KR20170028094A - 마이크로파 탐침, 그 탐침을 구비한 플라즈마 모니터링 시스템, 및 그 시스템을 이용한 반도체 소자 제조방법 - Google Patents

마이크로파 탐침, 그 탐침을 구비한 플라즈마 모니터링 시스템, 및 그 시스템을 이용한 반도체 소자 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 플라즈마 공정에서의 플라즈마 상태를 정밀하게 검출할 수 있는 마이크로파 탐침, 그 탐침을 구비한 플라즈마 모니터링 시스템, 및 그 시스템을 이용한 반도체 소자 제조방법을 제공한다. 그 마이크로파 탐침은 일 방향으로 연장된 구조를 갖는 몸통; 및 상기 몸통의 한 끝단에 연결되고, 평판 구조를 갖는 헤드;를 포함하고, 플라즈마 공정에서, 상기 헤드의 표면이 챔버의 뷰-포트(viewport)의 외면에 콘택하는 구조로 상기 챔버에 비침투식으로 결합하며, 상기 헤드를 통해 상기 챔버 내부에 마이크로파(microwave)를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신한다.

Description

마이크로파 탐침, 그 탐침을 구비한 플라즈마 모니터링 시스템, 및 그 시스템을 이용한 반도체 소자 제조방법{Microwave probe, plasma monitoring system comprising the microwave probe, and method for fabricating semiconductor device using the system}
본 발명의 기술적 사상은 반도체 소자 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마 공정에서 플라즈마의 상태를 모니터링 하는 장치 및 그 장치를 이용한 반도체 소자 제조방법에 관한 것이다.
플라즈마(Plasma)는 반도체, PDP(Plasma Display Panel: PDP), LCD(Liquid Crystal Display: LCD), 태양전지(solar cell) 등의 제조공정에 널리 이용되고 있다. 대표적인 플라즈마 공정으로는 건식 식각(Dry Etching), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링(Sputtering), 에싱(Ashing) 등이 있다. 통상적으로 CCP(Capacitively Coupled Plasma), ICP(Inductively Coupled Plasma), 헬리콘(Helicon) 플라즈마, 마이크로파(Microwave) 플라즈마 등이 사용되고 있다. 플라즈마 공정은 플라즈마 변수(예컨대, 전자 밀도, 전자 온도, 이온 선속, 이온 에너지)에 직접적인 연관이 있고, 특히, 전자 밀도는 생산량(throughput)과 밀접한 관계가 있다고 알려져 있다. 이에 따라, 높은 전자 밀도를 가지는 플라즈마 소스의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 플라즈마 공정에서의 플라즈마 상태를 정밀하게 검출할 수 있는 마이크로파 탐침, 그 탐침을 구비한 플라즈마 모니터링 시스템, 및 그 시스템을 이용한 반도체 소자 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 플라즈마 공정을 위한 챔버의 뷰-포트에 마이크로파 탐침(probe)을 비침투식으로 결합시키는 단계; 상기 챔버의 내부에 웨이퍼를 배치하는 단계; 상기 챔버에 공정 가스를 주입하고 RF 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 마이크로파 탐침을 통해 상기 챔버 내부로 마이크로파를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신하는 단계; 및 수신받은 상기 신호들을 중 공진 주파수를 검출하고, 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 챔버 내의 플라즈마 상태를 분석하는 단계;를 포함하고, 상기 마이크로파 탐침은 몸통 및 상기 몸통의 한 끝단에 헤드를 구비하며, 상기 뷰-포트의 외면에 콘택하는 상기 헤드를 통해 상기 마이크로파를 인가하고 상기 신호들을 수신하는, 반도체 소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 탐침은, 상기 몸통과 헤드를 둘러싸는 구조를 가지며 중앙 부분에 관통 홀이 형성된 접지 커버를 포함하고, 상기 마이크로파 탐침을 비침투식으로 결합시키는 단계에서, 상기 접지 커버의 외곽 테두리 부분이 상기 챔버의 벽에 결합하여 접지되고, 상기 몸통은 상기 관통 홀을 통과하여 외부로 연장하여 커넥터를 통해 네트워크 분석기에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 상태를 분석하는 단계에서 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 플라즈마의 전자 밀도를 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마의 전자 밀도를 기 설정된 전자 밀도와 비교하고 허용 범위를 벗어난 경우에, 상기 플라즈마를 발생시키는 단계의 공정 변수들을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정에서의 플라즈마의 전자 밀도와 다른 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정에서의 플라즈마의 전자 밀도를 비교하여 차이가 발생한 경우에, 원인을 분석하여 상기 플라즈마 공정을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 웨이퍼는 실제 플라즈마 공정이 수행되지 않은 더미(dummy) 웨이퍼이며, 상기 플라즈마의 전자 밀도에 기초하여, 상기 챔버 내의 플라즈마의 안정화 시점을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마의 전자 밀도에 기초하여, 동일 챔버 간의 상태를 비교분석하거나 PM(Preventive Maintenance)의 시점을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 공정은 상기 웨이퍼에 대한 식각, 증착, 및 확산 공정 중 어느 하나를 포함하고, 상기 플라즈마를 발생시키는 단계에서 상기 웨이퍼에 상기 식각, 증착, 및 확산 공정 중 어느 하나를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 상태를 분석하는 단계에서 상기 플라즈마의 상태가 허용 범위 내인 경우에, 상기 웨이퍼에 대한 후속 반도체 공정을 수행하는 단계; 상기 웨이퍼를 각각의 반도체 칩으로 개별화하는 단계; 및 상기 반도체 칩을 패키징하는 단계;를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 내부에 웨이퍼가 배치된 챔버에 공정 가스를 주입하고 RF 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 챔버의 뷰-포트에 비침투식으로 결합하고, 몸통 및 상기 몸통의 한 끝단에 헤드를 구비한 마이크로파 탐침을 통해, 상기 챔버 내부로 마이크로파를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신하는 단계; 및 수신받은 상기 신호들을 중 공진 주파수를 검출하고, 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 챔버 내의 플라즈마 상태를 분석하는 단계;를 포함하는 반도체 소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 헤드는 평판 구조를 가지며, 상기 플라즈마를 발생시키는 단계 전에, 상기 마이크로파 탐침을 상기 챔버의 뷰-포트에 상기 비침투식으로 결합시키되, 상기 헤드의 표면이 상기 뷰-포트의 외면에 콘택하도록 결합시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 탐침은, 상기 몸통과 헤드를 둘러싸는 구조를 가지며 중앙 부분에 관통 홀이 형성된 접지 커버를 포함하고, 상기 비침투식의 결합에서, 상기 접지 커버의 외곽 테두리 부분이 상기 챔버의 벽에 결합하여 접지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 상태를 분석하는 단계에서, 상기 마이크로파 탐침에 연결된 네트워크 분석기가 상기 공진 주파수를 검출하고, 상기 네트워크 분석기에 연결된 분석용 컴퓨터가 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 플라즈마의 전자 밀도를 계산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마의 전자 밀도를 기 설정된 전자 밀도와 비교하고 허용 범위를 벗어난 경우에, 상기 플라즈마를 발생시키는 단계의 공정 변수들을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 공정은 상기 웨이퍼에 대한 식각, 증착, 및 확산 공정 중 어느 하나를 포함하고, 상기 플라즈마를 발생시키는 단계에서 상기 웨이퍼에 상기 식각, 증착, 및 확산 공정 중 어느 하나를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 상태를 분석하는 단계에서 상기 플라즈마의 상태가 허용 범위 내인 경우에, 상기 웨이퍼에 대한 후속 반도체 공정을 수행하는 단계; 상기 웨이퍼를 각각의 반도체 칩으로 개별화하는 단계; 및 상기 반도체 칩을 패키징하는 단계;를 수행할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 일 방향으로 연장된 구조를 갖는 몸통; 및 상기 몸통의 한 끝단에 연결되고, 평판 구조를 갖는 헤드;를 포함하고, 플라즈마 공정에서, 상기 헤드의 표면이 챔버의 뷰-포트(viewport)의 외면에 콘택하는 구조로 상기 챔버에 비침투식으로 결합하며, 상기 헤드를 통해 상기 챔버 내부에 마이크로파(microwave)를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신하는, 마이크로파 탐침을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 몸통과 헤드를 둘러싸는 구조의 접지 커버를 포함하고, 상기 플라즈마 공정에서, 상기 접지 커버는 외곽 테두리 부분이 상기 챔버의 벽에 결합하여 접지되며, 상기 몸통은 상기 접지 커버의 중앙에 형성된 관통 홀을 통해 외부로 연장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 몸통은 내부의 금속층과 상기 금속층을 덮는 절연 피복층을 포함하고, 상기 금속층은 상기 접지 커버와 절연될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 뷰-포트는 상기 챔버의 벽에 형성된 관통 홀을 덮는 형태로 상기 챔버의 벽의 일부를 구성하며, 상기 헤드는, 광이 투과하는 부분인 상기 뷰-포트의 윈도우 영역과 실질적으로 동일한 면적을 갖거나 상기 윈도우 영역보다 작은 면적을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 헤드는 원형 평판 구조를 가지며, 상기 원형 평판의 표면에는 곡선 또는 직선 형태의 홈들이 형성되거나, 또는 나선형의 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 몸통은 동축(co-axial) 케이블로 형성되고, 상기 몸통의 다른 끝단에 결합한 커넥터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 몸통은 다각형 기둥, 원기둥, 및 타원 기둥 중 어느 하나의 형태의 가요성의 금속층 및 상기 금속층을 덮는 절연 피복층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 뷰-포트는 상기 챔버의 벽에 형성된 관통 홀을 덮는 형태로 상기 챔버의 벽에 결합하되, 중앙에 홈이 형성된 구조를 가지며, 상기 마이크로파 탐침은 상기 홈에 삽입되는 구조로 상기 뷰-포트에 결합하며, 상기 헤드는 상기 홈의 바닥 면적과 실질적으로 동일한 면적을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 챔버에 탈부착 될 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 플라즈마 공정을 위한 챔버; 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 RF 전원장치; 상기 챔버에 구비된 뷰-포트에 비침투식으로 결합하고, 몸통 및 상기 몸통의 한 끝단에 헤드를 구비한 마이크로파 탐침; 및 상기 마이크로파 탐침과 전기적으로 연결된 네트워크 분석기(network analyzer);를 포함하는 플라즈마 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 몸통은 일 방향으로 연장된 구조를 가지며, 상기 헤드는 상기 몸통의 상기 한 끝단에 연결된 평판 구조를 가지며, 상기 마이크로파 탐침이 상기 뷰-포트에 결합한 상태에서, 상기 뷰-포트의 외형의 변화없이 상기 헤드의 표면이 상기 뷰-포트의 외면에 콘택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 탐침은 상기 플라즈마 공정에서 상기 헤드를 통해 상기 챔버 내부에 마이크로파를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신하되, 상기 챔버 내의 플라즈마 상태에 영향을 미치지 않으며, 상기 네트워크 분석기는 상기 신호들 중 공진 주파수를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 네트워크 분석기에 연결된 분석용 컴퓨터를 더 포함하고, 상기 분석용 컴퓨터는 상기 공진 주파수에 기초하여 분석 프로그램을 이용하여 상기 챔버 내의 플라즈마 상태를 분석할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 뷰-포트는 평판 형태로 상기 챔버의 벽에 형성된 관통 홀을 덮으며, 상기 헤드는 광이 투과되는 부분인 상기 뷰-포트의 윈도우 영역과 실질적으로 동일한 면적을 갖거나 상기 윈도우 영역보다 작은 면적을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 탐침은, 상기 몸통과 헤드를 둘러싸는 구조를 가지며 중앙 부분에 관통 홀이 형성된 접지 커버를 포함하고, 상기 마이크로파 탐침이 상기 뷰-포트에 결합할 때, 상기 접지 커버의 외곽 테두리 부분이 상기 챔버의 벽에 결합하여 접지되며, 상기 몸통은 상기 관통 홀을 통해 외부로 연장하되 외면을 덮는 절연 케이블에 의해 상기 접지 커버와 절연될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 탐침은 상기 챔버에 탈부착 되며, 상기 챔버에 부착된 상태에서, 상기 헤드의 표면은 상기 뷰-포트에 콘택하고, 상기 몸통은 다른 끝단에 결합한 커넥터를 통해 네트워크 분석기에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 마이크로파 탐침은 플라즈마 공정에서 상기 챔버의 뷰-포트 부분에 비침투식(non-invasive)으로 결합하여, 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 모니터링 하는 데에 매우 유용하게 이용될 수 있다. 예컨대, 마이크로파 탐침이 상기 챔버의 외부에 비침투식으로 결합함으로써, 마이크로파 탐침 자체가 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태에 전혀 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한, 이러한 비침투식의 마이크로파 탐침을 이용하여 마이크로파를 인가하고 상기 챔버 내의 신호들을 수신함으로써, 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 매우 정확하게 검출하고 모니터링 할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 플라즈마 모니터링 시스템은 챔버의 뷰-포트에 비침투식으로 결합하는 마이크로파 탐침을 포함함으로써, 챔버 내부의 플라즈마 상태에 영향을 미치지 않고, 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 정확하게 검출할 수 있다. 또한, 플라즈마 모니터링 시스템은 측정된 공진 주파수에 기초하여, 플라즈마의 전자 밀도를 계산하여 플라즈마 상태의 이상 유무를 정밀하게 모니터링하고, 플라즈마 공정의 공정 조건들을 제어함으로써, 플라즈마 공정을 최적화할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침에 대한 사시도 및 측면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침에 대한 사시도, 평면도들, 및 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침에 대한 평면도, 및 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침에 대한 사시도 및 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들의 마이크로파 탐침의 헤드 표면의 다양한 형태를 보여주는 평면도들이다.
