KR101447639B1 - 플라즈마 진단장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 플라즈마 진단장치는, 플라즈마에 인접하게 배치되는 탐침; 상기 탐침에 발생된 출력전류를 측정하는 측정회로부; 및 2개의 주파수를 갖는 교류전압을 인가하며, 상기 각각의 출력전류의 크기와 위상 성분의 정보로부터 상기 탐침에 증착된 유전층의 두께를 산출하는 데이터처리부를 포함한다. 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치는, 플라즈마 방전 조건이 변하여 플라즈마 상태가 변경되더라도, 두 개의 다른 주파수의 교류전압을 인가하여 측정된 출력전류의 크기와 위상 정보로부터 유전층 두께를 계산함으로써 증착 공정을 보다 정확히 모니터링할 수 있다.

Description

플라즈마 진단장치 및 그 방법{Plasma diagnosis apparatus and the method of the same}
본 발명은 플라즈마 진단장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 플라즈마 방전 조건이 변하여 플라즈마 상태가 변경되더라도 플라즈마 챔버 내부의 유전층 두께를 종래보다 정확하게 측정할 수 있는 플라즈마 진단장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고주파 전력을 통해 발생된 플라즈마를 이용하여 증착막을 형성하거나 제거하는 플라즈마 장치가 널리 사용되고 있다. 플라즈마 장치는, 반도체나 LCD 등의 평면 디스플레이 제조 공정뿐만 아니라 태양전지 제조 공정, 자체발광형 유기물질(OLED) 제조 공정, 물질 표면처리 등 산업 전반에 사용되고 있다.
이러한 플라즈마 장치를 이용한 플라즈마 증착 공정을 수행할 때, 플라즈마 챔버 내부를 모니터링하고 플라즈마 상태를 체크할 필요가 있다. 왜냐하면, 플라즈마가 형성되는 챔버 벽면에 증착된 유기 또는 무기 물질(dielectric layer, 이하, 유전층이라 함)이 다시 떨어져 나와 불순물 입자가 형성되면, 제품 수율이 저하될 우려가 있고, 플라즈마를 원하지 않는 상태로 바꾸어 놓아 증착 환경이 변경될 우려도 있다.
플라즈마 챔버의 내부 상태를 진단하는 방법으로는 탐침법이 널리 사용된다. 탐침법은 플라즈마 챔버 안으로 탐침을 삽입하고 전압을 인가하여 탐침에서 측정된 전압과 전류에 대한 정보로부터 유전층 두께, 전자 온도 및 이온 밀도 등 각종 공정 변수를 측정하는 방식이다.
도 1은 종래 플라즈마와 탐침 사이를 모델링한 회로도이다.
탐침과 플라즈마 사이에는 일반적으로 쉬스 영역이 존재하는데, 도 1에서는 탐침의 표면에 위치한 쉬스 영역을 저항 성분으로 고려하여 유전층의 두께를 모니터링하는 기술을 개시한바 있다. 탐침에는 교류전압이 인가되고, 플라즈마 측에는 Vp 의 전압이 걸리며, 유전층을 하나의 축전기(Cd, capacitor)로, 쉬스 영역을 쉬스 저항(Rs, sheath resistance)으로 근사하여 회로 모델을 구성한다.
그러나, 플라즈마에 가해지는 인가 전력 등의 방전 조건이 변경되면 종래회로 모델로부터 계산된 유전층의 두께와 실제 증착되어 있는 유전층의 두께 사이의 오차가 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 플라즈마 방전 조건이 변하여 플라즈마 상태가 변경되더라도 유전층 두께를 정확히 계산하여 증착 공정을 보다 정확히 모니터링할 수 있는 기술 개발이 절실한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 플라즈마 방전 조건이 변하여 플라즈마 상태가 변경되더라도, 두 개의 다른 주파수의 교류전압을 인가하여 측정된 출력전류의 크기와 위상 정보로부터 유전층 두께를 계산함으로써 증착 공정을 보다 정확히 모니터링할 수 있는 플라즈마 진단장치를 제공한다.
