Noninvasive electrical plasma measurement method using inner substrates of a plasma reactor

Abstract

본 논문에서는 플라즈마 발생장치의 내벽을 이용한 비침투식 전기적 플라즈마 진단 방법에 대한 연구를 진행하였다. 이 방법은 플라즈마 전류를 측정하기 위한 극판으로 플라즈마 발생장치 내부에 전기적으로 분리된 두 개의 내벽을 사용한다. 두 개의 내벽에 정현파 전압이 인가되면, 내벽 사이의 플라즈마를 경유하는 폐회로가 구성된다. 이 폐회로를 흐르는 플라즈마 전류를 측정하고, 측정된 전류의 파형으로부터 이중 탐침법과 고조화파 전류 분석법을 응용하여 전자온도와 플라즈마 밀도를 구할 수 있다. 본 연구에서 제시한 방법은 플라즈마 전류를 측정하기 위해 플라즈마 발생장치 내부에 추가적인 탐침이나 센서의 설치를 필요로 하지 않는다. 따라서, 플라즈마의 상태나 공정결과에 영향을 최소화하며 플라즈마 변수의 측정이 가능하다. 미래 반도체 산업에서 지속적인 경쟁력을 확보하기 위해서는 공정 플라즈마에 대한 실시간 진단 및 제어기술을 통해 생산 수율과 소자 품질 향상을 이루어내는 것이 무엇보다 중요하다. 특히, 플라즈마가 필수적으로 사용되는 식각, 증착, 이온 주입과 같은 필수 공정에서 플라즈마의 상태는 생산효율뿐만 아니라 소자의 성능에도 직접적으로 관련된다. 예를 들어, 이온의 밀도와 이온 에너지는 건식 식각 공정에서 식각 속도를 결정하는 매우 중요한 변수로 알려져 있다. 플라즈마의 상태를 측정하기 위해서는 플라즈마로부터 방출되는 빛을 측정하는 센서(OES: optical emission spectroscopy) 혹은 플라즈마 전류를 직접 측정하기 위한 탐침(probe)을 필요로 한다. 전자의 경우, 플라즈마로부터의 방출광은 플라즈마 및 플라즈마 발생기 벽면에 설치된 창구(viewport)를 통과할 수 있기 때문에, 측정 센서를 플라즈마 외부에 설치하여 플라즈마를 진단할 수 있는 비침투식 방법이다. 그러나 공정 플라즈마는 매우 복잡한 가스 조성비를 가지고 있고 공정 중 발생하는 부산물이 다양하기 때문에, 광학 분석법을 이용한 플라즈마 상태의 정량적인 해석은 매우 어렵다. 후자의 경우, 플라즈마로부터 전류를 측정하기 위한 탐침이 필수적으로 플라즈마 발생장치 내부에 설치되어야 한다. 이 경우, 플라즈마에 직접적으로 노출된 탐침은 플라즈마 상태에 많은 교란을 주거나 불순물을 생성하여 반도체 생산 수율을 감소시킬 수 있다. 본 논문에 제시된 방법은 플라즈마 상태에 영향을 주지 않고 공정 결과와 밀접하게 연관된 대표적인 플라즈마 변수인 전자온도와 플라즈마 밀도를 측정하는 방법이다. 따라서, 탐침의 설치에 많은 제약이 있는 공정용 플라즈마 발생장치에 응용이 가능하다. 제시된 방법을 이용한 플라즈마 진단은 공정 결과 향상과 생산 수율의 최적화뿐만 아니라, 최근 반도체 제조 산업에서 높은 관심을 받고 있는 공정 이상 감지 및 제어, 장비들 간의 정합 기술, 스마트 공정 장치 등의 최첨단 기술에서 다양한 플라즈마 상태 정보를 측정하는 센서로 응용이 가능할 것으로 기대한다.; In this thesis, a noninvasive electrical plasma measurement method is developed. This method uses two reactor substrates, which are initially present in the reactor, as alternative current–sensing electrodes. When the reactor substrates are biased with a small sinusoidal voltage, a current waveform flowing through a closed–loop circuit via the plasma can be measured. This current waveform consists of various harmonic components due to the nonlinearity of a plasma sheath. Assuming that the electrons exhibit nonlocal kinetics, the electron temperature and plasma density are derived by analyzing the measured current waveform based on the double probe theory and harmonic current analysis. Experimental demonstrations were conducted in an inductively coupled argon plasma reactor. The sidewall and bias electrode are adopted as the electrodes for plasma current measurements. The experimental demonstrations show that the electron temperature and plasma density measured by the proposed method well agree with the measurements conducted by a conventional floating probe method. Additionally, a newly defined parameter, named the asymmetric parameter, well represent an asymmetry of the plasma densities between the locations of the used electrodes. This method is applicable to the processing reactor in which the electrical probe measurements are impossible due to the difficulties associated with the probe installation. Moreover, this method does not cause any considerable perturbation to a plasma because the reactor substrates biased with a small sinusoidal voltage are used for alternative current measurements. Accordingly, it is expected that the method studied in this thesis contributes to understanding the important properties of a processing plasma thereby achieving better processing results.