식각 공정과 플라즈마 II
이번 호에서는 플라즈마를 이용한 공정을 개발하거나 공정을 감시하기 위한 플라즈마 진단 또는 모니터링 기술을 소개하고자 한다. 플라즈마를 진단하는 방법은 여러가지가 있지만 가장 많이 사용되는 방법은 플라즈마의 밀도와 전자온도, 플라즈마 전위, 전력계수 등의 전기적 성질을 측정하는 방법과 플라즈마에서 발생되는 빛을 분석하여 플라즈마의 성질을 추정하는 분광분석 기술로 크게 나눌 수 있다. 여기에서는 플라즈마 분석에서 가장 많이 사용되는 Langmuir Probe를 이용한 플라즈마 진단과 분광분석(Optical Emission Spectroscopy; OES), 플라즈마 발생에 사용되는 전극이나 안테나에 인가되는 전압, 전류 및 전력계수 등을 측정하는 I-V monitor 등을 소개하도록 하겠다.
1. Langmuir Probe
1-1. Single Langmuir Probe
Single Langmuir probe는 전자밀도, 이온밀도, 전자온도, 이온포화전류, 전자 에너지 분포함수를 측정할 수 있는 장비로, 다음 그림과 같이 하나의 금속 탐침(probe)과 여기에 전압을 인가할 수 있는 가변 전원, 그리고 탐침을 통해 흐르는 전류를 측정할 전류 측정 도구로 이루어진다.
Langmuir probe는 금속 탐침을 플라즈마에 삽입하고 탐침에 전압을 인가하여 플라즈마로부터 전자 전류나 이온전류를 추출하여 특성을 분석하는 방식인데 이때 얻게 되는 기본적인 정보는 인가한 전압에 대한 전류와의 관계 그래프이다. 이것을 I-V 곡선이라 부르며 이를 분석하여 이온 포화 전류 밀도, 플라즈마 밀도, 전자온도, 플라즈마 전위, 부유전위, 전자 에너지 분포함수 등의 정보를 얻을 수 있다.
탐침 전압을 플라즈마 전위(Vp)보다 증가시킬 경우에는 전자만 탐침에 입사한다. 이때 탐침으로 입사되는 전류는 전자에 의한 전류이며 이상적인 탐침이라면 이 구간에서는 전자에 의한 전류는 전압에 관계없이 일정해야 하며 이를 전자포화전류라고 한다. 실제로는 전압에 대해서 전류가 일정하지 않고 증가하는 양상을 보이는데 이는 탐침의 전압이 증가함에 따라 탐침 주변의 쉬스의 면적이 커지면서 탐침의 면적이 점점 커지는 효과가 생기기 때문이다.
Vp보다 탐침전압이 감소하면, e(Vp - Vb) 보다 높은 에너지를 갖는 전자만 탐침에 입사하고, 이보다 낮은 에너지를 갖는 전자는 포텐셜 장벽을 넘지 못해 반사된다. 따라서, 전자들의 에너지 분포가 Boltzmann 형태를 가질 경우, 이 구간에서 나타나는 전자에 의한 전류는 지수함수의 형태로 나타난다. 한편 특정한 전압에서 탐침에 흐르는 전류는 0이 되며, 이 전압 Vf를 부유 전위 (floating potential)라 부른다. 이것은 탐침으로 입사되는 양전하와 음전하의 양이 같아지기 때문에 발생하는데 플라즈마에 전기적으로 부유된(floating) 물체를 삽입하면 물체의 표면에 형성되는 전위이기도 하다.
Vb가 Vf보다 더 감소할 경우, 전자에 의한 전류는 매우 감소하고, 이온에 의한 전류가 더 커진다. 이 영역에서는 Vb > Vp 조건에서와 비슷하게, 전압을 감소시켜도 전류의 크기가 많이 변하지 않게 되는데, 이 전류를 이온포화전류라 부른다. Vb > Vp 조건에서 기술한 바와 같이 평면형 프로브를 사용할 경우에는 이곳의 전류는 Vb를 계속 감소시켜도 더 이상 변화하지 않지만, 다른 형태의 프로브를 사용할 경우에는 쉬스 변화와 이온의 orbital motion에 의해 조금씩 변하게 된다.
위의 특성 곡선으로부터 플라즈마 변수를 추출하며, 이 곡선의 이차미분을 포함한 몇 단계의 계산을 통해 전자 에너지 분포함수(Electron Energy Distribution Function; EEDF)를 구하게 된다. Single Langmuir probe는 가장 많은 종류의 플라즈마 변수를 측정하며, 특히 EEDF를 측정할 수 있는 거의 유일한 도구이다. 이러한 장점을 바탕으로 single Langmuir probe는 플라즈마 발생 메커니즘을 규명하는 연구에 활발하게 사용되어 왔으며 측정방법과 해석방법이 지속적으로 발전하고 있다. Single Langmuir probe의 측정법에서 매우 비중있게 다루어지는 부분이 RF 전력을 이용하여 발생된 플라즈마에서 나타나는 I-V특성곡선의 왜곡을 교정하는 방법이다. Single Langmuir probe는 플라즈마에 이용되는 probe 중에서 가장 대표적이고 정밀한 계측을 보장하지만, RF 플라즈마에서는 세심한 주의가 필요하다. RF 플라즈마에서는 플라즈마 전위가 RF 주파수로 진동하며 I-V특성곡선 측정에 왜곡을 일으키는데, 이를 해결하기 위해 해당주파수에서 임피던스가 매우 커지는 공진필터와 탐침의 쉬스 임피던스를 낮추기 위한 RF 보상 전극을 사용한다.
1-2. Double Langmuir Probe
Double Langmuir probe는 이온밀도, 전자온도와 이온포화전류를 측정할 수 있는 장비로서, 다음 그림과 같이 두개의 금속 탐침과 그 탐침에 전압을 인가할 수 있는 가변전원, 그리고 탐침을 통해 흐르는 전류를 측정할 전류 측정 도구로 이루어진다.
전압변화에 대한 전류의 특성곡선을 I-V 특성곡선이라 부르며 대표적인 I-V 특성곡선은 다음 그림과 같다.
위의 특성 곡선을 해석함으로써 이온밀도와 전자온도, 이온포화전류를 구할 수 있다. Double Langmuir probe의 I-V 특성곡선은 single Langmuir probe와 달리 원점에 대해 대칭이다. 플라즈마 내에 존재하는 이온의 온도는 전자온도에 비해 매우 낮고, 전자의 에너지 분포가 Maxwell-Boltzmann 분포를 갖는다고 가정할 경우, 각각의 탐침에 흐르는 전류는 다음 식과 같다. [수식1]은 탐침 전압과 전류에 대한 관계식이다.
Double Langmuir probe의 측정회로는 플라즈마를 사이에 두고 폐회로를 이루고 있으므로, I1과 I2는 동일하다. 따라서 회로에 흐르는 탐침 전류 I는 다음 식과 같이 정리된다.
여기서 Iis는 다음과 같이 주어지며
ni는 이온밀도, e는 기본 전하량, A는 탐침의 면적, k는 Boltzmann 상수, M은 이온 질량, Te는 전자온도이다. Double Langmuir probe는 single Langmuir probe와 비교해 볼 때, 측정 가능한 플라즈마 변수의 종류가 적고, 전자 에너지 분포함수를 측정할 수 없어서 자세한 전자에너지의 분포 구조를 알 수 없는 단점이 있다. 그러나, double Langmuir probe는 single Langmuir probe가 갖지 못하는 다음의 두 가지 장점을 지닌다.
전기적으로 절연된 구조: single Langmuir probe와 달리 측정 회로가 전기적으로 절연되어 구성되므로, 플라즈마 전위 변화에 의한 I-V특성곡선 왜곡이 적고, 플라즈마 전위가 매우 높거나 낮을 때도 측정이 가능하다. 이는 특히 반도체/디스플레이 공정용으로 사용되는 내부 표면이 전기적으로 절연되어 플라즈마 전위가 명확하게 정의되지 않는 환경에서 강점으로 작용한다.
