Collision 진공 챔버에서 Plasma Off시 Particle의 wafer 표면 충돌 속도 [Sheath energy]
2024.04.29 16:40
안녕하세요. 반도체 공정 엔지니어입니다.
반도체 불량에 대해 공부하던 중 궁금한 사항이 생겨서 질문 드립니다.
진공 챔버에서 Plasma on시 particle이 웨이퍼와 샤워헤드 사이 공중에 일정 gap을 가지고 나선 형태로 운동하며 공중에 떠있으며 plasma off시 자유낙하로 wafer 위에 떨어지는 것으로 알고 있습니다.
이때 Particle의 질량과 크기가 작고(마이크로 단위), 저진공(5Torr), 공정 gap이 작으면(수십 mm 수준) 단순하게 v=루트(2gh)이기에 충돌 시 속도는 1m/s 미만으로 빠른 속도가 아니라고 생각했습니다. 하지만 어떤 답변을 보면 질량이 작으면 운동량 보존의 법칙에 의해 충돌후 속도가 빨라지고, 관성의 영향을 적게 받아 wafer에 충돌할 시 속도가 수백~ 수천 m/s에 이를 수 있다고 보았습니다.
일반적인 etch 장비에서 공정 후 plasma off가 일어나고 wafer trasnfer시 제가 말씀드린 설명과 같은 상황이 발생한다면 particle이 wafer 표면과 충돌할때의 충돌 속도가 어떻게 될 지 궁금합니다.
감사합니다.
흥미로운 주제입니다. 전혀 경험이 없으니 일반 물리적 해석을 해 보고자 합니다.
일단 파티클이 되면 질량을 무시할 수가 없습니다. 하지만 다양한 경로로 파티클이 만들어 지고 있으므로, 질량을 m 이라 하면 좋을 것 같습니다. 파티클 질량은 음으로 하전되었다고 가정하며 전체 Q의 양으로 하전이 되었다고 가정하면 쉬스 근방에서 척력과 중력의 균형으로 웨이퍼에서 떨어져 있는 거리를 함수로 풀어 보면 질량과 하전량의 비율을 추적할 수 있을 것이고, 이로 부터 쉬스 전위로 가속된 운동에너지로 부터 속도를 계산해 볼 수 있을 것 같습니다.
다만, 쉬스 에너지 계산에서 웨이퍼 표면의 전위는 웨이퍼 하전량으로 결정되므로, 웨이퍼에서 전하가 빠져나가는 시간 동안에 하전이 되어 있을 것이니 sheath energy는 시간의 함수가 될 수 있어서, 떨어지는 파티클의 에너지 속도는 이에 따라서 변하는 특성을 가질 것 같습니다.
이 가정에 부합될 수 있는 경험이 있으시면 공유부탁드립니다. 같이 공부해 보지요.