KR102655690B1 - 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치, 이를 구비하는 측정 시스템 및 측정 방법 - Google Patents

광학적 플라즈마 주파수 측정 장치, 이를 구비하는 측정 시스템 및 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치에 관한 것으로서, 플라즈마로부터 방출되는 빛이 변환된 전기적 신호를 전달받아 축적하는 신호 축적부; 상기 신호 축적부에 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 제어부; 상기 제어부는 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 것을 특징으로 한다.

Description

광학적 플라즈마 주파수 측정 장치, 이를 구비하는 측정 시스템 및 측정 방법{Apparatus for optically measuring plasma frequency, system and method having the same}
본 발명은 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치, 이를 구비하는 공정 시스템 및 측정 방법에 관한 것으로서, 광방출 에너지로부터 플라즈마 주파수를 측정하고 이로부터 플라즈마 밀도를 예측하기 위한 것이다.
본 발명은 과학기술정보통신부 (Ministry of Science and ICT)로부터 연구 자금을 지원받는 한국연구재단 (NRF: National Research Foundation of Korea)의 소재혁신선도 프로젝트 (1711153942/2020M3H4A3106004), 한국 국가과학기술연구회 (NST: National Research Council of Science & Technology)의 2020년도 미래선도형 융합연구단사업 (1711151477/CRC-20-01-NFRI), 과학기술정보통신부 (Ministry of Science and ICT)의 한국표준과학연구원 (KRISS: Korea Research Institute of Standards and Science) 연구운영비지원 (GP2022-0011-04/22011099, GP2022-0011-05/22011100)에 의해서 지원받았다.
일반적으로 플라즈마 공정의 진단을 위해서 플라즈마 공정을 중단하고 진행되는 경우가 있는데, 좀 더 정밀한 진단을 위해서는 플라즈마 공정을 중단하지 않고 플라즈마 공정 중에 가능한 실시간 진단이 요구되고 있고, 반도체 칩 제조 분야에서는 반도체 회로의 선폭이 미세화 될수록 플라즈마 공정의 난이도가 상승하게 되어 플라즈마 공정의 정밀한 진단이 더욱 더 요구되고 있다.
플라즈마 공정의 진단을 위하여 송수신안테나 내장 센서, 광방출 감지 센서, 온도 센서 등 다양한 센서가 활용되고 있으나, 각각의 센서는 기능적인 차이로부터 플라즈마 밀도, 플라즈마 내의 입자 성분, 온도 등 측정하는 내용이 서로 달라서 사용자의 필요에 따라 각각의 센서가 개별적으로 활용되고 있을 뿐이고 측정된 내용을 서로 복합적으로 분석하지 못하고 있는 실정이다.
송수신안테나 내장 센서는 진공챔버 내에 매립되는 위치와 매립되는 깊이에 따라 측정된 수치에 변화가 발생하므로 측정된 수치의 보정이 필요하다는 문제점이 발생할 수 있다.
또한 광방출 감지 센서는 플라즈마로부터 방출되는 빛을 분광하여 빛의 파장을 분석함으로써 플라즈마 내에 포함되어 있는 입자의 종류와 그 에너지 세기를 파악하여 식각 또는 증착 공정 진행 중 종료점(End-point)를 검출하는 EPD(End-Point Detection) 기능을 제공할 수 있고, 플라즈마 이상방전을 감지하여 PEM(Plasma Emission Mornitoring)기능을 제공할 수 있으나, 입자 성분의 상대적인 양을 측정할 수 있을 뿐이고 절대적인 양을 측정할 수 없다는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-2162826호는 평면형 플라즈마 진단 장치에 관한 것으로서, 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하는 송신 안테나; 상기 플라즈마로부터 상기 마이크로웨이브를 수신하는 수신 안테나; 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나가 서로 절연되도록 감싸는 몸체부;를 포함하고, 상기 송신 안테나의 마이크로웨이브를 인가하는 상부면과 상기 수신 안테나의 마이크로웨이브를 수신하는 상부면이 평면형이고, 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나의 상기 상부면의 측면이 서로 대향하도록 하고 있으나, 송신 안테나 및 수신안테나는 진공챔버 내에 매립되는 위치와 매립되는 깊이에 따라 측정된 수치에 변화가 발생하므로 측정된 수치의 보정이 필요하다는 문제점이 발생할 수 있다.
등록특허공보 제10-2193678호는 웨이퍼형 플라즈마 진단 장치에 관한 것으로서, 상기 평면형 플라즈마 진단 장치는 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하는 송신 안테나; 상기 플라즈마로부터 상기 마이크로웨이브를 수신하는 수신 안테나; 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나가 서로 절연되도록 감싸는 몸체부;를 포함하고, 상기 송신 안테나의 마이크로웨이브를 인가하는 상부면과 상기 수신 안테나의 마이크로웨이브를 수신하는 상부면이 평면형이고, 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나의 상기 상부면의 측면이 서로 대향하며, 적어도 하나의 상기 평면형 플라즈마 진단 장치가 매립되는 원형 부재를 포함하고 있으나, 송신 안테나 및 수신안테나는 진공챔버 내에 매립되는 위치와 매립되는 깊이에 따라 측정된 수치에 변화가 발생하므로 측정된 수치의 보정이 필요하다는 문제점이 발생할 수 있다.
등록특허공보 제10-2193694호는 평면형 플라즈마 진단 장치가 매립된 정전척에 관한 것으로서, 상기 평면형 플라즈마 진단 장치는 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하는 송신 안테나; 상기 플라즈마로부터 상기 마이크로웨이브를 수신하는 수신 안테나; 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나가 서로 절연되도록 감싸는 몸체부;를 포함하고, 상기 송신 안테나의 마이크로웨이브를 인가하는 상부면과 상기 수신 안테나의 마이크로웨이브를 수신하는 상부면이 평면형이고, 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나의 상기 상부면의 측면이 서로 대향하며, 상기 평면형 플라즈마 진단 장치는 상기 정전척의 표면 내부에 매립되고 있으나, 송신 안테나 및 수신안테나는 진공챔버 내에 매립되는 위치와 매립되는 깊이에 따라 측정된 수치에 변화가 발생하므로 측정된 수치의 보정이 필요하다는 문제점이 발생할 수 있다.
