KR920007850B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 온도 측정 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 온도 측정 방법 Download PDF

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신이찌로오 이시하라
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마쓰시다 덴끼 산교오 가부시기가이샤
다니이 아끼오
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
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Abstract

내용 없음.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 온도 측정 방법
제1도는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략도.
제2도는 회전온도가 500˚K인 경우에 있어서의 N14 2(C3IIu-B3IIg)0'-3＂의 계산파형을 도시한 도면.
제3도는 회전온도가 500˚K인 경우에 있어서의 P 브랜치, Q 브랜치, R 브랜치 각각에 대한 N14 2(C3IIu-B3IIg)0'-3＂의 계산파형을 도시한 도면.
제4도는 회전온도가 50˚K인 경우에 있어서의 계산파형을 도시한 도면.
제5도는 회전온도가 50˚K인 경우에 있어서의 P 브랜치, Q 브랜치, R 브랜치 각각에 대한 N14 2(C3IIu-B3IIg)0'-3＂의 계산파형을 도시한 도면.
제6도는 회전온도가 300˚K와 800˚K인 경우에 있어서의 계산파형을 도시한 도면.
제7도는 회전온도가 500˚K인 경우에 있어서의 0.1Å의 고분해능을 갖는 분광기를 통해 얻은 계산파형을 도시한 도면.
제8도는 회전온도가 500˚K인 경우에 있어서의 0.1Å의 고분해능을 갖는 분광기를 통해 얻은 R 브랜치에 대한 계산파형을 도시한 도면.
제9도는 회전온도가 500˚K인 경우에 있어서의 0.1Å의 고분해능을 갖는 분광기를 통해 얻은 P 브랜치, Q 브랜치 및 R 브랜치에 대한 계산파형을 도시한 도면.
제10도는 계산 결과와 측정 결과를 비교 도시한 도면
제11도는 기판 설정온도와 질소 온도간의 관계를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
4 : 분광기 5 : 플라즈마를 발생시키는 전극
6 : 전원 14 : 기록기
15 : 제어기 17 : 플라즈마 처리실
본 발명은 질소 원자를 함유하는 기체 물질을 플라즈마화 하여 퇴적 처리(堆積處理 : depositting) 또는 부식 처리(etching)에 활용하는 플라즈마 처리 장치와, 플라즈마 처리중에 질소 분자의 회전 양자간의 전이(rotational quantum transition)에 따른 플라즈마 발광강도의 측정된 분포와 계산된 분포를 비교함으로써 가열된 호울더(holder)와, 가열된 기판 또는 국소적 발열원 등의 표면온도를 측정하는 플라즈마 온도 측정 방법에 관한 것이다.
종래에는 플라즈마 분해 반응을 이용하여 피막 퇴적 또는 부식 처리할 때 기판의 표면온도 및 온도분포를 측정하는 방법으로서 기판 호울더에 접한 열전기쌍(thermocouple)을 활용하여 표면온도 및 온도분포를 유추하는 것이었다. 여기서는 혼합 가스의 비 또는 혼합 가스의 유량(流量)의 영향은 고려하지 않았다.
플라즈마 분해 반응에서는 표면 반응이 거의 지배적이므로 파막 퇴적 또는 부식에 미치는 기판온도의 영향은 개별적 장치의 구조와 기판 호울더에 따라서 다양하게 달라진다.
또한, 기판 표면온도는 기판 호울더의 위치에 의해서 많이 영향을 받는다. 결과적으로, 열전기쌍에 의한 종래의 온도 측정 방법에 한계가 있었다.
한편, 본 발명에서 활용한 해석 순서의 근거가 된 D.M. 필립스(D.M Phillips)의 연구 논문(참조 : Journal of Physics D, 제9권, 페이지 507, 1975년)은 질소 분자의 온도상승을 순시적으로 측정하고, 여기광(exciting light)만을 질소 기체를 가열하는 가열원으로 이용하는 것이었다. 그러나, 상기 논문에서는 기판, 기판 가열 방법, 플라즈마에 의한 기판 처리, 혼합 가스 또는 혼합 가스 유량의 영향에 대해서는 언급하지 않았다.
