KR101459518B1 - 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법에 관한 것으로, 플라즈마 처리 장비는, 챔버; 상기 챔버 내부에 형성된 플라즈마에 정현파 신호를 인가하는 정현파 인가부; 상기 정현파 신호를 생성하여 상기 정현파 인가부에 공급하는 교류전원부; 상기 정현파 인가부와 상기 교류전원부 사이에 연결되는 자기 바이어스 발생부; 및 상기 자기 바이어스 발생부를 이용하여 플라즈마 변수를 측정하는 변수계산부;를 구비하며, 상기 정현파 신호는 주파수가 서로 다른 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호를 포함할 수 있다. 상기와 같이 구성함으로써, 플라즈마 변수를 측정하기 위해 플라즈마에 인가되는 신호가 2개이고 신호의 주파수가 서로 정수배 관계에 있는 고조파인 경우에도 플라즈마 변수 중 전자온도를 측정하거나 분석할 수 있다.

Description

플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법{Plasma processing apparatus and method for measuring plasma variable using the same}
본 발명은 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 변수를 측정하기 위해 플라즈마에 인가되는 적어도 2개 신호의 주파수가 고조파이며 위상차이가 있는 경우에 플라즈마 변수 중 전자온도를 측정할 수 있는 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법을 제공한다.
플라즈마 변수 특히 플라즈마 밀도 또는 전자온도는 반도체 및 디스플레이 공정결과에 결정적인 역할을 하기 때문에 플라즈마 밀도 또는 전자온도에 대한 진단법에 대한 연구 또는 개발은 필수적이라고 할 수 있다.
하지만, 플라즈마 밀도 또는 전자온도에 대한 종래의 진단기술은 공정플라즈마와 같이 탐침 프로브의 팁이 증착된 환경에서는 진단이 어렵다는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 부유전위(floating potential) 근처에서 고조파 진단법에 대한 기술이 제시된 바 있다. 그러나, 이 역시 저밀도 플라즈마에서는 제2 고조파의 측정이 어렵기 때문에 전자온도를 정확히 측정하기 힘든 문제가 있다. 본 출원인은 이러한 문제를 해결하기 위해, 부유 고조파 진단법을 기반으로 하여 진폭과 주파수를 다르게 한 2개의 소신호 정현파 전압신호를 동시에 인가하여 플라즈마 변수를 진단하는 방법을 제안한 바 있다.
하지만, 2개의 정현파 전압신호를 동시에 인가하여 플라즈마 변수를 진단하는 방법은 2개의 신호의 주파수가 고조파이며 위상 차이를 가지는 경우에는 전자온도를 측정하거나 분석하지 못하는 한계가 있다. 즉, 2개의 정현파 전압신호의 주파수가 어느 하나가 다른 하나의 정수배가 되고 위상 차이가 있는 경우에는 전자온도를 분석할 수 없었다.
한편, 한국공개특허 제2007-0083803호에 의하면 자기 바이어스 전압을 측정하여 플라즈마 프로세싱 시스템에서 프로세스를 모니터링하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 하지만, 이 공개특허에서는 자기 바이어스 전압을 이용하여 전자온도를 측정하거나 분석하는 기술에 대해서는 개시하고 있지 않으며, 2개의 정현파 신호를 인가하고 그 신호의 주파수가 정수배 관계에 있을 때 전자온도 등의 플라즈마 변수를 어떻게 측정하는지에 대해서는 개시되어 있지 않다.
따라서, 인가되는 2개의 정현파 신호의 주파수가 정수배 관계에 있으면서 동시에 위상 차이가 있는 경우에도 전자 온도를 정확하게 측정하거나 모니터링할 수 있는 기술에 대한 필요성이 커지고 있다.
본 발명은 인가되는 적어도 2개의 정현파 신호가 고조파 즉, 적어도 2개 신호의 주파수가 정수배 관계인 경우에도 전자 온도를 측정할 수 있는 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법을 제공한다.
