KR20160053418A - 증착 속도 예측 방법 - Google Patents

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KR20160053418A
KR20160053418A KR1020140152152A KR20140152152A KR20160053418A KR 20160053418 A KR20160053418 A KR 20160053418A KR 1020140152152 A KR1020140152152 A KR 1020140152152A KR 20140152152 A KR20140152152 A KR 20140152152A KR 20160053418 A KR20160053418 A KR 20160053418A
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홍정진
이혜민
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삼성디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 증착 속도 예측 방법은, 증착 물질이 증착되는 기판의 표면 영역과 상기 표면 영역으로부터 이격된 내부 공간 영역을 포함하는 증착 장치의 상기 증착 물질의 증착 속도 예측 방법으로서, 상기 내부 공간 영역에서 생성되어 증착 물질을 형성하는 반응에 사용되는 증착종의 생성 속도를 도출하는 단계, 상기 내부 공간 영역에서 상기 증착종이 반응하여 상기 증착 물질이 형성되는 증착 반응속도를 도출하는 단계, 상기 기판의 표면 영역에서 일어나는 상기 증착 물질의 식각 속도를 도출하는 단계 및 상기 증착종의 생성 속도 및 상기 증착 반응속도의 합에 대한 상기 식각 속도의 차이를 이용하여 상기 기판에 증착되는 증착 물질의 증착 속도를 예측하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

