KR20190047404A

KR20190047404A - 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 모니터링 방법

Info

Publication number: KR20190047404A
Application number: KR1020170141263A
Authority: KR
Inventors: 권기청; 서영철; 서정호; 신기원; 권희태
Original assignee: 광운대학교 산학협력단; 주식회사 영신알에프
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-05-08
Also published as: KR101999692B1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치는 대상의 표면을 처리하기 위해 플라즈마 발생을 위한 전원을 입력받는 입력부, 상기 입력받은 전원을 인가받아, 상기 플라즈마를 발생시키는 전극부, 상기 발생된 플라즈마 하에서의 상기 대상의 표면과 상기 전극부 사이에서의 감지되는 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 센서부 및 상기 전기적 특성값을 이용하여 상기 발생된 플라즈마의 밀도를 산출함에 따라 상기 대상의 표면을 모니터링하는 대상 표면 모니터링부를 포함할 수 있다.

Description

플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 모니터링 방법 {Plasma generator capable of plasma-monitoring and method for plasma-monitoring}

본 발명의 실시예가 속하는 기술 분야는 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 모니터링 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 모니터링 방법에 관한 것이다.

디스플레이이 분야 등 대기압 플라즈마의 산업 적용 및 연구가 진행됨에 따라 대기압 플라즈마 관련 시장도 확산되고 있는 추세이다. 대기압 플라즈마 세정 및 표면 처리 공정에서 수율 향상 및 공정 최적화를 위한 플라즈마 진단 및 in-situ monitoring system이 필요하다. 그러나, 또한, 챔버가 없는 대기압 플라즈마 공정에서 대기압 플라즈마를 실시간으로 진단하고, 공정을 최적화하는 연구는 매우 부족하여 진행 중인 공정의 이상 유무를 판단하기 어려운 단점이 있다.

신재생에너지의 태양전지, 디스플레이, 반도체 산업에서 플라즈마를 사용하는 공정은 전공정의 80%가 넘고 있는 상황이다. 그 중 대기압 플라즈마는 표면처리 공정에서 주로 사용하고 있다. CPU, DRAM 등의 반도체 공정에서 세정용, 플라스틱, 유리기판 등의 친수성화/소수성 코팅 용도로 사용되며, 현재 대기압 플라즈마 세정은 대기압 챔버(Chamber) 내에서 진행되고 있다.

그러나 태양전지 웨이퍼, 디스플레이 기판 크기의 증가에 따라 공정 당 부가가치 창출액이 증가하고, 이에 비례하여 공정 실패 시 피해액 증가로 나타나고 있다. 따라서 대기압 플라즈마 공정에서 신뢰성 있는 공정 모니터링 및 제어기술의 필요성이 더 중요하게 부각되고 있다.

또한, 현재 RF 전원을 이용한 대기압 플라즈마 소스의 경우 시간이 경과함에 따라 아날로그 형태의 RF 정합장치가 미세하게 틀어지는 문제점이 존재한다.

한국 공개 특허 제10-2011-0034746호 (공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 모니터링 방법을 제공함으로써, 대면적 기판 표면처리 대기압 플라즈마 공정 중 플라즈마로 인한 플라즈마 전극 근처에서의 임피던스 변화를 감지하고, 임피던스를 실시간으로 측정하여, 대기압 플라즈마의 특성과 기판의 상태를 확인할 수 있는 실시간 전기적 진단이 가능한 대기압 플라즈마 소스 개발을 통해 대기압 공정 최적화를 진행하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치는 대상의 표면을 처리하기 위해 플라즈마 발생을 위한 전원을 입력받는 입력부, 상기 입력받은 전원을 인가받아, 상기 플라즈마를 발생시키는 전극부, 상기 발생된 플라즈마 하에서의 상기 대상의 표면과 상기 전극부 사이에서의 감지되는 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 센서부 및 상기 전기적 특성값을 이용하여 상기 발생된 플라즈마의 밀도를 산출함에 따라 상기 대상의 표면을 모니터링하는 대상 표면 모니터링부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 센서부는, 상기 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되며, 상기 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 전극 및 유전체 물질을 이용하여 상기 전극이 상기 플라즈마와 접촉되는 것을 방지하기 위해 상기 전극을 커버하는 전극 커버를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 센서부는 상기 대상의 표면적 중 적어도 일부와 대응하여 위치하며, 상기 전극부와 소정의 간격거리로 이격되어 형성될 수 있다.