도 6은 본 발명의 실시예들의 마이크로파 탐침의 몸통의 다양한 형태를 보여주는 사시도들이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로파 탐침에 대한 단면도들이다.
도 8a 및 도 8b는 도 2a의 마이크로파 탐침이 챔버에 결합한 모습을 보여주는 단면도 및 평면도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 3a의 마이크로파 탐침이 챔버에 결합한 모습을 보여주는 단면도 및 평면도이다.
도 10은 도 2a의 마이크로파 탐침이 챔버에 결합한 모습을 보여주는 평면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 탐침을 이용하여 챔버 내의 플라즈마 상태를 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 12a 및 도 12b는 챔버에 구비된 다른 형태의 뷰-포트에 본 실시예의 마이크로파 탐침들이 결합한 모습을 보여주는 단면도들이다.
도 13a 및 도 13b는 본 실시예의 마이크로파 탐침을 이용하여 챔버 내의 압력 및 인가 전력을 변경하면서 주파수에 따른 반사 계수를 보여주는 그래프들이다.
도 14는 압력 변화에 따른 플라즈마의 진동 주파수와 표면파의 흡수 주파수의 상관 관계를 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침을 구비한 플라즈마 모니터링 시스템을 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템을 이용하여, 챔버 내 플라즈마 안정화 시점을 결정하기 위한 개념을 보여주기 위한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템을 이용하여, 챔버 간의 툴 매칭에 활용을 설명하기 위한 개념도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템을 이용하여, 챔버의 PM 시점을 결정하기 위한 개념을 보여주기 위한 그래프이다.
도 19는 제1 웨이퍼와 제9 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템을 이용하여 검출한 플라즈마의 전자 밀도에 대한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 상태를 모니터링하고 플라즈마 공정을 제어하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 21은 발명의 일 실시예에 따른 상기 플라즈마 공정의 제어를 통해 반도체 소자를 제조하는 과정을 보여주는 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 통상의 기술자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소와 바로 연결될 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 유사하게, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 구조나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침에 대한 사시도 및 측면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100)은 몸통(110), 헤드(120), 및 커넥터(130)를 포함할 수 있다.
몸통(110)은 중심의 금속층(112)과 금속층(112)을 둘러싸는 절연 피복층(114)을 포함할 수 있다. 금속층(112)은 예컨대, 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등과 같은 전기 전도성이 좋은 금속으로 형성될 수 있다. 이러한 금속층(112)은 일반적으로 가요성 특성을 가질 수 있다. 그러나 경우에 따라 경도를 증가시키거나 두께를 증가시켜, 금속층(112)의 가요성 특성이 억제될 수도 있다. 금속층(112)은 일 방향으로 연장하는 기둥 또는 선의 형태를 가질 수 있다. 금속층(112)의 두께는 1㎜ 내외이고, 연장하는 길이는 수 ㎝ 정도일 수 있다. 물론, 금속층(112)의 두께와 길이가 상기 수치에 한정되는 것은 아니다. 참고로, 금속층(112)의 두께는 금속층(112)이 원기둥 형태일 때는 지름을 의미하고 사각 기둥 형태일 때는 얇은 쪽 변의 길이를 의미할 수 있다.
절연 피복층(114)은 금속층(112)을 보호하고, 금속층(112)을 외부의 다른 도전물질과 전기적으로 절연하는 기능을 할 수 있다. 예컨대, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이, 마이크로파 탐침(100a)이 도전성의 접지 커버(140)를 포함하는 경우, 절연 피복층(114)은 금속층(112)과 접지 커버(140)를 서로 절연시키는 기능을 할 수 있다. 절연 피복층(114)은 예컨대 면, 천연고무, 합성고무, 합성수지(또는 플라스틱), 세라믹 등으로 형성될 수 있다.
절연 피복층(114)의 형태는 금속층(112)을 둘러싸는 원기둥 튜브의 형태를 가질 수 있다. 물론, 절연 피복층(114)의 형태가 원기둥 튜브 형태에 한정되는 것은 아니다. 절연 피복층(114)을 포함한 몸통(110)의 제1 두께(T1)는 예컨대, 10㎜ 이하일 수 있다. 그러나 몸통(110)의 두께가 그에 한정되는 것은 아니다. 한편, 절연 피복층(114)은 금속층(112)과 함께 가요성 특성을 가질 수 있다. 따라서, 몸통(110)은 전체적으로 가요성 특성을 가질 수 있다. 금속층(112)의 가요성이 억제되는 경우, 절연 피복층(114) 역시 가용성이 억제되어 경도가 높은 플라스틱이나 세라믹으로 형성될 수도 있다.
한편, 몸통(110)은 일반적으로 RF 신호 전달에 이용되는 케이블들과 동일한 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 몸통(110)은 RG 58, RG 316, RG 400, RG 402, RG 405, SF/SR 085, SF/SR 141, LMR 200 등의 다양한 RF 케이블로 형성될 수 있다. 한편, 경우에 따라, 몸통(110)에는 절연 피복층(114)이 형성되지 않을 수 있다. 다시 말해서, 몸통(110)은 금속층(112)으로만 구성되고, 금속층(112)의 외면이 외부로 노출될 수 있다. 몸통(110)의 구체적인 형태에 대해서는 도 6의 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.
헤드(120)는 몸통(110)의 한쪽 끝단에 결합하고, 평판 구조를 가질 수 있다. 헤드(120)는 예컨대, 디스크(disk)와 같은 원형 평판 구조를 가질 수 있다. 물론, 헤드(120)의 구조가 원형 평판 구조에 한정되는 것은 아니다. 헤드(120)는 금속층(112)과 유사하게 Cu, Al 등과 같은 전도성이 좋은 금속으로 형성될 수 있다. 본 실시예의 마이크로파 탐침(100)에서 헤드(120)는 예컨대, Cu로 형성될 수 있다.
헤드(120)는 챔버에 설치되는 뷰-포트(viewport, 도 8a 및 도 8b의 220 참조)의 사이즈에 따라 면적이 달라질 수 있다. 예컨대, 헤드(120)가 원형 평판 구조로 형성되는 경우, 헤드(120)의 제1 지름(D1)은 상기 뷰-포트의 지름의 75% 이상일 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 뷰-포트의 지름이 5㎝ 정도라고 할 때, 헤드(120)의 제1 지름(D1) 4㎝ 이상일 수 있다. 물론, 헤드(120)의 면적이나 지름이 상기 수치들에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 헤드(120)는 상기 뷰-포트의 지름의 75% 미만의 면적으로 형성되거나, 또는 경우에 따라 상기 뷰-포트보다 더 큰 면적으로 형성될 수도 있다. 한편, 헤드(120)의 제2 두께(T2)는 예컨대, 10㎜ 이하일 수 있다. 그러나 헤드(120)의 두께가 그에 한정되는 것은 아니다.
헤드(120)는 몸통(110)의 금속층(112)에 전기적으로 연결될 수 있다. 헤드(120)는 금속층(112)을 통해 외부로부터 전달된 마이크로파(microwave)를 챔버(도 11 또는 도 15의 200 참조) 내부로 인가할 수 있다. 또한, 헤드(120)는 상기 챔버의 내부에서 발생한 신호들을 수신하여 금속층(112)을 통해 외부로 전달할 수 있다.
헤드(120)의 마이크로파 인가 기능 및/또는 신호 수신 기능의 향상을 위하여, 헤드(120)는 상기 챔버의 상기 뷰-포트에 콘택할 수 있다. 예컨대, 플라즈마 공정에서 본 실시예의 마이크로파 탐침(100)은 상기 챔버의 상기 뷰-포트 부분에 결합하게 되는데, 이때, 헤드(120)의 표면이 상기 뷰-포트의 외면에 콘택하는 구조로 상기 뷰-포트에 결합할 수 있다. 또한, 상기 기능들의 향상을 위해 상기 뷰-포트에 콘택하는 헤드(120)의 표면에는 다양한 패턴들이 형성될 수도 있다. 헤드(120)의 구조나 표면에 형성되는 패턴들에 대해서는 도 5의 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.
커넥터(130)는 몸통(110)의 다른 한쪽에 결합할 수 있다. 커넥터(130)는 외부 배선(도 8a의 310 참조)을 몸통(110)으로 전기적으로 연결하기 위한 일종의 접속 기구일 수 있다. 커넥터(130)는 마이크로파 등과 같은 RF 신호를 전달하는 RF 커넥터일 수 있다. 예컨대, 커넥터(130)는 SMA(SubMiniature A), SMB(SubMiniature B), N Type, BNC(Bayonet Neil-Concelman), TNC, 7/16 DIN 등을 포함할 수 있다. 물론, 커넥터(130)의 종류가 상기 커넥터들에 한정되는 것은 아니다. 한편, 커넥터(130)로 연결되는 상기 외부의 배선은 RF 케이블로서, 예컨대, RG 58, RG 316, RG 400, RG 402, RG 405, SF/SR 085, SF/SR 141, LMR 200 등일 수 있다. 물론, 상기 외부 배선의 종류가 상기 RF 케이블들에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100)에서, 커넥터(130)가 생략될 수도 있다. 예컨대, 마이크로파 탐침(100)의 몸통(110)이 네트워크 분석기(network analyser, 도 15의 300 참조)에 바로 연결될 수 있다. 즉, 몸통(110)이 상기 네트워크 분석기의 설치된 커넥터에 바로 연결될 수 있다. 이때, 몸통(110)은 예컨대, RF 케이블 구조로 형성될 수 있다. 상기 네트워크 분석기는 마이크로파를 발생시켜 외부로 전달하고, 또한 외부로부터 전달받은 신호를 수신하여 공진 주파수 등을 검출할 수 있다.
한편, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100)은 플라즈마 공정에서 챔버(도 15의 200 참조)의 뷰-포트(도 15의 220 참조) 부분에 비침투식(non-invasive)으로 결합할 수 있다. 여기서, 비침투식은 마이크로파 탐침(100)이 상기 챔버 내부로 침투하지 않고 외부에 결합하는 방식을 의미할 수 있다. 또한, 비침투식은 마이크로파 탐침(100)이 챔버 내부로 침투하지 않아 플라즈마와 접촉하지 않기 때문에 비접촉식이라고도 한다.
도시하지는 않았지만, 마이크로파 탐침(100)은 상기 챔버와의 결합을 위한 구조물을 포함할 수 있다. 예컨대, 몸통(110), 헤드(120), 및 커넥터(130) 중 적어도 어느 하나에 챔버와의 결합을 위한 구조물이 형성될 수 있다. 예컨대, 나사 결합, 후크 결합, 쐐기 결합, 스냅 결합 등의 다양한 기계적 결합을 위한 구조물이 마이크로파 탐침(100)에 설치되고, 또한 그에 대응하는 구조물이 상기 챔버의 벽(wall)에 설치됨으로써, 상기 결합 방식들을 통해 마이크로파 탐침(100)이 상기 챔버의 뷰-포트 부분에 결합할 수 있다. 한편, 진공 빨판과 같은 구조물이 마이크로파 탐침(100)에 설치되어 진공 흡착의 원리를 통해 마이크로파 탐침(100)이 상기 챔버의 뷰-포트 부분에 결합할 수 있다. 또한, 헤드(120)의 표면에 배치된 접착 테이프를 이용하여 마이크로파 탐침(100)이 상기 챔버의 뷰-포트 부분에 결합할 수도 있다.
경우에 따라, 마이크로파 탐침(100)은 별도의 결합 수단 없이 자연스럽게 상기 챔버의 뷰-포트에 결합할 수도 있다. 예컨대, 상기 뷰-포트가 원형으로 오목하게 들어간 구조로 형성된 경우, 비슷한 사이즈 갖는 헤드(120)를 형성하여 오목한 구조의 상기 뷰-포트 부분에 끼움으로써, 마이크로파 탐침(100)을 상기 챔버의 뷰-포트에 자연스럽게 결합시킬 수 있다.
본 실시예의 마이크로파 탐침(100)은, 플라즈마 공정에서 상기 챔버의 뷰-포트 부분에 비침투식(non-invasive)으로 결합하여, 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 모니터링 하는 데에 매우 유용하게 이용될 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 챔버에 설치된 상기 뷰-포트의 외면에 헤드(120)가 단순히 콘택하는 식으로 마이크로파 탐침(100)이 결합함으로써, 상기 뷰-포트의 외형의 변화없이 마이크로파 탐침(100)이 상기 챔버에 매우 용이하게 결합할 수 있다. 또한, 마이크로파 탐침(100)이 상기 챔버의 외부에 비침투식으로 결합함으로써, 마이크로파 탐침(100) 자체는 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태에 전혀 영향을 미치지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 비침투식의 마이크로파 탐침(100)을 이용하여 마이크로파를 인가하고 상기 챔버 내에서 발생한 신호들을 수신함으로써, 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 매우 정확하게 검출하고 모니터링 할 수 있다. 마이크로파 탐침(100)을 이용하여 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 검출 및 모니터링 하는 원리에 대해서는 도 11에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침에 대한 사시도, 평면도들, 및 단면도로서, 도 2b는 헤드 쪽에서 커넥터 방향으로 바라본 평면도이고, 도 2c는 커넥터를 제외한 부분의 단면도이며(이하, 다른 단면도들도 마찬가지임), 도 2d는 몸통, 헤드, 및 커넥터를 제거하고 접지 커버를 커넥터 쪽에서 헤드 방향으로 바라본 평면도이다. 도 1a 및 도 1b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100a)은 접지 커버(140)를 더 포함한다는 측면에서, 도 1a 및 도 1b의 마이크로파 탐침(100)과 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100a)은 몸통(110)과 헤드(120)를 둘러싸는 구조의 접지 커버(140)를 더 포함할 수 있다.
