WO2022097760A1 - 플라즈마 진단 시스템 및 방법 - Google Patents

플라즈마 진단 시스템 및 방법 Download PDF

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WO2022097760A1
WO2022097760A1 PCT/KR2020/015204 KR2020015204W WO2022097760A1 WO 2022097760 A1 WO2022097760 A1 WO 2022097760A1 KR 2020015204 W KR2020015204 W KR 2020015204W WO 2022097760 A1 WO2022097760 A1 WO 2022097760A1
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plasma
unit
measured
capacitance
parameter
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PCT/KR2020/015204
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Inventor
권기청
온범수
박연수
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광운대학교 산학협력단
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    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/245—Detection characterised by the variable being measured
    • H01J2237/24564—Measurements of electric or magnetic variables, e.g. voltage, current, frequency

Definitions

  • the present invention relates to a plasma diagnosis system and method, and more particularly, to a system and method for diagnosing plasma using a difference in electrical signals that change according to before and after plasma discharge.
  • process diagnosis technology is an essential technology to preoccupy the future semiconductor equipment market by securing the reliability of semiconductor process equipment.
  • the indirect semiconductor process diagnostic sensor system using the existing optics has limitations in measurement of differences by location and measurement accuracy, so the development of a real-time, direct process diagnostic sensor system is required in a range that does not affect the actual process.
  • the method of the plasma frequency probe (Langmuir Probe), which is measured by directly perturbating the probe in the plasma, has been mainly used.
  • a method of measuring the characteristics of plasma at each position in the chamber by perturbating the plasma while moving the probe in the vacuum chamber using a linear scanning method is used.
  • the probe interferes with the plasma, so that the measurement signal is distorted, and the distortion of the measurement signal makes it difficult to diagnose the real-time state of the plasma.
  • the current formed in the probe by plasma is measured by sweeping a DC voltage from a negative voltage of several tens of volts to a positive voltage of several tens of volts.
  • a plasma diagnosis system for achieving the above object includes: a first flat substrate on which at least a portion of plasma generated in a plasma generating apparatus to be diagnosed is deposited; a second planar substrate disposed under the first planar substrate; a sensor unit having a cavity formed in the first flat substrate, disposed in the formed cavity, measuring a plasma parameter of the generated plasma, surrounded by an insulator, and electrically insulated from the first flat substrate; and located between the first and second planar substrates, each of the first and second planar substrates being shielded from each other through a ground plate, and in the sensor unit by the plasma parameter. and an electronic device that measures the characteristic value of the plasma by using the generated electrical signal and processes it in real time.
  • a plasma diagnosis method for achieving the above object includes generating plasma with a plasma generating device to be diagnosed; exposing a plasma diagnostic system for diagnosing the plasma to the plasma; measuring an electrical signal generated from the plasma; and measuring a characteristic value of the plasma from the measured electrical signal, wherein the plasma diagnosis system includes: a first flat substrate on which at least a portion of plasma generated by a plasma generating apparatus to be diagnosed is deposited; a second planar substrate disposed under the first planar substrate; a sensor unit having a cavity formed in the first flat substrate, disposed in the formed cavity, measuring a plasma parameter of the generated plasma, and wrapped with an insulator to be electrically insulated from the first flat substrate; and located between the first and second planar substrates, each of the first and second planar substrates being shielded from each other through a ground plate, and in the sensor unit by the plasma parameter. and an electronic device that measures the characteristic value of the plasma by using the generated electrical signal and processes it in real time.
  • real-time plasma diagnosis is possible by diagnosing plasma by measuring impedance change and capacitance change before and after plasma discharge during plasma processing, thereby enabling in-situ monitoring.
  • it is possible to contribute to the improvement of the process yield during the plasma process and to improve the reliability of the process result. Accordingly, the perturbation for plasma diagnosis is minimized compared to the existing ones, and even if process by-products are deposited on the probe, plasma characteristics (density, temperature) diagnosis are possible, so real-time plasma diagnosis is also possible.
  • a position of the sensor unit where plasma is deposited can be selected, so that calibration can be performed for each position where plasma is deposited.
  • a sensor unit for measuring a plasma parameter may be configured in various ways.
  • FIG. 1A and 1B are conceptual diagrams of a plasma diagnosis system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a pattern of one or more pairs of electrodes implemented as a sensor unit for sensing a plasma parameter according to an embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating a configuration of a plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a diagram showing the configuration of a plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • 4B is a diagram showing the configuration of a plasma diagnosis system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a plasma diagnosis system according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a plasma diagnosis system according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a plasma diagnosis system according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an implementation example of the sensor unit described with reference to FIG. 1 according to another embodiment.
  • FIG. 9 is a block diagram of an electronic device for diagnosing a plasma state according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams illustrating a case in which a sensor unit is configured of at least a pair of electrodes according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view for explaining a sensor unit and a switching unit composed of one or more pairs of electrodes according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing an embodiment of a patterned electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the principle of plasma density diagnosis using impedance change according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a diagram for explaining the principle of plasma density diagnosis using capacitance change according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating generation of parasitic capacitance according to a connection length for each position of the pattern electrode when a pattern electrode is formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a schematic diagram for correction for each position of an electrode in a plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of an experiment using a plasma measurement system in a vacuum chamber according to an embodiment of the present invention.
  • 19 is a diagram illustrating impedance changes before and after plasma discharge according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a measurement of plasma density according to a change in impedance measured in FIG. 19 .
  • 21A and 21B are diagrams comparing the plasma density measured by the electronic device and the plasma density measured by the DLP according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a flowchart of a plasma diagnosis method in an electronic device of a plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A and 1B are conceptual diagrams of a plasma diagnosis system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • reference numeral 110 denotes an electronic device for measuring plasma characteristic values according to an embodiment of the present invention
  • reference numeral 120 denotes plasma generated by a plasma generator (not shown) is generated in a plasma chamber in which plasma processing is performed. When done, the generated plasma is the substrate on which it is deposited.
  • Reference numeral 130 denotes a sensor unit disposed in a cavity formed in the substrate and measuring a parameter of the plasma.
  • Reference numeral 140 denotes an observation device, which converts the plasma characteristic value measured by the electronic device 110 into a digital signal and displays it to the user.
  • the electronic device 110 is illustrated as being located outside the substrate 120 in FIG. 1A , this is only shown for convenience of description.
  • the substrate 120 disclosed in FIG. 1A includes two It is composed of a substrate, and the electronic device 110 is shielded with a ground plate between the substrates.
  • the shape of the substrate is illustrated as a wafer type in FIG. 1A , the present invention is not limited thereto.
  • Lines A-A' in FIG. 1A are for showing a connection relationship between the sensor unit 130 formed on the substrate 120 and the electronic device 110 positioned between the first and second substrates constituting the substrate 120 . is the line
  • the plasma diagnosis system refers to a system that measures plasma in real time in a vacuum plasma process equipment.
  • the plasma diagnosis system includes the electronic device 110 , and the electronic device 110 performs plasma diagnosis in real time outside the process chamber using wireless communication.
  • the plasma diagnosis system of the wireless communication method measures the plasma parameters without directly exposing the electronic device 110 and the sensor to the plasma in the form of a micro electro mechanical system (MEMS) in a silicon wafer. Therefore, the plasma diagnosis system of the present invention has the advantage of minimizing a direct influence on the plasma in the process during measurement, and above all, it is possible to diagnose the process in real time outside the process chamber.
  • MEMS micro electro mechanical system
  • the electronic device 110 stores plasma parameters in a memory and extracts measurement data after the process to confirm a plasma measurement result.
  • FIG. 2 shows a pattern of one or more pairs of electrodes implemented as the sensor unit 130 for sensing a plasma parameter according to an embodiment of the present invention.
  • 2A in FIG. 2 shows that the electrode 200 is protected with an insulator or dielectric 210 to resist high voltage and prevent leakage current. This is because, when a material with high conductivity is used, the electronic device may be damaged by plasma.
  • the plasma parameter described in the present invention includes electrons, ions, electron temperature, ion flux, and the like.
  • the sensor unit 130 includes one or more pairs of electrodes, and the shape is the same as that of FIG. 2B .
  • the electrode is composed of a total of two pairs (four), and is implemented in a rectangular shape as shown in reference numerals 200a, 200b, 200c, and 200d, or a donut-shaped pattern as shown in 200e, 200f, 200g, and 200h. it might be In addition, a common terminal is positioned between each electrode.
  • the sensor unit 130 may be applied to a wafer-type plasma measurement system for each position in order to minimize plasma perturbation due to the linear scanning method of the existing plasma diagnosis apparatus (probe type), and the plasma bulk ( Perturbation in the plasma bulk can be minimized.
  • the sensor unit 130 may minimize perturbation due to a cable used for connection with an external measurement system.
  • the sensor unit 130 can measure plasma characteristics (density, temperature) even when process by-products are deposited on the probe, and can measure real-time plasma for each location in the process chamber.
  • the sensor unit 130 can easily calibrate the wafer-type plasma system for each position using a wafer or a calibration tool, and various types having one or more pairs of electrode patterns are applicable. .
  • the sensor unit 130 measures the plasma characteristics on the substrate using a specific frequency of a continuous wave or a pulse wave composed of a sine wave and a square wave in the range of 1 KHz to 1 MHz. measure
  • FIG. 3A and 3B are diagrams illustrating a configuration of a plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A shows the first layer of the substrate 120 of the plasma diagnosis system
  • FIG. 3B shows the second layer of the substrate 120 of the plasma diagnosis system.
  • the plasma diagnosis system may perform plasma diagnosis in real time during a plasma process in a vacuum environment.
  • the wafer type plasma measurement system includes a substrate 120 including a sensor unit 130 including a patterned electrode that can read plasma parameters, and diagnostic units 350 and 450 for parameter processing and data storage.
  • the diagnosis units 350 and 450 may include a measurement processing module 352 including a measurement processing and memory module and a wireless communication module for wireless communication.
  • the substrate 120 may further include an antenna for wireless charging, a constant voltage circuit (Regulator circuit), a battery (Battery), and the like.
  • An electrode pattern for measuring a plasma parameter means one or more pairs of electrode patterns.
  • a material with high conductivity is used, and in order to prevent damage to the measurement processing module 352 by plasma, the electrode pattern must be protected with a material capable of resistance to high voltage and preventing leakage current.
  • the measurement processing module 352 for plasma parameter signal processing generates a signal having a specific frequency and then a method of measuring plasma with an impedance change value generated due to plasma and a method of measuring plasma using a change in capacitance due to plasma use the
  • the substrate 120 of the wafer type plasma measurement system may be composed of several layers.
  • the basic configuration is a form in which a pair of wafers are bonded, and a cavity is formed in the wafer so that circuits and modules can be located therein.
  • the cavity design process for forming the cavity is inserted without exposing the components to the outside for the purpose of diagnosing the process state.
  • a back-end process is performed in which the components are fixed using an adhesive in a manner similar to semiconductor packaging. . Through these front-end and back-end processes, it is possible to prevent wiring and vibration between components and improve signal reliability.
  • 3A and 3B are layers arbitrarily divided for the purpose of explaining the system configuration, and the substrate 120 of the actual wafer type plasma measurement system may be formed in a structure different from that of the drawings.
  • 3A shows a first layer of a substrate 120 including a sensor unit 130 including a patterned electrode capable of reading plasma parameters, and diagnostic units 350 and 450 for parameter processing and data storage.
  • the electrode pattern may be arranged in various forms to measure the uniformity of the plasma density in the process chamber, and the uniformity according to the location is mapped based on the data by the electronic device 110 . Mapping is possible. Through this, it is possible to diagnose in real time the process status of non-uniform and uniform parts in the process.
  • the wireless charging module is composed of an antenna for wireless charging, a constant voltage circuit (Regulator circuit), a battery (Battery), and the like.
  • 4A to 8 are cross-sectional views taken along line A-A' of FIG. 1A and show the configuration of a plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a diagram showing the configuration of a plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • the substrate 120 includes two substrates including a first flat substrate 305 and a second flat substrate 310 , and a ground plate 315a, 315b), a pair of electrodes 320a and 320b corresponding to the sensor unit, a diagnostic unit 350, and a connection unit 360 are included.
  • the diagnostic unit 350 is positioned between the first flat substrate 305 and the second flat substrate 310 , and is a ground plate with the first flat substrate 305 and the second flat substrate 310 , respectively.
  • (Ground plates) 315a, 315b are shielded, and the plasma parameter measures the characteristic value of the plasma using electrical signals generated from the pair of electrodes 320a and 320b, which are the sensor units.
  • the connection unit denoted by reference number 360 transmits the electrical signal measured by the pair of electrodes 320a and 320b to the diagnosis unit 350 .
  • the diagnosis unit 350 and the connection unit 360 are included in the electronic device 900 to be described later.
  • the sensor units 320a and 320b are wrapped with an insulator 340 to be electrically insulated from the first flat substrate 305, and are disposed in a cavity formed in the first flat substrate to generate plasma. Measure the plasma parameters.
  • the sensor units 320a and 320b are located in the cavity formed at the lower end of the first flat substrate 305 .
  • the plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention has a form in which a first flat substrate 305 and a second flat substrate 310 are vertically combined. That is, in the plasma diagnosis system according to the embodiment of the present invention, the first flat substrate 305 and the second flat substrate 310 are bonded, and the electronic device 900 is inserted therebetween. At this time, the cavity formed in the first flat substrate 305 is formed using a microelectromechanical system.
  • the sensor units 320a and 320b are positioned inside the pupil.
  • a pair of electrodes which are the sensor units 320a and 320b according to an embodiment of the present invention, are formed to have a certain pattern, and the cavity is molded with an insulator having a high dielectric breakdown voltage and preventing leakage current. .
  • the pair of electrodes uses a material with high conductivity.
  • the electronic device 350 is formed with a cavity at the lower end of the first planar substrate 305 , and then the sensor units 320a and 320b are formed.
  • the first flat substrate and the second flat substrate according to an embodiment of the present invention may be formed of an insulator that does not contain impurities or a semiconductor having high resistance. This is because, when a doping semiconductor mixed with impurities is used, there is a possibility that the doped semiconductor may act as a conductor during plasma discharge.
  • the first flat substrate and the second flat substrate according to an embodiment of the present invention may be manufactured using glass. At this time, as the type of glass, quartz glass, high silica glass, silica-titania glass, etc. may be used.
  • the ground plates 315a and 315b serve to protect internal electronic devices through external electromagnetic field shielding using a metal or a printed circuit board (PCB).
