[논문]Cutoff Probe를 이용한 자화유도결합 플라즈마의 특성 연구

손의정; 김동현; 이호준

doi:10.5370/kiee.2016.65.10.1706

Cutoff Probe를 이용한 자화유도결합 플라즈마의 특성 연구
A Study on Magnetized Inductively Coupled Plasma Using Cutoff Probe 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.10, 2016년, pp.1706 - 1711

손의정 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 김동현 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 이호준 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Electromagnetic wave simulation was performed to predict characteristics of manufactured cutoff probe at low temperature magnetized plasma medium. Microwave cutoff probe is designed for research the properties of magnetized inductively coupled plasma. It was shown that the cutoff probe method can safely be used for weakly magnetized high density plasma sources. Cutoff probe system with two port network analyzer has been prepared and applied to measure electron density distributions in large area, 13.56MHz driven weakly magnetized inductively coupled plasma source. The results shown that, the plasma frequency confirmed cut-off characteristics in low temperature plasma. Especially, cut-off characteristics was found at upper hybrid resonance frequency in the environment of the magnetic field. In case of a induced weak magnetic field in inductively coupled plasma, plasma density estimated from the cutoff frequency in the same way at unmagnetized plasma due to nearly same plasma frequency and upper hybrid resonance frequency. The plasma density is increased and uniformity is improved by applying a induced weak magnetic field in inductively coupled plasma.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고밀도 플라즈마 장치인 자화유도결합 플라즈마의 진단을 위해 Microwave Cutoff Probe를 제작하고, 플라즈마 장치의 운전조건에 따른 밀도변화와 공간분포를 조사하였다. probe 제작에 앞서 자기장이 인가된 저온플라즈마 매질에서 전자파의 cutoff 특성을 시뮬레이션 하였다.

가설 설정

이런 점들을 기존보다 향상시키기 위해서 플라즈마 장치에 요구되는 특성은 450[mm] 대면적 wafer 제조 공정에서 균일하고 높은 밀도의 플라즈마를 생성해야 하며 높은 전력 전달 효율 가져야 한다. [1] planer type의 유도 결합플라즈마의 경우 대면적이 용이하지만 저압에서 전력전달 효율이 떨어진다. 하지만 이러한 단점을 보완한 자화유도결합플라즈마에서 공정 결과와 소자 품질에 결정적인 역할을 하는 플라즈마 변수 진단에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.

제안 방법

그림 6은 전자파 시뮬레이션과 동일하게 두 가지 type으로 제작한 cutoff probe이다. SF-085 동축케이블을 사용하였으며, 탐침 길이는 10[mm], 탐침 간 간격은 약 2[mm]로 고정하였다. 그리고 cutoff probe의 몸체는 내열설이 강한 세라믹을 사용하여 내부의 동축케이블을 보호하였으며, (b)의 경우 고밀도 영역에서 전자와 이온의 influx로 인해 탐침의 손상되는 것을 방지하기 위해 몸체와 동일하게 보호하였다.
본 연구에서는 고밀도 플라즈마 장치인 자화유도결합 플라즈마의 진단을 위해 Microwave Cutoff Probe를 제작하고, 플라즈마 장치의 운전조건에 따른 밀도변화와 공간분포를 조사하였다. probe 제작에 앞서 자기장이 인가된 저온플라즈마 매질에서 전자파의 cutoff 특성을 시뮬레이션 하였다. 특히 자기장이 인가된 저온플라즈마 매질에서의 probe의 특성을 시뮬레이션 하였다.
그림 10은 압력, RF파워, 외부자기장 변화에 따른 반경방향의 전자분포를 나타낸 것이다. 각각의 조건에 대하여 반경방향으로 30[mm] 간격씩 bare type의 cutoff probe를 scanning하여 측정하였다.
RF 파워가 증가할수록 cutoff주파수도 점점증가 하였으며, 투과율은 –45[dB] 정도의 일정한 값을 가지는 것을 확인하였다. 그리고 S₂₁spectrum을 통해 측정된 cutoff주파수를 수식 (10)에 대입하여 전자밀도를 계산하였다. RF파워 및 압력이 증가할수록 전자밀도는 선형적으로 증가하였으며, 이때 전자밀도는 ~10¹⁷[/m³]이다.
그리고 cutoff probe와 플라즈마 사이의 경계는 쉬스로 구별하였으며, 쉬스의 두께는 debye 길이(λd)의 약 6배인 0.2[mm]로 고정하였다.
56[MHz]의 RF파워를 인가하였다. 그리고 외부의 Helmholtz 코일에 DC전원을 공급하여 Z방향으로의 균일한 자기장을 발생시켰으며, 플라즈마를 진단하기 위한cutoff probe는 r방향으로의 공간분포 측정이 용이하도록 챔버 중심에 설치하였다.
본 연구에서는 두 가지 type의 cutoff probe를 모델링 하여 외부자기장 및 방향에 따른 결과를 전자파 시뮬레이션을 통하여 예측하고 자화유도결합플라즈마에 적용하여 RF파워, 압력, 외부 자기장의 변화에 따른 cutoff probe의 신뢰성을 확인하고 각각의 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 이러한 시스템에서 S₂₁ spectrum을 통해 cutoff주파수를 측정하여 전자밀도를 계산하였다.[5]
그림 1은 전자파 시뮬레이션에 적용된 챔버 개략도이다. 실제 챔버 사이즈는 반경 270[mm], 높이 360[mm]이지만 경향성을 살펴보기 위한 목적으로 크기를 1/3 줄여서 시뮬레이션을 수행하였다. 플라즈마는 기본적으로 Drude model을 사용하였으며 이때 유전상수는 아래와 같은 수식으로 표현된다.
탐침을 노출 시켰을 때(Bare type)(a)와 세라믹튜브를 이용하여 보호했을 때(Protective type)(b) 각각의 낮은 주파수 영역과 높은 주파수 영역의 cutoff 지점을 S-parameter인 정방향 전달 계수(S₂₁)를 통하여 확인하였으며. 인가되는 자기장의 크기 및 방향에 따른 cutoff 지점의 변화를 계산결과와 비교하였다.
probe 제작에 앞서 자기장이 인가된 저온플라즈마 매질에서 전자파의 cutoff 특성을 시뮬레이션 하였다. 특히 자기장이 인가된 저온플라즈마 매질에서의 probe의 특성을 시뮬레이션 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 cutoff probe의 노출된 탐침의 길이는 10[mm]이며, 간격은 약 2[mm]로 고정하여 전자파 시뮬레이션을 수행하였다. 탐침을 노출 시켰을 때(Bare type)(a)와 세라믹튜브를 이용하여 보호했을 때(Protective type)(b) 각각의 낮은 주파수 영역과 높은 주파수 영역의 cutoff 지점을 S-parameter인 정방향 전달 계수(S₂₁)를 통하여 확인하였으며.

