ICP etching 시스템의 RF bias 전극에서 측정된 전기적 특성과 플라즈마 파라미터와의 상관관계

Abstract

본 논문에서는 ICP(Inductively Coupled Plasma) etching 시스템의 RF bias 극판에서 바라본 전압, 전류, 위상을 VI probe를 이용해 측정하여 Ar 플라즈마 임피던스와 상용 에처 공정 변수 간의 관계를 해석하고, CF₄플라즈마 임피던스와 식각률 간의 상관관계를 분석하였다. 기존의 VI probe의 측정값을 이용한 연구는, 전송선로(Transmission line), ESC(ElectroStatic Chuck)의 영향을 포함하기 때문에 측정 정밀도가 떨어진다. 따라서 전송선로, ESC의 각 부품을 포함한 챔버 내부의 회로 모델링(Transmission Line and components of ESC parts Circuit Modeling: TECM)을 설립하고, 플라즈마 모델링을 적용하여 플라즈마 저항(Rₚ), 플라즈마 인덕턴스(Lₚ), 쉬스 캐패시턴스(Cₛₕ)를 도출했다. 이를 통해 각종 플라즈마 상태를 진단하는 변수들을 기존의 진단 방법보다 정확히 측정함으로써 효과적인 플라즈마 공정을 가능하게 한다. Ar 플라즈마에서는 새롭게 적용한 모델링을 통해 도출한 플라즈마 임피던스와 플라즈마 파라미터와의 연관성을 증명했다. 이온밀도에 비례하여 Cₛₕ가 변하였고, Rₚ와 Lₚ는 반비례하는 경향을 확인했다. 또한, 기존의 측정 저항값보다 TECM을 적용한 저항값이 플라즈마 파라미터인 전자온도, 이온밀도와 높은 상관관계를 얻었다. CF₄플라즈마에서는 식각을 진행하는 동안 섭동을 주지 않고, 플라즈마의 변화를 실시간으로 관찰하면서 높은 정확도로 식각 결과와 비교했다. 이온밀도를 가장 잘 대변하는 파라미터가 Cₛₕ인 것을 확인했고, 이를 이용하여 소스파워와 압력에 따른 식각률의 영향을 확인했다. 또한 Cₛₕ값을 보상해 줬을 때 바이어스 파워의 영향까지 고려하여 식각률과의 높은 상관관계를 얻었다. 결과적으로 VI probe를 이용하여 새로운 모델링을 적용했을 때, 공정 중 개입 및 왜곡 없이 실시간으로 공정의 이상 점을 확인할 수 있다.; In this paper, the correlation between the plasma parameters and electrical parameters was studied by improving the conventional method measured at RF bias electrodes VI probe has been used to measure electrical impedances as non-invasive monitoring method in plasma etcher. Voltage, current, and phase difference was measured using VI probe at the output of the RF bias matcher connecting the transmission line, ceramic components, and electrostatic chuck. The network analyzer measured the impedance of the chamber components, and this impedance had to be excluded because these components interfered with obtaining the genuine plasma impedance. The correlation between the genuine plasma impedance such as resistance(Rₚ), an inductance of plasma(Lₚ) and total sheath capacitance(Cₛₕ), and plasma parameters such as ion density(nᵢ), and electron temperature(Tₑ) derived by floating harmonic method in Ar plasma and CF₄ plasma, each has been analyzed. The correlation of genuine plasma impedance and plasma parameters can be obtained more accurately than the measured plasma impedance. In addition, the etching rates of SiO₂ and Si₃N₄ were compared with the genuine plasma impedance in CF₄ plasma. The etching rates were directly proportional to the total sheath capacitance. In conclusion, Monitoring genuine plasma impedance can be used to non-invasively inspect plasma parameters in real-time.