KR20220083721A - 유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 최적의 이온 에너지 결정 - Google Patents

유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 최적의 이온 에너지 결정 Download PDF

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KR20220083721A
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치하오 유
에릭 레멘
바스티안 요하네스 다니엘 베르무스트
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프로드라이브 테크놀로지즈 이노베이션 서비시즈 비.브이.
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Abstract

유전체 기판(109)의 플라즈마 처리를 위한 이온 에너지는 유전체 기판(109)을 플라즈마 방전에 노출시키고 펄스 전압 파형을 유전체 기판에 인가함으로써 결정된다. 펄스 전압 파형은 펄스들의 시퀀스를 포함하고, 각각의 펄스는 전압 기울기를 갖는 더 높은 전압 인터벌 및 더 낮은 전압 인터벌을 포함한다. 또한, 서로 다른 전압 기울기를 갖는 시퀀스의 제1 펄스들이 생성되어 유전체 기판에 인가된다. 제1 펄스들 각각에 대해 전압 기울기(S) 및 전압 기울기에 대응하는 출력 전류
Figure pct00084
가 결정된다. 제1 펄스들 각각에 대해, 하나 이상의 제1 펄스들에 대해 결정된 출력 전류 및 전압 기울기에만 기초하여 전압 기울기 및 대응하는 출력 전류 간 수학적 관계의 적어도 하나의 계수(k, b)는 다음과 같다. 테스트 함수는 적어도 하나의 계수에 적용되고 테스트 함수를 참으로 만드는 적어도 하나의 계수에 대응하는 최적의 전압 기울기 값이 선택된다. 유전체 기판의 플라즈마 처리 장치는 상기 방법을 구현한다.

Description

유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 최적의 이온 에너지 결정
본 발명은 플라즈마 보조 에칭 및 증착(plasma assisted etching and deposition)과 같은 유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 최적의 이온 에너지를 결정하는 방법 및 대응하는 장치에 관한 것이다.
반응성 이온 에칭(reactive ion etching(RIE)), 원자층 에칭(ALD) 및 원자층 증착(atomic layer etching(ALD))과 같은 플라즈마 보조 에칭 및 증착은 반도체 제조에 널리 사용된다. 반응성 이온 에칭을 예로 들면, 플라즈마는 물질을 제거하거나 성장시키는 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 처리의 품질을 높이는 데에도 사용된다. 플라즈마는 양이온, 음이온 및 중성 입자로 구성된다. 에칭 과정에서 이온은 재료 표면의 음의 전압 전위에 의해 가속되어 재료에 충격을 가함으로써 표면에 추가 에너지를 공급하고 화학 반응을 가속화한다. 게다가, 재료 표면에 대한 이온 충격의 법선 방향은 에칭의 이방성(anisotropy) 또한 향상시킨다.
이온 에너지는 제한된 범위 내에서 제어된다. 에너지가 너무 낮은 이온은 반응 속도가 느리고 에너지가 너무 높은 이온은 스퍼터링을 일으켜 선택도를 감소시킨다. 더 작은 반도체 크기에 대한 요구가 증가함에 따라 플라즈마 강화 증착 및 에칭(plasma-enhanced deposition and etching) 모두에서 이온 에너지의 정확한 제어가 중요해지고 있다. 일반적으로 특정 범위의 에너지 값에 속하는 좁은 이온 에너지 분포(ion energy distribution(IED))가 요구되며, 이를 위해서는 기판 재료 표면 상의 일정한 음의 전압 전위가 필요하다.
이온 에너지는 기판 표면의 전위에 의해 결정된다. 전도성 기판 재료의 경우, 음의 dc 바이어스 전압은 반응기의 테이블에 직접 연결될 수 있다. 전압의 dc 값을 변경함으로써 이온의 에너지는 대응되게 제어될 수 있다. 그러나 유전체 기판 재료의 경우, 등가(equivalent) 기판 커패시턴스가 있다. 이온이 에칭 동안 기판을 충전하기 때문에 단순한 dc 바이어스는 잘 작동하지 않는데, 이로 인해 기판 전압 전위가 증가한다.
