KR102607297B1 - 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 모니터링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 모니터링 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 피처리체가 지지되는 제1 전극; 제1 전극에 대향하여 배치된 제2 전극; 제1 전극에 전원을 공급하여 제1 전극과 제2 전극 사이에 플라즈마를 형성시키는 전원공급부; 플라즈마에 의하여 형성되는 제2 전극의 전압(Vdc)을 측정하는 측정부; 및 제2 전극의 전압으로부터 피처리체의 셀프바이어스를 결정하는 결정부;를 포함하므로 플라즈마를 모니터링할 수 있는 기술이 개시된다.
Description
본 발명은 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 모니터링 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 처리공정 중 플라즈마의 상태를 모니터링할 수 있는 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 모니터링 방법에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 중 주요 공정 중 하나인 플라즈마 공정은 통상적으로 플라즈마에서 생성된 플라즈마 이온이 기판의 노출된 층과 반응을 하는 플라즈마 에칭 프로세스이다. 플라즈마 이온이 기판의 노출된 층 내로 진입할 수 있는 깊이는 플라즈마 이온의 에너지에 의해 결정된다. 플라즈마 이온의 에너지는 기판에 인가되는 바이어스와 적어도 부분적으로는 관련이 있다.
반도체 디바이스 크기가 점점 작아지고 밀집하여 채워짐에 따라 깊이/폭의 높은 종횡비가 요구되고 있다. 높은 종횡비를 구현하기 위해서는 플라즈마 이온의 높은 에너지 레벨이 요구된다.
플라즈마 이온의 에너지를 증가시키기 위한 방법 중에는 바이어스 전압을 증가시키는 방법이 있다. 그러나, 바이어스 전압이 증가함에 따라, 기판과 프로세싱 챔버 사이 및 전극과 프로세싱 챔버 구조 사이에서 아킹(arching)이 발생한다. 또한, 기판의 바이어스된 영역 또는 플라즈마 전자기장 내로의 상대적으로 작은 칩입(intrusion)은 각 전기장의 분열을 야기할 수 있으므로, 국부적인 플라즈마 이온 에너지 변동을 발생시킬 수 있다. 따라서, 플라즈마 에칭 프로세스에서 국부적인 불균일성이 발생된다.
기판의 셀프바이어스를 측정하는데 사용되는 통상적인 방법과 구조로서 접촉핀이 있다. 이러한 접촉핀은 기판의 전자기장 또는 전자기장을 분열시킨다. 또한, 바이어스의 레벨이 증가함에 따라, 기판과 접촉핀 사이에 아킹이 발생할 수 있다. 이러한 아킹은 접촉핀 또는 기판이나 전극 등을 손상시킬 수 있으며 실제 셀프바이어스의 레벨을 왜곡시킬 수 있다.
따라서, 플라즈마 공정에서 아킹의 발생을 야기하지 않으면서 셀프바이어스를 정확하게 측정하여 플라즈마를 모니터링할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명은 플라즈마 처리공정 중 플라즈마의 상태를 모니터링할 수 있는 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 모니터링 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치는, 피처리체가 지지되는 제1 전극; 상기 제1 전극에 대향하여 배치된 제2 전극; 상기 제1 전극에 전원을 공급하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 플라즈마를 형성시키는 전원공급부; 상기 플라즈마에 의하여 형성되는 상기 제2 전극의 전압(Vdc)을 측정하는 측정부; 및 상기 제2 전극의 전압으로부터 상기 피처리체의 셀프바이어스를 결정하는 결정부;를 포함한다.
여기서, 상기 제2 전극은 플로팅전극(floating electrode)이고, 상기 전원은 RF전원이다.
여기서, 상기 결정부는, 상기 플로팅전극의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 상기 플로팅전극의 전압으로부터 상기 셀프바이어스를 결정한다.
나아가 사전에 측정된 피처리체 샘플의 셀프바이어스와 상기 플로팅전극의 전압으로부터 도출되는 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블이 저장된 저장부;를 더 포함하고, 상기 결정부는 상기 저장부로부터 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블을 전달받는다.
여기서, 상기 셀프바이어스가 정상판단기준치에 대하여 일정 범위 내에 있는지 여부 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도를 판단하여 상기 플라즈마의 상태를 모니터링하는 모니터링부;를 더 포함한다.
더 나아가 상기 셀프바이어스가 상기 일정 범위를 벗어나는 경우 또는 상기 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도가 일정 수준 이상인 경우 상기 모니터링부는 상기 플라즈마가 비정상적 상태인 것으로 판단한다.
여기서, 상기 측정부는 상기 플로팅전극으로부터 전달되는 RF(Radio Frequency)신호를 차단하는 RF필터를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법은 피처리체가 제공된 제1 전극에 전원을 공급하여, 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극 사이의 공간에 플라즈마를 형성시키는 형성과정; 상기 플라즈마에 의해 형성되는 상기 제2 전극의 전압(Vdc)을 측정하는 측정과정; 및 상기 피처리체의 셀프바이어스를 상기 제2 전극의 전압으로부터 결정하는 결정과정;을 포함한다.