등록특허공보 제10-2318600호는 평면형 플라즈마 진단 장치가 매립된 플라즈마 공정 장치에 관한 것으로서, 상기 평면형 플라즈마 진단 장치는 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하는 송신 안테나; 상기 플라즈마로부터 상기 마이크로웨이브를 수신하는 수신 안테나; 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나가 서로 절연되도록 감싸는 몸체부;를 포함하고, 상기 송신 안테나의 마이크로웨이브를 인가하는 상부면과 상기 수신 안테나의 마이크로웨이브를 수신하는 상부면이 평면형이고, 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나의 상기 상부면의 측면이 서로 대향하며, 상기 평면형 플라즈마 진단 장치는 플라즈마 챔버의 벽면 내부에 적어도 하나가 매립되고 있으나, 송신 안테나 및 수신안테나는 진공챔버 내에 매립되는 위치와 매립되는 깊이에 따라 측정된 수치에 변화가 발생하므로 측정된 수치의 보정이 필요하다는 문제점이 발생할 수 있다.
등록특허공보 제10-2340564호는 플라즈마 이온 밀도 측정 장치와 이를 이용한 플라즈마 진단 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 가변되고 있으나, 송수신 안테나는 진공챔버 내에 매립되는 위치와 매립되는 깊이에 따라 측정된 수치에 변화가 발생하므로 측정된 수치의 보정이 필요하다는 문제점이 발생할 수 있다.
특허출원 제10-2021-0097419호는 유전체 두께 측정기능을 갖는 센서에 관한 것으로서, 주파수가 가변되는 마이크로웨이브를 플라즈마에 인가하는 송신 안테나; 상기 플라즈마로부터 상기 마이크로웨이브를 수신하는 수신 안테나; 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나를 내부에 매립하는 유전체; 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나는 상기 유전체 표면으로부터 소정의 두께(dx)만큼 매립되고, 상기 수신 안테나에서 상기 플라즈마를 투과하여 전달되는 상기 마이크로웨이브를 수신하여 컷오프 주파수를 측정하는 경우 상기 유전체 두께(dx)가 변화함에 따라 상기 컷오프 주파수가 이동하므로, 송신 안테나 및 수신안테나는 진공챔버 내에 매립되는 위치와 매립되는 깊이에 따라 측정된 수치에 변화가 발생하므로 측정된 수치의 보정이 필요하다는 문제점이 발생할 수 있다.
등록특허공보 제10-2160211호는 플라즈마 공간 진단 OES 장치를 포함하는 플라즈마 장치에 관한 것으로서 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부로 가스를 주입하는 가스 주입구; 상기 플라즈마 발생부에서 상기 가스 주입구 측에 위치하는 투시창; 및 상기 투시창을 통해 들어오는 빛을 OES 센서로 전달하도록 구성된 수광부를 포함하고 투시창의 오염을 야기하는 가스 및 반응 부산물의 투시창으로의 이동을 공급 가스가 억제할 수 있도록 하고 있으나, 입자 성분의 상대적인 양을 측정할 수 있을 뿐이고 절대적인 양을 측정할 수 없다는 문제점이 있다.
B Berger, K You, H-C Lee, T Mussenbrock, P Awakowicz and J Schulze, 2018, Plasma Sources Science and Technology, Observation of the generation of multiple electron beams during a single sheath expansion phase in capacitive RF plasmas는 위상 결정 광방출 센서에 의하여 전자빔의 시간적 변화를 검출하여 전자 플라즈마 주파수와 플라즈마 밀도 진단이 가능하다고 시사를 하고 있으나, 전자빔의 시간적 변화가 전자 플라즈마 주파수와 플라즈마 밀도 진단을 위하여 어떻게 활용될 수 있는지 구체적인 구성을 제시하지 못한다는 문제점이 있다.
J Schulze, E Schungel, Z Donko, D Luggenholscher, U Carnets, 2010, Journal of Physics D: Applied Physics, Phase resolved optical emission spectroscopy: a non-intrusive diagnostic to study electron dynamics in capacitive radio frequency discharges는 위상 결정 광방출 센서에 의하여 고 에너지 전자빔의 시간적 변화를 검출하고 플라즈마 밀도의 시간 변화율이 광방출 에너지의 시간적 변화율과 관련되는 것으로 나타내고 있으나. 전자빔의 시간적 변화가 전자 플라즈마 주파수와 플라즈마 밀도 진단을 위하여 어떻게 활용될 수 있는지 구체적인 구성을 제시하지 못한다는 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-2162826호 등록특허공보 제10-2193678호 등록특허공보 제10-2193694호 등록특허공보 제10-2318600호 등록특허공보 제10-2340564호 특허출원 제10-2021-0097419호 등록특허공보 제10-2160211호
B Berger, K You, H-C Lee, T Mussenbrock, P Awakowicz and J Schulze, 2018, Plasma Sources Science and Technology, Observation of the generation of multiple electron beams during a single sheath expansion phase in capacitive RF plasmas J Schulze, E Schungel, Z Donko, D Luggenholscher, U Carnets, 2010, Journal of Physics D: Applied Physics, Phase resolved optical emission spectroscopy: a non-intrusive diagnostic to study electron dynamics in capacitive radio frequency discharges
본 발명은, 광방출 감지 센서를 사용하여 플라즈마 주파수를 측정하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 광방출 감지 센서를 사용하여 플라즈마 밀도를 측정하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 광방출 감지 센서를 사용하여 플라즈마 공정이 진행되는 동안 플라즈마 공정의 정밀한 진단을 수행하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 광방출 감지 센서를 사용하여 플라즈마 주파수를 측정하여 플라즈마 공정의 정밀한 진단을 수행하는 것이다.
