KR102053720B1 - 플라즈마 진단방법 및 장치 - Google Patents

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    • H05H1/0075—Langmuir probes

Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 진단방법은 플라즈마 공간 내의 복수의 포인트들에 각각 설치된 복수의 부유 프로브들을 통해 플라즈마의 공간분포를 진단한다. 즉 복수의 부유 프로브들 각각의 직류성분이 제거된 프로브 전류들을 측정하여 복수의 포인트들 각각에서 포인트 이온밀도 및 포인트 전자온도를 산출한다. 이어서 복수의 부유 프로브들 각각의 직류성분이 포함된 프로브 전류들을 측정하여 복수의 포인트들 각각에서 포인트별 전자밀도의 비율을 산출한다.

Description

플라즈마 진단방법 및 장치{Method and Apparatus for diagnosing Plasma}
본 발명은 플라즈마 진단방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부유 프로브(Floating Probe)를 사용하여 플라즈마 공정 챔버 내부의 플라즈마 공간 분포를 진단하기 위한 플라즈마 진단방법 및 장치에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하는데 사용되는 여러 가지의 장비 중에서, 진공 상태의 밀폐된 공정 챔버 내에 플라즈마를 형성하고 반응 가스를 주입하여 웨이퍼 상에 박막을 증착하거나 웨이퍼에 형성된 박막을 에칭하는 플라즈마 장치가 널리 사용되고 있다.
플라즈마 장치는, 플라즈마를 이용하여 박막을 증착할 경우, 웨이퍼에 형성된 불순물 영역 내의 불순물들이 더 이상 확산하지 않는 저온에서 공정을 진행할 수 있다는 점과, 대구경의 웨이퍼에 형성되는 박막의 두께 균일도가 우수하다는 점과, 박막을 에칭할 경우 웨이퍼 전체에 걸쳐서 에칭 균일도(etch uniformity)가 우수하다는 점 때문에 널리 적용되고 있다.
이러한 플라즈마 장치의 플라즈마 내의 각 변수를 측정하여 플라즈마의 특성과 이온 및 전자 분포를 분석할 수 있는 장치로 가장 광범위하게 사용되는 것이 랑뮤어 탐침(Langmuir probe)이다. 랑뮤어 탐침(Langmuir probe)은 플라즈마의 전자온도, 이온밀도를 측정하기 위하여 부유 프로브(Floating Probe)를 사용한다.
부유 프로브(Floating Probe)는 플라즈마 매질에 프로브로 인한 영향을 최소화하기 위하여 직류제거 커패시터를 통해 연결함으로서 플라즈마 전위에 대해 정전기적으로 부유시킨다. 그러므로 프로브 전류에서 직류성분은 제거된 교류성분으로부터 이온밀도 및 전자온도를 산출한다. 통상적으로 플라즈마 진단장치에서 말하는 전자밀도는 이온밀도를 의미한다. 그러므로 전자밀도를 산출할 수 없었다.
포지티브 플라즈마에서는 이온밀도와 전자밀도가 동일하므로 전자밀도를 산출할 필요가 없었다. 그러나 네가티브 플라즈마에서 양이온 밀도는 음이온밀도와 전자밀도의 합으로 나타나므로 정확한 플라즈마 특성을 진단하기 위해서는 전자밀도의 산출이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 플라즈마 의 전자밀도의 공간분포를 산출할 수 있는 플라즈마 진단방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 두 포인트 사이의 프로브 전류의 크기 비율에 의해 전자밀도를 산출할 수 있는 플라즈마 진단방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 차징 데미지(Charging Damage)를 예측할 수 있는 플라즈마 진단방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 진단방법은 플라즈마 공간 내의 복수의 포인트들에 각각 설치된 복수의 부유 프로브들을 통해 플라즈마의 공간분포를 진단한다. 즉 복수의 부유 프로브들 각각의 직류성분이 제거된 프로브 전류들을 측정하여 복수의 포인트들 각각에서 포인트 이온밀도 및 포인트 전자온도를 산출한다. 이어서 복수의 부유 프로브들 각각의 직류성분이 포함된 프로브 전류들을 측정하여 복수의 포인트들 각각에서 포인트별 전자밀도의 비율을 산출한다.
