KR101756325B1

KR101756325B1 - 평면형 플라즈마 진단 장치

Info

Publication number: KR101756325B1
Application number: KR1020160007397A
Authority: KR
Inventors: 김정형; 성대진; 유신재; 김대웅
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2017-07-10

Abstract

본 발명은 플라즈마 진단 장치를 제공한다. 이 평면형 플라즈마 진단 장치는 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함한다.

Description

평면형 플라즈마 진단 장치{Planar Type Plasma Diagnosis Apparatus}

본 발명은 플라즈마 밀도 측정에 관한 것으로, 더 구체적으로, 주파수 가변 초고주파 전자기파를 방사하는 평면형 방사 안테나와 플라즈마를 투과한 초고주파 전자기파를 수신하는 평면형 수신 안테나를 구비한 플라즈마 진단 장치에 관한 것이다.

플라즈마 밀도는 플라즈마 공정의 아웃풋, 효율, 공정 속도 등에 관련된 중요한 인자로써 그에 대한 정확한 측정을 위하여 다양한 방법이 개발되어 왔다. 컷오프 프로브 방법은 플라즈마와 컷오프 프로브로부터 방사되는 마이크로웨이브의 상호 간섭을 이용한 방법이다. 수 mm 의 길이를 가지는 원통형의 작은 팁을 플라즈마 내부게 삽입하고 이로부터 방사되는 마이크로웨이브와 플라즈마를 투과되어 들어오는 투과 스펙트럼을 얻는다. 투과 스펙트럼의 플라즈마 공진 픽으로부터 플라즈마 밀도를 측정하는 방법으로써 그 정확도와 측정의 수월성으로 인하여 공정 진단 등에 폭 넓게 활용되어 왔다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 다양한 구조물에 용이하게 집적될 수 있는 플라즈마 진단 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 플라즈마 진단 장치는 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함한다. 상기 방사 안테나는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극; 상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및 상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함한다. 상기 수신 안테나는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극; 상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및 상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함한다. 상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방사 안테나 접지 전극과 상기 수신 안테나 접지 전극은 일체형일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방사 안테나 코어 전극의 원뿔각 및 상기 방사 안테나 절연체의 원뿔각은 45도 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 면적이 넓은 위치에서 상기 방사 안테나 코어 전극의 직경은 4 내지 6mm이고, 면적이 넓은 위치에서 상기 방사 안테나 절연체의 직경은 10 내지 20 mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마에 노출되는 상기 방사 안테나의 노출면과 상기 수신 안테나의 노출면을 덮고 있는 보호 절연체를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 방사 안테나에 상기 초고주파를 제공하고 상기 수신 안테나에서 상기 초고주파를 수신하여, 투과 스펙트럼을 산출하는 주파수 스펙트럼 분석기; 및 상기 투과 스펙트럼을 분석하여 공진 픽으로부터 플라즈마 컷오프 주파수를 추출하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예 따른 평면형 플라즈마 진단 장치는 금속판; 상기 금속판에 매몰되어 배치되는 복수의 수신 안테나; 및 상기 금속판에 매몰되어 배치되는 복수의 방사 안테나를 포함한다. 상기 수신 안테나와 상기 방사 안테나는 서로 이웃하게 배치되어 서로 한 쌍을 이룬다. 상기 방사 안테나는 상기 금속판에 매몰되고 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극; 및 상기 금속판에 매몰되고 상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체를 포함한다. 상기 수신 안테나는 상기 금속판에 매몰되고 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극; 및 상기 금속판에 매몰되고 상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체;를 포함한다. 상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전척은 매몰된 컷오프 프로브를 포함한다. 상기 컷오프 프로브는 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함한다. 상기 방사 안테나는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극; 상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및 상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함한다. 상기 수신 안테나는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극; 상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및 상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함한다. 상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 정전척은 RF 전력을 인가하여 플라즈마를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 컷오프 프로브를 포함한다. 상기 컷오프 프로브는 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함한다. 상기 방사 안테나는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극; 상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및 상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함한다. 상기 수신 안테나는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극; 상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및 상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함한다. 상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 컷오프 프로브는 평면 구조를 가지고 있어 다양한 구조물에 집적될 수 있으며, 상부면에 보호 절연체가 존재하는 경우에도 플라즈마 진단을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 원통형 팁을 사용하는 컷오프 프로브 대비하여 별도의 구조물을 삽입하지 않고 평면의 구조물에 삽입될 수 있다. 또한 컷오프 프로브는 기존의 원통형 팁을 이용하는 컷오프 프로브 방법과 비교하여 높은 일치성을 보여준다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 진단 장치의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치를 설명하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 컷오프 프로브 모듈을 설명하는 사시도이다.
도 6 내지 9는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 컷오프 프로브를 장착한 정전척을 설명하는 개념도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치의 안테나 구조에 따른 실험 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치의 실험 결과를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치의 보호 절연체를 구비한 실험 결과를 나타낸다.

