KR102136660B1 - 플라즈마 진단 유닛 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 진단 유닛 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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이호준
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세메스 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 진단 유닛은 처리 챔버 내의 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 제1 방향으로 대향 배치되는 제1 송신 안테나와 제1 수신 안테나, 상기 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 대향 배치되는 제2 송신 안테나와 제2 수신 안테나를 구비하고, 상기 제1 수신 안테나는 상기 제1 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하고, 상기 제2 수신 안테나는 상기 제2 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 진단 유닛 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치 {PLASMA DIAGNOSTIC UNIT AND PLASMA PROCESSING APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 플라즈마 진단 유닛 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리 장치는 반도체 웨이퍼 등의 기판이 유지되는 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 식각이나 증착 등 소정의 처리를 하는 장치이다. 플라즈마 처리 장치는 기판을 처리하는 공간을 제공하는 처리 챔버를 포함한다. 플라즈마 처리 장치는 플라즈마 발생 방식에 따라 여러 종류가 있으며, 예를 들어 용량결합형 플라즈마(CCP: Capacitively Coupled Plasma) 방식, 유도결합형 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma) 방식 또는 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave Plasma) 방식 등이 있다.
플라즈마 발생 방식과 관계없이, 플라즈마 처리 장치에서는 챔버 내에 플라즈마가 균일하게 발생하는 것이 필요하다. 챔버 내 위치에 따라 플라즈마 특성이 균일하지 않은 경우, 플라즈마로 처리되는 기판의 특성도 균일하지 못하게 된다. 가령 플라즈마 식각 장치의 경우 플라즈마 밀도가 상대적으로 큰 영역에서는 나머지 영역에 비해 식각 속도가 클 수 있다. 이는 기판 영역에 따라 균일하지 못한 특성이 나타나는 원인이 된다. 특히 플라즈마 특성이 기판에 평행한 방향으로 비대칭적인 경우, 기판 처리 특성도 비대칭적이 되어 문제가 된다.
플라즈마 밀도, 플라즈마 온도 등의 플라즈마 특성을 진단하는 플라즈마 진단 기술로는 침습적 방식 및 비침습적 방식이 있다. 침습적 방식으로는 Langmuir probe를 플라즈마 내에 삽입하여 진단하는 기술이 대표적인데, 이러한 방식은 플라즈마에 프로브가 직접 삽입되어 플라즈마에 영향을 미치므로 프로브에 의한 영향을 제거하기 어렵고, 플라즈마 처리 공정 중에 인시튜(in-situ)로 플라즈마를 진단하고 제어하기 위해 사용하기에는 적합하지 않다. 또한 프로브가 삽입된 영역의 특성만을 알 수 있어, 챔버 내의 플라즈마 분포나 대칭성, 편심도 등을 파악하기 어렵다.
비침습적 방식으로는 OES(Optical Emission Spectrometry)를 이용하여 플라즈마에서 방출되는 광을 분석함으로써 플라즈마를 진단하는 기술이 있다. 이 기술은 챔버에 구비된 뷰포트(View port)를 통해 방출되는 광을 검출하는 방식이므로 플라즈마에 영향을 미치는 방식은 아니지만, 플라즈마의 표면 상태만 알 수 있을 뿐 플라즈마 분포나 대칭성, 편심도 등은 알기 어려운 문제가 있다.
US 2005-0016683 A1 US 2005-0019961 A1
본 발명은 기판에 평행한 방향의 플라즈마 분포, 대칭성, 편심도 등을 파악할 수 있는 플라즈마 진단 유닛 및 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마에 영향을 미치는 일이 없이 인시튜로 플라즈마를 진단하고 그 결과에 기초하여 플라즈마를 제어하기에 적당한 플라즈마 진단 유닛 및 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 진단 유닛은, 처리 챔버 내의 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 제1 방향으로 대향 배치되는 제1 송신 안테나와 제1 수신 안테나, 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 대향 배치되는 제2 송신 안테나와 제2 수신 안테나를 구비하고, 제1 수신 안테나는 제1 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하고, 제2 수신 안테나는 제2 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하는 것을 특징으로 한다.
여기서 제1 방향과 제2 방향은 기판에 평행한 방향일 수 있다. 또한, 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직 방향일 수 있다.