본 발명은 하나의 주파수가 다른 주파수의 정수배가 되는 적어도 2개의 정현파 신호에 위상 차이가 있는 경우에 생기는 자기 바이어스를 이용해서 부유전위(floating potential)를 세밀하게 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법을 제공한다.
본 발명은 플라즈마 공정 진행 중에도 전자 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법을 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장비는, 챔버; 상기 챔버 내부에 형성된 플라즈마에 정현파 신호를 인가하는 정현파 인가부; 상기 정현파 신호를 생성하여 상기 정현파 인가부에 공급하는 교류전원부; 상기 정현파 인가부와 상기 교류전원부 사이에 연결되는 자기 바이어스 발생부; 및 상기 자기 바이어스 발생부를 이용하여 플라즈마 변수를 측정하는 변수계산부;를 구비하며, 상기 정현파 신호는 주파수가 서로 다른 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성함으로써, 플라즈마 변수를 측정하기 위해 플라즈마에 인가되는 신호가 적어도 2개이고 신호의 주파수가 서로 정수배 관계에 있는 고조파인 경우에도 플라즈마 변수 중 전자온도를 측정하거나 분석할 수 있다.
상기 교류전원부는 상기 제1 정현파 신호의 주파수 및 상기 제2 정현파 신호의 주파수 중 어느 하나가 다른 하나의 정수배가 되게 할 수 있다.
상기 교류전원부는 상기 제1 정현파 신호의 위상과 상기 제2 정현파 신호의 위상을 서로 다르게 생성할 수 있다.
상기 자기 바이어스 발생부에는 상기 제1 정현파 신호와 상기 제2 정현파 신호가 서로 정수배 관계의 주파수를 가지며 위상 차이가 있을 경우에 자기 바이어스가 생길 수 있다.
상기 자기 바이어스 발생부는 상기 정현파 인가부에 직렬로 연결된 캐패시터일 수 있다.
상기 정현파 인가부는 상기 챔버에 관통 형성된 부유 탐침 또는 상기 챔버의 내부에 형성된 하부전극 또는 피처리물 지지부가 될 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면 본 발명은 플라즈마 처리 장비를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법에 있어서, 상기 챔버 내부에 플라즈마를 방전시키는 단계; 상기 정현파 신호를 인가하기 전에 플라즈마에 걸리는 전압을 측정하는 단계; 상기 플라즈마에 정현파 신호를 인가하는 단계; 상기 자기 바이어스 발생부에 걸리는 자기 바이어스를 측정하는 단계; 상기 자기 바이어스의 변화량을 계산하는 단계; 및 상기 자기 바이어스의 변화량을 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산하는 단계;를 포함하는, 플라즈마 변수 측정 방법을 제공할 수 있다.
상기 자기 바이어스의 변화량을 계산하는 단계는 상기 자기 바이어스 발생부에 걸리는 자기 바이어스 전압값의 차이를 측정할 수 있다.
상기 정현파 신호를 인가하는 단계는, 서로 다른 주파수를 가지며 각 주파수가 서로 정수배 관계에 있는 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호를 포함하는 신호를 인가할 수 있다.
상기 자기 바이어스를 측정하는 단계는, 상기 제1 정현파 신호 및 상기 제2 정현파 신호를 각각 상기 정현파 인가부에 인가한 경우 상기 제1 정현파 신호의 주파수와 상기 제2 정현파 신호의 주파수 간의 위상차이에 의해 생기는 자기 바이어스를 측정할 수 있다.
상기 자기 바이어스를 측정하는 단계는, 상기 제1 정현파 신호의 주파수와 상기 제2 정현파 신호의 주파수가 서로 정수배가 될 때 나타나는 사이드밴드 신호를 이용하여 자기 바이어스를 측정할 수 있다.