일실시예에서 직류성분이 포함된 프로브 전류에서 직류성분의 크기는 제로인 것이 바람직하다. 또한 직류성분이 포함된 프로브 전류에서 제1고조파 성분으로 각 포인트 별 전자밀도의 비율을 산출하는 것이 좋다.
일실시예에서 복수의 포인트들은 동일 높이의 2차원 평면상에 배치된 것이 바람직하다. 여기서 포인트들의 높이는 웨이퍼 플라즈마 공정 챔버 내의 웨이퍼 높이인 것이 좋다. 또한 2차원 평면은 웨이퍼 형상과 동일 또는 유사한 형상의 평면으로 구성하는 것이 바람직하다.
일실시예에 의한 플라즈마 진단장치는 플라즈마 공간 내의 복수의 포인트들에 각각 설치된 복수의 부유 프로브들을 통해 플라즈마를 진단하기 위한 것으로 복수의 부유 프로브들이 균일하게 배치된 센서 플레이트와, 복수의 부유 프로브들 각각에 교류신호를 공급하기 위한 신호 발생기와, 복수의 부유 프로브들 각각에 직렬로 연결되어 프로브 전류를 센싱하기 위한 복수의 전류센싱저항들을 가진 센서회로와, 신호 발생기와 복수의 부유 프로브들에 사이에 각각 직렬로 연결되고, 제어신호에 응답하여 직류제거 측정모드에서는 직류차단 커패시터를 연결하고, 직류포함 측정모드에서는 다이렉트로 연결하는 복수의 직류선택 스위치회로들을 가진 직류선택회로와, 직류선택회로를 제어하고, 복수의 전류센싱저항들 각각의 전위차를 주파수 분석하여 각 포인트들에서 플라즈마 파라미터들을 각각 산출하는 처리부를 구비한 것을 특징으로 한다.
일실시예에서 복수의 직류선택 스위치회로들 각각은 신호 발생기의 출력이 인가되는 공통단자와 2개의 선택단자들을 가진 제1스위치와, 복수의 부유 프로브들 각각에 연결된 공통단자와 2개의 선택단자들을 가진 제2스위치와, 제1 및 제2스위치들의 어느 하나의 선택단자들 사이에 연결된 직류차단 커패시터와, 제1 및 제2스위치들의 다른 하나의 선택단자들 사이에 연결된 다이렉트 연결선을 포함한다.
여기서 플라즈마 파라미터들은 적어도 이온밀도, 전자온도 및 전자밀도를 포함한다.
일실시예에서 처리부는 직류차단 측정모드에서는 신호 발생기와 복수의 부유 프로브들 사이에 각각 직류차단 커패시터가 연결되도록 직류선택회로를 제어하고, 복수의 부유 프로브들 각각의 직류성분이 제거된 프로브 전류들을 측정하여 복수의 포인트들 각각에서 포인트 이온밀도들 및 포인트 전자온도들을 각각 산출하고, 직류공급 측정모드에서는 신호 발생기와 복수의 부유 프로브들 사이가 다이렉트로 연결되도록 직류선택회로를 제어하고, 복수의 부유 프로브들 각각의 직류성분이 포함된 프로브 전류들을 측정하여 복수의 포인트들 각각에서 포인트별 전자밀도의 비율을 산출한다.
여기서 센서 플레이트는 웨이퍼 형상으로 된 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 진단방법 및 장치는 전자밀도를 산출할 수 있으므로 플라즈마 공간 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있으므로 차징 데미지를 정확하게 예측할 수 있다. 따라서 반도제 소자의 플라즈마 처리공정이나 설비의 검증의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급된 효과로 제한되는 것은 아니며, 상기에서 언급되지 않은 다른 효과들은 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 진단장치의 바람직한 일실시예를 나타내는 블록도.
도 2는 도 1의 센서 플레이트(120)의 바람직한 일실시예를 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1의 직류선택 스위치회로(152)의 바람직한 일실시예의 회로도.