증착 속도 예측 방법{METHOD FOR PREDICTING DEPOSITION RATE}
본 발명은 기판에 증착되는 증착 물질의 증착 속도의 예측 방법에 관한 것이다
표시 장치, 반도체, 태양 전지 등을 제작하는 공정에는 대부분 증착 공정이 포함된다. 예를 들어, 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display), 전계 방출 표시 장치(Field Emission Display), 플라즈마 표시 장치(Plasma Display) 및 전계 발광 표시 장치(Electro-Luminescence Display) 등에 포함된 다수의 박막은 증착 공정을 통해 형성된다.
다양한 종류의 증착 공정 중 증착물을 증발시켜 기판에 박막을 형성하는 기상 증착 공정은 주로 열 증착 공정에 의하여 진공 상태의 증착 챔버 내에서 이루어진다. 즉, 진공 상태의 증착 챔버 내부에 기판이 설치되고, 그 기판의 일면에 대향하는 증착원이 설치되어, 증착원에 담긴 증착물을 가열하여 증착물이 증발되도록 함으로써, 기체 상태의 증착물이 진공에서 기판에 닿아 응고하게 되고, 이러한 과정으로 기판에 박막을 형성하는 것이다.
이와 같은 기상 증착 공정으로 기판에 박막을 형성하는 경우, 박막 두께의 제어가 필요하다. 즉, 목표로 하는 소자의 특성에 맞게 박막 두께를 균일하거나 불균일하게 조절하는 것이 필요하다.
그러나, 기판에 형성된 증착 물질의 두께를 균일하게 제어하기 위해서는 기판에 형성된 증착 물질의 두께를 실시간으로 측정할 필요가 있으나, 현재는 증착 물질의 두께는 공정이 완료된 후 측정할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 증착 공정이 완료되기 전에 기판에 증착되는 증착 물질의 두께를 예측하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증착 속도 예측 방법은, 증착 물질이 증착되는 기판의 표면 영역과 상기 표면 영역으로부터 이격된 내부 공간 영역을 포함하는 증착 장치의 상기 증착 물질의 증착 속도 예측 방법으로서, 상기 내부 공간 영역에서 생성되어 증착 물질을 형성하는 반응에 사용되는 증착종의 생성 속도를 도출하는 단계, 상기 내부 공간 영역에서 상기 증착종이 반응하여 상기 증착 물질이 형성되는 증착 반응속도를 도출하는 단계, 상기 기판의 표면 영역에서 일어나는 상기 증착 물질의 식각 속도를 도출하는 단계 및 상기 증착종의 생성 속도 및 상기 증착 반응속도의 합에 대한 상기 식각 속도의 차이를 이용하여 상기 기판에 증착되는 증착 물질의 증착 속도를 예측하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 증착종의 생성 속도를 도출하는 단계는, 상기 내부 공간 영역 내의 전자 에너지 분포 함수(Electron Energy Distribution Function, EEDF)를 이용할 수 있다.
이때, 상기 증착종의 생성 속도는 하기 수학식 1로 표시될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, V1은 증착종의 생성 속도, Vpp는 RF 전력 전위, b는 전자에너지 분포량, m은 정수를 나타낸다.
한편, 상기 증착 반응속도를 도출하는 단계는, 상기 증착 반응속도가 산소의 비율에 반비례하는 것을 이용할 수 있다.
이때, 상기 증착 반응속도는 하기 수학식 2로 표시될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, V2는 증착 반응속도, Vpp는 RF 전력 전위, c는 상기 내부 공간 영역에서의 산소의 비율을 나타낸다.
한편, 상기 증착 물질의 식각 속도를 도출하는 단계는, 상기 식각 속도는 SiF의 비율에 비례하는 것을 이용할 수 있다.
이때, 상기 식각 속도는 하기 수학식 3으로 표시될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, V3은 식각 속도, Vpp는 RF 전력 전위, d는 상기 내부 공간 영역에서의 SiF의 비율, b는 전자에너지 분포량을 나타낸다.
한편, 상기 증착 속도의 예측 단계는, 상기 증착종의 생성 속도 및 상기 증착 반응속도의 합과 표면 확산 계수의 곱에 대한 상기 식각 속도의 차이를 이용할 수 있다.
이때, 상기 표면 확산 계수는 하기 수학식 4로 표시될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
여기서, f(T)는 표면 확산 계수, T는 기판 표면 온도, g는 상기 내부공간 영역에서의 ArⅡ의 비율, Exp는 지수 함수(Exponential Function)를 나타낸다.
한편, 상기 증착 속도는 하기 수학식 5로 표시될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
여기서, V1은 증착종의 생성 속도, V2는 증착 반응속도, V3은 식각 속도, f(T)는 표면 확산 계수, V5는 증착 속도로 하기 수학식으로 나타내며,
하기 수학식의 Vpp는 RF 전력 전위, b는 전자에너지 분포량, m은 정수, c는 상기 내부 공간 영역에서의 산소의 비율, d는 상기 내부 공간 영역에서의 SiF의 비율, T는 기판 표면 온도, g는 상기 내부공간 영역에서의 ArⅡ의 비율, Exp는 지수 함수(Exponential Function)를 나타낸다.
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
본 발명의 일 실시예에 따르면, 증착 공정 중에 기판에 증착되는 증착 물질의 두께를 예측하여, 기판에 형성될 증착 물질의 두께를 균일하게 제어할 수 있다.
도 1은 기판에 증착 물질이 증착되는 증착 장치의 개략도이다.
