KR20080002308A - 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents
플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로, 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; 상기 전자파 발생기의 전자파가 반응용기 내의 플라즈마에 대해 상관 관계를 갖도록 상기 반응용기 내에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; 상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
플라즈마, 전자밀도, 전자온도, 컷오프, 주파수, 반도체
Description
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 동축케이블의 단면 구성도,
도 3은 도 1에 도시된 전자파 송수신기의 반응용기 내 이송을 나타내는 구성도,
도 4a는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 컷오프 주파수에 관한 그래프도,
도 4b는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 흡수 주파수에 관한 그래프도,
도 5는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 측정한 전자밀도 및 전자온도에 관한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 전자온도 측정방법을 단계적으로 나타낸 흐름도.
* 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 *
100: 반응용기, 100a: 플라즈마, 200: 전자파 송수신기,
210: 제 1동축케이블, 210a: 송신안테나, 220: 제 2동축케이블,
220a: 수신안테나, 230: 유전체 피복층, 300: 전자파 발생기,
400: 주파수 분석기, 500: 컴퓨터, 600: 이송기.
본 발명은, 플라즈마를 사용하는 공정(예를 들어 반도체 제조공정 등)의 상태를 모니터링하기 위해 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도와 상관관계를 갖는 당해 각 고유주파수를 탐지/스캔하여 전자밀도 및 전자온도를 측정 및 모니터링하는 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는 당해 플라즈마에 대해 일련되는 대역의 전자파를 송/수신하도록 안테나 구조의 탐침기가 실장된다. 이에 더하여 송신된 전자파 중 당해 플라즈마에 대해 컷오프(cutoff)되거나 흡수되는 특정의 전자파 컷오프 주파수(cutoff frequency)및 흡수 주파수(absorption frequency)의 대역을 분석하여 이를 기초로 당해 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 연산하도록 분석도구가 구비되는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조 공정에서는 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에, 플라즈마가 널리 활용되고 있다. 반도체 소자를 제조하기 위해 사용되는 장비로는 웨이퍼의 소정영역에 원하는 불순물을 주입하는 이온주입 장비, 열산화막을 성장시키기 위한 퍼니스, 도전막 또는 절연막을 웨이퍼 상에 증착시키기 위한 증착 장비 및 상기 증착된 도전막 또는 절연막을 원하는 형태로 패터닝하기 위한 노광장 비와 식각장비가 있다.
이들 장비 중에서 웨이퍼 상에 소정의 물질막을 증착하거나 웨이퍼에 형성된 소정의 물질막을 식각하는 장비로는 진공 상태의 밀폐된 챔버 내에 플라즈마를 형성하고 반응 가스를 주입하여 물질막을 증착하거나 식각하는 플라즈마 장비가 널리 사용되고 있다. 이는 플라즈마를 이용하여 물질막을 증착할 경우 웨이퍼에 형성된 불순물 영역 내의 불순물들이 더 이상 확산되지 않는 등 저온에서 공정을 진행할 수 있으며, 대구경의 웨이퍼에 형성되는 물질막의 두께 균일도가 우수하기 때문이다.
이와 마찬가지로 플라즈마를 이용하여 웨이퍼 상에 형성된 소정의 물질막을 식각할 경우 웨이퍼 전체에 걸쳐서 식각 균일도가 우수하기 때문이다.
이러한 플라즈마 장치에서 플라즈마 내의 전자 밀도, 이온 밀도를 측정할 수 있는 도구로서, 랑뮈어 프로브(langmuir probe), 플라즈마 오실레이션 프로브, 플라즈마 흡수 프로브, OES(optical Emission Spectroscopy), 레이저 톰슨 분산(laser thomson scattering) 방법 등이 있다.
이중 보편적으로 사용되고 있던 것이 랑뮈어 프로브(langmuir probe)이다. 종래 랑뮈어 프로브의 플라즈마 특성의 측정 원리는, 외부에서 플라즈마 챔버 내의 플라즈마에 탐침을 삽입하고 외부에서 공급되는 직류전원을 가변하여 음전위에서 양전위로, 대개 -200V 에서 200V 까지의 범위에서 전압을 변경시켜 측정한다.