  • the shielding layer configured around the sensor is located at the lower end of the sensor units 320a and 320b to concentrate the electric field of the electrode in one direction, which is the upper end of the electrode. Therefore, it is also possible to more precisely set the plasma measurement area range on the upper part of the wafer to be measured.
  • the insulator 340 protects the electronic device by using a material having a high dielectric breakdown voltage and preventing leakage current.
  • connection unit 360 transmits the electrical signal received through the pair of electrodes 320a and 320b to the diagnosis unit 350 .
  • the connection part 360 connects the electrodes and the diagnostic part 350 in the form of an ohmic contact such as a surface mount device contact (SMD) connector, conductive paste, low temperature solder (silver solder, etc.).
  • SMD surface mount device contact
  • conductive paste conductive paste
  • low temperature solder solder, etc.
  • the diagnostic unit 350 performs parameters processing, data storage, and communication.
  • the diagnosis unit 350 may include a measurement processing module 352 including a measurement process & memory module, a wireless communication module for wireless communication, and a protection circuit unit 354 .
  • the measurement processing and memory module is a sensor unit, a signal processing unit, and a micro-processor, and the wireless communication module can be configured as a communication unit, and all modules are batteries. It is connected to a power unit.
  • the measurement processing module 352 is a part that processes the plasma parameter measured through the electrode pattern, and measures the plasma parameter using at least two methods, such as plasma density measurement using plasma impedance change, plasma density measurement method using capacitance change, etc. It is measured in terms of plasma density.
  • the measurement processing module 352 may transmit the measured plasma parameter to the outside.
  • the measurement processing module 352 processes the plasma parameters measured outside the process chamber to be checked in real time using the wireless communication module.
  • the measurement processing module 352 may store the measured plasma parameter in a memory.
  • the measurement processing module 352 extracts and processes the measured plasma parameter data stored in the memory after processing.
  • the protection circuit unit 354 may include a high voltage limiting circuit and a constant voltage maintaining circuit for protecting the measurement processing module 352 from high voltage and current flowing from plasma and RF electrodes generated in the plasma chamber.
  • 4B is a diagram showing the configuration of a plasma diagnosis system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram showing the configuration of a plasma diagnosis system according to another embodiment of the present invention.
  • the sensor units 420a and 420b are located in a cavity formed at the upper end of the first flat substrate 405 unlike in FIG. 4A .
  • a method of coating a metal layer may be used to prevent signal distortion due to external frequencies, etc., or it may be covered with a conductive material that can block external electromagnetic waves, such as a printed circuit board (PCB). After that, the insulator can be covered again for the conductive material.
  • the insulator used at this time may be made of the same material as the insulators 340 and 440 in which the sensor parts 320a, 320b, 420a, and 420b are molded. The insulator should be formed to provide a space for mounting the electronic devices 350 and 450 .
  • the diagnostic unit 450 performs parameters processing, data storage, and communication.
  • the diagnosis unit 450 may include a measurement processing module 452 including a measurement processing and memory module, a wireless communication module for wireless communication, and a protection circuit unit 454 .
  • the measurement processing module 452 is a part that processes the plasma parameter measured through the electrode pattern, and measures the plasma parameter using at least two methods, such as a plasma density measurement using a plasma impedance change, a plasma density measurement method using a capacitance change, and the like. It is measured in terms of plasma density.
  • the measurement processing module 452 may transmit the measured plasma parameter to the outside.
  • the measurement processing module 452 processes the plasma parameters measured outside the process chamber to be checked in real time using the wireless communication module.
  • the wireless communication module Wi-Fi communication, Bluetooth communication, infrared communication, etc. can be used.
  • the method of the wireless communication module is preferably a Bluetooth wireless communication method that uses low power to operate the module inserted in the wafer, and the Bluetooth wireless communication method has the advantage of being able to measure for a longer time in the process. There is this.
  • the measurement processing module 452 may store the measured plasma parameter in a memory.
  • the measurement processing module 452 extracts and processes the measured plasma parameter data stored in the memory after processing.
  • the measurement processing module 452 controls process variables such as pressure, RF power, flow rate, and temperature in order to meet process requirements such as plasma density and temperature and plasma high uniformity required in semiconductor and display processes based on the processed data. and learning, and it is possible to optimize and shorten the process cycle time by controlling and learning process variables.
  • the protection circuit unit 454 may include a high voltage limiting circuit and a constant voltage maintaining circuit for protecting the measurement processing module 452 from high voltage and current flowing from plasma and RF electrodes generated in the plasma chamber.
  • 5 is a diagram illustrating a configuration of a plasma diagnosis system according to another exemplary embodiment.
  • 5 is a diagram in which the diagnosis unit 350 shown in FIG. 4A and the diagnosis unit 450 shown in FIG. 4B are configured using a thin film type circuit board such as a flexible printed circuit board (F-PCB) 500, etc. , it is possible to reduce the volume of a circuit constituting the plasma diagnosis system when configured as shown in FIG. 5 .
  • F-PCB flexible printed circuit board
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a plasma diagnosis system according to another exemplary embodiment.
  • 6 shows the sensor unit including a pair of electrodes 620a and 620b as in the configuration of the plasma diagnosis system described with reference to FIG. 4B , located above the first flat substrate 605 , but second insulators 650a on both sides of the sensor unit. , 650b) is placed.
  • the ground plate 660 of the first flat substrate 605 is different from FIG. 4B in that it extends to the second insulators 650a and 650b located on the side of the sensor unit.
  • the second insulators 650a, 650b, 750a, 750b, 750c, 750d, 850a, and 850b disclosed in FIGS. 6 to 8 use a material having a low dielectric constant to block external power or an external electrical signal. By doing so, it is possible to prevent damage to the circuit due to an electrical signal input from the outside or to reduce crosstalk that may occur in measuring plasma parameters.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a plasma diagnosis system according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 7 shows the sensor unit including a pair of electrodes 720a and 720b as in the configuration of the plasma diagnosis system described with reference to FIG. 4B , located above the first flat substrate 705, but with both sides 750a and 750b of the sensor unit and Insulators 750c and 750d are disposed between the sensor unit and the ground plate 760 .
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an implementation example of the sensor unit described with reference to FIG. 1 according to another embodiment.
  • insulators 850a and 850b are additionally positioned on the side of the insulator surrounding the electrodes 820a and 820b, and from the ground plate 315a to the upper surface of the first flat substrate 305. located extended.
  • the diagnostic unit described with reference to FIGS. 4A to 8 above generates a signal having a specific frequency and then uses a method for diagnosing plasma with an impedance change value generated before/after plasma discharge and a plasma using a change in capacitance due to before/after plasma discharge is used as a diagnostic method.
  • FIG. 9 a block configuration of an electronic device 900 for diagnosing a plasma state according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9 .
  • FIG. 9 is a block diagram of an electronic device 900 for diagnosing a plasma state according to an embodiment of the present invention.
  • the electronic device 900 includes a connection unit 910 , a protection circuit unit 915 , a signal generator 920 , a control unit 925 , and a plasma characteristic measurement unit ( 930 , and a noise canceling unit 950 .
  • connection unit 910 is connected to the sensor unit 905 and transmits an electrical signal generated by the sensor unit to the electronic device 900 .
  • the generated electrical signal may be a voltage due to a change in impedance measured before/after plasma discharge in the plasma chamber, or may be a change in capacitance measured before/after plasma discharge in the plasma chamber. .
  • the protection circuit unit 915 limits the magnitude of the electrical signal. That is, the protection circuit unit 915 may include a high voltage limiting circuit and a constant voltage maintaining circuit for protecting the electronic device 900 from high voltage and current flowing from plasma and RF electrodes generated in the plasma chamber.
  • the high voltage limiting circuit limits the magnitude of the electrical signal.
  • the constant voltage maintaining circuit maintains the level of the limited signal constant.
  • the protection circuit unit 915 may use a diode, a Zener diode, or a ground to limit the magnitude of the electrical signal.
  • the protection circuit unit 915 protects the circuit in the electronic device 900 by preventing high-output electric energy from the upper plasma generator that can be used during plasma discharge from flowing into the circuit in the electronic device 900 through the electrode. plays a role
  • the signal generator 920 generates a signal having a frequency in a range that does not overlap with the discharge frequency of plasma generated by the plasma generator to be diagnosed at least in part.
  • the plasma generator is a device to be diagnosed and corresponds to an external component of the plasma diagnostic system of the present invention.
  • the fact that the plasma discharge frequency does not overlap at least partially means that the center frequency is different or that the frequency band is different.
  • the discharge frequency in the plasma generating device may be 5 to 20 MHz.
  • the frequency of the electrical signal generated by the signal generator 920 may be used so as not to overlap the plasma discharge frequency in a band ranging from 1 KHz to 1 MHz.
  • the signal generated by the signal generator 120 serves as a reference for capacitance measurement, and various types of waveforms are applicable.
  • the plasma characteristic measurement unit 930 measures a characteristic value of plasma using the electric signal transmitted from the protection circuit unit 915 . At this time, the plasma characteristic measurement unit 930 measures a change in impedance corresponding to a plasma parameter sensed by the sensor unit 905 according to before/after discharge of plasma generated in the plasma chamber or a change in capacitance to measure the characteristics of plasma measure
  • the plasma characteristic to be measured may be a plasma density.
  • the controller 925 converts a plasma parameter into a plasma density using the measured change in impedance or change in capacitance, and then transmits the converted value to the noise removing unit 950 .
  • the control unit 925 according to an embodiment of the present invention generates a signal representing the plasma characteristics according to the change in impedance or the capacitance measured by the sensor unit 905, and through the noise removal unit 950, the observation unit ( 940) is output.
  • the user may check the state value of the digitized plasma through the observation unit 940 , and accordingly, the state of the plasma may be advanced.
  • controller 925 is configured to select electrodes to be used for plasma parameter measurement among the plurality of electrodes 200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g, and 200h included in the sensor unit 905.
  • the switching signal 935 is transmitted to the sensor unit 905 .
  • the noise canceling unit 950 includes a preamplifier 952 , a band-pass filter 954 , a phase detector 956 , and a low-pass filter 958 .
  • the noise removing unit 950 filters the electrical signal transmitted from the control unit 925 .
  • the preamplifier 952 amplifies the signal transmitted from the control unit 925 to keep it constant, and installs a filter circuit at the input terminal receiving the input from the control unit 925, and is transmitted from the control unit 925. It is possible to prevent the preamplifier 952 from being damaged by the signal.
  • the filter circuit may include a low-pass filter, a high-pass filter, a band-pass filter, and a band-stop filter.
  • the band-pass filter 954 may pass the amplified electrical signal through a frequency in a range at least partially overlapping with the frequency of the generated plasma.
  • the phase detector 956 may remove noise by using a phase difference between the electrical signal passing through the bandpass filter 954 and the reference waveform generated by the signal generator 920 .
  • the low-pass filter 958 may pass a low-frequency component of the electrical signal that has passed through the phase detector 956 .
  • the observation unit 940 is a device that displays the filtered electrical signal on a screen, and corresponds to an external component of the electronic device 900 of the plasma diagnosis system of the present invention.
  • the user may observe plasma characteristics (eg, plasma density, etc.) by controlling the voltage and capacitance of the plasma in real time by using the observation unit 940 .
  • the plasma measuring unit 930 measures and analyzes plasma major factors such as plasma density, ion flux, and electron temperature using the plasma parameters measured by the sensor unit 905 .
  • the control unit 925 outputs a plasma state diagnosis signal through the plasma characteristics measured by the H plasma characteristic measurement unit 930 .
  • a method for the plasma characteristic measuring unit 930 to measure plasma according to an embodiment of the present invention is divided into the following two methods.
  • the impedance value formed by the reference waveform in kHz changes according to the presence/absence of plasma. Measure change.
  • the plasma characteristic measuring unit 930 may measure the plasma characteristic through such a voltage change, which will be described using ⁇ Equation 1> to ⁇ Equation 6>, which will be described later.
  • ⁇ Equation 1> to ⁇ Equation 6> are equations for calculating the density of plasma using impedance change.
  • the plasma state is diagnosed using the capacitance variation measured by the sensor unit 905 .
  • the capacitance value changes according to the width of the electrodes included in the sensor unit 905 , the length of the electrodes, the distance between the electrodes, and the type and thickness of the insulator.
  • the capacitance value generated by the electrode is in series/parallel with the capacitance value of the plasma according to the plasma discharge.
  • the changed capacitance value is measured by the plasma characteristic measurement unit 930 , and the control unit 925 converts the value into a digitized value.
  • the plasma characteristic measuring unit 930 may measure the plasma characteristic through such a change in capacitance, which will be described using ⁇ Equation 7> to ⁇ Equation 14>, which will be described later.
  • ⁇ Equation 7> to ⁇ Equation 14> are equations for calculating the density of plasma using a change in capacitance.
  • the plasma characteristic measuring unit 930 may be damaged when the amounts of voltage and current input through a pair of electrodes of the sensor unit 905 are greater than predetermined sizes. . Therefore, it is preferable that the protection circuit unit 915 is positioned at the front end of the plasma characteristic measuring unit 930 so that the signal input through the sensor unit 905 is not damaged. The protection circuit unit 915 limits the high voltage/high current and provides a constant voltage.
  • the electronic device 900 may be implemented by patterning or contacting a thin thin film PCB such as a flexible printed circuit board (F-PCB).
  • a thin thin film PCB such as a flexible printed circuit board (F-PCB).
  • signal distortion or crosstalk may occur in the process of transferring the plasma parameter read from the sensor unit 905 to the parameter characteristic measurement unit 930 due to power input from the outside of the electronic device 900 like the sensor unit 905 .
  • the possibility still exists.
  • the metal connected to the ground plate between the first and second flat substrates.
  • Signal distortion can be prevented by using (Metal) materials to block external electrical signals.
  • an insulator having a low dielectric constant instead of a metal material to block the possibility of an external electrical signal from affecting the plasma parameter signal, distortion of the signal can be prevented.
  • the first flat substrate may be damaged due to arcing between the plasma and the metal.
  • an insulator with a low dielectric constant prevents the metal from protruding out of the first flat substrate and blocks an external electrical signal.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams illustrating a case in which a sensor unit is configured of at least a pair of electrodes according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows that the sensor unit 1005 is formed on the upper portion of the first flat substrate 1015
  • FIG. 11 shows that the sensor unit 1110 is formed on the lower portion of the first flat substrate 1115
  • Reference numeral 1005 in FIG. 10 and reference numeral 1105 in FIG. 11 is an insulator plate, and serves to protect the electrodes 1010 and 1110 from direct contact with plasma.