상기 플라즈마의 전자온도를 계산하는 단계는, 상기 제1 정현파 신호 및 상기 제2 정현파 신호의 진폭 크기, 상기 자기 바이어스의 변화량, 상기 제1 정현파 신호와 상기 제2 정현파 신호의 위상차이를 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법은 플라즈마에 인가되는 적어도 2개의 정현파 신호가 고조파 즉, 적어도 2개 신호의 주파수가 서로 정수배 관계인 경우에도 전자 온도를 측정할 수 있으며, 기존의 단일 랭뮤어 탐침으로 측정한 값과 유사할 정도로 높은 측정 신뢰도를 가진다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법은 하나의 주파수가 다른 주파수의 정수배가 되는 적어도 2개의 정현파 신호에 위상 차이가 있는 경우에 생기는 자기 바이어스를 이용해서 부유전위(floating potential)를 세밀하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법은 별도의 탐침 또는 프로브를 통해서 정현파 신호를 인가할 뿐만 아니라, 챔버 내에 제공되는 기판 등의 피처리물 지지부를 통해서도 정현파 신호를 인가할 수 있기 때문에 플라즈마 공정 진행 중에도 전자 온도를 실시간으로 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 플라즈마 처리 장비의 변형예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법을 단계적으로 설명하기 위한 순서도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비를 이용하여 측정한 자기 바이어스 변화량과 계산된 전자 온도를 보여주는 실험 데이터이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비의 일 실시예를 도시한 도면, 도 2는 도 1에 따른 플라즈마 처리 장비의 변형예를 도시한 도면이다.
우선 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장비(100)는 챔버(101), 챔버(101) 내부에 형성된 플라즈마(P)에 정현파 신호를 인가하는 정현파 인가부(141), 정현파 신호를 생성하여 정현파 인가부(141)에 공급하는 교류전원부(150), 정현파 인가부(141)와 교류전원부(150) 사이에 연결되는 자기 바이어스 발생부(142) 및 자기 바이어스 발생부(142)를 이용하여 플라즈마 변수를 측정하는 변수계산부(160)를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비(100)의 교류전원부(150)에서 만들어지는 정현파 신호는 정현파 전압 신호이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 정현파 신호라고 한다.
챔버(101)는 기판 등 플라즈마 공정 처리가 필요한 피처리물이 제공되는 공간 및 플라즈마(P)가 생성되는 공간을 구비한 용기이다. 챔버(101)의 상부에는 플라즈마를 생성하기 위한 안테나(102)가 설치되며, 안테나(102)는 임피던스 매칭부(130, matching box)와 연결될 수 있다. 임피던스 매칭부(130)는 전원부(132)에 연결될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(102)를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식은 유도결합방식이라고 할 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비(100) 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법은 유도결합방식 뿐만 아니라 용량결합방식에도 모두 적용될 수 있다. 설명의 편의를 위해 유도결합방식 플라즈마에 대해서 설명하기로 한다.
챔버(101)의 하부에는 플라즈마의 발생원이 되는 소스가스 등을 펌핑하는 펌핑 시스템(120)이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장비(100)는 플라즈마의 변수 특히 전자 온도를 측정할 수 있다. 이를 위해, 챔버(101)에는 정현파 인가부(141)가 구비될 수 있는데, 정현파 인가부(141)는 챔버(101)의 벽면을 관통하도록 제공될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 정현파 인가부(141)가 챔버(101)를 관통하여 플라즈마(P)에 정현파 신호를 인가하는 경우에 정현파 인가부(141)는 부유 탐침(floating probe)의 형태를 가진다고 할 수 있다.
정현파 인가부(141)는 교류전원부(150)와 전기적으로 연결될 수 있다. 교류전원부(150)는 정현파 신호를 생성하는 부분이다. 이 때, 교류전원부(150)에서 만들어지는 정현파 신호는 적어도 2개의 신호이다. 교류전원부(150)에서 생성되는 신호는 2개 이상의 신호가 포함될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 신호가 2개인 경우를 예시하여 설명한다.
