WO2024176200A1 - 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 - Google Patents

플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 Download PDF

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WO2024176200A1
WO2024176200A1 PCT/IB2024/052238 IB2024052238W WO2024176200A1 WO 2024176200 A1 WO2024176200 A1 WO 2024176200A1 IB 2024052238 W IB2024052238 W IB 2024052238W WO 2024176200 A1 WO2024176200 A1 WO 2024176200A1
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plasma
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probes
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황태웅
정진욱
어현동
박성준
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Industry University Cooperation Foundation IUCF HYU
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
    • H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
    • H01J37/32954—Electron temperature measurement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
    • H05H1/0081—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature by electric means

Definitions

  • the present invention relates to a method and device for measuring plasma state variables, and more specifically, to a technique for measuring electron temperature and density more simply by varying the area ratio of probes for measuring electron temperature and density of plasma.
  • Plasma is an ionized gas composed of positive ions, negative ions, electrons, excited atoms, molecules, and chemically highly active radicals. It has electrical and thermal properties that are very different from those of ordinary gases, so it is also called the fourth state of matter. Since this plasma contains ionized gas, it is very useful in the semiconductor manufacturing process, such as accelerating it using electric or magnetic fields, or causing a chemical reaction to clean, etch, or deposit wafers or substrates.
  • CCP capacitive coupled plasma
  • ICP inductive coupled plasma
  • Capacitively coupled plasma modules have the advantage of higher process productivity than other plasma modules due to their high ability to precisely control ion energy.
  • the energy of the radio frequency power source is almost exclusively connected to the plasma through capacitive coupling, the plasma ion density can only be increased or decreased by increasing or decreasing the capacitively coupled radio frequency power.
  • the inductively coupled plasma module can easily increase the ion density as the radio frequency power increases, and the ion impact resulting from this is relatively low, making it suitable for obtaining high-density plasma. Therefore, the inductively coupled plasma module is generally used to obtain high-density plasma.
  • the inductively coupled plasma module is being developed in two ways: a method using a radio frequency antenna (RF antenna) and a method using a transformer (also called a transformer coupled plasma).
  • the density of plasma or the electron temperature of plasma plays an important role in the results of semiconductor and display processes, so accurately measuring the density of plasma or the electron temperature is a very essential field in the research field utilizing plasma.
  • a probe is inserted into the chamber, and the density and electron temperature of plasma are measured based on the current flowing in the probe.
  • a representative technology is a technology that analyzes the harmonic components of the current flowing in the probe near the floating potential.
  • a method and device for measuring plasma state variables according to one embodiment and a plasma generating device including the same are inventions designed to solve the problems described above, and the purpose is to provide a device and method capable of measuring electron temperature and plasma density more simply by implementing an area ratio of a plurality of probes having different areas to a certain level or greater.
  • the purpose is to provide a plasma state variable measurement method and device, and a plasma state variable measurement method and device capable of simplifying calculation of electron temperature and plasma density by implementing the area of the first probe to be larger than the area of the second probe to the extent that higher-order terms in the ion saturation current equation expanded into a Taylor series can be omitted.
  • a plasma state variable measuring device comprises a first probe and a second probe, a voltage applying unit for applying a preset voltage to the first probe and the second probe, a current measuring unit for measuring a current flowing through the first probe and the second probe, and a plasma analyzing unit for calculating an electron temperature and density of plasma inside a chamber based on a result measured by the current measuring unit, wherein an area of the first probe may be larger than an area of the second probe, and the first probe may be formed to have an area remaining after excluding an area of the second probe in a case accommodating the first probe and the second probe.
  • the first probe and the second probe can be respectively connected to both ends of the voltage applying unit.
  • the above voltage application unit can apply a sinusoidal voltage to the first probe and the second probe.
  • the area of the first probe may be 5 to 1000 times the area of the second probe.
  • the above plasma state variable measuring device may be wirelessly connected to an external terminal that is placed inside a plasma generating device and displays the measured plasma state. Using the relationship between the measured current value and the area ratio information for the second probe based on the first probe, the area information of the first probe, the density information of the current, and the magnitude information of the voltage, the electron temperature and density of the plasma can be calculated.
  • the second probes may be provided in multiples, and the first probe may be formed to have an area remaining after excluding the areas of the plurality of second probes in a case that accommodates the first probe and the second probe.
  • the area of the first probe may be 5 to 1000 times greater than the area of each of the plurality of second probes.
  • the above first probe is provided as a reference probe and voltage is continuously applied from the voltage application unit, and the plurality of second probes can have voltage selectively applied to each second probe through a switching element.
  • the plasma analysis unit can classify the measured current into a sum of a fundamental frequency current and harmonic frequency currents having a frequency that is an integer multiple of the fundamental frequency current, and then calculate the electron temperature and density of the plasma using the magnitude information of the fundamental frequency current and the harmonic frequency current.
  • a plasma generating chamber is provided, a first probe disposed inside the chamber, a plurality of second probes disposed inside the chamber, a voltage applying unit applying a preset voltage to the plurality of probes, a current measuring unit measuring a current flowing through the plurality of probes, and a plasma analyzing unit calculating an electron temperature and density of plasma inside the chamber based on a result measured by the current measuring unit.
  • the plurality of second probes may be disposed on the first probes, and the first probes may have an area larger than an area of each of the second probes.
  • the area of the first probe may be 5 to 1000 times the area of each of the plurality of second probes.
  • a method for measuring plasma state variables may include a voltage applying step of applying a preset voltage to a first probe and a second probe having an area smaller than an area of the first probe, which are disposed inside a chamber; a current measuring step of measuring a current flowing through the first probe and the second probe; and a plasma analyzing step of calculating an electron temperature and density of plasma inside the chamber based on a result measured in the current measuring step.
  • the area of the first probe may be 5 to 1000 times the area of each of the plurality of second probes.
  • the above first probe can be formed to have an area remaining after excluding the area of the second probe in a case that accommodates the first probe and the second probe.
  • a plasma state variable measurement method and device and a plasma generation device including the same can obtain a more simplified electron temperature and plasma density measurement calculation formula by implementing an area ratio between a plurality of probes above a certain level.
  • a method and device for measuring plasma state variables according to one embodiment and a plasma generation device including the same can increase circuit integration by implementing a first probe as a reference probe, thereby simplifying the circuit and improving circuit performance.
  • a plasma state variable measurement method and device can increase the space utilization inside a chamber and reduce the overall noise of a circuit by efficiently arranging a plurality of probes.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating some components of a plasma generating device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a plasma generating device according to one embodiment of the present invention when viewed from the side.
  • FIG. 3 is a graph showing electron temperature and plasma density measured according to a plasma state variable measuring method and device according to one embodiment of the present invention and electron temperature and plasma density according to a prior art.
  • FIG. 4 is a drawing showing an exemplary arrangement of a first probe and a second probe according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a drawing showing an exemplary arrangement of a plurality of probes according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram illustrating a method of applying voltage to multiple probes according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the electron temperature, plasma density, and secondary harmonic current measured by a plasma generating device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating some components of a plasma state variable measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a case where a plasma state variable measuring device according to the present invention is connected to a plasma generating device in a wired form.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a case where a plasma state variable measuring device according to the present invention is wirelessly coupled to a plasma generating device.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a case where a plasma state variable measuring device according to the present invention is wirelessly coupled to a plasma generating device.
  • an indirect connection may include a connection via a wireless communications network.
  • first may be referred to as the second component
  • second component may also be referred to as the first component
  • ⁇ part may refer to a unit that processes at least one function or operation.
  • the terms may refer to at least one hardware such as an FPGA (field-programmable gate array)/ASIC (application specific integrated circuit), at least one software stored in a memory, or at least one process processed by a processor.
  • FPGA field-programmable gate array
  • ASIC application specific integrated circuit
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating some components of a plasma generating device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view when viewed from the side of a plasma generating device according to one embodiment of the present invention.
  • a plasma generating device may include a first probe (10), a second probe (20) disposed within a chamber (80) capable of measuring various variables of plasma, a power module (30) supplying power to the plasma generating device, a voltage applying unit (40) applying a preset voltage to the first probe (10) and the second probe (20), a current measuring unit (50) measuring current flowing through the first probe (10) and the second probe (20), a plasma analyzing unit (60) calculating various variables of plasma based on the results measured by the current measuring unit (50), an impedance matching unit (70) matching the impedance of an antenna (61), and a chamber (80) that functions as a main body and generates plasma.
  • the plasma generating device (100) is described in FIG. 2 as the standard, the present invention may also be implemented as a plasma variable measuring device that includes only at least some of the components illustrated in FIG. 2.
  • the invention may be implemented as a plasma variable measuring device including only a plasma analysis unit (60), or the invention may be implemented as a plasma variable measuring device including a first probe (10), a second probe (20), and a plasma analysis unit (60).