도 4는 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치로 Ar Plasma에 대한 측정위치에 따른 이온밀도와 전자밀도 크기를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치로 Ar/O2 Plasma에 대한 측정위치에 따른 이온밀도와 전자밀도 크기를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치로 O2 Plasma에 대한 측정위치에 따른 이온밀도와 전자밀도 크기를 나타낸 그래프.
도 7은 20 m Torr/400W - Ar Plasma의 이온밀도 크기를 등고선으로 표시한 공간 분포도.
도 8은 20 m Torr/400W - Ar Plasma 상태에서 SPDM (Simple Plasma Damage Monitor)에 의한 2차원 평면상에 미치지는 데미지 공간 분포도.
도 9는 80 m Torr/400W - Ar Plasma의 이온밀도 크기를 등고선으로 표시한 공간 분포도.
도 10은 80 m Torr/400W - Ar Plasma 상태에서 SPDM (Simple Plasma Damage Monitor)에 의한 2차원 평면상에 미치지는 데미지 공간 분포도.
도 11은 20 m Torr/400W - O2 Plasma의 이온밀도 크기를 등고선으로 표시한 공간 분포도.
도 12는 20 m Torr/400W - O2 Plasma 상태에서 SPDM (Simple Plasma Damage Monitor)에 의한 2차원 평면상에 미치지는 데미지 공간 분포도.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시(說示)된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 진단장치의 바람직한 일실시예를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 공정챔버(110) 내에 플라즈마 진단장치(100)의 센서 플레이트(120)를 설치한다. 센서 플레이트(120)는 센서회로(140) 및 직류선택회로(150)를 통해 신호 발생기(130)로부터 교류전압을 공급받는다. 센서회로(140) 및 직류선택회로(150)는 처리부(160)와 전기적으로 결합된다.
플라즈마 공정챔버(110)는 플라즈마 발생장치(112)를 포함한다. 플라즈마 발생장치(112)는 유도 결합 플라즈마 발생장치, 축전 결합 플라즈마 발생장치, AC 플라즈마 발생장치, DC 플라즈마 발생장치, 초고주파 플라즈마 발생장치 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 연속 모드 또는 펄스 모드 중에서 적어도 하나를 포함하도록 동작할 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 센서 플레이트의 바람직한 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 센서 플레이트(120)는 반도체 웨이퍼 형상으로 웨이퍼에 미치는 플라즈마 밀도의 공간분포를 측정하는 데 적합하다. 센서 플레이트(120)는 상부 절연층(120a), 프로브 센서층(120b), 회로 배선층(120c) 및 하부 절연층(120d)을 포함한다. 상부 절연층(120a)과 하부 절연층(120d)은 표면에 Al2O3 산화 알루미늄 층으로 코팅되어 전기적으로 절연상태를 유지하고 프로브 센서층(120b)과 회로 배선층(120c)을 오염 및 가스 식각으로부터 보호한다. 프로브 센서층(120b)에는 복수의 부유 프로브(122)들이 균일하게 배치되어 2차원 평면에서 복수의 포인트들 각각에서의 플라즈마 특성을 측정한다. 회로 배선층(120c)에는 복수의 프로브들(122)을 외부 측정장치와 전기적으로 연결하기 위한 커넥터 또는 인터페이스 회로를 포함할 수 있다. 또한 각 프로브들(122) 마다 초크 박스(Choke box)가 선택적으로 결합될 수 있다. 초크 박스는 병렬 연결된 인덕터와 커패시터로 구성된 LC 공진회로를 포함함으로써, 임피던스를 크게 하여 프로브와 플라즈마 사이의 전위차를 아주 작게 만들어주는 역할을 한다. LC 공진회로는 프로브(122)의 전위가 플라즈마 전위의 RF 성분과 똑같이 진동하도록 하여 프로브의 RF 성분의 전류를 줄이고 RF 성분에 대해서 플로팅 전압이 변하는 것을 방지함으로서 프로브(122)를 통해 흐르는 전류 신호의 왜곡을 막을 수 있다.
