Sheath CVD 공정에서의 self bias
2021.06.13 19:47
안녕하세요 반도체 제조업에서 설비업무 맡고있는 저년차 사원입니다.
self bias 현상이 일어나게 되는 메커니즘을 3가지정도 배웠습니다.
1. RF 관점에서 순전류는 0이어야하기 때문에 더 크고 무거운 ion을 끌어오기 위해서 전극의 전위가 낮아지는 효과
2. 전극의 크기 차이로 인한 전자의 축적으로 전극의 전위가 낮아지는 효과
3. blocking capacitor에서의 전자의 축적으로 전극의 전위가 낮아지는 효과
실제로 CVD chamber 내 shower head보다 heater의 크기가 작고 blocking capacitor의 존재로 2번, 3번은 납득이 됩니다..
사내 semina에서 배우기로는 ETCH 설비와 다르게 CVD 설비는 shower head에 RF가 인가되고 heater쪽이 접지로 연결되어 있다고 했는데..
그렇다면 1번 효과에 의해 heater가 아니라 shower head쪽 전극이 음극역할을 하게 되는건가요???
(http://pal.snu.ac.kr/index.php?mid=board_qna_new&document_srl=81598 에서의 답변 참고했습니다)
만약 맞다면, 2번,3번 효과의 경우 heater쪽 전위가 낮아지게 되는걸로 보이는데, 1번에 의한 효과와 서로 경쟁하는건가요????
학부출신으로 회사와서 아는건 없고 궁금한건 많은데 얕게 배운 지식으로 업무와 연관지으려 하니 힘이드네요 교수님..
많이 배워가고 있습니다.
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Self Bias에 대해서 잘 이해하고 계십니다.
이 현상이 발생하는 원인은 플라즈마는 이온과 전자 (하전입자)들로 구성되어 있고, 전자의 무게가 이온에 비해서는 수천배 가볍기 때문에 전자는 온도도 높고, 활발하게 (이동도) 거동을 하며, 거동이란 전기장을 인가했을떄 빠르게 움직인다는 의미입니다.
따라서 전극에 전압이 걸리면 전극 표면에 수직으로 전기장이 만들어는데, 이 전기장을 따라서 전자와 이온이 전극으로 입사하게 됩니다.
만일 전극이 절연되어 있거나 부도체라면 DC 직류전류가 흐르지 않을 것입니다. 전류는 전하 밀도 x 속도이며 속도는 전극의 표면 전위의 크기에 질량을 나눈 값으로 결정이되므로, 전자 전류 밀도가 이온 전류 밀도보다 크고, 따라서 전자들이 전극의 표면에 많이 쌓이게 됩니다. (물론 시간이 지나면 접지쪽으로 흘러나가겠지요), 이는 전극의 표면 전압이 바뀌는 주파수, 전압 크기와 이온종류(질량)에 따라 다릅니다. 표면에 축적되는 전하 (전자에 의한 음전하)가 계속 쌓이고, 음전위로 옮겨가면서 이온의 가속이 되고 전자들의 입사량이 감소하면서
이온전류와 전자전류가 같아지게 됩니다. 이때의 표면 전위는 충전에 의한 전위 (전압)으로 인가된 전원 전압(RF)의 DC shift 값을 의미하게 되며, 플라즈마와 만나는 전극의 DC shift 전압을 스스로 결정이 되는 값으로서 selfbias 값이라고도 합니다.
따라서 모든 전극면에는 DC shift 전압이 만들어집니다. 이를 wafer 단에서 사용하려는 식각 이온의 식각 에너지를 키우기 위해서 Vpp 값을 키우며 이온 플라즈마 주파수 미만의 주파수를 사용하게 됩닏. 또는 전극의 RF를 인가해서 플라즈마 생성을 하는 경우라면 전극에 VHF (이온 주파수 보다 높은 주파수)를 사용해서 전자 가열을 통해서 플라즈마 생성을 조절하게 됩니다. 이때에도 전극 상에는 DC 바이어스가 생기고 이는 power 전극의 sputtering을 유발하기도 하지만, 이차 전자를 방출하게 함으로써 플라즈마의 발생을 지원하는 역할도 합니다.
또한 경우수가 RF 플라즈마의 플라즈마는 전위가 RF 특성을 가집니다. 즉 플라즈마 전위가 osciilation을 하는 경우에도 이온/전자 거동으로 인해서 floating 전극 상에는 DC bias 가 형성됩니다 다만, 그 크기는 plasma 의 field 차폐 특성으로 인해서 그리 크지는 않습니다.
좀더 입자 (이온과 전자)와 재료 표면과의 반응을 고려할때, DC 바이어스와 묶어서 생각할 현상이 하나 더 있습니다. DC bias는 하전된 양에 따라서 형성되는 표면 전위이므로, DC 성질을 가집니다. 이는 전극에 인가된 RF 전압에 의한 값으로 RF 전위의 변동 값의 DC offset (shift) 값으로 실제 전극 표면에는 Vpeak-peak - Vdc 값이 형성되어 있습니다. 즉 전극 상에 전압은 DC 만 있는 것이 아님을 잊지 않으셔야 하고, 이 전극의 시간 위상에서 이온의 입사와 전자의 입사 및 이차 전자 생성과 전자 가열과 입사 이온의 에너지 분포 등이 형성되니, 이 현상을 세밀하게 조절함으로서 보다 정교하게 표면처리를 하거나 플라즈마 조건을 조절할 수가 있게 됩니다. 시각을 가지고 공부하시면 필요한 적정기술을 찾으실 수 있겠습니다.