도 2는 전자에너지 분포량과 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 RF 전력 전위(Vpp)와 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 산소 비율과 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 SiF 비율과 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 예측된 증착속도와 실제 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 1은 기판에 증착 물질이 증착되는 증착 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 증착 장치는 기판 상에 증착 물질을 증착하여 얇은 박막 등을 형성하는 장치이다. 이때, 증착 장치는 기판의 표면 및 상기 표면에 인접한 영역을 포함하는 표면 영역(영역 Ⅰ)과 상기 표면 영역으로부터 이격되는 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)으로 구분될 수 있다.
증착 장치 내에 위치한 기판 위에 증착 물질이 증착되는 증착 과정은, 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서 생성된 증착종이 반응하여 증착 물질이 형성되는 과정을 포함한다. 또한, 상기 증착 과정은 상기 표면 영역(영역 Ⅰ)에서 상기 증착 물질이 증착되고, 상기 표면 영역(영역 Ⅰ)에서 일부 증착 물질이 식각되는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증착 속도 예측 방법은, 기판 위에 증착되는 증착 물질의 증착 속도를 상기 표면 영역(영역 Ⅰ) 및 상기 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서 일어나는 일련의 과정을 통해 예측할 수 있다.
보다 자세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 증착 속도 예측 방법은, 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서의 증착종의 생성 속도, 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서의 증착 반응속도 및 표면 영역(영역 Ⅰ)에서의 식각 속도를 각각 도출하여 기판에서의 증착 물질의 증착 속도를 예측할 수 있다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서 생성되는 증착종의 생성 속도를 도출한다. 상기 증착종은 기판에 형성될 증착 물질을 형성하는데 사용되는 요소이다.
이때, 증착종의 생성 속도는, 상기 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서의 전자 에너지 분포 함수(Electron Energy Distribution Function, EEDF)를 이용하여 도출할 수 있다.
증착종 생성 반응은, 플라즈마에 의해 이온화, 해리, 여기(勵起)되는 다양한 화학종들이 있으므로 직접 증착종 생성반응의 반응 속도식을 유추하는 것은 어렵다. 따라서, 간접적으로 증착종의 생성 속도를 도출하기 위해 전자 에너지 분포 함수를 이용할 수 있다.
외부에서 인가된 에너지는 전자를 생성 또는 활성화시킨다. 그리고, 전자의 활성화 정도에 따라 플라즈마 밀도의 정도가 달라진다. 이러한 전자의 에너지분포를 시간과 장소의 함수로 나타낸 것을 전자 에너지 분포 함수(EEDF)라 한다.
상기 전자 에너지 분포 함수(EEDF)를 이용하면 간접적으로 증착종의 생성속도를 유추할 수 있다. 플라즈마에 의해 에너지를 받은 전자가 얼마나 큰 에너지를 가지고 중성자에 충돌하는지에 의해, 증착종의 생성속도를 도출할 수 있다.
상기 증착종의 생성속도는 하기 수학식 1로 표시될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00010
여기서, V1은 증착종의 생성 속도, Vpp는 RF 전력 전위, b는 전자에너지 분포량, m은 정수를 나타낸다.
이때, 증착종의 생성 속도(V1)은 증착종의 생성이 RF 전력 전위값(Vpp)과 전자 에너지 분포량(b)에 비례하는 것으로부터 도출된 반응 속도식이다.
한편, 전자 에너지 분포량(b)는 하기 수학식 6으로 표시될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전자 에너지 분포량(b)는 전자 에너지 분포 함수로부터 도출된 값이다.
[수학식 6]
Figure pat00011
여기서, Ar_ratio는 분광기(Optical Emission Spectroscopy, OES)로 측정한 Ar의 763nm와 427nm의 밀도비를 나타낸다. 즉, Ar_ratio는 하기와 같다.
Figure pat00012
분광기(Optical Emission Spectroscopy, OES)는 플라즈마의 발생 상태를 모니터할 수 있는 장치이다. 상기 분광기(OES)는 증착 장치 내의 계측 대상의 발광 강도 값 등을 측정할 수 있다.
도 2는 전자에너지 분포량과 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3은 RF 전력 전위(Vpp)와 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 전자에너지 분포량(b)이 증가하면 증착 속도도 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, RF 전력 전위값(Vpp)가 증가하면 증착 속도 또한 증가하는 것을 알 수 있다.