기존의 컷오프 프로브는 수 mm 의 원통형 팁을 팁과 이어진 동축 케이블을 통하여 플라즈마 내부에 삽입하여 측정한다. 이때 팁과 동축 케이블 구조물 자체에 의하여 발생하는 구조적인 플라즈마에 대한 간섭으로 인하여 그 활용에 제한이 있었다. 실시간의 공정 등에서는 공정이 진행되고 있는 내부에 컷오프 프로브를 삽입 할 수 없으므로 실시간 공정 진단 등에 활용하지 못하는 단점이 있었다. 이를 위하여 기존의 공정 챔부 내부의 구조를 변형하지 않고 컷오프 프로브를 삽입하여 투과 스펙트럼을 얻고 밀도를 측정하는 것에 대한 요구가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 원통형의 작은 팁을 플라즈마 내부에 삽입하는 방식이 아닌, 평면 형태의 안테나 팁을 기존의 평면 형태의 공정 챔부 내부의 구조물에 삽입함으로써, 플라즈마에 대한 구조적인 간섭을 최소화한다.

기존의 원통형 컷오프 프로브는 상기 기술한 바와 같은 구조물은 플라즈마가 발생하는 챔버 내부에 삽입하여야 하기 때문에 플라즈마 자체에 대한 구조적인 간섭을 가지고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 기존의 원통형의 팁 대신에 평면 형태의 팁을 가지면서도 기존의 컷오프 프로브와 같은 정확한 밀도 진단을 가능하게 하는 평면형 컷오프 프로브 또는 플라즈마 진단 장치를 제안한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 컷오프 프로브는 정전척(electrostatic chuck)이나 기계척(mechanical chuck)에 장착되어 RF 바이어스가 인가된 상태에서도 플라즈마 밀도를 실시간으로 측정할 수 있다. 따라서, 평면형 컷오프는 공정 진단 및 공정 종료 시점 검출 수단으로 사용될 수 있다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예와 결과 등에 대해 설명하고자 한다. 이하의 실시 예와 결과는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치를 나타내는 평면도이다.

도 2는 도 1의 플라즈마 진단 장치의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 플라즈마 진단 장치(100)는 컷오프 프로브(110)를 포함한다. 상기 컷오프 프로브(100)는 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나(112); 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나(114)를 포함한다.

상기 컷오프 프로브(110)는 상기 방사 안테나(112)를 통하여 주파수를 스캔하면서 초주파수 전자기파를 플라즈마에 방사하고, 상기 플라즈마를 투과한 전자기파를 상기 수신 안테나(114)를 통하여 수신하여, 주파수에 따른 투과계수를 추출하고 상기 투과계수의 특성을 분석하여 플라즈마 컷오프 주파수를 추출한다. 상기 플라즈마 컷오프 주파수는 플라즈마 밀도와 일대일 대응된다. 상기 플라즈마 컷오프 주파수는 플라즈마 밀도를 진단할 수 있다.

플라즈마를 사용하는 모든 공정에서, 안정적인 플라즈마 밀도의 모니터링이 요구된다. 상기 플라즈마 진단 장치는 탐침 형태로 플라즈마 발생 용기 내부에 삽입되어, 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 플라즈마 진단 장치(100)는 평면형 방사 안테나(110)와 평면형 수신 안테나(1120)를 구비하여, 플라즈마 발생 용기 내부에 삽입되는 어떤 구조물에도 장착될 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 진단 장치(100)는 반도체 기판을 고정하는 정전척에 장착되어 실시간 플라즈마 밀도를 모니터링할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 진단 장치는 플라즈마에 노출되어 처리된 피처리물을 고정하는 부품 또는 플라즈마 발생 용기의 내벽에 장착될 수 있다.

