유도 결합 플라즈마에서 전류 감소를 고려한 E - H 모드 전이와 히스테리시스 발생에 대한 연구

Abstract

본 논문에서는, 유도 결합 플라즈마 발생 장치에서 E – H 모드 전이 과정에서 일어나는 전류 감소와, 그 전류 감소를 고려했을 때의 히스테리시스 발생에 대한 연구를 하였다.

유도 결합 플라즈마에서 정전기장으로 전력이 전달되는 E 모드에서 안테나 코일의 유도 자기장에 의해 생성된 유도 전기장으로 전력이 전달되는 H 모드로 전이 될 때, 플라즈마 변수와 전기적 특성에서 다양한 현상들이 관찰된다. 그 중에서 공정 모니터링의 변수 중 하나인 안테나 코일 전류의 변화도 E – H 모드 전이의 증거 중 하나이다. 기존의 연구에서는 RF 전력을 증가시킴에 따른 안테나 코일 전류의 감소를 음의 차동 임피던스 (negative differential impedance)로 설명을 하였으나, 어떤 조건에서 안테나 코일 전류가 감소하는지, 그리고 코일 전류가 감소하는 것의 물리적 의미가 명확히 밝혀지지 않았다. 안테나 코일 전류는 공정 모니터링의 중요한 변수이며, 이 코일 전류 변화는 반도체 및 디스플레이 제조 공정에서 전체 시스템의 안정성과 공정 결과 예측에 영향을 줄 수 있기 때문에, 안테나 코일 전류가 감소하는 조건을 명확하게 밝히는 연구가 필요하다. E – H 모드 전이 과정에서의 안테나 코일 증가 및 감소 조건을 전력 균형 방정식을 이용하여 유도하였고, 다단 이온화 및 전자 에너지 분포 함수의 변화의 영향에 의한 소비 전력의 기울기 변화로 방전 압력에 따른 안테나 코일 전류의 증가 및 감소를 설명하였다. 이 연구를 통해 낮은 압력과 높은 압력에서의 안테나 코일 전류 증가 및 감소하는 원인

과 조건이 구분되었다.

E – H 모드 전이 과정에서 중요한 이슈 중 하나는 히스테리시스의 발생과 그 원인에 대한 연구이다. E – H 모드 전이와 그 역 전이가 일어나는 과정에 히스테리시스가 발생하게 되면, 동일한 입력 조건에서 다른 공정 결과가 나올 수 있기 때문에 플라즈마 공정 제어가 매우 어려워진다. 그러므로 플라즈마에서 E – H 모드 전이에서의 히스테리시스가 발생하는 원인을 정확히 규명하는 연구가 요구된다. 기존의 연구에서는 E – H 모드 전이의 히스테리시스가 다단 이온화, 전자 – 전자 충돌, 그리고 전자 에너지 분포 함수의 변화 등 흡수 전력 및 소비 전력에 비선형성을 야기하는 것들에 의해 발생한다고 보고되어

왔다. 그러나 앞서 연구한 E – H 모드 전이에서의 안테나 코일 전류 감소가 고려되지 않았으며, 이것을 고려하게 되면 히스테리시스 영역이 나타날 수 없게 된다. 특히, 안테나 코일 전류가 감소하는 원인이 다단 이온화 및 전자 에너지 분포 함수의 변화로 히스테리시스를 일으키는 원인과 같으나, 안테나 코일 전류가 감소하는 압력보다 상대적으로 더 높은 압력에서 히스테리시스가 관찰되기 시작한다. 그러므로 안테나 코일 전류의 감소와 히스테리시스의 발생 여부에 따라 압력 영역을 나누고 각 영역에서 발생하는 물리적 현상에 대한 메커니즘을 설명할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 앞서 말한 압력 영역을

세 가지(낮은 압력, 중간 압력, 그리고 높은 압력)로 나누었고, 각 영역에서의 물리적 현상을 전력 균형 다이어그램을 이용하여 설명하였으며, 히스테리시스 발생 원인을 기존 연구의 원인(비선형성)에 추가로 전력 전달 효율을 고려하여 설명하였다.