플라즈마에 주는 섭동(perturbation)이 적다: double Langmuir probe를 통해 흐르는 전류는 최대 크기가 이온 포화전류와 동일하므로, 적은 전류를 포집하여 측정하므로써 플라즈마 방전상태에 주는 섭동이 적다. 이러한 특성으로 인해 고출력 RF전력으로 혹독한 환경이 형성되는 공정 장비에서의 측정에 적합하다.
1-3. Triple Langmuir Probe
Triple probe는 다음 그림과 같이 double Langmuir probe의 가변전원을 고정전압 전원으로 대체하고, 금속 팁 하나를 더 사용한 구조를 갖고 있다.
앞에서 설명한 single과 double Langmuir probe는 모두 특성곡선을 측정해야 하므로 한 조건에서의 플라즈마 변수를 측정하기 위해서는 반드시 전압을 변화시키며 전류를 측정해야 하지만 triple probe는 전압을 변화시키며 측정할 필요 없이 [그림5]의 전류 I와 전압차 V1, V2만 측정하면 되므로 고속 측정에 용이하고, 해석 알고리즘이 비교적 간단하다. 그러나, 이 측정 방법은 전자온도 측정 결과의 오차가 상대적으로 큰 단점이 있어서 널리 사용되지는 않으며, 플라즈마 방전의 지속시간이 매우 짧은 핵융합 연구 분야나 펄스 플라즈마의 경우에 한해 부분적으로 사용되고 있다.
이상의 Langmuir Probe에 의한 측정 방식은 플라즈마에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있지만 실제 공정에서는 부식성 가스로 이루어진 공정용 플라즈마에 금속 팁이 노출된다는 점에서 양산 공정에 적용되기에는 부적절하다. 그래서 이러한 Langmuir probe는 반도체 및 디스플레이 공정용 장비 또는 공정을 개발하는 곳에서는 주로 사용된다.
한편 양산 공정을 감시하고 분석하는 장비는 공정에 영향을 주지 않으며 측정할 수 있는 간접적 측정 방식이 많이 사용되는데 그 중 가장 많이 사용되는 방법이 분광기술을 이용한 기술이다.
2. Optical Emission Spectroscopy
OES (Optical Emission Spectroscopy) 방법에 의해 식각공정에서 식각종료점을 검출 하는 방법에 대해 논의를 하고자 하나 이것에 대해 논의 하려면 우선 개략적이나마 분광법에 대해 간단하게 논의를 한 후 시작을 하는 것이 올바른 방법이라 할 것 같아 우선 분광법에 대해 잠시 언급을 하고자 한다. 분광법이란 원자 및 분자 분광학에 기초를 두고 있으며 분석방법가운데 큰 부분을 차지하고 있다. 분광학은 각종 복사선과 물질과의 상호작용을 다루는 과학에 대한 일반적인 술어이다. 상호작용이란 고전적으로 물질과 전자기 복사선 사이에 일어나는 것이었지만 현재의 분광학은 물질과 다른 형태의 에너지 사이의 상호작용도 포함하는 것으로 확장되었다. 즉 분광법은 광전자 변환기나 다른 종류의 전자공학 기기로 복사선의 세기를 측정하는 방법을 말한다. 가장 광범위하게 사용되는 분광학적 방법은 전자기 복사선에 기초를 둔다. 이 복사선은 여러가지 에너지 형태를 가지며 가장 잘 알려진 형태는 우리가 흔히 일상 생활에서 접하는 빛과 복사선 열이다. 그리고 다소 덜 알려진 것은 감마선과 엑스선, 자외선 등이 있다. 전자기 복사선의 여러가지 성질은 파장, 진동수, 속도 및 진폭과 같은 파라미터를 사용하여 고전적 “파동 모형”으로 설명하는 것이 편리하다. 소리와 같은 파동현상과는 다르게 전자기 복사선은 전파를 위해서 매질을 필요로 하지 않는다. 그러므로 진공도 쉽게 통과 한다. 그렇지만 파동모형으로는 복사에너지의 흡수와 방출과 관련된 현상을 잘 설명 할 수 없다. 이러한 과정을 설명 하는 데는 전자기 복사선을 광자라는 에너지가 불연속인 입자의 흐름으로 보는 “입자 모형”을 이용할 필요가 있다. 또한 “광자의 에너지는 복사선의 진동수에 비례한다”는 정리는 앞에서 설명한 입자 모형과 상반되는 현상이다. 하지만 이러한 복사선에 대한 입자와 파동의 이중성은 서로 상반되는 관계를 갖는 것이 아니라 상호 보완적인 관계를 갖는다. 이러한 것들을 설명하는 것은 현대 물리학 발전의 토양이 된 중요한 사건이며, 따라서 분광학은 양자역학의 발전에도 많은 공헌을 하였다. 다음의 표1은 전자기 복사선을 이용하는 일반적인 분광법에 대해 정리를 해놓은 것이다.
전자기 복사선은 들뜬 입자가 보다 낮은 에너지 준위로 이완할 때 과량의 에너지를 광자로서 내어놓으면서 방출된다. 입자를 들뜨게 하는데 는 여러 가지 방법이 있다. 즉 전자나 소립자로 충격을 주는 방법, 교류전류나 스파크를 이용하는 방법 등이 있다. 이러한 방법에 의해 들뜬 입자에서 발생되는 복사선은 보통 방출 스펙트럼에 의해 구별되며 이는 파장이나 진동수에 따라 방출된 복사선의 상대세기로 나타낸다. 그림2는 전형적인 발광스펙트럼으로서 역시 전형적인 선,띠,연속스펙트럼을 보여주고 있다. 선스펙트럼은 개개 의 원자의 들뜸으로 일련의 예리하고 명확히 구분된 봉우리로 나타난다. 또한 띠 스펙트럼은 완전히 분리되지 않은 밀집된 몇몇 선으로 구성되어 있다. 띠 스펙트럼의 근원은 작은 분자 또는 라디칼로 이루어 진다. 마지막으로 스펙트럼에서 연속 스펙트럼 부분은 350nm 이상에서 그림에서 보듯이 기본값이 증가하는 경향을 보인다. 선스펙트럼과 띠 스펙트럼은 이러한 연속부분위에 겹쳐서 나타난다. [그림6]은 한 원자에서 나오는 방출 스펙트럼의 메커니즘을 보여주고 있다. 이 [그림6]의 (가)와 (나)는 선스펙트럼과 띠 스펙트럼의 발생 원리에 대해 설명을 하고 있는데 수평선 준위 E0는 가장 낮은 상태이며 원자에너지가 바닥 상태임을 나타낸다. E1과 E2는 그 화학종의 보다 높은 에너지의 전자의 준위이다.
예를 들면 나트륨 원자의 바닥상태 E0는 한 개의 외곽전자가 기저상태에 있는 상태이고 이후에 외부에서 에너지를 받아서E1, E2로 오르게 되는 것이다. [그림6]의 (가)에서 이러한 에너지의 증가를 점선의 화살표로 나타내었다. 그 후 원자는 약 10-8 초 정도 여기 상태에서 머무르다 기저상태로 되돌아 온다. 이러한 방출 과정은 실선의 화살표로 나타내었다. 나트륨 원자의 경우 E1에서 E0로 전이되면서 발생하는 파장은 330nm이고 E2에서 E0로 전이하면서 발생하는 파장은 590 nm의 파장이다. 즉 분광기를 가지고 발광스펙트럼에서 330 nm나 590 nm에서 emission이 관측이 되면 나트륨 원자의 발광스펙트럼이라고 추측 할 수 있는 것이다. 반면에 띠 스펙트럼은 기체 상태의 라디칼이나 작은 분자들이 존재 할 때 종종 나타난다.
