안녕하세요.

현재 side 안테나는 플라즈마가 없는 상태에 대하여 RF matching이 맞지 않고 있는 상황인 것으로 보입니다. 1차적으로 안테나 자체의 임피던스와 RF matcher 내 컴포넌트들의 임피던스를 확인하시길 추천합니다. 기본적으로 ICP의 모드는 플라즈마 밀도 혹은 인가 전력에 따라 [1] 진공 - [2] E-mode 플라즈마 - [3] H-mode 플라즈마로 구분됩니다. 각 영역의 플라즈마의 임피던스 값(진공: 0)과 전력 증가에 따른 임피던스 변화 경향성이 서로 다릅니다. [1]->[2] 그리고 [2]->[3] 영역으로 transition에는 임계 전력 조건이 필요한데, 각각 ignition에 필요한 E-field와 E-H transition에 필요한 밀도와 연관이 있습니다. 문의하신 질문을 ‘[1]->[2] transition에서 ‘안테나 형상, 주파수에 대한 플라즈마 발생 (ignition)’으로 이해하고 자세히 답변 드리겠습니다.
ICP에서 플라즈마 발생 기전은 (1) 안테나 (전압)에 의한 전기장 발생, (2) 전기장에 의한 전자 가속, Ar과 충돌 그리고 [이온화율>플라즈마 전하의 손실율 (rate of wall losses)] 만족입니다. (1)에서 전압은 RF 전력과 안테나의 임피던스에 의해 결정됩니다. ([V_coil] ~ [angular frequency] x [L_ind] x [I_coil]) 안테나의 턴 수를 얼마로 하였는지, 안테나의 직경을 얼마로 하였는지, 안테나 주파수가 얼마인지에 따라 임피던스가 달라지고, 이에 따라 챔버에 인가되는 전기장의 크기가 결정됩니다. 예로 같은 안테나 전류를 가지고 있다고 가정하면, 안테나 주파수가 높을수록, 안테나 직경이 클수록 혹은 턴 수가 많을수록 안테나 전압이 올라갑니다. 실제로 매우 낮은 주파수 ICP의 경우, 진공에서 RF matching이 맞았는데도 낮은 전압 혹은 전기장 때문에 ignition이 잘 안되어 전자총, filament ignition 장치나 gas puff 방법((2)에서 설명)을 쓰고, 높은 주파수 ICP는 진공에서 RF matching이 잘 맞지 않았는데도 높은 전압 혹은 전기장 때문에 ignition이 잘 되는 경우를 종종 볼 수 있습니다. 안테나 윈도우는 안테나와 공간 사이에 위치하기 때문에 재질과 두께에 따라 실제 공간에 인가되는 전기장에 영향을 줍니다. 질문하신 상황의 두 안테나 주파수는 서로 비슷하므로 안테나 주파수를 제외한 인자들의 차이(안테나 주파수, 직경 등등)가 질문, 즉 안테나 차이에 의한 플라즈마 발생 유무의 1차적인 답변이 될 수 있을 것 같습니다. 공정 장치에서 안테나 전압, 전류 모니터링 및 플라즈마 진단을 수행하는 이유 혹은 중요한 이유 중 하나는 질문에 대한 정량적 답변을 할 수 있다는 것입니다. (2) 주어진 가스 및 압력 조건에서 공간 전기장에 의한 플라즈마 발생은 기본적으로 DC 타운젠트 (Townsend) 방전 및 Paschen 곡선으로 이해할 수 있습니다. 이것은 Ar gas 원자와의 충돌 (압력의 함수) 그리고 전기장 세기에 따라 이온화율이 변화하고, [이온화율>플라즈마 전하의 손실율]이 충족되는 조건에서 플라즈마가 발생되는 현상을 기술한 이론입니다. RF 방전의 경우, 주파수 효과를 포함하여 DC 방전의 Paschen 곡선과 다른, 복잡한 경향성을 보입니다. 여기에 관한 최신 이론의 경우, multi-pactor, diffusion-drift, emission-free 영역 등을 포함합니다. 이와 관련하여 RF breakdown, Kihara’s equation 관련 논문, 책들을 읽어보시길 추천합니다.

참고로 앞에서 언급한 E-, H- mode 관련하여 첨언하자면,
ICP에서 플라즈마를 발생시키고, 전력 전달을 하는 소스는 안테나의 전압과 전류입니다. 안테나의 전압은 안테나 면과 수직 방향으로 형성되는 전기장을 발생시키고, 전기장에 의한 전자 가속으로 플라즈마를 만들거나 유지합니다. 이러한 기전을 ICP의 축전 결합 (capacitive coupling)이라고 합니다. 안테나의 RF 전류는 공간 자기장의 변화를 만들고, 그 변화로 유도 전기장이 생성합니다. 유도 전기장에 의한 전자 가속으로 플라즈마를 만들거나 유지하는 기전을 ICP의 유도 결합 (inductive coupling)이라고 합니다. ICP에서는 축전 결합과 유도 결합이 동시에 일어나고 있으며, 축전 결합과 유도 결합으로 플라즈마에 전달되는 전력은 플라즈마 밀도의 함수입니다. 보통의 저압 저온 플라즈마 조건에서 축전 결합 전력은 밀도가 감소하면 올라가고, 유도 결합 전력은 밀도가 증가하면 올라갑니다. 따라서 플라즈마 발생 및 낮은 밀도 조건에서는 축전 결합이 지배적이고 (E mode), 플라즈마가 유지되는 높은 밀도 조건에서는 유도 결합이 지배적(H mode)입니다. 참고로 ICP에서 결합 전력과 전력 소모 균형 만족 조건을 살펴보면 E-H mode transition 영역에서 밀도 점프 현상도 이해하실 수 있습니다. 축전 결합의 전력 전달은 밀도가 낮을수록 높기 때문에 E mode는 ICP의 초기 플라즈마 발생에 큰 역할을 합니다. 하지만 일단 플라즈마가 발생하여 유지하는 단계에서는 축전 결합 전기장이 이온의 가속을 유도하여 윈도우를 식각시킵니다. 이를 방지하고자하는 경우, Faraday shield를 사용하여 축전 결합 전기장을 막을 수 있지만, 역시 초기 방전의 어려움 및 shield에 의한 결합 계수 하락이라는 단점이 생깁니다.

플라즈마 발생 및 ICP 관련하여 책 플라즈마 일렉트로닉스, Physics of radio-frequency plasmas를 추천합니다.