접지 커버(140)는 도시된 바와 같이 한쪽 면이 막힌 직사각형 프레임 구조를 가지되, 테두리 부분이 돌출되어 몸통(110)과 헤드(120)를 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 한편, 접지 커버(140)의 중앙에는 관통 홀(H1)이 형성되어 있고, 몸통(110)이 관통 홀(H1)을 통과하여 연장되어 접지 커버(140) 외부의 커넥터(130)에 연결될 수 있다. 경우에 따라, 접지 커버(140)에 관통 홀(H1)이 넓게 형성되고 커넥터(130) 부분이 관통 홀(H1) 부분에 끼워지는 식으로 배치될 수도 있다.
한편, 접지 커버(140)의 테두리 부분은 챔버(도 15의 200)의 벽에 밀착되어 나사 결합할 수 있다. 그에 따라, 접지 커버(140)의 부분에는 나사 홀(S)이 형성될 수 있다. 물론, 접지 커버(140)에는 나사 결합이 아닌 후크 결합, 쐐기 결합 또는 스냅 결합 등을 위한 구조물이 형성될 수도 있다. 도 8a에서 볼 수 있듯이, 접지 커버(140)가 챔버(200)의 벽(210)에 결합할 때, 헤드(120)의 표면이 챔버(200)의 뷰-포트(220)의 외면에 콘택할 수 있다.
접지 커버(140)는 도전성 물질, 예컨대 Cu, Al 등과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 접지 커버(140)는 전체가 금속으로 형성되거나 또는 표면 부분만이 금속으로 형성될 수 있다. 이러한 접지 커버(140)는 플라즈마 공정에서 접지 상태를 유지할 수 있다. 접지 커버(140)에 대한 접지는 접지 커버(140)를 접지 전원에 직접 연결하여 단독으로 수행될 수도 있고, 접지 전원에 연결된 상기 챔버의 벽과 결합함으로써, 상기 챔버의 벽과 함께 수행될 수도 있다.
접지 상태의 접지 커버(140)는 상기 챔버의 뷰-포트로부터 플라즈마 광의 방사(radiation)를 차단하고, 또한 외부의 노이즈가 헤드(120)로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 이러한 접지 커버(140)의 존재로 인해 챔버 내부에서 발생한 신호들에 대한 헤드(120)의 수신 효율이 향상될 수 있다. 그에 따라, 표면파 공진 주파수의 측정 감도가 향상될 수 있다. 덧붙여, 전술한 바와 같이 몸통(110)이 절연 피복층(114)을 포함함으로써, 노이즈가 금속층(112)으로부터 유입되는 것이 차단될 수 있다. 또한, 헤드(120)가 박막의 디스크 형태로 형성되어 상기 챔버의 뷰-포트에 콘택함으로써, 수신 효율이 보다 향상될 수 있다.
결과적으로, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100a)은 절연 피복층(114)을 포함한 몸통(110), 디스크 형태의 헤드(120), 그리고 몸통(110)과 헤드(120)를 덮으며 접지 상태를 유지할 수 있는 접지 커버(140)를 포함함으로써, 상기 챔버 내부에서 발생한 신호들에 대한 수신 감도, 예컨대 표면파 공진 주파수에 대한 측정 감도가 극대화될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침에 대한 평면도, 및 단면도로서, 도 3a는 헤드 쪽에서 커넥터 방향으로 바라본 평면도이다. 도 1a 내지 도 2d의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100b)은 필터(150)를 더 포함한다는 점에서, 도 2a의 마이크로파 탐침(100a)과 다를 수 있다. 또한, 헤드(120a)의 면적도 도 2a의 마이크로파 탐침(100a)의 헤드(120)의 면적과 다를 수 있다.
본 실시예의 마이크로파 탐침(100b)에서, 헤드(120a)는 제2 지름(D2)을 가질 수 있고, 제2 지름(D2)은 도 1a 또는 도 2a의 마이크로파 탐침(100 or 100a)의 헤드(120)의 제1 지름(D1)보다 작을 수 있다. 예컨대, 제2 지름(D2)은 2 내지 3㎝ 정도일 수 있다. 만약, 챔버(도 15의 200 참조)의 뷰-포트(도 15의 220 참조)의 지름이 5㎝ 정도라고 할 때, 헤드(120a)의 제2 지름(D2)은 상기 뷰-포트의 지름의 75% 이하일 수 있다.
이와 같이, 헤드(120a)의 면적이 작게 형성되는 경우, 마이크로파 탐침(100b)이 상기 챔버에 결합할 때, 상기 뷰-포트의 외곽 부분이 헤드(120a)와 콘택하지 않고 노출될 수 있다. 플라즈마 공정에서, 상기 뷰-포트의 노출된 부분을 통해 플라즈마 광이 방사할 수 있다.
한편, 플라즈마 공정에서, 상기 챔버 내부의 플라즈마 상태를 눈으로 직접 확인하는 경우가 있다. 이때, 헤드(120a)에 콘택하지 않고 노출된 상기 뷰-포트의 외곽 부분이 플라즈마 상태를 확인하는 데에 이용될 수 있다. 플라즈마 광에는 시력이나 피부에 손상을 줄 수 있는 UV(Ultra-Violet) 광이 포함될 수 있다. 따라서, UV 광을 차단하는 필터가 필요할 수 있다.
본 실시예의 마이크로파 탐침(100b)은 필터(150), 예컨대 UV 광을 차단할 수 있는 UV 필터를 포함할 수 있다. 필터(150)는 헤드(120a)의 외부를 둘러싸는 형태를 가질 수 있다. 구체적으로, 필터(150)는 중심 부분이 빈 원형 디스크와 같은 형태를 가질 수 있다. 필터(150)의 중심 부분에 헤드(120a)가 끼워져, 헤드(120a)는 필터(150)에 의해 둘러싸일 수 있다. 예컨대, 필터(150)의 중심 부분의 형태는 헤드(120a)와 같은 원형일 수 있고, 중심 부분의 면적은 헤드(120a)와 거의 동일하거나 약간 클 수 있다.
이러한 필터(150)는 도 9a 및 도 9b에서 확인할 수 있듯이, 상기 뷰-포트와 유사한 형태와 사이즈를 가질 수 있다. 따라서, 필터(150)는 헤드(120a)와 콘택하는 않는 외곽의 상기 뷰-포트의 부분을 덮을 수 있다. 경우에 따라, 필터(150)는 상기 뷰-포트보다 작게 형성될 수도 있으나 상기 뷰-포트 중 광이 통과하는 윈도우 영역(도 9b의 VPw 참조) 보다는 크게 형성될 수 있다.
필터(150)는 접지 커버(140)에 접착제 등을 통해 결합한 상태로 마이크로파 탐침(100b)의 일부를 구성할 수 있다. 또한, 상기 뷰-포트가 상기 챔버에 원형으로 오목하게 들어간 구조로 형성된 경우, 필터(150)는 상기 접지 커버(140)와 별도로 오목한 구조의 상기 뷰-포트 부분에 끼워지는 식으로 배치되고 마이크로파 탐침(100b)이 상기 챔버와 결합할 때, 접지 커버(140) 부분과 접촉하여 마이크로파 탐침(100b)의 일부를 구성할 수도 있다.
본 실시예의 마이크로파 탐침(100b)은 비교적 작은 헤드(120a)가 형성되고, 또한 헤드(120a)를 둘러싸는 필터(150)를 포함함으로써, 헤드(120a)를 통한 신호들 수신과 함께 헤드(120a)의 외곽 부분의 상기 뷰-포트를 통해 플라즈마 상태를 눈으로 확인할 수 있다. 또한, 필터(150)로서 UV 광을 차단하는 UV 필터를 채용함으로써, UV 광으로부터 눈을 보호할 수 있다. 참고로, 접지 커버(140)의 일부에는 광이 투과할 수 있는 윈도우 부분이 형성될 수 있고, 그러한 윈도우 부분을 이용하여 플라즈마의 상태 확인을 할 수 있다. 또한, 경우에 따라, 접지 커버(140)가 마이크로파 탐침(100b)으로부터 분리된 구조를 가지고 플라즈마의 상태 확인이 진행될 수도 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침에 대한 사시도 및 평면도로서, 도 4b는 헤드 쪽에서 커넥터 방향으로 바라본 평면도이다. 도 1a 내지 도 2d의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100c)은 접지 커버(140a)의 형태에 있어서, 도 2a의 마이크로파 탐침(100a)과 다를 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100c)에서, 접지 커버(140a)는 한쪽 면이 막힌 원형 프레임 구조를 가질 수 있다. 또한, 테두리 부분이 돌출되어 몸통(110)과 헤드(120)를 원형으로 둘러싸는 구조를 가질 수 있다.
한편, 접지 커버(140a)의 테두리 부분에는 나사 결합을 위한 나사 홀들(S)이 형성될 수 있다. 물론, 접지 커버(140a)에는 나사 결합이 아닌, 후크 결합, 쐐기 결합 또는 스냅 결합 등을 위한 구조물이 형성될 수도 있다. 일반적으로 챔버(도 15의 200)의 뷰-포트(도 15의 220)의 형태가 원형인 경우가 많으므로, 접지 커버(140a)를 원형으로 형성하여 상기 뷰-포트를 대칭적으로 덮을 수 있다.
한편, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100c)에서, 접지 커버(140a)의 외형이 원형에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 접지 커버(140a)는 상기 뷰-포트의 형태에 기초하여 타원, 다각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들의 마이크로파 탐침의 헤드 표면의 다양한 형태를 보여주는 평면도들이다. 이해의 편의를 위해 도 1a 및 도 1b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 5를 참조하면, 먼저, (a)의 헤드(120)는 가장 기본적인 구조로서, 헤드(120)는 디스크와 같은 원형의 평판 구조로 형성되고 표면에는 아무런 패턴이 형성되지 않을 수 있다. 예컨대, 챔버(도 8a의 200)의 뷰-포트(도 8a의 220)에 콘택하는 쪽의 헤드(120)의 표면에는 홈과 같은 패턴들이 형성되지 않고 매끈한 상태를 유지할 수 있다.
(b)의 헤드(120b)는 표면에 불규칙한 패턴들이 형성될 수 있다. 예컨대, 다수의 직선이나 곡선 형태의 홈들(122)이 헤드(120b)의 표면에 형성될 수 있다. 이러한 홈들(122)이 헤드(120b)의 표면에 형성됨으로써, 헤드(120b)를 통한 마이크로파 인가 및/또는 신호 수신의 효율이 향상될 수 있다.
(c)의 헤드(120c)는 표면에 나선형 패턴이 형성될 수 있다. 예컨대, 나선형의 홈(122a)이 헤드(120c)의 표면에 형성될 수 있다. 나선형의 홈(122a)이 헤드(120c)의 표면에 형성됨으로써, 역시 헤드(120c)를 통한 마이크로파 인가 및/또는 신호 수신의 효율이 향상될 수 있다.
(d)의 헤드(120d)는 표면에 다수의 동심원 패턴이 형성될 수 있다. 예컨대, 다수의 동심원 홈(122b)이 헤드(120d)의 표면에 형성될 수 있다. 동심원의 홈들(122b)이 헤드(120d)의 표면에 형성됨으로써, 역시 헤드(120d)를 통한 마이크로파 인가 및/또는 신호 수신의 효율이 향상될 수 있다.
지금까지, 헤드 표면에 직선 또는 곡선의 홈들, 나선형의 홈, 그리고 동심원의 홈들을 예시하였으나 헤드 표면에 형성되는 패턴의 형태가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 헤드의 마이크로파 인가 및/또는 신호 수신의 효율 향상을 위해 보다 다양한 형태의 패턴들이 헤드 표면에 형성될 수 있다.
(e)의 헤드(120e)는 타원형의 평판 구조를 가지며, (f)의 헤드(120f)는 직사각형의 평판 구조를 가질 수 있다. 물론, 헤드의 구조가 전술한 평판 구조에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 헤드는 삼각형 평판이나 오각형 평판 등과 같이 다양한 형태를 가질 수도 있다.
본 실시예의 마이크로파 탐침에서, 헤드의 형태는 콘택하는 상기 뷰-포트의 형태나 마이크로파 인가 및/또는 신호 수신 효율 향상의 측면에서 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 본 실시예의 마이크로파 탐침에서, 헤드의 구조는 평판 형태에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 경우에 따라, 헤드는 평판 형태가 아닌 탐침 형태를 가질 수 있다. 탐침 형태의 헤드의 경우, 별도로 헤드가 형성되는 것이 아니라, 몸통(110)의 금속층(112)의 끝단 일부가 헤드로서 작용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들의 마이크로파 탐침의 몸통의 다양한 형태를 보여주는 사시도들이다. 도 1a 및 도 1b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 6을 참조하면, 먼저, (a)는 몸통(110)의 금속층(112)을 보여주며, 금속층(112)은 일 방향으로 연장하는 원기둥 형태를 가질 수 있다. 이러한 금속층(112)은 전술한 바와 같이 전도성이 좋은 금속, 예컨대 Cu, Al 등으로 형성될 수 있다. 금속층(112)의 두께는 대략 1㎜ 내외로 형성되고 연장하는 길이는 수 ㎝일 수 있다. 물론, 금속층(112)의 두께와 길이가 상기 수치들에 한정되는 것은 아니다.