상기 방사 안테나(112)는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극(112a); 상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체(112b); 및 상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극(111a)을 포함한다. 상기 방사 안테나 접지 전극은 판 형상이고, 상기 방사 안테나 코어 전극(112a) 및 상기 방사 안테나 절연체(112b)는 상기 방사 안테나 접지 전극에 매몰된다. 상기 방사 안테나 코어 전극(112a)의 상부면 및 상기 방사 안테나 절연체(112b)의 상부면은 외부로 노출되고 동일한 평면에 배치된다.

상기 방사 안테나 코어 전극(112a)은 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 금, 은과 같은 전기 전도도가 높은 물질일 수 있다. 상기 방사 안테나 절연체(112b)는 세라믹, 플라스틱, 또는 수지등 일 수 있다. 상기 방사 안테나 절연체(112b)는 플라즈마에 의하여 가열되어도 성질 및 형상이 변하지 않는 세라믹 재질이 바람직할 수 있다. 상기 방사 안테나 코어(112a)의 재질은 식각 가스에 대한 내식각성을 가진 물질이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 방사 안테나 절연체(112b)는 식각 가스에 대한 내식각성을 가진 물질이 바람직할 수 있다.

상기 방사 안테나 코어 전극(112a)의 원뿔 형상 및 상기 방사 안테나 절연체(112b)의 원뿔 형상은 초고주파에 대한 임피던스 매칭(Impedance matching)을 위하여 설정된다. 상기 방사 안테나 접지 전극(111a)은 도전체로 전기적으로 접지되고, 식각 가스에 대한 내식각성을 가진 물질이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 방사 안테나 접지 전극(111a)은 판 형태로 스테인레스 스틸, 절연체로 표면 처리된 알루미늄 등일 수 있다.

상기 방사 안테나 코어 전극(112a)의 하부면은 제1 동축 케이블 커넥터(116)를 통하여 동축 케이블에 연결될 수 있다. 상기 동축 케이블의 특성 임피던스는 50 오옴일 수 있다.

상기 수신 안테나(114)는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극(114a); 상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체(114b); 및 상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극(111b)을 포함한다. 상기 방사 안테나(112)의 상부면 및 상기 수신 안테나(114)의 상부면은 평면이다. 상시 수신 안테나 접지 건극은 판 형상이고, 상기 수신 안테나 코어 전극 및 상기 수신 안테나 절연체는 상기 수신 안테나 접지 전극에 매몰된다. 상기 수신 안테나 코어 전극의 상부면 및 상기 수신 안테나 절연체의 상부면은 외부로 노출되고 동일한 평면에 배치된다.

상기 수신 안테나 코어 전극(114a)은 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 금, 은과 같은 전기 전도도가 높은 물질일 수 있다. 상기 수신 안테나 절연체(114b)는 세라믹, 플라스틱, 또는 수지등 일 수 있다. 상기 수신 안테나 절연체(114b)는 플라즈마에 의하여 가열되어도 성질 및 형상이 변하지 않는 세라믹 재질이 바람직할 수 있다. 상기 수신 안테나 코어(114a)의 재질은 식각 가스에 대한 내식각성을 가진 물질이 바람직할 수 있다. 또한, 상기 수신 안테나 절연체(114b)는 식각 가스에 대한 내식각성을 가진 물질이 바람직할 수 있다.

상기 수신 안테나 코어 전극(114a)의 원뿔 형상 및 상기 수신 안테나 절연체(114b)의 원뿔 형상은 초고주파에 대한 임피던스 매칭(Impedance matching)을 위하여 설정된다. 상기 수신 안테나 접지 전극(111b)은 도전체로 전기적으로 접지되고, 식각 가스에 대한 내식각성을 가진 물질이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 수신 안테나 접지 전극(111b)은 스테인레스 스틸, 절연체로 표면 처리된 알루미늄 등일 수 있다.

상기 수신 안테나 코어 전극(114a)의 하부면은 제2 동축 케이블 커넥터(118)를 통하여 동축 케이블에 연결될 수 있다. 상기 동축 케이블의 특성 임피던스는 50 오옴일 수 있다.

