Deposition RF에 대하여...

2008.08.31 22:04

관리자 조회 수:26420 추천:419

권오극 worte:
뜻밖에도 세상에는 플라즈마를 연구하는 사람들이 많네요! 저는 lgphilips-lcd라는 회사에서 rf플라즈마를 이용하는 pcevd공정에 사용되는 장비를 맡고 있습니다. 제가 궁금한 것은 rf플라즈마의 이론과 rf발진 그리고 rf발진에 필요한 주변기기 들입니다.
제가맡은 장비는 미국 AKT라는 회사에서 만든 장비로서 LCD유리에 반도체막과 절연막을 증착하는 장비인데 장비의 공정조건은 mtorr단위의 압력에 400도 가까운 온도를 필요로 합니다. 증착에 사용되는 gas는 SIH4, PH3, N2등이 주로 사용되고 있고 실리콘막을 주로 증착하빈다. 플라즈마를 발생시키기 위해서 RF POWER를 사용하는데 RF는 어떻게 발생하는지 그리고 RF가 어떻게 GAS와 반응하여 GAS를 플라즈마 상태로 변화시키는지 또 RF가 공정이 진행중인 진공의 CHAMBER에 들어가기 전에 RF MATCHING BOX를 거치는데 RF MATCHING BOX의 구조와 역할이 궁금합니다. 가장 궁금한 것은 플라즈마 환경에서 RF의 역할과 RF의 발진, RF MATCHING BOX의 구조와 역할입니다.

답변 : 군산대 주정훈 교수

1. RF generator
오디오 앰프와 같이 bipolar transistor이나 MOSFET을 사용해서 수정진동자에서 만든 13.56MHz의 작은 신호를 base나 gate에 걸어서 증폭을 하는 것이지요. 대개 TR하나당 150W정도 출력을 하는 것은 쉽게 구할 수 있습니다. 가격은 약 $100 정도. 따라서 600W면 4개를 집적해야 하는데 여기서부터 설계능력과 기술력의 차이가 드러납니다. 4개를 밸런스하기가 그리 만만치 않은가 봅니다. Advanced energy의 generator들은 아예 하나의 세라믹 패키지에 4개를 부여서 발열문제와 PCB에 실장을 하면서 발생할 수도 있는 기생용량등에 의한 밸런스의 차이등을 없애자는 것이지요. 크기도 작아지고 좋기는 하지만 고장나면 모듈째로 갈아야 합니다. 앰프의 성능은 원음을 잘 재생하고 소리를 키워도 잡음이 없어야 하듯이 plasma용 rf generator도 출력단에 고주파 필터(3단핀터)를 갖추고 있습니다. 실제로 출력되는 파형을 오실로스코프로 찍어 보면 사인파에서 조금 벗어난 것을 알수있죠. 메이커에서 주는 자료는 대개 낮은 파워에서 얻은 파형인데 출력을 높이면 찌그러짐이 심해집니다. 이부분은 출력소자로 진공관을 TM는 구형이 좋습니다. 저희 실험실에 rf가 십여대 있는데 ANELVA 진공관 rf가 제일 매칭도 잘되고 좋습니다. 크고 시끄러워서(공냉) 문제지. 약간의 출력 drift도 있고. rf generator의 무게는 대개 소자에 공급하는 직류전원부분의 무게입니다. 구형은 트랜스타입, 신형(switching type)은 IGBT를 써서 보통 100kHz로 만든 다음 정류를 하지요. 국산도 이제 switching type이 나오고 있습니다.(Newpower, 영신)오디오 앰프는 스피커의 임피던스(교류이므로 단순 저항이 아니고 저항+(코일, 콘덴서)측성치를 나타내는 임피던스를 사용함)를 8ohm이나 4ohm을 사용할 수 있게 되어있죠. rf에서는 이 값이 50ohm입니다.(주문하면 75ohm 도 가능) 스피커에 따라서 특성을 타는 것처럼 부하(rf cable, connector, 전극구조, 전극재질, 가스종류, 가스압력, 챔버구조, 챔버재질, 기판종류)에 따라서 변화하는 임피던스를 맞추어주는 장치가 tuner입니다.