(b)는 사각기둥 형태의 금속층(112a)을 보여주며, 두께와 길이는 (a)의 금속층(112)과 유사할 수 있다. 참고로, 두께는 원기둥의 경우 지름을 의미하고, 사각 기둥의 경우 짧은 변의 길이를 의미할 수 있다. (a) 및 (b)에서 금속층(112, 112a)의 구조로 원기둥, 사각기둥 형태를 예시하였지만 금속층의 구조가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 금속층은 타원기둥으로 사각기둥 이외의 다각기둥 형태로 형성될 수도 있다. 한편, (a)의 금속층(112)과 (b)의 금속층(112a)은 외부의 절연 피복층 없이 그 자체로 몸통(110, 110a)을 구성할 수도 있다.
(c)는 기본적인 몸통(110)의 구조를 보여주며, 몸통(110)은 내부의 금속층(112)과 외부의 절연 피복층(114)을 포함할 수 있다. 금속층(112)은 (a)의 금속층(112)과 같이 원기둥 형태를 가질 수 있다. 물론, 금속층(112)은 (b)의 금속층(112a)과 같은 사각기둥 형태나, 또는 다른 다각기둥 형태를 가질 수도 있다. 절연 피복층(114)은 금속층(112)을 둘러싸는 구조로 형성되고, 금속층(112)의 절연을 위해 절연 물질로 형성됨은 전술한 바와 같다.
(d)는 동축(co-axial) 케이블 구조의 몸통(110b)을 보여준다. 몸통(110b)은 내부 금속층(112-1), 내부 절연층(114-1), 외부 금속층(112-2) 및 외부 절연층(114-2)을 포함할 수 있다. 내부 금속층(112-1)과 외부 금속층(112-2)이 금속층(112b)을 구성하고, 내부 절연층(114-1)과 외부 절연층(114-2)이 절연 피복층(114a)을 구성할 수 있다.
이러한 동축 케이블 구조는 전달하는 신호의 주파수가 높은 경우에 사용될 수 있다. 좀더 구체적으로, 동축 케이블은 높은 주파수까지 감쇠가 적으므로 광대역 전송에 적합하며, 또한 외부 금속층(112-2)의 존재로 누설이 적을 수 있다. 내부 절연층(114-1)은 일반적으로 폴리에틸렌이 사용되나, 굵은 것에서는 원판 모양의 스페이서가 사용될 수 있다. 또한, 고온 용에는 테플론이 사용되는 경우도 있다. 동축 케이블의 재질이나 신호 전달 특성 등은 이미 알려져 있는바 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 마이크로파 탐침들(100, 100a, 100b, 100c)의 몸통은 (d)의 몸통(110b)과 같은 동축 케이블 구조를 가질 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 마이크로파 탐침들(100, 100a, 100b, 100c)의 몸통은 비교적 높은 주파수의 신호들을 안정적으로 전달할 수 있다. 덧붙여, 커넥터(도 1a의 130 등)에 연결되는 외부 배선(도 8a의 310 참조) 역시 동축 케이블 구조로 형성될 수 있다. 이러한 동축 케이블 구조는 RF 신호를 전달하는 RF 케이블에 주로 사용되고 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로파 탐침에 대한 단면도들이다. 도 1a 내지 도 6의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 7a를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100d)은 헤드(120b)의 구조에서, 도 1a의 마이크로파 탐침(100)과 다를 수 있다. 본 실시예의 마이크로파 탐침(100d)에서, 헤드(120b)는 매우 작은 면적을 가질 수 있다. 예컨대, 헤드(120b)의 제3 지름(D3)은 몸통(110)의 제1 두께(T1)의 3배 이하일 수 있다. 경우에 따라, 헤드(120b)의 제3 지름(D3)은 몸통(110)의 제1 두께(T1)와 거의 동일할 수 있다. 더 나아가 헤드(120b)의 제3 지름(D3)은 몸통(110)의 금속층(112)의 두께와 거의 동일할 수도 있다. 헤드(120b)의 제3 지름(D3)이 몸통(110)의 금속층(112)의 두께와 실질적으로 동일한 경우, 헤드(120b)가 별도로 형성되지 않고 금속층(112)의 일부가 헤드로서 이용될 수도 있고, 헤드(120b)는 탐침 형태를 가지게 된다.
본 실시예의 마이크로파 탐침(100d)의 헤드(120b)는 도 12a 또는 도 12b에서 볼 수 있듯이, 뷰-포트(220b)가 중앙에 홈이 형성된 구조를 갖는 경우, 그러한 뷰-포트(220b)의 홈으로 삽입되어 결합할 수 있는 구조로서 적합할 수 있다. 또한, 헤드(120b)의 면적은 뷰-포트(220b)의 홈의 바닥면의 면적에 따라 변경될 수 있다. 예컨대, 헤드(120b)의 면적은 뷰-포트(220b)의 홈의 바닥면의 면적과 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 만약, 뷰-포트(220b)의 홈의 면적이 마이크로파 탐침(100d)의 몸통(110)의 면적과 비슷한 사이즈로 형성되는 경우, 헤드(120b)는 몸통(110)의 단면과 거의 동일한 지름을 가질 수 있다.
도 7b를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100e)은 헤드(120b)의 구조에서, 도 2a의 마이크로파 탐침(100a)과 다를 수 있다. 본 실시예의 마이크로파 탐침(100e)에서, 헤드(120b)는 도 7a의 마이크로파 탐침(100d)과 같이 매우 작은 면적을 가질 수 있다. 본 실시예의 마이크로파 탐침(100e) 역시 뷰-포트(220b)가 중앙에 홈이 형성된 구조를 갖는 경우, 뷰-포트(220b) 부분에 용이하게 결합할 수 있는 구조를 제공할 수 있다. 구체적으로, 헤드(120b)가 뷰-포트(220b)의 홈으로 삽입되고, 접지 커버(140)가 챔버의 외벽에 나사 결합 등 통해 결합하는 식으로 마이크로파 탐침(100e)이 챔버의 뷰-포트(220b) 부분에 결합할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 도 2a의 마이크로파 탐침이 챔버에 결합한 모습을 보여주는 단면도 및 평면도로서, 도 8b는 커넥터 쪽에서 헤드 방향으로 바라본 평면도이고 이해의 편의를 위해 커넥터, 접지 커버, 챔버 벽 등은 생략되어 도시되고 있다. 도 1a 내지 도 7b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100a)은 챔버(200)의 뷰-포트(220) 부분에 결합할 수 있다. 챔버(200)는 챔버 내부를 외부로부터 격리하기 위한 벽(wall, 210)을 포함하며, 뷰-포트(220)가 설치되는 부분에 벽(210)을 관통하는 관통 홀(H2)이 형성될 수 있다. 뷰-포트(220)는 관통 홀(H2) 덮는 구조로 챔버(200)의 벽(210)에 결합할 수 있다. 이러한 뷰-포트(220) 역시 챔버 내부를 외부로부터 격리하는 기능을 하므로 챔버의 벽의 일부를 구성할 수 있다.
한편, 뷰-포트(220)는 석영(SiO2), 사파이어(Al2O3) 등과 같은 재질로 형성되므로, 뷰-포트(220)를 통해 챔버 내부의 플라즈마 광이 외부로 방사할 수 있다. 따라서, 뷰-포트(220)를 통해 챔버 내부나 플라즈마 광을 시각적으로 관찰하거나, 또는 플라즈마 광을 검출할 수 있는 광학 장치를 뷰-포트(220)에 설치하여 상기 광학 장치를 통해 플라즈마 광을 검출할 수 있다.
도 8b에서 볼 수 있듯이, 뷰-포트(220)는 관통 홀(H2)에 대응하는 윈도우 영역(VPw)과 외곽 영역(VPo)을 포함할 수 있다. 윈도우 영역(VPw)은 관통 홀(H2)을 통해 방사한 플라즈마 광이 투과하는 영역이고, 상기 외곽 영역(VPo)은 챔버(200)의 벽(210)에 접촉하여 결합하는 부분일 수 있다. 헤드(120)의 면적은 윈도우 영역(VPw)과 거의 동일하거나 약간 작을 수 있다. 다시 말해서, 헤드(120)의 제1 지름(도 2c의 D1)은 윈도우 영역(VPw)의 제4 지름(D4)과 거의 동일하거나 약간 작을 수 있다. 경우에 따라, 헤드(120)의 제1 지름(D1)이 윈도우 영역(VPw)의 제4 지름(D4) 보다 클 수도 있다. 이와 같이 헤드(120)가 뷰-포트(220)의 윈도우 영역(VPw) 전체를 덮는 구조로 뷰-포트(220)에 결합함으로써, 신호 전달 특성이 향상될 수 있다. 특히, 챔버(200) 내부에서 발생한 플라즈마가 관통 홀(H2)을 통해 뷰-포트(220)의 윈도우 영역(VPw)에 직접 전달되므로, 헤드(120)가 보다 정확하게 플라즈마의 상태를 검출할 수 있다.
접지 커버(140)는 챔버(200)의 벽(210)에 나사 결합 등을 통해 결합할 수 있다. 도시된 바와 같이, 챔버(200)의 벽(210)의 외면은 뷰-포트(220)의 외면과 동일 평면을 이룰 수 있다. 그에 따라, 접지 커버(140)는 뷰-포트(220)의 외면과 챔버(200)의 벽(210)의 외면에 동시에 접촉하는 구조로 챔버(200)에 결합할 수 있다. 한편, 경우에 따라 뷰-포트(220)의 외면은 챔버(200)의 벽(210)의 외면으로부터 안쪽으로 들어간 구조를 가질 수 있다. 그러한 구조의 경우, 접지 커버(140)는 챔버(200)의 벽(210)에만 접촉하는 구조로 챔버(200)에 결합할 수 있다.
참고로, 챔버(200)의 벽(210)은 일반적으로 금속 재질로 형성되고, 플라즈마 공정 시에 외부로부터 노이즈를 차단하기 위하여 접지 상태를 유지할 수 있다. 챔버(200)의 벽(210)의 내측에는 절연 라이너(230)가 배치될 수 있다. 절연 라이너(230)는 챔버(200)의 벽(210)을 보호하고, 벽(210)에 돌출된 금속 구조물들을 덮어 챔버 내부에서의 아킹(arcing) 발생을 방지할 수 있다. 절연 라이너(230)는 세라믹 또는 석영 등으로 형성될 수 있다. 예컨대, 절연 라이너(230)는 사파이어(Al2O3)에 이트륨산화막(Y2O3)이 코팅된 구조를 가질 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 도 3a의 마이크로파 탐침이 챔버에 결합한 모습을 보여주는 단면도 및 평면도로서, 도 9b는 커넥터 쪽에서 헤드 방향으로 바라본 평면도이고 이해의 편의를 위해 커넥터, 접지 커버, 챔버 벽 등은 생략되어 도시되고 있다. 도 1a 내지 도 8b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100b) 역시 챔버(200)의 뷰-포트(220) 부분에 결합할 수 있다. 한편, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100b)은 전술한 바와 같이, 헤드(120a)가 도 2a의 마이크로파 탐침(100a)의 헤드(120)보다 작고, 헤드(120a)의 외곽으로 필터(150)를 더 포함할 수 있다. 그에 따라, 뷰-포트(220)의 외면이 헤드(120a)와 필터(150)에 의해 덮이는 구조로 마이크로파 탐침(100b)이 챔버(200)의 뷰-포트(220) 부분에 결합할 수 있다.
좀더 구체적으로, 헤드(120a)는 뷰-포트(220)의 윈도우 영역(VPw)의 일부를 덮고, 필터(150)는 헤드(120a)에 의해 덮이지 않은 윈도우 영역(VPw)과 외곽 영역(VPo)을 덮을 수 있다. 경우에 따라, 필터(150)는 뷰-포트(220)보다 외형이 적게 형성되어 외곽 영역(VPo)의 일부만 덮거나 외곽 영역(VPo)을 덮지 않을 수도 있다. 필터(150)는 헤드(120a)에 의해 덮이지 않고 노출된 윈도우 영역(VPw)을 덮어 플라즈마 광 중 UV 광 등을 차단할 수 있다. 따라서, 플라즈마 광이 투과되지 않은 외곽 영역(VPo)은 덮이지 않을 수 있다.
본 실시예의 마이크로파 탐침(100b)에서도 접지 커버(140)는 챔버(200)의 벽(210)에 나사 결합 등을 통해 결합할 수 있다. 도시된 바와 같이, 챔버(200)의 벽(210)의 외면은 필터(150)의 외면과 동일 평면을 이룰 수 있다. 따라서, 접지 커버(140)는 필터(150)의 외면과 챔버(200)의 벽(210)의 외면에 동시에 접촉하는 구조로 챔버(200)에 결합할 수 있다. 한편, 도 8a와 같이, 챔버(200)의 벽(210)의 외면은 뷰-포트(220)의 외면과 동일 평면을 이룰 수 있다. 그러한 구조의 경우, 필터(150)는 뷰-포트(220)의 외형보다 작게 형성되고, 접지 커버(140)는 뷰-포트(220)의 외면과 챔버(200)의 벽(210)의 외면에 동시에 접촉될 수 있다. 그러한 경우, 접지 커버(140)는 헤드(120a)와 필터(150)를 둘러쌀 수 있다.