이 때 음전압이 탐침 끝에 걸리면 플라즈마 내의 양이온이 탐침으로 포집되어 이온에 의한 전류가 발생하게 된다. 또한 양전압이 탐침 끝에 걸리게 되면 플라 즈마 내의 전자들이 탐침으로 포집되어 전자에 의한 전류가 발생하게 된다. 이 때 발생한 전류를 측정하여 탐침에 가해진 전압과의 상관 관계를 분석함으로써 플라즈마의 농도를 측정할 수 있다.
그런데 종래 랑뮈어 프로브는 챔버 내에 탐침을 삽입하여 플라즈마의 농도를 측정하기 때문에, 공정이 진행되는 동안 실시간으로 플라즈마의 농도를 측정할 수 있다. 하지만 RF(radio frequency) 오실레이션으로 인한 노이즈 문제, 반도체 공정에서 박막 물질의 증착 공정시 탐침에 증착되는 문제, 건식 식각 공정시 탐침이 식각되어 작아지게 되는 등의 문제점을 안고 있기 때문에, 실제 양산 공정에 대한 적용에 큰 제약을 받는 문제점이 있다.
또한 종래 플라즈마 오실레이션 프로브는, 전자빔을 사용하는 구조이며 전자빔을 만들기 위해 열선을 사용하는데, 약 50mT 이상의 압력에서는 당해 열선이 끊어지는 등 동작 조건이 좁게 한정되는 문제점이 있어 왔다. 또한 열전자를 방출하기 위해 가열할 때 열선의 증발로 인해 반응 용기가 오염되는 문제점이 있다.
그리고 종래 플라즈마 흡수 프로브는, 작동 이전에 정확한 플라즈마 밀도진단 도구로서 교정을 해야 하는 번거로운 문제점이 있어 왔다. 이를 개선한 구조가 있지만 개선된 구조에서는 측정 밀도의 절대값을 구하기 위해 여러 단계의 복잡한 계산과정이 필요하며, 이 때 물리적으로 가정된 조건이 내포되므로 실효성이 떨어지는 문제점이 있다.
아울러 위에서 언급된 OES를 이용한 전자온도 측정 방법도 충분한 데이터가 구축되지 않아 상용하기에는 현실성이 떨어지는 문제점이 있다.
마지막으로 레이져 톰슨 분산을 이용한 방법은, 부피가 크고 구조가 매우 복잡하여 연구실 내에서의 사용에만 한정되고, 그 이외의 양산 체계에는 적용이 힘든 문제점이 있다.
따라서 이러한 종래의 문제점들을 극복하고, 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 보다 빠르고 정확하게 측정하고 실시간으로 그 공정을 모니터링함은 물론 양산 체계에 대한 적용에 제한이 덜한 장치 구조의 기술 개발이 시급한 실정이다.
따라서 본 발명의 상기와 같은 종래 문제점들을 감안하여 도출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 전자밀도 및 전자온도와 상관 관계를 갖는 주파수 대역을 실시간으로 측정/모니터링할 수 있도록 일련되는 대역의 전자파를 송/수신하는 안테나 구조의 전자파 송수신기를 포함하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2 목적은, 수신되는 전자파의 주파수 대역을 기초로 당해 전자밀도 및 전자온도와 상관 관계를 갖는 컷오프 주파수 및 흡수 주파수를 분석하도록 주파수 분석기를 포함하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
아울러 본 발명의 제 3 목적은, 플라즈마 반응용기 내의 위치별 플라즈마 전자밀도 및 전자온도의 측정으로 공간분포를 파악할 수 있도록 반응용기의 내부에서 전자파 송수신기를 이송시키기 위한 이송기를 포함하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적들은, 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; 상기 전자파 발생기의 전자파가 반응용기 내의 플라즈마에 대해 상관 관계를 갖도록 상기 반응용기 내에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; 상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치에 의하여 달성된다.