정현파 신호는 제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152)는 서로 다른 주파수를 가지는 신호이다. 다시 말하면, 정현파 신호는 주파수가 서로 다른 제1 정현파 신호(151) 및 제2 정현파 신호(152)를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장비(100)는 플라즈마 변수를 측정하기 위해 플라즈마에 인가되는 신호가 적어도 2개이고 신호의 주파수가 서로 정수배 관계에 있는 고조파인 경우에도 플라즈마 변수 중 전자온도를 측정하거나 분석할 수 있다.
교류전원부(150)는 제1 정현파 신호(151)의 주파수 및 제2 정현파 신호(152)의 주파수 중 어느 하나가 다른 하나의 정수배가 되게 할 수 있다. 즉, 교류전원부(150)는 제1 정현파 신호(151) 및 제2 정현파 신호(152) 중에서 어느 하나의 주파수가 다른 하나의 주파수의 정수배가 되는 정현파 신호를 만들어낼 수 있다. 이와 같이, 제1 정현파 신호(151) 및 제2 정현파 신호(152) 중 어느 하나의 주파수가 다른 하나의 주파수의 정수배가 되는 경우 제1 및 제2 정현파 신호(151,152)는 고조파 신호가 된다.
또한, 교류전원부(150)는 제1 정현파 신호(151)의 위상과 제2 정현파 신호(152)의 위상을 서로 다르게 생성할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152) 사이에는 위상 차이(
Figure 112013072064940-pat00001
)가 존재한다.
한편, 정현파 인가부(141)와 교류전원부(150) 사이에는 자기 바이어스 발생부(142)가 연결될 수 있다. 교류전원부(150)에서 생성된 제1 및 제2 정현파 신호(151,152)가 자기 바이어스 발생부(142)를 지나게 되면 자기 바이어스 발생부(142)의 양단에는 자기 바이어스 전압이 걸리게 된다. 자기 바이어스 발생부(142)에 걸리는 자기 바이어스(self bias) 또는 자기 바이어스 전압(self bias voltage)값은 변수계산부(160)에서 측정될 수 있다. 여기서, 자기 바이어스 발생부(142)와 교류전원부(150) 사이에는 저항(143)이 연결될 수도 있다.
자기 바이어스 발생부(143)는 정현파 인가부(141)에 직렬로 연결된 캐패시터(capacitor) 또는 정현파 인가부(141)에 연결된 직렬 캐패시터(serial capacitor)라고 할 수 있다.
정현파 신호(151,152)를 플라즈마에 인가하는 정현파 인가부(141)와 자기 바이어스 발생부(142) 즉, 캐패시터가 직렬로 연결되어 있을 경우에 자기 바이어스 효과에 의해서 부유 전위가 이동하게 된다. 이 때, 자기 바이어스 발생부(142)의 양단에 걸리는 자기 바이어스 전압을 측정해야 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장비(100)는 교류전원부(150)에서 만들어지는 제1 및 제2 정현파 신호(151,152)처럼 하나의 주파수가 다른 주파수의 정수배가 되는 고조파이면서 적어도 2개의 정현파 신호 사이에 위상차이가 있기 때문에 자기 바이어스 발생부(141)에 걸리는 자기 바이어스 전압을 이용해서 부유전위를 보다 정밀하게 제어할 수도 있다.
자기 바이어스 발생부(142)에는 제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152)가 서로 정수배 관계의 주파수를 가지며 위상 차이가 있을 경우에 자기 바이어스가 생길 수 있다.
자기 바이어스 발생부(142)에 자기 바이어스 전압이 걸리기 위해서는 정현파 인가부(141)에 인가되는 적어도 2개의 정현파 신호 중 어느 2개의 신호(즉, 이중 주파수 신호)의 주파수가 서로 정수배 관계에 있어야 하고(즉, 고조파), 2개의 정현파 신호 사이에 위상차이가 있어야 한다. 즉, 인가되는 정현파 신호가 이러한 3가지 조건을 모두 만족하는 경우에 자기 바이어스 발생부(142)에 자기 바이어스 전압이 걸릴 수 있다.
