1. 서 론

플라즈마는 반도체의 선폭 미세화에 따라 집적도가 높아져 반도체 생산에 필요한 공정이며, 반도체 생산에서 식각 및 증착 공정을 포함하여 각종 표면처리 공정 등에 폭넓게 사용되고 있다^(1-3). 플라즈마 발생 방식에 따라 사용하는 전원 장치의 사양이 조금씩 달라지는데, ICP의 경우 교류형태의 전원장치가 필요하며, 수백 kHz에서 수십 MHz 이내의 고주파 전원장치가 널리 사용되고 있다⁽⁴⁾.

이러한 고주파 전원장치들을 이용하여 플라즈마 발생장치에 전력을 공급하기 위해서는 전력을 부하에 효과적으로 전달하기 위한 임피던스 정합기가 필수적으로 사용되며, 특히 공정 조건에 따라 변화하는 플라즈마의 임피던스에 따라 최적의 전력 전달을 위해서는 정밀한 측정이 필요하다.

임피던스를 측정하는 센서 System 중 하나로 VI 프로브가 있는데, Matching System이나 프로세스 챔버 외부에 VI 프로브를 설치할 수 있으므로 플라즈마 상태를 비침습식적으로 모니터링하는 데 적합한 방법 중 하나이다⁽⁵⁾. VI 센서는 플라즈마를 생성하는 전극이나 안테나의 전압과 전류를 측정한다^(6),(7). VI Sensor는 주 주파수 이외에도 고조파의 전압, 전류의 위상차이 등을 검출할 수 있는 센서로, 1979년 K. Ukai의 RF 임피던스의 측정 시작을 기점으로 발전해 왔다⁽⁸⁾. 이후 reflected power, RF 위상각, RF 전류, 그리고 peak-to-peak 전압 등 전기적 신호를 측정하여 플라즈마를 모니터링하는 용도로 사용하였다^(9),(10).

현재 널리 사용되고 있는 VI 프로브는 고전압 프로브 또는 용량성 커플링용 금속 플레이트로 전압을 측정하며, 전 류는 유도성 커플링용 코일로 측정된다. 이때, 전류를 측정하는 유도성 커플링용 코일에 유도되는 용량결합성분 때문에 측정오차가 발생하는데, 이 성분에 의한 측정오차는 주파수 특성 뿐만 아니라 부하특성에 따라 그 크기가 달라지므로 정상적인 Sensor Calibration 역시 매우 곤란하게 된다. 특히 반도체 공정장비에 사용되는 플라즈마 부하는 임피던스 위상각이 매우 큰 고도의 유도성 또는 용량성 결합이므로 전류측정에서의 작은 위상오차가 큰 문제가 된다.

본 연구에서는 VI Sensor에서 전류 프로브에 특히 이상이 생기는데, 유도결합으로 인한 유도기전력 뿐만 아니라 전송선과 Sensor Body의 용량성 커플링으로 인한 성분 때문이다. 이를 해결하기 위해, Faraday Shield 구조를 추가하여 비교 분석하였다. 전류를 측정하는 픽업 코일에서 오류를 발생시키는 용량결합성분을 제거하기 위해 전압 및 전류 센서 사이와, 픽업코일과 Sensor body 사이에 Faraday Shield 구조를 추가하였고, 용량결합성분이 차폐함에 따라 전류측정에서 정확한 측정이 가능하게 한다. 전압프로브와 전류 프로브만 있는 구조와 Faraday Shield의 구조를 적용하였을 때, Load 측인 플라즈마 챔버의 임피던스를 변경하고, 그에 따른 전압, 전류의 특성을 비교 분석하였다.

2. Simulation setup and Methodology

그림 1은 VI Sensor가 도입되는 RF 시스템의 기본 구성 계략도이다. VI센서는 그림 1에서 볼 수 있듯이 RF Generator와 Load측인 Chamber(플라즈마 특성에 따라 유도성 혹은 용량성 임피던스) 사이에 있는 Matching System내부에 설치되는 형태이다. VI Sensor는 전압, 전류 측정 뿐만 아니라, RF power를 투입하는 전송선로 역할을 하거나, RF 전류 귀환의 역할을 한다.

3. Result and sidcussion

그림 6은 센서 구조 등 기본 조건들을 동일하게 유지하고 플라즈마 챔버 로드측 부하를 Matched, Inductive, Capacitive로 인가하는 조건을 보여준다. 입력포트는 센서 몸체의 특성 임피던스로 49.5W 매칭하였고, 출력포트의 임피던스($Z_{L}$)를 그림6과 같이 변경하여 시뮬레이션하였다.

그림 7-12의 (a), (b)는 입출력 포트에서의 전압 전류 위상이다. (c)는 (a)-(b)인 위상차 그래프이다. 입력포트인 $Z_{c}$에서 바라본 Load측의 임피던스에 따라 전압원의 기준 위상에 대한 출력포트에서의 상대적 위상값이 결정된다. 그림 8, 11에서 볼 수 있듯이 유도성 부하에서 전류가 식(5)의 값과 같이 87도 가까이 지연되고 그림9, 12인 용량성 부하에서는 87도 앞서가는 특성으로 로드측 임피던스에 따라 시뮬레이션이 잘 된 것을 확인할 수 있다.

