 있으며, 이러한 시스층(sheath)은 마이크로파 또는 RF 전력에 기초하여 형성되는 파워 일렉트로드 시스(powered electrode sheath)와 월 시스(wall sheath)로 구성된다.The chamber 10 provides a reaction space in which a variety of gases can be injected and reacts, and the plasma gas 20 confined therein is given specific conditions with respect to temperature and pressure to the injected gas, thereby converting it into a plasma state. Plays a role. The plasma gas 20 includes a sheath, which is composed of a powered electrode sheath and a wall sheath formed based on microwave or RF power. It is composed.

기판(30)은 챔버(10) 내부에 설치되어 상부로 박막(70)을 증착하는 역할을 한다. 이러한 기판(30)은 강철 소재로 구성되어 바이어스 RF 전원(50)의 전극(electrode) 역할도 한다. 여기서, 박막(70)은 예를 들어 증착 전 실리콘 웨이퍼와 같은 모재 및 모재 상으로 증착되는 유전 박막(dielectric film)을 포함하는 개념으로 사용하였다.The substrate 30 is installed inside the chamber 10 and serves to deposit the thin film 70 thereon. The substrate 30 is made of a steel material and also serves as an electrode of the bias RF power supply 50. Here, the thin film 70 is used as a concept including, for example, a base film such as a silicon wafer before deposition and a dielectric film deposited on the base material.

소스 RF 전원(40)은 챔버(10) 외부에서 챔버(10)에 소스 전력을 인가하는 역할을 하며, 챔버(10)는 소스 RF 전원(40)과 연결되는 RF 안테나(42) 및 소스 RF 전원(40)과 RF 안테나(42) 사이에 소스용 매칭회로(44)를 더 포함한다.The source RF power source 40 serves to apply source power to the chamber 10 outside the chamber 10, and the chamber 10 is an RF antenna 42 and a source RF power source connected to the source RF power source 40. A source matching circuit 44 is further included between the 40 and the RF antenna 42.

바이어스 RF 전원(50)은 챔버(10) 외부에서 기판(30)에 바이어스 전력을 인가하는 역할을 한다. 따라서, RF 안테나(42)와 기판(30) 사이에서 플라즈마 가스(20)가 시스층(sheath)을 형성하며 존재하게 된다. 아울러, 바이어스 RF 전원(50)과 기판(30) 사이에는 바이어스용 매칭회로(52)가 더 포함될 수 있다.The bias RF power source 50 serves to apply bias power to the substrate 30 outside the chamber 10. Thus, plasma gas 20 is present between the RF antenna 42 and the substrate 30 forming a sheath. In addition, a bias matching circuit 52 may be further included between the bias RF power supply 50 and the substrate 30.

임피던스 측정부(60)는 기판(30)과 바이어스 RF 전원(50) 사이에서의 전류 및 전압에 기반하여 실측 임피던스를 실시간으로 측정하는 역할을 한다. 챔버(10) 내부에 형성된 플라즈마 가스(20)와 박막(70)은 소정 임피던스를 나타내게 되는데 이러한 임피던스를 기판(30)에 가해지는 전압 및 전류를 이용하여 실측 임피던스로 나타낼 수 있다.The impedance measuring unit 60 serves to measure the measured impedance in real time based on the current and voltage between the substrate 30 and the bias RF power supply 50. The plasma gas 20 and the thin film 70 formed in the chamber 10 exhibit a predetermined impedance, and the impedance may be represented as an measured impedance using a voltage and a current applied to the substrate 30.

