KR20230123791A - 플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치 - Google Patents
플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230123791A KR20230123791A KR1020220021010A KR20220021010A KR20230123791A KR 20230123791 A KR20230123791 A KR 20230123791A KR 1020220021010 A KR1020220021010 A KR 1020220021010A KR 20220021010 A KR20220021010 A KR 20220021010A KR 20230123791 A KR20230123791 A KR 20230123791A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- plasma
- dielectric
- thickness
- information
- sinusoidal wave
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 127
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims description 83
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims description 49
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 title 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 58
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 claims description 29
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 22
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 13
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 10
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 12
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 23
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 18
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 7
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 2
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000010411 cooking Methods 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000004451 qualitative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000006748 scratching Methods 0.000 description 1
- 230000002393 scratching effect Effects 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32917—Plasma diagnostics
- H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32431—Constructional details of the reactor
- H01J37/32623—Mechanical discharge control means
- H01J37/32642—Focus rings
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/32—Processing objects by plasma generation
- H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
- H01J2237/332—Coating
- H01J2237/3321—CVD [Chemical Vapor Deposition]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Drying Of Semiconductors (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 플라즈마가 발생되는 챔버, 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나의 센서, 상기 센서에 서로 다른 주파수를 가지는 3개 이상의 정현파 전압을 인가하는 전압 인가부,상기 센서에 흐르는 출력 전류를 측정하는 측정 회로부 및 상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 산출하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치에 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 복수개의 다중 주파수 정현파 전압을 플라즈마 및 유전체에 인가하여 유전체의 두께를 실시간으로 측정할 수 있는 기술에 관한 발명이다.
플라즈마란 이온화된 기체로, 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼(radical) 등으로 구성되며, 전기적 및 열적으로 보통 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 제4상태라고도 칭한다. 이러한 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있어, 전기장 또는 자기장을 이용해 가속시키거나, 화학 반응을 일으켜 웨이퍼 혹은 기판을 세정하거나, 식각하거나 혹은 증착하는 등 반도체의 제조공정에 매우 유용하게 활용되고 있다.
최근에 반도체 제조공정에서는 고밀도 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치를 사용하고 있으며, 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 모듈은 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitive coupled plasma)와 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다.
이러한 플라즈마 장치를 이용한 플라즈마 증착 공정을 수행할 때, 플라즈마 챔버 내부를 모니터링하고 플라즈마 상태(플라즈마 밀도, 전자 온도 등)와 유전체의 상태를 정확히 체크할 필요가 있다. 왜냐하면, 플라즈마가 형성되는 챔버 벽면에 증착된 유기 또는 무기 물질(dielectric layer, 이하, 유전체이라 함)이 다시 떨어져 나와 불순물 입자가 형성되면, 제품 수율이 저하될 우려가 있고, 플라즈마를 원하지 않는 상태로 바꾸어 놓아 증착 환경이 변경될 우려도 있기 때문이다.
플라즈마를 진단하는 방법으로는 랭뮤어 탐침법이 널리 사용된다. 랭뮤어 탐침법은 플라즈마 챔버 안으로 탐침을 삽입하고 전압을 인가하여 탐침에서 측정된 전류에 대한 정보로부터 전자 온도 및 플라즈마 밀도 등 각종 공정 변수를 측정한다.
반도체 공정 진행 후 챔버 내부 상태 및 소자의 특성을 분석하기 위해 계측(metrology)을 실시한다. 계측을 진행하면 증착 상태 및 유전체의 마모 정도를 다양한 방법으로 측정 가능하다. 유전체가 도포 된 시료에 단차를 낸 뒤 미세한 탐침을 접촉 시킨 후 표면을 긁으면서 탐침의 위치 변화를 계측하여 두께를 측정하는, 접촉식 표면 단차 측정 방법(alpha step), 유전체가 도포 된 시료를 절단하여 전자선을 주사하여 방출되는 이차 전자의 강도를 통해 두께를 측정한다 주사전자현미경(SEM) 방식, 유전체의 시료에 빛을 반사시킨 후, 반사광의 편광 상태의 변화로부터 두께를 측정하는 Ellipsometer 방식 등이 존재하나, 이러한 계측을 통한 방법들은 공정 진행 중 챔버 벽 증착막 혹은 에지 링의 두께를 직접적으로 측정하기 어렵고, 두꺼운 유전체의 계측이 힘든 단점이 존재한다. 또한, 얇은 증착막의 경우 시료 제작을 통한 간접적 방법으로 측정이 가능하기는 하나 실시간 계측이 불가능하며 시료 제작 및 분석을 하기 위해서는 전문적인 지식이 필요하며 사용자의 숙련도에 신뢰성이 결정 되는 단점들이 존재한다.
따라서, 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치, 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 공정 모니터링 방법은 앞서 설명한 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로서, 종래 기술보다 보다 효과적으로 유전체의 두께를 정확히 측정하면서 실시간으로 측정할 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
보다 구체적으로는, 복수개의 다중 주파수 정현파 전압을 플라즈마 및 유전체에 인가한 후, 이에 따라 발생되는 전류의 크기 및 인가 전압 등을 기초로 임피던스 값을 계산하고, 계산된 임피던스 값을 기초로 유전체의 두께를 실시간으로 측정함으로써 증착 공정을 보다 정확하게 모니터링 할 수 있는 플라즈마 공정 모니터링 장치, 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 공정 모니터링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 플라즈마가 발생되는 챔버, 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나의 센서, 상기 센서에 서로 다른 주파수를 가지는 3개 이상의 정현파 전압을 인가하는 전압 인가부,상기 센서에 흐르는 출력 전류를 측정하는 측정 회로부 및 상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 산출하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.
상기 데이터 처리부는, 상기 유전체가 증착되어 발생되는 유전체 캐패시터, 상기 플라즈마에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시터 및 쉬스 저항의 회로 구성으로 등가 회로 모델을 이용하여, 상기 유전체의 두께를 산출할 수 있다.
상기 3개 이상의 정현파 전압은, 서로 다른 주파수를 가지는 제1정현파, 제2정현파 및 제3정현파를 포함할 수 있다.
상기 전압 인가부는, 상기 제1정현파, 상기 제2정현파 및 상기 제3정현파를 동시에 인가하거나, 시간 차이를 두고 인가할 수 있다.
