RF 회로 도식적 해석법의 임피던스 매칭과 전기적 탐침에 적용 연구

Abstract

본 논문은 RF 플라즈마 계측과 응용 기술을 보다 효율적으로 수행하기 위한 수동 회로 (R, L, C) 설계/해석 기술에 관한 내용을 기술하고 있다. 구체적으로 랭뮤어 프로브 RF 보상회로, 임피던스 매칭 회로, 플라즈마 공정 중 실시간으로 변화하는 증착막의 두께 측정을 위한 모사 회로 해석 등이 포함되어 있다. 그 외에도 RF 플라즈마를 사용하는 많은 응용 분야(RF 필터, 임베디드 시스템 등)에서 수동 회로의 활용이 필요하다. 이를 위해 설계/활용 방법이 동일한 원리로 적용될 수 있도록 도식적 해석법이 제시된다. 이 도식적 해석법을 이용하여 각 분야에 필요한 수동 회로를 효과적으로 설계/해석하고, 실험적 검증을 통해 이를 확인한다. 랭뮤어 프로브 측정법에서 잘 알려진 RF 보상 방법인 외부 수동 필터 회로의 기존 단점을 보완하였다. 이를 통해, RF 보상 능력이 대폭 향상되어 품질 좋은 전자 에너지 분포 함수(Electron Energy Distribution Function, EEDF)를 측정할 수 있게 된다. 이 품질 좋은 EEDF는 더욱 정확한 플라즈마 변수를 제시할 뿐만 아니라 기존에는 확인할 수 없었던 EEDF의 미묘한 변화의 관찰로 RF 왜곡에 의해 감추어졌던 자세한 물리적 특성까지 보여준다. 실험적 검증은 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)와 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 챔버에서 EEDF를 측정함으로 진행되었다. 이 논문에서 제안되는 해석법으로 설계된 수동 회로 필터는 효과적으로 RF 보상을 수행하여 고품질 EEDF, 정확한 플라즈마 변수들을 측정할 수 있게 하였고, 더 나아가 전자 가열 모드 전환, 전자 방전 모드 전환 등 자세한 물리적 특성도 관찰할 수 있게 하였다. 도식적 해석법을 임피던스 매칭 회로에 적용하여 기존 임피던스 매칭 회로를 분석했다. 이를 바탕으로 부하별 매칭 회로의 파라미터 설계를 더욱 직관적으로 할 수 있게 되었다. 반도체 공정에서 많이 사용되는 L-Type 매칭 회로에 맞은 효율적인 매칭 알고리즘을 제시하고, 상용 임피던스 매칭 시스템에 적용하여 매칭 시간과 경로를 평가 한 결과 제시된 알고리즘이 기존 매쳐의 성능을 크게 향상했음을 확인하였다. 플라즈마 공정에서 증착막의 두께를 실시간으로 측정할 수 있는 전기적 진단법에 관한 기존 연구들의 수식들을 하나로 표현하였다. 하나로 표현된 수식으로 기존 연구들의 장단점을 분석하였고, 이를 바탕으로 저밀도 플라즈마와 같이 실시간으로 두께를 측정하기 어려운 환경에서 사용할 수 있는 새로운 방법을 제시한다. 이 제시된 방법은 저밀도 ICP 아르곤 플라즈마와 상용 Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) 장비에서 실험적 검증을 통해 성능이 확인된다.