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 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치에 관한 것으로서, 플라즈마로부터 방출되는 빛이 변환된 전기적 신호를 전달받아 축적하는 신호 축적부; 상기 신호 축적부에 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 제어부; 상기 제어부는 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광방출 감지 센서를 더 포함하고, 상기 광방출 감지 센서는 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하여 상기 신호 축적부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 지연 발생부를 더 포함하고, 상기 지연 발생부는 지연신호를 상기 광방출 감지 센서로 전달하고, 상기 광방출 감지 센서는 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화하여 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광학필터를 더 포함하고, 상기 광학필터는 상기 플라즈마로부터 방출되는 소정의 파장의 빛을 상기 광방출 감지 센서로 전달하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 광학적 플라즈마 주파수 측정 시스템에 관한 것으로서, 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 광방출 감지 센서; 상기 광방출 감지 센서에서 변환된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 계산하는 제어부; 상기 제어부는 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 지연 발생부를 더 포함하고, 상기 지연 발생부는 지연신호를 상기 광방출 감지 센서로 전달하고, 상기 광방출 감지 센서는 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화하여 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광학필터를 더 포함하고, 상기 광학필터는 상기 플라즈마로부터 방출되는 소정의 파장의 빛을 상기 광방출 감지 센서로 전달하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 공정의 광학적 진단 시스템에 관한 것으로서, 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 광방출 감지 센서; 상기 광방출 감지 센서에서 변환된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 계산하는 제어부; 상기 제어부는 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격이 소정의 범위 이하인 경우 상기 전자빔의 위치 또는 기울기 변화, 또는 쉬스의 두께 변화로부터 플라즈마 생성에 이상이 발생하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법에 관한 것으로서, 플라즈마로부터 방출되는 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계; 상기 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 단계; 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 플라즈마 생성 전원으로부터 지연신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계는, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 전기적 신호로 변환되어 축적되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계는, 상기 플라즈마로부터 방출되는 소정의 파장의 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 플라즈마 생성 전원으로부터 지연신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 단계에서, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 변환되고 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법에 관한 것으로서, 플라즈마 생성 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 단계; 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 변환된 전기적 신호를 축적하여 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 단계; 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 플라즈마 생성 전원으로부터 지연신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 단계는, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 전기적 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 플라즈마 생성 전원으로부터 지연신호를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 변환된 전기적 신호를 축적하여 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 단계는, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 변환되고 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법을 실행시키기 위하여 저장매체에 기록되는 컴퓨터프로그램일 수 있다.
또한 본 발명은 플라즈마 공정의 광학적 진단 방법에 관한 것으로서, 플라즈마 생성 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 단계; 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 변환된 전기적 신호를 축적하여 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 단계; 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격이 소정의 범위 이하인 경우 상기 전자빔의 위치 또는 기울기 변화, 또는 쉬스의 두께 변화로부터 플라즈마 생성에 이상이 발생하는 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 플라즈마 공정의 광학적 진단 방법을 실행시키기 위하여 저장매체에 기록되는 컴퓨터프로그램일 수 있다.
본 발명의 효과는 광방출 감지 센서를 사용하여 플라즈마 주파수를 측정하는 것을 가능하게 하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 효과는, 광방출 감지 센서를 사용하여 플라즈마 밀도를 측정하는 것을 가능하게 하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 효과는, 광방출 감지 센서를 사용하여 플라즈마 공정이 진행되는 동안 플라즈마 공정의 정밀한 진단을 수행하는 것을 가능하게 하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 효과는, 광방출 감지 센서를 사용하여 플라즈마 주파수를 측정하여 플라즈마 공정의 정밀한 진단을 수행하는 것을 가능하게 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 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치를 구비하는 측정 시스템의 개략적인 구성도를 도시한다.
도 2는 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치의 구체적인 구성도를 도시한다.
도 3은 플라즈마 생성 전원에서 공급되는 전압 파형과 지연신호에 의하여 특정 위상에서 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하는 시점을 도시한다.
도 4는 광방출 감지 센서에 의해서 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환한 하나의 프레임을 도시한다.
도 5는 하나의 프레임을 가로축에 대해서 평균화하고 복수의 프레임을 시계열적으로 축적하여 도시한다.
도 6은 하나의 프레임을 가로축에 대해서 평균화하지 않고 각 프레임의 가로축 상의 특정 위치를 지정하여 도시한다.
도 7은 전원 인가 전극과 접지 전극의 간격이 50 mm 인 경우 복수의 프레임을 시계열적으로 축적하여 전자빔의 시간 간격을 도시한다.
도 8은 전원 인가 전극과 접지 전극의 간격이 60 mm 인 경우 복수의 프레임을 시계열적으로 축적하여 전자빔의 시간 간격을 도시한다.
도 9는 전원 인가 전극과 접지 전극의 간격이 70 mm 인 경우 복수의 프레임을 시계열적으로 축적하여 전자빔의 시간 간격을 도시한다.
도 10은 본 발명의 전원 인가 전극과 접지 전극의 간격에 따른 플라즈마 밀도 측정값과 컷오프 주파수 측정에 따른 플라즈마 밀도 측정값을 비교하는 그래프를 도시한다.
도 11은 본 발명의 플라즈마 생성 전원의 변화에 따른 플라즈마 밀도 측정값과 컷오프 주파수 측정에 따른 플라즈마 밀도 측정값을 비교하는 그래프를 도시한다.
도 12는 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 13은 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 다른 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 14는 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 또 다른 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 15는 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 또 다른 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 16은 본 발명인 플라즈마 공정의 광학적 진단 방법의 일 실시예의 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.
플라즈마의 응용 분야가 다양하게 확대됨에 따라 플라즈마 진단 기술의 중요성도 더욱 더 커지고 있다. 종래의 플라즈마를 진단하는 방법으로서 정전 탐침을 플라즈마에 삽입하여 전위를 인가하는 방식은 높은 전위가 플라즈마를 변화시킬 수 있어 플라즈마 밀도와 같은 플라즈마 변수를 정확하게 측정하기가 어렵다는 문제점이 있다.
이와 같은 정전 탐침의 문제점을 해결하기 위하여 마이크로웨이브를 이용한 플라즈마 진단 방법으로서 컷오프(cut-off) 프로브 방식이 개발되었는데, 컷오프(cut-off) 프로브는 전자기파를 방사하는 프로브와 전자기파를 수신하는 프로브를 구비하고 수백 MHz로부터 수십 GHz 범위의 마이크로웨이브를 사용하여 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다.
마이크로웨이브의 주파수가 플라즈마 주파수보다 작은 경우 마이크로웨이브는 플라즈마를 통과하지 못하고, 마이크로웨이브의 주파수가 플라즈마 주파수보다 큰 경우 마이크로웨이브는 플라즈마를 통과하게 되는데, 이 지점에서의 주파수를 컷오프 주파수라고 하며, 플라즈마 밀도는 이러한 컷오프 주파수로부터 구할 수 있다.