이론/모형

실제 챔버 사이즈는 반경 270[mm], 높이 360[mm]이지만 경향성을 살펴보기 위한 목적으로 크기를 1/3 줄여서 시뮬레이션을 수행하였다. 플라즈마는 기본적으로 Drude model을 사용하였으며 이때 유전상수는 아래와 같은 수식으로 표현된다.

성능/효과

RF 파워가 증가할수록 cutoff주파수도 점점증가 하였으며, 투과율은 –45[dB] 정도의 일정한 값을 가지는 것을 확인하였다.
RF파워 증가 시 플라즈마에 소비되는 파워가 증가함으로 인해 이온화율이 증가하므로 전자밀도는 증가하였으며, 외부자기장 증가 시 반경방향으로의 전자 확산 계수 감소로 인해 전자가 국부적으로 챔버 중심부로 구속되어 전자밀도가 증가하는 경향성을 확인하였다.[6] 그리고 압력 증가 시 300[mm] wafer 영역에서의 전자밀도의 불균일도가 개선되었다.
(a)와 같이 탐침을 플라즈마에 노출하였을 때 명확한 cutoff주파수를 측정할 수 있었으며, (b)의 경우 높은 주파수 영역으로 갈수록 고밀도 플라즈마가 되므로 sheath영역이 좁아져서 wave가 투과되는 거리가 충분하지 않고, cutoff probe 제작 시 탐침과 세라믹튜브 사이에서 발생하는 공간적 오차로 인해 차단지점이 명확하게 측정되지 않는 것으로 판단된다.[3][4] 그리고 탐침 길이 및 간격을 동일하게 하였음에도 불구하고 두 가지 cutoff probe 모두 시뮬레이션 결과에 비해 투과율이 약 20[dB] 증가하는 것을 확인하였다.
그리고 E║B0의 경우 정상파(ordinary wave)를 통해 ωpe ≈wcutoff 관계를 확인하였으며, E⊥B0의 경우 이상파(extraordinary wave)를 통해 k⊥B0 관계를 만족하는 공진주파수인 상부혼성주파수(ωUH : upper hybrid frequency)가 나타나는 것을 확인하였다.
또한 외부자기장을 인가하였을 시 전력전달 효율 증가 및 임피던스 정합 안정성 향상과 전자가 국부적으로 챔버 중심부로 구속되어 전자밀도가 증가하였으며, 압력 증가 시 300[mm] wafer영역에서의 전자밀도의 불균일도가 개선되는 결과를 얻었다.
)에 따른 cutoff주파수의 변화를 수식 (9)를 이용해 비교한 것이다. 시뮬레이션을 통한 cutoff주파수가 수식 (9)를 이용하여 계산한 결과와 일치하는 것을 확인하였다. 그리고 E║B₀의 경우 정상파(ordinary wave)를 통해 ω_pe ≈w_cutoff 관계를 확인하였으며, E⊥B₀의 경우 이상파(extraordinary wave)를 통해 k⊥B₀ 관계를 만족하는 공진주파수인 상부혼성주파수(ω_UH: upper hybrid frequency)가 나타나는 것을 확인하였다.
외부자기장을 12[Gauss]인가했을 때의 경우 cutoff 주파수가 자기장이 인가되지 않았을 경우보다 조금 높게 측정되었으며, 투과율은 –40[dB]정도로 거의 동일하였다.
하지만 E⊥B0 관계를 갖는 자기장이 존재할 경우(Bx, By), 100[Gauss]일 때 1.05[GHz]로 조금 증가하였으며 300[Gauss]일 때는 플라즈마주파수(ωpe)의 30% 상승한 1.3[GHz]로 cutoff 지점이 크게 증가하는 것을 확인하였다.
하지만 현 시스템에서 자화유도결합플라즈마의 동작영역이 ωpe ≈ωUH 때문에 E║B0와 E⊥B0에 따른 cutoff probe의 외부자기장에 의한 영향은 없었으며, protective type의 경우 시뮬레이션 결과와 달리 bare type에 비해 고밀도 영역으로 갈수록 cutoff probe 탐침간의 간격 및 구조적인 문제로 인해 cutoff 지점이 정확하게 측정되지 않는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 플라즈마 진단에 많이 사용되는 langmuir probe의 단점은 무엇인가?	하지만 이러한 단점을 보완한 자화유도결합플라즈마에서 공정 결과와 소자 품질에 결정적인 역할을 하는 플라즈마 변수 진단에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 일반적으로 플라즈마 진단에 많이 사용되는 langmuir probe는 RF 전위 진동에 의한 보상으로 인해 정확한 플라즈마 변수를 측정하기 어려우며, cutoff probe에 비해 비교적 구조가 복잡하다[2].
