KR20230140538A - 플라즈마 처리 챔버에서 흐르는 무선 주파수 전류 스펙트럼의 비침습적 감지 시스템 및 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 챔버에서 흐르는 무선 주파수 전류 스펙트럼의 비침습적 감지 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

플라스마 프로세싱 챔버, 플라스마 발생기, 저항기가 내장된 션트 커넥터를 포함하는, 고주파 전류 스펙트럼의 비침습적 감지를 위한 시스템이 제공되고, 여기서 션트 커넥터는 플라스마 프로세싱 챔버와 플라스마 발생기 사이의 접지귀로의 개구를 가로질러 부착된다.

Description

플라스마 처리 챔버 내에서 유동하는 고주파 전류 스펙트럼의 비침습적 감지를 위한 시스템 및 방법{System and Method for Non-Invasive Sensing of Radio-Frequency Current Spectra Flowing in a Plasma Processing Chamber}
본 개시는 무선주파수에서 플라스마 시스템의 교류 신호의 원격 센싱 및 분석에 관한 것이다.
물질의 플라스마 처리는 현대의 산업 제조에서 아주 흔하게 있다. 반도체산업에서 집적회로의 제조 동안에 층들을 식각 및 증착하여 트랜지스터를 형성하는 것이 흔한 예이다. 플라스마 처리는 태양광 패널, 평판 디스플레이, 박막 코팅, 의료 장치 등의 제조에서도 사용된다.
프로세싱 플라스마는 저압의 진공 챔버 내에서 생성된다. 공기가 배출되고, 선택된 가스 압력에서 가스 레시피가 챔버로 투입된다. 대개 전기 에너지인 에너지가 챔버로 공급되어 가스를 플라스마 상태로 여기 시킨다. 플라스마는 프로세싱 동안에 제작품의 표면을 변경하는데 필요한 이온을 생산한다.
플라스마 프로세스에 동력을 공급하기 위해 고주파(RF) 대역의 전기 에너지가 흔히 사용된다. 직류, 펄스화된 직류, 및 마이크로파 전력도 흔히 사용된다. RF 범위는 일반적으로 수십 KHz 내지 수백 MHz 사이이다.
RF 플라스마에서, RF 발생기는 매칭 네트워크를 통해 플라스마 챔버로 파워를 공급하여 파워 전달을 최대화한다. 파워는 여러 상이한 방법으로 플라스마에 결합될 수 있다. 일 구성에서, RF 동력 전극이 사용되어 플라스마를 여기 할 수 있다. 해당 동력 전극과 상대 전극 사이에 인가된 전계(E-필드) 및/또는 챔버 본체는 프로세스 가스의 전기적 파괴를 유발하여 플라스마를 형성한다. RF 전류는 방전을 지속시키고, RF 발생기로부터 전원이 공급된 전극으로 흐르고 플라스마를 통해 상대 전극 및/또는 챔버 본체로 흐른다. 전류는 이어서 접지귀로(ground return path)를 통해 RF 발생기로 다시 흐른다. 원자 및 분자의 원 위치에서 떨어져 나온 전자는 전계에서 앞뒤로 진동하여 프로세스에서 백그라운드 가스를 이온화 하여 플라스마를 지속시킨다.
다른 구성에서, RF 파워는 RF 안테나를 통하여 플라스마에 결합된다. 안테나는 백그라운드 가스와 직접 접촉하지 않아도 된다. 안테나를 통해 흐르는 RF 전류는 전류 흐름과 직각 방향으로 시변(time varying) 자계를 유도한다. 이 자계는 흔히 유전 윈도우(dielectric window)를 통해 챔버에 결합된다. 파괴가 발생하면, 자계는 플라스마 내에 E-필드를 유도하여 RF 전류를 구동한다. 자유 전자는 RF 필드 내에서 진동하여 백그라운드 가스를 이온화 하여 플라스마를 지속시킨다. 이 외에도 많은 플라스마 반응기 구성과 플라스마 생성 메커니즘이 존재하고, 본 발명은 또한 이러한 구성과 메커니즘에도 적용될 수 있다.
