플라즈마 형성 방법

1. 플라즈마 발생원

1) Cold Cathode (DC discharge) = DC diode Plasma

 

-두 개의 평형 전극판 사이에 플라즈마 생성 : 음극과 양극(그라운드)

-Ion(양성자)이 음극판이 끌려서 충돌 >이중 ~10%정도가 2차전자를 발생

-이 2차전자는 양극 방향으로 가속됨 > plasma내의 기체 중성입자와 충돌하여 이온-전자쌍(이온화)을 만든다 >반복해서 플라즈마 생성

-이때 양이온이 음극판과 충돌할 때 전자이외에도 다른 물질을 뛰어나오게 하는 것을 Sputtering> 음극에 target이 위치, 양극에 기판 > target물질이 확산에 의해서 기판에 증착

-음극판은 양이온과 계속 충돌하기 때문에 열이 발생하고 따라서 cooling이 중요함

 

DC Plasma Heating 및 Arc Discharge

DC Discharge 상태에서 Ion충돌로 Cathode가 과도하게 Heating됨 > 열전자 발생으로 과도한 전류가 흐름, Cathode 전극에 Damage를 줌

 

Paschen's Law

Breakdown Voltage(Plasma 발생전압)와 Electrode Separation, Pressure과의 관계를 나타냄(이상 기체 가정)

원하는 공간에만 플라즈마 생성하기 위한 사용하는 관계식

플라즈마를 형성하기 위한 적절한 전극 간격과 압력간의 관계식

전극간의 간격과 공정압력을 조절해야 플라즈마를 형성할 수 있다.

 

2)Hollow Cathode (DC/Pulsed)

- 평판 Cold Cathode의 모양을 변형 > DC Cathode에서 전자들이 기체 분자와의 충돌을 높이기 위함

- 음극을 원통형태로 만든형태

> 전자를 더 효율적으로 가두어 플라즈마 밀도를 상승시킨다. 전자가 음극으로 둘러싸여 있기 때문에 플라즈마 내부에 오래 머물러서 기체분자와의 충돌 증가

> 플라즈마 밀도 상승

 

3) Hot DC cathode(Filament Discharge)

필라맨트를 가열하여 열전자 생성(전자수증가) > Bias로 열전자 가속 > 플라즈마 생성

 

4) Magnetized Cold DC Cathode

DC Plasma에 영구자석을 추가한 것

Cathode에 발생한 2차전자에 자기장을 플레밍 왼손법칙에 의해 나선운동시킴

직선운동>나선운동으로 전자의 운동이 바뀌면서 기체분자와 충돌 증가 > 플라즈마 증가

-> Sputtering 골정에 사용

 

5)RF Plasma

RF주파수 맞추아 전자가 왔다갔다 하며 충돌가능성 증가> Plasma 형성 효율이 DC대비 높음

Self - Bias : 전극에 +,-에 교차 인가되지만 작은 전극에 전자들이 몰리면서 특정 전극에 더 큰 Bias를 형성할 수 있다.

 

 

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1. RF Plasma : RIE Mode

웨이퍼를 파워전극에 위치 > Ion 타격에 의한 공정에 주로 사용

-RF 전원과 캐피시터(전극으로 전류가 흐르지 않게 방지하는 역할)가 연결된 전극(Power 전극)과 그라운드된 전극으로 구성 > 그라운드 전극과 벽과 연결되어 있기 때문에 상대적으로 한쪽 전극의 크기는 작아지게 된다.> Self Bias 발생

- Power 전극에 가공물을 올려 놓으면 강한 Ion Bombardment작용

 

2) RF Plasma : Plasma mode

웨이퍼를 그라운드 전극 위에 위치하는 방법 > Free radical의 확산에 의한 가공에 주로 사용(PECVD, 등방성 Etch, Ashing)

 

3)RF Plasma 종류

(1) Capacitive ( anisotropic etch)

두개의 전극 사이에 RF power를 주어 플라즈마 형성 > power를 높이면 density, energy 모두 증가

하지만 High ethc rate(높은 밀도)와 low plasma damage(낮은 에너지) 공정이 필요

 

> (2)Dual frequency capacitive discharge : 웨이어를 가공하는 쪽에 가하는 frequency와 플라즈마를 생성하는데 사용하는 RF를 다르게 사용

플라즈마는 높은 주파수로 플라즈마 density를 높이고 Bias의 경우는 낮은 RF로 잡아당기는 방식

 

현재는 ICP 방식 이용

 

플라즈마를 만드는 공간, 웨이퍼를 가공하는 공간 따로 형성

플라즈마를 잘 만들기 위해서는 전자들이 외벽에 충돌하지 않고 내부에서 이동하면서 기체분자와의 충돌가능성을 높여주어야 한다. > RF코일은 코일에 RF전류가 흐르기 되면 렌츠의 법치겡 따라 자기장이 유도가 된다. > 전자들이 챔버벽과 충돌하지 않고 내부를 원형으로 계속 움직이게 된다.

 

3)ECR(Electron Cyclotron Resonance) Plasma

자기장 속에서는 움직이는 전자의 회전 주파수에 맞춰 전자에 공명을 일으킴 > 전자가 강한 에너지를 얻어, 고밀도 플라즈마 형성 가능

 

4) Remote plasma Processes

: 플라즈마에서 이온을 쓰지 않고 라디칼만 따로 뽑아서 쓰는 공정에 사용(화학반응 강화)

5) Neutral Beam Source

: Ion의 charge에 의한 damage를 방지 > 이온을 중화 시켜 중성 상태의 beam으로 만들어 공정

Low Plasma damage