유도 결합 아르곤 플라즈마의 광방출 분광법에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 세기 비를 이용한 광방출 분광법(line-ratio OES)을 이용하여 저압 유도결합 플라즈마의 변수 측정 기술을 개발하고 공정 플라즈마에 이러한 진단법을 적용하기 위한 방법을 연구하였다. 대표적인 불활성 기체인 아르곤은 플라즈마 연구에 가장 흔히 쓰여지며, 다양한 기체와 혼합 시 교란이 상대적으로 적어 그 방사 세기 또는 그 세기 비가 공정 플라즈마 진단에서 주로 사용된다. 광방출 세기 비를 이용하여 전자 온도 (Te)와 아르곤 준안정 준위 밀도(n1s5, n1s3) 측정하기 위해 간단한 충돌-방사 모델(simple collisional- radiative model)에 기반한 여기 에너지 준위의 균형 방정식을 수립하였다. 먼저 이상적인 전자의 분포 함수(EEDF) 및 방사 재흡수가 없는 상태의 플라즈마를 가정하여 저압 아르곤 유도결합 플라즈마에서 압력과 인가 전력에 따른 이들 변수 값을 측정하고 전기 탐침 결과 및 이론과 비교하였다. 실험 조건(3— 50 mTorr, 100— 1000 W)에서 인가 전력과 방전 압력 따라 플라즈마 변수가 전기 탐침 측정 값과 전반적으로 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 일부 실험 조건에서는 전기 탐침 보다 높은 전자 온도 및 아르곤 준안정 준위 밀도가 측정 되는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 실험 압력이 높아지는 경우(> 30 mTorr) 재흡수에 의한 영향으로 광방사의 세기비가 많이 변한 반면 낮은 전력에서는 (~ 100 W) 실제 전자 분포 함수가 이상적인 전자 에너지 분포와 다르기 때문인 것으로 확인되었다. 게다가 이들 플라즈마 변수들을 계산하기 위해 상대적으로 많은 광방사 선들을 사용하였는데 이로부터 기인하는 오차 역시 증가할 가능성이 높아 공정 진단에 적합하게 적용하기 위해서는 좀 더 개선이 필요하였다. 이러한 플라즈마의 변수 측정의 한계점을 극복하기 위해, 수정된 충돌-방사 모델을 이용하여 전자온도와 아르곤 준안정 준위 밀도를 진단하였다. 특히, 플라즈마 재흡수를 고려하기 위해 전자의 여기 충돌 단면적에 압력 의존 상수α(P)의 개념을 도입하여 반응 상수(rate constant) 값들을 산출하였다. 이들 압력 의존 상수는 정전 탐침법을 이용하여 전자의 실제 분포함수를 측정한 후 압력에 영향 받는 광방사 세기를 보정함으로써 실험적으로 결정할 수 있었다. 이상적인 EEDF를 가정하는 경우와 비교하여 볼 때, 전자 에너지 분포의 측정은 플라즈마 재흡수에 대한 보정을 가능하게 함과 동시에 비교 가능한 유효한 전자 온도를 제공해 준다. 한편 선택된 방출 선(750.4, 751.5, 794.8, 811.5 nm)들로부터 얻어진 세기 비로부터 플라즈마 변수(Te, n1s5, n1s3) 및 이온화 율을 용이하게 산출할 수가 있었다. 이를 바탕으로 RF (13.56 MHz) 유도결합 플라즈마의 E-H 모드 전이 영역, RF 바이어스(12.5 MHz) 결합 및 N2 기체 혼합 시 수정된 OES 진단법을 적용하여 플라즈마 변수를 진단하였다. 세기 비를 이용한 진단에 의한 플라즈마 변수 측정 결과, 750.4 nm/751.5 nm 세기 비는 높은 에너지(＞13.08 eV)의 전자들의 유효 전자온도를 나타내고 811.5 nm/750.4 nm 세기 비는 아르곤 준안정 준위 밀도 정보를 잘 보여주고 있음을 확인 수 있었다. 이 개선된 진단법의 유효성을 확인하기 위해 3— 50 mTorr 압력, 300 W 유도결합 아르곤 플라즈마에서 실험을 진행하였고 전기 탐침 및 이론 계산 결과와 비교해 본 결과 이전의 실험보다 더 정확하고 신뢰할 만한 전자 온도 및 아르곤 준안정 준위 밀도 정보를 얻을 수 있었다. 이러한 기초 연구 결과를 토대로, 광방출 세기 비를 이용한 OES 진단법을 이용하여 공정 플라즈마 변수를 진단하고 공정에 실제 적용하는데 적합한지 조사하였다. 다양한 플라즈마 운전 환경에서 광방출 세기의 정보를 실시간으로 수집하고 기존의 진단 장치와 비교해 본 결과, 본 연구에서 개발된 OES 진단법의 경우 공정 플라즈마의 변수 감시를 위해 효과적인 적용이 가능함을 확인할 수 있었다.|In this work, a line-ratio optical emission spectroscopy (line-ratio OES) technique was developed to determine the plasma parameters with applicaton to the plasma processing. Argon, non-reactive gas, is very common plasma constituents and mixture with very little perturvation, therefore the emission lines or their ratios are used for the plasma dignostics. Based on the simple collisional-radiative model (CRM), the blanace equations of excited states were estableished to mesure the electron temperatures (Te) and argon metastable level denisities (nm) from the line-ratio method. In low-pressure inductively coupled plasma (ICP), with assumptions of Maxwellian electron energy distribution function (EEDF) and optically thin plasma, these parameters are obtaind and compared with other experimental or calculated results. Our measurements agree well with that of the other data versus the discharge power and pressures (3– 1000 W). However, the valus of Te and nm were somewhat overestimated in the ranges of reltively low powers and high pressures. This is because the optical emissions are considerably changed at high pressures (> 30 mTorr) due