RF 결합 메커니즘의 유형에 관계없이, 전극 또는 안테나와 플라스마 사이에는 경계면 영역이 형성된다. 이 영역은 플라스마 시스(plasma sheath)라고 불린다. 플라스마 시스는 비선형의 RF 임피던스를 가지고 있다. 이로 인해, 기본 구동 주파수의 고조파가 생성된다. 그 결과, 플라스마 전압과 전류는 풍부한 고조파 스펙트럼을 가질 수 있다. 플라스마 프로세스의 RF 고조파 특징은 기본 플라스마 파라미터, 플라스마의 화학적 구조, 챔버의 기하학적 구조, 챔버의 표면 상태, 및 챔버의 기계적 특성 등과 같은 많은 변수에 의해 결정된다. 따라서 고조파 스펙트럼은 플라스마 프로세스의 건전성과 성능에 관한 중요한 정보를 포함한다. 플라스마 반응기 구성에 따라, 하나 이상의 구동 주파수가 있게 된다. 각 기본 구동 주파수뿐만 아니라 상호 변조차 주파수에 대한 고조파 스펙트럼. RF 동력 플라스마 반응기에서 생성된 RF 고조파 스펙트럼을 측정하기 위한 비침습적 감지 장치가 매우 바람직하다. 정확하게 측정된 고조파 스펙트럼 특징은 실시간으로 프로세스 성능을 모니터링하기 위해 활용될 수 있다. RF 플라스마 프로세스에서 RF 스펙트럼을 측정하기 위해 많은 방법과 감지 장치가 개발된 바 있다.
RF 발생기와 플라스마 챔버 사이의 송신 라인 또는 RF 경로를 흐르는 RF 전압 및 전류 스펙트럼을 측정하기 위하여 VI 센서가 통상적으로 사용된다. VI 감지 요소는 전류가 흐르는 전도체와, 접지된 차폐 하에서, 매우 가깝게 배치되어 외부로 나가는 RF 전압과 전류 신호를 측정하는 것이 일반적이다.
WO 2014/016357 A2에 VI 센서 장치가 기재되어 있다. 이 센서는 RF 파워 공급 라인과 직렬로 연결되도록 설계되어 있다. 센서는 전송 라인 구간을 포함하는데, 이러한 유형의 센서에서는 일반적이다. 플라스마에 연결된 RF 라인 상의 전압 신호를 판단하기 위해 광대역 정전식 픽업(E-필드 프로브)이 사용된다. 플라스마에 연결된 RF 라인 내의 RF 전류를 판단하기 위해 유도 루프(B-도트 프로브)가 사용된다. 전압 픽업과 전류 픽업은 VI 센서 구조의 RF 전송 라인 구간에 내장되어 있다. 전류와 전압을 나타내는 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 전달되고, 디지털화 된 신호들은 FPGA(field programmable gate array)에서 처리된다. 인라인 VI 센서가 매우 중요한 도구이긴 하지만, 플라스마 시스템 구성을 상당히 수정하지 않고 설치하는 것이 어려울 수 있다. VI 센서는 본 발명이 제공하는 장치보다 플라스마 상태의 변화에 덜 민감할 수 있다.
다른 그룹의 감지 장치들은 플라스마 프로세싱 시스템의 영역들은 플라스마 프로세싱 시스템에 인가되는 RF 전압 및 플라스마 프로세싱 시스템을 통해 흐르는 RF 전류와 연관된 전자기장으로 "누출"될 수 있다는 사실을 이용한다. RF 시변(time-varying) 전계 및 자계는 임의의 모든 차폐되지 않은 영역 또는 적절치 않게 접지된 영역을 통해 방사된다.
플라스마로부터의 광방출을 모니터링하기 위해 종종 사용되는 챔버 뷰포트(viewport)는 플라스마 시스템의 간격 또는 개구의 예이고, 이로부터 프로세싱 챔버에서 누출되는 RF 필드가 모니터링될 수 있다. 여러 선행 발명들은 시변 전기(E) 필드 센서 및/또는 시변 자기(B) 필드 센서를 활용하여, 뷰포트와 같은 플라스마 프로세싱 시스템의 개구로부터 방사하는 RF 스펙트럼을 감지한다. 정전식 픽업은 E-필드 스펙트럼의 검출에 전형적으로 사용되고, 유도 루프는 B-필드 스펙트럼의 검출에 전형적으로 사용된다.