즉, 분광기(OES)로 측정된 데이터 값을 통해 전자에너지 분포량(b)를 산출하고, 이에 의해 증착종의 생성 속도(V1)을 도출할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서 상기 증착 물질이 형성되는 증착 반응속도를 도출한다. 상기 증착 물질은 증착종이 서로 반응하여 형성될 수 있다.
이때, 증착 반응속도는, 상기 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서의 산소 비율를 이용하여 도출할 수 있다.
증착 장치 내에서의 전체적인 증착 속도는, 전술한 바와 같이 라디컬 종의 증착종을 생성하는 반응에도 영향을 받지만, 이러한 반응을 억제하는 반응에도 영향을 받는다.
보다 자세히, 상기 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서의 산소 이온을 생성하는 반응에서 필요한 에너지가 증착종을 생성하는 반응에 필요한 전자 에너지 크기와 비슷하다. 이에 의해, 산소 이온을 생성함에 따라 증착종을 생성하는 반응이 방해 받을 수 있다.
도 4는 산소 비율과 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 증착 장치 내의 산소 비율과 증착 속도는 반비례함을 알 수 있다.
즉, 증착 장치 내의 산소 비율과 증착 반응속도가 반비례하는 것으로부터 증착 반응속도를 도출할 수 있다.
이때, 증착 반응속도는 하기 수학식 2로 표시될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00013
여기서, V2는 증착 반응속도, Vpp는 RF 전력 전위, c는 상기 내부 공간 영역에서의 산소의 비율을 나타낸다.
한편, 산소 비율(c)은 분광기(Optical Emission Spectroscopy, OES)에 의해 측정된 산소에 대한 데이터 값을 나타낸다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판의 표면 영역(영역 Ⅰ)에서 일어나는 상기 증착 물질의 식각 속도를 도출한다.
기판의 표면 영역(영역 Ⅰ)에서는 클린 가스(cleaning gas)로 사용되는 NF3에 의해 발생되는 라디컬 종인 SiF가 식각 반응을 일으킨다. 즉, 라디컬 종인 SiF에 의해 기판 표면에서 식각 반응이 발생하여 박막 증가율이 감소하게 된다.
도 5는 SiF 비율과 증착 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 증착 장치 내의 SiF 비율과 증착 속도는 반비례함을 알 수 있다.
즉, 증착 물질의 식각 속도는 SiF의 비율에 의해 식각 속도가 비례하는 것을 이용할 수 있다. 결국, 전체적인 증착 속도는 식각 속도에 반비례하게 된다.
이때, 증착 물질의 식각 속도(V3)는 수학식 3으로 표시될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00014
여기서, V3은 식각 속도, Vpp는 RF 전력 전위, d는 상기 내부 공간 영역에서의 SiF의 비율, b는 전자에너지 분포량을 나타낸다.
한편, SiF의 비율 (d)은 분광기(Optical Emission Spectroscopy, OES)에 의해 측정된 SiF에 대한 데이터 값을 나타낸다
마지막으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 증착 속도(V5)는 상기 증착종의 생성 속도(V1) 및 상기 증착 반응속도(V2)의 합과 표면 확산 계수(f(T))의 곱에 대한 상기 식각 속도(V3)이 차이를 이용하여 도출할 수 있다.
즉, 증착 속도(V5)는 하기 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure pat00015
여기에서, 표면 확산 계수(f(T))는 증착 물질이 기판의 표면에 일정하게 퍼져서 증착이 잘 되는지를 나타내는 계수에 해당한다. 이때, 표면 확산 계수(f(T))가 증가하면 증착 속도가 증가될 수 있다.
이때, 표면 확산 계수(f(T))는 수학식 4로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00016
여기서, f(T)는 표면 확산 계수, T는 기판 표면 온도, g는 상기 내부공간 영역에서의 ArⅡ의 비율, Exp는 지수 함수(Exponential Function)를 나타낸다. 한편, ArⅡ의 비율(g)는 은 분광기(Optical Emission Spectroscopy, OES)에 의해 측정된 ArⅡ 에 대한 데이터 값을 나타낸다
다시, 증착 속도(V5)에 대해 설명하면, 결국 증착 속도(V5)는 상기 증착종의 생성 속도(V1), 상기 증착 반응속도(V2) 및 표면 확산 계수(f(T))에 비례하고, 상기 식각 속도(V3)에 반비례함을 알 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 수학식 5에 의해 도출된 증착 속도(V5)는 실제 기판에서의 증착 속도와 연관됨을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증착 속도 예측 방법은, 기판 위에 증착되는 증착 물질의 증착 속도를 상기 표면 영역(영역 Ⅰ) 및 상기 내부 공간 영역(영역 Ⅱ)에서 일어나는 일련의 과정을 통해 예측할 수 있다. 즉, 증착 속도(V5)는 상기 증착종의 생성 속도(V1) 및 상기 증착 반응속도(V2)의 합과 표면 확산 계수(f(T))의 곱에 대한 상기 식각 속도(V3)이 차이를 이용하여 도출할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
V1 증착종의 생성속도 V2 증착 반응속도
V3 식각속도 V5 증착속도
f(T) 표면 확산 계수 Vpp RF 전력 전위
b 전자에너지 분포량 d SiF의 비율