본 발명은 위상 결정 광방출 감지 센서(PROES: Phase Resolved Optical Emission Spectroscopy)에 의해서 플라즈마 주파수를 측정하여 플라즈마 밀도를 예측하는 것이다.
도 1은 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치를 구비하는 측정 시스템의 개략적인 구성도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치를 구비하는 측정 시스템은 플라즈마 생성 전원(10), 전원 인가 전극(11), 접지 전극(12), 지연 발생부(20), 광방출 감지 센서(30), 광학필터(40), 컴퓨터(50)를 포함하고 있다.
상기 플라즈마 생성 전원(10)은 상기 전원 인가 전극(11)에 고주파 전원을 인가하는 구성으로서 주파수는 13.56 MHz 이고, 피크 전압은 250 V, 450 ~ 850 V을 인가하고 있으며, 상기 전원 인가 전극(11)과 상기 접지 전극(12) 사이의 전극 간 거리는 50 ~ 75 mm 로 변화시키며 측정을 진행하였다.
진공챔버 내에 플라즈마 생성을 위한 가스로서 네온(Ne) 가스를 12 mTorr 또는 20 mTorr의 압력으로 주입하고, 상기 플라즈마 생성 전원(10)에 의하여 상기 가스가 이온화되어 생성되는 플라즈마 밀도는 1×108 ~ 7×108 cm-3 이다.
플라즈마로부터 여러 파장의 광이 방출될 수 있는데, 상기 광학필터(40)에 의하여 특정 파장의 광이 선별될 수 있고, 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 특정 파장의 광을 전기적 신호로 광전 변환할 수 있으며, 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되어 상기 특정 파장의 광을 축적할 수 있다.
상기 지연 발생부(20)는 상기 플라즈마 생성 전원(10)의 주기에 대해서 소정의 지연신호를 상기 광방출 감지 센서(30)에 전달하여 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되어 특정 파장의 광을 축적할 수 있게 된다.
상기 광방출 감지 센서(30)는 ICCD(Intensified Charge Coupled Device) 카메라와 같이 빛을 전기적 신호로 변환하는 고감도 이미지 센서로서 마이크로 채널 플레이트(MCP: Micro Channel Plate)와 같은 증폭수단을 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)에 부가하여 플라즈마에서 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하게 된다.
상기 광학필터(40)에 의하여 특정 파장의 광이 선별될 수 있는 일 실시예로서, 네온(Ne) 원소의 2p1 상태의 전자가 방출하는 585 nm 파장의 광이 선별될 수 있는데, 이러한 광을 방출하는 전자들은 이온화와 방전을 유지하는데 주된 역할을 하는 요소이다.
상기 컴퓨터(50)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호로부터 상기 전자들의 시간적 변화를 분석할 수 있으며, 상기 전원 인가 전극(11)과 상기 접지 전극(12) 사이에서 상기 전자들의 움직임 즉, 전자빔의 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
도 2는 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치의 구체적인 구성도를 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치는 지연 발생부(20), 광방출 감지 센서(30), 신호 축적기(510), 제어부(520)를 포함하고 있다.
상기 지연 발생부(20)는 플라즈마 생성 전원(10)의 주기에 대해서 소정의 지연 신호를 상기 광방출 감지 센서(30)에 전달하여 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화하여 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하여 축적할 수 있게 된다.
상기 광방출 감지 센서(30)는 ICCD(Intensified Charge Coupled Device) 카메라와 같이 빛을 전기적 신호로 변환하는 고감도 이미지 센서로서 마이크로 채널 플레이트(MCP: Micro Channel Plate)와 같은 증폭수단을 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)에 부가하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하게 된다.
상기 신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 상기 제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호로부터 상기 전자들의 시간적 변화를 분석할 수 있으며, 상기 전자들의 움직임 즉, 전자빔의 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
한편, 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되지 않더라도, 상기 광방출 감지 센서(30)는 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 일정한 시간 간격에 따라 전기적 신호로 변환할 수도 있으며, 상기 신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 상기 제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호들 중에서 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되는 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔, 즉 전자들의 움직임이 발생하는 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
상기 지연 발생부(20)와 상기 신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30) 또는 상기 제어부(520)와 별도의 구성으로 도시되고 있으나, 상기 광방출 감지 센서(30) 또는 상기 제어부(520)에 내재될 수도 있다.
도 3은 플라즈마 생성 전원에서 공급되는 전압 파형과 지연신호에 의하여 특정 위상에서 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하는 시점을 도시한다.
도 3을 참조하면, 플라즈마 생성 전원(10)으로부터 공급되는 고주파 전압 파형을 도시하고 있는데, 특정 위상(m1, m2, m3,…)에서 반복하여 광방출 감지 센서(30)는 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하게 된다.
상기 특정 위상(m1, m2, m3,…)은 지연 발생부(20)에서 생성하는 지연시간(△t1, △t2, △t3,…)에 의하여 결정되고 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되어 작동하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환할 수 있다.
도 4는 광방출 감지 센서에 의해서 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환한 하나의 프레임을 도시한다.
도 4를 참조하면, 플라즈마 생성 전원(10)에 의하여 플라즈마가 생성되고, 광방출 감지 센서(30)는 상기 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하여 영상화된 하나의 프레임을 나타내고 있다.
상기 광방출 감지 센서(30)는 소정의 시간이 경과함에 따라 반복하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하여 복수의 프레임을 생성하게 된다.
상기 영상화된 하나의 프레임의 가로축은 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)이 놓여 있는 면과 평행하고 상기 영상화된 하나의 프레임의 세로축은 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12) 사이의 거리를 나타낼 수 있게 된다.
도 5(a), 도 5(b)는 하나의 프레임을 가로축에 대해서 평균화하고 복수의 프레임을 시계열적으로 축적하여 도시한다.
도 5(a)를 참조하면, 영상화된 하나의 프레임에서 가로축에 대해서 전기적 신호를 하나의 값으로 평균화하고 세로축에 대해서 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12) 사이의 위치에 따라 전기적 신호를 도시하게 된다.
가로축에 대해서 플라즈마 밀도가 균일한 영역은 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12) 사이의 거리가 동일하여 가로축에 대해서 전기적 신호를 하나의 값으로 평균화하는 것이고, 세로축에 대해서는 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12) 사이의 거리에 따라 변화값을 나타내는 것이다.
