KR102190926B1 - 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템 - Google Patents

기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템은, 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치되며, 직류 전압 인가에 따라 정전기력을 발생하여 기판에 척킹(chucking) 또는 디척킹(de-chucking)하는 적어도 하나의 정전척 전극, 상기 정전척 전극이 정전기력을 발생시킬 수 있도록 상기 정전척 전극에 직류 성분을 포함하는 제1 전기적 신호를 인가하는 전압 공급기, 상기 정전척 전극에 인접하여 형성되며, 상기 정전척 전극으로부터의 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역의 주파수 성분을 갖는 제2 전기적 신호를 인가받는 도체 베이스 및 플라즈마 발생에 따른 상기 기판의 상태를 측정하기 위하여, 측정 교류 신호를 인가하여 발생된 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템{System for measuring status of substrate and plasma}
본 발명은 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템에 관한 것이다.
종래에는 정전척 상 기판(substrate)의 상태 및 플라즈마 상태를 확인하기 위해서 카메라 모듈과 소프트웨어를 기반으로 하는 비전(vision) 방식을 이용했다. 그러나, 진공 챔버 내 카메라를 삽입하는 방식 혹은 외부에서 카메라로 기판 유/무를 파악하기 위해서는 별도의 윈도우(window)가 필요하여 이러한 윈도우가 증착 공정(deposition process) 혹은 식각 공정(etching process)에서 나온 부산물(by product)에 의하여 오염되는 경우 측정 오차가 생길 가능성이 높으며 또한 기판의 물성 파악은 어렵다는 단점이 존재한다. 또한 정전척에 직류 전압을 인가하는 직류 전력 공급기(DC power supply)에 누설 전류(leakage current)를 측정할 수 있는 시스템이 내장되어 기판 유/무, 기판의 위치를 판단하는 기술이 존재한다. 그러나, 누설 전류 측정 방식으로는 정전척 상 기판의 위치를 정확하게 측정하기 어려운 단점이 있다.
플라즈마 상태를 확인하기 위하여 사용되는 방법 중 대표적인 방법은 전력 전극(power electrode)에 인가되는 전력의 전압(voltage), 전류(current), 위상(phase)을 측정하는 V/I probe가 대표적인 예이다. 이는 전극에 인가되는 RF 전력을 모니터링하는 방법으로 진공 챔버 전체의 임피던스를 측정하는 방식으로 정전척을 기준으로 하는 것이 아닌 전력 전극을 기준으로 모니터링하기 때문에 기판 상태 측정에 대한 해상도는 떨어지는 단점이 존재한다.
한국 공개 특허 제10-2018-0116002호 (공개)
본 발명은 상기 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 측정용 신호를 정전척 전극에 인가하여 플라즈마가 방전된 상태에서의 기판 상태(기판 유무, 기판 위치, 기판 종류)에 따라 변화하는 임피던스 값의 변화를 측정하며, 또한 플라즈마의 임피던스 변화를 함께 측정하여 공정(process)에서 요구하는 기판 상태 확인 및 플라즈마 상태를 실시간으로 확인 할 수 있는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하는 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 시스템은, 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치되며, 직류 전압 인가에 따라 정전기력을 발생하여 기판에 척킹(chucking) 또는 디척킹(de-chucking)하는 적어도 하나의 정전척 전극, 상기 정전척 전극이 정전기력을 발생시킬 수 있도록 상기 정전척 전극에 직류 성분을 포함하는 제1 전기적 신호를 인가하는 전압 공급기, 상기 정전척 전극에 인접하여 형성되며, 상기 정전척 전극으로부터의 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역의 주파수 성분을 갖는 제2 전기적 신호를 인가받는 도체 베이스 및 플라즈마 발생에 따른 상기 기판의 상태를 측정하기 위하여, 측정 교류 신호를 인가하여 발생된 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하는 프로세서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 진공 챔버의 내벽과 연결되고, 상기 정전척 전극과 대향하는 위치에 배치되어 상기 정전척 전극과 함께 전기장을 형성시키는 그라운드 전극;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 방전을 위한 상기 제2 전기적 신호를 상기 도체 베이스로 인가하는 RF 전원 및 상기 RF 전원과 연결되어, 상기 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역의 주파수 성분 외에 외부로부터의 타 주파수 대역의 주파수 성분을 갖는 신호가 상기 RF 전원으로 입력되는 것을 차단하기 위한 필터용 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 정전척 전극 및 상기 전압 공급기와 연결되고, 플라즈마 방전을 위하여 상기 도체 베이스에 인가되는 제2 전기적 신호가 상기 전압 공급기로 인가되는 진입 경로를 차단하는 제1 필터 및 상기 정전척 전극 및 상기 RF 필터와 연결되어, 상기 측정 교류 신호가 상기 전압 공급기로 인가되는 것을 차단하는 제2 필터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하기 위한 측정 회로를 포함하며, 상기 측정 회로는, 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하기 위한 상기 측정 교류 신호를 발생시키는 AC 신호 발생기, 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스에 따른 부하 임피던스와의 기 설정된 비율에 따른 기준 임피던스를 갖는 기준 캐패시터 및 상기 측정 교류 신호와 상기 기준 임피던스에 따른 전압을 비교하는 비교기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정 회로는, 상기 AC 신호 발생기 및 상기 부하 임피던스를 갖는 전류가 흐르는 회로 상에 연결되어, 플라즈마 방전에 따라 방사되는 차단 대상 주파수 대역의 주파수 성분을 차단하는 보호 회로 및 상기 비교기 및 상기 보호 회로와 연결되어, 상기 부하 임피던스에 따른 전압이 임계치보다 작은 경우, 상기 부하 임피던스에 따른 전압을 증폭시키는 증폭기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정 회로는, 상기 AC 신호 발생기와 직렬로 연결되어 배치되는 직류 전압 차단 캐패시터 또는 유전체를 이용하여 상기 전압 공급기로부터 공급되는 제1 전기적 신호가 입력되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 방전에 따라 발생되는 열을 컨트롤하기 위한 냉각수의 경로를 제공하기 위해 상기 도체 베이스를 관통하는 냉각 라인 및 상기 기판의 균일한 온도 제어를 위해 상기 기판의 표면으로 공급되는 가스의 경로를 제공하는 가스 라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 