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제안 방법
- 실험의 조건은 압력을 5mTorr. 10mTorr, 15mTorr, 20mTorr, 입력 파워를250W, 300W, 350W, 400W, 450W 범위에 따라 변화시켜가며 공간 분포상 플라즈마 변수의 변화를 관찰 하였다.
- Ar 가스를 인가하였을 때 인가 전원을 250W로 고정시킨 후 수직 방향과 수평 방향에 따른 공간 분포상의 플라즈마 변수 값을 계산하였다. 먼저 그림 11 (a), (b)에서 x축 방향 챔버 중앙지점을 기준으로 수직 방향의 전자 밀도와 전자 온도 분포를 측정하였다.
- [1] 유도결합 플라즈마 발생 장치는 비교적 높은 전자 밀도와 저온 공정이 가능한 장점을 가지기 때문에 반도체 공정 중 건식 식각 공정에 주로 사용되고 있으며 물리적인 연구에서부터 다양한 산업 분야까지 다양한 분야에 응용되고 있다.[2] 산업 분야에서 사용되는 공정에서는 다양한 화합물 가스를 이용하여 식각 및 증착 공정이 이루어지며, 이때 장비의 기본적인 특성을 비교하고 분석하기 위하여 Ar, He 등과 같은 18족 비활성 기체를 사용하여 장비 특성 분석을 실시한다.
- 12 Mhz 영역에서 높은 감쇠 비를 갖도록 제작하였으며, 이를 통해 플라즈마 진단의 정확도를 높이도록 하였다.[3] 또한 상용 유한 요소 시뮬레이션 패키지를 이용하여 2차원 축대칭 구조의 시뮬레이션을 진행하였다. 실험과 시뮬레이션에서는 압력 및 인가 파워를 주요 변수로 설정 하여 공간 분포에 따른 특성을 분석하였다.
- 그림 5와 같이 인가 파워와 압력을 주요 변수로 하여 변화시켜 가며 플라즈마 전위, 전자 밀도, 전자 온도의 변화를 관찰 하였다. 플라즈마 전위는 통상적인 결과와 같이 인가 파워가 동일할 때는 압력이 낮을수록, 인가 압력이 동일할 때는 인가 파워가낮을수록 플라즈마 전위가 높아지는 경향성을 보였다.
- 기본적으로 Poisson 방정식을 사용하여 electric field 및 potential을 구하였으며, 플라즈마 내의 입자 변화를 계산하기 위하여 전자 보존 방정식과 에너지 보존 방정식을 사용하여 전자밀도 분포와 전자 평균 에너지를 구하였다.
- 본 논문에서는 자체 제작한 단일 랭뮤어 프로브와 상용 유체시뮬레이션 프로그램을 사용하여 유도결합 플라즈마 장치에 대한 기본적인 분석을 실시하였으며 공정가스로는 Ar 가스를 사용하여 장비의 특성 분석을 실시하였다. 단일 랭뮤어 프로브는 리드코일을사용하여 13.56 Mhz와 27.12 Mhz 영역에서 높은 감쇠 비를 갖도록 제작하였으며, 이를 통해 플라즈마 진단의 정확도를 높이도록 하였다.[3] 또한 상용 유한 요소 시뮬레이션 패키지를 이용하여 2차원 축대칭 구조의 시뮬레이션을 진행하였다.
- 또한 전자의 평균 에너지를 구하여 전자온도를 계산하였다. 전자의 확산계수, 에너지 이동도, 에너지 확산계수는 Einstein relation을 이용하여 계산하였다.
- 실험값과 동일하게 유체 시뮬레이션을 통하여 압력과 입력 파워 별로 플라즈마전위, 전자 밀도, 전자 온도를 계산하였다. 또한 챔버와 동일한구조의 시뮬레이션 장치를 설계하여 공간 분포 상 전자온도와 전자밀도 플라즈마 전위를 측정 하였다. 실험값과 유체 시뮬레이션 결과 값을 비교한 결과, 인가 파워와 압력에 따른 플라즈마 변수값의 분포의 경향성은 일치하였으나 2차원 축대칭 구조로 설계한 한계점으로 인하여 전자 및 이온 확산에 대한 한계 점으로 인하여 공간 분포상 플라즈마 변수 값을 정확하게 계산할 수 없는 한계점을 지녔다.