상기 방사 안테나 접지 전극(111a)과 상기 수신 안테나 접지 전극(111b)은 일체형일 수 있다. 즉, 상기 방사 안테나 코어 전극(112a)과 상기 수신 안테나 코어 전극(114a)은 동일한 안테나 접지 전극에 매몰되어 배치될 수 있다.

상기 방사 안테나 절연체(112b)와 상기 수신 안테나 절연체(114b) 사이의 거리(gap)는 수 밀리미터 이내일 수 있다. 상기 방사 안테나 코어 전극의 원뿔각 및 상기 방사 안테나 절연체의 원뿔각은 45도 이하일 수 있다. 바람직하게는, 상기 방사 안테나 코어 전극의 원뿔각은 5도 내지 10도 일 수 있다. 상기 방사 안테나 절연체의 원뿔각은 15 도 내지 20 도 일 수 있다. 면적이 넓은 위치(상부면)에서 상기 방사 안테나 코어 전극의 직경은 4 내지 6 mm이고, 면적이 넓은 위치(상부면)에서 상기 방사 안테나 절연체의 직경은 10 내지 20 mm일 수 있다.

주파수 스펙트럼 분석기(120)는 상기 방사 안테나(112)에 상기 초고주파를 제공하고 상기 수신 안테나(114)에서 상기 초고주파를 수신하여, 투과 스펙트럼(S21)을 산출한다. 주파수 스펙트럼 분석기는 시간에 따라 초고주파의 주파수를 스캔하여 출력하고, 상기 초고주파 출력은 동축 케이블을 통하여 상기 제1 동축 케이블 커넥터를 통하여 방사 안테나에 제공된다. 수신 안테나와 상기 제2 동축 케이블 커넥터를 통하여 수신된 초고주파 투과 신호는 동축 케이블을 통하여 상기 주파수 스펙트럼 분석의 입력단으로 제공된다. 상기 주파수 스펙트럼 분석기는 주파수에 따른 투과계수를 산출한다.

제어부(130)는 상기 투과 스펙트럼을 분석하여 공진 픽으로부터 플라즈마 컷오프 주파수를 추출한다. 상기 제어부(130)는 상기 투과계수를 제공받아, 상기 투과 계수를 분석하여 플라즈마 컷오프 주파수를 추출하고, 플라즈마 밀도로 변환한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치를 설명하는 단면도이다. 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 컷오프 프로브(110a)는 방사 안테나(112) 및 수신 안테나(114)를 포함한다. 보호 절연체(119)는 상기 플라즈마에 노출되는 상기 방사 안테나(112)의 노출면과 상기 수신 안테나(114)의 노출면을 덮고 있다.

플라즈마는 산소, 염소, 불소를 포함하는 식각 가스를 사용하여 기판을 처리할 수 있다. 이러한 식각 가스는 금속 또는 반도체를 용이하게 식각할 수 있다. 따라서, 플라즈마 진단 장치는 이러한 식각 가스에 대하여 내식각성을 유지할 필요가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 플라지마 진단 장치는 상기 수신 안테나 및 상기 방사 안테나의 식각을 방지하는 보호 절연체(119)를 더 포함할 수 있다. 상기 보호 절연체(119)는 플라즈마에 노출되는 상기 방사 안테나(112)의 상부면 및 상기 수신 안테나(114)의 상부면을 덮을 수 있다. 상기 보호 절연체(119)는 절연판, 필름 또는 박막 형태로 구성될 수 있다. 실험 결과에 따르면, 수 밀리미터 이하의 쿼츠 판이 상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면을 덮인 경우에도, 플라즈마 컷오프 주파수가 측정되었다.

상기 보호 절연체(119)의 재질은 쿼츠, 유리, 알루미나, 또는 세라믹일 수 있다. 상기 보호 절연체의 두께는 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터일 수 있다. 보호 절연체는 두께가 일정한 판 형상일 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하는 개념도이다.

도 5는 도 4의 컷오프 프로브 모듈을 설명하는 사시도이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 플라즈마 처리 장치(200)는 컷오프 프로브 모듈(210)을 포함한다. 상기 컷오프 프로브 모듈(210)은 복수의 컷어프 프로브(110)를 포함한다. 상기 컷오프 프로브(110) 각각은 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나(112); 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나(114)를 포함한다.