  • the insulator plates 1005 and 1105 should use an insulating material having a high breakdown voltage and preventing leakage current. For example, it is preferable to use various dielectric materials such as Si N thin film, Si O 2 thin film, silicon, polymer, etc. including ceramic series.
  • the electrodes 1010 and 1110 form a coplanar electrode by stacking two conductive materials on one dielectric layer.
  • the thickness of each electrode is generally between 20 ⁇ m and 40 ⁇ m.
  • the first planar substrates 1015 and 1115 are processed to form cavities using etching to form electrodes 1010 and 1110 inside the cavities.
  • FIGS. 10 and 11 Although the case where the sensor unit is configured with a pair of electrodes has been described in FIGS. 10 and 11, the case where the sensor unit is configured with one or more pairs of electrodes as shown in FIG. 2B of FIG. 2 is described in FIGS. 2B and 12 of FIG. will be described with reference to .
  • FIG. 12 is a view for explaining a sensor unit and a switching unit composed of one or more pairs of electrodes according to an embodiment of the present invention.
  • the sensor unit is configured with one or more pairs of electrodes 200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g, and 200h as shown in FIG. 2b, to select a pair of electrodes for measuring a plasma parameter. It shows that the switching units 1205 and 1210 are present.
  • the switching units 1205 and 1210 respectively select a pair of electrodes for measuring a plasma parameter according to a switching signal from the electronic device 900 .
  • the switching unit 1205 may select 200a and 200b, 200a and 200c, or 200a and 200d as electrodes for measuring plasma parameters.
  • the switching units 1205 and 1210 may be implemented as a switch circuit such as a MUX.
  • Reference numeral 220 denotes a common terminal.
  • the electrodes 200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g, and 200h shown in FIGS. 2B and 12 form a coplanar electrode by placing one or more pairs of conductive materials on one dielectric layer.
  • the thickness of the electrode according to the embodiment of the present invention generally has a thickness of 20 ⁇ m to 40 ⁇ m, and it is preferable to use a material having high resistance to oxidation but using a material with high conductivity for the electrode.
  • the electronic device 900 may measure the plasma characteristics in two types of impedance change and capacitance change.
  • a patterned electrode for forming a reference signal and measuring plasma charged particles is required.
  • a patterned electrode it consists of one or more pairs of electrodes and an insulator layer that prevents damage to the electrodes by plasma.
  • the electrode is made of a material with high conductivity but strong resistance to oxidation, and the insulator layer is made of a material capable of preventing high dielectric strength and leakage current.
  • an electrode pattern for forming a reference signal and measuring plasma charged particles is required. The electrode pattern consists of one or more pairs of electrodes and an insulator layer that prevents damage to the electrodes by plasma.
  • the electrode is made of a material with high conductivity but strong resistance to oxidation
  • the insulator layer is made of a material capable of preventing high dielectric strength and leakage current.
  • the electrode is mainly implemented in two ways.
  • the sensor unit 905 When the sensor unit 905 is composed of a pair of electrodes, they are formed in the same size on a coplanar surface.
  • the capacitance and impedance values formed in the electrodes vary depending on parameters such as the width of the electrodes, the size of the electrodes, the distance between the electrodes, the type of insulator for molding the electrodes, and the thickness of the insulator. Therefore, it is necessary to select parameters suitable for the purpose.
  • the sensor unit 905 may select a pair of electrodes for plasma parameter measurement by using a switching circuit such as 1205 or 1210. .
  • a switching circuit such as 1205 or 1210.
  • the plasma parameter can be measured using a total of six pairs of electrodes using the switching units 1205 and 1210 .
  • FIG. 13 is a view showing an embodiment of a patterned electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the value of the capacitance formed in the electrode and the signal formation range (Penetration depth, T) are It changes.
  • the width (w) of the electrode is equal to or longer than the length (L) of the electrode in consideration of the end effect (w ⁇ L). It is preferable to do It is preferable to set the width (w) of the electrode to about 1 mm to 5 mm, and the length (L) of the electrode to be about 1 mm to 5 mm.
  • the signal formation depth (T) varies according to the inter-electrode distance and the width of the electrodes.
  • the distance between the electrodes is preferably set to about 0.5 mm to 5 mm.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the principle of plasma density diagnosis using impedance change according to an embodiment of the present invention.
  • the basic principle of plasma density diagnosis using impedance change is to apply an AC (Alternating Current) voltage having an effective value (RMS, Root Mean Square) to the anode of an electrically insulated plasma sensor and have a frequency of 1 kHz to MHz to create a potential difference
  • an insulator is placed on the surface on which the impedance is formed to discharge the plasma.
  • the impedance value of the electrode pattern changes because it is connected in series/parallel with the impedance formed in the electrode pattern due to plasma parameters (plasma reactance) such as ions, electrons, and radicals emitted from the discharged plasma. (Impedance variation). This appears as a change in voltage.
  • a reference signal (V R ) is divided into a reference impedance (X r ) and an electrode pattern (Patterned electrodes) along the circuit and is applied. Assuming that the impedance value formed in the electrode pattern is X x , the voltage applied to the electrode pattern is V x , the voltage applied to the reference impedance is V r , and the voltage applied to the entire circuit is V T . can indicate
  • the impedance (Xx) value formed in the electrode pattern through an appropriate calculation is calculated as below. It can be defined as in ⁇ Equation 1>.
  • the total charge amount (Q 0 ) is defined as the sum of the plasma charge amount (q p ) and the initial charge amount (Q i ) as shown in Equation 2 below.
  • the amount of charge (Q) is calculated as shown in ⁇ Equation 3> and ⁇ Equation 4> through the correlation between the capacitance (C) and the voltage (V).
  • the plasma density (ne e ) diagnosis can be defined as in the following ⁇ Equation 5>.
  • 15 is a diagram for explaining the principle of plasma density diagnosis using capacitance change according to another embodiment of the present invention, and is an equivalent circuit of capacitance change before/after plasma discharge.
  • the basic principle of plasma density diagnosis using capacitance change is to measure the amount of change in the initial capacitance value and the capacitance value after plasma discharge according to the electrode pattern design, insulator type, and thickness, and perform plasma diagnosis using the formula will do
  • the electrode pattern when the electrode pattern is in contact with the plasma, it is connected in series/parallel with the initial capacitance of the electrode to decrease the capacitance value. Using this capacitance change value, plasma characteristics are measured.
  • the electronic device 900 according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 15 converts the capacitance value measured by the plasma characteristic measuring unit 930 into a digital signal (Capacitance to digital converter) to increase the capacitance. It is output as a digitalized value, and it is desirable to float to prevent damage due to high voltage of plasma.
  • the electronic device 900 according to another embodiment of the present invention measures a change in capacitance before/after plasma discharge.
  • reference numeral 1505 denotes a patterned electrode capacitance (C e ), which indicates the initial patterned electrode capacitance, and the width of the electrode, the width of the electrode, the gap between the electrodes, the dielectric constant change according to the type of the molding insulator, and the thickness of the insulator
  • the electrode pattern capacitance value is changed due to parameters such as .
  • a capacitance variation value according to plasma on/off is measured by measuring an initial electrode pattern capacitance value.
  • reference numeral 1510 denotes a total capacitance limiting capacitor (C r ), which is a maximum capacitance that the electronic device 900 can measure. This is because the measurement range of the capacitance that can be measured by the electronic device 900 is determined, and the capacitance beyond the measurement range is impossible to measure.
  • C r total capacitance limiting capacitor
  • the total capacitance limiting capacitor (C r ) uses a capacitor connected in series with the electrode pattern capacitance (C e ) and the plasma capacitance (C p ) as shown in ⁇ Equation 6> below to adjust the measurement range of the measured capacitance value .
  • reference numeral 1525 denotes a plasma capacitance (C p ), which is a capacitance of the plasma.
  • the plasma capacitance (C p ) 1525 is connected in series with the electrode pattern capacitance (C e ) and the value of the total capacitance limiting capacitor (C r ) during plasma discharge.
  • the electronic device 900 diagnoses plasma according to a capacitance value change according to plasma on/off.
  • the capacitance change ( ⁇ C) in the circuit after plasma discharge is calculated by the following ⁇ Equation 9>.
  • the capacitance change ⁇ C is a capacitance change due to plasma, and the electronic device 900 performs plasma diagnosis using this change.
  • the total charge amount (Q 0 ) is calculated as the sum of the plasma charge amount (q p ) and the initial charge amount (Q i ) as shown in Equation 10 below.
  • the amount of charge (Q) can be calculated using the correlation between the capacitance (C) and the voltage (V) as shown in ⁇ Equation 11> and ⁇ Equation 12> below.
  • the plasma density (ne e ) value can be calculated using the following ⁇ Equation 13>.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating generation of parasitic capacitance according to a connection length for each position of the pattern electrode when a pattern electrode is formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.
  • the initial value may vary depending on the position of the electrode in the plasma measurement system according to the embodiment of the present invention. This can be seen as a result of the effect of parasitic capacitance 1630 by various variables such as a connection length in the connection between the electrodes 1610 and 1620 and the electronic device 110 . It can be seen that the electrode 1610 has three capacitances in connection with the electronic device 110 , and the electrode 1620 has only one capacitance in connection with the electronic device 110 .
  • the initial voltage value for each position is different for each position of the electrode, and in the case of plasma diagnosis using capacitance change, the initial capacitance value for each position of the electrode ( Initial capacitance) is different for each electrode position.
  • plasma diagnosis is performed by comparing the voltage value before plasma discharge and the voltage after plasma discharge, and in the case of plasma diagnosis using capacitance change, capacitance value before plasma discharge and capacitance value after plasma discharge are compared to perform plasma diagnosis.
  • the initial value is corrected through a program.
  • a calibration tool 1710 is placed on the upper part of the plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention as shown in FIG. Calibration is performed by checking whether the same change appears for each location.
  • 17 is a schematic diagram for correction for each position of an electrode in a plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • a calibration tool 1710 positioned on the flat substrate 120 uses an insulator and has the same size or a larger size than the flat substrate 120 . It is preferable to use In this way, the impedance value/capacitance value in the pattern electrode is measured by the correction tool 1710 to determine whether the same value is changed, and then correction is performed.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of an experiment using a plasma measurement system in a vacuum chamber according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma generating apparatus includes a sealed ICP (Inductively Coupled Plasma) chamber 1805 and a ceramic plate 1835 forming a magnetic field path into the ICP chamber 1805, and, It includes an ICP antenna 1825 disposed close to the upper surface of the ceramic plate 1835 , and a high-frequency power supply unit 1820 for supplying high-frequency power to the ICP antenna 1825 .
  • the ceramic plate 1835 forms an upper plate of the ICP chamber 1835 so that the ICP chamber 1835 is sealed, and forms a path for the magnetic field generated from the ICP antenna 1825 .
  • the high frequency power supply unit 1820 may be, for example, a high frequency generator that generates a high frequency of 13.56 MHz.
  • Reference numeral 1810 denotes a double Langmuir probe (DLP), and reference numeral 1815 denotes an observation unit 1815 for measuring the plasma density measured through the DLP 1810 .
  • DLP double Langmuir probe
  • the parameter characteristics during discharge of the plasma 1830 generated in the ICP chamber 1805 are measured through the substrate 120 , and the plasma parameters measured through the substrate 120 are measured through the electronic device 110 . is measured and output to the user through the observation unit 140 .
  • This experiment 1) measures the voltage change according to impedance change before/after plasma discharge and calculates the plasma density using the measured data, 2) measures the capacitance change before/after the plasma discharge and the plasma density using the measured data and 3) comparing the plasma density with the DLP (Double Langmuir Probe) at the same location and under the same conditions.
  • DLP Double Langmuir Probe
  • FIG. 19 is a diagram illustrating impedance changes before and after plasma discharge according to an embodiment of the present invention, wherein the impedance change in FIG. 19 represents a change in voltage.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a measurement of plasma density according to a change in impedance measured in FIG. 19 .
  • the measured plasma density was measured to be 2.78 ⁇ 109 [cm -3 ].
  • Plasma densities measured at the same location and under the same conditions using a double Langmuir Probe (DLP), a probe measurement method, are shown in Table 2 and FIG. 21 below.
  • 21A and 21B are diagrams comparing the plasma density measured by the electronic device and the plasma density measured by the DLP according to an embodiment of the present invention.
  • 21A is a diagram comparing the plasma density measured by the electronic device 110 and the plasma density measured by the DLP 1810 according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma density error was measured to be 18%.
  • 21B shows a graph mapping calculated values of plasma density according to positions on the X-Y plane in the chamber.
  • FIG. 22 is a flowchart of a plasma diagnosis method in the electronic device 900 of the plasma diagnosis system according to an embodiment of the present invention.
  • step S100 the plasma diagnosis system checks whether a plasma gas to be diagnosed is generated in the chamber. If the plasma gas is generated in step S100, the plasma diagnosis system is exposed to the plasma in step S105. Specifically, the substrate 120 of FIG. 3 is exposed to the plasma gas in the chamber 1805.
  • step S110 the plasma diagnosis system determines whether an electrical signal is generated by the sensor unit sensing the plasma, and proceeds to step S115 or S120 according to the plasma characteristic measurement method.
  • the first method is a method of measuring the impedance change before/after plasma discharge
  • the second method is a method of measuring the capacitance change before/after plasma discharge.
  • step S125 the plasma diagnosis system measures the plasma characteristics of the electrical signal generated before/after plasma discharge through step S115 or step S120.
  • the method according to the present invention may be implemented as a computer program stored in a medium for execution by a computer.
  • the computer-readable medium may be any available medium that can be accessed by a computer, and may include all computer storage media.
  • Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, and read dedicated memory), RAM (Random Access Memory), CD (Compact Disk)-ROM, DVD (Digital Video Disk)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like.

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Abstract

플라즈마 진단 시스템 및 방법을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 진단 시스템은 진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치에서 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되는 제1평면기판; 상기 제1평면기판의 하부에 배치되는 제2평면기판; 상기 제1평면기판에 공동(cavity)이 형성되고, 상기 형성된 공동에 배치되어 상기 발생한 플라즈마의 플라즈마 파라미터를 측정하며 절연체로 감싸여져 상기 제1평면기판과는 전기적으로 절연된 센서부; 및 상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판 사이에 위치하며, 상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판과는 각각 접지 플레이트(Ground plate)를 통해 차폐되며 상기 플라즈마 파라미터에 의해 상기 센서부에서 발생된 전기 신호를 이용하여 상기 플라즈마의 특성값을 측정하여 실시간으로 처리하는 전자 장치;를 포함할 수 있다.