두께 연산부(80)는 시스층에 대응하는 제1 커패시턴스, 박막(70)에 대응하는 제2 커패시턴스 및 측정된 실측 임피던스에 기반하여 증착 시간에 따른 박막(70)의 증착 두께를 연산하는 역할을 한다. 여기서, 제1 커패시턴스는 시스층의 면적에 비례하고 시스층의 두께에 반비례하고, 제2 커패시턴스는 박막(70)의 면적에 비례하고 박막(70)의 두께에 반비례한다.The thickness calculator 80 calculates the deposition thickness of the thin film 70 according to the deposition time based on the first capacitance corresponding to the sheath layer, the second capacitance corresponding to the thin film 70, and the measured actual impedance. . Here, the first capacitance is proportional to the area of the sheath layer and inversely proportional to the thickness of the sheath layer, and the second capacitance is proportional to the area of the thin film 70 and inversely proportional to the thickness of the thin film 70.

또한, 제1 커패시턴스의 대상이 되는 시스층은 전술하였듯이 파워 일렉트로드 시스와 월 시스로 구분될 수 있으나 월 시스에 대응하는 제1 커패시턴스(Cw)의 경우 면적이 파워 일렉트로드 시스 및 박막의 면적보다 훨씬 크고, 두께도 파워 일렉트로드 시스 및 박막의 두께보다 작기 때문에 매우 큰 커패시턴스를 띄게 되므로 월 시스에 대응하는 제1 커패시턴스(Cw)에 기반한 예측 임피던스는 무시할 수 있다.In addition, as described above, the sheath layer that is the target of the first capacitance may be divided into a power electro sheath and a wall sheath. It is much larger, and the thickness is smaller than the thickness of the power electrolytic sheath and the thin film, and thus has a very large capacitance, so that the predicted impedance based on the first capacitance Cw corresponding to the wall sheath can be ignored.

도 2는 본 발명인 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치의 일 실시예에 따른 예측 임피던스의 등가 회로 모델을 나타낸 회로도이다. 도 2에 도시된 등가 회로 모델에 적용하면, 제1 커패시턴스 및 제2 커패시턴스에 기반한 예측 임피던스는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.2 is a circuit diagram illustrating an equivalent circuit model of predicted impedance according to an embodiment of the in-situ thin film thickness measuring apparatus using the impedance of the present invention. When applied to the equivalent circuit model shown in FIG. 2, the predicted impedance based on the first capacitance and the second capacitance may be expressed by Equation 1 below.

Figure 112011014700176-pat00008
Figure 112011014700176-pat00008

상기 수학식 1에서, Z는 예측 임피던스, RB는 벌크 플라즈마에 대응하는 벌크 리지스턴스,

Figure 112011014700176-pat00009
는 RF 소스 전력의 주파수, Cs는 제1 커패시턴스, Cp는 제2 커패시턴스이다.In Equation 1, Z is the prediction impedance, R B is the bulk resistance corresponding to the bulk plasma,
Figure 112011014700176-pat00009
Is the frequency of the RF source power, Cs is the first capacitance, and Cp is the second capacitance.

그리고, 봄 크리티리언(Bohm criterion)에 기초하여 시스층의 경계에서 이온 전류 밀도(ion current density)가 동일하다고 가정하면 시스층(정확히는 파워 일렉트로드 시스)의 두께는 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Further, assuming that ion current density is the same at the boundary of the sheath layer based on the spring criterion, the thickness of the sheath layer (exactly the power electrolytic sheath) is expressed by Equation 2 below. Can be represented.

Figure 112011014700176-pat00010
Figure 112011014700176-pat00010

상기 수학식 2에서, ds는 시스층의 두께,

Figure 112011014700176-pat00011
는 진공의 유전 상수, N은 전자 밀도,
Figure 112011014700176-pat00012
는 이온 평균 자유 경로(ion mean free path), e는 전자의 전하량, k는 볼츠만 상수, Te는 전자 온도, VS 는 시스층의 전압이다.In Equation 2, ds is the thickness of the sheath layer,
Figure 112011014700176-pat00011
Is the dielectric constant of vacuum, N is the electron density,
Figure 112011014700176-pat00012
Is the ion mean free path, e is the charge of the electron, k is the Boltzmann constant, Te is the electron temperature, V S Is the voltage of the sheath layer.