유전체 기판으로 이온 에너지를 제어하기 위해 일반적으로 기존 반응기에서는 무선 주파수(radio-frequency(RF)) 정현파 바이어스 전압이 사용된다. 이 경우에는 시스(sheath)에 자체 바이어스된 음의 DC 전위를 생성하기 위해 RF 바이어싱에 차단 커패시터가 필요하다. 정현파 전압 파형은 기판 표면에 변형 전압 전위를 생성하여 넓은 바이모달(bimodal) IED를 생성한다. 주파수를 높이는 것은 IED를 좁히는데 도움이 되지만 이온 질량에 의해 제한되고 수소와 같은 가벼운 이온에는 훨씬 덜 효과적이다. 게다가, 바이어싱 주파수가 충분히 크면 RF 파장이 기판 디멘전(substrate dimension)과 비슷해져서 심각한 불균일성을 유발한다. 마지막으로, RF 바이어싱은 많은 무효(reactive) 전력을 생성하여 효율성이 낮고 비용이 많이 든다.
펄스형 바이어싱은 플라즈마 강화 에칭 및 증착에도 사용된다. 이것은 증착 및 에칭 페이즈(phase)에서 넓은 음의 펄스와 방전 페이즈에서 짧은 양의 펄스로 구성된다.
전자를 끌어당기고 축적된 이온을 주기적으로 방전시키기 위해 기판 전위에 양의 펄스가 인가된다. 그러나, 기판 전위는 에칭 또는 증착 페이즈 동안 이온에 의해 여전히 충전되므로 이 단순한 파형으로는 좁은 IED를 획득할 수 없다. RF 바이어싱과 마찬가지로, 특정 상황에서는 주파수를 높이는 것이 IED를 좁히는데 효과적이지만 프로세스 품질을 저하시킨다.
US 2014/0061156(2014.03.06)에는 에칭 또는 증착 페이즈 동안 유전체 기판에 대한 이온 축적 효과를 보상하기 위해 맞춤 펄스형 바이어스를 인가하는 것이 알려져 있다. 바이어스 전압 파형은 증착 및 에칭 페이즈 동안 기판 전위 상승을 보상하기 위한 감소하는 음의 전압 기울기와, 방전 페이즈에서 전하 균형을 유지하기 위해 전자를 끌어들이는 양의 전압 펄스로 구성된다. 이러한 전압 파형은 좁은 이온 에너지 분포를 생성할 수 있다. 반복 주파수는 기존 RF 바이어싱 및 펄스형 바이어싱보다 훨씬 적다.
US 2014/0061156의 음의 전압 기울기는 전류 소스와 같은 이온 전류 보상을 기판에 연결된 스위치 모드 전원에 통합함으로써 획득할 수 있다. 펄스 전압 파형의 음의 전압 기울기는 가장 좁은 IED를 얻기 위해 미세하게 조정되어야 한다. US 2014/0061156은 전압 기울기, 기판의 유효 커패시턴스 및 이온 전류 보상에 기초하여 함수를 산정(evaluate)하고 가장 좁은 IED에 해당하는 함수가 참이 될 때까지 이온 전류 보상을 조정할 것을 제안한다. 함수는 이온 전류 보상이 이온 전류와 같아질 때 참이 된다. 일 실시예에서는 이온 전류와 동일한 이온 전류 보상을 결정하기 위해, 제1 이온 전류 보상이 제1 사이클에 인가되고 펄스 전압 파형의 제1 전압 기울기가 측정된다. 제2 사이클에 대한 제2 이온 전류 보상이 적용되면 제2 전압 기울기가 측정된다. 이로부터, 제3 이온 전류 보상을 결정할 수 있으며 이때 함수는 참으로 예상되고 좁은 IED를 초래할 수 있다.
그러나 상기 방법의 한 가지 단점은 함수를 합성하기 위해 매우 단순화된 등가 전기 모델이 사용되고, 여기서 테이블 커패시턴스와 같은 일부 부유 커패시턴스가 무시된다는 점이다. 또한 함수를 산정(evaluate)하려면 기판의 유효 정전용량을 결정해야 하므로 추가 측정이 필요하다. 이 커패시턴스의 실시간 측정은 수행하기가 매우 어렵다. 반면에 캐패시턴스를 한 번 측정하고 일정하다고 가정하는 것은, 유효 캐패시턴스가 테이블, 플라즈마 챔버의 다른 구성 요소, 기판의 전압 전위 및 플라즈마 시스에 의해 도입된 기생 캐패시턴스에 따라 달라질 수 있으므로 잘못된 결과를 초래할 수 있다.
플라즈마 시스(간단히 시스라고도 함)는 높은 밀도의 양이온 및 이에 따라 전체적으로 과량의 양전하를 갖는 아마도 플라즈마 처리 챔버의 벽 및 기판 표면 근처에 있는 플라즈마의 층이다. 시스가 접촉하는 표면은 일반적으로 음전하가 우세하다. 시스는 전자의 양이온보다 더 빠른 속도로 인해 발생하므로 더 많은 비율의 전자가 기판 표면 또는 벽에 도달하여 시스의 전자 밀도가 감소한다.