여기서, 상기 제2 전극은 플로팅전극이고, 상기 제1 전극에 공급되는 전원은 RF전원이다.
여기서, 상기 결정과정에서, 상기 플로팅전극의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 상기 플로팅전극의 전압으로부터 상기 셀프바이어스를 결정한다.
나아가 피처리체 샘플의 셀프바이어스와 상기 플로팅전극의 전압을 미리 측정하여 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블을 마련하는 사전준비과정;을 더 포함한다.
여기서, 상기 셀프바이어스가 정상판단기준치에 대하여 일정 범위 내에 있는지 여부 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도를 판단하여 상기 플라즈마의 상태를 모니터링하는 모니터링과정; 을 더 포함한다.
나아가 상기 모니터링과정에서, 상기 셀프바이어스가 상기 일정 범위를 벗어나는 경우 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도가 일정수준 이상인 경우 상기 플라즈마가 비정상적 상태인 것으로 판단한다.
여기서, 상기 측정과정에서, 상기 플로팅전극으로부터 RF(Radio Frequency)신호를 차단하여 상기 플로팅전극의 전압을 측정한다.
본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 모니터링 방법에 따르면, 플라즈마에 접촉하는 제2 전극인 플로팅전극을 이용하여 피처리체의 셀프바이어스를 측정하므로 별도의 프로브가 요구되지 않는다. 따라서, 종래와 같이 프로브로 인한 아킹의 발생가능성이 억제되고 플라즈마의 상태를 정확히 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
아울러 플라즈마 상태를 실시간으로 모니터링 하므로 플라즈마의 상태의 정상 여부를 파악할 수 있으므로 플라즈마의 비정상적 상태로 인한 피처리체의 손상 또는 챔버의 손상을 방지할 수 있다는 효과도 있다.
그리고 플라즈마 처리공정에서 셀프바이어스는 식각공정의 식각량과 상관관계가 있으므로 식각공정결과 분석 파라미터로서 활용이 충분히 가능하며, 특히 본 발명에 의해 얻어지는 셀프바이어스는 종래의 간접적으로 셀프바이어스를 측정하는 방식과 달리 플라즈마에 접촉하는 제2 전극인 플로팅전극의 전압을 활용하여 측정하므로 측정의 정확도가 상대적으로 더 높다. 따라서, 플라즈마 상태에 대한 분석의 정확성을 향상시키는데 크나큰 기여를 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 모니터링 방법에 따르면 플라즈마 처리공정에서 아킹의 발생을 현저히 감소시켜주므로 피처리체인 기판의 손상과 플라즈마 처리장치의 손상을 예방할 수 있는 효과가 있으며, 플라즈마 상태에 대한 정확한 모니터링을 통해 플라즈마의 상태에 대한 빠른 대응조치가 가능해지며 플라즈마의 상태에 대한 측정의 정확성이 증진되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 측정된 플로팅전극의 전압과 공급전압의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 공급전압과 셀프바이어스와의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 플로팅전극의 전압과 셀프바이어스 전압의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 저장부와 모니터링부를 더 포함하여 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법에서 모니터링과정을 더 포함하여 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 측정된 플로팅전극의 전압과 공급전압의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 공급전압과 셀프바이어스와의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 플로팅전극의 전압과 셀프바이어스 전압의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 저장부와 모니터링부를 더 포함하여 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법에서 모니터링과정을 더 포함하여 개략적으로 나타낸 순서도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시 예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치는 피처리체(12)가 지지되는 제1 전극(110); 상기 제1 전극(110)에 대향하여 배치된 제2 전극(120); 상기 제1 전극(110)에 전원을 공급하여 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120) 사이에 플라즈마(11)를 형성시키는 전원공급부(140); 상기 플라즈마(11)에 의하여 형성되는 상기 제2 전극(120)의 전압(Vdc)을 측정하는 측정부(130); 및 상기 제2 전극(120)의 전압으로부터 상기 피처리체(12)의 셀프바이어스를 결정하는 결정부(150);를 포함한다.
여기서, 상기 제2 전극은 플로팅전극(floating electrode)(120)이고, 상기 전원은 RF전원인 것이 바람직하다.
셀프바이어스는 기판의 표면에 걸리는 음전위이며, 이 음전위에 의해서 플라즈마 내의 양이온이 기판의 표면으로 가속되어 충돌을 일으키게 된다. 이를 이온충돌(Ion-bombardment)이라고 한다. 이러한 플라즈마의 이온충돌 효과를 이용하여 기판 표면을 식각할 수 있으므로 식각공정에서 활용되고 있다.
셀프바이어스의 값이 음의 값으로 커질수록 양이온이 더욱 가속된다. 가속된 양이온은 더 큰 이온에너지로 기판과 충돌하게 되므로 기판이 식각되는 효과가 증가하게 된다. 따라서, 기판의 셀프바이어스를 모니터하여 플라즈마에 의한 식각량 분석, 플라즈마 이온의 기판 표면 충돌에 의한 데미지, 기판의 온도 분석 등 플라즈마를 이용한 공정에서 다양한 이론적 분석근거가 된다.
