[논문]좁은 간격 CCP 전원의 전극과 측면 벽 사이 플라즈마 분포

최명선; 장윤창; 이석환; 김곤호

좁은 간격 CCP 전원의 전극과 측면 벽 사이 플라즈마 분포
Investigation of Spatial Distribution of Plasma Density between the Electrode and Lateral Wall of Narrow-gap CCP Source 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.13 no.4, 2014년, pp.1 - 5

최명선 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) , 장윤창 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) , 이석환 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) , 김곤호 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The plasma density distribution in between the electrode and lateral wall of a narrow gap CCP was investigated. The plasma density distribution was obtained using single Langmuir probe, having two peaks of density distribution at the center of electrode and at the peripheral area of electrodes. The plasma density distribution was compared with the RF fluctuation of plasma potential taken from capacitive probe. Ionization reactions obtained from numerical analysis using CFD-$ACE^+$ fluid model based code. The peaks in two region for plasma density and voltage fluctuation have similar spatial distribution according to input power. It was found that plasma density distribution between the electrode and the lateral wall is closely related with the local ionization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Sawada등의 연구에서와 같이 좁은 전극 간격과 넓은 확산영역을 갖는 CCP장치에서 나타나는 확산영역에서의 플라즈마 밀도가 방전 영역 경계보다 높게 관찰되는 현상을 관찰하였으며, 확산영역에서의 전자가열 및 플라즈마 생성 특성을 실험과 전산모사를 통하여 분석하였다. 특히 아르곤 준안정성종(argon metastable)의 step ionization 반응을 통하여 상대적으로 낮은 전력이 전달될 것으로 예상되는 확산 영역에서의 플라즈마 생성이 활성화 될 수 있음을 규명하고자 하였다.
좁은 전극 간격과 넓은 배기 공간을 가지는 공정용 CCP장치의 플라즈마 해석은 두 전극 사이에서만 플라즈마가 생성되는 것으로 해석되어 왔다. 본 연구에서는 확산영역에서 플라즈마 밀도가 높게 나타나는 현상을 설명하기 위하여 실험적으로 #의 분포를 측정하고 전산모사를 통하여 이온화율 크기 분포를 조사하였다. 확산 영역에서도 플라즈마 생성이 가능한 크기의 #가 인가되고 있음이 관찰되었다.
본 연구에서는 Sawada등의 연구에서와 같이 좁은 전극 간격과 넓은 확산영역을 갖는 CCP장치에서 나타나는 확산영역에서의 플라즈마 밀도가 방전 영역 경계보다 높게 관찰되는 현상을 관찰하였으며, 확산영역에서의 전자가열 및 플라즈마 생성 특성을 실험과 전산모사를 통하여 분석하였다. 특히 아르곤 준안정성종(argon metastable)의 step ionization 반응을 통하여 상대적으로 낮은 전력이 전달될 것으로 예상되는 확산 영역에서의 플라즈마 생성이 활성화 될 수 있음을 규명하고자 하였다.

가설 설정

1과 과 같이 실제 장치를 단순화하였다. 전극 중심부로부터 축대칭을 가정하여 2D 구조를 모사하였고, 방전 가스의 유입은 상부 전극 전체에서 균일하게 이루어진다고 가정하였다.
챔버 벽과 전극은 완전한 도체로 가정하여 전자기파가 투과할 수 없다고 가정하였다. 운전 압력은 순수한 아르곤 기체에 대해 20 mTorr로 설정하였다.