상기 플라즈마 처리 장치(200)는 플라즈마 발생 용기(2554), 상기 플라즈마 발생 용기(254) 내부 또는 외부에 배치되어 플라즈마를 형성하는 플라즈마 발생 수단(253), 및 상기 플라즈마 발생 수단(253)에 RF 전력을 공급하는 RF 전원(252), 및 상기 RF 전원과 상기 플라즈마 발생 수단 사이에 배치되어 임피던스를 조절하는 임피던스 매칭부(251)를 포함한다.

상기 방사 안테나(112)는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극; 상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및 상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함한다.

상기 수신 안테나(114)는 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극; 상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및 상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함한다. 상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이다.

상기 복수의 컷오프 프로브는 하나의 안테나 접지 전극(211)에 매설될 수 있다. 이에 따라, 상기 방사 안테나 접지 전극과 상기 수신 안테나 접지 전극은 일체형일 수 있다. 상기 안테나 접지 전극에 복수 개의 컷오프 프로브가 매설된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컷오프 프로브를 장착한 정전척을 설명하는 개념도이다.

도 6을 참조하면, 상기 정전척(40)은 매몰된 컷오프 프로브(110)를 포함한다. 상기 정전척(40)은 웨이퍼(10)를 고정하는 정전척 모듈(41), 상기 정전척 모듈의 하부에 배치된 RF 전극 모듈(43), 상기 RF 전극 모듈을 감싸고 있는 절연 부재(44), 및 상기 정전척 모듈(41)의 측면에 배치된 포커스 링(42)을 포함할 수 있다.

상기 컷오프 프로브(110)는 상기 정전척 모듈(41)에 삽입되어 배치될 수 있다. 상기 컷오프 프로브(110)는 보호 절연막을 포함하고, 상기 보호 절연막은 상기 정전척 모듈(41)의 정전 전극(41a) 상에 배치된 절연체의 의하여 대체될 수 있다. RF 전극 모듈(43)은 RF 전원(16)에 의하여 RF 전력을 공급받는다. 상기 정전척 모듈(41)은 DC 전원(15)으로 부터 DC 전력을 RF 필터(14)를 통하여 공급받는다.

다시, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 컷오프 프로브(110)는 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컷오프 프로브를 장착한 정전척을 설명하는 개념도이다.

도 7을 참조하면, 상기 정전척(50)은 매몰된 컷오프 프로브(110)를 포함한다. 상기 정전척(50)은 웨이퍼(10)를 고정하는 정전척 모듈(51), 상기 정전척 모듈의 하부에 배치된 온도조절 모듈(53), 상기 온도 조절 모듈(53)을 감싸고 있는 절연 부재(54), 및 상기 정전척 모듈(51)의 측면에 배치된 포커스 링(52)을 포함할 수 있다.

상기 컷오프 프로브(110)는 상기 정전척 모듈(51)에 삽입되어 배치될 수 있다. 상기 컷오프 프로브(110)는 보호 절연막을 포함하고, 상기 보호 절연막은 상기 정전척 모듈(51)의 정전 및 RF 전극(51a) 상에 배치된 절연체의 의하여 대체될 수 있다. 상기 정전 및 RF 전극(51a)은 RF 전원(16)에 의하여 RF 전력을 공급받고, DC 전원(15)으로 부터 DC 전력을 RF 필터(14)를 통하여 공급받는다.

상기 컷오프 프로브(110)는 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컷오프 프로브를 장착한 정전척을 설명하는 개념도이다.

도 8을 참조하면, 상기 정전척(60)은 매몰된 컷오프 프로브(110)를 포함한다. 상기 정전척(60)은 웨이퍼(10)를 고정하는 정전척 모듈(61), 상기 정전척 모듈(61)을 감싸고 있는 절연 부재(64), 및 상기 정전척 모듈(61)의 측면에 배치된 포커스 링(62)을 포함할 수 있다.

상기 컷오프 프로브(110)는 상기 정전척 모듈(61)에 삽입되어 배치될 수 있다. 상기 컷오프 프로브(110)는 보호 절연막을 포함하고, 상기 보호 절연막은 상기 정전척 모듈(61) 상에 배치된 절연 부재(64)에 의하여 대체될 수 있다. 상기 정전척 모듈(61)은 RF 전원(16)에 의하여 RF 전력을 공급받고, DC 전원(15)으로 부터 DC 전력을 RF 필터(14)를 통하여 공급받는다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 컷오프 프로브를 장착한 정전척을 설명하는 개념도이다.