그림 13, 14는 V Gain, I Gain을 식(6),(7)을 사용해서 구한 것이다. 10MHz 기준 VI Sensor와 Faraday Shield 구조의 V Gain은 용량성 커플링으로 인해 -38[dB]로 동일하고, 주파수 변화에 따라서도 일정한 것을 볼 수 있다. 하지만 I Gain에서는 식(3)과 같이 유도성 결합뿐만 아니라 용량결합성분이 더해져 Faraday Shield의 구조의 존재에 따라 어떤 부하이냐에 따라서 주파수별로 차이가 커지는 것을 알 수 있다. 용량성 결합 성분으로 인해 VI Sensor는 10MHz기준 I Gain이 –53~-54[dB]이고 주파수가 커질수록 커져 60MHz 기준 –44~-40[dB]가 된다. 반면 Faraday Shield는 10MHz 기준 –54[dB]이고 60Mhz는 –43~-41[dB]로 작아진다. 완전하게 용량성 결합 성분을 차폐하였다면 I Gain는 부하에 따라 같아야 하지만, 식(4)처럼 완벽히 차폐하지 못하여 VI Sensor보다는 적은 오차가 발생하였다.

그림 15, 16은 RF 입력 포트와 출력 포트의 전압, 전류의 평균 위상과 출력 센서인 V probe와 I probe의 위상을 각각 빼준 그래프이다. (a)에서 볼 수 있듯이, VI Sensor와 Faraday Shield의 전압 위상은 로드측 부하에 상관없이 일정한 것을 볼 수 있다. 하지만 (b) 전류 위상은 주파수가 커질수록 모드 특성에 따라서 달라지는 것을 볼 수 있는데, 그림 5와 같이 코일에 유도성 성분뿐만 아니라 용량성 결합성분이 포함되어 있어서 위상 차이가 나게 된다. 센서코일을 동일한 단면적을 가지는 원형 short solenoid 인덕턴스로 근사화해서 $L_{coil}$ 을 구하게 되면, 식(8)을 사용하여 코일 턴수 N=10, 코일 내경 a=53mm, 코일 외경 b=58mm를 고려하여 등가 Short solenoid의 반경 R≅4mm, 길이 l≅40mm를 대입하면 L=0.17[µH]가 나온다. 이를 바탕으로 60 MHz에서 코일의 임피던스는 $Z_{coil}\cong 6.5\times 10^{-3}+j64$[W]이 된다. 측정 포트에 대한 저항으로 $Z_{L}$을 구하면 코일의 인덕턴스로 인한 위상지연이 있고 용량성 결합으로 인해 위상 차이가 발생한 것을 (b)에서 확인할 수 있다.

Faraday Shield 구조가 적용되었을 때는 용량성 성분을 차폐하여 상대적으로 그림 15의 VI Sensor 보다 위상 차이가 줄어듦을 알 수 있다. 하지만 전압 위상 차이처럼 모드특성에 따라 같아야 하지만, 완벽히 차폐하지 못하여 주파수가 증가할수록 차이가 나는 것으로 판단된다.

그림 17은 센서 출력의 전압과 전류 위상 차이를 보여주는 그래프이다. Load의 부하 특성에 따른 위상을 보상해 주기 위해, 입출력 포트의 전압, 전류 위상을 빼주었다. 그림17은 그림 15, 16에서 (b)의 전류 위상 차이에서 비롯되었음을 알 수 있다.

4. Conclusion

본 연구에서는 용량성 커플링을 위한 링형 형태로 전압을 측정하고, 유도결합 커플링을 위한 픽업 코일로 전류를 측정하는 VI Sensor 구조를 설계하여 시뮬레이션 하였다. 전압 프로브에서 측정된 전압 특성은 VI Sensor와 Faraday Shield 모두 플라즈마 부하를 변경하여도 일정한 값이 나오는 것을 확인하였다. 하지만 전류 프로브에서는 Faraday Shield가 없는 구조는 10MHz에서 I Gain이 –53~-54[dB]이고 주파수가 커질수록 커져 60MHz 기준 –44~-40[dB]가 된다. 반면 Faraday Shield 구조가 있을 경우, 용량성 성분을 차폐하여 10MHz에서 –54[dB]이고 60MHz에서는 –43~-41[dB]로 차이가 작아지는 것을 확인하였다. 또한 그림17에서 볼 수 있듯이, Faraday Shield의 구조가 도입되었을 때 Load측 부하특성에 따른 위상차이가 적어져 보다 정확한 측정을 할 수 있는 것을 확인하였다. Faraday Shield로 전기장을 완벽히 차폐하지는 못하여 이 같은 결과가 나온 것으로 판단된다. 추후의 연구를 통해, 용량성 커플링을 완전 차폐할 수 있는 Faraday Shield 구조를 만들게 되면 보다 높은 정확성을 가지는 VI Sensor로 활용할 수 있을 것이라 생각한다.