또한, 그라운드 전압을 가지며, 상기 전극부의 적어도 일측에 형성되는 베이스부를 더 포함할 수 있고, 상기 센서부는 상기 베이스부 내에 위치하여 상기 임피던스 변화를 감지할 수 있다.

또한, 상기 입력된 전원의 전압, 전류 및 위상을 분석하여 플라즈마의 발생 여부를 판단하는 판단부 및 상기 분석된 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보를 전달받아, 상기 전극부의 표면을 모니터링하는 전극 표면 모니터링부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 플라즈마가 발생하는 위치로 공정 가스를 주입하는 공정 가스 주입부 및 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보에 따라 상기 공정 가스의 주입을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 상기 전극부는 상기 주입된 공정 가스 및 상기 인가받은 전원를 이용하여 상기 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

또한, 상기 입력받은 전원을 상기 전극부에 최대로 전달하기 위해 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 센서부는 적어도 2개의 전극들을 포함하고, 상기 전극들의 간격은 0.3 내지 12 mm로 형성되며, 상기 전극들의 너비는 5 내지 12 mm로 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치는 대상의 표면을 처리하기 위해 외부로부터 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부, 상기 공급된 전원을 인가받아, 상기 플라즈마를 발생시키는 전극부, 상기 발생된 플라즈마 하에서의 상기 대상의 표면과 상기 전극부 사이에서의 감지되는 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 센서부, 상기 전기적 특성값을 이용하여 상기 발생된 플라즈마의 밀도를 산출함에 따라 플라즈마를 진단하여 상기 대상의 표면을 모니터링하는 대상 표면 모니터링부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 센서부는, 상기 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되며, 상기 생성된 전기적인 신호가 인가되는 전극 및 유전체 물질을 이용하여 상기 플라즈마와 접촉되는 것을 방지하기 위해 상기 전극을 커버하는 전극 커버를 더 포할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극부와 센서부를 구비한 플라즈마 모니터링 방법에 있어서, 대상의 표면을 처리하기 위해 외부로부터 플라즈마 발생을 위한 전원을 입력받는 단계, 상기 입력받은 전원을 인가받아, 상기 플라즈마를 발생시키는 단계, 상기 발생된 플라즈마 하에서의 상기 대상의 표면과 상기 전극부 사이에서의 감지되는 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 단계 및 상기 전기적 특성값을 이용하여 상기 발생된 플라즈마의 밀도를 산출함에 따라 플라즈마를 진단하여 상기 대상의 표면을 모니터링하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 입력된 전원의 전압, 전류 및 위상을 분석하여 플라즈마의 발생 여부를 판단하는 단계 및 상기 분석된 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보를 전달받아, 상기 전극부의 표면을 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 플라즈마가 발생하는 위치로 공정 가스를 주입하는 단계 및 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보에 따라 상기 공정 가스의 주입을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 전극부는 상기 주입된 공정 가스 및 상기 인가받은 전원를 이용하여 상기 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 플라즈마 모니터링 방법이 컴퓨터에서 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.

본 발명의 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 모니터링 방법은 대기압 환경에서 플라즈마 공정 시 플라즈마 임피던스 변화를 측정하여 플라즈마 밀도를 계산함으로써 실시간 대기압 플라즈마 진단이 가능하다.

또한, 플라즈마 밀도와 동시에 임피던스 정합을 실시함으로써 임피던스를 실시간으로 측정하여 대기압 플라즈마의 특성과 기판의 상태를 확인할 수 있는 실시간 진단이 가능하여 대기압 플라즈마를 이용한 기판 세정 공정 시 공정 수율 향상에 기여하고 공정 결과물의 신뢰도 향상에도 기여할 수 있다.