상기 데이터 처리부는, 상기 제1정현파, 상기 제2정현파 및 상기 제3정현파를 인가하였을 때, 각각 측정되는 전류의 크기 및 상기 등가 회로 모델의 임피던스 정보를 기초로 상기 유전체의 두께를 산출할 수 있다.
상기 데이터 처리부는, 상기 유전체에 발생되는 프린징 효과(fringing effect)를 고려하여 산출된 정보를 기초로 상기 유전체의 두께를 다시 산출할 수 있다.
상기 데이터 처리부는, 상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 엣지 링(edge ring)의 두께를 산출할 수 있다.
상기 플라즈마 발생 장치는, 산출된 상기 엣지 링의 두께와 미리 설정된 기준 두께와의 차이를 계산한 후, 상기 차이가 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 차이만큼 상기 엣지 링을 상부로 이동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치는 플라즈마가 생성되는 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나의 센서에 서로 다른 주파수를 가지는 3개 이상의 정현파 전압을 인가하는 전압 인가부, 상기 센서에 흐르는 출력 전류를 측정하는 측정 회로부 및 상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 산출하는 데이터 처리부를 포함할 수 있다.
상기 데이터 처리부는, 상기 유전체가 증착되어 발생되는 유전체 캐패시터, 상기 플라즈마에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시터 및 쉬스 저항의 회로 구성으로 등가 회로 모델을 이용하여, 상기 유전체의 두께를 산출할 수 있다.
상기 3개 이상의 정현파 전압은, 서로 다른 주파수를 가지는 제1정현파, 제2정현파 및 제3정현파를 포함하고, 상기 전압 인가부는, 상기 제1정현파, 상기 제2정현파 및 상기 제3정현파를 동시에 인가하거나, 시간 차이를 두고 인가할 수 있다.
상기 데이터 처리부는, 상기 제1정현파, 상기 제2정현파 및 상기 제3정현파를 인가하였을 때, 각각 측정되는 전류의 크기 및 상기 등가 회로 모델의 임피던스 정보를 기초로 상기 유전체의 두께를 산출할 수 있다.
상기 데이터 처리부는, 상기 유전체에 발생되는 프린징 효과(fringing effect)를 고려하여 산출된 정보를 기초로 상기 유전체의 두께를 다시 산출할 수 있다.
상기 데이터 처리부는, 상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 엣지 링(edge ring)의 두께를 산출할 수 있다.
상기 플라즈마 공정 모니터링 장치는 산출된 상기 엣지 링의 두께와 미리 설정된 기준 두께와의 차이를 계산한 후, 상기 차이가 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 차이만큼 상기 엣지 링을 상부로 이동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법은 플라즈마가 생성되는 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나의 센서에 서로 다른 주파수를 가지는 3개 이상의 정현파 전압을 인가하는 전압 인간 단계, 상기 센서에 흐르는 출력 전류를 측정하는 전류 측정 단계 및 상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 산출하는 데이터 처리 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치는 챔버에 가해지는 방전 조건이 변경되더라도, 종래 기술과 다르게 방전 조건에 영향을 받지 않고 실제 증착 되어 있는 유전체의 두께를 정확하게 산출할 수 있으며, 실제 증착 공정이 수행되는 동안 유전체가 생성되고 있는 경우에도 유전체의 두께를 실시간(real time)으로 모니터링할 수 있는 장점이 존재한다.
또한, 본 발명은 전류의 위상 차이가 아닌 측정된 임피던스 값을 기초로 유전체의 두께를 측정하므로 종래기술보다 보다 정밀하게 두께 측정이 가능하며, 더 나아가 kHz 대역의 주파수는 물론 MHz 대역의 주파수를 인가하여도 유전체의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 장점이 존재한다.
또한, 본 발명은 챔버 내부에 발생되는 플라즈마의 균일도를 위해 설치되는 엣지 링의 두께 또한 실시간으로 측정이 가능하기 때문에, 엣지 링의 마모가 많이 진행된 것으로 판단된 경우 엣지 링을 상부로 이동시켜 플라즈마의 균일도를 유지할 수 있는 장점이 존재한다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래 기술에 따라 탐침에 전압을 인가한 경우의 플라즈마와 탐침 사이를 모델링한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 측면에서 바라 보았을 때의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 공정 모니터링 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 챔버 내부를 등가회로로 표시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 프린징 효과를 고려하여 유전체의 두께를 측정한 경우 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 등가회로모델을 이용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실제 실험결과를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법을 플라즈마 챔버에 적용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법을 디스플레이 공정 챔버에 적용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라, 엣지 링(edge ring) 보상 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 종래 기술에 따라 탐침에 전압을 인가한 경우의 플라즈마와 탐침 사이를 모델링한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 측면에서 바라 보았을 때의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 공정 모니터링 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 챔버 내부를 등가회로로 표시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라, 프린징 효과를 고려하여 유전체의 두께를 측정한 경우 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 등가회로모델을 이용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실제 실험결과를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법을 플라즈마 챔버에 적용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법을 디스플레이 공정 챔버에 적용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라, 엣지 링(edge ring) 보상 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시 예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함하며, 본 명세서에서 사용한 "제 1", "제 2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
도 1은 종래 기술에 따라 탐침에 전압을 인가한 경우의 플라즈마와 탐침 사이를 모델링한 회로도이다.
플라즈마 챔버 내부에 존재하는 탐침에 전압을 인가하는 경우 탐침과 플라즈마 사이에는 일반적으로 쉬스(Sheath) 영역이 발생하게 된다.
쉬스 영역은 준중성이 깨지는 공간을 의미하는데, 구체적으로 챔버 공간 내에서 플라즈마를 생성하는 과정에서 플라즈마가 빛을 내는 반응이 일어나지 않은 어두운 공간(Dark Space) 영역을 지칭하며, 주로 챔버 벽면 부근에서 많이 발생하게 된다.
일반적으로 플라즈마는 원자나 분자가 양이온과 자유전자로 분리되어 있는 이온화된 기체 상태로 존재하기 때문에, 자유전자가 챔버 내부를 자유롭게 이동하면서 양이온과 결합하면서 빛을 방출한다. 그러나, 탐침 표면 또는 챔버 벽면 부근의 경우 양이온보다 먼저 벽에 도착한 자유전자로 인해 마이너스 대전되어 있어, 벽으로 접근하는 자유전자를 반발력으로 밀어내기 때문에, 탐침 표면 또는 벽면 주변은 양이온과 중성자만 주로 남아 있어, 자유전자가 양이온과 결합하지 못하는 어두운 공간이 발생하게 된다. 그리고 이러한 영역을 쉬스 영역이라고 부른다.