예를 들면 [그림7]에서 OH, MgOH 그리고 MGO로 표시된 띠들을 말하는데 선스펙트럼과는 달리 잘 분리되지 않은 일련의 밀집한 공간에 나타나 있다. 이러한 띠들은 분자의 기저상태의 에너지 준위에 수많은 양자화된 진동 준위가 겹쳐서 생성이 된다. 한 분자에 대한 기저상태의 E0와 몇몇 들뜬 에너지 준위E1, E2를 보여주는 에너지 준위 도표는 [그림6]의 (나)에 나타냈다. 바닥 상태에 있는 많은 진동준위를 볼 수 있으며 두개의 들뜬 상태가 갖는 진동준위는 들뜬 진동상태가 전자 들뜬 상태보다 수명이 대단히 짧기 때문에 생략 하였다(약100만배 정도 짧다). 따라서 전자가 전자준위 중 높은 진동준위로 들뜨게 될 때 이들의 수명이 대단히 짧기 때문에 준위의 최저 진동준위로의 이완과정은 바닥 상태로의 전자전이가 일어나기 전에 완료된다. 그러므로 다원자 분자의 전기적, 열적 들뜸으로 발생하는 복사선은 거의 항상 들뜬 전자 준위의 최저 진동준위로부터 바닥상태의 몇몇 진동준위 중 어느 한곳으로 전이 된다. 진동으로 들뜬 화학종이 가장 가까운 전자준위로 이완되는 메커니즘은 그의 과량의 에너지가 일련의 충돌과정을 통하여 다른 원자로 이전될 때 일어난다. [그림6]의 (나)에서 보이는 것처럼 열이나 전자 에너지에 의해 들뜬 한 분자가 발광할 때 다섯개의 밀집한 영역에서의 선으로 구성된 두개의 복사선 띠를 나타내는 메커니즘이다. 실제로 한 분자에 있어서 수많은 각각의 선들은 수많은 진동 준위 때문에 훨씬 많으며 또한 많은 회전 준위들도 각각에 겹쳐질 수 있다. 따라서 분자의 띠는 [그림6]의 (나)보다 훨씬 더 많으며 이러한 선들은 밀집된 공간에 있게 될 것이다. 연속스펙트럼은 파장범위 내에 있는 연속적인 빛의 스펙트럼을 말한다. 분광기로 연속광을 보면, 분해능을 아무리 높여도 선스펙트럼처럼 낱낱의 선으로는 분해되지 않고 전파장에 대해서 연속적으로 펼친 스펙트럼이 나타난다. 고체 액체의 열복사스펙트럼도 연속스펙트럼이며, 기체의 원자 분자에서도 이온화 또는 해리가 관계하고 있는 빛은 연속스펙트럼이 된다. 넓은 뜻으로는 입자선등의 에너지스펙트럼이나 주파수 스펙트럼을 가리키는 경우가 있다. X선에서는 제동복사에 의한 연속X선이 나타난다.
이상의 경우와 같이 분광학에 대해 개략적으로 살펴 보았다. 그러면 이제부터 반도체 및 평판 디스플레이 제조공정에서 이용되는 분광법을 이용한 식각종료점 검출 방법에 대해 논의를 하도록 하겠다.
EPD(End Point Detection)는 반도체 제조 공정이나 평판 디스플레이 제조 공정 중 식각 공정에서 원하는 막질이 제거가 되었는지 알아보는 방법으로 크게는 OES 방식, 간섭현상을 이용하는 방식과 RF generator 시스템에서 발생하는 RF 파의 전압과 전류를 모니터링 하는 방법 등이 있다. 하지만 현재 산업계에서 활발히 사용되고 있는 것은 OES 방식을 이용하는 방법이 주류를 이루고 있고 특별한 공정에서는 간섭현상을 이용하는 방식도 이용이 되고 있으나 여기서는 그것에 대한 논의는 하지 않겠다.
OES를 이용하는 방법은 플라즈마에서 방출되는 광을 분광하여 플라즈마의 조성상태와 변화 등을 측정하는데 주로 사용되며, 200-900 nm 파장영역의 광을 주 측정대상으로 한다. 한 예로 플라즈마를 이용한 에칭의 경우, 한 층의 에칭이 끝나면 다음 층의 에칭이 시작되는데, 이와 함께 플라즈마의 기체 조성이 변화하게 되어 방출광의 스펙트럼에 변화가 발생한다. 이 변화를 감지하여 장치의 운전을 중지시키거나 다음 단계로 전환하는 등의 제어가 가능하다. 즉 챔버 내에 위치 하고 있는 기판과 챔버 내부로 유입되는 공정가스가 반응을 하여 화학적으로 새로이 생성되는 부산물을 계측하여 End Point를 검출하는 방식이다. 즉 기판에는 Epoxy위에 Silicon 막질이 증착이 되어 있고 이 막질을 CF4 가스를 사용하여 식각하는 경우를 예로 들자면, 기판의 Silicon과 유입되는 CF4 가스와 반응을 해서 SiFx라는 새로운 물질이 생성이 된다. OES 방식은 이러한 새롭게 생성된 SiF의 부산물의 시간에 대한 거동을 관찰 함으로써 EPD여부를 알 수 있게 된다.
아래의 [그림8]과 [그림9]는 웨이퍼의 구조와 이 웨이퍼를 이용해서 에칭공정을 진행 한 경우 SiF emission과 F emission의 intensity를 시간에 대해 plotting한 그래프이다. [그림9]에서 감소하는 경향을 가진 그래프는 SiF이고 증가하는 경향을 보이는 것은 F 신호이다.
이 경우 에칭공정이 시작 된 후 silicon 막질이 에칭이 되기 시작 하면서 반응가스인 CF4와 silicon이 반응을 하여 SiF이라는 부산물이 만들어 진다. 그리고 [그림9]의 F emission을 관찰해 보면 SiF와는 다른 경향을 보이고 있다. 즉 F의 경우 에칭공정이 시작된 후 Silicon과 반응이 활발히 됨으로 플라즈마 내부에 F 원자의 intensity는 비교적 낮은 상태를 유지하다가 Silicon이 식각될수록 F의 intensity는 점차로 증가하게 된다. 따라서 분광학적 방법을 이용해서 공정시 발생하는 화학적 부산물에 해당하는 파장을 관측하면 EPD를 잡을 수 있다.
다음으로 논의할 것은 OES 방법을 이용한 여러 형태의 EPD검출기에 대해서 조금 더 심도 있게 의논하여 보도록 하겠다. 현재 OES 방법을 이용한 EPD검출기는 크게 3가지 형태의 제품이 시장에 나와 있다. 우선 플라즈마 반응 챔버에 광학필터 (Optical Filter)를 장착하여 End Point를 검출 하는 것이다.
위의 [그림10]과 같이 플라즈마 반응 챔버에서는 아주 여러 파장의 emission이 챔버에 장착되어있는 윈도우를 통해서 발광이 된다. 위의 그림에서는 이해를 돕기 위해 파란색, 빨간색, 초록색, 검정색으로 챔버에서 나오는 다양한 파장을 묘사 하였다. 그런데 이러한 여러 파장이 광학필터를 통과하면서 다른 색의 파장은 모두 필터링이 되고 오로지 빨간색의 파장만이 필터를 통과해서 전자회로로 입력이 되는 것이다. 따라서 이 경우는 만일 사용자가 빨간색 외에 다른 파장의 빛을 EPD 신호로 이용하기 위해서는 챔버에 장착되어 있는 광학필터을 교환하여야 하는 불편함이 있다. 또한 광학필터의 해상도 또한 타 분광시스템에 비해 좋지 않으므로 사용자가 원하는 신호만 찾는데는 어려움이 있다. 따라서 이러한 광학필터를 이용해서는 신호의 변화가 큰 공정에만 적용이 가능하며 한번 장착이 되어 사용하다가 다른 종류의 막질을 에칭하거나 다른 종류의 가스를 사용하여 부산물이 바뀔때는 반드시 광학필터를 교환하여야 EPD로 이용할 수 있다.