결국, 도 2에 도시된 등가 회로 모델에 기반한 예측 임피던스는 하기의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.As a result, the predicted impedance based on the equivalent circuit model shown in FIG. 2 may be represented by Equation 3 below.

Figure 112011014700176-pat00013
Figure 112011014700176-pat00013

식에서, Z는 예측 임피던스, RB 는 벌크 리지스턴스,

Figure 112011014700176-pat00014
는 RF 소스 전력의 주파수,
Figure 112011014700176-pat00015
는 진공의 유전 상수,
Figure 112011014700176-pat00016
는 증착된 박막(70)의 면적, N은 전자 밀도, k는 볼츠만 상수,
Figure 112011014700176-pat00017
는 이온 평균 자유 경로(ion mean free path),
Figure 112011014700176-pat00018
는 증착된 박막(70)의 두께,
Figure 112011014700176-pat00019
는 박막(70)의 유전 상수, VS 는 시스층의 전압이다.Where Z is the predicted impedance, R B is the bulk resistance,
Figure 112011014700176-pat00014
The frequency of the RF source power,
Figure 112011014700176-pat00015
Is the dielectric constant of vacuum,
Figure 112011014700176-pat00016
Is the area of the deposited film 70, N is electron density, k is Boltzmann constant,
Figure 112011014700176-pat00017
Is the ion mean free path,
Figure 112011014700176-pat00018
Is the thickness of the deposited thin film 70,
Figure 112011014700176-pat00019
Is the dielectric constant of thin film 70, V S Is the voltage of the sheath layer.

도 3은 본 발명인 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치의 일 실시예에 따라 연산된 박막의 증착 두께 변화와 실측 임피던스와의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 상관관계 그래프는 가로축이 박막의 두께를 나타내고, 세로축이 증착 시작과 소정 시간 경과 후의 실측 임피던스 차에 절대치를 취한 값을 나타낸다. 도 3에 도시된 그래프로 알 수 있듯이, 시간의 경과에 따라 증착되는 박막의 두께와 실측 임피던스 차의 절대치 사이에서 선형성을 보임을 알 수 있다.
3 is a graph showing the correlation between the deposition thickness change and the measured impedance of the thin film calculated according to an embodiment of the in-situ thin film thickness measuring apparatus using the present inventors impedance. In the correlation graph shown in FIG. 3, the horizontal axis represents the thickness of the thin film, and the vertical axis represents an absolute value of the measured impedance difference after the start of deposition and a predetermined time elapses. As can be seen from the graph shown in Figure 3, it can be seen that the linearity between the thickness of the thin film deposited over time and the absolute value of the measured impedance difference.

<< 인시투Insitu 박막 두께 측정 방법> Thin Film Thickness Measurement Method>

도 4는 본 발명인 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법의 일 실시예를 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 4를 참조하면, 우선, 박막(70)이 시스층을 포함하는 플라즈마 가스(20)에 의해 챔버(10) 내의 기판(30) 상부로 증착된다(S10).Figure 4 is a flow chart sequentially showing an embodiment of the in-situ thin film thickness measurement method using the present invention impedance. Referring to FIG. 4, first, the thin film 70 is deposited on the substrate 30 in the chamber 10 by the plasma gas 20 including the sheath layer (S10).

다음, 임피던스 측정부(60)가 기판(30)과 기판(30)에 바이어스 전력을 인가하는 바이어스 RF 전원(50) 사이에서의 전류 및 전압에 기반하여 실측 임피던스를 실시간으로 측정한다(S20).Next, the impedance measuring unit 60 measures the measured impedance in real time based on the current and the voltage between the substrate 30 and the bias RF power supply 50 applying the bias power to the substrate 30 (S20).