한편, 변수계산부(160)는 자기 바이어스 발생부(142)에 걸리는 자기 바이어스 전압을 측정하여 전자 온도를 구할 수 있다. 보다 자세하게는, 변수계산부(160)는 자기 바이어스 발생부(142)에 걸리는 자기 바이어스(또는 자기 바이어스 전압)으로부터 자기 바이어스 변화량(또는 자기 바이어스 전압 변화량)을 구하고, 이를 이용하여 전자 온도를 구할 수 있다.
제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152)를 각각 정현파 인가부(141)에 인가하고, 정현파 신호의 인가 전후에 따른 전압을 측정한다. 이와 같이 측정하게 되면, 정현파 신호를 인가하기 전에 플라즈마에 걸리는 전압과, 정현파 신호(151,152)가 인가되었을 때 자기 바이어스 발생부(142)에 걸리는 자기 바이어스 전압을 각각 측정할 수 있다. 각각 측정된 전압의 차이로부터 자기 바이어스 변화량(자기 바이어스 전압 변화량)을 얻을 수 있다.
변수계산부(160)는 자기 바이어스 변화량을 이용하여 전자 온도를 계산해 낼 수 있다. 이 때, 변수계산부(160)는 제1 정현파 신호(151)의 진폭 크기(전압크기) 및 제2 정현파 신호(152)의 진폭 크기(전압크기), 자기 바이어스의 변화량, 제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152)의 위상차이를 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 정현파 신호(151,152)의 진폭 크기, 제1 및 제2 정현파 신호(151,152)의 위상 차이는 이미 알고 있고, 자기 바이어스 변화량은 측정에 의해서 얻을 수 있다. 이와 같이 얻어진 값들을 이용해서 변수계산부(160)는 전자 온도를 계산할 수 있다. 전자 온도를 계산하는 보다 자세한 방법은 후술하도록 한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장비의 변형예가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 플라즈마 처리 장비(200)는 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장비(100)와 정현파 인가부에 차이가 있다. 즉, 본 발명의 변형예에 따른 플라즈마 처리 장비(200)는 챔버(201), 챔버(201) 내부에 형성된 플라즈마(P)에 정현파 신호를 인가하는 정현파 인가부(245), 정현파 신호를 생성하여 정현파 인가부(245)에 공급하는 교류전원부(250), 정현파 인가부(245)와 교류전원부(250) 사이에 연결되는 자기 바이어스 발생부(242) 및 자기 바이어스 발생부(242)를 이용하여 플라즈마 변수를 측정하는 변수계산부(260)를 구비할 수 있다.
여기서, 정현파 인가부(245)는 챔버(201)를 관통하는 형태가 아니라 챔버(201)의 내부에 구비되어 기판 등 플라즈마 처리가 시행되는 피처리물이 놓이는 피처리물 지지부(245)로 구현될 수 있다. 즉, 별도의 정현파 인가부를 구비하지 않고 플라즈마 공정 처리에 사용되는 장비에 구비되어 있는 피처리물 지지부(245)에 정현파 신호(251,252)를 인가할 수 있다. 이 때, 정현파 인가부는 피처리물 지지부 대신 플라즈마 발생에 사용되는 하부전극이 될 수도 있다.
이와 같이, 정현파 인가부는 챔버(101)에 관통 형성된 부유 탐침(141) 또는 챔버(201)의 내부에 형성된 하부전극 또는 피처리물 지지부(245)가 될 수 있다.
도 1에 도시된 플라즈마 처리 장비(100)와 달리 도 2에 도시된 플라즈마 처리 장비(200)는 플라즈마 처리 공정을 위해 챔버(201)의 내부에 구비된 피처리물 지지부(245) 또는 하부전극에 정현파 신호를 인가하기 때문에 플라즈마 변수 또는 전자 온도를 측정하기 위해서 플라즈마 공정을 중단할 필요가 없으며, 플라즈마 공정을 진행하면서 실시간으로 플라즈마 변수 또는 전자 온도를 측정하거나 분석할 수 있다.