또한, 플라즈마 방전 조건이 변하여 플라즈마 상태가 변경되더라도, 두 개의 다른 주파수의 교류전압을 인가하여 측정된 출력전류의 크기와 위상 정보로부터 유전층 두께를 계산함으로써 증착 공정을 보다 정확히 모니터링할 수 있는 플라즈마 진단방법을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치는, 플라즈마에 인접하게 배치되는 탐침; 상기 탐침에 발생된 출력전류를 측정하는 측정회로부; 및 적어도 2개의 주파수를 갖는 교류전압을 인가하며, 상기 각각의 출력전류의 크기와 위상 성분의 정보로부터 상기 탐침에 증착된 유전층의 두께를 산출하는 데이터처리부를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마와 상기 탐침 사이는, 상기 유전층이 증착되어 발생되는 증착 캐패시턴스와, 상기 플라즈마에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시턴스 및 쉬스 저항의 회로 구성으로 근사될 수 있다.
상기 데이터처리부는, 상기 각각의 출력전류의 제1 고조파 크기, 위상차 및 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 상기 쉬스 저항과 상기 쉬스 캐패시턴스를 산출할 수 있다.
상기 데이터처리부는, 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 허수 성분과 쉬스 영역의 캐패시턴스의 임피던스의 차이로부터 증착 캐패시턴스를 계산할 수 있다.
상기 출력전류를 상기 데이터처리부로 전달하는 인터페이스부; 및 상기 데이터처리부로부터 계산된 상기 유전층의 두께를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마 진단방법은, 탐침에 제1, 제2 주파수의 교류전압을 인가하는 단계; 상기 탐침에 발생된 출력전류를 측정하는 단계; 및 상기 각각의 출력전류의 크기와 위상 성분의 정보로부터 상기 탐침에 증착된 유전층의 두께를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유전층의 두께를 산출하는 단계는, 상기 유전층이 증착되어 발생되는 증착 캐패시턴스와, 탐침에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시턴스 및 쉬스 저항의 회로 구성으로 근사하는 단계; 상기 각각의 출력전류의 제1 고조파 크기, 위상차 및 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 상기 쉬스 저항과 상기 쉬스 캐패시턴스를 산출하는 단계; 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 허수 성분과 쉬스 영역의 캐패시턴스의 임피던스의 차이인 [수학식 8]로부터 상기 증착 캐패시턴스를 계산하는 단계; 및 상기 증착 캐패시턴스로부터 상기 유전층의 두께를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112013055562337-pat00001
(여기서, ω2는 제1, 2 주파수,
Figure 112013055562337-pat00002
는 전체 임피던스의 허수 성분,
Figure 112013055562337-pat00003
는 등가 쉬스 캐패시턴스)
상기 쉬스 저항과 상기 쉬스 캐패시턴스를 산출하는 단계는, 상기 각각의 출력전류에서 측정된 제1 고조파 크기, 위상 차 및 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 쉬스 저항과 상기 쉬스 캐패시턴스의 관계식을 도출하는 단계; 상기 관계식을 연립하여 상기 쉬스 저항을 계산하는 단계; 및 상기 어느 하나의 제1 고조파 크기, 상기 각각의 출력전류에서 측정된 위상 차 및 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 상기 쉬스 캐패시턴스를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 플라즈마 진단장치는, 플라즈마 방전 조건이 변하여 플라즈마 상태가 변경되더라도, 두 개의 다른 주파수의 교류전압을 인가하여 측정된 출력전류의 크기와 위상 정보로부터 유전층 두께를 계산함으로써 증착 공정을 보다 정확히 모니터링할 수 있다.
도 1은 종래 플라즈마와 탐침 구조체 사이를 모델링한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침과 플라즈마 사이를 모델링한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단방법의 순서도이다.
도 5은 도 4에서 유전층의 두께를 산출하는 단계에 대한 순서도이다.
도 6은 플라즈마 챔버에 인가된 전력에 따라 측정된 Al2O3의 유전층 두께 변화를 도시한 도면이다.
도 7은 Ar :O2의 유량비의 변화에 따라 측정된 Al2O3 유전층 두께의 변화를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치(10)의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탐침과 플라즈마 사이를 모델링한 회로도이다.