Description

플라즈마 진단 시스템 및 방법
본 발명은 플라즈마 진단 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마방전 전/후에 따라 변화하는 전기 신호 차이를 이용하여 플라즈마를 진단하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 기업에서는 소자제조 기술의 발전에 따른 집적화 및 초미세화 공정 중요성이 증가하고 이런 공정에서 실시간, 직접 측정방식의 공정 내부 상태진단 및 관리시스템의 중요성이 증가하고 있어 수요기업 니즈가 증가하고 있다.
세계 반도체 시장의 매출 신장 및 신규 공정 기술 증가 등으로 인한 식각 및 증착 장비의 수요가 급증하는 상황에서 공정 과정을 진단하는 기술은 반도체 공정 장비 신뢰성 확보를 통한 미래 반도체 장비 시장을 선점하는데 필수적인 기술이다.
더군다나 최근의 반도체 및 디스플레이 소자의 제조 기술 발전 속도가 공정장비의 발전 속도 보다 빠르게 발전하고 있고, 공정 상태를 실시간, 직접적으로 정교하게 측정이 가능한 공정진단 기술의 필요성이 점점 커지고 있으며, 선택사항이 아닌 필수사항이라는 인식이 높아지고 있다.
20 nm 이하 급 반도체 소자의 집적도 향상 구현을 위하여 국내 주요 수요처에서 공정수율 향상을 위한 보다 엄격한 공정 관리에 대한 필요성이 급증하고 있고 특히 실 공정에서의 위치별 공정 상태 확인을 통하여 공정 이상 유무를 실시간으로 관리하고 이를 분석할 수 있는 지능형 장비 및 공정 제어가 가능한 진보된 공정 진단 센서를 요구 하고 있다.
기존 광학기를 활용한 간접적 반도체 공정 진단 센서 시스템은 위치별 차이 측정과 측정정확성에 한계가 있어 실공정에 영향을 주지 않는 범위에서 실시간, 직접적 공정 진단센서 시스템 개발이 요구되고 있다.
기존에 플라즈마의 특성을 측정하기 위해 탐침(Probe)를 플라즈마에 직접 섭동(Perturbation)하여 측정하는 플라즈마 주파수 프로브(Langmuir Probe)의 방식을 주로 사용하였다. 이 방식의 경우 선형 이동(Linear scanning) 방식을 이용하여 진공 챔버 내에서 탐침을 이동하면서 탐침이 플라즈마에 섭동하여 챔버 내 위치별 플라즈마의 특성을 측정하는 방식을 사용한다.
그러나, 이러한 방식은 탐침이 플라즈마와 간섭이 발생하여 측정 신호가 왜곡되는 현상이 발생되고, 측정 신호의 왜곡은 플라즈마의 실시간 상태를 진단하기 어렵게 하는 원인이 된다. 또한 플라즈마 주파수 프로브(Langmuir Probe) 방식의 경우에는 수 십 볼트의 음의 전압부터 수 십 볼트의 양의 전압까지 직류 전압(DC Voltage)을 스윕(Sweep)하여 플라즈마에 의해 탐침에서 형성되는 전류를 측정하는 방식을 사용한다. 공정 과정 중에 공정 부산물(By product) 등이 탐침에 증착(Deposition)되면 탐침을 통한 플라즈마에 관한 정보(전류)가 차단 혹은 왜곡되는 현상이 발생한다.
또한, 플라즈마 주파수 프로브(Langmuir Probe) 방식의 탐침 방법의 경우, 넓은 범위의 DC 전압을 스윕(Sweep)하는 형태로 제작이 되기 때문에 그 크기를 축소화하기 힘든 단점이 있다.
마지막으로, 플라즈마 주파수 프로브(Langmuir Probe) 방식의 탐침 방법의 경우 실제 공정 중에는 혼합 가스를 이용하여 플라즈마를 방전시키는 경우가 많으며, 이러한 경우에는 플라즈마의 밀도 진단이 어려운 단점이 존재한다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 공정 과정 중 왜곡 없이 실시간으로 플라즈마 상태를 모니터링하여 플라즈마의 상태를 정확히 판단하는 플라즈마 진단 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 플라즈마 진단 시스템은 진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치에서 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되는 제1평면기판; 상기 제1평면기판의 하부에 배치되는 제2평면기판; 상기 제1평면기판에 공동(cavity)이 형성되고, 상기 형성된 공동에 배치되어 상기 발생한 플라즈마의 플라즈마 파라미터를 측정하며 절연체로 감싸여져 상기 제1평면기판과는 전기적으로 절연된 센서부; 및 상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판 사이에 위치하며, 상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판과는 각각 접지 플레이트(Ground plate)를 통해 차폐되며 상기 플라즈마 파라미터에 의해 상기 센서부에서 발생된 전기 신호를 이용하여 상기 플라즈마의 특성값을 측정하여 실시간으로 처리하는 전자 장치;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위한 플라즈마 진단 방법은 진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치로 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 플라즈마를 진단하기 위한 플라즈마 진단 시스템을 상기 플라즈마에 노출시키는 단계; 상기 플라즈마로부터 발생된 전기 신호를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 전기 신호로부터 상기 플라즈마의 특성 값을 측정하는 단계를 포함하고, 상기 플라즈마 진단 시스템은, 진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치에서 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되는 제1평면기판; 상기 제1평면기판의 하부에 배치되는 제2평면기판; 상기 제1평면기판에 공동(cavity)이 형성되고, 상기 형성된 공동에 배치되어 상기 발생한 플라즈마의 플라즈마 파라미터를 측정하며 절연체로 감싸져 상기 제1평면기판과는 전기적으로 절연된 센서부; 및 상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판 사이에 위치하며, 상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판과는 각각 접지 플레이트(Ground plate)를 통해 차폐되며 상기 플라즈마 파라미터에 의해 상기 센서부에서 발생된 상기 전기 신호를 이용하여 상기 플라즈마의 특성값을 측정하여 실시간으로 처리하는 전자 장치;를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따르면 플라즈마 공정 시 플라즈마 방전 전/후에 따른 임피던스 변화 및 캐패시턴스 변화를 측정하여 플라즈마를 진단함으로써 실시간 플라즈마 진단이 가능하여 인-시투 모니터링(In-situ monitoring)이 가능하다. 이를 이용하여 플라즈마 공정 시 공정 수율 향상에 기여하고 공정 결과물의 신뢰도 향상에 기여할 수 있다. 그에 따라 기존에 비해 플라즈마 진단을 위한 섭동이 최소화되며, 탐침에 공정 부산물(By product)이 증착되어도 플라즈마 특성(밀도, 온도)진단이 가능하여 실시간 플라즈마 진단도 가능하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 플라즈마가 증착되는 센서부의 위치를 선택할 수 있어, 플라즈마가 증착되는 위치 별로 캘리브레이션(Calibration)이 가능하다.
추가로, 본 발명의 실시 예에 따르면, 플라즈마 파라미터를 측정하는 센서부를 다양하게 구성할 수 있다.
또한, 실시간 플라즈마 진단 시스템을 이용하여 공정 시 플라즈마 방전 상태가 비정상일 경우 피드백을 통해 장치 보완이 가능하여 반도체 및 디스플레이 산업에서 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 파라미터를 센싱하는 센서부로서 구현된 한 쌍 이상의 전극(Electrode) 패턴을 보여준다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4a은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5는 또 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 또 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 또 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 8는 또 다른 실시 예에 따라 도 1에서 설명한 센서부의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 상태를 진단하기 위한 전자 장치의 블록 구성도이다.
도 10과 도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 센서부가 적어도 한 쌍의 전극들로 구성되는 경우을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 한 쌍 이상의 전극들로 구성된 센서부와 스위칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 패턴화된 전극의 구현 예를 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따라 임피던스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 진단의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 캐패시턴스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 진단의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따라 기판에 패턴 전극을 형성할 경우, 패턴 전극의 위치별 연결 길이에 따른 기생 정전 용량이 발생하는 것을 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템에서 전극의 위치별 보정을 위한 모식도이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따라 진공 챔버 내 플라즈마 측정 시스템을 이용한 실험 모식도이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 방전 전/후에 따른 임피던스 변화를 나타낸 도면이다.
도 20은 도 19에서 측정된 임피던스 변화에 따른 플라즈마 밀도를 측정한 도면이다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치가 측정한 플라즈마 밀도와 DLP이 측정한 플라즈마 밀도를 비교한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 전자 장치에서의 플라즈마 진단 방법의 흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 개념도이다.
도 1a에서 참조번호 110은 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마의 특성 값을 측정하기 위한 전자 장치이며, 참조번호 120은 도시되지 않은 플라즈마 발생부가 발생시킨 플라즈마가 플라즈마 공정 처리가 수행되는 플라즈마 챔버에 생성될 때, 생성된 플라즈마가 증착되는 기판이다. 참조번호 130은 기판에 형성된 공동에 배치되어, 상기 플라즈마의 파라미터를 측정하는 센서부이다. 참조번호 140은 관측장치로서, 전자 장치(110)가 측정한 플라즈마 특성값을 디지털 신호로 변환하여 사용자에게 표시해주는 장치이다. 도 1a에서는 전자 장치(110)가 기판(120)의 외부에 위치한 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위해 도시된 것일 뿐 본 발명의 실시 예에 따라 도 1a에 개시된 기판(120)은 2개의 기판으로 구성되고, 그 기판들 사이에는 전자 장치(110)가 접지 판(Ground plate)으로 차폐되어 구성된다. 도 1a에서는 기판의 형태를 웨이퍼 형태(Wafer type)로 도시하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1a에서 A-A'선은 기판(120)에 형성된 센서부(130)와 기판(120)을 구성하는 제1 기판과 제2기판 사이에 위치한 전자 장치(110)간의 연결 관계를 보여주기 위한 선이다.
도 1b를 참조하면, 플라즈마 진단 시스템은 진공 플라즈마 공정 장비에서 실시간으로 플라즈마를 측정하는 시스템을 의미한다. 플라즈마 진단 시스템은 전자 장치(110)를 포함하며, 전자 장치(110)는 무선 통신 방식(Wireless communication)을 이용하여 공정 챔버 외부에서 실시간으로 플라즈마 진단을 수행한다.
구체적으로, 무선 통신 방식의 플라즈마 진단 시스템은 전자 장치(110)와 센서를 실리콘 웨이퍼 내에 미세 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System: MEMS)형태로 플라즈마에 직접적으로 노출되지 않고 플라즈마 변수를 측정한다. 그러므로 본 발명의 플라즈마 진단 시스템은 측정 중에 공정 내 플라즈마에 직접적인 영향을 최소화하는 이점을 갖으며, 무엇보다도 공정 챔버 외부에서 실시간으로 공정 진단이 가능하다.
전자 장치(110)는 메모리(Memory) 내 플라즈마 파라미터를 저장하여 공정 후 측정 데이터를 추출하여 플라즈마 측정 결과를 확인 가능하게 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 파라미터를 센싱하는 센서부(130)로서 구현된 한 쌍 이상의 전극(Electrode) 패턴을 보여준다. 도 2에서 2a는 전극(200)은 높은 전압에 대한 내성 및 누설 전류(Leakage current)를 방지하기 위해 절연체(insulator) 또는 유전체(Dielectic)(210)로 보호하는 것을 보여준다. 이는 전도성 높은 물질을 이용할 경우, 플라즈마에 의한 전자 장치가 손상을 입을 수 있기 때문이다. 본 발명에서 설명하는 플라즈마 파라미터(Plasma parameter)라 함은 전자(Electron), 이온(Ion), 전자온도(Electron Temperature), 이온 플럭스(Ion flux) 등을 포함한다.
도 2에서 도시된 바와 같이 본 발명에서 센서부(130)는 한 쌍 이상의 전극들로 구성되며, 그 형태는 도 2b와 같다.
도 2b에서 전극은 총 2개의 쌍(4개)로 구성되며, 참조번호 200a, 200b, 200c, 200d와 같이 사각형 형태, 또는 200e, 200f, 200g, 200h와 같이 도넛 형태의 패턴(Pattern)으로 구현될 수도 있다. 그리고, 각 전극 사이는 공통단자(common)가 위치한다.
일반적으로 수 nm 공정에서 반도체 구조(Structure)가 3차원 형태로 변해감에 따라 고종횡비(High Aspect Ratio Contact, HARC) 공정의 중요성이 증가하고 있다. 이에, 반도체 구조의 골(Trench)에 이온(Ion) 및 활성종(Radical)이 들어가기 위해서 더 높은 바이어스 전압(Bias voltage)이 인가된다. 이러한 높은 바이어스 전압은 플라즈마 방전 주파수와 간섭을 일으켜 유효 주파수(Effective frequency)의 전력이 감소하게 되어 플라즈마 균일도(Plasma uniformity)를 저해하는 요소로 작용한다. 플라즈마 균일도의 저하는 결국 한 공정(1 cycle) 당 수율이 감소하는 결과로 나타난다. 따라서 실 공정에서의 위치별 공정 상태 확인을 통하여 공정 이상 유무를 실시간으로 관리하고 이를 분석할 수 있는 지능형 장비 및 공정 제어가 가능한 진보된 공정 진단을 위한 센서부(130)가 필요하다.
본 실시예에 따른 센서부(130)는 기존 플라즈마 진단장치(탐침형)의 선형 스캐닝(Linear scanning) 방식으로 인한 플라즈마 섭동을 최소하기 위해 위치별 웨이퍼형 플라즈마 측정 시스템에 적용될 수 있으며, 플라즈마 벌크(Plasma Bulk) 내에서의 섭동(Perturbation)을 최소화할 수 있다.
또한, 센서부(130)는 무선 시스템을 사용하는 경우, 외부 측정 시스템과 연결을 위하여 사용하는 도선(Cable)에 의한 섭동(Perturbation)을 최소화할 수 있다.
또한, 센서부(130)는 탐침에 공정 부산물(By product)이 증착되어도 플라즈마 특성(밀도, 온도)측정이 가능하며, 공정 챔버 내 위치별 실시간 플라즈마 측정이 가능하다.
또한, 센서부(130)는 웨이퍼(Wafer) 또는 교정 툴(Calibration tool)을 이용하여 간편하게 위치별 웨이퍼형 플라즈마 시스템을 교정(Calibration)할 수 있으며, 한 쌍 이상의 전극 패턴을 갖는 다양한 형태 적용 가능하다.