도 5(b)를 참조하면, 광방출 감지 센서(30)는 소정의 시간이 경과함에 따라 반복하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하여 변환된 전기적 신호를 가로축에 대해서 시계열적으로 축적하게 된다.
본 발명의 일 실시예에서는 13.56 MHz의 주파수를 갖는 플라즈마 생성 전원(10)에 의해서 생성되는 플라즈마로부터 방출되는 빛을 2 ns의 간격으로 측정하였고, 상기 플라즈마 생성 전원(10)의 주파수 또는 다른 환경의 변화에 따라 상기 측정 간격은 달라질 수 있다.
쉬스(60)는 가로축인 시간축 상의 20 ns 지점부터 팽창하기 시작하고 쉬스(60)의 팽창에 따라 전자들이 가속하여 플라즈마를 통과하면서 중성 입자를 여기시키고, 빔 형태로 나타나게 된다.
첫번째 전자빔(61)이 생성된 후에는 쉬스(60) 주변에 전자의 수가 줄어든 공간이 형성되고, 이러한 공간에 주변의 가속되지 않은 전자들이 채워지면 또다시 쉬스(60)의 팽창에 따라 전자들이 가속하여 플라즈마를 통과하면서 중성 입자를 여기시키고, 두번째 전자빔(62)이 나타나게 된다.
도 6은 하나의 프레임을 가로축에 대해서 평균화하지 않고 각 프레임의 가로축 상의 특정 위치를 지정하여 도시한다.
도 6을 참조하면, 영상화된 하나의 프레임에서 가로축에 대해서 각각의 위치별(x1, x2, x3)로 전기적 신호를 각각의 값으로 특정하고, 세로축에 대해서 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12) 사이의 위치에 따라 전기적 신호를 도시하게 된다.
광방출 감지 센서(30)는 소정의 시간이 경과함에 따라 반복하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하여 변환된 전기적 신호를 가로축에 대해서 각각의 위치별(x1, x2, x3)로 시계열적으로 축적함으로써 플라즈마의 공간 균일도를 가로축과 세로축 모두에 대해서 측정할 수 있다.
또한, 각각의 위치별(x1, x2, x3)로 전기적 신호를 각각의 값으로 특정하기 보다는 각각의 소정의 위치 범위(△x1, △x2, △x3) 내에서 전기적 신호를 각각의 값으로 평균화할 수도 있다.
도 7은 전원 인가 전극과 접지 전극의 간격이 50 mm 인 경우 복수의 프레임을 시계열적으로 축적하여 전자빔의 시간 간격을 도시한다.
도 7을 참조하면, 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격이 50 mm 이고, 네온(Ne) 가스가 20 mTorr 의 압력으로 주입되며, 플라즈마 생성 전원(10)은 상기 전원 인가 전극(11)에 주파수는 13.56 MHz 이고, 피크 전압은 250 V 인 고주파 전원을 인가하며 측정을 진행하였다.
광방출 감지 센서(30)는 소정의 시간이 경과함에 따라 반복하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하여 변환된 전기적 신호를 가로축에 대해서 시계열적으로 축적하게 된다.
본 발명의 일 실시예에서는 13.56 MHz의 주파수를 갖는 플라즈마 생성 전원(10)에 의해서 생성되는 플라즈마로부터 방출되는 빛을 2 ns의 간격으로 측정하였고, 상기 플라즈마 생성 전원(10)의 주파수 또는 다른 환경의 변화에 따라 상기 측정 간격은 달라질 수 있다.
쉬스(60)는 가로축인 시간축 상의 20 ns 지점부터 팽창하기 시작하고 쉬스(60)의 팽창에 따라 전자들이 가속하여 플라즈마를 통과하면서 중성 입자를 여기시키고, 빔 형태로 나타나게 된다.
첫번째 전자빔(61)이 생성된 후에는 쉬스(60) 주변에 전자의 수가 줄어든 공간이 형성되고, 이러한 공간에 주변의 가속되지 않은 전자들이 채워지면 또다시 쉬스(60)의 팽창에 따라 전자들이 가속하여 플라즈마를 통과하면서 중성 입자를 여기시키고, 두번째 전자빔(62)이 나타나게 된다.
이 때, 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격은 쉬스(60) 주변에 전자의 수가 줄어든 공간에 주변의 가속되지 않은 전자들이 채워지는 시간과 동일하므로, 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)으로부터 플라즈마 전자 주파수(f pe)를 구할 수 있게 된다.
첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)의 역수가 플라즈마 전자 주파수(f pe)와 동일하게 되고, 플라즈마 전자 밀도(n e)는 플라즈마 전자 주파수(f pe)와의 다음의 관계식으로부터 구할 수 있다.
한편, 플라즈마 밀도가 큰 경우에는 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)이 거의 나타나지 않거나 하나의 전자빔만 관찰되므로, 상기 시간 간격(△t pe)이 소정의 범위 이내로 작은 경우에는 플라즈마 전자 주파수(f pe)와 플라즈마 전자 밀도(n e)를 구할 수 없게 되지만, 상기 전자빔의 위치 또는 기울기가 크게 변화하거나 쉬스의 두께가 크게 변화하는 경우에는 플라즈마 생성에 이상이 발생하는 것으로 판단할 수 있으므로, 실시간으로 플라즈마 진단이 가능하다.
도 8은 전원 인가 전극과 접지 전극의 간격이 60 mm 인 경우 복수의 프레임을 시계열적으로 축적하여 전자빔의 시간 간격을 도시한다.
도 8을 참조하면, 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격이 60 mm 이고, 네온(Ne) 가스가 20 mTorr 의 압력으로 주입되며, 플라즈마 생성 전원(10)은 상기 전원 인가 전극(11)에 주파수는 13.56 MHz 이고, 피크 전압은 250 V 인 고주파 전원을 인가하며 측정을 진행하였다.
전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격을 60 mm로 변경하면서, 고주파 전원인 플라즈마 생성 전원(10)의 피크 전압을 250 V로 유지하기 위하여 공급 전력을 높이고 있다.
광방출 감지 센서(30)는 소정의 시간이 경과함에 따라 반복하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하여 변환된 전기적 신호를 가로축에 대해서 시계열적으로 축적하게 된다.