유전체로 이루어져, 플라즈마 또는 활성종(radical)에 의한 물리적 식각 또는 화학적 식각의 현상을 방지하도록 상기 정전척 전극 및 상기 도체 베이스를 커버하는 포커스 링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도체 베이스는, 알루미늄(aluminum)으로 이루어질 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정 시스템은, 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치되며, 직류 전압 인가에 따라 정전기력을 발생하여 기판에 척킹(chucking) 또는 디척킹(de-chucking)하는 적어도 한 쌍의 정전척 전극들, 상기 정전척 전극들이 정전기력을 발생시킬 수 있도록 상기 정전척 전극들에 직류 성분을 포함하는 제1 전기적 신호를 인가하는 전압 공급기, 상기 정전척 전극들에 인접하여 형성되며, 상기 정전척 전극들로부터의 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역의 주파수 성분을 갖는 제2 전기적 신호를 인가받는 도체 베이스 및 플라즈마 발생에 따른 상기 기판의 상태를 측정하기 위하여, 측정 교류 신호를 인가하여 발생된 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하는 프로세서를 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정 시스템은, 진공 챔버, 상기 진공 챔버 내에 배치되며, 직류 전압 인가에 따라 정전기력을 발생하여 기판에 척킹(chucking) 또는 디척킹(de-chucking)하는 적어도 한 쌍 이상의 정전척 전극들, 상기 정전척 전극들이 정전기력을 발생시킬 수 있도록 상기 정전척 전극들에 직류 성분을 포함하는 제1 전기적 신호를 인가하는 전압 공급기, 상기 정전척 전극들에 인접하여 형성되며, 상기 정전척 전극들로부터의 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역의 주파수 성분을 갖는 제2 전기적 신호를 인가받는 도체 베이스, 플라즈마 발생에 따른 상기 기판의 상태를 측정하기 위하여, 측정 교류 신호를 인가하여 발생된 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하는 프로세서 및 상기 제1 전기적 신호가 상기 프로세서로 입력되는 것을 방지하기 위해 상기 각 정전척 전극과 직렬로 연결되는 직류 전압 차단 캐패시터들 및 상기 프로세서와 연결되는 멀티플렉서를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하는 측정 시스템은 플라즈마 공정 재현성 확인을 위하여 정전척의 임피던스 값을 기준으로 하여 기판 상태 변화에 따른 임피던스 변화를 확인하과 동시에 플라즈마의 파라미터 변화에 따른 임피던스 변화를 동시에 측정함으로써 실시간으로 공정 재현성을 확인할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도2 및 도3은 단일 정전척 전극으로 구성되는 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도4 내지 도6은 정전척 전극이 하나의 쌍으로 구성되는 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도7은 정전척 전극이 복수의 쌍으로 구성되는 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도8은 단일 정전척 전극으로 구성된 측정 시스템에서의 측정 회로를 도시한 도면이다.
도9는 한 쌍의 정전척 전극으로 구성된 측정 시스템에서의 측정 회로를 도시한 도면이다.
도10 내지 도13은 한 쌍 이상의 정전척 전극을 이용한 측정 시스템에서의 플라즈마 방전 시 기판 종류에 따른 최종값 출력을 나타낸 실험 그래프이다.
도14 내지 도17은 하나의 정전척 전극을 이용한 측정 시스템에서의 플라즈마 방전 시 기판 종류에 따른 최종값 출력을 나타낸 실험 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록"등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템의 구성을 관련된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
반도체 및 디스플레이, 태양전지 등에서 플라즈마를 이용하는 공정인 PECVD(Plasma Enhanced chemical Vapor Deposition) 장비, 기판 식각을 위하여 사용하는 식각(Etch) 장비 등에서 동일 공정 조건, 기판 위치에 따른 공정 최적화 등 여러 조건을 만족시키기 위하여 기판을 원하는 위치에서 고정시키는 정전척(Electro static chuck)을 사용한다. 이러한 플라즈마를 이용하는 공정에서는 플라즈마가 방전된 상태에서도 기판의 상태를 파악함과 동시에 플라즈마 상태를 파악함으로써 공정 재현성(process reproducibility)을 확보하는 것이 중요하다.
공정 재현성은 정전척 상 기판의 위치, 종류, 물성 등의 기판 상태 파악 및 플라즈마의 파라미터인 밀도, 전자온도, 기판으로의 하전 입자 플럭스 등 플라즈마 상태 파악을 동시에 진행하여 공정 조건을 실시간으로 모니터링하여 최적화하는 방식으로 진행된다.
본 발명의 측정 시스템은 플라즈마 공정 중 공정 재현성 확인을 위하여 정전척의 임피던스 값을 기준으로 하여 기판 상태 변화에 따른 임피던스 변화를 확인하과 동시에 플라즈마의 파라미터 변화에 따른 임피던스 변화를 동시에 측정함으로써 실시간으로 공정 재현성을 확인하는 것이 가능하다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 측정 시스템은 플라즈마(Plasma)가 방전된 상태에서 정전척(electro static chuck, ESC)에서의 전기적 신호 변화를 감지하여 기판 상태(substrate state)를 모니터링하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정용 신호를 정전척 전극에 인가하여 플라즈마가 방전된 상태에서의 기판 상태(기판 유무, 기판 위치, 기판 종류)에 따라 변화하는 임피던스 값의 변화를 측정하며, 또한 플라즈마의 임피던스 변화를 함께 측정하여 공정(process)에서 요구하는 기판 상태 확인 및 플라즈마 상태를 실시간으로 확인할 수 있다.
본 발명의 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템은 플라즈마(plasma)를 이용하여 기판을 식각(etching)하는 공정 및 기판 상에 증착 공정(PECVD) 등 플라즈마를 사용하는 공정에서 단극자 정전척(Monopole ESC), 쌍극자 정전척(Bi-pole ESC) 혹은 다중 채널 정전척(multi channel ESC)을 이용하여 기판을 척킹(chucking)하며 이러한 정전척 위에서의 기판의 상태를 실시간으로 측정할 수 있으며 플라즈마 파라미터를 측정할 수 있는 측정 시스템(measurement system)을 의미한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템은 전압 공급기(110), RF 전원(120), 정전척 전극(130), 그라운드 전극(140), 프로세서(160)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 도1에 도시된 기판(150) 및 모니터링 장치(170)는 측정 시스템의 외적 구성요소로 마련될 수도 있고, 내적 구성요소로 마련될 수도 있다.
