Plasma Source plasma 형성 관계 [Paschen's law, 플라즈마 주파수]
2022.02.04 11:47
안녕하세요 반도체 공정에서의 plasma에 대해 이해가 가지 않는 부분이 있어 글을 작성하게 되었습니다.
적절한 공정 압력, 공정 방식을 통하여 플라즈마를 형성한다고 알고 있습니다. + RF를 이용한 충돌 횟수 증가
이에 pump를 이용하여 진공 상태에서 gas를 주입하여 플라즈마 환경을 조성하는 것은 알고 있으나
온도 조절을 통해 plasma 환경을 조성하는지도 궁금합니다. plasma를 형성하기 위해 많은 에너지가 필요하고, 이에 대해 열 에너지가 필요하나, RF와 공정 압력으로 대신한다. 이렇게 보면 될까요?
온도의 경우, chuck heater를 사용하여 chuck 위의 wafer에서의 화학반응을 촉진하여, CVD의 경우 보다 좋은 step coverage를 , etch의 경우 보다 좋은 etch rate를 위해 사용한다. 이 정도로 알고 있는데 이 것이 아닌 chamber의 온도 조절을 통하여 반도체 공정에서의 plasma 형성에 영향을 미치는지 궁금합니다.
pump를 이용하여 MFP를 조절, 플라즈마 밀도의 조절
온도를 이용하여 화학적 반응성 촉진
RF를 이용하여 전자의 충돌 빈도를 높여, 낮은 압력에서도 적절한 plasma 밀도 형성
이렇게 보면 되는지 궁금합니다.
1) RF의 경우, 13.56 mhz의 주파수를 통하여, shower head로 나가 ground로 향하면서 e- field가 형성되고, 이에 자유 전자의 움직임이 형성되어 충돌로 인한 plasma 형성 : 이 설명이 맞는지 궁금합니다.
2) 13.56mhz가 아닌 주파수를 변경하게 되면 plasma 형성에 어떤 영향을 끼치는지 궁금합니다. 공정에 따라 plasma 밀도를 변경하는 것일까요? 시중에 13.56mhz에 대한 설명밖에 없어 여쭙습니다.
부족한 글 솜씨에, 부족한 전자공학적 지식이지만 명쾌한 해결법을 얻지 못하여 글 남기게 되었습니다.
다음 질문의 답변에서와 같이 DC glow 방전의 이해가 필요하닌 꼭 공부하시기 바랍니다.
1. 첫 질문은 DC glow 연구에서는 Paschen's law (파션의 법칙)을 보시면 좋습니다. Vb-Pd (전압)-(압력. 전극간격) 관계 곡선을
형성 과정을 공부합니다.
2. 플라즈마 생성 기전은 가속 전자들과 원자(분자)의 충돌로 이온화된 원자 (분자)와 전자들의 집합체로서 이 조건이 유지되려면, 계속해서 가속된 전자들과 원자들의 충돌로 생긴 이온화 과정이 있어야하고, 반면 손실분, 즉 전자와 이온의 재결합 (주로 벽면에서 발생하거나
다른 입자간의 3체 충돌의 결과)으로 플라즈마는 소멸이 되는, 생산-소멸이 균형을 이루고 있다는 의미입니다. 따라서 이 플라즈마 공간에 화학종, 예를 들어서 H2O가 혼입이 되면, 고속 전자와의 반응으로 해리, H-O-H 의 결합이 끊어지는 해리 반응과 원자의 이온화 등의 반응이 동시에 발생하게 됩니다. (충돌반응, 해리반응, 가속전자 혹은 전자 가속 등의 이해가 필요합니다.) 여기서 만들어진 라디컬 및 화학종들이 플라즈마와 닿아 있는 물질(재료)와의 반응하게 됩니다. 때론 파티클도 되고, 에칭도 하고, 박막도 만들게 됩니다. (재료-플라즈마 반응분야)
3. 여기서 전자를 가속시키는 방법은, 전기장을 인가하는 방법이 있고, DC 방법과 AC 및 RF 전기장을 이용하는 방법이 있으며, (전기과 전공이시니 RF 전기장은 전극 표면에 형성되는 전기장과 안테나로 부터 유도기전력의 발생까지 고려하실 수 있으실 것입니다. 본 게시판에는 플라즈마 소스, CCP, ICP 등으로 찾으실 수 있습니다.) 이 전기장의 세기는 전자 가속의 세기를 결정하게 됩니다.
4. 플라즈마 밀도는 가속된 전기장에 의한 이온화 반응율에 반응기 표면으로 손실 (재결합하는 이온들)이 균형을 이룬 상태의 값으로 결정이 될 것입니다. 따라서 플라즈마 밀도는 전력과 운전 압력 (충돌 빈도수는 밀도가 높을 수록 커질 것입니다)에 따라, 그리고 반응 용기의 크기에 따르는 함수가 됩니다.
5. 이를 종합하면, 플라즈마 관점에서 RF 전력의 의미는 전자 가속 능력으로 판단하면 되고, RF 에 반응하는 정도는 전자 플라즈마 주파수를 기준으로 생각합니다. 반면 표면에서 반응은 이온에 의한 재료 반응이며 그 거동은 이온 플라즈마 주파수를 기준으로 삼습니다. (본 게시판에서 플라즈마 주파수를 찾아 공부하시면 좋습니다.)
도움이 되었으면 좋겠습니다.