또한, RF 전원을 이용한 대기압 플라즈마 소스의 RF 매칭 문제, 오류, 공정 변수 등을 실시간으로 제어함으로써 빠른 대응과 저비용 고효율 대응이 가능한 효과가 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부(150)를 보다 상세하게 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 표면 모니터링부가 임피던스를 측정하는 것을 설명하기 위해 도시된 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 조정부가 임피던스를 조정하는 것에 대해 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 조정부를 이용한 RF 전원의 임피던스 신호 처리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 방전 전 전압 값과 방전 후 전압 값 변화 및 플라즈마 밀도의 변화를 측정한 결과에 대한 그래프이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 흐름도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될

수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록"등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치의 구성을 관련된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본원 발명의 플라즈마 발생 장치는 진공 챔버가 아닌 대기압 환경에서 진행하는 대기압 플라즈마 공정에서 대면적 기판 표면 처리 대기압 플라즈마 공정 중 플라즈마로 인한 플라즈마 전극 근처의 임피던스 변화를 감지하고, 이에 따라 대기압 플라즈마의 특성과 기판의 상태를 실시간으로 진단하고, 이를 통해 대기업 공정 최적화를 진행할 수 있도록 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(100)는 입력부(110), 판단부(120), 제어부(130), 전극부(140), 센서부(150), 대상 표면 모니터링부(160) 및 베이스부(170)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 입력부(110)는 대상의 표면을 처리하기 위해 외부로부터 플라즈마 발생을 위한 전원을 입력받는다. 이 때, 입력부는 대기압 플라즈마 방전을 위한 특정 주파수의 RF 전원을 입력받을 수 있고, 보다 상세하게는 예컨대 13.56 MHz 주파수를 갖는 RF 전원일 수 있다. 여기서, 상기 대상은 대면적 기판일 수 있고, 이하에서는 상기 대상을 기판이라 하여 설명하도록 한다.

여기서 상기 입력부(110)는 입력받은 RF 전원으로부터 공급받은 교류 전압을 이용하여, 상기 교류 전압을 필터링하여 잡음을 제거하고 교류 전압을 출력하여, 상기 잡음이 제거된 교류 전압을 이용하여 정전압을 출력한다. 또한, 출력된 정전압을 병렬로 분배하여, 상기 분배된 정전압은 각각의 회로를 구동시키는데 사용될 수 있다.

또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(100)는 기판을 처리하기 위해 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부(미도시)를 포함하여 구성될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 판단부(120)는 입력부(110)로부터 입력된 RF 전원의 전압, 전류 및 위상을 분석하여 플라즈마의 발생 여부를 판단할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 입력되어 판단부(120)는 전극부(140)로 들어가는 RF 전원의 전압, 전류 및 위상의 신호들을 센싱하여 임피던스를 분석함으로써 플라즈마의 발생 여부를 판단한다.

또한, 도면에 도시하지는 않았으나, 일 실시예에 따른 본 발명의 플라즈마 발생 장치(100)는 플라즈마가 발생하는 위치로 공정 가스를 주입하는 공정 가스 주입부를 더욱 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 제어부(130)는 RF 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보에 따라 공정 가스의 주입을 제어할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 제어부(130)는 판단부(120)에서 센싱한 RF 전원의 전압, 전류 및 위상의 신호를 센싱함으로써 분석된 임피던스에 따라 상기 공정 가스 주입부로 들어가는 공정 가스의 양을 조절하여 주입하도록 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전극부(140)는 상기 입력부(110)로부터 입력받은 RF 전원을 인가 받아, 기판을 향하여 플라즈마를 발생시킨다. 보다 상세하게는, 본 발명의 전극부(140)는 상기 공정 가스 주입부에 의해 주입되는 공정 가스와 상기 RF 전원을 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 센서부(150)는 상기 전극부(140)로부터 발생된 플라즈마에 의해 기판과 관련된 임피던스의 변화를 감지할 수 있다. 즉, 본 발명의 센서부(150)는 발생된 플라즈마 하에서의 기판의 표면과 전극부(140) 사이에서의 감지되는 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성한다. 여기서, 상기 전긱적 특성은 발생된 플라즈마에 따른 전압 및 전류를 의미하고, 상기 전기적 신호는 상기 감지된 전압 및 전류에 대한 정보를 대상 표면 모니터링부(160) 또는 전극 표면 모니터링부(190)에 전달하기 위한 신호를 의미한다.

상기 발생된 플라즈마가 방전하면서 전극에 형성된 정전용량이 변하게 되고, 상기 정전용량의 변화는 전압의 변화로 나타나게 된다.