센서부(130)는 1 KHz ~ 1 MHz 범위로 정현파(Sine wave) 및 구형파(Square wave)로 구성된 연속파(Continuous wave) 또는 펄스파(Pulse wave)의 특정 주파수를 이용하여 기판 위의 플라즈마 특성을 측정한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 여기서, 도 3a는 플라즈마 진단 시스템의 기판(120)의 제1 레이어를 나타내고, 도 3b는 플라즈마 진단 시스템의 기판(120)의 제2 레이어를 나타낸다.
본 실시예에 따른 플라즈마 진단 시스템은 진공 환경 내 플라즈마 공정 시 실시간으로 플라즈마 진단을 수행할 수 있다.
웨이퍼형 플라즈마 측정 시스템은 플라즈마 파라미터(Parameter)를 읽을 수 있는 전극 패턴(Pattered electrode)을 포함하는 센서부(130), 파라미터 처리 및 데이터 저장을 위한 진단부(350,450)를 포함하는 기판(120)을 포함한다. 여기서, 진단부(350,450)는 측정 처리 및 메모리 모듈(Measurement process&memory module), 무선 통신을 위한 무선 통신 모듈(Wireless communication module)을 포함하는 측정 처리 모듈(352)을 포함할 수 있다. 또한, 기판(120)은 무선 충전을 위한 안테나(Antenna), 정전압 회로(Regulator circuit), 배터리(Battery) 등을 추가로 포함할 수 있다.
플라즈마 파라미터를 측정하기 위한 전극 패턴은 한 쌍 이상의 전극 패턴을 의미한다. 전극 패턴의 경우 전도성 높은 물질을 이용하며 플라즈마에 의한 측정 처리 모듈(352)의 데미지 방지를 위하여 전극 패턴 위에 높은 전압에 대한 내성 및 누설 전류(Leakage current)를 방지할 수 있는 물질로 보호하여야 한다.
플라즈마 파라미터 신호 처리를 위한 측정 처리 모듈(352)는 특정 주파수를 갖는 신호를 발생시킨 뒤 플라즈마로 인해 발생하는 임피던스 변화 값으로 플라즈마를 측정하는 방법과 플라즈마로 인한 정전용량 변화를 이용한 플라즈마를 측정하는 방법을 이용한다.
웨이퍼형 플라즈마 측정 시스템의 기판(120)은 여러 층(Layer)로 구성될 수 있다. 기본 구성은 웨이퍼(Wafer) 한 쌍이 합착되는 형태이며 내부에 회로 및 모듈(Module)이 위치할 수 있도록 웨이퍼에는 공동(Cavity)이 형성되어 있다. 공동을 형성하기 위한 공동 설계 과정은 공정 상태 진단을 목적으로 하기에 부품 소자들을 외부에 노출시키지 않은 상태에서 삽입된다. 공동 설계 과정은 실리콘 기판 틀에 공동을 형성하는 전공정(front-end)을 수행한 이후에 반도체 패키징과 유사한 방법으로 부품 소자들을 점착제를 이용해 고정시키는 공정인 후공정(back-end)을 수행한다. 이러한 전공정(front-end) 및 후공정(back-end)을 통해 부품 소자 간의 배선 연결 및 흔들림을 막아주고, 신호의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 시스템 구성을 설명을 위하여 임의로 구분한 층(Layer)이며 실제 웨이퍼형 플라즈마 측정 시스템의 기판(120)은 도면과 다른 구조로 형성될 수 있다.
도 3a은 플라즈마 파라미터(Parameter)를 읽을 수 있는 전극 패턴(Pattered electrode)을 포함하는 센서부(130), 파라미터 처리 및 데이터 저장을 위한 진단부(350,450)를 포함하는 기판(120)의 제1 레이어를 나타낸다. 여기서, 전극 패턴은 공정 챔버 내 플라즈마 밀도(Plasma density)의 균일도(Uniformity)를 측정하기 위하여 여러 가지 형태로 배열 될 수 있으며, 위치에 따른 균일도를 전자 장치(110)에 의한 데이터를 기반으로 지도화 구현(Mapping)이 가능하다. 이를 통하여 공정 내에 비균일한 부분 및 균일한 부분의 공정 상태를 실시간으로 진단이 가능하다.
도 3b는 무선 충전 모듈(Wireless charging module)을 포함하는 기판(120)의 제2 레이어를 나타낸다. 여기서, 무선 충전 모듈은 무선 충전을 위한 안테나(Antenna), 정전압 회로(Regulator circuit), 배터리(Battery) 등으로 구성된다.
도 4a 내지 도 8은 도 1a의 A-A'선에 따라 자른 단면도들로 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여준다.
도 4a은 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4a을 참조하면, 앞서 도 1a에서 설명한 바와 같이 기판(120)은 제1평면기판(305), 제2평면기판(310)을 포함하는 2개의 기판과, 접지 판(Ground plate)(315a, 315b), 센서부에 해당하는 한 쌍의 전극(320a, 320b), 진단부(350), 연결부(360)를 포함한다.
제1평면기판(305)은 진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치에서 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되며, 제2평면기판(310)은 상기 제1평면기판의 하부에 배치된다. 진단부(350)는 상기 제1평면기판(305)과 상기 제2평면기판(310) 사이에 위치하며, 상기 제1평면기판(305)과 상기 제2평면기판(310)과는 각각 접지 플레이트(Ground plate)(315a, 315b)을 통해 차폐되며 상기 플라즈마 파라미터에 의해 상기 센서부인 한 쌍의 전극들(320a, 320b)에서 발생된 전기 신호를 이용하여 상기 플라즈마의 특성값을 측정한다. 참조번호 360인 연결부는 상기 한 쌍의 전극(320a, 320b)에 의해 측정된 전기 신호를 진단부(350)로 전달한다. 본 발명에서는 진단부(350)와 연결부(360)를 후술할 전자 장치(900)에 포함하는 것으로 설명하기로 한다.
상기 도 4a에서 센서부(320a, 320b)는 절연체(340)로 감싸져 상기 제1 평면기판(305)과는 전기적으로 절연되며, 상기 제1평면기판에 형성된 공동(cavity)에 배치되어 플라즈마의 플라즈마 파라미터를 측정한다. 도 4a에서 센서부(320a, 320b)는 제1평면기판(305)의 하단부에 형성된 공동에 위치한다.
도 4a에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템은 제1평면기판(305)과 제2평면기판(310)을 상하로 합하여 제작하는 형태를 가진다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템은 제1평면기판(305)과 제2평면기판(310)을 접합하고, 그 사이에 전자 장치(900)가 삽입되는 형태로 만들어진다. 이 때 상기 제1평면기판(305)에 형성되는 상기 공동(Cavity)은 미세 전자 기계 시스템을 이용하여 형성된다. 상기 동공 내부에는 상기 센서부(320a, 320b)가 위치한다. 본 발명의 실시 예에 따른 센서부(320a, 320b)인 한 쌍의 전극을 일정한 패턴을 갖게 형성하고, 공동을 절연 내압이 높고 누설 전류(Leakage current)를 막을 수 있는 절연체(Insulator)로 몰딩 한다. 이때 상기 한 쌍의 전극은 전도성이 높은 물질을 사용한다. 도 4a은 전자 장치(350)를 제1평면기판(305)의 하단부에 공동을 형성한 후, 센서부(320a, 320b)를 형성하였다.
본 발명의 실시 예에 따른 제1평면기판과 제2평면기판은 불순물이 섞이지 않은 절연체 혹은 저항이 높은 반도체를 이용할 수 있다. 이는 불순물이 섞인 도핑 반도체(Doping semiconductor)를 사용하는 경우에는 도핑 반도체가 플라즈마 방전 시 도체(Conductor)로 작용할 수 있는 가능성이 있기 때문이다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 제1평면기판과 제2평면기판은 글라스(Glass)를 이용하여 제작할 수도 있다. 이때 글라스(Glass) 종류로는 석영 유리(Quartz), 고규산 유리(High silica glass), 실리카티타니아 유리(Silica-titania glass) 등을 사용할 수 있다.
도 4a에서 접지 플레이트(315a, 315b)는 메탈(Metal)이나 PCB(Printed circuit board)을 이용하여 외부 전자기장 차폐를 통해 내부 전자기기 보호하는 역할을 한다. 또한 추가적인 기능으로 센서 주위 부분에 구성되는 차폐층은 센서부(320a, 320b) 하단부에 위치하여 전극의 전기장 필드를 전극 상단부인 한 방향으로 집중시킨다. 그러므로 측정하고자 하는 웨이퍼 상부에서의 플라즈마 측정 면적 범위를 보다 정밀하게 하는 역할도 가능하다.
절연체(340)는 절연 내압이 높고 누설 전류(Leakage current)를 막을 수 있는 물질을 사용하여 전자 장치를 보호한다.
연결부(360)는 한 쌍의 전극들(320a, 320b)로부 수신된 전기 신호를 진단부(350)로 전달한다. 연결부(360)는 표면 실장 소자 접촉(SMD) 커넥터, 전도성 페이스트(Conductive paste), 저온 납땜(은납 등) 등의 저항 접촉(Ohmic contact) 형태로 전극들과 진단부(350)를 연결한다.
진단부(350)는 파라미터 처리, 데이터 저장 및 통신에 대한 동작을 수행한다.
진단부(350)는 측정 처리 및 메모리 모듈(Measurement process&memory module), 무선 통신을 위한 무선 통신 모듈(Wireless communication module)을 포함하는 측정 처리 모듈(352)과 보호 회로부(354)를 포함할 수 있다.
측정 처리 및 메모리 모듈은 센서 유닛(Sensor unit), 신호 처리 유닛(Signal processing unit), 마이크로 프로세서(Micro-processor)으로 무선 통신 모듈은 통신 유닛(Communication unit)으로 구성될 수 있으며 모든 모듈은 베터리인 전력 유닛(Power unit)과 연결된다.
측정 처리 모듈(352)은 전극 패턴을 통해 측정된 플라즈마 파라미터를 처리하는 부분으로 플라즈마 임피던스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정, 정전용량 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법 등과 같이 적어도 2 가지 방법을 이용하여 플라즈마 파라미터를 플라즈마 밀도로 환산하여 측정한다.
또한, 측정 처리 모듈(352)은 측정되는 플라즈마 파라미터를 외부로 전달할 수 있다. 측정 처리 모듈(352)은 무선 통신 모듈을 이용하여 공정 챔버 외부에서 측정되는 플라즈마 파라미터를 실시간으로 확인할 수 있도록 처리한다.
또한, 측정 처리 모듈(352)은 측정된 플라즈마 파라미터를 메모리(Memory)에 저장할 수 있다. 측정 처리 모듈(352)은 공정 후 메모리에 저장된 측정된 플라즈마 파라미터의 데이터를 추출하여 가공할 수 있도록 한다.
보호 회로부(354)는 플라즈마 챔버에 발생된 플라즈마 및 RF 전극으로부터 흘러나오는 고전압 및 전류로부터 측정 처리 모듈(352)를 보호하기 위한 고전압 제한 회로 및 정전압 유지 회로 등으로 구성될 수 있다.
도 4b는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 도 4b에서 센서부(420a, 420b)는 도 4a과는 달리 제1평면기판(405)의 상단부에 형성된 공동에 위치한다.
도 4b에 도시된 제1평면기판(405)외의 다른 구성들인 제2평면기판(410), 접지 플레이트(Ground plate)(415a, 415b), 진단부(450), 연결부(460)는 도 3의 설명과 동일하므로, 설명을 생략하기로 한다.
도 4a과 도 4b에서 설명된 바와 같이 센서부(320a, 320b, 420a, 420b)들이 제1평면기판에 형성된 경우라면, 외부 전자기파에 의한 전자 기기들(350, 450)에 대한 손상(Damage) 및 플라즈마 파라미터 분석 시 외부 주파수 등에 의한 신호 왜곡을 방지하기 위해 메탈층(Metal Layer)을 코팅하는 방법을 사용하거나 PCB(Printed Circuit Board) 등 외부 전자기파를 차단할 수 있는 전도성 물질로 덮어줄 수 있다. 그 후 전도성 물질 위해 다시 절연체를 덮어줄 수 있다. 이 때 사용되는 절연체는 센서부(320a, 320b, 420a, 420b)를 몰딩한 절연체(340, 440)와 동일한 물질로 구성하는 것이 가능하다. 절연체는 전자 기기(350, 450) 장착을 위한 공간을 마련하는 형태로 형성되어야 한다.
진단부(450)는 파라미터 처리, 데이터 저장 및 통신에 대한 동작을 수행한다.
진단부(450)는 측정 처리 및 메모리 모듈(Measurement process&memory module), 무선 통신을 위한 무선 통신 모듈(Wireless communication module)을 포함하는 측정 처리 모듈(452)과 보호 회로부(454)를 포함할 수 있다.
측정 처리 모듈(452)은 전극 패턴을 통해 측정된 플라즈마 파라미터를 처리하는 부분으로 플라즈마 임피던스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정, 정전용량 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법 등과 같이 적어도 2 가지 방법을 이용하여 플라즈마 파라미터를 플라즈마 밀도로 환산하여 측정한다.
또한, 측정 처리 모듈(452)은 측정되는 플라즈마 파라미터를 외부로 전달할 수 있다. 측정 처리 모듈(452)은 무선 통신 모듈을 이용하여 공정 챔버 외부에서 측정되는 플라즈마 파라미터를 실시간으로 확인할 수 있도록 처리한다. 무선 통신 모듈의 방식은 와이파이(Wi-Fi)통신과 블루투스(Bluetooth) 통신, 적외선 통신 등이 사용 가능하다. 여기서, 무선 통신 모듈의 방식은 웨이퍼 내에 삽입되어있는 모듈을 가동하기 위해 저전력을 사용하는 블루투스의 무선 통신 방식인 것이 바람직하며, 블루투스의 무선 통신 방식은 공정 내에서 보다 긴 시간동안 측정이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 측정 처리 모듈(452)은 측정된 플라즈마 파라미터를 메모리(Memory)에 저장할 수 있다. 측정 처리 모듈(452)은 공정 후 메모리에 저장된 측정된 플라즈마 파라미터의 데이터를 추출하여 가공할 수 있도록 한다.
측정 처리 모듈(452)은 가공된 데이터를 기반으로 반도체와 디스플레이 공정에서 요구되는 플라즈마 밀도와 온도 및 플라즈마의 고균일도와 같은 공정 요구조건을 맞추기 위하여 압력, RF 파워, 유량, 온도 등 공정 변수를 제어 및 학습할 수 있으며, 공정 변수를 제어 및 학습을 통해 공정 싸이클 시간(Cycle time)의 최적화 및 단축이 가능하다.