도 1에서 신호 발생기(130)에서 발생된 교류전압(
Figure 112013020704876-pat00001
)는 다음 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112013020704876-pat00002
여기서
Figure 112013020704876-pat00003
는 교류전압의 크기(Amplitude)이고
Figure 112013020704876-pat00004
는 기준 각주파수이다.
도 1에서 센서회로(140)는 복수의 전류센싱저항들(142)을 포함한다. 각 전류센싱저항들(142)은 각 프로브들(122)에 직렬로 연결하여 프로브(122)에 흐르는 전류 크기에 비례하는 전위차를 생성한다.
직류선택회로(150)는 복수의 직류선택 스위치회로들(152)을 포함한다.
도 3은 도 1의 직류선택 스위치회로(152)의 바람직한 일실시예의 회로도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 직류선택 스위치회로들(152) 각각은 제1스위치(SW1), 제2스위치(SW2), 직류차단 커패시터(C1) 및 다이렉트 연결선(W1)을 포함한다.
제1스위치(SW1)는 공통단자(cn1) 및 2개의 선택단자들(a1, a2)을 포함한다. 제2스위치(SW2)는 공통단자(cn2) 및 2개의 선택단자들(b1, b2)을 포함한다. 공통단자(cn1)에는 신호 발생기(130)의 출력측이 연결되고 공통단자(cn2)에는 프로브(122)가 연결된다. 선택단자(a1)와 선택단자(b1) 사이에는 직류차단 커패시터(C1)가 연결되고, 선택단자(a2)와 선택단자(b2) 사이에는 다이렉트 연결선(W1)이 연결된다.
제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)는 처리부(160)의 제어신호(CSi)에 응답하여 동시에 스위칭된다. 예컨대 제어신호(CSi)가 로우상태라면 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)는 cn1-a1, cn2-b1 연결 상태로 스위칭 되고, 하이상태라면 제1스위치(SW1) 및 제2스위치(SW2)는 cn1-a2, cn2-b2 연결 상태로 스위칭 될 수 있다. 즉 제어신호(CSi) 로우상태에서는 직류차단 커패시터(C1)가 프로브(122)에 직렬로 연결된 상태로 직류제거 측정상태가 되고, 하이상태에서는 다이렉트 연결선(W1)이 프로브(122)에 연결되므로 직류포함 측정상태가 된다.
그러므로 직류차단 커패시터(C1)가 프로브(122)에 직렬로 연결된 상태에서는 직류성분이 차단되므로 프로브(122)의 전위가 플라즈마 전위의 RF 성분과 똑같이 진동한다. 따라서 프로브(122)의 RF 성분의 전류를 줄이고 RF에 대해서 플로팅 전압이 변하는 것을 방지하여 프로브(122)를 통해 흐르는 전류 신호가 왜곡되는 것을 막을 수 있다.
전체적으로 직류선택 스위치회로들(152)은 동시에 스위칭되어야 한다.
처리부(160)는 각 전류센싱저항들(142)의 양단 전위차에 해당하는 센싱신호들(SS1~SSi~SSn)들을 차동증폭기로 증폭하고 전류신호를 전압신호로 변환한다. 이 전압신호를 분석하면 프로브에 흐르는 전류의 크기를 측정할 수 있다. 이 전위차를 차동증폭기를 이용하여 측정하면 각 프로브들(122)에 흐르는 전류의 크기를 알 수 있다.
이때, 프로브(122)에 흐르는 전류의 크기가 작은 경우에도 적절한 크기의 저항 및 대역폭을 갖는 차동증폭기를 선택함으로써 프로브(122)에 흐르는 전류의 크기를 정확하게 측정할 수 있다. 이와 같이 측정된 전류는 전압으로 변환되어 출력된다.
또한 처리부(160)는 측정모드에 응답하여 직류차단 측정모드와 직류포함 측정모드에 상응하는 제어상태를 가진 제어신호(CS1~CSi~CSn)를 발생한다. 발생된 제어신호(CS1~CSi~CSn)들은 직류선택회로(150)의 제어신호로 제공된다.