또한, 제1 송신 안테나와 제1 수신 안테나의 편파 특성과, 제2 송신 안테나와 제2 수신 안테나의 편파 특성은 서로 상이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 진단 유닛은, 제1 송신 안테나 및 제2 송신 안테나에 송신 신호를 전송하는 전자기파 발생부, 제1 수신 안테나 및 제2 수신 안테나로부터 수신 신호를 전송받는 전자기파 분석부, 전자기파 분석부의 분석 결과를 전달받아 플라즈마를 진단하는 진단부를 더 포함할 수 있다.
여기서 송신 신호 및 수신 신호는 광대역의 전자기파 신호일 수 있다.
또한, 전자기파 발생부는 연속파(continuous wave) 또는 펄스파(pulse wave)를 전송할 수 있고, 이때 주파수를 스윕(sweep)할 수 있다.
전자기파 분석부는 수신 신호의 주파수에 따른 신호 크기 또는 위상을 분석할 수 있으며, 진단부는 전자기파 분석부로부터 전달받은 분석 결과에 기초하여 기판에 평행한 방향의 플라즈마 분포, 대칭성 또는 편심도를 판단할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 진단 유닛은, 처리 챔버 내의 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 대향 배치되는 송신 안테나와 수신 안테나를 구비하고, 수신 안테나는 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하며, 송신 안테나 및 수신 안테나는 처리 챔버의 측벽을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 한다.
이때, 송신 안테나와 수신 안테나는 서로 독립적으로 이동 가능하도록 구비될 수 있다.
본 발명은 상기한 플라즈마 진단 유닛을 포함하는 플라즈마 처리 장치를 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는, 플라즈마 진단 유닛으로부터 플라즈마 진단 결과를 전달받아 플라즈마를 제어하는 플라즈마 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 플라즈마 제어는 플라즈마의 비대칭성 또는 편심도를 감소시키는 방향으로 이루어질 수 있다.
또한, 플라즈마 제어는, 플라즈마 소스에 인가되는 RF 전력, 하부 전극에 인가되는 바이어스 전압, 처리 챔버 내부 압력, 처리 챔버에 공급되는 가스 유량, 기판을 둘러싸도록 배치되는 에지링의 높이 중 하나 이상을 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 진단 방법은, 처리 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계, 전자기파 발생부에서 광대역의 전자기파를 발생시켜 처리 챔버의 측벽에 배치된 송신 안테나에 송신 신호를 전송하는 단계, 송신 안테나는 처리 챔버 내로 송신 신호를 방사하고 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 송신 안테나와 대향하여 처리 챔버의 측벽에 배치되는 수신 안테나가 송신 신호를 수신하는 단계, 전자기파 분석부가 수신 안테나의 수신 신호를 전달받아 분석하는 단계, 진단부가 전자기파 분석부의 분석 결과를 전달받아 플라즈마를 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 송신 안테나는 제1 송신 안테나 및 제2 송신 안테나를 포함하고, 수신 안테나는 제1 수신 안테나 및 제2 수신 안테나를 포함하며, 제1 송신 안테나와 제1 수신 안테나는 제1 방향으로 대향 배치되고, 제2 송신 안테나와 제2 수신 안테나는 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 대향 배치되며, 제1 수신 안테나는 제1 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하고, 제2 수신 안테나는 제2 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하는 것일 수 있다.
또한, 송신 안테나 및 수신 안테나는 처리 챔버의 측벽을 따라 이동 가능할 수 있다.
또한, 진단부는 플라즈마 진단 결과에 기초하여 플라즈마를 제어할 수 있도록 플라즈마 제어부에 진단 결과를 전달할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 진단 방법은, 수신 신호를 보정 신호를 이용하여 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서 보정 신호는, 플라즈마를 통과하지 않은 경로에서 취득된 수신 신호일 수 있다. 구체적으로는, 플라즈마를 발생시키지 않은 상태에서 취득한 수신 신호이거나, 플라즈마를 발생시킨 상태에서 플라즈마를 통과하지 않는 우회경로를 통해 취득된 수신 신호일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 처리 챔버 내의 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 대향하여 배치되는 송신 안테나와 수신 안테나 쌍을 이용하여 복수 방향의 경로를 통해 플라즈마를 통과하는 전자기파를 수신하여 분석함으로써, 기판에 평행한 방향의 플라즈마 분포 및 대칭성, 편심도 등을 파악할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 송신 안테나와 수신 안테나가 처리 챔버 외부에 배치되므로 플라즈마에 영향을 미치는 일이 없이 인시튜로 플라즈마를 진단하고 그 결과에 기초하여 플라즈마를 실시간으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 진단 유닛 및 플라즈마 처리 장치의 동작 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 보정 방법의 흐름도이다.
