KR102299463B1 - 플라즈마 진단 방법 및 장치 - Google Patents

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박준형
장현우
정상영
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한국핵융합에너지연구원
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Abstract

본 발명은 플라즈마 진단 방법 및 장치에 관한 것으로, 전자장치가 플라즈마 장비 내에서 생성되는 이온의 온도를 산출하는 단계 및 산출된 이온 온도를 기반으로 플라즈마 진단을 수행하는 단계를 포함하며 다른 실시 예로도 적용이 가능하다.

Description

플라즈마 진단 방법 및 장치{Method and Apparatus for Diagnosis of Plasma}
본 발명은 플라즈마 진단 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자의 제조 공정 시에 고주파 전력을 통해 발생된 플라즈마를 이용하여 반도체 기판의 식각, 증착 등을 수행하는 플라즈마 장비가 널리 사용되고 있다. 플라즈마 장비를 이용하여 박막을 증착하면 웨이퍼에 형성된 불순물 영역 내의 불순물들이 확산되지 않는 저온에서 공정을 진행할 수 있고, 대구경의 웨이퍼에 형성되는 박막의 두께 균일도가 우수한 효과가 있다. 또한, 플라즈마 장비를 이용하여 박막을 식각하면 웨이퍼 전체에 걸쳐 미세 패턴의 에칭 균일도(etch uniformity)가 우수한 장점이 있다.
이러한 플라즈마 장비의 식각 특성을 분석하기 위해서는 반드시 이온의 플럭스, 온도, 적어도 하나의 분포함수 및 에너지 분포함수 등에 대한 정보가 반드시 필요하다. 이온 플럭스는 4중극자 질량 분석기(QMS; quadrupole mass spectrometer)를 활용하여 측정할 수 있고, 에너지 분포함수는 지연 장 에너지 분석기(RFEA, retarding field energy analyzer)를 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 분포함수는 이온 온도로부터 Boltzmann 분포를 가정하여 예측할 수 있다. 이러한 이온 온도는 이온의 각 분포 함수에 직접적으로 영향을 주지만, 제한적인 환경에서만 광학발광분석(OES; optical emission spectroscopy) 혹은 레이저 유도 형광법(LIF; laser induced fluorescence)을 이용하여 측정이 이루어지고 있다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시 예들은 제한적인 환경에서만 적용 가능한 광학발광분석 또는 레이저 유도 형광법의 이용 없이 플라즈마 장비 내에서 생성되는 이온의 온도를 계산하여 플라즈마를 진단할 수 있는 플라즈마 진단 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 방법은, 전자장치가 플라즈마 장비 내에서 생성되는 이온의 온도를 산출하는 단계 및 상기 산출된 이온 온도를 기반으로 플라즈마 진단을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이온의 온도를 산출하는 단계는, 플라즈마 처리 시에 상기 플라즈마 장비 내에서 생성되는 복수의 측정데이터를 이온 온도 방정식에 적용하여 상기 이온 온도를 산출하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 이온 온도 방정식은, 상기 플라즈마 장비의 벽면으로 손실되는 이온 온도를 산출하기 위한 첫 번째 항, elastic충돌에 의해 발생되는 에너지 량을 산출하기 위한 두 번째 항, 상기 플라즈마 장비의 쉬스에서 가열되는 이온 온도를 산출하기 위한 세 번째 항, inelastic 충돌에 의해 전달되는 에너지를 산출하기 위한 네 번째 항을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 첫 번째 항은, i종 이온의 질량, 상기 i종 이온의 밀도, 상기 i종 이온의 온도, 상기 i종 이온의 총 충돌 주파수, 이온의 확산 길이, 벽면에서의 이온의 온도, 벽면에서의 플럭스, 볼츠만 상수 및 평균 열용량을 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 두 번째 항은, 상기 i종 이온과 β종 이온의 질량, 상기 i종 이온의 밀도, 상기 i종 이온과 상기 β종 이온의 충돌 주파수, 상기 볼츠만 상수, 상기 i종 이온의 온도 및 상기 β종 이온의 온도를 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 세 번째 항은, 상기 플라즈마 장비의 쉬스입구에서의 이온의 밀도와 속도, 전자 온도, 상기 쉬스입구에서 벽면사이의 포텐셜 차이를 적용하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 장치는, 플라즈마 장비 내에서 생성되는 이온의 온도를 산출하기 위한 이온 온도 방정식을 저장하는 메모리 및 상기 이온 온도 방정식을 이용하여 상기 플라즈마 장비 내에서 생성되는 이온 온도를 산출하고, 상기 산출된 이온 온도를 기반으로 플라즈마 진단을 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부는, 플라즈마 처리 시에 상기 플라즈마 장비 내에서 생성되는 복수의 측정데이터를 이온 