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Matcher

Depostion 진행 중 matcher(shunt, series) 관계 질문 [Matcher와 VI sensor]

작성자
이현우
작성일
2020-02-16
조회
7075

안녕하세요. 반도체회사 설비 담당 엔지니어입니다.

일단 저의 부서는 PKG공정이며 한 설비에 CVD chamber가 붙어서 부수적인 역할을 하고있습니다.

따라서 CVD(RF)에 관련된 지식이 많이 부족한 상태입니다.

그와중에 양산을 진행하다보니 RF파라미터에 문제가 생겼을때 단순 parts를 교체해가며 경험적으로 원인을 찾고

문제를 해결하고있습니다...

이에 답답함을 느껴 실제 이론도 생각해가며 문제를 해결하고 싶다는 생각이 많이 들더라구요.

그래서 현업에서 궁금했던 내용들 몇가지를 여쭤보고 싶습니다.

 

1. Chamber PM 후 depo 진행시 Shunt(load cap), voltage, current 값이 모두 상승하는 현상이 있었습니다.

    제가 질문방에서 검색하고 공부한 내용으로

    > shunt는 50옴으로 맞추기위해 sensing 해가면서  resistance를 맞춘다 (임피던스의 실수성분)

    > series는 reactance 성분을 없앤다 (임피던스의 허수성분) 라고 알고 있는데,

    >>>> 그렇다면 shunt가 기존대비 높아진다는것은 pm후 chamber내의 resistance가 높아졌고

             높아진 Resistance를 줄이기위해 shunt가 높아진것인가요??? (pF총용량대비 퍼센트가 높아졌고)

           >> voltage와 current가 함께 높아진것도 상관관계가 있는 것인가요?

 

2. 위에 적은것처럼 Series가 리액턴스 성분을 없대준다고 알고 있는데 또 다른글에서는 phase를 줄여준다고 하는것을 본적있습니다.

    Series가 리액턴스 즉, 허수성분을 없애는것이 V,I의 phase를 없애는것과 동일한 내용인가요?

 

3. 예를들어 300w의 RF를 켰을때 1초간격의 raw data를 보면 Delivery power (v*i*cos(phase))가 300W까지

    올라가도(안정화돼도) phase는 계쏙 -70대를 유지하고 있었습니다.

    이론상 phase가 없어야 최대전력을 출력하는 것이고 300W를 제대로 출력하고있다면 phase가 0이어야 하는게 아닌가요?

 

미약한 지식을 가지고 두서없게 질문드린것 같아 죄송합니다ㅠㅠ

게시판에서 너무 많은도움받고 있습니다~ ㅎㅎ 항상 감사합니다!!

확인 후 답변 부탁드리겠습니다.

전체 3
  • 2020-02-18 18:39
    안녕하세요, 플라즈마 응용연구실의 인턴 손성현입니다.


    질문해주신 내용 중, V/I 는 RF power장치에서 가리키는 값을 읽으신 것이라고 생각하고 답변드리도록 하겠습니다.
    (Plasma 인자를 읽기 위해서, matcher와 chamber 사이에 sensor를 두고 읽는 경우도 있기 때문입니다)

    Q1. Chamber PM 후 depo 진행시 Shunt(load cap), voltage, current 값이 모두 상승하는 현상이 있었습니다.
    >> 그렇다면 shunt가 기존대비 높아진다는것은 pm후 chamber내의 resistance가 높아졌고
                 높아진 Resistance를 줄이기위해 shunt가 높아진것인가요??? (pF총용량대비 퍼센트가 높아졌고)


    Matching 과정에서 Shunt(load)는 수식적으로는 chamber(plasma포함)의 resistance, reactance 성분에 모두 물려있습니다. 그러나 resistance가 미치는 영향이 더 크기 때문에, 말씀해주셨던 것 처럼 resistance를 보상하기 위한 인자로 사용합니다. 따라서, PM 이후 shunt가 기존대비 유의미한 퍼센트로 높아진다는 것은, match condition을 맞추기 위한 shunt 조건을 결정하는 것에 dominant한 chamber resistance가 높아졌다는 것으로 이해하시면 됩니다. Chamber resistance라고 지칭하신 값은, Chamber 벽면의 특성으로 인해서만 달라질 수도 있지만, 내부 플라즈마 인자(density, temperature)의 변화에 의해서도 변화하는 값입니다. Matcher와 chamber 사이에서 V/I 값의 변화를 측정한다면 pm 과정이 구체적으로 chamber 및 플라즈마의 특성을 어떻게 변화시켰는지를 알 수 있을 것입니다. 