보호 회로부(454)는 플라즈마 챔버에 발생된 플라즈마 및 RF 전극으로부터 흘러나오는 고전압 및 전류로부터 측정 처리 모듈(452)를 보호하기 위한 고전압 제한 회로 및 정전압 유지 회로 등으로 구성될 수 있다.
도 5는 또 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 도 5는 도 4a에 도시된 진단부(350)와 도 4b에 도시된 진단부(450)를 F-PCB(Flexible printed circuit board)(500) 등과 같은 얇은 박막형 circuit board 등을 이용하여 구성한 도면으로, 도 5와 같이 구성할 경우 플라즈마 진단 시스템을 구성하는 회로의 부피를 줄일 수 있다.
도 6은 또 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다. 도 6은 도 4b에서 설명한 플라즈마 진단 시스템의 구성과 같이 한 쌍의 전극(620a, 620b)을 포함하는 센서부가 제1평면기판(605)의 상부에 위치하지만, 센서부의 양측에 제2절연체(650a, 650b)가 배치된다. 그리고, 도 6에서 제1 평면기판(605)의 접지 플레이트(660)는 도 4b와는 달리 센서부의 측면에 위치한 제2절연체들(650a, 650b)까지 연장되는 것이 차이점이다. 이하 도 6 내지 도 8에 개시된 제2 절연체들(Insulator)(650a, 650b, 750a, 750b, 750c, 750d, 850a, 850b)은 유전율이 낮은 물질을 사용하여, 외부 파워 또는 외부의 전기적 신호를 차단함으로써, 외부에서 입력되는 전기적 신호에 의해 회로가 손상되는 것을 막거나 혹은 플라즈마 파라미터 측정하는 데 발생할 수 있는 혼선을 줄일 수 있다.
도 7은 또 다른 일 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 도 4b에서 설명한 플라즈마 진단 시스템의 구성과 같이 한 쌍의 전극(720a, 720b)을 포함하는 센서부가 제1평면기판(705)의 상부에 위치하지만, 센서부의 양측(750a, 750b)과 센서부와 접지 플레이트(760) 사이에 절연체(750c, 750d)가 배치된다.
도 8는 또 다른 실시 예에 따라 도 1에서 설명한 센서부의 구현 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 앞서 설명한 도 4a에 비해 절연체(850a, 850b)가 전극들(820a, 820b)를 둘러싼 절연체 측면에 추가로 위치하며, 접지 플레이트(315a)로부터 제1평면기판(305)의 상부표면으로 연장되어 위치한다.
상술한 도 4a 내지 도 8에서 설명한 진단부는 특정 주파수를 갖는 신호를 발생시킨 뒤 플라즈마 방전 전/후로 인해 발생하는 임피던스 변화 값으로 플라즈마를 진단하는 방법과 플라즈마 방전 전/후로 인한 정전용량 변화를 이용한 플라즈마를 진단 방법을 이용한다.
이하에서 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 상태를 진단하기 위한 전자 장치(900)의 블록 구성을 도 9를 참고하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 상태를 진단하기 위한 전자 장치(900)의 블록 구성도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전자 장치(900)는 연결부(910), 보호 회로부(915), 신호 발생부(920), 제어부(925), 플라즈마 특성 측정부(930), 잡음 제거부(950)를 포함한다.
연결부(910)는 센서부(905)와 연결되어 센서부에서 발생된 전기 신호를 전자 장치(900)로 전달한다. 여기서, 상기 발생된 전기 신호는 플라즈마 챔버에서의 플라즈마 방전 전/후에 따라 측정된 임피던스의 변화로 인한 전압일 수도 있으며, 상기 플라즈마 챔버에서의 플라즈마 방전 전/후에 따라 측정된 정전 용량의 변화일 수도 있다.
보호 회로부(915)는 상기 연결부(910)를 통해 수신된 상기 전기 신호의 크기가 미리 결정된 기준보다 클 경우, 상기 전기 신호의 크기를 제한한다. 즉, 보호 회로부(915)는 플라즈마 챔버에 발생된 플라즈마 및 RF 전극으로부터 흘러나오는 고전압 및 전류로부터 전자 장치(900)를 보호하기 위한 고전압 제한 회로 및 정전압 유지 회로 등으로 구성될 수 있다. 상기 고전압 제한 회로는 상기 전기적 신호의 크기를 제한한다. 상기 정전압 유지 회로는 상기 제한된 신호의 크기를 일정하게 유지한다.
예를 들어, 상기 보호 회로부(915)는 상기 전기적 신호의 크기를 제한하기 위해서, 다이오드(Diode), 제너 다이오드(Zener diode), 그라운드(Ground)를 사용할 수 있다. 상기 보호 회로부(915)는 플라즈마 방전 시 사용할 수 있는 상ㄱ 플라즈마 발생부에서 나오는 고출력의 전기 에너지가 전극을 통해서 전자 장치(900)안의 회로로 흘러 들어오는 것을 방지하여 전자 장치(900) 내의 회로를 보호하는 역할을 한다.
신호 발생부(920)는 진단하고자 하는 플라즈마 발생부에서 발생된 플라즈마의 방전 주파수와 적어도 일부의 겹치지 않는 범위의 주파수를 갖는 신호를 발생한다. 플라즈마 발생부는 진단 대상이 되는 장치로서, 본 발명의 플라즈마 진단 시스템의 외적 구성요소에 해당한다. 또한, 여기에서 플라즈마의 방전 주파수와 적어도 일부 겹치지 않는다는 것은 중심 주파수가 다르거나, 또는 주파수 대역이 상이한 것을 의미한다. 예를 들어, 플라즈마 발생 장치에서의 방전 주파수는 5~20MHz일 수 있다. 신호 발생부(920)에서 발생되는 전기적 신호의 주파수는 1KHz~1MHz 범위 대역에서 상기 플라즈마 방전 주파수와 중복되지 않도록 사용될 수 있다. 신호 발생부(120)에서 발생되는 신호는, 정전 용량 측정의 기준이 되며, 여러 타입의 파형이 적용 가능하다.
플라즈마 특성 측정부(930)는 상기 보호 회로부(915)부터 전달된 전기 신호를 이용하여 플라즈마의 특성 값을 측정한다. 이때 플라즈마 특성 측정부(930)는 플라즈마 챔버에서 발생된 플라즈마의 방전 전/후에 따른 센서부(905)가 센싱한 플라즈마 파라미터에 해당하는 임피던스의 변화를 측정하거나 정전 용량의 변화를 측정하여 플라즈마의 특성을 측정한다. 이때, 측정하는 플라즈마의 특성은 플라즈마 밀도가 될 수 있다.
제어부(925)는 상기 측정된 임피던스의 변화 또는 정전 용량의 변화를 이용하여 플라즈마 파라미터를 플라즈마 밀도로 환산한 후, 잡음 제거부(950)로 환산된 값을 전달한다. 구체적으로 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(925)는 상기 센서부(905)에 의해 측정된 임피던스 변화 또는 정전 용량에 따라 상기 플라즈마 특성을 나타내는 신호를 생성하여 잡음 제거부(950)를 통해 관찰부(940)로 출력한다. 사용자는 관찰부(940)를 통해 디지털화된 플라즈마의 상태 값을 확인할 수 있고, 그에 따라 플라즈마 상태를 진달할 수 있다. 또한, 제어부(925)는 상기 센서부(905)에 포함된 복수 개의 전극들(200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g, 200h)들 중 플라즈마 파라미터 측정을 위해 사용될 전극들을 선택하기 위한 스위칭 신호(935)를 센서부(905)로 전송한다.
잡음 제거부(950)는 전치 증폭기(952), 대역 통과 필터(954), 위상 검파기(956), 저역 통과 필터(958)를 포함한다. 상기 잡음 제거부(950)는 제어부(925)로부터 전달된 전기적 신호를 필터링한다.
상기 전치 증폭기(952)는 상기 제어부(925)로부터 전달되는 신호를 일정하게 유지하기 위하여 증폭을 하고, 상기 제어부(925)로부터 입력받는 입력단에 필터 회로를 설치하여, 상기 제어부(925)로부터 전달되는 신호로 인하여 상기 전치 증폭기(952)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 상기 필터 회로는 저역 통과 필터, 고역 통과 필터, 대역 통과 필터, 대역 저지 필터를 포함할 수 있다. 상기 대역 통과 필터(954)는 상기 증폭된 전기적 신호를 상기 발생된 플라즈마의 주파수와 적어도 일부의 겹치는 범위의 주파수를 통과시킬 수 있다. 상기 위상 검파기(956)는 상기 대역 통과 필터(954)를 통과한 전기적 신호와 신호 발생기(920)에서 발생된 기준 파형의 위상차를 이용하여 잡음을 제거할 수 있다. 상기 저역 통과 필터(958)는 상기 위상 검파기(956)를 통과한 전기적 신호의 낮은 주파수 성분을 통과시킬 수 있다.
관찰부(940)는 상기 필터링된 전기적 신호를 화면에 도시하는 장치로서, 본 발명의 플라즈마 진단 시스템의 전자 장치(900)의 외적 구성요소에 해당한다. 사용자는 상기 관찰부(940)를 이용하여, 실시간으로 플라즈마의 전압과 정전용량을 관할하여 플라즈마 특성(예컨대, 플라즈마 밀도 등)을 관찰할 수 있다.
이하에서는 도 9의 전자 장치(900)내의 플라즈마 특성 측정부(930)가 플라즈마 특성을 측정하는 2가지 방법을 설명하기로 한다.
플라즈마 측정부(930)는 센서부(905)에서 측정한 플라즈마 파라미터를 이용하여 플라즈마 밀도(Plasma density), 이온 플럭스(Ion flux), 전자 온도(Electron Temperature) 등 플라즈마 주요 인자들을 측정, 분석한다. 제어부(925)는 ㅎ플라즈마 특성 측정부(930)가 측정한 플라즈마 특성을 통해 플라즈마 상태 진단 신호를 출력한다.
플라즈마 특성 측정부(930)가 본 발명의 실시 예에 따라 플라즈마를 측정하는 방식은 다음의 두 가지 방식으로 나뉜다.
먼저, 센서부(905)에서 측정된 임피던스 변화(Impedance variation)를 이용하여 플라즈마 상태를 진단하는 방식이다.
임피던스 변화를 이용하여 플라즈마 상태를 진단하는 방식은 kHz 단위의 기준 파형으로 형성된 임피던스 값이 플라즈마 유/무에 따라 값이 변하게 되는데, 플라즈마 특성 측정부(930)가 이러한 임피던스 값의 변화를 통해 전압의 변화를 측정한다. 플라즈마 특성 측정부(930)는 이와 같은 전압의 변화를 통해 플라즈마 특성을 측정할 수 있는데, 이는 후술하는 <수학식 1> 내지 <수학식 6>을 이용하여 설명하기로 한다. <수학식 1> 내지 <수학식 6>은 임피던스 변화를 이용하여 플라즈마의 밀도를 계산하는 수학식이다.
두 번째로, 센서부(905)에서 측정된 정전용량 변화(Capacitance variation)를 이용하여 플라즈마 상태를 진단하는 방식이다.
센서부(905)에 포함된 전극의 너비, 전극의 길이, 전극 간 간격, 절연체의 종류 및 두께에 따라 정전용량 값이 변화한다. 전극에서 생성된 캐패시턴스 값은 플라즈마 방전에 따라 플라즈마가 갖고 있는 캐패시턴스 값과 직/병렬로
연결되며 그 값이 변화하게 된다. 변화된 캐패시턴스 값은 플라즈마 특성 측정부(930)에서 측정되며, 제어부(925)는 이 값을 디지털화(digitalized) 된 값으로 변환한다. 플라즈마 특성 측정부(930)는 이와 같은 정전 용량의 변화를 통해 플라즈마 특성을 측정할 수 있는데, 이는 후술하는 <수학식 7> 내지 <수학식 14>를 이용하여 설명하기로 한다. <수학식 7> 내지 <수학식 14>는 정전 용량의 변화를 이용하여 플라즈마의 밀도를 계산하는 수학식이다.
본 발명의 실시 예에서 플라즈마 특성 측정부(930)는 센서부(905)의 한 쌍의 전극들을 통해 입력되는 전압과 전류의 양이 미리 정해진 크기보다 클 경우, 손상(Damage)를 입게 될 수 있다. 따라서, 플라즈마 특성 측정부(930) 전단에는 보호 회로부(915)가 위치하여 상기 센서부(905)를 통해 입력된 신호가 손상을 주지 않도록 구성하는 것이 바람직하다. 보호 회로부(915)는 고전압/고전류를 제한하고 정전압을 제공한다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치(900)는 F-PCB(Flexible Printed Circuit Board) 등 얇은 박막 PCB에 패터닝(Patterning)하거나 혹은 컨택(Contact)하는 방식으로 구현할 수 있다.
그리고, 센서부(905)와 같이 전자 장치(900)의 외부로부터 입력되는 파워로 인해 센서부(905)에서 읽힌 플라즈마 파라미터를 파라미터 특성 측정부(930)로 전달하는 과정에서 신호 왜곡 혹은 혼선이 생길 수 있는 가능성이 여전히 존재한다. 이러한 가능성을 배재하기 위해 본 발명의 실시 예에서는 센서부(905)에 포함되는 한 쌍의 전극 하단 부를 시작으로 하여 제1 평면기판과 제2평면기판 중간의 그라운드 플레이트(Ground plate)까지 연결되는 금속(Metal) 물질을 사용, 외부 전기적 신호를 차단함으로써 신호 왜곡을 방지할 수 있다. 또한, 금속 물질 대신 유전율이 낮은 절연체를 사용하여 외부 전기적 신호가 플라즈마 파라미터 신호에 영향을 줄 가능성을 차단함으로써, 신호의 왜곡을 방지할 수 있다.
메탈을 사용한 실딩(Shielding)의 경우, 메탈이 제1평면기판의 표면에 노출되는 경우, 플라즈마와 메탈 간 아킹(Arcing)으로 인해 제1평면기판이 손상될 수 있기 때문에 제1평면기판의 표면과 가까운 메탈의 경우에는 유전율이 낮은 절연체로 메탈이 제1평면기판 밖으로 돌출되는 것을 방지하면서 외부 전기적 신호를 차단하는 역할을 하게 된다.
이러한 구조를 택하게 되는 이유 중 또 하나는, 플라즈마 임피던스 변화 혹은 캐패시턴스 변화를 이용한 측정의 경우, 평면기판과 센서부를 감싸는 절연체 간 전기적으로 연결되어 측정값의 오류가 발생할 수 있는데, 이러한 오류를 방지하기 위해 웨이퍼와 전극 패턴 몰딩(Molding) 유전체 간 전기적 절연을 위해 이러한 구조가 필요할 수 있다. 그럼 이하에서는 센서부(905)의 구현 예를 아래의 도 10 내지 도 13을 이용하여 설명하기로 한다.