챔버(201)의 상부에는 플라즈마 발생을 위한 안테나(302), 임피던스 매칭부(330), 전원부(332)가 구비될 수 있다.
정현파 인가부(245)에는 자기 바이어스 발생부(242)가 직렬로 연결될 수 있는데, 자기 바이어스 발생부(242)는 캐패시터인 것이 바람직하다. 교류전원부(250)에서 생성된 제1 정현파 신호(251) 및 제2 정현파 신호(252)가 각각 자기 바이어스 발생부(242)에 인가되면 자기 바이어스 발생부(242)에는 자기 바이어스(또는 자기 바이어스 전압, Vout)이 걸리게 된다. 변수계산부(260)는 자기 바이어스를 측정하여 전자 온도를 계산할 수 있다. 정현파 인가부(245)를 제외하면 나머지 구성 및 작동 원리 등은 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장비(100)와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.
이하에서는 도면을 참조하며, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법에 대해서 설명한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 1의 장비를 이용하여 플라즈마 변수를 측정하는 방법에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법을 단계적으로 설명하기 위한 순서도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비(100)를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법은, 챔버(101) 내부에 플라즈마를 방전시키는 단계(1100), 정현파 신호를 인가하기 전에 플라즈마에 걸리는 전압(Vf)을 측정하는 단계(1200), 플라즈마에 정현파 신호(151,152)를 인가하는 단계(1300), 자기 바이어스 발생부(141)에 걸리는 자기 바이어스를 측정하는 단계(1400), 자기 바이어스의 변화량을 계산하는 단계(1500) 및 자기 바이어스의 변화량을 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산하는 단계(1600)를 포함할 수 있다.
플라즈마를 방전시키는 단계(1100)는 안테나(102), 임피던스 매칭부(130) 및 전원부(132)에 의해서 챔버(101) 내부에 플라즈마(P)를 만들게 된다. 플라즈마 방전에 의해서 플라즈마가 생성된 후에는 플라즈마 변수 즉, 전자 온도를 측정하기 위한 과정이 수행된다.
이 때, 플라즈마에 정현파 신호(151,152)를 인가하는 단계(1300)는 정현파 인가부(141)에 이중 주파수 신호를 인가하는 단계이다. 정현파 신호를 인가하는 단계(1300) 전후에 플라즈마에 걸리는 전압(또는 자기 바이어스 전압)을 측정할 수 있다(1200, 1400 참조).
정현파 인가부(141)를 통해 플라즈마에 정현파 신호(151,152)를 인가하기 전에 플라즈마에 걸리는 전압, 즉, 플라즈마 전위(Vf)를 먼저 측정한다(1200). 즉, 단계 1200에서 측정하는 자기 바이어스 전압(Vf)은 정현파 신호를 인가하지 않은 상태에서 측정되는 플라즈마에 걸리는 자기 바이어스 전압이라고 할 수 있다.
이후에, 정현파 신호(151,152)를 정현파 인가부(141)에 인가하고(1300), 자기 바이어스 발생부(142)에 걸리는 자기 바이어스 전압(Vf')를 측정한다(1400).
자기 바이어스의 변화량을 계산하는 단계(1500)는 플라즈마에 걸리는 전압(Vf)과 자기 바이어스 발생부(142)에 걸리는 자기 바이어스 전압(Vf')의 차이를 계산할 수 있다. 즉, 단계 1200과 1400에서 측정된 전압(Vf,Vf')의 차이(Vf-Vf'=△Vf)를 계산하게 된다.
정현파 신호를 인가하는 단계(1300)는, 서로 다른 주파수를 가지며 각 주파수가 서로 정수배 관계에 있는 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호를 포함하는 신호를 인가할 수 있다. 즉, 고조파이고 위상 차이가 있는 이중 주파수 신호를 인가할 수 있다.