또한 프로브(122)를 통해 흐르는 전류는 밀도정보와 온도정보를 포함하고 있기 때문에 전류의 크기를 정확하게 측정하여 같은 주파수의 전압신호로 변환한다. 처리부(160)는 변환된 전압신호를 주파수별로 나누기 위하여 FFT부(Fast Fourier Transform)를 적용할 수 있다. 이와 같이 FFT부 또는 PSD(위상검출기) 등을 이용함으로써 프로브 진동주파수 ω와 2ω 그리고 고조파 성분들을 정확하게 주파수 별로 분리해 낼 수 있다. 또한 디지털로 신호를 처리하므로 잡음에도 강하다는 장점을 가지고 있다. 한편, 본 발명에 따르면, 측정된 전류의 ω 성분의 크기로부터 이온밀도를 산출하여 플라즈마 진단을 위한 플라즈마 변수로 제공할 수 있다.
1. 직류차단 측정모드
직류차단 측정모드에서는 도 3의 직류차단 커패시터(C1)가 프로브(122)에 직렬 연결된 상태이므로 프로브 전위(
Figure 112013020704876-pat00005
)는
Figure 112013020704876-pat00006
로 표현된다. 여기서
Figure 112013020704876-pat00007
는 오프셋 값(offset value) 또는 직류 바이어스 값(DC Bias value)이다. 프로브 전류(
Figure 112013020704876-pat00008
)는 이온전류와 전자전류로 구성되고 다음 수학식2에 의해 얻어진다.
Figure 112013020704876-pat00009
여기서
Figure 112013020704876-pat00010
는 이온포화전류이고
Figure 112013020704876-pat00011
는 전자포화전류이고
Figure 112013020704876-pat00012
는 플라즈마 전위이고,
Figure 112013020704876-pat00013
는 전자온도이다. 전자 온도(
Figure 112013020704876-pat00014
,electron temperature)는 전자의 운동 에너지 분포함수(electron energy distribution function)에 의하여 결정된다.
이온포화전류(
Figure 112013020704876-pat00015
)는 이온밀도(
Figure 112013020704876-pat00016
), 봄(Bohm) 속도(
Figure 112013020704876-pat00017
) 및 프로브 면적(
Figure 112013020704876-pat00018
)에 비례하고 다음 수학식3과 같이 나타낼 수 있다. 봄(Bohm) 속도(
Figure 112013020704876-pat00019
) 는 전자온도(
Figure 112013020704876-pat00020
)에 의존할 수 있다.
Figure 112013020704876-pat00021
전자포화전류(
Figure 112013020704876-pat00022
)는 전자밀도(
Figure 112013020704876-pat00023
), 전자평균속도(
Figure 112013020704876-pat00024
) 및 프로브 면적(
Figure 112013020704876-pat00025
)에 비례하고 다음 수학식4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013020704876-pat00026
수학식2의 프로브 전류식에서 수학식1의 프로브 전위(
Figure 112013020704876-pat00027
)을 대입하고 버셀 함수(Bessel Fuction)로 급수화하면 다음 수학식5와 같이 정리된다.
Figure 112013020704876-pat00028
Figure 112013020704876-pat00029
Figure 112013020704876-pat00030
Figure 112013020704876-pat00031
여기서 수학식6으로 표현된 프로브(122)에 인가되는 직류성분은 직류차단 커패시터에 의해 차단되므로 제로가 된다.
Figure 112013020704876-pat00032
수학식6에 의해 이온포화전류(
Figure 112013020704876-pat00033
)와 전자포화전류(
Figure 112013020704876-pat00034
) 사이에 수학식7의 관계가 유도된다.
Figure 112013020704876-pat00035
Figure 112013020704876-pat00036
그러므로 직류성분이 제거된 프로브 전류는 고조파성분의 합 형태인 수학식8로 정리된다.
Figure 112013020704876-pat00037
여기서 제1고조파 성분만 발췌하고 수학식 3 및 수학식7을 대입하면 수학식9로 정리된다.