도 6은 용량결합형 플라즈마 처리 장치에서 보정 신호를 취득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 유도결합형 플라즈마 처리 장치에서 보정 신호를 취득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이하의 설명은 구체적인 실시예를 포함하지만, 본 발명이 설명된 실시예에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다. 또한, 본 발명의 실시예들에서 동일하거나 서로 대응되는 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 측단면도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는 플라즈마(P) 발생 공간을 제공하는 처리 챔버(10)를 포함한다. 여기서 플라즈마(P) 발생 공간은 플라즈마가 반드시 처리 챔버(10) 내에서 발생될 것을 의미하는 것은 아니다. 플라즈마(P)는 처리 챔버(10)와는 다른 곳에서 발생되어 처리 챔버(10) 내에 유도될 수도 있다.
처리 챔버(10) 내에는 기판(W)을 지지하여 유지하기 위한 기판 지지대(13)가 구비된다. 플라즈마 처리 장치(1)를 이용한 기판 처리 공정은 기판 지지대(13)에 기판(W)을 지지한 상태에서 처리 챔버(10) 내에 플라즈마(P)를 발생시켜 수행될 수 있다. 기판 처리 공정은 식각 공정 또는 증착 공정일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 처리 챔버(10)에는 진공을 형성하기 위한 진공 펌프, 처리 가스 및 퍼지 가스 등을 공급하기 위한 가스 공급부, 플라즈마(P)를 발생시키기 위한 플라즈마 소스 등이 구비될 수 있다.
처리 챔버(10)의 측벽에는 4개의 뷰포트(11a~11d)가 구비될 수 있다. 도 1 및 도 2와 같이, 제1 뷰포트(11a)와 제2 뷰포트(11b)는 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 기판(W)에 평행한 제1 방향으로 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 또한, 제3 뷰포트(11c)와 제4 뷰포트(11d)는 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 기판(W)에 평행한 제2 방향으로 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 이때, 제1 방향과 제2 방향은 서로 다르고, 예를 들어 서로 수직 방향일 수 있다. 또한, 제1 방향과 제2 방향은 처리 챔버(10)의 중심을 통과하는 방향일 수 있다.
뷰포트(11a~11d)가 배치되는 처리 챔버(10)의 측벽 부분은 전자기파가 투과할 수 있는 재질의 윈도우가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는 플라즈마 진단 유닛(2)을 포함한다. 플라즈마 진단 유닛(2)은 송신 안테나(21a, 21c), 수신 안테나(21b, 21d), 전자기파 발생부(23), 전자기파 분석부(25) 및 진단부(27)를 포함할 수 있다.
송신 안테나(21a, 21c)는 광대역의 전자기파를 방사하는 안테나일 수 있다. 구체적으로는 제1 뷰포트(11a)와 제3 뷰포트(11c)에 각각 제1 송신 안테나(21a)와 제2 송신 안테나(21c)가 배치될 수 있다.
수신 안테나(21b, 21d)는 송신 안테나(21a, 21c)에서 방사된 광대역의 전자기파를 수신하는 안테나일 수 있다. 구체적으로는 제2 뷰포트(11b)와 제4 뷰포트(11d)에 각각 제1 수신 안테나(21b)와 제2 수신 안테나(21d)가 배치될 수 있다.