두번째로는 모노크로메타(Monochromator), 단색화 장치 방식이 사용되고 있다. 현재 반도체 생산 공정에서 활발히 이용이 되고 있는 형태이기도 한다. 이것의 경우에도 챔버에서 광학필터의 경우와 같이 여러 파장의 빛이 나오고 있다. 하지만 모노크로메타의 내부에 광학계가 갖추어져 있어서 이 광학계를 구성하고 있는 거울과 반사 회절발의 각도에 의해 관측이 되는 파장이 변화하게 된다. 많은 각종 분광법에서 넒은 범위에 걸쳐 연속적으로 복사선 파장을 변화시킬 필요가 있거나 또는 원하는 경우가 있는데 이런 과정을 스펙트럼을 주사(Scanning)한다고 한다. 모노크로메타는 스펙트럼을 주사하도록 설계가 되어있다. 즉 [그림11]과 같이 거울과 렌즈가 움직이면서 들어오는 다양한 파장의 빛을 주사하도록 설계가 되어있다. 거울과 회절발의 각도가 실선으로 그려진 그림과 같은 위치에서는 빨간색에 해당하는 빛이 전자장치로 들어가고 이번에는 거울과 회절발의 각도가 점선으로 그려진 위치에 있는 경우는 파란색에 해당하는 빛이 전자장치에 입력이 된다. 따라서 이러한 모노크로메타를 이용하는 경우에 사용자는 자신이 원하는 파장에 해당하는 빛을 특별한 하드웨어의 교환없이 얻을 수 있다. 또한 주사 속도을 충분히 천천히 하는 경우 좋은 해상도를 가질 수 있다. 하지만 거울과 회절발등의 위치가 움직이면서 스펙트럼을 주사하는 방식이므로 외부의 진동이나 시간이 지남에 따라 거울과 회절발등의 위치가 틀어질 수가 있다.
다음으로는 CCD(Charge Coupled Device)나 PDA (Photo Diode Array)를 이용하는 방식이다. 이는 이미 1970년대 중반부터 많은 수의 과학논문 등에 PDA 등을 이용한 분광화학 방법에 대해 설명을 하고 있다. 하지만 최근에 반도체 기술의 발전으로 모노크로메타의 해상도와 견줄 수 있는 훌륭한 CCD가 만들어져 이를 이용한 분광법에 대한 응용이 많아지고 있는 추세에 있다. 이는 모노크로메타의 초점면에 위치한 이들 장치로 기계적인 주사보다 전자공학적인 주사로 스펙트럼을 얻을 수 있다. 그래서 스펙트럼을 정의하기 위해 필요한 모든 데이터 지점에서 동시에 데이터를 수집함으로 광학필터나 모노크로미터와는 달리 동시에 전파장의 스펙트럼을 수집 할 수 있다. 최근에는 이렇게 동시에 수집된 스펙트럼에 대해 수학적인 방법을 통해서 잡음을 제거하고 역시 수학적인 처리를 통해서 신호의 증폭을 크게하는 방법으로 Open Ratio가 아주 적은 공정, 즉 Metal Contact 공정 등에 응용하려는 시도가 있다.
3. I-V monitor
양산에 적용될 수 있는 방법으로써 플라즈마 발생에 사용되는 전극이나 코일에 전압, 전류 및 전력계수, 그리고 파형의 고조파(harmonics) 등을 검출할 수 있는 센서를 삽입하여 이들의 물리량을 플라즈마의 변화, 공정의 변화와 연관시켜 통계적으로 공정을 감시하고 분석하는 장비들도 있다. 이러한 장비는 보통 I-V monitor로 불리는데 ENI나 Scientific Systems 등의 회사가 제품으로 공급하고 있다. 이들은 주로 RF 매칭박스를 지나 플라즈마 소스로 연결되는 RF 전력선로에 부착되어 플라즈마 챔버의 임피던스를 측정하는 장비이다.
위의 그림은 I-V monitor를 축전방전형 플라즈마 발생장치에 적용한 예로서 이 장비가 적용되는 위치와 신호변화를 간략히 보여준다. 플라즈마 임피던스는 전류와 전압, 그리고 위상차를 측정함으로써 얻어지는데, 이 장비는 이 물리량들의 4차 harmonics까지 측정한다. 이 물리량들은 플라즈마의 상태에 매우 예민하게 반응하는데, 플라즈마 밀도나 전자온도는 물론이고 플라즈마 내에 존재하는 불순물의 양이나 챔버 벽의 표면상태의 미세한 변화도 측정값에 큰 영향을 미친다. 이러한 특성을 이용하여 적용할 수 있는 응용분야는 다음과 같다.
공정 변화 추적: 하나의 챔버, 또는 챔버와 챔버 사이에서의 공정변화를 탐지/기록/추적 하는데 이용할 수 있다. RF 전류와 전압, 위상차를 측정하므로 RF 전력선의 접지 접속 오류를 즉각 탐지할 수 있다. RF bias는 웨이퍼에 고에너지 이온을 입사하기 위해 반도체 공정 전반에 이용되는데, 웨이퍼 공정 중의 미세한 전류/전압/위상차 변화를 감지하며, e-chuck coupling의 미세한 변화도 감지한다.
전력측정: RF 전력공급장치에서 출력된 에너지는 matching box나 전송선로를 지나며 점차 소모되어 출력 에너지보다 적은 에너지가 플라즈마로 전달된다. 실제로 전달되는 전력을 측정하므로써 공정 변수 설정시 보다 실제적인 접근을 가능케 한다.
식각 공정에서의 end point detection: 공정의 종료 시에 나타나는 미세한 변화는 쉬스 임피던스에 영향을 끼치며, 이 변화를 쉽게 감지한다.
챔버 세정시 end point detection: 챔버 벽에 흡착되어 있던 불순물들을 제거하는 세정 공정에서는 불순물의 양에 따라 챔버의 임피던스가 변하게 되어 이 변화를 감지하여 종료시점을 알아낸다.
이러한 I-V monitor 방식 이외에도 플라즈마 밀도나 전자의 충돌 주파수 등을 간접적으로 측정할 수 있는 방법이 몇 가지가 더 있는데 이들 중 현재 상품화된 기술로는 Advanced Semiconductor Instruments(ASI) 사의 Hercules(r)라는 제품이 있다. 이 제품은 자기 여기된 전자 플라즈마 공명 분광법(Self Excited Electron Plasma Resonance Spectroscopy; SEERS) 방법을 이용한 장비로서, 전자 밀도와 전자의 충돌 주파수, 그리고, 전자로 전달되는 전력을 측정한다.
플라즈마를 유체역학의 방법으로 기술하고 회로적으로 다룰 경우, 전자의 질량은 inductance에 해당하며, 전자와 중성입자와의 충돌은 저항에 해당한다. 이와 함께, 쉬스를 capacitor로 기술할 수 있는데, 이 결과들을 종합하여 플라즈마를 감쇠 회로 진동 모델로 다룰 수 있게 된다. 플라즈마를 이렇게 모델링 함으로써 얻어지는 수식과 센서를 통해 측정한 RF의 peak 전압과 DC 전압을 측정하여 플라즈마의 특성을 알아낸다. 이 장비는 챔버 벽면에 센서를 부착하여 사용하며, 센서에 이물질이 증착되더라도 측정에 큰 영향없이 위에서 설명한 물리량들을 측정할 수 있다.
반도체 공정을 수행하는데 있어 수많은 외부 변수들이 존재하며, 이 각각의 요인들이 공정에 어떻게 영향을 끼치는지 알아내고 추적하려면 방대한 양의 데이터를 계속 저장해야 하는데 이렇게 수많은 데이터들 중에서 공정에 직접 관여하는 데이터를 추출하여 실질적으로 의미가 있는 데이터 세트만 구성하여 보관해야 할 데이터를 압축/선정할 수 있게 되어 있다. 즉, 방대한 데이터를 바탕으로 하여 공정의 결과와 데이터간의 연관성을 파악함으로써 통계적 의미를 분석하는 것이다. 이러한 장비는 세정 공정의 최적화, 공정 수행 가능 영역 결정, 웨이퍼 공정 결과의 오류 인식, 그리고 장시간 안정성 및 장비간의 상태 변화 등을 측정할 수 있어 공정을 감시하는 기능과 동시에 공정에 대한 이해 폭을 넓혀주는 역할도 할 수 있다.