  • a chamber (80) may mean a container having a space in which a substrate or other workpiece requiring plasma process treatment is provided and a space in which plasma is generated.
  • a plurality of antennas (61) for generating plasma may be installed at the upper part of the chamber (80), and the plurality of antennas (61) may be connected to an impedance matching unit (70).
  • the impedance matching unit (70) can be connected to the power module (30) that supplies power to the plasma generating device and the chamber (80), respectively.
  • a pumping system (62) for pumping a source gas or the like that serves as a plasma generation source may be formed at the bottom of the chamber (80).
  • a method of generating plasma using multiple antennas (61) can be referred to as an inductively coupled plasma generating device.
  • the plasma generating device according to the present invention and the plasma variable measuring method using the same can be applied not only to a device and method for generating plasma using an inductive coupling method, but also to a device and method for generating plasma using a capacitive coupling method.
  • a plasma generating device can measure various variables of plasma generated inside a chamber (80).
  • variable referred to in the present invention means a variable that represents various chemical and physical characteristics related to plasma, and as a representative example of a plasma generating device according to the present invention, the plasma generating device can measure the density of plasma within a chamber (80), the temperature of electrons flowing within the chamber (80), the probability distribution of electron energy, etc.
  • a plurality of probes may be provided inside the chamber (80).
  • a first probe (10) and a second probe (20) capable of transmitting a sinusoidal wave to the plasma may be provided.
  • the first probe (10) and the second probe (20) may be positioned to penetrate one wall surface of the chamber (80) as illustrated in the drawing.
  • the first probe (10) and the second probe (20) can be said to have the form of a floating probe.
  • first probe (10) and the second probe (20) are only shown as an example, and for example, the first probe (10) and the second probe (20) may be modified to be installed at the top of the pumping system (62).
  • the voltage application unit (40) refers to a configuration that generates a voltage and then applies the generated voltage to the first probe (10) and the second probe (20).
  • the voltage application unit (40) is electrically connected to the first probe (10) and the second probe (20), so that a preset voltage according to the user's settings can be applied to the first probe (10) and the second probe (20).
  • the shape and size of the voltage applied by the voltage application unit (40) to the first probe (10) and the second probe (20) may be set differently depending on the plasma generation environment, but a sinusoidal voltage generated by an AC voltage may be applied.
  • a magnetic bias generation unit (not shown) may be placed between the first probe (10) and the second probe (20) and the voltage application unit (40).
  • a self-bias voltage is applied to both ends of the self-bias generator.
  • the self-bias or self-bias voltage value applied to the self-bias generator can be measured in a plasma analysis unit (60).
  • a resistor (not shown) may be connected between the magnetic bias generator and the voltage application unit (40) so that the magnetic bias generator can efficiently generate the magnetic bias.
  • the first probe (10) and the second probe (20) are placed inside the chamber (80) as shown in Fig. 2, and may be formed of a metal material probe so that current can flow.
  • the current measurement unit (50) can measure the current flowing through the first probe (10) and the second probe (20).
  • the current measuring unit (50) is shown as being placed between the second probe (20) and the voltage applying unit (40), but in another embodiment of the present invention, the current measuring unit (50) may be placed between the first probe (10) and the voltage applying unit (40).
  • the first probe (10) and the second probe (20) according to the present invention may be configured as probes having different shapes or having the same shape but different areas.
  • first probe (10) and the second probe (20) according to the present invention can be implemented as probes of square and cylindrical shapes, respectively, as shown in FIG. 3.
  • the embodiment of the present invention is not limited to a cylindrical probe or a square probe, and may be implemented with a probe of various shapes as long as it is a probe capable of measuring the density of plasma or the temperature of electrons.
  • the first probe (10) and the second probe (20) placed inside the chamber (80) can be implemented to have different areas, and specifically, the area of the first probe (10) can be implemented to have a larger area than the area of the second probe (20).
  • the area of the first probe (10) may be formed to be 5 to 1000 times the area of the second probe (20).
  • the area of the first probe (10) may be formed to be 10 to 500 times the area of the second probe (20).
  • the area of the first probe (10) may be formed to be 50 to 500 times the area of the second probe (20).
  • the control unit can control various components of the plasma generating device.
  • control unit can control the size or shape of the voltage applied to the plasma generating device by controlling the power module (30) that applies voltage to the plasma generating device, and can control the amount or density of plasma generated by the plasma generating device by adjusting the size of the impedance of the impedance matching unit (70).
  • control unit can control the size, frequency, etc. of the sine wave applied to the first probe (10) and the second probe (20) by removing the voltage application unit (40) that applies voltage to the first probe (10) and the second probe (20).
  • control unit may be implemented as a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or a device capable of executing instructions and responding.
  • ALU arithmetic logic unit
  • FPA field programmable array
  • PLU programmable logic unit
  • microprocessor or a device capable of executing instructions and responding.
  • control unit and the plasma analysis unit (60) to be described later are depicted as separate components in the drawing, the embodiment of the present invention is not limited to this, and the control unit and the plasma analysis unit (60) may be implemented as a single component.
  • the plasma analysis unit (60) can calculate the electron temperature and density of the plasma inside the chamber (80) based on the results measured by the current measurement unit (50).
  • the ion saturation currents of the first probe (10) and the second probe (20) are the same.
  • the current (I) measured by the current measuring unit (50) can be expressed by the following equation (1).
  • I1i and I12 represent the ion saturation current flowing through the first probe (10) and the second probe (20)
  • V represents the magnitude of the voltage applied to the first probe (10) and the second probe (20)
  • Te represents the electron temperature.
  • Equation (1) can be reorganized into Equation (2) as follows.
  • the above equation (2) can be rearranged using De Moivre's formula, so when the above equation (2) is rearranged using De Moivre's formula, it can be separated into the sum of each odd harmonic as follows.
  • the saturation ion current is the same, so the even-numbered high-frequency components are canceled out and deleted from the current measured by the current measuring unit (50), and are expressed only as the sum of odd-numbered harmonics.
  • the density of the plasma and the temperature of the electrons can be measured using the first and third harmonic currents, which have the largest current magnitudes among the separated harmonics.
  • the plasma generating device can measure the density of plasma and the temperature of electrons more accurately than the conventional technology by making the areas of the first probe (10) and the second probe (20) different.
  • the plasma generating device can measure the density of the plasma and the temperature of the electrons with a more simplified calculation formula by forming the area of the first probe (10) to be 5 to 1000 times the area of the second probe (20). This will be described in detail below.
  • the current flowing in the current measuring unit (50) (50) can be expressed using current density, and specifically, can be expressed as in equation (4) below.
  • Equation (4)
  • ⁇ represents the area ratio of the first probe (10) and the second probe (20) based on the area of the first probe (10)
  • Aprobe1 represents the area of the first probe (10)
  • Aprobe2 represents the area of the second probe (20)
  • Ji represents the ion current density
  • V represents the amplitude of the voltage applied to the first probe (10) and the second probe (20).
  • equation (4) can be approximated as follows when the area ratio of the first probe (10) and the second probe (20) is large (Aprobe1>>Aprobe2), and a sinusoidal voltage is applied to the probes.
  • the current I(V) measured by the current measuring unit (50) can be organized into the sum of the fundamental frequency current and the harmonic currents that are multiples of that frequency.
  • the electron temperature can be obtained by the ratio of the harmonic currents, and the plasma density can be obtained using the ion saturation current formula.
  • the method according to one embodiment of the disclosed invention has an advantage in that it can calculate the electron temperature relatively simply by making the area ratio of the two probes different enough to omit the influence of higher-order terms of the Taylor series on the measured current value.
  • Equation (6)
  • Equation (7)
  • Vo represents the amplitude of the voltage applied to the first probe (10) and the second probe (20)
  • Iw represents the fundamental frequency current
  • e represents the amount of charge
  • ub represents the Bohm diffusion velocity.
  • the present invention measures the density of plasma and the temperature of electrons by a method of forming the difference in the area of two probes to be greater than that of the prior art (5 to 1000 times or more), so that the electron temperature and plasma density can be measured in a simple manner with a reduced amount of computation than that of the prior art.
  • FIG. 3 is a graph showing electron temperature and plasma density measured according to a plasma state variable measuring method and device according to one embodiment of the present invention and electron temperature and plasma density according to a prior art.
  • FIG. 4 is a drawing showing an exemplary arrangement of a first probe (10) and a second probe (20) according to one embodiment of the present invention.
  • the first probe (10) may be arranged in a concentric circle with the second probe (20) having the same center.
  • the first probe (10) may be implemented with a larger area than the second probe (20).
  • the area of the first probe (10) can be set to be 5 to 1000 times the area of the second probe (20).
  • the area of the first probe (10) may be formed to be 10 to 500 times the area of the second probe (20).
  • the area of the first probe (10) may be formed to be 50 to 500 times the area of the second probe (20).
