KR102340564B1 - 플라즈마 이온 밀도 측정 장치와 이를 이용한 플라즈마 진단 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 이온 밀도 측정 장치에 관한 것으로서, 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나; 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 복수의 종류의 이온의 질량 중심 운동으로부터 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기; 상기 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수는 100 kHz 이상 500 MHz 이하의 범위에서 가변되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 플라즈마 이온 밀도 측정 장치와 이를 이용한 플라즈마 진단 장치에 관한 것으로서, 초고주파 송수신 안테나에 의하여 측정한 이온 플라즈마 컷오프 주파수로부터 플라즈마 이온 밀도를 구하고 이로부터 플라즈마 밀도를 구할 수 있는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 과학기술정보통신부(Ministry of Science and ICT)로부터 연구자금을 지원받는 한국연구재단(NRF: National Research Foundation of Korea)의 소재혁신 프로그램(1711120490/2020M3H4A3106004, 기여도 51%), 한국 국가과학기술연구회(NST: National Research Council of Science & Technology)의 R&D 컨버전스?프로그램(1711062007/CAP-17-02-NFRI-01)과 미래선도형 융합연구단 사업 (CRC-20-01-NFRI), 그리고 한국표준과학연구원(KRISS: Korea Research Institute of Standards and Science)에 의하여 지원을 받아서 연구가 진행되었다.
플라즈마의 응용 분야가 다양하게 확대됨에 따라 플라즈마 진단 기술의 중요성이 더욱 더 커지고 있는데, 일반적으로 사용되는 랭뮤어(Langmuir) 탐침의 경우 인가하는 전압 V에 따른 전류 I의 I-V 특성으로부터 플라즈마의 전자 밀도와 이온 밀도를 측정할 수 있지만, 그 측정 정확도가 떨어지고 탐침에 인가하는 높은 전압이 플라즈마를 변화시킬 수 있으며, 공정 기체 환경에서 탐침의 식각 또는 증착으로 플라즈마 측정이 어렵다는 문제점이 있다.
이와 같은 랭뮤어(Langmuir) 탐침의 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마의 밀도와 고유주파수가 갖는 상관관계를 이용하기 위하여 챔버 내의 플라즈마에 대해서 상기 플라즈마의 고유주파수에 해당되는 전자기파를 인가하는 경우 컷오프(cut-off)되는 주파수 대역을 스캔하여 플라즈마의 밀도를 측정 및 모니터링하는 기술이 개발되었는데, 이러한 기술에서는 플라즈마 내의 전자밀도에 기초한 플라즈마의 주파수를 분석하고 있다.
플라즈마는 전기적으로 중성 상태인 이온화된 기체로서 플라즈마 내에는 음(-)의 입자와 양(+)의 입자가 서로 동일한 밀도로 존재하고 음(-)의 입자 대부분이 전자이므로 전자밀도와 양(+)의 이온밀도가 거의 동일하다고 볼 수 있다.
이러한 관점에서 종래에는 전자밀도에 기초한 GHz 주파수 대역의 플라즈마의 주파수만을 분석하고 있으나, 전자는 그 입자의 종류가 하나인데 이와 달리 양(+)의 이온은 입자의 종류가 다양하므로 실제 박막 증착 및 식각 공정에서 주요 인자로서 작용하는 양(+)의 이온의 움직임을 파악할 필요가 있다.
결국 플라즈마 밀도의 변화에 따라 플라즈마 챔버에 인가하는 전력 등의 외부 변수를 조절하여야 하는데, 종래의 플라즈마 밀도의 변화는 전자밀도에 기초한 플라즈마의 주파수만을 분석하고 있으므로 실제 박막 증착 공정에서 이온의 밀도를 정밀하게 제어할 수 없게 된다.
등록특허공보 제10-0473794호는 안테나 구조의 주파수 탐침기를 갖는 구조의 플라즈마 전자밀도 측정 장치에 관한 것으로서, 막대 형상 프로브의 송수신 안테나를 구비하고 있으며, 플라즈마 내부에 주파수 탐침기를 삽입하여 플라즈마 내의 전자밀도를 측정하고 있으나, 플라즈마 내의 이온밀도에 대해서는 측정하지 못하고 있으므로 박막 증착 공정에서 이온의 밀도를 정밀하게 제어할 수 없다는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-0805879호는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로서, 플라즈마 내의 전자밀도와 전자온도를 모니터링하고 있으나, 플라즈마 내의 이온밀도에 대해서는 측정하지 못하고 있으므로 박막 식각 및 증착 공정에서 이온의 밀도를 정밀하게 제어할 수 없다는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1225010호는 막대 형상의 방사 안테나와 루프 형상의 수신 안테나를 갖는 초고주파 프로브에 관한 것으로서, 막대 형상의 방사 안테나와 루프 형상의 수신 안테나를 구비하고 있으며, 수신 안테나를 루프 형상으로 하여 수신율을 높이고 있으나, 플라즈마 내의 이온밀도에 대해서는 측정하지 못하고 있으므로 박막 식각 및 증착 공정에서 이온의 밀도를 정밀하게 제어할 수 없다는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2017-0069652호는 평면형 링 타입 초고주파 플라즈마 진단 장치에 관한 것으로서, 평면형 링 타입 플라즈마 진단 장치를 구비하고 있으며, 플라즈마의 컷오프 주파수를 감지하여 플라즈마 밀도를 측정하기 위하여 송신 안테나와 수신 안테나를 동심축 구조로 배치하고 상기 수신 안테나는 링 형태로 형성되어 송신 안테나를 감싸고 있다. 그런데, 이러한 평면형 링 타입 초고주파 플라즈마 진단 장치는 플라즈마 내의 이온밀도에 대해서는 측정하지 못하고 있으므로 박막 식각 및 증착 공정에서 이온의 밀도를 정밀하게 제어할 수 없다는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1756325호는 평면형 원뿔 타입 플라즈마 진단 장치에 관한 것으로서, 평면형 원뿔 타입 플라즈마 진단 장치를 구비하고 있으며, 플라즈마의 컷오프 주파수를 감지하여 플라즈마 밀도를 측정하기 위하여 송신 안테나와 수신 안테나를 각각 원뿔 형태로 형성하고 있다. 그런데, 이러한 평면형 원뿔 타입 컷오프 프로브는 플라즈마 내의 이온밀도에 대해서는 측정하지 못하고 있으므로 박막 식각 및 증착 공정에서 이온의 밀도를 정밀하게 제어할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 플라즈마 내의 이온밀도를 측정하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 내의 이온밀도를 측정하여 플라즈마 밀도를 정밀하게 측정하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 내의 이온밀도를 측정하고 이를 전자밀도와 비교하여 박막 식각 및 증착 공정에서 이온의 밀도를 정밀하게 제어하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 목적으로만 제한하지 아니하고, 위에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 기술적 과제는 이하 본 발명의 구성 및 작용을 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서는, 상기 과제를 해결하기 위하여 이하의 구성을 포함한다.
