공정 개선을 위한 유도결합플라즈마 방전특성분석 및 진단법에 관한 연구

Abstract

반도체 및 디스플레이 산업에서 중요하게 활용되는 유도 결합 방전 플라즈마의 방전 특성 및 플라즈마 진단법에 대한 연구를 하였다. 플라즈마 방전 특성에 대한 연구는 크게 두 가지 이며 변압기 회로모델 분석과 약 자기화 된 유도결합 플라즈마의 공간 특성 분석이다. 플라즈마 진단법에 대한 연구 역시 크게 두 가지로 변압기 회로모델을 이용한 비 침투 식 진단방법과 부유 고조파 분석법에서 다양한 인가전압에 따른 전류 고조파 특성 분석에 관한 연구이다.

변압기 모델을 이용하여 유도결합 플라즈마의 방전특성을 회로적인 관점에서 해석하였다. 변압기 모델의 등가 회로 분석을 통해 플라즈마에 전달되는 최대 전력 전달 조건을 얻을 수 있었으며, 그 조건은 챔버 반경에 대한 표피 깊이와 구동주파수 에 대한 전자-중성 입자 충돌 주파수에 대하여 밀접한 연관이 있다. 이러한 회로 적 접근에 의한 최대 전력 전달 조건의 타당성을 검증하기 위해 맥스웰 방정식을 이용한 기존의 연구 결과와 비교해 보았으며 잘 일치함을 확인 하였다. 또한 변압기 등가 회로 해석 결과를 통해 얻어진 최대 전력 전달 조건을 확인하기 위한 아르곤 플라즈마에서 실험을 진행하였고 이론값과 경향성이 잘 일치함을 확인하였다. 약자기장 조건에서의 유도결합 플라즈마의 공간 특성에 대한 연구내용을 진행하였다. 솔레노이드형의 ICP에 직류 자기장을 걸어 그 자기장과 수평 한 방향으로의 전자온도, 플라즈마밀도, 플라즈마 전위 등의 플라즈마 변수들을 랭뮤어 탐침 진단법을 이용하여 측정하였다. 100 W 전력과 10 mTorr 압력 조건에서 단일 랭뮤어 탐침측정법을 사용하였으며, 직류 자기장은 0~50 G로 비교적 약하게 걸었다. 직류자기장과 관련된 기존의 ICP실험들은 주로 전자속박(electron confine)과 관련된 물리현상이나, 그로인한 균일도(uniformity) 개선효과 등 자기장과 수직 조건에서의 논점들을 다루고 있다. 본 논문에서는 자기장과 수직한 방향으로의 플라즈마 전위 분포가 역전되는 현상과 관련하여 수평방향으로의 특성을 측정함으로써 전자-이온의 전체 선속 균형이 어떻게 이루어지는가에 대한 연구를 하였다. 플라즈마 진단법과 관련하여 회로해석방법을 이용하여 유도결합 플라즈마의 변수를 비 침투 적 방법으로 진단하는 방법을 제안하였다. 유도결합 플라즈마 방전 시 사용되는 L형 임피던스 정합장치 (impedance matcher)의 경우 일반적으로 직렬 및 병렬 콘덴서가 연결되어있으며, 임피던스 정합조건이 되었을 때 전원과 안테나 사이에 있는 임피던스 정합장치의 소자 값이 특정 값을 가지게 된다는 점에 착안하여 임피던스 정합조건과 플라즈마 내부 변수들의 상관관계에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 유도결합 플라즈마의 임피던스 정합조건과 유도결합 플라즈마의 변압기 회로 모델을 이용하여 플라즈마 저항 및 플라즈마 인덕턴스를 구하기 위한 관계식을 도출하고 임피던스 정합장치의 직렬 및 병렬 콘덴서 용량 값을 측정하여 플라즈마 저항 및 플라즈마 인덕턴스 값을 계산하였다. 결과 검증을 위해 다양한 압력 및 전력 조건에서 부유 랭뮤어 탐침측정법을 이용하여 플라즈마 밀도를 측정하여 비교해 보았으며, 두 결과의 경향성은 잘 일치함을 확인하였다. 부유 랭뮤어 탐침측정법과 관련하여 정현파, 톱니파, 구형파, 삼각파 형태의 전압 파형들을 시스에 인가하였을 때, 탐침으로 들어오는 고조파전류들의 특성을 연구 하였다. 탐침으로 들어오는 플라즈마전류파형 및 기생전류파형의 모양과 고조파전류들에 대해 고찰하였고, 각각의 전압파형을 인가하였을 때 다양한 압력과 파워조건에서 부유 고조파 측정법을 이용하여 전자온도와 플라즈마 밀도를 측정하고 결과를 단일 랭뮤어 탐침측정법과 비교하였다. 정현파, 삼각파는 단일 랭뮤어 탐침측정법과 잘 일치하는 결과를 보였고, 톱니파는 실험상의 오차로 정확한 측정이 안 되었으며, 구형파는 전류파형의 과도현상으로 인해 측정이 안 되었다. 그리고 기존의 부유 고조파 측정법을 개선하여 부유전위의 변화와 제 1 고조파들의 비를 이용해서 전자온도를 구하는 방법을 제안하였다.|In this paper, plasma diagnostics and characteristics of inductive coupled plasma were studied. First, correlations between the external discharge parameters (the driving frequency and the chamber dimension ) and plasma characteristics (the skin depth and the electron-neutral collision frequency ) are studied using the transformer circuit model [Piejak R B et al., Plasma Sources Sci. Technol. 1 179 (1992)] when the absorbed power is maximized in an inductively coupled plasma. The results of this circuit analysis are consistent with the condition of stable inductive mode region of an inductive-to-capacitive mode transition [Lee and Chung, Physics. Plasmas, 13 063510 (2006)], which was theoretically derived from Maxwell’s equations. Our results were also in agreement with the experimental results. Spatial characteristics of plasma parameters such as electron temperature, plasma density, plasma potential, and electron energy distribution (EED) were studied in inductively coupled plasma with an axial dc magnetic field. With dc magnetic field, the measured EEDs in the total electron energy scale are spatially coincided except cutting of the low electron energy part indicating the conserved non-local electron kinetics in an axial direction, even though the dc magnetic field is applied. We also discuss the reduction of the ambipolar potential along the axial direction as the applied magnetic field increased. Next, plasma diagnostics were studied. A non-invasive method for plasma diagnostics