- 또한 프로브 진단 시 발생하는 프로브의 stray capacitance 값으로 인한 공진주파수 영역의 변이를 막기 위하여 공진 영역의 대역폭이 넓도록 랭뮤어 프로브를 설계하였다. 이를 통하여 RF노이즈 간섭으로 인한 프로브 진단의 오차를 감소시켰다.
- 리드코일의 자기 공명 주파수는 Agilent technologies 사의 E5071B Network Analyzer를 이용하여 측정하였으며 S21 parameter 값이–40 dB에서 –50 dB의 값을 가지도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 자체 제작한 단일 랭뮤어 프로브와 상용 유체시뮬레이션 프로그램을 사용하여 유도결합 플라즈마 장치에 대한 기본적인 분석을 실시하였으며 공정가스로는 Ar 가스를 사용하여 장비의 특성 분석을 실시하였다. 단일 랭뮤어 프로브는 리드코일을사용하여 13.
- 본 실험에서는 자체 제작한 싱글 랭뮤어 프로브를 이용하여 동작압력 5mTorr, 10mTorr, 15mTorr, 20mTorr에서 인가 파워를 250W, 300W, 350W, 400W, 450W로 변화시켜 가며 플라즈마변수를 측정 하였다. 탐침의 위치는 진공 챔버의 윈도우로부터6cm 아래에서 측정을 하였으며 윈도우와 chuck의 중앙 부분에서 측정을 실시하였다.
- 본 연구에서는 유도결합 플라즈마 발생 장치를 이용하여 입력파워와 Ar 인가 가스의 압력에 따라 플라즈마 전위, 전자 밀도, 전자 온도 및 챔버 공간 분포에 따른 플라즈마 변수 측정을 실시하였다. 플라즈마 변수 측정을 위하여 단일 랭뮤어 프로브를 사용하여 V-I Curve를 측정하고 플라즈마 변수를 계산 하였다.
- 시뮬레이션 시에 챔버 벽면은 ground로 설정 하였으며 코일의 인가 파워와 플라즈마 인가 압력에 따라 플라즈마 변수를 계산하였다. 시뮬레이션은 Navier-stokes 방정식을 포함하여 아래와 같은 지배 방정식을 이용하여 계산하였다.
- 조건은 실험과 동일한 크기의 챔버를 2차원 축대칭 구조로 제작하여 실시하였다. 실험 조건과 같이 입력 파워를 250W, 300W, 350W, 400W, 450W로 증가 시켜가며 실험을 실시하였으며, 압력 조건 또한 5mTorr, 10mTorr, 15mTorr, 20mTorr로 조건을 변화시키며 실험을 실시하였다. 압력과 밀도에 따른 플라즈마 전위, 전자 밀도, 전자 온도를 계산 하였으며, 실험과 같이 공간 분포상의 전자밀도와 전자온도를 계산하여 실험값과 비교 분석을 실시하였다.
- 이러한 실험 결과를 이론 치에 근거하여 계산한 상용 유체 시뮬레이션을 이용하여 비교 분석을 실시하였다. 실험값과 동일하게 유체 시뮬레이션을 통하여 압력과 입력 파워 별로 플라즈마전위, 전자 밀도, 전자 온도를 계산하였다. 또한 챔버와 동일한구조의 시뮬레이션 장치를 설계하여 공간 분포 상 전자온도와 전자밀도 플라즈마 전위를 측정 하였다.
- [3] 또한 상용 유한 요소 시뮬레이션 패키지를 이용하여 2차원 축대칭 구조의 시뮬레이션을 진행하였다. 실험과 시뮬레이션에서는 압력 및 인가 파워를 주요 변수로 설정 하여 공간 분포에 따른 특성을 분석하였다. 입력 변수에 따라 플라즈마 전위, 전자밀도, 전자 온도 등의 플라즈마 변수들의 변화를 살펴보았으며 실험 및 시뮬레이션 결과를 비교 분석 하였다.