본 발명은 플라즈마 이온 밀도 측정 장치에 관한 것으로서, 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나; 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기; 상기 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수는 100 kHz 이상 500 MHz 이하의 범위에서 가변되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도로 변환하는 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 탐침형 안테나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 루프형 안테나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 평면형 링타입 안테나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 평면형 원뿔타입 안테나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 평면형 바타입 안테나인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 밀도 측정 장치에 관한 것으로서, 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나; 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기; 상기 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수는 100 kHz 이상 500 MHz 이하의 범위에서 가변되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도로 변환하는 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 탐침형 안테나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 루프형 안테나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 평면형 링타입 안테나인 것을 특징으로 하다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 평면형 원뿔타입 안테나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 송수신 안테나는 평면형 바타입 안테나인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 진단 장치에 관한 것으로서, 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나; 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기; 상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 전자 밀도 또는 플라즈마 이온 밀도로 변환하는 변환부; 상기 변환부에서 변환된 플라즈마 전자 밀도와 플라즈마 이온 밀도를 비교하는 비교부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수는 100 kHz 이상 500 MHz 이하의 범위에서 가변되는 경우와 0.5 GHz 이상 10 GHz 이하의 범위에서 가변되는 경우를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 공정 장치에 관한 것으로서, 플라즈마를 생성하는 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내에서 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나; 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기; 상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도 또는 플라즈마 전자 밀도로 변환하는 변환부; 상기 변환부에서 변환된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도를 비교하는 비교부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 진단 방법에 관한 것으로서, 진공 챔버 내에 플라즈마를 생성하는 단계; 상기 진공 챔버 내에서 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 단계; 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 단계; 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도 또는 전자 밀도로 변환하는 단계; 변환부에서 변환된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도를 비교하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 공정 방법에 관한 것으로서, 진공 챔버 내에 플라즈마를 생성하는 단계; 상기 진공 챔버 내에서 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 단계; 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 단계; 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도 또는 전자 밀도로 변환하는 단계; 변환부에서 변환된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도를 비교하는 단계; 비교부에서 비교된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도의 차이에 따라 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부의 공급 전력, 기체 유량, 방전 압력 중 적어도 어느 하나를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 효과는 플라즈마 내의 이온밀도를 측정하는 것을 가능하게 하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 효과는 플라즈마 내의 이온밀도를 측정하여 플라즈마 밀도를 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 효과는, 플라즈마 내의 이온밀도를 측정하고 이를 전자밀도와 비교하여 박막 증착 공정에서 이온의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 의한 효과는 상기 효과로만 제한하지 아니하고, 위에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 효과는 이하 본 발명의 구성 및 작용을 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 플라즈마 공정 제어를 위한 진공챔버 내의 오염입자의 측정과 플라즈마 주파수를 측정하기 위한 개략적인 구성도를 도시한다.
도 2는 도 1의 구성도를 상부에서 내려보는 경우 오염입자의 측정을 위한 레이저 광학계를 도시한다.
도 3은 진공챔버 내의 플라즈마 주파수를 측정하기 위한 본 발명의 구체적인 구성도를 도시한다.
도 4(a)는 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 4(b)는 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 5(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 5(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 6(a)는 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 6(b)는 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 7(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 7(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 8(a)는 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 8(b)는 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 9(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 9(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 10(a)는 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 10(b)는 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 11(a)는 He과 Ar 혼합가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 상기 혼합가스 내 He의 비율에 따른 전자 플라즈마 주파수에 대한 플라즈마 Ar 이온과 He 이온 각각의 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 11(b)는 He과 Ar 혼합가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 상기 혼합가스 내 He의 비율에 따른 He 이온 밀도, Ar 이온 밀도, 전자 밀도의 변화를 도시하고 있다.
도 12는 막대 형상 프로브의 송수신 안테나의 구체적인 형상을 도시한다.
도 13은 막대 형상의 방사 안테나와 루프 형상의 수신 안테나의 구체적인 형상을 도시한다.
도 14는 평면형 링타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 15는 평면형 원뿔 타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 16은 평면형 바타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 17은 본 발명의 플라즈마 이온 측정 장치를 사용하는 플라즈마 진단 방법의 흐름도를 도시한다.