예를 들어, 임피던스는 Ｒ＋ｊＸ로　나타낼　수　있다．Ｒ은　저항(Resistance)，　Ｘ는　리액턴스(Reactance)를　의미한다. 상기 플라즈마 발생 장치에서 발생한 플라즈마를 등가회로로 변환하였을 때, 상기 등가회로는 R(Resistance), C(Capacitance), L(Inductance)직렬 또는 병렬의 조합으로 나타낼 수 있다. 상기 C(Capacitance) 또는 L(Inductance)로 인해 발생되는 리액턴스(Reactance)는 저항과 ±90도 위상 차를 보인다. 센서부(150)는 전기적 신호의 저항을 측정하고, 위상 변화기를 이용하여 상기 측정된 전기적 신호와 위상을 90도 차이가 생기게 설정하여 플라즈마의 임피던스를 측정할 수 있다. 플라즈마의 저항(R)은 플라즈마 밀도와 전자온도의 함수로 나타낼 수 있다. 상기 진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치에서 발생된 플라즈마의 정전용량 변화를 이용하여 플라즈마 밀도를 구하고 플라즈마의 저항을 측정하여 전자온도 또한 계산이 가능할 수 있다.

센서부(150)로부터 생성되는 전기적 신호가 하부에 위치하는 기판의 유/무와, 상기 기판의 물성에 따라 변화함으로써 상기 발생된 플라즈마의 임피던스가 변화하게 되고, 플라즈마 방전 후, 플라즈마의 임피던스 변화에 의해 상기 센서부(150)로부터 생성된 전기적인 신호가 변화하는 것을 감지한다.

본 발명의 실시예에 따른 대상 표면 모니터링부(160)는 센서부(150)로부터 감지된 임피던스 변화를 이용하여, 센서부에 의해 발생된 플라즈마의 밀도를 산출함에 따라 플라즈마를 진단하여 처리하고자 하는 상기 기판의 표면을 모니터링한다. 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마를 진단하는 방법은 후술하도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 베이스부(170)는 그라운드 전압을 가지며, 전극부(140)의 적어도 일측에 형성될 수 있다. 이때, 본 발명의 센서부(150)는 베이스부(170) 내부에 위치하여, 기판을 향해 발생된 플라즈마에 의해 변화하는 임피던스를 감지한다.

또한, 도1에는 외부의 장치로서 도시하였지만, 이에 제한되지 않는 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(100)는 판단부(120)로부터 분석된 RF 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보를 전달받아 전극부(140)의 표면을 모니터링하는 전극 표면 모니터링부(190)를 더욱 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 플라즈마 발생 장치(100)는 전극부(140)에 입력받은 RF 전원을 최대로 전달하기 위해 전원 공급부와 전극부간의 임피던스 정합을 위해 상기 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부(180)를 포함할 수 있다. 예컨대, 임피던스 정합을 위한 임피던스 조정부(180)는 상기 플라즈마 부하에 RF 전원을 최대로 전달시키기 위해 Variable vacuum Capacitor를 이용하여 임피던스를 실시할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 조정부(180)는 발생시키고자 하는 플라즈마에 RF 전력을 최대로 전달하기 위해 플라즈마 발생 장치(100) 내 전송 회로의 임피던스를 조정하는 임피던스 정합 모듈(Impedance matching module)일 수 있다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부(150)를 보다 상세하게 도시한 도면이다. 본 발명의 센서부(150)는 플라즈마 방전 또는 기판의 유/무에 따른 임피던스 변화를 감지하기 위해 전극부(140)의 측부에 위치하는 베이스부(170) 내에 형성된다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 센서부(150)는 기판의 표면적과 마주보는 위치에 형성될 수 있고, 전극부(140)와는 소정의 간격거리로 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 베이스부(170) 내에 위치하는 센서부(150)는 전극부(140)의 양측에 형성되는 베이스부(170)들 중 전극부(140)의 적어도 일측에 위치하는 베이스부 내에 마련될 수 있다. 이때, 센서부(150)의 개수에는 제한이 없으며, 센서부의 위치 또한 전극부(140)와는 이격되며, 기판의 표면과 마주하는 위치에 형성되는 것이면 베이스부(170) 내의 그 위치에 있어서는 제한되지 않는다.

도2를 참고하여 본 발명의 센서부(150)를 보다 상세하게 설명하면, 센서부(150)는 센서부의 하단부로 기판을 향해 플라즈마를 발생시키며, 발생되는 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되며, 상기 발생된 플라즈마에 따른 전기적인 신호를 생성하는 전극(152), 유전체 물질을 이용하여 상기 전극(152)과 플라즈마가 직접적으로 접촉하게 되는 것을 방지하기 위해 전극(152)을 커버하는 전극 커버(156)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전극(152)은 양극인 제1 전극(152a)과 음극인 제2 전극(152b)의 적어도 2개의 전극들로 구성될 수 있고, 여기서 상기 제1 전극과 제2 전극간 간격은 0.3 내지 12 mm로 형성되는 것이 바람직하고, 제1 전극과 제2 전극의 너비는 5 내지 12 mm로 형성되는 것이 바람직하다.

