KR920009021B1 - 비정질 실리콘박막을 이용한 압력센서 및 진공도 측정방법 - Google Patents

비정질 실리콘박막을 이용한 압력센서 및 진공도 측정방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

비정질 실리콘박막을 이용한 압력센서 및 진공도 측정방법
제1도는 종래의 진공도측정장치의 개략도
제2도는 비정질실리콘막의 사시도
제3도는 본 발명에 따른 진공도측정방법의 실시예
제4a도는 반응실내의 압력변화에 따른 비정질실리콘박막의 암전도도의 변화를 보여주는 그래프.
제4b도는 반응실내의 압력변화와 박막의 두께에 따른 비정질실리콘박막의 암전도도의 변화를 보여주는 도표.
제4c도는 측정된 비정질실리콘박막의 암전도도변화와 예측되는 반응실내의 압력과의 상관관계를 보여주는 그래프.
본 발명은 소정치이상의 진공도를 필요로 하는 반응실내의 진공도 측정에 관한 것으로, 특히 반응실내의 압력변화에 따른 비정질실리콘박막의 암전도도의 변화를 이용하여 진공도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
전자기술의 근간이 되는 반도체소자의 제조에 있어서는 대부분의 공정이 밀폐된 반응실(chamber)내에서 소정의 진공상태를 유지하면서 행해진다.
상기 반응실내의 진공상태는 반도체소자의 수율과 신뢰성을 확보하기 위해 공정의 진행중에 미소한 오염물질을 제거하고 고정정상태를 유지하기 위해서 필수불가결한 것이다.
따라서 이러한 진공상태를 반응실의 외부에서 소정의 장비를 이용하여 수시로 검사하면서 공정에 필요한 분위기를 유지시켜 주어야 하는 것은 당연하다.
제1도는 종래에 사용되었던 반응실내의 진공도를 측정하는 장치를 보여주는 도면으로서, 상기 제1도에는 도시된 바와 같이, 종래의 진공도측정장치는 반응실(1)의 하부에 위치한 진공펌프(3)와, 반응실(1)과 진공펌프(3)를 연결하는 배기밸브(2)와, 상기 배기밸브(2)가 있는 배기부에 연결된 압력게이지센서(4)와, 상기 압력게이지센서(4)와 연결된 판독용전원(5)을 기본적인 구성으로 한다. 그래서, 상기 진공펌프(3)와 배기밸브(2)에 의해 반응실(1)내의 압력을 변화시킬 때 상기 압력게이지센서(4)를 통해 판독용전원(5)에서 현재의 반응실내의 진공도를 알 수 있다.
상기와 같이 압력게이지센서를 이용한 진공도측정장치 또는 측정방법은 사용되는 압력게이지센서가 비교고가이기 때문에 실용화 및 보급화가 어려운 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 반응실내의 진공도를 측정하기 위한 압력센서에 있어서, 보다 간단하고 저가인 압력센서를 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 반응실내의 진공도를 측정하기 위한 방법에 있어서, 보다 간단한 진공도측정방법을 제공함에 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서 사용되는 압력센서는 비정질실리콘박막으로 됨을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 또다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 진공도측정방법은 반응실내에 설치된 비정질실리콘박막을 압력센서로 사용하여, 상기 비정징실리콘박막의 암전도도를 측정하고, 측정된 암전도도와 반응실내의 압력과의 상관관계를 정량화하여, 상기 상관관계로부터 반응실내의 진공도를 앎을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에서 사용되는 비정질실리콘박막을 이용한 압력센서의 사시도이다. 비정질실리콘(a-Si : H)은 결정질실리콘과는 달리, 장거리질서(long-range-order)가 없는 비주기적 또는 불규칙적인 격자구조를 가지고 있으며, 에니지밴드갭(energy band gap)내에 비교적 높은 국부적인 상태밀도가 존재하기 때문에, 거의 절연체에 가깝도록 큰 저항값을 가지고 있으며, 이러한 국부적상태밀도는 비정질실리콘의 제작조건 및 외부환경에 대한 변화에 매우 민감하게 영향을 받는다. 특히 비정질실리콘의 암전도도(darkconductivity)의 변화를 박막 표면에 분포하는 수증기 및 기타 흡착가스들에 의한 공간전하의 밀도에 따라서 상당한 변화를 나타낸다.
