저압 유도 결합 플라즈마에서 비충돌 가열에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 반도체 공정에서 널리 사용되고 있는 저압 유도 결합 플라즈마(ICP)에서 비충돌 가열에 관한 연구를 진행하였다. 저압 플라즈마에서는 가열 영역에서 가속된 전자가 챔버 전체를 충돌 없이 이동할 수 있기 때문에 고압 플라즈마와는 다른 특성을 가지게 된다. 저압 플라즈마에서 전자들은 중성종과의 충돌을 통한 국부적인 가열(옴의 법칙)보다는 주로 비충돌 가열 방법으로 에너지를 얻는다. 따라서 이 논문에서는 저압 플라즈마 특성을 이해하기 위해 유도 결합 플라즈마에서 전자의 비충돌 가열에 대하여 연구하였다. 저압 유도 결합 플라즈마의 특성을 확인하기 위해 인가 전력에 따른 전자 에너지 분포 함수 측정을 통하여 플라즈마 변수 변화를 관찰하였다. 전력에 따른 밀도 변화를 보면 저전력에서 전력 대비 플라즈마 밀도가 높게 유지되는 것을 확인하였다. 이는 저압 저밀도 플라즈마의 전자 에너지 분포 함수가 bi-Maxwellian 분포이고, 이 분포 함수가 낮은 전력에서도 플라즈마 밀도를 높게 유지하는 데에 유리하기 때문이다. 높은 온도를 갖는 고에너지 전자들은 적은 에너지로 이온화 반응을 하여 효율적으로 높은 플라즈마 밀도를 만들 수 있게 해준다. 또한 낮은 온도를 갖는 저에너지 전자들은 플라즈마의 에너지 손실 속도(Bohm velocity)를 낮추어 높은 밀도를 만들기 유리하게 해준다. 일반적으로 저압 플라즈마에서 전자 에너지 분포 함수가 bi-Maxwellian 분포인 것은 전자의 운동 에너지에 따라 비충돌 가열로 얻는 에너지의 크기가 다르기 때문이다. 저압 플라즈마에서 전자의 비충돌 가열 방법으로는 전자가 표피 길이에서 최대한 에너지를 얻는 통과 시간 공진(transit time resonance)과 전자가 챔버를 횡단하여 반대편 플라즈마 경계에서 반사되어 가열 영역으로 다시 들어가는 튕김 공진 (bounce resonance)이 있다. 두 공진 조건은 주파수에 영향을 받으며, 추가적으로 통과 시간은 표피 길이와 반면에 튕김 공진은 챔버 길이와 관련이 있다. 플라즈마 밀도를 일정하게 유지한 상태에서 주파수를 변화시키며 전자 에너지 분포 함수를 측정한 결과, 전자들이 가열되는 에너지 영역이 주파수가 커지면서 더 높은 에너지로 이동하는 것을 관찰하였다. 이는 비충돌 가열 조건을 만족할 수 있는 전자의 에너지가 주파수가 커지면서 증가하기 때문이다. 또한 두 가열 조건을 동시에 만족시킬 때, 전자 에너지 분포 함수의 기울기가 평평해지면서 전자가 더 많은 에너지를 얻을 수 있었다. 이 외에 플라즈마에 인가한 전력을 바꾸면서 전자 에너지 분포 함수를 측정해본 결과, 파워가 증가할수록 전자 가열 영역이 낮은 에너지로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 통과 시간 공진에 의한 것으로 파워가 증가할수록 플라즈마 밀도가 커지면서 표피 길이가 짧아져 공진을 만족하는 전자의 에너지가 낮아졌기 때문이다. 튕김 공진 조건에서 볼 수 있듯이 저압 플라즈마에서는 전자 가열이 챔버 길이와도 관련된다. 안테나에 흐르는 전류를 일정하게 유지하면서 챔버 길이에 따라 플라즈마 저항을 측정해보았다. 측정 결과, 특정 챔버 길이에서 플라즈마의 저항이 최대가 되며 이는 비충돌 전자 가열이 최대가 되는 조건과 관련 있는 것을 알 수 있었다. 전자 가열이 최대가 되는 최적 챔버 길이 (optimal chamber length)는 대략 표피 길이의 수 배정도이다. 따라서 안테나 전류를 증가함에 따라 플라즈마 밀도가 증가하고 표피 길이가 짧아지므로 최적 챔버 길이 또한 점점 짧아지는 것을 관찰할 수 있었다. 저압 플라즈마는 일반적으로 전력 흡수 효율이 낮으며, 플라즈마의 방전과 유지가 어렵다. 따라서 저압 유도 결합 플라즈마에서 비충돌 가열을 이해함으로써 저압 플라즈마를 효율적으로 유지하기 위한 공진 조건을 찾을 수 있었다. 또한, 저압 유도결합 플라즈마의 전자 가열 원리 및 특성에 관한 연구는 플라즈마 물성에 대한 이해뿐만 아니라 반도체 식각용 플라즈마 장비 설계 및 플라즈마 제어에도 큰 도움이 되리라 기대된다.; This thesis studies the collisionless heating in a low pressure inductively coupled plasma (ICP) widely used in semiconductor plasma processing. In low pressure plasmas, accelerated electrons in the heating region can travel across the chamber without collisions, thus low pressure plasmas have different characteristics from high pressure plasmas. In low pressure plasmas, electrons gain energy through a collisionless heating mechanism rather than a collisional heating mechanism (Ohm's law) since electrons hardly collide with neutral species. Therefore, the collisionless electron heating in inductively coupled plasma has been studied for understanding low pressure plasma characteristics. For characterization of the low pressure inductively coupled plasma, the change of the plasma parameters was observed by measuring the electron energy probability functions (EEPFs) at various powers. It was observed that the plasma density at low powers