제1 수신 안테나(21b)는 제1 송신 안테나(21a)와 쌍을 이루어 제1 송신 안테나(21a)에서 방사된 전자기파를 수신하고, 제2 수신 안테나(21d)는 제2 송신 안테나(21c)와 쌍을 이루어 제2 송신 안테나(21c)에서 방사된 전자기파를 수신할 수 있다. 이때 각 수신 안테나(21b, 21d)는 서로 쌍을 이루는 송신 안테나(21a, 21c)에서 방사된 전자기파만을 높은 식별도로 식별하고 다른 송신 안테나에서 방사된 전자기파에 의한 간섭은 발생되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 각 안테나 쌍은 서로 다른 편파 특성을 가질 수 있다. 도 1의 실시예와 같이 2쌍의 송신 및 수신 안테나가 구비되는 경우, 각 안테나 쌍은 서로 직교 관계의 편파 특성을 갖는 것이 바람직하다. 가령 제1 송신 안테나(21a)와 제1 수신 안테나(21b)는 수평 편파 안테나, 제2 송신 안테나(21c)와 제2 수신 안테나(21d)는 수직 편파 안테나일 수 있다.
전자기파 발생부(23)는 광대역의 전자기파를 발생시켜 송신 경로(Tx)를 통해 제1 송신 안테나(21a) 및 제2 송신 안테나(21c)로 송신 신호를 전송한다. 이때 전자기파 발생부(23)에서 발생되는 전자기파는 연속파(continuous wave) 또는 펄스파(pulse wave)일 수 있다. 연속파로 송신하는 경우, 광대역의 전자기파가 송신될 수 있도록 주파수를 스윕(sweep)하는 것이 필요하다.
전자기파 분석부(25)는 제1 수신 안테나(21b) 및 제2 수신 안테나(21d)가 수신한 전자기파 신호(수신 신호)를 수신 경로(Rx)를 통해 전송 받아 수신 신호 분석을 수행한다. 이때 수신 신호 분석은 각 수신 안테나에서 전송 받은 수신 신호의 주파수에 따른 신호 크기 또는 위상을 분석하는 것일 수 있다. 주파수에 따른 신호 크기 분석을 통해 송신 안테나(21a, 21c)에서 송신된 전자기파가 플라즈마(P)를 통과하면서 감쇄된 정도, 즉 감쇄율의 주파수에 따른 변화를 산출하는 것이 가능하다. 또한, 주파수에 따른 위상 분석을 통해 송신 안테나(21a, 21c)에서 송신된 전자기파가 플라즈마(P)를 통과하면서 발생하는 딜레이(delay)의 주파수에 따른 변화를 산출하는 것이 가능하다.
송신 신호와 수신 신호가 동기화될 수 있도록 전자기파 발생부(23)와 전자기파 분석부(25)는 서로 연동될 수 있다. 이를 위해 네트워크 애널라이저(Network analyzer) 등의 하나의 장치가 전자기파 발생부와 전자기파 수신부의 기능을 수행하도록 할 수 있다.
진단부(27)는 전자기파 분석부(25)로부터 수신 신호 분석 결과를 전송 받아 기판에 평행한 방향의 플라즈마 분포나 대칭성, 편심도 등을 판단할 수 있다. 즉, 제1 수신 안테나(21b)로부의 수신 신호를 분석한 결과(주파수에 따른 감쇄율, 위상 등)와 제2 수신 안테나(21d)로부터의 수신 신호를 분석한 결과를 비교하여 서로 동일한 경우, 플라즈마(P)는 기판(W)과 평행한 방향인 x 방향과 y 방향으로 균일한 특성을 갖는 것으로 판단할 수 있다. 즉, 기판(W)과 평행한 평면 상에서 대칭성이 우수하고 어느 한 방향으로 편심되지 않은 것으로 판단할 수 있다. 반면, 제1 수신 안테나(21b)로부터의 수신 신호를 분석한 결과와 제2 수신 안테나(21d)로부터의 수신 신호를 분석한 결과를 비교하여 서로 상이한 경우, 플라즈마(P)는 기판(W)과 평행한 방향인 x 방향과 y 방향으로 균일하지 못한 특성을 갖는 것으로 판단할 수 있다. 즉, 기판(W)과 평행한 평면 상에서 대칭성이 약하고 어느 한 방향으로 편심된 것으로 판단할 수 있다.