플라즈마의 상태가 불안정하면 비정상적으로 셀프바이어스가 급격히 증가하거나 요동치게 되므로 플라즈마의 상태를 대변하는 셀프바이어스를 통해 플라즈마의 상태를 파악할 수 있으며, 플라즈마의 불안정에 의한 기판 손상 또는 챔버 손상을 미리 방지하거나 대처할 수 있다.
따라서, 플라즈마를 모니터링 하기 위하여 기판의 셀프바이어스를 측정하는 것이 중요하다.
기판의 셀프바이어스를 측정하기 위하여 프로브와 같은 측정도구를 기판에 접촉시켜 직접 측정하는 방식도 있으나, 이러한 직접 측정방식은 프로브로 인하여 플라즈마에 영향이 가므로 플라즈마의 불균형을 발생시키게 된다. 따라서, 공정에 영향을 주게 되며, 아크가 발생되어 기판이나 챔버를 손상시키게 된다.
따라서, RF전원의 공급전력과 기판의 전극에서 반사되는 전력을 수집하여 수학적 연산을 통해 셀프바이어스를 산출거나, 기판의 전극부에 피크전압센서를 이용하여 피크전압을 측정하고 측정된 피크전압으로부터 수학적 연산을 통해 셀프바이어스를 산출하는 간접적인 측정이 있으나 플라즈마에 대한 간접적인 측정이라는 점에서 한계가 있으며, 피크전압으로부터 산출하는 간접적인 측정의 경우 피크전압이 연속적으로 나타나는 것이 아니라 불연속적으로 나타나게 되므로 이를 이용하여 플라즈마의 상태를 모니터링하는데 적용하기에는 한계가 있었다.
그러나 본 발명에서는 플라즈마에 접하고 있는 제2 전극(120)으로부터 측정되는 전압으로부터 셀프바이어스를 결정하므로 셀프바이어스의 정확도가 향상된다. 그리고 제2 전극(120)에 대한 측정은 연속적으로 이루어지므로 플라즈마의 상태에 대한 모니터링이 실시간으로 이루어질 수도 있다.
그리고 프로브와 같은 측정도구를 이용하여 셀프바이어스를 측정하는 경우 피처리체가 바뀔 때마다 측정도구의 위치 또한 변경될 수 밖에 없으므로 측정의 재현성이 저하되지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 위치가 고정된 제2 전극(120)으로부터 전압을 측정하여 셀프바이어스를 결정하므로 피처리체가 교체되는 경우에도 측정의 재현성이 확보된다. 즉, 연속적으로 진행되는 플라즈마공정에서 제2 전극(120)의 전압이 일정하게 측정된다.
제1 전극(110)은 스테이지(14)의 표면에 배치될 수 있다. 제1 전극(110)은 피처리체(12)를 지지한다. 제1 전극(110)의 일 평면에 놓여지는 피처리체(12)를 지지할 수 있다. 피처리체(12)의 예로서 기판을 들을 수 있다. 제1 전극(110)은 전원공급부(140)로부터 전원을 공급받는다. 제1 전극(110)으로 공급되는 전원에 의해 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 플라즈마(11)가 형성된다. 여기서, 제1 전극(110)으로 공급되는 전원은 RF전원인 것이 바람직하다.
제2 전극(120)은 제1 전극(110)에 대향하여 배치된다. 즉, 제2 전극(120)의 일 면이 제1 전극(110)의 면에 대향되는 형태로 배치된다. 이러한 제2 전극(120)은 플로팅(floating)전극인 것이 바람직하다. 제2 전극(120)에 비접지된 것 또는 블로킹 커패시터가 연결된 형태도 가능하다. 이러한 제2 전극(120)에 플라즈마(11)에 의한 전자의 축적이 이루어질 수 있으며, 전자의 축적으로 인하여 전위차가 형성된다. 그리고 제2 전극(120)에 전자가 축적되는 데에는 한계가 있으며 전자의 축적으로 인하여 형성되는 제2전극(120)의 전압은 직렬전압(Vdc)으로서 측정될 수 있다.
이와 같이 측정된 제2 전극(120)의 전압은 피처리체의 셀프바이어스를 대변할 수 있으며, 이에 대해서는 후술되는 도 2 내지 도 4를 참조하는 설명에서 하기로 한다.
한 편, 제2 전극(120)이 접지가 되면 제2 전극에 전자의 축적이 이루어지지 않으므로 제2 전극(120)에서 전압측정이 이루어지기 어렵다.
제1 전극(110)과 제2 전극(120)은, 외부로부터 격리되는 공간을 제공하는 챔버 내에 배치된 형태가 가능하다.
전원공급부(140)는 상기 제1 전극(110)에 전원을 공급하여 상기 제1 전극(110)과 상기 제2 전극(120) 사이에 플라즈마(11)를 형성시킨다. 앞서 언급한 바와 같이 이러한 전원공급부(140)로서 RF(Radio Frequency)전원이 이용될 수 있다.