그 결과, 캐패시턴스와 이온 전류는 상이한 에칭 또는 증착 조건 하에서 상이하다. 또한 시스 커패시턴스도 전압에 의존한다. 플라즈마 조건의 약간의 차이 또는 에칭 반응기의 변경은 재계산을 필요로 할 수 있다. 이러한 비이상적인 요소는 실제 상황에서 부정확성을 초래한다.
본문에 개시되어 있음.
본 발명의 목적은 상기 결점들을 극복하는 것이다. 수동 개입 없이 효율적이고 자동화된 방식으로 유전체 기판의 플라즈마 처리에서 최적의 동작 조건을 찾는 것이 목표이다. 또한 지나치게 단순화된 등가 전기 모델에 의존하지 않고 유전체 기판의 플라즈마 처리에서 최적의 동작 조건을 보다 정확하게 찾는 것이 목표이다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같이 유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 이온 에너지를 결정하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 방법은 유전체 기판을 플라즈마 방전에 노출시키는 단계 및 전원에 의해 생성된 펄스 전압 파형을 유전체 기판에, 특히 노출 동안에 인가하는 단계를 포함한다. 펄스 전압 파형은 펄스들의 시퀀스를 포함하며, 각 펄스는 더 높은 전압 인터벌(예: 양의 전압 인터벌) 및 더 낮은 전압 인터벌(예: 음의 전압 인터벌)을 포함하고, 여기서 더 낮은 전압 인터벌은 전압 기울기, 특히 음의 전압 기울기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 시퀀스는 서로 다른 전압 기울기를 갖는 제1 펄스들을 포함한다. 제1 펄스들은 유전체 기판에, 특히 플라즈마 방전에 노출되는 동안 인가된다. 제1 펄스 각각에 대해, 전원의 출력에서의 전압 기울기에 대응하는 출력 전류 및 전압 기울기가 결정된다. 전압 기울기 및 대응하는 출력 전류 중 하나 또는 둘 모두를 측정할 수 있고 다른 하나는 전원에 연결된 제어 유닛에 의해 설정될 수 있다.
제1 펄스들 각각에 대해, 전압 기울기 및 대응하는 출력 전류 간 수학적 관계의 적어도 하나의 계수는 제1 펄스들 중 하나 이상에 대해 결정된 출력 전류 및 전압 기울기에만 기초하여 결정된다. 수학적 관계는 전압 기울기와 출력 전류 사이의 관계를 나타내는 함수이다. 전압 기울기 및 출력 전류 중 하나는 함수의 변수가 될 수 있으며 변수에 대한 함수를 산정하면 전압 기울기와 출력 전류 중 다른 하나를 생산한다. 이 함수는 전압 기울기 및/또는 출력 전류에 따라 변할 수 있는 하나 이상의 계수를 포함한다. 본 발명에 따르면, 수학적 관계(함수)는 적어도 하나의 계수가 전압 기울기 및 출력 전류의 알려진(결정된) 값에 기초하여 결정되도록 적어도 하나의 계수에 대해 결정된다.
테스트 함수는 최적의 전압 기울기를 결정하기 위하여 유리하게 적어도 하나의 계수에 적용될 수 있다. 테스트 함수는 적어도 하나의 계수가 IED를 가장 좁게 만드는 최적의 전압 기울기와 관련될 때 참이다. 테스트 함수는 유리하게 적어도 하나의 계수의 극한값을 찾는다.
방법은 자동으로 결정될 수 있는 전압 및 전류 값에만 의존하기 때문에, 본 발명의 방법은 플라즈마 처리 장치의 동작 매개변수를 수동 개입 없이, 그리고 시간을 소모하거나 캐패시턴스와 같이 다른 전기적 값을 번거롭게 측정할 필요 없이 완전히 자동화된 방식으로 조정할 수 있고, 이것은 비용과 처리 시간을 감소시킨다. 또한, 본 발명에 따른 자동화된 조정은 처리되는 모든 유전체 기판을 자동 조정할 수 있게 하여 더 높은 정확도로 이어진다. 일반적으로 만족스러운 정확도로 최적의 전압 기울기를 찾기 위해서는 10 개 내지 50개의 제1 펄스들의 시퀀스로 충분하다.