이러한 비정질실리콘의 성질을 이용한 압력센서는 상기 제2도의 사시도에 도시된 바와 같이, 유리기판(10)과, 상기 유리기판(10)상에 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)방법에 의해 약250도의 기판온도에서 0.07-0.5미크론의 두께로 증착되어 형성된 비정질실리콘박막(20)과, 상기 비정질실리콘박막(20)의 상부면의 양측에서 소정거리 이격되어 형성된 N형 불순물이 도핑된 비정질실리콘층(30)과, 상기 비정질실리콘층(30)의 상부면에 전자빔중착법(electron beam evaporation)에 의해 형성된 알루미늄으로 된 금속전극(40)으로 구성된다.
여기서, 상기 N형 불순물이 도핑된 비정질실리콘층(30)은 금속전극(40)과 비정질실리콘박막(20)간의 오믹접촉을 위한 것이다.
상기 제2도에서 D는 비정질실리콘층(30) 또는 금속전극(40)의 이격거리이며, L은 비정질실리콘박막(20)의 길이, t는 비정질실리콘박막(20)의 두께를 나타낸다.
제3도는 제2도의 본 발명에 따른 압력센서를 사용하여 반응실내의 진공도를 측정하는 실시예를 보여주고 있다. 상기 제3도의 본 발명에 따른 진공도측정장치는 배기밸브(2)를 통하여 진공펌프(3)와 연결된 반응실(1)내에 비정질실리콘으로 된 압력센서(100)를 설치하고, 상기 압력센서(100)의 금속전극(40) 사이에 직류전력을 인가할 수 있는 직류전압공급원(60)과 전류계측을 위한 전류계(50)를 반응실(1)의 외부에 설치한 구조로 되어 있다.
제4a, 4b, 4c도는 본 발명에 따른 실험결과 또는 효과를 보여주는 그래프들로서, 제 4a도는 상기 제2도의 비정질실리콘박막(20)의 두께가 0.24미크론인 경우(21)와 0.12미크론(22)의 각각의 경우에 대하여 반응실(1)내의 압력변화(또는 공간전하밀도의 변화)에 따른 상기 비정질실리콘박막(20)의 암전도도변화를 보여주는 그래프이며, 제4b도는 상기 서로 다른 두께의 비정질실리콘박막(20)에 대하여 상압(760torr)에서의 암전도도를 1(실제 값은 0.24미크론의 두께에서는 6.23×10-8(Ωcm)-1, 0.12미크론에서는 9.12×10-9(Ωcm)-1임)로 하여 주어진 반응실(1)내의 압력에 따른 암전도도의 변화를 상대적인 값으로 나타낸 도표이며, 제4c도는 상기 제4a 및 제4b도의 실험결과로부터 나온 비정질실리콘박막의 암전도도를 이용하여 반응실내의 압력실내의 압력변화, 즉 진공도를 예측할 수 있도록 하는 그래프이다.
그러면 상기 제2도 내지 제4도의 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
상기 제3도의 장치구조로부터 알 수 있는 바와 같이, 비정질실리콘으로 된 압력센서(100)의 금속전극(40)과 연결된 전류계(50) 및 직류전압공급원(60)에 의해 상기 금속전극(40)에 일정한 전압을 공급해주고 이때에 흐르는 전류를 측정함으로써, 비정질실리콘박막(20)의 저항을 안 다음에 상기 저항값의 역수를 취하여 암전도도를 산출할 수 있다.
플래너형태의 시료에서 저항값 R은 하기하는 식(1)에 의해 결정된다.