도 10은 도 2a의 마이크로파 탐침이 챔버에 결합한 모습을 보여주는 평면도로서, 커넥터 쪽에서 헤드 방향으로 바라본 평면도이고 이해의 편의를 위해 커넥터, 접지 커버, 챔버 벽 등은 생략되어 도시되고 있다. 도 1a 내지 도 9b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 10을 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100a)은 도 8a의 마이크로파 탐침(100a)과 동일한 구조를 가질 수 있다. 그러나 마이크로파 탐침(100a)이 결합하는 뷰-포트(220a)의 외형은 도 8b의 뷰-포트(220)와 다를 수 있다. 예컨대, 뷰-포트(220a)는 도시된 바와 같이 직사각형 구조를 가질 수 있다. 뷰-포트(220a)는 윈도우 영역(VPw)과 외곽 영역(VP'o)을 포함할 수 있다. 윈도우 영역(VPw) 형태는 관통 홀(도 8a의 H2)의 형태에 대응하므로, 도 8b의 뷰-포트(220)의 윈도우 영역(VPw)과 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나 뷰-포트(220a)의 외형상의 차이에 기인하여, 외곽 영역(VP'o)의 형태는 도 8b의 뷰-포트(220)의 외곽 영역(VPo)과 다를 수 있다.
한편, 외곽 영역(VP'o)은 전술한 바와 같이 챔버(200)의 벽(210)에 결합하는 부분이므로 어떤 형태를 가져도 크게 문제되지 않을 수 있다. 따라서, 뷰-포트(220a)의 외형은 원형이나 직사각형 구조에 한하지 않고 타원형이나 직사각형 이외의 다각형 구조로 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로파 탐침을 이용하여 챔버 내의 플라즈마 상태를 검출하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11을 참조하면, 챔버(200) 내의 정전 척(240) 상에 웨이퍼(500)가 배치되고, 챔버(200) 내부에 공정 가스 주입 및 RF 전력 인가를 통해 플라즈마(P)를 발생시켜, 플라즈마(P)를 이용한 플라즈마 공정이 진행될 수 있다. 플라즈마 공정은 예컨대, 식각(etching), 증착(deposition), 확산(diffusion), 표면처리, 신물질 합성 공정 등일 수 있다. 플라즈마 공정, 특히 반도체 플라즈마 공정에 대해서는 도 15의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다. 한편, 챔버(200)의 뷰-포트(220) 부분에는 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로파 탐침들, 예컨대 도 2a의 마이크로파 탐침(100a)이 결합할 수 있다. 또한, 마이크로파 탐침(100a)은 커넥터(도 2a의 130 참조)에 연결된 외부 배선(310)을 통해 네트워크 분석기(300)에 연결될 수 있다.
네트워크 분석기(300)는 마이크로파를 생성하고, 외부 배선(310)을 통해 상기 마이크로파를 마이크로파 탐침(100a)으로 전달하여 헤드(도 2a의 120)를 통해 챔버(200) 내부로 인가할 수 있다. 좀더 구체적으로, 네트워크 분석기(300)로서 상용 네트워크 분석기가 사용될 수 있다. 반도체 플라즈마 공정에서 일반적으로 수백 메가 헤르츠(MHz)에서 수 기가 헤르츠(GHz)의 공진 주파수가 관찰되기 때문에, 네트워크 분석기(300)는 그러한 조건에 적합한 마이크로파를 발생시킬 수 있으면 충분하다. 한편, 마이크로파 신호는 네트워크 분석기(300)의 신호 전송 포트(Port)에서 외부 배선(310)을 통해 마이크로파 탐침(100a)으로 전달될 수 있다.
한편, 챔버(200) 내부로 입력된 마이크로파(Min)는 특정한 주파수에서 공진을 일으키게 된다. 공진 유무는 반사계수(S11)의 측정값의 변화를 통해 감지할 수 있다. 즉, 왼쪽의 네트워크 분석기(300) 내부의 그래프에서 볼 수 있듯이, 인가 신호의 반사계수(S11)의 특정한 피크(peak) 값들이 관찰되고, 그러한 피크 값들에 해당하는 주파수들이 공진 주파수들(fr)에 해당할 수 있다. 한편, 특정 공진 주파수 이외의 주파수는 전반사(full reflection) 되는 형태로 나타나 반사계수(S11)는 거의 1에 해당하게 된다.
이러한 공진 주파수는 표면파(surface wave)의 공진 현상으로 설명될 수 있는데, 표면파의 공진 주파수는 플라즈마 내에 발생한 전자들의 밀도와 물리적으로 연계되어 있다. 따라서, 공진 주파수를 알게 되면 플라즈마 내에 발생한 전자 밀도의 확인이 가능하다. 표면파의 공진 주파수와 플라즈마 내의 전자 밀도의 상관 관계에 대해 간단히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 플라즈마의 진동 주파수(fpe)는 다음 식(1)과 같이 표현될 수 있다.
fpe = 1/2π·(e2Ne/ε0 me)1/2 ....................... 식(1)
여기서, e는 전자의 전하량을, Ne는 단위 체적(㎝3)당 전자의 개수, 즉 전자 밀도를, ε0는 진공 유전율을, 그리고 me는 전자의 질량을 의미한다. e, ε0, 및 me는 상수로서 그 값을 대입하면, 식(1)은 다음과 같이 식(2)로 정리될 수 있다.
fpe(Hz) ≒ 8980·(Ne(㎝-3))1/2 ....................... 식(2)
한편, 전술한 바와 같이 플라즈마의 진동 주파수(fpe)는 표면파의 흡수 주파수(fabs), 즉 표면파의 공진 주파수와 비례 관계에 있다. 다시 말해서, 플라즈마의 진동 주파수(fpe)와 표면파의 흡수 주파수(fabs)는 다음 식(3)과 같은 관계를 가질 수 있다.
fpe ∝ fabs --> fpe = k·fabs ....................... 식(3)
여기서, 비례 계수 k는 고정된 값이 아니고, 해당 플라즈마 공정에서 뷰-포트와 탐침 구조, 그리고 측정 조건 등에 따라 달라지는 값이다. 다시 말해서, 실제로 플라즈마 진동 주파수(fpe)와 표면파의 공진 주파수의 관계를 정량적으로 결정하는 것은 복잡하다. 그러나 실험적 및/또는 통계적으로 k 값을 결정하여, 플라즈마 공정에 대한 모니터링에서 정성적인 상태변화 감지용으로 활용하는 데에는 별 무리가 없다.
결국, 표면파의 공진 주파수, 즉 표면파의 흡수 주파수(fabs)가 검출되고 실험적 및/또는 통계적으로 k 값이 결정되면, 식(2)의 플라즈마의 진동 주파수(fpe)에 대한 식을 식(3)에 대입하여, 플라즈마의 전자 밀도(Ne)를 구할 수 있다. 실제로 네트워크 분석기(300)에서 공진 주파수의 신호를 측정하게 되면, 측정된 공진 주파수 신호를 분석을 위한 컴퓨터로 전송하고, 상기 컴퓨터는 분석 프로그램을 이용하여 최종적으로 플라즈마의 전자 밀도를 계산하게 된다. 예컨대, 상기 분석 프로그램은 상기 식(1) 내지 식(3), 그리고 비례 계수 k 값 등을 이용하여 플라즈마의 전자 밀도를 계산하는 프로그램일 수 있다. 또한, 비례 계수 k 값은 해당 플라즈마 공정에 따라 뷰-포트, 탐침 구조, 측정 조건 등에 기초하여 실험적 및/또는 통계적으로 결정될 수 있다. 플라즈마의 전자 밀도가 계산되면, 플라즈마 공정에서 플라즈마의 밀도 및 상태 등을 정확하게 진단할 수 있다.
한편, 계산된 플라즈마의 전자 밀도는 챔버(200) 내의 뷰-포트(220) 근방의 플라즈마 상태를 나타낼 수 있다. 다시 말해서, 플라즈마 공정 중에 본 실시예의 마이크로파 탐침(100a) 및 네트워크 분석기(300)를 이용하여 공진 주파수를 검출함으로써, 뷰-포트(220)가 설치된 챔버(200)의 벽(도 8a의 210 참조) 근방의 플라즈마 상태 변화를 실시간으로 감지할 수 있다. 결국, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100a)은 플라즈마 공정에서, 플라즈마 상태의 이상 유무를 실시간으로 모니터링 하여 플라즈마 공정의 최적화에 기여할 수 있다.
참고로, 기존의 플라즈마 공정의 모니터링은 침투식 방식으로 탐침을 챔버 내에 직접 삽입한다. 이러한 탐침의 직접 삽입은 플라즈마 공정 진행 시, 사용하는 반응가스 및 발생하는 반응종들이 탐침 표면에 직접 접촉하게 되어 플라즈마 공정 상태에 영향을 미치게 된다. 따라서, 침투식 방식의 탐침은 이상적인 상태가 아닌 왜곡된 플라즈마 공정 상태를 모니터링 하게 된다. 결론적으로, 탐침을 챔버로 직접 삽입하여 플라즈마 공정을 모니터링 하는 방법은 산업체에서는 적합하지 않아 주로 대학 연구소와 같은 선행 연구개발용 등에 제한적으로 활용되고 있다.
그에 반해, 본 실시예들의 마이크로파 탐침들(100, 100a ~ 100e)은 비침투식으로 챔버(200)의 뷰-포트(220) 부분에 결합함으로써, 마이크로파 탐침들(100, 100a ~ 100e) 자체는 챔버(200) 내부의 플라즈마 상태에 전혀 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한, 본 실시예의 마이크로파 탐침들(100, 100a ~ 100e)은 절연 피복층(114)을 포함한 몸통(110), 및 디스크 형태의 헤드(120) 구조를 채용함으로써, 마이크로파 인가 및/또는 챔버 내부에서 발생한 신호들에 대한 측정 감도를 최적할 수 있다. 더 나아가, 본 실시예의 마이크로파 탐침들(100a ~ 100c, 100e)은 몸통(110)과 헤드(120)를 덮으며 접지 상태를 유지할 수 있는 접지 커버(140)를 포함함으로써, 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio: SNR)를 최대화하여 측정 신호 감도를 극대화할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 챔버에 구비된 다른 형태의 뷰-포트에 본 실시예의 마이크로파 탐침들이 결합한 모습을 보여주는 단면도들이다. 도 1a 내지 도 10의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 12a를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100e)은 도 7b의 마이크로파 탐침(100e)과 실질적으로 동일할 수 있다. 그에 따라, 마이크로파 탐침(100e)은 몸통(110), 헤드(120b), 커넥터(130) 및 접지 커버(140)를 포함하며, 헤드(120b)의 면적은 매우 작을 수 있다. 예컨대, 헤드(120b)의 제3 지름(도 7b의 D3)은 몸통(110)의 제1 두께(도 7b의 T1)의 3배 이하일 수 있다. 물론, 헤드(120b)의 지름이 상기 내용에 한정되는 것은 아니다.
챔버(200a)의 뷰-포트(220b)는 챔버(200a)의 벽(210a)에 형성된 관통 홀(H3)에 삽입되는 구조를 가지되, 중심에 홈(G)을 포함할 수 있다. 뷰-포트(220b)의 홈(G)은 원기둥 형태를 가질 수 있다. 물론, 뷰-포트(220b)의 홈(G)이 원기둥 형태에 한정되는 것은 아니다. 뷰-포트(220b)의 홈(G)의 제5 지름(D5)은 헤드(120b)의 제3 지름(D3)과 유사하거나 제3 지름(D3)보다 약간 클 수 있다. 마이크로파 탐침(100e)은 뷰-포트(220b)의 홈(G)에 몸통(110) 및 헤드(120b)가 삽입되는 구조로 챔버(200a)에 결합할 수 있다.
도시된 바와 같이, 뷰-포트(220b)의 외면과 챔버(200a)의 벽(210a)의 외면은 동일 평면을 이루며, 접지 커버(140)는 뷰-포트(220b)의 외면과 챔버(200a)의 벽(210a)의 외면에 동시에 접촉하는 식으로 챔버(200a)에 결합할 수 있다. 물론, 뷰-포트(220b)의 외면이 챔버(200a)의 벽(210a)의 외면으로부터 내부로 들어가는 식으로 형성될 수도 있고, 그러한 경우에는 접지 커버(140)는 챔버(200a)의 벽(210a)의 외면에만 접촉할 수 있다. 한편, 도시되지 않았지만, 챔버(200a)의 벽(210a)의 내측에는 도 8a 또는 도 9a와 같이 절연 라이너(230)가 배치될 수 있음은 물론이다.
도 12b를 참조하면, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100f)은 외부 덮개층(115)을 더 포함한다는 점에서, 도 12a의 마이크로파 탐침(100e)과 다를 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 마이크로파 탐침(100f)은 몸통(110)을 둘러싸는 외부 덮개층(115)을 더 포함할 수 있다. 외부 덮개층(115)은 원기둥 튜브 형태로 형성되며, 외부 덮개층(115)의 지름은 뷰-포트(220b)의 홈(G)의 제5 지름(D5)과 거의 동일할 수 있다. 이러한 외부 덮개층(115)은 Cu, Al과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 그러나 외부 덮개층(115)은 플라스틱과 같은 비금속으로 형성될 수도 있다. 또한, 외부 덮개층(115)은 플라스틱과 같은 비금속으로 형성되되 외부 표면만 금속으로 형성될 수도 있다.