using matching condition and plasma circuit model was proposed. Both inductive coupled mode and capacitive coupled mode were considered in the circuit model. Plasma resistance can be calculated from the equation which depend on value of load capacitance. This non-invasive diagnostic method was compared with electrical probe diagnostic at various discharge conditions and agreed well. The characteristics of probe currents induced by applying various probe voltage wave forms, such as sinusoidal, sawtooth, square, and triangular, were investigated at a floating potential. It was found that the measured probe currents have many harmonics depending on the voltage wave forms. This was mainly due to the nonlinearity of the sheath in the plasma and was analyzed using the fast Fourier transform and a circuit model. By applying a triangular voltage waveform to a probe, plasma parameters such as electron temperature and plasma density could be obtained and compared to those of a single Langmuir probe and a floating harmonic method.; In this paper, plasma diagnostics and characteristics of inductive coupled plasma were studied. First, correlations between the external discharge parameters (the driving frequency and the chamber dimension ) and plasma characteristics (the skin depth and the electron-neutral collision frequency ) are studied using the transformer circuit model [Piejak R B et al., Plasma Sources Sci. Technol. 1 179 (1992)] when the absorbed power is maximized in an inductively coupled plasma. The results of this circuit analysis are consistent with the condition of stable inductive mode region of an inductive-to-capacitive mode transition [Lee and Chung, Physics. Plasmas, 13 063510 (2006)], which was theoretically derived from Maxwell’s equations. Our results were also in agreement with the experimental results. Spatial characteristics of plasma parameters such as electron temperature, plasma density, plasma potential, and electron energy distribution (EED) were studied in inductively coupled plasma with an axial dc magnetic field. With dc magnetic field, the measured EEDs in the total electron energy scale are spatially coincided except cutting of the low electron energy part indicating the conserved non-local electron kinetics in an axial direction, even though the dc magnetic field is applied. We also discuss the reduction of the ambipolar potential along the axial direction as the applied magnetic field increased. Next, plasma diagnostics were studied. A non-invasive method for plasma diagnostics using matching condition and plasma circuit model was proposed. Both inductive coupled mode and capacitive coupled mode were considered in the circuit model. Plasma resistance can be calculated from the equation which depend on value of load capacitance. This non-invasive diagnostic method was compared with electrical probe diagnostic at various discharge conditions and agreed well. The characteristics of probe currents induced by applying various probe voltage wave forms, such as sinusoidal, sawtooth, square, and triangular, were investigated at a floating potential. It was found that the measured probe currents have many harmonics depending on the voltage wave forms. This was mainly due to the nonlinearity of the sheath in the plasma and was analyzed using the fast Fourier transform and a circuit model. By applying a triangular voltage waveform to a probe, plasma parameters such as electron temperature and plasma density could be obtained and compared to those of a single Langmuir probe and a floating harmonic method.