Development of high speed impedance measurement system and study on the temporal behavior of pulsed plasma

Abstract

현세대 반도체 제작 공정이 한계에 다다르고 있어 기존 CW 모드의 문제점을 해결하기 위해 펄스형 플라즈마의 도입이 가속화 되고 있다. 펄스형 플라즈마는 증착막질의 개선 효과, 에칭 레이트의 증대, 선택비의 증대, 전하 차징의 감소 등의 긍정적인 효과가 보고 되었다. 하지만 그동안 RF 전력원의 성능이 충분치 않고 펄스 매칭이 가능한 매쳐의 부재로 인해 연구의 어려움이 있었다. 최근 들어 기술의 극복으로 펄스형 플라즈마를 생성하는대 많은 진전이 이루어졌다. 펄스형 플라즈마의 특성을 연구하기 위해서 LP, OES 등의 많은 측정이 이루어져 왔지만 간편하고 높은 품질의 진단 결과를 얻기가 쉽지 않았다. 본 연구에서는 챔버 임피던스를 측정하는 것으로 플라즈마의 특성을 이해하고자 하였다. 챔버의 임피던스는 전력 매칭을 위해 매우 중요한 파라미터 이며 펄스 플라즈마 시스템을 구축하는대 있어 그 측정이 매우 중요한 의미를 가진다. CCP 방전의 균일 모델로 부터 챔버의 임피던스 모델을 계산하였고 이로부터 실수부 임피던스는 플라즈마의 밀도변화와 허수부 임피던스는 플라즈마의 온도와 관계가 있다는 사실을 유추하였다. 하지만 균일 모델은 실제 플라즈마를 모사하는대 많은 한계를 가지고 있기 때문에 실제 측정 결과들의 경향을 파악하는 정도에서 의미가 있다고 하겠다. 본 연구는 pulse형 plasma 발생 환경에서 고속(microsecond 이하의 time resolution)으로 임피던스를 측정할 수 있는 system을 개발 하였다. V I 센서를 PCB 형태로 구현하여 RF 의 특성을 센싱하였으며 두가지 주파수를 처리하기 위한 아날로그 보드에서 주파수 분리를 하였다. 분리된 신호는 고속 ADC 와 FPGA 를 이용한 디지털 보드로 입력 되어 계산이 수행된다. 최종 출력 데이터는 최대 3Msps 의 속도로 측정되어 저장된다. 이 센서 시스템을 매쳐의 입출력 센서에 적용하여 펄스 매칭이 가능한 매쳐를 제작하였다. 펄스 플라즈마 실험을 위하여 개발한 매쳐와 펄스형 RF를 출력할 수 있는 13.56 MHz 제너레이터와 2 MHz 제너레이터를 펄스 신호 발생기와 연결하여 실험 장비를 구성하였다. 구성된 시스템을 이용하여 가스 종류와 압력, HF 와 LF 파워의 비율, 펄스 주파수와 듀티 등을 변경하여 임피던스 변화 경향을 살펴 보았다. 임피던스의 실수부와 허수부의 변화를 측정한 결과 펄스형 플라즈마의 변화 경향을 알 수 있었으며 VDC 측정 결과와 비교하여 상관관계를 분석하였다. 고속으로 측정된 임피던스는 플라즈마의 변화 경향을 반영하고 있음이 확인 되었으며 이를 이용하여 펄스형 플라즈마의 다양한 특성을 손쉽게 측정할 수 있게 된 것에 본 연구의 의의가 있다고 하겠다.