나아가, 적어도 하나의 계수는 시스템 커패시턴스와 유리하게 관련이 있다. 전압 및 전류 값만을 기준으로 계수를 산정함으로써 시스템 커패시턴스의 전압 종속 및/또는 전류 종속 동작이 암시적으로 고려되며 이들을 별도로 측정할 필요가 없다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 원하는(예: 가장 좁은) IED에 보다 정확한 조정을 제공할 수 있다.
수학적 관계는 유리하게 출력 전류와 전압 기울기 사이의 다항식 함수이다. 다항식 함수는 플라즈마 처리 시스템의 등가 전기 모델에 따라 임의의 차수(예: 0차, 1차, 2차, 3차 등)일 수 있다. 예를 들어, 다항식 함수는 1차 다항식이고, 특히
Figure pct00001
이고 여기서
Figure pct00002
는 출력 전류를 나타내고, S는 전압 기울기를 나타내며, 여기서 적어도 하나의 계수는 k 및 b 중 적어도 하나이다.
제1 펄스들은 단조적으로 증가하는 전압 기울기를 갖는 시퀀스를 형성할 수 있다. 예를 들어, 방법은 매우 작은 전압 기울기(예: 0)로 시작할 수 있고, 그리고 적어도 하나의 계수의 극한값(예: 최대값)이 발견될 때까지 (음의) 전압 기울기를 체계적으로 증가시킨다. 연속 펄스들 간의 전압 기울기 단계는 일정하거나 가변적일 수 있으며, 방법은 예를 들어 결정된 적어도 하나의 계수의 동작에 기초하여 제1 펄스들 사이의 전압 기울기 단계를 자동으로 조정하도록 제공할 수 있다. 적어도 하나의 계수의 극한값으로 수렴하도록 전압 기울기를 선택하기 위해 임의의 다른 적절한 수렴 알고리즘이 사용될 수 있다는 점에 주목한다면 편리할 것이다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같이 유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 장치는 플라즈마를 생성하기 위한 수단(예: 매칭 네트워크를 통해 외부 전원에 연결된 플라즈마 반응기, 유전체 기판을 지지하고 플라즈마에 노출되도록 구성된 처리 플랫폼, 전원(전력 증폭기), 전압 측정 장치 및 전류 측정 장치)를 포함한다. 플라즈마는 외부 전원에 의해 여기되고 유지된다. 전력 증폭기는 처리 플랫폼 및 제어 유닛에 연결된다. 전력 증폭기는 구성 가능한 맞춤 펄스형 전압 파형을 출력하도록 구성된다.
장치는 본 발명에 따른 임의의 방법을 유리하게 수행하도록 구성된다. 본 발명의 방법은 제어 유닛에서 구현될 수 있다.
본 명세서에 설명된 방법 및 장치는 기판 커패시턴스, 테이블 커패시턴스 및 이온 전류를 포함하여 실제로 직접 측정하기 어려운 전기적 파라미터들을, 계산하고 디멘전에 맞게 생성하는데 사용될 수 있다.
본문에 개시되어 있음.
본 발명의 실시예는 이제 첨부된 도면을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이며, 여기서 동일한 참조 번호는 동일한 특징을 나타낸다. 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 블록도를 도시한다.
도 2는 도 1의 시스템의 단순화된 전기 모델을 나타낸다.
도 3은 출력 전압, 출력 전류 및 기판 전압 전위의 전형적인 파형을 도시한다.
도 4는 상이한 전압 기울기를 갖는 시퀀스의 제1 펄스들를 인가하는 것을 포함하는, 본 발명에 따른 자동 조정 방법의 가능한 구현을 예시한다.
도 5는 도 1의 장치에서 사용하기 위한 전원의 가능한 실현을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 방법의 실험적 설정을 위한 출력 전압, 출력 전류, 및 계산된 계수 값의 그래프를 도시한다.
도 7은 도 6의 상이한 전압 기울기에 대응하는 측정된 이온 에너지 분포를 도시한다.
반도체 기판과 같은 유전체 기판을 플라즈마 처리하기 위한 장치가 도 1에 도시되어 있다. 가스는 반응기(110)에 주입된다. 플라즈마는 챔버 외부의 코일(108) 및 정합 네트워크(105)에 의해 가스와 결합되는 외부 전원(101)으로 반응기(110)에서 점화된다. 전원은 매칭 네트워크(105)에 연결되고 매칭 네트워크는 코일(108)에 연결된다. 전원(101)은 무선 주파수(radio-frequency(RF)), 마이크로파 주파수(microwave-frequency(MF)) 및 펄스 DC 전원을 포함하는 임의의 적절한 전원일 수 있다. 비록 도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 소스는 유도 결합되어 있지만, 용량 결합 플라즈마 소스 및 헬리콘 유형 플라즈마 소스와 같은 임의의 다른 종류일 수 있다.