문의 : ㈜플라즈마트 기술연구소 책임연구원 이상원
Tel : 042-863-2546
E-mail : swlee@plasmart.com
이번 호에서는 플라즈마를 이용한 공정을 개발하거나 공정을 감시하기 위한 플라즈마 진단 또는 모니터링 기술을 소개하고자 한다. 플라즈마를 진단하는 방법은 여러가지가 있지만 가장 많이 사용되는 방법은 플라즈마의 밀도와 전자온도, 플라즈마 전위, 전력계수 등의 전기적 성질을 측정하는 방법과 플라즈마에서 발생되는 빛을 분석하여 플라즈마의 성질을 추정하는 분광분석 기술로 크게 나눌 수 있다. 여기에서는 플라즈마 분석에서 가장 많이 사용되는 Langmuir Probe를 이용한 플라즈마 진단과 분광분석(Optical Emission Spectroscopy; OES), 플라즈마 발생에 사용되는 전극이나 안테나에 인가되는 전압, 전류 및 전력계수 등을 측정하는 I-V monitor 등을 소개하도록 하겠다.
1. Langmuir Probe
1-1. Single Langmuir Probe
Single Langmuir probe는 전자밀도, 이온밀도, 전자온도, 이온포화전류, 전자 에너지 분포함수를 측정할 수 있는 장비로, 다음 그림과 같이 하나의 금속 탐침(probe)과 여기에 전압을 인가할 수 있는 가변 전원, 그리고 탐침을 통해 흐르는 전류를 측정할 전류 측정 도구로 이루어진다.
Langmuir probe는 금속 탐침을 플라즈마에 삽입하고 탐침에 전압을 인가하여 플라즈마로부터 전자 전류나 이온전류를 추출하여 특성을 분석하는 방식인데 이때 얻게 되는 기본적인 정보는 인가한 전압에 대한 전류와의 관계 그래프이다. 이것을 I-V 곡선이라 부르며 이를 분석하여 이온 포화 전류 밀도, 플라즈마 밀도, 전자온도, 플라즈마 전위, 부유전위, 전자 에너지 분포함수 등의 정보를 얻을 수 있다.
탐침 전압을 플라즈마 전위(Vp)보다 증가시킬 경우에는 전자만 탐침에 입사한다. 이때 탐침으로 입사되는 전류는 전자에 의한 전류이며 이상적인 탐침이라면 이 구간에서는 전자에 의한 전류는 전압에 관계없이 일정해야 하며 이를 전자포화전류라고 한다. 실제로는 전압에 대해서 전류가 일정하지 않고 증가하는 양상을 보이는데 이는 탐침의 전압이 증가함에 따라 탐침 주변의 쉬스의 면적이 커지면서 탐침의 면적이 점점 커지는 효과가 생기기 때문이다.
Vp보다 탐침전압이 감소하면, e(Vp - Vb) 보다 높은 에너지를 갖는 전자만 탐침에 입사하고, 이보다 낮은 에너지를 갖는 전자는 포텐셜 장벽을 넘지 못해 반사된다. 따라서, 전자들의 에너지 분포가 Boltzmann 형태를 가질 경우, 이 구간에서 나타나는 전자에 의한 전류는 지수함수의 형태로 나타난다. 한편 특정한 전압에서 탐침에 흐르는 전류는 0이 되며, 이 전압 Vf를 부유 전위 (floating potential)라 부른다. 이것은 탐침으로 입사되는 양전하와 음전하의 양이 같아지기 때문에 발생하는데 플라즈마에 전기적으로 부유된(floating) 물체를 삽입하면 물체의 표면에 형성되는 전위이기도 하다.
Vb가 Vf보다 더 감소할 경우, 전자에 의한 전류는 매우 감소하고, 이온에 의한 전류가 더 커진다. 이 영역에서는 Vb > Vp 조건에서와 비슷하게, 전압을 감소시켜도 전류의 크기가 많이 변하지 않게 되는데, 이 전류를 이온포화전류라 부른다. Vb > Vp 조건에서 기술한 바와 같이 평면형 프로브를 사용할 경우에는 이곳의 전류는 Vb를 계속 감소시켜도 더 이상 변화하지 않지만, 다른 형태의 프로브를 사용할 경우에는 쉬스 변화와 이온의 orbital motion에 의해 조금씩 변하게 된다.
위의 특성 곡선으로부터 플라즈마 변수를 추출하며, 이 곡선의 이차미분을 포함한 몇 단계의 계산을 통해 전자 에너지 분포함수(Electron Energy Distribution Function; EEDF)를 구하게 된다. Single Langmuir probe는 가장 많은 종류의 플라즈마 변수를 측정하며, 특히 EEDF를 측정할 수 있는 거의 유일한 도구이다. 이러한 장점을 바탕으로 single Langmuir probe는 플라즈마 발생 메커니즘을 규명하는 연구에 활발하게 사용되어 왔으며 측정방법과 해석방법이 지속적으로 발전하고 있다. Single Langmuir probe의 측정법에서 매우 비중있게 다루어지는 부분이 RF 전력을 이용하여 발생된 플라즈마에서 나타나는 I-V특성곡선의 왜곡을 교정하는 방법이다. Single Langmuir probe는 플라즈마에 이용되는 probe 중에서 가장 대표적이고 정밀한 계측을 보장하지만, RF 플라즈마에서는 세심한 주의가 필요하다. RF 플라즈마에서는 플라즈마 전위가 RF 주파수로 진동하며 I-V특성곡선 측정에 왜곡을 일으키는데, 이를 해결하기 위해 해당주파수에서 임피던스가 매우 커지는 공진필터와 탐침의 쉬스 임피던스를 낮추기 위한 RF 보상 전극을 사용한다.
1-2. Double Langmuir Probe
Double Langmuir probe는 이온밀도, 전자온도와 이온포화전류를 측정할 수 있는 장비로서, 다음 그림과 같이 두개의 금속 탐침과 그 탐침에 전압을 인가할 수 있는 가변전원, 그리고 탐침을 통해 흐르는 전류를 측정할 전류 측정 도구로 이루어진다.
전압변화에 대한 전류의 특성곡선을 I-V 특성곡선이라 부르며 대표적인 I-V 특성곡선은 다음 그림과 같다.
위의 특성 곡선을 해석함으로써 이온밀도와 전자온도, 이온포화전류를 구할 수 있다. Double Langmuir probe의 I-V 특성곡선은 single Langmuir probe와 달리 원점에 대해 대칭이다. 플라즈마 내에 존재하는 이온의 온도는 전자온도에 비해 매우 낮고, 전자의 에너지 분포가 Maxwell-Boltzmann 분포를 갖는다고 가정할 경우, 각각의 탐침에 흐르는 전류는 다음 식과 같다. [수식1]은 탐침 전압과 전류에 대한 관계식이다.
Double Langmuir probe의 측정회로는 플라즈마를 사이에 두고 폐회로를 이루고 있으므로, I1과 I2는 동일하다. 따라서 회로에 흐르는 탐침 전류 I는 다음 식과 같이 정리된다.
여기서 Iis는 다음과 같이 주어지며
ni는 이온밀도, e는 기본 전하량, A는 탐침의 면적, k는 Boltzmann 상수, M은 이온 질량, Te는 전자온도이다. Double Langmuir probe는 single Langmuir probe와 비교해 볼 때, 측정 가능한 플라즈마 변수의 종류가 적고, 전자 에너지 분포함수를 측정할 수 없어서 자세한 전자에너지의 분포 구조를 알 수 없는 단점이 있다. 그러나, double Langmuir probe는 single Langmuir probe가 갖지 못하는 다음의 두 가지 장점을 지닌다.
전기적으로 절연된 구조: single Langmuir probe와 달리 측정 회로가 전기적으로 절연되어 구성되므로, 플라즈마 전위 변화에 의한 I-V특성곡선 왜곡이 적고, 플라즈마 전위가 매우 높거나 낮을 때도 측정이 가능하다. 이는 특히 반도체/디스플레이 공정용으로 사용되는 내부 표면이 전기적으로 절연되어 플라즈마 전위가 명확하게 정의되지 않는 환경에서 강점으로 작용한다.