여기서 전자파 송수신기는, 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 각각 전기적으로 연결되고 서로 병설되는 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블과, 전자파의 송/수신을 위해 상기 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블의 일단에 동일 축선상으로 연결/돌출되어 상기 플라즈마에 접속되는 송신안테나 및 수신안테나를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이 때 상기 각 동축케이블에 외장/차폐되는 유전체 피복층이 더 포함되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 전자파 송수신기가 상기 반응용기 내에서 선택적으로 이송될 수 있도록 상기 전자파 송수신기의 타측에 연결되는 이송기가 더 포함되는 것이 바람직하다.
이 때 상기 이송기는 스텝핑 모터로 구동되는 구조인 것이 바람직하다.
또는 상기 이송기는 유압실린더로 구동되는 구조인 것이 바람직하다.
여기서 상기 전자파 송수신기는, 상기 반응용기의 반경방향을 따라 설치되는 것이 반응용기 내부의 플라즈마 특성분포 파악에 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치에 관하여 첨부된 도면과 더불어 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 동축케이블의 단면 구성도이다 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모니터링 장치는 전자파와 플라즈마(100a)의 특성(특히 전자밀도, 전자온도 등) 사이의 상관 관계를 밝혀 해당 특성치를 측정하고 실시간으로 모니터링 하기 위한 것이다.
이러한 상관관계를 갖도록 본 모니터링 장치에는, 플라즈마(100a)에 대해 전자파를 송수신하기 하기 위한 전자파 송수신기(200)가 포함되어 있고, 이러한 송/수신을 위해 전자파 송수신기(200)는 안테나 구조를 취하고 있다.
원통형의 반응용기(100)에 담긴 것이 플라즈마(100a)이다. 이러한 플라즈마(100a)에 특정 대역의 전자파가 송출될 경우, 당해 전자파가 컷오프되거나 흡수 되는 경우가 발생한다고 알려진바, 이러한 컷오프 또는 흡수되는 주파수 대역의 특정 전자파는 플라즈마(100a)의 전자밀도 또는 전자온도의 지표가 되므로, 이러한 전자파와 플라즈마(100a)와의 상관관계를 기초로 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도를 획득할 수 있다.
이러한 상관관계는, 앞에서 언급된 전자파 송수신기(200)에서 이루어지고, 이러한 전자파 송수신기(200)에 대해 전자파를 보내주거나 수신된 전자파를 분석하도록 전자파 송수신기(200)에 전기적으로 연결되어 있는 것이, 전자파 발생기(300) 및 주파수 분석기(400)이다.
여기서 전자파 송수신기(200)는, 나란하게 병설된 구조의 2개의 동축케이블로 구성되어 있고, 이때 각 동축케이블(210,220)에는 노이즈, 열 등에 의해 영향을 받지 않도록 별도의 유전체 피복층(230)과 그라운드 실드선(Ground Shield)이 감싸고 있기 때문에 보다 정확하게 전자파의 송출 및 수신이 담보될 수 있는 구조를 마련하고 있다.
그리고 이러한 각 동축케이블(210,220) 중 제 1동축케이블(210)의 일측에 동일 축선상으로 연결/돌출되어 있는 것이 전자파를 플라즈마(100a)에 송출하기 위한 송신안테나(210a)이다. 본 발명에서는 예시로서 각 안테나(210a,220a)가 약 1mm ∼ 5mm 정도의 간격을 두고 있으며, 모두 약 5mm ∼ 10mm 정도의 길이를 갖고 있다. 상기 간격은 제작상 구현된 것이며, 보다 작을수록 좋다. 그리고 각 안테나(210a,220a)의 길이는 사용하는 전자파의 파장에 따라 달리할 수 있다.
위의 전자파 발생기(300)는 제 1동축케이블(210)의 타측에 연결되고, 약 50 kHz ~ 10GHz 사이의 주파수 대역의 전자파를 연속적으로 제 1동축케이블(210) 및 송신안테나(210a)에 전송시켜 결과적으로 플라즈마(100a)에 대해 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속적으로 송출될 수 있는 구조를 마련한다. 이때 송출된 전자파 중 플라즈마(100a)에 대해 컷오프되는 것이 컷오프 주파수로 당해 플라즈마(100a) 전자밀도의 연산 및 획득의 지표로서 기능할 수 있다. 또한 플라즈마(100a)에 흡수되는 대역의 전자파는 흡수 전자파로서 당해 플라즈마(100a) 전자온도의 연산 및 획득의 지표로서 기능할 수 있다.
