펄스 유도결합플라즈마에서 전하입자의 거동에 관한 연구

Abstract

유도결합플라즈마를 이용하여 공정을 수행하는 주된 방전압력 대역인 1 ~ 30 mTorr 영역에서 펄스방전 시 전자(electron)와 이온(ion)이 어떻게 공간적, 시간적으로 거동하는지를 살펴보았다. 전자에 대한 정보는 전자밀도, 전자온도, 플라즈마 전위 등을 시분할적인(time-resolved) Single Langmuir Probe(SLP) 측정방법을 이용하여 측정하였다. 이온은 양이온(positive ion)의 밀도와 에너지분포를 시분할적인 Retarding Field Analyzer(RFA) 측정방법을 이용하여 측정하였으며, electronegative 플라즈마 생성 조건에서는 음이온(negative ion)에 대한 정보를 SLP와 RFA에서 측정된 정보들을 이용하여 추론하였다. 알곤방전(electropositive plasma)과 산소방전(electronegative plasma)을 이용하여 전자밀도와 전자이온의 변조(modulation) 특성을 차이를 확인하였으며, 이중 산소방전과 같은 electronegative plasma에서, 방전압력에 의존하여 그 전기적인 음성도(electronegativity)가 바뀜으로써 펄스주기에 따라 on-time과 off-time에서의 전자밀도의 변조가 역전되어 일어날 수도 있음을 확인하였다. 이것은 이온화반응에 의한 전자의 생성과 ambipolar diffusion에 의한 전자의 손실 이외에 attachment, detachment 등 별도의 전자에 대한 생성, 소멸 반응을 지닌 방전기체의 특성에 따라 전자밀도의 변조가 영향 받을 수 있음을 의미한다. 전자밀도의 공간적인 분포의 시간적 전개는 알곤 펄스방전의 경우 on-time에서는 증가하고, off-time에서는 감소하는 형태로 일어나고 방전압력, rf power 의 변화와 무관하게 동일한 양상을 보인 반면, 산소 펄스방전의 경우 방전압력과 펄스주기에 민감한 변화를 보였으며, 특히 방전압력이 30 mTorr, 펄스주기가 10 kHz (duty ratio 0.5) 일 때, attachment와 detachment의 참여에 의한 전자의 소멸과 생성이 각각 이온화반응과 ambipolar diffusion에 의한 생성과 소멸에 균형을 이룸으로써 전자밀도의 시간적 변화가 일어나지 않는 영역도 관찰되었다. 산소 펄스방전에서 전기음성도(electronegativity, $\alpha\equiv\frasl{N_}{N_e}$ )의 시간적 전개과정을 살펴보았고, on-time 보다 off-time에서 전기음성도가 높다고 보고된 기존의 연구(방전압력 5 mTorr)보다 방전압력이 더 높은 영역에서는 전기음성도의 값이 off-time 구간에서 보다 on-time 구간에서 더 높은 특성을 보일 수 있음을 확인하였다. 비활성기체(헬륨, 알곤, 제논)와 산소 및 질소 펄스방전에서 sheath 가속되어 접지된 기판이나 wall로 입사하는 이온에너지분포의 변화 과정을 시분할적으로 관찰하였다. off-time 구간이 시작된 직후 시간적으로 급격히(100 $\mus$ 정도의 구간) 변화되는 sheath 전위를 따라 가속된 이온에너지는 낮은 에너지쪽으로 이동한다. 그러나, presheath 구간( ~ 6 cm)을 지나는데 대략 40 $\mus$ 이상의 시간이 걸리는 이유로 presheath에 진입한 시각에 따라 이온이 접지된 기판이나 wall에 도착하는데 시간지연(time delay)이 발생한다. on-time의 마지막 순간에 on-time 때의 플라즈마 전위 수준에서 가속이 시작된 이온들이 시간지연되어 접지된 기판이나 wall에 도착하고, 이때의 밀도가 두드러지게 높기 때문에 off-time의 일정구간(100 $\mus$ 정도의 구간) 내에서 sheath 가속된 이온에너지분포는 double-peak을 형성하게 된다. double-peak이 유지되는 시간은 대략 ambipolar diffusion이 일어나는 time scale과 비슷하다. 산소 및 질소 펄스방전에서는 double-peak이 유지되는 시간이 알