온도 방정식에 적용하여 상기 이온 온도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이온 온도 방정식은, i종 이온의 질량, 상기 i종 이온의 밀도, 상기 i종 이온의 온도, 상기 i종 이온의 총 충돌 주파수, 이온의 확산 길이, 벽면에서의 이온의 온도, 벽면에서의 플럭스, 볼츠만 상수, 평균 열용량, β종 이온의 질량, 상기 i종 이온과 상기 β종 이온의 충돌 주파수, 상기 β종 이온의 온도, 상기 플라즈마 장비의 쉬스입구에서의 이온의 밀도와 속도, 전자 온도, 상기 쉬스입구에서 벽면사이의 포텐셜 차이 및 상기 i종 이온이 다른 종 이온과 충돌하면서 전달하는 에너지의 합을 이용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 진단 방법 및 장치는, 플라즈마 장비 내에서 생성되는 이온의 온도를 계산하여 플라즈마를 진단함으로써 제한적인 환경에서만 적용가능한 광학발광분석 또는 레이저 유도 형광법의 이용 없이 플라즈마를 진단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 진단하는 전자장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 진단하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 실험결과와 이온 온도 방정식을 이용한 플라즈마 진단결과를 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, “A 또는 B”, “A 및 B 중 적어도 하나”는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 진단 시스템(10)은 플라즈마 장비(100), 전자장치(200)를 포함한다.
플라즈마 장비(100)는 플라즈마를 형성하기 위한 아르곤 가스, 산소 가스, 수소 가스 등의 가스를 이용하는 장비로, 기 설정된 유량의 가스를 챔버(미도시)로 주입하여 반도체 기판 식각, 증착 등의 플라즈마 공정을 수행한다. 플라즈마 장비(100)는 플라즈마 처리 시에 플라즈마 장비(100) 내에서 생성되는 복수의 측정데이터를 전자장치(200)로 전송한다. 이를 위해, 플라즈마 장비(100)는 전자장치(200)와 5G(5th generation communication), LTE-A(long term evolution-advanced), LTE(long term evolution), 블루투스, BLE(bluetooth low energy) 등의 무선 통신 또는 케이블 통신 등의 유선 통신을 수행할 수 있다.
전자장치(200)는 플라즈마 장비(100)에서 생성되는 측정데이터를 이온 온도 방정식에 적용하여 이온의 온도를 산출하고, 산출된 이온의 온도를 기반으로 플라즈마 진단을 수행한다. 전자장치(200)는 하기의 도 2를 이용하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 진단하는 전자장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 전자장치(200)는 통신부(210), 입력부(220), 표시부(230), 메모리(240) 및 제어부(250)를 포함한다.
통신부(210)는 플라즈마 장비(100)와의 통신을 통해 플라즈마 장비(100)로부터 플라즈마 처리 시에 생성되는 복수의 측정데이터를 수신한다. 이를 위해, 통신부(210)는 5G(5th generation communication), LTE-A(long term evolution-advanced), LTE(long term evolution), 블루투스, BLE(bluetooth low energy) 등의 무선 통신을 수행할 수 있고, 케이블 통신 등의 유선 통신을 수행할 수 있다.
입력부(220)는 전자장치(200)의 사용자의 입력에 대응하여, 입력데이터를 발생시킨다. 이때, 입력데이터는 반응물과 생성물로 형성된 반응식, 반응 계수를 산출하기 위한 복수의 변수, 충돌 단면적 값 및 이온종과 관련된 이온반응식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 입력부(220)는 적어도 하나의 입력수단을 포함한다. 입력부(220)는 키보드(key board), 키패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치패널(touch panel), 터치 키(touch key), 마우스(mouse), 메뉴 버튼(menu button) 등을 포함할 수 있다.
표시부(230)는 전자장치(200)의 동작에 따른 표시 데이터를 표시한다. 표시부(230)는 액정 디스플레이(LCD; liquid crystal display), 발광 다이오드(LED; light emitting diode) 디스플레이, 유기 발광 다이오드(OLED; organic LED) 디스플레이, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS; micro electro mechanical systems) 디스플레이 및 전자 종이(electronic paper) 디스플레이를 포함한다. 표시부(230)는 입력부(220)와 결합되어 터치 스크린(touch screen)으로 구현될 수 있다.
메모리(240)는 전자장치(200)의 동작 프로그램들을 저장한다. 메모리(240)는 측정데이터를 적용하여 이온 온도를 산출하기 위한 이온 온도 방정식을 저장한다.