한편, 자기 바이어스를 측정하는 단계(1400)는, 제1 정현파 신호(151) 및 제2 정현파 신호(152)를 각각 정현파 인가부(141)에 인가한 경우 제1 정현파 신호(151)의 주파수와 제2 정현파 신호(152)의 주파수 간의 위상차이에 의해 생기는 자기 바이어스 전압(Vf')을 측정할 수 있다.
제1 및 제2 정현파 신호(151,152)의 주파수가 서로 정수배 관계에 있으면서 동시에 위상 차이가 있을 경우에만 자기 바이어스 발생부(142)에 자기 바이어스가 걸리게 된다. 제1 정현파 신호(151)의 주파수를 ω1이라 하고, 제2 정현파 신호(152)의 주파수를 ω2라고 하면,
Figure 112013072064940-pat00002
의 관계가 성립한다. 그리고, 제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152) 사이에는 위상 차이(
Figure 112013072064940-pat00003
)가 존재해야 한다.
플라즈마에 정현파 신호(151,152)를 인가하는 단계(1300)에서 인가되는 정현파 신호(즉, 정현파 전압 신호, VB)는 [수학식 1]과 같다.
Figure 112013072064940-pat00004
[수학식 1]에서 v1, v2는 각각 제1 정현파 신호(151)의 진폭(전압크기), 제2 정현파 신호(152)의 진폭(전압크기)이고, ω1 및 ω2는 정현파 신호의 주파수이며, ø는 정현파 신호의 위상차이다. 여기서, Vf는 측정에 의해서 알고 있는 값이고, v1, v2 , ω1, ω2, ø는 모두 알고 있는 값이다.
한편, 자기 바이어스 변화량(Vf-Vf'=△Vf)은 다음 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013072064940-pat00005
[수학식 2]에서 Vp는 플라즈마 전위이며 Vf와 동일한 값을 가진다고 볼 수 있다. [수학식 2]에 제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152)의 주파수가 서로 정수배가 될 때 나타나는 사이드밴드 신호(sideband signal)를 정리해 주면 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013072064940-pat00006
[수학식 2]에서 전자 온도(Te)를 제외한 나머지 값들은 모두 알고 있는 값이다. 따라서, [수학식 2]에서 전자 온도(Te)를 계산해 낼 수 있다.
플라즈마의 전자온도를 계산하는 단계(1600)는, 변수계산부(160)에서 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 플라즈마 변수 중 전자 온도(Te)를 계산하게 된다.
플라즈마의 전자온도를 계산하는 단계(1600)는, 제1 정현파 신호(151) 및 제2 정현파 신호(152)의 진폭 크기(v1, v2), 자기 바이어스의 변화량(△Vf), 제1 정현파 신호(151)와 제2 정현파 신호(152)의 위상차이(ø)를 이용하여 플라즈마의 전자온도(Te)를 계산할 수 있다.
또한, 자기 바이어스를 측정하는 단계(1400)는, 제1 정현파 신호(151)의 주파수와 제2 정현파 신호(152)의 주파수가 서로 정수배가 될 때 나타나는 사이드밴드 신호를 이용하여 자기 바이어스를 측정할 수 있다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장비를 이용하여 측정한 자기 바이어스 변화량과 계산된 전자 온도를 보여주는 실험 데이터이다.
도 4 내지 도 6에는 50W 아르곤(Ar) 플라즈마에서 압력이 각각 3m Torr, 50m Torr, 100m Torr일 때 측정한 △Vf와 계산한 전자 온도(Te)를 보여주는 실험데이터이다.