도 2는 도 1의 구성도를 상부에서 내려보는 경우 오염입자의 측정을 위한 레이저 광학계를 도시한다.
도 3은 진공챔버 내의 플라즈마 주파수를 측정하기 위한 본 발명의 구체적인 구성도를 도시한다.
도 4(a)는 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 4(b)는 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 5(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 5(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 6(a)는 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 6(b)는 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 7(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 7(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 8(a)는 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 8(b)는 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 9(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 9(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 10(a)는 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 10(b)는 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 11(a)는 He과 Ar 혼합가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 상기 혼합가스 내 He의 비율에 따른 전자 플라즈마 주파수에 대한 플라즈마 Ar 이온과 He 이온 각각의 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 11(b)는 He과 Ar 혼합가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 상기 혼합가스 내 He의 비율에 따른 He 이온 밀도, Ar 이온 밀도, 전자 밀도의 변화를 도시하고 있다.
도 12는 막대 형상 프로브의 송수신 안테나의 구체적인 형상을 도시한다.
도 13은 막대 형상의 방사 안테나와 루프 형상의 수신 안테나의 구체적인 형상을 도시한다.
도 14는 평면형 링타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 15는 평면형 원뿔 타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 16은 평면형 바타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 17은 본 발명의 플라즈마 이온 측정 장치를 사용하는 플라즈마 진단 방법의 흐름도를 도시한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전체적인 구성 및 작용에 대해 설명하기로 한다. 이러한 실시예는 예시적인 것으로서 본 발명의 구성 및 작용을 제한하지는 아니하고, 실시예에서 명시적으로 나타내지 아니한 다른 구성 및 작용도 이하 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 이해할 수 있는 경우는 본 발명의 기술적 사상으로 볼 수 있을 것이다.
도 1은 플라즈마 공정 제어를 위한 진공 챔버 내의 오염입자의 측정과 플라즈마 주파수를 측정하기 위한 개략적인 구성도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 진공 챔버 내의 플라즈마 공정 제어를 위하여 오염입자의 측정과 플라즈마 주파수를 측정하게 되는데, 오염입자의 측정은 레이저 광원(80)과 감지기(81, 82, 83)로 이루어지는 레이저 광학계, 광방출 분광기(OES: Optical Emission Spectroscopy)(85), 오염입자 수집기(87) 등에 의하여 수행될 수 있다.
상기 광방출 분광기(85)는 플라즈마 내의 활성종과 플라즈마를 검출할 뿐만 아니라 오염입자를 검출하는데도 활용될 수 있고, 상기 레이저 광학계는 진공 챔버 벽면의 창을 통하여 레이저 광원(80)으로부터 생성된 레이저가 진공 챔버 내의 플라즈마를 관통하고 이를 상기 감지기(81, 82, 83)에서 상기 레이저를 검출한 후 그 결과로부터 플라즈마 내의 오염입자를 측정할 수 있다.
또한 플라즈마 주파수를 측정하기 위하여 송수신 안테나(10, 11), 네트워크 신호 분석기 또는 주파수 분석기(20), 스위칭 회로(21), 진공 챔버(30), 전원 공급부(40), 매칭 회로(50), 기판(60), 기판 지지부(70)를 구비하고 있다.
상기 송수신 안테나(10, 11)의 경우 다양한 형태가 활용될 수 있는데, 평면형 송수신 안테나(11)는 상기 진공 챔버(30)의 벽면 내에 매립되거나, 기판 지지부(70) 내에 매립될 수도 있다.
상기 시분할 네트워크 신호 분석기 또는 주파수 분석기(20)와 상기 복수의 송수신 안테나(10, 11) 사이에는 상기 스위칭 회로(21)를 구비하여 스위칭 동작에 의하여 상기 시분할 네트워크 신호 분석기 또는 주파수 분석기(20)와 상기 복수의 송수신 안테나(10, 11) 사이에서 송수신되는 신호의 시간차를 구분하여 각각의 송수신 안테나(10, 11)를 작동하도록 할 수 있다.
도 2는 도 1의 구성도를 상부에서 내려보는 경우 오염입자의 측정을 위한 레이저 광학계를 도시한다.
도 2를 참조하면, 레이저 광원(80)으로부터 생성되는 레이저광은 진공 챔버(30) 벽면의 창을 통하여 상기 진공 챔버(30)내에 생성된 플라즈마를 관통하게 되고, 레이저광은 플라즈마를 관통하면서 플라즈마 내의 오염입자에 의해서 레이저광의 세기가 감쇄되거나 레이저광이 산란될 수 있다.
레이저광의 세기가 감쇄되는 경우 감지기(81)에서 이를 검출할 수 있고 오염입자가 증가하는 것으로 판별할 수 있으며, 레이저광이 산란되는 경우 그 산란되는 각도에 따라 감지기(82)에서 이를 검출하여 오염입자의 크기를 판별하게 된다.
또한 감지기(83)에서도 레이저광이 산란되는 경우 그 산란되는 각도에 따라 오염입자의 크기를 판별할 수 있는데, 상기 감지기(82)와 상기 감지기(83)에서 판별한 오염입자의 크기가 서로 대칭성을 가지는 정도에 따라 오염입자의 형태가 구형인지 비구형인지도 판별할 수 있게 된다.