도2 내지 도7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명의 측정 시스템은 여러 실시예에 따라 단극자 정전척 또는 쌍극자 정전척 또는 다중 채널 정전척에서 사용 가능한 형태로 구현할 수 있다. 기판의 상태 및 플라즈마 파라미터를 측정하기 위한 측정용 교류 신호(measurement AC signal)을 인가할 수 있는 전극 개수에 따라 연결 방법이 달라질 수 있다. 측정용 교류 신호(전압)를 연결할 수 있는 정전척 전극이 하나인 경우에는 측정용 교류 신호가 인가되는 2개의 신호 라인 중 하나는 정전척 전극에 인가하고 다른 하나의 라인은 진공 챔버 벽(vacuum chamber wall)에 연결하는 형태로 구성되며, 정전척 전극이 한 쌍 이상인 경우에는 측정용 교류 신호(전압)를 한 쌍의 전극에 연결하여 구성될 수 있다.
도2과 도3은 단일 정전척 전극으로 구성되는 측정 시스템을 도시한 도면이고, 도4 내지 도6은 정전척 전극이 하나의 쌍으로 구성되는 측정 시스템을 도시한 도면이며, 도7은 정전척 전극이 복수의 쌍으로 구성되는 측정 시스템을 도시한 도면이다.
다시 도1을 참조하여 본 발명의 측정 시스템의 구성에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
전압 공급기(110)는 정전척 전극(130)이 정전기력을 발생시킬 수 있도록 정전척 전극(130)에 직류 성분을 포함하는 제1 전기적 신호를 공급할 수 있다. 제1 전기적 신호는 예를 들어, 직류 전압(DC power)(예컨대, 수 kV 전압)일 수 있다. 도2 및 도3과 같은 단극자 정전척의 경우에는 음의 직류 전압(negative DC voltage)를 입력할 수 있다. 그리고, 도4 내지 도7과 같은 쌍극자 정전척의 경우에는 양극성 직류 전압 공급기(Bi-polar DC power supply)를 이용하여 양의 직류 전압(positive DC voltage) 및 음의 직류 전압을 서로 다른 정전척 전극에 인가하여 정전력을 발생시킬 수 있다.
RF 전원(120)은 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역(메인 주파수 대역)의 라디오 주파수(Radio frequency) 성분을 갖는 제2 전기적 신호를 도체 베이스(230)로 인가할 수 있다. 여기서, 제2 전기적 신호는 상기 플라즈마 방전 대역의 주파수를 갖는 전원일 수 있다. 일 실시예에 따르면, RF 전원(120)은 최대 전력 전달을 위해 RF 매처(RF matcher)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 본 발명의 RF 전원(120)은 도2에 도시된 바와 같이, 정전척 전극(212)을 감싸고 있는 도체 베이스(230)에 RF 전원(120)을 인가함으로써, 도체 베이스(230)에 인가된 RF 전원(120)이 정전척 전극(212)으로 전달됨에 따라서 플라즈마 방전이 일어날 수 있게 된다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 도체 베이스(230)는 상술한 바와 같이 플라즈마 방전(plasma discharge)을 위한 RF 전원을 인가받고, 도2 내지 도7에 도시된 바와 같이 정전척 전극에 인접하여 형성될 수 있다. 예컨대, 도체 베이스(230)는 알루미늄(Aluminum)으로 이루어진 것일 수 있다.
다시 도1을 참조하면, 본 발명의 정전척 전극(130)은 진공 챔버(chamber) 내에 배치되며, 직류 전압(DC power) 인가에 따라 정전기력을 발생하여 기판에 척킹(chucking) 또는 디척킹(de-chucking)할 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 정전척 전극(130)은 T자 형태로 구현되어, 일부는 기판(210)과 마주보는 위치에 마련되며, 다른 일부는 몸체부(230) 사이에 배치되어 마련될 수 있다. 이렇게 도체 베이스(230) 사이에 위치하는 정전척 전극(130)의 일단부는 전압 공급기(216)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 도2를 참조하여 설명하면, 정전척 전극(212)은 유전체(236)로 둘러쌓여 있으며, 전압 공급기(216)로부터 정전기력 발생을 위한 직류 전압을 인가받음으로써 유전체(236)가 분극현상으로 인해 기판(210)을 척킹(chucking) 할 수 있는 정전기력(electro static force)을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도2 및 도4에 도시된 바와 같은 유전체(236, 436)는 전압 공급기에서 출력된 직류 전압이 프로세서(226)로 입력되는 것을 방지하고, 측정 교류 신호만을 인가하기 위하여 절연 내압이 유전체(dielectric)을 직류 전압이 정전척 전극으로 공급되는 라인 주위를 둘러쌓은 뒤 그 위에 측정 교류 신호를 인가할 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도3, 도5, 도6, 도7을 참조하면, 본 발명의 측정 시스템은 상술한 바와 같은 유전체 대신 절연 내압이 높은 캐패시터(238, 438, 638, 738)를 직렬로 연결하여 높은 전압의 전류 전압을 차단하도록 구현될 수도 있다.
도1에서 그라운드 전극(ground electrode)(140)은 진공 챔버(chamber)의 내벽과 연결되고, 정전척 전극(130)과 대향하는 위치에 배치되어 정전척 전극(130)과 함께 전기장을 형성시킬 수 있다. 그라운드 전극(140)은 플라즈마를 방전하는 공정에서 전자의 가속을 위하여 전기장 형성에 필요하다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 도6 내지 도7과 같은 측정 시스템은 화학적 증착(chemical vapor deposition) 공정에서 활성종(radical)의 분포가 기판에서 고르게 분포하기 위하여, 그라운드 전극을 대신해 샤워 헤드(shower head)(636, 736)을 추가로 구성하여 구현할 수 있다. 샤워 헤드를 이용한 측정 시스템의 플라즈마를 이용한 화학적 증착에서는 샤워 헤드에 RF 전원을 인가함으로써 플라즈마를 방전시킬 수 있다.
본 발명의 측정 시스템의 외적 구성 요소인 기판(150)은 정전척 전극과 그라운드 전극 사이에 위치하고, 이때 마련될 수 있는 기판의 종류로는 크게 반도체 공정용 웨이퍼(wafer), 디스플레이 판넬용 유리(glass) 등이 있을 수 있으며, 웨이퍼와 유리는 인가 주파수에 따른 임피던스가 다르다. 예컨대, 반도체 및 태양전지 공정용 웨이퍼는 P-type, N-type, Intrinsic으로 분류되며, 유리의 경우에는 석영 유리(Quartz), 고규산 유리(High silica glass), 실리카티타니아 유리(silica-titania glass), 일반 소다라임(soda-lime glass)가 있을 수 있다. 상술한 바와 같은 다양한 기판 각각은 종류에 따라 갖고 있는 고유 저항 성분인 비저항(resistivity) 및 면저항(sheet resistance) 등이 다르며 또한 외부 인가 주파수에 따라 갖는 반응저항(reactance) 성분이 다른 값을 갖게 된다. 또한, 기판(150)은 정전척(ESC)에서 정전기력(electro-static force)에 의해 공정에서 요구되는 정해진 위치에 위치하는 것이 바람직하다.
