부유 전위에서 고조파 전류 분석을 통한 공정 플라즈마 진단 및 제어 연구

Abstract

본 연구에서는 공정 플라즈마에 적용할 수 있는 고조파 분석 기반의 실시간 플라즈마 진단 및 분석 기술과 이를 이용한 플라즈마 제어 기술을 제안한다. 먼저 플라즈마 쉬스의 비선형성에 의한 고조파 전류를 이용하여 플라즈마 상태 변수를 측정할 수 있는 고조파 부유 탐침법을 개발하였다. 정전 단일 탐침과 다양한 rf 입력 전력과 압력 조건에서 비교 실험을 실시 하였으며, 매우 일치하는 결과를 얻었다. 또한 고조파 부유 탐침은 기존의 정전 탐침과는 달리 공정 가스 플라즈마에서 탐침의 오염에도 불구하고 정상적으로 동작하였다. 그리고 신뢰성 분석을 통해서 한계를 기술하고, 개선 방안을 제안 하였다. 다중 주파수 성분을 가지는 전류의 측정과 등가 회로 모델을 이용해서 유전 박막의 두께를 측정할 수 있는 다중 주파수 표면 분석법을 연구 개발하였다. 측정 실험에서는 산화 알루미늄 박막 두께를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있었으며, 측정 신뢰성 및 정확성 확인을 위해서 실시한 반사 분광법과의 비교 실험에서 매우 일치하는 결과를 보였다. 또한 공정 플라즈마 오염을 본 연구에서 개발된 표면 분석법을 사용하여 실시간으로 감시할 수 있었다. 그 다음으로 본 연구에서 개발된 플라즈마 진단법을 실제 공정 플라즈마 시스템에 적용하기 위해서, 공정 플라즈마 환경이 요구하는 조건을 분석하고, 조건에 부합할 수 있도록 다양한 개선 방안 및 적용 방안을 연구하였다. 다양한 반도체 공정 플라즈마 장비에서 실시간으로 전자 온도, 플라즈마 밀도 및 이온 선속 밀도 등을 측정 하였고, 공정 조건에 따른 플라즈마 상태 변화를 관찰할 수 있었으며, 플라즈마 상태 변수와 공정 변수의 상관 관계를 분석 하였다. 또한 실시간 플라즈마 진단법을 통하여 기존 정전 탐침을 이용한 균일도 진단의 문제와 원인을 분석하였다. 마지막으로 공정에 최적화된 실시간 플라즈마 진단법을 이용하여 실시간 플라즈마 밀도 되먹임 제어를 실시하였다. 챔버 벽면의 센서에서 측정된 플라즈마 밀도를 제어 변수로 PID(Proportional Integral Derivative) 제어 방법을 통해서 입력 전력을 제어하여 설정된 밀도에 도달 하거나, 유지 하도록 하였다. 인위적인 압력 교란이 있음에도 불구하고 플라즈마 밀도를 0.3% 정상 상태 오차 내에서 안정적으로 유지할 수 있었다.; This study presents real-time plasma diagnostics and control based on harmonic analysis. A harmonic floating probe that can measure the electron temperature and the plasma density using the nonlinear characteristics of the probe sheath was developed. The harmonic floating probe was compared with a single Langmuir probe, it agreed closely with the single Langmuir probe at various rf powers and pressures. Moreover, the harmonic floating probe could work well despite contaminations of its probe tip in processing gas plasmas. An in situ measurement method (multi-frequency method) for dielectric film thickness was developed, and the thicknesses were measured in an inductively coupled plasma. The dielectric thickness is obtained from measuring the amplitudes of the ac currents with two frequencies as well as using an equivalent circuit model describing impedance of the dielectric film and the plasma sheath. In the experiment, the thicknesses of Al2O3 film could be accurately measured in real time. To check the measurement reliability and accuracy, this multi-frequency method was compared with reflection spectrophotometry as a technique for optical thickness diagnostics. It was found that the dual frequency method agrees closely with reflection spectrophotometry at various rf powers and pressures. In other to apply these diagnostics to processing plasmas, further improvements were studied to satisfy demands of processing plasmas. The plasma parameters such as the electron temperature, the plasma density, and the ion flux could be measured in real time in various processing plasmas, and correlations between processing variables and plasma parameters were analyzed. A real time feedback control of plasma density by using the harmonic floating probe was developed and its experiment was carried out in an inductively coupled plasma. For nonintrusive measurement, the probe was installed on the wall without intruding the plasma. An rf power generator was used as a actuator and the proportional integral derivative (PID) control was employed. The results showed that through the feedback control, plasma density can be maintained constant within ±0.3% steady state error in spite of a sudden pressure disturbance.