도 10과 도 11은 본 발명의 실시 예에 따라 센서부가 적어도 한 쌍의 전극들로 구성되는 경우을 보여주는 도면이다.
도 10은 센서부(1005)가 제1평면기판(1015)의 상부에 형성되는 것을 보여주며, 도 11은 센서부(1110)가 제1평면기판(1115)의 하부에 형성되는 것을 보여준다. 도 10에서 참조번호 1005와 도 11에서 참조번호 1105는 절연체 플레이트(Insulator plate)로서, 전극들(1010, 1110)과 플라즈마를 직접 접촉하지 않게 보호하는 역할을 한다. 절연체 플레이트(1005, 1105)는 절연 내압(Breakdown voltage)이 높고 누설 전류(Leakage current)를 막을 수 있는 절연 물질을 사용하여야 한다. 예컨대, 세라믹 계열을 포함하여 SiN박막, SiO2박막, 실리콘, 폴리머 등의 다양한 유전체를 사용하는 것이 바람직하다.
도 10과 도 11에서 전극들(1010, 1110)은 한 유전체 층에 두 개의 전도성 물질을 올려 공면 전극(Coplanar electrode)을 형성한다. 각 전극의 두께는 일반적으로 20 μm ~ 40 μm 두께를 갖는다. 전극들(1010, 1110)은 전도성이 높은 물질을 사용하되 산화에 강한 내성을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
도 10과 도 11에서 제1평면기판(1015, 1115)는 식각(Etching)을 이용하여 공동(Cavity)을 형성하여 공동 내부에 전극들(1010, 1110)을 형성하는 형태로 가공된다.
상기 도 10과 도 11에서는 한 쌍의 전극으로 센서부가 구성될 경우를 설명하였지만, 상술한 도 2의 도 2b와 같이 한 쌍 이상의 전극들로 센서부가 구성될 경우에 대해서는 도 2의 2b와 도 12를 참고하여 설명하기로 한다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따라 한 쌍 이상의 전극들로 구성된 센서부와 스위칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 2b와 같이 한 쌍 이상의 전극들(200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g, 200h)로 센서부가 구성될 때, 플라즈마 파라미터를 측정하기 위한 한 쌍의 전극을 선택하기 위해 스위칭부(1205, 1210)가 존재하는 것을 보여준다. 스위칭부(1205, 1210)는 전자 장치(900)로부터의 스위칭 신호에 따라 플라즈마 파라미터를 측정할 한 쌍의 전극들을 각각 선택한다. 예컨대, 스위칭부(1205)는 플라즈마 파라미터를 측정할 전극으로 200a와 200b를 선택할 수도 있고, 200a와 200c를 선택할 수도 있으며, 200a와 200d를 선택할 수도 있다. 스위칭부(1205, 1210)는 MUX 등의 스위치 회로로 구현될 수 있다. 참조번호 220은 공통(common) 단자이다.
도 2b및 도 12에 도시된 전극들(200a, 200b, 200c, 200d, 200e, 200f, 200g, 200h)은 한 유전체 층에 한 쌍 이상의 전도성 물질을 올려 공면 전극(Coplanar electrode)을 형성한다. 본 발명의 실시 예에 따른 전극의 두께는 일반적으로 20 μm ~ 40 μm 두께를 갖으며, 전극은 전도성이 높은 물질을 사용하되 산화에 강한 내성을 갖는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.전술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따라 전자 장치(900)는 임피던스 변화와 캐패시턴스 변화라는 두 가지 형태로 플라즈마 특성 측정이 가능하다. 플라즈마 방전 전/후에 따른 임피던스 변화와 정전용량 변화를 알기 위해선 기준 신호 형성, 플라즈마 하전입자(Plasma charged particle) 측정을 위한 패턴화된 전극이 필요하다. 패턴화된 전극의 경우 한 쌍 이상의 전극과 플라즈마에 의한 전극 손상을 방지하는 절연체 층으로 구성된다. 전극은 전도성이 높되 산화에 강한 내성을 갖는 물질로 구성되며, 절연체 층은 높은 절연 내압과 누설전류(Leakage current)를 방지할 수 있는 물질로 구성된다. 플라즈마 방전 전/후에 따른 임피던스 변화와 정전용량 변화를 알기 위해선 기준 신호 형성, 플라즈마 하전입자(Plasma charged particle) 측정을 위한 전극 패턴이 필요하다. 전극 패턴의 경우 한 쌍 이상의 전극과 플라즈마에 의한 전극 손상을 방지하는 절연체 층으로 구성된다.
전극은 전도성이 높되 산화에 강한 내성을 갖는 물질로 구성되며, 절연체 층은 높은 절연 내압과 누설전류(Leakage current)를 방지할 수 있는 물질로 구성된다.
본 발명의 실시 예에 따라 전극은 크게 두 가지 방식으로 구현된다.
센서부(905)가 한 쌍의 전극으로 구성될 경우, 공면 상에 동일 크기로 형성된다. 전극의 너비, 전극의 크기, 전극 간 거리, 전극을 몰딩(Molding)하는 절연체 종류, 절연체의 두께 등의 파라미터(Parameter)에 의해 전극에서 형성되는 캐패시턴스, 임피던스 값이 달라진다. 따라서 목적에 맞는 파라미터 선정이 필요하다.
반면 센서부(905)가 한 쌍 이상의 전극들로 구성될 경우에는 센서부(905)는 1205, 1210와 같은 스위칭부(Switching circuit)을 이용하여 플라즈마 파라미터 측정을 위한 한 쌍의 전극을 선택할 수 있다. 예컨데, 4개의 전극을 사용할 경우 스위칭부(1205, 1210)를 이용하여 총 6 쌍의 전극들을 이용하여 플라즈마 파라미터 측정이 가능하다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 패턴화된 전극의 구현 예를 보여주는 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 패턴화된 전극의 크기 및 간격과 전극을 몰딩(Molding)하는 절연체가 갖는 유전율에 따라 전극에서 형성되는 캐패시턴스(Capacitance)의 값과 신호 형성 범위(Penetration depth, T)가 달라진다.
전극 크기의 경우 End effect를 고려하여 전극의 폭(w)이 전극의 길이(L)와 같거나 긴 것이 바람직(w≥L)하며 End effect로 인한 신호 왜곡 현상이 발생할 경우에는 전극을 원형으로 제작하는 것이 바람직하다. 전극의 너비(w)는 1mm ~ 5 mm, 전극의 길이(L)는 1mm ~ 5 mm 정도로 설정하는 것이 바람직하다.
전극 간 거리(d)의 경우, 전극 간 거리 및 전극의 너비에 따라 신호 형성 범위(Penetration depth, T)가 달라진다. 전극 간 거리는 0.5mm ~ 5 mm 정도로 설정하는 것이 바람직하다.
그럼 이하에서는 도 14와 도 15를 이용하여 전자 장치(900)의 플라즈마 특성 측정부(930)가 플라즈마 특성 중 플라즈마 밀도를 진단하는 원리를 살펴보기로 한다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따라 임피던스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 진단의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
임피던스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 진단의 기본 원리는 전기적으로 절연된 플라즈마 센서의 양극에 실효값(RMS, Root Mean Square)을 갖고 1 kHz ~ MHz 단위의 주파수를 갖는 AC(Alternating Current) 전압을 인가하여 전위차를 가해주면 전극 패턴 형태 및 절연체 두께 등에 따른 임피던스(Impedance)가 발생 한다. 이때 임피던스가 형성된 면 위에 절연체(Insulator)를 두고 플라즈마를 방전(Discharge)시킨다. 방전된 플라즈마에서 방출된 이온(Ion), 전자(Electron), 활성종(Radical) 등의 플라즈마 파라미터(Plasma reactance)로 인해 전극 패턴에서 형성된 임피던스와 직/병렬로 연결되어 전극 패턴의 임피던스 값이 변화(Impedance variation)하게 된다. 이는 전압의 변화로 나타나게 된다.
기준파형(Reference signal, VR)은 회로를 따라 기준 임피던스(Reference Impedance, Xr)와 전극 패턴(Patterned electrodes)로 나뉘어 인가된다. 전극 패턴에서 형성되는 임피던스 값을 Xx, 전극 패턴에 인가되는 전압을 Vx, 기준 임피던스에 인가되는 전압을 Vr, 회로 전체에 인가되는 전압을 VT 라고 하면, 도 14와 같이 측정 회로 모식도를 나타낼 수 있다.
전자 장치(900)의 플라즈마 특성 측정부(930)에서 플라즈마에 의해 임피던스 변화에 따른 전압이 변화한 값은 Vr' 이라 정의하면, 적절한 계산을 통해 전극 패턴에서 형성되는 임피던스(Xx) 값을 아래의 <수학식 1>과 같이 정의할 수 있다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000001
전체 전하량(Q0)을 아래의 <수학식 2>와 같이 플라즈마의 전하량(qp)과 초기 전하량(Qi)의 합이라 정의 한다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000002
상기 <수학식 2>와 같이 기준 임피던스와 플라즈마에 의해 임피던스가 변화하는 측정단의 전하량은 Q0로 동일하다. 따라서 정전용량(C)과 전압(V) 간의 상관관계를 통해 전하량(Q)을 아래의 <수학식 3>과 <수학식 4>와 같이 계산한다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000003
Figure PCTKR2020015204-appb-M000004
상기 <수학식 3>과 <수학식 4>를 정리하면 플라즈마 밀도(ne) 진단이 아래의 <수학식 5>와 같이 정의가 가능하다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000005
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따라 캐패시턴스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 진단의 원리를 설명하기 위한 도면으로 플라즈마 방전 전/후에 따른 커패시턴스 변화의 등가 회로이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 커패시턴스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 진단의 기본 원리는 전극 패턴 디자인 및 절연체 종류, 두께에 따른 초기 캐패시턴스 값과 플라즈마 방전 후 캐패시턴스 값의 변화량을 측정, 수식을 이용하여 플라즈마 진단을 하게 된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 특성 측정부(930)는 전극 패턴이 플라즈마와 접촉함으로써 전극이 가지고 있는 초기 캐패시턴스와 직/병렬로 연결되어 캐패시턴스 값이 내려가게 된다. 이러한 캐패시턴스 변화 값을 이용, 플라즈마 특성을 측정 하게 된다.
임피던스 변화를 이용한 플라즈마 진단의 경우는 임피던스의 변화가 전압의 변화로 나타나는 반면, 캐패시턴스 변화를 이용한 플라즈마 진단의 경우에는 플라즈마 온/오프(on/off)에 따른 캐패시턴스 변화를 직접 측정하여 플라즈마 진단을 하게 된다.
도 15에 도시된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전자 장치(900)는 플라즈마 특성 측정부(930)가 측정한 커패시턴스 값을 디지털 신호로 변환(Capacitance to digital converter)하여, 정전용량(Capacitance)를 디지털화(digitalize) 된 값으로 출력하며, 플라즈마의 높은 전압에 의한 손상 방지를 위해 Floating 하는 것이 바람직하다. 그리고, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전자 장치(900)는 플라즈마 방전 전/후에 따른 캐패시턴스 변화를 측정한다.
도 15에서 참조번호 1505는 패턴 전극 캐패시턴스(Patterned electrode capacitance, Ce)로서, 초기 패턴 전극 정전 용량을 나타내며, 전극의 너비, 전극의 폭, 전극 간 간격, 몰딩 절연체 종류에 따른 유전율 변화, 절연체 두께 등의 파라미터로 인해 전극 패턴 정전용량 값이 변화된다. 본 발명의 다른 실시 예에서는 초기 전극 패턴 정전용량 값을 측정하여 플라즈마 on/off에 따른 캐패시턴스 변화(Capacitance variation) 값을 측정한다.
도 15에서 참조번호 1510은 전체 캐패시턴스 제한 캐패시터(Cr)로, 전자 장치(900)가 측정할 수 있는 최대 캐패시턴스(Capacitance)이다. 이는 전자 장치(900)가 측정할 수 있는 캐패시턴스의 측정범위가 정해져 있어 이를 넘어선 캐패시턴스는 측정 불가하기 때문이다.
전체 캐패시턴스 제한 캐패시터(Cr)는 아래의 <수학식 6>과 같이 전극 패턴 캐패시턴스(Ce), 플라즈마 캐패시턴스(Cp)와 직렬연결 되는 캐패시터를 이용, 측정되는 캐패시턴스 값을 측정 범위를 조절한다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000006
도 15에서 참조번호 1525은 플라즈마 캐패시턴스(Cp)로, 플라즈마가 갖고 있는 캐패시턴스이다. 플라즈마 캐패시턴스(Cp)(1525)는 플라즈마 방전 시 전극 패턴 캐패시턴스(Ce), 전체 캐패시턴스 제한 캐패시터의 값(Cr)과 직렬연결 된다. 전자 장치(900)는 플라즈마 온/오프(on/off)에 따른 캐패시턴스 값 변화에 따라 플라즈마를 진단한다.
플라즈마 방전 전 회로 내 캐패시턴스 값(Ci)은 아래의 <수학식 7>에 의해 계산된다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000007
플라즈마 방전 후 회로 내 캐피시턴스 값(CT)은 아래의 <수학식 8>에 의해 계산된다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000008
플라즈마 방전 후 회로 내 캐패시턴스 변화(△C)는 아래의 <수학식 9>에 의해 계산된다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000009
캐패시턴스 변화(△C)는 플라즈마에 의한 캐패시턴스 변화이며 전자 장치(900)는 이를 이용하여 플라즈마 진단을 하게 된다.
전체 전하량(Q0)은 아래의 <수학식 10>과 같이 플라즈마의 전하량(qp)과 초기 전하량(Qi)의 합으로 계산한다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000010
전하량(Q)은 아래의 <수학식 11>과 <수학식 12>과 같이 캐패시턴스(C), 전압(V) 간 상관관계를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000011
Figure PCTKR2020015204-appb-M000012
위의 식을 정리하면 플라즈마 밀도(ne)값은 아래의 <수학식 13>을 이용하여 계산이 가능하다.
Figure PCTKR2020015204-appb-M000013
도 16은 본 발명의 실시 예에 따라 기판에 패턴 전극을 형성할 경우, 패턴 전극의 위치별 연결 길이에 따른 기생 정전 용량이 발생하는 것을 도시한 도면이다.