프로세서(160)는 플라즈마 발생에 따른 기판의 상태를 측정하기 위하여 측정 교류 신호를 인가하여 발생된 플라즈마의 임피던스 또는 기판의 임피던스를 측정할 수 있다.
보다 구체적으로, 프로세서(160)는 정전척 상에 위치한 기판의 상태를 측정하기 위하여 측정 교류 신호(measurement AC signal)을 인가하여 정전척 및 기판의 임피던스를 측정할 수 있다. 정전척에서의 기판의 위치, 기판의 종류에 따라 교류 전압을 인가하고, 인가한 교류 전압에 대한 임피던스가 달라지므로 정전척 상 기판의 상태를 실시간으로 측정할 수 있다.
실시예 도2 및 도3을 참조하면, 본 발명의 프로세서(226)는 단극자 정전척의 경우 두 개의 신호 라인을 연결하는데 있어, 하나의 신호 라인은 정전척 전극(212)과 연결되며 다른 하나의 신호 라인은 챔버 그라운드(chamber ground)로 연결될 수 있다.
또한, 다른 실시예 도4 내지 도7과 같은 쌍극자 정전척 및 다중 채널 정전척의 경우에서의 프로세서(426, 626, 726)는 한 쌍의 정전척 전극과 연결되어 임피던스를 측정할 수 있다.
이때, 본 발명의 프로세서는 플라즈마 방전 후에도 동일한 플라즈마 방전 조건 하에서는 플라즈마 임피던스는 고정된 상태이므로 기판의 변화를 감지할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템의 구성에 대하여 구체적인 설명을 위해 도2를 참조하여 설명한다.
도2를 참조하면, 본 발명의 필터용 캐패시터(224)는 RF 전원(222)과 연결되어, 플라즈마 방전을 위한 외부로부터의 타 주파수를 갖는 전원이 RF 전원(222)으로 입력되는 것을 차단하기 위한 보호용 캐패시터로서 동작할 수 있다.
그리고, 제1 필터인 RF 필터(218)는 정전척 전극(212) 및 전압 공급기(216)와 연결되어, 플라즈마 방전을 위하여 알루미늄 도체 베이스(230)에 인가되는 주파수 신호(RF 신호)가 전압 공급기(216)로 인가되어 오류 및 기기 파손을 발생시키는 것을 차단하기 위해 RF 신호의 진입 경로를 차단할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 RF 필터(218)는 수동 소자 또는 반도체를 이용하여 RF 신호에 대한 임피던스를 높이는 방법을 이용함으로써 RF 신호의 진입 경로를 차단할 수 있다.
그리고, 제2 필터인 저역 통과 필터(LPF)(220)는 정전척 전극(212) 및 RF 필터(218)와 연결되어, 프로세서(226)로부터 공급되는 측정 교류 신호의 주파수에 대하여 높은 임피던스를 갖도록 함으로써, 측정 교류 신호가 전압 공급기(216)로 인가되는 것을 차단할 수 있다.
그리고, 냉각 라인(234a, 234b, 234c, 234d)은 플라즈마 방전에 따라 발생되는 열을 제어하기 위한 냉각수가 흐를 수 있는 경로를 제공하며, 냉각 라인(234)은 도체 베이스를 관통하도록 적어도 하나의 라인으로 마련될 수 있다.
그리고, 가스 라인(232)은 기판(210)이 균일한 온도를 갖도록 균일한 온도 제어를 위하여 정전척 전극(212) 표면에 헬륨 가스를 공급하여 정전척 전극(212)과 기판(210) 간의 에너지 교환을 통하여 기판의 온도를 제어할 수 있다.
그리고, 본 발명의 포커스 링(228)은 유전체로 이루어지며, 플라즈마 또는 활성종에 의한 물리적 식각 또는 화학적 식각의 현상을 방지하도록 정전척 전극(212) 및 도체 베이스(230)를 커버하도록 마련될 수 있다. 보다 상세하게는, 포커스 링(228)은 플라즈마(plasma)를 기판의 외측까지 확대시키고, 기판(210) 상의 플라즈마의 균일성을 향상시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 측정 시스템은 일반적인 반도체 공정에서 식각 및 증착 공정에서 이용하는 진공 환경(vacuum environment)를 구현하기 위해 공간적 제한을 두어 한정된 공간에서 진공 환경을 조성할 수 있도록 진공 챔버(chamber)를 이용한다.
그리고, 본 발명에서의 플라즈마는 식각 공정에서 물리적 식각에 필요한 이온(ion)과 화학적 식각에 필요한 활성종을 제공하는 역할을 하며, 증착 공정에서 화학적 증착에 필요한 활성종을 제공하는 역할을 할 수 있다.
도3은 도2에서 유전체(236) 대신 캐패시터(238)로 구성한 측정 시스템을 도시한 것이고, 도4 및 도5는 쌍극자 정전척(412a, 412b)으로 구성되어, 이에 따라 각 정전척 전극과 연결되는 저역 통과 필터(420a, 420b)들을 구성하고, RF 필터(418)는 상기 저역 통과 필터들과 연결되도록 구성한 다른 실시예의 측정 시스템을 도시한 것이다. 도4에서 프로세서(426)는 각 정전척 전극에 설치되는 유전체(436a, 436b)와 연결되고, 도5에서 프로세서(426)는 각 정전척 전극과 연결되는 캐패시터(438a, 438b)와 연결된다.
또한, 도6은 챔버와 연결되는 그라운드 전극 대신 샤워 헤드로 구성되고, 이때, RF 전원(622)은 챔버(chamber)와 샤워 헤드(614, 636)와 연결되어 구성된다. 그리고, 도7은 도6과 같은 구성에서 두 개의 쌍극자 정전척으로 마련한 경우를 예시한 측정 시스템으로서, 프로세서(726)는 각 정전척 전극과 연결되는 캐패시터와 연결되는 멀티플랙서(MUX)와 연결됨으로써 기판 임피던스 및 플라즈마 임피던스를 측정할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 프로세서에 대하여 도8 및 도9를 참조하여 보다 구제적으로 설명한다. 본 발명의 프로세서는 플라즈마의 임피던스 및 기판의 임피던스를 측정하기 위한 측정 회로를 포함한다. 도8은 단일 정전척 전극으로 구성된 측정 시스템에서의 측정 회로를 도시한 도면이고, 도9는 한 쌍의 정전척 전극으로 구성된 측정 시스템에서의 측정 회로를 도시한 도면이다.