도 3은 진공챔버 내의 플라즈마 주파수를 측정하기 위한 본 발명의 구체적인 구성도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 본 발명은 진공 챔버 내의 플라즈마 주파수를 측정하기 위하여 송수신 안테나(10), 주파수 분석기(20), 진공 챔버(30), 전원 공급부(40), 전력 제어부(41), 매칭 회로(50), 기판(60), 기판 지지부(70)를 구비하고 있습니다.
상기 송수신 안테나(10)는 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 이를 수신할 수 있고, 상기 진공 챔버(30) 내에서 위치를 이동할 수 있다.
상기 송수신 안테나(10)는 다양한 형태로 구성할 수 있는데, 막대 형상 프로브의 송수신 안테나, 막대 형상의 방사 안테나와 루프 형상의 수신 안테나, 평면형 링타입 플라즈마 진단 장치, 평면형 원뿔 타입 플라즈마 진단 장치, 평면형 바타입 플라즈마 진단 장치일 수 있으며, 상기 평면형 링타입 플라즈마 진단 장치, 평면형 원뿔 타입 플라즈마 진단 장치, 평면형 바타입 플라즈마 진단 장치는 진공 챔버의 벽면, 기판 지지부에 매립되어 형성될 수도 있다.
상기 주파수 분석기(20)는 상기 송수신 안테나(10)에 연결되어 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석할 수 있다.
상기 전원 공급부(40)는 진공 챔버 내에 공급되는 가스를 이온화하여 플라즈마를 생성하기 위하여 고주파 전원을 공급할 수 있고, 상기 매칭 회로(50)는 임피던스 매칭 또는 정합을 위한 구성으로서 반사 손실을 최소화하기 위하여 연결될 수 있다.
반도체 공정에서는 증착 또는 식각을 위하여 상기 진공 챔버(30) 내에 기판 지지부(70)를 구비하고, 상기 기판 지지부(70) 위에는 반도체 웨이퍼, 디스플레이 기판 등의 기판(60)을 위치하도록 하여 플라즈마 발생을 위한 가스를 상기 진공 챔버(30) 내로 주입하면 상기 전원 공급부(40)에 의해서 공급되는 전력에 의하여 상기 가스가 이온화하면서 플라즈마가 발생된다.
상기 플라즈마 내에는 이온과 전자가 포함되어 있고 플라즈마 내의 이온과 전자의 움직임을 제어하여 증착 또는 식각을 정밀하게 수행할 수 있는데, 상기 플라즈마 밀도의 변화를 측정하여 상기 전원 공급부(40)에 의해서 공급되는 전력을 조절함으로써 보다 정밀하게 수행할 수 있게 된다.
플라즈마는 이온화된 중성 기체이므로 이온과 전자가 거의 동일한 밀도로 존재한다고 생각할 수 있으나, 단일 종류의 입자인 전자와는 달리 이온은 그 종류가 다양할 뿐만 아니라 양(+)의 이온과 음(-)의 이온이 존재할 수 있고, 상기 진공 챔버(30) 내에 혼합 가스가 주입되는 경우 다양한 종류의 양(+)의 이온과 음(-)의 이온이 존재할 수 있다.
종래에는 전자 플라즈마 주파수의 측정만으로 전자밀도를 계산하고 이로부터 플라즈마 밀도를 계산하여 상기 전원 공급부(40)에 의해서 공급되는 전력을 조절하여 반도체 공정을 수행하고 있으나, 이러한 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 플라즈마 내에 존재하는 다양한 종류의 이온의 움직임을 정밀하게 제어할 수 없게 된다.
도 4(a)는 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 4(b)는 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 4(a)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 Ar 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 주파수 분석기(20)는 송수신 안테나(10)를 통하여 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 표시하고 있다.
상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 100 kHz ~ 500 MHz 의 범위에서 가변될 수 있고, 보다 바람직하게는 상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 400 kHz ~ 100 MHz의 범위에서 가변될 수 있으며, 2. 51 MHz에서 컷오프(cut-off)되고 있음을 보여주고 있다. 상기 컷오프 주파수가 바로 고유주파수인 이온 플라즈마 주파수에 해당된다.
상기 이온 플라즈마 주파수(
)는 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있고, 이로부터 이온 밀도를 계산할 수 있다.
여기서, 
는 기본 전하량, 
는 이온 밀도(cm-3), 
는 진공에서의 유전율, 
는 이온 질량이다.
도 4(b)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 Ar 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 주파수 분석기(20)는 송수신 안테나(10)를 통하여 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 표시하고 있다.
상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 0.5 ~ 2 GHz의 범위 또는 0.5 ~ 10 GHz에서 가변될 수 있으며, 0.69 GHz에서 컷오프(cut-off)되고 있음을 보여주고 있다. 상기 컷오프 주파수가 바로 고유주파수인 전자 플라즈마 주파수에 해당된다.
상기 전자 플라즈마 주파수(
)는 다음의 [수학식 2]로 나타낼 수 있고, 이로부터 전자 밀도를 계산할 수 있다.
여기서, 
는 기본 전하량, 
는 전자 밀도(cm-3), 
는 진공에서의 유전율, 
는 전자 질량이다.
플라즈마 내의 이온 밀도(
)와 전자 밀도(
)가 동일하므로 상기 이온 플라즈마 주파수(
)의 이론값은 상기 전자 플라즈마 주파수(
)에 대해서 다음의 [수학식 3]으로 나타낼 수 있다.
도 5(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 5(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 5(a)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 He 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 주파수 분석기(20)는 송수신 안테나(10)를 통하여 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 표시하고 있다.