Figure 112013020704876-pat00038
Figure 112013020704876-pat00039
Figure 112013020704876-pat00040
수학식9에서 제1고조파 성분은 처리부(160)에서 주파수 분리해서 획득할 수 있으므로 이온밀도(
Figure 112013020704876-pat00041
)를 산출할 수 있다.
마찬가지로 2차 고조파 성분에 대해 동일한 방식으로 발췌하여 1차 및 2차 고조파 성분의 비율을 산출하면 다음 수학식10과 같은 전자온도(
Figure 112013020704876-pat00042
) 관계식을 유도할 수 있다.
Figure 112013020704876-pat00043
그러므로 수학식9와 수학식10에 의해 센서 플레이트(120)의 모든 포인트에서 각 프로브(122)들에 대한 포인트 이온밀도들(
Figure 112013020704876-pat00044
)와 포인트 전자온도들(
Figure 112013020704876-pat00045
)를 산출할 수 있다.
2. 직류공급 측정모드
직류차단 측정모드에 의해 포인트 이온밀도들(
Figure 112013020704876-pat00046
)와 포인트 전자온도들(
Figure 112013020704876-pat00047
)를 산출한 다음에는 직류차단 커패시터(C1)의 직렬연결 상태를 끊고 신호 발생기(130)의 출력이 직접 프로브(122)에 인가되도록 직류선택회로(150)를 스위칭 제어한다.
직류차단 커패시터(C1)가 제거된 상태에서는 프로브(122)가 부유( Floating)되어 있지 않기 때문에
Figure 112013020704876-pat00048
은 0 이 된다.
그리고 DC 성분이 0이 될 수 없으므로 수학식6 은 아래와 같이 수학식11로 변형된다.
Figure 112013020704876-pat00049
그러므로 1차 고조파 성분은 수학식12로 정리된다.
Figure 112013020704876-pat00050
Figure 112013020704876-pat00051
그러므로 수학식12에서 1차 고조파 성분의 크기는 수학식4의 전자포화전류(
Figure 112013020704876-pat00052
) 식을 대입하여 정리하면 다음 수학식13으로 정리된다.
Figure 112013020704876-pat00053
1차 고조파 성분의 크기의 절대값은 측정할 수 없으나, 여러 측정 point들 사이의 비율 계산은 가능하다. 즉, point p1 과 p2 에서의 1차 고조파 성분들 각각의 크기의 값은 수학식14 및 수학식15로 나타낼 수 있다.
Figure 112013020704876-pat00054
Figure 112013020704876-pat00055
이고, point p2의 값을 point p1에 대해 정규화(normalizing)하면 수학식16으로 정리할 수 있다.
Figure 112013020704876-pat00056
여기서, 각 포인트들에서 전자온도(
Figure 112013020704876-pat00057
,
Figure 112013020704876-pat00058
)는 상술한 수학식10에 의해 측정하여 얻은 값이다. 이때 상수를 c 라 하면 수학식16은 수학식17로 정리할 수 있다.
Figure 112013020704876-pat00059
수학식17에서 포인트별 플라즈마 전위차의 차이는 매우 작으므로 동일하다 가정하면, △Vp = 0 으로 놓을 수 있고, 수학식17의 비율은 계산이 가능하다. 그러므로 전자밀도에 대한 Point 별 비율을 각각 구할 수 있으므로 전자밀도의 공간분포를 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치로 Ar Plasma에 대한 측정위치에 따른 이온밀도와 전자밀도 크기를 나타낸 그래프이다. 도 4의 그래프에서 가로축이 프로브 측정 위치이고, 세로축이 밀도 크기를 나타낸다. 적색 그래프는 직류차단 커패시터를 연결한 상태의 직류차단 측정모드에서 측정위치에 따른 이온밀도 크기를 나타내고, 흑색 그래프는 직류차단 커패시터를 제거한 상태의 직류공급 측정모드에서 측정위치에 따른 전자밀도 크기를 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이 Ar Plasma, 즉 양이온과 전자로만 구성된 포지티브 플라즈마 에서는 이온밀도와 전자밀도가 거의 동일한 크기를 가짐을 알 수 있다. 측정위치 중심부의 밀도 크기가 가장자리의 밀도 크기 보다 크게 나타난다.