도 9를 참조하면, 상기 정전척(70)은 매몰된 컷오프 프로브(110)를 포함한다. 상기 정전척(70)은 웨이퍼(10)를 고정하는 정전척 모듈(71), 상기 정전척 모듈(71)을 감싸고 있는 절연 부재(74), 상기 정전척 모듈(71)의 측면에 배치된 포커스 링(72)을 포함할 수 있다. 상기 정전척 모듈()의 내부에는 보조 정전척 모듈(73)이 매몰되어 배치될 수 있다. 보조 정전척 절연부재(75)는 상기 정전척 모듈(71)의 내부에 매몰되어 상기 보조 정전척(73)을 감싸도록 배치될 수 있다.

상기 컷오프 프로브(110)는 상기 정전척 모듈(71)에 삽입되어 배치될 수 있다. 상기 컷오프 프로브(110)는 보호 절연막을 포함하고, 상기 보호 절연막은 상기 정전척 모듈(71) 상에 배치된 절연 부재(74)에 의하여 대체될 수 있다. 상기 정전척 모듈(71)은 RF 전원(16)에 의하여 RF 전력을 공급받고, DC 전원(15)으로 부터 DC 전력을 RF 필터(14)를 통하여 공급받는다. 상기 보조 정전척 모듈은 RF 전원(16)에 의하여 RF 전력을 공급받고, DC 전원(15)으로 부터 DC 전력을 RF 필터(14)를 통하여 공급받는다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치의 안테나 구조에 따른 실험 결과를 나타낸다.

도 2 및 도 10을 참조하면, 평면형 방사 안테나 또는 평면형 수신 안테나의 안테나 코어의 상부면 직경(dc)를 1 mm 부터 5 mm 까지 변경하고, 안테나 절연체의 상부면의 직경(dt)을 3.35 mm 내지 16.7 mm 까지 변경하였다. 상기 안테나 절연체의 재질은 테플론이다. 플라즈마 밀도를 측정할 때 이용되는 컷오프 픽이 잘 보이며 투과 스펙트럼의 신호 세기는 5 mm (dc) 와 16.7 mm (dt) 조건에서 가장 우수하다. 안테나의 총 임피던스가 50 옴이 되도록 제작된다. 주파수 스펙트럼 분석기의 마이크로웨이브 신호가 안테나로 반사없이 전송되며, 안테나의 크기는 투과 효율을 극대화 시키면서 전송, 수신 안테나 사이의 공간적인 해상도가 비교적 작은 위와 같은 크기를 가지도록 제작된다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치의 실험 결과를 나타낸다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 평면형 컷오프 프로브와 종래의 원통형 팁을 가지는 컷오프 프로브를 사용하여 동일한 플라즈마 내부에 삽입하고 측정한 결과이다. 평면 형태의 플라즈마 챔버 내부에 삽입되어 측정하더라고 안테나 형태의 차이에 의하여 밀도 측정 결과 자체에 차이는 발생하지 않는다. 기존의 원통형 팁을 삽입하여 얻는 플라즈마 밀도의 측정 결과와 같은 결과를 보여준다. 가로축은 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전력의 전력이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 진단 장치의 보호 절연체를 구비한 실험 결과를 나타낸다.

도 12를 참조하면, 평면 형태의 컷오프 프로브 위에 1 mm 의 쿼츠(quartz) 판을 배치한 경우, 실험결과가 보여진다. 평면형 컷오프 프로브를 기판 홀더에 삽입하여 공정을 실시간으로 진단할 수 있으다.