감지된 RF 스펙트럼의 처리 및 분석을 통하여, 플라스마 프로세스가 실시간으로 모니터링될 수 있다. 측정된 RF 스펙트럼의 상세한 보정에 대한 필요성을 회피하기 위하여, 특정 프로세스 조건을 기준선 설정하거나 감식하는 통계적 방법이 활용될 수 있다. 이는 알려진 '건전한' 프로세스에 대해 수행된다. 동일한 세트 포인트에 대한 후속 프로세스가 기준선에 비교되어 통계적으로 유의미한 변화를 확인할 수 있다. 큰 변화는 단일 주파수 채널에서 쉽게 검출되게 되지만, 기타 변화는 더욱 미묘할 수 있고 RF 고조파 스펙트럼으로부터 많은 데이터 채널을 활용하여 다변량 분석을 해야만 작은 공기 누출 또는 약간의 웨이퍼 위치 오차 등을 검출할 수 있을 수 있다.
Elahi 및 Ghoranneviss는 IR-T1 토카막(tokamak) 챔버 용기 외부에 설치된 유도 루프를 활용하여 챔버 내부의 플라스마 전류를 감지함으로써 플라스마 위치를 판단하는 새로운 방법을 제시한다(IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 38, no. 11, 2010년 11월).
WO 2018/177965 A1에는 특별히 설계된 자성 루프 안테나가 사용되어 플라스마 챔버 뷰포트의 부근에서 흐르는 플라스마 전류를 외부 위치로부터 감지하는 장치가 기재되어 있다. 안테나는 신중하게 설계되고 보정된다. 안테나의 출력은 안테나에 의해 검출된 주파수 스펙트럼을 관찰하기 위해 스펙트럼 분석기에 결합된다. 발명자들은 플라스마의 공명 특징을 검출하기 위한 주파수 분석 방식에 대해 기재하고 있다. 본 장치와 인라인 VI 센서 및 OES 검출기 간의 측정 결과가 서로 잘 일치한다.
WO 2004/006298 A2에는 RF 안테나를 활용하여 원격으로 플라스마 시스템으로부터의 RF 방사를 감지하는 장치가 기재되어 있다. 이 안테나는 고조파 신호를 검출할 수 있고 분석을 위해 처리 장치에 결합되어 있다. 처리 장치는 플라스마 도구 제어기에 결합되어 있고, 감지된 RF 신호들은 측정된 신호 레벨에 의거하여 플라스마 프로세스의 파라미터들을 조정 및 유지하는데 사용된다.
US 2007/0227667는 플라스마 챔버 벽의 면 내부에 위치한 2개의 자성 루프 안테나를 포함하는 장치에 대해 기재하고 있다. 이 안테나들은 정전식으로 결합된 플라스마 반응기의 2개의 전극 부근에 배치되어 있다. 각 루프를 지나가는 자속에 의해 생성된 전압 신호들은 신호 처리 장치로 결합된다. 따라서, 플라스마에서 챔버 벽으로 흐르는 전류가 계산된다.
플라스마 시스템의 뷰포트 윈도우 또는 기타 영역으로부터 발산하는 RF 필드의 측정에 사용되는 유도/자기 루프 유형의 감지 장치에는 다음과 같은 몇 가지 문제가 있다.
a) 유리 윈도우는 자계를 약화시키고, 이러한 약화는 주파수 의존적이다. 따라서, 챔버 내의 고조파 신호의 상대적 강도의 정확한 반사를 획득하기가 어렵다.
b) 플라스마 구동 주파수가 낮아지면(예, 400kHz) 파장이 커지고, 시스템의 뷰포트 또는 간격이 커야만 검출을 위한 충분한 신호 레벨이 빠져나올 수 있다.
c) 일부 챔버에는, 특히 RF 자계 누출을 방지하기 위해, 윈도우 내측에 접지된 메시 실드(grounded mesh shield)가 있다.
d) 루프의 배향, 배치, 및 크기는 감지된 신호 레벨의 판단에 결정적이고, 이로 인해 루프를 관리한 후에 재배치하고 나서 반복가능한 측정을 확보하기가 어렵다.
e) 유도 루프는 루프를 지나가는 자속의 감지에 사용되므로, 의도되지 않은 소스로부터, 예를 들어 인근의 플라스마 챔버로부터의 간섭에 취약하다.
f) 설치 장소의 온도 변화(예를 들어, 가열된 챔버)는 플라스마 프로세스 동안에 루프 크기의 변화(그 결과로 루프 신호 레벨의 변화)를 유발하고, 이는 결함 상태인 것으로 오해될 수 있다.