아울러 제 2동축케이블(220)의 타측에 연결되어 있는 것이 주파수 분석기(400)이다. 여기서 제 2동축케이블(220)의 일측에 동일 축선상으로 연결/돌출된 것이 수신안테나(220a)로서, 수신안테나(220a) 및 제 2동축케이블(220)에서 수신되어 획득되는 전자파의 주파수로부터 진폭을 분석할 수 있다.
그런데 송출된 전자파가 컷오프될 경우 이때의 전자파는 수신안테나(220a)에서의 수신율이 매우 미약하다고 알려진바 가장 약한 수신율의 전자파가 컷오프 주파수ㄹ로 분석될 수 있다. 주파수 분석기(400)에서는 획득된 전자파의 주파수 및 진폭 등을 분석하여 가장 미약한 주파수를 식별할 수 있으므로 컷오프 주파수를 분석/획득할 수 있는 구조가 마련된다.
또한 플라즈마(100a)에 흡수되는 전자파가 있을 경우, 이는 송신안테나(220a) 및 제 1동축케이블(220)에 거의 미약하게 반사되고 이는 플라즈마(100a)와 송신안테나사이의 쉬스(sheath) 공간에 일종의 공진기(cavity)에 의한 공명(resonance)을 일으켜 전자파의 흡수가 강하게 일어나게 되어 반사되는 전자파의 신호가 가장 미약하게 된다. 즉 송신 안테나로부터 다시 반사되는 비율이 작은 것을 의미하는바, 미약하게 반사된 전자파의 주파수 대역 및 진폭 등을 분석하여 흡수된 전자파의 당해 주파수 대역을 획득/분석할 수 있다. 따라서 흡수 주파수 대역을 분석/획득할 수 있는 구조가 마련된다.
이러한 일련되는 전자파의 발생 및 송출 지령과 분석 주파수 데이터를 기초로 전자밀도 및 전자온도의 연산을 위해 구비되는 것이 컴퓨터(500)로서, 전자파 발생기(300) 및 주파수 분석기(400)에 전기적으로 연결되어 있다.
이에 따라 전자파 송수신기(200)가 반응용기(100) 내의 플라즈마(100a)에 대해 접속되어 전자파를 송출할 경우, 미약하게 수신되는 전자파로부터 주파수 대역 등이 파악되고, 이러한 컷오프 주파수 및 흡수 주파수의 데이터가 컴퓨터(500)에 전송된다. 이때 컴퓨터(500)에는, 주파수를 기초로 전자밀도 및/또는 전자온도를 연산할 수 있는 계산식이 프로그램되어 있는바, 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도의 연산 및 획득이 가능한 구조가 마련될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 전자파 송수신기(200)의 반응용기(100) 내 이송을 나타내는 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모니터링 장치에는, 이송기(600)가 포함되어 있다. 전자파 송수신기(200)의 타측에 연결되어 있는 것이 이와 같은 이송기(600)이다.
본 발명에서 이송기(600)는 보다 바람직하게는 스테핑 모터 구조 또는 유압실린더 구조와 같이 직선 이송의 구현이 가능한 동력구조를 취하고 있으며, 원통형 반응용기(100) 내에서 반경방향을 따라 이송이 가능하도록 설치된 전자파 송수신 기(200)를 직선 왕복 이송시킬 수 있는 구조를 마련하게 된다.