상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 0 ~ 10 MHz의 범위에서 가변되고 있으며, 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부(40)의 전력이 증가함에 따라 이온 플라즈마 주파수(
)가 증가되고 있음을 보여주고 있다.
도 5(b)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 He 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 주파수 분석기(20)는 송수신 안테나(10)를 통하여 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 표시하고 있다.
상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 0 ~ 0.4 GHz의 범위에서 가변되고 있으며, 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부(40)의 전력이 증가함에 따라, 전자 플라즈마 주파수(
)가 증가되고 있음을 보여주고 있다.
도 6(a)는 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 6(b)는 He 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 6(a)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 He 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 이온 플라즈마 주파수와 전자 플라즈마 주파수를 측정하고 상기 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 이온 플라즈마 주파수의 측정값을 비교하여 그래프로 나타내고 있다.
이온 플라즈마 주파수의 이론값은 [수학식 3]으로 나타낸 바와 같이, 전자 플라즈마 주파수와 서로 비례하는 관계를 가지고 질량비의 제곱근을 기울기로 하여 그래프 상에서 직선으로 표시되고 있고, 실제 이온 플라즈마 주파수를 측정한 값도 상기 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 비교하여 그 차이가 최고 4.42% 이내의 범위 내에서 측정되고 있다.
도 6(b)를 참조하면, 플라즈마 이온 밀도와 전자 밀도를 비교하면 실제 이온 플라즈마 주파수를 측정한 값으로부터 변환한 이온 밀도도 상기 이온 플라즈마 주파수의 이론값으로부터 변환한 이온 밀도와 비교하여 그 차이가 최고 8.64% 이내의 범위에서 측정되고 있다.
이와 같이, 단일의 He 가스로부터 생성되는 플라즈마의 밀도를 측정하는 경우에는 전자 밀도를 사용하는 경우와 이온 밀도를 사용하는 경우 모두 정밀한 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 7(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 7(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 7(a)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 Ne 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 주파수 분석기(20)는 송수신 안테나(10)를 통하여 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 표시하고 있다.
상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 0 ~ 10 MHz의 범위에서 가변되고 있으며, 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부(40)의 전력이 증가함에 따라 이온 플라즈마 주파수(
)가 증가되고 있음을 보여주고 있다.
도 7(b)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 Ne 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 주파수 분석기(20)는 송수신 안테나(10)를 통하여 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 표시하고 있다.
상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 0 ~ 2 GHz의 범위에서 가변되고 있으며, 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부(40)의 전력이 증가함에 따라, 전자 플라즈마 주파수(
)가 증가되고 있음을 보여주고 있다.
도 8(a)는 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 8(b)는 Ne 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 8(a)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 Ne 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 이온 플라즈마 주파수와 전자 플라즈마 주파수를 측정하고 상기 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 이온 플라즈마 주파수의 측정값을 비교하여 그래프로 나타내고 있다.
이온 플라즈마 주파수의 이론값은 [수학식 3]으로 나타낸 바와 같이, 전자 플라즈마 주파수와 서로 비례하는 관계를 가지고 질량비의 제곱근을 기울기로 하여 그래프 상에서 직선으로 표시되고 있고, 실제 이온 플라즈마 주파수를 측정한 값도 상기 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 비교하여 그 차이가 최고 3.97% 이내의 범위에서 측정되고 있다.
도 8(b)를 참조하면, 플라즈마 이온 밀도와 전자 밀도를 비교하면 실제 이온 플라즈마 주파수를 측정한 값으로부터 변환한 이온 밀도도 상기 이온 플라즈마 주파수의 이론값으로부터 변환한 이온 밀도와 비교하여 그 차이가 최고 8.09% 이내의 범위에 측정되고 있다.
이와 같이, 단일의 Ne 가스로부터 생성되는 플라즈마의 밀도를 측정하는 경우에는 전자 밀도를 사용하는 경우와 이온 밀도를 사용하는 경우 모두 정밀한 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 9(a)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고, 도 9(b)는 인가되는 전력을 변화시키면서 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 9(a)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 Ar 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 주파수 분석기(20)는 송수신 안테나(10)를 통하여 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 투과계수의 이온 플라즈마 주파수 스펙트럼을 표시하고 있다.
상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 0 ~ 10 MHz의 범위에서 가변되고 있으며, 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부(40)의 전력이 증가함에 따라 이온 플라즈마 주파수(
)가 증가되고 있음을 보여주고 있다.
도 9(b)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 Ar 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 주파수 분석기(20)는 송수신 안테나(10)를 통하여 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수를 가변하고 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 투과계수의 전자 플라즈마 주파수 스펙트럼을 표시하고 있다.
상기 마이크로웨이브의 주파수 대역은 0 ~ 2 GHz의 범위에서 가변되고 있으며, 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부(40)의 전력이 증가함에 따라, 전자 플라즈마 주파수(
)가 증가되고 있음을 보여주고 있다.
도 10(a)는 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 10(b)는 Ar 가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 플라즈마 전자 밀도에 대한 플라즈마 이온 밀도의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고 있다.
도 10(a)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 Ne 가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 이온 플라즈마 주파수와 전자 플라즈마 주파수를 측정하고 상기 전자 플라즈마 주파수에 대한 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 이온 플라즈마 주파수의 측정값을 비교하여 그래프로 나타내고 있다.
이온 플라즈마 주파수의 이론값은 [수학식 3]으로 나타낸 바와 같이, 전자 플라즈마 주파수와 서로 비례하는 관계를 가지고 질량비의 제곱근을 기울기로 하여 그래프 상에서 직선으로 표시되고 있고, 실제 이온 플라즈마 주파수를 측정한 값도 상기 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 비교하여 그 차이가 최고 2.15% 이내의 범위에서 측정되고 있다.
