Studies on electrical diagnostic methods for measurement of plasma parameters and dielectric film thickness in deposition plasmas

Abstract

본 논문에서는 증착 플라즈마에서 플라즈마 변수와 유전체 막 두께를 측정할 수 있는 전기적 진단법이 연구된다. 먼저, 외부 축전기의 과도 전압 분석법을 분석하는 방법이 제시된다. 프로브에 직렬로 연결된 외부 축전기에 사각 전압이 인가되면, 플라즈마로부터 쉬스를 통해 전류가 흐르게 되고, 이 전류는 외부 축전기를 충전시킨다. 외부 축전기의 과도 전압을 분석하기 위해서, 비선형 쉬스, 외부 축전기, 유전체 막을 포함하는 등가회로 모델이 이용된다. 인가된 전압은 외부 축전기와 유전체 막에 나눠서 인가되기 때문에, 외부 축전기의 과도 전압의 초기 값을 알면, 유전체 막의 축전 용량을 알 수 있다. 또한, 프로브 면적과 유전 상수를 안다면, 유전체 막의 두께 역시 알 수 있다. 외부 축전기의 과도 전압의 시간 응답은 전자 온도, 이온 밀도, 외부 축전기와 유전체 막의 총 축전 용량의 함수이다. 그러므로, 다른 크기를 갖는 두개의 사각 전압이 프로브에 인가되면, 측정된 총 축전 용량을 이용하여 전자 온도와 이온 밀도를 측정할 수 있다. 이 방법의 측정 신뢰도를 확인하기 위해, 전자 에너지 분포함수와 이온 궤도 운동 제한이론을 통해 측정한 전자 온도와 이온 밀도와 측정결과를 비교하였고, 결과가 잘 일치 하였다. 또한, 유전체 막을 대체하는 여러 축전기와 산화알루미늄이 증착된 프로브 팁을 이용하여 유전체 막 두께 측정의 정확성을 확인하였다. 또한, 수정된 부유 프로브 방법이 기존의 부유 프로브방법의 한계를 극복하기 위해 제시된다. 기존 부유 프로브 방법에서는 고밀도 방전 조건에서 플라즈마 밀도가 증가하거나 센싱 저항의 크기가 증가할수록 전자 온도가 과대 측정된다. 따라서, 이를 해결하기 위해, 쉬스의 전압감소를 보상하기 위한 반복 연산을 필요로 한다. 수정된 부유 프로브 방법에서는 직류 차단 축전기의 전압을 직접 측정하여 쉬스에 인가되는 전압을 측정하기 때문에 반복계산을 필요로 하는 한계를 개선한다. 더욱이, 두개의 다른 주파수를 가지는 전압을 인가하여 증착플라즈마에서 유전체 막의 축전용량과 플라즈마 변수 모두 측정할 수 있다. 전자 온도는 제 1 고조화 전류와 제 2 고조화 전류의 비를 이용하여 측정하였고, 이온 밀도는 측정한 전자 온도와 제 1 고조화 전류를 이용하여 측정하였다. 또한, 유전체 막의 두께는 프로브의 면적과 상대유전율을 이용하여 측정할 수 있다. 이 방법의 측정 신뢰도를 확인하기 위해, 전자 온도와 이온 밀도는 EEDF 를 통해 측정한 결과와 비교되었고, 그 결과가 잘 일치 하였다. 또한, 두께 측정의 신뢰도를 확인하기 위해, 유전체 막을 대체하는 다양한 축전기와 산화알루미늄이 증착된 프로브 팁을 이용하였다. 이 논문은 플라즈마 변수 외에 유전체 막의 두께도 측정할 수 있는 전기적인 진단법을 제시한다. 이 방법들을 이용하면, 다양한 플라즈마 공정 중에 생성된 공정 부산물을 측정하여 챔버 내부 상태를 최적화 시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 변수를 측정하여 원하는 플라즈마 상태를 유지할 수 있도록 할 수 있다. 따라서, 이 논문에 제시된 방법들을 이용하여 실시간으로 플라즈마 및 챔버 내벽 상태 모니터링을 하게 된다면 효율적으로 플라즈마 공정을 제어할 수 있을 것으로 기대된다|In this dissertation, electrical diagnostic methods for measurement of plasma parameters and dielectric film thickness in deposition plasmas are developed. Firstly, a method to analyze the transient voltage of external capacitor is proposed. When a square voltage is applied to an external capacitor connected in series with the probe, current flows through the sheath. The current from the plasma charges the external capacitor. To analyze the transient voltage of the external capacitor, an equivalent circuit model including a nonlinear sheath, the external capacitor, and a dielectric film is used. The applied square voltage is divided across the external capacitor and the dielectric film. Therefore, the capacitance of the dielectric film can be obtained if the initial value of the transient voltage of the external capacitor is known. If the relative dielectric constant and the area of the probe are known, the dielectric film thickness can also be obtained. The time response of the transient voltage of the external capacitor is a function of the electron temperature, the ion density, and the total capacitance of the dielectric film and the external capacitor. Therefore, when two square voltages with different amplitudes are applied to the probe, the ion density and electron temperature can be obtained with the measured total capacitance. To confirm the measurement reliability of this method, the ion density and electron temperature from this method are compared with the results from electron energy distribution functions (EEDFs) and ion orbital motion limited (OML) theory in ICP source, and they are in good agreement. In addition, the capacitors to replace the dielectric films and a probe tip coated with Al2O3 are used to verify the accuracy of measurement of dielectric film thickness, and the measured thickness shows the high accuracy. The modified floating probe method (MPFM) is also proposed to overcome a limitation of floating probe method (FPM). In FPM, the electron temperature is overestimated as the sensing resistance and plasma density increase. Therefore, the FPM has the limitation that needs iterative calculations to compensate for the voltage reduction across the sheath. To overcome this drawback, the voltage across the sheath is obtained directly by measuring the voltage across the DC blocking capacitor. Furthermore, two AC voltages with different frequency are applied to obtain the voltage across the sheath and the capacitance of dielectric film in deposition plasmas. The electron temperature is obtained from the ratio of first and second harmonic currents, and ion density is obtained from the measured electron temperature and first harmonic current. The dielectric film thickness is obtained with the probe area and the measured capacitance of dielectric film. To verify the reliability of MFPM, the electron temperature and ion density are measured and compared with the results from EEDFs in ICP. The plasma parameters are compared in various plasma discharge conditions, and they are in good agreement. In addition, various capacitors to replace the dielectric films and a probe tip coated with Al2O3 are used to investigate the accuracy of measurement of dielectric film thickness, and they show high measurement accuracy. This dissertation presents the electrical methods that can measure the dielectric film thickness as well as plasma parameters in deposition plasmas. By using these methods, the byproducts generated during various plasma processes can be monitored to optimize the state of chamber condition. In addition, it is possible to maintain the desired plasma condition by monitoring the plasma parameters. Accordingly, it is expected that the proposed methods in this dissertation contribute to achieving better processing results in semiconductor industry.