마이크로파 탐침(100f)이 챔버(200a)의 뷰-포트(220b) 부분으로 결합할 때, 외부 덮개층(115)이 뷰-포트(220b)의 홈(G)에 삽입되어 단단하게 고정될 수 있다. 외부 덮개층(115)이 홈(G)에 고정됨에 따라, 헤드(120b)와 몸통(110)의 떨림이나 변형 등이 억제될 수 있다. 또한, 외부 덮개층(115)이 금속으로 형성된 경우, 몸통(110)과 외부 덮개층(115)이 동축 케이블과 같은 구조를 구성할 수 있고, 그에 따라 신호 전달 특성의 향상에 기여할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 실시예의 마이크로파 탐침을 이용하여 챔버 내의 압력 및 인가 전력을 변경하면서 주파수에 따른 반사 계수를 보여주는 그래프들로서, x축은 주파수를 나타내고 y축은 반사계수(S11)를 나타낸다. 한편, 도 13a는 챔버 내 아르곤(Ar) 가스의 압력을 1 mTorr을 고정한 상태에서 인가 전력을 변경하면서 측정한 그래프이고, 도 13b는 인가 전력을 3kW로 고정하고 Ar 가스의 압력을 변경하면서 측정한 그래프이다.
도 13a를 참조하면, 인가되는 전력이 증가할수록 반사계수(S11)의 피크 값이 상승함을 알 수 있다. 즉, 전력이 증가할수록 공진 주파수가 상승함을 알 수 있다. 공진 주파수가 증가한다는 것은 플라즈마의 진동 주파수(fpe)가 증가함을 의미하고, 플라즈마의 진동 주파수(fpe)의 증가는 결국 플라즈마 전자 밀도의 증가를 의미할 수 있다. 따라서, 전력이 증가할수록 플라즈마의 전자 밀도가 상승하게 됨을 알 수 있다. 이는 인가되는 RF 전력이 증가할수록 챔버 내 공정 가스들, 예컨대 Ar 가스들에 전달되는 에너지가 증가하고, 그에 따라 공정 가스들의 운동에너지 및 충돌 횟수가 증가하여 플라즈마 발생 확률이 높아진 것에 기인할 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이 공진 주파수 이외의 주파수들은 거의 전반사 되어 반사계수(S11)가 거의 1에 가까워짐을 확인할 수 있다.
도 13b를 참조하면, 챔버 내 압력이 증가할수록 반사계수(S11)의 피크 값이 상승함을 알 수 있다. 즉, 압력이 증가할수록 공진 주파수가 상승함을 알 수 있다. 이는 앞서 전력 증가에 따른 공진 주파수 증가가 플라즈마 전자 밀도의 증가로 귀결되는 것과 마찬가지로, 압력 증가에 따른 공진 주파수의 증가는 역시 플라즈마의 전자 밀도의 증가로 귀결될 수 있다. 압력 증가에 따른 플라즈마 전자 밀도의 증가는, 압력이 증가하면 챔버 내에 공정 가스들, 예컨대 Ar 가스들의 양이 증가하고, 그에 따라 공정 가스들 간의 충돌 횟수가 증가하여 플라즈마 발생 확률이 높아진 것에 기인할 수 있다.
도 14는 압력 변화에 따른 플라즈마의 진동 주파수와 표면파의 흡수 주파수의 상관 관계를 보여주는 그래프로서, x 축이 플라즈마의 진동 주파수(fpe)를 나타내고, y축이 표면파의 흡수 주파수(fabs), 즉 표면파의 공진 주파수를 나타낸다. 한편, 측정은 Ar 방전에 대해서 둥근 뷰-포트가 설치된 챔버에서 수행될 수 있다.
도 14를 참조하면, 압력별로 플라즈마의 진동 주파수(fpe)와 표면파의 흡수 주파수(fabs) 사이에 어느 정도 1차원 그래프 관계가 성립함을 알 수 있다. 따라서, 이러한 플라즈마의 진동 주파수(fpe)와 표면파의 흡수 주파수(fabs) 사이의 관계 그래프에 기초하여, 식(3)의 비례 계수 k 값을 구할 수 있다. 비례 계수 k 값과 공진 주파수를 검출하게 되면 플라즈마의 전자 밀도를 계산할 수 있음은 전술한 바와 같다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 탐침을 구비한 플라즈마 모니터링 시스템을 개략적으로 보여주는 구성도이다. 도 1a 내지 도 12b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 15를 참조하면, 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)은 마이크로파 탐침(100a), 챔버(200), 네트워크 분석기(300), RF 전원 장치(400-1, 400-2), 가스 공급원(600-1, 600-2), 펌핑 장치(700) 및 분석용 컴퓨터(800)를 포함할 수 있다.
마이크로파 탐침(100a)은 예컨대, 도 2a의 마이크로파 탐침(100a)일 수 있다. 물론, 도 2a의 마이크로파 탐침(100a) 대신, 다른 실시예들의 마이크로파 탐침들(100, 100b, 100c, 100d, 100e) 중 어느 하나가 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)에 채용될 수도 있다. 마이크로파 탐침의 구조는 챔버(200)의 뷰-포트(220)의 형태나 마이크로파 인가 및/또는 신호 수신 효율 향상의 측면에서 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 헤드가 마이크로파 인가 및/또는 신호 수신 효율 향상 크게 기여한다는 측면을 고려할 때, 헤드는 외형뿐만이 아니라 도 5의 설명 부분에서 설명한 바와 같이 뷰-포트(220)에 콘택하는 표면에 패턴들이 다양한 형태로 형성될 수 있다.
챔버(200)는 플라즈마 공정을 위한 챔버일 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이 챔버(200)는 ICP(Inductively Coupled Plasma)용 챔버일 수 있다. 물론, 챔버(200)가 ICP용 챔버에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)은 CCP(Capacitively Coupled Plasma)용 챔버, ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마용 챔버, SWP(Surface Wave Plasma)용 챔버, 헬리콘파(Helicon Wave) 플라즈마용 챔버, 전자빔(e-beam) 플라즈마용 챔버 등의 다양한 챔버를 채용할 수 있다. 한편, 챔버를 비롯한 주변 장치들 전체를 플라즈마 시스템이라고 부르기도 하는데, 챔버의 종류에 따라 주변 장치들이 조금씩 달라질 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)에서, ICP용 챔버(200), RF 전원 장치(400-1,400-2), 가스 공급원(600-1, 600-2), 및 펌핑 장치(700)가 ICP 시스템을 구성할 수 있다.
참고로, 플라즈마는 온도에 따라 저온 플라즈마와 열 플라즈마로 나눌 수 있는데, 저온 플라즈마는 반도체 제조, 금속 및 세라믹 박막제조, 물질합성 등 반도체 공정에서 주로 사용되고, 열 플라즈마는 금속의 절단 등에 응용되고 있다. 저온 플라즈마는 다시 응용 분야별로 대기압 플라즈마, 진공 플라즈마, 차세대 플라즈마 등으로 구별될 수 있다. 대기압 플라즈마 기술은 기체의 압력을 100 Torr에서 대기압(760 Torr)까지 유지하면서 저온 플라즈마를 발생시키는 기술을 의미하며, 표면 개질, 디스플레이 평판 세척, LCD용 광원 등에 이용될 수 있다. 진공 플라즈마 기술은 기체의 압력을 100 Torr 이하로 유지하면서 저온 플라즈마를 발생시키는 기술을 의미하며, 반도체 공정에서 건식 식각, 박막 증착, PR 에싱(ashing), ALD 성장 등에 이용되고, 디스플레이 공정에서는 디스플레이 평판에 대한 식각이나 박막 증착 등에 이용될 수 있다. 차세대 플라즈마 기술은 신개념 저온 플라즈마 발생 및/또는 차세대 신기술에 사용할 수 있는 저온 플라즈마를 발생시키는 기술을 의미할 수 있다.
챔버(200)는 기본적으로 벽(210), 뷰-포트(220), 정전 척(240, Electro-Static Chuck: ESC), 및 샤워 헤드(250)를 포함할 수 있다. 벽(210)과 뷰-포트(220)에 대해서는 도 8a 및 도 8b 부분에서 이미 설명했으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 정전 척(240)은 챔버(200) 내부의 하부 부분에 배치되며, 정전 척(240)의 상면에 웨이퍼(500)가 배치되어 고정될 수 있다. 정전 척(240)은 정전기의 힘에 의해 웨이퍼(500)를 고정할 수 있다. 샤워 헤드(250)는 챔버(200) 내부의 상부 부분에 배치되며, 다수의 분사공을 통해 공정 가스 등을 챔버(200) 내부로 분사할 수 있다.
RF 전원 장치(400-1, 400-2)는 상부 RF 전원 장치(400-1)와 하부 RF 전원 장치(400)를 포함할 수 있다. 상부 RF 전원 장치(400-1)는 RF-생성기(410-1), 매처(430-1) 및 코일(450)을 포함할 수 있다. RF-생성기(410-1)는 RF 전원을 생성하고, 매처(430-1)는 임피던스를 조절하여 플라즈마를 안정화한다. 매처(430-1)는 매칭 박스(matching box)라고 부르기도 한다. 코일(450)은 챔버(200)의 상부에 나선형으로 배치되고, RF 전원 인가에 의해 챔버 내부에 자기장을 발생시키게 된다. 자기장은 챔버 내부의 전자나 이온들을 가속하여 플라즈마 생성을 더욱 가속화시킨다.
하부 RF 전원 장치(400-2) 역시 RF-생성기(410-2) 및 매처(430-2)를 포함하며, 코일 대신 웨이퍼(500)에 RF 전원을 인가할 수 있다. 경우에 따라, RF 전원은 정전 척(240)을 경유하여 웨이퍼(500)에 인가될 수도 있다.
가스 공급원(600-1, 600-2)은 플라즈마 공정에 필요한 공정 가스를 공급한다. 여기서, 공정 가스는 소스 가스, 반응 가스, 퍼지 가스 등 해당 플라즈마 공정에서 요구되는 모든 가스들을 의미할 수 있다. 도 15에서 가스 공급원(600-1, 600-2)이 2개 도시되고 있지만, 요구되는 공정 가스의 종류에 따라 2개 이상 구비될 수 있다. 한편, 가스 공급원(600-1, 600-2)의 공정 가스들은 가스 공급관을 통해 샤워 헤드(250)로 공급되고 샤워 헤드(250)를 통해 챔버(200) 내부로 분사하게 된다. 경우에 따라, 가스 공급원(600-1, 600-2)의 특정 공정 가스는 챔버 내부로 바로 연결된 가스 공급관을 통해 챔버(200) 내부로 바로 공급될 수도 있다.
펌핑 장치(700)는 진공 펌프 등을 통해 플라즈마 공정 후 챔버(200) 내부의 가스들을 외부로 배기할 수 있다. 또한, 펌핑 장치(700)는 챔버(200) 내부의 압력을 조절하는 기능을 할 수도 있다.
네트워크 분석기(300)는 도 11의 설명 부분에서 설명한 바와 같다. 분석용 컴퓨터(800)는 일반 PC(Personal Computer), 워크스테이션(workstation), 슈퍼컴퓨터 등일 수 있다. 분석용 컴퓨터(800)에는 식(1) 내지 식(3)과 비례 계수 k 값 등을 기초로 하여 플라즈마의 전자 밀도를 계산할 수 있는 분석 프로그램이 깔려 있다. 그에 따라, 분석용 컴퓨터(800)는 네트워크 분석기(300)로부터 검출된 진공 주파수를 입력받아 상기 분석 프로그램을 이용하여 플라즈마의 전자 밀도를 계산할 수 있다. 또한, 분석용 컴퓨터(800)는 계산된 플라즈마 전자 밀도를 기설정된 기준치와 비교하여 플라즈마 상태의 이상 여부를 판단할 수도 있다. 더 나아가, 분석용 컴퓨터(800)는 플라즈마 상태의 이상이 있는 경우에 그 원인을 분석하여 해당 플라즈마 공정에 대한 새로운 공정 조건들을 제시할 수도 있다.
본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)은 챔버(200)의 뷰-포트(220)에 비침투식으로 결합하는 마이크로파 탐침(100a)을 포함함으로써, 마이크로파 탐침(100a)이 챔버(200) 내부의 플라즈마 상태에 영향을 미치지 않을 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)은 마이크로파 탐침(100a)과 네트워크 분석기(300)를 이용하여 챔버(200) 내부의 플라즈마 상태를 정밀하게 검출할 수 있다. 또한, 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)은, 절연 피복층(114)을 포함한 몸통(110), 디스크 형태의 헤드(120), 및 몸통(110)과 헤드(120)를 덮으며 접지 상태를 유지하는 접지 커버(140) 구조를 채용한 마이크로파 탐침(100a)을 포함함으로써, 마이크로파 인가 및 챔버(200) 내부의 신호들에 대한 측정 감도를 최적 및 극대화할 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)은 공진 주파수를 정확하게 검출하고, 검출된 공진 주파수에 기초하여 플라즈마의 전자 밀도를 정확하게 계산함으로써, 챔버(200) 내부의 플라즈마 상태의 이상 유무를 정밀하게 모니터링 할 수 있다.