도 10(b)를 참조하면, 플라즈마 이온 밀도와 전자 밀도를 비교하면 실제 이온 플라즈마 주파수를 측정한 값으로부터 변환한 이온 밀도도 상기 이온 플라즈마 주파수의 이론값으로부터 변환한 이온 밀도와 비교하여 그 차이가 최고 4.33% 이내의 범위에 측정되고 있다.
이와 같이, 단일의 Ar 가스로부터 생성되는 플라즈마의 밀도를 측정하는 경우에는 전자 밀도를 사용하는 경우와 이온 밀도를 사용하는 경우 모두 정밀한 측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 11(a)는 He과 Ar 혼합가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 상기 혼합가스 내 He의 비율에 따른 전자 플라즈마 주파수에 대한 플라즈마 Ar 이온과 He 이온 각각의 주파수의 이론값과 실제 측정값을 비교하여 도시하고, 도 11(b)는 He과 Ar 혼합가스에 의한 플라즈마가 생성된 진공챔버 내에서 상기 혼합가스 내 He의 비율에 따른 He 이온 밀도, Ar 이온 밀도, 전자 밀도의 변화를 도시하고 있다.
도 11(a)를 참조하면, 진공 챔버(30) 내에 He과 Ar 혼합가스를 주입하여 플라즈마가 생성된 경우 상기 혼합가스 내 He의 비율에 따른 이온 플라즈마 주파수와 전자 플라즈마 주파수를 측정하고 상기 전자 플라즈마 주파수에 대한 He과 Ar 각각의 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 실제 이온 플라즈마 주파수의 측정값을 비교하여 그래프로 나타내고 있다.
He 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 Ar 이온 플라즈마 주파수의 이론값은 [수학식 3]으로 나타낸 바와 같이, 전자 플라즈마 주파수(
)와 서로 비례하는 관계를 가지고 He 가스만 주입되는 경우와 Ar 가스만 주입되는 경우 각각에 대해서 그래프 상에서 각각 점선과 직선으로 표시되고 있고, 혼합가스가 주입되는 경우 실제 이온 플라즈마 주파수의 측정값(
)이 하나의 측정값으로 나타나고 있다.
혼합가스가 주입되는 경우, 여러 이온의 거동이 하나의 이온 플라즈마 주파수로 측정되고 있는 것이다.
상기 그래프 상에 나타나는 바와 같이, 실제 이온 플라즈마 주파수의 측정값(
)은 He 이온 플라즈마 주파수의 이론값과는 큰 차이를 나타내고, 상기 혼합가스 내 He의 비율이 낮을 경우에는 실제 이온 플라즈마 주파수의 측정값(
)이 Ar 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 동일하지만, 상기 혼합가스 내 He의 비율이 커지면서 실제 이온 플라즈마 주파수의 측정값(
)이 Ar 이온 플라즈마 주파수의 이론값과 차이를 보이고 있다.
즉, Ar 이온 플라즈마 주파수의 이론값은 전자 플라즈마 주파수로부터 계산된다는 점에서 전자 플라즈마 주파수의 측정만으로는 플라즈마 내 이온 밀도의 변화를 정밀하게 측정할 수 없다는 것을 알 수 있다.
한편 위에서 설명한 He 이온 플라즈마 주파수의 이론값은 진공 챔버에 He 가스만을 주입한 경우 전자 플라즈마 주파수(
)로부터 계산된 값이고, Ar 이온 플라즈마 주파수의 이론값은 진공 챔버에 Ar 가스만을 주입한 경우 전자 플라즈마 주파수(
)로부터 계산된 값이므로, 다음에서 혼합가스가 진공 챔버에 주입되는 경우 He 이온 플라즈마 주파수, Ar 이온 플라즈마 주파수, He 이온 농도, Ar 이온 농도를 계산하여 비교하도록 한다.
도 11(b)를 참조하면, 혼합가스 내 He의 비율이 작은 경우에는 혼합가스 내의 전자밀도와 Ar 이온 밀도가 거의 동일하지만, 혼합가스 내 He의 비율이 커지면서 혼합가스 내의 전자밀도와 Ar 이온 밀도가 차이를 보이고 있다.
참고로, 그래프 상에 상기 차이는 아주 작은 차이로 보이지만, 그래프의 세로축이 로그값이라는 점에서 실제는 아주 큰 차이이고, 세로축을 로그값으로 한 이유는 He 이온 밀도가 너무 작아서 이를 하나의 그래프 상에 보여주기 위한 것이다.
한편, He 이온 밀도, Ar 이온 밀도는 다음의 식들로 계산된 값이다.
[수학식 4]는 앞서 설명한 바와 같이, 혼합가스가 주입되는 경우, 전체 이온 거동에 대한 하나의 이온 플라즈마 주파수만 측정됨에 따라, 이러한 하나의 주파수는 He 이온과 Ar 이온의 질량 중심 운동으로부터 측정된 것이라고 추정하여 도출된 것이다.
[수학식 5]는 [수학식 1]과 마찬가지로, He 이온 플라즈마 주파수를 He 이온 밀도로 나타내는 식이고, [수학식 6]도 Ar 이온 플라즈마 주파수를 Ar 이온 밀도로 나타내는 식이다. 그리고, [수학식 6]에서는 [수학식 7]을 활용하여 Ar 이온 밀도를 He 이온 밀도로 나타낸 것이다.