  • the first probe (10) can be implemented with the remaining area excluding the area occupied by the second probe (20) in the probe case.
  • the first probe (10) and the second probe (20) can be positioned more efficiently, thereby increasing the space utilization inside the chamber (80).
  • the disclosed invention also allows for more accurate measurement of plasma 2D spatial distributions through multiple device arrays.
  • the error rate is reduced by utilizing the Taylor series expansion, but the influence of the higher-order terms of the Taylor series can be omitted from the current value measured by the complex calculation formula, so that there is a technical effect of being able to measure the electron temperature relatively simply.
  • the amount of data calculation can be reduced and data applied to real-time plasma monitoring can be collected more quickly.
  • FIG. 5 is a diagram showing an exemplary arrangement of a plurality of probes according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a method of applying voltage to a plurality of probes according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing electron temperature, plasma density, and secondary harmonic current measured according to a plasma generating device according to another embodiment of the present invention.
  • the first probe (10A) and the second probes (20A, 20B, 20C) can be arranged so that the first probe (10A) is implemented as a reference probe.
  • the first probe (10A) is provided as a single unit and the second probes (20A, 20B, 20C) are provided in multiple units and can be implemented as concentric circles having the same center. As shown in the drawing, in the case of the disclosed invention, the remaining area excluding the area occupied by the second probes (20A, 20B, 20C) can be provided as the first probe (10A).
  • a plurality of second probes (20A, 20B, 20C) can be provided with at least two second probes.
  • the first probe (10A) may be configured as the entire area other than the area in which the second probes (20A, 20B, 20C) are placed inside the case.
  • the first probe (10A) can be electrically connected to each of the second probes (20A, 20B, 20C) as a reference probe.
  • the area of the first probe (10A) can be set to be 5 to 1000 times the area of each of the second probes (20A, 20B, 20C).
  • the area of the first probe (10A) can be set to be 10 to 500 times the area of each of the second probes (20A, 20B, 20C).
  • the area of the first probe (10A) can be set to be 50 to 500 times the area of each of the second probes (20A, 20B, 20C).
  • the first probe (10A) of the present invention is provided as a reference probe to which voltage is continuously applied, and a plurality of second probes (20A, 20B, 20C) can selectively apply voltage to each of the second probes (20A, 20B, 20C) through a switching element (S).
  • the plasma state can be measured with one first probe (10A) and a plurality of second probes (20A, 20B, 20C), so that the plasma state can be measured using more probes than before, and thus the measurement precision can be increased.
  • the first probe and the second probe are designed to have a number ratio of 1:1.
  • the plasma state can be measured through one first probe (10) commonly connected to two or more second probes (20), so that more probes can be included in the plasma state variable measuring device (200).
  • the area of the first probe (10) needs to be made larger than that of the second probe (20), 5 to 1000 times the area of the second probe (20).
  • the number of first and second probes for measuring the state of N plasma regions was 2N in the past, in the case of the present invention, the number of first and second probes for measuring the state of N plasma regions can be designed to be N+1.
  • the present invention has a technical effect of providing a plasma state variable measurement device (200) with improved precision.
  • a plurality of first probes (10A) and a plurality of second probes (20A, 20B, 20C) may be configured as a circuit in which each is connected to one switching element (S), rather than a structure in which a plurality of switching elements (S) are each connected.
  • the plasma variable measurement device (20) according to the present invention can be formed with the number of areas requiring measurement and the number of probes for measuring them being almost the same, which has a technical effect of drastically improving the manufacturing difficulty of a wireless plasma variable measurement device to be described later.
  • the number of switching elements for switching the plasma measurement area can be reduced accordingly, so that a wireless plasma variable measurement device can have the technical effects of securing space and reducing battery power due to the reduced number of elements.
  • SHC secondary harmonic current
  • the present invention can measure electron temperature and plasma density with improved accuracy by providing the first probe (10A) as a reference probe.
  • FIGS. 1 to 7 for convenience of explanation, the present invention has been described based on a plasma generating device, which is one of several embodiments of the present invention, but the present invention can be implemented as a plasma state variable measuring device. This will be described in detail with reference to the drawings below.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating some components of a plasma state variable measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a case where a plasma state variable measuring device according to the present invention is coupled with a plasma generating device in a wired manner.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a case where a plasma state variable measuring device according to the present invention is coupled with a plasma generating device in a wireless manner.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a case where a plasma state variable measuring device according to the present invention is coupled with a plasma generating device in a wireless manner.
  • the plasma variable measurement device (200) may include a first probe (110), a second probe (120), a voltage application unit (140) that applies a preset voltage to the first probe (110) and the second probe (120), a current measurement unit (150) that measures the current flowing through the first probe (110) and the second probe (120), a plasma analysis unit (160) that calculates various plasma variables based on the measured results from the current measurement unit (150), and a control unit (190) that controls the overall components of the plasma variable measurement device (200) including a dual probe having an asymmetrical area, and the first probe (110), the second probe (120), the power module, the voltage application unit (140), the current measurement unit (150), the plasma analysis unit (160), and the control unit (190) illustrated in FIG.
  • the 8 may include the first probe (110), the second probe (120), the power module, the voltage application unit (140), the current measurement unit (150), and the plasma analysis unit (160) and the control unit (190) described in FIGS. 1 and 2. Since the components have the same functions as the probe (110), the second probe (120), the power module, the voltage application unit (140), the current measurement unit (150), the plasma analysis unit (160), and the control unit (190), a duplicate description will be omitted.
  • a plasma variable specification device 200
  • the results of measuring various state variables of plasma generated inside a chamber of the plasma generating device can be transmitted to an external terminal.
  • the plasma variable measuring device (200) when the plasma variable measuring device (200) is implemented wirelessly as shown in FIGS. 10 and 11, the plasma variable measuring device (200) can be placed inside the chamber and transmit the measured results to an external terminal.
  • the plasma variable measurement device (200) When the plasma variable measurement device (200) is implemented in a wireless form, it can be placed at various locations inside the plasma variable measurement device (200) chamber. For example, it can be placed inside a cover surrounding the pumping system.
  • the plasma variable measuring device (200) may be installed and placed above the pumping system in a state in which it includes a battery, a measuring circuit, and a first probe (110) and a second probe (120) within the chamber as shown in the drawing, and the plasma variable measuring device (200) includes a communication module capable of communicating with an external terminal or an external server, so that it can operate independently within the chamber.
  • FIG. 10 is a plasma variable measuring device (200) to which the arrangement of the first probe and the second probe according to one embodiment of the present invention is applied
  • FIG. 11 is a plasma variable measuring device (200) to which the arrangement of the first probe and a plurality of second probes according to another embodiment of the present invention is applied.
  • the operating principle of the plasma variable measuring device (200) according to FIGS. 10 and 11 is the same as that described above, so a detailed description thereof will be omitted.
  • the wireless plasma variable measuring device (200) illustrated in FIGS. 10 and 11 includes a wireless communication module (e.g., a Bluetooth module), so that analysis data on various plasmas measured inside the chamber can be wirelessly communicated to an external terminal (PC or user terminal).
  • a wireless communication module e.g., a Bluetooth module
  • the user can directly check the ion density and electron temperature measured by the plasma variable measuring device (200) through an external terminal.
  • the wireless plasma variable measuring device (200) illustrated in FIGS. 10 and 11 has an SD card built into it, so that data measured from the plasma variable measuring device (200) can be stored in real time in the SD card.
  • the user can immediately check the plasma state inside the plasma generating device (100) and more quickly determine the point in time when the internal plasma reaches the optimal state.
  • a plasma state variable measurement method and device and a plasma generation device including the same can obtain a more simplified electron temperature and plasma density measurement calculation formula by implementing an area ratio between a plurality of probes above a certain level.
  • a method and device for measuring plasma state variables according to one embodiment and a plasma generation device including the same can increase circuit integration by implementing a first probe as a reference probe, thereby simplifying the circuit and improving circuit performance.
  • a plasma state variable measurement method and device can increase the space utilization inside a chamber and reduce the overall noise of a circuit by efficiently arranging a plurality of probes.
  • the devices described above may be implemented using hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components.
  • the devices and components described in the embodiments may be implemented using one or more general-purpose computers or special-purpose computers, such as, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing instructions and responding.
  • ALU arithmetic logic unit
  • FPA field programmable array
  • PLU programmable logic unit
  • the processing device can execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the OS.
  • OS operating system
  • the processing device can access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software.
  • the processing device is sometimes described as being used alone, but those skilled in the art will recognize that the processing device can include multiple processing elements and/or multiple types of processing elements.
  • the processing device can include multiple processors, or a processor and a controller. Additionally, other processing configurations, such as parallel processors, are also possible.
  • the software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, which may configure a processing device to perform a desired operation or may independently or collectively command the processing device.