	planer type의 유도 결합플라즈마의 단점은 무엇인가?	이런 점들을 기존보다 향상시키기 위해서 플라즈마 장치에 요구되는 특성은 450[mm] 대면적 wafer 제조 공정에서 균일하고 높은 밀도의 플라즈마를 생성해야 하며 높은 전력 전달 효율 가져야 한다. [1] planer type의 유도 결합플라즈마의 경우 대면적이 용이하지만 저압에서 전력전달 효율이 떨어진다. 하지만 이러한 단점을 보완한 자화유도결합플라즈마에서 공정 결과와 소자 품질에 결정적인 역할을 하는 플라즈마 변수 진단에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.
	반도체 소자의 소형화를 위해 생산성 향상 및 비용 절감을 하도록 플라즈마 장치에 요구되는 특성은?	최근 반도체 소자가 소형화 되면서 생산성 향상 및 비용 절감이 필요한 시점이다. 이런 점들을 기존보다 향상시키기 위해서 플라즈마 장치에 요구되는 특성은 450[mm] 대면적 wafer 제조 공정에서 균일하고 높은 밀도의 플라즈마를 생성해야 하며 높은 전력 전달 효율 가져야 한다. [1] planer type의 유도 결합플라즈마의 경우 대면적이 용이하지만 저압에서 전력전달 효율이 떨어진다.

참고문헌 (6)

Chen-Fu Chien, J.K. Wang, Tzu-Ching Chang, Wen- Chin Wu "Economic Analysis of 450mm Wafer Migration" IEEE, Semiconductor Manufacturing, 1-4 (2007)
Isaac D Sudit and Francis F chen, Plasma Sources Sci. Technol, 3,162 (1994)

상세보기
Byung-Keun Na, Dae-Woong Kim, Jun-Hyuk Kwon, Hong-Young Chang, Jung-Hyung Kim et al, "Computational characterization of cutoff probe system for the measurement of electron density", Phys. Plasmas 19, 053504(2012)

상세보기
K. H. You, S. J. You, D. W. Kim, B. K. Na, B. H. Seo, J. H. Kim, Y. H. Shin, D. J. Seong, H. Y. Chang, "A cutoff probe for the measurement of high density plasma", Thin Solid Films 547, 250-255(2013)

상세보기
Jung-Hyung Kim, Kwang-Hwa Chung and Yong-Hyeon Shin, "Analysis of the uncertainty in the measurement of electron densities in plasmas using the wave cutoff method", Metrologia 42, 110-114(2005)

상세보기
Yun-Gi Kim, Study on Diagnostics and Simulation on a Large Area Inductively and Magnetized Inductively Coupled Plasma(2014)

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표제어: PCR

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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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