               >> voltage와 current가 함께 높아진것도 상관관계가 있는 것인가요?
    RF power 장치는 power를 맞추는 drive 장치입니다. Voltage 와 Current가 함께 높아졌다는 것은 결국 power가 더 잘 인가되고 있음을 의미합니다. Matching이 PM 전보다 더 잘 되었다고 이해하시면 될 것 같습니다.

    2. 위에 적은것처럼 Series가 리액턴스 성분을 없대준다고 알고 있는데 또 다른글에서는 phase를 줄여준다고 하는것을 본적있습니다.
        Series가 리액턴스 즉, 허수성분을 없애는것이 V,I의 phase를 없애는것과 동일한 내용인가요?
    네, 그렇습니다. RF power의 V/I sensor가 읽는 값 사이에 존재하는 phase delay는, matcher와 chamber의 reactance/resistance  비에 의해서 발생합니다. V/I의 phase를 맞춰주는 과정이 Series capacitor를 이용해 reactance를 없에는 것과 동치라고 생각하시면 됩니다.

    3. 예를들어 300w의 RF를 켰을때 1초간격의 raw data를 보면 Delivery power (v*i*cos(phase))가 300W까지
        올라가도(안정화돼도) phase는 계쏙 -70대를 유지하고 있었습니다.
        이론상 phase가 없어야 최대전력을 출력하는 것이고 300W를 제대로 출력하고있다면 phase가 0이어야 하는게 아닌가요?

    네, 질문하신 것 처럼 phase가 0이 되어야 파워가 fully 전달되고 있다고 볼 수 있습니다. phase가 -70인데 power가 fully 전달되고 있는 것은 이상현상이라고 봐야 하기 때문에, 아래와 같은 2가지 사항을 확인하실 것을 권장드립니다.
    1) Reflected power를 확인해보시기 바랍니다. Delivery power indicator의 문제로 인해서, 잘못 가리키고 있을 가능성도 있기 때문입니다. 말씀하신 시간 domain동안 Reflected power가 어떤 양상으로 변하는지를 확인하시기 바랍니다.
    2) 1)이 아니었다면, Phase indicator의 건전성을 확인해보시기 바랍니다. power가 온전히 전달되고 있다는 것이 1)에서 검증되면, V/I phase가 -70이라는 것이 잘못되었을 가능성이 큽니다. Manually Shunt / Series 값을 변화시키며 phase변화의 양상을 지켜보시기 바랍니다.


    플라즈마 응용연구실
    인턴 손성현 드림
  • 2020-02-19 22:38
    안녕하세요. 답변정말 감사드립니다! 궁금한 것이 있어서 추가적으로 질문드리고자 답글 남깁니다.
    우선 저희 설비는 Matcher의 out단에 V,I그리고 그사이의 phase를 측정하는 sensor가 있습니다.
    즉, matcher와 chamber사이의 값을 모니터링 합니다.

    >>
    Matching 과정에서 Shunt(load)는 수식적으로는 chamber(plasma포함)의 resistance, reactance 성분에 모두 물려있습니다. 그러나 resistance가 미치는 영향이 더 크기 때문에, 말씀해주셨던 것 처럼 resistance를 보상하기 위한 인자로 사용합니다. 따라서, PM 이후 shunt가 기존대비 유의미한 퍼센트로 높아진다는 것은, match condition을 맞추기 위한 shunt 조건을 결정하는 것에 dominant한 chamber resistance가 높아졌다는 것으로 이해하시면 됩니다. Chamber resistance라고 지칭하신 값은, Chamber 벽면의 특성으로 인해서만 달라질 수도 있지만, 내부 플라즈마 인자(density, temperature)의 변화에 의해서도 변화하는 값입니다. Matcher와 chamber 사이에서 V/I 값의 변화를 측정한다면 pm 과정이 구체적으로 chamber 및 플라즈마의 특성을 어떻게 변화시켰는지를 알 수 있을 것입니다. 

     질문1)
     matching 과정에서 shunt(load)의 수식에서 chamber(+plasma)의 resistance, reactance 성분에 모두 물려있다고 하셨는데
     chamber 및 플라즈마의 reactance를(phase차를) series가 제거하고 chamber의 resistance를 shunt와 병렬합을 통해
     50옴을 맞추는 것이 아닌가요?! 아니라면 말씀해주신 수식이 궁금합니다~!
     질문2)
     설비에서 진행한 웨이퍼들의 depo 이력 data trend를 확인해보니 parameter간 상관관계를 확인할 수 있었습니다.
      > resistance 감소 → shunt 증가, voltage,current 증가.. 보통이러한 모습을 보이는데
       resistance가 감소하면 shunt, voltage, current가 증가하는이유가 궁금하네요. ㅠㅠ 원래 RF이론적으로 그런것인지..