Claims (10)

  1. 증착 물질이 증착되는 기판의 표면 영역과 상기 표면 영역으로부터 이격된 내부 공간 영역을 포함하는 증착 장치의 상기 증착 물질의 증착 속도 예측 방법으로서,
    상기 내부 공간 영역에서 생성되어 증착 물질을 형성하는 반응에 사용되는 증착종의 생성 속도를 도출하는 단계;
    상기 내부 공간 영역에서 상기 증착종이 반응하여 상기 증착 물질이 형성되는 증착 반응속도를 도출하는 단계;
    상기 기판의 표면 영역에서 일어나는 상기 증착 물질의 식각 속도를 도출하는 단계 및
    상기 증착종의 생성 속도 및 상기 증착 반응속도의 합에 대한 상기 식각 속도의 차이를 이용하여 상기 기판에 증착되는 증착 물질의 증착 속도를 예측하는 단계를 포함하는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
  2. 제 1 항에서,
    상기 증착종의 생성 속도를 도출하는 단계는,
    상기 내부 공간 영역 내의 전자 에너지 분포 함수(Electron Energy Distribution Function, EEDF)를 이용하는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
  3. 제 2 항에서,
    상기 증착종의 생성 속도는 하기 수학식 1로 표시되는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00017

    여기서, V1은 증착종의 생성 속도, Vpp는 RF 전력 전위, b는 전자 에너지 분포량, m은 정수를 나타낸다.
  4. 제 1 항에서,
    상기 증착 반응속도를 도출하는 단계는,
    상기 증착 반응속도가 산소의 비율에 반비례하는 것을 이용하는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
  5. 제 4 항에서,
    상기 증착 반응속도는 하기 수학식 2로 표시되는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00018

    여기서, V2는 증착 반응속도, Vpp는 RF 전력 전위, c는 상기 내부 공간 영역에서의 산소의 비율을 나타낸다.
  6. 제 1 항에서,
    상기 증착 물질의 식각 속도를 도출하는 단계는,
    상기 식각 속도는 SiF의 비율에 비례하는 것을 이용하는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
  7. 제 6 항에서,
    상기 식각 속도는 하기 수학식 3으로 표시되는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00019

    여기서, V3은 식각 속도, Vpp는 RF 전력 전위, d는 상기 내부 공간 영역에서의 SiF의 비율, b는 전자에너지 분포량을 나타낸다.
  8. 제 1 항에서,
    상기 증착 속도의 예측 단계는,
    상기 증착종의 생성 속도 및 상기 증착 반응속도의 합과 표면 확산 계수의 곱에 대한 상기 식각 속도의 차이를 이용하는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
  9. 제 8 항에서,
    상기 표면 확산 계수는 하기 수학식 4로 표시되는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
    [수학식 4]
    Figure pat00020

    여기서, f(T)는 표면 확산 계수, T는 기판 표면 온도, g는 상기 내부공간 영역에서의 ArⅡ의 비율, Exp는 지수 함수(Exponential Function)를 나타낸다.
  10. 제 1 항에서,
    상기 증착 속도는 하기 수학식 5로 표시되는 증착 장치의 증착 속도 예측 방법.
    [수학식 5]
    Figure pat00021

    여기서, V1은 증착종의 생성 속도, V2는 증착 반응속도, V3은 식각 속도, f(T)는 표면 확산 계수, V5는 증착 속도로 하기 수학식으로 나타내며,
    하기 수학식의 Vpp는 RF 전력 전위, b는 전자에너지 분포량, m은 정수, c는 상기 내부 공간 영역에서의 산소의 비율, d는 상기 내부 공간 영역에서의 SiF의 비율, T는 기판 표면 온도, g는 상기 내부공간 영역에서의 ArⅡ의 비율, Exp는 지수 함수(Exponential Function)를 나타낸다.
    Figure pat00022
    ,
    Figure pat00023
    ,
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018117717A1 (ko) * 2016-12-23 2018-06-28 희성금속 주식회사 스퍼터링 타겟의 증착속도 예측방법, 이에 따라 증착속도가 제어된 스퍼터링 타겟 및 이의 제조방법
KR20180074211A (ko) * 2016-12-23 2018-07-03 희성금속 주식회사 스퍼터링 타켓의 속도지수를 이용한 증착속도 예측방법
KR20190073913A (ko) * 2017-12-19 2019-06-27 엘티메탈 주식회사 증착속도가 제어된 스퍼터링 타겟 및 이의 제조방법

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