전자기파 분석부(25)에서 분석하는 주파수에 따른 특성은 감쇄율이나 위상으로 한정되는 것은 아니며, 주파수에 따라 차이가 발생되는 특성은 모두 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는 플라즈마 제어부(15)를 더 포함할 수 있다. 플라즈마 제어부(15)는 진단부(27)로부터 진단 결과를 전달 받아 인시튜로 플라즈마(P)을 제어할 수 있다. 이때 플라즈마 제어는 플라즈마의 비대칭성이나 편심도를 감소시키는 방향으로 수행될 수 있다.
플라즈마 제어부(15)가 제어하는 대상은 플라즈마 처리 장치(1)의 특정 구성 또는 특정 파라미터로 제한되지 않는다. 가령 플라즈마 제어부(15)는 플라즈마 소스에 인가되는 RF 전력, 기판 지지대(13)에 포함되는 하부 전극에 인가되는 바이어스 전압, 처리 챔버(10) 내부 압력, 처리 챔버(10)에 공급되는 가스 유량, FRC(Flow Ratio Controller) 등을 이용한 가스 공간분포, 기판(W)을 둘러싸도록 배치되는 에지링(14)의 높이 등 플라즈마(P)에 영향을 미치는 다양한 파라미터들을 제어할 수 있다.
플라즈마 제어부(15)는 플라즈마를 직접 제어하는 것으로 제한되지 않으며, 플라즈마의 비대칭성에 의한 공정 불균일을 완화하는 방향으로 공정 파라미터를 제어할 수도 있다. 예를 들어, 기판 지지대(13)에 내장된 멀티존 히터(multi-zone heater)를 제어하여 기판 영역별 온도를 독립적으로 제어함으로써 공정 균일도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 진단 유닛 및 플라즈마 처리 장치의 동작을 도 3을 참조하여 설명한다.
먼저, 처리 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시킨다(S11 단계). 플라즈마는 용량결합형 플라즈마 방식, 유도결합형 플라즈마 방식 또는 마이크로웨이브 플라즈마 방식 등 다양한 방식으로 발생될 수 있다. 또한 처리 챔버(10) 내에서 발생될 수도 있지만, 원격으로 발생시켜 처리 챔버(10) 내로 유도된 리모트 플라즈마(remote plasma)일 수도 있다.
다음으로는 전자기파 발생부(23)에서 광대역의 전자기파를 발생시켜 제1 송신 안테나(21a) 및 제2 송신 안테나(21c)로 각각 송신 신호를 전송한다(S12 단계). 이때 송신 신호는 연속파 또는 펄스파일 수 있다. 연속파인 경우 광대역의 전자기파가 송신될 수 있도록 주파수를 스윕(sweep)할 수 있다.
제1 송신 안테나(21a) 및 제2 송신 안테나(21c)는 처리 챔버(10) 내로 각각 전자기파를 방사하고 제1 수신 안테나(21b) 및 제2 수신 안테나(21d)는 이를 각각 수신한다(S13 단계). 제1 송신/수신 안테나(21a, 21b) 쌍과 제2 송신/수신 안테나(21c, 21d) 쌍은 서로 편파 특성이 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 송신/수신 안테나(21a, 21b)는 수평 편파 안테나이고, 제2 송신/수신 안테나(21c, 21d)는 수직 편파 안테나일 수 있다.
전자기파 분석부(25)는 제1 수신 안테나(21b) 및 제2 수신 안테나(21d)로부터 수신 신호를 전달받아 수신 신호 분석을 수행한다(S14 단계). 수신 신호 분석은 각 수신 안테나에서 수신된 신호의 주파수에 따른 신호 크기 또는 위상을 분석하는 것일 수 있다. 전자기파 분석부(25)는 수신 신호 분석을 통해 주파수에 따른 감쇄율 또는 딜레이를 산출할 수 있다.
전자기파 분석부(25)의 분석 결과는 진단부(27)에 전달되고 기판에 평행한 방향의 플라즈마 분포나 대칭성, 편심도 등을 판단한다(S15 단계). 진단부(27)는 각 수신 안테나의 수신 신호 분석 결과를 비교한 결과에 기초하여 플라즈마 진단을 수행할 수 있다.