도 5는 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치로 Ar/O2 Plasma에 대한 측정위치에 따른 이온밀도와 전자밀도 크기를 나타낸 그래프이다. 점선 그래프는 직류차단 커패시터를 연결한 상태의 직류차단 측정모드에서 측정위치에 따른 이온밀도 크기를 나타내고, 실선 그래프는 직류차단 커패시터를 제거한 상태의 직류공급 측정모드에서 측정위치에 따른 전자밀도 크기를 나타낸다.
도 5에 도시한 바와 같이 Ar과 O2 를 1:1로 혼합한 Plasma에서는 양이온 총 전하량이 음이온 및 전자의 전하량의 합으로 나타난다. 그러므로 음이온이 존재하는 네가티브 플라즈마에서는 음이온 밀도의 분포에 따라 전자밀도 크기와 이온밀도 크기가 일치하지 않음을 알 수 있다. 실선 그래프는 중심부 측정위치에서의 밀도 크기가 주변 보다 감소하는 분포 특성을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 의한 플라즈마 진단장치로 O2 Plasma에 대한 측정위치에 따른 이온밀도와 전자밀도 크기를 나타낸 그래프이다. 점선 그래프는 직류차단 커패시터를 연결한 상태의 직류차단 측정모드에서 측정위치에 따른 이온밀도 크기를 나타내고, 실선 그래프는 직류차단 커패시터를 제거한 상태의 직류공급 측정모드에서 측정위치에 따른 전자밀도 크기를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 음이온만 존재하는 네가티브 플라즈마에서는 음이온밀도와 전자밀도가 동일하지 않음을 알 수 있다. 실선 그래프의 전자밀도는 중심부와 주변부에서 크게 차이가 없음을 알 수 있다.
도 7은 20 m Torr/400W - Ar Plasma의 이온밀도 크기를 등고선으로 표시한 공간 분포도를 나타내고, 도 8은 20 m Torr/400W - Ar Plasma 상태에서 SPDM (Simple Plasma Damage Monitor)에 의한 2차원 평면상에 미치지는 데미지 공간 분포도를 나타낸다.
SPDM (Simple Plasma Damage Monitor)은 MOS 커패시터 어레이 센서로 플라즈마에 노출되면 플라즈마에 의한 Charging Damage 수준을 모니터링 하는 장비로 이온과 전자의 밀도차이가 클 경우 MOS 커패시터의 산화막이 열하(Degradation)되어 항복전압(Break Voltage)이 감소하게 된다. 이 항복전압의 크기로 데미지 정도를 나타낸다.
도 7을 참조하면 이온밀도는 중심부에서 높고 주변부로 갈수록 낮아짐을 알 수 있다. 도 8을 참조하면, 중심부의 데미지 값은 8.50이고 주변부의 데미지 값은 8.10~8.20임을 알 수 있다.
도 9는 80 m Torr/400W - Ar Plasma의 이온밀도 크기를 등고선으로 표시한 공간 분포도를 나타내고, 도 10은 80 m Torr/400W - Ar Plasma 상태에서 SPDM (Simple Plasma Damage Monitor)에 의한 2차원 평면상에 미치지는 데미지 공간 분포도를 나타낸다.
도 9를 참조하면 고진공이 될수록 이온밀도는 중심부로 집중되고 주변부로 갈수록 밀도가 급격하게 낮아짐을 알 수 있다. 도 10을 참조하면, 고진공에 의해 밀도의 공간 분포가 달라졌지만 데미지 값은 8.50~8.10 범위 내에서 크게 변동이 없음을 알 수 있다.
도 11은 20 m Torr/400W - O2 Plasma의 이온밀도 크기를 등고선으로 표시한 공간 분포도를 나타내고, 도 12는 20 m Torr/400W - O2 Plasma 상태에서 SPDM (Simple Plasma Damage Monitor)에 의한 2차원 평면상에 미치지는 데미지 공간 분포도를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 중심부의 이온밀도가 Ar 플라즈마에 비해 상대적으로 높게 나타나고 중심부와 주변부의 이온밀도 크기 차이가 많음을 알 수 있다. 도 12를 참조하면, Ar 플라즈마의 데미지 분포와 비교하면 상대적으로 3.90이하의 매우 심함 데미지를 받았음을 알 수 있다.