제안 방법

CFD-ACE+ 코드의 ‘Flow’, ‘Chemistry/Mixing’, ‘Plasma’, ‘Electric’, ‘Magnetic’ 모듈을 사용하여 전산모사를 수행하였다.
유체역학기반의 CFD-ACE⁺ 상용코드(2013년버전[8])를 이용하여 전산모사를 통해 방전 챔버 내 이온화 반응율 크기의 분포를 조사하였다. 전산모사에서 사용된 방전공간의 구조는 Fig.
이에 따라 전극 사이 공간과 전극 주변부 공간을 각각 ‘방전 영역’과 ‘확산 영역’으로 구분하였다[2].
는 용량성 탐침(capacitive probe)를 통해 측정하였다. 전기용량성 탐침은 1 pF과 22 pF의 용량성 분기기(capacitive divider)를 통하여 탐침과 플라즈마의 용량성 결합(capacitive coupling)으로부터 를 측정하였다. 를 통하여 탐침과 플라즈마의 용량성 결합(capacitive coupling)으로부터 #를 측정하였다.
아르곤 기체는 500 sccm의 유동률로 실리콘 샤워헤드를 통해 챔버에 주입되었으며, 상부 전극에는 RF 정합 회로를 통하여 100 MHz 전력을 200 W에서 800 W까지 인가하였다. 플라즈마 밀도 분포는 랑뮤어 프로브(Langmuir probe)로 측정을 하였다. 프로브 팁은 직경 0.

대상 데이터

실험은 아르곤 20 mTorr압력 조건에서 수행하였다. 아르곤 기체는 500 sccm의 유동률로 실리콘 샤워헤드를 통해 챔버에 주입되었으며, 상부 전극에는 RF 정합 회로를 통하여 100 MHz 전력을 200 W에서 800 W까지 인가하였다.

성능/효과

6 (b)는 전산모사를 통하여 해석된 플라즈마 밀도 분포이다. 10 % 정도의 낮은 전달전력에도 불구하고 확산영역의 플라즈마 밀도는 방전영역보다 높게 나타났으며, Fig. 2의 실험결과와 같이 확산영역에서 플라즈마 밀도 피크가 관찰되었다.
확산영역의 피크는 상대적으로 낮은 증가율로 일정하게 증가하였으나, 방전영역의 피크는 인가전력이 400 W에서 500 W로 증가할 때 급격한 증가가 관찰되었다. 결과적으로 방전영역의 피크에 대한 확산영역의 피크의 비는 200 W에서 대략 65 %에서 500 W에서 약 40%로 감소하였다. 따라서 밀도와 #에 대해서 확산 영역에 대한 방전 영역 각 피크의 비율은 인가 전력에 대해 유사한 경향으로 변화하였다.
인가 전력이 200 W에서 400 W로 증가할 때, 방전 영역의 밀도가 상대적으로 크게 증가하였다. 또한 인가 전력이 400 W에서 800 W까지 증가할 때, 확산 영역의 밀도 증가가 상대적으로 커짐에 따라 방전 영역의 피크(inner peak)에 대한 확산 영역 피크(outer peak)의 비는 400 W에서 최솟값을 가지고 다시 증가하는 경향을 보였다. 확산에 의한 플라즈마 밀도 분포는 전극 경계에서 멀어질수록 감소할 것이므로, 확산 영역에서 형성된 밀도의 피크는 이 영역에서 플라즈마 밀도가 단순히 확산 현상만으로 설명되지 않음을 알 수 있다.
방전 영역과 확산 영역 각각에 피크가 형성되는 분포 경향은 인가 전력의 크기에 상관없이 관찰되었고, 각 밀도 피크의 크기는 전력이 증가함에 따라 증가하였다. Fig.
방전 영역에서 플라즈마 밀도 분포는 중앙에서 최대값을 갖고 중앙에서 멀어질 수록 감소하는 경향이 나타났다. 방전 영역과 확산 영역의 경계인 반경 0.2 m에서 플라즈마 밀도 분포는 골을 갖고, 이후 플라즈마 밀도는 반경 0.24 m까지 다시 증가하였다가 감소하는 경향을 보였다. 0.
2는 20 mTorr Ar 환경에서 100 MHz 전원을 상부 전극에 인가였을 때 플라즈마 밀도의 분포를 인가 전력에 따라 나타낸 것이다. 방전 영역에서 플라즈마 밀도 분포는 중앙에서 최대값을 갖고 중앙에서 멀어질 수록 감소하는 경향이 나타났다. 방전 영역과 확산 영역의 경계인 반경 0.
방전영역과 확산영역의 # 피크는 인가전력의 증가에 따라 모두 증가하였다. 확산영역의 피크는 상대적으로 낮은 증가율로 일정하게 증가하였으나, 방전영역의 피크는 인가전력이 400 W에서 500 W로 증가할 때 급격한 증가가 관찰되었다. 결과적으로 방전영역의 피크에 대한 확산영역의 피크의 비는 200 W에서 대략 65 %에서 500 W에서 약 40%로 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전형적인 공정용 CCP가 좁은 간격을 가지는 전극 영역과 전극 경계로부터 측면 벽, 배기 포트까지의 주변부 공간으로 구성되는 이유는?	현재 반도체 식각공정에 폭넓게 사용되고 있는 용량성 결합 플라즈마(CCP) 장치는 고밀도 플라즈마 발생 및 공정 균일도 제어를 위하여 전극 간격이 좁고 공정 부산물의 원활한 배기를 위하여 전극 주변부에 상대적으로 넓은 배기 포트가 존재한다[1]. 그러므로 전형적인 공정용 CCP는 좁은 간격을 가지는 전극 영역과 전극 경계로부터 측면 벽, 배기 포트까지의 주변부 공간으로 구성된다.
	방전영역에서 플라즈마는 어떻게 생성되는가?	방전 영역에서 플라즈마는 전자의 통계적 가열(stochastic heating) 및 옴식 가열(ohmic heating)에 의하여 생성된다. 고주파 전력이 인가된 경우, 플라즈마 분포는 정상파 효과와 표피효과에 의하여 공간에 따라 불균일한 전자가열로 결정된다[3, 4].
	확산 영역에서의 플라즈마의 분포는 어떻게 되는가?	고주파 전력이 인가된 경우, 플라즈마 분포는 정상파 효과와 표피효과에 의하여 공간에 따라 불균일한 전자가열로 결정된다[3, 4].반면에 확산 영역에서의 플라즈마의 분포는 방전 영역에서 생성된 플라즈마가 확산에 의해 결정되므로 전극 경계에서부터 방전영역에서 반경 방향으로 멀어질수록 플라즈마 밀도가 감소하는 분포를 갖게 된다. 그러나 기존의 연구 [5, 6]에서 이러한 해석방법으로 설명되지 않는 실험결과가 관측되었다.