2. Matching box

자기 챔버의 특성 임피던스(공정시)를 알고 있는 많지 않습니다. 측정은 임피던스 프로브로 하거나 고전압프로브와 고주파전류 프로브로 측정하 데, 용량성 결합인 경우 수ohm -수백j 정도(스퍼터)에서 변화합니다. 유도결합플라즈마인 경우, 수ohm+수십 j 정도가 일반적입니다. 위에 이야기한 조건에 따라서 변화하겠지요. 이 프로브는 $6000 - $7000 정도 합니다. 매칭은 rf generator에서 본 총 부하가 순수 저항성분 50옴으로 되도록 하니까 용량성 성분이 많으면 거꾸로 유도성 부하(코일)을 넣어주는 방식으로 합니다. 보통 코일에 접점을 만들거나 트랜스처럼 1,2차를 만들어 모터로 서로 엇갈리며 움직이도록 하는데 이 방식은 파워손실은 조금 있지만 매칭이 빠르고 직선성이 좋습니다. 반면 더 보편적인 콘덴서의 용량을 바꾸는 방법은 직렬과 병렬 연결을 시켜서 두 개를 모터로 움직입니다. 직렬은 load, 병렬은 tune capacitor라고 많이 부르는데 자동매칭박스에서는 PM(phase, magnitude)sensor에서 읽은 값으로 전압을 낮추고 전압, 전류간의 위상차이를 줄이는 방향으로 계산해서 소자들을 움직이게 합니다. 저희 실험실에서 여러 회사것들을 비교해보면 나름대로 설계와 구동에 많은 기술력의 차이를 볼 수 있습니다. 플라즈마의 발생은 고전압을 유도해서 가스 breakdown을 일으키는 것입니다. (CCP, ICP,...모두) 그래서 방전 개시 조건과 공정 유지 조건의 매칭포인트가 다르고 이 두 범위를 모두 커버해야하므로 적당한 범위의 소자를 쓰게 됩니다. (보통 load cap:20 - 500pF, tune cap 7 - 1000pF, series coil 0.6 miroH) 스미드챠트를 볼 줄 알고 거기에서 부하점이 어떻게 변화하게 되는지 공부사시면 너무 시원하게 뚫릴 것입니다.(전자공학책참조)

3. rf current

물론 프로브로 측정하면 바로 얻을 수 있지요. 직류에서 V=I * R --> I=V/R 인것과 같으나, 시간에 따라서 변화하고, 전압, 전류 간에 위상의 차이가 있으므로 (즉, 시간에 따라서 차이가 아주 크므로) rms 값을 사용합니다. 기본적으로는 V/Z입니다. 저항에도 결딜 수 있는 전류가 있듯이 콘덴서들도 그러하므로 매칭박스의 최종단에 사용하는 커패시터들은 이 전류를 충분히 견뎌야 하므로 병렬로 4개를 사용하는 경우가 많읍니다.(같은 정전용량의 조합이라도) PECVD의 플라즈마 밀도는 낮아서 부하 임피던스가 큰편입니다. rf 전류는 ICP에 비해서 아주 작습니다.

4. ground

건전지와 전지를 연결할 때 +, -가 있듯이 rf generator에도 (emitter, collector), (source, drain)이 있지요. 이들이 잘 연결이 되어야 전류가 흘러 돌지요. rf의 경우 net current는 없지만, 지구를 통한 챔버와의 연결 통로가 하수도와 같은 역할을 합니다. 접지는 순수히 저항 성분(수십 마이크로 옴 이하)만 되어야 하는데 접지선이 가늘고 길며 둘둘말려 있으면 고주파에서는 유도성 부하가 커지고, 연결부위가 이물질이 많고 느슨하면 용량성 부하가 생겨서 rf generator가 볼때에는 이것도 EH한 부하가 되는 것이지요. 따라서 매칭이 변화합니다. 부작용도 커서 챔버와 근처에 있는 다른 기기 (특히 센서류, 오도, 압력, 유량(MFC)...)에 수볼트까지의 노이즈를 일으킵니다. 집뒤에 건물이 들어서면 TV화질에 문제가 생기듯이 다른 기기들과 접지를 공유하는 것도 변화의 원인입니다. 진공챔버들 중에는 외관상의 이유로 프레임이나 챔버에 페인트를 칠해놓은 경우도 많은데, rf의 입장에서는 아주 나쁜 일입니다. rf의 경우 퇴로가 좁아지면 천천히 나가는 것이 아니라 반사해서 꼭 문제를 일으킵니다.

이상 간단한 rf 상식이었읍니다.

* 관리자님에 의해서 게시물 이동되었습니다 (2008-09-20 17:49)

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