도 4 내지 도 6에서 왼쪽의 그래프는 상기에서 설명한 자기 바이어스 값을 두 주파수의 위상 차이에 따라서 측정한 값(△Vf)이며, 오른쪽의 그래프는 상기에서 설명한 바와 같이 계산된 전자온도(Te)의 값이다. 위상 차이에 따른 전자온도의 값이 비슷한 값을 보이는 것을 확인할 수 있으며 위상 차이를 가지는 적어도 두 개의 고조파를 이용했을 때 전자온도를 측정한 것은 신뢰성을 보인다고 할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명은 2개의 정현파 신호가 인가되는 경우 뿐만 아니라, 3개 또는 4개 이상 다수개의 정현파 신호가 인가되는 경우에도 적용될 수 있음을 밝혀둔다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100,200: 플라즈마 처리 장비
101,201: 챔버
130,230: 임피던스 매칭부
141,245: 정현파 인가부
142,242: 자기 바이어스 발생부
150,250: 교류전원부
151,251: 제1 정현파 신호
152,252: 제2 정현파 신호
160,260: 변수계산부

Claims (12)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 형성된 플라즈마에 정현파 신호를 인가하는 정현파 인가부;
    상기 정현파 신호를 생성하여 상기 정현파 인가부에 공급하는 교류전원부;
    상기 정현파 인가부와 상기 교류전원부 사이에 연결되는 자기 바이어스 발생부; 및
    상기 자기 바이어스 발생부를 이용하여 플라즈마 변수를 측정하는 변수계산부;를 구비하며,
    상기 정현파 신호는 주파수가 서로 다른 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호를 포함하며,
    상기 자기 바이어스 발생부에는 상기 제1 정현파 신호와 상기 제2 정현파 신호가 서로 정수배 관계의 주파수를 가지며 위상 차이가 있을 경우에 자기 바이어스가 생기는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장비
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교류전원부는 상기 제1 정현파 신호의 주파수 및 상기 제2 정현파 신호의 주파수 중 어느 하나가 다른 하나의 정수배가 되게 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 교류전원부는 상기 제1 정현파 신호의 위상과 상기 제2 정현파 신호의 위상을 서로 다르게 생성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장비.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 바이어스 발생부는 상기 정현파 인가부에 직렬로 연결된 캐패시터인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장비.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정현파 인가부는 상기 챔버에 관통 형성된 부유 탐침 또는 상기 챔버의 내부에 형성된 하부전극 또는 피처리물 지지부인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장비.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 플라즈마 처리 장비를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법에 있어서,
    상기 챔버 내부에 플라즈마를 방전시키는 단계;
    상기 정현파 신호를 인가하기 전에 플라즈마에 걸리는 전압을 측정하는 단계;
    상기 플라즈마에 정현파 신호를 인가하는 단계;
    상기 자기 바이어스 발생부에 걸리는 자기 바이어스 전압을 측정하는 단계;
    상기 자기 바이어스의 변화량을 계산하는 단계; 및
    상기 자기 바이어스의 변화량을 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산하는 단계;
    를 포함하는, 플라즈마 변수 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 자기 바이어스의 변화량을 계산하는 단계는 상기 플라즈마에 걸리는 전압과 상기 자기 바이어스 발생부에 걸리는 자기 바이어스 전압의 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 변수 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 정현파 신호를 인가하는 단계는,
    서로 다른 주파수를 가지며 각 주파수가 서로 정수배 관계에 있는 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호를 포함하는 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 변수 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자기 바이어스를 측정하는 단계는,
    상기 제1 정현파 신호 및 상기 제2 정현파 신호를 각각 상기 정현파 인가부에 인가한 경우 상기 제1 정현파 신호의 주파수와 상기 제2 정현파 신호의 주파수 간의 위상차이에 의해 생기는 자기 바이어스를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 변수 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자기 바이어스를 측정하는 단계는,
    상기 제1 정현파 신호의 주파수와 상기 제2 정현파 신호의 주파수가 서로 정수배가 될 때 나타나는 사이드밴드 신호를 이용하여 자기 바이어스를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 변수 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마의 전자온도를 계산하는 단계는,
    상기 제1 정현파 신호 및 상기 제2 정현파 신호의 진폭 크기, 상기 자기 바이어스의 변화량, 상기 제1 정현파 신호와 상기 제2 정현파 신호의 위상차이를 이용하여 플라즈마의 전자온도를 계산하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 변수 측정 방법.
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