따라서 이온밀도의 공간분포는 중심부가 주변부 보다 높게 나타나는 불균일한 분포상태를 보임을 알 수 있다. 그러나 포지티브 플라즈마에서는 진공정도에 관계없이 차징 데미지가 나타나지 않지만 네가티브 플라즈마에서는 차징 데미지가 나타난 것으로 네가티브 플라즈마에서는 이온밀도와 전자밀도의 차이가 존재함을 간접적으로 확인할 수 있다.
본 발명은 복잡한 반응성 공정 가스를 사용하는 네가티브 플라즈마 장비에서 이온밀도와 전자밀도를 구분하여 플라즈마 변수를 진단할 수 있다. 그러므로 플라즈마 공정에서 반응성 공정가스 중 이온 및 라디칼 중 어느 것이 공정에 우세하게 작용하는지를 판단할 수 있다. 또한 전자밀도를 측정할 수 있으므로 데미지 현상을 분석할 수 있다. 따라서 네가티브 플라즈마의 진단분야 및 플라즈마 공정 분석 및 플라즈마 장비 제어장치 등에 매우 유용하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 플라즈마 공간 내의 복수의 포인트들에 각각 설치된 복수의 부유 프로브들을 통해 플라즈마를 측정하는 장치에 있어서,
    복수의 부유 프로브들이 균일하게 배치된 센서 플레이트;
    상기 복수의 부유 프로브들 각각에 교류신호를 공급하기 위한 신호 발생기;
    상기 복수의 부유 프로브들 각각에 직렬로 연결되어 프로브 전류를 센싱하기 위한 복수의 전류센싱저항들을 포함하는 센서회로;
    상기 신호 발생기와 상기 복수의 부유 프로브들에 사이에 각각 직렬로 연결되고, 제어신호에 응답하여 직류제거 측정모드에서는 직류차단 커패시터를 연결하고, 직류포함 측정모드에서는 다이렉트로 연결하는 복수의 직류선택 스위치회로들을 포함하는 직류선택회로;
    상기 직류선택회로를 제어하고, 상기 복수의 전류센싱저항들 각각의 전위차를 주파수 분석하여 각 포인트들에서 포인트 이온밀도들, 포인트 전자온도들 및 포인트 전자밀도들을 각각 산출하는 처리부를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 직류선택 스위치회로들 각각은
    상기 신호 발생기의 출력이 인가되는 공통단자와 2개의 선택단자들을 가진 제1스위치;
    상기 복수의 부유 프로브들 각각에 연결된 공통단자와 2개의 선택단자들을 가진 제2스위치;
    상기 제1 및 제2스위치들의 어느 하나의 선택단자들 사이에 연결된 직류차단 커패시터; 및
    상기 제1 및 제2스위치들의 다른 하나의 선택단자들 사이에 연결된 다이렉트 연결선을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서, 상기 처리부는
    직류차단 측정모드에서는 상기 신호 발생기와 복수의 부유 프로브들 사이에 각각 직류차단 커패시터가 연결되도록 상기 직류선택회로를 제어하고, 상기 복수의 부유 프로브들 각각의 직류성분이 제거된 프로브 전류들을 측정하여 상기 복수의 포인트들 각각에서 포인트 이온밀도들 및 포인트 전자온도들을 각각 산출하고,
    직류공급 측정모드에서는 상기 신호 발생기와 복수의 부유 프로브들 사이가 다이렉트로 연결되도록 상기 직류선택회로를 제어하고, 상기 복수의 부유 프로브들 각각의 직류성분이 포함된 프로브 전류들을 측정하여 상기 복수의 포인트들 각각에서 포인트별 전자밀도의 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 직류성분이 포함된 프로브 전류에서 상기 직류성분의 크기는 제로인 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단장치.
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