플라즈마 제어부(15)는 진단부(27)의 진단 결과를 전달 받아 플라즈마의 비대칭성이나 편심도를 감소시키는 방향으로 플라즈마를 제어할 수 있다(S16 단계). S16 단계 후에는 S12 단계부터 S15 단계의 플라즈마 진단이 반복될 수 있으며, 이러한 반복은 미리 설정된 기준이 충족될 때까지 수행될 수 있다. 플라즈마 제어는 기판 처리 공정 중 인시튜로 수행될 수 있다.
도 1 내지 도 3에서는 송신 안테나와 수신 안테나 쌍이 2쌍 구비되는 것으로 설명하였으나, 더 많은 수의 송신 안테나/수신 안테나 쌍이 구비되어도 좋다. 이 경우 더 많은 방향에서 플라즈마 특성을 분석하는 것이 가능하므로, 보다 정밀하게 플라즈마를 진단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 설명하기 위한 개략도이다. 도 4의 실시예는 도 1의 실시예와 비교하여 송신 안테나(21a)와 수신 안테나(21b)가 한 쌍이 구비되고, 다만 송신 안테나(21a)와 수신 안테나(21b)가 처리 챔버(10) 측벽을 따라 이동 가능하도록 구비된다는 점에서 차이가 있다.
송신 안테나(21a)와 수신 안테나(21b)가 처리 챔버(10) 측벽을 따라 이동하면서 전자기파를 송신 및 수신하여 분석하는 경우, 송신 안테나와 수신 안테나를 복수 쌍 구비하지 않더라도 다양한 방향에서의 수신 신호 분석이 가능할 수 있다. 따라서 한 쌍의 송신 안테나와 수신 안테나만으로도 기판에 평행한 방향에서의 플라즈마 분포나 대칭성, 편심도 등을 파악할 수 있다.
이동 가능한 송신 안테나와 수신 안테나 쌍은 복수 쌍이 구비되어도 좋다. 이 경우 보다 짧은 시간에 정밀한 분석이 가능할 수 있다. 또한, 송신 안테나와 수신 안테나가 반드시 함께 연동하여 이동하여야 하는 것은 아니며, 독립적으로 이동할 수도 있다. 이 경우 플라즈마 발생 공간의 중심을 경유하지 않는 보다 다양한 경로를 통해 플라즈마 특성을 분석할 수 있다.
송신 안테나(21a)와 수신 안테나(21b)는 뷰포트(11a)(11b)의 이동에 의해 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 즉, 뷰포트(11a)(11b)는 처리 챔버(10)의 측벽을 따라 가이드되어 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 이때, 뷰포트(11a)(11b)의 이동 범위에 대응되는 처리 챔버(10)의 측벽 부분은 적어도 전자기파가 투과할 수 있는 재질로 형성될 수 있다
한편, 본 발명의 실시예들에 있어서, 전자기파 발생부(23)에서 전송된 송신 신호는 전자기파 분석부(25)에 수신될 때까지 플라즈마만을 통과하는 것은 아니고, 송신 경로(Tx), 송신 안테나(21a), 플라즈마(P), 수신 안테나(21b), 수신 경로(Rx)를 차례로 경유하게 된다. 따라서, 전자기파 분석부(25)에 수신된 수신 신호는 플라즈마의 특성만이 반영된 신호라고 할 수 없는 경우가 있다. 이러한 문제를 해결하고 플라즈마 특성만을 정확하게 분석하기 위해 보정을 수행할 수 있다. 보정은 플라즈마를 통과하는 경로에서 얻어진 수신 신호를 플라즈마를 통과하지 않은 경로에서 얻어진 보정 신호로 보정하는 방법으로 수행될 수 있다.
도 5는 이러한 수신 신호 보정 방법의 흐름도이다. 도 5와 같이 본 발명의 실시예에 따른 보정 방법은 보정 신호 취득 단계(S21), 수신 신호 취득 단계(S22) 및 수신 신호 보정 단계(23)를 포함할 수 있다.
보정 신호 취득 단계(S21)는 플라즈마를 통과하지 않는 경로를 통해 전자기파를 수신하는 단계일 수 있다. 예를 들어, 플라즈마를 발생시키지 않은 상태에서 수신 신호를 취득하는 단계일 수 있다.