플라즈마에 주는 섭동(perturbation)이 적다: double Langmuir probe를 통해 흐르는 전류는 최대 크기가 이온 포화전류와 동일하므로, 적은 전류를 포집하여 측정하므로써 플라즈마 방전상태에 주는 섭동이 적다. 이러한 특성으로 인해 고출력 RF전력으로 혹독한 환경이 형성되는 공정 장비에서의 측정에 적합하다.
1-3. Triple Langmuir Probe
Triple probe는 다음 그림과 같이 double Langmuir probe의 가변전원을 고정전압 전원으로 대체하고, 금속 팁 하나를 더 사용한 구조를 갖고 있다.
앞에서 설명한 single과 double Langmuir probe는 모두 특성곡선을 측정해야 하므로 한 조건에서의 플라즈마 변수를 측정하기 위해서는 반드시 전압을 변화시키며 전류를 측정해야 하지만 triple probe는 전압을 변화시키며 측정할 필요 없이 [그림5]의 전류 I와 전압차 V1, V2만 측정하면 되므로 고속 측정에 용이하고, 해석 알고리즘이 비교적 간단하다. 그러나, 이 측정 방법은 전자온도 측정 결과의 오차가 상대적으로 큰 단점이 있어서 널리 사용되지는 않으며, 플라즈마 방전의 지속시간이 매우 짧은 핵융합 연구 분야나 펄스 플라즈마의 경우에 한해 부분적으로 사용되고 있다.
이상의 Langmuir Probe에 의한 측정 방식은 플라즈마에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있지만 실제 공정에서는 부식성 가스로 이루어진 공정용 플라즈마에 금속 팁이 노출된다는 점에서 양산 공정에 적용되기에는 부적절하다. 그래서 이러한 Langmuir probe는 반도체 및 디스플레이 공정용 장비 또는 공정을 개발하는 곳에서는 주로 사용된다.
한편 양산 공정을 감시하고 분석하는 장비는 공정에 영향을 주지 않으며 측정할 수 있는 간접적 측정 방식이 많이 사용되는데 그 중 가장 많이 사용되는 방법이 분광기술을 이용한 기술이다.
2. Optical Emission Spectroscopy
OES (Optical Emission Spectroscopy) 방법에 의해 식각공정에서 식각종료점을 검출 하는 방법에 대해 논의를 하고자 하나 이것에 대해 논의 하려면 우선 개략적이나마 분광법에 대해 간단하게 논의를 한 후 시작을 하는 것이 올바른 방법이라 할 것 같아 우선 분광법에 대해 잠시 언급을 하고자 한다. 분광법이란 원자 및 분자 분광학에 기초를 두고 있으며 분석방법가운데 큰 부분을 차지하고 있다. 분광학은 각종 복사선과 물질과의 상호작용을 다루는 과학에 대한 일반적인 술어이다. 상호작용이란 고전적으로 물질과 전자기 복사선 사이에 일어나는 것이었지만 현재의 분광학은 물질과 다른 형태의 에너지 사이의 상호작용도 포함하는 것으로 확장되었다. 즉 분광법은 광전자 변환기나 다른 종류의 전자공학 기기로 복사선의 세기를 측정하는 방법을 말한다. 가장 광범위하게 사용되는 분광학적 방법은 전자기 복사선에 기초를 둔다. 이 복사선은 여러가지 에너지 형태를 가지며 가장 잘 알려진 형태는 우리가 흔히 일상 생활에서 접하는 빛과 복사선 열이다. 그리고 다소 덜 알려진 것은 감마선과 엑스선, 자외선 등이 있다. 전자기 복사선의 여러가지 성질은 파장, 진동수, 속도 및 진폭과 같은 파라미터를 사용하여 고전적 “파동 모형”으로 설명하는 것이 편리하다. 소리와 같은 파동현상과는 다르게 전자기 복사선은 전파를 위해서 매질을 필요로 하지 않는다. 그러므로 진공도 쉽게 통과 한다. 그렇지만 파동모형으로는 복사에너지의 흡수와 방출과 관련된 현상을 잘 설명 할 수 없다. 이러한 과정을 설명 하는 데는 전자기 복사선을 광자라는 에너지가 불연속인 입자의 흐름으로 보는 “입자 모형”을 이용할 필요가 있다. 또한 “광자의 에너지는 복사선의 진동수에 비례한다”는 정리는 앞에서 설명한 입자 모형과 상반되는 현상이다. 하지만 이러한 복사선에 대한 입자와 파동의 이중성은 서로 상반되는 관계를 갖는 것이 아니라 상호 보완적인 관계를 갖는다. 이러한 것들을 설명하는 것은 현대 물리학 발전의 토양이 된 중요한 사건이며, 따라서 분광학은 양자역학의 발전에도 많은 공헌을 하였다. 다음의 표1은 전자기 복사선을 이용하는 일반적인 분광법에 대해 정리를 해놓은 것이다.
전자기 복사선은 들뜬 입자가 보다 낮은 에너지 준위로 이완할 때 과량의 에너지를 광자로서 내어놓으면서 방출된다. 입자를 들뜨게 하는데 는 여러 가지 방법이 있다. 즉 전자나 소립자로 충격을 주는 방법, 교류전류나 스파크를 이용하는 방법 등이 있다. 이러한 방법에 의해 들뜬 입자에서 발생되는 복사선은 보통 방출 스펙트럼에 의해 구별되며 이는 파장이나 진동수에 따라 방출된 복사선의 상대세기로 나타낸다. 그림2는 전형적인 발광스펙트럼으로서 역시 전형적인 선,띠,연속스펙트럼을 보여주고 있다. 선스펙트럼은 개개 의 원자의 들뜸으로 일련의 예리하고 명확히 구분된 봉우리로 나타난다. 또한 띠 스펙트럼은 완전히 분리되지 않은 밀집된 몇몇 선으로 구성되어 있다. 띠 스펙트럼의 근원은 작은 분자 또는 라디칼로 이루어 진다. 마지막으로 스펙트럼에서 연속 스펙트럼 부분은 350nm 이상에서 그림에서 보듯이 기본값이 증가하는 경향을 보인다. 선스펙트럼과 띠 스펙트럼은 이러한 연속부분위에 겹쳐서 나타난다. [그림6]은 한 원자에서 나오는 방출 스펙트럼의 메커니즘을 보여주고 있다. 이 [그림6]의 (가)와 (나)는 선스펙트럼과 띠 스펙트럼의 발생 원리에 대해 설명을 하고 있는데 수평선 준위 E0는 가장 낮은 상태이며 원자에너지가 바닥 상태임을 나타낸다. E1과 E2는 그 화학종의 보다 높은 에너지의 전자의 준위이다.
예를 들면 나트륨 원자의 바닥상태 E0는 한 개의 외곽전자가 기저상태에 있는 상태이고 이후에 외부에서 에너지를 받아서E1, E2로 오르게 되는 것이다. [그림6]의 (가)에서 이러한 에너지의 증가를 점선의 화살표로 나타내었다. 그 후 원자는 약 10-8 초 정도 여기 상태에서 머무르다 기저상태로 되돌아 온다. 이러한 방출 과정은 실선의 화살표로 나타내었다. 나트륨 원자의 경우 E1에서 E0로 전이되면서 발생하는 파장은 330nm이고 E2에서 E0로 전이하면서 발생하는 파장은 590 nm의 파장이다. 즉 분광기를 가지고 발광스펙트럼에서 330 nm나 590 nm에서 emission이 관측이 되면 나트륨 원자의 발광스펙트럼이라고 추측 할 수 있는 것이다. 반면에 띠 스펙트럼은 기체 상태의 라디칼이나 작은 분자들이 존재 할 때 종종 나타난다.
