Deposition 플라즈마 깜빡임에 대해 질문이 있습니다. [Ionization collision 및 Effective ionization energy]
2018.06.01 14:09
안녕하세요. 반도체 회사에서 근무하고 있는 김용운 이라고합니다. 현재 플라즈마가 안정된 조건을 찾으려고 여러가지 공정 변수(압력, RF power, gas량 등)을 조절해가며 테스트 중입니다. 테스트중 몇가지 궁금한 점이 생겨서 여쭤보고자 질문 드립니다. RF generator 주파수는 13.56MHz이며 CCP 형식의 챔버 입니다.
질문 1) 플라즈마가 불안정한 경우 육안으로 플라즈마를 봤을때 1초에 1~3회씩 번쩍입니다. 로그를 확인해보면 공정 진행시 RF reflect가 큰 수준도 아니고(RF power가 2000W를 넘는데 reflect는 10W이하 입니다) 챔버를 열어봤을때 아킹 자국이 남아있지 않았습니다. 아킹도 아니고 reflect가 심한 것도 아닌데 플라즈마가 깜빡이는 이유가 궁금합니다.
질문 2) 몇 가지 테스트를 한 결과 압력을 높이고, Ar의 유량을 낮추고, RF power를 낮춰야 플라즈마 깜빡이지 않고 안정적인 빛이 나는 것을 확인 했습니다. 압력을 높이고 Ar의 유량을 낮추는 것으로 챔버 내에 Gas 잔류시간을 높이고, RF power를 낮춤으로 전자의 에너지가 너무 높아서 원자와 반응하지 못하는 것을 방지하여 안정적인 플라즈마가 생성된다고 보고 있습니다. 그런데 여기서 전자의 에너지가 높다라는 기준이 궁금합니다.
3Torr / 2500W로 플라즈마가 깜빡이면서 켜졌을 당시 Vpp가 170V 였습니다. 플라즈마가 형성되는 두 극판의 면적이 거의 비슷하여 self DC bias가 없다고 가정하면 전자의 에너지는 170V의 절반인 약 80~85eV 정도일 것으로 생각됩니다.
Ar과 He이 이온화되는 최대 충돌 단면적이 60~100eV에서 형성되는 것을 보면 에너지가 높은것 같지 않아보입니다. 단순히 Vpp만으로 전자 에너지를 계산하고 충돌 단면적에 대입하는 것이 맞는지 궁금합니다.
※ 플라즈마를 만드는 두 극판 사이의 거리는 6mm 이며 압력은 3~7Torr, RF power는 1500~2500W 까지 테스트를 진행 했습니다.
질문 3) 질문 2)와 이어지는 질문입니다. p = 3Torr, Vpp = 170V이면 플라즈마가 불안정 하고 p = 8Torr, Vpp = 180V이면 플라즈마가 안정적으로 생성이 되었습니다. 그렇다면 플라즈마가 생성이 된다는 것은 전자의 에너지 뿐만 아니라 MFP(mean free path)까지 같이 고려해야 할것 같아서 계산을 해봤습니다. 다른 질문에 답변해 주신 글 중에
압력에따른 중성입자의 수는 ng=3.3x10^13 /mTorr, mean free paths는
lamda=1/(ngxsigma)
lamda= mean free path
sigma=cross section
여기서 충돌단면적은 반응종류, 기체종류 그리고 전자의 Energy 에따라 다르므로 조심해야 합니다.
이 답변을 참고하여
lamda = 1 / ((1.43*10^13)*(3000 or 8000)*(3.03*10^-16))
이렇게 계산했더니 3Torr일때 0.76mm와 8Torr 0.28mm가 나왔습니다.
※답변해 주신 식에 차원이 맞지 않아서 중성 입자의 수에다가 압력을 곱했고 중성입자의 수 ng는 단위를 1/(mTorr*m^3) 로 계산했습니다.
※ng의 값은 이상기체상태 방정식으로 온도 400℃를 대입하여 산출 하였습니다.
※Cross section은 http://plasma.kisti.re.kr 에서 Ar의 이온화 cross section을 검색하였고 전자의 에너지는 160eV 일 때의 cross section 값으로 계산하였습니다.