따라서, 상기한 선행기술의 문제점을 해소하려는 의도에서 본 발명은 신규한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 온도 측정 방법을 제공하는데, 즉 본 플라즈마 온도 측정 방법은 플라즈마 처리중 발생하는 질소의 제2포지티브 발광계(second positive emission group)의 회전 양자간 전이의 분포를 이론적으로 계산한 다음, 그 계산 결과를 플라즈마를 발생하는 전력을 일정하게 하고 기판 설정온도를 변화시켰을 경우 및 기판 설정온도를 일정하게 유지하고 플라즈마를 발생하는 전력을 변화시켰을 경우 등의 질소 분자의 발광 스펙트럼 측정 데이타와 비교함으로써, 이러한 비교 결과로서 질소 가스의 온도 상승을 일으키는 요인을 판별하여 기판의 표면온도를 판별하는 것이다. 또, 상기 데이타들을 본 플라즈마 처리 장치내의 피이드백 회로에 입력시킨다.
각 장치와 각 기판 호울더에 따른 기판 표면온도 상승율의 차이의 측정이나, 장소에 따른 온도의 의존성 및 이상방전 위치의 식별을 질소 분자의 발광 스펙트럼을 국소적으로 측정함으로써 알 수 있다. 이러한 측정 결과를 플라즈마 처리 장치의 피이드백 회로내로 결합시킴으로써 플라즈마 처리 장치의 보다 신뢰성이 있는 작동을 보장하게 하였다.
한편, 자유공간내에서 원자 또는 분자는 다양하게 운동하며, 운동량은 외력(예 : 광, 자장, 전장 등)의 영향하에서 변한다. 외력이 있으면 자유공간내의 원자 또는 분자들은 에너지가 고레벨로 상승되지만, 그러한 상태는 불안정하게 되므로 기저상태(bottom state)로 되돌아간다. 이 과정에서 발광 또는 방사가 일어나는 경우가 있는데 이것을 소위 방전이라고 부른다. 발광 스펙트럼을 상세히 조사해 본 결과, 이러한 스팩트럼은 가스의 온도에 따라 변한다는 것을 알게 되었다. 즉, 스펙트럼의 차이는 분자 운동에 기인하는 것으로 알려져 있다.
또, 글로우 방전(glow discharge)이 일어날 수 있는 가스 상태에서는 회전 에너지와 가스의 온도 사이에 상호 연관관계가 존재하는 것도 알려져 있다. 질소 분자의 경우, 회전 에너지는 약 1.6㎝-1이다.
비결정질 규소(α-Si : H)를 생성하는 SiH4글로우 방전중에 다량의 수소가 존재하는데, 이러한 사실이 이미 과거에 연구된 바 있다. 결과적으로 수소에 대한 구체적인 특성은 지금은 알려져 있지만, 수소의 발광 스펙트럼은 연속적이고 수소 분자는 회전 모우드(rotational mode)가 존재하지 않으므로 회전 모우드로서 수소 가스 온도를 측정하는 것은 불가능하다. 알려진 바로는, 가스의 온도를 상승시키면 수소 분자들은 수소 방전에 의해서 분해된다는 것이다. 그러나, 가스의 온도를 모르면 전자 충돌에 의한 프로세스인지 열분해에 의한 프로세스인지가 불분명하여 구별할 수 없다.
수소와는 달리 질소는 회전 모우드에서 기인하는 분명한 발광 스펙트럼을 가지고 있다. 따라서, 본 발명의 플라즈마 온도 측정 방법은 질소의 글로우 방전 연구에 기초를 두고 개발된 것으로서, 그 회전 모우드를 해석하여 가스온도를 결정하는 방법이다. 즉, 이러한 방법은 소위 ＂질소 방전시에 분해되지 않은 발광대역(emission band)에 의한 가스 온도 결정법＂이라고 불린다. 슬로베스키(Slovetskii)와 스콜로프(Sokolov)는 제일 먼저 이 방법을 통하여 회전 모우드 온도(약하여 회전온도) (Tr)를 측정하였다(참조 : Opt. Spectrosc. Vol. 36, 페이지 265, 1974년). 이들은 피이크값(peak value)의 1/3에 해달하는 발광강도 수준에서 측정된 스펙트럼의 폭을 측정함으로써 회전온도(Tr)를 구하는 매우 간편한 온도결정법을 이용하였다. 그러나, 이들은 플라즈마 방전 전력 이외에는 기판 가열이나 가스 가열에 대해서는 언급이 없었다. 본 발명의 플라즈마 온도 측정 방법에서는 모든 회전 모우드에 대하여 상세한 계산을 하여, 측정된 스펙트럼들과 이들 계산 결과를 비교하므로 정밀한 가스 온도를 파악할 수 있다. 종래부터 이러한 방법을 이용하는데 있어서 방전을 정상상태(steady state)로 유지하고, 고분해능의 분광기로 측정한 스펙트럼으로부터 각각의 양자수에 대한 발광라인을 확인하여야 했기 때문에, 이러한 종래의 방법은 방전의 경시변화를 조사하기 위해서 단시간내에 측정을 해야하는 경우나 또는 소형 분광기밖에 이용할 수 없는 경우에는 활용할 수 없다. 그러나, 본 발명의 플라즈마 온도 측정 방법은 이러한 경우들에도 활용할 수 있다. 본 발명의 방법에서는 분광기의 분해능이 작으므로 해서 연속 발광으로 측정한 양자화된 발광의 형태와, 미리 분해능을 낮춰 시뮬레이션(simulation)하여 얻은 이론적 발광형태를 비교함으로써 가스 온도를 구하는 것이다.