Figure kpo00001
ρ : 비정질실리콘박막(20)의 비저항
D : 금속전극(40) 사이의 거리
L : 금속전극(40)의 길이
t : 비정질실리콘박막(20)의 두께
상기 식(1)로부터 플래너형태의 시료, 즉 비정질실리콘박막(20)의 저항값 R은 비저항 ρ와 금속전극(40)사이의 거리 D에 비례하고, 금속전극(40)의 길이 L과 비정질실리콘박막(20)의 두께 t에 반비례함을 알 수 있다.
이와 같이 비정질실리콘박막(20)의 암전도도는 상기 식(1)에 의한 저항 R의 역수로써 산출될 수 있는데, 이 경우에 금속전극(40) 사이의 거리 D에 대하여 금속전극(20)의 길이 L이 충분히 크지 않으면 전류 및 전압특성으로부터 측정되는 상기 저항값 R이 매우 커서 마이크로단위이하(μA-nA)미세한 전류를 감지할수 있는 전류계가 필요하고, D×L영역 이외에서 발생하는 누설전류성분이 이론적인 저항값과 실험값 사이에 오차를 발생시키는 문제가 있다.
그래서 암전도를 정확하게 산출하기 위해서는 금속전극(40) 사이의 거리 D에 비하여 금속전극(40)의 길이 L이 훨씬 크도록 제작하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 L/D의 값을 20 이상으로 하였다.
상술한 방법에 의해 측정된 비정질실리콘박막(20)의 암전도도는 제4a도의 그래프에서와 같이 반응실 (1)내의 압력에 따라 나타나게 된다.
상기 제4a도에서는 비정질실리콘박막(20)의 서로 다른 두께에 대하여 각각의 암전도도를 나타내었는데, 두께가 0.24미크론인 경우 (21)보다 0.12미크론인 경우 (22)의 암전도도가 같은 압력하에서 더 낮고, 두가지 경우 모두 상압(760torr)에서 1토르(torr)가는 동안 암전도도가 현저히 감소함을 알 수 있다.
이는 비정질실리콘박막(20)의 표면에 분포하는 수증기 등에 의한 공간전하가 박막의 암전도도를 증가시키는 누설전류의 성분으로 작용하기 때문에, 반응실(1)내의 압력이 낮아짐에 따라서 공간전하의 밀도가 감소하는데에 기인한 것이다.
상기 제4a도의 압력에 따른 암전도도의 측정결과를 이용하여 반응실(1)내의 압력과 비정질실리콘박막(2)의 암전도도와의 상관관계를 정량화하기 위하여, 제4b도의 도표에서는 두가지 두께의 경우에 대하여 공히 상압(760torr)에서의 암전도도를 1로 설정하고, 상기 상압에서의 값을 기준으로 100,10,1토르(torr)에서의 상대적인 값을 산출하였다.
상기 제4b도의 도표에 의하면,0.12 및 0.24미크론의 두께를 가지는 비정질실리콘박막(20)에서 100토르에서는 약 0.02-0.06, 10토르에서는 약 0.007, 1토르에서는 약 0.0052-0.0053의 비율로 암전도도가 감소된다. 그러나 박막의 두께가 0.5미크론이상이 되면, 박막표면의 공간전하가 분포되는 층의 두께에 비하여 비정질실리콘박막(20)내의 벌크(bulk)층의 두께가 상당히 크므로, 공간전하밀도가 전체적인 암전도도에 미치는 영향이 줄어들어 암전도도의 변화가 미소하기 때문에 진공도의 예측에는 부적합하다.
한편, 0.1미크론이하의 매우 얇은박막의 경우에는 유리기판(10)과 비정질실리콘박막(20)사이 및 비정질실리콘박막(20)과 표면층사이에 존재하는 계면상태(interface state)가 암전도도에 큰 영향을 미치게 된다. 즉, 본 발명에서 사용될 수 있는 비정질실리콘박막(20)은 그 두께가 0.1-0.2미크론의 범위에 있는 것이 바람직하다.