또한, 플라즈마가 형성되는 챔버 벽면에는 증착된 유기 또는 무기 물질 다시 떨어져 나와 불순물 입자가 형성되는 영역이 발생하게 되고, 이렇게 형성된 불순물은 유전체(dielectric material)를 형성한다.
따라서, 이러한 영역은 등가 회로로 구현할 수 있는데, 구체적으로 도 1에 도시된 바와 같이 탐침의 표면에 위치한 쉬스 영역을 저항 성분으로 고려할 수 있다. 부유 전위의 탐침에 교류 전압을 인가하면, 플라즈마 쉬스에 해당 전압이 걸리며, 유전체를 하나의 축전기(Cd, capacitor)로 근사하고, 쉬스 영역을 쉬스 저항(Rs, sheath resistance)으로 근사하게 되면 도 1에 도시된 바와 같이 등가 모델 회로를 구현할 수 있기 때문에, 이를 분석하여 유전체의 두께를 측정할 수 있다.
그러나, 도 1과 같은 방법으로 유전체의 두께를 측정하는 경우, 플라즈마에 가해지는 인가 전력 등의 방전 조건이 변경되면 종래 회로 모델로부터 계산된 유전체의 두께와 실제 증착되어 있는 유전체의 두께 사이의 오차가 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 플라즈마 방전 조건이 변하여 플라즈마 상태가 변경되더라도 유전체 두께를 정확히 계산하여 증착 공정을 보다 정확히 모니터링할 수 있는 기술 개발이 절실한 실정이다.
따라서, 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치, 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 공정 모니터링 방법은 앞서 설명한 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로서, 종래 기술보다 보다 효과적으로 유전체의 두께를 정확히 측정하면서 실시간으로 측정할 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다. 이하 도면을 통해 본 발명의 구성 및 작동 원리에 대해 구체적으로 알아본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 측면에서 바라 보았을 때의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치(1)는 챔버 내에 배치되어 플라즈마의 다양한 변수를 측정하는 탐침에 해당하는 제1센서(20A), 제2센서(20B), 제1센서(20A) 및 제1센서(20A)에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가부(30), 플라즈마 발생 장치(1)의 본체 역할을 하면서 플라즈마가 생성되는 공간인 챔버(40), 플라즈마 발생 장치(100)에 전원을 공급하는 전원 모듈(50), 안테나(60)의 임피던스를 매칭하는 임피던스 매칭부(70) 및 제1센서(20A) 및 제2센서(20B)에 흐르는 전류를 측정하고, 측정한 결과 값들을 기초로 플라즈마의 다양한 변수를 계산하는 플라즈마 공정 모니터링 장치(100) 등을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면 챔버(40)는 기판 등 플라즈마 공정 처리가 필요한 피처리물이 제공되는 공간 및 플라즈마(P)가 생성되는 공간을 구비한 용기를 의미할 수 있다. 챔버(40)의 상부에는 도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마를 생성하기 위한 안테나(60)가 복수 개 설치될 수 있으며, 복수 개의 안테나(60)는 임피던스 매칭부(70, matching box)와 연결될 수 있다. 임피던스 매칭부(70)는 플라즈마 발생 장치(100)에 전원을 공급하는 전원 모듈(50) 및 챔버(40)와 각각 연결될 수 있으며, 도면에는 도시하지 않았지만, 챔버(40)의 하부에는 플라즈마의 발생원이 되는 소스 가스 등을 펌핑(pumping)하는 펌핑 시스템(pumping system)이 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 안테나(60)를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치는, 유도 결합 방식의 플라즈마 발생 장치로 지칭될 수 있다. 하지만, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치가 유도 결합 방식을 플라즈마 발생 장치로 한정되는 것은 아니고, 용량 결합 방식을 이용하여 플라즈마를 발생하는 장치 및 방법에도 모두 적용될 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해 도 2에 도시되어 있는 유도 결합 방식 플라즈마 발생 장치를 기준으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)는 챔버(40) 내부에서 발생되는 플라즈마의 다양한 변수를 측정할 수 있다. 본 발명에서 말하는 변수란, 플라즈마와 관련된 다양한 화학적, 물리적 특징을 의미하는 변수를 의미하며, 대표적으로 챔버(40) 내부에 생성되는 플라즈마의 밀도, 챔버 내부에 흐르는 전자의 온도 및 전자 에너지 확률 분포, 챔버 벽면에 형성되는 유전체(10)의 두께 등을 측정할 수 있다.
이를 위해, 챔버(40) 내부에는 복수 개의 센서가 구비될 수 있는데, 대표적인 실시예로 플라즈마에 정현파를 전달할 수 있는 제1센서(20A)와 제2센서(20B)가 구비될 수 있다. 제1센서(20A)와 제2센서(20B)는 도면에 도시된 바와 같이 챔버(40)의 일 벽면을 관통하도록 배치될 수 있다. 일 예로 도면에 도시된 바와 같이, 제1센서(20A)와 제2센서(20B)가 챔버(40)를 관통하여 플라즈마에 정현파 신호를 인가하는 경우에 제1센서(20A)와 제1센서(20B)는 부유 탐침(floating probe)의 형태를 가진다고 할 수 있다.
전압 인가부(30)는 전압을 생성한 후, 생성된 전압을 제1센서(20A) 및 제2센서(20B)에 인가할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 전압 인가부(30)는 제1센서(20A) 및 제2센서(20B)와 전기적으로 연결되어 있어, 제1센서(20A) 및 제2센서(20B)에 사용자의 설정에 따른 미리 설정된 전압을 인가할 수 있다. 전압 인가부(30)가 인가하는 제1센서(20A) 및 제2센서(20B)에 인가하는 전압의 형태 및 크기는 플라즈마 발생 환경에 따라 다르게 설정될 수 있으나, 교류 전압에 의해 생성되는 정현파 형태의 전압이 복수 개 인가될 수 있다. 일 예로, 전압 인가부(30)는 서로 다른 주파수(w1, w2, w3)를 가지는 3개의 정현파 전압을 센서(20)에 인가할 수 있다.
