CCP 좁은 간격 CCP 전원의 플라즈마 분포 논문에 대해 궁금한 점이 있습니다. [전력 인가와 플라즈마 밀도]
2020.09.10 14:20
안녕하세요. 반도체 장비회사에 근무하고 있는 직장인 입니다.
다름아니고 플라즈마에 대해 공부하다보니 교수님이 저자로 들어가 있는 논문을 보게 되었는데요.
제목에서와 같이 좁은 간격 CCP에서 플라즈마 분포에 관한 논문 이었습니다.
(논문 제목 : 좁은 간격 CCP 전원의 전극과 측면 벽 사이 플라즈마 분포)
본문에서 Fig6 에 대한 해석을 보면 확산 영역에서 전달된 전력은 방전 영역에서의 전달 전력의 10%밖에 되지 않는데, 그럼에도 불구하고 확산영역의 플라즈마 밀도가 방전영역의 플라즈마 밀도보다 높게 나타났다고 되어 있습니다.
하지만 Fig2의 그래프를 보면 확산영역의 플라즈마 밀도는 증가했다가 감소하는 구간은 있어도 방전영역보다는 작았습니다. 물론 Fig2는 실제 실험 결과이고 Fig6은 전산모사를 통해 해석한 결과이기는 하나 그에 따른 차이라고 하기엔 너무 오차가 커 보여서 질문 드립니다.
그리고 플라즈마의 정 가운데가 전자 밀도 즉 플라즈마 밀도가 가장 높기 때문에 기체의 여기반응이나 이온화 반응 역시 중심부에서 가장 자주 일어날 것 같은데, 전극의 가장자리부분에서 더 많이 일어나는 원인이 무엇인지 잘 모르겠습니다.
항상 많은 도움 얻어갑니다. 감사합니다!
댓글 2
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김곤호
2020.09.13 18:08
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Beatrice
2020.09.18 10:03
답변 주셔서 감사드립니다. 본 논문을 참고하게 된 계기는 어느 시뮬레이션을 보게 되었는데 전자의 밀도가 하부 전극 양 끝에서 최대임을 나타내고 있었습니다. 즉, 전극 양 끝에서 플라즈마가 생성되고 전극 사이(중심)으로 플라즈마가 확산된다고 해석하였습니다. 당연히 두 극판 사이에서 전자 밀도가 최대일 줄 알았던 저는 다른 시뮬레이션 결과를 찾던 중 본 논문을 찾게 되었습니다.
논문의 내용과 교수님의 답변 덕분에 두 극판 사이에서 전자 밀도가 최대일 때는 구동 주파수가 VHF 일 때 standing wave effect(정상파 효과)에 의해 일어 남을 알 수 있었습니다. 제가 처음 봤던 시뮬레이션은 좁은 간격임은 맞지만(6~8mm) 구동 주파수가 13.56MHz 임을 확인 했습니다.
두번째 질문을 드린 이유는 어떤 목적이 있는 것이 아니라 논문에서의 현상이 이해가 잘 안되서 질문 드렸습니다. Ar*에 의해 전극 양 끝(확산 영역)에서 플라즈마 밀도가 높아지는 현상은 이해했습니다. 하지만 정상파 효과에 의해 두 전극 사이(중심)에서 전자의 밀도가 가장 높다면, Ar의 이온화 및 여기 반응은 중심에서 가장 활발하게 일어날 거라고 생각했는데 논문에서는 하부전극의 가장자리 부근에서 주로 나타난다하여 질문 드렸습니다.
관련해서 조금 더 자료를 찾아보는 중입니다. 혹시 이해 안되는 것이 있으면 또 질문 드리겠습니다. 감사합니다!