도 1의 장치는 플라즈마 에칭 또는 증착에 사용될 수 있다. 따라서, 유전체 기판 재료(109)는 반응기(110) 내부의 테이블(111) 상에 위치된다. 반응기 내의 압력은 도 1에 도시된 (진공) 펌프에 의해 낮게(즉, 대기압 미만으로) 유지된다. 전력 증폭기(114)는 전기적 연결(113)를 통해 테이블(111)에 연결된다.
전압 측정 유닛(116)은 전력 증폭기(114)에 연결되어 증폭기의 출력 전압을 측정할 수 있다. 전압 측정 유닛(116)은 측정 결과를 컨트롤러(115)로 전송하기 위해 (데이터) 연결(117)을 통해 컨트롤러(115)에 연결된다.
전류 측정 유닛(119)은, 예를 들어 전기적 연결(113) 및/또는 테이블(111)에 연결된 인터페이스(112)를 통해, 전력 증폭기(114)의 출력 전류를 측정하기 위해 제공될 수 있다. 전류 측정 유닛(119)은 측정 결과를 컨트롤러(115)에 전송하기 위해 (데이터) 연결(120)을 통해 컨트롤러(115)에 연결된다.
컨트롤러(115)는 측정된 전압 및/또는 전류 값에 기초하는 본 발명에 따른 자동 제어 알고리즘을 구현한다. 컨트롤러(115)는 출력(전압) 파형을 조정하기 위해 전력 증폭기(114)에 제어 신호를 전송하기 위한 (데이터) 연결(118)을 통해 전력 증폭기(114)에 연결된다. 자동 제어 알고리즘은 가장 좁은 IED를 얻기 위해 이온 에너지를 제어하도록 구성된다. 제어 알고리즘은 전압 및/또는 전류 피드백을 갖는 실시간 제어 시스템으로서 구현된다.
도 1의 시스템의 기본적인 등가 전기 모델은 도 2에 도시되어 있다. 에칭 또는 증착 페이즈 동안 플라즈마는 일정한 전압 소스
Figure pct00003
로 가정될 수 있다. 플라즈마와 재료 표면 사이에는 이온 시스가 형성된다. 이온 시스는 시스 커패시턴스
Figure pct00004
및 다이오드
Figure pct00005
과 병렬인 DC 전류 소스
Figure pct00006
와 대응한다. 기판은 커패시터
Figure pct00007
와 대응한다. 전도성 기판의 경우
Figure pct00008
는 무한히 커서 이상적인 와이어로 취급될 수 있다. 유전체 기판의 경우
Figure pct00009
는 유한한 값을 갖는다. 플라즈마 및 반응기 벽을 포함한 다른 구성요소와 테이블 사이에는 테이블 커패시턴스
Figure pct00010
에 의해 정의되는 기생(parasitic) 커패시턴스가 있다. 테이블은 전도성이며 전력 증폭기의 출력에 연결된다.
전도성 기판의 경우 출력 전압
Figure pct00011
은 일정한 dc 값이다. 시스(sheath) 전압
Figure pct00012
는
Figure pct00013
에 의해 정의된다. 전압 및 전류 측정 유닛은 dc 값을 모니터링하는데 사용된다.
Figure pct00014
은 피드백 컨트롤러에 의해 조절된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 유전체 기판의 경우,
Figure pct00015
의 파형은 방전 페이즈 및 에칭 또는 증착 페이즈를 포함하는 2개의 페이즈로 분할될 수 있는 맞춤(tailored) 펄스형이다. 방전 페이즈는 전자를 끌어들이고 기판을 주기적으로 방전하는데 사용되며,
Figure pct00016
동안 지속되는 양의 펄스
Figure pct00017
로 구성된다.
Figure pct00018
은 기판 표면이 완전히 방전된 경우에만 가능한 한 짧아야 한다. 에칭 또는 증착 페이즈는
Figure pct00019
,
Figure pct00020
, 및
Figure pct00021
로 정의된 음의 기울기로 구성된다. 음의 전압
Figure pct00022
은 기판이 완전히 방전된 후 테이블에 인가된다. 에칭 또는 증착 동안 기판 표면의 전압 전위
Figure pct00023
는 다음과 같이 근사된다.