  • the software and/or data may be embodied in any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium, or device for interpretation by the processing device or for providing instructions or data to the processing device.
  • the software may be distributed over network-connected computer systems and stored or executed in a distributed manner.
  • the software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.
  • the method according to the embodiment may be implemented in the form of program commands that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium.
  • the computer-readable medium may include program commands, data files, data structures, etc., alone or in combination.
  • the program commands recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiment or may be those known to and available to those skilled in the art of computer software.
  • Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, and hardware devices specially configured to store and execute program commands such as ROMs, RAMs, and flash memories.
  • Examples of the program commands include not only machine language codes generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, etc.

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Abstract

개시된 발명에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 장치는 제1프로브 및 제2프로브, 상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가부, 상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부, 상기 전류 측정부가 측정한 결과에 기초하여 챔버 내부의 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는 플라즈마 분석부를 포함하고, 상기 제1프로브의 면적은 상기 제2프로브의 면적보다 큰 면적을 가지고, 제1프로브는 제2프로브를 수용하는 케이스에서 제2프로브의 면적을 제외한 나머지 면적을 갖도록 형성될 수 있다.

Description

플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치
본 개시는 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 관한 발명으로서, 보다 구체적으로 플라즈마의 전자 온도 및 플라즈마의 밀도를 측정하는 프로브들의 면적 비를 다르게 하여 보다 간단하게 전자의 온도 및 밀도를 측정하는 기술에 관한 발명이다.
플라즈마란 이온화된 기체로, 양이온, 음이온, 전자, 여기된 원자, 분자 및 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼(radical) 등으로 구성되며, 전기적 및 열적으로 보통 기체와는 매우 다른 성질을 갖기 때문에 물질의 제4상태라고도 칭한다. 이러한 플라즈마는 이온화된 기체를 포함하고 있어, 전기장 또는 자기장을 이용해 가속시키거나, 화학 반응을 일으켜 웨이퍼 혹은 기판을 세정하거나, 식각하거나 혹은 증착하는 등 반도체의 제조공정에 매우 유용하게 활용되고 있다.
최근에 반도체 제조공정에서는 고밀도 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치를 사용하고 있으며, 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 모듈은 여러 가지가 있는데 무선 주파수(radio frequency)를 사용한 용량 결합형 플라즈마(CCP, capacitive coupled plasma)와 유도 결합형 플라즈마(ICP, inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다.
용량 결합형 플라즈마 모듈은 정확한 이온 에너지 조절 능력이 높아서 타 플라즈마 모듈에 비하여 공정 생산력이 높다는 장점을 갖는다. 반면, 무선 주파수 전원의 에너지가 거의 배타적으로 용량 결합을 통하여 플라즈마에 연결되기 때문에 플라즈마 이온 밀도는 용량 결합된 무선 주파수 전력의 증가 또는 감소에 의해서만 증가 또는 감소될 수 있다.
그러나 무선 주파수 전력의 증가는 이온 충격 에너지를 증가시킨다. 결과적으로 이온 충격에 의한 손상을 방지하기 위해서는 무선 주파수 전력의 한계성을 갖게 된다.
한편, 유도 결합 플라즈마 모듈은 무선 주파수 전원의 증가에 따라 이온 밀도를 쉽게 증가시킬 수 있으며 이에 따른 이온 충격은 상대적으로 낮아서 고밀도 플라즈마를 얻기에 적합한 것으로 알려져 있다. 그러므로 유도 결합 플라즈마 모듈은 고밀도의 플라즈마를 얻기 위하여 일반적으로 사용되고 있다. 유도 결합 플라즈마 모듈은 대표적으로 라디오 주파수 안테나(RF antenna)를 이용하는 방식과 변압기를 이용한 방식(변압기 결합 플라즈마(transformer coupled plasma)라고도 함)으로 기술 개발이 이루어지고 있다.
플라즈마 발생 장치에서, 플라즈마의 밀도 또는 플라즈마의 전자 온도는 반도체 및 디스플레이 공정 결과에 중요한 역할을 하기 때문에 플라즈마 밀도 또는 전자 온도를 정확하게 측정하는 것은, 플라즈마를 활용하는 연구 분야에서 매우 필수적인 분야이다. 일반적으로, 챔버 내부에 프로브를 삽입하고, 프로브에 흐르는 전류를 기초로 플라즈마의 밀도와 전자 온도를 측정하며, 대표적인 기술로는 부유전위(floating potential) 근처에서 프로브에 흐르는 전류의 고조화 성분들을 분석하는 기술이 활용되고 있다.
그러나, 종래 기술에 따라 전류의 고조화 성분들을 분석하는 경우, 전자 온도와 인가 전압의 비율이 커지게 되면 측정 값의 오차가 커지고, 테일러 급수를 이용하여 분석하는 경우, 측정 값의 오차를 줄이기 위해 테일러 급수 전개를 고차의 항까지 수행해야 하는 경우, 연산이 복잡해지는 문제점이 존재하였다.
따라서, 일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치는 앞서 설명한 문제점을 해결하기 위해 고안된 발명으로서, 서로 다른 면적을 갖는 복수의 프로브의 면적 비율을 일정 수준 이상 크게 구현하여 보다 간단하게 전자 온도 및 플라즈마 밀도를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
보다 구체적으로, 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 및 이를 테일러 급수로 전개되는 이온 포화 전류 식에서 고차의 항은 생략이 가능할 정도로 제1프로브의 면적을 제2프로브의 면적보다 크게 구현함으로써, 전자 온도 및 플라즈마 밀도의 연산을 간소화할 수 있는 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
개시된 발명에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 장치는 제1프로브 및 제2프로브, 상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가부, 상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부, 상기 전류 측정부가 측정한 결과에 기초하여 챔버 내부의 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는 플라즈마 분석부를 포함하고, 상기 제1프로브의 면적은 상기 제2프로브의 면적보다 큰 면적을 가질 수 있고, 상기 제1프로브는 상기 제1프로브와 상기 제2프로브를 수용하는 케이스에서 상기 제2프로브의 면적을 제외한 나머지 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 제1프로브와 상기 제2프로브는 상기 전압 인가부의 양 단에 각각 연결될 수 있다.
상기 전압 인가부는, 상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 정현파 전압을 인가할 수 있다.
상기 제1프로브의 면적은 상기 제2프로브의 면적의 5배 내지 1000배의 면적을 가질 수 있다.
상기 플라즈마 상태 변수 측정 장치는 플라즈마 발생 장치 내부에 배치되어 측정된 플라즈마의 상태를 표시하는 외부 단말과 무선으로 연결 가능할 수 있다. 측정된 상기 전류의 값과 상기 제1프로브를 기준으로 한 상기 제2프로브에 대한 면적비 정보, 상기 제1프로브의 면적 정보, 상기 전류의 밀도 정보 및 상기 전압의 크기 정보 들과의 관계를 이용하여, 상기 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산할 수 있다.
상기 제2프로브는 복수로 마련되고, 상기 제1프로브는 상기 제1프로브와 상기 제2프로브를 수용하는 케이스에서 상기 복수의 제2프로브의 면적을 제외한 나머지 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 제1프로브의 면적은 상기 복수의 제2프로브 각각의 면적에 대해 5배 내지 1000배의 이상의 면적을 가질 수 있다.
상기 제1프로브는 레퍼런스 프로브로 마련되어 상기 전압 인가부로부터 전압이 지속적으로 인가되고, 상기 복수의 제2프로브들은 스위칭 소자를 통해 각각의 제2프로브에 전압이 선택적으로 인가될 수 있다.
상기 플라즈마 분석부는, 측정된 상기 전류를 기본 주파수 전류 및 상기 기본 주파수 전류의 주파수의 정수 배 주파수를 가지는 고조파 주파수 전류들의 합으로 분류한 후, 상기 기본주파수 전류와 상기 고조파 주파수 전류의 크기 정보를 이용하여 상기 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산할 수 있다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마가 발생되는 챔버, 상기 챔버의 내부에 배치되는 제1프로브, 상기 챔버의 내부에 배치되는 복수의 제2프로브, 상기 복수 개의 프로브에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가부, 상기 복수 개의 프로브에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부, 상기 전류 측정부가 측정한 결과에 기초하여 상기 챔버 내부의 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는 플라즈마 분석부를 포함하고 상기 복수의 제2프로브는 상기 제1프로브 상에 배치되고 상기 제1프로브는 각각의 제2프로브의 면적보다 큰 면적을 가질 수 있다.
상기 제1프로브의 면적은 상기 복수의 제2프로브의 각각의 면적에 대해 5배 내지 1000배의 면적을 가질 수 있다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법은 챔버 내부에 배치되며, 제1프로브 및 상기 제1프로브의 면적보다 작은 면적을 갖는 제2프로브에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가 단계, 상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정 단계 및 상기 전류 측정 단계에서 측정한 결과에 기초하여 상기 챔버 내부의 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는 플라즈마 분석 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1프로브의 면적은 상기 복수의 제2프로브의 각각의 면적에 대해 5배 내지 1000배의 면적을 가질 수 있다.