마지막으로, 두께 연산부(80)가 시스층에 대응하는 제1 커패시턴스, 박막(70)에 대응하는 제2 커패시턴스 및 측정된 실측 임피던스에 기반하여 증착 시간에 따른 박막(70)의 증착 두께를 연산함으로써(S30) 임피던스를 이용한 인시투 박막(70) 두께 측정 방법의 일 실시예가 수행될 수 있다.Finally, the thickness calculator 80 calculates the deposition thickness of the thin film 70 according to the deposition time based on the first capacitance corresponding to the sheath layer, the second capacitance corresponding to the thin film 70, and the measured measured impedance. An embodiment of the in-situ thin film 70 thickness measuring method using the impedance may be performed.

두께 연산부(80)의 박막(70) 증착 두께 연산단계(S30)에서, 제1 커패시턴스는 시스층의 면적에 비례하고 시스층의 두께에 반비례하며, 제2 커패시턴스는 박막(70)의 면적에 비례하고 박막(70)의 두께에 반비례한다.In the deposition thickness calculation step S30 of the thin film 70 of the thickness calculating unit 80, the first capacitance is proportional to the area of the sheath layer and inversely proportional to the thickness of the sheath layer, and the second capacitance is proportional to the area of the thin film 70. And inversely proportional to the thickness of the thin film 70.

특히, 두께 연산부(80)의 박막(70) 증착 두께 연산단계(S30)는, 두께 연산부(80)가 제1 커패시턴스 및 제2 커패시턴스에 기반하여 예측 임피던스를 연산하는 제1 연산단계(S32)와 두께 연산부(80)가 예측 임피던스가 측정 임피던스와 동일함에 기반하여 증착 두께를 연산하는 제2 연산단계(S34);를 포함함으로써 본 실시예가 완성될 수 있다.
In particular, the deposition thickness calculating step S30 of the thin film 70 of the thickness calculating unit 80 may include a first calculating step S32 in which the thickness calculating unit 80 calculates a predicted impedance based on the first capacitance and the second capacitance. This embodiment can be completed by including a second calculating step S34 for calculating the deposition thickness based on the thickness calculating unit 80 having the predicted impedance equal to the measured impedance.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood that the invention may be practiced. Therefore, the embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all aspects. In addition, the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the detailed description above. Also, all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included within the scope of the present invention.

10: 챔버
20: 플라즈마 가스
30: 기판
40: 소스 RF 전원
42: RF 안테나
44: 소스용 매칭회로
50: 바이어스 RF 전원
52: 바이어스용 매칭회로
60: 임피던스 측정부
70: 박막
80: 두께 연산부
90: 디스플레이부10: chamber
20: plasma gas
30: substrate
40: source RF power
42: RF antenna
44: matching circuit for source
50: bias RF power supply
52: matching circuit for bias
60: impedance measuring unit
70: thin film
80: thickness calculator
90: display unit

Claims (15)