is higher than the expected density from the density gradient at high powers. It is because the plasma has a bi-Maxwellian electron energy distribution at low powers. The bi-Maxwellian distribution has an advantage to maintain high plasma density even at low powers. High energy electrons with high temperature consume less energy in ionization, which generates high density efficiently. Low energy electrons with low temperature make lower Bohm velocity and lower energy loss to make high density. Generally, low pressure plasmas have a bi-Maxwell distribution because the energy gain by the collisionless heating has a dependence on the electron kinetic energy. There are two collisionless heating mechanisms in low pressure plasma. One is a transit time resonance that electrons get maximum energy at skin depth, and the other is a bounce resonance that electrons get back into the heating region and gain energy again. The two resonance conditions has a frequency dependence. The transit time resonance is related to the skin depth, and the bounce resonance is related to the chamber length. It was observed that as the frequency increases while the plasma density remains constant, the energy region in which the electrons are heated shifts to the higher energy in the EEPF. This is because the energy of electrons that can satisfy the collisionless heating condition increases as the frequency increases. Also, if both the collisionless heating conditions are satisfied, the slope of the EEPF becomes flatter and the electrons can gain more energy. It was observed that the flatted region in the EEPF moves to low energy as the power increases. This is because of the transit time resonance. As the power increases, the plasma density increases and the skin depth becomes shorter, so that the energy of the electrons satisfying the resonance is lowered. As the bounce resonance conditions, the electron heating in low pressure plasma is related to the chamber dimension. Therefore, the plasma resistance was measured with the chamber lengths while the antenna current was kept constant. The plasma resistance has the maximum at a certain chamber length, which is related to the condition that the collisionless electron heating becomes the maximum. The optimal chamber length for effective electron heating is about several times of the skin depth. Therefore, as the antenna current increases, the plasma density increases and the skin depth decreases, so that the optimal chamber length also becomes shorter. Low pressure plasma generally has low power absorption efficiency, and discharging and maintaining the plasma are difficult. Therefore, by understanding the collisionless heating in low pressure plasmas, the resonance conditions can be found to maintain the low pressure plasma efficiently. Also, the studies on the principle and the characteristics of electron heating in low pressure ICP is expected not only to understand plasma but also to design semiconductor etching plasma equipment and plasma control.