상기 제1프로브는 상기 제1프로브와 상기 제2프로브를 수용하는 케이스에서 상기 제2프로브의 면적을 제외한 나머지 면적을 갖도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치는 복수의 프로브 간 면적 비율을 일정 수준 이상으로 구현하여 보다 단순화된 전자 온도 및 플라즈마 밀도 측정 연산 식을 얻을 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치는 제1프로브를 레퍼런스 프로브로 구현함으로써 회로 집적도를 증대시켜 회로가 간소화되고 회로의 성능이 향상될 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치는 복수의 프로브를 효율적으로 배치함으로써 챔버 내부 공간 활용성이 증대될 수 있고 회로의 전체적인 노이즈가 감소될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 측면에서 바라보았을 때의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치에 따라 측정된 전자 온도 및 플라즈마 밀도와 종래 기술에 따른 전자 온도 및 플라즈마 밀도를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1프로브와 제2프로브의 예시적인 배치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 프로브의 예시적인 배치를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 프로브에 전압이 인가되는 방식을 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에 따라 측정된 전자 온도, 플라즈마 밀도 및 2차 고조화 전류를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 해당하는 플라즈마 상태 변수 측정 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 장치가 유선 형태로 플라즈마 발생 장치와 결합된 경우를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 장치가 무선 형태로 플라즈마 발생 장치와 결합된 경우를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 장치가 무선 형태로 플라즈마 발생 장치와 결합된 경우를 도시한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원 시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, "~부", "~기", "~블록", "~부재", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 용어들은 FPGA(field-programmable gate array)/ASIC(application specific integrated circuit) 등 적어도 하나의 하드웨어, 메모리에 저장된 적어도 하나의 소프트웨어 또는 프로세서에 의하여 처리되는 적어도 하나의 프로세스를 의미할 수 있다.
각 단계들에 붙여지는 부호는 각 단계들을 식별하기 위해 사용되는 것으로 이들 부호는 각 단계들 상호 간의 순서를 나타내는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 측면에서 바라보았을 때의 사시도이다.
도 1 내지 도2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 챔버(80) 내에 배치되어 플라즈마의 다양한 변수를 측정할 수 있는 제1 프로브(10), 제2 프로브(20), 플라즈마 발생 장치에 전원을 공급하는 전원 모듈(30), 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가부(40), 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부(50), 전류 측정부(50)에서 측정한 결과 값들을 기초로 플라즈마의 다양한 변수를 계산하는 플라즈마 분석부(60), 안테나(61)의 임피던스를 매칭하는 임피던스 매칭부(70) 및 본체 역할을 하면서 플라즈마를 발생하시키는 챔버(80) 등을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 경우 도 2에서는 플라즈마 발생 장치(100)를 기준으로 설명하였으나, 본 발명은 도 2에 도시된 구성 요소들 중에서 적어도 일부만을 포함하여 구성되는 플라즈마 변수 측정 장치로 구현될 수도 있다.
일 예로, 플라즈마 분석부(60)만을 포함하는 플라즈마 변수 측정 장치로 발명이 구현되거나, 제1프로브(10), 제2프로브(20) 및 플라즈마 분석부(60)를 포함하는 플라즈마 변수 측정 장치로도 본 발명이 구현될 수 있다.
도 2를 참조하면 챔버(80)는 기판 등 플라즈마 공정 처리가 필요한 피처리물이 제공되는 공간 및 플라즈마가 생성되는 공간을 구비한 용기를 의미할 수 있다.
챔버(80)의 상부에는 도 2에 도시된 바와 같이 플라즈마를 생성하기 위한 안테나(61)가 복수 개 설치될 수 있으며, 복수 개의 안테나(61)는 임피던스 매칭부(70)와 연결될 수 있다.
임피던스 매칭부(70)는 플라즈마 발생 장치에 전원을 공급하는 전원 모듈(30) 및 챔버(80)와 각각 연결될 수 있다.
챔버(80)의 하부에는 플라즈마의 발생원이 되는 소스 가스 등을 펌핑(pumping)하는 펌핑 시스템(62)이 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 복수 개의 안테나(61)를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방식은 유도 결합 방식의 플라즈마 발생 장치로 지칭할 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 변수 측정 방법은 유도 결합 방식을 이용하여 플라즈마를 발생하는 장치 및 방법뿐만 아니라, 용량 결합 방식을 이용하여 플라즈마를 발생하는 장치 및 방법에도 모두 적용될 수 있다.
이하 설명의 편의를 위해 도 2에 도시되어 있는 유도 결합 방식 플라즈마 발생 장치를 기준으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 챔버(80) 내부에서 발생되는 플라즈마의 다양한 변수를 측정할 수 있다.
본 발명에서 말하는 변수란, 플라즈마와 관련된 다양한 화학적, 물리적 특징을 의미하는 변수를 의미하며, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치의 대표적인 실시 예로 플라즈마 발생 장치는 챔버(80) 내부에 있는 플라즈마의 밀도, 챔버(80) 내부에 흐르는 전자의 온도 및 전자 에너지 확률 분포 등을 측정할 수 있다.
이를 위해, 챔버(80) 내부에는 복수 개의 프로브가 구비될 수 있는데, 대표적인 실시예로 플라즈마에 정현파를 전달할 수 있는 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)가 구비될 수 있으며, 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)는 도면에 도시된 바와 같이 챔버(80)의 일 벽면을 관통하도록 배치될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)가 챔버(80)를 관통하여 플라즈마에 정현파 신호를 인가하는 경우에 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)는 부유 프로브(floating probe)의 형태를 가진다고 할 수 있다.
다만, 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 배치 형태는 예시적으로 도시되었을 뿐이며, 예를 들어 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)는 펌핑 시스템(62)의 상부에 마련되는 것으로 변형 실시될 수 있다.
전압 인가부(40)는 전압을 생성한 후, 생성된 전압을 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 인가하는 구성을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이 전압 인가부(40)는 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)와 전기적으로 연결되어 있어, 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 사용자의 설정에 따른 미리 설정된 전압을 인가할 수 있다.
전압 인가부(40)가 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 인가하는 전압의 형태 및 크기는 플라즈마 발생 환경에 따라 다르게 설정될 수 있으나, 교류 전압에 의해 생성되는 정현파 형태의 전압이 인가될 수 있다.
한편, 도 2에는 도시하지 않았으나, 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)와 전압 인가부(40) 사이에는 자기 바이어스 발생부(미도시)가 배치될 수 있다.
전압 인가부(40)에서 생성된 정현파 신호가 자기 바이어스 발생부를 지나게 되면 자기 바이어스 발생부의 양단에는 자기 바이어스 전압이 걸리게 된다. 자기 바이어스 발생부에 걸리는 자기 바이어스(self-bias) 또는 자기 바이어스 전압(self-bias voltage)값은 플라즈마 분석부(60)에서 측정될 수 있다.
여기서, 자기 바이어스 발생부가 효율적으로 자기 바이어스를 발생시킬 수 있도록 자기 바이어스 발생부와 전압 인가부(40) 사이에는 저항(미도시) 연결될 수 있다.
제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(80) 내부에 배치되며, 전류가 흐를 수 있도록 금속 재질 형태의 프로브로 구성될 수 있다.
전압 인가부(40)에 의해 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)에 전압이 인가된 경우, 플라즈마와 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)의 전위차로 인해 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 전류가 흐르게 되므로, 전류 측정부(50)는 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)에 흐르는 전류를 측정할 수 있게 된다.
도 2에서는 제2 프로브(20)와 전압 인가부(40) 사이에 전류 측정부(50)가 배치되는 것으로 도시하였지만, 본 발명의 다른 실시예로 전류 측정부(50)는 제1 프로브(10)와 전압 인가부(40) 사이에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)는 서로 다른 형상을 가지거나, 동일한 형상을 가지면서 서로 다른 면적을 가지는 프로브로 구성될 수 있다.
일 예로, 본 발명에 따른 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 사각형과 원통 형상의 프로브로 각각 구현될 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예가 원통 형상의 프로브 또는 사각 형상의 프로브로 한정되는 것은 아니며, 플라즈마의 밀도나 전자의 온도를 측정할 수 있는 프로브이면 다양한 형상의 프로브로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 챔버(80) 내부에 배치되는 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)는 서로 다른 면적을 가지도록 구현될 수 있으며, 구체적으로 제1 프로브(10)의 면적이 제2 프로브(20)의 면적보다 더 큰 면적으로 구현될 수 있다.
일 실시예로 제1 프로브(10)의 면적은 제2 프로브(20)의 면적의 5배 내지 1000배로 형성될 수 있다.