본 발명은 플라스마 챔버 외부의 위치로부터 RF 스펙트럼을 측정하기 위해 사용되는 유도 루프와 관련된 이러한 문제들과 한계들의 많은 부분들을 극복한다.
본 발명의 제1 독립 양상에서, 프로세싱 챔버, 플라스마 발생기, 및 저항기가 내장된 션트 커넥터(shunt connector)를 포함하는, 고주파 전류 스펙트럼의 비침습적 감지를 위한 시스템이 제공되고, 여기서 션트 커넥터는 프로세싱 챔버와 플라스마 발생기 사이의 접지귀로의 개구를 가로질러 부착된다.
시스템은 접지귀로의 전류만을 검출하도록 구성될 수 있다.
센서는 또한 접지귀로를 통하여 흐르는 전류가 저항기에 전압을 생성하도록 구성될 수 있다.
시스템은 저항기를 가로지르는 전압 강하를 감지하고 RF 신호를 출력하도록 구성된 증폭기를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 션트 커넥터는 프로세싱 챔버의 뷰포트를 가로질러 부착되도록 구성된다.
시스템은 증폭기로부터 RF 신호를 취하여 프로세싱과 분석을 위해 디지털 신호로 변환하도록 구성된 디지털화 회로를 더 포함할 수 있다.
출력된 RF 신호는 고주파대역(RF band)의 교류 신호일 수 있다.
시스템은 저항기와 증폭기가 수용되는 하우징을 더 포함할 수 있다.
시스템은 션트 커넥터와 저항기가 접지귀로의 일부로서 전류가 흐르게 하는 경로를 형성하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 션트 커넥터와 저항기가 형성하는 경로는 접지귀로의 전류 흐름과 동일한 방향으로 배향된다.
션트 커넥터는 접지 션트 스트랩(strap), 케이블, 바(bar), 및 로드(rod) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 독립 양상에서, 플라스마 프로세싱 챔버 내에 흐르는 고주파 전류 스펙트럼의 비침습적 감지를 위한 방법이 제공되고, 이 방법은 저항기가 내장된 션트 커넥터를 제공하는 단계 및 션트 커넥터를 프로세싱 챔버와 플라스마 발생기 사이의 접지귀로의 개구를 가로질러 부착하는 단계를 포함한다.
본 방법은 접지귀로의 전류만을 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 접지귀로를 통해 흐르는 전류는 저항기 내에 전압을 생성한다.
본 방법은 션트 커넥터를 프로세싱 챔버의 뷰포트를 가로질러 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 다음과 같은 첨부 도면을 참조하여 본 출원에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 개시에 따른 센서가 사용될 수 있는 시스템의 개요를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 시스템 내에 센서의 배치 위치를 더욱 상세히 도시한 것이다.
도 3은 챔버의 뷰포트 상에 탑재된 본 개시에 따른 센서 및 그 내부 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 개시에 따른 센서로 확보된 시험 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 개시에 따른 센서로 확보된 추가적인 시험 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 개시에 따른 센서가 결함 검출에 사용될 수 있는 방법을 도시한 것이다.
본 발명은 새로운 관점에서 RF 스펙트럼의 감지에 접근한다. 본 발명은 모든 RF 플라스마 전류의 소스는 RF 발생기고 이러한 RF 전류는 접지귀로를 통해 반드시 발생기로 돌아와야 한다는 사실을 활용한다. 이는 도 1에 도시되어 있다. 구체적으로, 도 1에는 접지(102)에 연결된 RF 발생기(101, 또는 플라스마 발생기)가 도시되어 있다. 본 기술 분야에 알려진 바와 같이, RF 발생기(101)와 플라스마 챔버(104) 사이의 RF 경로 또는 송신 라인에 매칭부(103, match unit)이 제공된다. RF 플라스마 전류는 RF 발생기로부터 챔버(104)로 외부방향 경로(105)로 흐른다. RF 플라스마 전류는 접지귀로(106)를 통해 챔버(104)에서 발생기로 돌아온다.
선행기술의 장치들은 RF 전류 스펙트럼을 외부방향 경로(105) 상의 소스(예: RF 발생기(101))와 접지귀로(106)의 시작점 사이에서 감지한다. 하기에 더 상세히 설명하는 바와 같이, 본 개시에 따른 장치는 접지귀로의 시작점과 발생기 사이의 접지귀로(106) 상에서 RF 전류를 감지한다. RF 플라스마 반응기에 있어서, 접지귀로의 시작점은 금속 챔버 용기 본체인 것이 전형적이다.