전극의 형태에 따라 전극에서 형성되는 정전용량 형성 범위(Penetration depth, T)가 달라진다. 정전용량 형성 범위는 전극의 간격, 전극의 너비 값에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 플라즈마 소스와 바닥 혹은 기판의 거리를 4 내지 6 mm 간격으로 배치하여, 정전용량의 형성 범위를 설정하도록 할 수 있다.

발생되는 플라즈마에 따른 임피던스 변화를 감지하는 센서부(150)는 전극(152)의 형태에 따라 전극에서 형성되는 정전용량이 형성되는 범위 값이 변화하게 되므로, 본 발명의 전극(152)은 사용자에 의해 다양한 형태로 구현될 수 있을 것이다. 다만, 본 발명의 실시예에 의한 전극(152)은 하부면에 인접하여 형성된 유전체 기판(156)에 증착 또는 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 구리 또는 구리 합금 등의 저항이 낮고 전기 전도도가 우수한 물질로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전극 커버(156)는 유전체 물질을 이용하여 전극(152)과 발생된 플라즈마가 직접적으로 닿지 않게 하고, 상기 발생된 플라즈마에 의해 유전체 물질에서 전하가 축적되면서 그에 따라 플라즈마에 의한 임피던스 변화가 나타나게 된다. 대기압 플라즈마의 경우, 입력된 RF 전원이 플러즈마에 그대로 인가되기 때문에 본 발명의 전극 커버(156)는 유전율이 높은 물질로 형성되는 것이 바람직하다.

이때 또 다른 일 실시예에 따른 전극 커버(156)는 전극에 하부면과 인접하여 형성되어 기판과 전극(152) 사이에 위치하는 유전체 기판(154) 과 전극의 하부면을 제외한 타 면적을 커버하는 전극 커버(156)로 구분되어 형성될 수 있다.

예컨대, 상기 유전체 기판(154)은 구리와 같은 전도체 물질이 증착되어 형성되고, 그 위에 상기 전극 커버(156)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 전극 커버(156)의 두께가 유전체 기판(154)보다 더 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 전극 커버(156)의 두께는 전극의 크기에 따라 다르게 형성될 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 500 um 범위 내에 해당하는 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 센서부(150)는 대기압 플라즈마 방전 전, 센서부(150)로부터 생성된 전기적 신호가 기판의 유/무와 기판의 물성에 따라 변화하게 되므로, 이를 감지하여 대상 표면 모니터링부(160)에 전달함으로써, 본 발명의 대상 표면 모니터링부(160)가 기판을 실시간으로 모니터링하고, 플라즈마 방전 후 플라즈마의 임피던스 변화에 의해 상기 전기적인 신호가 변화함으로써 본 발명의 대상 표면 모니터링부(160)는 이를 이용하여 플라즈마 밀도를 실시간으로 진단할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 대상 표면 모니터링부(160)는 입력된 RF 전원과 미리 설정된 기준 임피던스에 따른 센서부(150)의 임피던스 상관관계 식을 이용하여, 대기압 플라즈마 소스에서 대기압 플라즈마 임피던스 및 기판의 존재여부 및 기판 종류에 따른 기판 표면에서의 임피던스 변화를 모니터링할 수 있다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 표면 모니터링부가 임피던스를 측정하는 것을 설명하기 위해 도시된 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(100)에 입력된 RF 전원에 의한 기준 임피던스에 걸리는 전압을 기준 신호(Reference signal)의 전압 값에 대한 식으로 나타낼 수 있다. 상기 기준 임피던스에 걸리는 전압에 대한 식은 다음 <수학식 1>과 같다.

여기서, Xs는 기준 임피던스이고, Vs는 기준 임피던스에 걸리는 전압이며, V_R은 기준 신호의 전압 값이고, X_x는 센서부(150)가 감지하고자 하는 임피던스 값을 나타낸다.

상기 <수학식 1>을 측정하고자 하는 임피던스 X_x의 값에 대해 정리하면 다음과 같다.

