Chamber Impedance 플라즈마 임피던스와 Vpp가 관련이 있나요?
2021.03.10 17:30
안녕하세요. 저는 디스플레이 건식식각 장비회사에 다니고 있습니다.
저희 회사는 ICP를 사용하고 있습니다. Source Vpp, Bias Vpp라는 parameter가 있는데 제가 알기로는 RF 파형의 전압 값으로 RF power와 비례한다고 알고 있습니다. 그런데 식각 시 Source와 Bias power는 일정하게 유지함에도 불구하고 Vpp가 변동됩니다. Process가 진행되면서 Source Vpp는 증가하는 경향, Bias Vpp는 감소하는 경향을 보입니다.
Bias Vpp는 -Vdc(표면전위)로 점차 떨어져 안정화된다고 하셨는데, Source Vpp는 왜 증가한 후 안정화되는 건가요?
박막이 식각됨에 따라 플라즈마의 임피던스가 변해서 Vpp가 변동이 생기는 건가요? 그렇다면 왜 Source Vpp와 Bias Vpp가 상반되는 거동을 보이는 것인지요? 고민해봐도 잘 모르겠어서 부득이하게 질문 드립니다.
참고로 저희 장비의 Vdc sensor는 capacitor의 원리를 사용해 측정하기 때문에 전위변동 -> 안정화 후에는 0으로 수렴하는 경향을 가지고 있습니다.
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일반적으로 ICP에는 2개의 전원 (Source 와 bias)으로 구성됩니다. 플라즈마를 만드는 전기장 형성을 위한 antenna 전원 (source)과 시편에 형성되는 쉬스 전기장 (이온 가속)을 형성시키는 Bias 전원으로 구성되어 있습니다. Bias 전원은 ESC와 물려서 전극의 형태가 원형판 구조입니다. (CCP 전극 형태라 할 수 있습니다). 모두 RF를 사용하고, 공정에 따라서 주파수를 같게 혹은 다르게 사용합니다. 주파수를 선택하는데 플라즈마의 이온을 가속하려는 의도 (낮은 주파수)를 사용하게 되고, 전자를 가열시켜서 고밀도 플라즈마를 얻으려고 하는 경우 높은 주파수를 사용합니다. 여기서 기준은 플라즈마 이온 주파수와 전자 주파수를 참고하며 이들 주파수는 모두 플라즈마 밀도에 비례하므로, RF 주파수가 플라즈마를 결정하는 것이아니라, 플라즈마 밀도에 의해서 인가하는 RF 주파수에 대한 플라즈마 거동을 지배합니다.
Vpp는 peak to peak voltage 를 의미합니다.
ICP 의 안테나인 경우 안테나 양단에 걸리는 전압을 의미합니다. 안테나는 절연체(세라믹 혹은 quartz) 등으로 플라즈뫄 분리되어 있어 플라즈마 특성에 민감하지 않습니다. 따라서 Vpp는 안테나 저항 (특히 loop의 길이 및 구조와 형태 등)으로 전원 입력 단과 접지단에 형성되는 전압을 의미하며, 전류 파형과 함께 전압/전류의 phase 값으로 부터 플라즈마 임피던스를 추적할 수 있습니다. VI probe가 이러한 기능을 합니다.
하단의 bais POWER의 VPP는 ESC에 인가되는 전원으로 전극은 플라즈마와 대면하고 있다고 가정할 수 있습니다. 물론 부도체로 코팅되어 있고, wafer 가 놓여 있으나, 기본적으로 축전기 형태의 구조를 가집니다. 따라서 여기서 측정되는 Vpp는 전극 표면의 전위에 매우 긴밀한 관계를 보이는 값이 됩니다. 즉 RF 전원에서 Vpp가 인가가 되면 표면에도 축전전압이 형성되게 되는데, 플라즈마로 부터 전극으로 이동해서 축전되는 전자와 이온의 양에 의해서 표면에 축척되는 전하에 의한 전위가 형성됩니다. 이는 입자의 거동이고 이 공간을 쉬스 공간이라 하며, 쉬스 공간에서의 이온과 전자 거동은 상이하여 (플라즈마를 상상할 때 이온과 전자의 하전 입자와 이들의 질량, 즉 이온의 질량이 매우 큰, 전자는 가벼운, 두 종류의 입자들이 모여서 거동하는 상태로 생각합니다) 전자가 먼저 축적되기 시작하고 이온이 그뒤에 들어오고, 전자와 이온 입자속 (flux, 단위시간당 단위면적으로 입사하는 입자의 수)가 같아질때 까지, 즉 전자가 속도가 빠르니 이온이 가속되어야 전자속=이온속이 형성되게 되니, 이온 가속에 필요할 때까지 전극의 전위가 음의 값을 가지게 됩니다. 플라즈마가 스스로 그 값을 가지니 이를 self bias라고도 하며, 이 값을 갖게 되는 시간 RC 시간은 하전이 되는 동안의 시간이 필요합니다. 충전기를 상상하면 됩니다.
따라서 하단 bias 혹은 CCP 전극 전위 측정 등은 모두 capacitor를 사용해서 인가되는 전압 분배 값을 측정하는 원리를 사용하게 됩니다. 중요한 것은 bias 는 목적이 ion 가속 에너지를 관찰하기 위함이니, 따라서 bias 에서 얻은 Vpp는 이온 에너지 및 거동을 분석하기 위한 자료로서 가치가 있겠습니다.