제어부(250)는 메모리(240)에 저장된 이온 온도 방정식을 이용하여 플라즈마 장비(100) 내에서 생성되는 이온의 온도를 산출하고, 산출된 이온 온도를 기반으로 플라즈마 진단을 수행한다. 보다 구체적으로, 제어부(250)는 입력부(220)로부터 수신된 플라즈마 처리를 수행하기 위한 시작신호에 따라 플라즈마 장비(100)로 플라즈마 처리를 위한 입력데이터를 전송한다. 이어서, 제어부(250)는 플라즈마 장비(100)에서 플라즈마 처리 시에 발생된 측정데이터를 수집한다.
제어부(250)는 수집된 측정데이터를 이온 온도 방정식에 적용하여 이온 온도를 산출한다. 이때, 이온 온도 방정식은 우변에 총 네 개의 항을 포함한다. 첫 번째 항은 플라즈마 장비(100)의 벽면으로 손실되는 이온 온도를 산출하기 위한 항, 두 번째 항은 elastic충돌에 의해 발생되는 에너지 량을 산출하기 위한 항, 세 번째 항은 플라즈마 장비(100)의 쉬스에서 가열되는 이온 온도를 산출하기 위한 항, 마지막으로 네 번째 항은 inelastic 충돌에 의해 전달되는 에너지를 산출하기 위한 항이다.
그리고 제어부(250)는 이온 온도 방정식에 측정데이터를 적용하여 이온 온도를 산출하고, residual와 기설정된 tolerance를 비교한다. 비교결과 residual이 tolerance 이하이면 제어부(250)는 측정데이터를 재수집하고, residual이 tolerance보다 크면 제어부(250)는 산출된 이온 온도를 기반으로 플라즈마를 진단한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마를 진단하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 301단계 제어부(250)는 플라즈마 처리를 수행하기 위한 시작신호가 수신되면 303단계를 수행하고, 시작신호가 수신되지 않으면 시작신호의 수신을 대기한다. 303단계에서 제어부(250)는 플라즈마 장비(100)에서 플라즈마 처리 시에 발생된 측정데이터를 수집한다. 보다 구체적으로, 제어부(250)는 플라즈마 공정을 수행하기 위한 입력데이터를 플라즈마 장비(100)로 전송하고, 입력데이터를 기반으로 플라즈마 공정을 수행하는 플라즈마 장비(100)로부터 측정데이터를 수집한다. 이때, 측정데이터는, 하기의 수학식 1에 적용되는 값일 수 있다.
이어서, 305단계에서 제어부(250)는 측정데이터를 이온 온도 방정식에 적용하고 307단계에서 제어부(250)는 적용결과에 따른 이온 온도를 산출한다. 보다 구체적으로, 제어부(250)는 수집된 측정데이터를 이온 온도 방정식에 적용하기 위해 메모리(240)에 저장된 이온 온도 방정식을 호출한다. 이때, 수학식 1은 총 네 개의 항을 포함하고, 첫 번째 항은 플라즈마 장비(100)의 벽면으로 손실되는 이온 온도를 산출하기 위한 항, 두 번째 항은 elastic충돌에 의해 발생되는 에너지 량을 산출하기 위한 항, 세 번째 항은 플라즈마 장비(100)의 쉬스에서 가열되는 이온 온도를 산출하기 위한 항, 마지막으로 네 번째 항은 inelastic 충돌에 의해 전달되는 에너지를 산출하기 위한 항이다.
Figure 112020041895632-pat00001
(단,
Figure 112020041895632-pat00002
는 i종 이온의 밀도,
Figure 112020041895632-pat00003
는 평균 열용량,
Figure 112020041895632-pat00004
는 i종 이온의 온도,
Figure 112020041895632-pat00005
는 i종 이온의 질량,
Figure 112020041895632-pat00006
는 i종 이온의 총 충돌 주파수, Λ는 이온의 확산 길이,
Figure 112020041895632-pat00007
는 플라즈마 장비(100)의 벽면에서 이온의 온도, Gi,,w는 벽면에서의 플럭스,
Figure 112020041895632-pat00008
는 볼츠만 상수,
Figure 112020041895632-pat00009
는 i종 이온과 β종 이온의 충돌 주파수,
Figure 112020041895632-pat00010
는 β종 이온의 온도,
Figure 112020041895632-pat00011
는 플라즈마 장비(100)의 쉬스입구에서 이온의 밀도,
Figure 112020041895632-pat00012
는 플라즈마 장비(100)의 쉬스입구에서 이온의 속도,
Figure 112020041895632-pat00013
는 전자 온도, fw는 플라즈마 장비(100)의 입구에서 벽면 사이의 포텐셜 차이,
Figure 112020041895632-pat00014
는 i종 이온이 다른 종 이온과 충돌하면서 전달하는 에너지의 합을 의미한다.)