이와 같이 전자파 송수신기(200)의 직선 이송이 가능하도록 이송기(600)가 구비됨으로, 전자파 송수신기(200)가 플라즈마(100a) 내에서 직선 이송하면서 전자파를 송/수신하게 됨으로 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도 및 전자온도의 공간분포를 분석, 측정 및 모니터링 할 수 있는 구조가 마련될 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 컷오프 주파수에 관한 그래프도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 분석된 흡수 주파수에 관한 그래프도이다. 우선 도 4a에 도시된 바와 같이, X축은 주파수 대역(Hz 단위)이고, Y축은 수신안테나(220a)에 수신된 전자파(a.u.단위)의 진폭이다. 주파수의 세기가 커질수록 진폭이 커지다가 약 1.5 ×109 Hz 정도에서 작아지면서 2.5 ×109 Hz 정도의 주파수 세기 영역에서 최소가 됨을 알 수 있다.(화살표식으로 표시된 부위) 이와 같이 수신된 전자파를 주파수 대역 대비 진폭으로 나타낸 것에서 가장 낮은 진폭을 나타내는 부분이 컷오프 주파수이다.
상기 컷오프 주파수는 앞에서 언급된 바와 같이, 송신안테나(210a)에서 플라즈마(100a)에 전자파를 송출하였을 경우 플라즈마(100a)를 투과하지 못하는 대역의 주파수이다. 이에 따라 수신안테나(220a)에서 매우 약한 신호가 수신되는데, 이러한 컷오프 주파수가 플라즈마(100a)의 전자밀도를 검출하는데 지표로서 기능한다.
본 발명에서는, 전자파 발생기(300)에서 전자파가 발생되고, 전자파는 제 1동축케이블(210)을 통해 송신안테나(210a)에 세기별로 일련되게 전송되어 플라즈 마(100a)에 송출되는 작동 구조를 갖는다.
그리고 이와 같이 송출되었다가 플라즈마(100a)에서 컷오프되어 미약해진 전자파는 수신안테나(220a)에서 계속 수신되고, 제 2동축케이블(220)에 연결된 주파수 분석기(400)에 송출되어 주파수 대역별로 분석된다. 이러한 분석 데이터는 컴퓨터(500)로 전송되어 도 4a와 같은 그래프로 표시된다. 그리고 이중 가장 낮은 진폭의 주파수 대역으로 상기 그래프에 표시되는 것이 컷오프 주파수이다. 따라서 이와 같은 작동에 따른 획득된 컷오프 주파수를 기초로 컴퓨터(500)에서 당해 플라즈마(100a)의 전자밀도를 연산/획득할 수 있는 구조가 마련된다.
아울러 도 4b에 도시된 바와 같이, X축은 주파수 대역(Hz 단위)이고, Y축은 소정의 반사계수(dB 단위)이다. 이에 따라 전자파가 당해 플라즈마(100a)로 송출될 경우 반사되어 수신되는 과정을 통해 가장 낮은 반사계수를 갖는 당해 주파수의 전자파를 분석할 경우 흡수 주파수의 획득이 가능하다.
이렇게 획득된 흡수 주파수의 분석 데이터는 컴퓨터(500)로 전송되고, 이를 기초로 당해 플라즈마(100a)의 전자온도를 측정할 수 있는 구조가 마련된다.
도 5는 본 발명에 따른 모니터링 장치로 측정한 전자밀도 및 전자온도에 관한 그래프도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, X축은 반응용기(100) 내의 플라즈마(100a)의 압력(mTorr 단위)이고, 우측의 Y축이 압력별 플라즈마(100a)의 전자밀도(㎝-3 단위)이며, 좌측의 Y축이 압력별 플라즈마(100a)의 전자온도(eV 단위)이다.
플라즈마(100a)의 압력은 반응용기(100)의 중앙으로 갈수록 높아지므로 이송 기(600)를 작동시켜 전자파 송수신기(200)를 밀어 넣어 반응용기(100)의 반경 중심으로 이송할 경우 전자밀도가 높아짐으로 알 수 있다. 이와는 달이 전자온도는 플라즈마(100a)의 압력이 높을수록 낮아짐을 알 수 있다.
