Deposition HF+LF 사용 중. HF Power 증가 시 Deposition Rate 감소 현상 문의
2015.01.06 14:46
안녕하세요. 교수님
제가 현재 PECVD-CCP장비의 공정 Test를 하던 중
VHF(27M) Power를 점점 늘려감에 따라 Deposition Rate가 감소하는 경향을 보여 문의드립니다.
원인을 찾던 중. 발견한 논문에 따르면 어느정도 증가하다가 2차포물선 그래프를 띄며 Deposition이 감소하는데
이는 초기 증가분은 라디칼을 많이 생성해서 D/R을 상승시키지만 어느정도 증가하게 되면 Ion Bombardment가 커져서 그런 현상이 생긴다고 작성되어 있는데, 이해가 잘 안되서요.
제가 알고 있는 짧은 지식으로는 Power가 커지면 Density가 늘어나면서 Sheath영역이 작아지게 되는것 같은데 아닌가요??
Generally, the ion bombardment energy increases witIr"an increase in rf power because the sheath electric field increases as the
square root of the rfpower density.
라고 써있는데, 영문으로 작성된 이 내용이 정말 일반적인 내용인지..제가 이해를 잘 못한건지 궁금합니다.
또한 cathode와 wall 사이에 reactant gases가 고갈된다고 하는데. 너무 논문에서 당연한듯 이야기 해서 이유가 궁금합니다.
In addition the depletion of reactant gases by the plasma between cathode and reactor wall is also regarded as a factor for the low deposition rate observed at high rf power.
개요적인 답변 밖에 드릴 수 없을 것 같습니다. 일단 플라즈마 생성 과정을 보면, 일단 background 혹은 전극으로 방출된 2차 전자들이 에너지를 받아야 하고, 그 전자 (에너지)가 가스입자(공정가스 포함)과 충돌하여 이온화를 시키고, 그 생성량이 손실량 (벽으로 손실 혹은 재결함 손실) 보다 크면 플라즈마는 점차 밝아지고, 작으면 플라즈마는 점점 꺼집니다. 당연히 균형이 맞으면 플라즈마가 안정화 되겠지요.
여기서 관점은 전자-중성입자의 충돌인데, 이는 반드시 이온화 충돌만 의미할 수는 없고, 다양한 충돌 현상, 즉 해리/여기/등입니다. 특히 박막-플라즈마 공정에 관심있는 질문자의 경우에 해리/여기 반응 현상에 관심을 갖고 사용하는 반응 가스의 rate constant 값 등을 비교해서 반응율이 높은 반응에 대해 정보를 갖고 있으면 좋습니다. (자료는 지금 보시는 책자 및 참고 문헌에서 충분히 찾을 수 있을 것입니다).
따라서 전자 에너지가 높아지게 되면 여러 반응에도 개입하고 이온화로 인해 밀도도 커짐으로 모든 반응들이 활발해 지고 다단계 해리 반응도 가능하게 됩니다. 즉, 분자 결합이 많이 끊어져서 다양한 반응성 입자 및 분자/원자 들이 만들어 진다는 말이 됩니다. 물론 이온화로 인한 플라즈마 밀도도 증가하겠습니다.
또 하나 봐야 할 점은 전자가 에너지를 얻는 과정으로, 이는 일반적으로 플라즈마 가열 문제로 봅니다. 일단 직류 전기장에 의해서 전자가 전기장을 따라가면서 에너지를 얻는 경우가 일반적입니다. 이는 방향성이 있고 종점이 존재해서 가열된 전자가 위의 충돌을 경험하지 못하고 빠져 나가는 경우를 대비하지 못함으로 플라즈마 생성이 효율적이지 못합니다. 하지만 단순하고 기본이 되는 현상으로, 많은 복잡한 장치에서도 이 현상은 반드시 존재합니다. 이를 보완하려고 RF를 씁니다. 특히 RF를 쓰면 상상하기에 전극 사이에서 전자들을 가둘 수가 있습니다. 모든 전자들이 가두어 지는 것은 아니나 가둠의 효율 증대는 전자가 충돌할 공간을 크게 갖는다는 말이 되므로, 충돌 확률이 높아지겠습니다. 게다가 핑퐁 공을 생각해 보면 전자들이 벽 근방의 쉬스, 혹은 전기장의 변화로 튕길때 마다 에너지를 얻게 할 수 있습니다. (이를 다른 말로는 stochastic heating이라고 할 수 있습니다.) 다양한 가열 현상이 존재하게 됩니다. 중요한 것은 가열의 물리적 현상도 있지만 전자가 RF 전기장으로 부터 에너지를 꽤나 잘 얻는다는 점이고 이 현상은 주파수가 올라가면 갈 수록 커집니다. 따라서 VHF에서는 전자 온도가 높겠지요.
이를 종합하면 VHF에서는 높은 에너지의 전자들이 존재할 수 있으니 전력을 잘 조절해야 해리 반응의 크기를 잘 조절할 수가 있겠다는 개념이 이해될 수 있을 것입니다. 참고가 되었으면 합니다.
나머지 질문은 본 게시판의 내용을 훑어 보시면 답을 찾으 실 수 있으실 것입니다.