아래에 나오는 해석 순서는 거의가 상기한 D.M. 필립스의 논문에 따른 것이나, 본 발명의 특징을 고려하여 몇가지를 삭제 및 첨가하였다. 이 해석에서는 질소 플라즈마의 제2포지티브 시스템(second positive system) 중에서 400㎜ 내지 406㎜ 영역에서 나타나는 N14 2(C3IIu-B3IIg)0'-3＂의 발광 라인에 대해서만 고려한다.
CV'J'-BV＂J＂의 일반적인 회전 전이의 파장은 다음과 같은 식(1)으로 계산할 수 있다.
Figure kpo00001
여기서,
Figure kpo00002
와
Figure kpo00003
는 각각 C 상태와 B 상태에서의 회전상수이고, na는 공기의 유전율(誘電率)이며 v'와 v＂는 각각 C 상태와 B 상태에서의 전이의 회전진동 양자수들이고, J'와 J＂는 원자의 전각운동량(全角運動量 : total angular momentum)이다.
구체적인 계산에서는 J'=J＂인 것으로 가정하는데, 이것은 전각운동량이 C-B 전이에서는 변화하지 않는다는 것으로 하였다. 상수
Figure kpo00004
A치
Figure kpo00005
를 포함한 분광상수들은 표1에 나와 있다.
[표 1]
Figure kpo00006
상기 식(1)을 (C3Ⅱu-BⅡg)0'-3＂의 전이(대역이 4069.4Å)에 대하여 전개하여 계산해보면 다음 식(2)으로 된다.
Figure kpo00007
식(2)에서 원자의 전각운동량(J') 및 (J＂)의 곱(product)으로 표시된 항 이외의 것은 상수로 취급할 수 있다. 전각운동량(J') 및 (J＂＂)이 변화하면 그 주파수가 전각운동량(J') 및 (J＂)에 비례하여 변화하는데, 이때의 비례상수를 회전상수라 하고, 회전상수를 B(또는 BV', B', BV＂, B＂등)로서 나타낸다. 각각의 브랜치(branch)의 주파수는 회전상수(BV, BV＂)와 전각운동량(J : total angular momentum)과의 함수로서 다음과 같은 관계식(3)으로 표시된다.
P 브랜치 주파수 ν=νo-(BV'＋BV＂)J＋(BV'-BV＂)J2
Q 브랜치 주파수 ν=νo-(BV'-BV＂)J＋(BV'-BV＂)J2
R 브랜치 주파수 ν=νo＋2BV'＋(3BV'-BV＂)J＋(BV'-BV＂)J2
=νo＋(BV'＋BV＂) (J＋1)＋(BV'-B＂) (J＋1)2(3)
표 1의 수치를 식(2)에 대입하여 얻은 결과들을 식(3)에 의해 얻은 결과들과 비교한다. 브랜치의 특성을 고려하여 R 브랜치를 비교 대상으로 선택한다. J'에 대한 BV'와 J＂에 대한 BV＂의 관계는 다음과 같은 식(4)으로 표시된다.
Figure kpo00008
Figure kpo00009
일반적인 회전전이의 발광강도(Fnvj는 다음 식(5)으로 표시된다.
Figure kpo00010
여기서, FnvJ는
Figure kpo00011
를 의미하며, vn'v'J'는 전이주파수(Hz)를 표시하며, Nn'v'J'는 고에너지쪽의 회전상태(n'v'J')에 존재하는 분자수를 나타내고, AnvJ는 자연발광의 전이확률(S-1)을 나타낸다.
분자의 전자적 또는 진동적인 거동(behavior)은 본질적으로 회전운동과 무관하므로 브랜치로부터 대역(badn)으로의 전이확률은 초기상태의 회전 양자수와는 관계가 없다. 결과적으로 전이확률은,
Figure kpo00012
라인강도(line intensity) (SJ)가 다음 식(7)으로 규격화 되도록 정의되면,
Figure kpo00013
회전라인으로부터 대역폭으로의 전이확률은 다음 식(8)으로 표시된다.