따라서 직선과 삼각형으로 표시된 전자밀도의 그래프의 기울기와, 직선과 사각형으로 표시된 전자온도의 그래프의 기울기가 서로 상반됨을 알 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치에서, 반응용기(100)의 일측부로 이송기(600)가 결합된 1개의 전자파 송수신기(200)가 실장된 구조가 예시되고 있다. 하지만 이외에, 반응용기(100)의 타측부, 상부, 하부로 별도의 전자파 송수신기(200)가 수직 실장되고 각 전자파 송수신기(200) 별로 이송기(600)가 결합되어 반응용기(100) 내 각축방향으로 이송되면서 X-Y-Z축의 3차원 전자밀도 및 전자온도 공간분포를 측정하는 구조도 본 발명에 속함은 물론이다.
또한 전자파 송수신 수단으로 직선형의 송신안테나(210a), 수신안테나(220a)가 예시되고 있지만 루프 안테나, 슈퍼턴스타일 안테나, 야기 안테나, 파라볼라 안테나 등에서 선택하여 사용할 수 있다.
한편, 도 6에 나타낸 바와 같이, 전술한 본 발명의 전자온도 모니터링 장치를 이용한 전자온도 모니터링 방법은, 전자파 발생기(300)에서 소정 주파수의 전자파를 송신안테나(210a)로 인가하는 1단계(S1)와; 송신안테나(210a)에서 방출된 전자파를 수신안테나(220a)가 수신하여 주파수를 분석하는 2단계(S2)와; 주파수 분석에 의해 컷오프 주파수를 측정하는 3단계(S3)와; 컷오프 주파수를 이용하여 플라즈 마 밀도를 계산하는 4단계(S4)와; 전자파 발생기(300)에서 전자파를 송신하고 송신안테나(210a)로 되돌아오는 반사파를 모니터하여 표면파 흡수 주파수를 측정하는 5단계(S5)와, 4단계(S4) 및 5단계(S5)에서 구해진 플라즈마 밀도와 흡수주파수를 이용하여 전자온도를 계산하는 6단계(S6)로 구성된다.
통상 플라즈마를 사용하는 어떤 공정일 경우 플라즈마 자체는 그 상태를 대변하는 고유한 플라즈마 주파수가 있다. 플라즈마 주파수는 플라즈마 밀도와 직접적인 관계가 있어 이 플라즈마 주파수를 측정하면 플라즈마 전자 밀도를 직접적으로 측정할 수 있게 된다.
통상 전자파의 주파수가 플라즈마 주파수에 해당할 경우 이 전자파를 플라즈마에 입사시키면 컷오프(cutoff)되어 플라즈마를 투과하지 못하는 성질이 있다.
따라서, 전자파 발생장치에서 50 kHz~ 10 GHz의 주파수를 송신안테나로 보내면 송신안테나에서 방출된 전자파는 수신안테나에 수신된다.
이때, 플라즈마 밀도에 따라 정해지는 플라즈마 주파수를 갖는 전자파는 플라즈마를 통과하지 못하여 수신안테나에 수신이 안되거나 매우 약한 신호만 수신된다.
즉, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 주파수 분석기(400)에서 주파수 스펙트럼을 보면 가장 낮은 크기의 컷오프 주파수를 찾을 수 있고 이 컷오프 주파수가 바로 플라즈마 주파수이고 이로부터 [수학식 1]에 의하여 플라즈마 밀도(ωpe)를 구할 수 있다.
한편, 전자파 발생기(300)에서 전자파를 송신하고 송신안테나(210a)에서 되돌아오는 반사파를 모니터하면 송신안테나(210a)의 표면파 흡수 주파수를 측정할 수 있다.
즉, 도 1의 송신안테나(210a)로부터 반사되는 전자파의 스펙트럼을 도 4b에 나타내었다. 이때, 표면파의 분산식은 다음의 [수학식 2]와 같으며, 이는 전자온도(Te)를 구하는 수식이다.
여기서, Km 과 Im 은 modified Bessel function, β=2π/λ, λ=2ℓ, ℓ는 송신안테나의 길이, a는 송신안테나의 금속부의 중심부터 피복체(sheath) 경계까지의 반경, b는 송신안테나의 금속부의 반경을 나타낸다.