또는, 제1 프로브(10)의 면적은 제2 프로브(20)의 면적의 10배 내지 500배로 형성될 수 있다.
또는, 제1 프로브(10)의 면적은 제2 프로브(20)의 면적의 50배 내지 500배로 형성될 수 있다.
제어부는 플라즈마 발생 장치의 각종 구성 요소를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부는 플라즈마 발생 장치에 전압을 인가하는 전원 모듈(30)을 제어하여, 플라즈마 발생 장치에 인가되는 전압의 크기나 모형 등을 제어할 수 있으며, 임피던스 매칭부(70)의 임피던스의 크기를 조절하여 플라즈마 발생 장치가 생성하는 플라즈마의 양이나 밀도를 조절할 수 있다.
또한, 제어부는 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 전압을 인가하는 전압 인가부(40)를 제거하여, 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 인가하는 정현파의 크기, 주파수 등을 제어할 수 있다.
따라서, 제어부는 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 장치로 구현될 수 있다.
한편, 도면에는 제어부와 후술할 플라즈마 분석부(60)의 구성을 별개의 구성 요소로 도시하였지만, 본 발명의 실시예가 이로 한정되는 것은 아니고 제어부와 플라즈마 분석부(60)는 하나의 구성요소로 단일 요소로 구현될 수도 있다.
플라즈마 분석부(60)는 전류 측정부(50)가 측정한 결과에 기초하여 챔버(80) 내부의 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산할 수 있다.
만약, 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 면적이 동일하다면, 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 이온 포화 전류는 동일하다.
따라서, 전류 측정부(50)에 의해 측정된 전류(I)는 다음과 같은 식(1)로 표현될 수 있다.
식 (1):
Figure HPX22029PCTYS-appb-img-000001
식 (1)에서 I1i와 I12는 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)에 흐르는 이온 포화 전류를 의미하고, V는 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)에 인가된 전압의 크기를, Te는 전자의 온도를 의미한다.
제1 프로브(10)에 흐르는 이온 포화 전류와 제2 프로브(20)에 흐르는 이온 포화 전류가 동일하고, 제1 프로브(10)의 면적인 A1과 제2 프로브(20)의 면적인 A2가 동일하다고 하면, 식 (1)은 아래와 같이 식(2)로 정리될 수 있다.
식 (2):
Figure HPX22029PCTYS-appb-img-000002
그리고 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)에 인가되는 전압은 정형한 형태의 전압이 인가되므로, 위 식(2)은 드무아브르의 공식(De Moivre's formula)을 이용하여 정리할 수 있으므로, 드무아브로의 공식을 이용하여 위 식(2)를 정리하면 다음과 같이 각각의 홀수 고조파들의 합으로 분리될 수 있다.
식(3):
Figure HPX22029PCTYS-appb-img-000003
즉, 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 면적이 동일하다면, 포화 이온 전류가 동일하기 때문에 전류 측정부(50)에 의해 측정된 전류에서 짝수 고주파 성분들을 상쇄되어서 삭제되고, 홀수 고조파들의 합으로만 표현이 된다.
따라서, 분리된 고조파들 중에 가장 큰 전류 크기를 가지고 있는 제1고조파 전류와 제3고조파 전류를 이용하여 플라즈마의 밀도와 전자의 온도 등을 측정할 수 있다.
그러나, 이러한 방법으로 플라즈마의 밀도나 전자의 온도를 측정하는 경우, 제3 고조파 전류가 제1 고조파 전류에 비해 매우 작게 측정되기 때문에 저밀도 플라즈마에서는 플라즈마의 밀도를 정확하게 측정할 수 없는 단점이 존재한다.
따라서, 저밀도 플라즈마 환경에서는 상대적으로 큰 면적의 프로브가 필요할 뿐만 아니라 넓은 전류 측정 범위가 요구되는 문제점들이 존재한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 면적을 다르게 하여, 종래 기술보다 보다 정확하게 플라즈마의 밀도 및 전자의 온도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 플라즈마 발생 장치는 전류 측정부(50)에 의해 측정된 전류를 분석함에 있어서, 제1 프로브(10)의 면적을 제2 프로브(20)의 면적의 5배 내지 1000배로 형성함으로써 플라즈마의 밀도 및 전자의 온도를 보다 간소화된 연산식으로 측정할 수 있다. 이하 구체적으로 알아본다.
식(3)에서 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 면적이 동일하지 않다면, 전류 측정부(50)(50)에 흐르는 전류는 전류 밀도를 이용하여 표현될 수 있으며, 구체적으로 아래 식(4)과 같이 표현될 수 있다.
식(4):
Figure HPX22029PCTYS-appb-img-000004
식 (4)에서 α는 제1 프로브(10) 면적을 기준으로 한 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 면적비를 의미하고, Aprobe1은 제1 프로브(10)의 면적, Aprobe2는 제2 프로브(20)의 면적, Ji는 이온 전류 밀도, V는 제1 프로브(10) 및 제2 프로브(20)에 인가된 전압의 진폭을 의미한다.
그리고 식 (4)를 전류 I를 기준으로, 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 면적 비가 크고 (Aprobe1>>Aprobe2)일 때, 정현파의 전압이 프로브에 인가되면 다음과 같이 근사 할 수 있다.
이는 아래 식 (5)와 같이 테일러 급수로 표현될 수 있다.
식(5):
Figure HPX22029PCTYS-appb-img-000005
식 (5)에서 보여 주듯이, 전류 측정부(50)에 의해 측정된 전류 I(V)는 기본 주파수 전류와 그 주파수의 배수인 고조파 전류들의 합으로 정리할 수 있다.
이러한 경우 고조파 전류의 비율로 전자 온도를 얻을 수 있고 이온 포화 전류 식을 이용하여 플라즈마 밀도를 구할 수 있다.
기존의 기술에서는 전자온도와 인가 전압의 비율(V/Te)이 큰 경우 측정값의 오차가 커지고, 그 오차를 줄이기 위해서는 고 차항까지 테일러 급수 전개를 해야 하기 때문에 복잡한 연산을 필요로 하게 된다.
그러나 개시된 발명의 일 실시예에 따른 방법은 측정된 전류값에서 테일러 급수의 고차항의 영향을 생략해도 무방할 정도로 2개의 프로브의 면적비를 다르게 할 수 있어 비교적 간단하게 전자 온도를 연산 할 수 있는 장점이 존재한다.
이에 따른 전자 온도와 이온 밀도는 아래 식(6)과 식(7)로 정리하여 얻을 수 있다.
식(6):
Figure HPX22029PCTYS-appb-img-000006
식(7):
Figure HPX22029PCTYS-appb-img-000007
식 (6)과 식 (7)에서 Vo은 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)에 인가된 전압의 진폭을 의미하고, Iw는 기본 주파수 전류를, e는 전하량을 의미하고, ub는 봄(bohm) 확산 속도를 의미한다.
즉, 본 발명은 두 개의 프로브의 면적 차이를 종래보다 크게 형성(5배 내지 1000배 이상으로 형성)하는 방법을 통해 플라즈마의 밀도와 전자의 온도를 측정하기 때문에 종래 기술보다 연산 량을 줄인 간단한 방식으로 전자 온도와 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다.
이를 뒷받침할 데이터를 아래 도 3을 이용하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치에 따라 측정된 전자 온도 및 플라즈마 밀도와 종래 기술에 따른 전자 온도 및 플라즈마 밀도를 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 종래 기술에 따라 플라즈마의 전자 온도와 플라즈마의 밀도를 측정한 측정값과, 본 발명에 따라 플라즈마의 전자 온도와 플라즈마의 밀도를 측정한 측정값은 거의 유사한 값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 개시된 발명의 경우 종래와 같이 복잡한 연산식을 이용하지 않고도 플라즈마의 상태 변수를 실제 상태와 거의 근접하게 측정할 수 있어 연산의 효율성이 확보될 수 있는 기술적 효과가 존재한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 예시적인 배치를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 프로브(10)는 제2 프로브(20)와 중심이 같은 동심원으로 배치될 수 있다. 제1 프로브(10)는 제2 프로브(20)보다 큰 면적으로 구현될 수 있다.
보다 상세하게는, 제1 프로브(10)의 면적은 제2 프로브(20)의 면적의 5배 내지 1000배의 면적으로 마련될 수 있다.
또는, 제1 프로브(10)의 면적은 제2 프로브(20)의 면적의 10배 내지 500배로 형성될 수 있다.
또는, 제1 프로브(10)의 면적은 제2 프로브(20)의 면적의 50배 내지 500배로 형성될 수 있다.
또한, 제1 프로브(10)는 프로브 케이스에서 제2 프로브(20)가 차지하는 면적을 제외한 나머지 면적으로 구현될 수 있다.
이를 통해, 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)가 보다 효율적으로 배치될 수 있어 챔버(80) 내부의 공간 활용성이 증대될 수 있다.
