KR101310766B1 - 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치 - Google Patents

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김정형
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Abstract

본 발명은 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치를 제공한다. 이 공정 모니터링 방법은 플라즈마 내부에 한 쌍의 방사 안테나와 수신 안테나를 삽입하는 단계, 방사 안테나와 수신 안테나 사이의 쉬스(sehath) 및 플라즈마를 회로로 모델링하는 단계, 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 수신 안테나를 이용하여 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 투과계수를 측정하는 단계, 보조 측정부를 이용하여 충돌 주파수를 구하는 단계, 및 충돌 주파수 및 상기 투과계수를 이용하여 쉬스의 두께를 구하는 단계를 포함한다.

Description

공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치{ Process Monitoring Method And Process Monitoring Apparatus}
본 발명은 플라즈마 공정 진단 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로 컷오프 프로브를 이용한 플라즈마 쉬스를 이용한 공정 모니터링 방법에 관한 것이다.
플라즈마를 이용한 공정은 반도체, 디스플레이, 태양전지 등의 생산에 사용된다. 플라즈마가 다른 전위를 가진 물질과 맞닿는 경우, 플라즈마 쉬스는 경계에서 생성되는 특이 영역이다. 플라즈마 특성은 전자 밀도, 플라즈마 쉬스(plasma sheath)의 두께, 및 전자 온도 등에 의존한다. 따라서, 플라즈마 쉬스를 측정하면, 플라즈마 공정이 모니터링될 수 있다. 통상적으로, 플라즈마 공정이 연속적으로 복수의 기판을 처리하면, 챔버 내부에 오염물이 증착된다. 이러한, 오염물은 공정 조건을 변경한다. 그러나, 압력 센서 등은 이러한 공정 조건의 변화를 예측하지 못한다. 따라서, 공정 조건의 변화를 측정할 수 있는 방법이 요구된다.
상기 플라즈마 쉬스의 두께에 대한 정보를 얻기 위하여 통상적으로 사용된 대표적인 방법은 다음과 같다. 레이저 산란법은 플라즈마 쉬스와 플라즈마 사이의 경계면에서 떠다니는 미세 입자들을 레이져를 이용하여 산란시켜 플라즈마 쉬스의 두계를 측정한다. 또는,랑무어(Langmuir) 프로브 방법은 플라즈마 파라미터를 측정하고, 이론적으로 풀어진 차일드-랑무에(Child-Langmuir) 식에 대입하여 플라즈마 쉬스의 두계를 측정한다.
하지만 레이저 산란법은 그 구성이 복잡하고, 고가의 장비를 이용하고, 미세 입자를 이용하는 단점들을 가진다. 랑무에 프로브 방법은 일정한 직류 전기장을 랑무에 프로브의 팁 주변에 인가한다. 따라서, 랑무에 프로브 방법은 플라즈마 자체를 변화시켜서 정확한 진단이 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 컷오프 프로브와 보조 측정부를 이용하여 이를 이용하여 측정된 데이터의 임피던스에 대한 회로 모델을 바탕으로 하여 쉬스의 두께를 측정하는 방법에 대하여 제안하고자 한다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 플라즈마에 영향을 최소화하면서 플라즈마 특성을 정확히 실시간으로 모니터링할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 플라즈마에 영향을 최소화하면서 플라즈마 특성을 정확히 실시간으로 모니터링할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 플라즈마 내부에 한 쌍의 방사 안테나와 수신 안테나를 삽입하는 단계; 상기 방사 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 쉬스(sehath) 및 플라즈마를 회로로 모델링하는 단계; 상기 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 수신 안테나를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 투과계수를 측정하는 단계; 보조 측정부를 이용하여 충돌 주파수를 구하는 단계; 및 상기 충돌 주파수 및 상기 투과계수를 이용하여 상기 쉬스의 두께를 구하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 측정부는 압력 게이지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 쉬스(sehath) 및 플라즈마의 회로는: 서로 직렬 연결된 플라즈마 인덕터 및 플라즈마 저항; 상기 직렬 연결된 플라즈마 인덕터 및 플라즈마 저항에 병렬 연결된 플라즈마 축전기; 및 상기 병렬된 플라즈마 축전기의 양단에 각각 연결된 방사 안테나 쉬스 축전기 및 수신 안테나 쉬스 축전기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치는 플라즈마 내부에 삽입되어 전자기파를 방사하는 방사 안테나; 상기 플라즈마 내부에 삽입되어 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하는 수신 안테나; 상기 