제어부(250)는 이온 온도 방정식에 측정데이터를 적용하여 이온 온도를 산출할 수 있다. 이때, 제어부(250)는 i종 이온의 밀도와 전자 온도를 매 타임 스텝(time step)마다 갱신하면서 이온 온도 방정식을 이용하여 이온 온도를 산출할 수 있다.
이어서, 309단계에서 제어부(250)는 residual와 기설정된 tolerance를 비교한다. 비교결과 residual이 tolerance 이하이면 제어부(250)는 303단계로 회귀하여 측정데이터를 재수집하고, residual이 tolerance보다 크면 제어부(250)는 311단계를 수행한다. 311단계에서 제어부(250)는 307단계에서 산출된 이온 온도를 기반으로 플라즈마를 진단한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 실험결과와 이온 온도 방정식을 이용한 플라즈마 진단결과를 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 플라즈마 실험결과(410)는 진단장치(미도시)가 구비된 플라즈마 장비에서 획득된 OES데이터를 분석하여 플라즈마를 진단한 실험결과를 나타낸다. 아울러, 플라즈마 진단결과(420)는 플라즈마 장비(100)에서 플라즈마 처리 시에 플라즈마 장비(100) 내에서 생성된 측정데이터를 이온 온도 방정식에 적용하여 산출된 이온 온도를 기반으로 진단된 플라즈마 진단결과를 나타낸다. 도 4와 같이, 동일한 전력에서 플라즈마 실험결과(410) 및 플라즈마 진단결과(420)의 이온 온도가 유사함을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명은 제한적인 환경에서만 적용 가능한 광학발광분석 또는 레이저 유도 형광법의 이용 없이 이온 온도 방정식을 이용하여 산출된 이온 온도를 기반으로 보다 정확한 플라즈마를 진단할 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 전자장치가 광학발광분석 또는 레이저 유도 형광법의 이용 없이 플라즈마 처리 시에 플라즈마 장비 내에서 생성되는 복수의 측정데이터를 이온 온도 방정식에 적용하여 이온의 온도를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 이온 온도를 기반으로 플라즈마 진단을 수행하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온 온도 방정식은,
    상기 플라즈마 장비의 벽면으로 손실되는 이온 온도를 산출하기 위한 첫 번째 항, elastic충돌에 의해 발생되는 에너지 량을 산출하기 위한 두 번째 항, 상기 플라즈마 장비의 쉬스에서 가열되는 이온 온도를 산출하기 위한 세 번째 항, inelastic 충돌에 의해 전달되는 에너지를 산출하기 위한 네 번째 항을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 첫 번째 항은,
    i종 이온의 질량, 상기 i종 이온의 밀도, 상기 i종 이온의 온도, 상기 i종 이온의 총 충돌 주파수, 이온의 확산 길이, 벽면에서의 이온의 온도, 벽면에서의 플럭스, 볼츠만 상수 및 평균 열용량을 적용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 두 번째 항은,
    상기 i종 이온과 β종 이온의 질량, 상기 i종 이온의 밀도, 상기 i종 이온과 상기 β종 이온의 충돌 주파수, 상기 볼츠만 상수, 상기 i종 이온의 온도 및 상기 β종 이온의 온도를 적용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 세 번째 항은,
    상기 플라즈마 장비의 쉬스입구에서의 이온의 밀도와 속도, 전자 온도, 상기 쉬스입구에서 벽면사이의 포텐셜 차이를 적용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  7. 광학발광분석 또는 레이저 유도 형광법의 이용 없이 플라즈마 장비 내에서 생성되는 이온의 온도를 산출하기 위한 이온 온도 방정식을 저장하는 메모리; 및
    플라즈마 처리 시에 상기 플라즈마 장비 내에서 생성되는 복수의 측정데이터를 상기 이온 온도 방정식에 적용하여 이온 온도를 산출하고, 상기 산출된 이온 온도를 기반으로 플라즈마 진단을 수행하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 이온 온도 방정식은,
    i종 이온의 질량, 상기 i종 이온의 밀도, 상기 i종 이온의 온도, 상기 i종 이온의 총 충돌 주파수, 이온의 확산 길이, 벽면에서의 이온의 온도, 벽면에서의 플럭스, 볼츠만 상수, 평균 열용량, β종 이온의 질량, 상기 i종 이온과 상기 β종 이온의 충돌 주파수, 상기 β종 이온의 온도, 상기 플라즈마 장비의 쉬스입구에서의 이온의 밀도와 속도, 전자 온도, 상기 쉬스입구에서 벽면사이의 포텐셜 차이 및 상기 i종 이온이 다른 종 이온과 충돌하면서 전달하는 에너지의 합을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 장치.
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