여기서, 상기 Xs는 기준 임피던스 값으로 이미 알고 있는 값이므로, 기준 신호의 실효값(RMS)과 기준 임피던스 Xs에 걸리는 전압 값인 Vs를 감지(측정)하여, 상기 <수학식2>를 통해 센서부(150)의 임피던스 값 X_x을 산출할 수 있게 된다.

본 발명의 대상 표면 모니터링부(160)는 상기와 같이 임피던스 값(X_x)을 산출함으로써 실시간으로 센서부(150)에 의해 감지된 임피던스의 변화를 모니터링하고, 그에 따라 플라즈마의 밀도를 산출하여, 상기 플라즈마 방전 시 기판 표면의 상태를 모니터링한다.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 조정부가 임피던스를 조정하는 것에 대해 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 대기압 플라즈마 방전을 실시하는 RF generator를 더욱 포함할 수 있고, 본 발명의 임피던스 조정부(180)는 RF generator(이하, RF 파워 발생기) 뒷단과 임피던스 조정부 뒷단에 판단부(120)를 배치시켜 임피던스 조정부(180)가 미세하게 틀어지는 이유로 발생되는 문제를 해결하기 위하여 실시간으로 RF 임피던스(RF Impedence)를 측정할 수 있다.

또 다른 예로서, 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 판단부(120)는 임피던스 조정부(180)의 뒷단에 배열되는 것을 기본으로 하지만, 필요에 따라 복수개로 구비될 수 있고, 임피던스 조정부(180)와 RF 파워 발생기 사이에 설치될 수도 있다.

다음으로, 도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 조정부를 이용한 RF 전원의 임피던스 신호 처리를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 조정부(180)를 이용하여 출력단의 전압과 전류, 위상차를 측정하여 출력 RF 전원에 대한 RF 임피던스 신호를 측정한다. 이때, 본 발명의 판단부(120)는 RF 신호 발생기(RF generator) 뒷단 및 임피던스 조정부(180) 뒷단에 연결되어, 앞단에 위치하는 판단부(120)는 RF 신호 발생기와 임피던스 조정부(180) 간 임피던스 매칭을 위한 센서로 예컨대, RF 신호 발생기의 출력 임피던스는 50Ω으로, 임피던스 조정부(180) 회로 입력 임피던스와 출력 임피던스가 50Ω으로 정합하기 위해 사용하는 센서 역할을 한다. 뒷단에 위치하는 판단부(120)는 전극과 임피던스 조정부(180)간 임피던스를 센싱하는 역할을 하며, 플라즈마 방전 후 플라즈마의 임피던스를 확인하는 센서의 역할 또한 수행할 수 있다.

도6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 방전 전 전압 값과 방전 후 전압 값 변화를 측정한 결과에 대한 그래프이고, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 방전 전 대기압 플라즈마 밀도의 변화를 나타내는 그래프이다.

플라즈마를 발생시키는 경우, 상기 발생된 플라즈마의 전압은 급격히 낮아지고, 상기 플라즈마를 방전시키는 경우, 상기 방전된 플라즈마의 전압은 급격히 높아진다.

대기압 환경 하에 플라즈마 방전을 시작하면 플라즈마의 임피던스가 변화하는 경향을 보이는 것을 근거로 플라즈마 내의 하전입자의 플라즈마의 임프던스에 변화를 가져오는 주요한 원인으로 가정할 수 있다. 따라서, 도6의 (b)와 같이 대기압 플라즈마 공정 시 임피던스 변화를 통해 플라즈마 밀도 진단을 실시할 수 있다.

또한, 본 발명의 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치(100)는 도6 (b)에서 측정한 바와 같이 플라즈마 방전 전/후 전압의 차를 이용하여, 임피던스 변화에 따른 플라즈마 밀도를 실시간으로 확인할 수 있다.

플라즈마 발생 장치(100)가 플라즈마 방전을 시작하면, 상기 플라즈마의 정전용량이 감소하는 것을 근거로 플라즈마 내의 하전입자가 정전용량의 변화를 가져오게 된다. 따라서, 플라즈마 공정 시 플라즈마의 정전용량이 변화하는 것을 통해 플라즈마의 밀도를 진단할 수 있게 된다. 여기서, 상기 하전입자는 전기적으로 양성이지만 음성 전하를 가진 이온입자이다. 예를 들어, 이온, 양성자, 전자 등, 양 또는 음의 전하를 가진 입자이다.