참고문헌 (9)

M.-S Choi, Y. Jang, S.-H Lee, G.-H Kim, Journal of KSDT, vol.13, No.3, pp 39-43, 2014.
Z.-H. Bi, Z.-L. Dai, Y.-R. Zhang, D.-P. Liu, Y.-N, Wang, Plasma Sources Sci. Technol. 22 (2013) 055007 (8pp).

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M. A. Lieberman, J. P. Booth, P. Chabert, J. M. Rax, M. M. Turner, Plasma Sources Sci. Technol. 11 (2002) 283-293.

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A. Perret, P. Chabert, J.-P. Booth, J. Jolly, J. Guillon, and Ph. Auvaray, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 243.

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V. Volynetz, A. Ushakov, D. Sung, Y. N. Tolmachev, V. G. Pashkovsky, J. B. Lee, T. Y. Kwon, K. S. Jeong, J. Vac. Sci. Technol. A 26, (2008) 406.

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I. Sawada, P. L. G. Ventzek, B. Lane, T. Ohshita, R. R. Upadhyay, L. L. Raja, J. J. Appl. Phy. 53 (2014) 03DB01.

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Y.-R. Zhang, X. Xu, A. Bogaerts, Y.-N. Wang, J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (2012) 015203 (13pp).

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https://www.esi-group.com/software-services/virtual-environment/cfd-multiphysics/ace-suite/cfd-ace.
T. Ohba, T. Makabe, Appl. Phy. Lett. 96 (2010) 111501.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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