챔버;
상기 챔버 내부에 형성되며 시스층(sheath)을 포함하는 플라즈마 가스;
상기 챔버 내부에 설치되며 상부로 박막이 증착되는 기판;
상기 챔버 외부에서 상기 챔버에 소스 전력을 인가하는 소스 RF 전원;
상기 챔버 외부에서 상기 기판에 바이어스 전력을 인가하는 바이어스 RF 전원;
상기 기판과 상기 바이어스 RF 전원 사이에서의 전류 및 전압에 기반하여 실측 임피던스를 실시간으로 측정하는 임피던스 측정부; 및
상기 시스층에 대응하는 제1 커패시턴스, 상기 박막에 대응하는 제2 커패시턴스 및 측정된 상기 실측 임피던스에 기반하여 증착 시간에 따른 상기 박막의 증착 두께를 연산하는 두께 연산부;를 포함하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
chamber;
A plasma gas formed in the chamber and including a sheath;
A substrate installed inside the chamber and having a thin film deposited thereon;
A source RF power source for applying source power to the chamber outside the chamber;
A bias RF power supply for applying bias power to the substrate outside the chamber;
An impedance measuring unit measuring real-time impedance in real time based on a current and a voltage between the substrate and the bias RF power source; And
A thickness calculator configured to calculate a deposition thickness of the thin film according to a deposition time based on a first capacitance corresponding to the sheath layer, a second capacitance corresponding to the thin film, and the measured impedance measured. Thin film thickness measuring device.
제 1항에 있어서,
상기 시스층은 파워 일렉트로드 시스(powered electrode sheath)와 월 시스(wall sheath)를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
The method of claim 1,
The sheath layer is an in-situ thin film thickness measuring apparatus using impedance, characterized in that it comprises a power electrode sheath (power electrode sheath) and wall sheath (wall sheath).
제 1항에 있어서,
상기 제1 커패시턴스는 상기 시스층의 면적에 비례하고 상기 시스층의 두께에 반비례하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
The method of claim 1,
And the first capacitance is proportional to the area of the sheath layer and inversely proportional to the thickness of the sheath layer.
제 1항에 있어서,
상기 제2 커패시턴스는 상기 박막의 면적에 비례하고 상기 박막의 두께에 반비례하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
The method of claim 1,
The second capacitance is in-situ thin film thickness measuring apparatus using the impedance, characterized in that in proportion to the area of the thin film and inversely proportional to the thickness of the thin film.
제 1항에 있어서,
상기 두께 연산부는 상기 제1 커패시턴스 및 상기 제2 커패시턴스에 기반하여 예측 임피던스를 연산하고 상기 예측 임피던스가 상기 실측 임피던스와 동일함에 기반하여 상기 증착 두께를 연산하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
The method of claim 1,
The thickness calculator calculates a prediction impedance based on the first capacitance and the second capacitance, and calculates the deposition thickness based on the prediction impedance being the same as the measured impedance. Measuring device.
제 5항에 있어서,
상기 예측 임피던스는 상기 플라즈마 가스의 벌크 플라즈마(bulk plasma)에 대응하는 벌크 리지스턴스를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
6. The method of claim 5,
The prediction impedance is in-situ thin film thickness measuring apparatus using the impedance, characterized in that it comprises a bulk resistance corresponding to the bulk plasma (bulk plasma) of the plasma gas.
제 6항에 있어서,
상기 예측 임피던스는 하기의 수학식 3에 의하여 연산되는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치:
[수학식 3]
Figure 112011014700176-pat00020

상기 식에서, Z는 예측 임피던스, RB 는 벌크 리지스턴스,
Figure 112011014700176-pat00021
는 RF 소스 전력의 주파수,
Figure 112011014700176-pat00022
는 진공의 유전 상수,
Figure 112011014700176-pat00023
는 증착된 박막의 면적, N은 전자 밀도, k는 볼츠만 상수,
Figure 112011014700176-pat00024
는 이온 평균 자유 경로(ion mean free path),
Figure 112011014700176-pat00025
는 증착된 박막의 두께,
Figure 112011014700176-pat00026
는 박막의 유전 상수, VS 는 시스층의 전압이다.
The method according to claim 6,
The in-situ thin film thickness measuring apparatus using the impedance, characterized in that the prediction impedance is calculated by the following equation (3):
&Quot; (3) &quot;
Figure 112011014700176-pat00020