두 mfp 모두 두 극판 사이의 거리 6mm보다는 짧아서 문제가 없어 보이는데 제가 생각못하고 있는 부분이 있는지 알려주시면 감사하겠습니다.
질문 4) 챔버 내에 gas 잔류 시간이 0.5초 이상일 경우 1800W의 파워를 인가했을때 안정적인 플라즈마가 켜지는 것을 확인 했습니다. 그런데 다른 조건에서는 gas 잔류 시간이 1초 이상임에도 불구하고 1800W에서 플라즈마가 깜빡였습니다.
조건을 비교해보니 안정적인 조건은 He과 Ar의 유량비가 He:Ar=1:6 이었고 불안정한 조건은 He:Ar=1:1 이었습니다. 저는 He의 최대 이온화 충돌 단면적이 최대 0.3E-16 cm^2(Ar의 1/10수준)이라서 He이 많아지면 플라즈마가 불안정해진다고 생각했습니다.
하지만 He이 플라즈마 생성을 방해했다면 아예 플라즈마가 안켜져야 할 것 같은데 깜빡이는 이유를 잘 모르겠습니다.
※ 챔버 내 gas 잔류 시간은 (압력)*(챔버 볼륨)/(총 유량) 으로 계산했습니다. 압력은 6Torr에 두 극판 사이 거리는 6mm 였습니다.
항상 이 사이트에서 궁금한 것들을 많이 해소하고 갑니다. 검색해보니 비슷한 질문은 없는 것 같아 질문 드립니다.
항상 감사합니다!
플라즈마가 유지되기 위해서는 방전 공간 내에서 생성되는 플라즈마와 소멸되는 플라즈마가 균형을 이뤄야 할 것 입니다. 대부분의 플라즈마 생성은 ionization collision 반응으로 만들어 지며 (여러 경로가 있을 수 있겠고, inert gas plasma 인 경우 metastable 을 거쳐가는 steop ionization 및 penning ionization 등이 추가 이온화 인자임) 대부분의 손실은 전자-이온 들의 재결합에 의한 손실량입니다. 생성률이 크다면 플라즈마는 점차 밝아지는 형태를 띄겠고, 어두워진다면 소멸이 강한 상황임을 알 수가 있겠습니다. 따라서 깜박이고 있다는 이야기는 생성을 위한 전기장이 유지되고 있고 이온화가 계속되고 있으나, 손실의 크기가 더 크다는 것을 알 수가 있습니다. 여기서 한가지 힌트는 이온화를 고려함에 있어 단일 원자 혹은 분자의 이온화 에너지 보다, 공간내 입자의 이온화 상태를 유지하기 위해서는 이온화 즉시 다시 재결합하거나 주변 공간으로 빠져나가는 입자들에 의한 손실분을 충족하기 위한 effective ionization energy는 입자의 ionization 에너지보다 큰 값을 요구한다는 점을 기억할 필요가 있겠습니다. 또한 손실을 고려함에 있어 전자의 거동이 더욱 중요하고, 플라즈마가 유지되면 전극면에 생기는 쉬스 전위는 낮은 에너지 전자의 손실을 막아 줍니다. 따라서 공간에 충분한 전기장이 걸려 있는 경우에는 이들 전자는 이온화에 참여할 수가 있어 플라즈마 유지에 유효 인자가 될 것 입니다. 하지만 쉬스가 제대로 형성되지 못하였다면 대부분의 전자들이 쉽게 손실됨으로 플라즈마 안정화가 더욱 어려워 질 수가 있습니다.
또한 위에 언급한 이온화에 필요한 에너지를 전기장으로 부터 받는다고 하였습니다. effective ionization 에너지는 공간의 전기장xnetural-electron collision meanfree path 로 얻을 수가 있겠습니다. 여기서 헬륨과 알곤의 값이 다르며, 또한 step ionization에서 필요한 에너지 값이 차이가 있습니다. 따라서 두개의 입자들이 얻은 에너지가 충분하다면 유지에, 사이에 있다면 깜빡 거림이 일어날 확률이 높을 것 같습니다. 흥미로운 주제로서, 저희도 실험을 진행하고 있으나 저희 장치에서는 깜빡 거림을 확인하기가 쉽지 않았습니다.