결국, 3개의 [수학식 4], [수학식 5], [수학식 6]으로부터 3개의 변수인 He 이온 플라즈마 주파수, Ar 이온 플라즈마 주파수, He 이온 밀도를 구하고, 이후 [수학식 7]에 의하여 Ar 이온 밀도를 구할 수 있다.
따라서, 혼합가스 내의 전자밀도와 Ar 이온 밀도가 차이를 보이는 경우에는 전자밀도의 측정만으로는 플라즈마 공정 제어가 정밀하게 수행될 수 없고, Ar 이온 밀도의 측정에 의해서 보다 정밀한 플라즈마 공정 제어가 가능해질 수 있다.
또한, 종래의 통상적인 이온 측정 방법은 이온 전류식에서 Bohm 속도의 가정으로 대략적인 값이 얻어지는데 반하여, 본 발명에 의한 이온 밀도 측정법은 Bohm 속도가 고려되지 않기 때문에 보다 더 정밀한 측정 방법이라고 할 수 있다.
도 12는 막대 형상 프로브의 송수신 안테나의 구체적인 형상을 도시한다.
도 12를 참조하면, 송수신 안테나(10, 11)는 막대 형상 프로브의 송수신 안테나를 플라즈마 내부에 삽입하는 방식으로 사용될 수 있다.
도 13은 막대 형상의 방사 안테나와 루프 형상의 수신 안테나의 구체적인 형상을 도시한다.
도 13을 참조하면, 송수신 안테나(10, 11)는 막대 형상의 방사 안테나와 루프 형상의 수신 안테나를 플라즈마 내부에 삽입하는 방식으로 사용될 수 있고 수신 안테나를 루프 형상으로 하여 수신율을 높일 수 있다.
도 14는 평면형 링타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 14를 참조하면, 송수신 안테나(10, 11)는 송신 안테나와 수신 안테나를 동심축 구조로 배치하고 평면형으로 형성할 수 있고 상기 수신 안테나는 링 형태로 형성되어 송신 안테나를 감싸도록 하여 수신율을 높일 수 있다.
도 15는 평면형 원뿔 타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 15를 참조하면, 송수신 안테나(10, 11)는 송신 안테나와 수신 안테나를 각각 평면형 원뿔 형태로 형성할 수 있다.
도 16은 평면형 바타입 플라즈마 진단 장치의 구체적인 형상을 도시한다.
도 16을 참조하면, 송수신 안테나(10, 11)는 송신 안테나와 수신 안테나가 평면형 사각 형상으로 형성될 수 있고 측면이 대향하도록 배치되어 투과 신호의 세기가 강해지도록 하여 수신율을 높일 수 있다.
상기 평면형 링타입 플라즈마 진단 장치, 평면형 원뿔 타입 플라즈마 진단 장치, 평면형 바타입 플라즈마 진단 장치는 진공 챔버의 벽면, 기판 지지부 등에 매립되어 사용될 수 있고, 웨이퍼형 기판에 매립되어 사용될 수도 있다.
도 17은 본 발명의 플라즈마 이온 측정 장치를 사용하는 플라즈마 진단 방법의 흐름도를 도시한다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 진단 방법은 반도체 공정 또는 디스플레이 공정에서 플라즈마 공정을 사용하는 경우 플라즈마 진단 방법을 활용하여 보다 정밀한 공정을 진행할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 공정 방법은 먼저 진공 챔버(30) 내에 플라즈마를 생성하는 단계(S100)를 수행하고, 상기 진공 챔버(30) 내에 송수신 안테나(10)을 삽입하여 상기 진공 챔버(30) 내에서 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 단계(S200)를 수행하게 된다.
주파수 분석기(20)는 상기 송수신 안테나(10)에서 수신되는 마이크로웨이브의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 단계(S300)를 수행하고, 상기 마이크로웨이브의 주파수 대역이 0 ~ 10 MHz의 범위에서 가변되는 경우 컷오프 주파수인 이온 플라즈마 주파수가 측정될 수 있고, 또한 상기 마이크로웨이브의 주파수 대역이 0.5 ~ 2 GHz의 범위에서 가변되는 경우에는 컷오프 주파수인 전자 플라즈마 주파수가 측정될 수 있다.
다음은, 상기 주파수 분석기(20)에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도 또는 전자 밀도로 변환하는 단계(S400)를 수행하고, 변환부에서 변환된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도를 비교하는 단계(S500)를 수행하게 된다.
이와 관련해서는, [수학식 4]~[수학식 7]과 도 9(b)를 통하여 설명한 바와 같이, 3개의 [수학식 4], [수학식 5], [수학식 6]으로부터 3개의 변수인 He 이온 플라즈마 주파수, Ar 이온 플라즈마 주파수, He 이온 밀도를 구하고, 이후 [수학식 7]에 의하여 Ar 이온 밀도를 구한 다음, 이를 비교할 수 있게 된다.
비교부가 도면에 도시된 바는 없으나, 비교부에서 비교된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도의 차이에 따라 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부(40)의 공급 전력을 전력 제어부(41) 제어하는 단계(S600)를 수행하여 혼합가스 내의 전자밀도와 이온 밀도가 차이를 보이는 경우에는 전자밀도의 측정만으로는 플라즈마 공정 제어가 정밀하게 수행될 수 없고, 이온 밀도의 측정에 의해서 보다 정밀한 플라즈마 공정 제어가 가능해질 수 있다.