도8을 참조하여 본 발명의 측정 회로에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 측정 회로는, AC 신호 발생기(810), 보정 기판(812), 고역 통과 필터(816a, 816b, 816c), 보호 회로(818a, 818b, 818c), 기준 캐패시터(820), 증폭기(822), 및 비교기(824)를 포함하여 구성될 수 있다.
AC 발생기(810)는 플라즈마 임피던스 및 기판의 임피던스를 측정하기 위한 측정 교류 신호를 발생시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 정전척 및 정전척 상의 기판의 임피던스 측정을 위하여 원하는 주파수를 갖는 AC(alternating current) 신호, 즉 측정 교류 신호를 입력할 수 있다. 이때, 주파수는 플라즈마 방전 주파수를 피하기 위하여 수 kHz에서 1 MHz까지의 주파수 대역 범위를 가질 수 있고, 전압은 실효값(RMS) 5V 내외의 전압을 출력할 수 있다. 그리고, AC 신호(측정 교류 신호)의 형태는 사인파(sine wave), 또는 사각파(square wave) 형태로 입력될 수 있다.
단일의 정전척 전극에 의해서 발생되는 플라즈마의 임피던스가 직렬로 연결되어야 측정이 가능하므로, 측정 회로는 플라즈마에 의한 변수를 측정하기 위해 보정 기판(calibration substrate)(812)을 이용할 수 있다. 이때, 본 발명의 측정 회로는 정전척 임피던스와 기준 임피던스를 고정된 상태에서 측정할 수 있다.
참조번호 814는 플라즈마 임피던스를 가변 캐패시터로 표현한 것이다. 플라즈마 임피던스(814)는 플라즈마가 방전됨에 따라 회로에서 연결된다. 플라즈마 임피던스는 플라즈마 파라미터(밀도, 전자온도, 플럭스) 등에 의해 변하는 값으로서, 측정 연결 형태 따라 직/병렬로 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 플라즈마 내 임피던스 성분 중 저항 성분은 값이 작을 수 있다.
고역 통과 필터(high pass filter)(816)는 플라즈마가 항상 주변 물체보다 높은 전위(potential)을 갖고 있으므로, 측정 기기 연결 시 전위차에 의하여 직류 전압(DC voltage)이 나타나게 되어, 플라즈마 전위에 의한 직류 전압 성분을 제거하기 위하여 마련될 수 있다.
또한, 고역 통과 필터(816)는 본 발명의 측정 시스템 내로 높은 전압의 직류 전압이 입력되는 것을 방지하기 위하여 측정 교류 신호의 입/출력단에 내압이 높은 직류 전압 차단 캐패시터 또는 유전체가 직렬로 연결될 수 있다. 여기서, 직류 전압 차단 캐패시터는 도3에서의 캐패시터(238)와 동일한 것이고, 유전체는 도2에서의 유전체(236)와 동일한 것이다.
플라즈마에서 방사되는 다양한 주파수 성분이 측정에 영향을 미치게 되며, 이러한 주파수 성분에는 고조파 주파수(harmonic frequency), 잡주파수(spurious frequency) 등이 있다. 보호 회로(818)는 플라즈마 방전에 따라 방사되는 상기와 같은 차단 대상 주파수 대역의 주파수 성분을 차단할 수 있다. 보호 회로(818)는 전기적 신호의 크기를 제한하는 정전압 회로 혹은 고출력의 플라즈마 성분을 차단하기 위해 제너 다이오드, 다이오드, 그라운드를 혼합하는 회로로 구현 가능하다.
기준 캐패시터(820)는 플라즈마 임피던스 및 기판의 임피던스로 정의되는 부하 임피던스와의 기 설정된 비율에 따른 기준 임피던스를 가질 수 있다. 기준 캐패시터의 기준 임피던스는, 부하 임피던스와 일정한 비를 갖는 임피던스를 갖는 신호 측정용 기준이 될 수 있다. 부하 임피던스와 기준 임피던스 간 비에 따라 전압이 분배되며, 프로세서는 기준 임피던스에 걸리는 전압을 측정함으로써 부하 임피던스를 측정할 수 있다. 예컨대, 부하 임피던스와 기준 임피던스 간 비는 1:10 내지 1:10000 내에서 선정하는 것이 측정 정확도를 높일 수 있다는 점에서 바람직하다.
증폭기(amplifier)(822)는 비교기(824) 및 보호 회로(818c)와 연결되어, 부하 임피던스에 따른 전압이 임계치보다 작은 경우, 부하 임피던스에 따른 전압을 증폭시킬 수 있다. 또한, 증폭기(822)는 플라즈마에서 방사되는 여러 잡주파수를 일부 차단할 수 있다.
비교기(comparator)(824)는 측정 교류 신호와 기준 임피던스에 걸리는 전압을 비교할 수 있다. 비교기(824)는 락 인 앰프(lock in amplifier) 기능으로 측정 교류 신호와 동일한 주파수를 갖는 신호만을 필터링할 수 있다.
쌍극자 정전척으로 구성되는 측정 시스템에서의 측정 회로를 도시한 도9는 도8에서의 보정 기판을 제외한 나머지 구성은 동일하다. 도9의 참조번호 912는 정전척의 임피던스와 기판의 임피던스로 정의되는 부하 임피던스를 나타내는 것이고, 이러한 부하 임피던스(load impedance)(912)는 정전척의 임피던스와 기판의 임피던스가 직렬 또는 병렬로 연결되어 하나의 임피던스로 나타날 수 있고, 정전척에서의 기판 상태 변화에 따라 부하 임피던스의 값은 달라지게 된다. 부하 임피던스의 변화에 따라 기준 임피던스와의 전압 분배(voltage divide)가 달라지며, 측정 회로는 이러한 전압 변화를 이용하여 기판 상태 변화에 따른 임피던스를 측정할 수 있다.
본 발명의 측정 시스템의 플라즈마 임피던스 및 기판 임피던스를 측정하는 기본 원리는 정전척 전극(ESC electrode)에 측정 교류 신호를 인가하여 이에 따른 정전척의 전체 임피던스(total impedance)를 측정하고, 기판 상태에 따라 일부 임피던스가 변하는 것을 측정하는 것이다.