한편, 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)은 도 16 내지 도 19에서 설명한 바와 같이 플라즈마 안정화 시점 결정, 챔버 간 툴 매칭, 챔버의 PM(Preventive Maintenance) 시점 결정 및 공정 진행성 이슈 감지 등에 활용되어 플라즈마 공정의 최적화에 크게 기여할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템을 이용하여, 챔버 내 플라즈마 안정화 시점을 결정하기 위한 개념을 보여주기 위한 그래프로서, x축은 챔버에 투입된 웨이퍼의 넘버를 나타내고, 왼쪽 y축은 챔버 내의 플라즈마의 전자 밀도를 나타내며, 오른쪽 y축은 식각률(etch rate)을 나타낸다. 한편, 플라즈마 전자 밀도는 ■로 표시되고, 식각률은 ▼로 표시되고 있다.
도 16을 참조하면, 챔버(도 15의 200 참조)가 아이들(idle) 상태에 있다가 플라즈마 공정을 새로이 진행할 때, 생성된 플라즈마가 해당 플라즈마 공정에서 요구되는 적정 상태에 도달했는지 판단하여야 한다. 즉, 소자용 웨이퍼에 대해 플라즈마 공정을 진행하기 전에, 먼저 플라즈마 안정화 시점, 즉 플라즈마 백업(back-up) 시점이 결정되어야 하고, 플라즈마 안정화 시점 이후에 비로소 소자용 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정이 진행될 수 있다.
기존에는 더미 웨이퍼들을 챔버 내부에 투입하여 플라즈마 공정을 진행하고, 더미 웨이퍼들을 검사, 예컨대 더미 웨이퍼에 대한 식각률을 검사하여 플라즈마가 적정 상태에 도달했는지 판단하게 된다. 이와 같은 기존의 플라즈마 안정화 시점 결정 방법의 경우, 다수의 더미 웨이퍼, 예컨대 백 장 이상의 더미 웨이퍼를 소비하게 되고, 또한, 플라즈마 공정 후 더미 웨이퍼를 계속 검사해야 하므로 많은 시간이 소요될 수 있다.
그러나 본 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템(도 15의 1000)을 이용하게 되면 실시간으로 플라즈마 상태를 검출할 수 있으므로, 챔버 내의 플라즈마 안정화 시점을 결정하는 데 있어서, 더미 웨이퍼의 소비를 현저하게 감소시킬 수 있고 또한 비교적 짧은 시간이 소요될 수 있다. 예컨대, 수 내지 수십 장 정도의 더미 웨이퍼의 소비를 가지고 정확하게 플라즈마 안정화 시점을 결정할 수 있다.
도 16의 그래프를 통해 알 수 있듯이, 각 더미 웨이퍼들에 대한 플라즈마 공정에서, 플라즈마의 전자 밀도들을 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(도 15의 1000)을 이용하여 실시간으로 검출할 수 있다. 이와 같이, 실시간으로 플라즈마의 전자 밀도를 검출함으로써, 챔버 내부의 플라즈마 상태를 어느 정도 예측 가능하고, 따라서 많은 더미 웨이퍼에 대한 식각률 검사가 불필요할 수 있다. 예컨대, 몇 개의 더미 웨이퍼들에 대한 식각률을 검사하는 것만으로 충분할 수 있다. 여기서, 더미 웨이퍼들에 검사는 검출된 플라즈마 전자 밀도의 정확성에 대한 확인 작업에 해당할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템을 이용하여, 챔버 간의 툴 매칭에 활용을 설명하기 위한 개념도이다.
도 17을 참조하면, 동일한 (a), (b), (c) 챔버들에서 동일한 조건으로 플라즈마를 공정을 진행시킨 경우라도, 도시된 바와 같이 각 챔버 내의 플라즈마의 상태가 다를 수 있다. 예컨대, (a) 챔버의 플라즈마(Pa)의 전자 밀도가 10이고, (b) 챔버의 플라즈마(Pb)의 전자 밀도는 9이며, (c) 챔버의 플라즈마(Pc)의 전자 밀도는 10일 수 있다. 이러한 차이는 예컨대, 챔버 간의 벽 조건(wall condition)에 기인할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템(도 15의 1000)을 이용하여 각 챔버의 내의 플라즈마의 전자 밀도를 실시간으로 모니터링 하여, 챔버 간의 벽 조건을 파악함으로써, 각 챔버의 적정 플라즈마 공정을 위한 툴 매칭에 활용할 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템을 이용하여, 챔버의 PM 시점을 결정하기 위한 개념을 보여주기 위한 그래프이다.
도 18을 참조하면, 챔버에서 장시간 플라즈마 공정이 진행되는 경우, 챔버 내의 플라즈마 상태가 적정 플라즈마 상태를 벗어나게 된다. 즉, 도시된 바와 같이 PM 시점 이후부터 플라즈마의 전자 밀도가 적정 플라즈마의 전자 밀도를 초과하게 된다. 따라서, PM 시점에 도달하게 되면 챔버에 대하여 세정 등의 PM을 수행하여야 한다.
본 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템(도 15의 1000)은 챔버의 내의 플라즈마의 전자 밀도를 실시간으로 모니터링 함으로써, PM 시점을 비교적 정확하게 결정할 수 있다. 그에 따라, 본 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템은 PM 주기 단축 및 양호한 챔버 상태 유지에 기인하여 플라즈마 공정 효율의 증대에 기여할 수 있다.
참고로, x축 상의 Bup은 앞서 도 16의 설명 부분에서 설명한 플라즈마 안정화 시점, 즉 플라즈마 백업 시점을 의미하고, y축 상의 S는 적정 플라즈마의 전자 밀도를 의미할 수 있다.
도 19는 제1 웨이퍼와 제9 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 시스템을 이용하여 검출한 플라즈마의 전자 밀도에 대한 그래프이다.
도 19를 참조하면, 일반적으로 하나의 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정은 다수의 부분 플라즈마 공정을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이 제1 웨이퍼(얇은 선)와 제9 웨이퍼(두꺼운 선)에 대한 플라즈마 공정은 각각 다수의 부분 플라즈마 공정을 포함할 수 있다. 또한, 부분 플라즈마 공정 각각은 해당 플라즈마 전자 밀도를 가지며, 전자 밀도가 0으로 나타나는 부분은 플라즈마 공정이 잠시 중단된 기간일 수 있다.
한편, 제1 웨이퍼와 제9 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정은 동일 챔버에서 동일 공정 조건으로 진행될 수 있다. 따라서, 제1 웨이퍼와 제9 웨이퍼에 대한 부분 플라즈마 공정들의 플라즈마 전자 밀도 역시 동일하게 나타나야 한다. 그러나 도시된 바와 같이 부분 플라즈마 공정들에서의 플라즈마 전자 밀도가 다르게 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, 제9 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정에 이상이 발생하였음을 알 수 있다. 좀더 정확히는 부분 플라즈마 공정들 중에서, 플라즈마 전자 밀도가 확연히 차이가 나는 부분의 플라즈마 공정들(점선 원들로 표시)에서 이상이 발생하였음은 알 수 있다. 참고로, 제2 내지 제8 웨이퍼에 대한 플라즈마 전자 밀도는 제1 웨이퍼에 대한 플라즈마 전자 밀도와 실질적으로 동일하게 나타나고, 그에 따라, 제8 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정까지는 문제가 발생하지 않은 것으로 예상할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 플라즈마 모니터링 시스템(도 15의 1000)은 각 웨이퍼에 대한 플라즈마 공정에서의 플라즈마의 전자 밀도를 실시간으로 측정함으로써, 플라즈마 공정 진행 중의 문제, 즉 공정 진행성 이슈를 실시간으로 모니터링 할 수 있다. 또한, 이러한 공정 진행서 이슈가 발견된 경우에 그 원인을 분석하여 활용함으로써, 플라즈마 공정의 최적화에 기여할 수 있다. 여기서, 원인의 분석 및 활용은 예컨대, 발견된 원인을 제거하거나, 또는 원인을 제거할 수 없을 때 공정 조건을 변경하여 문제를 해결하는 방법 등일 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 상태를 모니터링하고 플라즈마 공정을 제어하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 설명의 편의를 위해 도 15를 함께 참조하여 설명한다.
도 20을 참조하면, 먼저, 챔버(200)의 뷰-포트(220) 부분에 마이크로파 탐침(100a)을 결합한다(S110). 마이크로파 탐침(100a)은 도 2a의 마이크로파 탐침(100a)일 수 있다. 물론, 도 2a의 마이크로파 탐침(100a) 대신, 다른 실시예들의 마이크로파 탐침들(100, 100b ~ 100c)이 결합할 수도 있다. 또한, 뷰-포트(220)가 도 12a에 예시된 바와 같은 구조를 갖는 경우, 도 7a, 도 7b, 또는 도 12b의 마이크로파 탐침(100d ~ 100f)이 결합할 수도 있다. 한편, 마이크로파 탐침(100a)이 챔버(200)에 결합한다는 것은 마이크로파 탐침(100a)을 통해 네트워크 분석기(300)도 함께 연결된다는 것을 의미할 수 있다. 분석용 컴퓨터(800)의 경우, 마이크로파 탐침(100a)이 챔버(200)로 결합할 때, 네트워크 분석기(300)에 연결되어 네트워크 분석기(300)로부터 실시간으로 공진 주파수에 대한 데이터를 전달받을 수 있다. 또한, 분석용 컴퓨터(800)는 네트워크 분석기(300)에 연결되지 않은 상태로 있다가, 네트워크 분석기(300)가 공진 주파수를 검출한 후에, 분석용 컴퓨터(800)가 네트워크 분석기(300)로 연결되어, 네트워크 분석기(300)에 저장된 공진 주파수에 대한 데이터를 전송받을 수도 있다.
챔버(200) 내부의 정전 척(240) 상에 웨이퍼(500)를 배치한다(S120). 웨이퍼(500)의 배치는 앞서 마이크로파 탐침(100a)의 결합 이전에 수행할 수도 있다.
챔버(200)에 공정 가스 주입 및 RF 전원을 인가하여 플라즈마를 생성한다(S130). 공정 가스 주입은 가스 공급원(600-1, 600-2)으로부터 공급된 공정 가스들이 샤워 헤드(250)를 통해 분사되는 식으로 챔버(200)에 주입될 수 있다. RF 전원 인가는 상부 RF 전원 장치(400-1) 및 하부 RF 전원 장치(400-2)를 통해 챔버(200) 상부의 코일(450)과 챔버(200) 내부의 웨이퍼(500)에 RF 전력을 인가하는 식으로 수행될 수 있다.
한편, 본 단계에서 플라즈마를 생성한다는 것은 생성된 플라즈마를 이용하여 플라즈마 공정을 진행한다는 의미일 수 있다. 플라즈마 공정은 예컨대, 식각, 증착, 확산, 표면처리, 신물질 합성 공정 등일 수 있다.
마이크로파 탐침(100a)을 이용하여 챔버(200) 내부에 마이크로파를 인가하고 챔버(200) 내부에서 발생한 신호들을 수신한다(S140). 발생한 신호들 중에 표면파의 흡수 주파수 신호, 즉 표면파의 공진 주파수 신호가 포함될 수 있다. 마이크로파는 네트워크 분석기(300)에서 생성되어 마이크로파 탐침(100a)을 통해 챔버(200) 내부로 인가될 수 있다. 또한, 챔버(200) 내부에서 발생한 신호들은 마이크로파 탐침(100a)을 통해 수신되고, 외부 배선(310)을 통해 네트워크 분석기(300)로 전달될 수 있다.
수신된 신호들에서 표면파의 공진 주파수를 검출하고 공진 주파수에 기초하여 플라즈마 상태를 분석한다(S150). 표면파의 공진 주파수 검출은 네트워크 분석기(300)를 통해 이루어질 수 있다. 예컨대, 네트워크 분석기(300)는 반사계수(S11)의 피크 값을 검출함으로써, 표면파의 공진 주파수 신호를 검출할 수 있다.
한편, 플라즈마 상태 분석은 분석용 컴퓨터(800)를 통해 이루어질 수 있다. 예컨대, 분석용 컴퓨터(800)는 네트워크 분석기(300)로부터 검출된 진공 주파수를 입력받아 분석 프로그램을 이용하여 플라즈마의 전자 밀도를 계산한다.상기 분석 프로그램은 식(1) 내지 식(3)과 비례 계수 k 값 등을 기초로 하여 플라즈마의 전자 밀도를 계산하는 프로그램일 수 있다.
플라즈마 상태가 허용 범위 내에 있는지 판단한다(S160). 플라즈마 상태가 허용 범위 내인지는 분석용 컴퓨터(800)를 통해 이루어질 수 있다. 예컨대, 분석용 컴퓨터(800)는 계산된 플라즈마 전자 밀도를 기설정된 기준치와 비교하여 플라즈마 상태의 이상 여부를 판단할 수도 있다. 더 나아가, 분석용 컴퓨터(800)는 플라즈마 상태에 이상이 있는 경우에 그 원인을 파악하여 해당 플라즈마 공정에 대한 새로운 공정 조건들을 제시할 수도 있다.
플라즈마 상태가 허용 범위 내이면(Yes), 플라즈마 상태에 대한 모니터링을 종료한다. 한편, 플라즈마 상태가 허용 범위 밖이면(No), 플라즈마 공정의 공정 변수들을 조절한다(S170). 공정 변수들의 조절은 예컨대, 공정 가스들의 압력의 증감이나, 또는 인가되는 RF 전력의 증감 등을 통해 이루어질 수 있다. 한편, 공정 조건들의 조절은 분석용 컴퓨터(800)에서 시뮬레이션을 통해 획득된 데이터를 기초로 수행될 수 있다.