제1센서(20A)와 제2센서(20B)는 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(40) 내부에 배치되며, 전류가 흐를 수 있도록 금속 재질 형태의 탐침기로 구성될 수 있다.
전압 인가부(30)에 의해 제1센서(20A)와 제2센서(20B)에 전압이 인가된 경우, 플라즈마와 제1센서(20A) 및 제2센서(20B)의의 전위차로 인해 제1센서(20A) 및 제2센서(20B)에 전류가 흐르게 되므로, 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)는 제1센서(20A)와 제2센서(20B)에 흐르는 전류를 측정할 수 있게 된다. 도 2에서 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)의 배치는 이로 한정 되는 것은 아니고, 다른 실시예로 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)는 제1센서(20A)와 전압 인가부(30) 사이에 배치될 수 있다.
한편 도면에서는 전압 인가부(30)와 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)를 독립된 별개의 구성 요소로 도시하였지만, 본 발명의 실시예가 이로 한정되는 것은 아니고 전압 인가부(30)는 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)에 포함되는 것으로 구현될 수 도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블럭도이다.
도 3을 참조하면,플라즈마 공정 모니터링 장치(1)는 플라즈마 챔버(40)의 일측에 설치되는 센서(20)와, 센서(20)의 출력 전류를 측정하는 측정회로부(110)와, 적어도 3개의 서로 다른 주파수를 가지는 교류 전압을 인가한 후, 측정된 데이터를 기초로 챔버(40) 내부에 증착된 유전체(10)의 두께를 산출하는 데이터 처리부(120)와, 출력 전류를 데이터 처리부(120)로 전달하는 인터페이스부(130)와, 데이터 처리부(120)로부터 계산된 모니터링 정보를 디스플레이하는 디스플레이부(140)를 포함할 수 있다.
데이터 처리부(120, microcontroller unit)는 센서(20)에 교류 전압을 인가하는 한편, 센서(20)으로부터 출력 전류를 측정하여 처리할 수 있다. 이를 위해, 데이터 처리부(120)는, 측정회로부(110)에서 획득한 출력 전류를 입력받아 유전체(10)의 두께를 산출하는 제어부(121)와, 실제 출력 전류로부터 유전체(10)의 두께를 연산하는 연산부(122)와, 연산된 모니터링 정보를 외부 장치로 송, 수신하는 외부통신부(123)를 포함할 수 있다.
제어부(121)는 적어도 3개의 서로 다른 주파수를 가진 교류 전압을 발진시키고, 측정회로부(110)에서 출력 전류를 측정을 명령하고, 외부로 유전체(10)의 두께를 출력하거나 입력받는 등 플라즈마 공정 모니터링 장치(1) 전반을 제어할 수 있다. 제어부(121)에 인접하게 디지털-아날로그 변환기(124)가 배치될 수 있다.
연산부(122)는 측정회로부(110)의 출력 전류를 제공받아 출력 전류의 크기와 위상차로부터 센서(20)의 유전체(10)의 두께 정보를 산출한다. 본 실시예에서는 전술한 쉬스 저항(Rs)과, 쉬스 캐패시터(Cs) 및 이로부터 계산되는 유전체(10)의 두께를 계산한다. 또한, 외부통신부(123)는 연산된 모니터링 정보를 외부 장치 주로 컴퓨터(150) 등으로 송, 수신한다. 외부통신부(123) 는 무선 또는 유선 통신 수단일 수 있다.
기존의 플라즈마 공정 모니터링 장치에는 반드시 공정 모니터링 장치에 연결된 컴퓨터 등이 필수적으로 구비되어야 함에 반해, 본 실시예에서는 공정 모니터링 장치(100) 내에 계산을 수행하고 분석하는 데이터 처리부(120)가 포함되어, 연산과 분석을 수행하는 컴퓨터가 생략될 수 있는 장점이 있다.
한편, 데이터 처리부(120)는 단일 칩 형태로 제작되거나, 후술할 측정회로부(110)와 인터페이스부(130)를 포함하여 하나의 보드 형태인 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)로 제작될 수 있다. 따라서, 데이터 처리부(120)는 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 장치로 구현될 수 있다.
측정회로부(110)는, 데이터 처리부(120)와 센서(20) 사이에 배치되어 데이터 처리부(120)에서 발진된 교류 전압을 오피-앰프(111, op-amp)를 통해 증폭하여 센서(20)으로 전달하고, 센서(20)에 흐르는 출력 전류를 감지할 수 있다. 출력 전류를 측정 저항(113)과 차동 증폭기(114)를 구비한 전류측정부(112)를 거쳐 아날로그-디지털 변환기(141, ADC)로 출력한다. 한편, 본 실시예에서는 측정회로부(110)에서 출력 전류만을 측정하여 유전체(10)의 두께의 정보를 계산함을 상술하였으나, 탐침을 통전한 출력전압이 사용될 수도 있을 것이다.
아날로그-디지털 변환기(141)는, 측정회로부(110)에 인접하게 마련되며, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 인터페이스부(130)를 통해 데이터 처리부(120)로 출력할 수 있다.
디스플레이부(140)는 데이터 처리부(120)로부터 계산된 모니터링 정보를 작업자에 디스플레이한다. 작업자는 디스플레이부(140)를 통해 데이터 처리부(120)로부터 산출된 유전체(10)의 두께, 구체적으로 본 실시예에서는 측정회로부(110)로부터 측정된 출력 전류와 데이터 처리부(120)를 통해 산출된 유전체(10)의 두께를 용이하게 모니터링할 수 있다.
데이터 처리부(120)와 측정회로부(110), 아날로그-디지털 변환기(141), 측정회로부(140) 및 인터페이스부(130)를 포함한 플라즈마 공정 모니터링 장치는, 챔버(40)의 일측에 탈착 가능하게 설치될 수 있다.
이와 같은 구성의 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)는 종래보다 소형화를 구현할 수 있다. 즉, 종래 플라즈마 공정 모니터링 장치는 출력데이터를 계산하고 분석하기 위해 외부에 컴퓨터 등의 외부 장치와, 컴퓨터에 연결하기 위해 데이터 입출력보드(Data Acquisition Board, DAQ) 등이 별도로 구비되어야만 한다. 특히, DAQ의 크기가 커서 공정 모니터링 장치를 소형화하는데 문제가 있었다.
