플라즈마 진단을 위한 쉬스 임피던스 측정 및 특성 응용에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 플라즈마 쉬스 임피던스 측정 방법, 특성 해석에 관한 연구 내용을 기술하고 있으며, 측정과 분석을 통한 쉬스 임피던스 특성을 이용하여 플라즈마 진단 및 계측 기술에 적용 가능한 응용 방법을 제안하였다. 플라즈마 쉬스 임피던스를 측정하기 위하여 터널 다이오드를 이용한 발진 회로를 제작하여, 유도 결합 플라즈마에서 플라즈마 생성 전후의 발진 주파수 변화 및 전류, 전압 곡선 측정을 통해 플라즈마 전위 대비 음의 전위로 바이어스된 정전 탐침의 쉬스 컨덕턴스 및 리액턴스를 측정하였다. 측정된 리액턴스값을 Child-Langmuir 모델을 사용한 이론값과의 비교를 통해 측정 방법의 신뢰성을 확인하였다. 플라즈마 전위 근처로 전압 바이어스된 정전 탐침의 쉬스 임피던스 측정을 위해 소신호 측정용 위상 민감 계측 방법 및 챔버 내 접지된 그리드를 삽입하여 고주파 신호 왜곡을 최소화한 조건에서 실험을 실시하였다. 이중 쉬스 발생 유무 조건에 따라서 플라즈마 쉬스 전위 근처에서 탐침의 쉬스 리액턴스값의 변화를 확인하였다. 이중 쉬스 발생시 커패시턴스값이 음의 측정값을 갖는 현상을 발견하였으며, Possion 방정식으로 계산한 이론값과 비교한 결과, 이러한 현상은 쉬스 경계 조건에서 Bohm 경계 조건이 아닌 유한한 전기장을 갖고, 이온이 Bohm 속도보다 작은 속도를 가져야만 하는 보완된 경계 조건에서 성립됨을 확인하였다. 플라즈마 쉬스 임피던스의 특성 변화를 활용하여, 정전 탐침법으로 플라즈마 상태 변수 측정 시 발생하는 고주파 왜곡 현상을 개선하는 새로운 형태의 정전 탐침을 개발하였다. 이중 탐침 형태로 보조 탐침을 제작하여, 측정용 정전 탐침에 병렬로 연결시킨 후 이중 탐침간 바이어스 전압 변화를 통해, 측정 탐침 부근의 쉬스 임피던스를 최소화하였다. 개발된 탐침으로 고주파 플라즈마 발생 조건에서 플라즈마 진단 실험을 실시하여, 고주파 왜곡 현상이 최소화 되는 측정 결과를 얻을 수 있었다. 마지막으로, 플라즈마 쉬스 특성 변화를 적용하여, 인쇄회로기판 내 형성된 회로 패턴의 개방, 단락 불량 검출하는 방법을 개발하였다. 기판 상부를 진공 챔버내에 삽입하여, 플라즈마와의 접촉이 이뤄지게 하고, 하부는 전류 측정 회로와 연결된 검사핀과 연결하여 측정 회로에서의 전류값 비교를 통해 각각의 패턴의 불량, 정상 유무를 판독하였다. 측정 회로에서 검사핀을 통해 기판 상부에 플라즈마 전위 근처로 전압 바이어스를 실시하면, 기판 상부에 형성된 쉬스 저항값이 최소화되어 진행성 저(低)저항 개방 불량 검출이 가능하였다. 실제 테스트용 기판을 제작 후 유도 결합 플라즈마 조건에서 실험을 실시하여, 측정값과 이론적인 계산값과의 비교 분석을 통해 본 연구에서 개발한 측정 방법 성능이 실제 공정에 적용 가능함을 확인하였다.