Chamber component 플라즈마 전원 공급장치에 대한 질문 [전자 가열 방법 및 생산성에 따른 구별]
2023.08.17 10:01
안녕하세요.
저는 현재, 반도체 시장 조사 업무를 하고있는 직장인 석현준이라고 합니다.
명실상부 대한민국 최고의 플라즈마 랩실에 자유롭게 질문을 올릴 수 있어서 개인적으로도 정말 큰 도움이 되고,
크게 보면 산학연 협력의 선순환이 현장에서 이루어지고 있는 곳이라고 생각합니다. 정말 감사합니다.
다름이 아니라, 제가 플라즈마 장비의 전원공급장치에 대해서 잘 모르는게 있어서 문의드리게 되었습니다.
플라즈마 장비의 전원 공급장치는 RF Generator를 쓰거나, DC Power supply를 사용하는 것으로 알고있습니다.
저의 짧은 지식으로 분류하면 아래와 같습니다. (아니라면 지적 부탁드립니다.)
- RF : ICP, CCP, CVD, ALD...(유전체 식각, 증착)
- DC : PVD(메탈증착), 스크러버(그냥 파워만 인가하면 되는 용도)
여기서, 그러면 Pulsed DC Supply는 어디에 사용하는 것인지, RF와의 차이점은 무엇인지가 궁금합니다.
장비사 입장에서 전원공급장치를 달 때, Pulsed DC를 다는 경우와 RF를 다는 경우가 나뉠텐데
그 기준이 어떤지도 잘 몰라서 문의드리게 되었습니다.
감사합니다.
PS. 자주 눈팅하면서 여러 정보들을 얻고 있습니다.
더불어 플라즈마 지식도 수 있는 공간을 제공해주셔서 감사합니다 ^^
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전기적 정의를 먼저 생각해 보면 좋습니다. 직류 DC = Direct Current, 교류 AC = Alternatiing Current (1 kHz 미만) : 고주파 RF = Radio Frequency 를 의미합니다. 전기적으로 보면 DC/ AC는 모두 전하 전달의 관점이며 RF가 되면 유도 기전력이 커지면서 전압/전류가 상호 발전하는 전파(전자기파) 입니다. 플라즈마에서는 모두 플라즈마를 생성시키는 메커니즘으로 이들 특성을 선택한다고 생각하면 좋습니다.
즉, 안테나 및 타킷에 DC를 인가시키면, 안테나 표면에 전하가 쌓이고, 이 전하는 표면 전위를 만들게 됩니다.
플라즈마는 전하나 타킷 표면 앞 공간에 형성되는 전기장으로 부터 전자가 에너지를 얻고, 이렇게 가속된 전자들과 공간 내의 원자(분자, 공정가스)들과 충돌 결과 이온화 반응을 통해서 플라즈마가 형성됩니다. (게시판에 플라즈마 방전 beakdown / DC glow discharge, paschen's law 등 검색필)
다음으로 생각할 것은 플라즈마 형성은 전기장과 전자, 만들어진 플라즈마로 부터 공정은 플라즈마의 전자와 라디컬들이 공정 목적에 맞는 기여를 하게 됩니다. 즉, 이온과 라디컬에 일을 시키려면 전자에 에너지를 주어야 하는데, 그 에너지가 플라즈마를 생성시킨 다음에는 이온에도 에너지를 준다는 점입니다. 플라즈마 관점은 전자와 이온을 같이 생각해야 한다는 점을 플라즈마 상태 조건, 즉 quasi-neutrality는 설명하고 있는 것입니다. (플라즈마 내의 전자와 이온의 수는 거의 동일하다는 말은 그 거동에 대해서 항상 쌍으로 생각하라는 메시지와 같습니다.)
결론으로, DC를 타킷에 인가시키는 이유는 전자 가속에 변동없는 전기장을 쓰겠다는 것이고, 반면 이온이 타킷에 입사되는 현상을 겸해서 생산적이다 판단할 때 사용하면 됩니다. 반면 교류에 이온의 반응은 그렇게 민감하지 않으므로 (질량이 커서 플라즈마 이온 주파수는 작습니다 - 플라즈마 주파수 검색). 다음으로는 많이 사요하는 MHz 의 RF 인데 이 경우 전자들은 RF 전기장에 따른 거동을 하며 유도 결합하기도 합니다. 하지만 이온은 무거뭐서 MHz 급의 RF는 잘 좇아 가지 못합니다. 또한 전극 사이를 왕래하는 전자들이 상대 전극에 가기 전에 전기장을 바꿀 수 있어, 전자 가속을 효과적으로 할 수 있습니다. (CCP/ ICP 플라즈마 참조) 따라서 이 경우 고밀도 (HDP = high density plasma source) 를 만들 수 있습니다. 이러한 고밀도 플라즈마, 이온의 벽면 거동은 제어가 필요한 공정에는 RF 주파수의 전원을 선택하면 됩니다.
여기서 더 고주파를 사용하면 GHz 가 되면 전자의 거동 보다 전기장의 거동이 빠르게 되고, 전자들의 거동이 전기장을 좇지는 못하거나 미세한 떨림이 입력 주파수와 같아 지면서 공명을 통해 미세한 떨림은 증폭되고 이렇게 가열된 전자들을 이용하는 경우가 있습니다. 자기장을 써도 전자들은 회전을 하고, 회전주파수와 공진주파수의 전자기 파를 조사하면 전자들의 에너지를 높일 수 있습니다. 이 경우 을 적용해서 macro wave ( 2.45 GHz 마이크로 웨이프 오븐 동일)을 사용하는 Electron Cyclotron Resonance (ECR) 소스가 만들어 진 것입니다. 이 경우 이온도 자기장에 의해서 원운동 궤적을 가지게 됨을 반드시 명심해야 합니다.
전자를 어떻게 가열해서 이온을 얼마나 생산적으로 사용할까에 따라서 DC/ RF 가 구별된다고 생각하면 좋습니다. 그 목적에 맞추어 전원은 생산/제작이 가능하여 장비와 공정의 특화에 전원 선택은 매우 중요합니다. --> 이 점에 대해서 생각이 깊으시면, 전원의 특성은 생성 플라즈마와 공정 결과 데이터를 함께 묶어서 관리하는 방법을 추천합니다. 따라서 처음부터 전원 특성과 공정 결과, 그 사이에 플라즈마 특성의 변화 데이터를 함께 묶어서 데이터와 함께 잘 관리하시기 바랍니다.