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 가변 주파수 발생부; 상기 수신 안테나에 연결되어 상기 플라즈마를 통과한 투과파를 처리하여 투과계수를 추출하는 투과파 처리부; 충돌 주파수를 구하는 보조 측정부; 및 상기 충돌 주파수 및 상기 투과계수를 이용하여 쉬스의 두께를 구하는 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 측정부는 압력 게이지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방사 안테나 및 수신 안테나는 원형 실린더 형태이고, 서로 이웃하여 나란히 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 플라즈마에 영향을 최소화하면서 쉬스의 두께를 실시간으로 모니터링 할 수 있다. 쉬스는 플라즈마 내부에 삽입되 물체와 플라즈마의 경계에 형성되는 피할 수 없는 영역이다. 이온의 경우, 쉬스에 수직한 방향으로 가속하게 된다. 이온 등의 충돌을 이용하는 공정이나 증착의 경우, 쉬스의 두께에 따라, 공정의 비등방성에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 쉬스의 두께를 모니터링하는 새로운 방법이 제안되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 방사 안테나 및 수신 안테나를 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 모델을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 진단 장치를 이용하여 측정한 투과 계수(S21)의 세기와 모델을 사용하여 계산한 투과 계수의 세기를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 진단 장치를 이용하여 측정한 투과 계수(S21)의 위상과 모델을 사용하여 계산한 투과 계수의 위상을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 방법은 컷오프 프로브와 보조 측정부를 이용하여 플라즈마 쉬스의 두께를 측정할 수 있다. 상기 컷오프 프로브는 초고주파를 이용하므로 플라즈마에 직접적인 영향이 적다.
본 발명에 따르면, 플라즈마와 쉬스를 회로 모델을 이용하여 쉬스의 두께를 산출할 수 있다. 상기 회로 모델에 필요한 변수는 플라즈마 주파수를 추출하는 컷오프 프로브 및 충돌 주파수를 추출하는 보조 측정부를 이용하여 산출된다. 따라서, 공정 챔버 내부에서의 쉬스의 두께 변화는 실시간으로 모니터링될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 방사 안테나 및 수신 안테나를 설명하는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 공정 모니터링 장치(100)는 플라즈마 내부에 삽입되어 전자기파를 방사하는 방사 안테나(112), 상기 플라즈마 내부에 삽입되어 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하는 수신 안테나(114), 상기 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하는 가변 주파수 발생부(124), 상기 수신 안테나(114)에 연결되어 상기 플라즈마를 통과한 투과파를 처리하여 투과계수를 추출하는 투과파 처리부(126), 충돌 주파수를 구하는 보조 측정부(142), 및 상기 충돌 주파수 및 상기 투과계수를 이용하여 상기 쉬스의 두께를 구하는 처리부(128)를 포함한다.
상기 수신 안테나(112)와 상기 방사 안테나(114)는 상기 플라즈마 내부에 삽입된다. 상기 플라즈마는 챔버(131) 내부 또는 외부에 배치된 에너지 인가부(136)에 의하여 형성된다. 상기 에너지 인가부(136)는 축전 결합 플라즈마를 형성하는 전극, 유도 결합 플라즈마를 형성하는 유도 안테나, 또는 초고주파 플라즈마를 형성하는 도파관일 수 있다.
전원(132)은 상기 에너지 인가부(136)에 전력을 제공할 수 있다. 상기 전원(132)은 DC 전원, AC 전원, RF 전원, 초고주파 전원일 수 있다. 상기 전원(132)이 RF 전원인 경우, 상기 전원(132)과 상기 에너지 인가부(136) 사이에 매칭 네트워크(134)가 배치될 수 있다.
상기 챔버(131)는 기판 홀더(138) 및 상기 기판 홀더(138) 상에 장착된 기판(137)을 포함할 수 있다. 상기 기판(137)은 유리 기판, 플라스틱 기판, 또는 반도체 기판일 수 있다.
네트워크 분석부(120)는 상기 방사 안테나(112)에 초고주파를 제공하고, 상기 수신 안테나(114)로부터 제공되는 초고주파 신호를 분석할 수 있다. 상기 초고주파의 주파수는 시간에 따라 스위핑(sweeping)될 수 있다. 상기 스위핑 주파수는 100kHz 내지 6 GHz일 수 있다. 상기 스위핑 주파수는 연속적으로 또는 이산적으로 스위핑될 수 있다.
상기 네트워크 분석부(120)는 각 스위핑 주파수에서 출력 임피던스 또는 투과 계수를 측정할 수 있다. 상기 네트워크 분석부(120)는 가변 주파수 발생부(124), 및 투과파 처리부(126)를 포함할 수 있다. 상기 투과파 처리부(126)는 임피던스(Z) 및/또는 투과 계수(S21)를 추출할 수 있다. 상기 가변 주파수 발생부(124)는 상기 방사 안테나(112)에 연결되고 주파수를 연속적으로 변경할 수 있다. 상기 투과파 처리부(126)는 각 주파수 별로 임피던스(Z) 및/또는 투과 계수(S21)를 측정할 수 있다.