예를 들면 [그림7]에서 OH, MgOH 그리고 MGO로 표시된 띠들을 말하는데 선스펙트럼과는 달리 잘 분리되지 않은 일련의 밀집한 공간에 나타나 있다. 이러한 띠들은 분자의 기저상태의 에너지 준위에 수많은 양자화된 진동 준위가 겹쳐서 생성이 된다. 한 분자에 대한 기저상태의 E0와 몇몇 들뜬 에너지 준위E1, E2를 보여주는 에너지 준위 도표는 [그림6]의 (나)에 나타냈다. 바닥 상태에 있는 많은 진동준위를 볼 수 있으며 두개의 들뜬 상태가 갖는 진동준위는 들뜬 진동상태가 전자 들뜬 상태보다 수명이 대단히 짧기 때문에 생략 하였다(약100만배 정도 짧다). 따라서 전자가 전자준위 중 높은 진동준위로 들뜨게 될 때 이들의 수명이 대단히 짧기 때문에 준위의 최저 진동준위로의 이완과정은 바닥 상태로의 전자전이가 일어나기 전에 완료된다. 그러므로 다원자 분자의 전기적, 열적 들뜸으로 발생하는 복사선은 거의 항상 들뜬 전자 준위의 최저 진동준위로부터 바닥상태의 몇몇 진동준위 중 어느 한곳으로 전이 된다. 진동으로 들뜬 화학종이 가장 가까운 전자준위로 이완되는 메커니즘은 그의 과량의 에너지가 일련의 충돌과정을 통하여 다른 원자로 이전될 때 일어난다. [그림6]의 (나)에서 보이는 것처럼 열이나 전자 에너지에 의해 들뜬 한 분자가 발광할 때 다섯개의 밀집한 영역에서의 선으로 구성된 두개의 복사선 띠를 나타내는 메커니즘이다. 실제로 한 분자에 있어서 수많은 각각의 선들은 수많은 진동 준위 때문에 훨씬 많으며 또한 많은 회전 준위들도 각각에 겹쳐질 수 있다. 따라서 분자의 띠는 [그림6]의 (나)보다 훨씬 더 많으며 이러한 선들은 밀집된 공간에 있게 될 것이다. 연속스펙트럼은 파장범위 내에 있는 연속적인 빛의 스펙트럼을 말한다. 분광기로 연속광을 보면, 분해능을 아무리 높여도 선스펙트럼처럼 낱낱의 선으로는 분해되지 않고 전파장에 대해서 연속적으로 펼친 스펙트럼이 나타난다. 고체 액체의 열복사스펙트럼도 연속스펙트럼이며, 기체의 원자 분자에서도 이온화 또는 해리가 관계하고 있는 빛은 연속스펙트럼이 된다. 넓은 뜻으로는 입자선등의 에너지스펙트럼이나 주파수 스펙트럼을 가리키는 경우가 있다. X선에서는 제동복사에 의한 연속X선이 나타난다.
이상의 경우와 같이 분광학에 대해 개략적으로 살펴 보았다. 그러면 이제부터 반도체 및 평판 디스플레이 제조공정에서 이용되는 분광법을 이용한 식각종료점 검출 방법에 대해 논의를 하도록 하겠다.
EPD(End Point Detection)는 반도체 제조 공정이나 평판 디스플레이 제조 공정 중 식각 공정에서 원하는 막질이 제거가 되었는지 알아보는 방법으로 크게는 OES 방식, 간섭현상을 이용하는 방식과 RF generator 시스템에서 발생하는 RF 파의 전압과 전류를 모니터링 하는 방법 등이 있다. 하지만 현재 산업계에서 활발히 사용되고 있는 것은 OES 방식을 이용하는 방법이 주류를 이루고 있고 특별한 공정에서는 간섭현상을 이용하는 방식도 이용이 되고 있으나 여기서는 그것에 대한 논의는 하지 않겠다.
OES를 이용하는 방법은 플라즈마에서 방출되는 광을 분광하여 플라즈마의 조성상태와 변화 등을 측정하는데 주로 사용되며, 200-900 nm 파장영역의 광을 주 측정대상으로 한다. 한 예로 플라즈마를 이용한 에칭의 경우, 한 층의 에칭이 끝나면 다음 층의 에칭이 시작되는데, 이와 함께 플라즈마의 기체 조성이 변화하게 되어 방출광의 스펙트럼에 변화가 발생한다. 이 변화를 감지하여 장치의 운전을 중지시키거나 다음 단계로 전환하는 등의 제어가 가능하다. 즉 챔버 내에 위치 하고 있는 기판과 챔버 내부로 유입되는 공정가스가 반응을 하여 화학적으로 새로이 생성되는 부산물을 계측하여 End Point를 검출하는 방식이다. 즉 기판에는 Epoxy위에 Silicon 막질이 증착이 되어 있고 이 막질을 CF4 가스를 사용하여 식각하는 경우를 예로 들자면, 기판의 Silicon과 유입되는 CF4 가스와 반응을 해서 SiFx라는 새로운 물질이 생성이 된다. OES 방식은 이러한 새롭게 생성된 SiF의 부산물의 시간에 대한 거동을 관찰 함으로써 EPD여부를 알 수 있게 된다.
아래의 [그림8]과 [그림9]는 웨이퍼의 구조와 이 웨이퍼를 이용해서 에칭공정을 진행 한 경우 SiF emission과 F emission의 intensity를 시간에 대해 plotting한 그래프이다. [그림9]에서 감소하는 경향을 가진 그래프는 SiF이고 증가하는 경향을 보이는 것은 F 신호이다.
이 경우 에칭공정이 시작 된 후 silicon 막질이 에칭이 되기 시작 하면서 반응가스인 CF4와 silicon이 반응을 하여 SiF이라는 부산물이 만들어 진다. 그리고 [그림9]의 F emission을 관찰해 보면 SiF와는 다른 경향을 보이고 있다. 즉 F의 경우 에칭공정이 시작된 후 Silicon과 반응이 활발히 됨으로 플라즈마 내부에 F 원자의 intensity는 비교적 낮은 상태를 유지하다가 Silicon이 식각될수록 F의 intensity는 점차로 증가하게 된다. 따라서 분광학적 방법을 이용해서 공정시 발생하는 화학적 부산물에 해당하는 파장을 관측하면 EPD를 잡을 수 있다.
다음으로 논의할 것은 OES 방법을 이용한 여러 형태의 EPD검출기에 대해서 조금 더 심도 있게 의논하여 보도록 하겠다. 현재 OES 방법을 이용한 EPD검출기는 크게 3가지 형태의 제품이 시장에 나와 있다. 우선 플라즈마 반응 챔버에 광학필터 (Optical Filter)를 장착하여 End Point를 검출 하는 것이다.
위의 [그림10]과 같이 플라즈마 반응 챔버에서는 아주 여러 파장의 emission이 챔버에 장착되어있는 윈도우를 통해서 발광이 된다. 위의 그림에서는 이해를 돕기 위해 파란색, 빨간색, 초록색, 검정색으로 챔버에서 나오는 다양한 파장을 묘사 하였다. 그런데 이러한 여러 파장이 광학필터를 통과하면서 다른 색의 파장은 모두 필터링이 되고 오로지 빨간색의 파장만이 필터를 통과해서 전자회로로 입력이 되는 것이다. 따라서 이 경우는 만일 사용자가 빨간색 외에 다른 파장의 빛을 EPD 신호로 이용하기 위해서는 챔버에 장착되어 있는 광학필터을 교환하여야 하는 불편함이 있다. 또한 광학필터의 해상도 또한 타 분광시스템에 비해 좋지 않으므로 사용자가 원하는 신호만 찾는데는 어려움이 있다. 따라서 이러한 광학필터를 이용해서는 신호의 변화가 큰 공정에만 적용이 가능하며 한번 장착이 되어 사용하다가 다른 종류의 막질을 에칭하거나 다른 종류의 가스를 사용하여 부산물이 바뀔때는 반드시 광학필터를 교환하여야 EPD로 이용할 수 있다.