그리하여 상기 제4b도의 도표를 근거로 하여 측정된 암전도도로부터 반응실내의 압력, 즉 진공도를 알수 있는 그래프를 하기의 실험식(1)을 산출하여 제4c도와 같이 도시할 수 있다.
Inσ=Aexp(K In P)+B
σ: 암전도도, A,K,B : 실험상수
P : 반응실내의 압력
A : 0.099
B = -23.863
K = 0.581
상기 제4c도에서는 도시된 바와 같이, 상기 제4b도의 도표에 기재된 암전도도의 상대적인 변화치를 해당압력에 따라 좌표로 나타낸 다음에, 설정된 좌표점을 따라 함수곡선을 만들었다. 즉, 상기 제4c도는 측정된 비정질실리콘(20)의 암전도도로부터 반응실(1)내의 진공도를 예측할 수 있는 본 발명의 결과 및 효과가 된다.
상술한 바와같이 본 발명은 반응실내의 압력, 즉 진공도를 측정하기 위하여, 소정두께의 비정질실리콘박막을 반응실내에 설치하고 상기 비정질실리콘박막의 암전도도를 측정하여 반응실내의 압력을 알 수 있도록 함으로써 진공도측정장비의 저렴화와 진공도측정방법의 간소화를 달성하는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 소정의 진공상태를 필요로 하는 반응실내의 압력을 측정하기 위한 압력센서에 있어서, 유리기판(10)과, 상기 유리기판(10)상에 플라즈마를 이용한 화학기상증착법에 의해 소정의 기판온도에서 소정길이와 소정두께로 증착되어 형성된 비정질실리콘박막(20)과, 상기 비정질실리콘박막(20)의 상부면의 양측에서 소정의 이격거리를 가지고 도전형의 불순물이 첨가되어 형성된 비정질실리콘층(30)과, 상기 비정질실리콘층(30)의 상부면에서 상기 소정의 이격거리와 동일한 이격거리를 가지고 전자빔증착법에 의해 형성된 금속전극(40)으로 구성됨을 특징으로 하는 비정질실리콘압력센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비정질실리콘박막(20)의 두께가 0.1-0.2미크론임을 특징으로 하는 비정질실리콘압력센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속전극(40)의 길이(L)와 상기 금속전극(40)의 이격거리(D)와의 관계가
    Figure kpo00002
    을 만족함을 특징으로 하는 비정질 실리콘압력센서.
  4. 소정의 진공상태를 필요로 하는 반응실(1)내의 진공도를 측정하는 방법에 있어서, 소정의 길이와 두께를 가지며 상부에 소정거리 이격된 금속전극이 형성된 비정질실리콘박막을 상기 반응실(1)내에 설치하고, 상기 비정질실리콘박막의 상부에 형성된 금속전극에 소정의 일정한 직류전압을 상기 반응실(1)의 외부로부터 공급하고 이때 상기 비정질실리콘박막에 흐르는 전류를 상기 반응실(1)내의 압력변화에 따라 각각 계측하고, 상기 인가되는 직류전압 및 계측된 전류값으로부터 상기 반응실(1)내의 압력변화에 따른 비정질실리콘박막의 저항값을 구한 후 상기 저항값의 역수로써 비정질실리콘박막의 암전도도를 산출하고, 상기 반응실 (1)내의 압력과 비정질실리콘박막의 암전도도사이의 관계를 정량화함에 의해 상기 비정질실리콘박막의 암전도도로부터 반응실(1)내의 현재의 압력을 알 수 있도록 함을 특징으로 하는 비정질실리콘박막을 이용한 진공도측정방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비정질실리콘박막의 소정두께가 0.1-0.2미크론임을 특징으로 하는 비정질실리콘박막을 이용한 진공도측정방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 금속전극의 길이(L)와 상기 금속전극의 이격거리(D)와의 관계가
    Figure kpo00003
    을 만족함을 특징으로 하는 비정질실리콘박막을 이용한 진공도측정방법.
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