도 6은 용량결합형 플라즈마 처리 장치(1A)에서 보정 신호를 취득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 플라즈마 처리 장치(1A)는 처리 챔버(10) 내에 기판 지지대에 포함되는 하부 전극(13)과 상부 전극(17)이 구비되고, 하부 전극(13)과 상부전극(17) 사이에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이때, 보정 신호는 플라즈마를 발생시키지 않은 상태에서 송신 안테나(21a)로부터 방사되는 신호를 수신 안테나(21b)에서 수신함으로써 취득될 수 있다.
도 7은 유도결합형 플라즈마 처리 장치(1B)에서 보정 신호를 취득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 플라즈마 처리 장치(1B)는 처리 챔버(10) 상부에 석영창(19)이 구비되고, 석영창 상부의 코일 안테나(미도시)에 인가된 전력에 의해 처리 챔버(10) 내에 플라즈마(P)가 유도될 수 있다. 유도결합형 플라즈마 처리 장치(1B)에서는 플라즈마가 발생된 상태에서도 보정 신호를 취득할 수 있다. 도 7에 도시한 것처럼, 처리 챔버(10) 내에 플라즈마를 발생시킨 상태에서 송신 안테나(21a)에서 전자기파를 방사하면, 수신 안테나(21b)는 플라즈마(P)를 관통하는 직경로(direct path)(P1)을 경유하는 신호 및 플라즈마를 경유하지 않고 석영창(19)을 경유하는 우회경로(indirect path)(P2)를 경유하는 신호 모두를 수신할 수 있다. 이때 우회경로(P2)를 경유하는 신호는 플라즈마를 관통하지 않는다는 점을 제외하면 신호가 경유하는 경로가 동일하므로, 보정 신호가 될 수 있다. 이러한 보정 신호 취득 방법은 마이크로파 플라즈마 처리 장치에서도 사용될 수 있다.
물론 유도결합형 플라즈마 처리 장치(1B)에서도 플라즈마를 발생시키지 않은 상태에서 수신된 신호를 보정 신호로 할 수도 있다. 다만 우회경로(P2)를 경유하는 신호를 보정 신호로 할 경우, 플라즈마를 발생시킨 상태에서 수신 신호 및 보정 신호를 모두 취득할 수 있다는 장점이 있다.
보정 신호를 취득한 후에는 수신 신호를 취득한다(S22). 수신 신호는 도 1 내지 도4를 통해 설명한 것처럼 플라즈마를 발생시킨 상태에서 플라즈마를 경유하여 취득된 신호일 수 있다.
수신 신호를 취득한 후에는 S21 단계에서 취득한 보정 신호를 이용하여 수신 신호를 보정할 수 있다. 수신 신호의 보정은 수신 신호에서 보정 신호를 가감하는 방식으로 수행될 수 있다. 이러한 방법에 의하면, 수신 신호 중 플라즈마 특성에 의한 영향만을 추출하는 것이 가능하다.
이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 이는 실시예일뿐이며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 각 실시예들은 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.
1: 플라즈마 처리 장치
2: 플라즈마 진단 유닛
10: 처리 챔버
11a~11d: 뷰포트
13: 기판 지지대
14: 에지링
15: 플라즈마 제어부
17: 상부 전극
19: 석영창
21a, 21c: 송신 안테나
21b, 21d: 수신 안테나
23: 전자기파 발생부
25: 전자기파 분석부
27: 진단부

Claims (23)

  1. 처리 챔버 내의 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 제1 방향으로 대향 배치되는 제1 송신 안테나와 제1 수신 안테나;
    상기 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 대향 배치되는 제2 송신 안테나와 제2 수신 안테나;
    를 구비하고,
    상기 제1 수신 안테나는 상기 제1 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하고, 상기 제2 수신 안테나는 상기 제2 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하며,
    상기 제1 송신 안테나와 제1 수신 안테나의 편파 특성과, 상기 제2 송신 안테나와 제2 수신 안테나의 편파 특성은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향과 제2 방향은 기판에 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직 방향인 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 송신 안테나 및 제2 송신 안테나에 송신 신호를 전송하는 전자기파 발생부;
    상기 제1 수신 안테나 및 제2 수신 안테나로부터 수신 신호를 전송받는 전자기파 분석부;
    상기 전자기파 분석부의 분석 결과를 전달받아 플라즈마를 진단하는 진단부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송신 신호 및 수신 신호는 광대역의 전자기파 신호인 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전자기파 발생부는 연속파(continuous wave) 또는 펄스파(pulse wave)를 전송하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전자기파 발생부는 주파수를 스윕(sweep)하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 전자기파 분석부는 수신 신호의 주파수에 따른 신호 크기 또는 위상을 분석하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 진단부는 상기 전자기파 분석부로부터 전달받은 분석 결과에 기초하여 기판에 평행한 방향의 플라즈마 분포, 대칭성 또는 편심도를 판단하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  11. 처리 챔버 내의 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 대향 배치되는 송신 안테나와 수신 안테나를 구비하고,
    상기 수신 안테나는 상기 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하며,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나는 처리 챔버의 측벽을 따라 이동 가능한 플라즈마 진단 유닛.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 송신 안테나와 수신 안테나는 서로 독립적으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 유닛.