to the plasma reabsorption whereas the actual EEDF show a non-Maxwellian at low powers (~ 100 W). Furthermore, the error originated from the use of a number of emission lines are possible to increase with above discharge conditions. In fact, further improvements are required to apply this method to the plasma processing. To overcome this limit or discrapancy of measurements for the plasma parameters, modified simple CRM was used to obtaine the Te and nm. In particaluar, the rate coefficitent are derived from the pressure-dependent cross-scetion taking into account the pressure dependence factor, α(P), to treat the radiation trapping. These α(P) were experimentally determined by using the correction of emission line intensitis against the discharge pressures where the EEDFs were obtained from Langmuir probe measurements. As compared with Maxwellian EEDF, measured EEDF was possible to calibrate the line intensities and at the same time to provide the comparable effiectivce electron temperautes. Meanwhile, the observation of certain argon spectral lines (750.4, 751.5, 794.8 and 811.5 nm) were made with OES and thus the plasma parameters (Te, n1s5 and n1s3) and ionization rate are obtained. From these measurements, line-ratio OES method was applied to the low-pressure ICPs (13.56 MHz) under the E-H mode transition, RF power biasing (12.5 MHz) and Ar-N2 mixtures. The 750.4 nm / 811.5 nm ratio indicates the metastable atom density (1s5) whereas the 750.4 nm / 751.5 nm ratio indicates the effective electron temperature with high-energy electron parts (> 13.08 eV). In order to verify a validity of our measurements, the experimental results in ICP (3– 50 mTorr, 300 W) were compared with those of different experiments and/or calculations. Consequently, more accurate and reliable Te and nm could be obtaind from this modified method. Based on these fundarmental studies, finally, the line-ratio OES method was investigated to analyze the plasma parametes and properties for plasma processing. Detailed information on emission lines was detected at this plasma driven at various environments in real time and compared with those of a conventional electrical diagnostics. As a result, it is revealed that the line-ratio OES technique in this work is suitable to diagnose (or monitor) the plasma parameters with respect to the processing time.; In this work, a line-ratio optical emission spectroscopy (line-ratio OES) technique was developed to determine the plasma parameters with applicaton to the plasma processing. Argon, non-reactive gas, is very common plasma constituents and mixture with very little perturvation, therefore the emission lines or their ratios are used for the plasma dignostics. Based on the simple collisional-radiative model (CRM), the blanace equations of excited states were estableished to mesure the electron temperatures (Te) and argon metastable level denisities (nm) from the line-ratio method. In low-pressure inductively coupled plasma (ICP), with assumptions of Maxwellian electron energy distribution function (EEDF) and optically thin plasma, these parameters are obtaind and compared with other experimental or calculated results. Our measurements agree well with that of the other data versus the discharge power and pressures (3&#8211