본 발명의 일 실시예에서는 13.56 MHz의 주파수를 갖는 플라즈마 생성 전원(10)에 의해서 생성되는 플라즈마로부터 방출되는 빛을 2 ns의 간격으로 측정하였고, 상기 플라즈마 생성 전원(10)의 주파수 또는 다른 환경의 변화에 따라 상기 측정 간격은 달라질 수 있다.
쉬스(60)는 가로축인 시간축 상의 20 ns 지점부터 팽창하기 시작하고 쉬스(60)의 팽창에 따라 전자들이 가속하여 플라즈마를 통과하면서 중성 입자를 여기시키고, 빔 형태로 나타나게 된다.
첫번째 전자빔(61)이 생성된 후에는 쉬스(60) 주변에 전자의 수가 줄어든 공간이 형성되고, 이러한 공간에 주변의 가속되지 않은 전자들이 채워지면 또다시 쉬스(60)의 팽창에 따라 전자들이 가속하여 플라즈마를 통과하면서 중성 입자를 여기시키고, 두번째 전자빔(62)이 나타나게 된다.
이 때, 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격은 쉬스(60) 주변에 전자의 수가 줄어든 공간에 주변의 가속되지 않은 전자들이 채워지는 시간과 동일하므로, 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)으로부터 플라즈마 전자 주파수(f pe)를 구할 수 있게 된다.
첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)의 역수가 플라즈마 전자 주파수(f pe)와 동일하게 되고, 플라즈마 전자 밀도(n e)는 플라즈마 전자 주파수(f pe)와의 관계식으로부터 구할 수 있다.
전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격을 60 mm로 변경하면서, 고주파 전원인 플라즈마 생성 전원(10)의 피크 전압을 250 V로 유지하기 위하여 공급 전력을 높임에 따라, 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)이 짧아지고, 그 역수인 플라즈마 전자 주파수(f pe)는 높아지며, 플라즈마 전자 밀도(n e)는 플라즈마 전자 주파수(f pe)와의 관계식에 따라 커지게 된다.
한편, 플라즈마 밀도가 큰 경우에는 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)이 거의 나타나지 않거나 하나의 전자빔만 관찰되므로, 상기 시간 간격(△t pe)이 소정의 범위 이내로 작은 경우에는 플라즈마 전자 주파수(f pe)와 플라즈마 전자 밀도(n e)를 구할 수 없게 되지만, 상기 전자빔의 위치 또는 기울기가 크게 변화하거나 쉬스의 두께가 크게 변화하는 경우에는 플라즈마 생성에 이상이 발생하는 것으로 판단할 수 있으므로, 실시간으로 플라즈마 진단이 가능하다.
도 9는 전원 인가 전극과 접지 전극의 간격이 70 mm 인 경우 복수의 프레임을 시계열적으로 축적하여 전자빔의 시간 간격을 도시한다.
도 9를 참조하면, 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격이 70 mm 이고, 네온(Ne) 가스가 20 mTorr 의 압력으로 주입되며, 플라즈마 생성 전원(10)은 상기 전원 인가 전극(11)에 주파수는 13.56 MHz 이고, 피크 전압은 250 V 인 고주파 전원을 인가하며 측정을 진행하였다.
전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격을 70 mm로 변경하면서, 고주파 전원인 플라즈마 생성 전원(10)의 피크 전압을 250 V로 유지하기 위하여 공급 전력을 높이고 있다.
광방출 감지 센서(30)는 소정의 시간이 경과함에 따라 반복하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하여 변환된 전기적 신호를 가로축에 대해서 시계열적으로 축적하게 된다.
본 발명의 일 실시예에서는 13.56 MHz의 주파수를 갖는 플라즈마 생성 전원(10)에 의해서 생성되는 플라즈마로부터 방출되는 빛을 2 ns의 간격으로 측정하였고, 상기 플라즈마 생성 전원(10)의 주파수 또는 다른 환경의 변화에 따라 상기 측정 간격은 달라질 수 있다.
쉬스(60)는 가로축인 시간축 상의 20 ns 지점부터 팽창하기 시작하고 쉬스(60)의 팽창에 따라 전자들이 가속하여 플라즈마를 통과하면서 중성 입자를 여기시키고, 빔 형태로 나타나게 된다.
첫번째 전자빔(61)이 생성된 후에는 쉬스(60) 주변에 전자의 수가 줄어든 공간이 형성되고, 이러한 공간에 주변의 가속되지 않은 전자들이 채워지면 또다시 쉬스(60)의 팽창에 따라 전자들이 가속하여 플라즈마를 통과하면서 중성 입자를 여기시키고, 두번째 전자빔(62)이 나타나게 된다.
이 때, 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격은 쉬스(60) 주변에 전자의 수가 줄어든 공간에 주변의 가속되지 않은 전자들이 채워지는 시간과 동일하므로, 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)으로부터 플라즈마 전자 주파수(f pe)를 구할 수 있게 된다.
첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)의 역수가 플라즈마 전자 주파수(f pe)와 동일하게 되고, 플라즈마 전자 밀도(n e)는 플라즈마 전자 주파수(f pe)와의 관계식으로부터 구할 수 있다.
전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격을 70 mm로 변경하면서, 고주파 전원인 플라즈마 생성 전원(10)의 피크 전압을 250 V로 유지하기 위하여 공급 전력을 높임에 따라, 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)이 짧아지고, 그 역수인 플라즈마 전자 주파수(f pe)는 높아지며, 플라즈마 전자 밀도(n e)는 플라즈마 전자 주파수(f pe)와의 관계식에 따라 커지게 된다.
한편, 플라즈마 밀도가 큰 경우에는 첫번째 전자빔(61)과 두번째 전자빔(62) 사이의 시간 간격(△t pe)이 거의 나타나지 않거나 하나의 전자빔만 관찰되므로, 상기 시간 간격(△t pe)이 소정의 범위 이내로 작은 경우에는 플라즈마 전자 주파수(f pe)와 플라즈마 전자 밀도(n e)를 구할 수 없게 되지만, 상기 전자빔의 위치 또는 기울기가 크게 변화하거나 쉬스의 두께가 크게 변화하는 경우에는 플라즈마 생성에 이상이 발생하는 것으로 판단할 수 있으므로, 실시간으로 플라즈마 진단이 가능하다.
도 10은 본 발명의 전원 인가 전극과 접지 전극의 간격에 따른 플라즈마 밀도 측정값과 컷오프 주파수 측정에 따른 플라즈마 밀도 측정값을 비교하는 그래프를 도시한다.