그러나 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)의 경우, 출력 전류 등의 출력 신호를 데이터 처리부(120)가 입력 받아 이를 자체적으로 연산하고 분석 처리함으로써, 컴퓨터(150)가 필수적으로 요구되지 않고, DAQ가 생략될 수 있어 소형화될 수 있다. DAQ가 생략되는 대신, 외부 장치와 연결은 외부통신부(123)를 통해 유, 무선의 통신을 통해 수행될 수 있다. 소형화된 공정 모니터링 장치(100)만으로 플라즈마의 모니터링이 가능하므로 이동이 용이하고, 설치 및 유지 관리 측면에서도 장점이 있다.
한편, 앞선 도 1에서 설명한 바와 같이, 종래 기술에 따라 단일 주파수의 정현파 교류 전압을 인가하여 출력 전류를 측정하고, 측정된 제1 고조파의 크기 성분에 대한 정보로부터 쉬스 저항(Rs)을 도출하고 유전체(10)의 두께를 산출하는 경우, 챔버에 가해지는 방전 조건(예를 들면, 인가 전력, 가스 종류 및 유량, 내부 압력 등)이 변경되면 계산된 유전체(10)의 두께와 실제 증착되어 있는 유전체(10)의 두께 사이의 오차가 심하게 발생되는 문제점이 존재하며, 위상 차이를 이용하여 유전체(10)의 두께를 측정하는 방법 또한, 증착 막이 두꺼워 짐에 따라 위상차 측정에서 큰 오차가 발생해 신뢰도가 낮아지는 문제가 존재하고, 더 나아가 인가되는 주파수가 낮기 때문에 mm 단위의 edge ring과 같은 유전체(10)의 두께를 측정 할 수 없는 문제점이 존재한다.
따라서, 일 실시예에 따른 의한 플라즈마 공정 모니터링 방법은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 센서(20)에 서로 다른 주파수를 가지는 3개 이상의 교류 전압(V(t)= cos(w*t))을 동시에 또는 각각 인가시킨 후, 인가한 전압에 대해 출력된 전류에 대한 정보를 이용하여 등가 회로 모델을 만들고, 이를 기초로 유전체(10)의 두께를 산출함으로써, 보다 정확하면서 실시간으로 유전체(10)의 두께를 측정할 수 있다. 이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법에 대해서 설명한다. 플라즈마 공정 모니터링 방법은 전술한 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)를 사용하여 챔버(40) 내부의 플라즈마 상태를 모니터링하는 방법이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 공정 모니터링 방법을 나타낸 순서도이고, 도 5A 와 5B는 본 발명의 일 실시예에 따라, 챔버 내부를 등가회로로 표시한 도면이다.
도 4에 도시된 순서도를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법은, 센서(20)에 서로 다른 주파수를 가지는 복수 개의 교류 전압을 인가하는 단계(S110)와, 센서(20)에 발생된 출력 전류를 측정하는 단계(S120)와, 등가회로모델 및 전류의 크기와 측정된 정보를 기초로 등가회로모델의 임피던스를 산출하는 단계(S130)와, 산출된 임피던스 값을 기초로 유전체의 두께를 산출하는 단계와, 산출된 유전체 두께에 정보를 외부로 송출하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
센서(20)에 복수 개의 교류 전압을 인가하는 단계(S110)는, 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)의 데이터 처리부(120) 또는 전압 인가부(30)에서 교류 전압을 인가하는 단계이다. 이하 설명의 편의를 위해 데이터 처리부(120)에서 전압을 인가하는 것을 가정으로 한다.
데이터 처리부(120)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수 개의 교류 전압을 동시에 또는 순차적으로 센서(20)에 인가할 수 있다. 인가된 교류 전압은 측정회로부(110)의 오피-앰프(111) 및 전류측정부(112)를 거쳐 센서(20)으로 통전된다. 본 명세서에는 설명의 편의를 위해 데이터 처리부(120)가 인가하는 교류 전압들은 서로 다른 주파수(w1, w2, w3)를 가지는 3개의 정현파가 인가되는 것을 가정으로 설명하나, 본 발명의 실시예가 이로 한정되는 것은 아니고 4개 이상의 정현파가 인가될 수도 있다.
한편 도 3에서는 설명의 편의를 위해 데이터 처리부(120)가 복수 개의 교류 전압을 인가하는 것으로 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예로 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)는 복수 개의 전압을 인가하는 전압 인가부가 데이터 처리부(120)와 별도로 구성되어 있을 수 있다.
센서(20)에 발생된 출력 전류를 측정하는 단계(S120)는, 센서(20)에 흐르는 출력 전류를 측정회로부(110)를 통해 감지한다
측정회로부(110)에는 측정 저항(113)과 차동 증폭기(114)가 포함되어 미세 출력 전류를 증폭하고 노이즈를 제거할 수 있다. 이후 아날로그-디지털 변환기(141)로 출력하고, 디지털 신호로 변환된 출력신호를 인터페이스부(130)를 통해 데이터 처리부(120)로 전달할 수 있다.
등가회로 모델 및 측정된 정보를 기초로 임피던스를 산출하는 단계(S130)는, 챔버 내멱에 설치된 금속 구조물에 대해 도 5에 도시된 바와 같이 등가회로모델을 구성하고, 이를 기초로 등가회로모델의 전체 임피던스를 산출하는 단계이다.
구체적으로, 챔버(40) 내벽에 설치된 금속 구조물에 다중 주파수의 정현 전압을 인가하는 경우, 플라즈마 내부는 정현파 신호 발생부(210), 유전체(220), 쉬스(230) 및 플라즈마(240)로 표현될 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 유전체(220)는 유전체 커패시터(Cdep)로 표현될 수 있고, 쉬스(230)는 쉬스 저항(Rsh) 및 쉬스 커패시터(Csh)로 표현될 수 있다. 한편, 지칭 명칭에 따라 유전체 커패시터(Cdep)는 제1커패시터로, 쉬스 커패시터(Csh)는 제2커패시터로 지칭될 수 있다.
한편, 도 5A에 도시된 등가회로모델에서 쉬스(230)에 대한 쉬스 임피던스(Zsh)는 교류 전압의 특성에 따라 아래와 같은 수학식 (1)로 정의될 수 있다.