측정부(130)는 상기 플라즈마(11)에 의하여 형성되는 상기 제2 전극(120)의 전압(Vdc)을 측정한다. 측정부(130)는 제2 전극(120)인 플로팅전극(120)의 전압을 측정한다. 그리고 제2 전극(120)에 전자가 축적되는 데에는 한계가 있으므로 전자의 축적으로 인하여 형성되는 제2전극(120)의 전압은 직렬전압(Vdc)으로서 측정될 수 있다.
제1 전극(110)에 공급되는 전원이 RF전원이면, 측정부(130)로 RF신호가 전달될 수 있다. 따라서, 측정부(130)는 플로팅전극(120)으로부터 전달되는 RF(Radio Frequency)신호를 차단하는 RF필터를 포함하는 것이 바람직하다. 플로팅전극(120)으로부터 전달되는 RF신호는 RF필터로 필터링되고 통과된 DC 성분으로부터 전압측정이 이루어지게 된다.
전원공급부(140)인 RF전원이 공급되는 전력량에 따라 제2전극 즉, 플로팅전극에서 측정되는 전압(Vdc)도 달라질 수 있다. 측정부(130)에서 측정된 플로팅전극(120)의 전압은 결정부(150)로 전달된다.
결정부(150)는 측정부(130)에서 측정된 상기 제2 전극(120)인 플로팅전극(120)의 전압으로부터 상기 피처리체(12)의 셀프바이어스를 결정한다. 참고로 본 명세서에서 셀프바이어스 전압을 간략히 셀프바이어스라고 칭하여 설명한다.
결정부(150)는, 상기 플로팅전극(120)의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 상기 플로팅전극(120)의 전압으로부터 상기 셀프바이어스를 결정한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 측정된 플로팅전극의 전압과 공급전압의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 공급전압과 셀프바이어스와의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 플로팅전극의 전압과 셀프바이어스 전압의 관계를 개략적으로 나타낸 그래프 도면이다.
도 2 내지 도 4를 더 참조하면, 먼저 도 2에 나타낸 바와 같이 전원공급부(140)에 의해 제1 전극으로 공급되는 전압과, 제1 전극으로 공급되는 전압에 따라 측정되는 플로팅전극(120)의 전압이 선형적 비례관계가 있는 것으로 나타난다.
그리고 도 3에 나타낸 바와 같이 전원공급부(140)에 의해 제1 전극으로 인가되는 전압과, 제1 전극으로 공급되는 전압에 따라 측정되는 피처리체의 셀프바이어스가 선형적 비례관계가 있는 것으로 나타난다.
따라서, 도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 전극으로 공급되는 전압에 따라 측정되는 플로팅전극(120)의 전압과, 제1 전극으로 공급되는 전압에 따라 측정되는 피처리체의 셀프바이어스를 도 4에 나타낸 바와 같이 플로팅전극(120)의 전압과 셀프바이어스 사이의 관계를 나타낼 수 있다. 플로팅전극(120)의 전압과 셀프바이어스는 선형적 비례관계로 나타난다. 이를 토대로 룩업테이블을 형성시킬 수도 있으며, 다음과 같은 선형적 비례관계식으로 나타낼 수 있다.
y = ax + b
여기서, x는 플로팅전극의 전압, y는 셀프바이어스 이고, a는 비례상수, b는 상수이다.
도 4에 나타낸 플로팅전극(120)의 전압과 셀프바이어스는 다음과 같은 관계식으로 나타난다.
y= 1.16018x ??123.2
여기서, x는 플로팅전극의 전압, y는 셀프바이어스이다. 그리고 결정계수는 0.9918 이다. 결정계수는 종속변인과 독립변인 사이에 상관관계가 높을수록 1에 가깝게 나타난다. 따라서, 플로팅전극(120)의 전압과 셀프바이어스 간의 상관관계는 매우 높다고 할 수 있으며, 플로팅전극(120)의 전압으로 셀프바이어스를 대변할 수 있다는 것을 알 수 있다.
따라서, 플로팅전극(120)의 전압을 측정하고, 측정된 플로팅전극(120)의 전압으로부터 결정부(50)가 셀프바이어스를 결정할 수 있다.
그리고, 제1 전극(110)에 인가되는 전압에 따라 측정되는 플로팅전극(120)의 전압과 피처리체 샘플의 셀프바이어스를 매칭시켜서 얻어지는 측정데이터로부터 상기 플로팅전극(120)의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 선형적 비례관계식 또는 룩업테이블을 미리 얻을 수 있다. 이와 같이 미리 얻어진 상기 플로팅전극(120)의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 선형적 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 피처리체(12)인 기판의 셀프바이어스를 결정할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치는 도 5에서 참조되는 바와 같이 저장부(160)를 더 포함할 수도 있다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 저장부와 모니터링부를 더 포함하여 개략적으로 나타낸 구성도이다.
