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문제 정의
- ICP의 경우 낮은 압력(<5 mTorr)에서는 방전 개시가 어려운 문제가 있으나 이온과 전자의 확산을 통한 플라즈마 균일도의 확보 측면에서는 유리한 측면이 있다. 본 연구에서는 ICP에 펄스 직류 바이어스를 인가했을 때 발생하는 전자 온도, 밀도, 플라즈마 전위의 변화에 대해서 수치 모델을 통하여 고찰하였다.
- 이때의 식각 균일도는 중성 기체의 유동장과 이온 플럭스에 의해서 결정되는데 기판에 인가하는 바이어스가 입사하는 이온의 에너지를 좌우하며 균일도를 결정짓는 중요한 요소가 된다. 플라즈마 도핑3)시의 펄스 전압 형태가 중요한 부분이지만 쉬스 내에서 발생하는 이온 - 중성간 충돌에 의해서 입사각의 분포가 넓어지는 문제를 방지하기 위하여 낮은 압력에서 플라즈마를 유지시키려고 한다. ICP의 경우 낮은 압력(<5 mTorr)에서는 방전 개시가 어려운 문제가 있으나 이온과 전자의 확산을 통한 플라즈마 균일도의 확보 측면에서는 유리한 측면이 있다.
가설 설정
- 가장 중요한 공정상의 관리 문제인 아킹 확률을 낮출 수 있는 근본적인 장치 설계와 전원 특성 조절이 필요하다. 본 계산 모델에서는 실린더형 챔버의 외벽에 설치한 3회의 유도 결합 코일에 흐르는 전류가 모두 동일하다는 가정 아래 계산하였고 챔버는 전도체로 접지된 상태로 모델링하였다. CFD-ACE+는 유동 및 기타 모듈의 계산에 사용하는 시간 스텝과 플라즈마 모듈의 계산에 사용하는 시간 스텝이 완전히 독립적으로 되어 있다.
- 이온 밀도에 영향을 미치는 요인의 하나가 표면 재결합인데 본 연구에서와 같은 10 mTorr 정도의 낮은 압력에서는 삼체 충돌에 의한 공간 재결합은 그 확률이 매우 낮기 때문이다. 본 연구에서는 Ar 이온의 표면 재결합 확률을 1.0으로 가정하였는데 많은 반도체 장비들이 내벽을 산화물로 보호 처리 하고 있는 점을 감안 하면 훨씬 낮은 재결합 상수를 적용하는 것이 더 현실적이라고 생각된다.
- 그러나 이런 운동학적 해석은 아주 간단한 2차원 문제를 제외하고는 거의 현실적인 시간내에 해석 결과를 내기 어려워서 look-up table 등의 방식으로 간략화하지만 이 경우에는 화학종들의 농도가 크게 바뀔 때 정확성이 많이 떨어진다. 본 연구에서는 맥스웰 분포를 가정하였다. ICP의 경우 안테나와 근접한 부위에서 맥스웰 분포에서 벗어나는 고에너지 전자의 분율이 중요하다는 보고들이 있었으나 Ar 방전에 대해서는 그 중요도가 상대적으로 낮다고 판단된다.
- 가장 기본적인 것은 유체에 대한 유동 방정식이며 나머지는 전기장, 자기장에 대한 맥스웰 방정식과 전자 온도에 대한 미분 방정식으로 이루어져 있다. 전자 에너지의 분포는 맥스웰 형태를 가정하였으며 여기서 전자의 확산 계수, 이동도, 전자 관련 반응 계수가 구해진다. 전자와의 충돌 단면적을 이용하여 위의 계수를 구하였으며 실린더 모양의 챔버를 가정하고 벽면에 3회의 ICP 안테나가 설치된 형상에 대해서 수치 모델을 하였다.
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