      그렇게 되는 이유는 무엇인지 궁금합니다..
    >>
    네, 질문하신 것 처럼 phase가 0이 되어야 파워가 fully 전달되고 있다고 볼 수 있습니다. phase가 -70인데 power가 fully 전달되고 있는 것은 이상현상이라고 봐야 하기 때문에, 아래와 같은 2가지 사항을 확인하실 것을 권장드립니다.
    1) Reflected power를 확인해보시기 바랍니다. Delivery power indicator의 문제로 인해서, 잘못 가리키고 있을 가능성도 있기 때문입니다. 말씀하신 시간 domain동안 Reflected power가 어떤 양상으로 변하는지를 확인하시기 바랍니다.
    2) 1)이 아니었다면, Phase indicator의 건전성을 확인해보시기 바랍니다. power가 온전히 전달되고 있다는 것이 1)에서 검증되면, V/I phase가 -70이라는 것이 잘못되었을 가능성이 큽니다. Manually Shunt / Series 값을 변화시키며 phase변화의 양상을 지켜보시기 바랍니다.
     질문1)
     저희공정은 reflect가 거의 튀지않는 공정입니다.
     예를들어 270W power를 사용하는 recipe를 진행할때 초반 ramp-up되고 안정된 power로 유지될때
     raw data를 확인해보면 보통 V=약170 / I=약9 / Phase=약-80 으로 유지되는데요
     이를 Delivery PWR = V*I*Cos(Radians(phase) 로 계산해보면 170*9*cos(radians(-80) = 약265W로 비슷한 값이나옵니다.
     cos0=1이니까 170*9*1 = 1530W가 나오는데 이런 현상이 나오는 이유는 무엇인가요??
     현재 sensing된 V,I값을 생각하여 스미스차트상에서 굳이 50옴으로 정합하지 않아도 270W가 나오는 임피던스(phase)를
     찾아간것인가요..??
    제가 RF계통 관련 지식이 얕아서 이것저것 모르는게 많네요.. 답변주시면 정말 감사하겠습니다!
     좋은하루 되세요~
     
  • 2020-02-20 15:09

    두분의 논의에 다음 사항을 같이 고려하면 좋을 것 같습니다. 같이 읽어 보시기 바랍니다. 

    RF 문제를 볼 떄 우리는 impedance (Z)를 이용합니다. Z= resistance (R)과  reactance (X)로 구성되어 있고 이를 복소계로 표현하면 Z=TR+jX의 형태가 됩니다. 여기서 reactance X는 RF가 전파하는데 있어 저항하는 성분으로 Capacitor 성분이 만드는 wC 값과 Inductor 성분이 만드는 wL 이 있으며 두개의 위상차는 180도가 됩니다. 따라서 일반적으로 Z=R+1/jwC 혹은 Z=1+jwL 이라 하며 여기서 w는 전력 주파수입니다. 만일 저항만 있다면 rf V와 I는 phase 차이가 없는 값이 되는 경우이며, V와 I 의 위상차가 90도 빠르거나 늦다면 이는 모두 reactance 로 RF가 걸리고 있다는 뜻이 됩니다. 일정 값이 있다는 말은 해당 load가 R과 C 혹은 L 또는 C,L 병합의 임피던스 특성이 되고, 일정 값을 가지고 있다면 유사한 공정 조건이 유지되고 있다고 판단할 수 있는 것입니다. 

    RF 가 match 되었다는 말은 인가 전력이 모두 플라즈마 가열로서 match가 되었다는 말로서, (전력의 파동이 반사파 없이 전달되었다고도 표현됩니다) 입력 전력이 우리가 원하는 이용 대상은 플라즈마 입자, 즉 플라즈마 전자나 이온이므로 이를 생성시키는 에너지로 전달되는 정도를 의미한다고 할 수 있습니다. 전하들의 흐름은 저항성분R을 가지고 흐릅니다. 다만 입자들이 충돌 등으로 전하의 흐름에 위상 변화가 생기면 전류 흐름에 위상 차이가 생기고 이를 L 성분으로 표현하게 됩니다. 또한 플라즈마 내에서는 쉬스가 생겨서 시편으로 전달되게 되는데, 쉬스는 전자 전하가 희박한 공간으로 우리는 C 성분으로 표현할 수가 있겠고, 따라서 플라즈마 챔버 내에는 R과 C/L이 섞여 있습니다. 바이어스를 키우면 C가 당연히 커지겠고, 전력을 높이면 충돌이 커지면서 R이 커지고 플라즈마가 에너지를 잘 흡수한다고 할 수 있습니다. 또한 L 도 같이 커지지요. 