상기 방사 안테나(112)는 원형 실린더 형상의 도전성 프로브(112a), 상기 도전성 프로브(112a)의 주위를 감싸는 절연체(112b), 및 상기 절연체(112b)를 감싸고 접지된 도전성 외피(112c)를 포함할 수 있다. 상기 도전성 프로브(112a)의 일단은 플라즈마에 노출되어 전자기파를 방사한다.
상기 수신 안테나(114)는 원형 실린더 형상의 도전성 프로브(114a), 상기 도전성 프로브(114a)의 주위를 감싸는 절연체(114b), 및 상기 절연체(114b)를 감싸고 접지된 도전성 외피(114c)를 포함할 수 있다. 상기 도전성 프로브(114a)의 일단은 플라즈마에 노출되어 전자기파를 수신한다.
상기 방사 안테나(112)와 상기 수신 안테나(114)는 동일한 구조 및 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 방사 안테나와 상기 수신 안테나는 일정한 간격을 가지고 이웃하여 나란히 배치될 수 있다.
상기 수신 안테나 및 상기 방사 안테나의 구조는 다양하게 변형될 수 있다.
상기 보조 측정부(142)는 충돌 주파수를 산출하기 위한 압력 게이지일 수 있다. 상기 보조 측정부(142)는 상기 챔버(131) 내부에 상기 수신 안테나에 근접하여 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 보조 측정부(142)가 측정한 압력은 상기 처리부(128)에 제공된다.
상기 처리부(128)는 컷오프 프로브 또는 상기 네트워크 분석부(120)가 제공하는 투과 계수(S21)를 근거로 플라즈마 주파수를 산출할 수 있다. 또한, 상기 처리부(128)는 투과 계수(S21)를 이용하여 임피던스(Ztot)를 산출할 수 있다. 상기 임피던스(Ztot)는 이미 고정된 값들, 상기 플라즈마 주파수, 및 상기 충돌 주파수의 함수일 수 있다. 따라서, 상기 처리부(128)는 위의 값들을 사용하여 플라즈마 쉬스의 두께를 산출할 수 있다.
이를 위하여, 플라즈마 쉬스 및 플라즈마는 회로 모델링될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 모델을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 방사 안테나(112)의 전위는 Vr이고, 수신 안테나(114)의 전위는 Vd이다. 상기 쉬스(sehath) 및 플라즈마의 회로는 서로 직렬 연결된 플라즈마 인덕터(Lp) 및 플라즈마 저항(Rp), 상기 직렬 연결된 플라즈마 인덕터(Lp) 및 플라즈마 저항(Rp)에 병렬 연결된 플라즈마 축전기(Co), 및 상기 병렬된 플라즈마 축전기(Co)의 양단에 각각 연결된 방사 안테나 쉬스 축전기(Cs1) 및 수신 안테나 쉬스 축전기(Cs2)를 포함할 수 있다. 상기 방사 안테나 쉬스 축전기(Cs1) 및 수신 안테나 쉬스 축전기(Cs2)는 동일할 수 있다. 상기 플라즈마의 임피던스(Zp)는 서로 직렬 연결된 플라즈마 인덕터(Lp) 및 플라즈마 저항(Rp), 상기 직렬 연결된 플라즈마 인덕터(Lp) 및 플라즈마 저항(Rp)에 병렬 연결된 플라즈마 축전기(Co)로 모델링될 수 있다.
플라즈마 인덕터(Lp), 플라즈마 저항(Rp), 플라즈마 축전기(Co),방사 안테나 쉬스 축전기(Cs), 회로의 총 임피던스(Ztot), 및 투과 계수(S21)는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112012022824184-pat00001
여기서, ν는 충돌 주파수, ε0는 유전상수, h는 방사 안테나 팁(tip)의 길이, d는 방사 안테나와 수신 안테나 사이의 거리, r은 방사 안테나(수신 안테나)의 반경, s는 쉬스의 두께, ωp는 플라즈마 각주파수 또는 컷오프 각주파수이고, ωp는 전자 밀도에 의존하는 함수이다.