탐침(101, 도 3 및 도 4 참조)과 플라즈마 측에 걸리는 전압(Vp) 사이에는 쉬스 영역이 형성되는데, 도 2a에 도시된 바와 같이 쉬스 영역은 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)의 병렬 연결한 다음, 증착 공정에서 증착되는 유전층을 증착 캐패시턴스(Cd)로 모델링하여 직렬 연결하는 회로를 구성할 수 있다.
쉬스 영역의 쉬스 임피던스는 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112013055562337-pat00004
도 2a의 회로도는 도 2b의 직렬 등가회로로 변환될 수 있으며, 쉬스 임피던스는 [수학식 1]에 도시된 등가 저항 임피던스(Rseries)과 등가 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00005
)로 나타난다. 여기서, 쉬스 임피던스의 실수 성분은 저항에 대응되고, 허수 성분은 캐패시턴스에 대응된다. 한편, 설명의 편의를 위해, 등가 저항 임피던스(Rseries)는 저항 임피던스(Rseries)로, 등가 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00006
)는 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00007
)로 통칭하기로 한다.
증착 캐패시턴스(Cd)는 유전층에 대한 정보를 줄 수 있다, 증착 캐패시턴스(Cd)는 [수학식 9]에 의해 증착되는 이온, 기체의 물성치 및 표면 상태(두께 등)에 의존할 수 있다.
플라즈마와 탐침(101) 사이의 전체 임피던스(Ztotal)는 유전층의 증착 임피던스(Zcd)와 쉬스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00008
)의 합으로 나타난다.
[수학식 2]
Figure 112013055562337-pat00009
여기서, 전체 임피던스(Ztotal)의 실수 성분은 쉬스 임피던스 중 등가 저항값에 해당한다. 전체 임피던스(Ztotal)의 허수 성분은, 증착으로 인한 캐패시턴스의 임피던스와, 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00010
)의 합으로 구성되고, 전체 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00011
)로 정의된다.
[수학식 2]에서 알 수 있듯이, 전체 임피던스의 실수 성분과 허수 성분은 모두 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)의 함수임을 확인할 수 있다. 따라서, 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)의 값을 구할 필요가 있다.
종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 주파수의 정현파 교류전압을 인가하여 출력전류를 측정하고, 측정된 제1 고조파의 크기 성분에 대한 정보로부터 쉬스 저항(Rs)을 도출하였고 유전층의 두께를 산출하였다. 종래의 방식은, 플라즈마 챔버(50)에 가해지는 방전 조건(예를 들면, 인가 전력, 가스 종류 및 유량, 내부 압력 등)이 변경되면 계산된 유전층의 두께와 실제 증착되어 있는 유전층의 두께 사이의 오차가 심하게 발생된다.
본 발명에 의한 플라즈마 진단방법은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 탐침(101)에 ω1, ω2의 두개의 주파수의 교류전압(V(t)=
Figure 112013055562337-pat00012
cosωt)을 동시에 또는 각각 인가시킨다. 그리고, ω1, ω2의 두개의 주파수에 대한 각각의 출력전류의 제1 고조파 크기와 위상차에 대한 정보로부터 유전층의 두께를 산출하게 된다.
먼저, R1과 R2의 관계식을 도출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013055562337-pat00013
여기서, R1, R2는 각 주파수의 교류전압을 입력할때 도 2의 회로 구성에 걸린 전체 임피던스의 실수 성분(저항), 1ω1, 1ω2는 ω1, ω2 주파수의 각각 첫번째 고조파(fundamental harmonics or first order harmonics)를 말한다.
R1, R2는 f(Rs, Cs, ω1, ω2)의 관계이며, R1과 R2는 측정값이고, ω1, ω2는 입력값이므로, [수학식 3]으로부터 [수학식 4]와 [수학식 5]의 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)를 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112013055562337-pat00014
[수학식 5]
Figure 112013055562337-pat00015
그러면, [수학식 1], [수학식 2]에서 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00016
)를 계산할 수 있다. 왜냐하면, 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00017
)의 크기는 [수학식 6]과 같이 f(Rs, Cs, ω)의 함수로 구성되기 때문이다.