    여기서 RF match가 일반 전력 소자 ( 단순 저항체와 작은 크기의 L과 C가 있는 전기 소자들)과 플라즈마는 자체적으로 R,L,C 즉 플라즈마 임피던스의 변화가 능동적입니다. 따라서 전력을 키우면 앞선 설명에서와 같이 플라즈마 임피던스는 변하게 되므로 이를 보상해서 총 값을 50ohm 으로 맞추려는 기구가 필요하게 됩니다. matcher가 그 역할을 하므로, 50ohm 임피던스 매치란 matcher와 플라즈마를 포함한 전체 부하 값 (전원이 보는 부하)이 50ohm이 되는 조건을 의미합니다. 따라서 일반적으로 matcher는 V/I/Phase 를 측정하는데, 위치는 전원과 matcher 사이 값을 측정하는 이유입니다. 

    이를 기반으로 장치 플라즈마 특성을 고려해 보면, 이들 특성은 반응기내 플라즈마 생성 성질과도 연결됩니다. CCP 플라즈마는 주로 전극 상의 쉬스에서 전자가열이 됩니다. C 성분이 주요 반응기 플라즈마의 대표 성분이 됩니다. ICP 플라즈마는 전자기파의 skin depth 내의 전자들이 안테나 전류 방향을 따라서 가열되니 전자 전류 loop가 형성되어 L 이 대표 성분이 됩니다. 이는 장치 플라즈마의 특성이라 할 수 있습니다.  따라서 CCP 용 matcher에서 reactance 항을 상쇄해서 전원에서 50ohm으로 맞추려면 (반사파가 없어지게 되고) 장치 플라즈마의 주된 리액턴스 성분이 C 이므로 반대 위상을 갖는 L 성분이 matcher 내에 존재하면 효율적이고, ICP의 경우에는 L이 장치 플라즈마의 주된 리액터스 성분이니 matcher 내에는 C 성분이 부하의 리액턴스 성분을 상쇄시키게 구성되어 있습니다. 대부분 직렬과 병렬 구조를 조합해서 리액턴스 성분들을 보다 효율적으로 L type 혹은 inverse L type의 매처를 사용하는 이유이기도 합니다. 이제 남아 있는 플라즈마의 R 성분과 mater의 R 성분이 50ohm과 맞추어져 있을 경우, 반사파가 거의 없이 전력이 전달되는 모습을 볼 수 있습니다. 따라서 matcher의 R 성분을 알 수 있다면 50-R로 부터 플라즈마에서의 R 성분을 알 수 있겠고, 혹시 matcher의 임피던스 성분을 알 수 있다면 역시 플라즈마의 임피던스 성분을 알 수 있게 됩니다. 이들 두 조건을 이용한다면 플라즈마의 상태의 변화를 모니터링 할 수가 있을 것 같습니다. 연구가 필요하겠습니다. 

    이 개념을 활용하여 모니터링 하는 방법으로 VI sensor를 이용하는 방법이 있습니다. 일반적으로 VI sensor가 놓이는 위치는  2가지 방법이 있는데, 전원의 50ohm 제어를 위한 위치 (일반적인 matcher의 전원 제어용도)와 장비 플라즈마 특성을 진단하기 위한 위치로 나누어 집니다. 즉 전원-매처 후 VI 센서와 전극 (안테나 혹은 wafer bias ESC 등)으로 위치가 다릅니다. 이를 공정 센서라 하면 후자를 의미하며, VI센서는 공정상태 및 공정 플라즈마를 모니터링 하는 역할을 하게 됩니다. 따라서 센서 값으로 평가하는 방법과 매처를 포함한 전압/전류/phase의 특성은 매우 다를 수 밖에 없습니다. 앞에서 설명한 바와 같이 phase  값으로 공정 플라즈마의 다양한 정보를 찾을 수가 있습니다. 다만 이 경우 플라즈마를 전체가 균질하다 가정하므로, 국부적으로 변하는 값에 대한 정보를 취득하기는 매우 어려울 수가 있음은 참고할 필요가 있겠습니다. 따라서 공정의 유지에 전압/전류/위상 (전원-매처가 아니, 매처-안테나 사이 값) 및 C1과 C2의 값을 기록하는 것은 매우 중요하고. 미세한 변화를 모니터링 할 수 있는 방법을 찾아 자료롤 log 하시면서 공정을 진행하는 방법을 강력히 추천합니다. 

    앞의 답글과 함께 읽어 보시면 matcher 기능에 대해서 좀 더 다양한 시각을 가지실 수 있을 것으로 기대합니다. 

     

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