도 10을 참조하면, 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격이 50 mm ~ 75 mm 범위에서 변화함에 따라, 고주파 전원인 플라즈마 생성 전원(10)의 피크 전압을 250 V로 유지하기 위하여 공급 전력을 높이고, 네온(Ne) 가스는 20 mTorr 의 압력으로 주입되면서 측정을 진행하였다.
가로축 상의 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격이 50 mm 에서 75 mm까지 증가함에 따라 플라즈마 밀도가 증가하는 것을 도시하고 있는데, 55 mm 에서 65 mm의 범위에서는 본 발명에 의한 측정값과 컷오프 주파수에 의한 측정값이 거의 일치함을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 플라즈마 생성 전원의 변화에 따른 플라즈마 밀도 측정값과 컷오프 주파수 측정에 따른 플라즈마 밀도 측정값을 비교하는 그래프를 도시한다.
도 11을 참조하면, 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격이 70 mm로 유지되고, 고주파 전원인 플라즈마 생성 전원(10)의 피크 전압을 450 ~ 850 V 범위에서 변화함에 따라, 네온(Ne) 가스는 12 mTorr 의 압력으로 주입되면서 측정을 진행하였다.
가로축 상의 전원 인가 전극(11)과 접지 전극(12)의 간격이 70 mm로 유지되면서 플라즈마 생성 전원(10)의 공급 전력이 증가함에 따라 플라즈마 밀도가 증가하는 것을 도시하고 있는데, 대체적으로 본 발명에 의한 측정값과 컷오프 주파수에 의한 측정값이 거의 일치함을 알 수 있다.
도 12는 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법에 관한 것으로서, 플라즈마 생성 전원(10)으로부터 지연신호를 생성하는 단계(S100), 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되어 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계(S200), 상기 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 단계(S300), 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 단계(S400)를 포함하고 있다.
지연 발생부(20)는 플라즈마 생성 전원(10)의 주기에 대해서 소정의 지연 신호를 광방출 감지 센서(30)에 전달하여 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화하여 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하여 축적할 수 있게 된다.
상기 광방출 감지 센서(30)는 ICCD(Intensified Charge Coupled Device) 카메라와 같이 빛을 전기적 신호로 변환하는 고감도 이미지 센서로서 마이크로 채널 플레이트(MCP: Micro Channel Plate)와 같은 증폭수단을 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)에 부가하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하게 된다.
신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호로부터 상기 전자들의 시간적 변화를 분석할 수 있으며, 상기 전자들의 움직임 즉, 전자빔의 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
도 13은 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 다른 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법에 관한 것으로서, 플라즈마로부터 방출되는 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계(S100), 플라즈마 생성 전원(10)으로부터 지연신호를 생성하는 단계(S200), 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 변환되고 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 단계(S300), 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 단계(S400)를 포함하고 있다.
광방출 감지 센서(30)는 ICCD(Intensified Charge Coupled Device) 카메라와 같이 빛을 전기적 신호로 변환하는 고감도 이미지 센서로서 마이크로 채널 플레이트(MCP: Micro Channel Plate)와 같은 증폭수단을 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)에 부가하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하게 된다.
신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 지연 발생부(20)는 플라즈마 생성 전원(10)의 주기에 대해서 소정의 지연 신호를 생성하며,
제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호로부터 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 변환되고 축적된 전기적 신호를 추출하여 상기 전자들의 시간적 변화를 분석할 수 있으며, 상기 전자들의 움직임 즉, 전자빔의 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
결국, 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되지 않더라도, 상기 광방출 감지 센서(30)는 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 일정한 시간 간격에 따라 전기적 신호로 변환할 수도 있으며, 상기 신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 상기 제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호들 중에서 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되는 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔, 즉 전자들의 움직임이 발생하는 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
도 14는 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 또 다른 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법에 관한 것으로서, 플라즈마 생성 전원(10)을 인가하여 플라즈마를 생성하는 단계(S100), 상기 플라즈마 생성 전원(10)으로부터 지연신호를 생성하는 단계(S200), 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되어 전기적 신호로 변환하는 단계(S300), 상기 변환된 전기적 신호를 축적하여 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 단계(S400), 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 단계(S500)를 포함하고 있다.
지연 발생부(20)는 플라즈마 생성 전원(10)의 주기에 대해서 소정의 지연 신호를 광방출 감지 센서(30)에 전달하여 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화하여 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하여 축적할 수 있게 된다.
상기 광방출 감지 센서(30)는 ICCD(Intensified Charge Coupled Device) 카메라와 같이 빛을 전기적 신호로 변환하는 고감도 이미지 센서로서 마이크로 채널 플레이트(MCP: Micro Channel Plate)와 같은 증폭수단을 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)에 부가하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하게 된다.
신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호로부터 상기 전자들의 시간적 변화를 분석할 수 있으며, 상기 전자들의 움직임 즉, 전자빔의 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
도 15는 본 발명인 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 또 다른 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법에 관한 것으로서, 플라즈마 생성 전원(10)을 인가하여 플라즈마를 생성하는 단계(S100), 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 단계(S200), 상기 플라즈마 생성 전원(10)으로부터 지연신호를 생성하는 단계(S300),
상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 변환되고 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 단계(S400), 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 단계(S400)를 포함하고 있다.
광방출 감지 센서(30)는 ICCD(Intensified Charge Coupled Device) 카메라와 같이 빛을 전기적 신호로 변환하는 고감도 이미지 센서로서 마이크로 채널 플레이트(MCP: Micro Channel Plate)와 같은 증폭수단을 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)에 부가하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하게 된다.
신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 지연 발생부(20)는 플라즈마 생성 전원(10)의 주기에 대해서 소정의 지연 신호를 생성하며, 제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호로부터 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 변환되고 축적된 전기적 신호를 추출하여 상기 전자들의 시간적 변화를 분석할 수 있으며, 상기 전자들의 움직임 즉, 전자빔의 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
결국, 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되지 않더라도, 상기 광방출 감지 센서(30)는 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 일정한 시간 간격에 따라 전기적 신호로 변환할 수도 있으며, 상기 신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 상기 제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호들 중에서 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되는 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔, 즉 전자들의 움직임이 발생하는 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
도 16은 본 발명인 플라즈마 공정의 광학적 진단 방법의 일 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 플라즈마 공정의 광학적 진단 방법에 관한 것으로서, 플라즈마 생성 전원(10)으로부터 지연신호를 생성하는 단계(S100), 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화되어 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계(S200), 상기 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 단계(S300), 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격이 소정의 범위 이하인 경우 상기 전자빔의 위치 또는 기울기 변화 또는 쉬스의 두께 변화로부터 플라즈마 생성에 이상이 발생하는 것으로 판단하는 단계(S400)를 포함하고 있다.