Figure kpo00014
질소분자의 C-B전이에서 Λ=1이고, S=1이므로 다음 식(9)이 추론된다.
Figure kpo00015
스핀분열(spin splitting)을 무시하고, 라인 강도를 각각의 브랜치에 대한 양자수에 결부시키면, 라인 강도는 일반적으로 다음 식(10)으로 표시된다.
Figure kpo00016
온도(T)에서 질소 분자의 Cv'J'-BV＂J＂의 일반적인 전이는 다음 식(11)과 같이 표시된다.
Figure kpo00017
각각의 양자수의 회전라인의 폭은 대역중의 강도 분포에 영향을 미친다. 회전라인의 형태는 간편한 계산을 위해서 충분히 양호한 근사(近似)를 가진 다음 식(12)에 의해서 주어진다.
Figure kpo00018
위 식(12)에서 g는 △λ=0에서 최대치 1을 가지고 1/2값에서의 폭이 W이며, 양익(兩翼)은
Figure kpo00019
에 걸쳐 퍼져 있다.
식(3), (4), (10), (11) 및 (12)를 이용하여 N14 2(C3IIu-B3IIg)0'-3＂의 파형(波形)을 계산하였다. 여기서, P 브랜치의 각운동량(角運動量)은 29 이내로 제한하고, Q 브랜치의 각운동량은 20 이내로, R 브랜치의 각운동량은 25 이내로 제한하였다. W는 1.8Å으로 가정하였다. 값 a는 4로 선택하였는데 그 이유는 이 값이 파형에 영향을 거의 주지 않기 때문이다.
상기의 계산 결과에 대하여 아래에서 상세히 설명한다.
본 발명의 양호한 실시예에 대한 설명에 앞서 첨부 도면에 대하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도는 Tr=500˚K일때의 파형을 도시한 것이고, 제3도는 각각의 브랜치들에 대응한 파형을 도시한 것이다. 제2도는 제3도의 파형에 각각의 무게인자(weighing factor)를 곱하여 가한 것이다. Tr를 50˚K로 대폭 저하시키면 제4도에 도시된 파형과 같이 되고, 그리고 각각의 브랜치에 대한 파형은 제5도와 같이 된다. 이들 도면으로부터 알수 있는 것은 Tr가 상승함에 따라서 각운동 양자수가 큰 위치로부터의 전이확률이 증가하고, 파형곡선은 짧은 파장쪽으로 꼬리를 연장하기가 더욱 쉬워진다는 사실이다. 이러한 현상은 제6도에 더욱 분명히 도시되어 있다. 즉, 제6도에서 Tr가 300˚K일때와 Tr가 800˚K일때의 파형이 동시에 도시되었는데, 이들의 최대 발광 강도치는 동일점에 위치한다.
최대 강도의 실질적인 값은 800˚K의 상태에서 보다 300˚K의 상태에서가 더 큰데, 그 이유는 300˚K의 상태에서의 전이확률이 800˚K의 상태에서의 전이확률보다 더 낮은 에너지 영역에 존재하기 때문이다. 비록 상기 도면들에서는 실제치에 근사한 1.8Å으로 W값을 선택하였지만, 고분해능을 가진 분광기를 사용할때 가능한 W=0.1Å의 경우에 대해서도 계산하였고, 그 결과는 제2도에 상당하는 제7도에, 제3도의 R브랜치에 상당하는 제8도에, 그리고 Tr가 50˚K인 경우의 제4도에 상당하는 제9도에 나와 있다. 그러나, 이미 앞서 나온 바와 같이 고분해능의 분광기를 활용하는데는 여러가지 문제점이 수반되며, 예를 들면 플라즈마 처리 장치가 대형화 되고 플라즈마 처리장치의 진동은 무시할 수 없으며, 측정에 장시간이 필요로 됨으로써 장치의 실용적인 잇점이 감소된다는 것등이 있다.
이하, 본 발명의 양호한 실시예에 대하여 상세히 설명을 한다.
본 발명의 플라즈마 처리장치의 한가지 예가 제1도에 나와 있다.