즉, 측정 시스템의 프로세서는 AC 신호 발생기를 통해 원하는 주파수를 정전척 전극을 통해 인가한다. 이때 사용하는 주파수는 플라즈마 방전 주파수와 겹치는 것을 피하기 위하여 수 kHz 내지 1 MHz까지 범위를 갖게 되며, 이 중 챔버 특성에 맞는 주파수를 선정할 수 있다. 측정 AC 신호 발생기에서 출력된 전기적 신호가 부하 임피던스와 기준 임피던스의 비에 따라 전압 분배가 일어나게 되고, 이에 따른 기준 임피던스는 부하 임피던스에 대하여 일정한 비율을 갖는 임피던스 값을 갖고 있는 수동 소자(passive component)를 사용한다.
부하 임피던스는 정전척이 갖고 있는 임피던스와 기판이 갖고 있는 임피던스가 서로 직렬 또는 병렬로 연결되어 총 합으로 나타나는 값으로 정전척 상의 기판 상태가 변화하면 부하 임피던스 값이 바뀌게 되며, 이에 따라 기준 임피던스와의 전압 분배가 다르게 나타나게 된다. 혹은 플라즈마가 방전 되어 있을 경우에는 플라즈마 임피던스도 함께 직렬 또는 병렬로 나타나게 되며 이 또한 부하 임피던스의 변화로 나타나게 된다. 즉, 부하 임피던스의 변화가 기준 임피던스에서 전압의 변화로 나타남을 의미한다.
측정 회로에서, 기준 임피던스에서 측정된 전압을 비교기(comparator)로 입력되며 비교기에서 측정 교류 신호와 동일한 주파수를 갖는 전압 신호만 출력하게 된다. 따라서, 프로세서는 플라즈마가 방전된 상태에서도 외부 주파수를 제거하여 입력된 신호에 대해서만 전기적 신호를 분석할 수 있다.
도2 및 도3과 같이 하나의 정전척 전극으로 구성되는 경우에는, 두 신호 라인 중 하나는 정전척 전극에 연결되고, 다른 하나의 신호 라인은 진공 챔버(chamber)의 내벽과 연결되며, 이에 따라 정전척의 임피던스와 기판의 임피던스는 서로 직렬 또는 병렬 형태로 연결된다.
도4 내지 도7과 같은 한 쌍 이상의 정전척 전극들로 구성되는 경우에는, 두 신호 라인이 상기 정전척 전극들에 연결되고, 두 신호 라인 사이에서 정전척의 임피던스와 기판의 임피던스는 서로 직렬 또는 병렬 형태로 연결될 수 있다.
플라즈마를 이용한 공정 시에는 플라즈마 또한 인가 주파수에 대한 임피던스를 갖고 있어, 플라즈마 임피던스는 정전척의 임피던스와 기판의 임피던스와 함께 직렬 또는 병렬로 연결되어 임피던스의 합으로 측정될 수 있다. 즉, 최종 출력은 전압 형태 또는 특정 로직에 의해 나타날 수 있다.
정전척 상 기판 종류에 따라 변하는 임피던스에는 저항 성분 및 리액턴스 성분이 존재한다. 이 중 기판 종류에 따라 변하는 저항 성분은 매우 작으며, 본 발명에서는 리액턴스 성분이 대부분을 차지하는 것을 임피던스 계측기(impedance analyzer)를 이용하여 측정한 결과 아래 <표1>과 같은 결과가 측정되었다.
Substrate type X(Reactance) Phase(°)
200 mm semiconductor wafer(p type) -85.30 -89.2
6 inch p type wafer -85.96 -89.19
6 inch n type wafer -122.53 -88.81
<표1>을 참고하면, 정전척 및 정전척 상 기판에 따른 임피던스는 저항 성분과 비교하여 리액턴스 성분이 훨씬 크므로 등가회로 상에서의 부하 임피던스(load impedance)는 리액턴스에 대해서만 나타낼 수 있다.
아래 <수학식1>은 하나의 정전척 전극으로 구성될 때의 정전척에서의 기판 상태를 측정하기 위한 식이다.
Figure 112019111909612-pat00001
여기서, Xp는 플라즈마 임피던스, XR은 기준 임피던스, XL은 부하 임피던스, V0sinwt는 측정 교류 신호이고, Vr은 최종 출력을 의미한다.
아래 <수학식2>는 플라즈마가 없는 상태에서의 한 쌍의 정전척 전극으로 구성될 때의 정전척에서의 기판 상태를 측정하기 위한 식이다.
Figure 112019111909612-pat00002
여기서, XR은 기준 임피던스, XL은 부하 임피던스, V0sinwt는 측정 교류 신호이고, Vr은 최종 출력을 의미한다.
아래 <수학식3>은 플라즈마가 방전된 상태에서의 한 쌍의 정전척 전극으로 구성될 때의 정전척에서의 기판 상태를 측정하기 위한 식이다.
Figure 112019111909612-pat00003
여기서, Xp는 플라즈마 임피던스, XR은 기준 임피던스, XL은 부하 임피던스, V0sinwt는 측정 교류 신호이고, Vr은 최종 출력을 의미한다.
플라즈마를 사용하는 공정을 이용하게 되면 챔버 간 매칭 모니터링 시스템에서 기판의 부하뿐만 아니라 플라즈마가 가지고 있는 부하 또한 함께 측정을 하게 된다. 따라서, 플라즈마 변수 변화 및 기판 종류에 따라 챔버 간 매칭을 실시간으로 모니터링 할 수 있게 된다. 플라즈마가 가지고 있는 부하는 플라즈마 파라미터에 의해 변하게 되며, 플라즈마 파라미터는 밀도, 전자 온도, 기판으로부터의 플럭스(Flux) 등으로 나타나게 된다. 본 발명에서는 이러한 플라즈마 파라미터 변화에 따라 플라즈마 부하가 변하게 되고 이는 전체 부하가 변하게 됨을 확인하기 위하여 플라즈마 마라미터 변화를 주기 위해 방전 전력, 유량(압력)을 변화하면서 테스트를 진행하였다.
도10 내지 도13은 한 쌍 이상의 정전척 전극을 이용한 측정 시스템에서의 플라즈마 방전 시 기판 종류에 따른 최종값 출력을 나타낸 실험 그래프이다. 본 실험은 한 쌍의 전극을 갖는 정전척에서 실험을 진행하였으며, 테스트한 기판은 200mm 반도체용 p type 웨이퍼, 금속 패턴이 형성된 200 mm 반도체용 p type 웨이퍼, 6 inch p type 웨이퍼, 6 inch n type 웨이퍼를 사용하였다.