또한 이와 같은 플라즈마 진단 방법의 흐름도는 컴퓨터프로그램으로 구현될 수 있으며, 본 발명의 각 구성요소는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
10, 11: 송수신 안테나
20: 네트워크 신호 분석기 또는 주파수 분석기
21: 스위칭 회로
30: 진공 챔버
40: 전원 공급부
41: 전력 제어부
50: 매칭 회로
60: 기판
70: 기판 지지부
80: 레이저 광원
81, 82, 83: 감지기
85: 광방출 분광기(OES: Optical Emission Spectroscopy)
87: 오염입자 수집기
90: 오염입자
111, 121, 131, 141, 151: 송신 안테나
112, 122, 132, 142, 152: 수신 안테나
20: 네트워크 신호 분석기 또는 주파수 분석기
21: 스위칭 회로
30: 진공 챔버
40: 전원 공급부
41: 전력 제어부
50: 매칭 회로
60: 기판
70: 기판 지지부
80: 레이저 광원
81, 82, 83: 감지기
85: 광방출 분광기(OES: Optical Emission Spectroscopy)
87: 오염입자 수집기
90: 오염입자
111, 121, 131, 141, 151: 송신 안테나
112, 122, 132, 142, 152: 수신 안테나
Claims (19)
- 플라즈마 이온 밀도 측정 장치에 있어서,
주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나;
상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 복수의 종류의 이온의 질량 중심 운동으로부터 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기;
상기 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수는 100 kHz 이상 500 MHz 이하의 범위에서 가변되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도로 변환하는 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 송수신 안테나는 탐침형 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 송수신 안테나는 루프형 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 송수신 안테나는 평면형 링타입 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 송수신 안테나는 평면형 원뿔타입 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 송수신 안테나는 평면형 바타입 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 플라즈마 밀도 측정 장치에 있어서,
주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나;
상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 복수의 종류의 이온의 질량 중심 운동으로부터 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기;
상기 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수는 100 kHz 이상 500 MHz 이하의 범위에서 가변되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 밀도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도로 변환하는 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 밀도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 송수신 안테나는 탐침형 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 밀도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 송수신 안테나는 루프형 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 밀도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 송수신 안테나는 평면형 링타입 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 송수신 안테나는 평면형 원뿔타입 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서,
상기 송수신 안테나는 평면형 바타입 안테나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치.
- 플라즈마 진단 장치에 있어서,
주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나;
상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기;
상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 전자 밀도 또는 플라즈마 이온 밀도로 변환하는 변환부;
상기 변환부에서 변환된 플라즈마 전자 밀도와 플라즈마 이온 밀도를 비교하는 비교부;를 포함하고,
상기 주파수 분석기는 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 복수의 종류의 이온의 질량 중심 운동으로부터 컷오프 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 장치.
- 제 15 항에 있어서,
상기 플라즈마에 인가되는 마이크로웨이브의 주파수는 100 kHz 이상 500 MHz 이하의 범위에서 가변되는 경우와 0.5 GHz 이상 10 GHz 이하의 범위에서 가변되는 경우를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 밀도 측정 장치.
- 플라즈마 공정 장치에 있어서,
플라즈마를 생성하는 진공 챔버;
상기 진공 챔버 내에서 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 송수신 안테나;
상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 주파수 분석기;
상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도 또는 플라즈마 전자 밀도로 변환하는 변환부;
상기 변환부에서 변환된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도를 비교하는 비교부;를 포함하고,
상기 주파수 분석기는 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 복수의 종류의 이온의 질량 중심 운동으로부터 컷오프 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정 장치.
- 플라즈마 진단 방법에 있어서,
진공 챔버 내에 플라즈마를 생성하는 단계;
상기 진공 챔버 내에서 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 단계;
주파수 분석기는 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 단계;
변환부는 상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도 또는 전자 밀도로 변환하는 단계;
비교부는 상기 변환부에서 변환된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도를 비교하는 단계;를 포함하고,
상기 주파수 분석기는 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 복수의 종류의 이온의 질량 중심 운동으로부터 컷오프 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
- 플라즈마 공정 방법에 있어서,
진공 챔버 내에 플라즈마를 생성하는 단계;
상기 진공 챔버 내에서 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하고 수신하는 단계;
주파수 분석기는 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 컷오프 주파수를 측정하는 단계;
변환부는 상기 주파수 분석기에서 측정한 컷오프 주파수를 플라즈마 이온 밀도 또는 전자 밀도로 변환하는 단계;
비교부는 상기 변환부에서 변환된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도를 비교하는 단계;
상기 비교부에서 비교된 플라즈마 이온 밀도와 플라즈마 전자 밀도의 차이에 따라 플라즈마 생성을 위하여 인가되는 전원 공급부의 공급 전력, 기체 유량, 방전 압력 중 적어도 어느 하나를 제어하는 단계;를 포함하고,
상기 주파수 분석기는 상기 송수신 안테나에서 수신되는 마이크로웨이브의 하나의 주파수를 분석하여 복수의 종류의 이온의 질량 중심 운동으로부터 컷오프 주파수를 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020210022899A KR102340564B1 (ko) | 2021-02-19 | 2021-02-19 | 플라즈마 이온 밀도 측정 장치와 이를 이용한 플라즈마 진단 장치 |
| JP2021062613A JP7113110B1 (ja) | 2021-02-19 | 2021-04-01 | プラズマイオン密度測定装置とこれを利用したプラズマ診断装置 |
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| EP21167098.9A EP4047633A1 (en) | 2021-02-19 | 2021-04-07 | Device for measuring plasma ion density and apparatus for diagnosing plasma using the same |
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|---|---|---|---|
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| CN (1) | CN114980464A (ko) |
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