  13. 제1항 또는 제11항의 플라즈마 진단 유닛을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마 진단 유닛으로부터 플라즈마 진단 결과를 전달받아 플라즈마를 제어하는 플라즈마 제어부를 더 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 제어는 플라즈마의 비대칭성 또는 편심도를 감소시키는 방향으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 제어는,
    플라즈마 소스에 인가되는 RF 전력, 하부 전극에 인가되는 바이어스 전압, 처리 챔버 내부 압력, 처리 챔버에 공급되는 가스 유량, 기판을 둘러싸도록 배치되는 에지링의 높이 중 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  17. 처리 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계;
    전자기파 발생부에서 광대역의 전자기파를 발생시켜 상기 처리 챔버의 측벽에 배치된 송신 안테나에 송신 신호를 전송하는 단계;
    상기 송신 안테나는 처리 챔버 내로 송신 신호를 방사하고, 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 상기 송신 안테나와 대향하여 처리 챔버의 측벽에 배치되는 수신 안테나가 상기 송신 신호를 수신하는 단계;
    전자기파 분석부가 상기 수신 안테나의 수신 신호를 전달받아 분석하는 단계;
    진단부가 상기 전자기파 분석부의 분석 결과를 전달받아 플라즈마를 진단하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 송신 안테나는 제1 송신 안테나 및 제2 송신 안테나를 포함하고,
    상기 수신 안테나는 제1 수신 안테나 및 제2 수신 안테나를 포함하며,
    상기 제1 송신 안테나와 제1 수신 안테나의 편파 특성과, 상기 제2 송신 안테나와 제2 수신 안테나의 편파 특성은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 송신 안테나와 제1 수신 안테나는 제1 방향으로 대향 배치되고,
    상기 제2 송신 안테나와 제2 수신 안테나는 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 대향 배치되며,
    상기 제1 수신 안테나는 상기 제1 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하고, 상기 제2 수신 안테나는 상기 제2 송신 안테나로부터 방사되는 전자기파를 수신하는 플라즈마 진단 방법.
  19. 처리 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 단계;
    전자기파 발생부에서 광대역의 전자기파를 발생시켜 상기 처리 챔버의 측벽에 배치된 송신 안테나에 송신 신호를 전송하는 단계;
    상기 송신 안테나는 처리 챔버 내로 송신 신호를 방사하고, 플라즈마 발생 공간을 사이에 두고 상기 송신 안테나와 대향하여 처리 챔버의 측벽에 배치되는 수신 안테나가 상기 송신 신호를 수신하는 단계;
    전자기파 분석부가 상기 수신 안테나의 수신 신호를 전달받아 분석하는 단계;
    진단부가 상기 전자기파 분석부의 분석 결과를 전달받아 플라즈마를 진단하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나는 처리 챔버의 측벽을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 진단부는, 플라즈마 진단 결과에 기초하여 플라즈마를 제어할 수 있도록 플라즈마 제어부에 상기 플라즈마 진단 결과를 전달하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 수신 신호를 보정 신호를 이용하여 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 보정 신호는, 플라즈마를 통과하지 않은 경로에서 취득된 수신 신호인 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 보정 신호는,
    플라즈마를 발생시키지 않은 상태에서 취득한 수신 신호이거나,
    플라즈마를 발생시킨 상태에서 플라즈마를 통과하지 않는 우회경로를 통해 취득된 수신 신호인 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
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