[수학식 6]
Figure 112013055562337-pat00018
이를 이용하여 증착 임피던스는 측정된 전체 캐패시턴스 임피던스 (
Figure 112013055562337-pat00019
)과 [수학식 6]에서 계산된 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00020
)로부터 다음과 같이 구할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112013055562337-pat00021
간단히 설명하면, 증착 임피던스는 출력전류의 허수부의 크기와 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00022
)의 크기 차이로부터 도출된다.
[수학식 7]을 정리하면, [수학식 8]이 되며 증착 캐패시턴스(Cd)값을 계산할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112013055562337-pat00023
(여기서, ω2는 제1, 2 주파수,
Figure 112013055562337-pat00024
는 전체 임피던스의 허수 성분,
Figure 112013055562337-pat00025
는 캐패시턴스 임피던스)
[수학식 9]
Figure 112013055562337-pat00026
[수학식 9]를 통해, 면적(A), 등가 정전용량(Cd), 유전율(ε)로부터 최종적으로 유전층의 두께(d)를 산출할 수 있다.
이와 같이, 플라즈마와 탐침(101) 사이의 쉬스 영역을 전술한 회로 모델을 적용하는 한편, 적어도 2개의 주파수를 가진 교류전압을 인가하고, 출력전류의 크기 뿐만 아니라 위상을 고려하여 쉬스 캐패시턴스(Cs), 쉬스 저항(Rs) 및 유전층의 두께를 계산함으로써, 인가 전력, 가스 종류 및 유량, 챔버 내부 압력 등의 플라즈마 상태가 변하더라도 유전층 두께를 보다 정확히 측정이 가능하다.
유전층의 두께에 대한 정확한 측정을 통해, 플라즈마 상태 및 플라즈마 공정의 이상 유무, 유전층의 상태를 용이하게 파악할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단장치의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 플라즈마 진단장치(10)는 플라즈마 챔버(50)의 일측에 설치되는 탐침(101)과, 탐침(101)의 출력전류를 측정하는 측정회로부(110)와, 적어도 2개의 주파수를 갖는 교류전압을 인가하고 각각의 주파수의 크기와 위상으로부터 탐침(101)에 증착된 유전층의 두께를 산출하는 데이터처리부(120)와, 출력전류를 데이터처리부(120)로 전달하는 인터페이스부(130)와, 데이터처리부(120)로부터 계산된 모니터링 정보를 디스플레이하는 디스플레이부(140)를 포함한다.
탐침(101)은 원통 형상으로 마련된다. 탐침(101)은 직접 또는 간접적으로 플라즈마와 접촉할 수 있다. 탐침(101)은 전기적으로 플로팅(floating)되도록, 탐침(101) 전극과 탐침(101) 전극에 전원부(미도시) 사이에 블로킹 축전기(미도시)가 배치될 수 있다. 이러한 탐침(101)의 재질은 도전성 물질, 금속, 금속화합물, 또는 도핑(doping)된 반도체일 수 있다.
데이터처리부(120, microcontroller unit)는 탐침(101)에 교류 전압를 인가하는 한편, 탐침(101)으로부터 출력전류를 측정하여 처리할 수 있다. 이를 위해, 데이터처리부(120)는, 측정회로부(110)에서 획득한 출력전류를 입력받아 유전층의 두께를 산출하는 제어부(121)와, 실제 출력전류로부터 유전층의 두께를 연산하는 연산부(122)와, 연산된 모니터링 정보를 외부 장치로 송, 수신하는 외부통신부(123)를 포함한다.
제어부(121)는 적어도 2개의 주파수를 가진 교류전압을 발진시키고, 측정회로부(110)에서 출력전류를 측정을 명령하고, 외부로 유전층의 두께를 출력하거나 입력받는 등 플라즈마 진단장치(10) 전반을 제어한다. 제어부(121)에 인접하게 디지털-아날로그 변환기(124)가 배치된다.