Figure pct00024
기판 표면의 이온 축적을 보상하려면 음의 전압 기울기를 테이블에 적용해야 한다. 전압 기울기는 3개의 부분인
Figure pct00025
,
Figure pct00026
, 및
Figure pct00027
로 정의된다. 경사율 S는 다음과 같이 정의된다.
Figure pct00028
에칭 또는 증착 페이즈 동안 기판에서 일정한 음의 전압을 획득하려면 전압 기울기율을 다음과 같은 정확한 값으로 조정해야 한다.
Figure pct00029
그러나 실제로는
Figure pct00030
및
Figure pct00031
를 알 수 없다. 선행 기술에서는 이것은 수동으로 또는 이론적 계산에 의해 조정된다. 두 조정 방법 모두 최적의 전압 기울기에 있어 편차가 발생한다. 또한, 수동 조정 방법은 많은 시간과 추가적인 지연 필드 에너지 분석기 또는 이에 상응하는 것을 필요로 한다. 나아가, 위의 이론적 계산 방법은 프로세서에서 달라질 수 있는 사전 측정된 기판 커패시턴스에 의존하고 지나치게 단순화된 모델을 기반으로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 출력 전압 기울기를 자동 조정하기 위한 알고리즘은 출력 전압 및 출력 전류에만 기초하여 동작한다. 둘 중 하나는, 예를 들어 컨트롤러(115)에 의하여, 설정되고, 다른 하나는, 전압 측정 유닛(116) 및/또는 전류 측정 유닛(119)에 의하여 측정될 수 있다. 본 발명에 따른 튜닝 알고리즘은 완전 자동 방식으로 컨트롤러(115)에 의해 구현될 수 있고, 임의의 수동 개입 또는 추가 측정(예: 커패시턴스 값의 측정)에 대한 필요성을 제거한다.
에칭 또는 증착 페이즈에서 출력 전류는 음의 dc 값이고
Figure pct00032
와 같다.
Figure pct00033
의 값은 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00034
모든 커패시턴스와 이온 전류가 일정하고 시스 전압과 독립적이면,
Figure pct00035
는 전압 기울기율 S와 선형 관계를 갖는다. 그러나, 실제로 시스 커패시턴스
Figure pct00036
는 시스 전압에 종속적이므로 전압 기울기율 S에 따라 변한다.
Figure pct00037
는 다음과 같이 설명될 수 있다.
Figure pct00038
여기서 k(S) 및 b(S)는 전압 기울기율 S의 함수이며 각각 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00039
Figure pct00040
전압 기울기율 S가 가장 좁은 IED를 얻을 수 있는 최적의 값으로 조정되면
Figure pct00041
는 일정해진다.
Figure pct00042
는 다음과 같이 주어진다.
Figure pct00043
커패시턴스
Figure pct00044
,
Figure pct00045
,
Figure pct00046
는 모두 양수이므로, 함수 k(S) 및 b(S)는 모두 가장 좁은 IED가 획득될 때 최대값에 도달한다. 전압 기울기 S를 변화시킬 때, k(S) 또는 b(S)의 최대값을 찾아 IED를 가장 좁게 조정할 수 있다.
최적의 전압 기울기 S를 찾기 위해 일련의 전압 기울기
Figure pct00047
이 서로 다른 스위칭 주기로 테이블에 적용된다. 그 다음, 전류 측정 유닛(119)은 에칭 또는 증착 페이즈 동안 대응하는 dc 전류 값
Figure pct00048
을 기록한다. 또는 일련의 출력 전류 값
Figure pct00049
은 전력 증폭기(114)에 의해 설정되고 대응하는 전압 기울기
Figure pct00050
는 전압 측정 유닛(116)에 의해 측정될 수 있다.
k(S) 또는 b(S)의 값은 출력 전압 및 전류의 실시간 측정 결과에 기초하여 계산할 수 있다. k(S)는 다음과 같이 근사된다.
Figure pct00051
b(S)는 다음과 같이 근사된다.
Figure pct00052
Figure pct00053
의 단계 값이 충분히 작으면 근사는 정확하다. 도 4에 도시된 바와 같이
Figure pct00054
에서
Figure pct00055
이 최대값에 도달할 때 최적의 출력 전압 기울기는
Figure pct00056
임을 알 수 있다. 해당 출력 전류는
Figure pct00057
과 동일하다.
Figure pct00058
의 최대값도 최적의 전압 기울기를 찾는데 사용될 수 있다.