기판 호울더(1)는 직경이 약 30㎝이다. 셔터(shutter) (2)가 구비된 뷰 포트(view port) (3)를 통해 플라즈마광을 취하여 분광기(4)에서 분석한다. 플라즈마를 발생시키는 전력을 공급하는 전극(5)과 전원(6)과 매칭 박스(matching box) (7)와 가스 도입구(8)와 기판 가열기(9)와 기판 가열용 설정온도치를 모니터링하는 열전기쌍(10)과 전공게이지(11)가 도시되어 있다. 전극(5)간 공간의 회전온도(Tr)의 공간분포를 측정하기 위해서 뷰 포트(3)와 분광기(4) 사이에 석영렌즈(12)와 광섬유(13)를 설치하였다. 분광기(4)에서 수득된 데이타는 기록기(14)에 기록되고, 이 데이타를 제어기(15)를 통하여 가열기(9)의 전원 전력을 증감시키거나, 전극(5)의 높이를 상승 또는 저하시키거나, 가스 유량을 변화시키거나, 플라즈마를 발생시키는 전력을 증감 시키거나, 배기계(16)의 콘덕턴스를 증감시키는데 사용한다. 경우에 따라서 텅스텐 가열기(18)를 플라즈마 처리실(17)내에 배치하여 국부적으로 가열할 수 있게 한다. 수득한 데이타는 아래에 있는 바와 같다.
[데이타 1]
파선으로 표시한 계산치와 실선으로 표시한 측정치를 대표적으로 비교하여 제10도에 도시하였다. 이 경우, 505˚K의 회전온도 (Tr)를 얻었다.
[데이타 2]
플라즈마 처리실(17)내의 압력과 플라즈마를 발생시키는 전력(Po) 및 기판 설정온도(Ts)를 일정하게 유지하면서 기판 호울더(1)와 전극(5) 사이의 거리(d)를 변화시켜서 회전온도(Tr)의 변화를 측정하였다. 거리(d)를 감소시키면 회전온도(Tr)는 거리(d)가 일정치에 도달할때 까지는 일정하게 유지되나, 거리(d)를 더욱 감소시키면 Tr는 감소하였다[플라즈마 처리실(17)의 압력(P)=1 Torr, 전력(Po)=30 W, Ts=200℃].
[데이타 3]
전력(Po)과 거리(d) 및 온도(Ts)를 일정하게 유지하면서 압력(P)을 변화시켜 회전온도(Tr)의 변화를 측정하였다. 압력(P)을 감소시키면 회전온도(Tr)는 압력(P)이 일정치에 도달할때까지 일정하게 유지되나, 압력(P)를 더욱 감소시킴에 따라서 감소하였다.
[데이타 4]
압력(P)과 전력(Po) 및 거리 (d)를 일정하게 유지하면서 온도(Ts)를 변화시켜 회전온도(Tr)의 변화를 측정하였다. 결과는 제11도에 도시된 바와 같다. 온도(Ts)를 변화시킨 후 2시간동안 방치하고, 그후 방전시켜 Tr를 측정하는 일련의 동작을 반복하였다. 제11도에 도시된 바와 같이, 회전온도(Tr)는 온도(Ts)에 비례하여 증가함을 알 수 있다[압력(P)=1 Torr, 전력(Po)=30 W, 거리(d)=18㎜].
[데이타 5]
압력(P), 전력(Po), 거리(d) 및 온도(Ts)를 일정하게 유지하면서 질소 가스를 SiH4가스와 혼합하여 회전온도(Tr)의 변화를 측정하였다. SiH4및 Si2H6의 유량을 증가시키면 회전온도(Tr)는 상기 가스의 유량이 일정치에 도달할때까지 급속히 증가하고, 유량을 더욱 증가시켜도 일정하게 유지되었다[압력(P)=1 Torr, 전력(Po)=30 W, 거리(d)=18㎜, 온도(Ts)=상온 또는 300℃].
[데이타 6]
압력(P), 전력(Po), 거리(d) 및 온도(Ts)를 일정하게 유지하면서 질소가스를 NH3,NH4OH, H2O,H2, SiF4, CH4, SF6, CF4, N2O, NF3및 NO2와 혼합하여 회전온도(Tr)의 변화를 측정하였다. 이들 가스의 유량을 증가시키면 회전온도(Tr)는 유량이 일정치에 도달할때까지 점진적으로 감소하고, 유량을 더욱 더 증가시켜도 Tr는 일정하게 유지되었다[압력(P)=1 Torr, Po=30 W, d=18㎜, Ts=상온 또는 300℃].