연산부(122)는 측정회로부(110)의 출력전류를 제공받아 출력전류의 크기와 위상차로부터 탐침(101)의 유전층의 두께 정보를 산출한다. 본 실시예에서는 전술한 쉬스 저항(Rs)과, 쉬스 캐패시턴스(Cs) 및 이로부터 계산되는 유전층의 두께를 계산한다. 또한, 외부통신부(123)는 연산된 모니터링 정보를 외부 장치 주로 컴퓨터(150) 등으로 송, 수신한다. 외부통신부(123) 는 무선 또는 유선 통신 수단일 수 있다.
기존의 플라즈마 진단장치에는 반드시 진단장치에 연결된 컴퓨터 등이 필수적으로 구비되어야 함에 반해, 본 실시예에서는 진단장치(10) 내에 계산을 수행하고 분석하는 데이터처리부(120)가 포함되어, 연산과 분석을 수행하는 컴퓨터가 생략될 수 있다.
한편, 데이터처리부(120) 는 단일 칩 형태로 제작되거나, 후술할 측정회로부(110)와 인터페이스부(130)를 포함하여 하나의 보드 형태인 플라즈마 진단 모듈(100)로 제작될 수 있다.
측정회로부(110)는, 데이터처리부(120)와 탐침(101) 사이에 배치되어 데이터처리부(120)에서 발진된 교류전압을 오피-앰프(111, op-amp)를 통해 증폭하여 탐침(101)으로 전달하고, 탐침(101)에 흐르는 출력전류를 감지한다. 출력전류를 측정 저항(113)과 차동 증폭기(114)를 구비한 전류측정부(112)를 거쳐 아날로그-디지털 변환기(141, ADC)로 출력한다. 한편, 본 실시예에서는 측정회로부(110)에서 출력전류만을 측정하여 유전층의 두께의 정보를 계산함을 상술하였으나, 탐침을 통전한 출력전압이 사용될 수도 있을 것이다.
아날로그-디지털 변환기(141)는, 측정회로부(110)에 인접하게 마련되며, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 인터페이스부(130)를 통해 데이터처리부(120)로 출력한다.
디스플레이부(140)는 데이터처리부(120)로부터 계산된 모니터링 정보를 작업자에 디스플레이한다. 작업자는 디스플레이부(140)를 통해 데이터처리부(120)로부터 산출된 유전층의 두께, 본 실시예에서는 측정회로부(110)로부터 측정된 출력전류와 데이터처리부(120)를 통해 산출된 유전층의 두께를 용이하게 모니터링할 수 있다.
한편, 도면에서 도시하지는 않았지만, 데이터처리부(120)에는 탐침(101)에 적어도 2개의 주파수를 가진 교류전압을 인가하는 전압 인가부와, 데이터처리부(120)에 전원을 공급하는 전원부와, 출력전류와 데이터처리부(120)에서 산출된 두께 데이터 등의 모니터링 수치를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 실시예에서와 달리, 전압 인가부의 구성이 데이터처리부(120)로부터 독립되어 마련될 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는 데이터처리부(120)에서 적어도 2개의 주파수를 가진 정현파의 교류 전압을 인가함을 상술하였으나, 측정에 용이하도록 변조된 교류 전압이 사용될 수 있다.
데이터처리부(120)와 측정회로부(110), 아날로그-디지털 변환기(141), 측정회로부(140) 및 인터페이스부(130)를 포함한 플라즈마 진단 모듈(100)은, 플라즈마 챔버(50)의 일측에 탈착 가능하게 설치될 수 있다.
이와 같은 구성의 플라즈마 진단장치(10)는 종래보다 소형화를 구현할 수 있다. 즉, 종래 플라즈마 진단장치는 출력데이터를 계산하고 분석하기 위해 외부에 컴퓨터 등의 외부 장치와, 컴퓨터에 연결하기 위해 데이터 입출력보드(Data Acquisition Board, DAQ) 등이 별도로 구비되어야만 한다. 특히, DAQ의 크기가 커서 진단장치를 소형화하는데 문제가 있었다.
