질문 ::

지난번 교육때 교수님께서 하신 강의가 매우 인상적이었습니다.
앞으로 플라즈마를 다루는데 많은 도움이 될것같습니다.

다름이 아니오라 제가 실험하고 있는 장비에서 test 중
이상한 현상이 있어서 메일 드립니다. 살펴보시고 예측이 되는 현상이었는지 확인을 좀 부탁드립니다.
  

1. Ar

reactor 내부에 Ar gas만을 채운 상태(3Torr, 400sccmAr)에서 플라즈마 매칭을 시키고 (manual, Ref. 0W)
플라즈마를 off 한 후 다시 on을 하게 되는 경우 reflect power가 발생됨.(100W rf power에 58W 발생)

CL : 109
CT : 736

CL값을 다른 값으로 입력한 후 곧바로 다시 109값을 넣으면 reflect power가 0W 됨.
(따라서 매칭값은 맞는 상태임)

또다시 rf off -> rf on 시키면 같은 현상 발생됨.

2. O2

reactor 내부에 O2 gas만을 채운 상태(3Torr, 400sccmAr)에서 플라즈마 매칭을 시키고 (manual, Ref. 0W)
플라즈마를 off 한 후 다시 on을 하게 되는 경우 reflect power 없는 플라즈마 발생됨.( Ref. 0W)  

***O2 의 경우는 안정한 플라즈마이긴 한데 DC-bias가 0V 임.***


3. 1의 경우 reactor내부 susceptor에 wafer가 없으면 O2와 같이 reflect power가 없는 플라즈마 발생됨.

  (susceptor : Ni 재질, reactor : sus 재질, Wafer : Ta2O5 wafer)

이상입니다.

왜 이런 현상이 나타나는지 이해가 잘 안됩니다. 교수님의 advice 부탁드립니다.
감사합니다.

답변 ::

문제가 쉽지 않습니다.
쓰시는 장비가 capacitively coupled plasma source (ccp)장치의 하나인 것 같고 matching system의 Q값이
아주 커서 operation window가 좁은 것 같습니다.

CCP 장치는 electrode가 plasma 와 직접 맞닿아 있기 때문에 plasma로 부터 발생되는 플라즈마 전류와 전위 값은
power supply-matching system-reactor로 구성된 회로에 많은 영향을 미치게 됩니다. 플라즈마 전류는 플라즈마 온도와
밀도에 큰 영향을 받으며 발생되는 플라즈마의 특성 변화는 역시 matching 조건의 변화를 야기하게 됩니다.
질문에서와 같이 Ar/O2 플라즈마에서 bias potential의 차이가 생기는 이유도 외부적인 여건 변화에서가 아니라
플라즈마 자체의 특성의 차이에서 기인하고 있습니다. 현재 운전중인 조건에서 O2 플라즈마는 일반적인 Ar 플라즈마와
비교하여 볼 때 특성의 차이를 갖습니다. 즉, O2 플라즈마의 경우는 electronegative plasma를 만드는데 이는
이온,전자, 음이온(입자에 전자가 흡착된 경우)으로 구성된 플라즈마의 성질을 갖으며 이 플라즈마의 공간내에서의
확산운동은 음이온이 많은 경우와 적은 경우에 따라 다르게 되며 (음이온 발생은 압력에 민감) 이 결과는 곧 전극으로
손실되는 전하의 양이 변화하고 따라서 전류값이 다르게 됨을 의미합니다. - 아직도 이에대한 정량적인 분석은
이뤄지고 있지는 않으나 음이온의 역할에 대한 자세한 연구가 활발히 진행되고 있는 현실입니다.- 이와  비교하여 보면
Ar 플라즈마의 경우에는 우리가 알고있는 일반적인 플라즈마의 특성 (양이온과 전자로 구성)을 그대로 갖고 있습니다.
따라서 두 플라즈마의 특성은 분명 다를 것입니다. 또한 같은 조건에서 플라즈마 밀도는 Ar의 경우가 O2보다  일반적으로
높습니다. 아울러 wafer가 놓여 있는 경우 electrode 앞에 또 하나의 capacitor가 놓여 있어
전하의 하전에 따른 영향이 추가적으로 고려될 수 있습니다. 이 변화 역시 도체표면으로 직접 전하가 손실되고
있는 상황에 비해서 다른 결과를 가져오게 됩니다. 따라서 이 같은 반응기 내부의 영향에 matching이 너무 민감하게
변하는 것을 피하기 위해서 high Q 값을 갖는 matching system의 Q를 조금 낮추도록 설계할 수 있습니다.
왜냐하면 high Q 장비는 제한적인 조건의 운전에는 아주 용이하나 현재와 같은 여러가지 조건을 처리하는 경우에는
내부 변수의 변화에 너무 민감하게 변동하기 때문입니다. 따라서 현재의 matching system이 이 같은 조건에 있는 것이
아닌가 생각이 됩니다. 하지만 구체적인 해결 방안을 현재로서는 말씀드리기 어려워 아쉽습니다.
(장비에 관해서 정보가 너무 부족합니다.) 단지 위와 같은 현상을 고려하여 현재의 상황을 이해하시는데 도움이
되었기를 기대합니다.