이에 따라, 본 발명의 대상 표면 모니터링부(150)는 실시간으로 플라즈마 밀도 변화와 함께 임피던스 정합을 위해 플라즈마 발생에 따라 측정 및 감지된 임피던스를 전극 표면 모니터링부(190)에 전달 및 송신함으로써, 실시간으로 플라즈마 밀도와 임피던스 값을 확인하는 모니터링을 수행할 수 있다.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 모니터링 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 흐름도이다.

S71 단계에서, 본 발명의 입력부(110)는 RF 전원을 입력받는다. 이때, 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(100)는 RF 전원을 발생시키는 전원 공급부를 포함하여 구성될 수 있고, 전원 공급부가 외적 구성요소로서 본 발명의 플라즈마 발생 장치가 외부에 있는 전원 공급부로부터 RF 전원을 입력 받도록 구성될 수도 있다.

다음으로, S72 단계에서, 본 발명의 전극부(140)는 입력부에서 입력받은 RF 전원을 인가 받아, 기판을 향하여 플라즈마를 발생시킨다. 보다 상세하게는, 본 발명의 전극부(140)는 상기 공정 가스 주입부에 의해 주입되는 공정 가스와 상기 RF 전원을 이용하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

이에 따라, 기판의 표면과 마주하는 위치에 형성된 센서부(150)는 S73 단계에서 발생된 플라즈마에 따라 생성된 전기적 특성(전류 또는 전압)을 감지한다. 센서부(150)는 S74 단계에서, 상기와 같이 감지한 전기적 특성에 대한 정보를 전기적 신호로 생성하여, 생성된 전기적 신호를 기판 표면 모니터링부(160)로 전달한다.

본 발명의 기판 표면 모니터링부(160)는 센서부(150)로부터 전기적 신호를 전달 받아, S75 단계에서 센서부(150)에서 감지한 발생된 플라즈마에 따른 임피던스 변화를 측정하고, 그에 따라 플라즈마 밀도를 산출함으로써 기판의 표면 상태를 모니터링 한다.

이로써, 본 발명의 플라즈마 발생 장치(100)가 상술한 바와 같은 방법을 수행함에 따라 대면적 기판의 플라즈마 표면처리 공정 시 기판의 물성 변화를 임피던스의 실시간 변화 모니터링을 통해 확인하여 대기압 플라즈마 공정을 최적화할 수 있고, 대기압 플라즈마 소스와 플라즈마 진단 센서의 결합을 통해 진단을 위한 별도의 설비가 필요 없는 실시간 임피던스 모니터링이 가능한 플라즈마 표면 처리 시스템이 구축 가능하다.

뿐만 아니라, 진공 환경에서 플라즈마를 이용한 공정보다 아킹(arcing)으로 인한 기판 및 플라즈마 전극 손상 가능성이 높은 대기압 플라즈마 공정에서 아킹 전조를 모니터링하여, 대기압 플라즈마 전극의 안정성 및 사용시간을 향상시킬 수 있다. 또한, RF 전원을 이용한 대기압 플라즈마 소스의 RF 매칭 문제 및 오류 등을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 이점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 플라즈마 발생 장치
110: 입력부
120: 판단부
130: 제어부
140: 전극부
150: 센서부
152: 전극
154: 유전체 기판
156: 전극 커버
160: 대상 표면 모니터링부
170: 베이스부
180: 임피던스 조정부
190: 전극 표면 모니터링부