기판 홀더 위에는 웨이퍼와 같은 비전도성 판이 존재할 수 있다. 이를 가정하여 실험 결과를 얻었다. 평면형 컷오프 프로브 위에는 1 mm 의 쿼츠 판이 존재하며 10 mm 정도 떨어진 곳에서 기존의 원통형 팁을 가지는 컷오프 프로브로 동시에 측정을 하였다. 양 측정 방법은 높은 일치성을 가지고 플라즈마 밀도가 측정된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 컷오프 프로브는 얇은 비전도성 판이 그 위에 존재하는 상황에서도 충분히 유용하게 공정 진단에 사용될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정 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
120: 주파수 스펙트럼 분석기

Claims

주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함하고,
상기 방사 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극;
상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및
상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 수신 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극;
상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및
상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이고,
상기 방사 안테나 접지 전극과 상기 수신 안테나 접지 전극은 일체형인 것을 특징으로 하는 평면형 플라즈마 진단 장치.
삭제
주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함하고,
상기 방사 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극;
상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및
상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 수신 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극;
상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및
상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이고,
상기 방사 안테나 코어 전극의 원뿔각 및 상기 방사 안테나 절연체의 원뿔각은 45도 이하인 것을 특징으로 하는 평면형 플라즈마 진단 장치.
주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함하고,
상기 방사 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극;
상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및
상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 수신 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극;
상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및
상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이고,
면적이 넓은 위치에서 상기 방사 안테나 코어 전극의 직경은 4 내지 6mm이고,
면적이 넓은 위치에서 상기 방사 안테나 절연체의 직경은 10 내지 20 mm인 것을 특징으로 하는 평면형 플라즈마 진단 장치.
주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함하고,
상기 방사 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극;
상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및
상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 수신 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극;
상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및
상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이고,
상기 플라즈마에 노출되는 상기 방사 안테나의 노출면과 상기 수신 안테나의 노출면을 덮고 있는 보호 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 플라즈마 진단 장치.
제1 항에 있어서,
상기 방사 안테나에 상기 초고주파를 제공하고 상기 수신 안테나에서 상기 초고주파를 수신하여, 투과 스펙트럼을 산출하는 주파수 스펙트럼 분석기; 및
상기 투과 스펙트럼을 분석하여 공진 픽으로부터 플라즈마 컷오프 주파수를 추출하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 플라즈마 진단 장치.
금속판;
상기 금속판에 매몰되어 배치되는 복수의 수신 안테나; 및
상기 금속판에 매몰되어 배치되는 복수의 방사 안테나를 포함하고,
상기 수신 안테나와 상기 방사 안테나는 서로 이웃하게 배치되어 서로 한 쌍을 이루고,
상기 방사 안테나는:
상기 금속판에 매몰되고 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극; 및
상기 금속판에 매몰되고 상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체를 포함하고,
상기 수신 안테나는:
상기 금속판에 매몰되고 상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극; 및
상기 금속판에 매몰되고 상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체;를 포함하고,
상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이고,
상기 방사 안테나 코어 전극의 원뿔각 및 상기 방사 안테나 절연체의 원뿔각은 45도 이하인 것을 특징으로 하는 평면형 플라즈마 진단 장치.
정전척에 있어서,
상기 정전척은 매몰된 컷오프 프로브를 포함하고,
상기 컷오프 프로브는 주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및 상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함하고,
상기 방사 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극;
상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및
상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 수신 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극;
상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및
상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이고,
상기 방사 안테나 코어 전극의 원뿔각 및 상기 방사 안테나 절연체의 원뿔각은 45도 이하인 것을 특징으로 하는 정전척.
제8 항에 있어서,
상기 정전척은 RF 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하는 것을 특징으로 하는 정전척.
컷오프 프로브를 포함하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
상기 컷오프 프로브는:
주파수가 가변되는 초고주파를 플라즈마에 방사하는 방사 안테나; 및
상기 방사 안테나와 인접하게 배치되고 상기 플라즈마로부터 상기 초고주파를 수신하는 수신 안테나를 포함하고,
상기 방사 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 코어 전극;
상기 방사 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 방사 안테나 절연체; 및
상기 방사 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 방사 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 수신 안테나는:
상기 플라즈마 방향으로 면적이 증가하는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 코어 전극;
상기 수신 안테나 코어 전극을 감싸고 있는 절두 원뿔 형태의 수신 안테나 절연체; 및
상기 수신 안테나 절연체 및 상기 방사 안테나 코어 전극이 매몰되어 있는 수신 안테나 접지 전극을 포함하고,
상기 방사 안테나의 상부면 및 상기 수신 안테나의 상부면은 평면이고,
상기 방사 안테나 코어 전극의 원뿔각 및 상기 방사 안테나 절연체의 원뿔각은 45도 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.