도10은 200mm 반도체용 p type 웨이퍼를 사용하여 플라즈마 인가 전력(압력)에 따른 출력 전압 값을 측정한 그래프이고, 도11은 금속 패턴이 형성된 200mm 반도체용 p type 웨이퍼를 사용한 플라즈마 인가 전력(압력)에 따른 출력 전압 값을 측정한 그래프이며, 도12는 6 inch p type 웨이퍼를 사용한 플라즈마 인가 전력(압력)에 따른 출력 전압 값을 측정한 그래프이고, 도13은 6 inch n type 웨이퍼를 사용한 플라즈마 인가 전력(압력)에 따른 출력 전압 값을 측정한 그래프이다.
본 발명의 측정 시스템은 도10 내지 도13과 같이, 진공 챔버 내에서 한 쌍의 전극 형태를 갖는 정전척에서 플라즈마가 방전된 상태에서 기판 종류에 따라 서로 다른 전압 값을 갖는 것을 확인하였으며, 또한 플라즈마 방전 조건(인가 전력, 압력, 유량)에 따라 다른 전압 값이 출력되는 것을 확인하였다. 동일 기판을 사용하는 공정에서 도9와 같은 측정 회로를 이용하여 플라즈마의 임피던스 성분을 분리할 수 있으며, 이러한 플라즈마의 임피던스 성분을 이용하여 플라즈마에 대한 파라미터(밀도, 온도, 기판으로의 플럭스 등)을 측정할 수 있다. 본 발명의 측정 시스템은 도8의 측정 회로와 같이, 폐회로(closed loop)를 형성하기 때문에, 플라즈마가 없는 상태에서도 기판 상태를 확인할 수 있다. 따라서, 기판이 정전척에서 플라즈마 공정 전 정 위치에 위치하였는지 여부를 판단할 수 있다.
도14 내지 도17은 하나의 정전척 전극을 이용한 측정 시스템에서의 플라즈마 방전 시 기판 종류에 따른 최종값 출력을 나타낸 실험 그래프이다. 본 실험도 마찬가지로 한 쌍의 전극을 갖는 정전척에서 실험을 진행하였으며, 테스트한 기판은 200mm 반도체용 p type 웨이퍼, 금속 패턴이 형성된 200 mm 반도체용 p type 웨이퍼, 6 inch p type 웨이퍼, 6 inch n type 웨이퍼를 사용하였다.
도14는 200mm 반도체용 p type 웨이퍼를 사용하여 플라즈마 인가 전력(압력)에 따른 출력 전압 값을 측정한 그래프이고, 도15는 금속 패턴이 형성된 200mm 반도체용 p type 웨이퍼를 사용한 플라즈마 인가 전력(압력)에 따른 출력 전압 값을 측정한 그래프이며, 도16은 6 inch p type 웨이퍼를 사용한 플라즈마 인가 전력(압력)에 따른 출력 전압 값을 측정한 그래프이고, 도17은 6 inch n type 웨이퍼를 사용한 플라즈마 인가 전력(압력)에 따른 출력 전압 값을 측정한 그래프이다.
본 발명의 측정 시스템은 도14 내지 도17과 같이, 진공 챔버 내에서 하나의 전극 형태를 갖는 정전척에서 플라즈마가 방전된 상태에서 기판 종류에 따라 서로 다른 전압 값을 갖는 것을 확인하였으며, 또한 플라즈마 방전 조건(인가 전력, 압력, 유량)에 따라 다른 전압 값이 출력되는 것을 확인하였다. 동일 기판을 사용하는 공정에서 도8과 같은 측정 회로를 이용하여 플라즈마의 임피던스 성분을 분리할 수 있으며, 이러한 플라즈마의 임피던스 성분을 이용하여 플라즈마에 대한 파라미터(밀도, 온도, 기판으로의 플럭스 등)을 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 전압 공급기
120: RF 전원
130: 정전척 전극
140: 그라운드 전극
150: 기판
160: 프로세서
170: 모니터링 장치

Claims (16)

  1. 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 배치되며, 직류 전압 인가에 따라 정전기력을 발생하여 기판에 척킹(chucking) 또는 디척킹(de-chucking)하는 적어도 하나의 정전척 전극;
    상기 정전척 전극이 정전기력을 발생시킬 수 있도록 상기 정전척 전극에 직류 성분을 포함하는 제1 전기적 신호를 인가하는 전압 공급기;
    상기 정전척 전극에 인접하여 형성되며, 상기 정전척 전극으로부터의 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역의 주파수 성분을 갖는 제2 전기적 신호를 인가받는 도체 베이스; 및
    플라즈마 발생에 따른 상기 기판의 상태를 측정하기 위하여, 측정 교류 신호를 인가하여 발생된 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하기 위한 측정 회로를 포함하며,
    상기 측정 회로는, 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하기 위한 상기 측정 교류 신호를 발생시키는 AC 신호 발생기; 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스에 따른 부하 임피던스와의 기 설정된 비율에 따른 기준 임피던스를 갖는 기준 캐패시터; 및 상기 측정 교류 신호와 상기 기준 임피던스에 따른 전압을 비교하는 비교기;를 포함하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공 챔버의 내벽과 연결되고, 상기 정전척 전극과 대향하는 위치에 배치되어 상기 정전척 전극과 함께 전기장을 형성시키는 그라운드 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전을 위한 상기 제2 전기적 신호를 상기 도체 베이스로 인가하는 RF 전원; 및
    상기 RF 전원과 연결되어, 상기 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역의 주파수 성분 외에 외부로부터의 타 주파수 대역의 주파수 성분을 갖는 신호가 상기 RF 전원으로 입력되는 것을 차단하기 위한 필터용 캐패시터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정전척 전극 및 상기 전압 공급기와 연결되고, 플라즈마 방전을 위하여 상기 도체 베이스에 인가되는 제2 전기적 신호가 상기 전압 공급기로 인가되는 진입 경로를 차단하는 제1 필터; 및
    상기 정전척 전극 및 상기 제1 필터와 연결되어, 상기 측정 교류 신호가 상기 전압 공급기로 인가되는 것을 차단하는 제2 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 기준 캐패시터에서의 기준 임피던스, 상기 비교기에서 측정되는 최종 출력 전압값, 플라즈마에 의한 변수를 측정하기 위한 보정용으로 상기 기판에 따른 기판 임피던스, 및 상기 측정 교류 신호에 대한 전압값을 이용하여 상기 플라즈마의 임피던스를 계산하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 측정 회로는,
    상기 AC 신호 발생기 및 상기 부하 임피던스를 갖는 전류가 흐르는 회로 상에 연결되어, 플라즈마 방전에 따라 방사되는 차단 대상 주파수 대역의 주파수 성분을 차단하는 보호 회로; 및
    상기 비교기 및 상기 보호 회로와 연결되어, 상기 부하 임피던스에 따른 전압이 임계치보다 작은 경우, 상기 부하 임피던스에 따른 전압을 증폭시키는 증폭기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측정 회로는, 상기 AC 신호 발생기와 직렬로 연결되어 배치되는 직류 전압 차단 캐패시터 또는 유전체를 이용하여 상기 전압 공급기로부터 공급되는 제1 전기적 신호가 입력되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전에 따라 발생되는 열을 컨트롤하기 위한 냉각수의 경로를 제공하기 위해 상기 도체 베이스를 관통하는 냉각 라인; 및