이러한 공간 효율성 증대로 인해, 개시된 발명의 경우 여러 개의 장비 배열을 통해 플라즈마 2D 공간 분포도 역시 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다.
제1 프로브(10)의 면적을 제2 프로브(20)의 면적의 5배 내지 1000배로 마련함으로써, 상술한 바와 같이 테일러 급수 전개를 이용하여 오차율은 줄어들되 복잡한 연산식으로 측정되는 전류 값에서, 테일러 급수의 고차항의 영향을 생략할 수 있어 비교적 간단하게 전자 온도를 측정할 수 있는 기술적 효과가 존재한다.
다시 말해, 개시된 발명의 경우 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 면적비를 종래에 비해 크게 형성함으로써, 데이터의 연산 양을 줄일 수 있고 실시간 플라즈마 모니터링에 적용되는 데이터를 보다 빠르게 수집할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 프로브의 예시적인 배치를 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 프로브에 전압이 인가되는 방식을 도시한 회로도이다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에 따라 측정된 전자 온도, 플라즈마 밀도 및 2차 고조화 전류를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1프로브(10A)와 제2 프로브(20A, 20B, 20C)는 제1프로브(10A)가 레퍼런스 프로브(Reference probe)로 구현되도록 배치될 수 있다.
2차원 분포를 측정하는 웨이퍼형 측정 장치의 경우, 제1프로브(10A)는 단일하게 마련되고 제2 프로브(20A, 20B, 20C)는 복수로 마련되며 서로 중심이 같은 동심원으로 구현될 수 있는데, 도면에 도시된 바와 같이, 개시된 발명의 경우 제2 프로브(20A, 20B, 20C)가 차지하는 면적을 제외한 나머지 면적이 제1프로브(10A)로 마련될 수 있다.
복수의 제2 프로브(20A, 20B, 20C)는 적어도 2개 이상의 제2 프로브로 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1프로브(10A)는 케이스 내부에서 제2 프로브(20A, 20B, 20C)가 배치되는 면적 이외의 면적 전체로 구성될 수 있다.
이 경우, 제1프로브(10A)는 레퍼런스 프로브로써 각각의 제2 프로브(20A, 20B, 20C)와 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 제1프로브(10A)의 면적은 제2 프로브(20A, 20B, 20C) 각각의 면적에 대해 5배 내지 1000배의 면적으로 마련될 수 있다.
또한, 제1프로브(10A)의 면적은 제2 프로브(20A, 20B, 20C) 각각의 면적에 대해 10배 내지 500배의 면적으로 마련될 수 있다.
또한, 제1프로브(10A)의 면적은 제2 프로브(20A, 20B, 20C) 각각의 면적에 대해 50배 내지 500배의 면적으로 마련될 수 있다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1프로브(10A)는 레퍼런스 프로브로 마련되어 전압이 지속적으로 인가되고 복수의 제2 프로브(20A, 20B, 20C)들은 스위칭 소자(S)를 통해 각각의 제2 프로브(20A, 20B, 20C)에 전압이 선택적으로 인가될 수 있다.
종래의 경우에는 제1프로브(10A)와 제2 프로브(20A, 20B, 20C)가 1:1의 개수비로 각각 마련되기에 복수의 프로브를 수용하기 위한 공간이 다소 넓게 필요하였다.
그러나 본 발명의 경우 하나의 제1프로브(10A)와 복수의 제2 프로브(20A, 20B, 20C)로 플라즈마 상태를 측정 가능하게 되어 기존 대비 더 많은 프로브를 사용하여 플라즈마의 상태를 측정할 수 있어 측정 정밀도가 증대될 수 있다.
다시 말해, 기존에 제1프로브와 제2프로브를 사용하여 플라즈마 상태를 측정하는 경우, 제1프로브와 제2프로브는 1:1의 개수비를 갖도록 설계되었다.
그러나 본 발명의 경우, 2개 이상의 다수의 제2 프로브(20)와 공통으로 연결되는 하나의 제1 프로브(10)를 통해 플라즈마 상태를 측정할 수 있어 플라즈마 상태 변수 측정 장치(200) 내에 보다 많은 프로브가 포함될 수 있게 된다.
또한, 이를 구현하기 위해 제1프로브(10)의 면적은 제2프로브(20) 면적의 5배 내지 1000배의 면적으로 제2프로브(20)보다 크게 마련되어야 할 필요가 있게 된다.
이에 따라, 기존에는 N개의 플라즈마 영역의 상태를 측정하기 위한 제1프로브와 제2프로브의 개수가 2N개였다면, 본 발명의 경우 N개의 플라즈마 영역의 상태를 측정하기 위한 제1프로브와 제2프로브의 개수는 N+1개로 설계될 수 있다.
따라서, 본 발명의 경우 정밀도가 보다 향상된 플라즈마 상태 변수 측정 장치(200)를 제공할 수 있는 기술적 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 경우 복수의 제1프로브(10A)와 복수의 제2 프로브(20A, 20B, 20C)는 복수의 스위칭 소자(S)가 각각 연결되는 구조가 아닌, 하나의 스위칭 소자(S)와 각각 연결되는 회로를 구성될 수 있다.
따라서, 회로의 구성이 보다 간단하게 구현될 수 있어 회로 집적도가 증대되고 이에 따라 회로의 성능이 증대될 수 있는 기술적 효과가 존재한다.
따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 변수 측정 장치(20)는 측정이 필요한 영역의 개수와 이를 측정하기 위한 프로브의 개수를 거의 동일한 개수로 형성할 수 있으며, 이는 후술할 무선형 플라즈마 변수 측정 장치에 있어서 제작 난이도가 획기적으로 개선될 수 있는 기술적 효과를 갖는다.
또한, 이에 따라 플라즈마 측정 영역을 스위칭 하기 위한 스위칭 소자의 개수도 감소될 수 있어, 무선형 플라즈마 변수 측정 장치의 경우 소자 수 감소로 인한 공간 확보 및 배터리 전력 저감의 기술적 효과를 가질 수 있다.
또한, 동일 장치에서 동일 소자를 이용하여 플라즈마를 측정할 수 있는 측정 포인트가 기존에 비해 2배로 증가할 수 있는 기술적 효과가 존재한다.
또한, 상술한 바와 같이 극 비대칭 면적으로 형성되는 제1 프로브(10)와 제2 프로브(20)의 면적 비 때문에 탐침의 전류 식에서 고차항을 무시할 수 있어 이온 밀도, 전자 온도의 수식이 간략화 되어 측정 정확도를 개선할 수 있는 기술적 효과가 존재한다.
도 7을 참조하여 레퍼런스 프로브가 있는 경우와 없는 경우를 비교하여 전자 온도 및 플라즈마 밀도의 측정값을 설명하도록 한다.
2차 고조화 전류(SHC)의 경우 RF왜곡에 큰 영향을 받고, RF bias를 통해 플라즈마를 방전시켰을 때 왜곡 효과가 더 커지게 되어 전자 온도를 제대로 측정하는 데 어려움이 존재한다.
특히 RF 왜곡을 받는 경우, 전류가 감소하는 경향이 존재한다.
본 발명의 경우, 레퍼런스 프로브를 사용하여 이러한 왜곡 효과가 감소됨을 전자 온도와 플라즈마 밀도 그래프를 통해 확인할 수 있다.
또한, 레퍼런스 프로브를 사용하지 않은 경우 보다 훨씬 많은 2차 고조하 전류(SHC)를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 제1프로브(10A)를 레퍼런스 프로브로 마련함으로써 정확도가 개선된 전자 온도 및 플라즈마 밀도를 측정할 수 있다.
한편 도 1 내지 도 7에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 여러 실시예 중 하나인 플라즈마 발생 장치를 기준으로 설명하였지만, 본 발명은 플라즈마 상태 변수 측정 장치로 구현될 수 있다. 이하 도면을 통해 구체적으로 알아본다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 해당하는 플라즈마 상태 변수 측정 장치의 일부 구성 요소를 도시한 블록도이다. 도 9는 본 발명에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 장치가 유선 형태로 플라즈마 발생 장치와 결합된 경우를 도시한 도면이다. 도 10은 본 발명에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 장치가 무선 형태로 플라즈마 발생 장치와 결합된 경우를 도시한 도면이다. 도 11은 본 발명에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 장치가 무선 형태로 플라즈마 발생 장치와 결합된 경우를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 플라즈마 변수 측정 장치(200)는 제1 프로브(110), 제2 프로브(120), 제1 프로브(110) 및 제2 프로브(120)에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가부(140), 제1 프로브(110) 및 제2 프로브(120)에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부(150), 전류 측정부(150)에서 측정한 결과 값들을 기초로 플라즈마의 다양한 변수를 계산하는 플라즈마 분석부(160), 비대칭 면적을 가지는 이중 프로브를 포함하는 플라즈마 변수 측정 장치(200)의 전반적인 구성 요소들을 제어하는 제어부(190) 등을 포함할 수 있으며, 도 8에 도시되어 있는 제1 프로브(110), 제2 프로브(120), 전원 모듈, 전압 인가부(140), 전류 측정부(150) 및 플라즈마 분석부(160) 및 제어부(190)는 도 1, 2에서 설명한 제1 프로브(110), 제2 프로브(120), 전원 모듈, 전압 인가부(140), 전류 측정부(150), 플라즈마 분석부(160) 및 제어부(190)와 동일한 기능을 하는 구성요소에 해당하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이 플라즈마 변수 특정 장치(200)가 유선으로 플라즈마 발생 장치와 연결되는 경우, 플라즈마 발생 장치의 챔버 내부에서 생성된 플라즈마의 각종 상태 변수를 측정할 결과를 외부 단말기로 송신할 수 있다.