- 실험 조건과 같이 입력 파워를 250W, 300W, 350W, 400W, 450W로 증가 시켜가며 실험을 실시하였으며, 압력 조건 또한 5mTorr, 10mTorr, 15mTorr, 20mTorr로 조건을 변화시키며 실험을 실시하였다. 압력과 밀도에 따른 플라즈마 전위, 전자 밀도, 전자 온도를 계산 하였으며, 실험과 같이 공간 분포상의 전자밀도와 전자온도를 계산하여 실험값과 비교 분석을 실시하였다.
- 코일의 형태 및 챔버의 길이는 실제 실험에 사용된 유도결합 플라즈마 발생 장치와 동일하게 모델링 되었으며 크게 코일, 유전체, 플라즈마 발생 부분과chuck으로 구성 되어있다. 유체 시뮬레이션은 속도 향상을 위하여 2 dimension 축 대칭 형태로 계산을 실시하였다.
- 이를 통하여 RF노이즈 간섭으로 인한 프로브 진단의 오차를 감소시켰다. 이를 이용하여 시간에 따라 선형적으로 변하는 삼각파 신호를 인가하여 탐침에 인가하는 전압의 크기에 따른 전류 V-I 커브를 측정한 후 플라즈마 변수 값을 구하였다.
- 또한 프로브 진단 시 발생하는 프로브의 stray capacitance 값으로 인한 공진주파수 영역의 변이를 막기 위하여 공진 영역의 대역폭이 넓도록 랭뮤어 프로브를 설계하였다. 이를 통하여 RF노이즈 간섭으로 인한 프로브 진단의 오차를 감소시켰다. 이를 이용하여 시간에 따라 선형적으로 변하는 삼각파 신호를 인가하여 탐침에 인가하는 전압의 크기에 따른 전류 V-I 커브를 측정한 후 플라즈마 변수 값을 구하였다.
- 실험과 시뮬레이션에서는 압력 및 인가 파워를 주요 변수로 설정 하여 공간 분포에 따른 특성을 분석하였다. 입력 변수에 따라 플라즈마 전위, 전자밀도, 전자 온도 등의 플라즈마 변수들의 변화를 살펴보았으며 실험 및 시뮬레이션 결과를 비교 분석 하였다.
- 그림 7은 인가 전원을 350W로 고정 한 후 압력에 따라(a) EEDF(Electron Energy Distribution Function)와(b) EEPF(Electron Energy Probability Function)를 나타낸 그림이다. 전자 에너지 분포 함수를 5mTorr, 10mTorr, 15mTorr,20mTorr로 압력을 5mTorr씩 증가 시키며 실험을 실시하였다. 압력이 높을수록 플라즈마 내의 입자수가 증가하게 되므로 충돌이 증가하여 전자 밀도는 증가하는 반면 잦은 충돌로 인한 입자의 에너지는 낮아져 전자 온도는 낮아지게 된다.
- 그림 9 는 상용 유체 플라즈마 시뮬레이션 툴을 사용하여 얻어진 플라즈마 전위, 전자 밀도, 전자온도에 관한 결과이다. 조건은 실험과 동일한 크기의 챔버를 2차원 축대칭 구조로 제작하여 실시하였다. 실험 조건과 같이 입력 파워를 250W, 300W, 350W, 400W, 450W로 증가 시켜가며 실험을 실시하였으며, 압력 조건 또한 5mTorr, 10mTorr, 15mTorr, 20mTorr로 조건을 변화시키며 실험을 실시하였다.
- 진공 챔버 내의 플라즈마 진단은 그림 2와 같이 자체 제작한 싱글 랭뮤어 프로브를 이용하여 실시하였다. 프로브는 탐침으로 들어오는 RF 노이즈 성분을 감소시키기 위하여 자기 공명 주파수 13Mhz, 28Mhz의 리드코일을 이용하여 제작하였다.