[데이타 7]
압력(P), 거리(d), 온도(Ts) 및 질소 가스의 유량을 일정하게 유지하면서 전력(Po)를 변화시켜 회전온도(Tr)의 변화를 측정하였다. 회전온도(Tr)는 전력(Po)의 증가에 거의 비례하여 증가하였다. 데이타 4와 비교했을때, 전력(Po)이 0 W인 경우의 회전온도(Tr)보다 온도(Ts)가 다소 낮다는 것을 발견하였다. 이 값은 당연히 개개의 장치에 따라 달라지고, 그리고 기판의 설정온도 모니터용 연결전기쌍(10)의 설치방법 및 위치에 따라서도 달라진다. 이러한 데이타는 D.W. 필립스가 발표한 상기의 논문(참조 : J. Phys, D, 제9권, 페이지 507, 1975년)에 포함된 것과 동일하다. 그러나, 상기 논문에 나와 있는 것은 레이저광의 여기광조사(勵起光照射) 시간에 따라서 질소가스가 어떻게 상승하는지에 대해서만 언급하였다.
[데이타 8]
모든 조건들을 일정하게 유시시킨 상태에서 전극(5)간의 회전온도(Tr)의 공간 분포를 측정하였다. 플라즈마광을 석영 렌즈(12)를 통해 집광(集光)하고, 광섬유(13)의 끝을 X-Y 조종기를 이용하여 집광된 발광 위치에 미세하게 조정함으로써 측정하였다. 회전온도(Tr)는 기판 호울더(1) 근처에서 가장 높고, 기판 호울더(1)로부터 거리가 멀어질수록 점차 감소하여 플라즈마를 발생하는 전력을 공급하는 전극(5) 근처에서 다시 상승하였다. 이러한 경향은 어떤 조건을 변화시키더라도 변하지 않았다. 방전 조건에 따라 온도 분포가 변하지만 대체로 회전온도(Tr)는 기판 호울더(1)의 중심에서 가장 높고, 기판 호울더(1)의 테두리부에 근접함에 따라 저하되었다.
[데이타 9]
플라즈마 처리실(17)내에 텅스텐 가열기를 배치하였을때, 회전온도(Tr)는 텅스텐 가열기 주위에서 상당히 상승하였다.
[데이타 10]
방전 조건을 정상상태에서 변화시켜 플라즈마 처리실(17)내에서 국소적 이상방전이 일어나도록 하면, 회전온도(Tr)는 이상방전위치 및 주위에서 상승하였다. 이상과 같은 데이타들에 근거하여 플라즈마 처리 장치를 안정상태로 유지시키는 방법을 연구한 바, 이러한 방법들의 실시예는 하기와 같다.
[실시예 1]
분광기(4)를 통해 얻은 데이타를 기록기(14)로 기록하여 제어기(15)에서 처리하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 기록기(14)에 의해 얻어지는 데이타는 예컨대 제10도에 실선으로 도시된 것을 들 수 있다. 제어기(15)를 이용하여 측정 데이타와 계산치를 데이타의 전범위에 대하여 비교하고, 서로간에 일치하도록 하는데는 시간이 너무 많이 소요되고 큰 용량의 제어기를 필요로 한다. 본 발명에서는 406㎚ 부근의 발광 피이크 높이를 맞춰주면 406∼402㎚에 있어서의 발광각도는 Tr가 높은 쪽의 Tr가 낮은 경우에 비하여 크다는 점에 주목하였다.
제4도에 도시된 바와 같이, 극저온에서는 파형이 현저하게 변화하지만, 406∼40㎚범위의 발광강도 곡선은 플라즈마 처리 장치를 사용할 수 있는 온도범위에서는 높은 위치 또는 낮은 위치쪽으로 평행 이동한다. 각종 질소 가스 온도에 대하여 계산하여 얻은 데이타를 최대 발광강도 값으로 규격화하고, 서로 일치시킨 다음 데이타 베이스로 활용한다. 온도는 5˚K간격으로 설정한다. 한편, 플라즈마 발광강도에 대한 측정 데이타들도 상기와 같이 계산된 데이타 베이스와 마찬가지로 406㎚근처의 최대강도를 활용하여 제어기(15)를 통해 규격화한다. 규격화된 측정 데이타를 404.5㎚의 파장에서의 발광강도와 비교한다. 측정 데이타가 데이타 베이스중의 상응하는 데이타 보다 클 경우, 즉 플라즈마 처리용 질소 가스 온도가 높을 경우에는 상기한 데이타 1∼데이타 10을 근거로 하여 제어기(15)에서 발생시키는 피이드 백 신호를 발하여 플라즈마를 발생시키는 전원(Po)과, 전원으로부터 전력을 공급하는 전극(5)과 기판간 거리 및 기판 가열용 전원중의 적어도 하나에 피이드백함으로써 질소 가스 온도를 적정치로 조정한다. 질소 가스의 온도를 저하시키기 위해서는 플라즈마를 발생시키는 전력(Po)을 감소시키거나, 전극(5)간 거리를 짧게 하거나, 플라즈마 처리실(17) 내의 압력(P)을 감소시키거나, 기판 가열용 전력을 감소시키거나 하는 방법을 이용하면 효과적이다. 이들 방법을 사용함으로써 질소 가스 온도를 ±10˚K의 정밀도로 조절할 수 있다. 이러한 플라즈마 처리 과정은 재현성이 있음이 확인되었다.
