대면적 반도체 공정을 위한 플라즈마 발생원에 대한 연구

Abstract

최근 반도체 제조에 있어 플라즈마 공정은 매우 많은 부분을 차지하고 있다. 반도체 생산수율 향상을 위해서는 대면적 공정에서 높은 밀도와 균일한 밀도를 가지는 플라즈마 발생원를 필요로 하며 플라즈마 진단법에 대한 연구 또한 강조되고 있다. 이러한 이유로 본 논문에서는 대면적 공정에 적용하기 위한 플라즈마 진단법에 대한 연구와 플라즈마 발생원에 대한 연구를 진행하였다. 플라즈마 진단법에 있어 단일 랑뮤어 프로브(single Langmuir probe)는 가장 대표적인 전기적 진단법이며, 부유 고조화 진단법(floating harmonics method)의 경우는 플라즈마 공정에 적용을 위해 개발한 진단법이다. 먼저 부유 고조화 진단법에 대한 연구의 경우, 전자의 맥스웰 분포(Maxwellian distribution)을 가정하였던 기존의 방법을 확장하여 비맥스웰 분포에서도 전자 온도를 진단할 수 있는 방법을 제시하였다. 그리고, 프로브 표면이 유전체에 의해 증착되는 환경에서의 진단을 위해 유전체-쉬스(sheath)에서의 전압분배 모델을 적용하여 플라즈마 변수를 측정하는 방법을 제시하였다. 단일 랑뮤어 프로브에 대한 연구의 경우, 정확한 전자에너지 분포함수(electron energy distribution function)를 얻기 위해 기존의 단점을 보완한 AC 중첩법에 대한 연구 및 전류-전압 곡선의 해석을 위한 수치해석 방법에 대한 연구를 진행하였다. 최근 기존의 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma)의 단점을 보완하고 대면적 공정에 적용하기 위한 400 kHz를 사용하는 측면형 페라이트 유도결합 플라즈마를 개발하였다. 측면의 플라즈마 발생원의 특성상 챔버 중심부의 플라즈마 밀도가 낮게 형성되므로 13.56 MHz의 보조 전력을 중심부에 인가해 균일도 개선에 대한 연구를 진행하였다. 보조 전력이 증가할수록 가운데 부분의 밀도가 급격히 증가한 반면 측면의 밀도는 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 측면의 플라즈마로부터 전자의 에너지가 유입되는 것과 두 개의 주파수를 사용함으로써 챔버 중심부와 측면에서의 전자의 가열 메커니즘이 다르게 적용되는 것으로 설명할 수 있었다. 본 연구의 결과를 바탕으로 전자에너지 분포함수와 플라즈마 내에서의 전자에너지 흐름을 제어할 수 있는 방법을 제시할 수 있었다.