    상기 기판의 균일한 온도 제어를 위해 상기 기판의 표면으로 공급되는 가스의 경로를 제공하는 가스 라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    유전체로 이루어져, 플라즈마 또는 활성종(radical)에 의한 물리적 식각 또는 화학적 식각의 현상을 방지하도록 상기 정전척 전극 및 상기 도체 베이스를 커버하는 포커스 링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 도체 베이스는, 알루미늄(aluminum)으로 이루어는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  12. 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내에 배치되며, 직류 전압 인가에 따라 정전기력을 발생하여 기판에 척킹(chucking) 또는 디척킹(de-chucking)하는 적어도 한 쌍의 정전척 전극들;
    상기 정전척 전극들이 정전기력을 발생시킬 수 있도록 상기 정전척 전극들에 직류 성분을 포함하는 제1 전기적 신호를 인가하는 전압 공급기;
    상기 정전척 전극들에 인접하여 형성되며, 상기 정전척 전극들로부터의 플라즈마 방전을 위한 플라즈마 방전 대역의 주파수 성분을 갖는 제2 전기적 신호를 인가받는 도체 베이스; 및
    플라즈마 발생에 따른 상기 기판의 상태를 측정하기 위하여, 측정 교류 신호를 인가하여 발생된 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하기 위한 측정 회로를 포함하며,
    상기 측정 회로는, 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스를 측정하기 위한 상기 측정 교류 신호를 발생시키는 AC 신호 발생기; 상기 플라즈마의 임피던스 또는 상기 기판의 임피던스에 따른 부하 임피던스와의 기 설정된 비율에 따른 기준 임피던스를 갖는 기준 캐패시터; 및 상기 측정 교류 신호와 상기 기준 임피던스에 따른 전압을 비교하는 비교기;를 포함하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 진공 챔버의 내벽과 연결되고, 상기 정전척 전극들과 대향하는 위치에 배치되어 상기 정전척 전극들과 함께 전기장을 형성시키는 그라운드 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 각 정전척 전극 및 상기 전압 공급기와 연결되고, 플라즈마 방전을 위하여 상기 도체 베이스에 인가되는 제2 전기적 신호가 상기 전압 공급기로 인가되는 진입 경로를 차단하는 제1 필터; 및
    상기 각 정전척 전극 및 상기 제1 필터와 연결되어, 상기 측정 교류 신호가 상기 전압 공급기로 인가되는 것을 차단하는 제2 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
  15. 삭제
  16. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 기준 캐패시터에서의 기준 임피던스, 상기 비교기에서 측정되는 최종 출력 전압값, 및 상기 측정 교류 신호에 대한 전압값을 이용하여 부하 임피던스를 산출하고,
    산출된 부하 임피던스, 상기 기준 임피던스, 상기 최종 출력 전압값, 및 상기 측정 교류 신호에 대한 전압값을 이용하여 상기 플라즈마의 임피던스를 계산하는 것을 특징으로 하는 기판 상태 및 플라즈마 상태를 측정하기 위한 측정 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113270355A (zh) * 2021-05-14 2021-08-17 北京北方华创微电子装备有限公司 静电吸附承载装置
KR20220136729A (ko) * 2021-04-01 2022-10-11 광운대학교 산학협력단 전기적 신호 인가를 이용한 기판의 휨 측정 시스템 및 방법

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080059189A (ko) * 2005-10-12 2008-06-26 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법
KR20100089642A (ko) * 2009-02-04 2010-08-12 세메스 주식회사 다중 전극을 제어하는 장치 및 플라즈마 처리 시스템
KR20140104380A (ko) * 2013-02-20 2014-08-28 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법
KR20160033034A (ko) * 2014-09-17 2016-03-25 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 플라즈마 처리 장치
KR20180116002A (ko) 2017-04-14 2018-10-24 광운대학교 산학협력단 플라즈마 진단 시스템 및 방법
KR20190011627A (ko) * 2017-07-25 2019-02-07 주식회사 원익아이피에스 기판처리장치
KR102028290B1 (ko) * 2018-08-24 2019-10-02 (주)쎄미시스코 공정 시스템 및 이에 사용되는 스위치 모듈

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080059189A (ko) * 2005-10-12 2008-06-26 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법
KR20100089642A (ko) * 2009-02-04 2010-08-12 세메스 주식회사 다중 전극을 제어하는 장치 및 플라즈마 처리 시스템
KR20140104380A (ko) * 2013-02-20 2014-08-28 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법
KR20160033034A (ko) * 2014-09-17 2016-03-25 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 플라즈마 처리 장치
KR20180116002A (ko) 2017-04-14 2018-10-24 광운대학교 산학협력단 플라즈마 진단 시스템 및 방법
KR20190011627A (ko) * 2017-07-25 2019-02-07 주식회사 원익아이피에스 기판처리장치
KR102028290B1 (ko) * 2018-08-24 2019-10-02 (주)쎄미시스코 공정 시스템 및 이에 사용되는 스위치 모듈

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220136729A (ko) * 2021-04-01 2022-10-11 광운대학교 산학협력단 전기적 신호 인가를 이용한 기판의 휨 측정 시스템 및 방법
KR102544732B1 (ko) * 2021-04-01 2023-06-15 광운대학교 산학협력단 전기적 신호 인가를 이용한 기판의 휨 측정 시스템 및 방법
CN113270355A (zh) * 2021-05-14 2021-08-17 北京北方华创微电子装备有限公司 静电吸附承载装置
CN113270355B (zh) * 2021-05-14 2024-05-17 北京北方华创微电子装备有限公司 静电吸附承载装置

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