주파수에 따른 투과 계수(S21)에서 플라즈마 각주파수 또는 컷오프 각주파수는 구해지고, ν( 충돌 주파수)는 압력 게이지에서 구해진다. 나머지 값들은 모두 상수로 정해진 값이다. 따라서, 쉬스의 두께(s)가 구해질 수 있다. 따라서, 전자 밀도 및 쉬스의 두께(s)는 공정이 진행되는 동안 실시간으로 모니터링될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 보조 측정부(142)는 랑무에 프로브일 수 있다. 상기 충돌 주파수는 공정 플라즈마의 전자 온도가 2 eV라는 가정으로부터 랑무에 프로브를 사용하여 측정될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 진단 장치를 이용하여 측정한 투과 계수(S21)의 세기와 모델을 사용하여 계산한 투과 계수의 세기를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 진단 장치를 이용하여 측정한 투과 계수(S21)의 위상과 모델을 사용하여 계산한 투과 계수의 위상을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 투과 계수(S21)의 세기 및 위상을 정확히 따라가도록 모델에서 쉬스의 두께는 산출될 수 있다. 모델에서 쉬스의 두께를 제외한 모든 값들은 실험적으로 구해진다. 따라서, 측정한 투과 계수(S21)를 정확히 모사하는 회로 모델을 얻고, 이 때의 쉬스의 두께는 구해질 수 있다. 특히, 투과 계수(S21)의 위상에서, 영(zero)를 지나가는 주파수가 정확히 예측된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치를 사용하여 구한 쉬스 두께와 종래의 랑무에 프로브(Langmuir probe)를 이론식에 대입하여 얻은 쉬의 두께를 비교하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 쉬스의 두께는 종래의 랑무에 프로브를 이용한 결과와 일치한다. 축전 결합 플라즈마 장치를 사용하였으며, 전원은 13.56Mhz의 RF 전원이고, 그 전력은 100 W, 200W, 300W, 및 400 W이다. 각각의 전력에서 쉬스의 두께가 측정되었다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
112: 방사 안테나
114: 수신 안테나
124: 가변 주파수 발생부
126: 투과파 처리부
128: 처리부
142: 보조 측정부

Claims (6)

  1. 플라즈마 내부에 한 쌍의 방사 안테나와 수신 안테나를 삽입하는 단계;
    상기 방사 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 쉬스(sheath) 및 플라즈마를 회로로 모델링하는 단계;
    상기 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 상기 수신 안테나를 이용하여 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하여 주파수에 따른 투과계수를 측정하는 단계;
    보조 측정부를 이용하여 충돌 주파수를 구하는 단계; 및
    상기 충돌 주파수 및 상기 투과계수를 이용하여 상기 쉬스의 두께를 구하는 단계를 포함하고,
    상기 충돌 주파수 및 상기 투과계수를 이용하여 상기 쉬스의 두께를 구하는 단계는 주파수에 따른 투과 계수에서 컷오프 각주파수를 구하고, 상기 컷오프 주파수와 상기 충돌 주파수를 상기 방사 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 쉬스(sheath) 및 플라즈마를 회로로 모델링한 회로 모델에 대입하여 상기 쉬스의 두께를 구하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 보조 측정부는 압력 게이지인 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 쉬스(sheath) 및 플라즈마의 회로는:
    서로 직렬 연결된 플라즈마 인덕터 및 플라즈마 저항;
    상기 직렬 연결된 플라즈마 인덕터 및 플라즈마 저항에 병렬 연결된 플라즈마 축전기; 및
    상기 병렬된 플라즈마 축전기의 양단에 각각 연결된 방사 안테나 쉬스 축전기 및 수신 안테나 쉬스 축전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 방법.
  4. 플라즈마 내부에 삽입되어 전자기파를 방사하는 방사 안테나;
    상기 플라즈마 내부에 삽입되어 상기 플라즈마를 통과한 전자기파를 수신하는 수신 안테나;
    상기 방사 안테나에 스캔닝하는 주파수를 제공하고 가변 주파수 발생부;
    상기 수신 안테나에 연결되어 상기 플라즈마를 통과한 투과파를 처리하여 투과계수를 추출하는 투과파 처리부;
    충돌 주파수를 구하는 보조 측정부 및
    상기 충돌 주파수 및 상기 투과계수를 이용하여 쉬스의 두께를 구하는 처리부를 포함하고,
    상기 처리부는 주파수에 따른 투과 계수에서 컷오프 각주파수를 구하고, 상기 컷오프 주파수와 상기 충돌 주파수를 상기 방사 안테나와 상기 수신 안테나 사이의 쉬스(sheath) 및 플라즈마를 회로로 모델링한 회로 모델에 대입하여 상기 쉬스의 두께를 구하는 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조 측정부는 압력 게이지인 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 방사 안테나 및 수신 안테나는 원형 실린더 형태이고, 서로 이웃하여 나란히 배치된 것을 특징으로 하는 공정 모니터링 장치.
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