본 발명에 다른 실시예로 플라즈마 변수 측정 장치(200)가 도 10 및 도 11에서 도시된 바와 같이 무선형으로 구현되는 경우, 플라즈마 변수 측정 장치(200)는, 챔버 내부에 배치되어, 측정된 결과를 외부 단말기로 송신할 수 있다.
플라즈마 변수 측정 장치(200)가 무선형으로 구현되는 경우, 플라즈마 변수 측정 장치(200) 챔버 내부의 다양한 위치에 배치될 수 있는데, 일 예로, 펌핑 시스템을 감싸는 커버 내부에 배치될 수 있다.
플라즈마 변수 측정 장치(200)는 도면에 도시된 바와 같이 챔버 내에서 배터리, 측정 회로 및 제1 프로브(110)와 제2 프로브(120)를 포함하는 상태로 펌핑 시스템 상부에 마련되어 배치될 수 있으며, 플라즈마 변수 측정 장치(200)는 외부 단말 또는 외부 서버와 통신할 수 있는 통신 모듈을 포함하고 있어, 챔버 내부에서 독립적으로 작동을 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1프로브 및 제2프로브의 배치가 적용된 플라즈마 변수 측정 장치(200)이고, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1프로브 및 다수의 제2프로브의 배치가 적용된 플라즈마 변수 측정 장치(200)이다.
도 10 및 도 11에 따른 플라즈마 변수 측정 장치(200)의 작동 원리는 앞서 설명한 바와 동일한 바 생략하도록 한다.
도 10과 도 11에 도시된 무선형 플라즈마 변수 측정 장치(200)는 무선 통신 모듈(예를 들면 블루투스 모듈)을 포함하고 있어, 챔버 내부에서 측정된 각종 플라즈마에 대한 분석 데이터를 외부 단말기(PC 또는 사용자 단말기)와 무선으로 통신할 수 있다.
사용자는 이러한 무선 통신 모듈을 통하여 플라즈마 변수 측정 장치(200)에서 측정한 이온 밀도와 전자 온도를 외부 단말기를 통해 바로 확인할 수 있다.
또한, 도 10과 도 11에 도시된 무선형 플라즈마 변수 측정 장치(200)는 내부에 SD카드가 내장되어 있어, 플라즈마 변수 측정 장치(200)로부터 측정된 데이터가 SD카드에 실시간으로 저장될 수 있다.
따라서, 무선형 플라즈마 변수 측정 장치(200)를 통해, 사용자는 플라즈마 발생 장치(100) 내부의 플라즈마 상태를 즉각적으로 확인할 수 있으며, 내부의 플라즈마가 최적의 상태가 되는 시점을 보다 신속히 파악할 수 있다.
지금까지 도면을 통해 본 발명에 따른 플라즈마 변수 측정 방법 및 장치에 대해 자세히 알아보았다.
일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치는 복수의 프로브 간 면적 비율을 일정 수준 이상으로 구현하여 보다 단순화된 전자 온도 및 플라즈마 밀도 측정 연산 식을 얻을 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치는 제1프로브를 레퍼런스 프로브로 구현함으로써 회로 집적도를 증대시켜 회로가 간소화되고 회로의 성능이 향상될 수 있다.
일 실시예에 따른 플라즈마 상태 변수 측정 방법과 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 발생 장치는 복수의 프로브를 효율적으로 배치함으로써 챔버 내부 공간 활용성이 증대될 수 있고 회로의 전체적인 노이즈가 감소될 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다.
처리 장치는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 제1프로브 및 제2프로브;
    상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가부;
    상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 전류 측정부가 측정한 결과에 기초하여 챔버 내부의 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는 플라즈마 분석부;를 포함하고,
    상기 제1프로브의 면적은 상기 제2프로브의 면적보다 큰 면적을 가지고,
    상기 제1프로브는 상기 제2프로브를 수용하는 케이스에서 상기 제2프로브의 면적을 제외한 나머지 면적을 갖도록 형성되는 플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1프로브와 상기 제2프로브는 상기 전압 인가부의 양 단에 각각 연결되는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압 인가부는,
    상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 정현파 전압을 인가하는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1프로브의 면적은 상기 제2프로브의 면적의 5배 내지 1000배의 면적을 가지는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 상태 변수 측정 장치는, 상기 챔버 내부에 마련되며, 상기 플라즈마 분석부가 생성한 정보를 외부 단말기로 송신할 수 있는 통신 모듈을 포함하는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분석부는,
    측정된 상기 전류의 값과 상기 제1프로브를 기준으로 한 상기 제2프로브에 대한 면적비 정보, 상기 제1프로브의 면적 정보, 상기 전류의 밀도 정보 및 상기 전압의 크기 정보들과의 관계를 기초로, 상기 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2프로브는 2개 이상의 복수 개로 마련되고,
    상기 제1프로브는 상기 제1프로브와 상기 제2프로브를 수용하는 케이스에서 상기 복수의 제2프로브의 면적을 제외한 나머지 면적을 갖도록 형성되는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1프로브의 면적은 상기 복수의 제2프로브 각각의 면적에 대해 5배 내지 1000배의 면적을 갖는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1프로브는 레퍼런스 프로브로 마련되어 상기 전압 인가부로부터 전압이 인가되고,
    상기 복수의 제2프로브들은 스위칭 소자의 온(ON)/오프(OFF)를 통해 각각의 제2프로브에 전압이 선택적으로 인가되는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 분석부는,
    측정된 상기 전류를 기본 주파수 전류 및 상기 기본 주파수 전류의 주파수의 정수 배 주파수를 가지는 고조파 주파수 전류들의 합으로 분류한 후, 상기 기본주파수 전류와 상기 고조파 주파수 전류의 상대적 크기 정보를 기초로 상기 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는,
    플라즈마 상태 변수 측정 장치.
  11. 플라즈마가 발생되는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 배치되는 제1프로브;
    상기 챔버의 내부에 배치되는 복수의 제2프로브;
    상기 복수 개의 프로브에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가부;
    상기 복수 개의 프로브에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    상기 전류 측정부가 측정한 결과에 기초하여 상기 챔버 내부의 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는 플라즈마 분석부;를 포함하고
    상기 복수의 제2프로브는 상기 제1프로브 상에 배치되고 상기 제1프로브는 각각의 제2프로브의 면적보다 큰 면적을 가지고,
    상기 제1프로브는 상기 제2프로브를 수용하는 케이스에서 상기 복수의 제2프로브의 면적을 제외한 나머지 면적을 갖도록 형성되는 플라즈마 발생 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1프로브의 면적은 상기 복수의 제2프로브의 각각의 면적에 대해 5배 내지 1000배의 면적을 가지는,
    플라즈마 발생 장치.
  13. 챔버 내부에 배치되며, 제1프로브 및 상기 제1프로브의 면적보다 작은 면적을 갖는 제2프로브에 미리 설정된 전압을 인가하는 전압 인가 단계;
    상기 제1프로브 및 상기 제2프로브에 흐르는 전류를 측정하는 전류 측정 단계; 및
    상기 전류 측정 단계에서 측정한 결과에 기초하여 상기 챔버 내부의 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는 플라즈마 분석 단계;를 포함 하고
    상기 제1프로브는 상기 제2프로브를 수용하는 케이스에서 상기 제2프로브의 면적을 제외한 나머지 면적을 갖도록 형성되는 플라즈마 상태 변수 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1프로브의 면적은 상기 복수의 제2프로브의 각각의 면적에 대해 5배 내지 1000배의 면적을 가지는,
    플라즈마 상태 변수 측정 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마 분석 단계는,
    측정된 상기 전류의 값과 상기 제1프로브를 기준으로 한 상기 제2프로브에 대한 면적비 정보, 상기 제1프로브의 면적 정보, 상기 전류의 밀도 정보 및 상기 전압의 크기 정보들과의 관계를 기초로, 상기 플라즈마의 전자 온도 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하는,
    플라즈마 상태 변수 측정 방법.
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