저장부(160)에는 플로팅전극(120)의 전압과 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블이 미리 저장되어 있는 것이 바람직하다.
사전에 또는 먼저 측정된 피처리체 샘플의 셀프바이어스와 상기 플로팅전극의 전압을 각각 측정하여 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블을 획득하여 저장부(160)에 저장시켜둘 수 있다. 저장부(160)에 저장된 비례관계식 또는 룩업테이블은 결정부(150)으로 전달되어 결정부(150)가 플로팅전극의 전압으로부터 피처리체의 셀프바이어스를 결정하는데 이용된다.
결정부(150)는, 저장부(160)로부터 전달받은 플로팅전극(120)의 전압과 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 측정과정에서 측정되는 플로팅전극(120)의 전압으로부터 셀프바이어스를 결정한다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치는 모니터링부(170)를 더 포함할 수 있다.
모니터링부(170)는 셀프바이어스가 정상판단기준치에 대하여 일정 범위 내에 있는지 여부 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도를 판단하여 상기 플라즈마(11)의 상태를 모니터링한다.
이러한 모니터링부(170)는 결정부(150)와 전기적 신호를 주고 받을 수 있게 연결되어 있다. 따라서, 결정부(150)에서 결정되는 셀프바이어스에 대한 정보를 전달받을 수 있다.
여기서 정상판단기준치는 제1 전극(110)으로 인가되는 전압에 대응하여 형성되는 플라즈마(11)가 안정적인 상태일 때 나타나는 셀프바이어스 값을 말하며, 플라즈마(11)가 안정적인 상태임을 나타내는 기준치라고 할 수 있다.
제1 전극(110)으로 인가되는 전압의 크기에 따라 플라즈마(11)가 안정적 상태인 셀프바이어스 값은 다르며, 제1 전극(110)으로 공급되는 전력의 크기에 셀프바이어스 값이 비례하는 형태가 된다.
따라서, 플라즈마(11)가 안정적 상태일 때 제1 전극(110)으로 공급되는 전력의 크기에 대응되는 셀프바이어스 값이 정상판단기준치가 된다. 그리고 측정되는 셀프바이어스를 정상판단기준치에 비교하여 플라즈마(11)의 상태를 판단할 수 있다.
그리고, 결정부(150)에서 결정된 셀프바이어스가 정상판단기준치에 대하여 일정 범위 내에 있으면 플라즈마(11)의 상태가 정상적인 상태인 것으로 판단한다. 여기서 일정 범위는 정상판단기준치와의 전압차이가 있어도 플라즈마(11)가 정상적인 상태로 판단할 수 있는 허용가능한 전압차이를 말한다.
예를 들어 허용가능한 전압차이가 10V 로 설정되고, 제1 전극(110)으로 공급되는 전압에 따른 셀프바이어스의 정상판단기준치가 150V 이고, 측정된 플로팅전극(120)의 전압에 따라 결정된 셀프바이어스가 155V 이라면, 전압차이가 5V로서 허용가능한 전압 차이인 10V 이내 이므로 플라즈마(11)의 상태가 정상적인 상태인 것으로 판단할 수 있다는 것이다. 여기서 측정된 플로팅전극(120)의 전압에 따라 결정된 셀프바이어스가 172V 이라면 전압차이가 22V로서 허용가능한 전압 차이인 10V를 초과하므로 플라즈마(11)의 상태가 비정상적 상태인 것으로 판단할 수 있다는 것이다.
그리고, 제1 전극(110)으로 공급되는 전력이 일정하지만, 플로팅전극(120)에서 측정된 전압에 따라 결정되는 셀프바이어스는 측정할 때마다 차이가 있을 수 있다. 이 차이를 셀프바이어스의 변동이라고 할 수 있다. 그리고 셀프바이어스의 변동이 허용될 수 있는 오차를 변동허용오차라고 할 수 있다. 셀프바이어스의 변동이 변동허용오차 내에 있으면 셀프바이어스가 일정하게 유지되고 있다고 판단한다. 즉, 셀프바이어스의 변동이 무시가능한 수준인 것으로서 셀프바이어스가 일정하게 유지도고 있는 것으로 판단한다는 것이다.
그러나 셀프바이어스의 변동이 변동허용오차를 벗어나는 경우에는 셀프바이어스가 일정하게 유지되는 것이 아니라 변동이 발생되고 있는 것으로 판단한다. 그리고 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도가 일정 수준 이상인 경우에는 플라즈마(11)가 비정상적인 상태인 것으로 판단할 수 있다.
예를 들어, 허용가능한 전압차이가 10V 로 설정되고, 제1 전극(110)으로 공급되는 전압에 따른 셀프바이어스의 정상판단기준치가 150V 이고 변동허용오차가 2V로 설정되었다면, 측정된 플로팅전극(120)의 전압에 따라 결정된 셀프바이어스가 허용가능한 전압차이인 10V 이내 이지만, 플로팅전극의 전압을 연속적으로 2회 측정시 결정된 셀프바이어스가 147V와 156V이라면 변동허용오차인 2V를 초과하므로 이는 무시가능한 셀프바이어스의 변동이 아닌 것으로 볼 수 있다. 그리고 이러한 변동이 발생되는 빈도가 일정 수준 이상으로 빈번하게 발생된다면 플라즈마(11)의 상태가 비정상적인 상태인 것으로 판단한다는 것이다.