이하 상세히 설명하는 바와 같이, 본 개시에 따른 센서가 제공되고, 상기 센서는 RF 전류 감지 요소를 구비한 션트 커넥터를 포함하고, 상기 션트 커넥터는 플라스마 시스템의 접지귀로의 뷰포트와 같은 개구를 가로질러 부착된다. 션트 커넥터는 접지 션트 스트랩, 케이블, 바, 또는 로드 등을 포함할 수 있다. 선행기술의 유도 루프 센서들과 달리, 뷰포트를 통해 방사된 시변 자계는 감지되지 않는다. 반면에, RF 전류만이 접지귀로를 통해 발생기로 돌아오는 경로 상에서 저항적으로 감지된다. 전형적인 플라스마 프로세스는 수십 암페어의 전류에 의해 구동될 수 있다. 출발하는 쪽에서는, 이러한 전류가 잘 정의되고 제한된 전류 경로를 통해 안내된다. 반면, 돌아오는 쪽에서는, 귀환 전류가 접지 귀환 요소(예: 챔버 본체 등)의 전체 표면적을 가로질러 분산된다. 따라서, 센서는 a) 설치된 접지 귀환 영역의 전체 표면적 대비 센서의 표면적의 비율 및 b) 감지 저항기의 저항에 의해 판단된 귀환 전류의 일부만 "파악"하거나 감지하게 된다. 발생기로의 귀환 경로 상에서 센서를 통해 흐르는 외부 방향 전류는 << 1백만분의 1일 수도 있다. 이는 크기가 마이크로앰프일 수 있고, 감지 저항기에 마이크로볼트를 생성하여 검출될 수 있다.
RF 전류 감지 저항기의 출력은 신호 처리 장치에 결합될 수 있다. 신호 처리 장치는 선행기술의 원격 RF 플라스마 센서 설계에 보도된 바 없는 원격 감지 RF 스펙트럼과 관련된 정보를 제공한다. 측정치는 a) 고조파와 기본주파수 사이의 위상, b) 펄스 RF 및 주파수 튜닝 플라스마 프로세스의 고조파 스펙트럼 분석, 및 c) 아크의 rms 검출 및 개별 펄스 RF 프로필의 rms 검출을 포함할 수 있다.
알려진 '건전한' 플라스마 프로세스 조건의 스펙트럼 감식(fingerprinting)에 의거한 통계적 방법이 사용될 수 있다. 스펙트럼 요소의 위상과 진폭의 변동이 분석되고, 결함 점수가 각 새로운 프로세스 측정에 지정될 수 있다. 따라서, 검출된 프로세스 결함을 사용자에게 알려주도록 임계치가 설정될 수 있다. 위상 측정은 플라스마 화학과 플라스마 임피던스의 작으니 변화에 특히 민감하다. 본 개시에 따른 센서는, 고조파 사이의 위상을 측정하는 능력으로 인해, 예컨대 표준 엔드포인팅(end-pointing) 기술에서 부족한 저 개방 면적 에칭 동안에 발생하는 미묘한 프로세스 변화를 검출하기에 매우 유용한 진단 도구가 된다.
본 기술분야에서 알려진 바와 같이, 차폐가 잘 된 RF 시스템에서, 중심 도체에서 흐르는 전류는 주변의 접지된 차폐에서 흐르는 전류에 의해 차폐된다. 이러한 전류는 시스템이 RF 에너지를 발산하지 않도록 서로 상쇄된다. 본 발명은 접지된 차폐의 비연속성을 활용한다. 앞서 설명한 선행기술의 유도 루프 센서와 달리, 센서는 전류가 완전히 서로 상쇄되지 않는 영역의 접지귀로 안으로 삽입되어, 접지 귀환 전류의 측정을 가능하게 한다.
도 2를 참조하면, 본 개시에 따른 센서의 배치 위치가 더욱 상세히 도시되어 있다. 현대의 플라스마 도구에서, 뷰포트는 크기가 최소화되고, RF 차폐가 추가되어 뷰포트를 통한 RF 누출을 최소화한다. 광학 검출기에는 뷰포트가 항상 필요하지만, 접지 귀환 차폐에 간격이 존재하거나 추가된다면 RF 전류의 고조파 스펙트럼이 판단될 수 있는 플라스마 시스템의 영역은 많이 있다. 본 발명의 능력을 설명하기 위하여, 뷰포트를 예시적으로 활용하기로 한다. 그러나, 본 개시에 따른 센서가 접지귀로의 임의의 모든 개구를 가로질러 배치될 수 있음은 당연하다 할 것이다.