(수학식 1)
그리고 유전체(220)에 대한 유전체 임피던스(Xdep) 및 등가회로모델의 전체 임피던스(Ztotal)은 아래 수학식 (2)와 같이 표현될 수 있다.
(수학식 2)
한편, 서로 다른 주파수를 가지는 복수 개의 정현파 전압을 인가하였을 때, 각각 측정된 전류(I)를 이용하여 V=I*R 공식을 이용하면, 아래와 같은 수학식 (3)으로 방정식이 정리될 수 가 있다.
(수학식 3)
산출된 임피던스 값을 기초로 유전체의 두께를 산출하는 단계는, 상기 수학식들을 이용하여 유전체(220)의 유전체 커패시터(Cdep) 값을 구하고 이를 기초로 유전체의 두께를 산출하는 과정이다.
수학식 (1), 수학식 (2) 및 수학식 (3)을 기초로 방정식을 풀면, 유전체 커패시터의 값을 산출할 있는데, 구체적으로 교류 전압의 특성상 인가되는 주파수에 따라 쉬스 임피던스(Zsh,wn) 및 유전체의 리액턴스(Xdep,wn)가 변하기 때문에 이를 이용하면 수학식 (3)과 식을 생성하고, 이를 행렬로 변환한 뒤, 측정된 전류 값 및 전압 값 등을 이용하여 행렬을 풀면, 유전체 임피던스 (Xdep,wn)를 산출할 수 있다.
그리고 유전체 임피던스(Xdep)가 산출되면 이를 기초로 아래 수학식 (4)와 같이 유전체의 정전 용량(Cdep)을 알 수 있고, 최종적으로 금속 구조물의 넓이(A)와 유전체(220) 유전율 ε을 알면 아래 수학식 (5)과 같이 유전체의 두께 d를 측정할 수 있으며, 이러한 유전체의 두께를 산출하는 단계(S230)는 모두 연산부(122)에서 수행될 수 있다.
(수학식 4)
(수학식 5)
또한 도 5B와 같이 유전체의 전도성이 높은 경우, 유전체 등가 회로에 병렬 저항을 추가하는 방법으로 등가회로모델을 구한 후, 앞서 설명한 방법을 통해 유전체의 두께를 측정할 수 있다.
유전체의 두께를 외부로 출력하는 단계(S240)는, 유전체의 두께를 디스플레이부(140)를 통해 사용자에 표시하는 단계로서, 이 경우 데이터 처리부(120) 내의 외부통신부(123)를 이용하여 외부 컴퓨터(150) 등과 통신할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치(100) 및 플라즈마 공정 모니터링 방법에 의하면, 챔버(40)에 가해지는 방전 조건(예를 들면, 인가 전력, 가스 종류 및 유량, 내부 압력 등)이 변경되더라도, 실제 증착되어 있는 유전체의 두께에 비교적 정확하게 유전체의 두께를 산출할 수 있다. 또한, 실제 증착 공정이 수행되는 동안 유전체가 생성되고 있는 경우에도 유전체의 두께를 실시간(real time)으로 모니터링할 수 있는 장점이 존재한다.
또한, 유전체를 유전체 캐패시터(Cdep)와 쉬스 영역을 쉬스 저항(Rs)과 쉬스 캐패시터(Cs)로 근사시키고 유전체의 두께를 계산한 것이므로, 유전체의 상태를 용이하게 파악할 수 있는 장점이 있다. 증착 공정 중 또는 공정이 완료된 후 유전체의 두께를 모니터링하면서 사용자에 의해 설정된 오차 범위 밖의 데이터를 얻을 경우, 플라즈마의 상태가 어떠한지, 챔버(40) 내부에 방전 조건 대로 수행되는지, 증착 공정이 원활히 수행되는지 등의 정성적인 분석이 가능할 수 있게 된다. 실제 오차 범위 밖에 데이터를 추출하였을 때 신속히 증착 공정을 중단하고, 플라즈마 방전 조건을 변경하거나 플라즈마 증착 설비 보수를 도모할 수 있는 장점이 존재한다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)는 다중 주파수의 전압을 인가하고 그에 따른 전류를 측정하는 방식으로 유전체의 두께를 측정하므로, 전압을 인가하고 전류를 측정한 후, 위상차를 이용해 유전체의 두께를 측정하는 종래 장치에서도 추가적으로 본 발명의 원리가 적용되어 유전체의 두께를 측정할 수 도 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)는 상대적으로 두꺼운 유전체의 두께를 측정하는 경우 유전체의 가장자리 부분의 전기장으로 인해 발생하는 프린징 효과(fringing effect)까지 고려하여 유전체의 두께를 측정하므로, 실제 유전체의 두께와 아주 유사한 측정값을 도출할 수 있다.
일반적으로 절연체를 통과하는 전기장은 플레이트에 수직으로 발생하지만, 가장자리 부분(옆 부분)은 그 특성상 휘어서 형성되는데 이 부분을 프린징 효과라고 부른다(여분의 유효단면적). 그리고 이러한 프린징 효과는 챔버 내부에서도 발생하기 때문에, 이러한 현상을 고려하지 않고 유전체의 두께를 측정하는 경우 실제 유전체의 두께와 다소 다른 결과값이 산출될 수 있다.
그러나 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치(100)는 이러한 효과까지 고려하여 유전체의 두께를 산출할 수 있는데, 구체적으로, 유전체의 실측 두께 및 발명 장치로 측정한 유전 용량을 이용하면 유전체의 실제 면적 A와 다른 프린징 효과를 고려한 유효 면적 Aeff에 관한 식을 아래 수학식 (7)과 같이 도출할 수 있다.
(수학식 7)
해당 수식을 발명 장치에 적용할 시 두꺼운 유전체에서도 정밀한 측정이 가능하다. 도 6은 프린징 효과를 고려하여 유전체의 두께를 측정한 경우 측정값과 실제 결과와의 차이를 보여준 도면인데, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치는 1 mm부터 5 mm까지의 쿼츠 플레이트의 두께를 정확히 측정할 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라, 등가회로모델을 이용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실제 실험결과를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법을 플라즈마 챔버에 적용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실험 결과를 도시한 도면이며, 도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법을 디스플레이 공정 챔버에 적용하여 유전체의 두께를 측정하였을 때의 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 등가회로모델을 이용하여 등가회로모델을 구성하는 캐피서터의 정전 용량을 정확히 측정하여 증착 두께 측정 및 재현성을 99% 이상 달성한 것을 알 수 있다.