이와 같이 모니터링부(170)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 셀프바이어스가 상기 일정 범위를 벗어나는 경우 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도가 일정 수준 이상인 경우에는 상기 플라즈마(11)가 비정상적 상태인 것으로 판단한다.
플라즈마(11)가 비정상적 상태인 것으로 판단되면, 사용자가 플라즈마(11)의 비정상적인 상태를 인지할 수 있도록 디스플레이와 같은 정보표시부(미도시)를 통해 표시하는 것도 충분히 가능하다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6을 더 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법은, 피처리체(12)가 제공된 제1 전극(110)에 전원을 공급하여, 제1 전극(110)과 서로 대향하는 제2 전극(120) 사이의 공간에 플라즈마(11)를 형성시키는 형성과정(S110); 상기 플라즈마(11)에 의해 형성되는 상기 제2 전극(120)의 전압을 측정하는 측정과정(S120); 및 상기 피처리체(12)의 셀프바이어스를 상기 제2 전극(120)의 전압으로부터 결정하는 결정과정(S130);을 포함한다.
여기서, 제2 전극은 플로팅전극(120)이고, 상기 제1 전극에 공급되는 전원은 RF전원인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법은 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치에서 수행될 수도 있다.
형성과정(S110)에서는 피처리체(12)가 제공된 제1 전극(110)에 전원을 공급하여, 제1 전극(110)과 서로 대향하는 제2 전극(120) 사이의 공간에 플라즈마(11)를 형성시킨다. 제1 전극(110)으로 공급되는 전원에 의해 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이에 플라즈마(11)가 형성된다. 여기서, 제2 전극(120)은 플로팅전극(120)이고, 제1 전극(110)에 공급되는 전원은 RF전원인 것이 바람직하다. 그리고, 피처리체(12)의 대표적인 예로서 기판을 들을 수 있다.
제1 전극(110)과 제2 전극 사이에 플라즈마가 형성되면, 측정과정(S120)에서는 플라즈마(11)에 의해 형성되는 상기 제2 전극(120)인 플로팅전극(120)의 전압을 측정한다. 제2 전극(120)에 플라즈마(11)에 의한 전자의 축적이 이루어질 수 있으며, 전자의 축적으로 인하여 전위차가 형성된다. 그리고 제2 전극(120)에 전자가 축적되는 데에는 한계가 있으며 전자의 축적으로 인하여 형성되는 제2전극(120)의 전압은 직렬전압(Vdc)으로서 측정될 수 있다.
한 편, 제2 전극(120)이 접지가 되면 제2 전극에 전자의 축적이 이루어지지 않으므로 제2 전극(120)에서 전압측정이 이루어지기 어렵다.
여기서, 플로팅전극(120)으로부터 전달되는 RF(Radio Frequency)신호를 차단하여 상기 플로팅전극(120)의 전압을 측정하는 것이 바람직하다. 플로팅전극(120)으로부터 전달되는 RF신호는 측정부(130)의 RF필터로 필터링되고 통과된 DC 성분으로부터 전압측정이 이루어질 수 있다. 측정된 플로팅전극(120)의 전압은 결정부(150)으로 전달된다.
결정과정(S130)에서는 피처리체(12)의 셀프바이어스를 상기 제2 전극(120)의 전압으로부터 결정한다. 플라즈마에 접하고 있는 제2 전극(120)으로부터 측정되는 전압으로부터 셀프바이어스를 결정하므로 셀프바이어스의 정확도가 향상된다. 위치가 고정된 제2 전극(120)으로부터 전압을 측정하여 셀프바이어스를 결정하므로 피처리체가 교체되는 경우에도 측정의 재현성이 확보된다. 즉, 연속적으로 진행되는 플라즈마공정에서 제2 전극(120)의 전압이 일정하게 측정된다.
좀 더 구체적으로, 결정과정(S130)에서 플로팅전극(120)의 전압과 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 플로팅전극(120)의 전압으로부터 셀프바이어스를 결정한다.
여기서, 앞서 언급한 바와 같이, 플로팅전극(120)의 전압과 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블은 저장부(160)에 미리 저장되어 있는 것이 바람직하다. 이를 위해 사전준비과정이 더 포함될 수 있다. 사전준비과정은 사전에 먼저 피처리체 샘플의 셀프바이어스와 상기 플로팅전극의 전압을 각각 측정하여 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블을 미리 마련한다. 즉, 피처리체 샘플의 셀프바이어스와 상기 플로팅전극의 전압으로부터 도출되는 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블을 저장부(160)에 미리 저장시킨다. 그리고 저장부(160)에 저장된 비례관계식 또는 룩업테이블이 결정부(150)로 전달된다. 따라서, 저장부(160)에 저장된 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 측정과정(S120)에서 측정된 플로팅전극(120)의 전압으로부터 결정부(150)가 셀프바이어스를 결정할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극(110)에 인가되는 전압에 따라 측정되는 상기 플로팅전극(120)의 전압과 상기 셀프바이어스를 매칭시켜서 얻어지는 측정데이터로부터 상기 플로팅전극(120)의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 선형적 비례관계식 또는 룩업테이블을 미리 획득될 수 있다.