공정 변수들의 조절 후, 챔버 내부에 새로운 웨이퍼를 배치하는 단계(S120)로 돌아가, 다시 플라즈마 공정 수행 및 그에 대한 모니터링을 수행한다.
본 실시예의 플라즈마 상태 모니터링 방법은, 챔버(200)에 비침투식으로 결합하고 도 1a 내지 도 12b에 예시된 구조를 갖는 마이크로파 탐침을 이용하여 수행되므로, 챔버(200) 내부의 플라즈마 상태에 전혀 영향을 미치지 않으면서, 챔버(200) 내의 신호들에 대한 높은 수신 감도에 기인하여 챔버(200) 내부의 플라즈마 상태를 매우 정밀하게 검출 및 모니터링 할 수 있다. 또한, 본 실시예의 플라즈마 공정 제어 방법은, 상기 마이크로파 탐침을 이용한 챔버(200) 내부의 플라즈마 상태에 대한 정확한 모니터링에 기초하여, 플라즈마 공정의 공정 조건들을 적절히 제어함으로써, 플라즈마 공정을 최적화할 수 있다.
도 21은 발명의 일 실시예에 따른 상기 플라즈마 공정의 제어를 통해 반도체 소자를 제조하는 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 20의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 21을 참조하면, 먼저, 도 20의 설명 부분에서 설명한, 플라즈마 상태 모니터링 및 플라즈마 공정 제어 방법을 수행한다. 상기 플라즈마 상태 모니터링 및 플라즈마 공정 제어 방법은 웨이퍼(500)에 대한 플라즈마 공정을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 20의 설명 부분에서, 플라즈마를 생성하는 단계(S130)가 웨이퍼(500)에 대한 플라즈마 공정에 해당할 수 있다.
참고로, 도 21에서 "S160"은, 도 20의 플라즈마 상태 모니터링 및 플라즈마 공정 제어 방법을 수행함을 의미하고, "S160"로부터의 화살표는 플라즈마 상태 모니터링 및 플라즈마 공정 제어 방법을 종료하여 다음 단계로 이행함을 의미할 수 있다. 좀더 정확히 말하자면, 도 20의 플라즈마 상태의 허용 범위 판단 단계(S160)에서, 플라즈마 상태가 허용 범위 내에 속하여(Yes), 플라즈마 상태 모니터링 및 플라즈마 공정 제어 방법을 종료하고 다음 단계로 이행함을 의미할 수 있다.
웨이퍼(500)에 대한 후속 반도체 공정을 수행한다(S210). 웨이퍼(500)에 대한 후속 반도체 공정은 다양한 공정들을 포함할 수 있다. 예컨대, 웨이퍼(500)에 대한 후속 반도체 공정은 증착 공정, 식각 공정, 이온 공정, 세정 공정 등을 포함할 수 있다. 상기 증착 공정, 식각 공정, 이온 공정, 세정 공정 등은 플라즈마를 이용한 공정일 수도 있고, 플라즈마를 이용하지 않은 공정일 수도 있다. 만약, 플라즈마를 이용하는 공정인 경우에는, 전술한 플라즈마 상태 모니터링 및 플라즈마 공정 제어 방법을 다시 적용할 수 있다. 이러한 웨이퍼(500)에 대한 후속 반도체 공정을 수행하여 해당 반도체 소자에서 요구되는 집적 회로들 및 배선들을 형성할 수 있다. 한편, 웨이퍼에 대한 후속 반도체 공정에는 웨이퍼 레벨의 반도체 소자에 대한 테스트 공정을 포함할 수도 있다.
웨이퍼(500)를 각각의 반도체 칩으로 개별화 한다(S220). 각각의 반도체 칩으로의 개별화는 블레이드나 레이저에 의한 소잉 공정을 통해 이루어질 수 있다.
이후, 반도체 칩에 대한 패키징 공정을 수행한다(S230). 패키징 공정은 반도체 칩들을 PCB 상에 실장하고 밀봉재로 밀봉하는 공정을 의미할 수 있다. 한편, 상기 패키징 공정은 PCB 상에 다수의 반도체를 다층으로 적층하여 스택 패키지를 형성하거나, 또는 스택 패키지 상에 스택 패키지를 적층하여 POP(Package On Package) 구조를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 반도체 칩에 대한 패키징 공정을 통해 반도체 소자 또는 반도체 패키지가 완성될 수 있다. 한편, 패키징 공정 후에 반도체 패키지에 대한 테스트 공정이 수행될 수 있다.
본 실시예의 반도체 소자 제조방법은, 도 15의 플라즈마 모니터링 시스템(1000)을 이용하여 플라즈마 상태 모니터링 및 플라즈마 공정 제어를 수행함으로써, 플라즈마 공정을 최적화할 수 있고, 또한, 최적화된 플라즈마 공정에 기초하여 반도체 소자들을 제조함에 따라 우수하고 신뢰성 높은 반도체 소자를 구현할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 100a ~ 100f: 마이크로파 탐침, 110, 110a, 110b: 몸통, 112, 112a, 112b: 금속층, 114, 114a: 절연 피복층, 115: 외부 절연층, 120, 120a, 120b ~ 120f: 헤드, 130: 커넥터, 140, 140a: 접지 커버, 150: 필터, 200: 챔버, 220, 220a, 220b: 뷰-포트, 230: 절연 라이너, 240: 정전척, 250: 샤워 헤드, 300: 네트워크 분석기, 310: 외부 배선, 400-1, 400-2: RF 전원 장치, 410-1, 410-2: RF 생성기, 430-1, 430-2: 매처, 450: 코일, 600-1, 600-2: 가스 공급원, 700: 펌핑 장치, 800: 분석용 컴퓨터, 1000: 플라즈마 모니터링 시스템

Claims (20)

  1. 플라즈마 공정을 위한 챔버의 뷰-포트에 마이크로파 탐침(probe)을 비침투식으로 결합시키는 단계;
    상기 챔버의 내부에 웨이퍼를 배치하는 단계;
    상기 챔버에 공정 가스를 주입하고 RF 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 마이크로파 탐침을 통해 상기 챔버 내부로 마이크로파를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신하는 단계; 및
    수신받은 상기 신호들을 중 공진 주파수를 검출하고, 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 챔버 내의 플라즈마 상태를 분석하는 단계;를 포함하고,
    상기 마이크로파 탐침은 몸통 및 상기 몸통의 한 끝단에 헤드를 구비하며, 상기 뷰-포트의 외면에 콘택하는 상기 헤드를 통해 상기 마이크로파를 인가하고 상기 신호들을 수신하는, 반도체 소자 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 탐침은, 상기 몸통과 헤드를 둘러싸는 구조를 가지며 중앙 부분에 관통 홀이 형성된 접지 커버를 포함하고,
    상기 마이크로파 탐침을 비침투식으로 결합시키는 단계에서, 상기 접지 커버의 외곽 테두리 부분이 상기 챔버의 벽에 결합하여 접지되고, 상기 몸통은 상기 관통 홀을 통과하여 외부로 연장하여 커넥터를 통해 네트워크 분석기에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 상태를 분석하는 단계에서 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 플라즈마의 전자 밀도를 계산하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마의 전자 밀도를 기 설정된 전자 밀도와 비교하고 허용 범위를 벗어난 경우에,
    상기 플라즈마를 발생시키는 단계의 공정 변수들을 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 공정은 상기 웨이퍼에 대한 식각, 증착, 및 확산 공정 중 어느 하나를 포함하고,
    상기 플라즈마를 발생시키는 단계에서 상기 웨이퍼에 상기 식각, 증착, 및 확산 공정 중 어느 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 상태를 분석하는 단계에서 상기 플라즈마의 상태가 허용 범위 내인 경우에,
    상기 웨이퍼에 대한 후속 반도체 공정을 수행하는 단계;
    상기 웨이퍼를 각각의 반도체 칩으로 개별화하는 단계; 및
    상기 반도체 칩을 패키징하는 단계;를 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  7. 내부에 웨이퍼가 배치된 챔버에 공정 가스를 주입하고 RF 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 챔버의 뷰-포트에 비침투식으로 결합하고, 몸통 및 상기 몸통의 한 끝단에 헤드를 구비한 마이크로파 탐침을 통해, 상기 챔버 내부로 마이크로파를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신하는 단계; 및
    수신받은 상기 신호들을 중 공진 주파수를 검출하고, 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 챔버 내의 플라즈마 상태를 분석하는 단계;를 포함하는 반도체 소자 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 마이크로파 탐침은, 상기 몸통과 헤드를 둘러싸는 구조를 가지며 중앙 부분에 관통 홀이 형성된 접지 커버를 포함하고,
    상기 비침투식의 결합에서, 상기 접지 커버의 외곽 테두리 부분이 상기 챔버의 벽에 결합하여 접지되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 플라즈마 상태를 분석하는 단계에서,
    상기 마이크로파 탐침에 연결된 네트워크 분석기가 상기 공진 주파수를 검출하고,
    상기 네트워크 분석기에 연결된 분석용 컴퓨터가 상기 공진 주파수에 기초하여 상기 플라즈마의 전자 밀도를 계산하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 플라즈마 상태를 분석하는 단계에서 상기 플라즈마의 상태가 허용 범위 내인 경우에,
    상기 웨이퍼에 대한 후속 반도체 공정을 수행하는 단계;
    상기 웨이퍼를 각각의 반도체 칩으로 개별화하는 단계; 및
    상기 반도체 칩을 패키징하는 단계;를 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  11. 일 방향으로 연장된 구조를 갖는 몸통; 및
    상기 몸통의 한 끝단에 연결되고, 평판 구조를 갖는 헤드;를 포함하고,
    플라즈마 공정에서, 상기 헤드의 표면이 챔버의 뷰-포트(viewport)의 외면에 콘택하는 구조로 상기 챔버에 비침투식으로 결합하며, 상기 헤드를 통해 상기 챔버 내부에 마이크로파(microwave)를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신하는, 마이크로파 탐침.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 몸통과 헤드를 둘러싸는 구조의 접지 커버를 포함하고,
    상기 플라즈마 공정에서, 상기 접지 커버는 외곽 테두리 부분이 상기 챔버의 벽에 결합하여 접지되며,
    상기 몸통은 상기 접지 커버의 중앙에 형성된 관통 홀을 통해 외부로 연장하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 탐침.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 뷰-포트는 상기 챔버의 벽에 형성된 관통 홀을 덮는 형태로 상기 챔버의 벽의 일부를 구성하며,
    상기 헤드는, 광이 투과하는 부분인 상기 뷰-포트의 윈도우 영역과 실질적으로 동일한 면적을 갖거나 상기 윈도우 영역보다 작은 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파 탐침.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 챔버에 탈부착 되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 탐침.
  15. 플라즈마 공정을 위한 챔버;
    상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키기 위한 RF 전원장치;
    상기 챔버에 구비된 뷰-포트에 비침투식으로 결합하고, 몸통 및 상기 몸통의 한 끝단에 헤드를 구비한 마이크로파 탐침; 및
    상기 마이크로파 탐침과 전기적으로 연결된 네트워크 분석기(network analyzer);를 포함하는 플라즈마 모니터링 시스템.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 몸통은 일 방향으로 연장된 구조를 가지며,
    상기 헤드는 상기 몸통의 상기 한 끝단에 연결된 평판 구조를 가지며,
    상기 마이크로파 탐침이 상기 뷰-포트에 결합한 상태에서, 상기 뷰-포트의 외형의 변화없이 상기 헤드의 표면이 상기 뷰-포트의 외면에 콘택하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 시스템.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 마이크로파 탐침은 상기 플라즈마 공정에서 상기 헤드를 통해 상기 챔버 내부에 마이크로파를 인가하고 상기 챔버 내부에서 발생하는 신호들을 수신하되, 상기 챔버 내의 플라즈마 상태에 영향을 미치지 않으며,
    상기 네트워크 분석기는 상기 신호들 중 공진 주파수를 검출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 시스템.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 뷰-포트는 평판 형태로 상기 챔버의 벽에 형성된 관통 홀을 덮으며,
    상기 헤드는 광이 투과되는 부분인 상기 뷰-포트의 윈도우 영역과 실질적으로 동일한 면적을 갖거나 상기 윈도우 영역보다 작은 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 시스템.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 마이크로파 탐침은, 상기 몸통과 헤드를 둘러싸는 구조를 가지며 중앙 부분에 관통 홀이 형성된 접지 커버를 포함하고,
    상기 마이크로파 탐침이 상기 뷰-포트에 결합할 때, 상기 접지 커버의 외곽 테두리 부분이 상기 챔버의 벽에 결합하여 접지되며,
    상기 몸통은 상기 관통 홀을 통해 외부로 연장하되 외면을 덮는 절연 케이블에 의해 상기 접지 커버와 절연되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 시스템.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 마이크로파 탐침은 상기 챔버에 탈부착 되며,
    상기 챔버에 부착된 상태에서, 상기 헤드의 표면은 상기 뷰-포트에 콘택하고, 상기 몸통은 다른 끝단에 결합한 커넥터를 통해 네트워크 분석기에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 시스템.
KR1020150124942A 2015-09-03 2015-09-03 마이크로파 탐침, 그 탐침을 구비한 플라즈마 모니터링 시스템, 및 그 시스템을 이용한 반도체 소자 제조방법 KR102417178B1 (ko)

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