지연 발생부(20)는 플라즈마 생성 전원(10)의 주기에 대해서 소정의 지연 신호를 광방출 감지 센서(30)에 전달하여 상기 광방출 감지 센서(30)는 상기 지연신호에 의하여 상기 플라즈마 생성 전원(10)과 동기화하여 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하여 축적할 수 있게 된다.
상기 광방출 감지 센서(30)는 ICCD(Intensified Charge Coupled Device) 카메라와 같이 빛을 전기적 신호로 변환하는 고감도 이미지 센서로서 마이크로 채널 플레이트(MCP: Micro Channel Plate)와 같은 증폭수단을 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device)에 부가하여 플라즈마의 전자들이 방출하는 빛을 전기적 신호로 변환하게 된다.
신호 축적부(510)는 상기 광방출 감지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 축적하고, 제어부(520)는 상기 신호 축적부(510)에 축적된 전기적 신호로부터 상기 전자들의 시간적 변화를 분석할 수 있으며, 상기 전자들의 움직임 즉, 전자빔의 시간에 따른 변화를 분석할 수 있다.
또한 이와 같은 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법의 흐름도는 컴퓨터프로그램으로 구현될 수 있으며, 본 발명의 각 구성요소는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다는 점에서 하나의 하드웨어 또는 개별적인 하드웨어에서 구동되는 소프트웨어로 구현될 수도 있다. 또한 본 발명의 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법은 컴퓨터프로그램으로서 저장매체에 기록되어 구현될 수도 있다.
10: 플라즈마 생성 전원
11: 전원 인가 전극
12: 접지 전극
20: 지연 발생부
30: 광방출 감지 센서
40: 광학필터
50: 컴퓨터
510: 위상 결정부
520: 신호 축적부
530: 제어부
60: 쉬스
61, 62: 전자빔

Claims (18)

  1. 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치에 있어서,
    플라즈마로부터 방출되는 빛이 변환된 전기적 신호를 전달받아 축적하는 신호 축적부;
    상기 신호 축적부에 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 제어부;
    상기 제어부는 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    광방출 감지 센서를 더 포함하고,
    상기 광방출 감지 센서는 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하여 상기 신호 축적부로 전달하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    지연 발생부를 더 포함하고,
    상기 지연 발생부는 지연신호를 상기 광방출 감지 센서로 전달하고,
    상기 광방출 감지 센서는 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화하여 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    광학필터를 더 포함하고,
    상기 광학필터는 상기 플라즈마로부터 방출되는 소정의 파장의 빛을 상기 광방출 감지 센서로 전달하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 장치.
  5. 광학적 플라즈마 주파수 측정 시스템에 있어서,
    플라즈마 생성 전원과 동기화되어 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 광방출 감지 센서;
    상기 광방출 감지 센서에서 변환된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 계산하는 제어부;
    상기 제어부는 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    지연 발생부를 더 포함하고,
    상기 지연 발생부는 지연신호를 상기 광방출 감지 센서로 전달하고,
    상기 광방출 감지 센서는 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화하여 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    광학필터를 더 포함하고,
    상기 광학필터는 상기 플라즈마로부터 방출되는 소정의 파장의 빛을 상기 광방출 감지 센서로 전달하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 시스템.
  8. 플라즈마 공정의 광학적 진단 시스템에 있어서,
    플라즈마 생성 전원과 동기화되어 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 광방출 감지 센서;
    상기 광방출 감지 센서에서 변환된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 계산하는 제어부;
    상기 제어부는 상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격이 소정의 범위 이하인 경우 상기 전자빔의 위치 또는 기울기 변화, 또는 쉬스의 두께 변화로부터 플라즈마 생성에 이상이 발생하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정의 광학적 진단 시스템.
  9. 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법에 있어서,
    플라즈마로부터 방출되는 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계;
    상기 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 단계;
    상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    플라즈마 생성 전원으로부터 지연신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계는, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 전기적 신호로 변환되어 축적되는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 단계는, 상기 플라즈마로부터 방출되는 소정의 파장의 빛이 전기적 신호로 변환되어 축적되는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    플라즈마 생성 전원으로부터 지연신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 단계에서, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 변환되고 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔이 발생하는 시간적 변화를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법.
  13. 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법에 있어서,
    플라즈마 생성 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 단계;
    상기 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 변환된 전기적 신호를 축적하여 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 단계;
    상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격의 역수로부터 전자 플라즈마 주파수를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    플라즈마 생성 전원으로부터 지연신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 단계는, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 전기적 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    플라즈마 생성 전원으로부터 지연신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 변환된 전기적 신호를 축적하여 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 단계는, 상기 플라즈마로부터 방출되는 빛이 상기 지연신호에 의하여 플라즈마 생성 전원과 동기화되어 변환되고 축적된 전기적 신호로부터 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항의 광학적 플라즈마 주파수 측정 방법을 실행시키기 위하여 저장매체에 기록되는 컴퓨터프로그램.
  17. 플라즈마 공정의 광학적 진단 방법에 있어서,
    플라즈마 생성 전원을 인가하여 플라즈마를 생성하는 단계;
    상기 플라즈마로부터 방출되는 빛을 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 변환된 전기적 신호를 축적하여 적어도 2개 이상의 전자빔의 시간적 변화를 산출하는 단계;
    상기 2개의 전자빔이 발생하는 시간 간격이 소정의 범위 이하인 경우 상기 전자빔의 위치 또는 기울기 변화, 또는 쉬스의 두께 변화로부터 플라즈마 생성에 이상이 발생하는 것으로 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공정의 광학적 진단 방법.
  18. 제 17 항의 플라즈마 공정의 광학적 진단 방법을 실행시키기 위하여 저장매체에 기록되는 컴퓨터프로그램.
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KR20230149065A (ko) 2023-10-26

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