따라서, 결정과정(S130)에서 상기 플로팅전극(120)의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 선형적 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 피처리체(12)인 기판의 셀프바이어스를 결정할 수 있다.
여기서, 도 7에서 참조되는 바와 같이 모니터링과정(S140)을 더 포함할 수 있다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법에서 모니터링과정을 더 포함하여 개략적으로 나타낸 순서도이다.
모니터링과정(S140)에서는 결정과정(S130)에서 결정된 셀프바이어스가 정상판단기준치에 대하여 일정 범위 내에 있는지 여부 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도를 판단하여 상기 플라즈마(11)의 상태를 모니터링한다.
여기서 정상판단기준치는 제1 전극(110)으로 인가되는 전압에 대응하여 형성되는 플라즈마(11)가 안정적인 상태일 때 나타나는 셀프바이어스 값을 말하며, 플라즈마(11)가 안정적인 상태임을 나타내는 기준치라고 할 수 있다.
제1 전극(110)으로 인가되는 전압의 크기에 따라 플라즈마(11)가 안정적 상태인 셀프바이어스 값은 다르며, 제1 전극(110)으로 공급되는 전력의 크기에 셀프바이어스 값이 비례하는 형태가 된다.
따라서, 플라즈마(11)가 안정적 상태일 때 제1 전극(110)으로 공급되는 전력의 크기에 대응되는 셀프바이어스 값이 정상판단기준치가 된다. 그리고 측정되는 셀프바이어스를 정상판단기준치에 비교하여 플라즈마(11)의 상태를 판단할 수 있다.
그리고 결정과정(S130)에서 결정된 셀프바이어스가 정상판단기준치에 대하여 일정 범위 내에 있으면 플라즈마(11)의 상태가 정상적인 상태인 것으로 판단한다. 여기서 일정 범위는 정상판단기준치와의 전압차이가 있어도 플라즈마(11)가 정상적인 상태로 판단할 수 있는 허용가능한 전압차이를 말한다.
그리고 제1 전극(110)으로 공급되는 전력이 일정하지만, 플로팅전극(120)에서 측정된 전압에 따라 결정되는 셀프바이어스는 측정할 때마다 차이가 있을 수 있다. 이 차이를 셀프바이어스의 변동이라고 할 수 있다. 그리고 셀프바이어스의 변동이 허용될 수 있는 오차를 변동허용오차라고 할 수 있다. 셀프바이어스의 변동이 변동허용오차 내에 있으면 셀프바이어스가 일정하게 유지되고 있다고 판단한다. 즉, 셀프바이어스의 변동이 무시가능한 수준인 것으로서 셀프바이어스가 일정하게 유지도고 있는 것으로 판단한다는 것이다.
그러나 셀프바이어스의 변동이 변동허용오차를 벗어나는 경우에는 셀프바이어스가 일정하게 유지되는 것이 아니라 변동이 발생되고 있는 것으로 판단한다. 그리고 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도가 일정 수준 이상인 경우에는 플라즈마(11)가 비정상적인 상태인 것으로 판단할 수 있다.
이와 같이 모니터링과정(S140)에서는 상기 셀프바이어스가 상기 일정 범위를 벗어나는 경우 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도가 일정수준 이상인 경우 상기 플라즈마(11)가 비정상적 상태인 것으로 판단한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법에서 각 과정의 진행순서는 특정순서에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 과정의 진행순서를 달리할 수도 있으며, 각 과정은 필요에 따라 반복하여 실행될 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 모니터링 방법에 따라 플라즈마를 모니터링할 수 있다.
종래의 기술에 따라 플라즈마의 상태를 직접 모니터링 하려면 플라즈마와 접촉하는 프로브와 같은 모니터링 파트가 플라즈마 안으로 들어가야 하지만 이러한 측정파트의 삽입은 플라즈마 상태에 영향을 주게 되며 특히 플라즈마에 영향을 주는 것을 최소화하기 위하여 얇은 탐침을 투입하는 경우에도 탐침에 플라즈마가 몰리거나 아킹이 쉽게 유발된다. 그리고 유발된 플라즈마 아킹으로 인하여 플라즈마 처리장치의 손상이 발생된다. 따라서 실제 측정한 값을 대변할 수 있는 변수를 연계하여 간접적인 방식으로 셀프바이어스를 측정한다.