[실시예 2]
이 실시예는 보다 정확한 온도제어가 필요할 때 적합하다. 실시예 1에서는 비교용으로 404.5㎚의 파장 하나만을 이용하였지만, 실시예 2에서는 다수의 파장을 비교용으로 선택하였다. 즉, 403.0㎚, 403.5㎚, 404.0㎚, 404.5㎚ 및 406.0㎚의 다섯개 파장 또는 404.0㎚부터 405.0㎚까지 0.2㎚간격으로 6개 파장을 선택하여, 이들 파장에서 데이타 베이스의 발광강도와 측정된 발광강도를 일치하도록 조정하거나, 또는 이들간의 차이들의 합계가 최소가 되도록 조정하였다. 이러한 합계는 절대값의 합계가 아니고(＋)값과 (－)값을 그대로 합한 값이다. 이 실시예에서 질소 가스 온도는 ±5˚K의 정밀도로 조절할 수 있었다.
[실시예 3]
질소 가스 온도를 제어하기 위한 주안점은 측정된 데이타를 데이타 베이스내의 데이타와 비교할 수 있는 방법에 있다. 다른 주안점은 측정되는 발광 스펙트럼의 채집 방법에 있다. 상기에서 기술한 바와 같이, 플라즈마를 발생시키는 전원으로 부터 공급된 전력과, 플라즈마 또는 플라즈마 처리실(17)내에서 플라즈마로 전환될 가스와 접촉하는 물질의 표면온도에 의해서 부여되는 에너지의 합에 따라 질소 가스 온도가 좌우된다. 질소 가스 온도의 특성은 국소적 위치에 따른 의존성 및 상기 에너지들의 증감되었을 경우의 선형성에 대해서 알아내야 한다. 상기의 영향 요인들을 하나씩 변화시키거나 또는 두가지 요인을 동시에 변화시키면서 가스 온도를 조사하였다. 결과로서, 플라즈마 처리실(17)내의 기판 호울더(1)의 중심부의 온도와 기판 호울더(1)의 주변의 적어도 한 지점의 온도를 비교하여 이들 두 온도가 질소가스 온도의 일정범위내에 있도록 플라즈마 처리 장치를 조정함으로써 측정된 가스 온도의 정밀도를 향상시켰다. 이 실시예의 방법은 발광량을 증가시키기 위해서 넓은 영역으로 부터 플라즈마 광을 채집하여 측정할때, 중복된 온도로 인한 질소 가스의 국소적 분산에 의해서 측정이 방해된다는 것을 고려해야 할 경우 필요한 것이다.
[실시예 4]
이 실시예는 질소 가스 온도를 제어하여도 데이타 베이스내의 온도와 일치시킬 수가 없는 경우에 대한 측정의 실시예이다. 이러한 제어 불능 상황은 이상방전에 기인하는 것이다. 일정한 방전 조건을 변경함으로써 질소 가스 온도를 제어할 수 없는 경우는 제어기(15)에 이상을 표시하기 위한 표시장치를 설치하였다. 이러한 표시장치는 이상방전 검출뿐만 아니라, 플라즈마 발생시 일어나는 기타 다양한 이상, 예컨대 배기계의 콘덕턴스 변화밸브 또는 공급가스 도입밸브 등의 이상과, 파괴 또는 단락 같은 기판용 가열기(9)의 이상과, 진공게이지(11)와 열전기쌍(10)과 플라즈마 발생용 전원(6) 등의 이상과, 뷰 포트(3)에 플라즈마에 의한 필름 퇴적으로 인한 얼룩등을 검출하는데도 효과적이었다.
[실시예 5]
상기한 실시예들에 있어서는 순수한 질소 가스 또는 플라즈마 상태의 질소 가스 온도 또는 406∼402㎚ 범위에서의 발광파형에 심각한 영향을 주지 않는 가스와 혼합된 질소 가스를 원료 가스로 이용하였다. 실제로는 질소 가스 이외의 모든 가스들은 질소 플라즈마에 어느 정도의 영향을 준다. 이 실시예 5에서는 상기한 데이타 5와 데이타 6을 통해 얻은 질소 가스 온도와 발광 파형을 데이타 베이스에 입력시킨 후, 특정 혼합비를 가진 혼합 가스에 대해서는 이에 상응하는 데이타 베이스를 활용함으로써, 질소 가스 온도와 406∼402㎚ 범위에서의 발광파형에 미치는 혼합 가스의 영향을 최소화 하였다.