- 3 turn 나선형 안테나가 RF 윈도우로부터 10[mm] 떨어진 지점에 위치해 있으며 반경80[mm]로 제작 되었다. 챔버의 중앙 하단에는 높이 105[mm],반경 60[mm]의 chuck이 위치해 있으며, RF 윈도우의 바로 하단 부분으로 가스 주입이 가능하도록 설계하였다.
- 본 실험에서는 자체 제작한 싱글 랭뮤어 프로브를 이용하여 동작압력 5mTorr, 10mTorr, 15mTorr, 20mTorr에서 인가 파워를 250W, 300W, 350W, 400W, 450W로 변화시켜 가며 플라즈마변수를 측정 하였다. 탐침의 위치는 진공 챔버의 윈도우로부터6cm 아래에서 측정을 하였으며 윈도우와 chuck의 중앙 부분에서 측정을 실시하였다.
- 플라즈마 발생에는 Ar gas를 사용하여 방전을 실시하였으며, 초기진공은 10-5 Torr로 하여 실험을 진행 하였다. 실험의 조건은 압력을 5mTorr.
- 본 연구에서는 유도결합 플라즈마 발생 장치를 이용하여 입력파워와 Ar 인가 가스의 압력에 따라 플라즈마 전위, 전자 밀도, 전자 온도 및 챔버 공간 분포에 따른 플라즈마 변수 측정을 실시하였다. 플라즈마 변수 측정을 위하여 단일 랭뮤어 프로브를 사용하여 V-I Curve를 측정하고 플라즈마 변수를 계산 하였다. 또한 상용 유체 시뮬레이션을 이용하여 실험 결과와 비교 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 그림 1은 실험에 사용된 유도결합 플라즈마 발생 장치의 모식도이다. 실험에 사용된 진공 챔버는 반경 110[mm], 높이 235[mm]로 원형으로 제작 되었으며 두께 13[mm]의 RF 윈도우를 챔버 윗면에 위치하도록 설계하였다. 3 turn 나선형 안테나가 RF 윈도우로부터 10[mm] 떨어진 지점에 위치해 있으며 반경80[mm]로 제작 되었다.
- 진공 챔버 내의 플라즈마 진단은 그림 2와 같이 자체 제작한 싱글 랭뮤어 프로브를 이용하여 실시하였다. 프로브는 탐침으로 들어오는 RF 노이즈 성분을 감소시키기 위하여 자기 공명 주파수 13Mhz, 28Mhz의 리드코일을 이용하여 제작하였다. 리드코일의 자기 공명 주파수는 Agilent technologies 사의 E5071B Network Analyzer를 이용하여 측정하였으며 S21 parameter 값이–40 dB에서 –50 dB의 값을 가지도록 설계하였다.
데이터처리
- 플라즈마 변수 측정을 위하여 단일 랭뮤어 프로브를 사용하여 V-I Curve를 측정하고 플라즈마 변수를 계산 하였다. 또한 상용 유체 시뮬레이션을 이용하여 실험 결과와 비교 분석을 실시하였다.
- 이러한 실험 결과를 이론 치에 근거하여 계산한 상용 유체 시뮬레이션을 이용하여 비교 분석을 실시하였다. 실험값과 동일하게 유체 시뮬레이션을 통하여 압력과 입력 파워 별로 플라즈마전위, 전자 밀도, 전자 온도를 계산하였다.
이론/모형
- 시뮬레이션 시에 챔버 벽면은 ground로 설정 하였으며 코일의 인가 파워와 플라즈마 인가 압력에 따라 플라즈마 변수를 계산하였다. 시뮬레이션은 Navier-stokes 방정식을 포함하여 아래와 같은 지배 방정식을 이용하여 계산하였다. 아래의 지배 방정식을 이용하여 시뮬레이션을 실시하였다.
- 또한 전자의 평균 에너지를 구하여 전자온도를 계산하였다. 전자의 확산계수, 에너지 이동도, 에너지 확산계수는 Einstein relation을 이용하여 계산하였다. 또한 유체 시뮬레이션에 이용한 유도결합 플라즈마 방전 영역의 화학 반응은 아래 표의 화학 반응식을 사용하여 계산하였다.
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