본 발명의 플라즈마 진단장치(10)의 경우, 출력전류 등의 출력신호를 데이터처리부(120)가 입력받아 이를 자체적으로 연산하고 분석 처리함으로써, 컴퓨터(150)가 필수적으로 요구되지 않고, DAQ가 생략될 수 있어 소형화될 수 있다. DAQ가 생략되는 대신, 외부 장치와 연결은 외부통신부(123)를 통해 유, 무선의 통신을 통해 수행될 수 있다. 소형화된 진단장치(10)만으로 플라즈마의 모니터링이 가능하므로 이동이 용이하고, 설치 및 유지 관리 측면에서도 장점이 있다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단방법에 대해서 설명한다. 플라즈마 진단방법은 전술한 플라즈마 진단장치(10)를 사용하여 플라즈마 챔버(50) 내부의 플라즈마 상태를 모니터링하는 방법이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단방법의 순서도이고, 도 5은 도 4에서 유전층의 두께를 산출하는 단계에 대한 순서도이다.
도 4에 도시된 순서도를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 진단방법은, 탐침(101)에 제1, 제2 주파수의 교류전압을 인가하는 단계(S210)와, 탐침(101)에 발생된 출력전류를 측정하는 단계(S220)와, 각각의 출력전류의 크기와 위상 성분의 정보로부터 탐침(101)에 증착된 유전층의 두께를 산출하는 단계(S230)와, 유전층의 두께를 외부로 출력하는 단계(S240)와, 외부 장치로 유전층의 두께에 대한 정보를 송, 수신하는 단계(S250)를 포함한다.
탐침(101)에 제1, 2 주파수의 교류전압을 인가하는 단계(S210)는, 플라즈마 진단장치(10)의 데이터처리부(120)에서 교류전압을 인가하는 단계이다. 데이터처리부(120)는 적어도 2개의 주파수를 가진 교류전압을 동시에 또는 순차적으로 인가시킨다. 인가된 교류전압은 측정회로부(110)의 오피-앰프(111) 및 전류측정부(112)를 거쳐 탐침(101)으로 통전된다.
탐침(101)에 발생된 출력전류를 측정하는 단계(S220)는, 탐침(101)에 흐르는 출력전류를 측정회로부(110)를 통해 감지한다. 측정회로부(110)에는 측정 저항(113)과 차동 증폭기(114)가 포함되어 미세 출력전류를 증폭하고 노이즈를 제거한다. 이후 아날로그-디지털 변환기(141)로 출력하고, 디지털 신호로 변환된 출력신호를 인터페이스부(130)를 통해 데이터처리부(120)로 전달한다.
두께를 산출하는 단계(S230)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 유전층이 증착되어 발생된 증착 캐패시턴스(Cd)와, 탐침(101)에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시턴스(Cs) 및 쉬스 저항(Rs)의 회로 구성으로 근사하는 단계(S310)와, 각각의 출력전류의 제1 고조파 크기, 위상차 및 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)를 산출하는 단계(S320)와, 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)로부터 유전층의 두께를 계산하는 단계(S330)를 포함한다.
유전층이 증착되어 발생되는 증착 캐패시턴스(Cd)와, 탐침(101)에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시턴스(Cs) 및 쉬스 저항(Rs)의 회로 구성으로 근사하는 단계(S310)를 수행한다. 이는, 플라즈마와 탐침(101) 사이는 전술한 [수학식 2]의 전체 임피던스의 항으로 표시되며, 전체 임피던스는 [수학식 2]에서 알 수 있듯이 실수 성분과 허수 성분으로 구분된다.
다음으로, 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)를 산출하는 단계(S320)를 수행한다. 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)를 산출하는 단계(S320)는, 각각의 출력전류에서 측정된 제1 고조파 크기, 위상 차 및 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)의 관계식을 도출하는 단계와, 관계식을 연립하여 쉬스 저항(Rs)을 계산하는 단계와, 어느 하나의 제1 고조파 크기, 각각의 출력전류에서 측정된 위상 차 및 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 쉬스 캐패시턴스(Cs)를 계산하는 단계를 포함한다.
각각의 출력전류의 제1 고조파 크기, 위상차 및 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)의 관계식인 [수학식 3]을 도출하고, 이들을 연립하여 풀면 [수학식 4]의 쉬스 저항(Rs)을 계산할 수 있으며, 어느 하나의 제1 고조파 크기, 각각의 출력전류에서 측정된 위상 차 및 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분의 관계식인 [수학식 5]로부터, 쉬스 캐패시턴스(Cs)를 계산할 수 있게 된다.
쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)가 산출되면, 유전층의 두께를 계산하는 단계(S330)가 수행된다. 회로 구성의 전체 임피던스의 허수 성분과 쉬스 영역의 캐패시턴스 임피던스(
Figure 112013055562337-pat00027
)의 차이인 [수학식 8]로부터 증착 캐패시턴스(Cd)가 계산된다. 이러한 유전층의 두께를 산출하는 단계(S230)는 모두 연산부(122)에서 수행될 수 있다.
유전층의 두께를 외부로 출력하는 단계(S240)는, 유전층의 두께를 디스플레이부(140)를 통해 사용자에 표시하는 단계이다.
또한, 외부 장치로 유전층의 두께에 대한 정보를 송,수신하는 단계(S250)를 수행한다. 이 경우, 데이터처리부(120) 내의 외부통신부(123)를 이용하여 외부 컴퓨터(150) 등과 통신할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 진단장치(10) 및 진단방법에 의하면, 플라즈마 챔버(50)에 가해지는 방전 조건(예를 들면, 인가 전력, 가스 종류 및 유량, 내부 압력 등)이 변경되더라도, 실제 증착되어 있는 유전층의 두께에 비교적 정확하게 유전층의 두께를 산출할 수 있다. 또한, 실제 증착 공정이 수행되는 동안 유전층이 생성되고 있는 경우에도 유전층의 두께를 실시간(real time)으로 모니터링할 수 있다.
무엇보다도, 유전층을 증착 캐패시턴스(Cd)와 쉬스 영역을 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시턴스(Cs)로 근사시키고 유전층의 두께를 계산한 것이므로, 유전층의 상태를 용이하게 파악할 수 있는 장점이 있다. 증착 공정 중 또는 공정이 완료된 후 유전층의 두께를 모니터링하면서 사용자에 의해 설정된 오차 범위 밖의 데이터를 얻을 경우, 플라즈마의 상태가 어떠한지, 챔버(50) 내부에 방전 조건 대로 수행되는지, 증착 공정이 원활히 수행되는지 등의 정성적인 분석이 가능할 수 있게 된다. 실제 오차 범위 밖에 데이터를 추출하였을 때 신속히 증착 공정을 중단하고, 플라즈마 방전 조건을 변경하거나 플라즈마 증착 설비 보수를 도모할 수 있다.
또한, 지속적인 모니터링을 통해, 플라즈마 챔버(50)의 유지보수 관리의 주기 조정을 최적화시킬 수 있다. 이를 통해, 반도체 생산 수율 향상에 많은 도움이 될 것이다.
도 6은 플라즈마 챔버(50)에 인가된 전력에 따라 측정된 Al2O3의 유전층 두께 변화를 도시한 도면이고, 도 7은 Ar:O2의 유량비의 변화에 따라 측정된 Al2O3 유전층 두께의 변화를 도시한 도면이다.
전기적으로 부유된 평판 탐침(101)에 적어도 2개의 주파수를 가진 교류전압을 인가하고 플라즈마로부터 들어오는 출력전류의 크기 및 위상차 측정을 통해 대략적인 유전층의 두께를 측정하였다. 도 6을 참조하면, 인가 전력에 따라 단일 주파수 교류전압을 이용한 경우(위)와, 이중 주파수로 본 실시예의 플라즈마 진단장치(10) 및 방법을 사용했을 때(아래) 측정 결과를 도시하고 있다. 약 3 마이크로미터 가량 증착된 탐침(101)에서 실험을 수행하였다. 인가 전력이 증가함에 따라 단일 주파수 신호를 이용해 측정한 두께는 변화하고 본 실시예의 플라즈마 진단장치(10) 및 방법을 사용한 경우 거의 일정함을 보여준다.
