Plasma in general Plasma Reflect를 관리하는 방법이 있을까요? [임피던스 매칭]
2023.06.23 11:23
안녕하세요 저는 현재 PECVD 장비를 사용하는 연구원입니다.
어플라이드社의 PRODUCER-S 설비로 ACL 공정을 Set-up하고 있습니다.
Unif를 잡기위해서 압려과 RF Power를 건드려 가며 조정 중에 있는데
RF Ref가 어떤 조건에서는 높게 뜨고 어떤 조건에서는 낮게 뜨는데 어떤 조건이 영향을 미칠까요?
알려주시면 감사하겠습니다.
다음 주제어로 자료를 찾아 보시면 문제를 해결하시는데 도움이 될 것 같습니다.
1. Impedance
2. 설비 (장비, 안테나, 전극) impedance
3. plasma impedance
4. Impedance matching (50ohm) :
RF 전원에서 방출되는 에너지는 V 와 I 의 파동으로 생각합니다. 전선을 따라 전달이 되는데, 이를 송전선회로라 가정할 수 있고요. 이 에너지는 플라즈마 방전을 위해 전달하는 것으로, 여기서 부하 (Load)는 플라즈마가 됩니다. 플라즈마는 전자 (매우 가벼운)와 이온 (상대적으로 매우 무거운)으로 구성되어 었으며 더 많은 숫자의 중성입자들 (밀도가 높다고 합니다)와 충돌하고 있습니다. 안테나나 전극에 인가되는 V 또는 I는 전기장을 만들어서 전자들을 가속시키고, 가속된 전자들은 중성입자들과 충돌하고 이온화 시켜서 (이온화 충돌이라 합니다.)
플라즈마를 만드는데, 전체 중성입자의 약 1-10% 정도 이온화가 되고 나머지는 중성입자들로 존재하게 됩니다. 이런 충돌은 에너지가 전달되는대로 지속적으로 유지되고 있어, 전자들은 열적평형상태 (이를 전자온도 Te 로 표현합니다.)를 유지하고 이온은 그 나름대로 열적평형상태가 됩니다. 아울러 많은 중성이온들은 해리되거나 해서 여기종도 만들어지고 반응성이 높은 상태를 유지하게 됩니다. (PECVD는 이 입자들을 많이 만들어서 표면 증착에 사용하려는 장비입니다. 따라서 플라즈마 밀도가 높으면 증착률은 올라가게 되고, 이를 위해서 전원의 전력을 조절하게 되는 것입니다.
헌데 플라즈마가 만들어지기 전에는 부하인 반응기 내에 플라즈마는 생성되지 않은 상태입니다. 전력을 넣어주면서 플라즈마가 생성되기 시작하고 공정이 개시되기 시작하게 됩니다. 전자와 이온들은 외부에서 인가된 RF의 파동에 맞추어 가감속을 하게 되는데, 입자들이고 충돌을 하고 있음으로 인가되는 RF가 갖는 파동을 따라가기 힘듧니다. 또한 RF 전기장의 에너지는 전자들의 이온화 충돌을 통해서 에너지를 전달해서 플라즈마를 생성합니다. 전자와 이온의 유동도 차이 (가벼운 전자의 이동속도는 이온에 비해서 매우 큽니다.)로 플라즈마와 반응기 벽면 또는 전극, 타킷 면 상에는 쉬스가 형성되는데, 이는 하나의 capacitor 역할을 하게 됩니다. 즉 반응기 내에 플라즈마 형성되면 저항, 축전용량, 등의 임피던스 성분이 만들어 집니다
플라즈마 임피던스는 전력의 전류와 전위의 파동의 흐름을 일정(위상이 일정하게 유지)하게 하지 않습니다. 즉 마치 겨울에 자동차가 가던 길에 살어음을 지나가면 자동차는 헛바퀴가 돌면서 진행 속도가 바뀌고, 때로는 왼쪽과 오른쪽으로 휩니다. 전력은 전압과 전류가 파동간의 유지되고 있던 위상이 플라즈마라는 부하를 만나면서 바뀌게 되고, 위상이 바뀌게 되면 전력 전달에 효율이 떨어지게 됩니다.
전원은 일반적으로 50ohm 의 임피던스를 갖고 전달되게 설계가 되어 있어서, 전력의 전달을 효율적으로 하려면 전원 밖의 임피던스를 50 ohm 에 맞춰야 함을 의미하며, 플라즈마가 만들어지면 임피던스가 변하게 되므로, 이를 상쇄하는 장치가 필요합니다. 이 기능을 하는 장치를 matcher라 합니다.
Matcher 에서 임피던스를 잘 맟줘주지 못한다면 입력 전력이 반사되는 크기가 reflect power고 이를 최소화 하는 조건이 matching 이 잘 되는 조건이라 할 수 있습니다.
참고로 matcher가 보는 임피던스는 matcher 단 이후의 회로가 갖는 임피던스 (체결부 등의 노후화 등 포함)와 반응기 상태 및 전극 상태와 플라즈마 밀도(온도)에 함수입니다. 때로는 어제 쓰던 장비에서 reflect 가 발생한다면 반응기 이력, 라인 확인, 등과 가스가 바뀌었는지, 운전 전력의 상태, 특히 전극 (안테나)의 상태까지 전체적으로 볼 필요가 있습니다.
** 중요: 이 과정에서 ref power가 변하는 과정, 조절 조건, 등은 세밀하게 기록하시기 바랍니다. 이는 매우 중요한 데이터가 되면 해당 장비의 관리 DB로 활용이 가능하며, TTTM 데이터로 사용 가능합니다.
좀 더 게시판에서 관련 내용을 찾아 보시면서 개발에 임하시면 좋을 것 같습니다.