위의 방법을 사용하여 알려지지 않은 매개변수를 계산할 수도 있다. 테이블 커패시턴스는 다음과 같다.
Figure pct00059
이온 전류는 다음과 같다.
Figure pct00060
기판 커패시턴스는 다음과 같다.
Figure pct00061
전력 증폭기(114)는 임의의 다양한 적합한 전력 증폭기일 수 있다는 점에 유의해야 한다. 일 실시예에서, 이것은 스위칭 모드 전압 증폭기, 선형 증폭기 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 전압 소스 증폭기일 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 증폭기는 하이브리드 컨버터에 의해 실현될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 하이브리드 컨버터는 2개의 조정 가능한 dc 전압원 증폭기
Figure pct00062
및
Figure pct00063
, 2개의 스위치
Figure pct00064
및
Figure pct00065
, 및 조정 가능한 dc 전류원 증폭기
Figure pct00066
로 구성된다. 양의 펄스
Figure pct00067
은
Figure pct00068
을 켜면 획득할 수 있다. 방전 페이즈 후
Figure pct00069
을 끔과 동시에
Figure pct00070
를 켜면 출력 전압
Figure pct00071
은
Figure pct00072
이 된다.
Figure pct00073
를 끄면 전류 소스가 용량성 부하에서 전류를 싱킹(sinking)하므로 음의 전압 기울기가 획득된다. 출력 전압 기울기율은
Figure pct00074
의 크기에 의해 결정된다. 이러한 하이브리드 컨버터는 여기에 설명된 조정 방법을 수행하는데 적합하다.
Figure pct00075
의 크기를 변화시킴으로써 k(S) 또는 b(S)의 최대값은 위에서 설명한 대로 찾을 수 있음에 따라 가장 좁은 IED를 획득할 수 있다.
본 발명의 방법은 k(S) 또는 b(S)의 최대값을 찾는 것으로 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 반응기의 구조는 상이하여, 결과적으로 서로 다른 등가 전기 모델을 초래할 수 있다. 가장 좁은 IED를 획득할 때 시스 커패시턴스가 전기 모델에서 사실상 제거되기 때문에 수학적 관계에 극한값, 특이점 등과 같이 예외적인 동작이 도입된다. 이러한 동작은 전용 테스트 함수를 적용하여, 예를 들어 출력 전압 기울기를 변경하여 계수 k(S) 또는 b(S)의 최대값을, 찾을 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 자동 조정 방법을 실험으로 구현하였다. 연속 펄스들의 전압 기울기
Figure pct00076
을 변경하고 대응하는 출력 전류
Figure pct00077
를 측정함으로써, 계수
Figure pct00078
를 결정하고 최대 k(S)는
Figure pct00079
인 것으로 나타났다. 도 6에 도시된 바와 같이, 직류 전류는 미세하게 변화되어 연속 펄스들 간의 전압 기울기 차이가 매우 작고 그림에서 알아보기 어렵다. 따라서 최적의 전압 기울기는
Figure pct00080
이다. 이온 에너지 분포는 도 7에 도시된 바와 같이 상이한 전압 기울기에 대해 측정되었다.
Figure pct00081
에 대응하는 IED가 가장 좁은 폭을 효과적으로 나타내어 본 발명의 방법의 신뢰성을 입증하였다.