도 2는 플라스마 챔버(104)을 2 방향에서 도시한 것이다. 특히, 도 2는 플라스마 챔버(104)로 들어가는 RF 전류, 즉, 도면부호 201로 표시된 중앙의 화살표, 및 챔버 벽을 통한 접지 귀환 경로의 개시, 즉, 도면부호 202로 표시된 주변의 화살표를 도시하고 있다. 2개의 뷰포트가 도시되어 있다. 제1 뷰포트(203)에는 본 개시에 따른 센서(미도시)가 부착되어 있다. 제2 뷰포트(204)에는 센서가 없다. 센서가 없는 제2 뷰포트(204)에는 뷰포트 구멍을 통해 전류가 흐르게 할 수 있는 완전한 전도 경로가 없다. 즉, 제2 뷰표트(204)의 전면부는 유리로 만들어져 있다. 그러나, 센서가 제1 뷰포트(203)에 부착되는 경우, 뷰포트를 가로지르거나 통하여 RF 전류가 흐르는 경로(205)가 형성된다. 이러한 전류 흐름은 본 개시에 따른 센서에 의해 측정될 수 있다.
뷰포트(203) 상의 설치된 센서 배향은 RF 전류에 중요한데, 이에 대하여 하기에 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 용량적으로 결합된 플라스마 챔버(104)에 있어서, RF 전류는 챔버 전극과 챔버 용적 안으로 및 챔버 전극과 챔버 용적을 통하여 주로 상하 방향으로, 즉, 도면부호 201로 표시된 화살표 방향으로 이동한다. 따라서, 귀환 전류는 반대 방향으로 챔버 벽 안에서 주로 상하로, 즉 도면부호 202로 표시된 주변 화살표 방향으로 흐른다. 도 2의 수평 방향 등과 같이, 플라스마에서 벽으로 다른 방향으로, 즉, 도면부호 206으로 표시된 화살표 방향으로 흐르는 일부 전류도 있게 된다.
도 3을 참조하면, 뷰포트(203)를 가로질러 탑재된 본 개시에 따른 센서(301)가 도시되어 있고, 여기서 RF 귀환 전류는 A에서 B의 방향으로 흐른다. A에서 B의 방향은 도 2에 도시된 전류 흐름(202)과 일치한다. 이론상, RF 전류는 도시된 C에서 D의 방향(도 2의 전류 흐름(206)과 일치하는 방향)으로 덜 흘러야 한다. 복잡한 플라스마 프로세싱 시스템에서 전류는 여러 방향으로 흐를 수 있으므로 관심 전류를 측정하도록 센서가 배향될 수 있다는 것은 당업자라면 당연히 이해할 수 있을 것이다.
도 3에는 또한 센서(301)의 내부 구성이 도시되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 센서(301)는 감지 저항기(R1)을 포함한다. 접지귀로는 저항률이 매우 낮은 전도성/금속성 물질 및 표면으로 이루어진다. 따라서, 센서를 통해 충분한 전류가 흘러서 검출되게 하려면 감지 저항기(R1)의 저항값이 낮아야 한다. 도 3의 R1은 저항값이 1옴(Ohm) 미만이다. 전류 흐름에 비례하는 전압차가 저항기(R1)를 가로지르게 생성되고, 이 전압차가 측정된다. 회로는 RF 전류를 전압 신호(VOUT)로 변환하기 위한 증폭기(U1)를 더 포함한다. 즉, 도 3은 전류 흐름과 직렬이고 저항값이 낮은 저항기(R1) 및 R1을 가로지르는 전압 강하를 감지하기 위한 차동 증폭기(U1)를 포함하는 측정 회로를 도시한 것이다. 증폭기의 출력은 전압 신호로만 제한되지 않으며 전류 신호와 같은 임의의 모든 RF 출력일 수 있음은 당연하다 할 것이다.
