유도 결합 플라즈마에서 삼중 주파수를 이용한 유전체 두께 측정 방법 연구

Abstract

본 논문에서는 ICP(Inductively Coupled Plasma)에 삽입된 평판형 랑뮤어 프로브 (Planar Langmuir Probe) 탐침에 여러 두께의 유전체를 부착하고 프로브에 삼중 고주파수를 인가하여 얻은 전류를 통해 유전체의 캐패시턴스(C_d)를 측정하고 두께를 계산하였다. 기존의 플라즈마에서 저주파수를 사용한 유전체 두께 측정 연구는 수 마이크로미터 정도의 박막 두께가 한계였다. 그 이유는 저항성 쉬스 모델과 30 kHz이하의 저주파수를 사용했기 때문이다. 저항성 쉬스 모델을 사용한 유전체 두께 측정은 쉬스 캐패시턴스를 고려하지 않았기 때문에 측정되는 유전체의 두께가 탐침 인가 주파수와 RF 인가 전력에 따라 달라지는 문제가 있다. 또한 두꺼운 유전체의 캐패시턴스는 매우 작기 때문에 저주파수를 사용하게 되면 높은 유전체 임피던스로 인해 측정되는 전류가 작아지고 정확도가 낮아진다. 본 연구에서는 기존보다 높은 주파수와 그에 따라 쉬스 캐패시턴스(C_s)를 고려한 등가회로 모델을 사용했고, 이를 통해 두꺼운 유전체의 캐패시턴스 측정했다. 캐패시턴스로부터 두께를 계산해야 하는데 일반적으로 알고 있는 캐패시턴스 식은 지름에 비해 두께가 매우 작을 때 사용이 가능하므로 지금의 실험 조건에서는 적용할 수 없다. 따라서 프린징 효과 (fringing effect)를 고려한 피팅 캐패시턴스를 통해 유전체의 두께를 계산하였다. 또한 유전체에 의한 고조파 전류의 감소를 탐침의 전압과 전류의 위상차를 이용해 보상해주고 이온 밀도를 측정하였다. 결과적으로 플라즈마 밀도와 관계없이 1 mm~ 5 mm의 두꺼운 유전체의 두께를 구할 수 있었고 두꺼운 유전체가 부착된 상태로 이온 밀도를 측정했다. 이를 통해 차후 플라즈마에 탐침을 직접 삽입하지 않고 쿼츠나 세라믹 등의 유전체를 통한 플라즈마 진단과 실시간 두께 모니터링을 통한 에지 링 식각 높이를 보상하는 등에 활용이 되기를 기대한다. |The dielectric thickness is measured using a planar probe with triple-frequency in inductively coupled plasma (ICP). In this study, we developed an electrical plasma measurement method to measure the thickness of a thick dielectric (1 mm ~ 5 mm, SiO2) using triple high frequency (600 kHz, 800 kHz, and 1 MHz). Since the impedance of a dielectric is inversely proportional to applied frequency, the thickness of a thick dielectric could be measured using high frequencies. The capacitance and thickness of the dielectric were measured by applying small sinusoidal voltage signals (~1 V) with three different frequencies. In addition, the ion density is measured using a 1 MHz frequency. The harmonic currents reduced by the dielectric are compensated for by the phase difference between the voltage and current of the probe. The experiments proceeded under argon gas pressure 10 mTorr and ICP power range from 20 W to 300 W. The results were in good agreement with the actual thickness range from 1 mm to 5 mm, and the measured compensation ion density is in good agreement with the ion density of the floating harmonic probe.