Claims

대상의 표면을 처리하기 위해 플라즈마 발생을 위한 전원을 입력받는 입력부;
상기 입력받은 전원을 인가받아, 상기 플라즈마를 발생시키는 전극부;
상기 발생된 플라즈마 하에서의 상기 대상의 표면과 상기 전극부 사이에서의 감지되는 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 센서부; 및
상기 전기적 특성값을 이용하여 상기 발생된 플라즈마의 밀도를 산출함에 따라 상기 대상의 표면을 모니터링하는 대상 표면 모니터링부;
를 포함하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서부는 상기 대상의 표면적 중 적어도 일부와 대응하여 위치하며, 상기 전극부와 소정의 간격거리로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제2항에 있어서, 상기 센서부는,
상기 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되며, 상기 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 전극; 및
유전체 물질을 이용하여 상기 전극이 상기 플라즈마와 접촉되는 것을 방지하기 위해 상기 전극을 커버하는 전극 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제3항에 있어서,
그라운드 전압을 가지며, 상기 전극부의 적어도 일측에 형성되는 베이스부를 더 포함하고,
상기 센서부는 상기 베이스부 내에 위치하여 상기 전기적 특성을 감지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서,
상기 입력된 전원의 전압, 전류 및 위상을 분석하여 플라즈마의 발생 여부를 판단하는 판단부; 및
상기 분석된 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보를 전달받아, 상기 전극부의 표면을 모니터링하는 전극 표면 모니터링부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제5항에 있어서,
상기 플라즈마가 발생하는 위치로 공정 가스를 주입하는 공정 가스 주입부 및 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보에 따라 상기 공정 가스의 주입을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
상기 전극부는 상기 주입된 공정 가스 및 상기 인가받은 전원를 이용하여 상기 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서,
상기 입력받은 전원을 상기 전극부에 최대로 전달하기 위해 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부를 더 포함하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제2항에 있어서,
상기 센서부는 적어도 2개의 전극들을 포함하고, 상기 전극들의 간격은 0.3 내지 12 mm로 형성되며, 상기 전극들의 너비는 5 내지 12 mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
대상의 표면을 처리하기 위해 외부로부터 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부;
상기 공급된 전원을 인가받아, 상기 플라즈마를 발생시키는 전극부;
상기 발생된 플라즈마 하에서의 상기 대상의 표면과 상기 전극부 사이에서의 감지되는 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 센서부;
상기 전기적 특성값을 이용하여 상기 발생된 플라즈마의 밀도를 산출함에 따라 플라즈마를 진단하여 상기 대상의 표면을 모니터링하는 대상 표면 모니터링부;
를 포함하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제9항에 있어서,
상기 센서부는 상기 대상의 표면적 중 적어도 일부와 대응하여 위치하며, 상기 전극부와 소정의 간격거리로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제10항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되며, 상기 생성된 전기적인 신호가 인가되는 전극 및 유전체 물질을 이용하여 상기 플라즈마와 접촉되는 것을 방지하기 위해 상기 전극을 커버하는 전극 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제9항에 있어서,
상기 공급된 전원의 전압, 전류 및 위상을 분석하여 플라즈마의 발생 여부를 판단하는 판단부; 및
상기 분석된 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보를 전달받아, 상기 전극부의 표면을 모니터링하는 전극 표면 모니터링부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
제12항에 있어서,
상기 플라즈마가 발생하는 위치로 공정 가스를 주입하는 공정 가스 주입부 및 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보에 따라 상기 공정 가스의 주입을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
상기 전극부는 상기 주입된 공정 가스 및 상기 인가받은 전원를 이용하여 상기 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링이 가능한 플라즈마 발생 장치.
전극부와 센서부를 구비하여 플라즈마 모니터링하는 방법에 있어서,
대상의 표면을 처리하기 위해 외부로부터 플라즈마 발생을 위한 전원을 입력받는 단계;
상기 입력받은 전원을 인가받아, 상기 플라즈마를 발생시키는 단계;
상기 발생된 플라즈마 하에서의 상기 대상의 표면과 상기 전극부 사이에서의 감지되는 전기적 특성에 따른 전기적 신호를 생성하는 단계; 및
상기 전기적 특성값을 이용하여 상기 발생된 플라즈마의 밀도를 산출함에 따라 플라즈마를 진단하여 상기 대상의 표면을 모니터링하는 단계;
를 포함하는 플라즈마 모니터링 방법.
제14항에 있어서,
상기 센서부는 상기 대상의 표면적 중 적어도 일부와 대응하여 위치하며, 상기 전극부와 소정의 간격거리로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 방법.
제14항에 있어서,
상기 입력된 전원의 전압, 전류 및 위상을 분석하여 플라즈마의 발생 여부를 판단하는 단계; 및
상기 분석된 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보를 전달받아, 상기 전극부의 표면을 모니터링하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 방법.
제16항에 있어서,
상기 플라즈마가 발생하는 위치로 공정 가스를 주입하는 단계 및 상기 전원의 전압, 전류 및 위상에 대한 정보에 따라 상기 공정 가스의 주입을 제어하는 단계를 더 포함하고,
상기 전극부는 상기 주입된 공정 가스 및 상기 인가받은 전원를 이용하여 상기 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 모니터링 방법.
제14항 내지 제17항 중 적어도 어느 한 항에 따른 플라즈마 모니터링 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.