[실시예 6]
상기 실시예들에서는 질소 가스를 함유하는 가스를 원료 가스로서 사용하였다. 그러나, 이 실시예 6에서는 원료 가스에 질소가 함유되어 있지 않는 경우 또는 미소량만 원료 가스에 함유되어 있는 경우에도 플라즈마 처리에 본 발명을 활용할 수 있고, 이러한 경우에 본 발명을 활용했을 때 다음의 3가지 결과가 얻어지는 사실에 대하여 기술한다.
첫째, 영향을 전혀 미치지 않는 경우, SF6를 사용하여 Si계의 박막을 부식 처리하는 부식 처리법에 있어서, 원료 가스에 1% 미만의 질소를 함유시킨 경우에도 영향을 전혀 받지 않았다. 이 경우에 있어서, 발광 강도는 대체적으로 저하되었지만 기판 온도등과 같은 플라즈마 처리실(17)내의 고온부에 의한 가열로 인하여 질소 가스의 온도가 상승되고, 뷰 포트(3) 또는 여러가지 센서들과 같은 부식되어서는 안될 부위에서는 냉각으로 인한 질소 가스의 온도가 하강하는 것을 관찰할 수 있었다.
둘째, 무시할 수 있을 정도의 영향을 미치는 경우, SiH4를 사용하여 α-Si : H막을 퇴적시키는 퇴적 처리법에 있어서, 원료 가스에 1% 미만의 질소 가스를 혼합하여도 α-Si : H막의 광전도 특성 또는 전자 이동도 등에 대하여 전혀 영향을 주지 않았다.
셋째, 영향은 무시할 수 없지만 후공정에서 교정할 수 있는 경우, CF4와 O2로 된 혼합 가스를 사용하여 Si계 박막을 부식하는 부식 처리법에 있어서, 원료 가스에 약 10%의 질소 가스를 혼합한 경우에서도 에칭 처리가 가능하였다. 표면상에 이물질이 얇게잔류하였지만 불화 수소산을 사용하여 제거할 수 있었다. 이 경우에 질소 가스의 발광을 관찰 할 수 있었다.
본 발명의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다. 상기한 바와 같이, 본 발명에 따라서 종래의 기술로는 검출하기가 어려웠던 플라즈마 처리중의 기판 표면온도를 검출할 수 있게 되었다. 또, 플라즈마 처리실내의 고온부와 저온부를 질소 플라즈마 가스 온도를 측정함으로써 검출할 수 있게 되었다. 따라서, 플라즈마 처리중의 어떤 이상도 용이하게 검출 할 수 있게 되었다.

Claims (2)

  1. 질소 원자들을 함유하는 가스 상태의 물질에 플라즈마를 발생시키는 전원(6) 및 전극(5)과; 플라즈마 처리실(17)과; 상기 플라즈마에 의하여 부식 처리 또는 퇴적 처리되는 기판과; 상기 기판을 가열하기 위한 전원과; 질소 분자의 각 회전 양자수 사이의 전이에 기인하는 발광을 연속 발광으로서 검출할 수 있는 분광기(4)와; 상기 검출에 의해 측정된 발광을 기록하는 기록기(14)와; 상기 분광기(4)에 의해 검출되고 기록기(14)에 의해 기록된 데이타를 분광기(4)와 기록기(14) 이외의 상기 구성 요소의 한가지 이상에다 피이드백 할 수 있는 제어기(15)로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 여러 가스 온도에서의 이론적 질소 플라즈마 발광강도를 계산하는 단계와; 플라즈마 처리실내의 실제 질소 플라즈마 발광강도를 측정하는 단계와; 전리된 질소 분자의 발광 스펙트럼중에서 파장이 402㎚∼406㎚ 범위에 있는 최대강도의 스펙트럼에서 상기의 측정된 발광강도와 상기의 계산된 발광강도를 비교하는 단계와; 상기 비교를 통하여 가열된 물체인 기판, 기판 호울더와 국소적인 가열원 또는 이상방전에 의해 상승된 질소 분자의 가스 온도와, 플라즈마를 발생 시키는 상기 전원에 의해 상승된 질소 분자의 가스 온도를 분리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 온도 측정 방법.
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