Claims (15)

  1. 유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 이온 에너지를 결정하는 방법으로서,
    상기 유전체 기판을 플라즈마 방전에 노출시키는 단계; 및
    전원에 의해 생성된 펄스 전압 파형을 상기 유전체 기판에 인가하는 단계 - 상기 펄스 전압 파형은, 펄스들의 시퀀스를 포함하고, 각각의 펄스는 더 높은 전압 인터벌과 더 낮은 전압 인터벌 - 상기 더 낮은 전압 인터벌은 전압 기울기를 포함함 - 을 포함함 -
    를 포함하고,
    상기 방법은,
    서로 다른 전압 기울기를 갖는 상기 시퀀스의 제1 펄스들을 생성하고 상기 제1 펄스들을 상기 유전체 기판에 인가하는 단계;
    상기 제1 펄스들 각각에 대하여 상기 전원의 출력에서의 상기 전압 기울기에 대응하는 출력 전류 및 전압 기울기를 결정하는 단계;
    상기 제1 펄스들 각각에 대하여, 상기 제1 펄스들 중 하나 이상에 대하여 결정된 상기 출력 전류 및 상기 전압 기울기에만 기초하여 상기 전압 기울기 및 상기 대응하는 출력 전류 간 수학적 관계의 적어도 하나의 계수를 결정하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 계수에 테스트 함수를 적용하고 상기 테스트 함수가 참이 되게 하는 상기 적어도 하나의 계수에 대응하는 최적의 전압 기울기 값을 선택하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 계수는,
    하나 이상의 수학 연산자, 하나 이상의 전압 기울기 값 및 하나 이상의 출력 전류 값으로 구성된 표현식인 것인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수학적 관계는,
    상기 출력 전류와 상기 전압 기울기 간의 다항식 함수인 것인, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다항식 함수는,
    1차 다항식인
    Figure pct00082
    -
    Figure pct00083
    는 출력 전류를 나타내고, S는 전압 기울기를 나타냄 -이고,
    상기 적어도 하나의 계수는 k 및 b 중 적어도 어느 하나인 것인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 적어도 하나의 계수는 상기 플라즈마 방전과 상기 유전체 기판 간 상호작용의 하나 이상의 커패시턴스를 나타내고,
    상기 적어도 하나의 계수는 상기 제1 펄스들 중 하나 이상에 대하여 결정된 출력 전류 및 상기 전압 기울기에만 기초하여 결정된 것인, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 펄스들은 단조적으로 증가하는 전압 기울기를 가지는 것인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 펄스들 각각에 대하여, 각각의 전압 기울기 및 상기 전압 기울기에 대응하는 출력 전류 중 적어도 어느 하나를 측정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 테스트 함수는 상기 적어도 하나의 계수의 극한값을 결정하도록 구성되는 것인, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 시퀀스의 제2 펄스들 - 상기 제2 펄스들은 상기 최적의 전압 기울기 값에 대응하는 전압 기울기를 갖는 것임 - 을 생성하는 단계; 및
    플라즈마 처리를 수행하기 위해 상기 유전체 기판에 상기 제2 펄스들을 인가하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 플라스마 처리는,
    플라즈마 보조 에칭(plasma assisted etching) 및 플라즈마 보조 증착(plasma assisted deposition) 중 하나 또는 조합으로부터 선택된 것인, 방법.
  11. 유전체 기판의 플라즈마 처리를 위한 장치로서,
    플라즈마 생성 수단;
    상기 유전체 기판을 지지하기 위한 처리 플랫폼;
    상기 처리 플랫폼에 결합된 출력을 포함하는 전원;
    상기 출력에 결합된 전압 측정 유닛 및 전류 측정 유닛 중 적어도 어느 하나; 및
    상기 전원에 결합된 제어 유닛 - 상기 제어 유닛 및 상기 전원은 펄스 전압 파형을 생성하도록 공동으로 구성(jointly configured)되고, 상기 펄스 전압 파형은 펄스들의 시퀀스를 포함하고, 각각의 펄스는 더 높은 전압 인터벌과 더 낮은 전압 인터벌 - 상기 더 낮은 전압 인터벌은 전압 기울기를 포함함 - 을 포함함 -
    을 포함하고,
    상기 제어 유닛 및 전원은 서로 다른 전압 기울기를 갖는 시퀀스의 제1 펄스들을 생성하도록 공동으로 구성되고,
    상기 제1 펄스들 각각에 대하여 상기 제어 유닛은 상기 출력에서의 상기 대응하는 출력 전류 및 상기 전압 기울기를 결정하고, 상기 제1 펄스들 중 하나 이상에 대하여 결정된 상기 출력 전류 및 상기 전압 기울기에만 기초하여 상기 전압 기울기 및 상기 출력 전류 간 수학적 관계의 적어도 하나의 계수를 산정(evaluate)하도록 구성되고,
    상기 제어 유닛은 테스트 함수를 상기 적어도 하나의 계수에 적용하도록 더 구성된 것을 특징으로 하는, 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어 유닛 및 상기 전원은,
    상기 시퀀스의 제2 펄스들을 생성하도록 공동으로 구성(jointly configured)되고,
    상기 제2 펄스들은,
    상기 테스트 함수가 참이 되게 하는 상기 적어도 하나의 계수를 나타내는 전압 기울기를 가지는 것인, 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항의 방법을 수행하도록 구성되는 것인, 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어 유닛은 처리되는 각각의 유전체 기판에 대하여 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항의 방법을 수행하도록 구성되는 것인, 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원은,
    스위치 모드 전원 및 조정 가능한 전류원을 포함하는 하이브리드 컨버터인 것인, 장치.
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