두번째로는 모노크로메타(Monochromator), 단색화 장치 방식이 사용되고 있다. 현재 반도체 생산 공정에서 활발히 이용이 되고 있는 형태이기도 한다. 이것의 경우에도 챔버에서 광학필터의 경우와 같이 여러 파장의 빛이 나오고 있다. 하지만 모노크로메타의 내부에 광학계가 갖추어져 있어서 이 광학계를 구성하고 있는 거울과 반사 회절발의 각도에 의해 관측이 되는 파장이 변화하게 된다. 많은 각종 분광법에서 넒은 범위에 걸쳐 연속적으로 복사선 파장을 변화시킬 필요가 있거나 또는 원하는 경우가 있는데 이런 과정을 스펙트럼을 주사(Scanning)한다고 한다. 모노크로메타는 스펙트럼을 주사하도록 설계가 되어있다. 즉 [그림11]과 같이 거울과 렌즈가 움직이면서 들어오는 다양한 파장의 빛을 주사하도록 설계가 되어있다. 거울과 회절발의 각도가 실선으로 그려진 그림과 같은 위치에서는 빨간색에 해당하는 빛이 전자장치로 들어가고 이번에는 거울과 회절발의 각도가 점선으로 그려진 위치에 있는 경우는 파란색에 해당하는 빛이 전자장치에 입력이 된다. 따라서 이러한 모노크로메타를 이용하는 경우에 사용자는 자신이 원하는 파장에 해당하는 빛을 특별한 하드웨어의 교환없이 얻을 수 있다. 또한 주사 속도을 충분히 천천히 하는 경우 좋은 해상도를 가질 수 있다. 하지만 거울과 회절발등의 위치가 움직이면서 스펙트럼을 주사하는 방식이므로 외부의 진동이나 시간이 지남에 따라 거울과 회절발등의 위치가 틀어질 수가 있다.
다음으로는 CCD(Charge Coupled Device)나 PDA (Photo Diode Array)를 이용하는 방식이다. 이는 이미 1970년대 중반부터 많은 수의 과학논문 등에 PDA 등을 이용한 분광화학 방법에 대해 설명을 하고 있다. 하지만 최근에 반도체 기술의 발전으로 모노크로메타의 해상도와 견줄 수 있는 훌륭한 CCD가 만들어져 이를 이용한 분광법에 대한 응용이 많아지고 있는 추세에 있다. 이는 모노크로메타의 초점면에 위치한 이들 장치로 기계적인 주사보다 전자공학적인 주사로 스펙트럼을 얻을 수 있다. 그래서 스펙트럼을 정의하기 위해 필요한 모든 데이터 지점에서 동시에 데이터를 수집함으로 광학필터나 모노크로미터와는 달리 동시에 전파장의 스펙트럼을 수집 할 수 있다. 최근에는 이렇게 동시에 수집된 스펙트럼에 대해 수학적인 방법을 통해서 잡음을 제거하고 역시 수학적인 처리를 통해서 신호의 증폭을 크게하는 방법으로 Open Ratio가 아주 적은 공정, 즉 Metal Contact 공정 등에 응용하려는 시도가 있다.
3. I-V monitor
양산에 적용될 수 있는 방법으로써 플라즈마 발생에 사용되는 전극이나 코일에 전압, 전류 및 전력계수, 그리고 파형의 고조파(harmonics) 등을 검출할 수 있는 센서를 삽입하여 이들의 물리량을 플라즈마의 변화, 공정의 변화와 연관시켜 통계적으로 공정을 감시하고 분석하는 장비들도 있다. 이러한 장비는 보통 I-V monitor로 불리는데 ENI나 Scientific Systems 등의 회사가 제품으로 공급하고 있다. 이들은 주로 RF 매칭박스를 지나 플라즈마 소스로 연결되는 RF 전력선로에 부착되어 플라즈마 챔버의 임피던스를 측정하는 장비이다.
위의 그림은 I-V monitor를 축전방전형 플라즈마 발생장치에 적용한 예로서 이 장비가 적용되는 위치와 신호변화를 간략히 보여준다. 플라즈마 임피던스는 전류와 전압, 그리고 위상차를 측정함으로써 얻어지는데, 이 장비는 이 물리량들의 4차 harmonics까지 측정한다. 이 물리량들은 플라즈마의 상태에 매우 예민하게 반응하는데, 플라즈마 밀도나 전자온도는 물론이고 플라즈마 내에 존재하는 불순물의 양이나 챔버 벽의 표면상태의 미세한 변화도 측정값에 큰 영향을 미친다. 이러한 특성을 이용하여 적용할 수 있는 응용분야는 다음과 같다.
공정 변화 추적: 하나의 챔버, 또는 챔버와 챔버 사이에서의 공정변화를 탐지/기록/추적 하는데 이용할 수 있다. RF 전류와 전압, 위상차를 측정하므로 RF 전력선의 접지 접속 오류를 즉각 탐지할 수 있다. RF bias는 웨이퍼에 고에너지 이온을 입사하기 위해 반도체 공정 전반에 이용되는데, 웨이퍼 공정 중의 미세한 전류/전압/위상차 변화를 감지하며, e-chuck coupling의 미세한 변화도 감지한다.
전력측정: RF 전력공급장치에서 출력된 에너지는 matching box나 전송선로를 지나며 점차 소모되어 출력 에너지보다 적은 에너지가 플라즈마로 전달된다. 실제로 전달되는 전력을 측정하므로써 공정 변수 설정시 보다 실제적인 접근을 가능케 한다.
식각 공정에서의 end point detection: 공정의 종료 시에 나타나는 미세한 변화는 쉬스 임피던스에 영향을 끼치며, 이 변화를 쉽게 감지한다.
챔버 세정시 end point detection: 챔버 벽에 흡착되어 있던 불순물들을 제거하는 세정 공정에서는 불순물의 양에 따라 챔버의 임피던스가 변하게 되어 이 변화를 감지하여 종료시점을 알아낸다.
이러한 I-V monitor 방식 이외에도 플라즈마 밀도나 전자의 충돌 주파수 등을 간접적으로 측정할 수 있는 방법이 몇 가지가 더 있는데 이들 중 현재 상품화된 기술로는 Advanced Semiconductor Instruments(ASI) 사의 Hercules(r)라는 제품이 있다. 이 제품은 자기 여기된 전자 플라즈마 공명 분광법(Self Excited Electron Plasma Resonance Spectroscopy; SEERS) 방법을 이용한 장비로서, 전자 밀도와 전자의 충돌 주파수, 그리고, 전자로 전달되는 전력을 측정한다.
플라즈마를 유체역학의 방법으로 기술하고 회로적으로 다룰 경우, 전자의 질량은 inductance에 해당하며, 전자와 중성입자와의 충돌은 저항에 해당한다. 이와 함께, 쉬스를 capacitor로 기술할 수 있는데, 이 결과들을 종합하여 플라즈마를 감쇠 회로 진동 모델로 다룰 수 있게 된다. 플라즈마를 이렇게 모델링 함으로써 얻어지는 수식과 센서를 통해 측정한 RF의 peak 전압과 DC 전압을 측정하여 플라즈마의 특성을 알아낸다. 이 장비는 챔버 벽면에 센서를 부착하여 사용하며, 센서에 이물질이 증착되더라도 측정에 큰 영향없이 위에서 설명한 물리량들을 측정할 수 있다.
반도체 공정을 수행하는데 있어 수많은 외부 변수들이 존재하며, 이 각각의 요인들이 공정에 어떻게 영향을 끼치는지 알아내고 추적하려면 방대한 양의 데이터를 계속 저장해야 하는데 이렇게 수많은 데이터들 중에서 공정에 직접 관여하는 데이터를 추출하여 실질적으로 의미가 있는 데이터 세트만 구성하여 보관해야 할 데이터를 압축/선정할 수 있게 되어 있다. 즉, 방대한 데이터를 바탕으로 하여 공정의 결과와 데이터간의 연관성을 파악함으로써 통계적 의미를 분석하는 것이다. 이러한 장비는 세정 공정의 최적화, 공정 수행 가능 영역 결정, 웨이퍼 공정 결과의 오류 인식, 그리고 장시간 안정성 및 장비간의 상태 변화 등을 측정할 수 있어 공정을 감시하는 기능과 동시에 공정에 대한 이해 폭을 넓혀주는 역할도 할 수 있다.
문의 : ㈜플라즈마트 기술연구소 책임연구원 이상원
Tel : 042-863-2546
E-mail : swlee@plasmart.com
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