따라서, 컷오프주파수는 플라즈마 주파수(ωpe)이고, 다른변수들은 구조적인 안테나크기에 해당하는 상수이므로 흡수주파수(ω)를 측정하면 전자온도(Te)를 구할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치 및 방법에 의하면, 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도를 고유주파수의 검출로 측정할 수 있는 구조이므로, 반도체 제조공정의 박막 플라즈마 화학 증착법, 건식 식각 공정에서의 플라즈마 공정장비에 적용하여 사용할 수 있는 특징이 있다.
그리고 플라즈마 실시간 모니터링 장비로서 사용할 수 있기 때문에, 즉각적인 공정장비 상태의 체크가 가능하여 보다 신뢰성 있는 공정장비로서의 활용이 가능한 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
Claims (10)
- 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기;송출되는 상기 전자파의 주파수가 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도에 대해 상관 관계를 갖도록 반응용기 내의 플라즈마에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기;상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전자파 송수신기는, 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 각각 전기적으로 연결되고 서로 병설되는 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블과,전자파의 송/수신을 위해 상기 제 1동축케이블 및 제 2동축케이블의 일단에 동일 축선상으로 각각 연결/돌출되어 상기 플라즈마에 접속되는 송신안테나 및 수신안테나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
- 제 2항에 있어서, 상기 각 동축케이블에는 소정두께로 외장/차폐되는 유전체 피복층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전자파 송수신기가 상기 반응용기 내에서 선택적으로 이송될 수 있도록 상기 전자파 송수신기의 타측에 연결되는 이송기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
- 제 4항에 있어서, 상기 이송기는 스텝핑 모터로 구동되는 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
- 제 4항에 있어서, 상기 이송기는 유압실린더로 구동되는 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
- 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 전자파 송수신기는, 상기 반응용기의 반경방향을 따라 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 장치.
- 일련되는 주파수 대역의 전자파가 연속 송출되는 전자파 발생기; 송출되는 상기 전자파의 주파수가 플라즈마의 전자밀도 및 전자온도에 대해 상관 관계를 갖도록 반응용기 내의 플라즈마에 접속되고 상기 전자파 발생기에 전기적으로 연결되어 전자파를 송출하는 전자파 송수신기; 상기 전자파 송수신기로부터 수신되는 전자파의 주파수를 분석하도록 상기 전자파 송수신기에 전기적으로 연결되는 주파수 분석기; 및 상기 전자파의 주파수 대역별 송출 지령과, 상기 분석 데이터에 기초한 상기 전자밀도 및 전자온도와 당해 각 전자파의 상관 관계 연산을 위해 상기 전자파 발생기 및 주파수 분석기에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함한 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법에 있어서,상기 전자파 발생기에서 소정 주파수의 전자파를 송신안테나로 인가하는 1단계;상기 송신안테나에서 방출된 전자파를 수신안테나가 수신하여 주파수를 분석하는 2단계;주파수 분석에 의해 컷오프 주파수를 측정하는 3단계;컷오프 주파수를 이용하여 플라즈마 밀도를 계산하는 4단계;전자파 발생장치에서 전자파를 송신하고 송신안테나로 되돌아오는 반사파를 모니터하여 표면파 흡수 주파수를 측정하는 5단계;상기 4단계 및 5단계에서 구해진 플라즈마 밀도와 흡수주파수를 이용하여 전자온도를 계산하는 6단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 4단계의 플라즈마 밀도(ωpe)는ωpe = [nee2/ε0me]1/2로 이루어지는 수학식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.
- 제 8항에 있어서,상기 6단계의 전자온도(Te)는,Te = [1-[ωpe/ω]2]= {Km(βa)Im'(βa)Km(βb) - Km'(βa)Im(βb)}/{ Km'(βa)Im(βa)Km(βb) - Km(βa)Im(βb) }(Km 과 Im 은 modified Bessel function, β=2π/λ, λ=2ℓ, ℓ는 송신안테나의 길이, a는 송신안테나의 금속부의 중심부터 피복체(sheath) 경계까지의 반경, b는 송신안테나의 금속부의 반경, ω는 흡수주파수, ωpe 는 플라즈마 밀도) 로 이루어지는 수식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전자밀도 및 전자온도 모니터링 방법.
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