도 7을 참조하면, 사용가스 혼합비(Ar:O2)의 변화에 따라 단일 주파수 신호를 이용했을 때(위)와 이중 주파수로 본 실시예의 플라즈마 진단장치(10)를 사용했을 때(아래) 측정 결과이다. 도 6에 도시된 실험과 마찬가지로, 역시 약 3 마이크로미터 가량 증착된 탐침(101)에서 실험을 진행하였다. Ar의 유량이 많아짐에 따라 단일 주파수 신호를 이용해 측정한 두께는 변화하고 이중 주파수로 본 실시예의 플라즈마 진단장치(10) 및 방법을 사용한 경우 거의 일정함을 확인할 수 있다. 도 6 및 도 7의 결과로부터, 본 실시예에 따른 플라즈마 진단장치(10) 및 그 방법은, 인가 전력, 가스 종류 및 유량, 챔버 내부 압력 등의 플라즈마 방전 조건이 변하더라도 유전층 두께를 정확히 측정할 수 있음을 확인하였다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10 : 플라즈마 진단장치 50 : 플라즈마 챔버
100 : 플라즈마 진단 모듈 101 : 탐침
110 : 측정회로부 120 : 데이터처리부
121 : 제어부 122 : 연산부
130 : 인터페이스부 140 : 디스플레이부

Claims (8)

  1. 플라즈마에 인접하게 배치되는 탐침;
    상기 탐침에 발생된 출력전류를 측정하는 측정회로부; 및
    적어도 2개의 주파수를 갖는 교류전압을 인가하며, 상기 각각의 출력전류의 크기와 위상 성분의 정보로부터 상기 탐침에 증착된 유전층의 두께를 산출하는 데이터처리부를 포함하며,
    상기 플라즈마와 상기 탐침 사이는,
    상기 유전층이 증착되어 발생되는 증착 캐패시턴스와, 상기 플라즈마에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시턴스 및 쉬스 저항의 회로 구성으로 근사되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 데이터처리부는,
    상기 각각의 출력전류의 제1 고조파 크기, 위상차 및 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 상기 쉬스 저항과 상기 쉬스 캐패시턴스를 산출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 데이터처리부는,
    상기 회로 구성의 전체 임피던스의 허수 성분과 쉬스 영역의 캐패시턴스의 임피던스의 차이로부터 증착 캐패시턴스를 계산하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 출력전류를 상기 데이터처리부로 전달하는 인터페이스부; 및
    상기 데이터처리부로부터 계산된 상기 유전층의 두께를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
  6. 탐침에 제1, 제2 주파수의 교류전압을 인가하는 단계;
    상기 탐침에 발생된 출력전류를 측정하는 단계; 및
    상기 각각의 출력전류의 크기와 위상 성분의 정보로부터 상기 탐침에 증착된 유전층의 두께를 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 유전층의 두께를 산출하는 단계는,
    상기 유전층이 증착되어 발생되는 증착 캐패시턴스와, 탐침에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시턴스 및 쉬스 저항의 회로 구성으로 근사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유전층의 두께를 산출하는 단계는,
    상기 각각의 출력전류의 제1 고조파 크기, 위상차 및 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 상기 쉬스 저항과 상기 쉬스 캐패시턴스를 산출하는 단계;
    상기 회로 구성의 전체 임피던스의 허수 성분과 쉬스 영역의 캐패시턴스의 임피던스의 차이인 [수학식 8]로부터 상기 증착 캐패시턴스를 계산하는 단계; 및
    상기 증착 캐패시턴스로부터 상기 유전층의 두께를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단방법.
    [수학식 8]
    Figure 112014080375259-pat00028

    (여기서, ω2는 제2 주파수,
    Figure 112014080375259-pat00029
    는 전체 임피던스의 허수 성분,
    Figure 112014080375259-pat00030
    는 캐패시턴스 임피던스)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 쉬스 저항과 상기 쉬스 캐패시턴스를 산출하는 단계는,
    상기 각각의 출력전류에서 측정된 제1 고조파 크기, 위상 차 및 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 쉬스 저항과 상기 쉬스 캐패시턴스의 관계식을 도출하는 단계;
    상기 관계식을 연립하여 상기 쉬스 저항을 계산하는 단계; 및
    상기 어느 하나의 제1 고조파 크기, 상기 각각의 출력전류에서 측정된 위상 차 및 상기 회로 구성의 전체 임피던스의 실수 성분으로부터 상기 쉬스 캐패시턴스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단방법.
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