도 8에서 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법을 실제 플라즈마 챔버에 탑재하여 유전체의 두께를 측정한 경우, 플라즈마의 밀도 및 전자 온도가 변하는 경우에도 발명 장치가 모사한 유전체의 두께를 정확히 측정하였음을 알 수 있으며, 도 9에서 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법은 디스플레이 공정 환경에서도 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라, 엣지 링(edge ring) 보상 방법을 설명하기 위한 도면이다.
최근 반도체 공정에서 웨이퍼와 접하는 플라즈마의 균일도 상승을 위해 엣지 링(edge ring)을 사용하는데, 공정이 진행됨에 따라 엣지 링의 특성상 엣지 링의 마모가 발생하게 되고 이는 플라즈마의 균일도 저하를 야기시키는 문제를 발생시킨다.
그러나, 본 발명에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치는 앞서 설명한 방법을 이용하여 엣지 링의 두께 또한 실시간으로 비교적 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, 플라즈마 공정 모니터링 장치의 데이터 처리부(120)는 측정된 두께를 미리 설정된 기준 두께와의 차이값을 산출하고, 산출된 차이값이 미리 설정된 값을 벗어나는 경우 마모가 많이 진행된 것을 판단하여, 도 10에 도시된 바와 같이 마모량만큼 엣지 링을 이동시켜 플라즈마의 높은 균일도를 지속적으로 유지할 수 있다. 한편, 엣지 링은 제어부(121)에 이해 이동될 수 있다.
지금까지 도면을 통해 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 장치, 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 공정 모니터링 방법에 대해 알아보았다.
일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치는 챔버에 가해지는 방전 조건이 변경되더라도, 종래 기술과 다르게 방전 조건에 영향을 받지 않고 실제 증착 되어 있는 유전체의 두께를 정확하게 산출할 수 있으며, 실제 증착 공정이 수행되는 동안 유전체가 생성되고 있는 경우에도 유전체의 두께를 실시간(real time)으로 모니터링할 수 있는 장점이 존재한다.
또한, 전류의 위상차이가 아닌 측정된 임피던스 값을 기초로 유전체의 두께를 측정하므로 종래기술보다 보다 정밀하게 두께 측정이 가능하며, 더 나아가 kHz 대역의 주파수는 물론 MHz 대역의 주파수를 인가하여도 유전체의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 장점이 존재한다.
또한, 일 실시예에 따른 플라즈마 공정 모니터링 방법 및 공정 모니터링 장치는 챔버 내부에 발생되는 플라즈마의 균일도를 위해 설치되는 엣지 링의 두께 또한 실시간으로 측정이 가능하기 때문에, 엣지 링의 마모가 많이 진행된 것으로 판단된 경우 엣지 링을 상부로 이동시켜 플라즈마의 균일도를 유지할 수 있는 장점이 존재한다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속할 ㅅ수 있다.
10: 플라즈마 발생 장치
20: 센서
30: 전압 인가부
40: 챔버
100: 플라즈마 발생 장치
110: 측정 회로부
120: 데이터 처리부
121: 제어부
130: 인터페이스부
220: 유전체
230: 쉬스
20: 센서
30: 전압 인가부
40: 챔버
100: 플라즈마 발생 장치
110: 측정 회로부
120: 데이터 처리부
121: 제어부
130: 인터페이스부
220: 유전체
230: 쉬스
Claims (15)
- 플라즈마가 발생되는 챔버;
챔버 내부에 배치되는 적어도 하나의 센서;
상기 센서에 서로 다른 주파수를 가지는 3개 이상의 정현파 전압을 인가하는 전압 인가부;
상기 센서에 흐르는 출력 전류를 측정하는 측정 회로부; 및
상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 산출하는 데이터 처리부;를 포함하는, 플라즈마 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 유전체가 증착되어 발생되는 유전체 캐패시터, 상기 플라즈마에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시터 및 쉬스 저항의 회로 구성으로 등가 회로 모델을 이용하여, 상기 유전체의 두께를 산출하는, 플라즈마 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 3개 이상의 정현파 전압은,
서로 다른 주파수를 가지는 제1정현파, 제2정현파 및 제3정현파를 포함하는, 플라즈마 발생 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 전압 인가부는,
상기 제1정현파, 상기 제2정현파 및 상기 제3정현파를 동시에 인가하거나, 시간 차이를 두고 인가하는, 플라즈마 발생 장치. - 제 4항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 제1정현파, 상기 제2정현파 및 상기 제3정현파를 인가하였을 때, 각각 측정되는 전류의 크기 및 상기 등가 회로 모델의 임피던스 정보를 기초로 상기 유전체의 두께를 산출하는, 플라즈마 발생 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 유전체에 발생되는 프린징 효과(fringing effect)를 고려하여 산출된 정보를 기초로 상기 유전체의 두께를 다시 산출하는, 플라즈마 발생 장치. - 제 2항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 엣지 링(edge ring)의 두께를 산출하는, 플라즈마 발생 장치. - 제7 항에 있어서,
산출된 상기 엣지 링의 두께와 미리 설정된 기준 두께와의 차이를 계산한 후, 상기 차이가 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 차이만큼 상기 엣지 링을 상부로 이동시키는 제어부;를 더 포함하는, 플라즈마 발생 장치. - 플라즈마가 생성되는 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나의 센서에 서로 다른 주파수를 가지는 3개 이상의 정현파 전압을 인가하는 전압 인가부;
상기 센서에 흐르는 출력 전류를 측정하는 측정 회로부; 및
상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 산출하는 데이터 처리부;를 포함하는, 플라즈마 공정 모니터링 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 유전체가 증착되어 발생되는 유전체 캐패시터, 상기 플라즈마에 인접하게 발생되는 쉬스 영역의 쉬스 캐패시터 및 쉬스 저항의 회로 구성으로 등가 회로 모델을 이용하여, 상기 유전체의 두께를 산출하는, 플라즈마 공정 모니터링 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 3개 이상의 정현파 전압은, 서로 다른 주파수를 가지는 제1정현파, 제2정현파 및 제3정현파를 포함하고,
상기 전압 인가부는, 상기 제1정현파, 상기 제2정현파 및 상기 제3정현파를 동시에 인가하거나, 시간 차이를 두고 인가하는, 플라즈마 발생 장치.