도 16에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 측정 시스템에서 전극의 위치에 따라 초기 값이 달라질 수 있다. 이는 전극들(1610, 1620)과 전자 장치(110)간 연결에 있어 연결 길이 등 다양한 변수에 의해 기생 정전용량(Parasitic capacitance)(1630)의 영향으로 인한 결과로 볼 수 있다. 참조번호 1610인 전극은 전자 장치(110)와의 연결됨에 있어 3개의 커패시턴스가 존재하며, 참조번호 1620인 전극은 전자 장치(110)와의 연결됨에 있어 1개의 커패시턴스만 존재하는 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시 예에서 임피던스 변화를 이용한 플라즈마 진단의 경우, 위치별 초기 전압 값(Initial voltage value)이 전극의 위치별로 다르게 나타나며, 캐패시턴스 변화를 이용한 플라즈마 진단의 경우에는 전극의 위치별 초기 캐패시턴스 값(Initial capacitance)이 전극의 위치 별로 다르게 나타난다.
임피던스 변화를 이용한 플라즈마 진단의 경우에는 플라즈마 방전 전 전압 값과 플라즈마 방전 후 전압을 비교하여 플라즈마 진단을 실시하고, 캐패시턴스 변화를 이용한 플라즈마 진단의 경우에는 플라즈마 방전 전 캐패시턴스 값과 플라즈마 방전 후 캐패시턴스 값을 비교하여 플라즈마 진단을 실시한다.
초기 값이 위치별로 다른 경우에도 위치별 플라즈마 방전 전/후 혹은 절연체Insulator) 유/무에 따른 변화 값이 동일하다면 초기값의 경우는 프로그램(Program)을 통해 수정한다.
이렇듯 도 16에서 설명한 바와 같이 전극의 위치별로 동일한 값의 변화가 나타남을 확인하기 위해 도 17에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템 상부에 보정 툴(Calibration Tool)(1710)을 올려 전극 위치 별로 동일한 변화가 나타나는 지를 확인함으로써 보정(Calibration)을 실시한다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템에서 전극의 위치별 보정을 위한 모식도이다.
보정을 위해 본 발명의 실시 예에 따른 평면기판(120) 위에 위치하기 되는 보정 툴(Calibration Tool)(1710)은 절연체(Insulator)를 사용하며 평면기판(120)의 크기와 동일하거나 더 큰 크기를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 패턴 전극 에서의 임피던스 값 / 캐패시턴스 값이 보정 툴(1710)에 의해 변화하는 값을 측정하여 동일한 값이 변화하는 지를 확인하여 보정을 실시한다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따라 진공 챔버 내 플라즈마 측정 시스템을 이용한 실험 모식도이다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는, 도 18에 도시된 바와 같이, 밀폐된 ICP(Inductively Coupled Plasma) 챔버(1805)와, ICP 챔버(1805) 내부로 자기장 경로를 형성하는 세라믹 플레이트(1835)와, 세라믹 플레이트(1835)의 상측면에 근접하여 배치되는 ICP 안테나(1825)와, ICP 안테나(1825)에 고주파 전원을 공급하는 고주파 전원공급부(1820)를 포함한다. 세라믹 플레이트(1835)는 ICP 챔버(1835)가 밀폐되도록 ICP 챔버(1835)의 상판을 형성하며 ICP 안테나(1825)로부터 발생한 자기장을 경로를 형성한다. 고주파 전원공급부(1820)는 예컨대, 13.56MHz의 고주파를 발생시키는 고주파 발생부가 될 수 있다. 참조번호 1810은 DLP(Double Langmuir Probe), 참조번호 1815는 DLP(1810)를 통해 측정된 플라즈마 밀도를 측정하는 관찰부(1815)이다.
도 18에서는 ICP 챔버(1805)내에 생성된 플라즈마(1830)의 방전 시 파라미터 특성을 기판(120)을 통해 측정하고, 기판(120)을 통해 측정된 플라즈마 파라미터를 전자 장치(110)를 통해 플라즈마 특성을 측정하고, 관찰부(140)를 통해 사용자에게 출력한다.
도 18에서 플라즈마 방전 시 임피던스 변화에 따른 전압의 변화 및 캐패시턴스 변화를 측정하였다.
본 실험은 1) 플라즈마 방전 전/후, 임피던스 변화에 따른 전압 변화를 측정 및 측정 데이터를 이용한 플라즈마 밀도를 산출하고, 2) 플라즈마 방전 전/후, 캐패시턴스 변화를 측정 및 측정 데이터를 이용한 플라즈마 밀도를 산출하고, 3) 동일 위치 및 동일 조건 하에 DLP(Double Langmuir Probe)와 플라즈마 밀도를 비교하는 순으로 진행 하였다.
본 발명의 실시 예에 따른 실험 조건은 아래의 <표 1>과 같다.
Figure PCTKR2020015204-appb-T000001
위 실험 조건 하에, 플라즈마 방전에 따른 임피던스 변화를 이용한 플라즈마 측정 실험을 진행하였다. 플라즈마 방전 전/후 전압 변화를 측정하여 수식을 이용, 플라즈마 밀도 산출을 진행하였다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 방전 전/후에 따른 임피던스 변화를 나타낸 도면으로, 도 19에서의 임피던스 변화는 전압의 변화를 나타낸다.
도 20은 도 19에서 측정된 임피던스 변화에 따른 플라즈마 밀도를 측정한 도면이다.
도 19와 도 20을 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템(임피던스 변화를 이용)을 이용한 결과, 측정한 플라즈마 밀도는 2.78ㅧ109 [cm-3]으로 측정되었다. 동일 위치, 동일 조건으로 탐침 측정 방법인 DLP(Double Langmuir Probe)를 이용하여 측정된 플라즈마 밀도는 아래의 <표 2> 및 도 21과 같다.
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치가 측정한 플라즈마 밀도와 DLP이 측정한 플라즈마 밀도를 비교한 도면이다.
도 21a는 본 발명의 실시 예에 따른 전자 장치(110)가 측정한 플라즈마 밀도와 DLP(1810)이 측정한 플라즈마 밀도를 비교한 도면이다.
Figure PCTKR2020015204-appb-T000002
임피던스 변화를 이용한 플라즈마 진단을 통해 산출한 플라즈마 밀도와 DLP(Double Langmuir probe)와 비교하였을 때 플라즈마 밀도 오차는 18 %로 측정되었다.
도 21b는 챔버 내 X-Y 평면상의 위치에 따른 플라즈마 밀도의 계산값을 지도화한 그래프를 나타낸다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 진단 시스템의 전자 장치(900)에서의 플라즈마 진단 방법의 흐름도이다.
S100단계에서 플라즈마 진단 시스템은 진단의 대상이 되는 플라즈마 가스가 챔버내에 발생했는지를 검사한다. 상기 S100단계에서 플라즈마 가스가 발생했다면, 플라즈마 진단 시스템은 S105단계에서 상기 플라즈마에 노출된다. 구체적으로는 도 3의 기판(120)을 챔버(1805)내의 플라즈마 가스에 노출시킨다.
S110단계에서 플라즈마 진단 시스템은 상기 플라즈마를 센싱한 센서부에 의해 전기 신호가 발생했는지를 판단하고, 플라즈마 특성 측정 방식에 따라 S115단계 또는 S120단계로 진행한다. 제1방식은 플라즈마 방전 전/후에 따른 임피던스 변화를 측정하는 방식이며, 제2방식은 플라즈마 방전 전/후에 따른 정전 용량 변화를 측정하는 방식이다.
상기 S115단계 또는 상기 S120단계를 통해 플라즈마 방전 전/후에 따라 발생한 전기 신호를 플라즈마 진단 시스템은 S125단계에서 플라즈마 특성을 측정한다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 플라즈마 발생부에 의해 생성된 플라즈마의 상태를 진단하도록 플라즈마 챔버의 내부에 제공되는 플라즈마 진단 시스템에 있어서,
    진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치에서 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되는 제1평면기판;
    상기 제1평면기판의 하부에 배치되는 제2평면기판;
    상기 제1평면기판에 공동(cavity)이 형성되고, 상기 형성된 공동에 배치되어 상기 발생한 플라즈마의 플라즈마 파라미터를 측정하며 절연체로 감싸져 상기 제1평면기판과는 전기적으로 절연된 센서부; 및
    상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판 사이에 위치하며, 상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판과는 각각 접지 플레이트(Ground plate)를 통해 차폐되며 상기 플라즈마 파라미터에 의해 상기 센서부에서 발생된 전기 신호를 이용하여 상기 플라즈마의 특성값을 측정하여 실시간으로 처리하는 전자 장치;를 포함하는 플라즈마 진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 신호는,
    상기 플라즈마 챔버에서의 플라즈마 방전 전/후에 따라 측정된 임피던스의 변화로 인한 전압임을 특징으로 하는 플라즈마 진단 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 신호는,
    상기 플라즈마 챔버에서의 플라즈마 방전 전/후에 따라 측정된 정전 용량의 변화임을 특징으로 하는 플라즈마 진단 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자 장치는,
    상기 센서부에 의해 센싱된 전기 신호를 수신하는 연결부;
    상기 연결부를 통해 수신된 상기 전기 신호의 크기가 미리 결정된 기준보다 클 경우, 상기 전기 신호의 크기를 제한하는 보호 회로부;
    상기 보호 회로부부터 전달된 전기 신호의 정전 용량을 측정하는 진단부;
    상기 측정된 정전 용량에 따라 상기 플라즈마 특성을 나타내는 신호를 생성하고, 상기 센서부로 전송될 스위칭 신호를 생성하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 진단 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진단부는,
    진공 환경 내 플라즈마 공정 시 실시간으로 플라즈마 진단을 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 센서부에 구비된 적어도 한 쌍 이상의 전극들로 구성된 전극 패턴을 통해 플라즈마 파라미터를 측정하되,
    플라즈마 임피던스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정, 정전용량 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법과 같이 적어도 2 가지 방법을 이용하여 플라즈마 파라미터를 플라즈마 밀도로 환산하여 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 진단부는,
    측정되는 플라즈마 파라미터를 무선 통신 모듈을 이용하여 공정 챔버 외부로 전송하며, 외부 단말에서 상기 측정되는 플라즈마 파라미터를 실시간으로 확인하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 진단부는,
    측정된 플라즈마 파라미터를 메모리(Memory)에 저장하되,
    플라즈마 측정 공정 후 외부 단말에서 메모리에 저장된 플라즈마 파라미터의 데이터를 추출 및 가공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 시스템.
  9. 플라즈마 발생부에 의해 생성된 플라즈마의 상태를 진단하도록 플라즈마챔버의 내부에 제공되는 플라즈마 진단 시스템의 플라즈마 진단 방법에 있어서,
    진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치로 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 플라즈마를 진단하기 위한 플라즈마 진단 시스템을 상기 플라즈마에 노출시키는 단계;
    상기 플라즈마로부터 발생된 전기 신호를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 전기 신호로부터 상기 플라즈마의 특성 값을 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 플라즈마 진단 시스템은,
    진단하고자 하는 플라즈마 발생 장치에서 발생된 플라즈마 중 적어도 일부가 증착되는 제1평면기판;
    상기 제1평면기판의 하부에 배치되는 제2평면기판;
    상기 제1평면기판에 공동(cavity)이 형성되고, 상기 형성된 공동에 배치되어 상기 발생한 플라즈마의 플라즈마 파라미터를 측정하며 절연체로 감싸져 상기 제1평면기판과는 전기적으로 절연된 센서부; 및
    상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판 사이에 위치하며, 상기 제1평면기판과 상기 제2평면기판과는 각각 접지 플레이트(Ground plate)를 통해 차폐되며 상기 플라즈마 파라미터에 의해 상기 센서부에서 발생된 상기 전기 신호를 이용하여 상기 플라즈마의 특성값을 측정하여 실시간으로 처리하는 전자 장치;를 포함하는 것을 특징으로하는 플라즈마 진단 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 신호는,
    상기 플라즈마 챔버에서의 플라즈마 방전 전/후에 따라 측정된 정전 용량의 변화임을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전자 장치는,
    상기 센서부에 의해 센싱된 전기 신호를 수신하는 연결부;
    상기 연결부를 통해 수신된 상기 전기 신호의 크기가 미리 결정된 기준보다 클 경우, 상기 전기 신호의 크기를 제한하는 보호 회로부;
    상기 보호 회로부부터 전달된 전기 신호의 정전 용량을 측정하는 진단부;
    상기 측정된 정전 용량에 따라 상기 플라즈마 특성을 나타내는 신호를 생성하고, 상기 센서부로 전송될 스위칭 신호를 생성하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 진단부는,
    진공 환경 내 플라즈마 공정 시 실시간으로 플라즈마 진단을 수행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 진단부는,
    상기 센서부에 구비된 적어도 한 쌍 이상의 전극들로 구성된 전극 패턴을 통해 플라즈마 파라미터를 측정하되,
    플라즈마 임피던스 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정, 정전용량 변화를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법과 같이 적어도 2 가지 방법을 이용하여 플라즈마 파라미터를 플라즈마 밀도로 환산하여 측정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 진단 방법.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040007326A1 (en) * 2002-07-12 2004-01-15 Roche Gregory A. Wafer probe for measuring plasma and surface characteristics in plasma processing enviroments
US20060249729A1 (en) * 2005-05-03 2006-11-09 Mundt Randall S Methods of and apparatuses for measuring electrical parameters of a plasma process
KR20070120027A (ko) * 2006-06-16 2007-12-21 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법
KR20120118006A (ko) * 2010-01-21 2012-10-25 케이엘에이-텐코 코포레이션 플라즈마 챔버용 프로세스 조건 감지 장치
KR20200013885A (ko) * 2018-07-31 2020-02-10 (주)제이디 센서탑재웨이퍼를 이용하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040007326A1 (en) * 2002-07-12 2004-01-15 Roche Gregory A. Wafer probe for measuring plasma and surface characteristics in plasma processing enviroments
US20060249729A1 (en) * 2005-05-03 2006-11-09 Mundt Randall S Methods of and apparatuses for measuring electrical parameters of a plasma process
KR20070120027A (ko) * 2006-06-16 2007-12-21 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 플라즈마 특성들을 결정하기 위한 방법
KR20120118006A (ko) * 2010-01-21 2012-10-25 케이엘에이-텐코 코포레이션 플라즈마 챔버용 프로세스 조건 감지 장치
KR20200013885A (ko) * 2018-07-31 2020-02-10 (주)제이디 센서탑재웨이퍼를 이용하는 정전용량 방식의 상태 측정 장치

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