저항성 감지 요소(R1)와 증폭기(U1)는 센서의 아날로그 프론트 엔드(analog front end)의 핵심 요소이다. 아날로그 프론트 엔드는 접지된 금속 케이스에 수용되어, 뷰포트를 통해 발산될 수 있는 전기장 및 자기장으로부터 아날로그 회로를 차폐할 수 있다. 그러나, 반드시 금속 케이스이지 않아도 되고, 비금속성 하우징이 사용될 수도 있다. U1의 출력은 처리 및 분석을 위해 디지털화 회로에 결합될 수 있다. 저항성 감지 요소를 사용하는 주요 이점은 다음과 같다. a) 유도 루프 센서와 달리, 주파수에 따른 반응이 평평하다. b) 유도 루프 센서와 달리, 넓은 온도 범위에서 저항이 안정적이다. c) 공통 모드 거부가 유도 루프 센서보다 쉽게 달성될 수 있다.
임의의 모든 RF 전류 감지 요소가 사용될 수 있음은 당연하다 할 것이다. 본 개시의 발명자들은 앞서 설명한 감지 저항기가 가장 편리한 요소라는 것을 발견했지만, 이 저항기 대신에 임피던스가 낮은 커패시터 또는 인덕터도 사용될 수 있다. 커패시터 또는 인덕터가 사용되는 경우, 다른 검출 회로가 있어야 할 것이다. 접지귀로의 전류를 감지하기 위해 다른 방법들, 즉, 션트 커넥터 내의 홀효과 센서(Hall effect sensor) 또는 션트 커넥터 주변의 전류 변환기가 적용될 수 있다.
아날로그 전압 출력인 VOUT은 RF 대역의 교류(AC) 신호이다. 유용한 방식으로 분석 및 시각화 될 수 있는 형식으로 주파수 스펙트럼을 추출하기 위해 신호 처리 장치가 사용된다. 동축 케이블이 AC 신호를 신호 처리 장치로 전달한다. 전류 파형을 샘플링하기 위해 ADC가 사용된다. 제1 단계로 512개 샘플의 데이터 블록이 전형적으로 기록된다. 블록의 크기는 임의적으로 선택될 수 있고 상이한 요구 사항을 충족하도록 변경될 수 있다. 데이터 블록은 FPGA(field programmable gate array)로 전달되고, 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform 또는 FFT)이 수행된다. FFT는 시간 영역 AC 파형을 주파수 스펙트럼으로 변환한다. 주파수 스펙트럼은 저장 및 평균화 등의 추가 처리를 위해 마이크로프로세서로 전송된다. 다중의 FFT의 평균을 내어 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 감소시킨다.
본 개시에 따른 센서의 작동예가 도 4를 참조하여 제공되어 있다. 비교의 목적 상, 센서는 별도의 E-필드 검출기를 도입하여 뷰포트를 통해 발산된 전계를 측정할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 센서는 E-필드를 측정하지 않는다. E-필드 검출기는 센서 전류 규모 측정을 위한 훌륭한 기준점을 제공한다. 센서의 기능성을 설명하기 위하여, 도 1에 도시된 용량적으로 결합된 플라스마 반응기에 센서가 부착되었다. 본 예에서, 반응기에는 직경이 각각 300mm인 2개의 평행한 플레이트 전극이 있다. RF 파워는 13.56MHz로 공급된다. 플라스마 형성에 사용된 배경 가스는 유동 속도가 100 SCCM인 아르곤이었고, 약 2 Pa의 압력으로 유지되었다. 도 4에는 발생기에서의 RF 파워가 20 W에서 150 W로 증가됨에 따라 시간에 따른 기본 13.56MHz 주파수 요소의 진폭이 도시되어 있다. 전류 프로필은 전압 프로필을 매우 잘 따르고 있다. 데이터는 교정되지 않았고, 전류 스케일은 약 108 데이터 단위이다.
즉, 도 4에서, RF 전류 스펙트럼의 기본(13.56MHz) 요소의 진폭의 센서 측정이 윈도우로부터 발산된 RF 전압 스펙트럼의 기본 요소와 비교하여 도시되어 있다. 프로세스 파워의 변화는 센서에 의해 수월하게 식별될 수 있다. 센서 배향은 도 3에 도시된 바와 같이 A에서 B의 방향이다.