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저희 연구에 관심을 가져 주시가 감사합니다
두 질문이 묶여 있군요. 일단 본 논문의 논지 CCP 플라즈마 장비 물리의 현상 해석의 내용입니다. 일반적인 CCP 현상에 narrow gap 조건(20-40mm 이내)와 VHF (very high frequency - 유사 현상을 보이는 조건은 대략 40MHz 이상)이며, 고밀도 플라즈가 형성되는 조건입니다. 이 경우에는 정상파 형태의 플라즈마 가열 분포 특성으로 센터 peak 가 발행되면 ER이 큰 영역 center spot이 만들어집니다. 아마도
narrow gap VHF-CCP를 사용하는 모든 공정에서 공히 발생합니다. 해결책을 찾고자 최근 많은 연구가 진행되고 있습니다. 아울러 edge 쪽 식각 특성도 문제이며 이를 보상하려는 edge ring 설계 등의 많은 연구가 진행되고 있습니다. 물론 본 연구실에서도 이에 대해서 깊게 관심을 가지고 있고 이 연구를 보조하는 내용이 참고하신 논문의 내용 중에 하나입니다. 본 논문에서와 같이 narrow gap CCP에서 전극과 벽면 공간에서도 플라즈마 밀도가 낮아지지 않는 현상이 관할되었습니다. 이 영역은 실제 공정에는 큰 영향을 미치지 않을 수 있으나, edge ring이 놓인 영역으로 edge ring 제어를 위헤하서라면 관심있게 바라 볼 필요가 있습니다. 참고하시고...
이 영역에서 플라즈마 밀도가 유지되는 이유에 대해서는 아직도 연구 중이어서 명확하게 해석을 해 드리기기 어렵습니다. 혹시 다른 연구 그릅에서 이에 대한 이해가 있을 수도 있겠습니다. 일단 그림의 결과 차이는 Ar*이 이온화 되는 정도는 Ar* 많은 곳이서 step ionization (즉 Ar*이 전자 충돌로 이온화 되는 현상으로 일차 전자 충돌, 여기, 이차 전자 충돌 이온화를 거친다는 의미입니다)으로 발생된 플라즈마 밀도가 커진다는 해석내용입니다. 중심의 밀도 크기는 현재 이해된 바로는 위의 설명에서와 같이 Standing wave 효과 (고주파의 고조파가 만드는 정상파 현상) 로서 설명이 되고, 벽면 공간에는 라디컬 들이 확산되면서 이들의 낮은 에너지의 전자와의 충돌로서 플라즈마를 형성해서 유지할 수 있다는 가능성을 보여 줍니다.
따라서 중심이 플라즈마 밀도는 전력 인가에 의한 현상으로 가장 큰 값을 가지며 가장자리 부분은 밀도 감쇄가 적게 유지된다로 이해하시면 되겠습니다.
이어진 질문은 이 현상을 이용해서 window quartz의 deposition을 의도적으로 진작시킬 수 있는가의 질문으로, 목적은 잘 이해하기 힘듧니다. 즉, quartz depo로 라디컬 형성을 이해하려는 것일 것 같은데, ER 혹은 DR 의 진단목적인가? 아니면 wall plasma 진작으로 edge uniformity 조절 인자를 찾으려는 노력인가 확실하지 않습니다만, 위의 현상 해석으로 부터는 어떤 물리적 제어 인자를 소개해 드리기가 힘듧니다. 즉, window depo가 ER byproduct 혹은 Depo 플라즈마의 전극 상, 공간에서의 byrpoduct 생성량에 따를 확률이 가장 높음으로, 인가 전력과 사용 가스의 혼합비 및 압력 인자를 가질 것 같아, 의도적인 조절 인자를 찾기는 힘들 수는 있겠습니다. 다만, 사용하는 장비의 구조 상 하부 ESC bias power 에 의한 wall 사이의 전기장이 역할을 할 수는 있겠습니다만. narrow gap인 경우 이 조건을 만족하기 힘들 수도 있겠습니다.
혹시 새로운 현상, ER 혹은 DR 결과가 있어 소개해 주시면 좀 더 생각을 다듬어 보겠습니다. 참고가 되었으면 합니다.