Where Z is the predicted impedance, R B is the bulk resistance,
Figure 112011014700176-pat00021
The frequency of the RF source power,
Figure 112011014700176-pat00022
Is the dielectric constant of vacuum,
Figure 112011014700176-pat00023
Is the area of the deposited film, N is the electron density, k is Boltzmann's constant,
Figure 112011014700176-pat00024
Is the ion mean free path,
Figure 112011014700176-pat00025
Is the thickness of the deposited film,
Figure 112011014700176-pat00026
Is the dielectric constant of the thin film, V S Is the voltage of the sheath layer.
제 1항에 있어서,
상기 챔버는 상기 소스 RF 전원과 연결되는 RF 안테나; 및
상기 소스 RF 전원과 상기 RF 안테나 사이에 소스용 매칭회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
The method of claim 1,
The chamber includes an RF antenna connected to the source RF power source; And
In-situ thin film thickness measurement apparatus using an impedance further comprising a source matching circuit between the source RF power source and the RF antenna.
제 1항에 있어서,
상기 바이어스 RF 전원과 상기 기판 사이에 바이어스용 매칭회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
The method of claim 1,
And a bias matching circuit between the bias RF power supply and the substrate.
제 1항에 있어서,
상기 연산된 박막의 증착 두께에 대응하는 증착 두께 정보를 실시간으로 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치.
The method of claim 1,
In-situ thin film thickness measurement apparatus using the impedance further comprising a display for displaying in real time the deposition thickness information corresponding to the calculated thickness of the thin film.
박막이 시스층을 포함하는 플라즈마 가스에 의해 챔버 내의 기판 상부로 증착되는 단계(S10);
임피던스 측정부가 상기 기판과 상기 기판에 바이어스 전력을 인가하는 바이어스 RF 전원 사이에서의 전류 및 전압에 기반하여 실측 임피던스를 실시간으로 측정하는 단계(S20); 및
두께 연산부가 상기 시스층에 대응하는 제1 커패시턴스, 상기 박막에 대응하는 제2 커패시턴스 및 측정된 상기 실측 임피던스에 기반하여 증착 시간에 따른 상기 박막의 증착 두께를 연산하는 단계(S30);를 포함하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법.
Depositing a thin film over the substrate in the chamber by a plasma gas comprising a sheath layer (S10);
Measuring an actual impedance in real time based on a current and voltage between an impedance measuring unit and a bias RF power source applying bias power to the substrate (S20); And
A thickness calculating unit calculating a deposition thickness of the thin film according to a deposition time based on a first capacitance corresponding to the sheath layer, a second capacitance corresponding to the thin film, and the measured impedance measured (S30); In-situ thin film thickness measurement method using impedance.
제 11항에 있어서,
상기 두께 연산부의 박막 증착 두께 연산단계(S30)에서,
상기 제1 커패시턴스는 상기 시스층의 면적에 비례하고 상기 시스층의 두께에 반비례하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법.
12. The method of claim 11,
In the thin film deposition thickness calculation step (S30) of the thickness calculator,
And the first capacitance is proportional to the area of the sheath layer and inversely proportional to the thickness of the sheath layer.
제 11항에 있어서,
상기 두께 연산부의 박막 증착 두께 연산단계(S30)에서,
상기 제2 커패시턴스는 상기 박막의 면적에 비례하고 상기 박막의 두께에 반비례하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법.
12. The method of claim 11,
In the thin film deposition thickness calculation step (S30) of the thickness calculator,
And the second capacitance is proportional to the area of the thin film and inversely proportional to the thickness of the thin film.
제 11항에 있어서,
상기 두께 연산부의 박막 증착 두께 연산단계(S30)는,
상기 두께 연산부가 상기 제1 커패시턴스 및 상기 제2 커패시턴스에 기반하여 예측 임피던스를 연산하는 제1 연산단계(S32); 및
상기 두께 연산부가 상기 예측 임피던스가 상기 실측 임피던스와 동일함에 기반하여 상기 증착 두께를 연산하는 제2 연산단계(S34);를 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법.
12. The method of claim 11,
Thin film deposition thickness calculation step (S30) of the thickness calculator,
A first calculation step (S32) of calculating, by the thickness calculator, a predicted impedance based on the first capacitance and the second capacitance; And
And a second calculation step (S34) of calculating, by the thickness calculator, the deposition thickness based on the predicted impedance being equal to the measured impedance (S34).
제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항의 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 방법을 실행할 수 있는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.A computer-readable recording medium having recorded thereon a program capable of executing the in-situ thin film thickness measuring method using the impedance according to any one of claims 11 to 14.
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