상기 데이터 처리부는, 상기 제1정현파, 상기 제2정현파 및 상기 제3정현파를 인가하였을 때, 각각 측정되는 전류의 크기 및 상기 등가 회로 모델의 임피던스 정보를 기초로 상기 유전체의 두께를 산출하는, 플라즈마 공정 모니터링 장치. - 제 10항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 유전체에 발생되는 프린징 효과(fringing effect)를 고려하여 산출된 정보를 기초로 상기 유전체의 두께를 다시 산출하는, 플라즈마 공정 모니터링 장치. - 제 10항에 있어서,
상기 데이터 처리부는,
상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 산출하는, 플라즈마 공정 모니터링 장치. - 제13항에 있어서,
산출된 상기 엣지 링의 두께와 미리 설정된 기준 두께와의 차이를 계산한 후, 상기 차이가 미리 설정된 범위를 벗어나는 경우, 상기 차이만큼 상기 엣지 링을 상부로 이동시키는 제어부;를 더 포함하는, 플라즈마 공정 모니터링 장치. - 플라즈마가 생성되는 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나의 센서에 서로 다른 주파수를 가지는 3개 이상의 정현파 전압을 인가하는 전압 인간 단계;
상기 센서에 흐르는 출력 전류를 측정하는 전류 측정 단계; 및
상기 정현파 전압에 대한 정보 및 상기 출력 전류에 대한 정보를 기초로 상기 챔버 내부에 있는 유전체의 두께를 산출하는 데이터 처리 단계;를 포함하는, 플라즈마 공정 모니터링 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220021010A KR20230123791A (ko) | 2022-02-17 | 2022-02-17 | 플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치 |
| PCT/KR2023/002230 WO2023158227A1 (ko) | 2022-02-17 | 2023-02-15 | 플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220021010A KR20230123791A (ko) | 2022-02-17 | 2022-02-17 | 플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230123791A true KR20230123791A (ko) | 2023-08-24 |
Family
ID=87578636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220021010A KR20230123791A (ko) | 2022-02-17 | 2022-02-17 | 플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230123791A (ko) |
| WO (1) | WO2023158227A1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101652845B1 (ko) | 2014-08-08 | 2016-09-01 | 인베니아 주식회사 | 플라즈마 발생모듈 및 이를 포함하는 플라즈마 처리장치 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080001163A (ko) * | 2006-06-29 | 2008-01-03 | 주식회사 하이닉스반도체 | 홀 휘어짐 방지를 위한 플라즈마 식각 장치 |
| KR100937164B1 (ko) * | 2007-12-20 | 2010-01-15 | 정진욱 | 공정 모니터링 장치와 그 방법 |
| KR101206744B1 (ko) * | 2011-02-28 | 2012-11-30 | 성균관대학교산학협력단 | 임피던스를 이용한 인시투 박막 두께 측정 장치, 박막 두께 측정 방법 및 그 기록 매체 |
| KR101447639B1 (ko) * | 2013-06-21 | 2014-10-08 | 한양대학교 산학협력단 | 플라즈마 진단장치 및 그 방법 |
| KR102410526B1 (ko) * | 2015-01-22 | 2022-06-20 | 삼성디스플레이 주식회사 | 플라즈마 발생장치의 오염측정장비 |
-
2022
- 2022-02-17 KR KR1020220021010A patent/KR20230123791A/ko active IP Right Grant
-
2023
- 2023-02-15 WO PCT/KR2023/002230 patent/WO2023158227A1/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101652845B1 (ko) | 2014-08-08 | 2016-09-01 | 인베니아 주식회사 | 플라즈마 발생모듈 및 이를 포함하는 플라즈마 처리장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023158227A1 (ko) | 2023-08-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102319493B1 (ko) | 기판 처리 장치 | |
| KR100612736B1 (ko) | 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 | |
| JP3665265B2 (ja) | プラズマ処理装置 | |
| JP6186152B2 (ja) | プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 | |
| TWI593020B (zh) | Plasma processing apparatus and plasma processing method | |
| KR102453210B1 (ko) | 플라스마 프로브 장치, 플라스마 처리 장치 및 제어 방법 | |
| JP7026578B2 (ja) | プラズマプローブ装置及びプラズマ処理装置 | |
| JP2011014579A (ja) | プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 | |
| KR20130018459A (ko) | 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 | |
| KR102244355B1 (ko) | 거리를 구하는 방법, 정전 척을 제전하는 방법, 및, 처리 장치 | |
| KR100628392B1 (ko) | 처리 장치의 다변량 해석 모델식 작성 방법, 처리장치용의 다변량 해석 방법, 처리 장치의 제어 장치, 처리장치의 제어 시스템 | |
| CN114823269A (zh) | 等离子体处理装置的异常探测方法和等离子体处理装置 | |
| KR20230038045A (ko) | 비대칭 면적을 가지는 이중 프로브를 포함하는 플라즈마 상태 변수 특정 방법, 비대칭 면적을 가지는 이중 프로브를 포함하는 플라즈마 상태 변수 특정 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치 | |
| JP2019161234A (ja) | プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 | |
| US7993487B2 (en) | Plasma processing apparatus and method of measuring amount of radio-frequency current in plasma | |
| KR20230123791A (ko) | 플라즈마 공정 모니터링 방법, 플라즈마 공정 모니터링 장치 및 플라즈마 발생 장치 | |
| KR101108541B1 (ko) | 표피효과를 이용하여 플라즈마 공정 챔버의 세정주기를 결정하는 장치 | |
| JP4675266B2 (ja) | 基板処理装置の処理結果の予測方法及び予測装置 | |
| KR20240020790A (ko) | 플라즈마 공정 모니터링 방법 및 플라즈마 공정 모니터링 장치 | |
| TW202135205A (zh) | 用於控制不均勻性的系統及方法 | |
| JP2016086040A (ja) | 半導体製造装置の出力検査方法及び半導体製造装置 | |
| 이현주 | Development of PI-VM for Etch Control in Wafer Edge Region | |
| KR20240131811A (ko) | 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 | |
| KR20240126198A (ko) | 플라즈마 밀도 측정 센서, 그것을 포함하는 실시간 플라즈마 밀도 측정 장치 및 그것의 동작 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) |