도 5는 센서를 도 3에 도시된 C에서 D의 배향으로 설치한 상태에서, 센서에서의 기본 전력 진폭의 측정을 E-필드 프로브 측정에 비교한 것을 도시한 것이다. E-필드 프로브는 배향에 민감하지 않기 때문에, 전압 진폭은 예상한 바와 같이 도 4에 도시된 것과 매우 유사하다. 그러나, 전류 진폭은 작은 107 규모로 상당히 감소되었다. 이로써 센서가 실제로 접지귀로에 민감하다는 것이 확인되며, 설치된 센서의 배향을 다르게 하면 전류가 저하할 것이라는 예상이 확인된다.
도 6은 기본 전류 신호 진폭의 진동이 기체 공급 라인 상의 작동 불량 기압값과 어떻게 상관관계를 가지는지 도시하는 것으로, 플라스마 프로세스의 건전성과 성능을 모니터링하는 본 개시에 따른 센서/프로브의 능력을 보여준다.
이에 따라, 플라스마 챔버 외부의 비침습적 위치로부터 플라스마 시스템의 RF 전류 스펙트럼을 감지하기 위한 센서가 본 개시에 의해 제공된다. 처리된 신호는 프로세스의 건전성과 안정성을 판단하는 데에 활용될 수 있다.
센서는 RF 전류 감지 요소를 구비한 션트 커넥터를 포함하고, 상기 션트 커넥터는 플라스마 시스템의 접지귀로의 뷰포트와 같은 개구를 가로질러 부착된다. 전류 감지 저항기의 출력은 측정 시스템에 결합되어 RF 전류 파형을 샘플링하고 푸리에 공간으로 디지털화 및 변환되어 고조파 주파수 스펙트럼이 분석된다. 기본 주파수에 상대적인 각 고조파 성분의 위상각뿐만 아니라 각 고조파 성분의 진폭이 측정된다. 위상 측정은 플라스마의 RF 임피던스 변화에 특히 민감하다.
본 발명은 기재된 실시예(들)로 제한되지 않으며 본 발명의 청구 범위를 벗어나지 않는 한 보정되거나 수정될 수 있다.

Claims (15)

  1. 플라스마 프로세싱 챔버;
    플라스마 발생기; 및
    저항기를 구비한 션트 커넥터를 포함하고,
    상기 션트 커넥터는 상기 플라스마 프로세싱 챔버와 상기 플라스마 발생기 사이의 접지귀로의 개구를 가로질러 부착되는 것을 특징으로 하는, 고주파 전류 스펙트럼의 비침습적 감지를 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 접지귀로의 전류만을 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 접지귀로를 통해 흐르는 전류가 상기 저항기 내에 전압을 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저항기를 가로지르는 전압 강하를 감지하고 RF 신호를 출력하도록 구성된 증폭기를 더 포함하는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 션트 커넥터는 상기 플라스마 프로세싱 챔버의 뷰포트를 가로질로 부착되도록 구성된 것을 특징으로 하는, 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 증폭기로부터 상기 RF 신호를 취하여 프로세싱과 분석을 위해 디지털 신호로 변환하도록 구성된 디지털화 회로를 더 포함하는, 시스템.
  7. 제4항 또는 제6항에 있어서,
    출력된 상기 RF 신호는 고주파대역(RF band)의 교류 신호인 것을 특징으로 하는, 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 저항기와 상기 증폭기가 수용되는 하우징을 더 포함하는, 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 션트 커넥터와 상기 저항기가 상기 접지귀로의 일부로서 전류가 흐르게 하는 경로를 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 션트 커넥터와 상기 저항기가 형성하는 상기 경로는 상기 접지귀로의 전류 흐름과 동일한 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 션트 커넥터는 접지 션트 스트랩(strap), 케이블, 바(bar), 및 로드(rod) 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  12. 저항기가 내장된 션트 커넥터를 제공하는 단계; 및
    상기 션트 커넥터를 플라스마 프로세싱 챔버와 플라스마 발생기 사이의 접지귀로의 개구를 가로질러 부착하는 단계를 포함하는,
    상기 플라스마 프로세싱 챔버 내에 흐르는 고주파 전류 스펙트럼의 비침습적 감지를 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 접지귀로의 전류만을 검출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 접지귀로를 통해 흐르는 전류는 상기 저항기 내에 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  15. 제12항 또는 제14항에 있어서,
    상기 션트 커넥터를 상기 플라스마 프로세싱 챔버의 뷰포트를 가로질러 부착하는 단계를 더 포함하는, 방법.

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