CCP 內 RF Plasma 해석

1. CCP 內 RF Plasma  해석

   ① DC Glow Discharge : 전극이 도체였을 경우에만 가능

   ② RF Glow Discharge : 전극이 부도체라도 관계없음. DC Glow 방전에 비해 이온화 효율이 높다. RF 전원을 사용해 전극의 극성을 매우 빠르게 변화시켜, 전극이 표면에 양이온들이 축척될 시간적 여유를 주지 않고 방전을 지속시킬 수 있다. 산업용 교류 방전에 사용되는 주파수는 13.56 MHz가 많이 사용된다.  이 주파수 영역이 고주파수 (Radio Frequency)이기 때문에 RF 글로우 방전이라고 부른다.

 

1-1. Self Bias

    RF Power를 인가하면 한쪽 전극이 +,-를 가변을 하기 시작합니다. 상대적으로 양전하에 비해, 음전하는 움직임이 빠르기 때문에(양전하가 질량이 높기 때문에 상대적인 움직임이 느림)  음전하가 전극에 머물러 있는 시간이 증가합니다. 그러면서 Vdc 가 - 가 되면서 Self Bias가 생기게 됩니다. 이후에는 양전하가 - 음극으로 Ion-bombardment sputter(Physical Etch)가 일어나게 됩니다. 

 

1-2. Sheath

    Sheath란 플라스마와 어떤 물체의 표면 사이의 영역을 뜻합니다. 반도체 공정을 예로 들면 '챔버 벽면'과 '전극'의 표면이라고 생각하면 될 것으로 보입니다. 플라스마 Bulk와 챔버 벽면, 전극 사이에 어둡게 보이는 영역이 있습니다.

    전자와 이온의 이동도 차이를 생각해 봅시다. 전자의 무게는 이온보다 가볍기 때문에 이동 속도가 빠릅니다. 그렇기 때문에 플라스마플라스마 안의 전자는 더 빨리 확산되고, 전극과 챔버 벽면에 이온보다 먼저 도달합니다. 먼저 도달한 전자는 벽면(or전극)에 흡수되어 빠져나가거나 뒤따라 오는 양이온과 결합해 중화됩니다. 그래서 이온은 아직 벽면에 도착하지 않았는데, 전자는 먼저 도착해서 없어져 버리거나 중화되어 버립니다. 그 결과로 벽면과 플라스마 Bulk사이에 전자의 수는 적고 양이온과 중성자의 숫자는 상대적으로 많아지게 됩니다. 결론적으로 말하면 플라스마와 벽면 사이에 양전하와 중성자가 상대적으로 많은 영역이 Sheath라고 할 수 있습니다.

 

   왜 Sheath는 어둡게 보이는 것일까? 나오는 빛은 파장이 너무 짧아 우리 눈에 보이지 않기 때문입니다.

(a) Chamber 내 Sheath영역(어둡게 보이는 부분) / (b) Plasma와 전극 사이 / (c) Sheath영역 음전압 강하

  **음전압 강하 : 양이온이 분포하게 되면 벽면과 비교했을 때, 상대적으로 양이온이 밀집해 있다 보니 전압이 급강하하는 일이 벌어집니다. 그림(C)처럼 원래는 노란색 선처럼 전압의 그래프가 보여야(거리에 비례해 전압이 변하는) 합니다. 하지만 플라스마와 벽면 사이에 양이온 수가 상대적으로 많기 때문에 전압이 갑자기 떨어집니다. 따라서 sHEATH의 양이온은 음전압강하로 인해 벽면에 더 세게 끌려가 충돌하게 됩니다. 이러한 현상을 이용해 Sputtering or Etch를 진행하는 것입니다. 

 

   이러한 Sheath는 Cathode, Anode 모든 전극에서 확인되며 양이온은 표면과 충돌을 하게 됩니다.

아래쪽 전극과 챔버 벽면은 Ground로 묶여 있고, 위쪽 전극은 Powered Electrode(전원이 인가되는 전극)으로 가정해 봅시다. Powered Electrode에 +의 전압이 걸린다면, 전자는 위쪽(Anode) 전극으로 이동할 것이고, 양이온은 아래쪽(Cathode)과 벽면으로 이동합니다. 이때, 전자가 이동이 빠르기 때문에 Anode 전극에 먼저 도달하고, 양이온은 느리기 때문에 아직 Cahthode 쪽으로 이동하고 있습니다. 

 

   그런데 Anode에 먼저 도달한 전자는 전극에 흡수되거나, 아직 이동 중인 양이온과 결합하여 소모됩니다. 따라서 여기서도 Sheath가 관찰되는 것입니다.  이때는 Anode에 +전압이 걸려 있기 때문에 Cathode와 챔버 벽면에 관찰되는 Sheath보다 약하게 관찰됩니다. 따라서 양이온의 충돌도 상대적으로 약합니다. Cathode는 굳이 설명하지 않더라도 벽면과 Cathode에는 양이온들이 많이 몰려 있어 Sheath가 관찰되는 것입니다.

 

   

출처 :

1) mungineer YouTube

2) SWWTSANGIL-3158님의 Tistory