그러나 이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 모니터링 방법에 따르면, 플라즈마에 접촉하는 제2 전극인 플로팅전극을 프로브로서 활용하며, 특히 대면적의 플로팅전극을 프로브로서 활용하기에 플라즈마의 안정성을 확보하면서 아킹의 발생가능성을 감축시킬 수 있다.
플라즈마 상태를 실시간으로 모니터링하므로 플라즈마의 이상여부를 파악하여 플라즈마의 비정상적 상태로 인한 피처리체 또는 챔버의 손상을 방지할 수 있다.
그리고 셀프바이어스는 식각공정의 식각량과 상관관계가 있으므로 식각공정결과 분석 파라미터로서 활용이 가능하며, 특히 본 발명에 의해 얻어지는 셀프바이어스는 종래의 간접적으로 측정된 셀프바이어스에 비하여 정확도가 더 높기 때문에 분석의 정확성을 향상시키는데 기여하는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 제1 전극 120 : 제2 전극
130 : 측정부 140 : 전원공급부
150 : 결정부 160 : 저장부
170 : 모니터링부
130 : 측정부 140 : 전원공급부
150 : 결정부 160 : 저장부
170 : 모니터링부
Claims (14)
- 피처리체가 지지되는 제1 전극;
상기 제1 전극에 대향하여 배치된 제2 전극;
상기 제1 전극에 전원을 공급하여 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 플라즈마를 형성시키는 전원공급부;
상기 플라즈마에 의하여 형성되는 상기 제2 전극의 전압(Vdc)을 측정하는 측정부; 및
상기 제2 전극의 전압으로부터 상기 피처리체의 셀프바이어스를 결정하는 결정부;를 포함하고,
상기 제2 전극은 플로팅전극(floating electrode)이고,
상기 전원은 RF전원이며,
상기 측정부는 상기 플로팅전극으로부터 전달되는 RF(Radio Frequency)신호를 차단하여 통과된 직류(DC) 성분으로부터 제2 전극의 전압 측정이 이루어지도록 하는 RF필터를 포함하는 플라즈마 처리장치. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 결정부는,
상기 플로팅전극의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 상기 플로팅전극의 전압으로부터 상기 셀프바이어스를 결정하는 플라즈마 처리장치.
- 제 3항에 있어서,
사전에 측정된 피처리체 샘플의 셀프바이어스와 상기 플로팅전극의 전압으로부터 도출되는 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블이 저장된 저장부;를 더 포함하고,
상기 결정부는 상기 저장부로부터 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블을 전달받는 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 셀프바이어스가 정상판단기준치에 대하여 일정 범위 내에 있는지 여부 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도를 판단하여 상기 플라즈마의 상태를 모니터링하는 모니터링부;를 더 포함하는 플라즈마 처리장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 셀프바이어스가 상기 일정 범위를 벗어나는 경우 또는 상기 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도가 일정 수준 이상인 경우 상기 모니터링부는 상기 플라즈마가 비정상적 상태인 것으로 판단하는 플라즈마 처리장치.
- 삭제
- 피처리체가 제공된 제1 전극에 전원을 공급하여, 상기 제1 전극과 서로 대향하는 제2 전극 사이의 공간에 플라즈마를 형성시키는 형성과정;
상기 플라즈마에 의해 형성되는 상기 제2 전극의 전압(Vdc)을 측정하는 측정과정; 및
상기 피처리체의 셀프바이어스를 상기 제2 전극의 전압으로부터 결정하는 결정과정;을 포함하고,
상기 제2 전극은 플로팅전극(floating electrode)이고,
상기 전원은 RF전원이며,
상기 측정과정에서는,
RF 필터를 이용하여 상기 플로팅전극으로부터 전달되는 RF(Radio Frequency)신호를 차단하여 통과된 직류(DC) 성분으로부터 상기 플로팅전극의 전압을 측정하는 플라즈마 모니터링 방법.
- 삭제
- 제 8항에 있어서
상기 결정과정에서,
상기 플로팅전극의 전압과 상기 셀프바이어스 사이의 비례관계식 또는 룩업테이블을 이용하여 상기 플로팅전극의 전압으로부터 상기 셀프바이어스를 결정하는 플라즈마 모니터링 방법.
- 제 10항에 있어서,
피처리체 샘플의 셀프바이어스와 상기 플로팅전극의 전압을 미리 측정하여 상기 비례관계식 또는 상기 룩업테이블을 마련하는 사전준비과정;을 더 포함하는 플라즈마 모니터링 방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 셀프바이어스가 정상판단기준치에 대하여 일정 범위 내에 있는지 여부 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도를 판단하여 상기 플라즈마의 상태를 모니터링하는 모니터링과정; 을 더 포함하는 플라즈마 모니터링 방법.
- 제 12항에 있어서,
상기 모니터링과정에서,
상기 셀프바이어스가 상기 일정 범위를 벗어나는 경우 또는 변동허용오차를 초과하는 상기 셀프바이어스의 변동이 발생되는 빈도가 일정수준 이상인 경우 상기 플라즈마가 비정상적 상태인 것으로 판단하는 플라즈마 모니터링 방법.
- 삭제
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